JP2018170248A

JP2018170248A - リレー駆動回路

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Publication number: JP2018170248A
Application number: JP2017069041A
Authority: JP
Inventors: 勇士柴野; Yuji Shibano; 哲也石黒; Tetsuya Ishiguro
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2018-11-01

Abstract

【課題】正常停止時のサージによる影響を抑制できるとともに、異常停止時のリレー接点の溶着を回避できるリレー駆動回路を提供する。
【解決手段】リレー駆動回路は、メイン回路を開閉するリレーの状態を制御するリレー駆動回路であって、リレーコイルへの電源供給を切り替える第１のスイッチング素子と、リレーコイルと並列に接続されるサージ抑制素子と、リレーコイルとサージ抑制素子を含むループ回路に設けられる第２のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子の状態を制御するリレー制御部と、を備える。リレー制御部は、メイン回路に異常電流が流れている異常状態においてリレーをオフ状態に制御する場合に、第２のスイッチング素子をオフにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、機械式のリレーを駆動するリレー駆動回路に関する。

従来、電気自動車の電源回路には、二次電池（例えば、リチウムバッテリー）からモーターを駆動するインバーターへ安全かつ確実に電源供給を行うために、システムメインリレー（ＳＭＲ：System Main Relay）と呼ばれる機械式のリレーが設けられている（例えば、特許文献１）。

従来の電源回路を図１に示す。図１に示すように、リレー２は、リレー制御部１１を有するリレー駆動回路１に接続される。リレー制御部１１は、メイン制御部４１からの駆動指示又は停止指示に従って、スイッチング素子１３のオン／オフ状態を制御することにより、リレー２のオン／オフ状態を制御する。

車載機器の動作を停止させる場合、メイン回路４における通電を停止（Ｉ_Ｒ＝０）させてからスイッチング素子１３がオフに切り替えられる。このとき、リレー２に発生するサージ（逆起電圧）を吸収するために、リレー駆動回路１には、リレーコイル２１に並列にダイオード１２が配置されている。

特開２０１５−１３３２９８号公報

従来のリレー駆動回路１（図１参照）では、メイン回路４に電流が流れていない正常状態においてリレー２をオフ状態に制御するとき（以下、「正常停止時」と称する）のサージの影響を抑制することはできる。しかしながら、特許文献１には、メイン回路４に電流が流れている状態において、リレー２をオフ状態に制御するときの課題について記載されていない。具体的な課題として、例えば、図２に示すように、メイン回路４に過電流が発生し（図２の時間ｔ１）、メイン回路４が通電状態であっても、スイッチング素子１３（ＳＷ１）をオフにしなければならない場合（以下、「異常停止時」と称する）に、ダイオード１２の還流によりリレーコイル２１には暫く電流Ｉ_Ｌが流れる。そのため、リレー２の接点がゆっくり遮断され、電流Ｉ_Ｌが０となりリレー２の接点が遮断されるまでに時間がかかる（図２における時間ｔ１〜ｔ２）。その結果、アーク放電が発生してリレー２の接点の遮断が遅延したり、リレー２の接点が溶着する虞がある。

本発明の目的は、正常停止時のサージによる影響を抑制できるとともに、異常停止時のリレー接点の溶着を回避できるリレー駆動回路を提供することである。

本発明に係るリレー駆動回路は、メイン回路を開閉するリレーの状態を制御するリレー駆動回路であって、
リレーコイルへの電源供給を切り替える第１のスイッチング素子と、
前記リレーコイルと並列に接続されるサージ抑制素子と、
前記リレーコイルと前記サージ抑制素子を含むループ回路に設けられる第２のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の状態を制御するリレー制御部と、を備え、
前記リレー制御部は、前記メイン回路に異常電流が流れている異常状態において前記リレーをオフ状態に制御する場合に、前記第２のスイッチング素子をオフにすることを特徴とする。

本発明によれば、正常停止時のサージによる影響を抑制できるとともに、異常停止時のリレー接点の溶着を回避することができる。

従来の電源回路の一例を示す図である。従来の電源回路における異常停止時の通電電流の一例を示す図である。実施の形態に係るリレー駆動回路を適用した電源回路の一例を示す図である。リレー駆動回路におけるリレー駆動処理の一例を示すフローチャートである。正常停止時の通電電流の一例を示す図である。異常停止時の通電電流の一例を示す図である。リレー駆動回路におけるリレー駆動処理の他の一例を示すフローチャートである。正常停止時の通電電流の他の一例を示す図である。異常停止時の通電電流の他の一例を示す図である。実施の形態に係るリレー駆動回路を適用した電源回路の他の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図３は、本発明の一実施の形態に係るリレー駆動回路１を適用した電源回路ＰＳの一例を示す図である。

図３に示す電源回路ＰＳは、例えば、電気自動車において、二次電池（例えば、リチウムバッテリー）からモーターを駆動するインバーターへ電力を供給する回路である。電源回路ＰＳには、メイン回路４における電源供給を安全かつ確実に行うために、リレー駆動回路１、リレー２及び制御電源３を有するリレー回路（符号略）が設けられる。

リレー２は、リレーコイル２１及び接点部２２を有する機械式のリレーである。リレーコイル２１に通電が行われてオン状態に制御されると、接点部２２が閉じてメイン回路４が閉状態となる。一方、リレーコイル２１への通電が停止されてオフ状態に制御されると、接点部２２が開いてメイン回路４が開状態となる。

リレー駆動回路１は、リレー制御部１１、ダイオード１２、第１のスイッチング素子１３（以下、「ＳＷ１」と表記することもある）、及び第２のスイッチング素子１４（以下、「ＳＷ２」と表記することもある）を備える。リレー駆動回路１は、リレー２をオン状態（接点部２２が閉じた状態）又はオフ状態（接点部２２が開いた状態）に制御するための回路である。

ダイオード１２は、リレー２をオフ状態に切り替えるときに発生するサージ（逆起電圧）を吸収するサージ抑制素子である。ダイオード１２は、リレー駆動回路１の高圧側にカソードが接続され、低圧側にアノードが接続され。リレー２をオン状態からオフ状態に切り替えたとき、リレーコイル２１、ダイオード１２、及び第２のスイッチング素子１４を含むループ回路（符号略）を電流が流れることにより、サージが吸収される。

第１のスイッチング素子１３は、制御電源３からリレーコイル２１への電源供給を制御する。第１のスイッチング素子１３がオン状態に制御されると、制御電源３の正極からリレーコイル２１および第１のスイッチング素子１３を経由して制御電源３の負極に至る電源供給経路が閉状態となり（電源供給経路が形成され）、リレーコイル２１に電源供給が行われる。一方、第１のスイッチング素子１３がオフ状態に制御されると、電源供給経路が開状態となり（遮断され）、リレーコイル２１への電源供給が遮断される。

第２のスイッチング素子１４は、リレーコイル２１とダイオード１２を有するループ回路（符号略）上に配置される。図３では、第２のスイッチング素子１４は、ループ回路内の電源供給経路以外の電路に配置されている。具体的には、制御電源３の正極とリレーコイル２１の間と、リレーコイル２１と第１のスイッチング素子１３の間と、を結ぶ電路上にダイオード１２と直列に配置されている。第２のスイッチング素子１４は、正常停止時にはオン状態に制御され、非常停止時にはオフ状態に制御される。

リレー制御部１１は、第１のスイッチング素子１３及び第２のスイッチング素子１４の状態を制御する。リレー制御部１１は、メイン制御部４１からの駆動指示又は停止指示に従って、第１のスイッチング素子１３及び第２のスイッチング素子１４のオン／オフ状態を制御することにより、リレー２のオン／オフ状態を制御する。

また、リレー制御部１１は、メイン回路４における通電電流Ｉ_Ｒに基づいて、メイン回路４において異常電流が流れているかいないかを判定する。通電電流Ｉ_Ｒは、メイン回路４に設けられた電流センサー４２によって検出され、メイン制御部４１を介してリレー制御部１１に供給される。

図４は、リレー駆動回路１におけるリレー駆動処理の一例を示すフローチャートである。この処理は、リレー制御部１１が、メイン回路４のメイン制御部４１からリレー２をオン状態にする駆動指示を受信することに伴い、実行される。リレー駆動回路１において、初期状態では、第１のスイッチング素子１３及び第２のスイッチング素子１４は、オフ状態となっている。

図４のステップＳ１０１において、リレー制御部１１は、第１のスイッチング素子１３をオン状態に制御する。第２のスイッチング素子１４はオフ状態のままである。これにより、制御電源３から電源供給が行われ、リレーコイル２１に通電電流Ｉ_Ｌが流れる。そして、リレー２の接点部２２が閉じて、メイン回路４が閉状態となる。

このとき、第２のスイッチング素子１４はオフ状態のままである。すなわち、リレー制御部１１は、リレー２をオン状態に制御する場合に、第１のスイッチング素子１３をオンにするとともに、第２のスイッチング素子１４をオフにする。これにより、異常停止時の処理負担を軽減することができるとともに、第２のスイッチング素子１４の状態保持に要する消費電力を低減することができる。

ステップＳ１０２において、リレー制御部１１は、メイン制御部４１からリレー２をオフ状態にする停止指示を受信したか否かを判定する。停止指示を受信した場合（ステップＳ１０２で“ＹＥＳ”）、ステップＳ１０３に移行して正常停止時の処理を行う。停止指示を受信していない場合（ステップＳ１０２で“ＮＯ”）、ステップＳ１０７の処理に移行する。なお、メイン制御部４１からの停止指示は、メイン回路４における通電電流Ｉ_Ｒが０になった後で行われる。

ステップＳ１０３において、リレー制御部１１は、第２のスイッチング素子１４（ＳＷ２）オン状態に切り替える（図５のＳＷ２参照）。これにより、サージ吸収のためのループ回路（符号略）が閉状態となる。

ステップＳ１０４において、リレー制御部１１は、第１のスイッチング素子１３をオフ状態に切り替える。これにより、リレーコイル２１への電源供給経路が開状態となる。このとき、リレー２で生じるサージによる電流Ｉ_Ｌはループ回路（符号略）を流れ、時間の経過とともに吸収される（図５のＩ_Ｌ、ＳＷ１参照）。

ステップＳ１０５において、リレー制御部１１は、サージ吸収のためのループ回路（符号略）の通電電流Ｉ_Ｌが０になったか否かを判定する。具体的には、リレー制御部１１は、第１のスイッチング素子１３がオフ状態に切り替えられた後、所定時間経過した場合に、通電電流Ｉ_Ｌが０になったと判定する。ここで、所定時間は、サージが吸収されるのに要する時間であり、予め設定される。

ステップＳ１０６において、リレー制御部１１は、第２のスイッチング素子１４をオフ状態に切り替える（図５のＳＷ２参照）。このようにして、正常停止時の制御が行われる。リレー２で生じるサージは、ループ回路で吸収されるので、正常停止時のサージによる影響を抑制することができる。

ステップＳ１０２において停止指示を受信していない場合、ステップＳ１０７において、リレー制御部１１は、メイン回路４における通電電流Ｉ_Ｒに基づいて、メイン回路４において異常電流が流れているかいないかを判定する。具体的には、リレー制御部１１は、通電電流Ｉ_Ｒが許容値を上回る場合に、異常電流が流れていると判定する。メイン回路４に異常電流が流れている場合（ステップＳ１０７で“ＹＥＳ”）、ステップＳ１０８に移行して異常停止時の処理を行う。メイン回路４に異常電流が流れていない場合（ステップＳ１０７で“ＮＯ”）、ステップＳ１０２の処理に移行する。

ステップＳ１０８において、リレー制御部１１は、第１のスイッチング素子１３をオフ状態に切り替える。これにより、リレーコイル２１への電源供給経路は開状態となるが、第１のスイッチング素子１４がオフ状態となっておりループ回路も開状態となっているので、通電電流Ｉ_Ｌは瞬時に０となる（図６のＩ_Ｌ、ＳＷ１参照）。したがって、リレー２は、瞬時にオフ状態に切り替えられるので、メイン回路４において異常電流が流れることにより、リレー２の接点部２２が溶着するのを回避することができる。

［変形例］
図４に示すフローチャートでは、メイン制御部４１からリレー２の駆動指示を受けたときに、第１のスイッチング素子１３のみをオン状態に制御しているが、第１のスイッチング素子１３とともに第２のスイッチング素子１４をオン状態に制御してもよい。このときのリレー駆動処理を図７のフローチャートに従って説明する。

図７は、リレー駆動回路１におけるリレー駆動処理の他の一例を示すフローチャートである。なお、図４に示すフローチャートと同様の処理については、説明を簡略化する。

図７のステップＳ２０１において、リレー制御部１１は、第１のスイッチング素子１３及び第２のスイッチング素子１４をオン状態に制御する。これにより、制御電源３から電源供給が行われ、リレーコイル２１に通電電流Ｉ_Ｌが流れる。そして、リレー２の接点部２２が閉じて、メイン回路４が閉状態となる。

ステップＳ２０２において、リレー制御部１１は、メイン制御部４１からリレー２をオフ状態にする停止指示を受信したか否かを判定する。停止指示を受信した場合（ステップＳ２０２で“ＹＥＳ”）、ステップＳ２０３に移行して正常停止時の処理を行う。停止指示を受信していない場合（ステップＳ２０２で“ＮＯ”）、ステップＳ２０６の処理に移行する。

ステップＳ２０３において、リレー制御部１１は、第１のスイッチング素子１３をオフ状態に切り替える。これにより、リレーコイル２１への電源供給経路が開状態となる。このとき、リレー２で生じるサージによる電流Ｉ_Ｌは、ダイオード１２、リレーコイル２１及び第２のスイッチング素子１４を含むループ回路（符号略）を流れ、時間の経過とともに吸収される（図８のＩ_Ｌ、ＳＷ１参照）。

ステップＳ２０４において、リレー制御部１１は、サージ吸収のためのループ回路（符号略）の通電電流Ｉ_Ｌが０になったか否かを判定する。

ステップＳ２０５において、リレー制御部１１は、第２のスイッチング素子１４をオフ状態に切り替える（図８のＳＷ２参照）。このようにして、正常停止時の制御が行われる。リレー２で生じるサージは、ループ回路で吸収されるので、正常停止時のサージによる影響を抑制することができる。

ステップＳ２０２において停止指示を受信していない場合、ステップＳ２０６において、リレー制御部１１は、メイン回路４における通電電流Ｉ_Ｒに基づいて、メイン回路４において異常電流が流れているかいないかを判定する。メイン回路４に異常電流が流れている場合（ステップＳ２０６で“ＹＥＳ”）、ステップＳ２０７に移行して異常停止時の処理を行う。メイン回路４に異常電流が流れていない場合（ステップＳ２０６で“ＮＯ”）、ステップＳ２０２の処理に移行する。

ステップＳ２０７において、リレー制御部１１は、第２のスイッチング素子１４（ＳＷ２）をオフ状態に切り替える（図９のＳＷ２参照）。これにより、ダイオード１２、リレーコイル２１及び第２のスイッチング素子１４を含むループ回路（符号略）は開状態となる。

ステップＳ２０８において、リレー制御部１１は、第１のスイッチング素子１３（ＳＷ１）をオフ状態に切り替える（図９のＳＷ１参照）。これにより、リレーコイル２１への電源供給経路は開状態となる。第１のスイッチング素子１４（ＳＷ１）がオフ状態に切り替えられてループ回路が開状態となっているので、通電電流Ｉ_Ｌは瞬時に０となる。したがって、リレー２は、瞬時にオフ状態に切り替えられるので、メイン回路４において異常電流が流れることにより、リレー２の接点部２２が溶着するのを回避することができる。

このように、本実施の形態に係るリレー駆動回路１は、メイン回路４を開閉するリレー２の状態を制御するリレー駆動回路である。リレー駆動回路１は、リレーコイル２１への電源供給を切り替える第１のスイッチング素子１３と、リレーコイル２１と並列に接続されるダイオード１２（サージ抑制素子）と、リレーコイル２１とダイオード１２を含むループ回路上に設けられる第２のスイッチング素子１４と、第１のスイッチング素子１３及び第２のスイッチング素子１４の状態を制御するリレー制御部１１と、を備える。リレー制御部１１は、メイン回路１１に異常電流が流れている異常状態においてリレー２をオフ状態に制御する場合に、第２のスイッチング素子１４をオフにする。

また、第２のスイッチング素子１４は、リレーコイル２１への電源供給経路以外の電路に配置されている。この場合、リレー制御部１１は、異常状態においてリレーをオフ状態に制御する場合に、第２のスイッチング素子１４をオフにした後、第１のスイッチング素子１３をオフにする。なお、第２のスイッチング素子１４がオフになっている場合は、第１のスイッチング素子１３をオフにすればよい（図４参照）。

リレー制御回路１によれば、正常停止時のサージによる影響を抑制できるとともに、異常停止時のリレー接点の溶着を回避することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

例えば、第２のスイッチング素子１４は、サージ吸収のためのループ回路上であれば、制御電源３からリレーコイル２１への電源供給経路上に配置されてもよい（図１０参照）。この場合、メイン回路４において異常電流が発生した場合に、第２のスイッチング素子１４をオフにするだけで電源供給経路が遮断されるとともに、ループ回路も遮断される。したがって、異常停止時の処理負担を軽減することができる。

また例えば、第１のスイッチング素子１４は、特に制限されず、制御電源３からリレーコイル２１への電源供給経路上であれば、どこに配置されてもよい。

実施の形態では、サージ抑制素子としてダイオード１２を適用した例を示しているが、サージ抑制素子には、バリスタ等を適用することができる。サージ抑制素子は、制御電源３からリレーコイル２１への電源供給に影響を及ぼさず、サージ吸収のためのループ回路の形成を許容するものであればよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明に係るリレー駆動回路は、機械式のリレーを駆動するリレー駆動回路に好適である。

１リレー駆動回路
１１リレー制御部
１２ダイオード（サージ抑制素子）
１３第１のスイッチング素子
１４第２のスイッチング素子
２リレー
２１リレーコイル
２２接点部
３制御電源
４メイン回路
４１メイン制御部
４２電流センサー

Claims

メイン回路を開閉するリレーの状態を制御するリレー駆動回路であって、
リレーコイルへの電源供給を切り替える第１のスイッチング素子と、
前記リレーコイルと並列に接続されるサージ抑制素子と、
前記リレーコイルと前記サージ抑制素子を含むループ回路に設けられる第２のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の状態を制御するリレー制御部と、を備え、
前記リレー制御部は、前記メイン回路に異常電流が流れている異常状態において前記リレーをオフ状態に制御する場合に、前記第２のスイッチング素子をオフにすることを特徴とするリレー駆動回路。
前記第２のスイッチング素子は、前記リレーコイルへの電源供給経路以外の電路に配置され、
前記リレー制御部は、前記異常状態において前記リレーをオフ状態に制御する場合に、前記第２のスイッチング素子をオフにした後、前記第１のスイッチング素子をオフにすることを特徴とする請求項１に記載のリレー駆動回路。
前記リレー制御部は、前記リレーをオン状態に制御する場合に、前記第１のスイッチング素子をオンにし、前記第２のスイッチング素子をオフにすることを特徴とする請求項２に記載のリレー駆動回路。
前記リレー制御部は、前記メイン回路に異常電流が流れていない正常状態において前記リレーをオフ状態に制御する場合に、前記第２のスイッチング素子をオンにした後、前記第１のスイッチング素子をオフにすることを特徴とする請求項３に記載のリレー駆動回路。
前記第２のスイッチング素子は、前記リレーコイルへの電源供給経路上に配置され、
前記リレー制御部は、前記メイン回路に異常電流が流れている異常状態において前記リレーをオフ状態に制御する場合に、前記第２のスイッチング素子をオフにすることを特徴とする請求項１に記載のリレー駆動回路。
前記サージ抑制素子は、ダイオードであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のリレー駆動回路。