JP2011078184A - 車両用の電源装置及びこの電源装置を搭載する車両 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒューズを簡単に交換できる構造としながら、ヒューズの温度履歴から劣化を判定してヒューズを有効に使用する。
【解決手段】車両用の電源装置は、電池１を備える本体部１０と、本体部１０に脱着自在にセットされて電池１と直列接続される接続回路２１を備えるサービスプラグ２０と、電池１の出力側に接続されるコンタクタ４と、サービスプラグ２０の本体部１０へのセット状態でコンタクタ４をオンオフに制御する制御回路５と、電池１の過電流で溶断されるヒューズ８とを備えている。電源装置は、ヒューズ８をサービスプラグ２０に設けると共に、このサービスプラグ２０にはヒューズ８の温度を検出する温度センサ９も設けている。車両用の電源装置は、サービスプラグ２０が本体部１０にセットされる状態で、ヒューズ８が電池１と直列に接続され、温度センサ９でヒューズ８の温度を検出して本体部１０に温度信号を出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両用の電源装置と車両に関し、とくに車両を走行させる電池と直列にヒューズとサービスプラグとを接続している車両用の電源装置とこの電源装置を搭載する車両に関する。

電池の過電流を防止するためにヒューズを直列に接続しているバッテリシステムは開発されている。（特許文献１参照）
特許文献１のバッテリシステムは、図１に示すように、電池９１を２組の電池ブロック９５に分割して、電池ブロック９５をヒューズ９８を介して直列に接続している。さらに、電池９１の出力側にはコンタクタ９２を接続している。このバッテリシステムは、電池９１に過電流が流れるとヒューズ９８を溶断して電池９１の電流を遮断する。このバッテリシステムは、過電流でヒューズ９８を溶断して高い安全性を実現している。

ヒューズは、溶断電流よりも小さい電流であっても、繰り返し大きな電流が流れると劣化して寿命が短くなる。たとえば、溶断電流の５０％程度の過電流は、ヒューズを劣化させて寿命を短くする原因となる。劣化したヒューズは溶断電流が小さくなる。このため、劣化したヒューズは規定の溶断電流よりも小さい過電流で溶断して、電池による走行を実現できなくなる弊害がある。

ところで、車両用の電源装置は、より安全性を向上するために、電池と直列にサービスプラグを脱着できるように連結している。サービスプラグは、外される状態で、電池の接続を途中で切断して出力電圧を０Ｖとして安全性を向上する。さらに、サービスプラグが外されるときには、コンタクタも強制的にオフに切り換えて、より安全性を向上している。オン状態のコンタクタが車両側の負荷に大電流を流している状態でサービスプラグが除去されて発生するスパークを阻止するためである。このため、サービスプラグが除去される状態では、コンタクタを強制的にオフに切り換えるインターロック回路を設けている。インターロック回路は、サービスプラグに設けているショート回路の接続状態を検出して、サービスプラグが接続されていることを判定してコンタクタをオフに切り換える。

特開２００８−１９３７７６号公報

サービスプラグを備える電源装置は、ヒューズをサービスプラグに設けることで、サービスプラグと一緒にヒューズを交換できる。しかしながら、この電源装置においても、ヒューズの劣化状態を判定できないので、ヒューズを最適なタイミングに交換するのは難しい。ヒューズの交換が遅れて、劣化したヒューズが使用されると、ヒューズの溶断電流が小さくなって車両を電池で走行できなくなる確率が高くなり、反対に劣化の少ないヒューズを交換すると、ヒューズを有効に使用できなくなってランニングコストが高くなる欠点がある。

本発明は、さらにこの欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、ヒューズを簡単に交換できることに加えて、ヒューズの温度履歴を検出してヒューズを有効に使用できる車両用の電源装置とこの電源装置を搭載する車両を提供することにある。
さらに、本発明の他の大切な目的は、サービスプラグにヒューズと温度センサの両方を設ける独特の構造によって、温度センサとヒューズを理想的な熱結合状態として、ヒューズの温度を正確に検出して温度履歴から劣化を確実に判定できる車両用の電源装置とこの電源装置を搭載す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、充電できる電池１を備える本体部１０と、この本体部１０に脱着自在にセットされて、セットされる状態で電池１と直列接続される接続回路２１を備えるサービスプラグ２０と、電池１の出力側に接続されて、サービスプラグ２０の本体部１０へのセット状態でオンオフに制御されるコンタクタ４と、サービスプラグ２０の本体部１０へのセット状態でコンタクタ４をオンオフに制御する制御回路５と、電池１と直列に接続されて電池１の過電流で溶断されるヒューズ８とを備えている。車両用の電源装置は、ヒューズ８をサービスプラグ２０に設けると共に、このサービスプラグ２０にはヒューズ８の温度を検出する温度センサ９も設けている。車両用の電源装置は、サービスプラグ２０が本体部１０にセットされる状態で、接続回路２１とヒューズ８とが電池１と直列に接続され、さらに、温度センサ９でもってヒューズ８の温度を検出して本体部１０に温度信号を出力する。

以上の電源装置は、ヒューズを簡単に交換できることに加えて、ヒューズの温度履歴を検出してヒューズを有効に使用できる特徴がある。それは、以上の電源装置がサービスプラグにヒューズと温度センサの両方を設けているので、温度センサで検出されるヒューズ温度からヒューズの温度履歴を検出できるからである。
さらに、サービスプラグにヒューズと温度センサの両方を設ける独特の構造によって、以上の電源装置は、温度センサとヒューズを理想的な熱結合状態として、ヒューズの温度を正確に検出して温度履歴から劣化を確実に判定できる特徴も実現する。

本発明の車両用の電源装置は、サービスプラグ２０が電池１に接続される状態で導通されるショート回路２２を備えて、このショート回路２２に温度センサ９を接続することができる。
以上の電源装置は、ショート回路に温度センサを接続するので、温度センサの温度信号を検出するために専用の回路を設ける必要がなく、回路構成を簡単にできる。ショート回路に温度センサを接続しないサービスプラグは、図３に示すように、接続状態を検出するためのショート回路２２と、温度センサ９を接続している専用回路２３と、ヒューズ８を接続している接続回路２１との３回路を設けて、各々の回路をコネクタを介して電池１側に接続する必要がある。ところが、ショート回路２２に温度センサ９を接続しているサービスプラグ２０は、図２に示すように、ショート回路２２及び温度センサ９の回路を１回路とし、これにヒューズ８の接続回路２１を設ける２回路として、これを電池１側に接続して、サービスプラグ２０の接続状態を検出しながら、ヒューズ８の温度を検出できる。

本発明の車両用の電源装置は、ヒューズ８の温度履歴からヒューズ８の劣化度を判定する劣化判定回路６を備えることができる。
以上の電源装置は、ヒューズの温度履歴からヒューズの劣化度を判定してヒューズを最適なタイミングで交換できる。

本発明の車両は、請求項１ないし３のいずれかに記載の車両用の電源装置を搭載している。
この車両は、電源装置に脱着自在に装着されるサービスプラグを交換することでヒューズを簡単に交換しながら、サービスプラグに設けた温度センサでヒューズの温度を検出することで、ヒューズを最適なタイミングで交換して、安心して使用できる特徴がある。

従来の車両用の電源装置の概略構成図である。 本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置の概略構成図である。 本発明の他の実施例にかかる車両用の電源装置の概略構成図である。 本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置を搭載する車両の一例を示す概略図である。 本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置を搭載する車両の他の一例を示す概略図である。

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搭載す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。

図２に示す車両用の電源装置は、充電できる電池１を備える本体部１０と、この本体部１０に脱着自在にセットされて、セットされる状態で電池１と直列接続される接続回路２１を備えるサービスプラグ２０と、電池１の出力側に接続されて、サービスプラグ２０の本体部１０へのセット状態でオンオフに制御されるコンタクタ４と、サービスプラグ２０が本体部１０へのセット状態でコンタクタ４をオンオフに制御する制御回路５と、電池１と直列に接続されて電池１の過電流で溶断されるヒューズ８とを備える。

本体部１０に内蔵される電池１は、複数の素電池２を直列に接続している２組の電池ブロック３からなる。２組の電池ブロック３は、サービスプラグ２０の接続回路２１に設けたヒューズ８で直列に接続される。電池１は、車両を走行させるもので、複数の素電池２を直列に接続して出力電圧を高く、たとえば１００Ｖ〜３００Ｖとしている。素電池２は、ニッケル−水素電池やリチウムイオン二次電池など、充電できる全ての電池とすることができる。

電池１は、プラス側とマイナス側にコンタクタ４を接続している。プラス側とマイナス側のコンタクタ４は、同時にオンからオフに切り換えられて、電池１のプラス側とマイナス側の出力を遮断する。

サービスプラグ２０は、本体部１０に脱着自在にセットされる。このサービスプラグ２０は、本体部１０にセットされる状態で電池１を直列に接続する接続回路２１を備えている。接続回路２１はヒューズ８を接続している。サービスプラグ２０は、メインコネクタ１１を介して本体部１０に脱着自在にセットされる。メインコネクタ１１は、サービスプラグ２０側に固定している一対の接続端子１１Ａと、本体部１０側に設けられて、サービスプラグ２０の接続端子１１Ａに接触して電気接続される一対の接触端子１１Ｂとを備えている。接続端子１１Ａは接触端子１１Ｂに出し入れできるように挿入される。このサービスプラグ２０は、本体部１０の所定の位置にセットされる状態で、接続端子１１Ａを接触端子１１Ｂに接触させて、ヒューズ８を備える接続回路２１でもって２組の電池ブロック３を直列に接続する。サービスプラグ２０が本体部１０から除去されると、２組の電池ブロック３は接続されなくなる。したがって、サービスプラグ２０が外される状態で、電池１の出力側に電圧が出力されず、出力側に接触しても感電やショートを起こすことがない。

図２のサービスプラグ２０は、接続回路２１にヒューズ８を接続して、ヒューズ８のある接続回路２１で２組の電池ブロック３を直列に接続する。ヒューズ８は、接続回路２１の途中、すなわち一対の接続端子１１Ａの間に接続される。このサービスプラグ２０は、本体部１０にセットされる状態で、一対の接続端子１１Ａを本体部１０の接触端子１１Ｂに接続し、ヒューズ８のある接続回路２１でもって２組の電池ブロック３を直列に接続する。

さらに、サービスプラグ２０は、これが本体部１０にセットされるかどうかを本体部１０側で判定するためのショート回路２２を設けている。ショート回路２２には温度センサ９を接続している。ショート回路２２は、サブコネクタ１２を介して本体部１０に接続される。図２のサブコネクタ１２は、サービスプラグ２０側に接続端子１２Ａを設け、この接続端子１２Ａを脱着自在に連結する接触端子１２Ｂを本体部１０に設けている。温度センサ９は、その両端を一対の接続端子１２Ａに接続して、ショート回路２２に接続している。温度センサ９は、温度によって電気抵抗が変化するサーミスタやバリスタ等の素子である。このショート回路２２は、温度センサ９の電気抵抗が短絡抵抗となる。サービスプラグ２０が本体部１０にセットされて、接続端子１２Ａを接触端子１２Ｂに接続させる状態で、本体部１０の制御回路５はサービスプラグ２０がセットされたことを検出する。

図２の制御回路５は、プラス側の接触端子１２Ｂを、プルアップ抵抗１６を介してプラス側の電源１７に接続して、マイナス側の接触端子１２Ｂを電源のマイナス側、すなわちアース側に接続している。プルアップ抵抗は、温度センサ９の電気抵抗に対して十分に大きな電気抵抗としている。この制御回路５は、サービスプラグ２０が接続されて、一対の接触端子１２Ｂに温度センサ９が接続されると、プラス側の接触端子１２Ｂの電圧が所定の電圧よりも低く、”Ｌｏｗ”となる。一対の接触端子１２Ｂが温度センサ９でショートされるからである。サービスプラグ２０が除去されると、一対の接触端子１２Ｂがショートされなくなり、プラス側の接触端子１２Ｂの電圧は電源電圧の”Ｈｉｇｈ”となる。したがって、制御回路５は、接触端子１２Ｂから入力される”Ｌｏｗ”と”Ｈｉｇｈ”の信号を検出して、サービスプラグ２０の接続状態を判定できる。

制御回路５は、入力される”Ｌｏｗ”と”Ｈｉｇｈ”の信号でサービスプラグ２０の接続状態を検出して、サービスプラグ２０の接続状態ではコンタクタ４をオン、サービスプラグ２０が接続されない状態ではコンタクタ４を強制的にオフに切り換える。

図２のサービスプラグ２０は、本体部１０から外される状態で、メインコネクタ１１よりもサブコネクタ１２を先にオフ状態とする構造としている。図２のサービスプラグ２０は、メインコネクタ１１の接続端子１１Ａをサブコネクタ１２の接続端子１２Ａよりも長くして、いいかえると、メインコネクタ１１の接続端子１１Ａと接触端子１１Ｂの接触部分の長さを、サブコネクタ１２の接続端子１２Ａと接触端子１２Ｂの接触部分の長さよりも長くして、メインコネクタ１１よりも先にサブコネクタ１２を非接続状態とする構造としている。このサービスプラグ２０は、本体部１０から外されるときに、サブコネクタ１２に接続しているショート回路２２が切り離された後、メインコネクタ１１が切り離されるので、制御回路５がコンタクタ４を強制的にオフに切り換えた後、メインコネクタ１１が切り離される。したがって、このサービスプラグ２０は、本体部１０から外すときに、メインコネクタ１１の接続端子１１Ａと接触端子１１Ｂとのアークを確実に阻止できる特徴がある。以上のサービスプラグ２０は、接続端子１１Ａ、１２Ａと接触端子１１Ｂ、１２Ｂの接触部分の長さで、サブコネクタ１２をメインコネクタ１１よりも先にオフに切り換える構造としている。ただ、サービスプラグは、以上の構造に代わって、図示しないが、サービスプラグを横に移動して、サブコネクタをオフに切り換えた後、メインコネクタを外す構造、あるいはレバーを操作して、サブコネクタをオフに切り換えた後、メインコネクタを切り離す構造など、先にサブコネクタをオフに切り換えた後、メインコネクタを切り離す全ての機構とすることができる。

サービスプラグ２０のショート回路２２に接続している温度センサ９は、サービスプラグ２０に設けているヒューズ８に熱結合されてヒューズ８の温度を検出する。ヒューズ８は、電池１の過電流によって温度が上昇して劣化するので、ヒューズ８の温度信号をサブコネクタ１２を介して本体部１０に出力する。

本体部１０は、接触端子１２Ｂから入力される電圧でヒューズ８の温度を検出する。温度センサ９の電気抵抗がヒューズ８の温度で変化して、接触端子１２Ｂの電圧を変化させるからである。接触端子１２Ｂから入力される電圧は、温度センサ９の電気抵抗とプルアップ抵抗１６の分圧比で特定される。したがって、本体部１０は、サービスプラグ２０を接続する状態で、接触端子１２Ｂの入力電圧から温度センサ９の電気抵抗を検出し、この電気抵抗からヒューズ８の温度を検出する。プルアップ抵抗１６に代わって定電流回路を使用して、ヒューズ８の温度はより正確に検出できる。プルアップ抵抗１６を定電流回路とする回路は、温度センサ９の電気抵抗と定電流回路の電流との積の電圧が入力されるので、この入力電圧から電気抵抗を検出し、電気抵抗からヒューズ８の温度を検出する。

以上のサービスプラグは、ショート回路２２に温度センサ９を接続するので、温度センサ９の温度信号を検出するために専用の回路を設ける必要がなく、いいかえると、ショート回路２２を温度センサ９の温度信号を検出するための回路に併用して、全体の構成を簡単にできる。ただ、サービスプラグは、図３に示すように、温度センサ９の温度信号を検出するために専用の回路を設けることもできる。

図３に示すサービスプラグは、ヒューズ８を接続している接続回路２１と、サービスプラグ２０の接続状態を検出するためのショート回路２２と、温度センサ９を接続している専用回路２３の３回路を設けている。ヒューズ８を接続している接続回路２１は、メインコネクタ１１を介して本体部１０に接続されて、２組の電池ブロック３を直列に接続している。ショート回路２２は、サブコネクタ１２を介して本体部１０に接続している。このショート回路２２は、サービスプラグ２０が本体部１０にセットされて、接続端子１２Ａが接触端子１２Ｂに接続される状態で、一対の接触端子１２Ｂを短絡させる。制御回路５は、一対の接触端子１２Ｂが短絡されたことを検出して、サービスプラグ２０がセットされたことを検出し、コンタクタ４をオンオフに制御する。さらに、温度センサ９を接続している専用回路２３は、サブコネクタ１３を介して本体部１０に接続している。専用回路２３に接続している温度センサ９は、サービスプラグ２０に設けているヒューズ８に熱結合されて、ヒューズ８の温度を検出する。温度センサ９は、サブコネクタ１３を介して本体部１０の劣化判定回路６に接続されており、この劣化判定回路６によって、温度センサ９の電気抵抗の変化からヒューズ８の温度信号を検出している。

図３のサービスプラグ２０も、本体部１０から外される状態で、メインコネクタ１１よりもサブコネクタ１２、１３を先にオフ状態とする構造としている。図のサービスプラグ２０は、メインコネクタ１１の接続端子１１Ａと接触端子１１Ｂの接触部分の長さを、サブコネクタ１２、１３の接続端子１２Ａ、１３Ａと接触端子１２Ｂ、１３Ｂの接触部分の長さよりも長くして、メインコネクタ１１よりも先にサブコネクタ１２、１３を非接続状態とする構造としている。このサービスプラグ２０も、本体部１０から外されるときに、サブコネクタ１２に接続しているショート回路２２が切り離された後、メインコネクタ１１が切り離されるので、制御回路５がコンタクタ４を強制的にオフに切り換えた後、メインコネクタ１１が切り離されるので、接続端子１１Ａと接触端子１１Ｂとのアークを確実に阻止できる。

本体部１０は、ヒューズ８の温度履歴からヒューズ８の劣化度を判定する劣化判定回路６を備える。劣化判定回路６は、ヒューズ８の温度の積分値や所定の温度を超える回数、あるいはこれらの両方からヒューズ８の劣化度を判定する。劣化判定回路６は、ヒューズ８の劣化度を判定して、ヒューズ８の劣化度が設定値を超えると、車両側に「ヒューズが劣化したことを示す信号」を出力する。車両側は、この信号が入力されると、たとえば運転席のモニタに「ヒューズを交換」等の表示をし、あるいは車両側のコンピューターに「ヒューズ交換」の信号を記憶させる。コンピューターに記憶される「ヒューズ交換」の信号は、ディーラーのメンテナンスにおいて検出され、ディーラーによってサービスプラグ２０と一緒に交換される。

以上の車両用の電源装置は、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、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に搭載されて、これらの車両の電源として使用される。

図４に、エンジン５５とモータ５２の両方で走行するハイブリッドカーに車両用の電源装置１００を搭載する例を示す。この図に示す車両ＨＶは、車両ＨＶを走行させるエンジン５５及び走行用のモータ５２と、モータ５２に電力を供給する車両用の電源装置１００と、車両用の電源装置１００の電池を充電する発電機５３とを備えている。車両用の電源装置１００は、ＤＣ／ＡＣインバータ５１を介してモータ５２と発電機５３に接続している。車両ＨＶは、車両用の電源装置１００の電池を充放電しながらモータ５２とエンジン５５の両方で走行する。モータ５２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５２は、車両用の電源装置１００から電力が供給されて駆動する。発電機５３は、エンジン５５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、車両用の電源装置１００の電池を充電する。

また、図５に、モータ５２のみで走行する電気自動車に車両用の電源装置１００を搭載する例を示す。この図に示す車両ＥＶは、車両ＥＶを走行させる走行用のモータ５２と、このモータ５２に電力を供給する車両用の電源装置１００と、この車両用の電源装置１００の電池を充電する発電機５３とを備えている。モータ５２は、車両用の電源装置１００から電力が供給されて駆動する。発電機５３は、車両ＥＶを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、車両用の電源装置１００の電池を充電する。

１…電池
２…素電池
３…電池ブロック
４…コンタクタ
５…制御回路
６…劣化判定回路
８…ヒューズ
９…温度センサ
１０…本体部
１１…メインコネクタ １１Ａ…接続端子
１１Ｂ…接触端子
１２…サブコネクタ １２Ａ…接続端子
１２Ｂ…接触端子
１３…サブコネクタ １３Ａ…接続端子
１３Ｂ…接触端子
１６…プルアップ抵抗
１７…電源
２０…サービスプラグ
２１…接続回路
２２…ショート回路
２３…専用回路
５１…ＤＣ／ＡＣインバータ
５２…モータ
５３…発電機
５５…エンジン
９１…電池
９２…コンタクタ
９５…電池ブロック
９８…ヒューズ
１００…電源装置
ＨＶ…車両
ＥＶ…車両

Claims (4)

1. 充電できる電池(1)を備える本体部(10)と、この本体部(10)に脱着自在にセットされてセットされる状態で前記電池(1)と直列接続される接続回路(21)を備えるサービスプラグ(20)と、前記電池(1)の出力側に接続されて、前記サービスプラグ(20)の本体部(10)へのセット状態でオンオフに制御されるコンタクタ(4)と、前記サービスプラグ(20)が本体部(10)へのセット状態でコンタクタ(4)をオンオフに制御する制御回路(5)と、前記電池(1)と直列に接続されて電池(1)の過電流で溶断されるヒューズ(8)とを備える車両用の電源装置であって、
   前記ヒューズ(8)がサービスプラグ(20)に設けられると共に、このサービスプラグ(20)にはヒューズ(8)の温度を検出する温度センサ(9)も設けており、
   前記サービスプラグ(20)が本体部(10)にセットされる状態で、接続回路(21)とヒューズ(8)とが電池(1)と直列に接続され、さらに、前記温度センサ(9)でもってヒューズ(8)の温度を検出して本体部(10)に温度信号を出力するようにしてなる車両用の電源装置。
2. 前記サービスプラグ(20)が電池(1)に接続される状態で導通されるショート回路(22)を備え、このショート回路(22)に前記温度センサ(9)を接続してなる請求項１に記載される車両用の電源装置。
3. 前記ヒューズ(8)の温度履歴からヒューズ(8)の劣化度を判定する劣化判定回路(6)を備える請求項１または２に記載される車両用の電源装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の車両用の電源装置を搭載する車両。

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