JP2018133953A - 背負子式電源 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱、発火事故を防ぐ安全機能を備え、十分に安全性を確保した、二次電池を背中に装着して携帯可能な背負子式電源を提供する。【解決手段】背負子式電源１００において、電池の放電電流が許容値を越えたときに電池の出力を遮断する電磁式遮断器１６０、外部への交流出力電流が許容値を越えたときに出力回路を遮断する電子式遮断器１９０、電源内の温度が許容温度を越えたときに出力回路を遮断する温度センサー式遮断器１７０、電池への充電電流が許容値を越えたときに電池への入力を遮断する電流ヒューズ１３０を備え、過電流や異常温度上昇時に確実に電池の放充電を停止させる。【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池を搭載した背負子式電源に関する。

従来、電動工具等の携帯用電源とするため、二次電池を腰に装着可能としたホルスター式電源（特許文献１参照）や、二次電池を背中に背負う背負子式電源（特許文献２参照）が知られている。また近年、リチウムイオン電池など、従来電池に比べて格段にエネルギー密度が大きい二次電池が製品化され、これらを採用することで、より多様な電気機器を、より長時間、無充電で使用することが可能となった。このため、これらの高エネルギー密度の電池を使用した携帯型電源は、市場の急速な発展が見込まれている。

実開平７−３９８３号公報 特開2014−017098号公報 特開2009−099403号公報

"ブレーカの仕組み紹介"、[online]、株式会社日幸電機製作所、[2017年1月20日検索]、インターネット（URL：http://www.nikko-el.co.jp/rn_related_info/related_info_FM_principle.html） "配線用遮断器 ノーヒューズブレーカとは"、[online]、三菱電機株式会社、[2017年1月20日検索]、インターネット（URL：http://www.mitsubishielectric.co.jp/fa/products/lvd/lvcb/pmerit/mccb/mccb_2.html） "温度ヒューズとは"、[online]、内橋エステック株式会社、[2017年2月10日検索]、インターネット（URL：http://www.uchihashi.co.jp/ja/support/detail/post-1.php）

リチウムイオン電池などの高エネルギー密度の電池は一般に、従来型電池に比べ、使用法を誤った場合等に過電流や発熱を生じやすく、これにより機器を損傷したり、ひいては発火事故に至る可能性もある。上記のホルスター式電源や背負子式電源は人体に密着させて使用するものであるので、発熱・発火事故は人体の損傷を生じかねず、安全性への対策が重要となる。このため、二次電池そのものをより安全なものに改善していくとともに、電源装置としても、これらの事故を防ぐ安全機能を備え、十分に安全性を確保したものであることが求められる。

リチウムイオン電池の使用時におけるこれらの事故は、なんらかの異常により過大な充放電電流が流れて高温を生じ、あるいは温度上昇が循環的にさらなる温度上昇を招来して熱暴走に至るなど、過電流や異常温度上昇を原因とすることが多い。このため求める安全機能は、これらの原因となる異常現象を早期に感知して電池の充放電を停止し、事故に至ることを抑止しなくてはならない。また、この安全機能は、それ自体の信頼性が高く、必要な場合に確実に動作できるものでなくてはなくてはならない。

本発明は、二次電池を背中に装着して携帯可能とした背負子式電源において、該電池内部に複数の電流遮断機構を備え、安全性の高い電源装置を提供する。

即ち、本発明は、該電池の放電電流があらかじめ設定された許容電流値を越えたときに該電池の出力回路を遮断する電流遮断機構と、該電源が外部に供給する該交流電流があらかじめ設定された許容電流値を越えたときに該電源の交流出力回路を遮断する電流遮断機構と、
該電源内の温度があらかじめ設定された許容温度を越えたときに該電池の出力回路を遮断する１個または複数個の電流遮断機構とを備えることを特徴とする、背負子式電源を提供する。

また本発明は、該電池を外部の直流電源から充電するための充電用入力端子と、該電池の出力電流が該充電用入力端子から外部へ逆流することを防ぐダイオードと、該電池の充電電流があらかじめ設定された許容電流値を越えたときに該電池への入力回路を遮断して該電池への充電を停止させる電流遮断機構とを備えることを特徴とする、背負子式電源を提供する。

本発明により、過電流や高温による機器の損傷や発熱・発火事故を確実に防止して、安全性の高い携帯用電源が実現される。
すなわち本発明は、リチウムイオン電池等におけるこれら事故の主因である充放電時の過電流や異常温度上昇等の異常を感知して電流を遮断し電池の充放電を直ちに停止させるので、それらによる機器損傷や発熱・発火事故を未然に抑止する効果がある。

また、本発明は、複数個の電流遮断機構を備えるので、一部の電流遮断機構の機能に支障を生じた場合でも、装置としては異常時の電流遮断の機能を失うことはなく、安全性が維持できる。

本発明の実施形態である実施例１の背負子式電源の、全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態である実施例１における、温度センサー式遮断器の構成を示す回路図である。

以下では、本発明の一実施形態である実施例１について説明する。
実施例１の背負子式電源は、充電のためには外部から直流１２Ｖを入力し、電気機器の利用に供するために交流１００Ｖおよび直流１２Ｖを出力するものとする。しかし、本発明の適用がこれらの入出力に限られないことはいうまでもない。例えば、充電のために外部から直流２４Ｖを入力する電源装置や、矩形波等の非正弦波を出力する電源装置などであっても、本発明は同様に適用され得る。

図１は、本発明による実施例１の背負子式電源の内部構成を示したブロック図である。図１において、１００は背負子式電源装置であり、これ全体が背負子のように背中に装着できる。

背負子式電源装置１００においては、１１１Ａは充電用電源の＋（プラス）側直流入力端子であり、１１1Ｂはそのー（マイナス）側直流入力端子である。これら端子から直流１２Ｖの充電電流が、ダイオード１２０および電流ヒューズ１３０を介して電池１４０に入力される。

電池１４０の出力は、電源スイッチ１５０、電磁式遮断器１６０および温度センサー式遮断器１７０を介してインバータ１８０に入力され、交流１００Ｖに変換される。インバータ１８０から出力された交流１００Ｖは、電子式遮断器１９０を介して交流出力端子１１２Ａおよび１１２Ｂに出力される。なお、該交流出力端子は通常の商用電源コンセントと同一の形状とし、商用電源で使用する一般の電気機器を接続することを可能とする。また１１３Ａ、１１３Ｂは直流１２Ｖの直流出力端子である。

電池１４０およびインバータ１８０のそれぞれには、温度センサー２０１および２０２が設置され、それらの出力は温度センサー式遮断器１７０に接続されている。

上記において、実施例１の該電源装置１００は、電池１４０への充電電流に関しては、ダイオード１２０および電流ヒューズ１３０という２個の安全機構を有する。また電池１４０の出力電流に関しては、電磁式遮断器１６０、温度センサー式遮断器１７０、および電子式遮断器１９０という３個の安全機構を有する。該３個の遮断器は一般に「ブレーカ」とも呼ばれ、異常を感知して回路を遮断するものである。以下では、これらの安全機構が、過大な電流が流れたり、異常温度上昇を生じたとき、部品等が損傷し更には発熱・発火等の事故に至ることを未然に防止することを説明する。

まず該電源装置１００の充電時においては、ダイオード１２０が、電池１４０の電流が逆流して直流入力端子１１１Ａ、１１１Ｂに出力されることを防止する。これは、該二つの入力端子がなんらかの理由により短絡されたとき、または外部の充電器に問題があって充電電圧が十分でないとき、電池１４０から大電流が逆流して該電源装置１００や外部の装置等を損傷することを防止するためのものである。

また、充電時において許容値以上の充電電流が流れたときには、電流ヒューズ１３０が溶断して回路を遮断し、電池140をはじめ該電源装置１００の内部が過大な充電電流により損傷することを防止する。

該電源装置１００の使用時（放電時）においては、電池１４０の出力電流があらかじめ定めた許容電流値を越えたときには、電磁式遮断器１６０が電池の出力回路を遮断し、電池の放電を停止させる。これにより、過大な放電電流により電池１４０やインバータ１８０などが損傷することを防ぐ。

電磁式遮断器は、回路に過大な電流が流れたときに、電磁力により該回路を遮断するものである。これは「電磁式サーキットブレーカ」などとも呼ばれ一般によく知られていて、電磁力のみにより遮断する完全電磁式（非特許文献１、非特許文献２）、電磁力に加えバイメタルの湾曲を利用した熱動電磁式（非特許文献２）などがある。その構成と動作原理については、左記の各文献を参照いただきたい。

また、該電源装置１００の使用時（放電時）においてインバータ１８０の出力電流が許容値を越えたときには、電子式遮断器１９０が、インバータ１８０の出力電流を遮断する。これによって、インバータ１８０や電気機器が過大電流により損傷することを防止する。

電子式遮断器は電子回路によって測定対象の回路を流れる電流値を監視し、許容値を越える電流が流れたときには、該回路を遮断するものである。その構成と動作原理については、例えば特許文献３および非特許文献２を参照されたい。

該電源装置１００の使用時（放電時）においてはまた、温度センサー式遮断器１７０が、電池１４０の温度監視のために適切な位置に設置した温度センサー２０１、およびインバータ１８０の温度監視のために適切な位置に設置した温度センサー２０２の出力を監視し、これらの温度センサーが許容値以上の温度を感知したときには、電池１４０の出力回路を遮断する。

温度センサー式遮断器１７０は、例えば図２に示す実施例によって実現することができる。本実施例においては、温度センサー２０１、２０２はそれぞれサーミスタ素子により構成される。サーミスタ素子は温度に応じて抵抗値が変化する感熱素子で、高温になれば抵抗値が減少するものと逆に増大する２種類があるが、本実施例では、高温時に抵抗値が減少するものを用いた。

図２の温度センサー式遮断器１７０においては、１７１Ａは＋（プラス）側入力端子、１７１Ｂはー（マイナス）側入力端子、１７２Ａは＋（プラス）側出力端子、１７２Ｂはー（マイナス）側出力端子である。入力端子１７１Ａ、１７１Ｂは電磁式遮断器１６０の出力に接続され、出力端子１７２Ａ、１７２Ｂはインバータ１８０の入力に接続される。

また図２において、１７３、１７４、１７５はｎ型ＭＯＳトランジスタ、１７６，１７７，１７８，１７９は抵抗器、１７Ａは電池である。温度センサー２０１、２０２はそれぞれの両端が、図示のように、遮断器１７０の内部に接続されている。

温度センサー２０１、２０２は、それぞれ電池１４０およびインバータ１８０の温度監視のために適切な位置に設置されているので、電池１４０およびインバータ１８０の内部温度が上昇するとそれぞれの温度センサーの抵抗値は減少する。温度センサー２０１、２０２それぞれが許容最高温度になったときの抵抗値を、Ｒ（Ω）とする。

温度センサー２０１と抵抗器１７６は、動作電源である電池１７Ａの電圧を分圧して、それがＭＯＳトランジスタ１７４のゲート電圧となっている。ここで、抵抗器１７６の抵抗値を、温度センサー２０１の抵抗値がＲ（Ω）がとなったときにＭＯＳトランジスタ１７４のゲート電圧が当該ＭＯＳトランジスタをオンとする電圧になるように定めておく。そうすると、電池１４０の温度が許容最高温度を越えると温度センサー１９0の抵抗値がＲ（Ω）以下となって、ＭＯＳトランジスタ１７４がオンとなる。このオン電流によって抵抗器１７７で電圧降下を生じ、ＭＯＳトランジスタ１７３のゲート電圧が低下してＭＯＳトランジスタ１７３はオフとなる。このため、端子１７１Ａから端子１７２Ａに流れる電流は遮断される。

抵抗器１７８の抵抗値も同じように定めれば、インバータ１８0の温度が上昇した場合も上記と同様に、温度センサー２０２の抵抗値の減少により、端子１７１Ａから端子１７２Ａに流れる電流は遮断される。

以上により、電池１４０またはインバータ１８０の温度が許容最高温度を越えたときには、温度センサー式遮断器１７０により、電池１４０の出力回路が遮断される。

図２の実施例では、温度センサー２０１、２０２はそれぞれサーミスタ素子であるとしたが、該温度センサーは、バイメタル、熱電対など他の感熱センサーや、温度ヒューズ（非特許文献３参照）を用いることもできる。いずれも既知の技術であり、それらによる実施例も容易に構成することができる。

以上に述べたように、実施例１においては、充電回路にダイオード１２０および電流ヒューズ１３０を設け、電池の出力回路には電磁式遮断器１６０、温度センサー式遮断器１７０を設け、さらに出力端子の直前に電子式遮断器１９０を設けている。しかしながらこれらの遮断器等の種類は、電源装置や負荷とする電気機器の特性、および採用する遮断器等の特性に応じて、適切な種類の遮断器等を選択すればよいのであって、本発明はそれらを限定するものではない。

例えば実施例１において、充電回路での過電流の保護のため、回路が簡単で低コストである電流ヒューズ１３０を設けるものとした。しかし電流ヒューズはいったん溶断すると再使用のためには部品交換をしなくてはならないので、それを避けるために、電流ヒューズではなく電子式遮断器（または電磁式遮断器）を設けるという選択もありえる。

また一般に、電磁式遮断器は電子式遮断器に比べ簡単な構成で部品も少ないので、許容値を大きく越える電流が流れたときに確実に回路の遮断ができる。しかし遮断は機械的動作によって行われるので、電子回路によって遮断する電子式遮断器に比べ、過電流の発生から遮断までの時間は遅くなる。また遮断をする許容電流値については、電子式遮断器は電磁式遮断器に比べて精密な設定が可能である。

したがって本発明の実施においては、遮断器の選択は上記のような遮断器の特性を考慮して決めればよく、それらが本発明により限定されることはない。例えば、図１における電磁式遮断器１６０の位置には、電池の特性上過電流を一瞬でも早く抑止すべき場合には、電磁式遮断器でなく電子式遮断器を選択すればよい。また、図１における電子式遮断器１９０の位置には、負荷とする電気機器の性質上遮断まで多少の時間は許されるがともかく確実に遮断すべき場合には、電磁式遮断器を選択すればよい。

以上において、図１に示した実施例１の背負子式電源においては、３個の遮断器により過電流と異常温度上昇の場合に電池の出力電流を遮断することを示した。また充電時には、ダイオードおよび電流ヒューズにより過大な充電電流を遮断することを示した。これら複数の安全機構によって、実施例１の背負子式電源は、過電流や高温による機器の損傷や発熱・発火事故を未然に防止できるものである。

なお、二次電池が発熱・発火事故等に至る原因としては、充電時の過電圧もその一つである。しかし、本発明においては、充電時の過電圧の防止は充電器側において行われていることを前提とし、実施例にはその機能は含まれていない。しかしそれが本電源装置側でその機能が必要な場合には、電流ヒューズ１３０と電池１４０との間に、電圧監視と過電圧の場合の回路遮断をする機能を挿入することで実現できる。

１００ 背負子式電源装置
１１１Ａ 直流入力端子
１１１Ｂ 直流入力端子
１１２Ａ 交流出力端子
１１２Ｂ 交流出力端子
１１３Ａ 直流出力端子
１１３Ｂ 直流出力端子
１２０ ダイオード
１３０ 電流ヒューズ
１４０ 電池
１５０ 電源スイッチ
１６０ 電磁式遮断器
１７０ 温度センサー式遮断器
１７１Ａ 入力端子
１７１Ｂ 入力端子
１７２Ａ 出力端子
１７２Ｂ 出力端子
１７３ ｎ型ＭＯＳトランジスタ
１７４ ｎ型ＭＯＳトランジスタ
１７５ ｎ型ＭＯＳトランジスタ
１７６ 抵抗器
１７７ 抵抗器
１７８ 抵抗器
１７９ 抵抗器
１７Ａ 電池
１８０ インバータ
１９０ 電子式遮断器
２０１ 温度センサー
２０２ 温度センサー

Claims (3)

1. 交流及び/又は直流電源を供給するために、二次電池を背中に装着して携帯可能とした背負子式電源であって、
   該電池の放電電流があらかじめ設定された許容電流値を越えたときに該電池の出力回路を遮断する第１の電流遮断機構と、
   該電源が外部に供給する該交流電流があらかじめ設定された許容電流値を越えたときに該電源の交流出力回路を遮断する第２の電流遮断機構と、
   該電源内の該電池またはインバータの温度があらかじめ設定された許容温度を越えたときに該電池の出力回路を遮断する第３の電流遮断機構とを備えることを特徴とする、背負子式電源。
2. 交流及び/又は直流電源を供給するために、二次電池を背中に装着して携帯可能とした背負子式電源であって、
   該電池を外部の直流電源から充電するための充電用入力端子と、
   該電池の出力電流が該充電用入力端子から外部へ逆流することを防ぐダイオードと、
   を備えることを特徴とする、背負子式電源。
3. 請求項２に記載の背負子式電源であって、該電池の充電電流があらかじめ設定された許容電流値を越えたときに該電池への入力回路を遮断して該電池への充電を停止させる電流遮断機構をさらに備えることを特徴とする、背負子式電源。
   
   

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