JP6639367B2 - サテライト基板を用いた車両用電源監視システム - Google Patents

Description

本開示は、サテライト基板を用いた車両用電源監視システムに係り、特に、サテライト基板を用い、高電圧電源の温度を監視する車両用電源監視システムに関する。

複数の電池セルによって構成される高電圧電源の各電池セルの状態を監視する監視回路には、５Ｖ等の低電圧電源で動作するメイン基板に実装されるタイプと、例えば数１００Ｖの高電圧電源側のサテライト基板に実装されるタイプとがある。

例えば、特許文献１には、サテライト基板に実装される監視回路を駆動するための電力は、低電圧電源からトランス等の絶縁電源を介して供給される例を述べている。このように絶縁電源をメイン基板に設けると、サテライト基板の数が変更になる度に、メイン基板上の絶縁基板の数も変更になることを指摘し、サテライト基板に絶縁電源を設けることを開示している。

本開示に関連する技術として、特許文献２には、高電圧電源の正極母線及び負極母線は、メイン基板の回路接地である車体とフローティングであり、高電圧電源の正極母線及び負極母線と車体との間の漏電を検出する漏電検出回路を開示している。

特開２０１５―０７９５８５号公報 特開２００４−３４７３７２号公報

複数の電池セルで構成される高電圧電源に複数の温度センサとしてのサーミスタを設け、電池温度の監視を行う監視回路をサテライト基板に実装すれば、複数のサーミスタからの信号線をメイン基板に実装される主制御装置まで引き回さなくて済む。

一方で、メイン基板に監視回路を実装する場合には、仮に、高電圧電源とサーミスタとが電気的に短絡しても、車体に対しフローティングの高電圧電源と車体が接地電位であるメイン基板との間の漏電として検出できる（特許文献２）。サテライト基板に監視回路を実装する場合は、仮に、高電圧電源とサーミスタとが電気的に短絡すると、車体に対しフローティングの高電圧電源と車体が接地電位であるメイン基板との間の絶縁は保たれているので、特許文献２の漏電検出回路が使えない。

そこで、サテライト基板に監視回路を実装した車両用電源監視システムにおいて、高電圧電源とサーミスタとの間の電気的な短絡を判定することが要望される。

本開示に係るサテライト基板を用いた車両用電源監視システムは、電池缶に収納された電池セルの所定の複数個を直列に接続し、正極母線と負極母線が車体から絶縁抵抗を介してフローティング電位にある高電圧電源と、複数の電池缶について定められた測定位置に絶縁体を介して配置され、一端及び他端がそれぞれ引き出される複数のサーミスタと、メイン制御基板とは独立のサテライト基板に実装され、負極母線を接地電位とし、サーミスタの一端と他端の間の端子間電圧に基づいて電池温度を監視する監視回路と、予め設定された基準電圧に一方端が接続され、他方端が監視回路の検出端子に接続され、各サーミスタごとに設けられた所定の直列抵抗と、サーミスタの一端、他端、監視回路の検出端子、及び負極母線の間に設けられる経路切替部であって、サーミスタの一端を監視回路の検出端子へ接続し、かつサーミスタの他端を負極母線へ接続する第１の経路、サーミスタの他端を監視回路の検出端子へ接続し、かつサーミスタの一端を負極母線へ接続する第２の経路との間で、経路を切り替える経路切替部と、経路切替前後で、サーミスタの端子間電圧の差が所定値を超えるときに、サーミスタの一端または他端のいずれか１が電池缶と電気的に短絡していると判定する短絡判定部と、を備える。

上記構成によれば、サテライト基板に監視回路を実装した車両用電源監視システムにおいて、高電圧電源とサーミスタとの間の電気的な短絡を判定できる。

実施の形態に係るサテライト基板を用いた車両用電源監視システムの構成図である。（ａ）は全体構成図であり、（ｂ）は、（ａ）においてＢで示す経路切替部の内部構成図である。 経路切替部において、従来技術の経路である第１の経路に切り替えたときのサテライト基板を用いた車両用電源監視システムの構成図である。 図２のサテライト基板を用いた車両用電源監視システムにおいて、監視回路が検出するするサーミスタの端子間電圧と電池温度との関係を示す図である。 図２のサテライト基板を用いた車両用電源監視システムにおいて、電池缶とサーミスタの一端とが電気的に短絡したときの短絡電流を示す図である。 図４の場合において、監視回路が検出するサーミスタの端子間電圧と電池温度との関係を示す図である。 図４に対比して、電池缶とサーミスタの他端とが電気的に短絡したときの短絡電流を示す図である。 図６の場合において、監視回路が検出するするサーミスタの端子間電圧と電池温度との関係を示す図である。 実施の形態に係るサテライト基板を用いた車両用電源監視システムにおいて、高電圧電源とサーミスタとの間の電気的な短絡の判定方法の手順を示すフローチャートである。 図８において、経路切替部が第１の経路に切り替えたときの短絡電流を示す図である。 図８において、経路切替部が第２の経路に切り替えたときの短絡電流を示す図である。 図９及び図１０の場合において、監視回路が検出するするサーミスタの端子間電圧と電池温度との関係を示す図である。 比較例として、サテライト基板を用いない車両用電源監視システムの構成を示す図である。

以下に図面を用いて、本実施の形態に付き詳細に説明する。以下で述べる電池セルの個数、電圧、抵抗等は、説明のための例示であって、サテライト基板を用いた車両用電源監視システムの仕様に応じて適宜変更が可能である。 以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、実施の形態に係るサテライト基板を用いた車両用電源監視システム１０の構成図である。以下では、特に断らない限り、サテライト基板を用いた車両用電源監視システム１０を、電源監視システム１０と呼ぶ。（ａ）は全体構成図であり、（ｂ）は、経路切替部６０の詳細図である。

電源監視システム１０は、車両に搭載される高電圧電源３０の状態を監視するシステムである。監視される高電圧電源３０の状態としては、電池電圧、電池電流があるが、ここでは、高電圧電源３０の電池温度についてサーミスタ４２を用いて監視する電源監視システム１０について述べる。高電圧電源３０を搭載する車両には、回転電機で駆動される電気自動車や、エンジンと回転電機とを搭載するハイブリッド車両を含む。

電源監視システム１０は、メイン制御基板１２に実装される部分と、サテライト基板５０に実装される部分とを含む。以下では、特に断らない限り、メイン制御基板１２をメイン基板１２と呼ぶ。メイン基板１２には、車体１４を接地電位とし、図示しない低電圧電源から生成される低電圧Ｖ_CCによって動作する複数の回路が実装される。低電圧電源は、公称端子間電圧が約１４．４Ｖの鉛蓄電池等で、低電圧Ｖ_CCの一例は約５Ｖである。メイン基板１２に実装される回路としては、例えば、車両のランプ点灯回路、ステアリング駆動回路、空調回路、オーディオ回路等を含むが、図１では、主制御装置１６と漏電検出回路１８とを示す。

主制御装置１６は、サテライト基板５０に実装される監視回路５２とデータ通信線７０を介して交信し、監視回路５２から高電圧電源３０の状態の監視データを取得し、その結果に基づいて監視回路５２に対する指示、車両の他の制御要素へ指示を行う装置である。主制御装置１６は、車載に適したマイクロコンピュータ等で構成される。

漏電検出回路１８は、高電圧電源３０の正極母線３２及び負極母線３４と、車体１４との間の漏電を検出する回路である。以下では、特に断らない限り、高電圧電源３０の正極母線３２、高電圧電源３０の負極母線３４を、それぞれ正極母線３２、負極母線３４と呼ぶ。高電圧電源３０は、約１００Ｖ〜約３００Ｖの端子間電圧を有するので、感電防止等から、その正極母線３２、負極母線３４は、車体１４に対しフローティング電位にある。正極母線３２及び負極母線３４と車体１４との間は、絶縁材や空間等で絶縁されるが、その絶縁抵抗が何らかの理由で劣化や損傷を受けると、正極母線３２、負極母線３４と車体１４との間に漏電が生じる。漏電検出回路１８は、車体１４と高電圧電源３０との間の漏電を監視する。漏電の可能性があるときは、車両全体を制御する車両制御部の作用によって、車両の駆動が停止され、高電圧電源３０と車両の他の構成要素との間を電気的に分離する等の処置が行われる。

高電圧電源３０は、車両の回転電機の駆動電力源となる大電流高電圧の直流電源である。高電圧電源３０は、所定の複数個の電池セル３６を直列接続して所定の高電圧を出力する。図１では、所定の複数個をｎ＝２４とし、２４個の各電池セル３６は、それぞれの負極端子を負極母線３４側、正極端子を正極母線３２側とし、隣接する電池セル３６の間で一方側の電池セル３６の正極端子を他方の電池セル３６の負極端子に接続する。図１では、２４個の電池セル３６を区別して、負極母線３４側から正極母線３２側に向かって、ｎ＝１からｎ＝２４の番号を付した。ｎ＝１の電池セル３６の負極端子の電位は、負極母線３４の電位であり、ｎ＝２４の電池セル３６の正極端子の電位は、正極母線３２の電位である。

電池セル３６の種類としては、公称の端子間電圧が約３．６Ｖのリチウムイオン電池や、公称の端子間電圧が約１．２Ｖのニッケル水素電池が用いられる。ここでは、電池セル３６をリチウムイオン電池とし、端子間電圧として公称の端子間電圧の３．６Ｖを用いる。図１では、高電圧電源３０として、２４個の電池セル３６を直列接続しているので、高電圧電源３０の端子間電圧は、（３．６Ｖ×２４）＝８６．４Ｖである。これは説明のための例示であり、ｎ＝２４以外の直列接続数であってよい。例えば、ｎ＝９６とすると、高電圧電源３０の端子間電圧は、３４５．６Ｖである。図１の例では、直列接続の各段は１個の電池セル３６としたが、複数の電池セル３６を並列接続してこれを１段として、２４段を直列接続してもよい。例えば、１５個の電池セル３６を互いに並列接続したものを１段として２４段を直列接続してもよい。各段の端子間電圧は３．６Ｖであるが、出力電流は、１段が１個の電池セル３６の場合に比べ、１５倍になる。このように、各段の並列接続数と、直列接続される段数とを適当に設定して、所定の大電流高電圧を出力できる高電圧電源３０となる。以下では、図１に示すように、１段の個数＝１とし、直列接続される段数＝２４とする。

リチウムイオン電池の電池セル３６は、セパレータを介して配置される正極活物質層と負極活物質層とを有する。セパレータは、電解質を吸収保持ないし担持するポリマーからなる多孔性シートである。多孔性シートに代えて不織布シートを用いてもよい。電解液は、有機溶媒にリチウム塩が溶解された液状電解液が用いられる。有機溶媒としては、カーボネート類、リチウム塩としては、無機酸陰イオン塩や有機酸陰イオン塩が用いられる。これらの材料については公知であるので、さらなる説明を省略する。

電池セル３６は、電池缶３８の内部に収納され、正極端子と負極端子が電池缶３８と絶縁されて外部に突き出す。電池缶３８の内部は電解液で満たされるので、正極端子は電解液抵抗４０を介して電池缶３８と電気的に接続され、負極端子は電解液抵抗４１を介して電池缶３８と電気的に接続される。単体の電池セル３６を取り出すと、電池缶３８の電位は、正極端子と負極端子から電解液抵抗４０，４１を介したフローティング電位となり、電解液抵抗４０と電解液抵抗４１をほぼ同じとして、（３．６Ｖ／２）＝１．８Ｖである。電池缶３８は、絶縁フィルムや絶縁チューブによって外周面が覆われる。

サーミスタ４２は、温度変化に対して電気抵抗の変化の大きい抵抗体で、この現象を利用し、電池温度を検出する温度センサとして用いる。サーミスタ４２は、温度上昇と共に抵抗が減少するが、これとは逆に、温度上昇と共に抵抗が増大するポジスタ（村田製作所の登録商標)も知られている。以下では、温度上昇と共に抵抗が減少する抵抗体をサーミスタ４２として用いる。温度θ₀におけるサーミスタ４２の抵抗をＲ（θ₀）とし、温度θにおけるサーミスタ４２の抵抗をＲ（θ）とすると、Ｒ（θ）＝Ｒ（θ₀）×ｅｘｐ［Ｂ｛（１／θ）−（１／θ₀）｝で与えられる。Ｂは、温度変化に対するサーミスタ４２の抵抗の変化の割合を表す物性値で、Ｂ定数とよばれる。上式において、温度の単位は絶対温度Ｋで、Ｂ定数の単位も絶対温度Ｋである。

サーミスタ４２は、高電圧電源３０の複数の電池缶３８について定められた測定位置に絶縁体４４を介して配置される。絶縁体４４は、サーミスタ４２の導電体である抵抗体と電池缶３８との間を電気的に絶縁しながら温度を伝達するフィルムである。絶縁体４４としては、サーミスタ４２の外周を覆う絶縁フィルム、絶縁チューブ、絶縁塗装等が用いられる。電池缶３８の外周面を覆う絶縁フィルム等を絶縁体４４として用いてもよい。

サーミスタ４２の配置方法としては、高電圧電源３０の全体を収納するパックケースに取り付けられたサーミスタ保持具にサーミスタ４２を固定して電池缶３８に接触させる方法を用いることができる。これは一例であって、その他の方法を用いてもよい。図１の例では、ｎが偶数の電池缶３８にそれぞれ１つのサーミスタ４２が割り当てられ、合計１２個のサーミスタ４２が配置される。これも説明のための例示であって、各電池缶３８毎に１つのサーミスタ４２を配置してもよく、あるいは、高電圧電源３０の適当な数カ所の位置にサーミスタ４２を配置してもよい。

各サーミスタ４２からは、温度を感知する抵抗体の一端４６と他端４８からそれぞれ信号線が引き出され、サテライト基板５０に導かれる。

サテライト基板５０は、メイン基板１２とは独立の基板で、高電圧電源３０に付属して配置される回路基板である。高電圧電源３０に付属して、とは、高電圧電源３０のパックケースの内部、あるいはパックケースの外側に取り付けられて配置されることを指す。サテライト基板５０は、サーミスタ４２を用いて高電圧電源３０の所定の電池缶３８の温度を検出する温度検出回路基板である。サテライト基板５０には、監視回路５２、マルチプレクサ５４，５５、サーミスタ４２に接続される直列抵抗５８、経路切替部６０等が実装して配置される。

監視回路５２は、負極母線３４を接地電位とし、所定の低電圧Ｖ_ref1によって動作し、サーミスタ４２の一端４６と他端４８との間の端子間電圧に基づいて電池温度を監視し、主制御装置１６とデータ通信線７０で交信する回路である。ここでは、特に、高電圧電源３０とサーミスタ４２との間の電気的な短絡の有無を判定する短絡判定部６４を含む。

所定の低電圧Ｖ_ref1の一例は約５Ｖであり、これは、主制御装置１６の所定の低電圧Ｖ_ccとほぼ同じである。相違するのは、メイン基板１２における所定の低電圧Ｖ_ccの基準電位は車体１４の電位であるのに対し、サテライト基板５０における所定の低電圧Ｖ_ref1の基準電位は車体１４からフローティングの負極母線３４の電位である。サーミスタ４２の一端４６と他端４８との間の端子間電圧は、マルチプレクサ５４，５５から伝送される検出データを検出端子６２，６３で取得する。検出端子６２，６３が取得する検出データは、負極母線３４を基準電位とする電圧である。

マルチプレクサ５４，５５は、１２個のサーミスタ４２から伝送される検出データであるＶ_OUTの内の１つを順次選択して監視回路５２の検出端子６２，６３に伝送する順次選択回路である。マルチプレクサ５４は、ｎ＝２，４，６，８，１０，１２の６つの電池缶３８に対応する６つのサーミスタ４２からのＶ_OUTの内の１つを順次選択して監視回路５２の検出端子６２に伝送する。マルチプレクサ５５は、ｎ＝１４，１６，１８，２０，２２，１４の６つの電池缶３８に対応する６つのサーミスタ４２からのＶ_OUTの内の１つを順次選択して監視回路５２の検出端子６３に伝送する。

図１では、Ｖ_OUT（ｎ＝２），Ｖ_OUT（ｎ＝４），Ｖ_OUT（ｎ＝２０），Ｖ_OUT（ｎ＝２２），Ｖ_OUT（ｎ＝２４）を示し、他の図示を省略した。マルチプレクサ５４，５５を用いることで、監視回路５２における検出端子の数を少なくすることができる。図１の例では、１２個のＶ_OUTのデータを取得するのに、２つの検出端子６２，６３で済む。

マルチプレクサ５４，５５は、監視回路５２の検出端子の数を少なくする回路であり、機能的には、マルチプレクサ５４，５５に入力されるサーミスタ４２からのＶ_OUTのデータは、監視回路５２の検出端子６２，６３が取得するデータと同じである。そこで、以下では、特に断らない限り、マルチプレクサ５４，５５の順次選択機能を広義の監視回路５２に含むものとし、各サーミスタ４２からのＶ_OUTがそれぞれ監視回路５２の検出端子に入力されるものとする。

直列抵抗５８は、予め設定された基準電圧Ｖ_ref2に一方端が接続され、他方端が監視回路５２の検出端子に接続される抵抗体で、１２個のサーミスタ４２のそれぞれについて設けられる。基準電圧Ｖ_ref2の電圧値と直列抵抗５８の抵抗Ｒ₀とは、サーミスタ４２の感度を示すＢ定数を考慮して設定される。これらの設定例については後述する。

経路切替部６０は、各サーミスタ４２毎に１つずつ設けられ、サーミスタ４２の一端４６、他端４８、監視回路５２の検出端子、及び負極母線３４の間に設けられ、信号の流れ経路を切り替えるスイッチ群である。

図１（ｂ）は、（ａ）においてＢと示す経路切替部６０の内部構成図である。経路切替部６０は、４つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４を含む。かかるスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４は、監視回路５２の制御の下で動作するスイッチングトランジスタで構成される。

経路切替部６０は、ＳＷ１，ＳＷ２を共にオンすると共に、ＳＷ３，ＳＷ４を共にオフして形成される第１の経路と、ＳＷ１，ＳＷ２を共にオフすると共に、ＳＷ３，ＳＷ４を共にオンして形成される第２の経路との間で経路を変更する。第１の経路は、サーミスタ４２の一端４６を監視回路５２の検出端子へ接続し、かつサーミスタ４２の他端４８を負極母線３４へ接続する経路である。第２の経路は、サーミスタ４２の他端４８を監視回路５２の検出端子へ接続し、かつサーミスタ４２の一端４６を負極母線３４へ接続する経路である。

短絡判定部６４は、経路切替部６０が第１の経路から第２の経路に切り替えるときに、、経路切替前後で監視回路５２の検出端子が検出するＶ_OUTの変化に基づいて、高電圧電源３０とサーミスタ４２との間の短絡の有無を判定する。経路切替部６０は各サーミスタ４２毎に設けられるので、監視回路５２の検出端子が検出するＶ_OUTは、当該経路切替部６０によって経路が切り替えられる１つのサーミスタ４２の端子間電圧である。したがって、短絡判定部６４は、当該経路切替部６０に対応する１つのサーミスタ４２が高電圧電源３０に電気的に短絡したか否かを判定する。

図１（ａ）において一例を示すと、ｎ＝２０のサーミスタ４２に対応する経路切替部６０が監視回路５２の制御によって第１の経路に切り替えられているときのＶ_OUT（ｎ＝２０）が監視回路５２によって取得される。これを、第１のＶ_OUT（ｎ＝２０）とする。次に、ｎ＝２０のサーミスタ４２に対応する経路切替部６０が監視回路５２の制御によって第２の経路に切り替えられる。そのときに監視回路５２によって取得される。Ｖ_OUT（ｎ＝２０）を第２のＶ_OUT（ｎ＝２０）とする。第１のＶ_OUT（ｎ＝２０）と第２のＶ_OUT（ｎ＝２０）との電圧差の絶対値が予め定めた所定値未満であるときに、短絡判定部６４は、ｎ＝２０のサーミスタ４２と、高電圧電源３０のｎ＝２０の電池缶３８との間に電気的な短絡が生じていないと判定する。換言すれば、第１のＶ_OUT（ｎ＝２０）と第２のＶ_OUT（ｎ＝２０）との電圧差の絶対値が所定値以下であるときに、短絡判定部６４は、ｎ＝２０のサーミスタ４２と、高電圧電源３０のｎ＝２０の電池缶３８との間に電気的な短絡が生じていると判定する。このように、短絡判定部６４は、各サーミスタ４２のそれぞれについて、高電圧電源３０において対応する電池缶３８との間の電気的な短絡の有無を判定する。経路切替を行う必要性については後述する。

図２は、各経路切替部６０がそれぞれ第１の経路に切り替えたときの電源監視システム１０の構成を示す図である。第１の経路に切り替えたときは、サーミスタ４２の一端４６は監視回路５２の検出端子に接続され、サーミスタ４２の他端４８は負極母線３４に接続される。この状態は、経路切替部６０を設けない従来技術の電源監視システムと同じ状態で、監視回路５２の検出端子は、サーミスタ４２の他端４８の電位である負極母線３４の電位を基準電位として、サーミスタ４２の一端の電位をＶ_OUTとして取得する。

図３は、高電圧電源３０と各サーミスタ４２との間が電気的に絶縁されている正常時について、図２の監視回路５２が取得するＶ_OUTと、サーミスタ４２の検出温度との関係の一例を示す図である。図３の横軸はサーミスタ４２の温度、縦軸はＶ_OUTである。Ｖ_OUTは、基準電圧Ｖ_ref2と負極母線３４との間に直列抵抗５８とサーミスタ４２とが直列接続されたときのサーミスタ４２の端子間電圧である。

図３は、基準電圧Ｖ_ref2と負極母線３４との間に直列抵抗５８とサーミスタ４２とが直列接続されたときのサーミスタ４２の温度特性図に相当する。サーミスタ４２として、２５℃における抵抗が１０ｋΩ、Ｂ定数が３４３５（Ｋ）のごく一般的な特性のものを用いる。このとき、極低温で数１００ｋΩの抵抗となり、高温下では数Ωの抵抗となる。直列抵抗５８の抵抗Ｒ₀を適切に設定することで、例えば、２５℃を中心として、温度の変化に対するＶ_OUTの変化を直線的変化とできる。計算によれば、直線的変化の範囲をできるだけ広く取れるようにするには、基準電圧Ｖ_ref2を測定回路として標準的な５．０Ｖとして、直列抵抗５８の抵抗Ｒ₀は、２５℃におけるサーミスタ４２の抵抗と同じ１０ｋΩとすることがよいことが分かる。この設定による計算結果が図３である。この例では、２５℃を中心として、約０℃から約５０℃の範囲で、温度の変化に対するＶ_OUTの変化がほぼ直線的変化とできる。以下では、Ｖ_ref2＝５．０Ｖ、直列抵抗５８の抵抗Ｒ₀＝１０ｋΩとする。

図３に示すように、高電圧電源３０と各サーミスタ４２との間の電気的な絶縁が維持されている正常時のときは、各サーミスタ４２のそれぞれのＶ_OUTの温度特性は、すべて同じとなる。すなわち、−５０℃の極低温では、Ｖ_OUTはほぼＶ_ref2と同じ値となり、２５℃では、Ｖ_OUTは約２．３Ｖ、３００℃の高温下では、Ｖ_OUTはほぼ０Ｖとなる。

つぎに、サテライト基板を用いる電源監視システム１０における経路切替部６０の必要性について、図４から図６を用いて説明する。図４と図６は、ｎ＝ｎ番目の電池缶３８と、これに対応するサーミスタ４２との間の電気的な絶縁が劣化あるいは損傷して、電池缶３８とサーミスタ４２との間が電気的に短絡したときの短絡電流の流れ方を示す図である。図４は、サーミスタ４２の一端４６が電池缶３８と電気的に短絡した場合を示し、図６は、サーミスタ４２の他端４８が電池缶３８と電気的に短絡した場合を示す。なお、図４、図６に示すＺ_Dは、監視回路５２の過電圧防止等のために設けられるツェナーダイオードである。

図４に、サーミスタ４２の一端４６と電池缶３８との間が、短絡路７２によって電気的に短絡するときの短絡電流７４を矢印付き太線で示す。短絡電流７４は、電池セル３６からｒと示す電解液抵抗４０を介し、電池缶３８と短絡路７２を経由してサーミスタ４２の一端４６からサーミスタ４２の他端４８を通り、負極母線３４に向かって流れる。サーミスタ４２の端子間電圧であるＶ_OUTは、サーミスタ４２を流れる短絡電流７４と、基準電圧Ｖ_ref2と直列抵抗５８を介して流れる電流との電流和にサーミスタ４２の抵抗を乗じた値となる。電気回路解析で用いられるキルヒホフの法則と重ね合わせの原理等を用いて計算した結果を図５に示す。

図５の縦軸と横軸は図３と同じである。図３で述べた正常時における特性を破線で示す。実線は、短絡路７２によって電気的に短絡状態となる電池缶３８とサーミスタ４２の位置をｎで示すときに、そのｎの位置のサーミスタ４２の端子間電圧をＶ_OUTとしてその温度特性をｎ＝２からｎ＝２４について計算した結果である。例えば、ｎ＝２の位置で、電池缶３８とサーミスタ４２の一端４６とが短絡路７２で電気的に短絡した場合は、ｎ＝２の位置のサーミスタ４２のＶ_OUTの温度特性が図５のｎ＝２の特性で示される。ｎ＝２の位置のサーミスタ４２のＶ_OUTは、温度が−５０℃の極低温において約５．２Ｖ、２５℃で約５．０Ｖ、３００℃の高温下で約０．１Ｖである。このとき、ｎ＝２以外の位置におけるサーミスタ４２のＶ_OUTは、その位置における電池缶３８との電気的な短絡が無ければ、破線で示す正常時における特性を示す。このように、サーミスタ４２の一端４６と電池缶３８との間が、短絡路７２によって電気的に短絡するときのサーミスタ４２のＶ_OUTは、温度が同じであれば、破線で示す正常時のＶ_OUTよりも大きめの電圧となる。

次に、図６において、ｎ＝ｎの位置におけるサーミスタ４２の他端４８と電池缶３８との間が短絡路７６によって電気的に短絡するときの短絡電流７８を矢印付き太線で示す。短絡電流７８は、電池セル３６から電解液抵抗４１を介し、電池缶３８と短絡路７６を経由してサーミスタ４２の他端４８から負極母線３４に向かって流れる。このとき、短絡電流７８が流れるのと同時に、短絡路７６を通ってサーミスタ４２の一端４６に向かう電流７９が流れる。電流７９は、サーミスタの一端４６からさらに直列抵抗５８を通って監視回路５２に向かって流れる。この電流７９は、サーミスタ４２と直列抵抗５８を流れる電流であるので、監視回路５２が検出するＶ_OUTに影響を与えない。したがって、サーミスタ４２の端子間電圧であるＶ_OUTには、短絡電流７８が反映されず、あたかも短絡がないときの正常時と同じ温度特性となる。図７に、サーミスタ４２の他端４８と電池缶３８との間が短絡路７６によって電気的に短絡するときのサーミスタ４２のＶ_OUTの温度特性を示すが、これは正常時のＶ_OUTの温度特性を示す図３と同じである。図３は、従来技術において電気的な短絡がない正常なＶ_OUTの温度特性であるのに対し、図７は、サーミスタ４２の他端４８と電池缶３８との間が電気的に短絡している異常時のサーミスタ４２のＶ_OUTの温度特性である。ｎ＝ｎの位置以外の位置におけるサーミスタ４２のＶ_OUTは、その位置における電池缶３８との電気的な短絡が無ければ、やはり図７に示す温度特性を示す。このように、サーミスタ４２の他端４８と電池缶３８との間が、短絡路７６によって電気的に短絡してもしなくても、サーミスタ４２のＶ_OUTは、図３と同じ温度特性を示し、短絡を検出できない。

図４の短絡電流７４や、図６の短絡電流７８が生じると、高電圧電源３０は短絡路７２または短絡路７６を介して負極母線３４に向かって放電し、そのまま放置すると過放電状態になる。短絡電流７４，７８は、メイン基板１２における接地電位である車体１４に向かって流れないので、漏電検出回路１８で検出することができない。

サテライト基板５０における監視回路５２は、電池缶３８とサーミスタ４２の一端４６とが電気的に短絡する場合に、図５で述べたように、短絡電流７４が流れるときのサーミスタ４２のＶ_OUTの温度特性が正常時のＶ_OUTの温度特性と異なることを利用し得る。しかし、電池缶３８とサーミスタ４２の他端４８とが電気的に短絡する場合には、図７で述べたように、短絡電流７８が流れるときのサーミスタ４２のＶ_OUTの温度特性が正常時のＶ_OUTの温度特性と同じであるため、短絡路７６の発生を検出できない。

図８は、経路切替部６０によって短絡電流の流れる経路を切り替えることで、電池缶３８とサーミスタ４２の一端４６または他端４８のいずれかが電気的に短絡したことを検出する手順を示すフローチャートである。この手順は、監視回路５２がソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、高電圧電源の短絡判定プログラムを監視回路５２が実行することで実現できる。図８の各手順は、高電圧電源の短絡判定プログラムの各処理手順に対応する。図８の手順の一部をハードウェアで実現してもよい。

図８の各手順は、各サーミスタ４２について順次実行されるので、最初は、ｎの最も少ないサーミスタ４２から始める。図１の例では、１２個のサーミスタ４２は、ｎ＝２，４，６，８，１０，１２，１４，１６，１８，２０，２２，２４であるので、最初はｎ＝２に設定する（Ｓ１０）。以下では、ｎ＝２の位置のサーミスタ４２からｎ＝２４の位置のサーミスタ４２についての手順がＳ２６に進むまで、特に断らない限り、各位置におけるサーミスタ４２を、単に、サーミスタ４２と示す。

ここで、サーミスタ４２に対応する経路切替部６０を第１の経路に設定する。具体的には、ＳＷ１，ＳＷ２をオンし、ＳＷ３，ＳＷ４をオフする（Ｓ１２）。そして、そのときのサーミスタ４２のＶ_OUTを、第１のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）として取得する（Ｓ１４）。ここで、（ｎ＝ｎ）は一般的に示すもので、今の場合に限ればｎ＝２である。以下においても同様である。

Ｓ１４におけるサーミスタ４２のＶ_OUTは、高電圧電源３０とサーミスタ４２との間で電気的な短絡が無い場合には、図３で述べた正常時の温度特性となる。高電圧電源３０の電池缶３８とサーミスタ４２の一端４６とが短絡路７２で電気的に短絡するときは図４で述べた状態であるので、サーミスタ４２のＶ_OUTは、図５で述べた温度特性となる。今の場合ｎ＝２であるので、図５のｎ＝２の実線の温度特性となる。高電圧電源３０の電池缶３８とサーミスタ４２の一端４６とが短絡路７６で電気的に短絡するときは図６で述べた状態であるので、サーミスタ４２のＶ_OUTは、図７で述べた正常時の温度特性となる。

第１のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）を取得すると、次に、サーミスタ４２に対応する経路切替部６０を第２の経路に設定する。具体的には、ＳＷ１，ＳＷ２をオフし、ＳＷ３，ＳＷ４をオンする（Ｓ１６）。そして、そのときのサーミスタ４２のＶ_OUTを、第２のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）として取得する（Ｓ１８）。

Ｓ１８におけるサーミスタ４２のＶ_OUTは、高電圧電源３０とサーミスタ４２との間で電気的な短絡が無い場合には、図３で述べた正常時の温度特性となる。高電圧電源３０とサーミスタ４２との間で電気的な短絡がある場合については、電池缶３８とサーミスタ４２の一端４６とが短絡路７２で短絡したときと、電池缶３８とサーミスタ４２の他端４８とが短絡路７６で短絡したときとに分けて説明する。

図９は、サーミスタ４２の一端４６が電池缶３８と電気的に短絡した場合を示す図である。図９において、ｎ＝ｎの位置におけるサーミスタ４２の一端４６と電池缶３８との間が短絡路７２によって電気的に短絡するときの短絡電流８０を矢印付き太線で示す。短絡電流８０は、電池セル３６から電解液抵抗４０を介し、電池缶３８と短絡路７２を経由してサーミスタ４２の一端４６から経路切替部６０における第２の経路を通り、負極母線３４に向かって流れる。このとき、短絡電流８０は、サーミスタ４２の他端４８に向かっては流れない。サーミスタ４２の他端４８と一端４６との間には、基準電圧Ｖ_ref2と直列抵抗５８を介して負極母線３４に向かう電流のみが流れる。したがって、第２の経路におけるサーミスタ４２のＶ_OUTである第２のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）には、短絡電流８０が反映されず、図３で述べた正常時の温度特性を示す。

図１０は、サーミスタ４２の他端４８が電池缶３８と電気的に短絡した場合を示す図である。図１０において、ｎ＝ｎの位置におけるサーミスタ４２の他端４８と電池缶３８との間が短絡路７６によって電気的に短絡するときの短絡電流８２を矢印付き太線で示す。短絡電流８２は、電池セル３６から電解液抵抗４１を介し、電池缶３８と短絡路７６を経由してサーミスタ４２の他端４８から一端４６に流れ、経路切替部６０の第２の経路を通り、負極母線３４に向かって流れる。サーミスタ４２の端子間電圧であるＶ_OUTは、サーミスタ４２を流れる短絡電流８２と、基準電圧Ｖ_ref2と直列抵抗５８を介して流れる電流との電流和にサーミスタ４２の抵抗を乗じた値となる。これについて電気回路解析で用いられるキルヒホフの法則と重ね合わせの原理等を用いて計算した結果を図１１に示す。図１１の内容は、図５と同じであるので、詳細な説明を省略する。このように、第２の経路におけるサーミスタ４２のＶ_OUTである第２のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）は、図１１における実線の温度特性を示す。今の場合ｎ＝２であるので、図１１のｎ＝２の実線の温度特性となる。

第２のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）を取得すると、次に、第１のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）と第２のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）の間の電圧差の絶対値を求め、予め定めた所定値ΔＶ_th未満か否かが判定される（Ｓ２０）。この処理手順は、監視回路５２の短絡判定部６４の機能によって実行される。

Ｓ２０の判定について、３つの場合に分けて説明する。第１の場合は、高電圧電源３０とサーミスタ４２との間で電気的な短絡が無い場合である。このとき、経路切替部６０の第１の経路における第１のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）は、図３で述べた正常時の温度特性であり、経路切替部６０の第２の経路における第２のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）も、図３で述べた正常時の温度特性である。これらは、同じサーミスタ４２についてのＶ_OUTで、単に、第１の経路か第２の経路かの相違であるので、同じ温度状態である。したがって、第１のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）と第２のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）の間の電圧差の絶対値は、測定誤差範囲でゼロであり、ΔＶ_thを測定誤差上限の０．１Ｖとすることで、Ｓ２０の判定は肯定される。

第２の場合は、電池缶３８とサーミスタ４２の一端４６とが短絡路７２で電気的に短絡する場合である。このとき、経路切替部６０の第１の経路における第１のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）は、図５の実線の温度特性となる。これに対し、経路切替部６０の第２の経路における第２のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）は、図９で述べたように、図３の正常時の温度特性となる。図３、図５に代えて図１１を用い、ｎ＝２とすると、第１のＶ_OUT（ｎ＝２）は、図１１のｎ＝２の実線の温度特性であり、第２のＶ_OUT（ｎ＝２）は、図１１の破線の温度特性である。ｎ＝２のサーミスタ４２の温度を、例えば５０℃とすると、第１のＶ_OUT（ｎ＝２）は、図１１の（ａ）点で、約４．５Ｖ、第２のＶ_OUT（ｎ＝２）は、図１１の（ｂ）点で、約１．５Ｖとなる。したがって、第１のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）と第２のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）の間の電圧差の絶対値は、約３．０Ｖであり、測定誤差範囲を大幅に超える値となる。ΔＶ_thを測定誤差上限の０．１Ｖとすると、Ｓ２０の判定は否定される。ΔＶ_thを０．１Ｖとするのは、説明のための例示であって、これ以外の数値を用いてもよい。

第３の場合は、電池缶３８とサーミスタ４２の他端４８とが短絡路７６で電気的に短絡する場合である。このとき、経路切替部６０の第１の経路における第１のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）は、図３の正常時の温度特性となる。これに対し、経路切替部６０の第２の経路における第２のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）は、図１０で述べたように、図１１の実線の温度特性となる。ｎ＝２とすると、第１のＶ_OUT（ｎ＝２）は、図１１の破線の温度特性であり、第２のＶ_OUT（ｎ＝２）は、図１１におけるｎ＝２の実線の温度特性である。ｎ＝２のサーミスタ４２の温度を、例えば５０℃とすると、第１のＶ_OUT（ｎ＝２）は、図１１の（ｂ）点で、約１．５Ｖ、第２のＶ_OUT（ｎ＝２）は、図１１の（ａ）点で、約４．５Ｖとなる。したがって、第１のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）と第２のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）の間の電圧差の絶対値は、約３．０Ｖであり、測定誤差範囲を大幅に超える値となる。ΔＶ_thを測定誤差上限の０．１Ｖとすると、Ｓ２０の判定は否定される。

このように、経路切替部６０の作用によって、電池缶３８がサーミスタ４２の一端４６と短絡路７２で電気的に短絡する場合も、電池缶３８がサーミスタ４２の他端４８と短絡路７６で電気的に短絡する場合も、Ｓ２０の判定が否定される。これによって、経路切替部６０を設けない場合に相当する図２の電源監視システム１０では検出できなかった電池缶３８とサーミスタ４２の他端４８とが電気的に短絡することを検出できる。

なお、Ｓ２０では、同じサーミスタ４２についての第１のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）と第２のＶ_OUT（ｎ＝ｎ）との比較を行った。これに代えて、異なるサーミスタ４２の間のＶ_OUTを比較して、その電圧差がΔＶ_thを超えるときに、大きいＶ_OUTを示すサーミスタ４２が電池缶３８との間で電気的に短絡していると判定することも考えられる。この案は、図５で述べたように、サーミスタ４２が電池缶３８との間で電気的に短絡しているときのＶ_OUTが実線の温度特性を示し、サーミスタ４２が電池缶３８との間で電気的に短絡していないときのＶ_OUTが破線の温度特性を示すことを利用するものである。この案は、異なるサーミスタ４２のＶ_OUTを比較するので、比較するサーミスタ４２の温度が同じのときに用いることが可能である。

例えば、図５と同じ内容の図１１において、ｎ＝２のサーミスタ４２のＶ_OUTが実線の温度特性とし、他の正常時を示すサーミスタ４２のＶ_OUTが破線の温度特性とする。温度が共に５０℃であれば、ｎ＝２のサーミスタ４２のＶ_OUTは（ａ）点の約４．５Ｖで、正常時にあるサーミスタ４２のＶ_OUTは（ｂ）点の約１．５Ｖであり、その電圧差はΔＶ_thを超える。したがって、Ｖ_OUTが大きい値を示すｎ＝２のサーミスタ４２が電池缶３８と電気的に短絡していると判定できる。共通の温度が５０℃でなくても、同様の判定が可能である。例えば、共通の温度が１５０℃のときは、ｎ＝２のサーミスタ４２のＶ_OUTは（ｃ）点の約１．５Ｖで、正常時にあるサーミスタ４２のＶ_OUTは（ｄ）点の約０．１Ｖであり、その電圧差はΔＶ_thを超える。

しかし、高電圧電源３０の各電池缶３８の温度は必ずしも同じでなく、場合によっては、大きな温度差を有する場合がある。図１１の例で、ｎ＝２のサーミスタ４２の温度が１５０℃、正常時にあるサーミスタ４２の温度が５０℃とすると、ｎ＝２のサーミスタ４２のＶ_OUTは（ｃ）点の約１．５Ｖ、正常時にあるサーミスタ４２のＶ_OUTは（ｂ）点の約１．５Ｖである。この例では、電圧差はほぼゼロとなり、ΔＶ_th未満となって、ｎ＝２のサーミスタ４２が電池缶３８と電気的に短絡しているとは判定できない。これに対し、Ｓ２０では、同一サーミスタ４２において、経路切替部６０によって経路を切り替えたときのＶ_OUTの電圧差の絶対値を見るので、温度の影響を受けず、正確な判定ができる。

図８に戻り、Ｓ２０の判定が肯定されると、ｎ＝ｎのサーミスタ４２と高電圧電源３０との間に電気的な短絡がない（Ｓ２２）とされる。Ｓ２２の判定が否定されると、ｎ＝ｎのサーミスタ４２と高電圧電源３０との間に電気的な短絡がある（Ｓ２４）とされる。Ｓ２４の場合は、今のところ、ｎ＝２のサーミスタ４２と高電圧電源３０との間に短絡電流が生じているので、ｎ＝２のサーミスタ４２に対応する経路切替部６０の全てのスイッチをオフにする（Ｓ２６）。これによって、高電圧電源３０からｎ＝ｎのサーミスタ４２を経由して短絡電流が負極母線３４に流れることを防止し、高電圧電源３０の過放電を防止できる。このように、経路切替部６０は、高電圧電源３０とサーミスタ４２との間の短絡電流を遮断する働きも有する。

Ｓ２２，Ｓ２６までの処理手順で、ｎ＝２のサーミスタ４２における短絡判定が終了するので、Ｓ２８に進み、全てのサーミスタ４２についての短絡判定が終了したか否かの判定が行われる。すなわち、ｎが２４に達したか否かが判定される。今の場合、サーミスタ４２は１２個あり、ｎ＝２のサーミスタ４２における短絡判定が終了しただけなので、判定が否定される。ｎが２４に達したか否かが判定される。Ｓ２８の判定が否定されると、ｎを(＋２)だけ増加させ（Ｓ３０）、Ｓ１２の処理手順に戻り、上記の処理手順が繰り返される。Ｓ２８の判定が肯定されると、全部のサーミスタ４２についての短絡判定が終了しているので、全ての処理手順を終了する。

図１２は、実施の形態の電源監視システム１０と比較するために、サテライト基板５０を用いない従来技術の電源監視システム１１の構成を示す図である。サテライト基板５０を用いないとき、高電圧側と低電圧側の境界は、高電圧電源３０の各電池缶３８と、各サーミスタ４２との間になる。メイン基板１２は、高電圧電源３０が収納されるパックケースから離れたところに配置されるので、各サーミスタ４２の一端４６と他端４８から引き出される信号線４９は、引き回されて、メイン基板１２に接続される。メイン基板１２には、高電圧電源３０の正極母線３２及び負極母線３４と、車体１４との間の漏電を検出する漏電検出回路１８が設けられる。高電圧電源３０と各サーミスタ４２との間に電気的な短絡が生じると、その短絡電流は、車体１４に向かって流れるので、漏電検出回路１８によって検出される。

このように、従来技術の電源監視システム１０によれば、高電圧電源３０と各サーミスタ４２との間の電気的な短絡は、漏電検出回路１８によって検出できる。その反面、各サーミスタ４２の一端４６と他端４８から引き出される多数の信号線４９をメイン基板１２まで引き回す必要がある。本実施の形態の電源監視システム１０では、サテライト基板５０を用いるので、図１２に示す多数の信号線４９の引き回しが不要となる。高電圧電源３０と各サーミスタ４２との間に電気的な短絡が生じるときは、漏電検出回路１８が利用できないが、経路切替部６０と、短絡判定部６４の作用によって、その電気的な短絡の検出が行われる。本実施の形態の電源監視システム１０によれば、従来技術の電源監視システム１１に比較して、小型で扱いやすい構成となる。

本実施の形態のサテライト基板を用いた車両用電源監視システム１０は、電池缶３８に収納された電池セル３６の所定の複数個を直列に接続し、正極母線３２と負極母線３４が車体１４から絶縁抵抗を介してフローティング電位にある高電圧電源３０を含む。また、複数の電池缶３８について定められた測定位置に絶縁体４４を介して配置され、一端４６及び他端４８がそれぞれ引き出される複数のサーミスタ４２を含む。そして、メイン制御基板１２とは独立のサテライト基板５０を有する。サテライト基板５０には、負極母線３４を接地電位とし、サーミスタ４２の一端４６と他端４８の間の端子間電圧に基づいて電池温度を監視する監視回路５２が実装される。そして、予め設定された基準電圧Ｖ_ref2に一方端が接続され、他方端が監視回路５２の検出端子に接続され、各サーミスタ４２ごとに設けられた所定の直列抵抗５８を含む。さらに、サーミスタ４２の一端４６、他端４８、監視回路５２の検出端子、及び負極母線３４の間に設けられる経路切替部６０を含む。経路切替部６０は、第１の経路と第２の経路との間で経路を切り替える。第１の経路は、サーミスタ４２の一端４６を監視回路５２の検出端子６２，６３へ接続し、かつサーミスタ４２の他端４８を負極母線３４へ接続する。第２の経路は、サーミスタ４２の他端４８を監視回路５２の検出端子へ接続し、かつサーミスタ４２の一端４６を負極母線３４へ接続する。そして、経路切替前後で、サーミスタ４２の端子間電圧の差が所定値を超えるときに、サーミスタ４２の一端４６または他端４８のいずれか１が電池缶３８と電気的に短絡していると判定する短絡判定部６４を備える。

上記構成によれば、サテライト基板５０に監視回路５２を実装した車両用電源監視システム１０において、高電圧電源３０とサーミスタ４２との間の電気的な短絡を判定できる。

１０ （サテライト基板を用いた車両用）電源監視システム、１１ （従来技術の）電源監視システム、１２ メイン（制御）基板、１４ 車体、１６ 主制御装置、１８ 漏電検出回路、３０ 高電圧電源、３２ （高電圧電源の）正極母線、３４ （高電圧電源の）負極母線、３６ 電池セル、３８ 電池缶、４０，４１ 電解液抵抗、４２ サーミスタ、４４ 絶縁体、４６ （サーミスタの）一端、４８ （サーミスタの）他端、４９ 信号線、５０ サテライト基板、５２ 監視回路、５４，５５ マルチプレクサ、５８ 直列抵抗、６０ 経路切替部、６２，６３ 検出端子、６４ 短絡判定部、７０ データ通信線、７２，７６ 短絡路、７４，７８，８０，８２ 短絡電流、７９ 電流。

Claims (1)

1. 電池缶に収納された電池セルの所定の複数個を直列に接続し、正極母線と負極母線が車体から絶縁抵抗を介してフローティング電位にある高電圧電源と、
   複数の前記電池缶について定められた測定位置に絶縁体を介して配置され、一端及び他端がそれぞれ引き出される複数のサーミスタと、
   メイン制御基板とは独立のサテライト基板に実装され、前記負極母線を接地電位とし、前記サーミスタの前記一端と前記他端の間の端子間電圧に基づいて電池温度を監視する監視回路と、
   予め設定された基準電圧に一方端が接続され、他方端が前記監視回路の検出端子に接続され、前記サーミスタのそれぞれに設けられた所定の直列抵抗と、
   前記サーミスタの前記一端、前記他端、前記監視回路の前記検出端子、及び前記負極母線の間に設けられる経路切替部であって、前記サーミスタの前記一端を前記監視回路の前記検出端子へ接続し、かつ前記サーミスタの前記他端を前記負極母線へ接続する第１の経路、前記サーミスタの前記他端を前記監視回路の前記検出端子へ接続し、かつ前記サーミスタの前記一端を前記負極母線へ接続する第２の経路との間で、経路を切り替える経路切替部と、
   経路切替前後で、前記サーミスタの前記端子間電圧の差が所定値を超えるときに、前記サーミスタの前記一端または前記他端のいずれか１が前記電池缶と電気的に短絡していると判定する短絡判定部と、
   を備える、サテライト基板を用いた車両用電源監視システム。

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