JP2008193759A - 車内電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】トランスの一次側に正弦波を供給することでハーネスを長くし、さらにハーネスを長くしてもスイッチングサージの影響を軽減するとともに、アドオンも簡単に実施する電源装置を提供する。
【解決手段】直流電源から車内に配線される車内ハーネスを介して車内に配設される複数の車載用装置に送電する車内電力供給システムであって、直流電源から出力される直流電力を制御して予め設定した周期の交流電力を生成する交流生成装置と、交流生成装置の出力端子に接続された車内ハーネスから出力される交流電力をトランスにより受電し、受電した交流電力を車載用装置を駆動するための直流電力に変換する車載用装置ごとに設けられる装置内部電源回路と、を具備する車内電力供給システムである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、直流電源から複数の装置に電力を供給する多出力の電源装置の技術に関する。

従来、自動車などに搭載される装置（例えば、カーオディオ、カーナビゲーション）に電力を供給する場合、直流電圧源（バッテリなど）から各装置の電源部に直流のまま電力供給している。このような方式では、通常低電圧バッテリの出力を各装置に設けられた三端子レギュレータに入力をし、各装置で必要とする電圧に変換するドロッパ方式が知られている。例えば、低電圧バッテリの出力を三端子レギュレータにより５Ｖ、３．３Ｖなどに変換して使用している。ところが、上記に示した三端子レギュレータなどを用いたいわゆるドロッパ方式では電力損失が大きく複数装置に電力を供給するような電源装置には適さない。また、大電力を必要とする場合には発熱対策などをしなければならず放熱板などにより装置体積が大きくなってしまう。

そこで、複数の装置に電力を供給する方式としてスイッチング電源を用いる方法が採用されている。例えば、高圧バッテリを用いるハイブリッド車などに用いられている。
ところが、スイッチング電源を用いた場合には、現状では複数のトランスを装置側に設けるか、一入力多出力のトランスを用いて単一基板を製作して各装置に電力を供給しなければならない。

複数のトランスを装置側に設ける方式として特許文献１がある。特許文献１によれば第１電力を出力するＰＦＨＣ（Power Factor Harmonic Correction）と、ＰＦＨＣから供給される第１電力によりそれぞれが第２電力を生成する複数のコンバータＡ、Ｂ、Ｃと接続されている。さらに、第１電力が断続的に複数のコンバータへ供給されるようにＰＦＨＣと複数のコンバータとの間の経路の開閉を制御するトランジスタ及び制御回路から成るスイッチング機構が設けられている。また、複数のコンバータの各々は、断続的に供給される第１電力を変換して第２電力を生成する各トランスを備え、これらのトランスは各コンバータで、固有の巻線比により第１電力を第２電力へ変換するように構成される。このように構成することで、トランスをコンバータ毎に備えるために、トランスの巻線比が自由に設定でき、高効率となる。また、スイッチング機構を一つしか持たないために小型化、低コスト化が容易な電源装置が提案されている。

また、単一基板上のトランスの二次側に複数の装置を備える方式として、特許文献２に示すような異常電流検出回路ＣＳ１〜ＣＳ４もしくは異常電圧検出回路ＶＳ１〜ＶＳ４が異常を検出し、異常検出信号を出力すると、１次／２次分離回路を介してこの異常検出信号を受けた制御回路は停止信号を遮断回路に出力する。そして、停止信号を受けた遮断回路は、この多出力ＤＣ−ＤＣコンバータと入力側とを遮断する。このように多出力ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、異常電流や異常電圧がどの出力端において発生しても、入力側を遮断できる電源装置が提案されている。

しかしながら、特許文献１では、トランスの一次側に入力される電力を矩形波で供給するための制御回路を設けるとともに、各装置のトランスの一次側にハーネスが接続されている。そのため、自動車内に配線される車内ハーネスなどを考慮すると、ハーネスの長さは長く（１ｍ以上：通常２〜５ｍ）と、ハーネスが長ければ長いほどハーネスのインダクタンスに蓄えられたエネルギーの放出（スイッチングサージ）が問題となり、制御回路を破損してしまうことが考えられる。

また、特許文献２においては入力側に矩形波を入力しているため一次側のハーネスを長くすることができない。また、一入力多出力のトランスを用いているため、決められた数の装置しかアドオンできず、追加する場合にはトランスを再設計するか他のトランスを設けなければならないという問題がある。
特開２００２−２６２５７２号公報 特開平６−１０５５４８号公報

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたものであり、トランスの一次側に正弦波を供給することでハーネスを長くし、さらにハーネスを長くしてもスイッチングサージの影響を軽減するとともに、アドオンも簡単に実施する電源装置を提供することを目的とする。

本発明の態様のひとつである直流電源から車内に配線される車内ハーネスを介して車内に配設される複数の車載用装置に送電する車内電力供給システムであって、前記直流電源から出力される直流電力を制御して予め設定した周期の交流電力を生成する交流生成装置と、前記交流生成装置の出力端子に接続された前記車内ハーネスから出力される交流電力をトランスにより受電し、前記受電した交流電力を前記車載用装置を駆動するための直流電力に変換する前記車載用装置ごとに設けられる装置内部電源回路と、を具備する構成である。

このように交流電力（略正弦波）を各車載用装置に送電することで、各装置の電力損失を下げることができる。また、各車載装置に備えられたトランスの一次側に直流電圧源から生成した正弦波（電力）を伝達するため、ハーネスの引き回しが任意にでき、車載用装置のトランスまでのハーネスが長くなってもスイッチングサージ（電源オン／オフ時）が立ち難くできる。また、装置の追加、取外しが容易にできる。

好ましくは、前記交流生成装置は、前記直流電源と並列に接続される第１コンデンサと、前記直流電源のプラス極を第１トランジスタと第３トランジスタのドレイン端子と接続し、前記直流電源のマイナス極を第２トランジスタと第４トランジスタのソース端子と接続し、前記第１トランジスタのソース端子と前記第２トランジスタのドレイン端子を接続して第１出力端子とし、前記第３トランジスタのソース端子と前記第４トランジスタのドレイン端子を接続して第２出力端子とし構成される交流生成回路と、前記交流生成回路の前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ、前記第４トランジスタのゲート端子と接続され、パルス幅変調制御をする交流制御回路と、を具備する構成でもよい。

また、装置内部電源回路は、前記車内ハーネスを介して前記交流生成装置から出力される交流電力を昇圧または降圧する前記トランスと、前記トランスから出力される交流電力をダイオードにより整流する整流回路と、前記整流回路からの出力を第２コンデンサにより平滑する平滑回路と、前記整流回路と前記平滑回路間に過電流と低電圧を検出する保護回路と、を具備する構成としてもよい。

また、前記交流生成回路の出力にフィルタ回路を設けてもよい。フィルタを設けることで交流生成装置の出力からノイズ成分を除去し車載装置への影響を軽減する。
好ましくは、前記予め設定した周期により生成する交流電力の周波数は１０ｋＨｚ以上であってもよい。交流電力の周波数を高周波にすることで車載用装置に設けられるトランスを小さくすることができる。また、前記車内ハーネスの配線長は１ｍ以上であってもよい。

本発明の他の態様のひとつである直流電源から車内に配線される車内ハーネスを介して車内に配設される複数の車載用装置に送電する車内電力供給システムであって、前記直流電源から出力される直流電力を制御して予め設定した周期の略正弦波の交流電力を生成する１つの交流生成装置と、前記交流生成装置の出力端子に接続される前記車内ハーネスと、前記車内ハーネスを介して並列に接続される複数の車載用装置と、を具備し、前記複数の車載用装置はそれぞれ、前記交流電力を受電するトランスを具備し、前記交流電力の周波数は１０ｋＨｚ以上であることを特徴とする構成でもよい。

本発明では、各装置の電力損失を下げることができる。また、各装置に備えられたトランスの一次側に直流電圧源から生成した正弦波（電力）を伝達するため、ハーネスの引き回しが任意にでき、トランスまでのハーネスが長くなってもスイッチングサージ（電源オン／オフ時）が立ち難くできる。また、車載用装置の追加、取外しが容易にできる。

（原理説明）
自動車などの移動体に配設される直流電源（バッテリーなど）から車内に配線される車内ハーネスを介して車内に配設される複数の車載用装置に送電する車内電力供給システムについて説明する。

通常、自動車の車内ハーネスは自動車の構造に合わせたスタイリングを取るように配線設計がされる。また、可動部などがある場合には余裕をもたせる必要があるため、直流電源から各車載用装置までの車内ハーネス（電源用）の長さは５ｍ以上になることもある。このように車内ハーネスが長い場合、直流電力を供給するより交流電力を供給したほうが電力損失を抑制できる。

そこで、本発明の車内供給システムには少なくとも直流電源、交流生成装置と、車内に配設される車載用装置がそれぞれ装置内部電源回路を備えた構成とする。
また、本発明の車内供給システムは、１つの交流生成装置に対して、複数の装置内部電源回路（または装置内部電源回路を備えた複数の車載用装置）が車内ハーネスを介して並列に接続される構成とする。

交流生成装置は、直流電源から出力される直流電力を制御し、予め設定した周期の交流電力を生成する。この場合、交流であればよいが正弦波でかつ高周波であることが望ましい。

装置内部電源回路は、交流生成装置の出力端子に接続された車内ハーネスから出力される交流電力をトランスにより受電し、受電した交流電力を直流電力に変換して各車載用装置を駆動する。

ここで、車内ハーネスは従来のような直流電源から直流電力を直接各車載用装置に送電するときと同様のアセンブリのまま用いるだけでなく、交流電力を用いるため配線長をさらに延ばしても安定して車載用装置に電力を供給することができるようになる。また、装置内部電源回路のトランスを小型化することが可能になる。

以下図面に基づいて、本発明の実施形態について詳細を説明する。
（実施例１）
図１は自動車などの移動体に搭載する複数の車載用装置へ電力を供給する場合の電源と配線について示した図である。図１に示す自動車１（移動体）には、バッテリ２（直流電源）、交流生成装置３、車載用装置４（Ａ〜Ｄ：オーディオ、カーナビゲーションなど）が車内ハーネス５によって接続されている。

バッテリ２（直流電源）は、略一定の電圧（直流）により交流生成装置３に電力を供給する。
交流生成装置３は、交流生成回路６、交流制御回路７から構成され、バッテリ２（直流電源）から入力された直流電力を交流電力に変換する。

各車載用装置４は、交流生成装置３から車内ハーネス５を介して交流電力が車載用装置４ごとに設けられた装置内部電源回路８に供給される。そして、供給された交流電力を所望の直流電力に変換して各車載用装置４の内部回路に供給し、各車載用装置４を駆動する。

図２は交流生成回路６と装置内部電源回路８の接続（配線）と構成について示した図である（電圧形インバータ回路）。
バッテリ２（直流電源）は、複数個の直流電源が直列に接続されている。

交流生成回路６は、コンデンサＣ１（第１コンデンサ）、トランジスタＱ１〜Ｑ４（Ｑ１：第１トランジスタ、Ｑ２：第２トランジスタ、Ｑ３：第３トランジスタ、Ｑ４：第４トランジスタ）から構成されている。

トランジスタＱ１のソース端子とＱ２のドレイン端子が接続され、トランジスタＱ３のソース端子とトランジスタＱ４のドレイン端子が接続されている。
また、トランジスタＱ１とＱ３のドレイン端子はコンデンサＣ１の一方とバッテリ２のプラス端子（プラス極）と接続され、トランジスタＱ２とＱ４のソース端子はコンデンサＣ１の他方とバッテリ２のマイナス端子（マイナス極）に接続されている。

また、トランジスタＱ１のソース端子とトランジスタＱ２のドレイン端子を接続して第１出力端子とし、トランジスタＱ３のソース端子とトランジスタＱ４のドレイン端子を接続して第２出力端子とする。

このように構成された、フルブリッジ方式の交流生成回路６のトランジスタＱ１〜Ｑ４の各ゲート端子は、交流制御回路７に接続されている。交流制御回路７から送信される駆動信号（Ｓ１〜Ｓ４）によりトランジスタＱ１〜Ｑ４を切り換えて導通制御を行うことにより交流電力（略正弦波）を生成する。また、本例ではトランジスタＱ１〜Ｑ４はトランジスタはＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などである。また、本実施例ではボディダイオード（帰還ダイオード）を備えているが限定するものではなく外部にダイオードを備えてもよい。なお、トランジスタＱ１〜Ｑ４はスイッチング素子であればトランジスタに限定するものではない。

また、交流生成回路６の構成はフルブリッジ方式でなくても所望の交流電力を生成できればよい。
交流制御回路７は、交流生成回路６のトランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のゲート端子と接続され、駆動信号Ｓ１〜Ｓ４によって交流を生成するための制御をする。

例えば、図２のフルブリッジを用いた場合、トランジスタＱ１およびＱ４がオン、それ以外のトランジスタＱ２、Ｑ３がオフとなる期間では複数の車載用装置４に設けられたトランスＴ１の一次側巻線と配線負荷（車内ハーネス５）にバッテリ２（直流電源）の電源電圧の正の電圧が印加される。

次に、トランジスタＱ２およびＱ３がオン、それ以外のトランジスタＱ１、Ｑ４がオフとなる期間ではトランスＴ１の一次側巻線と配線負荷にバッテリ２（直流電源）の電源電圧の負の電圧が印加される。

しかし、このときには各トランスＴ１の一次側巻線と配線負荷のインダクタンスにエネルギーがあるため、トランジスタＱ２とＱ３のダイオードを流れることとなる。その後、バッテリ２の直流電源正方向から電流が流れ、トランジスタＱ２とＱ３の流しうる電流方向となる。

同じように、トランジスタＱ１およびＱ４をオン、それ以外のトランジスタＱ２とＱ３をオフすると、各トランスＴ１の一次側巻線と配線負荷のインダクタンスにエネルギーがあるため、トランジスタＱ１とＱ４のダイオードを流れることとなる。

その後、バッテリ２の直流電源負方向から電流が流れ、トランジスタＱ１とＱ４の流しうる電流方向となり、交流信号の１周期が経過する。
このように制御をすることで、車内ハーネス５に蓄えられるインダクタンスのエネルギーがフルブリッジ内で回生するためスイッチングサージを抑制することができるようになる。

また、上記制御は簡単な交流生成の制御について説明したが、本発明において交流電力の電圧波形は正弦波でかつ高周波であることが望ましいため、零電圧の形成を行うことでさらに正弦波に近づけることを行ってもよい。また、パルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）や三角波を用いた正弦波ＰＷＭを用いて交流信号を生成してもよい。

また、トランスＴ１の小型化のためには予め設定した周期により生成する交流電力の周波数は１０ｋＨｚ以上であることが望ましい。
なお、本発明は車内ハーネスの配線長は１ｍ以上である場合に有効である。

装置内部電源回路８は、上記説明したトランスＴ１、整流回路９、保護回路１０、コンデンサＣ２（第２コンデンサ）から構成されている。また、装置内部電源回路８は、車内ハーネスを介して交流生成装置３から出力される交流電力を昇圧または降圧するトランスＴ１に接続される。トランスＴ１の二次側から出力される交流電力を整流回路９のダイオードにより両波整流し、その出力を平滑回路であるコンデンサＣ２により平滑化する。また、整流回路９と平滑回路間に過電流と低電圧を検出する保護回路１０を設けて過電流と低電圧を検出し、検出した場合は車載用装置４本体への電源供給を停止る。

次に、トランスＴ１は、一次側巻線と二次側巻線とを備えており、交流生成装置３から出力された交流信号（電力）をトランスＴ１の一次側巻線に印加し、二次側巻線は所定の交流電圧を誘起する。交流出力電圧の実効値は、一次側巻線と二次側巻線との巻線比により決定する。ここで、一次側巻線と二次側巻線の巻線比を、各車載用装置４のそれぞれのトランスＴ１で異なるものでもよい。また、トランスＴ１の二次巻線を複数用意して多出力にしてもよい。

整流回路９は、トランスＴ１の二次側巻線に発生する交流出力電圧を整流するダイオードＤ１、Ｄ２を備えている。ダイオードＤ１のアノードは二次側巻線の一方に接続され、ダイオードＤ２のアノードは二次側巻線の他方に接続されている。ダイオードＤ１とＤ２のカソードは保護回路１０のスイッチＳＷ１（リレーなど）の一方に接続されている。

ここで、本発明では両波整流回路を用いているが全波整流回路を用いてもよい。
保護回路１０はショート故障発生時などに、他の車載用装置４の電源が落ちないようするために各車載用装置４に設けられている。入力部にスイッチＳＷ１を設け、スイッチＳＷ１の他方を抵抗Ｒ１の一方に接続するとともに過電流・低電圧検出回路１１に接続する。また、抵抗Ｒ１の他方を過電流・低電圧検出回路１１に接続する。過電流・低電圧検出回路１１はこの抵抗Ｒ１の両端の電圧を計測し過電流または低電圧検出時にスイッチＳＷ１をオフ（オープン）することで直流電源供給を遮断する。

コンデンサＣ２（平滑回路）は、整流回路９の出力を平滑するために設ける。コンデンサＣ２の一方は抵抗Ｒ１の他方と接続され、コンデンサＣ２の他方はトランスＴ１の二次側巻線の中点に接続される。このコンデンサＣ２により整流回路９の出力は平滑され直流出力電圧を生成する。この直流電圧は出力端子（出力、ＧＮＤ）から車載用装置４の内部回路に供給される。

ここで、トランスＴ１の一次側巻線に印加する交流電圧の周波数としてはトランスの小型化のため極力高い周波数が望まれるが、車両内のノイズ状況（ラジオノイズ帯など）および、回路内での損失を考慮して決めるのが望ましい。

なお、交流電力（正弦波）をトランス比に応じた電圧に変換し、整流することのみで所望の絶縁した電圧を得ることができる。
さらに、車載用装置４に装置内部電源回路８を備えているため、車載用装置４を新たに追加することや、取外すことが容易にできる。

（実施例２）
図３に実施例２の構成を示す。実施例１と同様の構成であるが、交流生成回路６の出力にフィルタ回路３１を設け、フィルタ回路３１の出力から車内ハーネス５を各装置内部電源回路８のトランスＴ１の一次巻線側に接続する。

フィルタ回路３１は抵抗、コンデンサ、コイルを用いて構成し、抵抗、コンデンサ、コイルの定数は車両内のノイズ状況（ラジオノイズ帯など）および、正弦波の周波数を考慮して決めるのが望ましい。

また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

自動車内の構成を示す図である。 実施例１の構成を示す図である。 実施例２の構成を示す図である。

符号の説明

１ 自動車（移動体）、
２ バッテリ（直流電源）、
３ 交流生成装置、
４ 車載用装置、
５ 車内ハーネス、
６ 交流生成回路、
７ 交流制御回路、
８ 装置内部電源回路、
９ 整流回路、
１０ 保護回路、
１１ 過電流・低電圧検出回路、
３１ フィルタ回路、
Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ、
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード、
ＳＷ１ スイッチ、
Ｒ１ 抵抗、
Ｔ１ トランス、

Claims (7)

1. 直流電源から車内に配線される車内ハーネスを介して車内に配設される複数の車載用装置に送電する車内電力供給システムであって、
   前記直流電源から出力される直流電力を制御して予め設定した周期の略正弦波の交流電力を生成する交流生成装置と、
   前記交流生成装置の出力端子に接続された前記車内ハーネスから出力される交流電力をトランスにより受電し、前記受電した交流電力を前記車載用装置を駆動するための直流電力に変換する前記車載用装置ごとに設けられる装置内部電源回路と、
   を具備することを特徴とする車内電力供給システム。
2. 前記交流生成装置は、
   前記直流電源と並列に接続される第１コンデンサと、
   前記直流電源のプラス極を第１トランジスタと第３トランジスタのドレイン端子と接続し、前記直流電源のマイナス極を第２トランジスタと第４トランジスタのソース端子と接続し、前記第１トランジスタのソース端子と前記第２トランジスタのドレイン端子を接続して第１出力端子とし、前記第３トランジスタのソース端子と前記第４トランジスタのドレイン端子を接続して第２出力端子とし構成される交流生成回路と、
   前記交流生成回路の前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ、前記第４トランジスタのゲート端子と接続され、パルス幅変調制御をする交流制御回路と、
   を具備することを特徴とする請求項１に記載の車内電力供給システム。
3. 装置内部電源回路は、
   前記車内ハーネスを介して前記交流生成装置から出力される交流電力を昇圧または降圧する前記トランスと、
   前記トランスから出力される交流電力をダイオードにより整流する整流回路と、
   前記整流回路からの出力を第２コンデンサにより平滑する平滑回路と、
   前記整流回路と前記平滑回路間に過電流と低電圧を検出する保護回路と、
   を具備することを特徴とする請求項１に記載の車内電力供給システム。
4. 前記予め設定した周期により生成する交流電力の周波数は１０ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の車内電力供給システム。
5. 前記車内ハーネスの配線長は１ｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の車内電力供給システム。
6. 前記交流生成回路の出力にフィルタ回路を設けることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の車内電力供給システム。
7. 直流電源から車内に配線される車内ハーネスを介して車内に配設される複数の車載用装置に送電する車内電力供給システムであって、
   前記直流電源から出力される直流電力を制御して予め設定した周期の略正弦波の交流電力を生成する１つの交流生成装置と、
   前記交流生成装置の出力端子に接続される前記車内ハーネスと、
   前記車内ハーネスを介して並列に接続される複数の車載用装置と、
   を具備し、
   前記複数の車載用装置はそれぞれ、前記交流電力を受電するトランスを具備し、
   前記交流電力の周波数は１０ｋＨｚ以上である、
   ことを特徴とする車内電力供給システム。

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