JP2007516905A - 電力分配網ノード及び電力管理プロセス - Google Patents

Abstract

電力分配ネットワーク（１００）に用いるための電力管理装置（２００）及び方法は、電気エネルギを受け取り、最初に、その電力が、一次電源か又は二次電源かを判断する。二次電源である場合、電力管理装置（２００）は、待機モードで待つが、電力が一次電源である場合、電力管理装置（２００）は、それ自体を構成して、電力分配ネットワーク（１００）中の他のノードに電力を転送する。ネットワーク内における電力レベル及び障害は、中央コントローラによって監視及び制御し得る。同様に、負荷（２１８、２２０）は、こうして中央コントローラによって決定されるように電源投入され、ＬｄＩ／ｄｔ電圧スパイク及び他の望ましくない副作用が低減される。

Description

車両の電力分配ネットワークに用いるための電力管理装置である。

車両製造業者は、近年、情報共有及び制御配信のために、コントローラ間においてシリアル通信（多重化）を用いてきた。こうすることで、現代の車両に望まれる快適性、利便性、及び安全性を実現するのに必要な、車両の電気分配システム（ＥＤＳ）における車両横断的な信号配線の量が大幅に低減されている。

しかしながら、ＥＤＳの電力及び接地分配部の簡素化に対しては、ほとんど何もなされて来なかった。通常、車両に電力を提供するためにはバッテリ及び交流電源が用いられる。電力を分配するために、電源の正側は、車両のエンジン室又は乗客室に配置されているヒューズ盤に接続される。ヒューズ盤は、装置、例えば、アクチュエータ、センサ、及び制御部品への電力供給のための分配点として機能する。また、ヒューズ盤は、電力供給のために、保護装置、回路遮断器及びヒューズを収容する。電源の負側は、（車体、シャーシ、エンジンブロック等の）車両の金属構成部分に接続されることが多いが、その場合、金属構成部品は、全ての能動素子からの接地帰路として機能する。

所望の特徴を実現するための車両における装置の制御は、（エンジン、ナビゲーション、乗客席、運転者席、ドア等の）機能毎又は位置毎に、コントローラに分割される。これら各領域のコントローラは、共有のアクセス・シリアルバスを用いて、他のコントローラと情報を共有する。バスは、通常、Ｊ１８５０、ＣＡＮ、ＭＯＳＴ等の業界標準に従う。複数の独立バスを用いてもよい。その場合、コントローラの内の１つは、互換性のないバス間の情報用ゲートウェイとして機能する。車両の各作り及び型は、特有の集合体のコントローラ及び装置を有する傾向がある。車両製造業者は自社開発のシリアルバスを用いる傾向がある。その結果、各車両のＥＤＳは一意的に設計されなければならない。シリアルバスを用いることによって多くの信号線が節約されても、電力及び接地分配にも同様に対処する場合、ＥＤＳの効率を改善する余地がある。

他の選択肢としての構成では、車両を地理的な領域に分割し、その領域における全ての機能用に単一のコントローラを配置するという考え方がある。この構成には、また、車両の局所的な領域における相互接続の数を低減するスマート周辺機器の概念を含み得る。スマート周辺機器は、ＬＩＮ等の単純なシリアル通信バスを用いて、センサから領域コントローラへ情報を中継したり、領域コントローラからアクチュエータ命令を受け取ったりする。領域コントローラは、また、スマート周辺機器用の電力及び接地分配点として機能する。

もう１つ他の選択肢としての構成は、車両の様々な領域に配置し得る接続盤を内蔵する。接続盤は、入力及び出力装置とのインターフェイスに用いられる小型装置の電力、接地及び通信用の機械的な及び電気的な接続点を備える。接続盤は、また、小型接続装置用の過電流保護装置、及びシステム内において異なるレベルで分散された多数の電源を備える。

既存の電力、接地及び制御分配構成は柔軟性を持つ要素を備える一方で、それでもなお、車両に対して、特定の配線ハーネス及び固定された電力分配構造及び制御を要求する。
更に、これらの既存の構造は、局所的な領域の信号配線の複雑さに対処していない。従って、車両の局所的な領域にも適合可能な車両全体用の柔軟な電力、接地及び制御分配構成が必要である。

本開示は、幾つかの実施形態を説明してその広範な教示内容を示す。また、添付された図面も参照する。
本電力、接地及び通信構成は、領域コントローラ及びヒューズ盤の代わりにハブを利用する。本構成は、特に、自動車及びトラック等の車両用途に適合されているが、数多くの他の用途に適合し得る。各ハブは、演算処理、通信及び電力分配要素からなる。ハブは、通信及び電力を分配するために、自由形態でのクモの巣タイプの構成で多数の他のハブに接続し得る。特別なツリー、バス又は星形構成は必要ではない。標準の配線ハーネスセグメントは、ハブと他の制御要素を接続するために用い得る。

クモの巣における各糸は、独立したポイントツーポイントのバス、絶縁された電力線、及び接地経路であると見なし得る。各ハブには、車両機能用途を実現する演算処理能力、また更に、通信及び電力分配に必要な、信号送信装置、例えば、パケットルータ、回路スイッチ等及び電力保護装置を含み得る。電力分配構成は、信号送信ネットワークのインテリジェンス及び通信能力と一緒になって、故障管理及び通信を強化し得る。電力分配及び信号送信ネットワークは、協働して電力分配媒体を監視したり、故障の検出や診断をしたり、また、この情報を電力分配ネットワークの他のコントローラ及び他の領域に送信したりするように構成し得る。本構成によるクモの巣タイプの構成によって、停電の場合、修復を行うための動的な再構成が可能になる場合がある。

ハブ又はノード並びに通信及び電力分配構成に関連した通信インフラに存在する個々の演算処理能力は、各ハブ又はノードの機能及び構成を設定するために用い得る。そのような設定値は、現在の動作、及び、その後、電源投入される場合の双方に既定値として用い得る。しかしながら、初めて電源投入される場合はそのような初期条件は存在しない。車両組立て時、初めて電源投入される場合、あるいは、１つ又は複数のノードが取り替えられる場合、又は、現在の構成が失われた場合、本構成は、予測可能で制御された挙動で、全てのノードが電力を受け取ることを保証することが可能であり、通信、及び望まれる場合、プログラミングが可能でなければならない。更に、本構成は、制御されたやり方で、車両周辺に分散された様々な負荷への電力供給を行って、瞬時電流過負荷及び電圧スパイクの可能性を制限しなければならない。

電圧スパイクは特別な問題になることがある。ノード間及びノードとそれぞれの負荷との間における双方の車両の配線接続は、大きな量のインダクタンスを示す。初歩の電気工学から、Ｌをインダクタンスとし、ｄｌ／ｄｔを時間期間ｄｔにインダクタを流れる電流の変化とすると、Ｖ＝ＬｄＩ／ｄｔであることが知られている。例えば、高いアンペア数で一次バッテリを充電していてバッテリのリードが外れた場合の急激な電流変化は、極めて高い電圧が電気分配システムを伝搬することによって特徴付けられる“負荷遮断”として知られる状態を発生し得る。同様に、車両の各負荷が初めて突然始動すると、負荷遮断的な電圧スパイクが発生する可能性がある。

以下の本文は、本発明の数多くの異なる実施形態を詳細に記述するが、本発明の法律的な範囲は、本特許の末尾に記載された請求項の文言によって定義されることを理解されるべきである。可能な全ての実施形態について述べることは、不可能でないにしろ現実的ではないため、この詳細な説明は、例示のみであると解釈するものとし、本発明の可能な全ての実施形態について述べるものではない。数多くの他の選択肢としての実施形態は、本発明を規定する請求項の範囲内に入るであろう現在の技術又はこの特許の出願日後に開発
される技術のいずれかを用いて実現し得るものである。

この特許において、“本明細書において用いる用語「」は、・・・を意味するものとここで定義する”という文や同様な文を用いて、ある用語が明確に定義されない場合、明確に又は暗示的にその用語の意味を、その直截的で通常の意味を超えて、制限しようとする意図はないこと、また、そのような用語は、（請求項の表現以外の）本特許のいずれかの部分でなされる何らかの表現に基づき、範囲が限定されると解釈すべきではないこともまた理解されたい。本特許末尾の請求項に記載される用語はいずれも、本特許においては、単一の意味と整合性のある方法で言及される範囲で、このことは、読み手を混乱させないように簡潔にするためにのみ行われ、また、そのような請求項用語が、暗示的に又はその他の方法で、その単一の意味に制限されることを意図するものではない。最後に、語“手段”を記載することによって請求項要素が定義され、また、何らかの構成の記載無しで機能が定義されることがない場合、いずれの請求項要素の範囲も、Ｕ．Ｓ．Ｃ．セクション１１２、第６パラグラフの適用に基づき解釈されることはない。

図１は、車両１０内において、複数のハブ１０５、１１０及び１１５が含まれる電力、接地及び通信構成１００を示す。ハブ１０５、１１０及び１１５は、クモの巣タイプの構造で、標準の配線ハーネスセグメントによって接続される。複数の配線ハーネスセグメントは、図１に示され、ハブ１０５、１１０及び１１５を相互接続するために用いられるが、１つだけが、配線ハーネスセグメント１２０として識別される。本開示全体において、配線ハーネスセグメント１２０に対する単数又は複数での参照は、ハブ１０５、１１０及び１１５の相互接続に用いられる１つ又は複数の配線ハーネスセグメントを意味する。構成１００には、また、バッテリ１２５及び１３０等の複数の電源が含まれる。発電機／交流発電機、コンデンサ、燃料電池、又は他の代替電源等の追加の電源（図示せず）は、構成１００内で用い得る。電源の特定のタイプ又は数は、構成１００の構造又は機能にとって重要ではない。ハブ１０５、１１０及び１１５は、１つ又は複数の他のハブ１０５、１１０及び１１５並びに装置（この内の１つは、装置１３２として示す）に、車両１０において、追加の配線ハーネスセグメント１２０を介して接続されるように構成される。また、特定の種類の装置は、構成１００の構造又は機能にとって重要ではなく、また、センサ、アクチュエータ、コントローラ等の車両上にある通常の装置は、ハブに接続し得る。

図２において、代表的なハブ又はノード２００は、内部メモリ又は関連するメモリのいずれかに記憶された制御プログラムを含み中央機能を備えるプロセッサ２０２を有し得る。ノード即ちハブ２００は、電力の流れを制御するための少なくとも１つのスイッチを有する。ノード即ちハブ２００は、星形構成に配列された４つの双方向スイッチ２０４、２０６、２０８、２１０で構成し得る。各スイッチ２０４、２０６、２０８、２１０の構造は、図３を基により詳細に後述する。各スイッチ２０４、２０６、２０８、２１０は、オフにしたり、又は、電力が流入及び／又は流出し得るように構成したりできる。ポート２１２、２１３、２１４、２１５は、ハブを他のハブと相互接続するように構成される。各ポート２１２乃至２１５は、電力及び接地接続及び通信接続２１６を有し得る。専用の通信ユニット（図示せず）は、ハブ又はノード２００に設置し、通信接続２１６に接続し得るが、プロセッサ２０２の機能であってもよい。負荷２１８、２２０は、低圧側ドライバ２２２又は高圧側ドライバ２２４に接続し得る。低圧側２１８及び高圧側２２０ドライバの異なる組合せは、様々な実施形態に配置し得る。特に、電力を節約するために、また、組み込まれた半導体における金属マイグレーション等の高電圧条件に関連した有害な影響を低減するために低電圧を用いる待機モードの場合、レギュレータ２２６によって、電圧の広い範囲に渡るノード２００の動作が可能になる。

単一のポート構成は、ハブ１０５、１１０及び１１５との関連で用いられ、ハブ対ハブ
及びハブ対装置接続を行い得る。各構成において、ハブ１０５、１１０及び１１５は、配線ハーネスセグメント１２０の一端と噛み合い、ハブ対ハブ接続を行うように構成された少なくとも１つのコネクタ空隙を有する。

電力管理装置又はハブ２００は、電気エネルギを受け取るためのポート２１２乃至２１５を有する。スイッチ２０４、２０６、２０８、２１０は、図３を基に更に述べるように、特に、受電に適している。電気エネルギは、ポート２１２乃至２１５の内の１つで受け取られる場合、レギュレータ２２６に転送される。そして、プロセッサ２０２を起動し得る。

プロセッサ２０２は、一旦起動されると、受け取られた電気エネルギが、一次電力又は二次電力か判断することが可能である。一実施形態において、プロセッサ２０２は、レギュレータ２２６からの信号を監視することによって、このことを判断する。レギュレータ２２６又は入力制御ネットワーク３０４への入力電圧が、一次電力に関連する範囲又は二次電力に関連する範囲にあると判断された場合、プロセッサ２０２は、適切な決定を行う。他の実施形態において、プロセッサ２０２は、電源（図示せず）と通信を行って、受け取り対象の電力が一次又は二次電力か判断し得る。通信及び電力分配構成全体の要素間での通信は、引用した参考文献でより詳細に網羅されており、ここではこれ以上議論しない。後述するように、スイッチ２０４、２０６、２０８、２１０の内の１つは、電気エネルギを検出した場合、それ自体を入力として構成する。

プロセッサ２０２は、電気エネルギが二次電源であると判断した場合、ノードを待機モードに配置し、データ通信ネットワークを介した命令を更に待つか又は電力状態の変化を待つ。一実施形態において、待機モードには、入力として構成されていない任意のスイッチ２０４、２０６、２０８、２１０をオフにする段階と、また更に、ドライバ２２２、２２４をオフにし、レギュレータ２２６がハブ２００の動作電圧を低減して電力の節約を行うように指示する段階と、が含まれる。

供給されている電気エネルギは一次電源であるとハブ２００が判断する場合、プロセッサは、ノードを活性モードに配置する。初期の電源投入状態において、又は、事前のプログラミング又は動作状態データが利用不可能な他の状況において、活性モードには、まだ入力として構成されていないスイッチ２０４、２０６、２０８、２１０を出力として構成し、ポート２１２乃至２１５の内の１つから他の接続されたノード即ちハブ１０５、１１０、１１５に電力を転送する段階が含まれる。

ポート２１２乃至２１５を構成した後、通信ユニットとして機能するプロセッサ２０２は、通常、活性モードで、中央電力コントローラ（図示せず）からの命令を待つ。動作命令は、データネットワークを介して受信され、ノード２００及びプロセッサ２０２に対して、ポート２１２乃至２１５を構成するように、また、ドライバ２２２、２２４を起動するように指示する。そのノード２００又はプロセッサ２０２は、動作命令によって設定される数多くのプリプログラミングされた動作モードに合わせてプログラムし得る。動作モードには、待機モードに戻る段階、活性モードに留まる段階、又は、他の幾つかの動作モードを確保する段階を含み得る。例えば、他のモードは、故障検出モードであってよく、この場合、電力及び負荷は、様々にパルスでオン・オフされ、その間、電流の流出を監視して短絡又は開路を判断する。問題が検出されると、故障管理モードは、電力の転送を他の経路に変更して、その問題を回避し得る。負荷順位付けによって、所定の命令に基づくプロセッサ２０２によって整合された方法で、又は中央コントローラによって要求された場合、最初に、負荷２１８、２２０を電源投入することが可能になる。更に、全電力流出は、診断ユニット等の重要でない装置の電力を順次オン・オフさせることによって管理し得る。他の動作モードは、負荷制限モードであってよい。負荷制限は、多くの状況で有用
であり、例えば、一実施形態では、かなりの量の電力が急激な加速等の優先的機能に必要な場合、空調機等の付帯設備への電力は、一時的にオフに切り替え得る。通信ユニットとしても機能するプロセッサ２０２は、定期的に、又は割り込みにより、あるいはポーリングにより、ハブ２００の状態を送信し得る。

ノード即ちハブ２００の要素は、公知であり、また、入手可能である。プロセッサは、モトローラ社から入手可能なもの等の単純なマイクロコントローラ又は他のプロセッサであってよい。プロセッサ用のコーディングは、“Ｃ”等の高級言語で行い、用いられるプロセッサ又はマイクロコントローラ用にコンパイルし得る。電圧レギュレータ２２６は、数多くの供給業者から入手可能な市販の部品であってよく、あるいは、当業者によって個別部品から設計してもよい。高圧側及び低圧側スイッチ２２２、２２４は、負荷２１８、２２０に基づき選択され、また、単純なトランジスタから電子機械的なリレーまで及んでよい。双方向スイッチ２０４、２０６、２０８、２１０については、後述する。

図３において、通信及び電力分配構成におけるノードのスイッチ要素の１つの概略図について議論し説明する。ハブ２００での用途に適する代表的なスイッチ３００は、センス・論理回路３０４及びスイッチマトリックス３０６の双方に接続される入／出力１接続３０２を有する。スイッチ３００は、また、電力制御回路３０８を有する。電力制御回路３０８は、また、オプションの電流検出回路３１０を有する。回路３０４は、電流の流れ方向を設定するための電力制御入力３１２及び３１４を有する。電力は、入力スイッチモジュール３１６及び出力スイッチモジュール３１８によって切り替えられる。出力スイッチモジュールは、入／出力２接続３２０に接続される。接続３２０は、ノード２００における他のスイッチ要素の同様な出力の星形接続の一部である。

動作中、入／出力１接続３０２に印加される最初の電力は、センス・論理回路３０４を起動する。センス・論理回路３０４は、起動されると、入力スイッチモジュール３１６をオンに切替え、電力を入／出力２接続及びレギュレータ２２６に供給する。電力がレギュレータ２２６及びプロセッサ２０２に供給された後、２つのスイッチモジュール３１６、３１８は、独立に制御可能であり、また、入／出力１＿３０２及び入／出力２＿３２０間の電流の流れ方向を設定するために用い得る。

この回路構成を前提として、当業者の回路設計者又は電気技術者は、特定の用途の設計環境に適する構成要素タイプ及び値を決定し得る。一実施形態において、本回路のトランジスタは、ＯＮセミコンダクタ社のＭＭＵＮ２２１１デバイスであり、また、スイッチモジュール３１６、３１８は、ジーメンス社のＢＴＳ６１４３デバイスである。

図４において、通信及び電力分配構成用の電源投入手順のフローチャートについて議論し説明する。本方法は、以前の状態データが利用不可能な場合において、複数のノード２００を順次始動するやり方について詳述する。これは、例えば、製造中又は修理時、１つ又は複数の新しいノード２００を導入した後の最初の電源投入時であることがある。電力は、第１ノード２００に、一般的に、バッテリ１２５、１３０等の電源に最も近いノードに印加される（４０２）。そして、上述したように、ノード２００がそれ自体で電力タイプを判断できない場合、ノード２００は、電源と通信を行って電力の性質を判断し得る（４０４）。電力は、少なくとも２種類、即ち、一次電力又は二次電力の１つであってよい。電力が二次電力である場合、ノード２００は、４０６の枝には従わず、待機モード配置され（４０８）、更に命令を待つ。電力が一次電力であると判断された場合、４０６の「はい」の枝に従う。電力は、ネットワーク１００の他のノードに、一般的に、バッテリ１２５、１３０に最も近いノードの下流にあるノードに転送される（４１０）。この非同期の電力印加は、本実施形態において示す１つのクモの巣タイプのネットワーク全体に段階的に急速に伝わることが分かる。いずれかのノード２００が待機モードのままであり得る
他の実施形態も考えることができるが、全てのノードが、バッテリ１２５、１３０等の一次電力の電源から最小数の“ホップ”で一次電力を受け取る場合が最も多い。ノード２００は、活性モード又は待機モードに関わらず、ノードの内の１つからのコントローラ（中央コントローラ又はプロセッサ２０２のいずれか）と通信を行い（４１２）、動作状態を設定するための命令を受け取る。場合によっては、動作状態は、順次又は他の所定の方法で負荷２１８、２２０へ電力を供給する段階（４１４）に関連する。ノード２００の通信能力は、ノード２００の状態を伝えるために、また更に、ノード２００の周辺について判断された任意の故障又は保守状態を伝えるために用い得る。上述したように、中央コントローラは、電力、接地及び通信構成１００を用いて、負荷２１８、２２０及び他の負荷に電力を供給して、望ましくない負荷遮断のような状態を発生し得る、電力分配ネットワークによって供給される電力の瞬時変動を低減し得る。

上述した装置及び方法、及びその本発明による原理は、車両における電力の分配を強化するように意図され、また、強化する。そのようなネットワークへの初めての参加者にとっても、順序立った電源投入手順は、そのような電力分配構成を初期化する他の方法のプログラミング、手作業による介在、及び潜在的な不具合を大幅に低減する。電力タイプを判断する原理及び電力を転送する又は待機状態で待つ原理を用いると、そのような電力分配方式の使用方法が簡素化されるばかりでなく、車両における負荷を管理するための全く新しい方法がもたらされる。ユーザは、難しいプリプログラミング・ステップ無しでノードを取り替えられることによって、恩典を受ける。製造業者は、車両製造時、装置のネットワーク全体の高価で厄介なプリプログラミングが必要でないことによって、恩典を受け得る。低電力レベルの待機状態で待つことは知られているが、このアプローチは、独自に電力の性質を利用して、待機モードに入るべきか又は他のネットワーク要素に電力を転送すべきかどうか判断すると考えられる。

本発明に基づくこれらの又は他の実施形態は、多くの携帯撮像装置への用途を有することが予想される。本開示は、本構成要素又はそのようなシステムが含まれる設備にも適用され、特に、それによって及びそこで用いられる方法に適用される。

本開示は、本発明に基づく様々な実施形態を如何に形成し用いるかについて説明することを意図するものであり、その真の意図した正当な範囲及び精神を制限するものではない。上述の説明は、網羅的であったり、開示された厳密な形態に本発明を限定したりすることを意図するものではない。上述の教示内容に照らして、修正や変更が可能である。実施形態（１つ又は複数）は、本発明の原理及びその実用的な用途を最良に例示するために、また、当業者が、様々な実施形態において、また、考案された実用的な用途に適合した様々な修正で本発明を利用できるように選択し説明した。そのような全ての修正や変更は、正当に、合法的に、また公正に権利が与えられる範囲に基づき解釈された場合、本特許出願の係属中に修正される可能性もある添付の請求項によって、また、その全ての等価物によって決定される本発明の範囲内にある。

通信及び電力分配構成の概略図。 図１に示す通信及び電力分配構成のノードの概略図。 図１に示す通信及び電力分配構成におけるノードのスイッチ要素の詳細図。 通信及び電力分配構成用の電源投入手順のフローチャート。

Claims (10)

1. 入力と、
   同入力に接続された論理ユニットと、
   からなり、前記入力に電気エネルギが存在すると前記論理ユニットが判断した場合、前記論理ユニットは、前記電力管理装置を待機モード及び活性モードの内の１つに配置する、車両の電力分配ネットワークに用いるための電力管理装置。
2. 前記電気エネルギは二次電源であると前記論理ユニットが判断する場合、前記論理ユニットは、前記電力管理ユニットを待機モードに配置する請求項１に記載の電力管理装置。
3. 前記電気エネルギは一次電源であると前記論理ユニットが判断する場合、前記論理ユニットは、前記電力管理ユニットを前記活性モードに配置する請求項１に記載の電力管理装置。
4. 更に、前記入力と前記論理ユニットとの間に接続されて第１入力における前記電気エネルギに応答する、電力を前記論理ユニットに供給するための回路が含まれる請求項１に記載の電力管理装置。
5. 更に、動作モードに関連した命令を受信するための通信ユニットが含まれ、前記命令に応答する請求項１に記載の電力管理装置。
6. 前記複数のノードの第１ノードに電力を印加する段階と、
   前記電力は一次電源であると判断する段階と、
   前記電力が一次電源である場合、前記一次電力を前記複数のノードの第２ノードに転送する段階と、からなる、
   電力分配ネットワークにおける複数のノードを順次始動するための方法。
7. 更に、前記電力は二次電源であると判断する段階と、
   前記電力が前記二次電源である場合、待機モードで待つ段階と、
   からなる請求項６に記載の方法。
8. 更に、前記複数のノードに接続された複数の負荷に順次電力供給して、前記電力分配ネットワークによって供給された電力の瞬時変動を低減する段階からなる請求項６に記載の方法。
9. 前記電力が前記一次電力であると判断する前記段階には、更に、電源と通信を行って、前記電源が前記一次電力の供給元であると判断する段階からなる請求項６に記載の方法。
10. 複数の電力分配ノードと、
    前記電力分配ノードを接続する導電性のインフラと、
    前記複数の電力分配ノードの内の少なくとも１つに接続された複数の電源と、が含まれ、
    前記複数電力分配ノードの前記少なくとも１つは、前記複数電源の１つが一次電源を供給していると判断し、また、前記一次電源を前記複数電力分配ノードの他のノードに転送する、電力管理分配ネットワークを用いるために構成及び構築された車両。

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