JP6743886B2 - 電源装置及び電気機器 - Google Patents

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Description

本発明は、電池セルの電圧を利用して電気機器に電源供給する電源装置、及び電源装置から電源力供給を受けて動作する電気機器に関する。
従来から、二次電池セルを内蔵した電池パックの電力によって駆動する電動工具が知られている。下記特許文献１には複数の電池パック（電池ユニット）の接続方式を切り替え可能とし、複数の電池パック（例えば１８Ｖ）を直列に接続することで３６Ｖの直流電圧を得ることが記載されている。また、下記特許文献２には、１０個の電池セルを直列接続したセル組を４セット直列に接続することが記載されている。リチウムイオン電池セルの場合には、３.６Ｖ／セル×１０セル×４セット＝１４４Ｖの直流電圧を得ることができる。このように、所定数以上の電池パック（電池ユニット）を直列接続すれば、商用電源（例えばＡＣ１００Ｖ）で駆動する電気機器の電源として使用することも可能である。
特開２０１４−０１７９５４号公報 特開２０１４−０３６５６５号公報
特許文献１及び２に記載の電源装置から出力される電圧は直流のため、商用電源で駆動する電気機器を接続して使用する場合、使用できる電気機器に制限があった。例えば、グラインダ等の、交流入力電圧のゼロクロスを検出して所定の制御（例えば位相制御）を行う電動工具には使用できなかった。
本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、ゼロクロスを検出して所定の制御を行う電気機器への電源供給が可能な電源装置及び当該電源装置から電源力供給を受けて動作する電気機器を提供することにある。
本発明のある態様は、電源装置である。この電源装置は、
電池セルを有する電池パックと、
前記電池セルに電気的に接続された出力端子と、
前記電池セルから前記出力端子に繋がる放電経路に設けられたスイッチング素子と、
前記スイッチング素子を制御する制御部と、を備え、
定格出力電圧が３６Ｖの前記電池パックが複数直列に接続され、前記出力端子から直流電圧を出力するように構成され、
前記制御部は、前記スイッチング素子を、商用電源の２倍の周波数で一時的にオフすることを特徴とする。
前記周波数が１００Ｈｚ又は１２０Ｈｚであってもよい。
前記制御部は、前記周波数を１００Ｈｚと１２０Ｈｚとの間で切替可能であってもよい。
前記制御部は、前記電池セルの電圧に応じて、前記スイッチング素子の一時的なオフ時間、又は前記スイッチング素子のオンオフ制御のデューティ比を変更してもよい。
前記制御部は、所定電圧範囲内において、前記電池セルの電圧が高い場合に、前記電圧が低い場合よりも、前記オフ時間を長くする、又は前記デューティ比を小さくしてもよい。
前記制御部は、前記オフ時間又は前記デューティ比の調整により、前記電池セルの電圧が所定値以上の第１電圧範囲にある場合と、前記所定値未満の第２電圧範囲にある場合との間で、本電源装置の出力電圧の実効値を切り替えてもよい。
本発明のもう１つの態様は、位相制御方式で動作する電気機器を駆動可能な電源装置であって、
定格出力電圧が３６Ｖの電池パックが複数直列に接続され、
前記電気機器に直流電圧を出力するように構成され、
商用電源の２倍の周波数で出力を一時的に停止することを特徴とする。
前記周波数が１００Ｈｚ又は１２０Ｈｚであってもよい。また、前記周波数を１００Ｈｚと１２０Ｈｚとの間で切替可能であってもよい。
前記電池パックは３つ直列に接続されていてもよい。
本発明のもう１つの態様は、前記電源装置から電力供給を受けて動作することを特徴とする電気機器である。
モータを備え、位相制御方式で前記モータを駆動してもよい。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、ゼロクロスを検出して所定の制御を行う電気機器への電源供給が可能な電源装置及び当該電源装置から電源力供給を受けて動作する電気機器を提供することができる。
本発明の実施の形態に係る電源装置１の外観図であって、図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は正面図、図１（Ｃ）は右側面図。 電池パック１０を装着した状態の電源装置１の外観図であって、図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は正面図、図１（Ｃ）は右側面図。 電源装置１及びそれに接続された電動工具２の外観図。 電源装置１の回路ブロック図。 電源装置１に接続された電動工具２の回路ブロック図。 電源装置１の制御フローチャート。 電動工具２の制御フローチャート。 電動工具２における、速度設定ダイヤル２２の操作量（設定電圧）とトライアック２６の導通角との関係を示すグラフ。 50Hz正弦波（商用交流電圧）、電源装置１の出力電圧、及び電動工具２のゼロクロス検出信号の一例を示す波形図。 電源装置１の出力電圧の周期が１０ｍｓ（設定周波数が50Hz）の場合における、直列接続された電池パック１０の合計出力電圧と、１周期あたりのスイッチング素子１４のオン時間と、の関係の一例を示すグラフ。
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
図１（Ａ）〜図１（Ｃ）に示すように、本実施の形態の電源装置１は、ハウジング５の上面に複数の（図示の例では３つの）電池パック装着部７を有する。各々の電池パック装着部７には、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示すように、電池パック１０を着脱可能に装着できる。ハウジング５の右側面には、電源スイッチ６、出力端子としてのプラグ差込口８、及び周波数切替手段としての50Hz/60Hz切替スイッチ９が設けられる。電源スイッチ６は、ユーザが電源装置１の駆動、停止を切り替えるためのスイッチである。プラグ差込口８は、電源コード３（図３）のプラグを差し込む部分である。図３に示すように、プラグ差込口８に接続した電源コード３により、電源装置１から電動工具２に電源を供給できる。なお、図３に示す例では電動工具２はグラインダである。50Hz/60Hz切替スイッチ９は、ユーザが電源装置１の出力電圧の周波数を切り替えるためのスイッチである。ハウジング５の内部には、図４に示す制御系電源１１、電圧測定回路１２、マイコン等の制御部１３、及びＦＥＴ等のスイッチング素子１４が設けられる。
図４に示すように、電源装置１において、３つの電池パック１０は直列接続される。各電池パック１０は、例えば、３.６Ｖの二次電池セルを１０本直列接続した構成であり、定格出力電圧が３６Ｖである。この場合、電源装置１は、３０本の二次電池セルを直列接続した構成となる。なお、直列接続された３つの電池パック１０の両端には、各電池パック１０の残容量に応じて、最大１２０Ｖの電圧が現れる。
電源スイッチ６は、電池パック１０の直列接続のプラス側からプラグ差込口８のプラス端子に繋がる放電経路に設けられる。制御系電源１１は、電池パック１０の出力電圧（電源スイッチ６の出力側の電圧）を基に、制御部１３の動作電圧となる例えば５Ｖの直流電圧を生成する。電圧測定回路１２は、各電池パック１０の出力電圧、及び電源スイッチ６の出力側の電圧を測定し、結果を制御部１３に送信する。制御部１３は、50Hz/60Hz切替スイッチ９によって設定された周波数、及び電圧測定回路１２によって測定された電池パック１０の出力電圧を基に、後述のように、スイッチング素子１４のオンオフを制御（例えばＰＷＭ制御）する。スイッチング素子１４は、電池パック１０の直列接続のマイナス側からプラグ差込口８のマイナス端子に繋がる放電経路に設けられる。
図３及び図５に示す電動工具２は、位相制御方式で動作する電気機器の例示であり、モータ２８に直列接続されたトライアック２６の導通角を制御することで、モータ２８の回転速度を調節可能である。図５に示すように、電動工具２は、トリガスイッチ２５の操作によりモータ２８の駆動、停止（モータ２８への電力供給の有無）を切り替えるものであって、トリガスイッチ２５を経由した入力電圧のゼロクロスを検出するためにフォトカプラ２４を有する。フォトカプラ２４は、一対の発光ダイオードＤ１、Ｄ２と、フォトトランジスタＴｒ１とを含み、トリガスイッチ２５を経由した入力電圧が０近傍となる期間に双方の発光ダイオードＤ１、Ｄ２が発光を停止しフォトトランジスタＴｒ１がオフとなることで、当該期間のみハイレベルとなるゼロクロス検出信号を制御部２３に送信する。
制御系電源２１は、トリガスイッチ２５を経由した入力電圧を基に、制御部２３の動作電圧ＶＤＤ（例えば５Ｖの直流電圧）を生成する。速度設定ダイヤル２２は、速度設定手段の例示であり、ユーザがモータ２８の回転速度を設定するために設けられる。制御部２３は、フォトカプラ２４からのゼロクロス検出信号、及び速度設定ダイヤル２２による速度設定値（速度設定電圧）を基に、スイッチング素子２７のオンオフを制御し、トライアック２６の導通角を制御する。
図６は、電源装置１の制御フローチャートである。このフローチャートは、電源装置１の全ての電池パック装着部７にそれぞれ電池パック１０が装着された状態で、ユーザが電源スイッチ６をオンにすることによってスタートする。制御部１３は、電圧測定回路１２の出力信号により、電源スイッチ６の出力側の電圧Ｖ（直列接続された電池パック１０の出力電圧Ｖ）を検出する（Ｓ１）。制御部１３は、検出した電圧Ｖが１００Ｖを超えていれば（Ｓ２、Ｙｅｓ）、スイッチング素子１４のオンオフ制御（ＰＷＭ制御）のデューティ比Ｄを１００／Ｖ［％］に設定する（Ｓ３）。これは、電源装置１の出力電圧の目標実効値を１００Ｖに設定したことを意味する。制御部１３は、検出した電圧Ｖが１００Ｖ以下（Ｓ２、Ｎｏ）かつ８０Ｖを超えていれば（Ｓ４、Ｙｅｓ）、デューティ比Ｄを８０／Ｖ［％］に設定する（Ｓ５）。これは、電源装置１の出力電圧の目標実効値を８０Ｖに設定したことを意味する。制御部１３は、検出した電圧Ｖが８０Ｖ以下であれば、スイッチング素子１４をオフし（Ｓ６）、プラグ差込口８からの電圧出力を行わない。これは、出力電圧が８０Ｖに満たないとＡＣ駆動の電気機器を正常に動作させられない可能性を考慮したものである。
続いて制御部１３は、50Hz/60Hz切替スイッチ９による設定周波数を確認し（Ｓ７）、設定周波数が50Hzであれば（Ｓ７、Ｙｅｓ）、スイッチング素子１４のオンオフ制御（ＰＷＭ制御）の周期Ｔを１０ｍｓに設定し（Ｓ８）、設定周波数が60Hzであれば（Ｓ７、Ｎｏ）、周期Ｔを８.３ｍｓ（＝1,000ｍｓ／120）に設定する（Ｓ９）。これは、50Hzの正弦波ではゼロクロスが100Hzの周波数（１０ｍｓの周期）で発生し、60Hzの正弦波ではゼロクロスが120Hzの周波数（８.３ｍｓの周期）で発生することに合わせた設定である。なお、周期Ｔの設定に関する処理を、ディーティ比Ｄの設定に関する処理より先に又は当該処理と並列に行ってもよい。
デューティ比Ｄ及び周期Ｔの設定が完了すると、制御部１３は、スイッチング素子１４をオンすると共にタイマカウントを開始する（Ｓ１０）。制御部１３は、スイッチング素子１４をオンしてからＴ×Ｄ秒が経過するまではスイッチング素子１４をオン状態に維持し（Ｓ１１、Ｎｏ）、スイッチング素子１４をオンしてからＴ×Ｄ秒が経過すると（Ｓ１１、Ｙｅｓ）、スイッチング素子１４をオフする（Ｓ１２）。制御部１３は、スイッチング素子１４をオフ状態に維持してＴ×（１−Ｄ）秒待機し（Ｓ１３）、タイマを初期化し（Ｓ１４）、ステップＳ１０に戻る。ステップＳ１０〜Ｓ１４の動作を繰り返すことで、電源装置１のプラグ差込口８に出力電圧が現れる。
図７は、電動工具２の制御フローチャートである。制御部２３は、フォトカプラ２４からのゼロクロス検出信号を検出し（Ｓ２１）、トリガスイッチ２５を経由して入力された電源装置１の出力電圧の周波数（50Hz/60Hz）を判別する（Ｓ２２）。制御部２３は、判別した周波数に応じてトライアック２６のゲート信号の制御範囲を設定する（Ｓ２３）。一方、制御部２３は、速度設定ダイヤル２２による速度設定電圧を測定し（Ｓ２４）、速度設定電圧を基にトライアック２６の導通角を設定する（Ｓ２５）。速度設定電圧（ダイヤル設定電圧）と導通角の関係の一例を図８に示す。なお、導通角設定処理を、トライアック２６のゲート信号の制御範囲の設定処理より先に又は当該処理と並列に行ってもよい。制御部２３は、ステップＳ２３で設定した制御範囲とステップＳ２５で設定した導通角を基にスイッチング素子２７のオンオフ（すなわちトライアック２６のオンオフ）を制御してモータ２８に通電し、モータ２８を定速度制御する（Ｓ２６）。
図９は、50Hz正弦波（商用交流電圧）、電源装置１の出力電圧、及び電動工具２のゼロクロス検出信号の一例を示す波形図である。図９に示すように、電源装置１の出力電圧は、図６に示す制御により、設定された周波数（図示の例では50Hz）の正弦波のゼロクロス発生周期と同じ周期で一時的にゼロになり、また実効値は電源スイッチ６の出力側の電圧に応じて１００Ｖ又は８０Ｖ（図示の例では１００Ｖ）に制御される。そして電動工具２においては、電源装置１の出力電圧が一時的にゼロになっている期間にフォトカプラ２４がゼロクロス検出信号を発生する。
図１０は、電源装置１の出力電圧の周期が１０ｍｓ（設定周波数が50Hz）の場合における、直列接続された電池パック１０の合計出力電圧と、１周期あたりのスイッチング素子１４のオン時間と、の関係の一例を示すグラフである。電源装置１では、１００Ｖを超えて１２０Ｖまでの範囲を第１電圧範囲とし、８０Ｖを超えて１００Ｖまでの範囲を第２電圧範囲とし、第１電圧範囲では出力電圧の目標実効値を１００Ｖとし、第２電圧範囲では出力電圧の目標実効値を８０Ｖとする。目標実効値の切替は、１周期あたりのスイッチング素子１４の一時的なオフ時間、すなわちスイッチング素子１４のオンオフ制御のデューティ比Ｄを変更することで行われる。また、第１及び第２電圧範囲の各々において、直列接続された電池パック１０の合計出力電圧が高くなるほど、１周期あたりのスイッチング素子１４の一時的なオフ時間を長くする、すなわちスイッチング素子１４のオンオフ制御のデューティ比Ｄを小さくすることで、電池パック１０の合計出力電圧が変化しても電源装置１の出力電圧の実効値が一定に制御される。
本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。
(1) 電源装置１において制御部１３は、電池パック１０からプラグ差込口８に繋がる放電経路に設けられたスイッチング素子１４を所定周期、すなわち商用電源の２倍の周期（１００Ｈｚ又は１２０Ｈｚ）で一時的にオフするため、電源装置１の出力電圧で動作する電動工具２等の電気機器は、スイッチング素子１４がオフになるタイミングで擬似的にゼロクロスを検出でき、ゼロクロスを利用した位相制御等の所定の制御が可能となる。したがって、電源装置１により、ゼロクロスを検出して所定の制御を行う電気機器への電源供給が可能となる。
(2) 制御部１３は、１周期あたりのスイッチング素子１４の一時的なオフ時間、すなわちスイッチング素子１４のオンオフ制御のデューティ比Ｄを調整することで、電池パック１０の合計出力電圧が１００Ｖを超える場合でも電源装置１からの出力電圧の実効値を１００Ｖ以下に制御するため、ＡＣ１００Ｖよりも大きな実効値の電圧が出力されることを抑制でき、電源供給先となる電動工具２等の電気機器が正常に動作しなかったり、電気機器内部の回路部品が破損したりすることを抑制できる。
(3) 制御部１３は、電池パック１０の合計出力電圧が１００Ｖを超えて１２０Ｖまでの第１電圧範囲にある場合と、８０Ｖを超えて１００Ｖまでの第２電圧範囲にある場合と、の各々において、電池パック１０の合計出力電圧に応じて１周期あたりのスイッチング素子１４の一時的なオフ時間すなわちスイッチング素子１４のオンオフ制御のデューティ比Ｄを調整し、電源装置１の出力電圧の実効値を一定に制御するため、電池パック１０の残容量の変化による電池パック１０の合計出力電圧の変化に起因して電源供給先となる電動工具２等の電気機器の使用感が変化することを抑制できる。
(4) 制御部１３は、電池パック１０の合計出力電圧が１００Ｖを超える場合は電源装置１の出力電圧の目標実効値を１００Ｖにする一方、電池パック１０の合計出力電圧が１００Ｖ以下になると目標実効値を８０Ｖに切り替えるため、電池パック１０の合計出力電圧が１００Ｖ以下に低下しても、交流駆動の電気機器の多くが正常に動作する実効値８０Ｖの出力電圧により電源供給を継続できる。
以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。
実施の形態では、位相制御方式で動作する電気機器としてグラインダ等の電動工具２を例示したが、電気機器は、電動工具に限定されず、照明の調光器や熱源の温度調整器等の他の種類のものであってもよい。スイッチング素子１４のオンオフの周期やデューティ比、電池パック１０の個数や合計出力電圧、電源装置１の出力電圧の目標実効値等、実施の形態で示した具体的な数字は一例に過ぎず、要求される仕様に合わせて適宜設定すればよい。
１…電源装置、２…電動工具（電気機器）、３…電源コード、５…ハウジング、６…電源スイッチ、７…電池パック装着部、８…プラグ差込口（出力端子）、９…50Hz/60Hz切替スイッチ（周波数切替手段）、１０…電池パック、１１…制御系電源、１２…電圧測定回路、１３…制御部、１４…スイッチング素子、２１…制御系電源、２２…速度設定ダイヤル、２３…制御部、２４…フォトカプラ（ゼロクロス検出手段）、２５…トリガスイッチ、２６…トライアック（スイッチング素子）、２７…スイッチング素子、２８…モータ

Claims (12)

  1. 電池セルを有する電池パックと、
    前記電池セルに電気的に接続された出力端子と、
    前記電池セルから前記出力端子に繋がる放電経路に設けられたスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子を制御する制御部と、を備え、
    定格出力電圧が３６Ｖの前記電池パックが複数直列に接続され、前記出力端子から直流電圧を出力するように構成され、
    前記制御部は、前記スイッチング素子を、商用電源の２倍の周波数で一時的にオフすることを特徴とする、電源装置。
  2. 前記周波数が１００Ｈｚ又は１２０Ｈｚであることを特徴とする、請求項１に記載の電源装置。
  3. 前記制御部は、前記周波数を１００Ｈｚと１２０Ｈｚとの間で切替可能であることを特徴とする、請求項１に記載の電源装置。
  4. 前記制御部は、前記電池セルの電圧に応じて、前記スイッチング素子の一時的なオフ時間、又は前記スイッチング素子のオンオフ制御のデューティ比を変更することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の電源装置。
  5. 前記制御部は、所定電圧範囲内において、前記電池セルの電圧が高い場合に、前記電圧が低い場合よりも、前記オフ時間を長くする、又は前記デューティ比を小さくすることを特徴とする、請求項４に記載の電源装置。
  6. 前記制御部は、前記オフ時間又は前記デューティ比の調整により、前記電池セルの電圧が所定値以上の第１電圧範囲にある場合と、前記所定値未満の第２電圧範囲にある場合との間で、本電源装置の出力電圧の実効値を切り替えることを特徴とする、請求項４又は５に記載の電源装置。
  7. 位相制御方式で動作する電気機器を駆動可能な電源装置であって、
    定格出力電圧が３６Ｖの電池パックが複数直列に接続され、
    前記電気機器に直流電圧を出力するように構成され、
    商用電源の２倍の周波数で出力を一時的に停止することを特徴とする、電源装置。
  8. 前記周波数が１００Ｈｚ又は１２０Ｈｚであることを特徴とする、請求項７に記載の電源装置。
  9. 前記周波数を１００Ｈｚと１２０Ｈｚとの間で切替可能であることを特徴とする、請求項８に記載の電源装置。
  10. 前記電池パックは３つ直列に接続されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の電源装置。
  11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の電源装置から電力供給を受けて動作することを特徴とする、電気機器。
  12. モータを備え、位相制御方式で前記モータを駆動することを特徴とする、請求項１１に記載の電気機器。
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