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JP2016002799A - 車両用電気回路 - Google Patents

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JP2016002799A JP2014122422A JP2014122422A JP2016002799A JP 2016002799 A JP2016002799 A JP 2016002799A JP 2014122422 A JP2014122422 A JP 2014122422A JP 2014122422 A JP2014122422 A JP 2014122422A JP 2016002799 A JP2016002799 A JP 2016002799A
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Abstract

【課題】2つのバッテリを備える車両において、アイドリングストップからの自動再始動時に、仮に一方のバッテリで端子外れが生じても、電装負荷への電力供給が途絶えない電気回路を提供する。
【解決手段】車両用電気回路は、互いに並列接続される第1バッテリ及び第2バッテリと、車両の全電装負荷の少なくとも一部であって第2バッテリに接続される第2電装負荷群と、第2電装負荷群を除く電装負荷群であって第1バッテリに接続される第1電装負荷群と、第1バッテリと第2電装負荷群との電気的な接続を断続切り替え可能な電源遮断器と、を含んで構成される。電源遮断器は、寄生ダイオードの順方向が第1バッテリから第2電装負荷群へ向くよう配置される第1スイッチ手段と、第1スイッチ手段に直列に配置される第2スイッチ手段と、を含み、エンジンの自動再始動時には、第1スイッチ手段は遮断状態に、第2スイッチ手段は導通状態になる。
【選択図】図1

Description

本発明は、エンジンを自動停止及び自動再始動するアイドリングストップ機能を有する車両に適用される車両用電気回路に関する。
アイドリングストップ機能を有する車両の電気回路として、特許文献1には、鉛酸電池及びリチウムイオン電池の2つのバッテリを備える電気回路が記載されている。上記文献の電気回路では、鉛酸電池にはスタータとクランキング時の電圧瞬低を許容し得る一般電装負荷とを接続し、リチウムイオン電池には電圧瞬低を許容し得ない被保護電装負荷を接続されている。そして、2つのバッテリ間には、寄生ダイオードの向きが互いに反対向きになるように2つのMOSFETが配置されており、エンジンのクランキング時には2つのMOSFETはオフになる。これにより、アイドリングストップからの自動再始動時に、スタータに電力供給する鉛酸電池に引きずられてリチウムイオン電池の電圧が低下することがなくなるので、被保護電装負荷の電圧瞬低を防止することができる。
特開2011−234479号公報
しかしながら、鉛酸電池は主にエンジンコンパートメントに搭載されており、車両のユーザによって脱着、交換等の作業が行われ得るものなので、バッテリ端子と電装ケーブルとの締め付けトルクが適正に管理されない可能性がある。そして、締め付けトルクが適正に管理されていない場合には、走行中の振動や加減速G等によって、いわゆるバッテリ端子外れが生じる可能性がある。
上記文献に記載の構成では、エンジンの自動再始動時に鉛酸電池とリチウムイオン電池とは電気的に遮断されているので、上記のような鉛酸電池のバッテリ端子外れが生じると、一般電装負荷へ電力供給が途絶える。その結果、例えばヘッドライトの照度が低下する等して、運転者に不安を与えることとなる。
そこで、本発明では、上記のような鉛酸電池のバッテリ端子外れが生じた場合でも、電装負荷へ電力供給し得る電気回路を提供することを目的とする。
本発明のある態様によれば、運転状態に応じてエンジンの自動停止及び自動再始動を行うアイドリングストップ機能を有する車両に適用される車両用電気回路が提供される。この車両用電気回路は、並列接続される第1バッテリ及び第2バッテリと、車両の全電装負荷の少なくとも一部であって第2バッテリに接続される第2電装負荷群と、車両の全電装負荷から第2電装負荷群を除いた電装負荷群であって第1バッテリに接続される第1電装負荷群とを含む。さらに、車両用電気回路は、第1バッテリと第2バッテリとの間に介装され、第1バッテリと第2電装負荷群との電気的な接続を断続切り替え可能な電源遮断器を含む。そして、電源遮断器は第1バッテリから第2電装負荷群へ向かう方向を順方向とする寄生ダイオードを備える第1スイッチ手段と、第1スイッチ手段と直列に配置される第2スイッチ手段とを含み、エンジンの自動再始動時には、第1スイッチ手段が導通状態に、第2スイッチ手段が遮断状態になる。
上記態様によれば、第1スイッチ手段の寄生ダイオードの順方向が第1バッテリから第2電装負荷群へ向かう方向で、エンジンの自動再始動時には、第1スイッチ手段がオフに、第2スイッチ手段がオンになる。したがって、自動再始動時のクランキング中に、第2バッテリから第2電装負荷群への電力供給が途絶えても、寄生ダイオードの働きによって第1バッテリから第2電装負荷群へ電力供給される。
図1は、第1実施形態にかかる電気回路の第1実施例を示す図である。 図2は、電気回路の動作を示すタイミングチャートである。 図3は、第1実施形態に係る電気回路の第2実施例を示す図である。 図4は、第1実施形態に係る電気回路の第3実施例を示す図である。 図5は、第2実施形態に係る電気回路の第1実施例を示す図である。 図6は、第2実施形態に係る電気回路の第2実施例を示す図である。 図7は、第2実施形態に係る電気回路の第3実施例を示す図である。 図8は、第3実施形態に係る電気回路の第1実施例を示す図である。 図9は、第3実施形態に係る電気回路の第2実施例を示す図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
(第1実施形態)
第1実施形態に係る電気回路は、2つのバッテリを備え、運転状態に応じてアイドリングストップ、つまりエンジンの自動停止・自動再始動を行う車両に適用される。なお、本実施形態でいうアイドリングストップには、車速がゼロkm/hの状態で自動停止するものの他に、車両走行中に所定の低負荷状態となった場合に自動停止する、いわゆるコーストストップも含む。
図1は、第1実施形態にかかる電気回路の第1実施例を示す図である。
第1バッテリとしてのリチウムイオン電池1と、第2バッテリとしての鉛酸二次電池2とは並列接続され、両者の間には電源遮断器としてのバッテリ間リレー11が介装されている。
なお、第2バッテリは、車両のユーザによって交換作業が行われ得るものであって、端子部分の締結の管理がおろそかになる可能性がある二次電池とする。したがって、本実施形態では第2バッテリとして鉛酸二次電池2を用いるが、他の二次電池であっても構わない。これに対し、第1バッテリは、車両のユーザが触れることがなく、端子部分の締結が生産ラインやディーラーでのサービスで保証されている二次電池とする。
バッテリ間リレー11は、第1スイッチ手段としての第1MOSFET12と、第2スイッチ手段としての第2MOSFET13と、第1リレー14と、を含んで構成されている。第1MOSFET12と第2MOSFET13とは直列に接続され、第1リレー14は第1MOSFET12及び第2MOSFET13と並列に接続されている。第1MOSFET12は、リチウムイオン電池1から鉛酸二次電池2へ向かう方向が寄生ダイオードの順方向となるように配置されている。第2MOSFET13は、寄生ダイオードの順方向が第1MOSFET12とは反対になるように配置されている。
第1リレー14は、コイルに通電されていない状態で閉状態となる、いわゆるノーマルクローズタイプである。ここでいう「閉状態」とは、導通している状態をいう。これに対して導通が遮断される状態を「開状態」という。なお、本実施形態では、電気が流れることを「通電」といい、実際に電気が流れているか否かにかかわらず、通電し得るように電気的に接続されることを「導通」という。
バッテリ間リレー11のリチウムイオン電池1側には、第1電装負荷群としての被保護負荷4が接続されている。被保護負荷4とは、電圧瞬低が発生するとリセットがかかる等の動作不良が発生するため、例えば11V以上の電圧が必要な電装負荷群、つまり電圧瞬低を許容し得ない電装負荷群であり、例えば、メータ類、変速機コントローラ、ナビゲーションシステム等が含まれる。なお、リチウムイオン電池1と被保護負荷4との間には、第3MOSFET15と第4MOSFET16とが、寄生ダイオードの順方向が互いに反対になるように直列に配置されている。
バッテリ間リレー11の鉛酸二次電池2側には、第2電装負荷群としての一般負荷3が接続されている。一般負荷3とは、電圧瞬低を許容し得る、つまり電圧瞬低があっても作動し得る電装負荷群であり、例えば、ヘッドライト、ワイパー等が含まれる。
また、バッテリ間リレー11の鉛酸二次電池2側には、エンジン始動時にエンジンをクランキングするスタータ5がスタータリレー7を介して接続されている。
エンジンの駆動力により発電するオルタネータ6も、バッテリ間リレー11の鉛酸二次電池2側(図1のA地点)に接続されている。ただし、本実施形態及び以下に説明する実施形態において、バッテリ間リレー11のリチウムイオン電池1側(図1のB地点)に接続してもよい。
なお、実際の製品においては、リチウムイオン電池1、バッテリ間リレー11、第3MOSFET15、及び第4MOSFET16は一つにまとめられ、リチウムイオン電池パック10として扱われる。
次に、本実施形態に係る電気回路の動作について説明する。
図2は、電気回路の動作を示すタイミングチャートである。
運転者の操作、例えばイグニッションキー操作やスタートボタン操作、によるエンジン始動(以下、キー始動ともいう)の際は、第1リレー14は閉状態、第1−第4MOSFET12、13、15、16はオフになる(タイミングT1)。これにより、鉛酸二次電池2からスタータ5へ電力が供給されてクランキングが行われる。
エンジンの初爆後、第3MOSFET15及び第4MOSFET16がオンになり、リチウムイオン電池1と鉛酸二次電池2とが接続される(タイミングT2)。なお、ここでいう「オン」とは導通状態のことをいう。一方、「オフ」とは導通が遮断された状態のことをいう。
自動停止前には、第1MOSFET12及び第2MOSFET13がオンになり、所定のディレイ時間経過後に第1リレー14が開状態になる(タイミングT3)。これにより、アイドリングストップ中は鉛酸二次電池2とリチウムイオン電池1及び保護負荷4とは導通が遮断され、自動再始動要求があった場合にはメカニカルリレー等よりも応答性の高いMOSFETによって速やかに導通状態と遮断状態とを切り替えることができる状態となる。
自動再始動時は、第1MOSFET12だけがクランキング開始の直前にオフになり、完爆後に再びオンになる(タイミングT4−T5)。すなわち、クランキング中は、第1リレー14が開状態、第1MOSFET12がオフ、第2MOSFET13がオン、となり、第1MOSFET12の寄生ダイオードの働きによって、リチウムイオン電池1側から鉛酸二次電池2側へ向かう方向のみが導通状態となる。これにより、クランキングによる電圧瞬低の被保護負荷4への影響をなくし、かつ、仮にクランキング中に鉛酸二次電池2のバッテリ端子外れが生じても、リチウムイオン電池1から一般負荷3へ電力が供給されるため、ヘッドライトの照度低下や、ワイパー停止を防止できる。
エンジン回転速度が安定したら第1リレーが閉状態になり、所定のディレイ時間経過後に第1MOSFET12及び第2MOSFET13がオフになる(タイミングT6)。これにより、第1MOSFET12及び第2MOSFET13の発熱を抑制できる。
そして、運転者の操作、例えばイグニッションキー操作やスタートボタン操作、によるエンジン停止(以下、キー停止ともいう)の際は、運転者の操作から所定のディレイ時間経過後に第3MOSFET15及び第4MOSFET16がオフになる。これにより、暗電流等によるリチウムイオン電池1の過放電を防止できる。
また、第1リレー14はノーマルクローズタイプなので、キー停止後も鉛酸二次電池2から一般負荷3及び被保護負荷4へ暗電流が供給される。
上述したように、本実施形態の電気回路では、自動再始動時に鉛酸二次電池2のバッテリ端子外れが生じたとしても、第1MOSFET12の寄生ダイオードの作用によって一般負荷3への電力供給が途絶えることがない。
図3は、第1実施形態に係る電気回路の第2実施例を示す図である。
第2実施例は、第1実施例の第2MOSFET13をメカニカルリレーである第2リレー20に置き換えたものである。第2リレー20の開閉動作は、上述した第2MOSFET13のオン、オフ動作と同じである。
メカニカルリレーはMOSFETに比べて断続動作の応答性が劣る。しかし、上述した第1実施例において断続動作の高い応答性が要求されるのは、クランキング直前にオンからオフに切り替わり、完爆後に再びオンに切り替わる第1MOSFET12であり、これに比べると第2MOSFET13には高い応答性は要求されない。したがって、第2MOSFET13をメカニカルな第2リレー20に置き換えても、第1実施例と同様の効果を奏する。
図4は、第1実施形態に係る電気回路の第3実施例を示す図である。
第3実施例は、第1実施例の第2MOSFET13を、寄生ダイオードを備えない半導体リレー21、例えばIGBT、トランジスタ、またはサイリスタ等、に置き換えたものである。半導体リレー21の開閉動作は、上述した第2MOSFET13のオン、オフ動作と同じである。
上述した第1実施例において、第2MOSFET13に必要なのはスイッチング機能だけである。したがって、第2MOSFET13を、寄生ダイオードを備えない半導体リレー21に置き換えても、第1実施例と同様の効果を奏する。
次に、本実施形態により得られる効果について説明する。
(1)本実施形態に係る電気回路は、アイドリングストップ機能を有し、2つのバッテリ1、2を備える車両に適用され、被保護負荷4と接続されるリチウムイオン電池1と、一般負荷3と接続される鉛酸二次電池2と、バッテリ間リレー11と、を含む。バッテリ間リレー11は、リチウムイオン電池1から一般負荷3へ向かう方向を順方向とする寄生ダイオードを備える第1MOSFET12と、第1MOSFET12と直列に配置される第2MOSFET13と、を含む。そして、自動再始動時には、第1MOSFET12はオフに、第2MOSFET13はオンになる。これにより、仮にクランキング中に鉛酸二次電池2のバッテリ端子外れが生じても、第1MOSFET12の寄生ダイオードの働きによって、リチウムイオン電池1から一般負荷3へ電力が供給されるので、一般負荷3の作動が確保される。
(2)第2MOSFET13に代えて、メカニカルリレーである第2リレーまたは寄生ダイオードを備えない半導体リレー21を用いてもよい。この場合、上記(1)と同様の作用効果が得られるだけでなく、MOSFETに比べて安価なデバイスを使用することになるので、コストダウンも見込める。さらに、MOSFETに比べて電圧降下の小さいデバイスを使用することになるので、発熱を抑制することもできる。
(第2実施形態)
図5は、第2実施形態に係る電気回路の第1実施例を示す図である。
図5に示す電気回路の図1に示す電気回路との相違点は、次の3点である。第1に、一般負荷3の接続位置と被保護負荷4の接続位置とが図1のそれとは逆になっている。つまり、第1電装負荷群が一般負荷3、第2電装負荷群が被保護負荷4となっている。
第2に、スタータ5及びスタータリレー7の接続位置がバッテリ間リレー11のリチウムイオン電池1側になっている。第3に、図1の第3MOSFET15及び第4MOSFET16がメカニカルリレーである第3リレー22に置き換わっている。第3リレー22は、コイルに通電されていない状態で開状態となる、いわゆるノーマルオープンタイプである。
第1MOSFET12、第2MOSFET13、及び第1リレー14の構成及び開閉動作は第1実施形態と同様である。また、第3リレー22の開閉動作は第1実施形態の第3MOSFET15及び第4MOSFET16の開閉動作と同じである。これにより、キー始動は第1実施形態と同様に鉛酸二次電池2で行うこととなるが、自動再始動は、リチウムイオン電池1からの電力供給によって行うことが可能となっている。
なお、第1リレー14はキー始動時にも通電することになるので、第1リレー14を第1実施形態に比べて大容量にする必要がある。
上記構成によれば、エンジン再始動時のクランキング中に鉛酸二次電池2のバッテリ端子外れが生じたとしても、第1MOSFET12の寄生ダイオードの働きによって、被保護負荷4への電力供給が途絶えることはない。一方、一般負荷3は、鉛酸二次電池2のバッテリ端子外れの有無にかかわらず作動可能である。
また、自動再始動にはリチウムイオン電池1が用いられ、鉛酸二次電池2はキー始動時にのみ用いられる。つまり、実施頻度の高い自動再始動には、充放電の繰り返しに対する耐久性が鉛酸二次電池2に比べて高いリチウムイオン電池1が用いられる。これにより、アイドリングストップを実行することによる鉛酸二次電池2の劣化を抑制することができ、アイドリングストップのために大容量の鉛酸二次電池2を用いる必要がなくなるので、コストダウンを図ることができる。
さらに、第3MOSFET15及び第4MOSFET16を、より安価なメカニカルリレーである第3リレー22に置き換えることによるコストダウンも見込める。
図6は、第2実施形態に係る電気回路の第2実施例を示す図である。
図6に示す電気回路は、一般負荷3と被保護負荷4とが一つにまとめられて全電装負荷8となっている点が図5の電気回路と相違する。本実施例のような構成でも、自動再始動時のクランキング中に鉛酸二次電池2のバッテリ端子外れが生じた場合の、全電装負荷8への電力供給を確保できる。
図7は、第2実施形態に係る電気回路の第3実施例を示す図である。
図7に示す電気回路は、図6の電気回路の第1リレー14と第3リレー22とを切り替えリレー30に置き換えたものである。切り替えリレー30は、キー始動時は鉛酸二次電池2を選択し、自動再始動時はリチウムイオン電池1を選択するように切り替わる。第1MOSFET12及び第2MOSFET13の開閉動作は、図5、図6の構成と同じである。
本実施例のような構成でも、図5、図6の構成と同様の作用効果が得られる。また、第3リレー22がない分だけ、第1MOSFET12の寄生ダイオードの働きによってリチウムイオン電池1から全電装負荷8へ電力供給する際の電圧降下を抑制できる。
以上のように本実施形態によれば、第1実施形態と同様に、仮にクランキング中に鉛酸二次電池2のバッテリ端子外れが生じても、第1MOSFET12の寄生ダイオードの働きによって、リチウムイオン電池1から一般負荷3へ電力が供給されるので、一般負荷3の作動が確保される。
なお、本実施形態においても、第2MOSFET13をメカニカルリレーや寄生ダイオードを備えない半導体リレーに置き換えることができる。
(第3実施形態)
図8は、第3実施形態に係る電気回路の第1実施例を示す図である。
図8に示す電気回路と図1に示す電気回路との相違点は、次の3点である。第1に、一般負荷3の接続位置と被保護負荷4の接続位置とが図1のそれとは逆になっている。つまり、第1電装負荷群が一般負荷3、第2電装負荷群が被保護負荷4となっている。
第2に、図1のオルタネータ6に代えて、発電機能と駆動機能とを併せ持つモータジェネレータ40が用いられており、モータジェネレータ40がA地点ではなくB地点に接続されている。なお、モータジェネレータ40は、オルタネータ6と同様にエンジンのクランクプーリにベルトを介して接続された、いわゆるSSG(Side mounted Starter Generator)である。
第3に、図1の第3MOSFET15及び第4MOSFET16がメカニカルリレーである第3リレー22に置き換わっている。
第1MOSFET12及び第2MOSFET13と、第1リレー14と、第3リレー22の動作は第2実施形態と同じである。つまり、キー始動は鉛酸二次電池2から電力供給されるスタータ5により行われ、自動再始動はリチウムイオン電池1から電力供給されるモータジェネレータ40により行われる。したがって、第1リレー14にはエンジン始動に要する大電流が流れることがないので、第1実施形態に比べて第1リレー14の容量を小さくできる。
図9は、第3実施形態に係る電気回路の第2実施例を示す図である。
本実施例の電気回路は、いわゆるハイブリッド車両に対応し得る構成である。図9に示した構成は、図8に示した構成に対し、鉛酸二次電池2を高電圧リチウムイオン電池41及び降圧DC−DCコンバータ42に置き換え、さらに、強電駆動モータとしてのモータジェネレータ40を備えるため、スタータ5を省いたものである。
本実施例においても、第1MOSFET12及び第2MOSFET13と、第1リレー14と、第3リレー22の動作は第2実施形態と同じである。つまり、キー始動時には第2バッテリとしての高電圧リチウムイオン電池41の電力が使用され、自動再始動時にはリチウムイオン電池1の電力が使用される。
なお、キー停止された場合は、第3リレー22が閉状態に戻り、リチウムイオン電池1から一般負荷3及び被保護負荷4へ暗電流が流れる。そして、リチウムイオン電池1の容量が低下してきたら、降圧DC−DCコンバータ42が作動して、リチウムイオン電池1の容量が確保されるまで、高電圧リチウムイオン電池41によるリチウムイオン電池1への充電が行われる。
上記構成により、自動再始動時のクランキング中に降圧DC−DCコンバータ42に不具合が生じたとしても、第1MOSFET12の寄生ダイオードの働きによって、被保護負荷4への電力供給が途絶えることはない。なお、高電圧リチウムイオン電池41は、リチウムイオン電池1と同様に生産ライン等で端子の締め付け管理が行われているため、本実施例においてはクランキング中の端子外れを考慮する必要はない。
以上のように本実施形態によっても、第2実施形態と同様の作用効果が得られる。本実施形態においても、第2MOSFET13をメカニカルリレーや寄生ダイオードを備えない半導体リレーに置き換えることができる。
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
1 リチウムイオン電池
2 鉛酸二次電池
3 一般負荷
4 被保護負荷
5 スタータ
6 オルタネータ
8 全電装負荷
10 バッテリパック
11 バッテリ間リレー
12 第1MOSFET
13 第2MOSFET
14 第1リレー
15 第3MOSFET
16 第4MOSFET
20 第2リレー
21 半導体リレー
22 第3リレー
30 切り替えリレー
40 モータジェネレータ
41 高電圧リチウムイオン電池
42 降圧DC−DCコンバータ

Claims (6)

  1. 運転状態に応じてエンジンの自動停止及び自動再始動を行うアイドリングストップ機能を有する車両に適用される車両用電気回路において、
    第1バッテリと、
    前記第1バッテリと並列接続される第2バッテリと、
    車両の全電装負荷の少なくとも一部であって前記第2バッテリに接続される第2電装負荷群と、
    車両の全電装負荷から前記第2電装負荷群を除いた電装負荷群であって前記第1バッテリに接続される第1電装負荷群と、
    前記第1バッテリと前記第2バッテリとの間に介装され、前記第1バッテリと前記第2電装負荷群との電気的な接続を断続切り替え可能な電源遮断器と、
    を含んで構成され、
    前記電源遮断器は、前記第1バッテリから前記第2電装負荷群へ向かう方向を順方向とする寄生ダイオードを備える第1スイッチ手段と、前記第1スイッチ手段と直列に配置される第2スイッチ手段と、を含み、
    前記エンジンの自動再始動時には、前記第1スイッチ手段は遮断状態に、前記第2スイッチ手段は導通状態になることを特徴とする車両用電気回路。
  2. 請求項1に記載の車両用電気回路において、
    前記第1スイッチ手段はMOSFETであることを特徴とする車両用電気回路。
  3. 請求項1または2に記載の車両用電気回路において、
    前記第2スイッチ手段は、寄生ダイオードの順方向が前記第1スイッチ手段とは逆向きになるよう配置されるMOSFETであることを特徴とする車両用電気回路。
  4. 請求項1または2に記載の車両用電気回路において、
    前記第2スイッチ手段は、メカニカルリレーであることを特徴とする車両用電気回路。
  5. 請求項1または2に記載の車両用電気回路において、
    前記第2スイッチ手段は、寄生ダイオードを備えない半導体リレーであることを特徴とする車両用電気回路。
  6. 請求項1から5のいずれかに記載の車両用電気回路において、
    前記第2バッテリは、前記第1バッテリよりも高電圧のバッテリと降圧コンバータとを含んで構成されることを特徴とする車両用電気回路。
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