JP6569123B2 - 車載用電源装置 - Google Patents

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Description

この発明は、車載用電源装置に関する。
近年、車両負荷の電動化が進んでいる。電動化される負荷には、走行、操舵、停止に関する機能を果たすものもある。よってバッテリ機能の消失(その機能不全を含む:以下同様)は回避されるべきである。そこで電源のバックアップとして副バッテリ(以下「副電池」と称す)を搭載する技術が提案されている(下記特許文献1参照)。
特許文献1ではバックアップの対象となる負荷(以下「バックアップ負荷」と称す)に対して主バッテリ(以下「主電池」と称す)と副電池から給電されている。
特開2015−83404号公報
特許文献1では主電池が劣化しておらず、副電池の充電率が適正範囲内であればバックアップ負荷に対して主電池と副電池がスイッチを介して並列に接続される。これは主電池と副電池との間での電流の回り込みが発生する懸念がある。
そこで、本発明は、外部に対して給電する主電池と副電池との間で、電流の回り込みが発生しにくい車載用電源装置を提供することを目的とする。
車載用電源装置は、車載用の主電池と、車載用の副電池と、スイッチと、リレーとを備える。前記副電池は前記スイッチを介して前記主電池に接続される。前記リレーは少なくとも一つの第1接点及びこれと対を成して前記副電池に接続される第2接点とを有する。いずれの前記対についても前記第1接点と前記第2接点とはノーマリークローズであり、少なくとも前記対が非導通の状態において全ての前記第1接点が前記スイッチの前記副電池と反対側の第1端と接続される。前記対が導通の状態においても全ての前記第1接点が前記第1端と接続される。
外部に対して給電する主電池と副電池との間で、電流の回り込みが発生しにくい車載用電源装置を提供する。
第1の実施の形態に係る車載用電源装置を示す図である。 第2の実施の形態に係る車載用電源装置を示す図である。 第2の実施の形態の変形に係る車載用電源装置を示す図である。 第1の比較例を示す回路図である。 第2の比較例を示す回路図である。
{比較例}
後述する実施の形態の利点を明確にするため、まず比較対象となる技術として比較例を説明する。
図4は第1の比較例を示す回路図である。車載用電源装置100Cは主電池1、副電池2、電源ボックス30Cを備える。
主電池1は車載用であって、車載用電源装置100Cの外部から充電される。具体的には主電池1は車載されるオルタネータ9に接続され、オルタネータ9の発電機能によって充電される。
主電池1には車載用電源装置100Cの外部から、一般負荷5とともにスターター8が接続される。一般負荷5は副電池2のバックアップの対象とならない負荷であり、例えば車載エアコンディショナーである。スターター8は不図示のエンジンを始動させるモータである。一般負荷5およびスターター8は公知の負荷であり、比較例及び実施の形態において特有の特徴を有する物ではないので、詳細な説明は省略する。
バックアップ負荷60は主電池1からの給電が消失しても電力供給が維持されることが望まれる負荷であり、たとえばシフトバイワイヤー用アクチュエータや、電子制御制動力配分システムを例として挙げることができる。
副電池2は車載用であって、オルタネータ9及び主電池1の少なくとも何れか一方によって充電される。主電池1には例えば鉛蓄電池が採用され、副電池2には例えばリチウムイオン電池が採用される。主電池1、副電池2はいずれもキャパシタを含む概念であり、例えば副電池2に電気二重層キャパシタを採用することもできる。
副電池2への充電電流が過電流とならないよう、車載用電源装置100Cには、副電池2と共に電源ボックス30C(より詳細には後述のスイッチ31)を挟んでこれらと共に直列に接続されるヒューズを更に備える。図4の例示では当該ヒューズはヒューズボックス4に収納されている。
車載用電源装置100Cは、主給電経路L1と副給電経路L2とを介して、バックアップ負荷60に給電する。主給電経路L1は固定電位点(ここでは接地)との間で、主電池1と、一般負荷5と、バックアップ負荷60とを並列に接続する。つまり一般負荷5とバックアップ負荷60とは、いずれも主給電経路L1を介して受電する。
副給電経路L2は電源ボックス30Cに接続されており、副電池2からバックアップ負荷60へ給電する経路となっている。従って、バックアップ負荷60は主給電経路L1を介して主電池1からのみならず、副給電経路L2を介して副電池2からも受電可能である。
バックアップ負荷60への給電における過電流を防ぐために、主給電経路L1及び副給電経路L2にはそれぞれヒューズが設けられている。図4では主給電経路L1上のヒューズはヒューズボックス70に、副給電経路L2上のヒューズ32は電源ボックス30Cに、それぞれ設けられている場合が例示される。
電源ボックス30Cはスイッチ31と、上述のヒューズ32とを収納する。スイッチ31には例えばリレーを採用できる。副給電経路L2は、副電池2とスイッチ31との接続点から引き出されている。
副電池2を充電する際にはスイッチ31はクローズ状態にあり、充電しない際には動作に応じてクローズ状態/オープン状態が選択される。比較例及び実施の形態では、副電池2を充電しないときのスイッチ31におけるこのようなクローズ状態/オープン状態の選択は本質的ではない。よってかかる選択についての詳細な説明は省略し、ここでは不図示の制御装置、例えば車載ECU(エンジンコントロールユニット)で行われることを指摘するに留める。
ところで、特許文献1では明確ではないが、このように二つの給電経路でバックアップ負荷60に給電する場合、主電池1と副電池2との間での電流の回り込み(以下「電池間環流」と仮称する)を避けることが望ましい。電池間環流は主電池1及び副電池2の一方もしくは双方の劣化を招くからである。
電池間環流の発生は、バックアップ負荷60に付随して設けられるダイオード群60dで回避できる。ここでは主電池1及び副電池2のいずれもが接地よりも高い電位でバックアップ負荷60に給電する場合を想定する。ダイオード群60dを構成する一対のダイオードのいずれのカソードもバックアップ負荷60に向けて配置され、アノードはそれぞれ主給電経路L1と副給電経路L2とに向けて配置される。
図5は第2の比較例を示す回路図である。車載用電源装置100Dは主電池1、副電池2、電源ボックス30Dを備える。第2の比較例では、第1の比較例と異なり、複数のバックアップ負荷61,62,63,…が設けられる。
第2の比較例においても、第1の比較例と同様に、主給電経路L1が接地との間で、主電池1と、一般負荷5と、バックアップ負荷61,62,63,…とを並列に接続する。一般負荷5は、第1の比較例、第2の比較例と同様に、主給電経路L1を介して受電する。
主給電経路L1は給電枝L11,L12,L13,…に分岐し、それぞれバックアップ負荷61,62,63,…への給電経路となっている。バックアップ負荷61,62,63,…における過電流を防ぐために、給電枝L11,L12,L13,…にはそれぞれに対応したヒューズ71,72,73,…が設けられる。図5ではヒューズ71,72,73,…はヒューズボックス70に収納される場合が例示されている。
第2の比較例における車載用電源装置100Dは、第1の比較例における車載用電源装置100Cの電源ボックス30Cを、電源ボックス30Dに置換した構成を有している。電源ボックス30Dは第1の比較例で説明されたスイッチ31を有する。スイッチ31は、副電池2とヒューズボックス4内のヒューズとに挟まれて、これらと直列に接続される。
第2の比較例では、第1の比較例で示された副給電経路L2の代わりに複数の副給電経路L21,L22,L23,…が設けられ、これらは電源ボックス30Dから、より詳細には副電池2とスイッチ31との接続点から引き出される。副電池2は副給電経路L21,L22,L23,…を介して、それぞれバックアップ負荷61,62,63,…へ給電する。バックアップ負荷61,62,63,…における過電流を防ぐために、副給電経路L21,L22,L23,…にはそれぞれに対応したヒューズ321,322,323,…が設けられる。図5ではヒューズ321,322,323,…は電源ボックス30Dに収納される場合が例示されている。
バックアップ負荷61は給電枝L11を介して主電池1からのみならず、副給電経路L21を介して副電池2からも受電可能である。よってバックアップ負荷61における電池間環流の発生を回避するため、ダイオード群61dが設けられる。ダイオード群61dも第1の比較例で示されたダイオード群60dと同様に、一対のダイオードで構成される。これら一対のダイオードのいずれのカソードもバックアップ負荷61に向けて配置され、アノードはそれぞれ給電枝L11と副給電経路L21とに向けて配置される。
他のバックアップ負荷62,63,…においても同様に、ダイオード群62d,63d,…が設けられる。しかしこのようにバックアップ負荷61,62,63,…の各々に対して、ダイオード群61d,62d,63d,…を設けることは、部品点数によるコストアップのみならず設計工程の増大によるコストアップも招来してしまう。これは第1比較例よりも第2比較例のようにバックアップ負荷の個数が多い方が顕著な問題となる。
設計工程の増大によるコストアップについてより具体的に説明する。副電池2を採用しない設計思想で車載用電源装置及び負荷を設計した来歴があり、当該負荷の設計では当然にダイオード群を想定していなかった。よって副電池2を用いる設計思想で車載用電源装置100C,100Dを設計する場合、それら自体の他、バックアップ負荷60,61,62,63,…の設計もダイオード群を想定して新たに行わなければならない。
しかし上記の目的で示したように、外部に対して給電する主電池1と副電池2との間で、電流の回り込みが発生しにくい車載用電源装置を得れば、給電の対象となる負荷それ自体の設計を変更する必要も無く、またダイオード群が各々に設けられることによるコストアップも回避できる。
以下、複数の実施の形態に係る車載用電源装置について説明する。いずれの実施の形態においても特に説明が無い限り、上記比較例と同じ符号が付された構成要素は、上記比較例の当該構成要素と同じもしくは同等の機能を果たす。
{第1の実施の形態}
図1は、バックアップ負荷61,62,63,…及びその他の一般負荷5と、これらに対して給電する車載用電源装置100Aとの接続関係を示す回路図である。
<構成>
車載用電源装置100Aは主電池1、副電池2、電源ボックス30Aを備える。車載用電源装置100C,100Dと同様に、車載用電源装置100Aは、副電池2と共に電源ボックス3を挟んでこれらと共に直列接続されるヒューズを更に備えることが望ましい。ここでは当該ヒューズは、第1比較例及び第2比較例と同様、ヒューズボックス4に収納される場合が例示される。
主電池1は車載用電源装置100Aの外部から、オルタネータ9の発電機能によって充電される。主電池1には車載用電源装置100Aの外部から、一般負荷5とともにスターター8が接続される。一般負荷5は、第1の比較例、第2の比較例と同様に、主給電経路L1を介して受電する。
本実施の形態における車載用電源装置100Aは、第2の比較例における車載用電源装置100Dの電源ボックス30Dを、電源ボックス30Aに置換した構成を有している。電源ボックス30Aは第1の比較例、第2の比較例で説明されたスイッチ31を有する。スイッチ31は、副電池2とヒューズボックス4内のヒューズとに挟まれて、これらと直列に接続される。副電池2はスイッチ31を介して主電池1に接続される。
本実施の形態でも第2の比較例と同様に、副電池2は副給電経路L21,L22,L23,…を介して、それぞれバックアップ負荷61,62,63,…へ給電する。また、第2の比較例と同様に、副給電経路L21,L22,L23,…にはそれぞれに対応したヒューズ321,322,323,…が設けられる。図1ではヒューズ321,322,323,…は電源ボックス30Aに収納される場合が例示されている。
電源ボックス30Aはスイッチ31、ヒューズ321,322,323,…の他、バックアップ負荷61,62,63,…毎に設けられる接点対を備える。具体的には接点対としてリレー361,362,363,…が備えられている。リレー361は第1接点361c及び第2接点361bを有しており、ノーマリークローズ形のリレーである。同様にして、リレー362は第1接点362c及び第2接点362bを、リレー363は第1接点363c及び第2接点363bを、それぞれ有しており、リレー362,363,…もノーマリークローズ形のリレーである。第2接点361b,362b,363bは、共通して副電池2に接続される。ここではスイッチ31の副電池2側の端31bに第2接点361b,362b,363bが接続される。
全ての第1接点361c,362c,363c,…は、少なくとも接点対(ここではリレー361,362,363,…)がオープンとなっている状態において、スイッチ31の副電池2と反対側(ここではヒューズボックス4側)の端31aと接続される。本実施の形態では第1接点361c,362c,363cは、常時、端31aと接続される。第1接点361c,362c,363cは、それぞれヒューズ321,322,323,…を介して副給電経路L21,L22,L23,…にも接続される。
<動作>
副電池2の充電率が低い場合、スイッチ31が導通して主電池1及びオルタネータ9の少なくとも何れか一方によって副電池2が充電される。この際、主電池1と副電池2との間に電流が流れるとしても、それは主電池1から副電池2へと向かって流れる充電電流であり、両者に悪影響を与えることはない。副電池2の充電率が適正範囲となった場合、スイッチ31が非導通となって副電池2への充電は停止される。
リレー361,362,363,…は不図示の制御装置、例えば車載ECU(エンジンコントロールユニット)によって、通常は非導通状態(オープン)にセットされている。よってスイッチ31が非導通となれば、通常は第1接点361c,362c,363cからバックアップ負荷61,62,63,…へと副給電経路L21,L22,L23,…を経由して主電池1から給電される。
他方、第1接点361c,362c,363cは、副電池2と接続されず、副電池2はリレー361,362,363,…及びスイッチ31によって主電池1と遮断される。これにより、外部(ここではバックアップ負荷61,62,63,…)への給電を確保しつつ、電間環流が回避される。
なお、本実施の形態ではスイッチ31とリレー361,362,363,…とは並列接続された関係にあるので、スイッチ31が導通している場合に、リレー361,362,363,…がオープン/クローズのいずれの状態にあるかは不問である。よって、スイッチ31が導通している場合において、ここでは考慮されない事情により、上記制御装置がリレー361,362,363,…をクローズ状態にしておいてもよい。この場合、スイッチ31が非導通となると同時に、あるいはそこから所定時間経過後に、リレー361,362,363,…をオープン状態にする。この所定時間は主電池1と副電池2との電位差が小さいなど、電池間環流が実際上で問題とならない時間に設定できる。
オルタネータ9及び主電池1の両方がその給電機能を失った場合(失陥も含む)には、制御装置がリレー361,362,363,…を導通状態(クローズ)にセットする。あるいはオルタネータ9及び主電池1の両方がその給電機能を失ったことによって制御装置はリレー361,362,363,…をセットできない場合もある。しかしリレー361,362,363,…はノーマリークローズであるので、そのような場合においてもリレー361,362,363,…は導通状態を実現する。
このようにして第1接点361c,362c,363c,…はそれぞれ第2接点361b,362b,363b,…と接続することにより、副電池2からバックアップ負荷61,62,63,…へと副給電経路L21,L22,L23,…を経由して給電される。
そしてバックアップ負荷61,62,63,…において第1比較例や第2比較例のようなダイオード群60d,61d,62d,63d,…をバックアップ負荷60,61,62,63,…に設ける必要が無く、それぞれについての新たな設計工程は不要である。
本実施の形態では更に、第2比較例のような給電枝L11,L12,L13,…は設けられないので配線が簡易となり、またヒューズ71,72,73,…も不要となる。具体的にはヒューズの個数が、第2比較例と比べ、バックアップ負荷の個数分で低減される。
リレー361,362,363は個別のリレーとして設けられてもよいし、接点対が複数のリレーで実現されてもよい。
{第2の実施の形態}
図2は、バックアップ負荷61,62,63,…及びその他の一般負荷5と、これらに対して給電する車載用電源装置100Bとの接続関係を示す回路図である。
<構成>
車載用電源装置100Bは、第1の実施の形態で説明された車載用電源装置100Aのうち、電源ボックス30Aを、電源ボックス30Bに置換した構成を有している。電源ボックス30Bは、スイッチ31、リレー35、ヒューズ32を有している。
リレー35は、第1接点35cと、第2接点35bと、第3接点35aとを有する。第1接点35cには、第2接点35bと第3接点35aとが相補的に接続される。第3接点35aはスイッチ31の一端、ここでは副電池2よりも主電池1に近い側の端31aに接続される。第2接点35bはスイッチ31の他端、ここでは主電池1よりも副電池2に近い側の端31bに接続される。
よって第1の実施の形態と同様の表現を用いて、次のように言える:少なくとも、第1接点35cと第2接点35bとの間が非導通となっている状態において、全ての(ここでは1個の)第1接点35cがスイッチ31の副電池2と反対側(ここではヒューズボックス4側)の端31aと接続される。
車載用電源装置100Bからは、副給電経路L20が引き出される。具体的には副給電経路L20は第1接点35cに接続される。副給電経路L20にはヒューズ32が設けられる。
副給電経路L20は、ヒューズ32に対してリレー35と反対側で、給電枝L201,L202,L203,…に分岐し、それぞれバックアップ負荷61,62,63,…への給電経路となっている。バックアップ負荷61,62,63,…における過電流を防ぐために、給電枝L201,L202,L203,…にはそれぞれに対応したヒューズ71,72,73,…が設けられる。図2ではヒューズ71,72,73,…はヒューズボックス70に収納される場合が例示されている。
本実施の形態では第1の実施の形態におけるリレー361,362,363,…がリレー35に置換され、ヒューズ321,322,323,…がヒューズ32によって兼用されている。
<動作>
副電池2の充電時には、第1の実施の形態と同様にスイッチ31が導通し、主電池1及びオルタネータ9の少なくとも何れか一方によって副電池2が充電される。この際、主電池1と副電池2との間に電流が流れるとしても、それは主電池1から副電池2へと向かって流れる充電電流であり、両者に悪影響を与えることはない。
このとき、スイッチ31が導通しているので、リレー35において第1接点35cが第2接点35bと第3接点35aとのいずれに接続されても電流の流れは変わらない。つまり、充電時におけるリレー35の動作は不問である。
副電池2の充電率が適正範囲となった場合、スイッチ31が非導通となって副電池2への充電は停止される。リレー35は第1接点35cを第2接点35bと第3接点35aとのいずれかに相補的に接続するので、リレー35はスイッチ31が非導通である状況を妨げない。よってリレー35(あるいは更にヒューズ32を介して)車載用電源装置100の外部(ここではバックアップ負荷61,62,63,…)へと給電するに際して、電池間環流は回避される。
但し、一般には副電池2の充電量を維持するため、通常は第1接点35cは第2接点35bと非導通状態であって第3接点35aと導通状態にセットされている。かかるリレー35のセットは不図示の制御装置、例えば車載ECUによって実行される。
よってスイッチ31が非導通となれば、通常は第1接点35cからバックアップ負荷61,62,63,…へと給電枝L201,L202,L203,…を経由して主電池1から給電される。あるいはスイッチ31が導通している場合において、ここでは考慮されない事情により、上記制御装置がリレー35において第1接点35cが第2接点35bと導通状態であって第3接点35aと非導通状態にセットされてもよい。この場合、バックアップ負荷61,62,63,…へと給電枝L201,L202,L203,…を経由して副電池2から給電される。
そして、オルタネータ9及び主電池1の両方がその給電機能を失った場合には、リレー35がその第1接点35cを第2接点35bに接続することにより、副電池2から第1接点35cを経由して外部への給電が確保できる。
あるいはオルタネータ9及び主電池1の両方がその給電機能を失ったことによって制御装置はリレー35をセットできない場合もある。しかしリレー35の第3接点35aがメーク接点であり、第2接点35bがブレーク接点であれば(換言すれば第1接点35cと第2接点35bとがノーマリークローズであれば)そのような場合においてもリレー35において第1接点35cは第2接点35bと導通する。よって副電池2からバックアップ負荷61,62,63,…へと給電枝L201,L202,L203,…を経由して給電される。
本実施の形態でもバックアップ負荷61,62,63,…において第1比較例や第2比較例のようなダイオード群60d,61d,62d,63d,…をバックアップ負荷60,61,62,63,…に設ける必要が無く、それぞれについての新たな設計工程は不要である。
しかも、オルタネータ9及び主電池1の両方がその給電機能を失った場合でも、副電池2から外部(ここではバックアップ負荷61,62,63,…)への給電が確保できる。
本実施の形態では更に、第1実施の形態よりも、接点対の個数がバックアップ負荷の個数から1引いた値で低減される。つまりバックアップ負荷の個数が多くても接点対を多く設ける必要が無く、部品点数が低減される。これは更に、採用されるリレーを小型化できる観点で、第1の実施の形態よりも有利である。
また、第1の実施の形態におけるヒューズ321,322,323の機能は、実質的にヒューズ71,72,73の機能で賄われるので、本実施の形態においてヒューズ32を省略することもでき、この場合には更に部品点数が低減される。
他方、第1の実施の形態では、バックアップ負荷毎に接点対が設けられるので、各々の接点対に要求される電流容量を、第2の実施の形態と比較して小さくできる観点で有利である。
<変形>
電源ボックス30Bにおいて、リレー35が第3接点35aを有しない、あるいは使用しない態様でも、第2の実施の形態の効果が得られる。図3はかかる変形を示す回路図である。第2の実施の形態においてヒューズ32は第1接点35cのみならず、端31aとも接続されている。またリレー35において第1接点35cと第2接点35bとはノーマリークローズである(第2接点35bはブレーク接点である)。
このような構成において、リレー35を第1の実施の形態のリレー361,362,363,…と同様に制御すれば、第1の実施の形態と同様にして、電池間環流を回避できる。もちろん、ダイオード群61d,62d,63dの新たな設計工程は不要である。しかもオルタネータ9及び主電池1の両方がその給電機能を失った場合でも、副電池2からバックアップ負荷61,62,63,…への給電が確保できる。更に、第2の実施の形態と同様に、第1の実施の形態と比較して、接点対の個数がバックアップ負荷の個数から1引いた値で低減される。
以上のようにこの発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
1 主電池
2 副電池
31 スイッチ
31a 端
35,361,362,363 リレー
35a 第3接点
35b,361b,362b,363b 第2接点
35c,361c,362c,363c 第1接点
61,62,63 バックアップ負荷
100A,100B 車載用電源装置

Claims (2)

  1. 車載用の主電池と、
    スイッチと、
    前記主電池に前記スイッチを介して接続される車載用の副電池と、
    少なくとも一つの第1接点と、前記第1接点と対を成して前記副電池に接続される第2接点とを有し、いずれの前記対についても前記第1接点と前記第2接点とはノーマリークローズであり、少なくとも前記対が非導通の状態において全ての前記第1接点が前記スイッチの前記副電池と反対側の第1端と接続されるリレーと
    を備え、
    前記対が導通の状態においても全ての前記第1接点が前記第1端と接続される、車載用電源装置。
  2. 請求項1記載の車載用電源装置であって、
    前記対は、前記副電池からの給電の対象たる負荷毎に設けられる、車載用電源装置。
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