パナソニック技報

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れいがほうねん
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1 72 Panasonic Technical Journal Vol. 61 o. 1 May 215 Miniaturization Technology of Main Relay for High Current of EV and HEV Yusuke Moriguchi Yoshihisa Fukuda Hideki Enomoto Ryosuke Ozaki Ritsu Yamamoto Yoji Ikeda 2 Lithium-ion batteries in eco-friendly cars, whose market has been rapidly expanding, carry twice as much short circuit current as the conventional ones when accidents occur. To resolve this problem, we have developed technology in which the composition around the contact and the extinction-of-arc magnetic field have been remarkably improved. This has been achieved by having a high short circuit tolerance and arc interception. As for the composition around the contact, we have set our original magnetic yoke near the movable contact so that we restrain electromagnetic repulsion, which occurs when the electricity rush flows, and ensure safety without any ignition or explosion because of the contact floating. We have achieved a short circuit tolerance that is twice as high as our conventional type of product without making the contact pressure or relay size bigger. Moreover, by using our electromagnetic drive technology, we have composed our original arc extinct field and achieved the high arc voltage interception. EV Electric Vehicle HEV Hybrid Electric Vehicle [1] ECU Electric Control Unit ECU EV HEV

eco-friendly cars, whose market has been rapidly expanding, carry twice as much short circuit current as the conventional ones when accidents occur.

73 オートモーティブ特集 EV HEV 用大メインリレーの小型化技術メインリレー対しオンし続ける必要がある今回リチウムイオン電池の短絡を内部抵抗の比から従来のニッケル水素電池の2倍と想定し接点が電磁反発により開離しない予備充電リレーインバータモータ断路器電池ヒューズコンデンサ値を6 Aとした以下本を短絡耐量と記す一方後者はメイン回路でのシステム異常など1A

2 73 オートモーティブ特集 EV HEV 用大メインリレーの小型化技術メインリレー対しオンし続ける必要がある今回リチウムイオン電池の短絡を内部抵抗の比から従来のニッケル水素電池の2倍と想定し接点が電磁反発により開離しない予備充電リレーインバータモータ断路器電池ヒューズコンデンサ値を6 Aとした以下本を短絡耐量と記す一方後者はメイン回路でのシステム異常など1A 以下の過を想定しているこのときリチウムイオン電池の回生時通常時と逆方向のの遮断性能以センサ下逆方向遮断と記すの目標電圧値値を順方向遮断と同等にDC4 V 1 Aと設定した主な目標性能メインリレー第1図を第1表に示す EV HEVのメイン回路 Fig. 1 Main circuit of EV and HEV 第1表目標性能 Table 1 Target performance of development 項ない状態でリレーがオフし電池が切り離される第2図に一般的なメインリレーの構造の概略を示す本リレーは接点部電磁石部に大別される電磁石に通電すると鉄芯間に吸引力が発生しと固定目目標値 DC4 V 12 A 定格 6 A 短絡耐量最大遮断電圧順方向 DC4 V 1 A 逆方向 DC4 V 1 A 接点が接触することでオンするオフする場合は電磁石の通電をオフすることで復帰ばねの力で接点がオフする 3 短絡耐量の向上技術 3.1 従来の接点機構における課題接点部第3図に従来の接点機構において短絡が流れたときのに働く力の関係を示す電磁反発力 F1 と接圧 F2 が互いに逆向きに働く接点が開離しない接圧ばね復帰ばねためにF1を上回る力をF2によって与える必要があった F2を大きくするには電磁石部を大きくする必要があり全体のリレー体積も大きくなる鉄心電磁石部第2図メインリレーの構造 Fig. 2 Main relay structure 電磁反発力 F1 接圧ばね荷重 F2 2.2 目標性能メインリレーはシステムに何らかの異常が発生した場合も安全のため電池を確実に切り離す必要があるここでいう異常時は ECUからリレーにオフ信号が出せな第3図従来の接点機構における力の関係 Fig. 3 Relation with power in the conventional contact mechanism い場合とオフ信号が出せる場合の大きく2つに分けられる前者は衝突事故などによる電池近傍での大の短絡 3.2 今回開発した接点機構を想定しておりヒューズが溶断することで電池が切り第4図に目標の短絡耐量を満足させるための電磁反離されるこの場合接点が開離するとリレーの発火発力を抑制する機構以下電磁反発抑制機構と記すや破裂につながるため接点は短絡の電磁反発力にを示すの上下に磁性体のヨークを配置すると 73

1 Main circuit of EV and HEV 第1表目標性能 Table 1 Target performance of development 項ない状態でリレーがオフし電池が切り離される第2図に一般的なメインリレーの構造の概略を示す本リレーは接点部電磁石部に大別される電磁石に通電すると鉄芯間に吸引力が発生しと固定目目標値 DC4 V 12 A 定格 6

Panasonic Technical Journal Vol. 61 o. 1 May 215 74 以下電磁反発抑制ヨークと記すが流れたとき 4 遮断性能の向上技術に電磁反発抑制ヨークを周回する方向に磁束が発生するそれにより上下の電磁反発抑制ヨーク以下上ヨー 4.

電磁反発抑制ヨーク Varc(t ) E 上ヨーク吸引力 F3 下ヨーク電磁反発力 F1 磁束接圧ばね荷重 F2 第6図直流負荷等価回路 Fig. 6 DC load equivalent circuit 接点が開きアークが発生したときの過渡現象は 1 第4図電磁反発抑制機構での力の関係 Fig.

3 Panasonic Technical Journal Vol. 61 o. 1 May 以下電磁反発抑制ヨークと記すが流れたとき 4 遮断性能の向上技術に電磁反発抑制ヨークを周回する方向に磁束が発生するそれにより上下の電磁反発抑制ヨーク以下上ヨー 4.1 従来の消弧磁場構成の課題ク下ヨークと記すのギャップ間に吸引力 F3 が発従来の消弧磁場構成の課題を述べるためにまず直流生する F2とF3の和がF1を上回れば F1 F2+F3 接点は遮断の条件を説明する第6図は代表的な直流誘導回路開離しないつまり F3を大きくできれば F2は小さくの等価回路であるでき電磁石の小型化によりリレー体積を小さくできる L i (t ) R 電磁反発抑制ヨーク Varc(t ) E 上ヨーク吸引力 F3 下ヨーク電磁反発力 F1 磁束接圧ばね荷重 F2 第6図直流負荷等価回路 Fig. 6 DC load equivalent circuit 接点が開きアークが発生したときの過渡現象は 1 第4図電磁反発抑制機構での力の関係 Fig. 4 Relation with power in the contact mechanism with yoke 式で表す E = L(di/dt) + Ri (t ) + Varc (t ) 1 L インダクタンス R 抵抗 E 電源電圧 Varc アーク電圧 i 3.3 電磁反発抑制機構の磁場解析第5図は電磁反発抑制ヨークを配置したときの電磁反発力 F1 ヨーク吸引力 F3 を解析した結果である解析は短絡を6 Aで行い結果は接圧ばね荷重 F2 で正規化した値で示す接圧ばね荷重 F2 を1.とした遮断が進行しているとき di/dt < 2 であるから L(di/dt) = E Ri (t ) + Varc (t ) < 3 とき電磁反発力 F1 は2. ヨーク吸引力 F3 は2. すなわち Varc > E Ri 4 となり接点が開離しないことを確認したのアーク電圧を発生させることが遮断進行の必要条件となるまた接点の最小アークアクを維持できる 6 Ａ最小値をiminとするとアークが消滅する条件は 5 式となる Varc > E Rimin 5 RiminはEに比べ十分小さいので無視すると 4 式か F1=2. ら接点間に発生するアーク電圧Varcが電源電圧Eよりも大きいことで遮断の完了する必要条件となる F3=2. ところで接点間に発生するアーク電圧Varcは次の三つで構成される F2=1. 第5図短絡耐量解析結果 Fig. 5 Analysis result of short circuit tolerance 1 陽極降下電圧 2 陰極降下電圧 3 陽光柱電圧ここで 1 2 は接点材料や接点周辺の状態で決定され1接点あたり約15 Vである 3 の陽光柱電圧は接点周辺の状態で決まるアークの電界強度とアークの長さの積で決まる従ってアークを伸ばすことができれば高いアーク電圧Varcが得られ遮断が完了する 74

75 オートモーティブ特集 EV HEV 用大メインリレーの小型化技術一般に直流リレーでは接点近傍にを配置すが受けるを磁場解析で確認した第9図に第8図ることでアークを伸ばす従来のリレーにおける消弧磁の左上部における同極対向消弧磁場の磁束のベクトル分場構成とアークの伸びる方向を第7図に示すアークが布とアークが受けるを示す図中の半円は固定

2節で示した電磁反発抑制ヨークでツで決まるため順方向のアークはカプセル内ある磁束分布は想定どおり点Aでは右から左へ点B 壁に当たるまで外側に伸びる一方逆方向のアークはでは右上から左下へと向かうこの磁束分布に従いアローレンツ力が内向きになるが構造物があることで内ークにローレンツ力が働くとまず点Aに発生したアー側スペースが小さくアークが伸びることができない

4 75 オートモーティブ特集 EV HEV 用大メインリレーの小型化技術一般に直流リレーでは接点近傍にを配置すが受けるを磁場解析で確認した第9図に第8図ることでアークを伸ばす従来のリレーにおける消弧磁の左上部における同極対向消弧磁場の磁束のベクトル分場構成とアークの伸びる方向を第7図に示すアークが布とアークが受けるを示す図中の半円は固定伸びる方向はフレミングの左手の法則に基づくローレン接点の位置右下は3.2節で示した電磁反発抑制ヨークでツで決まるため順方向のアークはカプセル内ある磁束分布は想定どおり点Aでは右から左へ点B 壁に当たるまで外側に伸びる一方逆方向のアークはでは右上から左下へと向かうこの磁束分布に従いアローレンツ力が内向きになるが構造物があることで内ークにローレンツ力が働くとまず点Aに発生したアー側スペースが小さくアークが伸びることができないクは接点上方に向かうそこからカプセルの左上角部すなわち従来の消弧磁場構成においては順方向に比べへ伸びる磁束分布は対称でありが逆方向であれ逆方向の遮断性能が低くなる課題があったばアークはカプセルの左下角部へ伸びることを確認したカプセル S 消弧磁束カプセル電磁反発抑制ヨーク B アーク逆方向 A 消弧磁束第7図従来のリレーの消弧磁場構成第9図同極対向消弧磁場解析結果 Fig. 7 Magnetic field structure of the conventional relay Fig. 9 Analysis result of the pole-countering magnetic field composition 4.2 今回開発した消弧磁場構成 4.1節で述べた課題解決のため今回筆者らが考案した 5 小型化技術を適用したリレーの概要の着磁面が同極に対向するように配置した消弧磁場構成以下同極対向消弧磁場構成と記すを第8 図に示す順方向逆方向いずれのアークもカプセル今回開発したリレーの基本構造および性能について以下に説明するの角部に伸びるため従来の構成より同じ体積でアーク 5.1 基本構造長を長くできる第1図にリレーの基本構造と接点部の詳細を示す接点上下に電磁反発抑制ヨークを配置することで短絡電消弧磁束電磁反発抑制ヨーク逆方向第8図同極対向消弧磁場構成 Fig. 8 Pole-countering magnetic field composition 4.3 同極対向消弧磁場の磁場解析第1図リレーの基本構造と接点部の詳細 4.2節で示した同極対向消弧磁場構成においてアーク Fig. 1 Basic structure of a relay and contact part details 75

5 Panasonic Technical Journal Vol. 61 o. 1 May 流発生時にも接点をオンし続けるまた第8図のよう参考文献に磁石を配置することで逆方向の遮断性能を向上させ [1] ている榎本英樹他 EV HEV用の小型軽量DCパワーリレーパナソニック電工技報, vol. 58, no. 4, pp , 短絡耐量今回開発したリレー構成と従来の構成でリレーの外執筆者紹介郭寸法を比較した従来のリレーに対して今回開発したリレーの体積は52 低減できた従来の約半分の体積で接点間に6 A通電しても接点が開離することなくオン状態を維持することができた 5.3 遮断性能第11図に開発品での順方向逆方向両方の遮断波形を示す目標のDC4 V 1 A遮断で順方向逆方向ともに値がまで減衰しており遮断が完了している森口裕亮 Yusuke Moriguchi 榎本英樹 Hideki Enomoto 電圧時間 [ms] 電圧時間 [ms] 順方向電圧 [V] 電圧 [V] [A] [A] ことを確認した逆方向第11図 DC4 V 1 A遮断波形 Fig. 11 Arc interception waveform at DC4 V, 1 A 6 まとめリレーの短絡耐量と遮断性能を大幅に向上させる技術として新規の電磁反発抑制機構と消弧磁場構成を開発した電磁反発抑制ヨークを配置することにより短絡発生時に接点間に生じる電磁反発力を抑制し従来タイプの体積の約半分で6 Aの短絡耐量を実現した同極対向消弧磁場構造により順方向逆方向ともに DC4 V 1 Aの遮断を実現した今回開発したリレーの小型化技術は環境対応車だけではなく直流高容量を扱う電力市場 UPS Uninterruptible Power Supply 市場など電設産機市場の直流用途にも広く応用展開できる 76 山本律 Ritsu Yamamoto 福田純久 Yoshihisa Fukuda 尾崎良介 Ryosuke Ozaki 池田陽司 Yoji Ikeda パナソニックデバイス帯広株 Panasonic Industrial Devices Obihiro Co., Ltd.

3 遮断性能第11図に開発品での順方向逆方向両方の遮断波形を示す目標のDC4 V 1 A遮断で順方向逆方向ともに値がまで減衰しており遮断が完了している森口裕亮 Yusuke Moriguchi 榎本英樹 Hideki Enomoto 電圧 1 2 3 4 5 時間 [ms] 6 8 7 6 5 4 3 2 1 16 8 14 7 12 6 1 5 8 4 電圧 6 3 4

Table 1. Reluctance equalization design. Fig. 2. Voltage vector of LSynRM. Fig. 4. Analytical model. Table 2. Specifications of analytical models. Fig

Table 1. Reluctance equalization design. Fig. 2. Voltage vector of LSynRM. Fig. 4. Analytical model. Table 2. Specifications of analytical models. Fig Mover Design and Performance Analysis of Linear Synchronous Reluctance Motor with Multi-flux Barrier Masayuki Sanada, Member, Mitsutoshi Asano, Student Member, Shigeo Morimoto, Member, Yoji Takeda, Member