JP6772011B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明は、電源と負荷との間にリレーが設けられた電源システムに関する。

一般に、車両用の電源システムにおける電源と負荷との間には、正極側リレーと、負極側リレーと、プリチャージリレーと、プリチャージ抵抗とが設けられる（例えば、特許文献１参照）。プリチャージリレーとプリチャージ抵抗は、直列接続された上で正極側リレーに並列接続されている。

特開２０１３−２１９９５５号公報

このような電源システムを簡素化することが望まれている。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、電源システムを簡素化できる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電源システムは、電源の一端と、負荷に並列接続されたキャパシタの一端との間に接続された抵抗と、抵抗に並列接続され、第１制御信号により制御される第１リレーと、電源の他端とキャパシタの他端との間に接続され、第２制御信号により制御される第２リレーと、を備える。第２リレーは、電源の他端とキャパシタの他端との間に直列に接続された第１スイッチ部と、第２スイッチ部と、を有する。

本発明によれば、電源システムを簡素化できる。

第１の実施形態に係る電源システムの回路図である。 図２（ａ）は、オフ状態にある図１の負極リレーの構成の一例を概略的に示す側面図であり、図２（ｂ）は、第１スイッチ部がオン状態にある図２（ａ）の負極リレーの側面図であり、図２（ｃ）は、第１スイッチ部と第２スイッチ部がオン状態にある図２（ａ）の負極リレーの側面図である。 図１の電源システムの動作を示すタイミング図である。 比較例に係る電源システムの回路図である。 図４の電源システムの動作を示すタイミング図である。 図１の電源システムのＦＭＥＡ（Failure Mode and Effect Analysis：故障モード影響解析）の結果を示す図である。 比較例の電源システムのＦＭＥＡの結果を示す図である。 第２の実施形態に係る電源システムの回路図である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電源システム１の回路図である。電源システム１は、例えば、ハイブリッド車、電気自動車などの動力源として車両に搭載することができる。電源システム１は、電源１０と、プリチャージ抵抗Ｒ１と、正極リレー（第１リレー）２０と、負極リレー（第２リレー）３０と、制御回路４０と、キャパシタＣ１と、電力変換装置（負荷）５０と、を備える。

電源１０は、例えば、充放電可能な二次電池である直列接続された複数の電池セルを有する。プリチャージ抵抗Ｒ１は、電源１０のプラス端子（一端）と、キャパシタＣ１の一端との間に接続されている。

正極リレー２０は、プリチャージ抵抗Ｒ１に並列接続され、制御回路４０から供給される第１制御信号Ｓ１によりオンまたはオフに制御される。正極リレー２０は、オン時に電源１０のプラス端子とキャパシタＣ１の一端との間を導通させ、オフ時にこれらの間を非導通にさせる。

負極リレー３０は、電源１０のマイナス端子（他端）と、キャパシタＣ１の他端との間に接続され、制御回路４０から供給される第２制御信号Ｓ２によりオンまたはオフに制御される。負極リレー３０は、オン時に電源１０のマイナス端子とキャパシタＣ１の他端との間を導通させ、オフ時にこれらの間を非導通にさせる。

負極リレー３０は、一体型の２ａ接点リレーであり、第１スイッチ部ＳＷ１と、第２スイッチ部ＳＷ２とを有する。第１スイッチ部ＳＷ１と第２スイッチ部ＳＷ２は、電源１０のマイナス端子とキャパシタＣ１の他端との間に直列に接続されている。具体的には第１スイッチ部ＳＷ１は、電源１０のマイナス端子とキャパシタＣ１の他端との間に接続されている。第２スイッチ部ＳＷ２は、電源１０のマイナス端子と第１スイッチ部ＳＷ１との間に挿入されている。負極リレー３０がターンオンするとき、第１スイッチ部ＳＷ１がターンオンするタイミングと、第２スイッチ部ＳＷ２がターンオンするタイミングとが異なる。ここでは、第１スイッチ部ＳＷ１がターンオンするタイミングは、第２スイッチ部ＳＷ２がターンオンするタイミングより早い一例について説明するが、逆でもよい。

制御回路４０は、正極リレー２０に第１制御信号Ｓ１を供給し、負極リレー３０に第２制御信号Ｓ２を供給する。制御回路４０は、第２制御信号Ｓ２によって負極リレー３０をターンオンさせてキャパシタＣ１のプリチャージを開始してから、第１制御信号Ｓ１によって正極リレー２０をターンオンさせる。

キャパシタＣ１は、電力変換装置５０に並列接続されている。キャパシタＣ１は、比較的大きな電力を瞬間的に電力変換装置５０に供給できるように、比較的大きな静電容量を有している。電力変換装置５０は、電源１０及びキャパシタＣ１から供給された直流電力を交流電力に変換し、変換された交流電力を、図示を省略したモータなどに供給する。

図２（ａ）は、オフ状態にある図１の負極リレー３０の構成の一例を概略的に示す側面図である。図２（ｂ）は、第１スイッチ部ＳＷ１がオン状態にある図２（ａ）の負極リレー３０の側面図である。図２（ｃ）は、第１スイッチ部ＳＷ１と第２スイッチ部ＳＷ２がオン状態にある図２（ａ）の負極リレー３０の側面図である。なお、図２（ａ）〜（ｃ）は、負極リレー３０の構成の一例を示すものであり、この構成に特に限定されるものではない。

第１スイッチ部ＳＷ１は、一対の第１固定接点６０，６０と、第１可動接点６２とを有する。第１可動接点６２は、一対の第１固定接点６０，６０に接触する閉位置（図２（ｂ），（ｃ））と、一対の第１固定接点６０，６０から離れた開位置（図２（ａ））との間で方向Ｄ１および方向Ｄ１の反対方向に移動する。

第２スイッチ部ＳＷ２は、一対の第２固定接点６４，６４と、第２可動接点６６とを有する。第２可動接点６６は、一対の第２固定接点６４，６４に接触する閉位置（図２（ｃ））と、一対の第２固定接点６４，６４から離れた開位置（図２（ａ））との間で方向Ｄ１および方向Ｄ１の反対方向に移動する

一対の第１固定接点６０，６０と、開位置にある第１可動接点６２との間の距離ｄ１は、一対の第２固定接点６４，６４と、開位置にある第２可動接点６６との間の距離ｄ２より短い。

負極リレー３０は、コイル６８と、可動部材７０と、伸縮部材７２と、リンク部材７４とをさらに有する。コイル６８は、第２制御信号Ｓ２に基づいて磁束を発生し、以下に説明するように当該磁束によって第１可動接点６２と第２可動接点６６を移動させる。可動部材７０は、Ｔ字型の形状を有し、コイル６８に発生した磁束により方向Ｄ１に移動する。

伸縮部材７２は、伸縮可能なバネなどの弾性体を含み、可動部材７０と第１可動接点６２との間に設けられている。伸縮部材７２は、可動部材７０が方向Ｄ１に移動するときに可動部材７０から加えられる力を開位置にある第１可動接点６２に伝えて、第１可動接点６２を閉位置に向けて移動させる。伸縮部材７２は、第１可動接点６２が閉位置に達した後、可動部材７０から加えられる力により縮む。

リンク部材７４は、可動部材７０と第２可動接点６６との間に設けられ、可動部材７０が方向Ｄ１に移動するときに可動部材７０から加えられる力を開位置にある第２可動接点６６に伝えて、第２可動接点６６を閉位置に向けて移動させる。

次に負極リレー３０の動作について説明する。図２（ａ）の状態でコイル６８が磁束を発生すると、可動部材７０が方向Ｄ１に移動し、これにより図２（ｂ）に示すように第１可動接点６２が閉位置に達し、第１スイッチ部ＳＷ１は第２スイッチ部ＳＷ２より先にターンオンする。このとき、第２可動接点６６は開位置と閉位置の間に移動している。

続いて図２（ｃ）に示すように、可動部材７０は図２（ｂ）よりも方向Ｄ１に移動する。このとき伸縮部材７２が縮むため、第１可動接点６２の位置は図２（ｂ）から変化しない。第２可動接点６６は閉位置に達し、第２スイッチ部ＳＷ２はターンオンする。従って、負極リレー３０はターンオンする。

一方、図２（ｃ）の状態でコイル６８が磁束の発生を停止すると、可動部材７０が方向Ｄ１の反対方向に移動するが、図２（ｂ）に示すように伸縮部材７２が伸び、第１可動接点６２の位置は図２（ｃ）から変化しない。第２可動接点６６は、方向Ｄ１の反対方向に移動し、第２スイッチ部ＳＷ２は第１スイッチ部ＳＷ１より先にターンオフする。

続いて伸縮部材７２が伸びきると、図２（ａ）に示すように、可動部材７０の移動に伴い第１可動接点６２は開位置に移動し、第１スイッチ部ＳＷ１はターンオフする。従って、負極リレー３０はターンオフする。第２可動接点６６も開位置に移動している。

次に、電源システム１の動作を説明する。
図３は、図１の電源システム１の動作を示すタイミング図である。時刻ｔ１において、第２制御信号Ｓ２に従って負極リレー３０の第１スイッチ部ＳＷ１がターンオンする。次に、時刻ｔ２において、第１スイッチ部ＳＷ１に遅れて負極リレー３０の第２スイッチ部ＳＷ２がターンオンし、負極リレー３０はターンオンする。そのため、プリチャージ抵抗Ｒ１および負極リレー３０によって電源１０とキャパシタＣ１の両端との間が導通し、プリチャージ抵抗Ｒ１を介して電流Ｉ１が流れ、キャパシタＣ１のプリチャージが開始される。プリチャージ抵抗Ｒ１により、電流Ｉ１は制限される。

このように第１スイッチ部ＳＷ１と第２スイッチ部ＳＷ２が同時にターンオンしないので、第１スイッチ部ＳＷ１と第２スイッチ部ＳＷ２の両者が溶着することを抑制できる。第２スイッチ部ＳＷ２のターンオンの際にチャタリングが発生した場合、第２スイッチ部ＳＷ２は溶着する可能性があるが、既にオンしている第１スイッチ部ＳＷ１は溶着しないためである。

一方、仮に第１スイッチ部ＳＷ１と第２スイッチ部ＳＷ２が同時にターンオンし、ターンオンの際にチャタリングが発生した場合、第１スイッチ部ＳＷ１と第２スイッチ部ＳＷ２の両者が溶着する可能性がある。第１スイッチ部ＳＷ１と第２スイッチ部ＳＷ２の両者が溶着した場合、正極リレー２０がオフであったとしても電源１０の電力は常に電力変換装置５０に供給されるため、電力供給を遮断できず、電源１０が過放電を起こす恐れがある。本実施形態では、仮に第２スイッチ部ＳＷ２が溶着した場合であっても第１スイッチ部ＳＷ１はターンオフできるため、このような問題を回避できる。

時刻ｔ２の後、時間経過に伴い電流Ｉ１は減少する。時刻ｔ３において、第１制御信号Ｓ１に従って正極リレー２０がターンオンする。これにより、プリチャージが終了され、電源１０から正極リレー２０と負極リレー３０を介して電力変換装置５０に電力が供給される。プリチャージによりキャパシタＣ１が十分に充電されてから正極リレー２０がターンオンするため、過大な突入電流を抑制できる。

このように制御回路４０は、第２制御信号Ｓ２によって負極リレー３０を制御するだけでプリチャージを開始させることができ、第１制御信号Ｓ１によって正極リレー２０を制御するだけでプリチャージを終了させることができる。

ここで、比較例の電源システム１Ｘについて説明する。
図４は、比較例に係る電源システム１Ｘの回路図である。図５は、図４の電源システム１Ｘの動作を示すタイミング図である。比較例では、負極リレー３０Ｘは１ａ接点リレーである。また、プリチャージリレー８０がプリチャージ抵抗Ｒ１と直列に設けられている。制御回路４０Ｘは、正極リレー２０を制御する第１制御信号Ｓ１と、負極リレー３０Ｘを制御する第２制御信号Ｓ２と、プリチャージリレー８０を制御する第３制御信号Ｓ３とを出力する。

図５に示すように、時刻ｔ１において、第２制御信号Ｓ２に従って負極リレー３０Ｘがターンオンする。次に、時刻ｔ２において、第３制御信号Ｓ３に従ってプリチャージリレー８０がターンオンし、プリチャージが開始される。次に、時刻ｔ３において、第１制御信号Ｓ１に従って正極リレー２０がターンオンし、プリチャージが終了される。次に、時刻ｔ４において、第３制御信号Ｓ３に従ってプリチャージリレー８０がターンオフする。このように比較例では、プリチャージリレー８０の制御が必要であるため、第３制御信号Ｓ３を含む３種類の制御信号、即ち３本の制御線が必要である。

これに対して本実施形態では、２種類の制御信号、即ち２本の制御線で制御でき、制御を簡素化できる。また、負極リレー３０は１つのコイル６８で実現できるため、比較例の負極リレー３０Ｘと比較して負極リレー３０のサイズの増加は少ない。従って、プリチャージリレー８０を設けないことにより、電源システム１を小型化できる。また、制御の簡素化およびプリチャージリレー８０を設けないことにより、電源システム１を低コスト化できる。

図６は、図１の電源システム１のＦＭＥＡの結果を示す図である。図７は、比較例の電源システム１ＸのＦＭＥＡの結果を示す図である。図６，７に示すように、電源システム１において各故障モードの検知を行うことができ、これは比較例の電源システム１Ｘと同等の結果である。

以上のように本実施形態によれば、プリチャージリレーが必要ないので、制御を簡素化でき、電源システム１を小型化かつ低コスト化できる。また、第１スイッチ部ＳＷ１がターンオンするタイミングは、第２スイッチ部ＳＷ２がターンオンするタイミングと異なるので、第１スイッチ部ＳＷ１と第２スイッチ部ＳＷ２の両者が溶着することを抑制できる。従って、信頼性を保った上で電源システム１を簡素化できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、負極リレー３０Ａの構成が第１の実施形態と異なる。以下では、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

図８は、第２の実施形態に係る電源システム１Ａの回路図である。負極リレー３０Ａは、第２制御信号Ｓ２を遅延させる遅延回路３２をさらに有する。第１スイッチ部ＳＷ１Ａは、リレーとして構成され、第１制御信号Ｓ１によりオンまたはオフに制御される。第２スイッチ部ＳＷ２Ａは、リレーとして構成され、遅延回路３２で遅延された第２制御信号Ｓ２によりオンまたはオフに制御される。このような構成により、第１スイッチ部ＳＷ１がターンオンするタイミングは、第２スイッチ部ＳＷ２がターンオンするタイミングより早くなっている。従って、本実施形態の電源システム１Ａも、第１の実施形態の電源システム１と同様に動作する。

本実施形態によれば、既存のリレーを用いて容易に負極リレー３０Ａを実現できる。また、第１の実施形態の効果も得ることができる。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。これら実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。

［項目１］
電源（１０）の一端と、負荷（５０）に並列接続されたキャパシタ（Ｃ１）の一端との間に接続された抵抗（Ｒ１）と、
前記抵抗（Ｒ１）に並列接続され、第１制御信号（Ｓ１）により制御される第１リレー（２０）と、
前記電源（１０）の他端と前記キャパシタ（Ｃ１）の他端との間に接続され、第２制御信号（Ｓ２）により制御される第２リレー（３０，３０Ａ）と、を備え、
前記第２リレー（３０，３０Ａ）は、
前記電源（１０）の他端と前記キャパシタ（Ｃ１）の他端との間に直列に接続された第１スイッチ部（ＳＷ１，ＳＷ１Ａ）と、第２スイッチ部（ＳＷ２，ＳＷ２Ａ）と、を有することを特徴とする電源システム（１，１Ａ）。
これによれば、電源システム（１，１Ａ）を簡素化できる。
［項目２］
前記第２リレー（３０，３０Ａ）がターンオンするとき、前記第１スイッチ部（ＳＷ１，ＳＷ１Ａ）がターンオンするタイミングと、前記第２スイッチ部（ＳＷ２，ＳＷ２Ａ）がターンオンするタイミングとが異なることを特徴とする項目１に記載の電源システム（１，１Ａ）。
これによれば、第１スイッチ部（ＳＷ１，ＳＷ１Ａ）と第２スイッチ部（ＳＷ２，ＳＷ２Ａ）の両者が溶着することを抑制できる。
［項目３］
前記第２制御信号（Ｓ２）によって前記第２リレー（３０，３０Ａ）をターンオンさせて前記キャパシタ（Ｃ１）のプリチャージを開始してから、前記第１制御信号（Ｓ１）によって前記第１リレー（２０）をターンオンさせる制御回路（４０）をさらに備えることを特徴とする項目１または２に記載の電源システム（１，１Ａ）。
これによれば、簡単な制御でプリチャージを行うことができる。
［項目４］
前記第１スイッチ部（ＳＷ１）は、
一対の第１固定接点（６０，６０）と、
前記一対の第１固定接点（６０，６０）に接触する閉位置と、前記一対の第１固定接点（６０，６０）から離れた開位置との間で移動する第１可動接点（６２）と、を有し、
前記第２スイッチ部（ＳＷ２）は、
一対の第２固定接点（６４，６４）と、
前記一対の第２固定接点（６４，６４）に接触する閉位置と、前記一対の第２固定接点（６４，６４）から離れた開位置との間で移動する第２可動接点（６６）と、を有し、
前記第２リレー（３０）は、
前記第２制御信号（Ｓ２）に基づいて発生した磁束によって前記第１可動接点（６２）と前記第２可動接点（６６）を移動させるコイル（６８）をさらに有することを特徴とする項目１から３のいずれかに記載の電源システム（１）。
これによれば、１つのコイル（６８）で第２リレー（３０）を実現できるので、第２リレー（３０）のサイズの増加を抑制できる。
［項目５］
前記一対の第１固定接点（６０，６０）と、開位置にある前記第１可動接点（６２）との間の距離は、前記一対の第２固定接点（６４，６４）と、開位置にある前記第２可動接点（６６）との間の距離より短く、
前記第２リレー（３０）は、
前記コイル（６８）に発生した磁束により移動する可動部材（７０）と、
前記可動部材（７０）と前記第１可動接点（６２）との間に設けられ、前記可動部材（７０）から加えられる力を開位置にある前記第１可動接点（６２）に伝えて前記第１可動接点（６２）を閉位置に向けて移動させ、前記第１可動接点（６２）が閉位置に達した後、前記可動部材（７０）から加えられる力により縮む伸縮部材（７２）と、
前記可動部材（７０）と前記第２可動接点（６６）との間に設けられ、前記可動部材（７０）から加えられる力を開位置にある前記第２可動接点（６６）に伝えて、前記第２可動接点（６６）を閉位置に向けて移動させるリンク部材（７４）と、
をさらに有することを特徴とする項目４に記載の電源システム（１）。
これによれば、第２リレー（３０）を簡素化できる。
［項目６］
前記第２リレー（３０Ａ）は、前記第２制御信号（Ｓ２）を遅延させる遅延回路（３２）をさらに有し、
前記第１スイッチ部（ＳＷ１Ａ）は、前記第２制御信号（Ｓ２）により制御され、
前記第２スイッチ部（ＳＷ２Ａ）は、前記遅延回路（３２）で遅延された前記第２制御信号（Ｓ２）により制御されることを特徴とする項目１から３のいずれかに記載の電源システム（１Ａ）。
これによれば、容易に第２リレー（３０Ａ）を実現できる。

１，１Ａ…電源システム、Ｒ１…プリチャージ抵抗、Ｃ１…キャパシタ、ＳＷ１，ＳＷ１Ａ…第１スイッチ部、ＳＷ２，ＳＷ２Ａ…第２スイッチ部、１０…電源、２０…正極リレー、３０，３０Ａ…負極リレー、３２…遅延回路、４０…制御回路、５０…電力変換装置、６０…第１固定接点、６２…第１可動接点、６４…第２固定接点、６６…第２可動接点、６８…コイル、７０…可動部材、７２…伸縮部材、７４…リンク部材。

Claims (5)

1. 電源の一端と、負荷に並列接続されたキャパシタの一端との間に接続された抵抗と、
   前記抵抗に並列接続され、第１制御信号により制御される第１リレーと、
   前記電源の他端と前記キャパシタの他端との間に接続され、第２制御信号により制御される第２リレーと、を備え、
   前記第２リレーは、
   前記電源の他端と前記キャパシタの他端との間に直列に接続された第１スイッチ部と、第２スイッチ部と、を有し、
   前記第２リレーがターンオンするとき、前記第１スイッチ部がターンオンするタイミングと、前記第２スイッチ部がターンオンするタイミングとが異なることを特徴とする電源システム。
2. 前記第２制御信号によって前記第２リレーをターンオンさせて前記キャパシタのプリチャージを開始してから、前記第１制御信号によって前記第１リレーをターンオンさせる制御回路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 前記第１スイッチ部は、
   一対の第１固定接点と、
   前記一対の第１固定接点に接触する閉位置と、前記一対の第１固定接点から離れた開位置との間で移動する第１可動接点と、を有し、
   前記第２スイッチ部は、
   一対の第２固定接点と、
   前記一対の第２固定接点に接触する閉位置と、前記一対の第２固定接点から離れた開位置との間で移動する第２可動接点と、を有し、
   前記第２リレーは、
   前記第２制御信号に基づいて発生した磁束によって前記第１可動接点と前記第２可動接点を移動させるコイルをさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の電源システム。
4. 前記一対の第１固定接点と、開位置にある前記第１可動接点との間の距離は、前記一対
   の第２固定接点と、開位置にある前記第２可動接点との間の距離より短く、
   前記第２リレーは、
   前記コイルに発生した磁束により移動する可動部材と、
   前記可動部材と前記第１可動接点との間に設けられ、前記可動部材から加えられる力を開位置にある前記第１可動接点に伝えて前記第１可動接点を閉位置に向けて移動させ、前記第１可動接点が閉位置に達した後、前記可動部材から加えられる力により縮む伸縮部材と、
   前記可動部材と前記第２可動接点との間に設けられ、前記可動部材から加えられる力を開位置にある前記第２可動接点に伝えて、前記第２可動接点を閉位置に向けて移動させるリンク部材と、
   をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の電源システム。
5. 前記第２リレーは、前記第２制御信号を遅延させる遅延回路をさらに有し、
   前記第１スイッチ部は、前記第２制御信号により制御され、
   前記第２スイッチ部は、前記遅延回路で遅延された前記第２制御信号により制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の電源システム。

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