JP6148492B2 - 車両用電源制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車両の電源と負荷との間に介設された半導体スイッチング素子のオンオフを制御して、負荷に対する電源からの電力供給を制御する車両用電源制御装置に関する。
車両においては従来から、電源から負荷に対する供給電力を半導体スイッチング素子のPWM制御によりコントロールすることが行われている。中には、車両の左右のヘッドライトに対する電力供給を、それぞれのハーネス路線長の違いによる路線抵抗の相違に応じて、異なるDUTYのPWM制御によりコントロールするようにした提案もある。
この提案では、左右のヘッドライトに対するハーネス路線長が異なっていても、各ヘッドライトを同じ強さで点灯させることを実現させようとしている(例えば、特許文献1)。
特表2010−537873号公報
ところで、左右のヘッドライトの路線抵抗はそれぞれ恒久的に一定値とはなる訳ではなく、例えば、ヘッドライトの周辺環境の変化やハーネス、ヘッドライト自身の経年変化等によって変化する。したがって、左右のヘッドライトに対する電力供給時のPWM制御におけるDUTYを、それぞれのヘッドライトに対するハーネス路線長に応じて個別に設定しても、結果的に左右のヘッドライトを同じ強さで点灯させることができなくなる可能性がある。
本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、PWM制御を用いて車両の複数の負荷に対して電源からの電力をそれぞれ供給する際に、供給する電力量が同じ負荷中において一部の負荷の抵抗特性が動的に変化しても、各負荷への供給電力量を同じ電力量に維持することができる車両用電源制御装置を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明の車両用電源制御装置は、
車両の電源から負荷に供給される単位時間当たりの電力をPWM制御により制御する車両用電源制御装置において、
前記負荷を流れた電流値及びそのデューティー比と前記電源の電圧とから、前記負荷の前記単位時間あたりの実供給電力値を、前記車両の複数の負荷毎にそれぞれ検出する実供給電力検出手段と、
複数の前記負荷毎に設定される目標電力値が格納されるメモリと、
記PWM制御により前記電源から前記各負荷に単位時間当たりに供給する前記メモリの対応する目標電力値に、対応する前記負荷の前記実供給電力値をそれぞれ一致させるための前記PWM制御のデューティー比を、前記各負荷毎にそれぞれ検出するデューティー比検出手段と、
前記各負荷毎に、前記PWM制御のデューティー比を前記デューティー比検出手段が検出したデューティー比にそれぞれ補正するデューティー比補正手段と、
を備えることを特徴とする。
本発明の車両用電源制御装置によれば、PWM制御により電源から電力が供給される負荷に実際に供給される単位時間当たりの実供給電力値が、その負荷に単位時間当たりに供給する目標電力値に一致するように、PWM制御のデューティー比が設定される。
したがって、PWM制御により電力を供給する複数の負荷の中に、負荷や負荷に接続したハーネスの抵抗特性が経年変化や環境変化によって変動するものが存在しても、変動後の抵抗特性に応じてPWM制御のデューティー比を補正して、全ての負荷にそれぞれ目標電力値の電力が単位時間当たりに供給される状態を維持することができる。
このため、例えば、PWM制御を用いて車両の複数の負荷に対して電源からの電力を単位時間当たりに同じ目標電力値でそれぞれ供給する際に、一部の負荷の抵抗特性が動的に変化しても、各負荷への供給電力量を同じ電力量に維持することができる。
また、各負荷の実供給電力値と目標電力値との比較により各負荷のPWM制御におけるデューティー比の補正内容を個別に決定することができるので、他の負荷と実供給電力値を比較する等してデューティー比の補正内容を決定するのに比べて、各負荷のPWM制御におけるデューティー比の補正値を簡便かつ迅速に検出することができる。
本発明によれば、PWM制御を用いて車両の複数の負荷に対して電源からの電力をそれぞれ供給する際に、供給する電力量が同じ負荷中において一部の負荷の抵抗特性が動的に変化しても、各負荷への供給電力量を同じ電力量に維持することができる。
本発明の一実施形態に係る電源制御装置の原理的な構成を示す回路図である。 図1の制御部において行われる処理を模式的に示す機能ブロック図である。 図2の電流検出部及びDUTY比検出部が負荷の通過電流及びそのデューティー比を検出する際の手順を示すタイミングチャートである。 図1の電源制御装置において各負荷毎にそれぞれ行われる動作を示すフローチャートである。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の一実施形態に係る電源制御装置の原理的な構成を示す回路図である。
本実施形態の電源制御装置1(請求項中の車両用電源制御装置に相当)は、不図示の車両に搭載された入力スイッチSW1〜SWnのオンオフ操作に応じて制御部11が出力する駆動信号DR1〜DRnに基づいて、半導体リレー131〜13nをオンオフさせて、車両の電源Bから負荷31〜3nに対する電力の供給を制御するものである。
なお、各負荷31〜3nは、本実施形態では、不図示のワイヤハーネスにより対応する半導体リレー131〜13nに接続されるもので、例えばヘッドライト等の電装品であるものとする。
制御部11は、プログラムの実行により各種処理を実現するマイクロコンピュータやカスタムIC等によって構成される。そして、制御部11は、電源電圧入力端子BATT、入力端子IN1〜INn、出力端子OUT1〜OUTn、検出電流入力端子SI1〜SInを有している。
電源電圧入力端子BATTは、電源Bの電圧をモニタするための端子で、電源電圧入力端子BATTには、電源電圧を分圧抵抗R1,R2で分圧した電圧値VBが入力される。入力端子IN1〜INnは、入力スイッチSW1〜SWnのオンオフ状態をモニタするための端子で、それぞれの入力スイッチSW1〜SWnのオンオフ状態に応じたスイッチ信号S1〜Snが入力される。
出力端子OUT1〜OUTnは、対応する入力端子IN1〜INnのスイッチ信号S1〜Snがオン状態のときに、半導体リレー131〜13nをオンオフ駆動するための駆動信号DR1〜DRnをそれぞれ出力する。検出電流入力端子SI1〜SInには、対応する半導体リレー131〜13nからの電流検出信号I1〜Inがそれぞれ入力される。
図2は、制御部11の各端子の信号に基づいて制御部11の内部で実行される処理を模式的に示すブロック図である。
なお、制御部11は、各負荷31〜3n毎にそれぞれ個別に同一の処理を実行する。そこで、図2においては、制御部11が実行する処理を、1つの負荷31(32〜3n)について概括的に示す。そのために、図2では、電源電圧入力端子BATTを除く他の端子や入出力信号を、1〜nの枝番号を省略して示している。
そして、制御部11は、不図示のメモリに格納されたプログラムを実行することで、電源電圧検出部111、入力判定制御部112、PWM_DUTY比制御部113、電流検出部114、DUTY比検出部115、電力データ算出部116、及び、DUTY比補正値算出部117の各機能を実現する。
電源電圧検出部111は、電源電圧入力端子BATTに入力される電圧値VBと分圧抵抗R1,R2の分圧比とから、電源Bの端子電圧(以下、「電源電圧」という。)を検出し、検出した電源電圧の値を示す電源電圧データ信号を出力する。入力判定制御部112は、入力端子INに入力されるスイッチ信号Sに基づいて、入力スイッチSWのオンオフ状態を判定し、入力スイッチSWのオン状態においてSW入力信号を出力する。
PWM_DUTY比制御部113は、入力判定制御部112からのSW入力信号が入力されている間、出力端子OUTに駆動信号DRを出力する。駆動信号DRのデューティー比は、入力スイッチSWのオン直後は初期値とされ、その後は、DUTY比補正値算出部117が算出する後述のデューティー比補正値に補正される。
駆動信号DRのデューティー比の初期値は、電源電圧データ信号の示す電源電圧が基準電圧値Vrefを上回るときは、基準電圧値Vrefを電源電圧で除した値X(0<X<100)を二乗した値X^2に設定される。例えば、電源電圧データ信号の示す電源電圧が15V、基準電圧値Vrefが13.5Vである場合、駆動信号DRのデューティー比の初期値は、(13.5/15)^2=0.81であるから、81%となる。
この初期値X^2は、負荷3に電源Bが供給する単位時間当たりの電力値を目標電力値とするのに適したデューティー比ということになる。目標電力値は、各負荷3毎に設定され、例えば、制御部11の不図示のメモリに格納しておくことができる。
なお、電源電圧データ信号の示す電源電圧が基準電圧値Vref以下であるときは、駆動信号DRのデューティー比の初期値は100%(DC駆動)に設定される。
電流検出部114及びDUTY比検出部115は、検出電流入力端子SIに入力される電流検出信号Iから、半導体リレー13内の不図示の電流センサ回路が検出する負荷3の通過電流(負荷を流れた電流値)及びそのデューティー比をそれぞれ検出し、検出結果を示す電流データ信号及びDUTY比信号をそれぞれ出力する。
図3は、電流検出部114及びDUTY比検出部115が負荷3の通過電流及びそのデューティー比を検出する際の手順を示すタイミングチャートである。図3の上段に示す入力判定制御部112からのSW入力信号がオフからオンに切り替わると、駆動信号DRによるPWM制御でオンオフ駆動された半導体リレー13を介して負荷3に電源Bからの電力が供給される。
そして、図3の中段に示すように、半導体リレー13の電流センサ回路が検出した負荷3を流れる電流に応じた電流検出信号Iが、検出電流入力端子SIに入力される。電流検出部114及びDUTY比検出部115は、図3の下段に示すサンプルタイミングで検出電流入力端子SIの電流検出信号Iをサンプリングする。
電流検出部114は、電流検出信号Iの立ち上がりから立ち下がりまでのレベルが0でない連続区間(オン区間)の各サンプリング値の平均値を、負荷3の通過電流(負荷を流れた電流値)として検出する。DUTY比検出部115は、電流検出信号Iの立ち上がりと立ち下がりのタイミングから、電流検出信号Iの負荷3の通過電流のオン区間及びオフ区間を特定し、特定したオン区間及びオフ区間から、負荷3の通過電流のオンオフ周期乃至デューティー比を検出する。
なお、DUTY比検出部115は、PWM_DUTY比制御部113が設定した駆動信号DRのデューティー比を、負荷3の通過電流のオンオフのデューティー比として検出してもよい。
図2に示す電力データ算出部116は、電源電圧検出部111からの電源電圧データ信号と、電流検出部114及びDUTY比検出部115からの電流データ信号及びDUTY比信号とから、単位時間当たりに負荷3に供給された実際の電力値(実供給電力値=実効値)を算出する。
具体的には、電力データ算出部116は、電流データ信号及びDUTY比信号が示す負荷3の通過電流(負荷を流れた電流値)及びそのデューティー比を乗じて電流時間積を求め、これに、電源電圧データ信号が示す電源電圧を乗じて、単位時間当たりの実供給電力値を算出する。そして、電力データ算出部116は、算出した実供給電力値を示す電力データ信号を出力する。
例えば、負荷3の通過電流が5.85A、そのデューティー比が79%、電源電圧が15Vである場合、実供給電力値(電力データ)は、15V×5.85A×79%=約69.3Wとなる。
DUTY比補正値算出部117は、駆動信号DRのデューティー比補正値(PWM制御のデューティー比の補正値)を算出し、算出した補正値を示す補正DUTY比信号を出力する。
駆動信号DRのデューティー比補正値は、電力データ算出部116からの電力データ信号が示す負荷3の単位時間当たりの実供給電力値を、上述した負荷3に対応する単位時間当たりの供給電力の目標電力値(設計値)と一致させるためのものである。
例えば、負荷3が定格電力60Wのバルブであるとすると、定格電圧12Vの印加時に負荷3を流れる電流は5Aである。そのため、基準電圧値Vref=13.5Vを負荷3に印加すると、負荷3を流れる電流は、路線抵抗等を無視すると一般的に、5A×√(13.5V/12V)=約5.3Aとなる。そのため、この負荷3の目標電力値(設計値)は、13.5V×5.3A=およそ71.6Wとなる。
そこで、負荷3の実供給電力値が上述した計算結果のように69.3Wだった場合、電源電圧が基準電圧値Vref(=13.5V)を上回る15Vであるので、69.3Wであった実供給電力値が目標電力値である71.6Wに上がるように、駆動信号DRのデューティー比補正値を算出する。
この場合のデューティー比補正値は、電源電圧により負荷3をDC駆動した場合の単位時間当たりの負荷3の実供給電力値(15V×5.85A=87.75W)で、単位時間当たりの目標電力値(設計値)を除することで(71.6W/87.75W)、算出することができる(デューティー比補正値=およそ82%)。
PWM_DUTY比制御部113は、出力端子OUTに駆動信号DRを出力している間にDUTY比補正値算出部117からの補正DUTY比信号が入力されると、出力端子OUTに出力する駆動信号DRのデューティー比を、補正DUTY比信号が示す駆動信号DRのデューティー比補正値に補正する。
以上の説明からも明らかなように、本実施形態では、請求項中の実供給電力検出手段が電力データ算出部116によって実現されている。また、本実施形態では、請求項中のデューティー比検出手段がDUTY比補正値算出部117によって実現されている。さらに、本実施形態では、請求項中のデューティー比補正手段がPWM_DUTY比制御部113によって実現されている。
次に、上述した構成の電源制御装置1において、各負荷3毎にそれぞれ行われる動作(作用)について、図4のフローチャートを参照して説明する。電源制御装置1においては、一定の周期毎に図4のフローチャートに示す動作が繰り返し行われる。
まず、スイッチ信号Sの信号レベルから、入力スイッチSWがオンであるか否かを確認する(ステップS1)。入力スイッチSWがオンでない場合は(ステップS1でNO)、負荷3に対する電力供給をPWM制御する機能を停止させ(ステップS3)、駆動信号DRの出力を停止して半導体リレー13をオフさせた後(ステップS5)、一連の動作を終了する。
一方、入力スイッチSWがオンである場合は(ステップS1でYES)、電源電圧検出部111により電源電圧(0〜20V)を検出する(ステップS7)。検出した電源電圧は、電源電圧データ信号によってPWM_DUTY比制御部113と電力データ算出部116に通知する。
続いて、電源電圧が基準電圧値Vref以下であるか否かを確認する(ステップS9)。ここでは、基準電圧値Vrefが13.5Vであるものとする。電源電圧が基準電圧値Vref(=13.5V)以下である場合は(ステップS9でYES)、負荷3に対する電力供給をPWM制御する機能を停止させ(ステップS11)、デューティー比100%の駆動信号DRを出力して半導体リレー13をDC駆動させた後(ステップS13)、一連の動作を終了する。
一方、電源電圧が基準電圧値Vref以下でない場合は(ステップS9でNO)、駆動信号DRのデューティー比の初期値をPWM_DUTY比制御部113が算出(DUTY比算出)する(ステップS15)。そして、電流検出部114が電流検出信号Iのオン区間を検出したか(電源値は検出できたか)否かを確認する(ステップS17)。
電流検出信号Iのオン区間を検出していない場合は(ステップS17でNO)、後述するステップS35に進む。また、検出した場合は(ステップS17でYES)、電流検出部114により負荷3の通過電流を検出し、電流データ信号を生成する(ステップS19)。
続いて、DUTY比検出部115が電流検出信号Iのデューティー比を検出したか(DUTY比は検出できたか)否かを確認する(ステップS21)。電流検出信号Iのデューティー比を検出していない場合は(ステップS21でNO)、ステップS35に進む。また、検出した場合は(ステップS21でYES)、電力データ算出部116により負荷3の単位時間当たりの実供給電力値を示す電力データを算出する(ステップS23)。
そして、算出した電力データ(負荷3の実供給電力値)の示す単位時間当たりの実供給電力値が、負荷3に対する単位時間当たりの供給電力の目標電力値(設計値)と等しいか否かを確認する(ステップS25)。等しい場合は(ステップS25でYES)、DUTY比補正値算出部117で算出した現在のデューティー比と同じデューティー比を、PWM_DUTY比制御部113により、補正後のデューティー比として設定した後(ステップS27)、ステップS35に進む。
実供給電力値(電力データ)が目標電力値(設計値)と等しくない場合は(ステップS25でNO)、実供給電力値(電力データ)が目標電力値(設計値)を上回っているか否かを確認する(ステップS29)。上回っている場合は(ステップS29でYES)、DUTY比補正値算出部117で算出した現在よりも値を減らしたデューティー比を、PWM_DUTY比制御部113により、補正後のデューティー比として設定した後(ステップS31)、ステップS35に進む。
また、実供給電力値(電力データ)が目標電力値(設計値)を上回っていない場合は(ステップS29でNO)、DUTY比補正値算出部117で算出した現在よりも値を増やしたデューティー比を、PWM_DUTY比制御部113により、補正後のデューティー比として設定した後(ステップS33)、ステップS35に進む。
なお、ステップS31及びステップS33で設定する補正後のデューティー比の値は、先に説明した手順で決定することができる。
ステップS35では、負荷3に対する電力供給をPWM制御させ、ステップS15、ステップS27、ステップS31、ステップS33のいずれかで設定したデューティー比の駆動信号DRを出力して半導体リレー13をPWM制御駆動させた後(ステップS37)、一連の動作を終了する。
上述した動作を行う本実施形態の電源制御装置1では、各負荷3を実際に流れた電流値とそのデューティー比から求まる負荷3の実供給電力値が、その負荷3についての目標電力値と一致するように、PWM_DUTY比制御部113により、PWM制御のデューティー比が設定される。
したがって、PWM制御により電力を供給する複数の負荷3(31〜3n)の中に、負荷3や負荷3に接続した不図示のワイヤハーネスの抵抗特性が経年変化や環境変化によって変動するものが存在しても、変動後の抵抗特性に応じてPWM制御のデューティー比を補正して、全ての負荷3(31〜3n)にそれぞれ目標電力値の電力が単位時間当たりに供給される状態を維持することができる。
このため、例えば、PWM制御を用いて車両の複数の負荷3(31〜3n)に対して電源Bからの電力を単位時間当たりに同じ目標電力値でそれぞれ供給する際に、一部の負荷3(31〜3n)の抵抗特性が動的に変化しても、各負荷3(31〜3n)への供給電力量を同じ電力量に維持することができる。
例えば、負荷3が車両の左右のヘッドライトである場合は、上述した制御を個別に行うことで、電源Bから各ヘッドライトへの各ハーネスに個別に生じる経年変化や環境変化等の動的な抵抗特性変化に違いがあっても、各ヘッドライトに供給される電力を同じくすることができる。これにより、左右のヘッドライトの輝度をばらつきなく精度よく一致させることができる。
また、本実施形態の電源制御装置1では、各負荷3(31〜3n)の実供給電力値と目標電力値との比較により各負荷3(31〜3n)のPWM制御におけるデューティー比の補正内容を個別に決定することができる。このため、他の負荷3(31〜3n)と実供給電力値を比較する等してデューティー比の補正内容を決定するのに比べて、各負荷3(31〜3n)のPWM制御におけるデューティー比の補正値を簡便かつ迅速に検出することができる。
なお、上述した実施形態では半導体リレー13(131〜13n)を用いたが、パワー半導体スイッチ等、半導体リレー13以外の半導体スイッチング素子を用いて負荷3(31〜3n)に対する電力供給をPWM制御する場合にも、本発明は適用可能である。
本発明は、車両の電源から負荷に供給される単位時間当たりの電力をPWM制御により制御する際に用いて極めて有用である。
1 電源制御装置(車両用電源制御装置)
3(31〜3n) 負荷
11 制御部
13(131〜13n) 半導体リレー
111 電源電圧検出部
112 入力判定制御部
113 DUTY比制御部(デューティー比補正手段)
114 電流検出部
115 DUTY比検出部
116 電力データ算出部(実供給電力検出手段)
117 DUTY比補正値算出部(デューティー比検出手段)
B 電源
BATT 電源電圧入力端子
DR(DR1〜DRn) 駆動信号
I(I1〜In) 電流検出信号
IN(IN1〜INn) 入力端子
OUT(OUT1〜OUTn) 出力端子
R1,R2 分圧抵抗
S(S1〜Sn) スイッチ信号
SI(SI1〜SIn) 検出電流入力端子
SW(SW1〜SWn) 入力スイッチ
VB 分圧電圧値
Vref 基準電圧値

Claims (1)

  1. 車両の電源から負荷に供給される単位時間当たりの電力をPWM制御により制御する車両用電源制御装置において、
    前記負荷を流れた電流値及びそのデューティー比と前記電源の電圧とから、前記負荷の前記単位時間あたりの実供給電力値を、前記車両の複数の負荷毎にそれぞれ検出する実供給電力検出手段と、
    複数の前記負荷毎に設定される目標電力値が格納されるメモリと、
    記PWM制御により前記電源から前記各負荷に単位時間当たりに供給する前記メモリの対応する目標電力値に、対応する前記負荷の前記実供給電力値をそれぞれ一致させるための前記PWM制御のデューティー比を、前記各負荷毎にそれぞれ検出するデューティー比検出手段と、
    前記各負荷毎に、前記PWM制御のデューティー比を前記デューティー比検出手段が検出したデューティー比にそれぞれ補正するデューティー比補正手段と、
    を備えることを特徴とする車両用電源制御装置。
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