JP4873106B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、主電源の電圧低下時に蓄電部の電力を負荷に供給する非常用電源としての電源装置に関する。

近年、環境への配慮や燃費向上のために、モータとエンジンの動力をハイブリッド化した自動車（以下、車両という）が市販されている。このような車両は制動時に電力を回生する。そのため、この種の車両は、従来の機械的な油圧制御に替わって電気的に油圧制御する車両制動システムを採用している。しかし、バッテリが異常になると、車両制動システムが動作しなくなる可能性がある。

そこで、バッテリ異常時に車両制動システムに電力を供給するための補助電源が、例えば特許文献１に提案されている。図５はこのような電源装置のブロック回路図である。電力を蓄える蓄電素子には例えば大容量の電気二重層キャパシタが用いられ、これを複数個接続してキャパシタユニット１０１が構成されている。キャパシタユニット１０１には、その充放電を制御する充電回路１０３、および放電回路１０５が接続されている。充電回路１０３と放電回路１０５はマイコン１０７によって制御されている。マイコン１０７にはバッテリ異常を検出するための電圧検出部１０９が接続されている。電圧検出部１０９には異常時にキャパシタユニット１０１の電力を電子制御部１１７に供給するＦＥＴスイッチ１１１が接続されている。このようにして構成された蓄電装置１１３はバッテリ１１５と電子制御部１１７の間に接続されており、イグニションスイッチ１１９によって起動、停止するように制御されている。

電子制御部１１７は車両制動システムである。安全確保のためにはバッテリ１１５が異常になっても電子制御部１１７を駆動させ続けなければならない。そこで、バッテリ１１５の異常を電圧検出部１０９が検出すれば、マイコン１０７はＦＥＴスイッチ１１１をオンにしてキャパシタユニット１０１の電力を電子制御部１１７に供給する。また、車両の使用終了時には、キャパシタユニット１０１の特性低下を抑制するために、マイコン１０７は放電回路１０５によってキャパシタユニット１０１に蓄えられた電力を放電している。

さらに、この車両用電源装置には高信頼性が要求されるため、イグニションスイッチ１１９による起動時にマイコン１０７はキャパシタユニット１０１の特性低下を判断する。具体的には、起動によりキャパシタユニット１０１を充電する際に、充電開始時に求められた電圧、または充電を途中で中断させてこの中断時に求められた電圧から、キャパシタユニット１０１の内部抵抗値を測定する。そして、充電時におけるキャパシタユニット１０１の単位時間当たりの電圧変化率からキャパシタユニット１０１の内部容量値を算出する。これらの値を正常値と比較することによりマイコン１０７はキャパシタユニット１０１の特性が低下しているか否かを判断する。

このような蓄電装置１１３では、キャパシタユニット１０１の起動充電時に特性低下を判断できる上、バッテリ１１５の異常に対応できる。しかしながら、蓄電装置１１３を例えば瞬間停電対策用の非常用電源装置として用いた場合、キャパシタユニット１０１の特性低下を十分に判断できない。すなわち、特性低下は蓄電装置１１３の起動時に判断される。しかしながら非常用電源装置は、いつ発生するかわからない瞬間停電に備えて常に電力を蓄え続ける必要がある。したがって非常用電源装置では、初期起動時以外に特性低下を判断することができない。ゆえに、非常用電源装置の使用中には特性低下を判断できない。

特開２００５−２８９０８号公報

本発明は、使用中であっても蓄電部の特性低下判断が可能な高信頼の電源装置である。本発明の電源装置は、蓄電部と、充電回路と、電圧検出回路と、電流検出回路と、放電回路と、制御回路とを有する。蓄電部は負荷に電力を供給する主電源の電力を蓄える。充電回路は主電源から蓄電部を充電する。電圧検出回路は蓄電部の蓄電部電圧Ｖｃを検出する。電流検出回路は蓄電部の蓄電部電流Ｉｃを検出する。放電回路は蓄電部に蓄えられた電力を負荷に供給する。制御回路は主電源と充電回路とを制御し、蓄電部電圧Ｖｃと蓄電部電流Ｉｃとの信号を読み込む。そして制御回路は、蓄電部電圧Ｖｃが主電源の定常出力電圧Ｖｂｓより小さくかつ蓄電部により負荷を駆動できる駆動下限電圧Ｖｆｋより大きい既定の定常蓄電部電圧Ｖｃｓ）である際に、以下の動作により蓄電部の特性低下を判断する。すなわち、蓄電部電圧Ｖｃが蓄電部特性低下判断電圧になるまで充電回路により蓄電部を充電する。この充電の開始前と開始直後における蓄電部電圧Ｖｃの変化幅ΔＶｃｒおよび蓄電部電流Ｉｃから蓄電部の第１内部抵抗値Ｒ_１を求める。あるいは充電中の蓄電部電圧Ｖｃの時間当たりの変化幅ΔＶｃｔおよび時間当たりの蓄電部電流時間積∫（Ｉｃ）ｄｔから容量値Ｃを求める。あるいは、この充電を中断し、この中断の前後における蓄電部電圧Ｖｃの変化幅ΔＶｃｒおよび蓄電部電流Ｉｃから蓄電部の第２内部抵抗値Ｒ_２を求める。これらの少なくとも一つから蓄電部の特性低下を判断する。

この構成では、使用中に蓄電部を特性低下に影響しない範囲で充電し、その際の変化幅ΔＶｃｒから蓄電部の内部抵抗値Ｒ_１、または内部抵抗値Ｒ_２を、変化幅ΔＶｃｔおよび蓄電部電流時間積∫（Ｉｃ）ｄｔから蓄電部の容量値Ｃを、それぞれ求めることができる。したがって、使用中であっても、これらの値の少なくとも１つを算出し、その値から蓄電部の特性低下を判断することができる。そのため、電源装置の信頼性が向上する。

図１は本発明の実施の形態１における電源装置のブロック回路図である。 図２は図１に示す電源装置の蓄電部の特性低下を判断する際の出力電圧Ｖｂ、蓄電部電圧Ｖｃの経時特性図である。 図３は本発明の実施の形態２における電源装置のブロック回路図である。 図４は図３に示す電源装置の蓄電部の特性低下を判断する際の蓄電部電圧Ｖｃの経時特性図である。 図５は従来の電源装置のブロック回路図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。なお、ここでは電源装置を瞬間停電対策用の非常用電源装置に用いた場合を述べる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電源装置のブロック回路図である。図２は図１に示す電源装置の蓄電部の特性低下を判断する際の出力電圧Ｖｂ、蓄電部電圧Ｖｃの経時特性図である。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２において、横軸は時刻を示す。

電源装置２１は、蓄電部２９と、充電回路２５と、電圧検出回路３１と、電流検出回路３３と、放電回路３５と、制御回路３７とを有し、主電源１１に接続されている。

主電源１１は商用の交流電源１３をＡＣ／ＤＣコンバータ１５により直流変換して出力する。この出力は負荷１７に供給される。したがって通常時には、負荷１７は主電源１１から供給される電力により動作している。なお、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５は主制御回路１９と信号系配線で接続されている。したがって、主電源１１の出力電圧Ｖｂは主制御回路１９により制御されている。また、負荷１７は瞬間停電が発生しても動作を継続する必要がある機器で、例えば携帯電話用の基地局等が挙げられる。なお一例として、負荷１７は３０Ｖ±５Ｖの電圧により正常動作する。なお、上記の電圧仕様範囲の中間値（３０Ｖ）を主電源１１の定常出力電圧Ｖｂｓという。

このような構成に対し、主電源１１の瞬間停電対策用に非常用の電源装置２１が電気的に接続されている。具体的には、正極端子２３を介して主電源１１と負荷１７に充電回路２５が電気的に接続されている。なお、主電源１１の負極と負荷１７の負極はグランド端子２７と電気的に接続されている。グランド端子２７は電源装置２１の内部のグランドと接続されている。

充電回路２５には負荷１７に電力を供給する主電源１１の電力を蓄える蓄電部２９が電気的に接続されている。充電回路２５は、電流検出回路３３で検出された蓄電部電流Ｉｃや、電圧検出回路３１で検出された蓄電部電圧Ｖｃに応じて主電源１１から蓄電部２９に充電する。充電回路２５には電流の逆流防止ダイオード（図示せず）が内蔵されている。

蓄電部２９は瞬間停電に対応して急速充放電が可能な電気二重層キャパシタにより構成されている。なお、電気二重層キャパシタの必要本数や電気的接続方法は、瞬間停電の頻度や期間、負荷１７の消費電力等を考慮して決定される。蓄電部２９は、定格電圧２．５Ｖの電気二重層キャパシタを１２個直列に接続して構成されている。定常時には、充電回路２５は蓄電部２９の電圧（以下、定常蓄電部電圧Ｖｃｓという）を２８Ｖになるように制御する。この電圧は、蓄電部２９の定格電圧（以下、蓄電部上限電圧Ｖｃｕという）である３０Ｖ（２．５Ｖ×１２）よりも小さいので、常時定格電圧が印加される場合に比べ、蓄電部２９の特性低下の進行を抑制することができる。

なお、定常蓄電部電圧Ｖｃｓは、主電源１１の定常出力電圧Ｖｂｓ（３０Ｖ）より小さく、蓄電部２９により負荷１７を駆動できる駆動下限電圧Ｖｆｋ（２７Ｖ）より大きい既定値として決定される。このことから、上述のように定常蓄電部電圧Ｖｃｓは２８Ｖに決定されている。また、駆動下限電圧Ｖｆｋは瞬間停電が発生している期間に亘り、蓄電部２９から負荷１７に電力を供給できる最低限の蓄電量を蓄電部２９が蓄えた際の蓄電部電圧Ｖｃのことである。上述の構成では、２７Ｖ以上に充電されていれば、負荷１７の瞬間停電対策が可能となる。しかし、２７Ｖまでの充電では最低限の蓄電量である。そのため、マージンを考慮して本実施の形態では定常蓄電部電圧Ｖｃｓ（２８Ｖ）を駆動下限電圧Ｖｆｋ（２７Ｖ）より大きい値に設定している。また、駆動下限電圧Ｖｆｋは、負荷１７が動作しなくなる電圧（３０Ｖ−５Ｖ＝２５Ｖ）よりも必ず大きい値となる。

また、ここでは定常出力電圧Ｖｂｓと蓄電部上限電圧Ｖｃｕが共に３０Ｖで等しい場合について説明しているが、これは両者が異なる値であってもよい。

蓄電部２９には蓄電部電圧Ｖｃを検出する電圧検出回路３１が電気的に接続されている。電圧検出回路３１は例えば、２個の抵抗器（図示せず）を直列に接続し、両者の接続点における電圧を蓄電部電圧Ｖｃとして出力することで構成されている。

また、蓄電部２９からの電力系配線には蓄電部電流Ｉｃを検出する電流検出回路３３が電気的に接続されている。一例として、電流検出回路３３は充電回路２５と蓄電部２９に対して直列に接続したシャント抵抗と、その両端電圧を検出するオペアンプ（いずれも図示せず）を基本構成としている。図１では、電流検出回路３３は充電回路２５と蓄電部２９の間に接続されているがこの構成に限定されるものではなく、蓄電部２９からの電力系配線に電気的に接続されていればよい。また、電流検出回路３３は上述の基本構成に限定されるものではなく、蓄電部２９からの電力系配線と磁気的に接続されたホール素子等による非接触電流検出器を用いてもよい。

充電回路２５には電気的に並列に放電回路３５が接続されている。図１では、充電回路２５と電流検出回路３３の直列回路に対して並列に放電回路３５が接続されている。放電回路３５は蓄電部２９に蓄えられた電力を負荷１７に供給する。これにより、蓄電部２９の負荷１７への放電時に、電流が電流検出回路３３を構成するシャント抵抗を経由しない。そのため、シャント抵抗による抵抗損失を低減できる。また図１では、放電回路３５として、カソードが正極端子２３に接続されたダイオードを用いている。これにより、主電源１１が瞬間停電したことによる出力電圧Ｖｂの低下により、簡単な構成で自動的に蓄電部２９の電力を負荷１７に供給することができる。

充電回路２５、電圧検出回路３１および電流検出回路３３には、信号系配線により制御回路３７が電気的に接続されている。制御回路３７はマイクロコンピュータと周辺回路（いずれも図示せず）から構成され、電圧検出回路３１から蓄電部電圧Ｖｃの信号を、電流検出回路３３から蓄電部電流Ｉｃの信号を、それぞれ読み込む。また制御回路３７は、充電回路２５に対し制御信号ｃｏｎｔを出力して充電回路２５を制御する。さらに、制御回路３７はデータ端子３９を介して主制御回路１９と電気的に接続されている。これにより、主制御回路１９との間で様々なデータ信号ｄａｔａを送受信している。なお上述のように、主制御回路１９はＡＣ／ＤＣコンバータ１５とも信号系配線で接続されているので、制御回路３７は主電源１１とも電気的に接続されている。そのため、制御回路３７はデータ信号ｄａｔａにより主電源１１を制御することができる。

次に電源装置２１の動作を説明する。通常時、蓄電部２９には瞬間停電に備えた電力が蓄えられた状態である。この時に瞬間停電が発生すると、主電源１１の出力電圧Ｖｂが低下し、蓄電部電圧Ｖｃを下回る。その結果、放電回路３５を構成するダイオードがオンになり、蓄電部２９の電力が負荷１７に供給される。したがって、瞬間停電期間中も負荷１７は駆動し続けられる。

その後、瞬間停電が終了し出力電圧Ｖｂが定常出力電圧Ｖｂｓ（３０Ｖ）に戻ると、放電回路３５がオフになり、負荷１７には主電源１１からの電力が供給される。その間に、制御回路３７は瞬間停電中に放電した蓄電部２９の電力を充電回路２５により充電し、次の瞬間停電に備える。

このような動作を繰り返すことにより、瞬間停電が発生する都度、電源装置２１から負荷１７に電力が供給される。そのため負荷１７は安定に動作する。

次に、蓄電部２９の特性低下判断の動作を図２も参照しながら説明する。なお、上側のグラフは主電源１１の出力電圧Ｖｂの経時変化を、下側のグラフは蓄電部電圧Ｖｃの経時変化をそれぞれ示す。

時刻ｔ０では主電源１１が定常状態であり、負荷１７に電力を供給している。したがって、出力電圧Ｖｂは定常出力電圧Ｖｂｓとなる。ここで、上述の負荷１７の仕様より定常出力電圧Ｖｂｓは３０Ｖである。

この時の蓄電部電圧Ｖｃは、定常蓄電部電圧Ｖｃｓ（２８Ｖ）であるので、時刻ｔ０では蓄電部電圧Ｖｃが２８Ｖとなる。このように、時刻ｔ０の時点には、蓄電部２９は主電源１１の定常出力電圧Ｖｂｓ（３０Ｖ）より小さく蓄電部２９により負荷１７を駆動できる駆動下限電圧Ｖｆｋ（２７Ｖ）より大きい定常蓄電部電圧Ｖｃｓ（２８Ｖ）まで充電されている。

その後、時刻ｔ１で制御回路３７は蓄電部２９の特性低下判断動作を開始する。具体的には、制御回路３７はデータ信号ｄａｔａを主制御回路１９に送信して、主電源１１に内蔵されたＡＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電圧Ｖｂを上方出力電圧Ｖｂｕにするように間接制御する。

ここで、上方出力電圧Ｖｂｕについて説明する。上方出力電圧Ｖｂｕは、特性低下に影響しない範囲で蓄電部２９を充電するために主電源１１が出力する電圧である。具体的には、蓄電部２９をさらに充電するために、上方出力電圧Ｖｂｕは主電源１１の定常出力電圧Ｖｂｓより高い。さらに、上方出力電圧Ｖｂｕは、そのまま負荷１７にも印加されるので、負荷１７の駆動上限電圧Ｖｆｕ以下でなければならない。ここで、定常出力電圧Ｖｂｓは３０Ｖであり、駆動上限電圧Ｖｆｕは、上述の負荷１７の正常駆動電圧の上限である３５Ｖ（３０Ｖ＋５Ｖ）である。したがって、上方出力電圧Ｖｂｕは、Ｖｂｓ＜Ｖｂｕ≦Ｖｆｕを満たす電圧の一例として、３２Ｖに設定されている。

主電源１１は時刻ｔ１で出力電圧Ｖｂが上昇するように制御され、時刻ｔ２で上方出力電圧Ｖｂｕに至ると、その電圧を維持するように制御される。なお、図２では出力電圧Ｖｂが定常出力電圧Ｖｂｓから上方出力電圧Ｖｂｕに至るまで、ある傾きを持って上昇するように制御される。これは負荷１７への印加電圧が急激に変化することによって負荷１７の動作が不安定になる可能性を低減するためである。負荷１７が印加電圧の変化に対して特に不安定にならない場合は、この傾きを大きくしてもよい。

時刻ｔ２で出力電圧Ｖｂが上方出力電圧Ｖｂｕに至ると、その情報を主制御回路１９がデータ信号ｄａｔａとして制御回路３７に送信する。この情報を受け、制御回路３７は蓄電部２９の特性低下判断のために、一時的に蓄電部電圧Ｖｃを蓄電部特性低下判断電圧である蓄電部上限電圧Ｖｃｕへ上昇させるよう充電回路２５を制御する。これにより、図２に示すように、時刻ｔ２以降で蓄電部２９が充電される。この充電開始直後に蓄電部電圧Ｖｃは変化幅ΔＶｃｒだけ急峻に上昇する。これは蓄電部２９に充電電流を流した瞬間に内部抵抗値Ｒに相当する電圧上昇が発生するためである。

制御回路３７は、時刻ｔ２で充電回路２５による充電を開始する直前の蓄電部電圧Ｖｃを電圧検出回路３１で読み込むとともに、充電開始直後にも蓄電部電圧Ｖｃを読み込む。この２つの蓄電部電圧Ｖｃの差が変化幅ΔＶｃｒである。さらに、充電開始直後の蓄電部２９に流れる蓄電部電流Ｉｃも電流検出回路３３から読み込む。これらの測定結果に基づき、制御回路３７は変化幅ΔＶｃｒを蓄電部電流Ｉｃで除する。これにより、制御回路３７は蓄電部２９の内部抵抗値Ｒ_１を算出することができる。

次に、制御回路３７は充電中の時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間に、蓄電部電圧Ｖｃの時間当たりの変化幅ΔＶｃｔと、蓄電部電流時間積∫（Ｉｃ）ｄｔを求める。具体的には、時間当たりの変化幅ΔＶｃｔは時刻ｔ３と時刻ｔ４における蓄電部電圧Ｖｃを電圧検出回路３１でそれぞれ検出し、両者の差を計算することにより求められる。なお、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間は単位期間として、あらかじめ制御回路３７に内蔵されたメモリ（図示せず）に記憶されている。一方、蓄電部電流時間積∫（Ｉｃ）ｄｔは、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間に電流検出回路３３で検出した蓄電部電流Ｉｃを時間積分することにより求められる。こうして得られた時間当たりの変化幅ΔＶｃｔと蓄電部電流時間積∫（Ｉｃ）ｄｔから、制御回路３７は蓄電部電流時間積∫（Ｉｃ）ｄｔを時間当たりの変化幅ΔＶｃｔで除する。これにより、制御回路３７は蓄電部２９の容量値Ｃを算出することができる。

このようにして、蓄電部２９の内部抵抗値Ｒ_１と容量値Ｃを求めることにより、制御回路３７は蓄電部２９の特性低下を判断する。すなわち、蓄電部２９を構成する電気二重層キャパシタは、特性低下が進行すると内部抵抗値Ｒ_１が上昇し容量値Ｃが低下するので、両者の値から特性低下を判断することができる。もし、特性低下判断の結果、蓄電部２９の特性が低下していれば、制御回路３７は特性低下を示す信号をデータ信号ｄａｔａとして主制御回路１９に出力する。これにより、ユーザに電源装置２１の交換を促すことができる。特に、負荷１７が携帯電話用基地局であれば、負荷１７を通して親局に蓄電部２９の特性低下を知らせることもできる。なお蓄電部２９の内部抵抗値Ｒ_１または容量値Ｃのいずれか一方から蓄電部２９の特性低下を判断してもよいが、内部抵抗値Ｒ_１と容量値Ｃから蓄電部２９の特性低下を判断する方が特性低下判断の精度が優れている。

次に、時刻ｔ５で蓄電部電圧Ｖｃが蓄電部上限電圧Ｖｃｕ（３０Ｖ）に至ると、制御回路３７はそれ以上、蓄電部２９を充電しないように充電回路２５の充電動作を停止する。

その後、蓄電部２９の特性低下判断が終了したので、制御回路３７は主電源１１と蓄電部２９を定常状態に戻す。すなわち、時刻ｔ６において、制御回路３７は主電源１１を制御し、出力電圧Ｖｂを蓄電部上限電圧Ｖｃｕより小さく駆動下限電圧Ｖｆｋ以上の下方出力電圧Ｖｂｋにする。この動作により、後述するように蓄電部２９を放電することができるので、蓄電部電圧Ｖｃを定常蓄電部電圧Ｖｃｓ以下に下げることができる。これにより、蓄電部２９の寿命を伸ばすことができる。

ここで、下方出力電圧Ｖｂｋについて説明する。下方出力電圧Ｖｂｋは蓄電部２９を負荷１７が停止しない範囲で定常蓄電部電圧Ｖｃｓ（２８Ｖ）まで放電するために主電源１１が出力する電圧である。具体的には、蓄電部２９を放電するために、時刻ｔ６の時点での蓄電部電圧Ｖｃである蓄電部上限電圧Ｖｃｕ（３０Ｖ）より下方出力電圧Ｖｂｋは小さい。さらに、蓄電部２９を放電しすぎると、瞬間停電発生時に十分な電力を負荷１７に供給できなくなるので、下方出力電圧Ｖｂｋは、駆動下限電圧Ｖｆｋ（２７Ｖ）以上でなければならない。したがって、下方出力電圧Ｖｂｋは、Ｖｆｋ≦Ｖｂｋ＜Ｖｃｕを満たす電圧から決定する。上述のように放電回路３５がダイオードで構成されていると、ダイオードで電圧降下（例えば０．７Ｖ）が生じる。そのため、放電後に蓄電部電圧Ｖｃが定常蓄電部電圧Ｖｃｓ（２８Ｖ）になるようにするには、その電圧降下分（０．７Ｖ）を考慮して下方出力電圧Ｖｂｋは２７．３Ｖ（２８Ｖ−０．７Ｖ）に設定されている。この電圧は上記の不等式を満足する。

なお、本実施の形態では放電回路３５としてダイオードを使用したため、電圧降下分により下方出力電圧Ｖｂｋが一義的に決定されている。しかしながら、例えば放電回路３５が制御回路３７によりオンオフ制御されるスイッチや抵抗器を含む構成であれば、それらの構成部品に起因した電圧降下により下方出力電圧Ｖｂｋが変化する。したがって、この場合であってもＶｆｋ≦Ｖｂｋ＜Ｖｃｕを満たすような構成部品の選択、および組み合わせとする必要がある。

時刻ｔ６で主電源１１の出力電圧Ｖｂが下方出力電圧Ｖｂｋに向かって低下を始めるが、この時はまだ出力電圧Ｖｂの方が蓄電部電圧Ｖｃより大きいので、放電回路３５はオフのままである。したがって、時刻ｔ６以降も蓄電部電圧Ｖｃは蓄電部上限電圧Ｖｃｕを維持する。

その後、時刻ｔ７で出力電圧Ｖｂが蓄電部電圧Ｖｃ（時刻ｔ７の直前まで３０Ｖ）から放電回路３５の電圧降下分（０．７Ｖ）を差し引いた２９．３Ｖに至ると、放電回路３５がオンになる。そのため、蓄電部２９の電力が放電回路３５を経由して負荷１７に供給される。その結果、蓄電部電圧Ｖｃは出力電圧Ｖｂの低下に追従して経時的に低下する。

次に時刻ｔ８で、出力電圧Ｖｂは下方出力電圧Ｖｂｋ（２７．３Ｖ）に至る。この時点で主電源１１は、出力電圧Ｖｂが下方出力電圧Ｖｂｋを維持するように制御される。その結果、蓄電部電圧Ｖｃは定常蓄電部電圧Ｖｃｓ（２８Ｖ）に至る。この時、出力電圧Ｖｂと蓄電部電圧Ｖｃとの差がダイオードの電圧降下分とほぼ等しくなるので、放電回路３５はオフになる。以後は蓄電部電圧Ｖｃが定常蓄電部電圧Ｖｃｓを維持する。

なお、時刻ｔ６から時刻ｔ８においても、出力電圧Ｖｂはある傾きを持って上方出力電圧Ｖｂｕから下方出力電圧Ｖｂｋまで低下するように制御される。この理由は時刻ｔ１から時刻ｔ２までの場合と同じである。

その後、時刻ｔ９で時刻ｔ６（放電動作開始）からの既定期間ｔｋが経過する。ここで、既定期間ｔｋは出力電圧Ｖｂが下方出力電圧Ｖｂｋに至り、かつ蓄電部電圧Ｖｃが定常蓄電部電圧Ｖｃｓに至るまでの十分な期間としてあらかじめ設定されている。例えば既定期間ｔｋは５秒である。また、既定期間ｔｋは時刻ｔ６で制御回路３７に内蔵されたタイマ（図示せず）により計測が開始される。

既定期間ｔｋが経過した時刻ｔ９では、既に蓄電部電圧Ｖｃは定常蓄電部電圧Ｖｃｓに至っている。そこで、制御回路３７は主制御回路１９を介して主電源１１に対し出力電圧Ｖｂを定常出力電圧Ｖｂｓ（３０Ｖ）に戻すように制御する。これにより、出力電圧Ｖｂは経時的に上昇し、時刻ｔ１０で定常出力電圧Ｖｂｓに戻る。この時刻ｔ９から時刻ｔ１０の間、蓄電部電圧Ｖｃは定常蓄電部電圧Ｖｃｓ（２８Ｖ）であり、出力電圧Ｖｂよりも小さいので、放電回路３５はオフのままである。したがって、蓄電部電圧Ｖｃは定常蓄電部電圧Ｖｃｓを維持する。

時刻ｔ１０に至ると、時刻ｔ０と同じ状態に戻るので、特性低下判断動作が終了する。

このような特性低下状態の判断動作では、蓄電部２９が常に電力を蓄えた状態となる。そのため、蓄電部２９の特性低下進行に伴って、適宜実施する方が望ましい。すなわち、制御回路３７が既定時間間隔ｔｉで蓄電部２９の特性低下状態を判断することが好ましい。例えば既定時間間隔ｔｉは１日である。これにより、毎日１回の頻度で蓄電部２９の特性低下が判断される。なお、既定時間間隔ｔｉは１日に限定されるものではなく短くてもよいが、通常、蓄電部２９の特性低下の進行はゆっくりであるので、あまり短くする必要はない。一方、長すぎると、その間に特性低下が進行していてもその検出が遅れてしまう。したがって、既定時間間隔ｔｉは１日程度が適切である。

なお図２より、特性低下判断を行うと、出力電圧Ｖｂは上方出力電圧Ｖｂｕ（３２Ｖ）から下方出力電圧Ｖｂｋ（２７．３Ｖ）までの間を上下することがわかる。このような電圧変動があっても、負荷１７は上記したように３０Ｖ±５Ｖで動作する仕様であるので、負荷１７の動作への影響はない。

また、特性低下判断の開始（時刻ｔ１）から終了（時刻ｔ１０）までの間に瞬間停電が発生すると、出力電圧Ｖｂが下方出力電圧Ｖｂｋまで低下したことをＡＣ／ＤＣコンバータ１５から主制御回路１９を経由して制御回路３７が検出する。すると、制御回路３７は直ちに特性低下の判断動作を中止する。同時に、出力電圧Ｖｂが下方出力電圧Ｖｂｋ（２７．３Ｖ）まで低下すれば、蓄電部電圧Ｖｃの方が高くなる。図２に示すように蓄電部電圧Ｖｃは特性低下判断中であっても２８Ｖ以上であるからである。そのため、放電回路３５がオンになる。その結果、放電回路３５により蓄電部２９の電力が負荷１７に供給される。このような動作により、特性低下判断中であっても、瞬間停電が発生すれば蓄電部２９から負荷１７への電力供給が可能となる。

以上の構成、動作により、電源装置２１が使用中で蓄電部２９が充電された状態であっても、蓄電部２９の特性低下判断が可能である。

なお、本実施の形態では、放電動作開始（時刻ｔ６）から既定期間ｔｋが経過した時刻ｔ９で主電源１１の出力電圧Ｖｂを下方出力電圧Ｖｂｋから定常出力電圧Ｖｂｓに戻す制御を行っている。しかしながら、既定期間ｔｋを計測せずに、時刻ｔ６以降で蓄電部電圧Ｖｃを検出し続け、定常蓄電部電圧Ｖｃｓ以下に至れば出力電圧Ｖｂを定常出力電圧Ｖｂｓに戻すようにしてもよい。この構成では、蓄電部電圧Ｖｃを検出し続ける必要があるものの、タイムリーに出力電圧Ｖｂを定常出力電圧Ｖｂｓに戻すことができ、特性低下の判断に要する期間を短くすることができる。また、蓄電部電圧Ｖｃが定常蓄電部電圧Ｖｃｓより小さくなった場合、制御回路３７は上記の動作に加え、蓄電部電圧Ｖｃが定常蓄電部電圧Ｖｃｓに至るように充電回路２５を制御すればよい。

なお、本実施の形態では蓄電部特性低下判断電圧を蓄電部上限電圧Ｖｃｕとしているが、この場合には特性低下判断の頻度に制限を設けなくて済む。しかしながら、蓄電部２９の電力供給がやや少なくなり、例えばバックアップ時間がやや少なくなる。

これに対し蓄電部特性低下判断電圧が蓄電部上限電圧Ｖｃｕを上回る場合には電力供給を増やすことができる。しかしながら、蓄電部２９の特性は、特性低下判断１回当たりの定格電圧を超えた電圧と時間及び特性低下判断の頻度の累計に影響されて低下する。すなわち、蓄電部２９の定格電圧である蓄電部上限電圧Ｖｃｕを一時的に超えても蓄電部２９の特性が急に低下するわけではなく、定格電圧を超えた電圧と時間の累計によって特性が低下する。そのため、特性低下判断の頻度を制限しなければならず、その結果、特性低下判断の精度が低下する。したがって実用性を考慮すると、蓄電部特性低下判断電圧は蓄電部上限電圧Ｖｃｕの１．１倍以下とすることが好ましい。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における電源装置のブロック回路図である。図４は、図３に示す電源装置の特性低下判断時の蓄電部電圧Ｖｃにおける経時特性図である。なお、図３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。また、図４において、縦軸は蓄電部電圧Ｖｃを示す。

図３において、図１と同じ構成には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。電源装置５１は、蓄電部２９と、充電回路２５と、電圧検出回路３１と、電流検出回路３３と、放電回路３５と、制御回路５０と、蓄電部放電回路４１とを有し、主電源１１に接続されている。すなわち、本実施の形態における特徴となる構成は、蓄電部２９に蓄電部放電回路４１を電気的に並列接続した点である。

蓄電部放電回路４１は放電スイッチ４３と放電抵抗器４５とを直列に接続して構成されている。放電スイッチ４３は制御回路５０からのオンオフ信号ＳＷによりオンオフ制御される。具体的には電界効果トランジスタで構成することができるが、これに限らず他の半導体スイッチやリレー等を用いてもよい。

このように、制御回路５０と信号系配線で電気的に接続された蓄電部放電回路４１を設けたことにより、制御回路５０は蓄電部２９の放電を任意に制御することができる。

次に、電源装置５１の動作を説明する。通常時における動作は実施の形態１と同じであるので、詳細な説明を省略する。次に、本実施の形態の特徴となる蓄電部２９の特性低下判断動作について図４も参照しながら説明する。

図４における時刻ｔ０は図２と同様に電源装置５１の定常状態である。したがって、蓄電部２９は定常蓄電部電圧Ｖｃｓ（２８Ｖ）まで充電されている。その後、時刻ｔ１１で制御回路５０は蓄電部２９の特性低下判断を開始する。具体的には、制御回路５０は蓄電部電圧Ｖｃが主電源１１の出力電圧Ｖｂより小さくなるように充電回路２５を制御する。そして蓄電部電圧Ｖｃが蓄電部特性低下判断電圧Ｖｃｄまで蓄電部２９を充電するように、充電回路２５を制御する。この際、蓄電部電圧Ｖｃは電圧検出回路３１により検出される。

蓄電部特性低下判断電圧Ｖｃｄを定常出力電圧Ｖｂｓ以上に決定すると、放電回路３５がオンになってしまい、蓄電部電圧Ｖｃが蓄電部特性低下判断電圧Ｖｃｄに至らなくなる場合がある。この場合はいつまでも特性低下判断動作が終了しなくなる。その可能性を低減するために主電源１１の出力電圧Ｖｂが定常出力電圧Ｖｂｓに制御される場合には、蓄電部特性低下判断電圧Ｖｃｄを定常出力電圧Ｖｂｓ（３０Ｖ）より小さい電圧に設定されている。具体的には、実施の形態１で述べたように充電回路２５には逆流防止ダイオードが内蔵されているので、その電圧降下分（０．７Ｖ）を定常出力電圧Ｖｂｓから差し引いた値（３０Ｖ−０．７Ｖ＝２９．３Ｖ）に蓄電部特性低下判断電圧Ｖｃｄが設定されている。

時刻ｔ１１で、制御回路５０は図２の時刻ｔ２と同様にして変化幅ΔＶｃｒを求める。また制御回路５０は蓄電部電流Ｉｃも電流検出回路３３から読み込む。これらの測定値により、実施の形態１と同様にして、制御回路５０は蓄電部２９の内部抵抗値Ｒ_１を検出する。

次に、制御回路５０は充電中の時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの間に、蓄電部電圧Ｖｃの時間当たりの変化幅ΔＶｃｔと、蓄電部電流時間積∫（Ｉｃ）ｄｔを求める。これらの値の求め方は実施の形態１と同じである。また、これらの値から、実施の形態１と同様にして、制御回路５０は蓄電部２９の容量値Ｃを算出する。

このようにして得られた内部抵抗値Ｒ_１と容量値Ｃとから制御回路５０は実施の形態１と同様にして蓄電部２９の特性低下を判断する。

その後、図４に示すように、時刻ｔ１４で蓄電部電圧Ｖｃが蓄電部特性低下判断電圧Ｖｃｄに至る。この時点では既に特性低下判断が終了しているので、制御回路５０は蓄電部電圧Ｖｃが主電源１１の出力電圧Ｖｂより小さくなるように制御するとともに、蓄電部電圧Ｖｃが定常蓄電部電圧Ｖｃｓに至るまで蓄電部放電回路４１により蓄電部２９を放電する。具体的には、主制御回路１９は主電源１１の出力電圧（Ｖｂ）が定常出力電圧（Ｖｂｓ）となるように主電源１１を制御するとともに、制御回路５０は放電スイッチ４３をオンにする。これにより、特性低下判断のために蓄電部２９に充電された電力が放電抵抗器４５により放電される。

その後、制御回路５０は電圧検出回路３１により蓄電部電圧Ｖｃを監視し、時刻ｔ１５で蓄電部電圧Ｖｃが定常蓄電部電圧Ｖｃｓに至ると、放電スイッチ４３をオフにする。これにより、蓄電部電圧Ｖｃは定常蓄電部電圧Ｖｃｓを維持する。時刻ｔ１５では時刻ｔ０と同じ状態に戻るので、特性低下判断に伴う一連の動作が終了する。

なお、上記の特性低下判断は、実施の形態１と同様に既定時間間隔ｔｉ（例えば、１日）で行っている。

また、本実施の形態では、蓄電部放電回路４１を設ける必要があるので、実施の形態１に比べ構成が複雑になる。その一方、主電源１１の出力電圧Ｖｂを変化させるように制御する必要がない。したがって、制御が簡単になるとともに、特性低下判断に伴う負荷１７への電圧変動を抑制することができる。

また、本実施の形態においても特性低下状態判断の開始（時刻ｔ１１）から終了（時刻ｔ１５）までの間に瞬間停電が発生すると、制御回路５０は直ちに特性低下の判断動作を中止する。この時、瞬間停電で低下した出力電圧Ｖｂよりも蓄電部電圧Ｖｃの方が高くなる。これは、図４に示すように特性低下状態判断中であっても蓄電部電圧Ｖｃは２８Ｖ以上であるためである。そのため放電回路３５がオンになるが、時刻ｔ１４から時刻ｔ１５では放電スイッチ４３もオンになっている。したがって、制御回路５０は瞬間停電発生により直ちに放電スイッチ４３をオフにする。これにより、特性低下判断のために充電された電力も含めて負荷１７に供給されるので、蓄電部電圧Ｖｃを蓄電部放電回路４１による放電よりも早く低下させることができる。しかも、特性低下判断中であっても、瞬間停電が発生すれば蓄電部２９から負荷１７への電力供給が可能となる。

以上の構成、動作により、電源装置５１の使用中で蓄電部２９が充電された状態であっても、蓄電部２９の特性低下判断が可能になる。

なお、実施の形態１、２では変化幅ΔＶｃｒを蓄電部２９の充電開始直後に行っているが、これは充電の途中で中断し、その前後における蓄電部電圧Ｖｃから求めるようにしてもよい。すなわち、特性低下判断のために蓄電部２９を充電している任意の時点で蓄電部電圧Ｖｃを検出し、その直後に充電を中断して低下した蓄電部電圧Ｖｃを検出する。これら２時点の蓄電部電圧Ｖｃの差（低下幅）を変化幅ΔＶｃｒとして内部抵抗値Ｒ_２を求めてもよい。なお、中断する期間は電圧検出回路３１が安定して蓄電部電圧Ｖｃを検出できる期間として、例えば０．１秒とすればよい。また、先に充電を中断してから蓄電部電圧Ｖｃを検出し、その後充電を再開した直後に上昇した蓄電部電圧Ｖｃを検出してもよい。この上昇幅も上記低下幅と同様に蓄電部２９の内部抵抗値Ｒ_２に比例するので、これら２時点の蓄電部電圧Ｖｃの差を変化幅ΔＶｃｒとして求めてもよい。なお、これらの電圧測定時には蓄電部電流Ｉｃも検出する必要がある。このように充電を中断することにより変化幅ΔＶｃｒを求めても、内部抵抗値を求めることができる。

また、内部抵抗値を求める際に、その時だけ制御回路５０が電流検出回路３３を用いて蓄電部２９を充電する蓄電部電流Ｉｃを増やすように制御してもよい。これにより、変化幅ΔＶｃｒが大きくなるので、高精度な検出が可能となる。

このように制御回路３７、５０は、蓄電部２９の内部抵抗値Ｒ_１、容量値Ｃ、内部抵抗値Ｒ_２の少なくともいずれかを求める。内部抵抗値Ｒ_１は充電の開始前と開始直後における蓄電部電圧Ｖｃの変化幅ΔＶｃｒおよび蓄電部電流Ｉｃから求められる。容量値Ｃは充電中の蓄電部電圧Ｖｃの時間当たりの変化幅ΔＶｃｔおよび時間当たりの蓄電部電流時間積∫（Ｉｃ）ｄｔから求められる。内部抵抗値Ｒ_２は充電を中断し、中断の前後における蓄電部電圧Ｖｃの変化幅ΔＶｃｒおよび蓄電部電流Ｉｃから求められる。制御回路３７、５０は、これらの少なくとも一つから特性低下を判断する。

また、実施の形態１、２では、図２の時刻ｔ２から時刻ｔ５や、図４の時刻ｔ１１から時刻ｔ１４に示すように、蓄電部２９を最初から定電圧に制御された定抵抗により充電している。これにより、充電制御は簡単になる。しかしながら、蓄電部電圧Ｖｃの経時変化が指数関数的になるため、蓄電部２９の容量値Ｃを求める際に蓄電部電流Ｉｃを時間積分する必要があり、計算が複雑になる。

そこで、電流検出回路３３を利用して充電回路２５の制御を定電流定電圧制御（以下、ＣＣＣＶ制御という）としてもよい。この場合、充電目標電圧に至るまでは定電流で充電されるので、図２の時刻ｔ２から時刻ｔ５や、図４の時刻ｔ１１から時刻ｔ１４の蓄電部電圧Ｖｃにおける経時変化はほぼ直線となる。したがって、蓄電部電流時間積∫（Ｉｃ）ｄｔはＩｃ×Δｔとなり簡単な計算で求められる。なお、Δｔは時刻ｔ３から時刻ｔ４まで、または時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの時間である。さらに、内部抵抗値Ｒを求める際にも変化幅ΔＶｃｒを求めた時の蓄電部電流Ｉｃを検出する必要がある。しかしながら、ＣＣＣＶ制御の場合は変化幅ΔＶｃｒを求める時の蓄電部電流Ｉｃは既知の一定値であるので、蓄電部電流Ｉｃを検出しなくても特性低下判断が可能となる。

また、実施の形態１、２では、電源装置２１、５１を携帯電話用基地局の非常用電源装置として適用した場合について説明した。基地局は温度の安定した屋内に設けられているため、蓄電部２９の特性低下判断に対する温度の影響はほとんど受けない。しかしながら、屋外など温度が安定しない場所や車両等に電源装置２１、５１を用いた場合は、蓄電部２９の内部抵抗値Ｒや容量値Ｃが温度特性を有するため、正しい特性低下判断ができない可能性がある。そこで、このような場合には、蓄電部２９に制御回路３７、５０と信号系配線で電気的に接続された温度センサを設ける。図３では制御回路５０に接続された温度センサ５２を示すが、図１の構成に温度センサ５２を設けてもよい。そして制御回路３７、５０が特性低下を判断する際に、温度センサ５２で蓄電部２９の温度Ｔを検出し、内部抵抗値Ｒ_１、Ｒ_２と容量値Ｃを温度Ｔとの相関からこれらの値を補正すればよい。ここで、内部抵抗値Ｒ_１、Ｒ_２は、温度Ｔが下がれば上昇する。また、容量値Ｃは、温度Ｔが下がれば下降する。したがって、あらかじめこれらの相関を求めてメモリに記憶しておく。そして、特性低下判断を行う際に温度センサ５２から温度Ｔも検出し、求められた内部抵抗値Ｒ_１、Ｒ_２と容量値Ｃに対してそれぞれ相関を用いて補正すれば、より高精度に前記特性低下判断ができ信頼性が高まる。なお前述のように特性低下の判断には、内部抵抗値Ｒ_１、Ｒ_２と容量値Ｃの少なくともいずれか一つを用いればよいので、この判断に用いる値を補正すればよい。

また、実施の形態１、２において、蓄電部２９には蓄電素子として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キャパシタでもよい。

また、実施の形態１、２において、電源装置５１を非常用電源装置として用いた場合について述べたが、それに限らず車両用を含めたバックアップ電源や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、使用中であっても蓄電部の特性低下判断が可能で信頼性が高いので、特に主電源の電圧低下時に蓄電部から電力を供給する電源装置等として有用である。

１１ 主電源
１３ 交流電源
１５ ＡＣ／ＤＣコンバータ
１７ 負荷
１９ 主制御回路
２１，５１ 電源装置
２３ 正極端子
２５ 充電回路
２７ グランド端子
２９ 蓄電部
３１ 電圧検出回路
３３ 電流検出回路
３５ 放電回路
３７，５０ 制御回路
３９ データ端子
４１ 蓄電部放電回路
４３ 放電スイッチ
４５ 放電抵抗器
５２ 温度センサ

Claims (10)

1. 負荷に電力を供給する主電源の電力を蓄える蓄電部と、
   前記主電源から前記蓄電部に充電する充電回路と、
   前記蓄電部の蓄電部電圧（Ｖｃ）を検出する電圧検出回路と、
   前記蓄電部の蓄電部電流（Ｉｃ）を検出する電流検出回路と、
   前記蓄電部に蓄えられた電力を前記負荷に供給する放電回路と、
   前記主電源と前記充電回路とを制御し、前記蓄電部電圧（Ｖｃ）と蓄電部電流（Ｉｃ）との信号を読み込む制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、
   前記蓄電部の前記蓄電部電圧（Ｖｃ）が前記主電源の定常出力電圧（Ｖｂｓ）より小さくかつ前記蓄電部により前記負荷を駆動できる駆動下限電圧（Ｖｆｋ）より大きい既定の定常蓄電部電圧（Ｖｃｓ）である際に、
   前記蓄電部の蓄電部電圧（Ｖｃ）が蓄電部特性低下判断電圧（Ｖｃｕ、Ｖｃｄ）になるまで前記充電回路により前記蓄電部を充電し、
   前記充電の開始前と開始直後における前記蓄電部電圧（Ｖｃ）の変化幅（ΔＶｃｒ）および蓄電部電流（Ｉｃ）から求められる前記蓄電部の第１内部抵抗値（Ｒ_１）と、充電中の前記蓄電部電圧（Ｖｃ）の時間当たりの変化幅（ΔＶｃｔ）および時間当たりの蓄電部電流時間積（∫（Ｉｃ）ｄｔ）から求められる容量値（Ｃ）と、前記充電を中断し、前記中断の前後における前記蓄電部電圧（Ｖｃ）の変化幅（ΔＶｃｒ）および蓄電部電流（Ｉｃ）から求められる前記蓄電部の第２内部抵抗値（Ｒ_２）と、の少なくとも一つから前記蓄電部の特性低下を判断する、
   電源装置。
2. 前記蓄電部特性低下判断電圧（Ｖｃｄ）は前記主電源の前記定常出力電圧（Ｖｂｓ）より小さい、
   請求項１記載の電源装置。
3. 前記蓄電部と電気的に並列接続された蓄電部放電回路をさらに備え、
   前記制御回路は、前記蓄電部放電回路も制御し、
   前記特性低下を判断した後、前記蓄電部電圧（Ｖｃ）が前記定常蓄電部電圧（Ｖｃｓ）に至るまで前記蓄電部放電回路により前記蓄電部を放電する、
   請求項２記載の電源装置。
4. 前記制御回路は、
   前記蓄電部の前記蓄電部電圧（Ｖｃ）が前記主電源の定常出力電圧（Ｖｂｓ）より小さくかつ前記蓄電部により前記負荷を駆動できる駆動下限電圧（Ｖｆｋ）より大きい既定の定常蓄電部電圧（Ｖｃｓ）である際に、
   前記主電源の前記出力電圧（Ｖｂ）が前記定常出力電圧（Ｖｂｓ）より高くかつ前記負荷の駆動上限電圧（Ｖｆｕ）以下の上方出力電圧（Ｖｂｕ）になるように前記主電源を制御する、
   請求項１記載の電源装置。
5. 前記蓄電部特性低下判断電圧は前記蓄電部の上限電圧（Ｖｃｕ）である、
   請求項４記載の電源装置。
6. 前記制御回路は、
   前記特性低下を判断した後、前記主電源の前記出力電圧（Ｖｂ）が前記蓄電部の上限電圧（Ｖｃｕ）より小さくかつ前記駆動下限電圧（Ｖｆｋ）以上の下方出力電圧（Ｖｂｋ）になるように前記主電源を制御し、既定期間（ｔｋ）が経過するか、または前記蓄電部電圧（Ｖｃ）が前記定常蓄電部電圧（Ｖｃｓ）以下に至れば、前記出力電圧（Ｖｂ）を前記定常出力電圧（Ｖｂｓ）に戻すように前記主電源を制御する、
   請求項４記載の電源装置。
7. 前記制御回路は、前記特性低下の判断を既定時間間隔（ｔｉ）で実施する、
   請求項１記載の電源装置。
8. 前記特性低下の判断中に前記出力電圧（Ｖｂ）が下方出力電圧（Ｖｂｋ）まで低下すると、前記制御回路は、前記特性低下の判断を中止し、前記放電回路により前記蓄電部の電力を前記負荷に供給させる、
   請求項１記載の電源装置。
9. 前記制御回路と電気的に接続され、前記蓄電部の温度を測定する温度センサをさらに備え、
   前記制御回路は前記特性低下を判断する際に、前記温度センサで前記蓄電部の温度（Ｔ）を検出し、前記特性低下の判断に用いる前記第１、第２内部抵抗値（Ｒ_１，Ｒ_２）、前記容量値（Ｃ）の少なくとも一つを前記温度（Ｔ）との相関から補正する、
   請求項１記載の電源装置。
10. 前記制御回路は、前記特性低下の判断の結果、前記蓄電部が特性低下していれば特性低下を示す信号を出力する、
    請求項１記載の電源装置。

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