JP2007282347A - Power system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、各種のバッテリーとその補助電源としての電気二重層キャパシタを並列に接続してなる電源システムに関し、特に電気二重層キャパシタからの電力供給アシストに基づいて、負荷の消費電力変動時のバッテリー出力電圧の変動を抑制できる高性能な電源システムに関するものである。 The present invention relates to a power supply system in which various batteries and an electric double layer capacitor as an auxiliary power supply thereof are connected in parallel, and in particular, a battery when the power consumption of a load fluctuates based on the power supply assist from the electric double layer capacitor. The present invention relates to a high-performance power supply system that can suppress fluctuations in output voltage.
近年、広く利用されてきている各種の携帯機器(携帯電話、携帯情報端末、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯オーディオ、ゲーム機、携帯電動工具等)においては、その性能、機能の高度化により、消費電力が増大の一歩をたどる傾向が観られている。
こうした状況に基づき、これら機器に内蔵されるバッテリー(アルカリ電池、ニッケルカドミウム電池、マンガン電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等)に対しても、バッテリー交換なく、もしくは再充電することなく、連続使用できる時間をできる限り長くする事を目的に、各種の検討が為されている。
In recent years, various mobile devices (cell phones, personal digital assistants, digital cameras, video cameras, portable audio devices, game consoles, portable power tools, etc.) that have been widely used are consumed due to their advanced performance and functions. There is a tendency for electric power to follow an increase.
Based on this situation, continuous use of batteries (alkaline batteries, nickel cadmium batteries, manganese batteries, nickel metal hydride batteries, lithium ion batteries, etc.) built into these devices without battery replacement or recharging Various studies have been made for the purpose of making the possible time as long as possible.
これらの検討の一つの方向性としては、バッテリー容量(容量密度)そのものの更なる向上であり、燃料電池に代表される容量密度の高い新しい電池の開発が進んでいる。
また一方、これらの機器の中には、瞬時的に大きな消費電力を必要とするアプリケーション(電波送信、モーター駆動等)を有するものが多く、こうした電力ピーク時に内蔵バッテリーに大きな負担がかかり、出力電圧が大きく低下したり、寿命が短くなったりする問題がある事から、前記と少し異なるアプローチとして、主電源としてのバッテリーと、電気二重層キャパシタ等に代表される容量型素子による補助電源を組み合わせた電源システムの提案が為されてきている。
One direction of these studies is to further improve the battery capacity (capacity density) itself, and the development of new batteries with high capacity density typified by fuel cells is progressing.
On the other hand, many of these devices have applications that require a large amount of power instantaneously (radio wave transmission, motor drive, etc.), which places a heavy burden on the built-in battery during such power peaks, and the output voltage As a slightly different approach from the above, a battery as the main power source and an auxiliary power source with a capacitive element typified by an electric double layer capacitor are combined. Proposals for power supply systems have been made.
例えば、キャパシタとリチウムイオン電池(850mAh)を組み合わせたハイブリッド電源が開示されており、ハイブリット電源はリチウムイオン単電池に比べ、低温における大電流負荷時(1.5A 0.5msec)の容量が向上することが記載されている(特許文献1参照。)。 For example, a hybrid power source in which a capacitor and a lithium ion battery (850 mAh) are combined is disclosed, and the hybrid power source has a higher capacity at a low current and a large current load (1.5 A, 0.5 msec) than a lithium ion single cell. (Refer to Patent Document 1).
また、キャパシタとリチウムイオン電池を組み合わせたハイブリット電源も開示されており(特許文献2参照)、2C負荷時においてもリチウムイオン電池には0.8C負荷しかかからないと記載されており、キャパシタとバッテリーの組み合わせ効果に関しては当業者が認めるところである。 Further, a hybrid power source combining a capacitor and a lithium ion battery is also disclosed (see Patent Document 2), and it is described that a lithium ion battery only requires a 0.8C load even at 2C load. Those skilled in the art will appreciate the combined effect.
しかしながら電源システムにキャパシタを組み込む事に関するコストアップや実装スペースの増加等のマイナス面を考慮すると、これまでに得られた主バッテリーとキャパシタの組み合わせ効果は必ずしも十分なものとは言えなかった為、更に効果を高める新たな手法の提案が強く求められていた。 However, considering the downsides such as increased costs and increased mounting space associated with incorporating capacitors into the power supply system, the combined effect of the main battery and the capacitors obtained so far has not necessarily been sufficient. There was a strong demand for proposals for new methods to increase the effectiveness.
本発明の目的は、上記従来技術では達成し得なかった、電気二重層キャパシタからの電力供給アシストに基づいて、負荷の消費電力変動時のバッテリー出力電圧の変動を抑制できる高性能な電源システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a high-performance power supply system capable of suppressing fluctuations in battery output voltage when the power consumption of a load fluctuates, based on power supply assistance from an electric double layer capacitor, which could not be achieved by the above-described prior art. It is to provide.
本発明の電源システムは、
1.少なくとも、電気二重層キャパシタと電流スイッチが直列接続された回路要素が、主バッテリーと並列接続されており、さらに、主バッテリーの出力電圧を経時的に監視する手段と、所定の閾値電圧を発生する手段と、主バッテリーの出力電圧と閾値電圧の比較結果に基づく適切なタイミングで電流スイッチを高抵抗状態から低抵抗状態に切り替える制御手段、とを少なくとも有している事を特徴とする電源システム。
The power supply system of the present invention is
1. At least a circuit element in which an electric double layer capacitor and a current switch are connected in series is connected in parallel with the main battery, and further, means for monitoring the output voltage of the main battery over time, and generates a predetermined threshold voltage And a control means for switching the current switch from the high resistance state to the low resistance state at an appropriate timing based on a comparison result between the output voltage of the main battery and the threshold voltage.
2.電流スイッチは、相対的に高い閾値電圧で高抵抗状態から低抵抗状態への切り替え動作が為される第1の電流スイッチと、相対的に低い閾値電圧で高抵抗状態から低抵抗状態への切り替え動作が為される第2の電流スイッチとを並列に接続して構成され、第1の電流スイッチの低抵抗状態の直流抵抗値は1〜100000Ωの範囲で制御され、第2の電流スイッチの低抵抗状態の直流抵抗値は300mΩ以下の値で制御される、前記1の電源システム。 2. The current switch is a first current switch that switches from a high resistance state to a low resistance state at a relatively high threshold voltage, and switches from a high resistance state to a low resistance state at a relatively low threshold voltage. The second current switch to be operated is connected in parallel, and the DC resistance value in the low resistance state of the first current switch is controlled in the range of 1 to 100000Ω, 2. The power supply system according to 1 above, wherein a DC resistance value in a resistance state is controlled to a value of 300 mΩ or less.
3.電流スイッチは、所定の閾値電圧で高抵抗状態から低抵抗状態への切り替え動作が為される第1の電流スイッチと、第1の電流スイッチの切り替え動作が為された後、所定時間経過後に高抵抗状態から低抵抗状態への切り替え動作が為される第2の電流スイッチとを並列に接続して構成され、第1の電流スイッチの低抵抗状態の直流抵抗値は1〜100000Ωの範囲で制御され、第2の電流スイッチの低抵抗状態の直流抵抗値は300mΩ以下の値で制御される前記1の電源システム。 3. The current switch includes a first current switch that performs a switching operation from a high resistance state to a low resistance state at a predetermined threshold voltage, and a high current after a predetermined time has elapsed after the switching operation of the first current switch is performed. A DC current value in the low resistance state of the first current switch is controlled in the range of 1 to 100000 Ω. The second current switch is connected in parallel to perform switching operation from the resistance state to the low resistance state. The first power supply system according to claim 1, wherein the DC resistance value in the low resistance state of the second current switch is controlled to a value of 300 mΩ or less.
4.閾値電圧は電気二重層キャパシタの耐電圧値以下の範囲に設定される1〜3のいずれかの電源システム。 4). The power supply system according to any one of 1 to 3, wherein the threshold voltage is set in a range equal to or lower than a withstand voltage value of the electric double layer capacitor.
5.電気二重層キャパシタの容量(C)と内部抵抗(R)との積(CR積)が0.001〜1(F・Ω)の範囲にある前記1〜4のいずれかの電源システム。
である。
5). 5. The power supply system according to any one of 1 to 4, wherein the product (CR product) of the capacitance (C) of the electric double layer capacitor and the internal resistance (R) is in the range of 0.001 to 1 (F · Ω).
It is.
本発明によれば、電気二重層キャパシタからの電力供給アシストに基づいて、負荷の消費電力変動時のバッテリー出力電圧の変動を抑制できる高性能な電源システムを提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, based on the electric power supply assistance from an electric double layer capacitor, it becomes possible to provide the high-performance power supply system which can suppress the fluctuation | variation of the battery output voltage at the time of the power consumption fluctuation | variation of load.
以下において、本発明を更に詳しく説明する。
まず始めに、従来から提案されている主バッテリーと電気二重層キャパシタを並列接続した電源システムの構成と動作について説明する。この従来の電源システムの回路の構成例を図1に示した。尚、ここでは一例として、負荷4における電力消費がパルス状のパターンであり、大きな時間変動を有するような状況を考える事にする。
In the following, the present invention will be described in more detail.
First, the configuration and operation of a power supply system in which a conventionally proposed main battery and an electric double layer capacitor are connected in parallel will be described. An example of the circuit configuration of this conventional power supply system is shown in FIG. Here, as an example, let us consider a situation in which the power consumption in the load 4 is a pulse pattern and has a large time fluctuation.
図2に示す電圧波形は、電力供給源(電源部3)がバッテリー1のみであって、キャパシタ2が接続されていない場合の電源電圧(Vc)の挙動を模式的に表したものである。非通電区間(スイッチ素子3がオフ動作である状態)の電源電圧をV1とすると、通電区間(スイッチ素子3がオン動作である状態)の電源電圧はバッテリーの内部抵抗と出力電流の積で表される電圧降下の相当分低下して、V2となる。
The voltage waveform shown in FIG. 2 schematically represents the behavior of the power supply voltage (Vc) when the power supply source (power supply unit 3) is only the battery 1 and the
一方、図3の実線はバッテリーが使用され、バッテリーの残存容量が減り、非通電区間の電源電圧がV1からV3に低下した状態を示している。この時、通電区間の電源電圧は図のようにV2からV4に低下し、基準電圧V0を下回っている。 On the other hand, the solid line in FIG. 3 shows a state where the battery is used, the remaining capacity of the battery is reduced, and the power supply voltage in the non-energized section is lowered from V1 to V3. At this time, the power supply voltage in the energized section decreases from V2 to V4 as shown in the figure, and is lower than the reference voltage V0.
さて通常、バッテリーを有する電源システムでは、バッテリー容量の残量を出力電圧の変化としてモニターし、所定の残量となった時点で、バッテリー交換等の警告を出すようなシステムが用いられている。すなわち電源電圧が終端電圧(カットオフ電圧)V0に接近した際に、まず何だかの警報(「バッテリー交換」等の画面表示、ランプ点灯等)が発せられる。そして、さらにバッテリー容量が消費されて、電源電圧がV0を下回った時点で、バッテリーの使用終了(システムオフ)の処置が為されるようになっている。 Now, in a power supply system having a battery, a system is used in which the remaining capacity of the battery is monitored as a change in output voltage, and a warning such as battery replacement is issued when the remaining capacity is reached. That is, when the power supply voltage approaches the termination voltage (cut-off voltage) V0, first, some sort of alarm (screen display such as “battery replacement”, lamp lighting, etc.) is issued. When the battery capacity is further consumed and the power supply voltage falls below V0, the battery is terminated (system off).
これに対し、キャパシタ2がバッテリー1に並列に接続された場合のバッテリー出力電圧の挙動が図3の破線に示されている。ここではキャパシタ2による出力電流のアシスト効果によって、通電区間の電源電圧が全般的に上昇している事が見て取れる。これは逆に見れば、通電区間の電源電圧が終端電圧V0に初めて達する際の非通電区間の電源電圧値が相対的に低くなる事を意味している。この事は、すなわちバッテリーの使用開始から使用終了に至るまでに、相対的により多くのバッテリー容量を消費することが可能、つまりバッテリーの使用時間を増加できるという事を意味している。
On the other hand, the behavior of the battery output voltage when the
また更にキャパシタ2の出力電流のアシスト効果により、バッテリー1の出力電流が減少し、バッテリー1の内部抵抗に起因した電力損失(ジュール発熱損失)が低減されることによって、バッテリー1が初期に有している容量をより無駄なく利用することが可能になる。
Further, the output current of the battery 1 is reduced by the assist effect of the output current of the
さて以下に、本発明の電源システムの意図する所を説明する。
一般に携帯機器に用いられるバッテリー電源電圧の初期値は、電気二重層キャパシタの単一の耐電圧を上回っている場合が多い。有機系電解液を用いた一般のキャパシタの耐電圧が2.5〜2.7Vであるのに対し、たとえばアルカリ乾電池2直列で構成された電源の初期電圧は3〜3.2V、リチウム二次電池で構成された電源の初期電圧は4〜4.4V程度であるので、これらのバッテリーと並列にキャパシタを接続する場合には、キャパシタを2つ以上直列に接続する必要が生ずるが、単一使用の場合に比べ、トータルの内部抵抗の増加、実装スペースの増加等が伴い、好ましくない場合が多い。
Now, the intended place of the power supply system of the present invention will be described below.
In general, the initial value of the battery power supply voltage used for portable devices often exceeds the single withstand voltage of the electric double layer capacitor. While the withstand voltage of a general capacitor using an organic electrolyte is 2.5 to 2.7 V, for example, the initial voltage of a power source configured in series with an
しかしながら実際上、多くの携帯機器ではバッテリー終端電圧(V0)がキャパシタ単一の耐電圧以下の値に設定されている場合が多いので(2〜2.2V程度)、たとえばバッテリー電源電圧がキャパシタの耐電圧を超えている期間では実質的に両者の電気的接続を行わず、バッテリーの消費が進み、その電圧がキャパシタの耐電圧以下になった時に初めて、両者を電気的に接続するような電源システムが理想的であると考えられる。
このような電源システムの一例を図4に示した。
In practice, however, in many portable devices, the battery termination voltage (V0) is often set to a value that is less than or equal to the withstand voltage of a single capacitor (about 2 to 2.2V). During the period when the withstand voltage is exceeded, the two are not electrically connected to each other, and the battery is used up for the first time when the battery is consumed and the voltage falls below the withstand voltage of the capacitor. The system is considered ideal.
An example of such a power supply system is shown in FIG.
この制御手段は、
a)バッテリー出力電圧の監視手段7、b)閾値電圧の発生手段6、c)スイッチングタイミング制御手段8、d)電流スイッチ5、を少なくとも含んで構成されている。
監視手段7は、例えば、バッテリー出力電圧の時間変動を監視し、その結果をモニター電圧の形で出力する回路を含むものである。監視手段7は、所定時間内でのバッテリー出力電圧の積分値もしくは平均値、最大値、最小値等を算出する手段を含んでいる事がより好ましい。具体的には、公知の積分回路、最大値、最小値のピークホールド回路等を用いたアナログ回路や、アナログデジタル変換回路とロジックICとメモリーIC等を組み合わせて構成したデジタル回路等が好ましく用いられる。
This control means
a) a battery output voltage monitoring means 7; b) a threshold voltage generating means 6; c) a switching timing control means 8; and d) a current switch 5.
The monitoring means 7 includes, for example, a circuit that monitors the time variation of the battery output voltage and outputs the result in the form of a monitor voltage. More preferably, the monitoring means 7 includes means for calculating an integrated value or average value, maximum value, minimum value, etc. of the battery output voltage within a predetermined time. Specifically, an analog circuit using a known integration circuit, a peak hold circuit with a maximum value and a minimum value, a digital circuit configured by combining an analog-digital conversion circuit, a logic IC, a memory IC, and the like are preferably used. .
閾値電圧の発生手段6は、終端電圧V0より少なくとも高い電圧であって、かつキャパシタ1の耐電圧以下の電圧範囲において、所定の閾値電圧を発生させる手段を含むものであり、相対的に電圧が高い閾値電圧(VH)と、相対的に低い閾値電圧(VL)の少なくとも2つ以上の閾値電圧を発生させる手段を含んでいても良い。 The threshold voltage generating means 6 includes means for generating a predetermined threshold voltage in a voltage range that is at least higher than the termination voltage V0 and less than the withstand voltage of the capacitor 1, and the voltage is relatively high. Means for generating at least two threshold voltages of a high threshold voltage (VH) and a relatively low threshold voltage (VL) may be included.
具体的には、例えば、ツェナーダイオードや3端子レギュレータ等その他の定電圧源を利用したアナログ回路が好ましく用いられ、また公知のデジタル/ロジック回路上での数値情報設定による閾値電圧の発生も可能である。 Specifically, for example, an analog circuit using a constant voltage source such as a Zener diode or a three-terminal regulator is preferably used, and a threshold voltage can be generated by setting numerical information on a known digital / logic circuit. is there.
スイッチングタイミング制御手段8は、監視手段7によるモニター電圧と、閾値電圧発生手段6による閾値電圧を比較して、あらかじめ定めたアルゴリズム等に則って、電流スイッチ5のスイッチングのタイミングを判断し、制御信号を電流スイッチ5に送る役割を有する。尚、スイッチングのタイミングは、少なくともバッテリー出力電圧が、キャパシタの耐電圧以下となる範囲で設定される。 The switching timing control means 8 compares the monitor voltage by the monitoring means 7 with the threshold voltage by the threshold voltage generating means 6, determines the switching timing of the current switch 5 according to a predetermined algorithm or the like, and controls the control signal. Is sent to the current switch 5. The switching timing is set so that at least the battery output voltage is equal to or lower than the withstand voltage of the capacitor.
具体的には、例えば、アナログ回路では公知のコンパレータ素子もしくは回路が好ましく用いられ、また公知のデジタル/ロジック回路上での数値情報処理を行う事によっても実現できる。 Specifically, for example, a known comparator element or circuit is preferably used in an analog circuit, and can also be realized by performing numerical information processing on a known digital / logic circuit.
尚、前記のアルゴリズムについては、多様な設定が可能であるが、最も単純には、バッテリー出力電圧の瞬時値と閾値電圧の比較を行い、前者が後者を上回っている場合には、制御信号として電流スイッチ5に対してオフ制御信号(高抵抗状態の制御信号)を、下回っている場合にはオン制御信号(低抵抗状態の制御信号)を出力するような設定が可能である。 The algorithm described above can be set in various ways, but most simply, the instantaneous value of the battery output voltage is compared with the threshold voltage, and if the former exceeds the latter, the control signal is It is possible to set so that an off control signal (control signal in a high resistance state) is output to the current switch 5 and an on control signal (control signal in a low resistance state) is output when the current switch 5 is lower.
しかしながらバッテリー電圧ラインへの外乱ノイズやバッテリー出力電圧の異常変動等の影響を排除して、バッテリー容量の使用状況を正しく把握するためには、例えば、前述のように、所定時間内におけるバッテリー出力電圧の平均値や積分値を算出し、その算出値をモニター電圧とした上で、閾値電圧の大小関係を比較する形を基本とするアルゴリズムを用いた方がより好ましい場合もある。 However, in order to correctly understand the usage status of the battery capacity by eliminating the influence of disturbance noise on the battery voltage line, abnormal fluctuation of the battery output voltage, etc., for example, as described above, the battery output voltage within a predetermined time is used. In some cases, it may be more preferable to use an algorithm based on a method of calculating an average value or an integral value of the threshold value, comparing the calculated value as a monitor voltage, and comparing the magnitude relationship of the threshold voltages.
また負荷消費電力の変動パターンやその大きさが比較的一定である場合には、例えば、前述のように、所定時間内のバッテリー出力電圧の最大値、最小値等のモニターを継続的に行っておくことにより、その変動パターンや最大変動幅を予測する事が可能となる場合がある。そのような場合には、バッテリーとキャパシタを接続すべき閾値電圧値を所定のアルゴリズムに基づいて最適に調整する事が可能になるので、このようなアルゴリズムも好ましく用いられる。 In addition, when the load power fluctuation pattern and its magnitude are relatively constant, for example, as described above, the maximum value and minimum value of the battery output voltage within a predetermined time are continuously monitored. In some cases, it is possible to predict the fluctuation pattern and the maximum fluctuation width. In such a case, the threshold voltage value at which the battery and the capacitor are to be connected can be optimally adjusted based on a predetermined algorithm. Therefore, such an algorithm is also preferably used.
電流スイッチ5の抵抗値は、スイッチングタイミング制御手段8からの制御信号に基づいて、低抵抗状態(オン状態)、高抵抗状態(オフ状態)に対応した値に制御される。こうしたスイッチング動作を司る素子としては、各種の可変抵抗素子が好ましい。可変抵抗素子としては、具体的には、公知のリレー素子や、トランジスタ、FET、IGBT等のスイッチング素子が好適に用いられる。尚、後者のスイッチング素子は通常、大きな電流を流せる方向は一方向に限定される場合が多いため、両方向に電流を流す必要のある場合には、例えば、電流を流せる向きが相異なり、それぞれ同じ閾値電圧で制御可能な2種の素子を並列に接続して用いるか、これら2種の素子が一体化して形成されたバイポーラ型の素子(例えばテキサスインスツルメント製 POWER-DISTRIBUTION SWICHES TPS2024Pなど)を用いる方法等が好ましい。 The resistance value of the current switch 5 is controlled to a value corresponding to the low resistance state (ON state) and the high resistance state (OFF state) based on a control signal from the switching timing control means 8. Various variable resistance elements are preferable as the elements for performing such switching operation. Specifically, known variable elements and switching elements such as transistors, FETs, and IGBTs are preferably used as the variable resistance elements. In the latter switching element, the direction in which a large current can normally flow is often limited to one direction. Therefore, when it is necessary to flow a current in both directions, for example, the direction in which the current can flow is different, and each is the same. Two types of devices that can be controlled by the threshold voltage are connected in parallel, or a bipolar type device (for example, POWER-DISTRIBUTION SWICHES TPS2024P manufactured by Texas Instruments) is formed by integrating these two types of devices. The method used is preferred.
これら電流スイッチは、そのオン状態(低抵抗状態)における抵抗値が大きいと、キャパシタの充放電電流の大きさが有意に制限されてしまうので、できる限り小さいものを用いる事が好ましく、直流抵抗値として少なくとも300mΩ以下、より好ましくは200mΩ以下、更に好ましくは100mΩ以下、最も好ましくは50mΩ以下である。
一方、オフ状態(高抵抗状態)の直流抵抗値は少なくとも1MΩ以上、より好ましくは10MΩ以上、更に好ましくは100MΩ以上である。
These current switches have a large resistance value in the on-state (low resistance state), which significantly limits the magnitude of the charge / discharge current of the capacitor. At least 300 mΩ or less, more preferably 200 mΩ or less, still more preferably 100 mΩ or less, and most preferably 50 mΩ or less.
On the other hand, the DC resistance value in the off state (high resistance state) is at least 1 MΩ or more, more preferably 10 MΩ or more, and still more preferably 100 MΩ or more.
ところでバッテリーとキャパシタを最初に接続する際において、キャパシタの残存容量が少ない場合には、キャパシタの充電の為にバッテリーからキャパシタに大電流の供給が為され、それに伴ってバッテリーの電圧降下が発生し、出力電圧が大きく低下する可能性がある。バッテリーとキャパシタを接続するタイミングはバッテリーの終端電圧に近い領域であるので、ここで出力電圧の大きな低下が生じると、終端電圧に一瞬到達してしまい、システムシャットダウンの処置が自動的に為される恐れがある。 By the way, when the battery and the capacitor are connected for the first time, if the remaining capacity of the capacitor is small, a large current is supplied from the battery to the capacitor to charge the capacitor, which causes a voltage drop in the battery. The output voltage may drop significantly. Since the timing for connecting the battery and capacitor is close to the termination voltage of the battery, if the output voltage drops significantly, the termination voltage will be reached for a moment and the system shutdown will be performed automatically. There is a fear.
このような懸念を回避する方法としては、例えば、キャパシタとバッテリーを最初に接続する際のキャパシタ充電電流を制限する事が好ましい。
これを実現する一つの方法として、相対的に高い閾値電圧で動作する第1の電流スイッチと相対的に低い閾値電圧で動作する第2の電流スイッチを並列接続して用い、第1の電流スイッチとしては第2の電流スイッチよりも低抵抗状態の直流抵抗値が高く、所定の抵抗値範囲にあるものを用い、第2の電流スイッチとしては低抵抗状態の直流抵抗値として、できる限り低い抵抗値が実現できるものを用いるといった方法が挙げられる。
As a method for avoiding such a concern, for example, it is preferable to limit the capacitor charging current when the capacitor and the battery are first connected.
As one method for realizing this, a first current switch that operates at a relatively high threshold voltage and a second current switch that operates at a relatively low threshold voltage are connected in parallel, and the first current switch is used. As the second current switch, the DC resistance value in the low resistance state is higher than that of the second current switch and is in a predetermined resistance value range. As the second current switch, the DC resistance value in the low resistance state is as low as possible. There is a method of using a value that can be realized.
また、もう一つの実現方法として、所定の閾値電圧で動作する第1の電流スイッチと、その動作後、所定時間経過後に動作する第2の電流スイッチとを並列接続して用い、第1の電流スイッチとしては第2の電流スイッチよりも低抵抗状態の直流抵抗値が高く、所定の抵抗値範囲にあるものを用い、第2の電流スイッチとしては低抵抗状態の直流抵抗値として、できる限り低い抵抗値が実現できるものを用いるといった方法が挙げられる。 As another realization method, a first current switch that operates at a predetermined threshold voltage and a second current switch that operates after a lapse of a predetermined time after the operation are connected in parallel and used as a first current switch. A switch having a low resistance state DC resistance value higher than that of the second current switch and within a predetermined resistance value range is used, and the second current switch has a low resistance state DC resistance value as low as possible. The method of using what can realize resistance value is mentioned.
前者の方法に関する電源システムの一例を図5に示した。
ここで、電流スイッチ5Aは相対的に高い閾値電圧で作動する第1の電流スイッチであり、5Bは相対的に低い閾値電圧で作動する第2の電流スイッチである。両者の閾値電圧について、相対的に高い方の閾値電圧をVH、低い方の閾値電圧をVLとした場合、モニター電圧がVHを上回っている時には、スイッチングタイミング制御手段8は、双方の電流スイッチに対してオフ制御信号を、モニター電圧がVH以下となって、かつVLを上回っている時には、電流スイッチ5Bにオフ制御信号、5Aに対してオン制御信号を出力し、モニター電圧が基準電圧VL以下となった時には、双方の電流スイッチに対してオン制御信号を出力するように構成される。
An example of the power supply system related to the former method is shown in FIG.
Here, the
第1の電流スイッチ5Aは、バッテリー1からキャパシタ2への初期充電の制御のみの目的で設けられているが、前述のキャパシタ2への充電電流を制限する目的において、電流スイッチ5Aの抵抗値は所定の範囲に選択される。第1の電流スイッチ5Aの低抵抗状態における直流抵抗値は1〜100000Ωの範囲に制御される事が好ましい。1A未満では、キャパシタ充電電流値が大きくなり過ぎ、好ましくなく、100000Ω超ではキャパシタ充電時間が非常に増大するので好ましくない。上記抵抗値は、より好ましくは5〜10000Ω、更に好ましくは10〜1000Ωの範囲である。
The first
尚、電流スイッチ5Aの低抵抗状態における好適な抵抗値を実現する方法としては、例えば、オン抵抗の小さいスイッチング素子に、前記の好適な抵抗値範囲にある固定抵抗素子を直列に接続する方法、もしくは制御信号の電圧値により抵抗値が線形的に変化可能なスイッチング素子(一部のトランジスタ等)を単独で用いる事によって実現できる。
In addition, as a method of realizing a suitable resistance value in the low resistance state of the
尚、閾値電圧VHと閾値電圧VLで、それぞれの好適な抵抗値範囲に抵抗値を制御可能な素子を用いる事が可能な場合には、電流スイッチを複数並列に設ける必要は必ずしもなく、一つに纏める事も可能である。 In addition, when the threshold voltage VH and the threshold voltage VL can use elements whose resistance values can be controlled in respective suitable resistance value ranges, it is not always necessary to provide a plurality of current switches in parallel. It is also possible to summarize.
さて一方、電流スイッチ5Bは、キャパシタ2の実質的な充放電開始のタイミングをコントロールしており、バッテリー1とキャパシタ2と負荷4との間に生ずる充放電電流の大部分が電流スイッチ5Bを通して流れる。電流スイッチ5Bは、低抵抗状態での抵抗値はできる限り小さい値を取る事が好ましく、直流抵抗値として少なくとも300mΩ以下、より好ましくは200mΩ以下、更に好ましくは100mΩ以下、最も好ましくは50mΩ以下に制御可能である事が好ましい。
On the other hand, the
また後者の方法に関する電源システムの模式図を図6に示した。
前者の方法との大きな相違は、スイッチングタイミング制御手段8と第2の電流スイッチとの間に遅延回路9を設け、第2の電流スイッチについては閾値電圧に基づく制御を行わない点にある。
Moreover, the schematic diagram of the power supply system regarding the latter method was shown in FIG.
A major difference from the former method is that a delay circuit 9 is provided between the switching timing control means 8 and the second current switch, and the second current switch is not controlled based on the threshold voltage.
遅延回路9は公知のように電気信号の伝達を所定時間遅延させる電気回路であり、例えば、前段の回路からON信号を受けると、抵抗Rを介してキャパシタンスCに充電が開始させ、キャパシタンンスCが所定の充電電圧に達した時点で後段の回路に対しON信号を発するといった回路である。遅延時間については、キャパシタンスCと抵抗Rの値(CとRの値を乗じたCR値)を設定することにより、適切な値に設定する事ができる。 The delay circuit 9 is an electrical circuit that delays the transmission of an electrical signal for a predetermined time as is well known. For example, when an ON signal is received from a previous stage circuit, the capacitance C starts to be charged via the resistor R and the capacitance is increased. This is a circuit that issues an ON signal to a subsequent circuit when C reaches a predetermined charging voltage. The delay time can be set to an appropriate value by setting values of the capacitance C and the resistance R (CR value obtained by multiplying the values of C and R).
すなわち前者の方法では、相対的に異なる閾値電圧を設定しておき、第2の電流スイッチは第1の電流スイッチよりも相対的に低い閾値電圧で作動するように設計が為されているが、後者の方法においては閾値電圧は単一の値に設定されており、この閾値電圧は第1の電流スイッチの制御のみに関わっている。第2の電流スイッチは単に、第1の電流スイッチよりも所定の時間だけ遅れてスイッチング動作を為すように制御されている。より具体的には、スイッチングタイミング制御手段8が第1の電流スイッチに対して、ON状態(低抵抗状態)の制御信号を発した時間(T0)の後、遅延回路9で設定された遅延時間(T1)の経過後に、遅延回路9から第2の電流スイッチに向けてON状態(低抵抗状態)の制御信号が発せられるといった制御が為される。 That is, in the former method, a relatively different threshold voltage is set, and the second current switch is designed to operate at a relatively lower threshold voltage than the first current switch. In the latter method, the threshold voltage is set to a single value, and this threshold voltage is concerned only with the control of the first current switch. The second current switch is simply controlled to perform the switching operation with a delay of a predetermined time from the first current switch. More specifically, the delay time set by the delay circuit 9 after the time (T0) when the switching timing control means 8 issues a control signal in the ON state (low resistance state) to the first current switch. After the elapse of (T1), control is performed such that a control signal in the ON state (low resistance state) is issued from the delay circuit 9 toward the second current switch.
尚、遅延回路9で設定する遅延時間は第1の電流スイッチを通じた電気二重層キャパシタへの充電に要する時間を基に適切な値に設定する事が好ましいが、実使用上、概ね10秒前後から10分前後の時間に設定する事が好ましい。 Note that the delay time set by the delay circuit 9 is preferably set to an appropriate value based on the time required for charging the electric double layer capacitor through the first current switch. It is preferable to set the time around 10 minutes.
尚、図5、図6の模式図には記載していないが、例えば、電流スイッチ5Aの内部において、固定抵抗素子と並列に、オン抵抗の小さなスイッチング素子を接続し、閾値電圧VLにおいてオン状態となるように制御しておくと、電流スイッチ5Bがオン状態となって、キャパシタの実質的な充放電が開始されると同時に、電流スイッチ5Aの抵抗値も電流スイッチ5Bとほぼ同等レベルまで抵抗値が低下し、キャパシタの直列抵抗の低減が為されるので、本電源システムにおいて、キャパシタがよりスムーズに充放電を行う事が可能となる。
Although not shown in the schematic diagrams of FIGS. 5 and 6, for example, in the
更に、本発明の電源システムにおいては、バッテリーとキャパシタの電気的接続が為された後の段階においても、機器の電源がONである時(アプリケーション使用時)は電流スイッチを低抵抗状態で制御する一方で、電源OFF時(アプリケーション不使用時)には電流スイッチを高抵抗状態に戻すといった制御を行う事も好ましく行われる。これによりキャパシタの接続された回路を通した電流漏洩を防ぐ事が可能になり、キャパシタに充電された電荷量の自然減少を抑制することができる。 Furthermore, in the power supply system of the present invention, even when the battery and the capacitor are electrically connected, the current switch is controlled in a low resistance state when the power of the device is ON (when the application is used). On the other hand, it is also preferable to perform control such that the current switch is returned to the high resistance state when the power is turned off (when the application is not used). This makes it possible to prevent current leakage through the circuit to which the capacitor is connected, and to suppress a natural decrease in the amount of charge charged in the capacitor.
このような機能の実現は、前記の電源システムに、機器電源のON/OFF情報のモニター回路とそれに基づき電流スイッチのON/OFF制御信号とを対応させる制御回路を追加すること等により可能になる。 Such a function can be realized by adding a monitor circuit for ON / OFF information of the device power supply and a control circuit for corresponding the ON / OFF control signal of the current switch based on it to the power supply system. .
これらの各種の電気的制御手段に関しては、機器自身がバッテリー監視用の周辺回路(残存容量モニター回路、充放電制御回路、各種保護回路等)を有している場合には、ここで用いられている処理回路(CPU、メモリー等の数値情報処置回路も含む)や素子をそのまま利用する事が可能であり、もしくは機器の他のアプリケーションで用いられている処理回路や素子を部分的に利用する事も好ましく行われる。 Regarding these various electrical control means, if the device itself has a peripheral circuit for battery monitoring (remaining capacity monitor circuit, charge / discharge control circuit, various protection circuits, etc.), it is used here. Existing processing circuits (including numerical information processing circuits such as CPU and memory) and elements can be used as they are, or processing circuits and elements used in other applications of equipment can be partially used. Is also preferably performed.
さて本発明の電源システムに用いる電気二重層キャパシタとしては、内部抵抗ができる限り小さなキャパシタが好適である。キャパシタの内部抵抗はキャパシタの内部構造、すなわち電極の仕様(厚み、面積、材料組成、モロフォルジー等)、電解液の種類、セパレータの仕様、捲回・スタック方法、外部端子の引き出し方法等に依存するが、同等の内部構造を有するキャパシタでは電極面積の増加(容量の増加)に伴い、内部抵抗が低下する傾向にある事から、キャパシタの内部構造由来の内部抵抗の大小を表す指標として、容量(C)と内部抵抗(R)の積(CR積)をここでは用いる。本発明ではCR積が0.001〜1(F・Ω)のキャパシタを用いる事が好ましい。尚、CR積の上限値は、より好ましくは0.75(F・Ω)、更に好ましくは0.5(F・Ω)、最も好ましくは0.25(F・Ω)である。 As the electric double layer capacitor used in the power supply system of the present invention, a capacitor having the smallest possible internal resistance is suitable. The internal resistance of the capacitor depends on the internal structure of the capacitor, that is, the electrode specifications (thickness, area, material composition, morphologies, etc.), electrolyte type, separator specifications, winding / stacking method, external terminal drawing method, etc. However, in capacitors having an equivalent internal structure, the internal resistance tends to decrease with an increase in electrode area (increase in capacitance). The product (CR product) of C) and internal resistance (R) is used here. In the present invention, it is preferable to use a capacitor having a CR product of 0.001 to 1 (F · Ω). The upper limit of the CR product is more preferably 0.75 (F · Ω), still more preferably 0.5 (F · Ω), and most preferably 0.25 (F · Ω).
またキャパシタは、耐電圧や容量値等の必要に応じ、2つ以上のキャパシタを直列、もしくは並列に接続して用いられる。この場合、これら複数接続されたキャパシタ全体が有する容量値と内部抵抗値を乗じたCR積の値が前記範囲にある事が好ましい。 In addition, the capacitor is used by connecting two or more capacitors in series or in parallel as required, such as withstand voltage or capacitance value. In this case, it is preferable that the value of the CR product obtained by multiplying the capacitance value of all the connected capacitors and the internal resistance value is in the above range.
尚、前記キャパシタの容量値としては、電圧0.5V、1V、1.5V、2Vでそれぞれ測定した微分容量値(dQ/dV)の平均値を用い、内部抵抗値は周波数1kHzの正弦波により測定した値を用いる。 The capacitance value of the capacitor is an average value of differential capacitance values (dQ / dV) measured at voltages of 0.5 V, 1 V, 1.5 V, and 2 V, respectively, and the internal resistance value is a sine wave with a frequency of 1 kHz. Use the measured value.
尚、キャパシタの外装形態としては、公知の円筒型や角型の金属缶タイプ、プラスチックモールドタイプ、フィルムラミネートタイプ等を用いる事ができるが、機器内での実装体積の低減にはフィルムラミネート型や基板表面への表面実装可能な平面状モールドタイプの外装形態が好ましい。 As the external form of the capacitor, a known cylindrical or square metal can type, plastic mold type, film laminate type, etc. can be used. A planar mold type exterior form that can be surface-mounted on the substrate surface is preferred.
1.バッテリー
2.キャパシタ
3.電源部
4.負荷
5.電流スイッチ
5A.第1の電流スイッチ
5B.第2の電流スイッチ
6.閾値電圧の発生手段
7.バッテリー電圧の監視手段
8.スイッチングタイミング制御手段
9.遅延回路
1.
Claims (5)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2006103897A JP2007282347A (en) | 2006-04-05 | 2006-04-05 | Power system |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2010011668A (en) * | 2008-06-30 | 2010-01-14 | Osaki Datatech Co Ltd | Periodic power supply unit for thermal print head |
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JP2016525330A (en) * | 2013-06-27 | 2016-08-22 | アップル インコーポレイテッド | Active peak power management of high performance embedded microprocessor clusters |
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2006
- 2006-04-05 JP JP2006103897A patent/JP2007282347A/en active Pending
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