JP5274142B2 - 車両用の電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、走行用バッテリの正負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し、とくにコンタクタの溶着を防止して安全性を向上する車両用の電源装置に関する。

車両用の電源装置は、バッテリの正負の出力側にコンタクタを接続している。この電源装置は、コンタクタをオンに切り換えてバッテリを車両側に接続する。このコンタクタは、車両を使用しない状態、たとえば自動車のメインスイッチであるイグニッションスイッチをオフにする状態でオフに切り換えられる。また、自動車が衝突した時などにもコンタクタをオフにして出力を遮断して安全性を向上させる。

電源装置に接続される車両側は、大きな静電容量のコンデンサーを並列に接続している。瞬間的に大きなパワーを出力するためである。コンデンサーはバッテリにより充電される。コンデンサーは、静電容量が大きいので、完全に放電された状態における充電電流は極めて大きくなる。したがって、バッテリの正負の出力側に接続しているコンタクタが同時にオンに切り換えられると、瞬間的に極めて大きなチャージ電流が流れる。大きなチャージ電流は、コンタクタの接点を溶着させる原因となる。接点が溶着すると、コンタクタはオフに切り換えできなくなって、バッテリを負荷から切り離しできなくする。この弊害を防止するために、コンタクタをオンに切り換える前に、コンデンサーをプリチャージするプリチャージ回路を備える電源装置が開発されている（特許文献１参照）。

プリチャージ回路を備える電源装置は、コンデンサーを予備充電するプリチャージ回路をプラス側のコンタクタと並列に接続している。プリチャージ回路は、プラス側のコンタクタをオフに切り換える状態でマイナス側のコンタクタと共にオンに切り換えられて、コンデンサーをプリチャージする。プリチャージ回路はプリチャージ抵抗を直列に接続しているので、電流を制限しながらコンデンサーを予備充電する。この電源装置は、コンデンサーがプリチャージされた後、プラス側のコンタクタをオンに切り換えて、バッテリを車両側に接続する。
特開２００４−４８９３７号公報

プリチャージ回路は、正常に動作して、コンデンサーをプリチャージする。ただ、プリチャージ回路が正常にコンデンサーをプリチャージできない状態で、プラス側のコンタクタがオンに切り換えられることがある。この状態になると、コンタクタの接点は過大な充電電流で溶着することがある。コンデンサーをプリチャージする過大なショート電流がコンタクタの接点に流れるからである。特許文献１の電源装置は、プリチャージ異常によるコンタクタの溶着を防止する回路を設けている。この電源装置は、プリチャージリレーとコンタクタの励磁コイルに通電して接点をオンに切り換える電装用バッテリの電圧をコントロールして、コンタクタの溶着を防止する。すなわち、プリチャージリレーがコンタクタよりも低い電圧でオンに切り換えられるようにして、電装用バッテリの電圧が低下するときのプリチャージ異常を防止する。この電源装置は、電装用バッテリの電圧が低下しても、プリチャージリレーがより低い電圧でオンに切り換えられるので、プリチャージリレーがオンに切り換えられない状態でコンタクタがオンに切り換えられることがない。

この電源装置は、電装用バッテリの電圧低下によるコンタクタの溶着を防止できる。ただ、車両用の電源装置は、電装用バッテリの電圧低下のみがコンタクタを溶着させる原因でない。コンタクタは、別の条件によっても溶着する。たとえば、電源装置の負荷側である車両側のショートによっても、コンタクタは溶着する。とくに、高性能なリチウムイオン電池などは内部抵抗が極めて小さく、ショート電流が数千Ａと極めて大きくなって、コンタクタを確実に溶着させる。さらに、コンタクタは、チャタリングによって、短時間に開閉されて接点が溶着することもある。

コンタクタが溶着すると、電源装置の設置や取り外しなどを行う場合、作業者は高電圧に触れる可能性が発生する。また、車両のクラッシュが発生すると、通常はコンタクタをオフに切り換えて高電圧を切り離して、搭乗者の感電を防止すように設計される。しかしながら、コンタクタが溶着すると車両のクラッシュ時に高電圧を切り離しできなくなって、搭乗者が感電する可能性がある。

本発明は、以上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、コンタクタが溶着して出力電圧を遮断できない状態を防止して、安全性を向上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２２に電力を供給する走行用バッテリ１と、この走行用バッテリ１の正負の出力側に接続しているコンタクタ２と、このコンタクタ２をオンオフに切り換える制御回路４とを備える。車両用の電源装置は、走行用バッテリ１の正負の出力側に接続している一対のコンタクタ２を、互いに接点８の電流容量の異なるリレーとしている。

この電源装置は、コンタクタが溶着して出力電圧を遮断できない状態を防止して、安全性を向上できる特徴がある。とくに、この電源装置は、両方のコンタクタの電流容量を大きくするのではなく、一方のコンタクタの電流容量のみを大きくするので、全体を大型化することなく、また、部品コストを低減しながら、コンタクタで出力電圧を確実に遮断できる特徴がある。

本発明の車両用の電源装置は、一対のコンタクタ２を、互いに接点サイズの異なるリレーとしている。
この電源装置は、接点サイズの大きいコンタクタの電流容量を大きくして、このコンタクタの溶着を防止できる。

本発明の車両用の電源装置は、一対のコンタクタ２を、互いに接点材質の異なるリレーとしている。
この電源装置は、接点材料によって電流容量を大きくして、コンタクタの溶着を防止する。車両用の電源装置のコンタクタは、耐久性を実現するために、接点の表面にタングステンを積層するものが使用される。ところが、接点にタングステンを使用するコンタクタは、タングステンの電気抵抗が大きく、電流によるジュール熱が大きくなってそれ自体の発熱で溶着する。これに対して、接点を銀や銀合金のように電気抵抗の小さい金属とするコンタクタは、ジュール熱が小さくなって、大電流での溶着を防止して電流容量を大きくできる。ただ、接点に銀を使用するコンタクタは、タングステンに比較して耐久性が少なくなる。しかしながら、車両用の電源装置が正常に使用されるかぎり、コンタクタは電流を遮断し、あるいは小電流の状態でオンオフに切り換えられるので、接点の金属に銀を使用することで耐久性の低下は少ない。したがって、一方のコンタクタの接点に銀を使用して、電流容量を大きくすることで、このコンタクタの大電流による溶着を防止できる。また、一方のコンタクタの接点材料にタングステンを使用して耐久性に優れたものとし、このコンタクタの耐久性を大きくして、長期間にわたって、このコンタクタをオフに切り換えできる。正負の出力側に接点している一対のコンタクタは、一方の溶着を阻止して、高電圧を遮断できる。したがって、互いに異なる接点材料とする一対のコンタクタは、一方で大電流による溶着を防止し、他方で耐久性を実現して、長期間にわたって確実に高電圧を遮断し、また大電流による溶着を防止して高電圧を遮断する。

本発明の車両用の電源装置は、一対のコンタクタ２を、互いに接圧の異なるリレーとすることができる。
この電源装置は、接圧を高くしているコンタクタの電流容量を大きくして、このコンタクタの大電流による溶着を防止する。それは、接圧が小さい接点は接触抵抗が大きくなって、大電流が流れると溶着するが、一方のコンタクタの接圧を強くすることによって、接触抵抗を小さくして電流容量を大きくすることができるからである。したがって、接圧の大きい方のコンタクタの大電流による溶着を防止できる。接点の接圧を強くするコンタクタは、励磁コイルの消費電力が大きくなるが、本発明の電源装置は、一方のコンタクタの接圧を他方よりも強くするので、一方のコンタクタの消費電力は大きくなるが、他方のコンタクタの消費電力は大きくならず、トータルでは消費電力の増加を少なくしてコンタクタの溶着を防止できる。

本発明の車両用の電源装置は、一対のコンタクタ２を第１のコンタクタ２Ａと第２のコンタクタ２Ｂで構成し、第１のコンタクタ２Ａは、プリチャージ抵抗６とプリチャージリレー７との直列回路からなるプリチャージ回路３が並列に接続されると共に、第１のコンタクタ２Ａの電流容量を第２のコンタクタ２Ｂの電流容量よりも大きくなるように構成している。
この電源装置は、仮にコンタクタが溶着しても、コンデンサーを正常にプリチャージできるので、コンデンサーをプリチャージすることなく一対のコンタクタがオンに切り換えられることがない。したがって、プリチャージ異常で両方のコンタクタの接点が溶着されるのを有効に防止できる。

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２２を駆動して車両を走行させる。この図の電源装置は、走行用バッテリ１と、この走行用バッテリ１の正負の出力側に接続している一対のコンタクタ２と、車両側の負荷２０に並列に接続しているコンデンサー２１をプリチャージするプリチャージ回路３と、プリチャージ回路３とコンタクタ２をオンオフに制御する制御回路４とを備える。

図１の電源装置は、一対のコンタクタ２を、第１のコンタクタ２Ａと第２のコンタクタ２Ｂとで構成しており、第１のコンタクタ２Ａをプラス側のコンタクタ２ａとして走行用バッテリ１のプラスの出力側に接続し、第２のコンタクタ２Ｂをマイナス側のコンタクタ２ｂとして走行用バッテリ１のマイナスの出力側に接続している。さらに、図１の電源装置は、第１のコンタクタ２Ａであるプラス側のコンタクタ２ａと並列にプリチャージ回路３を接続している。ただ、本発明の電源装置は、図示しないがプリチャージ回路をマイナス側のコンタクタと並列に接続することもできる。以下、図１の回路構成の電源装置について詳述する。

負荷２０は、並列に大容量のコンデンサー２１を接続している。このコンデンサー２１は、コンタクタ２をオンに切り換える状態で、走行用バッテリ１と並列に接続されて、走行用バッテリ１の電圧を平滑化する。すなわち、走行用バッテリ１が大電流で放電されて電圧が低下するときに、コンデンサー２１が放電されて、走行用バッテリ１の電圧低下を少なくする。また、走行用バッテリ１の電圧が上昇すると、コンデンサー２１は走行用バッテリ１から充電されて、電圧が走行用バッテリ１と一緒に上昇する。したがって、走行用バッテリ１と並列にコンデンサー２１を接続する回路構成は、コンデンサー２１から、負荷２０に瞬間的に大電力を供給できる。このため、走行用バッテリ１に、並列にコンデンサー２１を接続することで、負荷２０に供給できる瞬間電力を大きくできる。コンデンサー２１から負荷２０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４０００〜６０００μＦと極めて大きい静電容量のものが使用される。放電された大容量のコンデンサー２１が、出力電圧の高い走行用バッテリ１に直接に接続されると、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。

走行用バッテリ１は、車両を走行させるモータ２２を駆動する。モータ２２に大電力を供給できるように、走行用バッテリ１は多数の二次電池５を直列に接続して出力電圧を高くしている。二次電池５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充電できる全ての電池を使用できる。走行用バッテリ１は、モータ２２に大電力を供給できるように、たとえば、出力電圧を２００〜４００Ｖと高くしている。ただし、電源装置は、走行用バッテリ１の出力側に接続しているＤＣ／ＡＣインバータ２３で、走行用バッテリ１の電圧を昇圧して、モータに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、走行用バッテリの出力電圧を低くして、モータに高電圧を供給できる。したがって、走行用バッテリ１は、たとえば出力電圧を１５０〜３００Ｖと低くして、モータの供給電圧を高くすることができる。

この電源装置は、車両のイグニッションスイッチ（図示せず）がオンに切り換えられると、マイナス側のコンタクタ２ｂをオンに切り換えた後、プラス側のコンタクタ２ａをオフに保持して、プリチャージ回路３のプリチャージリレー７をオンに切り換えて、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、制御回路４はマイナス側のコンタクタ２ｂをオンに保持して、プラス側のコンタクタ２ａをオンに切り換え、その後プリチャージリレー７をオフに切り換える。また、イグニッションスイッチがオフに切り換えられると、プラス側のコンタクタ２ａをオフに切り換えた後、マイナス側のコンタクタ２ｂをオフに切り換えて、走行用バッテリ１のプラス側とマイナス側の出力を遮断する。

プリチャージ回路３は、電流を制限しながらコンデンサー２１をプリチャージする。プリチャージ回路３は、プリチャージ抵抗６とプリチャージリレー７を直列に接続している。このプリチャージ回路３は、プリチャージ抵抗６でコンデンサー２１をプリチャージする電流を制限して充電する。プリチャージ回路３は、プリチャージ抵抗６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６を１０Ω、走行用バッテリ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６は、電気抵抗を大きくしてプリチャージ電流の最大値を小さくできる。ただ、プリチャージ抵抗６の電気抵抗が大きくなると、コンデンサー２１をプリチャージする時間が長くなる。プリチャージ電流が小さくなるからである。プリチャージ抵抗６の電気抵抗は、プリチャージ電流とプリチャージ時間とを考慮して、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。

制御回路４は、車両側のメインスイッチであるイグニッションスイッチ（図示せず）から入力される信号で、プラス側のコンタクタ２ａ、マイナス側のコンタクタ２ｂ、プリチャージリレー７をオンオフに制御する。制御回路４は、イグニッションスイッチのオン信号で、プラス側のコンタクタ２ａをオフに保持する状態で、マイナス側のコンタクタ２ｂとプリチャージリレー７をオンに切り換えて、コンデンサー２１をプリチャージする。コンデンサーがプリチャージされた後、プリチャージリレー７をオンに保持して、プラス側のコンタクタ２ａをオンに切り換えて、走行用バッテリ１のプラス側とマイナス側を車両側に接続する。その後、プリチャージリレー７をオフに切り換える。

走行用バッテリ１の正負の出力側に接続している一対のコンタクタ２は、機械的に可動する接点８を有するリレーである。一対のコンタクタ２は、互いに接点８の電流容量が異なるリレーである。好ましくは、プリチャージ回路３を並列に接続しているコンタクタ２の接点８の電流容量を、プリチャージ回路３を接続しないコンタクタ２の接点８の電流容量よりも大きくする。図の電源装置は、プラス側のコンタクタ２ａと並列にプリチャージ回路３を接続しているので、プラス側のコンタクタ２ａの接点８の電流容量を、マイナス側のコンタクタ２ｂの接点８の電流容量よりも大きくする。

一方のリレーの電流容量を他方のリレーの電流容量よりも大きくするのは、走行用バッテリ１の負荷側がショートし、あるいはコンデンサー２１がプリチャージされない状態で一対のコンタクタ２がオンに切り換えられて、接点８に過大なショート電流が流れて、両方のコンタクタ２の接点８が同時に溶着するのを防止するためである。走行用バッテリ１は、正負の出力側に一対のコンタクタ２を接続しているので、一方のコンタクタ２の溶着を阻止することで、溶着されないコンタクタ２をオフに切り換えて、高電圧の走行用バッテリ１の出力を遮断できる。本発明の電源装置は、両方のコンタクタ２の電流容量を大きくすることなく、一方のコンタクタ２の接点８の電流容量のみを大きくする。電流容量の大きいコンタクタ２は、走行用バッテリ１の出力側をショートし、あるいはプリチャージされないコンデンサー２１に一対のコンタクタ２を接続して溶着しない電流容量に設計される。走行用バッテリ１のショート電流の大きさは、走行用バッテリ１の電圧と内部抵抗により変化する。したがって、電流容量を大きくしている一方のコンタクタ２は、負荷側のショート電流や、プリチャージされないコンデンサー２１に両方のコンタクタ２をオンにして溶着しない電流容量に設計される。

一方のコンタクタ２の電流容量を他方のコンタクタ２よりも大きくするために、一対のコンタクタ２には、接点サイズの異なるリレーが使用される。接点サイズの大きなリレーは電流容量が大きく、接点サイズの小さいリレーは電流容量が小さくなる。一対のコンタクタ２に、接点サイズが異なるリレーを使用する電源装置は、プリチャージ回路３を並列に接続しているコンタクタ、図１においては、プラス側のコンタクタ２ａに接点サイズの大きなリレーを使用し、プリチャージ回路３を並列に接続しないコンタクタ、すなわちマイナス側のコンタクタ２ｂの接点サイズを小さくする。この電源装置は、両方のコンタクタ２をオンに切り換える状態でショート電流が流れると、接点サイズの小さいマイナス側のリレーの接点８は溶着する。しかしながら、プラス側に接続している接点サイズの大きいプラス側のリレーは溶着しない。したがって、過大な電流でマイナス側のコンタクタ２ｂが溶着しても、プラス側のコンタクタ２ａは溶着しない状態にでき、溶着しないプラス側のコンタクタ２ａをオフに切り換えることで、走行用バッテリ１の高電圧を確実に遮断できる。また、起動時にプラス側のコンタクタ２ａが開いているため、プリチャージ回路３のプリチャージリレー７を制御して通常のプリチャージ動作から起動を開始させることができる。

一対のコンタクタ２は、互いに接点材質の異なるリレーとして、一方のリレーの電流容量を大きくする。たとえば、一方のリレーの接点８を電気抵抗の小さい銀接点として電流容量を大きく、他方のリレーの接点８を、銅や銅の表面にタングステンを積層する構造として耐久性に優れたリレーとすることができる。銀接点は、電気抵抗が小さいのでジュール熱による発熱が小さい。したがって、大電流が流れる状態における接点の温度上昇が少なく、ショート電流などの過大な電流での溶着を防止できる。ただ、銀接点は、銅の表面にタングステンを積層している接点に比較して寿命が短くなるが、コンデンサー２１をプリチャージして大電流を流さない状態でオンに切り換えられ、また負荷側に電流を供給したり、走行用バッテリ１を充電しない状態でオフに切り換えられる。すなわち、手順を追って制御することで接点８の電流を遮断し、あるいは小さくする状態でオンオフに切り換えられるので、銀接点を使用しながら比較的長寿命に使用できる。一方のコンタクタ２は、接点８に耐久性のある金属を使用する。したがって、仮に銀接点のように電流容量を大きくすることで、仮に寿命が短くなっても、耐久性のあるコンタクタ２を確実にオフに切り換えて、走行用バッテリ１の高電圧を遮断できる。この電源装置も、銀接点のように電流容量の大きい接点を使用するコンタクタ２を、プリチャージ回路３を並列に接続しているプラス側のコンタクタ２ａに使用し、プリチャージ回路３を接続しないマイナス側のコンタクタ２ｂに耐久性のある金属材料のリレーを使用する。

さらに、一方のコンタクタ２の電流容量を他方のコンタクタ２よりも大きくするために、一対のコンタクタ２には、接圧の異なるリレーを使用することもできる。接圧の大きなリレーは電流容量が大きく、接圧の小さいリレーは電流容量が小さくなる。それは、十分な接圧で押圧されて接触抵抗を小さくできるからである。リレーは、励磁コイルの磁気的な力で可動部を吸着して、可動接点８Ａを固定接点８Ｂに押圧する。この構造のリレーは、励磁コイルに供給する電力を大きくして接圧を強くできる。励磁コイルの消費電力が可動部を吸着する力に消費されるからである。車両用のコンタクタ２に使用されるリレーは、電装用バッテリから励磁コイルに電力を供給して、可動接点８Ａを固定接点８Ｂに接触させる。したがって、リレーは、励磁コイルに流れる電流を大きくして消費電力を大きくでき、これによって接圧を強くできる。たとえば、接圧を大きくするリレーの励磁コイルの消費電力を、接圧を小さくするリレーの励磁コイルの消費電力の１．５倍〜２倍として、接点８の電流容量を大きくできる。

この電源装置も、プリチャージ回路３を並列に接続しているコンタクタ、図１においては、プラス側に接続しているプラス側のコンタクタ２ａに接圧の大きなリレーを使用し、プリチャージ回路３を並列に接続しないコンタクタ、すなわちマイナス側のコンタクタ２ｂの接圧を小さくする。この電源装置は、両方のコンタクタ２をオンに切り換える状態でショート電流が流れると、接圧の小さいマイナス側のリレーの接点８は溶着する。しかしながら、プラス側に接続している接圧の大きいリレーは溶着しない。したがって、過大な電流でマイナス側のコンタクタ２ｂが溶着しても、プラス側のコンタクタ２ａは溶着しない状態にでき、溶着しないプラス側のコンタクタ２ａをオフに切り換えることで、走行用バッテリ１の高電圧を確実に遮断できる。

本発明の電源装置は、ハイブリッドカーや電気自動車に搭載されて、必要なときには走行用バッテリ１から出力される高電圧を確実に遮断して、安全に使用できる。

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。

符号の説明

１…走行用バッテリ
２…コンタクタ ２Ａ…第１のコンタクタ
２ａ…プラス側のコンタクタ
２Ｂ…第２のコンタクタ
２ｂ…マイナス側のコンタクタ
３…プリチャージ回路
４…制御回路
５…二次電池
６…プリチャージ抵抗
７…プリチャージリレー
８…接点 ８Ａ…可動接点
８Ｂ…固定接点
２０…負荷
２１…コンデンサー
２２…モータ
２３…ＤＣ／ＡＣインバータ

Claims (5)

1. 車両を走行させるモータ(22)に電力を供給する走行用バッテリ(1)と、この走行用バッテリ(1)の正負の出力側に接続している一対のコンタクタ(2)と、このコンタクタ(2)をオン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、
   前記一対のコンタクタ(2)は、第１のコンタクタ(2A)と、前記第２のコンタクタ(2B)からなり、
   前記第１のコンタクタ(2A)は、プリチャージ抵抗(6)とプリチャージリレー(7)との直列回路からなるプリチャージ回路(3)が並列に接続されると共に、前記第１のコンタクタ(2A)は、前記第２のコンタクタ(2B)よりも電流容量が大きいことを特徴とする車両用の電源装置。
2. 前記一対のコンタクタ(2)が、互いに接点サイズの異なるリレーである請求項１に記載される車両用の電源装置。
3. 前記一対のコンタクタ(2)が、互いに接点材質の異なるリレーである請求項１に記載される車両用の電源装置。
4. 前記一対のコンタクタ(2)が、互いに接圧の異なるリレーである請求項１に記載される車両用の電源装置。
5. 前記第１のコンタクタ(2A)は、銀または銀合金で形成される接点を有することを特徴とする請求項１に記載される車両用の電源装置。
   

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