JP2023161833A - 電源装置 - Google Patents

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Kenichiro Takahashi
哲哉 山本
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Abstract

【課題】複数の電源出力ポートを監視・制御して電力消費効率を向上させた電源装置を提供する。【解決手段】携帯型電源装置100は、電源110と、複数の出力ポート120と、出力をそれぞれ供給するか否かを切り替える複数の出力切替部130と、実際の出力値をそれぞれ検出する複数の出力検出部140と、制御部170とを備える。制御部170は、出力切替部130のいずれか一つを順次選択して電源110から電子機器10に供給される実際の出力値を対応する出力検出部140によってそれぞれ検出する。制御部170はさらに、検出された各出力値に基づいて、電源110の最大出力以下で前記出力値の合計が最大となるように選定された組み合わせの出力ポート120によって電子機器10にそれぞれ出力を供給する。【選択図】図1

Description

本発明は、負荷接続用の複数の電源出力ポートを有する電源装置に関する。
特許文献1に記載された車両用バッテリ充電装置及びバッテリ充電システムでは、トータル電流がトータル電流制限値を越えることの無いように設定し、充電制御手段は、外部電源から供給を受けている電流の検出結果が、使用電流設定手段にて設定された使用電流値を越えることの無いように、バッテリに供給する充電電流を制御する。
特開2003-333706号公報
亜鉛空気電池を始めとする携帯型電源装置は、災害時の被災地など、商用配電電力系統が利用できない環境下での使用に備えて備蓄されることも多い。被災地で接続され得る負荷機器には、照明などのように定常的に電力が消費されるものだけでなく、消費電力の変動が大きくて状態によってはほとんど電力消費を停止する、被災者・救助支援者の携帯電話機などの二次電池充電機能を有する電子機器がある。このような電子機器では、例えば、初期の定電流充電モードで電池容量の90%程度まで急速に充電した後、定電圧充電モードに切り替わって残りの充電を行うような充電制御(定電流定電圧充電方式ともいう)が行われる。
一定数の限られた電源出力ポートしか持たない携帯型電源装置を災害被災地など、より多くの負荷機器を接続させたい場面で使用する場合、二次電池充電を目的として接続される負荷機器は、充電の目的を達した後も電源出力ポートを占有し続けるので運用上の障害となり得る。しかし、従来の携帯型電源装置は何らの監視・制御の機能を有していないため、この占有状態を放置せざるを得ず、特に、使用時間が比較的短時間に限定される携帯型電源装置の限られた電力容量を効率よく使用することができなかった。
本発明は、複数の電源出力ポートを監視・制御して電力消費効率を向上させた電源装置を提供することを目的とする。
本発明の電源装置は、電力を供給する電源と、それぞれが別々の電子機器と接続される複数の出力ポートと、前記複数の出力ポートのそれぞれに対応して、前記電源から前記出力ポートに接続された前記電子機器に出力をそれぞれ供給するか否かを切り替える複数の出力切替部と、前記複数の出力ポートのそれぞれに対応して、前記電源から前記電子機器に供給される実際の出力値をそれぞれ検出する複数の出力検出部と、前記複数の出力切替部及び前記複数の出力検出部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記複数の出力切替部のいずれか一つを順次選択して前記電源から前記電子機器に供給される実際の出力値を対応する前記出力検出部によってそれぞれ検出し、検出された各前記出力値に基づいて、前記電源の最大出力以下で前記出力値の合計が最大となるように選定された組み合わせの前記出力ポートによって前記電源から前記電子機器にそれぞれ出力を供給する出力ポート管理動作を実行する。
本発明によれば、電源装置の電力消費効率を向上させることができる。
本開示の一実施形態に係る携帯型電源装置100を用いた電源出力ポート管理システム200の構成を示す回路ブロック図である。 携帯電話機などの電子機器に内蔵されるリチウムイオン二次電池の充電制御例を示す説明図である。 図2のような充電制御が行われる接続機器10に対する充電停止タイミングの選定例を示す説明図である。 携帯型電源装置100の演算装置170による制御動作の概略処理を示すフローチャートである。
本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図中、同一又は相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
<電源出力ポート管理システム200の構成>
図1は、本開示の一実施形態に係る携帯型電源装置100を用いた電源出力ポート管理システム200の構成を示す回路ブロック図である。図2は、携帯電話機などの電子機器に内蔵されるリチウムイオン二次電池の充電制御例を示す説明図である。
図1に示すように、電源出力ポート管理システム200は、複数(N個)の出力ポート120を有する携帯型電源装置100と、これらの出力ポート120にそれぞれ接続された複数(N個)の接続機器10(本願の「電子機器」に対応)とから構成される。ただし、実際には常に全ての出力ポート120に接続機器10をそれぞれ接続する必要はなく、一部の出力ポート120のみに接続機器10を接続してもよい。
なお、複数の出力ポート120を個別に参照する必要がある場合、以下では第1の出力ポート120を出力ポート120-1、第Nの出力ポート120を出力ポート120-Nのような参照符号を用いて表すこととする。また、各出力ポート120に接続される各接続機器10や後述する他の構成についても、複数のものの中から個別に参照する必要がある場合には同様とする。
接続機器10としては、例えばリチウムイオン二次電池を内蔵した電子機器、具体的にはスマートフォンなどの携帯電話機やタブレットなどが挙げられるが、これらに限るわけではない。これらの電子機器の多くでは、総充電時間の短縮と信頼性向上のため、一般に図2に示すような2段階の充電制御が行われる。
(1)定電流充電モード
まず、規定内のある電圧値に達するまで、一定の大電流値で充電する(定電流充電)。市販製品では「急速充電モード」と呼称されることもある。この定電流充電モードでは、時間の経過とともに充電電圧がほぼ直線的に上昇する。
(2)定電圧充電モード
そのまま定電流充電を継続すると過充電になり得る。そこで、所定の電圧値に達した後は(例えば電池容量の90%程度の充電に相当)、その充電電圧を維持したまま充電を継続できるように、充電電流を急激に減少させる。
一方、携帯型電源装置100は、電源110と、複数の出力ポート120と、複数の遮断装置130と、複数の検出装置140と、複数の表示装置150と、複数の判別装置160と、演算装置170とを備える。電源110は電力を供給する。各出力ポート120は別々の接続機器10と接続される。各遮断装置130(本願の「出力切替部」に対応)は、各出力ポート120に対応して電源110からの出力をそれぞれ供給するか遮断するかを切り替える。各検出装置140(本願の「出力検出部」に対応)は、各出力ポート120に対応して電源110から供給される実際の出力値をそれぞれ検出する。各表示装置150(本願の「報知部」に対応)は、各出力ポート120の状態を外部から認識可能に報知する。各判別装置160(本願の「接続機器判別部」に対応)は、各出力ポート120に対応して接続機器10が新たに接続されたこと又は接続されていた接続機器10が取り外されたことを判別する。演算装置170(本願の「制御部」に対応)は、主記憶装置171(本願の「記憶部」の一例)及び補助記憶装置172(本願の「記憶部」の他の例)を有する。演算装置170はさらに、各遮断装置130、各検出装置140、各表示装置150、及び各判別装置160を制御する。
電源110としては、例えば亜鉛空気電池が挙げられる。最近は充電可能な二次電池も開発されているが、ここでは使い切りの一次電池を想定している。ただし、亜鉛空気電池に限るわけではない。
亜鉛空気電池(一次電池)は、亜鉛の電極に空気中の酸素を反応させて電力を取り出すものである。空気から遮断しておけば電池容量がほとんど低下することなく長期間の保存が可能なので、例えば災害用備蓄電池システムなどに好適である。保存時の密封状態を解除して空気に曝すと酸素との反応が始まる。すぐに最大電力に達して一定時間(例えば8~10数時間程度)はその最大電力をほぼ維持し、その後に出力が急激に低下するという特性を有する。
このような特性のため、照明などのように定常的に電力が消費されるものであれば特に問題はない。しかし、多数の携帯電話機などを同時に充電する場合、充電が完了した携帯電話機が接続したまま放置されると、その携帯電話機への出力が実質的に無駄になり、電力消費効率が低下してしまう。
各遮断装置130は、電源110から各出力ポート120への電気経路上に設けられ、電源110からの出力をそれぞれ供給するか遮断するかを切り替えるように構成されている。例えば、出力ポート120-1に対応して、遮断装置130-1は電源110からの出力を供給するか遮断するかを切り替えることができる。
各検出装置140は、各出力ポート120と対応する遮断装置130との間の電気経路をそれぞれ監視するように設けられている。さらに、各検出装置140は、各接続機器10が接続された出力ポート120からの実際の出力値(例えば電流値や電圧値)を検出できるように構成されている。例えば、出力ポート120-2に対応して、検出装置140-2は遮断装置130-2との間の電気経路を監視するように設けられており、接続機器10-2が接続された出力ポート120-2からの実際の出力値を検出する。
各表示装置150は、各出力ポート120の状態を視認可能に報知するように設けられている。ここで「状態」とは、各出力ポート120について、例えば、
(1)「使用中」(接続機器10へ充電中)
(2)「未使用」(接続機器10への充電開始前)
(3)「使用完了(要交換)」(接続機器10の実用上十分な充電が完了)
のような状態が挙げられる。なお、(3)の場合は、接続機器10の取り外し/交換が必要である。
そして、これらの3つの状態のいずれに該当するかが外部から区別できるように、例えば各出力ポート120の近傍にLEDなどのランプをそれぞれ3つずつ設けて、いずれか1つのみを点灯させるようにしてもよい。「使用完了(要交換)」については、接続機器10の交換を積極的に促すように、ランプを点滅させてもよい。もちろん、状態やランプの数は3つに限らないし、それぞれの色を変えたり、点灯や点滅などの表示態様もさらに種類を増やしたりしてもよい。また、モノクロ又はカラー液晶ディスプレイ(LCD)のドットマトリクス表示などによってさらに詳しい情報やメッセージなどを表示するようにしてもよいし、音声による表示や警告で代用するか、又は併用してもよい。
各判別装置160は、少なくとも、各出力ポート120に接続機器10が新たに接続されたこと又は接続されていた接続機器10が取り外されたことを検出できるように構成されている。なお、例えばUSB Power Deliveryという充電規格に対応させておけば、この充電規格に対応する接続機器10からはさらに充電可能な電圧・電流値などの情報取得ができる。これにより、後述する内容よりも高度な充電制御も可能になる。
演算装置170は、揮発性の主記憶装置171及び不揮発性の補助記憶装置172を有しており、各遮断装置130、各検出装置140、各表示装置150、及び各判別装置160を制御する。
演算装置170としては、例えばCPU、制御プログラムが書き換え可能な高速演算処理ユニット、専用のハードウェア回路などが挙げられるが、これらに限らない。主記憶装置171としては、例えばDRAM(Dynamic Random Access Memory)などが挙げられるが、これに限らない。補助記憶装置172としては、例えばROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、ハードディスクなどが挙げられるが、これらに限らない。
<携帯型電源装置100による充電停止タイミングの選定例>
図3は、図2のような充電制御が行われる接続機器10に対する充電停止タイミングの選定例を示す説明図である。
図3に示すように、電源110から出力ポート120に出力が供給されると、この出力ポート120に接続された接続機器10では、まずは定電流充電によって充電電圧が急激に上昇し、その後も充電電圧は緩やかに上昇を続ける。このとき、対応する表示装置150の表示は「使用中」を示す。定電流充電の間、充電電力量も上昇を続けて、やがて実用上で問題のない電力量、例えばフル充電の90%に達する。瞬時充電電力Wは一定値から降下を続けるが、例えば点P1では、次式(1)で示すように、その降下率は規定割合Cよりも大きい。
(Wn-1-Wn)/(Wn-2-Wn-1) > C ・・・ (1)
この後、接続機器10では定電圧充電に切り替わり、充電電流が急激に減少するとともに充電電圧はわずかずつ上昇を続ける。瞬時充電電力Wは、例えば点P2では、次式(2)で示すように、その降下率は規定割合C以下である。
(Wn-1-Wn)/(Wn-2-Wn-1) ≦ C ・・・ (2)
このように、定電圧充電に切り替わった時点P3で接続機器10には実用上で問題のない電力量が既に充電済みであり、充電をそれ以上続けても充電時間の割に上積みされる電力量は少ない。つまり、使用時間が比較的短時間に限定される携帯型電源装置100の限られた電力容量の有効利用の観点からは、このような状況の充電継続はあまり好ましくない。
そこで、このような状況になれば、携帯型電源装置100は、その接続機器10が接続されている出力ポート120への出力を対応する遮断装置130によって遮断して充電を停止すべきである。このとき、対応する表示装置150の表示も「使用中」から「使用完了(要交換)」に切り替える方が好ましい。これにより、その出力ポート120に接続されている接続機器10の充電がほぼ完了しており、他の未充電の接続機器10と交換すべきであることが容易に認識できるからである。表示装置150の表示が「使用完了(要交換)」に切り替わったことを認識した利用者は、その出力ポート120から接続機器10を速やかに取り外し、別の接続機器10に交換して充電を行うことが想定される。
ただし、定電流充電から定電圧充電への切り替えは接続機器10が独自に行うので、切り替わったことを携帯型電源装置100は直接的には認識できない。そこで、例えば一定時間(本願の「第1所定時間」に対応)毎に、出力ポート120から接続機器10への実際の出力値(ここでは少なくとも電流値)を対応する検出装置140によって検出する。これにより、その出力値の変化(例えば充電電流の減少)によって接続機器10が定電流充電から定電圧充電へ切り替わったことを的確に認識することができる。
なお、このような検出を行うとき、例えば多数の接続機器10が携帯型電源装置100に同時に接続されていると電源110からの出力が必ずしも十分に供給されず、その結果として充電電流が不足して減少することもあり得る。そこで、各出力ポート120からの出力を各遮断装置130によって一時的に1箇所ずつに順次切り替える。そして、各接続機器10への実際の出力値(例えば電流値や電圧値)をその都度、各検出装置140によって検出して主記憶装置171又は補助記憶装置172に記憶する方が好ましい。このような検出の所要時間はせいぜい数秒程度なので、検出の時間間隔に相当する「一定時間」はそれより十分大きな時間に設定する。また、電源出力状態(電流値など)の変化をあまり遅滞なく確認でき、且つ、携帯型電源装置100の電力供給可能時間より十分小さい時間に設定する。よって、「一定時間」は具体的には数分程度とすればよい。
また、携帯型電源装置100の使用開始から一定時間(本願の「第2所定時間」に対応)が経過して残りの使用可能時間が少なくなったとき、充電完了の判断を切り替えてもよい。少しでも多くの接続機器10の充電を可能とするためである。具体的には、定電流充電から定電圧充電に切り替わるよりも早めに充電完了と判断することが考えられる。
図3からわかるように、定電流充電中でも充電電圧及び充電電力量は単調増加する。そこで、例えばフル充電の50%に対応する充電電圧の閾値(本願の「所定閾値」に対応)を予め求めておけば、接続機器10への実際の充電電圧値がその閾値に達したときに充電完了と判断することができる。充電完了判定が変わったことは外部からは認識されにくいので、特にクレームなどが出ることもなく、多くの利用者に公平に接続機器10の充電機会を提供できる。
<携帯型電源装置100の演算装置170による制御動作>
図4は、携帯型電源装置100の演算装置170による制御動作の概略処理を示すフローチャートである。
この制御動作が開始されると、ステップS1では、電源110の使用開始からの経過時間を監視し、一定時間(本願の「第1所定時間」に対応)が経過したかどうかを判定する。その判定がYesであればステップS3に進み、そうでなければ次のステップS2へ進む。
ステップS2では、判別装置160のいずれかによって、接続機器10が新たに接続されたこと又は接続されていた接続機器10が取り外されたことが検出されたかどうかを判定する。その判定がYesであれば次のステップS3へ進み、NoであればステップS1へ戻る。
ステップS3では、各遮断装置130によって全ての出力ポート120からの出力を一時的に遮断する。
その後にまず、ステップS4-1で、遮断装置130-1によって出力ポート120-1のみ電源110からの出力を接続機器10-1に供給する。そして、検出装置140-1によって実際の出力値(電流値)を検出し、主記憶装置171又は補助記憶装置172に記憶する。なお、この後、遮断装置130-1によって出力ポート120-1の出力を再び遮断する。
次に、ステップS4-2で、遮断装置130-2によって出力ポート120-2のみ電源110からの出力を接続機器10-2に供給する。そして、検出装置140-2によって実際の出力値(電流値)を検出し、主記憶装置171又は補助記憶装置172に記憶する。なお、この後、遮断装置130-2によって出力ポート120-1の出力を再び遮断する。
以降の出力ポート120についても同様の処理を行う。
最後に、ステップS4-Nで、遮断装置130-Nによって出力ポート120-Nのみ電源110からの出力を接続機器10-Nに供給する。そして、検出装置140-Nによって実際の出力値(電流値)を検出し、主記憶装置171又は補助記憶装置172に記憶する。なお、この後、遮断装置130-Nによって出力ポート120-Nの出力を再び遮断する。
次に、ステップS5では、主記憶装置171又は補助記憶装置172に記憶されている各出力ポート120の実際の各出力値(電流値)に基づいて、出力ポート120の組み合わせを選定する。その組み合わせとは、電源110の最大出力以下で出力値の合計が最大となるような出力ポート120の組み合わせである。電源110からの出力をすべき出力ポート120の組み合わせとも言える。
最終的に、ステップS6で、選定した出力ポート120の組み合わせに対応する各遮断装置130によって、出力ポート120からの出力を接続機器10に供給する。
このとき、選定した出力ポート120の組み合わせには、選定が継続されている出力ポート120と新たに選定された出力ポート120とが含まれる。これらに対応する各表示装置150では「使用中」の表示を行う。未だに選定されていない出力ポート120に対応する各表示装置150では、「未使用」の表示を行う。前回まで選定されていて今回は選定されなかった出力ポート120は接続機器10の充電が完了しているので、対応する各表示装置150では「使用完了(要交換)」の表示を行う。
なお、ステップS5における選定において、そのときに検出された電流値が前回検出時の電流値よりも所定値以上減少した出力ポート120は、接続されている接続機器10が定電流充電から定電圧充電に切り替わったと推定できる。それ以上の充電は携帯型電源装置100の電力消費効率の低下を招きかねないので、その出力ポート120は選定対象から除外すべきである。
また、携帯型電源装置100の全使用期間の後半又は終盤、すなわち使用開始から一定時間(本願の「第2所定時間」に対応)経過後は、早めに充電完了と判断することが好ましい。少しでも多くの接続機器10の充電を可能とするためである。そこで、そのときに検出された電圧値が所定の閾値(例えばフル充電の50%に対応)以上である出力ポート120は選定対象から除外すべきである。
また、出力ポート120の少なくとも一部に優先順位を設定しておき、優先順位が設定されている出力ポート120をその優先順位に従って優先的に選定対象としてもよい。例えば、出力ポート120-1を第1順位に、出力ポート120-2を第2順位としてもよい。
また、判別装置160によって検出された接続機器10の接続順を主記憶装置171又は補助記憶装置172に記憶しておき、その接続順に従って優先的に選定対象としてもよい。
ただし、上述したような選定対象の考え方に関わらず、既に充電中の接続機器10については、充電完了まではなるべく充電を継続することが好ましい。自らの接続機器10の充電が不明な理由によって終了すると、利用者の不満などを招きかねないからである。
以上、図面を参照しながら本開示の実施形態について説明した。ただし、本開示は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明の形成が可能である。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の個数などは、図面作成の都合から実際とは異なる場合もある。また、上記の実施形態で示す各構成要素は一例であって、特に限定されるものではなく、本開示の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
本開示は、携帯型の電源装置の分野に利用可能である。
10 接続機器(電子機器)
100 携帯型電源装置(電源装置)
110 電源
120 出力ポート
130 遮断装置(出力切替部)
140 検出装置(出力検出部)
150 表示装置(報知部)
160 判別装置(接続機器判別部)
170 演算装置(制御部)
171 主記憶装置(記憶部の一例)
172 補助記憶装置(記憶部の他の例)
200 電源出力ポート管理システム

Claims (9)

  1. 電力を供給する電源と、
    それぞれが別々の電子機器と接続される複数の出力ポートと、
    前記複数の出力ポートのそれぞれに対応して、前記電源から前記出力ポートに接続された前記電子機器に出力をそれぞれ供給するか否かを切り替える複数の出力切替部と、
    前記複数の出力ポートのそれぞれに対応して、前記電源から前記電子機器に供給される実際の出力値をそれぞれ検出する複数の出力検出部と、
    前記複数の出力切替部及び前記複数の出力検出部を制御する制御部と
    を備え、
    前記制御部は、前記複数の出力切替部のいずれか一つを順次選択して前記電源から前記電子機器に供給される実際の出力値を対応する前記出力検出部によってそれぞれ検出し、検出された各前記出力値に基づいて、前記複数の出力切替部のうちから前記電源の最大出力以下で前記出力値の合計が最大となるように選定された組み合わせの前記出力ポートによって前記電源から前記電子機器にそれぞれ出力を供給する出力ポート管理動作を実行する、電源装置。
  2. 前記制御部は、予め定められた第1所定時間の経過毎に前記出力ポート管理動作を実行する、請求項1に記載の電源装置。
  3. 前記出力値は電流値を含み、
    前記制御部は、前記電流値を前記出力値とみなして実行する前記出力ポート管理動作において、検出された前記電流値が前回に検出されていた前記電流値よりも予め定められた所定値以上減少した前記出力ポートは選定対象から除外する、請求項1又は請求項2に記載の電源装置。
  4. 前記出力値は電流値及び電圧値を含み、
    前記制御部は、
    前記電源の使用開始から予め定められた第2所定時間が経過するまでは、
    前記電流値を前記出力値とみなして実行する前記出力ポート管理動作において、検出された前記電流値が前回に検出されていた前記電流値よりも予め定められた所定値以上減少した前記出力ポートは選定対象から除外し、
    前記電源の使用開始から前記第2所定時間が経過した後は、
    前記電流値を前記出力値とみなして実行する前記出力ポート管理動作において、検出された前記電圧値が予め定められた所定閾値以上である前記出力ポートは選定対象から除外する、請求項1又は請求項2に記載の電源装置。
  5. 前記複数の出力ポートのそれぞれに対応して、前記出力ポートの状態を外部から認識可能にそれぞれ報知する複数の報知部をさらに備える、請求項1又は請求項2に記載の電源装置。
  6. 前記報知部は、前記複数の出力ポートのそれぞれが、前記出力ポート管理動作によって選定を継続又は新たに選定されたか、未だに選定されていないか、あるいはそれまで選定されていたが今回から選定対象より除外されたか、のいずれに該当するかを区別可能に報知する、請求項5に記載の電源装置。
  7. 前記複数の出力ポートの少なくとも一部に優先順位が設定されており、
    前記制御部は、前記出力ポート管理動作において、優先順位が設定されている前記出力ポートをその優先順位に従って優先的に選定対象とする、請求項1又は請求項2に記載の電源装置。
  8. 前記複数の出力ポートのそれぞれに対応して、前記電子機器が新たに接続されたこと又は接続されていた前記電子機器が取り外されたことをそれぞれ判別する複数の接続機器判別部をさらに備え、
    前記制御部は、前記接続機器判別部のいずれかによって前記電子機器が新たに接続されたこと又は接続されていた前記電子機器が取り外されたことを判別すると、前記出力ポート管理動作を実行する、請求項1又は請求項2に記載の電源装置。
  9. 前記複数の接続機器判別部によって検出された前記電子機器の接続順を記憶する記憶部をさらに備え、
    前記制御部は、前記出力ポート管理動作において、前記記憶部に記憶された前記接続順に従って対応する前記出力ポートを優先的に選定対象とする、請求項8に記載の電源装置。
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