JP2019193517A - 電源冗長システム - Google Patents

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Abstract

【課題】異なる電圧の電源システムが併存する電源冗長システムにおいて、一方の電源システムで地絡あるいは短絡が発生した場合にも負荷に電力を供給可能とする。【解決手段】第１電圧の第１バッテリと第１側が接続するＤＣＤＣコンバータと、第１電圧と異なる第２電圧の第２バッテリと前記ＤＣＤＣコンバータの第２側との間に設けられた第１スイッチと、第２バッテリおよびＤＣＤＣコンバータの第２側と個別に接続し、第２電圧で動作する負荷と、第１スイッチをオンにして第２バッテリの電圧を監視し、第２バッテリの電圧が第１基準値以下になった場合に、第１スイッチをオフに切り換えるとともに、ＤＣＤＣコンバータを第２側から第２電圧を出力するように動作させる制御部と、を備える電源冗長システム。【選択図】図１

Description

本発明は、異なる電圧の電源システムが併存する電源冗長システムに関する。
従来、自動車の電源システムとしては、１２Ｖの電源システムが一般的であったが、近年、４８Ｖの電源システムを採用する動きが活発になっている。従来よりも高電圧の電源システムを採用することにより、同じ出力であっても、供給電流を少なくすることができるようになる。これにより、送電時の電力損失削減や電線を細くできることによる車重削減等が期待される。４８Ｖの電源システムは、今後、自動運転システムが搭載された車両にも採用されることが見込まれている。
４８Ｖの電源システムを採用した場合であっても、当面は、既存の電装品等を動作させるために１２Ｖの電源システムと車両内部で併存することが想定される。１２Ｖの電源システムと４８Ｖの電源システムとを併存させることにより、電源の冗長化を図った電源冗長システムを構築することができる。
特開２０１７−２２９１３２号公報
図７は、１２Ｖの電源システムと４８Ｖの電源システムが併存している自動車の電源冗長システム３００を示すブロック図である。本図に示すように、１２Ｖの電源システムは、１２Ｖ負荷３２０を備え、１２Ｖバッテリ３１０が１２Ｖ負荷３２０に電力を供給している。４８Ｖの電源システムは、４８Ｖ負荷３４０を備え、４８Ｖバッテリ３３０が４８Ｖ負荷３４０に電力を供給している。さらにＩＳＧ（モーター機能付発電機）等を備えさせ、４８Ｖ負荷３４０に電力を供給するようにしてもよい。
１２Ｖの電源システムと４８Ｖの電源システムとの間にはＤＣＤＣコンバータ３５０が設けられており、相互に電力をやり取り可能とすることで、電源の冗長化を図っている。通常状態においては、４８Ｖを１２Ｖに降圧する動作を行ない、４８Ｖの電源システムから１２Ｖの電源システムに電力を供給可能としている。
４８Ｖ負荷３４０は、操舵等の機能に関するもので、４８Ｖバッテリ３３０に異常が発生した場合等にも電力供給が維持されることが望ましい負荷（以下、「バックアップ負荷」と称する）と、それ以外の負荷（以下、「一般負荷」と称する）とに区分することができる。
図７に示した電源冗長システム３００は、４８Ｖバッテリ３３０に電圧低下やバッテリオープン等の異常が生じた場合であっても、ＤＣＤＣコンバータ３５０が昇圧動作を行なうことで、１２Ｖの電源システムから４８Ｖのバックアップ負荷に電力を供給することができる。
しかしながら、４８Ｖバッテリ３３０で地絡や短絡が発生した場合には、ＤＣＤＣコンバータ３５０を介して、１２Ｖの電源システムから電力を供給しようとしても、４８Ｖの電源システムでは電圧が十分に上昇しない。このため、１２Ｖの電源システムから４８Ｖのバックアップ負荷に必要な電力を供給することができなくなるおそれがある。
そこで、本発明は、異なる電圧の電源システムが併存する電源冗長システムにおいて、一方の電源システムで地絡あるいは短絡が発生した場合にも負荷に電力を供給可能とすることを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の１態様である電源冗長システムは、第１電圧の第１バッテリと第１側が接続するＤＣＤＣコンバータと、前記第１電圧と異なる第２電圧の第２バッテリと前記ＤＣＤＣコンバータの第２側との間に設けられた第１スイッチと、前記第２バッテリおよび前記ＤＣＤＣコンバータの第２側と個別に接続し、前記第２電圧で動作する負荷と、前記第１スイッチをオンにして前記第２バッテリの電圧を監視し、前記第２バッテリの電圧が第１基準値以下になった場合に、前記第１スイッチをオフに切り換えるとともに、前記ＤＣＤＣコンバータを前記第２側から前記第２電圧を出力するように動作させる制御部と、を備えることを特徴とする。
ここで、前記負荷の前記ＤＣＤＣコンバータの第２側と接続する側に、コンデンサが接続されていてもよい。
また、前記負荷と前記ＤＣＤＣコンバータの第２側との間に第２スイッチが設けられ、前記制御部は、前記第２バッテリの電圧の監視の際に、前記第２スイッチをオンにし、前記第２バッテリの電圧が所定値以下になった場合に、前記第２スイッチをオフに切り換えるとともに、前記ＤＣＤＣコンバータの第２側の電圧を監視し、前記ＤＣＤＣコンバータの第２側の電圧が第２基準値以上になった場合に、前記第２スイッチをオンに切り換えるようにしてもよい。
このとき、前記第２スイッチは、半導体スイッチで構成され、寄生ダイオードのカソードが前記負荷側に配置されていることが好ましい。
本発明によれば、異なる電圧の電源システムが併存する電源冗長システムにおいて、一方の電源システムで地絡あるいは短絡が発生した場合にも負荷に電力を供給可能となる。
本実施形態に係る電源冗長システムの構成を示すブロック図である。 電源冗長システムの動作について説明するフローチャートである。 通常状態の電力供給経路を示す図である。 ４８Ｖバッテリで異常が発生した直後の電力供給経路を示す図である。 ＤＣＤＣコンバータを昇圧動作に切り換えたときの電力供給経路を示す図である。 ＤＣＤＣコンバータの出力電圧が上昇した後の電力供給経路を示す図である。 １２Ｖの電源システムと４８Ｖの電源システムが併存している自動車の電源冗長システムを示すブロック図である。
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、本実施形態に係る電源冗長システム１００の構成を示すブロック図である。本図に示すように、電源冗長システム１００は、１２Ｖの電源システムと、４８Ｖの電源システムとが併存している。１２Ｖの電源システムと４８Ｖの電源システムとの間にはＤＣＤＣコンバータ２００が設けられており、相互に電力をやり取り可能とすることで、電源の冗長化を図っている。
１２Ｖの電源システムは、１２Ｖ負荷１２０を備え、１２Ｖバッテリ１１０が１２Ｖ負荷１２０に電力を供給している。４８Ｖの電源システムは、４８Ｖ一般負荷１４０と４８Ｖバックアップ負荷１５０とを備え、４８Ｖバッテリ１３０が４８Ｖ一般負荷１４０と４８Ｖバックアップ負荷１５０とに電力を供給している。さらにＩＳＧ（モーター機能付発電機）等を備えさせ、４８Ｖ一般負荷１４０と４８Ｖバックアップ負荷１５０とに電力を供給するようにしてもよい。
ここで、４８Ｖバックアップ負荷１５０は、操舵等の機能に関するもので、４８Ｖバッテリ１３０に異常が発生した場合等にも電力供給が維持されることが望ましい負荷である。４８Ｖ一般負荷１４０は、それ以外の４８Ｖ負荷である。４８Ｖバックアップ負荷１５０としては、例えば、ＥＰＳ（Electric Power Steering）等が挙げられる。
本実施形態における電源冗長システム１００は、４８Ｖバッテリ１３０で地絡あるいは短絡が発生した場合にも４８Ｖバックアップ負荷１５０に電力を供給できるようにするために、第１スイッチ１６０、第２スイッチ１７０、コンデンサ１８０、制御部１９０を備えている。
第１スイッチ１６０は、ＤＣＤＣコンバータ２００の４８Ｖ側と４８Ｖバッテリ１３０との間に設けられている。第２スイッチ１７０は、ＤＣＤＣコンバータ２００の４８Ｖ側と４８Ｖバックアップ負荷１５０との間に設けられている。
ここで、４８Ｖバックアップ負荷１５０は、入力＃１と入力＃２とを備えており、入力＃１は、４８Ｖバッテリ１３０と接続し、入力＃２は、第２スイッチ１７０と接続している。
第１スイッチ１６０、第２スイッチ１７０を半導体スイッチで構成する場合には、第１スイッチ１６０の寄生ダイオードのカソードがＤＣＤＣコンバータ２００側になるように配置し、第２スイッチ１７０の寄生ダイオードのカソードが４８Ｖバックアップ負荷１５０側になるように配置する。
コンデンサ１８０は、４８Ｖバックアップ負荷１５０の入力＃２に設けられており、４８Ｖバッテリ１３０の異常発生時の瞬断を防止するために設けられている。このため、大容量のアルミ電解コンデンサ等が適している。４８Ｖバックアップ負荷１５０において瞬断が許容できる場合には、４８Ｖバックアップ負荷１５０、第２スイッチ１７０を省いてもよい。
制御部１９０は、４８Ｖバッテリ１３０の電圧Ｖ１とＤＣＤＣコンバータ２００の４８Ｖ側電圧Ｖ２とを監視し、第１スイッチ１６０および第２スイッチ１７０のオンオフ、ＤＣＤＣコンバータ２００の動作を制御する。制御部１９０は、ＩＣ等の装置で構成することができる。複数個の装置で機能を分散させて制御部１９０を構成するようにしてもよい。
次に、上記構成の電源冗長システム１００の動作について図２のフローチャートを参照して説明する。通常状態において、第１スイッチ１６０および第２スイッチ１７０はオン状態であり、ＤＣＤＣコンバータ２００は、４８Ｖを１２Ｖに降圧する動作を行ない、４８Ｖの電源システムから１２Ｖの電源システムに電力を供給可能としている（Ｓ１０１）。
このとき、図３に示すように、４８Ｖバッテリ１３０は、４８Ｖバックアップ負荷１５０に電力を供給するとともに、第１スイッチ１６０、第２スイッチ１７０を介して、コンデンサ１８０を充電する。
制御部１９０は、４８Ｖバッテリ１３０の電圧Ｖ１を監視し、電圧Ｖ１が所定値以下に低下したことを検知すると、４８Ｖバッテリ１３０で異常が発生したと判定する（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）。４８Ｖバッテリ１３０の異常には、バッテリオープン、出力電圧低下、地絡、短絡等が含まれる。
４８Ｖバッテリ１３０で異常が発生したと判定すると、制御部１９０は、第１スイッチ１６０をオフに切り換える（Ｓ１０３）。これにより、４８Ｖバッテリ１３０がＤＣＤＣコンバータ２００から分離される。
また、第２スイッチ１７０をオフに切り換える（Ｓ１０４）。この状態で、図４に示すように、４８Ｖバックアップ負荷１５０には、コンデンサ１８０から電力が供給されるため、４８Ｖバックアップ負荷１５０の瞬断を防ぐことができる。
さらに、制御部１９０は、降圧動作を行なっていたＤＣＤＣコンバータ２００を、１２Ｖから４８Ｖへの昇圧動作に切り換える（Ｓ１０５）。切り換え直後の昇圧電圧が４８Ｖに達しない状態において、第２スイッチ１７０はオフであるが、図５に示すように、第２スイッチ１７０の寄生ダイオードにより、ＤＣＤＣコンバータ２００から４８Ｖバックアップ負荷１５０に補助的に電力を供給することができる。
制御部１９０は、ＤＣＤＣコンバータ２００の出力電圧Ｖ２を監視し、出力電圧Ｖ２が４８Ｖ近傍まで十分上昇したことを検出すると（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）、第２スイッチ１７０をオンにする（Ｓ１０６）。
このとき、４８Ｖバッテリ１３０で地絡、短絡が発生している場合であっても、ＤＣＤＣコンバータ２００を介して、１２Ｖの電源システムから４８Ｖバックアップ負荷１５０に電力を供給することができる。これは、第１スイッチ１６０により４８Ｖバッテリ１３０が分離されているためである。また、コンデンサ１８０の充電も行なわれる。図６は、１２Ｖの電源システムから４８Ｖバックアップ負荷１５０に電力が供給されている状態の電力経路を示している。
以上説明したように、本実施形態の電源冗長システム１００によれば、４８Ｖバッテリ１３０で、地絡あるいは短絡が発生した場合にも、４８Ｖバックアップ負荷１５０に電力を供給が可能となる。
なお、併存する電源システムは１２Ｖ、４８Ｖには限定されない。また、４８Ｖバックアップ負荷１５０は、ＥＰＳ等の操舵機能に限られず、走行機能、扉開閉機能、自動運転機能等、種々の機能に関するものとすることができる。また、４８Ｖの電源システムは、例えば、フロント側、リア側のように、複数ブロックに分割してもよい。
１００ 電源冗長システム
１１０ １２Ｖバッテリ
１２０ １２Ｖ負荷
１３０ ４８Ｖバッテリ
１４０ ４８Ｖ一般負荷
１５０ ４８Ｖバックアップ負荷
１６０ 第１スイッチ
１７０ 第２スイッチ
１８０ コンデンサ
１９０ 制御部
２００ ＤＣＤＣコンバータ

Claims (4)

  1. 第１電圧の第１バッテリと第１側が接続するＤＣＤＣコンバータと、
    前記第１電圧と異なる第２電圧の第２バッテリと前記ＤＣＤＣコンバータの第２側との間に設けられた第１スイッチと、
    前記第２バッテリおよび前記ＤＣＤＣコンバータの第２側と個別に接続し、前記第２電圧で動作する負荷と、
    前記第１スイッチをオンにして前記第２バッテリの電圧を監視し、前記第２バッテリの電圧が第１基準値以下になった場合に、前記第１スイッチをオフに切り換えるとともに、前記ＤＣＤＣコンバータを前記第２側から前記第２電圧を出力するように動作させる制御部と、
    を備えることを特徴とする電源冗長システム。
  2. 前記負荷の前記ＤＣＤＣコンバータの第２側と接続する側に、コンデンサが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電源冗長システム。
  3. 前記負荷と前記ＤＣＤＣコンバータの第２側との間に第２スイッチが設けられ、
    前記制御部は、前記第２バッテリの電圧の監視の際に、前記第２スイッチをオンにし、前記第２バッテリの電圧が所定値以下になった場合に、前記第２スイッチをオフに切り換えるとともに、前記ＤＣＤＣコンバータの第２側の電圧を監視し、前記ＤＣＤＣコンバータの第２側の電圧が第２基準値以上になった場合に、前記第２スイッチをオンに切り換えることを特徴とする請求項１または２に記載の電源冗長システム。
  4. 前記第２スイッチは、半導体スイッチで構成され、寄生ダイオードのカソードが前記負荷側に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電源冗長システム。
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