JP5697034B2

JP5697034B2 - 車両用電源供給回路

Info

Publication number: JP5697034B2
Application number: JP2011075006A
Authority: JP
Inventors: 堤　寛; 寛堤
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Furukawa Automotive Systems Inc
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Furukawa Automotive Systems Inc
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: JP2012210110A

Description

本発明は、車両用電源供給回路に関し、特に、高電圧使用車両に搭載されたバッテリー等の電源を駆動源に接続するための電源供給回路に関する。

従来、ハイブリッド車や電気自動車等の車両においては、バッテリー等の蓄電池から駆動用モータ等の電動機に電力を供給する電源供給回路が設けられており、配電機器、駆動用モータを制御するインバータ等を介して、蓄電池から電動機に電力が供給されている。

通常、安全性の観点から、車両の駐車時には蓄電池と電動機に電力を供給する高電圧回路とが電気的に切り離されている。そして、ユーザが車両に乗車してパワースイッチがＯＮされることにより、２つのメインリレー（＋）及び（−）が共にオンとなり、高電圧回路に電源が供給される仕組みとなっている。しかし、２つのメインリレー（＋）及び（−）が共にオンとなったときには、過大な突入電流が流れてしまい、高電圧回路の故障を招くおそれがあるため、メインリレー（＋）がオンされる前に抵抗を介した充電用リレーをオンさせて突入電流を抑制するといった対策を講じている。

図６は、従来の電源供給回路の構成を示す図である。
図６の電源供給回路では、ゲート回路５９の電源をキースイッチ５１の下流に設けている。よって、走行中などの大電流を通電している場合での不用意なキーオフ操作でも、キーオフとほぼ同時にゲート回路５９の電源がなくなった後に、インバータ６１がオフされ、この後、補助リレー５５がオフされ、メインリレー５７がオフされる。本構成によれば、インバータ６１がオフしてから約１００ｍｓｅｃ後にメインリレー５７がオフするため、メインリレー５７での大電流の遮断が防止される。

図７は、他の従来の電源供給回路の構成を示す図である。
図７の電源供給回路では、電池７０の電圧がシステムメインリレー６２および高圧ケーブル６４を介して昇圧回路６６に入力される構成となっている。システムメインリレー６２は、スイッチＳ₁、およびそれに並列に接続されたスイッチＳ₂と保護抵抗Ｒ_Pとの直列回路とから構成される。システムメインリレー６２ａの投入は、過大な突入電流を防止するため、まずスイッチＳ₂を先に投入し、過度状態がある程度収束して電流が十分小さくなった後にスイッチＳ₁を投入するという手順で行われる。一方、システムメインリレー６２ｂの投入は、システムメインリレー６２ａのスイッチＳ₂の投入と同時に、スイッチＳ₃が投入されることによって行われる。昇圧回路６６は入力された電圧を昇圧してインバータ回路６８に出力し、インバータ回路６８は入力された電圧を交流電圧に変換して電動機８０に入力する。電池７０とシステムメインリレー６２との間の電流経路には電流センサ６０が設けられており、その電流測定値は異常検出部９１に入力される。異常検出部９１は、電流センサ６０が測定する電流の値が予め定められた値未満であるときには、電源供給回路に異常があるものと判断し、異常がある旨の情報を異常モード記憶部９１に記憶させる。

特開平９−３７４０４号公報特開２００６−２３０１６３号公報

しかしながら、上記従来の電源供給回路では、突入電流による高電圧回路の故障を防止することが可能となる一方、メインリレー（＋）が故障してしまうと車両が走行不能になり、車両のユーザビリティーに欠けるという問題が生じる。また、メインリレー（＋）に並設された充電用リレー及び抵抗はサイズが大きいため、電源供給回路の実装スペースを小さくすることができず、車両に搭載される機器類に対して要求される更なる省スペース化に対応することが困難となっている。

本発明の目的は、突入電流による回路故障を防止することができると共に、車両のユーザビリティーを向上し、加えて更なる省スペース化を実現することができる車両用電源供給回路を提供することにある。

上記問題を解決するために、本発明に係る車両用電源供給回路は、蓄電池からの電力を電動機に供給するための電源供給回路であって、前記蓄電池と前記電動機とを接続する第１経路に設けられた第１メインリレーと、前記蓄電池と前記電動機とを接続する第２経路に設けられた第２メインリレーと、前記第１メインリレーに並列に接続された半導体スイッチと、外部からの信号に応じて前記半導体スイッチのゲート電圧を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記第２メインリレーがオンされた状態において、前記第１メインリレーがオンされる前後に、前記半導体スイッチのオン抵抗が高くなるように、ゲート電圧を所定の低電圧に制御し、前記第１経路と前記第２経路との間の電圧を検知して、該電圧に応じた信号を前記制御部に出力する検知部を更に有し、前記制御部は、前記第１メインリレー及び前記第２メインリレーの双方がオンされている状態において、前記半導体スイッチのオン抵抗が高くなるように、ゲート電圧を所定の低電圧に維持し、前記第１経路と前記第２経路との間の電圧が所定値以下となったときに、前記半導体スイッチのオン抵抗が低くなるように、ゲート電圧を所定の高電圧にすることを特徴とする。

また、本発明に係る車両用電源供給方法は、蓄電池と電動機とを接続する第１経路に設けられた第１メインリレーと、前記蓄電池と前記電動機とを接続する第２経路に設けられた第２メインリレーと、前記第１メインリレーに並列に接続された半導体スイッチと、前記第１経路と前記第２経路との間の電圧を検知して、該電圧に応じた信号を制御部に出力する検知部とを有し、前記蓄電池からの電力を前記電動機に供給する車両用電源供給装置に適用される車両用電源供給方法であって、前記第１メインリレーがオンされる前後に、前記半導体スイッチのオン抵抗が高くなるように、ゲート電圧を所定の低電圧に制御し、前記第１メインリレー及び前記第２メインリレーの双方がオンされている状態において、前記半導体スイッチのオン抵抗が高くなるように、ゲート電圧を所定の低電圧に維持し、前記第１経路と前記第２経路との間の電圧が所定値以下となったときに、前記半導体スイッチのオン抵抗が低くなるように、ゲート電圧を所定の高電圧にする。

本発明によれば、第２メインリレーがオンされている状態において、第１メインリレーがオンされる前後に、半導体スイッチのオン抵抗が高くなるようにゲート電圧が所定の低電圧に制御されるので、第１メインリレー及び第２メインリレーの双方がオンされた時に流れる突入電流を抑制することができ、突入電流による回路の故障を防止することができる。また、第１メインリレーが故障した場合でも、半導体スイッチを介して電力を電動機に供給することができるので、車両を走行可能にすることができ、車両のユーザビリティーを向上することができる。さらに、半導体スイッチを第１メインリレーに並列に接続するので、補助リレー及び抵抗を並列接続する場合に比べて実装スペースを小さくすることができ、更なる省スペース化を実現することができる。

また、第１メインリレー及び第２メインリレーの双方がオンされている状態において、半導体スイッチのゲートへの電圧印加を停止し、第１経路と第２経路との間の電圧が所定値以下となったときに、半導体スイッチのオン抵抗が低くなるようにゲート電圧が所定の高電圧に制御されるので、当該半導体スイッチを流れる電流が抑制されることがなく、第１メインリレーの故障時にも電動機に電力を十分に供給することができる。

さらに、第１メインリレー及び第２メインリレーの双方がオンされている状態において、半導体スイッチのオン抵抗が高くなるようにゲート電圧が所定の低電圧に維持され、第１経路と第２経路との間の電圧が所定値以下となった後に、半導体スイッチのオン抵抗が低くなるようにゲート電圧が所定の高電圧に制御されるので、第１メインリレーの故障時にも、時間遅れを生じることなく電動機に定常的に電力を供給することができる。

本発明の実施形態に係る車両用電源供給回路の構成を概略的に示す図である。半導体スイッチ（ＦＥＴ）におけるゲート電圧とオン抵抗との関係を示す図である。図１における車両用電源供給回路の動作を示すタイミングチャートである。図２に示す動作の変形例を示すタイミングチャートである。図２に示す動作の他の変形例を示すタイミングチャートである。従来の電源供給回路の構成を示す図である。他の従来の電源供給回路の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る車両用電源供給回路の構成を概略的に示す図である。
図１に示すように、ハイブリッド車や電気自動車等の高電圧使用車両には、蓄電池モジュール１０と、該蓄電池モジュールにモータ制御ユニット２０を介して接続された駆動用モータ３０とを備える電力供給ユニット１が搭載されている。

蓄電池モジュール１０は、複数のバッテリーが連結して構成される蓄電池集合体１１と、該蓄電池集合体とモータ制御ユニット２０とを電気的に接続する配電部１２ａとを有している。また、モータ制御ユニット２０は、駆動用モータ３０に接続され、蓄電池モジュール１０からの直流電圧を交流電圧に変換して駆動用モータ３０に電力を供給すると共に、駆動用モータ３０の回転エネルギーを回生するインバータ２１と、インバータ２１の直流回路側の２線間に接続されたコンデンサ２２とを有している。

そして、本実施形態に係る車両用電源供給回路１２は、蓄電池集合体１１とモータ制御ユニット２０とを接続する第１経路１６と、該第１経路に設けられたメインリレー１３（第１メインリレー）と、蓄電池集合体１１とモータ制御ユニット２０とを接続する第２経路１７と、該第２経路に設けられたメインリレー１４（第２メインリレー）と、メインリレー１３に並列に接続された充電用ＦＥＴ（半導体スイッチ）１５とを備えている。本実施形態では、メインリレー１３（＋）、メインリレー１４（−）及びＦＥＴ１５が配電部１２ａ内に配設されている。メインリレー１３及びメインリレー１４は、外部からの入力信号に応じてオン動作或いはオフ動作が行われる。

ＦＥＴ１５は、例えばｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）で構成されており、ドレイン側が蓄電池集合体１１側に、ソース側がインバータ２１側となるように接続されている。ＦＥＴ１５におけるゲート電圧とオン抵抗との関係は、例えば図２のように示される。図２において、ドレイン電流値４０Ａにおいて、オン抵抗を小さくするための電圧値（高電圧値）は約１５Ｖに設定され、本高電圧値に対応するオン抵抗値は約５．５ｍΩである。また、オン抵抗を大きくするための電圧値（低電圧値）は、例えば約３．５Ｖに設定され、本低電圧値に対応するオン抵抗値は約１６ｍΩである。また、ゲートへの電圧印加の停止時（或いはＧＮＤ電圧印加時）には、通常の非導通状態となる。そして、後述する制御部からの入力信号（ゲート電圧）に応じて、ＦＥＴ１５の上記抵抗状態が切り替えられることとなる。

また、車両用電源供給回路１２は、第１経路１６と第２経路１７との間の電圧Ｖを検知して電圧Ｖに応じた電気信号を後述の制御部に出力する電圧センサ（検知部）４０と、電圧センサ４０からの入力信号に応じてＦＥＴ１５のゲート電圧を高電圧、低電圧、或いは略０Ｖに制御する制御部１８とを備えている。なお、制御部１８は、車両の不図示のパワースイッチにも接続されており、ユーザによるパワースイッチのオン動作に応じてＦＥＴ１５のゲート電圧を制御することが可能となっている。

図３は、図１における車両用電源供給回路１２の動作を示すタイミングチャートである。
図３において、ユーザによるキー操作等によりパワースイッチがオンされると、メインリレー１４がオンされ、これと同時にＦＥＴ１５のゲート側にゲート電圧として所定の低電圧が印加されて、オン抵抗が高い状態で維持される。そして、過度状態（突入電流）がある程度収束して電流が十分小さくなった後に、メインリレー１３がオン（リレーを閉じる動作）される。このような制御を行うことによって、メインリレー１３に並列接続されたＦＥＴ１５のオン抵抗が高い状態で維持されているため、ＦＥＴ１５を介して電流が流れ、これにより突入電流が抑制される。すなわち、図３の動作では、メインリレー１３，１４がオンされる前にＦＥＴ１５のオン抵抗を高い状態に維持することで、回路内に生じる突入電流を抑制している。

以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、メインリレー１４がオンされている状態において、メインリレー１３がオンされる前後にＦＥＴ１５のオン抵抗が高くなるようにゲート電圧を所定の低電圧に制御するので、メインリレー１３及びメインリレー１４の双方がオンされた時に流れる突入電流を抑制することができ、突入電流による回路の故障を防止することができる。

また、ＦＥＴ１５をメインリレー１３に並列に接続するので、補助リレー及び抵抗を並列接続する場合に比べて実装スペースを小さくすることができ、更なる省スペース化を実現することができる。

図４は、図３に示す動作の変形例を示すタイミングチャートである。本変形例では、図３に示す動作が行われた後、メインリレー１３が故障した場合の電源バックアップ動作を説明する。

図４において、過度状態（突入電流）がある程度収束して電流が十分小さくなった後、ＦＥＴ１５のゲートへの低電圧印加が停止され、ゲート電圧が略０Ｖとなる。その後、メインリレー１３が故障等によりオフ動作（リレーを開く動作）となったとき、第１経路１６と第２経路１７との間の電圧Ｖが変動する。制御部１８は、電圧センサ４０にて測定された電圧Ｖが所定値以下であるか否かを判定し、当該電圧Ｖが所定値以下であるときに、ＦＥＴ１５に対して、該ＦＥＴの動作状態を切り替える信号を出力する。

そして、制御部１８はＦＥＴ１５に所定の高電圧を印加し、ＦＥＴ１５のゲート電圧が高い状態、すなわちオン抵抗が低い状態に変更される。このとき、第１経路１６ではメインリレー１３が故障しているものの、ＦＥＴ１５を介して駆動用モータ３０へ電流が流れることとなり、またＦＥＴ１５のオン抵抗が低い状態で維持されているため、ＦＥＴ１５を流れる電流が抑制されることもない。すなわち、図４の動作では、メインリレー１３の故障が検知されたときにＦＥＴ１５のオン抵抗を低い状態に変更することで、メインリレー故障時にも駆動モータ３０に十分な電力が供給される。メインリレー１３の故障時においては電流を双方向に流すことはできず、蓄電池集合体１１を充電することはできないが、蓄電池集合体１１の残容量で駆動モータ３０を動作させることが可能である。

なお、メインリレー１３が故障した場合には、本来ならば車両は待避走行の状態となっている。待避走行とは、ＥＣＵ等が異常を検知した場合に、危険を避けることが可能な最低限の機能で走行することを示す。よって、ＦＥＴ１５として、車両の待避走行を可能とするだけの容量を有する小型のＦＥＴを選定することも可能である。また、ＦＥＴ１５として小型のＦＥＴを選定する場合には、ＦＥＴを接続する回路、すなわちメインリレー１３と並列して設けられている部分の電線を細径化することができる。

本変形例によれば、メインリレー１３及びメインリレー１４の双方がオンされている状態において、ＦＥＴ１５のゲートへの電圧印加を停止し、第１経路１６と第２経路１７との間の電圧が所定値以下となったときに、ＦＥＴ１５のオン抵抗が低くなるようにゲート電圧を所定の高電圧に制御するので、当該ＦＥＴを流れる電流が抑制されることがなく、メインリレー１３の故障時にも駆動モータ３０に電力を十分に供給することができる。

尚、本変形例では、図３に示す動作が行われた後にメインリレー１３が故障した場合の電源バックアップ動作を説明したが、これに限るものではなく、パワースイッチがオンされる前にメインリレーが故障している場合にも、図４に示す電源バックアップ動作を実行することが可能である。この場合、メインリレー１３が既に故障している状態であるため、メインリレー１３はオン動作しないこととなる。

図５は、図３に示す動作の他の変形例を示すタイミングチャートである。本変形例では、ＦＥＴ１５の動作遅れ（メインリレー１３が故障してからＦＥＴ１５をオン抵抗が小さい状態で動作させるまでの時間）を補償する動作を説明する。

図３に示す動作において、メインリレー１３が故障したことを検知した後、電圧センサ４０、制御部１８、ＦＥＴ１５のモニタリング等の各制御特性を考慮すると、メインリレー１３が故障してから少なくとも数十ｍｓ遅れてＦＥＴ１５がオン動作する。この動作遅れにより、蓄電池集合体１１の電力がインバータ２１に供給されない時間が生じ、システムが一時停止してしまう可能性がある。

そこで、図５に示すように、過度状態（突入電流）がある程度収束して電流が十分小さくなった後も、ＦＥＴ１５への低電圧印加を停止せず、ＦＥＴ１５のオン抵抗を高い状態に維持する。このとき、ＦＥＴ１５のオン抵抗が高いため、第１経路１６を流れる大部分の電流はＦＥＴ１５を介さずにメインリレー１３を介して流れる。そして、メインリレー１３が故障によりオフ動作となったとき、第１経路１６と第２経路１７との間の電圧Ｖが変動する。制御部１８は、電圧センサ４０にて測定された電圧Ｖが所定値以下であるか否かを判定し、当該電圧Ｖが所定値以下であるときに、ＦＥＴ１５に対して、該ＦＥＴの動作状態を切り替える信号を出力する。

そして、制御部１８はＦＥＴ１５に所定の高電圧を印加し、ＦＥＴ１５のゲート電圧が高い状態、すなわちオン抵抗が低い状態に変更される。すなわち、図５の動作では、突入電流が終了した後もＦＥＴ１５のオン抵抗を高い状態に維持しておき、メインリレー１３の故障が検知されたときにＦＥＴ１５のオン抵抗を低い状態に変更することで、メインリレー故障時にも動作遅れを生じることなく駆動モータ３０に定常的に電力が供給される。

なお、上述したように、メインリレー１３の故障時においては電流を双方向に流すことはできないが、図５に示す補償動作は、主に通常走行から待避走行に切り換わる際に電動機に定常的に電力を供給できる点で有利である。

図５の変形例によれば、メインリレー１３及びメインリレー１４の双方がオンされている状態において、ＦＥＴ１５のオン抵抗が高くなるようにゲート電圧を所定の低電圧に維持し、第１経路１６と第２経路１７との間の電圧Ｖが所定値以下となったときに、ＦＥＴ１５のオン抵抗が低くなるようにゲート電圧を所定の高電圧に制御するので、メインリレー１３が故障した場合であっても時間遅れを生じることなく駆動モータ３０に定常的に電力を供給することができる。

尚、本変形例では、図３に示す動作が行われた後にメインリレー１３が故障した場合の補償動作を説明したが、図４と同様に、パワースイッチがオンされる前にメインリレーが既に故障している場合にも、図５に示す補償動作を実行することが可能である。

また、本実施形態は、本発明に係る車両用電源供給回路の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における車両用電源供給回路の細部構成に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１電力供給ユニット
１０蓄電池モジュール
１１蓄電池集合体
１２車両用電源供給回路
１２ａ配電部
１３，１４メインリレー
１５ＦＥＴ
１６第１経路
１７第２経路
１８制御部
２０モータ制御ユニット
２１インバータ
２２コンデンサ
３０駆動用モータ
４０電圧センサ

Claims

蓄電池からの電力を電動機に供給するための車両用電源供給回路であって、
前記蓄電池と前記電動機とを接続する第１経路に設けられた第１メインリレーと、
前記蓄電池と前記電動機とを接続する第２経路に設けられた第２メインリレーと、
前記第１メインリレーに並列に接続された半導体スイッチと、
外部からの信号に応じて前記半導体スイッチのゲート電圧を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記第２メインリレーがオンされている状態において、前記第１メインリレーがオンされる前後に、前記半導体スイッチのオン抵抗が高くなるように、ゲート電圧を所定の低電圧に制御し、
前記第１経路と前記第２経路との間の電圧を検知して、該電圧に応じた信号を前記制御部に出力する検知部を更に有し、
前記制御部は、
前記第１メインリレー及び前記第２メインリレーの双方がオンされている状態において、前記半導体スイッチのオン抵抗が高くなるように、ゲート電圧を所定の低電圧に維持し、
前記第１経路と前記第２経路との間の電圧が所定値以下となったときに、前記半導体スイッチのオン抵抗が低くなるように、ゲート電圧を所定の高電圧にすることを特徴とする車両用電源供給回路。
蓄電池と電動機とを接続する第１経路に設けられた第１メインリレーと、前記蓄電池と前記電動機とを接続する第２経路に設けられた第２メインリレーと、前記第１メインリレーに並列に接続された半導体スイッチと、前記第１経路と前記第２経路との間の電圧を検知して、該電圧に応じた信号を制御部に出力する検知部とを有し、前記蓄電池からの電力を前記電動機に供給する車両用電源供給装置に適用される車両用電源供給方法であって、
前記第１メインリレー及び前記第２メインリレーの双方がオンされる前後に、前記半導体スイッチのオン抵抗が高くなるように、ゲート電圧を所定の低電圧に制御し、
前記第１メインリレー及び前記第２メインリレーの双方がオンされている状態において、前記半導体スイッチのオン抵抗が高くなるように、ゲート電圧を所定の低電圧に維持し、
前記第１経路と前記第２経路との間の電圧が所定値以下となったときに、前記半導体スイッチのオン抵抗が低くなるように、ゲート電圧を所定の高電圧にすることを特徴とする車両用電源供給方法。