JP2011072154A - 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

車両用の電源装置及びこの電源装置を搭載する車両 Download PDF

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Abstract

【課題】車両を走行している状態において、電池から車両側負荷までの接続異常を確実に検出する。車両を走行させる状態でわずかな接続異常を正確に検出する。
【解決手段】車両用の電源装置は、入力側にスイッチング回路56を有する車両側負荷50に接続される走行用バッテリ1と、この走行用バッテリ1と車両側負荷50との間に接続されて接続点8に誘導されるスイッチング回路56のスイッチングによって発生する交流信号を検出するレベル検出回路3と、このレベル検出回路3で検出される信号レベルをあらかじめ記憶している設定レベルに比較して、検出される信号レベルが設定レベルよりも大きい状態で走行用バッテリ1と車両側負荷50との接続状態を接続異常と判定する判定回路4とを備えている。
【選択図】図4

Description

本発明は、ハイブリッドカーや電気自動車に搭載されて、車両を走行させるモータに電力を供給する電源装置とこの電源装置を搭載する車両に関する。
電動車両を走行させるモータの出力は、走行用バッテリの出力電圧と電流の積に比例する。モータの出力を大きくするために、走行用バッテリは出力電圧を100V〜300Vと高くしている。出力電圧を高くする走行用バッテリは、多数の電池を直列に接続している。さらに、近年の電動車両は、走行用バッテリから供給される直流をDC/DCコンバータで昇圧してモータの供給電圧を高くしている。走行用バッテリの出力が昇降圧コンバータで昇圧してモータに供給されると、走行用バッテリの放電電流は昇圧比に比例して大きくなる。たとえば、走行用バッテリの電圧を2倍に昇圧してモータに供給する電動車両にあっては、走行用バッテリの電流がモータ電流の2倍と大きくなる。
車両用の電源装置は、車両側の負荷であるモータに走行用バッテリから大電流を供給して車両を加速し、また、車両の減速時には回生制動によって走行用バッテリ電池を充電しする。したがって、この電源装置は、複数の電池を接続している走行用バッテリの接続部や出力ラインに極めて大きな電流が流れる。モータの出力は、走行用バッテリの電圧と電流の積に比例するので、モータの出力が大きくなるにしたがって、電池の電流が大きくなり、電流が100Aを超えることもある。大電流が流れる電池の接続部や出力ラインは、大電流に耐える構造としているが、経時的に接触抵抗が大きくなって接続異常などの故障を起こすことがある。とくに、車両用の電源装置は、走行して振動する状態で使用されることから、経時的に全ての接続部を低抵抗な状態に保持するのが極めて難しい。さらに、困ったことに、接続異常によって接触抵抗が大きくなると、その電気抵抗と電流の二乗の積に比例して電力損失が大きくなることから、発熱などの弊害も発生する。
ところで、走行用バッテリが車両側負荷に接続されたかどうかを、走行用バッテリの正負の一方に交流信号を供給し、他方で交流信号を検出して判定する装置は開発されている。(特許文献1参照)
この公報の電源装置を図1に示している。この電源装置は、走行用バッテリ91のプラス側に発振回路92を接続して、マイナス側に検出回路93を接続している。この電源装置は、走行用バッテリ91に車両側負荷90が接続される状態では、発振回路92の交流信号が車両側負荷90を介してプラス側からマイナス側に伝送され、走行用バッテリ91に車両側負荷90が接続されない状態では、交流信号が車両側負荷90を介してプラス側からマイナス側に伝送されなくなるので、検出回路93で交流信号を検出して、車両側負荷90が接続されたかどうかを判定できる。
特開2008−37211号公報
図1の電源装置は、走行用バッテリに車両側負荷が接続されたかどうかを検出できるが、走行用バッテリを構成している電池の接続部や車両側の負荷に接続している出力ラインの接続異常は検出できない。
本発明は、さらに以上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、車両を走行している状態において、電池から車両側負荷までの接続異常を確実に検出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、車両を走行させる状態でわずかな接続異常を正確に検出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、入力側にスイッチング回路56を有する車両側負荷50に接続される走行用バッテリ1と、この走行用バッテリ1と車両側負荷50との間に接続されて接続点8に誘導されるスイッチング回路56のスイッチングによって発生する交流信号を検出するレベル検出回路3と、このレベル検出回路3で検出される信号レベルをあらかじめ記憶している設定レベルに比較して、検出される信号レベルが設定レベルよりも大きい状態で走行用バッテリ1と車両側負荷50との接続状態を接続異常と判定する判定回路4とを備えている。
以上の車両用の電源装置は、車両の走行において、電池から車両側負荷までの接続異常を確実に検出できる特徴がある。それは、以上の電源装置が、走行用バッテリから車両側負荷に電力を供給し、あるいは車両側負荷から走行用バッテリに電力を供給する状態で、車両側負荷のスイッチング回路が出力する交流信号の出力レベルをレベル検出回路で検出し、このレベル検出回路で検出される信号レベルから判定回路が電池の接続異常を検出するからである。電池の接続部や出力ラインの一部に接続異常があると、車両が走行して振動を受ける状態で接続異常を起こしている部分の直列インピーダンスが増加する。それは、振動によって接続異常を起こしているいる接触部分が相対的に振動し、接点のチャタリングに近似する状態となって低抵抗な状態で連続して接触しなくなるからである。この状態になると、レベル検出回路が検出される交流信号の信号レベルが増加する。それは、電池と直列に接続される直列インピーダンスが増加すると、車両側負荷のスイッチング回路がスイッチングして、走行用バッテリの出力電圧の脈動を大きくするからである。
図2は、走行用バッテリ1に車両側負荷50が接続される等価回路を示している。この等価回路に示すように、車両側負荷50は、入力側に大容量のコンデンサー54を接続しており、このコンデンサー54と並列にモータなどで構成される負荷インピーダンス58とスイッチング素子59を直列に接続している。スイッチング素子59がオンオフにスイッチングされると、走行用バッテリ1の出力側と車両側負荷50との接続点8は図3で示すように脈動する。すなわち、スイッチング素子59がオンに切り換えられた状態で接続点8の電圧は低下し、スイッチング素子59がオフに切り換えられた状態で接続点8の電圧は上昇する。したがって、スイッチング素子がオンオフに切り換えられる毎に、接続点の電圧は上下に脈動する。接続点の電圧は、スイッチング素子のスイッチングによって上下に脈動するので、この電圧はスイッチング周波数で脈動することになる。このとき、スイッチング素子がオンに切り換えられた状態で、接続点の電圧が低下する割合は走行用バッテリと直列に接続される直列インピーダンスが大きくなるにしたがって大きくなる。直列インピーダンスの電圧降下が電流と直列インピーダンスの積に比例するからである。接続点の脈動は、たとえば、カップリングコンデンサーやトランスで直流成分を除去して交流信号として検出できる。スイッチング素子をオンに切り換えて電圧降下が大きくなると、交流信号の信号レベルは大きくなる。したがって、接続異常によって直列インピーダンスが大きくなると、交流信号の信号レベルは大きくなる。以上の電源装置は、交流信号の信号レベルを設定レベルに比較することで、直列インピーダンスを介して接続異常を検出することができる。
さらに、以上の電源装置は、交流信号を供給するために専用の発振回路を設けることなく、車両側負荷のスイッチング回路を発振回路に併用して接続異常を検出するので、極めて簡単な回路構成としながら、スイッチング回路をスイッチングさせる状態、すなわちモータで走行する状態で接続異常を検出できる特徴が実現される。
さらにまた、以上の電源装置は、車両をモータで走行させる状態で、すなわち車両を振動させる状態で、交流信号の信号レベルから接続異常を判定するので、わずかな接続異常、すなわち初期の接続異常をも正確に検出できる特徴がある。それは、静止状態では低抵抗な状態で接続される初期の接続異常も、振動によって連続して低抵抗な状態で接触できなくなって直列インピーダンスが大きくなるからである。
本発明の車両用の電源装置は、レベル検出回路3が、接続点8に誘導される交流信号のアンプ11と、このアンプ11の出力側に接続されてスイッチング回路56のスイッチング周波数の交流信号を通過させるフィルター12と、このフィルター12から出力される交流信号の信号レベルを検出する検出回路13とを備えることができる。
本発明の車両用の電源装置は、フィルター12を、スイッチング回路56のスイッチング周波数を通過させるバンドパスフィルター12Aとすることができる。
本発明の車両用の電源装置は、検出回路13が交流信号の信号レベルを直流に変換する交流−直流変換回路15を備えて、この交流−直流変換回路15の出力レベルで交流信号の出力レベルを検出することができる。
本発明の車両用の電源装置は、走行用バッテリ1と直列に接続してなるリレー5を備えて、このリレー5と車両側負荷50との間にレベル検出回路3を接続することができる。
本発明の車両用の電源装置は、レベル検出回路3が車両側負荷50の正負の端子に誘導されるスイッチング回路56のスイッチング周波数の交流信号を検出することができる。
本発明の車両は、請求項1ないし6のいずれかに記載される車両用の電源装置を搭載している。
この車両は、走行している状態において、搭載している電源装置の電池から車両側負荷までの接続異常を確実に、しかも正確に検出できるので、安心して安全に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。 走行用バッテリに車両側負荷が接続される状態を示す等価回路図である。 走行用バッテリの出力側と車両側負荷との接続点の出力を示すグラフである。 本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置を車両側負荷に接続する状態を示すブロック回路図である。 本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置を他の車両側負荷に接続する状態を示すブロック回路図である。 本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置のブロック回路図である。 本発明の他の実施例にかかる車両用の電源装置のブロック回路図である。 本発明の他の実施例にかかる車両用の電源装置のブロック回路図である。 電流に対する設定レベルを示す関数の一例を示す図である。 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4に示す車両用の電源装置は、入力側にスイッチング回路56を有する車両側負荷50に接続される走行用バッテリ1と、この走行用バッテリ1と車両側負荷50との間に接続されて接続点8に誘導されるスイッチング回路56のスイッチングによって発生する交流信号を検出するレベル検出回路3と、このレベル検出回路3で検出される信号レベルをあらかじめ記憶している設定レベルに比較して、検出される信号レベルが設定レベルよりも大きい状態で走行用バッテリ1と車両側負荷50との接続状態を接続異常と判定する判定回路4とを備える。
図4に示す電源装置に接続している車両側負荷50は、昇降圧コンバータ57とDC/ACインバータ51を備えている。この車両側負荷50は、走行用バッテリ1の電圧を昇降圧コンバータ57で昇圧し、昇圧された直流をDC/ACインバータ51で交流に変換してモータ52に供給している。また、発電機53から供給される交流は、DC/ACインバータ51を介して直流に変換され、さらに、昇降圧コンバータ57で降圧して走行用バッテリ1に供給している。この車両側負荷50は、走行用バッテリ1に昇降圧コンバータ57が接続されるので、昇降圧コンバータ57が走行用バッテリ1の出力をスイッチングするスイッチング回路56となる。
図5に示す電源装置に接続している車両側負荷50は、走行用バッテリ1にDC/ACインバータ51を接続して、このDC/ACインバータ51にモータ52と発電機53を接続している。この車両側負荷50は、走行用バッテリ1にDC/ACインバータ51を接続してスイッチングするので、DC/ACインバータ51が走行用バッテリ1の出力をスイッチングするスイッチング回路56となる。
走行用バッテリ1は、複数の二次電池2を直列に接続して出力電圧を高くしている。二次電池2はリチウムイオン電池、又はニッケル水素電である。ただし、二次電池には、充電できる全ての電池を使用できる。走行用バッテリ1は、直列に接続する二次電池2の個数で出力電圧を調整している。走行用バッテリ1は、たとえば出力電圧を100V〜300Vとするように二次電池2を直列に接続している。
図4と図5の走行用バッテリ1は、プラスとマイナスの出力側にリレー5を接続し、リレー5を介して車両側負荷50に接続している。さらに、走行用バッテリ1は、2組の電池ブロック10を直列に接続している。電池ブロック10は、複数の電池2を直列に接続している。さらに、2組の電池ブロック10の間にヒューズ6と安全プラグ7を接続して、2組の電池ブロック10をヒューズ6と安全プラグ7を介して直列に接続している。
レベル検出回路3は、図6に示すように、接続点8に誘導される交流信号のアンプ11と、このアンプ11の出力側に接続されてスイッチング回路56のスイッチング周波数の交流信号を通過させるフィルター12と、このフィルター12から出力される交流信号の信号レベルを検出する検出回路13とを備える。図6のレベル検出回路3は、電源装置を車両側負荷50に接続する正負のコネクタ9に誘導される交流信号を検出して、接続異常を判定している。この電源装置は、正負のコネクタ9から走行用バッテリ1側の全ての接続異常を検出できるので、走行用バッテリ1と、リレー5と、ヒューズ6と、安全プラグ7の全ての接続異常を検出できる。
アンプ11は、直流成分を増幅しない交流アンプで、正負の接続点8であるコネクタ9に一対の入力端子を接続している差動アンプ11Aである。差動アンプ11Aの入力端子は、直流をカットして交流信号のみを通過させるカップリングコンデンサー14を介して走行用バッテリ1の正負の接続点8に接続している。差動アンプ11Aは、走行用バッテリ1の正負の端子に接続されて、プラスとマイナスの出力側に誘導される交流信号を増幅する。アンプ11は、交流信号を増幅して出力し、あるいは増幅することなく出力するバッファーアンプである。
フィルター12は、スイッチング回路56である昇降圧コンバータ57やDC/ACインバータ51のスイッチング周波数の交流信号を通過させるバンドパスフィルター12Aである。フィルター12をバンドパスフィルター12Aとするレベル検出回路3は、種々の誘導雑音や外来雑音を除去してスイッチング回路56から入力されるスイッチング周波数の交流信号を通過させる。したがって、交流信号を正確に安定して通過できる特徴がある。さらに、バンドパスフィルターとすることで、昇降圧コンバータ57やDC/ACインバータ51の各固有周波数を検出できるため、どちらのラインの接続異常か判定することができる。ただ、このフィルターは、必ずしもバンドパスフィルターとする必要はなく、直流をカットして交流を通過させるハイパスフィルターも使用できる。
検出回路13は、入力される交流を直流に変換する交流−直流変換回路15と、この交流−直流変換回路15で変換された直流をデジタル信号に変換するA/Dコンバータ16とを備えている。
交流−直流変換回路15は、交流信号を整流して直流に変換する整流用のダイオード17と、平滑用のコンデンサー18とを備えている。コンデンサー18は、ダイオード17で整流して出力される脈流を平滑化する静電容量のものが使用される。
A/Dコンバータ16は、交流−直流変換回路15から出力されるアナログ信号を、所定のサンプリング周期でデジタル信号に変換して判定回路4に出力する。
ただ、レベル検出回路は、図7に示す構造とすることもできる。この図に示すレベル検出回路3は、接続点8に誘導される交流信号のアンプ11と、このアンプ11から出力されるアナログ信号を所定のサンプリング周期でデジタル信号に変換するA/Dコンバータ19と、このA/Dコンバータ19から出力されるデジタル信号から所定の領域の信号を通過させるデジタルフィルター12Bとを備えている。このレベル検出回路3は、スイッチング回路56である昇降圧コンバータ57やDC/ACインバータ51のスイッチング周波数の交流信号をA/Dコンバータ19でデジタル変換した後、デジタルフィルター12Bで種々の誘導雑音や外来雑音を高い精度で除去して判定回路4に出力する。
判定回路4は、レベル検出回路3の出力を演算して、接続異常を判定する演算回路21と、接続異常の判定を表示する表示部22とを備えている。判定回路4は、レベル検出回路3から入力されるデジタル信号の信号レベルの大きさから接続異常を判定する。接続異常を判定するために、判定回路4は接続異常と判定する設定レベルをメモリ23に記憶している。演算回路21は、入力される信号レベルと設定レベルとを比較し、入力される信号レベルが設定レベルよりも大きいと接続異常と判定する。判定された接続異常は表示部22に表示される。表示部22は、ドライバーが確認できる位置に「整備必要」等の表示をする。また、表示部22は車両側に「接続異常信号」を出力し、車両側では、モニタに「設備必要」の表示し、あるいはモータ52に供給する最大電流を制限して車両を走行させる。
判定回路4は、モータ52による走行を許可する軽微な接続異常を判定する第1の設定レベルと、モータ52での走行を許可しない第2の設定レベルとを記憶して、入力される信号レベルを各々の設定レベルに比較することができる。この判定回路4は、入力される信号レベルが第1の設定レベルよりも大きくて第2の設定レベルよりも小さい状態では軽微な接続異常と判定し、信号レベルが第2の設定レベルよりも大きい状態では重度の接続異常と判定する。車両側は、軽微な接続異常ではモータ52での走行を停止してモニタに「整備必要」の表示し、重度の接続異常ではモータ52による走行を停止して「モータ走行不可」の表示をする。
以上の車両用の電源装置は、以下のようにして接続異常を判定する。
車両側負荷50のスイッチング回路56がスイッチングして、走行用バッテリ1が放電され、あるいは充電される状態となる状態で、走行用バッテリ1に接続異常があると、接続異常のある部分での電圧降下が大きくなる。したがって、接続点8の電圧は、図3に示すように脈動する。接続点8の電圧が脈動する振幅、すなわち交流信号の振幅は、接続異常に起因する異常な接続部の電圧降下に比例して大きくなる。交流信号の信号レベルはレベル検出回路3に検出されて、判定回路4において設定レベルに比較される。接続部に接続異常が発生すると、交流信号の信号レベルが設定レベルよりも大きくなるので、判定回路4がこの交流信号を設定レベルに比較して接続異常を判定できる。
さらに、図8の電源装置は、判定回路4が電流検出回路24を備えている。この判定回路4は、電流検出回路24で検出される電流値と、設定レベルの両方で接続異常を判定する。この判定回路4の演算回路21は、電流に対する設定レベルを関数として、あるいはルックアップテーブルに記憶している。図9は、電流に対する設定レベルを示す関数である。この図に示す設定レベルは、電流が増加して大きくなるように設定している。この判定回路4は、走行用バッテリ1に流れる電流を検出し、検出する電流における設定レベルを特定し、特定される設定レベルに入力される信号レベルを比較して接続異常を判定する。この判定回路4は、より正確に接続異常を判定できる。それは、走行用バッテリ1の電流が増加して接続異常にある接続部の直列インピーダンスが増加する状態で、確実に接続異常を判定できるからである。
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10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、昇降圧コンバータ57と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11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…走行用バッテリ
2…電池
3…レベル検出回路
4…判定回路
5…リレー
6…ヒューズ
7…安全プラグ
8…接続点
9…コネクタ
10…電池ブロック
11…アンプ 11A…差動アンプ
12…フィルター 12A…バンドパスフィルター
12B…デジタルフィルター
13…検出回路
14…カップリングコンデンサー
15…交流−直流変換回路
16…A/Dコンバータ
17…ダイオード
18…コンデンサー
19…A/Dコンバータ
21…演算回路
22…表示部
23…メモリ
24…電流検出回路
50…車両側負荷
51…DC/ACインバータ
52…モータ
53…発電機
54…コンデンサー
55…エンジン
56…スイッチング回路
57…昇降圧コンバータ
58…負荷インピーダンス
59…スイッチング素子
90…車両側負荷
91…走行用バッテリ
92…発振回路
93…検出回路
100…電源装置
HV…車両
EV…車両

Claims (7)

  1. 入力側にスイッチング回路(56)を有する車両側負荷(50)に接続される走行用バッテリ(1)と、この走行用バッテリ(1)と車両側負荷(50)との間に接続されて接続点(8)に誘導される前記スイッチング回路(56)のスイッチングによって発生する交流信号を検出するレベル検出回路(3)と、このレベル検出回路(3)で検出される信号レベルをあらかじめ記憶している設定レベルに比較して、検出される信号レベルが設定レベルよりも大きい状態で走行用バッテリ(1)と車両側負荷(50)との接続状態を接続異常と判定する判定回路(4)とを備える車両用の電源装置。
  2. 前記レベル検出回路(3)が、前記接続点(8)に誘導される交流信号のアンプ(11)と、このアンプ(11)の出力側に接続されて前記スイッチング回路(56)のスイッチング周波数の交流信号を通過させるフィルター(12)と、このフィルター(12)から出力される交流信号の信号レベルを検出する検出回路(13)とを備える請求項1に記載される車両用の電源装置。
  3. 前記フィルター(12)が、前記スイッチング回路(56)のスイッチング周波数を通過させるバンドパスフィルター(12A)である請求項2に記載される車両用の電源装置。
  4. 前記検出回路(13)が交流信号の信号レベルを直流に変換する交流−直流変換回路(15)を備え、この交流−直流変換回路(15)の出力レベルで交流信号の出力レベルを検出する請求項1ないし3のいずれかに記載される車両用の電源装置。
  5. 前記走行用バッテリ(1)と直列に接続してなるリレー(5)を備え、このリレー(5)と車両側負荷(50)との間にレベル検出回路(3)を接続してなる請求項1ないし4のいずれかに記載される車両用の電源装置。
  6. 前記レベル検出回路(3)が車両側負荷(50)の正負の端子に誘導される前記スイッチング回路(56)のスイッチング周波数の交流信号を検出する請求項1ないし5のいずれかに記載される車両用の電源装置。
  7. 請求項1ないし6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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WO2015068186A1 (ja) * 2013-11-06 2015-05-14 川崎重工業株式会社 乗物およびそれに用いる電源ユニット
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