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公開番号2021036754
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210304
出願番号2019158179
出願日20190830
発明の名称放電抵抗回路
出願人アイシン・エィ・ダブリュ株式会社
代理人特許業務法人R&C
主分類H02M 7/48 20070101AFI20210205BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】複数の抵抗素子により構成され、温度上昇が抑制された放電抵抗回路を提供する。
【解決手段】放電抵抗回路1は、抵抗素子10がN個並列接続された並列抵抗セットSがM個直列接続され、並列抵抗セットSを構成するN個の抵抗素子10は、基板面において第1方向D1に沿って並んで配置され、M個の並列抵抗セットSは、基板面において第1方向D1に交差する第2方向D2に沿って並んで配置され、それぞれの並列抵抗セットSの並列合成抵抗は、第2方向D2における両端側から中央側に向かうに従って段階的に小さくなるように設定されており、それぞれの並列抵抗セットSのそれぞれの抵抗素子10の抵抗値は、第1方向D1における両端側から中央側に向かうに従って段階的に大きくなるように設定されている。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項1】
蓄電装置に並列接続されて前記蓄電装置を放電させる放電抵抗回路であって、
N及びMを3以上の自然数として、
抵抗素子がN個並列接続された並列抵抗セットがM個直列接続され、
前記並列抵抗セットを構成するN個の前記抵抗素子は、基板面において第1方向に沿って並んで配置され、
M個の前記並列抵抗セットは、前記基板面において前記第1方向に交差する第2方向に沿って並んで配置され、
それぞれの前記並列抵抗セットの並列合成抵抗は、前記第2方向における両端側から中央側に向かうに従って段階的に小さくなるように設定されており、
それぞれの前記並列抵抗セットのそれぞれの前記抵抗素子の抵抗値は、前記第1方向における両端側から中央側に向かうに従って段階的に大きくなるように設定されている、放電抵抗回路。
続きを表示(約 420 文字)【請求項2】
それぞれの前記並列合成抵抗は、10のn乗根(nは3以上の自然数)で示される比例定数に従った等比数列に従って段階的に小さくなるように設定されており、
それぞれの前記並列抵抗セットのそれぞれの前記抵抗素子の抵抗値は、前記比例定数に従った等比数列に従って段階的に大きくなるように設定されている、請求項1に記載の放電抵抗回路。
【請求項3】
複数の前記抵抗素子の内、発熱量と放熱量とに基づく熱耐性が最も低くなる前記抵抗素子が、耐熱上限値を超えないように、前記並列抵抗セットを構成する前記抵抗素子の数であるN、前記並列抵抗セットの数であるM、及びそれぞれの前記抵抗素子の抵抗値が設定されている、請求項1又は2に記載の放電抵抗回路。
【請求項4】
前記抵抗素子は全て外形寸法が同じであり、N×M個の前記抵抗素子が格子状に整列配置されている、請求項1から3の何れか一項に記載の放電抵抗回路。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、蓄電装置に並列接続されてこの蓄電装置を放電させる放電抵抗回路に関する。
続きを表示(約 7,100 文字)【背景技術】
【0002】
特開2016−86578号公報には、直流と交流との間で電力を変換するインバータの直流側に接続された平滑コンデンサに並列接続されてこの平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電させる急速放電回路が開示されている。この急速放電回路には、放電抵抗とスイッチとが直列接続されており、スイッチがオン状態となることで放電抵抗を介して平滑コンデンサの電荷が放電される。この急速放電回路では、比較的短時間で平滑コンデンサの電位を低下させるため、放電抵抗の抵抗値が低く設定されている。このため、放電抵抗には比較的大きい電流が流れ、放電抵抗の温度が上昇し易い。そこで、放電抵抗は、基板に表面実装された複数のチップ抵抗を直列且つ並列に多数接続することによって構成されている。これにより、複数の抵抗体(チップ抵抗)に電流が分散し、個々の抵抗体の発熱が抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2016−86578号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記のように、複数の抵抗体を直列且つ並列に多数接続して放電抵抗が構成される場合、一般的には定格の抵抗値が同一の抵抗体が用いられる。この場合、個体差がないと仮定すれば、個々の抵抗体には同じ電流が流れ、発熱量も同じとなる。但し、基板上に複数の抵抗体が並んで配置される場合、抵抗体の配置位置に応じて放熱性は異なる。例えば、複数の抵抗体が配置される配置領域の外縁部は発熱源となる抵抗体に隣接しない部分があるが、配置領域の中央部は発熱源となる抵抗体に囲まれている。このため、配置領域の外縁部に配置された抵抗体に比べて、配置領域の中央部に配置された抵抗体は放熱しにくい。つまり、配置領域の中央部に配置された抵抗体の放熱性は、配置領域の外縁部に配置された抵抗体に比べて低くなる。
【0005】
複数の抵抗体は、中央部に配置される抵抗体が温度上昇した場合の耐熱性を考慮して選択する必要があり、外縁部に配置される抵抗体はオーバースペックとなる可能性がある。中央部に配置される抵抗体には外縁部に比べて熱耐性の高い部品(許容電力の大きい部品)を使うということも考えられるが、一般的にそのような部品は外形も大きくなる。外形寸法が異なる複数の抵抗体を整列配置すると、実装効率が低下して基板の面積が増大したり、コストが増大したりする可能性がある。特開2016−86578号公報には、放電抵抗の温度を検出して、検出温度が温度閾値を超えた場合には放電処理を行わないようにすることは開示されているが、放電抵抗の温度上昇を抑制することについては触れられていない。放電処理を行わないと、放電対象の放電が遅れるため、放電抵抗の温度上昇を抑制して迅速に放電を行うことが好ましい。
【0006】
上記に鑑みて、複数の抵抗素子により構成され、温度上昇が抑制された放電抵抗回路の提供が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【0007】
1つの態様として、上記に鑑みた、蓄電装置に並列接続されて前記蓄電装置を放電させる放電抵抗回路は、N及びMを3以上の自然数として、抵抗素子がN個並列接続された並列抵抗セットがM個直列接続され、前記並列抵抗セットを構成するN個の前記抵抗素子は、基板面において第1方向に沿って並んで配置され、M個の前記並列抵抗セットは、前記基板面において前記第1方向に交差する第2方向に沿って並んで配置され、それぞれの前記並列抵抗セットの並列合成抵抗は、前記第2方向における両端側から中央側に向かうに従って段階的に小さくなるように設定されており、それぞれの前記並列抵抗セットのそれぞれの前記抵抗素子の抵抗値は、前記第1方向における両端側から中央側に向かうに従って段階的に大きくなるように設定されている。
【0008】
この構成によれば、並列抵抗セットのそれぞれの抵抗値は、第1方向における両端側で小さく、第1方向における中央側で大きい。従って、並列抵抗セットの第1方向における両端側に配置された抵抗素子を流れる電流に比べて、第1方向における中央側に配置された抵抗素子を流れる電流の方が小さくなる。並列抵抗セットを構成するそれぞれの抵抗素子に掛かる電圧は同一であるから、それぞれの抵抗素子における消費電力は、相対的に放熱し易い両端側に比べて、相対的に放熱しにくい中央側の方が小さくなる。消費電力に応じて発熱量も大きくなるから、相対的に放熱し易い両端側に比べて、放熱しにくい中央側の発熱量が小さくなり、並列抵抗セットにおける部分的な温度上昇が抑制される。
【0009】
また、それぞれの並列抵抗セットの合成並列抵抗は、第2方向における両端側で大きく、第2方向における中央側で小さい。直列接続されたそれぞれの並列抵抗セットを流れる電流は同一であり、それぞれの並列抵抗セットに掛かる電圧はそれぞれの合成並列抵抗に比例する。それぞれの並列抵抗セットにおける消費電力は、合成並列抵抗が大きい両端側で大きくなり、合成並列抵抗が小さい中央側で小さくなる。つまり、並列抵抗セットにおける発熱量は、相対的に放熱し易い両端側に比べて、相対的に放熱しにくい中央側で小さくなり、並列抵抗セットの直列回路における部分的な温度上昇が抑制される。
【0010】
並列抵抗セットを構成する抵抗素子は、第1方向に沿って並んで配置され、並列抵抗セットは、第1方向に交差する第2方向に沿って並んで配置されている。複数の抵抗素子は、第1方向及び第2方向に沿って基板面に形成される四角形状の配置領域に配置されることになる。放熱し易い配置領域の外縁部に比べて、放熱しにくい配置領域の中央部は消費電力が小さく、発熱量も小さいため、複数の抵抗素子によって構成された放電抵抗回路の温度上昇が抑制される。
【0011】
放電抵抗回路のさらなる特徴と利点は、図面を参照して説明する実施形態についての以下の記載から明確となる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
放電抵抗回路を備えた回転電機駆動装置の模式的ブロック図
放電抵抗回路の一例を示す模式的ブロック図
放電抵抗回路の一例を示す回路図
放電抵抗回路を構成する抵抗素子の配置例を示す平面図
放電抵抗回路における消費電力の分布の一例を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、放電抵抗回路の実施形態を図面に基づいて説明する。図1に示すように、放電抵抗回路1は、例えば回転電機駆動装置100に用いられる。図1の模式的ブロック図は、交流の回転電機9を駆動する回転電機駆動装置100の一例を示している。回転電機9は、直流電源7に接続されて直流と交流との間で電力を変換するインバータ8(INV)を介して駆動される。直流電源7とインバータ8との間には、直流電源7とインバータ8との電気的接続を遮断可能なコンタクタ6が備えられている。回転電機9が例えばハイブリッド車両や電気車両の駆動力源の場合には、直流電源7の電圧は100〜400[V]程度である。
【0014】
また、インバータ8の直流側には、直流側の電圧を平滑化する平滑コンデンサ5が備えられている。例えばコンタクタ6が閉じており直流電源7とインバータ8とが電気的に接続された状態から、コンタクタ6が開放されると、平滑コンデンサ5には電荷が残存している場合がある。また、コンタクタ6が開放した状態で回転電機9が回転していると、回転電機9の逆起電力がインバータ8を介して平滑コンデンサ5を充電する場合がある。このように電荷を蓄える平滑コンデンサ5は、放電抵抗回路1を用いた放電対象の蓄電装置に対応する。尚、蓄電及び放電可能であれば、蓄電装置は、コンデンサに限らず、バッテリ等であってもよい。
【0015】
回転電機駆動装置100には、平滑コンデンサ5の残存電荷を放電させるために、放電抵抗4と、急速放電回路3とが備えられている。放電抵抗4は、インバータ8の直流側の正負両極間に常時電気的に接続されており、コンタクタ6が開放されている状態で、平滑コンデンサ5を放電させる。放電抵抗4は、例えば数百[kΩ]の抵抗値を有している。急速放電回路3は、放電抵抗回路1と放電スイッチ2とを備えている。急速放電回路3は、不図示の制御回路(又は制御装置)により放電スイッチ2がオン状態に制御された場合に、インバータ8の直流側の正負両極間に放電抵抗回路1が電気的に接続されるように構成されている。放電抵抗回路1の抵抗値は、放電抵抗4よりも低い抵抗値(例えば数[kΩ])であり、放電抵抗4による放電よりも短い時間で平滑コンデンサ5を放電させることができる。尚、放電スイッチ2は、例えばトランジスタやFET(Field Effect Transistor)により構成されている。
【0016】
放電抵抗回路1は、上述したように抵抗値が数[kΩ]程度であるから、短時間に比較的大きな電流が流れる。つまり、放電抵抗回路1の瞬時の消費電力は大きいため、大きな定格電力を有することが求められる。これを1つの抵抗体で実現すると、抵抗体の体格が大型化しコストも高くなる。また、放電抵抗回路1が断線すると、急速放電ができなくなる。このため、放電抵抗回路1は複数の抵抗素子10を用いて構成されている。
【0017】
図2の模式的ブロック図は、放電抵抗回路1の構成例を示しており、図3の回路図は、放電抵抗回路1の一例を示している。図2に示すように、放電抵抗回路1は、抵抗素子10がN個(Nは3以上の自然数)並列接続された並列抵抗セットSがM個(Mは3以上の自然数)直列接続されて構成されている。この構成によれば、1つの並列抵抗セットSを構成する抵抗素子10の全てが故障(断線)しない限り、放電抵抗回路1が断線することはない。図3に示すように、本実施形態では、抵抗素子10が5個(N=5)並列接続された並列抵抗セットSが、10個(M=10)直列接続され、50個の抵抗素子10を備えて放電抵抗回路1が構成されている。
【0018】
また、本実施形態では、図4に示すように、並列抵抗セットSを構成する5個(N個)の抵抗素子10は、基板面において第1方向D1に沿って並んで配置されている。また、10個(M個)の並列抵抗セットSは、基板面において第1方向D1に交差する第2方向D2に沿って並んで配置されている。本実施形態では、第1方向D1と第2方向D2とは直交しており、50個(N×M個)の抵抗素子10は格子状に整列配置されている。また、抵抗素子10は全て外形寸法が同じであり、ほぼ等間隔で効率良く配置されている。尚、図4では、抵抗素子10として、本体部15が長方形状の抵抗チップの長辺側に電極13が備えられた長辺電極角形抵抗チップ(Wide Terminal Type Flat Chip Resistors)を例示しているが、短辺側に電極を有する汎用的な抵抗チップであってもよい。
【0019】
それぞれの並列抵抗セットSにおいては、それぞれの抵抗素子10の第1電極11同士が電気的に接続されると共に、第2電極12同士が電気的に接続される。また、異なる並列抵抗セットSの間では、それぞれ異なる抵抗素子10の第1電極11と第2電極12とが電気的に接続される。
【0020】
本実施形態では、図3及び図4に示すように、10個の並列抵抗セットSを区別する場合、“S”に“0〜9”の10個の番号を付して、それぞれS0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9とする。また、それぞれの並列抵抗セットSにおけるそれぞれの抵抗素子10を区別する場合は、“R”に、並列抵抗セットSにおける5つの抵抗素子10の番号“0〜4”と、並列抵抗セットSの番号“0〜9”とを組み合わせた2桁の数字を付して、R00,R10,R20,・・・R29,R39,R49等とする。
【0021】
詳細は後述するが、それぞれの並列抵抗セットSの並列合成抵抗Rsは、第2方向D2における両端側から中央側に向かうに従って段階的に小さくなるように設定されている。また、それぞれの並列抵抗セットSのそれぞれの抵抗素子10の抵抗値rは、第1方向D1における両端側から中央側に向かうに従って段階的に大きくなるように設定されている。
【0022】
本実施形態では、それぞれの並列抵抗セットSの並列合成抵抗Rsは、10のn乗根で示される比例定数に従った等比数列に従って第2方向D2における両端側から中央側に向かうに従って段階的に小さくなるように設定されている。また、それぞれの並列抵抗セットSのそれぞれの抵抗素子10の抵抗値rは、10のn乗根で示される比例定数に従った等比数列に従って第1方向D1における両端側から中央側に向かうに従って段階的に大きくなるように設定されている。一般的に量産化された抵抗素子10は、定格の抵抗値が、10のn乗根で示される等比級数によって段階的に設定されている。従って、量産効果によって低コストで調達可能な抵抗素子10を用いて放電抵抗回路を構成することができる。
【0023】
量産化された抵抗素子10の抵抗値を規定する“n”の値としては、“3”、“6”、“12”、“24”、“96”、“192”等がある。それぞれの比例定数に基づいた抵抗値を持つ抵抗器の系列は、指数(Exponential)の頭文字を用いて、E3系列、E6系列、E12系列、E24系列、E48系列、E96系列、E192系列等と称される。例えば、0〜10の間に、E3系列では1.0,2.2,4,7が設定され、E6系列では、1.0,1.5,2.2,3.3,4.7,6.8が設定されている。“n”の値が大きい(比例定数が小さい)系列の方が、細かい抵抗値が設定されており、一般的に許容差が小さく高精度の抵抗器となる。例えば、定格の抵抗値の許容差は、E12系列で±10%、E24系列で±5%、E96系列で±1%である。本実施形態では、十分な分解能及び許容差(精度)を有し、安価であるE24系列の抵抗器を用いて放電抵抗回路1を構成する形態を例示する。E24系列における比例定数“a”は、下記式(1)に示すように、約1.1である。
【0024】
【0025】
上述したように、それぞれの並列抵抗セットSの並列合成抵抗Rsは、第2方向D2における両端側から中央側に向かうに従って段階的に小さくなるように設定されているから、並列合成抵抗Rsは、中央側を基準として、両端側に向かうに従って等比数列的に大きくなる。本実施形態では、10個(M個)の並列抵抗セットSを備えており、最も並列合成抵抗Rsが小さい中央側の並列抵抗セット(S4及びS5)の並列合成抵抗Rsの値を基準並列合成抵抗Xとする。それぞれの並列抵抗セットS(S0〜S9)の並列合成抵抗Rsは、以下となる。
【0026】
S0:X・a

S1:X・a

S2:X・a

S3:X・a
S4:X
S5:X
S6:X・a
S7:X・a

S8:X・a

S9:X・a

【0027】
放電抵抗回路1の全体の抵抗値は4[kΩ]=4000[Ω]であるから、下記式(2)が成り立ち、式(1)に基づいて“a”の値を式(2)に代入すると、下記式(3)に示すように、並列合成抵抗Rsの基準値である基準並列合成抵抗Xが求められる。
【0028】
4000=2(X・a

+X・a

+X・a

+X・a+X)=12.2X・・・(2)
X =4000/12.2 ≒ 328[Ω]・・・(3)
【0029】
上述したように、それぞれの並列抵抗セットSの並列合成抵抗Rsは、第2方向D2における両端側から中央側に向かうに従って段階的に小さくなるように設定されている。従って、上記において、基準並列合成抵抗Xと比例定数“a”を用いて示したそれぞれの並列抵抗セットS(S0〜S9)の並列合成抵抗Rs[Ω]は、以下のようになる。
【0030】
S0,S9:480 = X・a

S1,S8:436 = X・a

S2,S7:397 = X・a

S3,S6:360 = X・a
S4,S5:328 = X
(【0031】以降は省略されています)

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