特開 2023-91462 電源システムおよび故障検知方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023091462

(43)【公開日】2023-06-30

(54)【発明の名称】電源システムおよび故障検知方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20230623BHJP

   H02J 9/06 20060101ALI20230623BHJP

   H02J 7/34 20060101ALI20230623BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20230623BHJP

   G01R 31/00 20060101ALI20230623BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 Y

H02J9/06

H02J7/34 G

H01M10/48 P

G01R31/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021206222

(22)【出願日】2021-12-20

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】中島 祐輝

【テーマコード（参考）】

2G036

5G015

5G503

5H030

【Ｆターム（参考）】

2G036AA04

2G036AA26

2G036BA37

2G036BB02

2G036CA08

2G036CA10

5G015GB05

5G015HA02

5G015HA03

5G015JA04

5G015JA06

5G015JA33

5G015JA56

5G503AA01

5G503BA02

5G503BB03

5G503CA11

5G503EA08

5G503FA19

5G503GB03

5G503GD03

5G503GD06

5H030AS08

5H030FF43

5H030FF44

5H030FF52

(57)【要約】      （修正有）

【課題】故障の有無を確実に検知することが可能で低コストな電源システム及び故障検知方法を提供する。
【解決手段】電源システムは、メインライン１０、メインラインと並列のバックアップライン２０、蓄電部４、バックアップ切替器５、監視部及びプロセッサ９を具備する。メインラインは、自立電源からの直流電圧を負荷に供給する。蓄電部は、バックアップラインに接続されて充放電される複数の蓄電素子Ｃ１～ＣＮを含む。監視部は、メインラインの電圧値及びバックアップラインの電圧値を取得する。プロセッサは、メインラインの電圧値が低下するとバックアップ切替器をバックアップライン側に切り替えて蓄電部の充電電圧を負荷に供給し、バックアップラインへの通電開始から当該バックアップラインの電圧値が既定の閾値電圧に達するまでの時間が既定の閾値時間よりも短い場合に、少なくともいずれか１つの蓄電素子の故障を検知する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

自立電源からの直流電圧を負荷に供給するメインラインと、
前記メインラインと並列に設けられるバックアップラインと、
前記バックアップラインに接続されて充放電される複数の蓄電素子を含む蓄電部と、
前記バックアップラインを選択的に前記負荷に接続する切替部と、
前記メインラインの電圧値および前記バックアップラインの電圧値を取得する監視部と、
前記メインラインの電圧値が低下すると前記切替部を前記バックアップライン側に切り替えて、前記蓄電部の充電電圧を前記負荷に供給するプロセッサとを具備し、
前記プロセッサは、
前記バックアップラインへの通電開始から当該バックアップラインの電圧値が既定の閾値電圧に達するまでの時間が既定の閾値時間よりも短い場合に、少なくともいずれか１つの前記蓄電素子の故障を検知する、電源システム。

【請求項2】

前記プロセッサは、前記故障を検知するとアラート情報を出力する、請求項１に記載の電源システム。

【請求項3】

前記自立電源と前記バックアップラインとの間に設けられ、前記自立電源からの直流電圧を昇圧して前記複数の蓄電素子に印加する昇圧回路をさらに備える、請求項１に記載の電源システム。

【請求項4】

前記メインラインおよび前記バックアップラインから供給される電圧を変換して前記負荷に印加する直流／直流変換器をさらに備える、請求項１に記載の電源システム。

【請求項5】

自立電源からの直流電圧を負荷に供給するメインラインと並列に設けられるバックアップラインに接続されて充放電される複数の蓄電素子を含む蓄電部と、プロセッサとを具備する電源システムにおける故障検知方法であって、
前記プロセッサが、前記バックアップラインへの通電開始から当該バックアップラインの電圧値が既定の閾値電圧に達するまでの時間と、既定の閾値時間とを比較することと、
前記閾値電圧に達するまでの時間が前記閾値時間よりも短い場合に、前記プロセッサが、少なくともいずれか１つの前記蓄電素子の故障を検知する、故障検知方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電源システムおよび故障検知方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば航空機、車両、船舶などの、自立電源を有する移動体で用いられる電源システムの多くは、バックアップ機能を備える。自立電源から供給される電圧は比較的不安定なので、自立電源と負荷機器（計器、通信機器、ナビゲーションシステム、レーダなど）との間にバックアップ回路を設け、急激な電圧変動や瞬断（瞬停）などにも耐えられるようにしている。

【0003】

バックアップ回路の多くは、自立電源に並列接続されてバックアップ電圧を蓄えておくためのコンデンサ（キャパシタ：蓄電素子）を備える。周知のように、コンデンサの耐用年数は比較的短く、故障しやすい。このためシステム起動時に都度、故障の有無を検知して、必要であれば警報（アラート）を出せるようにしておく必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－７０９２７号公報

【特許文献2】特開平６－２６３００２号公報

【特許文献3】特開平６－２９６３３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

耐用年数に近づいたコンデンサは徐々に蓄電機能を失い、いわゆるオープン故障と称する状態に至る。オープン故障を検知するためには、コンデンサに電流計を接続して流れる電流値をモニタするのが一般的である。しかし、コンデンサの数が増えると多数の電流計が必要になるので、不経済と言わざるを得ない。また、モニタ値を取得するためのポートを増設することも必要になり、機器筐体のサイズや重量も大きくなってくる。これは、特に、航空機に搭載される用途にあっては望ましくない。
そこで、目的は、故障の有無を確実に検知することが可能な電源システムおよび故障検知方法を低コストで提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態によれば、電源システムは、メインラインと、メインラインと並列に設けられるバックアップラインと、蓄電部と、切替部と、監視部と、プロセッサとを具備する。メインラインは、自立電源からの直流電圧を負荷に供給する。蓄電部は、バックアップラインに接続されて充放電される複数の蓄電素子を含む。切替部は、バックアップラインを選択的に負荷に接続する。監視部は、メインラインの電圧値およびバックアップラインの電圧値を取得する。プロセッサは、メインラインの電圧値が低下すると切替部をバックアップライン側に切り替えて、蓄電部の充電電圧を負荷に供給する。そして、プロセッサは、バックアップラインへの通電開始から当該バックアップラインの電圧値が既定の閾値電圧に達するまでの時間が既定の閾値時間よりも短い場合に、少なくともいずれか１つの蓄電素子の故障を検知する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、実施形態に係わる電源システムの一例を示すブロック図である。

【図2】図２は、バックアップ機能が動作した際の各電圧波形の一例を示す図である。

【図3】図３は、プロセッサ９の処理手順の一例を示すフローチャートである。

【図4】図４は、バックアップ電圧Ｖ_Ｃを利用した故障判定について説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

（構成）
図１は、実施形態に係わる電源システムの一例を示すブロック図である。図１において、入力部１は、自立電源（図示せず）に接続されて、自立電源からの直流電圧をメインライン１０に印加する。この直流電圧は整流器７を介してＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力端に入力される。

【0009】

また、メインライン１０に並列にバックアップライン２０が設けられる。メインライン１０に印加された直流電圧は、入力部１の出力側とバックアップライン２０との間の昇圧回路３で昇圧されて、バックアップライン２０にも印加される。昇圧回路３に、過電流保護機能を持たせても良い。

【0010】

複数のコンデンサＣ_１～Ｃ_Ｎを含む蓄電部４が、昇圧回路３の出力側に接続される。コンデンサＣ_１～Ｃ_Ｎの正極端子はバックアップライン２０に接続されて、昇圧回路３からの昇圧された直流電圧を印加される。負極端子は接地される。

【0011】

バックアップライン２０は、バックアップ切替器５および整流器６を介してＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力端に接続される。バックアップ切替器５は、入力部１から出力される電圧の状態に応じて、バックアップライン２０を選択的に負荷（図示せず）に接続する。つまり入力部１からの主電圧Ｖ_ＭＡＩＮが安定している状態では、バックアップ切替器５は蓄電部４を充電する側に切り替えられる。一方、主電圧Ｖ_ＭＡＩＮが不安定になれば、バックアップ切替器５は蓄電部４を放電する側に切り替えられ、蓄電部４からのバックアップ電圧Ｖ_Ｃが負荷に供給される。

【0012】

主電圧Ｖ_ＭＡＩＮの電圧値は、監視回路８１により取得され、プロセッサ９でモニタされる。バックアップ電圧Ｖ_Ｃの電圧値は、監視回路８２により取得され、プロセッサ９でモニタされる。

【0013】

プロセッサ９は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等であり、電源システムを統括的に制御する。プロセッサ９は、メインライン１０に印加された主電圧Ｖ_ＭＡＩＮの電圧値が低下すると、バックアップ切替器５をバックアップライン２０側に切り替えて、蓄電部４の充電電圧を負荷に供給する。

【0014】

メインライン１０から供給される主電圧Ｖ_ＭＡＩＮと、バックアップライン２０から供給されるバックアップ電圧Ｖ_Ｃとは合成され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２への入力電圧Ｖ_ＣＯＮＶとなる。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、入力電圧Ｖ_ＣＯＮＶの電圧値を変換して負荷に印加する。

【0015】

ところで、プロセッサ９は、システムが起動されてバックアップライン２０への通電が開始されてからバックアップ電圧Ｖ_Ｃの電圧値が既定の閾値電圧Ｖ_ＴＨに達するまでの時間をカウントする。そして、この時間が既定の閾値時間Ｔ_ＴＨよりも短い場合に、コンデンサＣ_１～Ｃ_Ｎの少なくともいずれか１つの故障を検知する。故障を検知するとプロセッサ９は、アラート情報を出力する。

【0016】

（作用）
次に、上記構成における作用を説明する。
図２は、バックアップ機能が動作した際の各電圧波形の一例を示す図である。縦軸は電圧値を示し、横軸は時間を示す。時間のスケールは、おおよそミリ秒の単位である。通常動作時は、入力部1の主電圧Ｖ_ＭＡＩＮがＤＣ／ＤＣコンバータ２に入力される。この入力部１からの電力供給が一時的に瞬断した場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ２への電力供給が停止しないようにバックアップが機能する。

【0017】

図２において、主電圧Ｖ_ＭＡＩＮがバックアップ切り替え判定値よりも低下すると、プロセッサ９は、バックアップ切替器５へのＢＡＣＫＵＰ_ＯＮ信号をＯＮする。そうするとバックアップ切替器５は蓄電部４を放電する側に切り替わり、バックアップ電圧Ｖ_Ｃが放電される。時間の経過とともにバックアップ電圧Ｖ_Ｃは減少するが、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力電圧Ｖ_ＣＯＮＶへの電力供給は継続される。これにより、主電圧Ｖ_ＭＡＩＮの供給が途絶えた場合でも時間を稼ぐことができ、少なくとも仕様に定められた期間においては外部への電力供給を継続することができる。

【0018】

図３は、プロセッサ９の処理手順の一例を示すフローチャートである。
図４は、バックアップ電圧Ｖ_Ｃを利用した故障判定について説明するための図である。図３において、入力部１が起動して電力供給が開始されると、プロセッサ９は、昇圧回路３（図１）を動作開始させるためのＣＨＧ＿ＯＮ信号をＯＮする（ステップＳ１）。図４においてはＶＭＡＩＮが安定し、ＣＨＧ＿ＯＮ信号がＯＮされた状態になる。すると、昇圧回路３が起動し、バックアップライン２０への通電が開始されて、コンデンサＣ_１～Ｃ_Ｎがバックアップ電圧Ｖ_Ｃまでチャージされる。図４においては、Ｖ_Ｃは０から或る傾きで既定値へと増加してゆく。

【0019】

さて、全てのコンデンサＣ_１～Ｃ_Ｎが健全である状態（ケース１）で、バックアップライン２０への通電開始（充電開始）からのＶｃに到達するまでの時間をＴ１とする。また、コンデンサＣ_１～Ｃ_Ｎのいずれか１つがオープン故障している状態（ケース２）での、バックアップライン２０への通電開始（充電開始）からのＶｃに到達するまでの時間をＴ２とする。そうすると当然、ケース２の充電容量はケース１よりも少ないので、Ｔ２＜Ｔ１にになる。つまり少なくとも１つのコンデンサがオープン故障していると、その分、充電にかかる時間が短くなる。

【0020】

図４の実線と点線との比較から分かるように、コンデンサが１個故障した場合（ケース２）でのＶ_Ｃの傾きは、コンデンサの故障無しの場合（ケース１）でのＶ_Ｃの傾きよりも急になる。

【0021】

そこで、プロセッサ９は、ＣＨＧ＿ＯＮ信号をＯＮしてからＴ１とＴ２の中間のタイミングであるＴ_ＴＨでの電圧Ｖｃを監視し（ステップＳ２）、その時点におけるバックアップ電圧Ｖ_Ｃの値と既定の閾値電圧Ｖ_ＴＨとを比較する（ステップＳ３）Ｖｃが既にＶ_ＴＨにまで達してしまっているならば（ステップＳ３でＹｅｓ）、プロセッサ９は、いずれかのコンデンサがオープン故障していると判定し、システムの運用を停止する（ステップＳ４）。またこのとき、プロセッサ９はアラート情報を出力する。

【0022】

一方、Ｖｃ≦Ｖ_ＴＨであれば（ステップＳ３でＮｏ）、プロセッサ９はコンデンサの故障が無いことを判定してシステムの運用を継続する（ステップＳ４）。図４においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ２への入力電圧Ｖ_ＣＯＮＶが既定レベルで安定した状態となる。

【0023】

（効果）
以上述べたように実施形態では、コンデンサを用いたバックアップ機能をもつ電源システムにおいて、コンデンサの充電にかかる時間を計測することにより、運用開始前にコンデンサのオープン故障を検出できるようにした。すなわち、蓄電部４におけるコンデンサＣ_１～Ｃ_Ｎのいずれか１つでもオープン故障すると、全てのコンデンサＣ_１～Ｃ_Ｎが健全である場合に比べて蓄電容量が低下するので、充電にかかる時間は短くなる。そこで実施形態では、充電時間に対する蓄電部４の充電レベルを示す直線の傾きをモニタし、コンデンサの故障を検出するようにした。このようにしたので、コンデンサのオープン故障の有無を確実に検知することが可能になる。しかも、電流計などを追加的に設ける必要もないので、コストが増加することも避けられる。
従って実施形態によれば、故障の有無を確実に検知することが可能な電源システムおよび故障検知方法を低コストで提供することができる。

【0024】

実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0025】

１…入力部、２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３…昇圧回路、４…蓄電部、５…バックアップ切替器、６…整流器、７…整流器、９…プロセッサ、１０…メインライン、２０…バックアップライン、８１…監視回路、８２…監視回路、Ｃ１～ＣＮ…コンデンサ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】