JP7558486B2 - 直流回路開閉装置 - Google Patents
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Description
本開示は、直流回路開閉装置に関する。
電気自動車やハイブリッド車等の高圧の二次電池を搭載した車両においては、高圧の直流電源回路の開閉に用いられる直流回路開閉装置が搭載されている。特許文献１には、直流回路開閉装置が正極側と負極側に設けられたメインリレーとして電磁接触器（コンタクタ）を含んで構成されており、両電磁接触器をオフにすることで、二次電池からの電源供給を停止できる構成が開示されている。
ところが、高圧の直流電源回路の開閉に用いられる直流回路開閉装置には、正極側と負極側にそれぞれ大型で特殊構造の電磁接触器が必要であり、コストアップや装置の大型化が避けられなかった。仮に、電磁接触器を正極側のみに設け、負極側の電磁接触器をサーマルヒューズで置き換えた場合、熱で回路分断を行う。それゆえ、外部信号により回路分断を行うことができないため、漏電を検知したとしても回路を遮断できないおそれがあった。
そこで、異常時の電源供給の確実な遮断が可能で、装置の小型化や低コストを有利に実現できる、新規な構造の直流回路開閉装置を開示する。
本開示の直流回路開閉装置は、バッテリと負荷の間に接続される直流回路開閉装置であって、前記バッテリと前記負荷の間を繋ぐ正極側電源ラインと負極側電源ラインを含む電源ラインと、前記正極側電源ラインと前記負極側電源ラインの一方に接続されて、車両制御ユニットによる制御信号によりオン／オフの制御が可能なメインリレーと、前記正極側電源ラインと前記負極側電源ラインの他方に接続されて、前記車両制御ユニットによる制御信号により遮断が可能なパイロヒューズと、を有しており、前記制御信号により前記メインリレーがオフされるとともに前記パイロヒューズが遮断されることで、前記正極側電源ラインおよび前記負極側電源ラインが遮断され、前記パイロヒューズに対して直列にサービスプラグが接続されている、直流回路開閉装置である。
本開示によれば、異常時の電源供給の確実な遮断が可能で、装置の小型化や低コストを有利に実現できる、新規な構造の直流回路開閉装置を提供することができる。
＜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。
本開示の直流回路開閉装置は、
（１）バッテリと負荷の間に接続される直流回路開閉装置であって、前記バッテリと前記負荷の間を繋ぐ正極側電源ラインと負極側電源ラインを含む電源ラインと、前記正極側電源ラインと前記負極側電源ラインの一方に接続されたメインリレーと、前記正極側電源ラインと前記負極側電源ラインの他方に接続されて、制御信号により遮断が可能なアクティブヒューズと、を有する直流回路開閉装置である。
最初に、本開示の実施態様を列記して説明する。
本開示の直流回路開閉装置は、
（１）バッテリと負荷の間に接続される直流回路開閉装置であって、前記バッテリと前記負荷の間を繋ぐ正極側電源ラインと負極側電源ラインを含む電源ラインと、前記正極側電源ラインと前記負極側電源ラインの一方に接続されたメインリレーと、前記正極側電源ラインと前記負極側電源ラインの他方に接続されて、制御信号により遮断が可能なアクティブヒューズと、を有する直流回路開閉装置である。
本開示の直流回路開閉装置によれば、正極側電源ラインと負極側電源ラインの一方にメインリレーが接続されており、正極側電源ラインと負極側電源ラインの他方にアクティブヒューズが接続されている。それゆえ、通常走行時には、メインリレーによってバッテリと負荷間の電源ラインのオンオフ制御が可能となる。車両の衝突等の異常時には、アクティブヒューズに切断を指示する制御信号を送信することによって、電源ラインを確実に遮断することができる。これにより、異常時の電源供給を確実に遮断して漏電等の発生のリスクを有利に低減または防止することができる。また、高価で大型の特殊構造のメインリレーの１つを安価で小型のアクティブヒューズに置き換えることができることから、直流回路開閉装置を小型化でき且つコスト低減を有利に実現できる。
さらに、メインリレーとアクティブヒューズがそれぞれ正極側電源ラインと負極側電源ラインのどちらかに接続されていればよいことから、メインリレーとアクティブヒューズに対する配置の自由度を向上できる。それゆえ、直流回路開閉装置を全体としてコンパクトに作製することができる。
なお、メンテナンス等が必要な場合には、アクティブヒューズを切断することで、アクティブヒューズが接続された側の電源ラインに設けられた端子部が活電部となる不具合の発生も未然に防止することができる。
（２）前記正極側電源ラインに前記メインリレーが接続されており、前記負極側電源ラインに前記アクティブヒューズが接続されていることが好ましい。この場合も、正極側電源ラインに接続されたメインリレーによって通常走行時のバッテリと負荷間の電源ラインの確実なオンオフ制御が可能であり、異常時のバッテリと負荷間の電源ラインの遮断も負極側電源ラインに接続されたアクティブヒューズによって確実に行うことができる。特に、正極側電源ラインにプリチャージ回路等が接続されている場合に、回路配索等をコンパクトに行い得る。
（３）上記（１）において、前記正極側電源ラインに前記アクティブヒューズが接続されており、前記負極側電源ラインに前記メインリレーが接続されていることが好ましい。この場合も、負極側電源ラインに接続されたメインリレーによって通常走行時のバッテリと負荷間の電源ラインの確実なオンオフ制御が可能であり、異常時のバッテリと負荷間の電源ラインの遮断も正極側電源ラインに接続されたアクティブヒューズによって確実に行うことができる。それゆえ、正極側電源ラインにメインリレーを搭載するスペースの確保が困難な場合等においても、負極側電源ラインにメインリレーを搭載することが可能となる。
（４）前記アクティブヒューズに対して直列にサービスプラグが接続されていることが好ましい。アクティブヒューズを一度遮断に使用した場合は破壊してしまうため再利用できず、新たなアクティブヒューズが必要となる。アクティブヒューズに対して直列にサービスプラグを接続することにより、サービスプラグによって電源ラインを遮断することができる。それゆえ、メンテナンス時等にバッテリからの電源供給を遮断するためにアクティブヒューズを切断して新しいアクティブヒューズに取り換える必要がなく、コスト低減が可能である。なお、サービスプラグは、高電圧、大電流が流れる部分をメンテナンスする際、電源ラインを遮断して安全に作業するためのプラグで、バッテリ交換の際は必ずサービスプラグを抜く。
（５）前記アクティブヒューズがパイロヒューズであることが好ましい。アクティブヒューズがパイロヒューズによって構成されていることから、火薬着火による爆発力によって、瞬時且つ確実にバッテリとメインリレー間の電源ラインの遮断を行うことができるからである。
＜本開示の実施形態の詳細＞
本開示の直流回路開閉装置の具体例を、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。
本開示の直流回路開閉装置の具体例を、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の直流回路開閉装置１０について、図１を参照しつつ説明する。直流回路開閉装置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。直流回路開閉装置１０は、図１に示すように、バッテリ１２と負荷１４の間に接続されている。直流回路開閉装置１０は、バッテリ１２と負荷１４の間を繋ぐ電源ライン１６を有している。電源ライン１６は、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にはメインリレー１８が接続されており、負極側電源ライン１６ｂにはアクティブヒューズであるパイロヒューズ２４が接続されている。
以下、本開示の実施形態１の直流回路開閉装置１０について、図１を参照しつつ説明する。直流回路開閉装置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。直流回路開閉装置１０は、図１に示すように、バッテリ１２と負荷１４の間に接続されている。直流回路開閉装置１０は、バッテリ１２と負荷１４の間を繋ぐ電源ライン１６を有している。電源ライン１６は、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にはメインリレー１８が接続されており、負極側電源ライン１６ｂにはアクティブヒューズであるパイロヒューズ２４が接続されている。
そして、バッテリ１２からメインリレー１８およびパイロヒューズ２４を介して、車両を走行させ負荷１４を構成するモータ２０に電力が供給されている。ここで、メインリレー１８は、高電圧、高電流、またはその両方を持つ負荷１４に使用されるコンタクタ等のリレーを含む機械式のリレーである。そして、ＥＣＵ等を含んで構成された車両制御ユニット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。また、パイロヒューズ２４は、車両制御ユニット２２からの制御信号に基づいて、切断が可能となっている。メインリレー１８がオンの状態では、バッテリ１２とモータ２０が接続されてモータ２０に電力が供給されている。メインリレー１８がオフの状態且つパイロヒューズ２４が切断された状態では、バッテリ１２とモータ２０間の電流が遮断されてモータ２０に対する電力の供給が停止されている。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。
＜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。
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＞
図１に示すように、負荷１４は、例えば、大容量のコンデンサ２６と、ＤＣ／ＡＣインバータ２８が並列に接続したものを有している。ここで、負荷１４は、ＤＣ／ＡＣインバータ２８を介してバッテリ１２をモータ２０に接続している。ＤＣ／ＡＣインバータ２８は、バッテリ１２の直流を交流に変換してモータ２０に供給する。なお、モータ２０の回生制動時には、モータ２０を発電機としてバッテリ１２を充電する。本開示の実施形態１では、ＤＣ／ＡＣインバータ２８を用いているが、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いても構わない。
図１に示すように、負荷１４は、例えば、大容量のコンデンサ２６と、ＤＣ／ＡＣインバータ２８が並列に接続したものを有している。ここで、負荷１４は、ＤＣ／ＡＣインバータ２８を介してバッテリ１２をモータ２０に接続している。ＤＣ／ＡＣインバータ２８は、バッテリ１２の直流を交流に変換してモータ２０に供給する。なお、モータ２０の回生制動時には、モータ２０を発電機としてバッテリ１２を充電する。本開示の実施形態１では、ＤＣ／ＡＣインバータ２８を用いているが、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いても構わない。
＜パイロヒューズ２４＞
パイロヒューズ２４は、アクティブヒューズである。ここで、アクティブヒューズとは、外部からの制御信号に基づいて切断が可能な素子のことである。より詳細には、パイロヒューズ２４は、直流回路開閉装置１０において異常を検出した際に、ＥＣＵ等を含んで構成された車両制御ユニット２２からの制御信号に基づいて、切断が可能となっている。
パイロヒューズ２４は、アクティブヒューズである。ここで、アクティブヒューズとは、外部からの制御信号に基づいて切断が可能な素子のことである。より詳細には、パイロヒューズ２４は、直流回路開閉装置１０において異常を検出した際に、ＥＣＵ等を含んで構成された車両制御ユニット２２からの制御信号に基づいて、切断が可能となっている。
＜急速充電用電源３０＞
図１に示すように、直流回路開閉装置１０の出力側には、急速充電用電源３０がリレー３２，３２を介して並列に接続されている。これにより、モータ２０を停止し、メインリレー１８をオンした状態で、急速充電用電源３０に充電ステーション等で高圧ＤＣ電源を接続しリレー３２，３２をオンすれば、高圧のバッテリ１２を急速充電することが可能となっている。
図１に示すように、直流回路開閉装置１０の出力側には、急速充電用電源３０がリレー３２，３２を介して並列に接続されている。これにより、モータ２０を停止し、メインリレー１８をオンした状態で、急速充電用電源３０に充電ステーション等で高圧ＤＣ電源を接続しリレー３２，３２をオンすれば、高圧のバッテリ１２を急速充電することが可能となっている。
次に、本開示の実施形態１の直流回路開閉装置１０の動作について、簡単に説明する。本開示の実施形態１では、電力供給開始当初において、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を可能にしている。なお、以下の説明において、かかる状態を、適宜通常状態という。通常状態では、メインリレー１８によってバッテリ１２と負荷１４間の電源ライン１６のオンオフ制御が可能となっている。
直流回路開閉装置１０の電源ライン１６には、例えば図示しない電流センサや電圧センサが設けられており、通常状態では電流センサの電流値や電圧センサの電圧値が車両制御ユニット２２に送信されている。車両制御ユニット２２において、電流値や電圧値が異常値（例えば規定値外の値）であると判定された場合には、車両制御ユニット２２からメインリレー１８およびパイロヒューズ２４に対して制御信号が送信される。これにより、メインリレー１８がオフされ且つパイロヒューズ２４が切断されて、電源ライン１６の正極側電源ライン１６ａおよび負極側電源ライン１６ｂの両方が確実に遮断される。しかも、パイロヒューズ２４がアクティブヒューズによって構成されていることから、火薬着火による爆発力によって、瞬時且つ確実にバッテリ１２とメインリレー１８間の電源ライン１６の遮断を行うことができる。
このような構造とされた本開示の直流回路開閉装置１０によれば、正極側電源ライン１６ａにメインリレー１８が接続されており、負極側電源ライン１６ｂにパイロヒューズ２４が接続されている。通常状態では、メインリレー１８によってバッテリ１２と負荷１４間の電源ライン１６のオンオフ制御が可能となっている。車両が衝突した等の異常状態では、車両制御ユニット２２からメインリレー１８およびパイロヒューズ２４に対して制御信号が送信されて、メインリレー１８がオフされ且つパイロヒューズ２４が切断される。これにより、電源ライン１６を確実に遮断することができる。それゆえ、異常時の電源供給を確実に遮断することができ、漏電等の発生のリスクを有利に低減または防止することができる。さらに、高価で大型の特殊構造のメインリレー１８の１つ（本実施形態１では従来負極側電源ラインにあったメインリレー）を安価で小型のパイロヒューズ２４に置き換えることができる。それゆえ、直流回路開閉装置１０を小型化でき且つコスト低減を有利に実現できる。特に、正極側電源ライン１６ａにプリチャージ回路等が接続されている場合に、回路配索等をコンパクトに行い得る。
また、メンテナンス等が必要な場合にも、車両制御ユニット２２からメインリレー１８およびパイロヒューズ２４に対して制御信号が送信されて、メインリレー１８がオフされ且つパイロヒューズ２４が切断される。これにより、正極側電源ライン１６ａの端子部（本実施形態１では正極側電源ライン１６ａの負荷１４側の端子部３４）には電圧が印加されず、活電部となる不具合の発生も未然に防止することができる。加えて、負極側電源ライン１６ｂの端子部（本実施形態１では負極側電源ライン１６ｂの負荷１４側の端子部３６）にも電圧が印加されず、活電部となる不具合の発生も未然に防止することができる。
＜他の実施形態＞
以上、本開示の具体例として、実施形態１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も本開示の技術的範囲に含まれる。
以上、本開示の具体例として、実施形態１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も本開示の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態１では、直流回路開閉装置１０として、正極側電源ライン１６ａにメインリレー１８が接続されており、負極側電源ライン１６ｂにパイロヒューズ２４が接続されているものを例示して説明を行ったが、これに限定されない。例えば、図２に示す実施形態２の直流回路開閉装置３８のように、正極側電源ライン１６ａにパイロヒューズ２４が接続されており、負極側電源ライン１６ｂにメインリレー１８が接続されていてもよい。この場合も、上記実施形態１と同様に、メインリレー１８によってバッテリ１２と負荷１４間の負極側電源ライン１６ｂをオンオフ制御することが可能となっている。しかも、バッテリ１２と負荷１４間の正極側電源ライン１６ａもパイロヒューズ２４に制御信号を送信することによって確実に遮断することができる。したがって、高価で大型のメインリレー１８の１つ（本実施形態２では従来正極側電源ラインにあったメインリレー）を安価で小型のパイロヒューズ２４で置き換えることができる。それゆえ、直流回路開閉装置３８を小型化でき且つコスト低減を実現できる。また、正極側電源ライン１６ａにメインリレー１８を搭載するスペースの確保が困難な場合等においても、負極側電源ライン１６ｂにメインリレー１８を搭載することが可能となっている。
さらに、メンテナンス等が必要な場合にも、車両制御ユニット２２からメインリレー１８およびパイロヒューズ２４に対して制御信号が送信されて、メインリレー１８がオフされ且つパイロヒューズ２４が切断される。これにより、負極側電源ライン１６ｂの端子部（本実施形態２では負極側電源ライン１６ｂの負荷１４側の端子部３６）には電圧が印加されず、活電部となる不具合の発生も未然に防止することができる。加えて、正極側電源ライン１６ａの端子部（本実施形態２では正極側電源ライン１６ａの負荷１４側の端子部３４）にも電圧が印加されず、活電部となる不具合の発生も未然に防止することができる。上記実施形態１および上記実施形態２に示すように、メインリレー１８とパイロヒューズ２４はそれぞれ、正極側電源ライン１６ａと負極側電源ライン１６ｂのどちらかに接続されていればよい。したがって、メインリレー１８とパイロヒューズ２４に対する配置の自由度を向上できる。それゆえ、直流回路開閉装置１０，３８を全体としてコンパクトに作製することができる。
（２）また、図３に示す実施形態３の直流回路開閉装置４０のように、パイロヒューズ２４に対して直列にサービスプラグ４２が接続されていてもよい。上記実施形態１および上記実施形態２では、パイロヒューズ２４を一度遮断に使用した場合は破壊してしまうため再利用できず、新たなパイロヒューズ２４が必要となる。そこで、本実施形態３の直流回路開閉装置４０のようにパイロヒューズ２４に対して直列にサービスプラグ４２を接続することにより、サービスプラグ４２によって電源ライン１６を遮断することができる。この結果、パイロヒューズ２４を取り換える必要がなく、コスト低減が可能である。なお、サービスプラグ４２は、高電圧、大電流が流れる部分をメンテナンスする際、電源ライン１６を遮断して安全に作業するためのプラグで、バッテリ１２交換の際は必ずサービスプラグ４２を抜く。本実施形態３においても、上記実施形態１および上記実施形態２と同様に、高価で大型のメインリレー１８の１つを安価で小型のパイロヒューズ２４で置き換えることができるので、直流回路開閉装置４０を小型化でき且つコスト低減を実現できる。
（３）さらに、図４に示す実施形態４の直流回路開閉装置４４のように、正極側電源ライン１６ａにおいて、パイロヒューズ２４に対して直列にサービスプラグ４２が接続されていてもよい。この場合も、上記実施形態３の直流回路開閉装置４０と同様の効果があることは明らかである。
１０ 直流回路開閉装置（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
２０ モータ（負荷）
２２ 車両制御ユニット
２４ パイロヒューズ（アクティブヒューズ）
２６ コンデンサ
２８ ＤＣ／ＡＣインバータ
３０ 急速充電用電源
３２ リレー
３４ 端子部
３６ 端子部
３８ 直流回路開閉装置（実施形態２）
４０ 直流回路開閉装置（実施形態３）
４２ サービスプラグ
４４ 直流回路開閉装置（実施形態４）
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
２０ モータ（負荷）
２２ 車両制御ユニット
２４ パイロヒューズ（アクティブヒューズ）
２６ コンデンサ
２８ ＤＣ／ＡＣインバータ
３０ 急速充電用電源
３２ リレー
３４ 端子部
３６ 端子部
３８ 直流回路開閉装置（実施形態２）
４０ 直流回路開閉装置（実施形態３）
４２ サービスプラグ
４４ 直流回路開閉装置（実施形態４）
Claims (3)
- バッテリと負荷の間に接続される直流回路開閉装置であって、
前記バッテリと前記負荷の間を繋ぐ正極側電源ラインと負極側電源ラインを含む電源ラインと、
前記正極側電源ラインと前記負極側電源ラインの一方に接続されて、車両制御ユニットによる制御信号によりオン／オフの制御が可能なメインリレーと、
前記正極側電源ラインと前記負極側電源ラインの他方に接続されて、前記車両制御ユニットによる制御信号により遮断が可能なパイロヒューズと、を有しており、
前記制御信号により前記メインリレーがオフされるとともに前記パイロヒューズが遮断されることで、前記正極側電源ラインおよび前記負極側電源ラインが遮断され、
前記パイロヒューズに対して直列にサービスプラグが接続されている、
直流回路開閉装置。 - 前記正極側電源ラインに前記メインリレーが接続されており、前記負極側電源ラインに
前記パイロヒューズが接続されている、請求項１に記載の直流回路開閉装置。 - 前記正極側電源ラインに前記パイロヒューズが接続されており、前記負極側電源ラインに前記メインリレーが接続されている、請求項１に記載の直流回路開閉装置。
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