JP5646214B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリと直列に接続しているヒューズでバッテリの異常な過電流を遮断する電源装置に関し、とくにヒューズの定格電流よりも小さい電流でヒューズが溶断されるのを防止する電源装置に関する。

バッテリの異常な過電流を防止するためにヒューズを直列に接続している電源装置は開発されている（特許文献１参照）。この電源装置は、ヒューズの定格電流を超える電流がバッテリに流れると、ヒューズを溶断して回路を保護する。特許文献１の電源装置を図１に示している。この電源装置は、電池９１を２組の電池ブロック９５に分割して、電池ブロック９５はヒューズ９８を介して直列に接続している。さらに、電池９１の出力側にはコンタクタ９２を接続している。このバッテリシステムは、電池９１に過電流が流れるとヒューズ９８を溶断して電池９１の電流を遮断する。このバッテリシステムは、過電流でヒューズ９８を溶断して高い安全性を実現する。

ヒューズは、溶断される定格電流よりも小さい電流であっても、大きな電流が流れる時間が長くなると溶断される特性がある。定格電流よりも小さい電流でヒューズが溶断されると、バッテリの出力が遮断されて使用できなくなる。この欠点は、ヒューズを溶断させる定格電流を大きくして防止できる。ただ、溶断される定格電流を大きくすると、バッテリに異常な過電流が流れる状態で速やかに電流を遮断できなくなる弊害がある。ヒューズは、バッテリに異常な過電流が流れる状態では速やかに溶断されるが、遮断する必要のない大きな電流では溶断されない特性が要求される。ただ、ヒューズは流れる電流で加熱されて溶断されることから、この特性を満足するのは極めて難しい。それは、電流が流れて発生するジュール熱で加温されるヒューズの温度が、電流の大きさのみでなく、電流の積分値で上昇するからである。たとえば、バッテリの最大電流を３００Ａに制限するためには、バッテリと直列に、定格電流を３００Ａとするヒューズが接続される。このヒューズは、所定の時間、バッテリに３００Ａの電流が流れて溶断されて電流を遮断する。しかしながら、３００Ａよりも小さい電流、たとえば２８０Ａの電流が長い時間流れても溶断されるので、３００Ａよりも小さい電流で溶断されて、バッテリの電流を遮断してしまう欠点がある。

ヒューズは、バッテリと直列に保護素子として接続され、溶断された状態から自己復帰しないので、過電流で溶断された後は、バッテリを使用できなくする。したがって、車両を走行させるモータに電力を供給する電源装置に使用される状態にあって、定格電流よりも小さい電流でヒューズが溶断されると、モータで車両を走行できなくなる弊害が発生する。このため、ヒューズは、バッテリの過電流を防止するが、過電流が流れない状態で溶断されないことが大切である。

さらに、ヒューズは、繰り返し大きな電流が流れると劣化して、ヒューズを溶断させる実質的な定格電流が小さくなる特性がある。たとえば、定格電流の５０％以上の過電流は、ヒューズを溶断させる電流を定格電流よりも小さくする原因となる。このため、繰り返し大きな電流が流れたヒューズは、溶断される電流が定格電流よりも小さくなって、規定の電流よりも小さい過電流で溶断して、負荷に電力を供給できなくなる弊害がある。

特開２００８−１９３７７６号公報

本発明は、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、ヒューズが溶断される電流を、回路が過電流で損傷するのを防止する電流値に設定しながら、ヒューズが誤って溶断されてバッテリの出力を遮断するのを防止できる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

本発明の電源装置は、負荷に電力を供給するバッテリ１と、このバッテリ１の電流をコントロールする電流調整回路２と、バッテリ１と直列に接続しているヒューズ６と、バッテリ１の定格電流と温度と電圧と残容量の少なくともひとつをパラメーターとしてバッテリ１が流すことができる第１の許容電流を演算する第１の演算回路３と、ヒューズ６に流れる電流の積算値からヒューズ６を溶断することなく流すことができる第２の許容電流を演算する第２の演算回路４とを備えている。電源装置は、電流調整回路２が、第１の演算回路３で演算される第１の許容電流と、第２の演算回路４で演算される第２の許容電流よりもバッテリ１の電流を少なく制御している。

以上の電源装置は、回路が過電流で損傷するのを防止する電流値に設定しながら、ヒューズが誤って溶断されてバッテリの出力を遮断するのを防止できる特徴がある。それは、ヒューズが誤って溶断されないように、ヒューズの電流からヒューズ温度を演算し、この演算されるヒューズ温度からヒューズが溶断されない電流値を演算し、この電流値を超えないようにバッテリの電流を制御するからである。

本発明の電源装置は、第２の演算回路４が、ヒューズ６に流れる電流の積算値と周囲温度からヒューズ温度を演算して、このヒューズ温度から第２の許容電流を演算することができる。
以上の電源装置は、電流の積算値に加えてヒューズの周囲温度から第２の許容電流を演算するので、ヒューズが溶断される電流をより正確に演算し、回路を保護しながらヒューズの異常な溶断を防止できる特徴がある。

本発明の電源装置は、第２の演算回路４が、１秒以下の周期で電流の積算値からヒューズ温度を演算して第２の許容電流を演算することができる。
以上の電源装置は、１秒以下の周期でヒューズの第２の許容電流を演算するので、バッテリが流すことができる最大電流を速やかに演算して正確にコントロールできる特徴がある。

本発明の電源装置は、第２の演算回路４が、ヒューズ６の設定温度を記憶しており、演算されるヒューズ温度が設定温度よりも低い状態で第２の許容電流をヒューズ６の定格電流とし、ヒューズ温度が設定温度よりも高い状態で第２の許容電流を定格電流よりも小さくすることができる。
以上の電源装置は、設定温度よりも高いかどうかで、ヒューズが溶断される第２の許容電流を演算するので、ヒューズが現実に溶断される電流をより正確に演算して、ヒューズでバッテリの異常な過電流を確実に防止しながらヒューズの異常な溶断を防止できる。

本発明の電源装置は、ヒューズ６の電流を、バッテリ１の電流を検出するセンサで検出することができる。
以上の電源装置は、ヒューズの電流を検出するために専用の電流センサを設ける必要がなく、回路構成を簡単にしてヒューズの第２の許容電流を演算できる。

本発明の電源装置は、第２の演算回路４が、ヒューズ６に流れる電流の積算値とヒューズ６の劣化から第２の許容電流を演算することができる。
以上の電源装置は、ヒューズが劣化する状態にあっても、バッテリを異常な過電流から防止しながらヒューズの異常な溶断を防止できる特徴がある。

本発明の電源装置は、負荷を、車両を走行させるモータ２２とし、この車両側に電流調整回路２を設けることができる。この電源装置は、第１の演算回路３で演算される第１の許容電流と、第２の演算回路４で演算される第２の許容電流からバッテリ１の許容電流を特定して車両側の電流調整回路２に伝送することができる。
この電源装置は、車両側に配置される電流調整回路に伝送される信号によって、バッテリの電流をコントロールし、ヒューズの異常な溶断を防止しながら、バッテリの過電流をヒューズで確実に防止できるので、回路を保護しながら車両をバッテリで安全に走行できる特徴がある。

従来の電源装置の概略構成図である。 本発明の一実施例にかかる電源装置の概略構成図である。 本発明の一実施例にかかる電源装置のヒューズの温度を示すグラフである。

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。

本発明の電源装置は、ハイブリッドカー、プラグインハイブリッドカー、電気自動車等の車両を走行させるモータに電力を供給する電源に使用され、あるいは大電力を供給する電源に使用される。

図２の電源装置は、負荷であるモータ２２にＤＣ／ＡＣインバータ２１を介して電力を供給するバッテリ１と、ＤＣ／ＡＣインバータ２１を制御してバッテリ１の電流をコントロールする電流調整回路２と、バッテリ１と直列に接続されて、バッテリ１の異常な過電流を遮断するヒューズ６と、バッテリ１の定格容量と電圧と電流と残容量の少なくともひとつをパラメーターとしてバッテリ１が流すことができる第１の許容電流を演算する第１の演算回路３と、ヒューズ６に流れる電流の積算値からヒューズ６を溶断することなく流すことができる第２の許容電流を演算する第２の演算回路４とを備えている。

図２の電源装置は、第１の演算回路３で演算される第１の許容電流と、第２の演算回路４で演算される第２の許容電流から、バッテリ１の許容電流を決定する電流制限値決定回路５を備える。電流制限値決定回路５は、第１の許容電流と第２の許容電流を比較して、小さい電流値をバッテリ１の許容電流とする。すなわち、第１の許容電流が第２の許容電流よりも小さい状態にあっては、第１の許容電流をバッテリ１の許容電流とし、第２の許容電流が第１の許容電流よりも小さい状態にあっては、第２の許容電流をバッテリ１の許容電流とし、第１の許容電流と第２の許容電流とが同じ電流値であると、いずれかの電流値をバッテリ１の許容電流として電流制御信号を電流調整回路２に伝送する。

図に示す電源装置は、電流調整回路２を車両側に配置している。車両側の電流調整回路２は、電流制限値決定回路５から伝送される電流制御信号でＤＣ／ＡＣインバータ２１をコントロールして、バッテリ１の最大電流をバッテリ１の許容電流よりも小さく制御する。すなわち、電流調整回路２は、第１の演算回路３で演算される第１の許容電流と、第２の演算回路４で演算される第２の許容電流よりもバッテリ１の最大電流が小さくなるようにＤＣ／ＡＣインバータ２１をコントロールして、ヒューズ６の異常な溶断を防止する。ただ、電源装置は、電流調整回路を、電源装置側に配置することもできる。この電源装置は、電源装置側に配置された電流調整回路で車両側のＤＣ／ＡＣインバータをコントロールして、バッテリの最大電流を許容電流よりも小さく制御する。

電流調整回路２は、ヒューズ６の異常な溶断を防止するように、バッテリ１の最大電流をコントロールする。ただ、バッテリ１に許容電流よりも大きな過電流が流れる状態にあっては、ヒューズ６が溶断されて回路を保護する。すなわち、電流調整回路２は、常にヒューズ６が溶断されないようにバッテリ１の電流をコントロールするのではく、バッテリ１の異常な過電流ではヒューズ６を溶断して回路を保護するが、バッテリ１が許容できる電流範囲にありながらヒューズ６が溶断されて電流が遮断されるのを防止する。

ヒューズ６は、バッテリ１の異常な過電流で溶断される定格容量に設定している。たとえば、車両用の電源装置にあっては、ヒューズ６を溶断する定格容量を１００Ａ〜５００Ａに設定する。ただし、車両用の電源装置においても、モータやバッテリの容量、さらにバッテリの種類や車両の走行条件等によって、ヒューズの定格容量は最適値に設定される。

第１の演算回路３は、バッテリ１の過放電や過充電を防止し、さらにバッテリ１の過電流を防止するために、バッテリ１の定格電流と、バッテリ１の温度と、バッテリ１の電圧と、バッテリ１の残容量の少なくともひとつ、あるいはこれらの複数をパラメーターとしてバッテリ１が流すことができる第１の許容電流を演算する。好ましくは、第１の演算回路３は、バッテリ１の定格電流と、温度と、電圧と、残容量の全てをパラメーターとして第１の許容電流を演算する。定格電流と温度と残容量から第１の許容電流を演算する第１の演算回路は、定格電流と温度と残容量で演算される電流から最低の電流値を第１の許容電流とする。

第１の演算回路３は、バッテリ１の定格電流を最大の電流値とし、この定格電流を、バッテリ１の温度と電圧と残容量で補正して第１の許容電流を演算する。第１の演算回路３は、バッテリ１の温度が高くなり、あるいは低くなると第１の許容電流をバッテリ１の定格電流よりも小さく補正する。たとえば、第１の演算回路３は、バッテリ１の温度があらかじめ設定している最高温度よりも高くなると、第１の許容電流をバッテリ１の定格電流よりも小さくし、またバッテリ１の温度が最適温度よりも低くなっても、第１の許容電流をバッテリ１の定格電流よりも小さく補正する。第１の演算回路３は、バッテリ１の温度に対する第１の許容電流を関数として記憶し、あるいはルックアップテーブルとしてメモリに記憶している。

さらに、第１の演算回路３は、バッテリ１を放電している状態にあっては、バッテリ１の電圧があらかじめ設定している最低電圧よりも低くなると第１の許容電流を定格電流よりも小さく補正し、さらに放電停止電圧まで低下すると第１の許容電流を０Ａとする。また、バッテリ１を充電している状態にあっては、バッテリ１の電圧があらかじめ設定している最高電圧よりも高くなると第１の許容電流を定格電流よりも小さく補正し、さらに充電停止電圧まで上昇すると第１の許容電流を０Ａとする。

さらにまた、第１の演算回路３は、バッテリ１を放電している状態にあっては、バッテリ１の残容量があらかじめ設定している最低の残容量よりも小さくなると第１の許容電流を定格電流よりも小さく補正し、さらに過放電される残容量、たとえば残容量が０まで低下すると第１の許容電流を０Ａとする。また、バッテリ１を充電している状態にあっては、バッテリ１の残容量があらかじめ設定している最高の残容量よりも高くなると第１の許容電流を定格電流よりも小さく補正し、さらに過充電される残容量、たとえば残容量が１００％まで上昇すると第１の許容電流を０Ａとする。

第１の演算回路３は、バッテリ１を充放電する電流から残容量を演算する。バッテリ１の残容量は、充電電流の積算値を加算し、放電電流の積算値を減算して演算される。また、電流の積算値で演算される残容量は、バッテリ１の電圧値で補正してより正確に演算される。この第１の演算回路３は、放電しているバッテリ１の電圧が残容量を０とする電圧まで低下すると、電流の積算値で演算された残容量を０に補正し、また充電しているバッテリ１の電圧が残容量を１００％とする電圧まで上昇すると残容量を１００％に補正する。

第２の演算回路４は、ヒューズ６に流れる電流の積算値からヒューズ６の温度を推定し、このヒューズ温度からヒューズ６を溶断することなく流すことができる電流の最大値を第２の許容電流として演算する。第２の演算回路４は、周囲温度と電流の積算値の両方からヒューズ６の温度をより正確に推定できる。電流の積算値はヒューズ６の温度上昇を特定し、周囲温度は温度上昇しない状態でのヒューズ温度を特定するからである。この周囲温度は、温度センサ８で検出することができる。ただ、周囲温度に比較してヒューズ６の温度上昇が大きいので、周囲温度を常温として、温度上昇からヒューズ温度を推定することもできる。

ヒューズ６の温度上昇は、流れる電流で発生するジュール熱とヒューズ６の放熱特性とで特定される。第２の演算回路４は、一定の周期でヒューズ６の温度上昇を演算する。第２の演算回路４は、０．５ｓｅｃの周期でヒューズ６の温度上昇を演算する。ただし、第２の演算回路は、１秒以下の周期でヒューズの温度を演算することもできる。第２の演算回路４がヒューズ６の温度を演算する周期を短くして、ヒューズ６の温度上昇を速やかに検出できる。また、ヒューズ温度を演算する周期を長くして、処理能力の低い安価な演算回路で演算できる。

ヒューズ６の温度は、電流で発生するジュール熱で上昇し、放熱される熱エネルギーで低下する。ジュール熱は、流れる電流の二乗と電気抵抗と時間の積で演算される。電流はバッテリ１の電流を検出する電流センサ７で検出される。電気抵抗はあらかじめ特定されている。したがって、第２の演算回路４は、電流の二乗の積分値と電気抵抗との積を演算して発生するジュール熱を演算できる。ヒューズ６から放熱される熱エネルギーは、ヒューズ６を配置している周囲の環境とヒューズ温度で特定される。したがって、第２の演算回路４は、ヒューズ温度に対する放熱エネルギーを関数として、あるいはルックアップテーブルとしてメモリに記憶している。第２の演算回路４は、発生するジュール熱から放熱エネルギーを減算して、ヒューズ６を加熱するエネルギーを演算する。ヒューズ６の温度上昇は、ヒューズ６を加熱するエネルギーとヒューズ６の熱容量から演算される。温度上昇は、ヒューズ６を加熱するエネルギーに比例し、ヒューズ６の比熱に反比例する。第２の演算回路４は、ヒューズ６の熱容量をメモリに記憶して、加熱されるエネルギーからヒューズ６の温度上昇を演算する。

さらに、第２の演算回路４は、ヒューズ温度から第２の許容電流を演算する。ヒューズ６は、温度が上昇するにしたがって小さい電流で溶断される。したがって、第２の演算回路４は、ヒューズ温度が溶断される温度に接近するにしたがって第２の許容電流を小さくする。第２の演算回路４は、ヒューズ温度に対する第２の許容電流を関数として、あるいはルックアップテーブルに記憶しており、演算されるヒューズ温度から第２の許容電流を特定する。

以上の第２の演算回路４は、ヒューズ６に流れる電流の積算値からヒューズ温度を演算し、このヒューズ温度から第２の許容電流を演算する。第２の演算回路４は、ヒューズ温度を演算することなく、電流の積算値から直接に第２の許容電流を演算することもできる。この第２の演算回路は、電流の積算値に対する第２の許容電流を関数として、あるいはルックアップテーブルとしてメモリに記憶している。この第２の演算回路は、電流の積算値を、メモリに記憶している関数やルックアップテーブルに比較して、第２の許容電流を演算する。

第１の演算回路３で演算される第１の許容電流と、第２の演算回路４で演算される第２の許容電流とは電流制限値決定回路５に出力され、電流制限値決定回路５は第１の許容電流と第２の許容電流との少ない電流値を選択して電流制御信号として電流調整回路２に出力する。電流調整回路２は、入力される電流制御信号でＤＣ／ＡＣインバータ２１を制御し、バッテリ１の最大電流が第１の許容電流と第２の許容電流を超えないように、負荷であるモータ２２に電力を供給する。また、車両用の電源装置にあっては、発電機２３がバッテリ１を充電する電流が、第１の許容電流と第２の許容電流とを超えないように、電流調整回路２でＤＣ／ＡＣインバータ２１を制御して、バッテリ１を充電する。

以上の電源装置は、第１の許容電流のみでなく、第１の許容電流と第２の許容電流の両方でバッテリ１の最大電流を制限するので、バッテリ１を充放電する状態におけるヒューズ６の温度は、図３に示すように、ヒューズ６の溶断温度まで上昇せず、バッテリ１に許容できる電流範囲でヒューズ６が溶断されることはない。このため、ヒューズ６でバッテリ１の過電流を防止しながら、ヒューズ６の異常な溶断を確実に阻止できる特徴がある。

１…バッテリ
２…電流調整回路
３…第１の演算回路
４…第２の演算回路
５…電流制限値決定回路
６…ヒューズ
７…電流センサ
８…温度センサ
２１…ＤＣ／ＡＣインバータ
２２…モータ
２３…発電機
９１…電池
９２…コンタクタ
９５…電池ブロック
９８…ヒューズ

Claims (6)

1. 負荷に電力を供給するバッテリ(1)と、
   このバッテリ(1)の電流をコントロールする電流調整回路(2)と、
   前記バッテリ(1)と直列に接続しているヒューズ(6)と、
   前記バッテリ(1)の定格電流と温度と電圧と残容量の少なくともひとつをパラメーターとしてバッテリ(1)に流すことができる第１の許容電流を演算する第１の演算回路(3)と、
   ヒューズ(6)に流れる電流の積算値からヒューズ(6)を溶断することなく流すことができる第２の許容電流を演算する第２の演算回路(4)とを備えており、
   前記電流調整回路(2)が、前記第１の演算回路(3)で演算される第１の許容電流と、前記第２の演算回路(4)で演算される第２の許容電流よりもバッテリ(1)の電流を少なく制御するようにしてなる電源装置であって、
   前記第２の演算回路(4)が、ヒューズ(6)に流れる電流の積算値と周囲温度からヒューズ温度を演算し、このヒューズ温度から第２の許容電流を演算することを特徴とする電源装置。
2. 前記第２の演算回路(4)が、１秒以下の周期で電流の積算値からヒューズ温度を演算し、このヒューズ温度から第２の許容電流を演算する請求項１に記載される電源装置。
3. 前記第２の演算回路(4)が、ヒューズ(6)の設定温度を記憶しており、該第２の演算回路(4)によって演算されるヒューズ温度が設定温度よりも低い状態で第２の許容電流をヒューズ(6)の定格電流とし、ヒューズ温度が設定温度よりも高い状態で第２の許容電流を定格電流よりも小さくする請求項１または２に記載される電源装置。
4. 前記ヒューズ(6)の電流がバッテリ(1)の電流を検出するセンサで検出される請求項１ないし３のいずれかに記載される電源装置。
5. 前記第２の演算回路(4)が、ヒューズ(6)に流れる電流の積算値とヒューズ(6)の劣化から第２の許容電流を演算する請求項１ないし４のいずれかに記載される電源装置。
6. 負荷が車両を走行させるモータ(22)で、前記電流調整回路(2)が車両側に設けられてお
   り、
   前記第１の演算回路(3)で演算される第１の許容電流と、前記第２の演算回路(4)で演算される第２の許容電流からバッテリ(1)の許容電流を特定して車両側の前記電流調整回路(2)に伝送する請求項１ないし５のいずれかに記載される電源装置。

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