JP2009159659A - 電源供給装置、電源供給方法、及び移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】長時間駆動する場合でも小型の二次電池を用いることができる電源供給装置、電源供給方法、及び移動体を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様にかかる電源供給装置は、負荷に対して電源を供給する電源供給装置であって、負荷に対して電流を供給するバッテリ１４１と、バッテリ１４１からの電流によって蓄電可能なキャパシタと、バッテリ１４１から出力される電流を制御するＰＣＵ１４６と、を備えている。ＰＣＵ１４６が、負荷に対して流れる電流が大きい高負荷時に、負荷に対してキャパシタ１４５、及びバッテリ１４１から電流を供給し、負荷に対して流れる電流が小さい低負荷時に、バッテリ１４１から負荷、及びキャパシタ１４５に対して電流を供給している。
【選択図】図３

Description

本発明は、電源供給装置、電源供給方法、及び移動体に関し、特に詳しくは二次電池を用いた電源供給装置、電源供給方法、及び移動体に関する。

近年、人間と共生するロボットが開発されている。このようなロボットでは、様々な機能を付加することによって、より人間の役に立つようになる。従って、ロボットを高機能化することが望まれている。さらに、ロボットを大型化、又は高速化しようとすると、ロボットを駆動するためのモータなどの負荷が大きくなる。従って、ロボットを高出力化することが望まれている。

このようなロボットの高出力化、高機能化が進むにつれて、ロボットに供給される電源電圧の高圧化、高容量化が進んできている。移動型のロボットでは、電源供給用の導電線を外部に接続したままとすることができないため、通常、電源を供給するバッテリが内蔵されている。このバッテリからの電源電圧によって、モータが動作して、移動することができる。

バッテリとして、例えば、リチウム（Ｌｉ）電池パックが広く用いられている。リチウム電池パックでのみ給電を行う場合、最大放電電流値でセルを決定し、容量はセルの並列数により決定される

このようなロボットでは、長時間駆動の要求もある。しかしながら、ロボットの高機能化や高速移動化に伴い、電子デバイスの数やモータ出力が増加してしまう。デバイス数やモータ出力が増加すると、必然的に消費電力も増加する。また、ロボットの高機能化、及び高出力化が進むに連れて、バッテリの瞬時最大放電電流値が増加する。すなわち、移動時は平均的な消費電量とは異なり、高負荷時に瞬間的に極めて大きい電力が必要となる。

このように、ロボットには、高機能化、高出力化の要求とともに、長時間駆動の要求があるため、電源となるバッテリには、瞬間的な高出力性能と長時間駆動の高容量との両性能を満たすよう要求される。

しかしながら、Ｌｉイオン電池において、これらの２つの性能は、図８に示すようにトレードオフの関係にある。すなわち、容量が大きいＬｉイオン電池では、瞬時最大放電電流値が小さい。反対に、瞬時最大放電電流値が大きいＬｉイオン電池では、容量が小さい。そのため、ロボット搭載バッテリでは、瞬間的な高出力性能を満たすセルを使用し、長時間駆動可能な容量を満たすように、リチウム電池パックでのセルの並列数を増やさなくてはならない。この場合、セル数が多くなり、重量、寸法が大きくなってしまうという問題点がある。もちろん、上記の問題点はＬｉイオン電池に限られるものではなく、他の二次電池でも同様にある。

バッテリと電気二重層キャパシタ（コンデンサ）を組み合わせた電源供給装置が開示されている（特許文献１、２）。特許文献１の電源供給装置では、補助電源として電気二重層キャパシタを用いている。そして、過大電流の大部分を電気二重層キャパシタから供給している。また、特許文献２に記載の装置では、常時駆動する小電力の負荷については、二次電池から電力を供給し、駆動頻度が低いが大電力を必要とする負荷については、電気二重層キャパシタから電力を供給している。

特開２００５−１６０１２５号公報 特開２００５−８０４６６号公報

しかしながら、上記の装置では、以下に示す問題点がある。例えば、電気二重層キャパシタでは、蓄積電荷に制限がある。電気二重層キャパシタの蓄積電荷が放電してしまうと、電気二重層キャパシタの電圧が降下する。電圧降下が大きくなると、電気二重層キャパシタから電流を供給することができなくなってしまう。従って、長時間駆動すると電気二重層キャパシタから電流を供給することができなくなり、二次電池から電流を供給しなければならない。よって、長時間駆動した場合、装置からの出力可能電流を大きくするには、瞬時最大放電電流値の大きいバッテリを用いる必要がある。よって、バッテリを大型化しなければならないという問題点がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、長時間駆動する場合でも小型の二次電池を用いることができる電源供給装置、電源供給方法、及び移動体を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様にかかる電源供給装置は、負荷に対して電源を供給する電源供給装置であって、前記負荷に対して電流を供給する二次電池と、前記二次電池からの電流によって蓄電可能なキャパシタと、前記二次電池から出力される電流を制御する電源制御部と、を備え、前記電源制御部が、前記負荷に対して流れる電流が大きい高負荷時に、前記負荷に対して前記コキャパシタ、及び前記二次電池から電流を供給し、前記負荷に対して流れる電流が小さい低負荷時に、前記二次電池から前記負荷、及び前記キャパシタに対して電流を供給するものである。これにより、長時間駆動する場合でも、瞬時最大放電電流値の低い二次電池を用いることができる。よって、長時間駆動する場合でも、小型の二次電池を用いることができる。

本発明の第２の態様にかかる電源供給装置は、上記の電源供給装置であって、前記電源制御部が、前記高負荷時と前記低負荷時との間の通常負荷時に、前記キャパシタを待機状態にするものである。

本発明の第３の態様にかかる電源供給装置は、上記の電源供給装置であって、前記負荷を制御するための指令値に応じて、負荷状況を判定しているものである。これにより、簡便に負荷状況を判定することができる。

本発明の第４の態様にかかる電源供給装置は、上記の電源供給装置であって、前記バッテリのバッテリ電圧と前記キャパシタのキャパシタ電圧との比較結果に応じて、負荷状況を判定しているものである。これにより、キャパシタを効率よく充電することができる。

本発明の第５の態様にかかる移動体は、上記の電源供給装置を用いたものである。これにより、移動体の小型化を図ることができる。

本発明の第６の態様にかかる電源供給方法は、二次電池及びキャパシタから、負荷に対して電源を供給する電源供給方法であって、前記負荷に対して流れる電流が大きい高負荷時であるか否かを判定するステップと、前記高負荷時である場合に、二次電池とキャパシタから前記負荷に対して電流を供給するステップと、前記負荷に対して流れる電流が小さい低負荷時であるか否かを判定するステップと、前記高負荷時である場合に、前記二次電池から前記キャパシタと前記負荷とに対して電流を供給するステップと、を備えるものである。これにより、長時間駆動する場合でも、瞬時最大放電電流値の低い二次電池を用いることができる。よって、長時間駆動する場合でも、小型の二次電池を用いることができる。

本発明の第７の態様にかかる電源供給方法は、上述の電源供給方法であって、前記高負荷時と前記低負荷時との間の通常負荷時と判断した場合に、前記コンデンサを待機状態にするものである。これにより、簡便に負荷状況を判定することができる。

本発明の第８の態様にかかる電源供給方法は、上述の電源供給方法であって、前記負荷を制御するための指令値に応じて、負荷状況を判定しているものである。

本発明の第９の態様にかかる電源供給方法は、上述の電源供給方法であって、前記バッテリのバッテリ電圧と前記キャパシタのキャパシタ電圧との比較結果に応じて、負荷状況を判定しているものである。

本発明によれば、長時間駆動する場合でも小型の二次電池を用いることができる電源供給装置、電源供給方法、及び移動体を提供することが可能になる。

本実施の形態にかかる電源供給装置は、負荷に対して電源を供給する電源供給装置である。電源供給装置は、負荷に対して電流を供給する二次電池と、二次電池からの電流によって蓄電可能なキャパシタと、二次電池から出力される電流を制御する電源制御部と、を備えている。そして、電源制御部が、負荷に対して流れる電流が大きい高負荷時に、負荷に対してキャパシタ、及び二次電池から電流を供給し、負荷に対して流れる電流が小さい低負荷時に、二次電池から負荷、及びキャパシタに対して電流を供給している。

発明の実施の形態１．
本実施の形態にかかる電源供給装置を用いたロボットについて図１を用いて説明する。図１はロボット１００の構成を模式的に示す外観図である。本実施の形態では、ロボット１００が、自律移動する移動ロボットとして説明する。ロボット１００は、車輪２と、筐体３と、腕部４と、を備えている。そして、筐体３の内部には、車輪２と接続されたモータ、及びモータを駆動するための電源部１０４などが設けられている。このモータがロボット１００を駆動するための駆動機構となる。モータを駆動することによって、車輪２が回転して、ロボット１００が移動する。また、腕部４には、関節４ａが設けられている。腕部４の関節４ａは、モータと接続されている。モータ等によって関節４ａを駆動することによって、腕部４の位置、及び姿勢が制御される。さらに、腕部４が駆動することによって、物体の把持などが行なわれる。胴体部、及び頭部１の筐体３には、カメラ、ＬＥＤ、マイク、スピーカなどが設けられている。電源部１０４は、バッテリなどを備えた電源供給装置であり、モータ等の各機器に電源を供給している。

次に、ロボット１００の制御系について図２を用いて説明する。図２は、ロボット１００の制御系を示すブロック図である。ロボット１００は、制御部１０１、入出力部１０２、駆動部１０３、電源部１０４、及び外部記憶部１０５などを有している。

入出力部１０２は、周囲の映像を取得するためのＣＣＤ（Charge Coupled Device）などからなるカメラ１２１、周囲の音を集音するための１又は複数の内部マイク１２２、音声を出力してユーザと対話等を行なうためのスピーカ１２３、ユーザへの応答や感情等を表現するためのＬＥＤ１２４、タッチセンサなどからなるセンサ部１２５などを備える。また、センサ部１２５は、レーザレンジファインダ、エンコーダなどの各種センサを有している。

また、駆動部１０３は、モータ１３１及びモータを駆動するドライバ１３２などを有し、ユーザの指示などに従って車輪２、腕部４の関節４ａを駆動させる。電源部１０４は、バッテリ１４１及びその放充電を制御するバッテリ制御部１４２を有する電源ユニットであり、各部に電源を供給する。そして、バッテリ１４１からの電源は、制御部１０１、入出力部１０２、モータ１３１、外部記憶部１０５等に供給される。電源部１０４は、例えば、筐体３の内部に設けられている。ロボット１００に内蔵されたバッテリ１４１は二次電池であり、例えば、外部のＡＣ電源と接続することによって充電が行なわれる。従って、外部と導電線などで接続されていない状態で、各部を動作させることができる。すなわち、外部のＡＣ電源などに接続していない状態で、ロボット１００が移動する。

バッテリ１４１としては、例えば、リチウム電池パックを用いることができる。さらに、電源部１０４には、電気二重層キャパシタ１４５（以下、キャパシタ１４５とする）が設けられている。バッテリ制御部１４２は、バッテリ１４１、及びキャパシタ１４５からの電源供給を制御するパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）を有している。なお、電源部１０４の詳細については後述する。

外部記憶部１０５は、着脱可能なＨＤＤ、光ディスク、光磁気ディスク等からなり、各種プログラムや制御パラメータなどを記憶し、そのプログラムやデータを必要に応じて制御部１０１内のメモリ（不図示）等に供給する。

制御部１０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、無線通信用のインターフェースなどを有し、ロボット１の各種動作を制御する。そして、この制御部１０１は、例えばＲＯＭに格納された制御プログラムに従ってロボット１００の各部を制御する。制御部１０１は、ドライバ１３２に駆動信号を出力して、モータ１３１の動作を制御する。これにより、ロボット１００が所定の位置まで自律的に移動する。あるいは、関節４ａが駆動して、腕部４が自律的に移動する。具体的には、制御部１０１は、目標位置までの移動経路を生成して、その移動経路に追従するように、モータを制御する。例えば、制御部１０１は、各軸に対する指令値を算出する。そして、ドライバ１３２に指令値に応じた駆動信号を出力する。これにより、各軸のモータが指令値に追従するようにフィードバック制御される。

モータ１３１、及びドライバ１３２は、２つの車輪２や関節にそれぞれ設けられている。これにより、２つの車輪２や関節を独立して駆動することができる。例えば、ドライバ１３２は、モータ１３１の回転数を制御する。これにより、車輪２を所定の回転数で駆動することができる。よって、ロボット１００の目標位置までの移動が可能となる。モータ１３１はロボット１００の内部に取り付けられている。また、これらの各機器は筐体３に収納されている。

なお、ロボットの態様は上述の態様に限られるものではない。例えば、上記の説明では、車輪型のロボット１００について説明したが、これに限るものではない。例えは、関節が設けられた脚部を有する歩行型のロボットであってもよい。

ここで、電源部１０４からの電源で駆動する機器を負荷と称する。従って、ロボット１００には複数の負荷が設けられいる。すなわち、各関節や車輪を駆動するためのモータ１３１や、制御部１０１の各制御基板、入出力部１０２の各機器、外部記憶部１０５などが負荷となる。そして、これらの負荷には、電源部１０４のバッテリ１４１から電源が供給される。そして、制御部１０１は、各負荷の動作を制御している。そして、電源部１０４は、その動作に必要な電流を供給する。

電源部１０４は、負荷に対して流れる電流を制御している。すなわち、電源部１０４は、関節や車輪を駆動するモータ等に対して供給する電流を変化させる。特に、関節や車輪を駆動するモータでは、負荷変動が大きくなる。例えば、関節を速く動かしたい場合や、速く移動したい場合は、関節や車輪を駆動するモータに対して供給する電流を大きくする。また、関節や車輪を停止する場合は、モータに供給している電流を停止する。このようにして、負荷に流れる電流が時間に応じて変化する。一方、センサ部１２５や制御部１０１の制御基板などは、あまり負荷が変化しない。すなわち、これらの機器には、ほぼ一定の定常電流が供給されている。

バッテリ制御部１４２は、負荷状況に応じて、バッテリ１４１、及びキャパシタ１４５の制御を変えている。すなわち、負荷状況に応じて、電源供給源を変えている。例えば、負荷に供給する電流が大きい高負荷時には、バッテリ１４１とキャパシタ１４５の双方から電流を供給する。これにより、電源部１０４が出力可能な瞬時最大出力電流値を向上することができる。また、負荷に供給する電流が小さい低負荷時には、バッテリ１４１から負荷に電流を供給するとともに、バッテリ１４１からキャパシタ１４５に電流を供給する。すなわち、負荷に対する電源供給をバッテリ１４１のみで行う。さらに、バッテリ１４１からの電流によって、キャパシタ１４５を蓄電する。すなわち、バッテリ１４１がキャパシタ１４５を充電する。このように制御することで、バッテリ１４１として低出力型のＬｉ電池パックを用いることが可能になる。よって、高容量のＬｉ電池パックを用いた場合でも、バッテリ１４１を小型にすることができる。また、負荷に流れる電流が高負荷時と低負荷時の間になる通常負荷時では、バッテリ１４１のみによって負荷に電流を供給し、キャパシタ１４５を待機させている。すなわち、キャパシタ１４５に対する充電、及びキャパシタ１４５からの放電を停止している。例えば、キャパシタ１４５の出力側に設けられているスイッチをオフする。

次に、電源部１０４の構成に付いて図３を用いて説明する。図３（ａ）は、通常負荷時の動作を示し、図３（ｂ）は高負荷時の動作を示し、図３（ｃ）は、低負荷時の動作を示している。なお、図３では、負荷として３つのモータアンプが示されているが、負荷の数は、これに限るものではない。電源部１０４は、ロボットの各負荷に対して電源を供給する電源供給装置である。

電源部１０４には、上記のようにバッテリ１４１、及びキャパシタ１４５が設けられている。さらに、バッテリ制御部１４２に設けられたＰＣＵ１４６が設けられている。ここでは、バッテリ１４１としてＬｉ電池パックを用いている。Ｌｉ電池パックは、所定の最大放電電流値を有している。そして、所定数のセルを並列に並べることによって、必要な容量を確保することができる。これにより、駆動時間を長くすることができる。もちろん、Ｌｉ電池パック以外の二次電池をバッテリ１４１として用いてもよい。バッテリ１４１は、外部の充電器などと接続されることによって充電される。

補助電源であるキャパシタ１４５は、電荷を蓄積可能なコンデンサである。そして、高負荷時には放電して、一部の機器に対して電流を供給する。バッテリ１４１からの電流によって、キャパシタ１４５に電荷が蓄電される。バッテリ１４１は、キャパシタ１４５を充電することができる。

バッテリ制御部１４２に設けられたパワーコントロールユニット（以下、ＰＣＵ１４６とする）は、ＣＰＵやメモリ等の演算処理装置を有しており、バッテリ１４１、及びキャパシタ１４５からの電流を制御する。ＰＣＵ１４６は、例えば、メモリ等に記憶されたプログラムに従って制御している。また、ＰＣＵ１４６は、バッテリ電圧、及びキャパシタ電圧を各機器に対応する電圧に変換して、出力してもよい。バッテリ１４１、及びキャパシタ１４５からの電流は、ＰＣＵ１４６を介して、各負荷に供給される。

さらに、ＰＣＵ１４６は制御部１０１からの指令値に応じて、電源制御を変更する。例えば、制御部１０１のＣＰＵ１１１が、各モータを駆動するための指令値を算出している。すなわち、ＣＰＵ１１１は、各モータのモータアンプ１３１ａに指令値を出力する。これにより、モータ毎に算出された指令値に基づいて、各モータがフィードバック制御される。さらに、ＣＰＵ１１１が各軸の指令値をＰＣＵ１４６に出力する。ＰＣＵ１４６は、指令値を元に、ロボット１００を指令値にしたがって駆動するために必要な電流値を算出する。すなわち、電源部１０４から負荷に出力される電流値を演算する。例えば、ロボット１００の駆動に必要な全電流が算出される。もちろん、ＣＰＵ１１１が指令値から電流値を算出してもよい。

ＰＣＵ１４６には、電流値に対するしきい値が２つ設定されている。ここで、２つのしきい値をしきい値ａ、しきい値ｂとする。なお、しきい値ａ＞しきい値ｂとなっている。しきい値ａは、高負荷時か否かを判定するためのしきい値であり、しきい値ｂは低負荷時か否かを判定するためのしきい値である。例えば、電流値がしきい値ａよりも大きい場合、高負荷時と判定する。また、電流値がしきい値ｂよりも小さい場合、低負荷時と判定する。電流値がしきい値ａ以下であり、かつしきい値ｂ以上の場合、通常負荷時と判定する。そして、電流値としきい値との比較結果に応じて、制御を変えている。

通常負荷時には、図３（ａ）に示すように、バッテリ１４１のみから電流を供給し、キャパシタ１４５を待機状態とする。すなわち、キャパシタ１４５では、充放電が行われない。高負荷時には、図３（ｂ）に示すように、バッテリ１４１だけでなくキャパシタ１４５からも電流を供給する。すなわち、バッテリ１４１、及びキャパシタ１４５から電荷が放電される。また、低負荷時には、図３（ｃ）に示すようにバッテリ１４１からＰＣＵ１４６を介してキャパシタ１４５に電流が流れ、キャパシタ１４５が充電される。すなわち、バッテリ１４１は、負荷だけでなくキャパシタ１４５に電流を供給する。電流値がしきい値ｂよりも小さい場合は、バッテリ１４１に余力がある。その余力で、キャパシタ１４５を充電する。これにより、キャパシタ１４５が随時充電され、長持ちする。このため、長時間駆動する場合でも、瞬時最大放電電流値が低いＬｉ電池パックを用いることができる。すなわち、大容量のものを用いたとしても従来に比べて小型のものを用いることが可能になる。

例えば、指令値が大きい場合、モータを駆動するために必要な電流が大きくなる。ＰＣＵ１４６は、各軸の指令値に応じて、負荷を駆動するために必要な負荷電流を予測している。すなわち、各軸の指令値（位置指令値、速度指令値、トルク指令値など）から、負荷に流れる電流値を演算している。指令値を受信して、負荷の電流値を予測することで、バッテリのエラーを防ぐことができる。すなわち、必要な電流が、バッテリ１４１の瞬時最大放電電流値を越えてしまう場合は、補助電源であるキャパシタ１４５からも電流を供給する。これにより、電圧低下などのバッテリエ.ラーを防ぐことができる。このように、バッテリ１４１の不足分をキャパシタ１４５によって補う。

ロボット１００の動作時では、図４に示すように、電流が変化していく。すなわち、時間に応じて必要な電流が変化する。例えば、モータを高速回転させる場合、図４に示すように、瞬間的に負荷電流が高くなる。図４では横軸が時間を示し、縦軸が負荷に流れる電流値を示している。本実施の形態では、ＰＣＵ１４６が２つのしきい値ａ、ｂを記憶している。例えば、バッテリ１４１から供給可能な電流値をしきい値ａとし、バッテリ１４１からキャパシタ１４５へ充電可能な電流値をしきい値ｂとする。なお、電流値は、全ての負荷に対して供給される電流値であってもよく、電流変動が大きい負荷のみに対して供給される電流値であってもよい。しきい値ａ、ｂと電流値との比較結果に応じて、ＰＣＵ１４６は、低負荷時、高負荷時、通常負荷時のいずれになるかを判定する。指令値に基づいて、負荷状況を判定することによって、適切な判断が可能になる。

モータの高速駆動によって必要な電流が大きくなる高負荷時では、バッテリ１４１、及びキャパシタ１４５から電流を供給する。これにより、バッテリ１４１の最大電流値を低減することができる。よって、小型でも、容量の大きなバッテリ１４１を選定することが可能になる。また、モータ１３１が停止して必要な電流が小さくなる低負荷時では、キャパシタ１４５を充電する。これにより、キャパシタ１４５が完全に放電しないため、キャパシタ１４５を長時間使用することが可能になる。瞬時最大放電電流値（放電可能電流）の小さいＬｉ電池パックを用いることができる。このため、バッテリ１４１として、小型で容量の大きいものを用いることができる。従って、長時間駆動する場合でも、小型の二次電池を用いることができる。なお、しきい値ａとしきい値ｂを同じ値にしてもよい。この場合、通常負荷時がなく、高負荷時か低負荷時のいずれかと判定される。

本実施の形態にかかる電源供給方法について図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態にかかる電源供給方法を示すフローチャートである。まず、ロボット１００のＳＷをＯＮする（ステップＳ１０１）。これにより、バッテリ１４１からキャパシタ１４５に電流が供給されて、キャパシタ１４５が充電される（ステップＳ１０２）。キャパシタ１４５の充電が完了するとロボット１００の電源がＯＮされる（ステップＳ１０３）。これにより、各モータがフィードバック制御され、ロボット１００が移動する。

次に、ロボット１００のＳＷがＯＦＦか否かを判定する（ステップＳ１０４）。ＳＷがＯＮの場合、ＰＣＵ１４６がＣＰＵ１１１から出力される各軸の指令値を受信する（ステップＳ１０５）。すなわち、各ＣＰＵ１１１は、モータをフィードバック制御するための指令値をモータ毎に算出する。そして、それらの指令値をＰＣＵ１４６に出力する。ＰＣＵ１４６をそれらの指令値を電流値に変換する（ステップＳ１０６）。すなわち、電源部１０４から出力される電流値を予測する。なお、制御部１０１が電流値を算出してもよい。

次に、電流値としきい値ａとを比較する（ステップＳ１０７）。電流値がしきい値ａを超えている場合は、高負荷時と判定して、バッテリ１４１、及びキャパシタ１４５から放電する（ステップＳ１０８）。すなわち、バッテリ１４１、及びキャパシタ１４５の両方から電流を負荷に対して供給する。そして、ステップＳ１０４に戻る。また、ステップＳ１０７において、電流値がしきい値ａを超えていない場合は、電流値としきい値ｂとを比較する（ステップＳ１０９）。電流値がしきい値ｂ以下の場合は、バッテリ１４１を放電して、キャパシタ１４５を充電する（ステップＳ１１０）。すなわち、バッテリ１４１からキャパシタ１４５、及び負荷に対して電流を供給する。そして、ステップＳ１０４に戻る。

ステップＳ１０９において、電流値がしきい値ｂよりも大きい場合、通常負荷時と判定して、バッテリ１４１を放電して、キャパシタ１４５を待機させる（ステップＳ１１１）。すなわち、バッテリ１４１のみから負荷に対して電流を供給し、キャパシタ１４５の充放電を停止する。そして、ステップＳ１０４に戻る。

そして、ステップＳ１０４〜ステップＳ１１１までの処理を、ロボット１００のＳＷがＯＦＦになるまで繰り返す。ステップＳ１０４において、ＳＷがＯＦＦであると判定されたら、キャパシタ１４５の残電荷を放電する（ステップＳ１１２）。そして、キャパシタ１４５の残電荷の放電が完了したら（ステップＳ１１３）、ロボット電源をＯＦＦにする（ステップＳ１１４）。このようにして、ロボット１００の動作が停止する。このようにして、電源供給装置である電源部１０４を制御することで、小型で大容量なバッテリ１４１を用いることができる。すなわち、大容量のＬｉ電池パックを用いた場合でも、大型化を防ぐことができる。よって、ロボット１００の小型化を図ることができる。

発明の実施の形態２．
本実施の形態にかかる電源制御について、図６、図７を用いて説明する。図６は、電源部１０４の動作を説明するための図である。図６（ａ）は、通常負荷時の動作を示す図であり、図６（ｂ）は、低負荷時の動作を示す図であり、図６（ｃ）は高負荷時の動作を示す図である。図７は、負荷電流に対するキャパシタ電圧、及びバッテリ電圧を示す図である。図７の上側には、負荷電流の変化が示され、図７の下側には、キャパシタ電圧、及びバッテリ電圧が示されている。本実施の形態では、実施の形態１と異なる方法で、負荷状況を判断している。すなわち、指令値から算出された電流値ではなく、バッテリ電圧とキャパシタ電圧に基づいて、負荷状況を判定している。なお、実施の形態１と同様の内容については説明を省略する。

具体的には、電源部１０４にバッテリ電圧、及びキャパシタ電圧を監視する電圧計を設ける。そして、バッテリ１４１が電圧降下している否かを判定するため、バッテリ電圧を基準電圧と比較する。高負荷時には、バッテリ１４１の電圧降下が発生している。このため、バッテリ電圧が予め設定された基準電圧を下回る。なお、この基準電圧は、通常時のバッテリ１４１の出力電圧に応じて設定することができる。さらに、バッテリ電圧が降下していない場合は、バッテリ電圧とキャパシタ電圧とを比較する。バッテリ電圧とキャパシタ電圧との比較結果によって、通常負荷時又は低負荷時のいずれであるかを判定する。

なお、以下に説明する例では、充電完了後、放電開始前のバッテリ電圧とキャパシタ電圧が等しいものとして説明する。また、負荷電流が図７に示すように増減している例について説明する。すなわち、負荷電流が徐々に増加していき、バッテリ１４１の瞬時最大放電電流値（Ｌｉ放電可能電流）を越える。そして、瞬時最大放電電流値を越えた後も、さらに増加していき、ある電流値まで増加すると、徐々に減少していく。そして、瞬時最大放電電流値よりも下がり、０となる。また、図７に示すように、上記のように負荷電流が増減している期間を区間Ａ，区間Ｂ、区間Ｃ１、区間Ｃ２に分けて説明する。

図７のＡの区間では、バッテリ電圧が基準電圧よりも高くなっている。すなわち、バッテリ１４１が電圧降下していないため、高負荷時ではないと判定される。この場合、バッテリ電圧とキャパシタ電圧を比較する。ここでは、キャパシタ１４５による電源供給が開始していないため、キャパシタ電圧が降下していない。これにより、キャパシタ電圧がバッテリ電圧と等しくなっている。よって、図６（ａ）に示すように通常負荷時と判定して、キャパシタ１４５を待機させる。すなわち、バッテリ１４１のみが放電して、負荷に電流を供給する。

負荷電流が増加して、瞬時最大放電電流値（Ｌｉ放電可能電流）を越えると、図７の区間Ｂになる。この場合、バッテリ電圧が降下して、基準電圧よりも低くなる。よって、図６（Ｃ）に示すように、高負荷時と判定する。従って、バッテリ１４１による電流供給とともに、キャパシタ１４５による電流供給が行われる。これにより、キャパシタ電圧も降下していく。このように、区間Ｂの前半では、負荷電流が瞬時最大放電電流値を超えたまま、増加していくため、キャパシタ電圧、及びバッテリ電圧が低下していく。区間Ｂの後半では、負荷電流が減少していくため、バッテリ電圧が回復し始める。すなわち、バッテリ電圧が徐々に上昇していく。なお、区間Ｂではバッテリ電圧が基準電圧を越えないため、キャパシタ１４５が充電されない。すなわち、キャパシタ電圧が上昇しない。また、区間Ｂの後半では、キャパシタの容量を越えるまで放電が行われたため、ＰＣＵ１４６がキャパシタ電圧からの電流供給を停止している。

さらに、負荷電流が減少していくと、区間Ｃ１になる。区間Ｃ１では、負荷電流が、瞬時最大放電電流値よりも小さくなっている。よって、高負荷時ではないと判定される。この場合、バッテリ電圧とキャパシタ電圧とを比較する。区間Ｃ１では、キャパシタ電圧がバッテリ電圧よりも低くなっている。すなわち、高負荷であった区間Ｂにおいて、キャパシタ１４５が放電していたため、区間Ｃ１ではキャパシタ電圧が回復していない。よって、図６（ｂ）に示すように、低負荷時と判定する。この場合、バッテリ１４１がキャパシタ１４５を充電して、キャパシタ１４５に電荷が蓄積される。よって、区間Ｃ１では、キャパシタ電圧が徐々に上昇していく。

そして、キャパシタ電圧が徐々に上昇して、バッテリ電圧と等しくなると区間Ｃ２になる。この区間Ｃ２では、キャパシタ電圧とバッテリ電圧が一致しているため、図６（ａ）に示すように通常負荷時と判定される。すなわち、キャパシタ電圧が十分上昇したため、キャパシタ１４５の充電が必要ないと判断される。これにより、バッテリ１４１のみが放電して、キャパシタ１４５は、待機状態になる。

上記のように電源を供給することによって、バッテリの余力分が必ず、キャパシタ１４５の充電電流となる。すなわち、キャパシタ１４５に充電が必要な時に、充電が実施される。したがって、効率よく充電することができる。また、ＰＣＵ１４６がＣＰＵ１１１からの指令値を受信して、電流値を計算する必要がなくなる。これにより、ＰＣＵ１４６内の制御基板などの小型化を図ることができる。なお、本実施の形態では、電圧降下量の検討が必要になるため、バッテリ１４１のセルの選定について注意する必要がある。

上記の説明ではキャパシタ電圧とバッテリ電圧が等しくなったか否かに応じて、低負荷時か通常負荷時かを判定したが、これに限るものではない。すなわち、バッテリ電圧とキャパシタ電圧が一致した場合に限らず、バッテリ電圧で決まる許容範囲にキャパシタ電圧が含まれている場合に、通常負荷時と判定してもよい。このように、バッテリ電圧とキャパシタ電圧との比較結果に応じて、負荷状況を判定すればよい。

もちろん、実施の形態１、２を組み合わせてもよい。さらには、ロボットに限らず、二次電池を用いた移動体に対して上記の電源供給装置を適用してもよい。上記の電源供給装置を用いることで、移動体、ロボットを小型化、軽量化を図ることができる。

本発明の実施形態にかかるロボットの構成を模式的に示す図である。 本発明の実施形態にかかるロボットの制御系を概念的に表したブロック図である。 実施の形態１にかかる電源部の動作を説明するための図である。 負荷に流れる電流の時間変化を示す図である。 実施の形態１にかかる電源供給方法を示すフローチャートである。 実施の形態２にかかる電源供給部の動作を説明するための図である。 実施の形態２にかかる制御での電圧変化を示す図である。 リチウム電池パックの性能を示す図である。

符号の説明

１ 頭部、２ 車輪、３ 筐体、４ 腕部
１０１ 制御部、１１１ ＣＰＵ
１０２ 入出力部、
１２１ カメラ、１２２ 内部マイク、１２３ スピーカ、
１２４ ＬＥＤ、１２５ センサ部、
１０３ 駆動部
１３１ モータ、１３２ ドライバ
１０４ 電源部
１４１ バッテリ、１４２ バッテリ制御部、
１４５ 電気二重層キャパシタ、１４６ ＰＣＵ

Claims (9)

1. 負荷に対して電源を供給する電源供給装置であって、
   前記負荷に対して電流を供給する二次電池と、
   前記二次電池からの電流によって蓄電可能なキャパシタと、
   前記二次電池から出力される電流を制御する電源制御部と、を備え、
   前記電源制御部が、
   前記負荷に対して流れる電流が大きい高負荷時に、前記負荷に対して前記キャパシタ、及び前記二次電池から電流を供給し、
   前記負荷に対して流れる電流が小さい低負荷時に、前記二次電池から前記負荷、及び前記キャパシタに対して電流を供給する電源供給装置。
2. 前記電源制御部が、前記高負荷時と前記低負荷時との間の通常負荷時に、前記キャパシタを待機状態にする請求項１に記載の電源供給装置。
3. 前記負荷を制御するための指令値に応じて、負荷状況を判定している請求項１、又は２に記載の電源供給装置。
4. 前記バッテリのバッテリ電圧と前記キャパシタのキャパシタ電圧との比較結果に応じて、負荷状況を判定している請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源供給装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電源供給装置を有する移動体。
6. 二次電池及びキャパシタから負荷に対して電源を供給する電源供給方法であって、
   前記負荷に対して流れる電流が大きい高負荷時であるか否かを判定するステップと、
   前記高負荷時である場合に、前記二次電池と前記キャパシタから前記負荷に対して電流を供給するステップと、
   前記負荷に対して流れる電流が小さい低負荷時であるか否かを判定するステップと、
   前記低負荷時である場合に、前記二次電池から前記キャパシタ及び前記負荷に対して電流を供給するステップと、を備える電源供給方法。
7. 前記高負荷時と前記低負荷時との間の通常負荷時と判定した場合に、前記キャパシタを待機状態にする請求項６に記載の電源供給方法。
8. 前記負荷を制御するための指令値を算出する制御部をさらに備え、
   前記電源制御部が、前記指令値に応じて、負荷状況を判定している請求項６、又は７に記載の電源供給方法。
9. 前記バッテリのバッテリ電圧と前記キャパシタのキャパシタ電圧との比較結果に応じて、負荷状況を判定している請求項６乃至８のいずれか１項に記載の電源供給方法。
   

Images