JP2009055702A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電部充電時の負荷の安定駆動と、主電源の電圧低下時や異常時における負荷の駆動時間の延長を両立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１蓄電部３５と第２蓄電部４１を個別に充電するために第１〜第４スイッチ３１、３３、４５、４９を接続し、さらに放電経路に切替スイッチ５３を設けた構成を有し、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１を充電する際は切替スイッチ５３をオフにして充電時の電圧変動の負荷１７への伝達を低減することにより、負荷１７を安定駆動させることができ、主電源１５の電圧低下時や異常時には第４スイッチ４９と切替スイッチ５３をオンにすることにより、負荷１７の許容上限電圧である第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の合計電圧Ｖｔを負荷１７に印加し、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、環境への配慮や燃費向上のために停車時にエンジン駆動を停止するアイドリングストップ機能を搭載した自動車（以下、車両という）が市販されている。このような車両は使用中に断続的に大電流を消費するスタータが駆動すると一時的にバッテリの電圧が下がる。その結果、オーディオやカーナビゲーション等の他の負荷への供給電圧も下がり、その動作が不安定になる可能性があった。

また、車両の制動については、近年、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車両制動システムの提案がなされてきているが、バッテリが異常になった時、車両制動システムが動作しなくなる等の可能性があった。

これらに対し、あらかじめ蓄電部を充電しておき、一時的なバッテリの電圧低下時や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４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４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５に示す。基本的な回路構成は図４と同じであるが、よりわかりやすく示した。なお、図５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４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４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５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４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の電圧低下時や異常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の電圧低下時や異常時にも負荷１５３を駆動し続けることができるのであるが、図５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、多数の負荷１５３の負極を第２負極１６５に接続すると、多くの負極用電力系配線が必要となる。そこで、一般の車両と同様に多数の負荷１５３の負極をグランドに接続した場合の構成を図６に示す。図６の構成は図５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。

次に、図６の電源装置１７７の動作を説明する。まず、制御部１７５が第１キャパシタ１５５を充電するために、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をオフにした場合、負荷１５３には第１キャパシタ１５５のみの電圧が印加される。これは、負荷１５３の負極をグランドに接続しているためである。従って、負荷１５３には本来印加されるべき第１キャパシタ１５５と第２キャパシタ１５７の合計電圧が印加されず、駆動できなくなる可能性がある。さらに、制御部１７５が第２キャパシタ１５７を充電するために、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をオンにした場合、負荷１５３には本来印加されるべき第１キャパシタ１５５と第２キャパシタ１５７の合計電圧が印加される。これらのことから、第１キャパシタ１５５の充電時には負荷１５３への電圧が低くなり駆動できなくなる可能性があるが、第２キャパシタ１５７の充電時には負荷１５３を駆動できるので、負荷１５３の動作が間欠的になり、その結果不安定な動作を行う可能性があ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、蓄電部充電時の負荷の安定駆動と、主電源の電圧低下時や異常時における負荷の駆動時間の延長を両立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、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正極が接続された第２蓄電部と、前記第２蓄電部の第２負極と前記主電源の負極の間に接続された第４スイッチと、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、第４スイッチ、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前記切替スイッチをオフにし、前記第２スイッチと前記第４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、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スイッチと前記第４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１蓄電部と前記第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スイッチをオフにするとともに前記第４スイッチをオンにし、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、第１蓄電部と第２蓄電部を充電する際は、第１蓄電部と第２蓄電部から負荷への給電を切替スイッチでオフにしているので、第１蓄電部と第２蓄電部の充電時における電圧変動が負荷に伝達せず、負荷を安定駆動できる上に、主電源の電圧低下時や異常時には切替スイッチをオンにすることにより第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。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のオーディオやナビゲーション、車両制動システム等の補機である。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、および第２スイッチ３３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と第２スイッチ３３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。

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、第２蓄電部４１の第２負極４７と主電源の負極１９の間には第４スイッチ４９が、それぞれ接続されている。第３スイッチ４５と第４スイッチ４９は例えばＦＥＴで構成されている。但し、第３スイッチ４５と第４スイッチ４９はいずれも一端が主電源の負極１９（グランド）に接続されているので、両者の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と第４スイッチ４９のＦＥＴは１個でよい。また、第３スイッチ４５と第４スイッチ４９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、第４スイッチ４９、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、第４スイッチ４９、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、ＳＷ４、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が自己放電していたり、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は放電禁止フラグをオンにする（ステップ番号Ｓ１１）。なお、放電禁止フラグは制御部５９に内蔵したメモリの一部であり、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の負荷１７への放電を禁止している状態にあることを示すフラグである。従って、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の充電中には負荷１７へ放電しないように放電禁止フラグがオンになる。

次に、切替スイッチ５３、第２スイッチ３３、および第４スイッチ４９をオフにする（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の電圧低下時や異常時等の、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、および第４スイッチ４９をオフにすることで、第２蓄電部４１を回路上、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）。その後、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。

この際、第２スイッチ３３は前記したように、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蓄電部４１の電圧が第１蓄電部３５の電圧よりも高かった場合に、第１スイッチ３１をオンにした瞬間に第２蓄電部４１から第１蓄電部３５に大電流が流れることを防止している。

すなわち、もし第２スイッチ３３を１個のＦＥＴで構成したとすると、第３スイッチ４５をオンにした時に充電回路２７の出力が主電源の負極１９に落ちて、実質上主電源１５が短絡してしまうことを防ぐために、必ず前記ＦＥＴの寄生ダイオードはカソードが充電回路２７側になるように接続する。しかし、この場合は第２蓄電部４１の電圧が第１蓄電部３５の電圧よりも高ければ、第１スイッチ３１をオンにした瞬間、第２スイッチ３３も寄生ダイオードを介してオン状態となるため、前記した大電流が流れ、ＦＥＴへの負担が大きくなる。これを防止するために第２スイッチ３３はＦＥＴを２個直列に接続した構成とし、オフの時には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にしている。

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と第４スイッチ４９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、第１スイッチ３１も第２スイッチ３３と同様の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、各スイッチの状態は、第１スイッチ３１、第２スイッチ３３、および第３スイッチ４５がオフで、第４スイッチのみがオンになっている。これにより、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１が直列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、制御部５９は前記した放電禁止フラグをオフにして、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１から負荷１７への電力供給を許可する。また、充電中であることを示す充電フラグをオフにする（Ｓ２７）。なお、充電フラグは後述する通常動作時のサブルーチンにおいて、充電が必要な状態になればオンになるものであり、この充電フラグをメインルーチンが読み込むことにより、車両使用中に第１蓄電部３５と第２蓄電部４１が放電した場合に再充電動作を行うための判断に使われる。従って、Ｓ２７では充電が完了しているので、充電フラグをオフにしている。その後、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、これは逆の順番でもよい。

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や図２のサブルーチン等を実行中に既定時間（例えば０．１秒）毎に割り込んで実行される。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の低下や異常を素早く検出することができる。

既定時間毎の割り込みが発生すると、制御部５９は図３のサブルーチンを実行する。これにより、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。この状態で、制御部５９は放電禁止フラグの状態を判断する（Ｓ５５）。もし、放電禁止フラグがオフであれば（Ｓ５５のＮｏ）、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の充電が終了している状態であるので、そのまま図３のサブルーチンを終了し、割り込み元に戻る。

一方、放電禁止フラグがオンであれば（Ｓ５５のＹｅｓ）、充電を再開するように充電回路２７を制御する（Ｓ５７）。なお、ここでは主電源１５の電圧Ｖｂが正常で、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の充電が終了していない状態であるので、図２の充電動作が行われている間に図３のサブルーチンが割り込んで実行されていることになる。従って、元々充電動作を行っているので、Ｓ５７で充電回路２７に充電再開の制御を行っても特に変化はない。それにもかかわらず充電再開制御を行っているのは、後述するＳ６１で充電が中断されている場合があるからである。従って、Ｓ６１で充電が中断されていても、Ｓ５７の時点では主電源１５の電圧Ｖｂが正常に戻っており充電を再開することができるので、Ｓ６１で充電が中断されている場合を考慮して、Ｓ５７で充電再開の制御を行っている。その後、図３のサブルーチンを終了し、割り込み元に戻る。

ここで、Ｓ５３に戻って、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は放電禁止フラグの状態を判断する（Ｓ５９）。もし、充電禁止フラグがオンであれば（Ｓ５９のＹｅｓ）、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の充電中に、負荷１７が大電力を消費したり主電源１５が異常になる等により、主電源１５の電圧Ｖｂが既定電圧を下回っている状態である。この場合、本来ならば切替スイッチ５３をオンにして第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の電力を負荷１７に供給するのであるが、この時点では第１蓄電部３５と第２蓄電部４１が充電中なので、負荷１７に対して十分に電力を供給できない可能性が大きい。そこで、Ｓ５９でＹｅｓの場合は切替スイッチ５３をオフのままにする。なお、図３のサブルーチン実行時は切替スイッチ５３が必ずオフであるので、ここでは特に何も動作しない。この結果、充電が不十分な第１蓄電部３５と第２蓄電部４１から負荷１７への電力供給不足により、負荷１７の動作が一層不安定になる可能性を低減することができる。

その後、制御部５９は充電を中断するように充電回路２７を制御する（Ｓ６１）。これにより、主電源１５から第１蓄電部３５、または第２蓄電部４１への電力供給が停止するので、主電源１５からの電力を負荷１７に優先して供給することができる。その結果、負荷１７の動作不安定性を少しでも低減している。

このような、Ｓ５９のＹｅｓからＳ６１の動作をまとめると、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の充電中において、制御部５９は主電源１５の電圧Ｖｂが既定電圧を下回っても切替スイッチ５３をオフのままにするとともに、充電を中断するということになる。

次に、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（Ｓ６３）。ここで、制御部５９はＳ５３のＹｅｓで電圧Ｖｂが既定電圧を下回った時点で、制御部５９に内蔵したタイマーを利用して経過時間をカウントしている。また、既定時間は、アイドリングストップ等により一時的に主電源１５の電圧Ｖｂが低下する時間としてあらかじめ求めて制御部５９に記憶してあり、本実施の形態では約３秒とした。

これらにより、もし既定時間が経過していなければ（Ｓ６３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（Ｓ６３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、後述するＳ７３にジャンプする。

ここでＳ５９に戻り、放電禁止フラグがオフであれば（Ｓ５９のＮｏ）、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１が満充電であり、かつＳ５３により主電源１５の電圧Ｖｂが既定電圧を下回っている状態であるので、制御部５９は切替スイッチ５３をオンにして（Ｓ６５）、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がオフで、第４スイッチのみがオンになっているので、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は主電源電圧検出回路２９の出力から主電源１５の電圧Ｖｂを読み込み（Ｓ６７）、電圧Ｖｂと既定電圧を比較する（Ｓ６９）。なお、既定電圧はＳ５３で説明したものと同じである。もし、電圧Ｖｂが既定電圧を下回れば（Ｓ６９のＹｅｓ）、主電源１５の電圧Ｖｂがまだ回復していないので、次に電圧Ｖｂが低下した後、既定時間が経過したか否かを判断する（Ｓ７１）。なお、この動作はＳ６３と同じである。もし、既定時間が経過していなければ（Ｓ７１のＮｏ）、Ｓ６７に戻り電圧Ｖｂの回復判断を再度行う。一方、既定時間が経過すれば（Ｓ７１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。そこで、制御部５９は主電源１５が異常であること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（Ｓ７３）、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。

ここでＳ６９に戻り、主電源１５の電圧Ｖｂが既定電圧以上であれば（Ｓ６９のＮｏ）、アイドリングストップ等が終了し、主電源１５の電圧Ｖｂが回復したので、主電源１５から負荷１７に電力を供給することができる。そこで、制御部５９は切替スイッチ５３をオフにして（Ｓ７５）、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１から負荷１７への電力供給を停止する。その後、次のアイドリングストップ等に備えるため、放電した第１蓄電部３５と第２蓄電部４１を再度充電する必要があることを示す充電フラグをオンにして（Ｓ７７）、図３のサブルーチンを終了し、割り込み元に戻る。なお、メインルーチンは充電フラグがオンであれば、図２のサブルーチンを実行して第１蓄電部３５と第２蓄電部４１を満充電する動作を行う。

以上の動作により、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１は従来の図５のように交互に充電動作を繰り返しつつ合計電圧Ｖｔを負荷１７に供給し続けるのではなく、主電源１５により満充電になった後は、主電源１５の電圧Ｖｂが既定電圧未満に低下するまでは主電源１５から負荷１７に電力が供給され、電圧Ｖｂの低下時にのみ第１蓄電部３５と第２蓄電部４１から負荷１７に電力を供給するように第１スイッチ３１、第２スイッチ３３、第３スイッチ４５、第４スイッチ４９、および切替スイッチ５３を制御している。この動作が従来とは異なる本実施の形態の特徴となる部分であり、これにより、主電源の負極１９と負荷の負極２１が接続されていても、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の充電時において負荷１７を安定駆動でき、また電気二重層キャパシタの追加個数を抑制しつつ、主電源１５の電圧低下時における負荷１７の駆動時間を延長することができる。

次に、車両使用終了時の動作については、特に何もしなくても構わない。この場合は、次回の車両使用時に自己放電分を除く電力が第１蓄電部３５と第２蓄電部４１にあらかじめ充電された状態であるので、図２の満充電動作が早く完了し、起動時間を短くすることができる。しかし、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１を満充電状態で放置しておくと電気二重層キャパシタの劣化が進行するので、それを低減するために制御部５９が放電回路５１により第１蓄電部３５と第２蓄電部４１を放電するように制御してもよい。これにより、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１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１蓄電部３５と第２蓄電部４１を充電する際は、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１から負荷１７への給電を切替スイッチ５３でオフにしているので、第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の充電時における電圧変動が負荷１７に伝達せず、負荷１７を安定駆動できる。さらに、主電源１５の電圧低下時や異常時には切替スイッチ５３をオンにすることにより第１蓄電部３５と第２蓄電部４１の合計電圧Ｖｔが印加されるので、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をアイドリングストップ車や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、それらに限らず、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おける車両用補助電源等にも適用可能である。

本発明にかかる電源装置は、蓄電部充電時の負荷の安定駆動と、主電源の電圧低下時や異常時における駆動時間の延長を両立できるので、特に主電源の電圧低下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 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
４９ 第４スイッチ
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 (6)

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正極が接続された第２蓄電部と、
   前記第２蓄電部の第２負極と前記主電源の負極の間に接続された第４スイッチと、
   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、第４スイッチ、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前記切替スイッチをオフにし、
   前記第２スイッチと前記第４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、
   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スイッチと前記第４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１蓄電部と前記第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スイッチをオフにするとともに前記第４スイッチをオンにし、
   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ると充電を中断するようにした請求項４に記載の電源装置。
6. 前記第１スイッチの両端子間、および前記第２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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