(57)【要約】【課題】本明細書は、２つのスイッチのうちの一方が監視回路を含むスイッチデバイスであり他方がトランジスタであるリレーシステムを簡易に実現する技術を提供する。【解決手段】リレーシステム２は、メインバッテリ２２とモータ２３との間の導通と遮断を切り換える電磁リレー２０と、電磁リレー２０のコイル２１に電力を供給するサブバッテリ４１と、コイル２１の一端２１ａとサブバッテリ４１の正極４１ａとの間に接続されており、コイル２１の一端２１ａとサブバッテリ４１との間の導通と遮断を切り換えるトランジスタ４２ａと、コイル２１の異常を監視する監視回路４２ｂであってサブバッテリ４１からの電力供給により動作する監視回路４２ｂを含むスイッチデバイス４２と、コイル２１の他端２１ｂとサブバッテリ４１の負極４１ｂとの間に接続されており、コイル２１とサブバッテリ４１との間の導通と遮断を切り換えるトランジスタ４３を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電源と負荷との間の導通と遮断を切り換える電磁リレーと、
前記電磁リレーのコイルに電力を供給する第２電源と、
前記コイルの一端と前記第２電源の正極との間に接続されており、前記コイルの一端と前記第２電源との間の導通と遮断を切り換えるスイッチと、前記コイルの異常を監視する監視回路であって前記第２電源からの電力供給により動作する監視回路を含むスイッチデバイスと、
前記コイルの他端と前記第２電源の負極との間に接続されており、前記コイルの他端と前記第２電源の負極との間の導通と遮断を切り換えるトランジスタと、
を備えるリレーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、電源と負荷の間の導通と遮断を切り換えるリレーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電源から負荷（例えば、モータ等）へ電力を供給するか否かを制御するために、電源と負荷との間に電磁リレーを接続する。電磁リレーの導通と遮断は、コイルの電磁力により切り換えられる。例えば、特許文献１に、電磁リレーのコイルに電力を供給するための回路が開示されている。以下では、説明の便宜のため、負荷と接続されている電源を第１電源と称し、電磁リレーのコイルに電力を供給する電源を第２電源と称する。
【０００３】
特許文献１の回路は、第１電源と負荷との間に接続されている電磁リレーと、その電磁リレーのコイルに電力を供給する第２電源と、当該第２電源の正極とコイルとの間で直列に接続されている２つのスイッチを含む。この回路では、２つのスイッチのうちの一方が短絡故障した場合、故障していない他方のスイッチをＯＦＦすることにより、コイルへの電力供給が遮断される。スイッチとしては、例えば、トランジスタ等のスイッチング素子が利用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−２３７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示すような直列に接続されている２つのスイッチを含むリレーシステムに、コイルの異常を監視する機能を付加したいという要求がある。この要求に応じて、例えば、２つのスイッチのうちの一方を、コイルの異常を監視するための監視回路とスイッチを含むデバイスとすることが考えられる。以下では、説明の便宜上、スイッチと監視回路を含むデバイスをスイッチデバイスと称する。監視回路には電源が必要であるが、もともと、スイッチには第２電源の正極が接続されているので、スイッチデバイスの監視回路は第２電源から電力供給を受けることができる。例えば、２つのスイッチのうちコイル側に位置するスイッチがスイッチデバイスである場合、第２電源の正極側に位置するスイッチがＯＦＦとなると、監視回路への電力供給が遮断され、監視回路が動作しなくなる。そのため、監視回路への電力供給が常に行われるように、第２電源の正極側に位置するスイッチをスイッチデバイスとすることが考えられる。一方、監視回路を備えない方のスイッチとしては、トランジスタを採用するのが低コストである。しかし、スイッチにトランジスタを採用すると、以下の課題が発生する。トランジスタのエミッタ電位は、コイルの抵抗による電圧降下に応じて変動し、一定ではない。ここで、トランジスタのゲート電圧は、エミッタ電位を基準とする。そのため、エミッタ電位の変動に応じてゲート電圧をトランジスタのゲートに印加する回路が必要となり、当該回路は一定のエミッタ電位に応じてゲート電圧を印加する回路より複雑となる。本明細書は、２つのスイッチのうちの一方が監視回路を含むスイッチデバイスであり他方がトランジスタであるリレーシステムを簡易に実現するための技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示するリレーシステムは、第１電源と負荷との間の導通と遮断を切り換える電磁リレーと、電磁リレーのコイルに電力を供給する第２電源と、コイルの一端と第２電源の正極との間に接続されており、コイルの一端と第２電源との間の導通と遮断を切り換えるスイッチと、コイルの異常を監視する監視回路であって第２電源からの電力供給により動作する監視回路を含むスイッチデバイスと、コイルの他端と第２電源の負極との間に接続されており、コイルの他端と第２電源の負極との間の導通と遮断を切り換えるトランジスタを備える。
【０００７】
この構成によれば、コイルの異常を監視する監視回路を含むスイッチデバイスがコイルの一端と第２電源の正極との間に接続され、もう一つのスイッチであるトランジスタは、コイルの他端と第２電源の負極との間の導通と遮断を切り換える。そのため、監視回路には、第２電源から常に電力が供給される。また、トランジスタは、コイルの他端と第２電源の負極との間に接続されているので、トランジスタのエミッタ電位は、負極の電位となり、常に一定である。そのため、ゲート電圧を印加する回路は、単純となる。以上により、２つのスイッチのうちの一方が監視回路を含むスイッチデバイスであり他方がトランジスタであるリレーシステムを簡易に実現することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例のリレーシステムの回路図である。
【図２】トランジスタの故障を診断する処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面を参照して実施例のリレーシステム２を説明する。図１は、リレーシステム２の回路図である。リレーシステム２は、電動車両（例えば、電気自動車、ハイブリッド車）に搭載される。リレーシステム２は、電磁リレー２０と、電磁リレー２０のコイル２１に電力を供給するサブバッテリ４１と、コイル２１の一端２１ａとサブバッテリ４１の正極４１ａとの間に接続されているスイッチデバイス４２と、コイル２１の他端２１ｂとグランド４９との間に接続されているトランジスタ４３を備えている。電磁リレー２０は、電動車両のメインバッテリ２２と走行用のモータ２３との間の導通と遮断を切替える。図１に示すように、サブバッテリ４１の負極４１ｂは、グランド４９に接続されている。即ち、トランジスタ４３は、コイル２１の他端２１ｂとサブバッテリ４１の負極４１ｂとの間に接続されている。
【００１０】
スイッチデバイス４２は、コイル２１とサブバッテリ４１との間の導通と遮断を切り換えるトランジスタ４２ａとコイル２１の異常を監視する監視回路４２ｂを含む。スイッチデバイス４２は、いわゆる、ＩＰＤ（Intelligent Power Deviceの略）である。監視回路４２ｂは、サブバッテリ４１からの電力供給により動作する。スイッチデバイス４２は、リレーシステム２を統合的に制御する上位コントローラ７０の下位に接続されている第１下位コントローラ６１により制御される。即ち、第１下位コントローラ６１は、トランジスタ４２ａのゲートにゲート電圧を印加することにより、トランジスタ４２ａを導通させる。また、第１下位コントローラ６１は、監視回路４２ｂが出力する信号を受信する。
【００１１】
監視回路４２ｂは、コイル２１に流れる電流と所定の閾値との大小関係を示す所定の信号を出力する。具体的には、監視回路４２ｂは、トランジスタ４２ａが導通しており、トランジスタ４２ａを流れる電流が所定の閾値以下である場合に所定の信号を第１下位コントローラ６１に送信する。第１下位コントローラ６１は、監視回路４２ｂから所定の信号を受信する場合、断線等によりコイル２１に異常が発生したと判断し、上位コントローラ７０に異常信号を送信する。上位コントローラ７０は、異常信号を受信すると、故障診断装置、いわゆるダイアグ８０にコイル２１に異常が発生したことを示す信号を送信する。ダイアグ８０は、当該信号を受信する場合、コイル２１に異常が発生したことを示す情報を記憶する。
【００１２】
トランジスタ４３は、コイル２１の他端とグランド４９（即ち、サブバッテリ４１の負極４１ｂ）との間の導通と遮断を切り換える。トランジスタ４３のコレクタ電極は、コイル２１の他端２１ｂに接続されており、トランジスタ４３のエミッタ電極は、グランド４９（即ち、サブバッテリ４１の負極４１ｂ）に接続されている。トランジスタ４３は、第２下位コントローラ６２により制御される。第２下位コントローラ６２は、トランジスタ４３のゲートにゲート電圧を印加することにより、トランジスタ４３を導通させる。
【００１３】
電磁リレー２０は２接点の電磁リレーである。図１に示すように、電磁リレー２０の２接点のうちの一方の接点は、メインバッテリ２２の正極とモータ２３との間に接続され、他方の接点は、メインバッテリ２２の負極とモータ２３との間に接続されている。電磁リレー２０の２接点を実現する構造は、コイル２１の電磁力により動作する。この構造は、よく知られた技術であるので、具体的な説明は省略する。コイル２１に電流が流れている場合、即ち、スイッチデバイス４２のトランジスタ４２ａ及びトランジスタ４３が導通している場合、コイル２１の電磁力により電磁リレー２０の２接点は導通される。一方、コイル２１に電流が流れていない場合、即ち、トランジスタ４２ａまたはトランジスタ４３が導通していない場合、電磁リレー２０の２接点は遮断される。
【００１４】
なお、電磁リレー２０の２接点とモータ２３との間には、２接点と並列に電圧センサ２４が接続されている。電圧センサ２４の測定値は、上位コントローラ７０に送信される。当該測定値は、後述するトランジスタ４３の故障診断に利用される。
【００１５】
リレーシステム２の動作を説明する。リレーシステム２は、上位コントローラ７０が第１下位コントローラ６１と第２下位コントローラ６２に命令を送信することにより、動作する。電動車両は、電動車両のイグニションスイッチがＯＮされることにより、起動する。上位コントローラ７０は、イグニションスイッチがＯＮされる場合、第１、第２下位コントローラ６１、６２の夫々に、各トランジスタを導通させるための命令（即ち、各トランジスタのゲートにゲート電圧を印加させるための命令）を送信する。これにより、スイッチデバイス４２のトランジスタ４２ａとトランジスタ４３が導通し、コイル２１にサブバッテリ４１から電力が供給され、電磁リレー２０が導通する。そして、モータ２３にメインバッテリ２２から電力が供給される。モータ２３に電力が供給されることにより、電動車両は走行が可能となる。また、上位コントローラ７０は、何らかの原因により、スイッチデバイス４２のトランジスタ４２ａが短絡故障した場合、第２下位コントローラ６２に、トランジスタ４３を遮断するための命令を送信する。これにより、トランジスタ４３が遮断し、電磁リレー２０が遮断する。即ち、トランジスタ４３は、スイッチデバイス４２のトランジスタ４２ａが短絡故障した場合に、電磁リレー２０を緊急的に遮断するためのスイッチである。通常、電動車両の稼働中における電磁リレー２０の導通と遮断は、スイッチデバイス４２のトランジスタ４２ａの導通と遮断により制御される。
【００１６】
また、本実施例のリレーシステム２には、スイッチデバイス４２のトランジスタ４２ａ又はトランジスタ４３の遮断時に発生するサージ電流を低減するために、２つのサージ吸収回路が設けられている。コイル２１の一端とスイッチデバイス４２の間には、第１サージ吸収回路４５が接続されている。第１サージ吸収回路４５は、ダイオード４５ａとツェナーダイオード４５ｂを含み、ダイオード４５ａのアノードとツェナーダイオード４５ｂのアノードが接続されている。ダイオード４５ａのカソードは、コイル２１の一端２１ａとスイッチデバイス４２の間に接続されており、ツェナーダイオード４５ｂのカソードはグランド４９に接続されている。
【００１７】
コイル２１の他端２１ｂとトランジスタ４３の間には、第２サージ吸収回路４６が接続されている。第２サージ吸収回路４６は、ツェナーダイオード４６ａを含み、ツェナーダイオード４６ａのカソードは、コイル２１の他端１ｂとトランジスタ４３の間に接続されており、そのアノードはグランド４９に接続されている。
【００１８】
スイッチデバイス４２のトランジスタ４２ａ及びトランジスタ４３が導通している状態で、トランジスタ４２ａが遮断する場合、サージ電流は、第１サージ吸収回路４５からコイル２１及びトランジスタ４３を通過し、グランド４９に流れる。また、スイッチデバイス４２のトランジスタ４２ａ及びトランジスタ４３が導通している状態で、トランジスタ４３が遮断する場合、サージ電流は、コイル２１から第２サージ吸収回路４６を通過し、グランド４９に流れる。サージ電流が、ツェナーダイオード４５ｂ、４６ａを逆方向に流れることにより、ツェナーダイオード４５ｂ、４６ａが所定の降伏電圧で電圧降下し、サージ電流が減衰する。降伏電圧が大きいツェナーダイオードを選定することにより、サージ電流の減衰を早めることが可能である。本実施例では、ツェナーダイオード４５ｂの降伏電圧が、ツェナーダイオード４６ａの降伏電圧より大きい。これは、上記のように、通常、電磁リレー２０の導通と遮断は、スイッチデバイス４２のトランジスタ４２ａの導通と遮断により制御されるので、トランジスタ４２ａが遮断する場合に発生するサージ電流を速やかに減衰したいという設計要求によるものである。
【００１９】
本実施例のリレーシステムの効果を説明する。本実施例の構成によれば、スイッチデバイス４２の監視回路４２ｂは、サブバッテリ４１から常に電力が供給される。仮に、トランジスタ４３をサブバッテリ４１とスイッチデバイス４２との間に接続すると、トランジスタ４３が遮断される場合、監視回路４２ｂへのサブバッテリ４１からの電力供給が遮断され、監視回路４２ｂが動作しなくなる。本実施例の構成では、トランジスタ４３の導通、遮断に関わらず、監視回路４２ｂが常に動作する。これにより、監視回路４２ｂが動作しない事態を防ぐことができる。
【００２０】
さらに、本実施例の構成によれば、トランジスタ４３のエミッタ電極は、グランド４９を介してサブバッテリ４１の負極４１ｂに接続されている。これにより、トランジスタ４３のエミッタ電位は、グランド電位となり、一定である。仮に、トランジスタ４３をスイッチデバイス４２とコイル２１との間に接続すると、トランジスタ４３のエミッタ電位は、コイル２１の抵抗による電圧降下に応じて変動し、一定とならない。この場合、第２下位コントローラ６２は、エミッタ電位の変動に応じてゲート電圧をトランジスタ４３のゲートに印加するため、その回路構成は複雑となる。本実施例の構成では、第２下位コントローラ６２は、一定のエミッタ電位に応じてゲート電圧をトランジスタ４３のゲートに印加すればよく、その回路構成は単純となる。以上により、２つのスイッチを含むリレーシステムにおいて、一方が監視回路４２ｂを含むスイッチデバイス４２であり、他方がトランジスタ４３であるリレーシステムを簡易に実現することができる。
【００２１】
また、トランジスタ４２ａが遮断すると、トランジスタ４２ａのコレクタ−エミッタ間には、第１サージ吸収回路４５のツェナーダイオード４５ｂの降伏電圧とサブバッテリ４１の電圧が印加する。一方、トランジスタ４３が遮断すると、トランジスタ４３のコレクタ−エミッタ間には、第２サージ吸収回路４６のツェナーダイオード４６ａの降伏電圧が印加する。ここで、上記したように、第２サージ吸収回路４６のツェナーダイオード４６ａの降伏電圧は、第１サージ吸収回路４５のツェナーダイオード４５ｂの降伏電圧より小さい。そのため、トランジスタ４３は、スイッチデバイス４２のトランジスタ４２ａより耐圧特性が低いものを選定できる。仮に、トランジスタ４３をスイッチデバイス４２とコイル２１との間に接続すると、トランジスタ４３は、トランジスタ４２ａと同等以上の耐圧特性を有するものを選定することとなり、高コストである。したがって、本実施例のリレーシステム２は、低コストに実現できる。
【００２２】
本実施例のリレーシステムにおいて、トランジスタ４３の短絡故障を診断する処理について説明する。上位コントローラ７０は、稼働中の電動車両を停止する場合、例えば、イグニションスイッチがＯＦＦされる場合に、図２に示す処理を実行する。なお、図２に示す処理が実行される前では、トランジスタ４２ａ及びトランジスタ４３は導通している。
【００２３】
Ｓ１０では、上位コントローラ７０は、トランジスタ４３を遮断させるための命令を第２下位コントローラ６２に送信する。これにより、トランジスタ４３が正常であれば、トランジスタ４３は遮断する。しかし、トランジスタ４３が短絡故障している場合、遮断の命令に関わらず、トランジスタ４３の導通が維持される。この場合、電磁リレー２０の導通が維持され、電圧センサ２４の測定値は、メインバッテリ２２の出力電圧となる。
【００２４】
Ｓ１２では、上位コントローラ７０は、電圧センサ２４の測定値が所定の閾値Ｔｈより大きいか否かを判断する。所定の閾値Ｔｈは、メインバッテリ２２の出力電圧に基づいて決定される。上位コントローラ７０は、電圧センサ２４の測定値が所定の閾値Ｔｈより大きい場合（Ｓ１２でＹＥＳ）、トランジスタ４３が短絡故障していることを示す故障信号をダイアグ８０に送信する（Ｓ１４）。一方、電圧センサ２４の測定値が所定の閾値Ｔｈ以下の場合（Ｓ１２でＮＯ）、上位コントローラ７０は、トランジスタ４３は正常であると判断し、Ｓ１４をスキップし、Ｓ１６に進む。
【００２５】
Ｓ１６では、上位コントローラ７０は、上位コントローラ７０は、トランジスタ４２ａを遮断させるための命令を第１下位コントローラ６１に送信する。これにより、電磁リレー２０が確実に遮断される。
【００２６】
図２に示す処理を実行することにより、トランジスタ４３の短絡故障を簡易に診断することができる。なお、トランジスタ４３のオープン故障は、電動車両の稼働中、即ち、第１下位コントローラ６１、６２が夫々、トランジスタ４２ａ、トランジスタ４３の夫々のゲートにゲート電圧を印加している場合に、上位コントローラ７０が電圧センサ２４の測定値を監視することにより、診断可能である。具体的には、上位コントローラ７０は、上記の場合で、かつ、電圧センサ２４の測定値が所定の閾値以下の場合に、トランジスタ４３がオープン故障していることを示す故障信号をダイアグ８０に送信する。これにより、トランジスタ４３のオープン故障も簡易に診断することができる。
【００２７】
メインバッテリ２２、サブバッテリ４１が、夫々、請求項の「第１電源」、「第２電源」の一例である。また、モータ２３が、請求項の「負荷」の一例である。
【００２８】
以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。本実施例では、スイッチデバイス４２のスイッチにトランジスタ４２ａが利用されている。この場合、トランジスタ４２ａのゲートに印加されるゲート電圧は、スイッチデバイス４２内の電圧調整回路により、トランジスタ４２ａのエミッタ電位に基づいて調整されればよい。
【００２９】
スイッチデバイス４２に含まれるスイッチは、トランジスタ４２ａに限らず、リレーであってもよい。また、リレーシステム２は、第１、第２サージ吸収回路４５、４６を備えていなくてもよい。
【００３０】
電磁リレー２０には、メインバッテリ２２の電力をモータ２３の駆動に適した電力に変換する電力変換装置が接続されていてもよい。この場合、電力変換装置が、請求項の「負荷」の一例である。
【００３１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３２】
２：リレーシステム
２０：電磁リレー
２１：コイル
２２：メインバッテリ
２３：モータ
２４：電圧センサ
４１：サブバッテリ
４２：スイッチデバイス
４２ａ：トランジスタ
４２ｂ：監視回路
４３：トランジスタ
４５：第１サージ吸収回路
４６：第２サージ吸収回路
６１：第１下位コントローラ
６２：第２下位コントローラ
７０：上位コントローラ
８０：ダイアグ
【図１】
2017143038.tif 000003
【図２】
2017143038.tif 000004