JP5764680B2 - 突入電流防止装置 - Google Patents

Description

この発明は、電気機器への電源投入時における突入電流の発生を防止するための装置に関するものである。

ソレノイド、モーター、トランスやリレーコイルなどの誘導性負荷を備えた電気機器や、コンデンサを備えた電気機器、あるいは白熱電灯などに電源を投入する際に、定常状態よりはるかに大きな電流が瞬間的に流れることが一般的に知られている。この瞬間的な大電流は突入電流と呼ばれており、電気機器は、通常、この突入電流に耐え得るように設計されている。

他方、近年、リチウムイオン電池などの二次電池が普及し、これを電源として利用した電気機器が広まりつつある。
ところが、リチウムイオン電池は、常用領域と危険領域とが非常に近接しているため安全性に問題があり、過充電、過放電、過電流などから電池を保護するため、電池自体に各種保護回路が設けられている。そして、安全性確保の観点から、僅かでも異常が発生した場合にはこれらの保護回路が直ちに作動するように設計されており、電気機器の電源投入時に突入電流が発生すると、リチウムイオン電池の保護回路がすぐに作動して電源が落ちるようになっている。
このため、リチウムイオン電池を電源とした場合には、電源投入時に発生する突入電流によって、電気機器側はこの突入電流に耐え得る性能を備えているにもかかわらず、電池側の保護回路が作動して電気機器への電力供給が遮断されてしまうという問題がある（図４参照）。

この点、リチウムイオン電池を使用する場合には、電気機器の電源投入時に発生する突入電流に対して電池側も耐え得るよう、容量の大きなリチウムイオン電池を使用するのが一般的である。すなわち、電源投入時に発生する突入電流が、使用するリチウムイオン電池の保護回路の許容範囲内であれば保護回路が作動することがないので、容量の大きなリチウムイオン電池を用いることによって保護回路の許容範囲を拡大し、突入電流が発生しても保護回路が作動することがないようにするというものである。
しかしながら、このような方法では電気機器に対してオーバースペックとなるリチウムイオン電池を使用せざるを得ず、物理的にも経済的にも無駄が生じるという問題がある。

この問題に対しては、例えば、特開２００４−１７９０１６号に記載された発明が提案されている。
この発明は、負荷であるランプと電源との間に可変抵抗機構を介在させ、この可変抵抗機構の抵抗値を、電源投入直後から所定時間の間、定常時よりも高い抵抗値となるようにすることで、突入電流の発生を抑制できるようにしている。可変抵抗機構としては、サーミスタを用いたり、電源投入後所定時間経過後に作動するスイッチと固定抵抗とを並列接続して構成することが開示されている。
この発明によれば、電源投入後所定時間が経過するまでの間だけ抵抗値を高くすることにより突入電流の発生を抑制することができるので、リチウムイオン電池の保護回路が突入電流によって作動することがなく、容量の大きなリチウムイオン電池を用いる必要がない。
特開２００４−１７９０１６号公報

しかしながら、この発明では、抵抗を用いることが必須となるため、定常時において抵抗によるロスがどうしても生じるとともに、回路が大型化し、熱に弱く寿命も短いという問題がある。
加えて、可変抵抗機構としてサーミスタを用いた場合には、定常状態で通電している機器の電源を落とした直後に電源を再投入すると、サーミスタは温まった状態で抵抗値が低くなっているために突入電流の発生を防止することができず、また、可変抵抗機構をタイマースイッチと固定抵抗とを並列接続して構成した場合には、回路が複雑化するという問題もある。

この発明は、抵抗を用いることなく簡易な回路構成により、リチウムイオンバッテリーを駆動電源とする誘導性負荷への電源投入時における突入電流の発生を確実に防止することができる装置を得ることを課題とする。

この発明の突入電流防止装置は、リチウムイオンバッテリーを駆動電源とする誘導性負荷と前記誘導性負荷への電力供給用の電源スイッチとの間に、スイッチング素子とこのスイッチング素子のオン・オフ制御をチョッパ制御で行う制御プログラムが格納された制御手段とを備えたスイッチング回路を接続し、前記制御プログラムには、前記誘導性負荷が定常状態に至るまでの時間が設定され、前記制御手段は、前記制御プログラムに基づいて前記電源スイッチによる電源投入後前記誘導性負荷が定常状態に至るまでの間、前記スイッチング素子をチョッパ制御して前記誘導性負荷の実質電圧値の上昇を抑制するものとして構成する。

前記スイッチング回路に用いられるスイッチング素子としては、トランジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタなどが考えられるが、低電圧、低消費電力でスイッチングが可能な素子であればこれに限られるものではない。
また、前記制御手段としては、電源スイッチによる電源投入後、前記誘導性負荷が定常状態に至るまでの間前記スイッチング素子のオン・オフをチョッパ制御で行う制御プログラムが格納されたマイコンやデジタルＩＣが考えられる。このチョッパ制御は、前記電源スイッチの投入により開始され、誘導性負荷が定常状態に至るまでの間行われる。

ここで、電源投入後、誘導性負荷が定常状態に至ったかどうかは、所定時間の経過又は負荷電流の状態によって判断される。
すなわち、所定時間の経過によって誘導性負荷が定常状態に至ったかどうかを判断する場合、使用する誘導性負荷に応じて当該誘導性負荷が定常状態に至るまでの時間を前記制御プログラムに予め設定しておき、当該設定時間が経過するとチョッパ制御を終了するようにする（請求項１）。
他方、負荷電流の状態によって誘導性負荷が定常状態に至ったかどうかを判断する場合、スイッチイング回路の１次側又は２次側には電流検出手段を接続し、この電流検出手段で検出した電流値を前記スイッチング回路の制御手段に入力し、前記制御手段が前記電流値に基づいて誘導性負荷が定常状態に至ったか否かを判断する。この場合、前記制御プログラムには使用する誘導性負荷の定常状態の電流値を予め設定しておき、この設定電流値と前記電流検出手段で検出された電流値とを前記制御手段で比較し、前記電流検出手段で検出された電流値が設定電流値に到達した場合にチョッパ制御を終了するようにする（請求項２）。

前記チョッパ制御によるスイッチング素子のオン・オフの１サイクルにおけるオン・オフ時間の比は、徐々にオン時間が長くなるようにすることもできる（請求項３）。
スイッチング素子のオン・オフの１サイクルにおけるオン・オフ時間の比が徐々にオン時間が長くなる設定としては、例えば、オン時間を一定に固定しつつ時間の経過とともにオフ時間を徐々に短くしていく設定や、オン・オフのデューティ比を徐々にオン時間が長くなるようにする設定が考えられる。

この発明によれば、リチウムイオンバッテリーを駆動電源とする誘導性負荷と前記誘導性負荷への電力供給用の電源スイッチとの間に、スイッチング素子とこのスイッチング素子のオン・オフ制御をチョッパ制御で行う制御プログラムが格納された制御手段とを備えたスイッチング回路を接続し、前記制御プログラムには、前記誘導性負荷が定常状態に至るまでの時間が設定され、前記制御手段は、前記制御プログラムに基づいて、電源投入後前記誘導性負荷が定常状態に至るまでの間、前記スイッチング素子をチョッパ制御するものとしたので、電源投入直後における実質電圧値の上昇を抑制することができ、突入電流の発生を防止することができる。これにより、抵抗を用いることなく簡易な回路構成の突入電流防止装置とすることができる。

請求項２の発明によれば、スイッチング回路の１次側又は２次側には電流検出手段を接続し、この電流検出手段で検出した電流値を前記スイッチング回路の制御手段に入力し、前記制御プログラムには、前記誘導性負荷の定常状態の電流値Ｉ _Ｓ が設定されるとともに、前記電流検出手段で検出された電流値Ｉ _１ と前記設定電流値Ｉ _Ｓ とを比較して前記検出電流値Ｉ _１ が前記設定電流値Ｉ _Ｓ に到達した場合にチョッパ制御を終了するプログラムが組み込まれ、前記制御手段が前記制御プログラムに基づいて前記電源スイッチによる電源の投入から前記誘導性負荷が定常状態に至るまでの間、前記スイッチング素子をチョッパ制御するものとしたので、前記制御手段が前記電流値に基づいて誘導性負荷が定常状態に至ったか否かを判断し、誘導性負荷の状態に応じて適切なタイミングでチョッパ制御を終了することができる。

請求項３の発明によれば、前記チョッパ制御によるスイッチング素子のオン・オフの１サイクルにおけるオン・オフ時間の比を、徐々にオン時間が長くなるようにしたので、誘導性負荷にかかる実質電圧値を０から定常電圧まで徐々に大きくなるように立ち上げることができ、電源投入時における突入電流の発生を確実に防止することができる。

この発明の第１の実施例の概要を示す図 同じく定常状態に至るまでのチョッパ制御と負荷電流の関係を示す図 この発明の第２の実施例の概要を示す図 突入電流の発生と電池の保護機能により電源が遮断された状態を示す図

図１は、この発明の第１の実施例の概要を示す構成図である。
誘導性負荷である直流モーター１を備えた電気機器と、この電気機器の電源となるリチウムイオンバッテリー２との間には、直流モーター１への電力供給のオン・オフを行う電源スイッチ３が接続されている。そして、この電源スイッチ３と直流モーター１との間にはスイッチング回路４が接続されている。

スイッチング回路４は、スイッチング素子４１と、このスイッチング素子４１のスイッチング制御を行う制御手段であるマイコン４２とを備えている。このマイコン４２は、電源スイッチ３の開閉を検知するため、電源スイッチ３の負荷側のラインに分岐して接続してある。
スイッチング素子４１としては、例えば、トランジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、サイリスタなどの低電圧、低消費電力でスイッチング制御が可能な半導体素子を用いることができる。

マイコン４２には、電源スイッチ３による電源投入後の所定時間ｔ１だけスイッチング素子４１をチョッパ制御するための制御プログラムが予め記録されている。
この制御プログラムには、使用する直流モーター１が定常状態に至るまでの時間ｔ１と、チョッパ制御によるスイッチング素子のオン・オフの１サイクルにおけるオン・オフ時間の比が徐々にオン時間が長くなるように設定されている。
電源スイッチ３により電源が投入されると、前記制御プログラムが起動してスイッチング素子４１のチョッパ制御が開始され、接続される直流モーター１に応じて設定された時間ｔ１が経過するまでの間、予め設定されたオン・オフの制御パターンに従ってスイッチング素子４１をチョッパ制御する。直流モーター１に応じて設定された時間（定常状態となるまでの時間）ｔ１が経過するとチョッパ制御が終了し、その後は電源スイッチ３が開かれるまで（電源スイッチ３がオフにされるまで）スイッチング素子４１のオン状態が継続される。

スイッチング素子４１のオン・オフの制御パターンは、使用する電気機器に応じて適宜設定されるものである。この実施例においては、チョッパ制御によるスイッチング素子４１のオン・オフの１サイクルにおけるオン時間とオフ時間の比は、時間の経過に従って次第にオン時間が長くなるように設定してある。このように設定しておくと、実質電圧が徐々に高くなるようにしながら定常電圧まで到達させることができ、突入電流の発生を確実に防止することができる（図２参照）。
ここで、スイッチング素子４１のオン・オフの１サイクルにおけるオン時間とオフ時間の比が徐々にオン時間が長くなるような設定としては、オン時間を一定にしておきながらオフ時間を徐々に短くしていく方法（図２の電圧パターンａ）と、オン・オフのデューティ比を徐々にオン時間が長くなるようにする方法（図２の電圧パターンｂ）とがある。

電源スイッチ３とスイッチング回路４は、直流モーター１を備えた電気機器に組み込んでおいてもよいし、電気機器自体には組み込まずに別体の装置として構成して直流モーター１とリチウムイオンバッテリー２との間に接続してもよい。要は、スイッチング回路４が、電源スイッチ３と直流モーター１との間に接続されていればよい。

この突入電流防止装置によれば、抵抗を用いることなく簡単な回路構成で、電源投入後、接続された誘導性負荷が定常状態に至るまでの所定時間、半導体スイッチング素子４１をチョッパ制御して電流のオン・オフを繰り返すことにより実質電圧値の上昇を抑制し、突入電流の発生を防止することができる。
このように、突入電流の発生を防止することができるので、直流モーター１の電源としてリチウムイオンバッテリー２を用いる場合にあっても、バッテリー側の過電流保護回路を考慮する必要がなく、使用する直流モーター１に応じた適切な容量のリチウムイオンバッテリーを使用することができる。

図３は、誘導性負荷に流れる電流に基づいて誘導性負荷が定常状態に至ったか否かを判断してチョッパ制御の解除を行う場合の実施例である。
第１の実施例の構成とは、スイッチング回路４の２次側に電流検出手段５を接続し、この電流検出手段５で検出した電流値Ｉ_１がスイッチング回路４の制御手段であるマイコン４２に入力されるようにした点、マイコン４２に格納される制御プログラムには、使用する誘導性負荷の定常状態の電流値Ｉ_Ｓが設定されるとともに、電流検出手段５で検出された電流値Ｉ_１と前記設定電流値Ｉ_Ｓとを比較して、前記検出電流値Ｉ_１が設定電流値Ｉ_Ｓに到達した場合にチョッパ制御を終了するプログラムが組んである点で差異がある。その他の構成は第１の実施例と同様である。
なお、誘導性負荷に流れる電流値Ｉ_１を検出するための電流検出手段５は、スイッチング回路４の１次側に接続し、制御手段であるマイコン４２に入力することもできる（図は省略）。

この実施例によれば、スイッチング回路４の２次側に接続された電流検出手段５で負荷電流Ｉ_１を検出してマイコン４２に入力し、誘導性負荷１の定常状態の電流値Ｉ_Ｓが設定され、電流検出手段５で検出された電流値Ｉ_１と設定電流値Ｉ_Ｓとを比較して前記検出電流値Ｉ_１が設定電流値Ｉ_Ｓに到達した場合にチョッパ制御を終了するプログラムが記録されたマイコン４２において誘導性負荷１が定常状態に至ったか否かを判断するものとしたので、誘導性負荷１の状態に応じて適切なタイミングでチョッパ制御を終了することができる。

この発明は、リチウムイオンバッテリーを駆動電源とする誘導性負荷を備えた電気機器の突入電流防止装置に関するものであり、産業上の利用可能性を有するものである。

１ 負荷（直流モーター）
２ リチウムイオンバッテリー
３ 電源スイッチ
４ スイッチング回路
４１ スイッチング素子
４２ マイコン（制御手段）
５ 電流検出手段

Claims (3)

1. リチウムイオンバッテリーを駆動電源とする誘導性負荷と前記誘導性負荷への電力供給用の電源スイッチとの間に、スイッチング素子とこのスイッチング素子のオン・オフ制御をチョッパ制御で行う制御プログラムが格納された制御手段とを備えたスイッチング回路が接続され、
   前記制御プログラムには、前記誘導性負荷が定常状態に至るまでの時間が設定され、この設定時間が経過するとチョッパ制御を終了するプログラムが組み込まれ、
   前記制御手段は、前記制御プログラムに基づいて前記電源スイッチによる電源の投入から前記誘導性負荷が定常状態に至るまでの間、前記スイッチング素子をチョッパ制御して前記誘導性負荷の実質電圧値の上昇を抑制するものとした、
   突入電流防止装置。
2. リチウムイオンバッテリーを駆動電源とする誘導性負荷と前記誘導性負荷への電力供給用の電源スイッチとの間に、スイッチング素子とこのスイッチング素子のオン・オフ制御をチョッパ制御で行う制御プログラムが格納された制御手段とを備えたスイッチング回路が接続され、
   前記スイッチング回路の１次側又は２次側には電流検出手段が接続され、この電流検出手段で検出された電流値が前記スイッチング回路の制御手段に入力され、
   前記制御プログラムには、前記誘導性負荷の定常状態の電流値Ｉ _Ｓ が設定されるとともに、前記電流検出手段で検出された電流値Ｉ _１ と前記設定電流値Ｉ _Ｓ とを比較して前記検出電流値Ｉ _１ が前記設定電流値Ｉ _Ｓ に到達した場合にチョッパ制御を終了するプログラムが組み込まれ、
   前記制御手段は、前記制御プログラムに基づいて前記電源スイッチによる電源の投入から前記誘導性負荷が定常状態に至るまでの間、前記スイッチング素子をチョッパ制御して前記誘導性負荷の実質電圧値の上昇を抑制するものとした、
   突入電流防止装置。
3. チョッパ制御によるスイッチング素子のオン・オフの１サイクルにおけるオン・オフ時間の比は、徐々にオン時間が長くなるようにした、
   請求項１又は２に記載の突入電流防止装置。
   

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