JP2004526399A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

再充電可能な電源装置（１０）は、電源（１４）に接続可能な少なくとも１個の再充電可能な単電池（１２）と、前記少なくとも１個の単電池（１２）に接続されるツェナーダイオード（２０）と、前記ツェナーダイオード（２０）を前記単電池（１２）から選択的に接続解除して、以って前記電圧保護手段（２０）を介した前記単電池（１２）のあらゆる放電を減少させるバイポーラトランジスタまたはＦＥＴ（２２）とからなる。前記ツェナーダイオード（２０）と前記トランジスタ（２２）とは、互いに直列に接続されるとともに、一括的に前記単電池を横切って並列に接続される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置に関し、特に電子機器に電力を供給する再充電可能な電源装置に関するが、これに限られるわけではない。
【背景技術】
【０００２】
再充電可能な電源装置は、一般に、直列、並列または直列／並列を組み合わせた状態に配置される多数の再充電可能な電池または単電池によって構成される。各単電池を横切って並列に接続されて、単電池に供給される再充電電圧が所定のレベルを超え、その結果として単電池が損傷することを防ぐとともに、１個以上の単電池が開回路状態において故障した場合でも電源装置があらゆる接続機器に電力を供給し続けることを可能にするツェナーダイオードを配設することが一般的である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような構成において、前記ツェナーダイオードは、電圧調整装置としての役割を果たし、以って、単電池に印加される電圧がある一定のレベルを超えた場合に、ツェナーダイオードの降伏が起こって、電流はツェナーダイオードを介して逆方向に漏れることになる。印加電圧が増加すると、ツェナーダイオードを介して漏れる電流もまた増加する。このことは、単電池全体にわたる電圧を所定のレベルにクランプする効果を有する。
【０００４】
単電池が自身の最大定格より高い電圧にさらされないことを確実にするために、使用されるツェナーダイオードは、単電池の最大電圧定格以下の電圧において少なくとも電源装置の充電電流に等しい逆電流を漏れさせることができなければならない。しかし、ツェナーダイオードは、一般に、段階的オンオフ降伏特性を有さず、このため、ある電圧範囲全体にわたって該ダイオードを介して多かれ少なかれ電流が漏れてしまう。
【０００５】
したがって、３．３Ｖのブレークオーバ電圧において２．５ｍＡの漏れ電流を有するツェナーダイオードは、３．２ボルトの逆バイアス電圧の印加時に、依然として前記電流の５０％を通過させうる。その結果として、一旦、電源装置が完全に充電され、充電電流が取り除かれると、ツェナーダイオードを介した漏れ電流は、単電池全体にわたる電圧が低下してツェナーダイオードの漏れ電流がゼロになる点まで継続する。この期間中に、ツェナーダイオードを介した漏れ電流が、単電池の放電を引き起こすことになる。
【０００６】
再充電可能な単電池は、一般に各サイクルの百分率深さの関数である限定数の充電／放電サイクルにわたってのみ有効であるため、単電池に対するツェナーダイオードの放電効果は、単電池の潜在寿命、したがって全体としての電源装置の潜在寿命が、各充電／放電サイクルと電源装置の全体寿命とのいずれの点においても有意に短縮されることを意味する。このことは、ツェナーダイオードを介した漏れ電流が機器への電力供給に必要とされる供給電流の高倍数になることがよくある低電力用途（たとえば煙探知機／警報機）において顕著な問題となる。
【０００７】
本発明の目的は、電源装置の改良を達成することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、本発明は、再充電可能な電源装置において、
電源に接続されうる再充電可能な単電池と、
前記単電池に接続される電圧保護手段と、
前記電圧保護手段を前記単電池から選択的に接続解除して、以って前記電圧保護手段を介した前記単電池のあらゆる放電を減少させる接続解除手段とからなる電源装置を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、添付図面を参照して、本発明を単なる例として説明する。
図１は、本発明にしたがった第１の態様の電源装置の電気回路図である。
図２は、本発明にしたがった第２の態様の電源装置の電気回路図である。
図３は、本発明にしたがった第３の態様の電源装置の電気回路図である。
図４は、本発明にしたがった第４の態様の電源装置の電気回路図である。
【実施例１】
【００１０】
図１を参照すると、本発明にしたがった好適な態様の電源装置が一般に参照符号１０として示されている。この電源装置１０は、単一の電池または単電池１２からなり、前記単電池１２の陽端子は、給電レール（rail）１４の形態をとる電源または充電電流源に、ダイオード１５と、抵抗器１６とショットキーダイオード１８とを並列に組み合わせたものとを介して接続される。前記単電池１２の陰端子は、充電電流源の接地または零ボルトレール(rail)１７に接続される。
【００１１】
前記単電池１２は、ツェナーダイオード２０の形態をとる電圧保護手段と電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）２２の形態をとる接続解除手段とを直列に組み合わせたものとを前記単電池１２を横切って並列に接続されて有する。ツェナーダイオード２０は、前記単電池１２を横切って逆バイアス方向に接続され、すなわち自身の陰極が前記単電池１２の陽端子に接続された状態になる。ツェナーダイオード２０の陽極は、ＦＥＴ２２のドレーン電極に接続される一方で、ＦＥＴ２２のソース電極は、前記単電池１２の陰端子に接続される。
【００１２】
ツェナーダイオードとＦＥＴとのいかなる電気的に同等の接続も、たとえばツェナーダイオードの陽極が前記単電池１２の陰端子に接続され、ツェナーダイオードの陰極がＦＥＴのソースに接続され、ＦＥＴのドレーンが前記単電池の陽端子に接続されても、等しく良好に機能することが理解されよう。
【００１３】
ＦＥＴ２２のゲート電極は、充電電流源の給電レール１４に直接接続される。
【００１４】
動作時において、電圧が充電電流源の給電レール１４に印加されて、以って単電池が充電されると、電流は、ダイオード１５と抵抗器１６とを介するとともに単電池１２を介して大地へと流れる。抵抗器１６の目的は、単電池を介する電流を単電池を充電するのに適切な値に制限することにある。同時に、給電レール１４に加えられる電圧は、ＦＥＴ２２のゲート電極に印加されて、以って前記ＦＥＴがオン切換えされる。これにより、ツェナーダイオード２０は、単電池１２を横切って接続される。
【００１５】
単電池１２が充電されると、電圧は、単電池を横切って増大する。単電池１２を横切る電圧、したがってツェナーダイオード２０を横切る電圧が、ツェナーダイオード２０のブレークオーバ電圧を上回って増大すると、ツェナーダイオード２０は降伏して、自身を介して漏れ電流を伝導し始める。ツェナーダイオード２０を介した漏れ電流の流れは、単電池１２を横切る電圧がさらに増大することを防ぎ、以って電圧はツェナーダイオードのブレークオーバ電圧または該電圧付近において効果的にクランプされる。このため、ツェナーダイオードのブレークオーバ電圧は、実質的に単電池の最大電圧定格に対応して選択されることが一般的である。したがって、ツェナーダイオードの存在は、単電池１２の過充電を防ぐことが理解されよう。
【００１６】
単電池が十分に充電され、充電電流源から給電レール１４に加えられる電圧がオフ切換えされると、電流は、充電された単電池１２からショットキーダイオード１８を介して給電レール１４に流れるとともに、何らかの接続電子機器または回路へと流れ出る。ショットキーダイオード１８は、単電池１２と接続機器または回路との間において低インピーダンス経路となるために含まれる。しかし、前記ダイオードは本発明に必須のものではなく、これを含めることは完全に任意である。
【００１７】
しかしながら、前記のように、単電池１２を横切って接続されるツェナーダイオード２０により、漏れ電流は、ツェナーダイオード２０を介して流れ続けて、以って単電池１２を、可能性として電子機器そのものによって引き起こされる放電速度より高い速度で徐々に放電させる。したがって、これを防ぐために、充電電流源から給電レール１４に加えられる電圧がオフ切換えされると、ＦＥＴ２２のゲート電極に印加される電圧を零に低下させて、ＦＥＴ２２がオフ切換えされるとともに開回路を呈するようにする。これにより、ツェナーダイオード２０は、単電池１２から効果的に接続解除され、以っていかなる漏れ電流も該ダイオードを介して流れ得ない。単電池１２からの全電流は、以って電子機器または回路に印加され、ツェナーダイオード２０へのあらゆる望ましくない放電が効果的に解消される。
【実施例２】
【００１８】
図２に、図１と同様の構成ではあるが、電源装置が以下で「電池」として集合的に呼ばれる３個の直列接続された単電池１２からなる構成が示されている。この実施例において、前記電池の各々の単電池１２は、自身と並列に接続されるツェナーダイオード２０と、前記ツェナーダイオードと直列に接続されるＦＥＴ２２とを有する。図面から、図１において破線で囲まれた部分１０内の構成が図２の電池の各単電池に関して繰り返されていることは明らかである。
【００１９】
この実施例において、前記電池のいずれか１個の単電池１２を横切る電圧が単電池のそれぞれのツェナーダイオード２０のブレークオーバ電圧を上回ると、漏れ電流は、ツェナーダイオード２０を通過して、単電池に加えられる電圧がさらに増大することを防ぐ。
【実施例３】
【００２０】
図３に、異なる構成の単電池１２を有する電源装置が示されている。この場合は、電池は、２×２の直並列構成の４個の単電池１２からなる。並列接続される各対の単電池１２は、単電池対全体にわたって並列に接続されるそれぞれのツェナーダイオード２０とＦＥＴ２２とを備える。
【００２１】
図３の実施例の動作モードは、単電池１２のいずれか１個を通る電圧がそれぞれのツェナーダイオード２０のブレークオーバ電圧を上回って増大すると、前記ツェナーダイオードを介した漏れ電流が前記電圧がさらに少しでも増大することを防ぐという点において、図１および２の動作モードと同様である。
【実施例４】
【００２２】
図４に、段階的電圧保護構成が提供されている。この実施例において、電源装置の電池は、直列に接続される３個の単電池１２ａ、１２ｂ、１２ｃからなる。単電池１２ａおよび１２ｂを直列に組み合わせたものは、これらの単電池全体にわたって並列に接続される第１のツェナーダイオード２０（ｉ）とＦＥＴ２２（ｉ）とを有する。単電池１２ｂおよび１２ｃを直列に組み合わせたものは、これらの単電池全体にわたって並列に接続される第２のツェナーダイオード２０（ｉｉ）とＦＥＴ２２（ｉｉ）とを有する一方で、全ての３個の単電池１２ａ、１２ｂ、１２ｃを直列に組み合わせたものは、これらの単電池全体にわたって並列に接続される第３のツェナーダイオード２０（ｉｉｉ）とＦＥＴ２２（ｉｉｉ）とを有する。
【００２３】
当業者には明確に理解されるように、単電池１２ａおよび１２ｂを直列に組み合わせたものを通る電圧がツェナーダイオード２０（ｉ）のブレークオーバ電圧を上回ると、ツェナーダイオード２０（ｉ）を通る漏れ電流は、前記単電池を通る電圧がさらに少しでも増大することを防ぐ。同様に、単電池１２ｂおよび１２ｃを通る電圧がツェナーダイオード２０（ｉｉ）のブレークオーバ電圧を上回ると、ツェナーダイオード２０（ｉｉ）を通る漏れ電流は、単電池１２ｂおよび１２ｃを通る電圧がさらに少しでも増大することを防ぐ。最後に、全ての３個の単電池を通る組合せ電圧がツェナーダイオード２０（ｉｉｉ）のブレークオーバ電圧を上回ると、前記ダイオードは降伏し、ツェナーダイオード２０（ｉｉｉ）を通る漏れ電流は、単電池１２ａ、１２ｂおよび１２ｃを通る電圧がさらに少しでも増大することを防ぐ。
【００２４】
全ての図示された実施例において、ツェナーダイオード２０により得られる電圧保護は、前記ツェナーダイオードに接続されるそれぞれのＦＥＴ２２がオン切換えされて、以って前記ツェナーダイオードがそれぞれの１個以上の単電池を横切って接続される場合にのみ有効である。各ＦＥＴは、充電用電流源の給電レール１４が付勢される場合、たとえば単電池１２が充電される場合にのみオン切換えされる。前記給電レール１４が付勢解除されると、各ＦＥＴ２２はオフ切換えされて、以ってそれぞれのツェナーダイオードはそれぞれの１個以上の単電池１２から接続解除され、これによっていかなる漏れ電流もツェナーダイオードを通ることが防がれるとともに、これによって１個以上の前記単電池のあらゆる望ましくない放電が回避される。
【００２５】
本発明は、１個以上の再充電可能な単電池の安全な充電を可能にするとともに、通常動作時における１個以上の前記単電池の過充電と前記単電池の過剰な放電とのいずれもを防ぐことが理解されよう。
【００２６】
しかしながら、希望に応じて本発明に数多くの改変を加えうることも理解されよう。たとえば、ツェナーダイオード２０は、自身を介して所定のレベルの漏れ電流を通過させる抵抗装置または何らかのその他の装置により置き換えられうる。加えて、ＦＥＴ２２は、給電レール１４が付勢されると、電圧保護手段を１個以上の前記単電池を横切って接続する何らかのまた他の形態の電子スイッチまたは何らかのその他の装置に置き換えられうる。手動式スイッチ等の機械的構成を用いてツェナーダイオードまたはその他の電圧保護手段を１個以上の前記単電池から選択的に接続解除しうることさえ考えられる。
【００２７】
本発明が、たとえばニッケルカドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）「ＮＩＣＡＤ」単電池、ニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）単電池または何らかのその他の化学的再充電可能単電池でありうる何らかの特定の種類の再充電可能な単電池、またはさらには固体電池（リチウム重合体単電池）、キャパシタまたは電気エネルギーを貯蔵および送出することができる何らかのその他の種類の再充電可能装置に制限されないことは明らかである。
【００２８】
さらにまた、本発明は、気体、液体またはその他の燃料用の燃料電池または圧力容器等の機械的用途に合わせて容易に構成されうる。この場合は、電圧保護手段は、圧力解放弁またはその他の同様の装置により置き換えられうる。
【００２９】
１個以上の単電池が開回路故障を起こした場合でも電源装置を動作させるために、従来式ダイオードを各単電池または単電池対を横切って並列に永久接続して、故障した１個以上の単電池のまわりにおいて連続経路を確保することができる。無視できる程度の逆方向の漏れ電流を有するが、これらのダイオードが何らかの形で電源装置を放電させることはない。このようなダイオード２３の考えられる配置が図３に示される一方で、図４において、各ＦＥＴ２２（ｉ、ｉｉ、ｉｉｉ）は、一体型ダイオード２４を備える。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明にしたがった第１の態様の電源装置の電気回路図である。
【図２】本発明にしたがった第２の態様の電源装置の電気回路図である。
【図３】本発明にしたがった第３の態様の電源装置の電気回路図である。
【図４】本発明にしたがった第４の態様の電源装置の電気回路図である。

Claims (8)

1. 電源（１４）に接続されうる少なくとも１個の再充電可能な単電池（１２）と、
   前記少なくとも１個の単電池に接続される電圧保護手段（２０）と、
   前記電圧保護手段（２０）を前記単電池（１２）から選択的に接続解除して、以って前記電圧保護手段（２０）を介した前記単電池のあらゆる放電を減少させる接続解除手段（２２）と、
   からなることを特徴とする再充電可能な電源装置（１０）。
2. 前記電圧保護手段（２０）は、ツェナーダイオードからなる請求項１に記載の電源装置。
3. 前記接続解除手段（２２）は、バイポーラトランジスタまたはＦＥＴからなる請求項１または２に記載の電源装置。
4. 前記電圧保護手段（２０）と前記接続解除手段（２２）とは、互いに直列に接続されるとともに、一括的に前記単電池を横切って並列に接続される請求項１〜３の何れか１項に記載の電源装置。
5. 前記バイポーラトランジスタのベース電極または前記ＦＥＴのゲート電極は、前記電源（１４）に接続可能であって、以って前記接続解除手段を作動させる請求項３または４に記載の電源装置。
   （請求項３に従属する場合の請求項４に記載の電源装置）
6. 前記単電池（１２）または前記接続解除手段（２０）と並列に接続される少なくとも１個のダイオード（２３、２４）をさらに含む請求項１〜５の何れか１項に記載の電源装置。
7. 複数個の直列、並列または直並列接続される単電池によって構成される電池からなる請求項１〜６の何れか１項に記載の電源装置。
8. 電源装置（１０）内の再充電可能な単電池（１２）を保護する方法において、
   前記単電池の再充電時に、電圧保護手段（２０）を前記単電池に選択的に接続して、以って前記単電池の過充電を低減または解消する段階と、
   前記単電池の再充電後に、前記電圧保護手段を前記単電池から選択的に接続解除して、以って前記電圧保護手段を介した前記単電池のあらゆる放電を低減または解消する段階と、からなる方法。