(57)【要約】【課題】  十分な放電電圧を得ることができるとともに充電不足や過充電を生じることのない電源装置の提供を目的とする。【解決手段】  電源側電圧検出手段５及びバッテリ側電圧検出手段６と、バッテリ１０に充電を行う充電回路と駆動部にバッテリ１０から放電を行う放電回路とを切り換える切換手段３と、バッテリ側電圧（Ｖｂ）を基準として設定された第一の電圧（Ｖｂ＋α＋β）及び第二の電圧（Ｖｂ＋α）を記憶する記憶手段と、電源側電圧（Ｖｉ）が前記第一の電圧（Ｖｂ＋α＋β）を上回ったこと又は電源側電圧が前記第二の電圧（Ｖｂ＋α）を下回ったことを判断し、充放電の切り換えを切換手段３に指令を出力し、前記記憶部の前記第一及び前記第二の電圧を書き換える制御手段８と、前記充放電の際の電圧を変圧する変圧手段３とを有する。【選択図】  図１
2012050184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源とバッテリとを有し、前記電源と前記バッテリとを交互に切り換えながら駆動部に電力を供給する電源装置であって、
前記電源側の電圧を検出する電源側電圧検出手段及び前記バッテリ側の電圧を検出するバッテリ側電圧検出手段と、
前記電源から前記バッテリに充電を行う充電回路と、前記駆動部に前記バッテリから放電を行う放電回路とを切り換える切換手段と、
バッテリ側電圧検出手段によって検出されたバッテリ側電圧（Ｖｂ）を基準として設定された第一の電圧（Ｖｂ＋α＋β）及びバッテリ側電圧を基準として設定された第二の電圧（Ｖｂ＋α）を記憶する記憶手段と、
電源側電圧（Ｖｉ）が前記第一の電圧（Ｖｂ＋α＋β）を上回ったこと又は電源側電圧が前記第二の電圧（Ｖｂ＋α）を下回ったことを判断し、前記電源側電圧が前記第一の電圧を上回ったときに電源からバッテリに充電を行い、前記電源側電圧が前記第二の電圧を下回ったときに、バッテリから放電するように前記切換手段に指令を出力するとともに、前記記憶部の前記第一の電圧及び前記第二の電圧を、前記バッテリ側電圧検出手段によって検出されたバッテリ側電圧（Ｖｂ）に基づいて書き換える制御手段と、
前記バッテリに充電される充電電圧及び前記バッテリから放電される放電電圧を変圧する変圧手段と、
を有することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記記憶部は、前記駆動部の駆動に必要な電圧として予め設定された駆動電圧（Ｖｌ）を記憶し、前記制御手段は、前記バッテリから放電された電圧と前記駆動電圧とを比較し、前記変圧手段に、前記放電電圧を前記駆動電圧の近傍まで昇降圧する指令を出力すること、
を特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記第一の電圧（Ｖｂ＋α＋β）が、バッテリの最大充電時に、電源電圧のピーク値になるように設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記第一の電圧を前記第二の電圧よりも大きくするとともに、前記切換手段による充放電の切換時における電圧変動を抑制するための電圧保持手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
【請求項５】
前記バッテリが水素バッテリ，ニッケルカドミウムバッテリ，リチウムイオンバッテリ又はバッテリとしての機能を有する大容量コンデンサであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源とバッテリとを有し、前記電源と前記バッテリとを交互に切り換えながら駆動部に電力を供給する電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、車輌，船舶，エンジン発電機等（以下、車輌等と記載する）の機器は、エンジンの駆動を利用して発電を行う交流発電機（オルタネータ）と、この交流発電機によって発電された電力を蓄電するバッテリとを備えている。
ところで、現在、車輌等に搭載されるバッテリは鉛バッテリが主流であるが、鉛バッテリは重量があり嵩張るうえ、環境にも好ましくないことから、小型軽量で鉛フリーの水素バッテリ，ニッケルカドミウムバッテリ，リチウムイオンバッテリ等の非水電解質二次電池（以下、リチウムイオンバッテリ等と記載する）に置き換えたいという要求が近年高まっている（例えば特許文献１，２参照）。
【０００３】
しかし、現状において、車輌等に設けられる発電機及び負荷回路の仕様は、鉛バッテリを対象として設計されていることから、既存の電源回路において鉛バッテリをリチウムイオンバッテリ等に置き換えると、充電不足や過充電を生じるおそれがある。
ここで、特許文献１に記載の技術では、鉛蓄電池をリチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池に置き換える場合に要求される高出力特性を、新たなリチウムイオン二次電池を開発することで解決しようとするものである。
しかし、このように開発されたリチウムイオン二次電池は高額であるうえ、鉛蓄電池仕様で回路設計された現状の電源供給回路にそのまま使用することはできないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１４６８２２号公報（明細書の段落０００３の記載参照）
【特許文献２】特表２００７−５２０１８０号公報（明細書の段落０００３の記載参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記の問題点にかんがみてなされたもので、軽微な改良を施すだけで既存の電源回路をほぼそのまま利用することができ、鉛バッテリをリチウムイオンバッテリ等に置き換えても、十分な放電電圧を得ることができるとともに充電不足や過充電を生じることのない電源装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、電源とバッテリとを有し、前記電源と前記バッテリとを交互に切り換えながら駆動部に電力を供給する電源装置であって、前記電源側の電圧を検出する電源側電圧検出手段及び前記バッテリ側の電圧を検出するバッテリ側電圧検出手段と、前記電源から前記バッテリに充電を行う充電回路と、前記駆動部に前記バッテリから放電を行う放電回路とを切り換える切換手段と、バッテリ側電圧検出手段によって検出されたバッテリ側電圧（Ｖｂ）を基準として設定された第一の電圧（Ｖｂ＋α＋β）及びバッテリ側電圧を基準として設定された第二の電圧（Ｖｂ＋α）を記憶する記憶手段と、電源側電圧（Ｖｉ）が前記第一の電圧を上回ったこと又は電源側電圧が前記第二の電圧（Ｖｂ＋α）を下回ったことを判断し、前記電源側電圧が前記第一の電圧を上回ったときに発電機からバッテリに充電を行い、前記電源側電圧が前記第二の電圧を下回ったときに、バッテリから放電するように前記切換手段に指令を出力するとともに、前記記憶部の前記第一の電圧及び前記第二の電圧を、前記バッテリ側電圧検出手段によって検出されたバッテリ側電圧（Ｖｂ）に基づいて書き換える制御手段と、前記バッテリに充電される充電電圧及び前記バッテリから放電される放電電圧を変圧する変圧手段とを有する構成としてある。
【０００７】
電源としては、全波整流波形の電圧を出力できるものが挙げられる。例えば、交流発電機からの交流電力を、整流器を通すことで全波整流波形に変換するものであってもよいし、直流電力源や蓄電池からの直流電力を、コンバータの変調作用により全波整流波形換するものであってもよい。電源の電圧は電源側電圧検出手段によって検出される。制御手段は、電源の電圧が第一の電圧になると、切換手段に指令を出力して回路を切り換え、電源からバッテリに充電されるようにする。また、電源の電圧が第二の電圧になると、切換手段に指令を出力して回路を切り換え、バッテリから駆動部に放電されるようにする。変圧手段は、前記バッテリに充電される充電電圧及び前記バッテリから放電される放電電圧を変圧する。
また、バッテリの電圧も充放電の繰り返しにより変動することから、制御手段は、バッテリ側電圧検出手段の検出結果に基づき、記憶部に記憶された第一の電圧及び第二の電圧の書き換えを行う。
【０００８】
本発明の他の実施形態として、請求項２に記載するように、前記記憶部は、前記駆動部の駆動に必要な電圧として予め設定された駆動電圧（Ｖｌ）を記憶し、前記制御手段は、前記バッテリから放電された電圧と前記駆動電圧とを比較し、前記変圧手段に、前記放電電圧を前記駆動電圧の近傍まで昇降圧する指令を出力するようにしてもよい。
この構成によれば、バッテリからの放電電圧が駆動部用に規定された駆動電圧よりも低いときに、変圧手段が放電電圧を駆動電圧まで昇圧する。
また、請求項３に記載するように、バッテリが最大充電状態になったときに、前記第一の電圧（Ｖｂ＋α＋β）が電源電圧のピーク値になるように設定してもよい。このようにすることで、放電から充電への切り換えが行われず、過充電を防止することができる。
【０００９】
請求項４に記載するように、前記第一の電圧は前記第二の電圧よりも大きくするとよい。この場合は、充放電の切換時における電圧変動を抑制するために電圧保持手段を設けるとよい。
本発明は、請求項５に記載するように、発電機等から供給された電力を駆動部に供給する電源装置のバッテリを、リチウムイオンバッテリ，水素バッテリ，ニッケルカドミウムバッテリに置き替える場合に特に有効であるが、本発明の適用範囲は、通常の鉛バッテリを有する電源装置や他の種類のバッテリ（バッテリとしての機能を有する大容量コンデンサを含む）を備える電源装置にも広く適用が可能である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電源装置を介して回路出力される電圧が常に一定以上に保たれ、バッテリ電圧が一定以上あるときは、電源からの充電量を少なくして過充電を防止しすることができる。
そのため、本発明は、既存の電源装置のバッテリをリチウムイオンバッテリ等に置き換えることが容易になり、過充電や放電電圧の不足による不具合の発生を防止することができる。
このように、本発明の電源装置では、ＤＣ−ＤＣコンバータに代表される変圧手段＋リチウイオンバッテリ等に、従来の電源回路における鉛電池と同じ振る舞いをさせることができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な一実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の電源装置の一実施形態にかかり、その回路構成を説明する概略である。
この実施形態の電源装置１は、入出力端子９を介して、電源である図示しない交流発電機及び駆動部（負荷）に接続され、前記発電機から整流器を通して供給される電力によって充電されるとともに、一定の場合には前記駆動部に対して電力を供給するバッテリ１０と、この回路の制御を行う制御装置（ＤＳＰ）８とを有している。
発電機の発電電圧は、入力端子９に隣接して設けられた電圧検出回路５によって検出され、バッテリ１０の電圧は、バッテリ１０に隣接して設けられた電圧検出回路６によって検出される。電圧検出回路５，６は制御装置（ＤＳＰ）８に接続されていて、検出された電圧は制御装置８に送信される。
【００１２】
入出力端子９とバッテリ１０との間には、昇降圧回路３及び電流検知回路７が配置される。
昇降圧回路３は、制御部８の指令により電源からバッテリ１０への充電回路とバッテリから駆動部への放電回路とを切り換えるスイッチング回路を内蔵し、電源からバッテリ１０に充電を行う際に、充電電圧をバッテリ１０の許容充電電圧まで昇降圧し、バッテリ１０から放電する際には、放電電圧を駆動部の好適駆動電圧まで昇降圧する。このような昇降圧回路３としては公知のものを用いることができ、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータのような電流可逆型昇降圧コンバータを利用することができる。
前記スイッチング回路は、電源側の電圧（Ｖｉ）が一定の条件になったときに、制御装置（ＤＳＰ）８の指令により、電力の供給回路を、電源からバッテリ１０への充電方向と、バッテリ１０から駆動部への放電方向とに切り換える。このようなスイッチング回路としては、チョッパ型、フルブリッジ型、ハーフブリッジ型、フォワード型、フライバック型などの種々の構成のものを利用することができる。
【００１３】
電流検知回路７は、回路を流れる電流の変動を検出するだけでなく、充放電時に回路を流れる電流値を調整する役割も果たす。すなわち、電流検知回路７は、昇降圧回路３によって電圧の昇降が行われても、充電時にはバッテリ１０に流れる電流を一定に保つ定電流回路として機能し、放電時には駆動部に過電流が流れないようにする過電流防止回路として機能する。
制御装置８は、前記スイッチング回路による充放電の切換基準となる第一の電圧及び第二の電圧を記憶するメモリを備えている。制御装置８としては市販のＤＳＰ（Digital Signal Processor）を用いることができる。
【００１４】
第一の電圧は、電圧検出回路６によって検出されたバッテリ１０の電圧（Ｖｂ）に予め決定された定数α、βを加算した電圧（Ｖｂ＋α＋β）として設定され、第二の電圧は、バッテリ１０の電圧に前記定数αを加算した電圧（Ｖｂ＋α）として設定される。定数αの値は、バッテリ１０の電圧Ｖｂと駆動部の好適駆動電圧との差に基づいて決定される。バッテリ１０の電圧Ｖｂが前記好適駆動電圧よりも低いときには定数αの値は昇圧値（正の値）として決定され、バッテリ１０の電圧Ｖｂが前記好適駆動電圧よりも高いときには定数αの値は降圧値（負の値）として決定される。
【００１５】
また、定数βの値は充放電の切り換えタイミングを決定するものであるため、充放電のバランスを考慮し、充放電を繰り返しても充電不足にならない範囲内で決定する。定数βの値は、小さい方が好ましいが、定数βが０であると、充電開始電圧と放電開始電圧が同じになってしまい、充放電の切り換えがうまくいかなくなることから、０よりは大きい値とする。
バッテリ１０の電圧（Ｖｂ）は充放電の繰り返しにより変動することから、制御装置８は、電圧検出回路６の検出結果に基づき、メモリに記憶された第一の電圧（Ｖｂ＋α＋β）及び第二の電圧（Ｖｂ＋α）の書き換えを行う。
【００１６】
制御装置８は、電圧検出回路５によって検出された電源側の電圧（電源電圧Ｖｉ）と第一の電圧（Ｖｂ＋α＋β）及び第二の電圧（Ｖｂ＋α）とを比較する。そして、電源電圧（Ｖｉ）が第一の電圧（Ｖｂ＋α＋β）を上回ったときに、前記スイッチング回路を切り換えて電源からバッテリ１０に充電を行い、電源電圧（Ｖｉ）が第二の電圧（Ｖｂ＋α）を下回ったときには、前記スイッチング回路を切り換えてバッテリ１０から駆動部に向けて放電されるようにする。
なお、この充放電の切り換えの際の急激な電圧の降下を防止するため、この実施形態では電圧保持手段としてコンデンサ４を挿入している。
【００１７】
［第二の実施形態］
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。
上記した第一の実施形態では、バッテリ１０の電圧を昇降圧回路３で常に昇降圧してから駆動部に供給するようにしている。
第二の実施形態の電源装置の構成は、上記の第一の実施形態とほぼ同じであるが、第二の実施形態では、駆動部の好適駆動電圧とバッテリ１０の電圧との関係から、適宜に放電電圧を昇降圧するようにする点で第一の実施形態と異なる。
【００１８】
すなわち、この第二の実施形態では、バッテリ１０の最高充電電圧が、駆動部に供給できる電圧の最大値である駆動最高電圧よりも高い場合を想定したもので、第一の電圧（Ｖｂ＋α＋β）及び第二の電圧（Ｖｂ＋α）の他に、前記駆動最高電圧（Ｖ１max）をメモリに記憶させている。
そして、制御装置８がバッテリ１０の電圧（Ｖｂ）とメモリに記憶された駆動最高電圧（Ｖ１max）とを比較し、バッテリ１０の電圧（Ｖｂ）が駆動最高電圧（Ｖ１max）と同じか高くなったときには、昇降圧回路３に対して指令を出力し、バッテリ１０から放電される電圧が駆動最高電圧（Ｖ１max）より低い値になるように降圧する。
【００１９】
さらに、この実施形態では、駆動部を駆動させるのに必要な駆動最低電圧（Ｖ１min）をメモリに記憶させるようにしてもよい。なお、この駆動最低電圧（Ｖ１min）は、駆動部が実際に駆動しなくなる下限電圧よりも少し高い値（例えば、Ｖ１min＋０．５Ｖ程度）に設定する。
そして、制御装置８がバッテリ１０の電圧（Ｖｂ）とメモリに記憶された駆動最低電圧（Ｖ１min）とを比較し、バッテリ１０の電圧（Ｖｂ）が駆動最低電圧（Ｖ１min）と同じか低くなったときには、昇降圧回路３に対して指令を出力し、バッテリ１０から放電される電圧が駆動最低電圧（Ｖ１min）より高い値になるように昇圧する。
【００２０】
［第三の実施形態］
第一及び第二の実施形態では、昇降圧回路３が、バッテリ１０への過充電を防止している。すなわち、電源側の電圧（Ｖｉ）がバッテリ１０の許容最高電圧より高くならないように、昇降圧回路３が電源側の電圧（Ｖｉ）を降圧するようにしている。
この第三の実施形態では、第一の電圧（Ｖｂ＋α＋β）の最大値が、電源側の電圧（Ｖｉ）の最大値に一致するように設定されている。
このようにすることで、バッテリ１０の電圧（Ｖｂ）が許容最高電圧になると、第一の電圧（Ｖｂ＋α＋β）の値が電源側の電圧（Ｖｉ）の最大値と同じか高くなり、スイッチング回路による充電回路への切り換えが行われない。そのため、この実施形態では、昇降圧回路３による充電時の降圧動作が不要になる。
【００２１】
上記構成の電源装置では図２のように作用する。
図２は本発明の電源装置の作用を説明する図で、（ａ）は電源側から入力された全波整流波形における充放電の繰り返しタイミングを説明する図、（ｂ）は駆動部に向けて出力される電圧波形を示す図である。
電圧検出回路５により検出された電源の電圧（Ｖｉ）が第一の電圧（Ｖｂ＋α＋β）に達すると、電源からバッテリ１０への充電が開始される。この充電は、次に電源の電圧（Ｖｉ）が第二の電圧（Ｖｂ＋α）になるまで継続される。昇降圧回路３は、バッテリ１０に許容されている値以下に電圧を維持する。
電源の電圧（Ｖｉ）が第二の電圧（Ｖｂ＋α）まで下がってくると、バッテリ１０から駆動部への放電が開始される。昇降圧回路３は、バッテリ１０からの放電電圧を昇圧して、駆動部に供給する。
この充放電の動作は、図２（ａ）に示すように一サイクルごとに繰り返され、駆動部に出力される電圧は図２（ｂ）の実線に示すようになる。
【００２２】
次に、上記の第一〜第三の実施形態における電源装置の具体的な作用を、各実施形態ごとに条件を設定して詳細に説明する。
［第一の実施形態］
まず、第一の実施形態について説明する。以下では、バッテリ１０の充電最高電圧が１２．６Ｖ、駆動部の駆動電圧幅が１１Ｖ〜１６Ｖ、発電機から出力される最高電圧が１６Ｖである場合を想定して説明する。
第一の実施形態では、バッテリ１０の充電最高電圧が１２．６Ｖであり、駆動部の最適駆動電圧が１４Ｖ〜１５Ｖ程度であることから、定数αの値を１．９Ｖに決定する。定数βの値は０．５Ｖに設定する。
【００２３】
今、電圧検出回路６で検出されたバッテリ１０の電圧（Ｖｂ）が１２Ｖであるとすると、第一の電圧（Ｖｂ＋α＋β）は１４．４Ｖ，第二の電圧（Ｖｂ＋α）は１３．９Ｖである。
従って、電源側の電圧（Ｖｉ）が１４．４Ｖになったときにバッテリ１０への充電が開始され、電源側の電圧（Ｖｉ）が１３．９Ｖになったときにバッテリ１０からの放電が開始される。
なお、バッテリ１０の許容最高電圧は１２．６Ｖであるから、昇降圧回路３によって充電電圧が常に１２．６Ｖ以下に維持され、放電の際には、駆動部の駆動電圧が１１Ｖ〜１６Ｖであることから、バッテリ１０からの放電電圧が昇降圧回路３によって定数αと同じだけ昇圧される。
【００２４】
［第二の実施形態］
第二の実施形態では、バッテリ１０の充電最高電圧が１６．８Ｖ、駆動部の駆動電圧幅が１１Ｖ〜１６Ｖ、発電機から出力される最高電圧が１６Ｖである場合を想定するものとする。この実施形態では、バッテリ１０の充電最高電圧が１６．８Ｖであり、駆動部の最適駆動電圧が１４Ｖ〜１５Ｖ程度であることから、定数αの値を−２．３Ｖに決定する。定数βの値は先の実施形態と同じ０．５Ｖに設定する。
第二の実施形態では、駆動最高電圧（Ｖ１max）として１６Ｖを設定し、駆動最低電圧（Ｖ１min）として１１．５Ｖを設定して、これらをメモリに記憶させておく。
【００２５】
バッテリ１０の電圧（Ｖｂ）が１６Ｖを越えると、制御装置８が昇降圧回路３に対して放電時の電圧を定数αの絶対値と同じ値だけ降圧するように指令を出力する。この結果、バッテリ１０から駆動部に供給される電圧が、１６Ｖより低い値に維持される。
また、バッテリ１０の電圧が、１１．５Ｖより低い値になったときには、制御部８が昇降圧回路３に対して放電時の電圧を定数αの絶対値と同じ値だけ昇圧するように指令を出力する。この結果、バッテリ１０から駆動部に供給される電圧が、１１Ｖより高い値に維持される。
なお、上記の設定では、電源の電圧がバッテリ１０の充電最高電圧よりも低いことから、充電の際には、昇降圧回路３によって前記充電最高電圧まで昇圧を行って充電を行う。
【００２６】
［第三の実施形態］
この第三の実施形態の条件は、第一の実施形態と同じとする。
第三の実施形態において、バッテリ１０の電圧（Ｖｂ）の最大値は１２．６Ｖであるから、電圧（Ｖｂ）が１２．６Ｖになったときを考慮して、α＋βは、前記１２．６Ｖと発電機から出力される最高電圧（１６Ｖ）との差である３．４Ｖに設定する。定数αと定数βの組み合わせとして、例えばα＝２．０Ｖ、β＝１．４Ｖを挙げることができる。
今、バッテリ１０の電圧（Ｖｂ）が１２Ｖであるとすると、第一の電圧（Ｖｂ＋α＋β）は１５．４Ｖ，第二の電圧（Ｖｂ＋α）は１４．０Ｖである。従って、電源側の電圧（Ｖｉ）が１５．４Ｖになったときにバッテリ１０への充電が開始され、電源側の電圧（Ｖｉ）が１４．０Ｖになったときにバッテリ１０からの放電が開始される。この実施形態のように設定することで、バッテリ１０の値が１２．６Ｖを越えて過充電されることは無くなる。
【００２７】
本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、バッテリ１０の昇降圧の値は、定数αの絶対値を基準として説明したが、充放電切り換えの誤動作を生じない範囲内で、定数αとは別に昇降圧の値を決めてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、鉛バッテリを有する電源回路における前記鉛バッテリをリチウムイオンバッテリに交換する場合に特に有効であるが、鉛バッテリや他のバッテリ（バッテリとしての機能を果たす大容量コンデンサを含む）を有する電源回路にも広汎に適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の電源装置の一実施形態にかかり、その回路構成を説明する概略である。
【図２】本発明の電源装置の作用を説明する図で、（ａ）は充放電の繰り返しのタイミングを説明する図、（ｂ）は本発明の電源装置からの出力電圧波形を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１          電源装置
３          昇降圧回路
４          コンデンサ
５，６      電圧検出回路
７          電流検知回路
８          制御装置
９          入出力端子
１０        バッテリ
【図１】
2012050184.tif 000003
【図２】
2012050184.tif 000004