JP2020136005A - 駆動回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】誘導性負荷を素早く停止させることができる駆動回路を提供すること。【解決手段】コイル41aを使用した正極側リレー41を駆動させる駆動回路101は、コイル41aの第1端と電源Vccとの間における通電状態を切り替える第1スイッチSW1と、コイル41aの第2端とグランド端子GNDとの間における通電状態を切り替える第2スイッチSW2と、を備える。また、駆動回路101は、コイル41aの第1端とグランド端子GNDとの間に第1回路110と、コイル41aの第2端と電源Vccとの間に第2回路120と、を備える。第1回路110は、駆動停止制御時に、コイル41aの電磁エネルギーを放出させる消弧回路である。第2回路120は、少なくとも駆動停止制御時にコイル41aの第2端と電源Vccとの間の通電を許可する回路である。【選択図】 図2
Description
本発明は、誘導性負荷の駆動回路に関するものである。
従来、例えば車両に搭載される車載電源システムとして、蓄電池(例えばリチウムイオン蓄電池)を用いて、車載の各種電気負荷に対して電力を供給する構成が知られている。この場合、電気負荷と蓄電池との間の電気経路にスイッチが設けられており、スイッチの開閉により蓄電池の放電が制御される。そして、このスイッチとして、リレースイッチ(SMR、システムメインリレー)が採用されている場合がある(例えば、特許文献1)。リレースイッチとは、例えば、電磁コイルの磁力とバネの弾性力により可動接点を動作させるメカニカルリレー(有接点リレー)のことである。
特許文献1では、リレースイッチの閉動作(通電遮断状態への移行)を素早く行うため、早切り回路が設けられている。この早切り回路は、リレースイッチをオフさせる際、電磁コイルの負荷配線に大きなクランプ電圧を設定し、電磁コイルの電磁エネルギーを素早く放出させるように構成されている。これにより、リレースイッチの通電遮断が遅れることによる、接点切れ不良を防止することができる。つまり、アーク溶着によるリレー接点固着を抑制することができる。
ところで、近年の車両においては電動化が進行することに伴い、蓄電池の大電力化が進行している。そして、出力電力を大きくする場合、耐電圧、許容電流の観点から、リレースイッチを大型化する必要があった。
しかしながら、リレースイッチを大型化する場合、従来の早切り回路だけでは、電磁コイルの電磁エネルギーを十分な早さで放出できない虞があった。つまり、大型化したリレースイッチに対して従来の早切り回路を採用する場合、リレースイッチの通電遮断が遅れ、接点切れ不良が生じる虞があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、誘導性負荷を素早く停止させることができる駆動回路を提供することにある。
上記課題を解決するための手段は、コイルを有する誘導性負荷を駆動させる駆動回路において、前記コイルが有する第1端及び第2端のうち第1端と電源との間における第1電気経路の通電状態及び通電遮断状態を切り替える第1スイッチと、前記コイルの前記第2端とグランド端子との間における第2電気経路の通電状態及び通電遮断状態を切り替える第2スイッチと、前記コイルの前記第1端と前記グランド端子との間における第3電気経路に設けられる第1回路と、前記コイルの前記第2端と前記電源との間における第4電気経路に設けられる第2回路と、を備え、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチは、前記誘導性負荷の駆動制御時に、通電状態に切り替えられる一方、前記誘導性負荷の駆動停止制御時に、通電遮断状態に切り替えられるように構成されており、前記第1回路は、前記誘導性負荷の駆動停止制御時に、前記コイルの電磁エネルギーを放出させる消弧回路であり、前記第2回路は、少なくとも前記誘導性負荷の駆動停止制御時に前記コイルの前記第2端と前記電源との間の通電を許可する回路である。
上記構成では、誘導性負荷の駆動停止制御時にコイルの第2端と電源との間の通電を許可する第2回路が設けられている。これにより、駆動停止制御時に、第1スイッチ及び第2スイッチが共に通電遮断状態に切り替えられると、電源は、第2回路、誘導性負荷、及び第1回路に対して直列に接続されることとなる。その結果、駆動停止制御時に、コイルに対して、電源電圧を逆方向から印加させることができる。
このため、駆動停止制御時に発生するコイルの逆起電圧が、第1回路により設定される電圧と、電源電圧と、第2回路により設定される電圧との合計と等しくなった場合に、電流を停止させることができる。つまり、より素早く電流を停止することが可能となる。
以下、本発明に係る駆動回路を具体化した実施形態について、図面を参照しつつ説明する。この実施形態における駆動回路は、蓄電池から供給される電力により電気負荷を駆動させる車載電源システムのリレー(リレースイッチ)を駆動させるための回路である。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付している。
図1に示すように、車載電源システム10は、電気負荷としてのモータ20と、充放電可能な蓄電池としてのバッテリ30と、バッテリ30とモータ20との間の高圧電気経路L10における通電状態及び通電遮断状態を切り替えるSMRアセンブリ40と、これらの制御する制御装置としてのECU50と、を備える。
モータ20は、電動機及び発電機として機能する回転電機であり、例えば、永久磁石を用いた同期式3相交流モータである。モータ20の回転軸は、車軸と機械的に連結されている。モータ20が電動機として機能する場合、モータトルクによって、回転軸及び当該回転軸に連結された車軸を回転させ、車軸に固定されている駆動輪を回転駆動させる。一方、車両の減速時に、モータ20が発電機として機能する場合、モータ20は、駆動輪の回転を抑制する回生ブレーキ(回生制動)を行う。そして、モータ20は、駆動輪の運動エネルギーを電力に変換してバッテリ30に回収(充電)する。つまり、モータ20は、減速時に回生発電を行う。
モータ20は、電力変換回路であるインバータ25及び電圧変換器としてのDC−DCコンバータ(以下、単にコンバータ26と示す)を介してバッテリ30に接続されている。モータ20が電動機として駆動する場合、ECU50の指令により、コンバータ26は、バッテリ30からの供給電力を、インバータ25に適した電圧に変換して、インバータ25に供給する。インバータ25は、コンバータ26から供給された電力(直流)を交流に変換して、モータ20に供給する。その結果、モータ20が駆動(力行駆動)する。一方、モータ20が発電機として機能する場合には、ECU50の指令により、インバータ25は、モータ20に回生発電させ、発電電力を直流電流に変換して、コンバータ26に供給する。コンバータ26は、インバータ25から供給された電力を、バッテリ30に適した電圧に変換して、バッテリ30に供給する。
バッテリ30は、充放電可能な蓄電池であり、例えば、リチウムイオン蓄電池やニッケル水素蓄電池である。
SMRアセンブリ40は、バッテリ30とモータ20との間における高圧電気経路L10の通電状態及び通電遮断状態を切り替えるものであり、バッテリ30とコンバータ26との間に設けられている。
SMRアセンブリ40は、複数のリレースイッチから構成されており、本実施形態では、バッテリ30の正極側に接続される正極側リレー41と、負極側に接続される負極側リレー42から構成されている。正極側リレー41及び負極側リレー42が共に通電状態(オン状態)となることにより、バッテリ30とモータ20との間における高圧電気経路L10が通電状態となる。
正極側リレー41及び負極側リレー42は、コイルの磁力とバネの弾性力により可動接点を動作させるメカニカルリレー(有接点リレー)である。したがって、正極側リレー41及び負極側リレー42は、通電により励磁されるコイル41a,42aと、コイル41a,42aの励磁に応じて移動する可動接点により開閉されるスイッチ部41b,42bと、をそれぞれ有する。そして、正極側リレー41及び負極側リレー42は、誘導性負荷に相当する。
正極側リレー41及び負極側リレー42のコイル41a,42aは、それぞれ駆動回路101,102に接続されている。駆動回路101,102は、ECU50に接続されており、ECU50からの指示に基づいて正極側リレー41及び負極側リレー42の通電状態(オン状態)及び通電遮断状態(オフ状態)を切り替えるように制御する。駆動回路101,102については後述する。
ECU50は、CPU、ROM、RAM、フラッシュメモリ等からなる周知のマイクロコンピュータを備えた電子制御装置である。このECU50は、各種情報を取得可能に構成されている。そして、ECU50は、取得した各種情報に基づき、各種制御を実行する。例えば、ECU50は、インバータ25やコンバータ26を介してモータ20の力行駆動及び回生発電を制御する。その際、ECU50は、バッテリ30とモータ20との間における高圧電気経路L10を通電状態とするため、駆動回路101,102を介して、正極側リレー41及び負極側リレー42の状態を切り替える。
次に、駆動回路101,102について説明する。なお、駆動回路102の構成は、駆動回路101と同じであるため、駆動回路101を中心に説明し、駆動回路102についての説明は省略する。
図2に示すように、駆動回路101は、コイル41aの第1端と電源Vccとの間における第1電気経路L1の通電状態及び通電遮断状態を切り替える第1スイッチSW1と、コイル41aの第2端とグランド端子GNDとの間における第2電気経路L2の通電状態及び通電遮断状態を切り替える第2スイッチSW2と、を備える。すなわち、電源Vcc、第1スイッチSW1、コイル41a及び第2スイッチSW2は、直列に接続されている。
第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2は、半導体スイッチング素子であり、例えば、MOSFETやIGBTである。グランド端子GNDは、車体などのグランドに接続されている。電源Vccは、例えば、バッテリ30などを利用してもよいし、専用の電源を用意してもよい。
第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2は、駆動制御時に、第1電気経路L1及び第2電気経路L2が通電状態となるように、ECU50の指示により通電状態(オン状態)に切り替えられる。駆動制御時とは、正極側リレー41をオン状態にして、高圧電気経路L10を通電状態にするため、ECU50が駆動回路101に対してコイル41aへの通電を指示している制御状態に相当する。
ECU50が駆動回路101に対してコイル41aへの通電を指示することにより、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2が共にオン状態となり、その後、電源Vccからコイル41aに電流が流れ、コイル41aが励磁する。これにより、正極側リレー41がオン状態となる。
一方、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2は、駆動停止制御時に、第1電気経路L1及び第2電気経路L2が通電遮断状態となるように、EUC50の指示により通電遮断状態(オフ状態)に切り替えられる。駆動停止制御時とは、正極側リレー41をオフ状態にして高圧電気経路L10を通電遮断状態にするため、ECU50が駆動回路101に対してコイル41aへの通電遮断を指示している制御状態に相当する。
ECU50が駆動回路101に対してコイル41aへの通電遮断を指示することにより、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2が共にオフ状態となり、その後、電源Vccからコイル41aへの電流が停止し、コイル41aが励磁しなくなる。これにより、正極側リレー41がオフ状態となる。
なお、駆動停止制御の開始時、つまり、第1スイッチSW1又は第2スイッチSW2がオフ状態となると、電源Vccからの電流が急に途切れる。その際、コイル41aにおいて逆起電圧(サージ)が発生する。このため、逆起電圧を速やかに低下させなければ、コイル41aに電流が流れ続け、正極側リレー41がオフ状態になることに遅れが生じることとなる。そこで、駆動回路101には、正極側リレー41を速やかにオフ状態にするため、以下に説明する構成を備えている。
図2に示すように、駆動回路101は、コイル41aの第1端とグランド端子GNDとの間における第3電気経路L3に設けられる第1回路110と、コイル41aの第2端と電源Vccとの間における第4電気経路L4に設けられる第2回路120と、を備える。第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2がオフ状態である場合、電源Vcc、第2回路120、コイル41a、及び第1回路110は、直列に接続されていることとなる。
第1回路110は、駆動停止制御時に、コイル41aの第1端における電圧が所定電圧となるようにクランプして、コイル41aの電磁エネルギーを放出させる消弧回路(エネルギー吸収回路)である。
具体的には、第1回路110は、少なくとも第1ダイオード111と、第1ダイオード111に対して直列に接続される第1ツェナーダイオード112とを有している。第1ダイオード111のカソード端子は、コイル41aの第1端に接続されている。第1ツェナーダイオード112のアノード端子は、第1ダイオード111のアノード端子と接続され、第1ツェナーダイオード112のカソード端子は、グランド端子GNDに接続されている。
これにより、グランド端子GNDの電位(基準となる電位)に対して−10〜−20Vといったクランプ電圧をコイル41aの第1端側の第3電気経路L3に設定することができる。第1ツェナーダイオード112は、クランプ電圧に対応した降伏電圧に対応したものが用いられる。
なお、本実施形態の第1回路110には、第1ツェナーダイオード112に直列に接続された電流制限用の抵抗負荷R1と、PNP型のスイッチング素子113が設けられている。PNP型のスイッチング素子113は、そのベースが抵抗負荷R1と第1ツェナーダイオード112との間の接続点に接続されており、そのエミッタがグランド端子GNDに接続されており、そのコレクタが第1ダイオード111と第1ツェナーダイオード112との間の接続点に接続されている。
正極側リレー41の駆動制御時(オン状態)では、スイッチング素子113は、オフ状態となっているが、第1スイッチSW1がオフ状態となると、グランド端子GNDとコイル41aの第1端との間で大きな電圧差が生じ、第1ツェナーダイオード112が降伏して電流が流れる。その際、スイッチング素子113がオンして大きな電流が流れ、コイル41aの電磁エネルギーの放出が早くなる。
第2回路120は、少なくとも駆動停止制御時にコイル41aの第2端と電源Vccとの間の通電を許可する回路である。本実施形態の第2回路120は、コイル41aの第2端から電源Vccへの電流の流れを許可する第2ダイオード121である。
図3に基づいて、上記のように駆動回路101を構成することによる作用について説明する。
第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2がオフ状態となると、コイル41aに逆起電圧VBが発生する。その際、電流は、コイル41a→第2回路120(第2ダイオード121)→電源Vcc→グランド端子GND→第1回路110(第1ツェナーダイオード112→第1ダイオード111)→コイル41aのように流れる。
この等価回路を図3に示す。図3に示すように、コイル41a、第2回路120、電源Vcc、及び第1回路110が直列に接続されたような回路となる。このため、コイル41aにおける電圧(逆起電圧VB)が、第1回路110による電圧V1(クランプ電圧)、電源Vccによる電源電圧V2、及び第2回路120による電圧V3(順方向電圧)の合計値に低下するまで電流が流れ続けることとなる。
すなわち、駆動停止制御時において、電源電圧V2を、コイル41aに対して逆方向(つまり、第2端側)から印加するようになっている。このため、電源電圧V2が逆方向から印加されない場合、例えば、グランド端子GNDに接続されている場合に比較して、コイル41aの第2端側の電圧が高くなる。したがって、電源電圧V2が逆方向から印加される場合、電源電圧V2が逆方向から印加されない場合に比較して、コイル41aに流れる電流を素早く停止させることができる。
さらに、第2回路120による電圧V3もコイル41aの第2端側の電圧に影響を与えるため、電流をより素早く停止することが可能となっている。第2回路120における電圧V3は、第2ダイオード121による順方向電圧に相当し、コイル41aの第2端における電圧は、電源電圧V2よりも電圧V3だけ高くなる。
以下に、本実施形態における効果について説明する。
上記構成では、駆動停止制御時にコイル41aの第2端と電源Vccとの間の通電を許可する第2回路120を設けている。これにより、駆動停止制御時に、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2が共に通電遮断状態に切り替えられると、電源Vccは、第2回路120、コイル41a、及び第1回路110に対して直列に接続されることとなる。すなわち、電源電圧V2が、コイル41aの第2端側から、つまり、逆方向から印加されることとなる。
このため、コイル41aの逆起電圧VBが、第1回路110により設定される電圧V1(クランプ電圧)と、電源電圧V2と、第2回路120により設定される電圧V3(順方向電圧)との合計値と等しくなった場合、電流を停止させることができる。したがって、電源電圧V2を逆方向から印加しない場合に比較して、より素早く電流を停止することが可能となる。
第1回路110は、第1ダイオード111及び第1ツェナーダイオード112の直列接続体により構成されている。このため、第1回路110は、駆動停止時においてコイル41aの第1端における電圧を所定電圧にクランプすることができる。したがって、電磁エネルギーの放出量が多くすることができる。また、第1ダイオード111と第1ツェナーダイオード112とから構成される第1回路110は、抵抗負荷に比較して、低電流時において、電磁エネルギーの放出量が多くすることができる。すなわち、安定して、より素早く電磁エネルギーを放出することが可能となる。
第2回路120は、コイル41aの第2端から電源Vccへの通電を許可する第2ダイオード121である。これにより、簡易な構成で第2回路120を実現することができる。
(他の実施形態)
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。なお、以下では、各実施形態で互いに同一又は均等である部分には同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。なお、以下では、各実施形態で互いに同一又は均等である部分には同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。
・上記実施形態の第2回路120は、駆動停止制御時にコイル41aの第2端と電源Vccとの間の通電を許可する回路であれば、任意にその構成を変更してもよい。例えば、図4に示すように、駆動制御時に、通電遮断状態に切り替えられる一方、駆動停止制御時に通電状態に切り替えられるスイッチング素子SW3を、第2回路120としてもよい。
また、例えば、第2回路120を、駆動停止制御時に、コイル41aの第2端における電圧が所定電圧となるようにクランプして、コイル41aの電磁エネルギーを放出させる消弧回路(エネルギー吸収回路)にしてもよい。
具体的には、図5(a)に示すように、第2ダイオード121と、第2ダイオード121に対して直列に接続される第2ツェナーダイオード122とを有する回路構成にしてもよい。第2ダイオード121のカソード端子は、電源Vccに接続されている。第2ツェナーダイオード122のアノード端子は、第2ダイオード121のアノード端子と接続され、第2ツェナーダイオード122のカソード端子は、コイル41aの第2端に接続されている。これにより、コイル41aの第2端における電圧が、電源電圧V2に対して10〜20V(第2回路120による電圧V3)程度高くなるように、コイル41aの第2端側の電圧を設定することができる。
これにより、コイル41aの第2端を、スイッチング素子やダイオードによって電源Vccに対して通電させる場合に比較して、第2回路120によるクランプ電圧により、高電圧にすることが可能となる。このため、電流をより素早く停止することが可能となる。
また、第2ダイオード121と第2ツェナーダイオード122の直列接続体から構成される第2回路120は、抵抗負荷に比較して、低電流時において、電磁エネルギーの放出量が多くすることができるという利点もある。
なお、図5(b)に示すように、第2回路120の構成を、第1回路110と同様の構成にしてもよい。すなわち、第1回路110の抵抗負荷R1に相当する抵抗負荷R2と、スイッチング素子113に相当するスイッチング素子123を備えてもよい。
・上記実施形態において、電源Vccの構成を変更してもよい。例えば、図6に示すように、第1電源V11と、第2電源V12とを備えてもよい。そして、コイル41aの第1端は、第1スイッチSW1を介して、第1電源V11に接続されており、コイル41aの第2端は、第2回路120を介して、第2電源V12に接続されていてもよい。この別例では、第1電源V11が、駆動制御時に、コイル41aに対して順方向に電圧を印加させる電源となる。そして、第2電源V12が、駆動制御時に、コイル41aに対して逆方向に電圧を印加させる電源となる。この別例において、第2電源V12の電源電圧を、第1電源V11の電源電圧よりも高くしてもよい。これにより、駆動停止制御時に、コイル41aの電流をより素早く停止させることができる。
・上記実施形態において、駆動停止制御時に、コイル41aの電磁エネルギーを放出させることができる回路であるならば、第1回路110の回路構成を任意に変更してもよい。例えば、還流ダイオードに変更してもよい。また、抵抗負荷R1及びスイッチング素子113を省略してもよい。
41…正極側リレー、41a…コイル、101…駆動回路、110…第1回路、120…第2回路、GND…グランド端子、L1…第1電気経路、L2…第2電気経路、L3…第3電気経路、L4…第4電気経路、SW1…第1スイッチ、SW2…第2スイッチ、Vcc…電源。
Claims (8)
- コイル(41a)を有する誘導性負荷(41)を駆動させる駆動回路(101)において、
前記コイルが有する第1端及び第2端のうち第1端と電源(Vcc)との間における第1電気経路(L1)の通電状態及び通電遮断状態を切り替える第1スイッチ(SW1)と、
前記コイルの前記第2端とグランド端子(GND)との間における第2電気経路(L2)の通電状態及び通電遮断状態を切り替える第2スイッチ(SW2)と、
前記コイルの前記第1端と前記グランド端子との間における第3電気経路(L3)に設けられる第1回路(110)と、
前記コイルの前記第2端と前記電源との間における第4電気経路(L4)に設けられる第2回路(120)と、を備え、
前記第1スイッチ及び前記第2スイッチは、前記誘導性負荷の駆動制御時に、通電状態に切り替えられる一方、前記誘導性負荷の駆動停止制御時に、通電遮断状態に切り替えられるように構成されており、
前記第1回路は、前記誘導性負荷の駆動停止制御時に、前記コイルの電磁エネルギーを放出させる消弧回路であり、
前記第2回路は、少なくとも前記誘導性負荷の駆動停止制御時に前記コイルの前記第2端と前記電源との間の通電を許可する回路である駆動回路。 - 前記第1回路は、第1ダイオード(111)と、前記第1ダイオードに対して直列に接続される第1ツェナーダイオード(112)と、を有しており、
前記第1ダイオードのカソード端子は、前記コイルの前記第1端に接続されており、
前記第1ツェナーダイオードのアノード端子は、前記第1ダイオードのアノード端子と接続され、前記第1ツェナーダイオードのカソード端子は、グランド端子に接続されている請求項1に記載の駆動回路。 - 前記第2回路は、前記コイルの前記第2端から前記電源への通電を許可するダイオード(121)である請求項1又は2に記載の駆動回路。
- 前記第2回路は、前記誘導性負荷の駆動制御時に、通電遮断状態に切り替えられる一方、前記誘導性負荷の駆動停止制御時に通電状態に切り替えられるスイッチング素子(SW3)である請求項1又は2に記載の駆動回路。
- 前記第2回路は、前記コイルの前記第2端における電圧を所定電圧にクランプして、前記誘導性負荷の駆動停止制御時に前記コイルの電磁エネルギーを放出させる消弧回路である請求項1又は2に記載の駆動回路。
- 前記第2回路は、第2ダイオード(121)と、前記第2ダイオードに対して直列に接続される第2ツェナーダイオード(122)と、を有しており、
前記第2ダイオードのカソード端子は、前記電源に接続されており、
前記第2ツェナーダイオードのアノード端子は、前記第2ダイオードのアノード端子と接続され、前記第2ツェナーダイオードのカソード端子は、前記コイルの前記第2端に接続されている請求項5に記載の駆動回路。 - 前記電源は、第1電源(V11)と、第2電源(V12)とを有し、
前記第1電源は、前記コイルの前記第1端側に接続されており、前記第2電源は、前記コイルの前記第2端側に接続されている請求項1〜6のうちいずれか1項に記載の駆動回路。 - 前記誘導性負荷は、車両用の蓄電池(30)と、車載の電気負荷(20)との間における電気経路(L10)の通電及び通電遮断を切り替えるリレースイッチである請求項1〜7のうちいずれか1項に記載の駆動回路。
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Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5389969A (en) * | 1977-01-20 | 1978-08-08 | Pioneer Electronic Corp | Driving circuit |
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JP2004134510A (ja) * | 2002-10-09 | 2004-04-30 | Keihin Corp | 励磁制御回路 |
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