JP6466133B2 - 電気回路、電動圧縮機および電気回路の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気回路、電動圧縮機および電気回路の制御方法に関し、より具体的にはコンデンサの放電時間を短縮する電気回路、電動圧縮機および電気回路の制御方法に関するものである。

電気回路において電源に接続されるコンデンサは、電源から電圧が入力されると電気エネルギーを蓄積して、電流および電圧の変動を平滑化させる。コンデンサが大容量である場合において、電源の遮断、電源に接続されている高電圧ケーブルの断線、高電圧コネクタの取り外しなどの不測の事態が発生した際に、例えば人体への感電や短絡事故などの発生を防止するため、コンデンサに蓄えられた電気エネルギーを放電する必要がある。但し、近年のコンデンサは絶縁抵抗が非常に高いことから、蓄積された電気エネルギーは単体ではほとんど放電されることはない。
これに対し、例えば特許文献１には、コンデンサに並列に抵抗器を接続することで放電することが開示されている。

特許第３６７８１６５号公報

コンデンサの放電については、前述したような人体への感電や短絡事故などの発生をより未然に防止するために、その放電時間の高速化が求められてきている。放電時間τについては、以下の式（１）で求められる。
τ＝Ｃ×Ｒ・・・（１）
（１）式において、τは放電時間（放電時定数）、Ｃはコンデンサの容量、Ｒはコンデンサ放電用抵抗器の抵抗値である。すなわち、あるコンデンサに対し放電時間を高速化するためには抵抗器の抵抗値を小さくする必要があるが、この場合抵抗器の電力容量が大きくなる。抵抗器の電力容量が大きいと、抵抗器は大型化することとなり、これは回路基板の大型化につながる。一般的に、回路基板の面積は抑制させることが求められている。
しかしながら、上記特許文献１に開示された発明では、コンデンサ放電用抵抗器の抵抗値についての検討はなされておらず、また回路基板の小型化についての考慮もなされていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、コンデンサの放電時間の高速化と、回路基板の小型化を両立させる電気回路、電動圧縮機および電気回路の制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電気回路、電動圧縮機および電気回路の制御方法は以下の手段を採用する。
バッテリーに接続されたコンデンサと、前記コンデンサに並列して設置された第１抵抗を有する第１配線と、前記コンデンサに並列して設置された前記第１抵抗よりも抵抗値が低い第２抵抗を有する第２配線と、前記第２配線の接続有無を切り替えるスイッチと、前記バッテリーから前記コンデンサへの電圧の印加の有無に応じて前記スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する信号の出力を行う制御部と、を備え、前記バッテリーによって前記コンデンサへ電圧が印加されている場合は、前記スイッチがＯＦＦとなり、前記コンデンサの放電電流は前記第１配線を流れ、前記バッテリーによる前記コンデンサへの電圧が遮断された場合および低電圧電源による前記制御部への電圧が遮断された場合は、前記コンデンサの放電電流は前記第１配線および前記第２配線を流れ、かつ前記第１配線よりも前記第２配線へ流れることを特徴とする電気回路を採用する。

本発明によれば、バッテリーによってコンデンサへ電圧が印加されている場合は、コンデンサの放電電流は第１配線を流れ、コンデンサへの電圧が遮断された場合は、コンデンサの放電電流は第２配線を流れることから、コンデンサに蓄えられた電気エネルギーを放電する場合に、バッテリーのＯＮ／ＯＦＦに応じた適切な放電時間の放電を行うことができる。特に、バッテリーの遮断、バッテリーに接続されている高電圧ケーブルの断線、高電圧コネクタの取り外しなど、不測の事態によりバッテリーからの電圧が遮断された場合には、より抵抗値の低い第２抵抗によって放電が行われるため、第１配線が選択されている場合よりも放電時間が短くなることから短絡事故などの発生を防止することができる。

本発明によれば、第２配線の接続有無を切り替えるスイッチを備え、放電電流はスイッチがＯＮの場合は前記第１配線よりも第２配線、ＯＦＦの場合は第１配線を流れることから、バッテリーからコンデンサへの電圧印加の有無に応じたスイッチのＯＮ／ＯＦＦという簡便な方法で配線の切替えを行うことができる。

本発明によれば、制御部から出力される信号によってスイッチのＯＮ／ＯＦＦ、すなわち第１配線および第２配線の切替えを行うことから、バッテリーの遮断、バッテリーに接続されている高電圧ケーブルの断線、高電圧コネクタの取り外し等によって電圧の入力が遮断されると、制御部がそれに応じた信号を出力し、第２配線に切替えが行われるため、第１配線が選択されている場合よりも放電時間の短い抵抗の選択が可能となる。

本発明によれば、制御部が非動作となった場合、スイッチがＯＮとなることから、電源が遮断されるなど不測の事態により制御部が非動作となり制御部による制御が行えなくなった場合であっても、バッテリーからの電圧入力が遮断されると、スイッチがＯＮであるため第２配線が選択され、抵抗値が低い抵抗によって、第１配線が選択されている場合よりも放電時間の短い放電を行うことができる。すなわち、制御部による制御が行えなくても、バッテリーからの電圧入力が遮断された場合に、自動で安全かつ高速にコンデンサの放電を行うことが可能である。

本発明は、前述のいずれかに記載の電気回路を備える電動圧縮機を採用する。

本発明によれば、電動圧縮機が前述のいずれかに記載の電気回路を備えることから、電動圧縮機のコンデンサに蓄えられた電気エネルギーを放電する場合に、バッテリーのＯＮ／ＯＦＦに応じた適切な放電時間の放電を行うことができる。特に、バッテリーの遮断、バッテリーに接続されている高電圧ケーブルの断線、高電圧コネクタの取り外しなど、不測の事態によりバッテリーからの電圧が遮断された場合には、より抵抗値の低い抵抗によって放電が行われるため、放電時間が短くなることから短絡事故などの発生を防止することができる。

本発明は、バッテリーに接続されたコンデンサと、前記コンデンサに並列して設置された第１抵抗を有する第１配線と、前記コンデンサに並列して設置された前記第１抵抗よりも抵抗値が低い第２抵抗を有する第２配線と、前記第２配線の接続有無を切り替えるスイッチと、前記バッテリーから前記コンデンサへの電圧の印加の有無に応じて前記スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する信号の出力を行う制御部と、を備え、前記バッテリーによって前記コンデンサへ電圧が印加されている場合は、前記スイッチがＯＦＦとなり、前記コンデンサの放電電流を前記第１配線に流すステップと、前記バッテリーによる前記コンデンサへの電圧が遮断された場合および低電圧電源による前記制御部への電圧が遮断された場合は、前記スイッチがＯＮとなり、前記コンデンサの放電電流を前記第１配線および前記第２配線へ流し、かつ前記第１配線よりも前記第２配線へ流すステップと、を有することを特徴とする電気回路の制御方法を採用する。

本発明によれば、バッテリーによってコンデンサへ電圧が印加されている場合は、コンデンサの放電電流を第１配線へ流し、コンデンサへの電圧が遮断された場合は、コンデンサの放電電流を第２配線へ流すことから、コンデンサに蓄えられた電気エネルギーを放電する場合に、バッテリーのＯＮ／ＯＦＦに応じた適切な放電時間の放電を行うことができる。特に、バッテリーの遮断、バッテリーに接続されている高電圧ケーブルの断線、高電圧コネクタの取り外しなど、不測の事態によりバッテリーからの電圧が遮断された場合には、より抵抗値の低い抵抗によって放電が行われるため、第１配線が選択されている場合よりも放電時間が短くなることから短絡事故などの発生を防止することができる。

本発明によれば、通常の放電用抵抗器とは別に抵抗値の低い放電用抵抗器を備えることで、回路面積を大きくすることなく高速にコンデンサの放電を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る電気回路を示した概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る電気回路の一部を示した概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る電気回路の制御部の制御処理の場合分けを示した図表である。 本発明の参考例としての従来の電気回路を示した概略構成図である。

以下に、本発明に係る電気回路、電動圧縮機および電気回路の制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
以下、本発明の一実施形態について、図１乃至３を用いて説明する。
図１には、本実施形態に係る電気回路の概略構成が示されている。
図１に示されるように、電気回路１は、モータ１０、インバータ２０、バッテリー３０、コンデンサ４０、入力端子５０、第１抵抗６０、第２抵抗７０及びスイッチ８０を主な構成として備えている。第１抵抗６０は、コンデンサ４０に対して並列に設置され、第１配線上に備えられる。第２抵抗７０は、コンデンサ４０に対して並列に設置され、第２配線上に備えられる。本実施形態では、第２抵抗７０の抵抗値は、第１抵抗６０の抵抗値よりも低い値であるとする。
この電気回路１は、電動圧縮機（図示せず）に備えられた回路であるとする。
電動圧縮機が車両に搭載されている場合は、車両に搭載されているバッテリー３０より単相直流の高電圧（例えば１５０〜４５０（Ｖ））をインバータ２０に入力し、ＰＷＭ制御（Pulse Width Modulation：パルス幅変調制御）により三相交流に変換してモータ１０に出力し、所望の回転数でモータ１０及びコンプレッサ（図示せず）を回転させる。
コンデンサ４０は、インバータ２０の高電圧入力側に接続されており、ＰＷＭ制御によるインバータ２０の入力部の電流および電圧の変動を平滑化させる。このコンデンサ４０に高電圧が印加された場合、コンデンサ４０が蓄える電気エネルギーは次の式（２）で表される。
Ｊ＝Ｃ／２×Ｖ^２・・・（２）
（２）式において、Ｊはコンデンサ４０に蓄えられる電気エネルギー、Ｃはコンデンサ４０の容量、Ｖはバッテリー３０の電圧である。

車両に搭載された電動圧縮機において、バッテリー３０の遮断、バッテリー３０に接続されている高電圧ケーブルの断線、高電圧コネクタの取り外しなどにより、コンデンサ４０に蓄えられた電気エネルギーに起因する人体への感電や短絡事故などを防止するため、前述のような理由によりインバータ２０に高電圧が印加されなくなった時点でコンデンサ４０に蓄えられた電気エネルギーを放電する必要がある。
本実施形態では、コンデンサ４０と並列に抵抗器として第１抵抗６０及び第２抵抗７０を接続し、スイッチ８０によって切り替えを行い、いずれかの抵抗によりコンデンサ４０に蓄えられた電気エネルギーを放電することとする。またスイッチ８０のＯＮ／ＯＦＦの制御については、バッテリー３０からコンデンサ４０への電圧の印加の有無に応じたマイコン（制御部）１００からの信号の出力にて行われる。

図２には、本実施形態に係る電気回路の一部の概略構成が示されている。
マイコン１００は、制御のために信号（以下、CPUoutとする）を出力し、オープンコレクタ１１０のＯＮ／ＯＦＦ、入力端子５０からの出力およびスイッチ８０のＯＮ／ＯＦＦを制御する。
CPUoutは、インバータ２０に対しバッテリー３０から高電圧を入力する場合はHi信号が、バッテリー３０のバッテリースイッチがＯＦＦされ車両側から高電圧ＯＦＦ信号をインバータ２０が受けた場合、すなわちバッテリー３０からの高電圧が遮断された場合はLo信号が出力される。
また、Hi信号が出力された場合は、オープンコレクタ１１０はＯＮ、入力端子５０からの出力は約０Ｖ、スイッチ８０はＯＦＦとなり、Lo信号が出力された場合は、オープンコレクタ１１０はＯＦＦ、入力端子５０からの出力はオープン、スイッチ８０はＯＮとなる。

図３には、本実施形態に係る電気回路の制御部の制御処理の場合分けが図表で示されている。制御処理は、マイコン１００の動作およびバッテリー３０からの電力入力有無に応じて各パターンに場合分けされる。以下、各パターンにおける放電について説明する。
＜パターン０：マイコンが正常動作し、バッテリーから高電圧が入力されている場合＞
マイコン１００が正常動作し、バッテリー３０からインバータ２０に対し高電圧が入力されている場合、すなわち通常の稼働状態の場合にコンデンサ４０の放電を行う際は、マイコン１００からはHi信号が出力される。よって、オープンコレクタ１１０はＯＮ、入力端子５０からの出力は約０Ｖとなり、スイッチ８０はＯＦＦとなる。ここで、入力端子５０が約０Ｖであることから、グランドと入力端子５０との間、すなわち抵抗９０の抵抗値はほぼ０Ωとなる。よって第１配線の抵抗値は、第１抵抗６０の抵抗値（９００ｋΩ）のみであり、コンデンサ４０と第１抵抗６０とが等価的に接続された回路となり、コンデンサ４０は第１抵抗６０によって放電される。またスイッチ８０がＯＦＦであるため、第２配線にはコンデンサ４０の電流は流れず第２抵抗７０による放電は行われない。

＜パターン１：マイコンが正常動作し、バッテリーからの高電圧が遮断された場合＞
マイコン１００は正常動作しているが、バッテリー３０のバッテリースイッチがＯＦＦされ車両側から高電圧ＯＦＦ信号をインバータ２０が受けた場合にコンデンサ４０の放電を行う際は、マイコン１００からはLo信号が出力される。よって、オープンコレクタ１１０はＯＦＦ、入力端子５０からの出力はオープンとなる。
この時、入力端子５０の電圧は第１抵抗６０及び抵抗９０の電圧の分圧により決定される。本実施形態では、第１抵抗６０の抵抗値を９００ｋΩ、抵抗９０の抵抗値を８０ｋΩとしており、入力端子５０の電圧はこれらの抵抗より求められる抵抗分圧となっている。この入力端子５０の電圧は電気回路１上のＶｇの電圧と等しく、Ｖｇの電圧がスイッチ８０のゲート閾値以上の電圧であることによりスイッチ８０がＯＮとなる。すなわち第１抵抗６０及び抵抗９０の抵抗値は、抵抗分圧によって決定されるＶｇの電圧がスイッチ８０のゲート閾値以上の電圧となるように選定される。
スイッチ８０がＯＮとなると、第２抵抗７０を備える第２回路がコンデンサ４０と並列に接続され、第１抵抗６０を備える第１回路の抵抗値と比較して第２回路の抵抗値（本実施形態では６６ｋΩ）が低いことからコンデンサ４０と第２抵抗７０とが等価的に接続された回路となり、コンデンサ４０の電流は第１回路へは第２回路よりも流れず第２抵抗７０を有する第２回路に流れ第２抵抗７０によって放電される。よって、コンデンサ４０の電流が第１回路を流れて放電する場合よりも、高速にコンデンサ４０の電気エネルギーが放電される。
第２抵抗７０は、第１抵抗６０よりも抵抗値が低く電力容量が小さい抵抗であり、本実施形態では例えば２２ｋΩの低い抵抗値の抵抗７０ａ，７０ｂ，７０ｃを直列に接続し第２抵抗７０としている。

＜パターン２：マイコンが非動作となり、かつ、バッテリーからの高電圧が遮断された場合＞
マイコン１００は、車両側の低電圧電源（例えば１２Ｖ系）から電圧変換された電圧で動作している。車両側の低電圧電源が遮断されると、マイコン１００による制御が行えなくなる。このようにマイコンが非動作となった場合、マイコン１００からの信号はHi信号からLo信号に切り替わる。よって、オープンコレクタ１１０はＯＦＦ、入力端子５０からの出力はオープン、スイッチ８０はＯＮとなる。これにより、第２抵抗７０を備える第２回路がコンデンサ４０と並列に接続され、第１抵抗６０を備える第１回路と比較して第２回路の抵抗値（６６ｋΩ）が低いことからコンデンサ４０と第２抵抗７０とが等価的に接続された回路となり、コンデンサ４０の電流は第１回路へは第２回路よりも流れず第２抵抗７０を有する第２回路に流れ第２抵抗７０によって放電される。
このように、マイコン１００が非動作となり、かつ、バッテリーからの高電圧が遮断となった場合であっても、コンデンサ４０の放電を行うことができる。

次に、参考例としての従来の電気回路について図４を用いて説明する。
図４には、本発明の参考例としての従来の電気回路の概略構成図が示されている。
図４に示されるように、参考例としての従来の電気回路５は、モータ１０、インバータ２０、バッテリー３０、コンデンサ４０、抵抗２００を主な構成として備えている。

従来の電気回路５は、コンデンサ４０と並列に抵抗器として抵抗２００を接続することで放電を行う。この時の放電時間（放電時定数）τは前述した以下の式（１）で表される。
τ＝Ｃ×Ｒ・・・（１）
人体への感電や短絡事故などの防止のためには、コンデンサ４０の放電時間を早く（短く）するほど良く、そのためには抵抗器、すなわち抵抗２００の値を小さくする必要がある。抵抗２００の値を小さくすると、バッテリー３０が並列に接続されていることから常に放電し続けることとなり、電圧を保つために抵抗２００に必要とされる電力容量が大きくなり、抵抗２００は大型化する。車両用電動圧縮機のインバータは、可能な限り小型であることが要求されるが、前述したような安全上の理由からコンデンサ４０の放電時間を早くしたい場合には、抵抗２００、ひいてはインバータ２０の大型化が必要であり、電動圧縮機の小型化と矛盾することとなる。
逆に、抵抗２００の小型化を優先して電力容量の小さいものに変更すると、抵抗２００の抵抗値が大きくなり、放電時間を短縮することができなくなり、安全性に対する問題が発生する。

以上、説明してきたように、本実施形態に係る電気回路、電動圧縮機および電気回路の制御方法によれば、以下の作用効果を奏する。
バッテリー３０によってコンデンサ４０へ電圧が印加されている場合は、コンデンサ４０の放電電流は第１配線を流れ、コンデンサ４０への電圧が遮断された場合は、コンデンサ４０の放電電流は第２配線を流れることから、コンデンサ４０に蓄えられた電気エネルギーを放電する場合に、バッテリー３０のＯＮ／ＯＦＦに応じた適切な放電時間の放電を行うことができる。特に、バッテリー３０の遮断、バッテリー３０に接続されている高電圧ケーブルの断線、高電圧コネクタの取り外しなど、不測の事態によりバッテリー３０からの電圧が遮断された場合には、より抵抗値の低い第２抵抗７０によって放電が行われるため、第１配線が選択されている場合よりも放電時間が短くなることから短絡事故などの発生を防止することができる。また、第２抵抗７０は、電力容量の低い抵抗であることから小型の部品を用いることができるため、電気回路１の大型化を防止することができる。
また本実施形態では、従来例と比べて抵抗の数が増えているが、抵抗の大きさ、コスト及び電力容量の最適化を行うことで、回路面積は小さくなっている。よって、電気回路１の回路面積を小さくすることができることから、設置面積および製造コストの削減が見込める。

また、第１配線と第２配線とを切り替えるスイッチ８０を備え、放電電流はスイッチ８０がＯＮの場合は第２配線、ＯＦＦの場合は第１配線を流れることから、バッテリー３０からコンデンサ４０への電圧印加の有無に応じたスイッチ８０のＯＮ／ＯＦＦという簡便な方法で配線の切替えを行うことができる。

また、マイコン１００から出力される信号によってスイッチ８０のＯＮ／ＯＦＦ、すなわち第２配線の接続有無の切り替えを行うことから、バッテリー３０の遮断、バッテリー３０に接続されている高電圧ケーブルの断線、高電圧コネクタの取り外し等によって電圧の入力が遮断されると、マイコン１００がそれに応じた信号を出力し、第２配線に切替えが行われるため、第１配線が選択されている場合よりも放電時間の短い第２抵抗７０の選択が可能となる。

また、マイコン１００が非動作となった場合、スイッチ８０がＯＮとなることから、電源が遮断されるなど不測の事態によりマイコン１００が非動作となりマイコン１００による制御が行えなくなった場合であっても、バッテリー３０からの電圧入力が遮断されると、スイッチ８０がＯＮであるため第２配線が選択され、抵抗値が低い第２抵抗７０によって、第１配線が選択されている場合よりも放電時間の短い放電を行うことができる。すなわち、マイコン１００による制御が行えなくても、バッテリー３０からの電圧入力が遮断された場合に、自動で安全かつ高速にコンデンサ４０の放電を行うことが可能である。

また、電動圧縮機が前述のいずれかに記載の電気回路を備えることから、電動圧縮機のコンデンサ４０に蓄えられた電気エネルギーを放電する場合に、バッテリー３０のＯＮ／ＯＦＦに応じた適切な放電時間の放電を行うことができる。特に、バッテリー３０の遮断、バッテリー３０に接続されている高電圧ケーブルの断線、高電圧コネクタの取り外しなど、不測の事態によりバッテリー３０からの電圧が遮断された場合には、より抵抗値の低い第２抵抗７０によって放電が行われるため、放電時間が短くなることから短絡事故などの発生を防止することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更なども含まれる。

たとえば、上述した実施形態においては第２配線の抵抗７０は抵抗７０ａ、７０ｂ、７０ｃの３つを直列に接続するとしたが、第１配線よりも抵抗値が低く回路基板の面積に影響を及ぼさなければ、２つ以下または４つ以上の抵抗を用いるとしてもよく、また並列に接続するとしてもよい。

１、５ 電気回路
１０ モータ
２０ インバータ
３０ バッテリー
４０ コンデンサ
５０ 入力端子
６０ 第１抵抗
７０ 第２抵抗
８０ スイッチ
９０、２００ 抵抗
１００ マイコン（制御部）
１１０ オープンコレクタ

Claims (3)

1. バッテリーに接続されたコンデンサと、
   前記コンデンサに並列して設置された第１抵抗を有する第１配線と、
   前記コンデンサに並列して設置された前記第１抵抗よりも抵抗値が低い第２抵抗を有する第２配線と、
   前記第２配線の接続有無を切り替えるスイッチと、
   前記バッテリーから前記コンデンサへの電圧の印加の有無に応じて前記スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する信号の出力を行う制御部と、
   を備え、
   前記バッテリーによって前記コンデンサへ電圧が印加されている場合は、前記スイッチがＯＦＦとなり、前記コンデンサの放電電流は前記第１配線を流れ、
   前記バッテリーによる前記コンデンサへの電圧が遮断された場合および低電圧電源による前記制御部への電圧が遮断された場合は、前記スイッチがＯＮとなり、前記コンデンサの放電電流は前記第１配線および前記第２配線を流れ、かつ前記第１配線よりも前記第２配線へ流れることを特徴とする電気回路。
2. 請求項１に記載の電気回路を備える電動圧縮機。
3. バッテリーに接続されたコンデンサと、
   前記コンデンサに並列して設置された第１抵抗を有する第１配線と、
   前記コンデンサに並列して設置された前記第１抵抗よりも抵抗値が低い第２抵抗を有する第２配線と、
   前記第２配線の接続有無を切り替えるスイッチと、
   前記バッテリーから前記コンデンサへの電圧の印加の有無に応じて前記スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御する信号の出力を行う制御部と、
   を備え、
   前記バッテリーによって前記コンデンサへ電圧が印加されている場合は、前記スイッチがＯＦＦとなり、前記コンデンサの放電電流を前記第１配線に流すステップと、
   前記バッテリーによる前記コンデンサへの電圧が遮断された場合および低電圧電源による前記制御部への電圧が遮断された場合は、前記スイッチがＯＮとなり、前記コンデンサの放電電流を前記第１配線および前記第２配線へ流し、かつ前記第１配線よりも前記第２配線へ流すステップと、
   を有することを特徴とする電気回路の制御方法。

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