(57)【要約】【課題】コンバータなし、あるいはコンバータが一つのバックアップ電源またはサブ電源を提供する。【解決手段】電源供給システム８Ａの高電位端８１は負荷９の一端に接続され、低電位端８２は負荷９の他端に接続される。高電位端８１には、直流電源１からスイッチ１０を介して正電圧が印加される。電源線７は、ダイオード２のアノードと正極６１との間に接続される。ダイオード２のカソードは高電位端８１に接続される。スイッチ３はダイオード２に対して並列に接続される。スイッチ３は、電源線７において正極６１からアノードに向かって流れる電流Ｉの電流値が正の閾値以上であるとき、または直流電源１から高電位端８１を介して蓄電素子６を充電するときにオンする。スイッチ３は、蓄電素子６を充電せず、かつ電流Ｉの電流値が閾値未満であるときにオフする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に対して電力を供給する電源供給システムであって、
直流電源から正電圧が印加される高電位端と、
前記高電位端と共に前記電力を出力する低電位端と、
正極と、前記低電位端に接続された負極とを有する蓄電素子と、
アノードと、前記高電位端に接続されたカソードとを有するダイオードと、
前記アノードと前記正極との間に接続される電源線と、
前記ダイオードに対して並列に接続され、前記直流電源から前記高電位端を介して前記蓄電素子を充電するとき、または前記電源線において前記正極から前記アノードに向かって流れる放電電流の電流値が正の閾値以上であるときにオンする一方、前記蓄電素子を充電せず、かつ、前記電流値が前記閾値未満であるときにオフする第１のスイッチと
を備える電源供給システム。
【請求項２】
請求項１記載の電源供給システムであって、
前記閾値は、前記電流値が減少しているときに採用される第１閾値と、前記電流値が増加しているときに採用される第２閾値との二種が設定され、
前記第１閾値よりも前記第２閾値の方が大きい、電源供給システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の電源供給システムであって、
前記閾値は前記ダイオードの許容電流以下に設定される、電源供給システム。
【請求項４】
請求項１、請求項２、または請求項３のいずれか一項に記載の電源供給システムであって、
前記電流値を検出する電流センサと、
前記電流値と前記閾値とを比較した結果に基づいて、前記第１のスイッチのオン／オフを制御する制御部と
を更に備える電源供給システム。
【請求項５】
請求項４記載の電源供給システムであって、
前記蓄電素子の電圧の電圧値を検出する第１の電圧センサ
を更に備え、
前記制御部は、前記電圧値に基づいて、前記蓄電素子を充電するか否かを判断して前記第１のスイッチのオン／オフを制御する、電源供給システム。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の電源供給システムであって、
前記蓄電素子の電圧を昇圧または降圧して出力し、前記アノードへ出力電圧を出力するコンバータと、
前記出力電圧を検出する第２の電圧センサと
を更に備え、
前記制御部は、前記出力電圧が第１の電圧よりも高く、第２の電圧よりも低くなるように前記コンバータを制御し、
前記第１の電圧は前記負荷の動作に必要な電圧の最低電圧値であり、
前記第２の電圧は前記第１の電圧よりも高く、前記蓄電素子を充電するときの前記高電位端の電位である、電源供給システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の電源供給システムであって、
前記高電位端および前記負荷は第２のスイッチを介して前記直流電源に接続され、
前記第２のスイッチは前記直流電源の正常時にオンし、異常時にオフとなる、電源供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、負荷に電源を供給する技術に関し、特に直流電源に対するバックアップ電源として機能する電源供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、電源入力部からキャパシタ部への充電経路に充電回路部が設けられ、キャパシタ部から出力部への出力経路に昇圧回路部が設けられるバックアップ電源装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−７００５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されたバックアップ電源装置を実現する場合、充電回路部および昇圧回路部にはそれぞれコンバータが採用される。しかし、このバックアップ電源装置では、複数のコンバータの配置が必要となり、コストがかかる。
【０００５】
そこで、本発明は、コンバータなし、あるいはコンバータが一つのバックアップ電源またはサブ電源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
電源供給システムは負荷に対して電力を供給する。電源供給システムは高電位端と、低電位端と、蓄電素子と、ダイオードと、電源線と、スイッチとを備える。前記高電位端には直流電源から正電圧が印加される。前記低電位端は前記高電位端と共に前記電力を出力する。前記蓄電素子は、正極と、前記低電位端に接続された負極とを有する。前記ダイオードは、アノードと、前記高電位端に接続されたカソードとを有する。前記電源線は前記アノードと前記正極との間に接続される。前記スイッチは、前記ダイオードに対して並列に接続される。前記スイッチは、前記直流電源から前記高電位端を介して前記蓄電素子を充電するとき、または前記電源線において前記正極から前記アノードに向かって流れる放電電流の電流値が正の閾値以上であるときにオンする。その一方で、前記スイッチは、前記蓄電素子を充電せず、かつ前記電流値が前記閾値未満であるときにオフする。
【発明の効果】
【０００７】
コンバータなし、あるいはコンバータが一つの電源供給システムが、バックアップ電源またはサブ電源として機能する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施の形態にかかる電源供給システムの構成を示すブロック図である。
【図２】電流、スイッチの動作、および負荷の電力源の関係を示すタイミングチャートである。
【図３】スイッチの開閉動作を示すフローチャートである。
【図４】第２の実施の形態にかかる電源供給システムの構成を示すブロック図である。
【図５】スイッチの開閉動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
｛第１の実施の形態｝．
図１は、第１の実施の形態にかかる電源供給システム８Ａの構成を示すブロック図である。図１には電源供給システム８Ａとその周辺との接続関係をも示す。
【００１０】
電源供給システム８Ａは、高電位端８１と、高電位端８１と共に負荷９に対して電力を供給する低電位端８２とを備える。具体的には、高電位端８１は負荷９の一端に接続され、低電位端８２は負荷９の他端に接続される。図１では負荷９の他端および低電位端８２のいずれもが接地される場合が例示される。
【００１１】
高電位端８１には、直流電源１からスイッチ１０を介して正電圧が印加される。図１では高電位端８１には直流電源１の正極１１がスイッチ１０を介して接続され、直流電源１の負極１２が接地される場合が例示される。スイッチ１０はリレーで実現することができる。
【００１２】
電源供給システム８Ａが車載される場合を例にとって説明すると、直流電源１としてオルタネータ、コンバータ、鉛蓄電池を例示できる。負荷９は直流電源１に異常が発生しても動作を確保することが望まれる負荷であり、ステアリング、ブレーキングのためのアクチュエータ、センサを例示できる。
【００１３】
電源供給システム８Ａは、ダイオード２、スイッチ３、蓄電素子６、および電源線７を更に備える。蓄電素子６は正極６１と負極６２とを有する。負極６２は低電位端８２に接続される。
【００１４】
蓄電素子６は充放電可能であり、例えばリチウムイオン電池、あるいは電気二重層キャパシタである。
【００１５】
電源線７は、ダイオード２のアノードと正極６１との間に接続される。ダイオード２のカソードは高電位端８１に接続される。スイッチ３はダイオード２に対して並列に接続される。スイッチ３はリレーで実現することができる。
【００１６】
スイッチ３は、電源線７において正極６１からアノードに向かって流れる電流Ｉ（これが正のときには蓄電素子６の放電電流である）の電流値と、蓄電素子６を充電しているか否かとに依存して、開閉する。以下、スイッチ３を開閉する制御についてタイミングチャートとフローチャートとを用いて説明する。
【００１７】
図２は電流Ｉ、スイッチ３，１０の動作、および負荷９の電力源の関係を示すタイミングチャートである。図２においてスイッチ３，１０のオン、オフは、それぞれレベル"ON"、"OFF"で表される。負荷９の電力源として「直流電源１」と記載されている期間は、直流電源１から負荷９へと電力が供給されることを示す。負荷９の電力源として「蓄電素子６」と記載されている期間は、蓄電素子６から負荷９へと電力が供給されることを示す。
【００１８】
時刻ｔ０以前ではスイッチ３，１０がオンし、直流電源１は時刻ｔ０に至るまでスイッチ３，１０を介して蓄電素子６を充電する。蓄電素子６の充電中は、電流Ｉの電流値は負である。蓄電素子６の充電中も直流電源１はスイッチ１０を介して負荷９に電力を供給する。
【００１９】
時刻ｔ０は、蓄電素子６の充電が完了した時刻である。蓄電素子６の充電の完了を契機としてスイッチ３がオフする。これにより、電流Ｉは流れなくなる（図２において０として示す）。
【００２０】
直流電源１に異常、例えば電圧低下が発生すると、公知の技術によってスイッチ１０がオフする。時刻ｔ１（＞ｔ０）はスイッチ１０がオフした時刻である。時刻ｔ０以降、スイッチ３はオフしているものの、ダイオード２は電流Ｉが蓄電素子６から高電位端８１へ流れることを許す。よって直流電源１に異常が発生して直流電源１から負荷９へ流れる電流が減少することにより、電流Ｉが流れ始める。スイッチ１０のオフにより、負荷９の電力源は直流電源１から蓄電素子６へと切り替わる。
【００２１】
時刻ｔ２（＞ｔ１）は、電流Ｉが閾値ＴＨ２未満の値から閾値ＴＨ２以上の値へと増加した事象（以下「増加事象」と仮称する）が発生した時刻である。換言すれば増加事象によって、直流電源１における異常発生が検知される。増加事象を契機としてスイッチ３はオンする。図２では簡単のため、増加事象の発生の後、スイッチ３がオンするまでの遅延時間（以下「オン遅延時間」と仮称する）を無視し、スイッチ３は時刻ｔ２においてオフからオンへ遷移する動作が示される。スイッチ３を介して流れる電流Ｉの電流値は、例えば５０〜１００Ａである。
【００２２】
その後、直流電源１が異常から復帰すると、公知の技術によってスイッチ１０がオンする。時刻ｔ３（＞ｔ２）はスイッチ１０がオンした時刻である。スイッチ１０のオンにより、負荷９の電力源は蓄電素子６から直流電源１へと切り替わる。
【００２３】
時刻ｔ３において直流電源１から負荷９への電流供給が開始するので、電流Ｉの電流値は減少し始める。時刻ｔ４（＞ｔ３）は、電流Ｉが閾値ＴＨ１以上の値から閾値ＴＨ１未満の値へと減少した（以下「減少事象」と仮称する）が発生した時刻である。換言すれば減少事象によって、直流電源１が異常から復帰したことが検知される。減少事象を契機としてスイッチ３はオフする。図２では簡単のため、減少事象の発生の後、スイッチ３がオフするまでの遅延時間（以下「オフ遅延時間」）を無視し、スイッチ３は時刻ｔ４においてオンからオフへ遷移する動作が示される。
【００２４】
その後、電流Ｉは減少し続け、時刻ｔ５において流れなくなる（図２において０として示す）。時刻ｔ１から時刻ｔ５の間、蓄電素子６は放電する。
【００２５】
このようにして、コンバータを用いない電源供給システム８Ａが、バックアップ電源またはサブ電源として機能する。
【００２６】
図２では、電流値が増加するときに採用される閾値ＴＨ２が、電流値が減少するときに採用される閾値ＴＨ１よりも大きい場合を例示した。換言すると、スイッチ３のオン／オフが基づく閾値として、電流Ｉの電流値が減少しているときに採用される第１閾値（閾値ＴＨ１）と、電流値が増加しているときに採用される第２閾値（閾値ＴＨ２）との二種が設定され、第１閾値よりも第２閾値の方が大きい場合が例示された。閾値ＴＨ２を閾値ＴＨ１よりも大きく設定することにより、スイッチ３のチャタリングの発生を低減することができる。減少事象によってスイッチ３がオフするとダイオード２ではカソードの電位がアノードの電位よりも低下し、電流Ｉがわずかに増加する場合がある。もしもＴＨ１＝ＴＨ２に設定していると、電流Ｉのわずかな増加が上記の増加事象に相当することとなり、スイッチ３をオンさせることとなる。これはスイッチ３のチャタリングの発生の原因となる。
【００２７】
電流Ｉの電流値の検出は、電源線７に設けられた電流センサ４１を用いて行なうことができる。電流センサ４１は公知の構成で実現可能であり、例えば電流値に換算される電圧降下を発生させるシャント抵抗を用いてもよい。電流センサ４１は当該電流値を制御部５に伝達する。
【００２８】
スイッチ３のオン／オフは、制御部５によって制御することができる。制御部５は、電流Ｉの電流値と閾値ＴＨ１，ＴＨ２とを比較し、かつ蓄電素子６が充電中か否かに依存して、スイッチ３のオン／オフを制御する。
【００２９】
蓄電素子６が充電中か否かは、その電圧の電圧値を得て制御部５が判断することができる。例えば図１では電圧センサ４２を用いた場合を例示する。電圧センサ４２は当該電圧値を制御部５に伝達する。
【００３０】
制御部５は、電流Ｉの電流値と閾値ＴＨ１，ＴＨ２とを比較した結果と、蓄電素子６の電圧値と充電完了を示す電圧値とを比較した結果とによって、スイッチ３のオン／オフを制御する、といえる。
【００３１】
電源供給システム８Ａは、電流センサ４１、電圧センサ４２、制御部５を更に備えて構成される、と捉えることができる。
【００３２】
図３はスイッチ３の開閉動作を示すフローチャートである。当該フローチャートは不図示のメインプログラムに対するサブプログラムであるスイッチ開閉ルーチンとして例示される。当該サブプログラムは例えばメインプログラムに対する割り込み処理として実行され、その終了時にはメインプログラムへと処理が復帰する。
【００３３】
図示の簡略のため、電流Ｉの電流値を取得するタイミングについては省略したが、スイッチ開閉ルーチンの処理に必要なタイミングで適時に、当該電流値が取得される。スイッチ開閉ルーチンは、スイッチ３のオン／オフを制御する間隔に要求される期間よりも短い期間で繰り返して実行される。
【００３４】
スイッチ開閉ルーチンは例えば制御部５において実行される。スイッチ開閉ルーチンが開始するとまずステップＳ１０が実行され、ステップＳ１０では蓄電素子６は充電済かが判断される。図２に即して言えば、時刻ｔ０よりも前において当該判断の結果は否定的（図中「Ｎｏ」：以下同様）であり、処理がステップＳ１５へと進む。
【００３５】
ステップＳ１５ではスイッチ３をオンにする。ステップＳ１５の実行後、スイッチ開閉ルーチンは終了する（処理はメインプログラムへ復帰する）。
【００３６】
時刻ｔ０以降においてスイッチ開閉ルーチンが実行されれば、ステップＳ１０の判断の結果が肯定的（図中「Ｙｅｓ」：以下同様）となり、処理がステップＳ１１へと進む。
【００３７】
ステップＳ１１では増加事象の発生の有無が判断される。具体的には、電流Ｉの電流値は閾値ＴＨ２未満の値から閾値ＴＨ２以上の値へと増加したか、が判断される。図２に即して言えば、時刻ｔ２よりも前において当該判断の結果は否定的であり、処理がステップＳ１３へと進む。
【００３８】
ステップＳ１３では減少事象の発生の有無が判断される。具体的には、電流Ｉの電流値は閾値ＴＨ１以上の値から閾値ＴＨ１未満の値へと増加したかについて判断される。図２に即して言えば、時刻ｔ４よりも前において当該判断の結果は否定的であり、スイッチ開閉ルーチンは終了する。
【００３９】
その後、時刻ｔ２以降にスイッチ開閉ルーチンが実行されれば、ステップＳ１１の判断の結果は肯定的であり、処理がステップＳ１２へと進む。ステップＳ１２ではスイッチ３をオンにする。増加事象の発生の後、ステップＳ１２が実行されるまでの時間は、オン遅延時間に含まれる。
【００４０】
ステップＳ１２の実行後はステップＳ１３の判断の結果は否定的であり、スイッチ開閉ルーチンが終了する。一旦ステップＳ１２が実行されてからスイッチ開閉ルーチンが再開されると、ステップＳ１１の判断の結果は否定的であるが、時刻ｔ４よりも前ではステップＳ１３の判断は否定的であり、スイッチ３のオンが維持されたままスイッチ開閉ルーチンは終了する。
【００４１】
時刻ｔ４以降においてスイッチ開閉ルーチンが実行されれば、処理がステップＳ１１からステップＳ１３へ進み、ステップＳ１３の判断の結果は肯定的であり、処理がステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４ではスイッチ３をオフする。減少事象の発生の後、ステップＳ１４が実行されるまでの時間は、オフ遅延時間に含まれる。ステップＳ１４の実行後、スイッチ開閉ルーチンは終了する。
【００４２】
一旦ステップＳ１４が実行されてからスイッチ開閉ルーチンが再開されると、ステップＳ１３の判断の結果は否定的であるが、スイッチ３のオフが維持されたままスイッチ開閉ルーチンは終了する。
【００４３】
｛第２の実施の形態｝．
図４は、第２の実施の形態にかかる電源供給システム８Ｂの構成を示すブロック図である。電源供給システム８Ｂは、第１の実施の形態の電源供給システム８Ａと置換して用いることができる。
【００４４】
電源供給システム８Ｂは電源供給システム８Ａに対し、電源線７上に充放電回路４を追加した構成を有している。
【００４５】
充放電回路４はコンバータ４３を有する。コンバータ４３は、直流電源１（図１参照）からスイッチ１０、高電位端８１、スイッチ３を介して供給される電流で蓄電素子６を充電する。また、コンバータ４３は蓄電素子６の電圧を昇圧または降圧して出力し、その出力電圧をダイオード２のアノードへと出力する。コンバータ４３は昇圧型、降圧型、双方型のいずれであってもよい。
【００４６】
充放電回路４はコンバータ４３の出力電圧を検出する電圧センサ４４も有する。電圧センサ４４は当該出力電圧の電圧値を制御部５に伝達する。
【００４７】
制御部５はコンバータ４３の出力電圧が、第１の電圧よりも高く、第２の電圧よりも低くなるようにコンバータ４３を制御する。第１の電圧は負荷９の動作に必要な電圧の最低電圧値である。第２の電圧は第１の電圧よりも高く、蓄電素子６を充電するときの高電位端８１の電位である。第２の電圧は、直流電源１が正常動作するときに高電位端８１へと印加する正の電圧であると言える。
【００４８】
コンバータ４３の出力電圧が、第１の電圧よりも高いことにより、電源供給システム８Ｂから負荷９へ、負荷９の動作に必要な電力を供給する。コンバータ４３の出力電圧が、第２の電圧よりも低いことにより、電源供給システム８Ｂから直流電源１へと電流が逆流することが抑制される。
【００４９】
充放電回路４は電流センサ４５を有してもよい。電流センサ４５は蓄電素子６への充電電流を検出し、その電流値を制御部５に伝達する。制御部５は充電電流が過電流とならないようにコンバータ４３を制御する。
【００５０】
このように一つのコンバータ４３を用いた電源供給システム８Ｂが、バックアップ電源又はサブ電源として機能する。
【００５１】
｛変形例１｝．
スイッチ３をオフすると電流Ｉの全てがダイオード２に流れる。よって閾値ＴＨ１，ＴＨ２はいずれもダイオード２の許容電流以下とすることが望ましい。例えば閾値ＴＨ１，ＴＨ２は１０〜２０Ａに設定される。
【００５２】
｛変形例２｝．
スイッチ１０のオン／オフを制御部５が行なってもよい。この場合、正極１１の電圧を制御部５に伝達する電圧センサを別途に設ける（不図示）。
【００５３】
｛変形例３｝．
スイッチ３のチャタリングの発生を抑制する必要がなければ、閾値ＴＨ１，ＴＨ２を異なる値に設定する必要は無い。図５は閾値ＴＨ１，ＴＨ２をいずれも値ＴＨに等しく設定した場合の、スイッチ３の開閉動作をスイッチ開閉ルーチンとして示すフローチャートである。
【００５４】
ステップＳ２０はステップＳ１０と同様に、蓄電素子６は充電済かが判断される。当該判断の結果が否定的であれば、処理がステップＳ２２へと進む。ステップＳ２２ではステップＳ１２と同様にスイッチ３をオンにする。
【００５５】
ステップＳ２０における判断の結果が肯定的であれば、ステップＳ２１へと処理が進む。
【００５６】
ステップＳ２１において電流Ｉの電流値が閾値ＴＨ以上であるか、が判断される。ステップＳ２１の判断が肯定的であれば、ステップＳ２２によってスイッチ３をオンする。ステップＳ２１の判断が否定的であれば、ステップＳ２３によってスイッチ３をオフする。
【００５７】
よって、スイッチ３は、蓄電素子６が充電済みでなければオンする。スイッチ３は、蓄電素子６が充電済みであれば電流Ｉの電流値が正の閾値ＴＨ２以上であるときにオンし、閾値ＴＨ１未満であるときにオフする、といえる。見方を変えると、スイッチ３は、蓄電素子６を充電するとき、または電流Ｉの電流値が正の閾値ＴＨ２以上であるときにオンし、蓄電素子６を充電せず、かつ電流Ｉの電流値が正の閾値ＴＨ１未満であるときにオフする、と言える。
【００５８】
ＴＨ１＝ＴＨ２であれば変形例３に相当し、ＴＨ２＞ＴＨ１であれば上記各実施の形態に相当する。但し上述のように、閾値ＴＨ１は電流値が減少する際に採用され、閾値ＴＨ２は電流値が増加する際に採用される。
【００５９】
なお、上記各実施形態および各変形例で説明した各構成は、相互に矛盾しない限り適宜組合わせることができる。
【００６０】
以上のようにこの発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【００６１】
１  直流電源
２  ダイオード
３  スイッチ（第１のスイッチ）
５  制御部
６  蓄電素子
７  電源線
８Ａ，８Ｂ  電源供給システム
９  負荷
１０  スイッチ（第２のスイッチ）
４１  電流センサ
４２  電圧センサ（第１の電圧センサ）
４３  コンバータ
４４  電圧センサ（第２の電圧センサ）
６１  正極
６２  負極
８１  高電位端
８２  低電位端
Ｉ  電流
ＴＨ，ＴＨ１，ＴＨ２  閾値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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