JP2014003846A - ポータブル電源システム及びポータブル電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源システム（バッテリーモジュール）を構成する主要な要素にトラブルが生じた場合に部品（回路）交換が容易であるとともに、可搬性、安全性に優れるポータブル電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】複数個の二次電池から構成される内蔵蓄電池を電源とし、前記内蔵蓄電池の充放電を制御する保護回路と、商用電源に接続可能な入力端子により前記商用電源から前記内蔵蓄電池に充電を行う充電器と、家庭用電源として接続可能な出力端子により前記内蔵蓄電池から家庭用電気機器に出力を行うＤＣ−ＡＣ変換器と、を備えるポータブル電源システムにおいて、前記保護回路、前記充電器、前記ＤＣ−ＡＣ変換器が同一基板上に一体不可分に配置されたものでなく、前記保護回路、前記充電器、前記ＤＣ−ＡＣ変換器がそれぞれ個別に配置されたものであることを特徴とするポータブル電源システムである。
【選択図】図１

Description

本発明は、リン酸鉄リチウムイオン電池を内蔵蓄電池としたポータブル電源システムに関し、特に、電源システムを構成する保護回路（Battery Management System）、充電器（Battery
Charger）、ＤＣ-ＡＣ変換器（ＤＣ to ＡＣ Inverter）を個別に着脱交換できるポータブル電源システムに関するものである。また、当該電源システムを備えたポータブル電源装置に関するものである。

現在、地球温暖化を抑制するとともに、将来にわたって増え続ける電力需要を賄うため、太陽光や風力などの自然エネルギーを利用した発電施設の増設が進められている。しかし、太陽光や風力などの自然エネルギーによる発電量は気象条件に左右されるため、電力供給量が不安定になる。また、電力需要量は、昼間に多くて夜間に少なく、不安定である。また、原子力災害に伴いピーク時の電力需要量を抑制する施策も行われている。このため、電力需給量の変動を補完する電源装置の必要性は増していく。特に、可搬性に富むポータブル電源装置の必要性は高い。

従来から、屋外で電気機器を使用するためにポータブル電源装置が用いられている。従来のポータブル電源装置は、密閉型の鉛電池とその制御回路、およびＡＣ１００［Ｖ］を出力するためのＤＣ／ＡＣ変換部（インバータ回路）などが組み合わされた状態で、ケース内に収納された構成を有する（特許文献１、２）。従来のポータブル電源装置では、入力及び出力としてＡＣ１００［Ｖ］とＤＣ１２［Ｖ］が設定されている。入力では、ＡＣ１００［Ｖ］を設定することで商用電源からの充電が可能となり、また、ＤＣ１２［Ｖ］を設定することで自動車などでの移動中の充電が可能となる。

また、出力では、ＡＣ１００［Ｖ］を設定することで、屋外などにおける商用電源を用いる電化製品の使用が可能となり、ＤＣ１２［Ｖ］を設定することで自動車用途に開発された電化製品の使用が可能となる。このように、ポータブル電源装置の普及により、屋外などにおいて入力電源の種類を気にすることなく電化製品の使用が可能となる。

一方、携帯電話やノートパソコンなどの携帯機器の開発により、高容量で小型軽量な二次電池（充電可能な電池）の需要が高まることにより、炭素材料を負極とし、リチウムを含有するコバルト酸リチウム（LiCoO₂）を正極とするリチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）が開発され、ポータブル電源装置においても鉛電池からリチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）が採用されている。すなわち、リチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）は、エネルギー密度が高いという点で優れており、３．７[Ｖ]という高い公称電圧を発することができ、通常の蓄電池より、それに匹敵する容量でも、顕著に小さく且つ軽量となるからである。

しかしながら、コバルト酸リチウム（LiCoO₂）を正極とするリチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）は、コバルトを使用するため資源的制約が多いという問題がある。このため、正極材料に資源的制約の少ないリン酸鉄リチウム（LiFePO₄）を使用したリチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）が開発されている。リン酸鉄リチウムイオン二次電池は、コバルト酸リチウムイオン二次電池より、単位体積当たりの蓄電容量が少なく、放電率が低いという問題がある。しかし、材料開発、具体的には結晶超微粒子の凝集体からなるナノ複合構造とすることにより、比キャパシタンスが高く、動作使用している間の熱的な安定性が大きいという安全性に優れるリチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）となっている（特許文献３）。

特開平０５−３２８６２０号公報 特開２０００−２２４７７４号公報 特表２０１１−５００４９２号公報

しかしながら、上記従来のポータブル電源装置では、装置に内蔵されている電源システム（バッテリーモジュール）を構成する主要な要素、具体的には、保護回路（Battery Management System、以下「ＢＭＳ」）、商用電源に接続可能な入力端子により前記商用電源から前記内蔵蓄電池に充電を行う充電器（Battery Charger、以下「ＢＣ」）、家庭用電源として接続可能な出力端子により前記内蔵蓄電池から家庭用電気機器に出力を行うＤＣ−ＡＣ変換器（ＤＣ to ＡＣ Inverter，以下「Ｄ／Ａ Ｉｖ」）は、いずれもが同一基板に形成されるよう回路設計がなされている。このため、電源システム（バッテリーモジュール）を構成する主要な要素のいずれかにトラブルが生じた場合には、基板ごと交換する必要があり無駄が生じている。また、回路の基板設計、供給責任として求められる最低生産量、部品在庫などのコスト負担が大きいという問題がある。

また、ポータブル電源装置には、可搬性という観点から軽量化が求められ、また、汎用性という観点からと装置の安全性が求められている。このため、装置の重量と性能に対する寄与の大きい内蔵蓄電池を改良する必要がある。

本発明は、上記のような要望を受けてなされたものであって、電源システム（バッテリーモジュール）を構成する主要な要素にトラブルが生じた場合に部品（回路）交換が容易であるとともに、可搬性、安全性に優れるポータブル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、本発明に係るポータブル電源システム及び装置は、以下の態様を有する。

（態様１） 複数個の二次電池から構成される内蔵蓄電池を電源とし、前記内蔵蓄電池の充放電を制御する保護回路と、商用電源に接続可能な入力端子により前記商用電源から前記内蔵蓄電池に充電を行う充電器と、家庭用電源として接続可能な出力端子により前記内蔵蓄電池から家庭用電気機器に出力を行うＤＣ−ＡＣ変換器と、を備えるポータブル電源システムにおいて、前記保護回路、前記充電器、前記ＤＣ−ＡＣ変換器が同一基板上に一体不可分に配置されたものでなく、前記保護回路、前記充電器、前記ＤＣ−ＡＣ変換器がそれぞれ個別に配置されたものであることを特徴とするポータブル電源システムである。
ここで、「同一基板上に一体不可分に配置されたものでない」とは、電源システム（バッテリーモジュール）を構成する主要な要素（具体的には、前記保護回路、前記充電器、前記ＤＣ-ＡＣ変換器）が同一基板上に一つの構成部品として、一体として不可分に配置されたものでなく、それぞれを独立の構成部品として個別に配置されていることをいう。これにより、前記保護回路、前記充電器、前記ＤＣ-ＡＣ変換器を個別に脱着交換でき、電源システム（バッテリーモジュール）を構成する主要な要素にトラブルが生じた場合に個別に、部品（回路）交換が容易となる。

（態様２） 前記二次電池がリン酸鉄リチウム電池であることを特徴とする前記（態様１）に記載したポータブル電源システムである。これにより、可搬性、安全性に優れるポータブル電源装置を提供することができる。

（態様３） 前記ポータブル電源システムが、出力端子として自動車用シガレットライタソケットを備えたものであることを特徴とする前記（態様１）または（態様２）のいずれかに記載のポータブル電源システムである。

（態様４） 前記ポータブル電源システムが、自動車用シガレットライタソケットを入力端子として、直流電圧変換器を介して自動車電源から内部蓄電池を充電するものであることを特徴とする前記（態様１）乃至（態様３）のいずれかに記載のポータブル電源システムである。

（態様５） 前記（態様１）乃至（態様４）のいずれかに記載のポータブル電源システムを備えるポータブル電源装置である。

本発明に係るポータブル電源装置では、電源システム（バッテリーモジュール）を構成する主要な要素にトラブルが生じた場合に部品（回路）交換が容易であるとともに、可搬性、安全性に優れるポータブル電源装置を提供することができる。

図１は本発明のポータブル電源装置の一実施例を示すブロック図である。 図２は本発明のポータブル電源装置の一実施例を示す斜視図である。 図３は本発明のポータブル電源装置の一実施例を示す側面図である。 図４は本発明のポータブル電源装置の一実施例を示す正面図である。 図５は本発明のポータブル電源装置の一実施例を示す構成要素の配置図である。

以下では、本発明を実施するための最良の形態について、一例を示して説明する。なお、以下の説明で用いる実施の形態は、本発明の構成および効果を分かりやすく説明するために用いる一例であって、本発明は、その本質的な特徴以外、何ら以下の形態に限定を受けるものではない。

１．装置構成
実施の形態に係るポータブル電源装置一の構成について、図１乃至図５を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるポータブル電源装置１のブロック図であり、図２乃至図４は、本発明の実施の形態におけるポータブル電源装置1の外観を示す斜視図（図２）、側面図（図３）、正面図（図４）である。図５は、本発明の実施の形態におけるポータブル電源装置１の構成要素の配置図である。

図１に示すように、ポータブル電源装置１は、金属アルミニウム製の筐体２の内部空間に、内蔵ＲＯＭ（Read
Only Memory）（図示せず）に予め記憶された各種の実行プログラムにより各ハードウエアの動作を制御するためのＣＰＵ（Central Processing Unit）（図示せず）と、商用電源からの交流電源（ＡＣ１００[Ｖ]）の入力を行うＡＣ入力端子３と、商用電源からの交流電源（ＡＣ１００[Ｖ]）を内蔵蓄電池５に充電する充電器４と、内蔵蓄電池５からの直流電源（ＤＣ１２[Ｖ]）を家庭用交流電源（ＡＣ１００[Ｖ]）に変換するためのＤＣ-ＡＣ変換器７と、ＤＣ-ＡＣ変換器７により変換された家庭用交流電源（ＡＣ１００[Ｖ]）を出力するためのＡＣ出力端子６と、保護回路（BＭＳ）８と、保護回路（ＢＭＳ）８の状態を表示するモニタ１１と、自動車のシガレットライタソケットに接続可能な入出力端子９と、を備えている。また、前記入出力端子９は、過電流を防止するためヒューズ１０を介して内蔵蓄電池５と接続されている。

図２及び図４に示すように、内蔵蓄電池５としては、５［本］の円柱状リン酸鉄リチウムイオン電池が直並列に接続され構成されて、ポータブル電源装置１の正面部内側に内蔵されている。各電池のサイズは、例えば、直径が約４０［ｍｍ］、長さが約１４０[ｍｍ]である。
また、ポータブル電源装置１の側面には、本装置１の充電用電源スイッチ１２、放電用電源スイッチ１７、商用電源からの交流電力の入力を行うＡＣ入力端子３、交流電力を出力するためのＡＣ出力端子６が形成されている。ポータブル電源装置１の上面には自動車のシガレットライタソケットに接続可能な入出力端子９が設けられている。

さらに、ポータブル電源装置１の上面及び背面には、搬送時用いる取手１３、１４が設けられ、底面には車輪１５と脚立１６も設けられている。

２．装置の内部構造
本発明のポータブル電源システムを構成する主要な要素について説明する。

（保護回路）
本発明における保護回路（ＢＭＳ）８は、リアルタイムに内蔵蓄電池の総電圧及び残量などを表示し、入出力電流・各セルの電圧や温度などをモニタし、内蔵蓄電池５を管理するシステムである。また、過放電及び過充電に対する警告や専用充電器の制御を行う。その状況はモニタ１１により表示される。モニタには液晶表示装置を用いている。
充電時には、直列に接続された各内蔵蓄電池５の電圧を監視して保護回路（ＢＭＳ）８に設定された上限電圧値まで上昇すると充電器（ＢＣ）４と通信を行い、充電を停止する。また、保護回路（ＢＭＳ）８に設定された復帰電圧値まで降下すると、再度、充電器（ＢＣ）４と通信を行い、充電を開始する。この動作を複数回行うことで内蔵蓄電池５の電圧を均等化する。さらに、電圧・電流・温度の異常時には安全に充電を停止する。
放電時には、直列に接続された各内蔵蓄電池５の電圧を監視して保護回路（ＢＭＳ）８に設定された下限電圧値まで降下すると、の状態を表示するモニタ１１に表示され、警報装置（図示せず）が鳴動して内蔵蓄電池５の過放電状態を警告する。また、保護回路（ＢＭＳ）８に設定された復帰電圧値まで上昇すると警報がリセットされる。放電の状況を把握することにより、内蔵蓄電池５を効率よく利用し、内蔵蓄電池５の寿命を延ばすことができる。

（内蔵蓄電池）
本発明における内蔵蓄電池５は、リチウムイオン電池の一種であるリン酸鉄リチウムイオン（LiFePO₄）を正極とするリチウムイオン電池を好ましく用いている。リン酸鉄リチウムイオン電池は、コバルト酸リチウム（LiCoO₂）を正極とするリチウムイオン二次電池に比べて資源的制約が少ないこと、放電できる電流量が多いことから近年シェアを拡大している。また、単位体積当たりの蓄電容量が少なく、放電率が低いという問題があったが、結晶超微粒子の凝集体からなるナノ複合構造体という新規材料開発によりこの問題も解消されている。正極材料としてのリン酸鉄リチウム（LiFePO₄）は、コバルト酸リチウム（LiCoO₂）よりも安全である。これは、Ｆｅ−Ｐ−Ｏ結合がＣｏ−Ｏ結合よりも強力であり、短絡や過熱などでも酸素原子（Ｏ）が離脱しにくいからである。この酸化還元エネルギーの安定性はイオンの移動を助ける作用がある。結果として、比キャパシタンスが高く、動作使用している間の熱的な安定性が大きいという安全性に優れるリチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）となっている。
さらに、優れた電池特性は、ポータブル電源装置の軽量化にも寄与している。

（充電器）
本発明の充電器（ＢＣ）４は、商用電源の交流電源（ＡＣ１００[Ｖ]）で内蔵蓄電池５（ＤＣ１２[Ｖ]）を充電する装置である。内蔵蓄電池５を傷めず長く使用するために必要な機器である。充電方式としては、テーパー充電方式、タイマー充電方式があるが、本発明では、保護回路（ＢＭＳ）８により制御されたステップ充電方式により、短時間で満充電とすることができる。

（ＤＣ-ＡＣ変換器）
本発明のＤＣ-ＡＣ変換器（Ｄ／Ａ Ｉｖ）７は、内蔵蓄電池５の直流電源（ＤＣ１２[Ｖ]）を家庭用電源（商用電源）の交流電源（ＡＣ１００[Ｖ]）に変換する装置である。

（自働車用シガレットライタソケット）
本発明の自働車用シガレットライタソケット９は、自動車用シガレットライタの受用部となるものである。自動車用途に開発された電化製品や車載用電子機器の使用が可能となる。また、自動車内で内蔵蓄電池５を充電しようとする場面も想定される。そのような場合に本実施の形態に係るポータブル電源装置１では、公知のシガーライタープラグと電圧変換器とを備えた接続ケーブルなどを用いることで実施できる。なお、過電流防止のためヒューズ１０を保護回路（ＢＭＳ）８の間に設けている。

（電源システム構成要素の配置）
図５は、電源システムを構成する主要な要素、すなわち、充電器４、ＤＣ−ＡＣ変換器７、保護回路（ＢＭＳ）８について、ポータブル電源装置１の金属アルミニウム製の筐体２内での配置、配線、接続の状態の一例を示した写真である。前記電源システムを構成する主要な要素は、同一基板上に一体不可分に配置されたものでなく、個別の部品として前記筐体２の内部に配置されている。そして、配線とコネクタ１８により電気的に接続されている。このようにすることで、前記構成要素のいずれかにトラブルが生じた場合に交換が容易である。

（電圧変換器）
本発明の電圧変換器（ＤＣ to ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）は、ＤＣ２４[Ｖ]をＤＣ１２[Ｖ]へ変換する直流電圧交換器です。電力供給対象となる機器と電源装置との間に電圧を変換するものである。例えば、ＤＣ２４[Ｖ]仕様のトラック・バス等の大型車やキャンピングカーで、ＤＣ１２[Ｖ]電源のカーエレクトロニクス製品を使うことができます。

３．ポータブル電源装置１の優位性
上記構成を有する本実施の形態に係るポータブル電源装置１では、電源システム（バッテリーモジュール）を構成する主要な要素を個別に着脱交換できるため、前記構成要素のいずれかにトラブルが生じた場合に部品（回路）交換が容易である。このため、市販品を組み合わせることで、在庫を必要とせず、最低生産量を確保するリスクもなくなる。また、修理部品の調達が容易で、修理コストも低減できる。結果的には総合コストを抑えることができる。

本発明は、パーソナルコンピュータやこれの付帯機器をはじめ、種々の機器に対応可能であり、かつ、高い可搬性を有するポータブル電源装置を実現するのに有効な技術である。

１ ポータブル電源装置
２ 金属アルミニウム製の筐体
３ ＡＣ入力端子
４ 充電器
５ 内蔵蓄電池
６ ＡＣ出力端子
７ ＤＣ−ＡＣ変換器
８ 保護回路（ＢＭＳ）
９ 自動車用シガレットライタソケット
１０ ヒューズ
１１ モニタ
１２ 充電用電源スイッチ
１３，１４ 取手
１５ 車輪
１６ 脚立
１７ 放電用電源スイッチ
１８ コネクタ

Claims (5)

1. 複数個の二次電池から構成される内蔵蓄電池を電源とし、前記内蔵蓄電池の充放電を制御する保護回路と、商用電源に接続可能な入力端子により前記商用電源から前記内蔵蓄電池に充電を行う充電器と、家庭用電源として接続可能な出力端子により前記内蔵蓄電池から家庭用電気機器に出力を行うＤＣ−ＡＣ変換器と、を備えるポータブル電源システムにおいて、
   前記保護回路、前記充電器、前記ＤＣ−ＡＣ変換器が同一基板上に一体不可分に配置されたものでなく、前記保護回路、前記充電器、前記ＤＣ−ＡＣ変換器がそれぞれ個別に配置されたものであることを特徴とするポータブル電源システム。
2. 前記二次電池がリン酸鉄リチウム二次電池であることを特徴とする請求項１に記載のポータブル電源システム。
3. 前記ポータブル電源システムが、出力端子として自動車用シガレットライタソケットを備えたものであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のポータブル電源システム。
4. 前記ポータブル電源システムが、自動車用シガレットライタソケットを入力端子として、直流電圧変換器を介して自動車電源から内部蓄電池を充電するものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のポータブル電源システム。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のポータブル電源システムを備えるポータブル電源装置。