JP6718351B2 - 電圧検出装置 - Google Patents

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、車両用の組電池に適用されるものであるが、当該車両用の組電池には、ＣＩＤ（Current Interrupt Device）と称する遮断素子が設けられているものがある。このＣＩＤは、組電池を構成する複数の電池セルの各々に直列接続され、各電池セルの一方の端子を機械的に解放することにより、各電池セルの出力が外部に供給されないようにする。

このようなＣＩＤを備えた組電池における各電池セルの出力電圧（セル電圧）を電圧検出回路で検出しようとする場合、何れかのＣＩＤが作動することによって電圧検出回路に過電圧が印可される虞がある。この虞を解消するためには電圧検出回路の入力耐圧を向上させる必要があるが、当該入力耐圧の向上は、電圧検出回路のコスト高を招くので好ましくない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、入力耐圧の向上を図ることなく入力過電圧への耐性を確保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、遮断素子を備えた組電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、前記組電池を放電させる放電回路とを備える電圧検出装置であって、前記遮断素子の作動を検知すると、前記放電回路を作動させて前記組電池を放電させる制御手段を備える、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、前記遮断素子及び前記放電回路は、前記組電池を構成する複数の電池セル毎に設けられており、前記制御手段は、任意の１つの前記遮断素子が作動すると、全ての前記電池セルの前記放電回路を作動させる、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または第２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組電池から入力される一対の電位に基づいて前記組電池の電圧を検出し、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、前記制御手段は、前記組電池を構成する複数の電池セルの出力電圧に基づいて前記遮断素子の作動を検知する、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３のいずれかの解決手段において、前記制御手段は、前記組電池を構成する複数の電池モジュールの出力電圧に基づいて前記遮断素子の作動を検知する、という手段を採用する。

本発明によれば、遮断素子の作動を検知すると、放電回路を作動させて組電池を放電させるので、電圧検出部の入力耐圧の向上を図ることなく、電圧検出部の入力過電圧への耐性を確保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。 本発明の一実施形態に係る電圧検出装置の動作状態を示す模式図である。

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、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。

組電池１は、１２個の電池セルｂ１〜ｂ１２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ｂ１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ｂ１２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。このような１２個の電池セルｂ１〜ｂ１２のうち、電池セルｂ１〜ｂ６は第１の電池モジュールを構成し、電池セルｂ７〜ｂ１２は第２の電池モジュールを構成している。

また、この組電池１は、図示するようにＣＩＤ（Current Interrupt Device）を備えている。このＣＩＤは、組電池１を構成する各電池セルｂ１〜ｂ１２に対応して各電池セルｂ１〜ｂ１２のプラス端子側に設けられており、対応する電池セルの異常によって当該電池セルの内圧が過度に上昇すると作動することにより、各電池セルｂ１〜ｂ１２のプラス端子を機械的に解放する遮断素子（ディスコネクト素子）である。

なお、この組電池１における合計１２個の電池セルｂ１〜ｂ１２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るものでもよい。すなわち、本実施形態における組電池１は１２個に限定されない複数の電池セルを備えるものであり、また第１、第２の電池モジュールを構成する電池セルの個数は６個に限定されない。さらに、電池モジュールの個数も２個には限定されない。

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ｂ１〜ｂ１２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ｂ１〜ｂ１２の出力電圧を検出するための専用ＩＣと、各電池セルｂ１〜ｂ１２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ｂ１〜ｂ１２の出力電圧の検出機能に加えて、各電池セルｂ１〜ｂ１２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ｂ１〜ｂ１２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ｂ１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ｂ１以外の電池セルｂ２〜ｂ１２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、所定の抵抗値（保護抵抗値）を有している。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ｂ１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ｂ１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、所定の抵抗値（放電抵抗値）を有する。

セル電圧検出ＩＣ７ａは、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ｂ１の出力電圧（セル電圧Ｖ１）として検出すると共に、当該セル電圧Ｖ１に基づいて開閉スイッチ７ｂのＯＮ／ＯＦＦ状態（開閉状態）を制御する。詳細は後述するが、このセル電圧検出ＩＣ７ａは、組電池１のＣＩＤ（遮断素子）の作動を検知すると、開閉スイッチ７ｂを作動させて組電池１を放電させる。すなわち、このセル電圧検出ＩＣ７ａは、本発明の制御手段に相当するものである。

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ｂ１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ｂ１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ｂ１〜ｂ１２の出力電圧（セル電圧Ｖ１〜Ｖ１２）をデジタル値に変換してバッテリＥＣＵ９に出力する。

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ｂ１〜ｂ１２の出力電圧（セル電圧Ｖ１〜Ｖ１２）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ｂ１〜ｂ１２について電池セルｂ１と同様に動作する。

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ａ３、ａ４に入力される電池セルｂ１のプラス電位とマイナス電位の電位差をセル電圧Ｖ１として検出する。このセル電圧Ｖ１は、電池セルｂ１のＣＩＤが作動していない状態では、所定の正常範囲内の電圧値となるが、電池セルｂ１のＣＩＤが作動して電池セルｂ１のプラス端子が解放状態になると上記正常範囲から逸脱した高電圧（異常電圧）となる。

セル電圧検出ＩＣ７ａは、このようなセル電圧Ｖ１に基づいて電池セルｂ１のＣＩＤの作動を検知すると、つまりセル電圧Ｖ１が所定のしきい値以上の高電圧になると、開閉スイッチ７ｂをＯＦＦ状態（非作動状態）からＯＮ状態（作動状態）に移行させる。この結果、セル電圧検出ＩＣ７ａにおける一対の入力端ａ３、ａ４には上記正常範囲から逸脱した高電圧（異常電圧）の印可が阻止される。

ここで、全ての電池セルｂ１〜ｂ１２のうち、電池セルｂ１の開閉スイッチ７ｂをＯＮ状態（作動状態）に設定すると、電池セルｂ１に対応するセル電圧検出ＩＣ７ａの入力端ａ３、ａ４に対する逸脱した高電圧（異常電圧）の印可は阻止できるが、この影響によって電池セルｂ１に隣接する電池セルｂ２に対応するセル電圧検出ＩＣ７ａの入力端ａ３、ａ４に高電圧（異常電圧）が印可されることになる。そして、これを回避するためには、電池セルｂ２に対応する開閉スイッチ７ｂをＯＮ状態（作動状態）に設定する必要がある。

これによって電池セルｂ２に対応するセル電圧検出ＩＣ７ａの入力端ａ３、ａ４への高電圧（異常電圧）の印可を回避することができるが、この結果として電池セルｂ２に隣接する電池セルｂ３に対応するセル電圧検出ＩＣ７ａの入力端ａ３、ａ４に高電圧（異常電圧）が印可されることになる。

すなわち、各電池セルｂ１〜ｂ１２に対応するＣＩＤの何れかが作動した場合、各電池セルｂ１〜ｂ１２に対応するセル電圧検出ＩＣ７ａを高電圧（異常電圧）から保護するためには、図３に示すように各電池セルｂ１〜ｂ１２に対応する全ての開閉スイッチ７ｂをＯＮ状態（作動状態）に設定する必要がある。なお、図３における抵抗器Ｒｃは、保護回路６（ヒューズＦ１、Ｆ２）と放電抵抗器Ｒ１、Ｒ２との合成抵抗に相当するものである。

一方、セル電圧検出ＩＣ７ａは、各電池セルｂ１〜ｂ１２に対応する全てのＣＩＤが作動しない状態において各電池セルｂ１〜ｂ１２の電池セルｂ１〜ｂ１２を取得すると、当該セル電圧Ｖ１〜Ｖ１２をバッテリＥＣＵ９に出力する。そして、バッテリＥＣＵ９は、各電池セルｂ１〜ｂ１２のセル電圧Ｖ１〜Ｖ１２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。

このような本実施形態における電圧検出装置によれば、セル電圧検出ＩＣ７ａは、各電池セルｂ１〜ｂ１２に対応する任意の１つのＣＩＤが作動すると、各電池セルｂ１〜ｂ１２に対応する全ての開閉スイッチ７ｂをＯＮ状態（作動状態）に設定するので、自らの入力耐圧の向上を図ることなく、自らへの異常電圧（入力過電圧）への耐性を確保することが可能である。

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、各電池セルｂ１〜ｂ１２のセル電圧Ｖ１〜Ｖ１２に基づいて各電池セルｂ１〜ｂ１２のＣＩＤの作動を検知したが、本発明はこれに限定されない。各電池セルｂ１〜ｂ１２のセル電圧Ｖ１〜Ｖ１２に代えて、第１の電池モジュールの出力電圧（モジュール電圧）あるいは各電池セルｂ１〜ｂ１２のＳＯＣ（State Of Charge）に基づいて各電池セルｂ１〜ｂ１２のＣＩＤの作動を検知しても良い。例えば、各電池セルｂ１〜ｂ１２のＳＯＣを用いる場合、その値が９０％になった段階でＣＩＤが作動したと判定する。

（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とは別に開閉スイッチ７ｂを個別の回路として設けても良い。

（３）上記実施形態では保護回路６を設けたが、本発明はこれに限定されない。保護回路６については必要に応じて削除し、組電池１と電圧検出部７とを直接接続しても良い。

（４）上記実施形態では、組電池１に備えられたＣＩＤの作動に起因する異常電圧（入力過電圧）に対して、電圧検出部７（セル電圧検出ＩＣ７ａ）を保護することについて説明したが、電圧検出部７に対する異常電圧の発生原因は、ＣＩＤの作動に限定されない。本発明は、様々な要因に起因する異常電圧に対して電圧検出部７の入力耐圧を向上させることなく、電圧検出部７を保護することができる。

（５）上記実施形態では、各電池セルｂ１〜ｂ１２が各々にＣＩＤを備える組電池１について説明したが、本発明はこれに限定されない。安全対策用に組電池に設けられる遮断素子には、電池セルの異常内圧に基づいて作動するＣＩＤの他に種々のものが考えられる。

１ 組電池
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（制御手段）
８ マイコン
９ バッテリＥＣＵ
ｂ１〜ｂ１２ 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 (4)

1. 遮断素子を備えた組電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、前記組電池を放電させる放電回路とを備える電圧検出装置であって、
   前記遮断素子の作動を検知すると、前記放電回路を作動させる制御手段を備え、
   前記遮断素子及び前記放電回路は、前記組電池を構成する複数の電池セル毎に設けられており、
   前記制御手段は、任意の１つの前記遮断素子が作動すると、全ての前記電池セルの前記放電回路を作動させることを特徴とする電圧検出装置。
2. 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組電池から入力される一対の電位に基づいて前記組電池の電圧を検出し、
   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に記載の電圧検出装置。
3. 前記制御手段は、前記組電池を構成する複数の電池セルの出力電圧に基づいて前記遮断素子の作動を検知する 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. 前記制御手段は、前記組電池を構成する複数の電池モジュールの出力電圧に基づいて前記遮断素子の作動を検知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。
   
   

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