JP5252993B2 - 車両用の電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両を走行させるモーターに電力を供給する高電圧バッテリの出力側にコンタクタを接続している車両用の電源装置に関する。

車両用の電源装置は、出力電圧の高い高電圧バッテリを備えている。この電源装置は、高電圧バッテリの出力側にコンタクタを接続している。コンタクタは、イグニッションスイッチをオンにして車両を走行させるときにオンに切り換えられる。コンタクタをオンに切り換えている電源装置は、高電圧バッテリから車両の走行用モーターに電力を供給できる状態となる。イグニッションスイッチをオフにして車両を停止させるときに、あるいは異常時に、コンタクタはオフに切り換えられて電流を遮断する。車両がクラッシュしたときやメンテナンスをするときに安全性を確保するためである。以上のことを実現するために、高電圧バッテリの出力側にコンタクタを接続する電源装置は開発されている（特許文献１参照）。
特開２００７−２５８１０９号公報

この公報にも記載されるように、出力側にコンタクタを接続している車両用の電源装置は、コンタクタの励磁コイルに電装用バッテリから通電してオンオフに切り換える。車両に搭載している電装用バッテリは、定格電圧を１２Ｖとする鉛バッテリである。この電装用バッテリの電圧は、種々の要因で、たとえば８〜１６Ｖと大幅に変動する。大電流で放電されて、充電電流よりも放電電流が大きくなると電装用バッテリの電圧は低下する。たとえば、車両をほとんど停止する状態で電動のパワーステアリングが操作されるとき、エンジンの回転数が低くてオルタネータの出力を大きくできず、パワーステアリングのモーターが大電流を消費して電装用バッテリの電圧が低下する。とくに、この状態で消費電力の大きい前照灯を点灯し、あるいはエアコンのファンを強く回転し、さらにまた、ワイパーを駆動する等の動作が一緒になると、電装用バッテリの放電電流が極めて大きくなって電圧が低下する。また、電装用バッテリが劣化して内部抵抗が大きくなって、容量が小さくなっていると電圧の低下はさらに大きくなる。また、外気の温度が異常に低くなって電装用バッテリの能力が低下するときにも電圧の低下は大きくなる。

ところで、コンタクタの接点をオンに切り換える励磁コイルの動作電圧範囲は、定格電圧の±３０％程度に設定される。したがって、定格電圧を１２Ｖとする電装用バッテリで動作するコンタクタは、励磁コイルの最低の動作電圧範囲が、約８．４Ｖとなる。このコンタクタは、接点をオンに切り換えた状態で、励磁コイルの電圧が最低の動作電圧範囲よりも低くなっても、すなわち電装用バッテリの電圧が８．４Ｖ以下に低下しても、接点はオン状態に保持される。ただ、励磁コイルの供給電圧が低下すると、接点の圧力が低下することから、振動などで一時的にオフに切り換えられることがある。この状態になると、オンに切り換えているコンタクタの接点が瞬断されてチャタリングを起こす状態となる。コンタクタのチャタリングは、大電流を瞬間的に遮断した後、大電流を通電する状態になるので、接点を溶着させる原因となる。コンタクタの接点が溶着されると、オフに切り換えできなくなって安全性を確保できなくなる。

コンタクタの溶着を防止するために、従来の車両用の電源装置は、電装用バッテリの電圧が励磁コイルの動作電圧範囲よりも低い電圧である設定電圧よりも低くなると、コンタクタを強制的にオフに切り換えている。ただ、コンタクタがオフに切り換えられると、高電圧バッテリからモーターに電力を供給できなくなる。したがって、ハイブリッドカーのように走行用バッテリで車両を走行させる電動車両にあっては、走行用バッテリで走行できなくなる。車両の走行できない状態は、できるかぎり少なくすることが大切である。電装用バッテリが設定電圧以下に低下するとコンタクタをオフに切り換える制御は、設定電圧を低くして、車両を走行できない状態を少なくできる。ただ、設定電圧を低くすると、接点圧も低下し、コンタクタの瞬断が発生しやすく、チャタリングによる接点の溶着が発生して、安全性を確保するのが難しくなる。すなわち、電装用バッテリの電圧が低下してコンタクタをオフに切り換える設定電圧は、低くすると接点の溶着が起こりやすく、反対に高くするとコンタクタがオフに切り換えられやすくなって車両を走行できなくなる確率が高くなり、両方の特性を満足できない。

本発明は、従来の電源装置が有するこの欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、走行用バッテリによる車両の走行停止を少なくしながら、コンタクタの瞬断を防止して、接点の溶着を有効に防止できる車両用の電源装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の車両用の電源装置は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
車両用の電源装置は、車両を走行させるモーター２２に電力を供給する高電圧バッテリ１と、この高電圧バッテリ１の出力側に接点２ａを接続しているコンタクタ２と、このコ
ンタクタ２の励磁コイル３に切り換え電力を供給する電装用バッテリ１１と、この電装用バッテリ１１の電圧を検出して電装用バッテリ１１の電圧が設定電圧よりも低くなるとコンタクタ２をオフに切り換える制御回路４とを備える。さらに、車両用の電源装置は、制御回路４に、車両の加速度を検出する加速度センサ５を接続している。制御回路４は、加速度センサ５で検出される車両の加速度でコンタクタ２をオフに切り換える設定電圧をコントロールしており、車両の加速度が大きい状態の設定電圧を、加速度が小さい状態よりも高くするように変更している。

以上の電源装置は、高電圧バッテリによる車両の走行停止を少なくしながら、コンタクタの瞬断を防止して、接点の溶着を有効に防止できる特徴がある。それは、本発明の電源装置が、車両の加速度を検出して、オン状態のコンタクタをオフに切り換える設定電圧を変更するからである。とくに、車両の振動が激しくなってオン状態のコンタクタがオフに切り換えられやすくなる状態においては、設定電圧を高くしてコンタクタの瞬断を防止し、反対に加速度が小さくて振動が少なく、コンタクタがオフになり難い状態にあっては、設定電圧を低くして高電圧バッテリによる走行停止を少なくするからである。

本発明の車両用の電源装置は、高電圧バッテリ１の正負の出力側にコンタクタ２を接続することができる。
この電源装置は、正負の出力側に接続している一対のコンタクタをオフに切り換えて、より安全性を向上できる。

本発明の車両用の電源装置は、加速度センサ５が、コンタクタ２の可動接点２ａの往復運動方向の加速度を検出することができる。
この電源装置は、コンタクタの可動接点がオンからオフに切り換えられやすい振動方向の加速度を加速度センサで検出して、コンタクタをオフに切り換える設定電圧を変更するので、検出する加速度でもって、コンタクタが振動で切り換えられる確率を正確に検出して、設定電圧を最適電圧に変更できる。

さらに、本発明の車両用の電源装置は、加速度センサ５を、車両の三次元の加速度を検出する三次元加速度センサとすることができる。
この電源装置も、車両の振動を三次元に検出して、コンタクタの可動接点をオンからオフに切り換える設定電圧を変更するので、検出する加速度でもってコンタクタが振動で切り換えられる確率を正確に検出して設定電圧を最適電圧に変更できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための車両用の電源装置を例示するものであって、本発明は車両用の電源装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図１に示す車両用の電源装置は、ハイブリッドカーに搭載され、あるいは電気自動車に搭載されて、負荷２０として接続されるモーター２２を駆動して車両を走行させる。この図の電源装置は、車両を走行させるモーター２２に電力を供給する高電圧バッテリ１と、この高電圧バッテリ１の出力側に接点２ａを接続して、負荷２０への電力供給を制御するコンタクタ２と、車両に搭載されて、コンタクタ２の励磁コイル３に切り換え電力を供給する電装用バッテリ１１と、この電装用バッテリ１１の電圧を検出して、電装用バッテリ１１の電圧が設定電圧よりも低くなるとコンタクタ２をオフに切り換える制御回路４とを備える。さらに、図の電源装置は、コンタクタ２の接点２ａをオンに切り換えるに先だって、負荷２０のコンデンサー２１をプリチャージするプリチャージ回路９を備えている。

車両側の負荷２０は、ＤＣ／ＡＣインバータ２３と、このＤＣ／ＡＣインバータ２３を介して接続されるモーター２２と、このＤＣ／ＡＣインバータ２３に並列に接続している大容量のコンデンサー２１である。コンデンサー２１は、コンタクタ２をオンに切り換える状態で、高電圧バッテリ１と両方からＤＣ／ＡＣインバータ２３に電力を供給する。とくに、コンデンサー２１からは、ＤＣ／ＡＣインバータ２３に瞬間的に大電力を供給する。このため、高電圧バッテリ１に並列にコンデンサー２１を接続することで、ＤＣ／ＡＣインバータ２３に供給できる瞬間電力を大きくできる。コンデンサー２１からＤＣ／ＡＣインバータ２３に供給できる電力は、静電容量に比例するので、このコンデンサー２１には、たとえば３０００〜６０００μＦと極めて大きい静電容量のものが使用される。放電状態にある大容量のコンデンサー２１が、出力電圧の高い高電圧バッテリ１に接続されると、瞬間的に極めて大きいチャージ電流が流れる。コンデンサー２１のインピーダンスが極めて小さいからである。

高電圧バッテリ１は、ＤＣ／ＡＣインバータ２３を介して、車両を走行させるモーター２２を駆動する。モーター２２に大電力を供給できるように、高電圧バッテリ１は多数の二次電池１０を直列に接続して出力電圧を高くしている。二次電池１０は、ニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池が使用される。ただ、二次電池には、ニッケルカドミウム電池などの充電できる全ての電池を使用できる。高電圧バッテリ１は、モーター２２に大電力を供給できるように、たとえば、出力電圧を２５０〜４００Ｖと高くしている。ただし、電源装置は、負荷のＤＣ／ＡＣインバータでもって、高電圧バッテリの電圧を昇圧して、モーターに電力を供給することもできる。この電源装置は、直列に接続する二次電池の個数を少なくして、高電圧バッテリの出力電圧を低くできる。したがって、高電圧バッテリは、たとえば出力電圧を１００〜４００Ｖとすることができる。

プリチャージ回路９は、コンデンサー２１をプリチャージして、コンタクタ２がオンに切り換えられるときにコンタクタ２の接点２ａに流れるチャージ電流を減少させる。プリチャージ回路９は、プリチャージ抵抗９Ｂとプリチャージリレー９Ａを備え、プリチャージリレー９Ａの接点９ａとプリチャージ抵抗９Ｂを直列に接続して、プラス側のコンタクタ２Ａの接点２ａに並列に接続している。プリチャージ抵抗９Ｂは、負荷２０のコンデンサー２１のプリチャージ電流を制限する。プリチャージ回路９は、プリチャージ抵抗９Ｂの電気抵抗を大きくしてプリチャージ電流を小さくできる。たとえば、プリチャージ抵抗９Ｂを１０Ω、高電圧バッテリ１の出力電圧を４００Ｖとする電源装置は、プリチャージ電流の最大値が４０Ａとなる。プリチャージ抵抗９Ｂは、大きくしてプリチャージ電流の最大値を小さくできる。プリチャージ抵抗９Ｂは、たとえば、５〜２０Ω、好ましくは６〜１８Ω、さらに好ましくは６〜１５Ωに設定される。プリチャージ回路９は、プリチャージリレー９Ａの接点９ａをオンにして、コンデンサー２１をプリチャージする。

コンタクタ２は、励磁コイル３に通電してオン、励磁コイル３の電流を遮断してオフに切り換えられるリレーである。電源装置は、出力端子のプラス側に接続するプラス側のコンタクタ２Ａの接点２ａをオフに保持して、マイナス側に接続するマイナス側のコンタクタ２Ｂの接点２ａをオンに切り換え、この状態で、プリチャージ回路９でコンデンサー２１をプリチャージする。コンデンサー２１がプリチャージされた後、プラス側の出力端子に接続しているプラス側のコンタクタ２Ａの接点２ａをオフからオンに切り換えて、高電圧バッテリ１を負荷２０に接続する。その後、プリチャージ回路９のプリチャージリレー９Ａをオフに切り換える。オン状態のコンタクタ２の接点２ａをオフに切り換えるときは、両方のコンタクタ２を同時にオフにする。

コンタクタ２とプリチャージリレー９Ａは、制御回路４でオンオフに切り換えられる。図１に示す電源装置は、コンタクタ２とプリチャージリレー９Ａの各励磁コイル３と直列にスイッチング素子６を接続しており、各々のスイッチング素子６を制御回路４でオンオフに切り換えて、コンタクタ２とプリチャージリレー９Ａのオンオフを制御している。さらに、制御回路４は、電装用バッテリ１１の電圧を検出する電圧検出回路（図示せず）を備えている。制御回路４は、電圧検出回路で電装用バッテリ１１の電圧を検出し、電装用バッテリ１１の検出電圧が設定電圧よりも低くなると、コンタクタ２を強制的にオンからオフに切り換えて高電圧バッテリ１の電流を強制的に遮断する。電装用バッテリ１１の電圧が低下すると、コンタクタ２の励磁コイル３に通電する電流が減少して、接点２ａをオンに保持する接点圧が低下し、振動で一時的にオフに切り換えられて瞬断が起こりやすくなるからである。

さらに、制御回路４は、コンタクタ２を強制的にオフに切り換える設定電圧を最適値に変更するために、加速度センサ５を接続している。この加速度センサ５は、車両の加速度を検出してコンタクタ２に作用する振動、すなわち接点２ａをオフに切り換える衝撃を検出する。加速度センサ５は、コンタクタ２の可動接点２ａが往復運動する方向の加速度を検出するように、車両に、あるいは電源装置に固定される。たとえば、可動接点２ａが上下方向に往復運動して、コンタクタ２がオンオフに切り換えられる電源装置にあっては、加速度センサ５は、車両又は電源装置の上下方向の加速度を検出する。この加速度センサ５は、オンの可動接点２ａが振動でオフに切り換えられる衝撃を正確に検出して、設定電圧を変更できる。ただし、加速度センサ５は、車両や電源装置の三次元の加速度を検出する三次元加速度センサとすることもできる。この加速度センサは、立体的な加速度を検出して設定電圧を変更し、可動接点２ａの往復運動方向とこの方向に直交する２方向の加速度から設定電圧を変更する。ただし、加速度センサは、車両や電源装置の特定方向の加速度のみを検出して、設定電圧を変更することもできる。

制御回路４は、加速度センサ５で検出される加速度が大きくなるにしたがって、すなわちコンタクタ２が受ける衝撃が大きくなるにしたがって設定電圧を高くする。加速度が大きくなって、コンタクタ２が受ける衝撃が大きくなると、オン状態の可動接点２ａが衝撃でオフに切り換えられやすくなるからである。また、加速度が小さくなるにしたがって設定電圧を低くする。加速度が小さくなってコンタクタ２の衝撃が弱くなると、衝撃でオン状態の可動接点２ａがオフに切り換えられる確率が低くなるからである。

制御回路４は、加速度の大きさで変更される設定電圧をテーブルとして記憶し、あるいは関数として記憶する記憶回路（図示せず）を備える。記憶回路に記憶される加速度に対する設定電圧を図２と図３に示している。図２は、加速度に対して設定電圧を連続的に変化させる状態を示している。図３は、加速度に対して段階的に変化させる状態を示している。図２は関数として記憶するのに適しており、図３はテーブルとして記憶するのに適している。

図４は、制御回路４が、電装用バッテリ１１の電圧と加速度センサ５の加速度からコンタクタ２をオフに切り換える状態を示している。この図は、横軸が時間を、縦軸が電装用バッテリ１１の電圧を示している。この図は、時間が経過するにしたがって電装用バッテリ１１の電圧が低下してコンタクタ２をオフに切り換える状態を示している。この図に示すように、電装用バッテリ１１の電圧が低下して、動作電圧範囲の最低値よりもさらに低くなり、加速度センサ５で検出される加速度で特定される設定電圧よりも低くなると、コンタクタ２はオフに切り換えられる。従来の電源装置は、電装用バッテリの電圧が動作電圧範囲の最低値まで低下するとコンタクタをオフに切り換えていたので、コンタクタをオフに切り換えるタイミングが速く、車両を走行できなくなる割合が多くなっていた。本発明では、図４に示すように、加速度で特定される設定電圧を動作電圧範囲の最低値よりも低く設定できるので、コンタクタ２をオフに切り換えるタイミングを遅くして、高電圧バッテリで車両を走行できなくなる確率は低くなる。また、図に示す設定電圧は、加速度センサ５が検出する加速度で変更するので、コンタクタ２をオフに切り換えるタイミングを遅く、あるいはその確率を低くしながら、コンタクタ２の瞬断による溶着も少なくできる。それは、加速度によって設定電圧を最適値として、振動によるコンタクタ２の瞬断を防止するからである。

本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置の概略構成図である。 制御回路が加速度に対して設定電圧を変化させる一例を示す図である。 制御回路が加速度に対して設定電圧を変化させる他の一例を示す図である。 制御回路が電装用バッテリの電圧と加速度センサの加速度からコンタクタをオフに切り換える状態を示す図である。

符号の説明

１…高電圧バッテリ
２…コンタクタ ２Ａ…プラス側のコンタクタ
２Ｂ…マイナス側のコンタクタ
２ａ…接点
３…励磁コイル
４…制御回路
５…加速度センサ
６…スイッチング素子
９…プリチャージ回路 ９Ａ…プリチャージリレー
９Ｂ…プリチャージ抵抗
９ａ…接点
１０…二次電池
１１…電装用バッテリ
２０…負荷
２１…コンデンサー
２２…モーター
２３…ＤＣ／ＡＣインバータ

Claims (4)

1. 車両を走行させるモーター(22)に電力を供給する高電圧バッテリ(1)と、この高電圧バッテリ(1)の出力側に接点(2a)を接続しているコンタクタ(2)と、このコンタクタ(2)の励磁コイル(3)に切り換え電力を供給する電装用バッテリ(11)と、この電装用バッテリ(11)の電圧を検出して電装用バッテリ(11)の電圧が設定電圧よりも低くなるとコンタクタ(2)をオフに切り換える制御回路(4)とを備える車両用の電源装置であって、
   前記制御回路(4)に、車両の加速度を検出する加速度センサ(5)を接続しており、制御回路(4)が加速度センサ(5)で検出される車両の加速度でコンタクタ(2)をオフに切り換える設定電圧をコントロールすると共に、車両の加速度が大きい状態の設定電圧を、加速度が小さい状態よりも高くするように変更することを特徴とする車両用の電源装置。
2. 前記高電圧バッテリ(1)の正負の出力側にコンタクタ(2)を接続している請求項１に記載される車両用の電源装置。
3. 前記加速度センサ(5)が、コンタクタ(2)の可動接点(2a)の往復運動方向の加速度を検出する請求項１に記載される車両用の電源装置。
4. 前記加速度センサ(5)が、車両の三次元の加速度を検出する三次元加速度センサである
   請求項１に記載される車両用の電源装置。
   

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