JP2018157674A - 回路保護装置及び電圧検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズによる遮断素子の作動を防止する。【解決手段】直流電源と当該直流電源に接続された保護対象回路との間に設けられ、直流電源と保護対象回路との接続を所定の遮断素子で遮断することにより直流電源の過電圧から保護対象回路を保護する回路保護装置であって、電気の交流成分が遮断素子に通電されることを抑制するバイパス回路を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、回路保護装置及び電圧検出装置に関する。

下記特許文献１には、電源部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、その図２に明示されているように、電源部と監視回路とを接続する複数の検出ラインにヒューズをそれぞれ挿入すると共に、互いに隣り合う検出ライン間にツェナーダイオードをそれぞれ設けたものである。この回路保護装置では、電源部に過電圧が発生した場合に、ツェナーダイオードによって検出ライン間が短絡状態になり、この結果としてヒューズが溶断することにより電源部と監視回路との間の電気的接続が遮断される。

特許第５５８５６１６号公報

ところで、上記回路保護装置では、電源部に発生した過電圧だけではなく、検出ライン等に混入するノイズによってもツェナーダイオードが降伏動作することにより、遮断素子の一種であるヒューズが作動（溶断）する虞がある。すなわち、ツェナーダイオードの降伏電圧以上の振幅のノイズが検出ライン等に混入した場合、検出ライン間が短絡状態になるのでヒューズが溶断する。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ノイズによる遮断素子の作動を防止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、回路保護装置に係る第１の解決手段として、直流電源と当該直流電源に接続された保護対象回路との間に設けられ、前記直流電源と前記保護対象回路との接続を所定の遮断素子で遮断することにより前記直流電源の過電圧から前記保護対象回路を保護する回路保護装置であって、電気の交流成分が前記遮断素子に通電されることを抑制するバイパス回路を備える、という手段を採用する。

本発明では、回路保護装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記バイパス回路は、少なくとも一端が前記遮断素子の入力端に接続されたコンデンサである、という手段を採用する。

本発明では、上記第３の解決手段において、上記第２の解決手段において、前記遮断素子は、前記直流電源の電極の各々に設けられ、前記コンデンサは、一対の前記遮断素子の入力端間を接続するように設けられる、という手段を採用する。

本発明では、回路保護装置に係る第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、前記直流電源は複数の電池セルが直列接続された組電池であり、前記コンデンサは、互いに隣り合う前記電池セルの一つ置きに対応して設けられる、という手段を採用する。

本発明では、回路保護装置に係る第５の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記遮断素子は、前記直流電源の電極の各々に設けられ、前記コンデンサは、他端が前記遮断素子の出力端に接続されている、という手段を採用する。

本発明では、電圧検出装置に係る解決手段として、上記第１〜第５のいずれか解決手段に係る回路保護装置と、前記保護対象回路であって、前記直流電源の電圧を検出する電圧検出回路とを備える、という手段を採用する。

本発明によれば、電気の交流成分が遮断素子に通電されることを抑制するバイパス回路を備えるので、ノイズによる遮断素子の作動を防止することができる。

本発明の第１実施形態に係る電圧検出装置Ａ１の全体構成を示す回路図である。 本発明の第１実施形態に係る電圧検出装置Ａ１の要部構成を示す回路図である。 本発明の第２実施形態に係る電圧検出装置Ａ２の要部構成を示す回路図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る電圧検出装置Ａ１ａの全体構成を示す回路図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
最初に、本発明の第１実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。第１実施形態に係る電圧検出装置Ａ１は、図１に示すように、組電池Ｘを検出対象とする装置であり、遮断回路１、過電圧保護回路２及びセル電圧監視部３を備えている。なお、このような構成要素のうち、遮断回路１は本発明における回路保護装置に相当し、またセル電圧監視部３は本発明における保護対象回路及び電圧検出回路に相当する。

最初に、組電池Ｘは、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載される直流電源（バッテリ）であり、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池である。この組電池Ｘは、図示するように互いに直列接続された複数の電池セルｂ１〜ｂｎを備えている。このような組電池Ｘは、例えば車両の走行動力を発生させる走行モータを駆動するインバータに直流電力を供給する。すなわち、組電池Ｘのプラス端子Ｐ１はインバータの一方の入力端に接続され、組電池Ｘのマイナス端子Ｐ２はインバータの他方の入力端に接続されている。なお、上記「ｎ」は２以上の自然数である。

各電池セルｂ１〜ｂｎは、図示するようにＣＩＤ（Current Interrupt Device）ｄ１〜ｄｎを備えている。すなわち、電池セルｂ１はＣＩＤｄ１を備え、電池セルｂ２はＣＩＤｄ２を備え、電池セルｂ３はＣＩＤｄ３を備え、（中略）、電池セルｂｎはＣＩＤｄｎを備えている。各ＣＩＤｄ１〜ｄｎは、図示するように各電池セルｂ１〜ｂｎ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〜ｂｎ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。

このような組電池Ｘは、（ｎ＋１）本の接続線Ｌ１〜Ｌｎ＋１を介して電圧検出装置Ａ１に接続されている。この組電池Ｘでは、各電池セルｂ１〜ｂｎの何れかが異常状態になると対応するＣＩＤが作動して当該異常な電池セル（異常セル）を他の正常な電池セル（正常セル）から切り離す。また、ＣＩＤが作動してた異常セルに対応し、互いに隣り合う一対の接続線には、正常な電圧範囲を逸脱した過電圧が印加される。例えば図２を参照して説明すると、電池セルｂ１が異常になると、ＣＩＤｄ１が作動し、この結果として一対の接続線Ｌ１，Ｌ２の間には過電圧が印加される。

遮断回路１は、組電池Ｘと過電圧保護回路２との間に設けられており、（ｎ＋１）本の接続線Ｌ１〜Ｌｎ＋１によって組電池Ｘと接続されている。この遮断回路１は、図示するようにｎ個のコンデンサＣ１〜Ｃｎ及び（ｎ＋１）個のヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１（遮断素子）を備えている。これらｎ個のコンデンサＣ１〜Ｃｎは、本発明におけるバイパス回路に相当する。すなわち、ｎ個のコンデンサＣ１〜Ｃｎは、電気の交流成分が（ｎ＋１）個のヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１（遮断素子）に通電されることを抑制あるいは阻止するバイパス回路である。

これらｎ個のコンデンサＣ１〜Ｃｎのうち、コンデンサＣ１は、電池セルｂ１に対応する一対のヒューズＦ１、Ｆ２の入力端間を接続するように設けられ、コンデンサＣ２は、電池セルｂ２に対応する一対のヒューズＦ２、Ｆ３の入力端間を接続するように設けられ、コンデンサＣ３は、電池セルｂ３に対応する一対のヒューズＦ３、Ｆ４の入力端間を接続するように設けられ、（中略）、コンデンサＣｎは、電池セルｂｎに対応する一対のヒューズＦｎ、Ｆｎ＋１の入力端間を接続するように設けられている。

また、（ｎ＋１）個のヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１は、組電池Ｘの電極つまり電池セルｂ１〜ｂｎの電極の各々に対応して設けられている。これらヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１のうち、ヒューズＦ１は、一端がコンデンサＣ１の一端（ＣＩＤｄ１の一端）に接続され、他端が過電圧保護回路２の第１入力端に接続されている。ヒューズＦ２は、一端がコンデンサＣ２の一端（ＣＩＤｄ２の一端つまり電池セルｂ１のマイナス端子）に接続され、他端が過電圧保護回路２の第２入力端に接続されている。

また、ヒューズＦ３は、一端がコンデンサＣ３の一端（ＣＩＤｄ３の一端つまり電池セルｂ２のマイナス端子）に接続され、他端が過電圧保護回路２の第３入力端に接続されている。（中略）、さらにヒューズＦｎは、一端がコンデンサＣｎの一端（ＣＩＤｄｎの一端）に接続され、他端が過電圧保護回路２の第ｎ入力端に接続されている。ヒューズＦｎ＋１は、一端がコンデンサＣｎの他端（電池セルｂｎのマイナス端子）に接続され、他端が過電圧保護回路２の第ｎ＋１入力端に接続されている。

過電圧保護回路２は、各電池セルｂ１〜ｂｎに対応して遮断回路１とセル電圧監視部３との間に設けられている。すなわち、遮断回路１及び過電圧保護回路２は、組電池Ｘとセル電圧監視部３との間に各電池セルｂ１〜ｂｎに対応して設けられており、このうち遮断回路１は、前段つまり組電池Ｘ側に設けられ、過電圧保護回路２は後段つまりセル電圧監視部３側に設けられている。

各電池セルｂ１〜ｂｎの配列方向において互いに隣り合う一対のヒューズの他端同士を短絡させるｎ個の短絡回路を備える。なお、ｎ個の短絡回路は全て同一に構成されているので、以下では電池セルｂ１に対応する短絡回路を例示して詳細構成を説明する。電池セルｂ１に対応する短絡回路は、図２に示すように直列接続されたスイッチ回路２ａとフィルタ回路２ｂとを備えている。

スイッチ回路２ａは、ヒューズＦ１の他端とヒューズＦ２の他端との電圧差が所定の降伏電圧を超えると自律的にＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わるツェナーダイオードあるいは外部から入力される制御信号に基づいてＯＮ状態とＯＦＦ状態とが切り替わる電子スイッチである。フィルタ回路２ｂは、所定の時定数を有する受動回路であり、スイッチ回路２ａがＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わった際に流れる短絡連流の過渡特性を支配する。

このような電池セルｂ１に対応する短絡回路は、ＣＩＤｄ１が作動することにより一対の接続線Ｌ１，Ｌ２を介して一対のヒューズＦ１，Ｆ２の他端間に印加される過電圧に対してセル電圧監視部３を保護するためのものである。一方、遮断回路１は、短絡回路が作動した際に流れる短絡電流によってヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１が溶断することにより、組電池Ｘに対する過電圧保護回路２及びセル電圧監視部３の接続状態を乖離させ、以って過電圧保護回路２及びセル電圧監視部３を保護するものである。

セル電圧監視部３は、各電池セルｂ１〜ｂｎに対応したｎ個の放電回路３ａ、（ｎ＋１）本の接続線Ｌ１〜Ｌｎ＋１に対応したｎ＋１個のフィルタ回路Ｋ１〜Ｋｎ＋１及びＬＩＢ ＩＣ３ｂを備えており、（ｎ＋１）本の接続線Ｌ１〜Ｌｎ＋１、遮断回路１及び過電圧保護回路２を介して入力される各電池セルｂ１〜ｂｎの出力電圧（セル電圧Ｖ１〜Ｖｎ）に基づいて組電池Ｘの状態を監視する。

以下では、図２を参照して電池セルｂ１に対応するセル電圧監視部３の構成を代表として説明するが、他の電池セルｂ２〜ｂｎに対応するセル電圧監視部３の構成は電池セルｂ１に対応する構成と同一である。放電回路３ａは、一対のヒューズＦ１，Ｆ２の他端間に接続された二端子回路である。この放電回路３ａは、電池セルｂ１の過充電を抑制するために電池セルｂ１を放電させるものであり、より具体的には抵抗器（放電抵抗）と電子スイッチとの直列回路である。このような放電回路３ａは、電子スイッチが外部から制御されてＯＮ状態となることにより抵抗器を介して電池セルｂ１の電荷を放電させる。

フィルタ回路Ｋ１は、ヒューズＦ１の他端とＬＩＢ ＩＣ３ｂの第１入力端との間に挿入されたＬＰＦ（ローパスフィルタ）である。一方、フィルタ回路Ｋ２は、ヒューズＦ２の他端とＬＩＢ ＩＣ３ｂの第２入力端との間に挿入されたＬＰＦ（ローパスフィルタ）である。これら一対のフィルタ回路Ｋ１，Ｋ２は、ノイズ成分を除去するためのものである。ＬＩＢ ＩＣ３ｂは、一対のフィルタ回路Ｋ１，Ｋ２を介して入力された電池セルｂ１の端子間電圧をセル電圧Ｖ１として検出する。すなわち、セル電圧監視部３は、各電池セルｂ１〜ｂｎの出力端（プラス端及びマイナス端）との電圧差をセル電圧Ｖ１〜Ｖｎとして検出し、このセル電圧Ｖ１〜Ｖｎに基づいて各電池セルｂ１〜ｂｎの状態を監視する。

次に、このように構成された電圧検出装置Ａ１の動作について説明する。
この電圧検出装置Ａ１では、組電池Ｘを構成する各電池セルｂ１〜ｂｎの端子間電圧が（ｎ＋１）本の接続線Ｌ１〜Ｌｎ＋１、遮断回路１及び過電圧保護回路２を介してセル電圧監視部３に入力され、各電池セルｂ１〜ｂｎのセル電圧Ｖ１〜Ｖｎがそれぞれ検出される。

ここで、各電池セルｂ１〜ｂｎの何れかが異常セルになると、当該異常セルに付帯するＣＩＤが作動して異常セルを正常セルから切り離すが、この切り離し起因して異常セルに関する端子間電圧は過電圧となる。そして、この過電圧が互いに隣り合う一対の接続線、遮断回路１及び過電圧保護回路２を介してセル電圧監視部３に入力され続けると、当該セル電圧監視部３は故障に至る。

例えば電池セルｂ１が異セルになった場合、過電圧は、互いに隣り合う一対の接続線Ｌ１，Ｌ２、遮断回路１における一対のヒューズＦ１，Ｆ２及び過電圧保護回路２を介してセル電圧監視部３に印加される。このような過電圧が遮断回路１及び過電圧保護回路２に印加されると、最初に過電圧保護回路２が作動して過電圧のセル電圧監視部３への印加が解消される。すなわち、過電圧保護回路２のスイッチ回路２ａがＯＦＦ状態からＯＮ状態になってフィルタ回路２ｂを介して短絡電流が流れることにより、過電圧のセル電圧監視部３への印加が解消される。

上記短絡電流は各ヒューズＦ１，Ｆ２を溶断させるのに十分な電流量である。したがって、短絡電流が流れ始めると、所定時間が経過した時点で各ヒューズＦ１，Ｆ２が溶断することにより、一対のヒューズＦ１，Ｆ２の他端間は電気的に開放状態となり、もって過電圧保護回路２における短絡電流の通電が中断される。

このように一対のヒューズＦ１，Ｆ２は過電圧保護回路２に短絡電流が流れることにより本来的に溶断して短絡電流の通電を解消させるものであり、よって短絡電流以外の要因で溶断することは好ましくない。この短絡電流以外の要因として、一対の接続線Ｌ１，Ｌ２等に外部から侵入するノイズが考えられるが、遮断回路１は、一端がヒューズＦ１の一端（入力端）に接続され、また他端がヒューズＦ２の一端（入力）に接続されるコンデンサＣ１を備えるので、上記ノイズは、一対のヒューズＦ１，Ｆ２に流れ込むことがない。

したがって、本第１実施形態によれば、各ヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１（遮断素子）における電気の交流成分の通過を抑制あるいは阻止するｎ個のコンデンサＣ１〜Ｃｎ（バイパス回路）を備えるので、ノイズによる遮断素子の作動つまり各ヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１の溶断を防止することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について、図３を参照して説明する。
上記電圧検出装置Ａ１では、図２に示したように互いに隣り合う一対のヒューズＦ１，Ｆ２の入力端間を接続するようにコンデンサＣ１を設けたが、本第２実施形態に係る電圧検出装置Ａ２では、図３に示すように、一対のヒューズＦ１，Ｆ２にコンデンサＣａ，Ｃｂをそれぞれ並列接続する。

すなわち、電圧検出装置Ａ２では、ヒューズＦ１の一端にコンデンサＣａの一端を接続すると共にヒューズＦ１の他端にコンデンサＣａの他端を接続する。また、電圧検出装置Ａ２では、ヒューズＦ２の一端にコンデンサＣｂの一端を接続すると共にヒューズＦ２の他端にコンデンサＣｂの他端を接続する。このようなコンデンサＣａ，Ｃｂは、他のヒューズＦ３〜Ｆｎ＋１についても同様に設けられ、電気の交流成分が各ヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１に通電されることを抑制あるいは阻止するバイパス回路として機能する。

したがって、本第２実施形態によれば、遮断回路１を構成する各ヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１に各々並列接続されるコンデンサＣａ，Ｃｂを備えるので、ノイズによる遮断回路１の作動つまり各ヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１の溶断を防止することができる。

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）上記各実施形態では、組電池Ｘを電圧検知対象としたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、１個の単電池にも適用可能である。また、上記各実施形態では、セル電圧監視部３を保護対象回路としたが、本発明はこれに限定されない。セル電圧監視部３以外の回路を保護対象回路としても良い。

（２）上記各実施形態では、互いの隣り合うヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１（遮断素子）の入力端間を接続するようにコンデンサＣ１〜Ｃｎを設けたり、あるいは各ヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１ （遮断素子）に並列にコンデンサＣａ，Ｃｂを設けたが、本発明はこれに限定されない。電気の交流成分が各ヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１に通電されることを抑制あるいは阻止するためには、コンデンサの少なくとも一端が各ヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１の入力端に接続されていればよい。例えば、（ｎ＋１）個のコンデンサを設け、一端を（ｎ＋１）個のヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１の各入力端に接続し、他端を接地あるいはインピーダンスが低い入力端子に接続しても良い。

（３）上記第１実施形態では、図１に示したように全ての電池セルｂ１〜ｂｎに対応してｎ個のコンデンサＣ１〜Ｃｎを設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば図４に示す電圧検出装置Ａ１ａのように、互いに隣り合うｎ個の電池セルの一つ置きに対応させてコンデンサＣ１,Ｃ３〜Ｃｎを設けたても良い。このようなコンデンサＣ１,Ｃ３〜Ｃｎの設け方であっても、全てのヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１（遮断素子）の入力端間にコンデンサの一端が少なくても接続されているので、ノイズがヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１に通電されて当該ヒューズＦ１〜Ｆｎ＋１が溶断することを抑制あるいは防止することができる。

Ａ１、Ａ１ａ、Ａ２ 電圧検出装置
Ｘ 組電池（直流電源）
Ｃ１〜Ｃｎ，Ｃａ，Ｃｂ コンデンサ（バイパス回路）
Ｆ１〜Ｆｎ＋１ ヒューズ（遮断素子）
Ｋ１〜Ｋｎ＋１ 放電回路
１ 遮断回路（回路保護装置）
２ 過電圧保護回路
２ａ スイッチ回路
２ｂ フィルタ回路
３ セル電圧監視部（保護対象回路、電圧検出回路）
３ａ 放電回路
３ｂ ＬＩＢ ＩＣ

Claims (6)

1. 直流電源と当該直流電源に接続された保護対象回路との間に設けられ、前記直流電源と前記保護対象回路との接続を所定の遮断素子で遮断することにより前記直流電源の過電圧から前記保護対象回路を保護する回路保護装置であって、
   電気の交流成分が前記遮断素子に通電されることを抑制するバイパス回路を備えることを特徴とする回路保護装置。
2. 前記バイパス回路は、少なくとも一端が前記遮断素子の入力端に接続されたコンデンサであることを特徴とする請求項１に記載の回路保護装置。
3. 前記遮断素子は、前記直流電源の電極の各々に設けられ、
   前記コンデンサは、一対の前記遮断素子の入力端間を接続するように設けられることを特徴とする請求項２に記載の回路保護装置。
4. 前記直流電源は複数の電池セルが直列接続された組電池であり、
   前記コンデンサは、互いに隣り合う前記電池セルの一つ置きに対応して設けられることを特徴とする請求項３に記載の回路保護装置。
5. 前記遮断素子は、前記直流電源の電極の各々に設けられ、
   前記コンデンサは、他端が前記遮断素子の出力端に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の回路保護装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の回路保護装置と、
   前記保護対象回路であって、前記直流電源の電圧を検出する電圧検出回路と
   を備えることを特徴とする電圧検出装置。

Images