JP6137470B2 - 電源制御装置 - Google Patents

Description

本発明は電源制御装置に関する。

モータの駆動力により走行する電気自動車では、車両を走行させるのに必要な電圧を得ることができるように構成されたバッテリを備えた電源制御装置を有する。バッテリは、例えばリチウムイオン二次電池などの複数の電池セルをそれぞれ直列に接続することにより、構成されている。

電気自動車では、衝突後の解体作業で感電等が発生することを未然に防止するために、衝突時には電源制御装置に蓄積された電荷を放電する必要がある。特許文献１には、電源制御装置に設けられたコンデンサに蓄積された電荷を放電するインバータ装置が記載されている。このインバータ装置では、衝突時には強制放電回路を用いてコンデンサに蓄積された電荷を放電処理している。

特開２０１０−１９３６９１号公報（請求項１等）

上記したインバータ装置では、放電することで感電等を未然に防止することができるが、複雑な強制放電回路を新たに設置する必要があり、製造コスト増につながる。

そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、衝突時には新たに回路を設置することなく放電処理を行うことができる電源制御装置を提供しようとするものである。

本発明の電源制御装置は、車両に搭載され、直列接続された複数の電池セルと、二以上の前記電池セルに設けられ、電池セルの放電を行うバランサ回路と、前記電池セル間の電圧にバラツキが生じた場合に、各セルの電圧が同一となるように前記バランサ回路に設けられたスイッチング素子をオンオフ制御する制御部と、前記車両に衝突が起きた際の入力を検出する入力検出手段と、を備えた電源制御装置において、該制御部は、前記入力検出手段で前記車両に衝突が起きたことを示す前記入力が検出されると、各前記電池セルの放電を行うように前記バランサ回路に設けられた前記スイッチング素子のオンオフ制御を行い、前記制御部は、前記衝突により、前記電池セルの少なくともいずれかに端子間抵抗が存在するレアショートが生じたことを検出すると、前記レアショートが生じた前記電池セル以外の前記電池セルに対応したバランサ回路に設けられたスイッチング素子をオンして放電を行うことを特徴とする。

本実施形態では、制御部が、入力検出手段により車両に衝突が起きたことを示す入力が検出されると、各前記電池セルの放電を行うように前記バランサ回路に設けられた前記スイッチング素子のオンオフ制御を行うことにより、簡易に、かつ安全に電池セルの放電を行うことができる。また、前記レアショートが生じた前記電池セル以外の前記電池セルに対応したバランサ回路に設けられたスイッチング素子をオンして放電を行うことで、簡易に、かつ安全に電池セルの放電を行うことができる。ここで、衝突とはエアバッグ装置が作動する程度の衝突をいう。

前記制御部は、前記衝突により、複数の前記電池セルのうちの１以上の電池セル、及び複数の前記電池セルにおける電力の入出力部においてレアショートが生じたことを検出すると、前記レアショートが生じた電池セル以外の電池セルが、前記レアショートが生じた電池セルと同時に放電が終了するように、前記レアショートが生じた前記電池セル以外の前記電池セルに対応したバランサ回路に設けられたスイッチング素子をオンオフ制御して放電を行うことが好ましい。このように構成されることで、過放電を防止することができる。

前記制御部は、前記レアショートが生じた電池セル以外の電池セルの電圧の変化率を、前記レアショートが生じた電池セルの電圧の低下率に合わせるように、前記レアショートが生じた前記電池セル以外の前記電池セルに対応したバランサ回路に設けられたスイッチング素子のオンオフの切り換えを行うことが好ましい。このように構成されることで、過放電を防止しつつ、素早く放電を行うことができる。

本発明の好ましい実施形態としては、前記バランサ回路は、前記各電池セルに対して並列に接続されていると共に、前記スイッチング素子と、抵抗とが直列に接続されていることが挙げられる。

本発明の電源制御装置によれば、衝突時には新たに回路を設置することなくバランサ回路を用いることで放電処理を行うことができるという優れた効果を奏し得る。

本発明の電源制御装置を備えた車両を説明するための模式図。 本発明の電源制御装置を説明するための模式図。 本発明の電源制御装置における制御を説明するためのフローチャート。 レアショートを説明するための電源制御装置の模式図。 レアショートについて説明するためのグラフ。 所定のレアショートが生じた場合の制御を説明するためのグラフ。

電動車両の一例である電気自動車１には、二次電池である走行用のバッテリ２が搭載されている。バッテリ２は、詳しくは後述するが、複数の電池セルが直列に接続されてなるバッテリユニットである。

このバッテリ２はインバータ３を介して走行用モータ４に電気的に接続されている。走行用モータ４は、図示は省略するが駆動輪に連結されており、電気自動車１はこの走行用モータ４の駆動力によって走行するようになっている。

本実施形態における電気自動車１では、バッテリ２に蓄えられた電力は、インバータ３で直流から交流に変換されて走行用モータ４に流入し、これにより走行用モータ４が駆動される。また、電気自動車１の減速時の回生発電電力は、インバータ３で交流から直流に変換されてバッテリ２に流入し、バッテリ２に充電される。これらの制御は、車両の統合制御を行う制御部５により行われる。

バッテリ２は、図２に示すように複数の電池セル１１が直列に接続されてなる。電池セル１１が直列接続されてなるバッテリ列の端部には、バッテリ２の入出力部が設けられている。バッテリ２の入出力部は、図２中図示しないインバータにコンタクタ（図示せず）を介して接続される。

バッテリ２では、各電池セル１１毎にＣＭＵ１２が設けられている。ＣＭＵ１２は、ＣＭＵ１２毎に電池セル１１の状態を取得して、互いに通信して各電池セル１１の状態に応じてバッテリ２を制御する。

また、各電池セル１１には、電池セル１１に対して並列に、スイッチ（スイッチング素子）１３及び抵抗１４からなるバランサ回路１５が設けられている。これらの電池セル１１、ＣＭＵ１２、バランサ回路１５により本発明の電源制御装置が構成されている。

バランサ回路１５は、詳しくは後述するがＣＭＵ１２によりスイッチ１３の作動が制御される。バランサ回路１５では、スイッチ１３に対し抵抗１４が直列に設けられている。各バランサ回路１５は、スイッチ１３をオン状態とすることにより、電池セル１１から電流が流れることで電池セル１１の放電を行い、スイッチ１３をオフ状態とすることで放電を終了する。

このバランサ回路１５が設けられていることで、各電池セル１１間の電圧を均等化することができ、バッテリ２の実質的な充電容量が低下を抑制することができる。即ち、バッテリ２では、充放電サイクルを繰り返しているうちに、各電池セル１１間の温度状態や劣化状況の違い等に起因して各電池セル１１間の電圧にバラツキが生じやすくなる。バッテリ２内の各電池セル１１間の電圧にバラツキが大きくなると、結果的にバッテリの実質的な充電容量が低下してしまう。このため、各電池セル１１間に電圧差が生じないように、本実施形態では、電圧が他の電池セル１１よりも高い電池セル１１から放電を行う機能を有するバランサ回路が設けられている。

また、各電池セル１１には、電池セル１１の電圧を検出する電圧検出手段１６が設けられている。検出された電圧値は、ＣＭＵ１２へ入力される。

かかるバランサ回路１５では、ＣＭＵ１２が電圧検出手段１６からの電圧を取得すると共に、各ＣＭＵ１２間で取得した電圧値を比較し、他の電池セル１１よりも高い電圧値の電池セル１１があれば、ＣＭＵ１２はこれに設けられているバランサ回路１５のスイッチ１３をオンとして作動させることで、電池セル１１の放電を行う。即ち、ＣＭＵ１２により、バランサ回路１５の作動が制御されている。

また、図１に戻り、電気自動車１は加速度センサ６を備える。加速度センサ６は、電気自動車１の加速度を検出する。この加速度センサ６は、車両に衝突が起きた際の入力を検出する入力検出手段の一例である。電気自動車１に設けられた制御部５は、この加速度を取得して、車両の衝突を判断する。ここで、衝突とは電気自動車１に設けられたエアバッグ装置（図示せず）が作動する程度の衝突をいう。

制御部５は、車両が衝突したと判断すると衝突を示す信号をＣＭＵ１２に入力する。ＣＭＵ１２は、衝突を示す信号が入力されると、車両の安全を確保するために、バランサ回路１５を用いて電池セル１１の放電を行う。

この衝突時におけるバランサ回路を用いた放電について図３〜５を用いて説明する。

図３は、ＣＭＵによるバランサ回路による放電制御を示すフローチャートである。ＣＭＵは、ステップＳ１で衝突を検知すると（Ｙｅｓ）、即ち、衝突を示す信号が入力されると、ステップＳ２へ進む。衝突を検知しない場合（Ｎｏ）、ステップＳ１を繰り返す。

ステップＳ２では、各ＣＭＵは、それぞれの電池セルのセル電圧の変化率を算出する。ここで、セル電圧の変化率とは、時間に対する電池セルの電圧の変化をいう。ステップＳ３へ進む。

ステップＳ３では、各ＣＭＵは、互いに通信して、セル電圧の変化率に基づいて、所定のレアショートが２カ所以上あるかどうかを判断する。レアショートとは、部分的な短絡を意味する。所定のレアショートとは、１カ所の電池セルでレアショートが生じていると共に、バッテリの電力の入出力部でもレアショートが生じている場合をいう。

図４を用いて所定のレアショートについて説明する。例えば、バッテリ２の入出力部と、電池セル１１Ｂにおいてレアショートが生じていると、入出力部に抵抗Ｒ１が接続され、かつ、電池セル１１Ｂに抵抗Ｒ２が接続されるのと同一になる。ここで、レアショートは端子間抵抗が存在するような部分的な短絡であるので、デッドショートとは異なり、抵抗を介して接続されたものと同じ状態となる。このようなレアショートとは、例えば衝突時に電池セルの正極端子と負極端子との間に車体を構成する樹脂などがブリッジした場合などが考えられる。

ここで、電源制御装置においてレアショートが２カ所以上あるかどうかは以下のように考えられる。

レアショートが１カ所のセル（例えば電池セル１１Ｂ）で生じている場合には図５（１）に示すように、電池セル１１Ｂではレアショートにより放電が生じ、セル電圧が時間の経過と共に低下する。

これに対し、１カ所の電池セル（例えば電池セル１１Ｂ）でレアショートが生じていると共に、バッテリの電力の入出力部でもレアショートが生じている場合については図５（２）に示している。即ち、レアショートがバッテリの電力の入出力部、及び電池セルにおいて生じると、レアショートが生じている電池セル１１Ｂではレアショートにより放電が生じ、セル電圧が時間の経過と共に低下する。また、バッテリの電力の入出力部でもレアショートが生じていると、バッテリ回路全体で一つの閉回路が構成されることで他の電池セルからも放電される。これにより、図５（２）に示すように、電池セル１１Ｂでは、他の電池セルと比較して時間に対して早く電圧が低下する。

図３に戻り、ステップＳ３では、各ＣＭＵは、互いに通信して、このようなセル電圧の変化率に基づいて、所定のレアショートが２カ所以上あるかどうかを判断する。具体的には、各ＣＭＵ１２は、各電池セルの各電池セルの時間に対する電圧変化率を取得して比較した場合に、図５（２）のような電圧の変化率となっている場合には、即ち、全ての電池セルにおいて電圧の低下が生じ、かつ、そのうちの一つ以上の電池セルにおいて、電圧の低下率がさらに高い場合には、所定のレアショートがあると判断する（ＹＥＳ）。この場合には、ステップＳ４へ進む。所定のレアショートが生じていない場合には（ＮＯ）、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ４では、各ＣＭＵは、互いに通信しながら、全てのセルの電圧が同時に０Ｖとなるようにスイッチをオンオフ制御する。図５（２）に示すような場合においては、一つの電池セル１１Ｂでの電圧が他の電池セルに比べて早く０Ｖとなることから過放電が問題となることが考えられるので、本実施形態では、過放電を抑制するために、全てのセルの電圧が同時に０Ｖとなるようにバランサ回路のスイッチをオンオフ制御している。即ち、電池セル１１Ａ、１１Ｃ、１１Ｄ（図４参照）に対応するスイッチのオンオフを切り換えることでデューティ制御を行いながら、所定時間放電を行う。具体的には、図６に示すように、レアショートが生じている電池セル１１Ｂの電圧の低下率に他の電池セルの電圧の変化率を合わせるように、他の電池セルにおけるデューティ制御を行って他の電池セルの電圧を低下させる。ステップＳ６へ進む。

ステップＳ５では、各ＣＭＵは、バランサ回路の各スイッチを所定時間オンとする。これにより、全てのセルにおいて放電を行う。ステップＳ６へ進む。

ステップＳ６では、各ＣＭＵは、互いに通信しながら、全てのセルにおいて電圧が０Ｖであるかどうかを判断する。全てのセルにおいて電圧が０である場合には、制御は終了する。他方で、全てのセルにおいて電圧が０Ｖでなければ、ステップＳ２に戻る。

このように、本実施形態では、衝突時には、ＣＭＵ１２により、従来から車両が有するバランサ回路１５を用いて放電を行うことが可能である。これにより、簡易に衝突時にバッテリを放電することができ、早期に車両の安全を確保することができる。

この場合に、本実施形態では、所定のレアショート、即ち、１カ所の電池セルでレアショートが生じていると共に、バッテリの電力の入出力部でもレアショートが生じている場合には、過放電を防止するために、全てのセルの電圧が同時に０Ｖとなるように各ＣＭＵが各バランサ回路のスイッチをデューティ制御する。これにより、過放電を防止しつつ、最も早く放電を行うことで、より早期に車両の安全を確保することができる。

本実施形態では、バランサ回路１５の構成は、スイッチ１３と抵抗１４とからなるとしたが、これに限定されない。バランサ回路１５として機能することができればよいが、本実施形態のように簡易な構成であれば、より好ましい。

本実施形態では、各電池セル１１に対して各ＣＭＵ１２が設けられているが、これに限定されない。複数の電池セル１１に対してＣＭＵ１２が設けられていても良い。

過放電を防ぐためのバランサ回路１５による放電は、本実施形態に限定されない。過放電を防ぐためには、全ての電池セル１１において同時に放電が終了すればよく、レアショートが生じている電池セル１１の変化率と他の電池セル１１の変化率とを同時にしなくてもよい。

本実施形態では、衝突時の電池セル１１の電圧の変化率を変化させるためにデューティ制御しているが、これに限定されない。例えばバランサ回路１５を構成する抵抗１４を可変抵抗とし、この可変抵抗の抵抗値を変更させることで衝突時の電池セル１１の電圧の変化率を変化させることも可能である。

本実施形態では、バッテリ２の電力の入出力部におけるレアショートとして、入出力部を接続するようなレアショートを例としたが、バッテリ２全体で閉回路が構成されて電流が流れるようなもの、即ち互いに直列接続された電池セル１１群において全ての電池に電流が流れる閉回路が構成されるようなものあればよく、本実施形態に限定されない。例えば、衝突が検知されると、入出力部に設けられたコンタクタを遮断してから本実施形態の放電処理を行うことが考えられるが、衝突検知後もこのコンタクタの遮断がなされずに接続されたままの状態のようなものも含まれる。

本実施形態では、衝突が起こり、かつ、所定のレアショートが生じていない場合においてもバランサ回路１５を用いて全ての電池セル１１の放電を行っているが、これに限定されない。衝突により、電池セル１１の少なくともいずれかにおいてレアショートが生じたことを検出すると、レアショートが生じた電池セル１１Ｂ以外の電池セル１１Ａ、１１Ｃ、１１Ｄに対応したバランサ回路１５により放電を行うように構成しても良い。この場合に、さらにバッテリ２全体で閉回路が構成されて電流が流れるようなレアショートが生じている場合には、さらに本実施形態で述べた過放電を防止するための制御を行うように構成してもよい。

本実施形態では、所定のレアショートとして電池セル１１のうち、一つの電池セル１１Ｂでレアショートが生じた場合について説明したが、これに限定されない。２以上の電池セル１１でレアショートが生じた場合に、かつ、バッテリ２の入出力部でレアショートが生じると、レアショートが生じた２以上の電池セル１１で過放電が起こることも考えられるので、本実施形態と同様に同時に０Ｖとなるようにバランサ回路１５により処理することが好ましい。

１ 電気自動車
２ バッテリ
３ インバータ
４ 走行用モータ
５ 制御部
６ 加速度センサ（入力検出手段）
１１ 電池セル
１２ ＣＭＵ
１３ スイッチ
１４ 抵抗
１５ バランサ回路
１６ 電圧検出手段
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ 抵抗

Claims (4)

1. 車両に搭載され、直列接続された複数の電池セルと、
   二以上の前記電池セルに設けられ、電池セルの放電を行うバランサ回路と、
   前記電池セル間の電圧にバラツキが生じた場合に、各セルの電圧が同一となるように前記バランサ回路に設けられたスイッチング素子をオンオフ制御する制御部と、
   前記車両に衝突が起きた際の入力を検出する入力検出手段と、を備えた電源制御装置において、
   該制御部は、前記入力検出手段で前記車両に衝突が起きたことを示す前記入力が検出されると、各前記電池セルの放電を行うように前記バランサ回路に設けられた前記スイッチング素子のオンオフ制御を行い、
   前記制御部は、前記衝突により、前記電池セルの少なくともいずれかに端子間抵抗が存在するレアショートが生じたことを検出すると、前記レアショートが生じた前記電池セル以外の前記電池セルに対応したバランサ回路に設けられたスイッチング素子をオンして放電を行うことを特徴とする電源制御装置。
2. 前記制御部は、前記衝突により、複数の前記電池セルのうちの１以上の電池セル、及び複数の前記電池セルにおける電力の入出力部においてレアショートが生じたことを検出すると、前記レアショートが生じた電池セル以外の電池セルが、前記レアショートが生じた電池セルと同時に放電が終了するように、前記レアショートが生じた前記電池セル以外の前記電池セルに対応したバランサ回路に設けられたスイッチング素子をオンオフ制御して放電を行うことを特徴とする請求項１記載の電源制御装置。
3. 前記制御部は、前記レアショートが生じた電池セル以外の電池セルの電圧の変化率を、前記レアショートが生じた電池セルの電圧の低下率に合わせるように、前記レアショートが生じた前記電池セル以外の前記電池セルに対応したバランサ回路に設けられたスイッチング素子のオンオフの切り換えを行うことを特徴とする請求項２に記載の電源制御装置。
4. 前記バランサ回路は、前記各電池セルに対して並列に接続されていると共に、前記スイッチング素子と、抵抗とが直列に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電源制御装置。

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