特許 6972415 電源装置および電圧生成回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6972415

(24)【登録日】2021年11月5日

(45)【発行日】2021年11月24日

(54)【発明の名称】電源装置および電圧生成回路

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20211111BHJP

   H02M 3/28 20060101ALI20211111BHJP

【ＦＩ】

   H02J7/00 302A

   H02M3/28 Z

   H02J7/00 303C

【請求項の数】2

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2021-78411(P2021-78411)

(22)【出願日】2021年5月6日

【審査請求日】2021年5月6日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】594109934

【氏名又は名称】高藤 恭胤

(74)【代理人】

【識別番号】110000235

【氏名又は名称】特許業務法人 天城国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高藤 恭胤

(72)【発明者】

【氏名】川西 克司

【審査官】 遠藤 尊志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−０７８３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２２８２５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／１４４３９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−２４４５５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２７６７５４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｈ０２Ｍ ３／００−３／４４

Ｈ０２Ｍ ７／４２−７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電池と、
前記電池から供給された直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＡＣコンバータの出力端子に接続され、交流電圧を直流電圧に変換することにより直流電圧を発生する電圧生成回路と、
前記電圧生成回路の出力を前記電池に帰還する帰還回路と、
前記電池と前記電圧生成回路との間に設けられ、前記電池から前記電圧生成回路に電流が流れ込むことを阻止するダイオードと、
を有し、
前記電圧生成回路は、
前記ＤＣ／ＡＣコンバータの一対の出力端子の一方にのみにアノードが接続される第１の整流素子と、
前記第１の整流素子のアノードにカソードが接続される第２の整流素子と、
前記第１の整流素子のカソードと前記第２の整流素子のアノードとの間に一次巻き線が接続される変圧器と、
前記変圧器の二次巻き線に接続される平滑回路と、
を有する電源装置。

【請求項2】

ＤＣ／ＡＣコンバータの一対の出力端子の一方にのみにアノードが接続される第１の整流素子と、
前記第１の整流素子のアノードにカソードが接続される第２の整流素子と、
前記第１の整流素子のカソードと前記第２の整流素子のアノードとの間に一次巻き線が接続される変圧器と、
前記変圧器の二次巻き線に接続される平滑回路と、
を有する電圧生成回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電源装置および電圧生成回路に関する。

【背景技術】

【0002】

充電池や乾電池を使用する機器や電源装置では、定期的に充電池を充電したり、乾電池を交換する必要がある。そのため、この種の機器は、長時間の連続的な使用が困難であり、また、機器を長時間使用する場合には、あらかじめ、複数の乾電池や蓄電池を準備しておく必要がある。そこで、電池の寿命を延ばすための技術が種々提案されている（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８−１３５１９３号公報

【発明の概要】

【0004】

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、電池にシートを装着する必要があるため、汎用の充電池や乾電池に使用するのが困難であった。

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、上述の事情の下になされたもので、電池の種別にかかわらず、電源装置などに用いられる電池の長寿命化を図ることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、実施形態に係る電源装置は、電池とＤＣ／ＡＣコンバータと電圧生成回路と帰還回路とダイオードとを有する。ＤＣ／ＡＣコンバータは、電池から供給された直流電圧を交流電圧に変換する。電圧生成回路は、ＤＣ／ＡＣコンバータの出力端子に接続され、交流電圧を直流電圧に変換することにより直流電圧を発生する。帰還回路は、電圧生成回路の出力を前記電池に帰還する。ダイオードは、電池と電圧生成回路との間に設けられ、電池から電圧生成回路に電流が流れ込むことを阻止する。電圧生成回路は、ＤＣ／ＡＣコンバータの一対の出力端子の一方にのみにアノードが接続される第１の整流素子と、第１の整流素子のアノードにカソードが接続される第２の整流素子と、第１の整流素子のカソードと第２の整流素子のアノードとの間に一次巻き線が接続される変圧器と、変圧器の二次巻き線に接続される平滑回路と、を有する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施形態１に係る電源装置の構成図である。

【図2】実施形態１に係る電圧生成回路の構成図である。

【図3】実施形態１に係る電源装置の動作について説明するための図である。

【図4】実施形態１に係る電源装置の動作について説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

（実施形態１）
以下、本実施形態を、図面を用いて説明する。図１は、実施形態に係る電源装置１の構成図である。電源装置１は、電池１０、スイッチ１１、ＤＣ／ＡＣコンバータ２０、電圧生成回路３０、逆流阻止ダイオード４０、帰還回路５０を有する。

【0009】

電池１０は、例えば、充電可能な鉛蓄電池もしくはリチュームイオン電池である。ここでは、電池１０は、出力１．５Ｖのリチュームイオン電池を直列に１０個接続して構成されている。スイッチ１１は、電池１０の出力を開閉し、電源装置１をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチである。

【0010】

ＤＣ／ＡＣコンバータ２０は、電池１０から出力される直流電圧を交流電圧に変換する。ＤＣ／ＡＣコンバータ２０は、スイッチングレギュレータ方式のコンバータである。例えば、ＤＣ／ＡＣコンバータ２０の出力電圧は、１キロボルト以上である。ここでは、ＤＣ／ＡＣコンバータ２０の出力電圧は、約４０万ボルトである。ＤＣ／ＡＣコンバータ２０のスイッチング周波数は、例えば、数十ｋＨｚである。ＤＣ／ＡＣコンバータ２０は、外部機器が接続される端子Ｔ１，Ｔ２を有している。

【0011】

電圧生成回路３０は、ＤＣ／ＡＣコンバータ２０に設けられた端子Ｔ１に接続されている。図２は、電圧生成回路３０の構成図である。電圧生成回路３０は、ダイオード３１（第１の整流素子）、ダイオード３２（第２の整流素子）、トランス３３、ダイオード３４、コンデンサ３５を有する。

【0012】

端子Ｔ１には、ダイオード３１のアノードと、ダイオード３２のカソードが接続されている。また、ダイオード３１のカソードと、ダイオード３２のアノードには、トランス３３の一次巻き線が接続されている。トランス３３の二次巻き線には、ダイオード３４が直列に接続され、コンデンサ３５が並列に接続されている。ダイオード３４とコンデンサ３５は、平滑回路を構成する。

【0013】

図１及び図２を参照するとわかるように、トランス３３の二次巻き線の高圧側の端は、ダイオード３４に直列に接続される逆流阻止ダイオード４０と、スイッチ１１を介して、電池１０の陽極に接続される。また、トランス３３の二次巻き線の低圧側の端は、電池１０の負極に接続される。これによって、電圧生成回路３０、逆流阻止ダイオード４０は、帰還回路５０を構成する。

【0014】

電圧生成回路３０を構成するトランス３３の二次側に電圧が発生すると、電流は、帰還回路５０を構成する逆流阻止ダイオード４０を介して、電圧生成回路３０から電池１０の陽極へ向かって流れる。

【0015】

次に、電源装置１の動作について説明する。スイッチ１１をＯＮにすることにより、電池１０からＤＣ／ＡＣコンバータ２０に、約１５Ｖの直流電圧が入力される。ＤＣ／ＡＣコンバータ２０は、端子Ｔ１と端子Ｔ２との間に約４０万ボルトの交流電圧を出力する。

【0016】

図３は、電圧生成回路３０の等価回路である。トランス３３の一次巻き線の線間には、浮遊容量Ｃ１が存在する。また、トランス３３の一次巻き線と端子Ｔ２との間には、浮遊容量Ｃ２が存在する。浮遊容量は、トランス３３の一次巻き線の各部と端子Ｔ２との間に存在するが、ここでは、説明を容易にするために、トランス３３のダイオード３２のアノード側と端子Ｔ２との間の浮遊容量が大きいと仮定し、浮遊容量Ｃ２のみが存在するものとして説明する。

【0017】

ＤＣ／ＡＣコンバータ２０は、端子Ｔ１と端子Ｔ２との間に交流電圧を出力する。端子Ｔ２の電位に対して端子Ｔ１の電位が高い場合、図３に点線で示すように、端子Ｔ１，ダイオード３１、トランス３３の一次巻き線と浮遊容量Ｃ１，浮遊容量Ｃ２，端子Ｔ２と流れる電流ループが形成される。この電流により、トランス３３の一次巻き線の両端に電圧が発生する。また、浮遊容量Ｃ１には電荷がチャージされる。

【0018】

端子Ｔ２の電位に対して端子Ｔ１の電位が低い場合、端子Ｔ２，浮遊容量Ｃ２，ダイオード３２、端子Ｔ１と流れる電流ループが形成される。この時、ダイオード３１があるため、トランス３３の一次巻き線と浮遊容量Ｃ１には電流が流れない。浮遊容量Ｃ１にチャージされた電荷は、トランス３３の一次巻き線を介して放電される。放電に伴って、トランス３３の一次巻き線および浮遊容量Ｃ１の両端の電圧は減少する。

【0019】

再び、端子Ｔ２の電位に対して端子Ｔ１の電位が高くなると、図３に点線で示す電流ループが形成され、トランス３３の一次巻き線の両端には電圧が発生する。このように、ＤＣ／ＡＣコンバータ２０の出力端子間の電圧変化に伴い、トランス３３の一次側には交流電圧が発生する。

【0020】

トランス３３の二次側には、トランス３３の一次側に発生した交流電圧を昇圧もしくは降圧した交流電圧が発生する。ダイオード３４とコンデンサ３５は、トランス３３の二次側に発生した交流電圧を平滑して直流電圧を生成する。トランス３３の一次側巻き線と二次側巻き線の巻き数比は、位置Ｐ３と位置Ｐ４の間に出力される直流電圧Ｖ２が、電池１０の両端の電圧Ｖ１より少し高くなるように設定する。電池１０の満充電時の出力電圧を１６．５Ｖ、電源装置１を利用する電子機器（負荷回路）に必要な最低電圧を１３．５Ｖと仮定する。この場合、トランス３３の巻き数比は、位置Ｐ３と位置Ｐ４の間の直流電圧Ｖ２が、例えば、１６．０Ｖから１６．５Ｖになるように設定する。

【0021】

位置Ｐ３と位置Ｐ４の間の直流電圧Ｖ２が電池１０の両端の電圧Ｖ１よりも高い場合、電圧生成回路３０から帰還回路５０を介して電池１０に電力が供給され、電池１０は充電される。位置Ｐ１と位置Ｐ２の間の電圧Ｖ１が位置Ｐ３と位置Ｐ４の間の直流電圧Ｖ２より高い場合、逆流阻止ダイオード４０があるので、電池１０から帰還回路５０を介して電圧生成回路３０に電流が流れ込むことはない。

【0022】

図４は、端子Ｔ１と端子Ｔ２の間に所定の負荷回路を接続した場合の電池１０の両端の電圧Ｖ１の時間変化を示すグラフである。縦軸は、電池１０の両端の電圧Ｖ１を示す。横軸は、経過時間を示す。丸印によって規定される曲線は、図１に示される帰還回路５０を有する電源装置１を構成する電池１０の電圧Ｖ１の変化を示す。三角印によって規定される曲線は、帰還回路５０がない従来の電源装置における電池１０の電圧Ｖ１の変化を示す。

【0023】

図４のＶＨは、電池１０が満充電された状態の電池１０の両端の電圧である。ＶＨは、例えば、１６．５Ｖである。ＶＬは、例えば、１３．５Ｖである。時間ｔ１は、電源装置１を構成する電池１０の電圧Ｖ１がＶＨからＶＬに至るまでの時間である。時間ｔ２は、帰還回路５０を持たない従来の電源装置１を構成する電池１０の電圧Ｖ１がＶＨからＶＬに至るまでの時間である。

【0024】

端子Ｔ１と端子Ｔ２の間に接続される負荷回路の消費電力が小さいほど、時間ｔ１と時間ｔ２の比Ｋ（Ｋ＝ｔ１／ｔ２）は大きくなるという実験結果を得た。例えば、ＬＥＤのように消費電力が小さい負荷回路を接続した場合、Ｋの値が１．２以上になることもあった。

【0025】

以上に説明したように、実施形態に係る電源装置１は、ＤＣ／ＡＣコンバータ２０と電圧生成回路３０と帰還回路５０を有する。電源装置１は、電圧生成回路３０で発生した直流電圧を帰還回路５０で電池１０に帰還することで、電池１０を充電する。これにより、電池１０に蓄積された電力の低減を抑制することができるものと思われる。

【0026】

また、ＤＣ／ＡＣコンバータ２０の端子Ｔ１と端子Ｔ２に接続される負荷が誘導性である場合には、電圧生成回路３０のコンデンサ３５の容量を、トランス３３の巻き線のインダクタンスに比較して、大きくすることで、交流電圧が出力される端子Ｔ１，Ｔ２から負荷側の力率が高くなる。これにより、負荷への送電効率が向上し、結果的に電池１０の電圧降下を抑制することができる。また、ＤＣ／ＡＣコンバータ２０の端子Ｔ１と端子Ｔ２に接続される負荷が容量性である場合には、電圧生成回路３０のコンデンサ３５の容量を、トランス３３の巻き線のインダクタンスに比較して、小さくすることで、交流電圧が出力される端子Ｔ１，Ｔ２から負荷側の力率が高くなる。これにより、負荷への送電効率が向上し、結果的に電池１０の電圧降下を抑制することができる。

【0027】

なお、上記の説明では、端子Ｔ１にのみ電圧生成回路３０を接続する場合について説明した。しかし、端子Ｔ１と端子Ｔ２それぞれに電圧生成回路３０を接続してもよい。この場合、何れか一方の電圧生成回路３０の出力を逆流阻止ダイオード４０を介して帰還回路５０により電池１０に帰還する。また、電圧生成回路３０の出力にＬＥＤのような消費電力の小さい負荷回路を接続して使用することもできる。

【0028】

また、上記の説明では、ＤＣ／ＡＣコンバータ２０が約４０万ボルトの交流電圧を出力する場合について説明したが、ＤＣ／ＡＣコンバータ２０の出力電圧は、４０万ボルトに限定されるものではない。

【0029】

ＤＣ／ＡＣコンバータ２０の出力電圧が高いほど、トランス３３の一次側に印加される電圧は大きくなる。ＤＣ／ＡＣコンバータ２０の出力電圧が低い場合、トランス３３の巻き数比を大きくすることにより、電圧生成回路３０の出力電圧を高くすることができる。

【0030】

また、電圧生成回路３０のダイオード３１もしくはダイオード３２の何れか一方を省力もしくは固定抵抗に置き換えることができる場合もある。

【0031】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0032】

１…電源装置
１０…電池
１１…スイッチ
２０…ＤＣ／ＡＣコンバータ
３０…電圧生成回路
３１，３２，３４…ダイオード（整流素子）
３３…トランス（変圧器）
３５…コンデンサ
４０…逆流阻止ダイオード
５０…帰還回路
Ｃ１，Ｃ２…浮遊容量

【要約】      （修正有）

【課題】電源装置などに用いられる電池の長寿命化を図ることが可能な電源装置および電圧生成回路を提供する。
【解決手段】電源装置１は、電池とＤＣ／ＡＣコンバータ２０と、電圧生成回路３０と、帰還回路５０と、を備える。ＤＣ／ＡＣコンバータは、電池から供給された直流電圧を交流電圧に変換する。電圧生成回路は、ＤＣ／ＡＣコンバータの出力端子に接続され、交流電圧を直流電圧に変換することにより直流電圧を発生する。帰還回路は、電圧生成回路の出力を充電可能な電池１０に帰還する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】