JP2022048436A - バックアップ電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】バックアップ電源システムからの電力出力の効率を向上させる。【解決手段】入力部２と出力部３と蓄電部４とアクチュエータ５と指示部６と制御部７と充電回路８と、双方向動作が可能な放電回路９と、を含み、制御部７が放電回路９に昇圧動作を実行させている期間において、第１指示によってアクチュエータ５が動作しているときに、出力部３の電圧が予め設定されていた閾値を超えたことを制御部７が検出すると、アクチュエータ５が少なくとも第１方向とは異なる方向および第１変位量とは異なる変位量のいずれかで動作したと判断し、制御部７は、放電回路９に昇圧動作を停止させて、さらにそのあと放電回路９に、少なくとも出力部３で検出されている電圧が閾値を超えている間にわたって出力部３の電圧を降圧させて、蓄電部４を充電する降圧動作を実行させる。【選択図】図１

Description

本発明は、各種電気機器に使用されるバックアップ電源システムに関するものである。

以下、従来のバックアップ電源について説明する。従来のバックアップ電源では、バックアップ電源の出力部に電力の出力方向とは逆方向からの電力が発生した場合の対策として、バックアップ電源に逆方向の電流が流れないように、バックアップ電源から負荷への方向を順方向とした整流素子が設けられていた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。

特開２０１４－３３５３３号公報

しかしながら従来のバックアップ電源では、負荷からバックアップ電源への逆方向の電力を防止するための整流素子が設けられた場合、順方向の電力供給時に整流素子による順方向損失が生じることでバックアップ電源の出力電力の効率が低下するという課題があった。

そこで本発明は電力の出力効率を向上させることを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために本発明は、入力部と、出力部と、蓄電部と、前記出力部に接続されたアクチュエータと、前記入力部から前記蓄電部への充電経路に接続された充電回路と、前記蓄電部から前記出力部への放電経路に接続された放電回路と、第１指示によって前記アクチュエータを第１方向に第１変位量で動作させる指示部と、前記出力部の電圧を検出可能で、かつ、前記放電回路の動作を制御可能な制御部と、を備え、前記放電回路は双方向動作が可能なＤＣＤＣコンバータを有し、前記制御部が前記放電回路からの電力出力が必要であると判断したときに、前記制御部は前記放電回路に、前記蓄電部の電圧を昇圧し、そして前記出力部から前記アクチュエータへ第１電圧を給電する、昇圧動作を実行させ、前記制御部が前記放電回路に前記昇圧動作を実行させている期間において、前記第１指示によって前記アクチュエータが動作しているときに、前記出力部の電圧が予め設定されていた閾値を超えたことを前記制御部が検出すると、前記制御部は、前記アクチュエータが少なくとも前記第１方向とは異なる方向および前記第１変位量とは異なる変位量のいずれかで動作したと判断し、前記制御部は、前記放電回路に前記昇圧動作を停止させて、さらにそのあと前記放電回路に、少なくとも前記出力部で検出されている電圧が前記閾値を超えている間にわたって前記出力部の電圧を降圧させて、前記蓄電部を充電する降圧動作を実行させ、前記降圧動作の完了後に、再度前記放電回路からの電力出力が必要であると判断したときに、前記制御部は前記放電回路に前記蓄電部の電圧を昇圧して前記出力部から前記アクチュエータへ給電する昇圧動作を実行させる、ことを特徴としたものである。

本発明によれば、アクチュエータへの電力供給の際に抵抗成分を伴うデバイスを追加して配置することが不要となる。これにより大きな電流が流れるときの直流抵抗による損失が抑制され、この結果としてバックアップ電源システムからアクチュエータへの電力供給時の出力効率を向上させることができる。

またさらに、バックアップ電源システムの出力部に逆方向からの電力が印加された場合には、出力部に逆方向から高い電圧が継続して印加される時間は限定され、逆方向からの電力はバックアップ電源システムの蓄電部への充電によって吸収される。このため、バックアップ電源システムを構成する素子に耐電圧が大きなデバイスを用いる必要はなく、またデバイスに耐電圧の不足によって破損が生じることが抑制される。

さらに、バックアップ電源システムではバックアップのための電力を出力中にアクチュエータに対する操作状態と、アクチュエータの反応との間に異常が生じていることを制御部が検出する。これによって、制御部は蓄電部からアクチュエータへバックアップ電力の供給を一時的に停止し、そしてアクチュエータから逆流する電力を用いてバックアップ電源システムは降圧動作によって蓄電部を充電する。またさらに、逆流する電力を用いた蓄電部への充電の完了後に、再充電された状態の蓄電部から必要に応じてアクチュエータへ改めてバックアップ電力の供給が可能となる。この結果として、アクチュエータへの長期間にわたってのバックアップ電力の供給が可能となる。

本発明の実施の形態におけるバックアップ電源システムの構成を示す第１回路ブロック図 本発明の実施の形態におけるバックアップ電源システムの構成を示す第２回路ブロック図 本発明の実施の形態におけるバックアップ電源システムの動作を示すタイミングチャート

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態におけるバックアップ電源システムの構成を示す第１回路ブロック図である。バックアップ電源システム１は、入力部２と出力部３と蓄電部４とアクチュエータ５と指示部６と制御部７と充電回路８と放電回路９とを含む。

アクチュエータ５は出力部３に接続されている。充電回路８は、入力部２から蓄電部４への充電経路８Ａに接続されている。放電回路９は、蓄電部４から出力部３への放電経路９Ａに接続されている。指示部６はアクチュエータ５に対する動作指示を行い、指示部６は第１指示によってアクチュエータ５を第１方向に第１変位量で動作させる。制御部７は出力部３の電圧を検出することができ、かつ、放電回路９の動作を制御することができる。また、放電回路９は双方向動作が可能なＤＣＤＣコンバータを有し、放電回路９は厳密には充放電が可能な機能を有している。

制御部７が放電回路９からの電力出力が必要であると判断したときに、制御部７は放電回路９に昇圧動作を実行させる。ここで昇圧動作は、蓄電部４の電圧を昇圧し、そして、蓄電部４に蓄えられた電力を出力部３からアクチュエータ５へ第１電圧で給電する動作である。

ここで制御部７が放電回路９に昇圧動作を実行させている期間において、指示部６によ
る第１指示によってアクチュエータ５が動作しているときに、出力部３の電圧が予め設定されていた閾値を超えたことを制御部７が検出すると、アクチュエータが５少なくとも第１方向とは異なる方向および第１変位量とは異なる変位量のいずれかでの動作をしたと、制御部７は判断する。

そして制御部７は、放電回路９に昇圧動作を停止させる。さらにそのあと、少なくとも出力部３で検出されている電圧が閾値を超えている間にわたって、出力部３の電圧を降圧させて蓄電部４を充電する降圧動作を、放電回路９に制御部７は実行させる。

そして降圧動作の完了後に、再度の放電回路９からの電力出力が必要であると制御部７が判断したときに、蓄電部４の電圧を昇圧して出力部３からアクチュエータ５へ給電する昇圧動作を、制御部７は放電回路９に実行させる。

以上の構成および動作によって、アクチュエータ５から出力部３へと向かう電力が発生した場合に備えて設けられ、出力部３からアクチュエータ５への順方向の電力供給の際に抵抗成分を伴うデバイスを追加して配置することが不要となる。これにより大きな電流が順方向に流れるときの直流抵抗による損失が抑制される。この結果としてバックアップ電源システム１からアクチュエータ５への電力供給時の出力効率を向上させることができる。

またさらに、バックアップ電源システム１の出力部３に逆方向からの電力が印加された場合には、アクチュエータ５から出力部３に向かう方向である逆方向の高い電圧が耐電圧を必要とする状態で継続して印加され時間は限定される。あるいは、アクチュエータ５から出力部３に向かう方向である逆方向の高い電圧に伴う短絡電流などの発生は抑制される。そして逆方向からの電力はバックアップ電源システム１の蓄電部４への充電によって吸収される。このため、バックアップ電源システム１を構成する素子に耐電圧が大きなデバイスを用いる必要はなく、またデバイスに耐電圧の不足によって破損が生じることが抑制される。

そしてさらに、バックアップ電源システム１ではバックアップのための電力を出力している最中にアクチュエータ５に対する操作状態と、アクチュエータ５の反応との間に異常が生じていることを制御部７が検出する。これによって、制御部７は蓄電部４からアクチュエータ５へバックアップ電力の供給を一時的に停止し、そしてアクチュエータ５から逆流する電力を用いてバックアップ電源システム１は降圧動作を用いることによって蓄電部４を充電する。またさらに、逆流する電力を用いた蓄電部４への充電の完了後に、再度充電された状態の蓄電部４から必要に応じてアクチュエータ５へ改めてバックアップ電力を供給することが可能となる。この結果として、アクチュエータ５への長期間にわたってのバックアップ電力の供給が可能となる。

以下で、バックアップ電源システム１の構成および動作について図２の本発明の実施の形態におけるバックアップ電源システムの構成を示す第２回路ブロック図および図３の本発明の実施の形態におけるバックアップ電源システムの動作を示すタイミングチャートを用いて説明する。

ここでは実施例として車両１０の車体１１に搭載されたバックアップ電源システム１の動作を用いて説明する。またここで、車両１０においては指示部６はステアリングホイールなどに相当する。また、アクチュエータ５は電磁エネルギーを運動エネルギーに変換するモータであって、車両１０においてはパワーステアリング用モータなどに相当する。

車体１１に搭載されたバックアップ電源システム１は、入力部２と出力部３と蓄電部４
とアクチュエータ５と指示部６と制御部７と充電回路８と放電回路９とを含む。アクチュエータ５は出力部３および指示部６に接続されている。入力部２には車体１１に搭載された車両バッテリー１２が接続されている。充電回路８は、入力部２から蓄電部４への充電経路８Ａに接続されている。放電回路９は、蓄電部４から出力部３への放電経路９Ａに接続されている。指示部６はアクチュエータ５に対する動作指示を行い、指示部６は第１指示によってアクチュエータ５を第１方向に第１変位量で動作させる。制御部７は出力部３の電圧を検出することができ、かつ、放電回路９の動作を制御することができる。また、放電回路９は双方向動作が可能なＤＣＤＣコンバータを有する。また制御部７はアクチュエータ５に対する指示部６からの指示を常時において監視している。

また、車両バッテリー１２とアクチュエータ５とは電力経路１３によって接続されている。いいかえると、蓄電部４と充電回路８と放電回路９とを有するバックアップ電源回路１Ａと、電力経路１３とは、並列で車両バッテリー１２とアクチュエータ５とを接続している。電力経路１３には整流素子１４が配置されていて、整流素子１４のカソードがアクチュエータ５に接続され、整流素子１４のアノードが車両バッテリー１２に接続されている。

先に述べたように、充電回路８は、入力部２から蓄電部４への充電経路８Ａに接続されている。充電回路８は、車両バッテリー１２の電圧を変換したうえで蓄電部４を充電する機能を有する場合、昇圧回路や降圧回路によって構成されているとよい。あるいは、車両バッテリー１２の電圧そのままで蓄電部４を充電する場合は、単に導体によって構成されている充電回路８であってよい。

また先に述べたように、放電回路９は双方向動作が可能なＤＣＤＣコンバータを有する。放電回路９に用いる双方向ＤＣＤＣコンバータの構成の一例としては、蓄電部４から出力部３へと直列で順に接続された、第１インダクタ１５と第１スイッチ素子１６と第２インダクタ１７とを有する。そして、第１インダクタ１５と第１スイッチ素子１６との接続点１８とグランドＧとに接続された第２スイッチ素子１９と、第２インダクタ１７と出力部３との接続点２０とグランドＧとに接続された第１平滑コンデンサ２１とを有する。場合によってはさらに、第１スイッチ素子１６と第２インダクタ１７との接続点２２とグランドＧとに接続された第２平滑コンデンサ２３が設けられてもよい。

放電回路９が蓄電部４に蓄えられた電力をアクチュエータ５へ電圧を昇圧たうえで放電する場合は、第１スイッチ素子１６が接続状態とされたうえで、第２スイッチ素子１９がオンオフを繰り返すスイッチング動作を行う。ここでの第１スイッチ素子１６と第２スイッチ素子１９との動作は制御部７によって制御される。この一方で、アクチュエータ５で発生した電力を用いて電圧を降圧したうえで蓄電部４を充電する場合は、第２スイッチ素子１９が接続状態とされたうえで、第１スイッチ素子１６がオンオフを繰り返すスイッチング動作を行う。ここでの第１スイッチ素子１６と第２スイッチ素子１９との動作は制御部７によって制御される。

先にも述べたように、放電回路９は双方向ＤＣＤＣコンバータとして動作することが可能であり、蓄電部４の電力を放電する動作と、蓄電部４を充電する動作との双方が可能である。蓄電部４の電力を放電する動作では、放電回路９は昇圧回路として、第１スイッチ素子１６が遮断された状態で、第２スイッチ素子１９をオン、オフさせてスイッチング動作するように制御部７によって制御されるとよい。また、蓄電部４を充電する動作では、放電回路９は降圧回路として、第２スイッチ素子１９が遮断された状態で、第１スイッチ素子１６をオン、オフさせてスイッチング動作するように制御部７によって制御されるとよい。

ここで、放電回路９に用いるスイッチ素子としては電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）が主に用いられるが、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などが用いられてもよい。

以上が、バックアップ電源システム１の主に構成についての説明である。次に、車両１０を含めたうえでのバックアップ電源システム１の動作について説明する。

車両１０が正常な状態で駆動しているときの動作であるＴ０のタイミング以前における動作について説明する。車両１０が駆動しているとき充電回路８は蓄電部４を充電する。あるいは充電回路８は蓄電部４の充電状態を維持するように動作する。充電回路８は車両１０が休止状態から駆動状態へと切り替わったタイミングで始められてよい。蓄電部４の充電状態はＴ０のタイミング以前において満充電に近い電圧で、かつ、劣化が進行し難い水準の電圧となっている状態であることがよい。

また、Ｔ０のタイミング以前では、放電回路９は休止状態あるいは、動作していても出力部３へは電力を出力しない。いいかえるとＴ０のタイミング以前では、放電回路９は蓄電部４に蓄えられた電力を放出しない状態である。また、Ｔ０のタイミング以前では、車両バッテリー１２や電力経路１３は健全な状態であり、アクチュエータ５への車両バッテリー１２からの電力供給が正常な状態である。このため、Ｔ０のタイミング以前での出力部３の電圧は、車両バッテリー１２からの１２Ｖが検出されている。

次にＴ０のタイミング以降について説明する。たとえばＴ０のタイミングは、車両１０が何らかのアクシデントによって車両バッテリー１２が失陥したタイミングである。これは車両バッテリー１２が破損状態となることや電力経路１３における接続状態の不具合、あるいは電力経路１３であるハーネスに切断が生じたことなどにより、車両バッテリー１２からの電力供給が不可能となったタイミングに相当する。またあるいは、Ｔ０のタイミングは車両１０に設けられた異常検出部（図示せず）が警告信号を発したタイミングに相当する。

ここで制御部７はＴ０のタイミングで、車両１０の駆動スイッチ（図示せず）がオン状態であるにもかかわらず車両バッテリー１２の電圧が閾値以下へと低下したことを検出することによって、車両バッテリー１２からの電力供給が不可能なバッテリー失陥状態となり、バックアップ電源システム１からの電力供給が必要になったと判断するとよい。また、制御部７はＴ０のタイミングで、車両バッテリー１２からの電力供給が不可能となった異常な状態を車体１１に設けられた異常検出部（図示せず）から発せられる警告信号を検出することによって、バックアップ電源システム１からの電力供給が必要になったと判断するとよい。またあるいは、制御部７はＴ０のタイミングで、車体１１に設けられた異常検出部（図示せず）から発せられる車両衝突信号を検出することによって、バックアップ電源システム１からの電力供給が必要になったと判断するとよい。

さらには、制御部７はＴ０のタイミングで、バッテリー失陥と、車体１１に設けられた異常検出部（図示せず）から発せられる信号との、双方を検出したことによって、バックアップ電源システム１からの電力供給が必要になったと判断するとよい。

上記のようにＴ０のタイミングで制御部７が車両バッテリー１２の失陥や車両１０の異常を検出すると、制御部７はアクチュエータ５へ電力を供給するようにバックアップ電源システム１の特に放電回路９を動作させる。いいかえると、Ｔ０のタイミングは、制御部７が放電回路９からの電力出力が必要であると判断するときである。このとき制御部７は放電回路９に昇圧動作を実行させる。ここで昇圧動作は、蓄電部４の電圧を昇圧し、そして、蓄電部４に蓄えられた電力を出力部３からアクチュエータ５へ第１電圧Ｖ１で給電す
る動作である。また、車両バッテリー１２の失陥状態においては、制御部７が駆動するための電力は、蓄電部４あるいは放電回路９から供給されるとよい。

ここでは車両バッテリー１２が失陥状態となった場合であっても、Ｔ０のタイミングからＴ２のタイミングにかけて、アクチュエータ５への電力供給がバックアップ電源システム１によって維持、継続される。そして、Ｔ０のタイミングからＴ２のタイミングにかけては、指示部６であるステアリングホイールの操作によって指示変位量に応じてアクチュエータ５を動作させ、車両１０の操舵可能な状態が維持される。

厳密には、Ｔ０のタイミングで放電回路９からアクチュエータ５への電力供給が可能となり、Ｔ０のタイミングの後のＴ１のタイミングで車両１０の搭乗者が指示部６であるステアリングホイールの操作を始める。そして搭乗者の操作に対応して蓄電部４に蓄えられた電力が出力部３を通じてアクチュエータ５へ供給され始める。これにより、蓄電部４に蓄えられた電力によってアクチュエータ５は動作し、車両１０は操舵されることとなる。ここで、Ｔ０のタイミングとＴ１のタイミングは時間差を設けた状態で例示しているが、Ｔ０のタイミングとＴ１のタイミングは同時であっても構わない。

このようにＴ１のタイミングで車両１０の搭乗者が指示部６であるステアリングホイールの操作を始めると、指示部６による指示に対応した指示方向と指示変位量でアクチュエータ５は動作し、車両１０は操舵されることとなる。例えば、アクチュエータ５が第１方向に、第１変位量に動作するときには、指示部６が第１指示を実行しているときである。いいかえると、指示部６からの指示とアクチュエータ５の動作とは相応する関係となっている。当然ながら、ステアリングホイールに相当する指示部６からの指示は一定状態であっても、あるいは時々刻々変化することも可能である。したがって、アクチュエータ５の動作方向と変位量も、指示部６に対応して一定状態であっても時々刻々変化することも可能である。

Ｔ１のタイミングでは、蓄電部４に蓄えられた電力を出力部３からアクチュエータ５へ第１電圧Ｖ１で印加され始める。そして、指示部６からの指示に応じてアクチュエータ５には蓄電部４から放電回路９を通じて電力が供給される。例えば、指示部６からの指示が単位時間当たりで大きな指示幅である場合は、アクチュエータ５には大きな電力が供給され、アクチュエータ５は短時間で大きな変位量の急な動作を実行する。この一方で、指示部６からの指示が単位時間当たりで小さな指示幅である場合は、アクチュエータ５には小さな電力が供給され、アクチュエータ５はゆっくりとした動作を実行する。当然ながら、指示部６からの指示があるポイントで止まっている場合は、アクチュエータ５には電力が供給されなく、アクチュエータ５は動作を実行しない。

ここで、指示部６からの指示に対してアクチュエータ５が指示通りの方向に指示通りの変化量で正常に動作することによって出力部３から出力される第１電圧Ｖ１は電力の供給状態によって多少は変動するものの、その変動幅は小さい。例えば、指示部６からの指示に対してアクチュエータ５が指示通りの方向に指示通りの変化量で正常に動作する場合、出力部３から出力される電圧は、第１電圧Ｖ１＋Ｖ２と、第１電圧Ｖ１－Ｖ２との間で収まる。そして、あとで説明する電圧閾値Ｖｔｈは、第１電圧Ｖ１＋Ｖ２よりも高い値の電圧値となる。

ここで、蓄電部４には二次電池が用いられ、特に高い電流密度が得られる電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタなどが用いられるとよい。また、蓄電部４にキャパシタが用いられている場合などは、蓄電部４の電力によってアクチュエータ５が動作することにより蓄電部４に蓄えられた電力は漸減する。しかしながら、放電回路９が正常に動作可能な電圧よりも高い電圧を蓄電部４が維持している間は、放電回路９は第１電圧Ｖ１
を出力し続けることが可能である。

上記では、Ｔ０のタイミングか以降の、車両バッテリー１２が失陥状態となった非常時において、アクチュエータ５への電力供給が蓄電部４の電力によって維持、継続されるとして説明した。また、Ｔ０のタイミングからＴ２のタイミングにかけての非常時において、指示部６による指示に対応した指示方向と指示変位量でアクチュエータ５は動作が可能な状態となっている。

ここでＴ２のタイミングは、何らかの外力に伴って、搭乗者が操作することによる指示部６による指示と、アクチュエータ５の動作との関係が一致しなくなったときに相当する。いいかえるとＴ２のタイミングは、指示部６が第１指示を実行しているときに、アクチュエータ５が第１指示に対応する第１方向とは異なる方向に動いたとき、あるいは、アクチュエータ５が第１指示に対応する第１変位量から所定の変位量閾値を越えて異なる変位量へと動いたときの、少なくとも何れか一方が生じたタイミングに相当する。一例としては、車両１０の車輪（図示せず）が路側に設けられた縁石（図示せず）などの障害物に乗り上げて一時的に搭乗者の操舵と車輪（図示せず）の方向や変化などが一致しなくなる状態が始まったタイミングがＴ２に相当することとなる。

アクチュエータ５が例えば電磁誘導によって動作するモータである場合、指示部６が第１指示を実行しているときに、アクチュエータ５が第１指示に対応する第１方向とは異なる方向に動いたとき、あるいは、アクチュエータ５がある第１指示に対応する第１変位量から第１変位量とは異なる変位量へと動いた場合、アクチュエータ５には逆起電力が発生する。アクチュエータ５に電磁式モータが用いられた場合、アクチュエータ５の起動時や停止時には、アクチュエータ５の巻線部（図示せず）の両端に逆起電力が発生する。しかしながら、上記のように指示部６からの指示とは異なる動作がアクチュエータ５に生じると、通常の起動や停止時に比較して大きな逆起電力が発生することとなる。

上記の状態における動作推移の一例を図３のタイミングチャートを用いて説明すると、指示の曲線は指示部６による指示変位量の状態を示している。ここで仮に、破線よりも上側は左方向への操舵、破線よりも下側は右方向への操舵を示し、破線は操舵がニュートラルの状態であるとすると、ニュートラル位置である破線からの隔たりが左方向への操舵における変位量を示しているとする。通常は、指示部６からの指示に相当する指示の曲線と、アクチュエータ５の動作に相当する動作の曲線とは概ね相似形の曲線となる。

制御部７は出力部３の電圧を常時において検出しているが、Ｔ２のタイミングにおいてアクチュエータ５に逆起電力が発生し始め、出力部３の電圧がＴ０のタイミングからＴ２のタイミングにかけて出力していた第１電圧Ｖ１から電圧閾値Ｖｔｈよりも高い電圧へとＴ３のタイミングで上昇したことを制御部７が検出する。そして、制御部７は指示部６による指示とアクチュエータ５の動作との関係が一致しなくなったと判定する。このタイミングはＴ３に相当する。いいかえると、Ｔ３のタイミングで、制御部７は指示部６が第１指示を実行しているときに、アクチュエータ５が第１方向とは異なる方向に動いた、あるいは、アクチュエータ５が、第１指示に対応する第１変位量から所定の変位量閾値を越えて異なる変位量へと動いたことの、少なくとも何れか一方が生じたと判定し、指示部６による指示とアクチュエータ５の動作との関係が一致しなくなったと判断する。

ここで電圧閾値Ｖｔｈは、予め設定された所定の電圧値として固定された値で設定されても、あるいは、第１電圧Ｖ１から所定の電位差を隔てた値として設定されてもよい。例えば、第１電圧Ｖ１は車両バッテリー１２の電圧である１２Ｖと同等あるいは、第１電圧Ｖ１は標準の電圧として車両バッテリー１２の電圧である１２Ｖよりも低い値の１１Ｖ程度が出力されるように設定したうえで、電圧閾値Ｖｔｈは１５Ｖ程度として設定してもよ
い。そして、出力部３の電圧が電圧閾値Ｖｔｈの１５Ｖよりも上昇したときに、制御部７は指示部６による指示とアクチュエータ５の動作との関係が一致しなくなったと判定するとよい。

また例えば、電圧閾値Ｖｔｈは第１電圧Ｖ１から所定の電位差４Ｖを隔てたと設定し、出力部３において直前に検出された第１電圧Ｖ１に対して、４Ｖ相当高い値の電圧閾値Ｖｔｈ以上に上昇する変動が生じたときに制御部７は指示部６による指示とアクチュエータ５の動作との関係が一致しなくなったと判定するとよい。そして、先にも述べたように、指示部６からの指示に対してアクチュエータ５が正常に動作することによって出力部３から出力される第１電圧Ｖ１は±Ｖ２程度の変動幅を有する。このため、電位差として設定した場合の電圧閾値Ｖｔｈである４Ｖは、指示部６からの指示に対してアクチュエータ５が正常に動作する際の第１電圧Ｖ１からのの変動幅であるＶ２よりも大きな値として設定するとよい。

指示部６による指示とアクチュエータ５の動作との関係が一致しなくなったと判断する場合の他の判定手順としては、指示部６とアクチュエータ５との対応のずれが発生する第１条件と、出力部３の電圧が電圧閾値Ｖｔｈよりも高い電圧となる第２条件との、２つの条件を満たした場合としてもよい。例えば、制御部７は、指示部６の指示内容と、アクチュエータ５の動作状態との双方を常時検出する。指示部６の指示内容と、アクチュエータ５の動作状態との正常な関係については予め制御部７が記憶している。そして、指示部６の指示内容と、アクチュエータ５の動作状態とが正常な状態から逸脱したと制御部７が判断した場合に、第１条件が満たされる。第２条件に関しては先にも説明したように、出力部３の電圧が電圧閾値Ｖｔｈよりも高い電圧上昇したことを制御部７が検出したことによって満たされる。

指示部６による指示とアクチュエータ５の動作との関係が一致しなくなったと判断する場合のさらに他の判定手順としては、出力部３において検出された電圧における単位時間あたりの電圧上昇率が所定の値よりも大きくなったときに、制御部７は指示部６による指示とアクチュエータ５の動作との関係が一致しなくなったと判定してもよい。

制御部７は、指示部６による指示とアクチュエータ５の動作との関係が一致しなくなったとＴ３のタイミングで判定すると、放電回路９に蓄電部４の電圧を昇圧する動作を停止させる。そして、放電回路９に蓄電部４の電圧を昇圧する動作を停止させると同時に、あるいは、放電回路９に蓄電部４の電圧を昇圧する動作を停止させたあとに、制御部７は放電回路９に出力部３の電圧を降圧させて蓄電部４を充電する降圧動作を実行させる。制御部７が放電回路９に出力部３の電圧を降圧させて蓄電部４を充電する降圧動作を実行させる期間は、少なくとも出力部３で検出されている電圧が電圧閾値Ｖｔｈを超越している期間にわたって実行される。制御部７が放電回路９に出力部３の電圧を降圧させて蓄電部４を充電する降圧動作を終了させるタイミングはＴ４に相当する。いいかえると、Ｔ３のタイミングからＴ４のタイミングまでは出力部３からの回生電力を用いて蓄電部４を充電している。

ここで、制御部７はＴ３のタイミングで放電回路９に蓄電部４の電圧を昇圧する動作を停止させると、制御部７は所定期間にわたって指示部６に対する搭乗者からの指示を受け付けなくしてもよい。いいかえると、制御部７はＴ３のタイミングで放電回路９に蓄電部４の電圧を昇圧する動作を停止させると、制御部７は所定期間にわたって指示部６から指示には関係なく、Ｔ４のタイミングまで放電回路９に蓄電部４を充電させる動作させるとよい。ここでは、上記の制御部７が放電回路９に出力部３の電圧を降圧させて蓄電部４を充電する降圧動作は非常に短期間で完了する。そしてその後、一時的に放電回路９は降圧動作も昇圧動作も実施しないで、動作を停止した状態となる。このため、放電回路９が無
駄に蓄電部４の電力を消費することが回避でき、蓄電部４の充電後に改めて放電回路９が蓄電部４の放電に備えることが可能となる。またあるいは、制御部７はＴ４のタイミングで放電回路９に出力部３の電圧を降圧させて蓄電部４を充電する降圧動作を終了させると、放電回路９が停止状態となったＴ４のタイミングの直後で、指示部６による指示に対応した指示方向と指示変位量でアクチュエータ５は動作させられることで、車両１０の操舵が可能な状態となってもよい。

上記でも記載したように、Ｔ４のタイミングで制御部７は放電回路９を停止状態に制御したうえで、Ｔ５のタイミングで改めて、放電回路９からの電力出力が必要であると判断したときに、制御部７は放電回路９に蓄電部４の電圧を昇圧して３出力部からアクチュエータ５へ給電することができるように昇圧動作を実行させる。ここでＴ５のタイミングは、車両１０の搭乗者が指示部６であるステアリングホイールの操作を再度始めるタイミングに相当する。そして、Ｔ５のタイミングで、車両１０の搭乗者が指示部６であるステアリングホイールの操作を再度始めると、指示部６による指示に対応した指示方向と指示変位量でアクチュエータ５は動作し、車両１０は操舵されることとなる。同時にＴ５のタイミングでは、制御部７は放電回路９に昇圧動作を実行させる。ここで昇圧動作は、蓄電部４の電圧を昇圧し、そして、蓄電部４に蓄えられた電力を出力部３からアクチュエータ５へ第１電圧Ｖ１で印加する動作である。

Ｔ５のタイミング以降で、制御部７は放電回路９に昇圧動作を実行させ、この昇圧動作は蓄電部４の電力が放電回路９での昇圧動作が不可能となる水準まで、継続されてもよい。いいかえると、蓄電部４の電力を使いきってもかわない。これについてはＴ０のタイミング以降でも同様であり、Ｔ２のタイミングで搭乗者が操作することによる指示部６による指示と、アクチュエータ５の動作との関係が一致しなくなることが生じなかったときには、蓄電部４の電力を使いきってもかわない。

また、Ｔ５のタイミング以降で、Ｔ２のタイミングと同様に搭乗者が操作することによる指示部６による指示と、アクチュエータ５の動作との関係が一致しなくなることが生じた際には、Ｔ２のタイミングからＴ５のタイミングにかけての動作を再度、制御部７は実行させるとよい。

以上の構成および動作により、アクチュエータ５から出力部３へと向かう逆電力がアクチュエータ５で発生した場合に備えて設けられ、出力部３からアクチュエータ５への順方向の電力供給の際に抵抗成分を伴うデバイスを追加して配置することが不要となる。これにより大きな電流が順方向に流れるときの直流抵抗による損失が抑制される。この結果としてバックアップ電源システム１からアクチュエータ５への電力供給時の出力効率を向上させることができる。

またさらに、バックアップ電源システム１の出力部３に逆方向からの電力が印加された場合には、アクチュエータ５から出力部３に向かう方向である逆方向の高い電圧がバックアップ電源システム１における耐電圧を必要とする状態で継続して印加され時間は限定される。あるいは、アクチュエータ５から出力部３に向かう方向の高い電圧に伴う短絡電流などの発生は抑制される。そして、アクチュエータ５から出力部３に向かう逆方向からの電力はバックアップ電源システム１の蓄電部４への充電によって吸収される。このため、バックアップ電源システム１を構成する素子に耐電圧が大きなデバイスを用いる必要はなく、またデバイスに耐電圧の不足によって破損が生じることが抑制される。

例えば図３の出力部３の電圧の曲線において一部破線で示した部分は、仮に逆起電力が蓄電部４で吸収されない場合に、出力部３に逆起電力として印加される電圧の軌跡である。この場合は高い電圧が長い期間にわたって継続して出力部３に印加され続けるため、バ
ックアップ電源システム１を構成する素子に耐電圧が大きなデバイスを用いる必要が生じることとなる。

これに対して、バックアップ電源システム１ではバックアップのための電力を出力している最中にアクチュエータ５に対する操作状態と、アクチュエータ５の反応との間に異常が生じていることを制御部７が検出する。これによって、制御部７は蓄電部４からアクチュエータ５へバックアップ電力の供給を一時的に停止し、そしてアクチュエータ５から逆流する電力を用いてバックアップ電源システム１は降圧動作を用いることによって蓄電部４を充電する。またさらに、逆流する電力を用いた蓄電部４への充電の完了後に、再度充電された状態の蓄電部４から必要に応じてアクチュエータ５へ改めてバックアップ電力を供給することが可能となる。この結果として、アクチュエータ５への断続的に、総合的な供給期間として長期間にわたってのバックアップ電力の供給が可能となる。

以上の実施例では先にも述べたように、車両１０に搭載されたバックアップ電源システム１の動作について、指示部６はステアリングホイール、アクチュエータ５はパワーステアリングモータとして説明した。しかしながら、バックアップ電源システム１は車両への適用に限らず、例えば作業用ロボットに搭載されたバックアップ電源システム１であってもよい。この場合、指示部６はリモートコントローラ、アクチュエータ５は動作用の回転モータや直動機構として説明してもよい。

本発明のバックアップ電源システムは、バックアップ電源システム１からの電力出力の効率を向上させることができるという効果を有し、各種電子機器において有用である。

１ バックアップ電源システム
１Ａ バックアップ電源回路
２ 入力部
３ 出力部
４ 蓄電部
５ アクチュエータ
６ 指示部
７ 制御部
８ 充電回路
８Ａ 充電経路
９ 放電回路
９Ａ 放電経路
１０ 車両
１１ 車体
１２ 車両バッテリー
１３ 電力経路
１４ 整流素子
１５ 第１インダクタ
１６ 第１スイッチ素子
１７ 第２インダクタ
１８ 接続点
１９ 第２スイッチ素子
２０ 接続点
２１ 第１平滑コンデンサ
２２ 接続点
２３ 第２平滑コンデンサ

Claims (4)

1. 入力部と、
   出力部と、
   蓄電部と、
   前記出力部に接続されたアクチュエータと、
   前記入力部から前記蓄電部への充電経路に接続された充電回路と、
   前記蓄電部から前記出力部への放電経路に接続された放電回路と、
   第１指示によって前記アクチュエータを第１方向に第１変位量で動作させる指示部と、
   前記出力部の電圧を検出可能で、かつ、前記放電回路の動作を制御可能な制御部と、
   を備え、
   前記放電回路は双方向動作が可能なＤＣＤＣコンバータを有し、
   前記制御部が前記放電回路からの電力出力が必要であると判断したときに、前記制御部は前記放電回路に、前記蓄電部の電圧を昇圧し、そして前記出力部から前記アクチュエータへ第１電圧を給電する、昇圧動作を実行させ、
   前記制御部が前記放電回路に前記昇圧動作を実行させている期間において、前記第１指示によって前記アクチュエータが動作しているときに、前記出力部の電圧が予め設定されていた閾値を超えたことを前記制御部が検出すると、
   前記制御部は、前記アクチュエータが少なくとも前記第１方向とは異なる方向および前記第１変位量とは異なる変位量のいずれかで動作したと判断し、
   前記制御部は、前記放電回路に前記昇圧動作を停止させて、さらにそのあと前記放電回路に、少なくとも前記出力部で検出されている電圧が前記閾値を超えている間にわたって前記出力部の電圧を降圧させて、前記蓄電部を充電する降圧動作を実行させ、
   前記降圧動作の完了後に、再度前記放電回路からの電力出力が必要であると判断したときに、前記制御部は前記放電回路に前記蓄電部の電圧を昇圧して前記出力部から前記アクチュエータへ給電する昇圧動作を実行させる、
   バックアップ電源システム。
2. 前記制御部が前記放電回路に前記昇圧動作を実行させている期間において、前記第１指示によって前記アクチュエータが動作しているときに、前記出力部の電圧が予め設定されていた閾値を超えたことを前記制御部が検出すると、
   前記制御部は、前記アクチュエータが少なくとも前記第１方向とは異なる方向および前記第１変位量とは異なる変位量のいずれかで動作したと判断し、
   前記制御部は、前記放電回路に前記昇圧動作を停止させて、さらにそのあと前記放電回路に、少なくとも前記出力部で検出されている電圧が前記閾値を超えている間にわたって前記出力部の電圧を降圧させて、前記蓄電部を充電する降圧動作を実行させ、
   前記降圧動作の完了後に、前記制御部は前記放電回路を所定期間停止状態としたうえで再度前記放電回路からの電力出力が必要であると判断したときに、前記制御部は前記放電回路に前記蓄電部の電圧を昇圧して前記出力部から前記アクチュエータへ給電する昇圧動作を実行させる、
   請求項１に記載のバックアップ電源システム。
3. 前記閾値は所定の固定された電圧値とした、
   請求項１に記載のバックアップ電源システム。
4. 前記閾値は、前記出力部においで直前に検出された電圧に所定の電圧を加えた値とした、請求項１に記載のバックアップ電源システム。

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