JP2006264484A - 車両用電気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで、異なる電源電圧を発生可能な車両用電気装置を提供すること。
【解決手段】異なる電源電圧によって駆動される第１、第２の電気負荷群（７、１０）を備えた車両用電気装置であって、
車載電源（２）より給電される第１の電源電圧によって第１の電気負荷群（７）を駆動する第１の駆動部（３２）と、第２の電源電圧によって第２の電気負荷群（１０）を駆動する第２の駆動部（１１）とが、収容される制御ユニット（３）と、
この制御ユニット（３）の外部に配置され、第１の電源電圧を受けて第２の電源電圧を形成し、制御ユニット（３）内に給電する電源回路（５）とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、異なる電源電圧にて作動する第１、第２の電気負荷群を設け、これらの電気負荷群を駆動する車両用電気装置に関する。

車両の電源系統の高電圧化に際し、電源電圧を異にする２系統の電源を供給するために、高電圧を出力する発電機を設け、高電圧側の電気負荷群を接続した発電機の出力端子と、低電圧側の電気負荷群との間にスイッチング素子を挿入接続し、このスイッチング素子を一定のデューテイ比で通電制御することで実質的な低電圧を形成する、簡便な電源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第２５７２４０８号公報

しかしながら、スイッチング素子を一定のデューテイ比で断続するにしても、低電圧側の電気負荷群の負荷が増大するとスイッチング素子の電力損失に基づく発熱は増大する。その際、スイッチング素子を含む電圧変換器がＥＣＵ内にあるときには十分な熱対策が必要となり、ＥＣＵの形状の大型化や放熱手段が必要となり、コストアップを招く恐れがある。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、その目的はより低コストで、異なる電源電圧を発生可能な車両用電気装置を提供することにある。

さらに本発明の他の目的は、空調装置の電気部品を電源回路にも使用可能な車両用電気装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、各請求項に記載の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の本発明によれば、異なる電源電圧によって駆動される第１、第２の電気負荷群（７、１０）を備えた車両用電気装置であって、
車載電源（２）より給電される第１の電源電圧によって第１の電気負荷群（７）を駆動する第１の駆動部（３２）と、第２の電源電圧によって第２の電気負荷群（１０）を駆動する第２の駆動部（１１）とが、収容される制御ユニット（３）と、
この制御ユニット（３）の外部に配置され、第１の電源電圧を受けて第２の電源電圧を形成し、制御ユニット（３）内に給電する電源回路（５）とを備えることを特徴とする。

それにより、本発明によれば、電源回路を制御ユニットの外部に設けることで、電源回路内の各電気部品を冷却するための配置の自由度を高めると共に、強制冷却や自然冷却などの冷却手段の選択の幅を広げることが可能となる。しかも、制御ユニット内に収容される大きな発熱部品を減らし、特別な熱対策を不要にすることが可能になる。

請求項２に記載の本発明によれば、第１、第２の電気負荷群（７、１０）は、車室内を空調する空調装置の電気部品を有することで、２系統の電源電圧を有する空調装置の電気部品の駆動にも本発明を適用可能になる。

請求項３に記載の本発明によれば、電源回路（５）は、第２の電源電圧に調整する電力回路部（５３）に、車室内への送風量を調整するブロワ制御部品のブロワ電力回路部（４４）と同じ部品を用いることを特徴とする。それにより、汎用的な空調装置のブロワ電力回路部と同じ部品を用いることで、電力回路部の新たな開発を不要にし、電力回路部のコスト削減を可能にしている。

請求項４に記載の本発明によれば、電源回路（５）は、第１の電源電圧を電圧降下させて第２の電源電圧を形成するレジスタ（５２）に、ブロワ制御部品のブロワレジスタと同じ部品を用いることで、レジスタの新たな準備を不要にし、レジスタのコスト削減を可能にしている。
請求項５に記載の本発明によれば、第１の電源電圧によって駆動され、電源回路（５）の電力回路部（５３）へ送風する冷却ファン（５４）を設けたことを特徴とする。それにより、本発明では電源回路が制御ユニットの外部にあるため、冷却ファンの設置の自由度が高くなり、送風や自然冷却により電源回路を効率的に冷却することが可能になる。

請求項６に記載の本発明によれば、電力回路部（５３）は、制御ユニット（３）のケース外側に取り付けられ、冷却ファン（５４）からの送風により冷却されることを特徴とする。それにより、送風や自然冷却により電力回路部を効率的に冷却することが可能になる。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。ここでは、本発明の車両用電気装置を、車両用空調装置に適用した例について説明するが、本発明は車両用空調装置以外の車載装置にも適用可能である。

（第１実施形態）
図１は、車両としてバスや建設車両などの大型車両に搭載される空調装置の全体構成を示すブロック図である。

図１において、発電機１は、電圧調整器を内蔵し、高電圧側電源として２４Ｖ（変動範囲は約２０〜３２Ｖ）の直流電圧Ｖ１を第１の電源ラインＬ１に発生する。車載電源２は、２４Ｖ仕様のバッテリである。

空調ＥＣＵ３は、車両に搭載される各種の空調機器を制御して車室内を所望の空調状態に調整する、ＥＣＵケースに収容される制御ユニットである。その内部には、車載電源２より給電される２４Ｖ系の第１の電源電圧Ｖ１と、後述する低電圧側となる１２Ｖ系の第２の電源電圧Ｖ２との２系統の電源を設け、用途や駆動する電気部品の種類に応じて両電源を使い分けている。その際、低コスト化のために汎用的な空調装置の１２Ｖ仕様の電気部品をできる限り流用する構成とし、電気部品の新たな開発や多種類化を抑制している。

制御部３１は、比較的低消費電力の５Ｖ電源回路３１１、マイコン３１２および図示していない入出力回路等を有し、各種センサ８より車室内の温度（内気温度）、外気温度、日射量、等を取り込み、２４Ｖ仕様の機能部品７や１２Ｖ仕様の機能部品９を駆動し、空調風の吹出しモードを切り替えたり、送風量を調整する。マイコン３１２およびサーミスタ８１は電源回路３１１で形成した５Ｖ電源で作動する。

駆動部３２は、制御部３１の制御信号に従って第２の電気負荷群となる２４Ｖ仕様の機能部品７を駆動する。この２４Ｖ仕様の機能部品７には各種リレー７１〜７２、電磁弁７３、ランプ７４等の負荷が含まれる。所望温度の空調風を形成する、例えばエアミックスドアを駆動するサーボモータ１０には１２Ｖ仕様のサーボモータが使用され、制御部３１の制御信号に従って１２ＶサーボＩＣ１１が作動し、サーボモータ１０を作動させる。電圧制御部３３、３４は後述する電力回路部４４、５３の作動を制御し、これら電力回路部４４、５３の端子電圧〈この場合、一端が接地のため両端電圧〉を所定電圧に制御する。

ブロワ回路４は、外部回路として空調ＥＣＵ３とは離れた位置、つまりブロワモータ４３の取付位置近傍に設置される。本例では大型車両のため同一車両内に同じ構成のブロワ回路４を６個設け、車室内の各所より空調風を吹き出す構成である。ブロワ回路４は、過電流から回路を保護するヒューズ４１、過電圧から回路を保護するリレースイッチ７２ｓ、車室内へ空気を送り出すブロワモータ４３、およびこのブロワモータ４３の作動を制御し、送風量を調整するブロワコントローラの電力回路部４４を備える。この電力回路部４４は、本例ではスイッチング素子としてＮチャンネルのパワーＭＯＳトランジスタ４４１を備え、ブロワモータ４３とパワーＭＯＳトランジスタ４４１との間の端子電圧（ドレイン電圧）を電圧制御部３３に与えている。

そこで、電圧制御部３３は、制御部３１から与えられる目標電圧と端子電圧とが一致するようにパルス幅変調したＰＷＭ信号をパワーＭＯＳトランジスタ４４１のゲートに出力し、端子電圧、つまりドレイン・ソース間電圧を調整することで、ブロワモータ４３への印加電圧を調整し、送風量を制御している。

また、制御部３１は、第１、第２の電源ラインＬ１、Ｌ２の第１、第２の電源電圧Ｖ１、Ｖ２を監視しており、予め定めた許容電圧を外れる異常電圧が印加されたときにはそれらを検知してリレー７１、７２をオフし、異常電圧から回路や機能部品等を保護している。

次に、電源回路５は、空調ＥＣＵ３の外部に配置され、第１の電源ラインＬ１より第１の電源電圧Ｖ１を受けて１２Ｖ系の第２の電源電圧Ｖ２を形成し、この第２の電源電圧Ｖ２を第２の電源ラインＬ２に出力する構成である。

電源回路５は、過電流から回路を保護するヒューズ５１、第２の電源電圧Ｖ２が所定の電圧範囲を外れたときに１２Ｖ仕様の機能部品６を保護するリレースイッチ７１ｓ、空調装置におけるブロワレジスタを流用したレジスタ５２、両端電圧を調整する電力回路部５３、および電力回路部５３に向けて送風する２４Ｖ仕様ブラシレスモータからなる専用の冷却ファンモータ５４とを備える。電源回路５を構成する部品は、空調ＥＣＵ３から独立した容器などに収容されることができる。電源回路５を構成する部品は、空調ＥＣＵ３から離れて配置されることができる。特に、電力回路部５３は、空調ＥＣＵ３から独立し、かつ離れた容器を備え、その中に収容されることができる。

この電力回路部５３は、電力回路部４４と同じ電気部品で構成されており、スイッチング素子としてＮチャンネルのパワーＭＯＳトランジスタ５３１を備え、レジスタ５２とパワーＭＯＳトランジスタ５３１との間の端子電圧（ドレイン電圧）を電圧制御部３４に与えている。このレジスタ５２は、レジスタを切り換えて送風量を調整するレジスタ切り換え方式のブロワ回路に用いるブロワレジスタと同じ部品を用いる。

そこで、電圧制御部３４は、予め設定された目標電圧の第２の電源電圧Ｖ２と端子電圧（この場合一端が接地のため、ドレイン・ソース間電圧）とが一致するようにパルス幅変調したＰＷＭ信号をパワーＭＯＳトランジスタ５３１のゲートに出力し、端子電圧を調整する。第１の電気負荷群となる１２Ｖ仕様の機能部品６は、この第２の電源ラインＬ２に接続されており、第２の電源電圧Ｖ２で駆動される。その際、第２の電源電圧Ｖ２が所定の電圧範囲を外れたときには、制御部３１がそれを検知してリレー７１を駆動し、リレースイッチ７１ｓをオフして１２Ｖ仕様の機能部品６を保護する。

この１２Ｖ仕様の機能部品６には、サーミスタ８１の温度検出用各モータ６１、６２、環境センサ６３等の負荷がある。

ここで、電源回路５の電力回路部５３として、ブロワ回路４の電力回路部４４を流用可能にする条件について説明する。

両電力回路部４４、５３は、共に電圧制御型の電力回路部であり、その両端に発生させる電圧範囲（例えば、８〜１５Ｖ）が、互いにその範囲内で一致していれば、制御電圧上は問題なく利用可能である。その際、許容電流範囲については、ブロワ回路４の電力回路部４４の電流値と同等もしくはそれ以下であれば問題ない。本例では、電源回路５が電力回路部５３と直列に負荷として例えば数Ωのレジスタ５２を接続するため、ブロワ回路４の電力回路部４４より電流値は常に低く抑えられており、許容範囲内にある。

このことは、レジスタ５２に流れる電流値が、レジスタ切り換え方式によるブロワ回路のブロワレジスタに流れる電流値よりも常に低く抑えられることを意味し、電力容量上も問題なしに流用可能である。

（電源回路５の作動）
次に、電源回路５の作動を説明する。制御部３１の指示によりリレー７１が駆動されるとリレースイッチ７１ｓがオンし、電源回路５が作動を開始する。まずパワーＭＯＳトランジスタ５３１が作動すると共に、冷却ファンモータ５４が作動する。

ここで、レジスタ５２の抵抗値Ｒ、電流ｉ、１２Ｖ仕様の機能部品６側に流れる電流ｉ１、パワーＭＯＳトランジスタ５３１に流れる電流ｉ２、１２ＶサーボＩＣ等へ流れる電流ｉ３とすると、次式のようになる。

（数１） ｉ＝ｉ１＋ｉ２＋ｉ３
（数２） Ｖ２＝Ｖ１−ｉ×Ｒ
（数３） ｉ＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｒ
第２の電源電圧Ｖ２を一定にするためには、レジスタ５２の電流ｉを一定にする必要がある。そのため、パワーＭＯＳトランジスタ５３１は、他の負荷６、１１の消費電流増加分だけ電流ｉ２を減少させ、逆に他の負荷６、１１の消費電流減少分だけ電流ｉ２を増加させ、常に一定の電流ｉをレジスタ５２に流すように作動する。つまり、電流ｉはシステムでの必要負荷６、１１の大きさにより決まる。

従って、レジスタ５２には電流ｉと抵抗Ｒに応じた発熱が常に生じると共に、パワーＭＯＳトランジスタ５３１の電力損失に基く発熱も生じる。そのため、本例では電源回路５を空調ＥＣＵ３の外部に配置し、熱対策がし易い構造に設定されている。

次に、図２は電力回路部５３の外観を示すもので、（ａ）は電力回路部５３の正面図、（ｂ）は裏面図である。なお、電力回路部４４の外観も同じである。

図２に示すように、電力回路部５３は、空調装置において流用可能な一電気部品を構成している。電力回路部５３は、金属製の基板５３ａと放熱板５３ｂとが一体的に形成されており、パワーＭＯＳトランジスタ５３１は基板５３ａ上に実装されており、このパワーＭＯＳトランジスタ５３１を覆うように、コネクタを備える樹脂製カバー５３ｃが基板５３ａに固定されている。放熱板５３ｂは薄い板状の放熱フィンが複数個並列配置され、放熱面積を広くして放熱性能を高めた構成である。

次に、図３は、車両用空調装置のアッシーケースを示しており、（ａ）は、カバーを外したときの模式的上面図、（ｂ）はカバーをしたときの部分破断した模式的正面図である。

図３に示すように、金属製のアッシーケース１００の組付け基盤部１００ａには、図１のブロック図で示した空調ＥＣＵ３のＥＣＵケース３Ａおよび冷却ファンモータ５４が組み付けられており、ＥＣＵケース３Ａの外側上面には電源回路５を構成する電力回路部５３が冷却ファンモータ５４により冷却風が直接当たるように設置されている。また、レジスタ５２はアッシーケース１００の蓋部１００ｂの外側表面に取り付けられ、複数の通気孔１００ｄを開設した保護カバー１００ｃで覆われている。

このレジスタ５２の個数については、レジスタ５２自体が発熱するものであり、冷却風が当たる設置場所にあるときには最少数とし、他方、冷却風が当たらない設置場所にあるときにはＮ個に分けて熱を振り分け、かつシステムでの設置場所により個数を決定している。本例では自然冷却であり、レジスタ５２を４個に分けている。

このように、電源回路５をＥＣＵケース３Ａ（空調ＥＣＵ３）の外部に設けることで、電源回路５内の各電気部品を冷却するための配置の自由度を高めると共に、強制冷却や自然冷却などの冷却手段の選択の幅を広げることが可能となる。しかも、ＥＣＵケース３Ａ内に収容される大きな発熱部品を減らし、特別な熱対策を不要にすることが可能になる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図４に基いて説明する。第１実施形態と異なる点は、図４に示すように、ブロワ回路４および電源回路５の電力回路部４４、５３に関し、スイッチング素子として、ＮチャンネルのパワーＭＯＳトランジスタ４４１、５３１に代えてＰチャンネルのパワーＭＯＳトランジスタ４４１Ａ、５３１Ａをハイサイドに設け、パワーＭＯＳトランジスタ５３１Ａでもって第１の電源電圧Ｖ１を電圧降下させることで第２の電源電圧Ｖ２を形成するように構成し、それにより電圧降下の際の電力損失の低減および第１実施形態で用いたレジスタ５２を省略した点である。

図４において、電圧制御部３４Ａは、第２の電源ラインＬ２側の端子電圧（この場合ドレイン電圧）を検出し、この端子電圧を平滑処理した平均電圧が予め定めた所定電圧（１２Ｖ）と一致するように導通率を可変するパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を電源回路５のパワーＭＯＳトランジスタ５３１Ａに与える。

その際、パワーＭＯＳトランジスタ５３１ＡはＰＷＭ信号に応じて断続作動するため、平均電圧は第２の電源電圧Ｖ２となるものの、第１の電源電圧Ｖ１の断続電圧が第２の電源ラインＬ２側に印加される。そこで、１２Ｖ仕様の機能部品６、１０には、断続電圧でも作動するモータやランプ類が使用される。なお、第２の電源電圧Ｖ２を平滑電圧に変換するには、パワーＭＯＳトランジスタ５３１Ａと第２の電源ラインＬ２との間にチョークコイルや平滑コンデンサを設けることで可能になる。

このように、第２実施形態ではパワーＭＯＳトランジスタ５３１Ａの断続作動により電圧降下させているため、第１実施形態に比べて電圧降下の際の電力損失を低減することが可能になり、電圧降下のためのレジスタも不要となる。

（変形例）
なお、第１、第２実施形態のパワーＭＯＳトランジスタ５３１、５３１Ａに代えて、バイポーラ構造のＮＰＮ型パワートランジスタ５３１、ＰＮＰ型パワートランジスタ５３１Ａを使用してもよい。

また、電圧制御部３４、３４Ａは、ＰＷＭ方式としてデューテイ制御もしくは周波数制御などパルス幅を変調する方式であればいずれでもよい。

また、電圧制御部３４、３４Ａは、ＰＷＭのパルス幅変調方式に代えて、アナログ電圧制御方式としてもよい。

本発明の第１実施形態となる空調装置の全体構成を示すブロック図である。 （ａ）は電力回路部５３の正面図、（ｂ）は裏面図である。 （ａ）は、カバーを外したときのアッシーケース１００の模式的上面図、（ｂ）はカバーをしたときの部分破断した模式的正面図である。 本発明の第２実施形態となる空調装置の全体構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 発電機
２ バッテリ（車載電源）
３ 空調ＥＣＵ（制御ユニット）
３Ａ ＥＣＵケース
４ ブロワ回路
５ 電源回路
６ １２Ｖ仕様の機能部品
７ ２４Ｖ仕様の機能部品
３１ 制御部
３２ 駆動部
３３、３４ 電圧制御部
４４ 電力回路部（ブロワ電力回路部）
５３ 電力回路部
５２ レジスタ
５４ 冷却ファンモータ

Claims (6)

1. 異なる電源電圧によって駆動される第１、第２の電気負荷群（７、１０）を備えた車両用電気装置であって、
   車載電源（２）より給電される第１の電源電圧によって前記第１の電気負荷群（７）を駆動する第１の駆動部（３２）と、第２の電源電圧によって前記第２の電気負荷群（１０）を駆動する第２の駆動部（１１）とが、収容される制御ユニット（３）と、
   この制御ユニット（３）の外部に配置され、前記第１の電源電圧を受けて前記第２の電源電圧を形成し、前記制御ユニット（３）内に給電する電源回路（５）とを備えることを特徴とする車両用電気装置。
2. 前記第１、第２の電気負荷群（７、１０）は、車室内を空調する空調装置の電気部品を有することを特徴とする請求項１に車両用電気装置。
3. 前記電源回路（５）は、前記第２の電源電圧に調整する電力回路部（５３）に、車室内への送風量を調整するブロワ制御部品のブロワ電力回路部（４４）と同じ部品を用いることを特徴とする請求項２に車両用電気装置。
4. 前記電源回路（５）は、前記第１の電源電圧を電圧降下させて前記第２の電源電圧を形成するレジスタ（５２）に、前記ブロワ制御部品のブロワレジスタと同じ部品を用いることを特徴とする請求項２に車両用電気装置。
5. 前記第１の電源電圧によって駆動され、前記電源回路（５）の前記電力回路部（５３）へ送風する冷却ファン（５４）を設けたことを特徴とする請求項３に車両用電気装置。
6. 前記電力回路部（５３）は、前記制御ユニット（３）のケース外側に取り付けられ、前記冷却ファン（５４）からの送風により冷却されることを特徴とする請求項５に車両用電気装置。

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