JP5627264B2 - 車両用の電源装置及びこの電源装置を搭載する車両 - Google Patents

Description

本発明は、車両を走行させる走行用バッテリを出力スイッチを介して車両側負荷に接続する車両用の電源装置に関し、とくに、車両側負荷の並列コンデンサーをプリチャージした後、出力スイッチを導通状態として、走行用バッテリから車両側負荷に電力を供給する車両用の電源装置とこの電源装置を搭載する車両に関する。

車両用の電源装置は、走行用バッテリの出力側にリレーを接続している。この電源装置は、リレーをオンに切り換えて走行用バッテリを車両側に接続する。このリレーは、車両を使用しない状態、たとえば自動車の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リレーをオフにして出力を遮断して安全性を向上させる。

車両用の電源装置に接続される車両側負荷は、大きな静電容量の並列コンデンサーを接続している。並列コンデンサーに蓄えた電荷を放電することで、瞬間的に大きなパワーを得るためである。並列コンデンサーは走行用バッテリで充電される。並列コンデンサーの静電容量は大きいので、完全に放電された並列コンデンサーの充電電流は極めて大きくなる。したがって、並列コンデンサーが放電された状態で、リレーがオンに切り換えられると、リレーには瞬間的に極めて大きなチャージ電流が流れて、リレーの接点に損傷を与える。とくに、大きなチャージ電流でリレーの接点が溶着することがある。接点が溶着すると、リレーはオフに切り換えできなくなって、走行用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、リレーをオンに切り換える前に、並列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）。

特許文献１に記載される車両用の電源装置は、並列コンデンサーを予備充電するプリチャージ回路を備える。プリチャージ回路は、プラス側のリレーと並列に接続される。プリチャージ回路は、並列コンデンサーのプリチャージ電流を制限するＭＯＳＦＥＴとダイオードの直列回路である。このプリチャージ回路は、並列コンデンサーを充電するプリチャージ電流をＭＯＳＦＥＴで制限して、並列コンデンサーをプリチャージする。並列コンデンサーのプリチャージが完了した後、リレーをオンに切り換えて、走行用バッテリを車両側負荷に接続する。

特開２０００−２５３５７０号公報

以上の車両用の電源装置は、並列コンデンサーをプリチャージするために、プリチャージ電流を制限するように動作するＭＯＳＦＥＴを設ける必要がある。並列コンデンサーのプリチャージ電流は相当に大きく、また、走行用バッテリの電圧も高いので、ＭＯＳＦＥＴには高耐圧で大電流に耐える高価なＦＥＴを使用する必要があって、部品コストが高くなる。

本発明は、さらに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、並列コンデンサーをプリチャージするために専用のＦＥＴなどの半導体スイッチング素子を設ける必要がなく、走行用バッテリを車両側負荷に接続する素子を利用して、並列コンデンサーをプリチャージして走行用バッテリを車両側負荷に接続できる車両用の電源装置とこの電源装置を搭載する車両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

本発明の請求項１の車両用の電源装置は、車両を走行させる走行用バッテリ１と、この走行用バッテリ１を、並列コンデンサー２３を有する車両側負荷２０に接続する出力スイッチ２と、この出力スイッチ２を制御する制御回路３とを備えている。出力スイッチ２は、オン抵抗を制御できる半導体スイッチング素子１１である。電源装置は、この半導体スイッチング素子１１のオン抵抗を制御回路３で制御しており、車両側負荷２０の並列コンデンサー２３をプリチャージする状態におけるオン抵抗を、導通状態におけるオン抵抗よりも大きくして、車両側負荷２０の並列コンデンサー２３をプリチャージした後、プリチャージする状態よりも低抵抗な導通状態として、走行用バッテリ１の電力を車両側負荷２０に供給している。

以上の車両用の電源装置は、並列コンデンサーをプリチャージするために専用のＦＥＴなどの半導体スイッチング素子を設ける必要がなく、走行用バッテリを車両側負荷に接続する素子を利用して、並列コンデンサーをプリチャージして走行用バッテリを車両側負荷に接続できる。とくに、以上の電源装置は、半導体スイッチング素子のオン抵抗を可変することで、理想的な状態で並列コンデンサーをプリチャージできる特徴がある。

本発明の車両用の電源装置は、半導体スイッチング素子１１を、導通状態において、走行用バッテリ１から車両側負荷２０に電力を供給し、かつ車両側負荷２０から走行用バッテリ１に電力を供給する方向に通電できる素子とすることができる。
以上の電源装置は、ひとつの半導体スイッチング素子で走行用バッテリを充放電できる特徴がある。

本発明の車両用の電源装置は、制御回路３が、半導体スイッチング素子１１のオン抵抗を連続的に、または段階的に変化させて、車両側負荷２０の並列コンデンサー２３をプリチャージすることができる。
以上の電源装置は、半導体スイッチング素子の発熱をコントロールしながら並列コンデンサーをプリチャージできる特徴がある。

本発明の車両用の電源装置は、制御回路３が、半導体スイッチング素子１１のオン抵抗を次第に小さくして、車両側負荷２０の並列コンデンサー２３をプリチャージすることができる。
以上の電源装置は、半導体スイッチング素子の発熱を制限しながら、並列コンデンサーを速やかにプリチャージできる。

本発明の車両用の電源装置は、制御回路３が、車両側負荷２０の並列コンデンサー２３の電圧を検出する電圧検出回路４を備えて、この電圧検出回路４で検出される並列コンデンサー電圧で、半導体スイッチング素子１１のオン抵抗を制御することができる。
以上の電源装置は、並列コンデンサーに電荷が残存する状態においても、好ましい状態で並列コンデンサーをプリチャージできる。

本発明の車両用の電源装置は、電圧検出回路４が検出する並列コンデンサー電圧が小さい状態でのオン抵抗を、並列コンデンサー電圧が大きい状態よりも小さく制御することができる。
以上の電源装置は、電荷残量の少ない並列コンデンサーを、電荷の残存量の大きい並列コンデンサーと同じように速やかにプリチャージできる。

本発明の車両用の電源装置は、制御回路３が、半導体スイッチング素子１１の温度を検出する温度検出回路６を備えて、この制御回路３が、温度検出回路６が検出する検出温度の高い状態でのオン抵抗を、検出温度が低い状態でのオン抵抗よりも大きく制御して、車両側負荷２０の並列コンデンサー２３をプリチャージすることができる。
以上の電源装置は、半導体スイッチング素子の過熱を防止しながら、並列コンデンサーを速やかにプリチャージできる。とくに、イグニッションスイッチを頻繁にオンオフに繰り返す状態となって、並列コンデンサーを何回もプリチャージする状態にあっても、半導体スイッチング素子の過熱による故障を防止できる。

本発明の車両用の電源装置は、走行用バッテリ１の出力側に半導体スイッチング素子１１とリレー７とを接続して、制御回路３が、リレー７をオン状態とする状態で、半導体スイッチング素子１１をオン状態として走行用バッテリ１を車両側負荷２０に接続することができる。
以上の電源装置は、リレーと半導体スイッチング素子の両方で走行用バッテリを車両側負荷に接続するので、半導体スイッチング素子もしくはリレーの一方がオン状態に故障しても、故障していないもう一方をオフに切り換えて、走行用バッテリを車両側負荷から切り離しできる特徴がある。半導体スイッチング素子とリレーは故障に至るメカニズムが同一ではないため、同時に故障する確率が低く、安全性を大きく向上することができる。

本発明の車両用の電源装置は、半導体スイッチング素子１１を走行用バッテリ１のマイナス側に接続し、リレー７を走行用バッテリ１のプラス側に接続することができる。
以上の電源装置も、半導体スイッチング素子がオン状態に故障しても、リレーをオフに切り換えて走行用バッテリのプラス側を車両側負荷から切り離しできる。また、半導体スイッチング素子を走行用バッテリのマイナス側に接続しているので、半導体スイッチング素子をオンオフに切り換える制御回路を簡単にできる。それは、半導体スイッチング素子を制御する信号をアース電位を基準として半導体スイッチング素子に入力できるからである。

本発明の車両用の電源装置は、半導体スイッチング素子を走行用バッテリのプラス側に接続し、リレーを走行用バッテリのマイナス側に接続することができる。
以上の電源装置も、半導体スイッチング素子がオン状態に故障しても、リレーをオフに切り換えて走行用バッテリのマイナス側を車両側負荷から切り離しできる。

本発明の請求項１０の車両は、請求項１ないし９のいずれかに記載の電源装置を搭載している。
この車両は、並列コンデンサーをプリチャージして走行用バッテリを車両側負荷に接続する回路構成を簡単にできる電源装置を搭載しながら、長期間にわたって、安心して使用できる特徴がある。

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。 ＦＥＴにおけるゲート電圧に対するソース・ドレイン間の電圧と電流の関係を示すグラフである。 本発明の他の実施例にかかる車両用の電源装置の概略構成図である。 本発明の他の実施例にかかる車両用の電源装置の概略構成図である。 本発明の他の実施例にかかる車両用の電源装置の概略構成図である。 本発明の他の実施例にかかる車両用の電源装置の概略構成図である。 本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置を搭載する車両の一例を示す概略図である。 本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置を搭載する車両の他の一例を示す概略図である。

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とこの電源装置を搭載する車両を例示するものであって、本発明は電源装置及び車両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、燃料電池車、電気自動車等の車両に搭載される。この電源装置は、車両側負荷２０のモーター２２を駆動して車両を走行させる。車両側負荷２０のモーター２２は、ＤＣ／ＡＣインバータ２１を介して走行用バッテリ１に接続される。ＤＣ／ＡＣインバータ２１は、走行用バッテリ１の直流を３相の交流に変換して、モーター２２への供給電力をコントロールする。ＤＣ／ＡＣインバータは、走行用バッテリを昇圧してモーターに電力を供給し、あるいは昇圧することなくモーターに電力を供給する。

この図の電源装置は、走行用バッテリ１を車両側負荷２０に接続する出力スイッチ２を備えている。出力スイッチ２は制御回路３で接続される。制御回路３は、車両のメインスイッチであるイグニッションスイッチ２４がオンに切り換えられると、出力スイッチ２をオンに切り換えて走行用バッテリ１を車両側負荷２０に接続する。

走行用バッテリ１は、ＤＣ／ＡＣインバータ２１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、走行用バッテリ１は多数の充電できる電池セル１０を直列に接続して出力電圧を高くしている。電池セル１０は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池が使用される。電池セルをリチウムイオン電池とする電源装置は、複数のリチウムイオン電池を直列に接続している。電池セルをニッケル水素電池とする電源装置は、複数のニッケル水素電池を直列に接続して電池モジュールとし、さらに複数の電池モジュールを直列に接続して出力電圧を高くしている。電源装置は、電池をリチウムイオン電池やニッケル水素電池に特定しない。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。

走行用バッテリ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２００〜４００Ｖと高くしている。ただし、電源装置は、電池の電圧を昇圧して、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、直列に接続する電池の個数を少なくして、電池の出力電圧を低くできる。したがって、走行用バッテリ１は、たとえば出力電圧を１５０〜４００Ｖとすることができる。

車両側負荷２０は、ＤＣ／ＡＣインバータ２１の入力側に並列コンデンサー２３を接続している。並列コンデンサー２３は、モーター２２の負荷変動による走行用バッテリ１の電圧変化を少なくする。並列コンデンサー２３は静電容量を大きくして、負荷変動に対する電圧変化を小さくできる。走行用バッテリ１の電圧変動を少なくするために、並列コンデンサー２３には、３０００μＦ〜５０００μＦと大きな静電容量のコンデンサーが使用される。

大容量の並列コンデンサー２３が、走行用バッテリ１に接続されると、瞬間的に大きな電流が流れてチャージされる。このとき、並列コンデンサー２３に流れるチャージ電流のピーク値は極めて大きい。このため、車両用の電源装置は、並列コンデンサー２３をプリチャージして走行用バッテリ１を低抵抗な出力スイッチ２で車両側負荷２０に接続している。

図１の車両用の電源装置は、出力スイッチ２として、オン状態における電気抵抗を制御できる半導体スイッチング素子１１を使用する。この半導体スイッチング素子１１はＦＥＴである。ただ、半導体スイッチング素子には、トランジスタやＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子も使用できる。ＦＥＴとＩＧＢＴは、ゲートに入力する電圧を制御して、オン状態の電気抵抗を変化できる。入力電圧でオン抵抗を制御できる半導体スイッチング素子は、オン抵抗を制御する回路の出力電力を小さくできる。とくに、大電流の半導体スイッチング素子を少ない電力で制御できる。トランジスタは、ベースに入力する電流を制御してオン状態の電気抵抗を変化できる。ＦＥＴは、オン抵抗を小さくして、走行用バッテリの電力を効率よく車両側負荷に供給できる。ＩＧＢＴは、ＦＥＴと同じように入力電圧でオン抵抗を制御して、制御回路の出力電力を小さくできる。また、ＩＧＢＴは、ＦＥＴに比較して高耐圧で大電流の素子を安価に実現でき、トランジスタは大電力素子を安価にできる。ＦＥＴは、ソースとドレインを走行用バッテリと車両側負荷に接続して、走行用バッテリを車両側負荷に接続する。ＩＧＢＴとトランジスタは、走行用バッテリと車両側負荷との間に、コレクタとエミッタを接続して、走行用バッテリを車両側負荷に接続する。

走行用バッテリ１は、モーター２２で車両を走行させるときに、車両側負荷２０のモーター２２に電力を供給して放電される。また、走行用バッテリ１は、車両を減速するエネルギーで充電される。すなわち、回生制動で走行用バッテリ１を充電する。回生制動は、減速する車両の運動のエネルギーで発電機を回転し、この発電機の発電電力で走行用バッテリ１を充電する。走行用バッテリ１を充放電させる出力スイッチ２は、走行用バッテリ１を放電する方向に通電でき、かつ走行用バッテリ１を充電する方向にも通電できる、すなわち、双方向に通電できる特性が要求される。ＦＥＴは寄生ダイオードによって双方向に通電できるので、ひとつの素子で走行用バッテリ１の充電と放電に使用できる。ＦＥＴは寄生ダイオードに通電して、走行用バッテリ１を充電できるように接続される。トランジスタやＩＧＢＴは双方向には通電できないので、放電用のトランジスタやＩＧＢＴと、充電用のトランジスタやＩＧＢＴを並列に接続して、充放電を制御する。

図２は、ゲート電圧を変化させて、ソース・ドレイン間の電圧と電流が変化する状態、すなわち、オン抵抗が変化する状態を示している。オン抵抗（Ω）は、ソース・ドレイン間の電圧（Ｖ）／ソース・ドレイン間の電流（Ｉ）で特定される。ＦＥＴのオン抵抗は、ゲート電圧で制御できる。ＦＥＴはゲート電圧を大きくしてオン抵抗を小さくし、ゲート電圧を小さくしてオン抵抗を大きくできる。図２に示すように、ゲート電圧を大きくしてソース・ドレイン間の電流を大きく、ゲート電圧を小さくしてソース・ドレイン間の電流を小さくできるからである。

出力スイッチ２の半導体スイッチング素子１１は、並列コンデンサー２３をプリチャージする状態でオン抵抗を大きく、プリチャージが完了した後は、オン抵抗を小さくして、走行用バッテリ１を低抵抗な状態で車両側負荷２０に接続する。並列コンデンサー２３をプリチャージするときのオン抵抗は、並列コンデンサー２３のプリチャージ電流から特定される。たとえば、プリチャージするときのオン抵抗は、並列コンデンサー２３のプリチャージ電流を２０Ａ〜５０Ａとする電気抵抗に制御される。

ＦＥＴは、図２に示す特性を示すので、並列コンデンサー２３をプリチャージする工程でゲート電圧を小さくし、オン抵抗を大きくしてソース・ドレイン間の電流を制限できる。とくに、ＦＥＴは、図２に示すように、ゲート電圧の小さい状態で、ソース・ドレイン間の電圧が所定の電圧から大きくなっても、ソース・ドレイン間の電流をほぼ一定に制限できる特性を示す。このことは、並列コンデンサー２３のプリチャージに極めて好都合である。それは、ゲート電圧を一定に保持して、並列コンデンサー２３を一定の電流に制限しなからプリチャージできるからである。

完全に放電された並列コンデンサー２３を充電するとき、ソース・ドレイン間の電圧は最も高くなる。ＦＥＴのソース・ドレイン間の電圧が、走行用バッテリ１の電圧と、プリチャージされる並列コンデンサー２３の電圧との電圧差となるからである。したがって、完全に放電されて電圧を０Ｖとしている並列コンデンサー２３に走行用バッテリ１が接続された状態で、ソース・ドレイン間の電圧は最も大きくなって走行用バッテリ１の電圧に等しくなる。並列コンデンサー２３が充電されて電圧が上昇するにしたがって、ソース・ドレイン間の電圧は低くなる。ＦＥＴは、ゲート電圧を一定に保持して、並列コンデンサー２３の電圧が所定の電圧に上昇するまで、プリチャージ電流を一定の電流に制限してプリチャージする。並列コンデンサー２３がプリチャージされて電圧が上昇すると、ソース・ドレイン間の電圧が低下して、プリチャージ電流は次第に減少する。並列コンデンサー２３がプリチャージされて所定の電圧まで上昇すると、制御回路３はＦＥＴのゲート電圧を高くして、オン抵抗を小さくする。

出力スイッチのＩＧＢＴは、入力側をＦＥＴとするので、ＦＥＴと同じように、並列コンデンサーをプリチャージする状態にあっては、入力電圧を小さくして、オン抵抗を大きくしてプリチャージ電流を制限する。ＩＧＢＴのオン抵抗は、並列コンデンサーのプリチャージ電流を、２０Ａ〜５０Ａに制限するように制御される。並列コンデンサーがプリチャージされて所定の電圧まで上昇すると、入力電圧を大きくして、ＩＧＢＴのオン抵抗を小さくして、走行用バッテリを低抵抗な状態で車両側負荷に接続する。

出力スイッチのトランジスタは、電流でオン抵抗を制御するので、並列コンデンサーをプリチャージする状態にあっては、ベース電流を小さくして、オン抵抗を大きくしてプリチャージ電流を制限する。ベース電流で制御されるトランジスタのオン抵抗は、並列コンデンサーのプリチャージ電流を、２０Ａ〜５０Ａに制限するように制御される。並列コンデンサーがプリチャージされて所定の電圧まで上昇すると、ベース電流を大きくして、トランジスタのオン抵抗を小さくして、走行用バッテリを低抵抗な状態で車両側負荷に接続する。

制御回路３は、出力スイッチ２の半導体スイッチング素子１１を制御する。制御回路３は、半導体スイッチング素子１１を制御して、並列コンデンサー２３をプリチャージした後、走行用バッテリ１を車両側負荷２０に低抵抗な導通状態で接続する。制御回路３は、車両のメインスイッチであるイグニッションスイッチ２４から入力されるオン信号で、出力スイッチ２の半導体スイッチング素子１１のオン抵抗を制御して、すなわち、導通状態よりもオン抵抗を大きくして、車両側負荷２０の並列コンデンサー２３をプリチャージする。並列コンデンサー２３をプリチャージする工程において、制御回路３は半導体スイッチング素子１１のオン抵抗を導通状態よりも大きくして、プリチャージ電流を、たとえば前述した２０Ａ〜５０Ａに制限する。制御回路３は、半導体スイッチング素子１１のオン抵抗を大きくしてプリチャージ電流を小さくできる。

制御回路３は、出力スイッチ２であるＦＥＴのゲート電圧を一定に保持して、並列コンデンサー２３をプリチャージする。この状態で制御されるＦＥＴは、並列コンデンサー２３のプリチャージを開始する状態で最もオン抵抗が大きく、並列コンデンサー２３が充電されるにしたがって、次第にオン抵抗を小さくする。制御回路３がこのようにＦＥＴを制御して並列コンデンサー２３をプリチャージすると、プリチャージ電流のピーク値を小さくしながら、並列コンデンサー２３を速やかにプリチャージできる。

ただし、制御回路３は、半導体スイッチング素子１１のオン抵抗を一定に保持して、並列コンデンサー２３をプリチャージすることができ、また、オン抵抗を段階的に変化させてプリチャージすることもできる。さらに、制御回路３は、並列コンデンサー２３の電圧を電圧検出回路４で検出し、検出電圧で半導体スイッチング素子１１のオン抵抗を制御して並列コンデンサー２３をプリチャージすることもできる。この制御回路３は、電圧検出回路４が検出する並列コンデンサー電圧が小さい状態でのオン抵抗を、並列コンデンサー電圧の大きい状態よりも小さく制御して、完全に放電されていない並列コンデンサー２３をより速やかにプリチャージできる。完全に放電されていない並列コンデンサー２３は、電圧が０Ｖでなく、半導体スイッチング素子１１に作用する電圧を小さくできる。このため、半導体スイッチング素子１１のオン抵抗を小さくしてプリチャージ電流を大きくできる。プリチャージ電流が、半導体スイッチング素子１１の電圧、すなわち並列コンデンサー２３と走行用バッテリ１の電圧差に比例して、オン抵抗に反比例するからである。したがって、完全に放電されない並列コンデンサー２３は、半導体スイッチング素子１１のオン抵抗を小さくすることで、より速やかにプリチャージできる。この状態で、半導体スイッチング素子１１のオン抵抗を小さくしても半導体スイッチング素子１１の発熱による損傷も防止できる。半導体スイッチング素子１１の発熱が、半導体スイッチング素子１１の電流の二乗と内部抵抗の積に比例するので、電流を制限することで、発熱も制限できるからである。

さらに、制御回路３は、半導体スイッチング素子１１の温度を温度検出回路６で検出し、検出温度でオン抵抗を制御することもできる。この制御回路３は、温度検出回路６が検出する半導体スイッチング素子１１の検出温度の高い状態でのオン抵抗を、検出温度が低い状態でのオン抵抗よりも大きく制御して車両側負荷２０の並列コンデンサー２３をプリチャージする。半導体スイッチング素子１１は、温度の高い状態で、オン抵抗を小さくして大きなプリチャージ電流で並列コンデンサー２３をプリチャージすると発熱量が大きくなる。プリチャージ電流の二乗に比例して発熱量が増加するからである。制御回路３が半導体スイッチング素子１１の温度を検出し、半導体スイッチング素子１１の温度が高い状態ではオン抵抗を大きくなるように制御することで、半導体スイッチング素子１１の発熱による損傷を防止できる。温度の高い半導体スイッチング素子１１のオン抵抗を大きくして、プリチャージ電流を小さくすることで、半導体スイッチング素子１１の発熱量を少なくできるからである。

図１の電源装置は、出力スイッチ２を走行用バッテリ１のプラス側に接続しているが、電源装置は、図示しないが、出力スイッチを走行用バッテリのマイナス側に接続することもできる。

さらに、図３の電源装置は、出力スイッチ２の半導体スイッチング素子１１とリレー７とで走行用バッテリ１を車両側負荷２０に接続している。この図の電源装置は、走行用バッテリ１のプラス側にはリレー７を、マイナス側に半導体スイッチング素子１１を直列に接続している。この電源装置は、出力スイッチ２とリレー７を走行用バッテリ１と直列に接続して、走行用バッテリ１を出力スイッチ２とリレー７とで車両側負荷２０に接続している。図３の電源装置は、プラス側にリレー７を、マイナス側に半導体スイッチング素子１１を接続しているが、プラス側に半導体スイッチング素子を、マイナス側にリレーを接続することもできる。また、走行用バッテリのプラス側に半導体スイッチング素子とリレーとを直列に接続し、あるいはマイナス側に半導体スイッチング素子とリレーとを直列に接続して、走行用バッテリを車両側負荷に接続することもできる。

リレー７と半導体スイッチング素子１１を介して走行用バッテリ１を車両側負荷２０に接続する電源装置は、制御回路３で半導体スイッチング素子１１とリレー７を制御する。この制御回路３は、イグニッションスイッチ２４がオンに切り換えられたことを検出して、リレー７をオンに切り換えて、半導体スイッチング素子１１で並列コンデンサー２３をプリチャージし、その後、半導体スイッチング素子１１を導通状態に制御する。イグニッションスイッチ２４がオフに切り換えられる状態では、半導体スイッチング素子１１をオフに切り換えた後、リレー７をオフに切り換え、あるいはリレー７をオフに切り換えた後、半導体スイッチング素子１１をオフに切り換える。

出力スイッチ２を半導体スイッチング素子１１とする電源装置は、図１と図３に示すように、半導体スイッチング素子１１の両端の電圧を電圧検出回路５で検出して、走行用バッテリ１に流れる電流を検出できる。それは、走行用バッテリ１の電流によって、導通状態にある半導体スイッチング素子１１の両端の電圧が変化するからである。図２に示す特性ラインＡは、半導体スイッチング素子１１であるＦＥＴの導通状態にあるソース・ドレイン間の電圧−電流特性である。この図に示すＦＥＴに限らず、導通状態で電流が大きくなると電圧が高くなる半導体スイッチング素子１１は、電圧を検出して電流を演算できる。図２に示すように、流れる電流が増加するにしたがって電圧が高くなる特性のＦＥＴは、特性ラインＡから、電圧を検出して電流を演算できる。

半導体スイッチング素子１１に流れる電流を検出できる制御回路３は、電流が一定値を超えないように半導体スイッチング素子１１のオン抵抗を制御して、並列コンデンサー２３をプリチャージし、プリチャージした後、半導体スイッチング素子１１を導通状態に制御する。また、車両用の電源装置は、走行用バッテリ１の電流を検出し、検出する電流を積算して走行用バッテリ１の残容量を演算する。半導体スイッチング素子１１の電圧から演算される電流で、走行用バッテリ１の残容量を演算することもできる。また、走行用バッテリ１の過電流を検出して、走行用バッテリ１に過電流が流れるときに出力スイッチ２をオフにして走行用バッテリ１の過電流を遮断することもできる。

さらに、図４ないし図６に示す車両用の電源装置は、プリチャージ回路８とメインスイッチ９の並列回路で出力スイッチ２を構成する。プリチャージ回路８は、並列コンデンサー２３をプリチャージし、メインスイッチ９は並列コンデンサー２３をプリチャージした後、走行用バッテリ１を車両側負荷２０に接続する。プリチャージ回路８とメインスイッチ９は、いずれか一方、又は両方をサイリスタ１４で構成している。図４の電源装置は、プリチャージ回路８をプリチャージ抵抗１２とサイリスタ１４との直列回路で構成し、図５の電源装置は、メインスイッチ９をサイリスタ１４とし、図６の電源装置は、プリチャージ回路８をプリチャージ抵抗１２とサイリスタ１４の直列回路として、メインスイッチ９をサイリスタ１４とする。

プリチャージ抵抗１２は、並列コンデンサー２３をプリチャージするプリチャージ電流を特定する。プリチャージ抵抗１２は、たとえば電気抵抗を１０Ωの抵抗器とする。このプリチャージ回路８は、走行用バッテリ１の電圧を２００Ｖないし４００Ｖとして、プリチャージ電流のピーク値を２０Ａ〜４０Ａに制限して、並列コンデンサー２３をプリチャージする。

サイリスタ１４は、ゲートにトリガー信号を入力してオン状態に切り換えられ、その後、電流が流れる状態ではオン状態に保持され、電流が流れなくなるとオフ状態に切り換えられる。サイリスタ１４は、ＦＥＴやトランジスタのように、オン状態を保持するためにゲートに制御信号を連続して入力する必要がない。サイリスタ１４は、電流が流れなくなると自動的にオフに切り換えられる。したがって、プリチャージ回路８に使用されるサイリスタ１４は、オン状態に切り換えられて並列コンデンサー２３をプリチャージして、メインスイッチ９がオンに切り換えられて電流が流れなくなるとオフに切り換えられる。メインスイッチ９がオン状態になると、サイリスタ１４の両端の電圧が０Ｖとなって電流が流れなくなるからである。

また、メインスイッチ９に使用されるサイリスタ１４は、トリガー信号でオン状態に切り換えられても、車両側負荷２０の電流が流れなくなると自動的にオフ状態となる。車両側負荷２０は、常に電流が流れる状態になく、モーター２２に通電するときにのみ電流が流れる。しだかって、メインスイッチ９のサイリスタ１４を制御する制御回路３は、イグニッションスイッチ２４がオンに切り換えられる状態では、常に一定の周期で、たとえば１ｍｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃの周期でサイリスタ１４のゲートにトリガー信号を繰り返し入力して、走行用バッテリ１から車両側負荷２０に電力を供給できる状態とする。車両側負荷２０は、ＤＣ／ＡＣインバータ２１のスイッチング素子がオンに切り換えられるタイミングでサイリスタ１４がオン状態に切り換えられると、走行用バッテリ１から電力が供給される。ＤＣ／ＡＣインバータ２１のスイッチング素子が所定の周期でオンに切り換えられて、走行用バッテリ１から車両側負荷２０に電力が供給される状態で、サイリスタ１４はオン状態に保持されて走行用バッテリ１から車両側負荷２０に電力を供給する。イグニッションスイッチ２４がオフに切り換えられると、制御回路３はサイリスタ１４のゲートにトリガー信号を入力しないように制御する。この状態で、車両側負荷２０には電流が流れなくなっているので、サイリスタ１４はトリガー信号が入力されずにオフに切り換えられる。

メインスイッチ９のサイリスタ１４は、逆方向に電流を流すことができない。したがって、メインスイッチ９のサイリスタ１４は、図５と図６に示すように、走行用バッテリ１から車両側負荷２０に電流を供給できる方向、すなわち走行用バッテリ１を放電できる方向に接続される。このサイリスタ１４は、走行用バッテリ１を充電する方向に通電できない。図５と図６に示すメインスイッチ９は、サイリスタ１４と並列にダイオード１５を接続して、このダイオード１５で走行用バッテリ１を充電できる方向に通電している。ダイオード１５は、常に通電できる状態にあって、制御する必要はない。このため、走行用バッテリ１は、車両側負荷２０から常に充電できる状態にある。ただ、メインスイッチは、図示しないが、一対のサイリスタを逆向きに並列接続して、サイリスタでもって、走行用バッテリの放電と充電を制御することもできる。さらに、メインスイッチは、サイリスタに代わって、双方向の電流を制御できるトライアックを使用して、走行用バッテリを充放電することもできる。

プリチャージ回路８にサイリスタ１４を使用する図４の電源装置は、以下の動作をする。
（１）制御回路３は、イグニッションスイッチ２４のオンを検出して、サイリスタ１４のゲートにトリガー信号を入力してオンに切り換える。オン状態のサイリスタ１４は、プリチャージ抵抗１２を介して並列コンデンサー２３をプリチャージする。プリチャージ回路８を構成するサイリスタ１４は、トリガー信号が入力されてプリチャージを開始すると、並列コンデンサー２３のプリチャージが終了するまでオン状態に保持される。したがって、このサイリスタ１４は、繰り返しトリガー信号を入力することなく、プリチャージするまでオン状態に保持される。
（２）並列コンデンサー２３がプリチャージされると、制御回路３は、メインスイッチ９をオンに切り換えて、走行用バッテリ１を車両側負荷２０に接続する。この状態でプリチャージ回路８のサイリスタ１４はオフに切り換えられる。
制御回路３は、プリチャージ回路８のサイリスタ１４をオンに切り換えた時にカウントを開始するタイマで並列コンデンサー２３のプリチャージを検出し、あるいはプリチャージ電流を電流検出回路（図示せず）で検出して、プリチャージを検出する。
（３）イグニッションスイッチ２４がオフに切り換えられると、制御回路３はメインスイッチ９を切り換えて、走行用バッテリ１を車両側負荷２０から切り離す。

メインスイッチ９は、リレー７や半導体スイッチング素子である。リレー７のメインスイッチ９は、制御回路３でオンオフに制御される。半導体スイッチング素子のメインスイッチは、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、トランジスタ等である。半導体スイッチング素子のメインスイッチは、制御回路からゲートやベースに入力される入力信号でオンオフに制御される。

メインスイッチ９にサイリスタ１４を使用する図５の電源装置は、以下の動作をする。
（１）制御回路３は、イグニッションスイッチ２４のオンを検出して、プリチャージ回路８のプリチャージスイッチ１３であるリレーや半導体スイッチング素子をオンに切り換える。オン状態のプリチャージスイッチ１３は、プリチャージ抵抗１２を介して並列コンデンサー２３をプリチャージする。
（２）並列コンデンサー２３がプリチャージされると、制御回路３は、メインスイッチ９のサイリスタ１４のゲートにトリガー信号を入力してオンに切り換える。制御回路３は、サイリスタ１４のゲートに所定の周期でトリガー信号を入力して、サイリスタ１４をオン状態とする。オン状態のサイリスタ１４は走行用バッテリ１を車両側負荷２０に接続する。サイリスタ１４がオン状態にあるときに、あるいは車両側負荷２０のＤＣ／ＡＣインバータ２１を構成するスイッチング素子（図示せず）がオン状態にあって、モーター２２に電力を供給する状態で、サイリスタ１４がオンに切り換えられると、走行用バッテリ１から車両側負荷２０に電力が供給される。
（３）イグニッションスイッチ２４がオフに切り換えられると、制御回路３はサイリスタ１４のゲートにトリガー信号を入力しない状態として、サイリスタ１４をオフに切り換える。サイリスタ１４は、ゲートにトリガー信号が入力されない状態で、電流が流れなくなるとオフ状態になる。車両側負荷２０は、ＤＣ／ＡＣインバータ２１を構成するスイッチング素子がオフ状態に保持されて負荷電流を遮断する。この状態でサイリスタ１４のゲートにトリガー信号が入力されないと、サイリスタ１４に電流が流れなくなってオフ状態になる。

プリチャージスイッチ１３とメインスイッチ９の両方をサイリスタ１４とする図６の電源装置は、以下の動作をする。
（１）制御回路３は、イグニッションスイッチ２４のオンを検出して、プリチャージ回路８のプリチャージスイッチ１３を構成しているサイリスタ１４のゲートにトリガー信号を入力してオンに切り換える。オン状態のサイリスタ１４は、プリチャージ抵抗１２を介して並列コンデンサー２３をプリチャージする。プリチャージ回路８を構成するサイリスタ１４は、トリガー信号が入力されてプリチャージを開始すると、並列コンデンサー２３のプリチャージが終了するまでオン状態に保持される。したがって、このサイリスタ１４は、繰り返しトリガー信号を入力することなく、プリチャージするまでオン状態に保持される。
（２）並列コンデンサー２３がプリチャージされると、制御回路３は、メインスイッチ９のサイリスタ１４のゲートにトリガー信号を入力してオンに切り換える。制御回路３は、サイリスタ１４のゲートに所定の周期でトリガー信号を入力して、サイリスタ１４をオン状態とする。オン状態のサイリスタ１４は、走行用バッテリ１を車両側負荷２０に接続する。サイリスタ１４がオン状態にあるときに、あるいは車両側負荷２０のＤＣ／ＡＣインバータ２１を構成するスイッチング素子（図示せず）がオン状態にあって、モーター２２に電力を供給する状態で、サイリスタ１４がオンに切り換えられると、走行用バッテリ１から車両側負荷２０に電力が供給される。
（３）イグニッションスイッチ２４がオフに切り換えられると、制御回路３はサイリスタ１４のゲートにトリガー信号を入力しない状態として、サイリスタ１４をオフに切り換える。サイリスタ１４は、ゲートにトリガー信号が入力されない状態で、負荷電流が流れなくなるとオフ状態になる。車両側負荷２０は、ＤＣ／ＡＣインバータ２１を構成するスイッチング素子をオフ状態として、電流を遮断する。この状態でサイリスタ１４のゲートにトリガー信号が入力されないと、サイリスタ１４はオフ状態になる。

メインスイッチ９をサイリスタ１４とする車両用の電源装置は、図５と図６の破線で示すように、走行用バッテリ１と直列に電流遮断スイッチ１６を接続して、確実にオフに切り換えできる。電流遮断スイッチ１６は、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、トランジスタ等の半導体スイッチング素子、あるいはリレーである。電流遮断スイッチ１６は、制御回路３でオンオフに制御される。この電流遮断スイッチ１６は、イグニッションスイッチ２４のオン状態でオン状態に切り換えられ、イグニッションスイッチ２４がオフに切り換えられる状態でオフに切り換えられる。走行用バッテリ１と直列に電流遮断スイッチ１６を接続している電源装置は、メインスイッチ９のサイリスタ１４を確実にオフに切り換えできる。それは、車両側負荷２０のＤＣ／ＡＣインバータ２１のスイッチング素子がオン状態にあっても、負極電流を遮断して、サイリスタ１４をオフに切り換えできるからである。また、電流遮断スイッチ１６を備える電源装置は、異常時に電流遮断スイッチ１６をオフに切り換えて、走行用バッテリ１の出力を遮断して安全性を向上できる。また、メインスイッチ９のサイリスタ１４がオン状態に溶着される状態となっても、電流遮断スイッチ１６をオフに切り換えて、走行用バッテリ１を車両側負荷２０から切り離しできる。

さらに、車両用の電源装置は、図示しないが、走行用バッテリと直列にサービスプラグを接続することもできる。このサービスプラグは、たとえば、走行用バッテリを複数の電池ブロックに分割すると共に、これらの電池ブロックの接続部分に脱着自在に挿入して接続することができる。この電源装置も、車両側負荷でサイリスタをオフに切り換えできない状態となっても、サービスプラグを引き抜いてサイリスタの電流を遮断してオフに切り換えできる。さらに、メインスイッチにサイリスタを使用しない電源装置においても、走行用バッテリと直列にサービスプラグを接続することで、メンテナンス時にサービスプラグを抜いて電流を遮断することで、安全性を向上できる。

以上の電源装置は、車載用の電源装置として利用できる。この電源装置を搭載する車両としては、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、あるいはモータのみで走行する電気自動車などの電動車両が利用できる。

図７に、エンジン５５とモータ５２の両方で走行するハイブリッドカーに電源装置５０を搭載する例を示す。この図に示す車両ＨＶは、車両ＨＶを走行させるエンジン５５及び走行用のモータ５２と、モータ５２に電力を供給する電源装置５０と、電源装置５０の電池を充電する発電機５３とを備えている。電源装置５０は、ＤＣ／ＡＣインバータ５１を介してモータ５２と発電機５３に接続している。車両ＨＶは、電源装置５０の電池を充放電しながらモータ５２とエンジン５５の両方で走行する。モータ５２は、エンジン効率の悪い領域、たとえば加速時や低速走行時に駆動されて車両を走行させる。モータ５２は、電源装置５０から電力が供給されて駆動する。発電機５３は、エンジン５５で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、電源装置５０の電池を充電する。

また、図８に、モータ５２のみで走行する電気自動車に電源装置５０を搭載する例を示す。この図に示す車両ＥＶは、車両ＥＶを走行させる走行用のモータ５２と、このモータ５２に電力を供給する電源装置５０と、この電源装置５０の電池を充電する発電機５３とを備えている。モータ５２は、電源装置５０から電力が供給されて駆動する。発電機５３は、車両ＥＶを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、電源装置５０の電池を充電する。

本発明の車両用の電源装置は、電気自動車やハイブリッドカーの車載用の電源装置として好適に利用できる。また、車載用以外の電源装置としても、好適に利用できる。

１…走行用バッテリ
２…出力スイッチ
３…制御回路
４…電圧検出回路
５…電圧検出回路
６…温度検出回路
７…リレー
８…プリチャージ回路
９…メインスイッチ
１０…電池セル
１１…半導体スイッチング素子
１２…プリチャージ抵抗
１３…プリチャージスイッチ
１４…サイリスタ
１５…ダイオード
１６…電流遮断スイッチ
２０…車両側負荷
２１…ＤＣ／ＡＣインバータ
２２…モーター
２３…並列コンデンサー
２４…イグニッションスイッチ
５０…電源装置
５１…ＤＣ／ＡＣインバータ
５２…モータ
５３…発電機
５５…エンジン
ＨＶ…車両
ＥＶ…車両

Claims (10)

1. 車両を走行させる走行用バッテリと、
   並列コンデンサーを含む車両側負荷に前記走行用バッテリを接続する出力スイッチと、
   前記出力スイッチを制御する制御回路と、を備え、
   前記出力スイッチは、前記制御回路によってオン抵抗が制御される半導体スイッチング素子を含み、
   前記制御回路は、前記並列コンデンサーの電圧に応じて、前記半導体スイッチング素子のオン抵抗を制御すると共に、
   前記並列コンデンサーが第１の電圧のときのオン抵抗を、該第１の電圧よりも高い第２の電圧のときのオン抵抗よりも小さく制御することを特徴とする車両用の電源装置。
2. 前記半導体スイッチング素子(11)が、導通状態において、走行用バッテリ(1)から車両側負荷(20)に電力を供給し、かつ車両側負荷(20)から走行用バッテリ(1)に電力を供給する方向に通電できる素子である請求項１に記載される車両用の電源装置。
3. 前記制御回路(3)が、半導体スイッチング素子(11)のオン抵抗を連続的に、または段階的に変化して車両側負荷(20)の並列コンデンサー(23)をプリチャージする請求項１または２に記載される車両用の電源装置。
4. 前記制御回路(3)が、半導体スイッチング素子(11)のオン抵抗を次第に小さくして、車両側負荷(20)の並列コンデンサー(23)をプリチャージする請求項３に記載される車両用の電源装置。
5. 前記制御回路(3)が、前記並列コンデンサー(23)の電圧を検出する電圧検出回路(4)を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載される車両用の電源装置。
6. 前記制御回路(3)が、半導体スイッチング素子(11)の温度を検出する温度検出回路(6)を備え、
   前記制御回路(3)が、温度検出回路(6)が検出する検出温度の高い状態でのオン抵抗を、検出温度が低い状態でのオン抵抗よりも大きく制御して車両側負荷(20)の並列コンデンサ
   ー(23)をプリチャージする請求項１ないし５のいずれかに記載される車両用の電源装置。
7. 前記走行用バッテリ(1)の出力側に半導体スイッチング素子(11)とリレー(7)とを接続しており、前記制御回路(3)が、リレー(7)をオン状態とする状態で、半導体スイッチング素子(11)をオン状態として走行用バッテリ(1)を車両側負荷(20)に接続する請求項１ないし６のいずれかに記載される車両用の電源装置。
8. 前記半導体スイッチング素子が走行用バッテリ(1)のマイナス側に接続され、前記リレー(7)が走行用バッテリ(1)のプラス側に接続されてなる請求項７に記載される車両用の電源装置。
9. 前記半導体スイッチング素子(11)が走行用バッテリ(1)のプラス側に接続され、前記リレー(7)が走行用バッテリ(1)のマイナス側に接続されてなる請求項７に記載される車両用の電源装置。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の電源装置を搭載する車両。

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