JP2005327590A - 車載用電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】 電力供給を遮断可能な遮断部を複雑・大型化することなく、低コストにできながら、遮断部への電源遮断時の負荷を低減して、電源システム全体としての低コスト化が図れる車載用電源システムを提供する。
【解決手段】 負荷への電力の供給を遮断可能な遮断部を有するリレーユニットが電源と負荷との間に接続される車載用電源システムであって、リレーユニット2は、電源3の正極と負荷4に直列に接続される第一遮断部21と、負荷4と電源3の負極に直列に接続される第三遮断部23と、第一遮断部21と第三遮断部23に直列に接続される第二遮断部22と、第二遮断部22と第三遮断部23に直列に接続されるコンデンサ24と、第二遮断部22に並列に接続される抵抗25とを具える。
【選択図】 図1

Description

本発明は、車両に搭載され、電力供給を遮断可能な遮断部を具える電源システムに関する。

近年、環境問題からハイブリッド自動車(HEV)や燃料電池自動車などといった高電圧(約300V)でモータなどを駆動する自動車が開発されてきている。これらの自動車は、モータなどの電気機器(負荷)に電力を供給する直流高電圧の電源を具え、電源と負荷とを電気的に接続又は切り離しする遮断機構として、機械的な接続又は切り離しを行う直流リレーを用いたリレーユニットが利用されている。

図3は、従来のHEVに搭載される電源システムを説明する概略回路図である。リレーユニット100は、複数の直流リレー101〜103と抵抗104とを具える。具体的には、リレーユニット100は、電源105の高電位側に第一リレー101、低電位側に第三リレー103を具える。また、第一リレー101と並列に第二リレー102及び抵抗104を具える。さらに、電源105には、コンデンサ106とインバータ107が並列に接続される。

上記リレーユニット100を用いたインバータ107への電力の供給は、電力投入直後、第二リレー102、抵抗104、第三リレー103を介して電流を流し、しばらくしてから第一リレー101及び第三リレー103を介して通常の電力供給を行う。

具体的には、第一リレー101をオフにしておき、第三リレー103、第二リレー102を順にオンにし、抵抗104を介して負荷への電力の投入を開始し、一定時間後、第一リレー101をオンにして、第一リレー101及び第三リレー103を介して負荷に電力を供給する。

これは、電力の投入開始直後、抵抗104を介して電流の制限を行わず、第一リレー101を介して直ちに電力の供給を行うと、インバータ107に過電流が流れてインバータ107が破壊される恐れがある。そこで、電力の投入開始直後は、コンデンサ106が十分に充電できるように、電流を制限するべく上記のように抵抗104を介して電力の供給を行う。このように電力の投入開始直後における電流の調整を行うため、従来は、図3に示すようにリレーユニットに三つの直流リレーを具えている。

しかし、上記のような直流高電圧を遮断する場合は交流と異なり、電流がゼロとなる点が無いため、電源遮断時においてこれらリレーで発生するアークが非常に大きく、短時間での遮断が非常に難しい。

そこで、従来、リレーユニットに用いられる直流リレーとして、水素などの冷却効果が大きい気体をアーク発生部に封入してアークの発生を抑える構造が提案されている(例えば特許文献1参照)。

特開平9−320411号公報

しかし、特許文献1に示すように、水素などの気体でアークの発生を抑制する構造とする場合には、気体をケース内に完全に密閉できるケース構造を必要とする。この場合、ケースはアークによる耐熱性が必要となって高価なもの（例えばセラミックなど）となる。

気密性および耐熱性を上げるためには、ケースの厚みを大きくとる必要があり、ケースの形状が大きくなる問題もある。また、耐熱性が得られない場合には、廃車までメンテナンスをせずに気密性を維持することは非常に困難となる。

このように、水素などの気体を封入する場合には、気体が封入された状態を長期間保持するために大型化が要求され、さらに構造も複雑となる。その結果、自動車という限られたスペースに搭載する機器において性能を落とすことなく小型化を実現することは非常に困難であった。

従って、本発明は、電力供給を遮断可能な遮断部を複雑・大型化することなく、低コストにできながら、遮断部への電源遮断時の負荷を低減して、電源システム全体としての低コスト化が図れる車載用電源システムを提供することを目的とする。

本発明は、負荷への電力の供給を遮断可能な遮断部を有するリレーユニットが電源と負荷との間に接続される車載用電源システムであって、リレーユニットは、以下の遮断部と、コンデンサと、抵抗とを具えることにより、上記目的を達成する。

リレーユニットは、直列に接続される第一遮断部と、第二遮断部と、第三遮断部と、コンデンサとを具え、コンデンサの高電位側に接続される第二遮断部に並列に抵抗を接続している。

具体的には、第一遮断部は、電源の正極と負荷に直列に接続する。第三遮断部は、負荷と電源の負極に直列に接続する。そして、第二遮断部は、第一遮断部と第三遮断部に直列に接続する。コンデンサは、第二遮断部と第三遮断部に直列に接続する。抵抗は、負荷への電力の供給を制限可能とし、第二遮断部に並列に接続する。

上記構成を具える本発車載用電源システムは、負荷に電力を供給する際、第一遮断部をオン、第二遮断部をオフ、第三遮断部をオンにし、負荷への電力投入開始直後は、抵抗を介して電流を流し、電流を制限した状態で電力を供給する。

そして、一定時間後、即ち、コンデンサが充電された後、第二遮断部をオンにして電流の制限をやめ、コンデンサを介して負荷に定常状態での電力を供給する。第二遮断部をオンすることにより、抵抗での電力消費を無くし、コンデンサの機能（直流リップル低減）を果たすことができる。

例えば、現行車載用に搭載されている入力用のコンデンサの容量は、300μF程度であり、抵抗値として1kΩ程度を選定すると、時定数:CR=300×10^-6×1000=300[msec]、定格:300×300/1000=90[W]となり、時定数としても問題のない時間で第二遮断部をオンすることができる。また、90W程度の抵抗であるならば、車載用としても問題のない大きさで実現できる。

以上のように、本発明は、負荷への電力の供給にあたり、従来のリレーユニットと同様に電流の調整を行うことができる。

負荷への電力供給を遮断する際は、第二遮断部をオフした後、第一遮断部と第三遮断部をオフして、大電流の通電を防止する。この遮断では、第二遮断部をオフすると、第二遮断部を流れていた電流は、並列に具える抵抗に流れ始める。従って、第二遮断部の接点間には電位差が生じにくいため、第二遮断部をオフする際でも、アークは発生しにくい。

また、メインの遮断部である第一遮断部と第三遮断部をオフする際には、コンデンサに電荷が蓄積されているために、第一遮断部と第三遮断部の端子間において電位差が生じにくい。そのため、第一遮断部と第三遮断部はほぼ同電位での遮断が実現でき、アークが生じにくくなる。

また、仮に電源、コンデンサの間に電位差が生じても、第二遮断部を遮断した後、電流が抵抗に流れることで、抵抗により電力エネルギーが消費される。その結果、第一遮断部と第三遮断部をオフにする際、第一遮断部などで発生するアークのエネルギーを抵抗を通じて消費することができるためアークの発生が低減される。

以上のように、本発明は、負荷への電力供給を遮断するにあたり、遮断部でのアークの発生を抑制できるので、接点の損傷等を防止できる。

本発明車載用電源システムでは、遮断部の開閉の制御を行う制御回路を具えていてもよい。制御回路は、低電圧電源(例えば、12V)に接続される電源回路と、信号の制御を行うMPU(マイクロコンピュータ)と、駆動部への信号の制御を行う半導体スイッチやリレーとを具える構成が挙げられる。

このような遮断部の開閉の制御は、ECU(Electric Control Unit、電子制御装置)などのMPU(マイクロコンピュータ)を搭載した制御機器を用いて適宜行うとよい。自動車に搭載される既存の制御装置に本発明車載用電源システムの駆動機能を追加して用いてもよい。

さらに、本発明車載用電源システムは、前記リレーユニットと負荷との間にコンバータ部を接続する構成としてもよい。この場合、コンバータ部は、スイッチング素子と、このスイッチング素子の制御により電荷を溜めて、少なくとも一つの遮断部の端子間電位差を緩和するリアクトルとを具えるようにすることができる。

コンバータ部としては、スイッチング素子、ダイオード、リアクトルからなる既存の昇圧コンバータを用いることができ、この昇圧コンバータのスイッチング素子とリアクトルをリレーユニットの遮断部の遮断時に用いる。既存の昇圧コンバータを用いることにより、部品点数が増加されることなく、遮断部のアークの発生を低減できる。

例えば、リアクトルは第一遮断部と負荷との間に直列に接続する。スイッチング素子は、リアクトルと第三遮断部との間に直列に接続する。

コンバータ部を使用する場合、第一遮断部、第二遮断部、そして第三遮断部がオンになっている状態では、スイッチング素子はオフにしておく。そして、負荷への電力供給を遮断する際は、第一遮断部と第三遮断部をオフする前に、スイッチング素子をオンにして、リアクトルにエネルギーを溜めて、第一遮断部等の端子間電位差を緩和させておく。次に、第一遮断部と第三遮断部をオフする。第一遮断部等の端子間において電位差が緩和されることから、第一遮断部等は同電位での遮断が実現でき、アークが生じにくくなる。

なお、スイッチング素子をオンする際、第二遮断部をオフするようにしてもよい。このように、リアクトルにエネルギーを溜めて遮断部の端子間電位差を緩和させるだけでなく、抵抗により電力を消費させることができるので、第一遮断部でのアークの発生をより効率良く抑制できる。

本発明のコンバータ部に使用するスイッチング素子としては、供給電流により線形動作及び非線形動作を行う素子であればよく、特に、半導体からなるものが好ましい。半導体からなる素子を用いると、通常変換時及びバックアップ時共に電力変換の際の損失を低減することができる。

半導体からなる素子としては、例えば、JFET(接合形電界効果トランジスタ)、FET(電界効果トランジスタ)、バイポーラトランジスタ、サイリスタ、GTO(ゲートターンオフサイリスタ)、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)などが挙げられる。特に、ワイドギャップ半導体からなるスイッチング素子を用いると、従来からよく用いられているSi系半導体からなるスイッチング素子よりも、より低損失で高速動作ができて好ましい。

なお、短絡事故などの事故の際、過大な電流が負荷に流れて火災などの重大な事態を回避するべく、過電流が流れた際、少なくとも第二遮断部をオフにする構成を具えることが好ましい。具体的には、負荷に供給される電流を測定する電流センサを具えておくことが挙げられる。電流センサは、例えば、ホール素子やカレントトランスなどが挙げられる。電流センサからの情報(測定データ)は、本発明車載用電源システムの制御回路に伝達して、閾値以上となった際、遮断部をオフにするように制御する。第二遮断部をオフにすると、過大な電流は、抵抗を介して流れることで、負荷への電流量が制限される。このように電流を制限することで、配線や負荷などが異常加熱するなどの事態を回避し易い。更に、第二遮断部に加えて、第一遮断部をオフにして、電力供給を完全に断つこともできる。

本発明の車載用電源システムは、リレーユニットは、電力投入時の電力調整を行う抵抗を具え、この抵抗をコンデンサに直列に、かつ、第二遮断部に並列に接続する構成としている。その結果、本発明の車載用電源システムによれば、電力調整が可能でありながら、遮断部を大型化することなく、遮断部のアーク発生を抑制できるという優れた効果が得られる。特に、本発明では、メインの遮断部である第一遮断部や第三遮断部のスペックを落とすことができ、車載用電源システム全体として低コスト化が可能となる。

即ち、本発明では、従来のような複雑で高価な気体の密封構造を用いず、簡易な構成でありながら、アークの発生を抑制することができ、アークを短時間で消弧させることが可能である。

また、従来のように気体を利用した消弧構造でないため、長期に亘り優れた遮断性能を維持することができる。更に、本発明は、大型で複雑な構造とならず、簡易な構成であることから、コストの低減も図ることが可能である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
(実施例1)
図1は、本発明車載用電源システムの概略を示す回路図である。本発明車載用電源システム1は、負荷への電力の供給を遮断可能な3つの遮断部を有するリレーユニット2が電源3と負荷4との間に接続される。さらに、本発明車載用電源システム1は、制御装置5によりリレーユニット2の各遮断部の開閉制御と負荷の駆動制御を行うようになっている。制御装置5は、ECU(Electric Control Unit、電子制御装置)などのMPU(マイクロコンピュータ)から構成される。

リレーユニット2は、第一遮断部21、第二遮断部22、第三遮断部23、コンデンサ24、抵抗25を具える。

第一遮断部21は、電源3の正極と負荷4（例えばインバータ）との間に直列に接続される。第三遮断部23は、負荷4と電源3の負極に直列に接続される。第二遮断部22は、第一遮断部21と第三遮断部23に直列に接続される。コンデンサ24は、第二遮断部22と第三遮断部23との間に直列に接続される。抵抗25は、第二遮断部22に並列に接続される。

第一遮断部21、第二遮断部22、第三遮断部23は、駆動部を具え、駆動部の開閉動作より接点を開閉するようになっている。駆動部の駆動源としては、例えば、ソレノイドを用いることができる。第一遮断部21、第二遮断部22、第三遮断部23は、それぞれ個別に駆動部を具えるようにしてもよい。また、第一遮断部21と第三遮断部23とを同時に駆動させる駆動部と、第二遮断部22を駆動させる駆動部とを具えるようにしてもよい。

＜動作説明＞
《電力投入動作》
上記構成を具える本発明車載用電源システムにおいて、負荷に電力を供給する際の動作を説明する。まず、第二遮断部22をオフにして、第一遮断部21と第三遮断部23をオンにする。すると、電源3→第一遮断部21→抵抗25→コンデンサ24→第三遮断部23→電源3という閉ループが構成され、抵抗を介してコンデンサ24に充電する。このような抵抗を介したコンデンサ24の充電を一定時間行う。

一定時間経過後、第二遮断部をオンにする。すると、電源3→第一遮断部21→第二遮断部22→コンデンサ24→第三遮断部23→電源3という閉ループが構成されるとともに、コンデンサ24→第二遮断部22→負荷4→コンデンサ24という閉ループも構成されて、コンデンサ24を介して負荷4に電力を供給する。即ち、第一遮断部21と第二遮断部22との双方をオンにした状態で通常時の電力供給が行われる。

このように電力の投入開始直後には、抵抗25を介してコンデンサ24に充電するため、コンデンサ24への電力を制限することができる。従って、電力の投入直後に大きな電流が流れてコンデンサ24が破壊されることなく、コンデンサ24に十分に充電させることができる。即ち、本発明は、従来のリレーユニットと同様に電流調整を行うことができる。

《電力遮断動作》
次に、負荷に電力を遮断する際の動作を説明する。電力供給時は、上記のように第一遮断部21、第二遮断部22、第三遮断部23がオンの状態である。この状態から電力の供給を遮断する際は、まず、第二遮断部22をオフにする。

第二遮断部22をオフすると、第二遮断部22を流れていた電流は、並列に具える抵抗25に流れ始める。従って、第二遮断部22の接点間には電位差が生じにくいため、第二遮断部22をオフする際、アークは発生しにくい。

第二遮断部22がオフされた後、第一遮断部21と第三遮断部23をオフする。第一遮断部21と第三遮断部23をオフする際には、コンデンサ24に電荷が蓄積されているため、第一遮断部21と第三遮断部23の端子間において電位差が生じにくい。そのため、第一遮断部21と第三遮断部23の各接点間は電位差が緩和された状態で遮断が実現でき、アークが生じにくくなる。なお、コンデンサの充電状態により電位差は変わる。

また、仮に電源3、コンデンサ24の間に電位差が生じても、第二遮断部22を遮断した後、電流が抵抗25を流れることにより電力エネルギーが消費される。その結果、第一遮断部21と第三遮断部23をオフにする際に発生するアークのエネルギーを抵抗を通じて消費することができるためアークの発生が低減される。

また、第一遮断部21と第三遮断部23とを同時に遮断する場合には、多接点遮断となる。このような遮断により、電源の電圧が分圧されて各接点に加わる電圧が小さくなることで、遮断の際、アークをさらに低減することができる。

(実施例2)
実施例2は、図2の本発明車載用電源システムの概略を示す回路図のように、上記実施例1のリレーユニット2と負荷4との間に、コンバータ部6を接続する構成としている。実施例1と同じ構成のものについては、同じ符号で示し、説明を省略する。なお、制御装置5は、コンバータ部6の第一スイッチング素子61と、第二スイッチング素子62の駆動制御も行うようになっている。

コンバータ部6は、第一スイッチング素子61と、第二スイッチング素子62と、これらスイッチング素子の制御によりエネルギーを溜めるリアクトル63と、第一ダイオード64と第二ダイオード65とを具える。第一スイッチング素子61と、第二スイッチング素子62として、MOS-FETを用いている。

このコンバータ部6は、昇圧コンバータであり、第一スイッチング素子61と、第二スイッチング素子62とは、負荷4に対して直列に接続される。第一スイッチング素子61のドレインは負荷4の電源ラインに接続され、第二スイッチング素子62のソースは負荷4のアースに接続されている。第一スイッチング素子61と、第二スイッチング素子62とを接続する線の中間点と、リレーユニット2の第一遮断部21との間にリアクトル63が接続される。

第一スイッチング素子61には第一ダイオード64が並列に接続され、第二スイッチング素子62には第二ダイオード65が並列に接続されている。第一ダイオード64と第二ダイオード65は、並列に接続されるスイッチング素子のドレイン側からソース側に電流を流すように接続されている。

コンバータ部6は、電力供給時においては、第一スイッチング素子61をオフ状態として、第二スイッチング素子62を周期的にスイッチング動作することにより、電源3の出力電圧を昇圧して負荷4に供給する。

また、本実施例のコンバータ部6は、負荷4、例えばモータで発生した電力で電源3を充電する場合には、降圧コンバータとして機能させることができるようになっている。この降圧動作時には、第二スイッチング素子62をオフにして、第一スイッチング素子61を周期的にスイッチング動作させる。

＜動作説明＞
《電力投入動作》
実施例2における車載用電源システムにおいて、負荷に電力を供給する際のリレーユニット2の動作は、実施例1と同じであるので説明を省略する。

リレーユニット2において、コンデンサ24が充電されると、コンバータ部6は、第一スイッチング素子61をオフ状態として、第二スイッチング素子62を周期的にスイッチング動作することにより、電源3の出力電圧を昇圧して負荷4に供給する。

実施例2においても、電力の投入開始直後には、抵抗25を介してコンデンサ24に充電するため、コンデンサ24への電力を制限することができる。従って、電力の投入直後に大きな電流が流れてコンデンサ24が破壊されることなく、コンデンサ24に十分に充電させることができる。

《電力遮断動作》
次に、負荷への電力供給を遮断する際の動作を説明する。電力供給時は、上記のように第一遮断部21、第二遮断部22、第三遮断部23がオンで、第一スイッチング素子61がオフ、第二スイッチング素子62がオンの状態である。この状態から電力の供給を遮断する際は、まず、第一スイッチング素子61をオン、第二スイッチング素子62がオフにし、第二遮断部22をオフにする。

第一スイッチング素子61のオン動作によりリアクトル63にエネルギーが溜められ、第一遮断部21及び第三遮断部23の端子間電位差が緩和される。

また、第二遮断部22をオフすると、第二遮断部22を流れていた電流は、並列に具える抵抗25に流れ始める。従って、第二遮断部22の接点間には電位差が生じにくいため、第二遮断部22をオフする際、アークは発生しにくい。

次に、第一遮断部21または第三遮断部23をオフする。第一遮断部21と第三遮断部23をオフする際には、コンデンサ24に電荷が蓄積されているため、第一遮断部21と第三遮断部23の端子間において電位差が生じにくい。さらに、リアクトル63にエネルギーを溜めているので、遮断部の端子間電位差をさらに緩和させることができる。

その結果、第一遮断部21と第三遮断部23は同電位での遮断が実現でき、アークの発生を防止できる。

本実施例では、第一スイッチング素子61をオンする際、第二遮断部22をオフするようにしているので、遮断部の端子間電位差を緩和させるだけでなく、抵抗により電力を消費させることができ、第一遮断部でのアークの発生をより効率良く抑制できる。

さらに、スイッチング素子として、ワイドギャップ半導体を用いると、従来からよく用いられているSi系半導体からなるスイッチング素子よりも、より低損失で高速動作ができで好ましい。

本発明車載用電源システムは、特に、負荷への電力投入直後の電流調整が可能で、かつ部品点数が少なく、より小型であり、例えば、自動車という限られたスペースに搭載する場合に最適である。

本発明車載用電源システムの実施例1の概略を示す回路図である。 本発明車載用電源システムの実施例2の概略を示す回路図である。 従来のHEVにおけるリレーユニットを具える車載用電源システムの概略回路図である。

符号の説明

1 車載用電源システム
2 リレーユニット
21 第一遮断部 22 第二遮断部 23 第三遮断部
24 コンデンサ 25 抵抗
3 電源 4 負荷 5 制御装置
6 コンバータ部
61 第一スイッチング素子 62 第二スイッチング素子
63 リアクトル 64 第一ダイオード 65 第二ダイオード
100 リレーユニット
101 第一リレー 102 第二リレー 103 第三リレー
104 抵抗 105 電源 106 コンデンサ 107 インバータ

Claims (5)

1. 負荷への電力の供給を遮断可能な遮断部を有するリレーユニットが電源と負荷との間に接続される車載用電源システムであって、
   リレーユニットは、
   電源の正極と負荷に直列に接続される第一遮断部と、
   負荷と電源の負極に直列に接続される第三遮断部と、
   第一遮断部と第三遮断部に直列に接続される第二遮断部と、
   第二遮断部と第三遮断部に直列に接続されるコンデンサと、
   第二遮断部に並列に接続される前記負荷への電力の供給を制限可能な抵抗とを具えていることを特徴とする車載用電源システム。
2. 負荷に電力を供給する際は、第一遮断部をオン、第二遮断部をオフ、第三遮断部をオンにし、一定時間後、第二遮断部をオンにして負荷に電力を供給するように構成されたことを特徴とする請求項1に記載の車載用電源システム。
3. 負荷への電力供給を遮断する際は、第二遮断部をオフした後、第一遮断部と第三遮断部をオフするように構成されたことを特徴とする請求項1又は2に記載の車載用電源システム。
4. 請求項１から請求項３の何れかに記載のリレーユニットと負荷との間に接続されるコンバータ部を具え、
   コンバータ部は、
   スイッチング素子と、
   このスイッチング素子の制御により電荷を溜めて、少なくとも一つの遮断部の端子間電位差を緩和するリアクトルとを具えることを特徴とする車載用電源システム。
5. スイッチング素子がワイドギャップ半導体であることを特徴とする請求項４に記載の車載用電源システム。

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