JP2007118656A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型車両では電気配線の発熱を小さくするため、車載電池の電圧を２４Ｖとする設計が主流となったが、各種制御回路（コンピュータ装置）はその電源電圧が１２Ｖのものが一般的であり、大型車両でも制御回路は１２Ｖを採用される設計が普及している。このため制御回路に電源電流を供給する電源装置にＤＣ−ＤＣ変換回路が利用される。このＤＣ−ＤＣ変換回路に故障が発生すると車両が運行不能になることが考えられる。これを簡単かつ安価な構成により救済する。
【解決手段】車載電池として端子電圧１２Ｖの電池を２個直列接続して車両の主電源とするとともに、この２個の電池の接続点から１２Ｖの予備用電源を取りだし、ＤＣ−ＤＣ変換回路が故障したときに、この１２Ｖの電源電圧を一時的に制御回路の電源として供給する自動的な切替回路を設ける。これによりとりあえず路上故障を回避して最寄りのサービス工場まで車両を運行することが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関を主たる動力とする自動車に利用する。本発明は、車載電池の端子電圧が２４Ｖまたはそれ以上であり、内燃機関の制御用の装置を含む制御回路（コンピュータ）の電源定格電圧が１２Ｖである車両に利用する。本発明は、車載電池を電源として制御回路の駆動電源電流を発生する装置の改良に関する。

内燃機関を搭載した車両の電源電圧は、小型・中型車両または乗用車においては定格電圧が１２Ｖに統一されているが、大型車両については、消費電流が大きく配線が長くなることから、配線で熱として消費される電力が大きくなる。したがって車両に搭載する各種電気装置の定格電圧を２４Ｖとし、蓄電池およびその充電装置も端子電圧２４Ｖのものが搭載されるようになった。しかし内燃機関の制御用をはじめ各種制御回路（コンピュータ）用には、電源電圧を１２Ｖとして設計された装置が普及している。この電源電圧を１２Ｖとすることにより制御回路の設計を共通化することができる。これにより制御回路としてすでに設計され実績のある装置を利用することができるとともに、選択の自由度も大きくなり信頼性も高くなり、装置価格も小さく設計することができる。したがって現在製造されている大型車両では、始動電動機、外装ランプ、パワーウインドウ、ブレーキ装置、エアバッグ、などには定格電圧２４Ｖの装置を利用し、車間距離警報、ヘッドランプの自動光軸調整などの制御回路には１２Ｖの装置を利用するように設計されている。

このような状況から大型車両用の電源としては、２４Ｖの主電源回路を装備し、これからＤＣ−ＤＣ変換回路を利用して直流１２Ｖの電源を得る形態が広く普及することになった。さらに近年の電装品の増大により大型車両の設計では、主電源回路を２４Ｖとしてもなお電力需要が大きく、またハーネス量を少なくするために、一部の大型車両では主電源回路の電圧をさらに高く設計することも検討されている。この場合には、主電源回路の電圧変更に追従して各種制御回路（コンピュータ）の電源電圧を変更することは不可能であり、制御回路の電源をＤＣ−ＤＣ変換回路の出力から得る形態が多く採用されることになると考えられる。

実開平５−２９２４６（古河） 特開平６−２５５４０２（日野）

近年車両は極力路上故障を起こさないように設計されることになった。かりに何らかの部品や装置が走行中に路上で故障しても「走る、止る、曲がる」だけの最低の機能は維持できるように設計されることになった。これにより路上故障を起こした車両を応援に行くのではなく、故障が発生した車両もなんとか自力で車両基地その他近所のサービス工場まで運行することができるように設計されている。

上記従来例装置として説明した装置、すなわち車両の主電源の定格電圧を２４Ｖとし、制御回路用の電源をこの主電源装置から供給し、ＤＣ−ＤＣ変換回路により１２Ｖに変換して各種制御装置に供給する形態では、ＤＣ−ＤＣ変換回路に異常が発生すると、内燃機関が制御不能になり路上故障の原因となる場合が考えられる。これを救済するために、多くのコンピュータ装置で採用されているように、ＤＣ−ＤＣ変換回路を二重化することも考えられるが、これは車両用装置としてはいかにも高価であり、車両重量も増大し、車両の販売価格に影響を与えることになる。

本発明はこのような背景に行われたものであって、制御装置（コンピュータ）に供給する（１２Ｖの）電源装置に何らかの異常が発生したときにも、制御装置が動作不能になることなく、とりあえず車両の走行を継続させることができる装置を提供することを目的とする。本発明は、車載の制御装置に供給する電源装置の主要な要素であるＤＣ−ＤＣ変換回路が故障したときに、制御装置を一旦停止させるなどのリセット操作を行うことなく、連続的かつ継続的に電源電流を供給することができる装置を提供することを目的とする。本発明は、運転者がリセット操作を行う必要がないにもかかわらず、ＤＣ−ＤＣ変換回路に故障が発生し、自動的に予備電源に切換えられたことを運転者が認識することができる装置を提供することを目的とする。本発明は、車両に予備用の電源装置を搭載することなく、安価に制御装置に電源電流を供給することができる装置を提供することを目的とする。本発明は、車両のコンピュータ電源に何らかの不具合が発生しても、路上故障の状態を招くことなく、少なくとも「走る、止る、曲がる」ことができる機能だけは維持して、車両を基地またはサービス工場まで運転して行くことができる装置を提供することを目的とする。

本発明はこれを改良するものであって、複数のセルが直列接続されている車両用の電池（標準電圧２４Ｖまたは３６Ｖ）に中間タップを設けて１２Ｖの電圧を取りだし、ＤＣ−ＤＣ変換回路に故障が発生したときに、車両のコンピュータの動作が保証されている電圧が保持されている時間内に、中間タップの１２Ｖ出力電圧に切換える装置を設けることを特徴とする。中間タップに得られる直流１２Ｖの電源電圧は、負荷や充電状況により変動する。しかし車両が路上でただちに走行不能な状態になることはなく、とりあえず走行させることができる状態を維持できる。しかもこの切替をＤＣ−ＤＣ変換回路の出力回路に設けられた平滑回路の時定数より十分に短い時間に自動的に実行するように構成すれば、電源装置の故障により制御装置のリセット操作を行うなどの必要がなく、動作をそのまま継続させることができる。

すなわち本発明は、複数のセルの直列接続を含む車載電池（１）（例、２４Ｖ）と、この車載電池（１）の両端子間に一対の入力端子が接続されたＤＣ−ＤＣ変換回路（２）とを備え、このＤＣ−ＤＣ変換回路（２）の出力端子（３）（例、ＤＣ１２Ｖ）から内燃機関制御装置を含む車載電子機器の電源回路に電源電流を供給する車両用電源装置において、前記車載電池（１）の直列接続されたセルの一部を利用して前記出力端子の電位（例、ＤＣ１２Ｖ）にほぼ等しい電位を引き出す低電圧端子（４）を設け、この低電圧端子と前記出力端子を接続するスイッチ素子（５）と、前記ＤＣ−ＤＣ変換回路（２）の状態（温度状態を含む）を監視してその異常時に前記スイッチ素子（５）を導通状態に制御する制御回路（６）とを備えたことを特徴とする。

さらに詳しくその構成例を説明すると、前記ＤＣ−ＤＣ変換回路（２）の状態を監視するために、その主要回路であるスイッチ回路（８）の温度を監視する手段（例、サーミスタ）を設けて、その温度が設定値を越えるときに異常を判定するように構成する。併せて出力の過電流を監視する手段を設けることもよいが、出力電流の値が設定値を越えて過電流になったことを監視する構成は広く知られている手法であり、本発明はこれを主張するものではない。すなわち本発明は、スイッチ回路（８）の過熱状態、すなわちＤＣ−ＤＣ変換回路（２）内部の電圧または電流に異常な状態が発生したときにこれを救済するものであって、ＤＣ−ＤＣ変換回路（２）の出力回路以降に発生している短絡または過電流を発生させる異常原因を救済するものではない。出力回路以降に異常の原因がある場合には、本発明の構成である直列接続された電池の一部を利用して別系統から低電圧を供給しても、本来的にその動作を回復させることはできない。

平滑回路（７）の内部またはその出力に逆流防止回路（例、ダイオード）を電流供給路に直列に接続して、出力回路以降の異常を切り分け、異常状態が平滑回路（７）に及ばないように構成することもできる。ただしこの逆流防止回路を挿入する構成は、その逆流防止回路の順方向に生じる電位差分だけ正常時に出力電圧を降下させることになるから、すべての本装置の適用領域で推奨できるものではない。

本発明は、前記ＤＣ−ＤＣ変換回路（２）の出力に平滑回路（７）が設けられた設計とすることが望ましい。そして、その平滑回路（７）の時定数は前記スイッチ素子（５）の動作時間より十分に長く（例、１００〜１０００倍程度）設定することがよい。これにより電源装置の故障時に運転者が特別な操作を行うことを必要としない。この平滑回路（７）を設けることにより切替を円滑に行うことができる。

前記スイッチ素子（５）が導通状態になったときに運転席に表示を発生する手段（１７）を備える構成とすることが望ましい。この表示により運転者は、制御装置の電源装置に故障が発生して仮の状態で動作していることを認識して、最寄りのサービス工場に車両を持ち込むことができる。

前記車載電池（１）はその一端が車体電位（接地）に接続され、前記低電圧端子（４）の出力も車体電位との間で利用される構成とすることが望ましい。さらに具体的には、車両の各種電気装置の定格電源電圧が２４Ｖ（または３６Ｖ）であるとき、標準的な１２Ｖの電池ユニットを複数個直列接続することにより構成し、一端が接地電位（車体電位）に接続された一つの電池ユニットの隣の電池との接続点から１２Ｖの電源を取りだすことができる。この構成により特別仕様の電池を搭載する必要がなくなる。

本発明の装置を車両に付加することは、内燃機関制御用の電源装置（ＤＣ−ＤＣ変換回路）を二重化する構成にくらべてきわめて安価である。本発明を実施することにより車両に搭載する装置の重量および体積はほとんど増大しない。しかも、本発明を実施することにより、内燃機関制御用の電源装置の故障が原因で車両が路上故障を引き起こす可能性がきわめて小さくなる。運転者は内燃機関制御用の主電源装置が故障したことをインジケータの表示により知ることができる。これにより、内燃機関制御用の電源装置に故障が発生しても、少なくとも「走る、止る、曲がる」ことができる機能を維持した状態で、車両を最寄りのサービス工場まで運行することが可能になる。

（実施例）
図１は本発明実施例装置の要部回路構成図である。この装置は本発明を主電源が直流２４Ｖである貨物車両に実施したものである。図の太線で示す部分が本発明により付加される構成である。

はじめに全体構成を説明すると、この車両の電源電流は車載電池１から供給される。この車載電池１はその端子電圧が２４Ｖであり、端子電圧１２Ｖの標準的な自動車用電池を２個直列に接続して利用する。車載電池はマイナス側が接地（車体）に接続され、プラス側は図の右上に表示する２４Ｖ出力を利用する各種の電装装置に配線される。これらの電装装置はそれぞれ具体的に図示してないが、外装ランプ、パワーステアリング、パワーウインドウ、シガレットライタ、自動ブレーキ制御装置、パワーステアリング、エアバッグその他である。また車載電池１のプラス側電位は、スタータリレー１１を介してスタータ１２に配線される。内燃機関（図外）の回転出力により駆動されるオルタネータ１３の出力がこの車載電池１のプラス端子に接続される。

キースイッチ１０は運転者がエンジンキーにより操作するスイッチであり、その電池端子Ｂに車載電池１のプラス電位が接続される。キースイッチは運転者により４段階（オフ、アクセサリ、オン、およびスタート）に操作される。この図１にはオン（ＯＮ、走行状態）およびスタート（ＳＴ、エンジン始動）に接続される主要回路のみを表示する。他の接続系統は、本発明には直接関係がない装置であり図面が複雑になるので表示を省略する。

よく知られているように、運転者がキースイッチ１０を段階的に右に回転させることにより、キースイッチ１０の表示マトリックスの中に横線により図示する電気回路が車載電池１のプラス側端子に接続される。キースイッチ１０を最も右に回転されたスタート位置（ＳＴ）では、スタータリレー１１が作動し、スタータ１２に電池１から電流が供給される。キースイッチ１０をスタート位置（ＳＴ）に操作したあと、運転者がキーから手を放すことによりキースイッチ１０は自動的にオン位置に戻る。

ＤＣ−ＤＣ変換回路２はその入力側に電池出力（ＤＣ２４Ｖ）を受けて、その出力端子３に安定な直流出力（ＤＣ１２Ｖ）を発生する。さらに詳しくはこのＤＣ−ＤＣ変換回路２には、端子１８を経由してキースイッチ１０のオン位置の電位が取込まれ、このオン位置の電位が有効であるときにＤＣ−ＤＣ変換回路２が作動するように設計されている。図１の右端１２Ｖ出力（ＥＧ／ＣＰＵ）には、図外の内燃機関制御装置を含む車載の各種電子機器の電源回路が接続される。

ここで本発明の特徴とするところは、このＤＣ−ＤＣ変換回路２の故障時の対策にある。ＤＣ−ＤＣ変換回路２は各種電子部品により構成され、可動部分のない安定な装置であり一般に故障の可能性は低い。しかしこのＤＣ−ＤＣ変換回路２は複数の半導体部品により構成されていて、この部品の一つが故障すると、主動力源となる内燃機関を制御するプログラム制御回路に規定の電源電流が供給されなくなり、プログラム制御回路は作動しなくなる。これにより車両は自力走行できなくなる可能性が高い。本発明はこの故障対策として、車載電池１（端子電圧２４Ｖ）の中間接続点（電圧１２Ｖ）から分岐出力を取りだし、これをスイッチ素子５を介してＤＣ−ＤＣ変換回路2の出力端子３に接続する回路を設けたところに特徴がある。

スイッチ素子５は半導体スイッチにより構成され、ＤＣ−ＤＣ変換回路２が正常な状態にあるときには、制御回路６は制御信号を発生することなくスイッチ素子５は非導通状態（オフ）にある。ＤＣ−ＤＣ変換回路２のスイッチ回路８に異常が発生すると、制御回路６がこれを検知してスイッチ素子５を導通状態（オン）に制御する。この制御回路６は、時定数の短い論理回路により構成され、ＤＣ−ＤＣ変換回路２の出力に設けられた平滑回路７の保持電荷が減衰する前に動作が完了するように設計された。すなわちＤＣ−ＤＣ変換回路２の出力端子３の電圧が平滑回路７により保持されている間に実行されて、車載電池１の中点（１２Ｖ）の電圧が出力端子３に現れる。

この実施例装置では、スイッチ回路８の異常を監視するために、スイッチ回路８の構成要素である半導体装置の温度を監視する方法を採用した。出力端子３の出力以降に、例えば出力回路に過電流が発生したような不具合については、従来装置でもさまざまな工夫が行われていて、これらを同様に本発明実施例装置にも併設することができる。これらの構成については本発明に直接関係がないので、詳しい説明を省略する。

この実施例装置の動作時間について説明すると、ＤＣ−ＤＣ変換回路２の出力に設けられている平滑回路７の時定数は数秒である。これに対して制御回路６およびスイッチ素子５の動作時間は数ミリ秒である。したがって本発明の装置による電源の切替が実行されても、出力端子３の電位にはほとんど変動はない。

図２にこの実施例装置の動作タイムチャートを示す。この図２はそれぞれ横軸に時間の経過をＡ〜Ｅについて共通の時間軸で示す。図２Ａはキースイッチ１０の作動状態（ＯＮ／ＯＦＦ）を示す。同図Ｂはスイッチ回路８の作動しているか停止しているかの状態を示す図である。スイッチ回路のスイッチ開閉とは直接に関係ない。図２Ｃは本発明の特徴であるスイッチ素子５の開閉状態を示す。すなわち車載電池１の中点（１２Ｖ）から取りだされた電圧をこのスイッチ素子５が導通状態にある時間ｔだけ、出力端子３に供給したことを示す。これにより図２Ｄに示すように、出力端子３の電圧は１２Ｖに継続的に維持される。スイッチ回路８からの供給電圧は破線のように一時中断するところ、平滑回路７の作用により連続的に保持されることを示す。運転席に配置されたインジケータには、キースイッチ１０が操作によりオン状態になった直後の所定の時間、例えば１〜５秒間だけ、さらにスイッチ素子５の作動時間だけ表示が表われる。

図２の右半分に示す表示は、出力回路が短絡した場合の動作である。スイッチ回路８の出力回路が何らかの原因により時点Ｓで短絡が発生したものとする。このとき出力端子３の電位は実質的に零になり、非常停止回路が作動してこの１２Ｖ電源装置は動作しなくなる。出力回路の短絡原因が解消した時点で、キースイッチ１０をいったんオフに操作して、再びオンに操作すると、非常停止回路はリセットされこのＤＣ−ＤＣ変換回路２は規定通りの出力を供給する。

車載電池１の中点（１２Ｖ）の電圧は、電圧制御回路などにより制御された電圧ではなく、電池が発生するナマの電圧であるから、他の負荷の変動に伴いあるいは車載電池１の充電状態により、その電圧が変動する品質の悪い電圧である。しかし、とりあえず出力端子３に接続された図外の内燃機関制御回路に動作電流を供給することができる。この動作と同時に、制御回路６はスイッチ回路１７を「接地」側に制御してその出力に接地電位を送出することにより、運転席に設けた電源異常を表示するインジケータ（図外）を表示状態にする。このインジケータは音響警報あるいは音声警報を同時に発生するように構成することができる。このインジケータの表示により、運転者はＤＣ−ＤＣ変換回路２の直流出力が非常用回路から供給される状態に切り替わったことを知り、車両を近隣のサービス工場まで運転してゆくことができる。

この実施例装置では、図１に一点鎖線で示すように、ＤＣ−ＤＣ変換回路２、スイッチ素子５、制御回路６、レギュレータ１６、およびスイッチ回路１７を一つの金属筐体９に収容し、ユニットとして構成し車体に取付けるように設計した。レギュレータ１６は本発明の動作には直接関係がないが、各種メモリ回路のメモリ状態を保持するためのバックアップ電源として利用される。エンジン制御リレー１５は、運転操作によりキースイッチ１０がオフに操作された後に、図外のエンジン制御回路が終了処理を実行する時間だけ電源電流を維持するために設けられたものである。

大型車両では各種の装置に電流を供給するための配線距離が長くなり、配線による熱損失が大きいことから、大型車両に実装される車載電池は、その端子電圧を２４Ｖよりさらに高く（３６Ｖまたは４８Ｖなどに）設計することが検討されている。かりに車載電池の端子電圧が高く設定されても、複数のセルの接続点に端子を設け、そのセルの端子電圧を標準的な１２Ｖに設定することが可能であり、同様に本発明を実施することができる。

本発明実施例装置の電気配線図。 本発明実施例装置の動作説明図。

符号の説明

１ 車載電池
２ ＤＣ−ＤＣ変換回路
３ 出力端子
４ 低電圧端子（１２Ｖ）
５ スイッチ素子
６ 制御回路
７ 平滑回路
８ スイッチ回路
９ 金属筐体
１０ キースイッチ
１１ スタータリレー
１２ スタータ
１３ オルタネータ（発電機）
１５ エンジン制御リレー
１６ レギュレータ
１７ スイッチ回路
１８、１９ 端子
２０、２１ ヒューズ

Claims (5)

1. 複数のセルの直列接続を含む車載電池と、この車載電池の両端子間に一対の入力端子が接続されたＤＣ−ＤＣ変換回路とを備え、このＤＣ−ＤＣ変換回路の出力端子から内燃機関制御装置を含む車載電子機器の電源回路に電源電流を供給する車両用電源装置において、
   前記車載電池の直列接続されたセルの一部を利用して前記出力端子の電位にほぼ等しい電位を引き出す低電圧端子を設け、
   この低電圧端子と前記出力端子を接続するスイッチ素子（５）と、
   前記ＤＣ−ＤＣ変換回路の状態を監視してその異常時に前記スイッチ素子（５）を導通状態に制御する制御回路と
   を備えたことを特徴とする車両用電源装置。
2. 前記ＤＣ−ＤＣ変換回路の出力に平滑回路が設けられ、その平滑回路の時定数は前記スイッチ素子の動作時間より十分に長く設定された請求項１記載の車両用電源装置。
3. 前記スイッチ素子が導通状態になったときに運転席に表示を発生する手段を備えた請求項１記載の車両用電源装置。
4. 前記車載電池はその一端が車体電位に接続され、前記低電圧端子の出力も車体電位との間で利用される請求項1記載の車両用電源装置。
5. 前記ＤＣ−ＤＣ変換回路、前記スイッチ素子、および前記制御回路は車体電位に接続された一つの金属筐体に実装された請求項1記載の車両用電源装置。

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