JP2018082579A - 制御装置、車載装置、制御方法及び充放電回路 - Google Patents

制御装置、車載装置、制御方法及び充放電回路 Download PDF

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Abstract

【課題】突入電流の発生を抑止し単位容量当たりの保持電荷量を増大可能にする。
【解決手段】制御装置は、バッテリから供給された電圧が第1閾値以上の場合には、充放電回路を制御してバッテリからバックアップコンデンサに流れ込む電流を制限し、充電制御を実施する手段と、バッテリから供給された電圧が第2閾値以下の場合には、充放電回路を制御してバックアップコンデンサに蓄積された電力の放電制御を実施する手段と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、制御装置、車載装置、制御方法及び充放電回路に関する。
従来から、車両に搭載可能なオーディオ・ビジュアル・ナビゲーション一体機(以下、AVN機とも称す)等の車載装置が知られている。車載装置は、車両に搭載されたバッテリ等から供給された電力を使用し、例えば、ナビゲーション機能、オーディオ機能、画像再生機能、通信機能といった各種機能を搭乗員に提供する。各種機能は、例えば、車載装置内のプロセッサ等の、メモリ等に格納されたアプリケーションプログラム(以下、アプリとも称す)等の実行により提供される。
車載装置の、バッテリから供給される電力を受電する受電部においては、供給電力の瞬断の際の電圧低下に対応するためコンデンサ等の素子を含む充電回路を設けることが知られている。また、充電回路においては、図6に示すように、コンデンサ等の単位容量当たりに蓄えられる電荷容量を大きくする目的で、バッテリから供給される印加電圧より高い電圧に昇圧した状態で電力を蓄えるということも行われてきた。
例えば、図6の充電回路100においては、バッテリ(BATT)から受電した電力の一部は、インダクタL100、ダイオード素子Z102を介してコンデンサC100に蓄積される。充電回路100のIC100は、バッテリの出力電力を監視して瞬断の際の電圧低下を検知すると共に、電圧低下の検知の際にはPMOS(ptype-Metal Oxide Semiconductor)等のトランジスタで構成されたスイッチング素子であるSW102を導通させ
、コンデンサC100に蓄積された電力をプロセッサ等に供給する。車載装置においては、図6のコンデンサC100に蓄積された電力を使用することで、バッテリ瞬断の際の電圧低下時におけるプロセッサ等のアプリ終了処理時間に係る電力の確保が可能になる。
なお、本明細書で説明する技術に関連する技術が記載されている先行技術文献としては、以下の特許文献が存在している。
特開2016−046993号公報 特開2007−116880号公報
近年の、車載装置の他機能化や処理性能の向上に伴い、バッテリ瞬断の際の電圧低下時に求められる電力エネルギーが増加する傾向にある。車載装置の受電部においては、他機能化や処理性能が向上されたプロセッサ等への、増加する電力エネルギーを供給可能な充電回路が求められている。
しかしながら、大電力のエネルギーを供給する場合には、コンデンサ容量の増大に伴って、バッテリ瞬断時にコンデンサから通電される電流量が増加するため、例えば、図6に示すスイッチング素子(SW102)に掛かる負担が増大することになる。スイッチング素子に流れる電流量が、スイッチング素子のASO(Area of Safe Operation)を超える場合には、スイッチング素子が破壊される虞がある。また、コンデンサ容量の増大に伴い、バッテリ接続時におけるコンデンサC100への突入電流が増大する。このため、例え
ば、バッテリ側に設けられたヒューズ等の過電流保護デバイスが機能して、ヒューズ切れを起こす虞があった。本発明の目的は、突入電流の発生を抑止し単位容量当たりの保持電荷量を増大可能にすることにある。
開示の技術の一側面は、制御装置によって例示される。すなわち、制御装置は、バッテリから供給された電圧が第1閾値以上の場合には、充放電回路を制御してバッテリからバックアップコンデンサに流れ込む電流を制限し、充電制御を実施する手段とバッテリから供給された電圧が第2閾値以下の場合には、充放電回路を制御してバックアップコンデンサに蓄積された電力の放電制御を実施する手段と、を備えることを特徴とする。
本充放電回路によれば、突入電流の発生を抑止し単位容量当たりの保持電荷量が増大可能になる。
本実施形態に係る充放電回路と制御装置のブロック構成の一例を示す図である。 本実施形態に係る制御装置の詳細な構成の一例を示す図である。 本実施形態に係る充放電回路の通常時におけるタイミングチャートの一例を示す図である。 本実施形態に係る充放電回路の電圧低下時におけるタイミングチャートの一例を示す図である。 本実施形態に係る充放電回路の充放電動作を示すダイアグラムの一例を示す図である。 従来の充電回路の構成を説明する図である。
以下、図面を参照して、一実施形態に係る充放電回路について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本充放電回路は実施形態の構成には限定されない。
<実施の形態>
<1.ブロック構成>
図1は、本実施形態に係る充放電回路と制御装置のブロック構成の一例を示す図である。図1に例示の充放電回路10は、例えば、AVN機等の車載装置における受電部に含まれる回路である。車載装置は、受電部を介して車両に搭載されたバッテリ(BATT)に接続する。受電部は、接続するバッテリから供給された電力を所定の直流電圧に変換し、車載装置が有するプロセッサ等のデバイスに供給する。車載装置内のプロセッサ等は、受電部を介して供給された電力を使用し、メモリ等に格納された各種プログラムを実行する。各種プログラムの実行により、車載装置の備えるナビゲーション機能、オーディオ機能、画像再生機能、通信機能といった各種機能が提供される。
車載装置が搭載される車両においては、例えば、エンジン始動時のクランキングの際に、バッテリ電圧の瞬断(例えば、50msecといった所定期間で電圧値が0Vになる)や電圧低下が生じ得る。エンジン始動のためのスタータモータといった電力負荷の高い機器が通電されるためである。
本実施形態に係る充放電回路10は、バッテリ等から供給される供給電力の瞬断の際の電圧低下における、各種プログラム終了処理時のプロセッサ等への電力確保のためのコンデンサC1を備える。コンデンサC1は、大電力のエネルギー蓄積が可能な単位容量当た
りの保持電荷量の相対的に高いコンデンサ素子である。コンデンサC1として、例えば、電界コンデンサが例示される。
また、本実施形態に係る充放電回路10は、接続するバッテリ(BATT)とコンデンサC1との間に、1個のインダクタL1と4個のスイッチング素子SW1−SW4で構成された、H型ブリッジ回路Cr1を備える。スイッチング素子SW1−SW4は、例えば、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)等の半導体デ
バイスにより構成される。
そして、本実施形態に係る充放電回路10は、H型ブリッジ回路Cr1のスイッチング素子SW1−SW4のそれぞれのオン(導通)、オフ(解放)を制御する制御回路Ic1を備える。制御回路Ic1は、例えば、スイッチング素子SW1−SW4のそれぞれのオン・オフを制御することで、通常時には接続するバッテリ(BATT)の電力の一部を昇圧(例えば、12V→24V)して通電し、コンデンサC1に蓄積する(充電経路W1)。また、制御回路Ic1は、例えば、瞬断の際に電圧低下が生じた場合には、スイッチング素子SW1−SW4のそれぞれのオン・オフを制御することで、コンデンサC1に蓄積された電力を降圧(例えば、10V)して通電し、電力供給経路(BATTラインとも称す)BR1に放電する(放電経路W2)。本実施形態に係る充放電回路10においては、電力供給経路BR1をコンデンサC1への充電動作とコンデンサC1からの放電動作との双方向に使用可能なため、図6に示す従来のスイッチング素子(SW102)の削除が可能になる。充放電回路10においては、コンデンサC1に蓄積された電力の放電の際に流れる電流量によって破壊されるスイッチング素子は存在しない。
本実施形態の充放電回路10においては、制御回路Ic1は、バッテリから供給される電力、或いは、電力供給経路BR1やインダクタL1を流れる電流を監視し、コンデンサC1への電力蓄積(充電)、コンデンサC1に蓄積された電力の電力供給経路BR1への供給(放電)を行う。
例えば、充放電回路10は、接続するバッテリの電力が所定の閾値以下の場合には、スイッチング素子SW1−SW4を解放状態として、コンデンサC1には通電しないようにスイッチング制御する。解放状態においては、接続するバッテリとコンデンサC1との間は絶縁状態になる。このため、バッテリ接続時の突入電流がコンデンサC1へ流れることはない。本実施形態の充放電回路10においては、大電力のエネルギーが蓄積可能な容量のコンデンサC1であっても、バッテリ接続時の突入電流を抑止できる。
また、例えば、充放電回路10は、バッテリから供給される電力が所定の閾値を超える場合には、バッテリから供給された電力をスイッチング素子SW1−SW4のオン・オフ期間の制御によって昇圧し、昇圧した状態で電力エネルギーをコンデンサC1に蓄積する。スイッチングのオン・オフ期間の制御として、例えば、PWM(Pulse Width Modulation)、PFM(Pulse Frequency Modulation)といった制御方式が例示される。バッテリから供給された電力は、スイッチングのオン・オフ期間の制御により時分割されるため、コンデンサC1に流れ込む突入電流が抑制できる。また、スイッチングのオン・オフ期間の制御により、充放電回路10は、バッテリから供給された電力の直流電圧を昇圧する昇圧コンバータとして機能することが可能になる。他機能化や処理性能の向上によって増加した電力エネルギーを蓄積可能な充放電回路10が提供できる。
また、例えば、充放電回路10は、バッテリの瞬断の際の電圧降下を検知した場合には、スイッチング素子SW1−SW4を制御し、コンデンサC1に蓄積された電力を電力供給経路BR1へ放電する。放電時において、充放電回路10は、スイッチング素子SW1−SW4のオン・オフ期間を制御することで、コンデンサC1に蓄積された電力を降圧し
、プロセッサ等のデバイスを作動させる直流電圧を生成する。充放電回路10は、コンデンサC1に蓄積された電力(直流電圧)を降圧する降圧コンバータとして機能することが可能になる。他機能化や処理性能の向上によって増加した電力エネルギーを供給可能な充放電回路10が提供できる。
なお、図6に示す従来の充電回路100においては、充電回路100に接続するバッテリからコンデンサC100に流れ込むリーク電流が発生していた。コンデンサC100の容量が増加する場合には、充電回路100の暗電流に占めるリーク電流の割合が増大する傾向にあった。
図1に示す本実施形態の充放電回路10においては、接続するバッテリの電力が所定の閾値以下の場合には、バッテリとコンデンサC1との間を絶縁状態にできるため、バッテリからコンデンサC1に流れ込むリーク電流が防止できる。本実施形態の充放電回路10を構成に含む車載装置においては、バッテリから車載装置に流れ込む暗電流の軽減が期待できる。
<2.詳細な構成>
図2は、本実施形態に係る充放電回路10の制御回路Ic1の詳細な回路構成の一例を示す図である。なお、図2に示す制御回路Ic1は、H型ブリッジ回路Cr1の4個のスイッチング素子SW1−SW4のそれぞれのオン・オフを制御可能な回路であればマイクロコントローラ(マイコン)で構成されるとしてもよい。また、制御回路Ic1は、DSP(Digital Signal Processor)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)等の専用LSI(large scale integration)等であってもよい。また、充放電回路10は、コンデンサC1、H型ブリッジ回
路Cr1、制御回路IC1を組合せたSoC(System-on-a-Chip)であってもよい。
図2において、BATTラインBU+Bには、充放電回路10に接続するバッテリの直流電圧12Vといった電力がダイオード素子Z2を介して供給される。BATTラインBU+Bには、H型ブリッジ回路Cr1のスイッチング素子SW1のドレインが接続する。BATTラインBU+Bに供給されたバッテリの直流電圧12Vといった電力の一部は、スイッチング素子SW1を介してH型ブリッジ回路Cr1に受電される。H型ブリッジ回路Cr1に受電された電力は、制御回路Ic1のPWM等のスイッチング制御により昇圧される(例えば、電圧24V)。H型ブリッジ回路Cr1のスイッチング素子SW3のドレインは、コンデンサC1の正極側に接続する。制御回路Ic1のPWM等のスイッチング制御によって昇圧された電力は、スイッチング素子SW3のドレインを介してコンデンサC1に蓄積(“Vcharge”)される(昇圧充電)。
また、バッテリの瞬断や電圧低下時には、コンデンサC1に蓄積された電力がスイッチング素子SW3のドレインを介してH型ブリッジ回路Cr1に供給される。H型ブリッジ回路Cr1は、制御回路Ic1のPWM等のスイッチング制御によってコンデンサC1に蓄積された電力を降圧する(例えば、10V)。降圧された電力は、H型ブリッジ回路Cr1のスイッチング素子SW1のドレインを介してBATTラインBU+Bに供給される(降圧放電)。
図2に示す制御回路Ic1は、BATTラインBU+Bに接続する端子FB1、コンデンサC1の正極側に接続する端子FB2を備える。BATTラインBU+Bに供給される電力の電圧値は分圧されて端子FB1に入力される。コンデンサC1に蓄電された電力の電圧値は分圧されて端子FB2入力される。制御回路Ic1は、端子FB1、FB2を介して検知された電圧値に基づいて充放電動作を制御する。
また、制御回路Ic1は、H型ブリッジ回路Cr1のスイッチング素子SW1−SW4のそれぞれのゲートに接続する端子G1−G4を備える。H型ブリッジ回路Cr1のスイッチング素子SW1のゲートは端子G1に接続し、スイッチング素子SW2のゲートは端子G2に接続する。また、H型ブリッジ回路Cr1のスイッチング素子SW3のゲートは端子G3に接続し、スイッチング素子SW4のゲートは端子G4に接続する。
制御回路Ic1は、端子FB1、FB2を介して検知された電圧に応じて、端子G1−G4に出力する信号レベルをHigh状態(例えば、5V)、Low状態(例えば、0V)に制御することで、スイッチング素子SW1−SW4のオン・オフ状態を制御する。H型ブリッジ回路Cr1のスイッチング素子SW1−SW4では、オン・オフ状態が制御されることで、コンデンサC1への昇圧充電、コンデンサC1に蓄積された電力の降圧放電が行われる。
なお、制御回路Ic1は、BATTラインBU+B、コンデンサC1の正極側に接続する入力端子VINを備える。バッテリから供給された電力はダイオード素子Z3を介して入力端子VINに供給される。また、コンデンサC1に蓄電された電力の一部は、ダイオード素子Z4を介して入力端子VINに供給される。制御回路Ic1では、入力端子VINに供給された電力に基づいて、制御回路Ic1内の能動素子の作動電力、スイッチング素子SW1−SW4を制御するための各種リファレンス電圧が生成される。
制御回路Ic1は、端子FB1、FB2を介して検知された電圧値に対して閾値判定を行うための判定回路を含む。端子FB1を介して検知された電圧値に対する判定回路は、エラーアンプとして機能するオペアンプEA1、コンパレータCMP1、コンパレータCMP3を含む。また、端子FB1を介して検知された電圧値に対する判定回路は、エラーアンプとして機能するオペアンプEA2、コンパレータCMP2を含む。
また、制御回路Ic1は、判定回路で閾値判定された電圧値の結果に応じて、昇圧充電および降圧放電の制御信号を生成するためのRS型のフリップフロップFF1−FF3、論理演算子、クロック信号を発生するCLK1を含む。CLK1は、フリップフロップFF1、FF2のセット端子Sに接続する。さらに、制御回路Ic1は、端子G1−G4に接続し、生成された昇圧充電および降圧放電の制御信号を端子G1−G4に出力するためのゲート制御回路GC1を含む。
制御回路Ic1において、端子FB1は、エラーアンプとして機能するオペアンプEA1の反転入力端子に接続する。オペアンプEA1の非反転入力端子には、閾値判定を行うための基準電圧Vtsetが接続する。オペアンプEA1の出力端子には、基準電圧Vtsetと端子FB1で検知された電圧値との差分に基づく差分電圧値が出力される。
オペアンプEA1の出力は、コンパレータCMP1の反転入力端子に接続する。コンパレータCMP1の非反転入力端子には、オフセット電圧を加算した三角波のスロープ電圧(SLOPE+offset)が接続する。コンパレータCMP1は、オペアンプEA1の出力電圧とオフセット電圧を加算した三角波のスロープ電圧(SLOPE+offset)との比較を行い、比較結果を出力端子に出力する。例えば、オフセット電圧を加算した三角波のスロープ電圧(SLOPE+offset)がオペアンプEA1の出力電圧より高い場合には、High状態(例えば、5V)の信号が出力される。一方、オフセット電圧を加算した三角波のスロープ電圧(SLOPE+offset)がオペアンプEA1の出力電圧より低い場合には、Low状態(例えば、0V)の信号が出力される。CMP1の出力は、フリップフロップFF3の反転出力との間で論理和演算が行われ、フリップフロップFF1のリセット端子Rに入力される。
また、端子FB1は、コンパレータCMP3の非反転入力端子に接続する。コンパレータCMP3の反転入力端子には、基準電圧Vtfbが接続する。コンパレータCMP3は、端子FB1で検知された電圧値と基準電圧Vtfbとの比較を行い、比較結果を出力端子に出力する。例えば、端子FB1で検知された電圧値が基準電圧Vtfbより高い場合には、High状態(例えば、5V)の信号が出力される。一方、端子FB1で検知された電圧値が基準電圧Vtfbより低い場合には、Low状態(例えば、0V)の信号が出力される。CMP3の出力は、フリップフロップFF3のセット端子Sに入力される。なお、フリップフロップFF3のリセット端子Rには、コンデンサC1への電力の蓄積を開始するための充電開始信号UVLOが接続される。
制御回路Ic1の端子FB2は、エラーアンプとして機能するオペアンプEA2の反転入力端子に接続する。オペアンプEA2の非反転入力端子には、充電時のパルス幅の基準となる基準電圧V1が接続する。オペアンプEA2の出力端子には、基準電圧V1と端子FB2で検知された電圧値との差分に基づく差分電圧値が出力される。
オペアンプEA2の出力は、コンパレータCMP2の反転入力端子に接続する。コンパレータCMP2の非反転入力端子には、オフセット電圧を加算した三角波のスロープ電圧(SLOPE+offset)が接続する。コンパレータCMP2は、オペアンプEA2の出力電圧とオフセット電圧を加算した三角波のスロープ電圧(SLOPE+offset)との比較を行い、比較結果を出力端子に出力する。
コンパレータCMP2では、オフセット電圧を加算した三角波のスロープ電圧(SLOPE+offset)がオペアンプEA2の出力電圧より高い場合には、High状態(例えば、5V)の信号が出力端子に出力される。また、オフセット電圧を加算した三角波のスロープ電圧(SLOPE+offset)がオペアンプEA2の出力電圧より低い場合には、Low状態(例えば、0V)の信号が出力端子に出力される。CMP2の出力は、フリップフロップFF3の正転出力に基づく信号との間で論理和演算が行われ、フリップフロップFF2のリセット端子Rに入力される。
フリップフロップFF1−FF3では、セット端子Sおよびリセット端子Rに入力された信号の、2値のステータス(例えば、High状態(5V)、Low状態(0V))に基づいて決定された論理値のステータス信号が正転出力端子Q、反転出力端子Q ̄に出力される。
例えば、フリップフロップFF3では、端子FB1で検知された電圧値と基準電圧Vtfbとの比較によって決定されたステータス値と、充電開始信号UVLOのステータス値とに基づいて決定された論理値のステータス信号が正転出力端子Q、反転出力端子Q ̄に出力される。
同様にして、フリップフロップFF1では、端子FB1で検知された電圧値に基づいて決定されたステータス値とフリップフロップFF3の反転出力端子Q ̄から出力されるステータス値との論理和演算で決定された論理値、および、クロック信号のステータス値によって決定された2値のステータス信号が正転出力端子Q1、反転出力端子Q1 ̄に出力される。
フリップフロップFF2では、端子FB2で検知された電圧値に基づくステータス値と端子FB1で検知された電圧値に基づくステータス値との論理和演算で決定された論理値、および、クロック信号のステータス値によって決定された2値のステータス信号が正転出力端子Q2、反転出力端子Q2 ̄に出力される。
フリップフロップFF1の正転出力端子Q1からゲート制御信号PWM1が出力され、反転出力端子Q1 ̄からゲート制御信号PWM2が出力される。また、フロップフロップ
FF2の正転出力端子Q2からゲート制御信号PWM4が出力され、反転出力端子Q2 ̄からゲート制御信号PWM3が出力される。ゲート制御信号PWM1−PWM4は、ゲート制御回路GC1に入力される。ゲート制御回路GC1は、入力された各ゲート制御信号PWM1−PWM4に基づいて、H型ブリッジ回路Cr1のスイッチング素子SW1−SW4のオン・オフ状態を切替える論理信号を端子G1−G4に出力する。
<3.タイミングチャート>
以下、図3、4に示すタイミングチャートを参照し、制御回路Ic1の充電動作、放電動作を説明する。なお、図3、4に示すタイミングチャートにおいて、縦軸は制御回路Ic1内の各ステータス信号のレベルを表し、横軸は時間を表す。
(通常時動作)
図3は、通常時における制御回路Ic1のタイミングチャートの一例を示す図である。通常時においては、充放電回路10に接続するバッテリの直流電圧(例えば、12V)の電力がBATTラインBU+Bに供給される。制御回路Ic1は、端子FB1を介してBATTラインBU+Bに供給された直流電圧を検知する。
端子FB1を介して検知された電圧はオペアンプEA1に入力され、基準電圧Vtsetとの差分電圧が出力端子に出力される(図3の“EA1”)。基準電圧Vtsetは、コンデンサC1に蓄積された電力の放電時におけるBATTラインBU+Bの電圧(例えば、10.5V)に相当する。オペアンプEA1の出力端子には、基準電圧Vtsetと端子FB1で検知された電圧値との差分に基づく差分電圧値(1.5V=12V−10.5V)が出力される。通常時においては、オペアンプEA1の出力端子に出力される差分電圧値は、図3に示すようにHigh状態が継続する。
CMP1においては、オペアンプEA1の出力電圧とオフセット電圧を加算した三角波のスロープ電圧(SLOPE+offset)とが比較される。通常時においては、CMP1の出力端子にはLow状態の信号が出力される。オフセット電圧を加算した三角波のスロープ電圧(SLOPE+offset)がオペアンプEA1の出力電圧より高いためである。CMP1の出力とフリップフロップFF3の反転出力端子Q ̄出力との間で論理和演算が行われ、フリップフロップFF1のリセット端子Rに入力される。
通常時においては、フリップフロップFF1のリセット端子Rには、CMP1の出力端子のLow状態の信号が継続して入力される。フリップフロップFF1の正転出力端子Q1には、セット端子Sに入力されたクロック信号CLK1のLow状態で決定された論理値が継続して出力される。図3に示すように、フリップフロップFF1の正転出力端子Q1には、Low状態の論理値(以下、論理値Lとも称す)が継続して出力され、反転出力端子Q1 ̄にはHigh状態の論理値(以下、論理値Hとも称す)が継続して出力される。
端子FB2を介して検知された電圧はオペアンプEA2に入力され、基準電圧V1との差分に基づく差分電圧が出力端子に出力される(図3の“EA2”)。基準電圧V1は、ゲート制御信号PWM3、PWM4のパルス幅の基準となる電圧値である。通常時においては、端子FB2を介して検知された電圧値に応じた差分電圧値がオペアンプEA2の出力端子に出力される。
CMP2においては、オペアンプEA2の出力電圧とオフセット電圧を加算した三角波のスロープ電圧(SLOPE+offset)とが比較される。通常時においては、オペアンプEA2の出力電圧に応じて、High状態からLow状態、Low状態からHigh状態に変化するパルス信号がCMP2の出力端子に出力される。
フリップフロップFF2においては、セット端子Sに入力されたクロック信号CLK1の論理値、リセット端子Rに入力された信号の論理値に基づくパルス信号が正転出力端子Q2、反転出力端子Q2 ̄に出力される。図3に示すように、正転出力端子Q2から出力されるパルス信号は、セット端子Sに入力されるクロック信号CLK1の立ち上がりに同期する。
図3に示すように、フリップフロップFF2の反転出力端子Q2 ̄から出力されるパルス信号によってゲート制御信号PWM3が生成される。同様にして、フリップフロップFF2の正転出力端子Q2から出力されるパルス信号によってゲート制御信号PWM4が生成される。
ゲート制御回路GC1は、入力されたゲート制御信号PW3を端子G3に出力し、ゲート制御信号PW4を端子G4に出力する。また、ゲート制御回路GC1は、入力されたゲート制御信号PWM1、PWM2に基づいて、通常時においては、論理値Hとなるステータス信号を端子G1に出力し、論理値Lとなるステータス信号を端子G2に出力する。
スイッチング素子SW1は、ゲートに入力された論理値Hのステータス信号に従って、ドレイン−ソース間を導通させる。スイッチング素子SW2は、ゲートに入力された論理値Lのステータス信号に従って、ドレイン−ソース間を解放する。スイッチング素子SW3は、ゲートに入力されたゲート制御信号PWM3のオン期間に従ってドレイン−ソース間を導通させると共に、ゲート制御信号PWM3のオフ期間に従ってドレイン−ソース間を解放する。スイッチング素子SW4は、ゲートに入力されたゲート制御信号PWM4のオン期間に従ってドレイン−ソース間を導通させると共に、ゲート制御信号PWM4のオフ期間に従ってドレイン−ソース間を解放する。
BATTラインBU+Bに供給されたバッテリの電力の一部は、導通されたスイッチング素子SW1、インダクタL1、スイッチング素子SW3を介してコンデンサC1に蓄電(充電)される。
(電圧低下時動作)
図4は、電圧低下時における制御回路Ic1のタイミングチャートの一例を示す図である。充放電回路10を搭載する車両においては、例えば、エンジン始動時のクランキングを契機に、50msecといった所定期間で継続するバッテリの電圧低下が生じ得る。クランキングにおけるバッテリ電圧は、0Vにまで低下する場合がある。充放電回路10の制御回路Ic1においては、上記バッテリ電圧値の低下を端子FB1を介して検知する。そして、充放電回路10は、BATTラインBU+Bに供給された直流電圧が所定値(基準電圧Vtset)を下回る場合には、コンデンサC1に蓄電された電力をBATTラインBU+Bに放電するよう制御する。
オペアンプEA1に入力される端子FB1を介して検知された電圧は、例えば、クランキング直後の電圧値から時間の経過に伴って低下する。このため、制御回路Ic1においては、端子FB1を介して検知された低下する電圧値と基準電圧Vtsetとの差分に基づく差分電圧が出力端子に出力される。
オペアンプEA1の出力電圧とオフセット電圧を加算した三角波のスロープ電圧(SLOPE+offset)とを比較するCMP1においては、オペアンプEA1の出力電圧に応じて、High状態からLow状態、該Low状態からHigh状態に変化するパルス信号が出力端子に出力される。
なお、電圧低下時においては、フリップフロップFF3のリセット端子Rに接続される
充電開始信号UVLOはオフ(論理値L)になる。フリップフロップFF3の正転出力端子Q、反転出力端子Q ̄には、セット端子Sに入力されるステータス信号の論理値に応じた論理値の信号が出力される。
フリップフロップFF1においては、セット端子Sに入力されたクロック信号CLK1の論理値、リセット端子Rに入力された信号の論理値に基づくパルス信号が正転出力端子Q1、反転出力端子Q1 ̄に出力される。図4に示すように、正転出力端子Q1から出力されるパルス信号は、セット端子Sに入力されるクロック信号CLK1の立ち上がりに同期する。
図4に示すように、フリップフロップFF1の正転出力端子Q1から出力信号によって、ゲート制御信号PWM1が生成される。同様にして、フリップフロップFF1の反転出力端子Q1 ̄から出力されるパルス信号によってゲート制御信号PWM2が生成される。
コンデンサC1が充電された状態では、端子FB2で検知される電圧値はオペアンプEA2の非反転入力端子に接続された基準電圧V1を超えるため、オペアンプEA2から出力される差分電圧値は負値となる。コンパレータCMP2の出力端子からは、High状態の信号が継続して出力される。フリップフロップFF2のリセット端子Rに入力された信号がHigh状態を継続する場合には、フリップフロップFF2の正転出力端子Q2には、セット端子Sに入力されたクロック信号CLK1のLow状態で決定された論理値が継続して出力される。
図4に示すように、フリップフロップFF2の正転出力端子Q2には、論理値Lのステータス信号が継続して出力され、反転出力端子Q2 ̄には論理値Hのステータス信号が継続して出力される。フリップフロップFF2の反転出力端子Q2 ̄から出力されるステータス信号によってゲート制御信号PWM3が生成される。また、フリップフロップFF2の正転出力端子Q2から出力されるステータス信号によってゲート制御信号PWM4が生成される。
ゲート制御回路GC1は、入力されたゲート制御信号PWM1を端子G3に出力し、ゲート制御信号PWM2を端子G4に出力する。また、ゲート制御回路GC1は、入力されたゲート制御信号PWM3、PWM4に基づいて、論理値Hとなるステータス信号を端子G1に出力し、論理値Lとなるステータス信号を端子G2に出力する。
スイッチング素子SW1は、ゲートに入力された論理値Hのステータス信号に従って、ドレイン−ソース間を導通させる。スイッチング素子SW2は、ゲートに入力された論理値Lのステータス信号に従って、ドレイン−ソース間を解放する。スイッチング素子SW3は、ゲートに入力されたゲート制御信号PWM1のオン期間に従ってドレイン−ソース間を導通させると共に、ゲート制御信号PWM1のオフ期間に従ってドレイン−ソース間を解放する。スイッチング素子SW4は、ゲートに入力されたゲート制御信号PWM2のオン期間に従ってドレイン−ソース間を導通させると共に、ゲート制御信号PWM2のオフ期間に従ってドレイン−ソース間を解放する。
電圧低下時には、コンデンサC1に蓄電された電力エネルギーは、導通されたスイッチング素子SW1、インダクタL1、スイッチング素子SW3を介してBATTラインBU+Bに供給(解放)される。
<4.全体動作>
図5は、充放電回路10の充放電動作を示すダイアグラムの一例を示す図である。図5に示すダイアグラムにおいて、縦軸は電圧値を表し、横軸は経過時間を表す。図5のグラ
フg1は、充放電回路10にバッテリから供給される電力の電圧変化を表し、グラフg2は、BATTラインBU+Bの電圧変化を表す。グラフg3は、コンデンサC1に蓄積される電力の電圧変化を表す。なお、グラフg1において、g1aは、クランキングといったバッテリの電圧低下発生時を表す。
また、図5において、UVLO+、UVLO−は、それぞれ制御回路Ic1において、充放電動作を停止するための閾値を表す。Vtは、基準電圧Vtfbで決定されるBATTラインBU+Bの電圧閾値を表し、Vsetは、基準電圧Vtsetで決定される放電時のBATTラインBU+Bの電圧閾値を表す。
図5のグラフg1に示すように、バッテリから充放電回路10に供給される直流電圧は、0Vを開始電圧としてバッテリが供給可能な電圧(例えば、12V)の間で増加する。充放電回路10は、例えば、端子FB1を介し、BATTラインBU+Bの電圧が充電動作を開始するための閾値UVLO+を超えることを検知する。BATTラインBU+Bの電圧が充電動作を開始するための閾値UVLO+を超えたときには、フリップフロップFF3のリセット端子Rに充電開始を示す論理値が入力される。
なお、図5に示すように、バッテリ接続時からBATTラインBU+Bの電圧が充電動作を開始するための閾値UVLO+を超えるまでの期間では、充放電回路10の動作は停止状態にある。停止状態においては、BATTラインBU+BとコンデンサC1との間は絶縁状態にある。このため、バッテリ接続時の突入電流がコンデンサC1に流れることはない。
BATTラインBU+Bの電圧が充電動作を開始するための閾値UVLO+を超えた場合には、充放電回路10の充電動作が開始される(充電モード)。図2、3等を用いて説明したように、大容量のコンデンサC1を充電するためのパルス信号(PWM3、PWM4)が生成され、ゲート制御回路GC1を介しH型ブリッジ回路Cr1に出力される。
ゲート制御回路GC1の端子G3は、H型ブリッジ回路Cr1のスイッチング素子SW3のゲートに接続し、端子G4は、スイッチング素子SW4のゲートに接続する。また、ゲート制御回路GC1の端子G1は、H型ブリッジ回路Cr1のスイッチング素子SW1に接続し、端子G2はスイッチング素子SW2のゲートに接続する。
H型ブリッジ回路Cr1のスイッチング素子SW1は、ゲートに入力された論理値Hのステータス信号に従って、ドレイン−ソース間を導通させる。同様にしてスイッチング素子SW2は、ゲートに入力された論理値Lのステータス信号に従って、ドレイン−ソース間を解放する。スイッチング素子SW3は、ゲートに入力されたゲート制御信号PWM3のオン期間に従ってドレイン−ソース間を導通させると共に、ゲート制御信号PWM3のオフ期間に従ってドレイン−ソース間を解放する。スイッチング素子SW4は、ゲートに入力されたゲート制御信号PWM4のオン期間に従ってドレイン−ソース間を導通させると共に、ゲート制御信号PWM4のオフ期間に従ってドレイン−ソース間を解放する。
スイッチング素子SW1を介してインダクタL1に蓄えられた電力エネルギーは、スイッチング素子SW3、SW4のスイッチングを介して、大容量のコンデンサC1を充電する(グラフg3)。大容量のコンデンサC1を充電する電力は、スイッチング素子SW3、SW4のスイッチングのオン・オフ期間により時分割される。このため、充電時に大容量のコンデンサC1に流れ込む突入電流は抑制される。充放電回路10においては、増大した突入電流により、バッテリ側に設けられたヒューズ等の過電流保護デバイスが機能してヒューズ切れが生ずることはない。
図5のグラフg1のg1aに示すタイミングで、クランキングといったバッテリの電圧低下を引き起こす事象が生じたと想定する。バッテリから充放電回路10に供給される直流電圧は、g1aに示す電圧値から0Vまで降下すると想定する。バッテリの電圧低下に伴い、BATTラインBU+Bの電圧が降下する。充放電回路10は、例えば、BATTラインBU+Bの電圧が電圧閾値Vtを超えた後に、再び、電圧閾値Vtを下回ることを検知する。充放電回路10は、例えば、BATTラインBU+Bの電圧が電圧閾値Vtを下回る場合には、図2、3を用いて説明した充電モードを停止する。充放電回路10の制御回路Ic1においては、充電モードにおけるH型ブリッジ回路Cr1へのスイッチング制御は、停止状態になる。
電圧低下を引き起こす事象が生じたBATTラインBU+Bの電圧は、時間の経過と共に電圧閾値Vtからさらに低下し、電圧閾値(基準電圧)Vsetに到達する。充放電回路10は、BATTラインBU+Bの電圧が電圧閾値Vtを下回り、電圧閾値Vsetになることを検知する。充放電回路10は、例えば、端子FB1、FB2を介してBATTラインBU+Bの電圧を検知し、電圧閾値Vtを下回り、電圧閾値Vsetになることを検知する。
充放電回路10は、例えば、BATTラインBU+Bの電圧が電圧閾値Vsetに合致することを契機として、コンデンサC1に蓄電された電力エネルギーのBATTラインBU+Bへの放電を開始する(放電モード)する。充放電回路10は、例えば、図4に示すゲート制御信号PWM1、PWM2のオン・オフ期間の期間幅を制御し、コンデンサC1からBATTラインBU+Bに放電される電力エネルギーを制御する。充放電回路10は、コンデンサC1からBATTラインBU+Bに放電される電力エネルギーを制御することで、BATTラインBU+Bの電圧値が基準電圧Vsetを下回らないように制御する。
コンデンサC1に蓄積された電力エネルギーは、充放電回路10の放電モードに応じて低下する。充放電回路10による放電モードの動作期間は、例えば、コンデンサC1に蓄電された電力(端子FB2により検知)エネルギーが、放電動作を停止するための閾値:UVLO−に到達するまで継続される。充放電回路10は、コンデンサC1に蓄電された電力(端子FB2により検知)エネルギーが、閾値:UVLO−への到達後、放電モードによるスイッチング制御を停止する。
なお、充放電回路10においては、ゲート制御信号PWM1、PWM2のオン・オフ期間の期間幅が制御される。充放電回路10においては、コンデンサC1に蓄電された電力エネルギーが、基準電圧Vsetを下回った以降の期間においても、コンデンサC1に蓄積された電力エネルギーを使用した放電動作が維持される(例えば、基準電圧Vsetへの到達時から閾値:UVLO−に至るまでの期間)。充放電回路10においては、例えば、充放電回路10に接続する、BATTラインBU+Bを介して直流電圧が供給されるプロセッサ等の動作可能電圧に到達するまで期間、コンデンサC1に蓄積された電力エネルギーを用いての電力供給が可能になる。
<5.変形例>
実施形態においては、充放電回路10は、車載装置の受電部に設けられるとして説明した。充放電回路10を備える装置は、例えば、航空機、船舶、鉄道車両等に搭載される装置の受電部に含まれるとしてもよい。航空機、船舶、鉄道車両等に設けられた所定電圧のバッテリ等の直流電力が一次電源として使用可能であればよい。
実施形態で説明した充放電回路10は、昇圧電力をコンデンサC1等に蓄積し、該蓄積した昇圧電力を降圧して使用する形態である。充放電回路10は、例えば、コンデンサC
1に充電する際に限定してパルス幅制御(PWM制御)を行うことで昇圧動作を行うとしてもよい。コンデンサC1に昇圧して蓄積された電力は、例えば、降圧用のDC−DCコンバータ等を介して使用されるとしてもよい。また、実施形態の充放電回路10の放電動作は降圧動作としたが、昇降圧動作としてもよい。
実施形態で説明した充放電回路10は、BATTラインBU+Bに供給される電圧を検知するとした。変形例では、例えば、H型ブリッジ回路Cr1のインダクタL1を流れる電流を比較対象として検知し、検知された電流値に対して電流SLOPEで充放電のタイミング制御を行う形態としてもよい。また、充放電回路10は、H型ブリッジ回路Cr1のスイッチング素子SW1、SW4を削減するとしてもよい。スイッチング素子SW1、SW4を削減した場合であっても、BATTラインBU+BとコンデンサC1との間を絶縁状態にする制御が可能である。変形例においてもバッテリ接続時の突入電流がコンデンサC1に流れることはなく、バッテリからコンデンサC1に流れ込むリーク電流が防止できる。また、コンデンサC1に蓄積される電力はパルス幅制御で行われるため、充電時に大容量のコンデンサC1に流れ込む突入電流は抑制される。
10 充放電回路
100 充電回路
C1、C100 コンデンサ
CLK1 クロック信号
CMP1、CMP2、CMP3 コンパレータ
Cr1 H型ブリッジ回路
EA1、EA2 オペアンプ
FF1、FF2、FF3 フリップフロップ
GC1 ゲート制御回路
Ic1 制御回路
L1、L100 インダクタ
SW1、SW2、SW3、SW4、SW101、SW102 スイッチング素子
Z1、Z2、Z3、Z4、Z101、Z102、Z103 ダイオード素子

Claims (7)

  1. バッテリから供給された電圧が第1閾値以上の場合には、充放電回路を制御して前記バッテリからバックアップコンデンサに流れ込む電流を制限し、充電制御を実施する手段と、
    前記バッテリから供給された電圧が第2閾値以下の場合には、前記充放電回路を制御して前記バックアップコンデンサに蓄積された電力の放電制御を実施する手段と、
    を備えることを特徴とする制御装置。
  2. 前記充放電回路は、少なくとも、前記バッテリにソースが接続する第1スイッチと、前記第1スイッチのドレインに入力側が接続するインダクタと、前記インダクタの出力側にドレインが接続すると共にソースが前記バックアップコンデンサの入力側に接続する第2スイッチとを含み、
    前記充電制御を実施する手段は、前記バッテリから供給された電圧が前記第1閾値を超えたときに、前記第1スイッチを通電すると共に、前記第2スイッチをスイッチング動作させて前記バックアップコンデンサへの充電制御を行う、請求項1に記載の制御装置。
  3. 前記充電制御を実施する手段は、前記バッテリから供給された電圧が前記第2閾値を超えて第3閾値を下回るときに、前記バックアップコンデンサへの充電制御を停止する、請求項2に記載の制御装置。
  4. 前記充放電回路は、少なくとも、前記バッテリにソースが接続する第1スイッチと、前記第1スイッチのドレインに入力側が接続するインダクタと、前記インダクタの出力側にドレインが接続すると共にソースが前記バックアップコンデンサの入力側に接続する第2スイッチとを含み、
    前記放電制御を実施する手段は、前記バッテリから供給された電圧が第3閾値を下回り、且つ、前記第2閾値以下のときには、前記第1スイッチを通電すると共に、前記第2スイッチをスイッチング動作させて前記バックアップコンデンサに蓄積されたエネルギーの放電制御を行う、請求項1に記載の制御装置。
  5. 制御装置を有する車載装置において、
    前記制御装置は、
    バッテリから供給された電圧が第1閾値以上の場合には、充放電回路を制御して前記バッテリからバックアップコンデンサに流れ込む電流を制限し、充電制御を実施する手段と、
    前記バッテリから供給された電圧が第2閾値以下の場合には、前記充放電回路を制御して前記バックアップコンデンサに蓄積された電力の放電制御を実施する手段と、
    を備えることを特徴とする車載装置。
  6. バッテリに接続する充放電回路の制御方法において、
    前記バッテリから供給された電圧が第1閾値以上の場合には、充放電回路を制御して前記バッテリからバックアップコンデンサに流れ込む電流を制限し、充電制御を実施すると共に、
    前記バッテリから供給された電圧が第2閾値以下の場合には、前記充放電回路を制御して前記バックアップコンデンサに蓄積された電力の放電制御を実施する、
    ことを特徴とする制御方法。
  7. 少なくとも、バッテリにソースが接続する第1スイッチと、
    前記第1スイッチのドレインに入力側が接続するインダクタと、
    前記インダクタの出力側にドレインが接続すると共にソースがバックアップコンデンサ
    の入力側に接続する第2スイッチと、
    を備えることを特徴とする充放電回路。
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