JP4198629B2 - 電源バックアップユニット - Google Patents

Description

本発明は、キャパシタの放電を利用してバッテリ等の電源の瞬時電圧降下を補償する電源バックアップユニットに関する。

この種の従来の電源バックアップユニット１００は、例えば図５の様に、サブ給電路１０３と低電位源Ａとの間に直列接続された複数のキャパシタＣ１〜Ｃ７と、キャパシタＣ１〜Ｃ７を充電する為の充電回路１０５と、キャパシタＣ１〜Ｃ７の充電電圧の負荷１１１への出力をオンオフ制御すると共にキャパシタＣ１〜Ｃ７の放電電圧を一定範囲内の電圧に調整するＤＣ／ＤＣコンバータ１０７と、メイン給電路１０９を通じて電源Ｂから負荷１１１に供給される電圧の瞬時電圧降下を検出する為の電圧センサ１１３と、電圧センサ１１３の検出結果に基づいて充電回路１０５及びＤＣ／ＤＣコンバータ１０７を制御する制御装置１１５とを備えて主構成される。

この電源バックアップユニット１００では、制御装置１１５により、電圧センサ１１３の検出結果に基づいてメイン給電路１０９を通じて電源Ｂから負荷１１１に供給される電圧が瞬時電圧降下した事が検出されると、制御装置１１５の制御の下、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０７によりキャパシタＣ１〜Ｃ７の放電電圧が一定範囲内の電圧に調整されてサブ給電路１０３を通じて負荷１１１に供給される。この様にして電源Ｂから負荷１１１への給電電圧の瞬時電圧降下が補償される。

従来の電源バックアップユニット１００では、複数のキャパシタＣ１〜Ｃ７の放電電圧が一度に出力されるので、その出力電圧を一定範囲内の電圧に調整する為のＤＣ／ＤＣコンバータ１０７を必要とし、コストが掛かるという欠点があった。

そこで、この発明の課題は、安価な構成でキャパシタの放電電圧を一定範囲内の電圧に調整して出力できる電源バックアップユニットを提供することにある。

上記課題を解決する為には、請求項１に記載の発明は、負荷への給電電圧の電圧降下を補償する電源バックアップユニットであって、複数のキャパシタと、前記複数のキャパシタをそれぞれ選択切換的に前記負荷と所定の電源との間の電路上に介装接続すると共に選択切換的に前記電路上に介装接続されない前記キャパシタに対してそのキャパシタと前記所定の電源との間の電路を選択切換的に切り離す放電動作と、前記複数のキャパシタを前記所定の電源の陽極側と陰極側との間に直列接続する様に接続切換する充電動作とを選択的に行う接続切換手段と、前記負荷への給電電圧が電圧降下した時に前記接続切換手段に対して前記放電動作を行わせ、前記負荷への給電電圧が電圧降下していない時に前記接続切換手段に対して前記充電動作を行わせる制御手段と、を備えるものである。

請求項２に記載の発明は、前記制御手段は、前記所定の電源の電圧と、選択切換的に前記負荷と前記所定の電源との間の前記電路上に介装接続された前記キャパシタの電圧とを直列的に加算した電圧が所定電圧まで降下すると、次の前記キャパシタが選択切換的に前記負荷と前記所定の電源との間の前記電路上に介装接続される様に前記接続切換手段を制御するものである。

請求項３に記載の発明は、前記制御手段は、前記負荷への給電電圧が電圧降下した時点から、前記負荷に設定された電圧降下補償時間が経過する前に、前記複数のキャパシタが順次選択切換的に前記負荷と前記所定の電源との間の前記電路上に介装接続され始める様に前記接続切換手段を制御するものである。

請求項１に記載の発明によれば、負荷への給電電圧が電圧降下した時に、複数のキャパシタの充電電圧が負荷への電路を通じて順次選択的に負荷に出力されるので、各キャパシタを１つずつ順に放電でき、これによりＤＣ／ＤＣコンバータを用いなくてもキャパシタの放電電圧を一定範囲内に調整して出力できる。

更に請求項１に記載の発明によれば、負荷への給電電圧が電圧降下していない時に、所定の電源より複数のキャパシタが充電される為、負荷への給電電圧が電圧降下していない時に自動的に各キャパシタを充電できる。

請求項２に記載の発明によれば、所定の電源の電圧と、選択切換的に負荷と前記所定の電源との間の電路上に介装接続されたキャパシタの電圧とを直列的に加算した電圧が所定電圧まで降下すると、次のキャパシタが選択切換的に前記負荷と前記所定の電源との間の前記電路上に介装接続されるので、当該電源バックアップユニットの出力電圧を所定電圧以上に保つ事ができる。

請求項３に記載の発明によれば、負荷への給電電圧が電圧降下した時点から、負荷に設定された電圧降下補償時間が経過する前に、複数のキャパシタが順次選択切換的に前記負荷と所定の電源との間の前記電路上に介装接続され始めるので、負荷に影響を与えること無く負荷への給電電圧の電圧降下を補償できる。

図１は、この実施の形態の電源バックアップユニットが用いられた車載電源系の一例図である。この電源系１は、図１の様に、バッテリ等の電源Ｂと、ＥＣＵ等の負荷３と、電源Ｂと負荷３を結ぶメイン給電路５及びサブ給電路（電路）７と、サブ給電路７上に配設された電源バックアップユニット９と、メイン給電路５上に配設されて電源Ｂからの電圧（給電電圧）ＶＢを検出する電圧センサ（電圧検出手段）１１と、メイン給電路５上に順方向に介装接続された逆流防止用のダイオードＤ１とを備える。

電源バックアップユニット９は、図１の様に、複数のキャパシタＣ１〜Ｃ７と、複数のキャパシタＣ１〜Ｃ７を充電用又は放電用の接続状態に切換自在に接続する接続回路（接続切換手段）９ａと、サブ給電路７上に於ける接続回路９ａの上流側に配設されて各キャパシタＣ１〜Ｃ７を充電する為の充電回路（充電手段）９ｂと、電圧センサ１１の検出電圧に基づいて電源Ｂから負荷３への電圧ＶＢが瞬時電圧降下したか否かを判断してその判断結果に応じて接続回路９ａ及び充電回路９ｂを制御する制御装置（制御手段）９ｃとを備える。

接続回路９ａは、複数の開閉スイッチＳＷ１〜ＳＷ１６と、複数のダイオードＤ２〜Ｄ８とを備えて構成される。即ち、この接続回路９ａでは、複数のキャパシタＣ１〜Ｃ７が電源Ｂ側からのサブ給電路７ａと低電位源Ａとの間に直列接続され、それら各キャパシタＣ１〜Ｃ７の間、一端のキャパシタＣ１とサブ給電路７ａとの間及び他端のキャパシタＣ７と低電位源Ａとの間にそれぞれ各開閉スイッチＳＷ８〜ＳＷ１５が介装接続される。そして、各キャパシタＣ１〜Ｃ７の負電極（低電位源Ａ側の電極）とその負電極に接続された開閉スイッチＳＷ９〜ＳＷ１５との中間点とサブ給電路７ａに於ける充電回路９ｂと開閉スイッチＳＷ８との間の部分との間にそれぞれ各開閉スイッチＳＷ１〜ＳＷ７が介装接続される。そして、各キャパシタＣ１〜Ｃ７の正電極（電源Ｂ側の電極）とその正電極に接続された開閉スイッチＳＷ８〜ＳＷ１４との中間点と負荷３側からのサブ給電路７ｂとの間にそれぞれ逆流防止用の各ダイオードＤ２〜Ｄ８が順方向に介装接続される。そして、サブ給電路７ｂに於けるダイオードＤ２〜Ｄ８の下流側に開閉スイッチＳＷ１６が介装接続される。そして、各ダイオードＤ２〜Ｄ８のカソード側が制御装置９ｃに共通接続される。

この構成により、この接続回路９ａは、図２の様に、キャパシタ充電時（負荷への電圧ＶＢが瞬時電圧降下していない時）には、制御装置９ｃにより開閉スイッチＳＷ１〜ＳＷ７，ＳＷ１６がオフにされると共に開閉スイッチＳＷ８〜ＳＷ１５がオンにされる。これにより、サブ給電路７ａと低電位源Ａとの間に各キャパシタＣ１〜Ｃ７が直列接続されると共にキャパシタＣ１〜Ｃ７と負荷３との間のサブ給電路７ｂが遮断されて、後述の様に充電回路９ｂによるキャパシタＣ１〜Ｃ７の充電が行われる。

他方、この接続回路９ａは、図２の様に、キャパシタ放電時（負荷への電圧ＶＢが瞬時電圧降下した時）には、制御装置９ｃにより、開閉スイッチＳＷ８〜ＳＷ１５がオフにされると共に開閉スイッチＳＷ１６がオンにされ、この状態で各開閉スイッチＳＷ１〜ＳＷ７が順次（例えば１つずつ）選択的にオンされる。これにより各キャパシタＣ１〜Ｃ７はそれぞれ順次選択的にサブ給電路７上に介装接続されて、後述の様に各キャパシタＣ１〜Ｃ７の充電電圧（放電電圧）Ｖｃが順次選択的に電源Ｂからの電圧ＶＢに直列的に加算されてサブ給電路７を通じて負荷３に出力される。

充電回路９ｂは、制御装置９ｃの制御により、キャパシタ充電時には、図４を参照して、各キャパシタＣ１〜Ｃ７の充電電圧Ｖｃがそれぞれ例えば電源Ｂの許容電圧変動幅ΔＶ２以下の電圧（ここでは例えばΔＶ２程度の電圧）になる様に電源Ｂからの電圧ＶＢを充電用電圧（ここではＮｃ（キャパシタ数）×ΔＶ２程度の電圧）に調整してキャパシタＣ１〜Ｃ７側に出力し、他方、キャパシタ放電時には、電源Ｂからの電圧ＶＢを調整せずにそのままキャパシタＣ１〜Ｃ７側に出力する。尚、通常、電源Ｂの許容電圧変動範囲は８Ｖ〜１６Ｖ（従ってΔＶ２＝８Ｖ）なので、ここでは例えばＶｃ＝ΔＶ２＝８Ｖ程度に設定される。

制御装置９ｃは、例えば図３の様に動作する。即ち、ステップＳ１で、制御装置９ｃは、電圧センサ１１の検出結果に基づいて電源Ｂから負荷３への電圧ＶＢが瞬時電圧降下したか否かを判断する。その結果、瞬時電圧降下していないと判断した場合は、ステップＳ２，Ｓ３で、瞬時電圧降下時に備えて各キャパシタＣ１〜Ｃ７を充電させる。即ち、制御装置９ｃは、ステップＳ２で、開閉スイッチＳＷ１〜ＳＷ７，ＳＷ１６をオフにすると共に開閉スイッチＳＷ８〜ＳＷ１５をオンにし、その状態でステップＳ３で、充電回路９ｂを制御して、サブ給電路７を通じて得られる電源Ｂからの電圧ＶＢを充電用電圧（例えばＮｃ（キャパシタ数）×ΔＶ２程度の電圧）に調整させて、各キャパシタＣ１〜Ｃ７の充電電圧Ｖｃがそれぞれ電源Ｂの許容電圧変動幅ΔＶ２程度の電圧になる様に各キャパシタＣ１〜Ｃ７を充電させる。

他方、ステップＳ１で瞬時電圧降下したと判断した場合は、ステップＳ４〜Ｓ９で、各キャパシタＣ１〜Ｃ７を順次（例えば１つずつ）選択的にサブ給電路７上に介装接続させて、各キャパシタＣ１〜Ｃ７の充電電圧Ｖｃを電源Ｂからの瞬時電圧降下した電圧ＶＢ’に直列的に加算させてサブ給電路７を通じて負荷３に出力させる。

即ち、先ずステップＳ４で、制御装置９ｃは、充電回路９ｂを制御して、サブ給電路７を通じて得られる電源Ｂからの瞬時電圧降下した電圧ＶＢ’を調整せずにキャパシタＣ１〜Ｃ７側に出力させる。そしてステップＳ５で、制御装置９ｃは、開閉スイッチＳＷ８〜ＳＷ１５をオフにすると共に開閉スイッチＳＷ１６をオンにする。そしてこの状態でステップＳ６で、制御装置９ｃは、開閉スイッチＳＷ１〜ＳＷ７のうちの１つ目の開閉スイッチ（例えばＳＷ１）を選択的にオンにして残りをオフにする。これにより、１つ目のキャパシタＣ１が選択的にサブ給電路７上に介装接続されて、そのキャパシタＣ１の充電電圧Ｖｃが電源Ｂからの瞬時電圧降下した電圧ＶＢ’に直列的に加算されて瞬時電圧降下前の電圧程度に回復されて（即ち電源Ｂの許容電圧変動範囲（即ちＶｕ（許容電圧上限値（ここでは例えば１６Ｖ）〜Ｖｄ（許容電圧下限値（ここでは例えば８Ｖ）））内の電圧にされて）サブ給電路７を通じて負荷３に出力される。この出力電圧（サブ給電路７に接続されたキャパシタの正電極側の電圧）Ｖoutは同時に制御装置９ｃにも出力される。尚、ステップＳ１で電源Ｂからの電圧ＶＢが瞬時電圧降下したと判断された時点ｔ１からステップＳ６の処理までの一連の処理は、負荷３に設定された瞬時電圧降下補償時間Ｔ１が経過する前に行われる（図４参照。図４中ｔ２はステップＳ６の処理の終了時点（即ち１つ目のキャパシタＣ１の充電電圧Ｖｃが瞬時電圧降下した電圧ＶＢ’に加算された時点）である）。

そして、ステップＳ７で、制御装置９ｃは、上記の出力電圧Ｖoutが所定電圧（例えば電源Ｂの許容電圧下限値）Ｖｄまで降下したか否かを判断する。その結果、所定電圧Ｖｄまで降下していないと判断した場合はステップＳ７を繰り返し、他方、所定電圧Ｖｄまで降下したと判断した場合は、ステップＳ８に進み、制御装置９ｃは、開閉スイッチＳＷ１〜ＳＷ７のうちの最後の開閉スイッチを選択したか否かを判断する。その結果、未だ最後の開閉スイッチを選択していないと判断した場合は、ステップＳ９に進み、制御装置９ｃは、開閉スイッチＳＷ１〜ＳＷ７のうちの次の開閉スイッチ（例えばＳＷ２）を選択的にオンにして残りをオフにする。これにより、次のキャパシタＣ２が選択的にサブ給電路７上に介装接続されて、１つ目のキャパシタＣ１の場合と同様に、次にそのキャパシタＣ２の充電電圧Ｖｃが電源Ｂからの瞬時電圧降下した電圧ＶＢ’に直列的に加算されてサブ給電路７を通じて負荷３に出力される。そしてステップＳ７に戻る。

そして、ステップＳ７〜Ｓ９が繰り返されることにより、図４の様に、各キャパシタＣ１〜Ｃ７の充電電圧Ｖｃが順次選択的に電源Ｂからの瞬時電圧降下した電圧ＶＢ’に直列的に加算され、その加算された電圧が所定電圧Ｖｄを下回らない様に調整されてサブ給電路７を通じて負荷３に出力される。尚、各キャパシタＣ１〜Ｃ７の充電電圧Ｖｃは電源Ｂの許容電圧変動幅ΔＶ２内の電圧に充電されているので、瞬時電圧降下した電圧ＶＢ’に各キャパシタＣ１〜Ｃ７の充電電圧Ｖｃが加算されてなる出力電圧Voutは、電圧降下前の電源電圧ＶＢと同様に、電源Ｂの許容電圧変動範囲Ｖｕ〜Ｖｄ内の電圧になっている。この様にして電源Ｂから負荷３への電圧ＶＢの瞬時電圧降下が補償される。

他方、ステップＳ８で、制御装置９ｃが最後の開閉スイッチを選択したと判断した場合は、全てのキャパシタＣ１〜Ｃ７の放電を終了したことになるので、ステップＳ１に戻る。

以上の様に構成された電源バックアップユニット９によれば、負荷３への給電電圧ＶＢが電圧降下した時に、複数のキャパシタの充電電圧Ｃ１〜Ｃ７が負荷３への電路７を通じて順次選択的に負荷３に出力されるので、各キャパシタＣ１〜Ｃ７を１つずつ順に放電でき、これによりＤＣ／ＤＣコンバータを用いなくてもキャパシタＣ１〜Ｃ７の放電電圧Ｖｃを一定範囲ΔＶ２内に調整して出力できる。

又、負荷３への給電電圧ＶＢが電圧降下していない時に、所定の電源Ｂより複数のキャパシタＣ１〜Ｃ７が充電される為、負荷３への給電電圧ＶＢが電圧降下していない時に自動的に各キャパシタＣ１〜Ｃ７を充電できる。

又、選択切換的に負荷３への電路７上に接続されたキャパシタＣ１〜Ｃ７の正電極側の電圧が所定電圧（ここでは電源Ｂの許容電圧下限値）Ｖｄに降下すると、次のキャパシタＣ１〜Ｃ７が切換選択的に電路７上に接続されるので、当該電源バックアップユニット９の出力電圧Ｖoutを所定電圧Ｖｄ以上に保つ事ができる。

又、負荷３への給電電圧ＶＢが瞬時電圧降下した時点から、負荷３に設定された瞬時電圧降下補償時間Ｔ１が経過する前に、複数のキャパシタＣ１〜Ｃ７が順次選択切換的に負荷３への電路７上に接続され始めるので、負荷３に影響を与えること無く電源Ｂから負荷３への電圧ＶＢの瞬時電圧降下を補償できる。

又、各キャパシタＣ１〜Ｃ７の充電電圧Ｖｃはそれぞれ電源Ｂの許容電圧変動幅ΔＶ２以下の電圧に充電されるので、瞬時電圧降下した電圧ＶＢ’に各キャパシタＣ１〜Ｃ７の充電電圧Ｖｃを加算したときに、その加算された電圧が電源Ｂの許容電圧変動範囲Ｖｕ〜Ｖｄを超える事のない様にして、瞬時電圧降下した電圧ＶＢ’を回復できる。

この実施の形態では、キャパシタＣ１〜Ｃ７を１つずつ選択的にサブ給電路７上に介装接続する場合で説明したが、電圧センサ１１の検出結果から実際の瞬時電圧降下幅ΔＶ１を算出し、その瞬時電圧降下幅ΔＶ１程度の電圧になる様にキャパシタＣ１〜Ｃ７のうちの複数個を順次選択的に直列接続してサブ給電路７上に介装接続してもよい。

本発明の実施の形態の電源バックアップユニットが用いられた電源系の一例図である。 図１の電源バックアップユニットの開閉スイッチの充電時及び放電時のオンオフ状態を説明する図である。 図１の電源バックアップユニットの動作を説明するフローチャートである。 図１の電源バックアップユニットの出力電圧を説明する図である。 従来の電源バックアップユニットが用いられた電源系の一例図である。

符号の説明

１ 電源系
３ 負荷
５ メイン給電路
７ サブ給電路
９ 電源バックアップユニット
９ａ 接続回路
９ｂ 充電回路
９ｃ 制御装置
１１ 電圧センサ
Ｂ 電源
Ｃ１〜Ｃ７ キャパシタ
ＶＢ 電源からの電圧
ΔＶ１ 瞬時電圧降下幅

Claims (3)

1. 負荷への給電電圧の電圧降下を補償する電源バックアップユニットであって、
   複数のキャパシタと、
   前記複数のキャパシタをそれぞれ選択切換的に前記負荷と所定の電源との間の電路上に介装接続すると共に選択切換的に前記電路上に介装接続されない前記キャパシタに対してそのキャパシタと前記所定の電源との間の電路を選択切換的に切り離す放電動作と、前記複数のキャパシタを前記所定の電源の陽極側と陰極側との間に直列接続する様に接続切換する充電動作とを選択的に行う接続切換手段と、
   前記負荷への給電電圧が電圧降下した時に前記接続切換手段に対して前記放電動作を行わせ、前記負荷への給電電圧が電圧降下していない時に前記接続切換手段に対して前記充電動作を行わせる制御手段と、
   を備えることを特徴とする電源バックアップユニット。
2. 前記制御手段は、前記所定の電源の電圧と、選択切換的に前記負荷と前記所定の電源との間の前記電路上に介装接続された前記キャパシタの電圧とを直列的に加算した電圧が所定電圧まで降下すると、次の前記キャパシタが選択切換的に前記負荷と前記所定の電源との間の前記電路上に介装接続される様に前記接続切換手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の電源バックアップユニット。
3. 前記制御手段は、前記負荷への給電電圧が電圧降下した時点から、前記負荷に設定された電圧降下補償時間が経過する前に、前記複数のキャパシタが順次選択切換的に前記負荷と前記所定の電源との間の前記電路上に介装接続され始める様に前記接続切換手段を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電源バックアップユニット。

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