JPWO2017081846A1 - 電源システム - Google Patents

Abstract

電源システムにおいてコストを抑えつつ、浸水に対する安全性を高めるために、電源システム（１）において、複数の蓄電モジュール（１１）−（１４）は、直列接続される。ヒューズ（Ｆ１）は、複数の蓄電モジュール（１１）−（１４）を直列に接続する経路において、複数の蓄電モジュール（１１）−（１４）を第１グループと第２グループに分割する位置に挿入される。正極側コンタクタ（ＲＹ１）は、第１グループに属する複数の蓄電モジュールを第１サブグループと第２サブグループに分割する位置に挿入される。負極側コンタクタ（ＲＹ２）は、第２グループに属する複数の蓄電モジュールを第１サブグループと第２サブグループに分割する位置に挿入される。

Description

本発明は、直列接続された複数の蓄電モジュールを備える電源システムに関する。

近年、ハイブリッド車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）が普及してきている。これらの車両には、走行用モータに駆動電力を供給するための蓄電モジュールを多段直列に接続した電源システムが搭載される。高電圧が要求される走行用モータの場合、蓄電モジュールの直列数を多くして電源システムの高電圧化が図られる。

車両に搭載される電源システムは、車両の水没や冷却用冷媒液の液漏れにより浸水すると、近接する蓄電池セルが直接短絡する可能性、または蓄電池セルが金属筐体を介して短絡する可能性がある。高電位差でセルが短絡するとアーク放電が発生し、アーク放電により電池缶に孔が開く可能性があり、電解液等が漏れ出して発火に至るリスクがある。

特開２００９−２３８６４４号公報

セルの耐圧を高めるには絶縁距離を長くしたり、高仕様な部品を使用することが有効であるが、電源システムの大型化、コスト増大を招く。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、電源システムにおいてコストを抑えつつ、浸水に対する安全性を高める技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電源システムは、直列接続された複数の蓄電モジュールと、前記複数の蓄電モジュールを直列に接続する経路上において、前記複数の蓄電モジュールを第１グループと第２グループに分割する位置に挿入されるヒューズと、前記第１グループに属する複数の蓄電モジュールを第１サブグループと第２サブグループに分割する位置に挿入される正極側コンタクタと、前記第２グループに属する複数の蓄電モジュールを第１サブグループと第２サブグループに分割する位置に挿入される負極側コンタクタと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、電源システムにおいてコストを抑えつつ、浸水に対する安全性を高めることができる。

車載用の電源システムの一般的な回路構成例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る車載用の電源システムの回路構成例を示す図である。 図２の電源システムの各構成要素の筐体内の配置を上から見た模式図である。 図３のＡ−Ａ’断面を右側から見た模式図である。 図３のＢ−Ｂ’断面を下側から見た模式図である。

図１は、車載用の電源システム１の一般的な回路構成例を示す図である。電源システム１は、モータ３に供給するための電力を蓄える蓄電システムである。電源システム１は車両内において、補機用の１２Ｖ系の二次電池（通常、鉛電池が使用される）と別に設けられる。

インバータ２は力行時、電源システム１から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ３に供給する。回生時、モータ３から供給される交流電力を直流電力に変換して電源システム１に供給する。モータ３には例えば、三相交流同期モータを使用する。以下本明細書では、３００Ｖ以上の高圧のモータを想定する。モータ３は力行モードでは、インバータ２から供給される電力をもとに回転し、車両を走行させる。回生モードでは、車両の減速エネルギーにもとづく回転により発電し、インバータ２を介して電源システム１を充電する。

電源システム１は、直列接続された複数の蓄電モジュール１１−１４、制御回路２０、コネクタ３０、正極側コンタクタＲＹ１、負極側コンタクタＲＹ２、プリチャージ抵抗Ｒ１、プリチャージコンタクタＲＹ３、電流センサＣＴ１及びヒューズＦ１を備え、これらは筐体に収納される。

各蓄電モジュール１１−１４は、直列接続された複数の単セルを含む。単セルは、１個ないし複数個の単電池が並列に接続されて構成される。単セルには、リチウムイオンセル、ニッケル水素セル、電気二重層キャパシタセル等を用いることができる。以下、本明細書ではリチウムイオンセル（公称電圧：３．６−３．７Ｖ）を使用する例を想定し、直列数を２０前後に設計する例を想定する。さらに、このような構成を持つ蓄電モジュールを４個直列に接続する例を想定する。

コネクタ３０は、電源システム１の電流入出力端子であり、高圧仕様のものを使用する。コネクタ３０は、インバータ２に繋がるワイヤーハーネスの先端のコネクタと嵌合するオス型またはメス型の端子を備える。

正極側コンタクタＲＹ１は、コネクタ３０に繋がるプラス配線と、複数の蓄電モジュール１１−１４の正極端子（図１では、第１蓄電モジュール１１の正極端子）に繋がるプラス配線との間に挿入される。負極側コンタクタＲＹ２は、コネクタ３０に繋がるマイナス配線と、複数の蓄電モジュール１１−１４の負極端子（図１では、第４蓄電モジュール１４の負極端子）に繋がるマイナス配線との間に挿入される。

正極側コンタクタＲＹ１と並列にプリチャージ回路が接続される。プリチャージ回路は、直列接続されたプリチャージ抵抗Ｒ１とプリチャージコンタクタＲＹ３を有する。正極側コンタクタＲＹ１、負極側コンタクタＲＹ２及びプリチャージコンタクタＲＹ３には、大型のリレーを使用することができる。

プリチャージコンタクタＲＹ３は、負極側コンタクタＲＹ２とともに、正極側コンタクタＲＹ１が閉じられる前に閉じられ、モータ３と並列に接続されたプリチャージコンデンサ（不図示）を充電する。その後、正極側コンタクタＲＹ１が閉じられ、モータ３への給電が開始する。この制御手順によりモータ３への突入電流を抑制できる。

４個の蓄電モジュール１１−１４を直列に接続する電流経路上に、電流センサＣＴ１とヒューズＦ１が挿入される。電流センサＣＴ１は当該電流経路を流れる電流の値を検出し、制御回路２０に出力する。電流センサＣＴ１には、クランプ式の電流センサ、シャント抵抗を用いた電流センサ、ホール素子を用いた電流センサ等を使用することができる。ヒューズＦ１は、規定値以上の大電流が流れると溶断し、当該電流経路を遮断する。

制御回路（電池ＥＣＵともいう）２０は、複数の蓄電モジュール１１−１４を管理・制御する。制御回路２０は電流センサＣＴ１から、直列接続された複数の蓄電モジュール１１−１４を流れる電流の値を取得する。また制御回路２０は各蓄電モジュール１１−１４内の電圧センサ（不図示）、温度センサ（不図示）により検出された電圧値および温度値を取得する。

制御回路２０は、取得した電流値、電圧値、及び温度値にもとづき、複数の蓄電モジュール１１−１４の少なくとも１つに異常（例えば、過電圧、過電流）が発生している場合、正極側コンタクタＲＹ１及び負極側コンタクタＲＹ２を開く（ターンオフ）。

図２は、本発明の実施の形態に係る車載用の電源システム１の回路構成例を示す図である。以下、図１に示した一般的な回路構成との相違点を中心に説明する。電流センサＣＴ１及びヒューズＦ１は、複数の蓄電モジュール１１−１４を直列に接続する電流経路に上おいて、当該複数の蓄電モジュール１１−１４を第１グループと第２グループに２分割する位置に挿入される。図１、２では第１グループに第１蓄電モジュール１１と第２蓄電モジュール１２が含まれ、第２グループに第３蓄電モジュール１３と第４蓄電モジュール１４が含まれる。即ち、電流センサＣＴ１及びヒューズＦ１は、第２蓄電モジュール１２と第３蓄電モジュール１３との間に挿入される。

図２に示す実施の形態に係る回路構成において正極側コンタクタＲＹ１は、第１グループに属する複数の蓄電モジュールを２分割する位置に挿入される。本実施の形態では正極側コンタクタＲＹ１は、第１蓄電モジュール１１と第２蓄電モジュール１２との間に挿入される。負極側コンタクタＲＹ２は、第２グループに属する複数の蓄電モジュールを２分割する位置に挿入される。本実施の形態では負極側コンタクタＲＹ２は、第３蓄電モジュール１３と第４蓄電モジュール１４の間に挿入される。

このように正極側コンタクタＲＹ１、ヒューズＦ１、負極側コンタクタＲＹ２は、複数の蓄電モジュール１１−１４を４分割する位置にそれぞれ挿入される。なお電流センサＣＴ１は、正極側コンタクタＲＹ１と負極側コンタクタＲＹ２より内部であれば、第２蓄電モジュール１２と第３蓄電モジュール１３の間に限るものではなく、他の位置に挿入されてもよい。

図３は、図２の電源システム１の各構成要素の筐体内の配置を上から見た模式図である。筐体内は５つのエリアに分割され、各エリアは、絶縁材で形成されたパーティーションにより仕切られている。図３の点線はパーティーションを示している。

図３において右上のエリア１に第１蓄電モジュール１１が配置され、左上のエリア２に第２蓄電モジュール１２が配置され、左下のエリア３に第３蓄電モジュール１３が配置され、右下のエリア４に第４蓄電モジュール１４が配置される。各蓄電モジュール１１−１４の筐体は、周囲から電気的に絶縁された状態で設置される。車載用途では堅牢性が要求されるため、蓄電モジュールの筐体には金属製の筐体が使用されることが多い。各蓄電モジュール１１−１４を収納している金属筐体は、他の蓄電モジュールの筐体および電源システム１全体の筐体から絶縁された状態で設置される。

中央のエリア５に、コネクタ３０、制御回路２０、正極側コンタクタＲＹ１、負極側コンタクタＲＹ２、プリチャージコンタクタＲＹ３、プリチャージ抵抗Ｒ１、電流センサＣＴ１及びヒューズＦ１が配置される。

図４は、図３のＡ−Ａ’断面を右側から見た模式図である。図５は、図３のＢ−Ｂ’断面を下側から見た模式図である。図４、図５に示すように筐体の最下部にコネクタ３０が配置される。その１段上に第１蓄電モジュール１１、第２蓄電モジュール１２、第３蓄電モジュール１３及び第４蓄電モジュール１４が配置される。その１段上に制御回路２０が配置される。最上部に正極側コンタクタＲＹ１、負極側コンタクタＲＹ２、プリチャージコンタクタＲＹ３、プリチャージ抵抗Ｒ１、電流センサＣＴ１及びヒューズＦ１が配置される。

図４に示すようにエリア１−４は、所定の長さ（例えば、数ｃｍ）上げ底になっている。エリア５は、第１蓄電モジュール１１−第４蓄電モジュール１４の上面の高さと、略同一の高さまで上げ底になっている。当該上げ底部分は、第１蓄電モジュール１１及び第２蓄電モジュール１２と、第３蓄電モジュール１３及び第４蓄電モジュール１４間の絶縁壁としての作用も担っている。

第１蓄電モジュール１１−第４蓄電モジュール１４の上面からは正極端子と負極端子が延び出ており、各正極端子および各負極端子は、図２に示した回路図に示した接続関係に従い、接続先の端子とバスバーで接続される。なお第１蓄電モジュール１１の正極端子はワイヤーハーネスでコネクタ３０の正極端子に接続され、第４蓄電モジュール１４の負極端子はワイヤーハーネスでコネクタ３０の負極端子に接続される。図５に示すようにエリア５の上げ底部分には、１段下がった部分があり、その部分に制御回路２０が配置される。

以上の配置例において電源システム１が浸水した場合の挙動について説明する。まずコネクタ３０が浸水し、コネクタ３０の正極端子と負極端子間が短絡すると、第１蓄電モジュール１１−第４蓄電モジュール１４間に大電流が流れ、ヒューズＦ１が溶断する。この段階で第１蓄電モジュール１１及び第２蓄電モジュール１２と、第３蓄電モジュール１３及び第４蓄電モジュール１４が電気的に分離される。

次に水位が上がり、制御回路２０の一部が浸水すると、制御回路２０は回路異常の検知に起因して正極側コンタクタＲＹ１及び負極側コンタクタＲＹ２を開く（ターンオフ）。この段階で第１蓄電モジュール１１と第２蓄電モジュール１２が電気的に分離され、第３蓄電モジュール１３と第４蓄電モジュール１４が電気的に分離される。即ち第１蓄電モジュール１１−第４蓄電モジュール１４が全て電気的に分離される。なおこの段階では、第１蓄電モジュール１１−第４蓄電モジュール１４の上部は浸水しておらず、第１蓄電モジュール１１−第４蓄電モジュール１４の正極端子と負極端子は浸水していない。また制御回路２０の高電圧回路部分も浸水していない。

さらに水位が上がり、第１蓄電モジュール１１−第４蓄電モジュール１４の全体が浸水し、各蓄電モジュール内のセルが短絡する。

以上説明したように本実施の形態によれば、コネクタ３０、第１蓄電モジュール１１−第４蓄電モジュール１４、ヒューズＦ１、正極側コンタクタＲＹ１及び負極側コンタクタＲＹ２の配置に高低差をつけることにより、浸水による短絡の発生順を制御することができる。即ちコネクタ３０をヒューズＦ１より低い位置に配置することにより、コネクタ３０が浸水した段階でヒューズＦ１が正常に溶断する状態を担保することができる。また制御回路２０を正極側コンタクタＲＹ１及び負極側コンタクタＲＹ２より低い位置に配置することにより、制御回路２０が浸水した段階で正極側コンタクタＲＹ１及び負極側コンタクタＲＹ２が正常に動作する状態を担保することができる。

また制御回路２０をコネクタ３０より高い位置に配置することにより、正極側コンタクタＲＹ１及び負極側コンタクタＲＹ２による電流経路の遮断が、ヒューズＦ１による電流経路の遮断より時間的に後に発生するように制御することができる。両者の遮断タイミングが同じ場合、過渡電流が大きくなるが、本実施の形態では両者の遮断タイミングに時間差が発生するため過渡電流を小さく抑えることができる。

通常の設置状態ではコネクタ３０の方が先に浸水するが、コネクタ３０が浸水しただけの状態で電源システム１への浸水が停止した場合（水位上昇が停止した場合）、制御回路２０は浸水しないことになる。この場合、ヒューズＦ１とコネクタ３０を新たなものに交換すれば、制御回路２０を交換する必要がないため、修理費用を安価に抑えることができる。また制御回路２０を交換する場合に生じる配線の付け替え作業も発生しない。

また直列接続された複数の蓄電モジュールを４等分するように、正極側コンタクタＲＹ１、ヒューズＦ１及び負極側コンタクタＲＹ２が配置される。これによりセルの短絡時にセル間にかかる電圧を低減することができる。正極側コンタクタＲＹ１、ヒューズＦ１及び負極側コンタクタＲＹ２は、電源システム１において一般的に使用される素子であり、新たに追加される素子ではない。従って、新たな素子を追加することによるコストの増大および回路規模の増大が発生しない。正極側コンタクタＲＹ１、ヒューズＦ１及び負極側コンタクタＲＹ２の配置の変更により、浸水によるセル短絡時にセルにかかる最大電圧を略１／４に低減することができる。従って安全性を確保しつつ、セルの耐圧構造の仕様を低コストなものに抑えることができる。

また金属筐体で覆われた蓄電モジュールを、他の蓄電モジュールやシステムの筐体と電気的に絶縁した状態で配置することにより、金属筐体を介して短絡するセル間にかかる電圧を低減することができる。またセルを収容している電池缶と金属筐体間に絶縁材を挟んだり、電池缶と金属筐体間の距離を大きくすることによっても、金属筐体を介して短絡するセル間にかかる電圧を低減することができる。これらの対策を施すことにより、浸水に対する安全性をさらに高めることができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これら実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態では、直列接続される複数の蓄電モジュールが４個の例を説明したが、５個以上の場合にも適用可能である。例えば、複数の蓄電モジュールが８個の場合、２個ずつに分割する位置に正極側コンタクタＲＹ１、ヒューズＦ１及び負極側コンタクタＲＹ２がそれぞれ配置される。また複数の蓄電モジュールが６個の場合、２個、１個、２個、１個に分割する位置に正極側コンタクタＲＹ１、ヒューズＦ１及び負極側コンタクタＲＹ２がそれぞれ配置される。また複数の蓄電モジュールが７個の場合、２個、２個、２個、１個に分割する位置に正極側コンタクタＲＹ１、ヒューズＦ１及び負極側コンタクタＲＹ２がそれぞれ配置される。

また上述の実施の形態では制御回路２０を、正極側コンタクタＲＹ１及び負極側コンタクタＲＹ２より１段低い位置に設置する例を説明したが、当該位置に水没センサを設置することにより、正極側コンタクタＲＹ１及び負極側コンタクタＲＹ２と同じ高さに設置してもよい。当該水没センサは水没を検知すると制御回路２０に検知信号を出力し、制御回路２０は当該検知信号を受信すると、正極側コンタクタＲＹ１及び負極側コンタクタＲＹ２を開く。

また上述の実施の形態では電源システム１を車両用電源装置に利用する例を想定したが、車載用途に限らず、航空用電源装置、船舶用電源装置、定置型蓄電システム等、他の用途にも利用可能である。

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。

［項目１］
直列接続された複数の蓄電モジュール（１１−１４）と、
前記複数の蓄電モジュール（１１−１４）を直列に接続する経路上において、前記複数の蓄電モジュール（１１−１４）を第１グループと第２グループに分割する位置に挿入されるヒューズ（Ｆ１）と、
前記第１グループに属する複数の蓄電モジュール（１１、１２）を第１サブグループと第２サブグループに分割する位置に挿入される正極側コンタクタ（ＲＹ１）と、
前記第２グループに属する複数の蓄電モジュール（１３、１４）を第１サブグループと第２サブグループに分割する位置に挿入される負極側コンタクタ（ＲＹ２）と、
を備えることを特徴とする電源システム（１）。
これによれば、浸水によるセル短絡時において、セル間にかかる電圧を低減することができる。
［項目２］
前記複数の蓄電モジュール（１１−１４）を略４等分する位置に、前記正極側コンタクタ（ＲＹ１）、前記ヒューズ（Ｆ１）、及び前記負極側コンタクタ（ＲＹ２）がそれぞれ挿入されることを特徴とする項目１に記載の電源システム（１）。
これによれば、浸水によるセル短絡時において、セル間にかかる最大電圧を略１／４に低減することができる。
［項目３］
前記複数の蓄電モジュール（１１−１４）の両端と、外部の負荷（３）を接続するためのコネクタ（３０）をさらに備え、
本電源システム（１）の規定の設置状態において、前記コネクタ（３０）は、前記ヒューズ（Ｆ１）より低い位置に設置されることを特徴とする項目１または２に記載の電源システム（１）。
これによれば、コネクタ（３０）が浸水した時点で、ヒューズ（Ｆ１）が正常に溶断する状態にあることを担保することができる。
［項目４］
前記正極側コンタクタ（ＲＹ１）及び前記負極側コンタクタ（ＲＹ２）を制御する制御回路（２０）をさらに備え、
本電源システム（１）の規定の設置状態において、前記コネクタ（３０）が最も下側に設置され、前記制御回路（２０）が次に下側に設置され、前記ヒューズ（Ｆ１）、前記正極側コンタクタ（ＲＹ１）及び前記負極側コンタクタ（ＲＹ２）が最も上側に設置されることを特徴とする項目３に記載の電源システム（１）。
これによれば、ヒューズ（Ｆ１）の溶断タイミングと、正極側コンタクタ（ＲＹ１）及び負極側コンタクタ（ＲＹ２）が開くタイミングに時間差を発生させることができる。
［項目５］
前記複数の蓄電モジュール（１１−１４）はそれぞれ、本電源システム（１）の規定の設置状態において、上面に電極が配置される向きに設置され、
前記ヒューズ（Ｆ１）、前記正極側コンタクタ（ＲＹ１）及び前記負極側コンタクタ（ＲＹ２）は、前記複数の蓄電モジュール（１１−１４）の電極と、略水平な位置に設置されることを特徴とする項目４に記載の電源システム（１）。
これによれば、蓄電モジュール（１１−１４）の電極、ヒューズ（Ｆ１）、正極側コンタクタ（ＲＹ１）及び負極側コンタクタ（ＲＹ２）の浸水を遅らせることができ、ヒューズ（Ｆ１）、正極側コンタクタ（ＲＹ１）及び負極側コンタクタ（ＲＹ２）による遮断機構を、浸水後できるだけ長く正常に保つことができる。

１ 電源システム、 ２ インバータ、 ３ モータ、 １１ 第１蓄電モジュール、 １２ 第２蓄電モジュール、 １３ 第３蓄電モジュール、 １４ 第４蓄電モジュール、 ＲＹ１ 正極側コンタクタ、 ＲＹ２ 負極側コンタクタ、 ＲＹ３ プリチャージコンタクタ、 Ｒ１ プリチャージ抵抗、 ＣＴ１ 電流センサ、 Ｆ１ ヒューズ、 ２０ 制御回路、 ３０ コネクタ。

Claims (5)

1. 直列接続された複数の蓄電モジュールと、
   前記複数の蓄電モジュールを直列に接続する経路上において、前記複数の蓄電モジュールを第１グループと第２グループに分割する位置に挿入されるヒューズと、
   前記第１グループに属する複数の蓄電モジュールを第１サブグループと第２サブグループに分割する位置に挿入される正極側コンタクタと、
   前記第２グループに属する複数の蓄電モジュールを第１サブグループと第２サブグループに分割する位置に挿入される負極側コンタクタと、
   を備えることを特徴とする電源システム。
2. 前記複数の蓄電モジュールを略４等分する位置に、前記正極側コンタクタ、前記ヒューズ、及び前記負極側コンタクタがそれぞれ挿入されることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 前記複数の蓄電モジュールの両端と、外部の負荷を接続するためのコネクタをさらに備え、
   本電源システムの規定の設置状態において、前記コネクタは、前記ヒューズより低い位置に設置されることを特徴とする請求項１または２に記載の電源システム。
4. 前記正極側コンタクタ及び前記負極側コンタクタを制御する制御回路をさらに備え、
   本電源システムの規定の設置状態において、前記コネクタが最も下側に設置され、前記制御回路が次に下側に設置され、前記ヒューズ、前記正極側コンタクタ及び前記負極側コンタクタが最も上側に設置されることを特徴とする請求項３に記載の電源システム。
5. 前記複数の蓄電モジュールはそれぞれ、本電源システムの規定の設置状態において、上面に電極が配置される向きに設置され、
   前記ヒューズ、前記正極側コンタクタ及び前記負極側コンタクタは、前記複数の蓄電モジュールの電極と、略水平な位置に設置されることを特徴とする請求項４に記載の電源システム。

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