JP2016052158A - バッテリパックの放電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】インバータ及びモータを発熱させることなく、バッテリを強制的に放電させることができるバッテリパックの放電装置を提供すること。【解決手段】バッテリと、バッテリの電力によりモータを駆動するための複数のアームよりなるインバータとを有するバッテリパックに外部の負荷装置が接続された状態で、負荷装置から送信された放電要求信号に応じて(ステップS1)、インバータを構成する少なくとも1つのアームを通電状態にするようにインバータを制御する(ステップS3)。【選択図】図2
Description
本発明は、バッテリを有するバッテリパックの放電装置に関する。
バッテリパックを搭載した車両は、例えば、整備時の通電テストなどを行うために、バッテリパック内のバッテリを強制的に放電させる必要がある。このように、バッテリを強制的に放電させるものが特許文献1に提案されている。
しかしながら、特許文献1に提案されたものは、インバータが内蔵されているバッテリパック内のバッテリを強制的に放電させる場合には、バッテリパックからバッテリを取り出す工程が必要であった。
このように、バッテリパックからバッテリを取り出す工程を省くことができるものとして、特許文献2には、インバータを制御して閉ループを形成することにより、インバータが内蔵されているバッテリパックであっても、バッテリを取り出さずに、バッテリを強制的に放電させることができるものが提案されている。
しかしながら、特許文献2に提案されたものは、インバータとモータとを放電負荷として、バッテリに蓄えられた電気を消費するため、インバータ及びモータが発熱してしまうといった課題があった。
そこで、本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、インバータ及びモータを発熱させることなく、バッテリを強制的に放電させることができるバッテリパックの放電装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明に係るバッテリパックの放電装置の一態様は、バッテリと、前記バッテリの電力によりモータを駆動するための複数のアームよりなるインバータと、外部の負荷装置が接続される第1端子及び第2端子を有する接続部とを含み、前記外部の負荷装置が接続された第1状態では、前記第1端子及び前記第2端子を前記負荷装置を介して通電状態にし、前記負荷装置が接続されていない第2状態では、前記第1端子及び前記第2端子を非通電状態にするバッテリパックを備え、前記バッテリパックは、前記接続部が前記第1状態にあるときに、前記負荷装置から送信された放電要求信号に応じて、前記インバータを構成する少なくとも1つのアームを通電状態にするように前記インバータを制御する制御部を更に有する。
本発明は、インバータ及びモータを発熱させることなく、バッテリを強制的に放電させることができるバッテリパックの放電装置を提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。以下、本発明に係るバッテリパックの放電装置を搭載した車両として、ハイブリッド車両を適用した実施の形態について説明する。
図1に示すように、車両1は、モータジェネレータ2と、バッテリパック3とを含んで構成される。本実施の形態において、モータジェネレータ2は、U相、V相及びW相の3相の交流電力により駆動する三相交流モータによって構成される。
例えば、モータジェネレータ2は、回転磁界を形成するステータと、複数の永久磁石が埋め込まれてステータの内部に配置されたロータとを有している。ステータは、ステータコア及びステータコアに巻き掛けられたU相、V相及びW相の三相コイルを有している。
ここで、ステータの三相コイルに三相交流電力が供給されると、ステータによって回転磁界が形成され、この回転磁界にロータに埋め込まれた永久磁石が引かれることにより、ロータが回転駆動される。このロータの回転駆動力により、車両1が駆動される。このように、モータジェネレータ2は、電動機として機能するようになっている。
また、ロータに埋め込まれた永久磁石が回転すると、回転磁界が形成され、この回転磁界によりステータの三相コイルに誘導電流が流れることにより、三相コイルの両端に電力が発生する。このように、モータジェネレータ2は、発電機としても機能するようになっている。
バッテリパック3は、バッテリ10と、負極側リレー11aと、正極側リレー11bと、プリチャージ回路12と、平滑コンデンサ13と、DC−DCコンバータ14と、インバータ15と、ECU(Electronic Control Unit)16とを含んで構成される。
バッテリ10は、直列に接続された複数のセル10aによって構成され、各セル10aは、二次電池によって構成される。このように、バッテリ10は、直流の電源を構成する。本実施の形態において、バッテリ10は、正極が正極線PLに接続され、負極が負極線NLに接続されている。
また、バッテリ10には、第1端子20a及び第2端子20bを有する接続部20が直列に接続されている。接続部20には、外部の負荷装置21が接続されるようになっている。接続部20は、負荷装置21が接続された第1状態では、第1端子20a及び第2端子20bが負荷装置21を介して通電状態となり、負荷装置21が接続されていない第2状態では、第1端子20a及び第2端子20bが非通電状態となる。
なお、本実施の形態において、接続部20は、第2状態では、図示しないサービスプラグによって、第1端子20a及び第2端子20bが直接に通電状態となる。すなわち、接続部20は、負荷装置21が接続されていない第2状態では、第1端子20a及び第2端子20bがサービスプラグを介して通電状態になる。
負荷装置21は、電気を熱に変換することによって放電する放電負荷RLと、ECU16に制御信号を送信する制御回路23と、ECU16を動作させるための電力を発生する電源24とを有している。また、負荷装置21には、電源24によって発生された電力をECU16に供給するためのコネクタ25が設けられている。
制御回路23は、バッテリパック3に負荷装置21が接続されたときに、バッテリ10の放電を要求する放電要求信号を制御信号としてECU16に送信するようになっている。本実施の形態において、制御回路23は、バッテリパック3に負荷装置21が接続されたことをECU16に検知させる接続検知端子26を介して放電要求信号をECU16に送信するようになっている。
バッテリパック3において、平滑コンデンサ13は、第1電極として陽極を有し、第2電極として陰極を有する。平滑コンデンサ13は、陽極が正極線PLに接続され、陰極が負極線NLに接続され、正極線PLと負極線NLとの間に生じた直流電力の電圧を平滑化するようになっている。
負極側リレー11aは、ECU16の制御に応じて、バッテリ10の負極と平滑コンデンサ13の陰極とを接続する接続状態及びバッテリ10の負極と平滑コンデンサ13の陰極とを切断する切断状態のいずれか一方の状態をとるようになっている。例えば、負極側リレー11aは、モータジェネレータ2が運転状態にあるときは、接続状態をとるようにECU16によって制御される。
正極側リレー11bは、ECU16の制御に応じて、バッテリ10の正極と平滑コンデンサ13の陽極とを接続する接続状態及びバッテリ10の正極と平滑コンデンサ13の陽極とを切断する切断状態のいずれか一方の状態をとるようになっている。例えば、正極側リレー11bは、モータジェネレータ2が運転状態にあるときは、接続状態をとるようにECU16によって制御される。
プリチャージ回路12は、プリチャージリレー12aと、プリチャージリレー12aと直列に接続された抵抗Rpとによって構成されている。プリチャージリレー12aは、ECU16の制御に応じて、プリチャージ回路12を正極側リレー11bに並列に接続する接続状態及びプリチャージ回路12を正極側リレー11bから電気的に切断する切断状態のいずれか一方の状態をとるようになっている。
例えば、プリチャージリレー12aは、モータジェネレータ2が作動する前に接続状態をとり、正極側リレー11bが接続状態をとった後に切断状態をとるようにECU16によって制御される。
DC−DCコンバータ14は、バッテリ10から供給された直流電力を低電圧の電力に変換するようになっている。例えば、DC−DCコンバータ14は、低電圧に変換した電力を、補機などに電力を供給するための図示しない低電圧バッテリに供給するようになっている。
インバータ15は、スイッチング素子Q3〜Q8と、ダイオードD3〜D8とを含んで構成される。インバータ15は、平滑コンデンサ13によって電圧が平滑化された直流電力を交流電力に変換するようになっている。また、インバータ15は、モータジェネレータ2によって発生された交流電力を直流電力に変換するようになっている。
本実施の形態において、各スイッチング素子Q3〜Q8は、コレクタ、ゲート、エミッタの3端子を有するIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)によって構成されている。
スイッチング素子Q3は、コレクタが正極線PLに接続され、エミッタがモータジェネレータ2のU相の入力端子に接続され、ゲートがECU16に接続されている。スイッチング素子Q4は、ソースがスイッチング素子Q3のエミッタに接続され、エミッタが負極線NLに接続され、ゲートがECU16に接続されている。
ダイオードD3は、カソードがスイッチング素子Q3のソースに接続され、アノードがスイッチング素子Q3のエミッタに接続されている。すなわち、ダイオードD3と、スイッチング素子Q3とは、U相の上アームを構成する。
ダイオードD4は、カソードがスイッチング素子Q4のソースに接続され、アノードがスイッチング素子Q4のエミッタに接続されている。すなわち、ダイオードD4と、スイッチング素子Q4とは、U相の下アームを構成する。
スイッチング素子Q5は、コレクタが正極線PLに接続され、エミッタがモータジェネレータ2のV相の入力端子に接続され、ゲートがECU16に接続されている。スイッチング素子Q6は、ソースがスイッチング素子Q6のエミッタに接続され、エミッタが負極線NLに接続され、ゲートがECU16に接続されている。
ダイオードD5は、カソードがスイッチング素子Q5のソースに接続され、アノードがスイッチング素子Q5のエミッタに接続されている。すなわち、ダイオードD5と、スイッチング素子Q5とは、V相の上アームを構成する。
ダイオードD6は、カソードがスイッチング素子Q6のソースに接続され、アノードがスイッチング素子Q6のエミッタに接続されている。すなわち、ダイオードD6と、スイッチング素子Q6とは、V相の下アームを構成する。
スイッチング素子Q7は、コレクタが正極線PLに接続され、エミッタがモータジェネレータ2のW相の入力端子に接続され、ゲートがECU16に接続されている。スイッチング素子Q8は、ソースがスイッチング素子Q7のエミッタに接続され、エミッタが負極線NLに接続され、ゲートがECU16に接続されている。
ダイオードD7は、カソードがスイッチング素子Q7のソースに接続され、アノードがスイッチング素子Q7のエミッタに接続されている。すなわち、ダイオードD7と、スイッチング素子Q7とは、W相の上アームを構成する。
ダイオードD8は、カソードがスイッチング素子Q8のソースに接続され、アノードがスイッチング素子Q8のエミッタに接続されている。すなわち、ダイオードD8と、スイッチング素子Q8とは、W相の下アームを構成する。
このように、U相の上アームと下アームとによってU相のアーム17が構成され、V相の上アームと下アームとによってV相のアーム18が構成され、W相の上アームと下アームとによってW相のアーム19が構成される。
各スイッチング素子Q3〜Q8の各ゲートは、ECU16によりデューティ比が制御された制御信号によって、モータジェネレータ2のU相、V相及びW相の各相に流れる電流の向きと量が120度の位相差をもって連続的に変化する交流となるように制御される。この結果、モータジェネレータ2のステータが回転磁界を形成し、モータジェネレータ2のロータが回転させられる。
ECU16は、CPU(Central Processing Unit)と、RAM(Random Access Memory)と、ROM(Read Only Memory)と、フラッシュメモリと、入力ポートと、出力ポートとを備えたコンピュータユニットによって構成されている。
ECU16のROMには、各種定数や各種マップ等とともに、当該コンピュータユニットをECU16として機能させるためのプログラムが記憶されている。すなわち、ECU16において、CPUがROMに記憶されたプログラムを実行することにより、当該コンピュータユニットは、ECU16として機能する。
ECU16の入力ポートには、バッテリ10の温度を検出するバッテリ温度センサ30と、バッテリ10の電圧を検出する電圧センサ31と、インバータ15の温度を検出するインバータ温度センサ32と、バッテリパック3内の絶縁劣化を検出する絶縁劣化センサ33とを含む各種センサ類が接続されている。
なお、電圧センサ31は、バッテリ10を構成する各セル10aの電圧を検出するようにしてもよい。また、バッテリ10の電圧を検出する電圧センサと、各セル10aの電圧を検出する電圧センサとの両方をバッテリパック3に設けてもよい。
また、ECU16の出力ポートには、負極側リレー11aと、正極側リレー11bと、プリチャージリレー12aと、スイッチング素子Q3〜Q8とを含む各種制御対象類が接続されている。
ECU16は、各種センサ類から得られる情報に基づいて、各種制御対象類を制御するようになっている。本実施の形態において、ECU16は、上述したように、負極側リレー11a、正極側リレー11b、プリチャージ回路12及びスイッチング素子Q3〜Q8を制御するようになっている。
また、ECU16は、接続部20が第1状態にあるときに、負荷装置21から送信された放電要求信号に応じて、インバータ15を構成する少なくとも1つのアームを通電状態にするようにインバータ15を制御する制御部50を構成する。
詳細には、ECU16は、接続部20に負荷装置21が接続されている第1状態にあるときに、負荷装置21から送信された放電要求信号に応じて、負極側リレー11a及び正極側リレー11bをオン状態にし、インバータ15を構成する少なくとも1つのアームとして、例えば、U相のアーム17を通電状態にするようにインバータ15を制御するようになっている。
これにより、バッテリ10とインバータ15と放電抵抗RLとによって閉ループが形成され、バッテリ10に蓄積された電気が放電抵抗RLによって熱に変換され、バッテリ10に蓄積された電気の放電が行われる。
ただし、ECU16は、所定の放電許可条件が成立していれば、バッテリ10とインバータ15とを通電状態に制御し、放電許可条件が成立していなければ、バッテリ10とインバータ15とを非通電状態に制御するようになっている。
ここで、ECU16は、バッテリ10の温度が所定温度T1未満であること、バッテリ10の電圧が所定電圧V1以上であること、バッテリ10を構成する各セル10aの電圧が所定電圧V2以上であること、及び、インバータ15の温度が所定温度T2未満であることの少なくとも1つを放電許可条件とする。なお、所定温度T1、T2及び所定電圧V1、V2は、それぞれ予め実験的に定められた適合値である。
ECU16は、バッテリ10とインバータ15とを非通電状態にする場合には、負極側リレー11a又は正極側リレー11bをオフ状態に維持し、バッテリ10とインバータ15とを通電状態にする場合には、負極側リレー11a及び正極側リレー11bをオン状態に切り替えるようになっている。
以上のように構成された本発明の実施の形態に係るバッテリパックの放電装置による放電動作について図2を参照して説明する。なお、以下に説明する放電動作は、バッテリパック3に負荷装置21が接続され、電源24によって発生された電力がECU16に供給されたことにより、バッテリパック3に負荷装置21が接続されたことが接続検知端子26を介してECU16によって検知されたときにスタートする。
まず、ECU16は、接続検知端子26を介して負荷装置21から放電要求信号を受信したか否かを判断する(ステップS1)。ここで、放電要求信号を受信していないと判断した場合には、ECU16は、ステップS1の処理を実行する。すなわち、ECU16は、放電要求信号の受信待ち状態となる。
一方、放電要求信号を受信したと判断した場合には、ECU16は、放電許可条件が成立しているか否かを判断する(ステップS2)。ここで、放電許可条件が成立していないと判断した場合には、ECU16は、放電動作を終了する。
すなわち、ECU16は、負極側リレー11a及び正極側リレー11bを切断状態にするとともに、スイッチング素子Q3及びスイッチング素子Q4を非通電状態(オフ状態)にする。
ステップS2において、放電許可条件が成立していると判断した場合には、ECU16はバッテリ10の放電を開始する(ステップS3)。ここで、ECU16は、メインリレー制御及びインバータ制御を実行する。
メインリレー制御において、ECU16は、負極側リレー11a及び正極側リレー11bを接続状態にする。なお、ECU16は、プリチャージリレー12aを接続状態にした状態で、正極側リレー11bを接続状態にし、その後、プリチャージリレー12aを切断状態にしてもよい。
また、インバータ制御において、ECU16は、インバータ15を構成する少なくとも1つのアームを通電状態にするようにインバータ15を制御する。例えば、ECU16は、U相のアーム17を通電状態にするようにインバータ15を制御する。
より具体的には、ECU16は、スイッチング素子Q3及びスイッチング素子Q4を通電状態(オン状態)にする。これにより、バッテリ10とインバータ15と放電負荷RLとによる閉ループが形成され、バッテリ10の放電が開始される。
次に、ECU16は、放電終了条件が成立しているか否かを判断する(ステップS4)。本実施の形態において、ECU16は、バッテリ10の温度が所定温度T1以上であること、バッテリ10の電圧が所定電圧Vf未満であること、バッテリ10のSOCが所定値A未満であること、インバータ15の温度が所定温度T2以上であること、及び、バッテリパック3内に絶縁劣化があることの少なくとも1つ以上を放電終了条件とする。
ここで、所定電圧Vf及びSOCの所定値Aは、バッテリの電荷が全て放電されたと判断される値である。
ステップS4において、放電終了条件が成立していないと判断した場合には、ECU16は、ステップS4の処理を実行する。すなわち、ECU16は、放電終了条件の成立待ち状態となる。
一方、放電終了条件が成立していると判断した場合には、ECU16は、放電終了処理を実行し(ステップS5)、放電動作を終了する。すなわち、ECU16は、負極側リレー11a及び正極側リレー11bを切断状態にするとともに、スイッチング素子Q3及びスイッチング素子Q4を非通電状態(オフ状態)にする。
以上のように、本実施の形態は、バッテリパック3に負荷装置21を接続し、インバータ15を構成する少なくとも1つのアームを通電状態にすることにより、バッテリ10とインバータ15と放電負荷RLとによる閉ループを形成させ、バッテリ10に蓄えられた電気を放電負荷RLにより熱に変換させるため、インバータ15及びモータジェネレータ2を発熱させることなく、バッテリ10を強制的に放電させることができる。
また、本実施の形態は、放電許可条件が成立していれば、バッテリ10とインバータ15とを通電状態に制御し、放電許可条件が成立していなければ、バッテリ10とインバータ15とを非通電状態に制御するため、バッテリパック3に異常があるときには、バッテリ10の放電を行わないようにすることができる。
なお、本実施の形態においては、本発明に係るバッテリパックの放電装置をハイブリッド車両に適用した例について説明したが、本発明に係るバッテリパックの放電装置は、電気自動車及びプラグインハイブリッド車両などのように、電気で駆動する車両にも適用することができる。
以上、本発明の実施の形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が特許請求の範囲に記載された請求項に含まれることが意図されている。
1 車両
2 モータジェネレータ(モータ)
10 バッテリ
10a セル
15 インバータ
17、18、19 アーム
20 接続部
20a 第1端子
20b 第2端子
21 負荷装置
50 制御部
2 モータジェネレータ(モータ)
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20a 第1端子
20b 第2端子
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50 制御部
Claims (5)
- バッテリと、前記バッテリの電力によりモータを駆動するための複数のアームよりなるインバータと、外部の負荷装置が接続される第1端子及び第2端子を有する接続部とを含み、前記外部の負荷装置が接続された第1状態では、前記第1端子及び前記第2端子を前記負荷装置を介して通電状態にし、前記負荷装置が接続されていない第2状態では、前記第1端子及び前記第2端子を非通電状態にするバッテリパックを備え、
前記バッテリパックは、前記接続部が前記第1状態にあるときに、前記負荷装置から送信された放電要求信号に応じて、前記インバータを構成する少なくとも1つのアームを通電状態にするように前記インバータを制御する制御部を更に有するバッテリパックの放電装置。 - 前記制御部は、所定の放電許可条件が成立していれば、前記バッテリと前記インバータとを通電状態に制御し、前記放電許可条件が成立していなければ、前記バッテリと前記インバータとを非通電状態に制御する請求項1に記載のバッテリパックの放電装置。
- 前記制御部は、前記バッテリの温度が所定温度未満であること、前記バッテリの電圧が所定電圧以上であること、前記バッテリを構成するセルの電圧が所定電圧以上であること、及び、前記インバータの温度が所定温度未満であることの少なくとも1つを前記放電許可条件とする請求項2に記載のバッテリパックの放電装置。
- 前記制御部は、所定の放電終了条件が成立していれば、前記バッテリと前記インバータとを非通電状態に制御する請求項1ないし請求項3のいずれか1つの請求項に記載のバッテリパックの放電装置。
- 前記制御部は、前記バッテリの温度が所定温度未満であること、前記バッテリの電圧が所定電圧未満であること、前記バッテリのSOCが所定値未満であること、及び、前記バッテリパック内に絶縁劣化があることの少なくとも1つを前記放電終了条件とする請求項4に記載のバッテリパックの放電装置。
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