JP2013232995A - 車載用電源装置およびこれを用いた車載電源ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池を逆接続しても回路が保護された状態とするとともに、それに伴う補修を不要とすることを目的とする。
【解決手段】正電極側入力端子１３と、正電極側入力端子１３へ第１のスイッチ素子１４を介して接続させた出力端子１５と、負電極側入力端子１６と、正電極側入力部１８へ正電極側入力端子１３が接続されるとともに、負電極側入力部１９へ第２のスイッチ素子２０を介して負電極側入力端子１６が接続され、かつ、出力部２１が出力端子１５へ接続される電圧変換部１７とを備え、第１のスイッチ素子１４の制御端子１４Ｇは負電極側入力端子１６へ接続され、第２のスイッチ素子２０の制御端子２０Ｇは正電極側入力端子１３へ接続され、正電極側入力端子１３へ負電位および負電極側入力端子１６へ正電位が印加された際に、第１のスイッチ素子１４および第２のスイッチ素子２０をそれぞれオフ状態とさせるもの。
【選択図】図１

Description

本発明は各種車両に使用される車載用電源装置およびこれを用いた車載電源ユニットに関するものである。

以下、従来の車載用電源装置について図面を用いて説明する。図３は従来の、アイドリングストップ機能を有した車両における車載用電源装置の構成を示す回路図であり、蓄電池１は蓄電池１の正極側を接続する正電極側端子１ａと負極側を接続する負電極側端子１ｂとに接続されており、正電極側端子１ａと負電極側端子１ｂとに対しては電圧変換部２と負荷３とが並列に接続されている。

この回路図に示すように、通常の蓄電池１に対する電源装置の接続状態においては、正電極側端子１ａと負荷３との間にはリレー４が配置されており、車両におけるエンジンの動作中あるいは非動作中にかかわらず、リレー４は接続状態となっており、蓄電池１から負荷３へと電力が供給される状態となっている。

ここで、車両がアイドリングストップ状態からエンジンの再始動を行う際には、リレー４を開放状態とし、負荷３へ印加する電圧を維持するために蓄電池１から電圧変換部２へ印加した電圧を電圧変換部２で昇圧して必要な所望の電圧としたうえで電圧変換部２から負荷３へと電力が供給されるものであった。

上記の通常動作に対し、蓄電池１が誤ってその負極側を正電極側端子１ａへ、正極側を負電極側端子１ｂへ接続された場合、主として電圧変換部２や電解コンデンサ５やリレー制御部６あるいはスイッチ制御部７を保護するために逆接防止ＦＥＴ８をオフ状態とし、蓄電池１と電圧変換部２や電解コンデンサ５やリレー制御部６あるいはスイッチ制御部７とを電気的に切り離したうえで、蓄電池１から供給される電流を負荷３に設けた逆接続保護ダイオード９を通じ、車両が完全な動作停止状態では接続状態のリレー４を通じてヒューズ１０へと流し、ここでヒューズ１０が溶断されることによって回路全体が保護されるものであった。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては例えば特許文献１が知られている。

特開２００２−３１５３０６号公報

しかしながら従来の車載用電源装置では、一旦蓄電池１を逆極性で接続するとヒューズ１０が溶断されるために、回路全体の保護は可能であるもののヒューズ１０の交換を行わなければ蓄電池１を正しい極性へと接続をやり直したとしても回路は作動しないこととなる。すなわち、ヒューズ１０の交換を行わなければ電源装置のみならず車両自体が始動しなくなってしまうものであった。

そこで本発明は、蓄電池を逆接続しても回路が保護された状態とするとともに、それに伴う補修を不要とすることを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために、正電極側入力端子と、この正電極側入力端子へ第１のスイッチ素子を介して接続させた出力端子と、負電極側入力端子と、正電極側入力部へ前記正電極側入力端子が接続されるとともに、負電極側入力部へ第２のスイッチ素子を介して前記負電極側入力端子が接続され、かつ、出力部が前記出力端子へ接続される電圧変換部とを備え、前記第１のスイッチ素子の制御端子は前記負電極側入力端子へ接続されるとともに、前記第２のスイッチ素子の制御端子は前記正電極側入力端子へ接続され、前記正電極側入力端子へ負電位および前記負電極側入力端子へ正電位が印加された際に、前記第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子をそれぞれオフ状態とさせることを特徴としたものである。

本発明によれば、蓄電池を逆接続しても電源回路が保護された状態とするとともに、それに伴う補修を不要とすることができ、接続を修正することにより直ちに車両を始動可能な状態とすることができるものである。

本発明の車載用電源装置の回路図 本発明の車載電源ユニットのブロック図 従来の車載用電源装置の回路図

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態における車載用電源装置の構成を示す回路図であり、アイドリングストップ適用車両に用いた場合の各要素の接続および動作について説明を行う。

まず蓄電池１１を適正な極性で接続した場合について説明する。蓄電池１１の正極側は電源装置１２の正電極側入力端子１３に接続され、この正電極側入力端子１３は第１のスイッチ素子１４を介して電源装置１２の出力端子１５へ接続されている。また、蓄電池１１の負極側は電源装置１２の負電極側入力端子１６に接続されている。そして、電圧変換部１７の正電極側入力部１８には正電極側入力端子１３が接続され、電圧変換部１７の負電極側入力部１９には第２のスイッチ素子２０を介して負電極側入力端子１６が接続され、電圧変換部１７の出力部２１が出力端子１５に接続されている。

ここで、スイッチ素子の接続はそれぞれ、第１のスイッチ素子１４の制御端子１４Ｇは負電極側入力端子１６に抵抗Ｒ１４を介して接続されており、第２のスイッチ素子２０の制御端子２０Ｇは第１のダイオード２２を介して正電極側入力端子１３に接続されるとともに、第３のスイッチ２３と第２のダイオード２４とを介して出力端子１５へ接続されている。

次に、この電源装置１２の動作を説明する。この電源装置１２を搭載する車両（図示せず）のエンジン（図示せず）の動作状態あるいは非動作状態にかかわらず第１のスイッチ１４はオン状態とさせられ、ここでは図として省略しているがアクセサリー入力が行われた際には常に蓄電池１１と負荷２５とは第１のスイッチ素子１４を介して接続された状態とされる。このとき、第１のスイッチ素子１４にはＰチャンネルＦＥＴを適用し、制御端子１４Ｇには蓄電池１１の負電極が接続されるとともに、そのソース側端子１４Ｓに蓄電池１１の正電極が電圧変換部１７を通じて供給されることとなるため、第１のスイッチ素子１４は常に順バイアスでオン状態とされている。

ここで、一旦車両（図示せず）がアイドリングストップ状態となり、次にアイドリング再開（エンジンの再始動）を行う際には先ず、車両（図示せず）がエンジン始動を指示する信号を発信すると第２の制御回路２７からモード切り替スイッチ２８がオンされるように指示が行われることとなる。これにより制御端子１４Ｇとソース側端子１４Ｓとを同電位とさせ、第１のスイッチ素子１４は順バイアスでない状態とされて第１のスイッチ素子１４がオフ状態となる。次に、第１の制御回路２６から電圧変換部１７に対して昇圧動作の指示や制御が行われて昇圧が行われる。

さらにその後にエンジン始動が行われるが、この時には蓄電池１１から供給される電圧を補償するための電圧が上記の電圧変換部１７からの昇圧電圧によって供給されていることとなる。

そして、第１の制御回路２６はエンジンの再始動が完了したことを確認した後に、電圧変換部１７での昇圧動作を停止させ、さらに第２の制御回路２７からモード切り替スイッチ２８へモード切り替スイッチ２８をオフするように指示が行われる。この時点で第１のスイッチ素子１４がオン状態となり、蓄電池１１から出力端子１５へと第１のスイッチ素子１４を通じて電圧が供給されることとなる。つまり、第１のスイッチ素子１４がオフ状態の短時間において、昇圧された電圧が電圧変換部１７から出力端子１５へ供給されることとなる。

上記のように、電源装置１２が電圧変換部１７によって昇圧および昇圧電圧の供給を行う動作は、アイドリングストップ状態から再始動へと移行する際には車両（図示せず）の電装品などにあたる負荷２５に電力を供給しつつエンジンの始動を行う必要があることに伴ってエンジン始動時には一時的に低下する恐れのある蓄電池１１から負荷２５へ供給する電圧を補償するためのものである。これは、蓄電池１１から負荷２５へ供給する電圧が限度（下限）を超えて低下してしまった場合は、たとえば走行系の制御装置（図示せず）やナビゲーションシステム（図示せず）や音響システム（図示せず）などが一時停止する、あるいはリセット状態となることが生じる恐れがあるため、これらの障害を防止することとなるものである。

ここでは図示していないが、出力端子１５における出力電圧であるところの電圧変換部１７によって昇圧された電圧は、その昇圧時にはモニターされており、出力端子１５における規定の出力電圧が得られるように出力端子１５から第１の制御回路２６へフィードバックが行われるとともに、第１の制御回路２６が電圧変換部１７の昇圧動作の状態を制御している。

またここで、第２のスイッチ素子２０にはＮチャンネルＦＥＴを適用し、先にも述べたように第２のスイッチ素子２０の制御端子２０Ｇは、制御端子２０Ｇ側をカソード側として接続した第１のダイオード２２を介して正電位の正電極側入力端子１３に接続され、そしてそのソース端子２０Ｓは電圧変換部１７の負電極側入力部１９から電位が供給されない接続となっている。つまり、ソース端子２０Ｓは制御端子２０Ｇに比較して常に低い電位となっている。よって、蓄電池１１が適正な極性で接続されている場合、第２のスイッチ素子２０は常に順バイアス方向の動作でオン状態となり、常に電圧変換部１７は第１の制御回路２６の指示に応じての昇圧動作が可能な状態となっている。

また同時に、第２のスイッチ素子２０にはソース端子２０Ｓをアノード側、ドレイン端子２０Ｄをカソード側とした寄生ダイオード（図示せず）が存在し、この寄生ダイオード（図示せず）はソース端子２０Ｓが接続された負電極側入力部１９から順方向電圧が加えられることとなるため、第２のスイッチ素子２０はソース端子２０Ｓとドレイン端子２０Ｄとの間で常に導通状態となる。従って、電圧変換部１７は第１の制御回路２６の指示に応じての昇圧の動作が可能な状態ともなっている。

さらに、第２のスイッチ素子２０の制御端子２０Ｇには、制御端子２０Ｇ側をカソード側として接続した第２のダイオード２４と第３のスイッチ素子２３とが直列に、出力端子１５へと接続されている。この第３のスイッチ素子２３は主に暗電流の防止を行う機能を有するものであり、この車載用電源装置を搭載した車両（図示せず）の非動作状態で第３のスイッチ素子２３はオフ状態となり、車両（図示せず）が動作状態となるとオン状態となるものであり、これは第３の制御回路２９によって制御されている。ここでの動作状態とはイグニションキー（図示せず）により一旦エンジンの始動を行った後に、イグニションキー（図示せず）によりエンジンの停止を行うまでの状態を指し、この始動から停止までの間に存在することとなるアイドリングストップ状態を含めたうえで、動作状態としている。

この暗電流の防止は、第３のスイッチ素子２３と第２のダイオード２４との間の接続点と接地（図示せず）との間に、ここでは図示していないものの電流を消費する回路が接続されており、この回路（図示せず）に車両（図示せず）の非動作状態における通電の防止、すなわち蓄電池１１の消耗を抑制するためのものである。そして、車両（図示せず）の動作状態では第３のスイッチ素子２３は常にオン状態とさせているため、エンジン（図示せず）がアイドリングストップ状態から再始動へと移行する際には出力端子１５からの電圧を第２のスイッチ素子２０の制御端子２０Ｇに対して常に供給が可能な状態としており、エンジン始動時においても安定して第２のスイッチ素子２０を制御することを可能としている。

またここでは、第１のスイッチ素子１４および第２のスイッチ素子２０は蓄電池１１を適正な極性として接続させた場合、電圧変換部１７や負荷２５への電力供給や或いは一時的な電力供給の遮断を行うこととして機能させているが、アイドリングストップ機能を動作させない際、つまり電圧変換部１７を動作させない際には、ここまでで述べたように蓄電池１１と負荷２５とは常に接続状態であることが求められる。これに対しては、バイパスダイオード１４ａを第１のスイッチ素子１４のドレイン側端子１４Ｄとソース側端子１４Ｓとの間に付加することが望ましい。バイパスダイオード１４ａの方向としては、ドレイン側端子１４Ｄにバイパスダイオード１４ａのアノード側を、ソース側端子１４Ｓにバイパスダイオード１４ａのカソード側をそれぞれ接続すればよい。

これは、第２の制御回路２７やモード切り替スイッチ２８あるいは第１のスイッチ素子１４が何らかの理由により動作異常を生じた際にも、常に負荷２５への電力供給を途絶えさせないためのものであり、仮に負荷２５が走行のために用いるものや或いは制動のために用いるものであっても、車両（図示せず）の走行や停止などの動作においての制御不能状態へ陥ることを防止するものである。

また、バイパスダイオード１４ａは先に述べたように、非常時において動作すればよいものであり、通常状態で第１のスイッチ素子１４が動作している場合には第１のスイッチ素子１４のドレイン側端子１４Ｄとソース側端子１４Ｓとの間の電気抵抗は非常に小さな値であるため、バイパスダイオード１４ａへの通電はほとんど無く、電力損失もまた存在しない。

ここで、第１のスイッチ素子１４としてＦＥＴを適用する場合には、その寄生ダイオードをバイパスダイオード１４ａとして用いても構わないが、第１のスイッチ素子１４に対するフェイルセーフ機能となるように、バイパスダイオード１４ａを個別に設けることが望ましい。

ここまでの説明では、第１のダイオード２２と第２のダイオード２４を蓄電池１１の電圧が変動（低下）した際への補償対応として設けているが、第１のダイオード２２と第２のダイオード２４および第３のスイッチ素子２３を取り除いても構わない。つまり、このときは第２のスイッチ素子２０の制御端子２０Ｇを電圧変換部１７の正電極側入力部１８と正電極側入力端子１３とへ直接に接続することとなり、部品点数を削減しても車載用電源装置としての機能を果たすことができる。

また、第１のダイオード２２と第２のダイオード２４を設けた場合、先に述べたように蓄電池１１の電圧が変動（低下）した際への補償対応として機能させている。そしてここでは、第２のダイオード２４のアノード側を電圧変換部１７の出力部２１へ接続させている。これにより、仮に蓄電池１１の電圧が低下した場合であっても、第１の制御回路２６を通じて電圧変換部１７を動作させることで、第２のスイッチ素子２０の制御端子２０Ｇへ第２のスイッチ素子２０の動作が可能な電圧を供給させることができるようにするものである。また、第１のダイオード２２は電圧変換部１７の出力部２１からの供給された電圧が正電極側入力部１８や正電極側入力端子１３へと流入することを防止するものである。

次に、蓄電池１１を逆方向の極性で接続した場合について説明する。このとき、蓄電池１１の負極側は電源装置１２の正電極側入力端子１３に接続され、蓄電池１１の正極側は電源装置１２の負電極側入力端子１６に接続されていることとなる。これは、蓄電池１１の交換などの際に誤った接続を行った場合に生じるケースであり、車両（図示せず）の状態としてはイグニションキー（図示せず）での始動がなされることもなく、当然ながら非動作状態でエンジンも停止した状態である。

ここでまず、第１のスイッチ素子１４の制御端子１４Ｇには負電極側入力端子１６を通じて正電位が供給され、同時に負荷２５もしくはこれに並列接続の整流素子３０あるいは並列接続として負荷２５に包含された整流素子３０を通じて第１のスイッチ素子１４のソース側端子１４Ｓにも同等の正電位が供給されることとなる。ここでは、第１のスイッチ素子１４にはＰチャンネルＦＥＴを用いているため逆バイアス状態とすることで第１のスイッチ素子１４はオフ状態となるが、この電源装置１２では制御端子１４Ｇへ供給する正電位とソース側端子１４Ｓへ供給する正電位がほぼ同等となるため順バイアスでのオン状態とはならずに、逆バイアスと同等のオフ状態となる。またこの時点では、モード切り替スイッチ２８は第２の制御回路２７からの指示を受ける状態とはなっていないため、デフォルト状態であるオフ状態で何ら機能を有さないこととなる。

また、第２のスイッチ素子２０の制御端子２０Ｇには、第１のダイオード２２が存在するために負電位が接続された正電極側入力端子１３からは電圧の供給はない。あるいは、仮に第１のダイオードが存在せずに制御端子２０Ｇが直接に正電極側入力端子１３に接続されていても、制御端子２０Ｇには負電圧が供給されるので第２のスイッチ素子２０は逆バイアスでオフ状態となる。また、蓄電池１１の正電位側が接続された負電極側入力端子１６から負荷２５および出力端子１５を介しての正電位は、蓄電池１１の交換時等では車両（図示せず）は非動作状態に該当し第３のスイッチ素子２３は暗電流防止素子であることで車両（図示せず）が非動作状態に対応するオフ状態のため、制御端子２０Ｇには供給されない。そして、第２のスイッチ素子２０のソース側端子２０Ｓとドレイン側端子２０Ｄには何ら電圧の供給は行われない状態であるため、ＮチャンネルＦＥＴを適用した第２のスイッチ素子２０は順バイアスの状態とならず、オフ状態となる。従って、第２のスイッチ素子２０は蓄電池１１を逆極性で接続した場合にはオフ状態となる。

以上のように、蓄電池１１を逆方向の極性で接続した場合には、第１のスイッチ素子１４および第２のスイッチ素子２０が共に非接続のオフ状態として機能することとなるため、電源装置１２を構成するいずれの素子に対しても、あるいは負荷２５に対しても、極性の逆接続に起因する電流は流れることが無い。これは、蓄電池１１が極性を誤って接続されても、電源装置１２および負荷２５へ何ら損傷を与えることもなく、あるいは劣化を生じさせるものではないことともなる。

そして同時に、先に述べたバイパスダイオード１４ａを設けた場合において、仮に第２の制御回路２７やモード切り替スイッチ２８あるいは第１のスイッチ素子１４に異常が生じ第１のスイッチ素子１４がオフ状態となった状況であっても、蓄電池１１を逆方向の極性で接続した際に流れようとする電流を遮断する接続となっているため、極性の逆接続に起因する電流は流れることが無い。

また、蓄電池１１が極性を誤って接続されても、その接続による電流が流れないため蓄電池１１、電源装置１２および負荷２５に対する保護素子として接続しているヒューズ３１もまた溶断されることがない。よって、蓄電池１１の接続における極性が逆であることが判明した時点で正しい極性の接続へと修正する際にはヒューズ３１をはじめとして蓄電池１１、電源装置１２、負荷２５およびその周辺に接続したデバイスに対して何ら破損による交換のような作業は伴わなく、即座に修正、車両（図示せず）の起動を行うことが可能となるものである。

そして、第１のスイッチ素子１４はリレーを適用せずに半導体スイッチであり、特にＦＥＴを適用することにより、機械的な接点を用いる場合に比較してスイッチングにかかわる反応が速く、かつ、反応する時間のばらつきが小さいため、電圧変換部１７の起動あるいは停止に際して生じる、出力端子１５における出力電圧の谷間を小さくすることができる。よって、アイドリングストップ状態からの再始動時に負荷２５へ供給する電圧の降下を防止することが可能となる。これに加え、機械的接点を用いないことで長期間の使用での接点の劣化を生じることもなく、高い信頼性を維持することが可能となる。

ここまでは、電源装置１２自身において逆極性の接続に対する保護機能として限定して説明したが、当然ながら図２の車載電源ユニットのブロック図に示すように蓄電池１１や負荷２５に接続した、電源装置１２や電子制御ユニット３２を含んで一体化した車載電源ユニット３３として用いて、他の素子や他の装置に対する保護機能を兼ねた形として機能させても構わない。ここでは車載電源ユニット３３へ電子制御ユニット３２を搭載することとしているが、電子制御ユニット３２に限ったものでなく、直流電源を必要とする機能部であれば車載電源ユニット３３へ搭載し、電源装置１２からの直流電圧を受けて構わないものである。

そして電源装置１２の下流側、すなわち図１に示す出力端子１５よりも下流側へ図２に示す電子制御ユニット３２を接続することにより、蓄電池１１を逆接続した場合であっても電子制御ユニット３２へは全くその影響を無いものとすることができる。

よって、電子制御ユニット３２において蓄電池１１の逆接続などによる逆電圧に対する保護装置（図示せず）は不要となり、車載電源ユニット３３の部品点数抑制による小型化のみならず、原価低減も可能となる。これは電子制御ユニット３２に加えて他の電子ユニット（図示せず）あるいは電子機器（図示せず）を車載電源ユニット３３に搭載することで、電源装置１２によって車載電源ユニット３３における他の複数の構成要素に対する保護機能を持たせることが可能となるものである。よって、先に述べたように部品点数抑制による小型化のみならず、原価低減についての効果を一層大きなものとすることができる。

また同時に上記の効果については、図１において電源装置１２よりも下流側に接続している負荷２５に関しても同様であり、図２に示すように一般的には電源装置１２に対して複数が並列に接続されている負荷２５においても電源装置１２の下流側であることから、蓄電池１１の逆接続などによる逆電圧に対する保護装置（図示せず）は不要となり、個々の負荷２５における部品点数抑制による小型化のみならず、原価低減も可能となる。

本発明の車載用電源装置は、バッテリー極性の接続を逆に行っても電源および負荷に何らの悪影響を及ぼすことが無いという効果を有し、各種車両において有用である。

１１ 蓄電池
１２ 電源装置
１３ 正電極側入力端子
１４ 第１のスイッチ素子
１４ａ バイパスダイオード
１４Ｇ 制御端子
１４Ｓ ソース側端子
１４Ｄ ドレイン側端子
１５ 出力端子
１６ 負電極側入力端子
１７ 電圧変換部
１８ 正電極側入力部
１９ 負電極側入力部
２０ 第２のスイッチ素子
２０Ｇ 制御端子
２０Ｓ ソース側端子
２０Ｄ ドレイン側端子
２１ 出力部
２２ 第１のダイオード
２３ 第３のスイッチ素子
２４ 第２のダイオード
２５ 負荷
２６ 第１の制御回路
２７ 第２の制御回路
２８ モード切り替スイッチ
２９ 第３の制御回路
３０ 整流素子
３１ ヒューズ
３２ 電子制御ユニット
３３ 車載電源ユニット

Claims (8)

1. 正電極側入力端子と、
   この正電極側入力端子へ第１のスイッチ素子を介して接続させた出力端子と、
   負電極側入力端子と、
   正電極側入力部へ前記正電極側入力端子が接続されるとともに、
   負電極側入力部へ第２のスイッチ素子を介して前記負電極側入力端子が接続され、
   かつ、出力部が前記出力端子へ接続される電圧変換部とを備え、
   前記第１のスイッチ素子の制御端子は前記負電極側入力端子へ接続されるとともに、
   前記第２のスイッチ素子の制御端子は前記正電極側入力端子へ接続され、
   前記正電極側入力端子へ負電位および前記負電極側入力端子へ正電位が印加された際に、
   前記第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子をそれぞれオフ状態とさせる車載用電源装置。
2. 第２のスイッチ素子の制御端子は、
   前記正電極側入力端子へ第１のダイオードを介して接続されるとともに出力端子へ第３のスイッチ素子と第２のダイオードを介して接続された請求項１に記載の車載用電源装置。
3. 第１のスイッチ素子はＰチャンネルＦＥＴとするとともに、第２のスイッチ素子はＮチャンネルＦＥＴとした請求項２に記載の車載用電源装置。
4. 第３のスイッチ素子は暗電流防止スイッチとした請求項３に記載の車載用電源装置。
5. 暗電流防止スイッチは、この電源装置を搭載した車両の動作状態で接続し、あるいは前記車両の非動作状態で非接続となるよう同期させた請求項４に記載の車載用電源装置。
6. 第１のスイッチ素子のドレイン・ソース間にバイパスダイオードを接続した請求項３に記載の車載用電源装置。
7. アイドリングストップ対応用電源として用いた請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の車載用電源装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一つに記載の車載用電源装置と、
   この車載用電源回路から電力が供給される電子機器とを一体化させた車載電源ユニット。

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