JP6760115B2

JP6760115B2 - 蓄電池のヒューズ判定回路

Info

Publication number: JP6760115B2
Application number: JP2017016417A
Authority: JP
Inventors: 孝之三野; 雅之山嶋
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-02-01
Filing date: 2017-02-01
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2037-02-01
Also published as: JP2018125968A

Description

本発明はヒューズ判定回路に関し、特に、蓄電池に設けられたヒューズの状態を判定するヒューズ判定回路に関する。

近年、電気自動車やハイブリッド自動車などに用いられる電源として、リチウムイオン電池などの蓄電池が広く用いられている。リチウムイオン電池は、過電流又は過電圧による発火などを防止するため、過電流又は過電圧が発生した場合に切断されるヒューズを備えていることがある（特許文献１参照）。

特開２００６−１０９５９６号公報

しかしながら、複数のリチウムイオン電池を並列接続して使用する場合、一部のリチウムイオン電池に割り当てられたヒューズが切断されていても、この状態を外部から認識することができなかった。このため、メンテナンスに支障が生じるばかりでなく、一部のリチウムイオン電池がヒューズによって切り離された結果、全体の電池容量が減少しているにもかかわらず、外部からこれを認識できないため、想定される残容量に大きな誤差が生じるという問題もあった。

したがって、本発明は、蓄電池に設けられたヒューズの状態を判定可能なヒューズ判定回路を提供することを目的とする。

本発明によるヒューズ判定回路は、蓄電池と、充電器又は負荷が接続される電源配線との間に接続されたヒューズの状態を判定するヒューズ判定回路であって、前記ヒューズを介して前記蓄電池及び前記電源配線に接続され、前記ヒューズが接続状態のときに選択信号に応答して活性化する第１のトランジスタと、前記ヒューズを介することなく前記電源配線に接続され、前記第１のトランジスタの出力によって制御される第２のトランジスタと、前記第２のトランジスタの出力に基づいてヒューズの状態を判定する判定部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、選択信号に応答して出力される第２のトランジスタの出力によって、ヒューズの状態を判定することが可能となる。しかも、選択信号が非活性状態である場合には第１のトランジスタが非活性化されることから、ヒューズ判定回路による消費電力を最小限に抑えることも可能となる。

本発明において、前記ヒューズは、前記蓄電池と前記電源配線との間に直列に接続された第１及び第２のヒューズを含み、前記第１のトランジスタは、前記第１及び第２のヒューズの接続点とグランド配線との間に接続され、前記選択信号に応答してオンオフ制御されることが好ましい。このような３端子ヒューズ回路を用いれば、異常発生時に蓄電池を確実に切り離すことが可能となる。

本発明によるヒューズ判定回路は、前記第１のトランジスタのオン電流を前記第２のトランジスタの制御電極の電位レベルに変換する抵抗をさらに備えることが好ましい。これによれば、簡単な回路構成によってヒューズの状態を判定することが可能となる。

本発明において、前記第１及び第２のトランジスタは、並列接続された複数の前記蓄電池に対してそれぞれ設けられていても構わない。この場合、前記選択信号は、複数の前記第１のトランジスタに対して共通に割り当てられ、前記複数の第２のトランジスタの出力は、ワイヤードオアされて前記判定部に供給される構成であっても構わない。これによれば、並列接続された複数の蓄電池からなるシステムのメンテナンス性を高めることが可能となる。

このように、本発明によれば、蓄電池に設けられたヒューズの状態を簡単な回路構成によって判定することが可能となる。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるヒューズ判定回路を備える蓄電池システムのブロック図である。図２は、検知部１１〜１４の回路図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるヒューズ判定回路を備える蓄電池システムのブロック図である。

図１に示す蓄電池システムは、４つの蓄電池Ｂ１〜Ｂ４が並列接続された構成を有している。蓄電池Ｂ１〜Ｂ４は例えばリチウムイオン電池であり、並列接続することによって電池容量が大容量化されている。蓄電池Ｂ１〜Ｂ４に対する充電は、充電器３０によって行われる。蓄電池Ｂ１〜Ｂ４が駆動する負荷については図示しないが、例えば充電器３０と並列に接続される。

図１に示すように、蓄電池Ｂ１〜Ｂ４の負極（−）はグランド配線ＧＮＤに共通に接続され、蓄電池Ｂ１〜Ｂ４の正極（＋）はそれぞれ３端子ヒューズ回路を介して電源配線ＰＬに共通に接続される。電源配線ＰＬは、充電器３０に接続される配線である。電源配線ＰＬとグランド配線ＧＮＤとの間の電圧、つまり蓄電池Ｂ１〜Ｂ４の出力電圧は、電圧監視部２１によって監視されている。

３端子ヒューズ回路とは、直列接続された２つのヒューズ及びその接続点から導出された制御端子を有するヒューズ回路であり、過電流によって自ら溶断するだけでなく、ヒータ抵抗を用いた加熱によっても溶断することができる。本実施形態においては、蓄電池Ｂ１にはヒューズＦＡ１，ＦＢ１が割り当てられ、蓄電池Ｂ２にはヒューズＦＡ２，ＦＢ２が割り当てられ、蓄電池Ｂ３にはヒューズＦＡ３，ＦＢ３が割り当てられ、蓄電池Ｂ４にはヒューズＦＡ４，ＦＢ４が割り当てられている。図１には、蓄電池Ｂ４に割り当てられたヒューズＦＡ４，ＦＢ４がすでに溶断された状態が示されている。

蓄電池Ｂ１〜Ｂ４に割り当てられたこれらのヒューズには、それぞれ検知部１１〜１４が接続されている。検知部１１〜１４は、それぞれ対応するヒューズの状態、つまり接続状態であるか切断状態（溶断された状態）であるかを検知する回路であり、判定部２２から供給される選択信号ＣＴＬによって活性化される。検知部１１〜１４の出力は、それぞれダイオードＤ１１〜Ｄ１４を介してワイヤードオアされ、これによって生成された検出信号ＤＥＴが判定部２２に供給される。

電圧監視部２１及び判定部２２は、制御回路２３に接続されている。制御回路２３は、蓄電池システムの制御及び監視を行う回路であり、例えば、蓄電池Ｂ１〜Ｂ４の全体の残容量の算出などを行う。

図２は、検知部１１〜１４の回路図である。

図２に示すように、検知部１１〜１４は互いに同じ回路構成を有しているため、代表して検知部１１の回路構成について説明すると、検知部１１は、Ｐチャンネル型のＭＯＳトランジスタＴＰと、Ｎチャンネル型のＭＯＳトランジスタＴＮを備えている。トランジスタＴＰのソースは抵抗Ｒ１を介してヒューズＦＡ１，ＦＢ１の接続点に接続され、ドレインは抵抗Ｒ２を介してグランド配線ＧＮＤに接続され、ゲート電極は抵抗Ｒ３を介して自己のソースに接続されている。図２に示す符号Ｆで示す部分は、３端子ヒューズ回路である。また、トランジスタＴＰのゲート電極にはダイオードＤ０のアノードも接続されている。ダイオードＤ０のカソードには、判定部２２から選択信号ＣＴＬが供給される。

かかる構成により、選択信号ＣＴＬがハイレベルである場合には、抵抗Ｒ３に電流が流れないことから、トランジスタＴＰのゲート−ソース間電圧がゼロとなり、トランジスタＴＰはオフ状態となる。これに対し、選択信号ＣＴＬがローレベルに活性化すると、ヒューズＦＡ１，ＦＢ１の状態に応じてトランジスタＴＰのオンオフ状態が決まる。つまり、ヒューズＦＡ１，ＦＢ１が接続状態である場合には、抵抗Ｒ３に電流が流れることから、トランジスタＴＰのゲート−ソース間電圧がしきい値電圧を超え、トランジスタＴＰはオン状態となる。これに対し、ヒューズＦＡ１，ＦＢ１が切断状態である場合には、抵抗Ｒ３に電流が流れないことから、トランジスタＴＰはオフ状態となる。

このように、トランジスタＴＰは、ヒューズＦＡ１，ＦＢ１を介して充電器３０及び蓄電池Ｂ１に接続されていることから、選択信号ＣＴＬがローレベルに活性化すると、ヒューズＦＡ１，ＦＢ１の状態に応じてオンオフ状態が決まることになる。

一方、Ｎチャンネル型ＭＯＳトランジスタＴＮのドレインは、ヒューズＦＡ１，ＦＢ１を介することなく抵抗Ｒ４を介して電源配線ＰＬに接続され、ソースはグランド配線ＧＮＤに接続され、ゲート電極はトランジスタＴＰのドレインに接続されている。また、トランジスタＴＮのドレインには、ダイオードＤ１１のアノードが接続されている。

かかる構成により、トランジスタＴＰがオンすると、抵抗Ｒ２に流れるオン電流によって、トランジスタＴＮのゲート−ソース間電圧がしきい値電圧を超え、トランジスタＴＮはオン状態となる。つまり、抵抗Ｒ２は、トランジスタＴＮのオン電流をゲート−ソース間電圧に変換する役割を果たす。トランジスタＴＮがオンすると、ダイオードＤ１１のアノードはグランドレベル（ローレベル）となる。これに対し、トランジスタＴＰがオフ状態である場合には、トランジスタＴＮのゲート−ソース間電圧がゼロとなり、トランジスタＴＮはオフ状態となる。トランジスタＴＮがオフ状態である場合、ダイオードＤ１１はオンし、検出信号ＤＥＴはハイレベルとなる。

他の検知部１２〜１４についても同様の回路構成を有しているため、重複する説明は省略する。また、選択信号ＣＴＬは検知部１１〜１４に対して共通であり、検出信号ＤＥＴも検知部１１〜１４に対して共通である。このため、選択信号ＣＴＬをローレベルに活性化させると、検知部１１〜１４が同時に活性化し、蓄電池Ｂ１〜Ｂ４に対応するヒューズの状態が同時に検知される。図１及び図２に示す例では、蓄電池Ｂ１〜Ｂ３に対応するヒューズが接続状態であり、蓄電池Ｂ４に対応するヒューズが切断状態であることから、検知部１１〜１３においてはトランジスタＴＰ，ＴＮがいずれもオンするのに対し、検知部１４においてはトランジスタＴＰ，ＴＮがいずれもオフする。その結果、ダイオードＤ１４がオンすることから、ワイヤードオアされた検出信号ＤＥＴはハイレベルとなる。これにより、判定部２２は、検知部１１〜１４のいずれかに対応するヒューズが切断されていることを認識することができる。

判定部２２は、ヒューズ切断の有無に関する情報を制御回路２３に供給する。これにより、制御回路２３は、蓄電池システムの全体の電池容量が減少していることが分かるため、例えば、電圧監視部２１から供給される現在の電圧レベルに基づいた残容量の計算に補正を加えることができる。その結果、ユーザが意図しない残容量の低下を回避することが可能となる。また、ヒューズ切断の有無に関する情報は、制御回路２３を介して外部に出力することができ、これにより、メンテナンス性を高めることも可能となる。

選択信号ＣＴＬの活性化は、定期的に短時間行えば足りる。選択信号ＣＴＬがハイレベルに非活性化している期間は、ヒューズの状態とは無関係に全てのトランジスタＴＰ，ＴＮがオフ状態となることから、検知部１１〜１４による電力消費は生じない。したがって、本実施形態によれば、消費電力の増大を最小限に抑えつつ、任意のタイミングでヒューズの状態を判定することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態では、本発明をリチウムイオン電池に適用した場合を例に説明したが、本発明の対象がリチウムイオン電池に限定されるものではなく、他の種類の蓄電池に適用することも可能である。

また、上記実施形態では、並列接続された複数の蓄電池Ｂ１〜Ｂ４に対して共通の選択信号ＣＴＬ及び検出信号ＤＥＴを割り当てているが、蓄電池ごとに選択信号ＣＴＬ及び検出信号ＤＥＴを個別に割り当てても構わないし、複数の蓄電池をいくつかのグループに分類し、グループごとに選択信号ＣＴＬ及び検出信号ＤＥＴを個別に割り当てても構わない。さらには、選択信号ＣＴＬについては複数の蓄電池に対して共通とし、検出信号ＤＥＴについては蓄電池ごとに個別としても構わない。これらによれば、どの蓄電池（或いはどのグループに属する蓄電池）がヒューズによって切り離されているのか、個別に判定することが可能となる。

さらに、上記実施形態では、トランジスタＴＮを電源配線ＰＬに接続しているが、ヒューズの状態にかかわらず動作電圧が得られる限り、トランジスタＴＮを電源配線ＰＬに接続することは必須でなく、例えば、蓄電池に接続しても構わない。

さらに、上記実施形態では、３端子ヒューズ回路を用いた場合を例に説明したが、蓄電池と充電器との間に切断可能であればこれに限定されるものではない。

１１〜１４検知部
２１電圧監視部
２２判定部
２３制御回路
３０充電器
Ｂ１〜Ｂ４蓄電池
Ｄ０，Ｄ１１〜Ｄ１４ダイオード
Ｆ３端子ヒューズ回路
ＦＡ１，ＦＢ１，ＦＡ２，ＦＢ２，ＦＡ３，ＦＢ３，ＦＡ４，ＦＢ４ヒューズ
ＧＮＤグランド配線
ＰＬ電源配線
Ｒ１〜Ｒ４抵抗
ＴＰＰチャンネル型ＭＯＳトランジスタ（第１のトランジスタ）
ＴＮＮチャンネル型ＭＯＳトランジスタ（第２のトランジスタ）

Claims

蓄電池と、充電器又は負荷が接続される電源配線との間に接続されたヒューズの状態を判定するヒューズ判定回路であって、
前記ヒューズを介して前記蓄電池及び前記電源配線に接続され、前記ヒューズが接続状態のときに選択信号に応答して活性化する第１のトランジスタと、
前記ヒューズを介することなく前記電源配線に接続され、前記第１のトランジスタの出力によって制御される第２のトランジスタと、
前記第２のトランジスタの出力に基づいてヒューズの状態を判定する判定部と、を備えることを特徴とするヒューズ判定回路。
前記ヒューズは、前記蓄電池と前記電源配線との間に直列に接続された第１及び第２のヒューズを含み、
前記第１のトランジスタは、前記第１及び第２のヒューズの接続点とグランドとの間に接続され、前記選択信号に応答してオンオフ制御されることを特徴とする請求項１に記載のヒューズ判定回路。
前記第１のトランジスタのオン電流を前記第２のトランジスタの制御電極の電位レベルに変換する抵抗をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒューズ判定回路。
前記第１及び第２のトランジスタは、並列接続された複数の前記蓄電池に対してそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のヒューズ判定回路。
前記選択信号は、複数の前記第１のトランジスタに対して共通に割り当てられ、
前記複数の第２のトランジスタの出力は、ワイヤードオアされて前記判定部に供給されることを特徴とする請求項４に記載のヒューズ判定回路。