JP2015154585A

JP2015154585A - パワーユニット用平滑コンデンサー予備充電回路

Info

Publication number: JP2015154585A
Application number: JP2014026176A
Authority: JP
Inventors: 和成秋山; Kazunari Akiyama
Original assignee: ACR Co Ltd
Current assignee: ACR Co Ltd
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2015-08-24
Anticipated expiration: 2034-02-14
Also published as: JP6600879B2

Abstract

【課題】パワーユニットにおいて、予備充電電流制限素子及び放電電流制限素子にPTCサーミスタを使用して、回路及び制御の簡素化と小型を図ること。【解決手段】直流供給電力とインバータの間の正側と負側の直流電力路のいずれか一方に挿入したメインリレーと、平滑コンデンサー両端子間の電圧と直流供給電圧の電圧差に基づき、メインリレーを制御する制御ユニットと、メインリレーとは並列であって、かつ直流供給電力から平滑コンデンサーへのラインに挿入した予備充電用PTCサーミスタとを備える。【選択図】図１

Description

この発明は、直流電力を交流電力に変換するインバータを用いて負荷を制御し、かつ、該インバータの正側と負側の端子間に平滑コンデンサーを接続したパワーユニット用平滑コンデンサー予備充電回路に関する。

従来のEV（電気自動車）やハイブリッドカーのパワーユニットは、バッテリー或いは発電機等の電源からの直流電力を交流電力へ変換して出力するインバータを備えており、このインバータへの入力直流電圧を平滑化するために平滑コンデンサーが設けられている。しかし、平滑コンデンサーが充電されていない状態で単に電源を接続するときに、平滑コンデンサーに突入電流が流れて、バッテリーや伝達経路（例えば、ヒューズ、パワー素子）にストレスを生じる恐れがある。このストレスを抑えて、ダメージを防止するために、あらかじめ大きい電力の抵抗を介して接続して、平滑コンデンサーに予備充電を行う予備充電回路が、従来より知られている（特許文献１参照）。

図５は、特許文献１に開示されるような従来技術による予備充電回路を説明する図である。インバータは、バッテリーから入力される直流電力を交流電力に変換して駆動モータに供給する。また、インバータは駆動モータを回生制動させた際の発電電力（交流電力）を直流電力へと変換する機能も果たす。駆動モータは、インバータから供給された交流電力によって駆動して、車両の駆動トルクを発生する。平滑コンデンサーは、負荷であるインバータの正側と負側の端子間に接続され、バッテリーからインバータへ給電される入力電圧を平滑化する。

制御ユニットは、正側と負側線路にそれぞれ挿入した一対の正側及び負側メインリレー（電磁開閉器）、及び予備充電リレーをオン−オフ制御する。予備充電リレーには電流制限抵抗が直列に接続されており、それらはメインリレーの一つ（正側メインリレー）に対して並列に接続されている。予備充電リレーおよび電流制限抵抗は、バッテリーとインバータとを接続して予備充電を行う際に、ＣＲ過渡応答回路を形成して、平滑コンデンサーへ流入する突入電流を低減する。制御ユニットは、スタート信号に基づき、システムを起動した時に、予備充電リレーをオンして、電流制限抵抗を介して平滑コンデンサーを予備充電する予備充電制御を行った後に、予備充電リレーをオフするとともに正側メインリレーをオンする。負側メインリレーは正常動作時オンである。この制御ユニットは、システム停止時には平滑コンデンサーの放電制御を行う。

また、制御ユニットは、一対のメインリレーがオンしている場合、電流センサ、バッテリー電圧センサおよびインバータバス電圧センサ、温度センサから出力される検出値を用いて、バッテリーから平滑コンデンサーまでの回路総抵抗値を算出する。そして、制御ユニットは、算出した回路総抵抗値を用いて、平滑コンデンサーの予備充電完了条件を設定する。すなわち、制御ユニットは、平滑コンデンサーの予備充電完了時における平滑コンデンサーへの供給電流値が、回路総抵抗値により算定された電流値以下となるように予備充電完了条件を設定する。これによって、平滑コンデンサーへ充分エネルギーが充電されて、インバータバス電圧（平滑コンデンサー両端の電圧）がバッテリー電圧とほぼ同じになった時に、正側メインリレーをオンにする。

通常、平滑コンデンサーにエネルギーが蓄えられていない状態、即ち、インバータバス電圧センサが低い電圧（例えば０V）を検知している時に、バッテリーを接続すると、バッテリー電圧センサで検知されたバッテリー電圧と平滑コンデンサー電圧（インバータバス電圧センサで検知）の電圧差に比例して突入電流が流れる。この突入電流は電流制限抵抗がバッテリーと平滑コンデンサーの間に無い場合には、大電流が流れてしまい、バッテリーの過負荷やメインリレーの接点不良、バッテリーヒューズの断線等さまざまな不具合が発生する。

このために、従来方式は、突入電流が流れるのを防止するために予備充電リレー及び電流制限抵抗を使っているが、複数個のリレーの複雑なオン-オフの制御が必要となり、また、電流制限抵抗自体は発熱に対する電流制限機能が無いため、マージンを考えて大きい定格の物を使う必要があり、サイズアップとなってしまうという問題がある。

特開2009-50079号公報

上述のように、従来方式では、メインリレーがオンになる前に電流制限抵抗に直列に接続された予備充電リレーがオンになり、平滑コンデンサーがバッテリー電圧と同じ電圧になったらメインリレーをオンにする。

しかし、メインリレーの接点の不具合や、制御信号の断線があった場合に、インバータがオンとなると電流が電流制限抵抗を通して連続的に流れる。その為、電流制限抵抗が過熱して、最悪、予備充電リレーの接点の故障を招いたり、電流制限抵抗の異常過熱により、近傍に配置された部品の発火・発煙を起こしたり、電流制限抵抗の断線故障を起こしたりする恐れがある。

また、予備充電リレーとメインリレーの制御が必要となる。電流制限抵抗は、平滑コンデンサーとバッテリー電圧の差に比例して電流が流れる事になるが、電流制限抵抗自体は発熱に対する電流制限機能が無い為、マージンを考えて大きい定格の物を使う必要があり、サイズアップとなってしまう。またその為に放熱に関する考慮や基板実装が出来ないなどの問題が生じる。

そこで、本発明は、係る問題点を解決して、EV（電気自動車）或いはHEV（ハイブリッド電気自動車）などのパワーユニット（インバータシステム）において、予備充電リレー制御を不要にし、制御を簡素化して、小型化を可能にすることを目的としている。

さらに、車両の衝突時など平滑コンデンサーに溜まったエネルギーを放電する事が必要になるが、その時は充電抵抗と放電抵抗を両方持つか、又は1つの抵抗を兼用する事になるが、メインリレーとあわせてそれらの制御を行う事が必要となる。放電機能と予備充電機能の両方の機能を兼ね備えた場合に、抵抗は電流制限機能を持っていないので、メインリレーと予備充電リレーと放電リレーのそれぞれの制御が必要となり、またメインリレーがオフになった条件でないと放電抵抗の異常過熱が起きる心配がある。

また、本発明は、放電電流制限素子としてPTC（サーミスター）を１個追加するか、若しくは予備充電電流制限素子として使用するPTCと兼用することにより、予備充電機能に加えて放電機能を付加することを目的としている。

パワーユニット用平滑コンデンサー予備充電回路は、直流電力を交流電力に変換するインバータを用いて負荷を制御し、かつ、該インバータの正側と負側の端子間に平滑コンデンサーを接続して、インバータに供給する直流電力の平滑化と、インバータのスイッチングにより発生するサージ成分の吸収を行うと共に、直流電力接続時に平滑コンデンサーに流入する突入電流を抑える。本発明は、このようなパワーユニット用平滑コンデンサー予備充電回路において、直流供給電力とインバータの間の正側と負側の直流電力路のいずれか一方に挿入したメインリレーと、平滑コンデンサー両端子間の電圧と直流供給電圧の電圧差に基づき、メインリレーを制御する制御ユニットと、メインリレーとは並列であって、かつ直流供給電力から平滑コンデンサーへのラインに挿入した予備充電用PTCサーミスタとを備える。

前記負荷は駆動モータであり、かつ、前記インバータは、直流電力を交流電力に変換して該駆動モータに供給するだけでなく、該駆動モータを回生制動させた際の交流電力を直流電力へと変換する機能を有する。

予備充電用PTCサーミスタは、予備充電ダイオードに直列接続して、平滑コンデンサーへのラインに挿入することができる。また、制御ユニットがメインリレーをオフした後にオンにする放電用リレーと、該放電用リレーと直列接続の放電用PTCサーミスタを、平滑コンデンサーの放電路に接続することができる。また、予備充電用PTCサーミスタは、予備充電時にオンに制御する予備充電リレーに直列接続して、平滑コンデンサーへのラインに挿入することができる。

本発明によれば、予備充電リレー制御の必要なく予備充電機能を達成できるので、制御が簡素化できて、小型化が可能となる。仮に、メインリレーの不具合が起きても、電流制限素子（PTC）の異常過熱が発生しないので、信頼性が高く安全である。

また、放電電流制限素子としてPTC（サーミスター）を１個追加するか、若しくは予備充電電流制限素子と兼用することにより、予備充電機能に加えて放電機能を付加することができるだけでなく、メインリレーや予備充電又は放電リレーの不具合が起きても、電流制限抵抗のような異常過熱が発生しないので、信頼性が高く安全である。

本発明に基づき構成した予備充電回路の第１の例を説明する図である。 PTCサーミスタによる突入電流の低減効果を説明する図である。本発明に基づき構成した予備充電回路の第２の例を説明する図である。本発明に基づき構成した予備充電回路の第３の例を説明する図である。特許文献１に開示されるような従来技術による予備充電回路を説明する図である。

以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、本発明に基づき構成した予備充電回路の第１の例を説明する図である。図１に示す予備充電回路は、図５を参照して上述した従来技術において電流制限部品として使われていた予備充電リレー及び電流制限抵抗を、自己電流制限機能がある予備充電PTCサーミスタと予備充電ダイオードに変更して制御を簡素化した。

図１において、EV（電気自動車）或いはHEV（ハイブリッド電気自動車）などのパワーユニットは負荷としての駆動モータを制御する為に、三相パワーラインがインバータに接続されている。このインバータはバッテリー又は高速回転の発電機からの直流供給電力をインバータのスイッチング素子により三相出力に変換している。インバータは、バッテリーから入力される直流電力を交流電力に変換して駆動モータに供給すると共に、インバータは駆動モータを回生制動させた際の発電電力（交流電力）を直流電力へと変換する機能も果たしている。インバータの正側と負側の端子間には平滑コンデンサーが接続されていて、インバータへの供給電力の直流の平滑化と、インバータのスイッチングにより発生するサージ成分の吸収（サージ低減＝スナバ回路）を行っている。

正側及び負側の一対のメインリレー（電磁開閉器）は直流電力路の正側と負側のそれぞれに挿入して、直流電力（バッテリー）とインバータの間の回路を、制御ユニットからの制御信号に基づいてオン−オフする。一対のメインリレーの内の一方（例えば、正側メインリレー）は、詳細は後述するように、平滑コンデンサーにエネルギーが充電されて、バッテリー電圧との電圧差が小さくなった段階で、制御ユニットからオンさせる。これに対して、他方のメインリレー（例えば、負側メインリレー）の動作は、正常動作時オンである。

電流センサは、バッテリーの充放電電流を検出して、検出値Ｉを制御ユニットへ出力する。バッテリー電圧センサは、バッテリー電圧を検出し、検出値Vbを制御ユニットへ出力する。インバータバス電圧センサは、インバータバス電圧（＝平滑コンデンサー両端子間の電圧）を検出し、検出値Vcを制御ユニットへ出力する。温度センサは、バッテリーの近傍に設けられ、バッテリーの温度を検出し、検出温度を制御ユニットへ出力する。バッテリーヒューズは、バッテリー位置近くのバッテリー出力電流路内に挿入する。

本発明では、予備充電機能として、電流制限素子として予備充電PTCを予備充電ダイオードに接続して、その予備充電ダイオードはバッテリーからのラインに接続する。予備充電PTCの他方の端子は平滑コンデンサーに接続する。バッテリーと平滑コンデンサーの正側ラインには、正側メインリレーが直列に接続されているので、予備充電ダイオードと予備充電PTCの直列接続が、正側メインリレーと並列に接続されることになる。

例えば、運転者が、キーオンにして、インバータの制御回路（図示省略）に電源投入し、各制御電源監視/アラーム内容を確認して、システムスタート（ハイブリッド車であれば、イグニッションオン）して、インバータ制御部に問題なければ、ここで、制御ユニットは、負側メインリレーをオンする。これによって、バッテリーが接続されたことになり、電流はバッテリーヒューズを通って、予備充電ダイオード及び予備充電PTCを通って、平滑コンデンサーに流れる。正側メインリレーの入り口（バッテリー電圧）と出口（平滑コンデンサー電圧）の電圧差がほぼ無くなったところで、制御ユニットは正側メインリレーをオンさせる。平滑コンデンサー両端子間の電圧とバッテリーの電圧差により流れる電流は違ってくるが、バッテリー接続時には、平滑コンデンサー電圧は低く、大きな電流が流れるために、PTC素子温度はPTC素子の内部抵抗と電流値の関係により上昇する。

電源オフ時、或いは制御ユニットが異常を検知した異常検出時に、正側と負側のメインリレーを同時にオフする。但し、正側を先にオフ又は負側を先にオフして、短いタイムラグ後にもう一方をオフしても問題はない。

図２は、PTCサーミスタによる突入電流の低減効果を説明する図である。サーミスタTH(thermistor)とは、温度変化に対して電気抵抗の変化の大きい抵抗体のことであり、PTCサーミスタとは温度の上昇に対して抵抗が増大するサーミスタとして周知である。図２に示す入力電圧はバッテリー電圧であり、出力電圧はコンデンサー電圧である。両電圧の差に対応して、大きな突入電流が流れることになるが、図２（Ａ）に示すように、PTCサーミスタは温度に対して反比例的な特性を持っているので、突入電流が流れると、PTCサーミスタの温度が上昇して抵抗値が高くなり電流を制限する。また、図２（Ｂ）に示すように、電流が制限されるために、コンデンサー電圧の上昇は緩やかになるために、制限された突入電流が流れる時間は長くなる。

このように、図１に示す予備充電PTC（PTCサーミスタ）は、自己制御型電流制限素子と言える。図１に示す予備充電回路（予備充電ダイオード及び予備充電PTC）により、平滑コンデンサーにエネルギーが充電されて、バッテリー電圧との電圧差が小さくなった段階で、正側メインリレーを制御ユニットからオンさせる。制御ユニットはその判断を、バッテリー及び平滑コンデンサーの電圧検知により行う。バッテリー電圧はバッテリー電圧センサで検知され、かつ、平滑コンデンサー電圧はインバータバス電圧センサにより検出されて、それぞれ制御ユニットに入力される。

このように、例示の予備充電回路は、抵抗を用いた従来方式よりリレー、又は予備充電電流制限部品を減らす事が出来、基板への実装が可能になる事から、小型化が可能になる利点がある。また、PTCは自己電流制限機能がある為に、複雑なオン-オフの制御も必要が無い事から、制御の簡素化が行える。

図３は、本発明に基づき構成した予備充電回路の第２の例を説明する図である。図１に示す第１の例とは、自己電流制限回路構成のみが相違する。図１において、自己電流制限回路構成として、ダイオードとPTCサーミスターの直列接続を正側メインリレーと並列接続したのに対して、図３に示す第２の例では、予備充電機能に加えて、放電機能を付加したものである。

図３に示す第２の例では、予備充電機能として、電流制限素子として第１のPTC TH1を予備充電ダイオードに接続して、その予備充電ダイオードはバッテリーからのラインに接続する。第１のPTC TH1の他方の端子は、第２のPTC TH2を介して平滑コンデンサーの正側端子に接続する。バッテリーと平滑コンデンサーを接続する正側ラインには、正側メインリレーが直列に接続されている。

また、放電機能として、電流制限素子として第２のPTC TH2を放電用リレーに接続して、放電用リレーの他方の端子を平滑コンデンサーラインのGND側に接続する。

（予備充電時の動作）
バッテリーが接続された時に、電流はバッテリーヒューズを通って、予備充電ダイオード、第１のPTC及び第２のPTCを通って、平滑コンデンサーに流れる。平滑コンデンサー電圧とバッテリー電圧差により流れる電流は違ってくるが、第１のPTCと第２のPTCは温度に対して、上述したように、反比例的な特性を持っている。これはPTC素子の温度が上昇すると抵抗値が高くなり電流を制限する自己制御型電流制限素子として機能する。

予備充電回路により、平滑コンデンサーにエネルギーが充電されて、バッテリー電圧との電圧差が小さくなった段階で、正側メインリレーを制御ユニットからオンさせる。制御ユニットはその判断を、各部の電圧検知により行う。バッテリー電圧はバッテリー電圧センサで検知されて制御ユニットに入力される。平滑コンデンサー電圧はインバータバス電圧センサにより検出されて制御ユニットに入力される。

（平滑コンデンサーエネルギー放電時の動作）
車の衝突などの場合に車の運転者や同乗者の感電を防止する為に、正側及び負側メインリレーをオフして平滑コンデンサーに溜まったエネルギーを放電する必要がある。その場合、制御ユニットが正側及び負側メインリレーをオフして、次に、放電用リレーをオンにする。負側メインリレー（又は正側メインリレー）のオフのタイミングで、放電回路（図３，４に例示のＰＴＣとリレー等）により放電を行う。それにより、平滑コンデンサーに溜まったエネルギーは、第２のPTCを通って放電用リレーによりGNDと接続される放電モードとなる。この時に、バッテリーからの予備充電回路からのエネルギーも放電用リレーによりGNDと接続される。また、バッテリーと該当パワーユニット（インバータ）が長いケーブルで接続される場合には、ケーブル間での短絡を想定してバッテリー側に遮断リレーを挿入する場合がある。このような遮断リレーがある場合、放電回路により、遮断リレー以降から正側メインリレーまでのパワーラインに接続されたコンデンサーの放電も可能になる利点も持っている。

図４は、本発明に基づき構成した予備充電回路の第３の例を説明する図である。図３に示す第２の例におけるダイオードとPTCサーミスタの直列接続を、図４に示す第３の例では、予備充電リレーで置き換えたものである。

上述の図３に示す第２の例において、第１のPTCを取り除いても、第２のPTCが放電時だけでなく、予備充電時にも機能するが、しかし、第１のPTCを取り除いて予備充電ダイオードだけにした場合には、GND側の負側メインリレーに接点固着が起きた場合に、バッテリーからのエネルギーが予備充電ダイオードを通って電流制限を受けない状態でGNDに流れる可能性が生じる。このリスクを回避するために第１のPTCを接続している。

これに対して、ダイオードに代えて、図４の第３の例に示すように、予備充電リレーを用いることにより、回路を遮断出来るので、上述のような電流制限を受けない状態でGNDに流れるというリスクは起きないために、予備充電用及び放電用に１つのPTCを兼用することが可能になる。予備充電リレーは、平滑コンデンサーにエネルギーが充電されて、バッテリー電圧との電圧差が小さくなった段階で、正側メインリレーを制御ユニットからオンさせた後に、オフにする。

Claims

直流電力を交流電力に変換するインバータを用いて負荷を制御し、かつ、該インバータの正側と負側の端子間に平滑コンデンサーを接続して、インバータに供給する直流電力の平滑化と、インバータのスイッチングにより発生するサージ成分の吸収を行うと共に、直流電力接続時に前記平滑コンデンサーに流入する突入電流を抑えるためのパワーユニット用平滑コンデンサー予備充電回路において、
直流供給電力とインバータの間の正側と負側の直流電力路のいずれか一方に挿入したメインリレーと、
平滑コンデンサー両端子間の電圧と直流供給電圧の電圧差に基づき、前記メインリレーを制御する制御ユニットと、
前記メインリレーとは並列であって、かつ直流供給電力から前記平滑コンデンサーへのラインに挿入した予備充電用PTCサーミスタと、
から成るパワーユニット用平滑コンデンサー予備充電回路。
前記負荷は駆動モータであり、かつ、前記インバータは、直流電力を交流電力に変換して該駆動モータに供給するだけでなく、該駆動モータを回生制動させた際の交流電力を直流電力へと変換する機能を有する前記請求項１に記載のパワーユニット用平滑コンデンサー予備充電回路。
前記予備充電用PTCサーミスタは、予備充電ダイオードに直列接続して、前記平滑コンデンサーへのラインに挿入した請求項１に記載のパワーユニット用平滑コンデンサー予備充電回路。
制御ユニットがメインリレーをオフした後にオンにする放電用リレーと、該放電用リレーと直列接続の放電用PTCサーミスタを、前記平滑コンデンサーの放電路に接続した請求項１に記載のパワーユニット用平滑コンデンサー予備充電回路。
前記予備充電用PTCサーミスタは、予備充電時にオンに制御する予備充電リレーに直列接続して、前記平滑コンデンサーへのラインに挿入した請求項１に記載のパワーユニット用平滑コンデンサー予備充電回路。