JP4770470B2

JP4770470B2 - 車両用駆動装置

Info

Publication number: JP4770470B2
Application number: JP2006005691A
Authority: JP
Inventors: 一佐藤; 拓哉木下; 恭一渡邉; 孝昭安部; 英明堀江
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-01-13
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2026-01-13
Also published as: JP2007189829A

Description

本発明は、複数の電池を直列、並列または直並列に接続した電池群からなる組電池、電圧や電流量を調整するインバータおよび駆動モータを備えた車両用駆動装置、並びに該車両用駆動装置を搭載した車両に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車には、特許文献１のように様々な構成の組電池（電池群）が搭載されており、該電池群のほか、必要な電圧や電流量を調整するために制御回路としてインバータが備えられている。従来、インバータと電池群との間には、電池群の短絡などによる異常電流を遮断するために電流遮断装置を設けていた。

たとえば、特許文献２のように、車両の搭載電源にスイッチ（ヒューズ）を設け、異常電流の発生時にはスイッチ（ヒューズ）により搭載電源を電気的に切り離す技術が開示されており、これにより電源システムの信頼性の向上を図っている。
特開２００５−２１６６３１号公報特開平９−２４０３９２号公報

しかしながら、インバータと電池群との間に異常電流を遮断するために電流遮断装置を設ける構成では、電流遮断装置の電流閾値（作動閾値）が大きく（たとえば、３００Ａ）、電流遮断装置が作動するまでにかなりの電流が流れてしまい、電池が発熱する虞がある。これは、電流遮断装置を設けている部位が、大電流を流す必要のある回路上であり、電流閾値を下げることが困難であることによる。

電源システム全体の出力特性を落とすことなく、より低い電流閾値（たとえば、１００Ａ）で電流遮断装置を作動させることができれば、電池の発熱を抑えることができ、電源システム全体の信頼性が向上する。

本発明は、より小さい電流閾値で電流遮断装置を作動させることができ、電流損失が小さく、電源システム全体の信頼性を向上させることができる車両用駆動装置、および該車両用駆動装置を搭載した車両を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、複数の電池を直列、並列または直並列に接続した電池群からなる組電池を、電圧や電流量を調整する制御回路を介して駆動機器に接続する車両用駆動装置において、前記組電池が、高容量であるが、出力電流が小さい高容量型電池群と、容量は少ないが、出力電流が大きい高出力型電池群とから構成され、前記高容量型電池群と前記高出力型電池群とを並列に接続するとともに、該高出力型電池群を介して前記制御回路に接続し、前記高容量型電池群と前記高出力型電池群との間及び前記高出力型電池群と前記制御回路との間に、電源システムに発生した異常を検知して前記制御回路に供給する電流を遮断する遮断装置を設け、前記高容量型電池群と前記高出力型電池群との間に設けた遮断装置と、前記高出力型電池群と前記制御回路との間に設けた遮断装置との動作条件の比は、前記高容量型電池群と前記高出力型電池群との内部抵抗の比に反比例することを特徴とする車両用駆動装置である。

本発明によれば、高容量型電池群と高出力型電池群とを並列に接続して組電池を構成し、高出力型電池群を介してインバータに接続し、少なくとも高容量型電池群と高出力型電池群との間に、電源システムに発生した異常を検知して前記制御回路に供給する電流を遮断する遮断装置を設けたので、高容量型電池群と高出力型電池群との間の遮断装置を含む回路には通常は大電流が流れず、電流閾値を下げることができる。したがって、電源システムに異常電流が発生したときには、より小さい電流閾値で遮断装置を作動させることができ、電流損失が小さく、電源システム全体の信頼性を向上させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る車両用駆動装置について説明する。図１は、第１の実施形態の車両用駆動装置の構成を示す模式図である。

図１に示すように、第１の実施形態の車両用駆動装置１０は、複数の電池を直列、並列または直並列に接続した電池群からなる組電池２０と、電気自動車やハイブリッド自動車等を電気的に駆動する車両の駆動機器としての駆動モータ３０と、組電池２０から該駆動モータ３０に供給する電圧や電流量を調整する制御回路としてのインバータ４０とを備えている。

本実施形態の組電池２０は、高容量であるが、出力電流が比較的小さい高容量型電池群２１と、容量は少ないが、出力電流が大きい高出力型電池群２２との２電池群から構成されている。これら高容量型電池群２１と高出力型電池群２２とは接続回路６０によって並列に接続されており、組電池２０は、高出力型電池群２２を介して接続回路５０によって上記インバータ４０に接続されている。

そして、少なくとも高容量型電池群２１と高出力型電池群２２との間には、電源システムに発生した異常電流値よりも小さい電流閾値で電流を遮断する遮断装置としての電流遮断装置Ｂが設けられている。本実施形態では、高出力型電池群２２とインバータ４０との接続回路５０に異常電流値（たとえば、３００Ａ）とほぼ等しい電流閾値（たとえば、３００Ａ）で切り離し作動する遮断装置としての電流遮断装置Ａを設けており、また、高容量型電池群２１と高出力型電池群２２との接続回路６０に異常電流値（たとえば、３００Ａ）よりも小さい電流閾値（たとえば、１００Ａ）で切り離し作動する電流遮断装置Ｂを設けている。電流遮断装置Ａ、Ｂとしては、たとえば、半導体スイッチやヒューズ等が挙げられる。

ここで、異常電流を定義すると、たとえば、高出力電池群２２と駆動モータ３０との間に３００Ａの電流が流れるとすると、３００Ａ以上が異常電流となる。

本発明では、組電池２０を高出力型電池群と高容量型電池群との２群に分け、このうち、出力電流が小さい高容量側の電流遮断装置Ｂを用いて、高容量型電池群２１をより低い電流閾値で遮断する。高出力側の電流遮断装置Ａは、大電流を流す必要があるので、電流閾値を大きくせざるを得ない。組電池２０を高出力型電池群と高容量型電池群との２電池群に分け、両者の電池群２１、２２の間に電流遮断装置Ｂを設けると、当該電流遮断装置Ｂを含む接続回路６０には、通常、大電流が流れないので、電流閾値を下げることができる。そして、異常電流の発生時には、高容量側の電流遮断装置Ｂを遮断することにより、当該電流遮断装置Ｂより右側の接続回路５０には大電流が流れなくなるので、電源システムを保護することができる。

すなわち、電源システムの異常時における信頼性は、電源システムの電気容量に大きく依存するため、高容量型電池群２１を素早く切り離すことにより、電源システム全体の信頼性が向上する。よって、出力電流の大きな高出力型電池群２２においても、高容量型電池群２１の電流に合わせて、当該高容量型電池群２１を切り離せば、電源システムの電気容量は大幅に低下するので、電源システムの安全は確保される。

具体的には、高容量型電池群２１と高出力型電池群２２との間に設けた電流遮断装置Ｂの作動条件は、たとえば、以下（１）から（７）のように設定する。
（１）電流遮断装置Ｂを含む接続回路６０の電流値が０．１秒以上連続して−１００Ａ〜１００Ａの範囲を外れたときに、電流遮断装置Ｂが切り離し作動するように設定する。
（２）また、組電池２０の総電圧が０．１秒以上連続して（２．５Ｖ〜４．２Ｖ）×セル数の範囲を外れたときに、電流遮断装置Ｂが切り離し作動するように設定する。
（３）組電池２０を構成する単セル電圧が０．１秒以上連続して２．５Ｖ〜４．２Ｖの範囲を外れたときに、電流遮断装置Ｂが切り離し作動するように設定する。
（４）組電池２０を構成する単セル電圧の和が、組電池２０の総電圧±４Ｖの範囲を外れたときに、電流遮断装置Ｂが切り離し作動するように設定する。
（５）組電池２０を構成する単セルの電圧が、単セルの電圧の平均値±０．２Ｖの範囲を外れたときに、電流遮断装置Ｂが切り離し作動するように設定する。
（６）組電池２０を構成する単セルの温度が５０℃〜６０℃以上になったときに、電流遮断装置Ｂが切り離し作動するように設定する。
（７）ボディアース（車体接地）と組電池との間の交流インピーダンス（５０Ｈｚ〜１０００Ｈｚ）が１ＭΩ以下のときに、電流遮断装置Ｂが切り離し作動するように設定する。

また、電流遮断装置Ｂ、Ａの動作条件の比は、高容量型電池群２１と高出力型電池群２２との内部抵抗の比に反比例するように設定することが好ましい。これは、並列に接続された高容量型電池群２１と高出力型電池群２２とに流れる電流比は抵抗値に反比例するので、高抵抗の電池群側により小さな電流閾値の電流遮断装置Ｂを設けることができるからである。

なお、高容量型電池群と高出力型電池群との接続回路６０に流れる電流を、たとえば、１００Ａ程度に設定しても電源システムとしての能力は下がらない。つまり、１００Ａを超えるような電流が流れるのは短い時間であり、高出力型電池群２２のみで電力を供給することができる。要求電力が下がっている間に高容量型電池群２１から１００Ａ程度で高出力型電池群２２に電力を移せばよい。

以上要するに、第１の実施形態の車両用駆動装置によれば、高容量であるが、出力電流が比較的小さい高容量電池群２１と、容量は少ないが、出力電流が大きい高出力電池群２２とを並列に接続することにより高出力かつ高容量となる組電池２０を構成し、高出力電池群２２を、インバータ４０を介して駆動モータ３０に接続し、高容量電池群２１と高出力電池群２２との間に異常電流値よりも小さな電流閾値で切り離し作動する電流遮断装置Ｂを設けることにより、より小さい電流閾値で高容量型電池群２１を切り離すことができ、電源システムの信頼性を向上させることができる。

また、高出力型電池群２２とインバータ４０との間にも電流遮断装置Ａを設けることにより、電源システムの安全性をより安定して確保することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る車両用駆動装置について説明する。図２は、第２の実施形態の車両用駆動装置の構成を示す模式図である。

図２に示すように、第２の実施形態の車両用駆動装置１００は、高容量型電池群２１と高出力型電池群２２との接続回路６０にのみ電流遮断装置Ｂを設けており、高出力型電池群２２とインバータ４０との接続回路５０には電流遮断装置を設けていない点が、第１の実施形態と異なっている。これは、高出力型電池群２２の容量が十分に小さい場合には、高出力型電池群２２とインバータ４０との間に電流遮断装置は設ける必要はないからである。

本実施形態の車両用駆動装置１００によれば、基本的には第１の実施形態と同様の作用効果を奏するが、特に、第２の実施形態によれば、電流遮断装置（たとえば、半導体スイッチ）の数が少ないので、電流遮断装置を通過する電流損失が小さく、かつ容量が小さくなれば電流遮断装置の定常的な損失も軽減することができる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る車両として自動車４００を示す概略構成図である。

第３の実施形態の車両は、第１および第２の実施形態の車両用駆動装置１０、１００を搭載している。すなわち、高容量電池群２１と高出力電池群２２とを並列に接続した組電池３００（図１および図２では組電池２０）を自動車や電車などの車両に搭載し、上記モータ３０などの駆動機器の駆動用電源に使用することができる。

図示する自動車４００は、たとえば、座席シートの下に組電池３００を搭載し、当該組電池３００をモータの駆動用電源として使用している。組電池３００をモータ駆動用電源として用いる自動車としては、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、各車輪をモータによって駆動している自動車等が挙げられる。第１および第２の実施形態における組電池２０を用いた電源システムは信頼性が高いことから、自動車の駆動用電源３００も高い信頼性を有する。

第１の実施形態の車両用駆動装置の構成を示す模式図である。第２の実施形態の車両用駆動装置の構成を示す模式図である。第３の実施形態に係る車両として自動車を示す概略構成図である。

符号の説明

１０車両用駆動装置、
２０組電池、
２１高容量電池群、
２２高出力電池群、
３０駆動機器（モータ）、
４０制御回路（インバータ）、
５０、６０接続回路、
Ａ、Ｂ電流遮断装置、
１００車両用駆動装置。

３００組電池、
４００自動車（車両）。

Claims

複数の電池を直列、並列または直並列に接続した電池群からなる組電池を、電圧や電流量を調整する制御回路を介して駆動機器に接続する車両用駆動装置において、
前記組電池が、高容量であるが、出力電流が小さい高容量型電池群と、容量は少ないが、出力電流が大きい高出力型電池群とから構成され、
前記高容量型電池群と前記高出力型電池群とを並列に接続するとともに、該高出力型電池群を介して前記制御回路に接続し、
前記高容量型電池群と前記高出力型電池群との間及び前記高出力型電池群と前記制御回路との間に、電源システムに発生した異常を検知して前記制御回路に供給する電流を遮断する遮断装置を設け、
前記高容量型電池群と前記高出力型電池群との間に設けた遮断装置と、前記高出力型電池群と前記制御回路との間に設けた遮断装置との動作条件の比は、前記高容量型電池群と前記高出力型電池群との内部抵抗の比に反比例することを特徴とする車両用駆動装置。
前記高容量型電池群と前記高出力型電池群との間に設けた遮断装置は、前記高出力型電池群と前記制御回路との間に設けた遮断装置よりも小さい閾値で作動することを特徴とする請求項１に記載の車両用駆動装置。
前記高容量型電池群と前記高出力型電池群との間に設けた遮断装置は、該遮断装置を含む回路の電流値が０．１秒以上連続して−１００Ａ〜１００Ａの範囲を外れたときに作動することを特徴とする請求項１または２に記載の車両用駆動装置。
前記高容量型電池群と前記高出力型電池群との間に設けた遮断装置は、前記組電池の総電圧が０．１秒以上連続して（２．５Ｖ〜４．２Ｖ）×セル数の範囲を外れたときに作動することを特徴とする請求項１または２に記載の車両用駆動装置。
前記高容量型電池群と前記高出力型電池群との間に設けた遮断装置は、前記組電池を構成する単セルの電圧が０．１秒以上連続して２．５Ｖ〜４．２Ｖの範囲を外れたときに作動することを特徴とする請求項１または２に記載の車両用駆動装置。
前記高容量型電池群と前記高出力型電池群との間に設けた遮断装置は、前記組電池を構成する単セルの電圧の和が、前記組電池の総電圧±４Ｖの範囲を外れたときに作動することを特徴とする請求項１または２に記載の車両用駆動装置。
前記高容量型電池群と前記高出力型電池群との間に設けた遮断装置は、前記組電池を構成する単セルの電圧が、単セルの電圧の平均値±０．２Ｖの範囲を外れたときに作動することを特徴とする請求項１または２に記載の車両用駆動装置。
前記高容量型電池群と前記高出力型電池群との間に設けた遮断装置は、前記組電池を構成する単セルの温度が５０℃〜６０℃以上になったときに作動することを特徴とする請求項１または２に記載の車両用駆動装置。
前記高容量型電池群と前記高出力型電池群との間に設けた遮断装置は、ボディアースと前記組電池との間の交流インピーダンス（５０Ｈｚ〜１０００Ｈｚ）が１ＭΩ以下のときに作動することを特徴とする請求項１または２に記載の車両用駆動装置。
請求項１〜請求項９のいずれかに記載の車両用駆動装置が搭載されていることを特徴とする車両。