JP6442444B2 - 蓄電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車両のバッテリ回路から供給される電力を蓄電可能な蓄電素子を備えた蓄電装置に関する。
推進力を発生するための駆動源としてエンジンと電気モータとを備えるハイブリッド車や、電気自動車のような車両においては、車体上に搭載した高圧のメインバッテリ等を充電し、メインバッテリ等から供給される電気エネルギーを用いて推進力を発生する。また、車両の推進力を発生するための電気エネルギーを生成するメインバッテリ等の電源回路においては、損失を低減するために例えば200[V]程度の高電圧を扱うように構成される場合が多い。
また、高電圧を扱う車両においては、漏電により乗員等が感電するのを防止する必要があるので、一般的には高圧回路は車体等のアース(グランド)に対して電気絶縁された状態になっている。つまり、乗員が車体に触れても感電する危険はない。しかし、例えば劣化、故障、湿度など環境の変化、車両の衝突などを原因として、高圧回路とアースとの間の絶縁抵抗が低下する可能性がある。そして、絶縁抵抗が低下すると乗員等が感電する虞がある。
したがって、高電圧を扱う車両においては、定期的に、或いは常時、高圧回路とアースとの間の絶縁抵抗を検査する必要がある。このような目的のために、絶縁状態検出装置が用いられる。
例えば、特許文献1〜特許文献3に示された絶縁状態検出装置においては、フライングキャパシタと呼ばれるコンデンサを利用し、フライングキャパシタの充放電サイクルを繰り返しながら電圧の計測を行い、計測した電圧に基づき地絡抵抗を検出している。このような計測装置においては、フライングキャパシタを充電した後で電圧の計測を行い、更にフライングキャパシタに蓄積された電荷を放電する。この放電は、次回の計測サイクルで正しく計測を行うために不可欠な動作である。
特開2013−205082号公報 特開2014−126382号公報 特開2014−149193号公報
ところで、このような従来の絶縁状態検出装置等の車載装置には、充放電サイクルの実行や各種計測装置における計測を実行するための制御装置が備えられており、この制御装置に一般的には12[V]の低圧バッテリから電源電力を供給するための低圧回路が必要となる。しかしながら、低圧バッテリは一般にメインバッテリから離れた位置に設置されているため、低圧バッテリからメインバッテリの近傍に設置されている制御装置まで低圧回路が引き回されることになる。そのため、メインバッテリの周辺では低圧回路と高圧回路とが混在して配線されることになるが、高圧回路と低圧回路との混在はその電圧差から好ましくなく、高圧回路と低圧回路とを分離することが望まれる。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、それ自身の制御動作のために低圧回路からの電源電力供給を必要とせず、メインバッテリ周辺で高圧回路と低圧回路とを分離できる蓄電装置を提供することにある。
前述した目的を達成するために、本発明に係る蓄電装置は、下記(1)〜(5)を特徴としている。
(1) 車両のバッテリ回路から供給される電力を蓄電可能な蓄電素子と、
前記バッテリ回路と前記蓄電素子とを接続状態と切断状態との間で切替え可能な第1の磁気スイッチ回路と、
前記蓄電素子と外部の低圧回路とを接続状態と切断状態との間で切替え可能な第2の磁気スイッチ回路と、
を備え、
記バッテリ回路と電気的に接続された高圧導電路を流れる電流により磁界が生成された場合に、前記第2の磁気スイッチ回路が前記切断状態となり、かつ、前記第1の磁気スイッチ回路が前記接続状態となる
ことを特徴とする蓄電装置。
(2) 車両のバッテリ回路から供給される電力を蓄電可能な蓄電素子と、
前記バッテリ回路と前記蓄電素子とを接続状態と切断状態との間で切替え可能な第1の磁気スイッチ回路と、
前記蓄電素子と外部の低圧回路とを接続状態と切断状態との間で切替え可能な第2の磁気スイッチ回路と、
を備え、
前記第1の磁気スイッチ回路と前記第2の磁気スイッチ回路とは、一方が前記接続状態の場合に他方が前記切断状態であり、前記バッテリ回路と電気的に接続された高圧導電路を流れる電流により生成された磁界に基づいて前記接続状態と前記切断状態とが入れ替わる、
ことを特徴とする蓄電装置。
(3) 前記バッテリ回路に流入する向きの電流により生成された磁界の場合には前記第1の磁気スイッチ回路が接続状態となり、かつ、前記第2の磁気スイッチ回路が切断状態となり、
前記バッテリ回路から流出する向きの電流により生成された磁界の場合には前記第1の磁気スイッチ回路が切断状態となり、かつ、前記第2の磁気スイッチ回路が接続状態となる、
ことを特徴とする上記(2)に記載の蓄電装置。
(4) 前記第1および第2の磁気スイッチ回路の近傍に配置され、前記第1および第2の磁気スイッチ回路に対して所定の直流磁界を与える磁界生成部材を備え、
前記第1および第2の磁気スイッチ回路は、前記磁界生成部材が生成する直流磁界の影響の大きさに応じて、前記接続状態と前記切断状態とが入れ替わる、
ことを特徴とする上記(2)又は(3)に記載の蓄電装置。
(5) 前記外部の低圧回路は、前記バッテリ回路に関する状態を検出するための検出回路の一部を構成し、前記蓄電素子は、前記検出回路と接続され、
前記蓄電素子に蓄電された電力が、前記検出回路の駆動に用いられる、
ことを特徴とする上記(2)乃至(4)のいずれかに記載の蓄電装置。
上記(1)の構成の蓄電装置によれば、バッテリ回路と蓄電素子とが接続状態となるよう磁気スイッチ回路を切り替えることで、高圧導電路から蓄電素子に電荷を取り込み蓄電することができる。更に、磁気スイッチ回路の状態は、高圧導電路を流れる電流による磁界により制御される。この場合、電源電力を供給することなく磁気スイッチ回路を動作させることができる。
上記(2)の構成の蓄電装置によれば、バッテリ回路と蓄電素子とが接続状態となり、蓄電素子と外部の低圧回路が切断状態になるよう第1および第2の磁気スイッチ回路を切り替えることで、高圧導電路から蓄電素子に電荷を取り込み蓄電することができる。また、バッテリ回路と蓄電素子とが切断状態となり、蓄電素子と外部の低圧回路が接続状態となるよう第1および第2の磁気スイッチ回路を切り替えた時には、蓄電素子が蓄電した電力を低圧回路に供給することが可能である。更に、第1および第2の磁気スイッチ回路の状態は、高圧導電路を流れる電流による磁界により制御される。この場合、電源電力を供給することなく磁気スイッチ回路を動作させることができる。
上記(3)の構成の蓄電装置によれば、バッテリ回路が充電される方向の電流が流れているか否かに応じて、磁界生成部材の位置を切り替えて、第1および第2の磁気スイッチ回路の状態を切り替えることができる。
上記(4)の構成の蓄電装置によれば、磁界生成部材が発生する直流磁界の影響の大きさに応じて、第1および第2の磁気スイッチ回路の状態を切り替えることができる。したがって、例えば、第1および第2の磁気スイッチ回路の接続状態と切断状態とを、高圧導電路を流れる電流による磁界と磁界生成部材の磁界との合成磁界により切り替えたり、磁界生成部材の位置に応じて切り替えることができる。
上記(5)の構成の蓄電装置によれば、検出回路を用いて、バッテリ回路の動作状態を検知できる。また、検出回路が動作するために必要な電源電力を、蓄電素子が蓄電した電力に基づいて生成できるので、蓄積した電力を有効に活用できる。
本発明の蓄電装置によれば、それ自身の制御動作のために低圧回路からの電源電力供給を必要とせず、メインバッテリ周辺で高圧回路と低圧回路とを分離できる蓄電装置を提供することができる。
以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態(以下、「実施形態」という。)を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。
図1は、本発明の実施形態における蓄電装置を含むシステムの主要構成要素を示す電気回路図である。 図2は、リードスイッチSW1の近傍の構成例(1)を示す正面図である。 図3は、リードスイッチSW1の近傍の構成例(2)を示す正面図である。 図4は、リードスイッチSW1の近傍の構成例(3)を示す正面図である。
本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。
まず、全体の構成および動作の概要について説明する。
本発明の実施形態における蓄電装置を含むシステムの主要構成要素を図1に示す。図1に示したシステムは、車両上で地絡抵抗を検出するために用いられる地絡計測回路(検出回路)10と、地絡計測回路10等の車載装置が動作するために必要な電源電力を生成する周辺回路とを含んでいる。この周辺回路には、蓄電装置70が含まれている。
なお、図1に示した例では地絡抵抗を計測する地絡計測回路10が必要とする電源電力を生成するために蓄電装置70を利用する場合を想定しているが、電圧計測装置やその他の車載装置が必要とする電源電力を生成するために、蓄電装置70を利用しても良い。
図1に示した地絡計測回路10は、例えば電気自動車、あるいは推進力を発生する駆動源としてエンジンおよび電気モータを備えたハイブリッド自動車のような車両に搭載して使用することができる。メインバッテリとして機能する車載直流高圧電源50は、例えば200V程度の高電圧の直流電力を出力する。車載直流高圧電源50が出力する電力により、車両の推進力を発生する電気モータMOTを駆動することができる。
車載直流高圧電源50は、例えばリチウムイオン電池のように充電可能なバッテリにより構成されており、例えば100〜200[V]程度の高電圧の電力を蓄積できる。そして、車載直流高圧電源50は必要に応じて、車両の推進力を発生する電気モータMOTに接続されたインバータ装置や、各負荷に対して直流電力を供給することができる。
なお、車載直流高圧電源50は、発電機として動作可能な電気モータMOTに対しコンバータ機能を有するインバータ装置を介して接続したり、外部設備に接続することができる。発電機は、例えばエンジンの駆動力や、車両減速時の余剰な運動エネルギーを電気エネルギーに変換して回収する。また、外部設備は、車両を駐車する場所に設置される車両専用の充電設備であり、着脱自在な外部接続ケーブルを介して、充電が必要なときに車載直流高圧電源50に接続される。
一方、車載直流高圧電源50の出力の正極側電源ライン111と接地電極との間は電気的に絶縁されている。また、負極側電源ライン112と接地電極との間も電気的に絶縁されている。接地電極は、車両の車体などのアース部分に相当する。ここで、正極側電源ライン111と接地電極との間の絶縁状態を地絡抵抗RLpとして表すことができる。また、負極側電源ライン112と接地電極との間の絶縁状態を地絡抵抗RLnとして表すことができる。
図1に示した地絡計測回路10を車両に搭載することにより、必要に応じていつでも車両の絶縁状態を監視することができる。すなわち、車載直流高圧電源50の出力における地絡抵抗RLp、RLnを検出し絶縁状態を把握するために地絡計測回路10を利用することができる。
したがって、図1に示すように、地絡計測回路10の正極側入力端子13及び負極側入力端子14をそれぞれ正極側電源ライン111及び負極側電源ライン112と接続してある。
地絡計測回路10の計測結果や警報の情報を出力するために、図1に示すように出力端子21が設けてある。この出力端子21は、例えば車両側の電子制御装置(ECU)と接続することができる。
図1に示したシステムにおいては、地絡計測回路10が動作するために必要なロジック系直流電源電圧Vccを生成するために、電源ユニット30が設けてある。電源ユニット30の入力に設けられたダイオードD22は、蓄電装置70の出力と接続されている。ダイオードD22は、電流の逆流を防止する機能を有している。
電源ユニット30内のコンデンサ31は、一端がダイオードD22のカソード端子、およびレギュレータ32の入力端子32aと接続され、他端がアースに接続されている。このコンデンサ31は、ダイオードD22を経由して供給される電荷を電源電力として利用できるように蓄積する。レギュレータ32は、入力される電力に基づいて安定した直流電圧を生成するための電圧調整機能を有しており、各種ロジック回路が電源電力として必要とする所定のロジック系直流電源電圧Vccを出力端子32bに出力する。具体例としては、+5[V]、あるいは+3.3[V]程度の直流電圧を、ロジック系直流電源電圧Vccとして出力する。
次に、蓄電装置70の構成例について説明する。
図1に示す蓄電装置70には、抵抗器R03、R04、リードスイッチSW1、SW2、蓄電デバイス(蓄電素子)Cs、およびツェナーダイオードZD1が備わっている。
蓄電デバイスCsについては、比較的大きな電力を蓄電できるように、例えば大容量スーパーキャパシタや電気二重層キャパシタが用いられる。勿論、キャパシタ型のデバイスに限らず、二次電池を蓄電デバイスCsとして用いることもできる。
リードスイッチSW1の近傍の構成例(1)を図2に示す。なお、リードスイッチSW2の構成についても図2と同様である。リードスイッチSW1、SW2は、磁気スイッチ回路を構成している。リードスイッチSW1およびSW2の各々は、図1および図2に示すように、「c接点」形式の切替接点を有している。つまり、リードスイッチSW1は常開型の接点SW1aと、常閉型の接点SW1bとを有し、リードスイッチSW2は常開型の接点SW2aと、常閉型の接点SW2bとを有している。また、本実施形態においては、リードスイッチSW1、SW2の接点SW1a、SW2a側が第1の磁気スイッチ回路を構成し、リードスイッチSW1、SW2の接点SW1b、SW2b側が第2の磁気スイッチ回路を構成している。
リードスイッチSW1がオフの時には、接点SW1aが開き、接点SW1bが閉じた状態になる。そして、リードスイッチSW1がオンに切り替わると、接点SW1bが開いた後で接点SW1aが閉じる。また、リードスイッチSW1がオフに切り替わると、接点SW1aが開いた後で接点SW1bが閉じる。したがって、2つの接点SW1a、SW1bが同時に閉じる状態は生じない。
同様に、リードスイッチSW2がオフの時には、接点SW2aが開き、接点SW2bが閉じた状態になる。そして、リードスイッチSW2がオンに切り替わると、接点SW2bが開いた後で接点SW2aが閉じる。また、リードスイッチSW2がオフに切り替わると、接点SW2aが開いた後で接点SW2bが閉じる。したがって、2つの接点SW2a、SW2bが同時に閉じる状態は生じない。
リードスイッチSW1の接点SW1aと接続された常開側端子T1_NOは、抵抗器R03、および高圧入力側線路71を経由して、正極側入力端子13と接続されている。また、リードスイッチSW2の接点SW2aの端子は抵抗器R04、および高圧入力側線路72を経由して、負極側入力端子14と接続されている。
また、接点SW1a、SW1bに共通の共通端子76(T1_COM)と、接点SW2a、SW2bに共通の共通端子77との間に、蓄電デバイスCsが接続してある。また、蓄電デバイスCsと並列に、ツェナーダイオードZD1が接続してある。ツェナーダイオードZD1は、蓄電デバイスCsの耐圧保護のために設けてある。
また、リードスイッチSW1の接点SW1bと接続された常閉側端子T1_NCは、出力側線路74を経由して、電源ユニット30のダイオードD22側の入力と接続されている。接点SW2bの端子は、出力側線路75を経由して接地電極15と接続されている。
蓄電装置70内のリードスイッチSW1およびSW2の各々は、図2に示すように高圧バスバー(高圧導電路)73に近接した位置に配置されている。すなわち、高圧バスバー73が発生する直流磁場の有無の影響を受けてリードスイッチSW1およびSW2のオンオフが切り替わるように構成されている。
図2に示した例では、電流の向き73aとして示すように、この図の紙面に対して垂直な方向の軸に沿って配置された高圧バスバー73に上から下に向かう方向の電流を充電電流として流す場合を想定している。したがって、この充電電流により、高圧バスバー73の周囲に磁界が発生し、矢印で示す方向の磁束B1が発生する。また、この磁束B1が近傍に配置されたリードスイッチSW1に鎖交するので、リードスイッチSW1のリードが磁化され、磁気吸引力によりリード可動部SW1xが弾性変形して、接点SW1a、SW1bの状態が切り替わる。
また、高圧バスバー73の通電が停止すると、高圧バスバー73の周囲の磁界および磁束B1が消滅するので、リードスイッチSW1の磁化が解除され、リードの弾性により接点SW1a、SW1bが定常状態に戻る。リードスイッチSW2についても同様である。
高圧バスバー73は、例えば図1に示した電気モータMOTと車載直流高圧電源50とを接続する正極側電源ラインの一部として設置される。そのため、車載直流高圧電源50を充電する時、つまり発電機として機能している電気モータMOTまたは外部設備から供給される電力が利用できる時には高圧バスバー73に直流電流が流れる。
したがって、高圧バスバー73の発生する直流磁場の影響によりリードスイッチSW1およびSW2の各々が自動的にオンに切り替わる。この場合は、接点SW1bおよびSW2bが開き、その後で接点SW1aおよびSW2aが閉じる。そのため、電力を蓄電デバイスCsに供給するための電流経路が接点SW1aおよびSW2aの閉により形成される。そして、蓄電デバイスCsは供給される電力を蓄電する。
また、車載直流高圧電源50の充電が終了すると、高圧バスバー73に電流が流れなくなるため、高圧バスバー73から発生する直流磁場がなくなり、リードスイッチSW1およびSW2の各々が自動的にオフに切り替わる。この場合は、接点SW1aおよびSW2aが開き、その後で接点SW1bおよびSW2bが閉じる。そのため、蓄電デバイスCsは入力側の高圧回路から遮断され、出力側線路74および75により出力側の回路、つまり電源ユニット30と接続される。この状態で、電源ユニット30は蓄電デバイスCsが蓄電している電力をダイオードD22を経由して取り込むことができる。
蓄電装置70において重要な事項の1つは、低圧回路に利用する電力を低圧電源を用いずに高圧回路から取り込んで蓄電デバイスCsに蓄電することである。また、重要な事項のもう1つは、蓄電デバイスCsの入力側の高圧回路と、出力側の低圧回路とを電気的に分離することである。そして、蓄電装置70に設けたリードスイッチSW1およびSW2がこれらの目的を実現する。
つまり、リードスイッチSW1の接点SW1a、SW1bが高圧入力側線路71と出力側線路74との間を分離し、リードスイッチSW2の接点SW2a、SW2bが高圧入力側線路72と出力側線路75との間を分離する。しかも、リードスイッチSW1およびSW2のオンオフの切替は、高圧バスバー73が発生する磁場の有無により機械的に自動的に行われるので、特別な制御回路を設ける必要がない。このため、制御回路に低圧電力を供給するための低圧回路を12Vの低圧バッテリから車載直流高圧電源50や高圧バスバー73の近傍まで引き回す必要がなくなり、高圧回路と低圧回路とを分離できる。また、制御のための特別な電源電力も必要としない。
<蓄電装置70の変形例(1)>
リードスイッチSW1の近傍の構成例(2)を図3に示す。なお、リードスイッチSW2の構成についても図3と同様である。
図2に示した構成においては、リードスイッチSW1、SW2のオンオフは、高圧バスバー73を流れる電流の有無によって切り替わるので、電流の方向の違いを反映した制御はできない。したがって、例えばバッテリに流れ込む方向の充電電流とバッテリから流出する方向の放電電流とが共存する経路については、蓄電装置70が使用する高圧バスバー73の経路として利用できない。
図3に示した変形例(1)の構成の蓄電装置70においては、電流の方向の違いを反映した動作を可能とする機能が含まれている。これにより、バッテリに流れ込む方向の充電電流とバッテリから流出する方向の放電電流とが共存する経路に高圧バスバー73を配置した場合であっても、例えばバッテリに電流が流れ込む、つまりバッテリを外部給電または回生電力により充電しているときのみ、接点SW1a、SW2aをONにして、蓄電デバイスCsを充電して電荷を取り込むことが可能になる。
すなわち、図3に示した構成においては、永久磁石(磁界生成部材)78が追加された点が図2の構成とは異なっている。この永久磁石78は、図3に示したようにリードスイッチSW1の近傍に配置されている。そして、永久磁石78が発生する直流磁界により、磁束B2がリードスイッチSW1に鎖交する。なお、2つのリードスイッチSW1、SW2を互いに近い位置に配置してある場合には、単一の永久磁石78を2つのリードスイッチSW1、SW2で共通に利用できる。
また、図3に示した構成においても、高圧バスバー73に電流が流れる時には、この電流により直流磁界が発生し、磁束B1がリードスイッチSW1に鎖交する。したがって、図3に示した構成では、リードスイッチSW1は、永久磁石78の直流磁界と、高圧バスバー73を流れる電流による直流磁界との合成磁界の影響を受けることになる。
例えば、図3に示した例では、リードスイッチSW1の近傍で、磁束B1の向きと磁束B2の向きとが同じになるので、これらが加算されて合成磁界は増大する。一方、電流の向き73aと反対方向の電流、すなわち放電電流が高圧バスバー73に流れる場合には、磁束B1の向きが図3に示した状態と逆方向になり、リードスイッチSW1の近傍で、磁束B1の向きと磁束B2の向きとが反対になり、これらの磁界が互いに打ち消しあって合成磁界は減少する。
つまり、リードスイッチSW1が影響を受ける合成磁界の大きさは、高圧バスバー73における通電の有無に応じて変化するだけでなく、通電方向の違いに対しても変化する。そのため、リードスイッチSW1のオンオフが切り替わる動作の条件に、高圧バスバー73における通電方向の違いを反映させることが可能になる。例えば、バッテリが充電される方向に所定以上の電流が高圧バスバー73を流れた時にはリードスイッチSW1がオンに切り替わり、バッテリが放電する方向の電流が高圧バスバー73を流れた時にはリードスイッチSW1がオフの状態を維持するように動作させることもできる。
実際の蓄電装置70においては、例えば採用する永久磁石78の特性の違いや、永久磁石78とリードスイッチSW1との距離の調整により、以下に示す(1)、(2)の2種類の条件のいずれかに従い蓄電装置70が動作するように設計することができる。
(1)永久磁石78の発生する磁界が比較的小さい場合には、永久磁石78の磁界だけではリードスイッチSW1をオンにできない。したがって、高圧バスバー73の通電状態の違いに応じてリードスイッチSW1は以下に示すように動作する。
無通電時:SW1がオフになる。
順方向通電時(充電時):磁束B1、B2の加算による合成磁界の増大によりリードスイッチSW1がオンになる。
逆方向通電時(放電時):磁束B1、B2の打ち消しによる合成磁界の減少によりリードスイッチSW1がオフになる。
(2)永久磁石78の発生する磁界が十分に大きい場合には、永久磁石78の磁界だけでリードスイッチSW1をオンにできる。したがって、高圧バスバー73の通電状態の違いに応じてリードスイッチSW1は以下に示すように動作する。
無通電時:SW1がオンになる。
順方向通電時(充電時):磁束B1、B2の加算による合成磁界の増大によりリードスイッチSW1がオンになる。
逆方向通電時(放電時):磁束B1、B2の打ち消しによる合成磁界の減少によりリードスイッチSW1がオフになる。
つまり、上記(1)、(2)のいずれの条件で動作する場合であっても、高圧バスバー73に流れる電流の方向の違いに応じてリードスイッチSW1のオンオフを切り替えることができる。すなわち、永久磁石78が発生する直流磁界の影響により、特定の方向にバイアスが加わるため、高圧バスバー73に流れる電流の方向の違いをリードスイッチSW1の動作に反映することができる。
<蓄電装置70の変形例(2)>
リードスイッチSW1の近傍の構成例(3)を図4に示す。
図4に示した変形例(2)の構成の蓄電装置70においても、電流の方向の違いを反映した動作を可能とする機能が含まれている。これにより、バッテリに流れ込む方向の充電電流とバッテリから流出する方向の放電電流とが共存する経路に高圧バスバー73を配置した場合であっても、電流がバッテリに流れ込んでいる時のみ、リードスイッチSW1、SW2を切り替えて電力を回収し蓄電することが可能になる。
図4に示した構成においては、高圧バスバー73に可動部81が設けてある。また、この可動部81にはZ方向に移動可能な状態で支持部材82に支持された永久磁石83が備わっている。なお、高圧バスバー73が非通電の状態においては、図示しない弾性部材の力により特定の位置に永久磁石83が位置決めされる。高圧バスバー73にはY方向又はその反対方向に電流が流れる。永久磁石83はY方向と直交するX方向の直流磁界を発生する。リードスイッチSW1、SW2は、永久磁石83の近傍にこれらと対向するように配置してある。
したがって、高圧バスバー73にY方向に向かう電流が流れると、フレミングの左手の法則に従い、Y方向およびX方向とそれぞれ直交するZ方向の力が発生する。この力により永久磁石83の位置がZ方向に移動する。また、Z方向の移動により、永久磁石83とリードスイッチSW1、SW2との距離が変化するので、リードスイッチSW1、SW2が影響を受ける磁界の強さが変化する。
また、高圧バスバー73に流れる電流の方向が逆になると、永久磁石83がZ方向と反対の方向に移動する。つまり、永久磁石83の位置は、高圧バスバー73の通電の有無と、通電方向の違いに応じて変化し、この変化に伴ってリードスイッチSW1、SW2が影響を受ける磁界の強さも変化する。
図4に示したリードスイッチSW1およびSW2の各々は、永久磁石83が接近した位置に移動するとオンになり、離間した位置に戻るとオフになる。したがって、例えばバッテリを充電する方向の充電電流が高圧バスバー73を流れる時には、永久磁石83がリードスイッチSW1、SW2に接近し、リードスイッチSW1、SW2がオンになり、高圧回路から供給される電力が蓄電装置70内の蓄電デバイスCsに蓄電される。また、バッテリから放電する方向の放電電流が高圧バスバー73を流れる時には、永久磁石83がリードスイッチSW1、SW2から離間して、リードスイッチSW1、SW2がオフになるので、蓄電デバイスCsは高圧回路から分離される。
図4に示した構成を利用する場合には、高圧バスバー73を流れる電流による直流磁界が比較的小さい場合であっても、永久磁石83が発生する直流磁界と、永久磁石83の位置の変化とによって、リードスイッチSW1、SW2を確実に動作させることが可能になる。
次に、地絡計測回路10の構成例について説明する。
図1に示すように、地絡計測回路10の内部にはフライングキャパシタとして動作する検出用コンデンサC1が設けてある。
また、検出用コンデンサC1の充電及び放電を制御するために、その周辺に4つのスイッチング素子S1〜S4が設けてある。更に、計測用の電圧をサンプリングするためにスイッチング素子Saが設けてある。これらのスイッチング素子S1〜S4,Saの各々は、例えば光MOSFETのように、絶縁された信号の制御によって接点の開閉(導通のオフ/オン)状態を切替可能なスイッチである。
スイッチング素子S1は、一端が抵抗器R01を介して正極側入力端子13と接続され、他端が配線41と接続されている。スイッチング素子S2は、一端が抵抗器R02を介して負極側入力端子14と接続され、他端が抵抗器R2を介して配線42と接続されている。
スイッチング素子S3は、一端が配線43と接続され、他端が配線45と接続されている。スイッチング素子S4は、一端が配線42と接続され、他端が抵抗器R4を介して接地電極15と接続されている。
検出用コンデンサC1は、負極側端子が配線42と接続されている。検出用コンデンサC1の正極側端子は、ダイオードD1及び抵抗器R1で構成される直列回路を介して配線41と接続されている。また、検出用コンデンサC1の正極側端子は、ダイオードD3及び抵抗器R5で構成される直列回路を介して配線43と接続され、更にダイオードD2を介して配線43と接続されている。ダイオードD2は配線43から配線44に向かう方向の通電を許可する極性で接続され、ダイオードD3は配線44から配線43に向かう方向の通電を許可する極性で接続されている。
なお、検出用コンデンサC1に蓄積された電荷を放電するために、配線44を図示しない特別なスイッチおよび抵抗器を介して接地しても良い。しかし、抵抗器R3、R4、R5に比較的抵抗値の小さい部品を使用することにより、そのような特別な放電回路は省略できる。
マイクロコンピュータ(CPU)11は、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、地絡計測回路10に必要とされる各種制御を実行する。具体的には、マイクロコンピュータ11は、スイッチング素子S1〜S4を個別に制御して検出用コンデンサC1の充電及び放電を制御する。また、マイクロコンピュータ11は検出用コンデンサC1の充電電圧に相当するアナログレベルを、配線46を介してアナログポートAD1から入力し、この入力レベルに基づいて計算を行い、地絡抵抗RLp及びRLnを把握する。
配線45と配線46との間にスイッチング素子Saが接続されている。このスイッチング素子Saは、ある計測タイミングで短時間だけ閉じて、配線45に現れる信号をサンプリングする。つまり、計測対象の電圧レベルを、マイクロコンピュータ11の入力に接続されているコンデンサ22に保持する。
また、蓄電装置70の蓄電デバイスCsから出力側線路74およびダイオードD22を経由して電力を供給することにより、電源ユニット30が必要とする電力を確保できる。また、ダイオードD22が逆方向の電流を阻止するので、コンデンサ31に蓄積された電荷が逆流して放電するのを防止できる。
図1に示したシステムにおいては、電源ユニット30が出力端子32bに出力するロジック系直流電源電圧Vccは、地絡計測回路10内のマイクロコンピュータ11等のロジック回路に電源電力として供給される。したがって、蓄電された蓄電デバイスCsの電荷を、電源ユニット30で取り込んで地絡計測回路10側に電源として供給することができる。
なお、地絡計測回路10における基本的な動作および地絡抵抗の計測原理については、特許文献1〜特許文献3などに開示されている従来技術と同様であるのでこれらの説明は省略する。
<蓄電装置70の利点>
図1に示した蓄電装置70は、車載直流高圧電源50に対して充電電流が流れているような場合に、これを自動的に検知して電力を取り込み、蓄電デバイスCsに蓄電することができる。しかも、高圧回路と低圧回路とを分離する切替回路にリードスイッチSW1、SW2を用いているので、特別な電力消費を伴うことなく自動的な切替動作を実現できる。また、光MOSFETのような高価なスイッチングデバイスを用いる必要もない。
また、図3に示した構成、または図4に示した構成を採用する場合には、特定方向に向かう充電電流が高圧バスバー73に流れる時だけリードスイッチSW1、SW2を自動的にオンに切り替えて電力の蓄電動作を行うことができる。そのため、充電電流と放電電流とが混在する経路に配置された高圧バスバー73であっても、電流の検出に利用できる。
なお、図1に示した地絡計測回路10と同じように、フライングキャパシタである検出用コンデンサC1を利用して、電源電圧を計測する装置を構成することもできる。このような装置を利用する場合にも、図1の地絡計測回路10と同じようなシステムを構成することができる。
なお、図1に示した蓄電装置70においては「c接点」形式のリードスイッチSW1、SW2を採用しているが、接点SW1a、SW1b、SW2a、およびSW2bをそれぞれ独立したリードスイッチで構成してもよい。但し、高圧回路と低圧回路とを分離するために、2つの接点SW1aおよびSW1bが同時に閉にならないように十分に配慮する必要がある。接点SW2aおよびSW2bについても同様である。
なお、図3に示した構成において、高圧バスバー73、リードスイッチSW1、永久磁石78の相互の位置関係、永久磁石78の磁極の向き、磁束B1、B2の向き等については、必要に応じて変更することができる。また、図4に示した構成についても、高圧バスバー73の電流の向き73aと永久磁石83の磁界の向きとの関係を変更することができる。
また、電源ユニット30がロジック系直流電源電圧Vccとして出力する電力の用途については、上記のように地絡計測回路10自身が活用する以外に、例えば以下に示すものを想定できる。
(1)各種センサの電源として活用する。
(2)車両上に搭載される様々な電子制御装置(ECU)の電源として活用する。
(3)リレー、各種電装品、各種負荷等を駆動するための電源として活用する。
(4)無線装置が電波等を用いた信号の送受信を行うための電源として活用する。例えば車両においてユーザがスマートキーを操作する場合には、車両のイグニッションがオフである状況が想定されるが、電源ユニット30を活用することで必要な電力を容易に確保できる。
なお、以上の実施形態においては、電気自動車やハイブリッド自動車などの車両が推進力を発生する駆動源として100〜200V程度のバッテリを車載直流高圧電源50として備え、この車載直流高圧電源50が高圧回路に、また、一般的な12Vのバッテリが低圧回路に用いられる場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、一般のガソリン車などには、一般的な12Vのバッテリの他に、電力分配の効率化の観点から、車両負荷に電力を供給するための36〜48Vのバッテリが設けられていることもあり、このバッテリを高圧回路に、一般的な12Vのバッテリを低圧回路にそれぞれ用いる場合も含まれる。
つまり、車両が2種類以上のバッテリを有し、これらのバッテリの電圧差が2倍程度以上である場合に、電圧が高い方のバッテリを含む回路を高圧回路、電圧が低い方のバッテリを含む回路を低圧回路として本発明を適用してもよい。
また、以上の実施形態においては、蓄電デバイスCsに対し、車載直流高圧電源50側に接点SW1a、SW2aが設置され、電源ユニット30側に接点SW1b、SW2bが設置される場合について説明した。しかしながら、その他の構成例として、上記実施形態よりも電荷の利用効率が下がるものの、車載直流高圧電源50側に接点SW1a、SW2aが設置され、電源ユニット30側には接点を有さないようにリードスイッチを構成するようにしてもよい。この場合、接点SW1aより下流側に電圧降下素子を挿入するようにする。
また、以上の実施形態に加え、リードスイッチの状態が切り替わる電流値を0以外の値に設定してもよい。すなわち、以上の実施形態においては、高圧バスバー73に電流が流れ始めたとき、あるいは高圧バスバー73を流れる電流の向きが変わったときにリードスイッチの状態が切り替わる場合について説明したが、高圧バスバー73の電流値が0から所定の閾値に達した場合、電流の向きが変わった後にその電流値が閾値に達した場合、あるいは電流の向きが変わる直前にその電流値が閾値より小さくなった場合にリードスイッチの状態が切り替わるようにしてもよい。つまり、本発明において、バッテリ回路と電気的に接続された高圧導電路を流れる電流により生成された磁界に基づいて接続状態と切断状態とが入れ替わるとの意味は、これらの何れの場合も含んでいる。
以上のように、本発明に係る蓄電装置によれば、それ自身の制御動作のために低圧回路からの電源電力供給を必要とせず、メインバッテリの周辺で高圧回路と低圧回路とを分離できる蓄電装置を提供することができる。
10 地絡計測回路
11 マイクロコンピュータ
13 正極側入力端子
14 負極側入力端子
15 接地電極
21 出力端子
22 コンデンサ
30 電源ユニット
31 コンデンサ
32 レギュレータ
41〜46 配線
50 車載直流高圧電源
70 蓄電装置
71,72 高圧入力側線路
73 高圧バスバー
73a 電流の向き
74,75 出力側線路
76,77 共通端子
111 正極側電源ライン
112 負極側電源ライン
C1 検出用コンデンサ
Cs 蓄電デバイス
D1,D2,D3,D22 ダイオード
R01,R02,R03,R04,R1,R2,R3,R4,R5 抵抗器
RLp,RLn 地絡抵抗
S1,S2,S3,S4,Sa スイッチング素子
SW1,SW2 リードスイッチ
SW1a,SW1b,SW2a,SW2b 接点
SW1x リード可動部
Vcc ロジック系直流電源電圧
ZD1 ツェナーダイオード
B1,B2 磁束

Claims (5)

  1. 車両のバッテリ回路から供給される電力を蓄電可能な蓄電素子と、
    前記バッテリ回路と前記蓄電素子とを接続状態と切断状態との間で切替え可能な第1の磁気スイッチ回路と、
    前記蓄電素子と外部の低圧回路とを接続状態と切断状態との間で切替え可能な第2の磁気スイッチ回路と、
    を備え、
    記バッテリ回路と電気的に接続された高圧導電路を流れる電流により磁界が生成された場合に、前記第2の磁気スイッチ回路が前記切断状態となり、かつ、前記第1の磁気スイッチ回路が前記接続状態となる
    ことを特徴とする蓄電装置。
  2. 車両のバッテリ回路から供給される電力を蓄電可能な蓄電素子と、
    前記バッテリ回路と前記蓄電素子とを接続状態と切断状態との間で切替え可能な第1の磁気スイッチ回路と、
    前記蓄電素子と外部の低圧回路とを接続状態と切断状態との間で切替え可能な第2の磁気スイッチ回路と、
    を備え、
    前記第1の磁気スイッチ回路と前記第2の磁気スイッチ回路とは、一方が前記接続状態の場合に他方が前記切断状態であり、前記バッテリ回路と電気的に接続された高圧導電路を流れる電流により生成された磁界に基づいて前記接続状態と前記切断状態とが入れ替わる、
    ことを特徴とする蓄電装置。
  3. 前記バッテリ回路に流入する向きの電流により生成された磁界の場合には前記第1の磁気スイッチ回路が接続状態となり、かつ、前記第2の磁気スイッチ回路が切断状態となり、
    前記バッテリ回路から流出する向きの電流により生成された磁界の場合には前記第1の磁気スイッチ回路が切断状態となり、かつ、前記第2の磁気スイッチ回路が接続状態となる、
    ことを特徴とする請求項2に記載の蓄電装置。
  4. 前記第1および第2の磁気スイッチ回路の近傍に配置され、前記第1および第2の磁気スイッチ回路に対して所定の直流磁界を与える磁界生成部材を備え、
    前記第1および第2の磁気スイッチ回路は、前記磁界生成部材が生成する直流磁界の影響の大きさに応じて、前記接続状態と前記切断状態とが入れ替わる、
    ことを特徴とする請求項2又は3に記載の蓄電装置。
  5. 前記外部の低圧回路は、前記バッテリ回路に関する状態を検出するための検出回路の一部を構成し、前記蓄電素子は、前記検出回路と接続され、
    前記蓄電素子に蓄電された電力が、前記検出回路の駆動に用いられる、
    ことを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の蓄電装置。
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