JP2020043737A - 電力供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電装置と電気機器とを接続する際に簡易な構成を用いて突入電流を防止しながらプリチャージを行なう。【解決手段】電力供給装置は、蓄電装置と、蓄電装置の正極とＰＣＵ（電気機器の一例）とを接続する電力線に設けられる正極メインリレーと、蓄電装置の負極とＰＣＵとを接続する電力線に設けられる負極メインリレーと、ＥＣＵ（制御装置）とを備える。ＥＣＵは、蓄電装置とＰＣＵとを接続する場合、正極メインリレーおよび負極メインリレーの双方がオン状態になってからどちらか一方がオフ状態になるまでの双方オン時間が、正極メインリレーがオン状態である第１オン時間よりも短く、かつ負極メインリレーがオン状態である第２オン時間よりも短くなるように、双方のメインリレーのオンオフ位相をずらしながら双方のメインリレーをデューティ制御する位相制御を実行する。【選択図】図２

Description

本開示は、電気機器に供給するための電力を蓄える蓄電装置と、蓄電装置と電気機器とを接続する電力線に設けられる機械式のメインリレーとを備える電力供給装置に関する。

電動車両には、一般的に、モータを駆動するためのインバータ（電気機器の一例）と、インバータに供給するための電力を蓄える蓄電装置とが搭載される。インバータと蓄電装置との間には、インバータと蓄電装置との電気的な接続を断接するシステムメインリレー（以下「ＳＭＲ」（System Main Relay）ともいう）が設けられている。

従来、ＳＭＲには、蓄電装置の正極および負極のそれぞれに接続される機械式の正極メインリレーおよび負極メインリレーと、正極メインリレーおよび負極メインリレーのどちらか一方に並列接続されるプリチャージ回路とが設けられるものが一般的であった。プリチャージ回路には、プリチャージ抵抗と、プリチャージ抵抗に直列接続される機械式のプリチャージリレーとが含まれる。一般的に、インバータの入力側の端子間には、電圧の変動を平滑化するコンデンサが設けられる。電動車両を走行させる際にはインバータの入力側の端子間に設けられたコンデンサを事前に充電するプリチャージが行なわれるが、このコンデンサを蓄電装置で直接充電すると大電流（突入電流）が流れて各メインリレーの接点が損傷するなどの問題が生じ得る。そこで、従来のＳＭＲにおいては、先ずプリチャージリレーを閉じてプリチャージ抵抗で電流を制限しながら一定の時間が経過するまでコンデンサのプリチャージを行ない、プリチャージが終了した後に正極メインリレーおよび負極メインリレーを閉じるように構成される。これにより、起動時の突入電流が防止される。

特開２０００−２５３５７０号公報（特許文献１）には、上述した従来のプリチャージ抵抗およびプリチャージリレーに代えて、ＭＯＳ型ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）によるデバイスを１チップ化した半導体リレーをプリチャージ回路として採用する電力供給装置が開示されている。半導体リレーをプリチャージ回路として採用することで、起動時の突入電流を防止しつつプリチャージ抵抗および機械式のプリチャージリレーを廃止することができるため、従来よりも小型化が可能となる。

特開２０００−２５３５７０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電力供給装置においては、プリチャージ抵抗および機械式のプリチャージリレーを廃止することができるが、その代わりに高価なＭＯＳ型ＦＥＴによる半導体リレーが必要であり、コストの観点から改善の余地があった。

一方、プリチャージ抵抗およびプリチャージリレーを従来のＳＭＲから単純に廃止するだけでは、機械式のメインリレーのオンオフの応答スピードが遅いため、突入電流を防止しながらプリチャージを行なうことが困難である。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、蓄電装置と電気機器とを接続する際に、プリチャージ抵抗およびプリチャージリレーを用いることなく、簡易な構成を用いて突入電流を防止しながらプリチャージを行なうことである。

本開示による電力供給装置は、電気機器に供給するための電力を蓄える蓄電装置と、蓄電装置の正極と電気機器とを接続する電力線に設けられる機械式の正極メインリレーと、蓄電装置の負極と電気機器とを接続する電力線に設けられる機械式の負極メインリレーと、正極メインリレーおよび負極メインリレーを制御するように構成された制御装置とを備える。制御装置は、蓄電装置と電気機器とを接続する場合、正極メインリレーおよび負極メインリレーの双方がオン状態になってからどちらか一方がオフ状態になるまでの双方オン時間が、正極メインリレーがオン状態になってからオフ状態になるまでの第１オン時間よりも短く、かつ負極メインリレーがオン状態になってからオフ状態になるまでの第２オン時間よりも短くなるように、正極メインリレーおよび負極メインリレーのオンオフ位相をずらしながら正極メインリレーおよび負極メインリレーをデューティ制御する位相制御を実行し、位相制御の実行後に正極メインリレーおよび負極メインリレーの双方をオン状態に維持する。

上記の電力供給装置によれば、正極メインリレーおよび負極メインリレーは機械式でありオンオフの応答スピードが遅いため、各メインリレーの１回あたりのオン時間（第１オン時間および第２オン時間）を短くするのには限界がある。しかしながら、実際に各メインリレーに電流が流れる時間は、双方のメインリレーがオン状態となる双方オン時間に限られる。この点に鑑み、上記の制御装置は、位相制御によって正極メインリレーおよび負極メインリレーのオンオフ位相を互いにずらすことによって、１回あたりの双方オン時間を、１回あたりの第１オン時間および第２オン時間よりも短くする。これにより、プリチャージ抵抗およびプリチャージリレーを用いることなく、機械式の正極メインリレーおよび負極メインリレーを用いて、正極メインリレーおよび負極メインリレーに流れる１回あたりの電流を低く抑えることができる。その結果、簡易な構成を用いて突入電流を防止しながらプリチャージを行なうことができる。

本開示によれば、蓄電装置と電気機器とを接続する際に、プリチャージ抵抗およびプリチャージリレーを用いることなく、簡単な構成を用いて突入電流を防止しながらプリチャージを行なうことができる。

車両の全体構成の一例を示す図である。 位相制御によるプリチャージが行なわれる場合における、各メインリレーＲ１，Ｒ２の状態、プリチャージ電流、およびコンデンサ電圧の変化の一例を模式的に示す図である。 ＥＣＵが行なう処理の概要を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。また、以下では電子制御装置を「ＥＣＵ（Electronic Control Unit）」と記載する。

＜システム構成＞
図１は、本実施の形態による電力供給装置を備えた車両１００の全体構成の一例を示す図である。車両１００は、蓄電装置１１０に蓄えられた電力を用いて走行駆動力を生成するように構成された電気自動車である。なお、車両１００は、電力および燃料を用いて走行駆動力を生成するように構成されたハイブリッド自動車であってもよい。

車両１００は、蓄電装置１１０と、一対の電力線ＰＬ，ＮＬと、システムメインリレーＳＭＲと、ＰＣＵ（Power Control Unit）１２０と、モータジェネレータ１３０と、動力伝達ギア１３５と、駆動輪１４０と、ＥＣＵ１５０とを備える。

蓄電装置１１０は、充放電可能に構成される。蓄電装置１１０は、たとえば、リチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池などの二次電池を含んで構成される。蓄電装置１１０は、ＰＣＵ１２０（電気機器）に供給するための電力を蓄える。

一対の電力線ＰＬ，ＮＬは、蓄電装置１１０とＰＣＵ１２０とを電気的に接続する。より具体的には、電力線ＰＬは、蓄電装置１１０の正極とＰＣＵ１２０の正極側入力端子とを接続する。電力線ＮＬは、蓄電装置１１０の負極とＰＣＵ１２０の負極側入力端子とを接続する。

ＳＭＲ３０は、電力線ＰＬの導通（オン）および遮断（オフ）を切り替える機械式の正極メインリレーＲ１と、電力線ＮＬの導通（オン）および遮断（オフ）を切り替える機械式の負極メインリレーＲ２とを含む。正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２は、ＥＣＵ１５０からの制御信号に応じて、互いに独立して制御される。

正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２の少なくとも一方が遮断（オフ）状態である場合、蓄電装置１１０とＰＣＵ１２０とは電気的に遮断される。以下では、正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２の少なくとも一方がオフ状態に維持されることによって蓄電装置１１０とＰＣＵ１２０とが電気的に遮断されている状態を「ＳＭＲオフ状態」とも称する。

正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２の双方が導通（オン）状態である場合、蓄電装置１１０とＰＣＵ１２０とが電気的に接続される。以下では、正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２の双方がオン状態に維持されることによって蓄電装置１１０とＰＣＵ１２０とが電気的に接続されている状態を「ＳＭＲオン状態」とも称する。

ＰＣＵ１２０は、ＳＭＲオン状態において、ＥＣＵ１５０からの制御信号によって制御され、蓄電装置１１０からの直流電力をモータジェネレータ１３０を駆動するための交流電力に変換するインバータを含む。ＰＣＵ１２０の入力側（蓄電装置１１０側）には平滑コンデンサＣ１が設けられる。

モータジェネレータ１３０は交流回転電機であり、たとえば、永久磁石が埋設されたロータを備える永久磁石型同期電動機である。モータジェネレータ１３０の出力トルクは、動力伝達ギア１３５を介して駆動輪１４０に伝達される。モータジェネレータ１３０は、車両１００の回生制動動作時には、駆動輪１４０の回転力によって発電することができる。そして、その発電電力は、ＰＣＵ１２０によって蓄電装置１１０の充電電力に変換される。

本実施の形態による車両１００は、車外の給電設備２００から受電可能に構成されている。給電設備２００は、電力ケーブル２１０を介して車両１００に接続されている状態において、商用電力網からの電力を車両１００に供給することができるように構成される。

車両１００は、給電設備２００から供給される電力を用いて蓄電装置１１０を充電するための構成として、充電器１６０と、インレット１７０とを備える。インレット１７０は、電力ケーブル２１０の充電コネクタ２２０が接続可能に構成される。

充電器１６０は、一対の電力線ＰＬ，ＮＬにおけるシステムメインリレーＳＭＲとＰＣＵ１２０との間の部分と、インレット１７０との間に接続される。充電器１６０は、給電設備２００が車両１００に接続された状態で、かつＳＭＲオン状態において、ＥＣＵ１５０からの制御信号により制御され、給電設備２００から供給される電力を、蓄電装置１１０を充電可能な電力に変換する。充電器１６０の出力側（蓄電装置１１０側）には平滑コンデンサＣ２が設けられる。

ＥＣＵ１５０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリおよび入出力バッファを内蔵する。ＥＣＵ１５０は、メモリに記憶された情報および図示しない各センサからの情報に基づいて所定の演算処理を実行し、演算結果に基づいて車両１００の各機器を制御する。なお、これらの制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で構築して処理することも可能である。

＜位相制御によるプリチャージ＞
上述のように、ＰＣＵ１２０および充電器１６０には、それぞれ平滑コンデンサＣ１，Ｃ２が設けられる。ＳＭＲオフ状態からＳＭＲオン状態に切り替えて蓄電装置１１０をＰＣＵ１２０および充電器１６０に接続する際には、ＥＣＵ１５０は、まず、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２を事前に充電するプリチャージを行なう。

既に述べたように、従来のシステムメインリレーには、機械式の正極メインリレーおよび負極メインリレーの他に、プリチャージを行なうための専用のプリチャージ回路（代表的にはプリチャージ抵抗およびプリチャージリレー）が設けられるものが一般的であった。

しかしながら、本実施の形態によるＳＭＲ３０には、機械式の正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２のみが設けられ、プリチャージ回路は設けられていない。したがって、機械式の正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２を用いてプリチャージを行なうことが望まれる。

そこで、本実施の形態によるＥＣＵ１５０は、正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２のオンオフ位相をずらしながら正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２をデューティ制御する「位相制御」を実行することによって、プリチャージを行なう。

図２は、位相制御によるプリチャージが行なわれる場合における、各メインリレーＲ１，Ｒ２の状態、プリチャージ電流、およびコンデンサ電圧の変化の一例を模式的に示す図である。なお、プリチャージ電流とは、プリチャージを行なう際に各メインリレーＲ１，Ｒ２に流れる電流である。コンデンサ電圧とは、平滑コンデンサＣ１あるいは平滑コンデンサＣ２の電圧である。

正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２はどちらも機械式でありオンオフの応答スピードが遅いため、正極メインリレーＲ１の１回あたりのオン時間（正極メインリレーＲ１がオン状態になってから次にオフ状態になるまでの時間、以下「第１オン時間」ともいう）、および負極メインリレーＲ２の１回あたりのオン時間（負極メインリレーＲ２がオン状態になってから次にオフ状態になるまでの時間、以下「第２オン時間」ともいう）を短くするのには限界がある。しかしながら、実際に蓄電装置１１０と平滑コンデンサＣ１，Ｃ２とが接続されてプリチャージ電流が流れる時間は、正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２の双方がオン状態である時間、より詳しくは、正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２の双方がオン状態になってからどちらか一方がオフ状態になるまでの時間（以下「双方オン時間」ともいう）に限られる。

この点に鑑み、本実施の形態によるＥＣＵ１５０は、双方オン時間が第１オン時間よりも短くかつ第２オン時間よりも短くなるように、正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２のオンオフ位相をずらしながら正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２をデューティ制御する位相制御を実行することによって、プリチャージを行なう。

図２に示す例では、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの時間、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの時間、および時刻ｔ７から時刻ｔ８までの時間の各々が、双方オン時間である。図２に示すように、上述の位相制御によって正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２のオンオフ位相がずらされてることによって、双方オン時間の各々が、第１オン時間の各々よりも短く、かつ第２オン時間の各々よりも短くなっている。これにより、プリチャージ回路を用いることなく、機械式の正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２を用いて、１回あたりのプリチャージ電流を低く抑えることができる。その結果、簡易な構成を用いて突入電流を防止しながらプリチャージを行なうことができる。

時刻ｔ９にてコンデンサ電圧が所定値に達してプリチャージが完了すると、ＥＣＵ１５０は、位相制御を終了して、正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２の双方をオン状態に維持する。これにより、ＳＭＲオン状態となる。

図３は、ＥＣＵ１５０が行なう処理の概要を示すフローチャートである。このフローチャートは、ＳＭＲオフ状態からＳＭＲオン状態への切替要求があった場合（たとえばユーザが車両１００を始動させるスタート操作を行なった場合）に開始される。

ＥＣＵ１５０は、上述の位相制御によるプリチャージを行なう（ステップＳ１０）。すなわち、ＥＣＵ１５０は、双方オン時間が第１オン時間よりも短くかつ第２オン時間よりも短くなるように、正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２のオンオフ位相をずらしながら正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２をデューティ制御する（上述の図２参照）。

ＥＣＵ１５０は、位相制御によるプリチャージの実行後に、正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２の双方をオン状態に維持することによって、ＳＭＲオン状態にする（ステップＳ１２）。

以上のように、本実施の形態によるＥＣＵ１５０は、双方オン時間が第１オン時間よりも短くかつ第２オン時間よりも短くなるように、正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２のオンオフ位相をずらしながら正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２をデューティ制御する位相制御を実行することによって、プリチャージを行なう。これにより、プリチャージ回路（プリチャージ抵抗およびプリチャージリレーなど）を用いることなく、機械式の正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２を用いて、正極メインリレーＲ１および負極メインリレーＲ２に流れる１回あたりの電流を低く抑えることができる。その結果、簡易な構成を用いて突入電流を防止しながらプリチャージを行なうことができる。

＜変形例＞
上述の実施の形態においては、蓄電装置１１０が一対の電力線ＰＬ，ＮＬを介して接続される電気機器として、ＰＣＵ１２０および充電器１６０を備える例示した（図１参照）。

しかしながら、蓄電装置１１０が一対の電力線ＰＬ，ＮＬを介して接続される電気機器は、ＰＣＵ１２０および充電器１６０に限定されるものではない。たとえば、蓄電装置１１０が一対の電力線ＰＬ，ＮＬを介して接続される電気機器として、ＰＣＵ１２０および充電器１６０に加えて、他の電気機器（ソーラー充電器）を備えるようにしてもよい。また、蓄電装置１１０が一対の電力線ＰＬ，ＮＬを介して接続される電気機器として、充電器１６０を備えずに、ＰＣＵ１２０のみを備えるようにしてもよい。

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。本開示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。

１００ 車両、１１０ 蓄電装置、１３０ モータジェネレータ、１３５ 動力伝達ギア、１４０ 駆動輪、１６０ 充電器、１５０ ＥＣＵ、１７０ インレット、２００ 給電設備、２１０ 電力ケーブル、２２０ 充電コネクタ、Ｃ１，Ｃ２ 平滑コンデンサ、ＮＬ，ＰＬ 電力線、Ｒ１ 正極メインリレー、Ｒ２ 負極メインリレー、ＳＭＲ システムメインリレー。

Claims (1)

1. 電気機器に供給するための電力を蓄える蓄電装置と、
   前記蓄電装置の正極と前記電気機器とを接続する電力線に設けられる機械式の正極メインリレーと、
   前記蓄電装置の負極と前記電気機器とを接続する電力線に設けられる機械式の負極メインリレーと、
   前記正極メインリレーおよび前記負極メインリレーを制御するように構成された制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記蓄電装置と前記電気機器とを接続する場合、
   前記正極メインリレーおよび前記負極メインリレーの双方がオン状態になってからどちらか一方がオフ状態になるまでの双方オン時間が、前記正極メインリレーがオン状態になってからオフ状態になるまでの第１オン時間よりも短く、かつ前記負極メインリレーがオン状態になってからオフ状態になるまでの第２オン時間よりも短くなるように、前記正極メインリレーおよび前記負極メインリレーのオンオフ位相をずらしながら前記正極メインリレーおよび前記負極メインリレーをデューティ制御する位相制御を実行し、
   前記位相制御の実行後に前記正極メインリレーおよび前記負極メインリレーの双方をオン状態に維持する、電力供給装置。

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