JP6724726B2

JP6724726B2 - 電力供給装置

Info

Publication number: JP6724726B2
Application number: JP2016215614A
Authority: JP
Inventors: 中村　朋弘; 朋弘中村; 優太児島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2036-11-02
Also published as: US20180123449A1; JP2018074525A; US9979278B1

Description

本明細書で開示する技術は、電力供給装置に関する。

特許文献１に、電源から負荷へ電力を供給する電力供給装置が開示されている。この種の電力供給装置は、スイッチング素子を介して電源と負荷とを接続するように構成されている。このような構成によると、スイッチング素子をオンすることによって電源と負荷との間を電気的に接続し、スイッチング素子をオフすることによって電源と負荷との間を電気的に切断することができる。

特開２００３−０７９０６９号公報

電力供給装置では、スイッチング素子が故障することがある。スイッチング素子がオン故障すると、電源と負荷との間を電気的に切断することができなくなり、例えば電源から負荷へ無用に電力が供給されてしまう。スイッチング素子がオフ故障すると、電源と負荷との間を電気的に接続することができなくなり、電源から負荷へ電力を供給することができない。ここで、スイッチング素子のオン故障とは、例えばスイッチング素子への指令信号にかかわらず、スイッチング素子がオンし続ける故障を意味する。スイッチング素子のオフ故障とは、例えばスイッチング素子への指令信号にかかわらず、スイッチング素子がオフし続ける故障を意味する。

上記を鑑み、本開示では、電力供給装置においてスイッチング素子の故障を検出するための技術が提供される。

本技術の一側面により、電力供給装置が開示される。電力供給装置は、電源から負荷へ電力を供給する。電力供給装置は、ユーザによる操作又は他の装置の指令に基づいてオン及びオフされるリレーを介して電源を負荷に接続する第１電力線と、第１電力線上においてリレーと負荷との間に設けられた少なくとも一つのダイオードと、第１電力線に対して並列に設けられており、スイッチング素子を介して電源を負荷に接続する第２電力線と、第１電力線及び第２電力線に直接に接続され、第１電力線の前記リレー及び第２電力線の前記スイッチング素子のいずれかを介して電源から電力が供給され、スイッチング素子のオン及びオフを制御する制御ユニットとを備える。リレーがオンされたときに少なくとも一つのダイオードで生じる電圧降下は、スイッチング素子がオンされたときにスイッチング素子で生じる電圧降下よりも大きい。そして、制御ユニットは、少なくとも一つのダイオードの両端間電圧と、負荷への供給電圧とに基づいて、スイッチング素子がオンされているのかオフされているのかを判定する。

上記した電力供給装置では、リレーがオンされたときに、スイッチンング素子がオフされていれば、第１電力線を介して電源から負荷へ電力が供給される。この場合、少なくとも一つのダイオードには電圧降下が生じる。従って、制御ユニットは、少なくとも一つのダイオードの両端間電圧に基づいて、スイッチンング素子がオフされているのか否かを判定することができる。その後、スイッチンング素子がオフからオンに切り替えられると、第１電力線に代えて、第２電力線を介して電源から負荷へ電力が供給され、負荷への供給電圧が上昇する。これは、少なくとも一つのダイオードで生じる電圧降下よりも、スイッチング素子で生じる電圧降下の方が小さいためである。従って、制御ユニットは、負荷へ供給される電圧の大きさ又は変化に基づいて、スイッチンング素子がオンされたことを知ることができる。このように、制御ユニットは、スイッチング素子がオンされているのかオフされているのかを判定することができ、自己がスイッチング素子に与える指令と比較することによって、スイッチン素子の故障を検出することができる。

電力供給装置１０の構成を示す回路ブロック図。電力供給装置１０の典型的な動作の流れを示すフローチャート。図２に示す動作の流れにおけるリレー２４の状態、負荷２への供給電圧Ｖ_ｅｃｕ、二つのダイオード２６での電圧降下Ｖ_ｄｉ、及び、スイッチング素子３４での電圧降下Ｖ_ｓｗの経時変化を示すタイムチャート。

本技術の一実施形態では、少なくとも一つのダイオードの両端間電圧に応じた信号を制御ユニットへ出力する電圧測定ユニットをさらに備えてもよい。このような構成によると、少なくとも一つのダイオードに生じる電圧降下を正確に検出することができる。但し、他の実施形態では、例えば制御ユニットが適当なインターフェースを有することにより、少なくとも一つのダイオードの両端が制御ユニットへ直接的に接続され、制御ユニットが少なくとも一つのダイオードの両端間電圧を検出可能であってもよい。

本技術の一実施形態では、制御ユニットが、少なくとも一つのダイオードの両端間電圧が所定の範囲にあるときに、スイッチング素子はオフされていると判定してもよい。前述したように、スイッチンング素子がオフされていれば、第１電力線を介して電源から負荷へ電力が供給されるので、少なくとも一つのダイオードに電圧降下が生じる。それに対して、スイッチンング素子がオンされていると、第２電力線を介して電源から負荷へ電力が供給され、第１電力線には電流が流れない。これは、少なくとも一つのダイオードで生じる電圧降下よりも、スイッチング素子で生じる電圧降下の方が小さいためである。従って、少なくとも一つのダイオードの両端間電圧が所定の範囲にあるときは、少なくとも一つのダイオードで電圧降下が生じているとして、スイッチング素子がオフされていると判定することができる。但し、他の実施形態では、例えば少なくとも一つのダイオードの両端間電圧の変化に応じて、スイッチング素子がオフされていると判定してもよい。この場合、制御ユニットは、試験的に、スイッチング素子にオン及びオフする指令を与えてもよい。

本技術の一実施形態では、制御ユニットが、スイッチング素子へオンする指令を与えた後、負荷への供給電圧が所定幅以上の上昇を示したときに、スイッチング素子はオンされたと判定してもよい。前述したように、スイッチンング素子がオフからオンに切り替えられると、負荷への供給電圧は上昇する。従って、スイッチング素子へオンする指令を与えた後、負荷への供給電圧が所定幅以上の上昇を示したときは、スイッチング素子が実際にオンされたと判定することができる。但し、他の実施形態では、例えば負荷への供給電圧の大きさに応じて、スイッチング素子がオンされていると判定してもよい。

本技術の一実施形態では、電源が直流電源であってよく、その直流電源は一又は複数の二次電池セルを有してもよい。

図面を参照して実施例の電力供給装置１０について説明する。電力供給装置１０は、電源１２と負荷２とを電気的に接続し、電源１２から負荷２へ電力を供給するように構成されている。本実施例の電力供給装置１０は、主に自動車に搭載されるものであり、電源１２は例えば複数の二次電池セルを含むバッテリであり、負荷２は例えば電子制御ユニットである。電源１２の定格電圧は、特に限定されないが、１２ボルトである。なお、電力供給装置１０の適用先については特に限定されない。電源１２は、直流電源であってもよいし、交流電源であってもよい。電源１２が交流電源の場合、電力供給装置１０は、交流電源からの交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータをさらに備えることができる。この場合、ＡＣ−ＤＣコンバータは、電源１２と下記する第１電力線２０及び第２電力線３０との間に設けることができる。

電力供給装置１０は、第１電力線２０をさらに備える。第１電力線２０は、リレー２４を介して電源１２を負荷２に接続する。リレー２４は、ユーザによる操作又は他の装置の指令に基づいてオン及びオフされる。一例ではあるが、本実施例におけるリレーは、ユーザが自動車の起動スイッチ（図示省略）を操作したときにオンされ、ユーザが起動スイッチの操作を解除したときにオフされる。なお、自動車の起動スイッチは、エンジンの有無にかかわらず、イグニッションスイッチと称されことがある。リレー２４がオンされると、電源１２が第１電力線２０を介して負荷２に接続される。リレー２４がオフされると、第１電力線２０は電気的に切断される。電源１２とリレー２４との間にはヒューズ２２が接続されている。

第１電力線２０上には、二つのダイオード２６が設けられている。二つのダイオード２６は、リレー２４と負荷２との間に位置している。二つのダイオード２６は同じ向きで直列に接続されており、一方のダイオード２６のアノードがリレー２４に接続され、他方のダイオード２６のカソードが負荷２に接続されている。なお、二つのダイオード２６とリレー２４の間、及び、二つのダイオード２６と負荷２との間には、必要に応じて、他の電子素子又は電子機器が介在してもよい。本実施例におけるダイオード２６は、ｐｎ接合を有するダイオード（いわゆるｐｎ接合ダイオード）であるが、ダイオード２６の構成は特に限定されない。

第１電力線２０に電流が流れると、各々のダイオード２６において電圧降下が生じる。一例ではあるが、各々のダイオード２６の順電圧は０．７ボルトである。ここでいう順電圧とは、ダイオード２６へ順方向の電圧を印加したときに、ダイオード２６に電流が流れ得る最小の電圧を意味する。ダイオード２６の特性により、第１電力線２０に電流に流れる電流の大きさにかかわらず、各々のダイオード２６では順電圧と略同一の電圧降下が生じる。即ち、本実施例では、第１電力線２０に電流が流れると、二つのダイオード２６において合計で１．４ボルトの電圧降下が生じる。その結果、負荷２への供給電圧Ｖ_ＥＣＵは、電源１２からの直流電圧（例えば１２ボルト）に対して、少なくとも１．４ボルトだけ小さくなる。他の実施形態として、ダイオード２６の数は一つであってもよいし、三つ以上であってもよい。

電力供給装置１０は、電力測定ユニット２８を備える。電力測定ユニット２８は、二つのダイオード２６の両端に接続されており、二つのダイオード２６の両端間電圧に応じた測定信号を出力する。電力測定ユニット２８は、公知の作動増幅回路を用いて構成することができる。電力測定ユニット２８が出力する測定信号は、後述する制御ユニット５０へ入力される。なお、制御ユニット５０が適当なインターフェースを有しており、二つのダイオード２６の両端間電圧を直接的に検出可能であれば、電力測定ユニット２８は必ずしも必要とされない。

電力供給装置１０は、第２電力線３０を備える。第２電力線３０は、第１電力線２０に対して並列に設けられている。第２電力線３０は、スイッチング素子３４を介して電源１２を負荷２に接続する。本実施例におけるスイッチング素子３４は、パワー半導体素子であり、詳しくはｐ型のＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。スイッチング素子３４のソースは、ヒューズ３２を介して電源１２に接続されており、スイッチング素子３４のドレインは、負荷２に接続されている。また、スイッチング素子３４のソースとゲートは、抵抗３６を介して互いに接続されている。なお、スイッチング素子３４は、ｐ型のＭＯＳＦＥＴに限定されず、例えばｎ型のＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ（Insulated-Gate Bipolar Transistor）といった他のパワー半導体素子であってもよい。スイッチング素子３４がオンされると、電源１２が第２電力線３０を介して負荷２に接続される。スイッチング素子３４がオフされると、第２電力線３０は電気的に切断される。

第２電力線３０に電流が流れると、スイッチング素子３４において電圧降下が生じる。一例ではあるが、スイッチング素子３４のオン抵抗は５０ｍΩであり、スイッチング素子３４に５Ａの電流が流れたときに、スイッチング素子３４では０．２５ボルトの電圧降下が生じる。この場合、負荷２への供給電圧Ｖ_ｅｃｕは、電源１２からの直流電圧（例えば１２ボルト）に対して、少なくとも０．２５ボルトだけ小さくなる。前述した二つのダイオード２６と比較して、リレー２４がオンされたときに二つのダイオード２６で生じる電圧降下（例えば１．４ボルト）よりも、スイッチング素子３４がオンされたときにスイッチング素子３４で生じる電圧降下（例えば０．２５ボルト）の方が小さい。具体的な数値には限定されないが、このような大小関係によると、第１電力線２０を介して電力供給が行われるときよりも、第２電力線３０を介して電力供給が行われるときの方が、負荷２への供給電圧Ｖ_ｅｃｕは大きくなる。

電力供給装置１０は、制御ユニット５０を備える。制御ユニット５０は、例えばマイコンを用いて構成されている。制御ユニット５０は、スイッチング素子３４に接続されており、スイッチング素子３４のオン及びオフを制御する。本実施例における制御ユニット５０は、駆動回路４０を介して、ＭＯＳＦＥＴであるスイッチング素子３４のゲートに接続されている。駆動回路４０は、第２スイッチング素子４４と、複数の抵抗４２、４６、４８を有する。第２スイッチング素子４４は、特に限定されないが、ｎ型のＭＯＳＦＥＴである。第２スイッチング素子４４のゲートは、抵抗４８を介して制御ユニット５０に接続されている。第２スイッチング素子４４のドレインは、抵抗４２を介してスイッチング素子３４のゲートに接続されている。第２スイッチング素子４４のソースは、グランド（即ち、電源１２の負極）に接続されている。また、第２スイッチング素子４４のゲートとソースは、抵抗４６を介して互いに接続されている。

制御ユニット５０は、スイッチング素子３４をオン及びオフするために、駆動回路４０へ指令信号を出力する。制御ユニット５０は、特に限定されないが、スイッチング素子３４をオンするためにハイレベルの指令信号を出力し、スイッチング素子３４をオフするためにローレベルの指令信号を出力する。指令信号は、抵抗４８を介して第２スイッチング素子４４に入力される。指令信号がハイレベルであれば、第２スイッチング素子がオンされ、それによってスイッチング素子３４がオンされる。指令信号がローレベルであれば、第２スッチング素子がオフされ、それによってスイッチング素子３４もオフされる。なお、ここで説明する動作態様は一例であり、制御ユニット５０の動作態様を限定するものではない。制御ユニット５０及び駆動回路４０の構成に応じて、制御ユニット５０の動作態様は様々に変更することができる。

制御ユニット５０は、負荷２と同様に、第１電力線２０及び第２電力線３０を介して電源１２から供給される電力によって動作する。即ち、制御ユニット５０には、負荷２と同じように、供給電圧Ｖ_ｅｃｕが印加される。この点において、制御ユニット５０は、負荷２の一部とも解釈することができる。

次に、図２、図３を参照しながら、電力供給装置１０の典型的な動作例として、自動車の起動時における電力供給装置１０の動作について説明する。図２に示すように、例えばユーザが運転席の起動スイッチ（図示省略）を操作すると、リレー２４がオンされる（Ｓ１０でＹＥＳ）。図３では、時刻ｔ１においてリレー２４がオンされている。リレー２４がオンされると、第１電力線２０を介して電源１２から負荷２及び制御ユニット５０への電力供給が開始される。即ち、負荷２及び制御ユニット５０に対して、ゼロでない供給電圧Ｖ_ｅｃｕが印加される。このとき、図２に示すように、第１電力線２０上の二つのダイオード２６では電圧降下Ｖ_ｄｉが生じ、その結果、供給電圧Ｖ_ｅｃｕは電源１２の出力電圧に対して少なくとも電圧降下Ｖ_ｄｉだけ小さくなる。

電源１２からの電力供給により、制御ユニット５０が起動する（図２のＳ１２）。起動が完了すると、制御ユニット５０は、駆動回路４０への指令信号をローレベルとしたままで（Ｓ１４）、二つのダイオード２６の両端間電圧が、所定範囲内であるのか否かを判定する（Ｓ１６）。この所定範囲は、例えば二つのダイオード２６の順電圧に基づいて、予め定めておくことができる。第２電力線３０上のスイッチング素子３４が正しくオフされていれば、第１電力線２０を介して電源１２から負荷２へ電力が供給される。このとき、二つのダイオード２６では、予定された電圧降下Ｖ_ｄｉが生じるので、二つのダイオード２６の両端間電圧は、所定範囲内の値となる。この場合（Ｓ１６でＹＥＳ）、制御ユニット５０は、スイッチング素子３４が正しくオフされていると判定して、その後の処理（Ｓ２０）へ進む。

それに対して、スイッチング素子３４がオン故障していると、第１電力線２０ではなく、第２電力線３０のみを介して電源１２から負荷２へ電力が供給される。これは、スイッチング素子３４で生じる電圧降下Ｖ_ｓｗ（例えば０．２５ボルト）が、二つのダイオード２６の順電圧（例えば１．４ボルト）よりも小さいためである。従って、二つのダイオード２６に電流は流れず、二つのダイオード２６で電圧降下も生じない。そのことから、二つのダイオード２６の両端間電圧が所定範囲内でないときは、スイッチング素子３４が指令信号に反してオンされていると判定できる。この場合（Ｓ１６でＮＯ）、制御ユニット５０は、スイッチング素子３４にオン故障が生じていると判定する（Ｓ１８）。制御ユニット５０は起動処理を中止して、例えば所定のフェール信号を出力する。

スイッチング素子３４が正常であった場合（Ｓ１６でＹＥＳ）、制御ユニット５０は、スイッチング素子３４をオンするために、駆動回路４０へハイレベルの指令信号を出力する（Ｓ２０）。図３では、時刻ｔ２においてハイレベルの指令信号が出力され、スイッチング素子３４がオンされたとする。スイッチング素子３４がオンされると、第１電力線２０に代えて、第２電力線３０を介して負荷２への電力供給が開始される。図３に示すように、スイッチング素子３４で生じる電圧降下Ｖ_ｓｗは、二つのダイオード２６で生じる電圧降下Ｖ_ｄｉよりも小さいので、負荷２への供給電圧Ｖ_ｅｃｕは上昇する。

制御ユニット５０は、供給電圧Ｖ_ｅｃｕが所定幅以上の上昇を示したときに（図２のＳ２２）、スイッチング素子３４が正しくオンされたと判定して、起動処理を正常に終了する。それに対して、例えば供給電圧Ｖ_ｅｃｕが上昇を示さない場合は、スイッチング素子３４が指令信号に反してオフされていると判定できる。この場合（Ｓ２２でＮＯ）、制御ユニット５０は、スイッチング素子３４にオフ故障が生じていると判定する（Ｓ２４）。制御ユニット５０は通常の起動処理を中止して、例えば所定のフェール信号を出力する。その後、図３に示すように、任意の時点ｔ３においてリレー２４がオフされる。なお、上記した所定幅は、二つのダイオード２６において予定される電圧降下と、スイッチング素子３４において予定される電圧降下との間の差や、予定されるノイズの大きさ等に応じて、予め定めることができる。

以上のように、制御ユニット５０は、二つのダイオード２６の両端間電圧（即ち、電圧降下Ｖ_ｄｉ）と、負荷２への供給電圧Ｖ_ｅｃｕとに基づいて、第２電力線３０上のスイッチング素子３４がオンされているのかオフされているのかを判定することができる。制御ユニット５０は、判定したスイッチング素子３４の状態と、自己が出力している指令信号とを比較することによって、スイッチン素子のオン故障及びオフ故障を検出することができる。

スイッチング素子３４がオン故障すると、電源１２と負荷２との間を電気的に切断することができなくなり、例えば電源１２から負荷２へ無用に電力が供給されてしまう。特に電源１２がバッテリであると、意図しない放電によってバッテリが上がってしまうことがある。また、スイッチング素子３４がオフ故障すると、電源１２と負荷２との間を電気的に接続することができず、電源１２から負荷２へ安定して電力を供給することができなくなる。なお、スイッチング素子３４のオン故障とは、制御ユニット５０による指令信号にかかわらず、スイッチング素子３４がオンし続ける故障を意味する。スイッチング素子３４のオフ故障とは、制御ユニット５０による指令信号にかかわらず、スイッチング素子３４がオフし続ける故障を意味する。

以上、本技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。本明細書又は図面に記載された技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載された組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示された技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：負荷
１０：電力供給装置
１２：電源
２０：第１電力線
２２：ヒューズ
２４：リレー
２６：ダイオード
２８：電力測定ユニット
３０：第２電力線
３２：ヒューズ
３４：スイッチング素子
３６、４２、４６、４８：抵抗
４０：駆動回路
４４：第２スイッチング素子
５０：制御ユニット
Ｖ_ｄｉ：二つのダイオード２６における電圧降下
Ｖ_ｅｃｕ：負荷２への供給電圧
Ｖ_ｓｗ：スイッチング素子３４における電圧降下

Claims

電源から負荷へ電力を供給する電力供給装置であって、
ユーザによる操作又は他の装置の指令に基づいてオン及びオフされるリレーを介して前記電源を前記負荷に接続する第１電力線と、
前記第１電力線上において前記リレーと前記負荷との間に設けられた少なくとも一つのダイオードと、
前記第１電力線に対して並列に設けられており、スイッチング素子を介して前記電源を前記負荷に接続する第２電力線と、
前記第１電力線及び前記第２電力線に直接に接続され、前記第１電力線の前記リレー及び前記第２電力線の前記スイッチング素子のいずれかを介して前記電源から電力が供給され、前記スイッチング素子のオン及びオフを制御する制御ユニットと、
を備え、
前記リレーがオンされたときに前記少なくとも一つのダイオードで生じる電圧降下よりも、前記スイッチング素子がオンされたときに前記スイッチング素子で生じる電圧降下の方が小さく、
前記制御ユニットは、前記少なくとも一つのダイオードの両端間電圧と、前記負荷への供給電圧とに基づいて、前記スイッチング素子がオンされているのかオフされているのかを判定する、
電力供給装置。
前記少なくとも一つのダイオードの前記両端間電圧に応じた信号を前記制御ユニットへ出力する電圧測定ユニットをさらに備える、請求項１に記載の電力供給装置。
前記制御ユニットは、前記少なくとも一つのダイオードの前記両端間電圧が所定の範囲にあるときに、前記スイッチング素子はオフされていると判定する、請求項１又は２に記載の電力供給装置。
前記制御ユニットは、前記スイッチング素子へオンする指令を与えた後、前記負荷への前記供給電圧が所定幅以上の上昇を示したときに、前記スイッチング素子はオンされたと判定する、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力供給装置。