JP2020031516A - 放電システム - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサの残留電荷を適切に放電する。【解決手段】放電システム１０は、第１バッテリ２０と、第１バッテリの直流電力を交流電力に変換し、駆動モータに出力するインバータ２２と、第１バッテリとインバータとの間に並列接続されたコンデンサ２６と、第１バッテリとインバータとの接続状態を閉状態または開状態に切り換えるリレー２８と、放電用抵抗とスイッチング素子との直列回路が、コンデンサに並列接続された放電回路３６と、リレーがＯＮされていれば、スイッチング素子をＯＦＦし、リレーがＯＦＦされると、スイッチング素子をＯＮする放電制御部５２と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、車両内のコンデンサを放電する放電システムに関する。

電気自動車などの電気で動作する車両では、バッテリ（高電圧バッテリ）の直流電力をインバータにより交流電力に変換し、その交流電力でモータを駆動して推進力を得ている。バッテリとインバータの間には、電流の過度な変動を抑制する高電圧対応のコンデンサが設けられている。

このような高電圧対応のコンデンサは蓄積される電荷が大きいので、車両の衝突時には、高電圧部品による感電を防止するため残留電荷を放電しなければならない。例えば、車両の衝突時には、バッテリとコンデンサを遮断した上で、コンデンサの残留電荷を、駆動モータで消費したり、他のバッテリ（低電圧バッテリ）に蓄電することで放電していた。また、ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して、コンデンサに蓄積された残留電荷を所定の装置に供給することで放電する技術も開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１２−０６５５０３号公報

車両の衝突時に、コンデンサの残留電荷を、インバータを通じて駆動モータで消費したり、ＤＣ／ＤＣコンバータを通じて他のバッテリに蓄電することで放電できる。しかし、インバータやＤＣ／ＤＣコンバータが他のバッテリを制御電源として用いている場合、衝突によって他のバッテリが破損すると、インバータおよびＤＣ／ＤＣコンバータが機能しなくなるおそれがある。そうすると、上記のように、コンデンサの残留電荷を、インバータを通じて駆動モータで消費したり、ＤＣ／ＤＣコンバータを通じて他のバッテリに蓄電することが不可能となり、ひいては、コンデンサの残留電荷を放電できなくなる。

本発明は、このような課題に鑑み、コンデンサの残留電荷を適切に放電することが可能な放電システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の放電システムは、第１バッテリと、第１バッテリの直流電力を交流電力に変換し、駆動モータに出力するインバータと、第１バッテリとインバータとの間に並列接続されたコンデンサと、第１バッテリとインバータとの接続状態を閉状態または開状態に切り換えるリレーと、放電用抵抗とスイッチング素子との直列回路が、コンデンサに並列接続された放電回路と、リレーが少なくともＯＮされている間は、スイッチング素子をＯＦＦし、リレーがＯＦＦされると、スイッチング素子をＯＮする放電制御部と、を備える。

第１バッテリと異なる第２バッテリと、第１バッテリの電力を第２バッテリの電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、を備え、放電回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータに内蔵されるとしてもよい。

リレーがＯＦＦされたとき、コンデンサの残留電荷による電圧が抵抗分割された電圧によりスイッチング素子がＯＮするとしてもよい。

本発明によれば、コンデンサの残留電荷を適切に放電することが可能となる。

放電システムが適用される車両の構成を示すブロック図である。 放電システムの電気的な構成を示す概略図である。 放電回路の電気的な構成を示す概略図である。 放電システムでの具体的な信号の状態を示したタイミングチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

<放電システム１０>
図１は、放電システム１０が適用される車両１の構成を示すブロック図であり、図２は、放電システム１０の電気的な構成を示す概略図である。図１および図２では、電気の流れを実線で、制御信号の流れを破線で示している。なお、ここでは、主として本実施形態に関連する構成および処理を説明し、関連性が低い構成の説明は省略する。

放電システム１０は、第１バッテリ２０と、インバータ２２と、駆動モータ２４と、コンデンサ２６と、リレー２８と、第２バッテリ３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２と、中央制御部３４と、放電回路３６とを含んで構成される。本実施形態における車両１は、駆動モータ２４を駆動源とした電気自動車として説明するが、駆動源として駆動モータ２４と並行してエンジンが設けられたハイブリッド電気自動車にも適用できる。

第１バッテリ２０は、リチウムイオンバッテリ等の電圧が比較的高い（例えば、１００Ｖ）二次電池で構成され、外部から供給された電力を充電（蓄電）する。

インバータ２２は、第１バッテリ２０の直流電力を交流電力に変換し駆動モータ２４に出力する。駆動モータ２４は、インバータ２２を通じて第１バッテリ２０から電力の供給を受け、供給された電力に応じたトルクで車両１を駆動する。

コンデンサ（キャパシタ）２６は、例えば、３００μＦの静電容量を有し、第１バッテリ２０とインバータ２２との間に並列接続され、車両１の起動時に第１バッテリ２０からインバータ２２への突入電流および過度な電流変化を抑制する。なお、説明の便宜上、本実施形態では、１のコンデンサ２６を挙げて説明しているが、第１バッテリ２０に並列接続される、例えば、平滑用の複数のコンデンサも適用されるのは言うまでもない。

リレー２８は、第１バッテリ２０とインバータ２２との接続状態を閉状態または開状態に切り換える。ここでは、ＩＧ−ＯＮ（ＲＥＡＤＹ−ＯＮ）やＩＧ−ＯＦＦ（ＲＥＡＤＹ−ＯＦＦ）に応じてリレー２８の開閉状態が制御される。また、車両１の衝突時には、リレー２８が閉状態から開状態に変化する。

第２バッテリ３０は、鉛蓄電池等の電圧が比較的低い（例えば、１２Ｖ）二次電池で構成され、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２を通じて第１バッテリ２０から供給された電力を充電（蓄電）する。第２バッテリ３０は、例えば、エアコンディショナ、カーナビゲーション、ヘッドライト、ブレーキランプ、冷却ファン、ウォーターポンプ、ラジエータ等の車載設備に電力を供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、第１バッテリ２０の電力を第２バッテリ３０の電力に変換する場合に、一方の電力の出力態様を他方の電力の入力態様に変換する。

中央制御部（ＥＣＵ）３４は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路から構成され、車両１全体を統括制御する。また、本実施形態において、中央制御部３４は、リレー制御部５０、放電制御部５２としても機能する。

なお、本実施形態では各機能部を中央制御部３４に配置する例を挙げて説明するが、これに限られるものではない。具体的には、中央制御部３４が有する各機能部は複数の制御装置に分割配置されてもよい。この場合、当該複数の制御装置は、ＣＡＮ等の通信バスを介して、互いに接続されてもよい。

リレー制御部５０は、リレー制御信号を通じ、ＩＧ−ＯＮ（ＲＥＡＤＹ−ＯＮ）に応じてリレー２８を開状態から閉状態に切り換え、ＩＧ−ＯＦＦ（ＲＥＡＤＹ−ＯＦＦ）に応じてリレー２８を閉状態から開状態に切り換える。なお、ＩＧ−ＯＮ（ＲＥＡＤＹ−ＯＮ）時には、リレー制御信号に先立って、プリチャージ信号を通じてプリチャージが行われるとしてもよい。また、車両１の衝突時等、所定の契機を中央制御部３４が感知すると、リレー２８を閉状態から開状態に切り換える。このようにリレー２８を開状態にすることで、第１バッテリ２０を他の回路から切り離すことができる。

また、第１バッテリ２０に接続されるコンデンサ２６は電荷が大きいので、車両１の衝突時には、高電圧部品による感電を防止するため、その残留電荷を放電する。例えば、車両１が衝突すると、リレー制御部５０が第１バッテリ２０とコンデンサ２６を遮断した上で、コンデンサ２６の残留電荷を、インバータ２２を通じて駆動モータ２４で消費したり、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２を通じて第２バッテリ３０に蓄電することで放電することができる。

しかし、インバータ２２やＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、第２バッテリ３０を制御電源として用いているので、衝突によって第２バッテリ３０が破損すると、インバータ２２およびＤＣ／ＤＣコンバータ３２が機能しなくなるおそれがある。そうすると、コンデンサ２６の残留電荷を、インバータ２２を通じて駆動モータ２４で消費したり、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２を通じて第２バッテリ３０に蓄電することが不可能となり、ひいては、コンデンサ２６の残留電荷を効率よく放電することができなくなる。そこで、本実施形態では、放電回路３６を設けてコンデンサ２６の残留電荷を適切に放電する。

図３は、放電回路３６の電気的な構成を示す概略図である。本実施形態において、放電回路３６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２内に設けられ、コンデンサ２６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２においてコンデンサ２６側の電圧を第２バッテリ３０側の電圧に減じる降圧部３２ａとの間に並列接続される。このように放電回路３６をＤＣ／ＤＣコンバータ３２に内蔵することで、放電回路３６の追加によっても、実質的に占有体積が増加しないので、事後的な仕様変更にも対応できる。

放電制御部５２は、リレー制御部５０が出力するリレー制御信号の変化に応じて、放電回路３６に放電禁止信号を送信する。放電禁止信号は、リレー制御信号と同期した信号であり、リレー制御信号がＯＮ（リレー２８が閉）のときにＯＮし、リレー制御信号がＯＦＦ（リレー２８が開）のときにＯＦＦする。

放電回路３６には、例えば１０ｋΩの放電用抵抗Ｒ１とスイッチング素子Ｔ１との直列回路が、コンデンサ２６に並列接続されている。通常時、放電制御部５２が放電禁止信号をＯＮすることで、スイッチング素子Ｔ２がＯＮとなる。これに伴い、地点Ｐの電圧が０Ｖとなり、スイッチング素子Ｔ１がＯＦＦする。したがって、放電用抵抗Ｒ１は、放電システム１０に何ら影響を及ぼさない。したがって、通常時は、放電用抵抗Ｒ１による無駄な消費電力が生じることはない。

ここで、車両１が衝突すると、放電制御部５２が放電禁止信号をＯＦＦすることで、スイッチング素子Ｔ２がＯＦＦとなる。したがって、地点Ｐの電圧は、コンデンサ２６の残留電荷による電圧が抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３とにより抵抗分割された電圧となり、スイッチング素子Ｔ１はＯＮとなる。そうすると、放電用抵抗Ｒ１がコンデンサ２６に並列接続され、放電用抵抗Ｒ１に電流を流すことで、コンデンサ２６の残留電荷を適切に放電することが可能となる。

なお、放電回路３６は、制御電源を要さない。すなわち、第２バッテリ３０が破損し、スイッチング素子Ｔ２への制御電源がなくなったとしても、放電対象であるコンデンサ２６に残留電荷が残っていれば、コンデンサ２６自体の残留電荷による電圧の抵抗分割に基づいてスイッチング素子Ｔ１はＯＮするので、降圧部３２ａの上流（コンデンサ２６側）で放電用抵抗Ｒ１に電流を流すことができる。したがって、第２バッテリ３０に依存することなく、コンデンサ２６の残留電荷を適切に放電することができる。なお、放電が進むにつれてコンデンサ２６の残留電荷が少なくなるとスイッチング素子Ｔ１がＯＮを維持できなくなるが、そのときには目的である放電も果たしているので問題は生じない。

ここでは、要するに、リレー２８がＯＮしている間は、放電用抵抗Ｒ１を回路から切り離し、不要な電力消費を防止しつつ、リレー２８がＯＦＦすると、放電用抵抗Ｒ１をコンデンサ２６に接続し、制御電源に頼ることなく放電を実施している。

図４は、放電システム１０での具体的な信号の状態を示したタイミングチャートである。ドライバがＩＧ−ＯＮ（ＲＥＡＤＹ−ＯＮ）の操作を行うと（起動すると）、まず、リレー制御部５０は、プリチャージ信号をＯＮしてプリチャージを行う。こうして、コンデンサ２６の電圧が増加し始める。

コンデンサ２６のプリチャージが完了すると、リレー制御部５０は、プリチャージ信号をＯＦＦするとともに、リレー制御信号をＯＮして、第１バッテリ２０と、インバータ２２およびＤＣ／ＤＣコンバータ３２とを接続する。このとき放電禁止信号もＯＮとなり、放電用抵抗Ｒ１による放電が禁止される。また、リレー制御信号がＯＮすると、その後の任意のタイミングで、インバータ２２およびＤＣ／ＤＣコンバータ３２もＯＮされ、動作可能となる。

ここで、仮に、車両１が衝突したとする。リレー制御部５０は、リレー制御信号をＯＦＦすることで、第１バッテリ２０を他の回路から切り離す。このとき、インバータ２２はＯＮしたままなので、インバータ２２（駆動モータ２４）で電流を消費（放電）することができる。また、同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２もＯＮしたままなので、第２バッテリ３０に蓄電する分だけ、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２で電流を消費することができる。

さらに、本実施形態では、放電回路３６が設けられている。したがって、車両１が衝突すると、放電制御部５２は、放電禁止信号をＯＦＦし、放電回路３６で電流を消費することができる。そうすると、コンデンサ２６の残留電荷を適切に放電することが可能となる。

なお、仮に、車両１の衝突により第２バッテリ３０が破損すると、インバータ２２やＤＣ／ＤＣコンバータ３２が機能しなくなり、インバータ２２を通じた駆動モータ２４での電流消費や、第２バッテリ３０に蓄電するためのＤＣ／ＤＣコンバータ３２の電流消費ができなくなる。しかし、図３で説明したように、放電回路３６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２内でも上流（コンデンサ２６）側に設けられ、かつ、第２バッテリ３０に依存しないので、確実に放電用抵抗Ｒ１に電流を流すことができる。したがって、図４に示した場合より、コンデンサ２６の電圧降下に時間を要することとなるが、コンデンサ２６の残留電荷を適切かつ確実に放電することができる。

また、第２バッテリ３０が破損しなかったとしても、車両１の衝突後の高電圧安全保護のため、衝突によってリレー制御信号のＯＦＦに同期してインバータ２２およびＤＣ／ＤＣコンバータ３２をＯＦＦする構成を採用している場合、やはり、インバータ２２を通じた駆動モータ２４での電流消費や、第２バッテリ３０に蓄電するためのＤＣ／ＤＣコンバータ３２の電流消費ができなくなる。しかし、ここでは、インバータ２２やＤＣ／ＤＣコンバータ３２のＯＦＦの影響を受けることなく、インバータ２２や降圧部３２ａと独立した放電回路３６により、コンデンサ２６の残留電荷を適切かつ確実に放電することが可能となる。

また、コンピュータを、放電システム１０のリレー制御部５０や放電制御部５２として機能させるプログラムや、当該プログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能なフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤ等の記憶媒体も提供される。ここで、プログラムは、任意の言語や記述方法にて記述されたデータ処理手段をいう。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２内に放電回路３６を設ける例を挙げて説明したが、放電回路３６はＤＣ／ＤＣコンバータ３２外に別途設けるとしてもよい。

また、上述した実施形態においては、リレー制御信号と放電禁止信号とのＯＮ／ＯＦＦを同期させる例を挙げて説明したが、リレー制御信号が少なくともＯＮされている間、放電禁止信号をＯＮし、リレー制御信号がＯＦＦされると（ＯＮからＯＦＦに変化すると）、放電禁止信号をＯＦＦすれば足りる。例えば、図４に一点鎖線で示したように、プリチャージ信号がＯＮしたタイミングで放電禁止信号をＯＮし、リレー制御信号がＯＦＦしたタイミングで放電禁止信号をＯＦＦするとしてもよい。かかる構成によりプリチャージ中の不要な電力消費も防止できる。

また、上述した実施形態においては、コンデンサ２６の残留電荷による電圧を抵抗分割することで、スイッチング素子Ｔ１をＯＮして放電用抵抗Ｒ１に電流を流す例を挙げて説明したが、リレー制御信号が少なくともＯＮされている間、放電用抵抗Ｒ１に電流を流さず、リレー制御信号がＯＦＦされると、放電用抵抗Ｒ１に電流を流せば足りる。例えば、スイッチング素子Ｔ１の代わりにノーマリークローズ（ＮＣ）のリレーを採用し、リレー制御信号が少なくともＯＮされている間、そのリレーを開状態に維持する回路構成でも本実施形態を実現することができる。

本発明は、車両内のコンデンサを放電する放電システムに利用することができる。

１ 車両
１０ 放電システム
２０ 第１バッテリ
２２ インバータ
２４ 駆動モータ
２６ コンデンサ
２８ リレー
３０ 第２バッテリ
３２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３６ 放電回路
５２ 放電制御部

Claims (3)

1. 第１バッテリと、
   前記第１バッテリの直流電力を交流電力に変換し、駆動モータに出力するインバータと、
   前記第１バッテリと前記インバータとの間に並列接続されたコンデンサと、
   前記第１バッテリと前記インバータとの接続状態を閉状態または開状態に切り換えるリレーと、
   放電用抵抗とスイッチング素子との直列回路が、前記コンデンサに並列接続された放電回路と、
   前記リレーが少なくともＯＮされている間は、前記スイッチング素子をＯＦＦし、前記リレーがＯＦＦされると、前記スイッチング素子をＯＮする放電制御部と、
   を備える放電システム。
2. 前記第１バッテリと異なる第２バッテリと、
   前記第１バッテリの電力を前記第２バッテリの電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   を備え、
   前記放電回路は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに内蔵される請求項１に記載の放電システム。
3. 前記リレーがＯＦＦされたとき、前記コンデンサの残留電荷による電圧が抵抗分割された電圧により前記スイッチング素子がＯＮする請求項１または２に記載の放電システム。

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