JP2020199925A - 高電圧電源 - Google Patents

Abstract

【課題】安全且つ安価で汎用性の高い車載用高電圧電源を提供する。【解決手段】本発明の高電圧電源１は、複数のバッテリ１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８を直列に接続した車載用の高電圧電源であって、バッテリとバッテリの間に設けられた出力端子が、車体のグランド５に接続されている。本発明の高電圧電源１は、複数のバッテリの全てと直列接続された負荷３に対して電力を供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、車両等に搭載して高電圧で電力を供給する車載用高電圧電源に関する。

車載用の電源として、複数のバッテリを直列に接続した二次電池が広く用いられている。このような二次電池は、バッテリの数を増やすことで出力電圧を規定することができ、効率よく動力を供給することができる。たとえば、高電圧の電力を供給することで電流を下げて配線の損失を低減したり、モータの出力を容易に上げたりすることができる。

一方で、車載用電源の高電圧化は、感電防止措置が必要となる。特に、作動電圧が直流６０Ｖ以上となる動力系に対しては厳重な安全対策が求められる。具体的には、絶縁被覆や接地した各種カバーが必須となる。６０Ｖ以上の高容量の出力が可能な高電圧電源から、客室や荷室と接続している負荷に６０Ｖ未満の電力を供給する回路の従来例を、図7及び図８に示す。

図７は、車載用高電圧電源１００から、高電圧対応の負荷３と、グランド端子５で接地されている車両ボディ側の負荷４とに電力を供給する回路を示している。高電圧電源１００と負荷４との間には絶縁トランス１１１が配置されており、電磁誘導によって負荷４に電力を供給している。図８は、高電圧電源１０１から、負荷３と負荷４にそれぞれ電力を供給する回路を示している。高電圧電源１０１は、複数のセルを直列に接続した電圧６０Ｖ以下の二次電池を複数用いており、これらの二次電池を並列に並べた構成を有している。負荷３に供給される電流値は、これらの二次電池の電流値の総和になる。

図７に示した高電圧電源１００を用いた回路は、絶縁トランス１１１が必須であるため、装置全体が高価である。また、図８に示した高電圧電源１０１は、複数の二次電池を束ねて大電流を通電可能なハーネス１１２が必要であり、同様に装置全体が高価なものとなる。

特許文献１には、高電圧バッテリ及び低電圧バッテリの双方を搭載した高電圧使用の車両が開示されている。２個のバッテリの搭載は、様々な負荷の利用状況に柔軟に対応できるが、２つのバッテリを搭載してそれぞれに回路を形成することは装置の大型化と高コストを招く。

特開２００１−３５２６９０号公報

高電圧で電力を供給する高電圧電源を車両で用いる場合、使用者が触れる可能性のある車両ボディとの間を絶縁する必要があった。そのため従来は、高電圧電源に付随する装置が大型化し高額となるという問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、安全且つ安価で汎用性の高い車載用高電圧電源の提供を、解決すべき課題としてなされたものである。

本発明は、複数のバッテリを直列に接続した車載用の高電圧電源に関する。本発明の高電圧電源は、バッテリとバッテリの間に設けられた出力端子が、車体のグランドに接続されていることを特徴とする。

本発明の高電圧電源は、複数のバッテリの全てと直列接続された負荷に対して電力を供給することが好ましい。

本発明に係る高電圧電源は、直列に接続されたバッテリとバッテリの間の出力端子が、車体のグランドに接続されていることにより、バッテリとバッテリの間の中間電圧がグランドの電圧となる。高電圧電源の中間の電位がグランドの電位と等しくなることで、高電圧電源とグランドの電位との最大電位差を小さくして、より安全に高電圧電源を使用することができる。

本発明の高電圧電源は、グランド電位との間の最大電位差が小さくなるため、絶縁が不要となり、装置全体をより安価に形成することができる。

図１は、実施例１の高電圧電源と、複数の負荷との接続状態を模式的に示す図である。 図２は、実施例１の高電圧電源を模式的に示す図である。 図３は、実施例１の高電圧電源を模式的に示す図である。 図４は、実施例２の高電圧電源と、複数の負荷との接続状態を模式的に示す図である。 図５は、実施例３の高電圧電源と、複数の負荷との接続状態を模式的に示す図である。 図６は、実施例４の高電圧電源と、複数の負荷との接続状態を模式的に示す図である。 図７は、従来の高電圧電源と、複数の負荷との接続状態を模式的に示す図である。 図８は、従来の高電圧電源と、複数の負荷との接続状態を模式的に示す図である。

以下、本発明の高電圧電源の好適な実施形態を列記する。

本発明における高電圧電源の好適な実施形態は、複数のバッテリを直列に接続した二次電池と、二次電池に接続された発電機である。ここで用いられているバッテリは、二以上のセル（単電池）を直列に接続し、終端部分に正極端子と負極端子を配置したものである。外部負荷への電力の供給は、バッテリの端子から行うことができる。本発明の電源のセルには、リチウムイオンセル、ニッケル水素セル、ＥＬＤＣセルなどが適用可能であるが、特にリチウムイオンセルが好適に用いられる。

本発明において、グランドとは電位の基準点であり、本明細書中では接地とも言う。通常の車両では、車体とそこに電気的に接続されている導電性部分がグランドとなっている。以下の詳細な説明の中で、グランド端子で示している箇所の電位は全て共通化した基準電位となっている。全てのグランド端子は通常配線により接続されているが、図面中の配線が煩雑になるため、記載を省略している。

本発明が最も好適に適用できる高電圧電源は、出力電圧が６０Ｖ以上１２０Ｖ以下の電源である。

高電圧電源のバッテリとバッテリの間に設けられた出力端子が車体のグランドに接続されており、これによって、高電圧電源の中間電位が、グラントと同電位となっている。グランドと接続する出力端子の位置は、出力端子の上流側である高電位側のバッテリの数と、出力端子の下流側である低電位側のバッテリの数が同じとなる位置、すなわち高電圧電源内のバッテリの数を二等分する位置であることが好ましい。

本発明の高電圧電源は、異なる電圧で作動する複数の負荷に接続することができる。そのうち、少なくとも一つの負荷に対しては、高電圧電源が備えているバッテリの全てと直列接続して、電源が通常の作動時に発生させる最大電圧で電力を供給する。また、より低い電圧を要求する負荷に対しては、バッテリの一部から出力することで、必要な電圧の電力を供給する。

（実施例１）
以下、図面を参照しつつ、実施例１の高電圧電源１について説明する。図１は、発電機２を備えた高電圧電源１が、複数の負荷３，４に接続されている状態を模式的に示す回路図である。図１では、電圧１２Ｖで電力を供給できるバッテリ１１，１２，１３，１４、１５，１６，１７，１８が直列に接続されて、９６Ｖの出力が可能な高電圧電源１を構成している。

本実施例では、高電圧電源１のバッテリ１４とバッテリ１５の間の出力端子が車体のグランド５に接続されている。グランド５と接続する出力端子の位置は、高電圧電源１内のバッテリの数を二等分する位置であるので、高電圧電源１の中間電位が、グラント５と同電位となっている。この結果、高電圧電源１とグランド５の最大電位差は、プラス側で４８Ｖ、マイナス側で−４８Ｖとなる。電位差が小さくなったことで、車体のグランドからの絶縁が不要であり、より安全に高電圧電源を使用することができる。

高電圧電源１は、全てのバッテリ１１，１２，１３，１４、１５，１６，１７，１８と直列接続された負荷３に対して、通常作動時の最大電圧である９６Ｖの電力を供給することができる。

同時に、高電圧電源１は、車体側にある負荷がより低い電圧の電力を必要としている場合、特別な絶縁手段を設けることなく、電力を供給することができる。たとえば、負荷４が１２Ｖの電圧の電力を必要としている場合、バッテリ１４の正極端子と負極端子から電力を供給することができる。

車体のグランド５に接続する高電圧電源１の出力端子は、厳密に高電圧電源１の電位を二等分する位置にある必要はない。またバッテリ１１，１２，１３，１４とバッテリ１５，１６，１７，１８は同一のバッテリでなくてもよい。さらに、４８Ｖの電力を使用する場合、図２の高電圧電源２１に示すように、グランド５よりも上側のバッテリに接続する発電機２’を配置して、上側の電圧で使用してもよい。反対に、図３の高電圧電源２２に示すように、グランド５よりも下側のバッテリに接続する発電機２’を配置して、下側の電圧で使用しても良い。その他、これらを併用して電力を供給することもできる。

（実施例２）
図４は、発電機２を備えた高電圧電源２３が、複数の負荷３，４に接続されている状態を模式的に示す回路図である。実施例１と同一の構成を有する要素に関しては、同一符号を付して重複説明を割愛する。

本実施例では、高電圧電源２３とは別に、車体側の負荷４のために、電圧１２Ｖのバッテリ１９を配置している。バッテリとバッテリの間の出力端子がグランド６に接続していることによって、高電圧電源２３の中間電位が基準電位と同一になっている。本実施例も実施例１と同様に高電圧電源２３と車体側のグランドとの最大電位差が小さいので、車体に対する絶縁が不要である。

高電圧電源２３とバッテリ１９との間にはＤＣＤＣコンバータ３１が配置されており、高電圧電源２３からバッテリ９に給電できる。

（実施例３）
図５は、発電機２を備えた高電圧電源２４が、複数の負荷３，４に接続されている状態を模式的に示す回路図である。本実施例でもまた、高電圧電源２４のバッテリとバッテリの間の出力端子が車体のグランド５に接続されており、高電圧電源２４の中間電位が、グラント５と同電位となっている。本実施例においてもまた、高電圧電源２４とグランドとの最大電位差が小さくなっており、車体に対する絶縁が不要である。

本実施例では、全てのバッテリと並列に接続されてバイパス回路を形成するバランサー３２を備えている。本実施例ではバランサー３２に、アクティブバランサーが好適に用いられる。アクティブバランサーは、たとえば、充電状態の大きなバッテリの電力をキャパシタに一時蓄電し、充電状態の小さなバッテリに再配分するようにして、充放電状態のバランス制御を能動的に行う。

負荷４は、バランサー３２と高電圧電源２４に接続されており、高電圧電源２４から給電される。バランサー３２を介することによって、電源の信頼性を向上させることができるため、従来二次側電池で多用されてきた鉛蓄電池を不要になる。

（実施例４）
図６は、発電機２を備えた高電圧電源２５が、複数の負荷３，４に接続されている状態を模式的に示す回路図である。本実施例でもまた、高電圧電源２５のバッテリとバッテリの間の出力端子が車体のグランド５に接続されており、高電圧電源２５の中間電位が、グラント５と同電位となっている。高電圧電源２５からの電力供給時、車体に対する絶縁は不要である。

本実施例では、バッテリ１１，１２，１３，１４と、バッテリ１５，１６，１７，１８の電圧を均一にするバランサー３５と、バッテリ１１，１２とバッテリ１３，１４の電圧を均一にするバランサー３４と、バッテリ１３とバッテリ１４の電圧を均一にするバランサー３３を備えており、 各バッテリの充電状態を均一化する。バランサーを多段接続することで、より安価な装置構成によって安定した給電を行うことができる。

本実施例で説明した高電圧電源の構成は、適宜変更が可能である。例えば、電源内でグランド接続する出力端子の位置は、最大電位差の規定によって適宜変更することができる。また、電源に含まれるバッテリの数や個々の電圧、バッテリに接続するＤＣＤＣコンバータやアクティブバランサーの数とその階層構造は、適宜変更が可能である。

本発明に係る高電圧電源は、車両のほか、任意の産業用機器に好適に搭載される。

１，２１，２２，２３，２４，２５，１０１，１０２ 高電圧電源
２，２’ 発電機
３，４ 負荷
５，６ グランド
１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８ バッテリ
３１ ＤＣＤＣコンバータ
３２，３３，３４，３５ アクティブバランサー
１１１ 絶縁トランス
１１２ ハーネス

Claims (2)

1. 複数のバッテリを直列に接続した車載用の高電圧電源であって、
   バッテリとバッテリの間に設けられた出力端子が、車体のグランドに接続されていることを特徴とする高電圧電源。
2. 前記複数のバッテリの全てと直列接続された負荷に対して電力を供給することを特徴とする請求項１記載の高電圧電源。
   
   
   
   
   

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