JP2011061886A - 電源装置及びこれを備える車両 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒューズ自体の劣化を最大限防止し、ヒューズを延命することにより、ヒューズを交換するまでの期間を長くできる電源装置を提供することである。
【解決手段】電源装置１は、モータ３０に電力を供給するバッテリ３と、このバッテリ３と接続するヒューズ５とを備えている。そして、バッテリ３の電流を調整する電流制限回路１５を設け、検出したヒューズ電流と周囲温度からヒューズ温度を推定し、ヒューズ５に流れる電流量を電流制限回路１５で調整している。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動源に電力を供給するバッテリを有する電源装置及びこれを備えた車両に関し、特にバッテリに接続するヒューズの寿命延命方法に関する。

ハイブリット自動車や電気自動車等の車両を走行させる駆動源に、電力を供給する大電流、大出力のバッテリは、ヒューズと接続している。このヒューズは、バッテリに過電流が流れる等の異常が発生すると、電流を遮断して部品の保護、加熱や発火といった事故を防止する部品としての役割を果たしている。通常、電流の遮断は、ヒューズに流れる電流により発生するジュール熱が、ヒューズを溶かすことによりおこり、これを溶断という。しかし、電流の遮断は、ハイブリット自動車等の車両においては、前述のヒューズの溶断による遮断と、ヒューズの劣化による寿命が原因でおこるヒューズ切断での遮断がある。

ハイブリット自動車等の車両では、走行状態により、ヒューズに流れる電流が大電流になる時と、全く流れない時とがあり、ヒューズに流れる電流量は大幅に変動を繰り返している。ヒューズの劣化は、繰り返しヒューズに大電流が流れることにより、何度もヒューズが高温に加熱されることと、ヒューズが加熱と非加熱とを繰り返していること、また、この加熱と非加熱との温度変動幅が大きいことが原因となっている。ヒューズが劣化してしまうと、最終的には、過電流が流れていないにもかかわらず、切断してしまうことがある。

車両などの運行中に上記のような切断がおこるのを防止するために、従来において、ヒューズの劣化を検出して寿命を判定し、ヒューズが切断される前にヒューズを交換する方法と、ヒューズの寿命末期には、電源装置に流す電流を制御して、寿命を長くする方法が開発されている（特許文献１）。

特開２００８−１９３７７６号公報

特許文献１に記載された車両用の電源装置では、車両用電源装置にすでに装備する簡単な回路構成を利用して、ヒューズの寿命を判定することにより、ヒューズ切断がおこる前にヒューズを交換することができる。また、この電源装置では、電流制限回路を備えることにより、ヒューズの寿命が末期に近づくにつれて、電流を制限して寿命を長くし、突然にヒューズ切断がおこるのを防止している。

しかし、この発明の電源装置は、ヒューズの寿命延命を主の目的としておらず、ヒューズの寿命判定をすることにより、ヒューズの交換時期を検出し、自動車を安全に走行することを目的としているので、電流を制御するときには、すでにヒューズの劣化が進行しており、この場合、駆動源に流す電流を大幅に制限しなければならず、電源装置の性能を十分に発揮できないという欠点がある。また、ヒューズの寿命末期付近では、さらに加速して劣化が進行するために、あまり寿命を長くすることが期待できない。つまり、ヒューズの交換時期を導き出すことはできるが、ヒューズの劣化進行が早く、ヒューズを交換するまでの期間が短いために、交換回数が多くなるという欠点がある。

本発明は、上記課題を解決するために開発されたものであり、ヒューズ自体の劣化を最大限防止し、ヒューズを延命することにより、ヒューズを交換するまでの期間を長くできる電源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願請求項１の発明の電源装置は、駆動源に電力を供給するバッテリと、このバッテリと接続するヒューズとを備える電源装置であって、前記バッテリの電流を調整する電流調整手段を設け、前記ヒューズに流れる電流と、前記ヒューズの周囲温度とを検出し、この検出された電流と前記ヒューズの周囲温度から前記ヒューズの温度を推定し、この推定温度に基づいて前記ヒューズに流れる電流量を前記電流調整手段によって調整している。

本願請求項２の発明によれば、前記ヒューズ温度の推定は、１秒以下毎に行い、前記ヒューズに流れる電流量を常時監視して調整している。

本願請求項３の発明によれば、前記ヒューズが許容できる基準温度を設定し、前記電流調整手段は、前記基準温度と前記ヒューズの推定温度が同じ場合、前記ヒューズに流れる電流量の調整を行わず、前記ヒューズの推定温度が前記基準温度よりも大きい場合には、前記ヒューズに流れる電流量を減少させるように調整し、前記ヒューズの推定温度が前記基準温度よりも小さい場合には、前記ヒューズに流れる電流量を増大させるように調整している。

本願請求項４の発明によれば、前記ヒューズに流れる電流は、電流センサ或いはシャント抵抗を用いて検出し、前記ヒューズの周囲温度は、周囲温度測定用温度センサを用いて検出している。

本願請求項５の発明によれば、請求項１から４に記載の電源装置を備える車両としている。

請求項１の発明によれば、バッテリを有する電源装置は、ヒューズ劣化の加速要因であるヒューズ温度を、電流と周囲温度の２つのパラメータから正確に推定することができる。そして、この正確なヒューズの推定温度に基づき、ヒューズに流す電流、つまり、バッテリに流す電流を調整することにより、ヒューズに熱ストレスを加えることなくバッテリの性能を効率よく引き出し、且つ、ヒューズの劣化を防止して寿命を長くすることができる。ヒューズの寿命を長くすることができれば、ヒューズを交換するまでの期間も長くすることができるので、交換する手間の軽減、コストダウンを図ることができる。

請求項２の発明によれば、ヒューズ温度の推定を１秒以下毎におこない、ヒューズの状態を常時監視しているので、ヒューズ温度の急な変化にすばやく対応することができ、ヒューズの劣化を確実に防止することができる。

請求項３の発明によれば、ヒューズが許容できる基準温度を設定し、この基準温度とヒューズの推定温度に基づいてヒューズに流す電流量を、ヒューズが劣化しない最大電流量に調整しているので、ヒューズが劣化するのを最大限防止することができ、且つ、バッテリの性能を最大限引き出すことができる。また、基準温度を設けることにより、ヒューズに流す電流量を安定して確実に調整することができる。

請求項４の発明によれば、ヒューズ温度の推定に必要な電流センサ、シャント抵抗、周囲温度測定用温度センサ等は、従来から装備されているので、新たに部品を追加することなくヒューズ温度を推定することができるので、コストを維持しながら簡単な方法で寿命を長くすることができるという利点がある。

請求項５の発明によれば、請求項１から４に記載の電源装置を車両に備えることにより、ヒューズの交換期間を長くすることができるので、消費者のメンテナンスの負担やコストを軽減できる。

本発明の電源装置の一実施形態の概略構成図である。 本発明の電源装置の一実施形態における動作フローチャート図である。 ハイブリッド自動車に本発明の電源装置を搭載する図である。 電気自動車に本発明の電源装置を搭載する図である。

以下、本発明の実施形態を図１に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の電源装置１の概略構成図で、この電源装置１は、後述する車両に搭載され、車両を走行させる駆動源となるモータ３０に電力を供給する電源に使用される。モータ３０は、コンデンサ２４及びインバータ３２を介して電源装置１が備えるバッテリ３と接続している。インバータ３２は、バッテリ３に流れる直流を３相の交流に変換する装置で、バッテリ３からモータ３０への電力供給を調整している。

バッテリ３では、複数の電池４を積層して直列接続して電池モジュールとし、さらに複数の電池モジュールを直列接続して出力電圧を高くして、大電流をモータ３０に供給している。電池４には、リチウムイオン電池やニッケル水素電池を使用するが、電池の種類や個数は特定しない。また、電池の接続は、直列接続に限らず、並列接続することもできるし、どんな構造のバッテリを用いても良い。

ヒューズ５は、バッテリ３内で積層する複数の電池４間に１つ設けられ、電池４と直接接続している。ただし、ヒューズ５は、使用する電源装置１の構造に最も好適な場所に、複数個設けることもできる。このヒューズ５は、バッテリ３に過電流が流れる等の異常が発生すると、電流を遮断して部品の保護、加熱や発火といった事故を防止する部品としての役割を果たす。通常、電流の遮断は、ヒューズに流れる電流により発生するジュール熱が、ヒューズを溶かすことによりおこる。しかし、電流の遮断は、ハイブリット自動車等の車両においては、前述のヒューズの溶断による遮断と、ヒューズの劣化による寿命が原因でおこるヒューズ切断での遮断がある。

ハイブリット自動車等の車両では、走行状態により、ヒューズに流れる電流が大電流になる時と、全く流れない時とがあり、ヒューズに流れる電流量は大幅に変動を繰り返している。ヒューズの劣化は、繰り返しヒューズに大電流が流れることにより、何度もヒューズが高温に加熱されることと、ヒューズが加熱と非加熱とを繰り返していること、また、この加熱と非加熱との温度変動幅が大きいことが原因となっている。ヒューズが劣化してしまうと、最終的には、過電流が流れていないにもかかわらず、切断してしまうことがある。本発明は、このようなヒューズ劣化の加速要因であるヒューズ温度を正確に推定し、ヒューズ５に流す電流、つまり、バッテリ３に流す電流を調整するための電源装置１で、以下を装備している。

まず、電流センサ１０は、電池４の過充電と過放電を防止するため、電池の充放電する電流をコントロールするのに使用されている。電流センサ１０は、電源装置１の回路上に、バッテリ３と直接接続して備えられており、バッテリ３に流れる電流、つまり、ヒューズ５に流れる電流を検出している。この電流の検出方法について説明すると、電流センサ１０は、線に流れる電流によってできる磁束を検出するホール素子を内蔵しており、このホール素子で検出された磁束を電圧に変換して出力している。

電流演算部１１では、電流センサ１０から送信されたヒューズ電流の検出信号を受信して演算処理している。演算結果は、ヒューズ温度推定演算器１４へ送信される。

周囲温度測定用温度センサ１２は、ヒューズ５の周りに配置されており、ヒューズ５の周囲温度を検出している。周囲温度検知部１３では、周囲温度測定用温度センサ１２から送信されたヒューズ周囲温度の信号を受信して演算処理している。演算結果は、ヒューズ温度推定演算器１４へ送信される。

電流センサ１０及び周囲温度測定用センサ１３によるヒューズ電流とヒューズ周囲温度は、１秒以下毎に、同一のタイミングで検出している。

そして、ヒューズ温度推定演算器１４では、１秒以下毎に、電流演算部１１と周囲温度検知部１２から送信される信号を受信し、これらを演算処理（例えば、予め作成されたテーブル表、或いは関数式による処理）してヒューズ温度を正確に推定する。これにより、ヒューズ５の状態を常時監視することができるので、ヒューズ温度の急な変化にすばやく対応することができる。ただし、必ずしも検出のタイミングを完全一致させる必要はなく、ヒューズ温度が推定できる範囲内であれば、タイミングのずれは問題としない。ヒューズ温度を推定するのに用いる電流センサ１０や周囲温度測定用センサ１３は、従来から電源装置に装備されており、新たに部品を追加することなくヒューズ温度を推定できるので、コストを維持しながら、簡単な方法で寿命を長くすることができる。また、ヒューズ劣化の加速要因であるヒューズ温度は、電流と周囲温度の２つのパラメータを用いることによって、正確に推定することができる。

推定したヒューズ温度は、電流制限回路１５へ送信され、電流制限回路１５は、送信されてきたヒューズ推定温度に応じてインバータ３２を制御し、モータ３０へ供給する電力の調整、つまりヒューズ５に流れる電流の調整を行っている。正確なヒューズの推定温度に基づき、ヒューズ５に流す電流を調整することにより、ヒューズ５に熱ストレスを加えることなくバッテリ３の性能を効率良く引き出し、且つ、ヒューズ５の劣化を防止して寿命を長くすることができる。

電流制限回路１５における電流量の調整は、ヒューズ５が劣化しない許容できるヒューズ５の基準温度を設定し、ヒューズ５の推定温度と基準温度とを比較して調整している。ヒューズ５に流す電流をヒューズ５が劣化しない最大電流量に調整しているので、ヒューズ５の劣化を最大限防止することができ、且つ、バッテリ３の性能を最大限引き出すことができる。また、基準温度を設けることにより、安定して確実に電流量を調整することができる。さらに、ヒューズ５の寿命を長くすることができれば、ヒューズ５の交換時期も長くすることができるので、消費者のメンテナンスの負担やコストの軽減を図ることができる。

また、本発明の電源装置１は、バッテリ３の正負の出力側に一対のコンタクタ２０Ａ、２０Ｂを備えている。一対のコンタクタ２０Ａ、２０Ｂは、バッテリ３からコンデンサ２４やインバータ３２への電力供給をオンオフにするスイッチである。

コンタクタ２０Ａと並列にプリチャージ回路２１が接続されており、このプリチャージ回路２１は、プリチャージ抵抗２２とプリチャージスイッチ２３が直列接続している回路である。

さらに、本発明の電源装置１は、コンデンサ２４を備えており、インバータ３２と並列接続している。コンデンサは、バッテリ３から供給される電流を一時的に蓄積し、コンデンサ２４に充電された大電流を瞬時的にインバータ３２へ供給する働きをしている。インバータ３２への電力供給の順序を以下に説明する。

まず、コンタクタ２０Ｂとプリチャージスイッチ２３をオン、コンタクタ２０Ａをオフの状態にしてコンデンサ２４を充電する。この充電は、バッテリ３から供給される電流がプリチャージ抵抗２２を通過することにより、緩やかにおこなわれる。コンデンサ２４の充電が完了すると、プリチャージスイッチ２３がオフ、コンタクタ２０Ａがオンの状態に変更される。このとき、バッテリ３から直接インバータ３２へ電力が供給されると同時に、コンデンサ２４からインバータ３２へ大電流が瞬時的に供給される。これにより、大電流がコンタクタ２０Ａに流れるのを防止し、コンタクタ２０Ａが熱により溶着してしまうのを防止している。

本発明の電源装置１は、電流センサ１０を用い、ホール素子タイプのセンサで電流を検出しているが、シャント抵抗により、ヒューズ５に流れる電流を検出することもできる。この電流検出方法は、シャント抵抗を電流センサ１０と同等の箇所に設け、シャント抵抗の両端の電圧をそれぞれ検出し、２点間の降下電圧を求め、シャント抵抗の抵抗値は既知であるから、オームの法則（電流＝電圧÷抵抗）によりヒューズ５の電流を検出する。

ただし、電流センサ１０やシャント抵抗は、ヒューズ５を流れる電流と同等の電流や電圧が検出できる箇所であれば、どこに配置しても良い。

以下、本発明の具体的な動作を図２のフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップＳ１において、電流センサ１０で検出したヒューズ電流を電流演算部１１で関数式を用いて演算し、正確な電流を算出する(ヒューズ電流算出)。次に、ステップＳ２において、周囲温度測定用センサ１２で検出したヒューズ周囲温度を周囲温度検出部１３で関数式を用いて演算し、正確な周囲温度を算出する(周囲温度算出)。Ｓ１とＳ２の検出は、０．１秒毎に同時におこない、演算結果の信号をヒューズ温度推定演算器１４へ送信する。

ステップＳ３において、ヒューズ温度推定演算器１４では、ヒューズ電流と周囲温度から、予め作成した第１テーブルに基づいて演算処理し、ヒューズ５の温度を推定する(ヒューズ温度推定)。この推定されたヒューズ温度の信号を電流制限回路１５へ送信する。

ステップＳ４において、電流制限回路１５では、受信したヒューズ推定温度が、予め設定してある基準温度より高いか、基準温度より低いかが判断される。ヒューズ推定温度が基準温度より高い場合は、ステップＳ５の処理が行われ、ヒューズ推定温度が基準温度と等しい、或いは基準温度より低いい場合は、ステップＳ６の処理が行われる。

ステップＳ５において、ヒューズ推定温度が基準温度より高い場合、モータ３０に供給する電力の制限をおこない、ヒューズ５に流れる電流を減少させる(パワーリミット強化)。具体的には、まず、温度によるヒューズ５の劣化特性が、４００℃以下で劣化なし、４００〜８００℃で温度上昇とともに大きく劣化、８００℃で溶断とするならば、ヒューズ温度をヒューズ５が劣化しない４００℃以下に抑える必要があるので、ヒューズ温度の変動を考慮して、基準温度を２００℃に設定する。仮に、ステップＳ３で推定されたヒューズ温度が３００℃であった場合、基準温度との温度差が＋１００℃で基準温度より高くなるので、電流制限回路１５は、＋１００℃という結果に基づいて、予め作成した第２テーブルによる演算処理で、制限電流量２０Ａを決定する。この制限電流量の信号をインバータ３２へ送信し、ヒューズ５に流れる電流が−２０Ａとなるように、インバータ３２からモータ３０へ供給する電力を制限する。

一方、ステップＳ６において、ヒューズ推定温度が基準温度と等しい、或いは基準温度より低い場合、モータ３０に供給する電力の制限をおこなわず、ヒューズ５が許容できる最大限の電流をヒューズ５に流す(パワーリミット開放)。具体的には、ステップ３で推定されたヒューズ温度が２００℃以下であった場合、基準温度の２００℃と等しい、或いは基準温度より低くなり、温度差は０或いはマイナスになるので、電流制限回路１５は、０或いはマイナスという結果に基づいて、予め作成した第２テーブルによる演算処理で、０Ａを決定する。演算結果が０Ａのときは、電流量制限なしの信号をインバータ３２へ送信する。このとき、インバータ３２がモータ３０へ供給する電力を制限していれば、この制限を開放する。

そして、ステップＳ１からステップＳ５、或いは、ステップＳ１からステップＳ６の動作を繰り返しおこなう。

この電源装置１では、０．１秒毎にヒューズ５に流れる電流の調整をおこなっているので、ヒューズ５の温度変動幅を小さくすることができ、且つ、急なヒューズ５の温度上昇にもすばやく対応できる。これにより、ヒューズ５の劣化を確実に防止することができ、寿命を長くすることができる。

また、基準温度をヒューズ５が劣化してしまう温度よりも低い温度に設定することで、ヒューズ温度が変動しても劣化してしまう温度には到達しないよう余裕度を持たせているので、安定して確実に電流量を調整してヒューズ５の劣化を防止することができ、ヒューズ５の寿命をより長くすることができる。

さらに、ヒューズ５は、劣化進行とともに許容できる電流量が減少してしまうが、これを防止することができ、ヒューズ５が許容できる電流量を最大限保持し、長期に渡ってバッテリ３の性能を最大限発揮することができる。

さらにまた、ヒューズ５が劣化しない温度であった場合には、電流の制限をしないので、バッテリ３が許容できる最大限の電流を流すことができ、バッテリ３の性能を最大限引き出すことができる。

本発明の実施形態では、ヒューズの推定温度が２００℃以下のときは制限をおこなわず、開放するとしたが、逆に、ヒューズに流れる電流を増加させ、ヒューズが劣化しない許容できる最大限の電流を流すこともできる。

また、本発明は電源装置における電流制限項目の１つのパラメータとして設けており、他のパラメータとしては、例えば、電池の過充電と過放電を防止するために、電池に流す電流を調整するための電流制限が設けてある。電源装置を車両等にて利用する際には、電流制限の大きい方のパラメータを優先することで、車両等の状態を常時良好に保つことができる。

以下、本発明の電源装置を搭載する車両について、図３と図４に基づいて説明する。

まず、図３に、エンジン３３とモータ３０の両方で走行するハイブリッドカー（車両ＨＶ）に前述した電源装置１を搭載する例を示す。この図に示す電源装置１を搭載した車両ＨＶは、車両ＨＶを走行させるエンジン３３及び走行用のモータ３０と、モータ３０に電力を供給するバッテリ３を備えた電源装置１と、この電源装置１の電池を充電する発電機３１とを備えている。電源装置１は、ＤＣ／ＡＣインバータ３２を介してモータ３０と発電機３１に接続している。車両ＨＶは、電源装置１のバッテリ３を充放電しながらモータ３０とエンジン３３の両方で走行する。モータ３０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３０は、電源装置１から電力が供給されて駆動する。発電機３１は、エンジン３３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１の電池を充電する。

次に、図４に、モータ３０のみで走行する電気自動車（車両ＥＶ）に前述した電源装置１を搭載する例を示す。この図に示す電源装置１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３０と、このモータ３０に電力を供給するバッテリ３を備えた電源装置１と、この電源装置１の電池４を充電する発電機３１とを備えている。モータ３０は、電源装置１から電力が供給されて駆動する。発電機３１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１の電池４を充電する。

本発明は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両用電源装置に好適に利用できる、ヒューズの寿命延命に関する制御方法である。また、車載用以外の電源装置のヒューズの寿命延命に関する制御にも、好適に利用できる。

１…電源装置
３…バッテリ
４…電池
５…ヒューズ

１０…電流センサ
１１…電流演算部
１２…周囲温度測定用センサ
１３…周囲温度検知部
１４…ヒューズ温度推定演算器
１５…電流制限回路（電流調整手段）

２０…コンタクタ
２０Ａ…正の出力側のコンタクタ
２０Ｂ…負の出力側のコンタクタ
２１…プリチャージ回路
２２…プリチャージ抵抗
２３…プリチャージスイッチ
２４…コンデンサ

３０…モータ
３１…発電機
３２…ＤＣ/ＡＣインバータ
３３…エンジン

Claims (5)

1. 駆動源に電力を供給するバッテリと、このバッテリと接続するヒューズとを備える電源装置であって、
   前記バッテリの電流を調整する電流調整手段を設け、
   前記ヒューズに流れる電流と、前記ヒューズの周囲温度とを検出し、この検出された電流と前記ヒューズの周囲温度から前記ヒューズの温度を推定し、この推定温度に基づいて前記ヒューズに流れる電流量を前記電流調整手段によって調整することを特徴とする電源装置。
2. 前記ヒューズ温度の推定は、１秒以下毎に行い、前記ヒューズに流れる電流量を常時監視して調整することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記ヒューズが許容できる基準温度を設定し、前記電流調整手段は、前記基準温度と前記ヒューズの推定温度が同じ場合、前記ヒューズに流れる電流量の調整を行わず、前記ヒューズの推定温度が前記基準温度よりも大きい場合には、前記ヒューズに流れる電流量を減少させるように調整し、前記ヒューズの推定温度が前記基準温度よりも小さい場合には、前記ヒューズに流れる電流量を増大させるように調整することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
4. 前記ヒューズに流れる電流は、電流センサ或いはシャント抵抗を用いて検出し、前記ヒューズの周囲温度は、周囲温度測定用温度センサを用いて検出することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
5. 請求項１から４に記載の電源装置を備える車両。