JP7565486B2

JP7565486B2 - 電力遮断装置

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Publication number: JP7565486B2
Application number: JP2021532698A
Authority: JP
Inventors: 貴志廣部; 竜也岡本; 俊風間
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-07-17
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2024-10-11
Anticipated expiration: 2040-05-13
Also published as: CN114128070A; JPWO2021010007A1; EP4002620A4; EP4002620B1; US20220250481A1; CN114128070B; US12194866B2; EP4002620A1; WO2021010007A1

Description

本発明は、各種車両に使用することができる電力遮断装置に関する。

従来の遮断装置では、蓄電池と車両駆動負荷との間の電力経路に通常の溶断ヒューズとリレーが接続されている。異常な大電流が電力経路に流れたときや、車両の衝突が検出されたとき、その電流により発生した熱によりヒューズが溶断されること、およびリレーが遮断状態へ切り換えられることによって、蓄電池と車両駆動負荷との電気的接続が遮断される。

特許文献１は上記の遮断装置に類似の従来の遮断装置を開示している。

特開２０１１－２２３６５５号公報

本発明のある態様に係る電力遮断装置は、導通している接続状態と導通していない遮断状態とを有するスイッチ部を有するリレー部と、リレー部のスイッチ部に直列に接続された、導通している接続状態と導通していない不可逆的遮断状態とを有する遮断部と、遮断部に流れる被検出電流を検出するように構成された電流検出部と、リレー部と遮断部とを制御するように構成された制御部とを備える。制御部は、被検出電流の時間に対する変化率を得る。制御部は、前記遮断部を前記接続状態から前記不可逆的遮断状態に切替え、その後、前記リレー部を前記接続状態から前記遮断状態に切り替える。
本発明の他の態様に係る電力遮断装置は、導通している接続状態と導通していない遮断状態とを有するスイッチ部を有するリレー部と、前記リレー部の前記スイッチ部に直列に接続された、導通している接続状態と導通していない不可逆的遮断状態とを有する遮断部と、第１検出期間と、前記第１の検出期間より後の第２検出期間とを含む複数の検出期間のそれぞれに前記遮断部に流れる被検出電流を検出するように構成された電流検出部と、前記リレー部と前記遮断部とを制御するように構成された制御部とを備える。前記制御部は、前記第１検出期間における前記被検出電流の時間に対する第１変化率を得る。前記制御部は、前記第２検出期間における前記被検出電流の時間に対する第２変化率を得る。前記制御部は、前記第１変化率が閾変化率よりも大きくないと判断した場合に前記リレー部の前記スイッチ部を前記接続状態にしかつ前記遮断部を前記接続状態にする。前記制御部は、前記第１変化率と前記第２変化率とが前記閾変化率よりも大きいと判断した場合に前記リレー部を前記遮断状態にしかつ前記遮断部を前記不可逆的遮断状態にする。
本発明のさらに他の態様に係る電力遮断装置は、導通している接続状態と導通していない遮断状態とを有するスイッチ部を有するリレー部と、前記リレー部の前記スイッチ部に直列に接続された、導通している接続状態と導通していない不可逆的遮断状態とを有する遮断部と、第１検出期間と、前記第１の検出期間より後の第２検出期間とを含む複数の検出期間のそれぞれに前記遮断部に流れる被検出電流を検出するように構成された電流検出部と、前記リレー部と前記遮断部とを制御するように構成された制御部とを備える。前記制御部は、前記第１検出期間における前記被検出電流の時間に対する第１変化率を得る。前記制御部は、前記第２検出期間における前記被検出電流の時間に対する第２変化率を得る。前記制御部は、前記第１変化率が閾変化率よりも大きくないと判断した場合に前記リレー部の前記スイッチ部を前記接続状態にしかつ前記遮断部を前記接続状態にする。前記制御部は、前記第２変化率が前記第１変化率よりも大きくかつ前記第１変化率が前記閾変化率よりも大きいと判断した場合に前記リレー部を前記遮断状態にしかつ前記遮断部を前記不可逆的遮断状態にする。

この電力遮断装置は小型化することができる。

図１は実施の形態における電力遮断装置の回路ブロック図である。図２は実施の形態における電力遮断装置を搭載した車両の回路ブロック図である。図３は実施の形態における電力遮断装置の動作特性を示す図である。図４は実施の形態における電力遮断装置を搭載した車両の駆動負荷のブロック図である。図５は実施の形態における電力遮断装置を搭載した車両の駆動負荷の電流を示す図である。図６は実施の形態における電力遮断装置の他の動作特性図である。

図１は実施の形態における電力遮断装置の回路ブロック図である。電力遮断装置１は、リレー部２と遮断部３と電流検出部４と制御部５とを含む。リレー部２と遮断部３とは直列に接続されている。電流検出部４は遮断部３に流れる被検出電流ＩＤを検出期間ごとに検出する。また、電流検出部４は制御部５に接続されている。制御部５は、リレー部２と遮断部３に対して開閉の動作を制御するように構成されている。

遮断部３は、制御部５から発信される遮断信号ＳＧ１を受信することによって、接続状態から不可逆的遮断状態へと切り替えられる。リレー部２は、制御部５から発信される遮断信号ＳＧ２を受信することによって、接続状態から遮断状態へと切り替えられる。ここで遮断信号ＳＧ１および遮断信号ＳＧ２は、被検出電流ＩＤの検出期間における変化率が閾変化率ＣＴよりも大きくなったと制御部５が判断したときに発せられる。

以上の構成及び動作により、リレー部２および遮断部３に流れる被検出電流ＩＤが許容値から大きな値へと変化する過渡期の初期段階で、被検出電流ＩＤが大きな値となることを制御部５は判断することができる。そして被検出電流ＩＤが大きな値となる事前に、リレー部２および遮断部３は接続状態から遮断状態へと切り替えられる。

これにより、リレー部２における被検出電流ＩＤが過剰に大きな値に達する前の段階で、リレー部２および遮断部３は遮断状態となり、リレー部２の接点に発生するアークと、アークの発生に伴う不完全な遮断状態の発生が抑制される。そして、被検出電流ＩＤは大きな値となる事前に遮断されるので、リレー部２の動作信頼性を保証するためにリレー部２を大型化する必要は無く、結果として電力遮断装置１の小型化が可能となる。

前述の従来の遮断装置では、短時間でヒューズが溶断されて電力を遮断するには非常に大きな電流が流れる。短時間でヒューズを溶断可能な大きな電流が流れる状態でリレーが正常に動作するためには、そのリレーは大きな電流容量を有する必要がある。リレーの電流容量が小さい場合、リレーに閾値よりも大きな電流が流れると、リレーの接点間に生じるアーク放電によりリレーが遮断状態とならず通電状態が継続することによってリレーの破損などが生じ、遮断装置の動作信頼性が低下する恐れがある。このため、遮断装置での遮断動作の信頼性を向上させるにはリレーの大型化が避けられない。

それに対して、実施の形態における電力遮断装置１は上述のように小型化が可能となる。

以下で、電力遮断装置１の構成および動作の詳細を説明する。図２は電力遮断装置１を搭載した車両６の回路ブロック図である。図３は電力遮断装置１の動作特性を示す。

電力遮断装置１は、推進駆動に電力が用いられる車両６に搭載されていて車両６の車体７に配置されている。車体７には高電圧バッテリー８と駆動負荷９とが配置されている。高電圧バッテリー８は電力遮断装置１の入力端１０に接続され、駆動負荷９は電力遮断装置１の出力端１１に接続箱１２を介して接続されている。電力遮断装置１は車両６に搭載されているが、電力遮断装置１は高電圧バッテリー８と駆動負荷９と共に電力遮断システムを構成していてもよい。

車両６は上記のように推進駆動に電力が用いられることから、高電圧バッテリー８は数百ボルトから１０００ボルト程度の直流高電圧を有する蓄電池である。また、駆動負荷９はインバータをはじめとする電力変換装置９Ａや駆動用モータ９Ｂを含んでいる。接続箱１２は高電圧バッテリー８の電力を、駆動負荷９以外の他の負荷にも電力供給を可能とするために分配する。

リレー部２は、導通している接続状態と導通していない遮断状態とを有するスイッチ部２Ｓを有する。リレー部２は制御端２Ｃを有する。スイッチ部２Ｓは、制御端２Ｃで遮断信号ＳＧ２を受信していないときには接続状態となり、制御端２Ｃで遮断信号ＳＧ２が受信されていときには遮断状態となる。遮断部３は、制御端リレー部２のスイッチ部２Ｓに直列に接続された、導通している接続状態と導通していない不可逆的遮断状態とを有する遮断体３Ａを有する。遮断部３は制御端３Ｃを有する。遮断体３Ａは通常は接続状態になっているが、制御端３Ｃで遮断信号ＳＧ１を受信すると不可逆的遮断状態になる。電流検出部４は遮断部３の遮断体３Ａに流れる被検出電流ＩＤを検出する。

車両６は搭乗者が起動操作部１３を操作することによって駆動され始める。また、搭乗者が起動操作部１３を操作することによって起動信号ＳＶ１が起動操作部１３から制御部５へ発信される。制御部５は起動信号ＳＶ１を受信することによって、リレー部２を接続状態とする。リレー部２は機械的接点よりなるスイッチ部２Ｓを有する電磁開閉式リレー２Ａや、電磁開閉式リレー２Ａを開閉させるためのリレー回路２Ｂを含んでいてよい。また、半導体スイッチがリレーとして電磁開閉式リレー２Ａに代えて用いられてもよい。

遮断部３は車両６が起動される以前から定常的に接続状態となっている。後に動作については説明するが、遮断部３の遮断体３Ａはパイロイグナイタのように遮断信号を外部から受信することに応じて遮断が実行され、その後は遮断状態が継続されて接続状態には戻らない不可逆的遮断状態となる。制御部５は、遮断体３Ａを遮断させるための遮断回路３Ｂを含んでいてよい。

遮断部３の遮断体３Ａにパイロイグナイタが用いられる場合には、遮断回路３Ｂは制御部５から発せられた遮断信号ＳＧ１を制御端３Ｃで受信することによって遮断体３Ａのパイロイグナイタの火工部の火薬を発火させるための回路である。そして、遮断体３Ａの火工部が発火して爆発することに伴うエネルギーによって遮断部３の導体部が破壊され、遮断部３は遮断状態となる。

また、遮断体３Ａに、被検出電流ＩＤで発生するジュール熱により溶断する溶断ヒューズが用いられる場合には、遮断回路３Ｂは遮断信号ＳＧ１を受信することによって遮断体３Ａに冗長電流を供給する。

言い換えると遮断部３には能動的ヒューズが用いられる。あるいは遮断部３は遮断部３を構成する要素全体が能動的ヒューズとして動作する。

電力遮断装置１の状態や動作を以下に説明する。図３は電力遮断装置１の動作特性を示す。図３において、縦軸は遮断部３の遮断体３Ａに流れる被検出電流ＩＤを示し、横軸は時間を示す。図３は、実施の形態における電力遮断装置１の被検出電流ＩＤ０を示す。図３は、被検出電流ＩＤが過電流閾値ＩＴを超えたことを検出して遮断部が遮断される比較例の電力遮断装置の被検出電流ＩＤ１を併せて示す。図３は、破線の直線で表された閾変化率ＣＴを示す。過電流閾値ＩＴは、車両６や車体７に短絡が生じた際に流れる電流に設定する。あるいは、過電流閾値ＩＴは、車両６や車体７に短絡が生じた際に、特に高電圧バッテリー８に関連した短絡が生じた際に流れる電流の下限値に設定してもよい。

電流検出部４には電流検出素子としてホール素子やシャント抵抗などが用いられ、遮断部３の遮断体３Ａとリレー部２のスイッチ部２Ｓとに流れる被検出電流ＩＤの電流値を検出し、電流値に対応した電気信号を制御部５へ発信する。本実施例では、電流検出部４はリレー部２と遮断部３との間に配置されているが、電流検出部４はリレー部２と入力端１０との間に配置されていてもよい。あるいは、電流検出部４は遮断部３と出力端１１との間に配置されていてもよい。

図３の動作特性図における、タイミングＴ０で搭乗者によって起動操作部１３が操作されることによって車両６が駆動され始める。その後、タイミングＴ１で短絡電流が発生する。タイミングＴ０からタイミングＴ１までの定常期間ＰＴ０では、車両６および電力遮断装置１が定常状態であり、電流検出部４で検出される被検出電流ＩＤ、ＩＤ１は共に定常値Ｉｃである、あるいは定常値Ｉｃの上下の許容範囲内で変動する値である。

定常期間ＰＴ０では、被検出電流ＩＤ、ＩＤ１は共に定常値Ｉｃとして図３においては直線で示されている。しかしながら定常状態であっても実際には駆動負荷９で消費される電力は常に変動しているため、定常値Ｉｃは脈流となっている。この一方で、定常値Ｉｃは脈流となっているものの、定常値Ｉｃと電力遮断装置１に短絡電流などの異常電流が流れた場合に、異常電流は電力遮断装置１の遮断の目安となる過電流閾値ＩＴとは大きな隔たりがあり、定常値Ｉｃにおける脈流の極大値と極小値との差Ｉｖｎは、定常値Ｉｃと過電流閾値ＩＴとの差に比較して非常に小さい。また、定常値Ｉｃにおける脈流の極大値から極小値への変動は短絡電流が発生した場合の電流の変動に比較してゆっくりと起こる。

車両６が駆動されはじめると、電流検出部４による被検出電流ＩＤの検出、および、被検出電流ＩＤに対する制御部５での演算が始められる。被検出電流ＩＤの検出と、被検出電流ＩＤに対する演算と、演算結果と閾変化率ＣＴとの比較と判断とは所定の長さ△Ｔを有する複数の検出期間のそれぞれに対して実行される。言い換えると、タイミングＴｂで検出された被検出電流ＩＤの値ＩＤｂの、タイミングＴａで検出された値ＩＤａからの被検出電流ＩＤの変化量をタイミングＴａ～Ｔｂまでの検出期間ＰＴａｂでの単位時間当たりの変化量である変化率ＣＴａｂへと演算により変換する。変化率ＣＴａｂは閾変化率ＣＴと比較される。同様に、タイミングＴｃで検出された被検出電流ＩＤの値ＩＤｃの、値ＩＤｂからの被検出電流ＩＤの変化量をタイミングＴｂ～Ｔｃまでの検出期間ＰＴｂｃでの変化率ＣＴｂｃへと演算により変換する。変化率ＣＴｂｃは閾変化率ＣＴと比較される。タイミングＴｄで検出された被検出電流ＩＤの値ＩＤｄの、値ＩＤｃからの被検出電流ＩＤの変化量をタイミングＴｃ～Ｔｄまでの検出期間ＰＴｃｄでの変化率ＣＴｃｄへと演算により変換する。変化率ＣＴｃｄは閾変化率ＣＴと比較される。このように、電流検出部４は、複数の検出期間ＰＴａｂ、ＰＴｂｃ、ＰＴｃｄのそれぞれに被検出電流ＩＤを検出するように構成されている、電流検出部４は、検出期間ＰＴｂｃでの互いに異なる複数のタイミングＴｂ、Ｔｃで被検出電流ＩＤの複数の値ＩＤｂ、ＩＤｃを検出し、検出期間ＰＴｃｄでの互いに異なる複数のタイミングＴｃ、Ｔｄで被検出電流ＩＤの複数の値ＩＤｃ、ＩＤｄを検出するように構成されている。制御部５は、被検出電流ＩＤの複数の値ＩＤｂ、ＩＤｃに基づいて変化率ＣＴｂｃを得て、被検出電流ＩＤの複数の値ＩＤｃ、ＩＤｄに基づいて変化率ＣＴｃｄを得るように構成されている。複数の検出期間ＰＴａｂ、ＰＴｂｃ、ＰＴｃｄの長さは互いに同じ長さΔＴであってもよく、互いに異なっていてもよい。

タイミングＴ０からタイミングＴ１までの定常状態の定常期間ＰＴ０では、被検出電流ＩＤは概ね変化しない。あるいは、定常期間ＰＴ０では、被検出電流ＩＤの変動は短絡電流などの異常電流が流れた場合の被検出電流ＩＤの変化に比較して非常に小さい。このため、変化率ＣＴａｂはほぼ０となる。このため、変化率ＣＴａｂは閾変化率ＣＴとの比較結果で、変化率ＣＴａｂは閾変化率ＣＴよりも小さいと制御部５は判断する。そして、制御部５は遮断信号ＳＧ１および遮断信号ＳＧ２を発信しないで、定常状態を継続させる。このように、制御部５は、変化率ＣＴａｂが閾変化率ＣＴよりも大きくないと判断した場合にリレー部２のスイッチ部２Ｓを接続状態にしかつ遮断部３を接続状態にする。

ここで、定常期間ＰＴ０での被検出電流ＩＤについて詳述する。過電流閾値ＩＴよりもはるかに小さな値で生じることとなる定常値Ｉｃにおける被検出電流ＩＤの脈流の極大値から極小値への変動は、短絡電流が発生する場合の電流変動に比較して先にも述べたようにゆっくりと起こることから、定常値Ｉｃにおいて通常に生じる脈流の極大値から極小値への単位時間当たりの変化量である上昇率に、制御部５が比較判定する際に用いる閾変化率ＣＴを設定してもよい。あるいは、定常値Ｉｃにおいて想定され得る最大の極大値と、想定され得る最小の極小値と、これらの極大値と極小値が想定され得る短時間の間で生じた際の単位時間当たりの変化量である上昇率に閾変化率ＣＴを設定してもよい。

さらに上記で求めた単位時間当たりの変化量である上昇率に１より大きい定数を乗じた、余裕度の大きな値の閾変化率ＣＴが設定されてもよい。いいかえると、閾変化率ＣＴは車両が正常な状態で動作する場合での、被検出電流ＩＤが最も急に上昇するときの単位時間当たりの変化量である上昇率を用いて決定する。これにより、以下で説明する短絡が生じた際の異常状態と、定常状態とを制御部５は明確にかつ容易に判定できる。

ここで、閾変化率ＣＴは予め制御部５の記憶回路などに与えられた値として予め記憶されていてもよい。あるいは、閾変化率ＣＴは予め制御部５の記憶回路などに予め記憶された値から、車両６が起動するごとに定常状態での被検出電流ＩＤの変動により随時更新されてもよい。

一例として閾変化率ＣＴの決定について説明する。図４は電力遮断装置１を搭載した車両６の駆動負荷９のブロック図である。図５は駆動負荷９に流れる電流Ｉ９を示す。先にも述べたように、車両６が推進駆動に電力を用いる場合、駆動負荷９には電力遮断装置１を通じて高電圧バッテリー８から直流の電圧が印加される。そして高電圧バッテリー８の直流電圧を電力変換装置９Ａが交流電圧Ｖ９Ｆへと変換し、交流電圧Ｖ９Ｆにより駆動用モータ９Ｂが駆動される。

ここで、電力変換装置９Ａには、電力変換用に高電位側に接続された上側アームスイッチ９Ｃと、低電位側に接続された下側アームスイッチ９Ｄとが配置されている。また、電力変換装置９Ａの導体に存在する誘導成分９Ｅが配置されている。ここでは説明の便宜上で誘導成分９Ｅが電力変換装置９Ａの集中定数の１つの部品として記載されているが、厳密には誘導成分９Ｅは電力遮断装置１をはじめとして、電力遮断装置１と高電圧バッテリー８とを接続する導体部８Ａや導電路１４など、すべての導体部分に分散して配置されている。また、駆動用モータ９Ｂは、上側アームスイッチ９Ｃと下側アームスイッチ９Ｄとの接続点９Ｊに接続されている。そして駆動用モータ９Ｂの巻線部９Ｆが駆動用モータ９Ｂにおける回路上の負荷として接続されている。

電力変換装置９Ａから駆動用モータ９Ｂへ供給される交流電圧Ｖ９Ｆは実際の波形としては図５に示す滑らかな正弦波Ｒ１ではなく、正弦はＲ１を中心に上昇と下降とが繰り返される脈動が連続した波形となる。上記の脈動での上昇期間と下降期間とは、上側アームスイッチ９Ｃと下側アームスイッチ９Ｄとのそれぞれのオン時間とオフ時間との比率で決定される。また上側アームスイッチ９Ｃと下側アームスイッチ９Ｄとのそれぞれのオン時間とオフ時間とは、車両６に設けられた駆動制御部１５から発せられる例えばＰＷＭ（パルス幅変調）信号に同期して制御される。

電力変換装置９Ａから駆動用モータ９Ｂへ電力が正常に供給されていて、実線で示した脈流が電流波形として示される場合、上昇期間の傾きである変化率ＣＴ０は、高電圧バッテリー８の電圧Ｖと、巻線部９Ｆと誘導成分９Ｅのインダクタンスの総和Ｌ１により、ＣＴ０＝ｄｉ／ｄｔ＝Ｖ／Ｌ１として求められる。ここで、巻線部９Ｆのインダクタンスは１０ｍＨ水準の値であり、一方で誘導成分９Ｅのインダクタンスは１０μＨ水準の値であるため、計算の上で誘導成分９Ｅは無視される。その結果、電力変換装置９Ａから駆動用モータ９Ｂへ電力が正常に供給されているときに検出されることが可能な電流の上昇期間の傾きの値、言い換えると検出されることが可能な電流の上昇率すなわち上昇率ＣＴ０の値は、概ねＶ／Ｌ１＝０．０５Ａ／μｓｅｃとなる。

上記の正常な状態に対して、電力変換装置９Ａからの電力が駆動用モータ９Ｂへ供給されずに、例えば導電路１４において短絡が発生した場合、短絡によって電流は急上昇することとなる。このときの電流上昇の傾きである変化率ＣＴ１は、高電圧バッテリー８の電圧Ｖと誘導成分９ＥのインダクタンスＬ２により、ＣＴ１＝ｄｉ／ｄｔ＝Ｖ／Ｌ２として求められる。誘導成分９Ｅのインダクタンスは１０μＨ水準の値であるため、電力変換装置９Ａや電力遮断装置１に流れる電流の上昇期間の傾きである上昇率すなわち変化率ＣＴ１の値は、概ねＶ／Ｌ２＝５０Ａ／μｓｅｃとなる。

このように、正常に電力が駆動負荷９に供給された場合と、短絡電流がながれた場合とでは１０の３乗水準の差異が生じる。このため、閾変化率ＣＴは通常の動作時に検出される変化率ＣＴ０（＝Ｖ／Ｌ１）に基づいて設定されてもよい。いいかえると、閾変化率ＣＴは、駆動負荷９に電力が供給されているときに検出される変化率ＣＴ０（＝Ｖ／Ｌ１）に基づいて設定されてもよい。

あるいは、閾変化率ＣＴは短絡事故などの緊急事態を想定した異常時の変化率ＣＴ１（＝Ｖ／Ｌ１）に基づいて設定されてもよい。いいかえると、閾変化率ＣＴは、概ね誘導成分９Ｅのみに電力が供給されているときに検出される変化率ＣＴ１（＝Ｖ／Ｌ１）に基づいて設定されてもよい。

このため、閾変化率ＣＴは変化率ＣＴ０（＝Ｖ／Ｌ１）から変化率ＣＴ１（＝Ｖ／Ｌ２）までの広い範囲の間の任意の値として設定することが可能である。例えば、短絡に対して過剰に感度が高く誤判定を行わないようにするために、閾変化率ＣＴは誘導成分９Ｅのみが負荷となる場合の変化率ＣＴ１の１０分の１程度の値で、上記の例に当てはめると５Ａ／μｓｅｃ程度に設定してもよい。あるいは、人体に対して短時間での悪影響の上限直流電圧とされる概ね６０Ｖを目安として電圧Ｖ１を設定し、Ｖ１／Ｌ２として求められる値を閾変化率ＣＴとして設定してもよい。上記の例では誘導成分９Ｅのインダクタンスは計算の便宜上で１０μＨとしたが、当然ながら適切な値が与えられることが望ましい。いいかえると、閾変化率ＣＴは誘導成分９Ｅのインダクタンスに基づいて設定されてもよい。

ここで、電流検出部４はリレー部２と入力端１０との間に配置されることがのぞましい。これにより、短絡が発生する領域の対象を広げることができ、電力遮断装置１の動作信頼性は向上する。

図３を参照しての電力遮断装置１の動作の説明に戻る。次に、タイミングＴ１で、車両６が衝突事故などの何らかの理由で、駆動負荷９や導電路１４が短絡や地絡を起こし、定常値Ｉｃから急増し続けて異常電流Ｉａまで直線状の傾きを有して変化した場合、タイミングＴｂにおける値ＩＤｂからタイミングＴｃにおける値ＩＤｃへと被検出電流ＩＤが変化する。言い換えると、定常状態であるタイミングＴｂから、異常状態となったタイミングＴｃまでに被検出電流ＩＤが大幅に上昇する。そしてこれまでと同様に、タイミングＴｃでの値ＩＤｃのタイミングＴｂの値ＩＤｂからの被検出電流ＩＤの変化量を単位時間当たりの変化量である変化率ＣＴｂｃ（＝ＩＤｃ－ＩＤｂ）／△Ｔ）へと演算して変換する。そして、制御部５は変化率ＣＴｂｃを閾変化率ＣＴと比較する。

図３に示すように、変化率ＣＴｂｃを示す二点鎖線は閾変化率ＣＴを示す破線よりも傾きが大きく、制御部５は変化率ＣＴｂｃが閾変化率ＣＴよりも大きいと判断する。すると、制御部５は遮断信号ＳＧ１を遮断部３へ発信し、遮断信号ＳＧ２をリレー部２へと発信する。遮断部３は遮断信号ＳＧ１を受信することによって、遮断体３Ａが接続状態から不可逆的遮断状態へと切り替わる。そして、リレー部２は遮断信号ＳＧ２を受信することによって、スイッチ部２Ｓが接続状態から遮断状態へと切り替わる。図３においては、タイミングＴ２においてリレー部２および遮断部３が遮断状態となり、電力遮断装置１が高電圧バッテリー８からの放電経路を遮断する。ここでは図示の便宜上、異常電流Ｉａへの変化および被検出電流ＩＤの変化率が閾変化率ＣＴよりも大きくなったことを検出したタイミングＴｃからタイミングＴ２までは時間差があるが、タイミングＴｃはタイミングＴ２と概ね同時であってもよい。厳密には、制御部５における処理時間や遮断部３での遮断完了速度により、タイミングＴ２はタイミングＴｃの後になる。

なお、制御部５は変化率ＣＴｂｃが閾変化率ＣＴよりも大きいと判断しないと、遮断信号ＳＧ１、ＳＧ２のいずれも発信しない。

以上の動作により、リレー部２および遮断部３に流れる被検出電流ＩＤが許容値から大きな値へと変化する過渡期における初期段階の被検出電流ＩＤの値が小さな時点で、後に被検出電流ＩＤが大きな値の過電流状態となることを制御部５は判断することができる。そして被検出電流ＩＤが大きな値となる事前に、リレー部２および遮断部３は接続状態から遮断状態へと切り替えられる。

これにより、リレー部２における被検出電流ＩＤが過剰に大きな値に達する前の段階で、リレー部２および遮断部３は遮断状態となり、リレー部２のスイッチ部２Ｓの接点に発生するアークの発生と、そのアークの発生に伴う不完全な遮断状態の発生が抑制される。そして、被検出電流ＩＤは大きな値となる事前に遮断されるので、リレー部２の動作信頼性を保証するために短絡耐量電流ＩＳを大きな値とする必要はない。そして、これに伴いリレー部２を大型化する必要は無く、結果として電力遮断装置１の小型化が可能となる。

図３は、過電流閾値ＩＴを超越したことを検出したうえで遮断部が遮断状態となる比較例の電力遮断装置の被検出電流ＩＤ１を示す。被検出電流ＩＤ１では、タイミングＴｅで被検出電流ＩＤ１が過電流閾値ＩＴを超越したことが検知されて遮断部の遮断の動作が始まり、タイミングＴ３で遮断が完了する。この場合、タイミングＴｚで被検出電流ＩＤ１が過電流閾値ＩＴを超越し、短絡耐量電流ＩＳに接近することとなるため、リレー部２の動作信頼性を保証するために短絡耐量電流ＩＳを大きな値とし、これに伴いリレー部２を大型化する必要が生じてしまう。

これに対し、本実施例の電力遮断装置１は、被検出電流ＩＤが過電流閾値ＩＴに至ったことを検出することなく、被検出電流ＩＤがタイミングＴｄ以降のタイミングで過電流が生じることをタイミングＴｄにおいて予測し、判断することができる。これは、被検出電流ＩＤの変化率ＣＴｂｃが閾変化率ＣＴよりも大きくなったことを電流検出部４と制御部５とが検出し判断することによって、被検出電流ＩＤがタイミングＴｄ以降で過電流閾値ＩＴを超越することをタイミングＴｚより事前のタイミングＴｄで制御部５が判断できることによるものである。このため、先に述べた電力遮断装置１の小型化が可能となることに加えてさらに、異常発生のタイミングであるタイミングＴ１から遮断が完了するタイミングＴ２までの時間を比較例の電力遮断装置よりも大幅に短縮でき、車両６の安全状態への保全が短時間で可能にする。

制御部５が遮断信号ＳＧ１と遮断信号ＳＧ２とをリレー部２と遮断部３とへ発信したときには、まず遮断部３が接続状態から不可逆的遮断状態へと切り替えられ、その後でリレー部２が接続状態から遮断状態へと切り替えられることが好ましい。ここで、遮断信号ＳＧ１と遮断信号ＳＧ２とは同時に発信されても、遮断信号ＳＧ１が遮断信号ＳＧ２より先に発信されてもいずれであってもよい。そして、遮断部３には遮断体３Ａとしてリレー部２に比較して遮断速度が速いパイロイグナイタのような能動ヒューズが用いられることが好ましい。

リレー部２よりも、遮断信号ＳＧ１によって遮断部３が先に遮断されることにより、遮断部３が遮断された時点で仮に遮断部３にアーク放電が発生しても電力遮断装置１の入力端１０と出力端１１との間の直流抵抗は上昇し、電流値は低下することとなる。そして、電流値が低下したうえでリレー部２が遮断される。このため、仮にリレー部２に機械的接点を有するスイッチ部２Ｓを備えた電磁開閉式リレー２Ａが用いられている場合であっても、機械的接点の開放時にアーク放電が発生することが抑制される。

これにより、電力遮断装置１において、リレー部２の接点に発生するアークと、アークの発生に伴う不完全な遮断状態の発生が一層抑制される。このため、リレー部２の動作信頼性を保証するために短絡耐量電流ＩＳを大きな値とする必要はない。そして、これに伴いリレー部２を大型化する必要は無く、結果として電力遮断装置１の小型化が可能となる。そして同時に電力遮断装置１の動作信頼性は向上する。

図６は実施の形態における電力遮断装置１の他の動作特性を示す。図６において、図３と同じ要素には同じ参照符号を付す。異常電流Ｉａの発生と、異常電流Ｉａの検出を用いた過電流状態に対する判断には、先に述べた被検出電流ＩＤの変化率ＣＴｂｃに加えて変化率ＣＴｃｄが用いられてもよい。図３に示す動作では、被検出電流ＩＤのタイミングＴｂからタイミングＴｃまでの検出期間ＰＴｂｃにおける変化率ＣＴｂｃが閾変化率ＣＴよりも大きくなったことを制御部５が判断することで、後に被検出電流ＩＤが大きな値の過電流状態となることを制御部５は判断する。

図６に示す動作では、電流検出部４はタイミングＴｄで被検出電流ＩＤの値ＩＤｄを検出する。検出期間ＰＴｂｃにおける変化率ＣＴｂｃ（＝（ＩＤｃ－ＩＤｂ）／△Ｔ）が閾変化率ＣＴよりも大きくなったことと、検出期間ＰＴｂｃの後に続く、被検出電流ＩＤのタイミングＴｃからタイミングＴｄまでの検出期間ＰＴｃｄにおける変化率ＣＴｃｄ（＝（ＩＤｄ－ＩＤｃ）／△Ｔ）が閾変化率ＣＴよりも大きいことを検出期間ＰＴｂｃと連続して制御部５が判断することで、後に被検出電流ＩＤが大きな値の過電流状態となると制御部５は判断する。そして、連続して制御部５が、後に被検出電流ＩＤが大きな値の過電流状態となることを連続して判断したことによって、制御部５は遮断信号ＳＧ１および遮断信号ＳＧ２とを発信する。そしてタイミングＴｄの直後のタイミングＴ２で、リレー部２を接続状態から遮断状態にし、遮断部３を接続状態から不可逆的遮断状態にして、電力遮断装置１が高電圧バッテリー８からの放電経路を遮断する。

この動作では、制御部５は、変化率ＣＴｂｃ、ＣＴｃｄの少なくとも一方が閾変化率ＣＴよりも大きくないと判断した場合にリレー部２のスイッチ部２Ｓを接続状態にしかつ遮断部３を接続状態のままに維持する。

これにより、偶発的な検出異常や演算の異常による誤判定を抑制することができるので、電力遮断装置１の動作信頼性は向上する。ここでは、検出期間ＰＴｂｃにおける変化率ＣＴｂｃと、検出期間ＰＴｂｃに続く検出期間ＰＴｃｄでの変化率ＣＴｃｄと、が制御部５は閾変化率ＣＴよりも大きいか否かを判断する。実施の形態における電力遮断装置１は、電流検出部４がタイミングＴｅで被検出電流ＩＤの値ＩＤｅを検出し、検出期間ＰＴｃｄに続くタイミングＴｄからタイミングＴｅまでの検出期間ＰＴｄｅでの変化率ＣＴｄｅ（＝（ＩＤｅ－ＩＤｄ）／△Ｔ）や、さらに続く検出期間での変化率を制御部５は閾変化率ＣＴと比較して判断に用いてもよい。そして、それらの変化率に至る複数の検出期間における変化率の全てが閾変化率ＣＴよりも大きくなったことを連続して制御部５が判断することで、後に被検出電流ＩＤが大きな値の過電流状態となることを制御部５は判断し、リレー部２と遮断部３とを遮断状態にしてもよい。

実施の形態における電力遮断装置１のさらに他の動作を説明する。図４に示すように、検出期間ＰＴｂｃにおける被検出電流ＩＤの変化率ＣＴｂｃ（＝（ＩＤｃ－ＩＤｂ）／△Ｔ）が閾変化率ＣＴよりも大きくかつ、検出期間ＰＴｂｃの後に続く検出期間ＰＴｃｄにおける被検出電流ＩＤの変化率ＣＴｃｄ（＝（ＩＤｄ－ＩＤｃ）／△Ｔ）が変化率ＣＴｂｃよりも大きいと制御部５が判断することで、後に被検出電流ＩＤが大きな値の過電流状態となることを制御部５は判断する。そして、連続して制御部５が、後に被検出電流ＩＤが大きな値の過電流状態となることを連続して判断したことによって、制御部５は遮断信号ＳＧ１および遮断信号ＳＧ２とを発信する。これにより、リレー部２は遮断状態となり、遮断部３は不可逆的遮断状態となる。

制御部５は、変化率ＣＴｂｃが閾変化率ＣＴよりも大きくないと判断するまたは変化率ＣＴｃｄが変化率ＣＴｂｃよりも大きくないと判断した場合にリレー部２を接続状態にしかつ遮断部３を接続状態にする。

図３および図６に示すように、直線の傾きからも明らかなように変化率ＣＴｂｃ、ＣＴｃｄは共に閾変化率ＣＴよりも大きい。ここで、変化率ＣＴｃｄは（ＩＤｃ－ＩＤｂ）／△Ｔとして被検出電流ＩＤの検出と制御部５による演算によって求められる。先にも述べた、定常値Ｉｃから異常電流Ｉａへと被検出電流ＩＤが急増するタイミングＴ１は、必ずしも所定の期間△Ｔ毎に設定されている被検出電流ＩＤの検出のタイミングＴａ～Ｔｅ、…とは一致しない。この一方で、演算を行ううえでの電流値の起点であるタイミングＴｃが、所定の期間△Ｔ毎に設定されている検出のタイミングの一つであるタイミングＴｃと一致する。

このため、一般的に変化率ＣＴｂｃは被検出電流ＩＤが正しく検出され、制御部５で正しく演算されていても、変化率ＣＴｃｄよりも小さい。言い換えると、変化率ＣＴｂｃが変化率ＣＴｃｄよりも大きい場合には、偶発的な検出異常や演算の異常による誤判定が生じている可能性がある。したがって、変化率ＣＴｂｃが変化率ＣＴｃｄよりも小さいことで、後に被検出電流ＩＤが大きな値の過電流状態となることを制御部５は判断する基準とすることにより、偶発的な検出異常や演算の異常による誤判定を抑制することができるので、電力遮断装置１の動作信頼性は向上する。

ここでは、検出期間ＰＴｂｃでの変化率ＣＴｂｃと、検出期間ＰＴｂｃに続く検出期間ＰＴｃｄでの変化率ＣＴｃｄとが制御部５における判断に用いられるが、検出期間ＰＴｃｄに続く検出期間ＰＴｄｅでの変化率ＣＴｄｅや、さらにその後の検出期間での変化率が、制御部５における判断に用いられてもよい。すなわち、変化率ＣＴｄｅやその後の変化率に至る複数の検出期間における変化率の値が変化率ＣＴｂｃよりも大きいことを連続して制御部５が判断することで、後に被検出電流ＩＤが大きな値の過電流状態となることを制御部５は判断し、遮断信号ＳＧ１、ＳＧ２を発信してリレー部２を接続状態から遮断状態に切替え、遮断部３を接続状態から不可逆的遮断状態に切り替えてもよい。

また、先に述べた変化率ＣＴｂｃ、ＣＴｃｄが連続して閾変化率ＣＴよりも大きくなったことで後に被検出電流ＩＤが大きな値の過電流状態となることを制御部５が判断する動作と、変化率ＣＴｂｃが変化率ＣＴｃｄよりも小さいことで後に被検出電流ＩＤが大きな値の過電流状態となることを制御部５が判断する動作との双方が実施されてもよい。すなわち、変化率ＣＴｂｃ、ＣＴｃｄが閾変化率ＣＴよりも大きくかつ変化率ＣＴｂｃが変化率ＣＴｃｄよりも小さい場合に、制御部５は遮断信号ＳＧ１、ＳＧ２を発信してリレー部２を接続状態から遮断状態に切替え、遮断部３を接続状態から不可逆的遮断状態に切り替えてもよい。この場合には、変化率ＣＴｂｃ、ＣＴｃｄが閾変化率ＣＴよりも大きくないまたは変化率ＣＴｂｃが変化率ＣＴｃｄよりも小さくない場合には、制御部５は遮断信号ＳＧ１、ＳＧ２を発信せずにリレー部２と遮断部３とを接続状態に維持する。これにより、偶発的な検出異常や演算の異常による誤判定を一層抑制することができるので、電力遮断装置１の動作信頼性は向上する。

１電力遮断装置
２リレー部
２Ａ電磁開閉式リレー
２Ｂリレー回路
３遮断部
３Ａ遮断体
３Ｂ遮断回路
４電流検出部
５制御部
６車両
７車体
８高電圧バッテリー
８Ａ導体部
９駆動負荷
９Ａ電力変換装置
９Ｂ駆動用モータ
９Ｃ上側アームスイッチ
９Ｄ下側アームスイッチ
９Ｅ誘導成分
９Ｆ巻線部
９Ｊ接続点
１０入力端
１１出力端
１２接続箱
１３起動操作部
１４導電路
１５駆動制御部

Claims

導通している接続状態と導通していない遮断状態とを有するスイッチ部を有するリレー部と、
前記リレー部の前記スイッチ部に直列に接続された、導通している接続状態と導通していない不可逆的遮断状態とを有する遮断部と、
前記遮断部に流れる被検出電流を第１検出期間に検出するように構成された電流検出部と、
前記リレー部と前記遮断部とを制御するように構成された制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記第１検出期間における前記被検出電流の時間に対する第１変化率を得て、
前記第１変化率が閾変化率よりも大きくないと判断した場合に前記リレー部の前記スイッチ部を前記接続状態にしかつ前記遮断部を前記接続状態にして、
前記第１変化率が前記閾変化率よりも大きいと判断した場合に、前記遮断部を前記接続状態から前記不可逆的遮断状態に切替え、その後、前記リレー部を前記接続状態から前記遮断状態に切り替える、
ように構成されている、電力遮断装置。
前記制御部は、前記第１変化率が前記閾変化率よりも大きいと判断した場合に、前記被検出電流が前記リレー部における所定過電流閾値に到達する前に、前記リレー部を前記遮断状態にしかつ前記遮断部を前記不可逆的遮断状態にするように構成されている、請求項１に記載の電力遮断装置。
前記制御部は前記閾変化率を予め記憶するように構成されており、
前記閾変化率は、前記被検出電流が過電流閾値よりも低い値において前記被検出電流が変動する場合での、時間に対する前記被検出電流の極小値から極大値までの上昇率に基づいて設定されている、請求項１に記載の電力遮断装置。
前記制御部は前記閾変化率を予め記憶するように構成されており、
前記閾変化率は、前記被検出電流が過電流閾値よりも低い値において前記被検出電流が変動する場合での、駆動負荷へ電力供給しているときの前記被検出電流の変動率に基づいて設定されている、請求項１に記載の電力遮断装置。
導通している接続状態と導通していない遮断状態とを有するスイッチ部を有するリレー部と、
前記リレー部の前記スイッチ部に直列に接続された、導通している接続状態と導通していない不可逆的遮断状態とを有する遮断部と、
第１検出期間と、前記第１の検出期間より後の第２検出期間とを含む複数の検出期間のそれぞれに前記遮断部に流れる被検出電流を検出するように構成された電流検出部と、
前記リレー部と前記遮断部とを制御するように構成された制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記第１検出期間における前記被検出電流の時間に対する第１変化率を得て、
前記第２検出期間における前記被検出電流の時間に対する第２変化率を得て、
前記第１変化率が閾変化率よりも大きくないと判断した場合に前記リレー部の前記スイッチ部を前記接続状態にしかつ前記遮断部を前記接続状態にして、
前記第１変化率と前記第２変化率とが前記閾変化率よりも大きいと判断した場合に前記リレー部を前記遮断状態にしかつ前記遮断部を前記不可逆的遮断状態にする、
ように構成されている、電力遮断装置。
前記制御部は、前記第１変化率が前記閾変化率よりも大きくかつ前記第２変化率が前記閾変化率よりも大きいと判断した場合に、前記被検出電流が前記リレー部における所定過電流閾値に到達する前に、前記リレー部を前記遮断状態にしかつ前記遮断部を前記不可逆的遮断状態にするように構成されている、請求項５に記載の電力遮断装置。
前記制御部は前記閾変化率を予め記憶するように構成されており、
前記閾変化率は、前記被検出電流が過電流閾値よりも低い値において前記被検出電流が変動する場合での、時間に対する前記被検出電流の極小値から極大値までの上昇率に基づいて設定されている、請求項５に記載の電力遮断装置。
前記制御部は前記閾変化率を予め記憶するように構成されており、
前記閾変化率は、前記被検出電流が過電流閾値よりも低い値において前記被検出電流が変動する場合での、駆動負荷へ電力供給しているときの前記被検出電流の変動率に基づいて設定されている、請求項５に記載の電力遮断装置。
前記制御部は、前記第１変化率と前記第２変化率とが前記閾変化率よりも大きいと判断した場合に前記遮断部を前記接続状態から前記不可逆的遮断状態に切替え、その後、前記リレー部を前記接続状態から前記遮断状態に切り替えるように構成されている、請求項５から８のいずれか一項に記載の電力遮断装置。
前記制御部は、前記第１変化率と前記第２変化率との少なくとも一方が前記閾変化率よりも大きくないと判断した場合に前記リレー部の前記スイッチ部を前記接続状態にしかつ前記遮断部を前記接続状態にするように構成されている、請求項５から９のいずれか一項に記載の電力遮断装置。
前記第２検出期間は前記第１検出期間に引き続く期間である、請求項５から１０のいずれか一項に記載の電力遮断装置。
前記電流検出部は、
前記第１検出期間での互いに異なる複数のタイミングで前記被検出電流の複数の第１値を検出し、
前記第２検出期間での互いに異なる複数のタイミングで前記被検出電流の複数の第２値を検出する、
ように構成されており、
前記制御部は、
前記被検出電流の前記複数の第１値に基づいて前記第１変化率を得て、
前記被検出電流の前記複数の第２値に基づいて前記第２変化率を得る、
ように構成されている、請求項５から１１のいずれか一項に記載の電力遮断装置。
前記複数の検出期間は連続している、請求項５から１２のいずれか一項に記載の電力遮断装置。
前記複数の検出期間の長さは互いに同じである、請求項５から１２のいずれか一項に記載の電力遮断装置。
導通している接続状態と導通していない遮断状態とを有するスイッチ部を有するリレー部と、
前記リレー部の前記スイッチ部に直列に接続された、導通している接続状態と導通していない不可逆的遮断状態とを有する遮断部と、
第１検出期間と、前記第１の検出期間より後の第２検出期間とを含む複数の検出期間のそれぞれに前記遮断部に流れる被検出電流を検出するように構成された電流検出部と、
前記リレー部と前記遮断部とを制御するように構成された制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記第１検出期間における前記被検出電流の時間に対する第１変化率を得て、
前記第２検出期間における前記被検出電流の時間に対する第２変化率を得て、
前記第１変化率が閾変化率よりも大きくないと判断した場合に前記リレー部の前記スイッチ部を前記接続状態にしかつ前記遮断部を前記接続状態にして、
前記第２変化率が前記第１変化率よりも大きくかつ前記第１変化率が前記閾変化率よりも大きいと判断した場合に前記リレー部を前記遮断状態にしかつ前記遮断部を前記不可逆的遮断状態にする、
ように構成されている、電力遮断装置。
前記制御部は、前記第２変化率が前記第１変化率よりも大きくかつ前記第１変化率が前記閾変化率よりも大きいと判断した場合に、前記被検出電流が前記リレー部における所定過電流閾値に到達する前に、前記リレー部を前記遮断状態にしかつ前記遮断部を前記不可逆的遮断状態にするように構成されている、請求項１５に記載の電力遮断装置。
前記制御部は前記閾変化率を予め記憶するように構成されており、
前記閾変化率は、前記被検出電流が過電流閾値よりも低い値において前記被検出電流が変動する場合での、時間に対する前記被検出電流の極小値から極大値までの上昇率に基づいて設定されている、請求項１５に記載の電力遮断装置。
前記制御部は前記閾変化率を予め記憶するように構成されており、
前記閾変化率は、前記被検出電流が過電流閾値よりも低い値において前記被検出電流が変動する場合での、駆動負荷へ電力供給しているときの前記被検出電流の変動率に基づいて設定されている、請求項１５に記載の電力遮断装置。
前記制御部は、前記第２変化率が前記第１変化率よりも大きくかつ前記第１変化率が前記閾変化率よりも大きいと判断した場合に前記遮断部を前記接続状態から前記不可逆的遮断状態に切替え、その後、前記リレー部を前記接続状態から前記遮断状態に切り替えるように構成されている、請求項１５から１８のいずれか一項に記載の電力遮断装置。
前記制御部は、前記第１変化率が前記閾変化率よりも大きくないと判断するまたは前記第２変化率が前記第１変化率よりも大きくないと判断した場合に前記リレー部を前記接続状態にしかつ前記遮断部を前記接続状態にするように構成されている、請求項１５から１９のいずれか一項に記載の電力遮断装置。
前記第２検出期間は前記第１検出期間に引き続く期間である、請求項１５から２０のいずれか一項に記載の電力遮断装置。
前記電流検出部は、
前記第１検出期間での互いに異なる複数のタイミングで前記被検出電流の複数の第１値を検出し、
前記第２検出期間での互いに異なる複数のタイミングで前記被検出電流の複数の第２値を検出する、
ように構成されており、
前記制御部は、
前記被検出電流の前記複数の第１値に基づいて前記第１変化率を得て、
前記被検出電流の前記複数の第２値に基づいて前記第２変化率を得る、
ように構成されている、請求項１５から２１のいずれか一項に記載の電力遮断装置。
前記複数の検出期間は連続している、請求項１５から２２のいずれか一項に記載の電力遮断装置。
前記複数の検出期間の長さは互いに同じである、請求項１５から２２のいずれか一項に記載の電力遮断装置。