JP7232000B2 - 放電システム - Google Patents

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Description

本発明は、車両内のコンデンサを放電する放電システムに関する。
電気自動車などの電気で動作する車両では、バッテリ(高電圧バッテリ)の直流電力をインバータにより交流電力に変換し、その交流電力でモータを駆動して推進力を得ている。バッテリとインバータの間には、電流の過度な変動を抑制する高電圧対応のコンデンサが設けられている。
このような高電圧対応のコンデンサは蓄積される電荷が大きいので、車両の衝突時には、高電圧部品による感電を防止するため残留電荷を放電しなければならない。例えば、車両の衝突時には、バッテリとコンデンサを遮断した上で、コンデンサの残留電荷を、駆動モータで消費したり、他のバッテリ(低電圧バッテリ)に蓄電することで放電していた。また、DC/DCコンバータを制御して、コンデンサに蓄積された残留電荷を所定の装置に供給することで放電する技術も開示されている(例えば、特許文献1)。
特開2012-065503号公報
車両の衝突時に、コンデンサの残留電荷を、インバータを通じて駆動モータで消費したり、DC/DCコンバータを通じて他のバッテリに蓄電することで放電できる。しかし、インバータやDC/DCコンバータが他のバッテリを制御電源として用いている場合、衝突によって他のバッテリが破損すると、インバータおよびDC/DCコンバータが機能しなくなるおそれがある。そうすると、上記のように、コンデンサの残留電荷を、インバータを通じて駆動モータで消費したり、DC/DCコンバータを通じて他のバッテリに蓄電することが不可能となり、ひいては、コンデンサの残留電荷を放電できなくなる。
本発明は、このような課題に鑑み、コンデンサの残留電荷を適切に放電することが可能な放電システムを提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明の放電システムは、第1バッテリと、第1バッテリの直流電力を交流電力に変換し、駆動モータに出力するインバータと、第1バッテリとインバータとの間に並列接続されたコンデンサと、第1バッテリとインバータとの接続状態を閉状態または開状態に切り換えるリレーと、放電用抵抗と第1スイッチング素子との直列回路が、コンデンサに並列接続された放電回路と、一端がコンデンサの正極に接続される分割用第1抵抗と、一端がコンデンサの負極に接続され、他端が分割用第1抵抗の他端に接続され、分割用第1抵抗との接続点が第1スイッチング素子の制御端子に接続される分割用第2抵抗と、分割用第2抵抗に並列接続される第2スイッチング素子と、リレーが少なくともONされている間は、第2スイッチング素子をONすることで第1スイッチング素子をOFFし、リレーがOFFされると、第2スイッチング素子をOFFすることで第1スイッチング素子をONする放電制御部と、を備える。
第1バッテリと異なる第2バッテリと、第1バッテリの電力を第2バッテリの電力に変換するDC/DCコンバータと、を備え、放電回路は、DC/DCコンバータに内蔵されるとしてもよい。
本発明によれば、コンデンサの残留電荷を適切に放電することが可能となる。
放電システムが適用される車両の構成を示すブロック図である。 放電システムの電気的な構成を示す概略図である。 放電回路の電気的な構成を示す概略図である。 放電システムでの具体的な信号の状態を示したタイミングチャートである。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
<放電システム10>
図1は、放電システム10が適用される車両1の構成を示すブロック図であり、図2は、放電システム10の電気的な構成を示す概略図である。図1および図2では、電気の流れを実線で、制御信号の流れを破線で示している。なお、ここでは、主として本実施形態に関連する構成および処理を説明し、関連性が低い構成の説明は省略する。
放電システム10は、第1バッテリ20と、インバータ22と、駆動モータ24と、コンデンサ26と、リレー28と、第2バッテリ30と、DC/DCコンバータ32と、中央制御部34と、放電回路36とを含んで構成される。本実施形態における車両1は、駆動モータ24を駆動源とした電気自動車として説明するが、駆動源として駆動モータ24と並行してエンジンが設けられたハイブリッド電気自動車にも適用できる。
第1バッテリ20は、リチウムイオンバッテリ等の電圧が比較的高い(例えば、100V)二次電池で構成され、外部から供給された電力を充電(蓄電)する。
インバータ22は、第1バッテリ20の直流電力を交流電力に変換し駆動モータ24に出力する。駆動モータ24は、インバータ22を通じて第1バッテリ20から電力の供給を受け、供給された電力に応じたトルクで車両1を駆動する。
コンデンサ(キャパシタ)26は、例えば、300μFの静電容量を有し、第1バッテリ20とインバータ22との間に並列接続され、車両1の起動時に第1バッテリ20からインバータ22への突入電流および過度な電流変化を抑制する。なお、説明の便宜上、本実施形態では、1のコンデンサ26を挙げて説明しているが、第1バッテリ20に並列接続される、例えば、平滑用の複数のコンデンサも適用されるのは言うまでもない。
リレー28は、第1バッテリ20とインバータ22との接続状態を閉状態または開状態に切り換える。ここでは、IG-ON(READY-ON)やIG-OFF(READY-OFF)に応じてリレー28の開閉状態が制御される。また、車両1の衝突時には、リレー28が閉状態から開状態に変化する。
第2バッテリ30は、鉛蓄電池等の電圧が比較的低い(例えば、12V)二次電池で構成され、DC/DCコンバータ32を通じて第1バッテリ20から供給された電力を充電(蓄電)する。第2バッテリ30は、例えば、エアコンディショナ、カーナビゲーション、ヘッドライト、ブレーキランプ、冷却ファン、ウォーターポンプ、ラジエータ等の車載設備に電力を供給する。
DC/DCコンバータ32は、第1バッテリ20の電力を第2バッテリ30の電力に変換する場合に、一方の電力の出力態様を他方の電力の入力態様に変換する。
中央制御部(ECU)34は、中央処理装置(CPU)、プログラム等が格納されたROM、ワークエリアとしてのRAM等を含む半導体集積回路から構成され、車両1全体を統括制御する。また、本実施形態において、中央制御部34は、リレー制御部50、放電制御部52としても機能する。
なお、本実施形態では各機能部を中央制御部34に配置する例を挙げて説明するが、これに限られるものではない。具体的には、中央制御部34が有する各機能部は複数の制御装置に分割配置されてもよい。この場合、当該複数の制御装置は、CAN等の通信バスを介して、互いに接続されてもよい。
リレー制御部50は、リレー制御信号を通じ、IG-ON(READY-ON)に応じてリレー28を開状態から閉状態に切り換え、IG-OFF(READY-OFF)に応じてリレー28を閉状態から開状態に切り換える。なお、IG-ON(READY-ON)時には、リレー制御信号に先立って、プリチャージ信号を通じてプリチャージが行われるとしてもよい。また、車両1の衝突時等、所定の契機を中央制御部34が感知すると、リレー28を閉状態から開状態に切り換える。このようにリレー28を開状態にすることで、第1バッテリ20を他の回路から切り離すことができる。
また、第1バッテリ20に接続されるコンデンサ26は電荷が大きいので、車両1の衝突時には、高電圧部品による感電を防止するため、その残留電荷を放電する。例えば、車両1が衝突すると、リレー制御部50が第1バッテリ20とコンデンサ26を遮断した上で、コンデンサ26の残留電荷を、インバータ22を通じて駆動モータ24で消費したり、DC/DCコンバータ32を通じて第2バッテリ30に蓄電することで放電することができる。
しかし、インバータ22やDC/DCコンバータ32は、第2バッテリ30を制御電源として用いているので、衝突によって第2バッテリ30が破損すると、インバータ22およびDC/DCコンバータ32が機能しなくなるおそれがある。そうすると、コンデンサ26の残留電荷を、インバータ22を通じて駆動モータ24で消費したり、DC/DCコンバータ32を通じて第2バッテリ30に蓄電することが不可能となり、ひいては、コンデンサ26の残留電荷を効率よく放電することができなくなる。そこで、本実施形態では、放電回路36を設けてコンデンサ26の残留電荷を適切に放電する。
図3は、放電回路36の電気的な構成を示す概略図である。本実施形態において、放電回路36は、DC/DCコンバータ32内に設けられ、コンデンサ26と、DC/DCコンバータ32においてコンデンサ26側の電圧を第2バッテリ30側の電圧に減じる降圧部32aとの間に並列接続される。このように放電回路36をDC/DCコンバータ32に内蔵することで、放電回路36の追加によっても、実質的に占有体積が増加しないので、事後的な仕様変更にも対応できる。
放電制御部52は、リレー制御部50が出力するリレー制御信号の変化に応じて、放電回路36に放電禁止信号を送信する。放電禁止信号は、リレー制御信号と同期した信号であり、リレー制御信号がON(リレー28が閉)のときにONし、リレー制御信号がOFF(リレー28が開)のときにOFFする。
放電回路36には、例えば10kΩの放電用抵抗R1とスイッチング素子T1との直列回路が、コンデンサ26に並列接続されている。通常時、放電制御部52が放電禁止信号をONすることで、スイッチング素子T2がONとなる。これに伴い、地点Pの電圧が0Vとなり、スイッチング素子T1がOFFする。したがって、放電用抵抗R1は、放電システム10に何ら影響を及ぼさない。したがって、通常時は、放電用抵抗R1による無駄な消費電力が生じることはない。
ここで、車両1が衝突すると、放電制御部52が放電禁止信号をOFFすることで、スイッチング素子T2がOFFとなる。したがって、地点Pの電圧は、コンデンサ26の残留電荷による電圧が抵抗R2と抵抗R3とにより抵抗分割された電圧となり、スイッチング素子T1はONとなる。そうすると、放電用抵抗R1がコンデンサ26に並列接続され、放電用抵抗R1に電流を流すことで、コンデンサ26の残留電荷を適切に放電することが可能となる。
なお、放電回路36は、制御電源を要さない。すなわち、第2バッテリ30が破損し、スイッチング素子T2への制御電源がなくなったとしても、放電対象であるコンデンサ26に残留電荷が残っていれば、コンデンサ26自体の残留電荷による電圧の抵抗分割に基づいてスイッチング素子T1はONするので、降圧部32aの上流(コンデンサ26側)で放電用抵抗R1に電流を流すことができる。したがって、第2バッテリ30に依存することなく、コンデンサ26の残留電荷を適切に放電することができる。なお、放電が進むにつれてコンデンサ26の残留電荷が少なくなるとスイッチング素子T1がONを維持できなくなるが、そのときには目的である放電も果たしているので問題は生じない。
ここでは、要するに、リレー28がONしている間は、放電用抵抗R1を回路から切り離し、不要な電力消費を防止しつつ、リレー28がOFFすると、放電用抵抗R1をコンデンサ26に接続し、制御電源に頼ることなく放電を実施している。
図4は、放電システム10での具体的な信号の状態を示したタイミングチャートである。ドライバがIG-ON(READY-ON)の操作を行うと(起動すると)、まず、リレー制御部50は、プリチャージ信号をONしてプリチャージを行う。こうして、コンデンサ26の電圧が増加し始める。
コンデンサ26のプリチャージが完了すると、リレー制御部50は、プリチャージ信号をOFFするとともに、リレー制御信号をONして、第1バッテリ20と、インバータ22およびDC/DCコンバータ32とを接続する。このとき放電禁止信号もONとなり、放電用抵抗R1による放電が禁止される。また、リレー制御信号がONすると、その後の任意のタイミングで、インバータ22およびDC/DCコンバータ32もONされ、動作可能となる。
ここで、仮に、車両1が衝突したとする。リレー制御部50は、リレー制御信号をOFFすることで、第1バッテリ20を他の回路から切り離す。このとき、インバータ22はONしたままなので、インバータ22(駆動モータ24)で電流を消費(放電)することができる。また、同様に、DC/DCコンバータ32もONしたままなので、第2バッテリ30に蓄電する分だけ、DC/DCコンバータ32で電流を消費することができる。
さらに、本実施形態では、放電回路36が設けられている。したがって、車両1が衝突すると、放電制御部52は、放電禁止信号をOFFし、放電回路36で電流を消費することができる。そうすると、コンデンサ26の残留電荷を適切に放電することが可能となる。
なお、仮に、車両1の衝突により第2バッテリ30が破損すると、インバータ22やDC/DCコンバータ32が機能しなくなり、インバータ22を通じた駆動モータ24での電流消費や、第2バッテリ30に蓄電するためのDC/DCコンバータ32の電流消費ができなくなる。しかし、図3で説明したように、放電回路36は、DC/DCコンバータ32内でも上流(コンデンサ26)側に設けられ、かつ、第2バッテリ30に依存しないので、確実に放電用抵抗R1に電流を流すことができる。したがって、図4に示した場合より、コンデンサ26の電圧降下に時間を要することとなるが、コンデンサ26の残留電荷を適切かつ確実に放電することができる。
また、第2バッテリ30が破損しなかったとしても、車両1の衝突後の高電圧安全保護のため、衝突によってリレー制御信号のOFFに同期してインバータ22およびDC/DCコンバータ32をOFFする構成を採用している場合、やはり、インバータ22を通じた駆動モータ24での電流消費や、第2バッテリ30に蓄電するためのDC/DCコンバータ32の電流消費ができなくなる。しかし、ここでは、インバータ22やDC/DCコンバータ32のOFFの影響を受けることなく、インバータ22や降圧部32aと独立した放電回路36により、コンデンサ26の残留電荷を適切かつ確実に放電することが可能となる。
また、コンピュータを、放電システム10のリレー制御部50や放電制御部52として機能させるプログラムや、当該プログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能なフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD、DVD、BD等の記憶媒体も提供される。ここで、プログラムは、任意の言語や記述方法にて記述されたデータ処理手段をいう。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上述した実施形態では、DC/DCコンバータ32内に放電回路36を設ける例を挙げて説明したが、放電回路36はDC/DCコンバータ32外に別途設けるとしてもよい。
また、上述した実施形態においては、リレー制御信号と放電禁止信号とのON/OFFを同期させる例を挙げて説明したが、リレー制御信号が少なくともONされている間、放電禁止信号をONし、リレー制御信号がOFFされると(ONからOFFに変化すると)、放電禁止信号をOFFすれば足りる。例えば、図4に一点鎖線で示したように、プリチャージ信号がONしたタイミングで放電禁止信号をONし、リレー制御信号がOFFしたタイミングで放電禁止信号をOFFするとしてもよい。かかる構成によりプリチャージ中の不要な電力消費も防止できる。
また、上述した実施形態においては、コンデンサ26の残留電荷による電圧を抵抗分割することで、スイッチング素子T1をONして放電用抵抗R1に電流を流す例を挙げて説明したが、リレー制御信号が少なくともONされている間、放電用抵抗R1に電流を流さず、リレー制御信号がOFFされると、放電用抵抗R1に電流を流せば足りる。例えば、スイッチング素子T1の代わりにノーマリークローズ(NC)のリレーを採用し、リレー制御信号が少なくともONされている間、そのリレーを開状態に維持する回路構成でも本実施形態を実現することができる。
本発明は、車両内のコンデンサを放電する放電システムに利用することができる。
1 車両
10 放電システム
20 第1バッテリ
22 インバータ
24 駆動モータ
26 コンデンサ
28 リレー
30 第2バッテリ
32 DC/DCコンバータ
36 放電回路
52 放電制御部

Claims (2)

  1. 第1バッテリと、
    前記第1バッテリの直流電力を交流電力に変換し、駆動モータに出力するインバータと、
    前記第1バッテリと前記インバータとの間に並列接続されたコンデンサと、
    前記第1バッテリと前記インバータとの接続状態を閉状態または開状態に切り換えるリレーと、
    放電用抵抗と第1スイッチング素子との直列回路が、前記コンデンサに並列接続された放電回路と、
    一端が前記コンデンサの正極に接続される分割用第1抵抗と、
    一端が前記コンデンサの負極に接続され、他端が前記分割用第1抵抗の他端に接続され、前記分割用第1抵抗との接続点が前記第1スイッチング素子の制御端子に接続される分割用第2抵抗と、
    前記分割用第2抵抗に並列接続される第2スイッチング素子と、
    前記リレーが少なくともONされている間は、前記第2スイッチング素子をONすることで前記第1スイッチング素子をOFFし、前記リレーがOFFされると、前記第2スイッチング素子をOFFすることで前記第1スイッチング素子をONする放電制御部と、
    を備える放電システム。
  2. 前記第1バッテリと異なる第2バッテリと、
    前記第1バッテリの電力を前記第2バッテリの電力に変換するDC/DCコンバータと、
    を備え、
    前記放電回路は、前記DC/DCコンバータに内蔵される請求項1に記載の放電システム。
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