JP6023503B2 - 車両バッテリーシステムのリレーモジュール - Google Patents

Description

本発明は車両バッテリーシステムのリレーモジュール及びパワーリレーアセンブリーに係り、より詳しくは、ハイブリッド車両や電気自動車などの駆動用バッテリーシステムに備えられるパワーリレーアセンブリーを構成するリレーの、故障発生時の故障診断性能を向上させ、車両システムの安全性を確保することができる車両バッテリーシステムのリレーモジュール及びパワーリレーアセンブリーに関する。

図１は、従来のパワーリレーアセンブリーを説明する図である。
ハイブリッド車両や電気自動車などの車両に搭載されるバッテリーシステムは図１のとおり構成される。ここで、点線で示した部分はパワーリレーアセンブリー（ＰＯＷＥＲ ＲＥＬＡＹ ＡＳＳＥＭＢＬＹ：ＰＲＡ）５００を構成するもので、車両システム間の完全な電気的絶縁及び電気的安全性を確保し、さらに衝突事故等発生の際、高電圧暗電流の遮断などを行い、高電圧による感電、電気的原因の火事などの重大な２次事故発生を防止する。

このパワーリレーアセンブリー５００は、プラスメインリレー５０２、マイナスメインリレー５０４及び初期充電リレー５０６を含んでなり、車両のイグニッションがオン状態になれば、マイナスメインリレー５０４がオンになった後、初期充電リレー５０６がオンになって、レジスターによるピーク電流を制限し、キャパシタの充電が完了して、プラスメインリレー５０２がオンになった後、初期充電リレー５０６がオフになることによりリレーオンシーケンス制御が完了する。その後、リレーオフシーケンス制御は、初期充電リレー５０６がオフになった状態で、イグニッションオフ状態になれば、プラスメインリレーとマイナスメインリレーが同時にオフになる。

バッテリ管理システム（ＢＡＴＴＥＲＹ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ ＳＹＳＴＥＭ：ＢＭＳ）は、上記のとおり作動するリレーの融着などの故障を診断するために、各リレーの一連の作動によるロジックを用いて間接的に診断を遂行している。このようなロジックによる間接的な診断は、始動の際にリレーの融着と初期充電リレー５０６の開回路の故障のみを診断することができるだけであり、リレーオンシーケンスの進行中に問題が発生したとき、これがリレーそのものの問題なのか、バッテリ管理システム内部の制御回路の故障なのか、あるいは制御出力ワイヤの断線や短絡によるものなのかが即座に診断できず、リレーそのものの故障であると判断された場合であっても、リレーの接点融着なのか、オープン状態での故障なのか、ひいてはこのような故障が、プラスメインリレー５０２、マイナスメインリレー５０４及び初期充電リレー５０６のいずれで発生したものなのかを把握することができない（例えば、特許文献１，２参照）。

したがって、パワーリレーアセンブリー５００を構成するリレーの故障発生の際、即時に正確な診断は不可能であり、リレー関連の故障という判断で特定のリレーだけを入れ替えた場合、実際に故障したリレーを入れ替えることができないことがあり、車両の走行が予想外の危険状況に曝される可能性がある。また、故障検出によりリレー及びバッテリ管理システムを入れ替えた際は、一つ一つ作動を確認しなければならないため、故障修理の作業性が大きく低下して時間的かつ経済的損失が発生する問題がある。

特開２００７−１５９３２６号公報 特開２０００−１３４７０７号公報

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、パワーリレーアセンブリーを構成するリレーの故障発生時の、故障診断性能を向上させ、車両システムの安全性を確保することができる車両バッテリーシステムのリレーモジュールを提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明の車両バッテリーシステムのリレーモジュールは、リレーの内部でコイルの磁場及びリターンスプリングによって移動してリレー電極の電気的接続状態を断続する可動部材と、可動部材と可動部材に対して固定位置を維持する固定部材との間に設置され、固定部材に対する可動部材の位置変化によって電気的物理量の変化を発生させるマイクロセンサーと、を含んでなることを特徴とする。

本発明によると、パワーリレーアセンブリーを構成するリレーの故障発生の際、該当するリレーの故障を直接的に正確で速かに検出することができ、故障修理の作業性が大きく向上して費用と時間の大幅な低減が可能である。
故障修理の信頼性向上によって、車両の走行が予想外の危険状況に入らないようにすることはもちろんのこと、各リレーの状態をモニタリングして、リレー単品の故障なのか、バッテリ管理システム内部のリレー制御回路の故障なのか、制御出力ワイヤの短絡または断線なのかを判断する故障診断性能が向上して、車両システムの安全性を確保することができる。

従来のパワーリレーアセンブリーを説明する図である。 本発明による車両バッテリーシステムのリレーモジュール構造を示す図である。 図２のマイクロセンサーの構造を説明する図である。 図３と対比して、リレーモジュールのオン状態でマイクロセンサーの状態変化を示す図である。 本発明のリレーモジュールを用いた故障診断の概念を説明する図である。

図２は、本発明による車両バッテリーシステムのリレーモジュール構造を示す図であり、図３は、図２のマイクロセンサーの構造を説明する図である。また、図４は、図３と対比して、リレーモジュールのオン状態でマイクロセンサーの状態変化を示す図である。図２〜図４に示したとおり、本発明の実施例では、リレーの内部でコイル１の磁場及びリターンスプリング３によって移動してリレー電極１１の電気的接続状態を断続する可動部材５と、可動部材５と可動部材５に対して固定位置を維持する固定部材７との間に設けられ、固定部材７に対する可動部材５の位置変化によって電気的物理量の変化を発生させるマイクロセンサー９とを含んでなる。
すなわち、従来の一般的なリレーの内部にリレー電極１１の断続動作に連動する超小型のマイクロセンサー９を内装して一体化することで、該当のリレーの故障を直接即時に感知することができるようにしたものである。

マイクロセンサー９は、電気抵抗を測定するために互いに離隔した二つの感知電極１３と、可動部材５がリレー電極１１を電気的に接続させる方向に移動するとき、同一方向に移動して二つの感知電極１３の間を電気的に接続する感知接触部材１５とを含んでなる。
すなわち、コイル１に電源が印加されて可動部材５がリレー電極１１を接続させるとき、感知接触部材１５が二つの感知電極１３を接続させ、測定される電気抵抗が急激に低下することにより、可動部材５とリレー電極１１の正常な接続を感知し、リレーの正常なオン作動を認識する。一方、コイル１に電源が遮断されて可動部材５がリレー電極１１を遮断させるとき、感知接触部材１５が二つの感知電極１３を遮断させて、電気抵抗が急激に上昇することにより、可動部材５とリレー電極１１の正常な切断を感知し、リレーの正常なオフ作動を認識する。

本実施例において、マイクロセンサー９は、図３に例示したとおり、電気抵抗を測定するために互いに離隔した二つの感知電極１３と、可動部材５がリレー電極１１を電気的に接続させる方向に移動するとき、同一方向に移動して二つの感知電極１３の間を電気的に接続する感知接触部材１５とを含んでなる測定ユニット１７と、電気抵抗を測定するために互いに離隔した二つの参照電極１９を備え、可動部材５がリレー電極１１を電気的に接続させる方向に移動するとき、測定ユニット１７と連動して可動部材５と同一方向に移動する作動部２１を備え、作動部２１は参照電極１９を電気的に接続させることができない不伝導体のみでなった参照ユニット２３とを含んでなる。
マイクロセンサー９は、測定ユニット１７のみで構成することができるが、本発明は、より正確で高信頼性のリレーの状態判断のために参照ユニット２３を併設したもので、バッテリ管理システムは測定ユニット１７の二つの感知電極１３間の電気的抵抗の変化と参照ユニット２３の二つの参照電極１９間の電気的抵抗の変化を一緒に測定して、該当のリレーの状態を判断する。

測定ユニット１７は、測定ユニット１７のみでなるマイクロセンサー９の作動と同様であり、参照ユニット２３は、測定ユニット１７とは異なり、作動部２１が、感知接触部材１５を有さず、不伝導体のみでなっているので、測定ユニット１７の二つの感知電極１３が電気的に接続される状況にあっても、参照ユニットでは二つの参照電極１９の間には持続的に高い抵抗値が検出されなければならない（図４の右側参照）。また、図３のとおり、作動部２１が二つの参照電極１９から離れた状態でも二つの参照電極１９の抵抗値には変化があってはいけない。
すなわち、測定ユニット１７の二つの感知電極１３間の抵抗値が変化するとき、参照ユニット２３の二つの参照電極１９間の抵抗値はいつも一定した状態を維持する場合に正常と判断するが、マイクロセンサー９の誤作動やノイズなどによって参照電極１９間の抵抗値に変化が生じた場合には、リレーが非正常的な状態であると判断する。

測定ユニット１７と参照ユニット２３は可動部材５の移動方向に垂直な方向に平行に配置され、可動部材５の作動によって並列した状態で連動することが好ましい。
また、マイクロセンサー９は、ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ：ＰＤＭＳ）等の柔軟なシリコン系物質から半導体製作工程によって製作され、測定ユニット１７の感知電極１３と感知接触部材１５間の内部、及び参照ユニット２３の参照電極１９と作動部２１間の内部は、図３，４に示したとおりシーリング構造であることが好ましい。
すなわち、マイクロセンサー９は柔軟なシリコン系物質から半導体製作工程によって製作され、感知電極１３、参照電極１９，及び感知接触部材等の電気的物理量の変化を発生させる部分はプラズマ工程などで加工され、完壁なシーリング構造に構成することにより、異物の浸透などを防止することができ、安全性及び信頼性を確保することができる。

本実施例において、可動部材５は、リレー電極１１に直接接触する伝導体でなる接触コア２５と、接触コア２５と一体に連結されコイル１の中心で直線経路に沿ってスライドするスライドコア２７とを含んでなり、マイクロセンサー９は、コイル１の中心で可動部材５の直線経路をガイドしスライドコア２７に対して固定した相対位置を提供する固定部材７である固定コア２９と、スライドコア２７と、の間に設置される。
一方、マイクロセンサー９は、上記した接触式センサーの外に、従来の公知技術による超音波センサーや赤外線センサーで構成することもできる。
上記のとおり構成された本発明のリレーモジュールをプラスメインリレー、マイナスメインリレー及び初期充電リレーとして設置したバッテリーシステムのパワーリレーアセンブリーを構成することができる。

図５は、本発明のリレーモジュールを用いた故障診断の概念を説明する図である。図５を基に、パワーリレーアセンブリーの各リレーを点検する構成を概略的に説明する。
バッテリ管理システム（ＢＭＳ）３１は、マイクロセンサー９の測定ユニット１７と参照ユニット２３の抵抗値をモニタリングするように構成される。バッテリ管理システム（ＢＭＳ）３１は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３３からイグニッションオン／オフの信号を受けてリレーのコイル１に電源を印加するか遮断するかを判断し、その作動情報をエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）に提供する。

バッテリ管理システム（ＢＭＳ）３１は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３３のイグニッションオン／オフ状態によって、コイル１に電源を印加するとともに、マイクロセンサー９の抵抗値を測定して比較することで、該当のリレーの正常作動を即時かつ直接的に判断する。
例えば、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３３がイグニッションオン信号を伝送すれば、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）３１はコイル１に電源を印加しながら、プラスメインリレー、マイナスメインリレー及び初期充電リレーのそれぞれの感知電極１３と参照電極１９の電気抵抗値の変化を測定して故障を診断する。例えば、プラスメインリレーで融着による故障が発生した場合、プラスメインリレーの感知電極１３は継続して低い抵抗値を示し、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）３１はこれを感知してプラスメインリレーの故障を判断した後、使用者に警告灯などで表示して、修理作業などの後続措置が行われる。

以上のとおり、本発明を特定の実施例について説明したが、本発明は、上述した実施例に限定されず、請求の範囲に記載の内容によって定義され、本発明の分野における通常の知識を有する者が、請求の範囲に記載された権利範囲内で様々な変形と改作を行うことができることは自明である。

本発明は、車両の駆動に使われる電力を供給するバッテリーシステムに備えられるパワーリレーアセンブリーを構成するリレーモジュールに適用可能である。

１ コイル
３ リターンスプリング
５ 可動部材
７ 固定部材
９ マイクロセンサー
１１ リレー電極
１３ 感知電極
１５ 感知接触部材
１７ 測定ユニット
１９ 参照電極
２１ 作動部
２３ 参照ユニット
２５ 接触コア
２７ スライドコア
２９ 固定コア
３１ バッテリ管理システム（ＢＭＳ）
３３ エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
５００ パワーリレーアセンブリー（ＰＲＡ）
５０２ （プラス）メインリレー
５０４ （マイナス）メインリレー
５０６ 初期充電リレー

Claims (7)

1. リレーの内部でコイル（１）の磁場及びリターンスプリング（３）によって移動してリレー電極（１１）の電気的接続状態を断続する可動部材（５）と、
   前記可動部材（５）と前記可動部材（５）に対して固定位置を維持する固定部材（７）との間に設置され、前記固定部材（７）に対する前記可動部材（５）の位置変化によって電気的物理量の変化を発生させるマイクロセンサー（９）と、を含んでなり、
   前記マイクロセンサー（９）は、
   電気抵抗を測定するために互いに離隔した二つの感知電極（１３）と、
   前記可動部材（５）が前記リレー電極（１１）を電気的に接続させる方向に移動するとき、同一方向に移動して前記二つの感知電極（１３）の間を電気的に接続する感知接触部材（１５）と、を有する測定ユニット（１７）と、
   電気抵抗を測定するために互いに離隔した二つの参照電極（１９）と、前記可動部材（５）が前記リレー電極（１１）を電気的に接続させる方向に移動するとき、前記測定ユニット（１７）と連動して前記可動部材（５）と同一方向に移動する作動部（２１）と、を有し、前記作動部（２１）は不伝導体のみでなり、前記参照電極（１９）を電気的に接続させることができない参照ユニット（２３）と、を含んでなり、
   バッテリ管理システムは前記測定ユニット（１７）の二つの前記感知電極（１３）間の電気的抵抗の変化と前記参照ユニット（２３）の二つの前記参照電極（１９）間の電気的抵抗の変化を一緒に測定し、前記測定ユニット（１７）の二つの前記感知電極（１３）間の抵抗値が変化するとき、前記参照ユニット（２３）の二つの前記参照電極（１９）間の抵抗値がいつも一定した状態を維持する場合に正常と判断するが、二つの前記参照電極（１９）間の抵抗値に変化が生じた場合には、リレーが非正常的な状態であると判断することを特徴とする車両バッテリーシステムのリレーモジュール。
   
2. 前記測定ユニット（１７）と前記参照ユニット（２３）とは前記可動部材（５）の移動方向に垂直な方向に平行に配置されることを特徴とする請求項１に記載の車両バッテリーシステムのリレーモジュール。
3. 前記マイクロセンサー（９）は柔軟なシリコン系物質から半導体製作工程によって製作され、前記測定ユニット（１７）の前記感知電極（１３）と前記感知接触部材（１５）間の内部、及び前記参照ユニット（２３）の前記参照電極（１９）と前記作動部（２１）間の内部はシーリングされることを特徴とする請求項１に記載の車両バッテリーシステムのリレーモジュール。
4. 前記マイクロセンサー（９）は柔軟なシリコン系物質から半導体製作工程によって製作され、前記電気的物理量の変化を発生させる部分はシーリングされることを特徴とする請求項１に記載の車両バッテリーシステムのリレーモジュール。
5. 前記可動部材（５）は、前記リレー電極（１１）に直接接触する伝導体でなった接触コア（２５）と、前記接触コア（２５）と一体的に連結され、前記コイル（１）の中心で直線経路に沿ってスライドされるスライドコア（２７）とを含んでなり、
   前記マイクロセンサー（９）は、前記コイル（１）の中心で前記可動部材（５）の直線経路をガイドし、前記スライドコア（２７）に対して固定した相対位置を提供する前記固定部材である固定コア（２９）と、前記スライドコア（２７）との間に設置されることを特徴とする請求項１に記載の車両バッテリーシステムのリレーモジュール。
6. 前記マイクロセンサー（９）は超音波センサーでなることを特徴とする請求項１に記載の車両バッテリーシステムのリレーモジュール。
7. 前記マイクロセンサー（９）は赤外線センサーでなることを特徴とする請求項１に記載の車両バッテリーシステムのリレーモジュール。

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