JP2007325381A - 非常用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非常時の高応答電力供給と小型化を両立する非常用電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】非常用電源装置３を、昇圧コンバータ６によって出力電圧が昇圧される第１蓄電素子４と、直接負荷２に電力供給を行う第２蓄電素子７とを設ける構成にすることにより、高応答性が要求される負荷２の起動時のみ、応答遅れを生じる昇圧コンバータ６を介さずに直接第２蓄電素子７からピーク電力を供給するので、確実に負荷２を起動でき、さらに、負荷２の駆動定常時には昇圧コンバータ６を介して第１蓄電素子４から電力を供給するので、蓄電素子の数量を減らすことができる上、昇圧コンバータ６に大電流が流れないので、昇圧コンバータ６の構成部品を小型化できる。
【選択図】図１

Description

本発明は主電源の異常に対して負荷へ継続して電力を供給する非常用電源装置に関するものである。

近年、地球環境保護の観点からハイブリッドカーや電気自動車の開発が急速に進められており、それに伴い車両の制動についても、従来の機械的な油圧制御から電気的な油圧制御への各種の提案がなされてきている。また、従来のエンジン駆動による車両も含めて、エンジンへの負担を軽減し燃費向上と排ガス低減を図るために、電動パワーステアリングの搭載率が向上してきている。

しかし、その主電源として用いられるバッテリにおいて、断線やケーブル外れ等が起こり電力の供給が絶たれると、電気的な油圧制御ができなくなり車両の制動が不可能になる可能性がある。また、電動パワーステアリングも機能しなくなるので操舵力が突然増加し、自在な操舵が困難になる可能性がある。そこで、バッテリとは別に補助電源として大容量キャパシタ等の蓄電素子を搭載することにより、非常時にも車両が安全に停車するまで制動や操舵を可能にするための非常用電源装置が開発されている。

このような非常用電源装置として、例えば特許文献１に示すような非常用電源装置が提案されている。図２はこの非常用電源装置の主要部分における概略ブロック回路図を示す。主電源１０１はバッテリからなり、負荷１０２は電気的な油圧制御による車両制動装置や電動パワーステアリングからなる。これらの間には、主電源１０１の補助電源としての非常用電源装置１０３が接続されている。

非常用電源装置１０３には非常時に負荷１０２に供給する電力を蓄えるために、直並列接続された複数のキャパシタ１０４が内蔵されている。キャパシタ１０４は急速充放電特性に優れるので、非常時に負荷１０２に対して迅速に電力を供給できる。ここで負荷１０２を駆動するためには主電源１０１の通常電圧である約１４ボルトが必要なので、１個当たりのキャパシタ１０４の定格電圧が２ボルトであるとすると、７個直列に接続する必要がある。しかし、キャパシタ１０４は直列接続すると容量が減少するので、非常時に負荷１０２が消費する電力を蓄電するためには、７個直列のキャパシタ１０４を複数列並列にして容量を増やす必要がある。図２の例では２列並列としている。従って、１個当たりのキャパシタ１０４の容量をＣとすると、蓄電できる総電荷量は全容量２Ｃ／７×電圧１４ボルト＝４Ｃとなる。この総電荷量は非常時に負荷１０２が消費する電力を十分まかなうことができる上、負荷１０２の駆動下限電圧（例えば１１ボルト）以上を維持し続けることができる電荷量に相当する。

ここで、非常時に負荷１０２が消費する電流について説明する。負荷１０２として車両制動装置を用いた場合、非常時に車両が停車するまでのブレーキ操作を数回（例えば２回）行える必要がある。これは、万一１回目のブレーキ操作で車両を停止させられなかった場合、２回目のブレーキで確実に停止させるためである。車両制動装置はブレーキをかけた瞬間は短時間に大電流（以下、ピーク電流といい、その時の電力をピーク電力という）を消費するが、それ以降は車両制動装置の駆動定常電流のみを消費する特性を有する。この消費電流の経時特性図を図３に示す。図３において、横軸は時間を、縦軸は消費電流をそれぞれ示す。図３に示すようにブレーキをかけた瞬間、すなわち時間ｔ０からｔ１の間は短時間にピーク電流が消費され、その後ｔ１からｔ２までは定常電流が消費される。さらに２回目のブレーキをかけると、その瞬間（時間ｔ２からｔ３）にピーク電流が消費され、その後ｔ３からｔ４まで定常電流が消費される。時間ｔ４では２回分のブレーキ操作により、すでに車両が停止しているので、これ以上車両制動装置を駆動させ続ける必要がない。ゆえに、駆動を停止しても構わない。従って、図３の太線で囲まれた面積の電荷量と、負荷１０２の駆動下限電圧以上を維持できる電荷量の合計よりも、キャパシタ１０４の総電荷量が大きければ、非常時に車両制動が十分可能となることがわかる。このような負荷１０２の消費電流特性も考慮してキャパシタ１０４の総電荷量を決定している。

なお、図３では負荷１０２が車両制動装置の場合について説明したが、電動パワーステアリングの場合も操舵した瞬間にピーク電流が消費され、その後の駆動定常時は消費電流が少なくなるので、図３と同様の消費電流経時特性を示す。従って、負荷１０２が電動パワーステアリングの場合も、図３の特性を考慮してキャパシタ１０４の総電荷量を決定すればよい。

ここで、非常用電源装置１０３の構成の説明に戻る。非常用電源装置１０３にはキャパシタ１０４を充電する充電回路１０５、主電源１０１の電圧を検出する電圧検出回路１０７、および主電源１０１とキャパシタ１０４のいずれかの電力を負荷１０２に供給するよう切り替える切替スイッチ１０８からなる電力系の回路が構成されている。また、充電回路１０５、電圧検出回路１０７、および切替スイッチ１０８を制御するために、これらと電気的に接続されたマイクロコンピュータからなる制御部１０９が設けられている。なお、図２では電力系配線を太線で、制御系配線を細線で、それぞれ示した。

次に、このような非常用電源装置１０３の動作について説明する。車両起動のためにイグニションスイッチ（図示せず）がオンになると、制御部１０９は切替スイッチ１０８を図２に示す方向に切り替え、主電源１０１を選択する。これにより、主電源１０１の電力が負荷１０２に供給される。同時に制御部１０９は主電源１０１の電力をキャパシタ１０４に充電するように充電回路１０５に指示する。これにより、キャパシタ１０４には非常時に備えて電力が充電される。なお、充電回路１０５はキャパシタ１０４が満充電になれば主電源１０１からの充電を停止する。

その後、制御部１０９は電圧検出回路１０７により主電源１０１の電圧を監視する。万一、主電源１０１が異常電圧（例えば負荷１０２の動作下限電圧である１１ボルト以下）になれば、制御部１０９は直ちに切替スイッチ１０８をキャパシタ１０４側に切り替える。これにより、負荷１０２にはキャパシタ１０４に蓄えられた電力が迅速に供給されるので、何らかの理由で主電源１０１からの電力供給が断たれても、継続して負荷１０２が動作し続けられる。従って、車両制動や操舵が可能となり、安全性を確保できる。

しかし、このような非常用電源装置１０３は非常時に負荷１０２が消費する電力を蓄電するために多数のキャパシタ１０４を必要とするので、非常用電源装置１０３が大型化してしまう。そこで、キャパシタ１０４の必要数を減らした構成の非常用電源装置が特許文献２に提案されている。図４は特許文献２の提案を非常用電源装置に適用した際の主要部分の概略ブロック回路図を示す。図４において、図２と同じ構成には同じ番号を付して詳細な説明を省略する。また、図４の太線と細線の意味も図２と同じである。

すなわち、図４の構成の特徴は、キャパシタ１０４と充電回路１０５の接続点、および切替スイッチ１０８の間に昇圧コンバータ１１０を設けた点である。これにより、非常時にはキャパシタ１０４の電圧を昇圧コンバータ１１０で昇圧して負荷１０２に供給できるので、キャパシタ１０４における電圧を低くすることができる。そのため、直列数（キャパシタ１０４を直列に接続した数量）を少なくできるので、キャパシタ１０４の全体数量を減らすことができる。但し、昇圧コンバータ１１０の入力電圧と出力電圧の差が大きくなれば効率が低下し損失が大きくなるので、キャパシタ１０４における電圧をあまり低くすることはできない。そこで、ここでは具体的に２個のキャパシタ１０４を直列に接続して４ボルトとする構成とした。この場合、図２で説明したように非常時に必要な総電荷量は４Ｃであるので、図４に示すように２個のキャパシタ１１０を直列に接続したものを２列並列に接続することにより、総電荷量４Ｃ（＝総容量Ｃ×電圧４ボルト）を確保している。この結果、従来１４個必要であったキャパシタ１０４が４個に低減でき、非常用電源装置１０３の小型化が可能となる。
特開２００５−２８９０８号公報 特開２００５−１１２２５０号公報

図３に示す従来の非常用電源装置１０３は確かに主電源１０１の異常時にも負荷１０２に電力を供給し続けられる上、小型化が可能となる。しかし、そのために必要な昇圧コンバータ１１０は動作開始時の応答性に遅れを生じる特性を有する。そのため、負荷１０２の起動時におけるピーク電流が流れる時間（図３のｔ０からｔ１や、ｔ２からｔ３）が極めて短い用途の場合には、昇圧コンバータ１１０の起動が追いつかず、ピーク電流を供給できないという課題があった。

また、昇圧コンバータ１１０にはピーク電流が流れるので、昇圧コンバータ１１０に用いられるスイッチング素子（図示せず）の放熱特性を向上するための大型ヒートシンクや、大電流対応の大型配線材が必要となる。その結果、キャパシタ１０４の数量を減らせても昇圧コンバータ１１０が大型化してしまい、総合的には確かに図２の構成より非常用電源装置１０３を小型化できるものの、小型化率は必ずしも高くなかった。従って、依然として非常用電源装置１０３が大きいという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、非常時の高応答電力供給と小型化を両立する非常用電源装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の非常用電源装置は昇圧コンバータによって出力電圧が昇圧される第１蓄電素子と、直接負荷に電力供給を行う第２蓄電素子を設ける構成としたものである。本構成によって瞬間的なピーク電力を負荷に供給する際は昇圧コンバータを介さない第２蓄電素子から直接供給し、負荷の駆動定常時は昇圧コンバータを通して第１蓄電素子から電力を供給する。その結果、前記目的を達成することができる。

本発明の非常用電源装置によれば、高応答性が要求される負荷の起動時のみ、応答遅れを生じる昇圧コンバータを介さずに直接第２蓄電素子からピーク電力を供給するので、確実に負荷を起動できる。さらに、負荷の駆動定常時には昇圧コンバータを介して第１蓄電素子から電力を供給するので、従来の図４と同様に蓄電素子の数量を減らすことができる上、昇圧コンバータに大電流が流れないので、ヒートシンクや配線材も小型化できる。これらのことから、高応答電力供給と小型化を同時に満たすことが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における非常用電源装置のブロック回路図である。なお、図１の配線において、太線と細線の意味は従来の図２と同じである。

図１において、主電源１はバッテリからなり、負荷２は車両制動装置や電動パワーステアリングからなる。これらの間には、主電源１の補助電源としての非常用電源装置３が接続されている。

非常用電源装置３は次の構成からなる。まず、第１蓄電素子４は従来の図４の構成と同様にキャパシタを２個直列に接続したものを２並列として形成した。キャパシタは例えば大容量である電気二重層キャパシタや電気化学キャパシタ等が好適である。なお、第１蓄電素子４にキャパシタを用いた理由は、車両起動時の急速充電が可能となり、非常用電源装置３の動作準備を迅速に完了できるためである。ここで、キャパシタの定格電圧は従来と同様に２ボルトであるので、１個当たりの容量をＣとすると、第１蓄電素子４の総電荷量は４Ｃとなる。ゆえに、第１蓄電素子４は非常時に少なくとも負荷２が消費する総電力を十分まかなえるだけ蓄電することができる。

また、第１蓄電素子４には充電回路５が接続されている。これにより、第１蓄電素子４を充電している。第１蓄電素子４と充電回路５の接続点には昇圧コンバータ６の入力端子６ａが接続されている。昇圧コンバータ６の出力端子６ｂには第２蓄電素子７が接続されている。

第２蓄電素子７には第１蓄電素子４と同じ定格のキャパシタを用いている。第２蓄電素子７にもキャパシタを用いた理由は、第１蓄電素子４と同様に車両起動時に動作準備を迅速に完了させるためと、非常時に負荷２が起動する際に消費されるピーク電力を高応答に供給するためである。ここで、ピーク電力の高応答供給のためには、第２蓄電素子７は単純には図３のピーク電流部分の面積に相当する電荷量があればよいことになるが、それと同時に負荷２に対して直接電力を供給する必要があるので、第２蓄電素子７の出力電圧は１４ボルトでなければならない。さらに、ピーク電力供給中に負荷２の駆動下限電圧（１１ボルト）以上を維持し続けなければならない。従って、ここでは第２蓄電素子７の出力電圧が１４ボルトから１１ボルトの範囲を確保する最低限の数量として、７個のキャパシタを直列に接続するのみの構成とした。これにより、第２蓄電素子７の総電荷量は２Ｃになるが、図３のピーク電流を１回分供給するには十分である。以上のことから、第２蓄電素子７は負荷２を駆動可能な電圧が出力でき、非常時に少なくとも負荷２が消費する１回分のピーク電力を蓄電する構成とすればよい。

これらの構成により、キャパシタの必要総数は１１個となり、従来の図２の構成よりも少なくすることができた。

また、主電源１には電圧を検出するための電圧検出回路８が接続されている。これにより、主電源１の非常時における電圧低下を検出している。また、主電源１の非常時に、主電源１から第１蓄電素子４や第２蓄電素子７に切り替えて電力を供給し続けるための切替スイッチ９が設けられている。切替スイッチ９は３端子スイッチ構成であり、その第１入力端子９ａには出力端子６ｂと第２蓄電素子７の接続点が、第２入力端子９ｂには電圧検出回路８が、共通端子９ｃには負荷２がそれぞれ接続されている。

以上に説明した回路は図１に太線で示した電力系回路を構成する。

次に、図１の細線で示した制御系回路について説明する。充電回路５や昇圧コンバータ６の動作制御、電圧検出回路８の電圧検出、および切替スイッチ９の切り替え制御は、これらと電気的に接続された制御部１０により司られている。制御部１０は例えばマイクロコンピュータから構成されている。

次に、図１の非常用電源装置３の動作について説明する。

まず、車両起動のためにイグニションスイッチ（図示せず）がオンになると、制御部１０は図１に示すように第２入力端子９ｂを選択するように切替スイッチ９を切り替える。これにより、主電源１が選択され、その電力が負荷２に供給される。同時に制御部９は主電源１の電力を第１蓄電素子４に充電するように充電回路５に指示する。これにより、第１蓄電素子４に電力が蓄電される。なお、この際に第１蓄電素子４へは定電流で充電されるように充電回路５により制御される。また、この時第２蓄電素子７にも充電しておく必要があるが、充電回路５と第２蓄電素子７の間には昇圧コンバータ６が接続されているので、制御部１０は昇圧コンバータ６も起動する。これにより、充電回路５の出力が昇圧コンバータ６で昇圧されて第２蓄電素子７に充電される。

このような動作により、第１蓄電素子４と第２蓄電素子７には非常時に備えて電力が充電される。制御部１０は、第１蓄電素子４と第２蓄電素子７が満充電になれば主電源１からの充電を停止するように充電回路５と昇圧コンバータ６を制御する。これにより、主電源１の正常時には昇圧コンバータ６が停止しているので、昇圧コンバータ６が駆動し続けることによる電力の無駄を低減している。

その後、制御部１０は電圧検出回路８の検出電圧出力を読み込むことにより主電源１の電圧を監視する。万一、主電源１の電圧が既定値以下（例えば負荷２の動作下限電圧である１１ボルト以下）の異常電圧になれば、制御部１０は直ちに切替スイッチ９を第２入力端子９ｂから第１入力端子９ａに切り替える。これにより、主電源１に替わって第２蓄電素子７が選択されるので、負荷２には第２蓄電素子７に蓄えられた電力が直接、迅速に供給される。その結果、負荷２が図３の時間ｔ０からｔ１におけるピーク電流を消費しても十分な応答性で電力供給が得られ、継続して動作し続けられる。

同時に、制御部１０は負荷２が定常状態で駆動する時の電力を供給し続けるために、昇圧コンバータ６を起動する。その結果、図３において負荷２が駆動定常電流を消費する時間ｔ１の時点では昇圧コンバータ６の起動が完了しているので、第１蓄電素子４から負荷２に電力が供給される。これにより、時間ｔ１以降も引き続き負荷２が動作し続けられる。

ここで、時間ｔ１以降は第２蓄電素子７がピーク電力を負荷２に供給した後なので、蓄電された電力が減少している。従って、第１蓄電素子４の電力は負荷２に供給されると同時に第２蓄電素子７の充電も行うことになる。この場合、昇圧コンバータ６の出力端子６ｂの電圧は負荷２の駆動定常電圧である１４ボルトになるように昇圧しているので、第２蓄電素子７が満充電電圧（１４ボルト）に至れば第２蓄電素子７への充電は停止する。

時間ｔ１からｔ２の電流は図３に示すようにピーク電流に比べて非常に小さいので、昇圧コンバータ６は従来の図４の構成のようにピーク電流を考慮した構成とする必要がない。従って、昇圧コンバータ６に使用されるスイッチング素子の発熱は電流の二乗に比例するので発熱量が著しく低減され、ヒートシンクを大幅に小型化できる。さらに、流れる電流が小さいと、配線材による損失（これも電流の二乗に比例する）が極めて小さくなるので、その分、配線材を小さくしてもよいことになる。これらの結果、昇圧コンバータ６は図４の構成に比べ、極めて小型化することができる。従って、キャパシタの数量は従来の図４の構成より７個多くなるものの、昇圧コンバータ６が大幅に小型化されるので、総合的な非常用電源装置３の大きさは本実施の形態の構成が最も小さくなった。

次に図３の時間ｔ２になると、再び負荷２にピーク電流を供給する必要があるが、この場合は既に昇圧コンバータ６が起動しているので、第１蓄電素子４からも電力を供給することができる。しかし、昇圧コンバータ６は駆動定常電流までしか供給できない構成であるので、時間ｔ２からｔ３の間は第１蓄電素子４から供給される電流の不足分を第２蓄電素子７から供給することで負荷２を駆動し続けている。その後（時間ｔ３以降）の動作は時間ｔ１以降の動作と同様である。

以上の構成、動作により、主電源１の非常時に、ピーク電力も含めた必要電力を負荷２へ高応答に供給し続けることが可能な小型の非常用電源装置を実現できた。

なお、本実施の形態で述べた第１蓄電素子４や第２蓄電素子７に用いたキャパシタの仕様や数量、接続方法は、負荷２が必要とする電力特性等に応じて適宜変更してもよい。

本発明にかかる非常用電源装置によれば、高応答電力供給と小型化を同時に実現できるので、特に、車両の制動を電気的に行う電子ブレーキシステムや操舵力を低減する電動パワーステアリング等の非常用補助電源として有用である。

本発明の実施の形態における非常用電源装置のブロック回路図 従来の非常用電源装置の主要部分における第１の概略ブロック回路図 従来の非常用電源装置に接続された負荷の消費電流における経時特性図 従来の非常用電源装置の主要部分における第２の概略ブロック回路図

符号の説明

１ 主電源
２ 負荷
３ 非常用電源装置
４ 第１蓄電素子
５ 充電回路
６ 昇圧コンバータ
６ａ 入力端子
６ｂ 出力端子
７ 第２蓄電素子
８ 電圧検出回路
９ 切替スイッチ
９ａ 第１入力端子
９ｂ 第２入力端子
９ｃ 共通端子
１０ 制御部

Claims (4)

1. 第１蓄電素子と、
   主電源の電力を前記第１蓄電素子に充電する充電回路と、
   前記第１蓄電素子と前記充電回路の接続点に入力端子が接続された昇圧コンバータと、
   前記昇圧コンバータの出力端子に接続された第２蓄電素子と、
   前記主電源の電圧を検出する電圧検出回路と、
   前記出力端子と前記第２蓄電素子の接続点に第１入力端子が、前記電圧検出回路に第２入力端子が接続されるとともに、共通端子が負荷に接続された切替スイッチと、
   前記充電回路、前記昇圧コンバータ、前記電圧検出回路、および前記切替スイッチが電気的に接続された制御部を有し、
   非常時に前記主電源の電圧が既定値以下になれば、前記制御部は前記切替スイッチを前記第２入力端子から前記第１入力端子に切り替えることにより、前記第１蓄電素子、または前記第２蓄電素子の電力を前記負荷に供給する非常用電源装置。
2. 第１蓄電素子は非常時に少なくとも負荷が消費する総電力を蓄電する請求項１に記載の非常用電源装置。
3. 第２蓄電素子は負荷を駆動可能な電圧が出力でき、非常時に少なくとも負荷が消費する１回分のピーク電力を蓄電する請求項１に記載の非常用電源装置。
4. 第１蓄電素子、および第２蓄電素子はキャパシタである請求項１に記載の非常用電源装置。

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