JP2010541533A - スイッチオン電流を制限して直流電圧中間回路を放電する方法およびスイッチオン電流を制限して直流電圧中間回路を放電する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は高電圧電源の直流電圧中間回路の放電方法および放電装置に関する。直流電圧中間回路のキャパシタを放電させるための切換手段がキャパシタと少なくとも１つのプリチャージ抵抗と高電圧バッテリとのあいだに配置されており、この切換手段は、設定可能に配置されたスイッチングコンタクトを備えた複数のスイッチ、複数のリレー、あるいは、制御装置によって切り換え可能なコンタクタである。切換手段の操作は、少なくとも１つのプリチャージ抵抗が直流電圧中間回路の充電過程と放電過程との双方に利用されるように行われる。

Description

本発明は、特にハイブリッド車両または電気車両において用いられる高電圧電源を放電させる方法および装置に関する。

従来技術
ハイブリッド車両または電気車両では、６０Ｖを超える直流電圧が用いられる。この電圧は車両分野では高電圧と称され、危険なボディ電流の原因となることがある。ハイブリッド車両内または電気車両内に配置される高電圧源は直流電圧中間回路とも称され、最も簡単なケースでは、バッテリ、キャパシタを備えた電圧変換器、１つまたは複数の電気機械、ならびに、エアコンなどの他の高電圧負荷およびこれらを接続するケーブルツリーから成っている。電圧変換器は電圧変換のために充分な大きさのキャパシタンスを有するキャパシタを必要とする。高電圧バッテリがキャパシタを含む高電圧源に対してスイッチオンされると、短絡または過電流を回避するために、通常はバッテリ内に配置されるプリチャージ抵抗を介してキャパシタへの充電が行われる。直流電圧中間回路に対するプリチャージ時間が経過した後、本来の主コンタクタが閉成され、プリチャージ抵抗は橋絡される。高電圧システムが遮断された場合、つまり例えば高電圧バッテリが高電圧負荷から切り離されると、直流電圧中間回路に接続された全てのキャパシタを放電させなければならない。このために、通常、キャパシタに対して並列に接続された個別の放電回路が用いられる。最も簡単なケースでは、当該の個別の放電回路はオーム抵抗である。

独国出願第１０２００４０５７６９３号明細書から、高電圧に置かれるキャパシタを迅速に放電させる装置が公知である。ここでは、低電圧側の所定の電圧をピーク低減のために増大する直流電圧変換器が用いられている。ピークを低減するために、バッテリ側では、直流電圧変換器とアースとのあいだにスイッチを介して抵抗が接続されている。

本発明の課題
本発明の課題は、直流電圧中間回路の全てのキャパシタを迅速かつ確実に放電させることのできる簡単で低コストな手段を提供することである。ここで、装置の構造寸法を低減できることが望ましい。

本発明の特徴および利点
本発明の方法および装置の利点は、直流電圧中間回路に接続された全てのキャパシタの放電に対して、バッテリ内に存在する既存のプリチャージ抵抗が利用されるということである。プリチャージ抵抗は既存のものであって付加的な放電回路は必要なく、装置の構造寸法を著しく低減することができる。

充放電過程の原理を示す図である。 高電圧バッテリの正極分岐のプリチャージ抵抗を介した中間回路放電の第１の例を示す図である。 高電圧バッテリの負極分岐のプリチャージ抵抗を介した中間回路放電の第１の例を示す図である。 高電圧バッテリの正極分岐のプリチャージ抵抗を介した中間回路放電の第２の例を示す図である。 高電圧バッテリの負極分岐のプリチャージ抵抗を介した中間回路放電の第２の例を示す図である。 本発明の実施例のさらなるバリエーションを示す図である。

有利には、プリチャージ抵抗は、短い放電時間で放電が行えるように、つまり、個々の放電回路を用いて放電するよりも格段に迅速に放電が完了するように選定される。

中間回路の迅速な放電を可能にすることにより、衝突事故の際などの高電圧による人体への危険が著しく低減される。本発明によれば、従来技術から公知の手段に比べて、放電時間がいちじるしく短い。

本発明の別の利点として、一般に要求される車両の高度の機能性が保証されることが挙げられる。これは、ハイブリッド過程の始動プロセス中、中間回路キャパシタの充電による時間遅延がドライバーの知覚しうる大きさでは発生しないことを意味する。ここで、プリチャージ抵抗は充分に大きく設計され、充電過程は通常約１００ｍｓで終了する。

高電圧の安全性への要求および法規制によって、通常動作においてだけでなく衝突事故の際などに高電圧電源が遮断される場合、中間回路の迅速な放電が行われることが必要である。有利には本発明によってこのことが達成される。中間回路キャパシタの放電時間は従来技術の手段に比べて係数１０ほど短い。

本発明ではプリチャージ抵抗が中間回路の充電過程と放電過程との双方に用いられる。本発明のプリチャージ抵抗で実現されるのと同じオーダーの放電時間を達成するためには、従来技術では付加的な別個の抵抗を挿入しなければならなかった。したがって、本発明の手段は、コストの低減の利点と同時に市場的利点を有する。

本発明の手段の主な適用分野は、直流電圧中間回路を備え、中間回路キャパシタ（スーパーキャップ）などの既存のエネルギ蓄積器がプリチャージ抵抗を介して充電される、電気車両、ハイブリッド車両または燃料電池車両である。

別の適用分野として、電気車両、ハイブリッド車両または燃料電池車両用のバッテリが挙げられる。この場合、電気車両、ハイブリッド車両または燃料電池車両内の直流電圧中間回路に対するプリチャージ抵抗は、通常、高電圧バッテリケーシング内に存在する。

本発明を図示し、以下に詳細に説明する。

図１〜図３，図６の実施例では切換装置として閉鎖コンタクトＳ１〜Ｓ４しか示されていないが、図４，図５の実施例では次の記号のものも用いられている。

図１には、本発明の回路の充放電過程が示されている。高電圧電源ＨＮは適切な線路を介して高電圧バッテリＨＢに接続される。線路には種々のスイッチング素子ないし切換手段が配置されており、ここではそのうち閉鎖コンタクトＳ１〜Ｓ４のみが示されている。閉鎖コンタクトＳ１〜Ｓ４の駆動ないし操作は制御ユニットＳＥによって制御される。高電圧電源ＨＮの直流電圧中間回路にはキャパシタＣ_Ｚｋ，１〜Ｃ_Ｚｋ，ｎが存在している。１つまたは複数のプリチャージ抵抗Ｒ_{Ｖｏｒｌａｄｕｎｇ}はコンタクタを適切に駆動することによって閉鎖コンタクトＳ１〜Ｓ４を介して高電圧バッテリＨＢの設定された端子へ接続される。ここで、１つまたは複数のプリチャージ抵抗Ｒ_{Ｖｏｒｌａｄｕｎｇ}は本発明の方法にしたがった高電圧電源の放電が行われるように配置され、駆動制御される。

高電圧電源の直流電圧中間回路の中間回路キャパシタは、最も簡単なケースでは、１つまたは複数のプリチャージ抵抗Ｒ_{Ｖｏｒｌａｄｕｎｇ}を介して充電される。充電過程では、単純な閉鎖コンタクトＳ１を備えたプリチャージコンタクタが用いられる。直流電圧中間回路のプリチャージには３つのバリエーションがある。プリチャージコンタクタおよびプリチャージ抵抗が図１に示されているように正極分岐に配置されるケース、プリチャージコンタクタおよびプリチャージ抵抗が負極分岐に配置されるケース、プリチャージ抵抗が１つずつ正極分岐と負極分岐と分けて配置されるケースの３つである。

放電過程では、単純な閉鎖コンタクト（閉鎖スイッチ）Ｓ４を備えた放電コンタクタが用いられる。本発明にとって重要なのは、直流電圧中間回路に接続されている全てのキャパシタが、既存のプリチャージ抵抗Ｒ_{Ｖｏｒｌａｄｕｎｇ}および放電コンタクタの閉鎖コンタクトＳ４を介して短絡され、これによって放電されるということである。放電過程はバリエーションに応じて異なる。なお、充電過程および放電過程の制御は制御ユニットＳＥによって行われる。

第１のバリエーションが図２に示されている。ここでは、中間回路の放電は、高電圧バッテリの正極分岐に配置されたプリチャージ抵抗Ｒ_{Ｖｏｒｌａｄｕｎｇ}を介して行われる。高電圧電源ＨＮの直流電圧中間回路の中間回路キャパシタＣ_Ｚｋ，１〜Ｃ_Ｚｋ，ｎは、最も簡単なケースでは、交流スイッチＳ１を介して充放電される。放電に対して、付加的な補助スイッチＳ４が用いられる。ここでの充電過程および放電過程も制御ユニットＳＥによって制御される。

ａ）充電過程：主スイッチＳ２が閉成され、交流スイッチＳ１が切換位置２へ切り換えられることにより、中間回路キャパシタＣ_Ｚｋ，１〜Ｃ_Ｚｋ，ｎが充電される。中間回路キャパシタＣ_Ｚｋ，１〜Ｃ_Ｚｋ，ｎが充電された後、主スイッチＳ３が閉成され、プリチャージ抵抗が橋絡される。この時点で高電圧電源の動作準備は完了し、プリチャージ抵抗を介して電流Ｉが流れなくなる。つまり、プリチャージ抵抗における損失電力Ｐ_Ｖ＝Ｉ^２＊Ｒ_{Ｖｏｒｌａｄｕｎｇ}はゼロとなる。

ｂ）放電過程：補助スイッチＳ４が閉成され、主スイッチＳ２，Ｓ３が開放された後、交流スイッチＳ１が切換位置１へ切り換えられることにより、中間回路キャパシタＣ_Ｚｋ，１〜Ｃ_Ｚｋ，ｎが放電される。補助スイッチＳ４は切り換えの際の短絡の危険を阻止し、必要に応じて、中間回路キャパシタＣ_Ｚｋ，１〜Ｃ_Ｚｋ，ｎの放電を所望のように駆動するために用いられる。例えば、高電圧バッテリの負荷が離脱しているのに電気駆動機構を介して高電圧電源の負荷にさらに給電が行われる場合などの非常モードでは、直流電圧中間回路の放電は無意味かつ不要である。

正極分岐に配置されたプリチャージ抵抗Ｒ_{Ｖｏｒｌａｄｕｎｇ}を介して中間回路を放電させることに代えて、負極分岐に配置されたプリチャージ抵抗Ｒ_{Ｖｏｒｌａｄｕｎｇ}を介して中間回路を放電させてもよい。図３には、負極分岐に配置されたプリチャージ抵抗Ｒ_{Ｖｏｒｌａｄｕｎｇ}を介して中間回路を放電させる回路装置が示されている。

第２のバリエーションが図４，図５に示されている。ここでは、高電圧電源はコントロールユニットと称される制御ユニットＳＥを介してオンオフ制御される。図４に示されている回路装置では、高電圧バッテリＨＢの正極分岐に配置されたプリチャージ抵抗を介して放電が行われ、図５に示されている回路装置では、高電圧バッテリＨＢの負極分岐に配置されたプリチャージ抵抗を介して放電が行われる。

ａ）充電過程：制御ユニットＳＥのスイッチオン信号Ｕ_ＯＮにより、コンタクタＫ２，Ｋ３がアクティブとなる。つまり、コンタクタＫ２，Ｋ３の閉鎖コンタクト２．１，３．１が閉成され、開放コンタクト２．２，３．２が開放される。コンタクタＫ１は制御ユニットのスイッチオン信号Ｕ_ＯＮによってアクティブとなるが、所定のプルイン遅延時間の経過後にオンとなる。ここで中間回路キャパシタＣ_Ｚｋ，１〜Ｃ_Ｚｋ，ｎはプリチャージ抵抗Ｒ_{Ｖｏｒｌａｄｕｎｇ}を介して充電される。プルイン遅延時間の経過後、コンタクタＫ１の閉鎖コンタクト１．１は閉成され、開放コンタクト１．２，１．３が開放される。開放コンタクト１．２，１．３の開放により、コンタクタＫ３が非アクティブとなる。コンタクタＫ１の閉鎖コンタクト１．１により、プリチャージ抵抗Ｒ_{Ｖｏｒｌａｄｕｎｇ}は橋絡される。こうして高電圧電源は動作準備を完了し、プリチャージ抵抗Ｒ_{Ｖｏｒｌａｄｕｎｇ}を介して電流Ｉが流れなくなる。つまり、プリチャージ抵抗Ｒ_{Ｖｏｒｌａｄｕｎｇ}の損失電力Ｐ_Ｖ＝Ｉ^２＊Ｒ_{Ｖｏｒｌａｄｕｎｇ}がゼロとなる。

ｂ）放電過程：制御ユニットＳＥのスイッチオフ信号Ｕ_ＯＦＦにより、コンタクタＫ１〜Ｋ３が非アクティブとなる。開放コンタクト１．３，２．２，３．２により、中間回路キャパシタＣ_Ｚｋ，１〜Ｃ_Ｚｋ，ｎの放電に対する電流回路がプリチャージ抵抗Ｒ_{Ｖｏｒｌａｄｕｎｇ}を介して短絡される。中間回路キャパシタＣ_Ｚｋ，１〜Ｃ_Ｚｋ，ｎはプリチャージ抵抗Ｒ_{Ｖｏｒｌａｄｕｎｇ}を介して放電される。

開放コンタクト１．３，２．２，３．２は、システムの安全のために、コンタクタの機能エラーや、高電圧バッテリの負荷離脱、高電圧負荷に対する電源維持などの非常モードで放電を阻止するために用いられる。

前述した実施例では一般的なケースを説明した。プリチャージ抵抗は必ずしもバッテリ内に配置されたりバッテリの要素であったりしなくてもよい。同じことがスイッチおよびコンタクタにも当てはまる。重要なのは、高電圧電源のエネルギ蓄積器または高電圧バッテリが１つまたは複数のプリチャージ抵抗を介して充電されることである。このとき、一般に、電気コンタクトスイッチは、プリチャージ抵抗が中間回路キャパシタに対して並列に位置するように電流回路を閉成する。

図６には、固有の高電圧電源なしの回路装置の別の実施例が示されている。高電圧バッテリＨＢはプリチャージコンタクタＨＳ_Ｐｒｅを介してプリチャージ抵抗Ｒ_Ｐｒｅに接続され、高電圧バッテリＨＢとプリチャージ抵抗Ｒ_ＰｒｅおよびキャパシタＣ_Ｚｋの接続点とのあいだの接続がプリチャージコンタクタＨＳ_２を介して形成される。また、別の主コンタクタＨＳ_１，ＨＳ_ｄｉｓにより高電圧バッテリＨＢの負極とプリチャージ抵抗Ｒ_Ｐｒｅとのあいだの接続が形成される。

１つまたは複数のプリチャージ抵抗Ｒ_{Ｖｏｒｌａｄｕｎｇ}、スイッチ、コンタクタ、あるいは制御ユニットＳＥは、必ずしも高電圧バッテリＨＢの要素でなくてよく、例えばバッテリケーシング内に存在しなくてもよい。重要なのは、高電圧電源の１つまたは複数のエネルギ蓄積器が１つまたは複数のプリチャージ抵抗を介して充電され、同じプリチャージ抵抗を介して迅速に放電されるということである。このとき、一般に、電気コンタクトスイッチは、プリチャージ抵抗が中間回路キャパシタに対して並列に位置するように、電流回路を閉成する。

本発明の方法または装置を電気車両、ハイブリッド車両または燃料電池車両において使用する際には、要求されている高度の車両機能性が確実に保証されなければならないということに注意されたい。これは、ハイブリッド車両の始動プロセスにおいて、中間回路キャパシタの充電によってドライバーが時間遅延の発生を感じないようにすべきであることを意味する。したがって、プリチャージ抵抗の大きさは、中間回路キャパシタの充電過程が約１００ｍｓで終了するよう、充分な大きさに設計される。これにより、プリチャージ抵抗を介した中間回路の迅速な放電も可能となる。

高電圧の安全性への要求および法規制により、通常動作においてだけでなく特に衝突事故の際などに高電圧電源が遮断される場合、中間回路キャパシタの迅速な放電が行われることが必要であるが、本発明によればこれが達成される。迅速な放電時間は、充分な大きさに選定されたプリチャージ抵抗によって達成される。中間回路キャパシタの放電時間は従来技術の手段に比べて係数１０ほど短い。

Claims (13)

1. 少なくとも１つの抵抗を介してエネルギ源に接続された高電圧電源の放電方法、特に直流電圧中間回路の放電方法において、
   前記少なくとも１つの抵抗を、前記直流電圧中間回路のキャパシタの充電過程またはプリチャージ過程と放電過程との双方に対する共通の抵抗として用いる
   ことを特徴とする高電圧電源の放電方法。
2. 前記充電過程または前記プリチャージ過程に対しては前記抵抗を前記直流電圧中間回路の前記キャパシタに直列に接続し、前記放電過程に対してはスイッチング手段を適切に駆動することにより前記抵抗を前記直流電圧中間回路の前記キャパシタに並列に接続する、請求項１記載の高電圧電源の放電方法。
3. 前記少なくとも１つの抵抗を、制御ユニットによって駆動されるスイッチング手段を介して選択的に前記エネルギ源のいずれかの側へ接続し、該スイッチング手段の切換状態に応じて同じ抵抗を介して充電過程またはプリチャージ過程あるいは放電過程のいずれかを行う、請求項１または２記載の高電圧電源の放電方法。
4. 前記エネルギ源として、バッテリ、高電圧バッテリ、後置接続されたＤＣ／ＤＣ変換器を備えたバッテリ、あるいは、燃料電池セルを用いる、請求項２記載の高電圧電源の放電方法。
5. 前記高電圧電源は特にハイブリッド車両、電気車両または燃料電池車両の直流電圧中間回路である、請求項１から４までのいずれか１項記載の高電圧電源の放電方法。
6. 通常モードで必要に応じて放電を行うかまたは事故が識別された場合に放電を行う、請求項１から５までのいずれか１項記載の高電圧電源の放電方法。
7. 少なくとも１つの抵抗を介してエネルギ源に接続された高電圧電源の放電装置、特に直流電圧中間回路の放電装置において、
   前記少なくとも１つの抵抗が、前記直流電圧中間回路のキャパシタの充電過程またはプリチャージ過程と放電過程との双方に対する共通の抵抗として用いられる
   ことを特徴とする高電圧電源の放電装置。
8. 前記少なくとも１つの抵抗は正極分岐または負極分岐に配置されており、前記エネルギ源の正極側または負極側に接続される、請求項７記載の高電圧電源の放電装置。
9. 前記少なくとも１つの抵抗のうち１つの抵抗は正極分岐に配置され、他の抵抗は負極分岐に配置され、それぞれ前記エネルギ源の正極側または負極側に接続される、請求項７記載の高電圧電源の放電装置。
10. 前記エネルギ源として、バッテリ、高電圧バッテリ、後置接続されたＤＣ／ＤＣ変換器を備えたバッテリ、あるいは、燃料電池セルが用いられる、請求項８または９記載の高電圧電源の放電装置。
11. 前記少なくとも１つの抵抗は、前記直流電圧中間回路の電圧が１ｓｅｃよりも短い時間で、有利には０．１ｓｅｃよりも短い時間で危険のない電圧値へ低減されるように選定されたプリチャージ抵抗である、請求項７から１０までの高電圧電源の放電装置。
12. 前記少なくとも１つの抵抗、前記スイッチング手段および／または前記制御装置は高電圧バッテリの要素であり、特にバッテリケーシングの内部に配置されている、請求項７から１１までのいずれか１項記載の高電圧電源の放電装置。
13. 前記少なくとも１つの抵抗、前記スイッチング手段および／または前記制御装置は前記エネルギ源と前記高電圧電源とのあいだの任意の位置に配置されている、請求項７から１２までのいずれか１項記載の高電圧電源の放電装置。

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