JP6718350B2 - 電圧検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電圧検出装置に関する。
下記特許文献１には、組電池の電圧を監視する監視回路を保護する回路保護装置が開示されている。この回路保護装置は、組電池と監視回路との間に介装される回路であり、監視回路の各入力端と組電池を構成する複数の電池セルの各端子とを相互接続する複数の検出ラインの各々に挿入される複数のヒューズと、個々の電池セルに対応する一対の検出ライン間に各々設けられる複数のツェナーダイオードからなる。
特開２０１４−００７８８３号公報
ところで、上記回路保護装置は、組電池と監視回路との間に介装される保護回路であり、監視回路が監視する組電池の電圧に対して誤差要因となる。特に回路保護装置を構成する複数のヒューズ及び複数のツェナーダイオードのうち、複数のヒューズは、監視回路の各入力端と電池セルの各端子との間に介装されるので、監視回路が検出する電池セルの検出電圧に対して寄与率の大きな誤差要因である。
周知のように、ヒューズは、一対の端子間を接続する導体が過電流によって溶断するものであるが、この溶断には導体が完全に断線する状態の他に半断線状態がある。現状ではヒューズが半断線状態か否かを検知する手段がなく、また半断線状態に至るまでに、監視回路が検出する電池セルの検出電圧は、電池セルの本来の出力電圧に対して極端に異なったものとなる。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、保護回路の半断線状態を検知することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明では、電圧検出装置に係る第１の解決手段として、負荷に電力を供給する電池の電圧を検出する電圧検出部と、前記電池を放電させる放電回路と、前記電圧検出部及び前記放電回路と前記電池との間に設けられる保護回路とを備える電圧検出装置であって、前記放電回路が非作動状態のときに前記電圧検出部で検出される第１の電圧と前記放電回路が作動状態のときに前記電圧検出部で検出される第２の電圧とに基づいて前記保護回路の内部抵抗を推定し、当該推定の結果に基づいて前記保護回路の半断線状態を判定する判定手段を備える、という手段を採用する。
本発明では、電圧検出装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記推定の結果に基づいて前記第１の電圧の誤差を補正する電圧補正手段をさらに備える、という手段を採用する。
本発明では、電圧検出装置に係る第３の解決手段として、上記第１または２の解決手段において、前記電池は複数の電池セルからなる組電池であり、前記電圧検出部及び前記放電回路は前記電池セル毎に設けられ、前記電圧補正手段は、前記電池セル毎に前記第１の電圧の誤差を補正する、という手段を採用する。
本発明では、電圧検出装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、前記電圧検出部は、前記電池と前記負荷との接続が遮断された状態において前記第１の電圧及び前記第２の電圧を検出する、という手段を採用する。
本発明では、電圧検出装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、前記電圧補正手段は、前記第１の電圧及び前記第２の電圧に基づいて推定される前記保護回路の内部抵抗が所定のしきい値以上の場合に、前記電池と前記負荷との接続を遮断させる指示信号を出力する、という手段を採用する。
本発明では、電圧検出装置に係る第６の解決手段として、上記第１〜第５のいずれかの解決手段において、前記電圧検出部は、各々にローパスフィルタを介して前記電池の出力端子から入力される一対の電位に基づいて前記第１の電圧及び前記第２の電圧を検出し、前記放電回路は、前記ローパスフィルタの入力端に一端が各々接続された一対の放電抵抗器と、当該一対の放電抵抗器の各他端の間に接続された開閉スイッチとを備える、という手段を採用する。
本発明では、電圧検出装置に係る第７の解決手段として、上記第１〜第６のいずれかの解決手段において、前記保護回路はヒューズである、という手段を採用する。
本発明によれば、保護回路の半断線状態を検知することが可能である。
本発明の一実施形態に係る電圧検出装置が含まれる車両走行系の機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る電圧検出装置の一部詳細構成を示す回路図である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１に示す車両走行系は、電気自動車やハイブリッド自動車等、電力によってモータを駆動することにより走行のための駆動力を得る車両に設けられるものである。
この車両走行系は、図１に示すように、組電池１（電池）、メインコンタクタ２、サブコンタクタ３、インバータ４、走行モータ５、保護回路６、電圧検出部７、マイコン８及びバッテリＥＣＵ９を備えている。このような構成要素のうち、保護回路６、電圧検出部７及びマイコン８は、本実施形態における電圧検出装置を構成している。また、マイコン８は、本発明における電圧補正手段に相当する構成要素である。
組電池１は、１２個の電池セルＣ１〜Ｃ１２が直列接続されたものであり組電池であり、最上位に位置する電池セルＣ１のプラス端子が組電池１のプラス端子（一方の出力端子）であり、また最下位に位置する電池セルＣ１２のマイナス端子が組電池１のマイナス端子（他方の出力端子）である。なお、この組電池１における合計１２個の電池セルＣ１〜Ｃ１２はあくまでも一例であり、組電池１としては、さらに多くの電池セルを備えたものでもよく、またさらに少ない電池セルを備えるものでもよい。
メインコンタクタ２は、励磁コイルと当該励磁コイルへの給電状態に応じて開状態あるいは閉状態に変化する一対の接点を備えた通電開閉器であり、一方の接点が上記組電池１のプラス端子に接続されており、他方の接点がインバータ４の第１入力端に接続されている。このメインコンタクタ２は、バッテリＥＣＵ９から上記励磁コイルに供給される駆動電流に基づいて開状態あるいは閉状態に設定されることにより、上記組電池１のプラス端子とインバータ４の第１入力端との接続／非接続を切り替える。
サブコンタクタ３は、上記メインコンタクタ２と同様に励磁コイルと当該励磁コイルへの給電状態に応じて開状態あるいは閉状態に変化する一対の接点を備えた通電開閉器であり、一方の接点が上記組電池１のマイナス端子に接続されており、他方の接点がインバータ４の第２入力端に接続されている。このサブコンタクタ３は、バッテリＥＣＵ９から供給される駆動電流に基づいて閉状態あるいは開状態に設定されることにより、上記組電池１のマイナス端子とインバータ４の第２入力端と接続／非接続を切り替える。
インバータ４は、第１入力端と第２入力端及び第１〜第３出力端を備える三相インバータである。このインバータ４の第１入力端及び第２入力端には、上記組電池１から高周波電力（直流電力）が入力される。このインバータ４は、第１入力端及び第２入力端に入力された組電池１の高周波電力（直流電力）を所定周波数かつ三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電力（三相交流電力）に変換して第１〜第３出力端から走行モータ５に出力する。このようなインバータ４は、図示しない電力制御装置から入力されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の制御信号（例えばＰＷＭ信号）に基づいて高周波電力（直流電力）を三相交流電力に変換する。
走行モータ５は、上記インバータ４から供給される三相交流電力を駆動電力として回転動力を発生する三相電動機である。本実施形態における車両は、走行モータ５が発生する回転動力によって走行する。このような走行モータ５は、例えば制御性に優れた三相直流電動機である。
保護回路６は、電圧検出部７と組電池１との間に設けられ、電圧検出部７を保護するための回路である。詳細は後述するが、この保護回路６は、図２に示すように、例えば各電池セルＣ１〜Ｃ１２の出力端子（プラス端子とマイナス端子）と当該出力端子に対応して設けられた電圧検出部７の各入力端との間に設けられたヒューズであり、電圧検出部７の各入力端への過電流の流入を阻止することにより電圧検出部７を保護する。
電圧検出部７は、組電池１の出力電圧を検出する回路である。詳細については後述するが、この電圧検出部７は、より具体的には各電池セルＣ１〜Ｃ１２の出力電圧を検出するための専用ＩＣと、各電池セルＣ１〜Ｃ１２の出力端子に対応して設けられたローパスフィルタとを備えている。なお、上記専用ＩＣには、各電池セルＣ１〜Ｃ１２の出力電圧の検出機能に加えて、各電池セルＣ１〜Ｃ１２を強制的に放電させる放電回路が設けられている。このような電圧検出部７は、各電池セルＣ１〜Ｃ１２の出力電圧をマイコン８に出力する。
図２は、代表として電池セルＣ１に対応する保護回路６及び電圧検出部７の詳細構成を示す回路図である。なお、電池セルＣ１以外の電池セルＣ２〜Ｃ１２に対応する保護回路６及び電圧検出部７も、図２と同様な詳細構成を有している。
保護回路６は、詳細には一対のヒューズＦ１、Ｆ２から構成されている。一対のヒューズＦ１、Ｆ２は、過電流によって溶断する電子素子であり、所定の内部抵抗（保護抵抗値Ｒｈ）を有している。この保護抵抗値Ｒｈは、ヒューズＦ１、Ｆ２の使用状態に応じて時系列的に変化するものである。
また、電圧検出部７は、一対のローパスフィルタＬ１、Ｌ２、一対の放電抵抗器Ｒ１、Ｒ２及びセル電圧検出ＩＣ７ａから構成されている。一方のヒューズＦ１は、一端が電池セルＣ１のプラス端子に接続され、他端がローパスフィルタＬ１の入力端及び一方の放電抵抗器Ｒ１の一端に接続されている。他方のヒューズＦ２は、一端が電池セルＣ１のマイナス端子に接続され、他端がローパスフィルタＬ２の入力端及び他方の放電抵抗器Ｒ２の一端に接続されている。
ローパスフィルタＬ１は、抵抗器とコンデンサとからなるＣＲフィルタであり、入力端が上記一方のヒューズＦ１の他端に接続され、出力端がセル電圧検出ＩＣ７ａの入力端ａ１に接続されている。ローパスフィルタＬ２は、抵抗器とコンデンサとからなるＣＲフィルタであり、入力端が上記他方のヒューズＦ２の他端に接続され、出力端がセル電圧検出ＩＣ７ａの入力端ａ２に接続されている。
一方の放電抵抗器Ｒ１は、一端が一方のヒューズＦ１の他端に接続され、他端がセル電圧検出ＩＣ７ａの入力端ａ３に接続されている。他方の放電抵抗器Ｒ２は、一端が他方のヒューズＦ２の他端に接続され、他端がセル電圧検出ＩＣ７ａの入力端ａ４に接続されている。このような一対の放電抵抗器Ｒ１、Ｒ２は、図示するように放電抵抗値Ｒｃを有する。セル電圧検出ＩＣ７ａは、上記一対の入力端ａ１、ａ２の各電位の電位差を電池セルＣ１の出力電圧として検出すると共に、上記一対の入力端ａ３、ａ４に接続された開閉スイッチ７ｂを備えている。
この開閉スイッチ７ｂは、上述した一対の放電抵抗器Ｒ１、Ｒ２と共に放電回路を構成している。すなわち、この開閉スイッチ７ｂは、閉状態になることにより一対のヒューズＦ１、Ｆ２及び一対の放電抵抗器Ｒ１、Ｒ２を介して電池セルＣ１のプラス端子とマイナス端子とを相互接続し、以て電池セルＣ１を放電させる。
マイコン８は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)やメモリ、入出力インターフェイス等が一体的に組み込まれた所謂ワンチップマイコンであり、内部メモリに記憶された電圧検知プログラムを実行することにより組電池１に関する電圧検知機能を発揮する。より具体的には、このマイコン８は、電圧検出部７から入力される各電池セルＣ１〜Ｃ１２の出力電圧をデジタル値に変換し、当該デジタル値に所定の電圧補正処理を施すことにより保護回路６の半断線状態を判定すると共に上記出力電圧を補正した真値（真出力電圧）を演算してバッテリＥＣＵ９に出力する。このようなマイコン８は、本発明における判定手段及び電圧補正手段に相当する。
バッテリＥＣＵ９は、車両の運転手の操作指示（例えばイグニッションスイッチの「ＯＮ」）に基づいて、上述したメインコンタクタ２及びサブコンタクタ３の動作を制御することにより、組電池１の高電圧電力のインバータ４への通電を制御する装置である。このバッテリＥＣＵ９は、上記メインコンタクタ２及びサブコンタクタ３の制御に加え、当該制御に基づくメインコンタクタ２及びサブコンタクタ３の開閉状態をマイコン８に通知する。
次に、このように構成された車両走行系の動作について詳しく説明する。
この車両走行系では、バッテリＥＣＵ９がメインコンタクタ２及びサブコンタクタ３の開閉を制御することにより組電池１の出力がインバータ４に給電され、当該インバータ４が図示しない走行制御装置によって制御されることによって走行モータ５が駆動される。すなわち、バッテリＥＣＵ９は、インバータ４に対する給電制御装置として機能する。
そして、本実施形態における電圧検出装置は、このようなバッテリＥＣＵ９の機能を補佐するように動作する。すなわち、バッテリＥＣＵ９は、マイコン８から入力される各電池セルＣ１〜Ｃ１２の出力電圧が異常値を示す場合には、メインコンタクタ２及びサブコンタクタ３を開状態に設定してインバータ４への給電を中止させる。
以下では、図２を参照して電池セルｂ１に関する電圧検出装置の動作を説明するが、電圧検出部７のセル電圧検出ＩＣ７ａは、全ての電池セルＣ１〜Ｃ１２について電池セルｂ１と同様に動作する。
最初に、セル電圧検出ＩＣ７ａは、開閉スイッチ７ｂのＯＦＦ状態（非作動状態）において、ヒューズＦ１、Ｆ２及びローパスフィルタＬ１、Ｌ２を介して一対の入力端ａ１、ａ２に入力される電池セルＣ１のプラス電位とマイナス電位の電位差をセル電圧Ｖｃ（第１の電圧）として検出する。このセル電圧Ｖｃは、保護回路６が存在しない場合つまり電池セルＣ１と電圧検出部７とが直接接続されている場合におけるセル電圧（つまり真セル電圧Ｖｒ）よりも保護回路６の内部抵抗つまり抵抗値Ｒｈの分の電圧降下した値だけ減少した値となる。
セル電圧検出ＩＣ７ａは、このようなセル電圧Ｖｃに対して、開閉スイッチ７ｂを所定のタイミングでＯＮ状態（作動状態）に設定することにより、ヒューズＦ１、Ｆ２の抵抗値Ｒｈ（内部抵抗）を推定し、この推定結果に基づいて真セル電圧Ｖｒを演算する。すなわち、セル電圧検出ＩＣ７ａは、上記セル電圧Ｖｃを検出すると、開閉スイッチ７ｂを所定時間だけＯＮ状態（作動状態）とし、このＯＮ状態（作動状態）における一対の入力端ａ１、ａ２の電位差を補正用セル電圧Ｖａ（第２の電圧）として検出する。
ここで、使用状態に応じて変動し得る一対のヒューズＦ１、Ｆ２の保護抵抗値Ｒｈは、上記セル電圧Ｖｃ（第１の電圧）、補正用セル電圧Ｖａ（第２の電圧）、一対の放電抵抗器Ｒ１、Ｒ２の放電抵抗値Ｒｃを用いて下式（１）のように表される。そして、この式（１）によって与えられる保護抵抗値Ｒｈを用いることにより、上記真セル電圧Ｖｒは下式（２）によって表される。
Ｒｈ＝Ｒｃ・（Ｖｃ−Ｖａ）／Ｖａ （１）
Ｖｒ＝Ｖａ・（Ｒｈ＋Ｒｃ）／Ｒｃ （２）
すなわち、セル電圧検出ＩＣ７ａは、上式（１）を用いることにより使用状態に応じて変動し得る保護抵抗値Ｒｈを推定し、また当該推定の結果として得られる保護抵抗値Ｒｈを所定の判定用しきい値と比較することにより保護回路６が半断線状態か否かを判定し、さらに式（１）によって得られた保護抵抗値Ｒｈを式（２）に代入することによって真セル電圧Ｖｒを取得する。このような本実施形態における電圧検出装置によれば、保護回路６の半断線状態を検知することが可能であり、また保護回路６に起因するセル電圧Ｖｃの検出誤差を抑制あるいは是正することができる。
なお、セル電圧検出ＩＣ７ａは、セル電圧Ｖｃ及び補正用セル電圧Ｖａの検出をメインコンタクタ２及びサブコンタクタ３をＯＦＦ状態（開状態）、つまり組電池１が負荷であるインバータ４に接続されていない状態で行う。すなわち、バッテリＥＣＵ９は、メインコンタクタ２及びサブコンタクタ３がＯＮ状態（閉状態）、つまり組電池１からインバータ４（負荷）に電力が供給されている状態において、所定の短時間だけメインコンタクタ２及びサブコンタクタ３をＯＦＦ状態（開状態）とする。
セル電圧検出ＩＣ７ａは、上記短時間においてセル電圧Ｖｃ及び補正用セル電圧Ｖａを検出する。インバータ４には平滑コンデンサが設けられているので、短時間であればメインコンタクタ２及びサブコンタクタ３をＯＦＦ状態（開状態）としてもインバータ４による走行モータ５の駆動には支障がない。また、このようなメインコンタクタ２及びサブコンタクタ３をＯＦＦ状態（開状態）では組電池１の負荷が軽くなるので、安定したセル電圧Ｖｃ及び補正用セル電圧Ｖａを検出することができる。
また、セル電圧検出ＩＣ７ａは、全ての電池セルＣ１〜Ｃ１２について真セル電圧Ｖｒを順次取得すると、各電池セルＣ１〜Ｃ１２の真セル電圧ＶｒをバッテリＥＣＵ９に順次出力する。そして、バッテリＥＣＵ９は、各電池セルＣ１〜Ｃ１２の真セル電圧Ｖｒが異常な値を示した場合には、メインコンタクタ２及びサブコンタクタ３をＯＮ状態（閉状態）からＯＦＦ状態（開状態）に移行させて、組電池１からのインバータ４への給電を停止させる。
また、セル電圧検出ＩＣ７ａは、上式（１）によって取得された保護抵抗値Ｒｈが予め規定された所定のしきい値以上の場合、一対のヒューズＦ１、Ｆ２つまり保護回路６が異常状態に至ったと判定し、組電池１と負荷であるインバータ４との接続を遮断させる指示信号をバッテリＥＣＵ９に出力する。そして、バッテリＥＣＵ９は、上記指示信号が入力されると、メインコンタクタ２及びサブコンタクタ３をＯＮ状態（閉状態）からＯＦＦ状態（開状態）に移行させて、組電池１からのインバータ４への給電を停止させる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では組電池１を電圧検出対象としたが、本発明はこれに限定されない。また、上記実施形態では組電池１を構成する各々の電池セルＣ１〜Ｃ１２のセル電圧Ｖｃを補正対象としたが、本発明はこれに限定されない。
（２）上記実施形態ではセル電圧検出ＩＣ７ａ内に開閉スイッチ７ｂを設けたが、本発明はこれに限定されない。セル電圧検出ＩＣ７ａとは個別に開閉スイッチ７ｂを設けても良い。
（３）上記実施形態では、保護回路６を複数のヒューズから構成したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、第１の電圧と第２の電圧とに基づいて保護回路６の内部抵抗を推定し、この推定結果に基づいて第１の電圧の誤差を補正するものなので、本発明における保護回路はヒューズ以外の回路であっても良い。
１ 組電池（電池）
２ メインコンタクタ
３ サブコンタクタ
４ インバータ
５ 走行モータ
６ 保護回路
７ 電圧検出部
７ａ セル電圧検出ＩＣ
８ マイコン（判定手段、電圧補正手段）
９ バッテリＥＣＵ
Ｃ１〜Ｃ１２ 電池セル
Ｆ１、Ｆ２ ヒューズ
Ｌ１、Ｌ２ ローパスフィルタ
Ｒ１，Ｒ２ 放電抵抗器

Claims (7)

  1. 負荷に電力を供給する電池の電圧を検出する電圧検出部と、前記電池を放電させる放電回路と、前記電圧検出部及び前記放電回路と前記電池との間に設けられる保護回路とを備える電圧検出装置であって、
    前記放電回路が非作動状態のときに前記電圧検出部で検出される第１の電圧と前記放電回路が作動状態のときに前記電圧検出部で検出される第２の電圧とに基づいて前記保護回路の内部抵抗を推定し、当該推定の結果に基づいて前記保護回路の半断線状態を判定する判定手段を備えることを特徴とする電圧検出装置。
  2. 前記推定の結果に基づいて前記第１の電圧の誤差を補正する電圧補正手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電圧検出装置。
  3. 前記電池は複数の電池セルからなる組電池であり、
    前記電圧検出部及び前記放電回路は前記電池セル毎に設けられ、
    前記電圧補正手段は、前記電池セル毎に前記第１の電圧の誤差を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の電圧検出装置。
  4. 前記電圧検出部は、前記電池と前記負荷との接続が遮断された状態において前記第１の電圧及び前記第２の電圧を検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電圧検出装置。
  5. 前記電圧補正手段は、前記第１の電圧及び前記第２の電圧に基づいて推定される前記保護回路の内部抵抗が所定のしきい値以上の場合に、前記電池と前記負荷との接続を遮断させる指示信号を出力することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電圧検出装置。
  6. 前記電圧検出部は、各々にローパスフィルタを介して前記電池の出力端子から入力される一対の電位に基づいて前記第１の電圧及び前記第２の電圧を検出し、
    前記放電回路は、前記ローパスフィルタの入力端に一端が各々接続された一対の放電抵抗器と、当該一対の放電抵抗器の各他端の間に接続された開閉スイッチとを備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電圧検出装置。
  7. 前記保護回路はヒューズであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電圧検出装置。
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