JP2019068659A - 電源供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】負荷への電源供給のタイミングの遅延が抑制されたバックアップ電源またはサブ電源を得る。【解決手段】電源供給システム８の高電位側出力端８１および低電位側出力端８２は負荷９に対して電力を供給する。電源供給システム８の入力端８３には直流電源１から正電圧が印加される。蓄電素子６の正極６１は高電位側出力端８１に接続され、負極６２は低電位側出力端８２に接続される。電源線７は、ダイオード２のカソードと正極６１との間に接続される。ダイオード２のアノードは入力端８３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においてカソードから正極６１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にオンし、閾値未満であるときにオフする。【選択図】図１

Description

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またはサブ電源として機能する電源供給システムに関する。

特許文献１には、電圧レギュレータを介して主電源から、あるいは逆流防止手段を介してバックアップ用電源から、負荷に電力を供給する技術が開示されている。ここでバックアップ用電源は、電圧レギュレータを介して主電源から充電される。また、バックアップ用電源から主電源へ向かって電流が逆流しないように、バックアップ用電源の電圧と主電源の電圧との比較に基づいて、電圧レギュレータを制御する。

特開２００８−２９１６０号公報

しかし、特許文献１で開示された構成では、特に電力容量が大きくなると、電流が逆流する可能性が高い。そして主電源において異常、例えば地絡に代表されるような電圧の急減が発生した場合、逆流する電流は大きい。これはバックアップ用電源から負荷への電力の供給が、適切なタイミングで行えない可能性を高める。

そこで、本発明は、負荷への電源供給のタイミングの遅延が抑制された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。

電源供給システムは負荷に対して電力を供給する。前記電源供給システムは前記電力を出力する高電位側出力端および低電位側出力端と、直流電源から正電圧が印加される入力端と、前記高電位側出力端に接続される正極と、前記低電位側出力端に接続される負極とを有する蓄電素子と、カソードと、前記入力端に接続されたアノードとを有するダイオードと、前記カソ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、前記電源線において前記カソードから前記正極に向かって流れる電流の電流値が正の閾値以上であるときにオンし、前記電流値が前記閾値未満であるときにオフするスイッチとを備える。

電源供給システムは、負荷への電源供給のタイミングの遅延が抑制されたバックアップ電源またはサブ電源として機能する。

本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。 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。 スイッチの開閉動作を示すフローチャートである。 スイッチの開閉動作を示すフローチャートである。

図１は、本実施の形態にかかる電源供給システム８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８とその周辺との接続関係をも示す。

電源供給システム８は高電位側出力端８１および低電位側出力端８２を備え、これらが負荷９に対して電力を供給する。具体的には、高電位側出力端８１は負荷９の一端に接続され、低電位側出力端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側出力端８２のいずれもが接地される場合が例示される。

電源供給システム８は入力端８３を更に備える。入力端８３には直流電源１から正電圧が印加される。図１では入力端８３には直流電源１の正極１１が接続され、直流電源１の負極１２が接地される場合が例示される。

電源供給システム８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。

電源供給システム８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。正極６１は高電位側出力端８１に接続される。負極６２は低電位側出力端８２に接続される。

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。

電源線７は、ダイオード２のカソードと正極６１との間に接続される。ダイオード２のアノードは入力端８３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。

電源線７においてカソードから正極６１に向かって流れる電流Ｉの電流値に依存して、スイッチ３が開閉する。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。

図２は電流Ｉ、スイッチ３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。

直流電源１は、時刻ｔ０以前においては正常に動作しており、オンしているスイッチ３を介して、あるいは更にダイオード２をも介して、負荷９に電力を供給する。このとき、例えば電流Ｉの電流値は５０〜１００Ａである。

時刻ｔ０は、直流電源１に異常、例えば電圧低下が発生した時刻である。時刻ｔ０の後、電流Ｉの電流値は急減する。時刻ｔ１（＞ｔ０）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事象（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における異常発生が検知される。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ｔ１においてオンからオフへ遷移する動作が示される。

閾値ＴＨ１を正の値に設定することにより、直流電源１の異常が維持されて電流Ｉの電流値が減少しても、負になることはない。ダイオード２が電流Ｉの逆流を阻止するからである。

スイッチ３は逆流が発生する状況になる前にオフし、負荷９への電力供給は蓄電素子６が担うことになる。よって電源供給のタイミングの遅延が抑制されたバックアップ電源またはサブ電源として、電源供給システム８が機能する。

時刻ｔ２（＞ｔ１）は、直流電源１が異常から復帰した時刻である。時刻ｔ２の後、電流Ｉの電流値は増加する。時刻ｔ４（＞ｔ２）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（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が異常から復帰したことが検知される。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」）を無視し、スイッチ３は時刻ｔ４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がオンすることにより、負荷９への電力は直流電源１から供給されることになる。

スイッチ３がオフしていてもダイオード２を介して直流電源１から負荷９へ向かう電流Ｉを流すことができる。これにより、電流Ｉをモニタして、スイッチ３をオンするタイミングが得られる。

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。時刻ｔ３は電流Ｉが閾値ＴＨ１未満の値から閾値ＴＨ１以上の値へと増加した時刻であり、ｔ２＜ｔ３＜ｔ４の関係にある。もし閾値ＴＨ２と閾値ＴＨ１とが等しければ時刻ｔ３は時刻ｔ４と一致する。

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。

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４を用いて行なうことができる。電流センサ４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４は当該電流値を制御部５に伝達する。

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とを比較した結果に基づいて、スイッチ３のオン／オフを制御する。

電源供給システム８は、電流センサ４、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。

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。

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。

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Ｓ１１が実行され、ステップＳ１１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未満の値へと減少したか、が判断される。図２に即して言えば、時刻ｔ１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Ｓ１３へと進む。

ステップＳ１３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について判断される。図２に即して言えば、時刻ｔ１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（処理はメインプログラムへ復帰する）。

時刻ｔ１よりも前においてスイッチ３はオンしており、スイッチ開閉ルーチンはスイッチ３の動作を制御しなかったので、スイッチ３はオンを維持する。

その後、時刻ｔ１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Ｓ１１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Ｓ１２へと進む。ステップＳ１２ではスイッチ３をオフにする制御が実行される。減少事象の発生の後、ステップＳ１２が実行されるまでの時間は、オフ遅延時間に含まれる。

ステップＳ１２が実行されると、処理はステップＳ１３に進む。時刻ｔ４に至るまではステップ１３の判断の結果は否定的であるので、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。

その後、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、ステップＳ１１の判断の結果が否定的となり、処理がステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３の判断の結果は肯定的となり、処理がステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４ではスイッチ３をオンにする制御が実行される。増加事象の発生の後、ステップＳ１４が実行されるまでの時間は、オン遅延時間に含まれる。ステップＳ１４が実行されると、スイッチ開閉ルーチンは終了する。

時刻ｔ４以降は、ステップＳ１１，Ｓ１３のいずれの判断も否定的となり、スイッチ３のオンが維持されつつスイッチ開閉ルーチンは終了する。

｛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。

｛変形例２｝．
図３に示されたフローチャートにおいて、ステップＳ１１，Ｓ１２の組と、ステップＳ１３，Ｓ１４の組との間で、順序を入れ替えてもよい。

｛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４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。

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。図２に即して言えば時刻ｔ３と時刻ｔ４とが一致するので、ステップＳ２２，Ｓ２３，Ｓ２４の実行によって、上記実施の形態の動作が得られることは明白である。

よって、スイッチ３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、閾値ＴＨ１未満であるときにオフする、といえる。そしてＴＨ１＝ＴＨ２であれば変形例３に相当し、ＴＨ２＞ＴＨ１であれば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る値であり、閾値ＴＨ２は電流値が増加する際に採用される値である。

なお、上記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。

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。

１ 直流電源
２ ダイオード
３ スイッチ
４ 電流センサ
５ 制御部
６ 蓄電素子
７ 電源線
８ 電源供給システム
９ 負荷
６１ 正極
６２ 負極
８１ 高電位側出力端
８２ 低電位側出力端
８３ 入力端
Ｉ 電流
ＴＨ 閾値
ＴＨ１ 閾値（第１閾値）
ＴＨ２ 閾値（第２閾値）

Claims (4)

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、
   前記電力を出力する、高電位側出力端および低電位側出力端と、
   直流電源から正電圧が印加される入力端と、
   前記高電位側出力端に接続される正極と、前記低電位側出力端に接続される負極とを有する蓄電素子と、
   カソードと、前記入力端に接続されたアノードとを有するダイオードと、
   前記カソ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、前記電源線において前記カソードから前記正極に向かって流れる電流の電流値が正の閾値以上であるときにオンし、前記電流値が前記閾値未満であるときにオフするスイッチと
   を備える電源供給システム。
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。
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。
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。

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