JP6102721B2 - 蓄電装置及びバッテリ装置 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリの動作を補助する蓄電部を備えた蓄電装置及びバッテリ装置に関する。

従来の車両には、バッテリの電圧が低下した場合にバッテリの動作を補助する蓄電部をバッテリの他に備えているものがある。蓄電部は、車両の衝突時等にバッテリからの電力が喪失した場合に負荷へ給電する非常用の電源としても利用される。蓄電部としては、キャパシタが用いられることがある。キャパシタは、充電された状態で放置されると劣化が進行することが知られている。そこで、車両の停止中等、キャパシタを使用することが無い状態では、キャパシタを放電することが行われている。特許文献１には、バッテリをオン又はオフする信号を受け付け、受け付けた信号に応じてリレースイッチを動作させ、キャパシタの充電と放電とを切り替える回路が開示されている。

特開２０１１−１５９０１０号公報

特許文献１に開示された従来技術を車両に応用した場合は、バッテリをオフした場合とバッテリからの電力が喪失した場合との区別が付かない。このため、バッテリからの電力が喪失して蓄電部からの給電が必要な場合に、蓄電部が放電し、蓄電部からの給電ができなくなるという問題がある。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、バッテリとの接続をオフした場合とバッテリからの電力が喪失した場合とを区別することにより、バッテリからの電力が喪失した場合に蓄電部から負荷への給電を可能にした蓄電装置及びバッテリ装置を提供することにある。

本発明に係る蓄電装置は、蓄電部と、外部バッテリから電力を供給されて前記蓄電部を充電させる充電部と、前記蓄電部を放電させる放電部とを備える蓄電装置において、前記外部バッテリに接続される接続線と、一端が前記充電部に接続されており、他端が前記外部バッテリに接続されるスイッチと、前記スイッチの一端と前記接続線との間の電圧を検出し、前記電圧が所定の閾値を超過する場合に、前記放電部に前記蓄電部を放電させ、前記電圧が前記閾値以下である場合に、前記放電部による前記蓄電部の放電を禁止する放電制御部とを備えることを特徴とする。

本発明に係る蓄電装置は、前記放電部は、前記蓄電部を放電させるためのオン／オフ可能な放電回路を有し、前記放電制御部は、前記スイッチの一端及び前記接続線に接続されており、前記スイッチの一端及び前記接続線の間に前記閾値を超過する電圧が印加された場合に、前記放電回路をオン状態にし、前記閾値以下の電圧が印加された場合に、前記放電回路をオフ状態にするように構成してあることを特徴とする。

本発明に係る蓄電装置は、前記放電回路は、第１スイッチング素子を含んでおり、前記放電制御部は、前記スイッチの一端と前記接続線との間の電圧が印加され、前記電圧が前記閾値を超過している場合にオン状態になる第２スイッチング素子を有し、前記第２スイッチング素子がオン状態である場合に前記第１スイッチング素子がオン状態になるように前記第２スイッチング素子に前記第１スイッチング素子が接続されていることを特徴とする。

本発明に係る蓄電装置は、前記蓄電部の端子間電圧が所定の電圧を超過した場合に充電を停止させる手段を更に備えることを特徴とする。

本発明に係る蓄電装置は、前記蓄電部から外部の負荷へ給電する手段を更に備えることを特徴とする。

本発明に係る蓄電装置は、前記蓄電部はキャパシタであることを特徴とする。

本発明に係るバッテリ装置は、本発明に係る蓄電装置と、該蓄電装置へ電力を供給するバッテリとを備えることを特徴とする。

本発明においては、バッテリから充電される蓄電装置は、バッテリに接続された接続線と充電部との間の電圧が大きい場合に、蓄電部を放電させ、バッテリに接続された接続線と充電部との間の電圧が小さい場合に、蓄電部を放電させない。正常に充電を停止した場合は、接続線の電圧が高い一方で充電部の電圧が低くなり、接続線と充電部との間の電圧が大きくなる。従って、蓄電装置は、正常に充電を停止した場合に蓄電部を放電させる。充電が行われている場合は接続線及び充電部はほぼ同電位である。バッテリからの電力が喪失した場合は、接続線及び充電部の電圧は共に低下し、接続線と充電部との間の電圧は小さい。従って、蓄電装置は、接続線と充電部との間の電圧が小さい場合に蓄電部を放電させないことにより、バッテリからの電力が喪失した場合に蓄電部を放電させないようにする。

本発明においては、蓄電装置は、充電部をバッテリに接続させるスイッチと接続線との間に大きい電圧が印加された場合に、放電回路をオンさせる。これにより、蓄電装置は、接続線と充電部との間の電圧が大きい場合に蓄電部を放電させることができる。また、蓄電装置は、スイッチと接続線との間に印加される電圧が小さい場合に、放電回路をオフさせる。これにより、蓄電装置は、接続線と充電部との間の電圧が小さい場合に蓄電部を放電させることができない。

本発明においては、蓄電装置は、放電回路をオン／オフする第１スイッチング素子と、第１スイッチング素子をオン／オフする第２スイッチング素子とを備える。バッテリに接続された接続線とスイッチとの間の電圧が大きい場合に、第２スイッチング素子がオン状態になり、第１スイッチング素子がオン状態になり、蓄電部が放電する。

また、本発明においては、蓄電装置は、蓄電部の端子間電圧が所定の電圧を超過した場合に、蓄電部の充電を停止する。これにより、蓄電部の過充電が防止される。

また、本発明においては、蓄電装置は、蓄電部から外部の負荷へ給電することができる。このため、バッテリからの電力が喪失した場合に、蓄電部は外部の負荷へ給電することが可能である。

また、本発明においては、蓄電部はキャパシタであり、繰り返しの充放電が可能である。

本発明にあっては、車両の衝突時等のバッテリからの電力が喪失した場合に、蓄電部は放電しない。このため、バッテリからの電力が喪失した場合に、蓄電装置は、蓄電部から負荷へ給電することが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。

バッテリ装置の内部構成を示すブロック図である。 蓄電装置の回路構成例を示す部分回路図である。 蓄電装置の動作のタイミングを示す模式的タイミングチャートである。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
図１は、バッテリ装置の内部構成を示すブロック図である。バッテリ３は、自動車に搭載される車載用バッテリであり、自動車内に配置された負荷４へ電力を供給する。本発明の蓄電装置１は、バッテリ３と負荷４との間に接続されている。バッテリ３及び蓄電装置１は、本発明のバッテリ装置を構成している。バッテリ３には電力線（接続線）２１が接続されており、負荷４は電力線２１を介してバッテリ３に接続される。バッテリ３からは、電力線２１を通じて負荷４へ電力が供給される。

蓄電装置１は、自動車に搭載された図示しないエンジンが動作する場合にオン状態になるＩＧ（イグニッション）リレー２２を備えている。エンジンが停止している場合はＩＧリレー２２はオフ状態になる。ＩＧリレー２２は本発明におけるスイッチに対応する。ＩＧリレー２２の一端は、ｐｎｐ型の第１トランジスタ１３のエミッタが接続されている。ＩＧリレー２２の他端は、電力線２１と並列にバッテリ３に接続されている。以下、ＩＧリレー２２の一端を内部端と言う。第１トランジスタ１３のコレクタは抵抗器１１３の一端に接続されている。

蓄電装置１は、本発明における蓄電部に対応するキャパシタ１１１を備えている。蓄電部としてキャパシタ１１１を用いているので、蓄電装置１は、充放電の繰り返しが容易であり、安定性が高い。キャパシタ１１１は、接地端及び非接地端を有している。キャパシタ１１１の非接地端には、抵抗器１１３の他端が接続されている。ＩＧリレー２２及び第１トランジスタ１３がオン状態である場合、キャパシタ１１１へバッテリ３からの電力が供給され、キャパシタ１１１は充電される。第１トランジスタ１３及び抵抗器１１３は本発明における充電部に含まれる。即ち、ＩＧリレー２２は、充電部に接続されており、充電部への電力供給をオン／オフするスイッチの役割を果たす。ＩＧリレー２２がオフ状態である場合は、バッテリ３からの電力は供給されない。以下、第１トランジスタ１３に接続されたＩＧリレー２２の一端を内部端と言う。

キャパシタ１１１の非接地端には、キャパシタ１１１に充電された電力を負荷４へ給電するための給電部１４が接続されている。給電部１４は、負荷４に接続され、負荷４へキャパシタ１１１から電力を供給することが可能になっている。

蓄電装置１は、キャパシタ１１１及び抵抗器１１３を含む放電回路１１を備えている。抵抗器１１３の一端には、Ｎ型チャネルの第１ＦＥＴ（Field effect transistor ）１１２のドレインが接続されている。第１ＦＥＴ１１２のソースは接地されている。第１ＦＥＴ１１２がオン状態である場合は、放電回路１１は閉回路となり、キャパシタ１１１を電源とした電流が抵抗器１１３及び第１ＦＥＴ１１２を通じて流れ、キャパシタ１１１は放電する。第１ＦＥＴ１１２は、本発明における第１スイッチング素子に対応する。

蓄電装置１は、放電制御部１２を備えている。放電制御部１２は、電力線２１の途中と、ＩＧリレー２２の内部端とに接続されており、更に第１ＦＥＴ１１２のゲートに接続されている。放電制御部１２は、電力線２１とＩＧリレー２２の内部端との間の電圧に応じて、第１ＦＥＴ１１２のオンとオフとを切り替える。これにより、放電制御部１２は、放電回路１１でキャパシタ１１１の放電を行うか否かを制御する。

更に、蓄電装置１は、キャパシタ１１１の両端子間の電圧とバッテリ３の出力電圧とを比較する比較回路１５を備えている。比較回路１５は、第１トランジスタ１３のベースに接続されており、電圧の比較結果に応じて、第１トランジスタ１３のオンとオフとを切り替える。

図２は、蓄電装置１の回路構成例を示す部分回路図である。給電部１４は、ＤＣ（Direct Current）ＤＣコンバータで構成されている。放電制御部１２は、Ｐ型チャネルの第２ＦＥＴ１２１と抵抗器１２２とを有している。第２ＦＥＴ１２１は、本発明における第２スイッチング素子に対応する。第２ＦＥＴ１２１のソースは電力線２１の途中に接続されており、第２ＦＥＴ１２１のゲートはＩＧリレー２２の内部端に接続されている。第２ＦＥＴ１２１のドレインは抵抗器１２２を介して接地されている。また、第１ＦＥＴ１１２のゲートは第２ＦＥＴ１２１のドレインに接続されている。ＩＧリレー２２がオン状態である場合、電力線２１及びＩＧリレー２２の内部端は同電位となり、第２ＦＥＴ１２１のソースの電圧はハイ、ゲートの電圧もハイとなる。ゲート・ソース間電圧は、第２ＦＥＴ１２１がオン状態になるための閾値電圧未満となり、第２ＦＥＴ１２１はオフ状態である。このため、第１ＦＥＴ１１２のゲートの電圧はローとなり、第１ＦＥＴ１１２はオフ状態であり、放電回路１１はキャパシタ１１１を放電させることができない。このようにして、放電制御部１２はキャパシタ１１１の放電を禁止する。

ＩＧリレー２２がオフ状態になった場合、電力線２１の電圧がハイであり続ける一方で、ＩＧリレー２２の内部端の電圧はローになる。第２ＦＥＴ１２１のソースの電圧はハイ、ゲートの電圧はローとなり、ゲート・ソース間電圧が閾値電圧を超過し、第２ＦＥＴ１２１はオン状態になる。第１ＦＥＴ１１２のゲートの電圧はハイとなり、第１ＦＥＴ１１２はオン状態となり、放電回路１１は閉回路となり、放電回路１１はキャパシタ１１１を放電させる。このようにして、放電制御部１２は放電回路１１にキャパシタ１１１を放電させる。

比較回路１５は、コンパレータ１５１を用いたレギュレータで構成されている。コンパレータ１５１の非反転入力（＋ＩＮ）端子には、ツェナーダイオード１５３のカソードが接続されている。ツェナーダイオード１５３のカソードは、更に、抵抗器１５６を介してＩＧリレー２２の内部端に接続されており、ツェナーダイオード１５３のアノードは接地されている。これにより、コンパレータ１５１の非反転入力（＋ＩＮ）は、ツェナーダイオード１５３で定められた定電圧となる。キャパシタ１１１の非接地端に抵抗器１５７の一端が接続され、抵抗器１５７の他端には、接地された抵抗器１５８が接続されている。更に、抵抗器１５７の他端は、コンパレータ１５１の反転入力（−ＩＮ）端子に接続されている。このため、キャパシタ１１１の両端子間電圧は、抵抗器１５７及び１５８で分圧され、コンパレータ１５１の反転入力（−ＩＮ）となる。

コンパレータ１５１の出力端子は、ｎｐｎ型の第２トランジスタ１５２のベースに接続されている。第２トランジスタ１５２のエミッタは接地されており、コレクタは抵抗器１５４を介して第１トランジスタ１３のベースに接続されている。また、第１トランジスタ１３のベース及びエミッタの間には抵抗器１５５が接続されている。

キャパシタ１１１が充電されていない状態では、キャパシタ１１１の両端子間電圧は０Ｖであり、コンパレータ１５１の反転入力（−ＩＮ）も０Ｖである。キャパシタ１１１が充電されていない状態でＩＧリレー２２がオン状態になった場合は、コンパレータ１５１の非反転入力（＋ＩＮ）が定電圧で反転入力（−ＩＮ）が０Ｖであるので、非反転入力（＋ＩＮ）＞反転入力（−ＩＮ）となり、コンパレータ１５１の出力はハイとなる。第２トランジスタ１５２のベース・エミッタ間に正電圧が印加され、第２トランジスタ１５２はオン状態になる。第２トランジスタ１５２がオン状態になることで、第１トランジスタ１３のベース・エミッタ間に負電圧が印加され、第１トランジスタ１３がオン状態となり、キャパシタ１１１の充電が開始される。充電によってキャパシタ１１１の両端子間電圧は上昇し、コンパレータ１５１の反転入力（−ＩＮ）も上昇する。コンパレータ１５１の反転入力（−ＩＮ）が上昇して、非反転入力（＋ＩＮ）＜反転入力（−ＩＮ）となった場合は、コンパレータ１５１の出力はローとなる。第２トランジスタ１５２はオフ状態になり、第１トランジスタ１３もオフ状態となって、キャパシタ１１１の充電が停止する。即ち、キャパシタ１１１は、両端子間電圧が所定の電圧になるまで充電され、両端子間電圧が所定の電圧を越えた場合に充電が停止される。ここで所定の電圧は、抵抗器１５７及び１５８で分圧された電圧がコンパレータ１５１の非反転入力（＋ＩＮ）と同値になるような両端子間電圧である。このように、比較回路１５がキャパシタ１１１の充電を停止することにより、キャパシタ１１１の過充電が防止される。

図３は、蓄電装置１の動作のタイミングを示す模式的タイミングチャートである。図中の横軸は時間であり、縦軸は、バッテリ３の出力電圧、ＩＧリレー２２の内部端の電圧、キャパシタ１１１の非接地端の電圧、放電回路１１及び給電部１４の電圧を示している。バッテリ３の出力電圧は第２ＦＥＴ１２１のソースの電圧、ＩＧリレー２２の内部端の電圧は第２ＦＥＴ１２１のゲートの電圧である。また、放電回路１１の電圧は第１ＦＥＴ１１２のゲートの電圧、給電部１４の電圧は給電部１４の出力電圧である。通常、バッテリ３の出力電圧はハイである。ＩＧリレー２２がオフ状態からオン状態になった場合は、ＩＧリレー２２の内部端の電圧はローからハイになる。前述のように、第２ＦＥＴ１２１はオフ状態となり、放電回路１１の電圧はローとなり、第１ＦＥＴ１１２はオフ状態となって、放電回路１１はキャパシタ１１１を放電させない。キャパシタ１１１は充電され、キャパシタ１１１の非接地端の電圧は充電に伴って上昇し、ハイとなる。

ＩＧリレー２２がオン状態からオフ状態になった場合は、ＩＧリレー２２の内部端の電圧はハイからローになる。バッテリ３からの電力は供給されなくなり、キャパシタ１１１は充電されなくなる。前述のように、第２ＦＥＴ１２１はオン状態となり、放電回路１１の電圧はハイとなり、第１ＦＥＴ１１２はオン状態となって、放電回路１１はキャパシタ１１１を放電させる。キャパシタ１１１は放電し、キャパシタ１１１の非接地端の電圧は放電に伴って下降し、ローとなる。給電部１４は負荷４への給電をせず、給電部１４の出力電圧はローである。

バッテリ装置を搭載した自動車が衝突事故を起こしてバッテリ３が破損又はケーブルが破断する等、バッテリ３からの電力が喪失することがある。バッテリ３からの電力が喪失した場合、ＩＧリレー２２がオン状態でも、バッテリ３からの電力供給が停止する。バッテリ３の出力電圧及びＩＧリレー２２の内部端の電圧は、共にローになる。第２ＦＥＴ１２１のソースの電位はロー、ゲートの電位もローとなり、ゲート・ソース間電圧は閾値電圧未満となり、第２ＦＥＴ１２１はオフ状態になる。このため、放電回路１１の電圧はローとなり、第１ＦＥＴ１１２はオフ状態となって、放電回路１１はキャパシタ１１１を放電させることがない。このようにして、放電制御部１２は、ＩＧリレー２２がオン状態のままでバッテリ３からの電力供給が停止した場合に、キャパシタ１１１の放電を禁止する。バッテリ３からの電力が喪失することにより、バッテリ３から電力線２１を通じた負荷４への給電が停止する。代わりに、給電部１４は、キャパシタ１１１に充電された電力の負荷４への供給を開始し、給電部１４の出力電圧はハイになる。キャパシタ１１１の非接地端の電圧は、給電に伴って徐々に低下する。給電部１４からの給電により、ドアロックを解除する機構等の負荷４はバッテリ３からの電力が喪失した後でも動作可能になる。

また、バッテリ装置の動作中にバッテリ３の出力電圧が低下した場合にも、蓄電装置１は、バッテリ３からの電力が喪失した場合と同様の処理を行う。ＩＧリレー２２がオン状態であるので、接続線２１及びＩＧリレー２２の内部端はほぼ同電位であり、第２ＦＥＴ１２１及び第１ＦＥＴ１１２はオフ状態であり、放電回路１１はキャパシタ１１１を放電させない。バッテリ３から負荷４への出力電圧が低下し、代わりに、給電部１４は、キャパシタ１１１に充電された電力を負荷４へ供給する。

以上詳述した如く、本実施の形態においては、蓄電装置１は、ＩＧリレー２２をオフ状態にしてバッテリ３からの電力供給が停止した場合にキャパシタ１１１を放電させ、ＩＧリレー２２がオン状態でバッテリ３からの電力供給が停止した場合にキャパシタ１１１の放電を禁止する。ＩＧリレー２２の内部端と電力線２１との間の電圧が大きい場合にキャパシタ１１１を放電させることにより、ＩＧリレー２２をオフ状態にしてバッテリ３からの電力供給が停止した場合にキャパシタ１１１を放電させることができる。蓄電装置１が使用されない状態でキャパシタ１１１を放電させることになり、キャパシタ１１１の劣化を防止する。また、ＩＧリレー２２の内部端と電力線２１との間の電圧が小さい場合にキャパシタ１１１の放電を禁止することにより、ＩＧリレー２２がオン状態の場合にキャパシタ１１１の放電を禁止することができる。キャパシタ１１１が充電されている場合には放電が禁止され、また、ＩＧリレー２２がオン状態でバッテリ３からの電力供給が停止した場合にも放電が禁止される。従って、自動車の衝突時等のバッテリ３からの電力が喪失した場合に、キャパシタ１１１は放電せず、蓄電装置１は、キャパシタ１１１に充電された電力を負荷４へ供給することが可能となる。

なお、以上の実施の形態は例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。本実施の形態に示した蓄電装置１の回路構成は一例であり、蓄電装置１はその他の回路で構成されることも可能である。例えば、蓄電装置１は、キャパシタ以外の蓄電部を用いた形態であってもよく、ＦＥＴ以外のスイッチング素子を用いた形態であってもよい。また、バッテリ装置１は、自動車以外の車両に搭載される形態であってもよい。また、バッテリ装置１は、車載用以外の装置であってもよい。

１ 蓄電装置
１１ 放電回路
１１１ キャパシタ（蓄電部）
１１２ 第１ＦＥＴ（第１スイッチング素子）
１２ 放電制御部
１２１ 第２ＦＥＴ（第２スイッチング素子）
１４ 給電部
１５ 比較回路
２１ 電力線（接続線）
２２ ＩＧリレー（スイッチ）
３ バッテリ
４ 負荷

Claims (7)

1. 蓄電部と、外部バッテリから電力を供給されて前記蓄電部を充電させる充電部と、前記蓄電部を放電させる放電部とを備える蓄電装置において、
   前記外部バッテリに接続される接続線と、
   一端が前記充電部に接続されており、他端が前記外部バッテリに接続されるスイッチと、
   前記スイッチの一端と前記接続線との間の電圧を検出し、前記電圧が所定の閾値を超過する場合に、前記放電部に前記蓄電部を放電させ、前記電圧が前記閾値以下である場合に、前記放電部による前記蓄電部の放電を禁止する放電制御部と
   を備えることを特徴とする蓄電装置。
2. 前記放電部は、前記蓄電部を放電させるためのオン／オフ可能な放電回路を有し、
   前記放電制御部は、
   前記スイッチの一端及び前記接続線に接続されており、前記スイッチの一端及び前記接続線の間に前記閾値を超過する電圧が印加された場合に、前記放電回路をオン状態にし、前記閾値以下の電圧が印加された場合に、前記放電回路をオフ状態にするように構成してあること
   を特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記放電回路は、第１スイッチング素子を含んでおり、
   前記放電制御部は、
   前記スイッチの一端と前記接続線との間の電圧が印加され、前記電圧が前記閾値を超過している場合にオン状態になる第２スイッチング素子を有し、
   前記第２スイッチング素子がオン状態である場合に前記第１スイッチング素子がオン状態になるように前記第２スイッチング素子に前記第１スイッチング素子が接続されていること
   を特徴とする請求項２に記載の蓄電装置。
4. 前記蓄電部の端子間電圧が所定の電圧を超過した場合に充電を停止させる手段を更に備えること
   を特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の蓄電装置。
5. 前記蓄電部から外部の負荷へ給電する手段を更に備えること
   を特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載の蓄電装置。
6. 前記蓄電部はキャパシタであること
   を特徴とする請求項１乃至５の何れか一つに記載の蓄電装置。
7. 請求項１乃至６の何れか一つに記載の蓄電装置と、
   該蓄電装置へ電力を供給するバッテリと
   を備えることを特徴とするバッテリ装置。

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