JP2022073490A - 車両用電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 車両に搭載され高圧電源から降圧手段を介して低電圧電源を得る車両用電源装置において、トランス等の絶縁手段を用いることなく人体の感電を防止する。【解決手段】 蓄電素子を直列に接続して形成した高圧電源から、所定の蓄電素子グループを選択的に低電圧電気負荷と接続することによって、高電圧から低電圧へと電力変換を行う構成において、該蓄電素子グループを低電圧電気負荷と接続していないデッドタイム期間中に高圧電源からの漏電電流を測定し、所定値以上の時に蓄電素子グループと低電圧電気負荷との接続を中断することで感電を防止する。【選択図】 図２

Description

本発明は、車両に搭載される電源装置であって、特に走行駆動等に用いる高圧蓄電手段と、走行駆動用以外の電気負荷へ供給する低電圧電源とを具備するとともに、該高圧蓄電手段から降圧手段を介して前記低電圧電源を得るがごとく構成したものである。
上記電源装置として、本出願人の提案に係る車両用電源装置が公知である（特許文献１）。これによると、蓄電素子を直列に接続して形成した高圧電源から、所定の蓄電素子グループを選択的に低電圧電気負荷と接続することで、高電圧から低電圧へと電力変換を行う構成において、該蓄電素子グループを高速で切り替えることによってスイッチング手段のスイッチング損失を略ゼロにしたものである。
特開２０１８－２６９７３号公報
車両の走行駆動用電力蓄電手段の電圧は４８Ｖ程度の低電圧から６００Ｖ程度の高電圧を用いたシステムまで様々な実施形態があり、一般的に６０Ｖを超える電圧範囲においては人体が車両の蓄電手段と接続された電気回路部分に触れた際の感電事故防止に配慮することが必要である。
その為、車両の一般的な高電圧システムにおいては図１に示すように高電圧部位と低電圧部位との間に絶縁トランスを備えたＤＣ－ＤＣコンバータを配置すると共に、高電圧回路は車体との直接接続を避けて負電位回路と正電位回路の双方をフローティングとすることで、人体が高電圧蓄電手段を含む回路部分のいずれの部位に触っても感電しない構成となっている。
ここで、特許文献１によると、低電圧回路である負荷手段５０の低電位側は一般的に１２V電源のボディーアースとして車体に接続されることになるから、スイッチ手段３０～３５の内、いずれか１つ以上が閉じている場合には高電圧側の直列に接続された蓄電手段２０ａ～２０Ｌの接続点のどこかが車体と直接接続されるので、人体が高電圧回路に触れると感電する。具体的には、蓄電手段２０ａ～２０Ｌの直列合計電圧が仮に４８０Ｖであるとして、スイッチ手段３５が閉じている瞬間に蓄電手段２０ａの正電位側と車体との間に触れると人体に４８０Ｖの高電圧が印加されて感電事故が発生する可能性が考えられる。
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、車両に搭載され高電圧電源から降圧手段を介して低電圧電源を得る車両用電源装置において、高電圧側の電圧が人体の感電限界である６０Ｖを超えるシステムとした場合においても、トランス等の絶縁手段を用いることなく感電事故を防止することができ、且つ低電圧側への電力変換機能において容易に略１００％の電力変換効率を得る車両用電源装置を提供するものである。
請求項１の発明による車両用電源装置は、所定低電圧で作動する電気負荷と、前記所定低電圧を供給する各ノード（グループノード）を構成する複数の蓄電素子を直列に接続して高電圧の直流電源を得る高電圧電源と、前記電気負荷に前記所定低電圧を供給する各ノードに対応して設けられた複数のスイッチ手段と、少なくとも１のノードからの電圧を供給する前記スイッチ手段をオンし、他のノードからの電圧を供給する前記スイッチ手段をオフにすることで電圧を供給するとともに、一旦全てのスイッチ手段をオフにするデッドタイム期間を設けた後、次に電圧を供給するノードの前記スイッチ手段をオンとし、他のノードからの電圧を供給するスイッチ手段をオフにする制御を順次繰り返すことで、全ての蓄電素子から電圧を供給させる制御手段と、高電圧電源と接地電位との間の漏電電流を検出して前記制御手段に信号を送出する漏電検出手段と、を備える。そして、前記制御手段が、前記複数のスイッチング手段が全てオフ状態である前記デッドタイム期間に前記漏電検出手段から送出される信号を判定し、漏電電流が所定の電流以上である場合には、前記スイッチング手段が全てオフである状態を所定期間保持することを特徴とする。
請求項２の発明による車両用電源装置では、前記高電圧電源は、ｎ個（ｎ：自然数）で前記所定低電圧となるノードを構成する複数の蓄電素子を直列に（ｎ×Ｎ（Ｎ：自然数））個接続して、前記所定低電圧のＮ倍の高電圧の直流電源を得る。
請求項３の発明による車両用電源装置では、前記制御手段は、前記選択する複数のノードを周期的に変更するように前記スイッチ手段を制御する。
請求項４の発明による車両用電源装置では、前記制御手段は、前記複数の蓄電素子の充放電状態が略均一となるように、前記選択するノードを決定する。
請求項５の発明による車両用電源装置では、前記制御手段は、前記複数の蓄電素子の充放電状態が略均一となるように、各ノードの選択保持時間を決定する。
請求項６の発明による車両用電源装置では、前記スイッチング手段によって前記各ノードのいずれかと前記電気負荷とを接続する時間を、前記高電圧電源から人体に流れる漏電電流の継続時間が、人体の感電事故が起きる時間未満となるように設定した。
請求項７の発明による車両用電源装置では、前記スイッチング手段が前記各ノードと前記電気負荷とを接続している時間を、前記高電圧電源の電圧値に反比例した継続時間、又は、前記漏電検出手段が検出する電流値に反比例した継続時間とする。
請求項８の発明による車両用電源装置では、前記制御手段は、前記漏電検出手段の漏電検出値が所定の電流値以上の時、前記スイッチング手段を全てオフの状態に固定する。
請求項９の発明による車両用電源装置では、前記制御手段は、前記漏電検出手段の漏電検出値が所定の電流値以上の時、前記スイッチング手段が全てオフである状態を所定の時間保持した後、再度、前記スイッチング手段が前記各ノードと前記電気負荷を選択的に接続する動作を繰り返す。
請求項１０の発明による車両用電源装置では、前記制御手段は、前記漏電検出手段の漏電検出値が所定の第一の閾値以上の時、前記スイッチング手段をオフとし、該漏電検出値が前記第一の閾値より小さい所定の第二の閾値以下となった場合に、再度、前記スイッチング手段をオンとする動作を繰り返す。
請求項１１の発明による車両用電源装置では、前記制御手段は、前記各ノードと前記電気負荷とを接続している期間と前記漏電検出手段の漏電検出値との積が０．００３アンペア×１秒以下となるように前記スイッチング手段を制御する。
請求項１２の発明による車両用電源装置では、前記制御手段は、蓄電素子の各ノードにおける充放電深度の大きさが所定値以下となるように、前記スイッチング手段が選択するノードを切り替える周期を所定値以下に設定する。
請求項１３の発明による車両用電源装置では、前記電気負荷と並列にコンデンサが接続される。
請求項１４の発明による車両用電源装置では、デッドタイム期間、又は、前記コンデンサの容量値は、該デッドタイム期間中に前記電気負荷に印加される電圧の低下幅が所定値以下となるように設定される。
請求項１５の発明による車両用電源装置では、蓄電素子の各ノードと並列にコンデンサが配設される。
請求項１６の発明による車両用電源装置では、前記複数の蓄電素子を直列に接続して高電圧の直流電源を得る高電圧電源の前記各ノードから、前記スイッチング手段によって前記電気負荷と接続する際の高電位側と低電位側との極性を所定期間ごとに交互に反転することによって、該電気負荷へ交流電力を供給する。
請求項１、請求項２の発明によれば、低電圧電源の電圧をＶＬとすると、蓄電素子を直列に接続した高電圧電源の電圧ＶＨはＶＬ×Ｎ（Ｎは自然数）であって、且つ該蓄電素子の個数はＮ×ｎ（ｎは自然数）であるので、例えばＶＬを１２Ｖとして、Ｎ＝４０とした場合、ＶＨは４８０Ｖとなるとともに、ｎ＝４とすると合計でＮ×ｎ＝１６０個の直列蓄電素子で高圧電源を構成することになると同時に、該蓄電素子１個当たりの電圧は３Ｖとなる。
そこで、１２Ｖの低電圧電源を得る為には４個の直列蓄電素子をクループ的に選択して電気負荷と接続すれば良い。
しかるに、４８０Ｖの高圧電源から１２Ｖの低電圧電源を得る為に、公知のスイッチング電源回路等によるＤＣ－ＤＣコンバータを用いる必要はなく、直列に接続された蓄電素子の各ノード（グループノード）から選択的に電気負荷と接続する単純なスイッチング手段によって降圧を実現可能である。
従って、スイッチング手段の構成が簡略化可能であるとともに、公知のスイッチング損失やインダクターから発生する損失を大幅に低減できるから、降圧のための電力損失を低減して放熱構造を簡略化し、その結果、かかる降圧のための装置を含む電源装置の重量とコストを低減できる。
ここで、高電圧電源の直列に接続された蓄電素子のノードの一部がスイッチング手段を介して低電圧回路、即ち車体の金属部位と接続されるから、高電圧電源回路部位に触れると人体に感電電流が流れる。
しかしながら制御手段は、全てのスイッチング手段がＯＦＦとなったデッドタイム期間中に高電圧電源から人体を介して流れる電流を漏電検出手段の測定電流値として検出し、その値が所定値以上である場合にはスイッチング手段のＯＦＦ状態を維持するので感電事故を防止することができる。
請求項２の発明によれば、高電圧電源は、ｎ個（ｎ：自然数）で所定低電圧となるノードを構成する複数の蓄電素子を直列に（ｎ×Ｎ（Ｎ：自然数））個接続して、所定低電圧のＮ倍の高電圧の直流電源を得る。このため、全ての蓄電素子を用いて効率的に高電圧と所定低電圧とを供給することができる。
請求項３の発明によれば、制御手段によって、スイッチング手段が複数の蓄電素子の中から選択するノードを周期的に変更させるようにしたから、直列に接続された蓄電素子の内、一部の蓄電素子だけが放電してその他の蓄電素子が過充電となるといった不具合を防止することができる。
請求項４の発明によれば、制御手段は、複数の蓄電素子の充放電状態が略均一となるように、選択するノードを決定するから、複数の蓄電素子を直列にして充放電する際に必要となる公知のセルバランス機能を兼ね備えることができる。
請求項５の発明によれば、制御手段は、複数の蓄電素子の充放電状態が略均一となるように、各ノードの選択保持時間を決定する。複数の蓄電素子の充放電状態が略均一となるように、充電量の大きい蓄電素子の中から選択するノードに対しては放電時間が長くなるように、逆に充電量の小さい蓄電素子の中から選択するノードに対しては放電時間が短くなるように、各ノードの選択保持時間を決定する。複数の蓄電素子を直列にして充放電する際に必要となる公知のセルバランス機能を兼ね備えることができる。
人体に高電圧を印加すると、５ｍＡ以下の電流値であれば人体への影響がないとされている。これよりも大きな電流域ではその継続時間によって人体反応が変化することが知られており、電流値が大きくなる程に短時間の感電で人体が障害を受ける。
従って、一般的な商用電源に用いられる漏電遮断器においては３０ｍＡ×０．１ｓｅｃの漏電検出感度が設定されている。
そこで、請求項６の発明によれば、制御手段は、スイッチング手段によって各ノードと低電圧の電気負荷とを接続する期間は、高電圧電源から人体に流れる漏電電流の継続時間が人体の感電事故が起きる時間未満としたから、人が高電圧電源の回路部位に触れた場合においても人体への障害を無くすことができる。
請求項７の発明によれば、制御手段は、スイッチング手段によって各ノードと電気負荷とを接続する期間を、高電圧電源の電圧値に反比例した継続時間か、又は、人体への漏電電流値に反比例した継続時間となるように設定される。高電圧電源の電圧値か、又は人体への漏電電流値が高く人体の感電電流が大きい場合には、人体への通電時間、すなわち感電時間を短くすることができるのでより安全性が向上する。
請求項８の発明によれば、制御手段は、漏電検出手段の漏電検出値が所定の電流値以上の時、スイッチング手段を全てＯＦＦの状態に固定する。高電圧電源からの漏電を検出した場合には、該高電圧電源が車体からフローティングとなった状態を継続するのでより安全性が向上する。
請求項９の発明によれば、制御手段は、漏電検出手段の漏電検出値が所定の電流値以上の時、スイッチング手段が全てＯＦＦである状態を０．５秒等の所定時間以上保持した後、再度スイッチング手段が各ノードと電気負荷を選択的に接続する動作を繰り返す。人体への感電電流に対して十分な休止時間を持たせて安全性を確保すると共に、車体の電源装置各部の故障によって一時的な漏電電流が発生したとしても高電圧電源から電気負荷への電力供給が再開するので、車両機能を維持することができる。
請求項１０の発明によれば、漏電検出手段の漏電検出値が、例えば０．００３アンペアとした第一の閾値以上の時スイッチング手段をオフとした後、漏電検出値が例えば０．００１アンペアとした第二の閾値以下となった場合には再度スイッチング手段をオンとする動作を繰り返す。漏電検出値が大きく人体への感電電流が大きい危険な領域においては高電圧電源の車体からフローティングとなった状態を継続し、漏電検出値が小さく感電電流が安全な値まで低下した場合には、再度接続するように構成したから、人体の安全性が確保されるとともに車体各部の故障によって一時的な漏電電流が発生したとしても高電圧電源から電気負荷への電力供給が再開するので、車両機能を維持することができる。
請求項１１の発明によれば、制御手段が、各ノードと電気負荷とを接続する期間と漏電検出手段の漏電検出値との積が０．００３アンペア×１秒以下となるようにスイッチング手段を制御する。一般的な商用電源で採用される漏電遮断器の規格０．０３アンペア×０．１秒以下と同程度の安全水準を確保することができる。
請求項１２の発明によれば、制御手段は、蓄電素子の各ノードにおける充放電深度の大きさが所定値以下となるように、前記スイッチング手段が選択するノードを切り替える周期を所定値以下に設定する。各蓄電素子の充放電深度が過大になることによる該蓄電素子の寿命低下を最小限に留めることができる。
請求項１３の発明によれば、制御手段がスイッチング手段に対して、全てのノードと電気負荷との間の接続を切り離す所謂デッドタイムの期間中に、コンデンサから電力を供給することで該電気負荷へ供給される電圧が低下するのを抑止することができる。該電気負荷へ供給する電圧を安定に保つことができる。
請求項１４の発明によれば、スイッチング手段が切り替わる前後の電気負荷に印加される電圧を保持できるから、該スイッチング手段がＯＮとなる直前の該スイッチング手段両端の電位差が無くなってスイッチング損失を排除できるという効果がある。
次に、スイッチング手段が任意のノードに対して接続の切り替えを行った直後において、蓄電素子の内部抵抗が大きい場合には、電気負荷と並列に接続したコンデンサを充電する為に多くの時間を要する。
その為、スイッチング手段が切り替わるタイミングにおける電気負荷へ供給される電圧の低下が避けられない。
そこで、請求項１５の発明によれば、蓄電素子の直列ノードと並列に内部インピーダンスの小さいコンデンサを配設したから、スイッチング手段が任意のノードに対して接続の切り替えを行った直後に、十分小さい電源インピーダンス、即ち大きな電流で該コンデンサを充電でき、電気負荷へ供給される電圧の低下を抑制することが可能である。
請求項１６の発明によれば、複数の蓄電素子を直列に接続して高電圧の直流電源を得る高電圧電源の各ノードから、スイッチング手段によって電気負荷と接続する際の高電位側と低電位側との極性を所定期間ごとに交互に反転することによって、該電気負荷へ交流電力を供給する。車両において商用電源を必要とする家庭用電気製品を使用するための交流電源を供給することができる。
一般的な車両用電源装置の基本的構成を表す図である 本発明の実施形態に係る車両用電源装置の基本的構成を表す図である 本発明の実施形態に係る車両用電源装置の基本的動作を表すタイミングチャートである 本発明の実施形態に係る車両用電源装置の漏電検出を説明する図である 本発明の実施形態に係る車両用電源装置の漏電検出を説明する図である 蓄電素子各ノードの電圧を測定する構成を表す図である 各ノードの選択保持時間を表した図である 本発明の実施形態に係る車両用電源装置の一実施態様を表す図である スイッチング素子の電力損失を説明した図である スイッチング素子の電力損失を説明した図である 蓄電素子の充放電深度を説明した図である 本発明の実施形態に係る車両用電源装置の他の実施態様を表す図である 電気負荷へ交流電力を供給する方法を説明した図である 本発明の実施形態に係る車両用電源装置の他の実施形態を表す図である
以下、各図を参照しながら本発明の車両用電源装置の実施態様について説明する。
図２は、本発明にかかる基本的な実施態様であり、車両用電源装置１は、車両に搭載してエンジンとモータによって走行を行う駆動機構と機械的に連結された図示しない発電手段によって充電される二次電池からなる蓄電素子１ａ～４０ｄと、スイッチング手段Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂ、制御手段２００、漏電検出手段１００、及び１２Ｖで作動するとともに負電位側の一端が車体と電気的に接続された電気負荷３００とから構成される。
尚、図２においては蓄電素子３ｂから３９ｄ、及びそれら蓄電素子と接続されるスイッチング手段Ｓ３ｂからＳ３９ａ、さらに該スイッチング手段と制御手段２００とが接続される部位の図は省略してある。
発電手段は、車両電装品に必要な電力を供給する為、図示しないエンジンによって駆動されるとともに、車両の減速時には駆動機構を介して減速時の運動エネルギーを回生して蓄電素子１ａ～４０ｄを充電するが如く作用する。
蓄電素子１ａ～４０ｄの各ノードは、例えば充電電圧３Ｖのリチウムイオン電池であり、該蓄電素子１ａから４０ｄの全ノードを直列に接続して、電気負荷３００の要求電圧１２Ｖに対する倍数Ｎを４０として、合計４８０Ｖの高圧電源が形成される。また、該高圧電源は図示しない車載されたモータ、インバータ等から成る電気駆動制御システムへ供給して、エンジンの駆動トルクをアシストするように作用する。これによって、車両の力行時には、減速時に回生したエネルギーを再利用して走行できるから車両の走行燃費向上を図ることが可能になる。
蓄電素子１ａ～４０ｄは、１ａから１ｄのノードを第１のグループノードとして、２ａから２ｄのノードを第２のグループノードとして、３ａから３ｄのノードを第３のグループノードとして、最終的に４０ａから４０ｄのノードを第４０のグループノードとして、それぞれ各グループノードの両端部へスイッチング手段Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂを接続してある。尚、蓄電素子１ａ～４０ｄのノード総個数は、倍数Ｎ＝４０に各グループノード内の個数ｎ＝４を掛け合わせて、合計はＮ×ｎ＝１６０個としてある。請求項中で、グループノードは単にノードとして参照される場合がある。
ここで、第１から第４０の各グループノードにおける直列蓄電素子の合計電圧は３Ｖ×４＝１２Ｖとなる。
図２において、２００は制御手段でありスイッチング手段Ｓ１ａからＳ４０ｂのＯＮ／ＯＦＦ状態を制御するように作用する。
制御手段２００は、図３に示す如くスイッチング手段Ｓ１ａとＳ２ａとをＯＮにして電気負荷３００と蓄電素子の第１グループノードをＴｏｎ時間の間接続する。この時、スイッチング手段Ｓ１ａとＳ２ａ以外のスイッチング手段はＯＦＦとなっている。スイッチング手段Ｓ２ａは第１グループノードの正極側とつながっており、スイッチング手段Ｓ１ａは第１グループノードの負極側とつながっているから、Ｔｏｎの間、電気負荷３００に１２Ｖの直流電圧が印加されることになる。
次に制御手段２００は、図３に示す期間Ｔｄの間、前述したすべてのスイッチング手段Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂをＯＦＦに維持する。該時間Ｔｄを設ける理由は、例えばスイッチング手段Ｓ１ａとスイッチング手段Ｓ１ｂとが同時にＯＮする期間があると、該スイッチング手段Ｓ１ａとスイッチング手段Ｓ１ｂと蓄電素子のノード１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄとで形成される閉回路に過大な電流が流れて、スイッチング手段の破損或いは、各蓄電素子の充電電力を無駄に消費するといった事態を招くからである。
スイッチング手段Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂとして、例えば公知のＭＯＳＦＥＴを採用した場合には、制御手段２００から各スイッチング手段のＯＮ／ＯＦＦを制御する信号を送出した際に、実際に該スイッチング手段Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂが応動するまでに時間遅れが発生することが知られている。従って、制御手段２００は所望のスイッチング手段をＯＦＦにしてから、他のスイッチング手段をＯＮするまでに十分な待ち時間Ｔｄを要する。このＴｄをデッドタイムと称し、一般的なＭＯＳＦＥＴの場合数十ｎｓｅｃから数ｕｓｅｃが必要である。
以上のようにして制御手段２００は、蓄電素子の第１グループノードにおいては、スイッチング手段Ｓ１ａ、Ｓ２ａをＴｏｎの間ＯＮにして、電気負荷３００と接続することによって該電気負荷３００へ要求電圧の１２Ｖを供給し、続いて第２グループノードにおいては、スイッチング手段Ｓ１ｂ、Ｓ３ａを介してＴｏｎの間、電気負荷３００と接続し、さらに第３グループノードにおいては、スイッチング手段Ｓ２ｂ、Ｓ４ａを介してＴｏｎの間、電気負荷３００と接続し、最終的に第４０グループノードにおいては、スイッチング手段Ｓ３９ｂ、Ｓ４０ｂを介してＴｏｎの間、電気負荷３００と接続するが如く、図３のＴを１周期として繰り返し、電気負荷３００へ１２Ｖの直流電力の供給を続けるように作用するものとしたから第１から第４０の各蓄電素子グループノードの充放電状態を略均一に保つことができる。
次に図２及び図４を参照して、漏電検出手段１００の作用を説明する。
漏電検出手段１００は端子Ｔ１０２と端子Ｔ１０１とを介して蓄電素子１ａ～４０ｄの両端と接続するとともに、端子Ｔ１０３を経由して車体へ接地してある。ここで、該漏電検出手段は端子Ｔ１０１と接地端子Ｔ１０３との間に流れる電流と、端子Ｔ１０２と接地端子Ｔ１０３との間に流れる電流のうち、大きい方の漏電検出値を端子Ｔ１００から制御手段２００へ出力するように構成してある。
スイッチング手段Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂの全てがＯＦＦである期間において、端子Ｔ１０１と端子Ｔ１０２とは車体に対してフローティングとなっているから上記漏電検出値は０Ａとなっている。ところが、蓄電素子４０ｄの正極側、即ちＴ１０１側に人体が触れると、該人体の抵抗値が５ＫΩ程度であることから端子Ｔ１０２と接地端子Ｔ１０３との間に漏電電流が検出される。
従って、図４に示す如くスイッチング手段Ｓ１ａとＳ２ａとがＯＦＦとなって、該スイッチング手段Ｓ１ａとＳ２ａとを含む全てのスイッチング手段がＯＦＦであるデットタイム期間Ｔｄ１における漏電検出手段１００の漏電検出値ＩＬｅａｋは０Ａである。しかし、スイッチング手段Ｓ１ｂとＳ３ａとがＯＮとなっている期間に人体が高電圧部位に触れると該スイッチング手段Ｓ１ｂとＳ３ａとを含む全てのスイッチング手段がＯＦＦとなるデットタイム期間Ｔｄ２における漏電検出手段１００の漏電検出値ＩＬｅａｋは０Ａより大きくなる。
制御手段２００は、上記漏電検出手段１００の端子Ｔ１００を介して制御手段２００の端子Ｔ２００へ漏電検出値ＩＬｅａｋを取り込んでおり、ＩＬｅａｋが所定の値ＩＬｔｈ以上であることを検出した場合、図４に示すようにそれ以降は全てのスイッチング手段をＯＦＦ状態にして停止する。
これによって、蓄電素子１ａ～４０ｄの全てが車体に対してフローティング状態となり、人体を経由して高電圧電流が流れる経路が遮断されるので感電を防止することができる。
次に、図示しない発電手段は、蓄電素子１ａから４０ｄのノード全体を直列にした電圧が所定の最大値になるように、該蓄電素子の充電電圧を制限している。
一方で、電気負荷３００の消費電流は一定ではなく、例えば電動パワーステアリングのように運転者の操作状態によって短時間で大きく変化する場合がある。この場合、制御手段２００によってスイッチング手段Ｓ１ａからＳ４０ｂの制御を行い、蓄電素子の第１グループノードから第４０グループノードを等間隔で切り替えると、各グループノードの充電状態に差異が発生することがある。
しかるに、制御手段２００は図６に示す端子Ｔ２０１、Ｔ２０２、Ｔ２０３～Ｔ２３９、Ｔ２４０を介して蓄電素子の各グループノードの電圧をモニターしながら、電圧の高いグループノードを優先的に電気負荷３００と接続し、電圧の低いグループノードは電気負荷３００と接続しないように、放電すべき蓄電素子グループ（グループノード）を選択的に切り替えることによって各蓄電素子グループ（グループノード）の充電状態を略均一に保つことができる。
別の実施態様として、図７に示すように制御手段２００は図６に示す端子Ｔ２０１、Ｔ２０２、Ｔ２０３～Ｔ２３９、Ｔ２４０を介して蓄電素子の各グループノードの電圧をモニターしながら、電圧の高いグループノードに対してはスイッチング手段をＯＮとしている期間を長く設定し、電圧の低いグループノードに対してはスイッチング手段をＯＮとしている期間を短く設定するように、該蓄電素子グループ（グループノード）の充電量と電気負荷３００へ流れる電流値とからＴｏｎ１～Ｔｏｎ４０を個別に算出して制御することもできる。これによって各蓄電素子グループ（グループノード）の充電状態を略均一に保つことができる。
漏電検出手段１００の作用は前述の如く、図４のスイッチング手段Ｓ１ａからＳ４０ｂのいずれか２つがＯＮとなっている期間Ｔｏｎの間に人体が高電圧部位に接触したことによる感電の有無を、該いずれか２つのＯＮとなっているスイッチング手段がＯＦＦになった瞬間のデッドタイム期間Ｔｄにおける漏電検出手段１００の漏電検出値がＩＬｔｈ以上であるか否かによって検出するものとしたから、実際に人体への感電電流が流れる時間は最大でＴｏｎとなる。
しかるに、Ｔｏｎの時間は蓄電素子１ａから４０ｄによる高電圧電源の電圧値と人体の抵抗値とから決まる感電電流とその継続時間から想定される人体反応が、人体に無害である範囲内である必要があって、一般的には電流値が３０ｍAの時に感電時間が０．１ｓｅｃ以下であれば致命的な人体反応は無いとされている。
即ち、安全な人体反応に抑制するには感電電流と感電時間との積の最大値が０．００３アンペア秒であるとされている。
その為、本実施態様においては高電圧電源の電圧値４８０Ｖと人体抵抗５ＫΩとから最大感電電流は１００ｍＡであると仮定し、人体に危害の無い感電時間は０．０３ｓｅｃ以下と計算されるから、スイッチング手段Ｓ１ａからＳ４０ｂのいずれか２つがＯＮとなっている期間Ｔｏｎの最大値は十分に余裕を持って小さな値である０．００１ｓｅｃと設定した。
車両の高電圧電源を備えたシステムは、人体が高電圧回路部位へ触れた場合のみならず、搭載される電子部品のリークや絶縁部分の機能不良、及び走行中の振動等によって一時的に漏電電流が流れる場合がある。そのような場合に、制御手段２００の作用によって高電圧電源から電気負荷３００への電力供給が完全に停止すると、車両が走行中に各部機能を喪失して危険な場合がある。
そこで別の実施態様によれば、制御手段２００は、漏電検出手段１００の漏電検出値ＩＬｅａｋが所定の電流値ＩＬｔｈ以上の時、スイッチング手段Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂが全てＯＦＦである状態を０．５秒以上保持した後、再度スイッチング手段が第１の蓄電素子グループ（グループノード）から第４０の蓄電素子グループ（グループノード）と電気負荷３００とを選択的に接続する動作を繰り返すが如く構成した。
これによって、車体の電源装置各部の故障等によって一時的な漏電電流が発生したとしても高電圧電源から電気負荷３００への電力供給が再開するので車両機能が回復して走行安全性を維持することができる。また、スイッチング手段Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂが全てＯＦＦである状態を０．５秒以上とすれば、漏電電流が車両の故障に伴うものでは無く、実際には人体の感電による場合であっても人体への致命的な影響を無くすことができる。
ここで、制御手段２００は、漏電検出手段１００の漏電検出値ＩＬｅａｋが所定の電流値ＩＬｔｈ以上の時、スイッチング手段Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂが全てＯＦＦである状態を０．５秒以上保持した後、再度スイッチング手段が第１の蓄電素子グループ（グループノード）から第４０の蓄電素子グループ（グループノード）と電気負荷３００とを選択的に接続する動作を繰り返す際に、再開した後の通電時間Ｔｏｎは、蓄電素子１ａから４０ｄによる高電圧電源の電圧値に反比例して短くするか、及び／又は漏電検出手段１００が検出した漏電電流値に反比例して短くすることが望ましい。これによって、漏電が車両起因ではなく人体の感電であった場合は、高電圧電源の電圧が高い程人体への通電時間が短くなり、及び／又は人体の感電電流が大きい程人体への通電時間が短くなるのでより安全性が向上する。
図５の実施態様によれば、制御手段２００は前述したように、漏電検出手段１００が検出した漏電抵抗値ＲＬｅａｋが所定の第１の閾値ＲＬｔｈ１以上の時、スイッチング手段Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂがオフである状態を０．５秒以上（Ｔｈｏｌｄ）保持した後、再度スイッチング手段Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂをオンとするか、又は漏電抵抗値ＲＬｅａｋが所定の第二の閾値ＲＬｔｈ２以下まで減少した場合に再度スイッチング手段Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂをオンにする動作を周期的に繰り返すが如く構成した。
次に、本発明の実施形態に係る車両用電源装置１において、制御手段２００がスイッチング手段Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂを切り替えて、蓄電素子１ａ～４０ｄの各グループノードを切り替える周期に関し、図１１に従って説明する。
尚、制御手段２００は各グループノードを周期Ｔで切り替えて電気負荷３００へ所定の低電圧電源を供給しているものとし、また図示しない発電手段は、直列蓄電素子１ａ～４０ｄの合計電圧が所定の値となるように常時充電しているものとする。
ここで、該制御手段２００によって選択された蓄電素子のグループノードは、例えば図１１の第１グループノードを例にすると、ＯＮ期間には電気負荷３００を流れる電流によって当該グループノードが放電状態となって充電電圧が降下していく。同時に、非選択グループノードにおいては、全蓄電素子１ａ～４０ｄの合計電圧が一定になるように、発電手段から充電電流が供給されているので、増加方向へ電圧が変化する。この時の、特定グループノードにおける最大電圧と最低電圧の差が所謂充放電深度であり、この幅が大きくなると蓄電素子の寿命が低下する。
しかるに、前述した人体感電時の人体反応を抑制する為に、Ｔｏｎを短くするのと同様に、蓄電素子寿命の観点からも制御手段２００によって蓄電素子グループ（グループノード）を選択的に電気負荷３００と接続している時間Ｔｏｎを短くするとともに全蓄電素子グループ（グループノード）の選択を一巡する制御周期Ｔを短くするべきであることが判る。
ところが、本実施態様においてはスイッチング手段Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂにおけるスイッチング損失は図９に示すように各スイッチング手段のＯＮ遷移過程において、該スイッチング手段が開放状態の時の両端電圧Ｖが、ＯＮ動作に伴って減少するのに連動して電流Ｉが増加する。この時の損失Ｉ×Ｖは、例えば蓄電素子の各グループノードの電圧を１２Ｖとし、電気負荷３００の電流を２００Ａとすると１２×１／２×２００×１／２＝６００Ｗのピーク損失が発生する。また、このスイッチング損失はスイッチング手段のＯＦＦ遷移過程においても同様に発生する。
加えて、かかるスイッチング損失はデッドタイムＴｄの間で発生することから、制御手段２００の制御周期Ｔに対するスイッチング損失の平均値はＴｄ／Ｔとなるので、前述のように制御周期Ｔを短くすることによって、該スイッチング損失が過大となるといった問題がある。
さらに、本実施態様によると図３で示したデッドタイムＴｄの期間の電気負荷３００への印加電圧ＶＬは、スイッチング手段Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂが全てＯＦＦである期間において０Ｖとなる。その為、電気負荷３００への供給電力が瞬断されるので、低電圧の車両電気負荷が瞬間的に停止するといった問題がある。
そこで、図８に示すように電気負荷３００と並列にコンデンサ４００を配設した。
これによって、コンデンサ４００に充電された電圧が電気負荷３００へ供給され続けることから、電圧ＶＬは０Ｖまで降下することなく、図３の破線ＶＬａで示す如く、ピーク電圧から僅かの電圧降下に留めることができる。この場合の電圧降下量は、電気負荷３００へ流れる電流と、コンデンサ４００の容量と、デッドタイムＴｄとによって決まり、該デッドタイムＴｄと電気負荷３００へ流れる電流を固定した場合には該コンデンサ４００の容量が大きい程、ＶＬａの降下量を小さくすることができる。
尚、コンデンサ４００の容量と、デッドタイムＴｄと電気負荷３００へ流れる電流値とによって、ＶＬａの降下量が決まるのであるから該コンデンサ４００の容量を規定するとデッドタイムＴｄの時間を短くすることによって該ＶＬａの降下量を減らすことができるのは言うまでもない。
従って、電気負荷３００へ供給される電圧の瞬断を防ぐことができる。さらに、スイッチング手段Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂのいずれかがＯＮ状態に遷移する過程では、いずれかのスイッチング手段がＯＮになって接続される蓄電素子のグループノードにおける直列蓄電素子の電圧合計が１２Ｖであって、且つ、コンデンサ４００の電圧が略１２Ｖであることから、該スイッチング手段が開放状態である時のスイッチング手段の両端電圧を略０Ｖとすることができるので、この場合のスイッチング損失は図１０に示すように、電圧Ｖが略０Ｖのまま電流Ｉが増加するので損失Ｉ×Ｖは極小となる。
言い換えると、蓄電素子の１つのグループノードの電圧を電気負荷３００へ供給する電圧として出力するのであり、該グループノードの電圧をコンデンサ４００が保持していることを利用することによって各グループノードの電圧が同じであれば、全てのグループノードを切り替える最の各グループノードの電圧と電気負荷３００（コンデンサ４００）の電圧が同じであるので、スイッチング手段の動作は所謂ＺＶＳ（公知のゼロボルトスイッチング）となって理論的にスイッチング損失を発生しないことになる。
本実施態様によれば、高圧電源から低圧電源へ降圧する最にスイッチング損失を発生しないので、降圧に用いるスイッチング素子の発生する熱損失が極端に少なくなり、発明者らの実験において出力２．５ＫＷの降圧装置を製作した際に電力変換効率は９９．５％となって、放熱板が不要になるといったシステムコストの大幅な低減を可能にした。
尚、前述の如く制御手段２００は車両起因による漏電電流検出によって電気負荷３００への電源供給が停止することなく、同時に人体への感電電流による危険を回避する為、漏電検出手段１００の漏電検出値ＩＬｅａｋが所定の電流値ＩＬｔｈ以上の時、スイッチング手段Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂが全てＯＦＦである状態を例えば０．５秒（所定時間）以上保持した後、再度スイッチング手段が第１の蓄電素子グループ（グループノード）から第４０の蓄電素子グループ（グループノード）と電気負荷３００とを選択的に接続する動作を繰り返す。
この場合に、蓄電素子グループ（グループノード）から電気負荷３００への電源供給は０．５秒間停止されるから、当該停止期間においても規定の電圧をコンデンサ４００から電気負荷３００へ供給できる程度に、コンデンサ４００は十分な静電容量を具備することが好ましい。
次に別の実施態様として、図１２に示すように、蓄電素子１ａから４０ｄの内、４個ずつのノードを直列にして形成される各蓄電素子グループ（グループノード）の両端にコンデンサ５０１、５０２～５４０を接続して構成した。
蓄電素子は、例えばリチウムイオン電池を採用した場合、図示しない内部抵抗として数十ｍΩの等価直列抵抗値を持っていることが公知である。その為、本実施態様における１つのグループノードにおける４個の直列蓄電素子の場合は蓄電素子の１グループノードあたり約１００ｍΩの内部抵抗を備えることになる。
図３のデッドタイムＴｄを終了して、いずれかのスイッチング手段がＯＮすることによって電気負荷３００の電圧ＶＬが上昇する際に、かかる上昇部分の電気的時定数は、コンデンサ４００の静電容量と、前述の内部抵抗との積で表される。
従って、蓄電素子の内部抵抗によってコンデンサ４００が充電される場合のＶＬの上昇波形はＶＬｂで示す如く、時定数が大きく、電圧の低い状態が長く継続することになる。さらに、これを周期Ｔで繰り返すことから、電気負荷３００へ供給される電圧の平均値が低下する要因となるので、かかる時定数はできるだけ小さいことが望ましい。
静電容量素子としてのコンデンサの等価直列抵抗は数ｍΩと小さいのが一般的である。そこで本実施態様の如く、蓄電素子の各グループノードと並列にコンデンサ５０１、５０２～５４０を接続すると、該蓄電素子の内部抵抗を見かけ上小さくすることになり、内部抵抗によってコンデンサ４００が充電される場合のＶＬの上昇波形は図３のＶＬｃで示す如く、時定数が小さく、電圧の低い状態が短くなる。これを周期Ｔで繰り返すことから、電気負荷３００へ供給される電圧の平均値の低下が少なく該電気負荷３００へ供給する電圧の精度が向上する。
以下、直列に接続して高電圧電源を形成した複数の蓄電素子から、商用電源で作動する機器に供給する為の交流電力を出力する方法に関し、図１３を用いて説明する。尚、基本的な構成は前述までの実施態様と類似するので、本実施態様における構成を示す図は省略する。
先ず、蓄電素子は３Ｖ単位のセル電圧を持つリチウムイオン電池を１８０個直列にし、全体電圧を５４０Ｖとしてある。次に、６０個の蓄電素子を１グループノードとして、全体をＧ１～Ｇ３の３グループノードに分割し、スイッチング手段によって各グループノードの電圧を１ｍｓ毎に切り替えて商用電源負荷に供給する。１０ｍｓが経過した時点で、選択されているグループノードはＧ１となっており、次にＧ２を選択して商用電源負荷へ供給する際に、該商用電源負荷と接続する際の蓄電素子グループ（グループノード）の極性が反転するように、スイッチング手段を操作する。続けて、同じ極性を維持したままＧ３，Ｇ１と切り替え、最終的にＧ２が選択された次のサイクルでＧ３を選択接続する際に、再度商用電源負荷と接続する際の蓄電素子グループ（グループノード）の極性を反転する。
以上の操作を繰り返して、商用電源負荷に対して５０Ｈｚ、±９０Ｖの矩形交流電圧を印加することができる。
以上の如く、本発明の実施形態に係る車両用電源装置は、蓄電素子を直列に接続して形成した高圧電源から、所定の蓄電素子グループ（グループノード）を選択的に低電圧電気負荷と接続することによって、高電圧から低電圧へと電力変換を行うことができ、その際、該蓄電素子グループ（グループノード）を高速で切り替えることによって該蓄電素子の充放電深度を小さくして寿命を改善するとともに、切り替えを行うスイッチング手段のスイッチング損失を略ゼロにすることができるので、該スイッチング素子の放熱にかかる部材の重量、コストを大幅に改善できるといった優れた特徴を有する。
加えて絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ等の手段を用いることなく、高圧電源回路部分に人体が触れた際においても危険な人体反応を抑制することができる。
尚、別の実施態様として図１４に示す如く、前述までの実施態様における蓄電素子と電気負荷を入れ替えることによって、該蓄電手段の電圧を昇圧して電気負荷に供給することが可能であることは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に想到し得る事項である。図１４に示す実施形態においては、コンデンサがノード、蓄電素子を構成する。
本発明の実施態様においては、実施例として限定的な構成と作用を示しているに過ぎず、直列蓄電素子の数、蓄電素子の種類、スイッチング手段の素子種類と構成、制御手段の動作タイミングは任意の形態をとることが可能であると同時に、漏電検出手段の構成として各種公知技術が存在すること、及び各種故障検出手段と故障時のフェールセーフ機能を追加しても良いことは容易に理解されるべきである。
１ａ～１ｄ 蓄電素子（ノード）
Ｓ１ａ～Ｓ４０ｂ スイッチング手段
１００ 漏電検出手段
２００ 制御手段
３００ 電気負荷
４００ コンデンサ

Claims (16)

  1. 所定低電圧で作動する電気負荷と、
    前記所定低電圧を供給する各ノードを構成する複数の蓄電素子を直列に接続して高電圧の直流電源を得る高電圧電源と、
    前記電気負荷に前記所定低電圧を供給する各ノードに対応して設けられた複数のスイッチ手段と、
    少なくとも１のノードからの電圧を供給する前記スイッチ手段をオンし、他のノードからの電圧を供給する前記スイッチ手段をオフにすることで電圧を供給するとともに、一旦全てのスイッチ手段をオフにするデッドタイム期間を設けた後、次に電圧を供給するノードの前記スイッチ手段をオンとし、他のノードからの電圧を供給するスイッチ手段をオフにする制御を順次繰り返すことで、全ての前記蓄電素子から電圧を供給させる制御手段と、
    高電圧電源と接地電位との間の漏電電流を検出して前記制御手段に信号を送出する漏電検出手段と、を備えた車両用電源装置であって、
    前記制御手段が、前記複数のスイッチング手段が全てオフ状態である前記デッドタイム期間に前記漏電検出手段から送出される信号を判定し、漏電電流が所定の電流以上である場合には、前記スイッチング手段が全てオフである状態を所定期間保持することを特徴とする車両用電源装置。
  2. 前記高電圧電源は、ｎ個（ｎ：自然数）で前記所定低電圧となるノードを構成する複数の蓄電素子を直列に（ｎ×Ｎ（Ｎ：自然数））個接続して、前記所定低電圧のＮ倍の高電圧の直流電源を得ることを特徴とする請求項１の車両用電源装置。
  3. 前記制御手段は、前記選択する複数のノードを周期的に変更するように前記スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項１の車両用電源装置。
  4. 前記制御手段は、前記複数の蓄電素子の充放電状態が略均一となるように、前記選択するノードを決定することを特徴とする請求項３に記載の車両用電源装置。
  5. 前記制御手段は、前記複数の蓄電素子の充放電状態が略均一となるように、各ノードの選択保持時間を決定することを特徴とする請求項３に記載の車両用電源装置。
  6. 前記スイッチング手段によって前記各ノードのいずれかと前記電気負荷とを接続する時間を、前記高電圧電源から人体に流れる漏電電流の継続時間が、人体の感電事故が起きる時間未満となるように設定したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１に記載の車両用電源装置。
  7. 前記スイッチング手段が前記各ノードと前記電気負荷とを接続している時間を、前記高電圧電源の電圧値に反比例した継続時間、又は、前記漏電検出手段が検出する電流値に反比例した継続時間とすることを特徴とする請求項６に記載の車両用電源装置。
  8. 前記制御手段は、前記漏電検出手段の漏電検出値が所定の電流値以上の時、前記スイッチング手段を全てオフの状態に固定することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１に記載の車両用電源装置。
  9. 前記制御手段は、前記漏電検出手段の漏電検出値が所定の電流値以上の時、前記スイッチング手段が全てオフである状態を所定の時間保持した後、再度、前記スイッチング手段が前記各ノードと前記電気負荷を選択的に接続する動作を繰り返すことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１に記載の車両用電源装置。
  10. 前記制御手段は、前記漏電検出手段の漏電検出値が所定の第一の閾値以上の時、前記スイッチング手段をオフとし、該漏電検出値が前記第一の閾値より小さい所定の第二の閾値以下となった場合に、再度、前記スイッチング手段をオンとする動作を繰り返すことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の車両用電源装置。
  11. 前記制御手段は、前記各ノードと前記電気負荷とを接続している期間と前記漏電検出手段の漏電検出値との積が０．００３アンペア×１秒以下となるように前記スイッチング手段を制御することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１に記載の車両用電源装置。
  12. 前記制御手段は、前記蓄電素子の各ノードにおける充放電深度の大きさが所定値以下となるように、前記スイッチング手段が選択するノードを切り替える周期を所定値以下に設定することを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１に記載の車両用電源装置。
  13. 前記電気負荷と並列にコンデンサが接続されることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１に記載の車両用電源装置。
  14. 前記デッドタイム期間、又は、前記コンデンサの容量値は、該デッドタイム期間中に前記電気負荷に印加される電圧の低下幅が所定値以下となるように設定されることを特徴とする請求項１３に記載の車両用電源装置。
  15. 前記蓄電素子の各ノードと並列にコンデンサが配設されることを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の車両用電源装置。
  16. 前記複数の蓄電素子を直列に接続して高電圧の直流電源を得る高電圧電源の前記各ノードから、前記スイッチング手段によって前記電気負荷と接続する際の高電位側と低電位側との極性を所定期間ごとに交互に反転することによって、該電気負荷へ交流電力を供給することを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１に記載の車両用電源装置。
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