JP2009055701A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主電源の異常時や電圧低下時における負荷の駆動時間を延長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１５から負荷１７へ直接給電する配線経路を設け、第２蓄電部４１の第２負極４７を主電源の負極１９に直接接続する構成とし、電源装置１１の使用終了時に第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の電力を放電回路５１で放電するように制御しているので、第１蓄電部３５の充電時に第３スイッチ４５をオンにすることで第２蓄電部４１の第２正極４３と第２負極４７が短絡しても大電流が流れることなく第１蓄電部３５を充電でき、さらに第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の直列回路にスイッチ素子がないので、その電力損失が発生しない上に、主電源１５の異常時や電圧低下時には第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の合計電圧Ｖｔが負荷１７に印加されるので、負荷１７の駆動時間を延長することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、主電源の電圧低下時に蓄電部から電力を供給する補助電源としての電源装置に関するものである。

近年、自動車（以下、車両という）の制動については、従来の機械的な油圧制御に替わり電気的な油圧制御を行う各種車両制動システムが提案されてきている。しかし、このような車両制動システムは、バッテリ異常や断線等により電圧が低下すると動作しなくなる可能性があった。

これに対し、あらかじめ蓄電部を充電しておき、バッテリ異常時に車両制動システム等の負荷に蓄電部の電力を供給する補助電源としての車両用電源装置が開発されている。このような電源装置の蓄電部には、例えば急速充放電特性に優れる電気二重層キャパシタ（以下、キャパシタという）が用いられ、バッテリが正常電圧時にキャパシタを充電するようにしている。しかし、キャパシタは充電できる電荷量が二次電池等に比べ少ないため、負荷を長く駆動させ続けるためにはキャパシタを並列に接続して容量を増やせばよい。この具体例を以下に示す。

バッテリの定格電圧が１２Ｖであり、これにより負荷が動作しているとすると、キャパシタの満充電電圧も最低１２Ｖとする必要がある。そこで、例えば定格電圧２Ｖのキャパシタを用いると、６個を直列接続して蓄電部を構成すればよい。ここで、負荷の最低駆動電圧が１０．５Ｖであるとすると、バッテリ電圧が低下して蓄電部の電力を負荷に供給した場合、蓄電部の電圧が１２Ｖから１０．５Ｖに下がるまでの間しか負荷に電力を供給できず、駆動時間が不十分になる可能性がある。そこで、さらに６個直列のキャパシタを並列接続し、６直列２並列の合計１２個のキャパシタを用いた蓄電部とすれば、蓄電部の電圧は１２Ｖのままであるが容量が２倍になるので、１０．５Ｖまで下がる時間が２倍になり、駆動時間を延長できる。

但し、キャパシタの数が２倍になるため、蓄電部が大型化、高コスト化してしまう。従って、できるだけキャパシタの数を増やさずに駆動時間を延ばすために、キャパシタを並列接続するのではなく、直列接続する方法が考えられる。この際、蓄電部の満充電電圧は例えば負荷の許容上限電圧（負荷を駆動できる上限の電圧で、負荷の耐電圧よりは低い電圧）になるように構成する。具体的には、負荷の許容上限電圧が１６Ｖであったとすると、蓄電部の満充電電圧も１６Ｖとなるようにする。これにより、キャパシタの数は８個（＝１６Ｖ／２Ｖ）となり、キャパシタの数を２個増やすだけで、蓄電部が１６Ｖから１０．５Ｖになるまでの間、負荷に電力を供給できるので、負荷駆動時間を延長できる。なお、この詳細は後述する。

この場合、蓄電部の満充電電圧が１６Ｖであるので、定格電圧１２Ｖのバッテリで蓄電部を満充電するためには昇圧回路が必要となる。しかし、昇圧回路を設けると電源装置全体の回路構成が複雑になる上、昇圧回路における損失も発生する。そこで、直列接続されたキャパシタを複数に分け、それぞれを満充電することで、昇圧回路を使わずに蓄電部を満充電する構成が考えられる。このような電源装置が例えば下記特許文献１に提案されている。なお、特許文献１は燃料電池の発電電力を複数のバッテリに順次充電して、高電圧を負荷に供給する電源装置として示されている。

図５はこのような電源装置のブロック回路図である。主電源である燃料電池１０１は、負荷１０３に必要な高電圧出力を直接得ようとすると、スタックの積層数を多くする必要があり大型化が避けられない。そこで、燃料電池１０１として負荷１０３が必要とする電圧よりも低い発電電圧の仕様としている。燃料電池１０１で発電した電力は逆流防止用のダイオード１０５や低ノイズ用のコンデンサ１０７を介して４個のバッテリ１０９、１１１、１１３、１１５に充電されるのであるが、そのために４つのスイッチング回路１１７、１１９、１２１、１２３が図５に示すように接続されている。なお、スイッチング回路１１７、１１９、１２１、１２３は、それぞれトランジスタ１２５、１２７、１２９、１３１と、それらを駆動するドライブ回路１３３、１３５、１３７、１３９が接続された構成としている。なお、ドライブ回路１３３、１３５、１３７、１３９の制御は図示しない制御回路によって行われている。

４個のバッテリ１０９、１１１、１１３、１１５は直列に接続され、その両端が負荷１０３に接続される構成としている。また、バッテリ１０９とバッテリ１１１が直列接続されて１単位となり、バッテリ１１３とバッテリ１１５が直列接続されて１単位となっている。この単位毎の正極と負極にスイッチング回路１１７、１１９、１２１、１２３が接続されているので、燃料電池１０１の電力はスイッチング回路１１７、１１９がオンの時にバッテリ１０９、１１１を、スイッチング回路１２１、１２３がオンの時にバッテリ１１３、１１５を、それぞれ充電する。ゆえに、燃料電池１０１の発電電圧は負荷１０３が必要とする電圧の半分でよいことになり、また、負荷１０３へは直列接続された４個のバッテリ１０９、１１１、１１３、１１５による高電圧が供給される。これにより、小型の燃料電池１０１で、昇圧回路を用いることなく低損失に、負荷１０３に高電圧を供給できる。

このような構成の電源装置を車両用の補助電源として適用したときの概略ブロック回路図を図６に示す。基本的な回路構成は図５と同じであるが、よりわかりやすく示した。なお、図６において太線は電力系配線を、細線は制御系配線を示す。

図５で燃料電池１０１に相当するのは車両用のバッテリであり、これを主電源１５１とする。一方、負荷１５３を駆動するために、直列接続された第１キャパシタ１５５と第２キャパシタ１５７の電力が供給される。従って、第１キャパシタ１５５の第１正極１５９が負荷１５３の正極に、第１キャパシタ１５５の第１負極１６１が第２キャパシタ１５７の第２正極１６３に、第２キャパシタ１５７の第２負極１６５が負荷１５３の負極に、それぞれ接続されていることになる。また、図５と同様に、主電源１５１と第１正極１５９の間には第１スイッチ１６７が接続されている。また、第１負極１６１と第２正極１６３の接続点には、主電源１５１との間に第２スイッチ１６９が、主電源１５１の負極（以下、グランドという）との間に第３スイッチ１７１が、それぞれ接続されている。さらに、第２負極１６５とグランドの間に第４スイッチ１７３が接続されている。第１スイッチ１６７、第２スイッチ１６９、第３スイッチ１７１、および第４スイッチ１７３は、それぞれ制御部１７５に制御系配線で接続され、オンオフ制御信号ＳＷ１〜ＳＷ４により、それぞれのオンオフ制御が行われる。なお、上記構成で、主電源１５１と負荷１５３を除く図６の細点線で示した部分を電源装置１７７とする。

このような電源装置１７７の動作は図５の場合とほとんど同じである。すなわち、第１スイッチ１６７と第３スイッチ１７１をオンに、第２スイッチ１６９と第４スイッチ１７３をオフにした状態で主電源１５１の電力を第１キャパシタ１５５に充電する動作と、第１スイッチ１６７と第３スイッチ１７１をオフに、第２スイッチ１６９と第４スイッチ１７３をオンにした状態で主電源１５１の電力を第２キャパシタ１５７に充電する動作を繰り返すとともに、負荷１５３へは第１キャパシタ１５５と第２キャパシタ１５７を直列接続した蓄電部から電力供給を行う。

以上の動作により、負荷１５３へは昇圧回路を用いることなく常に前記蓄電部から負荷１５３の許容上限電圧を供給することになるので、主電源１５１の異常時や電圧低下時にも前記蓄電部の電圧が負荷１５３の最低駆動電圧に至るまでの間は負荷１５３を駆動でき、駆動時間の延長が可能となる。
特許第３１９０３２９号公報

上記の電源装置１７７によると、確かに主電源１５１の異常時や電圧低下時にも負荷１５３を駆動し続けることができるのであるが、図６の回路構成では負荷１５３の負極が第２負極１６５に接続されているので、別系統の負極用電力系配線が必要となり配線が複雑化する。そこで、一般の車両と同様に負荷１５３の負極をグランドに接続し、主電源１５１の負極と共通にした場合の構成を図７に示す。図７の構成は図６に対して負荷１５３の負極をグランドに接続しただけで、その他の構成は同じであるので、同一構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。また、第１キャパシタ１５５と第２キャパシタ１５７への充電動作も図６の場合と同じである。

図７のような電源装置１７７により、第１キャパシタ１５５と第２キャパシタ１５７の電力を負荷１５３に供給すると、図６のように負荷１５３の負極を第２負極１６５に直接接続できないので、必ず第４スイッチ１７３を介して電流が流れる。従って、第４スイッチ１７３において電力損失が発生する。その結果、負荷１５３に供給できる電力が少なくなり、負荷１５３の駆動時間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、主電源と負荷の負極を接続しても、主電源の異常時や電圧低下時における負荷の駆動時間を延長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、主電源の負極と負荷の負極が接続された状態で、前記主電源の正極と前記負荷の正極の間に接続される電源装置であって、前記電源装置は、前記主電源の正極に接続された充電回路、および主電源電圧検出回路と、前記充電回路に一端が接続された第１スイッチ、および第２スイッチと、前記第１スイッチと前記第２スイッチの他端に、それぞれ第１正極と第１負極が接続された第１蓄電部と、前記第１負極と前記主電源の負極の間に接続された第３スイッチと、前記第１負極に第２正極が、前記主電源の負極に第２負極が、それぞれ接続された第２蓄電部と、前記第１正極に接続された放電回路と、前記第１正極に一端が接続された切替スイッチと、前記負荷の正極と前記切替スイッチの他端の間、および前記負荷の正極と前記主電源電圧検出回路の間に、それぞれ前記負荷の正極がカソードになるように接続されたダイオードと、前記充電回路、主電源電圧検出回路、第１スイッチ、第２スイッチ、第３スイッチ、放電回路、および切替スイッチと接続された制御部とを備え、前記制御部は、前記第１蓄電部と前記第２蓄電部を充電する際に、まず前記切替スイッチをオフにし、前記第２スイッチをオフにするとともに、前記第１スイッチと前記第３スイッチをオンにした状態で、前記充電回路により前記第１蓄電部を充電した後、前記第１スイッチと前記第３スイッチをオフにするとともに、前記第２スイッチをオンにした状態で、前記充電回路により前記第２蓄電部を充電し、前記第２蓄電部の充電が終了すると、前記第１スイッチ、第２スイッチ、および第３スイッチをオフにし、前記主電源電圧検出回路で検出した前記主電源の電圧（Ｖｂ）が既定電圧を下回ると、前記切替スイッチをオンにして前記第１蓄電部と前記第２蓄電部の電力を前記負荷に供給し、使用終了時に前記第１蓄電部と前記第２蓄電部の電力を前記放電回路で放電するようにしたものである。

本発明の電源装置によれば、主電源から負荷へ直接給電する配線経路を設けるとともに、従来の第４スイッチを廃して第２蓄電部の第２負極を主電源の負極に直接接続する構成とし、電源装置の使用終了時に第１蓄電部と第２蓄電部の電力を放電回路で放電しているので、第１蓄電部の充電時に第３スイッチをオンにすることで第２蓄電部の第２正極と第２負極が短絡しても大電流が流れることなく第１蓄電部を充電でき、さらに前記第４スイッチがないので、その電力損失が発生しない上に、主電源の異常時や電圧低下時には第１蓄電部と第２蓄電部の合計電圧が負荷に印加されるので、負荷の駆動時間を延長することができるという効果が得られる。

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）
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起動時のフローチャートである。図３は、本発明の実施の形態における電源装置の通常動作時のフローチャートである。図４は、本発明の実施の形態における電源装置の使用終了時のフローチャートである。なお、図１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。

図１において、電源装置１１は主電源１５と負荷１７との間に接続されている。主電源１５は定格電圧１２Ｖのバッテリであり、負荷１７は駆動可能な許容上限電圧が１６Ｖの車両制動システムである。なお、ここでは一般的な車両と同様に、主電源の負極１９と負荷の負極２１が接続されている。従って、電源装置１１は、その負極を主電源の負極１９と共通にした状態で、主電源の正極２３と負荷の正極２５の間に接続されていることになる。

電源装置１１は次の構成を有する。まず、主電源の正極２３には充電回路２７と、主電源１５の電圧Ｖｂを検出する主電源電圧検出回路２９が接続されている。充電回路２７は後述する第１蓄電部や第２蓄電部の電圧Ｖｃを検出しながら、定電流、または定電圧で満充電電圧まで充電する機能を有する。さらに、検出した電圧Ｖｃを出力する機能も有する。また、主電源電圧検出回路２９は電力系配線（太線）の入力側と出力側が同電圧になるよう接続されている。これにより、主電源１５から負荷１７へ直接給電する配線経路が設けられたことになる。

充電回路２７の出力には、第１スイッチ３１と第２スイッチ３３の一端がそれぞれ接続されている。なお、第１スイッチ３１の両端子間には、オフ状態の時にいずれの方向にも僅かな漏れ電流を除き実質的に電流が流れないような構成としている。具体的には、寄生ダイオードの方向が互いに逆になるようにＦＥＴを２個直列に接続した構成としている。これにより、後述する第１蓄電部や第２蓄電部の充電状況により電流が逆流することを防止している。なお、第１スイッチ３１はＦＥＴの２個直列構成以外にも、例えばリレー等で構成してもよい。また、第２スイッチ３３は寄生ダイオードのカソードが充電回路２７側になるようにすれば、１個のＦＥＴで構成してもよい。

第１スイッチ３１の他端と第２スイッチ３３の他端には第１蓄電部３５が接続されている。この際、第１スイッチ３１の他端には第１蓄電部３５の第１正極３７が、第２スイッチ３３の他端には第１蓄電部３５の第１負極３９が、それぞれ接続される。第１蓄電部３５は例えば定格電圧２Ｖの電気二重層キャパシタを４個直列に接続した構成を有する。これにより、第１蓄電部３５の満充電電圧は８Ｖとなり、主電源１５の電圧Ｖｂ（定格電圧１２Ｖ）以下としている。従って、第１蓄電部３５を主電源１５により充電する際に昇圧回路は不要となり、回路構成が簡略化される上、昇圧回路による電力損失分が低減できる。

第１負極３９には第２蓄電部４１の第２正極４３が接続されている。従って、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１は直列に接続されている。なお、第２蓄電部４１の構成は第１蓄電部３５の構成と全く同じである。従って、第２蓄電部４１の満充電電圧も８Ｖであり、主電源１５の電圧Ｖｂ（定格電圧１２Ｖ）以下となるので、第２蓄電部４１を主電源１５により充電する際にも昇圧回路は不要となる。

また、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の満充電電圧はいずれも８Ｖであるので、満充電時の両者の合計電圧Ｖｔは負荷１７の許容上限電圧である１６Ｖと等しくなる。これにより、昇圧回路がなくても主電源１５の電圧Ｖｂより高い電圧を得ることができ、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１による負荷１７の駆動時間を延長できる。

第１負極３９と主電源の負極１９の間には第３スイッチ４５が接続されている。また、第２蓄電部４１の第２負極４７は主電源の負極１９に接続されている。なお、第３スイッチ４５は例えばＦＥＴで構成されている。ここで、第３スイッチ４５は一端が主電源の負極１９（グランド）に接続されているので、寄生ダイオードのアノードが主電源の負極１９側になるように接続すればよい。これは、主電源の負極１９からの電流の逆流がないためである。従って、第３スイッチ４５のＦＥＴは１個でよい。また、第３スイッチ４５をリレー等で構成してもよい。

第１正極３７の一端には放電回路５１が接続されている。放電回路５１は電源装置１１の使用終了時に第１蓄電部３５と第２蓄電部４１が蓄えた電力を放電するためのもので、これにより第１蓄電部３５と第２蓄電部４１を構成する電気二重層キャパシタの寿命を延ばすことができる。

また、第１正極３７には切替スイッチ５３の一端が接続されている。切替スイッチ５３はＦＥＴやリレー等で構成すればよいが、ＦＥＴで構成する場合は、満充電時の第１蓄電部３５と第２蓄電部４１から負荷１７への不要な放電を避けるために、図１の点線で示すように寄生ダイオードのカソード側が第１正極３７に接続されるようにする必要がある。

負荷の正極２５と切替スイッチ５３の他端の間、および負荷の正極２５と主電源電圧検出回路２９の間には、それぞれ負荷の正極２５がカソードになるように第１ダイオード５５と第２ダイオード５７が接続されている。これにより、主電源１５の電力と、第１蓄電部３５や第２蓄電部４１の電力が互いに逆流することを防止している。

充電回路２７、主電源電圧検出回路２９、第１スイッチ３１、第２スイッチ３３、第３スイッチ４５、放電回路５１、および切替スイッチ５３は、それぞれ制御系配線により制御部５９に接続されている。制御部５９はマイクロコンピュータと周辺回路から構成され、充電回路２７からは第１蓄電部３５や第２蓄電部４１の電圧Ｖｃを、主電源電圧検出回路２９からは主電源１５の電圧Ｖｂを、それぞれ受信する。また、充電回路２７に対しては充電制御信号Ｃｃｏｎｔを、放電回路５１に対しては放電制御信号Ｄｃｏｎｔを、第１スイッチ３１、第２スイッチ３３、第３スイッチ４５、および切替スイッチ５３に対してはそれぞれオンオフ信号ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、Ｓｏｆを送信する。また、制御部５９は車両側制御回路（図示せず）とデータ信号ｄａｔａにより、お互いに電源装置１１や車両の状態等を示す様々なデータを送受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、まず起動時における動作を図２のフローチャートを用いて説明する。なお、制御部５９はメインルーチンから必要に応じて様々なサブルーチンを実行することにより全体の動作を行うソフトウエア構成としているので、図２に示すフローチャートをサブルーチンの形態で示した。以後同様に、全てのフローチャートをサブルーチンの形態で示す。

車両の起動前には第１蓄電部３５と第２蓄電部４１が前回の使用終了時に放電回路５１で放電された状態であるので、車両が起動すると制御部５９のメインルーチンは、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１を満充電するために図２のサブルーチンを実行する。これにより、制御部５９は切替スイッチ５３と第２スイッチ３３をオフにする（ステップ番号Ｓ１３）。ここで、切替スイッチ５３をオフにすることにより、第１蓄電部３５や第２蓄電部４１を充電する際の両者の合計電圧Ｖｔの変動が負荷１７に伝達しないようにすることができる。さらに、合計電圧Ｖｔは充電により最大１６Ｖまで上昇するが、主電源１５の電圧Ｖｂは１２Ｖであるため、もし切替スイッチ５３がオンであれば合計電圧Ｖｔが電圧Ｖｂよりも高くなった時点で、第１ダイオード５５がオンに、第２ダイオード５７がオフになる。これにより、充電中の第１蓄電部３５と第２蓄電部４１から負荷１７に電力が供給されてしまい、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１を満充電することができなくなる。その結果、主電源１５の異常時等において、負荷１７が第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の電力を必要とする時に必要な電力を供給することができなくなる可能性がある。これらの理由から、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の充電時には切替スイッチ５３をオフにするようにしている。

また、第２スイッチ３３をオフにすることで、第２蓄電部４１を充電回路２７から切り離す。この状態で、第１スイッチ３１と第３スイッチ４５をオンにする（Ｓ１５）。これにより、充電回路２７は第１蓄電部３５を充電することができる。なお、第３スイッチ４５をオンにすることにより、第２蓄電部４１は第２正極４３がグランドに接続されることになるので、第２正極４３と第２負極４７が導通し、第２蓄電部４１が短絡する。しかし、前記したように前回の車両使用終了時に第２蓄電部４１は第１蓄電部３５とともに放電回路５１により放電されているので、Ｓ１５により第２蓄電部４１が短絡しても大電流が流れることはない。

その後、制御部５９は充電回路２７に対して第１蓄電部３５を満充電電圧に至るまで充電するよう充電制御信号Ｃｃｏｎｔを発する（Ｓ１７）。これにより、まず第１蓄電部３５のみへの満充電を行うことができる。

制御部５９は充電回路２７から第１蓄電部３５の電圧Ｖｃを読み込み、既定の満充電電圧（８Ｖ）に至るまで充電を行う。第１蓄電部３５の満充電が完了すれば、次に制御部５９は第１スイッチ３１と第３スイッチ４５をオフにする（Ｓ１９）。これにより、充電が完了した第１蓄電部３５を回路上、切り離す。その後、第２スイッチ３３をオンにする（Ｓ２１）。これにより、第２蓄電部４１にのみ充電を行う準備が完了する。この際、前記したように第１スイッチ３１はオフ状態の時に両端子間のいずれの方向にも実質的に電流が流れないような構成としているので、第２スイッチ３３をオンにした瞬間に、満充電状態の第１蓄電部３５から未充電の第２蓄電部４１に大電流が流れることを防止している。その後、充電回路２７に対して第２蓄電部４１を満充電電圧に至るまで充電するよう充電制御信号Ｃｃｏｎｔを発する（Ｓ２３）。これにより、第２蓄電部４１のみへの満充電を行う。

第２蓄電部４１の満充電が完了すると、次に制御部５９は第２スイッチ３３をオフにする（Ｓ２５）。これにより、第１スイッチ３１、第２スイッチ３３、および第３スイッチ４５がオフになる。ゆえに、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１はスイッチ素子を介さず直接直列に接続された状態となり、両者の合計電圧Ｖｔは１６Ｖとなる。この段階で、起動時の第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の満充電が完了したので、図２のサブルーチンを終了し、メインルーチンに戻る。

なお、図２のサブルーチンでは第１蓄電部３５を充電した後に第２蓄電部４１を充電しているが、これは必ずこの順番でなければならない。この理由は次の通りである。もし、第２蓄電部４１を先に充電するのであれば、第２スイッチ３３のみをオンにして充電を行うことができる。しかし、次に第１蓄電部３５を充電するために第２スイッチ３３をオフにして第１スイッチ３１と第３スイッチ４５をオンにすると、第３スイッチ４５をオンにした瞬間に第２正極４３がグランドと接続され、第２蓄電部４１が短絡する。その結果、満充電の終わった第２蓄電部４１から大電流が流れ、第２蓄電部４１や周辺回路が破損する可能性がある。また、これを避けるために第３スイッチ４５をオフのままにしておくと、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１が直列接続された状態で充電することになるので、昇圧回路が必要となり図１の構成では充電できない。これらの理由から第１蓄電部３５を充電した後に第２蓄電部４１を充電する必要がある。

次に、電源装置１１の通常動作について、図３のフローチャートを用いて説明する。なお、図３のフローチャートはメインルーチンにより繰り返し実行される。これにより、いつ発生するかわからない主電源１５の電圧Ｖｂの異常を素早く検出することができる。また、図２の起動時のフローチャートを実行し終わってから図３のフローチャートが実行されるので、図２による第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の充電中においては、制御部５９は主電源１５の電圧Ｖｂが後述する既定電圧（１０．５Ｖ）を下回っても切替スイッチ５３をオフのままにすることになる。これにより、主電源１５の電圧Ｖｂの異常時や電圧低下時に、満充電状態の第１蓄電部３５と第２蓄電部４１から負荷１７へ十分な電力を供給することができる。

図３のサブルーチンが実行されると、制御部５９は、まず主電源電圧検出回路２９の出力から主電源１５の電圧Ｖｂを読み込む（Ｓ５１）。次に、電圧Ｖｂと既定電圧を比較する（Ｓ５３）。ここで、既定電圧は負荷１７の最低駆動電圧（１０．５Ｖ）である。もし、電圧Ｖｂが既定電圧以上であれば（Ｓ５３のＮｏ）、主電源１５は正常な状態であるので、負荷１７に十分な電力を供給している。従って、そのまま図３のサブルーチンを終了する。

一方、主電源１５の電圧Ｖｂが既定電圧を下回っていれば（Ｓ５３のＹｅｓ）、制御部５９は電圧Ｖｂが低下した後、既定時間が経過したか否かを判断する（Ｓ５５）。ここで、既定時間の経過を判断するのは、主電源１５の電圧Ｖｂが瞬間的に低下し、再び元に戻ることが想定されるためである。すなわち、既定時間以内に電圧Ｖｂが戻れば、瞬間的な電圧低下であり主電源１５の異常ではないと判断するようにしている。なお、既定時間は、さまざまな車両使用条件における瞬間的な電圧低下時間の内、最も長い時間としてあらかじめ求めておき、制御部５９に内蔵されたメモリに記憶してある。具体的には、既定時間として例えば０．２秒とした。すなわち、０．２秒以内に電圧Ｖｂが既定電圧（１０．５Ｖ）以上に戻れば、主電源１５は正常であると判断するようにしている。従って、もし既定時間が経過していなければ（Ｓ５５のＮｏ）、Ｓ５１に戻り電圧Ｖｂの回復判断を再度行う。

一方、既定時間が経過していれば（Ｓ５５のＹｅｓ）、電圧Ｖｂが回復しないままであるので、主電源１５の異常が想定される。この場合は、直ちに制御部５９が切替スイッチ５３をオンにして（Ｓ５７）、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の電力を負荷１７に供給する。この際、主電源１５の電圧Ｖｂよりも第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の合計電圧Ｖｔが高くなるので、第１ダイオード５５がオンに、第２ダイオード５７がオフになる。これにより、図１の放電経路と書かれた方向に電流が流れるとともに、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の電力の主電源１５への逆流が防止される。

このような動作により、主電源１５が負荷１７を駆動できなくなっても、補助的に第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の電力を負荷１７に供給することで、負荷１７を駆動し続けることができる。この際、図２で説明したように、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の満充電時には第１スイッチ３１、第２スイッチ３３、および第３スイッチ４５がオフになっているので、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１は直列接続され、両者の合計電圧Ｖｔは１６Ｖとなる。ゆえに、負荷１７には、まず１６Ｖの電圧が印加され、経時的に電圧が低下していく。第１蓄電部３５と第２蓄電部４１は合計電圧Ｖｔが負荷１７の最低駆動電圧である１０．５Ｖに至るまで負荷１７を駆動できるので、従来の満充電電圧が１２Ｖの電源装置に比べ駆動時間を延長することができる。具体的には以下のようになる。

従来の構成は電気二重層キャパシタを６個直列接続したものとする。本実施の形態では前記したように負荷１７への電力供給時に電気二重層キャパシタを８個直列接続した構成である。電気二重層キャパシタ１個当たりの満充電電圧（定格電圧）は２Ｖであるので、満充電時の電圧Ｖｔは前者が１２Ｖ、後者が１６Ｖとなる。また、負荷１７の最低駆動電圧は１０．５Ｖであるので、満充電電圧からの電圧差ΔＶは前者が１．５Ｖ、後者が５．５Ｖとなる。一方、電気二重層キャパシタの合成容量値は、１個当たりの容量値をＣとすると、前者はＣ／６、後者はＣ／８となる。

今、負荷１７が定電流Ｉを消費しているとすると、電源装置１１による負荷１７の駆動可能時間ｔは、従来の場合がＣ／６×１．５＝Ｉ×ｔより、ｔ＝０．２５×Ｃ／Ｉとなる。一方、本実施の形態の場合、Ｃ／８×５．５＝Ｉ×ｔより、ｔ＝０．６８７５×Ｃ／Ｉとなる。ゆえに、本実施の形態の方が従来よりも２．７５倍（＝０．６８７５／０．２５）長く負荷１７を駆動し続けることができる。

次に、制御部５９は、主電源１５の電圧Ｖｂが回復しない異常状態であるので、主電源１５の異常を示す信号をデータ信号ｄａｔａとして車両側制御回路に送信し（Ｓ５９）、図３のサブルーチンを終了する。これを受け、車両側制御回路は主電源１５が異常であることを運転者に警告し修理を促す。

このように動作することにより、主電源１５が断線等により電力を負荷１７に供給できない異常状態になっても、あらかじめ満充電しておいた第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の電力を負荷１７に供給することができるので、車両制動が可能となり高信頼性が得られる。また、従来のような第４スイッチによる電力損失がない上に、上記のように高電圧（１６Ｖ）状態から負荷１７に電力を供給できるので、負荷１７の駆動時間を延長でき、さらなる高信頼性が得られる。さらに、電気二重層キャパシタの追加個数を抑制し昇圧回路も不要な構成としたので、低コスト化も実現できる。

次に、車両の使用を終えることによる電源装置１１の使用終了時の動作について図４のフローチャートにより説明する。車両側制御回路から制御部５９に車両の使用を終了する信号（例えばイグニションオフ信号）が入力されると、制御部５９は図４のサブルーチンを実行する。これにより、制御部５９は放電回路５１に対し第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の電力を放電するよう放電制御信号Ｄｃｏｎｔを送信する（Ｓ７１）。これを受け、放電回路５１は第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の電力を放電する。その後、図４のサブルーチンを終了する。

このように動作することにより、次回の車両起動時に第１蓄電部３５を充電する際、第３スイッチ４５がオンになり第２正極４３と第２負極４７が短絡しても、第２蓄電部４１は放電されているので大電流が流れることはない。また、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の放電により、両者の寿命を延ばすことができる。

以上の構成、動作により、主電源１５から負荷１７へ直接給電する配線経路を設けるとともに、第２負極４７を主電源の負極１９に直接接続する構成とし、電源装置１１の使用終了時に第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の電力を放電回路５１で放電しているので、第１蓄電部３５の充電時に第３スイッチ４５をオンにすることで第２蓄電部４１が短絡しても大電流が流れることなく第１蓄電部３５を充電でき、さらに従来の第４スイッチがないので、その電力損失が発生しない上に、主電源１５の異常時や電圧低下時には第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の合計電圧Ｖｔが負荷１７に印加されるので、負荷１７の駆動時間を延長することができる電源装置を実現できる。

なお、本実施の形態において第１蓄電部３５と第２蓄電部４１には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蓄電素子でもよい。さらに、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１は複数の電気二重層キャパシタを直列に接続した構成としたが、これに限定されるものではなく、負荷１７が要求する電力仕様に応じて直並列接続としてもよい。

また、電源装置１１を車両制動システムの補助電源に適用した場合を例示したが、これは車両使用中に１回だけ補助的に電力を必要とする他の負荷に用いてもよい。なお、車両使用中に何度も補助電力を必要とするハイブリッド車や電動パワーステアリング、電動過給器等の各システムに対しては、本実施の形態の電源装置１１における回路構成上、補助電力を使用した後は一度放電回路５１で残余の電力を放電してから再充電する必要があり、その間、補助電力が使用できなくなる。従って、放電と再充電が間に合わない用途では適用できないので、放電と再充電に要する時間以上の間隔で補助電力を使用するシステムに本実施の形態の電源装置１１を適用することが望ましい。

また、本実施の形態では車両用の補助電源として電源装置１１を適用した場合について述べたが、これは非常用補助電源として用いてもよい。この場合、負荷１７への電力は一般交流電源から供給され、その停電時に電源装置１１から負荷１７に電力を供給することになるが、特に電源装置１１と負荷１７が離れていたり、負荷１７が多数存在する構成に対して有効である。すなわち、これらの構成では負荷１７の負極を第２蓄電部４１の第２負極４７に別の配線系統で直接接続することが困難となるので、本実施の形態と同様に負荷１７の負極と第２負荷４７をグランドに接続する構成となる。動作としては、非停電時に電源装置１１があらかじめ第１蓄電部３５と第２蓄電部４１を満充電にしておき、停電時に負荷１７に電力を供給し、停電回復後に第１蓄電部３５と第２蓄電部４１を放電してから再度満充電する。このような用途であれば、停電の繰り返し発生頻度が低いので、前記した放電と再充電に要する時間以上の間隔で補助電力を使用するシステムに相当し、好適に電源装置１１が適用できる。

本発明にかかる電源装置は、主電源の異常時や電圧低下時における負荷の駆動時間を延長できるので、特に主電源の異常時に負荷へ電力を供給する車両用補助電源としての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起動時のフローチャート 本発明の実施の形態における電源装置の通常動作時のフローチャート 本発明の実施の形態における電源装置の使用終了時のフローチャート 従来の電源装置の概略ブロック回路図 従来の電源装置を車両用補助電源に適用した時の概略ブロック回路図 従来の電源装置の負荷の負極をグランドに接続した時の概略ブロック回路図

符号の説明

１１ 電源装置
１５ 主電源
１７ 負荷
１９ 主電源の負極
２１ 負荷の負極
２３ 主電源の正極
２５ 負荷の正極
２７ 充電回路
２９ 主電源電圧検出回路
３１ 第１スイッチ
３３ 第２スイッチ
３５ 第１蓄電部
３７ 第１正極
３９ 第１負極
４１ 第２蓄電部
４３ 第２正極
４５ 第３スイッチ
４７ 第２負極
５３ 切替スイッチ
５５ 第１ダイオード
５７ 第２ダイオード
５９ 制御部

Claims (5)

1. 主電源の負極と負荷の負極が接続された状態で、前記主電源の正極と前記負荷の正極の間に接続される電源装置であって、
   前記電源装置は、前記主電源の正極に接続された充電回路、および主電源電圧検出回路と、
   前記充電回路に一端が接続された第１スイッチ、および第２スイッチと、
   前記第１スイッチと前記第２スイッチの他端に、それぞれ第１正極と第１負極が接続された第１蓄電部と、
   前記第１負極と前記主電源の負極の間に接続された第３スイッチと、
   前記第１負極に第２正極が、前記主電源の負極に第２負極が、それぞれ接続された第２蓄電部と、
   前記第１正極に接続された放電回路と、
   前記第１正極に一端が接続された切替スイッチと、
   前記負荷の正極と前記切替スイッチの他端の間、および前記負荷の正極と前記主電源電圧検出回路の間に、それぞれ前記負荷の正極がカソードになるように接続されたダイオードと、
   前記充電回路、主電源電圧検出回路、第１スイッチ、第２スイッチ、第３スイッチ、放電回路、および切替スイッチと接続された制御部とを備え、
   前記制御部は、前記第１蓄電部と前記第２蓄電部を充電する際に、まず前記切替スイッチをオフにし、
   前記第２スイッチをオフにするとともに、前記第１スイッチと前記第３スイッチをオンにした状態で、前記充電回路により前記第１蓄電部を充電した後、
   前記第１スイッチと前記第３スイッチをオフにするとともに、前記第２スイッチをオンにした状態で、前記充電回路により前記第２蓄電部を充電し、
   前記第２蓄電部の充電が終了すると、前記第１スイッチ、第２スイッチ、および第３スイッチをオフにし、
   前記主電源電圧検出回路で検出した前記主電源の電圧（Ｖｂ）が既定電圧を下回ると、前記切替スイッチをオンにして前記第１蓄電部と前記第２蓄電部の電力を前記負荷に供給し、
   使用終了時に前記第１蓄電部と前記第２蓄電部の電力を前記放電回路で放電するようにした電源装置。
2. 満充電時の前記第１蓄電部と前記第２蓄電部の合計電圧（Ｖｔ）は、前記負荷の許容上限電圧となるようにした請求項１に記載の電源装置。
3. 前記第１蓄電部と前記第２蓄電部の満充電電圧は、それぞれ前記主電源の電圧（Ｖｂ）以下になるようにした請求項１に記載の電源装置。
4. 前記第１蓄電部と前記第２蓄電部の充電中において、前記制御部は前記主電源の電圧（Ｖｂ）が前記既定電圧を下回っても前記切替スイッチをオフのままにするようにした請求項１に記載の電源装置。
5. 前記第１スイッチの両端子間には、オフ状態の時にいずれの方向にも実質的に電流が流れないような構成とした請求項１に記載の電源装置。

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