JP2014177208A

JP2014177208A - 車両用電源遮断装置

Info

Publication number: JP2014177208A
Application number: JP2013052751A
Authority: JP
Inventors: Mitsuaki Morimoto; 充晃森本; Akiyoshi Kanazawa; 昭義金澤
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2033-03-15
Also published as: JP6124630B2

Abstract

【課題】車両の障害発生に伴い車両の高電圧の電源を負荷から切り離した後の復旧を簡便に済ませる。
【解決手段】車両障害発生時にヒューズ１１が溶断していなければ、ヒューズ１１の負荷３側の端子の電圧が溶断判定閾値Ｖｔｈを超え、遮断信号と溶断許可信号とが両方入力されたドライブ回路１９から駆動信号が出力されてパワー半導体デバイス１５が導通する。すると、ヒューズ１１の負荷３側の端子が接地電位箇所（アース）に短絡され、ヒューズ１１に過電流が流れてヒューズ１１が溶断し、高電圧バッテリＨＢが負荷３から切り離される。すると、ヒューズ１１の端子の電圧が溶断判定閾値Ｖｔｈ以下となり、ドライブ回路１９への溶断許可信号の入力が途絶える。このため、ドライブ回路１９からの駆動信号の出力が停止され、パワー半導体デバイス１５が非導通状態となってヒューズ１１の端子が接地電位箇所から絶縁される。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の障害発生時に車両の高電圧の電源から負荷を切り離す車両用電源遮断装置に関する。

車両においては従来から、過電流の発生時にヒューズ（ヒュージブルリンク等）を溶断させて下流側のワイヤハーネスや負荷を電源から切り離し、それらの損傷を防ぐ電源遮断装置が用いられている。また、近年では、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）等の普及に伴って、従来の電源に加えて高電圧の電源を搭載する場合が増えている。この種の車両では、車両走行に障害を及ぼす衝突等の事象の発生時に、安全のために高電圧の電源から負荷を切り離すことが要求される。

高電圧の電源から負荷を切り離す場合は、従来の低電圧電源に比べて大きなアークが発生するので、沿面放電により回路遮断が不十分となる可能性がある。そこで、電源遮断を要求する警告信号をトリガとするインフレータの着火でブレードを飛翔させ、電源供給用の電線をブレードで切断した後、ブレードに連なる絶縁部材を電線の切り口に介在させる提案が行われている。

この提案によれば、切断後の電線の切り口間で沿面放電が発生するのを絶縁部材により確実に防ぎ、高電圧の電源から負荷を確実に切り離すことができる（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−８６６５３号公報

上述した提案では、電源供給用の電線がブレードによって直接切断されるため、復旧の際には電線全体の交換が必要となる。また、ブレードが安全のため密閉された遮断器の筐体内で飛翔し電線を切断するため、電線を交換する際にはこれと共にブレードを含む遮断器も交換する必要がある。したがって、電源遮断後の復旧作業が繁雑になってしまう。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、車両の障害発生に伴い車両の高電圧の電源を負荷から切り離した後の復旧を簡便に済ませることができる車両用電源遮断装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、請求項１に記載した本発明の車両用電源遮断装置は、
車両の障害発生時に前記車両の高電圧バッテリを負荷から切り離す電源遮断装置において、
前記高電圧バッテリと前記負荷との間に交換可能に直列接続され、過電流が流れた際に溶断して前記高電圧バッテリと前記負荷とを絶縁するヒューズと、
前記負荷と並列接続され、駆動信号の入力により前記ヒューズの前記負荷側の端子を接地電位箇所に短絡して前記ヒューズに過電流を流れさせる過電流発生手段と、
前記ヒューズの前記負荷側の端子電圧を検出する電圧検出手段と、
前記車両の障害発生時における前記ヒューズの前記負荷側の端子電圧が、前記高電圧バッテリの電源電圧に対応した前記ヒューズの溶断判定閾値を超えているときに、前記過電流発生手段に対して前記駆動信号を出力する駆動手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項１に記載した本発明の車両用電源遮断装置によれば、車両に障害が発生して過電流発生手段がヒューズの負荷側の端子を接地電位箇所に短絡すると、過電流が流れたヒューズが溶断して高電圧バッテリを負荷から切り離す。ヒューズ溶断後は過電流発生手段によるヒューズの接地電位箇所への短絡状態を終了させる。障害の解消後には、ヒューズを交換することで、高電圧バッテリに負荷を再び接続することができる。

また、車両に障害が発生したときに、負荷に流れた過電流によってヒューズが既に溶断していたり、別の保護システムによりメインリレーが遮断していれば、高電圧バッテリが既に負荷から切り離されていて、ヒューズの負荷側の端子電圧が高電圧バッテリの電源電圧に対応したヒューズの溶断判定閾値以下となるので、過電流発生手段によるヒューズの負荷側端子の接地電位箇所に対する短絡が行われない。このため、障害の解消後には、負荷側の過電流状態の解消を確認した上でヒューズを交換するだけで、高電圧バッテリに負荷を再び接続することができる。したがって、障害解消後の復旧に際して交換を要するのをヒューズのみに止めることができる。

以上のように、障害の解消後に交換するのをヒューズのみに止め、かつ、過電流発生手段によるヒューズの接地電位箇所への短絡状態と開放状態を切り替える回路は繰り返し使用できるため、車両の障害発生に伴い車両の高電圧の電源を負荷から切り離した後の復旧を簡便に済ませることができる。

また、請求項２に記載した本発明の車両用電源遮断装置は、請求項１に記載した本発明の車両用電源遮断装置において、前記高電圧バッテリの前記負荷に対する接続中に充電され、前記ヒューズの溶断中に放電して前記電圧検出手段及び前記過電流発生手段に電源を供給するバックアップ電源手段をさらに備えることを特徴とする。

請求項２に記載した本発明の車両用電源遮断装置によれば、請求項１に記載した本発明の車両用電源遮断装置において、ヒューズが過電流により溶断すると、過電流発生手段は最早ヒューズに過電流を流れさせる必要がなくなる。そこで、ヒューズの溶断後に過電流発生手段の通電状態を停止させるには、ヒューズの溶断後にも電圧検出部や過電流発生手段を機能させる必要がある。

バックアップ電源手段は、ヒューズの溶断後に、電圧検出部や過電流発生手段に高電圧バッテリの電力を供給できなくなっても、引き続きそれらに電源を供給するので、過電流発生手段によるヒューズへの過電流の通流をヒューズの溶断後に確実かつ迅速に停止させることができる。

本発明によれば、車両の障害発生に伴い車両の高電圧の電源を負荷から切り離した後の復旧を安価に済ませることができる。

本発明の一実施形態に係る遮断器の原理的な構成を示す回路図である。図１の遮断器において行われる動作を示すフローチャートである。本発明の一実施形態の変形例に係る遮断器の原理的な構成を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係る遮断器の原理的な構成を示す回路図である。

本実施形態の遮断器１（請求項中の車両用電源遮断装置に相当）は、例えば、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）等の、高電圧バッテリＨＢを搭載した車両で用いられる。

遮断器１は、車両走行に障害を及ぼす衝突等の事象の発生時（障害発生時）に、高電圧バッテリＨＢを高電圧で駆動される例えばモータジェネレータ等の負荷３から切り離す。そのために、遮断器１は、ヒューズ（高電圧ＦＵＳＥ）１１と制御部１２とを有している。

ヒューズ１１は不図示のホルダに対して装脱可能に構成されており、過電流により溶断した場合は交換することができる。制御部１２は、電圧検出部１３と、パワー半導体デバイス（大電力半導体）１５と、電流制限抵抗１７と、ドライブ回路１９と、電源回路２１とを有している。

電圧検出部１３（請求項中の電圧検出手段に相当）はヒューズ１１の負荷３側の端子１１ａの端子電圧を検出する。そして、検出した端子電圧がヒューズ１１の溶断判定閾値Ｖｔｈを超えている間、電圧検出部１３はドライブ回路１９に溶断許可信号を出力する。

ここで、溶断判定閾値Ｖｔｈは、ヒューズ１１が溶断しているときには端子１１ａに現れる端子電圧が確実にそれ以下となり、ヒューズ１１が溶断していないときには端子１１ａに現れる端子電圧が確実にそれを超えるような電圧値であり、高電圧バッテリＨＢの電源電圧に対応した値に設定される。

パワー半導体デバイス１５は、例えば、ＮチャネルのＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の大電力に対する耐性が高い半導体スイッチングデバイスを用いて構成されている。パワー半導体デバイス１５のドレイン（エミッタ）は接地されている。電流制限抵抗１７は、ヒューズ１１の負荷３側の端子１１ａと、パワー半導体デバイス１５のソース（コレクタ）との間に直列に接続されている。このパワー半導体デバイス１５と電流制限抵抗１７との直列回路は、請求項中の過電流発生手段を構成している。

ドライブ回路１９（請求項中の駆動手段に相当）は、車両の障害発生時に遮断信号が外部から入力されると共に、上述した溶断許可信号が電圧検出部１３から入力される。ドライブ回路１９は、溶断許可信号と遮断信号とが両方入力されると、パワー半導体デバイス１５のゲートにバイアス信号として駆動信号を出力する。溶断許可信号と遮断信号とのどちらか一方でも入力されないと、ドライブ回路１９は駆動信号の出力を停止する。パワー半導体デバイス１５は、ゲートに駆動信号が入力されている間、ソース（コレクタ）−ドレイン（エミッタ）間を非導通状態から導通状態に遷移させる。

電源回路２１は、ヒューズ１１の端子１１ａに現れる電圧を降圧させて、電圧検出部１３やドライブ回路１９に電源として供給する。

なお、高電圧バッテリＨＢと遮断器１との間には、メインリレー５が介設されている。メインリレー５は、別のシステムにより制御されており、ヒューズ１１を交換する際には、安全を確保するためメインリレー５がオフしていること確認する必要がある。遮断器１の不図示のホルダに対するヒューズ１１の装脱状態に連動してメインリレー５がオン、オフ制御される場合は、さらに安全にヒューズ１１を交換することができる。

詳しくは、ヒューズ１１が不図示のホルダに装着されているとメインリレー５はオンし、不図示のホルダからヒューズ１１が離脱されているとメインリレー５はオフする。したがって、溶断したヒューズ１１をホルダから離脱させると、溶断していない新しいヒューズ１１を次にホルダに装着するまでは、メインリレー５がオフされて高電圧バッテリＨＢから遮断器１が絶縁される。

ちなみに、ヒューズ１１がホルダに装着されている状態においても、メインリレー５は制御により強制的にオフさせることができる。そうすることで、ヒューズ１１を装着した瞬間に高電圧が通電してしまうといった状態を防ぐことができる。

このメインリレー５の存在により、ヒューズ１１の交換を高電圧バッテリＨＢから電気的に絶縁された状態で安全に行うことができる。

次に、上述した構成の遮断器１で行われる動作（作用）について、図２のフローチャートを参照して説明する。

まず、車両に障害が発生してドライブ回路１９に遮断信号が入力されると（ステップＳ１）、電圧検出部１３がヒューズ１１の端子１１ａの電圧（ＦＵＳＥ下流電圧）を検出し、検出電圧が溶断判定閾値Ｖｔｈを上回るか否かを確認する（ステップＳ３）。検出電圧が溶断判定閾値Ｖｔｈを上回らない場合は（ステップＳ３でＦＵＳＥ下流電圧≦Ｖｔｈ）、パワー半導体デバイス１５を非導通状態（ＯＦＦ）のまま維持した後（ステップＳ５）、ステップＳ３にリターンする。

一方、検出電圧が溶断判定閾値Ｖｔｈを上回る場合は（ステップＳ３でＦＵＳＥ下流電圧＞Ｖｔｈ）、パワー半導体デバイス１５（大電力半導体）を導通状態（ＯＮ）とする（ステップＳ７）。これにより、ヒューズ１１（高電圧ＦＵＳＥ）に過電流を流れさせ（定格以上通電）て（ステップＳ９）、ヒューズ１１（高電圧ＦＵＳＥ）を溶断（回路遮断）させる（ステップＳ１１）。そして、ヒューズ１１溶断後はパワー半導体デバイス１５（大電力半導体）を非導通状態（ＯＦＦ）にする（ステップＳ１３）。

上述した動作を行う本実施形態の遮断器１では、車両に障害が発生した際に、ヒューズ１１が溶断しておらず、かつ、メインリレー５が強制的にオフされていなければ、ヒューズ１１の負荷３側の端子１１ａの電圧が溶断判定閾値Ｖｔｈを超える。このため、遮断信号と溶断許可信号とが両方入力されたドライブ回路１９から駆動信号が出力されてパワー半導体デバイス１５が導通する。これにより、ヒューズ１１の負荷３側の端子１１ａが接地電位箇所（アース）に短絡され、ヒューズ１１に過電流が流れてヒューズ１１が溶断し、高電圧バッテリＨＢが負荷３から切り離される。

ヒューズ１１が溶断すると、ヒューズ１１の端子１１ａの電圧が溶断判定閾値Ｖｔｈ以下となり、ドライブ回路１９への溶断許可信号の入力が途絶える。このため、ドライブ回路１９からの駆動信号の出力が停止され、パワー半導体デバイス１５が非導通状態となってヒューズ１１の端子１１ａが接地電位箇所から絶縁される。

その後、車両の障害が解消したら、ヒューズ１１を溶断していない新しいものと交換する。これにより、メインリレー５をオンさせて高電圧バッテリＨＢに負荷３を再び接続することができる。

また、車両に障害が発生したときに、負荷３に流れた過電流によってヒューズ１１が既に溶断していたり、あるいは、メインリレー５が強制的にオフされていれば、高電圧バッテリＨＢが負荷３から既に切り離されているので、ヒューズ１１の負荷３側の端子１１ａの電圧は溶断判定閾値Ｖｔｈ以下となる。このため、溶断許可信号が入力されてないドライブ回路１９は駆動信号を出力せずパワー半導体デバイス１５は非導通のままとなる。

その後、車両の障害が解消したら、負荷３に過電流が流れた原因の解消や、メインリレー５の強制オフ状態の解除を確認した上で、ヒューズ１１を溶断していない新しいものと交換する。これにより、メインリレー５をオンさせて高電圧バッテリＨＢに負荷３を再び接続することができる。パワー半導体デバイス１５は、車両の障害発生時に非導通状態から導通状態に遷移していないので、車両の障害解消に伴って改めて導通状態から非導通状態に再遷移させなくてよい。

したがって、高電圧バッテリＨＢを負荷３から切り離した後の復旧に際して交換するのをヒューズ１１だけとすることができる。また、負荷３に流れた過電流でヒューズ１１が溶断した場合は、復旧に際してパワー半導体デバイス１５を導通状態から非導通状態に再遷移させる手間を不要とすることができる。これにより、車両の障害発生に伴い車両の高電圧バッテリＨＢを負荷３から切り離した後の復旧を簡便に済ませることができる。

しかも、ヒューズ１１が溶断すると、その溶断部分には十分な沿面距離が確保されるので、沿面放電により高電圧バッテリＨＢが負荷３と接続されてしまうのを防ぎ、確実な絶縁を確保することができる。

なお、ヒューズ１１が溶断したりメインリレー５がオフすると、電源回路２１は高電圧バッテリＨＢからの電力を受けて電圧検出部１３やドライブ回路１９に電源を供給することができなくなる。そこで、図３に示す変形例のように、低電圧電源（１２Ｖ（ボルト）電源）ＬＢからの電力により電源回路２１を介して充電されるバックアップ電源２３（請求項中のバックアップ電源手段に相当）を設けるようにしても良い。

このバックアップ電源２３は、ヒューズ１１の溶断に伴い電源回路２１が電圧検出部１３やドライブ回路１９に電源を供給できなくなった場合に放電して、充電されていた電力を電圧検出部１３やドライブ回路１９に電源として供給する。

このようにすることで、ヒューズ１１の溶断後に、導通状態のパワー半導体デバイス１５を確実かつ迅速に非導通状態に遷移させて、交換した新しいヒューズ１１が即座に溶断されてしまうのを防止することができる。

また、上述したバックアップ電源２３を、ヒューズ１１が溶断されておらず、かつ、メインリレー５がオフされていない間、ヒューズ１１の端子１１ａに現れる高電圧バッテリＨＢの電力により電源回路２１を介して充電されるものとしてもよい。

さらに、上述した実施形態やその変形例では、請求項中の過電流発生手段をパワー半導体デバイス１５と電流制限抵抗１７との直列回路で構成したが、パワー半導体デバイス１５に代えて大電力用リレーを用いてもよく、また、不要であれば電流制限抵抗１７を省略してもよい。

本発明は、車両の障害発生時に車両の高電圧の電源から負荷を切り離す際に用いて極めて有用である。

１遮断器（車両用電源遮断装置）
３負荷
５メインリレー
１１ヒューズ
１１ａ端子（ヒューズの負荷側の端子）
１３電圧検出部（電流検出手段）
１５パワー半導体デバイス（過電流発生手段）
１７電流制限抵抗（過電流発生手段）
１９ドライブ回路（駆動手段）
２１電源回路
２３バックアップ電源
ＨＢ高電圧バッテリ
ＬＢ低電圧電源
Ｖｔｈ溶断判定閾値

Claims

車両の障害発生時に前記車両の高電圧バッテリを負荷から切り離す遮断器において、
前記高電圧バッテリと前記負荷との間に交換可能に直列接続され、過電流が流れた際に溶断して前記高電圧バッテリと前記負荷とを絶縁するヒューズと、
前記負荷と並列接続され、駆動信号の入力により前記ヒューズの前記負荷側の端子を接地電位箇所に短絡して前記ヒューズに過電流を流れさせる過電流発生手段と、
前記ヒューズの前記負荷側の端子電圧を検出する電圧検出手段と、
前記車両の障害発生時における前記ヒューズの前記負荷側の端子電圧が、前記高電圧バッテリの電源電圧に対応した前記ヒューズの溶断判定閾値を超えているときに、前記過電流発生手段に対して前記駆動信号を出力する駆動手段と、
を備えることを特徴とする車両用電源遮断装置。
前記高電圧バッテリの前記負荷に対する接続中に充電され、前記ヒューズの溶断中に放電して前記電圧検出手段及び前記過電流発生手段に電源を供給するバックアップ電源手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の車両用電源遮断装置。