WO2017159307A1 - 電源ボックス - Google Patents

Abstract

負荷への給電に冗長性を与える二つの電源のいずれか一方において、短絡故障、開放故障のいずれに対しても負荷への給電を確保する。電源ボックスは、第１スイッチと、第２スイッチと、制御回路とを備える。第１スイッチは、第１電源に接続される一端と、負荷側の他端とを有し、第１電源及び第２電源のいずれについても短絡故障も開放故障も生じないで動作している状態たる正常動作時においてオンする。制御回路は、第１スイッチに流れる電流が、正常動作時において流れる方向と反対向きに流れる場合、もしくは所定閾値よりも小さい場合、第１スイッチをオフさせる。

Description

電源ボックス

　この発明は、車載された二つの電源から負荷への給電を中継する技術に関する。

　車載される負荷には、例えばドアロック解除用のアクチュエータ等のように、当該負荷が搭載される車両の制御に際して重要な機能を果たすものがある。このような負荷（以下、「重要負荷」とも称す）には電源の供給（以下「給電」とも称す）が遮断されないよう、給電経路に冗長性を持たせる技術が提案されている。

　特許文献１ではバッテリとバックアップ電源とのそれぞれにダイオードを設け、相互間の電流の回り込みが防止されている。特許文献２ではメインバッテリ、サブバッテリのそれぞれに対してリレーを設けた構成により、両バッテリの間の電流の回り込みが防止されている。なお、リレーを用いて二つの電池を分離する技術を示すものとして特許文献３を挙げる。

特開２０１３－９５２３８号公報 特開２０１５－２１４２７４号公報 特開２０１２－１３０１０８号公報

　特許文献１ではダイオードのオープン故障の検出については開示されているが、バッテリ及びバックアップ電源の短絡故障、開放故障のいずれに対しても重要負荷に給電する技術については明確ではない。特許文献２ではメインバッテリとサブバッテリの両方から負荷へ給電する場合の、これらのバッテリの開放故障に対するリレーの動作も明確ではない。特許文献３ではリレーの動作を制御する要素が故障した場合の動作について説明するが、二つの電池の短絡故障、開放故障のいずれに対しても重要負荷に給電する技術については明確ではない。

　そこで、本発明は、負荷への給電に冗長性を与える二つの電源のいずれか一方において、短絡故障、開放故障のいずれに対しても負荷への給電を確保する技術を提供することを目的とする。

　この発明の第１の態様は、車載される第１電源及び第２電源と負荷との間に設けられ、前記第１電源及び前記第２電源から前記負荷への給電を中継する車載用の電源ボックスである。

　電源ボックスは、第１スイッチ、第２スイッチ及び制御回路を備える。第１スイッチは前記第１電源に接続される一端と、前記負荷側の他端とを有する。第１スイッチは、前記第１電源及び前記第２電源のいずれについても短絡故障も開放故障も生じないで動作している状態たる正常動作時においてオンする。

　制御回路は、前記第１スイッチに流れる電流が、前記正常動作時において前記第１スイッチに流れる電流と反対向きに流れる場合、若しくは所定閾値よりも小さい場合、前記第１スイッチをオフさせる。

　この発明の第２の態様は、第１の態様であって、前記第１スイッチと前記第１電源との間に直列に接続される第１抵抗を更に備える。前記制御回路は第１比較器を含む。

　第１比較器は、前記第１抵抗の前記第１スイッチ側の端の第１電位と、前記第１抵抗の前記第１電源側の端の第２電位とを比較した結果に基づく第１信号を出力する。前記第１比較器は、前記第１電位に対する前記第２電位が、非負の閾値以上で大きいときにのみ前記第１信号を出力する。前記第１スイッチは前記第１信号によってオンする。

　この発明の第３の態様は、第２の態様であって、前記第２電源に接続される一端と、前記負荷側の他端とを有し、前記正常動作時においてオンする第２スイッチを更に備える。前記制御回路は、前記第２スイッチに流れる電流が、前記正常動作時において前記第２スイッチに流れる電流と反対向きに流れる場合、若しくは所定閾値よりも小さい場合、前記第２スイッチをオフさせる。

　この発明の第４の態様は、第３の態様であって、前記第２スイッチと前記第２電源との間に直列に接続される第２抵抗を更に備える。前記制御回路は第２比較器を含む。

　第２比較器は、前記第２抵抗の前記第２スイッチ側の端の第３電位と、前記第２抵抗の前記第２電源側の端の第４電位とを比較した結果に基づいて第２信号を出力する。前記第２比較器は、前記第３電位に対する前記第４電位が、非負の閾値以上で大きいときにのみ前記第２信号を出力する。前記第２スイッチは前記第２信号によってオンする。

　この発明の第５の態様は、その第４の態様であって、前記制御回路は、第３比較器及び第４比較器を含む。第３比較器は、前記第２電位と前記第４電位とを比較した結果に基づく第３信号を出力する出力端を有する。第４比較器は、前記第２電位と前記第４電位とを比較した結果に基づく第４信号を出力する出力端を有する。

　前記第３比較器は、前記第２電位に対する前記第４電位が非負の閾値以下であるときにのみ前記第３信号を出力する。前記第４比較器は、前記第４電位に対する前記第２電位が非負の閾値以下であるときにのみ前記第４信号を出力する。

　この電源ボックスによれば、負荷への給電に冗長性を与える二つの電源のいずれか一方において、短絡故障、開放故障のいずれに対しても負荷への給電が確保される。

実施の形態にかかる電源ボックスの構成及び電源ボックスとその周辺との接続関係を示すブロック図である。 バッテリの正常、故障の５つのパターンについて、示す模式図である。 スイッチに置換して電界効果トランジスタを採用した場合の、電界効果トランジスタとその周辺との接続関係を示す回路図である。

　図１は、実施の形態にかかる電源ボックス４の構成及び電源ボックス４とその周辺との接続関係を示すブロック図である。

　電源ボックス４は車載用であり、いずれも車載される、電源たるバッテリ１，２と負荷３との間に設けられる。ここではバッテリ１をメインバッテリとして、バッテリ２をサブバッテリとして、それぞれ扱っている。例えばメインバッテリとしては鉛蓄電池を採用でき、サブバッテリにはリチウムイオン電池あるいはキャパシタを採用できる。但し、本実施の形態においてはバッテリ１，２の種類が奏功に影響するものではない。負荷３は上述の重要負荷であり、冗長性ある給電を要求する。

　電源ボックス４はバッテリ１，２の両方から負荷３への給電を中継する機能を果たす。つまり負荷３は電源ボックス４を介してバッテリ１，２から給電され、この給電には冗長性があると言える。

　電源ボックス４はスイッチ部４３を有している。スイッチ部４３はスイッチ４３１，４３２を備える。ここではスイッチ４３１，４３２はリレーで構成され、そのリレーコイルに通電されることによって導通（「オン」あるいは「クローズ」）もしくは非導通（「オフ」あるいは「オープン」）となる。以下では簡単のため、当該リレーはそれぞれのリレーコイルに通電されることによって導通するもの（メーク接点の利用）として説明するが、通電されることによって非導通となる技術（ブレーク接点の利用）を採用しても構わない。その場合には後述する各種の信号の二値論理を適宜に入れ替えれば足りる。

　スイッチ部４３は、スイッチ４３１，４３２が一体となって形成されていることを意味するものではない。もちろん、スイッチ４３１，４３２のそれぞれがリレーで構成され、スイッチ部４３がリレーモジュールとして構成されてもよい。

　スイッチ４３１は、抵抗４５１を介してバッテリ１に接続される一端と、ヒューズ４４を介して負荷３に接続される他端とを有する。同様に、スイッチ４３２は、抵抗４５２を介してバッテリ２に接続される一端と、ヒューズ４４を介して負荷３に接続される他端とを有する。正常動作時（バッテリ１，２のいずれについても、短絡故障も開放故障も生じないで動作している状態）においてはスイッチ４３１，４３２のいずれも導通する。よって正常動作時では負荷３に、バッテリ１から抵抗４５１とスイッチ４３１とヒューズ４４の直列接続を介して給電され、バッテリ２から抵抗４５２とスイッチ４３２とヒューズ４４の直列接続を介して給電される。

　但し、スイッチ４３１は、自身に流れる電流Ｉ１が、正常動作時においてスイッチ４３１に流れる電流と反対向きに流れる場合、もしくは所定閾値よりも小さい場合、スイッチ４３１をオフする。バッテリ１は接地電位よりも高い電位を出力するので、正常動作時には電流Ｉ１はバッテリ１から負荷３へと向かって流れる。以下、この電流の向きを正にとって考える。

　もし、正常動作時の状態からバッテリ１に短絡故障（具体的には地絡）が生じた場合、スイッチ４３１，４３２は導通していたのであるから、電流Ｉ１はバッテリ２からスイッチ４３２，４３１をこの順に経由して地絡の箇所へと向かって流れる。あるいは正常動作時の状態からバッテリ１に開放故障（具体的にはバッテリ１の端子外れなど）が生じた場合、スイッチ４３１，４３２は導通していても電流Ｉ１は流れない。

　このように電流Ｉ１が、負の向きに流れる場合にはバッテリ１に短絡故障が発生した可能性があり、所定閾値よりも小さい場合にはバッテリ１に短絡故障が発生した可能性があるので、そのいずれであるかを問わずスイッチ４３１がオフする。これによりバッテリ２からスイッチ４３２及びヒューズ４４を介した負荷３への給電の経路を、故障箇所から遮断し、以て当該給電を維持することができる。

　同様に、スイッチ４３２は、自身に流れる電流Ｉ２が、正常動作時においてスイッチ４３２に流れる電流と反対向きに流れる場合、もしくは所定閾値よりも小さい場合、スイッチ４３２をオフする。

　このような、正常動作時ではないときにスイッチ４３１，４３２がオフする機能は、両者が共に備えなければならない機能ではない。スイッチ４３１がオフする機能は、バッテリ２から負荷３への給電を、バッテリ１の開放故障や短絡故障から遮断するのであり、スイッチ４３２はオフする必要はないからである。スイッチ４３２がオフする態様についても同様である。しかしながら、スイッチ４３１，４３２のいずれもが上述の様にオフする機能を備えていることが望ましいのは明白である。

　このようなスイッチ４３１，４３２のオン／オフは、それぞれ信号Ｓ１，Ｓ２によって制御される。具体的には信号Ｓ１が出力されれば、スイッチ４３１のリレーコイルにはバッテリ１から通電され、スイッチ４３１は導通する。信号Ｓ１が出力されなければ、スイッチ４３１のリレーコイルにはバッテリ１から通電されず、スイッチ４３１は非導通となる。スイッチ４３２と信号Ｓ２についても同様の関係がある。

　信号Ｓ１，Ｓ２は制御回路４１によって生成される。制御回路４１は電源ボックス４に備えられる。制御回路４１は比較器４１１，４１２を有し、それぞれの出力端から信号Ｓ１，Ｓ２が出力される。つまり制御回路４１は、電流Ｉ１が、正常動作時と反対向きに流れる場合、もしくは所定閾値よりも小さい場合に、スイッチ４３１をオフさせる。また制御回路４１は、電流Ｉ２が、正常動作時においと反対向きに流れる場合、もしくは所定閾値よりも小さい場合に、スイッチ４３２をオフさせる。電流Ｉ１，Ｉ２について、上記の所定閾値が異なる値を採ってもよい。

　比較器４１１は正側入力端と負側入力端と、上述の出力端とを有する。正側入力端には抵抗４５１のスイッチ４３１側の電位Ｖ１１が与えられ、負側入力端には抵抗４５１のバッテリ１側の電位Ｖ１２が与えられる。比較器４１１の正側入力端の電位Ｖ１１が、比較器４１１の負側入力端の電位Ｖ１２から非負の閾値を引いた値以下のときのみ信号Ｓ１が出力される。この非負の閾値は、電流Ｉ１についての所定閾値と抵抗４５１との積である。つまり比較器４１１は、電位Ｖ１１と電位Ｖ１２とを比較した結果に基づいて、信号Ｓ１の出力の有無を決定する。具体的には電位Ｖ１１に対して電位Ｖ１２が、上記非負の閾値以上で大きいときにのみ信号Ｓ１を出力する。

　ここでは信号Ｓ１の出力の有／無は信号Ｓ１の電位の低／高としてそれぞれ実現される。よって、電流Ｉ１が、負の向きに流れ、あるいは所定の閾値よりも小さければ、抵抗４５１における電圧降下がスイッチ４３１側よりもバッテリ１側で低電位となるように発生し、信号Ｓ１は出力されない（高い電位となる）。

　比較器４１２も正側入力端と負側入力端と、上述の出力端とを有する。正側入力端には抵抗４５２のスイッチ４３２側の電位Ｖ２１が与えられ、負側入力端には抵抗４５２のバッテリ２側の電位Ｖ２２が与えられる。比較器４１２の正側入力端の電位が、比較器４１２の負側入力端の電位から非負の閾値を引いた値以下のときのみ信号Ｓ２が出力する。この非負の閾値は、電流Ｉ２についての所定閾値と抵抗４５２との積である。つまり比較器４１２は、電位Ｖ２１と電位Ｖ２２とを比較した結果に基づいて信号Ｓ２の出力の有無を決定する。具体的には電位Ｖ２１に対して電位Ｖ２２が、上記非負の閾値以上で大きいときにのみ信号Ｓ２を出力する。このようにして、信号Ｓ２の出力の有／無もそれぞれ信号Ｓ２の電位の低／高としてそれぞれ実現される。

　比較器４１１，４１２はそれぞれ、正側入力端に与えられた電位を非負の閾値で嵩上げして負側入力端に与えられた電位と比較しているとも言える。もちろん、比較器４１１，４１２とは上記非負の閾値として互いに異なる値を採用しても良い。またスイッチ４３１をオフする動作を行うには信号Ｓ２は不要であり、従って比較器４１２は不要である。スイッチ４３２をオフする動作を行うには信号Ｓ１は不要であり、従って比較器４１１は不要である。

　以上のようにして、電源ボックス４によれば、負荷３への給電に冗長性を与えるバッテリ１，２のいずれか一方において、短絡故障、開放故障のいずれに対しても負荷３への給電が確保される。

　さて、本実施の形態では制御回路４１は更に、比較器４０１，４０２を設けている。比較器４０１は電位Ｖ１２が与えられる負側入力端と、電位Ｖ２２が与えられる正側入力端と、信号Ｋ１を出力する出力端とを有する。比較器４０１は、電位Ｖ１２に対する電位Ｖ２２が非負の閾値以下であるときにのみ信号Ｋ１を出力する。信号Ｋ１の出力の有／無は、信号Ｋ１の電位の低／高としてそれぞれ実現される。つまり比較器４０１は負側入力端に与えられた電位を非負の閾値で嵩上げして正側入力端に与えられた電位と比較しているとも言える。

　比較器４０２も同様にして、電位Ｖ１２が与えられる正側入力端と、電位Ｖ２２が与えられる負側入力端と、信号Ｋ２を出力する出力端とを有する。比較器４０２は、電位Ｖ２２に対する電位Ｖ１２が非負の閾値以下であるときにのみ信号Ｋ２を出力する。信号Ｋ２の出力の有／無は、信号Ｋ２の電位の低／高としてそれぞれ実現される。つまり比較器４０２も負側入力端に与えられた電位を非負の閾値で嵩上げして正側入力端に与えられた電位と比較しているとも言える。

　図２はバッテリ１，２の正常、故障の５つのパターンについて、電流Ｉ１，Ｉ２の向き及び信号Ｓ１，Ｓ２，Ｋ１，Ｋ２の電位、スイッチ４３１，４３２のオン／オフ、及び負荷３への給電元について示す模式図である。但し信号Ｓ１，Ｓ２，Ｋ１，Ｋ２の電位の高／低をそれぞれＨ／Ｌで、給電元がバッテリ１であることを「メイン」で、バッテリ２であることを「サブ」で、バッテリ１，２の両方であることを「両方」で、それぞれ表記した。

　第１パターン（図２において(i)を最上段とする列）は正常動作時を示し、第２パターン（図２において(ii)を最上段とする列）はバッテリ２が正常でバッテリ１が開放故障した状態を示し、第３パターン（図２において(iii)を最上段とする列）はバッテリ２が正常でバッテリ１が短絡故障した状態を示し、第４パターン（図２において(iv)を最上段とする列）はバッテリ１が正常でバッテリ２が開放故障した状態を示し、第５パターン（図２において(v)を最上段とする列）はバッテリ１が正常でバッテリ２が短絡故障した状態を示した。本実施の形態ではバッテリ１，２の両方に何らかの故障が発生した場合については取り扱わない。

　バッテリ１が短絡故障した場合、電位Ｖ１２はほぼ接地電位まで低下するので、信号Ｋ１，Ｋ２はそれぞれ“Ｈ”，“Ｌ”となる。またバッテリ２が短絡故障した場合、電位Ｖ２２はほぼ接地電位まで低下するので、信号Ｋ１，Ｋ２はそれぞれ“Ｌ”，“Ｈ”となる。しかし、バッテリ１，２のいずれが開放故障しても、信号Ｋ１，Ｋ２は正常状態と同様に“Ｌ”，“Ｌ”となる。通常、バッテリ１，２は同程度の電圧を出力するので、これらの場合には電位Ｖ１２，Ｖ２２とでは電位差が小さいからである。

　しかしながら、信号Ｓ１，Ｓ２のみでは判断できなかった短絡故障／開放故障の区別は信号Ｋ１，Ｋ２によって行える。他方、信号Ｓ１，Ｓ２のいずれもが“Ｌ”であることを以てバッテリ１，２のいずれかの開放故障と、正常状態とを区別できる。換言すれば、信号Ｓ１，Ｓ２，Ｋ１，Ｋ２を知ることにより、バッテリ１，２のいずれにおいて短絡故障、あるいは開放故障が生じたかを診断することができる。

　例えば電源ボックス４にはゲートウェイ５（図中「Ｇ／Ｗ」と表記）を接続し、これに信号Ｓ１，Ｓ２，Ｋ１，Ｋ２を出力することにより、ゲートウェイ５を介して、バッテリ１，２の正常／故障及び故障の状況を診断することができる。

　｛変形例｝
　図３はスイッチ４３１に置換してＰチャネル型の電界効果トランジスタ４３１ａを採用した場合の、電界効果トランジスタ４３１ａとその周辺との接続関係を示す回路図である。電界効果トランジスタ４３１ａのソースは抵抗４５２に、ドレインがヒューズ４４に、それぞれ接続され、ゲートには信号Ｓ１が入力する。ヒューズ４４を省略する場合にはドレインは負荷３に接続される。

　電界効果トランジスタ４３１ａはＰチャネル型であるので、ゲートの電位が低下すると、ソース・ドレイン間の導通／非道通は、それぞれゲートの電位の低／高で制御できる。よってそのゲートに信号Ｓ１を入力することにより、スイッチ４３１と同様に電界効果トランジスタ４３１ａの導通／非道通を制御することができる。

　スイッチ４３２についても同様にして、これをＰチャネル型の電界効果トランジスタに置換してもよい。

　もちろん、スイッチ４３１，４３２をリレーで構成する場合のメーク接点／ブレーク接点の選択と同様にして、スイッチ４３１，４３２に置換してＮチャネル型の電界効果トランジスタを採用してもよい。その場合には信号Ｓ１，Ｓ２の出力の有／無はそれぞれ電圧の高／低に対応する。

　なお、上記各実施形態及び各変形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。

　以上のようにこの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、この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、この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。

　１　バッテリ（第１電源；第２電源）
　２　バッテリ（第２電源；第１電源）
　３　負荷
　４　電源ボックス
　４１　制御回路
　４０１　比較器（第３比較器；第４比較器）
　４０２　比較器（第４比較器；第３比較器）
　４１１　比較器（第１比較器；第２比較器）
　４１２　比較器（第２比較器；第１比較器）
　４３１　スイッチ（第１スイッチ；第２スイッチ）
　４３２　スイッチ（第２スイッチ；第１スイッチ）
　４５１　抵抗（第１抵抗；第２抵抗）
　４５２　抵抗（第２抵抗；第１抵抗）
　Ｉ１　電流（第１電流；第２電流）
　Ｉ２　電流（第２電流；第１電流）
　Ｖ１１　電位（第１電位；第３電位）
　Ｖ１２　電位（第２電位；第４電位）
　Ｖ２１　電位（第３電位；第１電位）
　Ｖ２２　電位（第４電位；第２電位）

Claims (5)

1. 　車載される第１電源及び第２電源と負荷との間に設けられ、前記第１電源及び前記第２電源から前記負荷への給電を中継する車載用の電源ボックスであって、
   　前記第１電源に接続される一端と、前記負荷側の他端とを有し、前記第１電源及び前記第２電源のいずれについても短絡故障も開放故障も生じないで動作している状態たる正常動作時においてオンする第１スイッチと、
   　前記第１スイッチに流れる電流が、前記正常動作時において前記第１スイッチに流れる電流と反対向きに流れる場合若しくは所定閾値よりも小さい場合、前記第１スイッチをオフさせる制御回路と
   を備える電源ボックス。
2. 　請求項１記載の電源ボックスであって、
   　前記第１スイッチと前記第１電源との間に直列に接続される第１抵抗
   を更に備え、
   　前記制御回路は、
   　前記第１抵抗の前記第１スイッチ側の端の第１電位と、前記第１抵抗の前記第１電源側の端の第２電位とを比較した結果に基づく第１信号を出力する出力端を有する第１比較器
   を含み、
   　前記第１比較器は、前記第１電位に対する前記第２電位が、非負の閾値以上で大きいときにのみ前記第１信号を出力し、
   　前記第１スイッチは前記第１信号によってオンする、電源ボックス。
3. 　請求項２記載の電源ボックスであって、
   　前記第２電源に接続される一端と、前記負荷側の他端とを有し、前記正常動作時においてオンする第２スイッチ
   を更に備え、
   　前記制御回路は、前記第２スイッチに流れる電流が、前記正常動作時において前記第２スイッチに流れる電流と反対向きに流れる場合若しくは所定閾値よりも小さい場合、前記第２スイッチをオフさせる、電源ボックス。
4. 　請求項３記載の電源ボックスであって、
   　前記第２スイッチと前記第２電源との間に直列に接続される第２抵抗
   を更に備え、
   　前記制御回路は、
   　前記第２抵抗の前記第２スイッチ側の端の第３電位と、前記第２抵抗の前記第２電源側の端の第４電位とを比較した結果に基づいて第２信号を出力する出力端を有する第２比較器
   を含み、
   　前記第２比較器は、前記第３電位に対する前記第４電位が、非負の閾値以上で大きいときにのみ前記第２信号を出力し、
   　前記第２スイッチは前記第２信号によってオンする、電源ボックス。
5. 　請求項４記載の電源ボックスであって、
   　前記制御回路は、
   　前記第２電位と前記第４電位とを比較した結果に基づく第３信号を出力する出力端を有する第３比較器と、
   　前記第２電位と前記第４電位とを比較した結果に基づく第４信号を出力する出力端を有する第４比較器と
   を含み、
   　前記第３比較器は、前記第２電位に対する前記第４電位が非負の閾値以下であるときにのみ前記第３信号を出力し、
   　前記第４比較器は、前記第４電位に対する前記第２電位が非負の閾値以下であるときにのみ前記第４信号を出力する、電源ボックス。

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