JP2019161816A

JP2019161816A - バッテリ充放電装置

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Publication number: JP2019161816A
Application number: JP2018044198A
Authority: JP
Inventors: 一穂豊田; Kazuho Toyoda
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2019-09-19

Abstract

【課題】バッテリ充放電装置につき、抵抗素子についての耐量の低減、体積の縮小、コストの低減を図る。【解決手段】外部のバッテリ２２に接続される充放電コネクタ１１とＤＣ／ＡＣインバータ１３に接続される充放電用コンデンサ１４をつなぐ給電ライン１５に地絡検出回路１６が接続されている。地絡検出回路と充放電用コンデンサとの間で第１のリレー１７および兼用抵抗素子１８の直列回路が挿入され、直列回路に第２のリレー２０が並列接続されている。第１のリレーと兼用抵抗素子との接続点Ｎ１と接地部との間に放電用の開閉器２１が接続されている。第２のリレーがオンの状態から放電用の開閉器をオンするときには、それに先だって第２のリレーをオフ状態に切り替え、その後に放電用の開閉器をオンにする。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電気自動車に搭載されたバッテリなど外部のバッテリに対する充放電電力を蓄積可能な充放電用コンデンサを有し、充放電用コンデンサを介してバッテリに充電またはバッテリからの放電電力を外部に供給するバッテリ充放電装置に関する。

図８は従来例のバッテリ充放電装置の構成を示す回路ブロック図である。図８に示すように、電気自動車（以下、単に「車両」という）Ｂに搭載されている高電圧のバッテリ２２は、車体外側面のインレット（電力引込み口）２４に対して、開閉機能を有するコンタクタ（電磁接触器）２３を介して接続されている。バッテリ充放電装置Ａ′の主要部１０から延出された充放電ケーブル１２の端部に設けられた充放電コネクタ１１は車両Ｂのインレット２４に対して接続分離可能に構成されている。バッテリ充放電装置Ａ′において、外部のＤＣ／ＡＣインバータ１３に対して接続されている大容量の充放電用コンデンサ１４と充放電コネクタ１１とは給電ライン１５を介して接続されている。給電ライン１５の一部が充放電ケーブル１２となっている。給電ライン１５は高圧ＤＣラインに構成されている。

給電ライン１５において、充放電コネクタ１１側の部分に地絡検出回路１６が接続されている。地絡検出回路１６と充放電用コンデンサ１４との間において、給電ライン１５には第１のリレー１７と突入電流防止用の抵抗素子１８ａからなる直列回路１９ａが挿入されている。第１のリレー１７は地絡検出回路１６側に位置し、突入電流防止用の抵抗素子１８ａは充放電用コンデンサ１４側に位置している。直列回路１９ａに対して第２のリレー２０が並列に接続（バイパス接続）されている。第１のリレー１７および突入電流防止用の抵抗素子１８ａからなる直列回路１９ａと第２のリレー２０とで突入電流防止回路ｂが構成されている。

突入電流防止回路ｂにおける突入電流防止用の抵抗素子１８ａと第２のリレー２０との接続点Ｎ２と充放電用コンデンサ１４との間において、給電ライン１５と接地部（ＧＮＤ）との間に放電限流用の抵抗素子１８ｂと放電用の開閉器２１からなる放電回路ｃが接続されている。

次に、上記のように構成された従来のバッテリ充放電装置Ａ′の動作を説明する。

インレット２４に充放電コネクタ１１を接続した状態でコンタクタ２３をオン操作すると、車両Ｂにおけるバッテリ２２がバッテリ充放電装置Ａ′の主要部１０における充放電用コンデンサ１４に給電ライン１５を介して接続された状態となる。このコンタクタ２３のオン操作に伴う接続の初期においては、放電回路ｃにおける放電用の開閉器２１はオフ状態にあり、かつ突入電流防止回路ｂにおける第１のリレー１７がオン状態で、第２のリレー２０がオフ状態である。したがって、バッテリ２２から充放電用コンデンサ１４に流れる電流は、突入電流防止回路ｂの第１のリレー１７を介して突入電流防止用の抵抗素子１８ａを通って流れ、過大な突入電流が給電ライン１５に流れることを防止する。その結果、コンタクタ２３の過電流による溶着を防止することができる。

コンタクタ２３のオン操作からある一定の時間が経過すると、初期電流が安定することになるが、ほぼそのタイミングで第１のリレー１７がオフ状態に、第２のリレー２０がオン状態に反転する（図８の状態）。これによって、バッテリ２２から充放電用コンデンサ１４に流れる電流は、突入電流防止用の抵抗素子１８ａを通ることなく、抵抗値が充分に低く実質的にゼロ抵抗の第２のリレー２０のバイパス回路を介した非限流の状態で流れる。

以上により、接続初期には、突入電流防止用の抵抗素子１８ａでの電力消費は受容することとして突入電流を防止し、突入電流が抑制された後は電力消費を抑えるために電流経路を第２のリレー２０の側に切り替えている。

次に、コンタクタ２３について溶着診断を行う際の動作を説明する。この動作を図９のタイムチャートに基づいて説明する。

溶着診断を行う際には、それまで図８のようにオフ状態にあった放電用の開閉器２１をオン操作して、図１０に示すように、給電ライン１５に接続されている放電限流用の抵抗素子１８ｂをオン状態になった開閉器２１を介して接地部（ＧＮＤ）に接続する。この場合、その直前までは、第２のリレー２０はオン状態にあり、第１のリレー１７はオフ状態にあり、コンタクタ２３はオン状態、放電用の開閉器２１はオフ状態になっている（図８参照）。これがタイミングｔ１までの状態である。

タイミングｔ１において放電用の開閉器２１が図１０のようにオン状態に切り替えられ、次いでタイミングｔ２で図１１に示すように、コンタクタ２３がオフ状態に切り替えられる。

放電用の開閉器２１がオン状態に切り替えられるタイミングｔ１以降において、充放電用コンデンサ１４の電荷は放電限流用の抵抗素子１８ｂおよびオン状態となった放電用の開閉器２１を介して接地部（ＧＮＤ）に放電される。溶着診断が完了しコンタクタ２３がオフ状態に切り替えられると、充放電コネクタ１１の電荷が放電されていることから、車両Ｂ側のインレット２４から充放電コネクタ１１を取り外した後に充放電コネクタ１１で感電事故が起こることを防止することができる。

特開２０１５−１０７０４５号公報

上記の溶着診断に際し、オン状態にあるコンタクタ２３がオフ状態になるのは、放電用の開閉器２１がオン状態になったタイミングｔ１の後、所定の時間Ｔ（約４秒）が経過してからのタイミングｔ２においてである。すなわち、その所定の時間Ｔ（約４秒）の間は、放電用の開閉器２１のオン状態とコンタクタ２３のオン状態がオーバーラップする。

上記において、放電回路ｃにおける放電限流用の抵抗素子１８ｂには、充放電用コンデンサ１４からの放電電流とバッテリ２２からの放電電流とが同時に流れる。したがって、放電限流用の抵抗素子１８ｂには非常に大きな耐量が要求されることが避けがたいものとなる。

大きな耐量が求められる抵抗素子１８ｂは、その体積の大きなものとなってしまう。ひいては、抵抗素子１８ｂを収納するケーシングの体積増大、レイアウトへの悪影響、配置スペースの増大などを招く結果となる。

加えて、充放電用コンデンサ１４の放電や充放電コネクタ１１の放電のために放電限流用の抵抗素子１８ｂが設けられる一方、突入電流の防止用に抵抗素子１８ａが設けられており、別個の抵抗素子を要しているという部品点数の多さの課題、コストアップの課題なども生じている。

本発明はこのような事情に鑑みて創作したものであり、バッテリ充放電装置に関して、抵抗素子についての耐量の低減、体積の縮小、部品点数の削減によるコストの低減を図ることを目的としている。

本発明は、次の手段を講じることにより上記の課題を解決する。

本発明によるバッテリ充放電装置は、
外部のバッテリに対して接続可能な充放電コネクタと、
前記バッテリに対する充放電電力を蓄積可能な充放電用コンデンサと、
前記充放電コネクタと前記充放電用コンデンサとをつなぐ給電ラインに接続された地絡検出回路と、
前記地絡検出回路と前記充放電用コンデンサとの間で前記給電ラインに挿入された第１のリレーおよび抵抗素子の直列回路と、
前記直列回路に並列接続された第２のリレーと、
前記充放電用コンデンサの蓄積電荷を放電するために前記直列回路における前記第１のリレーと前記抵抗素子との接続点と接地部との間に接続された放電用の開閉器とを備え、
前記抵抗素子は、前記バッテリから前記充放電用コンデンサに流れる突入電流を防止する機能と、前記充放電用コンデンサから接地部に放電される放電電流を限流する機能を兼用することを特徴とする。

本発明の上記の構成によれば、次のような作用が発揮される。

車両から充放電コネクタを取り外す際に、充放電コネクタでの感電を防止するためには、充放電用コンデンサの電荷を放電しておく必要がある。

この充放電用コンデンサの電荷の放電のために、従来では、突入電流防止用の抵抗素子とは別に用意された専用の放電限流用の抵抗素子と放電用の開閉器との直列回路を備えていた。さらに、従来では、充放電用コンデンサの電荷を放電限流用の抵抗素子によって放電するとともに、充放電コネクタの電荷もオン状態の第２のリレーを介して放電限流用の抵抗素子に流すことにより放電するようにしていた。そしてそのことが原因となって、上記したように、充放電用コンデンサからの放電電流と充放電コネクタからの放電電流とが同時に放電限流用の抵抗素子に流れることとなって、放電限流用の抵抗素子に非常に大きな耐量が要求される事態を招いていた。

これに対して、本発明では、放電電流限流用の抵抗素子を、第１のリレーとともに直列回路を形成する突入電流防止用の抵抗素子で兼用させている。この兼用の機能をもつ抵抗素子が兼用抵抗素子である。この兼用抵抗素子は、通常使用状態においてコンタクタをオン状態に切り替えた初期の段階で突入電流が流れるのを防止する一方、コンタクタの溶着を診断する際に充放電用コンデンサの電荷を放電する役割も担うものである。兼用抵抗素子は突入電流防止用の抵抗素子を放電限流用の抵抗素子として兼用するものであるが、その兼用の構成のためには、放電用の開閉器との直列回路を、第１のリレーと兼用抵抗素子との接続点に接続することとなる。

この場合に、充放電用コンデンサの電荷を放電限流用の抵抗素子で放電させるために放電用の開閉器をオン状態に切り替えるが、充放電コネクタの電荷まで同じ放電限流用の抵抗素子に流すとなれば、その放電限流用の抵抗素子の耐量が過剰に大きなものとなってしまう。そこで、前記放電用の開閉器をオン状態に切り替えるときには、その切り替えに先だって前記第２のリレーをオフ状態に切り替え、その後に前記放電用の開閉器をオン状態に切り替える。すなわち、放電用の開閉器をオン状態に切り替えるのに先立って第２のリレーをオフ状態に切り替えることで充放電コネクタを放電限流用の抵抗素子から切り離しておくように構成する。

なお、充放電コネクタを放電限流用の抵抗素子から切り離すために第２のリレーをオフ状態に切り替えた状態では、充放電コネクタの電荷の放出先は、地絡検出回路に含まれる高抵抗値の地絡検出用の抵抗素子となる。

以上のようにして、充放電用コンデンサの電荷と充放電コネクタの電荷とを放電し、感電防止を図った後に、コンタクタをオフ状態に切り替え、その状態からコンタクタの溶着診断へと進むことになる。

本発明によれば、兼用抵抗素子をもって突入電流防止用の抵抗素子と充放電用コンデンサの電荷の放電限流用の抵抗素子とを兼ねさせているので、部品点数の削減とともに、抵抗素子が占める体積の縮小、コスト低減を促進することができる。

併せて、コンタクタの溶着診断の際には、第２のリレーをオフ状態にして充放電コネクタの電荷は地絡検出回路を利用して放電させることで感電防止を図っている。すなわち、充放電用コンデンサの電荷は兼用抵抗素子に流すが、充放電コネクタの電荷はその兼用抵抗素子には流すことはしないので、兼用の抵抗素子に求められる耐量を低減することができる。この点でも、抵抗素子が占める体積の縮小、コスト低減の促進に有利に作用する。

本発明の実施例におけるバッテリ充放電装置の構成を示す回路図本発明の実施例におけるバッテリ充放電装置の動作を説明するための電流状態図本発明の実施例におけるバッテリ充放電装置の動作を説明するための電流状態図本発明の実施例におけるバッテリ充放電装置の動作を説明するためのタイムチャート本発明の実施例におけるバッテリ充放電装置の動作を説明するための電流状態図本発明の実施例におけるバッテリ充放電装置の動作を説明するための電流状態図本発明の実施例におけるバッテリ充放電装置の動作を説明するための電流状態図従来例におけるバッテリ充放電装置の構成を示す回路図従来例におけるバッテリ充放電装置の動作を説明するためのタイムチャート従来例におけるバッテリ充放電装置の動作を説明するための電流状態図従来例におけるバッテリ充放電装置の動作を説明するための電流状態図

以下、上記構成の本発明のバッテリ充放電装置につき、その実施の形態を具体的な実施例のレベルで詳しく説明する。

図１は本発明の実施例におけるバッテリ充放電装置の構成を示す回路図である。図１において、Ａはバッテリ充放電装置、Ｂは車両（ＥＶ）、１０はバッテリ充放電装置Ａの主要部、１１は充放電コネクタ、１２は充放電ケーブル、１３はＤＣ／ＡＣインバータ、１４は大容量の充放電用コンデンサ、１５は給電ライン、１６は地絡検出回路、１７は第１のリレー、１８は突入電流防止兼放電限流用である兼用抵抗素子、１９は第１のリレー１７と兼用抵抗素子１８との直列回路、２０は第２のリレー、ａは突入電流防止兼放電限流回路、２１は放電用の開閉器、車両Ｂ側の構成要素として、２２は高電圧のバッテリ、２３はコンタクタ（電磁接触器）、２４はインレットである。

給電ライン１５において、充放電コネクタ１１側の部分に地絡検出回路１６が接続されている。この地絡検出回路１６は、正負極間に高抵抗値の地絡検出用の抵抗素子を有し、その中性点は接地部（グラウンドＧＮＤ）に対して接続されている。

地絡検出回路１６と充放電用コンデンサ１４との間において、給電ライン１５には第１のリレー１７と兼用抵抗素子１８からなる直列回路１９が挿入されている。第１のリレー１７は地絡検出回路１６側に位置し、兼用抵抗素子１８は充放電用コンデンサ１４側に位置している。直列回路１９に対して第２のリレー２０が並列に接続（バイパス接続）されている。第１のリレー１７と兼用抵抗素子１８との接続点Ｎ１と接地部（ＧＮＤ）との間に放電用の開閉器２１が接続されている。

以上において、主要な構成についてまとめると次のようになる。充放電コネクタ１１は車両Ｂに搭載のバッテリ２２に対して接続可能となっている。充放電コネクタ１１とバッテリ２２とは、車両Ｂに搭載のコンタクタ２３を介しての接続となっている。充放電コネクタ１１と充放電用コンデンサ１４とをつなぐ給電ライン１５には地絡検出回路１６が接続されている。

地絡検出回路１６と充放電用コンデンサ１４との間で給電ライン１５には、第１のリレー１７と兼用抵抗素子１８の直列回路１９が挿入されている。兼用抵抗素子１８は、機能的に、従来例における突入電流防止用の抵抗素子１８ａと放電限流用の抵抗素子１８ｂとを兼用するものに相当している。第１のリレー１７と兼用抵抗素子１８の直列回路１９には第２のリレー２０が並列に接続されている。直列回路１９における第１のリレー１７と兼用抵抗素子１８との接続点Ｎ１と接地部（ＧＮＤ）との間には放電用の開閉器２１が接続されている。第１のリレー１７と兼用抵抗素子１８との直列回路１９と、第２のリレー２０と、放電用の開閉器２１とで突入電流防止兼放電限流回路ａが構成されている。

次に、上記のように構成された本発明実施例のバッテリ充放電装置Ａの動作を説明する。

インレット２４に充放電コネクタ１１を接続した状態でコンタクタ２３をオン操作すると、車両Ｂにおけるバッテリ２２がバッテリ充放電装置Ａの主要部１０における充放電用コンデンサ１４に給電ライン１５を介して接続された状態となる。このコンタクタ２３のオン操作に伴う接続の初期においては、図２に示すように、突入電流防止兼放電限流回路ａにおける放電用の開閉器２１はオフ状態にあり、かつ第１のリレー１７がオン状態で、第２のリレー２０がオフ状態である。したがって、充放電用コンデンサ１４とバッテリ２２との間で流れる電流は、突入電流防止兼放電限流回路ａの第１のリレー１７を介して兼用抵抗素子１８を通って流れる。したがって、過大な突入電流が給電ライン１５に流れることを防止する。その結果、コンタクタ２３の過電流による溶着を防止することができる。

コンタクタ２３のオン操作からある一定の時間が経過すると、初期電流が安定することになるが、ほぼそのタイミングで、図３に示すように、第１のリレー１７がオフ状態に、第２のリレー２０がオン状態に反転する。これによって、充放電用コンデンサ１４とバッテリ２２との間で流れる電流は、兼用抵抗素子１８を通ることなく、抵抗値が充分に低くて実質的にゼロ抵抗の第２のリレー２０のバイパス回路を介した非限流の状態で流れる。

以上により、接続初期には、兼用抵抗素子１８での電力消費は受容することとして突入電流を防止し、突入電流が抑制されたあとは電力消費を抑えるために電流経路を第２のリレー２０の側に切り替えている。

次に、コンタクタ２３について溶着診断を行う際の動作を説明する。この動作を図４のタイムチャートと図５〜図７の動作説明に基づいて説明する。

車両Ｂから充放電コネクタ１１を取り外すに際しては、充放電コネクタ１１での感電を防止する必要があり、そのために充放電用コンデンサ１４の電荷を放電しておく必要がある。これには、放電用の開閉器２１をオン操作する必要があるが、ここでは直ちに放電用の開閉器２１をオン操作するのではなく、それに先立って、定常状態でオン状態になっていた第２のリレー２０をオフ状態に切り替える。

すなわち、図４のタイミングｔ０において、図５に示すように、第２のリレー２０をオフ操作する。この状態では、第１のリレー１７も放電用の開閉器２１もオフ状態となっている。コンタクタ２３はオン状態にある。

次いで、図４のタイミングｔ１において、図６に示すように、放電用の開閉器２１をオン状態に切り替える。これによって、充放電用コンデンサ１４の電荷が兼用抵抗素子１８およびオン状態となった開閉器２１を介して接地部（ＧＮＤ）へと放電される。第１のリレー１７も第２のリレー２０もオフ状態に切り替えられているので、充放電用コンデンサ１４は充放電コネクタ１１からは電気的に分離されている。しかし、万一のこととして第２のリレー２０または第１のリレー１７が動作不良を起こすと、充放電コネクタ１１で感電の可能性が残る。したがって、第２のリレー２０をオフ状態に切り替えるとはいえ、放電用の開閉器２１を接地して充放電用コンデンサ１４から放電を行うことは有意義なことである。

図５の状態から図６の状態にかけての動作をまとめると、充放電用コンデンサ１４の放電のために放電用の開閉器２１をオン状態に切り替えることに先だって、まず、第２のリレー２０をオフ状態に切り替える。次いで、放電用の開閉器２１をオン状態に切り替え、兼用抵抗素子１８とオン状態に切り替えられた放電用の開閉器２１との経路を介して充放電用コンデンサ１４を接地部（ＧＮＤ）に対して接続する。しかし、すでにあらかじめ第２のリレー２０をオフ状態に切り替えているので、コンタクタ２３および充放電コネクタ１１を介してバッテリ２２から兼用抵抗素子１８に電流が流れ込むことはない。つまり、兼用抵抗素子１８に対しては、充放電用コンデンサ１４の側からとバッテリ２２の側からの２つの放電電流が同時に流れ込むことはない。したがって、兼用抵抗素子１８について、その耐量を特別に大きく確保する必要性はない。

ところで、車両Ｂから充放電コネクタ１１を取り外す際に、充放電コネクタ１１での感電を防止するための対策について、従来例では、図１０の状態で充放電コネクタ１１の電荷を第２のリレー２０、放電限流用の抵抗素子１８ｂおよび放電用の開閉器２１の経路で接地部（ＧＮＤ）に放電している。これに対して、本発明実施例では、第２のリレー２０をオフ状態に切り替えてしまうので、従来例のような充放電コネクタ１１の電荷の兼用抵抗素子１８を介しての放電ができないことになる。

しかしながら、給電ライン１５には地絡検出回路１６が接続されており、その地絡検出回路１６には高抵抗値（８０ｋΩ程度）の地絡検出用の抵抗素子が含まれている。本発明実施例では、この高抵抗値の地絡検出用の抵抗素子を有効に利用して充放電コネクタ１１の電荷を接地部（ＧＮＤ）に放電することができる。したがって、第２のリレー２０をオフ状態に切り替えるにもかかわらず、充放電コネクタ１１における感電は良好に防止されることになる。

図７は図６に引き続く動作状態を示しており、コンタクタ２３がオフ状態に切り替えられている。これは、図４のタイミングｔ２に対応している。タイミングｔ１では放電用の開閉器２１がオン状態に切り替えられ、タイミングｔ２まではコンタクタ２３もオン状態にある。タイミングｔ１からタイミングｔ２までには所定時間Ｔ（４秒程度）のオーバーラップ時間が存在し、従来例ではそのオーバーラップが抵抗素子の必要な耐量を増大化させる原因となっていたが、本発明実施例ではそのオーバーラップにかかわらず、第２のリレー２０の事前オフにより、そのような不都合を回避することができる。

よって、実用上、充放電コネクタ１１における感電を確実に防止することができるのである。

本発明は、バッテリ充放電装置に関して、抵抗素子についての耐量の低減、体積の縮小、コストの低減を図る技術として有用である。

２２バッテリ
１１充放電コネクタ
１３ＤＣ／ＡＣインバータ
１４充放電用コンデンサ
１５給電ライン
１６地絡検出回路
１７第１のリレー
１８兼用抵抗素子
１９直列回路
２０第２のリレー
２１放電用の開閉器

Claims

外部のバッテリに対して接続可能な充放電コネクタと、
前記バッテリに対する充放電電力を蓄積可能な充放電用コンデンサと、
前記充放電コネクタと前記充放電用コンデンサとをつなぐ給電ラインに接続された地絡検出回路と、
前記地絡検出回路と前記充放電用コンデンサとの間で前記給電ラインに挿入された第１のリレーおよび抵抗素子の直列回路と、
前記直列回路に並列接続された第２のリレーと、
前記充放電用コンデンサの蓄積電荷を放電するために前記直列回路における前記第１のリレーと前記抵抗素子との接続点と接地部との間に接続された放電用の開閉器とを備え、
前記抵抗素子は、前記バッテリから前記充放電用コンデンサに流れる突入電流を防止する機能と、前記充放電用コンデンサから接地部に放電される放電電流を限流する機能を兼用するバッテリ充放電装置。
前記第１のリレーがオフ状態で前記第２のリレーがオン状態の定常状態から前記放電用の開閉器をオン状態に切り替えるときには、その切り替えに先だって前記第２のリレーをオフ状態に切り替え、その後に前記放電用の開閉器をオン状態に切り替えるように構成されている請求項１に記載のバッテリ充放電装置。