JP2013074708A - 車両用の電源装置とこの電源装置を備える車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の走行状態で電池の均等化を実現して、均等化する放電電流を小さくする。均等化回路を電池に接続するラインが断線しても、各電池の電圧を高い精度で検出する。
【解決手段】車両用の電源装置は、複数の電池２を直列に接続してなる走行用バッテリ１と、各電池２の電圧を検出する電圧検出回路３と、電池２を放電して均等化させる均等化回路４とを備える。均等化回路４は、放電スイッチ６と放電抵抗７とを直列に接続している放電回路５を備える。均等化回路４の放電回路５は放電ライン８を介して各電池２に接続し、電圧検出回路３は電圧検出ライン９を介して各電池２に接続している。放電ライン８は一端を電池２に他端を放電回路５に接続し、電圧検出ライン９は一端を電池２に他端を電圧検出回路３に接続している。均等化回路４は放電ライン８を介して電池２を放電して均等化し、電圧検出回路３は電圧検出ライン９を介して各電池２の電圧を検出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、多数の電池を直列に接続して出力電圧を高くしている車両用の電源装置とこの電源装置を備える車両に関する。

車両用の電源装置は、出力を大きくするために、多数の電池を直列に接続して電圧を高くしている。この電源装置は、直列に接続している電池を同じ充電電流で充電し、また同じ電流で放電する。したがって、全ての電池が全く同じ特性であれば、電池電圧や残容量にアンバランスは発生しない。しかしながら、現実には、全く同じ特性の電池は製造できない。電池のアンバランスは、充放電を繰り返すときに、電圧や残容量のアンバランスとなる。さらに、電池電圧のアンバランスは、特定の電池を過充電し、あるいは過放電させる原因となる。この弊害を防止するために、各々の電池の電圧を検出してアンバランスを解消する車両用の電源装置が開発されている（特許文献１参照）。

特開２００７−３００７０１号公報

特許文献１に記載される車両用の電源装置は、走行用バッテリを構成する各々の電池電圧を検出する電圧検出回路と、各々の電池の電池性能を均等化する均等化回路として放電回路とを備えている。この電源装置は、走行用バッテリを構成する各々の電池と並列に放電回路を接続している。放電回路は、電圧の高くなった電池を放電して電圧を低下させて、電池のアンバランスを解消し、電池特性の均等化を行っている。

従来の電源装置の電圧検出回路と均等化回路を図１に示す。電圧検出回路９３は、各々の電池９２の電圧を検出するために、入力側を各々の電池９２に接続している。さらに、均等化回路９４は、放電スイッチ９６と放電抵抗９７とを直列に接続している放電回路９５を、各々の電池９２と並列に接続している。この均等化回路９４は、電圧の高い電池９２と並列に接続される放電回路９５の放電スイッチ９６をオンに切り換えて、各々の電池９２の電圧を均等化する。均等化回路９４は、各々の電池９２の電圧を電圧検出回路９３で検出して、制御回路９８でもって放電スイッチ９６をオンオフに制御する。制御回路９８は、電圧検出回路９３で検出される各々の電池９２の電圧信号を演算して、各々の電池９２の電圧を均等化するように放電スイッチ９６をオンオフに制御する。

電圧検出回路９３と均等化回路９４は、各々の電池９２に接続されるので、図１に示すように、電圧検出回路９３の入力側を各々の電池９２に接続している接続ライン９９に、均等化回路９４の各々の放電回路９５を接続している。この電源装置は、放電スイッチ９６をオンに切り換える状態では、すなわち、放電スイッチ９６をオンに切り換えている電池９２の電圧を正確に検出できない欠点がある。オン状態にある放電回路９５が接続ライン９９に電流を流し、この電流が接続ライン９９の電気抵抗Ｒによって電圧降下を発生させるからである。接続ライン９９の電圧降下は、接続ライン９９の電気抵抗Ｒと放電電流Ｉの積に比例する。接続ライン９９の電圧降下は、電池９２の電圧を低下させて、電圧検出回路９３に入力する。均等化回路９４は、特定の放電スイッチ９６のみをオンに切り換えて誤差を発生させるので、電圧検出回路９３が全ての電池９２の電圧を正確に検出できなくなる。

さらに、以上の電源装置は、図２に示すように、いずれかの接続ライン９９が断線すると、電圧検出回路９３が電池９２の電圧を誤って検出する欠点がある。図２に示すように、接続ラインＬ２が断線して、この接続ラインＬ２に接続している放電スイッチＳ１、Ｓ２がオンに切り換えられると、電圧検出回路９３は、電池Ｂ１と、電池Ｂ２の電圧を正確に検出できなくなる。それは、電圧検出回路９３が、電池Ｂ１と、電池Ｂ２の電圧を、放電抵抗９７で分圧された電圧として検出するからである。たとえば、電池Ｂ１の電圧が３．５Ｖ、電池Ｂ２の電圧が２．５Ｖとすれば、放電抵抗９７は電気抵抗が同じであるから、電圧検出回路９３は電池Ｂ１と電池Ｂ２の電圧を３Ｖと検出して、正確に検出できなくなる。

本発明は、さらに以上の欠点を解消することを目的として開発されたもので、車両の走行状態で電池の均等化を実現することで、効率よく電圧や残容量の均等化を行うことができると共に、均等化回路の放電回路を電池に接続している接続ラインが断線しても、各々の電池の電圧を極めて高い精度で検出できる車両用の電源装置とこの電源装置を備える車両を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の車両用の電源装置は、車両を走行させるモータ１１に電力を供給する複数の充電できる電池２を直列に接続してなる走行用バッテリ１と、この走行用バッテリ１を構成している各々の電池２の電圧を検出する電圧検出回路３と、走行用バッテリ１を構成する電池２を放電して各々の電池２を均等化させる均等化回路４とを備えている。均等化回路４は、放電スイッチ６と放電抵抗７とを直列に接続している放電回路５を備えている。均等化回路４の放電回路５は、放電ライン８を介して各々の電池２に接続している。電圧検出回路３は、電圧検出ライン９を介して各々の電池２に接続している。放電ライン８は、一端を電池２に他端を放電回路５に接続している。電圧検出ライン９は、一端を電池２に他端を電圧検出回路３に接続している。均等化回路４は、放電ライン８を介して電池２を放電して均等化し、電圧検出回路３は、電圧検出ライン９を介して各々の電池２の電圧を検出している。

以上の電源装置は、キースイッチをオフとする状態のみでなく、車両を走行させる状態においても、電池の均等化をしながら各々の電池の電圧を極めて高い精度で検出できる特徴がある。それは、キースイッチをオン状態として車両を走行させる状態で放電スイッチをオンオフに切り換えて電池を均等化しながら、各々の電池の電圧を正確に検出できるからである。

さらに、以上の電源装置は、均等化回路の放電回路を電池に接続している放電ラインが断線しても、各々の電池の電圧を検出できる。それは、電池を放電して均等化する放電ラインと、電池の電圧を検出する電圧検出ラインとを別ラインとして別々に設けているからである。

本発明の車両用の電源装置は、放電ライン８及び／又は電圧検出ライン９が、一端に金属端子３０を接続して、この金属端子３０を介して、電池２の電極端子２Ａに接続することができる。

本発明の車両用の電源装置は、金属端子３０を、電池２を直列に接続するように、隣接する電池２の電極端子２Ａに接続して、電極端子２Ａに固定することができる

本発明の車両用の電源装置は、均等化回路４が、放電スイッチ６をオンオフに制御する制御回路２０を備えて、この制御回路２０が、電圧検出回路３が検出する各々の電池２の電圧に応じて放電スイッチ６をオンオフに制御して、各々電池２を均等化することができる。

本発明の車両用の電源装置は、制御回路２０が、車両のキースイッチ１５のオフ状態とオン状態とで放電スイッチ６をオンオフに制御して、各々の電池２を均等化することができる。

本発明の車両は、上記のいずれかの電源装置を備えている。

従来の車両用の電源装置の電圧検出回路と均等化回路のブロック図である。 図１に示す電圧検出回路と均等化回路の接続ラインが断線した状態を示すブロック図である。 本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置のブロック図である。 電池の電極端子と電圧検出ライン及び放電ラインの接続構造の一例を示す斜視図である。 図４に示す電池の電極端子と電圧検出ライン及び放電ラインの接続構造を示す分解斜視図である。 エンジンとモータで走行するハイブリッド自動車に電源装置を搭載する例を示すブロック図である。 モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための車両用の電源装置とこの電源装置を備える車両を例示するものであって、本発明は車両用の電源装置とこの電源装置を備える車両を以下のものに特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

車両用の電源装置は、図３のブロック図に示すように、車両を走行させるモータ１１に電力を供給する複数の充電できる電池２を直列に接続してなる走行用バッテリ１と、この走行用バッテリ１を構成している電池２に電圧検出ライン９を介して接続されて、各々の電池２の電圧を検出する電圧検出回路３と、走行用バッテリ１を構成する電池２を放電して各々の電池２を均等化させる均等化回路４とを備えている。
なお、図示しないが、走行用バッテリを構成する電池は、並列に接続したものを含む構成であってもよく、このように構成した場合、複数の電池を並列に接続したものを一単位の電池モジュールとし、この電池モジュールを上記実施形態における電池２として直列に接続して走行バッテリ１を構成する。

さらに、図３のブロック図に示す電源装置は、走行用バッテリ１の出力側にコンタクタ１６を接続している。このコンタクタ１６を介して、走行用バッテリ１を車両側の負荷であるＤＣ／ＡＣインバータ１０に接続している。ＤＣ／ＡＣインバータ１０は、車両を走行させるモータ１１と、走行用バッテリ１を充電する発電機１２とに接続している。ＤＣ／ＡＣインバータ１０は、コントロールユニット１４に制御される。コントロールユニット１４は、ＤＣ／ＡＣインバータ１０を介して走行用バッテリ１の電力を走行モータ１１に供給して車両をモータ１１で走行させる。また、発電機１２を制御して、発電機１２で走行用バッテリ１を充電する。

さらに、コントロールユニット１４は、キースイッチ１５を接続しており、このキースイッチ１５から入力される信号で、コンタクタ１６をオンオフに切り換える。キースイッチ１５がオンに切り換えられると、コントロールユニット１４は、コンタクタ１６がオンに切り換える。ただし、コントロールユニット１４は、キースイッチ１５がオンに切り換えられた後、初期の動作確認を終了した後、コンタクタ１６をオフからオンに切り換えて、走行用バッテリ１をＤＣ／ＡＣインバータ１０に接続する。キースイッチ１５がオフに切り換えられると、コントロールユニット１４は、コンタクタ１６をオフに切り換えて、走行用バッテリ１をＤＣ／ＡＣインバータ１０から切り離す。

走行用バッテリ１を構成する電池２は、ひとつの二次電池、又は直列に接続している複数の二次電池である。走行用バッテリ１の電池２は、リチウムイオン電池又はリチウムポリマー電池である。二次電池をリチウムイオン電池又はリチウムポリマー電池とする走行用バッテリ１は、電池２をひとつの二次電池で構成する。この電源装置は、各々の電池２の電圧を電圧検出回路３で検出し、また、均等化回路４で各々の電池２を均等化する。ただし、電池にはニッケル水素電池などの充電できる全ての二次電池とすることができる。電池をニッケル水素電池とする電源装置は、複数の二次電池を直列に接続してひとつの電池とし、各々の電池、すなわち複数の二次電池を直列に接続している電池の電圧を検出し、またこの電池を均等化する。

電圧検出回路３は、電圧検出ライン９を介して入力側を各々の電池２の正負の端子に接続している。電圧検出回路３は、この電圧検出ライン９を介して、各々の電池２の電圧を検出する。電圧検出ライン９は、一端を電池２の電極端子に接続して、他端を電圧検出回路３の入力側に接続している。

均等化回路４は、電池２のセル電圧を均等化してアンバランスを解消して均等化する。均等化回路４は、各々の電池２の電圧を検出して、各々の電池２の電圧のアンバランスを解消して均等化する。均等化回路４は、キースイッチ１５のオフ状態、すなわち車両を停止させる状態のみでなく、キースイッチ１５をオン状態として車両を走行できる状態においても、電池２を均等化する。ただし、全ての電池２が均等化された後は、均等化回路４は動作を停止する。

均等化回路４は、図３に示すように、電圧が高い電池２を放電抵抗７で放電して、アンバランスを解消する。図３の均等化回路４は、放電抵抗７に放電スイッチ６を直列に接続している放電回路５と、放電スイッチ６をオンオフに制御する制御回路２０とを備える。放電回路５は、各々の電池２を独立して放電して均等化するので、電池２の個数と同じ数、たとえば、１００個の電池２を直列に接続している電源装置にあっては、１００組の放電回路が設けられる。各々の放電回路５を構成する放電スイッチ６と放電抵抗７は、回路基板（図示せず）に実装され、電圧検出ライン９とは別ラインとして設けている放電ライン８を介して各々の電池２に接続される。放電ライン８は、一端を電池２の電極端子に接続して、他端を放電回路５に接続している。

電圧検出ライン９と放電ライン８は、電池２の電極端子に接続している金属端子を介して各々の電池２に接続される。電池２は、図４と図５に示すように、電圧検出ライン９と放電ライン８とを別々に独立して接続するために、電極端子２Ａに金属端子３０を接続している。金属端子３０はレーザー溶接して電池２の電極端子２Ａに接続され、あるいは、図示しないがナットや止ネジで電極端子に接続される。図４と図５の金属端子３０は、隣接する電池２を直列や並列に接続する金属板のバスバー１７に併用している。これらの図のバスバー１７は、電圧検出ライン９と放電ライン８とを接続する端子部３１を突出して設けている。端子部３１は、雌ねじ孔３２を設けている。電圧検出ライン９と放電ライン８とは、金属端子３０であるバスバー１７に設けている端子部３１に接続される。図に示す電圧検出ライン９と放電ライン８は、リード線３３の先端に接続端子３４を接続している。接続端子３４は圧着してリード線３３を接続している。リード線３３を圧着して接続する接続端子３４は、さらに接続部をハンダ付けしてより確実に電気接続できる。接続端子３４は貫通孔３５を有し、この貫通孔３５に挿通する止ネジ３６を端子部３１の雌ねじ孔３２にねじ込んで、電圧検出ライン９と放電ライン８とをバスバー１７に固定している。以上の接続端子３４は、止ネジ３６で金属端子３０に接続しているが、接続端子をスポット溶接して、あるいはレーザー溶接して金属端子のバスバーに接続することもできる。

均等化回路４は、電池２の電圧で放電スイッチ６をオンオフに制御する制御回路２０を備えている。図３の制御回路２０は、電圧検出回路３で検出される電池２の電圧で各々の放電スイッチ６をオンオフに制御する。この均等化回路４は、電圧検出回路３を電池２の電圧を検出する回路に併用している。ただし、均等化回路は、電池の電圧を検出するために専用の電圧検出回路を設けることもできる。

制御回路２０は、電圧検出回路３で検出される各々の電池２の電圧を比較して、全ての電池２の電圧を均等化するように放電スイッチ６を制御する。この制御回路２０は、高すぎる電池２に接続している放電回路５の放電スイッチ６をオンに切り変えて放電させる。電池２は放電するにしたがって電圧が低下する。放電スイッチ６は、電池２の電圧が他の電池２とバランスするまで低下すると、オンからオフに切り変えられる。放電スイッチ６がオフになると、電池２の放電は停止される。このように、制御回路２０は、高い電圧の電池２を放電して、全ての電池２の電圧をバランスさせる。

以上のようにして、車両用の電源装置は、走行用バッテリ１の電池２を均等化しながら、各々の電池２の電圧を正確に検出する。

以上の実施例の電源装置は、走行用バッテリ１を構成する各々の電池２の電圧を検出する電圧検出回路３と、均等化回路４に設けた放電回路５の放電スイッチ６をオンオフに制御する制御回路２０とを別回路としている。ただ、電源装置は、電圧検出回路と制御回路とをＡＳＩＣとしてワンチップ化することもできる。この電源装置は、ワンチップ化されたＡＳＩＣが、走行用バッテリの各々の電池の電圧を検出すると共に、検出された各々の電池の電圧に応じて放電スイッチをオンオフに制御して各々の電池を均等化する。

上記実施形態では、電池２を放電して均等化する放電ライン８と、電池２の電圧を検出する電圧検出ライン９とを別ラインとして別々に設ける構成としているので、均等化回路４の放電回路５を電池２に接続している放電ライン８が断線しても、各々の電池２の電圧を検出できる。

さらに、車両の走行状態においても、電池２を均等化できるので、電池２を均等化できる時間帯を長くできる。その結果、電池２を均等化する放電電流を小さくしながら電池２を均等化することも可能となる。このことは、多数の電池で構成される走行用バッテリの均等化には極めて大切である。それは、電池を均等化する放電電流が大きくなって放電抵抗の発熱量が大きくなると、多数の電池を放電する状態で多数の放電抵抗が発熱して、トータルの発熱量が極めて大きくなるからである。また、放電抵抗の発熱量を小さくできることは、放電抵抗を極めて小さい抵抗器とすることができ、多数の放電抵抗を小さいスペースに配置できる特徴も実現する。

以上の電源装置は、車載用の電源として利用できる。電源装置を搭載する車両としては、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド自動車やプラグインハイブリッド自動車、あるいはモータのみで走行する電気自動車などの電動車両が利用でき、これらの車両の電源として使用される。

（ハイブリッド自動車用電源装置）
図６は、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド自動車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置１００を搭載した車両ＨＶは、車両ＨＶを走行させるエンジン１３及び走行用のモータ１１と、モータ１１に電力を供給する電源装置１００と、電源装置１００の電池を充電する発電機１２とを備えている。電源装置１００は、ＤＣ／ＡＣインバータ１０を介してモータ１１と発電機１２に接続している。車両ＨＶは、電源装置１００の電池を充放電しながらモータ１１とエンジン１３の両方で走行する。モータ１１は、エンジン効率の悪い領域、たとえば加速時や低速走行時に駆動されて車両を走行させる。モータ１１は、電源装置１００から電力が供給されて駆動する。発電機１２は、エンジン１３で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、電源装置１００の電池を充電する。

（電気自動車用電源装置）
また、図７は、モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置１００を搭載した車両ＥＶは、車両ＥＶを走行させる走行用のモータ１１と、このモータ１１に電力を供給する電源装置１００と、この電源装置１００の電池を充電する発電機１２とを備えている。電源装置１００は、ＤＣ／ＡＣインバータ１０を介してモータ１１と発電機１２に接続している。モータ１１は、電源装置１００から電力が供給されて駆動する。発電機１２は、車両ＥＶを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、電源装置１００の電池を充電する。

とくに、電気自動車に電源装置を搭載する場合、ハイブリッド自動車と比較して電源装置の容量が大きくなるため、電源装置、すなわち走行用バッテリ１を構成する電池２のアンバランスが大きくなる。そのため、同じ時間でより大きくアンバランスを解消できるように構成するためには、放電抵抗７の値を小さくして、放電ライン８を流れる放電電流を増加させる必要があり、この構成では、配線抵抗等による電圧降下の影響も大きくなる。上記実施形態では、放電回路５に接続される放電ライン８と、電圧検出回路３に接続される電圧検出ライン９とを別ラインとして別々に設ける構成としているので、放電電流は、電圧検出ライン８には流れない。そのため、均等化回路４で電池２の均等化を行っている間も、正確に電池２の電圧を検出することができる。

本発明にかかる車両用の電源装置は、ＥＶ走行モードとＨＥＶ走行モードとを切り替え可能なプラグイン式ハイブリッド電気自動車やハイブリッド式電気自動車、電気自動車等の車両用の電源装置として好適に利用できる。

１００…電源装置
１…走行用バッテリ
２…電池 ２Ａ…電極端子
３…電圧検出回路
４…均等化回路
５…放電回路
６…放電スイッチ
７…放電抵抗
８…放電ライン
９…電圧検出ライン
１０…ＤＣ／ＡＣインバータ
１１…モータ
１２…発電機
１３…エンジン
１４…コントロールユニット
１５…キースイッチ
１６…コンタクタ
１７…バスバー
２０…制御回路
３０…金属端子
３１…端子部
３２…雌ねじ孔
３３…リード線
３４…接続端子
３５…貫通孔
３６…止ネジ
９２…電池
９３…電圧検出回路
９４…均等化回路
９５…放電回路
９６…放電スイッチ
９７…放電抵抗
９８…制御回路
９９…接続ライン
ＨＶ…車両
ＥＶ…車両

Claims (6)

1. 車両を走行させるモータ(11)に電力を供給する複数の充電できる電池(2)を直列に接続してなる走行用バッテリ(1)と、この走行用バッテリ(1)を構成している各々の電池(2)の電圧を検出する電圧検出回路(3)と、前記走行用バッテリ(1)を構成する電池(2)を放電して各々の電池(2)を均等化させる均等化回路(4)とを備えており、
   前記均等化回路(4)は、放電スイッチ(6)と放電抵抗(7)とを直列に接続している放電回路(5)を備え、
   前記均等化回路(4)の放電回路(5)が、放電ライン(8)を介して各々の電池(2)に接続され、前記電圧検出回路(3)が、電圧検出ライン(9)を介して各々の電池(2)に接続され、
   前記放電ライン(8)は一端を電池(2)に他端を放電回路(5)に接続して、
   前記電圧検出ライン(9)は一端を電池(2)に他端を電圧検出回路(3)に接続しており、
   前記均等化回路(4)は前記放電ライン(8)を介して電池(2)を放電して均等化し、前記電圧検出回路(3)は前記電圧検出ライン(9)を介して各々の電池(2)の電圧を検出するようにしてなる車両用の電源装置。
2. 前記放電ライン(8)及び／又は前記電圧検出ライン(9)は、一端に金属端子(30)を接続しており、この金属端子(30)を介して、前記電池(2)の電極端子(2A)に接続される請求項１に記載される車両用の電源装置。
3. 前記金属端子(30)は、前記電池(2)を直列に接続するように、隣接する電池(2)の電極端子(2A)を接続すると共に、前記電極端子(2A)に固定される請求項２に記載される車両用の電源装置。
4. 前記均等化回路(4)は、前記放電スイッチ(6)をオンオフに制御する制御回路(20)を備え、この制御回路(20)は、前記電圧検出回路(3)が検出する各々の電池(2)の電圧に応じて、前記放電スイッチ(6)をオンオフに制御して、各々電池(2)を均等化する請求項１ないし３のいずれかに記載される車両用の電源装置。
5. 前記制御回路(20)が、車両のキースイッチ(15)のオフ状態とオン状態とで前記放電スイッチ(6)をオンオフに制御して、各々の電池(2)を均等化する請求項４に記載される車両用の電源装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載される電源装置を備える車両。

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