JP5602353B2 - 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走行用バッテリを備える車両用の電源装置に関し、とくに、走行用バッテリを複数の電池ブロックに分割して各々の電池ブロックの状態を検出する回路を備える車両用の電源装置に関する。

車両用の電源装置は、ニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池を直列に接続して高電圧の走行用電源としている。電動車両に使用される電源装置は、走行用のモータに所定の電力を供給できるように、出力電圧を１００〜３５０Ｖ程度と高くしている。電源装置は、出力電圧を高くするために、多数の電池を直列に接続している。

多数の電池を直列に接続している走行用バッテリは、各々の電池の状態を検出回路で検出して、充放電の電流を制御している。検出回路は、たとえば、各々の電池の電圧を検出する電圧検出回路である。電圧検出回路は、全ての電池の電圧を検出し、あるいは複数の電池を直列に接続して電池モジュールとして、各々の電池モジュールの電圧を検出している。電池をリチウムイオン電池とする走行用バッテリは、各々の電池の電圧が電圧検出回路で検出される。電池をニッケル水素電池とする走行用バッテリは、４〜６個の電池を直列に接続して電池モジュールとし、各々の電池モジュールの電圧を電圧検出回路で検出している。

電圧検出回路の動作電力は、電装用バッテリから供給され、あるいは走行用バッテリから供給される。電装用バッテリから電圧検出回路に供給される電力は、アースラインの接続されない絶縁状態で供給される。電装用バッテリから供給し、あるいは走行用バッテリから供給される電源で動作する電圧検出回路は、０Ｖ〜３００Ｖと広い電圧範囲にある電池電圧を検出することから、極めて高耐圧の素子を使用する必要があって、部品コストが高くなる。電圧検出回路が検出する各々の電池の電圧は１０Ｖ以下と低い電圧であるが、走行用バッテリの電圧が約３００Ｖと高電圧であるから、電圧検出回路に入力される電圧は、グランドラインに対して０Ｖ〜３００Ｖと極めて高電圧となるからである。

この弊害は、走行用バッテリを複数の電池ブロックに分割して、各々の電池ブロックを構成する電池の電圧を、各々の電池ブロックに設けた電圧検出回路で検出する回路構成として解消できる。（特許文献１参照）
特開２００８−１８９０６５号公報

各々の電池ブロックを構成する電池の電圧を、各々の電池ブロックに設けた電圧検出回路で検出する電源装置は、電圧検出回路に使用する素子の耐圧を低くして部品コストを低減できる。しかしながら、この電源装置は、時間が経過するにしたがって、電池ブロックの残容量がアンバランスになる欠点がある。それは、電圧検出回路の消費電流が素子のばらつきによって異なるからである。とくに、素子の負荷電流の差による走行用バッテリのアンバランスは、時間が経過するにしたがって次第に大きくなる。電池ブロックにできる残容量のアンバランスは、特定の電池ブロックを著しく劣化させて寿命を短くする原因となる。車両用の電源装置は、走行用バッテリの過充電と過放電を防止するために、残容量が設定範囲となるように充放電の電流をコントロールしている。ところが、特定の電池ブロックの残容量が少なくなると、この電池ブロックは過放電されやすくなる。走行用バッテリは、複数の電池ブロックを直列に接続しているので、特定の電池ブロックが劣化すると、全体としての性能が低下してしまう。

リチウムイオン二次電池を走行用バッテリに使用したシステムでは、通常、電池の残量を調節する均等化放電回路を電圧検出回路と並列に実装する。この回路により残容量がばらついた場合でも略均一に調節することが可能であるため、電圧検出回路の消費電流のばらつきにより発生する残容量のばらつきを抑える事は可能である。ただし、残容量のばらつく速度が回路消費電流のばらつきにより増大した場合、放電の頻度が増加するため、放電時の熱として廃棄するエネルギーが増大する。これにより車両の燃費を損なうこととなる。均等化放電は可能な限り低頻度で行うことが望ましい。

本発明は、さらに、以上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、走行用バッテリを複数の電池ブロックに分割して、各々の電池ブロックの電池電圧を各々の電池ブロックに設けた電圧検出回路で検出しながら、走行用バッテリの残容量のアンバランスを低減できる車両用の電源装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の車両用の電源装置は、車両を走行させるモータに電力を供給する複数の電池３を直列に接続している走行用バッテリ１と、この走行用バッテリ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の状態を検出する複数の検出回路４とを備えており、各々の検出回路４を、各々の電池ブロック２から供給される電力で動作している。さらに、電源装置は、並列に接続される複数のバランス電流調整回路１３を備え、バランス電流調整回路１３は、検出回路４に並列に接続されているバランス電流調整回路１３へ供給されるバランス電流を、この検出回路４へ供給される電流の変化に応じて変化させることで、検出回路４へ供給される電流とバランス電流とを含む前記電池ブロック２の負荷電流を均一化する。また、バランス電流調整回路１３は、負荷電流を各々の電池ブロック２で均一化するように、各バランス電流調整回路１３間でバランス電流が調整される。

以上の車両用の電源装置は、走行用バッテリを複数の電池ブロックに分割して、各々の電池ブロックの状態を各々の電池ブロックに設けた検出回路で検出しながら、走行用バッテリの残容量のアンバランスを低減できる特徴がある。それは、各々の検出回路にバランス電流調整回路を設けて、各々の電池ブロックの消費電流を均一化しているからである。

本発明の車両用の電源装置は、検出回路４を、電池ブロック２の電池電圧を検出する電圧検出回路５とすることができる。
以上の電源装置は、電圧検出回路でもって、電池ブロックを構成する電池の電圧を検出して、走行用バッテリの過充電や過放電を防止しながら充放電できる。

さらに、本発明の車両用の電源装置は、検出回路４に直列に接続される電流検出抵抗１２を備え、バランス電流調整回路１３は、この電流検出抵抗１２の電圧降下を一定に制御する。
以上の電源装置は、バランス電流調整回路でもって、検出回路にバイパスして流すバランス電流をコントロールして各々の電池ブロックの消費電流を均等化できる。

さらに、本発明の車両用の電源装置は、車両が停止している状態では、前記検出回路４の回路動作を停止し、電池ブロック２から供給される電力を低減することができる。

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、本発明は車両用の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走行用バッテリ１と、この走行用バッテリ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の状態を検出する複数の検出回路４とを備える。

走行用バッテリ１は、複数の充電できる電池３を直列に接続している。走行用バッテリ１の充電できる電池３は、リチウムイオン電池である。リチウムイオン電池は、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、走行用バッテリの電池は、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。走行用バッテリ１は、直列に接続する電池３の個数で出力電圧を調整している。車両用の電源装置は、走行用バッテリ１の出力電圧を、たとえば、２００Ｖ〜４００Ｖ、好ましくは２００Ｖ〜３００Ｖとしている。ただ、車両用の電源装置は、走行用バッテリ１の出力電圧を昇圧する構成とすることもできるので、走行用バッテリ１の出力電圧を１００Ｖ〜３００Ｖとすることもできる。

走行用バッテリ１は、ひとつの電池３の電圧と要求される出力電圧から直列に接続する電池３の個数が特定される。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する走行用バッテリは、２４０個の電池を直列に接続して出力電圧を２８８Ｖとすることができる。また、定格電圧を３．７Ｖとするリチウムイオン電池を直列に接続している走行用バッテリは、７２個の電池を直列に接続して出力電圧を約２７０Ｖにできる。

多数の電池３を直列に接続している走行用バッテリ１は、複数の電池ブロック２に分割して、電池ブロック２を直列に接続している。走行用バッテリ１は、分割する電池ブロック２の個数を多くして、各々の電池ブロック２に設けている検出回路４を簡単な回路構成にできる。それは、ひとつの検出回路４が検出する電池３の個数が少なくなるからである。ただ、電池ブロックの個数を多くすると、検出回路の数が多くなる。たとえば、７２個のリチウムイオン電池を直列に接続している走行用バッテリは、９組の電池ブロックに分割して、１組の電池ブロックの電池の個数を８個とすることができる。走行用バッテリは、好ましくは１組の電池ブロックの電池の個数を５〜１５個とするように分割される。

検出回路４は、各々の電池ブロック２に設けられて、電池ブロック２を構成する電池３の状態を検出する。図の検出回路４は、電池３の電圧を検出する電圧検出回路５である。検出回路４である電圧検出回路５は、電池ブロック２を構成する電池３の電圧を検出する。リチウムイオン電池からなる走行用バッテリ１は、電圧検出回路５でもって、直列に接続している全ての電池３の電圧が検出される。この検出回路４は、全ての電池３の電圧を検出して、走行用バッテリ１の充放電をコントロールするので、全ての電池３の過充電と過放電を防止して安全性を高くできる。ニッケル水素電池からなる走行用バッテリは、電圧検出回路でもって、たとえば５〜６個の電池を直列に接続している電池モジュールの電圧が検出される。この検出回路は、複数の電池を直列に接続している電池モジュールの単位で電圧を検出して充放電をコントロールするので、走行用バッテリを多数の電池で構成しながら、検出回路を簡単にできる。電圧検出回路５は、電池ブロック２を構成する全ての電池３の電圧を検出し、あるいは複数の電池を直列に接続している電池モジュールの電圧を検出する。

検出回路４は、電池ブロック２を構成する電池３の電圧に加えて温度も検出することができる。この検出回路４を備える電源装置は、走行用バッテリ１の充放電をより好ましい状態でコントロールできる。さらに、検出回路４は、各々の電池３の電圧を検出し、さらに充放電する電流を積算して、電池３や電池モジュールの残容量も検出している。電池ブロック２を構成している電池３や電池モジュールの残容量を設定範囲となるように制御するためである。

検出回路４は、各々の電池ブロック２の電圧、温度、残容量を検出し、検出した情報を通信回路８を介して車両側ＥＣＵ９に伝送する。車両側ＥＣＵ９は、電源装置から入力される情報と、アクセルやブレーキからの信号を演算して、走行用バッテリ１の充放電をコントロールする。

各々の電池ブロック２に設けている検出回路４は、各々の電池ブロック２から供給される電力で動作状態となる。したがって、各々の検出回路４の電源回路６には、各々の電池ブロック２のプラス側とマイナス側を接続している。走行用バッテリ１を９組の電池ブロック２に分割している電源装置は、９組の検出回路４を備え、各々の検出回路４には、各々の電池ブロック２から電力を供給している。８組のリチウムイオン電池を直列に接続している電池ブロック２は、各々の電池ブロック２の電圧が約３０Ｖとなる。この電圧が検出回路４の電源回路６に供給される。電池ブロック２の電圧は、図において鎖線で示す出力電圧を安定化する安定化回路７を介して、あるいは直接に検出回路４に供給される。

各々の電池ブロック２に設けている検出回路４は、電源回路６の消費電流が一定でない。検出回路４は、アナログＩＣ、ＦＥＴ、トランジスタ等の半導体で実現されるが、これらの半導体素子は消費電流が一定でない。このため、各々の検出回路４の消費電流はアンバランスになる。検出回路４の消費電流のアンバランスは、電池ブロック２の放電電流をアンバランスとして、電池ブロック２の残容量をアンバランスとする。この弊害を防止するために、図２と図３に示すように、各々の電池ブロック２の負荷電流を所定の電流値に均等化する均等化回路１０、３０を検出回路４に接続している。

均等化回路１０、３０は、各々の検出回路４の消費電流を、最大消費電流の検出回路４の消費電流に等しくし、あるいは最大の消費電流よりも大きな電流値に設定している設定電流に均等化する。さらに、均等化回路１０、３０は、動作状態にある各々の検出回路４の消費電流を検出して、最大の消費電流に設定し、あるいは最大の消費電流よりも大きな設定電流に設定する。

図２の均等化回路１０は、検出回路４の電源回路６と並列に接続している電流調整回路１１である。電流調整回路１１は、検出回路４にバイパスして流すバランス電流をコントロールする。この図の電流調整回路１１は、検出回路４の電源回路６と直列に接続している電流検出抵抗１２と、この電流検出抵抗１２の電圧降下を一定に制御するバランス電流調整回路１３とを備える。図の回路図は、電池ブロック２のプラス側と検出回路４のプラス側との間に電流検出抵抗１２を接続している。図示しないが、電流検出抵抗は、電池ブロックのマイナス側と検出回路のマイナス側との間に接続することもできる。バランス電流調整回路１３は、検出回路４の消費電流を検出する電流検出抵抗１２の電圧降下を一定にコントロールするように、検出回路４にバイパスして流す電流をコントロールする。電流検出抵抗１２の電圧降下が一定になると、電池ブロック２の消費電流は一定となる。図のバランス電流調整回路１３は、電流検出抵抗１２の電圧を検出する差動アンプ１４と、この差動アンプ１４の出力電圧を基準電圧１５に比較して、差電圧を増幅する増幅回路１６と、この増幅回路１６の出力電圧をベースに入力している出力トランジスタ１７とを備える。増幅回路１６は、増幅率をコントロールするためのフィードバック抵抗１８を出力側からマイナス側の入力端子に接続している。出力トランジスタ１７は、増幅回路１６から入力されるベース電流でコレクタ電流をコントロールする。出力トランジスタ１７のコレクタ電流は、検出回路４と並列に流れるバランス電流となって、電池ブロック２の消費電流を均等化する。

以上の電流調整回路１１は、以下の動作をして電池ブロック２の消費電流を均等化する。検出回路４の消費電流が小さくなって、電流検出抵抗１２の電圧降下が小さくなると、差動アンプ１４に入力される電圧が小さくなって、差動アンプ１４の出力電圧が小さくなる。差動アンプ１４の出力電圧が小さくなると、この電圧が基準電圧１５に比較されて、増幅回路１６から出力される。増幅回路１６は、差動アンプ１４の出力をマイナス側の入力端子に接続しているので、差動アンプ１４の出力が小さくなると、増幅回路１６の出力電圧を上昇させる。増幅回路１６の出力は、入力抵抗１９を介して出力トランジスタ１７のベースに入力されるので、増幅回路１６の出力電圧が高くなると、出力トランジスタ１７のベース電流を増加させる。ベース電流が増加して出力トランジスタ１７はコレクタ電流を増加させる。コレクタ電流は、電池ブロック２の消費電流を均等化するバランス電流であるから、バランス電流が増加する。バランス電流が増加すると、電流検出抵抗１２の電圧降下は大きくなる。したがって、検出回路４の消費電流が少なくて、電流検出抵抗１２の電圧降下が小さい回路にあっては、バランス電流を大きくして、電流検出抵抗１２の電圧降下を均等化する。このバランス電流調整回路１３は、増幅回路１６のプラス側の入力端子に接続している基準電圧１５で、電池ブロック２の消費電流を特定できる。基準電圧１５を高くすると、バランス電流が大きくなって、電池ブロック２の消費電流は大きくなる。

バランス電流調整回路１３は、基準電圧１５を設定電圧として、電池ブロック２の消費電流を調整する。バランス電流調整回路１３は、バランス電流を調整して、全ての電池ブロック２の消費電流を均等化する。たとえば、各々の検出回路４の消費電流が５〜２０ｍＡであるとすれば、各々の均等化回路１０は、電池ブロック２の消費電流を最大電流の２０ｍＡ以上の電流値、たとえば２１ｍＡとなるように基準電圧１５を設定する。

さらに、図２の鎖線で示すように、基準電圧１５を設定電流調整回路２０で制御して、全ての電池ブロック２の消費電流を均等化することもできる。設定電流調整回路２０は、各々の電池ブロック２に設けている電流検出抵抗１２の電圧降下を検出して、各々の電流検出抵抗１２の電圧降下に電圧差があると、全ての電流検出抵抗１２の電圧降下を一定とするまで基準電圧１５を大きくする。このように、設定電流調整回路２０で基準電圧１５を調整する回路は、いずれかの検出回路４の消費電流が定格値より大きくなっても、各々の電池ブロック２の消費電流を均等化できる。

検出回路４は、車両が停止している状態では、図示省略する外部制御回路の指令に基づいて回路動作を停止するように制御される。よって、車両が停止した場合は、検出回路４の回路動作を停止するので、電池ブロック４から検出回路４に供給される電力が低減し、走行用バッテリ４の消耗を防止することができる。

図３の均等化回路３０は、検出回路４の電源回路６と直列に接続してなる定電流回路３１と、検出回路４の電源回路６と並列に接続しているツェナーダイオード３２とを備える。この図の回路図において、定電流回路３１は、電池ブロック２のプラス側と検出回路４のプラス側との間に接続している。定電流回路は、電池ブロックのマイナス側と検出回路のマイナス側の間に接続することもできる。この定電流回路３１は、電池ブロック２の消費電流を一定の電流に設定して、電池ブロック２の消費電流を均等化する。したがって、各々の電池ブロック２に接続している定電流回路３１は、出力電流を一定の電流に設定している。ツェナーダイオード３２は、検出回路４の電源回路６に供給する電圧を一定の電圧に安定化する。ツェナーダイオード３２のツェナー電圧は、検出回路４の電源回路６の電圧に設定している。この均等化回路３０は、定電流回路３１の出力電流を検出回路４とツェナーダイオード３２とにバイパスするように流して、電池ブロック２の出力電流を一定にする。

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。 均等化回路の一例を示す回路図である。 均等化回路の他の一例を示す回路図である。

符号の説明

１…走行用バッテリ
２…電池ブロック
３…電池
４…検出回路
５…電圧検出回路
６…電源回路
７…安定化回路
８…通信回路
９…車両側ＥＣＵ
１０…均等化回路
１１…電流調整回路
１２…電流検出抵抗
１３…バランス電流調整回路
１４…差動アンプ
１５…基準電圧
１６…増幅回路
１７…出力トランジスタ
１８…フィードバック抵抗
１９…入力抵抗
２０…設定電流調整回路
３０…均等化回路
３１…定電流回路
３２…ツェナーダイオード

Claims (4)

1. 車両を走行させるモータに電力を供給する複数の電池(3)を直列に接続している走行用バッテリ(1)と、この走行用バッテリ(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)の状態を検出する複数の検出回路(4)とを備え、各々の検出回路(4)が各々の電池ブロック(2)から供給される電力で動作するようにしてなる車両用の電源装置であって、
   さらに、前記各々の検出回路(4)に、並列に接続される複数のバランス電流調整回路(13)を備え、
   前記バランス電流調整回路(13)は、
   前記検出回路(4)に並列に接続されているバランス電流調整回路(13)へ供給されるバランス電流を、該検出回路(4)へ供給される電流の変化に応じて変化させることで、前記検出回路(4)へ供給される電流と前記バランス電流とを含む前記電池ブロック(2)の負荷電流を均一化すると共に、
   前記負荷電流を各々の電池ブロック(2)で均一化するように、各バランス電流調整回路(13)間で前記バランス電流が調整されることを特徴とする車両用の電源装置。
2. 前記検出回路(4)が、電池ブロック(2)の電池電圧を検出する電圧検出回路(5)である請求項１に記載される車両用の電源装置。
3. さらに、前記検出回路(4)に直列に接続される電流検出抵抗(12)を備え、
   前記バランス電流調整回路(13)は、この電流検出抵抗(12)の電圧降下を一定に制御することを特徴とする請求項２に記載される車両用の電源装置。
4. 車両が停止している状態では、前記検出回路(4)の回路動作を停止し、電池ブロック(2)から供給される電力を低減してなる請求項１に記載される車両用の電源装置。
   

Images