JP2022187934A - 電源制御装置および電源制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過負荷による一時的な過電流が発生しても、系統間スイッチの不必要な遮断を防止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。【解決手段】実施形態に係る電源制御装置は、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、系統間スイッチと、第１電流センサと、異常検出部とを備える。異常検出部は、第１電流センサで検出される系統間を流れる電流値が第１閾値より高く、第２電流センサで検出される第１負荷への供給電流値、および、第３電流センサで検出される第２負荷への供給電流値が第２閾値より低い場合に、地絡と判定して系統間スイッチを遮断する。【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（例えば、特許文献１参照）。

冗長電源システムは、自動運転用の第１負荷に接続される第１系統と、第１負荷と同一の機能を備える第２負荷に接続される第２系統と、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、系統間スイッチを接続して第１電源から第１負荷および第２負荷へ電力を供給する。そして、冗長電源システムは、例えば、第１系統と第２系統とを接続する系統間ラインに地絡閾値以上の過電流が流れた場合に、第１系統または第２系統に地絡が発生したと判定して系統間スイッチを遮断する。

そして、冗長電源システムは、例えば、第１系統の地絡が確定した場合には、第２電源から第２負荷へ電力を供給し、第２系統の地絡が確定した場合には、第１電源から第１負荷へ電力を供給するバックアップ制御を行い、その旨を自動運転制御装置に通知する。自動運転制御装置は、第１系統または第２系統に地絡が発生した場合、自動運転の継続を禁止して、車両を退避走行させて停車させるフェイルセーフ制御を行う。

特開２０１７－６１２４０号公報

しかしながら、冗長電源システムは、例えば、第１負荷または第２負荷が一時的な過負荷状態になって系統間ラインに過電流が流れた場合に、地絡が発生したと誤判定して系統間スイッチを不必要に遮断することがある。

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、過負荷による一時的な過電流が発生しても、系統間スイッチの不必要な遮断を防止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電流センサと、異常検出部とを備える。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系統を接続する系統間ラインに設けられる。第１電流センサは、前記系統間ラインに流れる電流値を検出する。異常検出部は、前記第１電流センサで検出される電流値が第１閾値より高く、前記第１負荷に供給される電流を検出する第２電流センサおよび前記第２負荷に供給される電流を検出する第３電流センサで検出される電流値が第２閾値より低いことを検出すると、地絡と判定して前記系統間スイッチを遮断する。

実施形態に係る電源制御装置および電源制御方法は、過負荷による一時的な過電流が発生しても、系統間スイッチの不必要な遮断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、実施形態に係る異常検出部による判定条件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異常検出部が実行する異常検出処理の一例を示すフローチャートである。 図９は、実施形態に係る電源制御装置の異常検出部が実行する地絡発生系統判定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、異常検出部３と、第１電流センサ５１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とを接続する系統間ライン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電流センサ５１は、系統間ライン１３０に設けられ、系統間ライン１３０に流れる電流の電流値を検出し、検出結果を異常検出部３に出力する。

第１系統１１０における第１負荷１０１の電流入力部には、第２電流センサ５２が設けられる。また、第２系統１２０における第２負荷１０３の電流入力部には、第３電流センサ５３が設けられる。

第２電流センサ５２は、第１負荷１０１に供給される電流の電流値を検出し、検出結果を異常検出部３に出力する。第３電流センサ５３は、第２負荷１０３に供給される電流の電流値を検出し、検出結果を異常検出部３に出力する。

異常検出部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、異常検出部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。

異常検出部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。異常検出部３は、第１電流センサ５１、第２電流センサ５２、および第３電流センサ５３から入力される検出結果に基づいて、第１系統１１０および第２系統１２０の地絡を検出する。異常検出部３による地絡の検出方法の具体例については、後述する。

異常検出部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、その旨を自動運転制御装置１００に通知する。なお、異常検出部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、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、異常検出部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。

異常検出部３は、第１系統１１０および第２系統１２０のうち、一方の系統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、電源失陥が発生していない他方の系統によって負荷へ電力を供給する。

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７を参照し、電源制御装置１の動作について説明する。図２～図４および図６～７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５は、実施形態に係る異常検出部による判定条件を示す説明図である。

［２．電源制御装置の通常時動作］
異常検出部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、図２に示すように、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。

［３．電源制御装置の過電流検出時動作］
次に、図３および図４を参照して、電源制御装置１の過電流検出時動作について説明する。図３に示すように、電源制御装置１では、通常動作中に、第１電源１０と第２電流センサ５２との間で地絡２０１が発生することがある。

電源制御装置１では、地絡２０１が発生すると、第１電源１０および第２電源２０から地絡２０１の発生箇所に向かって過電流が流れる。このとき、異常検出部３は、系統間ライン１３０に過電流が流れるため、第１電流センサ５１によって過電流が検出された場合に、地絡２０１が発生したとことを検出することは可能である。電源制御装置１は、地絡２０１が発生すると、系統間スイッチ４１を遮断する。

また、図４に示すように、電源制御装置１では、通常動作中に、第２電源２０と第３電流センサ５３との間で地絡２０２が発生することがある。電源制御装置１では、地絡２０２が発生すると、第１電源１０および第２電源２０から地絡２０２の発生箇所に向かって過電流が流れる。このとき、異常検出部３は、系統間ライン１３０に過電流が流れるため、第１電流センサ５１によって過電流が検出された場合に、地絡２０２が発生したとことを検出することは可能である。電源制御装置１は、地絡２０２が発生すると、系統間スイッチ４１を遮断する。

しかし、電源制御装置１では、例えば、第１負荷１０１または第２負荷１０３が過負荷状態になった場合にも、一時的に系統間ライン１３０に過電流が流れることがある。ここでの過負荷状態は、電源失陥ではない。

このため、異常検出部３は、第１電流センサ５１の検出結果だけに基づいて地絡２０１の発生を判定すると、過負荷状態による過電流を地絡２０１による過電流と誤判定し、不必要に系統間スイッチ４１を遮断して電源失陥がなくても自動運転を中止させてしまうことがある。

そこで、異常検出部３は、第１電流センサ５１の検出結果に加え、第２電流センサ５２および第３電流センサ５３の検出結果を使用して、地絡２０１，２０２の発生を正確に判定する。地絡２０１，２０２が発生した場合、第１電流センサ５１では過電流が検出されるが、第２電流センサ５２および第３電流センサ５３では過電流が検出さず、むしろ検出電流は低下する。

これに対して、例えば、第１負荷１０１が過負荷状態になった場合、第１電流センサ５１および第２電流センサ５２の双方によって過電流が検出されるが、第３電流センサ５３では過電流が検出されない。また、例えば、第２負荷１０３が過負荷状態になった場合、第１電流センサ５１および第３電流センサ５３の双方で過電流が検出されるが、第２電流センサ５２では過電流が検出されない。

このため、異常検出部３は、図５に示す判定条件によって第１系統１１０の地絡２０１、第２系統１２０の地絡２０２、第１負荷１０１の過負荷状態、および第２負荷１０３の過負荷状態を判定する。図５に示す第１閾値は、例えば、通常動作時に系統間ライン１３０を流れる電流値よりも高く設定される。

第２閾値は、通常動作時に系統間ライン１３０を流れる電流値よりも低く設定される。例えば、第１負荷１０１および第２負荷１０３が稼働できる最低限の電力を供給する際に流れる電流値と同じ、または、それよりも低く設定される。

異常検出部３は、図５に示すように、第１電流センサ５１で検出される電流値が第１閾値より高く、第２電流センサ５２および第３電流センサ５３で検出される電流値が第２閾値より低いことを検出すると、第１系統１１０または第２系統１２０に地絡２０２が発生したと判定し、系統間スイッチ４１を遮断する。

このとき、異常検出部３は、第１電流センサ５１の検出結果に基づき、系統間ライン１３０を流れた過電流の方向が第２系統１２０から第１系統１１０へ向かう方向であった場合、第１系統１１０における地絡２０１と判定する。

異常検出部３は、第１系統１１０において地絡２０１が発生したと判定した場合、図６に示すように、系統間スイッチ４１を遮断し、その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、異常検出部３は、第１電流センサ５１の検出結果に基づき、系統間ライン１３０を流れた過電流の方向が第１系統１１０から第２系統１２０へ向かう方向であった場合、第２系統１２０における地絡２０２と判定する。

異常検出部３は、第２系統１２０において地絡２０２が発生したと判定した場合、図７に示すように、系統間スイッチ４１を遮断し、その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。

また、異常検出部３は、図５（第１負荷過負荷）に示すように、第１電流センサ５１および第２電流センサ５２で検出される電流値が第１閾値より高く、第３電流センサ５３で検出される電流値が第２閾値より低ければ、第１負荷１０１が過負荷状態であると判定し、系統間スイッチ４１を遮断せず、導通状態を維持させる。

また、異常検出部３は、図５（第２負荷過負荷）に示すように、第１電流センサ５１および第３電流センサ５３で検出される電流値が第１閾値より高く、第２電流センサ５２で検出される電流値が第２閾値より低ければ、第２負荷１０３が過負荷状態であると判定し、系統間スイッチ４１を遮断せず、導通状態を維持させる。

これにより、異常検出部３は、地絡２０１，２０２による過電流が発生した場合には、確実に系統間スイッチ４１を遮断し、過負荷状態による過電流が発生した場合には、系統間スイッチ４１の不必要な遮断を防止することができる。

［４．異常判定部が実行する異常検出処理］
次に、図８を参照して実施形態に係る異常検出部が実行する異常判定処理の一例について説明図する。図８は、実施形態に係る電源制御装置の異常検出部が実行する異常検出処理の一例を示すフローチャートである。実施形態に係る異常検出部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８に示すように、異常検出部３は、まず、第１電流センサ５１の電流値が第１閾値より高いか否かを判定する（ステップＳ１０１）。異常検出部３は、第１電流センサ５１の電流値が第１閾値より低いと判定した場合（ステップＳ１０１，Ｎｏ）、異常なしと判定し（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。

また、異常検出部３は、第１電流センサ５１の電流値が第１閾値より高いと判定した場合（ステップＳ１０１，Ｙｅｓ）、第２電流センサ５２および第３電流センサ５３の電流値が第２閾値より低いか否かを判定する（ステップＳ１０２）。

異常検出部３は、第２電流センサ５２または第３電流センサ５３の電流値が第２閾値より高いと判定した場合（ステップＳ１０２，Ｎｏ）、異常なしと判定し（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。

このとき、第２電流センサ５２の電流値が第１閾値よりも高く、第３電流センサ５３の電流値が第２閾値よりも低ければ、第１負荷１０１が過負荷状態であり、第２電流センサ５２の電流値が第２閾値よりも低く、第３電流センサ５３の電流値が第１閾値よりも高ければ第２負荷１０３が過負荷状態である（図５参照）。ただし、いずれの状態も地絡２０１，２０２ではないので、異常検出部３は、異常なしと判定し、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、異常検出部３は、第２電流センサ５２および第３電流センサ５３の電流値が第２閾値より低いと判定した場合（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）、第１系統１１０または第２系統１２０に地絡発生と判定する（ステップＳ１０３）。

続いて、異常検出部３は、系統間スイッチ４１を遮断し（ステップＳ１０４）、地絡発生系統判定処理を実行する（ステップＳ１０５）。地絡発生系統判定処理の一例については、図９を参照して後述する。その後、異常検出部３は、地絡発生系統判定処理の判定結果を自動運転制御装置１００に通知して（ステップＳ１０６）、処理を終了する。

［５．異常判定部が実行する地絡発生系統判定処理］
次に、図９を参照して実施形態に係る異常検出部が実行する地絡発生系統判定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異常検出部が実行する地絡発生系統判定処理の一例を示すフローチャートである。

図９に示すように、異常検出部３は、地絡発生系統判定処理を開始すると、系統間ライン１３０を流れた過電流の方向が、第２系統１２０から第１系統１１０に向かう方向であるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。

異常検出部３は、系統間ライン１３０を流れた過電流の方向が、第２系統１２０から第１系統１１０に向かう方向であると判定した場合（ステップＳ２０１，Ｙｅｓ）、第１系統１１０の地絡２０１と判定し（ステップＳ２０２）、地絡発生系統判定処理を終了して、処理を図８に示すステップＳ１０６へ移す。

また、異常検出部３は、系統間ライン１３０を流れた過電流の方向が、第２系統１２０から第１系統１１０に向かう方向でない、つまり、第１系統１１０から第２系統１２０へ向かう方向であると判定した場合（ステップＳ２０１，Ｎｏ）、第２系統１２０の地絡２０２であると判定し（ステップＳ２０３）、地絡発生系統判定処理を終了して、処理を図８に示すステップＳ１０６へ移す。

上述した実施形態では、電源制御装置１が第２電流センサ５２と第３電流センサ５３とを備える場合を例に挙げて説明したが、これは一例である。第２電流センサ５２は、例えば、第１負荷１０１の内部に設けられてもよい。同様に第３電流センサ５３は、第２負荷１０３の内部に設けられてもよい。

また、第２電流センサ５２は、第１系統１１０に複数の第１負荷１０１が接続される場合、各第１負荷１０１に設けられてもよいし、各第１負荷１０１に電力を供給する配線の合流点に設けられてもよい。

同様に、第３電流センサ５３は、第２系統１２０に複数の第２負荷１０３が接続される場合、各第２負荷１０３に設けられてもよいし、各第２負荷１０３に電力を供給する配線の合流点に設けられてもよい。

上述した実施形態では、地絡発生系統の判定を、系統間スイッチ４１を流れる電流の向きで行ったが、第１系統１１０と第２系統１２０にそれぞれ別途図示せぬ電圧センサを設け、各電圧センサの電圧で地絡発生系統を判定してもよい。その場合、電圧センサの検出電圧が、地絡判定用の閾値より低い系統が地絡発生系統であると判定する。

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 異常検出部
４１ 系統間スイッチ
５１ 第１電流センサ
５２ 第２電流センサ
５３ 第３電流センサ
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 系統間ライン

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系統を接続する系統間ラインに設けられる系統間スイッチと、
   前記系統間ラインに流れる電流値を検出する第１電流センサと、
   前記第１電流センサで検出される電流値が第１閾値より高く、前記第１負荷に供給される電流を検出する第２電流センサおよび前記第２負荷に供給される電流を検出する第３電流センサで検出される電流値が第２閾値より低いことを検出すると、地絡と判定して前記系統間スイッチを遮断する異常検出部と
   を備えることを特徴とする電源制御装置。
2. 前記異常検出部は、
   前記第１電流センサおよび前記第２電流センサで検出される電流値が前記第１閾値より高く、前記第３電流センサで検出される電流値が前記第２閾値より低いことを検出すると、前記第１負荷が過負荷であると判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源制御装置。
3. 前記異常検出部は、
   前記第１電流センサおよび前記第３電流センサで検出される電流値が前記第１閾値より高く、前記第２電流センサで検出される電流値が前記第２閾値より低いことを検出すると、前記第２負荷が過負荷であると判定する
   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系統を接続する系統間ラインに設けられる系統間スイッチと、
   前記系統間ラインに流れる電流値を検出する第１電流センサと
   を備える電源制御装置の異常検出部が、
   前記第１電流センサで検出される電流値が第１閾値より高く、前記第１負荷に供給される電流を検出する第２電流センサおよび前記第２負荷に供給される電流を検出する第３電流センサで検出される電流値が第２閾値より低いことを検出すると、地絡と判定して前記系統間スイッチを遮断すること
   を含むことを特徴とする電源制御方法。

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