JP4420142B1 - Vehicle power supply - Google Patents
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Abstract
アイドルストップ機能を有する車両用電源装置において、エンジン始動時におけるバッテリの電圧降下を補償し、かつバッテリが誤って逆極性に接続された際の保護機能を持つ、損失の少ない昇圧コンバータ回路を備えた車両用電源装置を実現する。
直列接続された2つのMOSFET(32,33)とインダクタ(31)とからなる直列回路が直流電源の両端に接続され、直列接続された2つのMOSFET(32,33)とインダクタ(31)との接続点にダイオード(34)が接続され、直列接続された2つのMOSFET(32,33)に対してコンデンサ(35)が並列接続されている。2つのMOSFET(32,33)は、互いのボディダイオードが逆極性となる向きに直列接続されている。
【選択図】図1A power supply device for a vehicle having an idle stop function is provided with a low-loss boost converter circuit that compensates for a voltage drop of the battery at the start of the engine and has a protection function when the battery is erroneously connected to the reverse polarity. A vehicle power supply device is realized.
A series circuit composed of two MOSFETs (32, 33) and an inductor (31) connected in series is connected to both ends of the DC power source, and the two MOSFETs (32, 33) and the inductor (31) connected in series are connected. A diode (34) is connected to the connection point, and a capacitor (35) is connected in parallel to the two MOSFETs (32, 33) connected in series. The two MOSFETs (32, 33) are connected in series so that their body diodes have opposite polarities.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、車両用電源装置に関し、より特定的には、信号待ち等での車両停車時にエンジンを自動的に一時停止させるアイドルストップ車両に搭載される車両用電源装置に関する。 The present invention relates to a vehicle power supply device, and more particularly, to a vehicle power supply device mounted on an idle stop vehicle that automatically stops an engine when the vehicle is stopped when waiting for a signal or the like.
近年、燃料消費量の節減とエミッションの低減を目的として、信号待ち等の車両停止時にエンジンを自動的に一時停止させるようにしたアイドルストップ車両が実用化されている。 In recent years, for the purpose of reducing fuel consumption and reducing emissions, an idle stop vehicle has been put into practical use in which the engine is automatically stopped when the vehicle stops, such as waiting for a signal.
この種の車両では、車速・アクセル開度等の所定のアイドル判断情報に基づいて、車両が停止中と推測されるときにエンジンを自動停止させ、その後に運転者の発進意思を表わすエンジン始動条件が成立したときに、スタータによりエンジンを自動始動させて発進に備えている。 In this type of vehicle, based on predetermined idle determination information such as vehicle speed and accelerator opening, the engine is automatically stopped when the vehicle is estimated to be stopped, and then an engine start condition that represents the driver's intention to start When is established, the engine is automatically started by a starter to prepare for starting.
一般的に、エンジン起動用のスタータは消費電力が大きいため、エンジン起動の瞬間にバッテリ出力系統の電圧が一時的に低下する現象が発生する可能性がある。 Generally, since the starter for starting the engine consumes a large amount of power, there is a possibility that the voltage of the battery output system temporarily decreases at the moment of starting the engine.
このような現象は、特に、停車および発進を頻繁に繰り返す市街地走行等により、電源として用いられるバッテリの消耗が激しくなった場合に顕著となる。 Such a phenomenon becomes prominent particularly when the battery used as the power source becomes exhausted due to urban driving or the like that frequently stops and starts.
このような電圧低下が発生すると、車両内の電気機器に用いられるマイコン(マイクロコンピュータ)がリセットされて、その時点までの学習内容等の記憶内容が消失してしまったり、計器類の照明等が一時的に暗くなって車両の品質感を大きく損なってしまったりするという不具合が発生してしまう。 When such a voltage drop occurs, the microcomputer used for the electrical equipment in the vehicle is reset, and the stored content such as the learning content up to that point is lost, or the lighting of the instrument is The problem of temporarily darkening and greatly impairing the quality of the vehicle may occur.
そこで、アイドルストップ車両において、エンジン再起動時におけるバッテリ出力系統の電圧低下を防止するために電圧補償用の昇圧回路を設け、エンジン起動時のスタータ動作期間において当該昇圧回路を動作させる構成が提案されている。(特許文献1参照)
また、バッテリは消費者自身で交換することも可能であるため、極性を間違えて接続されることも想定され、逆接続された場合に電流が流れないようにする保護回路を設けることなどが考案されている。(特許文献2参照)Therefore, in an idle stop vehicle, a configuration has been proposed in which a voltage compensation booster circuit is provided to prevent a voltage drop in the battery output system when the engine is restarted, and the booster circuit is operated during the starter operation period when the engine is started. ing. (See Patent Document 1)
In addition, since the battery can be replaced by the consumer, it is assumed that the battery is connected with the wrong polarity, and a protection circuit is provided to prevent current from flowing when the battery is connected in reverse. Has been. (See Patent Document 2)
上述したようなエンジン再始動時において、スタータの消費電力が大きいことに起因する出力電圧の低下を昇圧コンバータによって補償する回路において、バッテリが誤って逆極性に接続された場合に電流が流れないようにする保護回路を構成する方法として、図7及び図8を用いて説明する。 At the time of engine restart as described above, in a circuit that compensates for a decrease in output voltage due to a large starter power consumption by a boost converter, no current flows when the battery is accidentally connected in reverse polarity. A method for configuring the protection circuit to be described will be described with reference to FIGS.
図7において、直流電源として設けられるバッテリ1と、第1の負荷6と、第1のコンデンサ2と、昇圧コンバータ回路3と、昇圧コンバータ回路3を制御する制御回路4と、昇圧コンバータ回路3の出力電圧が供給されるコネクタ5とを備え、コネクタ5には第2の負荷(図示せず)が接続される構成となっている。
In FIG. 7, a battery 1 provided as a DC power source, a
第1の負荷6は、スタータ61、エンジン62、発電機63から構成され、スタータ61はエンジン始動時において、バッテリ1から直流電圧が供給され、エンジン62を始動させる。エンジンが始動すると、その回転を動力源として発電機63によって電力が生成され、それをバッテリ1への充電電力とする仕組みとなっている。
The
また、昇圧コンバータ回路3は、インダクタ31と、電界効果トランジスタ等から構成される第1の半導体スイッチング素子32と、第1のダイオード34と、第2のコンデンサ35と、第2のダイオード36と、バイアス抵抗37と、放電抵抗38とからなり、バッテリ1の両端に対して、インダクタ31と、第1の半導体スイッチング素子32とが直列接続されており、インダクタ31と第1の半導体スイッチング素子32の接続点に第1のダイオード34のアノードが接続され、第1のダイオード34のカソードにはコネクタ5の出力端子が接続されており、コネクタ5の両端には第2のコンデンサ35が接続されている。
The step-
自動車においては、バッテリ1を使用者が自ら交換できるようになっている場合が多く、車両用電源装置には使用者が誤ってバッテリ1の極性を逆接続してしまった場合でも電流が逆方向に流れないような保護回路を設けることが要求されている。この機能を実現するために、例えば図7に示すリレースイッチ8や図8に示す第3のダイオード9などを用いて順方向電流が流れた時だけ通電させるようにすること等が考えられるが、車両用電源装置は出力電流が非常に大きく、第3のダイオード9の順方向電力損失やリレースイッチ8の消費電力が無視できないほど大きくなり、バッテリ1の寿命を短くしてしまうという問題があった。 In automobiles, the user can often replace the battery 1 by himself / herself, and even if the user mistakenly reverses the polarity of the battery 1 in the vehicular power supply device, the current flows in the reverse direction. It is required to provide a protection circuit that does not flow in In order to realize this function, for example, the relay switch 8 shown in FIG. 7 or the third diode 9 shown in FIG. 8 may be used to energize only when a forward current flows. The vehicle power supply device has a problem that the output current is very large, the forward power loss of the third diode 9 and the power consumption of the relay switch 8 become so large that they cannot be ignored, and the life of the battery 1 is shortened. .
また、パワーステアリング装置を備えた大型車などにおいては、車両重量が大きいため、パワーステアリング装置に用いられるモータにも大電力が求められ、その結果、モータ寸法が大型化してしまうことを防ぐために、従来の鉛蓄電池の出力電圧(12V)よりも高電圧を要求されることがある。この場合も大電流が流れることとなり、従来のダイオードやリレースイッチを用いた電源装置では損失が無視できなくなっていた。 Also, in large vehicles equipped with a power steering device, because the vehicle weight is large, the motor used in the power steering device is also required to have high power, and as a result, to prevent the motor size from becoming large, A voltage higher than the output voltage (12V) of a conventional lead storage battery may be required. In this case as well, a large current flows, and the loss cannot be ignored in a power supply device using a conventional diode or relay switch.
上記問題点を解決するために、本願発明の車両用電源装置は、
直流電源に接続される昇圧コンバータ回路と、
前記直流電源の出力電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路の検出する前記出力電圧に応じて前記昇圧コンバータ回路を駆動して出力電圧を所定値にする制御回路と、を備えた車両用電源装置であって、
前記昇圧コンバータ回路は、
前記直流電源の両端に、少なくとも1つのインダクタと、2つの互いに直列に接続された半導体スイッチング素子とからなる直列回路が接続され、
前記少なくとも1つのインダクタと、前記2つの互いに直列に接続された半導体スイッチング素子との接続点に接続される少なくとも1つの整流素子と、
前記2つの互いに直列に接続された半導体スイッチング素子に対して並列に接続される少なくとも1つのコンデンサと、を備え、
前記2つの半導体スイッチング素子は、互いのボディダイオードが逆極性となる向きに直列接続されたことを特徴とする。In order to solve the above problems, the vehicle power supply device of the present invention is
A boost converter circuit connected to a DC power supply;
A voltage detection circuit for detecting an output voltage of the DC power supply;
A control circuit that drives the boost converter circuit according to the output voltage detected by the voltage detection circuit to set the output voltage to a predetermined value,
The boost converter circuit includes:
A series circuit composed of at least one inductor and two semiconductor switching elements connected in series to each other is connected to both ends of the DC power supply,
At least one rectifying element connected to a connection point between the at least one inductor and the two semiconductor switching elements connected in series;
And at least one capacitor connected in parallel to the two semiconductor switching elements connected in series with each other,
The two semiconductor switching elements are connected in series so that their body diodes have opposite polarities.
また好ましくは、前記制御回路は、前記直流電源に接続されている負荷が重負荷状態であって、前記直流電源の出力電圧が過渡的に低下する場合において、前記昇圧コンバータの出力電圧が前記直流電源の出力電圧になるように前記昇圧コンバータ回路を制御することを特徴とする。 Preferably, when the load connected to the DC power supply is in a heavy load state and the output voltage of the DC power supply decreases transiently, the control circuit outputs the boost converter with an output voltage of the DC converter. The boost converter circuit is controlled so as to be an output voltage of a power supply.
また好ましくは、前記昇圧コンバータの負荷はパワーステアリング装置であって、前記制御回路は、前記パワーステアリング装置におけるステアリングの回転角情報に応じて、前記昇圧コンバータ回路の出力電圧が制御されることを特徴とする。 Preferably, the load of the boost converter is a power steering device, and the control circuit controls an output voltage of the boost converter circuit in accordance with steering rotation angle information in the power steering device. And
さらに好ましくは、前記2つの半導体スイッチング素子は、共にNチャネル型MOSFETであって、ドレイン端子同士またはソース端子同士が直列に接続されたことを特徴とする。 More preferably, the two semiconductor switching elements are both N-channel MOSFETs, and drain terminals or source terminals are connected in series.
さらに好ましくは、前記2つの半導体スイッチング素子のうち、低圧側半導体スイッチング素子は前記制御回路によって制御され、
高圧側半導体スイッチング素子は、バイアス電圧を制御端子に印加するためのダイオードを備えた自己駆動型素子として構成されたことを特徴とする。More preferably, of the two semiconductor switching elements, the low-voltage side semiconductor switching element is controlled by the control circuit,
The high-voltage side semiconductor switching element is configured as a self-driven element including a diode for applying a bias voltage to the control terminal.
この発明によれば、過渡的な負荷の増大によるバッテリ電圧の降下を補償したり、バッテリの供給電圧よりも高い電圧を供給したりするための昇圧コンバータ回路を有する車両用電源装置において、バッテリが誤って逆極性に接続された場合に逆方向に電流が流れるのを防止する回路を低損失で実現することができる。 According to the present invention, in a vehicle power supply device having a boost converter circuit for compensating for a drop in battery voltage due to a transient increase in load or for supplying a voltage higher than the supply voltage of the battery, A circuit that prevents current from flowing in the reverse direction when it is erroneously connected to the reverse polarity can be realized with low loss.
また、2つのFETのボディダイオードが互いに逆極性となるように構成することで、リレースイッチ等の機械的スイッチが不要となり、火花等の発生やノイズ等の発生を抑制することができる。 Further, by configuring the body diodes of the two FETs to have opposite polarities, a mechanical switch such as a relay switch becomes unnecessary, and the occurrence of sparks and noise can be suppressed.
この発明の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的には繰返さないものとする。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated in principle.
《第1の実施形態》
図1は、この発明の第1の実施形態による車両用電源装置の構成を説明する回路図である。
図1において、本発明による車両用電源装置は、直流電源として設けられるバッテリ1と、第1の負荷6と、第1のコンデンサ2と、昇圧コンバータ回路3と、昇圧コンバータ回路3を制御する制御回路4と、昇圧コンバータ回路3の出力電圧が供給されるコネクタ5とを備え、コネクタ5には第2の負荷(図示せず)が接続される構成となっている。<< First Embodiment >>
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a configuration of a vehicle power supply device according to a first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, a vehicle power supply device according to the present invention includes a battery 1 provided as a DC power supply, a
第1の負荷6は、スタータ61、エンジン62、発電機63から構成され、スタータ61はエンジン始動時において、バッテリ1から直流電圧が供給され、エンジン62を始動させる。エンジンが始動すると、その回転を動力源として発電機63によって電力が生成され、それをバッテリ1への充電電力とする仕組みとなっている。
The
また、昇圧コンバータ回路3は、インダクタ31と、電界効果型トランジスタ(MOSFET)等から構成される第1の半導体スイッチング素子32及び第2の半導体スイッチング素子33と、第1のダイオード34と、第2のコンデンサ35と、第2のダイオード36と、バイアス抵抗37と、放電抵抗38とからなり、バッテリ1の両端に対して、インダクタ31と、第2の半導体スイッチング素子33と第1の半導体スイッチング素子32が直列に接続されており、第1の半導体スイッチング素子32と第2の半導体スイッチング素子33は互いのボディダイオード321、331が逆極性になるように、ドレイン同士が接続された構成となっている。また、インダクタ31と第2の半導体スイッチング素子33の接続点に第1のダイオード34のアノードが接続され、第1のダイオード34のカソードにはコネクタ5の出力端子が接続されており、コネクタ5の両端には第2のコンデンサ35が接続されている。
The step-
また、第1のコンデンサ2とインダクタ31の接続点にアノードが接続され、カソードがバイアス抵抗37を介して第2の半導体スイッチング素子33のゲート端子に接続される第2のダイオード36と、第2の半導体スイッチング素子33のゲート−ソース間に接続される放電抵抗38が設けられている。制御回路4は、バッテリ1から供給される入力電圧と、出力電圧検出回路7によって出力電圧とをモニタしながら、第2の負荷に供給される出力電圧が所定の値になるように、第1の半導体スイッチング素子32のオン/オフを制御するようになっている。
A
制御回路4は、バッテリ(直流電源)1に接続されている負荷が重負荷状態であって、直流電源の電圧が過渡的に低下する場合において、昇圧コンバータ回路3の出力電圧が直流電源の電圧になるように昇圧コンバータ回路3を制御する。
When the load connected to the battery (DC power supply) 1 is in a heavy load state and the voltage of the DC power supply drops transiently, the
図2は、バッテリ1の極性が正常に接続された場合の回路ブロック図である。図1におけるスタータ61、エンジン62、発電機63からなる第1の負荷6は動作に直接関係がないので省略する。
FIG. 2 is a circuit block diagram when the polarity of the battery 1 is normally connected. The
バッテリ1から直流電圧が供給され、制御回路4が第1の半導体スイッチング素子32のゲート端子に電圧を印加して第1の半導体スイッチング素子32をターンオンさせると、インダクタ31には電流が流れ、インダクタ31の両端には電圧が生じる。これによって第2のダイオード36がオンし、バイアス抵抗37を介して第2の半導体スイッチング素子33のゲート端子に電圧が印加され、第2の半導体スイッチング素子33もターンオンする。こうして、バッテリ1の+端子→インダクタ31→第2の半導体スイッチング素子33→第1の半導体スイッチング素子32→バッテリ1の−端子、という閉ループ内を電流が流れることになる。
When a DC voltage is supplied from the battery 1 and the
続いて、制御回路4からの制御信号により第1の半導体スイッチング素子32がターンオフすると、オン期間の間、インダクタ31に蓄積されたエネルギーは第1のダイオード34を介して第2のコンデンサ35を充電するために放出される。こうして、バッテリ1の+端子→インダクタ31→第1のダイオード34→第2のコンデンサ35→バッテリ1の−端子、という閉ループ内を電流が流れることになる。
Subsequently, when the first
次に、図3において、バッテリ1の極性が誤って逆に接続された時を想定する。図3は、バッテリ1の極性が逆接続された場合の回路ブロック図である。 Next, in FIG. 3, it is assumed that the polarity of the battery 1 is erroneously connected in reverse. FIG. 3 is a circuit block diagram when the polarity of the battery 1 is reversely connected.
バッテリ1が逆接続された場合、第1の半導体スイッチング素子32のボディダイオード321は順方向バイアスがかかるためオンするが、第2の半導体スイッチング素子33のボディダイオード331は逆方向バイアスになるため、オンしない。すなわち、昇圧コンバータ回路3のスイッチに2つの半導体スイッチング素子(32と33)を用い、それらのボディダイオード(321と331)が逆極性になるように直列接続することで、誤ってバッテリ1の極性が逆に接続された場合であっても、昇圧コンバータ回路3に電流が流れてしまうことを防ぐことができ、結果的に昇圧コンバータ回路3の出力に接続される負荷の破壊、誤動作等を防ぐことができる。
When the battery 1 is reversely connected, the
この場合、第2の半導体スイッチング素子33は、第2のダイオード36の存在によって、制御回路4等によって制御されることなく、バッテリ1が正常に接続された時は必然的にオンとなり、バッテリ1が誤って逆極性に接続された場合には必然的にオフとなるような自己駆動型素子として構成される。
In this case, the second
また、昇圧コンバータ回路3の出力電圧は、上述したようなスタータ61の起動時におけるバッテリ1の供給電圧の過渡的な低下を補償する目的であれば、バッテリ1の供給電圧に等しくなるように設定すればよく、勿論それ以上の出力電圧に設定することも可能である。
Further, the output voltage of the
さらに、車両重量の大きな車両のパワーステアリング装置に用いる場合は、運転者がきったステアリングの舵角に応じて応力を制御する必要があるため、第2の負荷からステアリング回転角情報を制御回路4が受け取り、昇圧コンバータ回路3の出力電圧を適宜制御することも可能である。
Further, when used in a power steering device for a vehicle having a large vehicle weight, it is necessary to control the stress according to the steering angle of the steering that the driver has decided, so the steering rotation angle information from the second load is controlled by the
《第2の実施形態》
図4は、この発明の第2の実施形態による車両用電源装置の構成を説明する回路図である。
第2の実施形態が第1の実施形態と相違する点は、第2の半導体スイッチング素子33のオン/オフ制御を制御回路4で実現する点である。制御回路4がインダクタ31の両端の電圧を検出できるように構成すれば、第1の半導体スイッチング素子32及び第2の半導体スイッチング素子33各々のオン/オフ制御を行うことができる。
その他の点は、第1の実施形態と同様であるので、説明を省略する。<< Second Embodiment >>
FIG. 4 is a circuit diagram illustrating the configuration of the vehicle power supply device according to the second embodiment of the present invention.
The second embodiment is different from the first embodiment in that on / off control of the second
Since other points are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
《第3の実施形態》
図5は、この発明の第3の実施形態による車両用電源装置の構成を説明する回路図である。
第3の実施形態が第2の実施形態と相違する点は、第1の半導体スイッチング素子32と第2の半導体スイッチング素子33の接続順が逆になっている点である。制御回路4によって第1の半導体スイッチング素子32及び第2の半導体スイッチング素子33各々のオン/オフ制御を行うような構成であれば、図5に示すように第1の半導体スイッチング素子32が高圧側、第2の半導体スイッチング素子33が低圧側に配置されても構わない。
その他の点は、第1の実施形態と同様であるので、説明を省略する。<< Third Embodiment >>
FIG. 5 is a circuit diagram illustrating the configuration of a vehicle power supply device according to a third embodiment of the present invention.
The third embodiment is different from the second embodiment in that the connection order of the first
Since other points are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
《第4の実施形態》
図6は、この発明の第4の実施形態による車両用電源装置の構成を説明する回路図である。
第4の実施形態が第2の実施形態と相違する点は、第2の実施形態では第2の半導体スイッチング素子33にNチャネル型FETを使っているのに対して、第4の実施形態では第2の半導体スイッチング素子33にPチャネル型FETを使っている点である。制御回路4によって第1の半導体スイッチング素子32及び第2の半導体スイッチング素子33各々のオン/オフ制御を行うような構成であれば、第2の半導体スイッチング素子33にPチャネル型FETを用いて、ゲート端子に負電位が印加されるように構成すれば、同様の動作を実現できる。
その他の点は、第1の実施形態と同様であるので、説明を省略する。<< Fourth Embodiment >>
FIG. 6 is a circuit diagram illustrating the configuration of a vehicle power supply device according to the fourth embodiment of the present invention.
The fourth embodiment is different from the second embodiment in that the second embodiment uses an N-channel FET for the second
Since other points are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
1 バッテリ
2 第1のコンデンサ
3 昇圧コンバータ回路
31 インダクタ
32 第1の半導体スイッチング素子
321 第1の半導体スイッチング素子のボディダイオード
33 第2の半導体スイッチング素子
331 第2の半導体スイッチング素子のボディダイオード
34 第1のダイオード
35 第2のコンデンサ
36 第2のダイオード
37 バイアス抵抗
38 放電抵抗
4 制御回路
5 コネクタ
6 第1の負荷
61 スタータ
62 エンジン
63 発電機
7 出力電圧検出回路
8 リレースイッチ
9 第3のダイオードDESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
前記直流電源の出力電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路の検出する前記出力電圧に応じて前記昇圧コンバータ回路を駆動して出力電圧を所定値にする制御回路と、を備えた車両用電源装置であって、
前記昇圧コンバータ回路は、
前記直流電源の両端に、少なくとも1つのインダクタと、2つの互いに直列に接続された半導体スイッチング素子とからなる直列回路が接続され、
前記少なくとも1つのインダクタと、前記2つの互いに直列に接続された半導体スイッチング素子との接続点に接続される少なくとも1つの整流素子と、
前記2つの互いに直列に接続された半導体スイッチング素子に対して並列に接続される少なくとも1つのコンデンサと、を備え、
前記2つの半導体スイッチング素子は、互いのボディダイオードが逆極性となる向きに直列接続された車両用電源装置。A boost converter circuit connected to a DC power supply;
A voltage detection circuit for detecting an output voltage of the DC power supply;
A control circuit that drives the boost converter circuit according to the output voltage detected by the voltage detection circuit to set the output voltage to a predetermined value,
The boost converter circuit includes:
A series circuit composed of at least one inductor and two semiconductor switching elements connected in series to each other is connected to both ends of the DC power supply,
At least one rectifying element connected to a connection point between the at least one inductor and the two semiconductor switching elements connected in series;
And at least one capacitor connected in parallel to the two semiconductor switching elements connected in series with each other,
The two semiconductor switching elements are a vehicle power supply device in which the body diodes are connected in series in opposite directions.
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