JP2022030107A - 回路構成体 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造でアーク対策を施すことができ、コンパクト化や低コスト化を図ることができる、新規な構造の回路構成体を開示する。【解決手段】回路構成体１０は、バッテリ１２と負荷１４の間を繋ぐ電源ライン１６と、電源ライン１６に接続されたメインリレー１８と、直列に接続されたプリチャージ抵抗２４およびプリチャージリレー２６を含み、メインリレー１８に並列に接続されたプリチャージ回路２８と、プリチャージ抵抗２４に並列に接続されたサブリレー３０と、を含む。【選択図】図１

Description

本開示は、回路構成体に関する。

従来から、電気自動車やハイブリッド自動車等の高圧の二次電池からなるバッテリを搭載した車両には、リレーを含む回路構成体が搭載されている。例えば、特許文献１には、車両側の負荷としてインバータを介して接続されるモータや発電機に対して、バッテリの電力供給を断続するリレーを備えた回路構成体が示されている。このような回路構成体に用いられるリレーは、正極側と負極側に設けられており、両リレーをオフにすることで、バッテリからの電源供給を停止できる。

この種の回路構成体では、比較的大きな電流が流れているため、リレーの接点の開閉時にアークが発生するおそれがある。そこで、アークを消弧するための対策を施した特殊構造のリレーが用いられている。例えば、特許文献２には、回路構成体のリレーを構成する電磁接触器の詳細な構造が開示されている。すなわち、電磁接触器は、電路を形成する接点機構と、接点機構を開閉駆動する電磁石装置と、接点機構および電磁石装置を収納する密閉された器体とを備えている。そして、電磁石装置の接点機構における電路方向両側に隔壁を形成し、この隔壁と器体との間に通気路を形成している。さらに、接点の開閉時に生じるアークを消弧するために、通気路に向かって付勢するように磁界を作用させる永久磁石を配置している。

特開２０１０－２１３５００号公報 特開２００２－４２６２６号公報

従来構造の回路構成体では、アーク対策として特許文献２に記載の如き特殊構造の電磁接触器をリレーとして採用する必要がある。このような特殊構造の電磁接触器にあっては、直流遮断するために必要なアーク電圧を得るために大きなアークスペースが必要となり封止容器が大きくなってしまうという問題を内在していた。また、アークを確実に消弧しようとすると、大きな電磁石が必要となり、電磁接触器の大型化やコストアップが避けられなかった。

そこで、簡単な構造でアーク対策を施すことができ、コンパクト化や低コスト化を図ることができる、新規な構造の回路構成体を開示する。

本開示の回路構成体は、バッテリと負荷の間を繋ぐ電源ラインと、前記電源ラインに接続されたメインリレーと、直列に接続されたプリチャージ抵抗およびプリチャージリレーを含み、前記メインリレーに並列に接続されたプリチャージ回路と、前記プリチャージ抵抗に並列に接続されたサブリレーと、を含む回路構成体である。

本開示によれば、簡単な構造でアーク対策を施すことができ、コンパクト化や低コスト化を図ることができる、新規な構造の回路構成体を提供することができる。

図１は、本開示の実施形態１に係る回路構成体のバッテリから負荷に至る経路における電気的構成を概略的に示す図である。 図２は、実施形態２に係る回路構成体のバッテリから負荷に至る経路における電気的構成を概略的に示す図である。

＜本開示の実施形態の説明＞
最初に、本開示の実施態様を列記して説明する。
本開示の回路構成体は、
（１）バッテリと負荷の間を繋ぐ電源ラインと、前記電源ラインに接続されたメインリレーと、直列に接続されたプリチャージ抵抗およびプリチャージリレーを含み、前記メインリレーに並列に接続されたプリチャージ回路と、前記プリチャージ抵抗に並列に接続されたサブリレーと、を含む回路構成体である。

本開示の回路構成体によれば、従来から、バッテリとモータ間を繋ぐ回路構成体において採用されているプリチャージ回路のプリチャージ抵抗に対して、サブリレーを並列接続する簡単な構造により、メインリレーの開閉時のアークの発生を抑制することができる。

具体的には、メインリレーの遮断時には、メインリレーをオフにする前に、プリチャージリレーとサブリレーをオンにすることで、メインリレーをオフにした際に、メインリレーの接点間に電位差が生じることを抑制または防止することができる。すなわち、プリチャージ抵抗にサブリレーが並列接続されていることから、サブリレーからプリチャージリレーに電流が流れ込むことにより、メインリレーをオフにした際のメインリレーの接点間の電位差を０にすることが可能となる。これにより、メインリレーの遮断時にアークが発生することを抑制または防止することができる。その結果、メインリレーとして特殊構造の電磁接触器を採用する必要がなく、既存のプリチャージ回路のプリチャージ抵抗に対してサブリレーを並列に接続するという簡単な構造により、コンパクト且つ低コストでアークレスの回路構成体を提供することができる。また、アークの発生を抑制または防止できることにより、メインリレーの作動信頼性の向上も図ることができる。

なお、メインリレーに並列に接続されるプリチャージ回路およびプリチャージ回路のプリチャージ抵抗に並列に接続されるサブリレーは、正極側の電源ラインに設けられてもよいし、負極側の電源ラインに設けられてもよい。また、サブリレーの構造は何ら限定されることなく、任意の構造のリレーを採用することができる。

（２）前記電源ラインが、正極側電源ラインと負極側電源ラインを含んでおり、前記プリチャージ回路と前記サブリレーが、前記正極側電源ラインに設けられていることが好ましい。既存のプリチャージ回路が負極側電源ラインに設けられていない場合でも、正極側電源ラインに設けられた既存のプリチャージ回路を利用して、本開示の回路構成体を有利に構築できるからである。

（３）前記サブリレーが、半導体リレーによって構成されていることが好ましい。プリチャージ回路において、省スペースでプリチャージ抵抗にサブリレーを並列に接続することができるからである。

＜本開示の実施形態の詳細＞
本開示の回路構成体の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

＜実施形態１＞
以下、本開示の実施形態１の回路構成体１０について、図１を参照しつつ説明する。回路構成体１０は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両（図示せず）に搭載されている。回路構成体１０は、図１に示すように、バッテリ１２と負荷１４の間を繋ぐように構成されており、バッテリ１２と負荷１４の間を繋ぐ電源ライン１６を含んでいる。走行用バッテリであるバッテリ１２は、回路構成体１０の電源ライン１６に接続され且つ電源ライン１６をオン／オフするメインリレー１８を介して、車両を走行させ負荷１４を構成するモータ２０に電力を供給する。ここで、メインリレー１８は、ＥＣＵ等を含んで構成された制御部２２からの制御信号に基づいて、オン／オフ制御がなされている。メインリレー１８は、オンの時にはバッテリ１２とモータ２０を接続してモータ２０に電力を供給し、オフの時にはバッテリ１２とモータ２０間の電流を遮断してモータ２０に対する電力の供給を止める。なお、複数の同一部材については、一部の部材にのみ符号を付し、他の部材については符号を省略する場合がある。

＜回路構成体１０＞
回路構成体１０の電源ライン１６は、図１に示すように、正極側電源ライン１６ａと負極側電源ライン１６ｂを含んでいる。正極側電源ライン１６ａの入力側には、バッテリ１２の正極側が接続されており、負極側電源ライン１６ｂの入力側には、バッテリ１２の負極側が接続されている。正極側電源ライン１６ａの出力側には、負荷１４の正極側が接続されており、負極側電源ライン１６ｂの出力側には、負荷１４の負極側が接続されている。正極側電源ライン１６ａと負極側電源ライン１６ｂの入力側と出力側の間にはそれぞれ、バッテリ１２と負荷１４を接続する正極側メインリレー１８ａ，負極側メインリレー１８ｂが接続されている。

バッテリ１２と負荷１４の正極側を接続する正極側メインリレー１８ａには、プリチャージ抵抗２４およびプリチャージリレー２６が直列に接続されたプリチャージ回路２８が、正極側メインリレー１８ａをバイパスするように並列に接続されている。本開示の実施形態１では、図１に示すように、プリチャージ抵抗２４は、プリチャージリレー２６の入力側に接続されている。また、プリチャージ抵抗２４には、並列にサブリレー３０が接続されている。すなわち、正極側電源ライン１６ａには、プリチャージ回路２８とサブリレー３０が設けられている。

加えて、バッテリ１２と負荷１４の負極側を接続する負極側メインリレー１８ｂの入力側には、ヒューズ３２が直列に接続されている。なお、本開示の実施形態１では、バッテリ１２と負荷１４の負極側を接続する負極側メインリレー１８ｂには、プリチャージ回路２８は接続されていないが、必要に応じて負極側メインリレー１８ｂにも同様にプリチャージ回路２８を並列に接続してもよい。正極側メインリレー１８ａ，負極側メインリレー１８ｂとプリチャージリレー２６はいずれも、励磁コイルの通電状態で接点を移動させて接点をオン／オフに切り換えるリレーであり、制御部２２からの制御信号に基づいて、オン／オフ制御がなされている。

＜サブリレー３０＞
本開示の実施形態１の回路構成体１０は、図１に示すように、サブリレー３０を含んでいる。サブリレー３０は、半導体リレーであるＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）構造のものを用い構成している。ＭＯＳＦＥＴは、最も一般的に使用されるＳｉ－ＭＯＳＦＥＴの他に、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴやＧａＡｓ－ＦＥＴやＧａＮ－ＦＥＴなどが使用可能である。また、半導体リレーは、ＭＯＳＦＥＴ以外に、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＢｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒを利用することもできる。

＜バッテリ１２＞
バッテリ１２は、充電可能な複数の二次電池を直列に接続して出力電圧を高く、例えば１００Ｖ～４００Ｖとしている。また、複数の二次電池を並列に接続して電流容量を大きくすることもできる。この二次電池には、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、ニッケル水素電池などが使用できる。また、二次電池に代えて、あるいはこれに加えて、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）等のキャパシタを利用することもできる。本明細書において二次電池にはキャパシタも含む。

＜負荷１４＞
負荷１４は、例えば、大容量のコンデンサ３４と、ＤＣ／ＡＣインバータ３６が並列に接続したものを有している。このコンデンサ３４が完全に放電された状態で正極側メインリレー１８ａがオンに切り換えられると、コンデンサ３４を充電するために瞬間的に極めて大きなチャージ電流が流れる。極めて大きなチャージ電流は正極側メインリレー１８ａの接点を損傷させる原因となることから、チャージ電流による弊害を防止するために、プリチャージ回路２８を設けている。本開示の実施形態１では、正極側メインリレー１８ａと並列にプリチャージ回路２８を設けている。プリチャージ回路２８は、コンデンサ３４のチャージ電流を制限するために、プリチャージリレー２６と直列にプリチャージ抵抗２４を接続している。プリチャージ抵抗２４は、プリチャージリレー２６をオンに切り換えた状態で、コンデンサ３４の充電電流を小さく制限する。この際、サブリレー３０はオフされている。なお、実施形態１ではプリチャージ抵抗２４はプリチャージリレー２６の入力側に設けられていたが、プリチャージ抵抗２４はプリチャージリレー２６の出力側に設けられていてもよい。

負荷１４は、ＤＣ／ＡＣインバータ３６を介してバッテリ１２をモータ２０と発電機３８とに接続している。ＤＣ／ＡＣインバータ３６は、バッテリ１２の直流を交流に変換してモータ２０に供給し、発電機３８の交流を直流に変換してバッテリ１２を充電する。なお、回生制動時には、モータ２０を発電機としてバッテリ１２を充電する。なお、本開示の実施形態１では、ＤＣ／ＡＣインバータ３６を用いているが、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いても構わない。

次に、本開示の実施形態１の回路構成体１０の動作について、簡単に説明する。はじめに、すべてのリレー（メインリレー１８，プリチャージリレー２６およびサブリレー３０）をオフにする。次に、負極側メインリレー１８ｂをオンにした後、プリチャージリレー２６をオンにすることにより、負荷１４を構成するコンデンサ３４をプリチャージする。コンデンサ３４のプリチャージが完了したら、プリチャージリレー２６をオフにした後、正極側メインリレー１８ａをオンにする。この場合、コンデンサ３４は予めプリチャージされていることから、コンデンサ３４を充電するために瞬間的に極めて大きなチャージ電流が流れることが防止されている。それゆえ、正極側メインリレー１８ａの接点がコンデンサ３４のチャージ電流で損傷するのを防止しつつ、バッテリ１２とモータ２０が接続されてモータ２０に電力を供給することが可能となっている。なお、以下の説明において、正極側メインリレー１８ａおよび負極側メインリレー１８ｂがオンにされ且つプリチャージリレー２６およびサブリレー３０がオフにされた状態を、適宜通常状態という。

上記の通常状態において正極側メインリレー１８ａをオフにする際には、まずプリチャージリレー２６およびサブリレー３０をオンにする。これにより、プリチャージ抵抗２４に並列接続されたサブリレー３０からプリチャージリレー２６に電流が流れ込む。次に、正極側メインリレー１８ａをオフにする。正極側メインリレー１８ａに流れていた電流は、サブリレー３０からプリチャージリレー２６に流れる。これにより、正極側メインリレー１８ａには電流が流れず、また正極側メインリレー１８ａの入力と出力間には電位差が発生しない。それゆえ、正極側メインリレー１８ａをオフにする際に正極側メインリレー１８ａの入力と出力間にアークを発生することを抑制または防止することができる。なお、この状態では、電流値は抵抗に依存するため、プリチャージ抵抗２４には電流はほとんど流れていない。

続いて、サブリレー３０をオフにする。これにより、正極側電源ライン１６ａを流れる電流がプリチャージ抵抗２４を通ることから、プリチャージリレー２６を流れる電流が大幅に制限される。したがって、その後、プリチャージリレー２６をオフにしても、発生するアークを有利に抑制することができる。最後に、負極側メインリレー１８ｂをオフにする。この時、すでに正極側メインリレー１８ａやプリチャージリレー２６がオフであるため、負極側メインリレー１８ｂへ電流が流れておらず、負極側メインリレー１８ｂをオフにする際にアークは発生しない。このようにして、実施形態１の回路構成体１０をオフにする作業が完了する。

したがって、本開示の実施形態１の回路構成体１０によれば、メインリレー１８として従来の如き特殊構造の電磁接触器を採用する必要がない。すなわち、正極側電源ライン１６ａに設けられた既存のプリチャージ回路のプリチャージ抵抗２４に対してサブリレー３０を並列に接続するだけで、コンパクト且つ低コストでアークレスの回路構成体１０を提供することができる。しかも、アークの発生を抑制または防止できることから、メインリレー１８の作動信頼性の向上も図ることができる。

サブリレー３０は、励磁コイルの通電状態で接点を移動させて接点をオン／オフに切り換える他のメインリレー１８やプリチャージリレー２６に比べて小型化が可能であり、回路構成体１０の省スペース化を有利にはかることができる。

＜実施形態２＞
上記実施形態１の回路構成体１０では、プリチャージ回路２８およびサブリレー３０は、正極側電源ライン１６ａに設けられた正極側メインリレー１８ａに対して並列に設けられていたが、これに限定されない。図２に示す本開示の実施形態２の回路構成体４０のように、プリチャージ回路２８およびサブリレー３０が、正極側電源ライン１６ａではなく負極側電源ライン１６ｂに設けられた負極側メインリレー１８ｂに対して並列に設けられていてもよい。この場合も、正極側メインリレー１８ａ，負極側メインリレー１８ｂがオンであり、プリチャージリレー２６およびサブリレー３０がオフとされた状態を通常状態という。そして、通常状態から、負極側メインリレー１８ｂをオフにする前に、プリチャージリレー２６およびサブリレー３０をオンにする。これにより、プリチャージリレー２６から、プリチャージ抵抗２４に並列接続されたサブリレー３０に電流が流れ込む。この状態で、負極側メインリレー１８ｂをオフにしても、負極側メインリレー１８ｂに流れていた電流は、プリチャージリレー２６およびサブリレー３０に流れる。これにより、負極側メインリレー１８ｂには電流は流れず、負極側メインリレー１８ｂの入力と出力間には電位差が発生しないので、負極側メインリレー１８ｂをオフにする際に負極側メインリレー１８ｂの入力と出力間にアークを発生することを抑制または防止できる。

続いて、サブリレー３０をオフにすることにより、負極側電源ライン１６ｂを流れる電流がプリチャージ抵抗２４を通ることから、プリチャージリレー２６を流れる電流が大幅に制限される。したがって、その後、プリチャージリレー２６をオフにしても、発生するアークを有利に抑制することができる。最後に、正極側メインリレー１８ａをオフにする。この時すでに負極側メインリレー１８ｂやプリチャージリレー２６がオフであるため、正極側メインリレー１８ａをオフにする際にアークは発生しない。このようにして、実施形態２の回路構成体４０をオフにする作業を完了できる。したがって、本開示の実施形態２においても、本開示の実施形態１と同様の効果を有することは明らかである。

＜変形例＞
以上、本開示の具体例として、実施形態１および実施形態２について詳述したが、本開示はこの具体的な記載によって限定されない。本開示の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本開示に含まれるものである。例えば次のような実施形態の変形例も本開示の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態１および実施形態２では、サブリレー３０として半導体リレーを用いた例を示したが、サブリレー３０は半導体リレー以外に、励磁コイルの通電状態で接点を移動させて接点をオン／オフに切り換えるリレー等、任意の構成のリレーが採用可能である。
（２）上記実施形態１および実施形態２では、回路構成体１０，４０は、バッテリ１２に直接接続されていたが、本開示の回路構成体は、他部材や他の回路部を介してバッテリ１２に接続される部位に配置することも可能である。
（３）上記実施形態１および実施形態２では、回路構成体１０，４０をオフにする際には、サブリレー３０をオフにした後、プリチャージリレー２６をオフにする場合を例示して説明を行ったが、これに限定されない。サブリレー３０およびプリチャージリレー２６に対して同時にオフにするとの制御信号を送ってもよい。この場合も、サブリレー３０の方がプリチャージリレー２６よりも応答が速いことから、サブリレー３０がオフにされた後、プリチャージリレー２６がオフにされる。これにより、制御信号を送る回路の簡素化が可能となっている。
（４）上記実施形態１および実施形態２では、プリチャージ抵抗２４は、プリチャージリレー２６に対してバッテリ１２側に配置されていたが、これに限定されない。実施形態１および実施形態２を、プリチャージ抵抗２４がプリチャージリレー２６に対して負荷１４側に配置されるように変更してもよい。また、プリチャージ抵抗２４は、プリチャージリレー２６に対してバッテリ１２側および負荷１４側の両方に設けられていてもよい。いずれの場合も、プリチャージ抵抗２４のトータルの抵抗値を同じとすることにより、同様の効果が発揮され得る。

１０ 回路構成体（実施形態１）
１２ バッテリ
１４ 負荷
１６ 電源ライン
１６ａ 正極側電源ライン
１６ｂ 負極側電源ライン
１８ メインリレー
１８ａ 正極側メインリレー
１８ｂ 負極側メインリレー
２０ モータ（負荷）
２２ 制御部
２４ プリチャージ抵抗
２６ プリチャージリレー
２８ プリチャージ回路
３０ サブリレー（半導体リレー）
３２ ヒューズ
３４ コンデンサ（負荷）
３６ ＤＣ／ＡＣインバータ（負荷）
３８ 発電機
４０ 回路構成体（実施形態２）

Claims (3)

1. バッテリと負荷の間を繋ぐ電源ラインと、
   前記電源ラインに接続されたメインリレーと、
   直列に接続されたプリチャージ抵抗およびプリチャージリレーを含み、前記メインリレーに並列に接続されたプリチャージ回路と、
   前記プリチャージ抵抗に並列に接続されたサブリレーと、
   を含む回路構成体。
2. 前記電源ラインが、正極側電源ラインと負極側電源ラインを含んでおり、前記プリチャージ回路と前記サブリレーが、前記正極側電源ラインに設けられている請求項１に記載の回路構成体。
3. 前記サブリレーが、半導体リレーによって構成されている請求項１または請求項２に記載の回路構成体。

Images