JP7364380B2

JP7364380B2 - 電源装置及び切替モジュール

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Publication number: JP7364380B2
Application number: JP2019133781A
Authority: JP
Inventors: 淳 ▲高▼橋
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2023-10-18
Anticipated expiration: 2039-07-19
Also published as: JP2021017132A

Description

本発明は、電源装置及び切替モジュールに関する。

上述した電源装置として、発電機と、鉛蓄電池（メインバッテリ）と、リチウム蓄電池（サブバッテリ）と、発電機及び鉛蓄電池とリチウム電池との間に設けたＦＥＴ（スイッチ）と、を備えたものが提案されている（特許文献１）。なお、上述したＦＥＴよりもリチウム蓄電池側には、負荷が接続される。

特許文献１の電源装置によれば、発電機が回生エネルギにより回生発電している時にＦＥＴをオンして、回生発電していないときにＦＥＴをオフしている。これにより、回生エネルギにより発電機が発電した電力は、充電効率の高いリチウム蓄電池により充電される。これに対して、回生発電していないときにＦＥＴをオフして、リチウム蓄電池の蓄電量を低下させて回生発電時における回生発電回収量の増大を図ることができる。

特開２０１１－２３０６１８号公報

上述したスイッチ－リチウム蓄電池間、リチウム蓄電池－負荷間は、ワイヤハーネスにより接続されている。ワイヤハーネスにはインダクタンス成分があるため、ＦＥＴをオフすると、このインダクタンス成分の逆起電力により負荷に対する電源電圧が急激に低下する、という問題があった。

そこで、ＦＥＴのゲート信号の立ち上がりを緩やかにすることで、ＦＥＴのオフ時の電圧低下を防止することが考えられる。しかしながら、この場合、鉛蓄電池のショートなどの鉛蓄電池側の急激な電圧低下時にＦＥＴを瞬時に遮断できず、負荷に対する電源電圧が一時的に低下してしまう。また、ゲート信号の立ち上がりが緩やかだとハーフオンの期間が長くなりＦＥＴの放熱が大きくなるため放熱板を大きくする必要がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、スイッチのオフに伴うサブバッテリ側の負荷に対する電源電圧の低下を抑制することができる電源装置及び切替モジュールを提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る電源装置及び切替モジュールは、下記［１］～［３］を特徴としている。
［１］
発電機と、
前記発電機による発電電力を充電可能なメインバッテリと、
前記メインバッテリに対して並列接続されたサブバッテリと、
前記発電機及び前記メインバッテリと前記サブバッテリとの間に設けられ、前記発電機及び前記メインバッテリと前記サブバッテリとの通電及び遮断を切り替えるスイッチと、
を備えた電源装置であって、
前記スイッチよりも前記サブバッテリ側に設けられ、前記サブバッテリと並列接続されたコンデンサを更に備え、
前記サブバッテリは、前記メインバッテリの両端電圧が供給され、
前記コンデンサ、前記スイッチと前記サブバッテリとを接続するワイヤハーネスのインダクタンス成分、及び、前記サブバッテリと前記サブバッテリに電源供給される負荷との間を接続するワイヤハーネスのインダクタンス成分、からなるローパスフィルタのカットオフ周波数が、前記スイッチのオフ時の前記負荷への電源供給の電圧低下期間を周期とする周波数よりも小さく設定されている、
電源装置であること。
［２］
［１］に記載の電源装置であって、
前記コンデンサは、前記スイッチ及び前記サブバッテリ間に設けられている、
電源装置であること。
［３］
発電機及び該発電機による発電電力を充電可能なメインバッテリと、前記メインバッテリに対して並列接続されたサブバッテリと、の間に設けられ、前記発電機及び前記メインバッテリと前記サブバッテリとの通電及び遮断を切り替えるスイッチを備えた切替モジュールであって、
前記スイッチ及び前記サブバッテリ間に前記サブバッテリと並列接続されたコンデンサを更に備え、
前記サブバッテリは、前記メインバッテリの両端電圧が供給され、
前記コンデンサ、前記スイッチと前記サブバッテリとを接続するワイヤハーネスのインダクタンス成分、及び、前記サブバッテリと前記サブバッテリに電源供給される負荷との間を接続するワイヤハーネスのインダクタンス成分、からなるローパスフィルタのカットオフ周波数が、前記スイッチのオフ時の前記負荷への電源供給の電圧低下期間を周期とする周波数よりも小さく設定されている、
切替モジュールであること。

上記［１］及び［３］の構成の電源装置及び切替モジュールによれば、コンデンサを、スイッチよりもサブバッテリ側に設け、サブバッテリと並列接続させている。これにより、スイッチがオフされた直後にコンデンサでサブバッテリ側の負荷に対する電源電圧を保持させて、スイッチのオフに伴うサブバッテリ側の負荷に対する電源電圧の低下を抑制することができる。
上記［２］及び［３］の構成の電源装置及び切替モジュールによれば、スイッチ及びコンデンサをメインバッテリ及びサブバッテリ間に設ける。これにより、スイッチ及びコンデンサを一体にした切替モジュールとして設けることができ、別々に設ける必要がない。

本発明によれば、スイッチのオフに伴うサブバッテリ側の負荷に対する電源電圧の低下を抑制することができる電源装置及び切替モジュールを提供できる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、本発明の切替モジュールを組み込んだ電源装置の一実施形態を示す回路図である。図２（Ａ）～（Ｃ）は各々、図１に示すスイッチに供給するゲート信号、図１に示すコンデンサがない電源装置における負荷に対する電源電圧、図１に示す電源装置における負荷に対する電圧のタイムチャートである。図３は、本発明の切替モジュールを組み込んだ電源装置の他の実施形態を示す回路図である。

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

本実施形態にかかる電源装置は、車両に搭載される。図１に示すように、電源装置１は、オルタネータ（発電機）１１と、鉛バッテリ（メインバッテリ）１２と、Ｌｉバッテリ（サブバッテリ）１３と、切替モジュール１４と、負荷１５と、マイクロコンピュータ（以下、マイコン）１６と、を備えている。

これら鉛バッテリ１２、Ｌｉバッテリ１３及び負荷１５は、オルタネータ１１に対して並列に接続されている。オルタネータ１１は、クランク軸の回転エネルギにより発電するものである。このクランク軸の回転エネルギは、車両に搭載されたエンジンにより与えられる。また、本実施形態の電源装置１が搭載される車両は、回生エネルギによりオルタネータ１１のクランク軸を回転させて発電させる、減速回生を行っている。

鉛バッテリ１２は、周知の汎用バッテリである。具体的には、鉛バッテリ１２は、正極活物質が二酸化鉛（ＰｂＯ_２）、負極活物質が鉛（Ｐｂ）、電解液が硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）である。そして、これらのバッテリから構成された複数の電池セルを直列接続して構成されている。なお、鉛バッテリ１２の容量は、Ｌｉバッテリ１３の容量よりも大きく設定している。

Ｌｉバッテリ１３は、正極活物質がリチウムを含む酸化物（リチウム金属複合酸化物）が用いられており、具体例としては、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＦｅＰＯ_４等が挙げられる。Ｌｉバッテリ１３は、負極活物質がカーボン（Ｃ）やグラファイト、チタン酸リチウム（例えば、Ｌｉ_ｘＴｉＯ_２）、Ｓｉ又はＳｕを含有する合金等が用いられている。Ｌｉバッテリ１３の負極活物質には有機電解液が用いられている。

切替モジュール１４は、オルタネータ１１及び鉛バッテリ１２と、Ｌｉバッテリ１３と、の間に配置されている。切替モジュール１４は、ＦＥＴＱ（スイッチ）と、コンデンサＣと、これらＦＥＴＱ及びコンデンサＣが搭載された基板（図示せず）と、を有している。ＦＥＴＱは、オルタネータ１１及び鉛バッテリ１２と、Ｌｉバッテリ１３と、の間に設けられ、オルタネータ１１及び鉛バッテリ１２に対するＬｉバッテリ１３の通電（オン）と遮断（オフ）を切り替える。

詳しく説明すると、ＦＥＴＱは、ソースが鉛バッテリ１２に接続され、ドレインがＬｉバッテリ１３に接続され、その寄生ダイオードの順方向が鉛バッテリ１２からＬｉバッテリ１３に向かうように、鉛バッテリ１２及びＬｉバッテリ１３間に設けられている。ＦＥＴＱのゲートへのゲート信号はマイコン１６により制御される。つまり、マイコン１６は、ＦＥＴＱのオンオフを制御する。コンデンサＣは、ＦＥＴＱ１及びＬｉバッテリ１３間に設けられ、Ｌｉバッテリ１３と並列接続されている。これらＦＥＴＱ及びコンデンサＣは同一の基板（図示せず）に搭載され、切替モジュール１４として一体に設けられている。

負荷１５は、一端がＦＥＴＱとＬｉバッテリ１３との間に接続され、他端がグランドに接続されている。これにより、ＦＥＴＱがオフのときはＬｉバッテリ１３から負荷１５に対して電源供給が行われる。負荷１５の具体例としてはナビゲーション装置やオーディオ装置が挙げられる。この負荷１５に対する電源電圧Ｖが瞬間的にでも最低動作電圧より低下するとナビゲーション装置等の負荷１５の動作がリセットする不具合が生じる。そこで、負荷１５へ供給される電源電圧Ｖは、最低動作電圧よりも低下することのない一定の値に安定していることが要求される。

マイコン１６は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵを有する周知のコンピュータであり、電源装置１全体の制御を司る。マイコン１６は、オルタネータ１１の回生発電中にＦＥＴＱをオン制御する。これにより、オルタネータ１１により回生発電された電力が、充電効率の高いＬｉバッテリ１３に充電される。また、ＦＥＴＱがオン制御されている間、オルタネータ１１及び鉛バッテリ１２からの電力が負荷１５に対して供給される。

これに対して、マイコン１６は、オルタネータ１１が回生発電していないときにＦＥＴＱをオフ制御する。これにより、オルタネータ１１及び鉛バッテリ１２からＬｉバッテリ１３への電力が遮断されて、Ｌｉバッテリ１３への充電が停止される。また、ＦＥＴＱがオフ制御されると、Ｌｉバッテリ１３からの電力が負荷１５に供給され始める。このため、Ｌｉバッテリ１３の蓄電量を低下させ、次の回生発電時における回生発電回収量の増大を図ることができる。また、マイコン１６は、鉛バッテリ１２のショート検出時にもＦＥＴＱをオフする。

次に、ＦＥＴＱをオンからオフにしたときの負荷１５に供給される電源電圧Ｖの変化について図２を参照して以下説明する。上述した切替モジュール１４とＬｉバッテリ１３とはワイヤハーネスＷ／Ｈ１を介して接続されている。また、Ｌｉバッテリ１３と負荷１５とはワイヤハーネスＷ／Ｈ２を介して接続されている。

ワイヤハーネスＷ／Ｈ１、Ｗ／Ｈ２にはインダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２が含まれる。そして、ＦＥＴＱをオフすると、オルタネータ１１及び鉛バッテリ１２から負荷１５に流れる電流が遮断され、Ｌｉバッテリ１３から負荷１５に電流が流れ始める。Ｌｉバッテリ１３は、化学反応を利用して電荷を蓄えているため、すぐに給電できず、負荷１５に供給される電流が下がる。この電流変動によりインダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２に逆起電力が発生して、図２（Ｂ）に示すように、負荷１５に対する電源電圧Ｖが低下してしまう。

これに対して、本実施形態では、コンデンサＣをＬｉバッテリ１３に並列に接続している。コンデンサＣは、化学反応を伴わず電荷がたまっているため、ＦＥＴＱをオフするとすぐに負荷１５に対して電流を供給するため、電流が変動せずにインダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２の逆起電力の発生を抑制する。そして、図２（Ｃ）に示すように、負荷１５に対する電源電圧Ｖの低下を抑制することができる。

次に、コンデンサＣの容量について考える。ＦＥＴＱのオフ時の電圧低下期間Ｔは、下記の式（１）で表すことができる。
Ｔ［ｓ］＝（Ｌ［Ｈ］×Ｉ［Ａ］）／Ｖ［Ｖ］ …（１）
Ｔ：電圧低下期間、Ｌ：ＦＥＴＱ－負荷１５間のリアクタンス（＝Ｌ１＋Ｌ２）、Ｉ：負荷１５に供給される電流、Ｖ：負荷１５に対する電源電圧

例えば、Ｌ＝５［μＨ］（ワイヤハーネスＷ／Ｈ１、Ｗ／Ｈ２の１ｍ当たりのリアクタンスを１［μＨ］、ＦＥＴＱ－負荷１５間のワイヤハーネス長を５ｍした場合）、Ｉ＝最大１００［Ａ］、Ｖ＝最大１５［Ｖ］とすると、Ｔ＝最大３０μｓとなる。コンデンサＣは、この電圧低下期間Ｔに電圧を保持できる容量を算出する。

上記コンデンサＣは、ワイヤハーネスＷ／Ｈ１、Ｗ／Ｈ２のインダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２とともにローパスフィルタを構成する。このローパスフィルタにより、上記電圧低下期間Ｔを周期とする周波数ｆ＝３３．３［ｋＨｚ］を遮断できるように、コンデンサＣの容量に設定すればよい。即ち、コンデンサＣ、インダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２からなるローパスフィルタのカットオフ周波数ｆｃを上記ｆ＝３３．３［ｋＨｚ］よりも小さく設定すればよい。例えば、ｆｃ＝５［ｋＨｚ］に設定すると、Ｃ＝２２０［μＦ］以上で負荷１５への電源電圧Ｖの低下を防止することができる。

上述した実施形態によれば、コンデンサＣを、ＦＥＴＱよりもＬｉバッテリ１３側に設け、Ｌｉバッテリ１３と並列接続させている。これにより、ＦＥＴＱがオフされた直後にコンデンサＣでＬｉバッテリ１３側の負荷１５に対する電源電圧Ｖを保持させて、ＦＥＴＱのオフに伴うＬｉバッテリ１３側の負荷１５に対する電源電圧Ｖの低下を抑制することができる。このため、ＦＥＴＱのゲート信号を緩やかに立ち上げなくてもよく、ＦＥＴＱのゲートに接続される抵抗Ｒを小さくして、ＦＥＴＱを高速にオンオフすることができる。これにより、マイコン１６が鉛バッテリ１２のショート等の鉛バッテリ１２側の急激な電圧低下を検出した際に、ＦＥＴＱを瞬時に遮断することができ、このときの負荷１５に対する電源電圧Ｖの低下を抑制することができる。

また、上述した実施形態によれば、ＦＥＴＱ及びコンデンサＣを鉛バッテリ１２及びＬｉバッテリ１３間に設けることができ、ＦＥＴＱ及びコンデンサＣを一つの基板上にまとめることができ、別々の場所に設けて、別々に接続する必要がない。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

上述した実施形態によれば、ＦＥＴＱとＬｉバッテリ１３との間にコンデンサＣを設けていたが、これに限ったものではない。図３に示すように、Ｌｉバッテリ１３と負荷１５との間にＬｉバッテリ１３に並列にコンデンサＣを設けてもよい。

ここで、上述した本発明に係る電源装置及び切替モジュールの実施形態の特徴をそれぞれ以下［１］～［３］に簡潔に纏めて列記する。
［１］
発電機（１１）と、
前記発電機（１１）による発電電力を充電可能なメインバッテリ（１２）と、
前記メインバッテリ（１２）に対して並列接続されたサブバッテリ（１３）と、
前記発電機（１１）及び前記メインバッテリ（１２）と前記サブバッテリ（１３）との間に設けられ、前記発電機（１１）及び前記メインバッテリ（１２）と前記サブバッテリ（１３）との通電及び遮断を切り替えるスイッチ（Ｑ）と、
を備えた電源装置（１）であって、
前記スイッチ（Ｑ）よりも前記サブバッテリ（１３）側に設け、前記サブバッテリ（１３）と並列接続されたコンデンサ（Ｃ）を更に備えた、
電源装置（１）。
［２］
［１］に記載の電源装置（１）であって、
前記コンデンサ（Ｃ）は、前記スイッチ（Ｑ）及び前記サブバッテリ（１３）間に設けられている、
電源装置（１）。
［３］
発電機（１１）及び該発電機（１１）による発電電力を充電可能なメインバッテリ（１２）と、前記メインバッテリ（１２）に対して並列接続されたサブバッテリ（１３）と、の間に設けられ、前記発電機（１１）及び前記メインバッテリ（１２）と前記サブバッテリ（１３）との通電及び遮断を切り替えるスイッチ（Ｑ）を備えた切替モジュール（１４）であって、
前記スイッチ（Ｑ）及び前記サブバッテリ（１３）間に前記サブバッテリ（１３）と並列接続されたコンデンサ（Ｃ）を更に備えた、
切替モジュール（１４）。

１電源装置
１１オルタネータ（発電機）
１２鉛バッテリ（メインバッテリ）
１３Ｌｉバッテリ（サブバッテリ）
１４切替モジュール
Ｃコンデンサ
ＱＦＥＴ（スイッチ）

Claims

発電機と、
前記発電機による発電電力を充電可能なメインバッテリと、
前記メインバッテリに対して並列接続されたサブバッテリと、
前記発電機及び前記メインバッテリと前記サブバッテリとの間に設けられ、前記発電機及び前記メインバッテリと前記サブバッテリとの通電及び遮断を切り替えるスイッチと、
を備えた電源装置であって、
前記スイッチよりも前記サブバッテリ側に設けられ、前記サブバッテリと並列接続されたコンデンサを更に備え、
前記サブバッテリは、前記メインバッテリの両端電圧が供給され、
前記コンデンサ、前記スイッチと前記サブバッテリとを接続するワイヤハーネスのインダクタンス成分、及び、前記サブバッテリと前記サブバッテリに電源供給される負荷との間を接続するワイヤハーネスのインダクタンス成分、からなるローパスフィルタのカットオフ周波数が、前記スイッチのオフ時の前記負荷への電源供給の電圧低下期間を周期とする周波数よりも小さく設定されている、
電源装置。
請求項１に記載の電源装置であって、
前記コンデンサは、前記スイッチ及び前記サブバッテリ間に設けられている、
電源装置。
発電機及び該発電機による発電電力を充電可能なメインバッテリと、前記メインバッテリに対して並列接続されたサブバッテリと、の間に設けられ、前記発電機及び前記メインバッテリと前記サブバッテリとの通電及び遮断を切り替えるスイッチを備えた切替モジュールであって、
前記スイッチ及び前記サブバッテリ間に前記サブバッテリと並列接続されたコンデンサを更に備え、
前記サブバッテリは、前記メインバッテリの両端電圧が供給され、
前記コンデンサ、前記スイッチと前記サブバッテリとを接続するワイヤハーネスのインダクタンス成分、及び、前記サブバッテリと前記サブバッテリに電源供給される負荷との間を接続するワイヤハーネスのインダクタンス成分、からなるローパスフィルタのカットオフ周波数が、前記スイッチのオフ時の前記負荷への電源供給の電圧低下期間を周期とする周波数よりも小さく設定されている、
切替モジュール。