JP2022180194A - 電源制御装置および電源制御方法 - Google Patents

電源制御装置および電源制御方法 Download PDF

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Daiki Shiratori
健 松本
Takeshi Matsumoto
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Abstract

【課題】系統間スイッチを再導通するときの突入電流を低減する電源制御装置及び電源制御方法を提供する。【解決手段】電源制御装置1は、第1電源10の電力を第1負荷101に供給する第1系統110と、第2電源20の電力を第2負荷103に供給する第2系統120と、第1系統および第2系統を接続する接続経路130に設けられ、第1系統および第2系統を接続切断可能な系統間スイッチ41と、第1電源を第1系統に接続切断可能な第1電池用スイッチ42と、第2電源を第2系統に接続切断可能な第2電池用スイッチ43と、第1電池用スイッチと系統間スイッチとの間に設けられる蓄電回路6と、系統の異常を検出すると、系統間スイッチおよび第1電池用スイッチを遮断し、地絡がないと判定すると、系統間スイッチ、第1電池用スイッチ及び第2電池用スイッチを異常の検出前の状態に復帰させる制御部3と、を備える。【選択図】図1

Description

開示の実施形態は、電源制御装置および電源制御方法に関する。
従来、車両の自動運転による走行中に電源失陥が発生しても、安全な場所まで退避走行させて停車させることができるように、第1電源と第2電源とを備え、一方の電源系統に地絡が発生した場合に、他方の電源系統によって自動運転用の車載機器(負荷)へ電力を供給する冗長電源システムがある。
冗長電源システムは、第1電源の電力を自動運転用の第1負荷に供給する第1系統と、第2電源の電力を第1負荷と同一の機能を備える第2負荷に供給する第2系統とを備える。さらに、冗長電源システムは、第1系統および第2系統間を接続切断可能な系統間スイッチと、第2電源および第2系統を接続切断可能な電池用スイッチとを備える。
冗長電源システムは、通常時には、系統間スイッチおよび電池用スイッチを導通して第1電源から第1負荷および第2負荷へ電力を供給し、例えば、第1電源または第2電源の電圧が地絡閾値以下になった場合に、地絡と判定して系統間スイッチを遮断する。これにより、冗長電源システムは、一方の電源系統に地絡が発生した場合に、他方の電源系統によって自動運転用の負荷へ電力を供給して退避走行のためのバックアップ制御を行うことができる。
かかる冗長電源システムでは、例えば、第1負荷または第2負荷が過負荷状態になった場合に、地絡が発生していなくても第1電源または第2電源の電圧が一時的に地絡閾値以下になることがある。この場合、冗長電源システムが過負荷状態の発生を地絡と誤判定して系統間スイッチを不必要に遮断すると、車両は正常に継続可能な自動運転を中止して退避走行に移行する。
このため、第1電源または第2電源の電圧が第1閾値未満になった場合に系統間スイッチを遮断し、その後、所定時間が経過する前に第1電源または第2電源の電圧が第1閾値よりも小さい第2閾値まで低下しなければ、系統間スイッチを再導通する電源システムがある(例えば、特許文献1参照)。
かかる電源システムによれば、例えば、過負荷状態の発生により電源電圧が一時的に低下して系統間スイッチを遮断しても、その後、電源電圧が正常な電圧まで復帰すれば、系統間スイッチを再導通するので、自動運転の中断時間を最小限に抑えることができる。
特開2019-62727号公報
しかしながら、冗長電源システムは、系統間スイッチを再導通するときに、第1電源と第2電源の電圧差に応じた突入電流が発生するおそれがある。突入電流が大きいと系統間スイッチの故障の原因となる。
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、系統間スイッチを再導通するときの突入電流を低減することができる電源制御装置および電源制御方法を提供することを目的とする。
実施形態の一態様に係る電源制御装置は、第1系統と、第2系統と、系統間スイッチと、第1電池用スイッチと、第2電池用スイッチと、蓄電回路と、制御部とを備える。第1系統は、第1電源の電力を第1負荷に供給する。第2系統は、第2電源の電力を第2負荷に供給する。系統間スイッチは、前記第1系統および前記第2系統を接続する接続経路に設けられ、前記第1系統および前記第2系統を接続切断可能である。第1電池用スイッチは、前記第1電源を前記第1系統に接続切断可能である。第2電池用スイッチは、前記第2電源を前記第2系統に接続切断可能である。蓄電回路は、前記第1電池用スイッチと前記系統間スイッチとの間に設けられる。制御部は、前記第1系統または前記第2系統の異常を検出すると、前記系統間スイッチおよび前記第1電池用スイッチを遮断し、前記第2電池用スイッチを導通して、前記蓄電回路および前記第2電源の電力によって地絡の有無を判定し、地絡がないと判定すると、前記系統間スイッチ、前記第1電池用スイッチ、および前記第2電池用スイッチを前記異常の検出前の状態に復帰させる。
実施形態の一態様に係る電源制御装置および電源制御方法は、系統間スイッチを再導通するときの突入電流を低減することができ、よって系統間スイッチの故障を防止することができるという効果を奏する。
図1は、実施形態に係る電源制御装置の構成例を示す説明図である。 図2は、実施形態に係る電源制御装置の動作例を示す説明図である。 図3は、実施形態に係る電源制御装置の動作例を示す説明図である。 図4は、実施形態に係る電源制御装置の動作例を示す説明図である。 図5は、実施形態に係る電源制御装置の動作例を示す説明図である。 図6は、実施形態に係る電源制御装置の動作例を示す説明図である。 図7は、実施形態に係る電源制御装置の動作例を示す説明図である。 図8は、実施形態に係る電源制御装置の動作例を示す説明図である。 図9は、実施形態に係る電源制御装置の制御部が実行する処理の一例を示すフローチャートである。
以下、添付図面を参照して、電源制御装置および電源制御方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。以下では、自動運転機能を備える車両に搭載されて負荷へ電力を供給する電源制御装置を例に挙げて説明するが、実施形態に係る電源制御装置は、自動運転機能を備えていない車両に搭載されてもよい。
また、以下では、電源制御装置が搭載される車両が電気自動車またはハイブリット自動車である場合について説明するが、電源制御装置が搭載される車両は、内燃機関によって走行するエンジン自動車であってもよい。
[1.電源制御装置の構成]
図1は、実施形態に係る電源制御装置の構成例を示す説明図である。図1に示すように、実施形態に係る電源制御装置1は、第1電源10と、第1負荷101と、一般負荷102と、第2負荷103と、自動運転制御装置100とに接続される。電源制御装置1は、第1電源10の電力を第1負荷101および一般負荷102に供給する第1系統110と、後述する第2電源20の電力を第2負荷103に供給する第2系統120とを備える。
第1負荷101は、自動運転用の負荷を含む。例えば、第1負荷101は、自動運転中に動作するステアリングモータ、電動ブレーキ装置、車載カメラ、およびレーダ等を含む。一般負荷102は、例えば、ディスプレイ、エアコン、オーディオ、ビデオ、および各種ライト等を含む。
第2負荷103は、第1負荷101と同様の機能を備える。第2負荷103は、例えば、ステアリングモータ、電動ブレーキ装置、車載カメラ、およびレーダ等の自動運転中に動作する装置を含む。第1負荷101、一般負荷102、および第2負荷103は、電源制御装置1から供給される電力によって動作する。自動運転制御装置100は、第1負荷101または第2負荷103を動作させて、車両を自動運転制御する装置である。
第1電源10は、DC/DCコンバータ(以下、「DC/DC11」と記載する)と、鉛バッテリ(以下、「PbB12」と記載する)とを含む。なお、第1電源10の電池は、PbB12以外の任意の2次電池であってもよい。
DC/DC11は、発電機と、PbB12よりも電圧が高い高圧バッテリとに接続され、発電機および高圧バッテリの電圧を降圧して第1系統110に出力する。発電機は、例えば、走行する車両の運動エネルギーを電気に変換して発電するオルタネータである。高圧バッテリは、例えば、電気自動車やハイブリット自動車に搭載される車両駆動用のバッテリである。
なお、第1電源10は、エンジン自動車に搭載される場合、DC/DC11の代わりにオルタネータ(発電機)が設けられる。DC/DC11は、PbB12の充電、第1負荷101および一般負荷102への電力供給、第2負荷103への電力供給、および後述する第2電源20の充電を行う。
電源制御装置1は、第2電源20と、系統間スイッチ41と、第1電池用スイッチ42と、第2電池用スイッチ43と、制御部3と、第1電圧センサ51と、第2電圧センサ52と、蓄電回路6とを備える。
第2電源20は、第1電源10による電力供給ができなくなった場合のバックアップ用電源である。第2電源20は、リチウムイオンバッテリ(以下、「LiB21」と記載する)を備える。なお、第2電源20の電池は、LiB21以外の任意の2次電池であってもよい。
系統間スイッチ41は、第1系統110と第2系統120とを接続する接続経路130に設けられ、第1系統110と第2系統120とを接続および切断可能なスイッチである。第1電池用スイッチ42は、第1電源10を第1系統110に接続および切断可能なスイッチである。第2電池用スイッチ43は、第2電源20を第2系統120に接続および切断可能なスイッチである。
蓄電回路6は、第1電池用スイッチ42と系統間スイッチ41との間に設けられる。蓄電回路6は、例えば、コンデンサであり、第1電池用スイッチ42と系統間スイッチ41とを接続する配線とグランドとの間に接続される。
第1電圧センサ51は、第1系統110に設けられ、第1系統110の電圧を検出し、検出結果を制御部3に出力する。第2電圧センサ52は、第2系統120に設けられ、第2系統120の電圧を検出し、検出結果を制御部3に出力する。
制御部3は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)などを有するマイクロコンピュータや各種の回路を含む。なお、制御部3は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウェアで構成されてもよい。
制御部3は、CPUがROMに記憶されたプログラムを、RAMを作業領域として使用して実行することにより、電源制御装置1の動作を制御する。制御部3は、第1電圧センサ51および第2電圧センサ52から入力される検出結果に基づいて、第1系統110または第2系統120の地絡を検出する。制御部3による地絡の検出方法の具体例については、後述する。
制御部3は、第1系統110または第2系統120の地絡を検出した場合、地絡が発生した系統を判定し、判定結果を自動運転制御装置100に通知する。なお、制御部3は、地絡が発生した系統を判定した場合、自動運転が不可能な状態である旨を自動運転制御装置100に通知してもよい。また、制御部3は、第1系統110または第2系統120の地絡を検出していない場合、自動運転が可能な状態である旨を自動運転制御装置100に通知してもよい。
制御部3は、第1系統110に地絡等の電源失陥が発生した場合には、系統間スイッチ41を遮断し、第2電池用スイッチ43を導通して、第2電源20から第2負荷103に電力を供給する。また、制御部3は、第2系統120に地絡等の電源失陥が発生した場合には、系統間スイッチ41を遮断し、第2電池用スイッチ43を遮断した状態で、第1電源10から第1負荷101および一般負荷102に電力を供給する。
これにより、電源制御装置1は、自動運転中にいずれか一方の系統が地絡しても、他方の系統を使用し、自動運転制御装置100によって車両を安全な場所まで退避走行させて停車させることができる。次に、図2~図8を参照し、電源制御装置1の動作について説明する。
[2.電源制御装置の通常時動作]
図2に示すように、制御部3は、第1系統110および第2系統120に地絡が発生していない通常時には、第2電池用スイッチ43を遮断し、第1電池用スイッチ42および系統間スイッチ41を導通して、第1電源10から第1負荷101、一般負荷102、および第2負荷103に電力を供給する。このとき、蓄電回路6は、第1電源10から供給される電力によって充電される。
[3.電源制御装置の地絡判定動作]
次に、図3~図8を参照して、電源制御装置1の地絡判定動作について説明する。図3~図8は、実施形態に係る電源制御装置の動作例を示す説明図である。制御部3は、第1電圧センサ51または第2電圧センサ52の少なくともいずれか一方によって検出される電圧が地絡閾値以下になった場合に、第1系統110または第2系統120の異常を検知する。このとき、制御部3は、第1系統110または第2系統120に地絡が発生したと仮判定する。
そして、図3に示すように、制御部3は、第1系統110または第2系統120の異常を検出すると、系統間スイッチ41および第1電池用スイッチ42を遮断し、第2電池用スイッチ43を導通する。
このとき、図4に示すように、第1系統110に地絡200が発生していれば、蓄電回路6から地絡点へ過電流が流れる。このため、第1電圧センサ51は、継続的に地絡閾値以下の電圧を検出する。これに対して、第2電圧センサ52は、第2系統120に地絡が発生していないため、第2電源20から電圧が印加されて地絡閾値よりも高い電圧を検出する。
そこで、制御部3は、系統間スイッチ41および第1電池用スイッチ42を遮断し、第2電池用スイッチ43を遮断した後に、第1電圧センサ51の検出結果が所定時間以上地絡閾値以下であり、第2電圧センサ52の検出結果が所定時間以内に地絡閾値を超えていれば、第1系統110の地絡200と本判定し、判定結果を自動運転制御装置100に通知する。
このとき、制御部3は、第1系統110で地絡200が発生したため、第2電源20から第2負荷103に電力を供給するバックアップ制御に移行した旨を自動運転制御装置100に通知する。これにより、自動運転制御装置100は、第2電源20から供給される電力によって第2負荷103を動作させて、車両を安全な場所まで退避走行させて停車させることができる。
また、図5に示すように、第2系統120に地絡201が発生していれば、第2電源20から地絡点へ過電流が流れる。このため、第2電圧センサ52は、継続的に地絡閾値以下の電圧を検出する。これに対して、第1電圧センサ51は、第1系統110に地絡が発生していないため、蓄電回路6から電圧が印加されて地絡閾値よりも高い電圧を検出する。
そこで、制御部3は、仮判定により系統間スイッチ41および第1電池用スイッチ42を遮断し、第2電池用スイッチ43を導通した後に、第2電圧センサ52の検出結果が所定時間以上地絡閾値以下であり、第1電圧センサ51の検出結果が所定時間以内に地絡閾値を超えていれば、第2系統120の地絡201と本判定し、判定結果を自動運転制御装置100に通知する。これにより、自動運転制御装置100は、第1電源10から供給される電力によって第1負荷101を動作させて、車両を安全な場所まで退避走行させて停車させることができる。
その後、図6に示すように、制御部3は、第1電池用スイッチ42を導通し、第1電源10から第1負荷101および一般負荷102に電力を供給し、第2電池用スイッチ43を遮断する。このとき、電源制御装置1では、蓄電回路6の電力を使用して第1系統110の地絡判定を行ったことにより、第1電池用スイッチ42を導通するときに、第1系統110の電圧が低下している。
このため、電源制御装置1は、第1系統110の電圧が低下した状態で第1電池用スイッチ42を導通すると、第1電源10から第1系統110に突入電流202が流れるが、第1系統110に蓄電回路6を備えるため、突入電流202を低減することができる。
具体的には、電源制御装置1では、導通した第1電池用スイッチ42の寄生抵抗と蓄電回路6のコンデンサとがRCフィルタ(ローパスフィルタ)として機能するため、突入電流202から高周波成分を除去して第1負荷101に電力を供給することができる。これにより、第1電池用スイッチ42の故障を防止することができる。
また、電源制御装置1では、地絡200,201ではなく、第1負荷101または一般負荷102が過負荷状態になった場合に、第1電圧センサ51によって検出される電圧が一時的に地絡閾値以下になることがある。また、電源制御装置1では、第2負荷103が過負荷状態になった場合に、第2電圧センサ52によって検出される電圧が一時的に地絡閾値以下になることがある。
この場合、図3に示したように、電源制御装置1では、蓄電回路6から第1負荷101および一般負荷102に電力が供給され、第2電源20から第2負荷103に電力が供給されている。このため、第1電圧センサ51は、蓄電回路6から電圧が印加されて地絡閾値よりも高い電圧を検出する。また、第2電圧センサ52は、第2電源20から電圧が印加されて地絡閾値よりも高い電圧を検出する。
そこで、制御部3は、第1系統110または第2系統120に地絡が発生したと仮判定した後に、第1電圧センサ51および第2電圧センサ52の検出結果が共に所定時間以内に地絡閾値を超えていれば、地絡200,201がないと本判定し、通常時動作に復帰させる。
具体的には、制御部3は、地絡200,201がないと本判定した場合、図7に示すように、まず、系統間スイッチ41を導通する。このとき、電源制御装置1では、蓄電回路6の電力を使用して第1系統110の地絡判定を行ったことにより、系統間スイッチ41を導通するときに、第1系統110の電圧が低下している。
このため、電源制御装置1は、第1系統110の電圧が低下した状態で系統間スイッチ41を導通すると、第2電源20から接続経路130に突入電流203が流れるが、第1系統110に蓄電回路6を備えるため、突入電流203を低減することができ、系統間スイッチ41の故障を防止できる。
具体的には、電源制御装置1では、導通した系統間スイッチ41の寄生抵抗と蓄電回路6のコンデンサとがRCフィルタ(ローパスフィルタ)として機能するため、突入電流203から高周波成分を除去して第1負荷101に電力を供給することができる。その後、図8に示すように、制御部3は、第1電池用スイッチ42を導通し、第2電池用スイッチ43を遮断して、通常時動作に復帰させる。
このとき、電源制御装置1では、第1電池用スイッチ42を導通する前に、系統間スイッチ41が導通しているので、蓄電回路6が第2電源20によって充電されており、第1系統110の電圧が昇圧された状態になっている。このため、電源制御装置1は、第1電池用スイッチ42を導通するときに、第1電源10から第1系統110に流れる突入電流202を低減することができ、第1電池用スイッチ42の故障を防止できる。
また、電源制御装置1は、第1電池用スイッチ42を導通するときに、第1電源10の電圧が第2電源20の電圧よりも高い場合には、前述したように、導通した第1電池用スイッチ42の寄生抵抗と蓄電回路6のコンデンサとがRCフィルタとして機能する。これにより、電源制御装置1は、突入電流202から高周波成分を除去して第1負荷101に電力を供給することができる。
なお、ここでは、制御部3が通常時動作に復帰するために、系統間スイッチ41を導通した後、第1電池用スイッチ42を導通して、第2電池用スイッチ43を遮断したが、これは一例である。
制御部3は、地絡200,201がないと本判定し、通常時動作に復帰させる場合、第1電池用スイッチ42および系統間スイッチ41を同時に導通し、同時に第2電池用スイッチ43を導通してもよい。
このとき、電源制御装置1では、第1電源10から第1系統110に突入電流202が流れるが、前述したように、導通した第1電池用スイッチ42の寄生抵抗と蓄電回路6のコンデンサとがRCフィルタとして機能するので突入電流202を低減することができる。
しかも、この場合、電源制御装置1は、第1電池用スイッチ42および系統間スイッチ41を導通する前に、第2電源20による蓄電回路6の充電を行わないので、第2電源20の放電を最小限に抑えることができる。
[4.電源制御装置の制御部が実行する処理]
次に、図9を参照して実施形態に係る制御部が実行する処理の一例について説明図する。図9は、実施形態に係る電源制御装置の制御部が実行する処理の一例を示すフローチャートである。実施形態に係る制御部3は、通常動作中に、図9に示す処理を繰り返し実行する。
具体的には、図9に示すように、制御部3は、まず、第1系統110または第2系統120の異常を検出したか否かを判定する(ステップS101)。制御部3は、第1系統110または第2系統120の異常を検出しないと判定した場合(ステップS101,No)、処理を終了してステップS101から処理を再度開始する。
また、制御部3は、第1系統110または第2系統120の異常を検出したと判定(仮判定)した場合(ステップS101,Yes)、系統間スイッチ41および第1電池用スイッチ42を遮断し(ステップS102)、第2電池用スイッチ43を導通する(ステップS103)。その後、制御部3は、地絡200,201がないか否かを判定(本判定)する(ステップS104)。
制御部3は、地絡200,201があると本判定した場合(ステップS104,No)、第2系統120の地絡201か否かを判定する(ステップS108)。制御部3は、第2系統120の地絡201と判定した場合(ステップS108,Yes)、その旨を自動運転制御装置100に通知し(ステップS109)、処理をステップS106へ移す。
また、制御部3は、第2系統120の地絡201でない、つまり、第1系統110の地絡200と判定した場合(ステップS108,No)、その旨を自動運転制御装置100に通知し(ステップS110)、処理を終了してステップS101から処理を再度開始する。これにより、第2系統120による退避走行制御が行われる。
また、制御部3は、地絡200,201がないと判定した場合(ステップS104,Yes)、系統間スイッチ41を導通する(ステップS105)、その後、第1電池用スイッチ42を導通する(ステップS106)。そして、制御部3は、第2電池用スイッチ43を遮断し(ステップS107)、処理を終了してステップS101から処理を再度開始する。
なお、制御部3は、系統間スイッチ41を導通(ステップS105)した後、第1電池用スイッチ42の導通(ステップS106)と、第2電池用スイッチ43の遮断(ステップS107)とを同時に実施してもよい。
また、制御部3は、系統間スイッチ41の導通(ステップS105)、第1電池用スイッチ42の導通(ステップS106)、および第2電池用スイッチ43の遮断(ステップS107)を同時に実施してもよい。これにより、電源制御装置1は、通常時動作に復帰する場合に、第2電源20の放電を最小限に抑えることができる。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
1 電源制御装置
10 第1電源
11 DC/DC
12 PbB
20 第2電源
21 LiB
3 制御部
41 系統間スイッチ
42 第1電池用スイッチ
43 第2電池用スイッチ
51 第1電圧センサ
52 第2電圧センサ
6 蓄電回路
100 自動運転制御装置
101 第1負荷
102 一般負荷
103 第2負荷
110 第1系統
120 第2系統
130 接続経路
200,201 地絡
202,203 突入電流

Claims (4)

  1. 第1電源の電力を第1負荷に供給する第1系統と、
    第2電源の電力を第2負荷に供給する第2系統と、
    前記第1系統および前記第2系統を接続する接続経路に設けられ、前記第1系統および前記第2系統を接続切断可能な系統間スイッチと、
    前記第1電源を前記第1系統に接続切断可能な第1電池用スイッチと、
    前記第2電源を前記第2系統に接続切断可能な第2電池用スイッチと、
    前記第1電池用スイッチと前記系統間スイッチとの間に設けられる蓄電回路と、
    前記第1系統または前記第2系統の異常を検出すると、前記系統間スイッチおよび前記第1電池用スイッチを遮断し、前記第2電池用スイッチを導通して、前記蓄電回路および前記第2電源の電力によって地絡の有無を判定し、地絡がないと判定すると、前記系統間スイッチ、前記第1電池用スイッチ、および前記第2電池用スイッチを前記異常の検出前の状態に復帰させる制御部と
    を備えることを特徴とする電源制御装置。
  2. 前記制御部は、
    地絡がないと判定すると、前記第1電池用スイッチおよび前記系統間スイッチを同時に導通し、同時に前記第2電池用スイッチを遮断する
    ことを特徴とする請求項1に記載の電源制御装置。
  3. 前記制御部は、
    地絡がないと判定すると、前記系統間スイッチを導通した後、前記第1電池用スイッチを導通して、前記第2電池用スイッチを遮断する
    ことを特徴とする請求項1に記載の電源制御装置。
  4. 第1電源の電力を第1負荷に供給する第1系統と、
    第2電源の電力を第2負荷に供給する第2系統と、
    前記第1系統および前記第2系統を接続する接続経路に設けられ、両系統を接続切断可能な系統間スイッチと、
    前記第1電源を前記第1系統に接続切断可能な第1電池用スイッチと、
    前記第2電源を前記第2系統に接続切断可能な第2電池用スイッチと、
    前記第1電池用スイッチと前記系統間スイッチとの間に設けられる蓄電回路と
    を備える電源制御装置の制御部が、
    前記第1系統または前記第2系統の異常を検出すると、前記系統間スイッチおよび前記第1電池用スイッチを遮断し、前記第2電池用スイッチを導通して、前記蓄電回路および前記第2電源の電力によって地絡の有無を判定し、地絡がないと判定すると、前記系統間スイッチ、前記第1電池用スイッチ、および前記第2電池用スイッチを前記異常の検出前の状態に復帰させること
    を含むことを特徴とする電源制御方法。
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