JP2016103935A - 車両用電源システム、及びｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数の増加を抑えることができる車両用電源システムを提供する。【解決手段】ＡＣジェネレータ１３に接続されてＡＣジェネレータ１３からの電力を蓄えるバッテリー１０及び蓄電デバイス１４と、バッテリー１０及び蓄電デバイス１４から電力が供給されるとともに車両安全に関与する重要負荷１５と、バッテリー１０及び蓄電デバイス１４から電力が供給されるとともに車両安全に関与しない一般負荷１１と、バッテリー１０と重要負荷１５との間の電路を通電状態と非通電状態とで切り替え可能なリレー２６と、バッテリー１０が失陥状態となった時にリレー２６を制御してバッテリー１０と重要負荷１５との間の電路を非通電状態とするマイコン２２と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、車両用電源システム、及びＤＣ−ＤＣコンバータに関する。

近年、自動車は電子化が益々進み、バッテリーから多数の負荷機器に電源が供給されている。バッテリーの故障あるいは電圧低下などによる電源失陥時には、各負荷機器の動作が保障されなくなる。

このため、メインバッテリーに加えてサブバッテリーを備え、メインバッテリーの故障あるいは電圧低下時にはサブバッテリーから負荷機器に電源を供給する電源冗長化システムを採用することが考えられる（例えば特許文献１参照）。これによって例えば負荷機器を構成する内で車両安全に係る安全系負荷の動作を保障することが可能となる。

特開平４−９１６３３号公報

ところで、上記のような車両用電源システムでは、主電源（メインバッテリー）の予備電源として別途バックアップ電源（サブバッテリー）を設ける必要があり、更に回生用の補助電源を含めると部品点数が増加してシステムの大型化が避けられない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、部品点数の増加を抑えることができる車両用電源システム、及びＤＣ−ＤＣコンバータを提供することにある。

上記課題を解決する車両用電源システムは、発電機に接続されて該発電機からの電力を蓄えるメインバッテリー及びサブバッテリーと、前記メインバッテリー及びサブバッテリーから電力が供給されるとともに車両安全に関与する重要負荷と、前記メインバッテリー及びサブバッテリーから電力が供給されるとともに車両安全に関与しない一般負荷と、前記メインバッテリーと前記重要負荷との間の電路を通電状態と非通電状態とで切り替え可能な切替部と、前記メインバッテリーが失陥状態となった時に前記切替部を制御して前記メインバッテリーと前記重要負荷との間の電路を非通電状態とする制御部と、を有する。

この構成によれば、制御部によって切替部を制御してメインバッテリーが失陥状態となった時にメインバッテリーと重要負荷との間を非通電状態としてサブバッテリーから重要負荷に対して電力供給を行うことができる。更に、サブバッテリーは発電機にも接続されているため回生エネルギーにより発電機で発電された電力を充電することができるため、回生エネルギー用のサブバッテリーと重要負荷への電力供給用のサブバッテリーとを個別に設ける必要がない。これによって部品点数の増加を抑えることができる。

上記車両用電源システムにおいて、前記各負荷と前記各バッテリーとの間には、ＤＣ−ＤＣコンバータが接続され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ内に前記切替部及び前記制御部が備えられることが好ましい。

この構成によれば、切替部及び制御部はＤＣ−ＤＣコンバータ内に設けられるため、システムとしての部品点数の増加を抑えることができる。
上記車両用電源システムにおいて、前記切替部は、電磁リレーで構成されることが好ましい。

この構成によれば、切替部を電磁リレーで構成することで、接続時の抵抗が小さく大電流の通電が可能となる。
上記課題を解決するＤＣ−ＤＣコンバータは、発電機に接続されて該発電機からの電力を蓄えるメインバッテリー及びサブバッテリーから電力供給される電源部と、前記電源部からの電力供給によって動作する制御部と、前記メインバッテリーと車両安全に関与する重要負荷との間を接続する第１接続経路と、前記サブバッテリーと車両安全に関与する重要負荷との間を接続する第２接続経路と、前記メインバッテリーと前記重要負荷との間の前記第１接続経路における通電状態と非通電状態とを切り替え可能な切替部と、メインバッテリーが失陥状態となった時に前記切替部を制御して前記メインバッテリーと前記重要負荷との間の第１接続経路を非通電状態とする制御部とを有する。

この構成によれば、制御部によって切替部を制御してメインバッテリーが失陥状態となった時にメインバッテリーと重要負荷との間を非通電状態としてサブバッテリーから重要負荷に対して電力供給を行うことができる。更に、サブバッテリーは発電機にも接続されているため回生エネルギーにより発電機で発電された電力を充電することができるため、回生エネルギー用のサブバッテリーと重要負荷への電力供給用のサブバッテリーとを個別に設ける必要がない。これによって本ＤＣ−ＤＣコンバータを用いることで、車両用電源システムとして部品点数の増加を抑えることができる。

上記ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記制御部と接続されて動作状態の遷移が記憶される記憶部と、外部機器と通信を行うための通信部とを有し、前記制御部は、前記メインバッテリーが失陥状態となった時に前記記憶部及び前記通信部の動作を停止させることが好ましい。

この構成によれば、通信部と記憶部との動作を停止させることで、ＤＣ−ＤＣコンバータ内での余計な電力消費を抑えて重要負荷の動作期間を長く確保することが可能となる。

本発明の車両用電源システム、及びＤＣ−ＤＣコンバータによれば、部品点数の増加を抑えることができる。

第１実施形態における車両用電源システムの概略構成を示すブロック図である。 （ａ）〜（ｇ）は、同上における車両用電源システムの動作例を示すタイミングチャートである。 第２実施形態における車両用電源システムの概略構成を示すブロック図である。 （ａ）〜（ｄ）は、同上における車両用電源システムの動作例を示すタイミングチャートである。

（第１実施形態）
以下、車両用電源システムの第１実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態の車両用電源システムは、メインバッテリーとしてのバッテリー１０に車両負荷の一部を構成する一般負荷１１、スターターモータ１２、ＡＣジェネレータ（オルタネータ）１３、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０がハーネスを介して接続されている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０にはサブバッテリーとしての蓄電デバイス１４が接続されている。蓄電デバイス１４は例えばリチウムイオンバッテリー、リチウムイオンキャパシター、鉛バッテリーを採用することが考えられる。

（ＤＣ−ＤＣコンバータ）
ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、バッテリー１０及び蓄電デバイス１４とそれぞれダイオードＤ１，Ｄ２を介して接続される電源回路２１を有する。より具体的には、バッテリー１０はＤＣ−ＤＣコンバータ２０のバッテリー用電源端子２０ａと接続されることでダイオードＤ１と接続され、蓄電デバイス１４はＤＣ−ＤＣコンバータ２０の蓄電デバイス用電源端子２０ｂと接続されることでダイオードＤ２と接続される。これによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の電源回路２１側からバッテリー１０や蓄電デバイス１４に電流が流入することが抑えられている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の電源回路２１には、マイコン（マイクロコンピュータ）２２と、通信回路２３とが接続されてマイコン２２及び通信回路２３に電力供給を実施する。

マイコン２２は、前記電源回路２１から電力供給を受けてＤＣ−ＤＣコンバータ２０内の各部を制御するものであり、通信回路２３と記憶回路２４と接続されている。またマイコン２２は、蓄電デバイス１４の電圧監視も行っている。

通信回路２３は、車両各部の状態監視や車両各部の動作制御を司るエンジンＥＣＵ３０と通信が可能となるように電気的に接続される。これによって、通信回路２３にはエンジンＥＣＵ３０で検出されたバッテリー１０の端子電圧の情報が伝達されるようになる。通信回路２３では、バッテリー１０の端子電圧の情報をマイコン２２に出力する。マイコン２２では、それらの状態遷移を記憶回路２４に記憶させる。

また、マイコン２２は、昇降圧回路２５及びリレー２６と電気的に接続され、昇降圧回路２５及びリレー２６の制御が可能となっている。
昇降圧回路２５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０に設けられる蓄電デバイス接続用端子２０ｃに接続された前記蓄電デバイス１４と電気的に接続されている。また、昇降圧回路２５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０に設けられる重要負荷用接続端子２０ｄに接続された重要負荷１５と接続される。

リレー２６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０に設けられるバッテリー接続用端子２０ｅに接続されたバッテリー１０や一般負荷１１などと接続される。また、リレー２６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０に設けられる重要負荷用接続端子２０ｄに接続された重要負荷１５と接続される。リレー２６は例えば有接点の電磁リレーであって、前記マイコン２２から信号が出力されると通電状態（オン状態）となり、マイコン２２からの信号が停止されると非通電状態（オフ状態）となる、所謂ノーマリーオフ形のリレースイッチである。

ここで、重要負荷１５と一般負荷１１との違いについて説明する。重要負荷１５は車両安全に係る負荷であり、一般負荷１１は重要負荷１１以外の負荷を指している。重要負荷１５の一例として、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）、アンチロックブレーキ装置（ＡＢＳ）、プリクラッシュ装置、電動パーキングブレーキ装置、緊急通報装置、ヘッドランプ、ストップランプ、フロントカメラ、バックカメラ、カメラＥＣＵ、及びミリ波レーダーを含むことが好ましい。これらの装置の動作が一時的にでも保障されることで、路面の白線検知や白線からのはみ出し抑制のためのステアリング制御を行ったり、前方車両を検知して前方車両に追従したり、衝突時の衝撃緩和を行うべくブレーキアシストなどの車両安全に係る制御が可能となる。

また一般負荷１１は、車両の走行に関わらない負荷であり、一例としてオーディオシステムやナビゲーションシステムなどが挙げられる。
次に、車両用電源システムの作用を説明する。

例えば、バッテリー１０の端子電圧が失陥閾値Ｖ１より高い場合、その旨の信号とともにエンジンＥＣＵ３０からの制御信号に従い通常駆動する。通常駆動としては車両の各状況に応じてバッテリー１０から重要負荷１５に電力供給する場合（通常駆動１）、蓄電デバイス１４から重要負荷１５に電力供給する場合（通常駆動２）、蓄電デバイス1４に充電する場合（通常駆動３）などが挙げられる。

（通常駆動１）
マイコン２２は、リレー２６に信号を出力して導通状態（オン状態）とすることで、バッテリー１０から重要負荷１５に対して電力供給が行われる。このときのＤＣ−ＤＣコンバータ２０内の端子２０ｅと端子２０ｄとの間の接続経路を第１接続経路という。

（通常駆動２）
マイコン２２は、例えばリレー２６への信号を停止させて、昇降圧回路２５を介して蓄電デバイス１４から重要負荷１５に対して電力供給が行われる。このときのＤＣ−ＤＣコンバータ２０内の端子２０ｃと端子２０ｄとの間の接続経路を第２接続経路という。

（通常駆動３）
マイコン２２は、例えばリレー２６に信号を出力して導通状態（オン状態）とし、例えば昇降圧回路２５を用いてＡＣジェネレータ１３の出力電圧を昇圧して蓄電デバイス１４に充電する。

一方、図２（ａ）に示すように時間Ｔ１においてバッテリー１０の端子電圧が失陥閾値Ｖ１以下となったら、図２（ｂ）に示すようにエンジンＥＣＵ３０はバッテリー１０の異常検知と判断する。

（失陥駆動）
エンジンＥＣＵ３０は、異状検知である旨の信号をＤＣ−ＤＣコンバータ２０の通信回路２３に出力する。通信回路２３では、その旨の信号をマイコン２２に出力する。

このとき、マイコン２２は、失陥状態として各部の駆動制御を行う（失陥駆動）。
その具体例としては、図２（ｅ）及び図２（ｆ）に示すように通信回路２３及び記憶回路２４を停止させる。なお、図２（ｄ）に示すように、電源回路２１は特段の制御は行われない。

このとき、図２（ｃ）に示すように、昇降圧回路２５は、バッテリー１０失陥直前（時間Ｔ１よりも前）の駆動状態に従ってマイコン２２が生成した駆動パターン（デューティ制御）によって制御する。

更に、図２（ｇ）に示すように、マイコン２２は、リレー２６への信号を停止させて、昇降圧回路２５を介して蓄電デバイス１４から重要負荷１５に対して電力供給を行うことが可能となる。

次に、本実施形態の効果を記載する。
（１）マイコン２２によってリレー２６を制御してバッテリー１０が失陥状態となった時にバッテリー１０と重要負荷１５との間を非通電状態として蓄電デバイス１４から重要負荷１５に対して電力供給を行うことができる。更に、蓄電デバイス１４はＡＣジェネレータ１３にも接続されているため回生エネルギーによりＡＣジェネレータ１３で発電された電力を充電することができるため、回生エネルギー用のサブバッテリーと重要負荷１５への電力供給用のサブバッテリーとを個別に設ける必要がない。これによって部品点数の増加を抑えることができる。

（２）リレー２６及びマイコン２２はＤＣ−ＤＣコンバータ２０内に設けられるため、システムとしての部品点数の増加を抑えることができる。
（３）リレー２６で切替部を構成することで接続時の抵抗が小さく大電流の通電が可能となる。

（４）本ＤＣ−ＤＣコンバータ２０を用いることで、車両用電源システムとして部品点数の増加を抑えることができる。
（５）バッテリー１０失陥時に通信回路２３と記憶回路２４との動作を停止させることで、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０内での余計な電力消費を抑えて重要負荷１５の動作期間を長く確保することが可能となる。

（６）リレー２６は所謂ノーマリーオフであるため、マイコン２２からリレー２６への信号が途絶えることでバッテリー１０と重要負荷１５との間を非通電状態とすることができる。これによって、バッテリー１０失陥時における電力消費を抑えることができる。

（第２実施形態）
次に、車両用電源システムの第２実施形態について説明する。
本実施形態の車両用電源システムは、第１実施形態と比較してＤＣ−ＤＣコンバータではなくリレーボックスを用いている点が異なるものである。このため、第１実施形態と同一部材には同一番号を付して説明の一部又は全部を割愛する。

図３に示すように、本実施形態の車両用電源システムは、少なくともリレー４１及びリレー４２を有するリレーボックス４０を有する。
リレー４１は、リレーボックス４０に設けられるバッテリー接続用端子４０ａに接続されたバッテリー１０や一般負荷１１などと接続される。また、リレー４１は、リレーボックス４０に設けられる重要負荷用接続端子４０ｂに接続された重要負荷１５と接続される。リレー４１は例えば有接点の電磁リレーであって、エンジンＥＣＵ３０から信号が出力されると通電状態（オン状態）となり、エンジンＥＣＵ３０からの信号が停止されると非通電状態（オフ状態）となる、所謂ノーマリーオフ形のリレースイッチである。

リレー４２は、リレーボックス４０に設けられる蓄電デバイス接続用端子４０ｃに接続された前記蓄電デバイス１４と電気的に接続されている。また、リレー４２は、リレーボックス４０に設けられる重要負荷用接続端子４０ｂに接続された重要負荷１５と接続される。リレー４２は例えば有接点の電磁リレーであって、前記エンジンＥＣＵ３０から信号が出力されると非通電状態（オフ状態）となり、エンジンＥＣＵ３０からの信号が停止されると通電状態（オン状態）となる、所謂ノーマリーオン形のリレースイッチである。

次に、車両用電源システムの作用を説明する。
例えば、バッテリー１０の端子電圧が失陥閾値Ｖ１より高い場合、その旨の信号とともにエンジンＥＣＵ３０からの制御信号に従い通常駆動する。通常駆動としては車両の各状況に応じてバッテリー１０から重要負荷１５に電力供給する場合（通常駆動１）、蓄電デバイス１４から重要負荷１５に電力供給する場合（通常駆動２）、蓄電デバイス1４に充電する場合（通常駆動３）などが挙げられる。

（通常駆動１）
エンジンＥＣＵ３０は、リレー４１に信号を出力して導通状態（オン状態）とするとともにリレー４２に信号を出力して非道通状態（オフ状態）とすることで、バッテリー１０から重要負荷１５に対して電力供給が行われる。

（通常駆動２）
エンジンＥＣＵ３０は、リレー４２への信号を停止して導通状態（オン状態）とするとともにリレー４１への信号を停止して非道通状態（オフ状態）とすることで、リレー４２を介して蓄電デバイス１４から重要負荷１５に対して電力供給が行われる。

（通常駆動３）
エンジンＥＣＵ３０は、リレー４１に信号を出力して導通状態（オン状態）とするとともにリレー４２への信号を停止して非道通状態（オン状態）とすることで、例えば蓄電デバイスに充電する。

一方、図４（ａ）に示すように時間Ｔ１においてバッテリー１０の端子電圧が失陥閾値Ｖ１以下となったら、図４（ｂ）に示すようにエンジンＥＣＵ３０はバッテリー１０の異常検知と判断する。

（失陥駆動）
図４（ｃ）（ｄ）に示すようにエンジンＥＣＵ３０は、異状検知であると判断すると、各リレー４１，４２への信号を停止させ、リレー４１を非導通状態（オフ状態）、リレー４２を導通状態（オン状態）とする。これによって、蓄電デバイス１４から重要負荷１５に対して電力供給を行うことが可能となる。

（１）エンジンＥＣＵ３０によってリレー４１，４２を制御してバッテリー１０が失陥状態となった時にバッテリー１０と重要負荷１５との間を非通電状態として蓄電デバイス１４から重要負荷１５に対して電力供給を行うことができる。更に、蓄電デバイス１４はＡＣジェネレータ１３にも接続されているため回生エネルギーによりＡＣジェネレータ１３で発電された電力を充電することができるため、回生エネルギー用のサブバッテリーと重要負荷１５への電力供給用のサブバッテリーとを個別に設ける必要がない。

（２）リレー４１で切替部を構成することで接続時の抵抗が小さく大電流の通電が可能となる。
なお、上記各実施形態は、以下のように変更してもよい。

・上記第１実施形態では、バッテリー１０失陥時において重要負荷１５に対して蓄電デバイス１４から電力供給を行う構成としたが、これに加えてバッテリー１０失陥時においてエンジンＥＣＵ３０に対して蓄電デバイス１４から電力供給を行ってもよい。

・上記第１実施形態ではＤＣ−ＤＣコンバータ２０と蓄電デバイス１４とを別体としたが、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０と蓄電デバイス１４とを一体化したモジュールを採用してもよい。

・上記第２実施形態では、リレー４２を用いる構成としたが、リレー４２の代わりに昇降圧回路を用いる構成を採用してもよい。
・上記各実施形態では、切替部としてのリレー２６，４１として、有接点の電磁リレーを用いる構成としたが、これに限らない。例えば、無接点の半導体リレーを用いる構成を採用してもよい。

・上記各実施形態並びに上記各変形例を適宜組み合わせてもよい。

１０…バッテリー（メインバッテリー）、１１…一般負荷、１３…ＡＣジェネレータ（発電機）、１４…蓄電デバイス（サブバッテリー）、１５…重要負荷、２０…ＤＣ−ＤＣコンバータ、２２…マイコン（制御部）、２３…通信回路（通信部）、２４…記憶回路（記憶部）、２６…リレー（切替部）、４１…リレー（切替部）。

Claims (5)

1. 発電機に接続されて該発電機からの電力を蓄えるメインバッテリー及びサブバッテリーと、
   前記メインバッテリー及びサブバッテリーから電力が供給されるとともに車両安全に関与する重要負荷と、
   前記メインバッテリー及びサブバッテリーから電力が供給されるとともに車両安全に関与しない一般負荷と、
   前記メインバッテリーと前記重要負荷との間の電路を通電状態と非通電状態とで切り替え可能な切替部と、
   前記メインバッテリーが失陥状態となった時に前記切替部を制御して前記メインバッテリーと前記重要負荷との間の電路を非通電状態とする制御部と、
   を有することを特徴とする車両用電源システム。
2. 請求項１に記載の車両用電源システムであって、
   前記各負荷と前記各バッテリーとの間には、ＤＣ−ＤＣコンバータが接続され、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータ内に前記切替部及び前記制御部が備えられることを特徴とする車両用電源システム。
3. 請求項１又は２に記載の車両用電源システムであって、
   前記切替部は、電磁リレーで構成されることを特徴とする車両用電源システム。
4. 発電機に接続されて該発電機からの電力を蓄えるメインバッテリー及びサブバッテリーから電力供給される電源部と、
   前記電源部からの電力供給によって動作する制御部と、
   前記メインバッテリーと車両安全に関与する重要負荷との間を接続する第１接続経路と、
   前記サブバッテリーと車両安全に関与する重要負荷との間を接続する第２接続経路と、
   前記メインバッテリーと前記重要負荷との間の前記第１接続経路における通電状態と非通電状態とを切り替え可能な切替部と、
   メインバッテリーが失陥状態となった時に前記切替部を制御して前記メインバッテリーと前記重要負荷との間の前記第１接続経路を非通電状態とする制御部と
   を有することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
5. 請求項４に記載のＤＣ−ＤＣコンバータであって、
   前記制御部と接続されて動作状態の遷移が記憶される記憶部と、外部機器と通信を行うための通信部とを有し、
   前記制御部は、前記メインバッテリーが失陥状態となった時に前記記憶部及び前記通信部の動作を停止させることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。