JP2018196252A - 電力分配システム - Google Patents

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Abstract

【課題】電源を冗長化する際に、一方の電源に双方向ＤＣＤＣコンバータを接続した場合において、負荷への電力供給の信頼性を向上させる。【解決手段】第１バッテリと接続する第１端子と、第２バッテリと接続する第２端子と、負荷と接続する負荷端子と、第１端子と第２端子との間に接続された双方向ＤＣＤＣコンバータと、第１端子と負荷端子との間に接続された第１リレーと、第２端子と負荷端子との間に接続された第２リレーと、双方向ＤＣＤＣコンバータの動作方向、第１リレーの開閉動作、第２リレーの開閉動作を制御する制御部と、を備えた電力分配システム。【選択図】図１

Description

本発明は、メインバッテリおよびサブバッテリと接続し、負荷に電力を分配する電力分配システムに関する。
近年、車両のＡＤＡＳ（先進運転安全支援システム）や自動運転に関する技術開発が進んでいる。これらに用いられる制御装置や各種センサは、電力で動作するため、バッテリからの電力供給が滞るとその機能を十分に発揮することができなくなる。このような状況を回避するために、車両にバッテリを複数台搭載して電源を冗長化することが行なわれている。
電源の冗長化に関して、特許文献１には、図８に示すような電源装置が開示されている。この電源装置は、メインバッテリ３０１とサブバッテリ３０２とで電源を冗長化しており、両バッテリが電源ボックス３３１に接続されている。また、電源ボックス３３１には、モータ等の負荷３２２、ランプ等の負荷３２３が並列に接続されている。
電源ボックス３３１内にはマイコン３３２が備えられ、マイコン３３２には電源監視部３３３とリレー制御部３３４とが設けられている。電源監視部３３３は、メインバッテリ３０１およびサブバッテリ３０２の出力電圧を監視し、監視結果に基づいてリレー制御部３３４を駆動することで、メインバッテリ系のリレー３１２およびサブバッテリ系のリレー３１３の開閉動作を制御する。
特許文献１に記載された電源装置によれば、例えば、メインバッテリ３０１とサブバッテリ３０２の出力電圧を比較し、出力電圧が大きい方のバッテリから負荷に電力を供給する制御や、出力電圧が所定の閾値以下であるバッテリからは負荷に電力を供給しないようにする制御等を行なうことができる。これにより、一方のバッテリが失陥した場合であっても、負荷に安定して電力を供給することができるようになる。
特開２０１５−２１４２７４号公報
電源を冗長化する際に、サブバッテリとして、従来の鉛バッテリに代えて、リチウムイオンバッテリを用いることが実用化されている。リチウムイオンバッテリは、エネルギー密度が高く、小型で軽量であるという特長を有するが、充電の際に厳密な電圧制御が必要とされるため、一般的には双方向ＤＣＤＣコンバータが用いられる。
リチウムイオンバッテリに接続された双方向ＤＣＤＣコンバータは、その動作方向として、充電方向、放電方向、停止の３つの状態を取り得ることになる。これらの動作方向は、車両の状況等に応じて適宜制御する必要がある。
このため、図８に示された電源装置において、サブバッテリ３０２に代えて双方向ＤＣＤＣコンバータとリチウムイオンバッテリを用いた場合、単に従来と同様のリレーの開閉制御だけでは、バッテリの冗長化による信頼性向上を実現することはできない。また、さらなる信頼性向上のためには、バッテリ自体の失陥のみならず、リレーの故障等についても考慮することが望ましい。
そこで、本発明は、電源を冗長化する際に、一方の電源に双方向ＤＣＤＣコンバータを接続した場合において、負荷への電力供給の信頼性を向上させることを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一態様である電力分配システムは、第１バッテリと接続する第１端子と、第２バッテリと接続する第２端子と、負荷と接続する負荷端子と、前記第１端子と前記第２端子との間に接続された双方向ＤＣＤＣコンバータと、前記第１端子と前記負荷端子との間に接続された第１リレーと、前記第２端子と前記負荷端子との間に接続された第２リレーと、前記双方向ＤＣＤＣコンバータの動作方向、前記第１リレーの開閉動作、前記第２リレーの開閉動作を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記制御部は、前記第１バッテリからの電源供給状態、前記第２バッテリからの電源供給状態を検知して、前記制御を行なうことができる。
また、前記制御部は、さらに、前記双方向ＤＣＤＣコンバータの動作状態を検知して、前記制御を行なうようにしてもよい。
また、前記制御部は、さらに、前記第１リレーおよび前記第２リレーの動作状態を検知して、前記制御を行なうようにしてもよい。
本発明によれば、電源を冗長化する際に、一方の電源に双方向ＤＣＤＣコンバータを接続した場合において、負荷への電力供給の信頼性を向上させることができる。
本実施形態に係る車両の電源装置を説明する図である。 制御部の機能ブロック図である。 リレー制御部とＤＣＤＣコンバータ制御部の制御内容を説明する図である。 正常走行時の電力伝達経路を説明する図である。 バッテリ失陥時の電力伝達経路を説明する図である。 故障時の電力伝達経路を説明する図である。 ２重故障時の電力伝達経路を説明する図である。 従来の電源冗長化の例を示す図である。
本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る車両の電源装置１００を説明する図である。電源装置１００は、メインバッテリ１０１とサブバッテリ１０２とで電源を冗長化しており、両バッテリが電力分配システム１１０に接続されている。
また、電力分配システム１１０には、ブレーキＥＣＵ等の第１負荷１３１、ＡＤＡＳ ＥＣＵ等の第２負荷１３２が接続されている。これらの負荷には車両の走行中に安定的に電力を供給する必要がある。ただし、電力分配システム１１０に接続される負荷はこれらに限られない。
メインバッテリ１０１は、例えば、鉛バッテリ（Ｐｂ）とすることができる。また、サブバッテリ１０２は、例えば、リチウムイオンバッテリ（ＬｉＢ）とすることができる。リチウムイオンバッテリ（ＬｉＢ）は、充電の際に厳密な電圧制御が必要とされるため、電力分配システム１１０は、双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４を備えている。ただし、サブバッテリ１０２として用いるバッテリは、リチウムイオンバッテリに限定されない。例えば、キャパシタ等を用いてもよい。
また、電力分配システム１１０は、ＩＧリレー１１１、切替リレー１１２、制御部１２０、メインバッテリ１０１と接続するメイン端子１１６、サブバッテリ１０２と接続するサブ端子１１７、負荷と接続する負荷端子１１８を備えている。本図の例では、負荷端子１１８は、複数個が並列に接続されており、負荷端子１１８ａに第１負荷１３１が接続され、負荷端子１１８ｂに第２負荷１３２が接続されている。メイン端子１１６には、オルタネータ１０３も接続されている。
なお、本実施形態の説明に不要なリレー、電源供給配線、ヒューズ、負荷等は記載を省略している。また、電力分配システム１１０は、双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４と、それ以外の部品で構成される電源分配ユニットとに区分けすることができる。双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４と電源分配ユニットとは、一体化可能な構造としている。これにより、両者を接続する径の太い電源用電線を削減できるとともに、信号ラインを最短化することによる耐ノイズ性を高めることができる。
双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４は、メイン端子１１６とサブ端子１１７との間に接続され、ＩＧリレー１１１は、メイン端子１１６と負荷端子１１８との間に接続され、切替リレー１１２は、サブ端子１１７と負荷端子１１８との間に接続されている。
例えば、メインバッテリ１０１は、第１バッテリとして機能し、メイン端子１１６は、第１端子として機能し、ＩＧリレー１１１は、第１リレーとして機能することができる。また、サブバッテリ１０２は、第２バッテリとして機能し、サブ端子１１７は、第２端子として機能し、切替リレー１１２は、第２リレーとして機能することができる。
サブ端子１１７を介してサブバッテリ１０２と接続する双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４は、その動作方向として、充電方向、放電方向、停止の３つの状態を切換えることができる。充電方向は、メイン端子１１６からサブ端子１１７方向の電力伝達であり、放電方向は、サブ端子１１７からメイン端子１１６方向の電力伝達である。ここでは、昇圧、降圧の有無については問わない。停止は、どちらの方向にも電力を伝達しない状態である。
制御部１２０は、マイクロコンピュータ等を用いて構成することができ、プログラム等に従って、双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４の動作方向、ＩＧリレー１１１の開閉動作、切替リレー１１２の開閉動作等を制御する。
図２は、制御部１２０の機能ブロック図である。本図に示すように、制御部１２０は、メインバッテリ失陥検出部１２１、サブバッテリ失陥検出部１２２、走行状態判別部１２３、リレー故障検出部１２４、ＤＣＤＣコンバータ故障検出部１２５、リレー制御部１２６、ＤＣＤＣコンバータ制御部１２７を備えている。
メインバッテリ失陥検出部１２１は、メインバッテリ１０１の失陥を検出する。メインバッテリ１０１の失陥は、メインバッテリ１０１の電圧低下、メインバッテリ系電源ラインのオープン、メインバッテリ系電源ラインの地絡等とすることができる。メインバッテリ失陥検出部１２１は、メインバッテリ１０１の出力電圧を監視する等によりメインバッテリ１０１の失陥を検出することができる。
サブバッテリ失陥検出部１２２は、サブバッテリ１０２の失陥を検出する。サブバッテリ１０２の失陥は、サブバッテリ１０２の電圧低下、サブバッテリ系電源ラインのオープン、サブバッテリ系電源ラインの地絡等とすることができる。サブバッテリ失陥検出部１２２は、サブバッテリ１０２の出力電圧を監視する等によりサブバッテリ１０２の失陥を検出することができる。
走行状態判別部１２３は、走行中の車両が通常走行状態にあるのかセーリング状態にあるのかを判別する。ここで、セーリング状態とは、加速後にエンジンを停止して慣性走行している状態をいう。走行状態判別部１２３は、例えば、上位装置と通信を行なうこと等により走行状態を判別することができる。
リレー故障検出部１２４は、ＩＧリレー１１１、切替リレー１１２の故障（常時オープン）を検出する。リレー故障検出部１２４は、例えば、閉制御にもかかわらず、リレーが導通状態にならない場合にリレーが故障したものと判定する。
ＤＣＤＣコンバータ故障検出部１２５は、双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４の故障を検出する。ＤＣＤＣコンバータ故障検出部１２５は、例えば、双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４と通信を行なうことで双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４の故障を検出する。
リレー制御部１２６は、ＩＧリレー１１１、切替リレー１１２の開閉動作を制御する。ＤＣＤＣコンバータ制御部１２７は、双方向ＤＣＤＣコンバータの動作方向を制御する。リレー制御部１２６とＤＣＤＣコンバータ制御部１２７は、以下に説明するように、メインバッテリ失陥検出部１２１、サブバッテリ失陥検出部１２２、走行状態判別部１２３、リレー故障検出部１２４、ＤＣＤＣコンバータ故障検出部１２５の検出結果等に基づいて、それぞれの制御を行なう。
図３は、リレー制御部１２６とＤＣＤＣコンバータ制御部１２７の制御内容を説明する図である。本図では、車両が正常に走行している状態（図３（ａ））と、メインバッテリ１０１、サブバッテリ１０２、双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４、ＩＧリレー１１１、切替リレー１１２のいずれかで故障等が発生している状態（図３（ｂ））と、２重故障が発生している状態（図３（ｃ））とで区分している。
なお、本実施形態では、ＩＧリレー１１１、切替リレー１１２の双方が同時に故障すること、および、メインバッテリ１０１、サブバッテリ１０２の双方が同時に故障することは、極めて低確率であると考えられるため、いずれも想定対象外としている。
正常に走行している状態（図３（ａ））、すなわち、メインバッテリ失陥検出部１２１、サブバッテリ失陥検出部１２２、リレー故障検出部１２４、ＤＣＤＣコンバータ故障検出部１２５のいずれもが異常を検出していない場合は、通常走行であれば、リレー制御部１２６がＩＧリレー１１１をＯＮ（閉）にし、切替リレー１１２をＯＦＦ（開）にするとともに、ＤＣＤＣコンバータ制御部１２７が双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４の動作方向を充電方向にする。
この結果、負荷への電源供給は、メインバッテリ１０１およびオルタネータ１０３から行なわれる。また、サブバッテリ１０２への充電も行なわれる。図４（ａ）は、このときの電源供給経路を模式的に表している。
一方、正常に走行している状態で、セーリング走行であれば、リレー制御部１２６がＩＧリレー１１１をＯＮにし、切替リレー１１２をＯＦＦにするとともに、ＤＣＤＣコンバータ制御部１２７が双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４の動作方向を放電方向にする。これは、セーリング走行中はオルタネータ１０３が発電を行なわないためである。
この結果、負荷への電源供給は、メインバッテリ１０１およびサブバッテリ１０２から行なわれる。図４（ｂ）は、このときの電源供給経路を模式的に表している。
１箇所で故障が発生している状態（図３（ｂ））、すなわち、メインバッテリ失陥検出部１２１、サブバッテリ失陥検出部１２２、リレー故障検出部１２４、ＤＣＤＣコンバータ故障検出部１２５のいずれかが故障を検出している場合は、以下のような制御となる。
メインバッテリ失陥の場合は、リレー制御部１２６がＩＧリレー１１１をＯＦＦにし、切替リレー１１２をＯＮにするとともに、ＤＣＤＣコンバータ制御部１２７が双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４の動作を停止にする。
この結果、負荷への電源供給は、サブバッテリ１０２から行なわれる。図５（ａ）は、このときの電源供給経路を模式的に表している。
サブバッテリ失陥の場合は、リレー制御部１２６がＩＧリレー１１１をＯＮにし、切替リレー１１２をＯＦＦにするとともに、ＤＣＤＣコンバータ制御部１２７が双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４の動作を停止にする。
この結果、負荷への電源供給は、メインバッテリ１０１から行なわれる。図５（ｂ）は、このときの電源供給経路を模式的に表している。なお、メインバッテリ１０１に加え、オルタネータ１０３からも電源供給を行なってもよい。
双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４の故障の場合は、リレー制御部１２６がＩＧリレー１１１をＯＮにし、切替リレー１１２をＯＦＦにする。この結果、負荷への電源供給は、メインバッテリ１０１とオルタネータ１０３から行なわれる。図６（ａ）は、このときの電源供給経路を模式的に表している。
ＩＧリレー１１１の故障の場合は、リレー制御部１２６が切替リレー１１２をＯＮにするとともに、ＤＣＤＣコンバータ制御部１２７が双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４の動作を充電方向にする。この結果、負荷への電源供給は、メインバッテリ１０１から行なわれる。また、サブバッテリ１０２への充電も行なわれる。図６（ｂ）は、このときの電源供給経路を模式的に表している。なお、メインバッテリ１０１に加え、オルタネータ１０３からも電源供給を行なってもよい。
切替リレー１１２の故障の場合は、リレー制御部１２６がＩＧリレー１１１をＯＮにするとともに、ＤＣＤＣコンバータ制御部１２７が双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４の動作を充電方向にする。この結果、負荷への電源供給は、メインバッテリ１０１から行なわれる。また、サブバッテリ１０２への充電も行なわれる。図６（ｃ）は、このときの電源供給経路を模式的に表している。なお、メインバッテリ１０１に加え、オルタネータ１０３からも電源供給を行なってもよい。
２重故障が発生している状態（図３（ｃ））、すなわち、メインバッテリ失陥検出部１２１、サブバッテリ失陥検出部１２２、リレー故障検出部１２４、ＤＣＤＣコンバータ故障検出部１２５のうち２つが故障を検出している場合は、以下のような制御となる。
メインバッテリ失陥とＩＧリレー故障とが同時に発生した場合は、リレー制御部１２６が切替リレー１１２をＯＮにするとともに、ＤＣＤＣコンバータ制御部１２７が双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４の動作を停止にする。
この結果、負荷への電源供給は、サブバッテリ１０２から行なわれる。図７（ａ）は、このときの電源供給経路を模式的に表している。
メインバッテリ失陥と切替リレー故障とが同時に発生した場合は、リレー制御部１２６がＩＧリレー１１１をＯＮにするとともに、ＤＣＤＣコンバータ制御部１２７が双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４の動作方向を放電方向にする。
この結果、負荷への電源供給は、サブバッテリ１０２から行なわれる。図７（ｂ）は、このときの電源供給経路を模式的に表している。
サブバッテリ失陥とＩＧリレー故障とが同時に発生した場合は、リレー制御部１２６が切替リレー１１２をＯＮにするとともに、ＤＣＤＣコンバータ制御部１２７が双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４の動作方向を充電方向にする。
この結果、負荷への電源供給は、メインバッテリ１０１から行なわれる。図７（ｃ）は、このときの電源供給経路を模式的に表している。なお、メインバッテリ１０１に加え、オルタネータ１０３からも電源供給を行なってもよい。
サブバッテリ失陥と切替リレー故障とが同時に発生した場合は、リレー制御部１２６がＩＧリレー１１１をＯＮにするとともに、ＤＣＤＣコンバータ制御部１２７が双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４の動作を停止にする。
この結果、負荷への電源供給は、メインバッテリ１０１から行なわれる。図７（ｄ）は、このときの電源供給経路を模式的に表している。なお、メインバッテリ１０１に加え、オルタネータ１０３からも電源供給を行なってもよい。
以上説明したように、本実施形態の電力分配システム１１０では、双方向ＤＣＤＣコンバータ１１４をメイン端子１１６とサブ端子１１７との間に接続し、切替リレー１１２をサブ端子１１７と負荷端子１１８との間に接続している。これにより、バッテリ自体の失陥のみならず、リレーや双方向ＤＣＤＣコンバータの故障を考慮した電源供給経路に切り替えることができるため、負荷への電力供給の信頼性を向上させることができる。
１００ 電源装置
１０１ メインバッテリ
１０２ サブバッテリ
１０３ オルタネータ
１１０ 電力分配システム
１１１ ＩＧリレー
１１２ 切替リレー
１１４ 双方向ＤＣＤＣコンバータ
１１６ メイン端子
１１７ サブ端子
１１８ 負荷端子
１２０ 制御部
１２１ メインバッテリ失陥検出部
１２２ サブバッテリ失陥検出部
１２３ 走行状態判別部
１２４ リレー故障検出部
１２５ ＤＣＤＣコンバータ故障検出部
１２６ リレー制御部
１２７ ＤＣＤＣコンバータ制御部
１３１ 第１負荷
１３２ 第２負荷

Claims (4)

  1. 第１バッテリと接続する第１端子と、
    第２バッテリと接続する第２端子と、
    負荷と接続する負荷端子と、
    前記第１端子と前記第２端子との間に接続された双方向ＤＣＤＣコンバータと、
    前記第１端子と前記負荷端子との間に接続された第１リレーと、
    前記第２端子と前記負荷端子との間に接続された第２リレーと、
    前記双方向ＤＣＤＣコンバータの動作方向、前記第１リレーの開閉動作、前記第２リレーの開閉動作を制御する制御部と、
    を備えたことを特徴とする電力分配システム。
  2. 前記制御部は、前記第１バッテリからの電源供給状態、前記第２バッテリからの電源供給状態を検知して、前記制御を行なうことを特徴とする請求項１に記載の電力分配システム。
  3. 前記制御部は、さらに、前記双方向ＤＣＤＣコンバータの動作状態を検知して、前記制御を行なうことを特徴とする請求項２に記載の電力分配システム。
  4. 前記制御部は、さらに、前記第１リレーおよび前記第２リレーの動作状態を検知して、前記制御を行なうことを特徴とする請求項２または３に記載の電力分配システム。
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