JP2006325324A - 車両用分散型電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両に搭載される主電源の容量増大化を抑制しつつ、制御ユニット内の揮発性メモリの情報を確実に保存する。
【解決手段】バッテリ１にキースイッチ２から複数の電子制御ユニットＥＣＵ１，ＥＣＵ２，ＥＣＵ３，…を接続し、各電子制御ユニットに、マイクロコンピュータ及び周辺回路からなるコントローラ部ＣＴＬ１，ＣＴＬ２，ＣＴＬ３，…と、制御用電源を生成する制御用電源部ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，…とを備えると共に、個々の電子制御ユニットに、コントローラ部内のバックアップメモリに電源を供給するバックアップ電源部ＰＳ＿ＢＫ１，ＰＳ＿ＢＫ２，ＰＳ＿ＢＫ３，…を個別に備えることにより、バッテリ１の電源容量増大化を抑制しつつ、バックアップメモリに常時、微弱な電力を供給し、データを確実に保存する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載される複数の制御ユニットの各々に、車両の主電源を個々の制御ユニットで使用する制御用電源に変換する制御用電源装置を備えた車両用分散型電源システムに関する。

一般に、自動車等の車両においては、主電源としてバッテリを搭載し、始動用スタータやランプ等の各種機器の電源として供給すると共に、エンジン制御や変速機制御等の各種制御用としてマイクロコンピュータ及び周辺回路から構成される電子制御ユニットに対する制御電源を生成するための元電源として使用している。電子制御ユニットに対する制御用電源は、例えば、特許文献１に開示されているように、スイッチングレギュレータ等を用いてバッテリ電圧を降圧することにより生成される。

しかしながら、近年、エンジン制御や変速機制御といった車両の駆動制御に加えて、セキュリティ機能、マルチメディア機能、情報通信機能といった各種機能を搭載する車両が多くなり、マイクロコンピュータを中心と構成される電子制御ユニットの数が増加する傾向にある。このため、車両の消費電流も増加の傾向にあり、省電力化が望まれている。

マイクロコンピュータの低電力化に係わる技術は、例えば、特許文献２に開示されている。特許文献２の技術は、１チップマイコンに内蔵されている、動作下限電圧の大きいモジュールの作動に合わせて、モジュールの電源電圧を切換制御することにより、マイクロコンピュータの省電力化を図っている。
特開２００４−１４７４３７号公報 特開２００２−７３７４号公報

ところで、車両に搭載される電子制御ユニットは、学習機能や故障診断機能を備えており、これらの機能の履歴データを保存するため、バックアップメモリにデータを記憶している。バックアップメモリは、通常、マイクロコンピュータのメモリ空間における揮発性メモリの領域の一部を割り当てており、電源を遮断するとデータが失われるため、データを確実に保存するためには、車両のキースイッチのＯＮ，ＯＦＦに拘わらず、常時、微弱な電力をバックアップ電源として供給する必要がある。

図５は、従来の車両における電源システムを示しており、主電源として搭載されるバッテリ１０にキースイッチ２０を介して電子制御ユニット３０，４０，５０，…が接続されている。各電子制御ユニット３０，４０，５０，…には、それぞれ、スイッチングレギュレータ等からなる電源回路３０ａ，４０ａ，５０ａ，…が内蔵され、各電源回路３０ａ，４０ａ，５０ａ，…がキースイッチ２０を介してバッテリ１０に接続されると共にバッテリ１０に直接接続されている。

電源回路３０ａ，４０ａ，５０ａ，…は、キースイッチ２０のＯＮ，ＯＦＦに拘わらず、常時、バッテリ１０の電源から制御用電源を生成し、マイクロコンピュータ及び周辺回路からなるコントローラ部３０ｂ，４０ｂ，５０ｂ，…に供給する。すなわち、キースイッチ２０がＯＮされて車両が運転者状態にあるときには、電源回路３０ａ，４０ａ，５０ａ，…からの制御用電源によってコントローラ部３０ｂ，４０ｂ，５０ｂ，…を作動させ、キースイッチ２０がＯＦＦされて車両の運転が停止されたときには、電源回路３０ａ，４０ａ，５０ａ，…からの制御用電源によってコントローラ部３０ｂ，４０ｂ，５０ｂ，…内のバックアップメモリのデータを保存する。

このように、従来の車両の電源システムでは、主電源であるバッテリからバックアップ電源を生成しているため、車両の運転状態に拘わらず（キースイッチのＯＮ，ＯＦＦに拘わらず）、バッテリ電源を常時使用することになる。従って、電子制御ユニットの数が増加すると、制御用電源に加えてバックアップ電源としての電源容量も増加し、要求される電源容量を確保するため、必然的にバッテリが大容量化し、重量増やコスト上昇を招いてしまう。

更に、バックアップ電源をバッテリ電源から生成する場合、例えば、１２Ｖのバッテリ電圧を降圧してバックアップメモリに２．２〜３．８Ｖの電圧を供給する等、バッテリ電圧を降圧しなければならず、電圧変換時に発生する損失が電子制御ユニットの増加と共に増加してしまう。従って、バッテリを電子制御ユニットのバックアップ電源として使用することは、エネルギー効率の上からも必ずしも得策ではない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、車両に搭載される主電源の容量増大化を抑制しつつ、制御ユニット内の揮発性メモリの情報を確実に保存することのできる車両用分散型電源システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明による車両用分散型電源システムは、車両に搭載される複数の制御ユニットの各々に、車両の主電源を個々の制御ユニットで使用する制御用電源に変換する制御用電源装置を備えた車両用分散型電源システムにおいて、上記複数の制御ユニットの各々に、上記主電源が遮断されたときに各制御ユニット内の揮発性メモリに電源を供給するバックアップ電源装置を備えたことを特徴とする。

バックアップ電源装置は、ラミネート型二次電池或いはキャパシタによるバックアップ電源と切換回路とを備え、切換回路により、主電源と制御用電源装置の入力端との接続、及びバックアップ電源と制御用電源装置の出力端との接続を切換え、バックアップ電源の電圧が設定電圧を下回ったとき、制御用電源装置を主電源に接続してバックアップ電源を充電することが望ましい。

切換回路は、制御用電源装置の出力端とバックアップ電源とを接続する接続ラインに介装された第１のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子に並列に接続され、バックアップ電源に対して順方向に接続されるダイオードと、主電源と制御用電源装置の入力端とを接続する接続ラインに介装された第２のスイッチング素子とにより構成することができる。

本発明による車両用分散型電源システムは、車両に搭載される主電源の容量増大化を抑制しつつ、制御ユニット内の揮発性メモリの情報を確実に保存することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図４は本発明の実施の一形態に係わり、図１は電源システムの全体構成図、図２はバックアップ電源部の構成図、図３は電源システムの動作シーケンスを示すタイムチャート、図４はバックアップ電源部の動作を示す説明図である。

図１において、符号１は自動車等の車両に搭載される主電源としてのバッテリであり、例えば、定格電圧１２Ｖの鉛バッテリである。このバッテリ１は、−極端子が接地され、＋極端子が図示しないフューズやリレー・スイッチ類を介して、キースイッチ２から始動用スタータやランプ等の各種機器に接続されると共に、エンジン、自動変速機、ブレーキ等を制御する個々の電子制御ユニットＥＣＵｉ（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）に接続され、分散型の電源システムを形成している。尚、各機器類の接地線は、バッテリ１の−極端子を介して或いは個別に接地されている。

各電子制御ユニットＥＣＵｉは、エンジン制御、変速機制御、ブレーキ制御等を個別に実行するマイクロコンピュータ及び周辺回路からなるコントローラ部ＣＴＬｉと、バッテリ１の主電源からコントローラ部ＣＴＬｉ及び各種センサ類等に供給する制御用電源を生成する制御用電源装置としての制御用電源部ＰＳｉとを個別に備えている（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）。制御用電源部ＰＳｉは、スイッチング素子Ｑ及び制御回路Ｐによるスイッチング回路と、ダイオードＤ，チョークコイルＬ，及びコンデンサＣによる平滑回路とを有する周知のスイッチングレギュレータによって構成され、例えば、１２Ｖのバッテリ電圧を降圧・安定化して５Ｖや３．３Ｖの制御用電圧を生成する。

また、以上の分散型電源システムにおいては、各電子制御ユニットＥＣＵｉ毎に、コントローラ部ＣＴＬｉ内のバックアップメモリに電源を供給するバックアップ電源装置としてのバックアップ電源部ＰＳ＿ＢＫｉが個別に備えられている（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）。バックアップメモリは、コントローラ部ＣＴＬｉのマイクロコンピュータにプログラムされた学習機能や故障診断機能等の履歴データを保存するメモリであり、マイクロコンピュータのメモリ空間におけるＲＡＭ（揮発性メモリ）領域の一部を割り当てていることから、キースイッチ２のＯＮ，ＯＦＦに拘わらずデータが確実に保存されるよう、常時、微弱な電力が供給されている。

バックアップ電源部ＰＳ＿ＢＫｉは、バックアップメモリに電源を供給する専用のバックアップ電源ＢＫを備え、このバックアップ電源ＢＫが切換回路ＳＷを介してバッテリ１の＋極端子にキースイッチ２を経由することなく接続されると共に、制御用電源部ＰＳｉの入力端と出力端とに接続されている。バックアップ電源ＢＫは、小型・軽量な蓄電体、例えば、ラミネート型の二次電池や電気二重層キャパシタ等の薄型で扁平な蓄電体で構成され、例えば、定格電圧２．２Ｖ〜３．８Ｖの二次電池、或いは２０００Ｆ〜４０００Ｆのキャパシタ等を用い、専用の充電回路を設けることなく切換回路ＳＷを介して制御用電源部ＰＳｉから充電される。

図２に示すように、切換回路ＳＷは、制御用電源部ＰＳｉの出力端となるコンデンサＣの電圧出力端子とバックアップ電源ＢＫとを接続する接続ラインに介装された第１のスイッチング素子Ｑ１、第１のスイッチング素子Ｑ１と並列に接続され、バックアップ電源ＢＫに対して順方向に接続されるダイオードＤ１、バッテリ１の＋極端子と制御用電源部ＰＳｉのスイッチング素子Ｑ２とを接続する接続ラインに介装された第２のスイッチング素子Ｑ２、第１，第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を駆動制御する制御回路ＳＷＣを備えている。

第１，第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２としては、ＩＧＢＴ，ＦＥＴ，バイポーラトランジスタ，リレー等を用いることができるが、省電力の点からＭＯＳ型の半導体素子を用いることが望ましい。これらのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、常時、バッテリ１から電源が供給される制御回路ＳＷＣによって駆動される。制御回路ＳＷＣは、キースイッチ２のＯＮ，ＯＦＦやバックアップ電源ＢＫの電圧を監視し、その監視結果に応じて、第１，第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を互いにＯＮ，ＯＦＦが逆となる関係で駆動制御する。

尚、バックアップ電源部ＰＳ＿ＢＫｉは、電子制御ユニットＥＣＵｉとは別体で設置しても良いが、バックアップ電源ＢＫとしてラミネート型電池やキャパシタ等の薄型扁平の蓄電体を用いて電子制御ユニットＥＣＵｉと同一の筐体内に設置することが望ましい。これにより、複数の制御ユニットの搭載性を向上すると共に、設置スペースの削減を図ることができる。

以上の分散型電源システムは、エンジン運転状態での通常モード、キースイッチ２がＯＦＦ時のバックアップモード、バックアップ電源ＢＫに代えてバッテリ１を用いるバッテリバックアップモードを有している。以下、これらの動作モードについて、図３を参照して説明する。

先ず、キースイッチ２がＯＦＦでエンジンが停止状態にあるＴ１期間では、バックアップ電源部ＰＳ＿ＢＫｉの切換回路ＳＷは、第１のスイッチング素子Ｑ１がＯＮで第２のスイッチング素子Ｑ２がＯＦＦされている。従って、制御用電源部ＰＳｉとバッテリ１との接続が遮断されると共に、バックアップ電源ＢＫとコントローラ部ＣＴＬｉとが接続され、図４に白抜き枠の矢印で示すように、バックアップ電源ＢＫからコントローラ部ＣＴＬｉ内のバックアップメモリにバックアップ電源が供給される（バックアップモード）。このバックアップモードでは、例えば２．２Ｖ〜３．８Ｖのバックアップ電圧がバックアップメモリに供給され、バッテリ１の電力を消費することなくバックアップメモリのデータを保持することができる。

また、バックアップ電源ＢＫの放電によってバックアップ電圧がバックアップメモリのデータを維持可能な電圧（放電下限電圧）を下回った場合には、Ｔ２期間のバッテリバックアップモードとなる。このバッテリバックアップモードでは、第１のスイッチング素子Ｑ１がＯＦＦされてバックアップ電源ＢＫからの放電を阻止すると共にダイオードＤ１を介しての充電を可能とし、第２のスイッチング素子Ｑ２がＯＮされて制御用電源部ＰＳｉをバッテリ１に接続する。

これにより、バッテリ電圧が制御用電圧に変換されて制御用電源部ＰＳｉからコントローラ部ＣＴＬｉに供給され、コントローラ部ＣＴＬｉ内のバックアップメモリのデータが保持される。すなわち、バッテリバックアップモードでは、バックアップ電源ＢＫに代えて、主電源であるバッテリ１からバックアップメモリに電源が供給される。尚、バッテリバックアップモードでは、バッテリ１は、例えば９Ｖ〜１２．５Ｖ程度で放電され、２．２Ｖ〜３．８Ｖ程度のバックアップ電源がバックアップメモリに供給される。

次に、キースイッチ２がＯＮされると、Ｔ３期間の通常モードとなる。この通常モードでは、バッテリバックアップモードと同様、バックアップ電源部ＰＳ＿ＢＫｉの切換回路ＳＷは、第１のスイッチング素子Ｑ１がＯＦＦ、第２のスイッチング素子Ｑ２がＯＮの状態を維持する。そして、エンジンが始動されてオルタネータ（図示せず）が作動すると、オルタネータによりバッテリ１が充電され、バッテリ電圧が、例えば１２．５Ｖ〜１４．４Ｖに上昇する。

また、キースイッチ２のＯＮにより、バッテリ１から制御用電源部ＰＳｉにバッテリ電源が供給されると共に、図４に太線の矢印で示すように、バッテリ１から切換回路ＳＷを介して制御用電源部ＰＳｉにバッテリ電源が供給され、制御用電源が生成される。この制御用電源部ＰＳｉで生成された制御用電源は、コントローラ部ＣＴＬｉに供給されると共に、図４に斜線枠の矢印で示すように、切換回路ＳＷ内の第１のスイッチング素子Ｑ１に並列に接続されたダイオードＤ１を介してバックアップ電源ＢＫに供給される。

これにより、バックアップ電源ＢＫがバッテリ１から制御用電源部ＰＳｉを介して充電され、バックアップモードでの正常動作が可能な電圧に回復するまで充電が継続される。その後、キースイッチ２がＯＦＦされてエンジンが停止されると、バックアップモードに移行し、前述したように、バックアップ電源ＢＫによりバックアップメモリへのバックアップ電源が確保される。

以上のように本実施の形態においては、バッテリ１が遮断されたときに電子制御ユニット内の揮発性メモリに電源を供給する専用のバックアップ電源ＢＫを設けているので、電子制御ユニットの数が増大しても、バッテリ１の電源容量の増大を抑制しつつエネルギー効率を向上して電子制御ユニット内のバックアップメモリ（揮発性メモリ）のデータを確実に保存することができる。

しかも、バックアップ電源ＢＫとしてラミネート型の二次電池或いはキャパシタを用いることにより、電源搭載重量を軽減して燃費向上に寄与すると共に、複数の電子制御ユニットの搭載性を向上することができる。

電源システムの全体構成図 バックアップ電源部の構成図 電源システムの動作シーケンスを示すタイムチャート バックアップ電源部の動作を示す説明図 従来の車両の電源システムを示す構成図

符号の説明

１ バッテリ（主電源）
ＥＣＵｉ 電子制御ユニット
ＰＳｉ 制御用電源部（制御用電源装置）
ＣＴＬｉ コントローラ部
ＰＳ＿ＢＫｉ バックアップ電源部（バックアップ電源装置）
ＢＫ バックアップ電源
ＳＷ 切換回路
Ｑ１ 第１のスイッチング素子
Ｄ１ ダイオード
Ｑ２ 第２のスイッチング素子

Claims (3)

1. 車両に搭載される複数の制御ユニットの各々に、車両の主電源を個々の制御ユニットで使用する制御用電源に変換する制御用電源装置を備えた車両用分散型電源システムにおいて、
   上記複数の制御ユニットの各々に、上記主電源が遮断されたときに各制御ユニット内の揮発性メモリに電源を供給するバックアップ電源装置を備えたことを特徴とする車両用分散型電源システム。
2. 上記バックアップ電源装置に、
   ラミネート型二次電池或いはキャパシタによるバックアップ電源と、
   上記主電源と上記制御用電源装置の入力端との接続、及び上記バックアップ電源と上記制御用電源装置の出力端との接続を切換え、上記バックアップ電源の電圧が設定電圧を下回ったとき、上記制御用電源装置を上記主電源に接続して上記バックアップ電源への充電を可能とする切換回路とを備えたことを特徴とする請求項１記載の車両用分散型電源システム。
3. 上記切換回路に、
   上記制御用電源装置の出力端と上記バックアップ電源とを接続する接続ラインに介装された第１のスイッチング素子と、
   上記第１のスイッチング素子に並列に接続され、上記バックアップ電源に対して順方向に接続されるダイオードと、
   上記主電源と上記制御用電源装置の入力端とを接続する接続ラインに介装された第２のスイッチング素子とを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の車両用分散型電源システム。

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