JP2009004365A

JP2009004365A - リレー駆動回路、及びそれを用いた電池パック

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Publication number: JP2009004365A
Application number: JP2008121856A
Authority: JP
Inventors: Naohisa Morimoto; 直久森本
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2009-01-08
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Abstract

【課題】簡素な回路により動作開始時におけるリレーの動作の確実性を向上させつつ、リレーの駆動電流を低減し、リレーの発熱を低減することができるリレー駆動回路、及びこのリレー駆動回路を用いた電池パックを提供する。
【解決手段】スイッチング素子１２をオンすることにより、コンデンサ１６を充電させ、リレー１８を動作させるときに、スイッチング素子１２をオフ、スイッチング素子１３をオンすることによって、定電圧電源１１とコンデンサ１６とを直列接続すると共に、スイッチング素子１４をオンして定電圧電源１１とコンデンサ１６との直列回路をリレーコイル２０と接続することにより、定電圧電源１１の出力電圧とコンデンサ１６の充電電圧とが加算された電圧をリレーコイル２０へ供給させてリレー１８をオンさせた後、リレーコイル２０によってコンデンサ１８を徐々に放電させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、リレーを駆動するリレー駆動回路、及びそれを用いた電池パックに関する。

リレーを駆動する回路としては、定電圧電源によってリレーコイルに定電圧を印加することで、その接点を保持する回路が一般的である。

しかしながら、リレーを定電圧で駆動すると以下のような問題が生じることが知られている。通常リレー接点は、リレー内部のリレーコイルに流れる電流によって、そのリレーコイルで生じる起磁力により保持される。その起磁力はリレーコイルに流れる電流とコイル巻き数とで決定される。一方、リレーコイルは、抵抗と流れる電流との積による損失で発熱する。そうすると、その発熱によってコイル抵抗が増大し、コイルを流れる電流が減少して起磁力が低下するため、コイル抵抗の増大後も接点保持に必要な起磁力が得られるような一定の電圧が、リレーコイルに駆動電圧として印加されるようになっている。

また、リレーコイルの発熱はリレーの寿命だけではなくその周辺の機器に与える影響が大きく、発熱を抑制することもリレー制御では重要な要素となる。ところが、リレーを動作させるために駆動電圧を印加した直後は、急峻なコイル電流の増加により生じるリレーコイルの逆起電圧によって、起磁力が減少するため、コイルの逆起電力を補うように、駆動電圧を増大させる必要が生じる。従って、リレーの動作時にはリレーの駆動電圧を増大させてリレーを確実に動作させ、リレーが動作状態になって安定した後、接点を保持するために必要な最小限の駆動電圧をコイルに印加することで、リレーの発熱を抑制することが望ましい。

このように、リレーを確実に動作させつつ駆動電流を低減し、発熱を抑制する技術として、定電圧電源を１つ設け、この定電圧電源の出力電圧をコイルに印加した後に、直列抵抗によってコイルに流れる電流を制限する技術（例えば、特許文献１、特許文献２参照）や、コイルに直列接続されたツェナーダイオード（例えば、特許文献３参照）によってコイルに印加される電圧を分圧することで駆動電圧を低下させる技術が知られている。また、リレー動作開始用の高い電圧を出力する定電圧電源と、リレー接点を動作状態に保持するための低い電圧を出力する定電圧電源とを備え、リレー動作開始時と動作開始後とで、定電圧電源を選択的に切替える技術（例えば、特許文献４参照）や、駆動電圧をオン、オフ制御してパルス状にすることでコイル損失を低減する技術（例えば、特許文献５参照）等が知られている。

なお、本明細書においては、ＪＩＳ（日本工業規格）Ｃ４５３０−１９９６の用語の定義に従い、リレーの「動作」とは、リレーが復帰状態から動作状態に移行することを示し、「復帰」とは、リレーが動作状態から復帰状態に移行することを示し、「動作状態」とは、すべてのｂ接点が開き、すべてのａ接点が閉じ、機械的に安定している状態を示し、「復帰状態」とは、すべてのａ接点が開き、すべてのｂ接点が閉じ、機械的に安定している状態を示す。
特開平１０−２５５６２７号公報特開２００５−２６８１３４号公報特開２０００−１１３７８７号公報特開２００５−３８６５６号公報特開２００６−１１４４４６号公報

しかしながら特許文献１，２に記載の技術では、リレーコイルに直列に接続された抵抗によって、コイルの駆動電流と抵抗の抵抗値との積による損失が生じ、特許文献３に記載の技術では、リレーコイルに直列に接続されたツェナーダイオードによってコイルの駆動電流とツェナーダイオードのツェナー電圧との積による損失が生じるため、エネルギー損失や発熱が増大するという課題があった。また、特許文献４に記載の技術では、定電圧電源が２つ必要となるために回路規模が増大するという課題があった。そして、特許文献５に記載の技術では、リレーの駆動電圧をオン、オフ制御する際に輻射ノイズが発生するという課題があった。

本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、簡素な回路により動作開始時におけるリレーの動作の確実性を向上させつつ、リレーの駆動電流を低減し、リレーの発熱を低減することができるリレー駆動回路、及びこのリレー駆動回路を用いた電池パックを提供することを目的とする。

本発明に係るリレー駆動回路は、リレーと、電源に接続される第１及び第２端子と、コンデンサと、前記リレーのコイル、前記コンデンサ、及び前記第１端子の間の接続を切り替える切替部と、前記切替部によって前記第１端子と前記コンデンサとを接続させることにより前記コンデンサを充電させ、前記リレーを動作させるときに、前記切替部によって、前記電源と前記コンデンサとが直列接続されるように前記第１端子と前記コンデンサとを接続させると共に前記電源と前記コンデンサとの直列回路を前記リレーのコイルと接続させることにより、前記電源の出力電圧と前記コンデンサの充電電圧とが加算された電圧を前記リレーのコイルへ供給させる制御部とを備える。

この構成によれば、切替部によって、電源に接続された第１端子とコンデンサとが接続されることにより、コンデンサが充電される。また、切替部によって、電源とコンデンサとが直列接続されるように第１端子とコンデンサとが接続されると共に電源とコンデンサとの直列回路がリレーのコイルと接続されることにより、電源の出力電圧とコンデンサの充電電圧とが加算された電圧が、リレーのコイルへ供給されて、リレーが動作する。そうすると、リレーの動作開始時に、リレーのコイルへ印加する電圧が増大されるので、動作開始時におけるリレーの動作の確実性を向上させることができる。そして、電源の出力電圧とコンデンサの充電電圧とが加算された電圧が、リレーのコイルへ供給されると、リレーのコイルによって、コンデンサが徐々に放電されるにつれて、リレーのコイルに印加される電圧が低下する結果、リレーの駆動電流が低減されて発熱が低減される。この場合、背景技術のように、出力電圧の異なる定電圧電源を二つ備える必要がないので、回路を簡素化することができる。

また、前記切替部は、前記第１端子と前記コンデンサの一端との間を開閉する第１スイッチ部と、前記第１端子と前記コンデンサの他端との間を開閉する第２スイッチ部とを含み、前記制御部は、前記第１スイッチ部を閉じ、前記第２スイッチ部を開くことによって、前記コンデンサを充電させ、前記第１スイッチ部を開き、前記第２スイッチ部を閉じることによって、前記電源と前記コンデンサとが直列接続されるように前記第１端子と前記コンデンサとを接続させることが好ましい。

この構成によれば、制御部によって、第１スイッチ部が閉じられて第１端子とコンデンサの一端とが接続されると共に第２スイッチ部が開かれることで、コンデンサが電源電圧で充電される。そして、制御部によって、第１スイッチ部が開かれると共に第２スイッチ部が閉じられることで、電源とコンデンサとが直列接続されて、電源の出力電圧とコンデンサの充電電圧とが加算されるので、第１及び第２スイッチ部を用いた簡素な回路によって、リレーのコイルへの印加電圧を増大させることができる。

また、前記切替部は、前記コンデンサの一端と前記リレーのコイルとの間を開閉する第３スイッチ部をさらに備え、前記制御部は、前記コンデンサを充電させるときは、前記第３スイッチ部を開かせ、前記リレーを動作させるときは、前記第３スイッチ部を閉じさせることが好ましい。

この構成によれば、コンデンサが充電されるときは、第３スイッチ部が開いてコンデンサの一端とリレーのコイルとの間の接続が切り離されるので、コンデンサの充電電圧がリレーのコイルに印加されてリレーが動作してしまうおそれが低減される。また、リレーを動作させるときは、第３スイッチ部が閉じてコンデンサの一端とリレーのコイルとが接続されるので、電源とコンデンサとが直列接続されることにより得られた電圧、すなわち電源の出力電圧とコンデンサの充電電圧とが加算され、増大された電圧をリレーのコイルに印加してリレーを動作させることができる。

また、前記切換部は、前記コンデンサの他端と前記第２端子とを接続する抵抗を含むことが好ましい。この構成によれば、第１スイッチ部を閉じ、第２スイッチ部を開くことによって、第１及び第２端子から抵抗を介してコンデンサを充電する充電経路が構成されて、コンデンサが充電される。また、第２スイッチ部が閉じたときは、第１及び第２端子間に流れる電流が抵抗によって制限されるので、第１及び第２端子間に接続される電源が短絡するおそれが低減される。

また、前記コンデンサから前記抵抗を介して前記第２端子に至る電流経路を開閉する第４スイッチ部をさらに備え、前記制御部は、前記コンデンサを充電するときに前記第４スイッチ部を閉じさせ、前記リレーを動作させるときに前記第４スイッチ部を開かせることが好ましい。

この構成によれば、制御部によって、コンデンサを充電するときに第４スイッチ部が閉じられることで、コンデンサから抵抗を介して第２端子に至る電流経路が構成されて、抵抗を介してコンデンサを充電することが可能となる。また、制御部によって、リレーを動作させるときに前記第４スイッチ部が開かれることによって、抵抗を流れる電流が遮断される結果、リレー駆動回路における消費電流を低減することができる。

また、前記コンデンサの一端にカソードが接続され、前記コンデンサの他端にアノードが接続されたダイオードをさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、リレーのコイルによって生じる起電力がダイオードによってコンデンサをバイパスされるので、リレーのコイルとコンデンサとからなるＬＣ直列回路の発振が抑制される。

また、本発明に係る電池パックは、上述のいずれかに記載のリレー駆動回路と、前記リレーの開閉部と直列に接続された電池とを備える。この構成によれば、電池パックの出力電流を開閉するリレーを動作させる際の確実性を向上させつつリレー駆動回路の発熱を低減することで、リレー駆動回路による電池の加熱を低減することができる結果、リレー駆動回路の発熱によって電池の劣化が促進されてしまうおそれが低減される。

このような構成のリレー駆動回路及び電池パックは、切替部によって、電源に接続された第１端子とコンデンサとが接続されることにより、コンデンサが充電される。また、切替部によって、電源とコンデンサとが直列接続されるように第１端子とコンデンサとが接続されると共に電源とコンデンサとの直列回路がリレーのコイルと接続されることにより、電源の出力電圧とコンデンサの充電電圧とが加算された電圧が、リレーのコイルへ供給されて、リレーが動作する。そうすると、リレーの動作開始時に、リレーのコイルへ印加する電圧が増大されるので、動作開始時におけるリレーの動作の確実性を向上させることができる。そして、電源の出力電圧とコンデンサの充電電圧とが加算された電圧が、リレーのコイルへ供給されると、リレーのコイルによって、コンデンサが徐々に放電されるにつれて、リレーのコイルに印加される電圧が低下する結果、リレーの駆動電流が低減されて発熱が低減される。この場合、背景技術のように、出力電圧の異なる定電圧電源を二つ備える必要がないので、回路を簡素化することができる。

また、このような構成の電池パックは、電池パックの出力電流を開閉するリレーを動作させる際の確実性を向上させつつリレー駆動回路の発熱を低減することで、リレー駆動回路による電池の加熱を低減することができる結果、リレー駆動回路の発熱によって電池の劣化が促進されてしまうおそれが低減される。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るリレー駆動回路の構成の一例を示す回路図である。図１に示すリレー駆動回路１は、定電圧電源１１、端子１１１（第１端子）、端子１１２（第２端子）、スイッチング素子１２（第１スイッチ部）、スイッチング素子１３（第２スイッチ部）、スイッチング素子１４（第３スイッチ部）、抵抗１５、コンデンサ１６、ダイオード１７、リレー１８、及び制御部２１を備えている。

リレー１８は、リレー接点１９とリレーコイル２０とから構成されており、例えば車両の負荷（例えば、駆動用モーター等）の駆動電流のオン、オフや、その他種々の電流供給回路の開閉に用いられる。また、スイッチング素子１２，１３，１４は、例えばトランジスタ等のスイッチング素子である。そして、図１に示すリレー駆動回路１は、リレー１８の開閉を指示する制御信号Ｓ１に応じて、リレー１８を動作させる。

定電圧電源１１は、正極が端子１１１、負極が端子１１２に接続されており、端子１１１，１１２間に、電圧ＶＢを出力する。端子１１２は、回路グラウンドとなっている。電圧ＶＢは、リレー１８の動作電圧、すなわちリレー１８が動作する最小の電圧以上であって、極力低い電圧に設定されており、例えば５Ｖにされている。なお、端子１１１，１１２は、端子台やコネクタの他、例えばランドやパッド等の配線パターンであってもよい。また、リレー駆動回路１は、定電圧電源１１を備えず、端子１１１，１１２に接続された外部電源から、電圧ＶＢを受電する構成としてもよい。

そして、端子１１１は、スイッチング素子１２を介してコンデンサ１６の一端に接続され、スイッチング素子１３を介してコンデンサ１６の他端に接続されている。そして、スイッチング素子１２とコンデンサ１６との接続点が、スイッチング素子１４を介してリレーコイル２０の一端に接続され、リレーコイル２０の他端が端子１１２と接続されている。コンデンサ１６には、ダイオード１７が逆並列に接続されている。そして、コンデンサ１６の他端は、抵抗１５を介して端子１１２と接続されている。この場合、スイッチング素子１２，１３，１４、及び抵抗１５が、切替部の一例に相当している。

制御部２１は、例えば遅延回路やインバータ回路等を用いて構成された制御回路であり、制御信号Ｓ１に応じて、スイッチング素子１２，１３，１４のオン（閉）、オフ（開）を制御する制御信号Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を出力する。なお、制御部２１は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成されていてもよく、その他の順序回路や論理回路等を用いて構成されていてもよい。

次に、上述のように構成されたリレー駆動回路１の動作について説明する。図２は、図１に示すリレー駆動回路１の動作を説明するための信号波形図である。外部から入力される制御信号Ｓ１は、例えばローレベルでリレー１８のオフを指示し、ハイレベルでリレー１８のオンを指示するようになっている。そして、制御信号Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、例えばローレベルでスイッチング素子１２，１３，１４をオフし、ハイレベルでスイッチング素子１２，１３，１４をオンするようになっている。

そして、制御部２１は、例えば制御信号Ｓ１をインバータ回路で反転することにより制御信号Ｓ２を生成し、制御信号Ｓ１を遅延回路で遅延時間ｔ１だけ遅延させることにより制御信号Ｓ３を生成し、制御信号Ｓ３を遅延回路で遅延時間ｔ２だけ遅延させることにより制御信号Ｓ４を生成するようになっている。

このように構成されたリレー駆動回路１では、まず、外部からリレー１８をオフするべく制御信号Ｓ１がローレベルで入力されると、制御部２１によって、制御信号Ｓ２がハイレベルにされ、制御信号Ｓ３，Ｓ４がローレベルにされることにより、スイッチング素子１２がオン、スイッチング素子１３，１４がオフされる。そうすると、定電圧電源１１、スイッチング素子１２、コンデンサ１６、抵抗１５による閉回路が構成され、定電圧電源１１の出力電圧ＶＢがコンデンサ１６と抵抗１５との直列回路に印加されてコンデンサ１６が充電される。このとき、スイッチング素子１４がオフされていることで、電圧ＶＢがリレーコイル２０に印加されてリレー１８がオンしてしまうことが防止されている。

そうすると、コンデンサ１６の充電電圧ＶＣ１は、スイッチング素子１２の抵抗及び定電圧電源１１の内部抵抗が抵抗１５の抵抗値に対して充分小さい場合、下記の式（１）の通りとなる。

ＶＣ１＝ＶＢ×（１−ｅ^−α）・・・（１）
但し、α＝ｔ／（Ｒ_１５×Ｃ_１６）
Ｃ_１６：コンデンサ１６の静電容量
Ｒ_１５：抵抗１５の抵抗値
ＶＢ：定電圧電源１１の出力電圧
ｔ：コンデンサ１６の充電時間
従って、コンデンサ１６の充電電圧（両端電圧）ＶＣ１は、式（１）に従って充電時間の経過と共に上昇し、電圧ＶＢで安定する。

このように、コンデンサ１６が電圧ＶＢに充電された後、外部からリレー１８をオンするべく制御信号Ｓ１がハイレベルで入力されると、制御部２１によって、制御信号Ｓ２がローレベルにされて、スイッチング素子１２がオフされる（タイミングＴ１）。そうすると、コンデンサ１６の充電電圧ＶＣは電圧ＶＢのまま維持される。

そして、タイミングＴ１から予め設定された遅延時間ｔ１の経過後、制御部２１によって、制御信号Ｓ３がハイレベルにされて、スイッチング素子１３がオンされる（タイミングＴ２）。遅延時間ｔ１は、例えば制御信号Ｓ２が立ち下がってからスイッチング素子１２がオフするのにかかるスイッチング素子１２の動作遅延時間程度の時間が設定されている。スイッチング素子１３がオンされると、定電圧電源１１とコンデンサ１６とが直列に接続される。そうすると、コンデンサ１６のスイッチング素子１４側の電圧ＶＫは、下記の式（２）の通りとなる。

ＶＫ＝ＶＣ１＋ＶＢ・・・（２）
ここで、もし仮に、制御部２１がスイッチング素子１２をオフさせると同時にスイッチング素子１３をオンさせた場合、スイッチング素子１２がオンからオフ、スイッチング素子１３がオフからオンへ遷移する過程で瞬間的に、コンデンサ１６が短絡されて放電してしまうおそれがある。しかし、図２に示すように、制御信号Ｓ２の立ち下がり（タイミングＴ１）から制御信号Ｓ３の立ち上がり（タイミングＴ２）までの間に遅延時間ｔ１が設けられているので、スイッチング素子１２が完全にオフした後にスイッチング素子１３がオンされる結果、コンデンサ１６が放電するおそれが低減される。

そして、タイミングＴ２から、予め設定された遅延時間ｔ２の経過後、制御部２１によって、制御信号Ｓ４がハイレベルにされて、スイッチング素子１４がオンされる（タイミングＴ３）。遅延時間ｔ２は、例えば制御信号Ｓ３が立ち上がってからスイッチング素子１３がオンするのにかかるスイッチング素子１３の動作遅延時間程度の時間が設定されている。

タイミングＴ３において、スイッチング素子１４がオンされると、リレー１８のリレーコイル２０に式（２）で得られた電圧ＶＫ＝ＶＣ１＋ＶＢが印加されることになる。そうすると、コンデンサ１６の充電電圧ＶＣ１は、上述したように電圧ＶＢで維持されているから、リレーコイル２０には、電圧ＶＢ×２（例えば１０Ｖ）の電圧が印加されてリレー接点１９がオンされる。これにより、リレー１８の動作開始時におけるリレーコイル２０への印加電圧が増大されるので、リレー１８の動作の確実性を向上させることができる。

また、このとき、リレーコイル２０とコンデンサ１６とによってＬＣ直列回路が構成され、過渡的に発振が生じるおそれがあるが、ダイオード１７によって、リレーコイル２０の逆起電力により流れる電流がコンデンサ１６をバイパスすることで、発振が抑制されるようになっている。

そして、スイッチング素子１４がオンされたタイミングＴ３以降、すなわちリレー１８が動作した後のコンデンサ１６の充電電圧ＶＣ２は、リレーコイル２０の抵抗値ＲＬに対し、スイッチング素子１２，１４の抵抗値が十分小さい場合、式（３）に示す通りとなる。

ＶＣ２＝ＶＣ１×ｅ^−β ・・・（３）
但し、β＝ｔ／（ＲＬ×Ｃ_１６）
ＲＬ：リレーコイル２０の抵抗値
そして、リレー１８が動作した後、リレーコイル２０へ印加される電圧ＶＫは下記の式（４）に示す通りとなる。

ＶＫ＝ＶＣ２＋ＶＢ・・・（４）
式（３）で示すように、リレー１８が動作した後、コンデンサ１６の充電電圧ＶＣ２は、時間ｔの経過と共に減少し、リレー１８が確実に動作状態に移行して安定するのに十分な時間が経過すると、式（３）の右辺、すなわち充電電圧ＶＣ２がゼロになるため、式（４）において、リレーコイル２０へ印加される電圧ＶＫは電圧ＶＢとなる。ここで、式（３）において、リレー１８が確実に動作状態に移行して安定するのに十分な時間、電圧ＶＫを増大させた状態に維持できるように、適宜コンデンサ１６の静電容量Ｃ_１６が設定されている。

また、リレー１８が動作状態に移行して安定すると、リレーコイル２０に印加される電圧ＶＫは、電圧ＶＢ、すなわちリレー１８が動作する最小の電圧以上であって、極力低い電圧（例えば５Ｖ）に低下するので、リレー１８の動作状態を維持しつつ、リレーコイル２０に流れる駆動電流を低減して、発熱やエネルギー損失を低減することができる。

また、図１に示すリレー駆動回路１は、背景技術に係る特許文献１，２に記載の技術のように電流制限用の抵抗を備えず、特許文献３に記載の技術のように電圧分圧用のツェナーダイオードを備えないので、電流制限用の抵抗やツェナーダイオードによるエネルギー損失や発熱が低減され、特許文献１，２，３に記載の技術よりもエネルギー損失や発熱を低下させることが容易である。

例えば抵抗１５は、リレー１８をオンからオフにした後、次回オンさせるまでの間にコンデンサ１６を充電できればよいので、抵抗１５の抵抗値Ｒ_１５は、比較的大きくてよい。抵抗値Ｒ_１５が大きいほど、スイッチング素子１３がオンしているときの低電圧電源１１の消費電流を減少させることができる。また、定電圧電源１１の出力電圧ＶＢが５Ｖの場合、リレー１８がオフからオンするまでの間の動作時間が経過したときに、コンデンサ１６の端子間電圧がリレー１８の感動電圧を下回らなければ確実にリレー１８を動作させることが可能となる。従って、リレー１８の感動時間が５０ｍｓｅｃ、感動電圧が９Ｖ、コイル抵抗が４０Ωとすると、下記の式（５）より、コンデンサ１６の静電容量Ｃ_１６は、約５６００μＦ程度になる。

９Ｖ＝５Ｖ×ｅ^−β ・・・（５）
但し、β＝５０ｍｓｅｃ×ｅ^−３／（４０Ω×Ｃ_１６）
Ｃ_１６ ≒ ５６００×ｅ^−６
また、背景技術に係る特許文献４に記載の技術のように、定電圧電源を複数備える必要がないので、回路を簡素化することができる。そして、特許文献５に記載の技術のように、リレーの駆動電圧をパルス状にオン、オフする必要がないので、輻射ノイズの発生を低減することができる。

以上のように、図１に示すリレー駆動回路１では、リレー動作開始時に十分な印加電圧を確保することでリレー１８の動作の確実性を向上し、その後コンデンサ１６の放電に伴いリレー１８の印加電圧を低減させることで駆動電流を低減し、発熱を抑制することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係るリレー駆動回路について説明する。図３は、本発明の第２の実施形態に係るリレー駆動回路１ａの構成の一例を示す回路図である。図３に示すリレー駆動回路１ａは、図１に示すリレー駆動回路１とは、コンデンサ１６とスイッチング素子１３とダイオード１７のアノードとの接続点と、抵抗１５との間、すなわちコンデンサ１６から抵抗１５を介して端子１１２に至る電流経路にスイッチング素子３１（第４スイッチ部）がさらに設けられている点で異なる。また、制御部２１ａは、例えば制御信号Ｓ１を反転させて制御信号Ｓ５を生成することで、リレー１８を復帰状態にしてコンデンサ１６を充電するときにスイッチング素子３１を閉じさせ、リレー１８を動作状態にするときにスイッチング素子３１を開かせる点で異なる。

スイッチング素子３１は、例えばトランジスタ等のスイッチング素子であり、例えばリレー駆動回路１ａからハイレベルの制御信号Ｓ５が出力されることにより、オンされるようになっている。なお、スイッチング素子３１は、コンデンサ１６から抵抗１５を介して端子１１２に至る電流経路に設けられていればよく、例えば抵抗１５と端子１１２との間に設けられていてもよい。

その他の構成は図１に示すリレー駆動回路１と同様であるのでその説明を省略し、以下図３に示すリレー駆動回路１ａの動作について説明する。図４は、図３に示すリレー駆動回路１ａの動作を説明するための信号波形図である。図４において、制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の変化は、図１に示すリレー駆動回路１と同様である。そして、制御部２１ａは、例えば図４に示すように、制御信号Ｓ１をインバータ回路で反転することにより制御信号Ｓ５を生成する。スイッチング素子３１は、例えば制御信号Ｓ５がローレベルでオフし、制御信号Ｓ５がハイレベルでオンするようになっている。

このように構成されたリレー駆動回路１ａでは、まず、外部からリレー１８をオフするべく制御信号Ｓ１がローレベルで入力されると、制御部２１ａによって、制御信号Ｓ２，Ｓ５がハイレベルにされ、制御信号Ｓ３，Ｓ４がローレベルにされることにより、スイッチング素子１２，３１がオン、スイッチング素子１３，１４がオフされる。そうすると、定電圧電源１１、スイッチング素子１２、コンデンサ１６、抵抗１５による閉回路が構成され、コンデンサ１６が充電される。

そして、コンデンサ１６が電圧ＶＢに充電された後、外部からリレー１８をオンするべく制御信号Ｓ１がハイレベルで入力されると、制御部２１によって、制御信号Ｓ２がローレベルにされてスイッチング素子１２がオフされると共に、制御信号Ｓ５がローレベルにされてスイッチング素子３１がオフされ（タイミングＴ１）、以下、図１に示すリレー駆動回路１と同様にタイミングＴ１〜Ｔ３の動作が行われる。この場合、スイッチング素子３１がオフされて、定電圧電源１１から、端子１１１、スイッチング素子１３，３１、抵抗１５、及び端子１１２を介して定電圧電源１１に到る電流を遮断できるので、リレー駆動回路１ａの消費電力を低減することができる。

通常スイッチング素子１２、１３、１４、３１はバイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等の半導体が使われることが多く、そのスイッチング速度も十分早いため、ｔ１，ｔ２は十分短い時間、例えば１０ｍｓｅｃ程度でオン、オフすることができる。

図５は、図３に示すコンデンサ１６のスイッチング素子１４側の電圧ＶＫの挙動を説明するための信号波形図である。図５に示す例では、タイミングＴ０以前は、例えば制御部２１ａがまだ起動されておらず、制御信号Ｓ２〜Ｓ５がすべてローレベルにされ、スイッチング素子１２，１３，１４，３１がオフされている。そうすると、電圧ＶＫは、０Ｖになっている。

そして、タイミングＴ０で制御部２１ａが起動され、ローレベルの制御信号Ｓ１が制御部２１ａによって反転されて、制御信号Ｓ２，Ｓ５がハイレベルにされ、スイッチング素子１２，３１がオンされる。そうすると、定電圧電源１１から出力された電圧ＶＢが、抵抗１５とコンデンサ１６との直列回路に印加されて、電圧ＶＫが電圧ＶＢに上昇すると共に、コンデンサ１６が抵抗１５を介して充電される。そして、コンデンサ１６の充電電圧ＶＣ１が、式（１）に従って電圧ＶＢになるまで上昇する。

そして、タイミングＴ１において制御信号Ｓ１がハイレベルに変化し、制御部２１ａによって、制御信号Ｓ２，Ｓ５がローレベルにされてスイッチング素子１２，３１がオフされ、さらにタイミングＴ２おいて制御信号Ｓ３がハイレベルにされてスイッチング素子１３がオンされると、定電圧電源１１の出力電圧ＶＢとコンデンサ１６の充電電圧ＶＣ１とが加算されて、電圧ＶＫは、電圧ＶＢの２倍となる。

次にタイミングＴ３において、制御部２１ａによって、制御信号Ｓ４がハイレベルにされてスイッチング素子１４がオンされる。そうすると、電圧ＶＢの２倍に維持されている電圧ＶＫが、リレー１８のリレーコイル２０に印加され、リレー接点１９がオンされる。これにより、リレー１８の動作開始時におけるリレーコイル２０への印加電圧が増大されるので、リレー１８の動作の確実性を向上させることができる。

そして、スイッチング素子１４がオンされたタイミングＴ３以降、リレーコイル２０へ印加される電圧ＶＫは、式（３）、式（４）に従って、時間ｔの経過と共に減少し、リレー１８が確実に動作状態に移行して安定するのに十分な時間が経過すると、リレーコイル２０へ印加される電圧ＶＫは電圧ＶＢとなる。

このように電圧ＶＫが変化することにより、リレー１８の動作状態を維持しつつ、リレーコイル２０に流れる駆動電流を低減して、発熱やエネルギー損失を低減することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るリレー駆動回路を用いた電池パックについて説明する。図６は、本発明の第３の実施形態に係る電池パック４０の構成の一例を示す回路図である。図６に示す電池パック４０は、図３に示すリレー駆動回路１ａと、電池４１と、リレー３２と、接続端子１１３，１１４，１１５，１１６，１１７とを備えている。

リレー３２は、リレー接点３３と、リレーコイル３４とを備えている。リレーコイル３４は、リレー駆動回路１ａにおいてリレーコイル２０と並列に接続されている。そして、リレー３２は、リレー駆動回路１ａによって、リレー１８と共に駆動されるようになっている。

電池４１は、単セルの電池でもあるいはそれらが直列に接続された組電池でもよく、さらには並列に接続された電池でもよい。また、一次電池であってもよく、二次電池であってもよい。リレー接点３３、電池４１、及びリレー接点１９は、この順に直列接続されており、リレー１８，３２によって、いわゆる両切りスイッチが構成されている。

接続端子１１５は、外部機器、例えば車両のＥＣＵ（Electric Control Unit）等の回路に接続され、ＥＣＵ等から制御信号Ｓ１を受信する。接続端子１１６，１１７は、リレー駆動回路１ａの動作用電源電圧を受電するための接続端子で、接続端子１１６は、外部の電源６０における正極に接続され、接続端子１１７は、グラウンドに接続されるようになっている。電源６０は、例えば車両に搭載された１２Ｖのバッテリーが用いられる。

定電圧電源１１は、接続端子１１６，１１７に接続されており、接続端子１１６，１１７によって受電された電源電圧、例えば１２Ｖを、例えば５Ｖの電圧ＶＢに変換する。なお、定電圧電源１１を備えず、接続端子１１６を端子１１１の代わりに用いて、外部電源から電圧ＶＢを接続端子１１６，１１７へ供給するようにしてもよい。この場合、接続端子１１６，１１７が、第１及び第２端子の一例に相当する。また、定電圧電源１１は、電池４１の出力電圧に基づき電圧ＶＢを生成する構成としてもよく、電圧ＶＢ相当の電圧を出力する電池４１あるいは電池４１の一部のセルを定電圧電源１１の代わりに用いてもよい。

接続端子１１３，１１４は、負荷５０を接続するための接続端子である。接続端子１１３は、リレー接点３３、電池４１、リレー接点１９を介して接続端子１１４と接続されている。図６に示す負荷５０は、例えば車両駆動用のモータ５１と、モータ５１に三相電源電圧を供給するインバータ回路５２とからなっている。そして、インバータ回路５２が、接続端子１１３，１１４に接続されている。これにより、接続端子１１５で受信された制御信号Ｓ１がハイレベルになると、リレー駆動回路１ａによって、リレー１８，３２がオンされることで、電池４１からインバータ回路５２へ直流電源電圧が供給され、インバータ回路５２によって、三相電源電圧に変換されてモータ５１が駆動されるようになっている。

この場合、上述したように、リレー１８，３２を動作させる確実性を向上させることができる。また、リレー１８，３２の動作状態を維持しつつリレー１８，３２での発熱を低減することができると共に、特許文献１〜３に記載の技術よりもリレー駆動回路１ａにおける発熱を低減することができる結果、電池４１に不要な熱を与えることが低減され、リレー駆動回路１ａの発熱によって電池の寿命を縮めてしまうおそれが低減される。

本発明に係るリレー駆動回路は、リレー動作の確実性を向上させつつリレーの駆動電流を低減し、発熱を抑制することが可能であるため、リレーを用いる種々の電気機器に適用可能であり、特に高信頼性や低消費電力を求められる機器に好適に用いることができる。また、本発明に係る電池パックは、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、携帯電話機等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、等の電池駆動機器、及びこのような電池駆動機器の電源として用いられる電池パックとして好適に利用することができる。

本発明の第１の実施形態に係るリレー駆動回路の構成の一例を示す回路図である。図１に示すリレー駆動回路の動作を説明するための信号波形図である。本発明の第２の実施形態に係るリレー駆動回路の構成の一例を示す回路図である。図３に示すリレー駆動回路の動作を説明するための信号波形図である。図３に示すコンデンサの高電位側端子の電圧の挙動を説明するための信号波形図である。本発明の第３の実施形態に係る電池パックの構成の一例を示す回路図である。

符号の説明

１，１ａリレー駆動回路
１１定電圧電源
１２スイッチング素子
１３スイッチング素子
１４スイッチング素子
１５抵抗
１６コンデンサ
１７ダイオード
１８，３２リレー
１９，３３リレー接点
２０，３４リレーコイル
２１制御部
２１ａ制御部
３１スイッチング素子
４０電池パック
４１電池
５０負荷
６０電源
１１１，１１２端子
ＶＣ，ＶＣ１，ＶＣ２充電電圧
ｔ１，ｔ２，ｔ３遅延時間

Claims

リレーと、
電源に接続される第１及び第２端子と、
コンデンサと、
前記リレーのコイル、前記コンデンサ、及び前記第１端子の間の接続を切り替える切替部と、
前記切替部によって前記第１端子と前記コンデンサとを接続させることにより前記コンデンサを充電させ、前記リレーを動作させるときに、前記切替部によって、前記電源と前記コンデンサとが直列接続されるように前記第１端子と前記コンデンサとを接続させると共に前記電源と前記コンデンサとの直列回路を前記リレーのコイルと接続させることにより、前記電源の出力電圧と前記コンデンサの充電電圧とが加算された電圧を前記リレーのコイルへ供給させる制御部と
を備えることを特徴とするリレー駆動回路。
前記切替部は、
前記第１端子と前記コンデンサの一端との間を開閉する第１スイッチ部と、
前記第１端子と前記コンデンサの他端との間を開閉する第２スイッチ部とを含み、
前記制御部は、
前記第１スイッチ部を閉じ、前記第２スイッチ部を開くことによって、前記コンデンサを充電させ、前記第１スイッチ部を開き、前記第２スイッチ部を閉じることによって、前記電源と前記コンデンサとが直列接続されるように前記第１端子と前記コンデンサとを接続させること
を特徴とする請求項１記載のリレー駆動回路。
前記切替部は、
前記コンデンサの一端と前記リレーのコイルとの間を開閉する第３スイッチ部をさらに備え、
前記制御部は、
前記コンデンサを充電させるときは、前記第３スイッチ部を開かせ、前記リレーを動作させるときは、前記第３スイッチ部を閉じさせること
を特徴とする請求項２記載のリレー駆動回路。
前記切換部は、
前記コンデンサの他端と前記第２端子とを接続する抵抗を含むこと
を特徴とする請求項２又は３記載のリレー駆動回路。
前記コンデンサから前記抵抗を介して前記第２端子に至る電流経路を開閉する第４スイッチ部をさらに備え、
前記制御部は、
前記コンデンサを充電するときに前記第４スイッチ部を閉じさせ、前記リレーを動作させるときに前記第４スイッチ部を開かせること
を特徴とする請求項４記載のリレー駆動回路。
前記コンデンサの一端にカソードが接続され、前記コンデンサの他端にアノードが接続されたダイオードをさらに備えること
を特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のリレー駆動回路。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のリレー駆動回路と、
前記リレーの開閉部と直列に接続された電池と
を備えることを特徴とする電池パック。