JPWO2013084665A1 - 電力制御装置 - Google Patents

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Abstract

電力制御装置は、複数のバッテリを並列に接続して構成される蓄電装置、各前記バッテリの電圧を検出する電圧検出部及び負荷を有する電動車両に搭載された電力制御装置であって、前記蓄電装置に接続されており、前記蓄電装置からの電力供給により駆動する前記負荷の駆動時において、各前記電圧検出部により検出される電圧に基づき、前記複数のバッテリ間の電圧偏差を算出する電圧偏差算出部と、前記電圧偏差算出部により算出された前記電圧偏差と、所定の第1閾値と、を比較する比較部と、前記比較部による比較結果において前記電圧偏差が前記第1閾値以上である場合に、前記蓄電装置において遮断状態となった前記バッテリの有無を検出する遮断検出部とを備える。

Description

本発明は、電力制御装置に関する。
本願は、2011年12月9日に日本国に出願された特願2011−270002号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
従来、例えば複数の単電池を直列に接続して構成される単電池群を、複数並列に接続して組電池を構成し、各単電池群にヒューズを設け、何れかの単電池に内部短絡などの異常が発生した場合には、異常が発生した単電池を含む単電池群のヒューズを溶断することによって、異常状態の単電池群のみを開放状態にして負荷との接続を遮断する組電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。
日本国特許第4560825号公報
ところで、上記従来技術に係る組電池において、各単電池群と負荷との間に各メインコンタクタが接続され、かつ各単電池群の電圧のばらつきを解消するために、各単電池群に接続された各プリチャージ抵抗が単一のプリチャージコンタクタに接続されている場合において、何れかのメインコンタクタの開固着や何れかの単電池群の断線などが生じると、単電池群間の電圧差が過大に増大することになる。
この場合、例えばメインコンタクタの開固着が発生していると直ちに、プリチャージ抵抗を介して単電池群間に過大な電流が流れ、プリチャージ抵抗や単電池群に設けられたヒューズが過熱されて異常が発生し、車両が不意に走行不能になってしまう虞がある。また、例えば単電池群の断線が発生しているときには、この断線が解消されたときに、プリチャージ抵抗を介して単電池群間に過大な電流が流れ、プリチャージ抵抗や単電池群に設けられたヒューズが過熱されて異常が発生し、車両が不意に走行不能になってしまう虞がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電源ライン上での過熱が生じることを防止し、車両が不意に走行不能になることを防止することが可能な電力制御装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下を採用した。
(1)本発明の一態様に係る電力制御装置は、複数のバッテリを並列に接続して構成される蓄電装置、各前記バッテリの電圧を検出する電圧検出部及び負荷を有する電動車両に搭載された電力制御装置であって:前記蓄電装置に接続されており、前記蓄電装置からの電力供給により駆動する前記負荷の駆動時において、各前記電圧検出部により検出される電圧に基づき、前記複数のバッテリ間の電圧偏差を算出する電圧偏差算出部と;前記電圧偏差算出部により算出された前記電圧偏差と、所定の第1閾値と、を比較する比較部と;前記比較部による比較結果において前記電圧偏差が前記第1閾値以上である場合に、前記蓄電装置において遮断状態となった前記バッテリの有無を検出する遮断検出部と;を備える。
(2)上記(1)の態様に係る電力制御装置は、前記遮断検出部により遮断状態となった前記バッテリの存在が検出された場合に、前記電動車両の運転者に前記蓄電装置が異常状態である旨の報知を行なう報知部をさらに備えてもよい。
(3)上記(1)又は(2)の態様に係る電力制御装置では、前記比較部が前記電圧偏差算出部により算出された前記電圧偏差と、前記第1閾値よりも大きい第2閾値と、を比較した比較結果において前記電圧偏差が前記第2閾値以上である場合に前記負荷の駆動を停止させる駆動停止部をさらに備えてもよい。
(4)上記(1)〜(3)のいずれか一つの態様に係る電力制御装置では、前記第1閾値が、各前記バッテリが前記負荷に対して遮断状態で自然放電した場合に発生する最大の電圧差と、前記電圧検出部の検出誤差との和であってもよい。
(5)上記(1)〜(4)のいずれか一つの態様に係る電力制御装置では、前記電動車両が有する前記蓄電装置が、少なくともコンデンサおよび電動機を制御するインバータに接続されると共に、各前記バッテリと前記コンデンサとを接続および遮断可能であり、かつ前記電動機の始動時に各前記バッテリと前記コンデンサとを接続して前記コンデンサに電荷を供給するスイッチと、前記スイッチと各前記バッテリとに直列に接続された各抵抗器とを有し、前記第2閾値は、前記各抵抗器の抵抗値が低いほど、あるいは、前記各抵抗器に許容される電流値が低いほど、小さい値に設定されてもよい。
本発明の上記(1)に係る電力制御装置によれば、複数のバッテリ間の電圧偏差が所定の第1閾値以上である場合に、蓄電装置において遮断状態となったバッテリの有無を検出することにより、電圧偏差が不意に所定の第1閾値よりも増大してしまうことを防止し、遮断状態となったバッテリの有無を早期に(例えば、電圧偏差が過剰に増大して電動車両の走行不能が発生することに先立って)検出することができる。
本発明の上記(2)に係る電力制御装置によれば、蓄電装置の異常を運転者に報知することにより、運転者が予期しない蓄電装置での過熱が生じてしまうことを防止することができる。そのため、電動車両が不意に走行不能になってしまうことを防止することができる。
本発明の上記(3)に係る電力制御装置によれば、複数のバッテリ間の電圧偏差が所定の第2閾値以上である場合に、負荷の駆動を停止させることにより、運転者が予期しない不意な負荷の駆動停止を防止することができる。
本発明の上記(4)に係る電力制御装置によれば、各バッテリの自然放電に起因する電圧偏差と、蓄電装置の異常に起因する電圧偏差とを、適切に判別することができる。
本発明の上記(5)に係る電力制御装置によれば、各バッテリに直列に接続された各抵抗器に過大な電流が流れて過熱状態になることを防止することができる。そのため、電動車両が不意に走行不能になってしまうことを防止することができる。
本発明の実施形態に係る電力制御装置の構成図である。 本発明の実施形態に係る電力制御装置のバッテリユニットのうち何れか1つにおいて正極側コンタクタが開状態に固定される異常(開固着)が発生した状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力制御装置のバッテリユニットのうち何れか1つにおいて正極側コンタクタが開状態に固定される異常(開固着)が発生した際の各バッテリユニットの電圧(ライン電圧)の変化と、電圧偏差の変化との例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力制御装置のバッテリユニットのうち何れか1つにおいて遮断状態が発生した状態を示す図である。
以下、本発明の一実施形態に係る電力制御装置について添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態による電力制御装置1は、例えば電動車両に搭載されており、図1に示すように、蓄電装置2を直流電源として、例えば車両走行用の駆動力を出力する3相(例えば、U相、V相、W相の3相)交流のブラシレスDCモータ3(負荷、電動機、以下、単に、モータ3と呼ぶ)を制御するインバータ4と、バッテリECU5(電圧検出部、電圧偏差算出部、比較部、遮断検出部)と、モータECU6(駆動停止部)と、MGECU7(報知部、駆動停止部)と、報知装置8(報知部)とを備えて構成されている。
蓄電装置2は、例えば、2以上の自然数mによる複数のm個の電源ユニット11,…,11を並列に接続して構成される。蓄電装置2は、これらm個の電源ユニット11,…,11を構成する各電源ユニット11の正極側端子11p同士を結合して形成される正極側結合部Pと、各電源ユニット11の負極側端子11n同士を結合して形成される負極側結合部Nとを備えている。
すなわち、蓄電装置2の正極側結合部Pおよび負極側結合部Nは、インバータ4に接続される正極側および負極側の出力端子を構成する。m個の電源ユニット11,…,11は、これら正極側および負極側の出力端子に対して並列に接続されている。
なお、インバータ4は、例えば、正極側および負極側の出力端子間に並列に接続される平滑コンデンサCを備えている。
各電源ユニット11は、例えば、複数のバッテリセル21a,…,21aが直列に接続されて構成されるバッテリユニット21(バッテリ)と、バッテリユニット21の正極端子21pと正極側結合部Pとの間において電気的に断接可能に直列に接続された正極側コンタクタ22と、バッテリユニット21の負極端子21nと負極側結合部Nとの間において電気的に断接可能に直列に接続された負極側コンタクタ23と、各バッテリセル21aの電圧を検出する各電圧センサ24a(電圧検出部)と、を備えて構成されている。
また、バッテリユニット21は、例えば、直列に接続された複数のバッテリセル21a,…,21aの適宜の接続位置に、導通を遮断可能なスイッチおよびヒューズなどから構成される遮断機構25を備えている。
遮断機構25は、例えば、所定値以上の電流が通電した場合に自動的に、あるいは操作者の操作によって導通を遮断可能である。また、遮断機構25は、操作者の操作によって導通の遮断を解消可能である。
各電源ユニット11は、例えば、バッテリユニット21の正極端子21pと正極側コンタクタ22との間に一端31aが接続されたプリチャージ抵抗31(抵抗器)を備えている。
蓄電装置2は、m個の電源ユニット11,…,11の各プリチャージ抵抗31の他端31b同士を結合して構成される抵抗結合部Bと、正極側結合部Pとの間に電気的に断接可能に直列に接続された1個のプリチャージコンタクタ32(スイッチ)を備えている。
電力制御装置1は、例えばCPU(Central Processing Unit)などの電子回路により構成される各種のECU(Electronic Control Unit:電子制御ユニット)として、バッテリECU5と、モータECU6と、MGECU7とを備えている。
なお、プリチャージコンタクタ32は、例えば電動車両の始動時などにおいて、蓄電装置2からモータ3への通電が開始される際に一時的に接続状態とされ、通電開始から適宜の時間の経過後には開放状態とされる。
また、正極側コンタクタ22および負極側コンタクタ23は、電動車両の駆動時において接続状態とされる。
つまり、バッテリECU5は、電動車両の始動時において、先ず、プリチャージコンタクタ32および負極側コンタクタ23を接続状態として、かつ正極側コンタクタ22を開放状態として、平滑コンデンサCにプリチャージを行なう。そして、このプリチャージの完了後に正極側コンタクタ22を開放状態から接続状態に切り替え、かつ負極側コンタクタ23を接続状態に維持し、かつプリチャージコンタクタ32を接続状態から開放状態に切り替える。
バッテリECU5は、例えば、モータ3の駆動時において、各電圧センサ24aから出力される各バッテリセル21aの電圧の検出結果の信号に基づき、各バッテリユニット21毎に複数の電圧センサ24aから出力される複数のバッテリセル21aの電圧を積算して、各バッテリユニット21の電圧を算出する。
そして、バッテリECU5は、モータ3に対して並列接続の関係を有する複数のバッテリユニット21間の電圧偏差を算出し、算出した電圧偏差と所定の第1閾値とを比較する。
そして、バッテリECU5は、何れかのバッテリユニット21同士間の電圧偏差が第1閾値以上となる場合に、複数のバッテリユニット21において遮断機構25による遮断状態となったバッテリユニット21の有無を検出する。
そして、バッテリECU5は、この検出結果の信号をMGECU7へと出力する。
これに伴い、複数のバッテリユニット21において遮断機構25による遮断状態となったバッテリユニット21が存在することがバッテリECU5によって検出されたことを示す信号がMGECU7に入力されると、MGECU7は、報知装置8を制御して、電動車両の運転者にバッテリユニット21が異常状態である旨の報知を行なう。
なお、所定の第1閾値は、例えば、各バッテリユニット21が負荷(つまり、モータ3)に対して遮断状態で自然放電した場合に発生する最大の電圧差と、電圧センサ24aの検出誤差との和である。
また、バッテリECU5は、例えば、モータ3の駆動時において、各電圧センサ24aから出力される各バッテリセル21aの電圧の検出結果の信号に基づき、モータ3に対して並列接続の関係を有する複数のバッテリユニット21間の電圧偏差を算出し、算出した電圧偏差と所定の第1閾値よりも大きい所定の第2閾値とを比較する。そして、何れかのバッテリユニット21同士間の電圧偏差が第2閾値以上となるか否かの比較結果の信号をMGECU7へと出力する。
なお、所定の第2閾値は、例えば、プリチャージ抵抗31の抵抗値あるいはプリチャージ抵抗31に許容される電流値に応じた値である。所定の第2閾値は、プリチャージ抵抗31の抵抗値が低いほど、あるいは、プリチャージ抵抗31に許容される電流値が低いほど、小さい値になるように設定されている。
モータECU6は、インバータ4の電力変換動作に対する指令を出力することによって、インバータ4を介してモータ3の運転(通電)を制御する。
MGECU7は、バッテリECU5およびモータECU6の管理および制御を行ない、バッテリECU5およびモータECU6と協調してモータ3の運転状態と電動車両の状態とを制御する。
例えば、MGECU7は、バッテリECU5によって、複数のバッテリユニット21において遮断機構25による遮断状態となったバッテリユニット21の存在が検出された場合に、電動車両の運転者にバッテリユニット21が異常状態である旨の報知を行なうように報知装置8を制御する。
また、例えば、MGECU7は、バッテリECU5によって複数のバッテリユニット21間の電圧偏差が第2閾値以上であることが検知された場合に、モータECU6によってモータ3の駆動を停止させる。
本実施形態による電力制御装置1は上記構成を備えており、次に、この電力制御装置1の動作について説明する。
車両走行中において、例えば図2および図3における時刻t1以降に示すように、複数(例えば、3つ)のバッテリユニット21のうち何れか1つにおいて正極側コンタクタ22が開状態に固定される異常(開固着)が発生すると、この開固着した正極側コンタクタ22に対応するバッテリユニット21の電圧(ライン電圧)は異常発生時の値を維持して一定となる。一方、他の正常な正極側コンタクタ22に対応するバッテリユニット21の電圧(ライン電圧)は、車両に搭載されたモータ3および空調装置などの負荷への給電に伴い低下する。
そのため、開固着した正極側コンタクタ22に対応するバッテリユニット21の電圧と、他の正常な正極側コンタクタ22に対応するバッテリユニット21の電圧との間の電圧偏差が増大する。
そして、互いのプリチャージ抵抗31を介して接続された複数のバッテリユニット21からなる閉回路内に電圧偏差に応じた電流が流れ、電圧偏差の増大に伴い、プリチャージ抵抗31に流れる電流が増大し、プリチャージ抵抗31の発熱が増大する。
そして、例えば図3に示す時刻t3において、電圧偏差が所定の第1閾値(つまり、何れかのバッテリユニット21において遮断状態が発生したことを判定するためのオープン故障判定閾値であって、例えばバッテリユニット21が負荷に対して遮断状態で自然放電した場合に発生する最大の電圧差と電圧センサ24aの検出誤差との和)に到達すると、電力制御装置1は、第1故障確定カウンタの計時を開始する。
そして、例えば図3に示す時刻t4において、電圧偏差が所定の第1閾値以上で、ある期間(時間)に亘ることによって、第1故障確定カウンタのカウンタ値が所定の閾値に到達すると、電力制御装置1は、バッテリユニット21における遮断状態の発生を確定するオープン故障確定フラグのフラグ値を「0」から「1」に切り替える。
そして、電力制御装置1は、電動車両の運転者にバッテリユニット21が異常状態である旨の報知を行なう。
さらに、例えば図3に示す時刻t5において、電圧偏差が所定の第2閾値(つまり、何れかのバッテリユニット21において発生した遮断状態に起因してプリチャージ抵抗31に異常が発生する可能性があることを判定するための走行中電圧偏差異常判定閾値であって、例えばプリチャージ抵抗31の抵抗値あるいはプリチャージ抵抗31に許容される電流値に応じた値)に到達すると、電力制御装置1は、第2故障確定カウンタの計時を開始する。
そして、例えば図3に示す時刻t6において、電圧偏差が所定の第2閾値以上で、ある期間(時間)に亘ることによって、第2故障確定カウンタのカウンタ値が所定の閾値に到達すると、電力制御装置1は、車両停止要求を出力し、モータECU6によってモータ3の駆動を停止させると共に、空調装置などの他の負荷における電力消費も停止させる。
なお、例えば図4に示すように、バッテリユニット21内における断線や遮断機構25での遮断などが生じた場合においては、この遮断状態が解消された時に互いのプリチャージ抵抗31を介して接続された複数のバッテリユニット21からなる閉回路内に電圧偏差に応じた電流が流れ、プリチャージ抵抗31が発熱することになる。
この場合においても、遮断状態が解消されるより前において、電圧偏差が所定の第1閾値以上となって、第1故障確定カウンタのカウンタ値が所定の閾値に到達すると、電動車両の運転者にバッテリユニット21が異常状態である旨の報知を行なう。
さらに、電圧偏差が所定の第2閾値以上となって、第2故障確定カウンタのカウンタ値が所定の閾値に到達すると、車両停止要求を出力し、モータECU6によってモータ3の駆動を停止させると共に、空調装置などの他の負荷における電力消費も停止させる。
上述したように、本実施形態による電力制御装置1によれば、複数のバッテリユニット21間の電圧偏差が所定の第1閾値以上である場合に、複数のバッテリユニット21において遮断状態となったバッテリユニット21の有無を検出することにより、電圧偏差が不意に所定の第1閾値よりも増大してしまうことを防止し、遮断状態となったバッテリユニット21の有無を早期に(例えば、電圧偏差が過剰に増大して電動車両の走行不能が発生することに先立って)検出することができる。
さらに、バッテリユニット21の異常を運転者に報知することにより、運転者が予期しないプリチャージ抵抗31やバッテリユニット21での過熱が生じてしまうことを防止することができる。そのため、電動車両が不意に走行不能になってしまうことを防止することができる。
さらに、複数のバッテリユニット21間の電圧偏差が所定の第2閾値以上である場合に、負荷の駆動を停止させることにより、運転者が予期しない不意な負荷の駆動停止を防止することができる。
さらに、所定の第1閾値を、バッテリユニット21が負荷に対して遮断状態で自然放電した場合に発生する最大の電圧差と電圧センサ24aの検出誤差との和とすることにより、各バッテリユニット21の自然放電に起因する電圧偏差と、バッテリユニット21の異常に起因する電圧偏差とを、適切に判別することができる。
さらに、所定の第2閾値を、プリチャージ抵抗31の抵抗値あるいはプリチャージ抵抗31に許容される電流値に応じた値とすることにより、バッテリユニット21に直列に接続された各プリチャージ抵抗31に過大な電流が流れて過熱状態になることを防止することができる。そのため、電動車両が不意に走行不能になってしまうことを防止することができる。
1 電力制御装置
2 蓄電装置
3 モータ(負荷、電動機)
4 インバータ
5 バッテリECU(電圧検出部、電圧偏差算出部、比較部、遮断検出部)
6 モータECU(駆動停止部)
7 MGECU(報知部、駆動停止部)
8 報知装置(報知部)
11 電源ユニット
21 バッテリユニット(バッテリ)
24a 電圧センサ(電圧検出部)
31 プリチャージ抵抗(抵抗器)
32 プリチャージコンタクタ(スイッチ)

Claims (5)

  1. 複数のバッテリを並列に接続して構成される蓄電装置、各前記バッテリの電圧を検出する電圧検出部及び負荷を有する電動車両に搭載された電力制御装置であって:
    前記蓄電装置に接続されており、前記蓄電装置からの電力供給により駆動する前記負荷の駆動時において、各前記電圧検出部により検出される電圧に基づき、前記複数のバッテリ間の電圧偏差を算出する電圧偏差算出部と;
    前記電圧偏差算出部により算出された前記電圧偏差と、所定の第1閾値と、を比較する比較部と;
    前記比較部による比較結果において前記電圧偏差が前記第1閾値以上である場合に、前記蓄電装置において遮断状態となった前記バッテリの有無を検出する遮断検出部と;
    を備えることを特徴とする電力制御装置。
  2. 前記遮断検出部により遮断状態となった前記バッテリの存在が検出された場合に、前記電動車両の運転者に前記蓄電装置が異常状態である旨の報知を行なう報知部をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の電力制御装置。
  3. 前記比較部が前記電圧偏差算出部により算出された前記電圧偏差と、前記第1閾値よりも大きい第2閾値と、を比較した比較結果において前記電圧偏差が前記第2閾値以上である場合に前記負荷の駆動を停止させる駆動停止部をさらに備えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力制御装置。
  4. 前記第1閾値は、各前記バッテリが前記負荷に対して遮断状態で自然放電した場合に発生する最大の電圧差と、前記電圧検出部の検出誤差との和であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力制御装置。
  5. 前記電動車両が有する前記蓄電装置は、少なくともコンデンサおよび電動機を制御するインバータに接続されると共に、各前記バッテリと前記コンデンサとを接続および遮断可能であり、かつ前記電動機の始動時に各前記バッテリと前記コンデンサとを接続して前記コンデンサに電荷を供給するスイッチと、前記スイッチと各前記バッテリとに直列に接続された各抵抗器とを有し、
    前記第2閾値は、前記各抵抗器の抵抗値が低いほど、あるいは、前記各抵抗器に許容される電流値が低いほど、小さい値に設定されている
    ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力制御装置。
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