JP7399556B2 - 電力供給システム - Google Patents

Description

本発明は、電力供給システムに関する。

電源から負荷に電力を供給する際に、負荷のオンオフを制御するために、半導体リレーが用いられてきている（特許文献１、２）。半導体リレーは、使用可能な電流範囲が決まっており、負荷のオンオフを制御する半導体リレーを選定するときに、負荷の定常時の電流（定常電流）に基づいて半導体リレーの選定がされている。

また、さらに、半導体リレーは、耐えることができる一時的な最大電流（サージオン電流耐量）が決まっており、このサージオン電流耐量を超える電流が流れた場合には、破壊されてしまう、もしくは、半導体リレーによっては、サージオン電流耐量を超えない様に、自ら強制的にオフ（自己遮断）されてしまう。負荷の中には、一時的に大電流が生じる負荷がある。例えば、負荷の中には、オンにしたときに、定常電流よりかなり大きな電流（突入電流）を生じるものがある。このため、このような一時的に大電流が生じる負荷の場合には、一時的な大電流より大きいサージオン電流耐量を有する半導体リレーを選定する必要がある。

特開２０１９－８３３９３号公報 特開２００３－１９９２４０号公報

しかしながら、サージオン電流耐量に基づいて半導体リレーを選定したときに、その半導体リレーの使用可能な電流範囲の最大値が、負荷の定常電流よりかなり大きい場合がある。このような場合には、定常時だけを考えると、必要以上の性能を持った半導体リレーを選定していることになる。一般的には、使用可能な電流範囲が大きい半導体リレーほど、高価であり、サイズが大きい。よって、このような場合には、定常時だけを考えると、必要以上に高価でサイズの大きい半導体リレーを選定していることになる。

本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであり、安価で省スペースな構成で半導体リレーを大電流から保護することを目的としている。

本発明の一実施形態に係る電力供給システムは、電源と負荷との間に接続された、前記負荷のオンオフを制御するための主半導体リレーと、前記主半導体リレーと並列に、前記電源と前記負荷の間に接続された副半導体リレーと、前記負荷に流れる電流に基づく電流値を測定する電流測定部と、前記主半導体リレーと前記副半導体リレーのオンオフを制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記主半導体リレーがオンの状態で、前記電流測定部により測定された電流値が第１の電流閾値に達したときに、前記副半導体リレーをオンにし、前記主半導体リレーと前記副半導体リレーの両方がオンの状態で、前記電流測定部により測定された電流値が第２の電流閾値以下になったときに、前記副半導体リレーをオフにする。

また、本発明の一実施形態に係る電力供給システムは、電源と負荷との間に接続された、前記負荷のオンオフを制御するための主半導体リレーと、前記主半導体リレーと並列に、前記電源と前記負荷の間に接続された副半導体リレーと、前記主半導体リレーと前記副半導体リレーのオンオフを制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記負荷にオンにする指示信号を受信する受信部を有し、前記受信部により前記指示信号を受信したときに、前記主半導体リレーおよび前記副半導体リレーの両方をオンにし、前記主半導体リレーおよび前記副半導体リレーの両方をオンにした後、前記負荷への突入電流が終了したときに、前記副半導体リレーをオフにする。

また、本発明の一実施形態に係る電力供給システムは、電源と負荷との間に接続された、前記負荷のオンオフを制御するための主半導体リレーと、前記主半導体リレーと並列に、前記電源と前記負荷の間に接続された副半導体リレーと、前記主半導体リレーの温度を測定する温度測定部と、前記主半導体リレーと前記副半導体リレーのオンオフを制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記主半導体リレーがオンの状態で、前記温度測定部が測定した温度が第１の温度閾値に達したときに、前記副半導体リレーをオンにし、前記主半導体リレーと前記副半導体リレーの両方がオンの状態で、前記電流測定部により測定された電流値が第２の温度閾値以下になったときに、前記副半導体リレーをオフにする。

また、本発明の一実施形態に係る電力供給システムは、電源と第１の負荷との間に接続された、前記第１の負荷のオンオフを制御するための第１の主半導体リレーと、前記電源と第２の負荷との間に接続された、前記第２の負荷のオンオフを制御するための第２の主半導体リレーと、副半導体リレーと、前記副半導体リレーが前記第１の主半導体リレーと並列に前記電源と前記第１の負荷の間に接続された状態と、前記副半導体リレーが第２の主半導体リレーと並列に前記電源と前記第２の負荷の間に接続された状態と、を切り替えるための切替部と、前記第１の主半導体リレーおよび前記第２の主半導体リレーの各々を流れる電流値を制限するように、前記第１の主半導体リレー、前記第２の主半導体リレー、および前記副半導体リレーのオンオフと、前記切替部と、を制御する制御部と、を有する。

上記で説明した態様によれば、安価で省スペースな構成で半導体リレーを大電流から保護することができる。

本発明の一実施形態に係る電力供給システム１００を示す図である。 電力供給システム１００で実行される処理動作の一例を示す図である。 電力供給システム１００で実行される処理動作の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電力供給システム２００を示す図である。

＜電力供給システム１００＞
図１は、本発明の一実施形態に係る電力供給システム１００を示す図である。電力供給システム１００は、電源Ｐと負荷Ｌとの間に接続された主半導体リレーＭＲと、主半導体リレーＭＲと並列に、電源Ｐと負荷Ｌの間に接続された副半導体リレーＡＲと、負荷Ｌに流れる電流に基づく電流値を測定する電流測定部１１０と、主半導体リレーＭＲと副半導体リレーＡＲのオンオフを制御する制御部１２０と、を有する。

電流測定部１１０は、主半導体リレーＭＲに内蔵されていても良いし、主半導体リレーＭＲとは別個に設けられても良い。電流測定部１１０が主半導体リレーＭＲに内蔵される場合は、電流測定部１１０は、負荷Ｌに流れる電流に基づく電流値として、主半導体リレーＭＲを流れる電流値を測定する。このとき、主半導体リレーＭＲのみがオンの場合は、主半導体リレーＭＲのみを介して電源Ｐから負荷Ｌへ電流が流れるため、負荷Ｌに流れる電流を、電流測定部１１０による測定により直接測定することができ、主半導体リレーＭＲと副半導体リレーＡＲの両方がオンの場合は、主半導体リレーＭＲと副半導体リレーＡＲに流れ込む電流の比を用いて、負荷Ｌに流れる電流を間接的に測定することが可能である。電流測定部１１０が主半導体リレーＭＲとは別個に設けられる場合は、例えば、負荷Ｌに流れる電流値を直接測定できる位置に、電流測定部１１０を配置するようにすると良い。

電源Ｐは、負荷Ｌに電力を供給するものであり、例えば、バッテリである。負荷Ｌは、定常時よりもかなり大きな値の電流を一時的に流すものであり、この電流値を、以下、負荷最大電流値と呼ぶ。例えば、負荷Ｌが突入電流を生じるものであるならば、負荷最大電流値は、突入電流のピーク値である。

主半導体体リレーＭＲは、負荷Ｌのオンオフを制御する半導体リレーである。主半導体リレーＭＲがオンになることで、電源Ｐから負荷Ｌに電力が供給され、負荷Ｌがオンになり、主半導体リレーＭＲがオフになることで、電源Ｐから負荷Ｌへの電力供給が停止され、負荷Ｌがオフになる。

制御部１２０は、電流測定部１１０により測定された電流値に基づき、主半導体リレーＭＲと副半導体リレーＡＲのオンオフを制御する。例えば、負荷Ｌがオンの状態において、制御部１２０は、電流測定部１１０により測定された電流値が第１の電流閾値にまだ達していないときは、主半導体リレーＭＲだけをオンにし、副半導体リレーＡＲはオフにしておく。そして、電流測定部１１０により測定された電流値が第１の電流閾値に達したときには、制御部１２０は、主半導体リレーＭＲと副半導体リレーＡＲの両方をオンにする。

このようにすることで、主半導体リレーＭＲを流れる電流値が第１の電流閾値より大きくなったときには、電源Ｐから負荷Ｌへ供給される電流が、主半導体リレーＭＲを介してだけでなく、副半導体リレーＡＲも介して流れる。このため、本実施形態では、主半導体リレーＭＲのサージオン電流耐量が負荷Ｌの負荷最大電流値より小さい場合であったとしても、上記の第１の電流閾値を主半導体リレーＭＲのサージオン電流耐量より小さい値に設定したならば、主半導体リレーＭＲをサージオン電流耐量より大きい値の電流が流れることがない。そして、本実施形態では、さらに主半導体リレーＭＲのサージオン電流耐量と副半導体リレーＡＲのサージオン電流耐量の和を負荷Ｌの負荷最大電流値より大きく設定したならば、負荷Ｌの負荷最大電流値が流れるときであっても、主半導体リレーＭＲをサージオン電流耐量より大きい値の電流が流れることがなく、かつ副半導体リレーＡＲをサージオン電流耐量より大きい値の電流が流れることがない。

よって、本実施形態では、突入電流などの負荷Ｌに一時的に流れる大電流の大きさを考慮することなく、主半導体リレーＭＲを選定することが可能になり、主半導体リレーＭＲの使用可能な電流範囲の最大値が負荷Ｌの定常時の電流値により近い値になるように、主半導体リレーＭＲを選定することが可能になる。結果、本実施形態では、安価で省スペースな構成で半導体リレーを大電流から保護することが可能になる。

また、本実施形態では、熱を分散することが可能になり、装置全体の熱の上昇を抑制することが可能になる。また、本実施形態では、大きな半導体リレーを１つ用いるのでなく、代わりに、小さな２つの半導体リレーを用いているため、基板に実装する際の配置の自由度が向上する。

また、本実施形態では、主半導体リレーＭＲだけでなく、副半導体リレーＡＲを介しても、電源Ｐから負荷Ｌへ電力を供給することができるため、副半導体リレーＡＲを主半導体リレーＭＲのバックアップとして利用することも可能である。例えば、制御部１２０が、主半導体リレーＭＲの故障を検出する手段を有するようにし、主半導体リレーＭＲの故障が検出されたならば、副半導体リレーＡＲをオンにするようにして良い。

また、制御部１２０は、主半導体リレーＭＲと副半導体リレーＡＲの両方がオンの状態で、電流測定部１１０により測定された電流値が第２の電流閾値以下になったときに、副半導体リレーＡＲをオフにするようにすると良い。このとき、第２の電流閾値は、例えば、電流測定部１１０により測定された電流値が第２の電流閾値以下のときに負荷Ｌに流れる電流値が主半導体リレーＭＲの使用可能な電流範囲の最大値以下になるように設定すると良い。

このようにすることで、負荷Ｌに定常電流が流れているときに、主半導体リレーＭＲのみを介して、電源Ｐから負荷Ｌに電力を供給することが可能になる。よって、本実施形態では、負荷Ｌに定常電流が流れているときに、副半導体リレーＡＲを余分に駆動する必要がなくなり、負荷Ｌに定常電流が流れているときに、半導体リレーを駆動するのに使用するエネルギーを抑制することが可能になる。

また、制御部１２０は、外部から信号を受ける受信部１２１を有するようにしても良い。そして、制御部１２０は、負荷Ｌに一時的に大電流が流れることを示す信号を受信部１２１により受信したときに、主半導体リレーＭＲと副半導体リレーＡＲの両方をオンにするようにしても良い。

例えば、負荷Ｌが突入電流を生じるものであるとき、負荷Ｌをオンにする指示信号は、負荷Ｌに一時的に大電流が流れることを示す信号であると考えられる。そこで、例えば、負荷Ｌがオフの状態（つまり、主半導体リレーＭＲも副半導体リレーＡＲもオフの状態）で、制御部１２０は、負荷Ｌをオンにする指示信号を受信部１２１により受信したときに、主半導体リレーＭＲと副半導体リレーＡＲの両方をオンにする。そして、その後、制御部１２０は、突入電流が終了したと判断したときに、副半導体リレーＡＲをオフにする。例えば、制御部１２０は、所定の時間が経過したことで、突入電流が終了したと判断しても良い。また、制御部１２０は、負荷Ｌの電圧を測定する手段を有するようにし、この手段より測定された電圧が所定の電圧より大きくなったときに、突入電流が終了したと判断しても良い。

このようにすることで、一時的に大電流が流れるときには、電源Ｐから負荷Ｌへ供給される電流が、主半導体リレーＭＲを介してだけでなく、副半導体リレーＡＲも介して流れる。このため、本実施形態では、半導体リレーを大電流から保護することが可能になる。

また、電力供給システム１００は、主半導体センサＭＲの温度を測定する温度測定部１３０を有するようにしても良い。そして、制御部１２０は、負荷Ｌがオンである状態で、温度測定部１３０により測定された温度が第１の温度閾値にまだ達していないならば、主半導体リレーＭＲだけをオンにし、副半導体リレーＡＲをオフにするようにし、温度測定部１３０が測定した温度が第１の温度閾値に達したならば、主半導体リレーＭＲおよび副半導体リレーＡＲの両方をオンにするようにしても良い。そして、制御部１２０は、主半導体リレーＭＲと副半導体リレーＡＲの両方がオンの状態で、温度測定部１３０により測定された温度値が第２の温度閾値以下になったときに、副半導体リレーＡＲをオフにするようにしても良い。

このようにすることで、主半導体リレーＭＲの温度が第１の温度閾値以上になったときには、電源Ｐから負荷Ｌへ供給される電流が、主半導体リレーＭＲを介してだけでなく、副半導体リレーＡＲも介して流れる。このため、本実施形態では、半導体リレーを大電流から保護するが可能になる。

＜電力供給システム１００における処理動作＞
図２は、負荷Ｌがオンであり、電源Ｐから負荷Ｌへ主半導体リレーＭＲのみを介して電力を供給している状態において、電力供給システム１００で実行される処理動作の一例を示す図である。負荷Ｌがオンであり、電源Ｐから負荷Ｌへ主半導体リレーＭＲのみを介して電力を供給している状態において、制御部１２０は、電流測定部１１０により、主半導体リレーＭＲを流れる電流値を測定する（ステップＳ２０１）。制御部１２０は、測定された電流値が第１の電流閾値以上であるとき（ステップＳ２０２、ＹＥＳ）、副半導体リレーＡＲもオンにする（ステップＳ２０３）。

その後、制御部１２０は、電流測定部１１０により、主半導体リレーＭＲを流れる電流値を測定し（ステップＳ２０４）、測定された電流値が第２の電流閾値以下になったときに（ステップＳ２０５、ＹＥＳ）、副半導体リレーＡＲをオフにする（ステップＳ２０６）。

図３は、突入電流を発生する負荷Ｌをオンするときに電力供給システム１００で実行される処理動作の一例を示す図である。負荷Ｌをオンする指示があったときに（ステップＳ３０１、ＹＥＳ）、制御部１２０は、主半導体リレーＭＲと副半導体リレーＡＲの両方をオンにする（ステップＳ３０２）。

その後、突入電流が終了したと判断したときに（ステップＳ３０３、ＹＥＳ）、制御部１２０は、副半導体リレーＡＲをオフにする（ステップＳ３０４）。上述したように、例えば、制御部１２０は、所定の時間が経過したことで、突入電流が終了したと判断しても良いし、負荷Ｌの電圧が所定の電圧より大きくなったときに、突入電流が終了したと判断しても良い。

＜電力供給システム２００＞
図４は、本発明の一実施形態に係る電力供給システム２００を示す図である。電力供給システム２００は、複数の主半導体リレーＭＲｎ（ｎ＝１、２、・・・、Ｎ）と、副半導体リレーＡＲと、切替部２１０と、制御部２２０と、を有する。

電源Ｐは、複数の負荷Ｌｎ（ｎ＝１、２、・・・、Ｎ）に電力を供給するものであり、例えば、バッテリである。複数の負荷Ｌｎは、定常時よりもかなり大きな値の電流を一時的に流すものであり、この電流値を、以下、負荷最大電流値と呼ぶ。例えば、負荷Ｌｎが突入電流を生じるものであるならば、負荷最大電流値は、突入電流のピーク値である。

複数の半導体リレーＭＲｎの各々は、対応する負荷Ｌｎと電源Ｐとの間に接続されており、複数の主半導体リレーＭＲｎの各々のサージオン電流耐量と副半導体リレーＡＲのサージオン電流耐量の和は、対応する負荷Ｌｎの負荷最大電流値より大きい。

切替部２１０は、副半導体リレーＡＲが主半導体リレーＭＲ１と並列に電源Ｐと負荷Ｌ１の間に接続された状態（状態１）と、副半導体リレーＡＲが主半導体リレーＭＲ２と並列に電源Ｐと負荷Ｌ２の間に接続された状態（状態２）と、・・・、副半導体リレーＡＲが主半導体リレーＭＲＮと並列に電源Ｐと負荷ＬＮの間に接続された状態（状態Ｎ）と、の間の切り替えを行う。

制御部２２０は、複数の主半導体リレーＭＲｎの各々を流れる電流値を制限するように、複数の主半導体リレーＭＲｎおよび副半導体リレーＡＲのオンオフと、切替部２１０と、を制御する。

例えば、制御部２２０は、複数の主半導体リレーＭＲｎのうちに、所定の電流値を超えた主半導体リレーＭＲｎがあれば、切替部２１０を制御し、副半導体リレーＡＲがこの主半導体リレーＭＲｎと並列に電源Ｐとこの主半導体リレーＭＲｎに対応する負荷Ｌｎの間に接続された状態に切り換え、副半導体リレーＡＲをオンにする。このとき、例えば、電力供給システム２００は、複数の負荷Ｌｎの各々に流れ込む電流に基づく電流値（例えば、複数の負荷Ｌｎの各々に流れる電流値や、複数の主半導体リレーＭＲｎの各々を流れる電流値）を測定する電流測定部（不図示）を有するようにすると良い。

このようすることで、主半導体リレーＭＲｎを流れる電流値が所定の電流値より大きくなったときには、電源Ｐからこの主半導体リレーＭＲｎに対応する負荷Ｌｎへ供給される電流が、この主半導体リレーＭＲｎを介してだけでなく、副半導体リレーＡＲも介して流れる。よって、本実施形態では、半導体リレーを大電流から保護するが可能になる。

また、制御部２２０は、外部から信号を受ける受信部２２１を有するようにしても良い。そして、制御部２２０は、負荷Ｌｎに一時的に大電流が流れることを示す信号を受信部２２１により受信したときに、切替部２１０を制御し、副半導体リレーＡＲがこの負荷Ｌｎに対応する主半導体リレーＭＲｎと並列に電源Ｐとこの負荷Ｌｎの間に接続された状態に切り換え、この対応する主半導体リレーＭＲｎと副半導体リレーＡＲの両方をオンにするようにしても良い。制御部２２０は、例えば、負荷Ｌｎをオンにする指示信号を受信したときに、切替部２１０を制御し、副半導体リレーＡＲがこの負荷Ｌｎに対応する主半導体リレーＭＲｎと並列に電源Ｐとこの負荷Ｌｎの間に接続された状態に切り換え、この対応する主半導体リレーＭＲｎと副半導体リレーＡＲの両方をオンにする。

また、制御部２２０は、複数の主半導体リレーＭＲｎのうちに、所定の温度値を超えた主半導体リレーＭＲｎがあれば、切替部２１０を制御し、副半導体リレーＡＲがこの主半導体リレーＭＲｎと並列に電源Ｐとこの主半導体リレーＭＲｎに対応する負荷Ｌｎの間に接続された状態に切り換え、副半導体リレーＡＲをオンにする。このとき、例えば、電力供給システム２００は、複数の主半導体リレーＭＲｎの各々の温度を測定する温度測定部（不図示）を有するようにすると良い。

以上、本発明の好適な実施の形態により本発明を説明した。ここでは特定の具体例を示して本発明を説明したが、特許請求の範囲に記載した本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正および変更が可能である。

１００ 電力供給システム
１１０ 電流測定部
１２０ 制御部
１３０ 温度測定部
２００ 電力供給システム
２１０ 切替部
２２０ 制御部
Ｐ 電源
Ｌ 負荷
ＭＲ 主半導体リレー
ＡＲ 副半導体リレー
Ｌｎ 負荷
ＭＲｎ 主半導体リレー

Claims (2)

1. 電源と負荷との間に接続された、前記負荷のオンオフを制御するための主半導体リレーと、
   前記主半導体リレーと並列に、前記電源と前記負荷の間に接続された副半導体リレーと、
   前記負荷に流れる電流に基づく電流値を測定する電流測定部と、
   前記主半導体リレーと前記副半導体リレーのオンオフを制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、
   前記主半導体リレーがオンの状態で、前記電流測定部により測定された電流値が第１の電流閾値に達したときに、前記副半導体リレーをオンにし、
   前記主半導体リレーと前記副半導体リレーの両方がオンの状態で、前記電流測定部により測定された電流値が第２の電流閾値以下になったときに、前記副半導体リレーをオフにする、電力供給システム。
2. 電源と負荷との間に接続された、前記負荷のオンオフを制御するための主半導体リレーと、
   前記主半導体リレーと並列に、前記電源と前記負荷の間に接続された副半導体リレーと、
   前記主半導体リレーの温度を測定する温度測定部と、
   前記主半導体リレーと前記副半導体リレーのオンオフを制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、
   前記主半導体リレーがオンの状態で、前記温度測定部により測定された温度が第１の温度閾値に達したときに、前記副半導体リレーをオンにし、
   前記主半導体リレーと前記副半導体リレーの両方がオンの状態で、前記温度測定部により測定された温度が第２の温度閾値以下になったときに、前記副半導体リレーをオフにする、電力供給システム。

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