(57)【要約】【課題】バッテリの電力を有効に利用して、長時間にわたって負荷に電力を供給する。バッテリ電圧が低下するときに負荷に供給する電力が減少するのを防止する。【解決手段】バッテリを電源とする電源回路の制御方法は、バッテリ１と負荷との間にバッテリ１から負荷への電力供給をオンオフに切り換えるスイッチング素子５を接続し、このスイッチング素子５をオンにしてバッテリ１から負荷に電力を供給し、スイッチング素子５をオフにしてバッテリ１から負荷に電力を供給しない状態とし、スイッチング素子５を所望のデューティーと周期でオンオフに切り換えて、バッテリ１から負荷にパルス状に電力を供給する。この制御方法は、バッテリ電圧が高いときに、バッテリ電圧が低いときよりもオン時間を短くするようにデューティーを変更して、バッテリ１から出力される電力を一定範囲に制御する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリ（１）と負荷との間にバッテリ（１）から負荷への電力供給をオンオフに切り換えるスイッチング素子（５）を接続し、このスイッチング素子（５）をオンにしてバッテリ（１）から負荷に直接に電力を供給し、スイッチング素子（５）をオフにしてバッテリ（１）から負荷に電力を供給しない状態とし、スイッチング素子（５）を所望のデューティーと周期でオンオフに切り換えて、バッテリ（１）から負荷にパルス状に電力を供給する電源回路の制御方法であって、
バッテリ電圧が高いときに、バッテリ電圧が低いときよりもオン時間を短くするようにデューティーを変更して、バッテリ（１）から出力される電力を一定範囲に制御するようにするバッテリを電源とする電源回路の制御方法。
【請求項２】
スイッチング素子（５）をオンオフに切り換える周期が１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚである請求項１に記載されるバッテリを電源とする電源回路の制御方法。
【請求項３】
負荷が非常灯の光源（３）である請求項１に記載されるバッテリを電源とする電源回路の制御方法。
【請求項４】
負荷が、発光ダイオード又は陰極管のいずれかからなる光源（３）で、スイッチング素子（５）を５０Ｈｚ以上の周期でオンオフに切り換える請求項１に記載されるバッテリを電源とする電源回路の制御方法。
【請求項５】
バッテリ電圧が電池の放電終止電圧となるときに、スイッチング素子（５）をオンオフに切り換えるデューティーを３０〜１００％とする請求項１に記載されるバッテリを電源とする電源回路の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッテリから負荷に電力を供給する制御方法に関し、とくに停電時にバッテリで光源を点灯する非常灯に最適な負荷に電力を供給する制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非常灯は、ＡＣ電源が停電したときにバッテリで光源を点灯する。停電しないときにＡＣ電源で光源を点灯し、停電時にバッテリで光源を点灯する非常灯は開発されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５４−１０１１３６号公報
【０００４】
非常灯は、バッテリで光源をできるかぎり長時間点灯することが大切である。光源の点灯時間は、光源の消費電力を少なくして長くできる。ただ、光源の消費電力を小さくすると、暗くなって、非常灯の内容を明るく表示できなくなる。このため、非常灯は、消費電力を小さくして点灯時間を長くすることができない。
この公報に記載される非常灯は、バッテリの寿命を定期的に検出して、バッテリが光源を点灯する時間が短くならないようにしている。バッテリは、使用するにしたがって電池性能が低下して、充電できる容量が小さくなる。このため、寿命が尽きたバッテリでは充電容量が小さくなって、光源を長い時間点灯できなくなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
バッテリの寿命を管理することは、バッテリが劣化して光源の点灯時間が短くなるのを防止できる。しかしながら、新しいバッテリを使用して、さらに光源の点灯時間を長くすることには効果がない。
【０００６】
ところで、非常灯のバッテリには、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池、リチウムイオン電池等の二次電池を使用できる。これ等の二次電池は、満充電された状態で電圧が高く、放電が進行すると電圧が低下する特性がある。
このため、満充電された状態で光源が明るくなり、バッテリが放電されるに従って光源が暗くなる欠点もある。とくに、リチウムイオン電池は、満充電された状態から放電が進行するにしたがって、バッテリ電圧が低下する傾向が強い。このため、放電されるにしたがって、光源が暗くなる欠点がある。
【０００７】
この欠点を解消するために、リチウムイオン電池等の二次電池を電源とする制御方法にあっては、二次電池と負荷との間にＤＣ／ＤＣコンバータを接続している。ＤＣ／ＤＣコンバータは、出力電圧を安定化させる回路を内蔵している。したがって、バッテリ電圧が低下してもＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を一定に保持でき、出力側に光源を接続すると、光源を一定の明るさで点灯できる。
【０００８】
しかしながら、ＤＣ／ＤＣコンバータは、回路構成が複雑で製作コストが高くなる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電力を１００％出力電力には変換できない。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータを使用するとこれが消費する電力が無駄になって、バッテリの出力を１００％負荷に有効に供給できない欠点もある。
このことは、バッテリの電力を無駄に消費することになって、バッテリが光源を点灯できる時間を短くしてしまう。
【０００９】
本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、バッテリの電力を有効に利用して負荷に供給でき、また、バッテリから負荷に長時間にわたって電力を供給でき、さらにまた、バッテリ電圧が低下するときに負荷に供給する電力が減少するのを防止できるバッテリを電源とする電源回路の制御方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のバッテリを電源とする電源回路の制御方法は、バッテリ１と負荷との間にバッテリ１から負荷への電力供給をオンオフに切り換えるスイッチング素子５を接続し、このスイッチング素子５をオンにしてバッテリ１から負荷に直接に電力を供給し、スイッチング素子５をオフにしてバッテリ１から負荷に電力を供給しない状態とし、スイッチング素子５を所望のデューティーと周期でオンオフに切り換えて、バッテリ１から負荷にパルス状に電力を供給する。この制御方法は、バッテリ電圧が高いときに、バッテリ電圧が低いときよりもオン時間を短くするようにデューティーを変更して、バッテリ１から出力される電力を一定範囲に制御する。
【００１１】
スイッチング素子５をオンオフに切り換える周期は、１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚとすることができる。負荷は、非常灯の光源３とすることができる。負荷は、発光ダイオード又は陰極管のいずれかからなる光源３とし、スイッチング素子５を５０Ｈｚ以上の周期でオンオフに切り換えることができる。さらに、本発明の制御方法は、バッテリ電圧が電池の放電終止電圧となるときに、スイッチング素子５をオンオフに切り換えるデューティーを３０〜１００％とすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのバッテリ１を電源とする負荷の制御方法を例示するものであって、本発明は負荷の制御方法を以下に特定しない。
【００１３】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１４】
図１と図２は、非常灯の電源回路を示している。ただし、本発明は、バッテリを電源として負荷に電力を供給する制御方法を非常灯に特定しない。バッテリから負荷に電力を供給する全ての回路の制御方法に利用できるからである。これ等の図に示す電源回路は、バッテリ１と、このバッテリ１をＡＣ電源２で充電し、かつ負荷である光源３をＡＣ電源２で点灯する充電回路４と、バッテリ１から負荷への電力供給をオンオフに切り換えるスイッチング素子５と、このスイッチング素子５を制御用スイッチング素子６を介してオンオフに切り換える制御回路７とを備える。
【００１５】
バッテリ１は、ＡＣ電源２が停電したときに負荷である光源３に電力を供給して、光源３を点灯する。バッテリ１は、光源３を所定時間点灯できる容量のものが使用される。バッテリ１は、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池、リチウムイオン電池等の二次電池である。バッテリ１は、所定のデューティーでオンオフに切り換えられるスイッチング素子５を介して、負荷である光源３に電力を供給して、光源３を所定の明るさに点灯できる電圧とする。バッテリ電圧は、バッテリ１の種類と直列に接続する個数で電圧を調整する。
【００１６】
負荷は、非常灯の場合は光源３である。非常灯の光源３は、フィラメントを加熱する光源でなくて、発光ダイオード又は陰極管である。発光ダイオードや陰極管は、極めて短い周期でオンオフに切り換えて効率よく発光できる。電球は、オンオフに切り換えるとフィラメントの温度が低下して発光効率が著しく低下するばかりでなく、寿命が短くなる。発光ダイオードは通電してから発光するまでの応答速度が極めて速く、短い周期でオンオフに切り換えても効率よく発光する。
また、陰極管も、短い周期でオンオフに切り換えて効率よく連続発光できる。
【００１７】
充電回路４は、ＡＣ電源２を、バッテリ１を充電できる直流電圧に変換してバッテリ１を充電し、バッテリ１を満充電された状態に保持する回路と、ＡＣ電源２を負荷である光源３の点灯電圧に変換して光源３をＡＣ電源２で点灯する回路とを備えている。そして、光源３をＡＣ電源２で点灯するときは、図において、ＡＣ供給電源ライン８を利用して、ダイオードＤを介して供給されることになる。
【００１８】
また、制御回路７においては、ＡＣ電源２の停電をＡＣ供給電源ライン８より検出して、バッテリ１を電源として、光源３に電力を供給するように制御している。
停電時において、スイッチング素子５は、オンの状態でバッテリ１から負荷に直接に電力を供給し、オフに切り換えられてバッテリ１から負荷に電力を供給しない状態とし、このオンオフを所定のデューティーと周期で切り換えて、バッテリ１から負荷にパルス状に電力を供給する。スイッチング素子５は、オンオフに切り換えられるデューティーで、バッテリ１から負荷に供給する電力を制御する。スイッチング素子５は、オフ時間に対するオン時間を長くして、バッテリ１から負荷に供給する電力を大きくし、オン時間を短くして負荷への供給電力を小さくできる。
【００１９】
制御回路７は、バッテリ電圧を検出し（図においては、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の分圧を検出している）、バッテリ電圧で制御用スイッチング素子６を介してスイッチング素子５をオンオフに切り換えるデューティーを変更する。制御回路７は、バッテリ電圧が変化しても、バッテリ１から負荷に供給する電力、正確には、バッテリ１から出力される電力が一定になるように、スイッチング素子５のデューティーを調整する。バッテリ電圧が高くなると、スイッチング素子５をオンにする状態で、バッテリ１から負荷に供給される電流が大きくなり、バッテリ１から負荷に供給される電力が大きくなる。
【００２０】
制御回路７は、図３に示すように、スイッチング素子５をオンオフに切り換えるデューティーを変更する。この図は、スイッチング素子５の出力電圧を示すもので、横軸で時間を、縦軸で電圧を示している。バッテリ電圧が低い状態を実線で、バッテリ電圧が高い状態を鎖線で示している。この図に示すように、制御回路７は、バッテリ電圧が高くなると、実線から鎖線で示すように、スイッチング素子５をオンにする時間を短くして、バッテリ１から出力される電力を一定の範囲に制御する。
【００２１】
制御回路７は、好ましくは、１周期でバッテリ１から出力される電力が一定となるように、スイッチング素子５をオンオフに切り換えるデューティーを制御する。本実施例においては、バッテリ１から出力される電力が一定となるように制御している。つまり、非常灯等においては、停電時に光源３が必要な十分な照度で点灯し、所定時間以上点灯が確保されることが必要であって、本実施例においては、バッテリ１から出力される電力が一定となることより、必要以上に電力を出力、消費することなく、長時間、点灯が確保できる。
なお、本実施例では、バッテリ１から出力される電力が一定となるように制御されているが、本実施例の回路においては、負荷である光源３に投入される電力も略一定となる回路構成である。
【００２２】
図３は、スイッチング素子５をオンオフに切り換える周期を一定にして、バッテリ電圧が高くなると、スイッチング素子５をオンにする時間を変更している。ただし、制御回路７は、スイッチング素子５をオンにする時間を一定にし、オフにする時間を変更してデューティーを調整して、バッテリ１から負荷に供給する電力を制御することもできる。この制御回路７は、バッテリ電圧が変化しても、バッテリ１から出力される平均電力が一定になるようにスイッチング素子５をオンオフに切り換えるデューティーを制御する。
【００２３】
制御回路７は、バッテリ電圧に対するデューティーを記憶回路（制御回路７内に内蔵している）に記憶している。このような所望のデューティーは、バッテリ１から出力される電力が一定となるように設定されている。この記憶回路に記憶される記憶データーに基づいて、検出したバッテリ電圧からスイッチング素子５をオンオフに切り換えるデューティーを特定して、スイッチング素子５をオンオフに切り換える。ただし、制御回路７はバッテリ電圧を検出し、検出した電圧によってデューティーをリアルタイムに自動的に変更されるアナログ回路でスイッチング素子５をオンオフに切り換えることもできる。
【００２４】
制御回路７は、一定の周期でスイッチング素子５をオンオフに切り換える。スイッチング素子５をオンオフに切り換える周期は、１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚとする。望ましくは、５ｋＨｚ以下が良い。周期が１００Ｈｚ以下であると、負荷に供給する電力が脈動し、１００ｋＨｚ以上であると、スイッチング素子５に高速用のＦＥＴやトランジスターを使用する必要があり、また、スイッチング素子５のターンオン時間やターンオフ時間が切り換え周期に比較して長くなって、損失が大きくなるからである。負荷を非常灯の光源３とする場合は、周期を５０Ｈｚ以上として、光源３である発光ダイオードや陰極管のちらつきを防止できる。
【００２５】
バッテリ電圧は、図４に示すように、満充電した状態から放電するにしたがって低下する。ただし、この図は、ニッケル−水素電池やニッケル−カドミウム電池の電圧特性を示す。この図に示すバッテリは、放電を開始した最初にバッテリ電圧が急激に低下し、その後、ゆっくりと低下し、設定した放電終止電圧まで低下すると急激に低下する。リチウムイオン電池は、この特性のバッテリとは異なり、放電が進行するにしたがって電圧が次第に低下する。
【００２６】
バッテリ１を放電して電圧が低下しても、負荷である光源３に供給する電力が減少しないように、図の電源回路は、バッテリ電圧が放電終止電圧となる状態で、バッテリ１から負荷に規定電力を供給するようにデューティーを設定し、バッテリ電圧が低下すると、バッテリ１から負荷への電力供給を切り換えるように接続しているスイッチング素子５をオンオフに切り換えるデューティーを変更する。制御回路７は、バッテリ電圧が電池の放電終止電圧となるときに、スイッチング素子５をオンオフに切り換えるデューティーを１００％として、規定電力を供給できるようにする。ただし、バッテリ電圧が放電終止電圧のときに３０〜１００％となるようにすることもできる。制御回路７は、バッテリ電圧が放電終止電圧に近づくにしたがって、デューティーを大きくして、すなわち、スイッチング素子５をオンにする時間が長くなるようにして、負荷に電力を供給する。
【００２７】
【発明の効果】
本発明のバッテリを電源とする電源回路の制御方法は、バッテリの電力を有効に利用して負荷に供給できると共に、バッテリから負荷に長時間にわたって電力を供給でき、さらに、バッテリ電圧が低下するときに負荷に供給する電力が減少するのを防止できる特長がある。それは、本発明の制御方法が、バッテリと負荷との間に接続したスイッチング素子をデューティーと周期でオンオフに切り換えてバッテリから負荷にパルス状に電力を供給しており、バッテリ電圧が高いときには、バッテリ電圧が低いときよりもオン時間を短くするようにデューティーを変更して、バッテリから出力する電力を一定範囲に制御しているからである。この制御方法は、バッテリ電圧が高いときには、スイッチング素子をオンにする時間を短くし、バッテリ電圧が低いときには、スイッチング素子をオンにする時間を長くして平均電力を一定にできる。したがって、バッテリから負荷に供給される電力を無駄に消費することなく有効に利用でき、しかも、長期間にわたって安定して電力供給できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例にかかる負荷の制御方法を利用した非常灯の電源回路を示す回路図
【図２】非常灯の電源回路の他の一例を示す回路図
【図３】制御回路がスイッチング素子をオンオフに切り換えてデューティーを変更する状態を示すグラフ
【図４】バッテリ電圧が満充電状態から放電するにしたがって低下する特性を示すグラフ
【符号の説明】
１…バッテリ
２…ＡＣ電源
３…光源
４…充電回路
５…スイッチング素子
６…制御用スイッチング素子
７…制御回路
８…ＡＣ供給電源ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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