JP2016039641A - 電動車両の放電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２個のスイッチにより車載の電力変換器内にて正負の電力線の間に接続されているコンデンサを放電する放電装置において、一方のスイッチが短絡故障しても電力線と車体との間の絶縁性が確保される技術を提供する。【解決手段】２個のスイッチ１５，１６の直列回路がコンデンサ１３と並列に接続されており、地絡防止抵抗１７が２個のスイッチの間の接続点と車体との間に接続されており、正又は負の電力線と接続点との間の絶縁抵抗の低下を検知して報知する絶縁低下検知器１８を備えている。そして、地絡防止抵抗は、正負の電力線間の電圧の１ボルト当たり少なくとも１００オーム以上の抵抗値を有している。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、電動車両に搭載される放電装置に関する。なお、電動車両には、エンジンと共にモータを備えたハイブリッド車や、モータのみを備えた電気自動車が含まれる。燃料電池車も本明細書における電動車両に含まれる。

電動車両は、バッテリ等からの電力をエネルギー源としてモータを駆動することで走行する。モータに供給される電力は、電力変換器を用いてモータを駆動するための電力に変換される。モータに電力を供給するため、電力変換器には大電流が流れる。電力変換器には、バッテリの電力を伝える正負の電力線の間に、電力を平滑化するための平滑コンデンサが接続され、その平滑コンデンサにも大電流が流れる。平滑コンデンサの容量は大きく、大容量の電荷が平滑コンデンサに蓄えられる。以下、電力変換器内の正負の電力線の間に接続されている平滑コンデンサを単に「コンデンサ」と称する。

電動車両が衝突した場合等に、コンデンサの電荷を放電する技術が求められる。放電技術の例が特許文献１に開示されている。特許文献１では、電力変換器に内蔵されているインバータ回路のＩＧＢＴを利用してコンデンサの放電が行われる。

特開２０１２−０６０７６５号公報

本願の発明者は、より速やかにコンデンサを放電することができるとともに、放電回路の一つのスイッチが短絡故障してもコンデンサの両端が短絡状態とはならない放電装置を発明し、出願した（特願２０１４−８１８２６号、本願出願時は未公開）。その放電装置は次の構成を有する。その放電装置は、直列に接続されている２個のスイッチを有する。その２個のスイッチは直列に接続されており、その直列回路がコンデンサと並列に接続されている。２個のスイッチの間の接続点は、車体に接続されている。放電装置は、また、正又は負の電力線と上記接続点との間の絶縁抵抗の低下を検知して報知する絶縁低下検知器を備える。その放電装置は、２個のスイッチを共に閉じることでコンデンサを速やかに放電することができる。また、いずれか一方のスイッチが短絡故障してもコンデンサの両端は短絡しない。さらにその放電装置は、一方のスイッチが短絡故障した場合、絶縁低下検知器の報知を受けた運転者あるいはメンテナンススタッフが速やかに対処できる。

本明細書が開示する技術は、上記した放電装置の改良に関する。前述したように、上記した放電装置では、絶縁低下検知器が、一方のスイッチが短絡故障したことを検知して報知する。その報知を受けた運転者あるいはメンテナンススタッフは、速やかに修繕などの対応をとることができる。しかし、修繕などの対応をとるまでは、電力変換器内の電力線が地絡状態となってしまう。本明細書が開示する技術は、上記した放電装置において、一方のスイッチが短絡故障しても電力線と車体との間の絶縁性が確保されるようにする。

本明細書が開示する技術は、本願発明者が発明した上記放電装置において、２個のスイッチの接続点と車体の間に、正負の電力線間の電圧の１ボルト当たり少なくとも１００オーム以上の抵抗値を接続する。例えば、日本の電気自動車、電気ハイブリッド自動車に関する電気安全基準では、作動電圧が直流６０ボルト以上の電力系と車体との間は作動電圧１ボルト当たり１００オーム以上の絶縁抵抗値を有さねばならいと規定されている。本明細書が開示する新たな放電装置は、２個のスイッチのうち一方が短絡故障しても、バッテリの電力を伝える電力線と車体との間に上記した基準に基づく絶縁性を確保することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の放電装置の電力系のブロック図である。 変形例の放電装置の電力系のブロック図である。

図面を参照して実施例の放電装置２０を説明する。図１に放電装置２０を備えるハイブリッド車２の電力系のブロック図を示す。ハイブリッド車２は、車輪を駆動するためのエンジン４と三相交流モータ（以下、モータ３）を備えている。モータ３の出力トルクとエンジン４の出力トルクは、動力分配機構５により合成され、車軸６に伝達される。なお、動力分配機構５は、エンジン５の出力トルクを車軸６とモータ３に分配する場合もある。その場合、ハイブリッド車２は、エンジン４の動力で走行しつつ、モータ３で発電する。発電された電力は後述するバッテリ７に充電される。また、ハイブリッド車２は、制動時、車両の運動エネルギーを使ってモータ３を逆駆動して発電し、その電力でバッテリ７を充電することもある。

モータ３には電力変換器９が接続されており、バッテリ７に充電された電力は、電力変換器９により直流電力から交流電力に変換されてモータ３に供給される。バッテリ７と電力変換器９の間にはシステムメインリレー８が接続されている。電力変換器９には、インバータ９ａと電圧コンバータ９ｂが内蔵されている。インバータ９ａはモータ３に接続されており、電圧コンバータ９ｂはシステムメインリレー８を介してバッテリ７に接続されている。そして、インバータ９ａと電圧コンバータ９ｂは、後述する正負の電力線ＰＬ、ＮＬにより接続されている。

インバータ９ａは、直流電力を三相交流電力に変換する。インバータ９ａは、２個のトランジスタＴａの直列回路が３セット並列に接続された回路構成を有している。なお、インバータ９ａの６個のトランジスタのうちの一つだけに符号Ｔａを記し、他のトランジスタの符号は省略されていることに留意されたい。各トランジスタＴａには、逆並列にダイオードが接続されている。トランジスタＴａの直列回路の各中点は、モータ３の各相に接続されている。また、状況により（例えば、上述の制動時）、ハイブリッド車２は、モータ３の電力により発電された電力をバッテリ７に充電する。この場合、インバータはモータ３から出力される交流電力を直流電力に変換する。インバータ９ａの回路構成と動作はよく知られているので、詳細な説明は省略する。

電圧コンバータ９ｂは、２個のトランジスタＴｂとリアクトル１４とフィルタコンデンサ１２により構成されているチョッパ型の昇降圧コンバータである。なお、電圧コンバータ９ｂの２個のトランジスタのうち一方に符号Ｔｂを記し、他方の符号は省略されていることに留意されたい。電圧コンバータ９ｂは、バッテリ７の電力によりモータ３を駆動する場合、昇圧コンバータとして機能する。一方、状況により（例えば、上述の制動時）、ハイブリッド車２はモータ３により発電された電力をバッテリ７に充電する。この場合、電圧コンバータ９ｂは降圧コンバータとして機能する。電圧コンバータ９ｂの回路構成と動作はよく知られているので、詳細な説明は省略する。

インバータ９ａと電圧コンバータ９ｂの正極側の端子は電力線ＰＬにより接続されている。また、インバータ９ａと電圧コンバータ９ｂの負極側の端子は電力線ＮＬにより接続されている。電力線ＰＬと電力線ＮＬの間には、平滑コンデンサ１３が接続されている。平滑コンデンサ１３により、電圧コンバータ９ｂから出力される直流電力の脈流が平滑化される。

ハイブリッド車２の走行に用いられるため、モータ３は高出力である。そのため、モータ３に電力を供給する電力変換器９には、大電流が流れる。よって、電力変換器９の正負の電力線ＰＬ、ＮＬの間に接続される平滑コンデンサ１３にも大電流が流れる。この大電流に対応するため、平滑コンデンサ１３の容量は大きく、大容量の電荷が平滑コンデンサ１３に蓄えられる。

車両が衝突した場合に、安全確保のために平滑コンデンサ１３の電荷を放電することが望ましい。ハイブリッド車２は、平滑コンデンサ１３の電荷を放電するための放電装置２０を備えている。放電装置２０は、２個のスイッチ１５、１６の直列回路を備えている。２このスイッチ１５、１６の直列回路は、平滑コンデンサ１３に並列に接続されている。

放電装置２０は、２個のスイッチ１５、１６を共に閉じることで平滑コンデンサ１３の両端を短絡し、平滑コンデンサ１３の電荷を速やかに放電することができる。なお、本明細書では、スイッチを「閉じる」は、スイッチを導通状態にすることを意味する。スイッチを「開く」は、スイッチを遮断状態にすることを意味する。また、いずれか一方のスイッチが短絡故障しても平滑コンデンサ１３の両端は短絡することは無い。即ち、２個のスイッチ１５、１６を備えることにより、一方のスイッチが短絡故障した場合でも他方の正常なスイッチにより、平滑コンデンサ１３の両端は短絡しない。

平滑コンデンサ１３の放電のための直列回路において、平滑コンデンサ１３の短絡を防止することが出来ても、スイッチの短絡故障を放置することは好ましくない。そこで、放電装置２０のスイッチの故障を検知するために、放電装置２０は絶縁低下検知器１８を備えている。さらに、２個のスイッチ１５、１６の接続点Ｃｎが車体（ボディグランドＧ）に接続されている。この構成により、一方のスイッチが短絡故障した場合、絶縁低下検知器１８の報知を受けたドライバあるいはメンテナンススタッフが速やかに対処することができる。以下では、一方のスイッチ１６の短絡故障を検知する構成について説明する。

図１に示すように、絶縁低下検知器１８は、電力線ＮＬに接続されている。絶縁低下検知器１８は、電力線ＮＬと接続点Ｃｎの間の絶縁抵抗の低下を検知する検知器である。絶縁低下検出器１８は、バッテリ７とは異なる電源（不図示）や分圧回路により構成されており、ボディグランドと電力線ＮＬの間の抵抗値を計測する。絶縁低下検知器１８の回路構成は、例えば、公知の特許文献、特開２０１３−３２９７７号公報に記載されているので参照されたい。本明細書ではその詳細な説明は省略する。スイッチ１６が短絡故障した場合、電力線ＮＬと接続点Ｃｎの間も短絡する。絶縁低下検知器１８は、電力線ＮＬと接続点Ｃｎの間の抵抗値をモニタしており、その抵抗値が所定の閾値抵抗Ｒｅより小さい場合に、電力線ＮＬと接続点Ｃｎの間の絶縁抵抗の低下、即ちスイッチ１６の短絡故障を報知する。

絶縁低下検知器１８は、電力線ＮＬと接続点Ｃｎの間の絶縁抵抗の低下を検知した場合、スイッチ１６が短絡故障したことを知らせる信号（以下、短絡報知信号）を出力する。短絡報知信号は、ダイアグ用メモリ１９ａやインストルメントパネル１９ｂに送信される。ダイアグ用メモリ１９ａでは、短絡報知信号が記憶される。メンテナンスの際に、ダイアグ用メモリ１９ａに記憶された情報を読み出すことにより、メンテナンススタッフはスイッチ１６が短絡故障したことを知ることができる。また、インストルメントパネル１９ｂでは、短絡報知信号に応じて警告灯が点灯する。この警告灯によりドライバがスイッチ１６の短絡故障を知ることができる。

このような構成により、スイッチの短絡故障がドライバ等に報知され、ドライバ等は速やかに修繕等の対処をとることができる。しかし、接続点ＣｎがボディグランドＧに接続されているため、修繕などの対応をとるまでは電力線ＮＬがボディグランドＧに地絡状態となってしまう。そのため、一方のスイッチが短絡故障した場合に、電力線ＮＬとボディグランドＧの間の絶縁性を確保する必要がある。この課題を解決するために、放電装置２０には、接続点ＣｎとボディグランドＧの間に地絡防止抵抗１７が接続されている。地絡防止抵抗１７の抵抗値は、電力線ＰＬ、ＮＬ間の作動電圧の１ボルト当たり少なくとも１００オーム以上を有している。例えば、日本の電気自動車、電気ハイブリッド自動車に関する電気安全基準では、作動電圧が直流６０ボルト以上の電力系と車体との間は作動電圧１ボルト当たり１００オーム以上の絶縁抵抗値を有さねばならいと規定されている。ここで、上記の閾値抵抗Ｒｅは、短絡故障したスイッチの抵抗値を考慮し、地絡防止抵抗１７の抵抗値より大きい値に設定される。放電装置２０は、スイッチ１６が短絡故障しても、バッテリ７の電力を伝える電力線ＮＬとボディグランドＧとの間に上記した基準に基づく絶縁性を確保することができる。

また、ハイブリッド車の電力系（電力変換器の電力線）と車体（ボディグランド）の間は、絶縁される。そのため、一般に、ハイブリッド車の電力変換器の電力線には、法規等の要求により、電力線とボディグランドの間の絶縁抵抗の低下を検知する検知器が接続される。本実施例において、絶縁低下検知器１８は、電力線ＮＬとボディグランドＧの間の絶縁抵抗の低下を検知する検知器を兼ねても良い。

この場合、絶縁低下検知器１８は、閾値抵抗として閾値抵抗Ｒｉと閾値抵抗Ｒｅを有することになる。閾値抵抗Ｒｉは、電力線ＮＬとボディグランドＧの間の絶縁抵抗の低下を報知する閾値である。また、閾値抵抗Ｒｅは、上述したように電力線ＮＬと接続点Ｃｎの間の絶縁抵抗の低下、即ちスイッチ１６の短絡故障を報知する閾値である。電力線ＮＬと車体（ボディグランドＧ）の間は、絶縁体や空隙により絶縁されている。閾値抵抗Ｒｉは、電力線ＮＬと車体の間の絶縁抵抗が低下したと判断するための閾値として設定される。一方、閾値抵抗Ｒｅは、スイッチ１６の短絡故障を判断するための閾値であり、その値は、上述のように地絡防止抵抗値よりも大きい値であればよい。即ち、閾値抵抗Ｒｅは、地絡防止抵抗１７の抵抗値よりも大きく、閾値抵抗Ｒｉよりも小さい値に設定される。絶縁低下検知器１８は、算出される抵抗値が閾値抵抗Ｒｉよりも小さい場合に、電力線ＮＬとボディグランドＧの間の絶縁抵抗が低下したと判断し、絶縁抵抗の低下を知らせる信号（以下、絶縁低下報知信号）を出力する。また、絶縁低下検知器１８は、計測される抵抗値が閾値抵抗Ｒｅよりも小さい場合に、スイッチ１６が短絡故障したと判断し、短絡報知信号を出力する。即ち、絶縁低下検知器１８は、計測される抵抗値が閾値抵抗Ｒｅよりも小さい場合、絶縁低下報知信号と短絡報知信号を両方とも出力する。これにより、一つの絶縁低下検知器により、電力線ＮＬとボディグランドＧの間の絶縁抵抗の低下とスイッチ１６の短絡故障を報知することができる。

以上、スイッチ１６の短絡故障を検知する構成について説明した。なお、上述の絶縁低下検知器１８を負の電力線ＮＬの代わりに正の電力線ＰＬに接続することで、スイッチ１５の短絡故障を検知することができる。さらに、電力線ＰＬ、ＮＬの夫々に個別の絶縁低下検知器を接続すれば、スイッチ１５、１６両方の短絡故障を検知することができる。

図２を参照して、変形例について説明する。図２は、変形例の放電装置３０を備えるハイブリッド車４０の電力系のブロック図である。放電装置３０は、放電抵抗３１が追加されている以外は、図１の放電装置２０と同様の構成をしている。以下では、放電装置３０の放電装置２０と異なる構成について説明する。放電装置３０では、放電抵抗３１が電力線ＰＬとスイッチ１５の間に接続されている。放電抵抗３１は、地絡防止抵抗１７の抵抗値より小さい値であり、例えば、数オームから数百オームの抵抗値を有している。放電抵抗３１により、平滑コンデンサ１３の電荷を放電する際の電流を制限することができる。なお、スイッチ１５が短絡故障した場合、電力線ＰＬが地絡する電流経路上に放電抵抗３１が位置することになる。しかし、その抵抗値は絶縁が確保されているとみなされる電気安全基準の基準値を満たさない。即ち、放電抵抗３１は電力線ＰＬの地絡を防止する役割を果たさない。放電抵抗３１とは別に地絡防止抵抗１７を備え、地絡防止抵抗１７を上述した抵抗値に設定することにより、電力線の地絡を防止することができる。なお、放電抵抗３１は、スイッチ１６と電力線ＮＬの間に接続されていてもよいし、スイッチ１５とスイッチ１６の間に接続されても良い。

以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。放電装置に備えられるスイッチは、リレーでもよいし、トランジスタでもよい。即ち、電流経路の導通／遮断を切り替えられる素子であればよい。また、実施例の放電装置は、ハイブリッド車だけでなく、電気自動車や燃料電池車に搭載されてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ハイブリッド車
３：モータ
４：エンジン
５：動力分配機構
６：車軸
７：バッテリ
８：システムメインリレー
９：電力変換器
９ａ：インバータ
９ｂ：電圧コンバータ
１２：フィルタコンデンサ
１３：平滑コンデンサ
１４：リアクトル
１５、１６：スイッチ
１７：地絡防止抵抗
１８：絶縁低下検知器
１９ａ：ダイアグ用メモリ
１９ｂ：インストルメントパネル
２０、３０：放電装置
３１：放電抵抗
Ｃｎ：接続点
Ｇ：ボディグランド
ＰＬ、ＮＬ：電力線
Ｔａ、Ｔｂ：トランジスタ

Claims (1)

1. バッテリの電力を走行用モータを駆動するための電力に変換する車載の電力変換器内にて正負の電力線の間に接続されているコンデンサを放電する放電装置であり、
   直列に接続されている２個のスイッチであって、その２個のスイッチの直列回路が前記コンデンサと並列に接続されている２個のスイッチと、
   前記２個のスイッチの間の接続点と車体との間に接続されており、前記正負の電力線間の電圧の１ボルト当たり少なくとも１００オーム以上の抵抗値を有している地絡防止抵抗と、
   正又は負の前記電力線と前記接続点との間の絶縁抵抗の低下を検知して報知する絶縁低下検知器と、
   を備えることを特徴とする放電装置。

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