JP2023005293A - 電源制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第２系統の地絡が解消してから、第２負荷へ必要十分な電力を供給するまでに掛かる時間を短縮する電源制御装置を提供する。【解決手段】電源制御装置１は、第１電源の電力１０を第１負荷１０１、１０２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系統を接続および切断可能な系統間スイッチ４１と、第２電源から第２負荷に微弱電流を供給する供給回路５３と、第１系統または第２系統の地絡を検出すると系統間スイッチを遮断し、第２系統の地絡が継続している場合は、供給回路を介して第２負荷に微弱電流を供給する制御部３と、を備える。【選択図】図１

Description

開示の実施形態は、電源制御装置に関する。

従来、車両の自動運転による走行中に地絡などの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、第１系統に地絡が発生した場合には、系統間スイッチを遮断して第２電源から第２負荷へ電力を供給し、第２系統に地絡が発生した場合には、系統間スイッチを遮断して第１電源から第１負荷へ電力を供給する。

かかる冗長電源システムでは、第２系統で地絡が発生し、系統間スイッチを遮断した後に、第２系統の地絡が解消する場合がある。かかる場合、重畳電源システムは、系統間スイッチを再導通させて、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通常状態に復帰する。

特開２０１８－１８２８６４号公報

しかしながら、重畳電源システムは、第２系統の地絡が解消してから、第２負荷へ必要十分な電力を供給するまでに時間が掛かるという問題がある。

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、第２系統の地絡が解消してから、第２負荷へ必要十分な電力を供給するまでに掛かる時間を短縮することができる電源制御装置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、供給回路と、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系統を接続および切断可能である。供給回路は、前記第２電源から前記第２負荷に微弱電流を供給する。制御部は、前記第１系統または前記第２系統の地絡を検出すると前記系統間スイッチを遮断し、前記第２系統の地絡が継続している場合は、前記供給回路を介して第２負荷に微弱電流を供給する。

実施形態の一態様に係る電源制御装置は、第２系統の地絡が解消してから、第２負荷へ必要十分な電力を供給するまでに掛かる時間を短縮することができる。

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。

なお、実施形態に係る電源制御装置は、第１電源と第２電源とを備え、第１電源および第２電源のいずれか一方の電源系統に電源失陥が発生した場合に、他方の電源系統によってバックアップする任意の装置に搭載されてもよい。

［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、電池用スイッチ４２と、バックアップスイッチ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、供給回路５３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。電池用スイッチ４２は、ＬｉＢ２１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。具体的には、電池用スイッチ４２は、ＬｉＢ２１とバックアップスイッチ４３および供給回路５３とを接続および切断可能なスイッチである。

バックアップスイッチ４３は、電池用スイッチ４２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。供給回路５３は、バックアップスイッチ４３と並列に接続され、ＬｉＢ２１から出力される電流および電圧と、ＬｉＢ２１へ入力される電流および電圧とを調整する。

供給回路５３は、例えば、ＤＣ／ＤＣなどの降圧回路であり、ＬｉＢ２１から出力される電流量を低減して第２系統１２０へ供給する。これにより、供給回路５３は、第２電源２０から第２系統１２０に適切に調整した微弱電流を供給することができる。供給回路５３は、制御部３によって動作制御される。

なお、供給回路５３は、ＤＣ／ＤＣに限定されるものではなく、抵抗であってもよい。これにより、供給回路５３は、安価かつ簡易な構成によって、第２電源２０から第２系統１２０に適切に調整した微弱電流を供給することができる。

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、その旨を自動運転制御装置１００に通知する。なお、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、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、電池用スイッチ４２およびバックアップスイッチ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、電池用スイッチ４２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６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］
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、図２に示すように、電池用スイッチ４２を遮断し、バックアップスイッチ４３を導通した状態で系統間スイッチ４１を導通し、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．電源制御装置の地絡発生時動作］
次に、図３～図６を参照して、電源制御装置１の地絡発生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、例えば、第１系統１１０で地絡２００が発生した場合、または、第２系統１２０で地絡２０１が発生した場合、地絡点に向けて過電流が流れるため、第１電圧センサ５１および第２電圧センサ５２によって検出される電圧が地絡閾値以下になる。

このため、制御部３は、第２電圧センサ５２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に地絡２００，２０１が発生したと仮判定する。そして、制御部３は、地絡２００，２０１が発生したと仮判定すると、系統間スイッチ４１およびバックアップスイッチ４３を遮断し、電池用スイッチ４２を導通する。

これにより、第１系統１１０と第２系統１２０との接続が切断され、第１電源１０から第１系統１１０へ電力が供給され、第２電源２０から供給回路５３を介して第２系統１２０へ電力が供給される。このとき、制御部３は、供給回路５３を制御して、実際にバックアップを行うときよりも少ない電流を第２系統１２０に供給させる。これにより、電源制御装置１は、ＬｉＢ２１の放電量を抑制することができる。

なお、第１系統１１０または第２系統１２０において地絡２００，２０１が発生した場合、第１電圧センサ５１によって検出される電圧も地絡閾値以下になる。このため、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に地絡が発生したと仮判定することもできる。

その後、制御部３は、第１電圧センサ５１によって検出される電圧が所定時間以上地絡閾値以下であり、第２電圧センサ５２によって検出される電圧が所定時間以内に地絡閾値を超えるまで復帰した場合、第１系統１１０に地絡２００が発生したと本判定する。

この場合、図４に示すように、制御部３は、バックアップスイッチ４３を導通し、第２電源２０から供給回路５３を介さずに第２負荷１０３に電力を供給し、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、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、第２電圧センサ５２によって検出される電圧が地絡閾値以下であり、第１電圧センサ５１によって検出される電圧が所定時間以内に地絡閾値を超えるまで復帰した場合、第２系統１２０に地絡２０１が発生したと本判定する。

この場合、図５に示すように、制御部３は、第１電源１０から第１負荷１０１に電力を供給し、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。

ここで、一般的な電源制御装置は、第２系統１２０に地絡２０１が発生したと本判定した場合、ＬｉＢ２１の放電を防止するために、電池用スイッチ４２を遮断する。しかしながら、一般的な電源制御装置は、その後、第２系統１２０の地絡２０１が解消し、図２に示す通常時動作に復帰する場合、第２負荷１０３へ必要十分な電力を供給するまでに時間が掛かるという問題がある。

具体的には、一般的な電源制御装置は、電池用スイッチ４２を遮断してから、第２系統１２０の地絡２０１が解消し、系統間スイッチ４１を導通して通常時動作を開始するまでの間、第２負荷１０３には一切電力を供給しない。このため、一般的な電源制御装置は、通常時動作を開始してから第２負荷１０３に供給される電力が徐々に増大して必要十分な電力になるまでに時間が掛かる。

そこで、電源制御装置１の制御部３は、第１系統１１０または第２系統１２０の地絡２００，２０１を検出すると系統間スイッチ４１を遮断し、第２系統１２０の地絡２０１が継続している場合は、供給回路５３を介して第２負荷１０３に微弱電流を供給する。

具体的には、図５に示すように、制御部３は、第２系統１２０に地絡２０１が発生したと本判定した後、供給回路５３を制御し、地絡系統を判定するときに供給する電流（図３参照）よりも小さな微弱電流を第２電源２０から供給回路５３を介して第２系統１２０に供給する。

そして、制御部３は、第２電圧センサ５２から電圧の検出結果を取得して第２系統１２０の地絡２０１が解消するかどうかを監視する。このとき、電源制御装置１は、地絡２０１の監視に必要最小限の微弱電流を第２電源２０から第２系統に１２０に供給するので、ＬｉＢ２１の放電量を最小限に抑えることができる。

また、このとき、制御部３は、供給回路５３を制御して、間欠的（例えば、数秒に１回）に微弱電流を第２系統１２０に供給することもできる。これにより、制御部３は、ＬｉＢ２１の放電量をさらに低減することができる。

そして、図６に示すように、第２系統１２０の地絡が解消すると、第２電圧センサ５２によって検出される電圧が回復する。制御部３は、第２電圧センサ５２によって検出される電圧が地絡閾値を超えると、第２系統１２０の地絡２０１が解消したと判定する。

制御部３は、第２系統１２０の地絡２０１が解消すると、系統間スイッチ４１およびバックアップスイッチ４３を導通し、電池用スイッチ４２を遮断して、図２に示す通常時動作の状態に復帰する。

このとき、電源制御装置１は、系統間スイッチ４１を導通する前に、微弱電流を第２負荷１０３に供給しているので、通常時動作の状態に復帰してから、第２負荷１０３へ必要十分な電力を供給するまでに掛かる時間を短縮することができる。

このように、制御部３は、系統間スイッチ４１を遮断した後、第２系統１２０の地絡２０１が継続していると判定した場合は、電池用スイッチ４２を導通させ、バックアップスイッチ４３を遮断して供給回路５３を介して第２負荷１０３に微弱電流を供給させる。

これにより、電源制御装置１は、第２系統１２０に地絡２０１が発生した後、地絡２０１が解消した場合、第２負荷１０３へ必要十分な電力を供給するまでに掛かる時間を短縮することができる。

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が一時的に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が一時的に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、電源制御装置１では、継続的に第１電源１０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から供給回路５３を介して第２負荷１０３に電力が供給される。このため、制御部３は、第１系統１１０または第２系統１２０に地絡２００，２０１が発生したと仮判定した後、所定時間が経過する前に第１電圧センサ５１および第２電圧センサ５２によって検出される電圧が共に地絡閾値を超えるまで復帰すれば、一過性の電圧低下であって、電源に異常がないと本判定する。その後、制御部３は、図２に示した通常動作に復帰させるため、電池用スイッチ４２を遮断し、系統間スイッチ４１およびバックアップスイッチ４３を再導通する。

［４．制御部が実行する処理］
次に、図７を参照して実施形態に係る電源制御装置１の制御部３が実行する処理について説明する。図７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。

制御部３は、通常時動作中に図７に示す処理を繰り返し実行する。具体的には、図７に示すように、制御部３は、まず、地絡が発生したか否かを判定する（ステップＳ１０１）。制御部３は、地絡が発生していないと判定した場合（ステップＳ１０１，Ｎｏ）、処理を終了して再度ステップＳ１０１から処理を開始する。

また、制御部３は、地絡が発生したと判定した場合（ステップＳ１０１，Ｙｅｓ）、系統間スイッチ４１を遮断し（ステップＳ１０２）、電池用スイッチ４２を導通し、（ステップＳ１０３）、バックアップスイッチ４３を遮断する（ステップＳ１０４）。そして、制御部３は、供給回路５３を制御し、第２電源２０から供給回路５３を介して第２負荷１０３に電流を供給する（ステップＳ１０５）。

その後、制御部３は、電源系統が正常復帰したか否かを判定する（ステップＳ１０６）。制御部３は、正常復帰したと判定した場合（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）、処理をステップＳ１１０へ移す。また、制御部３は、正常復帰していないと判定した場合（ステップＳ１０６，Ｎｏ）、第２系統１２０の地絡か否かを判定する（ステップＳ１０７）。

制御部３は、第２系統の地絡でない、つまり、第１系統１１０の地絡であると判定した場合（ステップＳ１０７，Ｎｏ）、バックアップスイッチ４３を導通し（ステップＳ１１３）、第２電源２０から供給回路５３を介さずに直接第２負荷１０３に電流を供給して処理を終了する。

また、制御部３は、第２系統１２０の地絡であると判定した場合（ステップＳ１０７，Ｙｅｓ）、供給回路５３を制御し、第２電源２０から供給回路５３を介して第２負荷１０３に微弱電流を供給する（ステップＳ１０８）。

その後、制御部３は、第２系統１２０の地絡が解消したか否かを判定する（ステップＳ１０９）。制御部３は、第２系統１２０の地絡が解消していないと判定した場合（ステップＳ１０９，Ｎｏ）、処理をステップＳ１０８へ移す。

また、制御部３は、第２系統１２０の地絡が解消したと判定した場合（ステップＳ１０９、Ｙｅｓ）、系統間スイッチ４１を導通し（ステップＳ１１０）、電池用スイッチ４２を遮断し（ステップＳ１１１）、バックアップスイッチ４３を導通する（ステップＳ１１２）。これにより、電源制御装置１は、通常時動作に復帰する。そして、制御部３は、処理を終了して、ステップＳ１０１から再度処理を開始する。

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 制御部
４１ 系統間スイッチ
４２ 電池用スイッチ
４３ バックアップスイッチ
５１ 第１電圧センサ
５２ 第２電圧センサ
５３ 供給回路
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

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系統を接続および切断可能な系統間スイッチと、
   前記第２電源から前記第２負荷に微弱電流を供給する供給回路と、
   前記第１系統または前記第２系統の地絡を検出すると前記系統間スイッチを遮断し、前記第２系統の地絡が継続している場合は、前記供給回路を介して前記第２負荷に微弱電流を供給する制御部と
   を備えることを特徴とする電源制御装置。
2. 前記第２系統に、前記第２電源を接続および遮断可能な電池用スイッチと、
   前記電池用スイッチと前記第２系統との間に設けられる前記供給回路に並列接続されるバックアップスイッチと
   を備え、
   前記制御部は、
   前記系統間スイッチを遮断した後、前記第２系統の地絡が継続していると判定した場合は、前記電池用スイッチを導通させ、前記バックアップスイッチを遮断して前記供給回路を介して前記第２負荷に微弱電流を供給させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源制御装置。
3. 前記供給回路は、降圧回路である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電源制御装置。
4. 前記供給回路は、抵抗である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電源制御装置。

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