JP2015149228A - リレー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源装置と負荷との接続及び遮断を許容しつつ、所定の電流値を超える過電流が流れた場合に、電源装置と負荷との間の電流経路を遮断する過電流時遮断機能を備えたリレー装置を提供する。【解決手段】リレー装置は、電源装置および負荷を電気的に接続する第１位置と、電源装置および負荷の接続を遮断する第２位置とに可動接点を駆動する第１駆動コイルと、電源装置の充放電電流が通電されるとともに、所定の電流値を超えた充放電電流が流れた場合に第２位置と異なる電源装置および負荷の接続を遮断する第３位置に可動接点を駆動する第２駆動コイルと、第３位置に駆動された可動接点と係合し、所定の電流値を超えた充放電電流が流れた後の可動接点の位置を第３位置で保持する保持機構と、を有する。【選択図】 図２

Description

本発明は、電源装置および負荷を電気的に接続するために用いられるリレー装置に関する。

組電池および負荷を電気的に接続したり、組電池および負荷の接続を遮断したりするために、リレー装置が用いられている。組電池および負荷が接続されている状態において、負荷が短絡したときには、組電池および負荷の間で過電流が流れてしまう。このため、組電池と負荷との間の電流経路上には、ヒューズが設けられており、過電流が発生したときにヒューズが溶断することで、電流が遮断される。

特開２０１１−０６７０４６号公報

ヒューズは、許容電流以上の電流が流れた場合に溶断する溶断特性を有している。しかしながら、ヒューズは、常に組電池の充放電電流が流れるため、通電による温度上昇等によって劣化する。ヒューズの劣化によって溶断特性が変化すると、許容電流よりも小さい電流で溶断したり、許容電流以上の電流が流れても溶断しないなど、ヒューズの電流遮断機能が低下してしまうおそれがある。

そこで、本発明は、電源装置と負荷との接続及び遮断を許容しつつ、所定の電流値を超える過電流が流れた場合に、電源装置と負荷との間の電流経路を遮断する過電流時遮断機能を備えたリレー装置を提供することを目的とする。

本発明であるリレー装置は、電源装置および負荷を電気的に接続する第１位置と、電源装置および負荷の接続を遮断する第２位置とに可動接点を駆動する第１駆動コイルと、電源装置の充放電電流が通電されるとともに、所定の電流値を超えた充放電電流が流れた場合に第２位置と異なる電源装置および負荷の接続を遮断する第３位置に可動接点を駆動する第２駆動コイルと、第３位置に駆動された可動接点と係合し、所定の電流値を超えた充放電電流が流れた後の可動接点の位置を第３位置で保持する保持機構と、を有する。

本発明によれば、電源装置の充放電電流が通電される第２駆動コイルに所定の電流値を超える充放電電流（過電流）が流れた場合に、可動接点を電源装置および負荷の接続を遮断する第３位置に駆動しつつ、保持機構が過電流が流れた後の可動接点を第３位置（過電流時遮断位置）に保持するので、過電流が流れた際の電源装置と負荷との間の電流経路を遮断することができる。

電池システムの構成を示す図である。 システムメインリレーの構造を示す図であり、（ａ）は通常通電時、（ｂ）通常遮断時、（ｃ）過電流遮断時でのシステムメインリレーの各動作状態を示す図である。 保持機構の構造を示す概略図である。 保持機構の第１変形例を示す概略図である。 保持機構の第２変形例を示す概略図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
本発明の実施例１である電池システムについて、図１を用いて説明する。

組電池１０は、電気的に直列に接続された複数の単電池１１を有する。単電池１１としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）を用いることができる。組電池１０を構成する単電池１１の数は、組電池１０の要求出力などを考慮して、適宜設定することができる。本実施例では、すべての単電池１１が電気的に直列に接続されているが、組電池１０には、電気的に並列に接続された複数の単電池１１が含まれていてもよい。

組電池１０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ａ，ＳＭＲ−Ｂを介して負荷２０と接続されている。システムメインリレーＳＭＲ−Ａは、組電池１０の正極端子と負荷２０とを接続する正極ラインＰＬに設けられる。システムメインリレーＳＭＲ−Ｂは、組電池１０の正極端子と負荷２０とを接続する負極ラインＮＬに設けられる。組電池１０は、負荷２０に電力を供給して、負荷２０を動作させる。

組電池１０は、例えば、車両に搭載することができ、車両を走行させるための動力源として用いることができる。車両としては、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。ハイブリッド自動車は、車両の動力源として、組電池１０の他に、内燃機関や燃料電池といった他の動力源を備えた車両である。電気自動車は、車両の動力源として、組電池１０だけを備えた車両である。

組電池１０を車両に搭載したとき、負荷２０として、モータ・ジェネレータを用いることができる。モータ・ジェネレータは、組電池１０からの電力を受けて、車両を走行させるための運動エネルギを生成する。また、車両が減速したり、停止したりするとき、モータ・ジェネレータは、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギに変換する。モータ・ジェネレータが生成した電気エネルギは、回生電力として、組電池１０に蓄えることができる。

組電池１０およびモータ・ジェネレータの間の電流経路には、昇圧回路やインバータを配置することができる。昇圧回路を用いれば、組電池１０の出力電圧を昇圧することができる。インバータを用いれば、組電池１０から出力された直流電力を交流電力に変換して、モータ・ジェネレータに供給することができる。ここで、モータ・ジェネレータとしては、交流モータが用いられる。

システムメインリレーＳＭＲ−Ａ，ＳＭＲ−Ｂは、コントローラ（図示せず）からの駆動信号を受けることにより、オンおよびオフの間で切り替わる。システムメインリレーＳＭＲ−Ａ，ＳＭＲ−Ｂがオンであるとき、組電池１０および負荷２０は、電気的に接続される。システムメインリレーＳＭＲ−Ａ，ＳＭＲ−Ｂがオフであるとき、組電池１０および負荷２０の電気的な接続が遮断される。

本実施例では、組電池１０を用いているが、これに限るものではない。組電池１０の他にも、負荷２０に電力を供給できるものであればよい。例えば、組電池１０の代わりに、燃料電池といった電源装置を用いることができる。

図２は、システムメインリレーＳＭＲ−Ａ，ＳＭＲ−Ｂの構造を示す概略図である。本実施例では、システムメインリレーＳＭＲ−Ａ，ＳＭＲ−Ｂとして、ノーマルオープン型のリレーを用いているが、ノーマルクローズ型のリレーを用いることもできる。

第１固定部材４１は、固定接点４２を有しており、第２固定部材４３は、固定接点４４を有している。固定接点４２は、組電池１０と接続されており、固定接点４４は、負荷２０と接続されている。可動部材３１は、第１可動接点３２および第２可動接点３３を有しており、第１可動接点３２および第２可動接点３３は、導通状態となっている。第１可動接点３２は、固定接点４２と対向しており、第２可動接点３３は、固定接点４４と対向している。

可動部材３１は、付勢バネ３４の力を受けて矢印Ｄ１の方向に付勢されている。また、プランジャ５１は、付勢バネ５３の力を受けて矢印Ｄ１とは逆の矢印Ｄ２の方向に付勢されている。このとき、付勢バネ３４の矢印Ｄ１の方向の付勢力は、付勢バネ５３の矢印Ｄ２の方向の付勢力よりも小さい。

プランジャ５１の周囲には、電磁コイル５２（第１駆動コイルに相当する）が配置されている。電磁コイル５２に電流が流れていないとき、プランジャ５１は、付勢バネ５３の付勢力を受けて矢印Ｄ２の方向に移動し、付勢バネ３４によって矢印Ｄ１の方向に付勢されている可動部材３１を矢印Ｄ２の方向に押す。このため、電磁コイル５２が駆動していないとき、可動接点３２，３３が対応する固定接点４２，４４から離れる位置となるように、プランジャ５１が可動部材３１を移動させた状態となっている。このとき、システムメインリレーＳＭＲ−Ａ，ＳＭＲ−Ｂは、オフとなる（図２（ｂ）参照）。

電磁コイル５２に電流が流れると、プランジャ５１は、磁力の作用を受けることにより、プランジャ５１を矢印Ｄ２の方向に付勢させる付勢バネ５３の付勢力に抗して、矢印Ｄ１の方向に移動する。プランジャ５１が矢印Ｄ１の方向に移動することにより、可動部材３１を矢印Ｄ２の方向に付勢させる力が解除され、可動部材３１が、付勢バネ３４によって矢印Ｄ１の方向に移動する。可動部材３１が矢印Ｄ１の方向に移動することにより、可動接点３２，３３は、対応する固定接点４２，４４と接触する。このとき、システムメインリレーＳＭＲ−Ａ，ＳＭＲ−Ｂは、オンとなる（図２（ａ）参照）。

このように、駆動コイル５２が駆動しているとき、可動接点３２，３３が対応する固定接点４２，４４と接触する通電位置（第１位置に相当する）に、可動部材３１を移動させて組電池１０と負荷２０とを電気的に接続し、電磁コイル５２が駆動していないとき、可動接点３２，３３が対応する固定接点４２，４４から距離ｈ１離れた遮断位置（第２位置に相当する）に、可動部材３１を移動させて組電池１０と負荷２０との電気的な接続を遮断する。

ここで、本実施例において、システムメインリレーＳＭＲ−Ａ，ＳＭＲ−Ｂは、過電流時遮断機構を備えている。過電流時遮断機構は、組電池１０や通電部品等の保護の観点から予め設定される許容電流以上の過電流が流れたときに、組電池１０と負荷２０との間の電流経路を遮断するヒューズとして機能する。

具体的には、システムメインリレーＳＭＲ−Ａ，ＳＭＲ−Ｂがオンとなっている状態で、過電流が流れたときに、通電位置にある可動部材３１を図２（ｂ）に示した遮断位置とは異なる過電流時遮断位置（第３位置に相当する）まで移動させ、可動接点３２，３３を固定接点４２，４４から離間させつつ、過電流が流れた後も可動部材３１が過電流時遮断位置で保持されるようにする。

過電流時遮断機構は、可動部材３１に接続される可動鉄心３５と、可動鉄心３５に対応する固定鉄心３６と、固定鉄心３６に対して可動鉄心３５を励磁によって矢印Ｄ２の方向に吸引させ、可動部材３１を過電流時遮断位置まで移動させる電磁コイル３７（第２駆動コイルに相当する）を有する。

電磁コイル３７は、ソレノイドコイルである。固定鉄心３６及び電磁コイル３７は、金属製のステーショナリ３８で囲まれている。電磁コイル３７に電流が流れると、可動鉄心３５、固定鉄心３６及びステーショナリ３８に磁束が発生し、可動鉄心３５を固定鉄心３６に向かって矢印Ｄ２の方向に移動させる吸引させる力が発生する。

電磁コイル３７は、可動部材３１（可動接点３２，３３）と導通線Ｐを介して接続されている。システムメインリレーＳＭＲ−Ａ，ＳＭＲ−Ｂがオンである状態、すなわち、組電池１０と負荷２０とが接続されている状態で、組電池１０の充放電電流が導通線Ｐを介して電磁コイル３７に通電している。

電磁コイル３７には、システムメインリレーＳＭＲ−Ａ，ＳＭＲ−Ｂがオンであるとき、図２（ａ）に示すように組電池１０の充放電電流が導電線Ｐを介して流れるので、可動鉄心３５を矢印Ｄ２の方向に移動させる力が作用している。しかしながら、付勢バネ３４の矢印Ｄ１の方向に向かう付勢力よりも小さい力が作用するように構成することで、許容電流の範囲内の充放電電流が流れても、可動接点３２，３３と固定接点４２，４４との接触状態は、維持される。

一方、許容電流を超える充放電電流（過電流）が流れたとき、電磁コイル３７は、付勢バネ３４の付勢力よりも大きい力で可動鉄心３５を矢印Ｄ２の方向に向かう磁力を発生させように構成されている。このため、可動接点３２，３３と固定接点４２，４４との接触状態が解かれ、可動鉄心３５と接続される可動部材３１が、固定接点４２，４４から離間する。

本実施例の電磁コイル３７は、組電池１０と負荷２０との電流経路上を流れる充放電電流によって動作するとともに、許容電流の範囲内では、付勢バネ３４の付勢力に抗して可動鉄心３５（可動部材３１）を矢印Ｄ２の方向に移動させずに通電状態を維持させつつ、許容電流を超える過電流が流れたときに、付勢バネ３４の付勢力に抗して可動鉄心３５（可動部材３１）を矢印Ｄ２の方向に距離ｈ１＋ｈ２移動させて遮断状態にする。

なお、過電流が流れたときに電磁コイル３７が可動鉄心３５を矢印Ｄ２の方向に吸引する力は、矢印Ｄ２の方向へ向かう付勢バネ５３の付勢力よりも大きくなるように構成することができる。このように構成することで、付勢バネ５３の付勢力によって矢印Ｄ２の方向に距離ｈ１離れた遮断位置よりもさらに距離ｈ２離れた過電流時遮断位置まで、可動部材３１（可動鉄心３５）を移動させることができる。

図２（ａ）に示す通常通電時の状態において過電流が流れると、可動部材３１が過電流時遮断位置まで移動する。このとき、システムメインリレーＳＭＲ−Ａ，ＳＭＲ−Ｂはオフになるので、電磁コイル３７への通電が遮断される。したがって、電磁コイル３７への通電電流が０となるので、可動部材３１を矢印Ｄ２の方向に移動させる力が作用しなくなり、付勢バネ３４の付勢力により、可動部材３１が矢印Ｄ１の方向に移動してしまう。このままでは、過電流が流れた後に、再度、図２（ａ）に示す通電状態となってしまう。

そこで、過電流時遮断機構は、過電流時遮断位置まで移動した可動部材３１を、当該過電流時遮断位置で保持する保持機構が設けられている。保持機構は、可動鉄心３５に設けられる係合部３０１と、ステーショナリ３８に設けられる係止部３０２とを含んで構成される。

図３は、保持機構の構造を示す概略図である。図３に示すように、可動鉄心３５に凹状の係合部３０１を形成することができる。そして、可動部材３１が通電位置から矢印Ｄ２の方向に距離ｈ１＋ｈ２離れた過電流時遮断位置に移動した際に、係合部３０１の凹部に係合する凸状の突起部を有する係止部３０２を、固定鉄心３６が設けられるステーショナリ３８に固定して配置することができる。

係合部３０１と係止部３０２とは、図２（ｂ）に示した通常の遮断状態において、距離ｈ２離れており、過電流が流れていない状態において係合部３０１に係止部３０２が係合しないように構成されている。通常遮断時では、可動鉄心３５は、保持機構によって通常の遮断位置で保持されず、電磁コイル５２が駆動してプランジャ５１による矢印Ｄ２の方向への付勢が解除されると、図２（ｂ）に示した遮断位置から図２（ａ）に示した通電位置まで可動部材３１が矢印Ｄ１の方向に向かって移動する。

図３の例において、例えば、可動鉄心３５の周囲に凹状の溝部を形成することで、係合部３０１を設けることができる。係止部３０２は、ステーショナリ３８に対して矢印Ｄ１，Ｄ２の方向に移動する可動鉄心３５の移動経路に対し、可動鉄心３５に向かって突出して配置される板バネとすることができる。

板バネは、可動鉄心３５の周面と接触して弾性変形して撓み、可動鉄心３５が矢印Ｄ２の方向へ移動することを許容しつつ、可動鉄心３５の周面よりも内側に凹んだ溝が板バネの端部まで移動すると、板バネの端部が溝に係合し、矢印Ｄ１の方向への移動を阻止する。このとき、板バネは、付勢バネ３４の付勢力によって矢印Ｄ１の方向に多少弾性変形するものの、過電流時遮断位置において可動鉄心３５（可動部材３１）を保持することができる。

本実施例のシステムメインリレーＳＭＲ−Ａ，ＳＭＲ−Ｂは、組電池１０および負荷２０が電気的に接続された状態で許容電流値を超える過電流が流れた場合に、通常の遮断位置とは異なる過電流時遮断位置に駆動しつつ、過電流が流れた後の可動接点３２，３３を過電流時遮断位置に保持できるので、過電流が流れた際の組電池１０と負荷２０との間の電流経路を遮断するヒューズとして機能することができる。

特に、本実施例の過電流時遮断機構は、ヒューズのように溶断特性によって電流経路を物理的に遮断するのではなく、システムメインリレーＳＭＲ−Ａ，ＳＭＲ−Ｂのスイッチング機能のよって電流経路を遮断するので、ヒューズ機能の劣化が抑制される。

図４は、保持機構の第１変形例を示す概略図である。図４に示す変形例は、係止部３０２に対して可動鉄心３５が変形し、過電流時遮断位置まで移動した可動鉄心３５の係合部３０１が係止部３０２の端部と係合する。

例えば、図４に示すように、可動鉄心３５の先端から矢印Ｄ１の方向に向かって、スリット３０３を形成する。このとき、係止部３０２は、図３の例のように板バネではなく、弾性変形しない板部材で構成することができる。可動鉄心３５の周面が係止部３０２と接触すると、スリット３０３によるスペース分、可動鉄心３５の周面が内側に変形し、可動鉄心３５が矢印Ｄ２の方向へ移動することが許容される。そして、可動鉄心３５の周面よりも内側に凹んだ溝が係止部３０２の端部まで移動すると、内側に変形していた可動鉄心３５が元に戻り、当該端部が溝に係合する。よって、可動鉄心３５が過電流時遮断位置まで移動した後の矢印Ｄ１の方向への移動が阻止される。

図５は、保持機構の第２変形例を示す概略図である。図５に示す変形例は、可動鉄心３５の係合部３０１に対し、係止部３０２が可動鉄心３５の移動方向と略平行に設けられている。

図５に示す係止部３０２は、可動鉄心３５の周方向にたわむ板バネである。係止部３０２は、可動鉄心３５の移動方向に位置し、係合部３０１と係合する端部を含む領域が可動鉄心３５の周方向内側に向かって屈曲している。係止部３０２は、可動鉄心３５の移動方向に延びており、屈曲した領域が可動鉄心３５の周面と接触して弾性変形し撓む。このため、可動鉄心３５が矢印Ｄ２の方向へ移動することを許容しつつ、可動鉄心３５の周面よりも内側に凹んだ溝が、内側に屈曲した端部まで移動すると、係止部３０２の端部が溝に係合し、可動鉄心３５が過電流時遮断位置まで移動した後の矢印Ｄ１の方向への移動が阻止される。

１０：組電池、１１：単電池、２０：負荷、３１：可動部材、３２：第１可動接点、３３：第２可動接点、３４：付勢バネ、３５：可動鉄心、３６：固定鉄心、３７：電磁コイル、３８：ステーショナリ、４１，４３：固定部材、４２，４４：固定接点、５１：プランジャ、５２：電磁コイル、５３：付勢バネ、３０１：係合部、３０２：係止部、３０３：スリット

Claims (1)

1. 電源装置および負荷を電気的に接続する第１位置と、前記電源装置および前記負荷の接続を遮断する第２位置とに可動接点を駆動する第１駆動コイルと、
   前記電源装置の充放電電流が通電されるとともに、所定の電流値を超えた前記充放電電流が流れた場合に前記第２位置と異なる前記電源装置および前記負荷の接続を遮断する第３位置に前記可動接点を駆動する第２駆動コイルと、
   前記第３位置に駆動された前記可動接点と係合し、前記所定の電流値を超えた前記充放電電流が流れた後の前記可動接点の位置を前記第３位置で保持する保持機構と、
   を有することを特徴とするリレー装置。
   

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