JP4785797B2 - 車両用の電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両を走行させるモータに電力を供給する組電池を備える車両用の電源装置に関する。

車両を走行させる車両用の電源装置は、出力を大きくするために、多数の充電できる電池を直列に接続して出力電圧を高くしている。たとえば、現在市販されているハイブリッドカーに搭載される電源装置は、多数の電池を直列に接続して出力電圧を２００Ｖ〜３００Ｖとしている。たとえば、定格電圧を１．２Ｖとするニッケル水素電池を直列に接続して出力電圧を２８８Ｖとする電源装置は、２４０個の電池を直列に接続している。多数の電池を直列に接続する電源装置は、全ての電池を同じ電流で充電し、また放電する。したがって、全ての電池が全く同じ電気特性であれば、電池の電圧と容量は等しくなる。しかしながら、多数の電池を直列に接続する電源装置は、全ての電池を同じ電気特性に揃えることはできない。このため、充放電を繰り返すにしたがって、経時的に各々の電池が劣化する状態が異なり、また、製造直後において、全く同じ電気特性でないことから、電圧と容量のアンバランスが大きくなる。電池のアンバランスは、特定の電池を加速して劣化させる原因となる。それは、劣化して容量の小さくなった電池は、劣化が大きくなる過充電と過放電の状態となりやすくなるからである。

とくに、車両用の電源装置は、多数の電池を直列に接続することから、全ての電池のアンバランスを少なくしながら充放電して寿命を長くすることが大切である。このことを実現するために、車両用の電源装置は、各々の電池の電圧等を検出し、あるいは特定の電池を放電して電池電圧のアンバランスを解消するためのセルコントローラを備えている。

車両の組電池は、多数の電池を備えることから、電池を複数のブロックに分割して、各々の電池ブロックにセルコントローラを接続して、ひとつのセルコントローラが管理する電池の個数を少なくする装置が開発されている。（特許文献１参照）

特許文献１の装置は、メインコントローラが、１週間毎に１０秒間、電源スイッチをオンとするタイマーを備えている。このメインコントローラで制御されるセルコントローラは、タイマーを備えている。組電池が１週間未使用で放置されると、タイマーが１０秒間、電源スイッチをオンに切り換えて、メインコントローラとセルコントローラを動作状態とする。この１０秒間にセルコントローラは、各電池の電圧を測定してメインコントローラにその値を送信する。メインコントローラは、バイパス放電時間を計算してセルコントローラにバイパス放電時間値を送信して、容量調整回路により各々の電池の容量調整を開始する。１０秒間経過後、電源スイッチがオフとなって、低消費電力状態に切り換えられる。

この電源装置は、一定の時間経過すると電源スイッチをオフに切り換えて低消費電力状態とするので、メインコントローラとセルコントローラを動作させる電源の無駄な電力消費を少なくできる。ただ、この電源装置は、メインコントローラを動作状態とする電源から各々のセルコントローラに電力を供給するので、セルコントローラに電力を供給する電源回路が複雑になる。とくに、セルコントローラの個数が多くなると、電源回路の数が膨大になり、より複雑になる欠点がある。それは、車両用の電源装置は、より高い安全性を実現するために、高電圧の組電池をメインコントローラのアースラインから絶縁しているので、メインコントローラの電源を絶縁して各々のセルコントローラの電源に供給するからである。この弊害は、各々の電池ブロックからこれに接続しているセルコントローラに電力を供給して解消できる。

ただ、各々のセルコントローラに電池ブロックから電力を供給する回路構成は、セルコントローラで組電池が放電される欠点がある。組電池は、車両を走行させるバッテリとして使用されることから、その消費電力を少なくすることが大切である。組電池の残容量が少なくなると、車両を走行できなくなるからである。

この弊害を防止するために、電池の制御回路を低消費電力状態に切り換える電源装置は開発されている。（特許文献１及び２参照）
特開２００３−２８２１５９号公報 特開２００２−３５４６９８号公報

特許文献２の装置は、複数のリチウム二次電池を直列に接続している組電池のセルコントローラを備える。セルコントローラは、抵抗及びスイッチを、各リチウム二次電池に並列に接続している。さらに、セルコントローラは、各リチウム二次電池の電圧を測定する測定手段と、測定手段に電源を供給する電源供給手段と、組電池の充放電開始前に測定手段により測定された電池電圧から計算され、各リチウム二次電池の残存容量値と残存容量値のうち最小残存容量値との差に相当する放電時間の間、組電池の充放電終了後も電源供給手段から作動電源の供給を受けてスイッチをオン状態としてバイパス放電制御を行う。バイパス放電制御の終了後、セルコントローラ全体を低消費電力状態として、組電池の放電を防止する。

この電源装置は、組電池の無駄な電力消費を防止できる。しかしながら、この電源装置は、正常に動作する状態においてのみ組電池の無駄な電力消費を防止でき、正常に動作しない状態で組電池の無駄な電力消費を防止できない。車両用の電源装置は、常に正常に動作する保証はない。たとえば、車両の製造工程やメンテナンス工程で、あるいは修理工場において、メインコントローラに電力を供給する車載バッテリが外されて、メインコントローラが正常に動作しなくなることがある。さらに、車両用の電源装置は、大きな外部雑音で誤動作することもあり、この状態になると、スイッチを確実にオフにして低消費電力状態にできなくなる欠点がある。

本発明は、さらにこの欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、異常な動作状態となっても車両を走行させる組電池の無駄な電力消費を確実に阻止できる車両用の電源装置を提供することにある。

本発明の車両用の電源装置は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
車両用の電源装置は、複数の充電できる電池セル３を直列に接続して、車両を走行させるモータに電力を供給する組電池１と、この組電池１を複数の電池ブロック２に分割して、各々の電池ブロック２に接続しているセルコントローラ４と、各々のセルコントローラ４に所定のタイミングで信号を出力するメインコントローラ５とを備える。各々のセルコントローラ４の電源回路８は、電池ブロック２から電力を供給している。さらに、メインコントローラ５の電源回路９は、車両に搭載される車載バッテリ１５から電力を供給している。各々のセルコントローラ４の電源回路８は、電池ブロック２から供給される電力を低消費電力状態に切り換える切換機能１４と、メインコントローラ５から入力される信号を検出して切換機能１４を制御する制御回路１３とを備える。制御回路１３は、設定時間にメインコントローラ５から信号が入力されない、信号の非入力状態を検出して、切換機能１４を低消費電力状態に切り換えて、組電池１の電力消費を低減する。

本発明の車両用の電源装置は、各々の電池ブロック２が、互いに直列に接続してなる複数の電池セル３を備え、セルコントローラ４が、これを接続している電池ブロック２の電池セル３を放電してセルバランスを均等化する均等化回路７を備える。

さらに、本発明の車両用の電源装置は、制御回路１３が、第２の設定時間にメインコントローラ５から信号が入力されない、信号の非入力状態を検出して、電池セル３の放電を停止するように均等化回路７を制御している。

さらに、本発明の車両用の電源装置は、制御回路１３が、切換機能１４を低消費電力状態に切り換える設定時間よりも、均等化回路７の放電を停止させる第２の設定時間を長く設定している。

さらに、本発明の車両用の電源装置は、各々の電池ブロック２が、複数の電池セル３を備え、セルコントローラ４がこれを接続している電池ブロック２を構成する各々の電池セル３の電圧を検出する電圧検出回路を備える。

さらに、本発明の車両用の電源装置は、メインコントローラ５が、信号を絶縁状態で伝送する絶縁通信回路６を備え、この絶縁通信回路６を介してメインコントローラ５の信号をセルコントローラ４に伝送している。

さらにまた、本発明の車両用の電源装置は、車載バッテリ１５を、車両の電装品に電力を供給する電装用バッテリとしている。

本発明の車両用の電源装置は、異常な動作状態においても、車両を走行させる組電池の無駄な電力消費を確実に阻止できる特徴がある。それは、本発明の電源装置が、各々のセルコントローラの電源回路に、電池ブロックから供給される電力を低消費電力状態に切り換える切換機能と、メインコントローラから入力される信号を検出して切換機能を制御する制御回路とを備えており、この制御回路が、設定時間にメインコントローラから信号が入力されない、信号の非入力状態を検出して、切換機能を低消費電力状態に切り換えて、組電池の電力消費を低減するからである。車載バッテリから電力が供給されて正常に動作するメインコントローラは、セルコントローラに一定のタイミングで信号を出力している。しかしながら、バッテリシステムの動作中に車載バッテリが外された場合、あるいは大きな外部雑音が入力されるなどの異常な状態となってセルコントローラの動作が開始された場合、メインコントローラの指令が無い状態でセルコントローラの動作が継続する。制御回路は、メインコントローラからの信号を検出し、タイマーの設定時間に信号が入力されないと、メインコントローラが動作していないタイミングであると判定して、セルコントローラの電源回路に設けている切換機能を低消費電力状態に切り換える。これにより、セルコントローラが低消費電力状態となって組電池の無駄な電力消費は阻止される。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための車両用の電源装置を例示するものであって、本発明は電源装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図１に示す車両用の電源装置は、ハイブリッドカーや電動車両に搭載されて、車両を走行させるモータに電力を供給する組電池１を備える。組電池１は、複数の充電できる電池を直列に接続している。組電池１の電池はリチウムイオン二次電池である。リチウムイオン二次電池は電圧が高く、少ない個数を直列に接続して出力電圧を高くできる。ただ、組電池の電池は、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池等の充電できる全ての電池とすることができる。組電池１は、直列に接続する電池の個数で出力電圧を調整している。車両用の電源装置は、組電池１の出力電圧を、たとえば、２００Ｖ以上、好ましくは２５０Ｖ以上としている。ただ、車両用の電源装置は、組電池の出力電圧を昇圧する構成とすることもできるので、組電池の出力電圧を１００Ｖ以上とすることもできる。

組電池１は、複数の電池ブロック２に分割している。組電池１は、たとえば、１組の電池ブロック２を、１個ないし１０個程度の電池セル３で構成するように分割している。組電池は、分割する電池ブロックの数を多くして、各々の電池ブロックに含まれる電池セルの個数を少なく構成した場合、セルコントローラ１回路の構成は簡単となるが、セルコントローラの数が増加する。分割される電池ブロックの数が少ない電源装置は、これに接続するセルコントローラの個数を少なく構成できるが、管理する電池数が増えるため、セルコントローラ１回路あたりの構成は複雑となる。したがって、組電池を分割する電池ブロックの数は、組電池を構成する電池セルの個数と、セルコントローラの部品コストと、電池セルの管理状態とを考慮して最適値に設定される。

電池ブロック２を構成する電池セル３は、ひとつの素電池、あるいは複数の素電池を直列に接続している電池モジュールである。電池セルをひとつの素電池とする電源装置は、セルコントローラがひとつの電池単位で電池電圧を検出し、またアンバランスを解消するので理想的な状態に電池を管理できる。電池セルを電池モジュールとする電源装置は、電池モジュールの単位で電池の電圧を検出し、また電池のアンバランスを解消する。電池セルをひとつの素電池とする組電池は、電池をリチウムイオン二次電池とする電源装置に適している。また、電池セルを複数の素電池を直列に接続している電池モジュールとする組電池は、電池をニッケル水素電池とする電源装置に適している。

さらに、図１の電源装置は、各々の電池ブロック２に接続しているセルコントローラ４と、各々のセルコントローラ４に所定のタイミングで信号を出力するメインコントローラ５とを備える。メインコントローラ５は、信号を絶縁状態で伝送する絶縁通信回路６を備え、この絶縁通信回路６を介して信号をセルコントローラ４に伝送する。絶縁通信回路６は、光やトランスで信号を絶縁してメインコントローラ５からセルコントローラ４に伝送する。

セルコントローラ４は、これを接続している電池ブロック２を構成する電池セル３の状態を検出してメインコントローラ５に電池情報を伝送し、また、特定の電池セル３を放電して電池セル３間の充電状態のアンバランスを解消する均等化回路を内蔵する。電池セル３の状態を検出する回路は、各々の電池セル３の電圧を検出する電圧検出回路（図示せず）である。電池セルをひとつの素電池とする電源装置は、電圧検出回路が各々の素電池の電圧を検出して電池情報をメインコントローラに伝送する。電池セルを電池モジュールとする電源装置は、電圧検出回路が電池モジュールの電圧を検出してメインコントローラに伝送する。

均等化回路は、各々の電池セル３の電圧を検出し、電圧が高い電池セル３を放電してセルバランスを均等化する。図２は、均等化回路７を備えるセルコントローラ４の回路図を示す。図の均等化回路７は、各々の電池セル３を放電するための放電抵抗１１と放電スイッチ１２の直列回路を備える。この図のセルコントローラ４は、均等化回路７の放電スイッチ１２を制御する入力回路１０を備える。入力回路１０は、各々の電池セル３の電圧を検出して、放電スイッチ１２をオンオフに制御して、セルコントローラ４のアンバランスを解消する。均等化回路７は、放電スイッチ１２をオンに切り換えて、放電抵抗１１と放電スイッチ１２の直列回路を接続している電池セル３を放電する。均等化回路７は、電圧が高い電池セル３と並列に接続している放電スイッチ１２をオンに切り換えて高電圧な電池セル３を放電する。電池セル３が放電されて電圧が他の電池セル３に等しくなると放電スイッチ１２をオフに切り換えて放電を停止する。

各々のセルコントローラ４を動作させる電源回路８は、各々のセルコントローラ４を接続している電池ブロック２に接続されている。各々のセルコントローラ４は、これを接続している電池ブロック２から電力を供給するようにしているので、各々のセルコントローラ４のグランドラインは電池ブロック２のマイナス側となる。したがって、各々のセルコントローラ４のグランドラインは互いに接続されずに、電位差がある状態となる。さらに、セルコントローラ４の全てのグランドラインは、メインコントローラ５のグランドラインに接続されない。高電圧の組電池１を車両のシャーシーアースに接続しない回路構成は、漏電や感電を防止して安全性を高くできる。

メインコントローラ５の電源回路９は、車両に搭載される車載バッテリ１５に接続されて車載バッテリ１５から電力を供給するようにしている。車載バッテリ１５は、車両の電装品に電力を供給する１２Ｖの電装用バッテリが使用できる。

各々のセルコントローラ４の電源回路８は、電池ブロック２から供給される電力を低消費電力状態に切り換える切換機能１４と、メインコントローラ５から入力される信号を検出して切換機能１４を制御する制御回路１３とを備えている。図１の切換機能１４は、ＦＥＴからなる半導体スイッチング素子で構成している。このスイッチがＯＦＦの場合、セルコントローラ４の回路は動作を停止し、電池ブロック２の消費電流を極めて低減する。この切換機能は、リレーのように制御回路でオンオフに制御できる全てのスイッチが使用できる。

メインコントローラ５は、一定の周期でセルコントローラ４を制御する信号を出力している。たとえば、メインコントローラ５は、１００ｍｓｅｃの周期でセルコントローラ４を制御する信号を信号している。ただし、メインコントローラは、１０μｓｅｃないし１分の周期で信号をセルコントローラに出力することもできる。たとえば、メインコントローラ５は、バッテリシステムが車両走行用に使用されている間は、１０ｍｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃ程度の周期でセルコントローラに出力して電池の状態を短時間で判断し、車両走行に使用されていないパーキング中では、数分〜数十分程度の周期で均等化回路を制御し充電量調整を行う、という制御を行う。

制御回路１３は、設定時間を記憶するタイマー（図示せず）を内蔵している。制御回路１３は、タイマーの設定時間に、メインコントローラ５から信号が入力されない、信号の非入力状態を検出すると、切換機能１４を低消費電力状態に切り換えて、組電池１の電力消費を低減する。タイマーの設定時間は、正常な動作状態にあるメインコントローラ５がセルコントローラ４に出力する信号の周期よりも長く設定される。たとえば、メインコントローラ５が１００ｍｓｅｃの周期で信号をセルコントローラ４に出力する電源装置は、タイマーの設定時間を１ｓｅｃないし１０ｓｅｃに設定する。制御回路１３は、この設定時間にメインコントローラ５から信号が入力されないと、切換機能１４をオフに切り換えてセルコントローラ４を低消費電力状態とする。各々のセルコントローラ４の電源回路８には切換機能１４を設けているので、制御回路１３は設定時間にメインコントローラ５から信号が入力されないと全ての切換機能１４をオフに切り換えて、全てのセルコントローラ４を低消費電力状態とする。

さらに、均等化回路７を備えるセルコントローラ４を制御する制御回路１３は、異常時に均等化回路７を制御する可能性がある。この制御回路１３は、異常時に電池セル３の放電を停止するために第２の設定時間を記憶している。第２の設定時間は、切換機能１４をオフに切り換えて低消費電力状態とする設定時間よりも長く、たとえば６０分に設定される。この制御回路１３は、第２の設定時間にメインコントローラ５から信号が入力されない、信号の非入力状態を検出して、均等化回路７を制御して、電池セル３の放電を強制的に停止させる。すなわち、制御回路１３は、第２の設定時間に信号の非入力状態を検出すると、入力回路１０を制御して放電スイッチ１２を強制的にオフ状態として、電池セル３の放電を強制的に停止する。

本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置のブロック図である。 均等化回路を備えるセルコントローラの一例を示す回路図である。

符号の説明

１…組電池
２…電池ブロック
３…電池セル
４…セルコントローラ
５…メインコントローラ
６…絶縁通信回路
７…均等化回路
８…電源回路
９…電源回路
１０…入力回路
１１…放電抵抗
１２…放電スイッチ
１３…制御回路
１４…切換機能
１５…車載バッテリ

Claims (4)

1. 複数の充電できる電池セル(3)を直列に接続して、車両を走行させるモータに電力を供給する組電池(1)と、この組電池(1)を複数の電池ブロック(2)に分割して、各々の電池ブロック(2)に接続しているセルコントローラ(4)と、各々のセルコントローラ(4)に所定のタイミングで信号を出力するメインコントローラ(5)とを備え、
   各々のセルコントローラ(4)の電源回路(8)は、電池ブロック(2)から電力を供給しており、
   さらに、メインコントローラ(5)の電源回路(9)は、車両に搭載される車載バッテリ(15)から電力を供給するようにしてなる車両用の電源装置であって、
   各々のセルコントローラ(4)の電源回路(8)が、電池ブロック(2)から供給される電力を低消費電力状態に切り換える切換機能(14)と、前記メインコントローラ(5)から入力される信号を検出して切換機能(14)を制御する制御回路(13)とを備えており、
   前記制御回路(13)が、設定時間にメインコントローラ(5)から信号が入力されない、信号の非入力状態を検出して、切換機能(14)を低消費電力状態に切り換えて、組電池(1)の電力消費を低減するようにしてなり、
   各々の電池ブロック(2)が、互いに直列に接続してなる複数の電池セル(3)を備え、セルコントローラ(4)が、これを接続している電池ブロック(2)の電池セル(3)を放電してセルバランスを均等化する均等化回路(7)を備え、
   前記制御回路(13)が均等化回路(7)を制御し、制御回路(13)は、第２の設定時間にメインコントローラ(5)から信号が入力されない、信号の非入力状態を検出して、電池セル(3)の放電を停止するように均等化回路(7)を制御し、
   前記制御回路(13)が、切換機能(14)を低消費電力状態に切り換える設定時間よりも、前記均等化回路(7)の放電を停止させる第２の設定時間を長く設定している車両用の電源装置。
2. 各々の電池ブロック(2)が、複数の電池セル(3)を備え、セルコントローラ(4)がこれを接続している電池ブロック(2)を構成する各々の電池セル(3)の電圧を検出する電圧検出回路を備える請求項１に記載される車両用の電源装置。
3. 前記メインコントローラ(5)が、信号を絶縁状態で伝送する絶縁通信回路(6)を備え、この絶縁通信回路(6)を介してメインコントローラ(5)の信号がセルコントローラ(4)に伝送されるようにしてなる請求項１に記載される車両用の電源装置。
4. 前記車載バッテリ(15)が、車両の電装品に電力を供給する電装用バッテリである請求項１に記載される車両用の電源装置。
   

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