JP2007176435A - パワーディストリビュータ - Google Patents

Abstract

【課題】大電流負荷の動作電圧律則による劣化状態の判定を前提として、鉛バッテリの寿命を延命化することが可能なパワーディストリビュータを得る。
【解決手段】中央制御部１７は、電装品Ｍ３が駆動されている状況で大電流負荷（電装品Ｍ１）が駆動されることにより鉛バッテリ５の端子電圧Ｖが降下し始めた場合、端子電圧Ｖの時間変化ｄＶ／ｄｔに基づいて降下後の端子電圧Ｖを予測し、降下後の端子電圧Ｖが所定の基準値Ｖ０以下であると判定した場合には半導体リレー１１ｂをオフする。
【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリと負荷との接続を制御するパワーディストリビュータに関する。

鉛バッテリの端子電圧を検出する電圧検出部と、鉛バッテリの充放電電流を検出する電流検出部と、鉛バッテリと複数の電装品（負荷）との接続経路に介挿された複数の有接点リレーと、電圧検出部及び電流検出部の各検出結果に基づいて各リレーのオン／オフを制御する中央制御部（ＣＰＵ）とを備えた電源分配装置（パワーディストリビュータ）が、下記特許文献１に開示されている。

中央制御部は、スタータ・モータの始動時に電圧検出部によって検出された鉛バッテリの電圧降下に基づいて、鉛バッテリの劣化状態を判断する。つまり、かかる電源分配装置では、エンジンの始動性律則によって鉛バッテリの劣化状態が判定されている。

特開２００５−２６３０６８号公報

近年、電動パワーステアリング等の大電流負荷が、自動車に搭載されるようになってきている。これに伴い、鉛バッテリの劣化状態の判定は、従来の始動性律則から、大電流負荷の動作電圧律則へとシフトされつつある。つまり、大電流負荷を駆動することによって鉛バッテリの端子電圧は降下するが、降下後の端子電圧が所定の基準値以下であるか否かによって、鉛バッテリの劣化状態が判定される。

しかしながら、上記特許文献１に開示された従来の電源分配装置では、始動性律則によって鉛バッテリの劣化状態が判定されており、大電流負荷の動作電圧律則による判定に対応できていない。大電流負荷の動作電圧律則による判定基準は始動性律則による判定基準に比べて厳しいため、大電流負荷の動作電圧律則による劣化状態の判定によると、鉛バッテリが寿命に至るまでの期間が平均的に短くなる。

本発明はかかる事情に鑑みて成されたものであり、大電流負荷の動作電圧律則による劣化状態の判定を前提として、鉛バッテリの寿命を延命化することが可能なパワーディストリビュータを得ることを目的とする。

第１の発明に係るパワーディストリビュータは、バッテリと複数の負荷との接続を制御するパワーディストリビュータであって、前記複数の負荷には、大電流で駆動される第１の負荷と、前記第１の負荷の駆動電流よりも小さい電流で駆動される第２の負荷とが含まれ、前記パワーディストリビュータは、前記バッテリと前記第２の負荷との接続経路に介挿されたスイッチング手段と、前記バッテリの端子電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段の検出結果に基づいて前記スイッチング手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記端子電圧の時間変化に基づいて降下後の前記端子電圧を予測し、予測された降下後の前記端子電圧が所定の基準値以下であると判定した場合には前記スイッチング手段をオフすることを特徴とする。

第２の発明に係るパワーディストリビュータは、第１の発明に係るパワーディストリビュータにおいて特に、前記スイッチング手段は半導体リレーであることを特徴とする。

第１の発明に係るパワーディストリビュータによれば、制御手段は、第２の負荷が駆動されている状況で第１の負荷が駆動されることにより端子電圧が降下し始めた場合等において、端子電圧の時間変化に基づいて降下後の端子電圧を予測し、降下後の端子電圧が所定の基準値以下であると判定した場合にはスイッチング手段をオフする。スイッチング手段がオフされることにより、バッテリと第２の負荷との接続が解除され、第２の負荷の駆動に起因する分の端子電圧の降下が回避される。その結果、第１及び第２の負荷が同時に駆動されている場合と比較すると端子電圧の降下は抑制されるため、降下後の端子電圧が基準値以下となる頻度が減少する。その結果、バッテリが寿命に至ったことを報知するための警告灯が点灯する頻度も減少し、バッテリの寿命を延命化することができる。

第２の発明に係るパワーディストリビュータによれば、スイッチング手段として無接点の半導体リレーを採用することにより、スイッチング手段のオン／オフの切り換えを、回数に制限されることなく実行することができる。特に第１の負荷が電動パワーステアリングである場合には、ステアリングを操作する度にスイッチング手段のオン／オフが切り換えられる事態が想定されるため、切り換え回数に制限のない半導体リレーを採用することは、特に有効である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、異なる図面において同一の符号を付した要素は、同一又は相応する要素を示すものとする。

＜構成＞
本発明の実施の形態に係るバッテリ状態検知機能を備えた電源分配装置（パワーディストリビュータ）１０は、図１及び図２に示すように、負荷である電装品Ｍ１〜Ｍ４のオン／オフを行うとともに、オルタネータ１から与えられる電圧をレギュレータ３の制御により調整するものであって、特に、鉛バッテリ５の劣化状態（及び電池残量）を精度良く検知する機能を有するものである。

なお、この明細書において、劣化状態とは、経年変化による鉛バッテリ５の劣化の度合いを示しており、電池残量とは、鉛バッテリ５の満充電時を基準とした放電可能な電荷量を示している。

オルタネータ１は、図２に示すように、例えば三相交流発電機が適用され、Ｖベルト等によって自動車のクランクシャフトの回転動力を受ける回転子としてのロータ２１と、このロータ２１の周囲に配置されたステータ２３と、ロータ２１の回転により発生したステータ２３の各相における起電力を整流するためのダイオードによって構成される整流回路２５とを備えている。

ロータ２１は、レギュレータ３からの界磁電流を受けて磁界を発生する電磁コイルが適用される。ロータ２１の両端には、レギュレータ３から与えられる界磁電流の変化を抑制するためのコンデンサ２６が介装されている。

ステータ２３は、例えばＵ相、Ｖ相、及びＷ相のそれぞれのコイル２７が一対ずつで合計６個設けられており、これに伴って、整流回路２５も、ステータ２３の各コイル２７に対応したハイ側ダイオード２９ａ及びロー側ダイオード２９ｂを合わせて合計１２個のダイオードが使用されてなる。

そして、ステータ２３のロー側ダイオード２９ｂのカソードから出力される発電電流は、電源分配装置１０の複数のヒューズ３０を介して半導体リレー１１ａ，１１ｂ（後述）に接続される。

レギュレータ３は、元来、オルタネータ１での発電電力がエンジンの回転数等によって変動すること等によって、電装品Ｍ１〜Ｍ４に与えられる電圧が変化するのを可及的に安定化させる目的で設置されるものであるが、本実施の形態では、その他の機能として、燃費の向上等を目的として、鉛バッテリ５に対する電圧を積極的に増減させて、その鉛バッテリ５の充電制御を行うためにも使用される。

例えば、加速時においては、レギュレータ３によりオルタネータ１の発電を停止して素早い加速を実現する一方、制動時においては、レギュレータ３によりオルタネータ１での発電量を上げて多くのエネルギーを回生するように動作することで、燃費を向上させるようにも機能する。

具体的に、レギュレータ３は、オルタネータ１のロータ２１の一端に接続された第１のスイッチング素子（トランジスタ）３３と、ロータ２１の他端に接続された第２のスイッチング素子（トランジスタ）３５と、これらの両スイッチング素子３３，３５をオン／オフ又はチョッパ制御してロータ２１の界磁電流を調整するＩＣ部３７とを備えている。

そして、このＩＣ部３７は、電源分配装置１０のレギュレータ制御部１５から与えられたレギュレータ調整電圧指令値Ｄ１に基づいて、ロータ２１の界磁電流を調整する。

なお、ＩＣ部３７には、スイッチ３８を介して電源分配装置１０内でヒューズ３０に与えられる電圧が入力されており、この発電電圧が一定電圧以下になると、ＬＥＤ等が使用されたインストゥルメントパネルの充電警告灯３９を点灯するようになっている。

なお、従来においては、レギュレータ３の制御をエンジン制御用のＥＦＩ−ＥＣＵで行っていたが、本実施の形態では、かかるレギュレータ３の制御を、電源に係る制御を司る電源分配装置１０により行う構成となっている。

そして、電源分配装置１０は、図２に示すように、各種の電装品Ｍ１〜Ｍ４（図１参照）への電源供給をオン／オフするスイッチング手段としての複数の半導体リレー（本実施の形態では２個の半導体リレー１１ａ，１１ｂを代表的に示す。）と、鉛バッテリ５の状態等の自動車の様々な状況に応じて予め決定しておいた優先順位の情報が格納された不揮発性メモリ１３と、レギュレータ３を制御することで当該レギュレータ３を通じてオルタネータ１から供給される電圧を調整するレギュレータ制御部１５と、電流検出部５１と、電圧検出部（電圧検出手段）５３と、バッテリ状態や自動車の各部で得られた情報に基づいて、レギュレータ制御部１５を制御しつつ半導体リレー１１ａ，１１ｂのオン／オフを制御するＣＰＵ等の中央制御部（制御手段）１７とを備えている。

半導体リレー１１ａは、鉛バッテリ５と、電動パワーステアリング等の大電流負荷である電装品Ｍ１との間の接続経路に介挿されている。大電流負荷としては、電動パワーステアリングのほかに、電動アクティブスタビライザー等が挙げられる。半導体リレー１１ｂは、鉛バッテリ５と、オーディオやエアコン等の自動車にとって付属的な機能を司る電装品Ｍ３との間の接続経路に介挿されている。半導体リレー１１ａ，１１ｂとしては、ＳＳＲやＭＯＳＦＥＴペア等の、トランジスタやダイオード等を用いた無接点のリレーが使用されている。

不揮発性メモリ１３としては、フラッシュＲＯＭやＥＥＰＲＯＭ等の書き込み可能なデータ記憶媒体が使用され、各半導体リレー１１ａ，１１ｂをオン／オフ制御する態様と、上述のオルタネータ１のロータ２１の界磁電流をレギュレータ３のＩＣ部３７で設定するために指示するレギュレータ調整電圧指令値Ｄ１を、自動車の状況（例えば、始動、走行及び駐車等）に対応づけた状態で、例えばデータテーブルといった所定のフォーマットで予め保有している。

レギュレータ制御部１５は、中央制御部１７から指示されたタイミングで、当該中央制御部１７から与えられたレギュレータ調整電圧指令値Ｄ１を、レギュレータ３のＩＣ部３７に出力する。

電流検出部５１は、例えばシャント抵抗等が使用され、図３に示すように、鉛バッテリ５のプラス端子に接続される充放電用の通電路５４に介挿されており、鉛バッテリ５に対して充電又は放電される電流を検出する。電圧検出部５３は、鉛バッテリ５の端子電圧を検出する。

中央制御部１７は、図示しないＲＡＭ等が接続され、上記の不揮発性メモリ１３内に予め格納されたソフトウェアプログラムに基づいて動作する機能要素であって、このソフトウェアプログラムによって定義された機能としては、鉛バッテリ５の劣化状態（及び電池残量）を含む自動車の様々な状況を判断し、当該状況に応じて半導体リレー１１ａ，１１ｂを個別にオン／オフする機能と、不揮発性メモリ１３から読み出したレギュレータ調整電圧指令値Ｄ１を自動車の状況に応じて選択し、この選択したレギュレータ調整電圧指令値Ｄ１をレギュレータ制御部１５を介してレギュレータ３に出力する機能とがある。

中央制御部１７が鉛バッテリ５の状態検知を行う際、この中央制御部１７は、鉛バッテリ５に対する充電又は放電が開始されたときに、電流検出部５１を介して検出されるその充放電の電流値と、電圧検出部５３を介して検出されるその充放電の開始の前後における端子電圧の変化量とに基づいて、鉛バッテリ５の電池残量を検知する。鉛バッテリ５に対する充電又は放電の開始の中央制御部１７による検知は、例えば電流検出部５１による充放電電流の検出に基づいて行われる。

なお、図２中の符号５５は自動車の状況を収集するためのスイッチ類やセンサ類であって、例えばドアロックの有無を検出するスイッチ、イグニションのオン／オフを検出するスイッチ及びスタータ操作のオン／オフを検知するスイッチ等である。また、符号５９はスタータ・スイッチ部を示しており、スタータ・モータ６１を電磁リレー６３でオンオフする構成となっている。

＜劣化状態の検知＞
以下、本発明に係る鉛バッテリ５の劣化状態の検知方法について説明する。本実施の形態に係る電源分配装置１０は、大電流負荷の動作電圧律則によって鉛バッテリ５の劣化状態を判定するものである。大電流負荷の動作電圧律則では、大電流負荷の駆動に起因する降下後の鉛バッテリ５の端子電圧Ｖが、所定の基準値Ｖ０（例えば１０Ｖ）以下であるか否かによって、鉛バッテリ５の劣化状態が判定される。なお、基準値Ｖ０は、不揮発性メモリ１３に予め記憶されている。

上記の通り、電装品Ｍ１は大電流で駆動される負荷（以下、１００Ａ程度の電流で駆動される電動パワーステアリングを例にとる）であり、電装品Ｍ３は大電流負荷の駆動電流よりも小さい電流で駆動される負荷である。半導体リレー１１ａは鉛バッテリ５と電装品Ｍ１との接続を制御し、半導体リレー１１ｂは鉛バッテリ５と電装品Ｍ３との接続を制御する。ここでは、初期状態において半導体リレー１１ａ，１１ｂがいずれもオンである場合を想定する。

図４を参照して、時刻Ｔ１において、電装品Ｍ３が駆動されている状況で大電流負荷（電装品Ｍ１）が駆動されると、鉛バッテリ５の端子電圧Ｖが、電圧値Ｖ１から次第に降下し始める。鉛バッテリ５の端子電圧Ｖは電圧検出部５３によって常に検出されており、電圧検出部５３による検出結果は、中央制御部１７によって数ｍｓｅｃの時間間隔でサンプリングされる。従って、中央制御部１７は、端子電圧Ｖが降下し始めたことを、時刻Ｔ１の直後において検出可能である。

時刻Ｔ２及びその後の時刻Ｔ３においても、端子電圧Ｖの降下は継続されている。中央制御部１７は、各時刻Ｔ２，Ｔ３における端子電圧Ｖの電圧値Ｖ２，Ｖ３を、電圧検出部５３からそれぞれ取得する。そして、時刻Ｔ２，Ｔ３及び電圧値Ｖ２，Ｖ３に基づいて、端子電圧Ｖの時間変化量ｄＶ／ｄｔを算出する。つまり、（Ｖ３−Ｖ２）／（Ｔ３−Ｔ２）なる演算を実行する。次に、中央制御部１７は、降下前の電圧値Ｖ１と時間変化量ｄＶ／ｄｔとに基づいて、時刻Ｔ１から所定時間経過後の時刻Ｔ４における端子電圧Ｖの電圧値Ｖ４を予測する。つまり、Ｖ４＝Ｖ１＋ｄＶ／ｄｔ×（Ｔ４−Ｔ１）なる演算を実行する。ここで、時刻Ｔ１と時刻Ｔ４との間の時間間隔（Ｔ４−Ｔ１）は、１回のステアリング操作に要する平均的な時間に対応させて、例えば１秒程度に設定されている。これにより、中央制御部１７は、降下後の端子電圧Ｖの電圧値Ｖ４を、実際に時刻Ｔ４に到達するよりも前の時点において予測することができる。

次に、中央制御部１７は、予測した電圧値Ｖ４と、不揮発性メモリ１３に記憶されている基準値Ｖ０とを比較する。その結果、電圧値Ｖ４が基準値Ｖ０よりも高い場合には、特別な処理は行わない。

一方、予測した電圧値Ｖ４が基準値Ｖ０以下である場合には、中央制御部１７は、半導体リレー１１ｂをオフして、鉛バッテリ５と電装品Ｍ３との接続を解除する。これにより、電装品Ｍ３の駆動に起因する分の端子電圧Ｖの降下が回避されるため、電装品Ｍ１，Ｍ３が同時に駆動されている場合と比較すると、端子電圧Ｖの降下は抑制される。なお、ステアリングの操作が終了した時刻Ｔ４以降において、半導体リレー１１ｂは再度オンされる。

半導体リレー１１ｂのオフ制御を行わない場合、実際に時刻Ｔ４において端子電圧Ｖが基準値Ｖ０以下になると、中央制御部１７は、鉛バッテリ５が寿命に至ったことを報知するための警告灯１００（図２参照）を点灯させる必要がある。運転者は、警告灯１００が頻繁に点灯されていることを受けて、鉛バッテリ５が寿命に至ったと判断する。

これに対して、本実施の形態に係る電源分配装置１０によれば、上記の通り、予測した電圧値Ｖ４が基準値Ｖ０以下である場合には、半導体リレー１１ｂをオフすることによって、端子電圧Ｖの降下を抑制する処理を行う。従って、降下後の端子電圧Ｖが基準値Ｖ０以下となる頻度が減少するため、警告灯１００を点灯させる頻度を減少させることができる。その結果、鉛バッテリ５の寿命を延命化することが可能となる。

また、本実施の形態に係る電源分配装置１０によれば、無接点の半導体リレー１１ａ，１１ｂが採用されているため、半導体リレー１１ａ，１１ｂのオン／オフの切り換えを、回数に制限されることなく実行することができる。本実施の形態に係る電源分配装置１０では、ステアリングを操作する度に半導体リレー１１ｂのオン／オフが切り換えられる事態が想定されるため、切り換え回数に制限のない半導体リレーを採用することは、特に有効である。

本発明の実施の形態に係る電源分配装置を用いたシステム構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る電源分配装置の内部構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る電源分配装置の一部構成を示すブロック図である。 大電流負荷駆動時の電圧波形を示すグラフである。

符号の説明

５ 鉛バッテリ
１０ 電源分配装置
１１ａ，１１ｂ 半導体リレー
１７ 中央制御部
５３ 電圧検出部
Ｍ１〜Ｍ４ 電装品

Claims (2)

1. バッテリと複数の負荷との接続を制御するパワーディストリビュータであって、
   前記複数の負荷には、大電流で駆動される第１の負荷と、前記第１の負荷の駆動電流よりも小さい電流で駆動される第２の負荷とが含まれ、
   前記パワーディストリビュータは、
   前記バッテリと前記第２の負荷との接続経路に介挿されたスイッチング手段と、
   前記バッテリの端子電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段の検出結果に基づいて前記スイッチング手段を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記端子電圧の時間変化に基づいて降下後の前記端子電圧を予測し、予測された降下後の前記端子電圧が所定の基準値以下であると判定した場合には前記スイッチング手段をオフする、パワーディストリビュータ。
2. 前記スイッチング手段は半導体リレーである、請求項１に記載のパワーディストリビュータ。
   

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