JP2016093004A - スイッチボックス - Google Patents
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Abstract
【課題】並列接続されているスイッチングトランジスタのそれぞれについてオープン故障あるいはショート故障を確実に検出するスイッチボックスを提供する。【解決手段】スイッチボックスは、一対の電池を並列接続するための直列接続された一対のスイッチングトランジスタと、前記一対のスイッチングトランジスタのそれぞれに並列に接続されるとともに、アノード端子が共通接続された一対のダイオードと、前記一対のスイッチングトランジスのオン/オフ動作を個別に行う個別駆動回路と、前記一対のスイッチングトランジスタの一方をオン動作させる際に、前記一対のスイッチングトランジスタの接続点の電圧が、オフ動作中のスイッチングトランジスタ側の電池への前記ダイオードを介した電流の流れ込みが無い電圧となるように、前記オン動作させる一方のスイッチングトランジスタの制御端子に印加する駆動電圧を設定する駆動回路と、を備えている。【選択図】図2
Description
本発明は、スイッチボックスに関する。
近年、様々な分野において電子化が進み、電気容量の確保の要求から複数の二次電池を電源として用いることがなされている。
また、自動車においては、エンジン始動用のスタータモータを駆動するメインバッテリとしての鉛蓄電池に加えて、オーディオ機器等の車載機器に電力を供給するためのサブバッテリとしてのリチウムイオン電池を搭載する車載電源システムが提案されている。
このような車載電源システムが提案された背景としては、電気容量の確保だけでなく、装置寿命の向上やコストアップ抑制などが挙げられる。
すなわち、メインバッテリとしての鉛蓄電池は、サブバッテリとしてのリチウムイオン電池に比べて安価であるが、頻繁な充放電に対する耐久性は低くなっている。特に停車時にエンジンを停止するアイドルストップ機能を有する車両や、車両の回生エネルギーをオルタネータにより発電させて充電を行う車両などにおいて、鉛蓄電池を用いた場合には、頻繁に放電あるいは充電を行うこととなり、早期の劣化が予測されるからである。
すなわち、メインバッテリとしての鉛蓄電池は、サブバッテリとしてのリチウムイオン電池に比べて安価であるが、頻繁な充放電に対する耐久性は低くなっている。特に停車時にエンジンを停止するアイドルストップ機能を有する車両や、車両の回生エネルギーをオルタネータにより発電させて充電を行う車両などにおいて、鉛蓄電池を用いた場合には、頻繁に放電あるいは充電を行うこととなり、早期の劣化が予測されるからである。
そこで、安価な鉛蓄電池と、頻繁な充放電に対する耐久性の高いリチウムイオン電池を同時に搭載し、アイドルストップ中における負荷への電力供給や回生充電等の頻度の高い充放電動作をリチウムイオン電池に優先的に行わせ、鉛蓄電池の劣化軽減を図るとともに、長時間にわたるバックアップ電源供給などの電力容量の確保を鉛蓄電池に担わせることにより、リチウムイオン電池の小容量化によるコストアップの抑制を図っているのである。
上記構成を実現するにあたり、各バッテリの電圧に基づいて両バッテリ間の接続状態を制御するためにメインバッテリとサブバッテリとをスイッチボックスを介して接続するようにしている。
ところで、上述したような車載電源システムにおいて、スイッチボックスは、複数のスイッチングトランジスタ(たとえば、MOSFET)を備えているが、スイッチボックスを確実に動作させるために、テストモードにおいては、これら複数のスイッチングトランジスタを個別に駆動して、オープン故障あるいはショート故障を確実に検出できることが望まれている。
ところで、上述したような車載電源システムにおいて、スイッチボックスは、複数のスイッチングトランジスタ(たとえば、MOSFET)を備えているが、スイッチボックスを確実に動作させるために、テストモードにおいては、これら複数のスイッチングトランジスタを個別に駆動して、オープン故障あるいはショート故障を確実に検出できることが望まれている。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、並列接続されているスイッチングトランジスタのそれぞれについてオープン故障あるいはショート故障を確実に検出するために、並列接続されている複数のスイッチングトランジスタを個別に駆動できるスイッチボックスを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、実施形態のスイッチボックスは、一対の電池を並列接続するための直列接続された一対のスイッチングトランジスタと、前記一対のスイッチングトランジスタのそれぞれに並列に接続されるとともに、アノード端子が共通接続された一対のダイオードと、前記一対のスイッチングトランジスのオン/オフ動作を個別に行う個別駆動回路と、前記一対のスイッチングトランジスタの一方をオン動作させる際に、前記一対のスイッチングトランジスタの接続点の電圧が、オフ動作中のスイッチングトランジスタ側の電池への前記ダイオードを介した電流の流れ込みが無い電圧となるように、前記オン動作させる一方のスイッチングトランジスタの制御端子に印加する駆動電圧を設定する駆動回路と、を備える。
また、上記スイッチボックスにおいて、前記制御端子が共通接続され、オン状態にある一のスイッチングトランジスタから前記制御端子を介した他のスイッチングトランジスタへの電力の廻り込みを防止する廻り込み防止回路を設けるようにしてもよい。
また、上記スイッチボックスにおいて、前記一対のスイッチングトランジスタに対し並列に接続された、直列接続された一対或いは複数対のスイッチングトランジスタと、前記一対のスイッチングトランジスタに対し並列に接続された、一対或いは複数対のスイッチングトランジスタのそれぞれに並列に接続されるとともに、アノード端子が共通接続された一対或いは複数対のダイオードと、前記一対のスイッチングトランジスタに並列に接続された一対或いは複数対のスイッチングトランジスタにそれぞれ設けられ、対応するスイッチングトランジスタのオン/オフ動作を個別に行う一又は複数対の個別駆動回路と、を備えるようにしてもよい。
また、上記スイッチボックスにおいて、前記一対のスイッチングトランジスタの接続点の電圧をVmidとし、前記一対の電池のうちオン動作中のスイッチングトランジスタ側の電池の電圧をV1とし、前記一対の電池のうちオフ動作中のスイッチングトランジスタ側の電池の電圧をV2とし、オン動作中のスイッチングトランジスタの電圧降下をVDSとし、前記オン動作中のスイッチングトランジスタと対になっているオフ動作中のスイッチングトランジスタの寄生ダイオードの降伏電圧をVDとした場合に、前記駆動電圧は、次式を満たすように設定するようにしてもよい。
V1−VDS=Vmid<V2+VD
V1−VDS=Vmid<V2+VD
また、上記スイッチボックスにおいて、前記スイッチングトランジスタは、NチャネルMOSFETであり、前記制御端子は、ゲート端子で有るようにしてもよい。
また、上記スイッチボックスにおいて、前記廻り込み防止回路は、前記制御端子をスイッチング素子を介して接地するようにしてもよい。
実施形態のスイッチボックスによれば、確実にオープン故障並列接続されている複数のスイッチングトランジスタを確実に個別に駆動できる、という効果を奏する。
次に図面を参照して好適な実施形態について説明する。
図1は、一対の車載バッテリを備えた車載電源システムの概要構成ブロック図である。
車載電源システム10は、鉛蓄電池として構成されたメインバッテリ11と、同じく鉛蓄電池として構成されたサブバッテリ12と、ECU等として構成された車載コントローラ13と、車載コントローラ13の制御下でメインバッテリ11とサブバッテリ12との並列接続/遮断等を行うリレートランジスタ回路として構成されたソリッドステートリレー(SSR)を備えたスイッチボックス14と、を備えている。
図1は、一対の車載バッテリを備えた車載電源システムの概要構成ブロック図である。
車載電源システム10は、鉛蓄電池として構成されたメインバッテリ11と、同じく鉛蓄電池として構成されたサブバッテリ12と、ECU等として構成された車載コントローラ13と、車載コントローラ13の制御下でメインバッテリ11とサブバッテリ12との並列接続/遮断等を行うリレートランジスタ回路として構成されたソリッドステートリレー(SSR)を備えたスイッチボックス14と、を備えている。
上記構成において、車載コントローラ13は、検査モードにおいて、スイッチボックス14を構成している複数のFETを個別にオン制御あるいはオフ制御し、得られるテスト時電圧VTSTに基づいてスイッチボックス14を構成している各FETのショート故障、オープン故障の検出を行う。
また、車載コントローラ13は、通常動作モードにおいては、メインバッテリ11及びサブバッテリ12の過充電や過放電に伴う早期劣化を防止するため、メインバッテリ11あるいはサブバッテリ12のSOC(State Of Charge)が適正範囲となるように、制御を行う。
すなわち、メインバッテリ11のSOCが適正範囲より低下した場合には、レギュレータで調整する発電電力の設定電圧を高く設定することで、メインバッテリ11への充電を促進する。また、メインバッテリ11のSOCが適正範囲より上昇した場合には、レギュレータで調整する発電電力の設定電圧を低く設定することで、メインバッテリ11からの放電を促進する。
ところで、メインバッテリ11の開放電圧と、サブバッテリ12の開放電圧とは異なっているのが通常で有り、単純にメインバッテリ11とサブバッテリ12とを電気的に接続してしまうと、メインバッテリ11のSOCを適正範囲に収めるために、発電電力の設定電圧を変更することにより、サブバッテリ12の過充電あるいは過放電が起きる虞がある。
このため、車載コントローラ13は、メインバッテリ11へ充電し、サブバッテリ12への充電をさせたくない場合や、サブバッテリ12からメインバッテリ11への放電をさせたくない場合には、スイッチボックス14に対してメインバッテリ11とサブバッテリ12との遮断状態に移行し、あるいは、遮断状態を維持する指示を行う。
図2は、スイッチボックスの概要構成ブロック図である。
スイッチボックス14は、並列接続された複数(図2では、3個)のリレートランジスタ回路21−1〜21−3と、車載コントローラ13からの全オン制御信号CALL-ONに基づいて複数のリレートランジスタ回路21−1〜21−3を同時にオン動作させるための同時オン回路22と、車載コントローラ13からの全オフ制御信号CALL-OFFに基づいて複数のリレートランジスタ回路21−1〜21−3を同時にオフ動作するための同時オフ回路23と、車載コントローラからの個別オン/オフ制御信号CON-OFF11、CON-OFF12、CON-OFF21、CON-OFF22、CON-OFF31、CON-OFF32、に基づいて、複数のリレートランジスタ回路21−1〜21−3を構成している後述する6個のスイッチングトランジスタとして機能するNチャネルMOSFETを個別に駆動し、スイッチントランジスタの個別動作テストを行うために各リレートランジスタ回路にそれぞれ一組ずつ設けられた個別駆動回路24−1〜24−6と、メインバッテリ11の電圧VMBを検出するメイン電圧検出回路25と、サブバッテリ12の電圧VSBを検出するサブ電圧検出回路26と、リレートランジスタ回路21−1〜21−3の故障検出動作(故障検出テスト)時のテスト時電圧VTSTを検出するテスト時電圧検出回路27と、を備えている。
上記構成において、リレートランジスタ回路21−1〜21−3は、ソリッドステートリレーとして機能している。
スイッチボックス14は、並列接続された複数(図2では、3個)のリレートランジスタ回路21−1〜21−3と、車載コントローラ13からの全オン制御信号CALL-ONに基づいて複数のリレートランジスタ回路21−1〜21−3を同時にオン動作させるための同時オン回路22と、車載コントローラ13からの全オフ制御信号CALL-OFFに基づいて複数のリレートランジスタ回路21−1〜21−3を同時にオフ動作するための同時オフ回路23と、車載コントローラからの個別オン/オフ制御信号CON-OFF11、CON-OFF12、CON-OFF21、CON-OFF22、CON-OFF31、CON-OFF32、に基づいて、複数のリレートランジスタ回路21−1〜21−3を構成している後述する6個のスイッチングトランジスタとして機能するNチャネルMOSFETを個別に駆動し、スイッチントランジスタの個別動作テストを行うために各リレートランジスタ回路にそれぞれ一組ずつ設けられた個別駆動回路24−1〜24−6と、メインバッテリ11の電圧VMBを検出するメイン電圧検出回路25と、サブバッテリ12の電圧VSBを検出するサブ電圧検出回路26と、リレートランジスタ回路21−1〜21−3の故障検出動作(故障検出テスト)時のテスト時電圧VTSTを検出するテスト時電圧検出回路27と、を備えている。
上記構成において、リレートランジスタ回路21−1〜21−3は、ソリッドステートリレーとして機能している。
この場合において、テスト時電圧検出回路27は、電位検出回路として機能している。
また、リレートランジスタ回路を複数設けているのは、複数系統に分流し、実質的な電気容量を大きく確保するためである。
また、リレートランジスタ回路を複数設けているのは、複数系統に分流し、実質的な電気容量を大きく確保するためである。
図3は、スイッチボックスの詳細回路例の説明図である。
リレートランジスタ回路21−1〜21−3は、図3に示すように、ソース端子がバックツーバック接続された一対のNチャネルMOSFET31−1、31−2を備えている。さらにNチャネルMOSFET31−1のソース端子−ゲート端子間及びNチャネルMOSFET31−2のソース端子−ゲート端子間には、アノードが接続された一対のツェナーダイオードが逆流を防止するとともに、NチャネルMOSFET31−1あるいはNチャネルMOSFET31−2のソース端子−ゲート端子間に所定の一定電圧を印加するための逆流防止定電圧回路CVがそれぞれ接続されている。
リレートランジスタ回路21−1〜21−3は、図3に示すように、ソース端子がバックツーバック接続された一対のNチャネルMOSFET31−1、31−2を備えている。さらにNチャネルMOSFET31−1のソース端子−ゲート端子間及びNチャネルMOSFET31−2のソース端子−ゲート端子間には、アノードが接続された一対のツェナーダイオードが逆流を防止するとともに、NチャネルMOSFET31−1あるいはNチャネルMOSFET31−2のソース端子−ゲート端子間に所定の一定電圧を印加するための逆流防止定電圧回路CVがそれぞれ接続されている。
上記構成において、リレートランジスタ回路21−1〜21−3のNチャネルMOSFET31−1は、並列接続され、制御端子であるゲート端子が共通接続されて、一対の電池であるメインバッテリ11及びサブバッテリ12を並列接続するための複数のスイッチングトランジスタとして機能している。
さらにリレートランジスタ回路21−1〜21−3のNチャネルMOSFET31−1全体で一対のスイッチングトランジスタ群のうち、一方のスイッチングトランジスタ群を構成している。
同様に、リレートランジスタ回路21−1〜21−3のNチャネルMOSFET31−2は、並列接続され、制御端子であるゲート端子が共通接続されて、一対の電池であるメインバッテリ11及びサブバッテリ12を並列接続するための複数のスイッチングトランジスタとして機能している。
さらにリレートランジスタ回路21−1〜21−3のNチャネルMOSFET31−2全体で一対のスイッチングトランジスタ群のうち、他方のスイッチングトランジスタ群を構成している。
同時オン回路22は、図3に示すように、リレートランジスタを構成する一対のNチャネルMOSFET31−1、31−2のゲート端子に電流制限抵抗32を介してコレクタ端子が接続されたPNPトランジスタ33と、PNPトランジスタ33のエミッタ端子に接続され、“H”レベルの電圧を印加可能な昇圧回路34と、ベース端子に車載コントローラから全オン制御信号CALL-ONが入力され、コレクタ端子がPNPトランジスタ33のベース端子に接続され、コレクタ端子がPNPトランジスタ33のベース端子にプルダウン抵抗35を介して接続され、エミッタ端子が接地され、全オン制御信号CALL-ONに基づいて、PNPトランジスタ33を駆動するNPNトランジスタ36と、を備えている。
上記構成において、PNPトランジスタ33のベース端子−エミッタ端子間には、PNPトランジスタ33のオン状態におけるベース−エミッタ電圧を一定電圧とするためにツェナーダイオード及び抵抗が並列接続された定電圧回路CV2が設けられている。
同時オフ回路23は、図3に示すように、一対のNチャネルMOSFET31−1、31−2の両ソース端子にソース端子が接続され、一対のNチャネルMOSFETのそれぞれのゲート端子に接続され、一対のNチャネルMOSFET31−1、31−2の両ゲート端子にドレイン端子が接続され、オン状態となって、NチャネルMOSFETのソース−ゲート端子間を短絡するオフ制御用のNチャネルMOSFET37(=駆動回路)と、NチャネルMOSFET37のゲート端子を基準電位Vref(=0V)に接続するためのプルダウン抵抗38と、NチャネルMOSFET37とプルダウン抵抗38の接続点にコレクタ端子が接続され、昇圧回路34にエミッタ端子が接続されたPNPトランジスタ39と、ベース端子に車載コントローラから全オフ制御信号CALL-OFFが入力され、コレクタ端子がPNPトランジスタ39のベース端子にプルダウン抵抗40を介して接続され、エミッタ端子が接地され、全オフ制御信号CALL-OFFに基づいてPNPトランジスタ39を駆動するNPNトランジスタ41と、を備えている。
また、NチャネルMOSFET37のソース端子−ゲート端子間には、アノードが接続された一対のツェナーダイオードが逆流を防止するとともに、NチャネルMOSFET37のソース端子−ゲート端子間に所定一定電圧を印加するための逆流防止定電圧回路CV1が接続されている。また、PNPトランジスタ39のベース端子−エミッタ端子間には、PNPトランジスタ39のオン状態におけるベース−エミッタ電圧を一定電圧とするためにツェナーダイオード及び抵抗が並列接続された定電圧回路CV3が設けられている。
次に、リレートランジスタ回路21−1〜21−3を構成し、それぞれがスイッチングトランジスタとして機能するNチャネルMOSFET31−1、31−2をそれぞれ別個にテストする際に、対応するNチャネルMOSFET31−1、31−2を個別に駆動する個別駆動回路24−1〜24−6について説明する。
ここで、個別駆動回路24−1は、リレートランジスタ回路21−1を構成しているNチャネルMOSFET31−1を駆動可能とされ、個別駆動回路24−2は、リレートランジスタ回路21−1を構成しているNチャネルMOSFET31−2を駆動可能とされている。同様に、個別駆動回路24−3は、リレートランジスタ回路21−2を構成しているNチャネルMOSFET31−1を駆動可能とされ、個別駆動回路24−4は、リレートランジスタ回路21−2を構成しているNチャネルMOSFET31−2を駆動可能とされ、個別駆動回路24−5は、リレートランジスタ回路21−3を構成しているNチャネルMOSFET31−1を駆動可能とされ、個別駆動回路24−6は、リレートランジスタ回路21−3を構成しているNチャネルMOSFET31−2を駆動可能とされている。
ところで、個別駆動回路24−1〜24−6は、同様の構成となっているので、個別駆動回路24−1を例として図3を参照して説明する。
ここで、個別駆動回路24−1は、リレートランジスタ回路21−1を構成しているNチャネルMOSFET31−1を駆動可能とされ、個別駆動回路24−2は、リレートランジスタ回路21−1を構成しているNチャネルMOSFET31−2を駆動可能とされている。同様に、個別駆動回路24−3は、リレートランジスタ回路21−2を構成しているNチャネルMOSFET31−1を駆動可能とされ、個別駆動回路24−4は、リレートランジスタ回路21−2を構成しているNチャネルMOSFET31−2を駆動可能とされ、個別駆動回路24−5は、リレートランジスタ回路21−3を構成しているNチャネルMOSFET31−1を駆動可能とされ、個別駆動回路24−6は、リレートランジスタ回路21−3を構成しているNチャネルMOSFET31−2を駆動可能とされている。
ところで、個別駆動回路24−1〜24−6は、同様の構成となっているので、個別駆動回路24−1を例として図3を参照して説明する。
個別駆動回路24−1は、メインバッテリ11及びサブバッテリ12のそれぞれに対し順方向接続されたダイオードD11、D12を介してエミッタ端子が接続され、コレクタ端子が分圧回路を構成している分圧抵抗51−1、51−2のうち分圧抵抗51−1を介して、NチャネルMOSFET31−1のゲート端子に接続されたPNPトランジスタ52と、PNPトランジスタ52のエミッタ端子に高電位側端子が接続され、PNPトランジスタ52と並列に接続されて分圧電圧をPNPトランジスタ52のベース端子に供給する分圧回路53と、分圧回路53の低電位側端子がコレクタ端子に接続され、エミッタ端子が接地され、ベース端子に車載コントローラ13からの個別オン/オフ制御信号CON-OFF11が入力されるNPNトランジスタ54と、を備えている。
上記構成において、個別駆動回路24−1〜24−6を構成しているすべてのPNPトランジスタ52のコレクタ端子は、プルダウン抵抗55を介してNPNトランジスタ56のコレクタ端子に共通接続されている。
ここで、NPNトランジスタ56は、ベース端子に車載コントローラ13から廻り込み防止制御信号CSTPが入力され、個別オン/オフ動作時にオン状態とされる。これにより、個別オン/オフ動作の対象となる制御対象のNチャネルMOSFET31−1(あるいは、NチャネルMOSFET31−2)の動作状態(オン又はオフ)にかかわらず、制御対象以外のNチャネルMOSFET31−1、31−2の制御端子であるゲート端子は、接地状態(“L”レベル)となり、制御対象のNチャネルMOSFET31−1(あるいは、NチャネルMOSFET31−2)の制御時の電力の廻り込みにより非制御対象の他のNチャネルMOSFET31−1、31−2が動作することはないようにされている。すなわち、プルダウン抵抗55及びNPNトランジスタ56は、廻り込み防止回路28として機能することとなる。
この結果、オープン故障あるいはショート故障をスイッチングトランジスタ毎に確実に検出するために、並列接続されているスイッチングトランジスタであるNチャネルMOSFET31−1、NチャネルMOSFET31−2のそれぞれを個別に駆動できる。
また、並列接続された複数のNチャネルMOSFET31−1(スイッチングトランジスタ)及び並列接続された複数のNチャネルMOSFET31−2(スイッチングトランジスタ)をスイッチングトランジスタ群として、一対のスイッチングトランジスタ群を直列接続して同一の廻り込み防止回路28に接続しているので、簡易な構成で確実に電力の廻り込みを防止できる。
次に実施形態の動作を説明する。
[1]全オン時の動作
まず、リレートランジスタ回路21−1〜21−3を構成している全てのNチャネルMOSFET31−1〜31−2を全てオン状態とする全オン時の動作を説明する。
初期状態においては、リレートランジスタ回路21−1〜21−3を構成している全てのNチャネルMOSFET31−1〜31−2がオフ状態で有り、NチャネルMOSFET31−1と、NチャネルMOSFET31−2とは、ソース端子がバックツーバック接続され、寄生ダイオードが互いに逆方向を向いているため、メインバッテリ11と、サブバッテリ12とは、非接続状態となっている。
[1]全オン時の動作
まず、リレートランジスタ回路21−1〜21−3を構成している全てのNチャネルMOSFET31−1〜31−2を全てオン状態とする全オン時の動作を説明する。
初期状態においては、リレートランジスタ回路21−1〜21−3を構成している全てのNチャネルMOSFET31−1〜31−2がオフ状態で有り、NチャネルMOSFET31−1と、NチャネルMOSFET31−2とは、ソース端子がバックツーバック接続され、寄生ダイオードが互いに逆方向を向いているため、メインバッテリ11と、サブバッテリ12とは、非接続状態となっている。
まず、車載コントローラ13は、全オン制御信号CALL-ON=“H”レベルとする。
これにより、NPNトランジスタ36は、オン状態となり、PNPトランジスタ33のベース端子の電位は、プルダウン抵抗35により接地レベルとなり、PNPトランジスタ33がオン状態となる。
これらの結果、昇圧回路34の“H”レベルの電圧(=20V)は、リレートランジスタ回路21−1〜21−3のそれぞれを構成しているNチャネルMOSFET31−1、31−2のゲート端子に印加され、全てのNチャネルMOSFET31−1、31−2をオン状態(閉状態)とする。
これにより、NPNトランジスタ36は、オン状態となり、PNPトランジスタ33のベース端子の電位は、プルダウン抵抗35により接地レベルとなり、PNPトランジスタ33がオン状態となる。
これらの結果、昇圧回路34の“H”レベルの電圧(=20V)は、リレートランジスタ回路21−1〜21−3のそれぞれを構成しているNチャネルMOSFET31−1、31−2のゲート端子に印加され、全てのNチャネルMOSFET31−1、31−2をオン状態(閉状態)とする。
したがって、メインバッテリ11及びサブバッテリ12は、リレートランジスタ回路21−1〜21−3を介して並列接続され、一体となって電力供給を行うこととなる。
[2]全オフ時の動作
次に、リレートランジスタ回路21−1〜21−3を構成している全てのNチャネルMOSFET31−1〜31−2を全てオフ状態とする全オフ時の動作を説明する。
初期状態においては、リレートランジスタ回路21−1〜21−3を構成している全てのNチャネルMOSFET31−1〜31−2がオン状態となっているものとする。
次に、リレートランジスタ回路21−1〜21−3を構成している全てのNチャネルMOSFET31−1〜31−2を全てオフ状態とする全オフ時の動作を説明する。
初期状態においては、リレートランジスタ回路21−1〜21−3を構成している全てのNチャネルMOSFET31−1〜31−2がオン状態となっているものとする。
車載コントローラ13は、全オン制御信号CALL-ON=“L”レベルとして、NPNトランジスタ36及びPNPトランジスタ33をオフ状態にした後、全オフ制御信号CALL-OFF=“H”レベルとする。
これにより、NPNトランジスタ41は、オン状態となり、PNPトランジスタ39のベース端子の電位は、プルダウン抵抗40により接地レベルとなり、PNPトランジスタ39がオン状態となる。
これにより、NPNトランジスタ41は、オン状態となり、PNPトランジスタ39のベース端子の電位は、プルダウン抵抗40により接地レベルとなり、PNPトランジスタ39がオン状態となる。
これらの結果、昇圧回路34の“H”レベルの電圧は、NチャネルMOSFET37のゲート端子に印加される。
NチャネルMOSFET37は、オン状態となり、リレートランジスタ回路21−1〜21−3を構成している全てのNチャネルMOSFET31−1〜31−2のソース端子の電位と、ゲート端子の電位は、同電位となり、全てのNチャネルMOSFET31−1〜31−2はオフ状態となる。
NチャネルMOSFET37は、オン状態となり、リレートランジスタ回路21−1〜21−3を構成している全てのNチャネルMOSFET31−1〜31−2のソース端子の電位と、ゲート端子の電位は、同電位となり、全てのNチャネルMOSFET31−1〜31−2はオフ状態となる。
したがって、メインバッテリ11及びサブバッテリは、リレートランジスタ回路21−1〜21−3により並列接続が解除されることとなる。
[3]スイッチントランジスタの個別動作テスト時の動作
リレートランジスタ回路21−1〜21−3を構成しているNチャネルMOSFET31−1〜31−2に対し、それぞれ個別に動作テストする個別動作テストの際に行われるスイッチングトランジスタの個別オン/オフ動作について図4を参照して説明する。
図4は、スイッチボックスを構成するスイッチングトランジスタの個別動作テストのタイミングチャートである。
上述したように、個別駆動回路24−1〜24−6は、同様の構成となっているので、動作も同様となっている。
そこで、個別駆動回路24−1を例として、リレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1の個別オン/オフ動作について説明する。
この場合において、個別オン動作及び個別オフ動作は、連続して行うようになっている。
リレートランジスタ回路21−1〜21−3を構成しているNチャネルMOSFET31−1〜31−2に対し、それぞれ個別に動作テストする個別動作テストの際に行われるスイッチングトランジスタの個別オン/オフ動作について図4を参照して説明する。
図4は、スイッチボックスを構成するスイッチングトランジスタの個別動作テストのタイミングチャートである。
上述したように、個別駆動回路24−1〜24−6は、同様の構成となっているので、動作も同様となっている。
そこで、個別駆動回路24−1を例として、リレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1の個別オン/オフ動作について説明する。
この場合において、個別オン動作及び個別オフ動作は、連続して行うようになっている。
まず、個別オン動作について説明する。
初期状態において、リレートランジスタ回路21−1〜21−3を構成している全てのNチャネルMOSFET31−1、31−2がオフ状態で有り、メインバッテリ11と、サブバッテリ12とは、非接続状態となっているものとする。
上記状態となっていることは、テスト時電圧検出回路27の検出したテスト時電圧VTSTが0V(接地電位)となっていることで確認ができる。
初期状態において、リレートランジスタ回路21−1〜21−3を構成している全てのNチャネルMOSFET31−1、31−2がオフ状態で有り、メインバッテリ11と、サブバッテリ12とは、非接続状態となっているものとする。
上記状態となっていることは、テスト時電圧検出回路27の検出したテスト時電圧VTSTが0V(接地電位)となっていることで確認ができる。
まず、車載コントローラ13は、時刻t1において、廻り込み防止制御信号CSTPを“H”レベルの電圧とする。これにより、NPNトランジスタ56は、オン状態となり、プルダウン抵抗55を介して、全てのNチャネルMOSFET31−1、31−2のゲート端子は接地状態(“L”レベル)となる。
このとき、車載コントローラ13は、テスト時電圧検出回路27の出力したテスト時電圧VTSTを監視し、テスト時電圧検出回路27が全てのNチャネルMOSFET31−1、31−2がオフ状態にある場合に検出される電位、すなわち、テスト時電圧検出回路27の検出したテスト時電圧VTSTが0V(接地電位)となっていることを確認する。
次に車載コントローラ13は、NチャネルMOSFETを個別にオンさせ、テスト時電圧検出回路27により検出されたテスト時電圧VTSTによって、テスト対象のNチャネルMOSFETがオンされているか(オープン故障)を検出する。
車載コントローラ13は、テスト対象のNチャネルMOSFET(以下の説明では、NチャネルMOSFET31−1)のソース端子にソース端子がバックツーバック接続されている対のNチャネルMOSFET及び当該対のNチャネルMOSFETと並列に接続されているNチャネルMOSFET(以下の説明では、全てのNチャネルMOSFET31−2)の電圧をメイン電圧検出回路25あるいはサブ電圧検出回路26(以下の説明では、サブ電圧検出回路26)により検出する。
車載コントローラ13は、テスト対象のNチャネルMOSFET(以下の説明では、NチャネルMOSFET31−1)のソース端子にソース端子がバックツーバック接続されている対のNチャネルMOSFET及び当該対のNチャネルMOSFETと並列に接続されているNチャネルMOSFET(以下の説明では、全てのNチャネルMOSFET31−2)の電圧をメイン電圧検出回路25あるいはサブ電圧検出回路26(以下の説明では、サブ電圧検出回路26)により検出する。
次に、個別駆動回路24−1〜24−6が対応するリレートランジスタ回路21−1〜21−3に出力するテスト電圧(個別駆動電圧)が印加された状態で、テスト対象のNチャネルMOSFETに接続されている電池の電圧から当該テスト対象のNチャネルMOSFETの電圧降下を差し引いた電圧、すなわち、NチャネルMOSFETの接続点の電圧に対し、テスト対象のNチャネルMOSFETと対となるNチャネルMOSFETの寄生ダイオードの降伏電圧と、当該対となるNチャネルMOSFETの先に接続されているバッテリの電圧と、の和の方が高いか否かを判別する。
これは、テスト対象(個別駆動対象)のNチャネルMOSFETのゲート端子にテスト電圧(個別駆動電圧)が印加された状態で、テスト対象のNチャネルMOSFET及び対となるNチャネルMOSFETの接続点の電圧が、対となるNチャネルMOSFETの寄生ダイオードのカソード端子の先に接続されているバッテリの電圧よりも高い場合には、寄生ダイオードを介して当該対となるNチャネルMOSFET側のバッテリに電流が流れ、テスト時電圧VTSTが変動し正確な個別オン動作のテストが行えないからである。
換言すれば、テスト電圧(個別駆動電圧)は、一対のNチャネルMOSFET31−1、31−2の接続点の電圧をVmidとし、一対の電池であるメインバッテリ11及びサブバッテリ12のうち、低電圧側の電池の電圧をV1とし、高電圧側の電池の電圧をV2とし、低電圧側の電池に接続されたスイッチングトランジスタの電圧降下をVDSとし、高電圧側の電池に接続されたダイオードの降伏電圧をVDとした場合に、次式を満たすように設定される。
V1−VDS=Vmid<V2+VD
V1−VDS=Vmid<V2+VD
例えば、上記式を満たすテスト電圧(個別駆動電圧)として7Vが用いられ、高電圧側のバッテリの電圧V2=12Vである場合、低電圧側のバッテリの電圧V1が3V程度までは、高電圧側のバッテリにカソードが接続されている寄生ダイオードを介して電流が流れることが無く、正確な個別オン動作のテストが行えるようになっている。
そして車載コントローラ13は、テスト電圧が印加された状態で、テスト対象のNチャネルMOSFETに接続されている電池の電圧から当該テスト対象のNチャネルMOSFETの電圧降下を差し引いた電圧に対し、テスト対象のNチャネルMOSFETと対となるNチャネルMOSFETの寄生ダイオードの降伏電圧と、当該対となるNチャネルMOSFETの先に接続されているバッテリの電圧と、の和の方が高い場合には、個別オン動作のテストに移行する(以下、全てのNチャネルMOSFET31−1〜31−2がオフ状態にあることを検出してから、実際の個別オン動作のテストに移行する前に行う処理をテスト前処理という。)。
そして、テスト前処理が完了すると、車載コントローラ13は、時刻t2において、個別オン/オフ制御信号CON-OFF11を“H”レベルの電圧としてNPNトランジスタ54のベース端子に印加する。これによりNPNトランジスタ54のベース端子からエミッタ端子に電流が流れ、NPNトランジスタ54は、オン状態となる。
これに伴い、分圧回路53には、メインバッテリ11及びサブバッテリ12からダイオードD11、D12を介して電力が供給され、供給された電力の電圧を分圧して、PNPトランジスタ52のベース端子に印加する。
これによりPNPトランジスタ52のベース端子からコレクタ端子に電流が流れ、PNPトランジスタ52は、オン状態となる。
これによりPNPトランジスタ52のベース端子からコレクタ端子に電流が流れ、PNPトランジスタ52は、オン状態となる。
この結果、PNPトランジスタ52を介して、分圧回路を構成している分圧抵抗51−1、51−2にメインバッテリ11及びサブバッテリ12からダイオードD11、D12を介して電力が供給され、供給された電力の電圧を分圧した分圧電圧が、測定対象NチャネルMOSFETであるリレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1のゲート端子にテスト電圧として印加される。上述したように、テスト電圧の印加では、いずれかのNチャネルMOSFET31−2の寄生ダイオードを介してメインバッテリ11側からサブバッテリ12側に電流が流れ込むことはないので、正確な個別オン動作のテストが行えるようになっている。
一方、廻り込み防止制御信号CSTPは“H”レベルの電圧のままであるので、非測定対象NチャネルMOSFETであるリレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−2、リレートランジスタ回路21−2のNチャネルMOSFET31−1、31−2、リレートランジスタ回路21−3のNチャネルMOSFET31−1、31−2のゲート端子は接地状態(“L”レベル)のままとなっている。
また、スイッチングトランジスタとして機能している全てのNチャネルMOSFET31−2、リレートランジスタ回路21−2のソース電位は“L”レベル状態となっている。
一方、廻り込み防止制御信号CSTPは“H”レベルの電圧のままであるので、非測定対象NチャネルMOSFETであるリレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−2、リレートランジスタ回路21−2のNチャネルMOSFET31−1、31−2、リレートランジスタ回路21−3のNチャネルMOSFET31−1、31−2のゲート端子は接地状態(“L”レベル)のままとなっている。
また、スイッチングトランジスタとして機能している全てのNチャネルMOSFET31−2、リレートランジスタ回路21−2のソース電位は“L”レベル状態となっている。
したがって、逆流防止定電圧回路CVによりNチャネルMOSFET31−1のソース端子−ゲート端子間に所定の一定電圧が印加されることとなり、リレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1は、時刻t2において、単独でオン状態となる。
この結果、正常にリレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1がオン状態に移行すると、テスト時電圧検出回路27は、メインバッテリ11から供給された電力により、所定の電位に上昇したリレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1のソース端子の電位を検出する。そして、テスト時電圧検出回路27は、テスト時電圧VTSTとして、車載コントローラ13に出力する。
したがって、車載コントローラ13は、テスト時電圧VTSTが所定の電位となり、リレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1のソース端子の電位が、NチャネルMOSFET31−1がオフ状態にあった初期状態よりも所定の閾値を超えて上昇している場合に、リレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1が正常にオン状態に遷移したと判別することとなる。
逆にリレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1がオン状態に正常に移行できない場合には、テスト時電圧検出回路27は、全てのNチャネルMOSFET31−1〜31−2がオフ状態にある場合に検出される電位を検出することとなるので、車載コントローラ13は、リレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1がオフ状態のままである、オープン故障であると判別することとなる。
次に個別オン動作において、車載コントローラ13は、リレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1が正常であると確認すると、個別オフ動作を行う。
まず、車載コントローラ13は、時刻t3において、個別オン/オフ制御信号CON-OFF11を“L”レベルの電圧としてNPNトランジスタ54のベース端子に印加する。これによりNPNトランジスタ54は、オフ状態へと遷移する。
まず、車載コントローラ13は、時刻t3において、個別オン/オフ制御信号CON-OFF11を“L”レベルの電圧としてNPNトランジスタ54のベース端子に印加する。これによりNPNトランジスタ54は、オフ状態へと遷移する。
これに伴い、分圧回路53には、メインバッテリ11及びサブバッテリ12からダイオードD11、D12を介した電圧がそのまま供給されるので、PNPトランジスタ52のベース端子にも電源電圧が供給されるため、PNPトランジスタ52は、オフ状態へと遷移することとなる。
この結果、PNPトランジスタ52を介した分圧抵抗51−1、51−2に対する電力供給がなくなるため、リレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1のゲート端子は、プルダウン抵抗55及びNPNトランジスタ56を介して接地され、“L”レベルとなり、NチャネルMOSFET31−1が正常であれば、NチャネルMOSFET31−1はオフ状態へと遷移する。
したがって、車載コントローラ13は、テスト時電圧VTSTに基づいて、リレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1のソース端子の電位が、NチャネルMOSFET31−1がオフ状態にあった初期状態と等しくなれば、リレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1が正常にオフ状態に遷移したと判別することとなる。
逆にリレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1がオフ状態に正常に移行できない場合には、テスト時電圧検出回路27の出力するテスト時電圧VTSTがNチャネルMOSFET31−1がオフ状態にあった初期状態よりも所定の閾値を超えたままである場合には、車載コントローラ13は、リレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1がオン状態のままである、ショート故障であると判別することとなる。
そして、リレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1の個別動作テストが完了すると、同様にリレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−2について個別オン/オフ動作を行う。
そして、リレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1及びNチャネルMOSFET31−2の個別動作が終了すると、時刻t4において、車載コントローラ13は、廻り込み防止制御信号CSTPを“L”レベルの電圧として、処理を終了する。
そして、リレートランジスタ回路21−1のNチャネルMOSFET31−1及びNチャネルMOSFET31−2の個別動作が終了すると、時刻t4において、車載コントローラ13は、廻り込み防止制御信号CSTPを“L”レベルの電圧として、処理を終了する。
その後、車載コントローラ13は、同様に、残りのリレートランジスタ回路21−2、21−3を構成しているNチャネルMOSFET31−1及びNチャネルMOSFET31−2の個別オン/オフ動作を行い、それらが正常であるか否かをそれぞれ個別に判別することとなる。
以上の説明のように、本実施形態によれば、複数のスイッチングトランジスタであるNチャネルMOSFET31−1,31−2を個別に動作テストし、オープン故障あるいはショート故障を確実に検出できる。
以上の説明のように、本実施形態によれば、複数のスイッチングトランジスタであるNチャネルMOSFET31−1,31−2を個別に動作テストし、オープン故障あるいはショート故障を確実に検出できる。
以上、本発明を実施形態をもとに説明したが、この実施形態は例示であり、それらの各構成要素及びその組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
以上の説明においては、スイッチングトランジスタとして寄生ダイオードが形成されるMOSFETについて述べたが、IGBT等のスイッチングトランジスタと並列にダイオードを別途接続する構成であっても、同様に適用が可能である。
例えば、以上の説明においては、リレートランジスタ回路を3組設けていたが、これに限らず、複数設けられている場合であれば、同様に適用が可能である。
以上の説明においては、メインバッテリ11及びサブバッテリ12として、鉛蓄電池の場合を説明したが、少なくとも一方がリチウムイオン電池等の他の二次電池であっても定格出力電圧が同一であれば、同様に適用することが可能である。
例えば、以上の説明においては、リレートランジスタ回路を3組設けていたが、これに限らず、複数設けられている場合であれば、同様に適用が可能である。
以上の説明においては、メインバッテリ11及びサブバッテリ12として、鉛蓄電池の場合を説明したが、少なくとも一方がリチウムイオン電池等の他の二次電池であっても定格出力電圧が同一であれば、同様に適用することが可能である。
また、以上の説明においては、メインバッテリ11及びサブバッテリ12として、単独の二次電池を用いていたが、少なくとも一方を複数の電池を直列接続あるいは並列接続して1個の電池として機能する組電池とするように構成することも可能である。
10 車載電源システム
11 メインバッテリ
12 サブバッテリ
13 車載コントローラ
14 スイッチボックス
21−1〜21−3 リレートランジスタ回路
22 同時オン回路
23 同時オフ回路
24−1〜24−6 個別駆動回路
25 メイン電圧検出回路
26 サブ電圧検出回路
27 テスト電圧検出回路(電位検出回路)
28 廻り込み防止回路
31−1、31−2 NチャネルMOSFET(スイッチングトランジスタ)
34 昇圧回路
35 プルダウン抵抗
36 NPNトランジスタ
37 NチャネルMOSFET(駆動回路)
38 プルダウン抵抗
39 PNPトランジスタ
40 プルダウン抵抗
41 NPNトランジスタ
51 分圧抵抗
52 PNPトランジスタ
53 分圧回路
54 NPNトランジスタ
55 プルダウン抵抗(廻り込み防止回路)
56 NPNトランジスタ(廻り込み防止回路)
Vref 基準電位
11 メインバッテリ
12 サブバッテリ
13 車載コントローラ
14 スイッチボックス
21−1〜21−3 リレートランジスタ回路
22 同時オン回路
23 同時オフ回路
24−1〜24−6 個別駆動回路
25 メイン電圧検出回路
26 サブ電圧検出回路
27 テスト電圧検出回路(電位検出回路)
28 廻り込み防止回路
31−1、31−2 NチャネルMOSFET(スイッチングトランジスタ)
34 昇圧回路
35 プルダウン抵抗
36 NPNトランジスタ
37 NチャネルMOSFET(駆動回路)
38 プルダウン抵抗
39 PNPトランジスタ
40 プルダウン抵抗
41 NPNトランジスタ
51 分圧抵抗
52 PNPトランジスタ
53 分圧回路
54 NPNトランジスタ
55 プルダウン抵抗(廻り込み防止回路)
56 NPNトランジスタ(廻り込み防止回路)
Vref 基準電位
Claims (6)
- 一対の電池を並列接続するための直列接続された一対のスイッチングトランジスタと、
前記一対のスイッチングトランジスタのそれぞれに並列に接続されるとともに、アノード端子が共通接続された一対のダイオードと、
前記一対のスイッチングトランジスのオン/オフ動作を個別に行う個別駆動回路と、
前記一対のスイッチングトランジスタの一方をオン動作させる際に、前記一対のスイッチングトランジスタの接続点の電圧が、オフ動作中のスイッチングトランジスタ側の電池への前記ダイオードを介した電流の流れ込みが無い電圧となるように、前記オン動作させる一方のスイッチングトランジスタの制御端子に印加する駆動電圧を設定する駆動回路と、
を備えたスイッチボックス。 - 前記制御端子が共通接続され、
オン状態にある一のスイッチングトランジスタから前記制御端子を介した他のスイッチングトランジスタへの電力の廻り込みを防止する廻り込み防止回路を設けた、
請求項1記載のスイッチボックス。 - 前記一対のスイッチングトランジスタに対し並列に接続された、直列接続された一対或いは複数対のスイッチングトランジスタと、
前記一対のスイッチングトランジスタに対し並列に接続された、一対或いは複数対のスイッチングトランジスタのそれぞれに並列に接続されるとともに、アノード端子が共通接続された一対或いは複数対のダイオードと、
前記一対のスイッチングトランジスタに並列に接続された一対或いは複数対のスイッチングトランジスタにそれぞれ設けられ、対応するスイッチングトランジスタのオン/オフ動作を個別に行う一又は複数対の個別駆動回路と、を備えた、
請求項1又は請求項2記載のスイッチボックス。 - 前記一対のスイッチングトランジスタの接続点の電圧をVmidとし、
前記一対の電池のうちオン動作中のスイッチングトランジスタ側の電池の電圧をV1とし、
前記一対の電池のうちオフ動作中のスイッチングトランジスタ側の電池の電圧をV2とし、
オン動作中のスイッチングトランジスタの電圧降下をVDSとし、
前記オン動作中のスイッチングトランジスタと対になっているオフ動作中のスイッチングトランジスタの寄生ダイオードの降伏電圧をVDとした場合に、前記駆動電圧は、次式を満たすように設定する、
V1−VDS=Vmid<V2+VD
請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のスイッチボックス。 - 前記スイッチングトランジスタは、NチャネルMOSFETであり、
前記制御端子は、ゲート端子であり、
前記ダイオードは、寄生ダイオードである、
請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のスイッチボックス。 - 前記廻り込み防止回路は、前記制御端子をスイッチング素子を介して接地した、
請求項2記載のスイッチボックス。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014226165A JP2016093004A (ja) | 2014-11-06 | 2014-11-06 | スイッチボックス |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014226165A JP2016093004A (ja) | 2014-11-06 | 2014-11-06 | スイッチボックス |
Publications (1)
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---|---|
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Family
ID=56017342
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2014226165A Pending JP2016093004A (ja) | 2014-11-06 | 2014-11-06 | スイッチボックス |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2016093004A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018068074A (ja) * | 2016-10-21 | 2018-04-26 | 株式会社デンソー | 電源装置 |
-
2014
- 2014-11-06 JP JP2014226165A patent/JP2016093004A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018068074A (ja) * | 2016-10-21 | 2018-04-26 | 株式会社デンソー | 電源装置 |
WO2018074545A1 (ja) * | 2016-10-21 | 2018-04-26 | 株式会社デンソー | 電源装置 |
US11752897B2 (en) | 2016-10-21 | 2023-09-12 | Denso Corporation | Power supply apparatus |
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