JP5421889B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置例えば車両に搭載される電源装置の改良に関する。

バッテリーを有し、あるタイミングだけバッテリーの電圧が低下する電源装置、例えば車両の停車時にエンジンを止めるアイドリングストップシステムなどの電源装置において、バッテリーの電圧が低下することによって、バッテリーによって動作している機器に悪影響を及ぼすため、低下したバッテリー電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータが必要となる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２３７５０１公報（段落番号００１７〜００２３及び図１）

従来の電源装置は以上のように構成され、自動車のアイドリングストップシステムのように、短時間急激にバッテリー電圧が下がって、その後ある程度バッテリー電圧が復帰するシステムに使用する場合、短時間であっても、バッテリー電圧の低下が最も大きい期間に合わせてＤＣ／ＤＣコンバータを設計しなければならず、大型のＤＣ／ＤＣコンバータを使用しなければならなかった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、小型化を図ることのできる電源装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電源装置においては、
第１の直流電圧源と直列電圧源装置と直流−直流変換装置と制御装置とを有する電源装置であって、
上記直列電圧源装置は、第２の直流電圧源と切り換え手段とを有し、
上記直流−直流変換装置は、入力端子と出力端子と昇圧回路とを有し、上記昇圧回路は上記入力端子に入力された直流電圧を昇圧して上記出力端子から出力するとともに動作していないときは上記入力端子と上記出力端子との間が導通するようにされたものであり、
上記直流−直流変換装置の上記入力端子が上記直列電圧源装置を介して上記第１の直流電圧源に接続され、上記出力端子に負荷が接続されるものであり、
上記制御装置は、上記切り換え手段を制御して上記第１の直流電圧源と上記第２の直流電圧源とが直列接続され上記第１の直流電圧源の電圧と上記第２の直流電圧源の電圧とが加算された電圧が上記入力端子に印加される第１の状態と上記第１の直流電圧源の電圧が単独で上記入力端子に印加される第２の状態とを切り換えるとともに上記昇圧回路の動作を制御するものである。

この発明は、
第１の直流電圧源と直列電圧源装置と直流−直流変換装置と制御装置とを有する電源装置であって、
上記直列電圧源装置は、第２の直流電圧源と切り換え手段とを有し、
上記直流−直流変換装置は、入力端子と出力端子と昇圧回路とを有し、上記昇圧回路は上記入力端子に入力された直流電圧を昇圧して上記出力端子から出力するとともに動作していないときは上記入力端子と上記出力端子との間が導通するようにされたものであり、
上記直流−直流変換装置の上記入力端子が上記直列電圧源装置を介して上記第１の直流電圧源に接続され、上記出力端子に負荷が接続されるものであり、
上記制御装置は、上記切り換え手段を制御して上記第１の直流電圧源と上記第２の直流電圧源とが直列接続され上記第１の直流電圧源の電圧と上記第２の直流電圧源の電圧とが加算された電圧が上記入力端子に印加される第１の状態と上記第１の直流電圧源の電圧が単独で上記入力端子に印加される第２の状態とを切り換えるとともに上記昇圧回路の動作を制御するものであるので、小型化を図ることができる。

この発明の実施の形態１である電源装置の構成を示す構成図である。 図１の電源装置の動作を説明するための説明図である。 実施の形態２である電源装置の構成を示す構成図である。 実施の形態３である電源装置の構成を示す構成図である。 実施の形態４である電源装置の構成を示す構成図である。 実施の形態５である電源装置の構成を示す構成図である。 実施の形態６である電源装置の構成を示す構成図である。 実施の形態７である電源装置の構成を示す構成図である。 実施の形態８である電源装置の構成を示す構成図である。 実施の形態９である電源装置の構成を示す構成図である。 実施の形態１０である電源装置の構成を示す構成図である。 実施の形態１１である電源装置の構成を示す構成図である。

実施の形態１．
図１及び図２は、この発明を実施するための実施の形態１を示すものであり、図１は電源装置の構成を示す構成図、図２は動作を説明するための説明図である。図１において、電源装置１１は直列電圧源回路１１０と直流−直流変換装置としてのＤＣ／ＤＣコンバータ２１０と制御回路３１０とを有する。直列電圧源回路１１０は、第２の直流電圧源及び蓄電手段及び二次電池としての第２バッテリー１１１と開閉手段としての第１スイッチング素子１１２と一方向導通手段としての第１ダイオード１１３とを有する。なお、第１スイッチング素子１１２と第１ダイオード１１３とが、この発明における切り換え手段である。この実施の形態においては、第１スイッチング素子１１２として、並列接続された寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられている。そして、第２バッテリー１１１の負側に第１スイッチング素子１１２のソースが接続され、第２バッテリー１１１と第１スイッチング素子１１２とが直列に接続された形になっている。第２バッテリー１１１の正側に第１ダイオード１１３のカソードが接続され、第１スイッチング素子１１２のドレイン側に第１ダイオード１１３のアノードが接続され、第２バッテリー１１１と第１スイッチング素子１１２との直列回路に第１ダイオード１１３が並列に接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０は、一般的な昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータであり、第１インダクタ２１１、第２スイッチング素子２１２、第２ダイオード２１３、平滑コンデンサ２１４、正側及び負側の入力端子２１５ａ，２１５ｂ、正側及び負側の出力端子２１６ａ，２１６ｂを有する。第２スイッチング素子２１２として、並列接続された寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴが用いられている。第１インダクタ２１１と第２スイッチング素子２１２とが第２スイッチング素子２１２のドレインが第１インダクタ２１１側になるようにして直列に接続され、第１インダクタ２１１の他方側が正側の入力端子２１５ａに接続され、第２スイッチング素子２１２のドレイン側が負側の入力端子２１５ｂに接続されている。なお、昇圧用インダクタとしての第１インダクタ２１１、昇圧用スイッチング手段としての第２スイッチング素子２１２、昇圧用一方向導通手段としての第２ダイオード２１３が、この発明における昇圧回路である。

第１インダクタ２１１と第２スイッチング素子２１２との直列接続点に第２ダイオード２１３のアノード側が接続され、第２ダイオード２１３のカソード側が出力端子２１６ａに接続されている。また、負側の入力端子２１５ｂと負側の出力端子２１６ｂが直接接続されている。平滑コンデンサ２１４は、出力端子２１６ａ，２１６ｂ間に接続されている。そして、第２スイッチング素子２１２を高周波で開閉動作させ、入力端子２１５ａ，２１５ｂに入力される入力電圧Ｖａを昇圧して、出力端子２１６ａ，２１６ｂから出力する。昇圧比は、第２スイッチング素子２１２の開閉切り換えのデューティ比（開閉周期に占める閉時間の割合）によって決まる。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を動作させない場合は、第２スイッチング素子２１２を開路にする。

直列電圧源回路１１０の第１スイッチング素子１１２と第１ダイオード１１３との接続点が第１の直流電圧源としての第１バッテリー１の正側に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の正側の入力端子２１５ａが直列電圧源回路１１０の第２バッテリー１１１の正側に接続され、負側の入力端子２１５ｂが第１バッテリー１の負側に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の出力端子２１６ａ，２１６ｂに負荷４が接続される。制御回路３１０は、電圧検出手段３１１を有する。制御回路３１０は、電圧検出手段３１１にて第１バッテリー１の端子電圧を検出し、第１スイッチング素子１１２及び第２スイッチング素子２１２の各ゲートに制御信号を発して、それぞれを開閉制御する。電源装置１１は以上のように構成されている。

次に、図２により動作について説明する。制御回路３１０は、電圧検出手段３１１が第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１を検知して、しきい値より電圧が高いか低いかで、直列電圧源回路１１０の第１スイッチング素子１１２を閉路する動作をさせるか、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を動作させるか、両方を動作させるか、両方を動作させないかを使い分け所望の電圧を負荷４に供給できるようにする。すなわち、第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１が第１の値Ｖ１（例えば６Ｖ）未満の場合は、直列電圧源回路１１０の第１スイッチング素子１１２を閉路するとともにＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を動作させる。電圧Ｖｓ１が第１の値Ｖ１（Ｖ１＜Ｖ２）以上で、第２の値Ｖ２（例えば１０Ｖ）未満の場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０のみを動作させる。電圧Ｖｓ１が第２の値Ｖ２以上の場合は、直列電圧源回路１１０の第１スイッチング素子１１２を閉路する動作とＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の動作との両方とも行わない。

具体的には、第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１が図２に示すように変化する場合の動作は次の通りである。
大きな負荷がかかっていなくて、スタートから第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１が第２の値Ｖ２以上である時間ｔ１までの間は、第１スイッチング素子１１２を開路することにより第１バッテリー１の電圧に第２バッテリー１１１の電圧が加算されないようにし、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０は昇圧動作を行わず、第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１が単独で負荷に印加されるようにする。なお、第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１が単独で負荷に印加される状態がこの発明における第２の状態（第１の状態については後述）である。この場合、以下の経路で電流が流れる。
第１バッテリー１→第１ダイオード１１３→ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０（単に通過するのみ）→負荷４→ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０→第１バッテリー１。

時間ｔ１において、大きな負荷が加わり電圧Ｖｓ１が第１の値Ｖ１（Ｖ１＜Ｖ２）未満に降下すると、制御回路３１０が第１スイッチング素子１１２を閉路することにより、第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１と第２バッテリー１１１の電圧Ｖｓ２とが加算された加算電圧ＶｓｔがＤＣ／ＤＣコンバータ２１０に印加される第１の状態にするとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を動作させ昇圧する。この場合、以下の経路で電流が流れる。
第１バッテリー１→第１スイッチング素子１１２→第２バッテリー１１１→ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０（昇圧動作）→負荷４→ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０→第１バッテリー１。
このように制御することにより、第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１の電圧の低下を第２バッテリー１１１の電圧Ｖｓ２によって補償できる。

負荷が軽くなり、時間ｔ２において電圧Ｖｓ１が第１の値Ｖ１以上に回復しかつ第２の値Ｖ２未満の場合（Ｖ１＜＝Ｖｓ１＜Ｖ２）は、第１スイッチング素子１１２を開路することにより第１バッテリー１の電圧に第２バッテリー１１１の電圧が加算されないようにし、第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１が単独でＤＣ／ＤＣコンバータ２１０に印加される第２の状態とし、この印加される電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２１０にて昇圧する。この場合、以下の経路で電流が流れる。
第１バッテリー１→第１ダイオード１１３→ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０（昇圧動作）→負荷４→ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０→第１バッテリー１。
このように制御することにより、直列電圧源回路１１０の第１スイッチング素子１１２の開閉動作をさせないですなわち第１スイッチング素子１１２を開路した状態で、第１バッテリー１の電圧が単独で、第１ダイオード１１３を介してＤＣ／ＤＣコンバータ２１０に印加される。

さらに、時間ｔ３において、電圧Ｖｓ１が第２の値Ｖ２以上になると、第１スイッチング素子１１２を開路することにより第１バッテリー１の電圧に第２バッテリー１１１の電圧が加算されないようにし上記第２の状態とするとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の昇圧動作を停止し、第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１が負荷に印加されるようにする。この場合、以下の経路で電流が流れる。
第１バッテリー１→第１ダイオード１１３→ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０（単に通過するのみ）→負荷４→ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０→第１バッテリー１。

なお、ここで示した、直列電圧源回路１１０とＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の動作の組み合わせは１例であり、条件によって違った組み合わせで動作させることも可能である。また、第２の直流電圧源としてバッテリー１１１を用いたものを示したが、直流電圧源であれば、コンデンサなど他の直流電圧源であってもよい。

以上のように、この実施の形態によれば、第１バッテリー１とＤＣ／ＤＣコンバータ２１０との間に直列電圧源回路１１０を設け、第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１に第２バッテリー１１１の電圧Ｖｓ２を加算してＤＣ／ＤＣコンバータ２１０に供給可能とすることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を小型化でき、電源装置全体としても小型化を図ることができる。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２である電源装置の構成を示す構成図である。図３において、電源装置１２は、プログラム手段３２１を有する制御回路３２０を備える。制御回路３２０は。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。実施の形態１に示した電源装置１１において、第１バッテリー１の電圧変化のパターンが既知であるならば、プログラム手段３２１により、経過時間に対応させて直列電圧源回路１１０の第１スイッチング素子を閉路する動作をさせるか、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を動作させるか、両方を動作させるか、両方を動作させないかを使い分けるように信号を発して、直列電圧源回路１１０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を制御する。

プログラム手段３２１は、次のように制御する。図２における、所定の時点としてのプログラム手段３２１動作開始時点０から第１の時間としての時間ｔ１に至る前までの間は、第１スイッチング素子１１２を開路することにより第１バッテリー１の電圧に第２バッテリー１１１の電圧が加算されないようにし上記第２の状態とするとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の昇圧動作をさせず、第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１が負荷に印加されるようにする。
時間ｔ１から第２の時間としての時間ｔ２に至る前までの間は、制御回路３１０が第１スイッチング素子１１２を閉路し、第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１と第２バッテリー１１１の電圧Ｖｓ２とが加算された加算電圧ＶｓｔがＤＣ／ＤＣコンバータ２１０に印加される第１の状態にするとともに、上記電圧ＶｓｔをＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を動作させ昇圧する。

時間ｔ２から第３の時間としての時間ｔ３に至る前までは、第１スイッチング素子１１２を開路することにより第１バッテリー１の電圧に第２バッテリー１１１の電圧が加算されないようにし、第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１が単独でＤＣ／ＤＣコンバータ２１０に印加される第２の状態とし、この印加される電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２１０にて昇圧する。
時間ｔ３以後は、第１スイッチング素子１１２を開路することにより第１バッテリー１の電圧に第２バッテリー１１１の電圧が加算されないようにし上記第２の状態とするとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の昇圧動作を停止し、第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１が負荷に印加されるようにする。なお、時間ｔ１，ｔ２，ｔ３は、バッテリー１や負荷に応じて予め決められている。

以上のように、プログラム手段３２１を用いることにより、第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１を検出することなく直列電圧源回路１１０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を制御することができ、電圧Ｖｓ１の検出手段が不要となり電源装置の構成を簡易にできる。

実施の形態３．
図４は、実施の形態３である電源装置の構成を示す構成図である。図４において、電源装置１３は、直列電圧源回路１２０を有する。直列電圧源回路１２０は、第２バッテリー１１１と第１スイッチング素子１１２と第１ダイオード１１３とを有し、図１の直列電圧源回路１１０と同様の構成部品を有するものであるが、第２バッテリー１１１と第１スイッチング素子１１２との接続の順が逆にされている。すなわち、第２バッテリー１１１の正側に第１スイッチング素子１１２のドレインが接続され、第２バッテリー１１１と第１スイッチング素子１１２とが直列に接続されている。第２バッテリー１１１の負側に第１ダイオード１１３のアノードが接続され、第１スイッチング素子１１２のソース側に第１ダイオード１１３のカソードが接続され、第２バッテリー１１１と第１スイッチング素子１１２との直列回路に第１ダイオード１１３が並列に接続された形になっている。第２バッテリー１１１の負側が第１バッテリー１の正側に接続され、第２バッテリー１１１と第１スイッチング素子１１２との接続点がＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の正側の入力端子２１５ａに接続されている。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

本実施の形態は、図１に示した直列電圧源回路１１０に比し、第２バッテリー１１１と第１スイッチング素子１１２との接続の順番が入れ替わっている点が異なるが、動作については同様であり、制御回路３１０により、第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１の変化に応じて直列電圧源回路１２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の動作を制御する。

実施の形態４．
図５は、実施の形態４である電源装置の構成を示す構成図である。図５において、電源装置１４は、直列電圧源回路１３０と制御回路３４０とを有する。直列電圧源回路１３０は、充電手段としての充電回路１３４を有する。制御回路３４０は、電圧検出手段３１１を有する。充電回路１３４は、出力側開閉手段としての第３スイッチング素子１３５と出力側一方向導通手段としての第３ダイオード１３６とが直列に接続されて構成されている。この実施の形態においては、第３スイッチング素子１３５として、ＭＯＳＦＥＴが用いられている。そして、第３スイッチング素子１３５のドレイン側が第２バッテリー１１１の正側に接続され、第３ダイオード１３６のアノード側が第２バッテリー１１１の負側に接続されている。第３スイッチング素子１３５と第３ダイオード１３６との接続部がＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の正側の入力端子２１５ａに接続されている。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

次に、動作について説明する。制御回路３４０の基本的な動作は図１に示した制御回路３１０と同様である。すなわち、制御回路３４０は、電圧検出手段３１１が第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１を検知して、しきい値より電圧が高いか低いかで、直列電圧源回路１３０の第１スイッチング素子１１２を閉路させる動作をさせるか、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を動作させるか、両方を動作させるか、両方を動作させないかを使い分ける。すなわち、第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１がＶ２より高い場合は、第１スイッチング素子１１２を閉路させる動作及びＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の動作をともにさせない。電圧Ｖｓ１がＶ１より高く、Ｖ２以下の場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０のみを動作させる。Ｖ１以下の場合は、第１スイッチング素子１１２を閉路させる動作及びＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の動作をともにさせる。

ここで、直列電圧源回路１３０の第１スイッチング素子１１２と第３スイッチング素子１３５を閉路することにより、以下の経路で電流が流れる。
第１バッテリー１→第１スイッチング素子１１２→第２バッテリー１１１→第３スイッチング素子１３５→ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０（昇圧）→負荷４→ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０→第１バッテリー１。
このようにすることにより、直列電圧源回路１３０を使って、第１バッテリー１の電圧と第２バッテリー１１１の電圧との和の電圧を昇圧することができる。

第１スイッチング素子１１２を閉路させない場合、方法が２通りある。
１つは、第１スイッチング素子１１２を閉路、第３スイッチング素子１３５を開路することにより、以下の経路で電流が流れる。
第１バッテリー１→第１スイッチング素子１１２→第３ダイオード１３６→ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０→負荷４→ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０→第１バッテリー１。
もうひとつは、第１スイッチング素子１１２を開路、第３スイッチング素子１３５を閉路することにより、以下の経路で電流が流れる。
第１バッテリー１→第１ダイオード１１３→第３スイッチング素子１３５→ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０→負荷４→ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０→第１バッテリー１。
このようにすることにより、第１スイッチング素子１１２を閉路させないで、第１バッテリー１の電圧をそのままＤＣ／ＤＣコンバータ２１０に印加できる。

また、第１スイッチング素子１１２と第３スイッチング素子１３５とを開路することにより、以下の経路で電流が流れる。
第１バッテリー１→第１ダイオード１１３→第２バッテリー１１１→第３ダイオード１３６→ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０→負荷４→ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０→第１バッテリー１。
このようにすることにより、第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１を昇圧する代わりに、充電回路１３４により第２バッテリー１１１を充電することができる。

実施の形態５．
図６は、実施の形態５である電源装置の構成を示す構成図である。図６において、電源装置１５は、直列電圧源回路１４０と制御回路３５０とを有する。直列電圧源回路１４０は、充電手段及び充電用ＤＣ／ＤＣコンバータとしての充電回路１４４を有する。制御回路３５０は、電圧検出手段３１１を有する。直列電圧源回路１４０は、第２の直流電圧源及び蓄電手段としてのコンデンサ１４１と充電手段としての充電回路１４４とを有する。充電回路１４４は、充電用インダクタとしての第２インダクタ１４５と充電用スイッチング手段としての第４スイッチング素子１４６と充電用一方向導通手段としての第４ダイオード１４７とを有する。この実施の形態は、コンデンサ１４１を充電する充電回路１４４を設けたものである。図６において、第４スイッチング素子１４６として、ＭＯＳＦＥＴが用いられている。

充電回路１４４において、第２インダクタ１４５の一方の端子と第４スイッチング素子１４６のドレインとが接続されることにより第２インダクタ１４５と第４スイッチング素子１４６とが直列に接続され、第２インダクタ１４５の他方の端子が第１バッテリー１の正側に接続され、第４スイッチング素子１４６のソースと第１バッテリー１の負側とが接続されている。第２インダクタ１４５と第４スイッチング素子１４６との接続点に第４ダイオード１４７のアノードが接続され、第４ダイオード１４７のカソードがコンデンサ１４１と第１ダイオード１１３との接続点に接続されている。

次に動作について説明する。制御回路３５０が電圧検出手段３１１の検出した第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１に応じて直列電圧源回路１４０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を制御するのは図１に示した制御回路３１０と同様である。また、制御回路３５０が、充電手段及び充電用ＤＣ／ＤＣコンバータとしての充電回路１４４を次のように制御し、第２直流電圧源としてのコンデンサ１４１を充電する。まず第４スイッチング素子１４６を閉路すると、以下の経路に電流が流れ、第２インダクタ１４５にエネルギーが蓄積される。
第１バッテリー１→第２インダクタ１４５→第４スイッチング素子１４６→第１バッテリー１。
そして、第４スイッチング素子１４６を開路すると、以下の経路に電流が流れ、第２インダクタ１４５に蓄積されたエネルギーがコンデンサ１４１に充電される。
第２インダクタ１４５→第４ダイオード１４７→コンデンサ１４１→第１スイッチング素子１１２→第２インダクタ１４５。
なお、第１スイッチング素子１１２は閉路状態でも開路状態でもこの経路で電流は流れるが、閉路すると直列電圧源回路１４０を動作させることになるので、コンデンサ１４１の充電電力よりも直列電圧源回路１４０の動作による放電電力が大きい場合充電できないことになる。

以上のようにして、第２インダクタ１４５を利用して、コンデンサ１４１を充電することができる。なお、このようなコンデンサ１４１と充電回路１４４とは、図１〜図５に示した第２バッテリー１１１の代わりに用いることができる。

実施の形態６．
図７は、実施の形態６である電源装置の構成を示す構成図である。図７において、電源装置１６は、直列電圧源回路１５０と制御回路３６０とを有する。直列電圧源回路１５０は、充電回路１４４を有する。制御回路３６０は、電圧検出手段３１１を有する。図７において、充電回路１４４の接続が図６に示したものと異なる。すなわち、充電回路１４４において、第２インダクタ１４５の一方の端子と第４スイッチング素子１４６のドレインとが接続されることにより第２インダクタ１４５と第４スイッチング素子１４６とが直列に接続され、第２インダクタ１４５の一方の端子が第１スイッチング素子１１２とコンデンサ１４１との接続点に接続され、第４スイッチング素子１４６のソースと第１バッテリー１の負側とが接続されている。第２インダクタ１４５と第４スイッチング素子１４６との接続点に第４ダイオード１４７のアノードが接続され、第４ダイオード１４７のカソードが第１ダイオード１１３とコンデンサ１４１との接続点に接続されている。また、第１ダイオード１１３とコンデンサ１４１との接続点にＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の正側の入力端子２１５ａが接続されている。その他の構成については、図６に示した実施の形態５と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

次に動作について説明する。制御回路３６０が電圧検出手段３１１の検出した第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１に応じて直列電圧源回路１５０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を制御するのは図１に示した制御回路３１０と同様である。また、制御回路３６０は、充電回路１７４を次のように制御し、コンデンサ１４１を充電する。
まず、第１スイッチング素子１１２と第４スイッチング素子１４６とを閉路すると、以下の経路に電流が流れ、第２インダクタ１４５にエネルギーが蓄積される。
第１バッテリー１→第１スイッチング素子１１２→第２インダクタ１４５→第４スイッチング素子１４６→第１バッテリー１。
そして第４スイッチング素子１４６を開路すると、以下の経路に電流が流れ、第２インダクタ１４５に蓄積されたエネルギーが第２バッテリー１１１に充電される。
第２インダクタ１４５→第４ダイオード１４７→コンデンサ１４１→第２インダクタ１４５。

なお、第１スイッチング素子１１２は閉路状態でも開路状態でもこの経路で電流は流れるが、この回路方式では、第１スイッチング素子１１２が閉路すると、第１バッテリー１とＤＣ／ＤＣコンバータ２１０との間に第２バッテリー１１１が挿入されることになることによる放電電力が大きい場合、第２バッテリー１１１を充電できない。
以上のようにして、第２インダクタ１４５を利用して、コンデンサ１４１を充電することができる。

実施の形態７．
図８は、実施の形態７である電源装置の構成を示す構成図である。図８において、電源装置１７は、直列電圧源回路１６０と制御回路３７０とを有する。直列電圧源回路１６０は、充電回路１７４を有する。制御回路３７０は、電圧検出手段３１１を有する。充電回路１７４は、トランス１７５、一次側スイッチング手段としての第５スイッチング素子１７６、二次側一方向導通手段としての第５ダイオード１７７を有する。トランス１７５は、一次巻線１７５ａ及び二次巻線１７５ｂを有し、図７における共通の鉄心に●に示す極性に巻回されている。制御回路３７０は、電圧検出手段３１１を有する。一次巻線１７５ａの一方の端子が第１バッテリー１の正側に接続され、一次巻線１７５ａの他方の端子が第５スイッチング素子１７６のドレインに接続され、第５スイッチング素子１７６のソースが第１バッテリー１の負側に接続されている。二次巻線１７５ｂは、一方の端部が第１スイッチング素子１１２とコンデンサ１４１との接続点に接続され、他方の端部が第５ダイオード１７７のアノードに接続されている。第５ダイオード１７７のカソードは、第１ダイオード１１３とコンデンサ１４１との接続点に接続されている。その他の構成については、図６に示した実施の形態５と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

制御回路３７０が電圧検出手段３１１の検出した第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１に応じて直列電圧源回路１５０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を制御するのは図１に示した制御回路３１０と同様である。また、制御回路３７０は、充電回路１７４において、第５スイッチング素子１７６が開閉を繰り返すように制御することにより、第１バッテリー１からトランス１７５を介して、コンデンサ１４１を充電することができる。なお、トランス１７５を設けることによって電流が通る素子数を減らすことができるので、コンデンサ１４１を効率良く充電することができる。

実施の形態８．
図９は、実施の形態８である電源装置の構成を示す構成図である。図９において、電源装置１８は、直列電圧源回路１７０と制御回路３８０を有する。制御回路３８０は、電圧検出手段３１１を有する。図９において、充電回路１７４は、図８に示したものと同様の構成であるが、充電回路１７４の接続方法が異なる。すなわち、一次巻線１７５ａの一方の端子が第１スイッチング素子１１２とコンデンサ１４１との接続点に接続され、一次巻線１７５ａの他方の端子が第５スイッチング素子１７６のドレインに接続されることにより一次巻線１７５ａと第５スイッチング素子１７６とが直列に接続され、第５スイッチング素子１７６のソースが第１バッテリー１の負側に接続されている。また、二次巻線１７５ｂの一方の端子が一次巻線１７５ａの他方の端子に接続され、二次巻線１７５ｂの他方の端子が第５ダイオード１７７のアノードに接続され、第５ダイオード１７７のカソードが第１ダイオード１１３とコンデンサ１４１との接続点に接続されている。その他の構成については、図６に示した実施の形態５と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

制御回路３８０が電圧検出手段３１１の検出した第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１に応じて直列電圧源回路１５０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を制御するのは図１に示した制御回路３１０と同様である。また、制御回路３８０は、充電回路１７４を次のように制御する。充電回路１７４において、第１スイッチング素子１１２と第５スイッチング素子１７６が閉路し、次に第５スイッチング素子１７６が開路する。なお、第５スイッチング素子１７６が開路した後は第１スイッチング素子１１２は閉路状態でも開路状態でもよい。
なお、この回路方式では、必ず第１スイッチング素子１１２を閉路する時間があり、第１バッテリー１とＤＣ／ＤＣコンバータ２１０との間に第２バッテリー１１１が挿入されることになるので、コンデンサ１４１の充電電力よりも放電電力が大きい場合、第２バッテリー１１１を充電できない。
このように、第１スイッチング素子１１２と第５スイッチング素子１７６とが開閉を繰り返すことにより、第１バッテリー１から一次巻線１７５ａ、二次巻線１７５ｂを介して、コンデンサ１４１を充電することができる。

実施の形態９．
図１０は、実施の形態９である電源装置の構成を示す構成図である。この実施の形態は、図１の電源装置１１を同期整流方式の電源装置１９としたものである。図１０において、電源装置１９は、直列電圧源回路１８０と直流−直流変換装置としてのＤＣ／ＤＣコンバータ２２０と制御回路３９０とを有する。制御回路３９０は、電圧検出手段３１１を有する。直列電圧源回路１８０は、一方向導通手段及び半導体スイッチング素子としての第６スイッチング素子１８３を有する。第６スイッチング素子１８３は、図１における第１スイッチング素子１１２と同様の並列接続された寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴが用いられている。第６スイッチング素子１８３のソースが第１スイッチング素子１１２のドレインに接続され、第６スイッチング素子１８３のドレインが第２バッテリー１１１の正側に接続されている。なお、第１スイッチング素子１１２と第６ダイオード１８３とが、この発明における切り換え手段である。また、昇圧用インダクタとしての第１インダクタ２１１、昇圧用スイッチング手段としての第２スイッチング素子２１２、昇圧用一方向導通手段としての第７スイッチング素子２２３が、この発明における昇圧回路である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２２０は、第１インダクタ２１１と第２スイッチング素子２１２と第７スイッチング素子２２３と正側及び負側の入力端子２２５ａ，２２５ｂ、正側及び負側の出力端子２２６ａ，２２６ｂを有する。第１インダクタ２１１の一方の端子と第２スイッチング素子２１２のドレインが接続されて直列回路が形成され、この直列回路が正負両側の入力端子２２５ａ，２２５ｂに接続されている。第１インダクタ２１１の他方の端子と第２スイッチング素子２１２との接続点に第７スイッチング素子２２３のソースが接続され、第７スイッチング素子２２３のドレインに出力端子２２６ａが接続されている。また、入力端子２２５ｂと出力端子２２６ｂとが直結されている。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

制御回路３９０が電圧検出手段３１１の検出した第１バッテリー１の電圧Ｖｓ１に応じて直列電圧源回路１８０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２０を制御するのは、図１に示した制御回路３１０と同様である。第６スイッチング素子１８３が図１における第１ダイオード１１３に対応し、第７スイッチング素子２２３が第２ダイオード２１３に対応するものであり、第６スイッチング素子１８３は、図１の第１スイッチング素子１１２が開路している時間に相当する時間の間閉路しすなわち導通し、第７スイッチング素子２２３は図１の第２スイッチング素子２１２が開路している時間に相当する時間の間閉路しすなわち導通することにより、電流が第１ダイオード１１３及び第２ダイオード２１３よりも損失が少ない第６スイッチング素子１８３及び第７スイッチング素子２２３を流れるため、電源装置の高効率化を図ることができる。

また、上記の各実施の形態における第１ダイオード１１３，２１３を寄生ダイオードを有するスイッチング素子やスイッチング素子とこのスイッチング素子に並列の接続されたダイオードに置き換えることにより同期整流が可能となり、電源装置の高効率化を図ることができる。

実施の形態１０．
図１１は、実施の形態１０である電源装置の構成を示す構成図である。図１１において、電源装置２０は、制御回路４００及び第１のバイパススイッチとしての開閉スイッチ５１１及び第２のバイパススイッチとしての開閉スイッチ５１２を有する。開閉スイッチ５１１は、直列電圧源回路１１０と第１バッテリー１の正側との接続部と、直列電圧源回路１１０とＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の正側の入力端子２１５ａとの接続部に接続されている。開閉スイッチ５１２は、直列電圧源回路１１０とＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の正側の入力端子２１５ａとの接続部と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の正側の出力端子２１６ａと負荷４との接続部とに接続されている。制御回路４００は、直列電圧源回路１１０あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を動作させない場合に、開閉スイッチ５１１あるいは開閉スイッチ５１２を閉成する。

開閉スイッチ５１１を閉成することにより、直列電源回路１１０を通過することなく第１バッテリー１の正側からＤＣ／ＤＣコンバータ２１０へ電流を流すことができる。開閉スイッチ５１２を閉成することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を実質的に通過することなく（形の上では負側の入力端子２１５ｂと出力端子２１６ｂとを通過するが）直列電圧源回路１１０から負荷４へ電流を流すことができる。そして、直列電圧源回路１１０を動作させないときは開閉スイッチ５１１を閉成し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を動作させないときは開閉スイッチ５１２を閉成する。これにより、直列電圧源回路１１０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を実質的に通過することなく、バイパスして開閉スイッチ５１１，５１２を流れるので、直列電圧源回路１１０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２１０における抵抗損失を無くすことができる。そして、直列電圧源回路１１０あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を動作させない場合に、きめ細かく制御して高効率化を図ることができる。

実施の形態１１．
図１２は、実施の形態１１である電源装置の構成を示す構成図である。図１２において、電源装置２１は、制御回路４１０及び第３のバイパススイッチとしての開閉スイッチ６１０を有する。開閉スイッチ６１０は、直列電圧源回路１１０と第１バッテリー１の正側との接続部と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の正側の出力端子２１６ａと負荷４との接続部とに接続されている。制御回路４１０は、直列電圧源回路１１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の両方を動作させない場合に、開閉スイッチ６１０を閉成する。開閉スイッチ６１０を閉成することにより、第１バッテリー１の正側から負荷４へ直列電圧源回路１１０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を実質的に通過することなくバイパスして第１バッテリー１の電圧を負荷４に印加することができる。これにより、直列電圧源回路１１０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２１０を通過するときの抵抗損失を無くして、直列電圧源回路１１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２１０の両方を動作させない場合の高効率化を図ることができる。

なお、上記各実施の形態において、第２バッテリー１１１の代わりにコンデンサ１４１を用いたり、逆にンデンサ１４１の代わりに第２バッテリー１１１を用いたものであっても同様の効果を奏する。なお、充電回路は必須のものではない。充電回路を設けることなく、着脱式の一次電池や二次電池なども用いることができる。

１ 第１バッテリー、４ 負荷、１１，１２，１３，１４，１５，１６ 電源装置，
１７，１９，２０，２１ 電源装置、１１０ 直列電圧源回路、
１１１ 第２バッテリー、１１２ 第１スイッチング素子、１１３ 第１ダイオード、
１２０，１３０ 直列電圧源回路、１３５ 第３スイッチング素子、
１３６ 第３ダイオード、１４０ 直列電圧源回路、１４１ コンデンサ、
１４４ 充電回路、１４５ 第２インダクタ、１４６ 第４スイッチング素子、
１４７ 第４ダイオード、１５０，１６０ 直列電圧源回路、１７４ 充電回路、
１７５ トランス、１７５ａ 一次巻線、１７５ｂ 二次巻線、
１７６ 第５スイッチング素子、１７７ 第５ダイオード、１８０ 直列電圧源回路、
１８３ 第６スイッチング素子、２１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ、
２１１ 第１インダクタ、２１２ 第２スイッチング素子、２１３ 第２ダイオード、
２１５ａ，２１５ｂ 入力端子、２１６ａ，２１６ｂ 出力端子、
２２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ、２２３ 第７スイッチング素子、
２２５ａ，２２５ｂ 入力端子、２２６ａ，２２６ｂ 出力端子、３１０ 制御回路、
３１１ 電圧検出手段、３２０ 制御回路、３２１ プログラム制御手段、
３３０，３４０，３５０，３６０，３７０，３８０，３９０ 制御回路、
４００，４１０ 制御回路、５１１，５１２，６１０ 開閉スイッチ。

Claims (14)

1. 第１の直流電圧源と直列電圧源装置と直流−直流変換装置と制御装置とを有する電源装置であって、
   上記直列電圧源装置は、第２の直流電圧源と切り換え手段とを有し、
   上記直流−直流変換装置は、入力端子と出力端子と昇圧回路とを有し、上記昇圧回路は上記入力端子に入力された直流電圧を昇圧して上記出力端子から出力するとともに動作していないときは上記入力端子と上記出力端子との間が導通するようにされたものであり、
   上記直流−直流変換装置の上記入力端子が上記直列電圧源装置を介して上記第１の直流電圧源に接続され、上記出力端子に負荷が接続されるものであり、
   上記制御装置は、上記切り換え手段を制御して上記第１の直流電圧源と上記第２の直流電圧源とが直列接続され上記第１の直流電圧源の電圧と上記第２の直流電圧源の電圧とが加算された電圧が上記入力端子に印加される第１の状態と上記第１の直流電圧源の電圧が単独で上記入力端子に印加される第２の状態とを切り換えるとともに上記昇圧回路の動作を制御するものである
   電源装置。
2. 上記制御装置は、上記第１の直流電圧源の電圧を検出する電圧検出手段を有するものであって、上記第１の直流電圧源の電圧が、第１の値未満のときは上記切り換え手段を制御して上記第１の直流電圧源と上記第２の直流電圧源とを上記第１の状態とするとともに上記昇圧回路を動作させ、上記第１の値以上でかつ上記第１の値より高い値である第２の値未満のときは上記第１の直流電圧源と上記第２の直流電圧源とを上記第２の状態とするとともに上記昇圧回路を動作させ、上記第２の値以上のときは上記第１の直流電圧源と上記第２の直流電圧源とを上記第２の状態とするとともに上記昇圧回路の動作を停止させるものである
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 上記制御装置は、プログラム制御手段を有するものであって、上記プログラム制御手段は所定の時点から第１の時間に至る前までは上記切り換え手段を制御して上記第１の直流電圧源と上記第２の直流電圧源とを上記第２の状態とするとともに上記昇圧回路を動作させず、上記第１の時間から第２の時間に至る前までは上記第１の直流電圧源と上記第２の直流電圧源とを上記第１の状態とするとともに上記昇圧回路を動作させ、上記第２の時間以後は上記第１の直流電圧源と上記第２の直流電圧源とを上記第２の状態とするものである
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
4. 上記切り換え手段は、開閉手段と一方向導通手段とを有し、
   上記開閉手段は、上記第２の直流電圧源と直列に接続され上記第２の直流電圧源との直列回路を構成するものであり、
   上記一方向導通手段は、上記直列回路と並列に接続されたものであって、上記開閉手段が開路しているとき上記直列回路をバイパスして電流を流しうるようにされたものであり、
   上記直列回路が上記第１の直流電圧源と直列に接続され、
   上記制御装置は、上記開閉手段を開閉制御して上記第１の状態と上記第２の状態とを切り換えるものである
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電源装置。
5. 上記一方向導通手段は、半導体スイッチング素子であり、上記開閉手段が閉路しているとき非導通とされ開路しているとき導通されるものである
   ことを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
6. 上記昇圧回路は、昇圧用インダクタと昇圧用スイッチング手段と昇圧用一方向導通手段とを有し、上記昇圧用インダクタと上記昇圧用スイッチング手段とが直列に接続された直列回路が上記各入力端子間に接続され、上記昇圧用インダクタと上記昇圧用スイッチング手段との接続部が上記昇圧用一方向導通手段を介して上記出力端子の一方に接続されたものであり、
   上記昇圧用スイッチング手段の開閉により上記昇圧用インダクタに発生する電圧を上記昇圧用一方向導通手段が上記昇圧用スイッチング手段の開路と同期して閉路され閉路と同期して開路されることにより上記出力端子に出力するものである
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の電源装置。
7. 上記第２の直流電圧源は、充放電可能な蓄電手段であり、
   上記直列電圧源装置は、上記蓄電手段を充電する充電手段を有するものである
   ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電源装置。
8. 上記蓄電手段は、二次電池である
   ことを特徴とする請求項７に記載の電源装置。
9. 上記蓄電手段は、コンデンサである
   ことを特徴とする請求項７に記載の電源装置。
10. 上記充電手段は、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータであり、上記充電用ＤＣ／ＤＣコンバータは上記第１の直流電圧源の電圧を変換して上記蓄電手段に印加することにより上記蓄電手段を充電するものである
    ことを特徴とする請求項７に記載の電源装置。
11. 上記充電用ＤＣ／ＤＣコンバータは、充電用インダクタと充電用スイッチング手段と充電用一方向導通手段とを有し、上記充電用インダクタと上記充電用スイッチング手段とが直列に接続された直列回路が上記第１の直流電圧源に並列に接続され、上記充電用スイッチング手段の開閉により上記充電用インダクタに発生する電圧を上記充電用一方向導通手段を介して上記蓄電手段に印加することにより上記蓄電手段を充電するものである
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電源装置。
12. 上記充電用ＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスと一次側スイッチング手段と二次側一方向導通手段とを有し、上記トランスは一次巻線と二次巻線とを有し、上記一次巻線が上記一次側スイッチング手段を介して上記第１の直流電圧源に並列に接続され、上記二次巻線が上記二次側一方向導通手段を介して上記蓄電手段に並列に接続され、上記一次側スイッチング手段の開閉により上記二次巻線に発生する電圧を上記二次側一方向導通手段を介して上記蓄電手段に印加することにより上記蓄電手段を充電するものである
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電源装置。
13. 上記充電手段は、出力側開閉手段と出力側一方向導通手段とが直列に接続されたものであり、
    上記出力側開閉手段と上記出力側一方向導通手段との直列回路が上記第２の直流電圧源に接続され、上記直流−直流変換装置が上記出力側開閉手段及び上記直列電圧源装置を介して上記第１の直流電圧源に接続され、
    上記開閉手段が開路されたとき上記出力側開閉手段が開路されることにより上記蓄電手段に上記第１の直流電圧源の電圧が印加され上記蓄電手段を充電するものである
    ことを特徴とする請求項７に記載の電源装置。
14. 第１と第２と第３のバイパススイッチのうちの少なくとも一つを有するものであって、
    上記第１のバイパススイッチは、上記直列電圧源装置を通過することなく上記第１の直流電圧源の電圧を上記直流−直流変換装置に印加可能にするものであり、
    上記第２のバイパススイッチは、上記直流−直流変換装置を通過することなく上記第１の直流電圧源の電圧あるいは上記第１の直流電圧源の電圧と上記第２の直流電圧源の電圧とが加算された電圧を上記負荷に印加可能にするものであり、
    上記第３のバイパススイッチは、上記直列電圧源装置及び上記直流−直流変換装置を通過することなく上記第１の直流電圧源の電圧を上記負荷に印加可能にするものである
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の電源装置。

Images