JP5807579B2

JP5807579B2 - 電源回路

Info

Publication number: JP5807579B2
Application number: JP2012029562A
Authority: JP
Inventors: 雅寛市古; 典尚榊原
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2015-11-10
Anticipated expiration: 2032-02-14
Also published as: JP2013169032A

Description

本発明は、バッテリの電圧を一定に保って負荷に出力する電源回路に関する。

近年、燃料消費量の節減と排ガスの低減を目的として、アイドルストップ車が実用化されている。アイドルストップ車は、信号待ち等で車両の停止動作を検知するとエンジンを自動的に停止（アイドルストップ）し、その後車両の発進動作を検知するとエンジンを自動的に再始動するようにした車両である。

このようなアイドルストップ車では、エンジン始動時やアイドルストップ後のエンジン再始動時において、エンジン始動用のスタータモータに大電流が流れることから、バッテリの電圧が一時的に低下する。これに伴って、バッテリに接続されるスタータモータ以外の電装機器などの負荷に供給される電圧も一時的に低下する。そのため、負荷によっては、供給される電圧が動作に必要な電圧の範囲から外れてしまい、一時的に正常に動作しなくなるおそれがある。例えば、カーナビゲーションやオーディオにおいてはリセットが行われたり、さらにオーディオにおいては音飛びが発生したりと、運転者の意図せぬ動作が行われるおそれがある。

そこで、このようなアイドルストップ車では、バッテリの電圧が一時的に低下した場合であっても負荷への必要な電圧の供給を維持することができるように、バッテリと負荷との間に電源回路を備えるようにしている。

例えば、既存の電源回路として、エンジン始動時やアイドルストップ後のエンジン再始動時において、バイパスリレーを常時オフさせるとともに昇圧回路を動作させることによりバッテリの電圧を昇圧させて負荷に出力し、エンジン始動時やエンジン再始動時以外の通常時において、バイパスリレーを常時オンさせるとともに昇圧回路を停止させることよりバッテリの電圧をバイパスリレーを介して負荷へ出力するものがある（例えば、特許文献１参照）。

これにより、エンジン始動に伴いバッテリの電圧が一時的に低下した場合であっても負荷への必要な電力供給を維持することができる。また、エンジン始動時以外の通常時において、バッテリの電圧が昇圧回路内の素子により電圧降下することなく負荷へ出力されるため、負荷への必要な電力供給を維持することができる。

特開２００５−１１２２５０号公報

しかしながら、上述の電源回路では、バイパスリレーを駆動するための素子の故障によりバイパスリレーが常時開状態になってしまうと、バッテリの電圧が常に昇圧回路を介して負荷に出力されてしまう。そのため、エンジン始動時以外の通常時において、バッテリの電圧が昇圧回路内の素子により降下して負荷に出力されてしまう。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、アイドルストップ車に搭載される負荷に安定した電圧を出力することである。

本発明の電源回路は、昇圧用スイッチング素子と、バッテリと前記昇圧用スイッチング素子との間に設けられるコイルと、前記コイルと負荷との間に設けられる整流用素子とを有する昇圧回路と、励磁コイルと、前記昇圧回路に並列接続され前記励磁コイルに電流が流れると開状態になるスイッチとを有する複数のバイパスリレーと、前記励磁コイルに電流を流す複数のリレー駆動用スイッチング素子と、エンジン始動時又はアイドルストップ後のエンジン再始動時以外の通常時、前記各スイッチを閉状態にさせ、エンジン始動時又はアイドルストップ後のエンジン再始動時、前記各スイッチを開状態にさせるとともに、前記バッテリの電圧が昇圧されて前記負荷に出力されるように、前記昇圧用スイッチング素子の駆動を制御する制御回路とを備える。

これにより、複数のリレー駆動用スイッチング素子のうちの何れかのリレー駆動用スイッチング素子の故障によって、そのリレー駆動用スイッチング素子により駆動されるバイパスリレーが常時開状態になってしまっても、エンジン始動時やアイドリングストップ後のエンジン再始動時以外の通常時において、バッテリの電圧を他方のバイパスリレーを介して負荷へ継続して出力することができる。すなわち、アイドルストップ車に搭載される負荷に安定した電圧を常時出力することができる。

また、前記制御回路は、前記複数のリレー駆動用スイッチング素子にかかる各電圧に基づいて、前記各スイッチの少なくとも１つのスイッチが開状態であると判断するように構成してもよい。

本発明によれば、アイドルストップ車に搭載される負荷に安定した電圧を出力することができる。

本発明の実施形態の電源回路を示す図である。制御回路の動作を示すフローチャートである。電源回路の変形例（その１）を示す図である。電源回路の変形例（その２）を示す図である。

図１は、本発明の実施形態の電源回路を示す図である。
図１に示す電源回路１は、アイドルストップ車に搭載されるバッテリ２の電圧を一定に保って負荷３に出力するものであり、昇圧回路４と、バイパスリレー５，６と、リレー駆動用スイッチング素子７，８と、ドライブ回路９と、制御回路１０とを備える。

昇圧回路４は、昇圧用スイッチング素子１１と、コイル１２と、整流用スイッチング素子１３（整流用素子）と、ドライブ回路１４，１５と、コンデンサ１６，１７とを備える。

昇圧用スイッチング素子１１は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、又は、ダイオードが並列接続されるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などとする。

コイル１２は、バッテリ２と昇圧用スイッチング素子１１との間に設けられる。
整流用スイッチング素子１３は、コイル１２と負荷３との間に設けられる。例えば、整流用スイッチング素子１３は、ＭＯＳＦＥＴ、又は、ダイオードが並列接続されるＩＧＢＴなどとする。

コンデンサ１６は、昇圧回路４の入力段に設けられる。
コンデンサ１７は、昇圧回路４の出力段に設けられる。
バイパスリレー５は、スイッチ５−１と、励磁コイル５−２とを有する。また、バイパスリレー６は、スイッチ６−１と、励磁コイル６−２とを有する。

スイッチ５−１及びスイッチ６−１はそれぞれ昇圧回路４に並列接続される。また、励磁コイル５−２は一方の端子がリレー５の外部においてスイッチ５−１と負荷３との接続点に接続され他方の端子がリレー５の外部においてリレー駆動用スイッチング素子７のドレイン又はコレクタに接続される。また、励磁コイル６−２は一方の端子がリレー６の外部においてスイッチ６−１と負荷３との接続点に接続され他方の端子がリレー６の外部においてリレー駆動用スイッチング素子８のドレイン又はコレクタに接続される。

リレー駆動用スイッチング素子７，８が共にオフしているとき、励磁コイル５−１，６−１にそれぞれ電流が流れず、スイッチ５−１、６−１がそれぞれ閉状態であり、バッテリ２と負荷３とが電気的に接続されている。なお、このとき、バイパスリレー５とリレー駆動用スイッチング素子７との接続点であるＡ点にかかる電圧Ｖａ及びバイパスリレー６とリレー駆動用スイッチング素子８との接続点であるＢ点にかかる電圧Ｖｂをそれぞれハイレベルとする。

また、リレー駆動用スイッチング素子７，８が共にオンしているとき、励磁コイル５−２，６−２それぞれに電流が流れ、それら励磁コイル５−２，６−２の電磁力によりスイッチ５−１，６−１がそれぞれ開状態になり、バイパスリレー５，６によるバッテリ２と負荷３との電気的なつながりがなくなる。なお、このときの電圧Ｖａ，Ｖｂをそれぞれローレベルとする。

制御回路１０は、ソフトウェア又はハードウェアによって実現される。ソフトウェアによって実現される場合、制御回路１０や上位制御回路１８はＣＰＵやメモリを含み、ＣＰＵがメモリに格納されているプログラムを読み出し実行することによって実現される。

また、制御回路１０は、例えば、車両全体の動作を制御する上位制御回路１８から送られてくる各種通知に基づいて、リレー駆動用スイッチング素子７，８の駆動を制御するための制御信号Ｓ１、昇圧用スイッチング素子１１の駆動を制御するための制御信号Ｓ２、及び整流用スイッチング素子１３の駆動を制御するための制御信号Ｓ３を出力する。なお、ドライブ回路９は、制御信号Ｓ１に基づいてリレー駆動用スイッチング素子７，８をそれぞれ駆動する。また、ドライブ回路１４は、制御信号Ｓ２に基づいて昇圧用スイッチング素子１１を駆動する。また、ドライブ回路１５は、制御信号Ｓ３に基づいて整流用スイッチング素子１３を駆動する。

例えば、制御回路１０は、エンジン始動時やアイドリングストップ後のエンジン再始動時以外の通常時において、リレー駆動用スイッチング素子７，８をそれぞれ常時オフさせる制御信号Ｓ１を出力するとともに、昇圧用スイッチング素子１１及び整流用スイッチング素子１３をそれぞれ常時オフさせる制御信号Ｓ２，Ｓ３を出力する。これにより、バッテリ２と負荷３とがバイパスリレー５，６を介して電気的に接続され、かつ、昇圧回路４がバッテリ２の電圧に対して昇圧動作を行わないため、バッテリ２の電圧とほぼ同じ電圧が負荷３にかかる。すなわち、バッテリ２の電圧が昇圧回路４内のコイル１２や整流用スイッチング素子１３などにより電圧降下することなく負荷３へ出力され、負荷３への必要な電圧の供給を維持することができる。なお、このときの制御回路１０の動作制御を、以下、「バイパスモード」という。

また、例えば、制御回路１０は、エンジン始動時やアイドリングストップ後のエンジン再始動時において、リレー駆動用スイッチング素子７，８をそれぞれ常時オンさせる制御信号Ｓ１を出力するとともに、昇圧用スイッチング素子１１がオンのとき、整流用スイッチング素子１３がオフし、昇圧用スイッチング素子１１がオフのとき、整流用スイッチング素子１３がオンすることが繰り返されるように、制御信号Ｓ２、Ｓ３を出力する。これにより、バイパスリレー５，６によるバッテリ２と負荷３との電気的なつながりがなくなり、かつ、昇圧回路４がバッテリ２の電圧に対して昇圧動作を行うため、バッテリ２の電圧が昇圧されて負荷３へ出力される。すなわち、エンジン始動時やアイドリングストップ後のエンジン再始動時においてスタータモータの駆動によりバッテリ２の電圧が一時的に低下しても負荷３への必要な電圧の供給を維持することができる。なお、このときの制御回路１０の動作制御を、以下、「昇圧モード」という。

また、制御回路１０は、リレー駆動用スイッチング素子７をオフさせる制御信号Ｓ１を出力しているにもかかわらず、電圧Ｖａがローレベルであると判断すると、リレー駆動用スイッチング素子７のドレイン−ソース間又はコレクタ−エミッタ間がショート故障して励磁コイル５−２に電流が流れスイッチ５−１が開状態であると判断し、そのショート故障と判断したリレー駆動用スイッチング素子７に対応するバイパスリレー５を駆動することができない旨を上位制御回路１８（出力手段）に通知する。上位制御回路１８は、バイパスリレー５を駆動することができない旨の通知を受け取ると、例えば、バイパスリレー５を駆動することができない旨のメッセージをディスプレイ１９（出力手段）に表示させたり、バイパスリレー５を駆動することができない旨の音声をスピーカ２０（出力手段）から出力させる。

また、制御回路１０は、リレー駆動用スイッチング素子８をオフさせる制御信号Ｓ１を出力しているにもかかわらず、電圧Ｖｂがローレベルであると判断すると、リレー駆動用スイッチング素子８のドレイン−ソース間又はコレクタ−エミッタ間がショート故障して励磁コイル６−２に電流が流れスイッチ６−１が開状態であると判断し、そのショート故障と判断したリレー駆動用スイッチング素子８に対応するバイパスリレー６を駆動することができない旨を上位制御回路１８に通知する。上位制御回路１８は、バイパスリレー６を駆動することができない旨の通知を受け取ると、例えば、バイパスリレー６を駆動することができない旨のメッセージをディスプレイ１９に表示させたり、バイパスリレー６を駆動することができない旨の音声をスピーカ２０から出力させる。

図２は、制御回路１０の動作を示すフローチャートである。なお、初期状態（例えば、エンジン始動前の駐車時）において、リレー駆動用スイッチング素子７，８はそれぞれ常時オフしており、スイッチ５−１，６−１はそれぞれ閉状態とする。すなわち、「バイパスモード」と同じ状態であるものとする。

まず、制御回路１０は、リレー駆動用スイッチング素子７をオフさせる制御信号Ｓ１を出力しているにもかかわらず電圧Ｖａがローレベルであるか否かを判断するとともに（Ｓ１０）、リレー駆動用スイッチング素子８をオフさせる制御信号Ｓ１を出力しているにもかかわらず電圧Ｖｂがローレベルであるか否かを判断する（Ｓ１１）。

制御回路１０は、電圧Ｖａがローレベルであると判断すると（Ｓ１０がＹｅｓ）、バイパスリレー５を駆動することができない旨を上位制御回路１８に通知する（Ｓ１２）。
また、制御回路１０は、電圧Ｖｂがローレベルであると判断すると（Ｓ１１がＹｅｓ）、バイパスリレー６を駆動することができない旨を上位制御回路１８に通知する（Ｓ１３）。

次に、制御回路１０は、イグニッションスイッチがオフした旨の通知を上位制御回路１８から受け取ると（Ｓ１４がＹｅｓ）、自己停止する（Ｓ１５）。
また、制御回路１０は、イグニッションスイッチがオフした旨の通知がなく（Ｓ１４がＮｏ）、かつ、クランク信号がハイレベルである旨の通知もない場合（Ｓ１６がＮｏ）、Ｓ１０の動作に戻る。なお、スタータモータによりエンジンの駆動が開始されると、クランク角センサーから出力されるクランク信号がハイレベルになり、エンジンが停止すると、クランク信号がローレベルになるものとする。

一方、制御回路１０は、クランク信号がハイレベルである旨の通知を上位制御回路１８から受け取ると（Ｓ１６がＹｅｓ）、スタータモータが駆動していると判断して、リレー駆動用スイッチング素子７，８、昇圧用スイッチング素子１１、及び整流用スイッチング素子１３をそれぞれ「昇圧モード」で駆動する（Ｓ１７）。

そして、制御回路１０は、クランク信号がハイレベルである旨の通知を上位制御回路１８から受け取っている間（Ｓ１８がＮｏ）、リレー駆動用スイッチング素子７，８、昇圧用スイッチング素子１１、及び整流用スイッチング素子１３をそれぞれ「昇圧モード」で駆動し（Ｓ１７）、クランク信号がローレベルである旨の通知を上位制御回路１８から受け取ると（Ｓ１８がＹｅｓ）、リレー駆動用スイッチング素子７，８、昇圧用スイッチング素子１１、及び整流用スイッチング素子１３をそれぞれ「バイパスモード」で駆動し（Ｓ１９）、Ｓ１０の動作に戻る。

その後、アイドリングストップ後のアイドリングストップ後のエンジン再始動時において、制御回路１０は、クランク信号がハイレベルである旨の通知を上位制御回路１８から受け取ってから（Ｓ１６がＹｅｓ）クランク信号がハイレベルである旨の通知を上位制御回路１８から受け取っている間（Ｓ１８がＮｏ）、リレー駆動用スイッチング素子７，８、昇圧用スイッチング素子１１、及び整流用スイッチング素子１３をそれぞれ「昇圧モード」で駆動し（Ｓ１７）、クランク信号がローレベルである旨を上位制御回路１８から受け取ると（Ｓ１８がＹｅｓ）、リレー駆動用スイッチング素子７，８、昇圧用スイッチング素子１１、及び整流用スイッチング素子１３をそれぞれ「バイパスモード」で駆動し（Ｓ１９）、Ｓ１０の動作に戻る。

このように、本実施形態の電源回路１では、バイパスリレー５、６を備えているため、リレー駆動用スイッチング素子７又はリレー駆動用スイッチング素子８のショート故障によって、一方のバイパスリレーが使用不可能になっても、エンジン始動時やアイドリングストップ後のエンジン再始動時以外の通常時において、他方のバイパスリレーを使用してバッテリ２の電圧を負荷３へ継続して出力することができる。すなわち、アイドルストップ車に搭載される負荷３に安定した電圧を常時出力することができる。また、一方のバイパスリレーが使用できなくなっても他方のバイパスリレーを使用してバッテリ２の電圧を負荷３へ継続して出力することができるため、バッテリ２から昇圧回路４へ電流が常時流れて昇圧回路４のコイル１２や整流用スイッチング素子１３などが自身の発熱により破損することを防止することができる。

これにより、供給電圧が規定範囲から外れないようにすることが望まれる電子機器、例えば、走る、曲がる、止まるといった車両の基本性能に関係する電子機器を負荷３とすることができる。また、通常時において、バッテリ２から昇圧回路４を介して負荷３へ電流が流れないようにすることができるため、昇圧回路４を構成する素子（例えば、コイル１２や整流用スイッチング素子１３など）として高耐圧の素子を採用しなくてもよく、コストの増大を抑えることができる。

また、本実施形態の電源回路１では、バイパスリレー５、６を駆動することができない旨がディスプレイ１９やスピーカ２０から出力される構成であるため、運転者などがバイパスリレー５、６を駆動することができなくなったことをすぐに認識することができ、使用不可能となったバイパスリレー５、６の早期回復を図ることができる。

なお、本実施形態の電源回路１では、昇圧回路４内の整流用素子として整流用スイッチング素子１３を採用しているが、図３に示すように、昇圧回路４内の整流用素子としてダイオード２１を採用してもよい。このように構成する場合は、ドライブ回路１５や制御信号Ｓ３を用意する必要がなくなるため、回路構成を簡単にすることができる。

また、本実施形態の電源回路１では、２つのバイパスリレー５、６がそれぞれ昇圧回路４に並列接続される構成であるが、３つ以上のバイパスリレーがそれぞれ昇圧回路４に並列接続されるように構成してもよい。例えば、図４に示す電源回路１のように、バイパスリレー５、６、２２がそれぞれ昇圧回路４に並列接続されてもよい。図４に示す電源回路１では、ドライブ回路９が制御信号Ｓ１に基づいてリレー駆動用スイッチング素子２３を駆動する。リレー駆動用スイッチング素子７，８，２３が共にオフしているとき、励磁コイル５−１，６−１，２２−１にそれぞれ電流が流れず、スイッチ５−１，６−１，２２−１がそれぞれ閉状態であり、バイパスリレー５，６，２２を介してバッテリ２と負荷３とが電気的に接続される。なお、このとき、バイパスリレー２２とリレー駆動用スイッチング素子２３との接続点であるＣ点にかかる電圧Ｖｃをハイレベルとする。また、リレー駆動用スイッチング素子７，８，２３が共にオンしているとき、励磁コイル５−２，６−２，２２−２それぞれに電流が流れ、それら励磁コイル５−２，６−２，２２−２の電磁力によりスイッチ５−１，６−１，２２−１がそれぞれ開状態になり、バイパスリレー５，６，２２によるバッテリ２と負荷３との電気的なつながりがなくなる。なお、このとき、Ｃ点にかかる電圧Ｖｃをローレベルとする。制御回路１０は、リレー駆動用スイッチング素子２３をオフさせる制御信号Ｓ１を出力しているにもかかわらず、電圧Ｖｃがローレベルであると判断すると、リレー駆動用スイッチング素子２３のドレイン−ソース間又はコレクタ−エミッタ間がショート故障して励磁コイル２２−２に電流が流れスイッチ２２−１が開状態であると判断し、そのショート故障と判断したリレー駆動用スイッチング素子２３に対応するバイパスリレー２２を駆動することができない旨を上位制御回路１８（出力手段）に通知する。上位制御回路１８は、バイパスリレー２２を駆動することができない旨の通知を受け取ると、例えば、バイパスリレー２２を駆動することができない旨のメッセージをディスプレイ１９（出力手段）に表示させたり、バイパスリレー２２を駆動することができない旨の音声をスピーカ２０（出力手段）から出力させる。このようにバイパスリレーの数を増やすことにより、エンジン始動時やアイドリングストップ後のエンジン再始動時以外の通常時におけるバイパスリレーの使用不能状態の発生確率を低減することができるため、バッテリ２の電圧をより安定して負荷３に出力することができる。

１電源回路
２バッテリ
３負荷
４昇圧回路
５バイパスリレー
６バイパスリレー
７リレー駆動用スイッチング素子
８リレー駆動用スイッチング素子
９ドライブ回路
１０制御回路
１１昇圧用スイッチング素子
１２コイル
１３整流用スイッチング素子
１４ドライブ回路
１５ドライブ回路
１６コンデンサ
１７コンデンサ
１８上位制御回路
１９ディスプレイ
２０スピーカ
２１ダイオード
２２バイパスリレー
２３リレー駆動用スイッチング素子

Claims

昇圧用スイッチング素子と、バッテリと前記昇圧用スイッチング素子との間に設けられるコイルと、前記コイルと負荷との間に設けられる整流用素子とを有する昇圧回路と、
励磁コイルと、前記昇圧回路に並列接続され前記励磁コイルに電流が流れないと閉状態になり前記励磁コイルに電流が流れると開状態になるスイッチとを有する複数のバイパスリレーと、
自身がオフすると前記励磁コイルに電流が流れず、自身がオンすると前記励磁コイルに電流が流れる複数のリレー駆動用スイッチング素子と、
エンジン始動時又はアイドルストップ後のエンジン再始動時以外の通常時、前記複数のリレー駆動用スイッチング素子を常時オフさせ、エンジン始動時又はアイドルストップ後のエンジン再始動時、前記複数のリレー駆動用スイッチング素子を常時オンさせるとともに、前記バッテリの電圧が昇圧されて前記負荷に出力されるように、前記昇圧用スイッチング素子の駆動を制御する制御回路と、
を備えることを特徴とする電源回路。
請求項１に記載の電源回路であって、
前記制御回路は、前記複数のリレー駆動用スイッチング素子のうちの少なくとも１つのリレー駆動用スイッチング素子が故障していると判断すると、その故障と判断したリレー駆動用スイッチング素子に対応するバイパスリレーを駆動することができない旨を出力手段から出力させる
ことを特徴とする電源回路。
請求項１に記載の電源回路であって、
前記制御回路は、前記複数のリレー駆動用スイッチング素子にかかる各電圧に基づいて、前記各スイッチの少なくとも１つのスイッチが開状態であると判断する
ことを特徴とする電源回路。