JP2004147409A

JP2004147409A - 電源装置

Info

Publication number: JP2004147409A
Application number: JP2002308419A
Authority: JP
Inventors: Nobuyoshi Takehara; 竹原　信善
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2004-05-20
Also published as: US20040080304A1; US6967415B2

Abstract

【課題】電圧の低い直流電源を負荷の主電源として用いる電源装置において、昇圧コンバータを安定して起動し、かつ蓄電手段の容量を小さくする。
【解決手段】第１の電圧を出力する直流電源１と、第１の電圧よりも高い第２の電圧で駆動される負荷４と、直流電源からの出力を第２の電圧に昇圧する昇圧コンバータ２と、第１の電圧よりも高い電圧で動作するように構成され、昇圧コンバータを制御する制御回路３と、を有する電源装置において、昇圧コンバータからの出力を蓄積する蓄電手段５と、蓄電手段に蓄積された電力が負荷に供給されるのを防止する逆流防止手段６とを設け、スイッチ７によって、昇圧コンバータ２を起動するときには蓄電手段５から制御回路３へ電力を供給し、昇圧コンバータ２が起動した後には昇圧コンバータ２から制御回路３へ電力を供給する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源装置に関し、特に、電圧の低い直流電源を負荷の主電源として用い、直流電源から出力される電圧を昇圧して負荷に供給する電源の制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境とエネルギに対する関心が高まっている。このような状況の下、ポータブル機器の電源としてエネルギー密度の高い燃料電池を採用しようという機運が高まっている。
【０００３】
一般的によく用いられる使用形態は、公知公用の乾電池と同じような使われ方であって、燃料電池をいくつか直列接続して機器に必要な電圧を得、これを電源として使用する形態である。燃料が無くなった場合には、燃料カートリッジタンクを交換することで再び発電が始まる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように直列接続して使用する形態は、大変簡便な方法ではあるが、電池セルの性能ばらつきによる個々のセルに対する過電圧発生の問題や、１個でもセル不良があると電池のスタック（直列体）そのものが機能しなくなるという問題を抱えている。
【０００５】
図７は、このような問題を解決する構成を示すブロック図である。図中１は主電源（電池セル）、２は昇圧コンバータ、３は制御回路、４は負荷である。この構成では、電池セル１個に対して昇圧コンバータ１個を設け、制御回路３の電源を主電源１から得るようにしているため、電池を直列接続せずに負荷４に必要な電圧が得られる。
【０００６】
しかしながら、燃料電池の１セルあたりの発電電圧は、一般に０．７Ｖ程度と低く、このような電圧で動作する制御回路を作ることは簡単ではない。
【０００７】
また、他の方法として、図８に示したように、昇圧コンバータの２次側に蓄電手段５を持たせ、昇圧コンバータ２の制御回路３の電源を該蓄電手段５から得る方法も提案されている。
【０００８】
しかしながら、この方法では負荷４も、同じ蓄電手段５で駆動されるため、蓄電手段５として大容量の電池などが必要となってしまう。
【０００９】
本発明は以上のような状況に鑑みてなされたものであり、電圧の低い直流電源を負荷の主電源として用いる電源装置において、昇圧コンバータを安定して起動でき、かつ蓄電手段の容量を小さくすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の一態様としての電源装置は、第１の電圧を出力する直流電源と、
前記第１の電圧よりも高い第２の電圧で駆動される負荷と、
前記直流電源からの出力を前記第２の電圧に昇圧する昇圧コンバータと、
前記第１の電圧よりも高い電圧で動作するように構成され、前記昇圧コンバータを制御する制御回路と、
前記昇圧コンバータからの出力を蓄積する蓄電手段と、
前記蓄電手段と前記負荷との間に設けられ、蓄電手段に蓄積された電力が前記負荷に供給されるのを防止する逆流防止手段と、
前記昇圧コンバータを起動するときには前記蓄電手段から前記制御回路へ電力を供給し、前記昇圧コンバータが起動した後には前記昇圧コンバータから前記制御回路へ電力を供給するスイッチ手段と、を備えている。
【００１１】
すなわち、本発明では、第１の電圧を出力する直流電源と、第１の電圧よりも高い第２の電圧で駆動される負荷と、直流電源からの出力を第２の電圧に昇圧する昇圧コンバータと、第１の電圧よりも高い電圧で動作するように構成され、昇圧コンバータを制御する制御回路と、を有する電源装置において、昇圧コンバータからの出力を蓄積する蓄電手段を設け、蓄電手段と負荷との間に、蓄電手段に蓄積された電力が負荷に供給されるのを防止する逆流防止手段を設け、昇圧コンバータを起動するときには蓄電手段から制御回路へ電力を供給し、昇圧コンバータが起動した後には昇圧コンバータから制御回路へ電力を供給する。
【００１２】
このようにすると、蓄電手段に蓄積された電力によって制御回路が動作を開始して昇圧コンバータが起動し、昇圧コンバータが起動した後には、昇圧コンバータからの出力で制御回路が動作するので、制御回路の動作開始のときだけ蓄電手段に蓄積された電力が使用される。
【００１３】
従って、電圧の低い直流電源を負荷の主電源として用いる電源装置において、昇圧コンバータを安定して起動でき、かつ蓄電手段の容量を小さくすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明に係る電源装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。図示されたように、本実施形態の電源装置は、主電源１、昇圧コンバータ２、制御回路３、負荷４、蓄電手段５、逆流防止手段６、及び起動スイッチ７を含んでいる。始めに、各構成要素について説明する。
【００１６】
［主電源］
主電源１としては、公知公用の燃料電池、太陽電池あるいはマンガン乾電池等の化学電池が使用でき、電池の種別に関しては特に制限は無い。本発明を実施するのに好適なのは、燃料カートリッジあるいは電池自体が交換可能に構成されているものであり、この観点からは燃料電池や乾電池等が適している。また、主電源の出力電圧は、後述する制御回路を駆動する電圧（多くは５Ｖ程度）よりも低いことが、必須の要件である。上記のような電池の出力電圧は、外部で直列接続されていない単セルの場合、通常０．５〜１．５Ｖであるから、そのような単セルの電池は本発明に適している。
【００１７】
［昇圧コンバータ］
昇圧コンバータ２としては、スイッチング素子を用いたフォーワード方式コンバータ、プッシュプル方式コンバータ、チョッパ方式コンバータなど種々の公知公用の回路が使用できる。コンバータの駆動信号が制御回路によって与えられるという条件以外は、回路方式に対して特別な制限は無い。
【００１８】
［制御回路］
制御回路３も昇圧コンバータ２と同様に、適宜必要なものを用意すればよい。重要なのは、その動作電圧であり、主電源の出力電圧よりも高いものを使用する。多くの制御回路では、３〜１５Ｖ程度の電源電圧を必要としており、前述のように主電源の出力電圧が低電圧であれば、本発明の実施にあたって支障は無い。
【００１９】
［負荷］
負荷４に関しては何ら制限事項は無いが、消費する電力が単一の電池から供給可能である必要がある。
【００２０】
［蓄電手段］
蓄電手段５としては小容量かつ長（サイクル）寿命のものがのぞましく、大容量アルミ電解コンデンサや電気二重層コンデンサなどの大容量キャパシタや、ボタン型ニッカド電池等が使用可能である。この電池は昇圧コンバータの２次側出力で充電されるので、当然ながら、使用可能な電圧範囲内にコンバータの出力電圧が含まれるように選定しなければならない。また、酸化銀電池など一部の一次電池は微弱電流ならば充電にも耐えることが知られており、注意して使えばそういうものも使用可能である。
【００２１】
［逆流防止手段］
逆流防止手段６は、蓄電手段５に蓄積された電力が負荷４で消費されないようにするためのものであって、ダイオード素子を使うのが簡便である。特に順方向電圧降下の少ないショットキバリアダイオードが低損失であるので有利である。
【００２２】
［起動スイッチ］
起動スイッチ７は、蓄電手段５から制御回路３への電源供給路を構成する。このようなスイッチ類としては、半導体素子を用いた電子的スイッチや押しボタンスイッチなど公知公用の手段がきわめて多数あり、様々なものが使用できる。
【００２３】
（具体的構成）
本実施形態の具体的構成について説明する。
【００２４】
主電源１としては、水素カートリッジ燃料を用いた出力電圧０．７〜０．８Ｖの燃料電池セルを用いた。このような燃料電池は、例えば、特開２００２−１５８０２１号公報等に開示されており、公知公用物であるが、本発明の本質的特徴ではないのでここでは詳述しない。
【００２５】
昇圧手段２としては、スイッチング手段としてＭＯＳＦＥＴを用いた出力電圧５Ｖの公知公用の昇圧チョッパ回路を使用し、そのための制御回路３としては、電源電圧５Ｖの市販のスイッチング電源コントローラＩＣを使用した。
【００２６】
蓄電手段５としては、使用電圧５Ｖで容量が０．１Ｆの電気二重層キャパシタを使用した。また逆流防止手段６としては、ショットキバリアダイオードを使用した。これらはいずれも市販品である。
【００２７】
なお、蓄電手段５には何らかの方法で初期充電を行っておく必要がある。蓄電手段５が充電されていないと起動スイッチ７の操作いかんに関わらず、制御回路３に電源が供給できず起動ができなくなってしまう。この観点からは、放電電圧が平坦な２次電池は、多少でも充電されていれば電圧が維持できるので、キヤパシタよりも遥かに有利である。
【００２８】
起動スイッチ７は、主電源１の水素カートリッジの交換に伴い、自動的にＯＮとなるように構成した。図５は、本実施形態の起動スイッチ７の具体的な構成を示す図である。ポータブル電気機器１００の本体に設けられた燃料カートリッジ収納部２０の内面に押しボタン型の起動スイッチ７が設置してある。燃料カートリッジ１０をセットすることで、自動的に押しボタン７１が押され、電気接点７２が閉じられ、これにより蓄電手段５から制御回路３への電源供給が行われる仕組みである。カートリッジ１０を外すことで起動スイッチ７はオープンとなる。このような構成であれば、ユーザの手動操作が不要となるので利便性が向上する。
【００２９】
［動作］
第１の実施形態の動作について説明する。図３は、第１の実施形態の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【００３０】
図３の時刻ｔ１以前の初期状態においては、主電源１（のカートリッジ）が装着されておらず、起動スイッチ７の状態はＯＦＦであり、昇圧コンバータ２も動作しておらず２次側電圧も出力されていない。このときには、蓄電手段５は、逆流防止手段６の作用で負荷に接続されておらず、また起動スイッチ７がＯＦＦなので、制御回路３にも接続されていない「非接続状態」である。
【００３１】
次に、時刻ｔ１で、例えば、電池交換等により主電源１が装着されると電圧が供給され、それとほぼ同時に起動スイッチ７がＯＮになる。起動スイッチ７のＯＮ操作は、主電源からの電力供給と厳密に同期させる必要はないが、主電源が確立された直後のほうが蓄電手段５の容量削減の観点からは好ましい。また、本実施態様では、起動スイッチがＯＮすると蓄電手段５からの放電が主電源１の状態（電圧の有無）とは無関係に始まるので、主電源が確立していないときに起動スイッチ７がＯＮしているようなシステムでは、制御回路３に蓄電手段５から電流が流れ続け、場合によっては蓄電手段５が過放電状態に陥ることも考えられる。
【００３２】
このため、本実施態様では、そういうことにならないような運用形態、例えば、主電源から出力される電圧が低下したとき、または負荷が接続されていないときには、制御回路への電力供給を停止するように構成するのが好ましい。
【００３３】
時刻ｔ１から後は、昇圧コンバータの出力電圧が徐々に上昇していき（この速度は回路方式や主電源の能力に依存する）、それが蓄電手段の充電に必要な電圧を超える（時刻ｔ２）と、蓄電手段は充電状態を維持される。このように、本実施形態では、蓄電手段５の放電時間がｔ１からｔ２までの短時間であり、かつ、蓄電手段で駆動される負荷が制御回路３のみという小さな電力容量に限られるため、蓄電手段が極めて小容量ですむという特徴がある。また、蓄電手段５を起動専用として用いるため、負荷や主電源の動作状態の影響を受けずに起動ができるので、従来の方法よりも起動動作を安定して行うことが可能となる。
【００３４】
本実施形態は、主電源が発生する電圧が低下したときに、燃料カートリッジの交換を行うことでスムーズかつ安定な起動動作が期待できる。負荷に関しては、本例では詳述しないが、携帯電話やパソコンなどのようにカートリッジ交換を比較的頻繁に行う必要のある器具が本発明の対象として考えられる。
【００３５】
また、本実施形態では、交換物を「燃料カートリッジ」としたが、主電源がアルカリ乾電池等の１次電池であっても、その１次電池自体を「交換物」とすることで、本発明の意図する動作が実施可能であることは明らかであろう。
【００３６】
なお、本実施形態にあっては、カートリッジ１０を外すまでは制御回路に蓄電手段から電源が供給されるので、蓄電手段の過放電には注意しなければならない。これを防ぐには、未使用時には燃料カートリッジを抜いておくといった運用上の対応、あるいは、負荷状態と制御回路への電源供給をリンクさせる回路手段を設ける等の方法が考えられる。
【００３７】
＜第２の実施形態＞
以下、本発明に係る電源装置の第２の実施形態について説明する。なお、以下の説明では上記第１の実施形態と同様な部分は同じ符号で示して説明を省略し、本実施形態の特徴的な部分を中心に説明する。
【００３８】
図２は、本実施形態の電源装置の構成を示すブロック図である。図１に示した第１の実施形態と比べると、起動スイッチ７の代わりに起動スイッチ８が設けられている。この起動スイッチ８は「押している間だけＡ側に接続され、常時はＢ側に接続される」、いわゆる「モーメンタリ動作」を行う市販品を使用した。
【００３９】
具体的には、起動スイッチ８は制御回路３への供給する電源を蓄電手段５（Ａ側）と昇圧コンバータ２の出力（Ｂ側）とのいずれかに切り替えるものである。すなわち、起動スイッチ８は、第１の実施形態のような単純なＯＮ／ＯＦＦスイッチではなく、接続切り替え型である。
【００４０】
このため本実施形態では、主電源１から出力される電圧の状態が、制御回路３への電源供給に反映されるという特徴がある。なお、起動スイッチ８を設ける場所は、本実施形態の電源装置を使用する機器の表面上とし、手動で操作できるようにした。
【００４１】
この起動スイッチ８の具体的な操作は以下のようになる。
【００４２】
燃料カートリッジを交換した後、燃料電池から所定の電圧が発生されるまで、少々待つ。
【００４３】
その後、起動スイッチ８のボタンを所定期間押し続ける。なお、このとき蓄電手段は、交換以前の機器の動作により、充電されている。
【００４４】
昇圧コンバータの起動確認後、起動スイッチ８から手を離す。
【００４５】
なお、確実を期すために、必須ではないが、昇圧コンバータ起動確認用の表示手段を装備していることが、より望ましい。また、主電源は燃料電池でなく、アルカリマンガン電池のような化学電池であっても同様の操作でよい。
【００４６】
次に本実施形態の動作について、起動時の状態を示す図４のタイムチャートを参照して説明する。
【００４７】
図４の時刻ｔ０以前の初期状態においては、主電源１（のカートリッジ）が装着されておらず、起動スイッチ８の状態はＢ側に接続されており、昇圧コンバータ２も動作しておらず２次側電圧も出力されていない。このときには、蓄電手段５は、逆流防止手段６の作用で負荷に接続されておらず、また起動スイッチ８がＢ側に接続されているので、制御回路３にも接続されていない「非接続状態」である。
【００４８】
時刻ｔ０で主電源１にカートリッジが装着された後、時刻ｔ１で起動スイッチ８がＡ側に接続され、蓄電手段５から供給される電力により制御回路３が駆動される。
【００４９】
その後、昇圧コンバータ２の出力電圧が所定値を超えた時刻ｔ２で、スイッチ８がＢ側に接続され、制御回路３は昇圧コンバータ２の出力で直接駆動されるようになる。蓄電手段５は、逆流防止手段６を通じて充電状態となる。
【００５０】
時刻ｔ３で主電源１の出力電圧が下がると、昇圧コンバータ２の出力電圧が低下し、蓄電手段５の出力電圧がコンバータの出力電圧を上回る。このとき逆流防止手段６に電流が流れなくなるので、時刻ｔ４で蓄電手段５が非接続状態になり、最終的には制御回路３の動作も停止し、電源装置全体が停止する。
【００５１】
本実施態様では、上記に述べたように、切り替え型起動スイッチ８の作用により、主電源から出力される電力が低下したときには、蓄電手段５は制御回路３から確実に切り離される。その結果、蓄電手段５の過放電が確実に防がれるという効果が期待できる。
【００５２】
＜第３の実施形態＞
以下、本発明に係る電源装置の第３の実施形態について説明する。なお、以下の説明では上記第１及び第２の実施形態と同様な部分は同じ符号で示して説明を省略し、本実施形態の特徴的な部分を中心に説明する。
【００５３】
本実施形態は、主電源として太陽電池を用いるものである。図６は、本実施形態の構成を示すブロック図である。基本的な回路構成は、第２の実施形態に関して示した図２と同様である。
【００５４】
本実施形態では主電源として、単結晶太陽電池セル１１（出力０．５Ｖ，４Ａ）を使用し、昇圧コンバータ２および制御回路３は第２の実施形態と同様の構成とした。負荷４としてはラジオ受信機を用いた。
【００５５】
本実施形態では起動スイッチ８を、いわゆる「キープリレー」を用いて構成した。これは、セットコイルおよびリセットコイルを独立して持っており、パルス電圧を加えることで接続状態を変更できるリレーであり、操作時以外は電力消費が無いという特徴を有している。この他にも、ＭＯＳＦＥＴ素子を用いた同様の機能を持った半導体リレーなどが市販されており、そういう類のものも起動スイッチ８として使用できる。
【００５６】
このスイッチを操作する操作手段２００として、本実施形態では蓄電手段５で駆動される超低消費電力型のＣＭＯＳ−ＩＣで構成されるタイマー装置を用いた。このように走査手段２００として、制御回路３に比べて著しく消費電力の低い超低消費電力のタイマー装置を用いることで、蓄電手段５の必要容量にはほとんど影響を与えずに済む。
【００５７】
太陽電池を主電源として用いると、所定以上の電力が発生される時刻は季節と共に変わる。このため、本実施形態ではタイマー装置の設定時刻を変えることで、電源装置の起動時刻を変更する。タイマー設定の例としては、例えば、晴れていれば、ほとんどの場合、太陽電池から所定以上の電圧が発生されていると考えられる午前９時から５秒だけ接点がＡ側に接続されるようにする。
【００５８】
なお、本実施形態の動作のタイムチャートは、第２の実施形態に関して示した図４のタイムチャートと同様であり、上記の例では、ｔ１〜ｔ２の時間が５秒ということになる。また、スイッチ８の操作手段としては、この他に無線信号を用いるものなど種々雑多な変更が可能である。
【００５９】
以上説明したように、本発明の電源装置は、主電源として太陽電池を使用する場合にも適用可能である。
【００６０】
更に、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用しても良いし、また、一つの機器からなる装置に適用しても良い。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、蓄電手段は専ら制御回路へ電力を供給する。
【００６２】
このようにすると、蓄電手段に蓄積された電力によって制御回路が動作を開始して昇圧コンバータが起動し、昇圧コンバータが起動した後には、昇圧コンバータからの出力で制御回路が動作するので、制御回路の動作開始のときだけ蓄電手段に蓄積された電力が使用される。
【００６３】
従って、電圧の低い直流電源を負荷の主電源として用いる電源装置において、昇圧コンバータを安定して起動でき、かつ蓄電手段の容量を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電源装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る電源装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図３】図１の電源装置の動作のタイムチャートを示す図である。
【図４】図２の電源装置の動作のタイムチャートを示す図である。
【図５】第１の実施形態の起動スイッチの具体的な構成を示す図である。
【図６】本発明に係る電源装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図７】従来の電源装置の構成を示すブロック図である。
【図８】従来の電源装置の他の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１　主電源
２　昇圧コンバータ
３　制御回路
４　負荷
５　蓄電手段
６　逆流防止手段
７、８　スイッチ
１０　燃料カートリッジ
１１　太陽電池
２０　カートリッジ収納部
７１　押しボタン
７２　電気接点
１００　ポータブル電気機器
２００　起動操作手段

Claims

第１の電圧を出力する直流電源と、
前記第１の電圧よりも高い第２の電圧で駆動される負荷と、
前記直流電源からの出力を前記第２の電圧に昇圧する昇圧コンバータと、
前記第１の電圧よりも高い電圧で動作するように構成され、前記昇圧コンバータを制御する制御回路と、
前記昇圧コンバータからの出力を蓄積する蓄電手段と、
前記蓄電手段と前記負荷との間に設けられ、前記蓄電手段に蓄積された電力が前記負荷に供給されるのを防止する逆流防止手段と、
前記昇圧コンバータを起動するときには前記蓄電手段から前記制御回路へ電力を供給し、前記昇圧コンバータが起動した後には前記昇圧コンバータから前記制御回路へ電力を供給するスイッチ手段と、を備えることを特徴とする電源装置。