JP2007037371A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 充電した蓄電素子を機器の電源として使用する電源装置において、蓄電素子に蓄電されたエネルギーを、無駄なく機器の動作のために使用する。
【解決手段】 所定のバイアス電圧を供給するバイアス電源６と、蓄電素子２の端子間電圧を検出する検出回路７と、検出回路７によって検出された端子間電圧が所定の電圧以下である場合には、蓄電素子２のマイナス端子にバイアス電源６からのバイアス電圧を印加し、他方、検出回路７によって検出された端子間電圧がこの所定の電圧を越えている場合には、蓄電素子２のマイナス端子にこのバイアス電圧を印加しない切り替え回路８とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気２重層コンデンサなどの蓄電素子を充電して機器の電源として使用する電源装置に関する。

近年電気２重層コンデンサは技術的進歩により大容量化がはかられており、大容量化に関する技術発表も活発である。電気２重層コンデンサは化学的変化を伴わない物理電池のため繰り返し充放電による劣化が極めて少ないこと、充放電電流が大きく取れること、そのまま廃棄されても環境への影響が少ないなどの点が評価され機器への搭載が増えつつある。

しかしながら体積当りのエネルギーは乾電池や２次電池などにまだまだ及ばない上に放電により出力電圧が低下するという弱点がある。電気２重層コンデンサに蓄電されるエネルギーは１／２×Ｃ×Ｖ^２に比例する。充電電圧をＶ１、機器動作下限電圧をＶ２とすれば有効なエネルギーは１／２×Ｃ×（Ｖ１−Ｖ２）^２となる。従ってＶ１は高くＶ２を低くすることで実際に使用できるエネルギー量が大きくなる。

ポータブル機器の電源に使用した場合は蓄電エネルギーを使いきる前に機器の動作下限電圧（Low Bat電圧）により機器の動作が停止してしまい、それ以降機器は停止し蓄電されたエネルギーは自己放電により有効に利用されることなく消滅してしまう。例えば一般的に３Ｖ動作する機器では２Ｖ前後が動作下限電圧となっており使えるエネルギーは蓄電量の１／９と非常に低く抑えられてしまう。これを解決するために出力側に昇降圧コンバータを介して電圧を一定にし、かつキャパシタ電圧が下がっても機器を動作させる提案がなされている。

しかしながら昇降圧コンバータにおける変換ロスが生じること、コストが高くなること、コンバータのＳＷ（スイッチ）ノイズが機器に影響することから安価なポータブル機器には搭載しにくかった。また例えば０．８Ｖなどの昇降圧コンバータの動作下限電圧以下では機器が動作せず依然として蓄電したエネルギーの一部を使いこなせていないのが現状である。

他方、複数のキャパシタの直並列接続を充放電時で切り替え、電圧が低下した時は直列に接続することで電圧を上げ機器駆動電圧範囲になるべくおさまるように制御することも従来から提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３３５１７４１号公報（段落番号００１３〜００１９、図１〜３）

しかし上記特許文献１に記載の方法を採用した場合でも個々のキャパシタのエネルギーを全部使い切ることは出来ないし直並列充放電の観点から使用するキャパシタの容量は同一となるため設計の自由度が低くなってしまう。

またキャパシタによる機器の駆動では駆動時間を長くするためにキャパシタ容量を増やしていくと機器駆動が開始されるまでの充電時間が長くなってしまうという問題もある。充電が太陽電池などの発電素子を利用する場合は特に使い勝手の悪さが問題になる。

上記課題を解決するために、本発明は、充電した蓄電素子を機器の電源として使用する電源装置において、所定のバイアス電圧を供給するバイアス電源と、この蓄電素子の端子間電圧を検出する検出回路と、この検出回路によって検出された端子間電圧が所定の電圧以下である場合には、この蓄電素子のマイナス端子に、このバイアス電源からのバイアス電圧を印加し、他方、この検出回路に検出された端子間電圧がこの所定の電圧を越えている場合には、この蓄電素子のマイナス端子にこのバイアス電圧を印加しない切り替え回路とを備えたことを特徴とする。

この電源装置では、蓄電素子の充電が十分に行われず、蓄電素子の端子間電圧が所定の電圧以下であっても、バイアス電源からのバイアス電圧が蓄電素子のマイナス端子に印加されるので、このバイアス電源のアシストにより、蓄電素子に蓄電されたエネルギーを機器の動作のために使用することができる。

また、充電が十分に行われて蓄電素子の端子間電圧が所定の電圧を越えている状態ではバイアス電圧は印加されないが、機器の動作によって蓄電素子が放電して端子間電圧が所定の電圧にまで低下すると、やはりバイアス電源からのバイアス電圧が印加されので、このバイアス電源のアシストにより、蓄電素子に蓄電されたエネルギーを機器の動作のために使用することができる。したがって、蓄電素子に蓄電されたエネルギーを、無駄なく機器の動作のために使用することができる。

本発明に係る電源装置によれば、充電した蓄電素子を機器の電源として使用する電源装置において、蓄電素子に蓄電されたエネルギーを、無駄なく機器の動作のために使用することができる。

そして、昇降圧コンバータ用いる場合のような変換ロスやコスト高やＳＷノイズの問題は生じず、また、蓄電素子の容量を増やす場合のような充電時間の長時間化の問題も生じない。

以下、本発明を図面を用いて具体的に説明する。図１は、本発明に係る電源装置の全体構成を示すブロック図である。この電源装置１は、キャパシタ（蓄電素子）２として電気２重層コンデンサを設けたものであり、ポータブル機器（例えば携帯用のラジオ受信機）１１を動作させるために使用される。ポータブル機器２１は、動作電圧が３．０Ｖ、動作上限電圧が５．０Ｖ、動作下限電圧が１．７Ｖである。キャパシタ２は、耐圧が５．５Ｖである。

キャパシタ２は、充電電源２０（専用の充電器でもよいし太陽電池のような発電素子、または乾電池でもよい）によって充電される。充電電源２０から電源装置１に供給された電圧は、電圧変換回路３によってキャパシタ２を充電するために必要な電圧５．０Ｖに変換され、電流制限トランジスタ４によりキャパシタ２への初期突入電流を抑えた後、逆流防止ダイオード５を介してキャパシタ２に供給される。逆流防止ダイオード５は、キャパシタ２側から充電電源２０側への電流の逆流を防止するためのものである。電圧変換回路３の出力電圧は５．０Ｖだが、逆流防止ダイオード５などによる電圧ドロップにより、キャパシタ２の端子電圧はフル充電時に約４．９Ｖとなる。キャパシタ２の充電電圧は、ダイオード１０を介してポータブル機器２１の負荷２２に駆動電流として供給される。

図３Ａは、キャパシタ２の充電時の電源装置１の電流経路を、電流制限トランジスタ４，逆流防止ダイオード５の部分のさらに具体的な回路構成例とともに示したものであり、図１と同一の部分には同一符号を付している。この例では、トランジスタ１２が、電流制限トランジスタ４としての機能と逆流防止ダイオード５としての機能とを兼ねている。また、電圧変換回路３からの電流はダイオード９を介してポータブル機器２１（図１）の負荷２２にも駆動電流として供給されるので、充電時には、充電電源２０（図１）によってポータブル機器２１が動作する。

図１に示すように、電源装置１には、バイアス電源６と、電圧検出回路７と、切り替え回路８とが設けられている。バイアス電源６からは、１．６Ｖのバイアス電圧が供給される（ただし、後で図５を用いて説明するように、キャパシタ２の充電時にはバイアス電源６からはバイアス電圧は供給されない）。電圧検出回路７は、キャパシタ２の端子間電圧が１．７Ｖ（ポータブル機器２１の動作下限電圧）以下になったことを検出するための回路である。

切り替え回路８は、キャパシタ２のマイナス端子をバイアス電源６側とグランド側とに切り替えて接続するための回路であり、電圧検出回路７によって１．７Ｖ以下になったことが検出されると、バイアス電源６側に切り替えることによっキャパシタ２のマイナス端子にバイアス電圧を印加させる。

電圧検出回路７や切り替え回路８は、このバイアス印加後のキャパシタ２を電源として動作するように、低電圧動作が可能なＣＭＯＳデバイスを用いて構成されている。ただし、充電時には、電圧検出回路７や切り替え回路８は充電電源２０を電源として動作する。

次に、この電源装置１の放電時のポータブル機器２１の動作について説明する。ポータブル機器２１の動作時間を延ばすためにキャパシタ２の容量を大きくしようとすると、容量Ｃと機器動作下限電圧Ｖとの積Ｃ×Ｖで決まる動作開始までの充電時間も長くなってしまう。従ってこの充電時間を短くするにはＣ ，Ｖの少なくともいずれか一方を小さくする必要がある。

この電源装置１では、キャパシタ２の充電が十分に行われず、キャパシタ２の端子間電圧が１．７Ｖ（ポータブル機器２１の動作下限電圧）以下であっても、バイアス電源６からの１．６Ｖのバイアス電圧がキャパシタ２のマイナス端子に印加されるので、キャパシタ２の端子間電圧が０．１Ｖを越えてさえいれば、このバイアス電源６のアシストにより、キャパシタ２に蓄電されたエネルギーがポータブル機器２１の動作のために使用される。すなわち、Ｖを１．７から０．１に短縮したことにより、ポータブル機器２１の動作開始までの充電時間は１／１７となる。

また、充電が十分に行われてキャパシタ２の端子間電圧が１．７Ｖを越えている状態ではバイアス電圧は印加されないが、ポータブル機器２１の動作放電によって端子間電圧が１．７Ｖにまで低下すると、やはりバイアス電源６からのバイアス電圧が印加されので、このバイアス電源６のアシストにより、キャパシタ２に蓄電されたエネルギーがポータブル機器２１の動作のために使用される。したがって、キャパシタ２に蓄電されたエネルギーが、無駄なくポータブル機器２１の動作のために使用される。

図２は、こうした充放電時のキャパシタ２の端子間電圧の遷移の様子を例示する図である。なお、図２では、電源装置１での端子間電圧の遷移を実線で示すとともに、充電電圧が１．７Ｖに達しなかったがバイアス電圧を印加しない場合の端子間電圧の遷移を点線で示した。充電電圧が１．７Ｖに達しなかった（時刻ｔ１）がバイアス電圧を印加しない場合には、電圧が低すぎてポータブル機器２１は動作せず、キャパシタ２の自己放電により非常に緩やかにエネルギーが消費され電圧は低下してしまう。

これに対し、電源装置１では、充電電圧が１．７Ｖに達しなかったとき（時刻ｔ１）、キャパシタ２の端子間電圧が１．７Ｖ以下であることが検出され、１．６Ｖのバイアス電圧がキャパシタ２のマイナス端子に印加されて端子間電圧がステップ的に上昇する。これにより、ポータブル機器２１の動作が保証される。

その後、ポータブル機器２１の動作による放電により端子間電圧が低下していき、端子間電圧が０．１Ｖになる（時刻ｔ２）と、ポータブル機器２１の動作は保証されなくなり、キャパシタ２の自己放電によって端子間電圧が低下していく。しかし、ポータブル機器２１内で電源ラインに接続されている電源用コンデンサ（図示略）を電源として使用するように電源の切り替えが高速で行われれば、ポータブル機器２１を引き続き一定時間動作させることができるので問題は生じない。

このポータブル機器２１内の電源用コンデンサを電源として使用している間に再び充電が開始される（時刻ｔ３）と、その瞬間バイアス電位はゼロに戻るためキャパシタ２の端子間電圧がステップ的に低下し、その後充電量に従って端子間電圧が上昇する。キャパシタ２のみでポータブル機器２１の動作が可能なだけ充電が進んだ状態で充電が終了した場合は、ポータブル機器２１の動作による放電により端子間電圧が低下していく。そして、端子間電圧が１．７Ｖにまで低下する（時刻ｔ４）と、バイアス電圧が印加されて端子間電圧がステップ的に上昇する。これにより、端子間電圧が０．１Ｖになる（時刻ｔ５）までポータブル機器２１の動作が保証される。

このように、この電源装置１によれば、キャパシタ２に蓄電されたエネルギーを、無駄なくポータブル機器２１の動作のために使用することができる。

そして、昇降圧コンバータ用いる場合のような変換ロスやコスト高やＳＷノイズの問題は生じず、また、キャパシタ２の容量を増やす場合のような充電時間の長時間化の問題も生じない。

図３Ｂは、キャパシタ２の放電時の電源装置１の電流経路を、図３Ａと同様に電流制限トランジスタ４，逆流防止ダイオード５の部分のさらに具体的な回路構成例とともに示したものである。キャパシタ２の端子間電圧が１．７Ｖを越えている場合には、キャパシタ２単独でポータブル機器２１（図１）の負荷２２に駆動電流が供給される。また、キャパシタ２の端子間電圧が０．１Ｖから１．７Ｖの間である場合には、キャパシタ２がバイアス電源６のアシストを受けて負荷２２に駆動電流が供給される。

図４は、バイアス電源６によるアシスト期間におけるキャパシタ２とバイアス電源６とのエネルギー分担を求めるための図である。バイアス電源６のバイアス電圧は１．６Ｖであるのに対し、アシスト期間中には、アシスト無しだと自己放電によって失われる平均０．８５Ｖのキャパシタ２の充電電圧がポータブル機器２１の動作のために使用される。したがって、キャパシタ２から負荷２２（図１）への駆動電流とバイアス電源６から負荷２２への駆動電流とが同じ大きさであるとすると、キャパシタ２とバイアス電源６とのエネルギー分担は、０．８５：１．６≒３５：６５となる。

なお、バイアス電源６のバイアス電圧はポータブル機器２１の動作下限電圧（１．７Ｖ）よりも低くなっているので、バイアス電源６単独でポータブル機器２１を動作させることはなく、キャパシタ２の補助的電源としての役割を果たす。

図５は、図１に示した電源装置１の全体のさらに具体的な回路構成例を示す図であり、符号としては図１とは異なるものを用いている。この例では、ラジオ受信機と手回し発電機との接続を想定して、ダイオードＤ１〜Ｄ６にて構成される整流回路を入力側に挿入してある。その後昇圧コンバータＵ１（図１の電圧変換回路３に該当）で充電に必要な電圧（５．０Ｖ）にまで昇圧し、キャパシタＣ１０（図１のキャパシタ２に該当）を充電している。

３．０Ｖのリチウムコイン型電池ＢＴ１を持ち、この電池ＢＴ１の出力電圧をトランジスタＱ７を介してレギュレータＵ２の端子Ｕ２−１に供給する。このリチウムコイン型電池ＢＴ１の部分を、例えば酸化銀電池（１．５５Ｖ）や２次電池等に置き換えてもよい。トランジスタＱ７のベースはトランジスタＱ８のコレクタと接続されており、トランジスタＱ８のエミッタは接地されている。キャパシタＣ１０の充電時には、充電電圧がトランジスタＱ８のベースに供給される。

レギュレータＵ３は、キャパシタＣ１０の端子間電圧が１．７Ｖ以下であることを検出する回路であり、図１の電圧検出回路７に該当する。レギュレータＵ３の端子Ｕ３−３はキャパシタＣ１０のマイナス端子に接続してあり、バイアス印加の有無に無関係にキャパシタＣ１０の端子間電圧を常時監視することができる。

キャパシタＣ１０の端子間電圧が１．７Ｖ以下であることが検出されると、レギュレータＵ３の端子Ｕ３−１はオープンから端子Ｕ３−３と同電位となり、レギュレータＵ２のイネーブル端子Ｕ２−６をＨレベルに引き上げ、レギュレータＵ２の出力端子Ｕ２−３に１．６Ｖが生じる。この出力端子Ｕ２−３はダイオードＤ１３を介してキャパシタＣ１０のマイナス端子に接続してあり、キャパシタＣ１０のマイナス端子に１．６Ｖのバイアス電圧が印加される。リチウムコイン型電池ＢＴ１，トランジスタＱ７，トランジスタＱ８及びレギュレータＵ２が図１のバイアス電源６に該当するとともに、レギュレータＵ２が図１の切り替え回路８の機能も兼ねている。

キャパシタＣ１０の充電時には、充電電圧がトランジスタＱ８のベースに供給されてトランジスタＱ８がオンになることにより、トランジスタＱ８のコレクタ電位がゼロになり、トランジスタＱ７がオフになるので、リチウムコイン型電池ＢＴ１の出力電圧はレギュレータＵ２に供給されない。他方、キャパシタＣ１０の放電時には、トランジスタＱ７がオンになるので、リチウムコイン型電池ＢＴ１の出力電圧がレギュレータＵ２に供給される。これにより、キャパシタＣ１０の充電時にはレギュレータＵ２からはバイアス電圧は供給されず、キャパシタ２の放電時であってキャパシタＣ１０の端子間電圧が１．７Ｖ以下である場合にのみレギュレータＵ２からはキャパシタＣ１０のマイナス端子にバイアス電圧が印加される。

なお、キャパシタＣ１０の充電時には、トランジスタＱ５によりキャパシタＣ１０のマイナス端子は確実に接地されるので、安定して充電が行われる。

このようにして、充電時にはキャパシタＣ１０の耐圧までフル充電し、放電時にそのフル充電したエネルギーを無駄なくポータブル機器２１の動作のために使用することができる。

最後に、図６に、バイアス電圧の作成方法のバリエーションをいくつか示す。図６（ａ）の方法は、バイアス電圧より高い乾電池等の電圧を元にレギュレータ３１により必要な電圧を得るものであり、図５の回路で採用している方法である。この方法では、乾電池等の種類によってバイアス電圧が決まってしまう。しかし、電池にエネルギーが残っている限りバイアス機能が有効になり、バイアス電圧は機器駆動時間に無関係に一定とすることができる。

図６（ｂ）の方法は、メインキャパシタ（図１ではキャパシタ２）の充電電圧から電圧変換回路３２によってバイアス電圧を作り出して別のキャパシタ３３に充電する方法である。この方法では、キャパシタ３３が２次電池である場合にはその２次電池の種類によってバイアス電圧が決まってしまう。また充電量によってバイアス効果の持続時間が決まってしまう。しかし、図６（ａ）の方法と違って乾電池等を交換する必要がない。機器動作開始までの充電時間を短くするという観点からは、キャパシタ３３の容量はメインキャパシタよりも小さいことが望ましい。例えばキャパシタ３３の容量がメインキャパシタの１／１０であれば、充電時間は約１／１０まで短縮が可能となる。

図６（ｃ）の方法は、バイアス用の固定電圧として１次電池３４を使用する方法であり、図６（ａ）の方法の変形と考えてもよい。この方法では、バイアス電圧作成のための付加回路がない分、 図６（ａ）の方法よりも省電力で省スペースとすることができる。

なお、以上の例では、キャパシタ２のマイナス端子に印加するバイアス電圧を、ポータブル機器２１の動作下限電圧（１．７Ｖ）よりも僅かに低い１．６Ｖにしている。しかし、これに限らす、このバイアス電圧を、ポータブル機器２１の動作下限電圧と全く等しい電圧にしてもよい。

また、以上の例では、蓄電素子として電気２重層コンデンサを設けた電源装置について説明したが、本発明は、あらゆる種類の蓄電素子を設けた電源装置に適用することができる。

本発明に係る電源装置の全体構成を示すブロック図である。 充放電時の図１のキャパシタの端子間電圧の遷移を示す図である。 充放電時の図１の電源装置の電流経路等を示す図である。 図１のバイアス電源によるアシスト期間のエネルギー分担を求めるための図である。 図１の電源装置の具体的な回路構成例を示す図である。 バイアス電圧の作成方法を示す図である。を示す図である。

符号の説明

１ 電源装置、 ２ キャパシタ、 ３ 電圧変換回路、 ４ 電流制限トランジスタ、 ５ 逆流防止ダイオード、 ６ バイアス電源、 ７ 電圧検出回路、 ８ 切り替え回路、 ９，１０ ダイオード、 １１，１２ トランジスタ、 ２１ ポータブル機器、 ２２ 負荷、 ２３ 充電電源

Claims (4)

1. 充電した蓄電素子を機器の電源として使用する電源装置において、
   所定のバイアス電圧を供給するバイアス電源と、
   前記蓄電素子の端子間電圧を検出する検出回路と、
   前記検出回路によって検出された端子間電圧が所定の電圧以下である場合には、前記蓄電素子のマイナス端子に、前記バイアス電源からのバイアス電圧を印加し、他方、前記検出回路に検出された端子間電圧が前記所定の電圧を越えている場合には、前記蓄電素子のマイナス端子に前記バイアス電圧を印加しない切り替え回路と
   を備えたことを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記バイアス電源は、前記電源装置を搭載した機器の動作下限電圧に略等しいバイアス電圧を供給することを特徴とする電源装置。
3. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記バイアス電源は、前記蓄電素子とは蓄電容量が相違する別の蓄電素子によって構成されていることを特徴とする電源装置。
4. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記バイアス電源は、前記蓄電素子の充電時にはバイアス電圧を供給しないことを特徴とする電源装置。

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