(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、近年では、ハイブリッド自動車の燃費向上や電気自動車の航続距離の延長といった走行性能を高めるべく、電源装置の大容量化が進んでいる。そのため、電源装置に搭載される電池パックも増加する傾向にあり、各制御装置に電流を供給する電源の容量不足が懸念されている。
【0006】
本開示の技術は、複数の電池パックが搭載される電源装置において、スイッチの状態に応じて各電池パックの制御装置に電流を供給する電源の容量不足を抑えることが可能な電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決する電源装置は、電池の電源供給経路を導通または遮断する開閉器を有して前記開閉器を制御する制御装置が各々に搭載されたn個(nは2以上の整数)の電池パックを備え、前記n個の制御装置の各々は、電源部と、他の制御装置の電源部から入力される電流の電流値を検出する検出部と、前記検出部が検出する電流値が閾値よりも大きいときに前記開閉器をオン状態とし、前記検出部が検出する電流値が前記閾値以下であるときに前記開閉器をオフ状態とするドライバと、を備え、前記電源部は、前記検出部が前記閾値よりも大きい電流値を検出するときに他の制御装置の検出部によって前記閾値よりも大きい電流値が検出される特定の電流を出力し続けるものであり、第k(kは1以上(n−1)以下の整数)番目の前記制御装置の前記電源部は、第(k+1)番目の前記制御装置の前記検出部に前記特定の電流を出力するものであり、第n番目の前記制御装置の前記電源部は、第1番目の前記制御装置の前記検出部に前記特定の電流を出力するものであり、n個の前記電源部の少なくとも1つの電源部と、該1つの電源部から出力された前記特定の電流の電流値を検出する検出部との接続を開閉するスイッチをさらに有し、第1番目の前記制御装置は、前記複数の開閉器の各々をオフ状態からオン状態にするための制御信号が外部から入力されると
第1番目の前記制御装置の電源部による前記特定の電流の出力を開始し、前記制御信号が入力されてから全ての制御装置に前記特定の電流が入力されるのに必要な時間である所定期間経過するまでに
第1番目の前記制御装置の検出部が前記閾値よりも大きい電流値を検出しなかったときには、
第1番目の前記制御装置の電源部による前記特定の電流の出力を停止する。
【0008】
この構成によれば、例えば、n=3の場合、スイッチがオン状態にある状態で第1番目の制御装置の電源部から特定の電流が出力されると、当該電源部に検出部が接続された第2番目の制御装置においては、検出部にて
閾値よりも大きな電流値が検出されることで開閉器がオン状態に制御されるとともに電源部から特定の電流が出力される。そのため、第2番目の制御装置の電源部に検出部が接続された第3番目の制御装置においても、開閉器がオン状態に制御されるとともに電源部から特定の電流が出力される。そして、第3番目の制御装置の電源部に検出部が接続された第1番目の制御装置においても、開閉器がオン状態に制御される。すなわち、各制御装置の電源部は、互いに異なる制御装置の検出部に特定の電流を供給する。その結果、電源装置に搭載される電池パックの数に関わらず、制御装置に電流を供給する電源の容量不足が抑えられる。
また、上述した電源装置では、スイッチがオン状態であれば、第1番目の制御装置の電源部から特定の電流を出力するだけで、全ての電池パックにおいて開閉器をオン状態に制御することができる。
【0009】
上記電源装置では、前記電源部が定電流源であり、前記特定の電流が特定の値の直流電流であることが好ましい。
この構成のように、電源部を定電流源とすることによって、電源部の出力回路が短絡した際に当該出力回路に電流制限がかかる。その結果、短絡に基づく出力回路の故障が抑えられることから、各電池パックの信頼性、ひいては電源装置の信頼性が向上する。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、
図1〜
図3を参照して、本開示における電源装置の一実施形態について説明する。なお、電源装置は、n(nは2以上の整数)個の電池パックが搭載されるものであるが、ここではn=3の電源装置10を例に説明する。
【0014】
図1に示されるように、電源装置10には、インバータ等の外部負荷11に対して並列接続される3つの電池パック20−1,20−2,20−3が搭載されている。また、電源装置10には、電池パックの使用時にはオン状態に、保守時や非常時にはオフ状態に操作されるインターロックスイッチ12(以下、単にスイッチ12という。)が設けられている。電源装置10では、スイッチ12がオン状態にあるときには各電池パック20−1,20−2,20−3から外部負荷11への電力供給が許可され、反対に、スイッチ12がオフ状態にあるときには各電池パック20−1,20−2,20−3から外部負荷11への電力供給が禁止される。
【0015】
図1〜
図3を参照して、電源装置10に搭載される電池パック20−1,20−2,20−3について説明する。なお、各電池パック20−1,20−2,20−3は同じ構成であるため、電池パック20−1について詳細に説明し、残りの電池パック20−2,20−3については、同様の符号を付すことでその詳細な説明は省略する。
【0016】
図1に示されるように、電池パック20−1は、複数の電池モジュールが直列接続された電池スタック21を備えている。電池スタック21の電源供給経路には、該電池スタック21の正極側及び負極側の各々にリレー22が挿入されている。電池スタック21の電源供給経路は、各リレー22がオン状態にあるときに導通状態となり、反対に、少なくとも一方のリレー22がオフ状態にあるときに遮断状態となる。電池パック20−1は、各リレー22の開閉を制御する制御装置23を備えている。
【0017】
制御装置23は、定電流生成部24と、電流計測部25と、制御部26と、リレードライバ27とを備える。
図2に示されるように、電源部である定電流生成部24は、直流電流を出力する電源24aと、電源24aから供給される直流電流に基づいて、特定の電流である定電流値Iの定電流を生成する定電流源24bとを備える。定電流生成部24は、電池パック20−1の第1の出力端子28を通じて外部に定電流値Iの定電流を供給する。定電流生成部24は、第1の出力端子28を通じて外部に定電流を供給する供給状態と定電流の供給が停止される停止状態とを駆動状態として有する。定電流生成部24は、制御部26から入力される信号に応じて駆動状態が制御される。
【0018】
図3に示されるように、検出部である電流計測部25は、電池パック20−1の第1の入力端子29と第2の出力端子30とに接続された検出抵抗25aを備えている。電流計測部25は、検出抵抗25aの両端における電位差Vを計測し、この計測した電位差Vと検出抵抗25aの抵抗値とに基づいて電流値を算出する。そして、電流計測部25は、その算出した電流値を電流計測値Iinとして制御部26に出力する。
【0019】
図1に示されるように、制御部26は、図示されないCPU、各種制御プログラムや各種データが格納されたROM、各種データが一時的に格納されるRAM等を備えたマイクロコンピューターであり、ROMに格納された各種制御プログラムに基づいて各種処理を実行する。
【0020】
制御部26は、電流計測部25から入力された電流計測値Iinに応じて、定電流生成部24の駆動状態を制御する。制御部26は、電流計測部25から入力される電流計測値Iinと、定電流値Iよりも小さい値に設定される閾値Itとを比較する。制御部26は、電流計測値Iinが閾値Itよりも大きい値に変化すると、その変化の直後からの所定期間T1において閾値Itよりも大きい電流計測値Iinが入力され続けるか否かを判断する。そして、制御部26は、所定期間T1において閾値Itよりも大きい電流計測値Iinが入力され続けると、特定の電流を検出している状態にあるものとして、定電流生成部24の駆動状態を供給状態に制御するための信号を定電流生成部24に出力する。一方、制御部26は、電流計測値Iinが閾値Itよりも大きい値から閾値It以下の値に変化すると、特定の電流を検出していない状態にあるものとして、定電流生成部24の駆動状態を停止状態に制御するための信号を定電流生成部24に出力する。なお、上記所定期間T1は、電源装置10に搭載される各電池パックのリレー22を同じ状態へ制御するために必要とされる期間である。
【0021】
また、制御部26は、電流計測部25による電流の検出の他、例えば電池パックの上流側に位置する制御装置といった外部から電源装置10の電力供給を開始することを示す信号、つまり各リレー22をオフ状態からオン状態にするための制御信号が制御装置23に入力されると、定電流生成部24の駆動状態を供給状態に制御する。制御部26は、上記信号が入力されてから所定期間T2経過する前に閾値Itよりも大きい電流計測値Iinが入力され、その後の所定期間T1において閾値Itよりも大きい電流計測値Iinが入力され続けたときには、特定の電流を検出している状態にあるものとして、定電流生成部24の駆動状態を供給状態に維持する。一方、制御部26は、上記信号が入力されてから全ての制御装置23に電流が流れるのに必要な時間である所定期間T2経過する前に電流計測部25から閾値Itよりも大きい電流計測値Iinが入力されなかったときには、特定の電流を検出していない状態にあるものとして、その所定期間T2の経過直後に定電流生成部24の駆動状態を再び停止状態に制御する。なお、本実施形態では、電源装置10の電力供給を開始することを示す信号は、電池パック20−1の制御装置23にのみ入力される。電池パック20−1の制御装置23に備えられた定電流生成部24が第1の電源部となる。
【0022】
また、制御部26は、電流計測部25から入力された電流計測値Iinに応じて、リレー22のオンオフを切り替える。制御部26は、定電流生成部24と同様に、閾値Itよりも大きい電流計測値Iinが所定期間T1において入力され続けると、特定の電流を検出している状態にあるものとして、リレードライバ27に対して、リレー22をオン状態に切り替えることを示す信号を出力する。該信号が入力されたリレードライバ27は、リレー22をオン状態に制御するための駆動電流を各リレー22に供給し続ける。これにより、電源供給経路が導通状態となり、外部負荷11に対する電池パック20−1からの電力供給が許可される。一方、制御部26は、電流計測値Iinが閾値It以下の値に変化すると、特定の電流を検出していない状態にあるものとして、リレードライバ27に対してリレー22をオフ状態に制御することを示す信号を出力する。該信号が入力されたリレードライバ27は、リレー22に対する駆動電流の供給を停止する。これにより、電源供給経路が遮断状態となり、外部負荷11に対する電池パック20−1からの電力供給が禁止される。
【0023】
こうした構成の電池パック20−1,20−2,20−3は、電池パック20−1の第1の出力端子28が電池パック20−2の第1の入力端子29に接続され、電池パック20−2の第2の出力端子30が電池パック20−1の第2の入力端子31に接続されている。また、電池パック20−2の第1の出力端子28が電池パック20−3の第1の入力端子29に接続され、電池パック20−3の第2の出力端子30が電池パック20−2の第2の入力端子31に接続されている。また、電池パック20−3の第1の出力端子28が電池パック20−1の第1の入力端子29に接続され、電池パック20−1の第2の出力端子30が電池パック20−3の第2の入力端子31に接続されている。各第2の入力端子31は、グランドに接続されている。電源装置10では、各制御装置23の定電流生成部24が互いに異なる制御装置23の電流計測部25に接続されている。
【0024】
一方、スイッチ12は、電池パック20−1の第1の出力端子28と電池パック20−2の第1の入力端子29とを接続する接続回路に挿入されている。スイッチ12は、当該接続回路を開閉するスイッチであって、作業者によって操作される安全プラグや、電源装置10において何らかの異常が検出されたときに制御されるスイッチが含まれる。スイッチ12は、オン状態では第1の出力端子28と第1の入力端子29とを接続し、オフ状態では第1の出力端子28と第1の入力端子29とを遮断する。
【0025】
次に、上述した構成の電源装置10の動作について説明する。
スイッチ12がオン状態にあり、且つ、各電池パック20−1,20−2,20−3のリレー22がオン状態にある電源装置10において、スイッチ12がオフ状態に変化すると、電池パック20−1の第1の出力端子28と電池パック20−2の第1の入力端子29とが遮断される。そのため、電池パック20−2においては、第1の入力端子29に電池パック20−1の第1の出力端子28から定電流が供給されなくなることで、電流計測部25の電流計測値Iinが閾値It以下へと変化する。これに基づき制御装置23は、定電流生成部24を停止状態に制御するとともに各リレー22をオン状態からオフ状態に制御する。その結果、電池パック20−2から外部負荷11への電力供給が禁止される。
【0026】
また、電池パック20−2の定電流生成部24が停止状態に制御されると、電池パック20−3の第1の入力端子29にも定電流が供給されなくなる。これに基づき電池パック20−3の制御装置23は、定電流生成部24を停止状態に制御するとともに各リレー22をオン状態からオフ状態へ制御する。その結果、電池パック20−3から外部負荷11への電力供給が禁止される。
【0027】
そして、電池パック20−3の定電流生成部24が停止状態に制御されると、電池パック20−1の第1の入力端子29にも定電流が供給されなくなる。これに基づき電池パック20−1の制御装置23は、定電流生成部24を停止状態に制御するとともに各リレー22をオン状態からオフ状態へ制御する。その結果、電池パック20−1から外部負荷11への電力供給が禁止される。
【0028】
すなわち、スイッチ12がオン状態からオフ状態に変化すると、電池パック20−2、電池パック20−3、電池パック20−1の順で、定電流生成部24が停止状態に制御されるともにリレー22がオフ状態に制御され、電源装置10から外部負荷11への電力供給が禁止される。
【0029】
一方、外部負荷11への電力供給が開始される際には、電池パック20−1の制御装置23に対して電源装置10の電力供給を開始することを示す信号が外部から入力される。そして、該制御装置23は、定電流生成部24を供給状態に制御する。
【0030】
この際、スイッチ12がオフ状態にある場合には、全ての制御装置23において電流計測部25に定電流が供給されない。そのため、電池パック20−1の制御装置23は、所定期間T2経過する前に閾値Itよりも大きい値の電流計測値Iinが入力されなかったものとして、所定期間T2の経過直後に定電流生成部24を停止状態に制御する。すなわち、各電池パック20−1,20−2,20−3のリレー22がオフ状態のままであることから、電源装置10から外部負荷11への電力供給が禁止された状態が維持される。
【0031】
反対に、スイッチ12がオン状態である場合には、電池パック20−1の第1の出力端子28から電池パック20−2の第1の入力端子29に対して定電流が供給される。そのため、電池パック20−2の制御装置23は、電流計測値Iinが閾値Itよりも大きな値に変化した直後の所定期間T1において、閾値Itよりも大きい電流計測値Iinが入力され続ける。そのため、電池パック20−2の制御装置23は、定電流生成部24を供給状態に制御するとともに各リレー22をオフ状態からオン状態に制御する。これにともない、電池パック20−3でも、電流計測値Iinが閾値Itよりも大きな値に変化した直後の所定期間T1において閾値Itよりも大きい電流計測値Iinが入力され続けるため、定電流生成部24が供給状態に制御されるとともに各リレー22がオン状態に制御される。そして、電池パック20−1では、閾値Itよりも大きな電流計測値Iinが所定期間T2経過する前に入力され、且つその後の所定期間T1において閾値Itよりも大きい電流計測値Iinが入力され続けるため、定電流生成部24が供給状態に維持されるとともに各リレー22がオン状態に制御される。その結果、各電池パック20−1,20−2,20−3において電池スタック21の電源供給経路が導通状態となり、電源装置10から外部負荷11への電力供給が許可される。
【0032】
以上説明したように、上記実施形態の電源装置10によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
(1)電源装置10では、各制御装置23に定電流生成部24が設けられる。そして、電池パック20−1の定電流生成部24が電池パック20−2の電流計測部25に、電池パック20−2の定電流生成部24が電池パック20−3の電流計測部25に、電池パック20−3の定電流生成部24が電池パック20−1の電流計測部25に定電流を出力する。その結果、電源装置10に搭載される電池パックの数に関わらず、定電流生成部24の容量不足が抑えられる。
【0033】
(2)また、各電池パック20−1,20−2,20−3には、同じ構成の制御装置23を搭載することが可能である。そのため、電源装置10に搭載される電池パックの数に関わらず、同じ構成の電池パックで電源装置10を構成することができる。
【0034】
(3)また、電源装置10では、定電流生成部24と電流計測部25とを接続する回路のいずれか1つにスイッチ12を挿入するだけで電力供給の許可と禁止とが切り替えられる。その結果、電源装置10の構成を簡素なものとすることができる。
【0035】
(4)反対に、電源装置10では、定電流生成部24と電流計測部25とを接続する回路のいずれに対してもスイッチ12を挿入することが可能である。その結果、電源装置10に複数のスイッチ12が設定される場合であっても容易に対応することができる。
【0036】
(5)定電流生成部24は、定電流源24bにより定電流値Iの定電流を生成する。そのため、定電流生成部24の出力回路が短絡したとしても当該出力回路に電流制限がかかる。その結果、短絡に基づく定電流生成部24や電流計測部25の故障が抑えられることから、各電池パックの信頼性、ひいては電源装置10の信頼性が向上する。
【0037】
(6)電源装置10では、該電源装置10の電力供給を開始することを示す信号が電池パック20−1の制御装置23のみに入力されるだけで各電池パック20−1,20−2,20−3においてリレー22がオフ状態からオン状態に制御することができる。
【0038】
(7)ここで、例えば、電池パック20−2の制御装置23に電源装置10の電力供給を開始することを示す信号が入力されるとなれば、スイッチ12がオフ状態にあったとしても、電池パック20−3及び電池パック20−1の各リレー22が一時的にオン状態に制御される虞がある。そのため、制御装置23には、こうした一時的なリレー22の閉動作を防止するための方策が求められる。
【0039】
この点、電源装置10では、定電流生成部24にスイッチ12が接続された制御装置23に対して、該電源装置10の電力供給を開始することを示す信号が入力される。そのため、電源装置10では、スイッチ12がオフ状態にあるときには、全ての制御装置23の電流計測部25にて定電流が検出されないことから、全ての電池パック20−1,20−2,20−3において各リレー22がオフ状態に維持される。
【0040】
(8)しかも、各制御装置23は、電流計測値Iinが閾値Itよりも大きい値に変化したのち所定期間T1だけ電流計測値Iinが閾値Itよりも大きい値が入力され続けると、定電流生成部24を供給状態に制御するとともに各リレー22をオン状態に制御する。そのため、何らかの原因により所定期間T1よりも短い期間に電流計測部25にて閾値Itよりも大きい電流計測値Iinが一時的に計測されたとしても、全ての電池パック20−1,20−2,20−3において各リレー22がオフ状態に維持される。その結果、電源装置10の安全性が向上する。
【0041】
(9)電流計測部25は、検出抵抗25aの両端に生じる電位差Vに基づいて電流計測値Iinを算出する。その結果、他の制御装置23の定電流生成部24から定電流が供給されているか否かを簡易な構成の下で検出することができる。
【0042】
なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・電流計測部25における電流計測値Iinは、検出抵抗25aを用いて計測されたものに限らず、例えば、カレントトランスやホール素子型の磁気センサー等を用いて計測されたものであってもよい。要は、第1の入力端子29に対して入力される直流電流の電流値が計測可能であればよい。
【0043】
・電源装置10の電力供給を開始することを示す信号は、複数の制御装置23に入力されてもよい。また、電源装置10の電力供給を開始することを示す信号は、スイッチ12の一端が接続された定電流生成部24を備える制御装置23ではなく、他の制御装置、例えばスイッチ12の他端が接続された電流計測部25を備えた制御装置23に入力されてもよい。
【0044】
・定電流生成部24は、特定の電流を出力するものであるが、定電流を出力する定電流源24bに限らず、通常の電源や定電圧源であってもよい。また、特定の電流は、直流電流に限らず、交流電流やパルス状の電流であってもよい。つまり、電源部から電流が出力されていることを検出部が判別可能な電流であればよい。
【0045】
・
図4に示されるように、電流計測部25の他端がグランドに接続されていてもよい。こうした構成によれば、各電池パックにおいて第2の出力端子30と第2の入力端子31とが省略されることから、各電池パックの構成、ひいては電源装置10の構成をより簡易なものとすることができる。
【0046】
・制御装置23では、電流計測部25の電流計測値Iinに基づいて、マイクロコンピュータである制御部26が定電流生成部24及びリレードライバ27を制御している。これに限らず、制御装置23は、例えば、検出抵抗25aの電位差Vに基づいて作動するコンパレータの出力を用いて定電流生成部24及びリレードライバ27を駆動してもよい。
【0047】
・制御装置23は、閾値Itよりも大きい電流計測値Iinが所定期間T1入力され続けることで、特定の電流を検出している状態にあると判断した。これに限らず、制御装置23は、特定の電流を一時的にでも検出すれば、特定の電流を検出したと判断してもよい。また、所定期間T1と所定期間T2とは、互いに同じ値に設定されてもよいし、互いに異なる値に設定されてもよい。また、所定期間T1及び所定期間T2の各々は、上記実施形態の値とは異なる値に設定されてもよい。また、閾値Itについても一定の幅を有するように設定されてもよい。
【0048】
・上記実施形態では、n=3の電源装置10について説明したが、電源装置10は、n個(nは2以上の整数)の電池パックを備えていればよい。
電池パックがn個の場合でも、上記実施形態と同様に、各々の電池パックは、定電流生成部24、電流計測部25、制御部26、リレードライバ27を備えた制御装置23を有する。そして、n個の電池パックに1からnの順番をつけた場合、第k番目(kは1≦k≦n−1の整数)の電池パックの電源部は、第k+1番目の電池パックの検出部に直流電流を出力し、第n番目の電源部は、第1番目の検出部に直流電流を出力する。これにより、n個の電池パックの制御装置23は、論理上、全体として閉回路となる。
【0049】
なお、この場合、スイッチ12の位置は、ある電源部と、その電源部から出力された直流電流を検出する検出部との間に設ければよく、スイッチ12の数も1つ以上であれば特に限定されるものでもない。
【0050】
・電源装置10は、外部負荷11に対して、各電池パックの電池スタック21が直列に接続されていてもよいし、直並列に接続されてもよい。
・電源装置10は、ハイブリッド自動車や電気自動車に限らず、電気機器に対して電力を供給する電源装置に適用可能である。