JP2009232638A - 電源管理システム、及び電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】寿命が長い電源管理システム、及び電源装置を提供する。
【解決手段】電荷蓄積回路２００は、パルス状電圧を生成するパルス電圧生成回路に接続される充電用入力正極端子２０１と、パルス電圧生成回路に接続される充電用入力負極端子２０２と、充電用入力正極端子２０１と放電用出力正極端子２０３との間に複数のダイオードを直列に配列して一方向に電流が流れる第１の経路Ａと、充電用入力負極端子２０２と放電用出力負極端子２０４とを接続する第２の経路Ｂと、一端が第１の経路Ａに接続され、他端が第２の経路Ｂに接続される二次電池２０６、キャパシタ２１０，２１４と、二次電池２０６、一端が第１の経路Ａに接続され、他端が充電用入力正極端子２０１に接続される二次電池２０８、キャパシタ２１２と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の二次電池を組み合わせた電源管理システム、及び電源装置に関する。

現在、携帯電子機器には、動力源として二次電池が用いられている。
例えば、特許文献１の充電装置は、複数の電池セルを直列又は並列に並び換える構成を有する。
特開平１０−３０２８４６号公報

しかし、特許文献１の技術では、放電時に、二次電池を構成する電池セルの電圧や充電状態にバラつきがある状態で直列に接続して使用すると、二次電池全体の寿命が必要以上に短くなるという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、寿命が長い電源管理システム、及び電源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る電源管理システムは、
ハイとローからなるパルス状の電圧を生成するパルス電圧生成回路と、
前記パルス電圧生成回路が供給したパルス状の電圧によって電荷を蓄積し、蓄積した電荷を出力する電荷蓄積回路とから構成され、
前記電荷蓄積回路は、
前記パルス電圧生成回路の出力正極端子に接続される充電用入力正極端子と、
前記パルス電圧生成回路の出力負極端子に接続される充電用入力負極端子と、
他装置の入力負極端子に接続される放電用出力負極端子と、
他装置の入力正極端子に接続される放電用出力正極端子と、
前記充電用入力正極端子と前記放電用出力正極端子との間に複数のダイオードを直列に配列し、一方向に電流が流れる第１の経路と、
前記充電用入力負極端子と前記放電用出力負極端子とを接続する第２の経路と、
一端が第１の経路に接続され、他端が前記第２の経路に接続され、電荷を蓄積する複数の第１の電荷蓄積部と、
前記複数の第１の電荷蓄積部と前記第１の経路とが接続する複数の点の間に一端を接続され、他端が前記充電用入力正極端子に接続される複数の第２の電荷蓄積部と、を備え、
前記第１の電荷蓄積部と前記第１の経路とが接続する点と前記第２の電荷蓄積部と前記第１の経路とが接続する点との間には、前記ダイオードが配置されることを特徴とする。

本発明の第２の観点に係る電源装置は、
パルス電圧生成回路が供給したハイとローからなるパルス状の電圧によって電荷を蓄積し、蓄積した電荷を出力する電源装置であって、
前記パルス電圧生成回路の出力正極端子に接続される充電用入力正極端子と、
前記パルス電圧生成回路の入力負極端子に接続される充電用出力負極端子と、
他装置の出力負極端子に接続される放電用出力負極端子と、
他装置の入力正極端子に接続される放電用出力正極端子と、
前記充電用入力正極端子と前記放電用出力正極端子との間に複数のダイオードを直列に配列し、一方向に電流が流れる第１の経路と、
前記充電用入力負極端子と前記放電用出力負極端子とを接続する第２の経路と、
一端が第１の経路に接続され、他端が前記第２の経路に接続され、電荷を蓄積する複数の第１の電荷蓄積部と、
前記複数の第１の電荷蓄積部と前記第１の経路とが接続する複数の点の間に一端が接続され、他端が前記充電用入力正極端子に接続される複数の第２の電荷蓄積部と、を備え、
前記第１の電荷蓄積部と前記第１の経路とが接続する点と前記第２の電荷蓄積部と前記第１の経路とが接続する点との間には、前記ダイオードが配置されることを特徴とする。

本発明によれば、寿命が長い電源管理システム、及び電源装置を提供することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る電源管理システム１０００について説明する。電源管理システム１０００は、外部より電力を供給されて電荷を蓄積し、蓄積した電荷を他装置に出力する。
電源管理システム１０００は、図１に示すように、パルス生成回路１００と、電荷蓄積回路２００とを備える。

パルス生成回路１００は、図示しない直流電源から電圧Ｖｃの直流電流を供給され、供給された直流電流を、図３に示すような、ローが電圧０でハイが電圧Ｖｃのパルス状電圧に変換して、電荷蓄積回路２００に供給する。
パルス生成回路１００は、直流電源入力正極端子１０１と、直流電源入力負極端子１０２と、電池出力正極端子１０３と、電池出力負極端子１０４とを備える。なお、直流電源入力負極端子１０２と電池出力負極端子１０４とは、接地され、基準電位を有する。

さらに詳しく説明すると、直流電源入力正極端子１０１と直流電源入力負極端子１０２との間の電位差がＶｃの電流をパルス生成回路１００に供給すると、パルス生成回路１００は、電池出力正極端子１０３と電池出力負極端子１０４との間の電位差が、ローの時は電圧０でハイの時はＶｃのパルス状電圧を出力する。

直流電源入力正極端子１０１と直流電源入力負極端子１０２とは、図示しない直流電源と接続され、直流電源は、直流電源入力正極端子１０１と直流電源入力負極端子１０２とを介して直流電流をパルス生成回路１００に供給する。

電池出力正極端子１０３と電池出力負極端子１０４とは、電荷蓄積回路２００と接続され、パルス生成回路１００は、パルス状の電圧を、電池出力正極端子１０３と電池出力負極端子１０４とを介して電荷蓄積回路２００に供給する。

電荷蓄積回路２００は、パルス生成回路１００より供給されたパルス状の電圧を供給されて電荷を蓄積し、充電する。また、電荷蓄積回路４００は、蓄積した電荷を他装置に出力する。

電荷蓄積回路２００は、充電用入力正極端子２０１と、充電用入力負極端子２０２と、放電用出力正極端子２０３と、放電用出力負極端子２０４と、ダイオード２０５，２０７，２０９，２１１，２１３と、二次電池２０６，２０８と、キャパシタ２１０，２１２，２１４と、第１の経路Ａと、第２の経路Ｂとを備える。

図２に示すように、第１の経路Ａは、一端が充電用入力正極端子２０１であり、他端が放電用出力正極端子２０３である。第１の経路Ａ上には、ダイオード２０５，２０７，２０９，２１１，２１３が充電用入力正極端子２０１から放電用出力正極端子２０３への順に配設され、充電用入力正極端子２０１から放電用出力正極端子２０３への一方向に電流が流れるようになっている。

第２の経路Ｂは、一端が充電用入力負極端子２０２であり、他端が放電用出力負極端子２０４である。

充電用入力正極端子２０１は、電池出力負極端子１０４と接続される。

充電用入力負極端子２０２は、電池出力正極端子１０３と接続される。また、充電用入力負極端子２０２は、接地されており、基準電位を有する。

放電用出力正極端子２０３と放電用出力負極端子２０４とは、他装置に電力を供給する。なお、放電用出力負極端子２０４は、接地されており、基準電位を有する。

二次電池２０６は、第１の経路Ａ上のダイオード２０５とダイオード２０７との間に正極が接続し、第２の経路Ｂに負極が接続する。

二次電池２０８は、第１の経路Ａ上のダイオード２０７とダイオード２０９との間に正極が接続し、充電用入力正極端子２０１に負極が接続する。

キャパシタ２１０は、第１の経路Ａ上のダイオード２０９とダイオード２１１との間に一端が接続し、第２の経路Ｂに他端が接続する。

キャパシタ２１２は、第１の経路Ａ上のダイオード２１１とダイオード２１３との間に一端が接続し、充電用入力正極端子２０１に他端が接続する。

キャパシタ２１４は、第１の経路Ａ上のダイオード２１３と放電用出力正極端子２０３との間に一端が接続し、第２の経路Ｂに他端が接続する。

つまり、二次電池２０６とキャパシタ２１０，２１４とは、一端が第１の経路Ａに接続され、他端が第２の経路Ｂに接続される。また、二次電池２０８とキャパシタ２１２とは、二次電池２０６、キャパシタ２１０、キャパシタ２１４と前記第１の経路とが接続する各点の間に一端が接続され、他端が充電用入力正極端子２０１に接続される。

以下、上記構成の電源管理システムの動作を説明する。

図５に示すように、電荷蓄積回路２００へのパルス状電圧の供給を開始し、電荷蓄積回路２００にパルス状電圧のハイが供給されると、充電用入力正極端子２０１と充電用入力負極端子２０２との間の電位差がＶｃとなり、二次電池２０６と、キャパシタ２１０，２１４とにかかり、図４（ａ）に示すように、二次電池２０６と、キャパシタ２１０，２１４とは、電荷を蓄積し、電圧Ｖｃとなる。

次に、電荷蓄積回路２００にパルス状電圧のローが供給されると、充電用入力正極端子２０１と充電用入力負極端子２０２との間の電位差が０となり、二次電池２０６は、蓄積した電荷を二次電池２０８とキャパシタ２１２とに供給する。

また、同様に、キャパシタ２１０は、蓄積した電荷をキャパシタ２１２に供給する。なお、ダイオード２０５，２０７，２０９，２１１が、充電用入力正極端子２０１から放電用出力正極端子２０３への一方向に電流を流すように配置されているので、充電用入力正極端子２０１の方へ電荷が移動することはない。

以上のことを繰り返して、パルス生成回路１００が電荷蓄積回路２００にパルス状電圧のハイとローを繰り返して供給すると、電荷蓄積回路２００は、図４（ｂ）に示すように、遷移状態を経て、二次電池２０６に電圧Ｖｃを、二次電池２０８に電圧２Ｖｃを、キャパシタ２１０に電圧２Ｖｃを、キャパシタ２１２に電圧２Ｖｃを、キャパシタ２１４に電圧３Ｖｃを有するようになり、図５に示すように、定常状態に移行する。そして、放電用出力正極端子２０３と放電用出力負極端子２０４との間の電位差は、３Ｖｃとなり、電荷蓄積回路２００は、電圧３Ｖｃの電流を出力する。

ここで、図５に示すように、電荷蓄積回路２００へのパルス状電圧の供給を停止し、充電用入力正極端子２０１と充電用入力負極端子２０２との間の電位差が０となると、電荷蓄積回路２００は、図４（ｃ）に示すように、遷移状態を経て、二次電池２０６に電圧Ｖｃを、二次電池２０８に電圧Ｖｃを、キャパシタ２１０に電圧Ｖｃを、キャパシタ２１２に電圧Ｖｃを、キャパシタ２１４に電圧Ｖｃを有するようになり、図５に示すように、定常状態に移行する。そして、放電用出力正極端子２０３と放電用出力負極端子２０４との間の電位差は、Ｖｃとなり、電荷蓄積回路２００は、電圧Ｖｃの電流を出力する。そして、この定常状態は、二次電池２０６，２０８が、全ての電荷を放電するまで続く。

このようにして、第１の実施形態に係る電源管理システムは、外部の直流電源がパルス生成回路１００に接続されている場合は、電荷蓄積回路２００に接続されている電子機器を高い電圧で駆動させることができる。

また、外部の直流電源のパルス生成回路１００への接続が外され、電池駆動にした場合は、低い電圧で電子機器を駆動させることができる。

例えば、図６（ａ）に示すように、ダイオード２１５，２１７とキャパシタ２１６，２１８とを追加してもよい。この例において、電源管理システムは、外部の直流電源がパルス生成回路１００に接続されている場合は、電荷蓄積回路２００に接続されている電子機器を、充電電圧の四倍の電圧で駆動させることができる。
なお、さらに、２つのダイオードと２つのキャパシタとから構成される同様な回路を何組か追加することによって、電源管理システムは、外部の直流電源がパルス生成回路１００に接続されている場合は、電荷蓄積回路２００に接続されている電子機器を、充電電圧のさらに高い倍数の電圧で駆動させることができる。

また、図６（ｂ）に示すように、上記実施形態におけるキャパシタを二次電池で置き換えてもよい。
また、図６（ｃ）に示すように、上記実施形態における二次電池をキャパシタに置き換えてもよい。

また、その他、具体的な細部構成等についても適宜変更可能である。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る電源管理システム２０００を説明する。電源管理システム２０００は、外部より電力を供給されて電荷を蓄積し、蓄積した電荷を他装置に出力する。
電源管理システム２０００は、図７に示すように、充電回路３００と、電荷蓄積回路４００とを備える。

充電回路３００は、図示しない直流電源から電圧Ｖｃの直流電流を供給され、供給された直流電流を電荷蓄積回路４００に供給する。また、充電回路３００は、電荷蓄積回路４００が有する二次電池の回路構成を並列又は直列に変換する。
充電回路３００は、直流電源入力正極端子３０１と、直流電源入力負極端子３０２と、電池出力正極端子３０３と、制御出力端子３０４〜３０６と、電池出力負極端子３０７とを備える。なお、直流電源入力負極端子３０２と電池出力負極端子３０７とは、接地され、基準電位を有する。

直流電源入力正極端子３０１と直流電源入力負極端子３０２とは、図示しない直流電源と接続され、直流電源は、直流電源入力正極端子３０１と直流電源入力負極端子３０２とを介して直流電流を充電回路３００に供給する。

電池出力正極端子３０３と電池出力負極端子３０７とは、電荷蓄積回路２００と接続され、充電回路３００は、直流電流を、電池出力正極端子３０３と電池出力負極端子３０７とを介して電荷蓄積回路４００に供給する。

制御出力端子３０４〜３０６は、電荷蓄積回路２００が有するトランジスタのベースに接続され、充電回路３００は、制御出力端子３０４〜３０６を介して、電荷蓄積回路２００が有するトランジスタのベースに電圧をかけることによって、電荷蓄積回路２００が有する二次電池の回路構成を並列又は直列に変換する。

電荷蓄積回路４００は、充電回路３００の制御に基づいて、二次電池の回路構成を並列に変換して、充電回路３００より供給された電荷を蓄積し、充電する。そして、電荷蓄積回路４００は、充電回路３００の制御に基づいて、二次電池の回路構成を直列に変換して、蓄積した電荷を他装置に出力する。
電荷蓄積回路４００は、図８に示すように、充電用入力正極端子４０１と、制御入力端子４０２〜４０４と、充電用入力負極端子４０５と、放電用出力正極端子４０６と、放電用出力負極端子４０７と、ダイオード４１１，４１５と、二次電池４０８，４１２，４１６と、トランジスタ４０９，４１０，４１３，４１４とを備える。

充電用入力正極端子４０１は電池出力正極端子３０３に、制御入力端子４０２〜４０４は制御出力端子３０４〜３０６に、充電用入力負極端子４０５は電池出力負極端子３０７に接続される。充電用入力負極端子４０５と放電用出力負極端子４０７とは、直接に接続され、接地され、基準電位を保つ。

二次電池４０８は、正極が充電用入力正極端子４０１に接続し、負極が充電用入力負極端子４０５及び放電用出力負極端子４０７に接続する。

トランジスタ４０９は、ＰＮＰ型トランジスタであり、ベースが制御入力端子４０３に、エミッタが充電用入力正極端子４０１に、コレクタがトランジスタ４１０のコレクタ及び二次電池４１２の負極に接続する。

トランジスタ４１０は、ＮＰＮ型トランジスタであり、ベースが制御入力端子４０２に、エミッタが充電用入力負極端子４０５及び放電用出力負極端子４０７に、コレクタがトランジスタ４０９のコレクタ及び二次電池４１２の負極に接続する。

ダイオード４１１は、正極が充電用正極入力端子４０１に、負極が二次電池４１２の正極及びトランジスタ４１３のエミッタに接続する。

二次電池４１２は、正極がダイオード４１１の負極及びトランジスタ４１３のエミッタに、負極がトランジスタ４０９のコレクタ及びトランジスタ４１０のコレクタに接続する。

トランジスタ４１３は、ＰＮＰ型トランジスタであり、ベースが制御入力端子４０４に、エミッタがダイオード４１１の負極及び二次電池４１２の正極に、コレクタがトランジスタ４１４のコレクタ及び二次電池４１６の負極に接続する。

トランジスタ４１４は、ＮＰＮ型トランジスタであり、ベースが制御入力端子４０２に、エミッタが充電用入力負極端子４０５及び放電用出力負極端子４０７に、コレクタがトランジスタ４０９のコレクタ及び二次電池４１２の負極に接続する。

ダイオード４１５は、正極が充電用入力正極端子４０１に、負極が二次電池４１６の正極及び放電用出力正極端子４０６に接続する。

二次電池４１６は、正極がダイオード４１５及び放電用出力正極端子４０６に、負極がトランジスタ４１３のコレクタ及びトランジスタ４１４のコレクタに接続する。

以下、上記構成の電源管理システム２０００の動作を説明する。

先ず、充電回路３００は、制御端子４０３，４０４に電圧をかけないで、制御入力端子４０２に電圧をかけ、二次電池４０８，４１２，４１６の回路を並列にする。そして、充電回路３００は、充電用入力正極端子４０１及び充電用入力負極端子４０３を介して電力を供給して、二次電池４０８，４１２，４１６に電荷を蓄積させる。
次に、充電回路３００は、制御入力端子４０２に電圧をかけないで、制御入力端子４０３，４０４に電圧をかけ、二次電池４０８，４１２，４１６の回路を直列にする。そして、直列に配列された二次電池４０８，４１２，４１６は、放電用出力正極端子４０６と放電用出力負極端子４０７とを介して電力を出力する。

以上、第２の実施形態に係る電源管理システム２０００は、充電時には、複数の二次電池を並列にすることによって効率的に充電し、放電時には、複数の二次電池を直列することによって強力な電力を出力することができる。

第２の実施形態においては、三つの二次電池を使用したが、二次電池の数は任意である。また、それに伴って、トランジスタ及びダイオードの数も変更される。また、トランジスタは、ＮＰＮ型とＰＮＰ型が使用されたが、他の型のものが使用されてもよい。

また、その他、具体的な細部構成等についても適宜変更可能である。

本発明の第１の実施形態に係る電源管理システムの構成図である。 図１の電荷蓄積回路の構成図である。 図１のパルス生成回路が出力するパルス電流である。 図１の電荷蓄積回路の動作を説明するための図である。 電荷蓄積回路の入力と出力との関係を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る電源管理システムの応用例における電荷蓄積回路の構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る電源管理システムの構成図である。 図７の電荷蓄積回路の構成図である。

符号の説明

１００ パルス生成回路
１０１ 直流電源入力正極端子
１０２ 直流電源入力負極端子
１０３ 電池出力正極端子
１０４ 電池出力負極端子
２００ 電荷蓄積回路
２００’ 電荷蓄積回路
２００’’ 電荷蓄積回路
２００’’’電荷蓄積回路
２０１ 充電用入力正極端子
２０２ 充電用入力負極端子
２０３ 放電用出力正極端子
２０４ 放電用出力負極端子
２０５，２０７，２０９，２１１，２１３，２１５，２１６ ダイオード
２０６，２０８，２１０'，２１２'，２１４’ 二次電池
２１０，２１２，２１４，２１６，２１８，２０６’，２０８’ キャパシタ
３００ 充電回路
３０１ 直流電源入力正極端子
３０２ 直流電源入力負極端子
３０３ 電池出力正極端子
３０４〜３０６ 制御出力端子
３０７ 電池出力負極端子
４００ 電荷蓄積回路
４０１ 充電用入力正極端子
４０２〜４０４ 制御入力端子
４０５ 充電用入力負極端子
４０６ 放電用出力正極端子
４０７ 放電用出力負極端子
４０８，４１２，４１６ 二次電池
４１１，４１５ ダイオード
４０３，４１０，４１３，４１４ トランジスタ

Claims (6)

1. ハイとローからなるパルス状の電圧を生成するパルス電圧生成回路と、
   前記パルス電圧生成回路が供給したパルス状の電圧によって電荷を蓄積し、蓄積した電荷を出力する電荷蓄積回路とから構成され、
   前記電荷蓄積回路は、
   前記パルス電圧生成回路の出力正極端子に接続される充電用入力正極端子と、
   前記パルス電圧生成回路の出力負極端子に接続される充電用入力負極端子と、
   他装置の入力負極端子に接続される放電用出力負極端子と、
   他装置の入力正極端子に接続される放電用出力正極端子と、
   前記充電用入力正極端子と前記放電用出力正極端子との間に複数のダイオードを直列に配列し、一方向に電流が流れる第１の経路と、
   前記充電用入力負極端子と前記放電用出力負極端子とを接続する第２の経路と、
   一端が第１の経路に接続され、他端が前記第２の経路に接続され、電荷を蓄積する複数の第１の電荷蓄積部と、
   前記複数の第１の電荷蓄積部と前記第１の経路とが接続する複数の点の間に一端を接続され、他端が前記充電用入力正極端子に接続される複数の第２の電荷蓄積部と、を備え、
   前記第１の電荷蓄積部と前記第１の経路とが接続する点と前記第２の電荷蓄積部と前記第１の経路とが接続する点との間には、前記ダイオードが配置される、
   ことを特徴とする電源管理システム。
2. 前記複数の第１の電荷蓄積部は、二次電池及び／又はキャパシタであることを特徴とする請求項１に記載の電源管理システム。
3. 前記複数の第２の電荷蓄積部は、二次電池及び／又はキャパシタであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源管理システム。
4. 前記第１の電荷蓄積部は、
   前記パルス電圧生成部がハイの電圧を供給した場合には、前記パルス電圧生成部から供給された電荷を蓄積し、
   前記第２の電荷蓄積部は、
   前記パルス電圧生成部がローの電圧を供給した場合には、当該第２の電荷蓄積部と前記第１の経路とが接続する点と前記充電用入力正極端子との間に接続される各第１の電荷蓄積部より電荷を受け取って蓄積し、
   前記第１の電荷蓄積部は、
   前記パルス電圧生成回路がハイの電圧を供給した場合には、当該第１の電荷蓄積部と前記第１の経路とが接続する点と前記充電用入力端子との間に接続される各第２の電荷蓄積部より電荷を受け取って蓄積し、同時に、前記パルス電圧生成部から供給された電荷を蓄積する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源管理システム。
5. 前記電荷蓄積回路は、
   前記パルス電圧生成回路が前記パルス状の電圧を供給している場合には、前記パルス状のハイの電圧の電位に、前記複数の第１の電荷蓄積部の数を掛けた電圧の電圧を出力し、
   前記パルス電圧生成回路が前記パルス状の電圧を供給していない場合には、前記パルス状のハイの電圧の電位と等しい電圧の電圧を出力する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電源管理システム。
6. パルス電圧生成回路が供給したハイとローからなるパルス状の電圧によって電荷を蓄積し、蓄積した電荷を出力する電源装置であって、
   前記パルス電圧生成回路の出力正極端子に接続される充電用入力正極端子と、
   前記パルス電圧生成回路の入力負極端子に接続される充電用出力負極端子と、
   他装置の出力負極端子に接続される放電用出力負極端子と、
   他装置の入力正極端子に接続される放電用出力正極端子と、
   前記充電用入力正極端子と前記放電用出力正極端子との間に複数のダイオードを直列に配列し、一方向に電流が流れる第１の経路と、
   前記充電用入力負極端子と前記放電用出力負極端子とを接続する第２の経路と、
   一端が第１の経路に接続され、他端が前記第２の経路に接続され、電荷を蓄積する複数の第１の電荷蓄積部と、
   前記複数の第１の電荷蓄積部と前記第１の経路とが接続する複数の点の間に一端が接続され、他端が前記充電用入力正極端子に接続される複数の第２の電荷蓄積部と、を備え、
   前記第１の電荷蓄積部と前記第１の経路とが接続する点と前記第２の電荷蓄積部と前記第１の経路とが接続する点との間には、前記ダイオードが配置される、
   ことを特徴とする電源装置。

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