WO2007100035A1 - 電源システム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a power supply system, and more particularly to an improvement of a power supply unit that supplies power to a DC-DC converter.
- a DC-DC converter is used in a power supply system of a portable information terminal headed by a mobile phone.
- the DC-DC converter has the following requirements for the battery that constitutes its power supply, the battery control function, and the voltage conversion function that converts the extracted power into the required voltage.
- the battery in order to improve portability, the battery is particularly required to be downsized. If the battery is downsized, the battery capacity must be reduced as a replacement. Therefore, in order to reduce the size of the battery, the function of extending the battery life described above is desired.
- a voltage having a plurality of voltage values is output, and an output stop control function is required.
- an interface connected to a network analog signal processing such as image and sound processing, and in some cases a power source such as a drive device such as a hard disk drive are required.
- a power source such as a drive device such as a hard disk drive are required.
- they operate at different voltage values. Also, to save power, those power supplies It is desirable to be able to cut when the function is unnecessary.
- an output voltage variable function may be required.
- power consumption is proportional to the frequency of the operating clock and the square of the power supply voltage. Therefore, when high information processing capability is not required, it is common practice to reduce the operating clock frequency to save power. Furthermore, since operation is possible even at low power supply voltage under low operating clock frequency, further power saving is realized by lowering the power supply voltage. In recent years, miniaturization of process rules for semiconductor manufacturing has progressed, and it has become possible to perform high-speed operation as before even at lower voltage.
- the power supply voltage of the final stage transistor in a power amplifier (PA) of a wireless interface is a main factor that determines the maximum output power.
- PA power amplifier
- higher output is required for analog circuits as the amount of transmitted information increases.
- analog signal processing circuits are required to have lower distortion than before. These require a higher power supply voltage than before.
- the battery voltage is not always constant during use. Therefore, the power supply circuit must maintain a constant required output voltage that does not depend on the battery voltage, but can operate at a lower battery voltage than before for the purpose of effectively using up the capacity of the battery. Is required.
- FIG. 4 shows the basic circuit of a switching step-down DC-DC converter using a diode.
- the output of the battery 208 is connected to a choke coil 102 and a diode 602 via a switch 101.
- the switch 101 turns the output of the battery 208 on and off by the output of the DC-DC converter controller 601.
- a current flows through the choke coil 102 and is output to the load side, and a back electromotive force is generated along with the current, so that energy is stored in the choke coil 102.
- the diode 602 is off.
- FIG. 4 (b) shows a configuration in which the diode 602 in FIG. 4 (a) is replaced with the switch 301 and controlled by the DC-DC comparator controller 603.
- the switch 301 is controlled to be off when the switch 101 is on, and to be on when the switch 101 is off.
- the switch 301 operates in the same manner as the diode 602 in FIG.
- the use of MOS FET or the like for the switch 301 can further reduce the power consumption in the on state.
- the conversion efficiency of the DC-DC converter can be improved and heat generation can be suppressed.
- the load capacity for example, the electric charge stored in the capacitor 103 can be easily released to the ground plane, and the control for lowering the output voltage can be performed at high speed. Can be done.
- the switching type step-down DC-DC converter can efficiently perform voltage conversion.
- the number of circuits that require a power supply voltage higher than the battery voltage is increasing.
- a step-down DC / DC converter that cannot extract an output voltage higher than the battery voltage cannot be used.
- a step-up DC-DC converter shown in FIG. 5 can be cited as a means for extracting an output voltage equal to or higher than the battery voltage from a single battery.
- Figure 5 (a) shows the basic circuit of a step-up DC-DC converter using a diode.
- the output of the battery 208 is connected to the switch 701 and the diode 704 via the choke coil 702.
- the switch 701 intermittently connects the output side terminal of the choke coil 702 to the ground under the control of the DC-DC converter controller 705.
- the switch 701 is turned on, a current flows through the choke coil 702 to generate a back electromotive force, and energy is stored in the choke coil 702 at the same time.
- the diode 704 is off.
- FIG. 5 (b) shows a configuration in which the diode 704 in FIG. 5 (a) is replaced with a switch 706 and controlled by a DC-DC comparator controller 707.
- Switch 706 is controlled to be off when switch 701 is on and on when switch 701 is off, so that switch 700 is operating in the same way as diode 704 in Figure 5 (a). become.
- the circuit of Fig. 5 (a) when the diode 704 is on, the product of the forward voltage of the diode and the flowing current is The applied power is consumed by the diode 704, whereas in the circuit of FIG. 5 (b), the use of a MOSFET or the like for the switch 706 can further reduce the power consumption when turned on.
- the conversion efficiency of the DC-DC converter can be further improved and heat generation can be suppressed.
- the voltage drop at the switch 706 can be made lower than the forward voltage drop of the diode 704, a higher output voltage can be obtained.
- the buck-boost DC-DC converter shown in Fig. 6 combines a switching type step-down type and a step-up type DC-DC converter, and shares some circuits.
- the switches 101 and 301 and the choke coil 102 are the switching type step-down DC—as in the converter of FIG. 4 (b). Operates as a DC converter. At this time, the switch 701 is off and the switch 706 is on. On the other hand, when the required output voltage is higher than the battery voltage, the choke coil 102 and the switches 701 and 706 operate as a step-up DC-DC converter, like the converter of FIG. 5 (b). At this time, the switch 101 is on and the switch 301 is off.
- the output voltage range can be set in a wide range without being restricted by the battery voltage. There are the following problems.
- the current value taken out from the battery becomes higher than the output current. This is because the energy is accumulated in the choke coil 102 while the switch 701 is on, so that a current is not output and the force is applied to flow during the remaining period. As a result, the load on the battery increases. This is remarkable when the buck-boost converter is started up and when the output voltage is raised.
- the conventional power supply system has the following problems.
- the first problem is that when two or more batteries are connected in series to obtain a high voltage, It means that the discharge capacity of all batteries cannot be used up effectively. This is because the battery with the smallest discharge capacity is determined by the smallest total battery discharge capacity due to the discharge capacity variation between the batteries connected in series.
- the second problem is that if two or more secondary batteries are connected in series to obtain a high voltage, the charge capacity of all the batteries cannot be used effectively. This is because the total battery charge capacity is determined by the battery with the smallest charge capacity due to variations in charge capacity between the secondary batteries connected in series.
- a third problem is that when two or more secondary batteries are connected in series in order to obtain a high voltage, the battery is likely to deteriorate. This is a combination of batteries with different battery discharge capacities and charge capacities, and the battery with the smallest discharge capacity is overdischarged and the battery with the least charge capacity is overcharged. Because it is easy to occur
- the fourth problem is that it is difficult to select batteries in order to suppress variations in discharge capacity or charge capacity for batteries connected in series in order to obtain a high voltage. This is because it is costly to sort out the batteries. In addition, because the characteristics change due to secular changes, etc., there will be variations after selection.
- Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-345161 discloses a battery block consisting of a plurality of batteries (cells), in which the cell voltage of each cell is measured, and if the cell voltage is higher than the average voltage, the cell A technique for equalizing the cell voltage by turning on the discharge switch and discharging the cell current with the discharge resistor is described. However, with this technology, battery power is wasted.
- a fifth problem is that if a step-up DC-DC converter is used instead of connecting two or more secondary batteries in series to obtain a high voltage, a voltage lower than the battery voltage can be output. In addition, if a buck-boost type DC-DC converter is used, the power conversion efficiency decreases near the battery voltage.
- an object of the present invention is to provide a power supply system in which two or more secondary batteries are connected in series in order to obtain a high voltage, such as the discharge capacity and charge capacity of the batteries connected in series.
- Noba The object is to provide a power supply system that can eliminate the effects of flickering and perform efficient charging or discharging.
- the present invention outputs the first and second batteries, the first power supply voltage obtained by connecting the first battery and the second battery in series, and the first and second batteries connected in series.
- a power supply system including a power supply unit that outputs a terminal voltage of one battery of a second battery as a second power supply voltage,
- the power supply unit includes a switch group that switches between a first mode in which the first battery is selected as the one battery and a second mode in which the second battery is selected as the one battery.
- a power supply system is provided.
- the switch group when the switch group connects the first and second batteries in series and outputs the first and second power supply voltages, the first and second batteries By selecting the battery with the larger remaining battery capacity as one of the batteries, more current is supplied from the one battery, so that the remaining capacity of both batteries is balanced. Therefore, efficient discharge becomes possible.
- FIG. 1 is a circuit diagram of a power supply system according to a first embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a circuit diagram showing details of a battery unit shown in the power supply system of FIGS. 1 and 3.
- FIG. 1 is a circuit diagram showing details of a battery unit shown in the power supply system of FIGS. 1 and 3.
- FIG. 2 is a circuit diagram showing details of a battery unit shown in the power supply system of FIGS. 1 and 3.
- FIG. 3 is a circuit diagram of a power supply system according to a second embodiment of the present invention.
- FIG. 4 (a) and (b) are circuit diagrams of a conventional step-down DC-DC converter.
- FIG. 5 (a) and (b) are circuit diagrams of a conventional step-up DC-DC converter.
- FIG. 6 Circuit diagram of a conventional buck-boost DC-DC converter.
- FIG. 1 shows a power supply system according to a first embodiment of the present invention.
- the power supply system of this embodiment includes switches 101, 201, 207, 301, choke coils 102, 202, a DC-DC converter controller 302, capacitors 103, 203, and a battery unit (power supply unit) 303.
- Switch 101, choke coil 102, and switch 301 constitute a first DC-DC converter 105
- switch 201, choke coil 202, and switch 207 constitute a second DC-DC converter.
- the barter 106 is configured.
- the battery unit 303 is also configured with two battery forces of the same type, and when the two batteries are connected in series, supplies the first power supply voltage from the high potential side terminal force of the battery connected to the high potential side.
- High-potential-side output terminal VOH, and low-potential-side output terminal VOL that supplies the second power supply voltage in addition to the high-potential-side terminal power of the battery connected to the low-potential side
- High potential side output terminal VOH of battery unit 303 is connected to choke coil 102 and switch 301 via switch 101 of the first converter.
- the switch 101 receives the high potential side output VOH of the battery unit 303, receives the first switch signal from the DC-DC converter controller 302, and outputs the output power to the choke coil 102 and the switch 301.
- the output of the choke coil 102 is input to the DC-DC converter controller 302 and the capacitor 103 and also output as the first output (output 1) of the power supply system.
- the switch 301 inputs the second switch signal of the DC—DC converter controller 302 and is inserted between the output of the switch 101 and the ground (ground plane).
- the low potential side output terminal VOL of the battery unit 303 is connected to the switch 201 of the second converter.
- the switch 201 inputs the output from the terminal VOL of the battery unit 303 and the third switch signal from the DC-DC converter controller 302, and outputs the output power to the choke coil 202 and the switch 207.
- the output of the choke coil 202 is input to the DC-DC converter controller 302 and the capacitor 203, and is also output as the second output (output 2) of the power supply system.
- the switch 207 inputs the fourth switch signal of the DC-DC converter controller 302 and is connected to the output of the switch 201 and the ground plane.
- the battery unit control signal output from the DC—DC converter controller 302 is input to the CR terminal of the battery unit 303.
- FIG. 2 shows details of the battery unit 303 shown in FIG.
- the battery unit 303 includes two batteries 405 and 406, double-throw switches 402 to 404, 407, and 408 that control connection of the batteries, a single-throw switch 409, and a battery ff controller 401. Exclude.
- a battery 405 is inserted between the C terminals (common terminals) of both switches 403 and 407, and a battery 406 is inserted between the C terminals of both switches 404 and 408.
- the L terminal of switch 403 and the R terminal of switch 404 are connected to the C terminal of switch 402.
- the L terminal of switch 407 and the R terminal of switch 408 are grounded.
- Switch 403 R terminal, switch The L terminal of the switch 404, the R terminal of the switch 407, and the L terminal of the switch 408 are connected to each other and to one terminal of the battery controller 401 and the switch 409.
- the other terminal of the switch 409 is connected to the low potential side output terminal VOL.
- the switch 402 has an L terminal connected to the battery controller 401 and an R terminal connected to the high potential side output terminal VOH.
- the S terminal (control terminal) of each switch and the control terminal of the switch 409 are connected to the battery control unit 401.
- the battery controller 401 is connected to the battery unit control signal terminal (CR), and receives a battery unit control signal that is a serial signal from the DC-DC converter controller 302.
- the electric power extracted from the high-potential side output terminal VOH of the battery unit 303 is the first step-down DC-DC composed of the DC-DC converter controller 302, switches 101, 301, choke coil 102, and capacitor 103.
- the voltage is stepped down by the converter and the output 1 terminal force is also output as the first output. Therefore, the maximum voltage that can be set to the output 1 terminal is the voltage of the high-potential side output terminal VOH.
- the electric power extracted from the low-potential side output terminal VOL of the battery unit 303 is a second step-down DC-DC composed of a DC-DC converter controller 302, switches 201, 207, a choke coil 202, and a capacitor 203.
- the voltage is stepped down by the converter and output from the output 2 terminal as the second output. Therefore, the maximum voltage that can be set to the output 2 terminal is the voltage of the low potential side output terminal VOL.
- the DC-DC converter controller 302 generates a battery unit control signal and inputs it to the battery unit control signal terminal (CR) of the battery unit 303.
- the battery unit control signal includes timing information when the switch 101 or the switch 201 is turned on, and information indicating the length of the on / off interval of these switches.
- switch 101 or switch 201 When switch 101 or switch 201 is on, power is taken out from battery unit 303, but when it is off, battery unit 303 does not need to output, so during this period the configuration of battery unit 303 is changed or the amount of charge is changed. Monitoring processing can be performed.
- the batteries 405 and 406 are connected in series via the switches 403, 404, 407, and 408 at the time of discharging.
- the switches 403, 404, 407, and 408 are each controlled by a control signal from the battery controller 401, and this determines which of the batteries 405 and 406 in the serial connection state is on the high potential side.
- the voltage obtained when the batteries 405 and 406 are connected in series is a high voltage via the switch 402. Output from the output terminal VOH.
- the switch 402 performs switching according to a control signal from the battery controller 401 so that the CR terminal is connected during discharging and the CL terminal is connected during non-discharging and charging.
- the voltage of the node connecting the batteries 405 and 406 is output from the output terminal VOL via the switch 409.
- the switch 409 is turned on / off by a control signal from the battery controller 401.
- Battery controller 401 controls each switch to output power from high-potential-side output terminal VOH and low-potential-side output terminal VOL when discharge is requested by a battery unit control signal. To do. If the battery output is not requested by the battery control signal, measure the voltage across each of batteries 405 and 406 to determine which remaining capacity is greater. Connect so that the battery with the larger number is on the low potential side. The high-potential side battery bears only the output current of the high-potential side output terminal VOH, and the low-potential side battery bears the output current from both the high-potential side output terminal VOH and the output terminal VOL. For this reason, the battery on the low potential side consumes faster than the battery on the high potential side. The battery controller 401 monitors the remaining capacity of the batteries 405 and 406 and discharges with priority given to the larger one. Therefore, the batteries 405 and 406 discharge the entire capacity regardless of the difference in capacity. I can do it.
- the battery controller 401 has a built-in battery charging circuit.
- the switches 403, 404 are checked while checking the charge amount of each battery via the L terminal of the switch 402. 407, 408 can be charged separately. Therefore, the battery controller 401 can charge up to a predetermined capacity value regardless of the difference in capacity between the batteries 405 and 406.
- the first DC-DC converter supplies power from the high-potential side output terminal (VOH) of the battery unit 303 according to the control of the DC-DC converter controller 302. In response, the voltage is converted and an output of the first voltage value is generated.
- the second DC-DC converter receives power supply from the low-potential side output terminal (VOL) force of the battery unit 303 according to the control of the DC-DC converter controller 302, and converts the voltage. Generate an output for the second voltage value. As a result, a voltage output higher than a single battery voltage value can be obtained, and a plurality of voltage values can be output.
- DC—DC converter controller 302 inputs a first voltage value and converts it to a desired voltage value.
- the control signal is output to switches 101 and 301 of the first DC-DC converter.
- the second voltage value is input, and a control signal for making it a required voltage value is output to the switches 201 and 207 of the second DC-DC converter.
- the DC-DC converter controller 302 notifies the battery controller 401 of the timing when at least one of the switches 101 and 201 of both DC-DC converters is turned on as a battery output request signal. Also, when it is detected or predicted that the on / off interval of the switches 101 and 201 of both DC-DC converters is equal to or greater than the first predetermined value, a battery switching control signal is output.
- the on / off interval is a series of operations consisting of a change from an off state to an on state and a subsequent change from an on state force to an off state.
- the on-off interval prediction is, for example, a state in which the DC-DC converter controller 302 receives an instruction to stop output in advance from an external control system (not shown) that controls the power supply system and recognizes it. Point to.
- Battery unit controller 401 measures the remaining capacity of each battery when a battery output request signal is not generated. The remaining capacity is measured by measuring the terminal voltage of each battery. Furthermore, when the battery switching signal is generated, the battery connection is switched when the measurement result of the remaining battery capacity requires switching of the battery connection. Further, when a charge switching signal is generated, a battery output request signal is generated, and the battery connection is switched from the discharge mode to the charge mode at the timing. Even in this charging mode, the remaining capacity of the battery is measured and each battery is individually charged up to its charge capacity.
- the battery controller 401 and the switches 402, 403, 404, 407, 408, and 409 are provided, charging is performed individually while checking the charge amount of each battery. thing Is possible. Therefore, it is possible to charge up to the upper limit value (charge capacity) of each battery regardless of the difference in remaining battery capacity.
- the case of two batteries has been described. However, an arbitrary number of three or more batteries can be selected, and the number of DC-DC converters can be selected accordingly.
- FIG. 3 shows a power supply system according to the second embodiment of the present invention.
- the power supply system of this embodiment includes switches 501 and 502, linear regulators 503 and 504, an output controller 505, and a battery unit (power supply unit) 303.
- the linear regulator 503 constitutes a first DC-DC converter
- the re-regulator 504 constitutes a second DC-DC converter. Since the battery unit 303 is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
- the high potential side output terminal VOH of the battery unit 303 is connected to the linear regulator 503 via the switch 501.
- the switch 501 receives the high potential side output VOH of the battery unit 303, receives the first switch signal from the output controller 505, and outputs the output power to the linear regulator 503.
- the output of the linear regulator 503 is output as the first output (output 1) of the power supply system.
- the low potential side output terminal VOL of the battery unit 303 is connected to the switch 502.
- the switch 502 inputs the output from the terminal VOL of the battery unit 303 and the second switch signal from the output controller 505, and outputs the output power to the linear regulator 504.
- the output of the linear regulator 504 is output as the second output (output 2) of the power supply system.
- the battery unit control signal output from the output controller 505 is input to the CR terminal of the battery unit 303. Since the battery unit 303 is the same as that of the first embodiment, the detailed description thereof is omitted.
- the high-potential-side output terminal VOH power of the battery unit 30 3 is also stepped down by the linear regulator 503, which is the first step-down DC-DC converter, via the switch 501, and output as the first output 1 Terminal force is output. Therefore, the maximum voltage that can be set to the output 1 terminal is the voltage of the high-potential side output terminal VOH.
- the switch 501 inputs the first switch signal from the output controller 505, and based on it Connect or disconnect the high-potential side output terminal VOH of the battery 303 and the linear regulator 503.
- the electric power extracted from the low-potential side output terminal VOL of the battery unit 303 is stepped down by the linear regulator 504, which is the second step-down DC-DC converter, via the switch 502, and output as the second output 2 terminal Force is output. Therefore, the maximum voltage that can be set for the output 2 terminal is the voltage of the low potential side output terminal VOL.
- the switch 502 receives the second switch signal from the output controller 505 and connects or disconnects the low potential side output terminal VOL of the battery unit 303 and the linear regulator 504 based on the second switch signal.
- the output controller 505 generates a battery unit control signal and inputs it to the battery unit control signal terminal (CR) of the battery unit 303.
- the battery unit control signal includes timing information when the switch 501 or the switch 502 is turned on, and information indicating the length of the on / off interval of these switches. When switch 501 or switch 502 is on, the power to extract power from battery unit 303 is off. Battery unit 303 does not need to output power when it is off. Processing can be performed.
- the linear regulator 503 which is the first DC-DC converter, has a high potential side output terminal (VOH) force of the battery unit 303 in accordance with the control of the output controller 505.
- VH high potential side output terminal
- the linear regulator 504, which is the second DC-DC converter receives power from the low-potential side output terminal (VOL) of the battery unit 303 according to the control of the output controller 505, and supplies it to the voltage. Convert to produce the output of the second voltage value.
- VOL low-potential side output terminal
- the output controller 505 notifies the battery controller 401 of the timing at which at least one of the switch 501 and the switch 502 is turned on as a battery output request signal. Further, when it is detected or predicted that the ON / OFF interval of the switch 501 and the switch 502 is equal to or greater than the first predetermined value, a battery switching control signal is output. Further, when it is detected or predicted that the on / off interval of both switches 501 and 502 is equal to or greater than a second predetermined value that is larger than the first predetermined value, a charge switching control signal is output.
- the on / off interval is A change to the ON state and the subsequent ON state force change to the OFF state is a series of actions, and refers to the time interval of this series of actions, that is, the duration of the OFF state.
- the on / off interval prediction refers to a state in which the output controller 505 has received an instruction to stop output in advance from an external control system (not shown) that controls the power supply system and has recognized it.
- the first advantage of the power supply system of the above embodiment is that the burden on the battery does not increase even when a voltage higher than a single battery voltage value is taken out from the battery. This is because it is not necessary to use a step-up / step-down DC-DC converter because the batteries are connected in series to extract a voltage higher than a single battery voltage.
- a second advantage of the power supply system of the above embodiment is that the power conversion efficiency does not decrease even when the output voltage is in the vicinity of a single battery voltage value. This is because the output voltage can be obtained with a step-down DC-DC converter by connecting the batteries in series and extracting a voltage higher than the single battery voltage.
- a third advantage of the power supply system of the above embodiment is that when two or more batteries are connected in series in order to obtain a high voltage, all the batteries can be effectively used up to the discharge capacity. It can be done. It is possible to individually control the discharge of each battery power by switching the series order of the batteries and checking the remaining capacity of each battery while taking out the power of the intermediate voltage value of those series connection nodes. As a result, the amount of discharge can be adjusted between both batteries.
- the fourth advantage of the power supply system of the above embodiment is that when two or more secondary batteries are connected in series to obtain a high voltage, the charge capacity of all the batteries is used effectively. Is that you can. This is because the amount of charge can be adjusted by charging each battery independently while checking the remaining capacity of each battery.
- a fifth advantage of the power supply system of the above embodiment is that when two or more secondary batteries are connected in series to obtain a high voltage, the battery is not easily deteriorated. This is because overdischarge and overcharge do not occur because discharge and charge are adjusted for each battery while checking the remaining capacity of each battery.
- a sixth advantage of the power supply system according to the above embodiment is that batteries connected in series to obtain a high voltage do not require battery selection for suppressing variation in discharge capacity or charge capacity. That is. This is because variations between batteries are absorbed because discharge and charge are adjusted for each battery while checking the remaining capacity of each battery.
- a seventh advantage of the power supply system of the above embodiment is that switching noise does not enter the output. This is because a linear regulator is used for voltage conversion.
- the first power supply voltage is changed to the first output voltage.
- a first converter for converting, and a second converter for converting the second power supply voltage to a second output voltage are further provided.
- the power supply unit includes a remaining capacity measuring unit that measures a remaining capacity at the time of discharging the first and second batteries, and the switch group is based on a measurement result by the remaining capacity measuring unit. It is also a preferable aspect of the present invention to select the battery having the larger remaining capacity among the first and second batteries as the one battery. This makes it possible to autonomously balance the remaining capacity of both batteries within the power supply system.
- the monitoring device further includes a monitoring device that monitors an on / off interval of a switch included in or connected to the first and second converters, and the monitoring device detects occurrence of an on / off interval equal to or greater than a predetermined value. It is also a preferred aspect of the present invention that the remaining capacity measuring unit measures the remaining capacity of the first and second batteries when predicted. When the on / off interval is large, it is easy to switch the battery connection by the switch group after measuring the remaining battery capacity.
- the switch group includes the first mode and the second mode at a timing when at least any of the switches included in or connected to the first and second converters is off. Switch between By switching according to the operation of both converters, the impact on the load side of the power system can be reduced.
- the switch group is configured to charge the first and second batteries when the monitoring device detects or predicts the occurrence of an on / off interval greater than or equal to a predetermined value. It is also preferable to connect the second battery. Similarly, the impact on the load side of the power system can be reduced.
- the remaining capacity measuring unit further measures the remaining capacity of the first and second batteries when the switch group connects the first and second batteries in the third state. It is also preferable to do. In this case, charging can be performed up to the charging capacity of each battery, and efficient charging becomes possible.
- each of the first and second converters is a step-down DC-DC converter.
- the power supply system of this aspect it is possible to output an arbitrary voltage equal to or lower than the voltage value when the batteries are connected in series.
- One of these may be a boosting type or a buck-boost type DC-DC converter.
- the step-down DC-DC converter can be a linear regulator (drop type) as well as a switching type.
- one or more third batteries may be further connected in series to the first and second batteries, and a third converter may be disposed.
- the second battery may consist of the same number of batteries connected in series or in parallel.
- the present invention has been described based on the preferred embodiment.
- the power supply system of the present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiment.
- Various modifications and changes from the configuration of the examples are also included in the scope of the present invention.
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Abstract
電源システムは、2つ以上の電池(405、406)を、スイッチ群(402~404、407~409)で直列に接続して、VOH端子から高電圧を、VOL端子から電池電圧を取り出し、2組の降圧型DC-DCコンバータ(105、106)でそれぞれ電圧変換する。直列接続での放電に際して、電池(405、406)から放電している以外の期間で、各電池の残容量を計測し、それに基づいて、直列接続時の接続方法を制御して、各々の電池を放電容量まで放電できるよう制御する。
Description
明 細 書
電源システム
技術分野
[0001] 本発明は、電源システムに関し、特に DC— DCコンバータに電源を供給する電源 部の改良に関する。
背景技術
[0002] 携帯電話を筆頭とする携帯情報端末の電源システムでは、 DC— DCコンバータが 用いられる。 DC— DCコンバータでは、その電源を構成する電池、電池の制御機能 、及び、電池力 取り出した電力を所要の電圧に変換する電圧変換機能について、 以下の要求がある。第 1に、電池の持ち時間の延長である。つまり、同一の 1次電池 では 1つの電池あたりに、また、同一の 2次電池では 1回の充電あたりに、携帯情報 端末に電源を供給できる時間をできるだけ延ばすことが求められる。このためには、 まず、電池に蓄えられたエネルギーをできるだけ多ぐ且つ、残すことなく取り出すこ とが必要である。例えば、電池の残容量が減ってきたときには電池の端子電圧が低 下するものの、低入力電圧でも所要の電圧を出力できる電圧変棚能があれば、こ の要求に応えることが出来る。しかし、この場合には、電圧変 能での損失は最小 に抑えねばならない。即ち、高効率な電圧変 能が求められる。さらに、 2次電池 の使用時には、 1回の充電でより多くのエネルギーを蓄える必要があり、これを実現 するための充電機能が必要である。
[0003] 第 2に、携帯性向上のため、電池には特に小型化が求められている。電池を小型 化すると、その引き替えとして、電池容量を減少せざるを得ない。したがって電池を小 型化するためにも、上述の電池持ち時間延長の機能が望まれる。
[0004] 第 3に、複数の電圧値の電圧を出力し、かつそれらの出力'停止制御機能が求めら れる。携帯情報端末においては、一般的なデジタル信号処理に加え、ネットワークに 接続するインターフェースや、画像、音声処理等のアナログ信号処理、場合によって はハードディスクドライブなどの駆動装置などに、それぞれ電源が必要であり、一般 的には、それらは異なる電圧値で動作する。また、省電力化のため、それらの電源は
、機能が不要なときには切断できることが望ましい。
[0005] 第 4に、出力電圧の可変機能が必要となることがある。一般的にデジタル回路では 、消費電力は、動作クロックの周波数と電源電圧の 2乗とに比例する。したがって高 い情報処理能力が要求されない時には、動作クロック周波数を低下させて省電力化 を図ることが一般に行われている。さらに、低動作クロック周波数下では、低電源電 圧であっても動作可能となるので、電源電圧を下げてさらなる省電力化を実現してい る。近年は半導体製造のためのプロセスルールの微細化が進み、更なる低電圧下で も従来同様の高速動作が可能となってきている。
[0006] アナログ回路においては、例えば無線インターフェースの電力増幅器 (PA)におけ る最終段トランジスタの電源電圧は、最大出力電力を決める主たる要因となっている 。しかし、逆に大出力を求められない場合には、最終段トランジスタの電源電圧を下 げることにより、省電力化を図ることができる。アナログ回路では、デジタル回路とは逆 に、伝送情報量の増大に伴い、より高出力化が求められている。また伝送情報量の 増大により、アナログ信号処理回路には、従来以上に低歪みであることが要求されて いる。これらは従来以上に高い電源電圧を必要とする。
[0007] 第 5に、電池電圧変動幅の拡大、及び、電池の低電圧化に対応する必要がある。
電池電圧は使用中に常に一定であるわけではない。したがって、電源回路は、電池 電圧によらない一定した所要の出力電圧を維持しなければならない一方、電池の容 量を有効に使い切るという目的のため、従来以上に低い電池電圧においても動作で きることが求められる。
[0008] 現在、電力変換効率が高い電源システムとして、図 4に示す降圧型の DC— DCコ ンバータが用いられている。図 4 (a)は、ダイオードを用いたスイッチングタイプの降圧 型 DC— DCコンバータの基本回路である。同図において、電池 208の出力は、スィ ツチ 101を経て、チョークコイル 102及びダイオード 602に接続されている。スィッチ 1 01は、 DC— DCコンバータ制御器 601の出力によって電池 208の出力をオンーォ フする。スィッチ 101がオンすると、チョークコイル 102に電流が流れ負荷側に出力さ れると共に、それに伴う逆起電力が生じ、チョークコイル 102には、エネルギーが蓄え られる。ダイオード 602はオフ状態である。
[0009] 次にスィッチ 101がオフすると、チョークコイル 102には、スィッチ 101がオンの時と 逆向きの起電力が生じ、グランド力もダイオード 602、チョークコイル 102と電流が流 れて、負荷側に出力される。このときダイオード 602はオン状態である。スィッチ 101 のオン'オフ時間比を制御することにより、コンバータの出力電圧を調整できる。この 出力電圧は、 DC— DCコンバータ制御器 601にも入力されており、これを基準電圧( 図示しない)と比較して得た誤差電圧を用いて、出力電圧の調整を行う。この方式は 、スィッチ 101のオン又はオフ状態を用いるため、ここでの消費電力はほとんどなぐ 電力変換効率が高い。
[0010] 図 4 (b)は、図 4 (a)のダイオード 602をスィッチ 301に置き換え、 DC— DCコンパ一 タ制御器 603で制御するようにしたものである。スィッチ 301は、スィッチ 101がオン の時はオフ、スィッチ 101がオフの時はオンとなるよう制御され、その結果として、図 4 (a)のダイオード 602と同じ動作をしていることになる。しかし、図 4 (a)の回路では、ダ ィオード 602がオンの時は、ダイオードの順方向電圧と流れる電流の積で与えられる 電力がダイオード 602で消費されるのに対し、図 4 (b)の回路では、スィッチ 301に M OSFET等を使用することにより、オン時の消費電力をさらに削減できる。その結果、 DC— DCコンバータの変換効率を改善できると共に、発熱も抑制することができる。 またこの方式では、出力電圧を下げたい場合に、スィッチ 301をオンすることにより、 容易に負荷容量、例えばコンデンサ 103に蓄えられた電荷を接地面に逃がすことが でき、出力電圧を下げる制御を高速に行うことができる。
[0011] 上記のように、電池から電池電圧よりも低い電圧を生成する場合には、スイッチング タイプの降圧型 DC— DCコンバータは、効率よく電圧変換を行うことができる。しかし 、最近は、上述のように、電池電圧以上に高い電源電圧を要求する回路が増えつつ あり、この場合には、電池電圧以上の出力電圧を取り出すことのできない降圧型 DC DCコンバータでは対応できない。
[0012] そこで、電池を 2個以上直列に接続して高い電圧を取り出し、その出力をさらに降 圧型 DC— DCコンバータで効率よく電圧変換する方法が考えられる。しかし、この場 合には、直列に接続された電池間の容量バラツキにより、放電時の直列に接続され た電池全てを総合した放電容量 (電池から放電できる電気の量)は、最も少ない放電
容量の電池で決まってしま 、、全ての電池の放電容量を有効に使 、きることはできな い。また、 2次電池の場合には、充電時の直列に接続された 2次電池全てを総合した 充電容量(2次電池に充電できる電気の量)は、最も少ない充電容量の 2次電池で決 まってしまい、個々の 2次電池の充電容量を使い切ることができない。さらに、電池の 放電容量、充電容量がばらついた電池を組み合わせた場合には、最も放電容量の 少な!/、電池にお!、ては過放電が、最も充電容量の少な 、電池にお!、ては過充電が 生じやすぐ電池が劣化しやすい。ノ ラツキを抑えるために電池を選別するとコストが かかる。また特性は経年変化等で変わるため、選別後にもバラツキは生じる。
[0013] 上記を勘案すると、単一の電池から電池電圧以上の出力電圧を取り出す手段とし て、図 5に示す昇圧型 DC— DCコンバータが挙げられる。図 5 (a)は、ダイオードを用 いた昇圧型の DC— DCコンバータの基本回路である。
[0014] 図 5 (a)において、電池 208の出力はチョークコイル 702を経て、スィッチ 701及び ダイオード 704に接続されている。スィッチ 701は、 DC— DCコンバータ制御器 705 の制御によって、チョークコイル 702の出力側の端子を断続的にグランドに接続する 。スィッチ 701がオンすると、チョークコイル 702に電流が流れてそれに伴う逆起電力 が生じ、同時にチョークコイル 702にはエネルギーが蓄えられる。このときダイオード 7 04はオフ状態である。次にスィッチ 701がオフすると、チョークコイル 702には、スイツ チ 701がオンの時と逆向きの起電力が生じ、電池 208の電圧〖こチョークコイル 702の 起電力が加算された電圧が、ダイオード 704を経て出力される。このときダイオード 7 04はオン状態である。スィッチ 701のオン'オフ時間比を制御することにより、出力電 圧を調整できる。出力電圧は DC— DCコンバータ制御器 705にも入力されており、こ れを基準電圧(図示しな!ヽ)と比較して得た誤差電圧を用いて、出力電圧の調整を行
[0015] 図 5 (b)は、図 5 (a)のダイオード 704をスィッチ 706に置き換え、 DC— DCコンパ一 タ制御器 707で制御するようにしたものである。スィッチ 706は、スィッチ 701がオン の時はオフ、スィッチ 701がオフの時はオンとなるよう制御され、その結果、スィッチ 7 06は図 5 (a)のダイオード 704と同じ動作をしていることになる。し力し、図 5 (a)の回 路では、ダイオード 704がオンの時は、ダイオードの順方向電圧と流れる電流の積で
与えられる電力がダイオード 704で消費されるのに対し、図 5 (b)の回路では、スイツ チ 706に MOSFET等を使用することにより、オン時の消費電力をさらに削減できる。 その結果、 DC— DCコンバータの変換効率がさらに改善できると共に、発熱も抑制 することができる。また、スィッチ 706での電圧低下は、ダイオード 704の順方向電圧 降下よりも下げることができるので、より高い出力電圧を得ることが可能である。
[0016] し力し、図 5の昇圧型の DC— DCコンバータでは、電池電圧よりも低い出力電圧を 取り出すことができない。この問題を解決するための方法として、スイッチングタイプ の降圧型と昇圧型 DC— DCコンバータを組み合せ、一部の回路を共用したものが、 図 6に示す昇降圧型 DC— DCコンバータである。
[0017] 図 6において、電池電圧に対して所要出力電圧が低い場合には、スィッチ 101、 30 1及びチョークコイル 102は、図 4 (b)のコンバータと同様に、スイッチングタイプの降 圧型 DC— DCコンバータとして動作する。このときスィッチ 701はオフ、スィッチ 706 はオンである。一方、電池電圧に対して所要出力電圧が高い場合には、チョークコィ ル 102、スィッチ 701、 706は、図 5 (b)のコンバータと同様に、昇圧型 DC— DCコン バータとして動作する。このときスィッチ 101はオン、スィッチ 301はオフである。
[0018] 上記のように、図 6に示した昇降圧型 DC— DCコンバータを用いると、出力電圧範 囲が電池電圧に制約されず広範囲に設定が可能である。し力 次に挙げる問題点 がある。
[0019] まず、電池から取り出される電流値が出力電流よりも高くなる。これはスィッチ 701 がオンの期間には、エネルギーをチョークコイル 102にため込むため、電流を出力せ ず、残りの期間に流すためである力 この結果電池への負担が大きくなる。これは昇 降圧型コンバータの起動時、及び、出力電圧の立ち上げ時に顕著である。
[0020] また出力電圧が電池電圧付近において、昇圧と降圧の間で切替えが発生するが、 このときグランドに電荷を逃がす動作が増え、その結果として、電力変換効率が低下 する。
[0021] 以上に述べたように、電池電圧よりも高い高電圧を得ようとすると、従来の電源シス テムには以下の問題点がある。
[0022] 第 1の問題点は、高電圧を得るために電池を 2個以上直列に接続して使用すると、
全ての電池の放電容量を有効に使いきることはできないということである。これは、直 列に接続された電池間での放電容量バラツキにより、総合した電池放電容量が最も 少な 、放電容量の電池で決まってしまうためである。
[0023] 第 2の問題点は、高電圧を得るために 2次電池を 2個以上直列に接続して使用する と、全ての電池の充電容量を有効に使うことはできないということである。これは、直 列に接続された 2次電池間での充電容量バラツキにより、総合した電池充電容量が 最も少ない充電容量の電池で決まってしまうためである。
[0024] 第 3の問題点は、高電圧を得るために 2次電池を 2個以上直列に接続して使用する と、電池が劣化しやすいということである。これは、電池の放電容量や、充電容量が ばらつ 、た電池を組み合わせることとなり、最も放電容量が少な 、電池にぉ 、ては過 放電が、最も充電容量が少ない電池においては、過充電が発生しやすいためである
[0025] 第 4の問題点は、高電圧を得るために直列に接続する電池について、放電容量又 は充電容量のバラツキを抑えるために電池を選別することは困難であるということで ある。これは、電池を選別するにはコストがかかるためである。また、特性は経年変化 等で変わるため、選別後にもバラツキが生じるためである。
[0026] 特開 2002— 345161号公報には、複数の電池(セル)から成る電池ブロックについ て、その各セルのセル電圧を測定し、セル電圧が平均電圧よりも高い場合には、その セルの放電スィッチをオンとし、セル電流を放電抵抗で放電させて、セル電圧を均等 化する技術が記載されている。しかし、この技術では、電池の電力が無駄に消耗され る。
[0027] 第 5の問題点は、高電圧を得るために 2次電池を 2個以上直列に接続することに代 えて昇圧型 DC— DCコンバータを採用すると、電池電圧よりも低い電圧が出力でき ず、また、昇降圧型 DC— DCコンバータを採用すると、電池電圧に近い電圧付近で は、電力変換効率が低下することである。
発明の概要
[0028] 上記に鑑み、本発明の目的は、高電圧を得るために 2次電池を 2個以上直列に接 続した電源システムにつ 、て、直列に接続した電池の放電容量や充電容量などのば
らつきによる影響を排除し、効率的な充電又は放電を行うことが出来る電源システム を提供することにある。
[0029] 本発明は、第 1及び第 2の電池と、該第 1の電池と第 2の電池とを直列に接続した第 1の電源電圧を出力すると共に、前記直列に接続した第 1及び第 2の電池の一方の 電池の端子電圧を第 2の電源電圧として出力する電源部を備える電源システムであ つて、
前記電源部は、前記第 1の電池を前記一方の電池として選択する第 1の態様と、前 記第 2の電池を前記一方の電池として選択する第 2の態様とを切り替えるスィッチ群 を有することを特徴とする電源システムを提供する。
[0030] 本発明の電源システムによると、スィッチ群が第 1及び第 2の電池を直列に接続して 、第 1及び第 2の電源電圧を出力する際に、第 1及び第 2の電池の内で電池の残容 量が多い方の電池を、前記一方の電池として選択することにより、この一方の電池か らは、より多くの電流が供給されるので、双方の電池の残容量がバランスするため、 効率的な放電が可能になる。
図面の簡単な説明
[0031] [図 1]本発明の第 1の実施形態に係る電源システムの回路図。
[図 2]図 1及び図 3の電源システムに示す電池部の詳細を示す回路図。
[図 3]本発明の第 2の実施形態に係る電源システムの回路図。
[図 4] (a)及び (b)は、従来の降圧型 DC— DCコンバータの回路図。
[図 5] (a)及び (b)は、従来の昇圧型 DC— DCコンバータの回路図。
[図 6]従来の昇降圧型 DC— DCコンバータの回路図。
発明を実施するための最良の形態
[0032] 以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。図 1は、本発明の第 1 の実施形態に係る電源システムを示す。同図において、本実施形態の電源システム は、スィッチ 101、 201、 207、 301、チョークコイル 102、 202、 DC— DCコンバータ 制御器 302、コンデンサ 103、 203、及び、電池部(電源部) 303を有する。スィッチ 1 01、チョークコイル 102、及び、スィッチ 301は、第 1の DC— DCコンバータ 105を構 成し、スィッチ 201、チョークコイル 202、及び、スィッチ 207は、第 2の DC— DCコン
バータ 106を構成する。電池部 303は、同じ型式の 2つの電池力も構成され、双方の 電池が直列に接続された際に、高電位側に接続された電池の高電位側端子力ゝら第 1の電源電圧を供給する高電位側出力端子 VOH、及び、低電位側に接続された電 池の高電位側端子力ゝら第 2の電源電圧を供給する低電位側出力端子 VOLを有する
[0033] 電池部 303の高電位側出力端子 VOHは、第 1のコンバータのスィッチ 101を介して チョークコイル 102及びスィッチ 301に接続される。スィッチ 101は、電池部 303の高 電位側出力 VOHを受け、 DC— DCコンバータ制御器 302からの第 1のスィッチ信号 を入力し、出力電力をチョークコイル 102及びスィッチ 301に出力する。チョークコィ ル 102の出力は、 DC— DCコンバータ制御器 302、及び、コンデンサ 103に入力さ れるとともに、電源システムの第 1出力(出力 1)として出力される。スィッチ 301は、 D C— DCコンバータ制御器 302の第 2のスィッチ信号を入力し、スィッチ 101の出力と グランド (接地面)との間に挿入される。
[0034] 電池部 303の低電位側出力端子 VOLは第 2のコンバータのスィッチ 201に接続さ れる。スィッチ 201は電池部 303の端子 VOLからの出力と、 DC— DCコンバータ制 御器 302からの第 3のスィッチ信号とを入力し、出力電力をチョークコイル 202及びス イッチ 207に出力する。チョークコイル 202の出力は、 DC— DCコンバータ制御器 30 2及びコンデンサ 203へ入力されるとともに、電源システムの第 2出力(出力 2)として 出力される。スィッチ 207は、 DC— DCコンバータ制御器 302の第 4のスィッチ信号 を入力し、スィッチ 201の出力および接地面に接続される。
[0035] DC— DCコンバータ制御器 302から出力された電池部制御信号は、電池部 303の CR端子に入力される。図 2は、図 1に示す電池部 303の詳細を示す。電池部 303は 、 2つの電池 405、 406と、電池の接続を制御する双投型のスィッチ 402〜404、 40 7、 408と、単投型のスィッチ 409と、電池 ff¾御器 401とを備免る。
[0036] 図 2において、電池 405は、スィッチ 403、 407の双方の C端子(共通端子)の間に 挿入され、電池 406は、スィッチ 404、 408の双方の C端子の間に挿入されている。ス イッチ 403の L端子、スィッチ 404の R端子は、スィッチ 402の C端子に接続される。ス イッチ 407の L端子、スィッチ 408の R端子は接地される。スィッチ 403の R端子、スィ
ツチ 404の L端子、スィッチ 407の R端子、及び、スィッチ 408の L端子は互いに接続 され、かつ電池制御器 401及びスィッチ 409の一方の端子に接続される。スィッチ 40 9の他方の端子は、低電位側出力端子 VOLに接続される。スィッチ 402は、 L端子が 電池制御器 401に、 R端子が高電位側出力端子 VOHにそれぞれ接続される。各スィ ツチの S端子 (制御端子)及びスィッチ 409の制御端子は、電池制御部 401に接続さ れている。また電池制御器 401は、電池部制御信号端子 (CR)に接続され、 DC— DC コンバータ制御器 302から、シリアル信号である電池部制御信号を受け取る。
[0037] 次に、図 1を参照し、第 1の実施形態の動作を説明する。電池部 303の高電位側出 力端子 VOHから取り出された電力は、 DC— DCコンバータ制御器 302、スィッチ 10 1、 301、チョークコイル 102、コンデンサ 103により構成された第 1の降圧型 DC— D Cコンバータにより降圧され、第 1出力として出力 1端子力も出力される。従って、出力 1端子に設定可能な最高電圧は、高電位側出力端子 VOHの電圧となる。
電池部 303の低電位側出力端子 VOLから取り出された電力は、 DC— DCコンバー タ制御器 302、スィッチ 201、 207、チョークコイル 202、コンデンサ 203により構成さ れた第 2の降圧型 DC— DCコンバータにより降圧され、第 2出力として出力 2端子か ら出力される。従って、出力 2端子に設定可能な最高電圧は低電位側出力端子 VOL の電圧となる。
さらに、 DC— DCコンバータ制御器 302は、電池部制御信号を生成し、電池部 30 3の電池部制御信号端子 (CR)に入力する。電池部制御信号は、スィッチ 101又はス イッチ 201がオン状態となるタイミング情報や、これらスィッチのオン オフ間隔の長 さを示す情報を含む。スィッチ 101又はスィッチ 201がオンのとき、電池部 303から電 力が取り出されるが、オフの時には電池部 303は、出力する必要はないので、この期 間で電池部 303の構成変更や充電量の監視処理を行うことができる。
[0038] 図 2を参照し、電池部 303の動作詳細を説明する。電池 405、 406は、放電時には 、スィッチ 403、 404, 407、 408を介して直列に接続される。スィッチ 403、 404, 40 7、 408は、各々電池制御器 401からの制御信号により制御され、これにより直列接 続状態にある電池 405、 406のどちらが高電位側となるかが決定される。
[0039] 電池 405、 406が直列接続されるときに得られる電圧は、スィッチ 402を介して高電
位側出力端子 VOHから出力される。スィッチ 402は、電池制御器 401からの制御信 号により、放電時には C-R端子を接続し、非放電時及び充電時には C-L端子を接続 するように切替を行う。電池 405、 406を接続するノードの電圧は、スィッチ 409を介 して出力端子 VOLから出力される。スィッチ 409は、電池制御器 401からの制御信号 により、オン オフを行う。
[0040] 電池制御器 401は、電池部制御信号により放電を要求されている場合には、高電 位側出力端子 VOH、低電位側出力端子 VOLから電力を出力するように、各スィッチ を制御する。また、電池部制御信号により電池出力を要求されてない場合には、電 池 405、 406の各々の両端電圧を測定し、どちらの残容量が多いかを判定し、次の 出力時には残容量の多い方の電池が低電位側となるように接続する。高電位側の電 池は、高電位側出力端子 VOH力 の出力電流のみを負担し、低電位側の電池は、 高電位側出力端子 VOH及び出力端子 VOLの双方からの出力電流を負担する。この ため、低電位側の電池は、高電位側の電池に比べて消耗が早い。電池制御器 401 は、電池 405、 406の残容量を監視し、多い方を優先して放電させるので、電池 405 、 406は、各々の容量のバラツキによる差異に拘わらず、全容量を放電することがで きる。
[0041] 一方、電池制御器 401は電池充電回路を内蔵しており、電池の充電時には、スイツ チ 402の L端子を経由して、各々の電池の充電量を確認しつつ、スィッチ 403、 404 、 407、 408により個別に充電可能である。したがって、電池制御器 401は、電池 40 5、 406の各々の容量の差異に拘わらず、所定の容量値まで充電することができる。
[0042] 上記実施形態の電源システムでは、第 1の DC— DCコンバータは、 DC— DCコン バータ制御器 302の制御にしたがって、電池部 303の高電位側出力端子(VOH)か ら電力の供給を受けて、これを電圧変換して第 1の電圧値の出力を生成する。また、 第 2の DC— DCコンバータは、 DC— DCコンバータ制御器 302の制御にしたがって 、電池部 303の低電位側出力端子 (VOL)力も電力の供給を受けて、これを電圧変 換して第 2の電圧値の出力を生成する。これによつて、単一の電池電圧値以上の電 圧の出力が得られ、また、複数の電圧値の出力が可能になる。
[0043] DC— DCコンバータ制御器 302は、第 1の電圧値を入力し、それを所要の電圧値
にするための制御信号を、第 1の DC— DCコンバータのスィッチ 101、 301に対して 出力する。また、第 2の電圧値を入力し、それを所要の電圧値にするための制御信 号を、第 2の DC— DCコンバータのスィッチ 201、 207に出力する。 DC— DCコンパ ータ制御器 302は、双方の DC— DCコンバータのスィッチ 101及びスィッチ 201の 少なくとも一方がオンになるタイミングを、電池出力要求信号として電池制御器 401 に通知する。また、双方の DC— DCコンバータのスィッチ 101及び 201のオン オフ 間隔が第 1の所定値以上になることを検出または予知すると、電池切替制御信号を 出力する。更に、双方の DC— DCコンバータのスィッチのオン オフ間隔が第 1の所 定値よりも大きい第 2の所定値以上になることを検出または予知すると、充電切替制 御信号を出力する。ここでオン オフ間隔とは、オフ状態からオン状態への変化と、 それに続くオン状態力 オフ状態への変化を一連の動作とし、この一連の動作の時 間間隔、つまりオフ状態の時間長を指す。また、オン—オフ間隔の予知とは、例えば 、 DC— DCコンバータ制御器 302が、電源システムを制御する外部制御系(図示し ない)から予め出力停止等の指示を受け、それを認識した状態を指す。
[0044] 電池部制御器 401は、電池出力要求信号が発生していないときに、各電池の残容 量を測定する。残容量の測定は各電池の端子電圧を測定することで行う。更に、電 池切替信号が発生すると、電池残容量の測定結果が電池接続の切替えを要求して いる場合には、電池の接続を切り替える。更に、充電切替信号が発生した場合には、 電池出力要求信号が発生して 、な 、タイミングで、電池の接続を放電モードから充 電モードに切り替える。この充電モードでも、電池の残容量の測定が行われ、各電池 は各々の充電容量まで、個別に充電される。
[0045] 上記実施形態の電源システムでは、電池制御器 401、スィッチ 403、 404、 407、 4 08が設けられているので、電池 405、 406の直列順序を入れ替えることができ、直列 接続ノードから中間電圧値の電力を取り出すことができ、その結果、個々の電池の残 容量を確認しつつ、各々の電池の放電を独立して制御することができる。このため、 電池各々の残容量の差異に拘わらず、全容量を放電することができる。
[0046] さらに、本実施形態では、電池制御器 401、スィッチ 402、 403、 404、 407、 408、 409を配設したこと〖こより、各々の電池の充電量を確認しつつ、個別に充電すること
が可能である。したがって、電池の残容量の差異に拘わらず、各々の電池の上限値( 充電容量)まで充電することができる。なお、上記実施形態では、電池 2個の場合で 説明したが、電池は 3個以上任意の数が選択可能であり、また、これに応じて DC— DCコンバータの数も選択できる。
[0047] 次に、本発明の他の実施形態について説明する。図 3は、本発明の第 2の実施形 態に係る電源システムを示す。同図において、本実施形態の電源システムは、スイツ チ 501、 502、リニアレギユレータ 503、 504、出力制御器 505、及び、電池部(電源 部) 303を有する。リニアレギユレータ 503は、第 1の DC— DCコンバータを構成し、リ ユアレギユレータ 504は、第 2の DC— DCコンバータを構成する。電池部 303は、第 1の実施形態と同じであるため説明を省略する。
[0048] 電池部 303の高電位側出力端子 VOHは、スィッチ 501を介してリニアレギユレータ 503に接続される。スィッチ 501は、電池部 303の高電位側出力 VOHを受け、出力 制御器 505からの第 1のスィッチ信号を入力し、出力電力をリニアレギユレータ 503に 出力する。リニアレギユレータ 503の出力は、電源システムの第 1出力(出力 1)として 出力される。
[0049] 電池部 303の低電位側出力端子 VOLはスィッチ 502に接続される。スィッチ 502は 電池部 303の端子 VOLからの出力と、出力制御器 505からの第 2のスィッチ信号とを 入力し、出力電力をリニアレギユレータ 504に出力する。リニアレギユレータ 504の出 力は、電源システムの第 2出力(出力 2)として出力される。
[0050] 出力制御器 505から出力された電池部制御信号は、電池部 303の CR端子に入力 される。電池部 303は、第 1の実施形態と同じであるため、その詳細説明は省略する
[0051] 次に、図 3を参照し、第 2の実施形態の電源システムの動作を説明する。電池部 30 3の高電位側出力端子 VOH力も取り出された電力は、スィッチ 501を経て、第 1の降 圧型 DC— DCコンバータであるリニアレギユレータ 503により降圧され、第 1出力とし て出力 1端子力 出力される。従って、出力 1端子に設定可能な最高電圧は、高電位 側出力端子 VOHの電圧となる。
[0052] スィッチ 501は出力制御器 505からの第 1のスィッチ信号を入力し、それに基づい
て電池部 303の高電位側出力端子 VOHとリニアレギユレータ 503の接続または遮断 を行う。
電池部 303の低電位側出力端子 VOLから取り出された電力は、スィッチ 502を経 て、第 2の降圧型 DC— DCコンバータであるリニアレギユレータ 504により降圧され、 第 2出力として出力 2端子力 出力される。従って、出力 2端子に設定可能な最高電 圧は、低電位側出力端子 VOLの電圧となる。スィッチ 502は出力制御器 505からの 第 2のスィッチ信号を入力し、それに基づ 、て電池部 303の低電位側出力端子 VOL とリニアレギユレータ 504の接続または遮断を行う。
[0053] さらに、出力制御器 505は、電池部制御信号を生成し、電池部 303の電池部制御 信号端子 (CR)に入力する。電池部制御信号は、スィッチ 501又はスィッチ 502がォ ン状態となるタイミング情報や、これらスィッチのオン オフ間隔の長さを示す情報を 含む。スィッチ 501又はスィッチ 502がオンのとき、電池部 303から電力が取り出され る力 オフの時には電池部 303は電力を出力する必要はないので、この期間で電池 部 303の構成変更や充電量の監視処理を行うことができる。
[0054] 上記第 2の実施形態の電源システムでは、第 1の DC— DCコンバータであるリニア レギユレータ 503は、出力制御器 505の制御にしたがって、電池部 303の高電位側 出力端子(VOH)力 電力の供給を受けて、これを電圧変換して第 1の電圧値の出力 を生成する。また、第 2の DC— DCコンバータであるリニアレギユレータ 504は、出力 制御器 505の制御にしたがって、電池部 303の低電位側出力端子 (VOL)から電力 の供給を受けて、これを電圧変換して第 2の電圧値の出力を生成する。これによつて 、電池電圧値以上の電圧の出力が得られ、また、複数の電圧値の出力が可能になる
[0055] 出力制御器 505は、スィッチ 501及びスィッチ 502の少なくとも一方がオンになるタ イミングを、電池出力要求信号として電池制御器 401に通知する。また、スィッチ 501 及びスィッチ 502のオン一オフ間隔が第 1の所定値以上になることを検出または予知 すると、電池切替制御信号を出力する。更に、双方のスィッチ 501及び 502のオン- オフ間隔が第 1の所定値よりも大きい第 2の所定値以上になることを検出または予知 すると、充電切替制御信号を出力する。ここでオン オフ間隔とは、オフ状態からォ
ン状態への変化と、それに続くオン状態力 オフ状態への変化を一連の動作とし、こ の一連の動作の時間間隔、つまりオフ状態の時間長を指す。また、オン オフ間隔 の予知とは、例えば、出力制御器 505が、電源システムを制御する外部制御系(図示 しない)から予め出力停止等の指示を受け、それを認識した状態を指す。
[0056] 上記第 2の実施形態の電源システムでは、電圧変換を行う DC— DCコンバータとし てリニアレギユレータを用いているので、スイッチングタイプの DC— DCコンバータに 存在するスイッチングノイズを生じることがなぐ出力にスイッチングノイズが混入しな い。
[0057] 上記実施形態の電源システムにおける第 1の利点は、単一の電池電圧値以上の電 圧を電池から取り出す場合にも、電池への負担が大きくならないということである。こ れは、電池を直列に接続して単体の電池電圧以上の電圧を取り出すため、昇降圧 型 DC— DCコンバータを使用する必要がないためである。
[0058] 上記実施形態の電源システムにおける第 2の利点は、出力電圧が単体の電池電圧 値付近においても、電力変換効率が低下しないということである。これは、電池を直 列に接続して単体の電池電圧値以上の電圧を取り出し、降圧型 DC - DCコンバー タにより、出力電圧を得ることが出来るためである。
[0059] 上記実施形態の電源システムにおける第 3の利点は、高電圧を得るために電池を 2 個以上直列に接続して使用するとき、全ての電池を放電容量まで有効に使いきるこ とができるということである。これは、電池の直列順序を入れ替え、個々の電池の残容 量を確認しつつ、それらの直列接続ノードの中間電圧値の電力を取り出すことにより 、各電池力 の放電を個別に制御でき、その結果、双方の電池間で放電量の調整が 可能となるためである。
[0060] 上記実施形態の電源システムにおける第 4の利点は、高電圧を得るために 2次電 池を 2個以上直列に接続して使用するとき、全ての電池の充電容量を有効に使うこと ができるということである。これは、個々の電池の残容量を確認しつつ、各電池の充 電を独立して行うことにより、充電量の調整が可能となるためである。
[0061] 上記実施形態の電源システムにおける第 5の利点は、高電圧を得るために 2次電 池を 2個以上直列に接続して使用するとき、電池が劣化しにくいということである。こ
れは、個々の電池の残容量を確認しつつ、各々の電池毎に放電、充電の調整を行う ので、過放電、過充電が発生しないためである。
[0062] 上記実施形態の電源システムにおける第 6の利点は、高電圧を得るために直列に 接続する電池にっ 、て、放電容量又は充電容量のバラツキを抑えるための電池選 別が必要ないということである。これは、個々の電池の残容量を確認しつつ、各電池 毎に放電、充電の調整を行うので、電池間バラツキが吸収されるためである。
[0063] 上記実施形態の電源システムにおける第 7の利点は、スイッチングノイズが出力に 混入しないということである。これは、電圧変換にリニアレギユレータを用いたためであ る。
[0064] 上記実施形態にお!、て説明したように、本発明の好ま U、態様の電源システムで は、本発明の構成に加えて、前記第 1の電源電圧を第 1の出力電圧に変換する第 1 のコンバータと、前記第 2の電源電圧を第 2の出力電圧に変換する第 2のコンバータ とを更に備える。各コンバータに異なる電源電圧を供給することにより、異なる出力電 圧を出力する電源システムの構成が簡素化される。コンバータとしては、 DC— DCコ ンバータに限らず、 DC— ACコンバータなども採用できる。
[0065] 前記電源部は、前記第 1及び第 2の電池の放電時の残容量を測定する残容量測 定部を備え、前記スィッチ群は、前記残容量測定部による測定結果に基づいて、前 記第 1及び第 2の電池の内で残容量が多い方の電池を前記一方の電池として選択 することも本発明の好ましい態様である。これによつて、電源システム内で、自律的に 双方の電池の残容量をバランスさせることが可能になる。
[0066] また、前記第 1及び第 2のコンバータに含まれるまたは接続されるスィッチのオン オフ間隔を監視する監視装置を更に備え、該監視装置が所定値以上のオン オフ 間隔の発生を検出または予知したときに、前記残容量測定部は、前記第 1及び第 2 の電池の残容量を測定することも本発明の好ま 、態様である。オン オフ間隔が 大きなときには、電池の残容量を測定した後にスィッチ群による電池の接続切替えの タイミングが容易にとれる。
[0067] 更に、前記スィッチ群は、少なくとも前記第 1及び第 2のコンバータに含まれるまた は接続されるスィッチの何れもがオフのタイミングで、前記第 1の態様と前記第 2の態
様との間の切替を行う。双方のコンバータの動作に合わせて切替えを行うことで、電 源システムの負荷側に与える影響を軽減できる。
[0068] 更に、前記スィッチ群は、前記監視装置が所定値以上のオン オフ間隔の発生を 検出または予知したときに、前記第 1及び第 2の電池を充電する第 3の態様に前記第 1及び第 2の電池を接続することも好ましい。同様に、電源システムの負荷側に与える 影響を軽減できる。
[0069] 更に、前記残容量測定部は、前記スィッチ群が前記第 1及び第 2の電池を第 3の態 様に接続した際に、更に前記第 1及び第 2の電池の残容量を測定することも好ましい 。この場合には、各々の電池の充電容量まで充電が可能になり、効率的な充電が可 會 になる。
[0070] 更に、前記第 1及び第 2のコンバータが、何れも降圧型 DC— DCコンバータである ことも本発明の好ましい態様である。この態様の電源システムによると、電池の直列 接続時の電圧値以下の任意の電圧が出力可能になる。なお、これらの内の一方を昇 圧型、又は、昇降圧型 DC— DCコンバータとしてもよい。これらの場合にも、直列に 接続した電池の放電容量や充電容量などのばらつきをなくし、効率的な充電又は放 電を行うことが出来る力もである。また降圧型 DC— DCコンバータはスイッチングタイ プのみならず、リニアレギユレータ(ドロップタイプ)としてもよい。
[0071] 更に、前記第 1及び第 2の電池に更に直列に、 1つ以上の第 3の電池を接続し、且 つ、第 3のコンバータを配置してもよぐ或いは、記第 1及び第 2の電池を、直列また は並列に同様に接続された同数の電池で構成してもよい。
[0072] 以上、本発明をその好適な実施形態例に基づ!/ヽて説明したが、本発明の電源シス テムは、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなぐ上記実施形態例の 構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
Claims
[1] 第 1及び第 2の電池と、該第 1の電池 (405)と第 2の電池 (406)とを直列に接続し た第 1の電源電圧を出力すると共に、前記直列に接続した第 1及び第 2の電池の一 方の電池の端子電圧を第 2の電源電圧として出力する電源部(303)を備え、 前記電源部(303)は、前記第 1の電池 (405)を前記一方の電池として選択する第 1の態様と、前記第 2の電池 (406)を前記一方の電池として選択する第 2の態様とを 切り替えるスィッチ群 (402〜404、 407〜409)と、を有することを特徴とする電源シ ステム。
[2] 前記第 1の電源電圧を第 1の出力電圧に変換する第 1のコンバータ(105)と、 前記第 2の電源電圧を第 2の出力電圧に変換する第 2のコンバータ(106)とを更に 備える、請求項 1に記載の電源システム。
[3] 前記電源部(303)は、前記第 1及び第 2の電池の放電時の残容量を測定する残容 量測定部 (401)を備え、前記スィッチ群は、前記残容量測定部による測定結果に基 づいて、前記第 1及び第 2の電池 (405、 406)の内で残容量が多い方の電池を前記 一方の電池として選択する、請求項 1に記載の電源システム。
[4] 前記第 1及び第 2のコンバータ(105、 106)に含まれるまたは接続されるスィッチの オン オフ間隔を監視する監視装置 (505)を更に備え、該監視装置が所定値以上 のオン オフ間隔を検出または予知したときに、前記残容量測定部 (401)は、前記 第 1及び第 2の電池の残容量を測定する、請求項 3に記載の電源システム。
[5] 前記スィッチ群(402〜404、 407-409)は、少なくとも前記第 1及び第 2の DC— DCコンバータ(105、 106)に含まれるまたは接続されるスィッチの何れもがオフのタ イミングで、前記第 1の態様と前記第 2の態様との間の切替を行う、請求項 4に記載の 電源システム。
[6] 前記スィッチ群 (402〜404、 407-409)は、前記監視装置が所定値以上のオン オフ間隔を検出または予知したときに、前記第 1及び第 2の電池を個別に充電する 第 3の態様に前記第 1及び第 2の電池を接続する、請求項 4に記載の電源システム。
[7] 前記残容量測定部 (401)は、前記スィッチ群 (402〜404、 407-409)が前記第 1及び第 2の電池を第 3の態様に接続した際に、更に前記第 1及び第 2の電池の残容
量を測定する、請求項 6に記載の電源システム。
[8] 前記第 1及び第 2のコンバータ(105、 106)力 何れも降圧型 DC— DCコンバータ である、請求項 1に記載の電源システム。
[9] 前記第 1及び第 2の電池 (405、 406)がそれぞれ、複数の電池で構成される、請求 項 1に記載の電源システム。
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