JP5618024B2 - バックアップ電源装置とそれを搭載した自動車 - Google Patents

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Description

本発明は、各種車両に使用されるバックアップ電源装置とそれを搭載した自動車に関する。
図12は、従来のバックアップ電源装置5の回路ブロック図である。バックアップ電源装置5は、本体ケース1、コンデンサ2、充電回路3、出力端子4を含む。コンデンサ2、充電回路3は本体ケース1の内部に設けられている。充電回路3は、コンデンサ2の充電経路に設けられている。出力端子4は、コンデンサ2の出力経路に設けられている。
自動車に搭載される電源(バッテリー)6は、例えば事故の発生により損傷した場合、エアバッグ起動回路7へ起動電圧を提供できなくなる。この場合、バックアップ電源装置5は、コンデンサ2に蓄えた電荷を放電することにより、エアバッグ起動回路7へ起動電圧を提供する。
エアバッグ起動回路7が、バックアップ電源装置5から供給された起動電圧によって起動することにより、エアバック装置8は動作する。その結果、バックアップ電源装置5は、事故発生時にエアバッグ装置8を動作させて、搭乗者の安全性を確保できる。なお、関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献1が知られている。
特開平4−24145号公報
バックアップ電源装置は、コンデンサ、充電回路、昇圧回路と、ドアロック解除出力端子を含む。充電回路は、コンデンサの充電経路に設けられていて、充電回路の入力電圧を降下させる。昇圧回路は、コンデンサの出力経路に設けられている。そして、ドアロック解除出力端子が、昇圧回路に接続されている。
この構成により、バックアップ電源装置は緊急時にドアロックの解除を行うための電力を適切に供給できる。
図1は、本発明の実施の形態1のバックアップ電源装置の一例を示すブロック図である。 図2は、本発明の実施の形態1のバックアップ電源装置を搭載した自動車の一例を示す平面図である。 図3は、本発明の実施の形態1のバックアップ電源装置とドアとの関係の一例を示すブロック図である。 図4は、本発明の実施の形態1のバックアップ電源装置とドアロック機能部との関係の一例を示すブロック図である。 図5は、本発明の実施の形態1のバックアップ電源装置と自動車の制御装置との関係の一例を示すブロック図である。 図6は、本発明の実施の形態1のバックアップ電源装置の一例を示す分解斜視図である。 図7Aは、本発明の実施の形態1のバックアップ電源装置の回路部分を実装した基板の一例を示す上面図である。 図7Bは、本発明の実施の形態1のバックアップ電源装置の回路部分を実装した基板の一例を示す裏面図である。 図8は、本発明の実施の形態1のバックアップ電源装置を搭載した自動車とドアロックとの動作状態の一例を示す時系列図である。 図9は、本発明の実施の形態2のバックアップ電源装置とバックアップ電源装置を搭載した自動車との接続の一例を示すブロック図である。 図10は、本発明の実施の形態2のバックアップ電源装置を搭載した自動車と昇圧回路との動作状態の一例を示す時系列図である。 図11は、本発明の実施の形態2のバックアップ電源装置の動作状態の一例を示す時系列図である。 図12は、従来のバックアップ電源装置の回路ブロック図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1によるバックアップ電源装置の一例を示すブロック図である。バックアップ電源装置15は、コンデンサ25、充電回路26、昇圧回路27と、ドアロック解除出力端子28を含む。充電回路26は、コンデンサ25の充電経路に設けられていて、充電回路26の入力電圧を降下させる。昇圧回路27は、コンデンサ25の出力経路に設けられている。そして、ドアロック解除出力端子28が、昇圧回路27に接続されている。
以上の構成により、バックアップ電源装置は、緊急時にドアロックの解除を行うための電力をドアロック解除出力端子から適切に出力できる。
つまり、事故などでバッテリー22(図4参照)が損傷するなどの緊急時に、コンデンサ25の電圧を昇圧回路27が昇圧し、そして昇圧された電圧をドアロック解除出力端子28からドアロックを解除するモータ19に供給する。その結果、モータ19は十分に高い電圧で起動され、これにより緊急時においてドアロックが適切に解除される。このため、搭乗者は車内10から車外へ緊急脱出することが可能となり、安全性が高まる。
以下、バックアップ電源装置15について、詳細に説明する。図2は、バックアップ電源装置15を搭載した自動車の一例を示す平面図である。運転席11と助手席12は、自動車9の車体9Aが構成する車内10の前方に設けられている。また、後部席13が、車内10の後方に設けられている。さらに、ハンドル14およびダッシュボード16が、車内10の運転席11の前方に設けられている。
バックアップ電源装置15は、たとえば、車内10の前方であり、かつ運転席11と助手席12との間に配置されている。あるいは、車内10の前方のダッシュボード16の内部に格納されて配置されている。特に、ダッシュボード16の内部に格納されることにより、バックアップ電源装置15は周囲の温度変化の影響を受け難くなる。これにより、熱によってバックアップ電源装置15の特性や寿命が劣化することを抑制できる。
バックアップ電源装置15は、自動車9が緊急事態に陥った時に動作する。その詳細についてはこの後で説明する。
図3は、バックアップ電源装置15とドア17との関係の一例を示すブロック図である。それぞれのドア17にはドアロック18とモータ19とドアノブ20とメカキー21とが設けられている。バックアップ電源装置15は、それぞれのドア17のモータ19に接続されている。ドアロック18は、モータ19の駆動に対応し、ドア17のロックを解除する。
運転者などがドアノブ20を手動操作することによって、ドアロック18はドア17のロックの解除あるいは施錠することができる。また、運転者などがメカキー21を操作することによってもドアロック18はドア17のロックの解除あるいは施錠することができる。
モータ19は、自動車9が所定スピードに達すると自動的に起動される。そして、ドアロック18は、モータ19の駆動によって、ドア17を施錠する。そして、緊急時のみバックアップ電源装置15が動作して、モータ19を駆動させることによりドアロック18がドア17のロックを解除する。
図4は、バックアップ電源装置15とドア17のロックに係る各機能部との関係の一例を示すブロック図である。また、図5はバックアップ電源装置15と自動車の制御装置との関係の一例を示すブロック図であり、充電回路26、昇圧回路27の構成を示している。図6はバックアップ電源装置15の分解斜視図である。図4に示すように、バックアップ電源装置15は、自動車9のバッテリー22および車両ECU23に接続されている。車両用ECU23とは例えば、ドアロック、照明、或いはアラーム発信などの電装品に対する制御を行う装置である。
図4、図6に示すように、バックアップ電源装置15は、本体ケース24、コンデンサ25、充電回路26、昇圧回路27と、ドアロック解除出力端子28を含む。そして、コンデンサ25が、箱状の本体ケース24内に収納されている。充電回路26は、コンデンサ25の充電経路に設けられている。昇圧回路27は、コンデンサ25の出力経路に設けられている。そして、ドアロック解除出力端子28はコネクター34a内に配置され、昇圧回路27に接続されている。
なお、コンデンサ25には、電気二重層コンデンサを用いるのがよい。電気二重層コンデンサは、大容量であり、かつ急速充電ができ、さらに放電サイクルの寿命を長くすることができるため、コンデンサ25として好ましい。コンデンサ25は、直列に接続された第1コンデンサ25aと第2コンデンサ25bを含む。
図4に示すように充電回路26は、主電源であるバッテリー22から供給される電圧を降圧してコンデンサ25に供給する。図5に示すように充電回路26は、コンデンサ29、スイッチング素子30、チョークコイル31、ダイオード32を含んでいる。充電回路26は、例えば降圧DC−DCコンバータである。充電回路26は定電流でコンデンサ25を充電する、あるいは定電圧でコンデンサ25を充電する。充電回路26での充電の動作順序は、まず定電流でコンデンサ25を充電することを優先する。そして、充電電流が規定値以上となる場合には、制御素子33が充電電流を規定値以下へ低下させるようにスイッチング素子30を制御することに加えて、定電流動作から定電圧動作へと切り替える。これにより、コンデンサ25を過充電状態とすることなく充電ができ、コンデンサ25の寿命を長くすることができ、バックアップ電源装置15の信頼性が向上する。
スイッチング素子30は例えばFETで構成され、制御ICなどの制御素子33を介して車両ECU23に接続されている。
図7Aは、バックアップ電源装置15の回路部分を実装した基板の上面図である。図7Bは、バックアップ電源装置15の回路部分を実装した基板の裏面図である。
昇圧回路27のスイッチング素子40、昇圧コイル37、および放電パターン部50は、基板34の第一面側に配置されている。コンデンサ25a、25bおよび充電回路26は、基板34の裏側の第二面側に配置されている。そして、図6に示す基板34は、本体ケース24の一端に設けられた一端開口部35から、本体ケース24内へ挿入される。その後で、一端開口部35は、蓋36によって閉じられる。
以上のように、昇圧回路27と放電パターン部50とを基板34の第一面側に配置し、コンデンサ25a、25bおよび充電回路26を基板34の第二面側に配置することにより、充電制御に基づくノイズが、昇圧回路27側に影響を及ぼすことを抑制できる。さらに、昇圧回路27および放電パターン部50とコンデンサ25a、25bとを異なる面に配置することで、昇圧回路27および放電パターン部50で生じた熱がコンデンサ25a、25bへ伝わり難くなる。これにより、熱に起因してコンデンサ25a、25bの特性や寿命が劣化することを抑制できる。これに加えて、コンデンサ25a、25bは、本体ケース24によって本体ケース24の外側とは隔離されるので周囲の温度変化の影響を受け難くなる。従って、熱によってコンデンサ25a、25bの特性や寿命が劣化することを抑制できる。
また、コネクター34aが、基板34の端部に配置されている。コネクター34aは、図5に示す車両ECU23と図6に示す基板34とを接続している。そして蓋36には、コネクター34aに対向するように開口部36aが設けられている。
次に、図5に示す昇圧回路27について説明する。昇圧回路27は、充電回路26のチョークコイル31とドアロック解除出力端子28との間に配置されている。そして昇圧回路27は、昇圧コイル37、ダイオード38、平滑コンデンサ39、スイッチング素子40を含む。昇圧コイル37は、チョークコイル31とドアロック解除出力端子28との間で直列に接続されている。平滑コンデンサ39は、ダイオード38とドアロック解除出力端子28との間に並列に接続されている。
FETなどで構成されたスイッチング素子40は、昇圧コイル37とダイオード38との間に接続されている。この構成により、スイッチング素子40、昇圧コイル37、コンデンサ25a、25bによって、閉ループが形成されている。
自動車が通常の動作をしている時は、充電回路26のスイッチング素子30は常にコンデンサ25を充電しているが、昇圧回路27のスイッチング素子40は常に充電回路26の出力電圧を昇圧しても、停止していてもよい。この昇圧の動作は車両ECU23が指示している。そして、自動車が通常の動作をしている時は、コンデンサ25を短絡させて放電する回路を使用しない。つまり、自動車に搭載されたエンジンが動作している状態では、コンデンサ25が充電された状態を維持するように、車両ECU23が指示している。
さらに、放電回路41がコンデンサ25に接続されている。放電回路41は、車両ECU23と接続されている。そして、車両ECU23がエンジンの停止を検出すると、放電回路41は、コンデンサ25の電荷を徐々に放電させる。この時、放電回路41は、コンデンサ25の電荷を完全に放電させるのではなく、所定の電荷を残した状態で、この放電を停止する。なお、この点については後で詳細に説明する。
また、図5に示すように、スイッチング素子40は、制御IC等で構成された制御素子42を介して車両ECU23に接続されている。
次に図8を参照しながら、図1〜図7Bに示した構成における動作を説明する。
図8は、バックアップ電源装置を搭載した自動車とドアロックとの動作状態の一例を示す時系列図である。
「Vbatt」の曲線は主電源であるバッテリー電圧の変動を、速度の曲線は自動車の速度の変化を、「ロック」の曲線はドアロックが施錠あるいは解除される状態の変化を、「Vin」の曲線は充電回路がバッテリーから受ける電圧の変動を、そして「EDLC」の曲線はコンデンサの充電電圧の変動を示している。
自動車9の通常使用時は、図8のA点で、先ず、エンジンが始動される。図4に示すバッテリー22が正常な状態であるため、Vbattの曲線に示すようにエンジン始動時に多少の電圧変動が生じるだけで、電圧の変動は小さい。
エンジンが始動されると、図8に示すVinの曲線に応じてバッテリー22が充電回路26へ電力を供給する。
具体的には、図4に示す車両ECU23は、バッテリー22からの電源供給により起動される。そしてこの構成によって、図5に示すスイッチング素子30が、制御素子33を介して制御され、その結果、スイッチング素子30は、ON状態へと切り替わる。
この時、充電回路26にもバッテリー22から電力の供給が行われているので、充電回路26が起動される。その結果、コンデンサ25は、図8に示すEDLCの曲線に応じて、徐々に充電される。
ただし、最初の充電時(生産時)や、使用を始めた後に長期間放置した時だけは、コンデンサ25の充電に要する時間が長い。たとえば、図8に示すEDLCの曲線のように、コンデンサ25を満充電するために、約30秒の時間がかかる。しかしながら、先に述べたように、コンデンサ25には、所定の電荷が残っているので、通常の使用状態ではコンデンサ25の充電に要する時間は短くなる。これにより、充電時に発生する熱も減らすことになり、この熱によってコンデンサ25の特性や寿命が劣化することを抑制できる。さらに、充電に要する時間が短いので、エンジン始動後すぐにバックアップ電源装置15が適切に動作する期間が始まる。従って、バックアップ電源装置15が適切に動作する条件下で、搭乗者が緊急脱出することができる期間もエンジン始動後すぐに始まって長くなる。
エンジン始動によりコンデンサ25への充電が進んでいる状況で、自動車9の走行スピードが、図8に示す速度の曲線のように所定の値を過ぎると(B点)、図8のロックの曲線に示すように、図2に示すドア17がロックされる。
具体的には、図4に示すモータ19が、車両ECU23によって起動され、モータ19によって図のドアロック18が、操作される。これにより、図のドア17がロック(施錠)される。なお、モータ19は、ドアロック18を解除するための要素(構成)の一例として用いている。
以上のように、図8のEDLCの曲線に示すように、通常運転時のコンデンサ25の充電は、時間の経過によって完了する。そして、図8でエンジンがOFF状態になると(C点)、図5に示す放電回路41はコンデンサ25を放電し始める。
例えば、放電回路41は、車両ECU23によって起動され、放電回路41がコンデンサ25の電荷を徐々に放電させる。コンデンサ25は、満充電状態で放置されると特性が劣化するので、それを避けるためにエンジンOFF状態で毎回、放電回路41はコンデンサ25を徐々に放電する。
但し、コンデンサ25の電荷は全てが放電されずに、図8のEDLCの曲線に示すように所定量の電荷は残される。このため、次回の充電時からは、コンデンサ25を満充電にするための時間は、EDLCの曲線に示した初期の30秒はかからず、短時間で済む。したがって、コンデンサ25はスムーズに満充電状態に達することができる。
なお、エンジンがOFF状態になると、図8のVinの曲線のように、バッテリー22から充電回路26への電源供給は断たれる。しかしながら、図5に示すように、コンデンサ25が、昇圧コイル37、ダイオード38、ドアロック解除出力端子28を介して車両ECU23へと電力を供給するので、車両ECU23は制御動作を継続することができる。
つまり、コンデンサ25に蓄えられた電荷は、放電回路41によって徐々に放電される。したがって、コンデンサ25の放電が完了するまでの間、コンデンサ25は、昇圧コイル37、ダイオード38、ドアロック解除出力端子28を介して車両ECU23へ電源供給を継続する。その結果、車両ECU23は、制御動作を継続することができる。
バックアップ電源装置15の最大の特徴点は、自動車9の運転時に、事故などの発生によってバッテリー22が各部への電源供給を断った状態で、バックアップ電源装置15がモータ19を起動して、ドアロック18を駆動することである。この動作により、ドア17のロックが解除される。なお本明細書中において、運転時とは、エンジンが起動された状態を意味し、走行時と一時停止時も含む。
具体的には、自動車9の運転時に事故が発生し、バッテリー22が損傷した場合、図8に示す(D点)でのVbattの曲線およびVinの曲線および図4に示すように、車両ECU23は、バッテリー22からの電源供給が断たれた状態となる。しかしながら、図3、図4や図5からも理解されるように、コンデンサ25が、昇圧コイル37、ダイオード38、ドアロック解除出力端子28を介して車両ECU23へと電源供給を行うので、車両ECU23は制御動作を継続することができる。この時、運転者がエンジンを停止させたのではなく、バッテリー22が損傷したことによってエンジンが停止したために、車両ECU23は「エンジンが起動している」という以前の状態に対する情報を持ったままで「電圧降下が発生した」という情報を得た状態となる。
その結果、車両ECU23は、バッテリー22からの電圧低下を、バッテリー22の損傷による電圧降下であると判断する。
この時、車両ECU23は、事故によってバッテリー22が損傷したとの判断をもとに放電回路41を停止させるので、放電回路41はコンデンサ25の電荷を放電しない。
したがって、コンデンサ25の電荷が無くなるまでの間、コンデンサ25が車両ECU23へ電源供給を続ける。その結果、車両ECU23は制御動作を継続することができる。なお、コンデンサ25は、昇圧コイル37、ダイオード38、ドアロック解除出力端子28を介して車両ECU23へ電源を供給している。
そして車両ECU23は、事故によってバッテリー22の電圧が低下したとの判断に基づき制御素子42を介してスイッチング素子40をON状態とさせる指示を出す。
この指示により、コンデンサ25の両端は短絡状態となる。つまり、コンデンサ25とスイッチング素子40と昇圧コイル37とは放電パターン部50によって直列に短絡させられ、コンデンサ25に蓄えられた電荷が昇圧回路へ供給される。したがって、コンデンサ25は、放電パターン部50へ大きな値の電流を流す。放電パターン部50は充電回路26や昇圧回路27の配線パターン部51に比較して電流容量や断面積を大きくし、例えば、コンデンサ25は放電パターン部50に、2(V)、100(A)の電流を流す。昇圧回路27は車両ECU23からの指示に応じて起動し、この大電流に基づき、ドアロック解除出力端子28に所定の電圧を供給する。たとえば、昇圧回路27は12(V)、16(A)の電源を供給する。
この電力は、ドアロック解除出力端子28からモータ19に供給される。その結果、図に示すドアロック18が操作され、図2に示すドア17のロックが解除される。
従来のバックアップ電源装置5では、非常時にコンデンサ2が放電するだけであるので電圧が低い。しかし、エアバッグ起動回路7などの安全を確保するための装備は、高い電圧によって駆動される。したがって、従来のバックアップ電源装置5は、事故などの緊急事態が発生した場合、このような装備を適切に駆動できない可能性がある。
そこで、バックアップ電源装置15では昇圧回路27が、図および図4に示すように、コンデンサ25の出力経路に設けられている。そして昇圧回路27の出力が、ドアロック解除出力端子28へ接続されている。したがって、事故などでバッテリー22が損傷するなどの緊急時に、コンデンサ25の電圧は、昇圧回路27によって昇圧され、ドアロック解除出力端子28を通じてドアロック解除部であるモータ19に供給される。その結果、モータ19は十分に高い電圧で起動されるので、緊急時にドアロックを適切に解除できる。このため、図に示す車内10から搭乗者は車外へ緊急脱出することが可能となり、安全性が高くなる。
(実施の形態2)
図9は本発明の実施の形態2によるバックアップ電源装置とバックアップ電源装置を搭載した自動車との接続の一例を示すブロック図である。以下、バックアップ電源装置115とバックアップ電源装置115を搭載した自動車との接続の実施の形態について説明する。これもまた当然ながら、バックアップ電源装置115は図2に示す自動車9の車内10に配置される。なお、実施の形態1と同じ構成には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する場合がある。
図9に示すように、バックアップ電源装置115の充電回路26は、コンデンサ25の電力供給側に設けられている。そして、充電回路26は、コンデンサ25を充電する。昇圧回路27は、コンデンサ25電力放出側に設けられている。昇圧回路27は、コンデンサ25に蓄えられた電力が放電される際に、その電圧を昇圧させている。
そして、ドアロック解除出力端子28は、昇圧回路27の出力側に接続されている。充電回路26は、バッテリー22の電圧をコンデンサ25へ充電するための適切な電圧に降下させている。以上の構成は実施の形態1と同様である。
本実施の形態ではさらに、充電回路26の入力端26aと昇圧回路27の出力端27aとが、第1のダイオード43を介して接続されている。なお、第1のダイオード43のカソード側が、昇圧回路27の出力端27aに接続され、アノード側が充電回路26の入力端26aに接続されている。第1のダイオード43は、充電回路26および昇圧回路27に対して、並列に接続されている。そして、昇圧回路27が停止した状態であり、昇圧回路27からの出力が無い状態で、充電回路26の入力端26aに接続されたバッテリー22からの電力は、第1のダイオード43を通じて昇圧回路27の出力端27aへと供給される。
バックアップ電源装置115は、充電回路26の入力端26aへ正常に電源供給が行われている場合、昇圧回路27は起動させない。したがって、昇圧回路27内のスイッチング素子40は、スイッチ動作を行わない。
すなわち、図2に示す自動車9が通常の状態で運転されている場合、図9に示すバックアップ電源装置115はスタンバイ状態となる。その結果、スイッチング素子40の動作に伴って昇圧回路27から外部へと放出されるノイズが抑制される。
特に、昇圧回路27には、小型化したうえで、限られた電力あるいは電圧を蓄電したコンデンサ25の電圧を昇圧させることが要求される。そのため、スイッチ動作により生じるノイズもまた大きくなり易い。従って、スイッチ動作の停止により他の車載機器へノイズが及ぼす影響を抑制することができる。当然ながら、スイッチ動作に伴う電力消費も抑制できる。
充電回路26の入力端26aと昇圧回路27の出力端27aとの間のバイパスには、第1のダイオード43のみが接続されている。これに対して、昇圧回路27の出力端27aは、所定の基準以上の電圧を維持すればよい。したがって、充電回路26の入力端26aと昇圧回路27の出力端27aとの間のバイパスは、抵抗などのインピーダンス成分を第1のダイオード43と直列に接続する構成とし、ここに流れる電流を抑制して消費電力を抑制しても構わない。
ここまでに示したバックアップ電源装置115の動作は、バッテリー22が正常に接続された状態での動作である。したがって、イグニションスイッチ44の開閉にかかわらず、リレー45は、ドアロック解除出力端子28とドアロック開閉端子47とを接続していない。したがって、昇圧回路27は、車両ECU23あるいは制御素子42から電圧出力を要求されない。
自動車9の運転時であり、かつ事故によりバッテリー22から充電回路26の入力端26aへの電源供給が途切れたとき、電源のバックアップが必要となる。そこで、このような状態に陥った際に、昇圧回路27は起動される。そして、コンデンサ25に蓄えられた電圧が、昇圧回路27によって昇圧され、昇圧後の電圧が出力端27aを通じてドアロック解除出力端子28へ供給される。このとき、自動車9は運転時であるため、少なくとも事故を起こす直前までは、イグニションスイッチ44は接続状態である。したがって、コンデンサ25は、充電回路26を通じて既に十分に蓄電された状態となっている。
なお、充電回路26は、入力端26aへ電力供給された時点で直ちに、コンデンサ25を充電しても良い。或いは、充電回路26は、一旦コンデンサ25へ充電を行った後に、所定の時間をおいて定期的に充電を行っても構わない。
また、コンデンサ25は昇圧回路27への電力の供給を行わなくとも、時間の経過とともに少量ながらも放電する。したがって、充電回路26は、定期的にコンデンサ25を充電することが望ましい。この構成により、コンデンサ25は、バックアップ電源装置115が動作を必要とする際に、常時満充電あるいはそれに近い状態になっている。
実施の形態1と同様に、充電回路26にもスイッチング素子30が設けられている。そして、スイッチング素子30がスイッチング動作することによって、DC−DC変換が行なわれている。スイッチング素子30によるスイッチング動作は、降圧動作であり、かつ限られた短時間内に行う動作ではない。したがって、昇圧回路27に比較して、充電回路26のノイズの発生は非常に少ない。
以上のように、バックアップ電源装置115では、充電回路26の入力端26aと昇圧回路27の出力端27aが、第1のダイオード43によって接続されている。以下ではバックアップ電源装置115を自動車9へ搭載した場合の自動車9の電子制御系とバックアップ電源装置115の接続および動作について説明する。
まず、自動車9の電子制御系や電源とバックアップ電源装置115の接続について説明する。イグニションスイッチ44は、イグニションに連動して動作する。イグニションスイッチ44は、バックアップ電源装置115の充電回路26の入力端26aに接続されている。すなわち、バッテリー22と充電回路26は、イグニションスイッチ44を介して接続されている。
また、バッテリー22とイグニションスイッチ44の接続点は、第2のダイオード46を介して車両ECU23に接続されている。詳細には、第2のダイオード46のカソード側は、車両ECU23に接続されている。
さらに、バッテリー22とイグニションスイッチ44の接続点は、リレー45に接続されている。バッテリー22が正常に接続されている状態であれば、イグニションスイッチ44が接続状態あるいは非接続状態にかかわらず、リレー45はバッテリー22に接続された状態となっている。この構成により、バッテリー22は、リレー45を介してドアロック開閉端子47へ電力を供給している。
通常の状態とは、先に述べたような事故によってバッテリー22からの電源供給が断たれた状態ではなく、そのような状態に至っておらずバッテリー22が接続された状態を示す。当然ながら通常状態でのドアロックは、任意にドアロック開閉端子47を通じて施錠あるいは解除が可能である。
また、事故によりバッテリー22から充電回路26への電源供給が途切れた際、車両ECU23あるいは制御素子42は、電力遮断の情報に基づいて、昇圧回路27のスイッチング素子40を動作させる。そして、スイッチング素子40が動作することにより、コンデンサ25に蓄えられた電力が昇圧され、出力端27aからドアロック解除出力端子28側へドアロック解除のための電力が出力される。
この動作と同時に、リレー45の接続は、バッテリー22側からドアロック解除出力端子28側へと切り替わる。その結果、ドアロック解除のための電力は、ドアロック開閉端子47へ送られることが可能となり、この電力と車両ECU23からの指示とによりドアロックが強制的に解除される。
次に図10を参照しながら図1〜図3、図9に示した構成における動作を説明する。
図10は、バックアップ電源装置115を搭載した自動車と昇圧回路との動作状態の一例を示す時系列図である。
「Vbatt」の曲線は主電源であるバッテリー電圧の変動を、速度の曲線は自動車の速度の変化を、「ロック」の曲線はドアロックが施錠あるいは解除される状態の変化を、「Vin」の曲線は充電回路がバッテリーから受ける電圧の変動を、「EDLC」の曲線はコンデンサの充電電圧の変動を、「昇圧回路出力」の曲線は昇圧回路からの出力電圧の変動を、そして「ドアロック開閉出力」の曲線はドアロック開閉端子の出力電圧の変動を示している。
昇圧回路27は事故が発生するタイミング(D点)以前では動作しない。したがって、図10の昇圧回路出力の曲線に示すように、昇圧回路27はバッテリー22の損傷後に電圧を出力する。この構成により、図10に示すように、Vbattの曲線に示すバッテリー電圧を失ったタイミングで、ドアロック開閉出力の曲線に示すように、ドアロック開閉出力の曲線はVbattの曲線と昇圧回路出力の曲線とを重畳させた曲線となる。これにより、事故が発生した後はドアロック解除出力端子28の出力電圧がHighとなる。そしてこの電力がドアロック開閉端子47へ供給されることによってドアロックを解除させることが可能となる。つまり、事故の発生以前、以後にかかわらず、ドアロック開閉端子47は常に電力の供給を受けることができる。
また、自動車9の正常な運転時、イグニションスイッチ44は閉じられ、かつドアロック解除出力端子28はドアロック開閉端子47に非接続とされる。先にも述べたように、この状態で昇圧回路27は、常に動作可能な状態でありながらも停止している。この構成により、昇圧回路27のスイッチング素子40から放出されるノイズが抑制される。
また、第1のダイオード43を接続する第1の導体路線43aの断面積は、第2のダイオード46を接続する第2の導体路線46aの断面積よりも小さいことが望ましい。この構成により、第1の導体路線43aが受けるバックアップ電源装置115の内部や外部から発せられる様々な放射ノイズの影響を抑制できる。その結果、放射ノイズが、第1の導体路線43aに近接して接続あるいは配置されているスイッチング素子30やスイッチング素子40の動作に与える悪影響を抑制することもできる。
つまり、第2の導体路線46aは、常に車両ECU23へ車両ECU23を駆動させるための電力を供給し続ける必要がある。このために電力損失を考慮して、第2の導体路線46aには、抵抗値の低い大きな断面積が必要である。一方、第1の導体路線43aは、昇圧回路27の出力端27aに微小信号を送るだけの電圧を確保できればよい。したがって、第1の導体路線43aは、小さな断面積の導体で構わない。
さらに、昇圧回路27の出力端27aと車両ECU23との間に、第3のダイオード48を接続し、出力端27aとグランドとの間に分圧回路49を接続し、かつ分圧回路49からの分電圧を制御素子42へ入力することが、望ましい。この構成により、車両ECU23の瞬間的な機能低下が、抑制できる。したがって、事故によるバッテリー22の損傷後に、車両ECU23は機能を継続維持することが可能となる。
ここで、分圧回路49から制御素子42へ発信される分電圧が、バッテリー22の損傷に対応して所定の電圧を下回った時点で、昇圧回路27は、制御素子42の指示を受けて起動する。そして、これと同時に出力端27aの電圧が急低下することにより、昇圧回路27内で出力端27aに接続された平滑コンデンサ39から第3のダイオード48を通じて車両ECU23へ放電が始まる。平滑コンデンサ39は、バッテリー22からの電源供給が遮断されるまでの間、第1のダイオード43を通じてバッテリー22により充電された状態となっている。したがって、電源供給が遮断されるまでの間、昇圧回路27は起動されていなくても、放電が可能な状態となっている。
また、昇圧回路27が、起動の指示を受けて、昇圧した電圧を出力するまでにタイムラグが生じる。そこで、平滑コンデンサ39からの放電電圧が、このタイムラグの存在によるドアロック解除出力端子28の電圧の低下を補償する。従って、バッテリー損傷後の車両ECU23を駆動させるための電圧は、平滑コンデンサ39の放電電圧と昇圧回路27の出力電圧とを重畳させた電圧となる。
次に、図11を用いて車両ECU23の駆動電圧について説明する。
図11はバックアップ電源装置115の動作状態の一例を示す時系列図である。図11の動作状態の動作シーケンスにおけるバッテリーの曲線に示すように、バッテリー22の損傷が生じた時点でバッテリー電圧は「0」となる。同時に平滑C放電の曲線に示すように、平滑コンデンサ39の電圧は、放電の曲線に沿って低下し、出力端27aにバッテリーの曲線と平滑C放電の曲線とが重畳させられた電圧が得られる。そして、バッテリー22の損傷などが生じた時点から時間差を持って、昇圧回路の曲線に示す電圧が起動する。このような構成により、バッテリーの曲線と平滑C放電の曲線と昇圧回路の曲線とが重畳させられたECU駆動電圧が、車両ECU23に供給される。そして、平滑コンデンサ39の容量は、ECU駆動電圧の瞬時の電圧低下による電圧が、車両ECU23を駆動可能な電圧以下とならないように規定すればよい。しかしながら、このタイムラグは非常に小さな期間であるので、平滑コンデンサ39の容量は、通常の平滑機能のために用いる平滑コンデンサの容量と同程度の容量で十分である。つまり、平滑コンデンサ39は、昇圧回路27が動作しているときの平滑機能と、昇圧回路27が動作する前の微小蓄電池機能との双方の機能を有する。
ノイズ抑制のために昇圧回路27が動作を停止している状態から、制御素子42が昇圧に対する指示を受けて昇圧回路27が動作を開始するまでの間に、タイムラグが生じる。しかしながら、平滑コンデンサ39に蓄えた電荷が、第3のダイオード48を介して車両ECU23への瞬時補償電力として供給される。従って、出力端27aの電圧は、車両ECU23の駆動を維持する電圧に保つことができる。
この構成により、車両ECU23は、バッテリー22からの電源供給が途絶えた場合でも、動作を中断あるいは停止することなく、機能を損なわずに安定した動作を継続することができる。特に、ドアロック解除のための動作は、瞬間的に全てを実行するのではなく時間が長く継続した制御や動作が必要である。従って車両ECU23が途切れなく電源供給を受けることは安全性の確保に非常に有用である。
つまり、バックアップ電源装置115は、ノイズによる影響を抑制することに加えて、蓄電による限られた電力をもとに、非常用の電源としての安定した動作を維持することができる。
また、平滑コンデンサ39は、昇圧回路27の機能の一部を共用しているので、新たに容量素子を付加する必要もない。したがって、付加される容量素子による実装面積やコストの増加を抑えることができる。
さらに、第3のダイオード48は、非常時だけの限られた短い時間に通電される。したがって、第3の導体路線48aの断面積は、第2の導体路線46aの断面積よりも小さくてよい。この構成により、第1の導体路線43aと同様に第3の導体路線48aが、放射ノイズを受けることを抑制できる。加えて、正常時には車両ECU23へ、第2の導体路線46aによって電力が供給されるので、電力損失を小さくできる。
以上に説明したバックアップ電源装置115の非常時の動作の順序は、バッテリー22が故障あるいは断線により回路から切断されたと判断した場合に、昇圧回路27が動作を始め、ドアロックが解除される。しかしながら、非常時のバックアップ電源装置115の動作の順序は、これに限られない。先に述べたように、車両ECU23が、途切れなく電力供給を受けて動作を継続できるため、ドアロック解除の動作は、たとえば、バッテリー22が消失と判断して昇圧回路27の動作が始まったその瞬間、あるいは直後に行わないこともできる。
たとえば、事故などの非常事態に遭遇した場合、自動車9が完全に停車したことを示す車両ECU23が判断した後、あるいは事故から所定時間が経過したと車両ECU23が判断した後に、車両ECU23からの指示によって、リレー45がドアロック解除出力端子28側へと切り替わって接続され、ドアロック解除を行うこともできる。この構成により、搭乗者が自動車9の未停止状態で外部に放り出されることを防止することができ、搭乗者の一層の安全を確保できる。ここでの所定の時間とは、搭乗者の安全性を考慮し、様々に設定できる。一例としては、エアバッグなどの、事故の瞬間に動作が始まることが必要とされる機能が動作を始め、その動作が完了したことを車両ECU23が判断するまでの時間を所定の時間としてもよい。あるいは、エアバッグなどの、事故の瞬間に動作が始まることが必要とされる機能が動作を始め、その動作が完了するまでの時間を予め設定し、これを所定の時間としてもよい。
また、車両ECU23が車両ECU23に接続された慣性力センサ等(図示せず)により所定以上の衝撃を検知して事故と判断した時、バッテリー22が正常に電源供給を行っているか否かにかかわらず、昇圧回路27の動作を始めてもよい。そして車両ECU23が、停車したと判断した後、あるいは事故から所定時間が経過したと判断した後に、バッテリー22が接続されているか否かにかかわらず、先ずバッテリー22からの電力によってドアロックを解除することを試みる。そして、その後で、バックアップ電源装置115は、リレー45を切り替えて、昇圧回路27からの電力によってドアロックを解除する。この構成により、搭乗者が自動車9の未停止状態で外部に放り出されることを防止することができる。したがって、搭乗者の一層の安全の確保ができる。加えて、自動車9が事故後の不安定な状態であるときに、車両用ECU23はバッテリー22とバックアップ電源装置115との双方からドアロック開閉端子47へ電力を供給させる。したがって、バックアップ電源装置115を含んだ自動車9は、ドアロック解除の確実性を向上させることができる。
以上のように本実施形態では以下の特徴を有する。
第1の特徴は、充電回路26の入力端26aに電力供給が行われている正常な接続状態で、昇圧回路27は車両ECU23あるいは制御素子42の制御により起動しない点である。したがって、昇圧回路27内のスイッチング素子40は、スイッチ動作を行わない。但し、平滑コンデンサ39には、充電が行われている。
その結果、自動車9が通常の状態で運転されている際に、バックアップ電源装置115は、スタンバイ状態となり、昇圧回路27から外部へと放出されるノイズを抑制できる。特に、昇圧回路27は小型化し、限られた電力および電圧を蓄電したコンデンサ25の電圧を昇圧させる必要がある。そのため昇圧回路27のスイッチ動作により生じるノイズは大きくなり易い。上述のようにスイッチ動作を停止することによって他の車載機器へのノイズの影響を抑制することができる。
通常の運転状態で、先ず車両ECU23は、第2のダイオード46を介して電力供給されるので、昇圧回路27は通常に起動できる。
また、この時、イグニションスイッチ44は閉じた状態となっているので、コンデンサ25は充電回路26を介して充電される。但し、充電時に昇圧回路27の出力端27aの電圧は、高い状態を維持している。従ってこの状態では、昇圧回路27は起動しない。
つまり、自動車9が通常の状態で運転している際、バックアップ電源装置115は、スタンバイ状態(コンデンサ25が充電される状態)にあり、昇圧回路27を起動させない。その結果、昇圧回路27から外部へと放出されるノイズは、抑制できる。
第2の特徴は、上記の状態で、例えば、事故の発生により、バッテリー22から車両ECU23への電力供給が断たれた状況になると、平滑コンデンサ39に充電された電力が第3のダイオード48を介して車両ECU23へ供給される点である。これにより、昇圧回路27の出力端27aから車両ECU23へ供給される電力の変動が小さくなり、車両ECU23は動作を安定して継続できる。
さらに、車両ECU23は、上述した事故の発生によるバッテリー22からの電力供給停止を直ちに把握し、次に安全動作(ドアロックの解除)を始めようとする。その安全動作への移行期間の信頼性を向上するために、平滑コンデンサ39は第3のダイオード48を介して車両ECU23に電力を供給する。
また、上述の事故の発生によるバッテリー22からの電力供給が停止した時、第1のダイオード43を介して分圧回路49に供給される電圧も急激に低下する。したがって、分圧回路49の電圧が低下したことに応じて、制御素子42は起動される。そして、分圧回路49から制御素子42へ直接に動作の指示が与えられるため、バッテリー22からの電力供給が停止してから昇圧回路27が動作を始めるまでの時間を短縮することができる。
つまり、事故などの発生によって、バッテリー22から第2のダイオード46を介して車両ECU23へ電力が供給されなくなっても、車両ECU23は昇圧回路27の出力電圧によって動作を継続し、同時に車両に異常が発生したことを検知する。これにより、車両に事故が生じても安全を確保するための動作を確実に実施できる。これにより、安全性に対する信頼性を高くすることができる。
そして、このようにして、スイッチング素子40が、制御素子42を介して起動された結果、昇圧回路27は起動される。そして、コンデンサ25に充電された電荷を用いて昇圧動作が行われる。この昇圧された高い電圧は、ドアロック解除出力端子28を介してモータ19を起動し、確実にドアロックを解除することができる。
なお、リレー45は、事故が発生したと車両ECU23が判断した場合、ドアロック解除出力端子28側に切り替えられ、これにより上述したドアロックの解除が行われる。
以上の説明では、バッテリー22が電力を供給している正常時と、事故などによりバッテリー22からの電力供給が途絶えた異常時での昇圧回路27の動作等について述べている。ここで仮にバッテリー22が消耗した時にバッテリー22を車両から取り外して交換する場合は、車両のエンジンを停止させてから作業者がバッテリー22を交換する。このとき車両ECU23は、エンジンを停止するという命令のもとにイグニションスイッチ44が開放されていることを既に認識している。従って、この状態でバッテリー22が車両から取り外されても、車両ECU23は昇圧回路27を動作させない。
以上に述べたように本発明によれば、通常動作時にノイズが抑制され、非常時には蓄電による限られた小さな電力をもとに安定した電源の動作を維持することができる。その結果、緊急時におけるドアロックの解除が適切に行えるようになるので、各種自動車に使用されるバックアップ電源装置として有効である。
9 自動車
10 車内
11 運転席
12 助手席
13 後部席
14 ハンドル
15,115 バックアップ電源装置
16 ダッシュボード
17 ドア
18 ドアロック
19 モータ
20 ドアノブ
21 メカキー
22 バッテリー
23 車両ECU
24 本体ケース
25,25a,25b コンデンサ
26 充電回路
26a 入力端
27 昇圧回路
27a 出力端
28 ドアロック解除出力端子
29 コンデンサ
30 スイッチング素子
31 チョークコイル
32 ダイオード
33 制御素子
34 基板
34a コネクター
35 一端開口部
36 蓋
36a 開口部
37 昇圧コイル
38 ダイオード
39 平滑コンデンサ
40 スイッチング素子
41 放電回路
42 制御素子
43 第1のダイオード
43a 第1の導体路線
44 イグニションスイッチ
45 リレー
46 第2のダイオード
46a 第2の導体路線
47 ドアロック開閉端子
48 第3のダイオード
48a 第3の導体路線
49 分圧回路
50 放電パターン部
51 配線パターン部

Claims (5)

  1. コンデンサと、
    前記コンデンサの充電経路に設けられ降圧動作を行う充電回路と、
    前記コンデンサの出力経路に設けられた昇圧回路と、
    前記昇圧回路に接続されたドアロック解除出力端子と、を備え、
    前記昇圧回路は、基板の第一面に配置された、スイッチング素子とチョークコイルと放電パターン部とを有し、前記コンデンサは前記基板の第二面に配置されるとともに前記スイッチング素子と前記チョークコイルとに直列に接続された、
    バックアップ電源装置。
  2. 車体と、
    前記車体にとりつけられてドアロックおよびドアロック解除部が設けられたドアと、
    前記車体に搭載されたバッテリーと、
    前記バッテリーに接続されて前記車体の車内に配置された、
    コンデンサと、
    前記コンデンサの充電経路に設けられ降圧動作を行う充電回路と、
    前記コンデンサの出力経路に設けられた昇圧回路と、
    前記昇圧回路に接続されたドアロック解除出力端子と、を備えた、
    バックアップ電源装置と、
    前記バックアップ電源装置の前記昇圧回路を起動させて前記昇圧回路の出力によって前記ドアロック解除部を駆動させる車両ECUと、
    エンジンを備え、
    前記バックアップ電源装置は、前記コンデンサを放電するとともに、前記コンデンサの電荷を残した状態で放電を停止する放電回路をさらに有し、
    前記バッテリーから前記車両ECUへの電力供給状態では、前記車両ECUは前記エンジンの始動と、前記エンジンの停止状態に合わせて前記放電回路を起動し、
    前記バッテリーから前記車両ECUへの電力非供給状態では、前記車両ECUは前記昇圧回路を起動させ、前記昇圧回路の出力によってドアロック解除部を駆動させる、
    自動車。
  3. 車体と、
    前記車体にとりつけられてドアロックおよびドアロック解除部が設けられたドアと、
    前記車体に搭載されたバッテリーと、
    前記バッテリーに接続されて前記車体の車内に配置された、
    コンデンサと、
    前記コンデンサの充電経路に設けられ降圧動作を行う充電回路と、
    前記コンデンサの出力経路に設けられた昇圧回路と、
    前記昇圧回路に接続されたドアロック解除出力端子と、を備えた、
    バックアップ電源装置と、
    前記バックアップ電源装置の前記昇圧回路を起動させて前記昇圧回路の出力によって前記ドアロック解除部を駆動させる車両ECUと、
    前記バッテリーと前記バックアップ電源装置の前記充電回路の入力端側との間に接続されたイグニションスイッチと、
    前記充電回路の入力端と前記昇圧回路の出力端との間に接続された第1のダイオードと、
    前記バッテリーと前記イグニションスイッチとの接続点と前記車両ECUとの間に接続された第2のダイオードと、
    前記車両ECUと前記昇圧回路の出力端との間に接続された第3のダイオードと、を備え、
    前記第1のダイオードのカソード側は前記昇圧回路の出力端側に接続され、アノード側は前記充電回路の入力端に接続され、
    前記第2のダイオードのカソード側は前記車両ECUに接続され、アノード側は前記バッテリーと前記イグニションスイッチとの接続点側に接続され、
    前記第3のダイオードのカソード側は前記車両ECUに接続され、アノード側は前記昇圧回路の出力端に接続された、
    自動車。
  4. 第1のダイオードの前記アノードと前記カソードを接続する第1の導体路線と、
    第2のダイオードの前記アノードと前記カソードを接続する第2の導体路線と、
    第3のダイオードの前記アノードと前記カソードを接続する第3の導体路線と、をさらに備え、
    前記第1の導体路線の断面積と前記第3の導体路線の断面積は、前記第2の導体路線の断面積より小さい、
    請求項に記載の自動車。
  5. 車体と、
    前記車体にとりつけられてドアロックおよびドアロック解除部が設けられたドアと、
    前記車体に搭載されたバッテリーと、
    前記バッテリーに接続されて前記車体の車内に配置された、
    コンデンサと、
    前記コンデンサの充電経路に設けられ降圧動作を行う充電回路と、
    前記コンデンサの出力経路に設けられた昇圧回路と、
    前記昇圧回路に接続されたドアロック解除出力端子と、を備えた、
    バックアップ電源装置と、
    前記バックアップ電源装置の前記昇圧回路の出力によって前記ドアロック解除部を駆動させる車両ECUと、
    前記バッテリーと前記バックアップ電源装置の前記充電回路の入力端側との間に接続されたイグニションスイッチと、
    前記充電回路の入力端と前記昇圧回路の出力端との間に接続された第1のダイオードと、
    前記バッテリーと前記イグニションスイッチとの接続点と前記車両ECUとの間に接続された第2のダイオードと、
    前記車両ECUと前記昇圧回路の出力端との間に接続された第3のダイオードと、
    前記昇圧回路を起動させる制御素子と、
    前記昇圧回路の出力端に接続された分圧回路と、を備え、
    前記第1のダイオードのカソード側は前記昇圧回路の出力端側に接続され、アノード側は前記充電回路の入力端に接続され、
    前記第2のダイオードのカソード側は前記車両ECUに接続され、アノード側は前記バッテリーと前記イグニションスイッチとの接続点側に接続され、
    前記第3のダイオードのカソード側は前記車両ECUに接続され、アノード側は前記昇圧回路の出力端に接続され、
    前記昇圧回路は、前記昇圧回路の出力端に接続された平滑コンデンサを有し、
    前記制御素子は、前記分圧回路から発せられる分電圧信号もしくは車両ECUから発せられる信号に応じて前記昇圧回路を起動させる、
    自動車。
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