JP6036571B2 - 出力装置及び負荷給電システム - Google Patents

Description

本発明は、負荷への給電を制御するために、印加電圧を変圧して出力する出力装置、及び該出力装置を備える負荷給電システムに関する。

現在、ＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）又はＥＶ（Electric Vehicle）等の車両が普及している。このような車両には、車両が減速する場合に車両の運動エネルギーを電力に変換することによって発電機に回生電力を発生させ、発生させた回生電力を負荷に供給する電源装置が搭載されている（例えば、特許文献１参照）。

図３は、特許文献１に記載のような従来の負荷給電システムの構成を示すブロック図である。従来の負荷給電システム５では、発電機１０の出力端が、補助電源１１の一端、及び、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の一端に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の他端は、電線１３を介して蓄電池１４の一端に接続されている。また、蓄電池１４の一端はスタータ１８に接続されると共に、電線１５を介して負荷１６に接続されている。発電機１０、補助電源１１、蓄電池１４、負荷１６及びスタータ１８は接地されている。

発電機１０は、車両が減速する場合に、車両の運動エネルギーを電力に変換することによって回生電力を発生する。回生電力発生時、発電機１０は補助電源１１に給電すると共に、発電機１０の出力電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ３２の一端に印加される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、一端に印加された電圧を変圧し、変圧した電圧を、蓄電池１４の一端に電線１３を介して印加する。その後、蓄電池１４に印加された電圧は電線１５を介して負荷１６に印加され、負荷１６は給電される。このように、車両を減速させる場合に発電機１０が車両の運動エネルギーから変換した電力は、補助電源１１に蓄えられると共に、負荷１６への給電に用いられる。このため、車両の運動エネルギーがタイヤと地面との摩擦で消費されることなく効率的に使用される。

特開２０１０−８３１７８号公報

しかしながら、図３に示すような負荷給電システムの構成で電線１３が断線した場合、発電機１０によって発生された電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ３２を介して蓄電池１４の一端に印加されないので、電線１５を介して負荷１６を給電することができない。同様に、発電機１０によって充電された補助電源１１から発生した電圧もＤＣ／ＤＣコンバータ３２を介して蓄電池１４の一端に印加されないので、電線１５を介して負荷１６を給電することができない。したがって、電線１３が断線する前に蓄電池１４に供給された電力量だけ負荷１６に供給することで負荷１６は動作できるが、蓄電池１４に蓄えられた電力量が無くなった場合、負荷１６の動作は停止する可能性がある。

また、電線１５が断線した場合、発電機１０又は補助電源１１の出力電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ３２を介して蓄電池１４の一端に印加されるが、蓄電池１４に印加された電圧は電線１５を介して負荷１６に印加されない。したがって、電線１５が断線すると負荷１６は給電できないので、負荷１６の動作は停止する可能性がある。

このように、図３の負荷給電システムの構成で電線１３又は電線１５が断線した場合、負荷１６に給電するための給電経路が確保されずに負荷１６の動作が停止する可能性がある。特に、負荷１６が車両の動作のなかで、使用者の安全面で必要性が高い動作に関係する負荷である場合、電線１３又は電線１５が断線すると車両の使用者に危険を及ぼす可能性が高い。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、断線によって負荷に給電ができなくなった場合でも負荷に給電するための給電経路を確保できる出力装置、及び該出力装置を備える負荷給電システムを提供することにある。

本発明に係る出力装置は、外部から印加された電圧を変圧する変圧部を備え、該変圧部が変圧した電圧を第１端子又は第２端子から出力する出力装置であって、前記第１端子には、第１電線を介して、前記変圧部が変圧した電圧が供給される負荷が接続されており、前記第２端子は、第２電線を介して、前記負荷に接続されており、前記第１端子及び前記第２端子の間に設けられたスイッチと、前記第１端子の電圧値及び前記第２端子の電圧値を検出する検出部と、該検出部が検出した電圧値が所定値未満である場合に前記スイッチをオンにする制御部とを備えることを特徴とする。

本発明にあっては、変圧部が変圧した外部電圧を第１端子又は第２端子から出力する出力装置で、検出部によって検出された第１端子の電圧値が所定値未満である場合に制御部が第１端子及び第２端子の間に設けられたスイッチをオンにする。

本発明にあっては、検出部が第２端子の電圧値も検出する。

本発明に係る出力装置は、前記スイッチは半導体スイッチであることを特徴とする。

本発明にあっては、スイッチが半導体スイッチである。

本発明に係る出力装置は、前記スイッチは下流の電線を保護する第１保護手段を更に備えることを特徴とする。

本発明にあっては、スイッチは下流の電線を保護する第１保護手段を備えている。

本発明に係る負荷給電システムは、前述のいずれかに記載の出力装置と、前記第１端子及び前記第２端子が接続されており、前記出力装置から前記変圧した電圧が印加される負荷及び蓄電池とを備えることを特徴とする。

本発明にあっては、出力装置と、出力装置から変圧電圧が印加される負荷及び蓄電池とを備える負荷給電システムで、負荷及び蓄電池が第１端子及び第２端子に接続されている。

本発明に係る負荷給電システムは、下流の電線を保護する第２保護手段が前記第１端子に接続されていることを特徴とする。

本発明にあっては、下流の電線を保護する第２保護手段が第１端子に接続されている。

本発明によれば、断線によって負荷に給電できなくなった場合でも負荷に給電するための給電経路を確保することで負荷に対する電力の供給不足によって生じる負荷の動作が停止することを減少できる。

本発明の実施の形態に係る負荷給電システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る負荷に電力を供給する処理手順を示すフローチャートである。 従来の負荷給電システムの構成を示すブロック図である。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
図１は本発明の実施の形態に係る負荷給電システムの構成を示すブロック図である。負荷給電システム１は、車両に好適に搭載され、発電機１０、補助電源１１、出力装置１２、蓄電池１４、負荷１６, １７及びスタータ１８を備える。出力装置１２は、制御部２２、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２、スイッチ４２、検出部５２、報知部６２及びヒューズ７２を有する。発電機１０の出力端が、補助電源１１の一端、及び、出力装置１２の一端に接続されている。出力装置１２の出力端子である第１端子Ｔ１は、電線１３を介して蓄電池１４の一端に接続されている。また、出力装置１２の出力端子である第２端子Ｔ２は、電線１９を介して負荷１６に接続されている。そして、蓄電池１４の一端はスタータ１８に接続されると共に、電線１５を介して負荷１６に接続されている。更に、蓄電池１４の一端は負荷１７に接続されている。発電機１０、スタータ１８及び負荷１６, １７夫々の一端と、補助電源１１及び蓄電池１４の負極端子とは接地されている。

発電機１０は、負荷給電システム１が搭載してある車両の図示しないエンジンと連動して電力を発生すると共に、車両が減速する場合に車両の運動エネルギーを電力に変換することによって回生電力を発生する。具体的には、発電機１０は、エンジンと連動して電力を発生する場合、及び、回生電力を発生する場合の両方において、交流電力を生成し、生成した交流電力を直流電力に整流する。発電機１０が発生する電力、電圧及び電流夫々は、整流後の電力、電圧及び電流である。発電機１０の出力端は、補助電源１１の一端、及び、出力装置１２のＤＣ／ＤＣコンバータ３２の一端に接続されている。発電機１０は、回生電力を発生する場合、つまり、車両が減速する場合、負荷１６，１７に回生電力を供給するために、補助電源１１の一端、及び、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の一端に発生した電圧を印加する。

補助電源１１の一端に発電機１０の出力電圧が印加され、補助電源１１は発電機１０が出力した電力を蓄える。そして、補助電源１１は、回生電力を発生しない場合、つまり、車両が減速せずに定速走行又は加速する場合、補助電源１１が蓄えた電力を負荷１６，１７に供給するために、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の一端に出力電圧を印加する。補助電源１１は電気二重層キャパシタ又はリチウムイオン電池等である。

蓄電池１４は、例えば、鉛電池である。蓄電池１４にはＤＣ／ＤＣコンバータ３２が変圧した電圧が電線１３を介して印加され、蓄電池１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２が変圧した電圧の印加によって蓄電する。

また、蓄電池１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２と接続する端子の他にも負荷１６, １７及びスタータ１８と接続する端子を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の他端からの出力電圧は電線１５を介して負荷１６に印加され、負荷１６は給電される。更に、蓄電池１４に印加された電圧によって負荷１７及びスタータ１８が給電される。スタータ１８はエンジンを始動するためのモータである。

負荷１６は、走る、曲がる、止まる等の車両の動作の内、未動作では車両の使用者に危険を及ぼす可能性が高い負荷に相当する。例えば、負荷１６は、エンジンのＥＣＵ（Electronic Control Unit）、エンジンに関連するセンサ（Ｏ₂センサ、Ａ／Ｆセンサ）、インジェクション、イグニッションコイル、ストップランプ、無段変速機（ＣＶＴ）、スロットルモータ又はメーター等の車載機器である。

負荷１７は車両の動作の内、未動作でも車両の使用者に危険を及ぼす可能性が低い負荷に相当する。例えば、負荷１７は、Ａ／Ｃコンプレッサ、フォグランプ、リヤデフォッガ、シートヒータ、ルームランプ、カーナビゲーションシステム又はオーディオ機器等の車載機器である。

発電機１０が発生した電圧、又は、補助電源１１からの出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ３２に印加され、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２によって印加電圧が変圧された後、変圧された電圧が蓄電池１４及び負荷１６，１７に印加されることで負荷１６，１７は給電されて動作する。負荷１６，１７のいずれも複数で構成されても良い。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、一端から入力された発電機１０又は補助電源１１の出力電圧を変圧する。このようにＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、発電機１０又は補助電源１１の出力電圧を選択的に変圧する変圧部として動作する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、発電機１０又は補助電源１１の出力電圧の昇圧及び降圧を行うことによって変圧し、変圧によって得られた一定の電圧を他端から蓄電池１４の一端に電線１３を介して印加する。

制御部２２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の動作、及び、スイッチ４２のオン／オフを制御する。具体的には、制御部２２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２が図示しないコイルと共に有する図示しない複数のスイッチ夫々のオン／オフを繰り返すことによってＤＣ／ＤＣコンバータ３２に電圧を変換させる。制御部２２は、図示しない複数のスイッチ夫々のオン／オフを操作することによってＤＣ／ＤＣコンバータ３２の動作を停止させることが可能である。さらに、制御部２２は、図示しない一又は複数のスイッチ夫々におけるオン／オフのデューティを変更することによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の昇圧幅又は降圧幅を調整することも可能である。

スイッチ４２はＤＣ／ＤＣコンバータ３２に接続され、一端は電線１９を介して負荷１６に接続されている。スイッチ４２は半導体スイッチであり、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）又はバイポーラトランジスタである。スイッチ４２は制御部２２によってオン／オフされる。電線１３又は電線１５が断線等の不具合が生じていない場合、制御部２２はスイッチ４２がオフの状態を維持するように制御する。

スイッチ４２に直列接続するようにヒューズ７２を設けている。ヒューズ７２は下流の電線１９を保護する保護手段として機能する。後述するように、電線１３又は電線１５の不具合に起因してスイッチ４２がオンになった場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２によって変圧された電圧がスイッチ４２及び電線１９を介して負荷１６に印加されて、負荷１６は給電される。スイッチ４２にヒューズ７２を接続していると、電線１９が短絡して多量の電流が流れた場合にヒューズ７２が溶断する。したがって、負荷１６を過電流による損傷から保護できる。本実施形態では保護手段としてヒューズを使用しているが、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）等を用いても良い。また、保護手段を電子回路で構成しても良く、電流を測定して電線１９を保護出来ない場合に保護手段から制御部２２に異常信号を送り、スイッチ４２が制御部２２からの制御信号によってオフされる。更に、このような電子回路の機能を半導体スイッチに組み込むことも可能で、この場合は制御部２２による制御信号によらず、保護手段の検出結果に基づいてスイッチ４２をオフにできる。尚、ヒューズ７２は本発明における第１保護手段である。

また、電線１３にヒューズ７３を接続している。ヒューズ７３は第１端子Ｔ１に接続されている。ヒューズ７３は下流の電線１３を保護する保護手段として機能する。電線１３にヒューズ７３を設けると、電線１３が短絡して多量の電流が流れた場合にヒューズ７３が溶断する。したがって、蓄電池１４及び負荷１６, １７を短絡によって生じる過電流による損傷から保護できる。前述したように、本実施形態では保護手段としてヒューズを使用しているがＰＴＣ等を用いても良い。尚、ヒューズ７３は本発明における第２保護手段である。

出力装置１２によって、発電機１０又は補助電源１１の電圧が変圧され、変圧された電圧が蓄電池１４、負荷１６，１７及びスタータ１８に給電される。電線１３又は電線１５が断線した場合、出力装置１２によって負荷１６は電線１９を介して給電される。最初に、電線１３による断線を検出した後に負荷１６に電力を供給する方法を以下に述べる。

検出部５２は第１端子Ｔ１の電圧値を検出する。第１端子Ｔ１はＤＣ／ＤＣコンバータ３２と蓄電池１４との間に接続された端子であって出力装置１２の出力端子である。電線１３に断線等の不具合が生じた場合、第１端子Ｔ１の電圧値はＤＣ／ＤＣコンバータ３２の出力電圧として想定される所定値より低くなる。例えば、電線１３に断線が生じた場合、第１端子Ｔ１の電圧値は０Ｖである。したがって、検出部５２が第１端子Ｔ１の電圧値が所定値より低いことを検出した場合、制御部２２は検出部５２の検出結果に基づいて電線１３に断線等の不具合が生じたことを判定する。検出部５２は検出結果を制御部２２に通知する。

例えば、電線１３が断線した場合、回生電力の発生時の発電機１０の出力電圧、又は、回生電力の非発生時の補助電源１１の出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ３２によって変圧され、変圧された電圧が電線１３を介して蓄電池１４に印加されない。したがって、負荷１６に電力を供給するために、制御部２２が検出部５２の検出結果に基づいて電線１３の断線を判定した場合、制御部２２はスイッチ４２をオンにするようにスイッチ４２を制御する。スイッチ４２がオンにされると、スイッチ４２を介して発電機１０、補助電源１１、負荷１６及び蓄電池１４が接続状態になる。また、スイッチ４２がオンにされると、報知部６２によって図示しないランプを点灯して図示しない表示部にメッセージを表示して、電線１３が断線していることを車両の使用者に通知する。

回生電力の発生時、補助電源１１に発電機１０からの出力電圧が印加されて、補助電源１１は発電機１０が出力した電力を蓄えている。したがって、補助電源１１からの出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ３２を介して変圧し、スイッチ４２及び電線１９を介して負荷１６に変圧電圧を印加することによって、補助電源１１に蓄えられた電力を負荷１６に供給する。

補助電源１１に蓄えられた電力が無くなった場合、発電機１０はエンジンと連動して電力を発生する。発電機１０からの出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ３２を介して変圧し、スイッチ４２及び電線１９を介して負荷１６に変圧された電圧を印加することによって、発電機１０から電力を負荷１６に供給する。

制御部２２が検出部５２の検出結果に基づいて電線１３の断線を判定した場合、発電機１０又は補助電源１１からの出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ３２によって変圧し、スイッチ４２及び電線１９を介して負荷１６に変圧された電圧を印加して負荷１６に電力を供給する。したがって、負荷１６の動作が電力供給不足によって停止することはないので車両の動作に問題は生じない。また、負荷１６、蓄電池１４及び負荷１７は接続状態であるので、上述したような負荷１６に電力を供給した経路を使って、電線１５及び蓄電池１４を介して負荷１７にも電力を供給できる。

次に、電線１５の断線を検出した後に負荷１６に電力を供給する方法を以下に述べる。検出部５２は第２端子Ｔ２の電圧値を検出する。第２端子Ｔ２はＤＣ／ＤＣコンバータ３２と負荷１６との間に接続された端子であって出力装置１２の出力端子である。

電線１５に断線等の不具合が生じた場合、第２端子Ｔ２の電圧値はＤＣ／ＤＣコンバータ３２の出力電圧として想定される所定値より低くなる。例えば、電線１５に断線が生じた場合、第２端子Ｔ２の電圧値は０Ｖである。したがって、検出部５２が第２端子Ｔ２の電圧値が所定値より低いことを検出した場合、制御部２２は検出部５２の検出結果に基づいて電線１５に断線等の不具合が生じたことを判定する。検出部５２は検出結果を制御部２２に通知する。

例えば、電線１５が断線した場合、回生電力の発生時の発電機１０の出力電圧、又は、回生電力の非発生時の補助電源１１の出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ３２によって変圧され、変圧された電圧が蓄電池１４に印加されるが、電線１５を介して負荷１６に印加されない。つまり、負荷１６に電力が全く供給されない。したがって、負荷１６に電力を供給するために、制御部２２が電線１５の断線を判定した場合、制御部２２はスイッチ４２をオンにするように制御する。スイッチ４２がオンにされると、スイッチ４２を介して発電機１０、補助電源１１及び負荷１６が接続状態になる。そして、報知部６２によって電線１５が断線していることを車両の使用者に通知する。

スイッチ４２がオンにされた後、電線１３が断線した場合と同様に、発電機１０又は補助電源１１からの出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ３２を介して変圧し、スイッチ４２及び電線１９を介して負荷１６に変圧された電圧を印加して負荷１６に電力を供給する。したがって、負荷１６の動作が電力供給不足によって停止しないので車両の動作に問題は生じない。また、電線１３及び蓄電池１４を介して負荷１７に電力を供給できる。

図２は本発明の実施の形態に係る負荷に電力を供給する処理手順を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、蓄電池１４に充電された電力を使用してスタータ１８によってエンジンが作動されている状態中の動作である。まず、検出部５２は第１端子Ｔ１の電圧値を第１電圧値として検出する（ステップＳ１）。次に、検出部５２は第２端子Ｔ２の電圧値を第２電圧値として検出する（ステップＳ２）。

制御部２２が第１電圧値又は第２電圧値が所定値より低いか否かを判定する（ステップＳ３）。制御部２２が第１電圧値又は第２電圧値が所定値より低いことを判定した場合、制御部２２は電線１３又は電線１５が断線していることを判定する。

制御部２２が第１電圧値又は第２電圧値が所定値以上であることを判定した場合（ステップＳ３：ＮＯ）、制御部２２は、電線１３及び電線１５が断線していないことを判定する。制御部２２の制御によって、回生電力の発生時の発電機１０の出力電圧、又は、回生電力の非発生時の補助電源１１の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ３２に印加し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２によって変圧された電圧を電線１３を介して蓄電池１４に印加し、蓄電池１４に印加された電圧を電線１５を介して負荷１６に印加することによって電力が負荷１６に供給される。つまり、制御部２２はシステム内に断線が生じていない正常の状態と判断しているので、スイッチ４２はオフされている状態を維持する。スイッチ４２はオフされているので、発電機１０又は補助電源１１の出力電圧に基づく電力はスイッチ４２及び電線１９を介して負荷１６に供給されない。また、負荷１６に供給されるように電力が負荷１７に供給される。

制御部２２が第１電圧値又は第２電圧値が所定値より低いことを判定した場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、制御部２２は電線１３又は電線１５が断線していることを判定する。制御部２２は、電線１３及び電線１５のどちらが断線されていたとしても負荷１６に電力を供給するために、スイッチ４２をオンにする（ステップＳ４）。そして、報知部６２によって電線１３又は電線１５が断線していることを車両の使用者に報知する（ステップＳ５）。よって、発電機１０又は補助電源１１からの出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ３２を介して変圧し、スイッチ４２及び電線１９を介して負荷１６に変圧された電圧を印加することによって負荷１６を給電する。

以上のように構成された負荷給電システムでは、電線１３又は電線１５が断線した場合でも、負荷１６に対して給電する給電経路を優先的に確保できるので、負荷１６に対する電力の供給不足によって負荷１６の動作が停止する確率が低い。したがって、負荷１６が、車両の動作内、使用者の安全面で必要性が高い動作に関係する負荷である場合、車両の使用者に危険を及ぼす可能性が低い。

本実施形態では、検出部５２が第１電圧値及び第２電圧値を検出しているが制御部２２が電圧値を検出しても良い。また、ステップＳ３で電線が断線したことを判定する際に、第１電圧値又は第２電圧値が所定値より低い状態が所定期間継続するか否かで断線の有無を判断しても良い。所定値は電線における電圧降下に基づいて決定され、所定期間はノイズ等の影響に基づいて決定され得る。このような構成によって断線の有無を判断すると、断線の判定精度が上がる。

開示された本実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 負荷給電システム
１０ 発電機
１１ 補助電源
１３、１５、１９ 電線
１４ 蓄電池
１６、１７ 負荷
２２ 制御部
３２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４２ スイッチ
５２ 検出部
７２、７３ ヒューズ
Ｔ１ 第１端子
Ｔ２ 第２端子

Claims (5)

1. 外部から印加された電圧を変圧する変圧部を備え、該変圧部が変圧した電圧を第１端子又は第２端子から出力する出力装置であって、
   前記第１端子には、第１電線を介して、前記変圧部が変圧した電圧が供給される負荷が接続されており、前記第２端子は、第２電線を介して、前記負荷に接続されており、
   前記第１端子及び前記第２端子の間に設けられたスイッチと、
   前記第１端子の電圧値及び前記第２端子の電圧値を検出する検出部と、
   該検出部が検出した電圧値が所定値未満である場合に前記スイッチをオンにする制御部と
   を備えることを特徴とする出力装置。
2. 前記スイッチは半導体スイッチであることを特徴とする請求項１に記載の出力装置。
3. 前記スイッチは下流の電線を保護する第１保護手段を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の出力装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の出力装置と、
   前記第１端子及び前記第２端子に接続されており、前記出力装置から前記変圧した電圧が印加される負荷及び蓄電池と、
   を備えることを特徴とする負荷給電システム。
5. 下流の電線を保護する第２保護手段が前記第１端子に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の負荷給電システム。

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