JP7301100B2

JP7301100B2 - 交流発生回路、および交流発生装置

Info

Publication number: JP7301100B2
Application number: JP2021130824A
Authority: JP
Inventors: 泰道大貫
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2021-08-10
Filing date: 2021-08-10
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2041-08-10
Also published as: JP2023025525A; US20230045910A1; CN115706441A; US11870365B2

Description

本発明は、交流発生回路、および交流発生装置に関する。

地球環境上の悪影響を軽減するために（例えばＮＯｘ、ＳＯｘの削減、ＣＯ_２の削減のために）、二次電池に蓄えられた電力で走行する電動車両の普及が進められている。二次電池の温度が適度な範囲以下に低下すると、二次電池の充放電特性が低下することが知られている。これに関して、二次電池の温度が低い場合、その温度を効率的に上昇するために、二次電池を内部から効果的に発熱させることによって二次電池を効果的に昇温可能な二次電池の昇温装置の発明が開示されている（特許文献１）。

上記のような二次電池を昇温する装置を設ける際に、設計回路に短絡電流が生じることを防止するために、蓄電体と回路を接続する箇所に電流制限素子を設けることが知られている。これに関して、短絡電流を制限するため、電流制限素子を備える電流抑制遮断器ユニットの発明が開示されている（特許文献２）。

国際公開第２０１１／００４４６４号特開平１１－２５８３９号公報

電流制限素子の定格は、通過する電流の大きさに合わせて設定されるため、交流発生回路の通過電流が大きくなると、電流制限素子として定格の大きいものを使用する必要が生じる。しかしながら、電流制限素子の定格が大きくなると、電流制限素子が作動し始めるまでの時間が長くなり、その間の電流によって回路等にダメージを与える可能性がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、電流制限素子の負担を低減して使われる電流制限素子の定格を小さくすることで、電流制限素子の大きさや価格の上昇を抑制し、周辺機器の保護性能を高めることができる交流発生回路および交流発生装置を提供することを目的の一つとする。

この発明に係る交流発生回路および交流発生装置は、以下の構成を採用した。
（１）：この発明の一態様に係る交流発生回路は、二次電池に取り付けられる交流発生回路であって、前記二次電池の両端に交流を発生させる回路と、前記回路の正極側と前記二次電池の正極との間、および／または前記回路の負極側と前記二次電池の負極との間に接続される電流制限素子と、前記電流制限素子に対して並列に接続されるコンデンサと、を備える交流発生回路である。

（２）：上記（１）の態様において、前記回路は、外部の電源によらず前記二次電池が蓄えた電力を用いて前記交流を発生させるものである。

（３）：上記（１）または（２）の態様において、前記回路は、二以上の回路内コンデンサを含み、前記二以上の回路内コンデンサの接続関係を前記二次電池に対して直列または並列に切り替えることで、前記交流を発生させるものである。

（４）：この発明の他の態様に係る交流発生装置は、上記（１）から（３）のうちいずれかに記載の交流発生回路と、前記回路に含まれるスイッチを制御することで前記回路に交流を発生させる制御部と、を備える交流発生装置である。

上記（１）～（４）の態様によれば、電流制限素子の負担を低減して使われる電流制限素子の定格を小さくすることで、電流制限素子の大きさや価格の上昇を抑制し、周辺機器の保護性能を高めることができることができる。
上記（２）または（３）の態様によれば、外部の電源が不要である状態で電流制限素子の大きさや価格の上昇を抑制し、周辺機器の保護性能を確保する上に、システム全体を小型軽量化し、エネルギー効率の改善を図ることができる。

第１実施形態の交流発生装置１および交流発生回路１０の構成の一例を示す図である。第１実施形態の回路１０－Ａのスイッチのオン／オフによって生じる電流の変化の一例を示す図である。第１実施形態の比較例の交流発生回路１０＃の構成の一例を示す図である。第１実施形態の比較例の交流発生回路１０＃のスイッチのオン／オフによって生じる電流の変化の一例を示す図である。第２実施形態の交流発生装置１Ｘおよび交流発生回路１０Ｘの構成の一例を示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の交流発生回路、および交流発生装置の実施形態について説明する。交流発生回路、および交流発生装置は、二次電池に取り付けられ、必要なときに二次電池を昇温させるものである。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の交流発生装置１および交流発生回路１０の構成の一例を示す図である。本実施形態において、交流発生装置１は、交流発生回路１０と、制御部１００とを含む。交流発生回路１０は、交流を発生させる回路１０－Ａと、コンデンサＣ１００と、ヒューズＦとを含む。回路１０－Ａの正極側はヒューズＦを介して二次電池Ｂの正極と、回路１０－Ａの負極側は二次電池Ｂの負極と、それぞれ接続されている。コンデンサＣ１００は、ヒューズＦに対してそれと並列に接続されている。

図１において、二次電池Ｂの特性を、仮想的に蓄電部Ｅ、抵抗Ｒ_ＳおよびインダクタンスＬ_Ｓとして表している。二次電池Ｂは、例えば、リチウムイオン電池などの繰り返し充電および放電が可能な電池である。二次電池Ｂは、単に一つの電池であってもよいし、複数の電池ブロックを含み、これらの電池ブロックが互いに電気的に直列または並列に接続されたものでもよい。なお、二次電池Ｂの供給する電力は、不図示のＤＣ－ＡＣ変換器や、ＤＣ－ＤＣ変換器などを介して負荷に供給されてもよい。

回路１０－Ａの正極側の接点Ｐ１は、ヒューズＦの第１端と接続されている。回路１０－Ａの負極側の接点Ｐ２は、二次電池Ｂの負極である接点Ｐ５と接続されている。接点Ｐ１と接点Ｐ２との間には、交流を発生させるためのコンデンサＣ１およびＣ２、スイッチＳ１～Ｓ３が設けられている。この構成が回路１０－Ａに相当する。

回路１０－Ａにおいて、接点Ｐ１と接点Ｐ２の間には、コンデンサＣ１とスイッチＳ１が直列に接続された第１の経路と、スイッチＳ２とコンデンサＣ２が直列に接続された第２の経路とが並列に存在する。コンデンサＣ１とスイッチＳ１の間にある接点Ｐ３と、スイッチＳ２とコンデンサＣ２の間にある接点Ｐ４とは、第３の経路によって接続されている。第３の経路には、スイッチＳ３が設けられている。

ヒューズＦの第２端は、接点Ｐ６と接続されている。ヒューズＦは、自身を流れる電流が、一定電流より大きくなると、溶断して電流を遮断する。なお、ヒューズＦは「電流制限素子」の一例である。例えば、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタなどの他の電流制限素子が用いられてもよい。

コンデンサＣ１００は、ヒューズＦに対して並列に設けられている。つまり、コンデンサＣ１００の両端はそれぞれ、接点Ｐ１と接点Ｐ６に接続されている。コンデンサＣ１００は、接点Ｐ１と接点Ｐ６の間に流れる交流成分を選択的に通過させ、直流成分の通過を抑制する。

制御部１００は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）等により実現される。制御部１００は、例えば、回路１０－Ａが含むスイッチＳ１～Ｓ３のそれぞれのオン／オフを制御することで、回路１０－Ａに交流を発生させる。なお、本実施形態においては、コンデンサＣ１およびＣ２は回路内コンデンサの例であり、それらの容量は同一に設定されている。コンデンサＣ１００の容量は回路内コンデンサと同じでもよいし、異なってもよい。

回路１０－Ａにおいて、制御部１００は、例えば、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３を制御することで、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２を二次電池Ｂに対して直列／並列に切り替える。制御部１００は、スイッチＳ１およびスイッチＳ２をオン、スイッチＳ３をオフにすることでコンデンサＣ１とコンデンサＣ２を二次電池Ｂに対して並列にし、スイッチＳ１およびスイッチＳ２をオフ、スイッチＳ３をオンにすることでコンデンサＣ１とコンデンサＣ２を二次電池Ｂに対して直列にする。

コンデンサＣ１とコンデンサＣ２が二次電池Ｂに対して並列である場合、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２のそれぞれの電圧は二次電池Ｂの電圧に近づこうとする（コンデンサが充電される）。一方、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２が二次電池Ｂに対して直列である場合、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２のそれぞれの電圧は二次電池Ｂの電圧の１／２に近づこうとする（コンデンサが放電する）。これを繰り返すことによって回路１０－Ａと二次電池Ｂとの間に交流が発生する。制御部１００は、そのようにスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３を制御する。

図２は、第１実施形態の回路１０－Ａのスイッチのオン／オフによって生じる電流の変化の一例を示す図である。本図に示される変化は、本出願の発明者がシミュレーションを行った結果である。図示するように、回路１０－Ａにおいて、時刻ｔ１にコンデンサＣ１とコンデンサＣ２が二次電池Ｂに対して直列に接続される。時刻ｔ１以前には、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の電圧の和が二次電池Ｂの電圧より大きかったので、時刻ｔ１から時刻ｔ２まで、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２のそれぞれは放電し、放電した電力で二次電池Ｂが充電される。時刻ｔ２にコンデンサＣ１とコンデンサＣ２が二次電池Ｂに対して並列に接続される。時刻ｔ２以前には、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の電圧が二次電池Ｂの電圧より小さかったので、時刻ｔ２から時刻ｔ３まで、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２のそれぞれは充電され、二次電池Ｂが放電する。インダクタンスＬ_Ｓの存在によって、電流Ｉ_Ｅ１がコンデンサＣ１とコンデンサＣ２のそれぞれから二次電池Ｂに流れる方向に維持されるため、電流Ｉ_Ｅ１の波形の変化は図示しない電圧Ｖ１－Ｖ０の波形の変化より遅くなり、電流Ｉ_Ｅ１の波形は図示するようになる。

そして、コンデンサＣ１００がヒューズＦに対して並列に設けられているため、交流発生装置１は、大部分の交流成分をコンデンサＣ１００の側に通過させることで、ヒューズＦの側を通過する交流成分を低減することができる。

［比較例との比較]
ここで、第１実施形態の比較例との比較について説明する。図３は、第１実施形態の比較例の交流発生回路１０＃の構成の一例を示す図である。図３においては、便宜上、上記第１実施形態と同じ機能を持つものについては同じ符号を付している。比較例の交流発生回路１０＃は、図３に示すように、コンデンサＣ１００が設けられておらず、接点Ｐ１と接点Ｐ６の間にヒューズＦ１のみが設けられたものである。

図４は、第１実施形態の比較例の交流発生回路１０＃のスイッチのオン／オフによって生じる電流の変化の一例を示す図である。本図に示される変化も、本出願の発明者がシミュレーションを行った結果である。図４に示すように、比較例において、ヒューズＦを流れる電流Ｉ_ｆｕｓｅは、二次電池Ｂを流れる電流Ｉ_Ｅ１と同様であるが、実施形態では専らコンデンサＣ１００を流れるのに対し、ヒューズＦを流れることになる。その結果、実施形態と比較すると、交流発生回路１０＃の作動時においてヒューズＦを流れる電流が大きくなる。そうすると、実施形態よりも定格の大きいヒューズＦを使用する必要が生じる。ヒューズＦの定格が大きくなると、ヒューズＦが作動し始めるまでの時間が長くなり、その間に大きな電流が流れた場合、回路等にダメージを与える可能性がある。

これに対して、第１実施形態の交流発生回路１０によれば、コンデンサＣ１００が設けられているため、二次電池Ｂを昇温させる際に、ヒューズＦの側を通過する交流成分を減少させることで、定格の小さいヒューズＦを使用することができる。定格の小さいヒューズＦが使われると、ヒューズＦが作動し始めるまでの時間が短くなり、電流が回路等にダメージを与える確率を低減できる。ヒューズＦの定格が小さくなることによって、ヒューズＦの大きさや価格の上昇が抑制される。更に、コンデンサＣ１００が設けられているため、周辺機器の保護性能も確保することができる。第１実施形態の交流発生回路１０によれば、上記の効果を奏するのに加えて、二次電池Ｂに蓄電された電荷を基にして交流を生成できるため、外部の電源は不要となる。それによって、システム全体を小型軽量化し、エネルギー効率の改善を図ることができる。

以上説明した第１実施形態によれば、電流制限素子（例えばヒューズ）の負担を低減して使われる電流制限素子の定格を小さくすることで、電流制限素子の大きさや価格の上昇を抑制し、周辺機器の保護性能を高めることができる。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、回路１０－Ａの正極側と二次電池Ｂの正極との間（または回路１０－Ａの負極側と二次電池Ｂの負極との間）に、並列に設けられたヒューズとコンデンサの組が設けられていることを例示した。第２実施形態では、回路１０－Ａの正極側と二次電池Ｂの正極との間、および回路１０－Ａの負極側と二次電池Ｂの負極との間の双方に、並列に設けられたヒューズとコンデンサの組が設けられた例について説明する。

図５は、第２実施形態の交流発生装置１Ｘおよび交流発生回路１０Ｘの構成の一例を示す図である。図５においては、便宜上、第１実施形態と同じ機能を持つものについては同じ符号を付している。第２実施形態において、図５に示すように、回路１０Ｘ－Ａの正極側はヒューズＦ１を介して二次電池Ｂの正極と、回路１０Ｘ－Ａの負極側はヒューズＦ２を介して二次電池Ｂの負極と、それぞれ接続されている。コンデンサＣ１００は、ヒューズＦ１に対してそれと並列に接続されている。コンデンサＣ１１０は、ヒューズＦ２に対してそれと並列に接続されている。

回路１０Ｘ－Ａの正極側の接点Ｐ１は、ヒューズＦ１の第１端と接続されている。回路１０Ｘ－Ａの負極側の接点Ｐ２は、ヒューズＦ２の第１端と接続されている。ヒューズＦ１の第２端は接点Ｐ６と接続され、ヒューズＦ２の第２端は接点Ｐ５と接続されている。

コンデンサＣ１００は、ヒューズＦ１に対して並列に設けられている。つまり、コンデンサＣ１００の両端はそれぞれ、接点Ｐ１と接点Ｐ６に接続されている。コンデンサＣ１００は、接点Ｐ１と接点Ｐ６の間に流れる交流成分を選択的に通過させ、直流成分の通過を抑制する。コンデンサＣ１１０は、ヒューズＦ２に対して並列に設けられている。つまり、コンデンサＣ１１０の両端はそれぞれ、接点Ｐ２と接点Ｐ５に接続されている。コンデンサＣ１１０は、接点Ｐ２と接点Ｐ５の間に流れる交流成分を選択的に通過させ、直流成分の通過を抑制する。交流発生回路１０Ｘの他の構成については、第１実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

第２実施形態において、コンデンサＣ１００がヒューズＦ１に対して並列に設けられ、且つ、コンデンサＣ１１０がヒューズＦ２に対して並列に設けられているため、交流発生装置１Ｘは、大部分の交流成分をコンデンサＣ１００およびコンデンサＣ１１０の側に通過させることで、ヒューズＦ１およびヒューズＦ２の側を通過する交流成分を低減することができる。

第２実施形態の交流発生回路１０によれば、コンデンサＣ１００およびコンデンサＣ１１０が設けられているため、二次電池Ｂを昇温させる際に、ヒューズＦ１およびヒューズＦ２の側を通過する交流成分を減少させることで、定格の小さいヒューズＦ１およびヒューズＦ２を使用することができる。定格の小さいヒューズＦ１およびヒューズＦ２が使われると、ヒューズＦ１およびヒューズＦ２が作動し始めるまでの時間が短くなり、電流が回路等にダメージを与える確率を低減できる。そして、ヒューズＦ１およびヒューズＦ２の定格が小さくなることによって、ヒューズＦ１およびヒューズＦ２の大きさや価格の上昇が抑制される。更に、コンデンサＣ１００およびコンデンサＣ１１０が設けられているため、周辺機器の保護性能も確保することができる。二次電池Ｂに蓄電された電荷を基にして交流を生成できるため、外部の電源も不要となる。

以上説明した第２実施形態の交流発生回路１０によれば、第１実施形態の効果を奏するのに加えて、二つのヒューズがそれぞれ回路１０Ｘ－Ａの正極側と負極側に設けられているため、周辺機器の保護性能を高めることができる。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

１交流発生装置
１０交流発生回路
１０－Ａ回路
１００制御部
Ｃ１００コンデンサ
Ｆヒューズ
Ｂ二次電池

Claims

二次電池に取り付けられる交流発生回路であって、
前記二次電池の両端に交流を発生させる回路と、
前記回路の正極側と前記二次電池の正極との間、および／または前記回路の負極側と前記二次電池の負極との間に接続される電流制限素子と、
前記電流制限素子に対して並列に接続されるコンデンサと、
を備える交流発生回路。
前記回路は、外部の電源によらず前記二次電池が蓄えた電力を用いて前記交流を発生させる、
請求項１に記載の交流発生回路。
前記回路は、二以上の回路内コンデンサを含み、前記二以上の回路内コンデンサの接続関係を前記二次電池に対して直列または並列に切り替えることで、前記交流を発生させる、
請求項１または２に記載の交流発生回路。
請求項１から３のうちいずれか１項に記載の交流発生回路と、
前記回路に含まれるスイッチを制御することで前記回路に交流を発生させる制御部と、
を備える交流発生装置。