JP2010161009A

JP2010161009A - リレー検査装置及び駆動装置

Info

Publication number: JP2010161009A
Application number: JP2009003562A
Authority: JP
Inventors: Norihito Yamabe; 律人山邊; Toshiaki Nakanishi; 利明中西; Jun Okuda; 準奥田
Original assignee: Panasonic EV Energy Co Ltd
Current assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2029-01-09
Also published as: JP5172720B2

Abstract

【課題】組電池とインバータ間のリレーの異常を迅速に判定する。
【解決手段】組電池１６とインバータ４０との間に正極側リレー２０、負極側リレー２２、プリチャージリレー２４が設けられる。電池ＥＣＵ２８にリレーの動作音を検出する振動検出手段２８ａ及び判定手段２８ｂを設ける。判定手段２８ｂは、動作音の信号と、各リレーを動作させる車両ＥＣＵ２９からの動作信号との同期を確認し、同期していない場合にリレーの異常と判定する。
【選択図】図２

Description

本発明はリレー検査装置及び駆動装置に関し、特に電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両に搭載される組電池の電流の断続を行うリレーユニットの検査に関する。

従来より、ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両には、駆動モータに供給される電力を蓄積するための電池パックが搭載されている。電池パックは、複数の電池モジュールを組み合わせた組電池と、組電池を制御するための各種機器と、組電池や各種機器を保護するためにアッパーケース及びロワーケースを備える。各種機器の一例は、組電池から駆動モータに供給される電力を必要に応じて遮断するリレーユニット（接点開閉装置、以下、リレーと記す）がある。

電動車両のインバータの入力側の端子間には、電圧の変動を平滑化してインバータの作動を安定させるための大容量の電解コンデンサが設けられる。電動車両を走行させる際には、電動車両を始動させるメインスイッチの操作やキーレスエントリー装置による運転者の検出により、インバータ動作開始のためリレーを閉じて電解コンデンサを充電するが、コンデンサを組電池で直接充電すると大電流が流れてコンタクタの接点が損傷する可能性がある。そこで、まずプリチャージリレーを閉じてプリチャージ抵抗等で電流を制限しながらコンデンサをプリチャージし、プリチャージが終了した後にメインコンタクタを閉じることにより接点の損傷を防止している。

メインリレーの接点の接触動作（オン動作）、乖離動作（オフ動作）が正常に行われないと、所定のプリチャージ動作が行われず接点が損傷したり、接点の溶着により電動車両のメインスイッチの操作をオフにしても組電池の高電圧がインバータに印加されたままとなるため、インバータ内部や電池パックの充放電用出力端子からインバータに至る電線の点検及び整備の際の安全性が損なわれるおそれがある。したがって、リレーの状態を正確に判定する必要があり、プリチャージが正常に行われているか、すなわちリレーによる回路の断続が正しく行われているかを確実に判定することが必要である。

以下の特許文献１には、プリチャージを開始してからコンデンサ電圧が基準値以上になったときにプリチャージが終了したと判定することが記載されている。

また、特許文献２には、組電池電圧とインバータ電圧とを比較し、リレー接点の溶着がないことを検出することが記載されている。

また、特許文献３には、組電池からインバータに流れる所定時間の積算電気量から、リレーの故障によりプリチャージが正しく行われたことを判定することが記載されている。

米国特許第５３６９５４０号特開平１１−３４１８２１号公報特開平１０−３０４５０１号公報

しかしながら、インバータ側の電圧もしくは通電によりリレーの動作を判定する構成では、正極側リレー及び負極側リレーの双方をオン動作する必要がある。したがって、インバータ側の電圧を計測し、動作状態に問題があったとしても、正極側リレーもしくは負極側リレーのいずれかの動作状態が問題かは判定できるものの、正極側リレーもしくは負極側リレーのどちらが問題かを判定することができない。

また、走行中にリレー動作の判定を行うためには、インバータの電荷を放電し、その後リレーのオン動作により充電する必要があるため、走行性能への影響が大きく、走行中のリレー動作の判定は困難である。

また、インバータの電圧や電流の時間推移を確認し動作状態を判定するのでは、判定に時間を要し、ユーザはその間、エンジンを始動することができない問題がある。

本発明は、電動車両の動力源となる組電池から供給される電流を断続するリレーの異常を判定するリレー検査装置であって、前記リレーの接点の接触もしくは乖離に伴う動作音を検出する検出手段と、前記動作音の信号と前記リレーを駆動するための動作信号との同期を判定し、同期していない場合に前記リレーの異常を判定する判定手段とを有することを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、前記判定手段は、前記電動車両の始動時に前記リレーの異常を判定する。

また、本発明の他の実施形態では、前記判定手段は、前記リレーを複数回動作させた場合の、前記動作音の信号と前記動作信号との同期を判定することで前記リレーの異常を判定する。

また、本発明の他の実施形態では、前記動作信号は、前記リレーを所定時間間隔で動作させる信号であり、前記判定手段は、前記動作音の信号が前記所定時間間隔に一致する場合に同期していると判定する。

また、本発明は、電動車両の駆動モータに駆動電力を供給する駆動装置であって、組電池と、前記組電池からの電流を交流に変換して前記駆動モータに供給するインバータと、前記組電池と前記インバータとの電気的接続及び切断を制御するリレーと、前記リレーを動作させるための動作信号を前記リレーに供給するリレー駆動手段と、前記リレーの接点の接触もしくは乖離に伴う動作音を検出する検出手段と、前記動作音の信号と前記動作信号との同期を判定し、同期していない場合に前記リレーの異常を判定する判定手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、迅速かつ確実にリレーの異常を判定することができる。また、本発明によれば、電動車両の走行状態にかかわらず、リレーの異常を判定することができる。

実施形態における電池パックの外観展開図である。実施形態における駆動システムのブロック図である。リレーの動作説明図である。リレーの動作説明図である。リレーの動作説明図である。リレー動作音の音圧波形図である。音圧波形の周波数特性図である。リレーの複数回のオンオフ動作時の音圧波形図である。リレーの複数回のオンオフ動作時の周波数特性図である。正極側、負極側、プリチャージ各リレーの動作信号タイミングチャートである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１に、本実施形態における電池パック１０の外観展開図を示す。電池パック１０は、例えばハイブリッド自動車や燃料電池車、電気自動車等の電動車両に搭載され、駆動モータに供給する電力を蓄積する。

図１において、電池パック１０の筐体である電池ケースは、複数の電池モジュールを組み合わせて構成される組電池１６の上部をカバーするアッパーケース１２、及び組電池１６の下部をカバーするロワーケース１４を有する。組電池１６は、複数の電池モジュールを列置して構成される。電池パック１０内には、組電池１６の他に、電池ＥＣＵ（電子制御ユニット）２８、正極側リレー、負極側リレー、プリチャージリレー、プリチャージ抵抗等の各種機器が内蔵される。また、ロワーケース１４の外側壁面には充放電用出力端子３０が取り付けられる。組電池１６は、正極側リレー及び負極側リレーを介して充放電用出力端子３０に接続される。本実施形態における各リレーは、メカニカルリレーである。

図２に、電池パック１０から供給される電力により駆動モータ４２が駆動される電動車両の駆動システムのブロック図を示す。

図２において、組電池１６から出力される直流は、インバータ４０を介して車両ＥＣＵ２９の信号により交流に変換されて駆動モータ４２に供給される。組電池１６とインバータ４０の間には、正極側リレー２０、負極側リレー２２、プリチャージリレー２４が設けられる。すなわち、組電池１６の正極側には正極側リレー２０の一端が接続され、正極側リレー２０の他端は充放電用出力端子３０の正極側に接続される。また、組電池１６の負極側には負極側リレー２２の一端が接続され、負極側リレー２２の他端は充放電用出力端子３０の負極側に接続される。また、組電池１６の正極側と充放電用出力端子３０の正極側の間には、正極側リレー２０と互いに並列となるようにプリチャージリレー２４及びプリチャージ抵抗２６が接続される。プリチャージリレー２４とプリチャージ抵抗２６は互いに直列に接続される。コンデンサ４４は、電圧の変動を平滑化してインバータ４０の作動を安定させるための大容量の電解コンデンサである。

正極側リレー２０、負極側リレー２２、及びプリチャージリレー２４は、それぞれ車両ＥＣＵ２９からの動作信号により個別にオン動作及びオフ動作を行う。車両ＥＣＵ２９は、車両ＥＣＵ内部の半導体スイッチをオン動作することで各リレーの励磁コイルに電流を供給し、各リレーの接点を開閉制御する。例えば、プリチャージリレー２４の励磁コイル２４ａは車両ＥＣＵ２９に接続され、車両ＥＣＵ２９からの動作信号により励磁コイル２４ａが励磁してプリチャージリレー２４の接点を開閉する。

電池ＥＣＵ２８は、組電池１６の電圧や温度を検出し、組電池１６の蓄電状態や故障の有無を監視する。電池ＥＣＵ２８の内部には振動検出手段２８ａが設けられる。振動検出手段２８ａは、振動センサとマイクロコンピュータで構成される。振動センサは、電池ＥＣＵ内部のプリント配線板上に実装された半導体センサや圧電素子で構成される。マイクロコンピュータは、振動センサからの信号出力の一致処理等、ノイズに対するロバスト処理を実行する。

車両ＥＣＵ２９と電池ＥＣＵ２８は、車内ＬＡＮの一種であるＣＡＮ（コントローラエリアネットワーク）で接続され、車両ＥＣＵ２９は電池ＥＣＵ２８に対してどのリレーをオン動作もしくはオフ動作させるかの信号を出力し、同時にリレーの動作信号を出力する。電池ＥＣＵ２８は、ＣＡＮによるリレーの動作信号を受信すると、振動検出手段２８ａからの信号出力との同期を確認する。すなわち、電池ＥＣＵ２８は、内蔵する振動検出手段２８ａで検出した振動信号と、車両ＥＣＵ２９から受信した動作信号との同期を確認する。

振動検出手段２８ａで検出する振動信号は、各リレーの動作音（接点開閉音）信号である。また、同期の確認は、電池ＥＣＵ２８内の判定手段２８ｂで実行される。判定手段２８ｂは、マイクロコンピュータで構成される。そして、電池ＥＣＵ２８は、同期した信号、つまりリレーの動作信号とリレーの動作音信号が同期していれば、当該リレーは正常にオン動作もしくはオフ動作していると判定する。また、同期した信号を検出できなければ、リレーの接点が溶着する等の故障で接点のオン動作もしくはオフ動作に支障があると判定する。判定結果は車両ＥＣＵ２９に送信する。車両ＥＣＵ２９は、電池ＥＣＵ２８から異常判定を受信すると、車両乗員等に異常を報知する。

電動車両のイグニッションキーがオンされると、車両ＥＣＵ２９に組電池１６とは別個に設けられ組電池１６よりも低電圧な補機バッテリから電力が供給され起動する。車両ＥＣＵ２９は、まず負極側リレー２２をオン動作し、次にプリチャージリレー２４をオン動作して、コンデンサ４４を充電する。このとき、電流制限用のプリチャージ抵抗２６によって、大きな突入電流が流れることが制限される。平滑用のコンデンサ４４が充電された後、車両ＥＣＵ２９は正極側リレー２０をオン動作して駆動モータ４２のドライブ回路に給電を開始し、同時にプリチャージリレー２４をオフ動作する。

電動車両のイグニッションキーがオフされると、車両ＥＣＵ２９は、正極側リレー２０及び負極側リレー２２をオフ動作し、組電池１６とインバータ４０との電気的接続を開放する。

図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃに、各リレーの基本的な動作原理を示す。各リレー２０，２２，２４を総称してリレー１として示す。リレー１は、例えばロワーケース１４の底面上部１４ａに固定具２を介して固定ネジ２ａにより取り付けられる。リレー１は、いわゆるメカニカルリレーであり、励磁コイル１ａと、励磁コイル１ａの電磁力で駆動される可動鉄心（駆動軸）１ｂと、励磁コイル１ａや可動鉄心１ｂ等を収納するケース１ｄを有する。

図３Ａにおいて、リレー１がオン状態になると、励磁コイル１ａが励磁され電磁力が生じる。これにより、図３Ｂに示すように、可動鉄心１ｂが上昇し、復帰バネ１ｅが収縮するとともに、可動鉄心１ｂの上部に設けられた内部接点端子１ｃが外部入力端子３ａ及び外部出力端子３ｂと接触して通電する。この際に、内部接点端子１ｃが外部入力端子３ａ及び外部出力端子３ｂと接する音が発生する。また、リレー１がオフ状態になると、励磁コイル１ａの電磁力がなくなり、図３Ｃに示すように、収縮した復帰バネ１ｅの復元力により可動鉄心１ｂが下降し、内部接点端子１ｃは外部入力端子３ａ及び外部出力端子３ｂから離れる。この際、可動鉄心１ｂが下降すると、リレー底面１ｆと接触し、音が発生する。なお、リレーの乖離の際の音は、可動鉄心とリレー底面との接触に限らず、可動鉄心や内部接点端子を含む可動接点がリレーの部品に接触する音であってもよい。

このように、リレーのオンオフ動作時には内部接点端子が外部入力端子及び外部出力端子に接触あるいは乖離（可動鉄心がリレー底面と接触あるいは乖離）するため、この接触／乖離動作に伴って音が発生する。本実施形態では、この音を振動検出手段２８ａで検出することで、リレーが正常に動作しているか否かを判定する。特に、電動車両の通電電流は大きく、車両の振動も大きいため、リレーの接点の押圧力や復帰バネのバネ定数を大きく設定する必要があり、電動車両の走行用電力をオンオフするリレーは大きな振動音が発生しやすい。

図４に、リレーをオンオフ動作した際の音圧（Ｐａ）の測定結果を音圧波形で示す。電池ＥＣＵ２８の振動検出手段２８ａは、リレーの開閉に伴うこのような音圧波形を検出する。

図５に、リレーのオンオフ動作の場合の音圧レベルの一般的な周波数特性を参考図として示す。また、図６に、リレーの複数回のオン動作、オフ動作の場合の音圧レベルと時間との関係を示す。また、図７に、リレーの複数回のオンオフ動作の場合の音圧レベルと周波数特性を参考図として示す。さらに、図８に、リレーの複数回のオンオフ動作に対応する各リレーの動作信号を示す。図８（ａ）は正極側リレー２０の動作信号、図８（ｂ）は負極側リレー２２の動作信号、図８（ｃ）はプリチャージリレー２４の動作信号である。図５〜図７は、いずれも電池パック１０を電動車両の後席の後ろに配置し、マイクロフォンを運転席の位置に配置して取得したデータである。図６と図８とを対比すると、図６のピークＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７はそれぞれ図８におけるリレーのオンオフ時間ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６，ｔ７に対応する。

リレー動作に混入する外乱ノイズを予測することは困難であるが、図６〜図８のように予め決められたリレーの複数回のオンオフ動作の手順でリレーを駆動し、その振動を検出してリレーの動作状態を判定すれば、ノイズの影響を効果的に除去することができる。

本実施形態では、リレー接点の開閉（あるいは進退）の動作を音として検出するので、正極側リレー２０、負極側リレー２２、プリチャージリレー２４をごく短時間で個別にオンオフ動作させることで、リレー接点の接触、乖離動作を確実に検出することができる。

また、本実施形態ではプリチャージリレー２４は走行状態に関係なく動作を確認することができる。また、メインリレー（正極側リレー２０、負極側リレー２２）においても、組電池１６側とインバータ４０側の電圧差が小さい場合、すなわちインバータ４０を停止する等により、走行状態に関係なく動作を確認することができる。

なお、車両走行中の走行に関わる騒音やカーオーディオ、カーナビゲーション等のノイズの周波数特性の予測は困難であるものの、リレーを複数回動作させ、リレーの動作信号とリレーの発する音の同期を複数回取得し、音が検出できない頻度が高い場合をリレーが動作していないと判定する等することで、精度の高い動作確認が可能である。また、走行中は車室内のノイズレベルが高いため、リレーを複数回動作させても乗員に不快感を与えるおそれもない。

また、インバータ４０の電圧や電流の時間推移を確認する場合には判定に時間を要することになるが、本実施形態では開閉（あるいは進退）音を検出するので短時間で済む。

また、リレーのオン動作あるいはオフ動作の動作時間間隔を予め設定してリレーを駆動し、リレーの振動の時間間隔からリレーの状態を判定することで、リレー駆動回路と判定手段の同期信号を必要としない。例えば、リレーをエンジン内にある車両ＥＣＵ２９から動作信号を出力して動作させ、振動検出手段２８ａと判定手段２８ｂは組電池１６近傍の電池ＥＣＵ２８内に内蔵しておく。車両ＥＣＵ２９と電池ＥＣＵ２８は車内ＬＡＮで接続される。予めリレーの動作間隔を設定しておけば、車内ＬＡＮの通信状況（混雑具合による遅延）にかかわらず、リレーの動作状況の判定が可能となる。

本実施形態における振動検出手段２８ａは、エアバッグＥＣＵやカーナビゲーションに搭載されたＧセンサ、オーディオに使用するスピーカ等を援用することも可能である。また、検出する振動は必ずしも可聴音に限定されないことは、図５あるいは図７の周波数特性からも明らかである。

１０電池パック、１２アッパーケース、１４ロワーケース、１６組電池、２０正極側リレー、２２負極側リレー、２４プリチャージリレー、２６プリチャージ抵抗、２８電池ＥＣＵ、２９車両ＥＣＵ、４０インバータ、４２駆動モータ。

Claims

電動車両の動力源となる組電池から供給される電流を断続するリレーの異常を判定するリレー検査装置であって、
前記リレーの接点の接触もしくは乖離に伴う動作音を検出する検出手段と、
前記動作音の信号と前記リレーを駆動するための動作信号との同期を判定し、同期していない場合に前記リレーの異常を判定する判定手段と、
を有することを特徴とするリレー検査装置。
請求項１記載の装置において、
前記判定手段は、前記電動車両の始動時に前記リレーの異常を判定することを特徴とするリレー検査装置。
請求項１記載の装置において、
前記判定手段は、前記リレーを複数回動作させた場合の、前記動作音の信号と前記動作信号との同期を判定することで前記リレーの異常を判定することを特徴とするリレー検査装置。
請求項１記載の装置において、
前記動作信号は、前記リレーを所定時間間隔で動作させる信号であり、
前記判定手段は、前記動作音の信号が前記所定時間間隔に一致する場合に同期していると判定することを特徴とするリレー検査装置。
請求項１〜４のいずれかに記載の装置において、
前記リレーは、前記組電池に接続される正極側リレー、負極側リレー、前記正極側リレーに対して並列に接続されるプリチャージリレーの少なくともいずれかであることを特徴とするリレー検査装置。
電動車両の駆動モータに駆動電力を供給する駆動装置であって、
組電池と、
前記組電池からの電流を交流に変換して前記駆動モータに供給するインバータと、
前記組電池と前記インバータとの電気的接続及び切断を制御するリレーと、
前記リレーを動作させるための動作信号を前記リレーに供給するリレー駆動手段と、
前記リレーの接点の接触もしくは乖離に伴う動作音を検出する検出手段と、
前記動作音の信号と前記動作信号との同期を判定し、同期していない場合に前記リレーの異常を判定する判定手段と、
を有することを特徴とする駆動装置。