JP6958090B2 - 過電流検出装置および蓄電装置 - Google Patents

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Description

本明細書によって開示される技術は、過電流検出装置および蓄電装置に関する。
例えば、電流検出手段を有する電源制御システムとして、特開2016−20178号公報(下記特許文献1)に記載のものが知られている。
電流検出手段は、電力線に直列接続されるセンス抵抗と、センス抵抗の両端に接続された一対の配線と、一対の配線の端末に設けられたコンパレータを介して接続されるCPUとを備えて構成されている。センス抵抗の両端電圧が一対の配線を通じてコンパレータに入力され、コンパレータから信号がCPUに入力されることで、電力線における電流を検出することができるようになっている。
特開2016−20178号公報
ところで、このような電流検出手段の場合、一対の配線のうち、いずれか一方の配線に接続不良が生じると、コンパレータの入力側がほとんどオープンに近いハイインピーダンス状態となる。そして、配線が大きなノイズを受けたときには、コンパレータの入力側の電圧差が大きくなってしまうことで、CPUが過電流であると誤検出してしまう。したがって、例えば、電流遮断装置などが設置されている場合には、電流遮断装置において電流を遮断してしまい、電力を供給することができなくなってしまう。
本明細書では、過電流であると誤検出することを防ぐ技術を開示する。
本明細書によって開示される技術は、過電流検出装置であって、主回路に直列に接続されて両端に前記主回路に流れる電流に応じた電位差を生じさせる電流検出抵抗と、一対の接続部を有し、前記一対の接続部間の電位差を検出する電流検出回路と、前記電流検出抵抗の両端と前記電流検出回路における前記一対の接続部とをそれぞれ接続する一対の電圧検出線と、前記一対の電圧検出線の少なくともいずれか一方が接続不良となった場合に、前記一対の接続部間の電位差が大きくなることを抑制する誤検出防止部とを備えている構成とした。
本明細書によって開示される技術によれば、ノイズ等に起因して一対の接続部間の電位差が異常に大きくなることを防ぐことができ、電流検出回路が過電流であると誤検出することを防ぐことができる。
実施形態1に係る蓄電装置が自動車に搭載された状態を示す図 蓄電装置の斜視図 蓄電装置の分解斜視図 実施形態1に係る蓄電装置の電気的構成を示すブロック図 電流検出回路により検出された電流の推移を模式的に示したグラフ 実施形態2に係る蓄電装置の電気的構成を示すブロック図
(本実施形態の概要)
初めに、本明細書にて開示する過電流検出装置および蓄電装置の概要について説明する。
本明細書によって開示される過電流検出装置は、主回路に直列に接続されて両端に前記主回路に流れる電流に応じた電位差を生じさせる電流検出抵抗と、一対の接続部を有し、前記一対の接続部間の電位差を検出する電流検出回路と、前記電流検出抵抗の両端と前記電流検出回路における前記一対の接続部とをそれぞれ接続する一対の電圧検出線と、前記一対の電圧検出線の少なくともいずれか一方が接続不良となった場合に、前記一対の接続部間の電位差が大きくなることを抑制する誤検出防止部とを備えた構成とされている。
また、本明細書によって開示される蓄電装置は、組電池と、前記過電流検出装置と、前記過電流検出装置の検出結果に基づいて前記組電池の電流を遮断する電流遮断装置とを備えた構成とされている。
このような構成の過電流検出装置および蓄電装置によると、電圧検出線に接続不良が生じたとしても、電流検出回路における一対の接続部には誤検出防止部が接続されているから、電流検出回路の入力側のインピーダンスが無制限に上昇することを抑制することができる。これにより、ノイズ等に起因して一対の接続部間の電位差が異常に大きくなることを防ぐことができ、電流検出回路が過電流であると誤検出することを防ぐことができる。
本明細書により開示される蓄電装置の一実施態様として、前記誤検出防止部は、前記一対の接続部間に接続される電流検出抵抗よりも高抵抗な抵抗素子である構成としてもよい。
ここで、電流検出抵抗よりも高抵抗な抵抗素子とは、電流検出抵抗と比較して無視できる程に高抵抗となるような非常に高抵抗な抵抗素子である。
このような構成によると、一対の接続部間に電流検出抵抗よりも高抵抗な抵抗素子を接続した簡易な構成で過電流の誤検出を防ぐことができる。
本明細書により開示される蓄電装置の一実施態様として、前記誤検出防止部は、前記接続部と基準電圧ラインとの間にそれぞれ接続された電流検出抵抗よりも高抵抗な抵抗素子である構成としてもよい。
このような構成によると、各接続部と基準電圧ラインとの間に電流検出抵抗よりも高抵抗な抵抗素子を接続した簡易な構成で過電流の誤検出を防ぐことができる。
<実施形態1>
本明細書に開示された実施形態について図1から図5を参照して説明する。
本実施形態は、図1に示すように、自動車などの車両Mの図示しないエンジンルームに搭載されるエンジン始動用の蓄電装置10を示しており、蓄電装置10は、車両Mの電子制御装置M1に電力を供給すると共に、電子制御装置M1によって制御されるオルタネータなどの車両側充電器M2と接続されている。
また、蓄電装置10は、図2に示すように、ブロック状の電池ケース11を有している。電池ケース11内には、図3に示すように、複数(本実施形態では4つ)の蓄電素子21を直列に接続してなる組電池20や制御基板18などが収容されている。
なお、以下の説明において、図2および図3を参照する場合、上下方向とは、電池ケース11が設置面に対して傾きなく水平に置かれた時の電池ケース11の上下方向を基準とし、前後方向とは、電池ケース11の短辺部分に沿う方向(奥行き方向)を基準として図示左手前側を前側とする。また、左右方向とは、電池ケース11の長辺部分に沿う方向を基準とし、図示右手前側を右方向として説明する。
電池ケース11は、合成樹脂製であって、図3に示すように、上方に開口する箱型のケース本体13と、複数の蓄電素子21を位置決めする位置決め部材14と、ケース本体13の上部に装着される中蓋15と、中蓋15の上部に装着される上蓋16とを備えて構成されている。
ケース本体13内には、図3に示すように、複数の蓄電素子21が個別に収容される複数のセル室13Aが左右方向に並んで設けられている。
蓄電素子21は、例えばグラファイト系材料の負極活物質と、リン酸鉄リチウムなどのリン酸鉄系の正極活物質を使用したリチウムイオン電池とされている。
位置決め部材14は、図3に示すように、複数のバスバー17が上面に配置されている。位置決め部材14がケース本体13内に配置された4つの蓄電素子21の上部に配置されることで、4つの蓄電素子21が位置決めされると共に複数のバスバー17によって直列に接続されて組電池20が構成されている。
中蓋15は、図2および図3に示すように、平面視略矩形状をなし、左右方向に高低差を付けた形状とされている。車両Mに設けられた図示しないバッテリ端子が接続される一対の外部端子部12が中蓋15に埋設された状態で設けられている。一対の外部端子部12は、例えば、鉛合金等の金属からなり、一対の外部端子部12のうち、例えば、右側が正極側端子部12Pとされ、左側が負極側端子部12Nとされている。
また、中蓋15は、図2に示すように、制御基板18が内部に収容可能とされており、中蓋15がケース本体13に装着されることで、組電池20と制御基板18とが接続されるようになっている。
次に、蓄電装置10の電気的構成を、図4を参照して説明する。
蓄電装置10は、図4に示すように、組電池20と、電池管理装置(以下、「BMU」という)30と、電流検出抵抗50と、電流遮断装置51とを備えて構成されている。
組電池20と、電流検出抵抗50と、電流遮断装置51とは、通電路Lを介して直列に接続されており、組電池20の正極側が電流遮断装置51を介して正極側端子部12Pに接続され、負極側が電流検出抵抗50を介して負極側端子部12Nに接続されている。
電流検出抵抗50は、通電路Lの電流を検出する、いわゆるセンス抵抗器であって、例えば、数十mΩ〜数百mΩの低抵抗器とされている。電流検出抵抗50は、電流検出抵抗50の両端に接続された一対の電圧検出線VLを介してBMU30と接続されている。
電流遮断装置51は、例えばNチャネルのFETなどの半導体スイッチやリレーからなり、電流遮断装置51は、BMU30からの駆動指令に応答して作動し、組電池20と正極側端子部12Pとの間の通電を遮断する。
BMU30は、電圧検出回路31と、中央処理装置であるCPU33と、メモリ34と、電流検出回路35とを備えて構成されており、これらは、制御基板18上に搭載されている。また、BMU30は、電力ラインL2を介して通電路Lに接続されることで組電池20から電力の供給を受けている。なお、電池管理装置30における電流検出回路35と電流検出抵抗50とを組み合わせた構成が過電流検出装置に相当する。
電圧検出回路31は、複数(本実施形態では5本)のセル電圧検出ラインL1を介して、各蓄電素子21の両端にそれぞれ接続されており、各蓄電素子21のセル電圧及び組電池20の電池電圧(複数の蓄電素子21の総電圧)をCPU33に対して出力する。
メモリ34は、例えばフラッシュメモリやEEPROM等の不揮発性メモリとされている。メモリ34には、各蓄電素子21または組電池20を管理する各種プログラム、各種プログラムの実行に必要なデータ、例えば、組電池20の過電流検出閾値などが記憶されている。
電流検出回路35は、電流検出抵抗50の両端から延びる一対の電圧検出線VLが接続された一対の接続部36を有している。電流検出回路35は、電流検出抵抗50の両端間の電位差が一対の電圧検出線VLを通じて一対の接続部36に入力されることで、一対の接続部36間の電位差から電流検出抵抗50のセンス電圧を検出する。
言い換えると、一対の電圧検出線VLは、電流検出抵抗50の両端と制御基板18における電流検出回路35の一対の接続部36とをそれぞれ繋ぐように接続されており、電流検出抵抗50の両端間の電位差を電流検出回路35の一対の接続部36に入力する。これにより、電流検出回路35は、電流検出抵抗50のセンス電圧を検出することができるようになっている。
そして、電流検出回路35は、検出されたセンス電圧と電流検出抵抗50の抵抗値とに基づいて、通電路Lに流れる電流を求め、求めた電流を組電池20の電流としてCPU33に出力する。
CPU33は、受信した各種の信号と、メモリ34から読み出したプログラムとに基づいて、各部の監視および制御を行う。
具体的には、電圧検出回路31および電流検出回路35からの出力が入力されることで、常時あるいは定期的に、蓄電素子21および組電池20の電圧や組電池20の電流を監視している。
そして、CPU33は、蓄電素子21および組電池20の電圧に異常を検出した場合には、蓄電素子21もしくは組電池20に不具合が生じる恐れがあるとして、電流遮断装置51を作動させて組電池20と正極側端子部12Pとの間の通電を遮断する。また、CPU33は、組電池20の電流がメモリ34に記憶された過電流検出閾値以上であると検出した場合には、組電池20が過電流状態になる恐れがあるとして、電流遮断装置51を作動させて組電池20と正極側端子部12Pとの間の通電を遮断する。これにより、CPU33は、蓄電素子21や組電池20に不具合が生じることを防いでいる。
さて、電流検出回路35における一対の接続部36間には、図4に示すように、誤検出防止部37が接続されている。
誤検出防止部37は、電流検出抵抗50と比較して無視できる程に高抵抗となるような非常に高抵抗な抵抗器であって、例えば、電流検出抵抗50の千倍から百万倍程度となる数十Ω〜数百kΩの高抵抗な抵抗器とされている。
本実施形態は、以上のような構成であって、続いて、蓄電装置10の作用および効果について説明する。
蓄電装置10は、電流検出抵抗50の両端と電流検出回路35の一対の接続部36とが一対の電圧検出線VLによって接続されているものの、例えば、車両Mの振動など何らかの原因により、一対の電圧検出線VLのうち、いずれか一方の電圧検出線VLに接続不良が生じると、接続不良が生じた電圧検出線VLがハイインピーダンス状態となる。
このような状態において、電圧検出線VLがノイズを受けた場合、図5の一点鎖線αに示すように、一対の接続部36間の電圧差が大きくなってしまうことで、電流検出回路35において検出される電流が過電流検出閾値以上となってしまい、CPU33が、組電池20が過電流状態であると誤検出してしまう虞がある。仮にCPU33が誤検出すると、電流遮断装置51を作動させることで、組電池20と正極側端子部12Pとの間の通電が遮断され、蓄電装置10から電力を供給することができなくなってしまう。
ところが、本実施形態によると、電流検出回路35における一対の接続部36間には、抵抗器からなる誤検出防止部37が接続されているから、電圧検出線VLに接続不良が生じたとしても、電流検出回路35が誤検出防止部37の両端の電位差を検出することで、電位差が所定値以下に抑えられ、一対の接続部36間のインピーダンスが無制限に上昇することを抑制することができる。
つまり、ノイズ等に起因して一対の接続部36間の電位差が異常に大きくなることを防ぐことで、電流検出回路35において検出される電流が、図5の実線βに示すように、所定値以下に抑えられ、電流検出回路35が過電流であると誤検出することを防ぐことができる。これにより、電圧検出線VLに接続不良が生じることに起因して組電池20と正極側端子部12Pとの間の通電が遮断されることが防がれ、蓄電装置10から電力を供給することができなくなることを防ぐことができる。
以上のように、本実施形態によると、電流検出回路35における一対の接続部36間に、電流検出抵抗50と比較して無視できる程に高抵抗となるような非常に高抵抗な誤検出防止部37を接続した簡易な構成とすることで、電圧検出線VLに接続不良が生じたとしても、一対の接続部36間における電位差を所定値以下に抑えることができる。これにより、電流検出回路が過電流であると誤検出することを防ぐことができるから、電圧検出線VLに接続不良が生じることに起因して蓄電装置10から電力を供給することができなくなることを防ぐことができる。
<実施形態2>
次に、実施形態2について図6を参照して説明する。
実施形態2の蓄電装置110は、実施形態1とは異なり、誤検出防止部37の接続先を変更したものであって、実施形態1と共通する構成、作用、および効果については重複するため、その説明を省略する。また、実施形態1と同じ構成については同一の符号を用いるものとする。
実施形態2の蓄電装置110における誤検出防止部137は、それぞれの接続部36と蓄電装置110の基準電圧ラインであるGNDラインL3とを接続するように、各接続部36とGNDラインL3との間にそれぞれ設けられている。
各誤検出防止部137は、実施形態1と同様に、電流検出抵抗50と比較して無視できる程に高抵抗となるような非常に高抵抗な抵抗器であって、例えば、電流検出抵抗50の千倍から百万倍程度となる数十Ω〜数百kΩの高抵抗な抵抗器とされている。
すなわち、本実施形態においても、各接続部36とGNDラインL3との間に、電流検出抵抗50と比較して無視できる程に高抵抗となるような非常に高抵抗な誤検出防止部37を設けることで、電圧検出線VLに接続不良が生じたとしても、電流検出回路35によって検出する電位差が所定値以下に抑えられ、ノイズ等に起因して電流検出回路35が過電流であると誤検出することを防ぐことができる。
つまり、電圧検出線VLに接続不良が生じることに起因して電流遮断装置51が動作することが防がれ、蓄電装置110から電力を供給することができなくなることを防ぐことができる。
<他の実施形態>
本明細書で開示される技術は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような種々の態様も含まれる。
(1)上記実施形態では、誤検出防止部37を、車両Mのエンジン始動用の蓄電装置10に適用した構成とした。しかしながら、これに限らず、誤検出防止部を、モータ駆動用の蓄電装置や2輪車両用の蓄電装置に適用してもよい。
(2)上記実施形態では、誤検出防止部37,137を、電流検出抵抗50と比較して無視できる程に高抵抗となるような非常に高抵抗な抵抗器によって構成した。しかしながら、これに限らず、電流検出回路によって検出される電流が過電流検出閾値以上とならないように、一対の接続部間の電位差を抑制する電圧降下素子によって構成してもよい。
(3)蓄電装置10においては、蓄電装置10を保護する必要があるという理由で、過電流を検出してから電流遮断装置51が作動するまでの時間(遅延時間)が短い。蓄電装置10では、典型的には、外部短絡が生じた場合に過電流が流れる。外部短絡は、例えば、車両に搭載した蓄電装置10の交換時にユーザーが、或いは車両への蓄電装置10の組み込み時に作業者が、正極側端子部12Pと負極側端子部12Nとを誤って導通させた場合に生じる。外部短絡が生じる他の例として、蓄電装置10に接続された負荷が故障して負荷が短絡した場合や、車両衝突時に正極側端子部12Pが車体パネルに接触した場合が考えられる。このような外部短絡が生じた時に、即座に電流遮断装置51を作動して通電路Lを遮断しないと、BMU30や組電池20、更には蓄電装置10に接続された負荷が、ダメージを受ける可能性がある。そのため、BMU30のCPU33は、電流遮断装置51により即座に通電路Lを遮断する。すなわち、過電流を検出してから電流遮断装置51が作動するまでの遅延時間は極めて短く設定されている。
過電流以外の、他の状態(過電圧、過温度等)を判定する場合は、ある時点でのセンサ出力がエラー値である可能性を考慮して、複数回センシングを行って異常値は無視したり、平均値を求めたり、センサや検出線の故障診断を行ったりして、ノイズやセンサ誤作動の影響を低くすることが出来る。過電流を判定する場合は、上述の理由(BMU30、組電池20、蓄電装置10に接続された負荷を保護するという理由)から、複数回センシングを行う、平均値を求める、或いは故障診断を行うような時間的な余裕が無い。
そのため、外部短絡などによって本当に過電流が流れている場合と、電圧検出線の断線や接続不良が起きて電圧検出線VLにノイズが乗った場合とで、区別がつかず、断線や接続不良を、過電流と誤検出する可能性が高くなる。
上記実施形態では、電圧検出線VLに断線や接続不良が起きても、追加された抵抗器37、137により、一対の接続部36間における電位差を所定値以下に抑え、ノイズの影響を抑制できる。そのため、上記した遅延時間が短い場合でも、断線や接続不良を、過電流と誤検出する可能性が低くなる。故障診断を行わなくても、誤検出の可能性を低くできる(電流検出抵抗50と、抵抗器37、137との両方でオープン故障が発生した場合にのみ誤検出の可能性が生じる)。
(4)電圧検出線VLの断線や接続不良を過電流と誤検出して、電流遮断装置51が作動すると、車両負荷への電源供給がストップするため、例えば、車両の発電機が機能していない場合、パワーステアリングが効かなくなることや、ブレーキが利きにくくなる等の車両不具合の発生が懸念される。本発明の蓄電装置10を車両に搭載することで、こうした車両不具合の発生を、抑制することが出来る。
(5)上記実施形態では、蓄電装置10の内部に、過電流検出装置を設けた。過電流検出装置は、蓄電装置10を必要とする装置側に設けるようにしてもよい。例えば、蓄電装置10を車両に搭載する場合、車両内であって、蓄電装置10の外に、過電流検出装置を設けるようにしてもよい。具体的には、過電流検出装置は電流検出回路35、電流検出抵抗50、電圧検出線VL、誤検出検出部である抵抗器37、137を含むことから、これら各構成要素35、50、VL、37、137を、車両内であって、蓄電装置10の外に配置してもよい。
(6)本発明は、以下の方法として実施してもよい。過電流検出装置の誤検出を抑制する抑制方法であって、前記過電流検出装置は、主回路に直列に接続されて両端に前記主回路に流れる電流に応じた電位差を生じさせる電流検出抵抗と、一対の接続部を有し、前記一対の接続部間の電位差を検出する電流検出回路と、前記電流検出抵抗の両端と前記電流検出回路における前記一対の接続部とをそれぞれ接続する一対の電圧検出線と、を含み、前記一対の電圧検出線の少なくともいずれか一方が接続不良となった場合に、誤検出防止部により、前記一対の接続部間の電位差が大きくなることを抑制することにより、前記過電流検出装置の誤検出を抑制する。
(7)蓄電素子の電流検出方法であって、前記蓄電素子に直列に接続された電流検出抵抗における電圧降下を前記電流検出抵抗に接続された一対の電圧検出線を用いて検出し、前記一対の電圧検出線の少なくともいずれか一方が接続不良となった場合に、誤検出防止部により、前記一対の電圧検出線間の電位差が大きくなることを抑制する。
(8)前記蓄電素子の電流検出方法であって、前記電流検出抵抗により検出される電流値が閾値以上の場合、前記蓄電素子及び前記電流検出抵抗に直列に接続された電流遮断装置により通電路を遮断する。
(9)前記蓄電素子の電流検出方法であって、前記蓄電素子は車両に搭載される蓄電装置を構成する。
(10)前記蓄電素子の電流検出方法であって、前記誤検出防止部は、前記一対の電圧検出線に接続された抵抗器であって、前記抵抗器の抵抗値は前記電流検出抵抗の抵抗値よりも高い。
(11)前記蓄電素子の電流検出方法であって、前記誤検出防止部は、前記一対の電圧検出線それぞれと基準電圧ラインとの間に接続された一対の抵抗器であって、前記抵抗器のそれぞれの抵抗値は前記電流検出抵抗の抵抗値よりも高い。
10:蓄電装置
20:組電池
35:電流検出回路(「過電流検出装置」の一例)
36:接続部
37:誤検出防止部
50:電流検出抵抗(「過電流検出装置」の一例)
51:電流遮断装置
L:通電路(「主回路」の一例)
L3:GNDライン(「基準電圧ライン」の一例)
VL:電圧検出線(「過電流検出装置」の一例)

Claims (5)

  1. 主回路に直列に接続されて両端に前記主回路に流れる電流に応じた電位差を生じさせる電流検出抵抗と、
    一対の接続部を有し、前記一対の接続部間の電位差を検出する電流検出回路と、
    前記電流検出抵抗の両端と前記電流検出回路における前記一対の接続部とをそれぞれ接続する一対の電圧検出線と、
    前記一対の電圧検出線の少なくともいずれか一方が接続不良となった場合に、前記電流検出回路において検出される電流を過電流検出閾値以下に抑えることで過電流の誤検出を防止する誤検出防止部とを備え
    前記誤検出防止部は、前記一対の接続部間に接続される抵抗素子であり、前記抵抗素子は、前記電流検出抵抗よりも高抵抗である、過電流検出装置。
  2. 主回路に直列に接続されて両端に前記主回路に流れる電流に応じた電位差を生じさせる電流検出抵抗と、
    一対の接続部を有し、前記一対の接続部間の電位差を検出する電流検出回路と、
    前記電流検出抵抗の両端と前記電流検出回路における前記一対の接続部とをそれぞれ接続する一対の電圧検出線と、
    前記一対の電圧検出線の少なくともいずれか一方が接続不良となった場合に、前記一対の接続部間の電位差が大きくなることを抑制する誤検出防止部とを備え
    前記誤検出防止部は、前記接続部と基準電圧ラインとの間にそれぞれ接続された抵抗素子であり、前記抵抗素子は、前記電流検出抵抗よりも高抵抗である、過電流検出装置。
  3. 蓄電装置であって、
    組電池と、
    過電流検出装置と、
    前記過電流検出装置の検出結果に基づいて前記組電池の電流を遮断する電流遮断装置と、を備え
    前記過電流検出装置は、
    主回路に直列に接続されて両端に前記主回路に流れる電流に応じた電位差を生じさせる電流検出抵抗と、
    一対の接続部を有し、前記一対の接続部間の電位差を検出する電流検出回路と、
    前記電流検出抵抗の両端と前記電流検出回路における前記一対の接続部とをそれぞれ接続する一対の電圧検出線と、
    前記一対の電圧検出線の少なくともいずれか一方が接続不良となった場合に、前記一対の接続部間の電位差が大きくなることを抑制する誤検出防止部とを備える、蓄電装置。
  4. 請求項3に記載の蓄電装置であって、
    前記誤検出防止部は、前記一対の接続部間に接続される抵抗素子であり、
    前記抵抗素子は、前記電流検出抵抗よりも高抵抗である、蓄電装置。
  5. 請求項3に記載の蓄電装置であって、
    前記誤検出防止部は、前記接続部と基準電圧ラインとの間にそれぞれ接続された抵抗素子であり、前記抵抗素子は、前記電流検出抵抗よりも高抵抗である、蓄電装置。
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