JP2008052316A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱部品の発熱を抑制しつつ蓄電素子を高速に充電できる電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】主電源１と蓄電素子１１の間に接続されたシリーズドロッパ回路３の発熱部品７の近傍に配置した温度検出部１３と、発熱部品７の、主電源１、および蓄電素子１１との接続点間に接続された電圧検出部１５と、主電源１と蓄電素子１１の間を流れる電流を検出する電流検出部１７と、シリーズドロッパ回路３を制御する制御部１９とからなり、制御部１９は、温度検出部１３の出力から制御電力値を決定し、電圧検出部１５の出力と電流検出部１７の出力の積から得られる発熱部品７の電力が、前記制御電力値になるような制御信号をシリーズドロッパ回路３に出力するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は主電源の電力を蓄電素子に充電する電源装置に関するものである。

従来、携帯機器等の二次電池、あるいは車載用や非常用の補助電源に内蔵した蓄電素子を充電するための電源装置が大量に普及している。このような電源装置として、例えば携帯機器の二次電池を充電するものが特許文献１に提案されている。そのブロック回路構成を図３に示す。

図３において、携帯機器１０１に家庭用電源などの主電源１０３を接続することで、携帯機器１０１に内蔵した二次電池１０５が充電される。この際、主電源１０３の電力は充電部１０７により、二次電池１０５の充電に適した電圧、電流となるように調整して、二次電池１０５に供給される。このような充電部１０７の回路構成として、ＤＣ／ＤＣコンバータや、例えばトランジスタを用いたシリーズドロッパ回路が適用できるが、後者の方が簡単な構成とすることができる。充電部１０７で調整される電圧、電流は充電制御部１０９からの制御信号によって制御されている。充電制御部１０９は二次電池１０５の状態を示す状態検知信号や、携帯機器１０１に内蔵された発熱部品１１１に設けた温度検出部１１３の温度信号Ｔに基づいて、制御信号を発信している。

次に、このような電源装置の動作を説明する。携帯機器１０１に主電源１０３が接続されると、充電制御部１０９は二次電池１０５の状態検知信号や温度検出部１１３の温度信号Ｔに基づいて、充電するための電圧、電流を決定して充電部１０７に制御信号を発信する。その結果、充電部１０７で調整された電圧、電流で二次電池１０５が充電されていく。この時、発熱部品１１１が熱くなり既定の温度を超えると、それを温度検出部１１３が検出する。その結果、充電制御部１０９は発熱部品１１１の温度が過昇温となり破壊してしまう可能性を回避するために、充電部１０７に対し充電電流を減少させるか停止するよう制御信号を発信する。これにより、充電部１０７から流れる電流が下がるので、その分、発熱部品１１１の発熱が抑制され、過昇温を防止することができる。

以上のようにして、発熱部品１１１の過昇温を防止し、信頼性を高めることができる電源装置を実現していた。なお、温度検出部１１３を設けた発熱部品１１１は充電部１０７に内蔵されていてもよい。
特開２００１−１４５２７４号公報

このような電源装置は確かに発熱部品１１１の熱破壊を防止でき、高信頼性が得られるのであるが、そのために充電電流を減少したり停止する動作としている。これにより、二次電池１０５を満充電するために時間がかかり、特に車載用や非常用の補助電源に従来の電源装置を適用した場合、すぐには満充電にならないので、その間、補助電源が使えな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、発熱部品の発熱を抑制しつつ蓄電素子を高速に充電できる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、本発明の電源装置は、主電源と蓄電素子の間に接続されたシリーズドロッパ回路の発熱部品の近傍に配置した温度検出部と、前記発熱部品の、前記主電源、および前記蓄電素子との接続点間に接続された電圧検出部と、前記主電源と前記蓄電素子の間を流れる電流を検出する電流検出部と、前記シリーズドロッパ回路を制御する制御部とからなり、前記制御部は、前記温度検出部の出力から制御電力値を決定し、前記電圧検出部の出力と前記電流検出部の出力の積から得られる前記発熱部品の電力が、前記制御電力値になるような制御信号を前記シリーズドロッパ回路に出力するものである。これにより、発熱部品の発熱温度が一定になるように充電電力を制御するので、発熱部品が熱破壊しない上限温度で常に蓄電素子を充電することができる。その結果、前記目的を達成することができる。

本発明の電源装置によれば、発熱部品が熱破壊しない上限温度となるように常に精度よく電力が蓄電素子に供給されるので、高速に満充電とすることができる高信頼電源装置を実現できる。

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。なお、ここでは例えばアイドリングストップ、電動パワーステアリング、電動ブレーキ、電動ターボ等の環境保護対応車載機器用の補助電源として用いられる電源装置の場合について述べる。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における電源装置のブロック回路図である。図２は、本発明の実施の形態における電源装置の制御部の詳細ブロック回路図である。

図１において、バッテリからなる主電源１の一端は、シリーズドロッパ回路３の入力端５に接続されている。シリーズドロッパ回路３は例えばトランジスタからなる発熱部品７を内蔵している。発熱部品７は入力端５、およびシリーズドロッパ回路３の出力端９の間に接続され、後述する制御信号に応じて、出力端９に接続された蓄電素子１１を充電制御する。なお、本実施の形態では蓄電素子１１として大容量で急速充放電が可能な電気二重層キャパシタを用いた。これにより、上記の環境保護対応車載機器に対し、補助的に電力を供給することができる。

発熱部品７の近傍には温度検出部１３が配置されている。温度検出部１３は、電源装置の使用最低温度（例えば−３０℃）から発熱部品７の耐熱上限温度（例えば１２０℃）までの範囲で、温度に対して略比例の出力特性を有するものを用いており、具体的には低Ｂ定数のサーミスタや熱電対、白金測温体、焦電素子等が挙げられる。これにより、温度域による温度検出誤差を低減できるので、高精度な発熱部品７の温度検出が可能となる。なお、発熱部品７には図示しない放熱器を取り付ける構成としてもよい。

また、発熱部品７の、入力端５、および出力端９との接続点間には電圧検出部１５が接続されている。電圧検出部１５は、例えば２個の抵抗器を直列接続し、その中点電圧を出力する構成としている。さらに、主電源１と蓄電素子１１の間を流れる電流を検出する電流検出部１７が設けられている。電流検出部１７は小抵抗値の抵抗器を主電源１と蓄電素子１１の間に直列接続して、その両端電圧から電流を求める構成でもよいし、ホール素子等の電流センサにより非接触に電流を求める構成でもよい。

温度検出部１３、電圧検出部１５、電流検出部１７、およびシリーズドロッパ回路３には制御部１９が接続されている。これにより、温度検出部１３の温度信号Ｔ、電圧検出部１５の電圧信号Ｖ、および電流検出部１７の電流信号Ｉが制御部１９に入力されるとともに、シリーズドロッパ回路３に内蔵された発熱部品７に制御信号が出力される。

次に、制御部１９の詳細構成について図２を参照しながら説明する。制御部１９の主な機能は、温度信号Ｔにより発熱部品７の制御電力値を決定し、現在の発熱部品７の電力（電圧信号Ｖと電流信号Ｉの積から求める）が制御電力値になるような制御信号を出力することである。さらに、電流信号Ｉが発熱部品７の上限電流を超えないように制御信号を出力する機能も備える。これにより、発熱部品７の過電流による破壊可能性を低減でき、さらに高信頼性が得られる。

上記のような機能を実現するために、具体的には以下のように制御部１９を構成している。

まず、制御電力値Ｐｌは（１）式により決定される。

Ｐｌ＝（Ｔｊ−Ｔ）／Ｒｔ （１）
ここで、Ｒｔは発熱部品７の発熱源と温度検出部１３の間の熱抵抗であり、両者の距離、実装方法、放熱器の有無やその大きさ、配置等により決まる値である。従って、設計が完了した電源装置に対して熱シミュレーションを行ったり、完成した電源装置で実測することによって予め求めておくことができる。また、Ｔｊは発熱部品７の発熱源（例えばトランジスタであればｐｎ接合点）が熱破壊しない耐熱上限温度（以下、許容最高温度という）であり、この値は発熱部品７の仕様から既知（例えば１２０℃）である。従って、温度検出部１３の温度信号Ｔがわかれば、（１）式よりＰｌを求めることができる。この計算はＴに対して一次関数であるので、積算器や減算器を組み合わせることによりハードウエアのみで比較的容易に計算できる。この計算を行う部分が制御電力値決定回路２１である。すなわち、制御電力値決定回路２１に温度信号Ｔを入力すると、（１）式の計算結果を出力する。この出力はエラーアンプ２３の＋端子に入力される。

次に、現在の発熱部品７における電力を求める部分について説明する。まず、発熱部品７に印加されている電圧、すなわち発熱部品７における入力端５と出力端９との接続点間の電圧を電圧検出部１５で検出し、電圧信号Ｖを得る。次に、主電源１と蓄電素子１１の間を流れる電流を電流検出部１７で検出し、電流信号Ｉを得る。電圧信号Ｖと電流信号Ｉが制御部１９に入力されると、両者は積算器２５に入力される。積算器２５の出力は現在の発熱部品７の電力であるので、これをエラーアンプ２３の−端子に入力する。その結果、エラーアンプ２３は現在の電力が制御電力値になるような制御信号を出力する。

しかし、ここで決定された制御電力値になるようにシリーズドロッパ回路３を無制限に制御すると、発熱部品７に流れる電流が上限電流を超える可能性が想定される。上限電流を超えると、過電流による発熱部品７の破壊を起こすので、これを避けるために、制御部１９に入力された電流信号Ｉは上記した積算器２５に入力されるとともに、オペアンプからなる比較器２７の−端子にも入力される。一方、比較器２７の＋端子には基準電圧源２９が接続されている。基準電圧源２９の電圧は、発熱部品７の上限電流が流れた時の電流検出部１７の出力信号（電圧）になるように設定してある。ゆえに、比較器２７の出力は現在の電流信号Ｉが基準電圧源２９の電圧に近づくほど小さくなる。

従って、エラーアンプ２３の出力と比較器２７の出力の内、小さい方を制御信号として制御部１９から出力するようにしている。これにより、例えば比較器２７の出力の方がエラーアンプ２３の出力より小さければ、現在の発熱部品７の電流が上限電流に近いことになるため、これ以上電流を流さないように比較器２７の出力を制御信号とする。逆に、エラーアンプ２３の出力の方が比較器２７の出力より小さければ、現在の発熱部品７の電流は上限電流と離れており、その電流値は小さいことになるので、過電流までには十分余裕があることになる。従って、エラーアンプ２３の出力を制御信号とする。

このように、エラーアンプ２３の出力と比較器２７の出力の内、小さい方を選択するための最小値選択回路３１が設けられている。すなわち、最小値選択回路３１はエラーアンプ２３の出力と比較器２７の出力を入力し、両者の内の最小値を制御信号として出力する機能を有する。このために、具体的には図２に示すように、エラーアンプ２３の出力と比較器２７の出力にそれぞれダイオード３３のカソードを接続するとともに、両ダイオード３３のアノード同士を接続して出力とする構成となる。

以上の回路により制御部１９が構成されている。

次に、このような電源装置の動作について説明する。

まず、電源装置を起動すると、主電源１による印加電圧はシリーズドロッパ回路３により制御されながら蓄電素子１１に印加され充電される。この時、発熱部品７は起動直後であるので、まだ発熱していない。従って、温度検出部１３の温度出力Ｔはほぼ周囲温度である。ゆえに、（１）式より、発熱部品７の許容最高温度Ｔｊとの温度差が大きいので、制御電力値Ｐｌの値は大きくなる。制御電力値決定回路２１はこの値をエラーアンプ２３に出力する。

一方、現在発熱部品７に印加されている電圧、および流れている電流が、電圧検出部１５の電圧出力Ｖ、および、電流検出部１７の電流出力Ｉとして制御部１９に入力される。これらを積算器２５で積算することにより、現在の発熱部品７の電力が求められる。この電力値もエラーアンプ２３に入力される。

エラーアンプ２３では、起動直後に制御電力値Ｐｌに基づき発熱部品７に印加される電圧Ｖは小さくなり、制御電流Ｉは大きくなる。これは、起動直後の温度検出部１３の出力Ｔがほぼ周囲温度であることから、発熱部品７の許容温度に達するまでの期間は制御電力値Ｐｌが最大となるように、つまり大きな電流が流れるように制御がなされるためである。一方、制御電力値Ｐｌによって流れた電流Ｉは、常に比較器２７によって監視され、発熱部品７の上限電流に相当する基準電圧源２９と比較される。もし、電流Ｉが発熱部品７の上限電流よりも大きくなった場合には最小値選択回路３１によってエラーアンプ２３の出力は制限を受け、発熱部品７の上限電流を超えることがないように常に制御される。

この制御信号はシリーズドロッパ回路３に発信される。これにより、制御信号に応じてシリーズドロッパ回路３の発熱部品７の電力が制御される。この際、制御信号は電圧信号である。従って、この値が大きいと発熱部品７の入出力間の電圧差は小さくなり、その結果、発熱部品７を流れる電流が大きくなる。

このように、制御信号が大きくなると、それに応じた制御電力値Ｐｌになるように発熱部品７の電圧Ｖを制御した結果、制御電力値Ｐｌを満足するように電流Ｉが流れる。逆に、制御信号が小さくなると、発熱部品７の電圧Ｖが大きくなるように制御された結果、電流Ｉが小さくなるように制御される。

なお、ここでは起動後なので、発熱部品７の電力が大きくなるように制御され、電流が増加する。この状態で蓄電素子１１が充電されていくと、やがて発熱部品７の温度が上昇する。この温度を温度検出部１３が検出し、温度信号Ｔを制御部１９に発信する。制御部１９では制御電力値決定回路２１により、現在の温度に応じた制御電力値Ｐｌを求めるのであるが、（１）式からも明らかなように発熱部品７の温度（Ｔ）が上がると、Ｐｌは小さくなる。一方、ＶとＩの積は大きいままなので、エラーアンプ２３の出力は発熱部品７の電力が小さくなるような制御信号を出力する。この時、Ｉは上限電流に対してまだ余裕があれば、制御部１９からはエラーアンプ２３の出力が制御信号として発信され、上限電流に対して余裕がない場合には、制御部１９からは比較器２７によって上限電流に抑制された制御信号が発信される。

これを受け、シリーズドロッパ回路３の発熱部品７は電力を絞るように制御する。その結果、発熱部品７の温度上昇速度が抑制されつつ蓄電素子１１の充電が継続する。

その後、発熱部品７の温度（Ｔ）が発熱部品７の許容最高温度Ｔｊに至ったとする。この時は（１）式よりカッコ内が０になるので、制御電力値Ｐｌは０になる。従って、エラーアンプ２３の出力も０となり、発熱部品７に電力を印加しないように制御する。これにより、発熱部品７は熱を放散して自然冷却されていく。

この時、若干でも発熱部品７の温度（Ｔ）が下がれば、制御電力値Ｐｌは０でなくなるので、Ｐｌに応じた電力が再び発熱部品７に印加されることになる。

このような動作を繰り返すことで、発熱部品７は発熱と放熱のバランスが取れ、急速充電動作時には許容最高温度Ｔｊで安定するように制御されることになる。従って、常に発熱部品７の許容最高温度Ｔｊとなる電力で蓄電素子１１を充電できるので、従来の充電電流による制御のように温度が上がれば電流を減少、または停止させ、温度が下がれば再び電流を流す制御に対して、より早く充電することができる。同時に、発熱部品７は許容最高温度Ｔｊで安定しているので、発熱部品７が熱破壊を起こすことはなく、高信頼性も得られる。

ここで、従来に比べ本実施の形態の方が早く充電できる理由について、以下に詳しく説明する。

本実施の形態では、発熱部品７の電力が発熱損失による温度上昇に対し（１）式で示したように一次関数で表せるので、電力制御により発熱部品７の温度制御を直接的に精度よく行うことができ、その結果、常に発熱部品７の限界まで充電電力を供給することができる。

一方、従来の制御のように充電電流のみで発熱部品７の温度を制御すると、両者の直接的な相関を一義的に決定できないため、制御の精度が悪くオーバーシュートやアンダーシュートを繰り返してしまう。この時、発熱部品７の保護のため、オーバーシュート時の温度を許容最高温度に設定する必要があるので、オーバーシュートとアンダーシュートの繰り返し時における平均充電電流を抑制せざるを得なくなる。従って、その分、本実施の形態より充電に時間がかかることになる。

なお、本実施の形態において、常に発熱部品７が許容最高温度Ｔｊになるように電力制御しているが、その間に、もし主電源１から蓄電素子１１に流れる電流（Ｉ）が発熱部品７の上限電流に近づくと、比較器２７の出力が小さくなるので、最小値選択回路３１は比較器２７の出力を制御信号として出力する。これにより、上限電流を超えないように制御信号を出力するので、発熱部品７に過電流が流れるのを防止することができ、高信頼性が得られる。

以上の構成、動作により、発熱部品の発熱温度が許容最高温度になるように常に充電電力を制御するので、蓄電素子を高速に満充電とすることができる高信頼電源装置を実現できた。

なお、本実施の形態では制御部１９をハードウエアのみで構成したが、これはマイクロコンピュータを用いてソフトウエア的に動作させる構成としてもよい。この場合は、３つの検出部からの電圧（Ｔ、Ｖ、Ｉ）をマイクロコンピュータで読み込み、制御電力値ＰｌやＶ×Ｉの計算、比較、最小値出力などを全てマイクロコンピュータ内で実行し、最終的に得られた制御信号をＤ／Ａ変換して電圧として出力する構成となる。これにより、制御部１９の回路はほとんどマイクロコンピュータだけで構成されるので、回路の簡略化が図れる。

また、本実施の形態では、蓄電素子１１として電気二重層キャパシタを用いた例を示したが、これは電気化学キャパシタ等の他のキャパシタや、従来同様の二次電池でもよい。さらに、各種車載機器用の電源装置の場合について述べたが、非常用補助電源や携帯機器等の車載用以外の電源装置にも適用できる。

本発明にかかる電源装置は発熱部品の発熱温度が許容最高温度になるように常に精度よく充電電力を制御することで早く充電できるので、主電源の電力を蓄電素子に高速充電する高信頼な電源装置等として有用である。

本発明の実施の形態における電源装置のブロック回路図 本発明の実施の形態における電源装置の制御部の詳細ブロック回路図 従来の電源装置のブロック回路図

符号の説明

１ 主電源
３ シリーズドロッパ回路
５ 入力端
７ 発熱部品
９ 出力端
１１ 蓄電素子
１３ 温度検出部
１５ 電圧検出部
１７ 電流検出部
１９ 制御部

Claims (3)

1. 主電源と、
   前記主電源を入力端に接続したシリーズドロッパ回路と、
   前記シリーズドロッパ回路の出力端に接続した蓄電素子と、
   前記シリーズドロッパ回路に内蔵され、前記入力端、および前記出力端の間に接続された発熱部品と、
   前記発熱部品の近傍に配置した温度検出部と、
   前記発熱部品の、前記入力端、および前記出力端との接続点間に接続された電圧検出部と、
   前記主電源と前記蓄電素子の間を流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記温度検出部、前記電圧検出部、前記電流検出部、および前記シリーズドロッパ回路に接続された制御部とからなり、
   前記制御部は、前記温度検出部の出力から制御電力値を決定し、
   前記電圧検出部の出力と前記電流検出部の出力の積から得られる前記発熱部品の電力が、前記制御電力値になるような制御信号を前記シリーズドロッパ回路に出力する電源装置。
2. 温度検出部は、使用最低温度から発熱部品の耐熱上限温度までの範囲で、温度に対して略比例の出力特性を有する請求項１に記載の電源装置。
3. 制御部は、主電源から蓄電素子に流れる電流が発熱部品の上限電流を超えないように制御信号を出力する請求項１に記載の電源装置。

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