WO2022172886A1

WO2022172886A1 - バックアップ用電源装置

Info

Publication number: WO2022172886A1
Application number: PCT/JP2022/004664
Authority: WO
Inventors: 謙治北村; 瞬望月; 洋祐齋藤
Original assignee: Fdk株式会社
Priority date: 2021-02-12
Filing date: 2022-02-07
Publication date: 2022-08-18
Also published as: US20240128747A1; JPWO2022172886A1; CA3210925A1

Abstract

少ない部品点数で充電中の蓄電池からの電流漏出を抑制することができるバックアップ用電源装置。0バックアップ用電源装置１００は、外部電源３からの電力により充電される蓄電池２０と、蓄電池を充電する充電スイッチＳＷ１、ＳＷ２と、電界効果トランジスタからなり、蓄電池を負荷装置２に放電させる放電スイッチＳＷ３、ＳＷ４と、充電スイッチ及び放電スイッチを制御する制御部５０と、放電スイッチと直列に接続される放電抑制手段４１とを備える。制御部５０が蓄電池２０を充電するときであって、電池電圧が入力電圧よりも高くなり、且つ電池電圧と入力電圧との差分電圧が所定値未満であるときにのみ、放電抑制手段４１は、蓄電池２０からの電流の漏出を抑制する。

Description

バックアップ用電源装置

　本発明は、外部電源装置からの給電により動作する負荷装置のバックアップ用電源装置に関する。

　従来、バックアップ用電源装置１は、例えば図１に示すように、負荷装置２と電源装置３との電力ラインに接続される入出力部４と、電池充電用電源５と、蓄電池６と、電池充電用電源５と蓄電池６との間に設けられた充電スイッチＳ１、Ｓ２と、蓄電池６から入出力部４に向けて放電させる放電スイッチＳ３、Ｓ４と、蓄電池６の充放電を制御する制御部７とを備える。充電スイッチＳ１、Ｓ２は、直列接続された２つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなり、２つのＦＥＴは、各々のボディダイオードの極性が互いに逆向きになるように接続されている。放電スイッチＳ３、Ｓ４も、２つのＦＥＴからなり、２つのＦＥＴは、各々のボディダイオードの極性が互いに逆向きになるように直列接続されている。

　制御部７は、蓄電池６を充電するときは、充電スイッチＳ１、Ｓ２を閉じると共に放電スイッチＳ３、Ｓ４を開放する。一方、蓄電池６を放電させるときは、充電スイッチＳ１、Ｓ２を開放すると共に放電スイッチＳ３、Ｓ４を閉じて、入出力部４を介して負荷装置２に給電を行っている。

　図１に示す電源装置１において、蓄電池６の充電中は、放電スイッチＳ３、Ｓ４を構成する２つのＦＥＴは、いずれもオフにされて蓄電池６からの放電路を遮断している。蓄電池６がニッケル水素電池セルからなる場合、蓄電池６を満充電するためには、電池電圧が蓄電池６の公称電圧よりも高い満充電電圧値に達するまで蓄電池６を充電する必要がある。しかしながら、蓄電池６の充電中において電池電圧が装置１への入力電圧よりも高くなると、充電中の蓄電池６から電流が漏出することがあった。

　本発明は、上記問題点に鑑みて、少ない部品点数で充電中の蓄電池からの電流漏出を抑制するバックアップ用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、本発明のバックアップ用電源装置は、外部電源装置から電力が供給される負荷装置に使用されるバックアップ用電源装置であって、前記外部電源装置からの電力により充電される蓄電池と、前記蓄電池を充電する充電スイッチと、第１電界効果トランジスタからなり、前記蓄電池から前記負荷装置に向けて放電させる放電スイッチと、前記充電スイッチ及び前記放電スイッチを制御すると共に、前記外部電源装置からの入力電圧と前記蓄電池の電池電圧とを検出する制御部と、前記放電スイッチと直列に接続される放電抑制手段と、を備え、前記制御部が前記充電スイッチをオンにし且つ前記放電スイッチをオフして前記蓄電池を充電するときであって、前記電池電圧が前記入力電圧よりも高くなり、且つ前記電池電圧と前記入力電圧との差分電圧が所定値未満であるときにのみ、前記放電抑制手段は、前記蓄電池から前記放電スイッチを介して漏出する放電を抑制する、ことを特徴とする。

　上記構成により、蓄電池の充電中に電池電圧が入力電圧よりも高くなった場合であっても、蓄電池からの電流の漏出が抑制される。

　本発明のバックアップ用電源装置によれば、少ない部品点数で、蓄電池の充電中の蓄電池からの電流の漏出を抑制する。従って、バックアップ用電源装置を安価で製造することができる。

従来のバックアップ用電源装置の回路図である。本実施の形態に係るバックアップ用電源装置の回路図である。

　本発明の実施の形態に係るバックアップ用電源装置を、図２を参照して以下に説明する。　

図２に、本実施の形態に係るバックアップ用電源装置１００を示す。バックアップ用電源装置１００は、入出力部１０と、二次電池からなる蓄電池２０と、充電回路３０と、放電回路４０と、制御部５０とを備え、外部電源装置３から給電されて動作する負荷装置２に対して、外部電源装置３から負荷装置２への供給電力の減少または遮断が生じた場合に、外部電源装置３の代わりに公称電圧の電力を供給する。　

入出力部１０は、外部電源装置３を負荷装置２に接続する電源ラインＬに接続されて、外部電源装置３からの電力が入力されるとともに、蓄電池２０からの電力を負荷装置２に向けて出力する。　

蓄電池２０は、例えばニッケル水素電池などの二次電池セルの少なくとも一つ以上からなり、バックアップ用電源装置１００が供給する公称電圧に応じて適宜の個数の二次電池セルが直列接続されて構成されている。蓄電池２０は、充電されると放電可能となる。　

充電回路３０は、入出力部１０と蓄電池２０との間に設けられ、入出力部１０側から蓄電池２０側に向けて、順に、電池充電用電源３１と、２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２とが直列に接続される。電池充電用電源３１は、入出力部１０に入力される入力電力Ｖｉｎを蓄電池２０の充電に適した電圧及び電流の電力に変換して蓄電池２０に向けて出力する。２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２は、それぞれＭＯＳＦＥＴからなり、各ＦＥＴのボディダイオードの極性が互いに反対方向を向くように直列接続されている。２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２は、充電スイッチの一例である。　

放電回路４０は、蓄電池２０と入出力部１０との間に設けられ、２つのスイッチＳＷ３、ＳＷ４が直列に接続されている。各スイッチＳＷ３、ＳＷ４は、ＭＯＳＦＥＴからなる。２つのスイッチＳＷ３、ＳＷ４は、ＦＥＴのボディダイオードの極性が互いに反対を向くように接続され、スイッチＳＷ３が蓄電池２０側に、スイッチＳＷ４が入出力部１０側に位置する。例えば、スイッチＳＷ３のボディダイオードは、アノードが入出力部１０側に、カソードが蓄電池２０側に位置し、スイッチＳＷ４のボディダイオードは、アノードが蓄電池２０側に、カソードが入出力部１０側に位置している。２つのスイッチＳＷ３、ＳＷ４は、放電スイッチの一例である。　

さらに、放電回路４０において、放電抑制回路４１が、スイッチＳＷ３とスイッチＳＷ４との間に直列に接続されている。放電抑制回路４１において、スイッチＳＷ１１とダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３とが並列に接続されている。スイッチＳＷ１１は、ＭＯＳＦＥＴからなる。スイッチＳＷ１１を構成するＭＯＳＦＥＴのボディダイオードは、アノードが入出力部側、カソードが蓄電池側に位置するように接続される。　

ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３は、３つのダイオードからなり、各ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３は、アノードが蓄電池２０側、カソードが入出力部１０側に位置するように直列接続されている。また、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３は、それぞれが順方向電圧ＶＦ１、ＶＦ２、ＶＦ３を有する。直列接続されるダイオードの個数は、放電回路４０を構成する全ダイオードによって得られる順方向電圧の合成値が、電池電圧Ｖｂａｔと入力電圧Ｖｉｎとの差分電圧ΔＶの予測最大値以上の値になるように設定される。放電抑制回路４１は、放電抑制手段の一例である。　

制御部５０は、入出力部１０に入力される入力電圧Ｖｉｎを検出する入力電圧検出器（図示せぬ）と、蓄電池２０の電池電圧Ｖｂａｔを検出する電池電圧検出器（図示せぬ）とを備える。制御部５０は、検出される入力電圧Ｖｉｎ及び電池電圧Ｖｂａｔに応じて、充電回路３０と放電回路４０とをそれぞれ制御して、蓄電池２０の充放電を行う。　

制御部５０は、蓄電池２０を充電するときは、充電回路３０の２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２をオンにして、電池充電用電源３１が出力する電力を蓄電池２０に供給する。制御部５０は、蓄電池２０の充電中は入力電圧Ｖｉｎと電池電圧Ｖｂａｔとを検出する。制御部５０は、電池電圧Ｖｂａｔにより蓄電池２０が満充電されたことを検出すると、充電回路３０の２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２をオフにして、蓄電池２０の充電を終了する。　

一方、制御部５０は、外部電源装置３からの入力電圧Ｖｉｎの所定値を下回る低下を検出したり、外部電源装置３からの電力の遮断を検出した場合、放電回路４０のスイッチＳＷ３、ＳＷ４をオンにし、さらに放電抑制回路４１のスイッチＳＷ１１をオンにして、蓄電池２０から入出力部１０までの放電路を閉じて、蓄電池２０から負荷装置２に向けて放電させる。　

次に、バックアップ用電源装置１００の動作について説明する。　

バックアップ用電源装置１００は、入出力部１０が電源ラインＬに接続されているので、蓄電池２０は、外部電源装置３からの電力により充電されて、外部電源装置３から負荷装置２への電力の減少または遮断に備えている。　

蓄電池２０を充電するとき、制御部５０は、充電スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオンにして入出力部１０から蓄電池２０への充電路を閉じ、放電スイッチＳＷ３、ＳＷ４及び放電抑制回路４１のスイッチＳＷ１１をオフにして蓄電池２０の放電路を開放する。電池充電用電源３１は、蓄電池２０の充電に適した電力を蓄電池２０に向けて出力し蓄電池２０を充電する。制御部５０は、電池電圧Ｖｂａｔを連続的または所定間隔毎にモニタし、電池電圧Ｖｂａｔが満充電電圧に達したときは蓄電池２０が満充電されたと判断して、充電スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオフにして蓄電池２０の充電を終了する。　

蓄電池２０がニッケル水素電池からなる場合、蓄電池２０を満充電するためには、蓄電池２０の公称電圧よりも高い電圧にまで充電する必要があるため、電池電圧Ｖｂａｔが入力電圧Ｖｉｎよりも高くなる時がある。このときに生じた入力電圧Ｖｉｎと電池電圧Ｖｂａｔとの間の差分電圧ΔＶを、放電路において直列接続された３つのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３の順方向電圧ＤＦ１、ＤＦ２、ＤＦ３と放電スイッチＳＷ４のボディダイオードの順方向電圧との加算値を利用して電圧降下させる。この電圧降下により、放電スイッチＳＷ３の蓄電池側の電位が電池電圧と略等しくなるために、蓄電池２０から放電路への電流の漏出が抑制される。本実施の形態では、差分電圧ΔＶは、最大で０．７５Ｖになるため、放電路におけるダイオードの順方向電圧の合成値が少なくとも０．７５Ｖ以上であれば、蓄電池２０から放電路への電流の漏出は生じない。　

また、制御部５０は、外部電源装置３から入出力部１０への入力電圧Ｖｉｎも連続的または所定間隔でモニタする。制御部５０は、入力電圧Ｖｉｎが、外部電源装置３から給電される負荷装置２の動作に必要な電圧以下に低下したとき、または、外部電源装置３から負荷装置２への給電が遮断したときに、放電スイッチＳＷ３、ＳＷ４と放電抑制回路４１のスイッチＳＷ１１とをオンにして蓄電池２０から入出力部１０への放電路を閉じて、蓄電池２０から負荷装置２への給電を開始する。　

上記実施の形態において、放電回路４０に含まれるスイッチＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ１１を構成するＦＥＴは３つだけであるため、スイッチＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ１１のスイッチング制御に必要な部品点数を少なくすることができ、バックアップ用電源装置１００の大型化を防止できる。　

放電抑制回路４１において直列接続されるダイオードの個数は、各ダイオードの順方向電圧と、蓄電池２０の充電中に予測される差分電圧ΔＶの最大値とを考慮して設定すれば良い。１つのダイオードによる順方向電圧は小さいので、差分電圧ΔＶが大きくなると、必要とされる電圧降下値も大きくなるので、直列接続されるダイオードの個数もそれに応じて増やすことになる。　

このように、蓄電池２０の充電中に、電池電圧Ｖｂａｔが入力電圧Ｖｉｎよりも高くなった場合に生じる差分電圧ΔＶを、直列接続したダイオードの順方向電圧を利用して電圧降下させている。従って、充電時の蓄電池２０からの電流の漏出を、受動部品であるダイオードを利用して簡単な構成で且つ安価に防止することができる。また、ダイオードは受動部品であるため、回路への組み込みにあたり、ダイオード用の制御回路を不要にできる。従って、バックアップ用電源装置１００を安価に製造することができる。　

上記実施の形態では、放電抑制回路４１において、単一のスイッチＳＷ１１と直列接続された３つのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３とを並列接続させていたが、この構成に代えて、複数のＦＥＴを直列接続させた構成を取ることもできる。この場合、直列接続されたＦＥＴの各々のボディダイオードの順方向電圧の合成値を利用して、蓄電池２０を充電しているときに電池電圧Ｖｂａｔが入力電圧Ｖｉｎよりも高くなることにより生じる差分電圧ΔＶを、蓄電池２０と入出力部１０との間で電圧降下させることもできる。故に、蓄電池２０からの電流の漏出が抑制される。

　　２０　　蓄電池
　　４１　　放電抑制手段
　　５０　　制御部
　１００　　バックアップ用電源装置
　　Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３　　ダイオード
　　ＳＷ１、ＳＷ２　　充電スイッチ
　　ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ１１　　放電スイッチ

Claims

　外部電源装置から電力が供給される負荷装置に使用されるバックアップ用電源装置であって、
　前記外部電源装置からの電力により充電される蓄電池と、
　前記蓄電池を充電する充電スイッチと、
　第１電界効果トランジスタからなり、前記蓄電池から前記負荷装置に向けて放電させる放電スイッチと、
　前記充電スイッチ及び前記放電スイッチを制御すると共に、前記外部電源装置からの入力電圧と前記蓄電池の電池電圧とを検出する制御部と、
　前記放電スイッチと直列に接続される放電抑制手段と、を備え、
　前記制御部が前記充電スイッチをオンにし且つ前記放電スイッチをオフして前記蓄電池を充電するときであって、前記電池電圧が前記入力電圧よりも高くなり、且つ前記電池電圧と前記入力電圧との差分電圧が所定値未満であるときにのみ、前記放電抑制手段は、前記蓄電池から前記放電スイッチを介して漏出する放電を抑制する、バックアップ用電源装置。
　前記蓄電池から前記放電スイッチを介して前記負荷装置に接続可能な出力部をさらに備え、
　前記放電抑制手段は、互いに並列接続された第２電界効果トランジスタとダイオードとを含み、
　前記ダイオードは、アノードが前記蓄電池側に、カソードが前記出力部側に接続され、
　前記所定値は、前記ダイオードの順方向電圧と等しく、
　前記制御部は、前記充電スイッチをオンにするときは、前記第２電界効果トランジスタをオフにし、前記放電スイッチをオンにするときは、前記第２電界効果トランジスタもオンにする、請求項１記載のバックアップ用電源装置。
　前記蓄電池から前記放電スイッチを介して前記負荷装置に接続可能な出力部をさらに備え、
　前記放電抑制手段は、第２電界効果トランジスタと複数のダイオードとを含み、
　前記複数のダイオードは、それぞれ、アノードが前記蓄電池側に、カソードが前記出力部側に位置するように直列接続され、
　直列接続された複数のダイオードは、前記第２電界効果トランジスタと並列に接続され、
　前記所定値は、前記複数のダイオードの各々の順方向電圧を加算した値と等しく、
　前記制御部は、前記充電スイッチをオンにするときは、前記第２電界効果トランジスタをオフにし、前記放電スイッチをオンにするときは、前記第２電界効果トランジスタもオンにする、請求項１記載のバックアップ用電源装置。