JP5842483B2 - ２次電池用電源装置及び車載器 - Google Patents

Description

本発明は、バックアップ用電源としての２次電池の充放電を制御する２次電池用電源装置、及びこの２次電池用電源装置を備えた車載器に関する。

一般的に例えば車両に搭載され、情報センタと通信するための車載通信モジュールのバックアップシステムを構築するには、バックアップ用電源としての２次電池の充電回路と当該２次電池を電源とした放電回路の２つの回路を構成する必要がある。

特開２００４−９６８２６号公報

しかしながら、上記の構成の場合、２つの回路を構成するための部品点数が多く、またプリント配線もそれぞれの電源経路を確保する必要があるので、細くなってしまい、抵抗が大きくなってしまう問題がある。
一方、従来技術として特許文献１のように充電制御と放電制御の双方向で使用する制御方法など種々提案されているが、制御が複雑になるという問題がある。つまり、充電時のＤＣ−ＤＣコンバータ用と放電時のＤＣ−ＤＣコンバータ用と２つの制御部が必要であり、コントローラ部を共通にした場合でも、電圧検出部、電流検出部、ＦＥＴ駆動部で２つの回路とその切替の構成が必要となることから、複雑となり、総じてコスト高となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、構成を簡単化することで部品点数の削減を図ることができる２次電池用電源装置及び車載器を提供することにある。

請求項１の発明によれば、充電時は充電制御回路を動作させて第１の通電素子の通電電流をリニア制御することにより目標の充電電圧及で２次電池を充電することができる。一方、放電時は放電制御回路を動作させて第１の通電素子及び第２の通電素子のオンオフを制御してＤＣ−ＤＣコンバータを形成することで２次電池の電圧を電源電圧に変圧することができる。この場合、第１の通電素子を充放電時に兼用して使用するようにしたので、部品点数を削減してコストを低減することができる。
請求項２の発明によれば、ＰＷＭ制御によりＤＣ−ＤＣコンバータを容易に構成することができる。
請求項３の発明によれば、電流電圧変換回路を充電制御及び放電制御に共通して使用することができるので、部品点数を一層削減することができる。

請求項４の発明によれば、車両バッテリからの給電が断たれた場合に２次電池をバックアップ用電源として確実に機能させることができる。
請求項５の発明によれば、充電能力の高いリチウムイオン電池を使用することで、バックアップ可能な時間の長時間化を図ることができる。
請求項６の発明によれば、パワーＭＯＳＦＥＴのオン電圧は低いので、電源電圧と２次電池の電圧との差が小さい場合であっても適用することが可能となる。
請求項７の発明によれば、車両バッテリから車載器への給電が断たれた場合であっても、車載器を確実に動作させることができる。
請求項８の発明によれば、車両バッテリから車載器への給電が断たれた場合であっても緊急通報システムを確実に動作させることができる。

本発明の一実施形態における電源装置の電気構成を模式的に示す概略図 車載通信モジュールの構成を示す概略図

以下、本発明を緊急通報用の車載通信モジュールに適用した一実施形態について図面を参照して説明する。
図２は車載通信モジュール（以下「ＤＣＭ」という、車載器に相当）の構成を示す概略図である。ＤＣＭ１は車両バッテリ２から給電されており、内部に設けられた降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ３（安定化電源に相当）は、車両バッテリ２の給電電圧から安定化したＤＣ５Ｖ（電源電圧に相当）を生成している。この降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ３からのＤＣ５Ｖは、ＤＣＭ本体４の電源として機能すると共に当該ＤＣＭ本体４に並列接続されたリチウムイオン電池５（２次電池に相当）の充電用電源として機能する。このリチウムイオン電池５は事故等で車両バッテリ２が使用できない場合にＤＣＭ本体４に給電して動作させることで緊急通信を可能とするためのバックアップ用電源として搭載されている。電源装置６は、リチウムイオン電池５に充電するために充電機能によりＤＣ５Ｖから所定の充電電圧（例えば４．２Ｖ）を生成してリチウムイオン電池５に給電すると共に、リチウムイオン電池５をＤＣＭ本体４のバックアップ用電源として機能させるために放電機能によりリチウムイオン電池５の電圧（例えば３．７Ｖ）からＤＣ５Ｖを生成してＤＣＭ本体４に給電する構成となっている。

図１は電源装置６を模式的に示す電子回路図であり、本発明に関連した主要部のみを記載している。また、破線で囲った領域はＩＣ７から構成されていることを示しており、図示しない電子回路から構成される機能を模式的に示している。この電源装置６は、リニア制御方式による充電制御回路と、同期整流方式の昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータによる放電制御回路を含んで構成されており、双方向の制御回路の電子部品を共有して電源装置を形成したことを特徴としている。即ち、放電制御回路を構成するＰチャンネルのパワーＭＯＳＦＥＴであるＴＯＰ−ＦＥＴ８（第１の通電素子に相当）は、充電制御回路を構成するＦＥＴとして兼用して使用するように以下のように構成されている。

即ち、ＤＣ５Ｖの電源ライン９は、抵抗１０と抵抗１１とからなる直列回路、並びに平滑用コンデンサ１２を介してグランドライン１３と接続されていると共に、抵抗１４、ＴＯＰ−ＦＥＴ８、インダクタ１５を介してリチウムイオン電池５と接続されている。
抵抗１０と抵抗１１の共通接続点からは検出電圧が出力され、その検出電圧がオペアンプで模式的に示される第１の誤差増幅回路１６に入力するように接続されている。この第１の誤差増幅回路１６は、検出電圧と基準電圧１７との差電圧を増幅してコントローラ１８に出力する。
抵抗１４の両端にはオペアンプで模式的に示される電流電圧変換回路１９が接続されている。電流電圧変換回路１９は、抵抗１４に流れる電流を電圧に変換するもので、接点で模式的に示される選択回路２０と接続されている。選択回路２０は、電流電圧変換回路１９からの電圧をコントローラ１８または第２の誤差増幅回路２１に選択的に出力する。

ＴＯＰ−ＦＥＴ８のゲートは抵抗２２を介してソースと接続されていると共にコントローラ１８の出力端子と接続されている。第２の誤差増幅回路２１は、選択回路２０により選択された状態で電流電圧変換回路１９からの電圧と基準電圧２３との差電圧を増幅してトランジスタ２４のベースに出力する。
ＴＯＰ−ＦＥＴ８のドレインとインダクタ１５の一端との共通接続点は、ＮチャンネルのパワーＭＯＳＦＥＴであるＢＯＴＴＯＭ−ＦＥＴ２０（第２の通電素子に相当）を介してグランドライン１３と接続されている。ＢＯＴＴＯＭ−ＦＥＴ２０のゲートはコントローラ１８の出力端子と接続されている。

インダクタ１５の他端は、平滑用コンデンサ２５、抵抗２６及び抵抗２７からなる直列回路を介してグランドライン１３と接続されている。抵抗２６と抵抗２７の共通接続点からは検出電圧が出力され、その検出電圧がオペアンプで模式的に示される第３の誤差増幅回路２８に入力するように接続されている。この第３の誤差増幅回路２８は、検出電圧と基準電圧２９との差電圧を増幅してトランジスタ２４のベースに出力する。トランジスタ２４のコレクタはＴＯＰ−ＦＥＴ８のゲートと接続されている。

上記の第１〜第３の誤差増幅回路１６，２１，２８、電流電圧変換回路１９、選択回路２０、トランジスタ２４、及びコントローラ１８はＩＣ７により構成されている。選択回路２０は、通常時は電流電圧変換回路１９を第２の誤差増幅回路２１に接続しており、外部の緊急通報装置から緊急通報オン信号を受信したときに電流電圧変換回路１９をコントローラ１８に接続するように切替わる。尚、ＩＣ７を構成する回路は図１に模式的に示す電子回路に限定されるものではない。

さて、上記回路ではＴＯＰ−ＦＥＴ８のゲートを充電モードと放電モードとで切り替えて使用することで本発明の目的を達成している。
（充電モード時）
充電モード時は選択回路１９により電流電圧変換回路１９が第２の誤差増幅回路２１に接続されており、電源装置６が有するリニア制御方式による充電制御の機能により４．２Ｖを生成してリチウムイオン電池５に充電する。この場合、コントローラ１８は、ＢＯＴＴＯＭ−ＦＥＴ２０をオフ状態に保持しており、これによりＢＯＴＴＯＭ−ＦＥＴ２０は充電制御回路から切り離されて無関係となる。また、インダクタ１５は直流で動作しているため直流抵抗としてのみ考慮すればよく、インダクタ成分が回路に影響を与えることはない。

ここで、充電電流に関しては第２の誤差増幅回路２１により検出電圧が基準電圧２３となるように、つまり充電電流が目標電流となるようにＴＯＰ−ＦＥＴ８がリニア制御される。また、充電電圧に関しては第３の誤差増幅回路２８により検出電圧が基準電圧２９となるように、つまり充電電圧が目標電圧となるようにリニア制御される。このようなリニア制御によりリチウムイオン電池５に対する定電圧−定電流充電を実現することができる。
以上のようにして、通常の状態では車両バッテリ２からの給電電圧より降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ３で生成された通信モジュール用電源（ＤＣ５Ｖ）を入力電源として、リニア制御方式により定電圧定電流で４．２Ｖのリチウムイオン電池５を充電している。但し、リチウムイオン電池５が満充電に近い状態では充電機能は停止している。

（放電モード時）
車両で事故が発生した場合には車両バッテリ２が使用できない恐れがあることから、緊急通報装置から緊急通報オンの信号を受けると充電中であれば充電を停止してから放電モードに切り替え、電源装置６の同期整流方式の昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータによる放電制御機能によりリチウムイオン電池５をバックアップ用電源として動作させる。この場合、緊急通報オンの信号の受信に応じて選択回路２０を切替えることにより電流電圧変換回路１９をコントローラ１８に接続する。コントローラ１８は、電流電圧変換回路１９からの電圧変化を検出することでリチウムイオン電池５からの放電電流が流れるタイミングに基づいてＴＯＰ−ＦＥＴ８及びＢＯＴＴＯＭ−ＦＥＴ２０を交互にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御することにより昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータによる放電機能を動作させる。これにより、電源ライン９の電圧がＤＣ５Ｖとなるように制御される。
以上のようにして、車両バッテリ２から給電されない状態であっても、リチウムイオン電池５をバックアップ用電源として動作させることでＤＣＭ本体４を動作させることができる。
尚、車両バッテリ２の接続を確認し問題がなければ放電モードをオフし、車両バッテリ２から降圧ＤＣ−ＤＣコンバータで生成したＤＣ５Ｖで通信モジュールを動作させて緊急通報を行えばよい。

このような実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
充電モード時のリニア制御方式による充電制御回路と放電モード時の同期整流方式の昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータによる放電制御回路とを組み合わせて双方向回路とするように構成したので、電源装置６を簡単に構成できる。この場合、充電モード時と放電モード時の電流電圧変換回路１９を共通に用いるようにしたので、電源装置６を一層簡単に構成できる。また、回路部品もＴＯＰ−ＦＥＴ８や平滑用コンデンサ１２，２５を共用するようにしたので、部品点数を削減することでコストを低減することができる。さらに、電源装置６の経路が共通した一本になることでプリント配線のパターン幅も広く取ることが可能となり、抵抗の低減を図ることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、次のように変形または拡張できる。
緊急通報時に車両バッテリ２を確認し、問題があれば放電モードを機能させるようにしてもよい。車両バッテリ２に問題がある場合は、放電モードになるとリチウムイオン電池５を入力とした昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータがオンしてＤＣＭ１の電源ＤＣ５Ｖを生成する。この電源ＤＣ５ＶによりＤＣＭ１が動作し緊急通報を行うことが可能となる。
２次電池として、鉛蓄電池、ニッケル水素電池などを用いるようにしてもよい。
降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ３からの出力電圧、つまりＤＣＭ本体４の電圧は５Ｖに限定されるものではないし、リチウムイオン電池５の充電電圧も４．２Ｖに限定されるものではない。
ＤＣＭ本体４と２次電池の電圧との関係によっては昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータの機能を降圧ＤＣ−ＤＣコンバータや昇降圧コンバータに置き換えるようにしてもよい。
本発明を車両バッテリ２が外された場合の盗難追跡用に適用してもよい。
本発明をＤＣＭ以外の車載器に適用するようにしてもよい。

図面中、１は車載通信モジュール（車載器）、２は車両バッテリ、５はリチウムイオン電池（２次電池）、６は電源装置、８はＴＯＰ−ＦＥＴ（第１の通電素子）、１９は電流電圧変換回路、２０はＢＯＴＴＯＭ−ＦＥＴ（第２の通電素子）である。

Claims (8)

1. 車両バッテリの給電電圧から安定化した電源電圧を生成する安定化電源と、充電時は前記電源電圧を変圧した所定の充電電圧でバックアップ用電源として機能する２次電池を充電すると共に、バックアップ時は前記２次電池の電圧を前記電源電圧に変圧する２次電池用電源装置において、
   オンに応じて前記安定化電源と前記２次電池とを電気的に接続する第１の通電素子と、
   前記第１の通電素子と前記２次電池との間に介在されたインダクタと、
   オンに応じて前記インダクタを介して前記２次電池をグランドラインに接続する第２の通電素子と、
   充電時に前記電源電圧から目標の充電電圧を生成するように前記第１の通電素子の通電電流をリニア制御する充電制御回路と、
   放電時に前記第１の通電素子と前記第２の通電素子のオンオフを制御することにより前記２次電池の電圧を前記電源電圧に変圧する放電制御回路と、
   通常時は前記充電制御回路を選択して動作し、外部からの指令に応じて前記放電制御回路を選択して動作させる選択回路と、
   を備えたことを特徴とする２次電池用電源装置。
2. 前記放電制御回路は、前記第１の通電素子及び前記第２の通電素子をＰＷＭ制御することにより前記２次電池の電圧を前記電源電圧に変圧することを特徴とする請求項１記載の２次電池用電源装置。
3. 前記第１の通電素子を流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換回路を備え、
   前記充電制御回路及び前記放電制御回路は、前記電流電圧変換回路により変換された電圧に基づいて充電制御及び放電制御を実行することを特徴とする請求項１または２記載の２次電池用電源装置。
4. 前記選択回路は、外部から車両バッテリからの給電が断たれた可能性を示す信号を受信したときに指令を受けたと判断することを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の２次電池用電源装置。
5. 前記２次電池はリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の２次電池用電源装置。
6. 前記第１の通電素子はパワーＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載の２次電池用電源装置。
7. 請求項１ないし６の何れかに記載の２次電池用電源装置を備えたことを特徴とする車載器。
8. 車両バッテリからの給電が断たれた可能性を示す信号は緊急通報装置からの緊急通報オン信号であり、
   前記緊急通報オン信号を受けたときは情報センタに緊急通報を発信することを特徴とする請求項７記載の車載器。

Images