JP2012100368A

JP2012100368A - 電源回路および電源供給方法

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Publication number: JP2012100368A
Application number: JP2010243438A
Authority: JP
Inventors: Ritsu Tei; 立鄭
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2012-05-24

Abstract

【課題】負荷回路を一次電池で間欠的に駆動する場合でも一次電池の電池容量の低減を抑制する。
【解決手段】電池容量特性が放電電流ＩＢに対してピークＰを有する一次電池１１を設け、定電流回路１２により、一次電池１１からの放電電流ＩＢを、ピークＰの際の最適放電電流ＩＢｓ以下に制限して出力し、容量素子１３により、定電流回路１２から出力された放電電流ＩＢを充電し、負荷回路２０を駆動するための駆動電流ＩＬとして供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源回路技術に関し、特に間欠的に動作する負荷回路に対して駆動電流を供給する電源回路技術に関する。

負荷回路を間欠的に動作させる場合、負荷回路の動作期間において一時的に大きな電流が必要となる。例えば、工業プラントやビルなどの設備で用いられる端末装置では、センサで計測した任意の計測データを、数秒から数分の周期のうち数ミリ秒程度の動作期間で間欠的に無線回路を動作させて無線送信する機能を有している。例えば、近距離無線通信用の無線回路では、例えば数１０ｍＡ程度の比較的大きな動作電流が必要となる。

負荷回路を一次電池で駆動する場合、一次電池が持つ内部抵抗により放電電流に応じた電力消費が発生する。したがって、一次電池の放電電流が大きい場合、一次電池の内部抵抗により大きな電力消費が発生するため、一次電池の電池容量が低減してしまい、一次電池の持つ電力を効率よく利用することができない。電池容量とは、電池の放電電圧が放電開始時の定格電圧から所定の放電終止電圧まで低下する間に電池から放電できる電気量であり、電流と時間の積からなるアンペア時（Ａｈ）で表される。

従来より、負荷回路を一次電池で間欠的に駆動するための電源回路として、一次電池の両端にコンデンサを接続した電源回路が広く用いられている（例えば、特許文献１など参照）。この種の電源回路によれば、一次電池の電力をコンデンサに蓄電しておき、負荷回路を駆動する際には、コンデンサから大きな電流を負荷回路へ供給することができ、一次電池からの放電電流を抑えることが可能となる。

特開２００１−３２５０２９号公報

しかしながら、このような従来技術では、負荷回路を一次電池で間欠的に動作させる場合に、一次電池からの放電電流を抑えることができるものの、必ずしも一次電池の電池容量の低減を抑制して一次電池の持つ電力を効率よく利用することにはならないという問題点があった。

すなわち、一次電池における放電電流と電池容量との関係は、放電電流の増加に応じて電池容量が単調減少する第１の特性と、放電電流の増加に応じて電池容量が単調増加した後、さらなる放電電流の増加に応じて電池容量が単調減少する第２の特性の２種類に大別される。したがって、第２の特性を持つ一次電池については、放電電流を抑制し過ぎた場合、電池容量が低下して、一次電池の持つ電力を効率よく利用できなくなる。特に、工業プラントやビルなどの設備で用いられる端末装置では、一次電池の出力電圧、寿命、自己放電特性、温度特性などを考慮してリチウムイオン電池を用いる場合が多く、この種のリチウムイオン電池は第２の特性を持つものが多い。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、負荷回路を一次電池で間欠的に駆動する場合でも一次電池の電池容量の低減を抑制できる電源回路技術を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる電源回路は、間欠的に動作する負荷回路に対して駆動電流を供給する電源回路であって、電池容量特性が放電電流に対してピークを有する一次電池と、一次電池からの放電電流を、ピークの際の電流値以下に制限して出力する定電流回路と、定電流回路から出力された放電電流を充電し、負荷回路を駆動するための駆動電流として供給する容量素子とを備えている。

また、本発明にかかる電源供給方法は、間欠的に動作する負荷回路に対して駆動電流を供給する電源回路で用いられる電源供給方法であって、電池容量特性が放電電流に対してピークを有する一次電池からの放電電流を、ピークの際の電流値以下に制限して容量素子に充電した後、負荷回路を駆動するための駆動電流として供給する。

本発明によれば、一次電池の放電電流が最適放電電流に制限される制限期間において、一次電池の電池容量が最大電池容量となる。このため、負荷回路を一次電池で間欠的に駆動する場合でも、一次電池の電池容量の低減を抑制でき、一次電池の持つ電力を効率よく利用することが可能となる。
これにより、工業プラントやビルなどの設備で用いられて、センサで計測した任意の計測データを、数秒から数分の周期のうち数ミリ秒程度の動作期間で間欠的に無線回路を動作させて無線送信する端末装置に適用した場合、一次電池の寿命を大幅に延長させることができ、一次電池の交換作業にかかる負担を大幅に削減でき、極めて有用な端末装置を実現することが可能となる。

本実施の形態にかかる電にかかる電源回路の構成を示すブロック図である。一次電池の電池容量特性を示すグラフである。定電流ダイオードを用いた定電流回路の構成例である。ＭＯＳＦＥＴを用いた定電流回路の構成例である。本実施の形態にかかる電源回路の動作を示す信号波形図である。

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
［本実施の形態］
まず、図１を参照して、本実施の形態にかかる電源回路について説明する。図１は、本実施の形態にかかる電にかかる電源回路の構成を示すブロック図である。

電源回路１０は、間欠的に動作する負荷回路に対して駆動電流を供給するための回路である。この電源回路１０は、工業プラントやビルなどの設備で用いられて、センサで計測した任意の計測データを、数秒から数分の周期のうち数ミリ秒程度の動作期間で間欠的に無線回路を動作させて無線送信する端末装置の電源回路として用いられる。

電源回路１０には、主な回路部として、一次電池１１、定電流回路１２、および容量素子１３が設けられている。
具体的な回路構成は、定電流回路１２の入力端子ＩＮに一次電池１１の正極端子＋が接続され、定電流回路１２の出力端子ＯＵＴに容量素子１３の一端と電源回路１０の電源端子Ｖとが接続されている。また、一次電池１１の負極端子−は、容量素子１３の他端と電源回路１０の接地端子ＧＮＤとが接続されている。電源回路１０の電源端子Ｖと接地端子ＧＮＤとの間に、無線回路などの負荷回路２０が接続されて、電源回路１０から負荷回路２０へ駆動電流ＩＬが供給される。

一次電池１１は、リチウム電池などの一般的な一次電池からなり、放電電流応じた電池容量を示す電池容量特性（放電電流−電池容量特性）として放電電流に対してピークを有する特性を備えている。このような電池容量特性を持つ一次電池の具体例としては、例えばＴＡＤＩＲＡＮ社製ＴＬ−５９２０などのリチウム電池がある。電池容量とは、電池の放電電圧が放電開始時の定格電圧から所定の放電終止電圧まで低下する間に電池から放電できる電気量であり、電流と時間の積からなるアンペア時（Ａｈ）で表される。

図２は、一次電池の電池容量特性を示すグラフであり、横軸が一次電池１１の放電電流ＩＢ（ｍＡ）を示し、縦軸が一次電池１１の電池容量Ｗ（Ａｈ）を示している。
図２の電池容量特性では、放電電流ＩＢが０．１ｍＡから増加するに連れて電池容量Ｗが単調増加し、放電電流ＩＢが最適放電電流ＩＢｓに到達した時点で電池容量Ｗが最大電池容量Ｗｍａｘとなり、さらに放電電流ＩＢが１００ｍＡへ向けて増加するに連れて電池容量Ｗが最大電池容量Ｗｍａｘから単調減少している。したがって、この電池容量特性は、放電電流ＩＢが最適放電電流ＩＢｓの際に、電池容量Ｗが最大電池容量ＷｍａｘとなるピークＰを有している。

定電流回路１２は、一次電池１１からの放電電流ＩＢを、一次電池１１の電池容量特性におけるピークＰの際の最適放電電流ＩＢｓ以下に制限して出力する機能を有している。この際、前述の図２に示したように、電池容量特性はなだらかなピークＰを持つ。このため、定電流回路１２では、厳密に最適放電電流ＩＢｓ以下とはせずに、最適放電電流ＩＢｓ付近の電流値以下としても同様の作用効果を得ることができる。
図３は、定電流ダイオードを用いた定電流回路の構成例である。図４は、ＭＯＳＦＥＴを用いた定電流回路の構成例である。定電流回路１２の具体例としては、図３や図４に示すような公知の回路技術を用いればよい。

容量素子１３は、電解コンデンサなどの一般的な容量素子からなり、定電流回路１２から出力された放電電流ＩＢを充電し、負荷回路２０を駆動するための駆動電流ＩＬとして出力する機能を有している。

［本実施の形態の動作］
次に、図５を参照して、本実施の形態にかかる電源回路１０の動作について説明する。図５は、本実施の形態にかかる電源回路の動作を示す信号波形図である。

負荷回路２０は、順次、周期Ｔｃで間欠動作を行っており、図５では、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの動作期間Ｔｍに動作し、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの待機期間Ｔｗに消費電力の少ない待機状態へ移行する。
したがって、電源回路１０から負荷回路２０に供給される駆動電流ＩＬは、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの動作期間Ｔｍにおいて動作電流ＩＬｍまで上昇し、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの待機期間Ｔｗにおいて待機電流ＩＬｗまで低下する。

一方、電源回路１０では、時刻Ｔ０からの動作期間Ｔｍにおいて、容量素子１３から負荷回路２０へ動作電流ＩＬｍが供給されて容量素子１３の両端の充電電圧ＶＣが低下する。このため、充電電圧ＶＣおよび定電流回路１２での電圧降下分ＶＤを合わせた電圧ＶＣ＋ＶＤと、一次電池１１の両端の放電電圧ＶＢとの電位差に応じて、一次電池１１から定電流回路１２を介して容量素子１３および負荷回路２０へ、放電電流ＩＢが供給される。

この後、時刻Ｔ１に動作期間Ｔｍが終了して待機期間Ｔｗへ移行する。これにより、負荷回路２０の動作が停止して待機状態となるため、負荷回路２０への駆動電流ＩＬは、待機電流ＩＬｗまで低下する。
この際、容量素子１３の充電電圧ＶＣは、放電電圧ＶＢより大きく低下した状態にあることから、一次電池１１から定電流回路１２を介した容量素子１３への放電電流ＩＢの供給が継続される。

このようにして、容量素子１３が徐々に充電されて充電電圧ＶＣが上昇し、充電電圧ＶＣおよび定電流回路１２での電圧降下分ＶＤを合わせた電圧ＶＣ＋ＶＤが、一次電池１１の両端の放電電圧ＶＢまで上昇した時点で、放電電流ＩＢが停止する。
ここで、放電電流ＩＢは、図５の制限期間Ｔｘに示すように、最適放電電流ＩＢｓまで上昇した場合、定電流回路１２により最適放電電流ＩＢｓに制限される。このため、前述の図２に示したように、一次電池１１は、制限期間Ｔｘにおいて最大電池容量Ｗｍａｘが得られることになる。

［本実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、電池容量特性が放電電流ＩＢに対してピークＰを有する一次電池１１を設け、定電流回路１２により、一次電池１１からの放電電流ＩＢを、ピークＰの際の最適放電電流ＩＢｓ以下に制限して出力し、容量素子１３により、定電流回路１２から出力された放電電流ＩＢを充電し、負荷回路２０を駆動するための駆動電流ＩＬとして供給するようにしたので、一次電池１１からの放電電流ＩＢを最適放電電流ＩＢｓに制限することができる。

したがって、一次電池１１の放電電流ＩＢが最適放電電流ＩＢｓに制限される制限期間Ｔｘにおいて、一次電池１１の電池容量Ｗが最大電池容量Ｗｍａｘとなる。このため、負荷回路２０を一次電池１１で間欠的に駆動する場合でも、一次電池１１の電池容量の低減を抑制でき、一次電池１１の持つ電力を効率よく利用することが可能となる。
これにより、工業プラントやビルなどの設備で用いられて、センサで計測した任意の計測データを、数秒から数分の周期のうち数ミリ秒程度の動作期間で間欠的に無線回路を動作させて無線送信する端末装置に適用した場合、一次電池の寿命を大幅に延長させることができ、一次電池の交換作業にかかる負担を大幅に削減でき、極めて有用な端末装置を実現することが可能となる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

１０…電源回路、１１…一次電池、１２…定電流回路、１３…容量素子、２０…負荷回路、Ｔｃ…周期、Ｔｍ…動作期間、Ｔｗ…待機期間、Ｔｘ…制限期間、ＩＢ…放電電流、ＩＢｓ…最適放電電流、ＩＬ…駆動電流、ＩＬｍ…動作電流、ＩＬｗ…待機電流、ＶＢ…放電電圧、ＶＣ…充電電圧、Ｗ…電池容量、Ｗｍａｘ…最大電池容量。

Claims

間欠的に動作する負荷回路に対して駆動電流を供給する電源回路であって、
電池容量特性が放電電流に対してピークを有する一次電池と、
前記一次電池からの放電電流を、前記ピークの際の電流値以下に制限して出力する定電流回路と、
前記定電流回路から出力された前記放電電流を充電し、前記負荷回路を駆動するための駆動電流として供給する容量素子と
を備えることを特徴とする電源回路。
間欠的に動作する負荷回路に対して駆動電流を供給する電源回路で用いられる電源供給方法であって、
電池容量特性が放電電流に対してピークを有する一次電池からの放電電流を、前記ピークの際の電流値以下に制限して容量素子に充電した後、前記負荷回路を駆動するための駆動電流として供給することを特徴とする電源供給方法。