JP6350368B2

JP6350368B2 - 車両用電源供給装置

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Publication number: JP6350368B2
Application number: JP2015080738A
Authority: JP
Inventors: 明角
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2035-04-10
Also published as: JP2016199160A

Description

本発明は、車両に搭載される車両用電源供給装置に関する。

車両に搭載される電子装置（例えばＥＣＵ等）には、当該電子装置を構成する内部回路に電力（電源）を供給するための車両用電源供給装置が搭載されている。車両用電源供給装置は、通常時にはバッテリから降圧回路を介して内部回路に電力を供給する。降圧回路は、入力された電圧を降圧して一定電圧を出力する回路である。そして、車両用電源供給装置は、バッテリの電圧が低下した場合に、バッテリの電圧を昇圧し、昇圧した電圧を、降圧回路を介して内部回路に供給する。このように、車両用電源供給装置は、バッテリの電圧に応じてバッテリからの供給と昇圧回路からの供給とを切り替えている。車両用電源供給装置としては、例えば特開２０１１−１２０３８８号公報に記載されている。

特開２０１１−１２０３８８号公報

上記の車両用電源供給装置では、昇圧回路から内部回路に電圧を供給する場合、降圧回路内の降圧用トランジスタで降圧して内部回路に供給する。この際、降圧前後の差分の電圧は、降圧用トランジスタで熱として消費されている。これにより、従来では、内部回路へ供給できる電力量を確保するためには、より多くの発熱に耐えられる、より大型のトランジスタを採用する必要があった。

また、車両用電源供給装置と内部回路で構成される電子装置の小型化のために、大型の降圧用トランジスタを採用できない場合、電流量を制限し、降圧用トランジスタでの発熱を抑えていた。これにより、内部回路に大きな電流を供給することができなくなり、実装する電子回路の数の削減や、消費電流の少ない電子部品を採用せざるを得なくなっていた。つまり、小型化を選択すると、電子装置の高機能化が困難となっていた。このように、従来の車両用電源供給装置には、電子装置の小型化と高機能化の面で改良の余地がある。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、電子装置の小型化や高機能化を可能とする車両用電源供給装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の車両用電源供給装置は、車両に搭載される車両用電源供給装置であって、供給された電圧を降圧して内部回路（２）に供給する降圧回路部（１１）と、主電源（９）と前記降圧回路部とを接続する第一配線部（１２）と、供給された電圧を昇圧して出力する昇圧回路部（１３）と、前記主電源と前記昇圧回路部とを接続する第二配線部（１４）と、前記昇圧回路部と前記降圧回路部とを接続する第三配線部（１５）と、前記第三配線部に設けられ、前記昇圧回路部から前記降圧回路部への電圧供給のオンとオフを切り替えるスイッチ部（１６）と、前記主電源の電圧に応じて前記スイッチ部を制御する制御部（１８）と、を備え、前記制御部は、前記主電源の電圧が所定値以下である場合、前記昇圧回路部から前記降圧回路部に入力される入力電圧が間欠作動するように前記スイッチ部を制御する。

この構成によれば、主電源の電圧が低下した際、スイッチ部により昇圧回路部から降圧回路部に入力される電圧が間欠作動するため、降圧回路部への電圧印加時間を減少させることができ、降圧回路部での発熱を抑制することができる。したがって、電子装置に対する耐熱（例えば放熱面積確保）のための大型化の必要性が低減し、電子装置の小型化が可能となる。また、発熱量が抑えられる分、降圧回路部から出力される電流量、すなわち内部回路に供給される電流量を増加させることができる。これにより、内部回路に多くの電子部品や消費電流の大きい電子部品を搭載させることができ、電子装置の高機能化が可能となる。なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第一実施形態の車両用電源供給装置の構成を示す構成図である。第一実施形態の車両用電源供給装置の詳細構成を示す構成図である。第一実施形態の車両用電源供給装置の間欠作動を説明するためのタイムチャートである。第一実施形態の変形態様の間欠作動を説明するためのタイムチャートである。第二実施形態の車両用電源供給装置の詳細構成を示す構成図である。第二実施形態の車両用電源供給装置の間欠作動を説明するためのタイムチャートである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。また、説明に用いる各図は概念図であり、各部の形状は必ずしも厳密なものではない場合がある。

＜第一実施形態＞
第一実施形態のＥＣＵ８は、車両に搭載される電子装置であって、図１及び図２に示すように、車両用電源供給装置１と、内部回路２と、を備えている。内部回路２は、ＥＣＵ８を構成する電子回路であって、複数の電子部品を備えている。第一実施形態のＥＣＵ８は、エアバッグ（図示せず）の展開を制御するエアバッグＥＣＵである。

車両用電源供給装置１は、車両に搭載され、バッテリ（「主電源」に相当する）９と内部回路２とを接続し、バッテリ９の電圧を内部回路２が作動する電圧に変換して、内部回路２に供給する装置である。具体的に、車両用電源供給装置１は、降圧回路部１１と、第一配線部１２と、昇圧回路部１３と、第二配線部１４と、第三配線部１５と、スイッチ部１６と、電圧検出部１７と、制御部１８と、を備えている。第一実施形態の車両用電源供給装置１及び内部回路２は、ＥＣＵ８のハウジング（図示せず）内に配置されている。

降圧回路部１１は、供給された電圧を降圧して内部回路２に供給する電子回路である。降圧回路部１１は、制御部１８により制御される降圧用トランジスタ１１ａと、入力側コンデンサ１１ｂと、出力側コンデンサ１１ｃと、を備えている。降圧用トランジスタ１１ａは、エミッタ端子がバッテリ９及びスイッチ部１６に接続され、コレクタ端子が入力側コンデンサ１１ｂを介して内部回路２に接続され、ベース端子が制御部１８に接続されたトランジスタである。

降圧用トランジスタ１１ａのエミッタ−コレクタ間には、差分電圧（Ｖ_ＣＣＩＮ−Ｖ_ＣＣ）がかかっている。Ｖ_ＣＣＩＮは降圧回路部１１に入力される入力電圧であり、Ｖ_ＣＣは降圧回路部１１から出力される出力電圧である。そして、熱の式（Ｖ_ＣＣＩＮ−Ｖ_ＣＣ）×Ｉ×ｔで表されるように、この差分電圧が熱として消費される。つまり、降圧用トランジスタ１１ａでは、差分電圧、電流Ｉ、及び時間ｔに応じた熱が発生する。入力電圧Ｖ_ＣＣＩＮが高いほど、発熱が大きくなる。従来では、この発熱対策として、例えば、電流Ｉを小さくすることや、放熱のためにトランジスタのチップサイズを大きくすることが行われている。なお、降圧制御については公知であるため詳細説明を省略する。

入力側コンデンサ１１ｂは、降圧用トランジスタ１１ａの入力側の電圧を安定化し、出力側の電圧の変動を抑制するためのコンデンサである。入力側コンデンサ１１ｂの一方端子は降圧用トランジスタ１１ａのエミッタ端子に接続され、他方端子はグランド（車両接地）に接続されている。出力側コンデンサ１１ｃは、降圧回路部１１の出力電圧を安定化し一定にするためのコンデンサである。出力側コンデンサ１１ｃの一方端子は降圧用トランジスタ１１ａのコレクタ端子に接続され、他方端子はグランド（車両接地）に接続されている。

第一配線部１２は、バッテリ９と降圧回路部１１の入力側（入力端子）を接続する配線である。第一配線部１２には、ダイオード１２ａと、イグニションスイッチ９ａと、が設置されている。ダイオード１２ａのアノード端子はイグニションスイッチ９ａを介してバッテリ９に接続され、そのカソード端子は降圧回路部１１に接続されている。イグニションスイッチ９ａは、車両のイグニション（図示せず）のオン／オフに応じて、第一配線部１２及び第二配線部１４を導通状態又は遮断状態に切り替える切替機構である。

昇圧回路部１３は、公知の構成であって、第二配線部１４によりバッテリ９に接続されている。昇圧回路部１３は、バッテリ９から供給された電圧を昇圧して出力する電子回路（一般的な昇圧回路）である。昇圧回路部１３は、例えばコイルやコンデンサなどで構成されている。昇圧回路については公知であるため詳細説明を省略する。

第二配線部１４は、バッテリ９と昇圧回路部１３の入力側（入力端子）とを接続する配線である。第一実施形態の第二配線部１４は、第一配線部１２におけるダイオード１２ａとイグニションスイッチ９ａとの間から分岐して昇圧回路部１３に接続される配線１４ａと、イグニションスイッチ９ａを介して第一配線部１２の当該分岐点とバッテリ９とを接続する配線１４ｂ（第一配線部１２の一部）で構成されている。つまり、バッテリ９とイグニションスイッチ９ａとを含む配線部分（１４ｂ）は、第一配線部１２と第二配線部１４とで兼用されている。第二配線部１４の配線１４ａには、ダイオード１４ｃが設置されている。ダイオード１４ｃのアノード端子はイグニションスイッチ９ａを介してバッテリ９に接続され、そのカソード端子は昇圧回路部１３に接続されている。

第三配線部１５は、昇圧回路部１３の出力側（出力端子）と降圧回路部１１の入力側（入力端子）とを接続する配線である。第三配線部１５には、スイッチ部１６が設置されている。第三配線部１５には、衝撃検知センサ（例えば加速度センサ）等の別の装置７に電源を供給するための配線部７ａが接続されている。

スイッチ部１６は、第三配線部１５に設けられ、昇圧回路部１３から降圧回路部１１への電圧供給のオンとオフを切り替えるスイッチング素子である。換言すると、スイッチ部１６は、降圧回路部１１への昇圧電圧の供給を、供給状態と非供給状態とで切り替える。具体的に、スイッチ部１６は、ソース端子が昇圧回路部１３の出力側（出力端子）に接続され、ドレイン端子が降圧回路部１１の入力側（入力端子）に接続され、ゲート端子が制御配線１６ａを介して制御部１８に接続されたトランジスタである。スイッチ部１６は、ゲート端子に入力される信号（電圧）に応じて、オン（高電圧伝達）とオフ（低電圧伝達）が切り替わる。

電圧検出部１７は、電圧を検出する装置であって、配線１４ｂ（第一配線部１２及び第二配線部１４の一部）に対して設けられている。電圧検出部１７は、モニタ配線１７ａによって制御部１８に接続されており、検出結果を制御部１８に送信する。

制御部１８は、ＣＰＵ等を備える電子回路（集積回路：ＡＳＩＣ）である。第一実施形態の制御部１８は、内部回路２の一部を構成している。制御部１８は、バッテリ９の電圧、すなわち電圧検出部１７の検出結果に応じて、スイッチ部１６を制御する。具体的に、制御部１８は、バッテリ９の電圧が所定値以下である場合、昇圧回路部１３から降圧回路部１１に入力される入力電圧が間欠作動するように、スイッチ部１６のオン（昇圧電圧の供給許可）／オフ（昇圧電圧の供給禁止）を制御する。スイッチ部１６がオンされると、昇圧回路部１３で昇圧された電圧が降圧回路部１１に供給される。

制御部１８は、図３に示すように、バッテリ９の電圧Ｖ_ＢＡＴＴが所定値以下となった場合、制御配線１６ａを介してスイッチ部１６に所定時間間隔で交互にオン信号とオフ信号（図３の制御電圧Ｖ_ＳＷ参照）を送信する。換言すると、制御部１８は、バッテリ９の電圧が所定値以下である状態で、スイッチ部１６にオン信号を周期的に送信する。これにより、第三配線部１５を介して降圧回路部１１に印加される入力電圧Ｖ_ＣＣＩＮは、間欠作動をする。なお、Ｖ_ＤＣは昇圧回路部１３で昇圧された電圧であり、Ｖ_ＳＷは制御配線１６ａに印加される制御電圧である。また、バッテリ９の電圧Ｖ_ＢＡＴＴが停止閾値以下となると昇圧回路部１３による昇圧は停止される。また、制御部１８は、エアバッグの展開制御に関する処理を担当する。

降圧回路部１１の入力側コンデンサ（「変動抑制部」に相当する）１１ｂは、ＲＣ回路の過渡現象を利用して、入力電圧の間欠作動における立上り及び立下りを緩やかにする。スイッチ部１６と降圧用トランジスタ１１ａの間にコンデンサ（入力側コンデンサ１１ｂ）を配置することにより、入力電圧の間欠作動は緩やかになる。第一実施形態では、間欠作動における立上り及び立下りが緩やかになるように、回路の時定数が調整されている。

このように、本回路構成によれば、入力電圧の立上り及び立下りが鈍り、降圧用トランジスタ１１ａへの入力電圧の急峻な変化が抑制される。降圧用トランジスタ１１ａは、間欠作動する入力電圧を降圧し、出力側コンデンサ１１ｃは、降圧された電圧を安定させる。これにより、内部回路２に、降圧された一定電圧（作動可能電圧）が供給される。入力電圧のデューティ比は、例えば車両用電源供給装置１における昇圧電圧、回路抵抗、コンデンサの容量、及び内部回路２の作動可能電圧の範囲等に基づいて、降圧用トランジスタ１１ａの単位時間当たりの発熱量が所定値以内となるように設定されている。

第一実施形態によれば、バッテリ９の電圧が低下した際、昇圧回路部１３から降圧用トランジスタ１１ａに入力される電圧が間欠作動しているため、降圧用トランジスタ１１ａへの電圧印加時間を減少させることができ、降圧用トランジスタ１１ａでの発熱を抑制することができる。換言すると、所定時間内に入力される入力電圧の平均値が減少するため、当該平均値とバッテリ９の電圧との差が小さくなり、降圧用トランジスタ１１ａで消費される電力が低減し、発熱を抑制することができる。したがって、耐熱性能（放熱対策）のための大型化の必要性が低減し、車両用電源供給装置１（及びそれを含む電子装置）の小型化が可能となる。また、降圧用トランジスタ１１ａへの電圧印加時間が減少する分、所定発熱量内において、降圧回路部１１から出力される電流量、すなわち内部回路２に供給される電流量を増加させることができる。これにより、内部回路２に多くの電子部品や消費電流の大きい電子部品を搭載させることができ、電子装置（ＥＣＵ８）の高機能化が可能となる。第一実施形態によれば、電子装置の小型化及び／又は高機能化が可能となる。

また、第一実施形態によれば、入力側コンデンサ１１ｂにより間欠作動の立上り及び立下りが緩やかになっているため、降圧回路部１１の出力電圧が安定し、内部回路２に精度良く一定電圧を供給することができる。入力側コンデンサ１１ｂは、ノイズの入力を抑制する。なお、図４に示すように、間欠作動の立上り及び立下りが緩やかでない場合でも、降圧用トランジスタ１１ａへの高電圧印加時間を減少させることができ、降圧用トランジスタ１１ａでの発熱を抑制することができる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態の車両用電源供給装置１Ａは、間欠作動の制御の点で第一実施形態と異なっている。したがって、異なっている部分について説明する。第一実施形態と同じ符号は、第一実施形態と同様の構成を示すものであって、先行する説明が参照される。

図５に示すように、車両用電源供給装置１Ａは、第一実施形態の車両用電源供給装置１の構成に加えて、電圧検出部１９を備えている。電圧検出部１９は、電圧を検出する装置であって、第三配線部１５（スイッチ部１６と降圧回路部１１の間）に対して設けられている。電圧検出部１９は、モニタ配線１９ａを介して入力電圧Ｖ_ＣＣＩＮの検出結果を制御部１８に送信する。

制御部１８は、第一実施形態とは異なる制御を行う。制御部１８は、図６に示すように、バッテリ９の電圧（Ｖ_ＢＡＴＴ）が所定値以下である場合において、電圧検出部１９が検出した入力電圧（Ｖ_ＣＣＩＮ）が下限閾値以下である場合にスイッチ部１６をオンに制御し、電圧検出部１９が検出した入力電圧（Ｖ_ＣＣＩＮ）が上限閾値以上である場合にスイッチ部１６をオフに制御する。換言すると、制御部１８は、間欠作動の制御において、入力電圧が下限閾値以下である場合にスイッチ部１６にオン（昇圧電圧の供給許可）信号を送信し、入力電圧が上限閾値以上である場合にスイッチ部１６にオフ（昇圧電圧の供給禁止）信号を送信する。これにより、入力電圧は間欠作動する。下限閾値及び上限閾値は、間欠作動に関して予め設定された閾値である。また、下限閾値及び上限閾値は、出力電圧Ｖ_ＣＣが内部回路２の作動電圧範囲内になるように設定されている。上限閾値は、昇圧回路部１３での昇圧後の電圧（昇圧電圧値）未満に設定されている。下限閾値は、所定値より大きく上限閾値未満に設定されている。

第二実施形態によれば、第一実施形態同様の効果が発揮される。さらに、第二実施形態によれば、間欠作動の制御において、入力電圧が下限閾値以下である場合にスイッチ部１６がオンされるため、降圧回路部１１の出力電圧が内部回路２の作動可能電圧未満になることを精度良く抑制することができる。また、第二実施形態によれば、間欠作動において、入力電圧が上限閾値以上である場合にスイッチ部１６がオフされるため、入力電圧の増加による発熱量の増加を精度良く抑制することができる。また、第二実施形態のように、下限閾値及び上限閾値の両方を設定することにより、簡素な制御設計により上記効果を発揮させることができる。なお、下限閾値及び上限閾値の何れか一方を設定し、他方（オンからオフ、又はオフからオン）に関しては例えば時間（オン継続時間又はオフ継続時間）等で設定しても良い。

＜第三実施形態＞
第三実施形態の車両用電源供給装置は、第一実施形態の車両用電源供給装置１（図２参照）又は第二実施形態の車両用電源供給装置１Ａ（図５参照）の構成において、入力側コンデンサ１１ｂの容量（Ｃ）、下限閾値、及び上限閾値の少なくとも１つが、降圧回路部１１の出力電圧Ｖ_ＣＣにリップル電圧が伝播しないように設定されている（図６参照）。

例えば、スイッチ部１６から間欠作動なしで電圧が出力される場合において、降圧回路部１１は、入力側からのノイズを出力側に伝達しないようにリップル除去の特性を有している。この特性をＸｄＢとすると、入力リップル電圧の第一式として、Ｖ_ｉｎ（ｍａｘ）≦Ｖ_ｏｕｔ÷１０＾（ＸｄＢ／２０）が成立する。Ｖ_ｉｎは入力リップル電圧（Ｖ_ＣＣＩＮと同位置で検出される電圧）であり、Ｖ_ｏｕｔは出力許容リップル電圧（Ｖ_ＣＣと同位置で検出される電圧）である。この第一式に基づき、入力電圧Ｖ_ＣＣＩＮがＶ_ｉｎ（ｍａｘ）以下になるように上限閾値を設定することで、降圧用トランジスタ１１ａへ供給される電圧を低減させることができる上、内部回路２へのリップル電圧の伝播も抑制される。

また、入力リップル電圧の第二式として、Ｖ_ｉｎ（ｍｉｎ）＝Ｖ_ｏｕｔ＋０．６［Ｖ］が成立する。下限閾値は、第二式に基づいて、Ｖ_ｉｎ（ｍｉｎ）に設定される。下限閾値及び上限閾値は、第一式及び第二式に基づく電圧範囲（最小入力リップル電圧から最大入力リップル電圧）内で間欠作動が為されるように設定されている。また、時定数の一般式（Ｔ＝ＲＣ）より、間欠作動における立上り立下り時間は、ｔ［ｕｓ］＝Ｃ［Ｆ］×ｄＶ_ｉｎ［Ｖ］÷Ｉ_ｏｕｔ［Ａ］で表すことができる。ｄＶ_ｉｎはＶ_ｉｎの制御電圧幅であり、Ｉ_ｏｕｔは出力電流である。これらの式に基づき、リップル電圧が伝播しないように、入力側コンデンサ１１ｂの容量や時定数等を設定することができる。

＜その他＞
本発明は、上記実施形態に限られない。降圧用トランジスタ１１ａ及びスイッチ部１６を構成するトランジスタは、例えばバイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等、スイッチング制御可能な素子であれば良い。また、変動抑制部（１１ｂ）は、ＲＣ回路を利用したものに限らず、例えば他の回路構成における過渡現象を利用したものでも良い。ただし、コンデンサを利用することで、簡素な構成で変動抑制部を構成することができ、降圧回路部１１のコンデンサで兼用することで小型化に適した構成となる。また、車両用電源供給装置１、１Ａは、他のＥＣＵや装置に用いられても良い。車両用電源供給装置１、１Ａは、ＥＣＵ等の電子装置とは別体に形成されても良い。これによっても、車両用電源供給装置１、１Ａの小型化や電子装置の高機能化が可能となる。また、この場合、車両用電源供給装置１、１Ａは、電子装置に組み付け可能に形成されても良い。

１、１Ａ：車両用電源供給装置、１１：降圧回路部、
１１ａ：降圧用トランジスタ、１１ｂ：入力側コンデンサ（変動抑制部）、
１１ｃ：出力側コンデンサ、１２：第一配線部、１３：昇圧回路部、
１４：第二配線部、１５：第三配線部、１６：スイッチ部、
１７、１９：電圧検出部、１８：制御部、２：内部回路、
９：バッテリ（主電源）

Claims

車両に搭載される車両用電源供給装置であって、
供給された電圧を降圧して内部回路（２）に供給する降圧回路部（１１）と、
主電源（９）と前記降圧回路部とを接続する第一配線部（１２）と、
供給された電圧を昇圧して出力する昇圧回路部（１３）と、
前記主電源と前記昇圧回路部とを接続する第二配線部（１４）と、
前記昇圧回路部と前記降圧回路部とを接続する第三配線部（１５）と、
前記第三配線部に設けられ、前記昇圧回路部から前記降圧回路部への電圧供給のオンとオフを切り替えるスイッチ部（１６）と、
前記主電源の電圧に応じて前記スイッチ部を制御する制御部（１８）と、
を備え、
前記制御部は、前記主電源の電圧が所定値以下である場合、前記昇圧回路部から前記降圧回路部に入力される入力電圧が間欠作動するように前記スイッチ部を制御する車両用電源供給装置。
前記入力電圧の前記間欠作動における立上りと立下りを緩やかにする変動抑制部（１１ｂ）を備える請求項１に記載の車両用電源供給装置。
前記変動抑制部は、コンデンサを備える請求項２に記載の車両用電源供給装置。
前記入力電圧を検出する電圧検出部（１９）を備え、
前記制御部は、前記主電源の電圧が所定値以下である場合において、前記電圧検出部により検出された前記入力電圧が下限閾値以下である場合、前記スイッチ部をオンに制御する請求項１〜３の何れか一項に記載の車両用電源供給装置。
前記入力電圧を検出する電圧検出部を備え、
前記制御部は、前記主電源の電圧が所定値以下である場合において、前記電圧検出部により検出された前記入力電圧が上限閾値以上である場合、前記スイッチ部をオフに制御する請求項１〜３の何れか一項に記載の車両用電源供給装置。
前記入力電圧を検出する電圧検出部を備え、
前記制御部は、前記主電源の電圧が所定値以下である場合において、前記電圧検出部により検出された前記入力電圧が下限閾値以下である場合に前記スイッチ部をオンに制御し、前記電圧検出部により検出された前記入力電圧が上限閾値以上である場合に前記スイッチ部をオフに制御する請求項１〜３の何れか一項に記載の車両用電源供給装置。
前記入力電圧の前記間欠作動における立上りと立下りを緩やかにするコンデンサ（１１ｂ）を備え、
前記コンデンサの容量、前記下限閾値、及び前記上限閾値の少なくとも１つは、前記降圧回路部の出力電圧にリップル電圧が伝播しないように設定されている請求項６に記載の車両用電源供給装置。
前記降圧回路部は、トランジスタ（１１ａ）を備える請求項１〜７の何れか一項に記載の車両用電源供給装置。