JP2009017660A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主電源の長寿命化と高効率を両立することができる電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】蓄電素子２７に接続された第１スイッチ２１、第２スイッチ２５、および第３スイッチ２９を制御回路３１で負荷１５の動作状態に応じて適宜制御することにより、負荷１５へ電力を供給する前に蓄電素子２７を充電しておき、負荷１５の動作開始信号が得られれば主電源１３と蓄電素子２７が放電して電力を速やかに供給するように動作するので、負荷１５への電力供給時に、蓄電素子２７への充電が繰り返し行われることがなくなり主電源１３の電力持ち出しが低減され長寿命化が図れる上、第１スイッチ２１と第３スイッチ２９をオフに、第２スイッチ２５をオンにすることで、蓄電素子２７は主電源１３と直列接続され負荷１５に高電圧を印加するので、低発熱損失となり高効率が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷に主電源の電圧より高い電圧を供給する電源装置に関するものである。

近年、環境への配慮や燃費向上のために電動パワーステアリングシステムを搭載した自動車（以下、車両という）が市販されている。このような車両は必要時にのみパワーステアリングのモータを動作させればよいので、従来の油圧パワーステアリングシステムのように常時油圧ポンプを駆動する必要がなく、省燃費化を図ることができる。

このような電動パワーステアリングシステムに用いられるモータは大電流を消費するため、配線系の内部抵抗による発熱損失が電流の二乗に比例して発生する。これをできるだけ低減するために、配線系の内部抵抗値を小さくする構成が考えられるが、発熱損失は前記内部抵抗値に一次比例するだけであるので、配線系をできるだけ太くしなければ発熱損失の低減効果が得られない。その結果、配線系の重量が増し、せっかくの電動パワーステアリングによる省燃費効果が相殺されてしまう可能性があった。

そこで、発熱損失を低減する他の構成として、電動パワーステアリングシステム用モータの駆動電圧を上げる電源装置の適用が考えられる。この場合、駆動電圧が高い分、駆動電流を低減することができるので、配線系をそのままに発熱損失を低減することが可能となる。但し、この場合はモータを車両のバッテリ電圧では駆動できないので、バッテリ電圧を昇圧する回路構成が必要となる。そのための回路として、コンデンサの充電電圧を利用して電圧を変換するチャージポンプ回路が適用できる。

このようなチャージポンプ回路の例が下記特許文献１に提案されている。図７はこのようなチャージポンプ回路の概略ブロック回路図である。

図７において、電圧ＶＣＣの電源１０１の出力は定電流回路１０３、スイッチ１０５を介しコンデンサ１０７の一端に接続されている。また、スイッチ１０５とコンデンサ１０７の接続点はスイッチ１０９と定電流回路１１１の直列回路を介してグランドに接続されている。また、コンデンサ１０７の他端にはグランドとの間にスイッチ１１３が接続される。また、チャージポンプ回路に入力される電圧ＶＣＣに対して負電圧となる−ＶＣＣの出力はコンデンサ１０７の他端に接続されたスイッチ１１５を介して出力される。なお、スイッチ１１５の出力側にはコンデンサ１１７が接続されている。

次に、このようなチャージポンプ回路の動作について説明する。チャージポンプ回路における制御回路（図示せず）は、スイッチ１０５とスイッチ１１３をオンに、スイッチ１０９とスイッチ１１５をオフにすることによりコンデンサ１０７を充電する。その後、各スイッチ１０５、１０９、１１３、１１５のオンオフ状態を反転させることにより、コンデンサ１０７が放電し、負電圧−ＶＣＣを出力する。このような動作を繰り返すことで、コンデンサ１０７の充放電に応じた負電圧−ＶＣＣが出力される。ここで、コンデンサ１０７の充電中は出力が途切れるので、出力電圧の安定化を図るためにコンデンサ１１７が接続される構成としている。また、定電流回路１０３、１１１により電流ノイズを低減している。

このようなチャージポンプ回路を電動パワーステアリングシステムの電源装置に組み込むことにより、モータの動作時に蓄電素子の電力を負電圧として供給することができるので、高電圧印加による低発熱損失の電源装置が得られる。
特開２００５−１５１７７７号公報

上記の電源装置によると、確かに低発熱損失で高効率化が図れるのであるが、このような電源装置に適用したチャージポンプ回路はコンデンサ１０７が常時充放電を繰り返す動作を行っているので、モータが大電流を消費している間にもコンデンサ１０７への充電が繰り返し行われることになる。その結果、電源１０１（車両用の電源装置の場合はバッテリに相当）はモータに電力を供給しつつコンデンサ１０７も充電しなければならず、さらに繰り返し充電が行われるので、電源１０１からの電力の持ち出しが多くなることで負担が増し、その寿命が短くなる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、電源（バッテリ）の長寿命化と高効率を両立することが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、主電源と負荷の間に接続された電源装置であって、前記電源装置は、前記主電源に接続された、充電回路、および第１スイッチからなる直列回路と、前記直列回路とグランドの間に接続された第２スイッチと、前記直列回路と前記第２スイッチとの接続点、および前記負荷の間に接続された蓄電素子と、前記蓄電素子と前記負荷の接続点、および前記グランドの間に接続された第３スイッチと、前記充電回路、第１スイッチ、第２スイッチ、および第３スイッチが接続された制御回路を備え、前記制御回路は、前記第１スイッチと前記第３スイッチをオンに、前記第２スイッチをオフにして前記充電回路により前記蓄電素子を充電しておき、前記第１スイッチと前記第３スイッチをオフに、前記第２スイッチをオンにして、前記負荷に前記主電源と前記蓄電素子の電力を供給するようにしたものである。

本発明の電源装置によれば、負荷へ電力を供給する前に蓄電素子を充電しておき、負荷に電力を供給する際は、主電源と蓄電素子が放電して電力を速やかに供給するように動作するので、負荷への電力供給時に蓄電素子への充電が繰り返し行われることはない。このため、主電源の電力持ち出しが低減され、主電源の長寿命化が図れる。さらに、第１スイッチと第３スイッチをオフに、第２スイッチをオンにすることで、蓄電素子は負荷に負電圧を印加するので、前記したように低損失となり高効率が得られる。

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１）
図１は、本発明の実施の形態１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１における電源装置の蓄電素子充電時のブロック回路図である。図３は、本発明の実施の形態１における電源装置の蓄電素子放電時のブロック回路図である。なお、図１〜３において太線は電力系配線を、細線は信号系配線をそれぞれ示す。また、本実施の形態１では電源装置を電動パワーステアリングシステムに適用した場合について述べる。

図１において、電源装置１１は、バッテリからなる主電源１３と、電動パワーステアリングシステム用モータである負荷１５の間に接続されている。

電源装置１１は次の構成を有する。まず、主電源１３の出力には充電回路１９が接続されている。充電回路１９は後述する蓄電素子を充電する機能と、蓄電素子の電圧Ｖｃ１を出力する機能を有する。充電回路１９には第１スイッチ２１が接続されている。従って、充電回路１９と第１スイッチ２１は直列回路２３を形成している。なお、充電回路１９と第１スイッチ２１は直列に接続されていれば、その順番は問わない。また、第１スイッチ２１は外部からオンオフ制御ができる構成のもので、本実施の形態１ではＦＥＴを用いた。

直列回路２３とグランドの間には、第２スイッチ２５が接続されている。第２スイッチ２５も第１スイッチ２１と同様にＦＥＴからなる。また、直列回路２３と第２スイッチ２５との接続点、および負荷１５の間には、蓄電素子２７が接続されている。蓄電素子２７は電気二重層キャパシタを複数個直列に接続した構成を有する。なお、電気二重層キャパシタは直列接続に限定されるものではなく、負荷１５の仕様等により、並列接続や直並列接続としてもよい。また、電気二重層キャパシタを複数個直列および直並列に接続した構成では、電気二重層キャパシタの直列段ごとに電圧均等化回路を備えるのが望ましい。

蓄電素子２７と負荷１５の接続点、およびグランドの間には第３スイッチ２９が接続されている。第３スイッチ２９もＦＥＴとした。

充電回路１９、第１スイッチ２１、第２スイッチ２５、および第３スイッチ２９は制御回路３１に接続されている。制御回路３１は、マイクロコンピュータと周辺回路から構成されており、電源装置１１の動作全体を制御している。すなわち、制御回路３１は充電回路１９の出力から充電時の蓄電素子２７の電圧Ｖｃ１を読み込む。また、制御回路３１は充電回路１９に充電制御信号Ｃｃｏｎｔを送信することで充電回路１９の制御を行うとともに、第１スイッチ２１、第２スイッチ２５、および第３スイッチ２９に、それぞれオンオフ信号ＳＷ１、ＳＷ２、およびＳＷ３を送信することでオンオフ制御を行う。また、制御回路３１は車両側制御回路（図示せず）とデータ信号ｄａｔａの送受信を行うことで互いに交信する機能を有している。

次に、このような電源装置１１の動作について、まず負荷１５が非動作状態で、その間に蓄電素子２７を充電する時の動作を図２のブロック回路図を用いて説明する。なお、本実施の形態１では負荷１５が電動パワーステアリングシステム用モータであるので、ハンドルが操作されていない状態が負荷１５の非動作状態となる。

制御回路３１は負荷１５が非動作状態であるか否かを車両側制御回路から発信される動作開始信号の有無により判断している。負荷１５の動作開始信号は、電動パワーステアリングシステムに内蔵された舵角センサ（図示せず）の出力の変化により発信される信号で、ハンドルが操作された時に前記舵角センサの出力が変化するので、この変化があった時に動作開始信号を発する。従って、制御回路３１が動作開始信号をデータ信号ｄａｔａとして受信していない場合は、負荷１５が非動作状態であると判断する。この場合、制御回路３１は図２に示すように第１スイッチ２１と第３スイッチ２９をオンに、第２スイッチ２５をオフに制御する。この状態で、制御回路３１は充電回路１９を制御して、主電源１３の電力を蓄電素子２７に定電流充電や定電圧充電等の方式で電流および電圧を制限して充電する。この時の電流の流れは図２の太点線矢印で示した通りである。また、車両の操舵が行われていない間は負荷１５が停止したままであるので、負荷１５への電流は流れない。

制御回路３１は充電回路１９から蓄電素子２７の充電時の電圧Ｖｃ１を読み込み、あらかじめ決定しておいた蓄電素子２７の満充電電圧に至ったか否かを監視する。もし、満充電電圧に至れば、それ以上の充電ができないので、制御回路３１は充電回路１９に対し蓄電素子２７の満充電電圧を維持するよう制御する。

このように、負荷１５が非動作状態の間に蓄電素子２７を満充電状態にしておくので、主電源１３が負荷１５に電力を供給しながら蓄電素子２７を繰り返し充電するという従来の動作は行われず、主電源１３の電力持ち出しが低減され長寿命化が得られる。また、蓄電素子２７は満充電状態を維持しているので、いつ負荷１５が動作しても速やかに蓄電素子２７の電力を供給できる。

なお、満充電時の蓄電素子２７の電圧は、第１スイッチ２１側がＶｃ１、第３スイッチ２９側が０ボルト（グランド）となっている。この状態でハンドルが操作されるまで待機する。

次に、ハンドルが操作され、負荷１５が動作状態になり、蓄電素子２７が放電する時の動作を図３のブロック回路図を用いて説明する。運転者がハンドルを操作すると、まず電動パワーステアリングシステムに内蔵された舵角センサの出力が変化する。この変化により、車両側制御回路は制御回路３１に対し負荷１５の動作開始信号を送信する。制御回路３１は動作開始信号を得ると、直ちに図３に示すように第１スイッチ２１と第３スイッチ２９をオフに、第２スイッチ２５をオンにする。この動作により、負荷１５が大電力消費を開始する直前に蓄電素子２７の電力を放電する準備が完了する。このように、負荷１５の動作を動作開始信号から予測して事前に放電準備を完了することができるので、蓄電素子２７からの応答性のよい放電が可能となる。

次に、負荷１５が実際に動作を開始した時には、主電源１３と蓄電素子２７の電力が供給される。この時、蓄電素子２７の第１スイッチ２１側は第２スイッチ２５によりグランドに接続されるので、０ボルトとなる。これにより、前記したように蓄電素子２７の充電電圧絶対値はＶｃ１であるので、蓄電素子２７の第３スイッチ２９側の電圧Ｖｃ２は−Ｖｃ１となる。従って、負荷１５には主電源１３の正電圧Ｖｂと、蓄電素子２７の負電圧−Ｖｃ１が印加されることになる。ゆえに、負荷１５に印加される電圧幅はＶｂ＋Ｖｃ１となり、主電源１３の電圧Ｖｂよりも高くなる。

この際、負荷１５へは図３の太点線矢印で示したように電流が流れる。ここで、負荷１５にはＶｂ＋Ｖｃ１の電圧が印加されているので、負荷１５に流れる電流は、主電源１３によってのみ負荷１５を動作させる場合よりも少ない電流となり、配線系の発熱損失を低減することができる。

なお、負荷１５はモータであるので、動作開始直後にピーク的に大電力を消費した後、消費電力が低減していく。一方、蓄電素子２７は放電に伴い、満充電電圧から経時的に電圧Ｖｃ２の絶対値が下がる。これらのことから、負荷１５の電力消費パターン（最初に大電力を消費し、徐々に消費電力が小さくなるパターン）と蓄電素子２７の経時的な電圧低下パターンが一致していることになる。ゆえに、放電に伴い蓄電素子２７の電圧が下がっていっても、負荷１５の消費電力も低下していくので、配線系に流れる電流は負荷１５の動作開始直後とその後で大きく変わることはない。このため、負荷１５の動作時における配線系の損失は常に低減され、高効率化が可能となる。さらに、負荷１５がピーク的に大電力を消費する時に蓄電素子２７の電力が供給されるので、主電源１３のピーク電流の集中が抑制され、主電源１３から電力供給を受けている他の機器への動作の影響を低減することができる。また、前記したように負荷１５への印加電圧を高くすることにより負荷１５に流れる電流が小さくなるので、その分、配線系を細くすることができ、軽量化が可能となる。

このように、電力消費パターンが動作開始時にピーク的に大きく、その後減少していくモータを負荷１５として用いれば、動作開始時の高電圧印加により発熱損失の低減が図れ、高効率が得られるので、電源装置１１を最も効果的に使用することが可能となる。なお、負荷１５はモータのように大電力を間欠的に消費する特性を有する機器であってもよい。

制御回路３１は、ハンドル操作が終了し負荷１５の動作が停止すれば、直ちに図２の状態になるように各スイッチを制御して蓄電素子２７を充電する。なお、負荷１５の動作停止は車両側制御回路からのデータ信号ｄａｔａにより判断している。

ここまでで説明した図２と図３の動作をハンドル操作毎に行うことにより、負荷１５を駆動する時に、蓄電素子２７を主電源１３と直列に接続して高電圧を速やかに印加できるようにしているので、配線系による発熱損失を低減でき高効率が得られる。また、負荷１５の非動作時に蓄電素子２７を満充電にしておくので、主電源１３からの電力の持ち出しが低減され、主電源１３の長寿命化も図ることができる。

以上の構成、動作により、主電源１３の長寿命化と高効率を両立することが可能な電源装置を実現できる。

なお、蓄電素子２７の放電に伴い、電荷の計測誤差範囲内で実質的に蓄電素子２７の電荷が０になれば第２スイッチ２５をオフに、第３スイッチ２９をオンにし、蓄電素子２７に逆電圧がかからないように保護するような制御をしてもよい。このような逆電圧対策としては蓄電素子２７と並列にスイッチを接続し、蓄電素子２７の電荷が実質的に０になれば前記スイッチをオンにすればよい。具体的には、前記スイッチとしてダイオードを用いカソードを第２スイッチ２５側に、アノードを第３スイッチ２９側に接続する構成とする。なお、前記スイッチとしてはＦＥＴなどの半導体素子でもよいし、リレーなどの機械的スイッチでもよい。

また、蓄電素子２７の故障時には、第１スイッチ２１および第２スイッチ２５をオフにし、第３スイッチ２９をオンとすることで、主電源１３から負荷１５へ電力を供給し続けることも可能である。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における電源装置のブロック回路図である。図５は、本発明の実施の形態２における電源装置の主蓄電部充電時、副蓄電部放電時のブロック回路図である。図６は、本発明の実施の形態２における電源装置の主蓄電部放電時、副蓄電部充電時のブロック回路図である。なお、図４〜６において太線は電力系配線を、細線は信号系配線をそれぞれ示す。また、本実施の形態２でも電源装置を電動パワーステアリングシステムに適用した場合について述べる。

図４において、図１と同じ構成要素には同じ番号を付して詳細な説明を省略する。すなわち、本実施の形態２の構成上の特徴は以下の通りである。

１）直列回路２３は充電回路１９が主電源１３に、第１スイッチ２１が第２スイッチ２５に、それぞれ接続される構成に限定した。これにより、後述する主蓄電部と副蓄電部の両方をそれぞれ充電することができる。

２）蓄電素子２７と第３スイッチ２９との接続点、および負荷１５との間に第４スイッチ５１を設けた。なお、第４スイッチ５１の構成もＦＥＴとし、制御回路３１に接続することで、オンオフ信号ＳＷ４によりオンオフ制御されるようにした。

３）第１スイッチ２１、第２スイッチ２５、第３スイッチ２９、第４スイッチ５１、および蓄電素子２７から構成される部分を主蓄電部５３と呼び、主蓄電部５３と同じ構成を有する、第５スイッチ５５、第６スイッチ５７、第７スイッチ５９、第８スイッチ６１、および副蓄電素子６３からなる副蓄電部６５を充電回路１９と負荷１５の間に接続した。なお、第５スイッチ５５、第６スイッチ５７、第７スイッチ５９、および第８スイッチ６１はいずれもＦＥＴからなり、それぞれを制御回路３１に接続することで、オンオフ信号ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７、およびＳＷ８によりオンオフ制御されるようにした。

４）第４スイッチ５１と負荷１５の接続点に電圧検出回路６７を接続した。なお、電圧検出回路６７は制御回路３１とも接続され、前記接続点の電圧Ｖｃ２を検出して制御回路３１に出力する機能を有する。

上記以外の構成は図１と同じである。なお、３）より主蓄電部５３と副蓄電部６５は並列接続された構成となる。また、電圧検出回路６７は蓄電素子２７、または副蓄電素子６３のいずれか放電している方の電圧Ｖｃ２を検出する。

次に、このような電源装置１１の動作について、まず負荷１５が非動作状態で、その間に蓄電素子２７と副蓄電素子６３を充電する時の動作を図５、図６のブロック回路図を用いて説明する。

制御回路３１は、ハンドル操作が行われておらず負荷１５が動作していないことを、動作開始信号が発信されていないことにより判断する。なお、動作開始信号は実施の形態１と同じものである。これにより、制御回路３１はまず蓄電素子２７を充電するために、図５に示すように第１スイッチ２１、第３スイッチ２９、第６スイッチ５７、第８スイッチ６１をオンに、第２スイッチ２５、第４スイッチ５１、第５スイッチ５５、第７スイッチ５９をオフにする。これにより、蓄電素子２７は充電回路１９とグランドの間に接続されるとともに、副蓄電素子６３は負荷１５とグランドの間に接続されることになる。

ここで、負荷１５は非動作状態であるので、副蓄電素子６３は放電を行っていない。この状態で、制御回路３１は充電回路１９に対し、蓄電素子２７を充電するように制御する。その結果、主電源１３の電力が充電回路１９を介して蓄電素子２７に充電される。この時、第５スイッチ５５はオフなので、副蓄電素子６３に充電回路１９から電流が流れることはない。

制御回路３１は充電回路１９から出力される蓄電素子２７の充電時の電圧Ｖｃ１を読み込み、満充電電圧になるまで充電を行う。蓄電素子２７が満充電になれば、制御回路３１は図６に示すように、第１スイッチ２１から第８スイッチ６１（以下、各スイッチという）の全てのオンオフ状態を反転させる。これにより、蓄電素子２７は負荷１５とグランドの間に接続されるとともに、副蓄電素子６３は充電回路１９とグランドの間に接続されることになる。

ここで、負荷１５は非動作状態であるので、満充電状態の蓄電素子２７は放電を行うことはなく、満充電状態を維持する。この状態で、制御回路３１は充電回路１９に対し、副蓄電素子６３を充電するように制御する。その結果、主電源１３の電力が充電回路１９を介して副蓄電素子６３に充電される。この時、第１スイッチ２１はオフなので、充電回路１９から蓄電素子２７に電流は流れず、蓄電素子２７が過充電になることはない。

制御回路３１は充電回路１９から出力される副蓄電素子６３の充電時の電圧Ｖｃ１を読み込み、満充電電圧になるまで充電を行う。副蓄電素子６３が満充電になれば、制御回路３１は副蓄電素子６３が満充電状態を維持するように充電回路１９を制御する。

以上のように、負荷１５の非動作時に蓄電素子２７と副蓄電素子６３を充電しておくことで、負荷１５がいつ動作しても電力を供給できるようにしている。なお、蓄電素子２７と副蓄電素子６３の充電順序はどちらが先でもよいが、充電前に制御回路３１が図５と図６の各スイッチ状態における蓄電素子２７と副蓄電素子６３の電圧Ｖｃ１を充電回路１９よりそれぞれ読み込み、電圧Ｖｃ１が高い方から充電することが望ましい。これは、電圧が高い方から充電すれば、満充電に至るまでに時間が短くなり、その分、いつ負荷１５が動作しても十分な電力を供給できる可能性が向上するためである。また、蓄電素子２７と副蓄電素子６３を同時に充電する動作も可能であるが、この場合は蓄電素子２７と副蓄電素子６３に電圧差がある場合、第１スイッチ２１と第５スイッチ５５をオンにした瞬間に大電流が流れ、スイッチ素子や主電源１３が劣化する可能性がある。さらに、満充電に至るまでの時間が長くなるので、負荷１５への速やかな電力供給ができなくなる可能性もある。従って、蓄電素子２７と副蓄電素子６３をそれぞれ充電する動作が望ましい。

なお、蓄電素子２７および副蓄電素子６３には僅かではあるが自己放電特性があり、徐々に電圧が低下するので、負荷１５への接続は時間や電圧をトリガにして定期的に交互に切り替え、充電電圧を保持する構成にしてもよい。

次に、負荷１５が動作している場合について、図５と図６により説明する。前記したように、蓄電素子２７と副蓄電素子６３をこの順番で満充電すると、各スイッチは図６の状態になっている。従って、負荷１５には蓄電素子２７が接続されている。この時、車両側制御回路から負荷１５の動作開始信号を得ると、電源装置１１は蓄電素子２７の電力を負荷１５に供給する。この際、実施の形態１で述べたように、蓄電素子２７は主電源１３とグランドを介して直列接続されているので、蓄電素子２７は負荷１５に対して負電圧を印加することになる。従って、負荷１５には主電源１３の電圧Ｖｂよりも高い電圧が印加されるので、負荷１５に流れる電流が小さくなり、発熱損失を低減することができる。

なお、ここでは蓄電素子２７の次に副蓄電素子６３を満充電した場合について述べたが、先に副蓄電素子６３を満充電した場合は、各スイッチが図５の状態になっているので、負荷１５が動作すると副蓄電素子６３の電力が供給されることになる。このように、電源装置１１は負荷１５の動作開始信号を得ると、蓄電素子２７、または副蓄電素子６３のいずれか一方と、主電源１３の電力を負荷１５に供給することになる。

ここで図６の説明に戻り、蓄電素子２７が負荷１５に電力を供給している間、制御回路３１は電圧検出回路６７から蓄電素子２７の放電時の電圧Ｖｃ２を読み込み、負荷１５の動作可能電圧と比較する。なお、動作可能電圧とは、負荷１５を動作させることができる最低限の電圧のことである。負荷１５が動作中であっても蓄電素子２７の電圧Ｖｃ２の絶対値が動作可能電圧より高ければ、引き続き蓄電素子２７の電力を負荷１５に供給する。また、電圧Ｖｃ２の絶対値が動作可能電圧より高い間にハンドル操作が終了し、負荷１５の動作が停止すれば、蓄電素子２７の放電も停止する。この場合は、負荷１５の非動作時に各スイッチを図５の状態にして蓄電素子２７を再度満充電しておく。この際、満充電状態の副蓄電素子６３が負荷１５に接続されるので、蓄電素子２７の充電中に負荷１５が動作しても、図５の太点線矢印に示すように、副蓄電素子６３から十分な電力を供給できる。この動作が本実施の形態２の最も特徴となる点である。すなわち、主蓄電部５３と副蓄電部６５を並列に接続し、一方が充電状態の時は他方が放電状態になるように各スイッチを制御しているので、蓄電素子２７と副蓄電素子６３のいずれか一方が充電中に負荷１５が動作しても、他方から電力を供給できる。これにより、特に車庫入れ時のようにハンドルを短い周期で左右に切る操作を行う場合において、負荷１５に常に十分な電力を供給し続けることが可能となる。

ここで図６に戻り、負荷１５が動作し続けることで、蓄電素子２７の放電時の電圧Ｖｃ２の絶対値が負荷１５の動作可能電圧を下回れば、これ以上蓄電素子２７により負荷１５を動作し続けることができない。そこで、制御回路３１は電圧Ｖｃ２が動作可能電圧を下回れば直ちに各スイッチの全てのオンオフ状態を反転させる。これにより、電源装置１１は図６の状態から図５の状態になる。その結果、満充電状態の副蓄電素子６３が負荷１５に接続されるので、引き続き負荷１５を動作させることができる。同時に、蓄電素子２７は負荷１５との接続が切り離され、充電回路１９と接続されるので、制御回路３１は蓄電素子２７を満充電するように充電回路１９を制御する。これにより、図５の太点線矢印で示すように、副蓄電素子６３が負荷１５に電力を供給している間に蓄電素子２７を満充電状態にしておくことができる。

以後、同様に副蓄電素子６３の放電時の電圧Ｖｃ２が動作可能電圧を下回れば、各スイッチの全てのオンオフ状態を反転させ、図５から図６の状態に切り替える。これにより、図６の太点線矢印で示すように、蓄電素子２７が負荷１５に電力を供給している間に副蓄電素子６３を満充電状態にする。このような動作を繰り返すことにより、負荷１５にはいつでも十分な電力が供給され続ける。但し、ハンドルはそれほど長時間に渡って回し続けることがないので、図５と図６の状態切替は１度のハンドル操作に対して多くても１回と考えられる。従って、１度の負荷１５の動作中に蓄電素子２７、または副蓄電素子６３を充電する動作は１回のみとなる。

なお、負荷１５の動作が停止すれば、前記したように、制御回路３１は直ちに蓄電素子２７と副蓄電素子６３をそれぞれ満充電にしておく。

ここで、これまで説明した動作を行うと、主電源１３は、負荷１５に電力を供給しながら、充電回路１９に接続された蓄電素子２７、または副蓄電素子６３を充電するための電力も供給する必要がある。しかし、前記したように両者に電力を供給するのは各スイッチのオンオフ状態を反転させてから満充電になるまでの１回のみであり、従来のように常時充放電を繰り返すことはないので、主電源１３への負担は従来より小さくなる。さらに、主電源１３が同時に電力を供給している間は、負荷１５の消費電流に応じて充電電流を調整するようにしてもよい。すなわち、負荷１５が大電流を消費している間は充電電流を下げ、負荷１５の消費電流が小さくなれば充電電流を上げるように制御する。これにより、主電源１３からの極端な電力の持ち出しを低減することができ、さらなる長寿命化が図れる。なお、負荷１５の消費電流は、例えば主電源１３と負荷１５の間に電流検出回路を設け、その出力から求めればよい。

以上の動作をまとめると、以下のようになる。

まず、制御回路３１は、負荷１５の非動作時に、第１スイッチ２１、第３スイッチ２９、第６スイッチ５７、第８スイッチ６１をオンに、第２スイッチ２５、第４スイッチ５１、第５スイッチ５５、第７スイッチ５９をオフにして、充電回路１９により蓄電素子２７を充電するとともに、第１スイッチ２１から第８スイッチ６１の全てのオンオフ状態を反転させて、充電回路１９により副蓄電素子６３を充電しておく。なお、蓄電素子２７と副蓄電素子６３の充電順序は逆でもよいが、この場合は各スイッチの全てのオンオフ制御が逆になる。

次に、負荷１５の動作開始信号を得ると、蓄電素子２７、または副蓄電素子６３のいずれか一方と、主電源１３の電力を速やかに負荷１５に供給する。その後、電圧検出回路６７の電圧Ｖｃ２の絶対値が負荷１５の動作可能電圧を下回れば、第１スイッチ２１から第８スイッチ６１の全てのオンオフ状態を反転させて、蓄電素子２７、または副蓄電素子６３のいずれか他方と、主電源１３の電力を負荷１５に供給するとともに、蓄電素子２７、または副蓄電素子６３の内、負荷１５に接続されていない方を充電回路１９で充電する。このような動作により、負荷１５にはいつでも十分な電力が供給され続ける。

なお、制御回路３１が負荷１５の動作開始信号を得た時に、蓄電素子２７と副蓄電素子６３の両方が充電未完了の場合が想定される。この時は、制御回路３１は蓄電素子２７と副蓄電素子６３の内、電圧絶対値が負荷１５の動作可能電圧を超えて、かつ大きい方を負荷１５に接続するように第１スイッチ２１から第８スイッチ６１を制御する。これにより、満充電状態ではないものの、負荷１５を動作させることが可能となる。また、この間にも蓄電素子２７と副蓄電素子６３の内、負荷１５に接続されなかった方への充電を継続する。その結果、負荷１５に接続された蓄電素子２７、または副蓄電素子６３のいずれか一方における放電時の電圧Ｖｃ２が負荷１５の動作可能電圧を下回るまでの間に、他方を満充電にしておくことができ、継続して負荷１５を駆動できる。

但し、負荷１５が動作しようとした時に、蓄電素子２７と副蓄電素子６３の両方の電圧が負荷１５の動作可能電圧を下回っていた場合は、負荷１５を動作させることができない。このような状態は車両の起動時に蓄電素子２７と副蓄電素子６３を満充電にしないままに車両走行を開始した時に発生する。そこで、本実施の形態２の電源装置１１は、車両起動時に蓄電素子２７と副蓄電素子６３の少なくとも一方が満充電になるまでは、車両走行を禁止するように車両側制御回路へデータ信号ｄａｔａを送信している。これにより、車両制御回路は負荷１５が動作しない状態での車両の走行を禁止するので、ハンドルが重い状態での走行による操舵ミスを低減し、安全性を向上している。

また、車両走行中に断線や短絡等が発生し、主蓄電部５３、または副蓄電部６５の一方が故障した場合は、制御回路３１は故障した方の４つのスイッチを全てオフにして電気的に切り離す。これにより、故障していない方を用いて実施の形態１と同様の制御を行うことで、引き続き電源装置１１を使用し続けることができるので、高信頼性が得られる。なお、この場合は故障していることを運転者に知らせるために、制御回路３１は故障信号を車両側制御回路に送信する。

以上の構成、動作により、主蓄電部５３と副蓄電部６５を設けたので、負荷１５の繰り返し動作時にも高電圧を交互に速やかに印加でき、低発熱損失による高効率が得られるとともに、負荷１５の非動作時や、動作時であっても１回だけ蓄電素子２７、または副蓄電素子６３を満充電にしておくので、主電源１３からの電力の持ち出しが低減され、主電源１３の長寿命化も図ることが可能な電源装置を実現できる。

なお、実施の形態１、２では蓄電素子２７や副蓄電素子６３として電気二重層キャパシタを用いたが、これは電気化学キャパシタ等の他のキャパシタでもよい。但し、蓄電素子２７や副蓄電素子６３に二次電池を用いると充放電速度が遅いため、負荷１５が非動作の間に満充電にすることができない可能性がある。従って、蓄電素子２７や副蓄電素子６３にはキャパシタを用いる構成が望ましい。

また、実施の形態１、２では動作開始信号として舵角センサの出力変化を用いたが、これは主電源１３と負荷１５の間に前記した電流検出回路を設ける構成とし、制御回路３１が前記電流検出回路の出力の変化を動作開始信号として得るようにしてもよい。この場合、電流検出回路を追加する必要があるが、負荷１５の動作開始信号を得る動作が電源装置１１の内部で完結するため、制御回路３１の制御が単純化される。さらに、車両側制御回路との間で交信されるデータ信号ｄａｔａが少なくなるので、交信データの信頼性が向上する。

また、実施の形態１、２において電源装置１１を電動パワーステアリングシステムに適用した場合について述べたが、それに限らず、アイドリングストップ車に適用してもよい。この場合、基本的な構成、動作は電動パワーステアリングシステムに適用した際と同じであるが、負荷１５はアイドリングシステム用スタータモータとなる。従って、動作としては、アイドリングストップが完了し、エンジンを再始動するため負荷１５（スタータモータ）を動作させる時に、主電源１３と蓄電素子２７（副蓄電素子６３でもよい）から電力を供給する。なお、この際の負荷１５の動作開始信号はブレーキ信号がオフになりアクセル信号がオンになる信号変化とすればよい。また、蓄電素子２７と副蓄電素子６３の充電は負荷１５の非動作時、すなわち通常の車両走行時や車両停車時に行う。これにより、負荷１５の動作時には常に十分な電力を供給することができる。

本発明にかかる電源装置は、高効率、かつ主電源の長寿命化が図れるので、特に負荷に主電源の電圧より高い電圧を供給する電源装置等として有用である。

本発明の実施の形態１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１における電源装置の蓄電素子充電時のブロック回路図 本発明の実施の形態１における電源装置の蓄電素子放電時のブロック回路図 本発明の実施の形態２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２における電源装置の主蓄電部充電時、副蓄電部放電時のブロック回路図 本発明の実施の形態２における電源装置の主蓄電部放電時、副蓄電部充電時のブロック回路図 従来の電源装置におけるチャージポンプ回路のブロック回路図

符号の説明

１１ 電源装置
１３ 主電源
１５ 負荷
１９ 充電回路
２１ 第１スイッチ
２３ 直列回路
２５ 第２スイッチ
２７ 蓄電素子
２９ 第３スイッチ
３１ 制御回路
５１ 第４スイッチ
５３ 主蓄電部
５５ 第５スイッチ
５７ 第６スイッチ
５９ 第７スイッチ
６１ 第８スイッチ
６３ 副蓄電素子
６５ 副蓄電部
６７ 電圧検出回路

Claims (9)

1. 主電源と負荷の間に接続された電源装置であって、
   前記電源装置は、前記主電源に接続された、充電回路、および第１スイッチからなる直列回路と、
   前記直列回路とグランドの間に接続された第２スイッチと、
   前記直列回路と前記第２スイッチとの接続点、および前記負荷の間に接続された蓄電素子と、
   前記蓄電素子と前記負荷の接続点、および前記グランドの間に接続された第３スイッチと、
   前記充電回路、第１スイッチ、第２スイッチ、および第３スイッチが接続された制御回路を備え、
   前記制御回路は、前記第１スイッチと前記第３スイッチをオンに、前記第２スイッチをオフにして前記充電回路により前記蓄電素子を充電しておき、
   前記第１スイッチと前記第３スイッチをオフに、前記第２スイッチをオンにして、前記負荷に前記主電源と前記蓄電素子の電力を供給するようにした電源装置。
2. 前記蓄電素子は、前記負荷の非動作時に充電され、前記制御回路が前記負荷の動作開始信号を得ると、前記負荷に電力を供給するようにした請求項１に記載の電源装置。
3. 前記主電源と前記負荷の間に電流検出回路を設け、
   前記制御回路は前記電流検出回路の出力の変化を前記動作開始信号として得るようにした請求項１に記載の電源装置。
4. 前記負荷はモータである請求項１に記載の電源装置。
5. 前記負荷は車両の電動パワーステアリングシステム用モータであり、
   前記制御回路は前記電動パワーステアリングシステムに内蔵された舵角センサの出力の変化を前記動作開始信号として得るようにした請求項１に記載の電源装置。
6. 前記負荷は車両のアイドリングストップシステム用スタータモータであり、前記制御回路はブレーキ信号がオフになりアクセル信号がオンになる信号変化を前記動作開始信号として得るようにした請求項１に記載の電源装置。
7. 前記蓄電素子はキャパシタである請求項１に記載の電源装置。
8. 前記直列回路は前記充電回路が前記主電源に、前記第１スイッチが前記第２スイッチに、それぞれ接続されるとともに、
   前記蓄電素子と前記第３スイッチとの接続点、および前記負荷との間に第４スイッチを設け、
   前記第１スイッチ、第２スイッチ、第３スイッチ、第４スイッチ、および蓄電素子からなる主蓄電部と同じ構成を有する、第５スイッチ、第６スイッチ、第７スイッチ、第８スイッチ、および副蓄電素子からなる副蓄電部を前記充電回路と前記負荷の間に接続し、
   前記制御回路に前記第５スイッチから第８スイッチを、前記第４スイッチと前記負荷の接続点にその電圧（Ｖｃ２）を検出し前記制御回路に出力する電圧検出回路を、それぞれ接続し、
   前記制御回路は、前記第１スイッチ、第３スイッチ、第６スイッチ、第８スイッチをオンに、前記第２スイッチ、第４スイッチ、第５スイッチ、第７スイッチをオフにして、前記充電回路により前記蓄電素子を充電するとともに、
   前記第１スイッチから第８スイッチの全てのオンオフ状態を反転させて、前記充電回路により前記副蓄電素子を充電しておき、
   前記負荷に電力を供給する際は、前記蓄電素子、または前記副蓄電素子のいずれか一方と、前記主電源から供給し、
   前記電圧検出回路の電圧（Ｖｃ２）の絶対値が前記負荷の動作可能電圧を下回れば、前記第１スイッチから第８スイッチの全てのオンオフ状態を反転させて、前記蓄電素子、または前記副蓄電素子のいずれか他方と、前記主電源の電力を前記負荷に供給するとともに、
   前記蓄電素子、または前記副蓄電素子の内、前記負荷に接続されていない方を前記充電回路で充電するようにした請求項１に記載の電源装置。
9. 前記負荷の前記動作開始信号を得た時、前記蓄電素子と前記副蓄電素子の両方が充電未完了であれば、前記制御回路は、前記蓄電素子と前記副蓄電素子の内、電圧絶対値が前記負荷の前記動作可能電圧を超えて、かつ大きい方を前記負荷に接続するように、前記第１スイッチから第８スイッチを制御するようにした請求項８に記載の電源装置。

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