JP2017165375A - 電源ボックス - Google Patents

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知弘 谷口
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裕通 安則
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Abstract

【課題】負荷への給電に冗長性を与える二つの電源のいずれか一方において、短絡故障、開放故障のいずれに対しても対応し、負荷への給電を確保する。
【解決手段】電源ボックス4は、スイッチ431と、スイッチ432と、制御回路41とを備える。スイッチ431は、バッテリ1に接続される一端と、負荷3に接続される他端とを有し、正常動作時においてオンする。スイッチ432は、バッテリ2に接続される一端と、負荷3に接続される他端とを有し、正常動作時においてオンする。制御回路41は、スイッチ431に流れる電流I1が、正常動作時において流れる電流I1と反対向きに流れる場合、もしくは所定閾値よりも小さい場合、スイッチ431をオフさせる。
【選択図】図1

Description

この発明は、車載された二つの電源から車載された負荷への給電を中継する技術に関する。
車載される負荷には、例えばドアロック解除用のアクチュエータ等のように、当該負荷が搭載される車両の制御に際して重要な機能を果たすものがある。このような負荷(以下、「重要負荷」とも称す)には電源の供給(以下「給電」とも称す)が遮断されないよう、給電経路に冗長性を持たせる技術が提案されている。
特許文献1ではバッテリとバックアップ電源とのそれぞれにダイオードを設け、相互間の電流の回り込みが防止されている。特許文献2ではメインバッテリ、サブバッテリのそれぞれに対してリレーを設けた構成により、両バッテリの間の電流の回り込みが防止されている。なお、リレーを用いて二つの電池を分離する技術を示すものとして特許文献3を挙げる。
特開2013−95238号公報 特開2015−214274号公報 特開2012−130108号公報
特許文献1ではダイオードのオープン故障の検出については開示されているが、バッテリ及びバックアップ電源の短絡故障、開放故障のいずれにも対応する技術については明確ではない。特許文献2ではメインバッテリとサブバッテリの両方から負荷へ給電する場合の、これらのバッテリの開放故障に対応したリレーの動作も明確ではない。特許文献3ではリレーの動作を制御する要素が故障した場合の動作について説明するが、二つの電池の短絡故障、開放故障のいずれにも対応する技術については明確ではない。
そこで、本発明は、負荷への給電に冗長性を与える二つの電源のいずれか一方において、短絡故障、開放故障のいずれに対しても対応し、負荷への給電を確保する技術を提供することを目的とする。
この発明の第1の態様は、車載される第1電源及び第2電源と負荷との間に設けられ、前記第1電源及び前記第2電源から前記負荷への給電を中継する車載用の電源ボックスである。
電源ボックスは、第1スイッチ、第2スイッチ及び制御回路を備える。第1スイッチは前記第1電源に接続される一端と、前記負荷に接続される他端とを有する。第2スイッチは、前記第2電源に接続される一端と、前記負荷に接続される他端とを有する。第1スイッチ及び第2スイッチのいずれもが、正常動作時においてオンする。
制御回路は、前記第1スイッチに流れる電流が、正常動作時において前記第1スイッチに流れる電流と反対向きに流れる場合、もしくは所定閾値よりも小さい場合、前記第1スイッチをオフさせる。
この発明の第2の態様は、第1の態様であって、前記第1スイッチと前記第1電源との間に直列に接続される第1抵抗を更に備える。前記制御回路は第1比較器を含む。前記第1電源は接地電位よりも高い電位を出力する。
第1比較器は、前記第1抵抗の前記第1スイッチ側の端の第1電位と、前記第1抵抗の前記第1電源側の端の第2電位とを比較した結果に基づいて第1信号を出力する。前記第1比較器は、前記第1電位に対する前記第2電位が、非負の閾値以上で大きいときにのみ前記第1信号を活性化させる。前記第1スイッチは前記第1信号の活性化によってオンする。
この発明の第3の態様は、第2の態様であって、前記制御回路は、前記第2スイッチに流れる電流が、正常動作時において前記第2スイッチに流れる電流と反対向きに流れる場合、もしくは所定閾値よりも小さい場合、前記第2スイッチをオフさせる。
この発明の第4の態様は、第3の態様であって、前記第2スイッチと前記第2電源との間に直列に接続される第2抵抗を更に備える。前記制御回路は第2比較器を含む。前記第2電源は接地電位よりも高い電位を出力する。
第2比較器は、前記第2抵抗の前記第2スイッチ側の端の第3電位と、前記第2抵抗の前記第2電源側の端の第4電位とを比較した結果に基づいて第2信号を出力する。前記第2比較器は、前記第3電位に対する前記第4電位が、非負の閾値以上で大きいときにのみ前記第2信号を活性化させる。前記第2スイッチは前記第2信号の活性化によってオンする。
この発明の第5の態様は、その第4の態様であって、前記制御回路は、第3比較器及び第4比較器を含む。第3比較器は、前記第2電位と前記第4電位とを比較した結果に基づいて第3信号を出力する出力端を有する。第4比較器は、前記第2電位と前記第4電位とを比較した結果に基づいて第4信号を出力する出力端を有する。
前記第3比較器は、前記第2電位に対する前記第4電位が非負の閾値以下であるときにのみ前記第3信号を活性化させる。前記第4比較器は、前記第4電位に対する前記第2電位が非負の閾値以下であるときにのみ前記第4信号を活性化させる。
この電源ボックスによれば、負荷への給電に冗長性を与える二つの電源のいずれか一方において、短絡故障、開放故障のいずれに対しても対応し、負荷への給電が確保される。
実施の形態にかかる電源ボックスの構成及び電源ボックスとその周辺との接続関係を示すブロック図である。 バッテリの正常、故障の5つのパターンについて、示す模式図である。 スイッチに置換して電界効果トランジスタを採用した場合の、電界効果トランジスタとその周辺との接続関係を示す回路図である。
図1は、実施の形態にかかる電源ボックス4の構成及び電源ボックス4とその周辺との接続関係を示すブロック図である。
電源ボックス4は車載用であり、いずれも車載される、電源たるバッテリ1,2と負荷3との間に設けられる。ここではバッテリ1をメインバッテリとして、バッテリ2をサブバッテリとして、それぞれ扱っている。例えばメインバッテリとしては鉛蓄電池を採用でき、サブバッテリにはリチウムイオン電池あるいはキャパシタを採用できる。但し、本実施の形態においてはバッテリ1,2の種類が奏功に影響するものではない。負荷3は上述の重要負荷であり、冗長性ある給電を要求する。
電源ボックス4はバッテリ1,2の両方から負荷3への給電を中継する機能を果たす。つまり負荷3は電源ボックス4を介してバッテリ1,2から給電され、この給電には冗長性があると言える。
電源ボックス4はスイッチ部43を有している。スイッチ部43はスイッチ431,432を備える。ここではスイッチ431,432はリレーで構成され、そのリレーコイルに通電されることによって導通(「オン」あるいは「クローズ」)もしくは非導通(「オフ」あるいは「オープン」)となる。以下では簡単のため、当該リレーはそれぞれのリレーコイルに通電されることによって導通するもの(メーク接点の利用)として説明するが、通電されることによって非導通となる技術(ブレーク接点の利用)を採用しても構わない。その場合には後述する各種の信号の二値論理を適宜に入れ替えれば足りる。
スイッチ部43は、スイッチ431,432が一体となって形成されていることを意味するものではない。もちろん、スイッチ431,432のそれぞれがリレーで構成され、スイッチ部43がリレーモジュールとして構成されてもよい。
スイッチ431は、の抵抗451を介してバッテリ1に接続される一端と、ヒューズ44を介して負荷3に接続される他端とを有する。同様に、スイッチ432は、の抵抗452を介してバッテリ2に接続される一端と、ヒューズ44を介して負荷3に接続される他端とを有する。正常動作時(バッテリ1,2のいずれについても、短絡故障も開放故障も生じないで動作している状態)においてはスイッチ431,432のいずれも導通する。よって正常動作時では負荷3に、バッテリ1から抵抗451とスイッチ431とヒューズ44の直列接続を介して給電され、バッテリ2から抵抗452とスイッチ432とヒューズ44の直列接続を介して給電される。
但し、スイッチ431は、自身に流れる電流I1が、正常動作時においてスイッチ431に流れる電流と反対向きに流れる場合、もしくは所定閾値よりも小さい場合、スイッチ431をオフする。具体的には通常、バッテリ1は接地電位よりも高い電位を出力するので、正常動作時には電流I1はバッテリ1から負荷3へと向かって流れる。以下、この電流の向きを正にとって考える。
もし、正常動作時の状態からバッテリ1に短絡故障(具体的には地絡)が生じた場合、スイッチ431,432は導通していたのであるから、電流I1はバッテリ2からスイッチ432,431をこの順に経由して地絡の箇所へと向かって流れる。あるいは正常動作時の状態からバッテリ1に開放故障(具体的にはバッテリ1の端子外れなど)が生じた場合、スイッチ431,432は導通していても電流I1は流れない。
このように電流I1が、負の向きに流れる場合にはバッテリ1に短絡故障が発生した可能性があり、所定閾値よりも小さい場合にはバッテリ1に短絡故障が発生した可能性があるので、そのいずれであるかを問わずスイッチ431がオフする。これによりバッテリ2からスイッチ432及びヒューズ44を介した負荷3への給電の経路を、故障箇所から遮断し、以て当該給電を維持することができる。
同様に、スイッチ432は、自身に流れる電流I2が、正常動作時においてスイッチ432に流れる電流と反対向きに流れる場合、もしくは所定閾値よりも小さい場合、スイッチ432をオフする。
このような、正常動作時ではないときにスイッチ431,432がオフする機能は、両者が共に備えなければならない機能ではない。スイッチ431がオフする機能は、バッテリ2から負荷3への給電を、バッテリ1の開放故障や短絡故障から遮断するのであり、スイッチ432はオフする必要はないからである。スイッチ432がオフする態様についても同様である。しかしながら、スイッチ431,432のいずれもが上述の様にオフする機能を備えていることが望ましいのは明白である。
このようなスイッチ431,432のオン/オフは、それぞれ信号S1,S2によって制御される。具体的には信号S1が活性化して低電位を採れば、スイッチ431のリレーコイルにはバッテリ1から通電され、スイッチ431は導通する。信号S1が非活性化して高電位を採れば、スイッチ431のリレーコイルにはバッテリ1から通電されず、スイッチ431は非導通となる。スイッチ432と信号S2についても同様の関係がある。
信号S1,S2は制御回路41によって生成される。制御回路41は電源ボックス4に備えられる。制御回路41は比較器411,412を有し、それぞれの出力端から信号S1,S2が出力される。つまり制御回路41は、電流I1が、正常動作時と反対向きに流れる場合、もしくは所定閾値よりも小さい場合に、スイッチ431をオフさせる。また制御回路41は、電流I2が、正常動作時においと反対向きに流れる場合、もしくは所定閾値よりも小さい場合に、スイッチ432をオフさせる。電流I1,I2について、上記の所定閾値が異なる値を採ってもよい。
比較器411は正側入力端と負側入力端と、上述の出力端とを有する。正側入力端には抵抗451のスイッチ431側の電位V11が与えられ、負側入力端には抵抗451のバッテリ1側の電位V12が与えられる。比較器411の正側入力端の電位V11が、比較器411の負側入力端の電位V12から非負の閾値を引いた値以下のときのみ信号S1が活性化する。この非負の閾値は、電流I1についての所定閾値と抵抗451との積である。つまり比較器411は、電位V11と電位V12とを比較した結果に基づいて、信号S1の活性/非活性を決定する。具体的には電位V11に対して電位V12が、上記非負の閾値以上で大きいときにのみ信号S1を活性化させる。
ここでは信号S1の活性/非活性は信号S1の電位の低/高としてそれぞれ実現される。よって、電流I1が、負の向きに流れ、あるいは所定の閾値よりも小さければ、抵抗451における電圧降下がスイッチ431側よりもバッテリ1側で低電位となるように発生し、信号S1は非活性化する(高い電位となる)。
比較器412も正側入力端と負側入力端と、上述の出力端とを有する。正側入力端には抵抗452のスイッチ432側の電位V21が与えられ、負側入力端には抵抗452のバッテリ2側の電位V22が与えられる。比較器412の正側入力端の電位が、比較器412の負側入力端の電位から非負の閾値を引いた値以下のときのみ信号S2が活性化する。この非負の閾値は、電流I2についての所定閾値と抵抗452との積である。つまり比較器412は、電位V21と電位V22とを比較した結果に基づいて信号S2の活性/非活性を決定する。具体的には電位V21に対して電位V22が、上記非負の閾値以上で大きいときにのみ信号S2を活性化させる。このようにして、信号S2の活性/非活性もそれぞれ信号S2の電位の低/高としてそれぞれ実現される。
比較器411,412はそれぞれ、正側入力端に与えられた電位を非負の閾値で嵩上げして負側入力端に与えられた電位と比較しているとも言える。もちろん、比較器411,412とは上記非負の閾値として互いに異なる値を採用しても良い。またスイッチ431をオフする動作を行うには信号S2は不要であり、従って比較器412は不要である。スイッチ432をオフする動作を行うには信号S1は不要であり、従って比較器411は不要である。
以上のようにして、電源ボックス4によれば、負荷3への給電に冗長性を与えるバッテリ1,2のいずれか一方において、短絡故障、開放故障のいずれに対しても対応し、負荷3への給電が確保される。
さて、本実施の形態では制御回路41は更に、比較器401,402を設けている。比較器401は電位V12が与えられる負側入力端と、電位V22が与えられる正側入力端と、信号K1を出力する出力端とを有する。比較器401は、電位V12に対する電位V22が非負の閾値以下であるときにのみ信号K1を活性化する。信号K1の活性/非活性は、信号K1の電位の低/高としてそれぞれ実現される。つまり比較器401は負側入力端に与えられた電位を非負の閾値で嵩上げして正側入力端に与えられた電位と比較しているとも言える。
比較器402も同様にして、電位V12が与えられる正側入力端と、電位V22が与えられる負側入力端と、信号K2を出力する出力端とを有する。比較器402は、電位V22に対する電位V12が非負の閾値以下であるときにのみ信号K2を活性化する。信号K2の活性/非活性は、信号K2の電位の低/高としてそれぞれ実現される。つまり比較器402も負側入力端に与えられた電位を非負の閾値で嵩上げして正側入力端に与えられた電位と比較しているとも言える。
図2はバッテリ1,2の正常、故障の5つのパターンについて、電流I1,I2の向き及び信号S1,S2,K1,K2の電位、スイッチ431,432のオン/オフ、及び負荷3への給電元について示す模式図である。但し信号S1,S2,K1,K2の電位の高/低をそれぞれH/Lで、給電元がバッテリ1,2であることをそれぞれメイン/サブで表記した。
第1パターン(図2において丸数字1を最上段とする欄)は正常動作時を示し、第2パターン(図2において丸数字2を最上段とする欄)はバッテリ2が正常でバッテリ1が開放故障した状態を示し、第3パターン(図2において丸数字3を最上段とする欄)はバッテリ2が正常でバッテリ1が短絡故障した状態を示し、第4パターン(図2において丸数字4を最上段とする欄)はバッテリ1が正常でバッテリ2が開放故障した状態を示し、第5パターン(図2において丸数字5を最上段とする欄)はバッテリ1が正常でバッテリ2が短絡故障した状態を示した。本実施の形態ではバッテリ1,2の両方に何らかの故障が発生した場合については取り扱わない。
バッテリ1が短絡故障した場合、電位V12はほぼ接地電位まで低下するので、信号K1,K2はそれぞれ“H”。“L”となる。またバッテリ2が短絡故障した場合、電位V22はほぼ接地電位まで低下するので、信号K1,K2はそれぞれ“L”,“H”となる。しかし、バッテリ1,2のいずれが開放故障しても、信号K1,K2は正常状態と同様に“L”,“L”となる。通常、バッテリ1,2は同程度の電圧を出力するので、これらの場合には電位V12,V22とでは電位差が小さいからである。
しかしながら、信号S1,S2のみでは判断できなかった短絡故障/開放故障の区別は信号K1,K2によって行える。他方、信号S1,S2のいずれもが“L”であることを以てバッテリ1,2のいずれかの開放故障と、正常状態とを区別できる。換言すれば、信号S1,S2,K1,K2を知ることにより、バッテリ1,2のいずれにおいて短絡故障、あるいは開放故障が生じたかを診断することができる。
例えば電源ボックス4にはゲートウェイ5(図中「G/W」と表記)を接続し、これに信号S1,S2,K1,K2を出力することにより、ゲートウェイ5を介して、バッテリ1,2の正常/故障及び故障の状況を診断することができる。
{変形例}
図3はスイッチ431に置換してPチャネル型の電界効果トランジスタ431aを採用した場合の、電界効果トランジスタ431aとその周辺との接続関係を示す回路図である。電界効果トランジスタ431aのソースは抵抗452に、ドレインがヒューズ44に、それぞれ接続され、ゲートには信号S1が入力する。ヒューズ44を省略する場合にはドレインは負荷3に接続される。
電界効果トランジスタ431aはPチャネル型であるので、ゲートの電位が低下すると、ソース・ドレイン間の導通/非道通は、それぞれゲートの電位の低/高で制御できる。よってそのゲートに信号S1を入力することにより、スイッチ431と同様に電界効果トランジスタ431aの導通/非道通を制御することができる。
スイッチ432についても同様にして、これをPチャネル型の電界効果トランジスタに置換してもよい。
もちろん、スイッチ431,432をリレーで構成する場合のメーク接点/ブレーク接点の選択と同様にして、スイッチ431,432に置換してNチャネル型の電界効果トランジスタを採用してもよい。その場合には信号S1,S2の活性/非活性はそれぞれ電圧の高/低に対応する。
なお、上記各実施形態及び各変形例で説明した各構成は、相互に矛盾しない限り適宜組合わせることができる。
以上のようにこの発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
1 バッテリ(第1電源;第2電源)
2 バッテリ(第2電源;第1電源)
3 負荷
4 電源ボックス
41 制御回路
401 比較器(第3比較器;第4比較器)
402 比較器(第4比較器;第3比較器)
411 比較器(第1比較器;第2比較器)
412 比較器(第2比較器;第1比較器)
431 スイッチ(第1スイッチ;第2スイッチ)
432 スイッチ(第2スイッチ;第1スイッチ)
451 抵抗(第1抵抗;第2抵抗)
452 抵抗(第2抵抗;第1抵抗)
I1 電流(第1電流/第2電流)
I2 電流(第2電流/第1電流)
V11 電位(第1電位/第3電位)
V12 電位(第2電位/第4電位)
V21 電位(第3電位/第1電位)
V22 電位(第4電位/第2電位)

Claims (5)

  1. 車載される第1電源及び第2電源と負荷との間に設けられ、前記第1電源及び前記第2電源から前記負荷への給電を中継する車載用の電源ボックスであって、
    前記第1電源に接続される一端と、前記負荷に接続される他端とを有し、正常動作時においてオンする第1スイッチと、
    前記第2電源に接続される一端と、前記負荷に接続される他端とを有し、正常動作時においてオンする第2スイッチと、
    前記第1スイッチに流れる電流が、正常動作時において前記第1スイッチに流れる電流と反対向きに流れる場合、もしくは所定閾値よりも小さい場合、前記第1スイッチをオフさせる制御回路と
    を備える電源ボックス。
  2. 請求項1記載の電源ボックスであって、
    前記第1スイッチと前記第1電源との間に直列に接続される第1抵抗
    を更に備え、
    前記第1電源は接地電位よりも高い電位を出力し、
    前記制御回路は、
    前記第1抵抗の前記第1スイッチ側の端の第1電位と、前記第1抵抗の前記第1電源側の端の第2電位とを比較した結果に基づいて第1信号を出力する出力端を有する第1比較器
    を含み、
    前記第1比較器は、前記第1電位に対する前記第2電位が、非負の閾値以上で大きいときにのみ前記第1信号を活性化させ、
    前記第1スイッチは前記第1信号の活性化によってオンする、電源ボックス。
  3. 請求項2記載の電源ボックスであって、
    前記制御回路は、前記第2スイッチに流れる電流が、正常動作時において前記第2スイッチに流れる電流と反対向きに流れる場合、もしくは所定閾値よりも小さい場合、前記第2スイッチをオフさせる、電源ボックス。
  4. 請求項3記載の電源ボックスであって、
    前記第2スイッチと前記第2電源との間に直列に接続される第2抵抗
    を更に備え、
    前記第2電源は接地電位よりも高い電位を出力し、
    前記制御回路は、
    前記第2抵抗の前記第2スイッチ側の端の第3電位と、前記第2抵抗の前記第2電源側の端の第4電位とを比較した結果に基づいて第2信号を出力する出力端を有する第2比較器
    を含み、
    前記第2比較器は、前記第3電位に対する前記第4電位が、非負の閾値以上で大きいときにのみ前記第2信号を活性化させ、
    前記第2スイッチは前記第2信号の活性化によってオンする、電源ボックス。
  5. 請求項4記載の電源ボックスであって、
    前記制御回路は、
    前記第2電位と前記第4電位とを比較した結果に基づいて第3信号を出力する出力端を有する第3比較器と、
    前記第2電位と前記第4電位とを比較した結果に基づいて第4信号を出力する出力端を有する第4比較器と
    を含み、
    前記第3比較器は、前記第2電位に対する前記第4電位が非負の閾値以下であるときにのみ前記第3信号を活性化させ、
    前記第4比較器は、前記第4電位に対する前記第2電位が非負の閾値以下であるときにのみ前記第4信号を活性化させる、電源ボックス。
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