JP6750558B2 - 電源ボックス - Google Patents

Description

本発明は、蓄電装置と、当該蓄電装置によって給電可能な車載用の負荷とを電気的に接続する、電源ボックスに関する。

特許文献１は故障に対するフェールセーフ機能が付与された電源装置を開示する。具体的にはリチウム蓄電池を含むリチウム電池パックが、発電機および鉛蓄電池と、電気負荷との間に配置される。リチウム電池パックは、給電線およびこれと並列に接続されたバイパス給電線を備える。給電線にはノーマリオフの半導体スイッチが、バイパス給電線にはノーマリクローズのリレーが、それぞれ設けられる構成が例示される。

特開２０１２−１３０１０８号公報

例えば、オルタネータが稼働していない場合にも稼働すべき負荷（例えば停車中の車両に対して遠隔操作でドアロックを解除するためのアクチュエータなど）へ供給される、いわゆる暗電流が、ノーマリクローズのリレーを介して（つまりバイパス給電線を介して）リチウム蓄電池から供給されるときを想定する。このとき、暗電流の供給先が故障しても、暗電流が過大に流れることを回避することが望ましい。よって例えばリチウム電池パックの出力端にはヒューズを設けることが考えられる。

他方、リチウム蓄電池には、稼働するオルタネータから充電電流が供給され、これは他の負荷へ供給される負荷電流としてもリチウム電池パックから出力され得る。この負荷電流は、その正常値ですら通常の暗電流の許容値よりも大きいので、上述のように設けられたヒューズは溶断されることになる。

このような過大な暗電流の回避と、大電流の供給との両立を考慮するためには、給電線とバイパス給電線とは直接には並列接続されず、別々にヒューズを設けることが望ましい（このような構成は、「比較例」として後述する）。

しかしながら、その様な構成では、暗電流用の配線と、負荷電流用の配線とが個別に必要となる。また特許文献１に示されるようなリレーをバイパス配線に設けると、そのオープン／クローズのための制御が必要にもなる。

そこで本発明は、過大な暗電流の回避と大電流の供給とを両立し、かつ簡易な構成で、蓄電装置と、当該蓄電装置によって給電可能な車載用の負荷とを電気的に接続する技術を提供することを目的とする。

電源ボックスは、車載用の第１負荷へ給電する第１蓄電装置に接続される第１端と、オルタネータおよび車載用の第２負荷に接続される第２端と、前記第１端と前記第２端との間に接続されるノーマリオフのスイッチと、前記第１端と前記第２端の間で前記スイッチに並列に接続されたバイパスとを備える。前記バイパスは、前記第１端から第２端に向かう方向を順方向とするダイオードと、前記第１端と前記第２端との間で前記ダイオードと直列に接続された抵抗とを含む。

電源ボックスは、過大な暗電流の回避と大電流の供給とを両立し、かつ簡易な構成で、蓄電装置と、当該蓄電装置によって給電可能な車載用の負荷とを電気的に接続する。

本実施形態に係る電源ボックスが採用される電源装置を例示するブロック図である。 比較例に係る電源ボックスが採用される電源装置を例示するブロック図である。

＜比較例＞
後述する本実施の形態の説明との対比のため、まず、比較例となる構成およびその動作を説明する。

図２は、比較例にかかる電源ボックス３０２が採用される電源装置２００の構成を例示するブロック図である。

電源ボックス３０２は第１端３ａと、第２端３ｂと、第３端３ｃとを備え、これらが電源ボックス３０２の外部と接続される。

具体的には、第１端３ａはヒューズ１４を介して、第３端３ｃはヒューズ１３を介して、それぞれ第１蓄電装置１１に接続される。第１蓄電装置１１は車載用の第１負荷１２へヒューズ１５を介して給電する。

第２端３ｂはヒューズ２５を介して、オルタネータ８はヒューズ２４を介して、車載用の第２負荷２２はヒューズ２６を介して、それぞれスイッチ２３の一端に接続される。スイッチ２３の他端は第２蓄電装置２１に接続される。スイッチ２３は例えば、オンすることによってオルタネータ８あるいは第１蓄電装置１１から第２蓄電装置２１への充電経路となったり、第２蓄電装置２１から第２負荷２２への給電経路となったりする。

但し、第１負荷１２および第２負荷２２のいずれにも第１蓄電装置１１から暗電流が供給される。よってオルタネータ８が稼働しないときにはスイッチ２３はオフする。

ここではヒューズ１３，１４，１５はバッテリーヒューズターミナル１０において設けられ、ヒューズ２４，２５，２６はバッテリーヒューズターミナル２０において設けられる場合が例示される。

第１蓄電装置１１は例えば鉛蓄電池であって、このことが図において「（Ｐｂ）」と表現されている。第２蓄電装置２１は例えばリチウムイオン蓄電池であって、このことが図において「（Ｌｉ＋）」と表現されている。

電源ボックス３０２はスイッチ３０と、リレー３４とを備える。スイッチ３０は第１端３ａと第２端３ｂとの間に接続され、ノーマリオフである。スイッチ３０は例えば半導体スイッチであり、ここでは互いに順方向を逆向きにして直列に接続された電界効果形のトランジスタ３０ａ，３０ｂで構成される。トランジスタ３０ａ，３０ｂはＥＣＵ（エレクトロニックコントロールユニット）４から出力される制御信号Ｓ３０によってその導通／非導通が揃って制御される。

リレー３４は第１端３ａと第３端３ｃとの間に接続され、ノーマリクローズである。リレー３４は例えば電磁リレーであり、ＥＣＵ４から出力される制御信号Ｓ３４によってそのオープン／クローズが制御される。

このようなＥＣＵ４の制御によるトランジスタ３０ａ，３０ｂ、リレー３４の開閉は、例えば特許文献１で公知であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

第１蓄電装置１１から電源ボックス３０２を介して第２負荷２２へと暗電流が供給される場合を説明する。スイッチ３０はノーマリオフであり、リレー３４はノーマリクローズである。よって当該暗電流は、第１蓄電装置１１と第２負荷２２との間でスイッチ３０と直列に接続されるヒューズ１４を流れず、第１蓄電装置１１と第２負荷２２との間でリレー３４と直列に接続されるヒューズ１３を流れる。

一般に暗電流が供給される状況では、暗電流が過大となったことを検出する電子回路は駆動していない。消費電流を抑制するためである。よって暗電流が過大となることを回避するには、情報処理以外の手法を用いることが望ましい。

従って、ヒューズ１３の定格は、第１蓄電装置１１から電源ボックス３０２を介して第２負荷２２へと流れる暗電流が過大となったときにこれを遮断する値に設定すればよい。

そしてオルタネータ８が稼働するときには、ヒューズ２４，２５、オンしたスイッチ３０、ヒューズ１４を経由して第１蓄電装置１１に充電電流が供給される。このとき、リレー３４はオープンとなってヒューズ１３に当該充電電流が流れることが阻止される。よってヒューズ１４の定格は、充電電流が過大となったときにこれを遮断する値に設定すればよい。

このように、ノーマリクローズのリレー３４が第３端３ｃから第２端３ｂへと暗電流を流しつつ、ノーマリオフのスイッチ３０は第１端３ａから第２端３ｂへと暗電流を流さない。他方、充電電流はオープンしたリレー３４によって第２端３ｂから第３端３ｃへと流れることが阻止され、オンしたスイッチ３０によって第２端３ｂから第１端３ａへと流れる。よってヒューズ１３，１４を独立して設けることにより、過大な暗電流の回避と大電流の供給とが両立される。

しかし、かかる作用効果を得るには、上記の説明から明白なように、リレー３４の制御が必須である。もしリレー３４が常にクローズしているのであれば、ヒューズ１３の定格を過大な暗電流を遮断する値に設定しても、一旦これに充電電流が流れることによって溶断し、その後は暗電流の経路が得られない。もしリレー３４が常にオープンしているのであれば、ヒューズ１４は充電電流を流す機能を果たす程度に大きな定格を有することとなって、過大な暗電流を遮断することはできない。

しかも、第３端３ｃとヒューズ１３を介して第１蓄電装置１１とを接続する配線と、第１端３ａとヒューズ１４を介して第１蓄電装置１１とを接続する配線と、二つのヒューズ１３，１４とが必要となってしまう。

そこで、簡易な構成で、過大な暗電流の遮断と大電流の供給とを両立する技術を説明する。

＜実施の形態＞
図１は本実施の形態にかかる電源ボックス３０１が採用される電源装置１００の構成を例示するブロック図である。なお、本実施の形態の説明において、比較例で説明したものと同様の構成要素については同一符号を付して、特に相違がない限りその説明を省略する場合がある。

電源装置１００は、電源ボックス３０１の他、第１蓄電装置１１を含んでもよい。あるいは更に第２蓄電装置２１を含んでもよい。

電源ボックス３０１は、第１蓄電装置１１と、第１蓄電装置１１によって給電可能な第２負荷２２とを電気的に接続する。以下、詳細に説明する。

電源ボックス３０１は第１端３ａと第２端３ｂとを備える。電源ボックス３０１は、電源ボックス３０２とは異なり、第３端３ｃを必要とはしない。

第１端３ａは第１蓄電装置１１と接続される。第１蓄電装置１１は第１負荷１２へ給電する。例えば第１端３ａと第１蓄電装置１１との間にはヒューズ１４が、第１負荷１２と第１蓄電装置１１との間にはヒューズ１５が、それぞれ設けられる。ヒューズ１４，１５は、例えばバッテリーヒューズターミナル１０において設けられる。

第２端３ｂはオルタネータ８および第２負荷２２に接続される。例えば第２端３ｂはヒューズ２５を介して、オルタネータ８はヒューズ２４を介して、第２負荷２２はヒューズ２６を介して、それぞれスイッチ２３の一端に接続される。スイッチ２３の他端は第２蓄電装置２１に接続される。よって図１において第２端３ｂはヒューズ２４，２５の直列接続を介してオルタネータ８に、ヒューズ２５，２６の直列接続を介して第２負荷２２に、それぞれ接続される。

電源ボックス３０１は、スイッチ３０と、バイパス３３とを更に備える。スイッチ３０の構成および動作は比較例と同様である。バイパス３３は、スイッチ３０に対して並列に接続される。

バイパス３３はダイオード３１と抵抗３２とを含む。ダイオード３１の順方向は、第１端３ａから第２端３ｂへ向かう方向である。即ち、ダイオード３１は、第１端３ａ側にアノードを、第２端３ｂ側にカソードを、それぞれ有する。抵抗３２は、第１端３ａと第２端３ｂとの間でダイオード３１と直列に接続される。図２では抵抗３２がダイオード３１のアノードと、第１端３ａとの間に接続されている場合が例示される。抵抗３２がダイオード３１のカソードと、第２端３ｂとの間に接続されてもよい。

電源ボックス３０１によると、オルタネータ８が稼働せず、かつスイッチ３０がオフしていても、暗電流は第１蓄電装置１１からバイパス３３を経由して第２負荷２２へ供給される。暗電流によって抵抗３２において電圧降下が発生するので、暗電流が過大となることもない。

オルタネータ８の稼働時にスイッチ３０をオンさせることにより、オルタネータ８から第１蓄電装置１１への大電流、具体的には充電電流の供給が可能となる。

オルタネータ８が稼働しない、たとえばいわゆるアイドリング停止時には、スイッチ３０をオンさせて、第２負荷２２に第１蓄電装置１１から給電することができる。このときには通常、第２負荷２２には暗電流よりも大きな電流が供給される。バイパス３３には抵抗３２が存在するので、当該電流はよりインピーダンスが小さなスイッチ３０を経由して流れる。

このように、スイッチ３０がオフしているとき、暗電流はバイパス３３を経由して第１端３ａから第２端３ｂへと流れる。これに対し、スイッチ３０がオンしているときには大電流はスイッチ３０を経由して第１端３ａと第２端３ｂとの間を双方向に流れる。当該大電流が第２端３ｂから第１端３ａへ向かって流れることは、ダイオード３１の機能によって阻止される。当該大電流が第１端３ａから第２端３ｂへ向かって流れることは、オンするスイッチ３０よりもインピーダンスが高い（より具体的には例えば、スイッチ３０のオン抵抗値よりも抵抗値が大きい）抵抗３２の存在によって阻止される。

このように、電源ボックス３０１では第３端３ｃが必要ないので、電源ボックス３０２と比較して、第１蓄電装置１１との間の配線数、ヒューズ数を低減できる。抵抗３２の存在により、ヒューズ１４の他に、暗電流用に定格が設定されたヒューズを設ける必要はない。また電源ボックス３０１ではバイパス３３においてリレーを設ける必要がない。よってＥＣＵ４はスイッチ３０を制御するための制御信号Ｓ３０を出力するものの、比較例において必要であった制御信号Ｓ３４を出力する必要がない。

以上のように、本実施の形態にかかる電源ボックス３０１は、簡易な構成で、過大な暗電流の回避と大電流の供給とを両立する。

＜実施例＞
次に、抵抗３２の抵抗値について好ましい具体的な値を説明する。一般に暗電流で駆動されるべき負荷には、１０Ｖ以上の電圧が印加されることが望まれる。通常、車載される蓄電装置の電圧は１３Ｖであり、ダイオード３１が支える電圧は暗電流に殆ど依存せずに０．６Ｖである。よってバイパス３３を経由した第１蓄電装置１１から第２負荷２２に至る経路（以下「暗電流経路」と仮称）の電圧は１３−１０−０．６＝２．４Ｖである。

暗電流を、その通常の値の二倍まで許容する場合を想定する。通常、暗電流は１０ｍＡ程度であるので、その上限値は２０ｍＡである。これにより、暗電流経路の抵抗値を２．４（Ｖ）／２０（ｍＡ）＝１２０（Ω）以下に設定して、暗電流を２０ｍＡまで流すことができる。

第１蓄電装置１１の内部抵抗値は１０ｍΩ、第１蓄電装置１１と第１端３ａとの間の配線抵抗値と第２端３ｂと第２負荷２２との間の配線抵抗値の和は５ｍΩ、と見積もられる。よってこれらの和（０．０１５Ω）を考慮しても、抵抗３２の抵抗値の上限はほぼ１２０Ω程度となる。

いま、暗電流１０ｍＡ、抵抗３２の抵抗値１００Ω（＜１２０Ω）として、抵抗３２の電圧降下と、地絡電流への耐性を検討する。抵抗３２の電圧降下は、１０（ｍＡ）×１００（Ω）＝１（Ｖ）と計算される。ダイオード３１が支える電圧が０．６Ｖであり、第１蓄電装置１１の電圧が１３Ｖであることから、第２負荷２２には１３−１−０．６＝１１．４（Ｖ）の電圧が印加され、１０Ｖ以上の電圧を印加できることがわかる。

第２負荷２２に地絡故障が発生した場合を想定すると、抵抗３２に印加される電圧は１３−０．６＝１２．４（Ｖ）であって、抵抗３２に流れる電流（地絡電流）は１２．４（Ｖ）／１００（Ω）＝１２４（ｍＡ）と計算される。この場合、抵抗３２で消費される電力は、１００（Ω）×１２４（ｍＡ）×１２４（ｍＡ）≒１．５４（Ｗ）となる。よって抵抗３２として採用されるべき抵抗として、定格電力が数Ｗ程度のものを選択することができる。

なお、上記実施形態および実施例で説明した各構成は、相互に矛盾しない限り適宜組合わせることができる。

以上のように本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、本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、本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。

３ａ 第１端
３ｂ 第２端
８ オルタネータ
１１ 第１蓄電装置
１２ 第１負荷
２２ 第２負荷
３０ スイッチ
３１ ダイオード
３２ 抵抗
３３ バイパス
３０１ 電源ボックス

Claims (3)

1. 車載用の第１負荷へ給電する第１蓄電装置に接続される第１端と、
   オルタネータおよび車載用の第２負荷に接続される第２端と、
   前記第１端と前記第２端との間に接続されるノーマリオフのスイッチと、
   前記第１端と前記第２端との間で前記スイッチに並列に接続されたバイパスと
   を備え、
   前記バイパスは、
   前記第１端から前記第２端に向かう方向を順方向とするダイオードと、
   前記第１端と前記第２端の間で前記ダイオードと直列に接続された抵抗と
   を含む電源ボックス。
2. 請求項１に記載の電源ボックスであって、
   前記抵抗の抵抗値は前記スイッチのオン抵抗値よりも大きい、電源ボックス。
3. 請求項１または請求項２に記載の電源ボックスであって、
   前記抵抗の抵抗値は１２０Ω以下である、電源ボックス。

Images