WO2017110497A1

WO2017110497A1 - 車載電源システム

Info

Publication number: WO2017110497A1
Application number: PCT/JP2016/086545
Authority: WO
Inventors: 正直島▲崎▼
Original assignee: カルソニックカンセイ株式会社
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2017-06-29
Also published as: JP2017114439A

Abstract

開閉手段が誤ってオンになることのない車載電源システムを提供する。　車載電源システム（１０）は、スイッチ制御部（４ａ）と、スイッチ制御部（４ａ）によって制御されるスイッチング素子（４ｃ）と、スイッチング素子（４ｃ）のソースとゲートとの間に接続された抵抗（Ｒａ）と、スイッチ制御部（４ａ）とスイッチング素子（４ｃ）との間に接続された第１トランジスタ（Ｔ１）と、第１トランジスタ（Ｔ１）のオンとオフとを制御可能な制御部（６）と、を有し、制御部（６）は、クランキングを検出したときに第１トランジスタ（Ｔ１）をオフにする。

Description

車載電源システム

関連出願へのクロスリファレンス

　本出願は、日本国特許出願２０１５－２５４７９９号（２０１５年１２月２５日出願）の優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。

　本発明は車載電源システムに関する。

　従来から、車載の鉛蓄電池とリチウムイオン電池との通電および遮断を切り替える開閉手段への電力供給を鉛蓄電池で行う車載電源装置が知られている（例えば特許文献１および２）。

特開２０１１－０７８１４７号公報特開２０１１－１７６９５８号公報

　ここで、エンジン始動時（クランキング時）に、開閉手段として使用しているＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のソース電位が瞬低し、当該ＭＯＳＦＥＴが誤ってオンになる可能性がある。

　かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、開閉手段が誤ってオンになることのない車載電源システムを提供することにある。

　上記課題を解決するために本発明の第１の観点に係る車載電源システムは、
　スイッチ制御部と、
　前記スイッチ制御部によって制御されるスイッチング素子と、
　前記スイッチング素子のソースとゲートとの間に接続された抵抗と、
　前記スイッチ制御部と前記スイッチング素子との間に接続された第１トランジスタと、
　前記第１トランジスタのオンとオフとを制御可能な制御部と、
　を有し、
　前記制御部は、クランキングを検出したときに前記第１トランジスタをオフにすることが好ましい。

　上記課題を解決するために本発明の第２の観点に係る車載電源システムは、
　前記制御部に接続されたＰＮＰ型の第２トランジスタと、前記第２トランジスタおよび前記第１トランジスタの間に接続されたＮＰＮ型の第４トランジスタと、さらに有し、
　前記制御部は、ＨＩ信号を出力することによって前記第２トランジスタ、前記第４トランジスタおよび前記第１トランジスタをオフにすることが好ましい。

　上記課題を解決するために本発明の第３の観点に係る車載電源システムは、
　前記スイッチング素子のソースとゲートとの間に接続されたツェナーダイオードをさらに有することが好ましい。

　上記課題を解決するために本発明の第４の観点に係る車載電源システムは、
　前記スイッチング素子のゲートに接続されたゲート前抵抗をさらに有することが好ましい。

　本発明の第１の観点に係る車載電源システムによれば、開閉手段が誤ってオンになることはない。

　本発明の第２の観点に係る車載電源システムによれば、増幅効果を得ることができる。

　本発明の第３の観点に係る車載電源システムによれば、スイッチング素子のソースとゲートとの間に過電圧がかかることを防止することができる。

　本発明の第４の観点に係る車載電源システムによれば、スイッチング素子のゲートで突入電流が発生することを防止することができる。

本発明の実施形態に係る車載電源システムの概略構成を示す機能ブロック図である。図１の制御部が実行する動作フローを示す図である。本発明の変形例に係る車載電源システムの概略構成を示す機能ブロック図である。

　はじめに図１を参照して、本発明の実施形態に係る車載電源システム１０の概略構成を説明する。図１の実線は電力ラインを示し、破線は情報伝達ラインを示す。車載電源システム１０は、例えばハイブリッド車（ＨＥＶ車）等の車両に搭載される。車載電源システム１０の概略構成を説明するが、車載電源システム１０の他の機能を排除したものではないことに留意されたい。

　車載電源システム１０は、少なくともスイッチ４および制御部６を有する。車載電源システム１０はさらに、第１蓄電池１、第２蓄電池２、負荷３および整流素子５を有してもよい。

　第１蓄電池１は、例えばリチウムイオン電池である。第１蓄電池１はまた、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池等、鉛蓄電池以外の１以上の二次電池（セル）が直列に接続されて構成されてもよい。第１蓄電池１のプラス端子はスイッチ制御部４ａおよびスイッチング素子４ｃと接続され、マイナス端子はグランドに接続される。第１蓄電池１は後述するスイッチング素子４ｃが通電してオンになっているとき、負荷３に対して電力を供給可能である。第１蓄電池１はまた、エンジン駆動（アイドリング）の停止中に、補機およびＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）等に対して電力を供給可能である。第１蓄電池１は第２蓄電池２と並列接続される。

　第２蓄電池２は、例えば鉛蓄電池である。第２蓄電池２は第１蓄電池１と同じ電圧であっても異なる電圧であってもよいが、異なる電圧である場合はＤＣ／ＤＣコンバータを用いる。第２蓄電池２のプラス端子はスイッチ制御部４ａおよびスイッチング素子４ｃと接続され、マイナス端子はグランドに接続される。第２蓄電池２は、負荷３に対して電力を供給可能である。第２蓄電池２は第１蓄電池１と並列接続される。

　負荷３は、例えば車両に備えられたオーディオ、エアコンおよびナビゲーションシステム等である。負荷３の一端はスイッチ４および第２蓄電池２に接続され、もう一端はグランドに接続される。負荷３は、エンジン駆動の停止中に第１蓄電池１及び第２蓄電池２から電力供給を受けて動作し、エンジン駆動中にオルタネータ、第１蓄電池１および第２蓄電池２から電力供給を受けて動作する。

　スイッチ４は、スイッチ制御部４ａと、トランジスタ制御部４ｂと、スイッチ制御部４ａにより開閉されるスイッチング素子４ｃと、第１トランジスタＴ１乃至第６トランジスタＴ６を有し、電気駆動する。

　スイッチ制御部４ａは、第１蓄電池１と第２蓄電池２との少なくとも一方から電力供給を受け、制御部６による制御によりスイッチング素子４ｃの開閉（オフとオン）を制御することが可能である。すなわち、第２蓄電池２からの電力供給が何らかの理由で途絶えたとしても、スイッチ制御部４ａは第１蓄電池１から電力供給を受けることでスイッチング素子４ｃのオンとオフとの制御を継続することができる。

　トランジスタ制御部４ｂは、第６トランジスタＴ６にＬＯ信号（０Ｖ）またはＨＩ信号（５Ｖ）を出力して、第６トランジスタＴ６および第５トランジスタＴ５のオンとオフとを制御する。

　スイッチング素子４ｃは第１蓄電池１および第２蓄電池２と直列に接続される。スイッチ制御部４ａの制御によりスイッチング素子４ｃがオフになったとき、第１蓄電池１と第２蓄電池２との間の電力は遮断される。スイッチ制御部４ａの制御によりスイッチング素子４ｃがオンになったとき、第１蓄電池１と第２蓄電池２との間には電流が流れる。

　スイッチング素子４ｃは、例えば以下のようにオンとオフとを切り替えられてもよい。すなわち、スイッチング素子４ｃは、第２蓄電池２の電圧が所定値を下回ったときにオンになることによって、オルタネータ（図示しないが、スイッチ４から見て第１蓄電池１が接続される側に設けられる）または第１蓄電池１から第２蓄電池２への充電を行い、第２蓄電池２の過放電保護を行う。またスイッチング素子４ｃは、第２蓄電池２の電圧が別の所定値を上回ったときにオフになることによって、オルタネータまたは第１蓄電池１から第２蓄電池２へ充電が行われることを防ぎ、第２蓄電池２の過充電保護を行う。

　スイッチング素子４ｃは、スイッチ制御部４ａによる制御によってオンになるため、このときオルタネータまたは第１蓄電池１等から負荷３への電力供給を確保することができる。オルタネータとは発電機であって、スタータによって始動されたエンジンに機械的に接続される。オルタネータはエンジンの駆動によって発電可能である。代替例としてオルタネータは車両の減速時等に回生によって発電してもよい。オルタネータで発電された電力はレギュレータで出力電圧を調整されて第１蓄電池１および第２蓄電池２の充電に使用されてもよい。

　本実施形態におけるスイッチング素子４ｃは少なくとも第１スイッチング素子Ｓ１乃至第６スイッチング素子Ｓ６で構成されるが、その数は限定されず例えば第１スイッチング素子Ｓ１のみから構成されてもよい。スイッチング素子４ｃは例えばＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。図１に示すように第１スイッチング素子Ｓ１は第４スイッチング素子Ｓ４と、第２スイッチング素子Ｓ２は第５スイッチング素子Ｓ５と、第３スイッチング素子Ｓ３は第６スイッチング素子Ｓ６と向かい合う。スイッチング素子の数が多いほど、電力負荷を分散することが可能である。

　スイッチング素子４ｃは図１に示す通り左右対称である。第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２および第３スイッチング素子Ｓ３は同一である。第１スイッチング素子Ｓ１乃至第６スイッチング素子Ｓ６（以下、まとめてスイッチング素子４ｃともいう）のソースとゲートとの間には抵抗Ｒａが接続される。このためソースとゲートとの間の電位差を解消することができる。

　さらにスイッチング素子４ｃは、ソースとゲートとの間にツェナーダイオードＺを有する。スイッチング素子４ｃのソースとゲートとの間の耐圧は例えば２０Ｖである。このため、第１蓄電池１のプラス端子が外れ、且つスイッチ制御部４ａからスイッチング素子４ｃのゲートに２４Ｖの過電圧がかかったときであっても、スイッチング素子４ｃが損傷を受けることがない。代替例として、ツェナーダイオードＺはダイオードであってもよい。

　図１に示す通り、スイッチ４はさらに第１トランジスタＴ１乃至第６トランジスタＴ６を有する。複数のトランジスタを用いることで増幅効果を得ることができる。第１トランジスタＴ１、第２トランジスタＴ２および第５トランジスタＴ５はＰＮＰ型のトランジスタである。第３トランジスタＴ３、第４トランジスタＴ４および第６トランジスタＴ６はＮＰＮ型のトランジスタである。第１トランジスタＴ１はスイッチ制御部４ａと第１スイッチング素子Ｓ１乃至第３スイッチング素子Ｓ３との間に接続される。第１トランジスタＴ１がオフのときスイッチ制御部４ａと第１スイッチング素子Ｓ１乃至第３スイッチング素子Ｓ３とは切り離される。このときスイッチ制御部４ａから第１スイッチング素子Ｓ１乃至第３スイッチング素子Ｓ３のゲートへ出力されるゲート信号が遮断される。

　整流素子５はダイオードであり第１整流素子５ａと第２整流素子５ｂとを有する。第１整流素子５ａは第１蓄電池１からスイッチ制御部４ａに電力が供給される向きで第１蓄電池１とスイッチ制御部４ａとの間に設けられる。第２整流素子５ｂは、第２蓄電池２からスイッチ制御部４ａに電力が供給される向きで第２蓄電池２とスイッチ制御部４ａとの間に設けられる。図１において第１整流素子５ａおよび第２整流素子５ｂはいずれも２つの整流素子からなっているが、その数は限定されない。整流素子の数が多いほど、耐圧を上げることが可能である。また整流素子５により、例えば第１蓄電池１から第２蓄電池２に、または第２蓄電池２から第１蓄電池１に電流が流れ込むことがない。

　制御部６は、例えば車両に備えられたＥＣＵを含んで構成され、車載電源システム１０の動作全体を制御するプロセッサである。制御部６は第２トランジスタＴ２にＨＩ信号またはＬＯ信号を出力可能である。

　通常時の動作として、制御部６は例えば次の２つのケースＡおよびＢに示すように第１スイッチング素子Ｓ１乃至第６スイッチング素子Ｓ６のオンとオフとを制御可能である。

［ケースＡ］第１スイッチング素子Ｓ１乃至第６スイッチング素子Ｓ６をオンにするとき
（ステップ１）制御部６はＬＯ信号を第２トランジスタＴ２に出力することによって第２トランジスタＴ２をオンにする。これに伴い第２トランジスタＴ２に接続された第３トランジスタＴ３はオンになり、続いて第３トランジスタＴ３に接続された第４トランジスタＴ４と、当該第４トランジスタＴ４に接続された第１トランジスタＴ１もオンになる。この結果、スイッチ制御部４ａもオンになる。
（ステップ２）トランジスタ制御部４ｂは、トランジスタをオンにする旨の信号を制御部６から取得すると、ＨＩ信号を出力することにより第６トランジスタＴ６および第５トランジスタＴ５をオンにする。
（ステップ３）スイッチ制御部４ａは、第１スイッチング素子Ｓ１乃至第６スイッチング素子Ｓ６をオンにする。

［ケースＢ］第１スイッチング素子Ｓ１乃至第３スイッチング素子Ｓ３をオンにして、第４スイッチング素子Ｓ４乃至第６スイッチング素子Ｓ６をオフにするとき
（ステップ１）制御部６は第２トランジスタＴ２にＬＯ信号を出力することによって、上記ケースＡと同様に第２トランジスタＴ２、第３トランジスタＴ３、第４トランジスタＴ４、第１トランジスタＴ１およびスイッチ制御部４ａをオンにする。
（ステップ２）トランジスタ制御部４ｂは第１蓄電池１および第２蓄電池２の電圧値を取得して、第１蓄電池１の電圧が第２蓄電池２の電圧より低い（第１蓄電池１の電圧＜第２蓄電池２の電圧）か否かを判定する。
（ステップ３）第１蓄電池１の電圧が第２蓄電池２の電圧より低いとき、トランジスタ制御部４ｂはＬＯ信号を出力することにより第６トランジスタＴ６および第５トランジスタＴ５をオフにする。第１トランジスタＴ１がステップ１でオンになっているため、スイッチ制御部４ａは、第１スイッチング素子Ｓ１乃至第３スイッチング素子Ｓ３をオンにすることができる。しかしながら、第５トランジスタＴ５はオフになっているため第４スイッチング素子Ｓ４乃至第６スイッチング素子Ｓ６はオンにならず、オフになる。
（ステップ４）第４スイッチング素子Ｓ４乃至第６スイッチング素子Ｓ６の寄生ダイオードを通じて第２蓄電池２から第１蓄電池１に充電される。

　以下、本実施形態に係る車載電源システム１０が、クランキングを検出したときに実行する特徴的な処理の１つを詳細に説明する。

　制御部６は、スイッチング素子４ｃがオフの状態でクランキングが行われたか否かを判定する。スイッチング素子４ｃがオフの状態でクランキングが行われたと判定したとき、制御部６は第２トランジスタＴ２にＨＩ信号を出力して、第２トランジスタＴ２、第３トランジスタＴ３、第４トランジスタＴ４および第１トランジスタＴ１をオフにする。このとき第１スイッチング素子Ｓ１乃至第３スイッチング素子Ｓ３はスイッチ制御部４ａと切り離されるので、スイッチ制御部４ａから第１スイッチング素子Ｓ１乃至第３スイッチング素子Ｓ３のゲートへ出力されるゲート信号は遮断される。

　車載電源システム１０が設置された車両でクランキングが行われると第１蓄電池１の電圧が下がる。第１スイッチング素子Ｓ１乃至第３スイッチング素子Ｓ３は第１蓄電池１に接続されているため、第１スイッチング素子Ｓ１乃至第３スイッチング素子Ｓ３（スイッチング素子４ｃ）のソース電圧は瞬低する。一般的にスイッチング素子のゲート電圧とソース電圧との間に、あるしきい値電圧（ゲートしきい値電圧ともいう）以上の電位差が発生すると、スイッチング素子はオンになる。しかしながら、本実施形態においては、スイッチング素子４ｃは、スイッチ制御部４ａとスイッチング素子４ｃとの間に接続される第１トランジスタＴ１および第５トランジスタＴ５がオフになることによってスイッチ制御部４ａと切り離される。このためスイッチング素子４ｃのソース電圧とゲート電圧との間にゲートしきい値電圧以上の不意の電位差は発生しない。また抵抗Ｒａによりソースとゲートとの間の電位差を小さくすることができる。したがって、スイッチング素子４ｃが誤ってオンになることはない。

　図２は、制御部６が定期的または不定期的に実行する動作フローを示す図である。

　制御部６は、クランキングが行われたか否かを判定する（ステップＳＴ１）。制御部６はクランキングが行われたと判定したとき、ＨＩ信号を第２トランジスタＴ２に出力して第２トランジスタＴ２をオフにし、第３トランジスタＴ３、第４トランジスタＴ４および第１トランジスタＴ１をオフにする（ステップＳＴ２）。このときトランジスタ制御部４ｂは第６スイッチング素子Ｓ６および第５トランジスタＴ５をオフにする。これによりスイッチング素子４ｃとスイッチ制御部４ａとは切り離される。次いで制御部６はクランキングが終了したか否かを判定する（ステップＳＴ３）。

　ステップＳＴ３でＮｏのとき制御部６はステップＳＴ３を繰り返す。一方ステップＳＴ３でＹｅｓのとき制御部６はＬＯ信号を出力して第２トランジスタＴ２をオンにし、第３トランジスタＴ３、第４トランジスタＴ４および第１トランジスタＴ１をオンにする（ステップＳＴ４）。このときトランジスタ制御部４ｂは第６スイッチング素子Ｓ６および第５トランジスタＴ５をオンにする。これによりスイッチング素子４ｃとスイッチ制御部４ａとは接続される。制御部６はスイッチ制御部４ａを介してスイッチング素子４ｃをオンにして通常動作を実行することができる（ステップＳＴ５）。

　図３は、本発明の変形例に係る車載電源システム１０の概略構成を示す機能ブロック図である。上記実施形態と異なる点は、車載電源システム１０が、スイッチング素子４ｃのゲート（第１スイッチング素子Ｓ１乃至第６スイッチング素子Ｓ６のそれぞれのゲート）にゲート前抵抗Ｒｂを有することである。上記実施形態と共通する内容の説明は省略する。

　ゲート前抵抗Ｒｂはスイッチング素子４ｃのゲートに接続される。このため、寄生キャパシタによる突入電流がスイッチング素子４ｃのゲートに大電流として流れることを防ぐことができる。

　本発明を諸図面、実施形態、変形例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップ等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

　また、上述した実施形態において、ハイブリッド車に搭載される車載電源システム１０について説明したが、これに限られない。例えば、車載電源システム１０は電気自動車（ＥＶ車）に搭載されてもよい。

１　　第１蓄電池
２　　第２蓄電池
３　　負荷
４　　スイッチ
４ａ　スイッチ制御部
４ｂ　トランジスタ制御部
４ｃ　スイッチング素子
Ｓ１　第１スイッチング素子
Ｓ２　第２スイッチング素子
Ｓ３　第３スイッチング素子
Ｓ４　第４スイッチング素子
Ｓ５　第５スイッチング素子
Ｓ６　第６スイッチング素子
Ｔ１　第１トランジスタ
Ｔ２　第２トランジスタ
Ｔ３　第３トランジスタ
Ｔ４　第４トランジスタ
Ｔ５　第５トランジスタ
Ｔ６　第６トランジスタ
Ｒａ　抵抗
Ｒｂ　ゲート前抵抗
Ｚ　　ツェナーダイオード
５　　整流素子
５ａ　第１整流素子
５ｂ　第２整流素子

Claims

　スイッチ制御部と、
　前記スイッチ制御部によって制御されるスイッチング素子と、
　前記スイッチング素子のソースとゲートとの間に接続された抵抗と、
　前記スイッチ制御部と前記スイッチング素子との間に接続された第１トランジスタと、
　前記第１トランジスタのオンとオフとを制御可能な制御部と、
　を有し、
　前記制御部は、クランキングを検出したときに前記第１トランジスタをオフにする、車載電源システム。
　請求項１に記載の車載電源システムにおいて、
　前記制御部に接続されたＰＮＰ型の第２トランジスタと、前記第２トランジスタおよび前記第１トランジスタの間に接続されたＮＰＮ型の第４トランジスタと、さらに有し、
　前記制御部は、ＨＩ信号を出力することによって前記第２トランジスタ、前記第４トランジスタおよび前記第１トランジスタをオフにする、車載電源システム。
　請求項１に記載の車載電源システムにおいて、
　前記スイッチング素子のソースとゲートとの間に接続されたツェナーダイオードをさらに有する、車載電源システム。
　請求項２に記載の車載電源システムにおいて、
　前記スイッチング素子のソースとゲートとの間に接続されたツェナーダイオードをさらに有する、車載電源システム。
　請求項１に記載の車載電源システムにおいて、
　前記スイッチング素子のゲートに接続されたゲート前抵抗をさらに有する、車載電源システム。
　請求項２に記載の車載電源システムにおいて、
　前記スイッチング素子のゲートに接続されたゲート前抵抗をさらに有する、車載電源システム。
　請求項３に記載の車載電源システムにおいて、
　前記スイッチング素子のゲートに接続されたゲート前抵抗をさらに有する、車載電源システム。
　請求項４に記載の車載電源システムにおいて、
　前記スイッチング素子のゲートに接続されたゲート前抵抗をさらに有する、車載電源システム。