JP2016103445A - 安全装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】安全装置の平滑コンデンサに蓄積された電荷を速やかに、また確実かつ十分に放電させる安全装置を提供する。【解決手段】車両の衝突等が検知された場合、安全装置10の継電器MCの第1の励磁コイル41に第1の駆動信号を出力し、そのリレー接点45をオン状態にして、電力母線21,23間に接続された抵抗器R2,R3にコンデンサC1に蓄積された電荷を放電する。そして、その放電電荷による電流を継電器MCの第2の励磁コイル42を作動させるための第2の駆動信号として利用し、継電器MCの自己保持状態を維持する。【選択図】図1
Description
本発明は、例えば、車両に搭載された安全装置に関し、衝突等の発生により車両が停止した場合に平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電させる安全装置に関する。
近年、自動車業界において、環境性能や燃費といった観点から内燃焼機関と電気モータの複数の動力源をもつ自動車(いわゆる、ハイブリッド車)が増えている。ハイブリッド車における電気モータの駆動にはインバータ駆動方式を採用しているが、モータ駆動力の要求から駆動電圧は高くなってきている。そして、駆動電圧が高くなったことから、安全面において、内燃焼機関で駆動する場合とは異なる観点からの保護が求められている。
インバータの出力を安定させるためには、平滑コンデンサまたはキャパシタが使用されるが、そのような平滑コンデンサまたはキャパシタに残存する電荷による感電の防止が必要となる。例えば、事故等で車両が停止した場合、平滑コンデンサの残存電荷を短時間で速やかに放電し、運転者や救助者が感電する二次災害を防ぐ必要がある。
これらの課題に対応する従来の技術として、例えば、特許文献1は、バッテリと、バッテリから供給される直流電力を交流電力に変換するインバータと、インバータによって駆動されるモータジェネレータとが搭載され、そのインバータに高電圧の平滑コンデンサを設けた車両において衝突が検知されたときに、インバータに設けられる平滑コンデンサを放電させるための制御装置を開示している。特許文献1では、加速度センサからの信号に基づいて車両の衝突が検知されると、モータジェネレータをゼロトルク状態で駆動するようにインバータを制御して、平滑コンデンサの放電処理を行っている。
特許文献2は、車両の衝突等の発生時に、コンデンサの放電制御部に電源を供給している電源線が断線したり、あるいは放電制御部へ衝突を通知する通信線の断線があった場合に、バックアップ電源装置により外部から放電制御部に対して動作電力を供給して、コンデンサに蓄積された電荷を放電する構成を開示している。
車両の衝突等が発生した場合、電力変換装置内に設けられる平滑コンデンサに蓄積された電荷を速やかに放電させる必要があるが、衝突の状況によっては、複雑な制御を実行できないことも予想され、制御回路への電力を供給する電源線が断線することも想定される。電力変換装置の外部(例えば、特許文献2のバックアップ電源装置)から動作のための電力を供給する電源線が断線すると放電制御を実行できず、コンデンサに蓄積された電荷を速やかに放電させることはできない。さらには、電源線だけでなく、放電制御を実行する制御装置へ衝突を通知する通信信号線が断線することも想定され、かかる信号線の断線時にも確実に放電を実施する必要がある。
モータによりコンデンサに蓄積された電荷を放電する従来の構成では、インバータのスイッチング素子をオンにして電荷を消費する際、トルクが生じないようにオンにするが、オン信号その他は、外部から供給し続ける必要があり、外部に制御回路が必要となる。車両事故は様々な態様が想定でき、制御回路にも駆動回路にもダメージがないといった軽微な事故ばかりではない。また、従来は、インバータとモータとが一体に形成されておらず、これらを電気的に接続するための配線が必要不可欠であるが、事故の程度によっては、その電気配線回路が切断されることも考えられ、安全性の確保に問題が生じる。
そこで、継電器を含む回路にタイマ機能を持たせて起動のための信号が入った場合に、あらかじめ決めた一定時間だけ継電器を導通状態にして、コンデンサに蓄積された電荷を放電させることも考えられるが、その回路の動作に別途電源を設けることが必要であるため、好ましいとはいえない。
一方、コンデンサに蓄積された電荷を抵抗により放電する場合、そのコンデンサを抵抗値の高い抵抗器で接地して長時間かけて電荷を徐々に放電する「常時放電」と、短時間で電荷を放電する「急速放電」とがある。急速放電においては、コンデンサの容量が大きくなるほど電力が大きくなり、電荷を消費するための抵抗器も定格電力が大きく、大型のものが求められる。このような抵抗による電荷の消費においても、電気接続のための配線回路の引き回しが長い場合には、配線回路の切断のおそれがあり、放電回路を維持するための信号を供給し続けられるかという問題もある。
本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、車両の衝突等が発生した場合、電力変換装置の安全装置に設けられた平滑コンデンサに蓄積された電荷を速やかに放電させるとともに、確実かつ十分に放電させる安全装置を提供することである。
かかる目的を達成し、上述した課題を解決する一手段として、例えば、以下の構成を備える。すなわち、本発明は、平滑コンデンサと抵抗器が開閉手段を介して電気的に接続され、前記平滑コンデンサに蓄積された電荷を前記抵抗器により消費して放電する安全装置であって、所定の事象を検出して検出信号を出力する手段と、前記検出信号を受信した場合、前記開閉手段に第1の信号を出力して該開閉手段を導通状態にする手段と、前記導通状態にある開閉手段に第2の信号を出力して、その導通状態を維持する手段と、を備えることを特徴とする。
例えば、前記開閉手段は、導通状態または非導通状態を形成する接点部と、該接点部を導通状態または非導通状態にする第1の吸引コイルおよび第2の吸引コイルを有する吸引コイル部とを含み、前記第1の吸引コイルは前記第1の信号により励磁されて前記接点部を導通状態とし、前記第2の吸引コイルは前記第2の信号により励磁されて前記接点部の導通状態を維持することを特徴とする。
また、例えば、前記第2の信号は、前記平滑コンデンサより放電された電荷により形成される信号であることを特徴とする。さらに、前記第1の吸引コイルと前記第2の吸引コイルは共通のボビンに巻回され、かつ互いに絶縁されており、前記第2の信号は前記第1の信号よりも電圧が高いことを特徴とする。
さらに、例えば、前記抵抗器は、第1の抵抗器と第2の抵抗器とを直列に接続した構成を有し、これら第1の抵抗器と第2の抵抗器の接続点より前記第2の信号を取り出すことを特徴とする。また、前記接続点の電位をもとに前記平滑コンデンサに蓄積された電荷の放電完了を判断する手段をさらに備えることを特徴とする。また、例えば、前記平滑コンデンサと前記抵抗器と前記開閉手段とが一体化されて同一筐体内に収容されることを特徴とする。
例えば、前記開閉手段は、導通状態または非導通状態を形成する接点部と、該接点部を導通状態または非導通状態にする第1の吸引コイルおよび第2の吸引コイルを有する吸引コイル部とを含み、前記第1の吸引コイルは前記第1の信号により励磁されて前記接点部を導通状態とし、前記第2の吸引コイルは前記第2の信号により励磁されて前記接点部の導通状態を維持することを特徴とする。
また、例えば、前記第2の信号は、前記平滑コンデンサより放電された電荷により形成される信号であることを特徴とする。さらに、前記第1の吸引コイルと前記第2の吸引コイルは共通のボビンに巻回され、かつ互いに絶縁されており、前記第2の信号は前記第1の信号よりも電圧が高いことを特徴とする。
さらに、例えば、前記抵抗器は、第1の抵抗器と第2の抵抗器とを直列に接続した構成を有し、これら第1の抵抗器と第2の抵抗器の接続点より前記第2の信号を取り出すことを特徴とする。また、前記接続点の電位をもとに前記平滑コンデンサに蓄積された電荷の放電完了を判断する手段をさらに備えることを特徴とする。また、例えば、前記平滑コンデンサと前記抵抗器と前記開閉手段とが一体化されて同一筐体内に収容されることを特徴とする。
上述した課題を解決する他の手段として、例えば、以下の構成を備える。すなわち、本発明の車両の電力変換装置は、上記のいずれかの安全装置を搭載した車両の電力変換装置であって、上記所定の事象として該車両の衝突が検出された場合、該安全装置の平滑コンデンサに蓄積された電荷を抵抗器により消費して放電することを特徴とする。
本発明によれば、事故等で車両が停止した場合、平滑コンデンサに蓄積された電荷を短時間で速やかに放電することで、運転者や救助者が感電する二次災害を防ぐことができる。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る一実施の形態例を詳細に説明する。図1は、本実施の形態例に係る安全装置を車両等の電力変換装置に適用した構成を示す図である。図1に示すように電力変換装置は、電力供給部1と安全装置10とインバータ5とを共通の電力線(電力母線、あるいは通電路ともいう)21,23で接続した構成を備える。電力供給部1は、直流電源としてのバッテリー2と、バッテリー2の電圧を所定の直流高電圧に変換する昇圧コンバータ3を備える。
スイッチSW1は、車両の衝突が検出されたときにバッテリー2と昇圧コンバータ3とを電気的に切り離すためのスイッチ(例えば、リレー)であり、スイッチSW2は、同じく衝突時に、安全装置10とインバータ5とを切り離して、モータ7の誤作動等を防止するためのスイッチである。
安全装置10は、電力母線21,23間の電圧変動等を平滑化するコンデンサC1と、コンデンサC1に蓄積された電荷を、車両の衝突時等に抵抗器R2,R3を介して放電させる継電器MC(電磁開閉器、あるいはリレーともいう)とを備える。この安全装置10の後段には、電力母線21,23を介して供給された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ5が接続され、このインバータ5からの電力を受けてモータ7が駆動される。なお、モータ7で発生した動力は、車両を走行させる駆動輪(不図示)に伝達される。
次に、本実施の形態例に係る安全装置の動作について詳細に説明する。図1の電力変換装置において、安全装置10の平滑用コンデンサであるコンデンサC1と並列に抵抗器R1が接続されている。この抵抗器R1は常時、通電状態となって、コンデンサC1に充電された電荷を緩慢に放電するための抵抗であり、常時放電抵抗とも呼ばれる。そのため抵抗器R1は抵抗値が高く、例えば、数kΩ〜100kΩである。
安全装置10の抵抗器R2,R3は、コンデンサC1に蓄積された電荷を急速に放電するための急速放電抵抗であり、車両の衝突がない通常の場合、互いに電気的に切り離された状態になっている。車両衝突が検知された場合には、後述するように外部から供給される信号を受けて継電器MCが作動し、その接点(リレー接点)45を介して抵抗器R2,R3が電気的に直列に接続される。なお、継電器MCは、同一磁芯に巻かれ互いに絶縁された2系統の吸引コイル(励磁コイルともいう)を備えており、それらのうち第1の励磁コイル41は低電圧(例えば、12V程度)で駆動され、第2の励磁コイル42は高電圧(例えば、50V〜200V)で駆動される。
衝突検知部30は、加速度センサ等を備えることで車両の衝突を検知する。継電器MCの2つの励磁コイル(第1の励磁コイル41と第2の励磁コイル42)は、衝突検知部30によって車両衝突が検知されないときには非励磁状態となり、リレー接点45のオフ状態(開状態、あるいは非導通状態ともいう)が維持される。衝突検知部30によって衝突が検知され、速やかにコンデンサC1に蓄積された電荷を放電する必要が生じた場合、安全装置10の継電器MCを駆動するため、衝突検知部30はリレー駆動部31に対して衝突信号を出力する。
衝突信号を受けたリレー駆動部31は、上述した継電器MCの2つの励磁コイルのうち第1の励磁コイル41に駆動信号(第1の駆動信号)を出力する。その結果、第1の励磁コイル41は励磁状態となって電磁石を形成し、リレー接点45がオン状態(導通状態、あるいは閉状態ともいう)となる。ここでは、リレー駆動部31から第1の駆動信号を発生させるための電源(図1に示す“12V”)は、電力変換系ではない、車両の通常の電装系より供給される。
継電器MCの第2の励磁コイル42は、コイルの一端が抵抗器R2とR3との接続点に接続され、コイルの他端は電力母線23に接続されている。リレー接点45がオン状態になると、電力母線21,23間において抵抗器R2,R3が直列に接続されるため、これらの抵抗器R2,R3によってコンデンサC1が短絡状態になる。電力母線21,23は、電力母線21が正極側であり、負極側(例えば、接地電位)となる電力母線23よりも電圧が高いため、リレー接点45がオン状態のときには、コンデンサC1に蓄積された電荷による放電電流が抵抗器R3からリレー接点45の経路を介して、電気的に並列に接続された抵抗器R2と第2の励磁コイル42の双方に流入する。
第2の励磁コイル42の直流抵抗値が、後述する抵抗器R2の抵抗値の数十倍(例えば、200Ω程度)であれば、並列接続された抵抗器R2と第2の励磁コイル42との合成抵抗値において、抵抗器R2の抵抗値が支配的になる。その結果、第2の励磁コイル42の上記一端側には、抵抗器R2とR3の抵抗比で決まる電圧が印加される。したがって、第2の励磁コイル42の駆動電流(第2の駆動信号)となるのは、コンデンサC1に蓄積された電荷による放電電流のうち、第2の励磁コイル42への上記印加電圧と第2の励磁コイル42の直流抵抗値とで決まる電流である。
よって、継電器MCにおいて第1の励磁コイル41に流れる第1の駆動信号によりリレー接点45が接続状態となり、コンデンサC1からの放電電流が第2の駆動信号として第2の励磁コイル42に流れ込むことで、第2の励磁コイル42が吸引力を発生し、その間、継電器MCのオン状態(抵抗器R2,R3の接続状態)が保持される。そして、第1の駆動信号が連続して出力され、放電経路の維持は第1の駆動信号と第2の駆動信号が両方係わることになり励磁コイルをより強力に吸引することができる。
このとき、何らかの理由で第1の駆動信号が放電の途中で脱落しても、第2の駆動信号による第2の励磁コイル42の励磁状態が維持されるので(これを継電器MCが自己保持された状態にあるという。)、コンデンサC1からの放電が確実に実施され、コンデンサC1の電荷が、放電抵抗である抵抗器R2,R3により消費されることで放電が終了する。放電が終了し、コンデンサC1に残存する電荷による電圧が一定以下となった場合には安全確認信号(S/S)で残存電圧をモニタし、リセット回路等(図示しない)で第1の駆動信号を解除することで安全装置の放電経路を解除する。
上記のように継電器MCへの第2の駆動信号は、そのリレー接点45を通過するコンデンサC1からの放電電流により供給され、コンデンサC1に充電される電荷の電圧(インバータ電圧)と、抵抗器R2とR3の抵抗比により決定される。抵抗器R2とR3の抵抗値として、例えば、R2は2Ω〜50Ω、R3は30Ω〜2000Ωに設定される。なお、電荷の放電時間については、安全規格・安全法規等で規定された時間、あるいは設定した時間にもよるが、例えば、衝突発生後の数秒以内にコンデンサC1の端子間電圧が60V以下となるように放電させる場合には、R2は5Ω〜10Ω、R3は50Ω〜60Ωとすることが好ましい。
上記の安全確認信号(S/S)とは、抵抗器R2,R3の接続点の電圧を示す信号であり、その値をもとに放電の完了等を検知する放電終了信号である。そこで、コンデンサC1に残存する電荷が規定以下であることを安全確認信号(S/S)でモニタして他の機器を駆動・制御することで、軽微な事故での短間隔での再始動、故障時の点検実施の場合などでも、整備員等に対して、より安全性を高めることができる。
図2は、本実施の形態例に係る安全装置における構成部品の実装例を示す図である。図2(a)は斜視図であり、電力変換装置の安全装置10において、円筒状の形状を有するコンデンサ(平滑用コンデンサ)C1の軸方向の一方端面51に継電器MCと抵抗器R2,R3を搭載し、固定した様子を示している。また、図2(b)は、これらの構成部品を実装した安全装置の平面図である。ここでは、コンデンサC1の端面に絶縁性の基板53を密着配置し、その上に継電器MCと抵抗器R2,R3とを並置させる。
本実施の形態例に係る安全装置10では、コンデンサC1、継電器MC、放電抵抗(抵抗器R2,R3)を電力変換装置の筐体内に組み込み、放電の電力を消費する回路が安全装置10内で完結する構造としている。すなわち、安全装置10において、図2において点線で示すように、コンデンサC1と継電器MCと抵抗器R2,R3とを一体にして同一筐体内に収容する。その結果、同一筐体内で放電が実施されるため、コンデンサC1と継電器MCと抵抗器R2,R3を一体化にせずに、これらを相互に接続する配線を引き回す場合と比較して、事故等で停止した車両に救助隊等が接近する際の安全性(感電等の防止)をより高めることができる。
なお、図3は、従来の回路構成を示しており、安全装置において事故時等においてコンデンサC1に蓄積された電荷を放電させるため、抵抗器R2’,R3’を直列に接続し、一つ駆動信号で駆動される単一の励磁コイル103のみからなる継電器101により構成した例である。また、抵抗器R1’は、コンデンサC1の電荷を緩慢に放電するための抵抗であり、その抵抗値は、例えば数kΩ〜100kΩである。
図3に示す従来の回路構成の場合、駆動信号の継続が断たれると励磁コイル103の接点が非導通状態となり、抵抗器R2’,R3’の接続も断たれる。そのため、図3に示す構成では、駆動信号の供給が事故等の何らかの理由で中途で断たれると、コンデンサC1からの放電が完了せず電荷が残留するので、安全装置としての本来の目的を達成できない。
以上説明したように、本実施の形態例に係る安全装置は、車両の衝突等が検知された場合、継電器MCの第1の励磁コイルに第1の駆動信号を出力して、そのリレー接点をオン状態とし、電力母線間に接続された抵抗器R2,R3にコンデンサC1に蓄積された電荷を流すとともに、その電荷による放電電流を継電器MCの第2の励磁コイルを作動させるための第2の駆動信号とする構成を有している。
このように、コンデンサC1の蓄積電荷そのものを第2の励磁コイルに対する第2の駆動信号として利用することにより、第1の駆動信号が断たれた場合であっても継電器MCの自己保持状態が維持され、コンデンサC1の放電用の開閉器としての継電器MCを駆動するための電力を外部から供給し続ける必要がない。よって、車両の衝突等の発生時において、従来のように抵抗器での放電によりモータを無トルク化する等の複雑な制御が不要になり、安全装置の平滑コンデンサに蓄えられた電荷を、簡単で安価な構成により確実かつ速やかに除去することができる。その結果、平滑コンデンサに蓄えられた電荷の不要な放電を防止し、事故車両から負傷者の救助等にあたる人員が感電等による二次災害を被ることを確実に防ぐことができる。
さらには、安全装置の構成部品を実装する際、コンデンサC1の一方端面上に継電器MCと抵抗器R2,R3とを並置させて一体化することで、電力変換装置における安全装置の設置スペースを小さくでき、さらに、各構成部品を電気的に接続する配線回路長が短くなるので、配線回路の切断等を回避して、より安全性を向上できる。
なお、本発明は上記の実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。上記の実施の形態例では、放電抵抗として、放電電流による発熱の分散と、放電終了信号を取得するために2個の抵抗器R2,R3を直列に接続しているが、これに限定されず1個の抵抗器でもよく、例えば、R3を省略してもよい。さらには、例えば、安全装置に第1の駆動信号の切断を検知する手段を設けたり、あるいは第1の駆動信号を発生させるための外部電源の切断を検知する手段を設け、それらの検知結果をもとに、コンデンサC1の放電経路に配置した継電器を導通状態(オン状態)にして、速やかな放電を実施するようにしてもよい。また、外部電源の電圧異常を検知して、異常があった場合にコンデンサC1の電荷を急速に放電するように構成してもよい。
衝突検知部30からの検知信号を受けてリレー駆動部31から出力される第1の駆動信号は、継電器MCが第1の励磁コイル41をオン状態にするに足りる長さの短時間パルス信号であることがより好ましい。短時間のパルス信号であれば第1の駆動信号はオン状態のきっかけ(トリガ)としてのみ働き、放電状態の維持は第2の駆動信号による第2の励磁コイル42から得られる吸引力による。その場合、コンデンサC1の放電が終了し第2の駆動信号が停止すると、第2の励磁コイル42はその吸引力を維持できなくなり、放電経路の自己保持状態が解消し、自然にリセットされる。このとき、コンデンサC1に残留する電荷は感電レベル以下になっており、残存電荷があったとしても感電する危険の無いレベルになっている。また、第1の駆動信号が必要となるのが放電開始の初めの短時間に限定されるため、より放電完了の信頼性が高くなる。
1 電力供給部
2 バッテリー
3 昇圧コンバータ
5 インバータ
7 モータ
10 安全装置
21,23 電力線
30 衝突検知部
31 リレー駆動部
41 第1の励磁コイル
42 第2の励磁コイル
45 リレー接点
C1 コンデンサ
MC 継電器
R1,R2,R3 抵抗器
2 バッテリー
3 昇圧コンバータ
5 インバータ
7 モータ
10 安全装置
21,23 電力線
30 衝突検知部
31 リレー駆動部
41 第1の励磁コイル
42 第2の励磁コイル
45 リレー接点
C1 コンデンサ
MC 継電器
R1,R2,R3 抵抗器
Claims (8)
- 平滑コンデンサと抵抗器が開閉手段を介して電気的に接続され、前記平滑コンデンサに蓄積された電荷を前記抵抗器により消費して放電する安全装置であって、
所定の事象を検出して検出信号を出力する手段と、
前記検出信号を受信した場合、前記開閉手段に第1の信号を出力して該開閉手段を導通状態にする手段と、
前記導通状態にある開閉手段に第2の信号を出力して、その導通状態を維持する手段と、
を備えることを特徴とする安全装置。 - 前記開閉手段は、導通状態または非導通状態を形成する接点部と、該接点部を導通状態または非導通状態にする第1の吸引コイルおよび第2の吸引コイルを有する吸引コイル部とを含み、前記第1の吸引コイルは前記第1の信号により励磁されて前記接点部を導通状態とし、前記第2の吸引コイルは前記第2の信号により励磁されて前記接点部の導通状態を維持することを特徴とする請求項1に記載の安全装置。
- 前記第2の信号は、前記平滑コンデンサより放電された電荷により形成される信号であることを特徴とする請求項2に記載の安全装置。
- 前記第1の吸引コイルと前記第2の吸引コイルは共通のボビンに巻回され、かつ互いに絶縁されており、前記第2の信号は前記第1の信号よりも電圧が高いことを特徴とする請求項3に記載の安全装置。
- 前記抵抗器は、第1の抵抗器と第2の抵抗器とを直列に接続した構成を有し、これら第1の抵抗器と第2の抵抗器の接続点より前記第2の信号を取り出すことを特徴とする請求項3に記載の安全装置。
- さらに、前記接続点の電位をもとに前記平滑コンデンサに蓄積された電荷の放電完了を判断する手段を備えることを特徴とする請求項5に記載の安全装置。
- 前記平滑コンデンサと前記抵抗器と前記開閉手段とが一体化されて同一筐体内に収容されることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の安全装置。
- 請求項1から7のいずれか1項に記載の安全装置を搭載した車両の電力変換装置であって、前記所定の事象として該車両の衝突が検出された場合、前記安全装置の平滑コンデンサに蓄積された電荷を抵抗器により消費して放電することを特徴とする車両の電力変換装置。
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- 2014-11-28 JP JP2014242207A patent/JP2016103445A/ja active Pending
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