特開 2023-127974 車両用電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023127974

(43)【公開日】2023-09-14

(54)【発明の名称】車両用電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02H 3/16 20060101AFI20230907BHJP

   B60R 16/02 20060101ALI20230907BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20230907BHJP

   H02J 7/02 20160101ALI20230907BHJP

   G01R 31/52 20200101ALI20230907BHJP

【ＦＩ】

H02H3/16 A

B60R16/02 645A

H02J7/00 P

H02J7/02 H

G01R31/52

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022031982

(22)【出願日】2022-03-02

(71)【出願人】

【識別番号】000143639

【氏名又は名称】株式会社今仙電機製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100109597

【弁理士】

【氏名又は名称】西尾 章

(72)【発明者】

【氏名】山野上 耕一

(72)【発明者】

【氏名】槇尾 大介

【テーマコード（参考）】

2G014

5G004

5G503

【Ｆターム（参考）】

2G014AA16

2G014AB61

5G004AA04

5G004BA01

5G004CA03

5G503BA03

5G503BB01

5G503BB02

5G503CA11

5G503FA06

5G503HA02

(57)【要約】

【課題】安価でかつ確実な感電防止対策を行うことのできる車両用電源装置を提供する。
【解決手段】車両用電源装置１は、複数の蓄電素子を直列に接続した第一の蓄電素子群２と、第一の蓄電素子群の正極側に直列に接続され、第一の蓄電素子群と合わせることによって高電圧の直流電源を構成する第二の蓄電素子群３と、アクティブバランサ４と、第一の蓄電素子群と低電圧負荷との間に配置される第一のスイッチ手段５および第二のスイッチ手段６と、制御手段７と、高電圧の直流電源の電力を遮断する遮断手段８と、漏電検出手段９と、を備えている。制御手段は、第一のスイッチ手段５および第二のスイッチ手段６がオフ状態であるデッドタイム期間に、漏電検出手段９から送出される信号を判定し、漏電電流が所定の基準に達した場合には、負荷に供給する電力を所定期間遮断する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

低電圧負荷と、前記低電圧負荷よりも高い電圧で駆動される高電圧負荷とに電力を供給する車両用電源装置であって、
複数の蓄電素子を直列に接続して所定の電圧の直流電源を得る第一の蓄電素子群と、
複数の蓄電素子を直列に接続して構成されており、前記第一の蓄電素子群の正極側に直列に接続され、前記第一の蓄電素子群と合わせることによって高電圧の直流電源を構成する第二の蓄電素子群と、
前記第一の蓄電素子群及び前記第二の蓄電素子群との間に配置されるアクティブバランサと、
前記第一の蓄電素子群から低電圧を供給する出力端子に対応して設けられた第一のスイッチ手段および第二のスイッチ手段と、
前記高電圧の直流電源からの電力を遮断する遮断手段と、
前記第一のスイッチ手段および前記第二のスイッチ手段を制御して所定の低電圧を得る制御と、前記アクティブバランサを制御して全ての前記蓄電素子の容量を略均一とする制御と、前記遮断手段の切り替え制御と、を行う制御手段と、
前記高電圧の直流電源と接地電位との間の漏電電流を検出して前記制御手段に信号を送出する漏電検出手段と、
を備えており、
前記制御手段が、前記第一のスイッチ手段および前記第二のスイッチ手段がオフ状態であるデッドタイム期間に前記漏電検出手段から送出される信号を判定し、漏電電流が所定の基準に達した場合には、前記低電圧負荷と前記高電圧負荷のいずれか一方もしくは両方に対する電力を所定期間遮断することを特徴とする車両用電源装置。

【請求項2】

前記アクティブバランサが、前記第一の蓄電素子群の陰極側と、前記第二の蓄電素子群の正極側と、前記第一の蓄電素子群と前記第二の蓄電素子群との間に設けられた出力端子の三点に接続していることを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。

【請求項3】

前記制御手段は、前記漏電電流が所定の基準に達した時、前記遮断手段をオフの状態に固定することを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。

【請求項4】

前記制御手段は、前記漏電電流が所定の基準に達した時、前記遮断手段がオフである状態を所定の時間保持した後、再度、前記遮断手段がオンとなる動作を繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。

【請求項5】

前記制御手段は、前記第一のスイッチ手段および前記第二のスイッチ手段と前記低電圧負荷とを接続している期間と前記漏電検出手段の漏電検出値との積が０．００３アンペア×１秒以下となるように前記スイッチング手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。

【請求項6】

前記制御手段は、前記漏電電流が所定の基準に達した時、前記第一のスイッチ手段および前記第二のスイッチ手段の接続を禁止することを特徴とする請求項１記載の車両用電源装置。

【請求項7】

前記漏電電流の基準となる電流値が０アンペアであり、
前記制御手段は、漏電電流が０アンペアよりも大である場合に、前記低電圧負荷と前記高電圧負荷のいずれか一方もしくは両方に対する電力を所定期間遮断することを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、車両用電源装置に関する。特に、異なる電圧で作動する複数の負荷に給電する電源装置であって、簡易な構成によって使用者の感電対策を確実に行うことのできる車両用電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、自動車の電気回路は、１２Ｖ又は２４Ｖの鉛蓄電池から低電圧の電力を給電する回路と、３００Ｖから４００Ｖ程度の駆動用二次電池から高電圧の電力を給電する回路との２つの系統に分かれていた。鉛蓄電池は重量があり、また電池自体の製造や廃棄の際の環境負荷が大きい。さらに、近年の電気自動車やハイブリッド車では、より昇圧した給電が必要となる場合がある。このため、車両用の電源として異なる電圧を一つの電源で提供できる二次電池システムの開発が進んでいる。

【0003】

二次電池システムには、複数の蓄電素子を直列に接続した二次電池が広く用いられている。このような二次電池は、蓄電素子の数を増やすことで高圧の出力電圧を得ることができ、効率よく動力を供給することができる。一方で、車載用電源には、厳重な感電防止措置が必要となる。特に、作動電圧が直流６０Ｖ以上となる動力系に対しては、安全対策が必須である。

【0004】

発明者らは、これまでに、高圧電源から降圧手段を介して低電圧電源を得る車両用電源装置であって、トランス等の絶縁手段を用いることなく人体の感電を防止できる車両用電源装置を発明し、特許文献１に開示した。特許文献１の車両用電源装置の基本的な構成を、図５に示す。車両用電源装置は、複数の蓄電素子で構成される高電圧電源６００から、１２Ｖで動作する電気負荷３００と、高電圧負荷装置４００に電力を供給する。車両用電源装置は、高電圧電源６００の一部の蓄電素子を電気負荷３００に接続する複数のスイッチ手段を備えており、スイッチ手段を１００ｕｓｅｃ程度の周期で選択的に切り替えて電気負荷に所定の電圧の電力を供給する。蓄電素子間の電圧バランスの制御は、スイッチ手段の接続時間の制御によって行う。さらに特許文献１の車両用電源装置は、高電圧電源と接地電位との間の漏電電流を検出する漏電検出手段１００を備えている。漏電検出手段１００は、スイッチ手段が全てオフのデッドタイム中に、漏電の有無を検出する。漏電検出手段は、たとえば高電圧電源と接地極との間の漏電電流を測定する。制御手段は、漏電検出手段が検出した漏電電流が０アンペアより大の時に漏電が発生していると判断して、以降のスイッチ手段の接続を禁止するか、又は遮断手段５００、５０１をオフにして感電を防止する。

【0005】

また、発明者らは、複数のバッテリを直列に接続した二次電池において、バッテリとバッテリの間に設けられた出力端子が接地されていることを特徴とする高電圧電源を発明し、特許文献２に開示した。特許文献２の高電圧電源の構成例を、図６に示す。高電圧電源１２４は、複数の蓄電素子を含み、直列に接続された複数のバッテリ１１１を備えている。バッテリ１１１とバッテリ１１１の間の出力端子は、車体のグランド１０５に接続され、接地電位となっている。これにより、高電圧電源１２４とグランド１０５との最大電位差が小さくなっており、高電圧負荷装置１０３に電力を供給する場合であっても、車体に対する絶縁が不要となる。また、高電圧電源１２４は、全てのバッテリ１１１と並列に接続されてバイパス回路を形成するバランサ１３２を備えており、複数のバッテリ１１１間の充放電状態のバランス制御を能動的に行う。

【0006】

特許文献１の車両用電源装置は、一般的な電圧３Ｖの蓄電素子を適用している場合、３００Ｖの高電圧規格の負荷装置に給電するために１００個の蓄電素子と５０個のスイッチ手段が必要となる。多数のスイッチ手段を設けることは、装置全体の価格の上昇と、制御の複雑さの原因となる。一方、特許文献２の高電圧電源は、電圧規格３００Ｖの負荷装置に給電する場合には、高電圧電源１２４とグランド１０５との電位差が最低でも１５０Ｖとなる。このため、従来と同様の感電防止対策が必要となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０２１－１１４８４７号公報

【特許文献2】特開２０２０－１９９９２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

車両の電源システムは、種々の電気回路と使用者が触れる可能性のある車両ボディとの間で、確実な絶縁を行う必要がある。しかしながら、複数の電圧系統を含む電源システムの場合、電圧制御と絶縁を行うための装置構成が大型化し、高額なものとなる傾向があった。

【0009】

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、複数の電圧の給電を行い、しかも確実な絶縁対策を行うことのできる車両用電源装置の提供を、解決すべき課題としてなされたものである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、低電圧負荷と、低電圧負荷よりも高い電圧で駆動される高電圧負荷とに電力を供給する車両用電源装置に関する。本発明の車両用電源装置は、複数の蓄電素子を直列に接続して所定の電圧の直流電源を得る第一の蓄電素子群と、複数の蓄電素子を直列に接続して構成されており、第一の蓄電素子群の正極側に直列に接続され、第一の蓄電素子群と合わせることによって高電圧の直流電源を構成する第二の蓄電素子群と、第一の蓄電素子群及び第二の蓄電素子群との間に配置されるアクティブバランサと、高電圧の直流電源からの電力を遮断する遮断手段と、制御手段と、漏電検出手段とを備えている。制御手段は、第一のスイッチ手段および第二のスイッチ手段を制御して所定の低電圧を得る制御と、前記アクティブバランサを制御して全ての前記蓄電素子の容量を略均一とする制御と、前記遮断手段の切り替え制御と、を行う。漏電検出手段は、高電圧の直流電源と接地電位との間の漏電電流を検出して前記制御手段に信号を送出する。本発明の制御手段は、第一のスイッチ手段および第二のスイッチ手段がオフ状態であるデッドタイム期間に漏電検出手段から送出される信号を判定し、漏電電流が所定の基準に達した場合には、低電圧負荷と高電圧負荷のいずれか一方もしくは両方に対する電力を所定期間遮断することを特徴とする。

【0011】

本発明の車両用電源装置は、アクティブバランサが、第一の蓄電素子群の陰極側と、第二の蓄電素子群の正極側と、第一の蓄電素子群と第二の蓄電素子群との間に設けられた出力端子の三点に接続していることが好ましい。

【0012】

本発明の車両用電源装置の制御手段は、漏電電流が所定の基準に達した時、遮断手段をオフの状態に固定することができる。

【0013】

また、本発明の車両用電源装置の制御手段は、漏電電流が所定の基準に達した時、遮断手段がオフである状態を所定の時間保持した後、再度、遮断手段がオンとなる動作を繰り返すことができる。

【0014】

本発明の車両用電源装置の制御手段は、第一のスイッチ手段および第二のスイッチ手段と低電圧負荷とを接続している期間と、漏電検出手段の漏電検出値との積が０．００３アンペア×１秒以下となるようにスイッチング手段を制御することができる。

【0015】

本発明の車両用電源装置の制御手段は、漏電電流が所定の基準に達した時、第一のスイッチ手段および第二のスイッチ手段の接続を禁止することができる。

【0016】

本発明の車両用電源装置は、漏電電流の基準となる電流値が０アンペアとすることができる。制御手段は、漏電電流が０アンペアよりも大である場合に、低電圧負荷と高電圧負荷のいずれか一方もしくは両方に対する電力を所定期間遮断することが好ましい。

【発明の効果】

【0017】

本発明に係る車両用電源装置は、高電圧と低電圧の両方の電力を提供できる。低電圧は、第一の蓄電素子群から第一のスイッチ手段および第二のスイッチ手段を介して供給される。従来の高電圧電源から低電圧を得るために必要であったＤＣ－ＤＣコンバータや数多くのスイッチ手段を必要とすることがないため、従来よりも装置全体の構成を簡素化し、装置を安価に構成することができる。

【0018】

本発明に係る車両用電源装置の第一のスイッチ手段および第二のスイッチ手段の耐電圧は、第一の蓄電素子群の出力する電圧に対応する電圧でよく、より低い電圧対応のスイッチ手段を適用することができる。このため、装置全体の構成を一層簡素化し、装置を安価に構成することができる。

【0019】

一方で、本発明に係る車両用電源装置は、制御手段の感電防止処理部が、第一のスイッチ手段および第二のスイッチ手段がオフ状態であるデッドタイム期間に、漏電検出手段から送出される信号を判定し、漏電電流が所定の基準に達した場合には、低電圧負荷と高電圧負荷のいずれか一方もしくは両方に対する電力を所定期間遮断することで確実な感電対策を行い、安全性を確保することができる。

【0020】

特に、制御手段が好適なタイミングと期間で遮断手段をオフにする命令を出力し、命令によって遮断手段が電流を遮断することにより、高電圧の直流電源からの電力供給が停止され、高電圧系統と高電圧負荷の周辺の確実な感電対策を行うことができる。

【0021】

また、制御手段が出力する命令によって、第一のスイッチ手段および第二のスイッチ手段の接続が禁止されてオフになることにより、低電圧の電力供給が停止され、低電圧系統と低電圧負荷の周辺の確実な感電対策を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、本発明の車両用電源装置と、複数の負荷との接続状態を模式的に示すブロック図である。

【図2】図２は、アクティブバランサによる充電状態の制御内容を模式的に示す図である。

【図3】図３は、本発明の実施形態に係る車両用電源装置の漏電検出の一例を説明する図である。

【図4】図４は、本発明の実施形態に係る車両用電源装置の漏電検出の代替例を説明する図である。

【図5】図５は、従来例の高電圧電源の構成を模式的に示すブロック図である。

【図6】図６は、従来例の高電圧電源の構成を模式的に示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明の車両用電源装置の好適な実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、一実施形態に係る車両用電源装置１の構成例を示すブロック図である。本実施形態における車両用電源装置１は、低電圧負荷２０と、高電圧負荷３０とに電力を供給する。

【0024】

車両用電源装置１は、第一の蓄電素子群２と、第二の蓄電素子群３と、アクティブバランサ４と、第一のスイッチ手段５と、第二のスイッチ手段６と、制御手段７と、遮断手段８と、漏電検出手段９と、を備えている。

【0025】

第一の蓄電素子群２は、低電圧負荷２０の電源となる蓄電素子群である。第一の蓄電素子群２は、それぞれが充放電可能な複数の二次電池を直列に接続することで構成されている。蓄電素子は、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池数といった電池セルで構成することができ、車両に搭載されている発電手段、または外部電源によって充電される。

【0026】

第二の蓄電素子群３は、第一の蓄電素子群２と組み合わせることで高電圧負荷３０の電源となる高電圧電源を構成する。第二の蓄電素子群３は、第一の蓄電素子群２の正極側に直列に接続される。第二の蓄電素子群３を構成する蓄電素子は、第一の蓄電素子群２の蓄電素子と同一の、リチウムイオン電池やニッケル水素電池といった二次電池セルで構成することが好ましい。第二の蓄電素子群３もまた、車両に搭載されている発電手段または外部電源によって充電される。

【0027】

特に、第一の蓄電素子群２は、低電圧負荷２０への給電によって、第二の蓄電素子群３よりも残容量が少なくなることが多い。アクティブバランサ４は、第一の蓄電素子群２及び第二の蓄電素子群３との間に配置されて、蓄電素子の充電状態（ＳＯＣ）、すなわちそれぞれの蓄電素子の最大容量に対する残容量を略均一にする。アクティブバランサ４は、第一の蓄電素子群２の陰極側と、第二の蓄電素子群３の正極側と、第一の蓄電素子群２と前記第二の蓄電素子群３との間に設けられた出力端子の三点に接続していることが好ましい。

【0028】

第一のスイッチ手段５および第二のスイッチ手段６は、第一の蓄電素子群２から低電圧負荷２０に電力を供給する配線上に配置されており、第一のスイッチ手段５と第二のスイッチ手段６の両方がオンとなっているとき、低電圧負荷２０に電力が供給される。第一のスイッチ手段５と第二のスイッチ手段６のオンとオフのタイミングは、制御手段７によって制御される。

【0029】

好適な実施形態では、低電圧負荷２０と並列にコンデンサ２１が配設されている。制御手段７によって第一のスイッチ手段５と第二のスイッチ手段６の両方がオフにされる期間は、第一の蓄電素子群２から低電圧負荷２０への供給電力が瞬断されるため、低電圧負荷２０である車両の電気負荷が瞬間的に停止する可能性がある。しかしながらコンデンサ２１を配置することにより、コンデンサ２１に充電された電力が第一のスイッチ手段５と第二のスイッチ手段６がオフの時も低電圧負荷２０へ供給され続け、電圧は０ボルトまで降下することなく、僅かの電圧降下に留めることができる。

【0030】

遮断手段８は、第一遮断スイッチ８１と第二遮断スイッチ８２を備えており、第一の蓄電素子群２と第二の蓄電素子群３によって高電圧負荷３０に電力を供給する配線上に配置される。第一遮断スイッチ８１と第二遮断スイッチ８２は、図３の上段に示すように、ＴＳの期間オンとし、一定の期間オフとする動作を周期ＴＳで繰り返す。第一遮断スイッチ８１と第二遮断スイッチ８２がオンとなっている期間は第一の蓄電素子群２と第二の蓄電素子群３からなる高電圧電源が高電圧負荷３０へ供給され、遮断手段５００、５０１がオフとなっている期間は高電圧電源から高電圧負荷３０が遮断される。

【0031】

漏電検出手段９は、高電圧の直流電源と高電圧負荷３０との間に配置されている。漏電検出手段９は、端子Ｔ１が第二の蓄電素子群３の陽極側に接続しており、端子Ｔ２が第一の蓄電素子群２の陰極側に接続している。また、漏電検出手段９は、端子Ｔ３を経由して車体に接地している。さらに、端子Ｔ０を経由して、制御手段７と通信可能に接続している。

【0032】

制御手段７は、車両用電源装置１全体の監視と制御を行う。特に、制御手段７は、第一のスイッチ手段５と第二のスイッチ手段６を制御して所定の低電圧を得るとともに、漏電を検出したときに必要に応じて低電圧負荷への電力を遮断する。また制御手段７は、アクティブバランサ４を制御して、全ての蓄電素子の充電状態が略均一になるように制御する。さらに制御手段７は、漏電検出手段９の出力に基づいて、遮断手段８の切り替え制御を行う。

【0033】

制御手段７は、第一のスイッチ手段５と第二のスイッチ手段６を、所定の周波数とデューティ比で制御する。第一のスイッチ手段５と第二のスイッチ手段６は両方がオンになった場合に、低電圧負荷２０に電力が供給される。制御手段７が、第一のスイッチ手段５と第二のスイッチ手段６を同時にスイッチングすることで、安定化した低電圧の電力を出力することができる。

【0034】

制御手段７は、アクティブバランサ４を制御して、第一の蓄電素子群２と第二の蓄電素子群３の充電状態と放電状態を制御する。アクティブバランサ４は、第一の蓄電素子群２の陰極側と、第二の蓄電素子群３の正極側と、第一の蓄電素子群２と前記第二の蓄電素子群３との間に設けられた出力端子の三点に接続している。アクティブバランサ４は、第一の蓄電素子群２の陰極側にスイッチ素子４１を備えており、第二の蓄電素子群３の正極側にスイッチ素子４２を備えている。このスイッチ素子４１，４２のオンとオフをそれぞれ蓄電素子の数に対応したデューティ比で制御して発電手段から給電することで、動作時の全ての蓄電素子の充電状態を略均一にする。

【0035】

一例として、第一の蓄電素子群２と第二の蓄電素子群３に同一種類の蓄電素子が用いられており、第一の蓄電素子群２と第二の蓄電素子群３の蓄電素子の数の比が１：３である場合の、アクティブバランサ４が行う充放電制御の内容について説明する。図２に示すように、スイッチ素子４１をオンとすると同時にスイッチ素子４２をオフとする期間を、スイッチ素子４１をオフとすると同時にスイッチ素子４２をオンとする期間の略３倍とすることで第一の蓄電素子群２に充電する時間をより長くし、第一の蓄電素子群２と第二の蓄電素子群３の充電状態を略均一にすることができる。このとき、アクティブバランサ４は、昇降圧チョッパと同様の動作を行う。

【0036】

さらに制御手段７は、第一のスイッチ手段５および第二のスイッチ手段６がオフ状態であるデッドタイム期間中に漏電検出手段９から送出される信号を判定し、漏電電流が所定の基準に達した場合には、低電圧負荷２０と高電圧負荷３０のいずれか一方もしくは両方に対する電力を所定期間遮断する。制御手段７による漏電状態の検出は、第一のスイッチ手段５および第二のスイッチ手段６がオフ状態であるデッドタイム期間に行う必要がある。第一のスイッチ手段５および第二のスイッチ手段６がオン状態の時には、全体の抵抗値が低くなり、漏電電流の検出精度が低くなるためである。

【0037】

以下、図１、図３、および図４を参照して、遮断手段８及び漏電検出手段９の動作を説明する。図３及び図４の上段は、遮断手段８の第一遮断スイッチ８１と第二遮断スイッチ８２のオンとオフの切り替えを時系列で示している。図３及び図４の中段は、第一のスイッチ手段５および第二のスイッチ手段６のオンとオフの切り替えを時系列で示している。図３及び図４の下段は、漏電検出手段９が検出する漏電検出値ＩＬｅａｋと、制御手段７が予め記憶している漏電電流の基準値ＩＬｅａｋとの関係を時系列で示している。漏電検出手段９は、端子Ｔ１と接地端子Ｔ１３との間に流れる電流と、端子Ｔ２と接地端子Ｔ３との間に流れる電流のうち、大きい方の漏電検出値ＩＬｅａｋを端子Ｔ０から制御手段７へ出力するように構成してある。

【0038】

第一のスイッチ手段５および第二のスイッチ手段６がオフである期間において、端子Ｔ１と端子Ｔ２とは車体に対してフローティングとなっているから上記漏電検出値は０アンペアとなっている。ところが、第二の蓄電素子３の正極側、即ちＴ１側に人体が触れると、人体の抵抗値が５ＫΩ程度であることから、端子Ｔ２と接地端子Ｔ３との間に漏電電流が検出される。

【0039】

図３に示すように、人体が高電圧部位に接触していない場合、第一のスイッチ手段５および第二のスイッチ手段６がオフであるデットタイム期間Ｔｄ１、Ｔｄ２における漏電検出手段９の漏電検出値ＩＬｅａｋは０アンペアである。しかし、第一のスイッチ手段５および第二のスイッチ手段６がオンとなっている期間に人体が高電圧部位に触れると、第一のスイッチ手段５および第二のスイッチ手段６がオフとなるデットタイム期間Ｔｄ３における漏電検出手段９の漏電検出値ＩＬｅａｋは、０アンペアより大きくなる。

【0040】

制御手段７は、漏電検出手段９の端子Ｔ０を介して漏電検出値ＩＬｅａｋを取り込んでいる。取り込んだＩＬｅａｋが所定の値ＩＬｔｈ以上であることを検出した場合、人体接触または機器異常が原因の漏電が発生していると判定する。そして、図３及び図４に示すように遮断手段８の第一遮断スイッチ８１と第二遮断スイッチ８２とを所定の期間中オフにする。

【0041】

図３に示すように、制御手段７は、期間を規定することなく、これ以降、遮断手段８はオフ状態を維持しても良い。一方で、車両は、人体が高電圧回路部位へ触れた場合のみならず、搭載される電子部品のリークや絶縁部分の機能不良、及び走行中の振動等によって一時的に漏電電流が流れる場合がある。そのような場合に、制御手段７の作用によって高電圧負荷３０への電力供給が完全に停止すると、車両が走行中に各部機能を喪失して危険な場合がある。

【0042】

そこで、図４に示すように、制御手段７は、漏電検出手段９の漏電検出値ＩＬｅａｋが所定の電流値ＩＬｔｈ以上の時、遮断手段８の第一遮断スイッチ８１と第二遮断スイッチ８２とがオフである状態を所定の期間保持した後、再度第一遮断スイッチ８１と第二遮断スイッチ８２とをオンとする動作を繰り返すが如く構成することができる。

【0043】

これによって、車体の電源装置各部の故障等によって一時的な漏電電流が発生したとしても第一の蓄電素子群２と第二の蓄電素子群３からなる高電圧電源から高電圧負荷３０への電力供給が再開するので、車両機能が回復して走行安全性を維持することができる。また、遮断手段８がオフである状態をたとえば０．５秒以上とすれば、漏電電流が車両の不具合に伴うものではなく、実際には人体の感電による場合であっても人体への致命的な影響をなくすことができる。

【0044】

第一遮断スイッチ８１と第二遮断スイッチ８２とを再度オンにした際に、デッドタイム期間Ｔｄｎにおける漏電検出手段１００の漏電検出値ＩＬｅａｋがＩＬｔｈを超えている場合には、制御手段７は未だ人体が高電圧回路に接触していると判断し、第一遮断スイッチ８１と第二遮断スイッチ８２を再度オフとする。

【0045】

第一遮断スイッチ８１と第二遮断スイッチ８２とを再度オンにした際に、デッドタイム期間Ｔｄｎにおける漏電検出手段９の漏電検出値ＩＬｅａｋがＩＬｔｈ未満である場合、制御手段７は、人体が高電圧回路に接触していないと判断し、第一遮断スイッチ８１と第二遮断スイッチ８２のオン状態を維持して高電圧負荷装置４００への電力の供給を再開する。

【0046】

遮断手段８によって、第一の蓄電素子群２と第二の蓄電素子群３からなる高電圧電源が遮断されるから、人体を経由して高電圧電流が流れることがなくなり感電を防止することができる。尚、車両用電源装置１は図示しない筐体で囲むことによって、車両用電源装置１の内部に人体が触れて感電することが防止されている。

【0047】

なお、制御手段７が行う電流遮断処理は、低電圧負荷２０と高電圧負荷３０のそれぞれの動作状態に応じて、遮断手段８の第一遮断スイッチ８１と第二遮断スイッチ８２の両方の接続を禁止する処理と、第一のスイッチ手段５と第二のスイッチ手段６の両方の接続を禁止する処理のいずれか一方もしくは両方とすることができる。

【実施例0048】

以下、車両が備えている１２Ｖの低電圧負荷２０と３００Ｖの高電圧負荷３０に電力を供給する車両用電源装置１の構成と動作について、具体的に説明する。給電される低電圧負荷２０は、たとえば電動パワーステアリング装置や、ワイヤレスドアロック装置である。また、給電される高電圧負荷３０は、たとえば車両走行用モータである。

【0049】

本実施例では、第一の蓄電素子群２と第二の蓄電素子群３に、同じ種類の充電電圧３Ｖのリチウムイオン電池が用いられている。第一の蓄電素子群２は、５個のリチウムイオン電池が直列に接続されている。第二の蓄電素子群３は、９５個のリチウムイオン電池が直列に接続されている。第一の蓄電素子群２は、最大電圧１５Ｖの直流となる。また、第一の蓄電素子群２と第二の蓄電素子群３を組み合わせることで、最大電圧が３００Ｖを超える直流電源となる。

【0050】

第一の蓄電素子群２は、低電圧負荷２０と高電圧負荷３０の両方に電力を供給するため、第二の蓄電素子群３よりも充電率が低くなることが多い。そこで、アクティブバランサ４は、バランス回路内のスイッチ素子４１，４２を異なるタイミングと周期で操作し、昇降圧チョッパと同様の動作によって、それぞれの蓄電素子群の充電状態を均等に保つ。代替例としては、アクティブバランサ４は、第二の蓄電素子群３の電池の電荷を、第一の蓄電素子群２の電池に移動させるように動作してもよい。このようなアクティブバランサ４は、複数のトランスと、複数のダイオードと、スイッチを含んでおり、複数のトランスを直列接続した一次側トランスから、充電量が低くなっている蓄電素子群に接続された二次側トランスに電流を発生させて充電する。

【0051】

本実施例において、第一のスイッチ手段５および第二のスイッチ手段６は、第一の蓄電素子群２の出力する最大電圧１５Ｖに対応するスイッチング素子を適用することができる。このため、第一のスイッチ手段５および第二のスイッチ手段６に高価な高電圧対応のスイッチを適用する必要はなく、ＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタを採用することができる。

【0052】

遮断手段８の遮断手段８の第一遮断スイッチ８１と第二遮断スイッチ８２には、耐電圧３００Ｖの半導体スイッチ等を適用することができる。

【0053】

漏電検出手段９の接地端子Ｔ３は、車体に接続することで接地されている。第一のスイッチ手段５と第二のスイッチ手段６の両方がオフとなっている期間においては、漏電検出手段９の陽極側端子Ｔ１と陰極側端子Ｔ２のそれぞれが、車体に対してフローティングとなり基準電位が保たれる。このため、漏電検出手段９の検出電流値は通常０アンペアとなる。しかし、第一のスイッチ手段５および第二のスイッチ手段６がオンとなっている期間に人体が高電圧部位に触れると、第一のスイッチ手段５および第二のスイッチ手段６がオフとなるデットタイム期間Ｔｄ３における漏電検出手段９の漏電検出値ＩＬｅａｋは、０アンペアより大きくなる。

【0054】

制御手段７は、漏電検出手段９から出力された漏電電流ＩＬｅａｋを取り込み、予め記憶している基準電流値ＩＬｔｈと比較する。最も安全率の高い基準電流値ＩＬｔｈは０アンペアである。しかしながら、一般的には電流値が３０ミリアンペアの時に感電時間が０．１秒以下であれば致命的な人体反応は無いとされている。本実施例では、感電防止の実際的な観点から、感電電流と感電時間との積の最大値が０．００３アンペア秒となるように、基準電圧値ＩＬｔｈ値を定める。

【0055】

本実施例の車両用電源装置１においては、高電圧電源の電圧値３００ボルトと、人体抵抗５ＫΩとから、最大感電電流は約６０ミリアンペアであると仮定することができる。したがって、人体に危害の無い感電時間は０．０５秒以下と推定される。そこで本実施例では、第一遮断スイッチ８１と第二遮断スイッチ８２がオンとなっている期間ＴＮの最大値は十分に余裕を持って小さな値である０．００１秒に設定している。

【0056】

制御手段７が出力する電流の遮断命令は、遮断手段８の第一遮断スイッチ８１と第二遮断スイッチ８２の両方の接続を禁止する処理とすることができる。遮断手段８の接続を禁止することで、高電圧負荷３０への給電が停止されて、感電が防止される。また、感電防止処理部が出力する電流の遮断命令を、第一のスイッチ手段５と第二のスイッチ手段６の両方の接続を禁止する処理とすることも可能である。さらに、遮断手段８の接続を禁止する処理と、第一のスイッチ手段５と第二のスイッチ手段６の両方の接続を禁止する処理の両方を同時に行うことも可能である。

【0057】

制御手段７の電流の遮断命令が、遮断手段８の第一遮断スイッチ８１と第二遮断スイッチ８２とを所定の期間中オフにするという設定になっている場合には、この停止期間においても高電圧負荷３０へ供給される電圧を保持できるように、高電圧負荷３０と並列に所望の容量を具備した図示しないコンデンサを配設することが好ましい。

【0058】

本実施例における制御手段７は、取り込んだＩＬｅａｋが所定の値ＩＬｔｈ以上であることを検出した場合、図３に示したように、遮断手段８の第一遮断スイッチ８１と第二遮断スイッチ８２のオフ状態を維持しても良い。あるいは、制御手段７は、車両起因による漏電電流検出によって高電圧負荷３０に対する電源供給が停止することなく、同時に人体への感電電流による危険を回避する為、図４に示したように、漏電検出手段９の漏電検出値ＩＬｅａｋが所定の電流値ＩＬｔｈである以上の時、遮断手段８がオフである状態を例えば所定時間である０．５秒以上保持した後、再度遮断手段８がオンとなる動作を繰り返してもよい。

【0059】

本実施例で説明した高電圧電源の構成は、適宜変更が可能である。例えば、第一の蓄電素子群２と第二の蓄電素子群３をそれぞれ構成する蓄電素子の数は、給電する負荷の種類によって適宜変更することが可能である。また、第一の蓄電素子群２と第二の蓄電素子群３の構成に合わせて、アクティブバランサ４の構成を適宜変更することができる。

【産業上の利用可能性】

【0060】

本発明に係る車両用電源装置は、車両のほか、任意の産業用機器に搭載することが可能である。なお、車両以外に適用する場合には、漏電検出手段９の接地端子を、基準電位となる位置に接地する必要がある。

【符号の説明】

【0061】

１ 車両用電源装置
２ 第一の蓄電素子群
３ 第二の蓄電素子群
４ アクティブバランサ
５ 第一のスイッチ手段
６ 第二のスイッチ手段
７ 制御手段
８ 遮断手段
９ 漏電検出手段
２０ 低電圧負荷
２１ コンデンサ
３０ 高電圧負荷

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】