JP7339072B2 - ネットワークシステム - Google Patents

Description

本発明は、車両等に搭載されるネットワークシステムに関する。

車両には、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）と呼ばれる電子機器や電装部品などの装置が複数搭載されている。これらの装置は、車両の各種機能を分担して実行する。

複数の装置を含むネットワークシステムとして、特許文献１は、ツリー型の接続トポロジを有するネットワークシステムを開示している。この特許文献１に記載のネットワークシステムでは、上位ノードである複数の中継ＥＣＵが通信線で互いに接続され、各中継ＥＣＵのそれぞれに下位ノードである複数の下位装置が接続されている。

特開２０１５－０６７１８７号公報

特許文献１のようなネットワークシステムにおいて、上位ノードを車両制御のための機能を集約した高機能な装置とし、複数の下位ノードを上位ノードから制御される簡易化された装置とすることが考えられる。また、上位ノードと下位ノードとの間にゲートウェイの機能を有する中位ノードをさらに設ける構成が考えられる。

近年、車両へのフェールオペレーション導入の観点から、上述したような構成のネットワークシステムにおいて電源の冗長化が要求されている。このような要求に対して、これまではフェールオペレーションを実現するために冗長化が必要な下位装置の数が少なかったため、例えば特許文献１に記載のネットワークシステムを冗長電源化する場合には、冗長化された各電源線から冗長化が必要な各下位装置までを個別の配線でそれぞれ接続して電力を供給することで足りていた。

しかしながら、自動運転機能などの冗長化が必要な下位装置がさらに増加する場合、今までと同様に個別の配線によって各電源線から各下位装置に直接電力を供給していたのでは、配線が複雑化する。よって、複雑化させることなく各下位装置へ電力を供給するための冗長電源構成を検討する余地がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、冗長化が必要な装置が増加する場合でも構成を複雑化させることなく冗長電源構成をとることができるネットワークシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、第１電源系統及び第２電源系統を冗長的に備えた電源システムと、第１電源系統の電源及び第２電源系統の電源が接続される上位装置と、上位装置と通信可能に接続され、第１電源系統の電源が接続され、第１下位装置への電力供給を制御する第１中間装置と、上位装置と通信可能に接続され、第２電源系統の電源が接続され、第１下位装置の冗長構成である第２下位装置への電力供給を制御する第２中間装置と、を備える、ネットワークシステム。

上記本発明のネットワークシステムによれば、冗長化が必要な装置が増加する場合でも構成を複雑化させることなく冗長電源構成をとることができる。

本発明の一実施形態に係るネットワークシステムの概略図 第１電源系統の電源が失陥した場合のネットワークシステムの状態を示す図 本実施形態の変形例に係るネットワークシステムの概略図 本実施形態の応用例に係るネットワークシステムの概略図

本発明の一実施形態においては、ネットワークシステムが、相異なる電源系統から電力供給される２つの通信系統を備える。また、ネットワークシステムが同等の機能を有する２つの下位装置を備え、これらの下位装置が相異なる通信系統によって上位装置と通信する。これらによりネットワークシステムに、好適に冗長性を付与することができ、一方の電源系統の失陥に対してフェールオペレーションを実行することができる。

［実施形態］
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜構成＞
図１に、本実施形態に係るネットワークシステム１の概略図を示す。このネットワークシステム１は、ハイブリッド自動車（ＨＶ）や電気自動車（ＥＶ）などの車両に搭載することができる。

本実施形態におけるネットワークシステム１は、第１バッテリ５４を電源として電力供給が行われる第１電源系統５１と、第２バッテリ５５を電源として電力供給が行われる第２電源系統５２とを、冗長的に有する、電源システム５０を備える。第１バッテリ５４及び第２バッテリ５５には、充放電可能に構成されたリチウムイオン電池などの二次電池が用いられる。第１バッテリ５４には、図示しないＤＣＤＣコンバータを介してオルタネータ（ＡＬＴ）や他のバッテリが接続されてもよい。第１電源系統５１（第１バッテリ５４）と第２電源系統５２（第２バッテリ５５）との間には、各電源系統に異常がない通常時に導通させ、一方の電源系統の失陥などが生じた異常時に遮断することができるリレー５３（メカニカルリレーや半導体リレーなど）が挿入されている。

また、実施形態におけるネットワークシステム１は、上位ノード、中位ノード、及び下位ノードを備える。上位ノードは、一例として、各種の車両制御機能のための演算を集約的に実行する比較的高機能なＥＣＵである。下位ノードは、一例として、センサ又はアクチュエータ、あるいはこれらを個別制御する比較的特化した機能を有するＥＣＵである。中間ノードは、一例として、上位ノードと下位ノードとの間の通信を中継するゲートウェイとして機能するＥＣＵである。

ネットワークシステム１は、上位ノードとして上位装置１０を設ける。また、上位装置１０の配下には、１つ以上の中位ノードである中間装置が例えばツリー型の接続トポロジで接続される。すなわち、図１に示す例においては、第１中間装置２１及び第２中間装置２２が、それぞれ上位装置１０と接続される。

上位装置１０は、第１通信系統及び第２通信系統の通信機能を有しており、第１通信系統の通信を行う第１系統通信部１１及び第２通信系統の通信を行う第２系統通信部１２を含む。この第１系統通信部１１及び第２通信系統は、一例として、それぞれ電源ＩＣ、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）、及びイーサネット（登録商標）スイッチ（ＳＷ）などを含んで構成される。

上位装置１０は、第１電源系統５１に電源線１１１で接続され、第２電源系統５２に電源線１２１で接続される。上位装置１０は、電源線１１１を介して第１電源系統５１から供給される電力で第１系統通信部１１を動作させ、所定の第１通信系統の処理を実行してその結果を通信線２１１を介して第１中間装置２１に出力する。また、上位装置１０は、電源線１２１を介して第２電源系統５２から供給される電力で第２系統通信部１２を動作させ、所定の第２通信系統の処理を実行してその結果を通信線２２１を介して第２中間装置２２に出力する。

第１中間装置２１及び第２中間装置２２の配下には、１つ以上の下位ノードである下位装置がそれぞれ接続される。すなわち、図１に示す例においては、第１下位装置３１、第３下位装置３３、及び第５下位装置３５が、第１中間装置２１と接続され、第２下位装置３２、第４下位装置３４、及び第５下位装置３５が、それぞれ第２中間装置２２と接続される。

第１中間装置２１及び第２中間装置２２は、それぞれ、上位装置１０と各下位装置との間の通信及び電力供給を中継するゲートウェイとして機能し、一例として、電源ＩＣ、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）、イーサネットスイッチ（ＳＷ）、及びＣＡＮ（Controller Area Network）トランシーバ（ＣＡＮ）などを含んで構成される。

第１中間装置２１は、第１電源系統５１に電源線１１２で接続される。第１中間装置２１は、電源線１１２を介して第１電源系統５１から供給される電力を、電源線１１３を介して第１下位装置３１及び第５下位装置３５へ、電源線１１４を介して第３下位装置３３へそれぞれ供給する。また、第１中間装置２１は、電源線１１２を介して第１電源系統５１から供給される電力で所定の第１通信系統の処理を実行し、その結果を通信線２１２を介して第１下位装置３１、第３下位装置３３、及び第５下位装置３５に出力する。

第２中間装置２２は、第２電源系統５２に電源線１２２で接続される。第２中間装置２２は、電源線１２２を介して第２電源系統５２から供給される電力を、電源線１２３を介して第２下位装置３２及び第５下位装置３５へ、電源線１２４を介して第４下位装置３４へそれぞれ供給する。また、第２中間装置２２は、電源線１２２を介して第２電源系統５２から供給される電力で所定の第２通信系統の処理を実行し、その結果を通信線２２２を介して第２下位装置３２、第４下位装置３４、及び第５下位装置３５に出力する。

各下位装置３１～３５は、例えば、センサ又はアクチュエータや、これらを個別制御する比較的特化した機能を有するＥＣＵである。本実施形態において、第１下位装置３１と第２下位装置３２とは、異常時などにおいてフェールオペレーションが要求される機能を実現するための装置であって、冗長性を有する関係にある。ここで、冗長性を有する関係とは、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）や電動ブレーキ（ＥＢＳ）など全く同じ機能を有した構成を物理的に２つ設けた関係であってもよいし、Ｒａｄｅｒ（Radio detection and Ranging）方式のセンサとＬｉｄａｒ（Laser Imaging Detection and Ranging）方式のセンサとのように、互いに相手の機能を代替することが可能な関係とすることができる。また、第５下位装置３５は、単一の構成で冗長性を有する装置であり、第１電源系統５１から供給される電力でも第２電源系統５２から供給される電力でも動作可能なように構成されている。

以上の各装置は、典型的にはプロセッサ又はマイコンのような制御部及びメモリを含んで構成されるが、下位装置の中には、センサやアクチュエータを含むもの、制御部又はメモリを含まないものがあってもよい。

なお、上位装置１０と第１中間装置２１とは、あいだに他の中間装置を１つ以上介して接続されてもよいが、この他の中間装置は全て第１電源系統５１から電力供給される構成とする。また、上位装置１０と第２中間装置２２とは、あいだに他の中間装置を１つ以上介して接続されてもよいが、この他の中間装置は全て第２電源系統５２から電力供給される構成とする。

また、第１下位装置３１及び第３下位装置３３の電力は、第１中間装置２１からの供給ではなく、第１電源系統５１から直接供給されてもよいし、第２下位装置３２及び第４下位装置３４の電力は、第２中間装置２２からの供給ではなく、第２電源系統５２から直接供給されてもよい。また、第５下位装置３５の電力は、それぞれ第１中間装置２１及び第２中間装置２２からの供給ではなく、第１電源系統５１及び第２電源系統５２の一方又は双方から直接供給されてもよい。

＜状態＞
次に、本実施形態に係るネットワークシステム１において、一方の電源系統に失陥が発生したときの状態を説明する。図２は、第１電源系統５１が地絡した場合のネットワークシステム１の状態を示す図である。

このように、第１電源系統５１が地絡した場合では、上位装置１０の第１系統通信部１１、第１中間装置２１、第１下位装置３１、第３下位装置３３、及び第５下位装置３５の第１電源系統入力端への電力供給が行われず、その結果第１系統通信部１１、第１中間装置２１、第１下位装置３１、及び第３下位装置３３の動作（第１系統通信）が停止する（図２の薄い細線箇所）。一方、第２電源系統５２は地絡の影響が及ばないため、上位装置１０の第２系統通信部１２、第２中間装置２２、第２下位装置３２、第４下位装置３４、及び第５下位装置３５の第２電源系統入力端へ電力が継続して供給されて、これらの動作（第２系統通信）は維持される（図２の濃い実線箇所）。

＜作用・効果＞
以上のように、本発明の一実施形態に係るネットワークシステム１によれば、２つの電源系統を冗長的に有する電源システムを備え、冗長化された２つの下位装置を、異なる電源系統から電力の供給を受ける２つの中間装置の配下にそれぞれ設け、各下位装置へは接続された中間装置と同じ電源系統からそれぞれ電力を供給する構成にする。

この構成により、一方の電源系統に失陥が生じても、他方の電源系統の電力によって冗長構成のいずれかの装置の動作を維持することができ、フェールオペレーションに要求される機能を発揮することができる。

また、複数の中間装置の電源系統を２つに分離する構成を採用することで、冗長化が必要な下位装置が増加する場合でも、構成を複雑化させることなく、容易に冗長構成をとることができる。また、冗長化が必要な単一構成の下位装置についても、電源系統を異にする中間装置からそれぞれ電力供給を受けられるように構成すれば、電源系統に失陥などの異常時におけるフェールオペレーションに要求される機能を発揮することができる。

また、各下位装置への電力供給を、電源系統の幹線から直接行うのではなく、当該装置に接続された中間装置から行う構成とすることにより、ワイヤハーネス（Ｗ／Ｈ）の設計自由度が高くなり、個々の車両に適したＷ／Ｈを最適に設計することができる。

また、第１系統通信を行う上位装置、中間装置、及び下位装置の全てを一方の電源系統に接続し、第２系統通信を行う上位装置、中間装置、及び下位装置の全てを他方の電源系統に接続するため、一方の電源系統の失陥によって一方の系統通信が途絶しても、他方の系統通信による上位装置から中間装置を中継した下位装置までの通信が途絶えることがない。従って、電源系統失陥の対策として、上位装置と下位装置とを制御のために専用通信線で繋げなくてよいため、上位装置を車種ごとに個別に設計する必要がなくなる。

［変形例］
図３に、本実施形態の変形例に係るネットワークシステム２の概略図を示す。本変形例におけるネットワークシステム２は、上記本実施形態に係るネットワークシステム１の第１中間装置２１及び第２中間装置２２を、それぞれ第１中間装置２３及び第２中間装置２４に代えた構成である。

第１中間装置２３は、第１中間装置２１に対して、第１電源系統５１に接続される電源線１１２と第１下位装置３１及び第５下位装置３５に接続される電源線１１３との間に、デバイスＴ１を設け、第１電源系統５１に接続される電源線１１２と第３下位装置３３に接続される電源線１１４との間に、デバイスＴ２を設けたことが異なる。

第２中間装置２４は、第２中間装置２２に対して、第２電源系統５２に接続される電源線１２２と第２下位装置３２及び第５下位装置３５に接続される電源線１２３との間に、デバイスＴ３を設け、第２電源系統５２に接続される電源線１２２と第４下位装置３４に接続される電源線１２４との間に、デバイスＴ４を設けたことが異なる。

各デバイスＴ１～Ｔ４は、上位装置１０又は図示しない制御装置などの指示に基づいて導通又は遮断の状態を切り替え可能なスイッチングデバイスである。このデバイスＴ１～Ｔ４には、一例として電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などの半導体素子を用いることができる。なお、ＭＯＳＦＥＴを用いる場合には、ソース－ドレイン間に形成されるボディダイオードの整流方向を逆にして直列接続した２つのトランジスタをデバイスＴ１～Ｔ４として用いてもよい。

デバイスＴ１～Ｔ４は、通常は導通状態に制御されており、第１中間装置２１から第１下位装置３１、第３下位装置３３、及び第５下位装置３５に第１電源系統５１の電力が供給され、第２中間装置２２から第２下位装置３２、第４下位装置３４、及び第５下位装置３５に第２電源系統５２の電力が供給される。そして、このデバイスＴ１～Ｔ４は、予め定められた場面において遮断状態に制御される。

例えば、図２に示した第１電源系統５１の電源が失陥すると、第２下位装置３２及び第５下位装置３５によってフェールオペレーションが実行されるが、このフェールオペレーション中には第４下位装置３４の処理が必要ない場合もあり得る。この場合、フェールオペレーション中も第４下位装置３４を実行させていたのでは、第２バッテリ５５の電力が無駄に消費される。そこで、本変形例に係るネットワークシステム２では、このような場面では、デバイスＴ３を導通状態に、かつ、デバイスＴ４を遮断状態に制御する。

このように、本変形例に係るネットワークシステム２によれば、中間装置にデバイスＴ１～Ｔ４を用いることで、フェールオペレーションを安全に実行しつつ、電力消費を削減することができる。電力消費を削減することができるので、バッテリの容量を増大させるための設計変更やコストアップを回避できることが期待される。

なお、デバイスＴ１～Ｔ４は、ヒューズの機能を兼ね備えているため、図３に示した第１中間装置２１及び第２中間装置２２に内蔵される一部又は全部のヒューズを省くことができる。

［応用例］
変形例で示したデバイスＴ１～Ｔ４を用いた構成を、冗長的な電源系統を有さない電源システムを備えたネットワークシステムに適用した応用例を説明する。

図４に、本応用例に係るネットワークシステム３の概略図を示す。本応用例におけるネットワークシステム３は、電源システム５０として、第１バッテリ５４を電源として電力供給が行われる電源系統５１のみを有している。従って、上位装置、中間装置、及び下位装置の全てが電源系統５１から電力供給を受ける。

この本応用例に係るネットワークシステム３では、電源系統５１の電源が失陥した場合に、冗長性が必要な下位装置によるフェールオペレーションは実現できないが、電力消費を削減することができる。

例えば、第１下位装置３１と第２下位装置３２とが自動運転時に必要な冗長構成である場合には、ドライバが運転権限を有する手動運転による車両走行中にデバイスＴ３を遮断状態に制御して第２下位装置３２を非動作にする。これにより、電源系統に何ら異常がない通常の手動走行時において、第２下位装置３２で不必要に消費される電力を削減することができる。

このようなネットワークシステム３は、「上位装置と、前記上位装置と通信可能に接続され、遮断制御可能な第１デバイスを介して第１下位装置への電力供給を制御する第１中間装置と、前記上位装置と通信可能に接続され、遮断制御可能な第２デバイスを介して前記第１下位装置の冗長構成である第２下位装置への電力供給を制御する第２中間装置と、を備える、ネットワークシステム」と表現することができる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、ネットワークシステムだけでなくネットワークシステムに含まれる装置のような車載装置、プロセッサとメモリを備えた車載装置が実行する制御方法、制御プログラム、制御プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な非一時的な記憶媒体、ネットワークシステムを備えた車両等として捉えることが可能である。また、本発明は、車両に搭載されるネットワークシステム以外のネットワークシステムにも適用できる。

本発明は、車両等に搭載されるネットワークシステムに有用である。

１、２、３ ネットワークシステム
１０ 上位装置
１１、１２ 系統通信部
２１～２４ 中間装置
３１～３５ 下位装置
５０ 電源システム
５１、５２ 電源系統
５３ リレー
５４、５５ バッテリ
１１１～１１４、１２１～１２４ 電源線
２１１、２１２、２２１、２２２ 通信線
Ｔ１～Ｔ４ デバイス

Claims (2)

1. 第１電源系統及び第２電源系統を冗長的に備えた電源システムと、
   前記第１電源系統の電源及び前記第２電源系統の電源が接続される上位装置と、
   前記上位装置と通信可能に接続され、前記第１電源系統の電源のみが接続され、第１下位装置への電力供給を制御する第１中間装置と、
   前記上位装置と通信可能に接続され、前記第２電源系統の電源のみが接続され、前記第１下位装置の冗長構成である第２下位装置への電力供給を制御する第２中間装置と、を備える、
   ネットワークシステム。
2. 前記第１中間装置は、遮断制御可能な第１デバイスを介して前記第１下位装置を含む複数の下位装置に電力を供給し、
   前記第２中間装置は、遮断制御可能な第２デバイスを介して前記第２下位装置を含む複数の下位装置に電力を供給し、
   前記上位装置は、
   前記第１電源系統が失陥した場合、前記第２デバイスを制御して、動作が不要な前記下位装置に対して電力供給を停止し、
   前記第２電源系統が失陥した場合、前記第１デバイスを制御して、動作が不要な前記下位装置に対して電力供給を停止する、
   請求項１に記載のネットワークシステム。

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