JP5585616B2 - 回路保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源部の電圧を監視する監視回路を保護する回路保護装置に関する。

従来、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車では、多数の電池セルが直列に接続された組電池を電源部として備え、当該電源部で発生させた電圧により走行用電動モータを駆動させている。この種の電源部は、電圧異常に伴う発熱、焼損、劣化等を防止すべく、その電圧を監視する監視回路に接続されている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、電源部および監視回路間は、電圧検出用の複数の検出ラインによって電気的に接続されており、周辺機器等の影響によって電源部に過電圧が発生したり、検出ラインに大電流が流れたりすると、監視回路が破壊されてしまう虞がある。それ故、電源部および監視回路間に、監視回路を保護する回路保護装置を設ける必要がある。

この回路保護装置としては、例えば、ヒューズ等の回路保護素子を各検出ライン上に設ける構成が挙げられる。これによれば、検出ラインに定格電流以上の大電流が流れた際には、検出ラインの回路保護素子が破断することで、監視回路への過電流を抑制可能となる。

また、回路保護装置としては、電源部と併設されるようにツェナダイオード（過電圧保護素子）を各検出ライン間に接続する構成とすることができる。これによれば、電源部に過電圧が発生した際には、ツェナダイオードを介して各検出ライン間に短絡電流が流れることで、監視回路に印加される電圧を一定電圧に保持可能となる。

特許第４５３７９９３号公報

ところで、電源部に過電圧が発生した際に各検出ラインに流れる電流は、監視回路の内部構成（インピーダンス）に応じて変化することから、回路保護装置をヒューズ等の回路保護素子で構成する場合、過電圧発生時に検出ラインを遮断するように回路保護素子の定格電流を設定することが難しく、監視回路を適切に保護することができない。

一方、回路保護装置をツェナダイオード等の過電圧保護素子で構成する場合、電源部に過電圧が発生した際に各検出ライン間に流れる大電流（短絡電流）によって、過電圧保護素子が破壊されてしまうことがある。この際、過電圧保護素子の故障が、内部の電流経路が破断するオープン故障であると、電源部にて発生した過電圧が監視回路に印加され、監視回路が破壊される虞がある。

このように、従来の回路保護装置では、電源部に発生した過電圧から監視回路を適切に保護することができず、監視回路における各素子を、耐電圧の高い高耐圧素子で構成したり、監視回路内に保護素子を追加したりする必要があり、電源系統における回路構成の複雑化やコスト増大を回避できない。

本発明は上記点に鑑みて、電源部に発生した過電圧から監視回路を適切に保護可能な回路保護装置を提供することを目的とする。

本発明は、電源部（１）の電圧を監視する監視回路（２２）を保護する回路保護装置を対象としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、電源部（１）の電圧を監視する監視回路（２２）を保護する回路保護装置であって、電源部および監視回路との間を接続する電圧検出用の複数の検出ライン間に接続され、過電圧が印加された際に短絡故障する過電圧保護素子（２１２）と、複数の検出ラインそれぞれに設けられ、所定電流値以上の電流が検出ラインに流れた際に電源部と監視回路との間の電気的接続を遮断する回路保護素子（２１１）を備え、過電圧保護素子は、電源部に過電圧が発生した際に、短絡故障して複数の検出ライン間を短絡状態に維持するように構成され、回路保護素子は、電源部に過電圧が発生した際に、過電圧保護素子を介して検出ライン間に流れる短絡電流によって、電源部と監視回路との間の電気的接続を遮断するように構成されていることを特徴としている。

これによれば、電源部に過電圧が発生した際、過電圧保護素子によって複数の検出ライン間が短絡状態に維持されると共に、回路保護素子によって電源部と監視回路との間の電気的接続を遮断されるので、電源部に発生した過電圧から監視回路を適切に保護することができる。

この結果、電源部に発生する過電圧による監視回路の故障を防止するために、監視回路を耐電圧の高い高耐圧素子で構成したり、監視回路内に保護素子を追加したりする必要がなく、監視回路の適切な保護に伴う回路構成の複雑化やコスト増大を抑制することができる。

これに加えて、回路保護素子は、電源部に過電圧が発生した際に各検出ライン間に流れる短絡電流を基準に、遮断電流（定格電流）を設定することができるので、回路保護素子の選定が容易となる。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の回路保護装置において、過電圧保護素子は、過電圧が印加された際に短絡故障するツェナダイオード（ＺＤ）で構成されていることを特徴としている。

これによれば、ツェナダイオードが短絡故障した際に、各検出ライン間に流れる短絡電流によって各検出ラインを遮断する回路保護素子であれば使用することができるので、回路保護素子の選択肢が増えて、回路保護素子の選定が容易となる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態に係る電源システムの全体構成図である。 第１実施形態に係る電池監視装置の要部を示す構成図である。 第１実施形態に係るツェナダイオードを示す模式図である。 第２実施形態に係る電池監視装置の要部を示す構成図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。本実施形態では、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される電源システムに、本発明の回路保護装置を適用している。図１に示すように、本実施形態の電源システムは、主たる構成要素として、組電池１、および電池監視装置２を備えている。

組電池１は、図示しない走行用電動モータを主として、車載された各種電気負荷に給電するものであり、本発明の電源部を構成している。本実施形態の組電池１は、リチウムイオン電池等の二次電池からなる電池セル１０を複数直列に接続したもので、互いに隣接する所定数の電池セル１０毎にグループ化した複数の電池ブロックＢ１〜Ｂｎの直列接続体として構成されている。

電池監視装置２は、組電池１の電圧等の各種状態を検出して、組電池１を監視する装置であり、電圧検出用の検出ラインＬ等を介して組電池１の各電池セル１０の両端子に接続されている。

本実施形態の電池監視装置２は、主たる構成要素として、回路保護部２１、複数の監視回路２２、制御部２３、絶縁部２４を備えている。

回路保護部２１は、組電池１から監視回路２２を保護する回路保護装置であり、回路保護素子２１１、および過電圧保護素子２１２を備えている。回路保護素子２１１は、各検出ラインＬに設けられ、所定電流値以上の電流が検出ラインＬに流れた際に組電池１側と監視回路２２との間の電気的接続を遮断する素子である。また、過電圧保護素子２１２は、各検出ラインＬ間に接続され、監視回路２２に印加される電圧を一定電圧に保持する素子である。回路保護部２１における回路保護素子２１１、および過電圧保護素子２１２の詳細については後述する。

監視回路２２は、組電池１の電池ブロックＢ１〜Ｂｎ毎に対応して複数設けられ、組電池１における電池ブロックＢ１〜Ｂｎのブロック電圧や電池セル１０のセル電圧を監視する回路である。本実施形態の監視回路２２は、絶縁部２４を介して組電池１の電圧状態等を示す信号を制御部２３に対して出力するように構成されている。

制御部２３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ等からなるマイクロコンピュータ、およびその周辺機器で構成され、ＲＯＭ等の記憶手段に記憶された制御プログラムに従って各監視回路２２の制御処理や組電池１の電圧異常の判定処理等といった各種処理を実行するように構成されている。

絶縁部２４は、各監視回路２２および制御部２３の間を絶縁した状態で、双方向に信号を伝達する信号伝達手段であり、例えば、フォトカプラ等で構成されている。

続いて、本実施形態の回路保護部２１の詳細ついて図２の要部構成図を用いて説明する。なお、説明の便宜上、図２では、複数の電池ブロックＢ１〜Ｂｎのうち、１つの電池ブロックＢｉ、当該電池ブロックＢｉを監視する監視回路２２、および当該監視回路２２を保護する回路保護部２１を図示している。

本実施形態の過電圧保護素子２１２は、電池ブロックＢｉに発生した過電圧が監視回路２２に印加されることを防止する素子であり、電池ブロックＢｉを構成する電池セル１０の一部に過電圧が発生した際に、当該電池セル１０の両端子に接続された検出ライン間を短絡状態（導通状態）に維持するように構成されている。

本実施形態では、過電圧保護素子２１２をツェナダイオードＺＤで構成しており、図２に示すように、当該ツェナダイオードＺＤ１〜ＺＤｎが、各検出ラインＬ１〜Ｌｎ＋１間に接続されている。

本実施形態のツェナダイオードＺＤは、電池セル１０の電圧、および監視回路２２の耐電圧を考慮して降伏電圧（例えば、電池セル１０の満充電電圧の数倍）が設定されている。なお、各ツェナダイオードＺＤ１〜ＺＤｎは、電池セル１０の両端子に接続された一対の検出ラインのうち、電池セル１０の高電位側の端子に接続された検出ラインにカソードが接続され、低電位側の端子に接続された検出ラインにアノードが接続されている。

また、本実施形態では、過電圧が印加された際に、短絡故障（ショート故障）する構造のツェナダイオードＺＤを採用している。具体的には、図３の模式図に示すように、本実施形態のツェナダイオードＺＤは、ＰＮ接合型のＩＣチップ２１２ａ、一端側にて当該ＩＣチップ２１２ａを狭持する一対のリードフレーム２１２ｂ、２１２ｃ、およびＩＣチップ２１２ａ、およびリードフレーム２１２ｂ、２１２ｃの一部を覆う樹脂性の外装部２１２ｄで構成される。

なお、ツェナダイオードＺＤが、ＩＣチップ２１２ａとリードフレーム２１２ｂ、２１２ｃとをワイヤでボンディングする構造であると、過電圧が印加された際に、ワイヤが破断してオープン故障してしまう可能性がある。このため、本実施形態では、一対のリードフレーム２１２ｂ、２１２ｃにてＩＣチップ２１２ａを直接狭持する構造のツェナダイオードＺＤを採用している。

続いて、本実施形態の回路保護素子２１１は、過電圧発生時に、過電圧保護素子２１２を介して検出ラインＬ間に流れる短絡電流によって、過電流が発生した電池セル１０の両端子と監視回路２２との間の電気的接続を遮断するように構成されている。つまり、回路保護素子２１１は、過電圧発生時に、過電圧保護素子２１２を介して検出ラインＬ間に流れる短絡電流によって破断する素子を用いている。

具体的には、本実施形態では、回路保護素子２１１を定格電流以上の電流が流れた際に破断するヒューズＦで構成しており、図２に示すように、当該ヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１が各検出ラインＬ１〜Ｌｎ＋１に設けられている。

本実施形態のヒューズＦは、過電圧にてツェナダイオードＺＤが短絡故障した際に、検出ラインＬに流れる大電流によって破断するように構成されている。つまり、ヒューズＦの定格電流が、過電圧にてツェナダイオードＺＤが短絡故障した際の検出ラインＬに流れる大電流を基準に設定している。なお、ヒューズＦにおける抵抗成分が大きいと、監視回路２２における電圧監視の精度等に影響があるため、小さい抵抗値となるヒューズＦを選定することが望ましい。

次に、組電池１に過電圧が発生した際の回路保護部２１の作用について説明する。組電池１に過電圧が発生し、ツェナダイオードＺＤ１〜ＺＤｎに降伏電圧を超える電圧が印加されると、組電池１およびツェナダイオードＺＤ１〜ＺＤｎ間に形成される閉回路に大電流（短絡電流）が流れる。

この際、ツェナダイオードＺＤ１〜ＺＤｎが短絡故障すると、組電池１およびツェナダイオードＺＤ１〜ＺＤｎ間に形成される閉回路に大電流（短絡電流）が流れ続け、当該大電流によって、ヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１が破断して、組電池１と監視回路２２との間の電気的接続が遮断される。これによれば、監視回路２２側に過電圧が印加されないので、組電池１にて発生した過電圧から監視回路２２が適切に保護される。

例えば、図２に示す電池ブロックＢｉの２番目に高電位となる電池セル１０に過電圧が発生し、ツェナダイオードＺＤ２に降伏電圧を超える電圧が印加されると、電池セル１０、検出ラインＬ２、Ｌ３、およびツェナダイオードＺＤ２で形成される閉回路に大電流（短絡電流）が流れる（図２の太線矢印参照）。

この際、ツェナダイオードＺＤ１〜ＺＤｎが短絡故障すると、電池セル１０１およびツェナダイオードＺＤ２間に形成される閉回路に大電流（短絡電流）が流れ続けることで、ヒューズＦ２が破断して、電池セル１０と監視回路２２との間の電気的接続が遮断される。

以上説明した本実施形態の回路保護部２１は、組電池１に過電圧が発生した際に各検出ラインＬ間が短絡状態に維持する過電圧保護素子２１２と、組電池１に過電圧が発生した際に過電圧保護素子２１２を介して各検出ラインＬ間に流れる大電流によって破断する回路保護素子２１１で構成している。

これよれば、組電池１に過電圧が発生した際に、過電圧保護素子２１２によって各検出ラインＬ間が短絡状態に維持されると共に、回路保護素子２１１によって組電池１と監視回路２２との間の電気的接続を遮断されるので、組電池１に発生した過電圧から監視回路２２を適切に保護することができる。

この結果、組電池１に発生する過電圧による監視回路２２の故障を防止するために、監視回路２２を耐電圧の高い高耐圧素子で構成したり、監視回路２２内に保護素子を追加したりする必要がなく、監視回路２２の適切な保護に伴う回路構成の複雑化やコスト増大を抑制することができる。

これに加えて、回路保護素子２１１は、組電池１に過電圧が発生した際に各検出ラインＬ間に流れる短絡電流を基準に、遮断電流（定格電流）を設定することができるので、回路保護素子２１１の選定が容易となる。

さらに、本実施形態では、過電圧保護素子２１２を過電圧が印加された際に短絡故障するツェナダイオードＺＤで構成している。このため、ツェナダイオードＺＤが短絡故障した際に、各検出ラインＬ間に流れる短絡電流によって各検出ラインＬを遮断する回路保護素子２１１であれば使用することができるので、回路保護素子２１１の選択肢が増えて、回路保護素子２１１の選定が容易となる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

図４の構成図に示すように、本実施形態では、回路保護素子２１１をヒューズＦではなく、低抵抗器Ｒで構成している。本実施形態の低抵抗器Ｒは、ヒューズＦと同様に、過電圧発生時に、過電圧保護素子２１２を介して検出ラインＬ間に流れる短絡電流によって破断する抵抗素子を用いている。なお、低抵抗器Ｒは、監視回路２２における電圧検出性能への影響を抑えるために、低い抵抗値を有するもので構成することが望ましい。

本実施形態のように、回路保護素子２１１を低抵抗器Ｒで構成しても、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。さらに、回路保護素子２１１をヒューズＦよりも単価が安い低抵抗器Ｒで構成すれば、回路保護部２１のコスト低減を図ることが可能となる。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、適宜変更することができる。例えば、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の各実施形態では、回路保護素子２１１をヒューズＦや低抵抗器Ｒで構成する例を説明したが、ヒューズＦや低抵抗器Ｒに限らず、ヒューズＦと同等の機能を発揮可能な素子であれば、回路保護素子２１１として採用することができる。

（２）上述の各実施形態では、過電圧保護素子２１２をツェナダイオードＺＤで構成する例を説明したが、ツェナダイオードＺＤに限らず、ツェナダイオードＺＤと同等の機能を発揮可能な素子であれば、過電圧保護素子２１２として採用することができる。

（３）上述の各実施形態では、本発明の回路保護装置を、車両に搭載される組電池１の電圧を関する監視回路２２に適用する例を説明したが、これに限らず、他の用途に用いられる電源部の電圧を関する監視回路に適用することができる。なお、電源部は電池に限らず、各種電気負荷に給電可能な電源であればよい。

１ 組電池（電源部）
２１ 回路保護部（回路保護装置）
２１１ 回路保護素子
２１２ 過電圧保護素子
２２ 監視回路
Ｌ 検出ライン
ＺＤ ツェナダイオード
Ｒ 低抵抗器

Claims (4)

1. 電源部（１）の電圧を監視する監視回路（２２）を保護する回路保護装置であって、
   前記電源部および前記監視回路との間を接続する電圧検出用の複数の検出ライン間に接続され、過電圧が印加された際に短絡故障する過電圧保護素子（２１２）と、
   前記複数の検出ラインそれぞれに設けられ、所定電流値以上の電流が検出ラインに流れた際に前記電源部と前記監視回路との間の電気的接続を遮断する回路保護素子（２１１）を備え、
   前記過電圧保護素子は、前記電源部に過電圧が発生した際に、短絡故障して前記複数の検出ライン間を短絡状態に維持するように構成され、
   前記回路保護素子は、前記電源部に過電圧が発生した際に、前記過電圧保護素子を介して前記検出ライン間に流れる短絡電流によって、前記電源部と前記監視回路との間の電気的接続を遮断するように構成されていることを特徴とする回路保護装置。
2. 前記過電圧保護素子は、過電圧が印加された際に短絡故障するツェナダイオード（ＺＤ）で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回路保護装置。
3. 前記回路保護素子は、前記電源部に過電圧が発生した際に、前記過電圧保護素子を介して前記複数の検出ライン間に流れる短絡電流によって破断するヒューズ（Ｆ）で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回路保護装置。
4. 前記回路保護素子は、前記電源部に過電圧が発生した際に、前記過電圧保護素子を介して前記複数の検出ライン間に流れる短絡電流によって破断する低抵抗器（Ｒ）で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回路保護装置。

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