以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、ここでは例えばアイドリングストップ車の補助電源用の電源装置について述べる。
(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、本発明の実施の形態1における電源装置の定電圧源の電圧、および出力端の電圧の経時変化図である。
図1において、バッテリからなる定電圧源1には、昇圧DC/DCコンバータ3を介して蓄電部5、および負荷7が接続されている。この際、定電圧源1は昇圧DC/DCコンバータ3の入力端9に、蓄電部5、および様々な電装品である負荷7は昇圧DC/DCコンバータ3の出力端11に、それぞれ接続されている。蓄電部5は急速充放電特性に優れる大容量の電気二重層キャパシタで構成される。昇圧DC/DCコンバータ3は以下の構成を有する。
昇圧DC/DCコンバータ3の入力端9にはチョークコイル13の一端が接続されている。チョークコイル13の他端と出力端11の間には、FETからなる第1スイッチング素子15が接続されている。なお、第1スイッチング素子15はFETとしたので、図1の点線で示した第1ボディーダイオード17が形成される。また、チョークコイル13と第1スイッチング素子15の接続点とグランドの間には第2スイッチング素子19が接続されている。第2スイッチング素子19もFETとしたので、図1の点線で示した第2ボディーダイオード21が形成される。
入力端9には、入力電圧検出部23が接続されている。本実施の形態1では、入力電圧検出部23は2個の抵抗器を直列接続した構成とし、これを入力端9とグランドの間に接続している。入力電圧検出部23は、2個の抵抗器により抵抗分割した中点電圧が入力端9の電圧に比例するため、前記中点電圧を入力端9の電圧として出力する構成としている。また、出力端11とグランドの間には出力電圧検出部33が接続されている。出力電圧検出部33の構成は入力電圧検出部23の構成と同様である。
出力電圧検出部33の出力は比較器35の一方の入力に接続されている。比較器35の他方の入力には基準電圧36が接続されている。基準電圧36は、出力端11の設定電圧(本実施の形態1では14Vとした)に相当する電圧値を出力する直流電源で構成されている。
比較器35の出力は制御部37に接続されている。制御部37は比較器35の出力に応じて第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19を交互にオンオフする制御を行うとともに、入力電圧検出部23の出力に応じて第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19のオンオフ動作を独立して制御する機能を有する。
次に、このような電源装置の動作について説明する。本実施の形態1の電源装置の全体的な動作は従来と同様に、通常時においては、昇圧DC/DCコンバータ3を介して定電圧源1の電力を蓄電部5に供給することで充電するとともに、負荷7にも電力を供給する。その後、例えば定電圧源1に直結された大電流消費負荷(図示せず)等の動作や定電圧源1の異常等により定電圧源1の電圧Vbが下がると、蓄電部5から負荷7に電力を供給することにより、負荷7を動作させ続ける。
このような電源装置において、ここでは定電圧源1の電圧変動による昇圧DC/DCコンバータ3の動作について図2を参照しながら詳しく説明する。なお、図2において、横軸は時間を、縦軸は電圧をそれぞれ示す。
定電圧源1である車両用のバッテリ電圧Vbは、例えば周囲温度の変化や定電圧源1に直結された大電流消費負荷(図示せず)の動作状況などの使用環境によって、10〜14V程度の範囲で変動する。この電圧変動を含む定電圧源1の電圧Vbの経時変化例を図2の太点線の曲線で示す。
このような電圧Vbの変動において、まず時間t0からt1で定電圧源1の電圧Vbが上昇したとする。時間t1までは電圧Vbが低いので、昇圧DC/DCコンバータ3の出力端11の電圧(蓄電部5の電圧Vcと等しい)が基準電圧36に基いた設定電圧になるように、制御部37は第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19を交互にオンオフ動作させる。本実施の形態1では前記したように設定電圧を定電圧源1の上限電圧Vbmaxである14Vに設定した。これにより、出力端11の電圧Vcは14Vに調整されるが、これは図2に示すように入力端9の電圧(定電圧源1の電圧Vbと等しい)より高いため、昇圧DC/DCコンバータ3は通常の昇圧動作を行い、可聴音ノイズは発生しない。
次に、時間t1で定電圧源1の電圧Vbがしきい値電圧Vthに相当する電圧値(図2において中太点線で示した12.6V)を超えたとする。ここで、しきい値電圧Vthに相当する電圧値は可聴音ノイズが発生する電圧より余裕を持たせて低く設定してある。具体的には、本実施の形態1において入力端9の電圧Vbを様々な条件で変動させたところ、可聴音ノイズが昇圧DC/DCコンバータ3の出力端11の設定電圧(ここでは14V)より略10%小さい電圧までならば発生しなかったので、出力端11の設定電圧14Vから10%分(=1.4V)差し引いた12.6Vに相当する電圧値をしきい値電圧Vthとして決定した。なお、しきい値電圧Vthの電圧値は、入力端9の電圧Vbのしきい値(12.6V)と比例関係にはあるが等しいとは限らないので、本実施の形態1では「〜に相当する電圧値」という表現を用いる。以下、入力電圧検出部23の出力等についても同様の表現を用いる。
ここで、図2の太点線に示すように、時間t1で定電圧源1の電圧Vbが、しきい値電圧Vthに相当する12.6Vを超えたので、このままの状態で昇圧DC/DCコンバータ3を動作させ続けると電圧Vbは電圧Vcに近接し、可聴音ノイズが発生してしまう。そこで、制御部37は入力電圧検出部23により得られた定電圧源1の電圧Vbが既定のしきい値電圧に相当する電圧値(12.6V)を超えたと判断すると、第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19を常時オフにして、昇圧DC/DCコンバータ3のオンオフ動作を完全に停止する。これにより、可聴音ノイズは発生しないので、特にアイドリングストップ時における運転者や同乗者への不快感を低減できる。
この場合、定電圧源1の電圧Vb(=12.6V)は蓄電部5の電圧Vc(=14V)より低くなるので、第1ボディーダイオード17はオフになる。その結果、時間t1以降は蓄電部5から負荷7へ電力が供給されるので、図2に示すように、出力端11の電圧Vcは負荷7の要求電力に応じて徐々に低下していく。
なお、図2の一点鎖線の太曲線は、時間t1からt2における定電圧源1の電圧Vbから第1ボディーダイオード17の電圧降下幅Vf(≒0.6V)を差し引いた特性(以下、Vb−Vfという)を示したものである。従って、出力端11の電圧Vc(太実線の曲線)とVb−Vf(一点鎖線の太曲線)が交われば第1ボディーダイオード17がオンになることを示す。ここでは、時間t1からt2において出力端11の電圧VcとVb−Vfが交わらないので、出力端11の電圧Vcの方が常に高い電圧となり、第1ボディーダイオード17がオンになることはない。従って、出力端11の電圧Vcは時間t2まで単調に低下していく。
次に、時間t1からt2の間で定電圧源1の電圧Vbがピークを持った後、低下していったとする。これにより、時間t2で電圧Vbがしきい値電圧Vthに相当する12.6Vに至ると、もはや可聴音ノイズが発生する電圧範囲を下回ったので、制御部37は第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19を交互にオンオフ制御することにより、昇圧DC/DCコンバータ3の動作を再開する。これにより、出力端11の電圧Vcが設定電圧である14Vになるように制御される。しかし、時間t1からt2までの間に、図2中の斜線部分に相当する電力が負荷7によって消費されているので、時間t2以降では負荷7に電力を供給しつつ蓄電部5を充電する。蓄電部5は急速充放電が可能な電気二重層キャパシタであるので、急速に充電が進行し、早期に出力端11の電圧Vcが14Vに至る。従って、時間t2からt3においては、定電圧源1の電圧Vbがしきい値電圧Vthに相当する12.6V以下であり、時間t0からt1と同様にVb<Vc(=14V)の関係を維持するので、昇圧DC/DCコンバータ3は可聴音ノイズを発生しない。
次に、定電圧源1の電圧Vbが再び上昇し、時間t3で、しきい値電圧Vthに相当する12.6Vを超えたとする。この時も制御部37は時間t1と同様に昇圧DC/DCコンバータ3の動作を完全に停止するので、可聴音ノイズを発生することがない。また、昇圧DC/DCコンバータ3の動作停止に伴い、負荷7へは蓄電部5から電力が供給され、電圧Vcが経時的に低下していくが、ここでは時間t4でVb−Vf(一点鎖線の太曲線)が出力端11の電圧Vc(太実線の曲線)と一致したとする。この場合は時間t4で第1ボディーダイオード17がオンになるので、定電圧源1と蓄電部5、および負荷7が電気的に直結されたことになる。その結果、出力端11の電圧Vc(太実線の曲線)はVb−Vf(一点鎖線の太曲線)に合わせて上昇していく。
やがて、時間t5で定電圧源1の電圧Vb(太点線の曲線)がピークを持ち、それ以降低下していったとする。これにより、Vb−Vf(一点鎖線の太曲線)も下がっていくが、蓄電部5の電圧Vcは充電された電圧を維持しているので、Vc>Vb−Vfとなり第1ボディーダイオード17がオフになる。これにより、時間t3以降と同様に再び蓄電部5から負荷7に電力が供給され、蓄電部5の電圧Vcは経時的に低下していく。
次に、時間t6で電圧Vbがしきい値電圧Vthに相当する12.6Vに至ると、制御部37は時間t2と同様に昇圧DC/DCコンバータ3の動作を再開し、蓄電部5には図2の斜線部分に相当する電力が急速充電される。これ以降の動作は時間t2以降と同じなので説明を省略する。
このように定電圧源1の電圧Vbが繰り返し、しきい値電圧Vthに相当する電圧値を超えたり、しきい値電圧Vthに相当する電圧値以下になったりしても、それに応じて昇圧DC/DCコンバータ3を停止したり動作を再開したりするので、電圧Vbがどのような状態になっても可聴音ノイズは発生しない。
なお、時間t1からt2や、時間t3からt6のように昇圧DC/DCコンバータ3が停止している間は負荷7への供給電圧が変動するが、これは定電圧源1の異常時等における挙動と同等であるので、負荷7の動作には影響を及ぼさない。
また、可聴音ノイズが発生する可能性がある間は昇圧DC/DCコンバータ3を停止しているので、その間の昇圧DC/DCコンバータ3の消費電力を節減することができる。
以上の構成、動作により、定電圧源1の電圧Vbがしきい値電圧Vthに相当する電圧値を超えると昇圧DC/DCコンバータ3を停止するので、可聴音ノイズが発生しない電源装置を実現できた。
なお、本実施の形態1では電圧Vbを入力電圧検出部23により求めていたが、これは電圧Vbが昇圧DC/DCコンバータ3の時比率と相関関係にあることを利用し、時比率から電圧Vb相当値を求め、しきい値電圧Vthに至ったか否かを判定する構成としてもよい。
(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定電圧源の電圧、および出力端の電圧の経時変化図である。なお、本実施の形態2における電源装置の構成は実施の形態1の図1と同じであるので、詳細な説明を省略する。
本実施の形態2の特徴は、実施の形態1のしきい値電圧Vthを、高しきい値電圧Vth1と低しきい値電圧Vth2の2種類にした点である。なお、高しきい値電圧Vth1に相当する電圧値は実施の形態1と同様に、昇圧DC/DCコンバータ3の出力端11の設定電圧(ここでは14V)より略10%(≒1.4V)小さい電圧に相当する電圧値12.6V(=14V−1.4V)と決定した。また、高しきい値電圧より低い電圧である低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値は、定電圧源1の電圧変動とチャタリングの発生関係を検討した結果、チャタリングが発生しない電圧値である12Vと決定した。
次に、このような電源装置の動作について、図3を用いて詳細に説明する。なお、図3において、横軸は時間、縦軸は電圧をそれぞれ示す。
まず、時間t0からt1において定電圧源1の電圧Vb(太点線の曲線)が徐々に上昇したとする。これにより、制御部37は入力電圧検出部23の出力により定電圧源1の電圧Vbが上昇していることを検知し、しきい値電圧を高しきい値電圧Vth1(12.6Vに相当)に設定する。この時間t0からt1では、まだ電圧Vbが高しきい値電圧Vth1に相当する電圧値(12.6V)に至っていないので、昇圧DC/DCコンバータ3は通常のオンオフ動作を行う。従って、太実線で示した昇圧DC/DCコンバータ3の出力電圧(=Vc)は設定電圧(14V)を維持する。
次に、時間t1からt2において定電圧源1の電圧Vbが高しきい値電圧Vth1に相当する電圧値(12.6V)に至り、ほぼ安定したとする。従って、電圧Vb≒12.6Vとなる。この状態では、実施の形態1の構成の場合は、しきい値電圧Vthを超えているか否かの判断が、例えば微小ノイズ等の影響により短時間に交互に変わることが想定される。従って、図3に細実線で示したように、昇圧DC/DCコンバータ3のオンオフ動作が停止して電圧Vcが徐々に下がっても、すぐにオンオフ動作が再開して電圧Vcが設定電圧(14V)に戻る動作を繰り返すことになり、図3の楕円点線で示したようにチャタリングが発生してしまう。なお、実施の形態1において、チャタリングは図3に示したように電圧Vbが12.6Vでほぼ安定したり、電圧Vbの変動が遅い等の場合に発生するが、電圧Vbが高速に変化する時は12.6Vをすぐに超えるので、チャタリングは発生しない。
これに対し、本実施の形態2においては、電圧Vbが上昇し高しきい値電圧Vth1(12.6Vに相当)に達すると、制御部37は昇圧DC/DCコンバータ3の動作を停止すると同時に、しきい値電圧を低しきい値電圧Vth2(12Vに相当)に切り替える。この様子を図3の中太点線に示す。これにより、昇圧DC/DCコンバータ3の動作の停止、再開がヒステリシス制御されることになる。従って、時間t1からt2で電圧Vbが12.6Vでほぼ安定している場合は、昇圧DC/DCコンバータ3の動作は時間t1で停止したままとなる。これにより、昇圧DC/DCコンバータ3の可聴音ノイズを抑制できるとともに、時間t1からt2では電圧Vbがほぼ安定しているので、低しきい値電圧Vth2(12Vに相当)に至ることはない。従って、昇圧DC/DCコンバータ3の動作が再開することはなく、実施の形態1のようなチャタリングは発生しない。
次に、時間t2からt3で電圧Vbが上昇から下降に転じ、時間t3からt4で再び電圧Vbが12.6Vでほぼ安定したとする。この場合、実施の形態1では前記したように、昇圧DC/DCコンバータ3の動作の停止、再開を制御するためのしきい値電圧Vthが1つしかないので、電圧Vbがほぼ安定すると、時間t1からt2と同様、微小ノイズ等の影響により図3の楕円点線で示したようなチャタリングが発生してしまう。
一方、本実施の形態2では、時間t3からt4では電圧Vbが12.6V近傍でほぼ安定しているので、まだ低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値(=12V)に至っておらず、昇圧DC/DCコンバータ3の動作は停止したままである。ゆえに、この時点でチャタリングが発生することはない。
次に、時間t4からt5までで電圧Vbが下降したとする。この場合、実施の形態1の構成では時間t3からt4でのチャタリングの後、昇圧DC/DCコンバータ3が動作し続け、出力電圧が14Vに戻って一定となる。一方、本実施の形態2では低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値(=12V)に至っていないので、引き続き昇圧DC/DCコンバータ3の動作は停止したままである。
次に、時間t5で電圧Vbが下降している時に低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値(=12V)以下に達すると、昇圧DC/DCコンバータ3は動作を再開し出力電圧が14Vに戻ると同時に、図3の中太点線に示すように、制御部37はしきい値電圧を高しきい値電圧Vth1(12.6Vに相当)に切り替える。このようなヒステリシス制御により、本実施の形態2では時間t5においてチャタリングが発生しない。
以上の構成、動作により、定電圧源1の電圧Vbが上昇中に高しきい値電圧Vth1に相当する電圧値以上になると制御部37は第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19を常時オフにして昇圧DC/DCコンバータ3を停止し、定電圧源1の電圧Vbが下降中に低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値以下になると制御部37は第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19を交互にオンオフ制御して昇圧DC/DCコンバータ3の動作を再開することで、入力端9の電圧Vbが出力端11の電圧Vcに近接すると昇圧DC/DCコンバータ3を停止するので、可聴音ノイズが発生しなくなるとともに、チャタリングも発生しない電源装置を実現できた。
なお、本実施の形態2においても、実施の形態1と同様に、図3に一点鎖線の太曲線で示したVb−Vfと太実線の曲線で示した出力端11の電圧Vcが交わると、第1ボディーダイオード17がオンになり、定電圧源1から蓄電部5や負荷7に電力が供給されるのであるが、図3の場合は両者が交わらないので、第1ボディーダイオード17はオフのままである。
(実施の形態3)
図4は、本発明の実施の形態3における電源装置の定電圧源の電圧、および出力端の電圧の経時変化図である。なお、本実施の形態3における電源装置の構成は実施の形態1の図1と全く同じであるので、構成に関する詳細な説明を省略する。
ここでは、本実施の形態3の電源装置における可聴音ノイズ防止のための特徴となる動作について図4を用いて詳細に説明する。なお、図4の横軸は時間を、縦軸は電圧を、それぞれ示す。
図4において、時間t0からt1は通常の昇圧動作を行っており、その詳細は実施の形態1と同じであるので説明を省略する。
時間t1で入力電圧検出部23により得られた定電圧源1の電圧Vbが、既定のしきい値電圧Vthに相当する電圧値(12.6V)を超えたとする。なお、しきい値電圧Vthの決定方法は実施の形態1と同じである。
これにより、制御部37は第1スイッチング素子15を常時オンにするとともに、第2スイッチング素子19を常時オフにする制御を行う。その結果、昇圧DC/DCコンバータ3のオンオフ動作が停止することになるので、間欠動作がなくなる。ゆえに、可聴音ノイズを発生することがなくなり、特にアイドリングストップ時における運転者や同乗者への不快感を低減できる。
また、第1スイッチング素子15が常時オンになるので、入力端9と出力端11が電気的に直結され、図4に示すように、蓄電部5の電圧Vc(太実線の曲線)は定電圧源1の電圧Vb(太点線の曲線)と一致するように急激に低下する。その結果、時間t2で両者の電圧が等しくなったとする。その後、定電圧源1の電圧Vbがさらに上昇し続けると、入力端9と出力端11が電気的に直結されているので、時間t2以降は電圧Vbの曲線と電圧Vcの曲線が一致した状態で推移する。
その後、時間t3で定電圧源1の電圧Vbがピークとなり、以後経時的に低下したとする。この時も、入力端9と出力端11が電気的に直結されているので、電圧Vbの曲線と電圧Vcの曲線が一致した状態で経時的に低下していく。
次に、時間t4で定電圧源1の電圧Vbがしきい値電圧Vthに相当する電圧値(12.6V)以下になると、制御部37は第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19を交互にオンオフ制御する動作を再開する。この時点ではVc>Vbとなるので、可聴音ノイズは発生しない。この時、蓄電部5は図4の時間t1からt4の間の斜線部分に相当する電力が定電圧源1から急速に充電され、電圧Vcは14Vになる。この動作は実施の形態1と同じである。
次に、時間t5で再び定電圧源1の電圧Vbがしきい値電圧Vthに相当する電圧値(12.6V)を超えると、制御部37は第1スイッチング素子15を常時オンに、第2スイッチング素子19を常時オフにする。その後の動作は時間t5に対しては時間t1と、時間t6に対しては時間t2と、時間t7に対しては時間t3と、時間t8に対しては時間t4と、それぞれ同じ動作を行うので説明を省略する。
このように定電圧源1の電圧Vbが繰り返し、しきい値電圧Vthに相当する電圧値を超えたり、しきい値電圧Vthに相当する電圧値以下になったりしても、それに応じて第1スイッチング素子15を常時オンに、かつ第2スイッチング素子19を常時オフにしたり、各スイッチング素子のオンオフ動作を再開したりするので、電圧Vbがどのような状態になっても可聴音ノイズは発生しない。
なお、時間t1からt4や、時間t5からt8のように第1スイッチング素子15が常時オン、かつ第2スイッチング素子19が常時オフの間は負荷7への供給電圧が変動するが、これは定電圧源1の異常時等における挙動と同等であるので、負荷7の動作には影響を及ぼさない。
また、時間t4やt8において蓄電部5を充電する場合の電力は図4の斜線部分の面積に比例するが、これは実施の形態1の図2の斜線部分の面積と比較すると、本実施の形態3の面積の方が小さい。これは、本実施の形態3では第1ボディーダイオード17による電圧降下の影響がないためである。従って、本実施の形態3の方が負荷7への電力供給による損失が少なくなるとともに、その分、時間t4やt8で蓄電部5を満充電するための時間が短くなる。
以上の構成、動作により、定電圧源1の電圧Vbがしきい値電圧Vthに相当する電圧値を超えると第1スイッチング素子15を常時オンに、第2スイッチング素子19を常時オフにするので、蓄電部5の放電を低減しつつ可聴音ノイズが発生しない電源装置を実現できた。
(実施の形態4)
図5は、本発明の実施の形態4における電源装置の定電圧源の電圧、および出力端の電圧の経時変化図である。なお、本実施の形態4における電源装置の構成は実施の形態1の図1と同じであるので、詳細な説明を省略する。
本実施の形態4の特徴は、実施の形態3のしきい値電圧Vthを、高しきい値電圧Vth1と低しきい値電圧Vth2の2種類にした点である。なお、高しきい値電圧Vth1に相当する電圧値は実施の形態2と同様に12.6Vとし、低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値は12Vとした。
次に、このような電源装置の動作について、図5を用いて詳細に説明する。なお、図5において、横軸は時間、縦軸は電圧をそれぞれ示す。
まず、時間t0からt1においては、実施の形態2と同じ動作を行うので、詳細な説明を省略する。
次に、時間t1からt3において定電圧源1の電圧Vbが高しきい値電圧Vth1に相当する電圧値(12.6V)に至り、ほぼ安定したとする。従って、電圧Vb≒12.6Vとなる。この状態では、実施の形態3の構成の場合は、しきい値電圧Vthを超えているか否かの判断が、微小ノイズ等の影響により短時間に交互に変わることが想定されるので、図5に細実線で示したように、第1スイッチング素子15を常時オンに、第2スイッチング素子19を常時オフにして電圧Vcが下がっても、すぐに第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19の交互オンオフ動作が再開して電圧Vcが設定電圧(14V)に戻る動作を繰り返すことになり、図5の楕円点線で示したようにチャタリングが発生してしまう。なお、実施の形態3において、チャタリングは図5に示したように電圧Vbが12.6Vでほぼ安定したり、電圧Vbの変動が遅い等の場合に発生するが、電圧Vbが高速に変化する時は12.6Vをすぐに超えるので、チャタリングは発生しない。
これに対し、本実施の形態4においては、電圧Vbが上昇して高しきい値電圧Vth1(12.6Vに相当)に達すると、昇圧DC/DCコンバータ3は第1スイッチング素子15が常時オンに、第2スイッチング素子19が常時オフになるようにして動作を停止すると同時に、図5の中太点線に示すように、しきい値電圧を低しきい値電圧Vth2(12Vに相当)に切り替えるヒステリシス制御を行う。また、後述するが、電圧Vbが下降している時に低しきい値電圧Vth2(12Vに相当)に達すると、昇圧DC/DCコンバータ3は第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19の交互オンオフ動作を再開すると同時に、しきい値電圧を高しきい値電圧Vth1(12.6Vに相当)に切り替えるヒステリシス制御を行う。従って、時間t1からt2で電圧Vbが12.6Vでほぼ安定している場合は、時間t1で第1スイッチング素子15が常時オンに、第2スイッチング素子19が常時オフになったままとなる。これにより、昇圧DC/DCコンバータ3の可聴音ノイズを抑制できるとともに、時間t1からt3では電圧Vbはほぼ安定しているので、低しきい値電圧Vth2(12Vに相当)に至ることはない。従って、昇圧DC/DCコンバータ3の動作が再開することはなく、実施の形態3のようなチャタリングは発生しない。
また、第1スイッチング素子15が常時オンになるので、入力端9と出力端11が電気的に直結されることになり、時間t1で電圧の高い蓄電部5の電力が負荷7や定電圧源1に供給され、急激に電圧Vcが下がる。この結果、図5に示すように、時間t2(実施の形態3の動作の場合はチャタリングが発生している時間だけ遅延するので、時間t4)で電圧Vbと電圧Vcが等しくなったとする。その後、定電圧源1の電圧Vbがさらに上昇し続けると、入力端9と出力端11が電気的に直結されているので、時間t3やt4以降は電圧Vbの曲線と電圧Vcの曲線が一致した状態で推移する。
その後、時間t5で定電圧源1の電圧Vbがピークとなり、以後経時的に低下したとする。この時も、入力端9と出力端11が電気的に直結されているので、蓄電部5の電圧Vcも電圧Vbと一致した状態で経時的に低下していく。
次に、時間t6からt7で再び電圧Vbが12.6Vでほぼ安定したとする。この場合、実施の形態3では第1スイッチング素子15が常時オンで第2スイッチング素子19が常時オフになる状態と、両者が交互にオンオフ動作する状態を切り替えるためのしきい値電圧Vthが1つしかないので、電圧Vbがほぼ安定すると、時間t1からt3と同様、図5の楕円点線で示したようなチャタリングが発生してしまう。
一方、本実施の形態4では、時間t6からt7において電圧Vbが12.6V近傍でほぼ安定しているので、まだ低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値(=12V)に至っておらず、第1スイッチング素子15が常時オンで第2スイッチング素子19が常時オフのままである。ゆえに、この時点でチャタリングが発生することはない。
次に、時間t7からt8までで電圧Vbが下降したとする。この場合、実施の形態3の構成では時間t6からt7でのチャタリングの後、制御部37は第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19を交互にオンオフ制御する動作を再開し、出力電圧が14Vに戻って一定となる。一方、本実施の形態4では低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値(=12V)に至っていないので、引き続き第1スイッチング素子15が常時オンで第2スイッチング素子19が常時オフのままである。
次に、時間t8で電圧Vbが低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値(=12V)以下になると、第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19の交互オンオフ動作が再開し、出力電圧は14Vに戻ると同時に、図5の中太点線に示すように、制御部37はしきい値電圧を高しきい値電圧Vth1(12.6Vに相当)に切り替える。このようなヒステリシス制御により、本実施の形態4では時間t8においてチャタリングが発生しない。
以上の構成、動作により、定電圧源1の電圧Vbが上昇中に高しきい値電圧Vth1に相当する電圧値以上になると制御部37は第1スイッチング素子15を常時オンにするとともに、第2スイッチング素子19を常時オフにし、定電圧源1の電圧Vbが下降中に低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値以下になると制御部37は第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19を交互にオンオフ制御することで、入力端9の電圧Vbが出力端11の電圧Vcに近接すると第1スイッチング素子15が常時オンに、第2スイッチング素子19が常時オフになるように昇圧DC/DCコンバータ3を制御するので、可聴音ノイズが発生しなくなるとともに、チャタリングも発生しない電源装置を実現できた。
(実施の形態5)
図6は、本発明の実施の形態5における電源装置のブロック回路図である。図7は、本発明の実施の形態5における電源装置の定電圧源の電圧、および出力端の電圧の経時変化図である。なお、本実施の形態5における電源装置の構成において、実施の形態1と同じ構成要素には同じ符号を用い、説明を省略する。
本実施の形態5における構成上の特徴は、図6に示すように、入力電圧検出部23の出力と出力電圧検出部33の出力の差を求める電圧差検出部39を設けた点である。なお、電圧差検出部39で求めた電圧差の出力は制御部37に入力される。
次に、本実施の形態5の電源装置における可聴音ノイズ防止のための特徴となる動作について図7を用いて詳細に説明する。なお、図7の横軸は時間を、縦軸は電圧を、それぞれ示す。
図7において、時間t0からt1は通常の昇圧動作を行っており、その詳細は実施の形態1と同じであるので説明を省略する。
時間t1で入力電圧検出部23により得られた定電圧源1の電圧Vbが、既定のしきい値電圧Vthに相当する電圧値(12.6V)を超えたとする。なお、しきい値電圧Vthの決定方法は実施の形態1と同じである。
これにより、制御部37は第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19を常時オフにして、昇圧DC/DCコンバータ3のオンオフ動作を完全に停止する。これにより、可聴音ノイズを発生することがなくなり、特にアイドリングストップ時における運転者や同乗者への不快感を低減できる。
時間t1からt2では、実施の形態1の時間t1以降と同様に第1ボディーダイオード17がオフになるので、蓄電部5から負荷7へ電力が供給される。従って、図7に示すように、電圧Vcは負荷7の要求電力に応じて徐々に低下していく。
一方、電圧Vbは時間t1以降も上昇し続けたとする。その結果、電圧Vbと電圧Vcは時間t2でほぼ一致する。この状態を電圧差検出部39で検出する。この際、電圧差検出部39は入力電圧検出部23の出力と出力電圧検出部33の出力の差を求めるため、電圧差検出部39の出力がほぼ0になれば電圧Vbと電圧Vcがほぼ一致したことを検出できる。これにより、制御部37は第1スイッチング素子15を常時オンにするとともに第2スイッチング素子19を常時オフにする。なお、ここでは既に時間t1で第2スイッチング素子19はオフであるので、時間t2以降も引き続きオフの状態を維持する。
このような動作により、入力端9と出力端11が電気的に直結されたことになる。ゆえに、時間t2以降は実施の形態3における図4の時間t2以降と全く同じ挙動(電圧Vbと電圧Vcが一致して推移する)を示す。
その後、時間t3で電圧Vbがピークを持ち、その後、経時的に低下したとする。このときの挙動も実施の形態3と同じであり、電圧Vbと電圧Vcが一致した状態で経時的に低下していく。
次に、時間t4で定電圧源1の電圧Vbがしきい値電圧Vthに相当する電圧値(12.6V)以下になると、実施の形態3と同様に、制御部37は第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19を交互にオンオフ制御する動作を再開する。この時点ではVc>Vbとなるので、可聴音ノイズは発生しない。この時、蓄電部5は図7の時間t1からt4の間の斜線部分の面積に相当する電力が定電圧源1から充電され、電圧Vcは14Vになる。
次に、時間t5で再び定電圧源1の電圧Vbがしきい値電圧Vthに相当する電圧値(12.6V)を超えると、制御部37は第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19を常時オフにする。その後の動作は時間t5に対しては時間t1と、時間t6に対しては時間t2と、時間t7に対しては時間t3と、時間t8に対しては時間t4と、それぞれ同じ動作を行うので説明を省略する。
以上のことから、本実施の形態5の動作の特徴は、電圧Vbがしきい値電圧Vthを超えると、まず実施の形態1の動作と同様に昇圧DC/DCコンバータ3の動作を完全に停止し、電圧Vbと電圧Vcがほぼ等しくなると、実施の形態3の動作と同様に第1スイッチング素子15を常時オンに、第2スイッチング素子19を常時オフにし、電圧Vbがしきい値電圧Vth以下になると昇圧DC/DCコンバータ3の動作を再開するということである。
このような動作は簡潔に言えば実施の形態1と実施の形態3の動作を電圧Vbと電圧Vcの状態により使い分けているだけであるので、可聴音ノイズは発生しない。
また、本実施の形態5においては、電圧Vbがしきい値電圧Vthを超えた時、電圧Vbと電圧Vcがほぼ等しくなるまでは蓄電部5の電力を負荷7にのみ供給することにより、蓄電部5の電力消費を低減している。従って、実施の形態3の動作による省電力動作と相まって、電力損失をさらに少なくできる。
以上の構成、動作により、定電圧源1の電圧Vbがしきい値電圧Vthに相当する電圧値を超えると、まず昇圧DC/DCコンバータ3の動作を完全に停止し、電圧Vbと電圧Vcがほぼ等しくなると、第1スイッチング素子15を常時オンに、第2スイッチング素子19を常時オフにするので、蓄電部5の放電を低減しつつ可聴音ノイズが発生しない電源装置を実現できた。
(実施の形態6)
図8は、本発明の実施の形態6における電源装置の定電圧源の電圧、および出力端の電圧の経時変化図である。なお、本実施の形態6における電源装置の構成は実施の形態5の図6と同じであるので、詳細な説明を省略する。
本実施の形態6の特徴は、実施の形態5のしきい値電圧Vthを、高しきい値電圧Vth1と低しきい値電圧Vth2の2種類にした点である。なお、高しきい値電圧Vth1に相当する電圧値は実施の形態2と同様に12.6Vとし、低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値は12Vとした。
次に、このような電源装置の動作について、図8を用いて詳細に説明する。なお、図8において、横軸は時間、縦軸は電圧をそれぞれ示す。
まず、時間t0からt1においては、実施の形態2と同じ動作を行うので、詳細な説明を省略する。
次に、時間t1からt2において定電圧源1の電圧Vbが高しきい値電圧Vth1に相当する電圧値(12.6V)に至り、ほぼ安定したとする。従って、電圧Vb≒12.6Vとなる。この状態では、実施の形態5の構成の場合は、しきい値電圧Vthを超えているか否かの判断が、微小ノイズ等の影響により短時間に交互に変わることが想定されるので、図8に細実線で示したように、第1スイッチング素子15を常時オンに、第2スイッチング素子19を常時オフにして電圧Vcが徐々に下がっても、すぐに第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19の交互オンオフ動作が再開して電圧Vcが設定電圧(14V)に戻る動作を繰り返すことになり、図8の楕円点線で示したようにチャタリングが発生してしまう。
これに対し、本実施の形態6においては、時間t1で電圧Vbが上昇し高しきい値電圧Vth1(12.6Vに相当)に達すると、昇圧DC/DCコンバータ3は完全に動作を停止して第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19を常時オフにすると同時に、図8の中太点線で示したように、制御部37はしきい値電圧を低しきい値電圧Vth2(12Vに相当)に切り替えるヒステリシス制御を行う。これにより、昇圧DC/DCコンバータ3の可聴音ノイズを抑制できるとともに、時間t1からt2では電圧Vbはほぼ安定しているので、低しきい値電圧Vth2(12Vに相当)に至ることはない。従って、昇圧DC/DCコンバータ3の動作が再開することはなく、実施の形態5のようなチャタリングは発生しない。
また、第1スイッチング素子15が常時オフになるので、時間t1で電圧の高い蓄電部5の電力が負荷7に供給され、蓄電部5の電圧Vc(太実線の曲線)は経時的に低下していく。一方、電圧Vb(太点線の曲線)は時間t2以降も上昇し続けたとする。その結果、時間t3(実施の形態5の動作の場合はチャタリングが発生している時間だけ遅延するので、時間t4)で電圧Vbと電圧Vcがほぼ等しくなったとする。この状態を電圧差検出部39で検出する。この際、電圧差検出部39は入力電圧検出部23の出力と出力電圧検出部33の出力の差を求めるため、電圧差検出部39の出力がほぼ0になれば電圧Vbと電圧Vcがほぼ一致したことを検出できる。これにより、制御部37は第1スイッチング素子15を常時オンにするとともに第2スイッチング素子19を常時オフにする。
このような動作により、入力端9と出力端11が電気的に直結されたことになる。ゆえに、時間t3以降は実施の形態4における図5の時間t4以降と全く同じ挙動(電圧Vbと電圧Vcが一致して推移する)を示す。
その後、時間t5で電圧Vbがピークを持ち、その後、経時的に低下したとする。このときの挙動も実施の形態4と同じであり、電圧Vbと電圧Vcが一致した状態で経時的に低下していく。
次に、時間t6からt7で再び電圧Vbが12.6Vでほぼ安定したとする。この場合、実施の形態5では第1スイッチング素子15が常時オンで第2スイッチング素子19が常時オフになる状態と、両者が交互にオンオフ動作する状態を切り替えるためのしきい値電圧Vthが1つしかないので、電圧Vbがほぼ安定すると、時間t1からt2と同様、図8の楕円点線で示したようなチャタリングが発生してしまう。
一方、本実施の形態6では、時間t6からt7において電圧Vbが12.6V近傍でほぼ安定しているので、まだ低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値(=12V)に至っておらず、第1スイッチング素子15が常時オンで第2スイッチング素子19が常時オフのままである。ゆえに、この時点でチャタリングが発生することはない。
次に、時間t7からt8までで電圧Vbが下降したとする。この場合、実施の形態5の構成では時間t6からt7でのチャタリングの後、制御部37は第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19を交互にオンオフ制御する動作を再開し、出力電圧が14Vに戻って一定となる。一方、本実施の形態6では低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値(=12V)に至っていないので、引き続き第1スイッチング素子15が常時オンで第2スイッチング素子19が常時オフのままである。
次に、時間t8で電圧Vbが低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値(=12V)以下になると、第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19の交互オンオフ動作が再開し、出力電圧は14Vに戻ると同時に、図8の中太点線に示すように、制御部37はしきい値電圧を高しきい値電圧Vth1(12.6Vに相当)に切り替える。このようなヒステリシス制御により、本実施の形態6では時間t8においてチャタリングが発生しない。
このような動作とすることにより、実施の形態5と同様に時間t1からt3における蓄電部5の放電を低減することができる。
以上の構成、動作により、定電圧源1の電圧Vbが上昇中に高しきい値電圧Vth1に相当する電圧値以上になると制御部37は昇圧DC/DCコンバータ3を完全に停止し、電圧Vbと電圧Vcがほぼ等しくなると、第1スイッチング素子15を常時オンにするとともに、第2スイッチング素子19を常時オフにし、定電圧源1の電圧Vbが下降中に低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値以下になると制御部37は第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19を交互にオンオフ制御するので、可聴音ノイズが発生しなくなるとともに、蓄電部5の放電を低減しつつチャタリングも発生しない電源装置を実現できた。
(実施の形態7)
図9は、本発明の実施の形態7における電源装置の定電圧源の電圧、および出力端の電圧の経時変化図である。なお、図9の横軸は時間を、縦軸は電圧を、それぞれ示す。
本実施の形態7における電源装置の構成は実施の形態5の図6と同じであるので、詳細な説明を省略する。
本実施の形態7の特徴は、実施の形態5の動作に対して、第1スイッチング素子15が常時オンの状態で、定電圧源1の電圧Vbが上昇から下降に転じた時に、制御部37が第1スイッチング素子15を常時オフにする制御を加えた点である。この点を中心に本実施の形態7の動作を図9により詳細に説明する。
図9において時間t0からt3までの動作は実施の形態5と同じであるので、説明を省略する。次に、時間t3で定電圧源1の電圧Vbがピークとなり、以後下降したとする。制御部37は、この電圧Vbの上昇から下降に転じる変化を検出すると、時間t1における動作と同様に第1スイッチング素子15を常時オフにするように制御する。この時、第2スイッチング素子19はすでに常時オフになっているので、再び昇圧DC/DCコンバータ3のオンオフ動作が完全に停止することになる。その結果、負荷7へは蓄電部5からのみ電力が供給されることになるので、時間t1以降と同様に電圧Vcは負荷7の要求電力に応じて徐々に低下していく。
その後、時間t4で定電圧源1の電圧Vbがしきい値電圧Vthに相当する電圧値(12.6V)以下になると、実施の形態5と同様に、制御部37は第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19を交互にオンオフ制御する動作を再開する。この時、蓄電部5は図9の時間t1からt4の間の斜線部分の面積に相当する電力が定電圧源1から充電され、電圧Vcは14Vになる。
次に、時間t5からt8の動作は時間t1からt4の動作と同じであるので説明を省略する。
以上のことから、本実施の形態7の動作の特徴は、電圧Vbがしきい値電圧Vthを超えると、まず実施の形態1の動作と同様に昇圧DC/DCコンバータ3の動作を完全に停止し、電圧Vbと電圧Vcがほぼ等しくなると、実施の形態3の動作と同様に第1スイッチング素子15を常時オンに、第2スイッチング素子19を常時オフにし、電圧Vbが上昇から下降に転じると再び昇圧DC/DCコンバータ3の動作を完全に停止し、電圧Vbがしきい値電圧Vth以下になると昇圧DC/DCコンバータ3の動作を再開するということである。
このような動作は実施の形態5と同様に、簡潔に言えば実施の形態1と実施の形態3の動作を電圧Vbと電圧Vcの状態により使い分けているだけであるので、可聴音ノイズは発生しない。
また、本実施の形態7においては、電圧Vbが上昇から下降に転じた時にも昇圧DC/DCコンバータ3の動作を完全に停止して蓄電部5の電力を負荷7にのみ供給することにより、蓄電部5の電力消費(図9の斜線部分の面積に相当)をさらに低減している。従って、実施の形態7よりもさらに電力損失を少なくすることができる。
以上の構成、動作により、実施の形態7の動作に加え、電圧Vbが上昇から下降に転じた時にも昇圧DC/DCコンバータ3の動作を完全に停止するので、蓄電部5の放電をさらに低減しつつ可聴音ノイズが発生しない電源装置を実現できた。
(実施の形態8)
図10は、本発明の実施の形態8における電源装置の定電圧源の電圧、および出力端の電圧の経時変化図である。なお、図10の横軸は時間を、縦軸は電圧を、それぞれ示す。また、図10の太実線は本実施の形態8の出力端11の電圧Vcを、細実線は実施の形態7の構成における出力端11の電圧Vcをそれぞれ示す。
本実施の形態8における電源装置の構成は実施の形態5の図6と同じであるので、詳細な説明を省略する。
本実施の形態8の特徴は、実施の形態6の動作に対して、第1スイッチング素子15が常時オンの状態で、定電圧源1の電圧Vbが上昇から下降に転じた時に、制御部37が第1スイッチング素子15を常時オフにする制御を加えた点である。この点を中心に本実施の形態8の動作を図10により詳細に説明する。
まず、時間t0からt5においては、実施の形態6と同じ動作を行うので、詳細な説明を省略する。次に、時間t5で電圧Vbがピークとなり、以後下降したとする。制御部37は、この電圧Vbの上昇から下降に転じる変化を検出すると、時間t1における動作と同様に第1スイッチング素子15を常時オフにするように制御する。この時、第2スイッチング素子19はすでに常時オフになっているので、再び昇圧DC/DCコンバータ3のオンオフ動作が完全に停止することになる。その結果、負荷7へは蓄電部5からのみ電力が供給されることになるので、時間t1以降と同様に電圧Vcは負荷7の要求電力に応じて徐々に低下していく。
次に、時間t6からt7で電圧Vbが12.6Vでほぼ安定したとする。この場合、実施の形態7では第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19が常時オフになる状態と、両者が交互にオンオフ動作する状態を切り替えるためのしきい値電圧Vthが1つしかないので、電圧Vbがほぼ安定すると、図10の楕円点線で示したようなチャタリングが発生してしまう。
一方、本実施の形態8では、時間t6からt7において電圧Vbが12.6V近傍でほぼ安定しているので、まだ低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値(=12V)に至っておらず、第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19が常時オフのままである。ゆえに、この時点でチャタリングが発生することはない。
次に、時間t7からt8までで電圧Vbが下降したとする。この場合、実施の形態7の構成では、図10の細実線で示すように時間t6からt7でのチャタリングの後、制御部37は第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19を交互にオンオフ制御する動作を再開し、出力電圧が14Vに戻って一定となる。一方、本実施の形態8では、図10の太実線で示すように低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値(=12V)に至っていないので、引き続き第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19が常時オフのままである。
次に、時間t8で電圧Vbが低しきい値電圧Vth2に相当する電圧値(=12V)以下になると、第1スイッチング素子15と第2スイッチング素子19の交互オンオフ動作が再開し、出力電圧は14Vに戻ると同時に、図8の中太点線に示すように、制御部37はしきい値電圧を高しきい値電圧Vth1(12.6Vに相当)に切り替える。このようなヒステリシス制御により、本実施の形態8では時間t8においてチャタリングが発生しない。
このような動作とすることにより、実施の形態6に比べ、時間t5からt8における蓄電部5の放電をさらに低減することができる。
以上の構成、動作により、実施の形態6の動作に加え、電圧Vbが上昇から下降に転じた時にも昇圧DC/DCコンバータ3の動作を完全に停止するので、可聴音ノイズが発生しなくなるとともに、蓄電部5の放電をさらに低減しつつチャタリングも発生しない電源装置を実現できた。
なお、実施の形態1から8では、蓄電部5に電気二重層キャパシタを用いた例を示したが、これは電気化学キャパシタ等の他のキャパシタや二次電池でもよい。さらに、車両用の電源装置の場合について述べたが、それ以外の電源装置にも適用できる。