JP2019041508A - 電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型化や軽量化を図ることが可能な電力供給システムを提供する。【解決手段】電源１の電力を複数の負荷２１〜２３に供給する電力供給システム１００は、一端が電源１と電気的に接続するヒューズ２と、ヒューズ２の他端と複数の負荷２１〜２３の間にそれぞれ電気的に接続された複数の半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａと、半導体スイッチのオン及びオフの指示信号を受ける受信部４１を有し、複数の半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａのオン及びオフを制御する制御装置４０と、を備え、制御装置４０は、複数の半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａを同時にオンさせる指示信号を受信した場合に、複数の半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａをオンにするタイミングをずらして、複数の半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａをオンする。【選択図】図１

Description

本発明は、電力供給システムに関するものである。

電源から与えられる電力を複数の負荷に分配して給電するための各給電路に分散して設けられた複数の半導体リレーを有し、その各半導体リレーが前記各負荷への給電状態を制御するリレーユニットと、リレーユニットの過熱を検出する過熱検出手段と、各半導体リレーを制御して各負荷への給電状態を制御する制御手段、を備える車載電源制御装置が知られている。

この車載電源制御装置において、上記の制御手段は、各半導体リレーを制御して各負荷への給電状態を制御する一方、過熱検出手段により過熱が検出された場合には、複数の負荷のうちの、予め定められた条件に従って決定される駆動中の少なくとも一部の負荷への給電をオフする（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−７２４８７号公報

電源の電力を複数の半導体リレーを介して複数の負荷に供給する場合、上記従来技術を含めて一般的には、過電流から負荷を保護するために、電源と複数の半導体リレーの間には溶断性のヒューズが設けられている。しかしながら、上記従来技術では、複数の負荷へ同時に給電する場合、給電した際に発生する突入電流の総和によりヒューズが溶断しないよう、ヒューズの定格電流を大きくする必要がある。また、突入電流により溶断しないよう、ヒューズを設けている電線の電線径を大きくする必要がある。このため、電力供給システムが大型化又は重量化してしまう、という問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、小型化や軽量化を図ることが可能な電力供給システムを提供することである。

［１］本発明に係る電力供給システムは、電源の電力を複数の負荷に供給する電力供給システムであって、一端が前記電源と電気的に接続するヒューズと、前記ヒューズの他端と前記複数の負荷の間にそれぞれ電気的に接続された複数の半導体スイッチと、前記半導体スイッチのオン及びオフの指示信号を受ける受信部を有し、前記複数の半導体スイッチのオン及びオフを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記複数の半導体スイッチを同時にオンさせる指示信号を受信した場合に、前記複数の半導体スイッチをオンにするタイミングをずらして、前記複数の半導体スイッチをオンする電力供給システムである。

［２］上記発明において、前記制御装置は、前記電源から前記負荷へ前記電力を供給する優先順位を記憶している記憶部を有し、前記優先順位に基づいて、前記タイミングをずらしてもよい。

［３］上記発明において、前記電力供給システムは、前記複数の負荷にそれぞれ設けられ、前記電源から前記負荷に流れる電流を検出する複数の電流センサをさらに備え、前記記憶部は、前記半導体スイッチがオンした際に発生する突入電流の特性を、前記複数の負荷にそれぞれ対応づけて記憶しており、前記制御装置は、前記記憶部から読み出した前記突入電流の特性と、前記半導体スイッチがオンした際に前記電流センサにより検出された前記電流とを比較することで、前記負荷に異常があるか否かを判定し、前記負荷に異常があると判定した場合には、前記優先順位を下げてもよい。

［４］上記発明において、前記ヒューズは、それぞれの一端が前記電源と電気的に接続する複数のヒューズを含み、前記複数の半導体スイッチは、前記複数のヒューズの他端と前記複数の負荷の間をそれぞれ電気的に接続してもよい。

本発明によれば、複数の半導体スイッチをオンにするタイミングをずらして複数の半導体スイッチをオンさせるため、ヒューズに流れる突入電流の総和が低減され、ヒューズの大きさを抑制できる。その結果、ヒューズを設けている電線の電線径が小さくなるので、電力供給システムの小型化や軽量化を図ることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る電力供給システムを示すブロック図である。 図２は、電流マップを説明するための図である。 図３（Ａ）は、２つの半導体スイッチをオンさせるタイミングをずらした結果、各負荷に流れる電流の推移を示し、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すタイミングで各半導体スイッチがオンした場合の、ヒューズ２に流れる電流の推移を示す。 図４（Ａ）は、２つの半導体スイッチが同時にオンした結果、各負荷に流れる電流の推移を示し、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示すタイミングで各半導体スイッチがオンした場合の、ヒューズ２に流れる電流の推移を示す。 図５は、本発明の第２実施形態に係る電力供給システムを示すブロック図である。 図６は、本発明の第３実施形態に係る電力供給システムを示すブロック図である。 図７（Ａ）は、負荷の電流マップを示す図であり、図７（Ｂ）は、負荷に流れる電流の実測値を示す図である。 図８は、本発明の第４実施形態に係る電力供給システムを示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態における電力供給システム１００は、バッテリなどの電源から出力される電力を、複数の負荷に供給するシステムである。電力供給システム１００は、例えば電気自動車等の車両に搭載されており、車両に設けられたバッテリの電力を、パワーウィンド、電動チルトテレスコピックステアリング、パワーシート、電動サンシェード、ランプ、ナビゲーションシステム、又は、エアーコンデョナ等の負荷に供給する。この電力供給システム１００は、図１に示すように、電源１、ヒューズ２、電力線３、電力分配装置１０、負荷２１〜２３、上位コントローラ３０、及び制御装置４０を備えている。

電源１は、例えば、車両に搭載される直流電源である。このような電源１としては、鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の２次電池（バッテリ）や、電気二重層キャパシタ等を用いることができる。

電源１は、ヒューズ２、電力線３、及び電力分配装置１０を介して負荷２１〜２３に対して電力を供給している。負荷２１〜２３の具体例としては、上述したパワーウィンド、電動チルトテレスコピックステアリング、パワーシート、電動サンシェード等が挙げられる。負荷２１〜２３には、車載に搭載されたその他の電装部品を含めてもよい。負荷２１の一端は電力分配装置１０に設けられた半導体デバイス１１と接続し、負荷２２の一端は電力分配装置１０に設けられた半導体デバイス１２と接続し、負荷２３の一端は電力分配装置１０に設けられた半導体デバイス１３と接続している。また、負荷２１〜２３の他端は、グランドと接続している。なお、図１では、負荷２１〜２３の他端をグランドと接続しているが、これに限定されない。

ヒューズ２は、電源１と電力分配装置１０の間を接続する電力線３に設けられているメインヒューズである。ヒューズ２は、電源１から流れてくる定格以上の大電流から負荷２１〜２３を保護するために設けられている。ヒューズ２の一端は、電源１と電気的に接続している。ヒューズ２の他端は、電力分配装置１０に設けられた半導体デバイス１１〜１３と電力線３を介して電気的に接続している。

ヒューズ２は、溶断特性を有している。溶断特性とは、ヒューズ２の定格電流を超える電流（溶断電流）が流れた際に、予め決められた時間内で溶断する特性である。この溶断特性は、溶断電流の大きさ、雰囲気温度、又はヒューズ２の種類に応じて異なる。例えば、定格電流が３０Ａのヒューズであれば、仮に９０Ａの溶断電流がこのヒューズに流れ続けた場合、このヒューズは数秒で溶断する。また、仮に５０Ａの溶断電流がこのヒューズに流れ続けた場合には、このヒューズは数分で溶断する。ヒューズ２の溶断特性は、後述する制御装置４０の記憶部４２に予め記憶されている。

電力分配装置１０は、図１に示すように、半導体デバイス１１〜１３を備えている。電力分配装置１０には、電源１の電力がヒューズ２及び電力線３を介して供給される。図１の例では、ヒューズ２の他端と接続する電力線３は、電力分配装置１０の中で３本に分岐している。分岐された３本の電力線３は、半導体デバイス１１〜１３にそれぞれ接続されている。これにより、電源１と半導体デバイス１１〜１３は、ヒューズ２及び電力線３を介して電気的に接続され、電源１の電力は、半導体デバイス１１〜１３それぞれに供給される。

電力分配装置１０は、半導体デバイス１１〜１３の動作に応じて、電源１の電力を負荷２１〜２３へ供給又は遮断する。半導体デバイス１１〜１３としては、例えば、後述する半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａを含み、この半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａの制御回路、加熱保護回路、及び／又は電流検出回路等を含むＩＰＤ（Intelligent Power Device）等のＩＣが挙げられる。このＩＰＤ等のＩＣは、加熱保護回路、及び／又は電流検出回路等により、半導体スイッチの異常を診断する自己診断機能を有している。また、電力分配装置１０としては、例えば、複数の半導体デバイス１１〜１３を搭載したＥＣＵ等が挙げられる。

ここで、電力分配装置には、半導体デバイス１１〜１３の代わりに、溶断性のある機械式のヒューズを用いることが一般的であったが、この機械式のヒューズでは、負荷の異常等により一度溶断してしまうと交換作業が発生し、手間がかかることがあった。このため、機械ヒューズの代わりに、上述したＩＰＤ等の自己診断機能を有する半導体スイッチを用いることに関心が集まっている。この半導体スイッチは、自己診断機能により異常を検知して負荷への電力を遮断したとしても、交換作業を必要とせずに、通電作業だけで復帰するなどの利点を有する。このため、このような半導体スイッチは半導体ヒューズと呼ばれている。

半導体デバイス１１は、半導体スイッチ１１ａと当該半導体スイッチ１１ａと並列に接続された還流ダイオード１１ｂを含んでいる。同様に、半導体デバイス１２は、半導体スイッチ１２ａと当該半導体スイッチ１２ａと並列に接続された還流ダイオード１２ｂを含み、半導体デバイス１３は、半導体スイッチ１２ａと当該半導体スイッチ１２ａと並列に接続された還流ダイオード１２ｂを含んでいる。還流ダイオード１１ｂ、１２ｂ、１３ｂは、電流が負荷２１、２２、又は２３から電源１の方向に流れるのを防止するために設けられている。具体的に、還流ダイオード１１ｂのカソード電極はヒューズ２の他端と接続し、還流ダイオード１１ｂのアノード電極は負荷２１と接続している。同様に、還流ダイオード１２ｂのカソード電極はヒューズ２の他端と接続し、還流ダイオード１２ｂのアノード電極は負荷２２と接続している。また、還流ダイオード１３ｂのカソード電極はヒューズ２の他端と接続し、還流ダイオード１３ｂのアノード電極は負荷２３と接続している。

半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａとしては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の電圧制御型の半導体素子を用いることができる。本実施形態では、ｎチャネルのＭＯＳＦＥＴを用いているが、ｐチャネルのＭＯＳＦＥＴでもよい。

半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａは、エミッタ電極と、ソース電極と、ゲート電極と、を有している。半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａのドレイン電極は、電力線３を介してヒューズ２の他端と接続している。半導体スイッチ１１ａのソース電極は負荷２１と接続し、半導体スイッチ１２ａのソース電極は負荷２２と接続し、半導体スイッチ１３ａのソース電極は負荷２３と接続している。また、半導体スイッチ１１ａのゲート電極、半導体スイッチ１２ａのゲート電極、及び半導体スイッチ１３ａのゲート電極は、それぞれ配線４、５、６を介して、制御装置４０の駆動部４３と接続している。配線４〜６はそれぞれ独立した配線である。半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａのゲート電極は、駆動部４３から出力される駆動信号により、それぞれ独立に制御される。

半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａは、制御部４４からゲート電極に出力される駆動信号によりオン又はオフに切替えられる。半導体スイッチ１１ａの動作を例に挙げて説明する。

半導体スイッチ１１ａは、駆動信号の電圧がゲート電極−ソース電極間の閾値電圧（Ｖ_ｇｓ）よりも高い場合に、ドレイン電極とソース電極の間が電気的に導通し、オン状態となる。反対に、半導体スイッチ１１ａは、駆動信号の電圧がゲート電極−ソース電極間の閾値電圧よりも低い場合に、ドレイン電極とソース電極の間が電気的に遮断し、オフ状態となる。なお、この閾値電圧は、半導体スイッチ１１ａの製造プロセスや材料に応じて異なる電圧だが、特に限定されるものではない。

半導体スイッチ１１ａのオン状態では、ドレイン電極とソース電極の間は導通しているため、電源１と負荷２１は、ヒューズ２、電力線３、及び半導体スイッチ１１ａを介して電気的に接続された状態になる。そのため、半導体スイッチ１１ａのオン状態では、電源１から負荷２１の方向に電流が流れ、電源１の電力は負荷２１に供給される。

反対に、半導体スイッチ１１ａのオフ状態では、ドレイン電極とソース電極の間は遮断しているため、電源１と負荷２１は、電気的に遮断された状態になる。そのため、半導体スイッチ１１ａのオフ状態では、電源１から負荷２１の方向に電流が流れず、電源１の電力は負荷２１へ供給されない。つまり、半導体スイッチ１１ａのオン及びオフを制御することで、電源１の電力を負荷２１へ供給又は遮断することができる。

また、図１に示すように、半導体デバイス１１は負荷２１に対応し、半導体デバイス１２は負荷２２に対応し、半導体デバイス１３は負荷２３に対応している。半導体スイッチ１２ａ、１３ａについても、半導体スイッチ１１ａと同様の動作をするため、半導体スイッチ１２ａのオン及びオフを制御することで、電源１の電力を負荷２２へ供給又は遮断することができる。また、半導体スイッチ１３ａのオン及びオフを制御することで、電源１の電力を負荷２３へ供給又は遮断することができる。つまり、各負荷に対応している半導体デバイスの制御をすることで、具体的には、半導体スイッチのオン及びオフを制御することで、電源１の電力を各負荷へ供給又は遮断をすることができる。

なお、図１では、３つの負荷２１〜２３に対応するように、電力分配装置１０は３つの半導体デバイス１１〜１３を設ける構成を例示したが、これに限定されるものではない。電力分配装置１０は、負荷の数に対応した数の半導体デバイスを設けることができる。例えば、ｎ個の負荷に対して電源１の電力を供給する場合には、電力分配装置１０は、ｎ個の半導体デバイスを設ける。ｎは１以上の自然数である。このとき、電力線３は電力分配装置１０の中でｎ本に分岐され、ｎ本の電力線はｎ個の半導体デバイスと接続する。これにより、ｎ個の負荷と電源１との間の電気的な導通及び遮断を、それぞれ独立して切り替えることができる。

上位コントローラ３０は、車両に設けられた各種装置の情報を管理するコントローラである。本実施形態の上位コントローラ３０は、電源１の電力を負荷２１〜２３に対してどのように分配させるかを管理する。上位コントローラ３０は、半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａのオン及びオフの指示として指示信号を制御装置４０の受信部４１に出力する。この指示信号には、半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａのオン及びオフのタイミングに関する情報が含まれている。上位コントローラ３０は、例えば、運転者が全ての電装部品を操作可能な状態、いわゆる、イグニッションオン状態になると、制御装置４０に指示信号を出力する。

制御装置４０は、上位コントローラ３０からの指示信号に基づいて、半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａのオン及びオフを制御する制御装置である。例えば、制御装置４０には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含んで構成されるマイクロコンピュータが挙げられる。

制御装置４０は、図１に示すように、受信部４１、記憶部４２、駆動部４３、及び制御部４４を有している。受信部４１は、上位コントローラ３０と通信可能な装置である。上位コントローラ３０との通信手段は特に限定されない。受信部４１は、上位コントローラ３０から、半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａのオン及びオフの指示信号を受け、受信した指示信号を制御部４４へ出力する。

記憶部４２は、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のような情報を記憶する記憶媒体で構成されている。記憶部４２は、制御部４４が実行する、半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａのオン及びオフを制御するプログラムを記憶している。また、上述したように、記憶部４２はヒューズ２の溶断特性を記憶している。

さらに、記憶部４２は、電源１から負荷２１〜２３へ電力を供給する優先順位を記憶している。この優先順位は、負荷２１〜２３に対する電力供給の序列を示している（以降、負荷の優先順位とも称する）。なお、この優先順位は、負荷の種類や、負荷としての機器又はシステムの動作シーケンスに応じて予め決定される。

また、記憶部４２は、半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａがオンした際に発生する突入電流の時系列データを記憶している。突入電流とは、半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、又は１３ａがオフ状態からオン状態となった際に、電源１から負荷２１、負荷２２、又は負荷２３の方向に一時的に流れる大電流である。記憶部４２は、突入電流の時系列データを、例えば、横軸が時間、縦軸が電流のマップ（以降、電流マップとも称す）を記憶している。

次に、電流マップについて、図２を参照しながら説明する。図２は、電流マップを説明するための図である。記憶部４２は、図２に示すような、横軸が時間、縦軸が電流値であらわされる電流の推移をマップ化して記憶している。

例えば、図２に示す電流マップは、半導体スイッチ１１ａがオンすることで、電源１から負荷２１へ流れる電流値（縦軸）を示すデータであって、実験により得られたデータの一例である。図２に示す例では、時間０（原点）において、半導体スイッチ１１ａのゲート電極に電圧が印加されて、半導体スイッチ１１ａのドレイン電極とソース電極の間が導通する。時間０〜ｔ_ｍａｘでは、ドレイン電極とソース電極の導通により、電源１から負荷２１の方向に突入電流が発生し、電流値は上昇する。時間ｔ_ｍａｘで、突入電流のピーク（電流値Ｉ_ｍａｘ）が発生する。時間ｔ_ｍａｘ〜ｔ_ｓｔａでは、負荷２１が有する容量等により充電され、突入電流は電流値Ｉ_ｍａｘから減少する。時間ｔ_ｓｔａに、電流値は負荷２１の定常電流Ｉ_ｓｔａに収束し、時間ｔ_ｓｔａ以降、電流値は定常電流Ｉ_ｓｔａを維持する。

また、記憶部４２は、電流マップを負荷２１〜２３それぞれに対応づけて記憶している。すなわち、記憶部４２は、半導体スイッチ１２ａがオン状態となった際に、電源１から負荷２１へ流れる突入電流の電流マップを、負荷２１と対応づけて記憶している。同様に、記憶部４２は、半導体スイッチ１２ａがオン状態となった際に、電源１から負荷２２へ流れる突入電流の電流マップを、負荷２２と対応づけて記憶している。また、記憶部４２は、半導体スイッチ１３ａがオン状態となった際に、電源１から負荷２３へ流れる突入電流の電流マップを、負荷２３と対応づけて記憶している。電流マップは、各負荷の特性、電力線３の配線長又は材料、電力分配装置１０と各負荷間を接続する配線の配線長又は材料、雰囲気温度などを考慮して実験的に求めることが好ましい。

図１に戻り、制御装置４０について説明する。駆動部４３には、制御部４４から半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａをオン及びオフする制御信号が入力される。駆動部４３は、これらの制御信号の電圧を、半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａの動作電圧までレベルシフトさせて、半導体デバイス１１〜１３へ出力する駆動回路である。なお、本実施形態では、制御装置４０に駆動部４３を設けているが、半導体スイッチの動作電圧の範囲と制御部４４が出力する制御信号の電圧範囲が同じ範囲であれば、駆動部４３を設ける必要はない。また、駆動部４３を設ける位置は特に限定されず、駆動部４３を電力分配装置１０の中に設けてもよい。

制御部４４は、記憶部４２に記憶されたプログラムを実行することで、制御装置４０の機能を実現させる動作回路としてのＣＰＵで構成される。なお、動作回路として、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等を用いてもよい。

制御部４４には、受信部４１を介して上位コントローラ３０から指示信号が入力される。制御部４４は、この指示信号に応じて、半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａをオン及びオフさせる制御信号をそれぞれ生成し、生成した複数の制御信号を駆動部４３に出力する。また、制御部４４は、記憶部４２にアクセスすることができ、記憶部４２に記憶されている、ヒューズ２の溶断特性、負荷の優先順位及び各負荷の電流マップを読み出す。

次に、制御部４４が実現する機能について説明する。制御部４４は、上位コントローラ３０の指示より、半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａを同時にオンさせる必要がある場合、ヒューズ２の溶断特性及び負荷の優先順位に基づいて、半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａをオンにするタイミングをずらす。例えば、制御部４４は、半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａを同時にオンさせる指示信号を受信すると、半導体スイッチ１１ａをオンさせるタイミングを、半導体スイッチ１２ａ、１３ａをオンさせるタイミングよりも遅らせる。

制御部４４は、ヒューズ２の溶断特性に基づいて、半導体スイッチ１２ａ、１３ａをどの程度遅らせてオンさせるか（遅延量）を決定する。例えば、制御部４４は、負荷２１〜２３の電流マップを記憶部４２から読み出して、各負荷の電流マップを重畳させて、突入電流の総和をあらわす予測マップを作成する。そして、制御部４４は、この予測マップとヒューズ２の溶断電流とを比較して、突入電流の総和が溶断電流を超えないように、半導体スイッチ１２ａ、１３ａをオンさせるタイミングを決定する。遅延量の目安として、数ｍｓｅｃ程度が好ましい。この程度の時間であれば、電装部品又はシステムの起動時間に対する、車両の乗員の違和感を低減できる。なお、遅延量の決定方法は上記方法に限定されず、他の方法を用いてもよい。

例えば、遅延量として一定値（例えば、１ｍｓｅｃ）を予め決定しておいて、その遅延量を記憶部４２に記憶させてもよい。そして、制御部４４は、記憶部４２から読み出した遅延量を用いて、複数の半導体をオンにするタイミングを一律にずらしてもよい。また、制御部４４は、複数の半導体をオンにするタイミングを、この遅延量の整数倍毎に間隔を設けてずらしてもよい。

また、制御部４４は、負荷の優先順位を参照して、タイミングをずらす半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａを予め決定しておく。例えば、負荷２１が最も高い優先順位（電力供給が最も必要な負荷）であれば、制御部４４は、半導体スイッチ１２ａ、１３ａを半導体スイッチ１１ａよりも遅らせてオンさせる制御信号を生成する。また、制御部４４は、半導体スイッチ１１ａをオンさせるタイミングを、上位コントローラ３０の指示と同じタイミングとなるように、制御信号を生成する。これにより、各負荷の電源投入シーケンスに与える影響を低減させつつ、優先順位が高い負荷から順に、電源１の電力を供給することができる。

制御部４４は、上記方法により、各半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａをオンさせるタイミングを決定すると、このタイミングの情報が含まれる制御信号を、駆動部４３に出力する。

次に、複数の半導体スイッチをオンさせるタイミングをずらした時に、ヒューズ２に流れる突入電流への影響について、図３を参照しながら説明する。図３（Ａ）は、２つの半導体スイッチをオンさせるタイミングをずらした結果、各負荷に流れる電流の推移を示し、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すタイミングで各半導体スイッチがオンした場合の、ヒューズ２に流れる電流の推移を示す図である。図３（Ａ）において、一点鎖線は、半導体スイッチ１１ａがオンした直後に負荷２１に流れる電流を示し、点線は、半導体スイッチ１２ａがオンした直後に負荷２２に流れる電流を示す。

なお、以降では、説明の便宜上、図１に示す負荷２１〜２３のうち、負荷２１、２２を用いて説明する。この場合、上位コントローラ３０は、２つの半導体スイッチ１１ａ、１２ａを同時にオンさせる指示信号を制御部４４に出力するが、上位コントローラ３０が同時にオンさせようとする半導体スイッチの数は、特に限定されない。

図３（Ａ）に示すように、制御装置４０により、半導体スイッチ１２ａは、半導体スイッチ１１ａがオンするタイミングよりも、時間ｔ_ｏｎだけ遅れてオンする。そのため、負荷２１へ流れる突入電流のピーク（電流値Ｉ_ｍａｘ１）と、負荷２２へ流れる突入電流のピーク（電流値Ｉ_ｍａｘ２）を分散させることができる。その結果、ヒューズ２には、図３（Ｂ）に示すような電流が流れる。

ここで、ヒューズ２の選定について説明する。一般的には、図１の例のように、電力分配装置１０を介して電源１の電力を複数の負荷へ供給する電力供給システムの場合、各負荷を過電流から保護するため、ヒューズ２には、溶断特性のある機械式のヒューズが用いられる。上述したように、半導体スイッチがオンすると、一時的に突入電流が発生するため、ヒューズ２の選定には、各負荷の定常電流だけでなく、各負荷に流れる突入電流を考慮する必要がある。例えば、図３（Ｂ）に示す突入電流のピーク（電流値Ｉ_{ｍａｘ１２}）がヒューズ２に発生する場合、このピークよりも高い電流値Ｉ_ｔｈで溶断するようなヒューズ２を選定することが考えられる。

図３（Ｂ）に示す突入電流のピーク（電流値Ｉ_{ｍａｘ１２}）は、図３（Ａ）に示す負荷２１に流れる定常電流（電流値Ｉ_ｓｔａ１）と、負荷２２へ流れる突入電流のピーク（電流値Ｉ_ｍａｘ２）の総和と同程度となる。定常電流の大きさと突入電流の大きさは、一般的に数倍以上の差があるため、図３（Ｂ）に示す突入電流のピークは、負荷２２へ流れる突入電流のピーク（電流値Ｉ_ｍａｘ２）が支配的になる。負荷２１の定常電流を考慮することなく、負荷２２の突入電流を基準として、ヒューズ２を選定することができるため、ヒューズ２の選定が容易となる。

一方、上位コントローラ３０の指示通りに、半導体スイッチ１１ａ、１２ａを同時にオンさせると、図４（Ａ）に示すように、負荷２１へ流れる突入電流のピーク（電流値Ｉ_ｍａｘ１）と、負荷２２へ流れる突入電流のピーク（電流値Ｉ_ｍａｘ２）を分散させることができない。そのため、ヒューズ２には、図４（Ｂ）に示すような一時的な過電流が流れる。なお、図４（Ａ）は、２つの半導体スイッチが同時にオンした結果、各負荷に流れる電流の推移を示し、図３（Ａ）に対応する図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示すタイミングで各半導体スイッチがオンした場合の、ヒューズ２に流れる電流の推移を示す図である。図４（Ａ）の一点鎖線及び点線は、図３（Ａ）の一転鎖線及び点線に対応するため、図３（Ａ）の説明を援用する。

図４（Ｂ）に示す突入電流のピーク（電流値Ｉ_{ｍａｘ１２} ^’）は、図４（Ａ）に示す負荷２１に流れる突入電流のピーク（電流値Ｉ_ｍａｘ１）と、負荷２２へ流れる突入電流のピーク（電流値Ｉ_ｍａｘ２）の総和と同程度となる。そのため、各負荷の突入電流の総和を考慮して、ヒューズ２を選定しなければならない。例えば、図４（Ｂ）に示す突入電流のピーク（電流値Ｉ_{ｍａｘ１２} ^’）がヒューズ２に発生する場合、このピークよりも高い電流閾値Ｉ_ｔｈ ^’で溶断するようなヒューズ２を選定しなければならない。その結果、各負荷の突入電流のピーク（電流値Ｉ_ｍａｘ１、電流値Ｉ_ｍａｘ２）に対して、定格電流が過剰に大きいヒューズ２を選定しなければならず、ヒューズ２の大きさを抑制することができない。

これに対して、本実施形態では、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を参照しながら説明したように、制御装置４０は、複数の半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａを同時にオンさせる指令に対して、これらの半導体スイッチをオンにするタイミングをずらして、半導体スイッチをオンする。これにより、ヒューズ２に流れる突入電流が低減され、各負荷の突入電流のピークに対して、定格電流が過剰に大きいヒューズ２を選定する必要がなくなる。その結果、ヒューズ２の溶断を防止するとともに、ヒューズ２の大きさを抑制できる。また、ヒューズ２に流れる電流量が低減されるため、電力線３の電線径を小さくすることもできる。これにより、電力供給システム１００全体の小型化や軽量化という効果も得られる。

また、本実施形態では、制御装置４０は、電源１から負荷２１〜２３へ電力を供給する優先順位を記憶している記憶部４２を有しており、この優先順位に基づいて、半導体スイッチをオンにするタイミングをずらしている。これにより、他の負荷よりも先に電力が必要な負荷に対して優先的に電力を供給できるため、電源投入シーケンスに与える影響を抑制できる。

本実施形態における「電源１」は本発明における「電源」の一例に相当し、本実施形態における「ヒューズ２」は本発明における「ヒューズ」の一例に相当する。本実施形態における「半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａ」は本発明における「複数の半導体スイッチ」の一例に相当する。本実施形態における「負荷２１〜２３」は本発明における「複数の負荷」の一例に相当する。本実施形態における「受信部４１」は本発明における「受信部」の一例に相当する。本実施形態における「制御装置４０」は本発明における「制御装置」の一例に相当する。本実施形態における「電力供給システム１００」は本発明における「電力供給システム」の一例に相当する。

次に、上述した実施形態と異なる方法で電力供給の優先順位を付ける電力供給システム２００の一例について、図５を参照しながら説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係る電力供給システム２００を示す概要図である。なお、上述の実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略して、上述の実施形態においてした説明を援用する。

ユーザーコントローラ５０は、制御装置１４０が備える記憶部４２に対してアクセス可能な装置である。ユーザーコントローラ５０は、制御装置１４０が備える入力部４５と接続している。ユーザーコントローラ５０としては、例えば、パーソナルコンピュータ等が挙げられる。また、入力部４５としては、例えば、ＯＢＤコネクタが挙げられる。ユーザーコントローラ５０は、入力部４５とケーブル等の配線により接続されている。なお、ユーザーコントローラ５０はパーソナルコンピュータに、入力部４５はＯＢＤコネクタに、それぞれ限定されるものではない。

ユーザーコントローラ５０は、入力部４５を介して、記憶部４２に記憶されている優先順位の情報に対して、読み出し及び書き込みの作業を実行する。例えば、ユーザーは、ユーザーコントローラ５０を操作して、記憶部４２を構成するＲＡＭやＲＯＭから優先順位の情報を読み出す。そして、ユーザーは、ユーザーコントローラ５０を操作して優先順位を変更し、変更した優先順位を記憶部４２に書き込む。

このように、本実施形態では、ユーザーにより、電源１から負荷２１〜２３へ電力を供給する優先順位の変更が可能である。これにより、複数の負荷が電力分配装置１０に接続されていても、ユーザーが所望する優先順位で、各負荷へ電力を供給することができる。また、一度決定した優先順位を途中で変更できるため、負荷の状態に応じて優先順位を変更する等、柔軟な対応が可能となる。

次に、上述した２つの実施形態と異なる方法で、電力供給の優先順位を付ける電力供給システム３００の一例について、図６を参照しながら説明する。図６は、本発明の第３実施形態に係る電力供給システム３００を示す概要図である。なお、上述の実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略して、上述の実施形態においてした説明を援用する。

本実施形態では、電力分配装置２１０は、図６に示すように、電流センサ１５〜１７を備えている。電流センサ１５〜１７は、直流を測定するセンサである。

電流センサ１５〜１７は、負荷２１〜２３それぞれに対して設けられており、電源１から負荷２１〜２３の方向に流れる電流をそれぞれ検出する。電流センサ１５は、半導体スイッチ１１ａのソース電極と負荷２１の間に直列に挿入されている。

電流センサ１５は、電源１から負荷２１の方向に流れる電流を検出し、信号線を介して検出値を制御装置２４０に設けられた制御部２４４に出力する。電流センサ１６は、半導体スイッチ１２ａのソース電極と負荷２２の間に直列に挿入されている。電流センサ１６は、電源１から負荷２１の方向に流れる電流を検出し、信号線を介して検出値を制御装置２４０に設けられた制御部２４４に出力する。電流センサ１７は、半導体スイッチ１３ａのソース電極と負荷２３の間に直列に挿入されている。電流センサ１７は、電源１から負荷２３の方向に流れる電流を検出し、信号線を介して検出値を制御装置２４０に設けられた制御部２４４に出力する。なお、図６の例では、電流センサ１５〜１７は、電力分配装置２１０に設けているが、電力分配装置２１０の外側に設けてもよい。電流センサ１５〜１７の設置位置は、各負荷の入力インピーダンス、半導体デバイス１１〜１３と負荷２１〜２３の間の配線インピーダンス等を考慮して決めるのが好ましい。

本実施形態の制御装置２４０は、負荷２１〜２３の異常を検出できる制御部２４４を備えている。制御部２４４は、記憶部４２に記憶されている各負荷の電流マップを読み出す。制御部２４４は、電流センサ１５〜１７の検出値と、各負荷の電流マップを比較して、負荷２１〜２３に異常があるか否かを判定する。

次に、制御部２４４による負荷２１〜２３の異常検出方法について、図７を参照しながら説明する。図７は、負荷２１〜２３の異常を検出する方法を説明するための図である。図７（Ａ）は、負荷の電流マップを示す図であり、図２に対応する図である。図７（Ｂ）は、負荷に流れる電流の実測値を示す図である。なお、説明の便宜上、図７（Ａ）は負荷２１の電流マップ、図７（Ｂ）は負荷２１に流れる電流の実測値であって、電流センサ１５の検出結果とする。

制御部２４４は、図７（Ａ）に示すように、予め記憶部４２に記憶されている負荷２１の電流マップを、負荷２１の正常状態における電流の推移として扱う。制御部２４４は、電流マップと、電流センサ１５で検出された電流の実測値を比較して、負荷２１に異常が発生しているか否かを判定する。例えば、制御部２４４は、図７（Ｂ）に示すような電流の実測値を、電流センサ１５から取得すると、突入電流のピーク（電流値Ｉ_ｍａｘ ^’）と電流マップの突入電流のピーク（電流値Ｉ_ｍａｘ）との差分を算出する。そして、制御部２４４は、算出した差分が誤差範囲内であるか否かを判定する。制御部２４４は、実測値の突入電流のピーク（電流値Ｉ_ｍａｘ ^’）が電流マップの突入電流のピーク（電流値Ｉ_ｍａｘ）に対して誤差範囲外であれば、負荷２１に異常が生じていると判定する。反対に、制御部２４４は、実測値の突入電流のピーク（電流値Ｉ_ｍａｘ ^’）が電流マップの突入電流のピーク（電流値Ｉ_ｍａｘ）に対して誤差範囲内であれば、負荷２１は正常であると判定する。

なお、実測値と電流マップの比較を用いて、負荷の異常を検出する方法は、上記方法に限られず、例えば、図７（Ａ）に示す電流マップの定常電流（電流値Ｉ_ｓｔａ）と、図７（Ｂ）に示す実測値の定常電流（電流値Ｉ_ｓｔａ ^’）の比較から負荷２１の異常を判定してもよい。また、例えば、図７（Ａ）に示す電流マップにおける突入電流のピークが発生する時間ｔ_ｍａｘと、図７（Ｂ）に示す実測値における突入電流のピークが発生する時間ｔ_ｍａｘ ^’の比較から負荷２１の異常を判定してもよい。

制御部２４４は、負荷２１に異常が生じていると判定すると、負荷２１の異常を車両の乗員に報知する。例えば、制御部２４４は、車両に搭載されたディスプレイに警告表示させるために、表示装置（不図示）に異常検出の信号を出力する。なお、異常を報知する方法は上記の方法に限定されず、例えば、運転者が視認できる位置にある車内のランプを点灯させてもよい。

また、制御部２４４は、異常を報知するとともに、記憶部４２に記憶されている負荷２１の優先順位の情報を更新する。例えば、予め記憶部４２に記憶されている負荷２１の優先順位が最も高く、負荷２２の優先順位が次に高い場合、制御部２４４は、記憶部４２にアクセスして、負荷２１の優先順位を下げるとともに、負荷２２の優先順位を繰り上げる処理を実行する。

このように、本実施形態では、電力供給システム３００は、複数の負荷２１〜２３のそれぞれに設けられ、電源１から各負荷２１〜２３に流れる電流を検出する複数の電流センサ１５〜１７を備えている。また、記憶部４２は、電流マップを、複数の負荷２１〜２３にそれぞれ対応づけて記憶している。制御装置２４０は、記憶部４２から読み出した電流マップと、複数の電流センサ１５〜１７により検出された電流とを比較することで、負荷に異常があるか否かを判定し、負荷に異常があると判定した場合には、電力供給の優先順位を下げる。半導体スイッチがオンした直後に負荷の異常を検出できるため、定常状態で発生し得る異常を予知することができる。

本実施形態における「電流センサ１５〜１７」は本発明における「電流センサ」の一例に相当する。本実施形態における「記憶部４２」は本発明における「記憶部」の一例に相当する。本実施形態における「電流マップ」は本発明における「突入電流の特性」の一例に相当する。

次に、上述した３つの実施形態と異なる方法で電力供給の優先順位を付ける電力供給システム４００の一例について、図８を参照しながら説明する。図８は、本発明の第４実施形態に係る電力供給システム４００を示す概要図である。なお、上述の実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略して、上述の実施形態においてした説明を援用する。

電力供給システム４００は、図８に示すように、電源１、ヒューズ２、８、電力線３、９、２５、負荷２１〜２４、上位コントローラ３０、電力分配装置１１０、及び制御装置３４０を備えている。

電源１は、ヒューズ２、電力線３、２５及び電力分配装置１１０を介して、負荷２１、２２に対して電力を供給している。また、電源１は、ヒューズ８、電力線９、２５及び電力分配装置１１０を介して負荷２３、２４に対して電力を供給している。電源１と接続する電力線２５は、２本に分岐してそれぞれヒューズ２、８の一端と接続している。

本実施形態では、電源１と電力分配装置１１０の間に２つのヒューズ２、８が設けられている。以降では、ヒューズ２を介して電源１の電力が供給される負荷２１、２２を第１グループと称し、ヒューズ８を介して電源１の電力が供給される負荷２３、２４を第２グループと称する。なお、図８の例では、電源１と電力分配装置１１０の間に２つのヒューズを設けているため、第１グループと第２グループの２つのグループであらわせるが、グループの数は特に限定されず、複数のグループであってもよい。例えば、電源１と電力分配装置１１０の間には、ヒューズをｍ個設けてもよい。ｍ個は１以上の自然数である。また、第１グループ及び第２グループともに、２つの負荷が含まれているが、各グループの負荷の数は特に限定されない。例えば、第１グループの負荷の数と、第２グループの負荷の数は異なっていてもよい。

電力分配装置１１０は、第１グループに対応した、半導体デバイス１１、１２を備え、第２のグループに対応した、半導体デバイス１３、１４を備えている。それぞれの半導体デバイスに含まれる半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａ、及び１４ａのゲート電極には、制御装置３４０の駆動部３４３から駆動信号が入力される。なお、半導体デバイス、半導体スイッチの説明は、上述した実施形態の説明を援用する。

制御装置３４０は、各グループごとに、ヒューズの溶断特性、負荷の優先順位、及び電流マップを記憶している記憶部３４２と、上述した実施形態に係る制御部４４が実現する機能を、各グループごとに実行する制御部３４４を有する。

記憶部３４２は、第１グループの情報として、ヒューズ２の溶断特性、負荷２１、２２の優先順位、及び負荷２１、２２の電流マップを記憶している。また、記憶部３４２は、第２グループの情報として、ヒューズ８の溶断特性、負荷２３、２４の優先順位、及び負荷２３、２４の電流マップを記憶している。なお、各グループごとに記憶している情報については、上述した実施形態の説明を援用する。

制御部３４４は、上位コントローラ３０からの指示信号により、複数の半導体スイッチを同時にオンさせる必要がある場合、各グループごとに、半導体スイッチをオンさせるタイミングをずらす。例えば、半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａを同時にオンさせる指示信号が入力されると、制御部３４４は、第１グループの負荷の優先順位に基づいて、半導体スイッチ１１ａ、１２ａをオンさせるタイミングをずらすとともに、第２グループの負荷の優先順位に基づいて、半導体スイッチ１３ａ、１４ａをオンさせるタイミングをずらす。なお、半導体スイッチをオンさせるタイミングをずらす方法については、上述した実施形態の説明を援用する。

例えば、負荷２１が負荷２２よりも優先順位が高く、かつ、負荷２３が負荷２４よりも優先順位が高いものとする。この場合、制御部３４４は、半導体スイッチ１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａを同時にオンさせる指示信号が入力されると、第１グループの処理として、半導体スイッチ１２ａを半導体スイッチ１１ａよりも遅らせてオンさせる。また、制御部３４４は、第２グループの処理として、半導体スイッチ１４ａを半導体スイッチ１３ａよりも遅らせてオンさせる。

制御部３４４が上記処理を実行した結果、半導体スイッチ１１ａ、１３ａは、上位コントローラ３０が指示するタイミングと同じタイミングでオンし、半導体スイッチ１２ａは半導体スイッチ１１ａよりも遅れてオンし、半導体スイッチ１４ａは半導体スイッチ１３ａよりも遅れてオンする。そのため、負荷２１と負荷２３に対しては、同じタイミングで電力が供給され、負荷２２と負荷２４に対しては、このタイミングよりも遅れて電力が供給される。なお、制御部３４４は、各グループごとに遅延量を設定することができ、半導体スイッチ１２ａと半導体スイッチ１４ａを同じタイミングでオンさせなくてもよい。

このように、本実施形態では、それぞれの一端が電源１と電気的に接続する複数のヒューズ２、８を備えている。また、半導体スイッチ１１ａ、１２ａはヒューズ２の他端と負荷２１、２２の間をそれぞれ電気的に接続し、半導体スイッチ１３ａ、１４ａはヒューズ８の他端と負荷２３、２４の間をそれぞれ電気的に接続している。これにより、優先順位が最も高い負荷が複数存在したとしても、これらの負荷に対して同時に電力を供給することができ、その結果、電源投入のタイミングのズレを小さくしなければならない複雑な電源投入シーケンスに対して、柔軟に対応できるとともに、各ヒューズの大きさを抑制できる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

１…電源
２…ヒューズ
３…電力線
４…配線
５…配線
６…配線
１０…電力分配装置
１１…半導体デバイス
１１ａ…半導体スイッチ
１１ｂ…還流ダイオード
１２…半導体デバイス
１２ａ…半導体スイッチ
１２ｂ…還流ダイオード
１３…半導体デバイス
１３ａ…半導体スイッチ
１３ｂ…還流ダイオード
２１…負荷
２２…負荷
２３…負荷
３０…上位コントローラ
４０…制御装置
４１…受信部
４２…記憶部
４３…駆動部
４４…制御部

Claims (4)

1. 電源の電力を複数の負荷に供給する電力供給システムであって、
   一端が前記電源と電気的に接続するヒューズと、
   前記ヒューズの他端と前記複数の負荷の間にそれぞれ電気的に接続された複数の半導体スイッチと、
   前記半導体スイッチのオン及びオフの指示信号を受ける受信部を有し、前記複数の半導体スイッチのオン及びオフを制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記複数の半導体スイッチを同時にオンさせる指示信号を受信した場合に、前記複数の半導体スイッチをオンにするタイミングをずらして、前記複数の半導体スイッチをオンする電力供給システム。
2. 請求項１に記載の電力供給システムであって、
   前記制御装置は、前記電源から前記負荷へ前記電力を供給する優先順位を記憶している記憶部を有し、前記優先順位に基づいて、前記タイミングをずらす電力供給システム。
3. 請求項２に記載の電力供給システムであって、
   前記電力供給システムは、前記複数の負荷にそれぞれ設けられ、前記電源から前記負荷に流れる電流を検出する複数の電流センサをさらに備え、
   前記記憶部は、前記半導体スイッチがオンした際に発生する突入電流の特性を、前記複数の負荷にそれぞれ対応づけて記憶しており、
   前記制御装置は、前記記憶部から読み出した前記突入電流の特性と、前記半導体スイッチがオンした際に前記電流センサにより検出された前記電流とを比較することで、前記負荷に異常があるか否かを判定し、
   前記負荷に異常があると判定した場合には、前記優先順位を下げる電力供給システム。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の電力供給システムであって、
   前記ヒューズは、それぞれの一端が前記電源と電気的に接続する複数のヒューズを含み、
   前記複数の半導体スイッチは、前記複数のヒューズの他端と前記複数の負荷の間をそれぞれ電気的に接続する電力供給システム。

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