JP2008109782A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は振動、騒音、排気ガスの問題が生じることがなく、小型化、軽量化を図ることができ、電力の損失を低減し、製造原価を安くでき、かつ、商用電源が長期にわたって停電したり、利用することができない状況下でも、自動車用電源等からの充電が可能な電源装置を提供する。
【解決手段】電源装置１は、商用電源と接続され、交流電圧が入力される商用電源入力部２と、直流電源と接続され、直流電圧が入力される直流電源入力部３と、交流電圧を出力する電源出力部４と、二次電池５と、商用電源の交流電圧により二次電池５を充電する充電器６（充電手段）と、二次電池５から出力された直流電圧を商用電源用の交流電圧に変換するインバータ７とを有する。第１のスイッチ１５、第２のスイッチ１６及び第３のスイッチ１７は、ＡＣ充電モード、ＤＣ充電モード及び放電モードの各動作モードに応じて連動して切り換えできるように構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二次電池を備えた電源装置に関し、特に、災害時、停電時、外出時等の際に商用電源が利用できない場合であっても、各種機器を使用できるようにするための電源装置に関する。

従来、災害時、停電時、外出時等の際に商用電源を利用できない場合であっても、各種機器を使用できるようにするために種々の装置が開発されている。

例えば、特許文献１には、搭載されている自動車用発電機及びバッテリを非常用電源として使用する自動車と、ＤＣ−ＤＣコンバータ及びこのコンバータの直流出力を商用周波数の交流に変換するインバータなどにより構成されて、防災拠点に設置される非常用電源装置とを備え、災害発生時に非常用電源装置のＤＣ−ＤＣコンバータの入力端子と自動車のバッテリ端子の間を電源コードで接続して自動車からＤＣ−ＤＣコンバータに電力を供給するようにした電源システムが提案されている（以下、この技術を従来例１という）。

また、特許文献２には、商用電源入力端子と、リチウムイオン二次電池と、商用電源入力端子を介して商用電源によりリチウムイオン二次電池を充電する充電回路と、リチウムイオン二次電池の直流電圧を所望の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、リチウムイオン二次電池の直流電圧を所望の交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣコンバータとを有し、商用電源入力端子を介して商用電源をそのまま出力する第１の交流電源出力端子とＤＣ−ＤＣコンバータよりの所望の直流電圧を出力する直流電圧出力端子とＤＣ−ＡＣコンバータよりの所望の交流電圧を出力する第２の交流電源出力端子とを設けた電源装置が提案されている。

この電源装置によれば、通常時は例えばテレビジョン受像機の電源を商用電源入力端子を介して商用電源がそのまま得られる第１の交流電源出力端子より得るようにすると共にこの商用電源入力端子を介して商用電源によりリチウムイオン二次電池の充電を行うことができる。災害時、停電時等の不測の事態時においては、直流電源出力端子に得られる所望の直流電圧及び第２の交流電圧出力端子に得られる所望の交流電圧を使用し、ラジオ受信機、テレビジョン受像機、その他の電気製品を駆動し使用することができる（以下、この技術を従来例２という）。

従来例２の類似技術としては、例えば、いわゆる無停電電源と呼ばれて商品化され、多用されているものがある。この無停電電源は、商用電源によって常時充電される二次電池と、その二次電池出力を商用電源同等に変換するインバータと、商用電源を常時監視し、停電時には瞬時に、上記二次電池出力から変換された商用電源同様に切り換える手段とを有した装置である。この装置を商用電源路と各種機器との間に設置することにより、停電時に各種機器を継続して使用できるようにすることができる（以下、この技術を無停電電源という）。

さらに、特許文献３には、入力される商用交流電圧を整流し、スイッチング電源により２次側の直流電圧を得るＡＣ−ＤＣコンバータと、ＡＣ−ＤＣコンバーターの出力、あるいは自動車電源から得られる直流出力電圧が入力され所定の直流電圧に変換し出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、ＤＣ−ＤＣコンバータで得られた直流電圧を入力して、充電端子接続部にセットされた被充電電池へ充電電流を供給する電流ドライバと、充電中の電池の電圧を検出して結果をＤＣ−ＤＣコンバータへ送り、該ＤＣ−ＤＣコンバータを制御して出力電圧を変化させる電圧検出部と、充電状態を充電端子接続部から帰還されて電流ドライバの電流を制御し、充電のコントロールを行うコントローラとを有する充電装置が提案されている。

この充電装置によれば、家庭用のＡＣ１００Ｖ電源だけでなく、自動車の車内で得られるＤＣ１２Ｖのシガーライタ電源でも充電が可能である（以下、この技術を従来例３という）。
特開平１０−１５０７３３号公報 特開２００４−１４７０２２号公報 特開平１１−４１８２９号公報

従来例１では、自動車用発電機を使用しているので、発電機からの振動や騒音等が大きく、有害な排気ガスを発生させ、大型で重量もあるという課題があった。

従来例２及びその類似技術である無停電電源では、自動車用電源等の外部直流電源からの充電を行うことができないので、使用可能な場所や用途が限定されるという課題があった。さらに、この技術は商用電源からしか充電できず、商用電源が長期間停電する場合には使用することができないという課題があった。

従来例３では、商用電源をＡＣ−ＤＣコンバータで直流電圧に変換し、そこで、自動車用電源との互換性を持たせ、さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータで所定の直流電圧に変換している。従って、商用電源からの充電を行う際には、ＡＣ−ＤＣコンバータとＤＣ−ＤＣコンバータの２個の変換回路による変換が必要であり、それぞれ数１０％の変換ロスが発生する。その結果、電力の消耗が大きくなり、製造原価が高くなるという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、振動、騒音、排気ガスの問題が生じることがなく、小型化、軽量化を図ることができ、電力の損失を低減し、製造原価を安くでき、かつ、商用電源が長期にわたって停電したり、利用することができない状況下でも、自動車用電源等からの充電が可能な電源装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の電源装置は、二次電池と、商用電源の交流電圧により前記二次電池を充電する充電手段と、前記二次電池から出力された直流電圧を商用電源用の交流電圧に変換するインバータとを有し、直流電源の直流電圧を前記インバータにより交流電圧に変換し、変換された交流電圧を前記充電手段に供給することにより前記二次電池を充電できるように構成されていることを特徴とするものである。

本発明の第２の電源装置は、商用電源入力部と、直流電源入力部と、電源出力部と、二次電池と、商用電源の交流電圧により前記二次電池を充電する充電手段と、前記二次電池から出力された直流電圧を商用電源用の交流電圧に変換するインバータとを有し、商用電源から前記商用電源入力部を介して入力された交流電圧を前記充電手段に供給することにより前記二次電池を充電し、前記二次電池から出力された直流電圧を前記インバータにより商用電源用の交流電圧に変換し、変換された交流電圧を前記電源出力部から出力する第１の動作モードと、直流電源から前記直流電源入力部を介して入力された直流電圧を前記インバータにより交流電圧に変換し、変換された交流電圧を前記充電手段に供給することにより前記二次電池を充電する第２の動作モードとの少なくとも２つの動作モードを切り換える切換手段を有することを特徴とするものである。

前記二次電池はリチウムイオン電池であるのが好ましい。

前記商用電源の交流電圧は、例えば９０Ｖから１１０Ｖの範囲内の電圧である。

前記直流電源の直流電圧は、例えば１０．５Ｖから２４Ｖの範囲内の電圧である。

本発明によれば、次のような優れた効果を奏する。

（１）発電機等を使用することなく、商用電源用の交流電圧を出力できるので、振動、騒音、排気ガス等の問題が生じることはなく、小型化・軽量化を図ることができる。

（２）商用電源だけでなく、自動車用電源等の外部の直流電源からの充電を行うことができるので、使用可能な場所や用途が飛躍的に広がる。

（３）商用電源が長期にわたって停電したり、利用することができない状況下でも、自動車用電源等からの充電が可能である。

（４）特別なＤＣ−ＤＣコンバータ等を用いる必要がないので、変換ロスを少なくでき、電力の損失を低減できるとともに、製造原価を安くすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態例に係る電源装置の構成を示すブロック図、図２は充電器の構成を示す回路図、図３は本発明の実施形態例に係る電源装置の外観を示す正面図である。

図１に示すように、本発明の実施形態例に係る電源装置１は、商用電源と接続され、交流電圧が入力される商用電源入力部２と、直流電源と接続され、直流電圧が入力される直流電源入力部３と、交流電圧を出力する電源出力部４と、二次電池５と、商用電源の交流電圧により二次電池５を充電する充電器６（充電手段）と、二次電池５から出力された直流電圧を商用電源用の交流電圧に変換するインバータ７とを有する。

二次電池５は、充電及び放電の可能な電池である。二次電池５としては、例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池等が用いられるが、小型化、軽量化の要請から、リチウムイオン電池のように高いエネルギー密度を有する電池が用いられるのが好ましい。

充電器６は、例えば交流電圧１００Ｖの商用電源から二次電池５を充電するものであり、二次電池５の特性に合わせた電流と電圧の制御を行う。

二次電池５がリチウムイオン電池の場合では、充電器６は、定電流定電圧充電を行う。充電器６では、例えば図２に示すように、商用電源の交流電圧１００Ｖを整流回路８、平滑回路９により整流、平滑し、その出力部を高周波トランス１０の１次側に入力する。高周波トランス１０の二次側から出力された電圧は、二次電池５に印加される。

二次電池５に印加される電圧、電流は制御部１１によってモニタされる。制御部１１と高周波トランス１０との間には半導体トランジスタを備えた充電制御スイッチ１２が設けられ、制御部１１は、二次電池５に入力される電圧、電流が所定値になるように充電制御スイッチ１２を制御する。

なお、図２中、符号１３は二次電池５に入力される充電電流を検出するためのセンス抵抗、１４ａは充電器６の入力端子、１４ｂは充電器６の出力端子である。

商用電源で作動される充電器６では、電力変換効率を上げるために商用電源を整流、平滑した後では電圧が商用電源と同じである。これを高周波トランス１０の二次側で二次電池充電用の電圧に変換する。入力される商用電源の交流電圧がＡＣ１００Ｖの場合には、上記のように整流、平滑した後では約ＤＣ１００Ｖである。

例えば、４個のリチウムイオン電池が直列に接続された二次電池５の場合では、二次電池５の充電量が少ない状態では電池の容量に合わせた電流値で定電流充電を行い、二次電池５の電圧が所定の規定値に達した段階から定電圧充電に移行し、充電量が所定の規定値に達したときに充電を完了する。より具体的には、容量２Ａｈ、最大充電電圧４．２Ｖのリチウムイオン電池を３並列、４直列に接続した二次電池５を充電する場合には、６Ａ以下の定電流値で充電を開始し、二次電池５の電圧が１６．８Ｖに達した時点で１６．８Ｖの定電圧充電に移行し、二次電池５の充電量がほぼ６Ａｈに達したら充電を停止する。

二次電池５がニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池の場合には、充電器６は定電流充電を行う。充電の完了停止は、各二次電池５の特性に合わせて判断される。

インバータ７は、例えば自動車用バッテリ等の低電圧の直流電源からの電力供給を受けて、例えば交流電圧１００Ｖに変換して充電器６に供給することができる。

商用電源の交流電圧は、例えば９０Ｖから１１０Ｖの範囲内の電圧である。

直流電源の直流電圧は、例えば、自動車用バッテリや太陽電池等の直流電源電圧であり、１０．５Ｖから２４Ｖの範囲内の電圧である。

図１に示すように、商用電源入力部２と充電器６及びインバータ７との間には第１のスイッチ１５が設けられ、二次電池５とインバータ７及び直流電源入力部３との間には第２のスイッチ１６が設けられ、インバータ７と電源出力部４及び第１のスイッチ１５との間には第３のスイッチ１７が設けられている。

第１のスイッチ１５、第２のスイッチ１６及び第３のスイッチ１７は、ＡＣ充電モード、ＤＣ充電モード及び放電モードの各動作モードに応じて、１つの切換スイッチ１８により連動して切り換えできるように構成されている。

図３に示すように、本発明の実施形態例に係る電源装置１は、ケース状の本体１９と、本体１９の表面に設けられた商用電源入力部２、直流電源入力部３、電源出力部４及び切換スイッチ１８が設けられている。切換スイッチ１８はダイヤル式スイッチが用いられ、所望の動作モードの入力位置に回動操作するための操作ノブ１８ａを備えている。

商用電源入力部２には商用電源からのＡＣコネクタが接続され、直流電源入力部３には直流電源からのＤＣコネクタが接続され、電源出力部４には各種機器用のコネクタが接続される。

図３中、符号２０は充電中を示す確認ランプ、２１は充電状態を示す状態表示ランプ、２２は電源装置１を駆動させるメインスイッチである。

次に、本発明の実施形態例に係る電源装置１の動作について説明する。

商用電源による交流充電を行う場合には、切換スイッチ１８の操作ノブ１８ａを「ＡＣ充電」の入力位置まで回動させる。これによって、第１のスイッチ１５は、商用電源入力部２と充電器６とが接続されるように切り換わり（実線参照）、ＡＣ充電モードになる。

このＡＣ充電モードでは、商用電源から商用電源入力部２を介して入力された交流電圧は充電器６に入力され、充電器６から出力される直流電圧により二次電池５が充電される。

直流電源による直流充電を行う場合には、切換スイッチ１８の操作ノブ１８ａを「ＤＣ充電」の入力位置まで回動させる。これによって、第２のスイッチ１６は、直流電源入力部３とインバータ７とが接続されるように切り換わり（点線参照）、第３のスイッチ１７は、インバータ７と第１のスイッチ１５とが接続されるように切り換わり（点線参照）、第１のスイッチ１５は、インバータ７と充電器６とが接続されるように切り換わり（点線参照）、ＤＣ充電モードとなる。

このＤＣ充電モードでは、直流電源から直流電源入力部３を介して入力された直流電圧は、インバータ７により交流電圧に変換され、変換された交流電圧は充電器６に入力され、充電器６から出力される直流電圧により二次電池５が充電される。

二次電池５からの放電を行う場合には、切換スイッチ１８の操作ノブ１８ａを「放電」の入力位置まで回動させる。これによって、第２のスイッチ１６は二次電池５とインバータ７との間が接続されるように切り換わり（実線参照）、第３のスイッチ１７は、インバータ７と電源出力部４との間が接続されるように切り換わり（実線参照）、放電モードとなる。

この放電モードでは、二次電池５から出力された直流電圧は、インバータ７により商用電源用の交流電圧に変換され、変換された交流電圧は電源出力部４から出力される。

なお、本発明の実施形態例では、３つの動作モードに切り換えられるように構成されているが、ＡＣ充電モード及び放電モードとＤＣ充電モードとの２つの動作モードに切り換えられるように構成してもよい。

本発明の実施形態例に係る電源装置１によれば、発電機等を使用することなく、商用電源用の交流電圧を出力できるので、振動、騒音、排気ガス等の問題が生じることはなく、小型化・軽量化を図ることができる。

また、商用電源だけでなく、自動車用電源等の外部の直流電源からの充電を行うことができるので、使用可能な場所や用途が飛躍的に広がる。

また、商用電源が長期にわたって停電したり、利用することができない状況下でも、自動車用電源等からの充電が可能である。

さらに、特別なＤＣ−ＤＣコンバータ等を用いる必要がないので、変換ロスを少なくでき、電力の損失を低減できるとともに、製造原価を安くすることができる。

本発明は、上記実施の形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内において、種々の変更が可能である。

例えば、切換スイッチ１８を押しボタン式のスイッチに構成してもよい。

また、二次電池５から直流電圧を出力できるように構成してもよい。

また、商用電源を充電することなく、そのまま出力できるように構成してもよい。

さらに、商用電源の交流電圧値の範囲及び直流電源の直流電圧値の範囲は例示であり、これに限定されるものではない。従って、本電源装置１を日本国以外の外国においても使用できるように適宜設計変更してもよい。

本発明は、災害時、停電時、外出時等の際に商用電源を利用できない場合であっても、各種機器を使用できるようにするために用いられるものであり、例えば、携帯電話やノートパソコンの充電、デスクトップパソコンの使用、熱帯魚水槽の酸素供給・温度制御、測定器等の移動、災害・停電・外出時の照明、災害・停電・外出時のテレビやラジオの使用等の用途に適用される。

本発明の実施形態例に係る電源装置の構成を示すブロック図である。 充電器の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態例に係る電源装置の外観を示す正面図である。

符号の説明

１：電源装置
２：商用電源入力部
３：直流電源入力部
４：電源出力部
５：二次電池
６：充電器（充電手段）
７：インバータ
８：整流回路
９：平滑回路
１０：高周波トランス
１１：制御部
１２：充電制御スイッチ
１３：センス抵抗
１４ａ：入力端子
１４ｂ：出力端子
１５：第１のスイッチ
１６：第２のスイッチ
１７：第３のスイッチ
１８：切換スイッチ
１８ａ：操作ノブ
１９：本体
２０：確認ランプ
２１：状態表示ランプ
２２：メインスイッチ

Claims (5)

1. 二次電池と、商用電源の交流電圧により前記二次電池を充電する充電手段と、前記二次電池から出力された直流電圧を商用電源用の交流電圧に変換するインバータとを有し、
   直流電源の直流電圧を前記インバータにより交流電圧に変換し、変換された交流電圧を前記充電手段に供給することにより前記二次電池を充電できるように構成されている、
   ことを特徴とする電源装置。
2. 商用電源入力部と、直流電源入力部と、電源出力部と、二次電池と、商用電源の交流電圧により前記二次電池を充電する充電手段と、前記二次電池から出力された直流電圧を商用電源用の交流電圧に変換するインバータとを有し、
   商用電源から前記商用電源入力部を介して入力された交流電圧を前記充電手段に供給することにより前記二次電池を充電し、前記二次電池から出力された直流電圧を前記インバータにより商用電源用の交流電圧に変換し、変換された交流電圧を前記電源出力部から出力する第１の動作モードと、直流電源から前記直流電源入力部を介して入力された直流電圧を前記インバータにより交流電圧に変換し、変換された交流電圧を前記充電手段に供給することにより前記二次電池を充電する第２の動作モードとの少なくとも２つの動作モードを切り換える切換手段を有する、
   ことを特徴とする電源装置。
3. 前記二次電池はリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
4. 前記商用電源の交流電圧は、９０Ｖから１１０Ｖの範囲内の電圧であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つの項に記載の電源装置。
5. 前記直流電源の直流電圧は、１０．５Ｖから２４Ｖの範囲内の電圧であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つの項に記載の電源装置。

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