JP2017050998A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リレーの故障開閉の際に専用の放電回路を設けることなくキャパシタに蓄えられた電荷を短時間に放電させることができる電源装置を提供する。【解決手段】電源装置は、充放電回路の充電時出力端子に接続されたキャパシタと、充電時出力端子と蓄電池との間の電路に介装された開閉部と、開閉部の閉開状態を切り替える切替部と、切替部で閉状態から開状態へ切り替えた場合、充放電回路を放電動作させてキャパシタの電圧を放電すべく制御する制御部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電池を充電する充電動作及び放電させる放電動作を行う充放電回路を備える電源装置に関する。

近年、ＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）及びＥＶ（Electric Vehicle）等の車両が普及しつつある。このような車両では、蓄電池を充電する充電動作及び負荷へ電力を供給すべく蓄電池を放電させる放電動作を行う充放電回路を備える電源装置を装備している。このような電源装置では、蓄電池と充放電回路との間の電路にリレーを介装してあり、蓄電池と充放電回路とを遮断できるようにしてある。また、充放電回路の充電時出力端子には、蓄電池と並列に接続され、電圧変動を抑制するためのキャパシタを設けている。

また、大電流が流れる電路をリレーで遮断する場合、リレーのオン・オフ時のアーク放電により接点が溶着する場合がある。このため、周期的にリレーをオン・オフさせて、リレーの故障を判定している。故障の判定は、例えば、リレーをオフ（電路の遮断）した後で、充放電回路の充電時出力端子の電圧が下がることでリレーが故障していない（正常に遮断することができた）と判定することができる。しかし、蓄電池と充放電回路との間の電路を遮断しても、キャパシタの容量が大きい場合には、キャパシタの自然放電により充電時出力端子の電圧が下がるまで比較的長い時間を要するので、短時間にリレーの故障を判定することができない。

そこで、電源装置に設けられた、電圧変動を抑制するためのキャパシタに蓄えられた電荷を速やかに放電させるため、専用の放電回路を備えた装置が開示されている（特許文献１〜５参照）。

特開２０１３−３１２５９号公報 特開２０１３−３８９０３号公報 特開２０１３−３８８９５号公報 特開２０１３−１３２１２９号公報 特開２０１０−２５２４７５号公報

しかし、専用の放電回路を備える場合、部品点数の増加により、装置が大型化する場合、あるいはコストが高くなる場合があり、リレーの故障開閉の際に、専用の放電回路を設けることなくキャパシタに蓄えられた電荷を速やかに放電させることが望まれる。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、リレーの故障開閉の際に専用の放電回路を設けることなくキャパシタに蓄えられた電荷を短時間に放電させることができる電源装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電源装置は、蓄電池を充電する充電動作及び放電させる放電動作を行う充放電回路を備える電源装置において、前記充放電回路の充電時出力端子に接続されたキャパシタと、前記充電時出力端子と前記蓄電池との間の電路に介装された開閉部と、該開閉部の閉開状態を切り替える切替部と、該切替部で閉状態から開状態へ切り替えた場合、前記充放電回路を放電動作させて前記キャパシタの電荷を放電すべく制御する制御部とを備えることを特徴とする。

本発明にあっては、充放電回路の充電時出力端子にキャパシタを接続してある。また、充電時出力端子と蓄電池との間の電路には開閉部（例えば、リレー）を介装してある。すなわち、開閉部を介して蓄電池とキャパシタは並列に接続されている。切替部は、開閉部の閉開状態を切り替える。切替部で閉状態から開状態へ切り替えた場合、制御部は、充放電回路を放電動作させてキャパシタの電圧を放電すべく制御する。

開閉部が閉状態の場合、キャパシタは、蓄電池に並列に接続され、蓄電池によりキャパシタは充電された状態となり、キャパシタの両端の電圧は、蓄電池の電圧に等しくなる。開閉部が閉状態から開状態になった場合、充放電回路を放電動作させることによりキャパシタの電荷を短時間に放電させることができる。すなわち、キャパシタに蓄えられた電荷を、充放電回路の放電動作により短時間で放電することができる。

また、上述の構成により、キャパシタの電荷を短時間に放電させることができるので、例えば、開閉部が正常であれば、蓄電池とキャパシタとの間の電路を遮断（オープン）したときに、キャパシタの電圧は短時間の間に低下することになる。また、開閉部が故障（短絡）している場合、蓄電池とキャパシタとの間の電路は接続されたままとなるので、放電動作を開始しても蓄電池の電圧は短時間の間に下がらないので、キャパシタの電圧も、あまり変化しない。従って、開閉部を閉状態から開状態にして、キャパシタの電圧の変化の度合いに応じて開閉部の故障を検知することが可能となる。これにより、リレーの故障開閉の際に専用の放電回路を設けることなくキャパシタに蓄えられた電荷を短時間に放電させることができる。

本発明に係る電源装置は、前記充放電回路は、前記充電時出力端子に接続され、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子が直列に接続された第１直列回路と、前記充放電回路の放電時出力端子に接続され、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子が直列に接続された第２直列回路と、前記第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の接続点と前記第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子の接続点との間に介装されたインダクタとを備え、前記制御部は、前記第１スイッチング素子をオン、前記第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子それぞれをオフ、前記第４スイッチング素子を所定周期でオン／オフすべく制御することを特徴とする。

本発明にあっては、充放電回路は、充放電回路の充電時出力端子に接続され、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子が直列に接続された第１直列回路と、充放電回路の放電時出力端子に接続され、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子が直列に接続された第２直列回路と、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の接続点と第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子の接続点との間に介装されたインダクタとを備える。

制御部は、第１スイッチング素子をオン、第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子それぞれをオフ、第４スイッチング素子を所定周期でオン／オフすべく制御する。蓄電池と充放電回路との間の電路が遮断されている場合において、充放電回路を放電動作させたときは、キャパシタに蓄えられた電荷は、第１スイッチング素子、インダクタ、第４スイッチング素子を通じて接地レベルへ放電される。これにより、専用の放電回路を設けることなく、充放電回路の放電動作により、キャパシタの電圧を短時間で下げることができる。

本発明に係る電源装置は、前記充電時出力端子の電圧を検出する電圧検出部と、該電圧検出部で検出した電圧に基づいて前記開閉部の故障を検知する検知部とを備えることを特徴とする。

本発明にあっては、電圧検出部は、充電時出力端子の電圧を検出する。検知部は、電圧検出部で検出した電圧に基づいて開閉部の故障を検知する。例えば、開閉部を閉状態から開状態にして充放電回路を放電動作させた場合、開閉部が正常であれば、蓄電池とキャパシタとの間の電路は遮断（オープン）されているので、キャパシタの電圧は短時間の間に低下する。しかし、開閉部が故障（短絡）している場合、蓄電池とキャパシタとの間の電路は接続されたままとなるので、放電動作を開始しても蓄電池の電圧は短時間の間に下がらないので、キャパシタの電圧は、あまり変化しない。

上述のように、キャパシタの電圧を検出することにより、専用の放電回路を設けることなく開閉部の故障を検知することができる。

本発明に係る電源装置は、前記検知部は、前記充放電回路を放電動作させる前に前記電圧検出部で検出した電圧と、前記充放電回路を放電動作させた後に前記電圧検出部で検出した電圧との電圧差が前記電圧閾値以内である場合、前記開閉部の故障を検知することを特徴とする。

本発明にあっては、検知部は、充放電回路を放電動作させる前に電圧検出部で検出した電圧と、充放電回路を放電動作させた後に電圧検出部で検出した電圧との電圧差が電圧閾値以内である場合、開閉部の故障を検知する。開閉部が故障（短絡）している場合、蓄電池とキャパシタとの間の電路は接続されたままとなるので、放電動作を開始しても蓄電池の電圧は短時間の間に下がらない。すなわち、放電動作させる前に電圧検出部で検出した電圧と、放電動作させた後に電圧検出部で検出した電圧との電圧差が電圧閾値以内である場合、開閉部の故障を検知することができる。

本発明によれば、リレーの故障開閉の際に専用の放電回路を設けることなくキャパシタに蓄えられた電荷を短時間に放電させることができる。

本実施の形態の電源装置を備える車載機器の構成の一例を示すブロック図である。 本実施の形態の電源装置の放電動作の一例を示す説明図である。 本実施の形態の電源装置の放電動作によるキャパシタの電圧変化の様子の一例を示すタイムチャートである。 従来の電源装置の放電動作によるキャパシタの電圧変化の様子の一例を示すタイムチャートである。 本実施の形態の電源装置のリレーの故障判定処理の手順の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。図１は本実施の形態の電源装置を備える車載機器の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、車載機器は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０、リレー７０、蓄電池８１、バッテリ８２、発電機８３、負荷８４などを備える。本実施の形態の電源装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０、開閉部としてのリレー７０などを備える。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、制御部１０、電圧検出部２１、２２、充放電回路３０、キャパシタ６０などを備え、蓄電池８１を充電する充電動作及び負荷８４などへ電力を供給すべく蓄電池８１を放電させる放電動作を行う。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、リレー７０の接点７１の開閉を切り替える切替端子１、充電動作時に所要の電圧を出力する充電時出力端子２、放電動作時に所要の電圧を出力する放電時出力端子３、接地端子４を備える。キャパシタ６０は、充電時出力端子２と接地端子４との間に接続してある。

充電時出力端子２と蓄電池８１との間の電路にはリレー７０を介装してある。すなわち、リレー７０を介して蓄電池８１とキャパシタ６０は並列に接続されている。蓄電池８１は、例えば、リチウムイオン電池等の二次電池である。また、放電時出力端子３には、バッテリ８２、発電機８３、負荷８４を接続してある。また、制御部１０は、リレー７０の接点７１の開閉を制御する。

発電機８３は、エンジン（不図示）と連動して電力を発生し、あるいは車両の制動動作と連動して回生電力を発生する。発電機８３は、整流器（不図示）を備え、発生した電力を直流に整流し、整流した直流を負荷８４、バッテリ８２、充放電回路３０へ出力する。

充放電回路３０は、制御部１０の制御の下、発電機８３が出力した直流電圧を所要の電圧に変換し、変換した電圧を充電時出力端子２から出力して蓄電池８１を充電する（充電動作）。また、充放電回路３０は、制御部１０の制御の下、蓄電池８１の電圧を所要の電圧に変換し、変換した電圧を放電時出力端子３から出力する（放電動作）。

充放電回路３０は、充電時出力端子２に接続され、第１スイッチング素子としてのトランジスタ３１及び第２スイッチング素子としてのトランジスタ３２が直列に接続された第１直列回路、充放電回路３０の放電時出力端子３に接続され、第３スイッチング素子としてのトランジスタ３３及び第４スイッチング素子としてのトランジスタ３４が直列に接続された第２直列回路、トランジスタ３１及びトランジスタ３２の接続点とトランジスタ３３及びトランジスタ３４の接続点との間に介装されたインダクタ３５などを備える。

トランジスタ３１、３２、３３、３４、各トランジスタのコレクタ・エミッタ間に逆並列に接続されたダイオード４１、４２、４３、４４、インダクタ３５などを備える。なお、トランジスタ３１〜３４は、ＦＥＴなどであってもよい。

より具体的には、トランジスタ３１のコレクタを充電時出力端子２に接続し、トランジスタ３１のエミッタをトランジスタ３２のコレクタに接続し、トランジスタ３２のエミッタを接地レベルに接続してある。また、トランジスタ３３のコレクタを放電時出力端子３に接続し、トランジスタ３３のエミッタをトランジスタ３４のコレクタに接続し、トランジスタ３４のエミッタを接地レベルに接続してある。また、トランジスタ３１のエミッタ及びトランジスタ３２のコレクタの接続点と、トランジスタ３３のエミッタ及びトランジスタ３４のコレクタの接続点とには、それぞれインダクタ３５の一端と他端とを接続してある。なお、充放電回路３０の構成は、図１に示すものに限定されるものではなく、他の昇降圧回路の構成でもよい。

電圧検出部２１は、充電時出力端子２の電圧を検出する。キャパシタ６０の電圧をＶｃｏｎと表す。また、蓄電池８１の電圧をＶｃａｐと表す。電圧検出部２１は、キャパシタ６０の電圧Ｖｃｏｎを検出することになる。電圧検出部２１は、検出した電圧を制御部１０へ出力する。

電圧検出部２２は、放電時出力端子３の電圧を検出する。放電時出力端子３の電圧をＶｂａｔと表す。電圧検出部２２は、検出した電圧を制御部１０へ出力する。

制御部１０は、切替部としての機能を有し、リレー７０の閉開状態を切り替える。制御部１０は、リレー７０を閉状態から開状態へ切り替えた場合、充放電回路３０を放電動作させてキャパシタ６０の電圧を放電すべく制御する。

図２は本実施の形態の電源装置５０の放電動作の一例を示す説明図である。図２では、簡便のため、電源装置５０の要部だけを図示している。制御部１０は、充放電回路３０を放電動作させる場合、トランジスタ３１をオンに設定し、トランジスタ３２、３３をオフに設定し、トランジスタ３４を所定の周期でスイッチング（オン・オフの繰り返し）させる。スイッチング周波数は、例えば、１００ｋＨｚ−２００ｋＨｚのいずれかの数値とすることができるが、これに限定されるものではない。

蓄電池８１と充放電回路３０との間の電路が遮断されている場合において、充放電回路３０を放電動作させたときは、図２の実線で示すように、キャパシタ６０に蓄えられた電荷は、トランジスタ３１、インダクタ３５、トランジスタ３４を通じて接地レベルへ放電される。これにより、専用の放電回路を設けることなく、充放電回路３０の放電動作により、キャパシタ６０の電圧Ｖｃｏｎを短時間（例えば、３００ｍｓ以下）で下げることができ、ほぼ０Ｖにすることができる。

また、上述の構成により、キャパシタ６０の電圧を短時間に放電させることができるので、例えば、リレー７０が正常であれば、蓄電池８１とキャパシタ６０との間の電路を遮断（オープン）したときに、キャパシタ６０の電圧は短時間の間に低下することになる。また、リレー７０が故障（短絡）している場合、蓄電池８１とキャパシタ６０との間の電路は接続されたままとなるので、放電動作を開始しても蓄電池８１の電圧は短時間の間に下がらないので、キャパシタ６０の電圧も、あまり変化しない。従って、リレー７０を閉状態から開状態にした場合に、キャパシタ６０の電圧の変化の度合いに応じてリレー７０の故障を開閉することが可能となる。これにより、リレー７０の故障開閉の際に専用の放電回路を設けることなくキャパシタ６０に蓄えられた電荷を短時間に放電させることができる。

また、電圧検出部２１で検出した電圧Ｖｃｏｎと、電圧検出部２２で検出した電圧Ｖｂａｔとの大小を判定し、Ｖｃｏｎ≦Ｖｂａｔである場合、制御部１０は、充放電回路３０を放電動作させる。また、Ｖｃｏｎ＞Ｖｂａｔである場合、制御部１０は、充放電回路３０を充電動作させる。

制御部１０は、検知部１１を備える。検知部１１は、制御部１０がリレー７０の接点７１を閉状態から開状態へ切り替えた場合に、充放電回路３０を放電動作させたときに、電圧検出部２１で検出した電圧に基づいてリレー７０の故障を検知する。なお、図１の例では、制御部１０が開閉部１１を具備する構成であるが、これに限定されるものではなく、開閉部１１を制御部１０と別個に構成してもよい。

例えば、リレー７０の接点７１を開状態にして充放電回路３０を放電動作させた場合、リレー７０が正常であれば、蓄電池８１とキャパシタ６０との間の電路は遮断（オープン）されているので、キャパシタ６０の電圧Ｖｃｏｎは、短時間の間に低下する。しかし、リレー７０が故障（短絡）している場合、蓄電池８１とキャパシタ６０との間の電路は接続されたままとなるので、放電動作を開始しても蓄電池８１の電圧は短時間の間に下がらないので、キャパシタ６０の電圧Ｖｃｏｎは、あまり変化しない。

上述のように、キャパシタ６０の電圧を検出することにより、専用の放電回路を設けることなくリレー７０の故障を検知することができる。

検知部１１は、充放電回路３０を放電動作させる前に電圧検出部２１で検出した電圧Ｖｃｏｎと、充放電回路３０を放電動作させた後に電圧検出部２１で検出した電圧Ｖｃｏｎとの電圧差が電圧閾値以内である場合、リレー７０の故障を検知する。リレー７０が故障（接点７１の短絡故障）している場合、蓄電池８１とキャパシタ６０との間の電路は接続されたままとなるので、放電動作を開始しても蓄電池８１の電圧は短時間の間に下がらず、キャパシタ６０の電圧Ｖｃｏｎも短時間の間には下がらない。すなわち、放電動作させる前に電圧検出部２１で検出した電圧Ｖｃｏｎと、放電動作させた後に電圧検出部２１で検出した電圧Ｖｃｏｎとの電圧差が電圧閾値以内である場合、リレー７０の故障を検知することができる。

また、検知部１１は、充放電回路３０を放電動作させた時点から所定時間経過後に電圧検出部２１で検出した電圧に基づいてリレー７０の故障を検知することができる。所定時間は、例えば、３００ｍｓとすることができるが、これに限定されない。例えば、充放電回路３０を放電動作させる場合には、充放電回路３０が、キャパシタ６０に蓄積した電荷を短時間に放電させる放電回路となるので、専用の放電回路を設けることなくリレー７０の故障を短時間で検知することができる。

図３は本実施の形態の電源装置の放電動作によるキャパシタ６０の電圧変化の様子の一例を示すタイムチャートである。図３において、横軸は時間を示す。上段のチャートは、リレー７０のオン（閉状態）及びオフ（開状態）を示し、中段のチャートは、電圧Ｖｃａｐの波形を示し、下段のチャートは、電圧Ｖｃｏｎの波形を示す。

図３に示すように、時刻ｔ１において、リレー７０をオン（閉状態）からオフ（開状態）に切り替えたとする。そして、時刻ｔ１において、制御部１０は、充放電回路３０を、図２に示すような放電動作を開始する。蓄電池８１の電圧Ｖｃａｐは、ほとんど変化しない。一方、キャパシタ６０の電圧Ｖｃｏｎは、充放電回路３０により放電されるので、例えば、時刻ｔ２において、ほぼ０Ｖとなる。時間差Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）は、１０ｍｓ〜１５０ｍｓ程度とすることができる。これにより、例えば、リレー７０をオン（閉状態）からオフ（開状態）に切り替え、充放電回路３０の放電動作を開始した時点（図３の時刻ｔ１）から所定時間（例えば、３００ｍｓ）経過した時点でリレー７０の故障を検知することができる。

図４は従来の電源装置の放電動作によるキャパシタ６０の電圧変化の様子の一例を示すタイムチャートである。図４の例は、専用の放電回路を備えない場合を示す。図４に示すように、時刻ｔ１において、リレー７０をオン（閉状態）からオフ（開状態）に切り替えたとする。蓄電池８１の電圧Ｖｃａｐは、ほとんど変化しない。また、キャパシタ６０の電圧Ｖｃｏｎは、自然放電により低下するので、リレー７０の故障開閉をするための所要の電圧まで低下するのに長い時間を要する。すなわち、従来の専用の放電回路を具備しない電源回路の場合、リレー７０の故障開閉に長時間を要することが分かる。

次に、本実施の形態の電源装置の動作について説明する。図５は本実施の形態の電源装置のリレーの故障判定処理の手順の一例を示すフローチャートである。以下では便宜上、処理の主体を制御部１０として説明する。制御部１０は、リレー７０をオフにし（Ｓ１１）、放電動作を実施する（Ｓ１２）。

制御部１０は、放電動作開始から所定時間（例えば、３００ｍｓなど）経過したか否かを判定し（Ｓ１３）、所定時間を経過していない場合（Ｓ１３でＮＯ）、ステップＳ１３の処理を続ける。所定時間を経過した場合（Ｓ１３でＹＥＳ）、制御部１０は、放電動作開始の前後において、Ｖｃｏｎの電圧差の絶対値≦電圧閾値であるか否かを判定する（Ｓ１４）。

電圧差の絶対値≦電圧閾値（Ｓ１４でＹＥＳ）、である場合、制御部１０は、リレー故障と判定し（Ｓ１５）、処理を終了する。また、電圧差の絶対値≦電圧閾値でない場合（Ｓ１４でＮＯ）、制御部１０は、リレー正常と判定し（Ｓ１６）、処理を終了する。

上述のとおり、本実施の形態によれば、専用の放電回路（例えば、放電抵抗で短時間内に放電させるためには、放電抵抗の定格電力が大きくなり、放電抵抗のサイズも大きくなってしまう）を設けることなく、キャパシタ６０に蓄えられた電荷を短時間に放電させることができる。また、専用の放電回路を追加する必要がないので、コスト上昇も避けることができる。さらに、短時間（例えば、３００ｍｓ程度）内に接点７１が短絡したリレー７０の故障を検知することができる。

以上に開示された実施の形態及び実施例は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態及び実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての修正や変形を含むものと意図される。

１ 切替端子
２ 充電時出力端子
３ 放電時出力端子
４ 接地端子
１０ 制御部
１１ 開閉部
２１、２２ 電圧検出部
３０ 充放電回路
３１、３２、３３、３４ トランジスタ
３５ インダクタ
４１、４２、４３、４４ ダイオード
５０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
６０ キャパシタ
７０ リレー（開閉部）
７１ 接点
８１ 蓄電池
８２ バッテリ
８３ 発電機
８４ 負荷

Claims (4)

1. 蓄電池を充電する充電動作及び放電させる放電動作を行う充放電回路を備える電源装置において、
   前記充放電回路の充電時出力端子に接続されたキャパシタと、
   前記充電時出力端子と前記蓄電池との間の電路に介装された開閉部と、
   該開閉部の閉開状態を切り替える切替部と、
   該切替部で閉状態から開状態へ切り替えた場合、前記充放電回路を放電動作させて前記キャパシタの電荷を放電すべく制御する制御部と
   を備えることを特徴とする電源装置。
2. 前記充放電回路は、
   前記充電時出力端子に接続され、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子が直列に接続された第１直列回路と、
   前記充放電回路の放電時出力端子に接続され、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子が直列に接続された第２直列回路と、
   前記第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の接続点と前記第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子の接続点との間に介装されたインダクタと
   を備え、
   前記制御部は、
   前記第１スイッチング素子をオン、前記第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子それぞれをオフ、前記第４スイッチング素子を所定周期でオン／オフすべく制御することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記充電時出力端子の電圧を検出する電圧検出部と、
   該電圧検出部で検出した電圧に基づいて前記開閉部の故障を検知する検知部と
   を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電源装置。
4. 前記検知部は、
   前記充放電回路を放電動作させる前に前記電圧検出部で検出した電圧と、前記充放電回路を放電動作させた後に前記電圧検出部で検出した電圧との電圧差が前記電圧閾値以内である場合、前記開閉部の故障を検知することを特徴とする請求項３に記載の電源装置。

Images