高周波送信機用のバッテリー電源

专利摘要:
本発明は、ＲＦ送信機モジュール用の電源装置（５）に関する。この電源装置は、少なくとも１つのバッテリー（２）と、バッテリー（２）とＲＦ送信機モジュール（５）の間に並列に、電気的に接続された少なくとも１つのコンデンサー（３）、およびコンデンサー（３）に、充電フェーズの初期にバッテリーにより供給される電圧より高い保存電圧（ＶＣ）にまで充電する電圧上昇手段（４’）を有していて、この電圧上昇手段（４０’）は、インダクタンス（Ｌ）、直列に接続されたダイオード（Ｄ）、充電フェーズの初期においてエネルギーをインダクタンス（Ｌ）に周期的に集め、次いで、集められたエネルギーをコンデンサー（３）に送るように作用するに適したスイッチ（４０’）を有している。本発明によると、このコントロール信号（ＳＣ）は、予め定められ、可変の期間を有して、スイッチ（４０’）を、計算された固定期間閉じて、インダクタンス（Ｌ）の電流をゼロから予め定められた限界値迄上げ、他方、スイッチ（４０’）を、可変でコンデンサーのターミナル間の電圧（ＶＣ）が印加されている期間開いて、インダクタンス（Ｌ）の電流を予め定められた限界値からゼロに下げることを可能にしている。
公开号:JP2011510608A
申请号:JP2010543451
申请日:2009-01-08
公开日:2011-03-31
发明作者:ビュルトー，セルジュ
申请人:アクタリス エスアーエス；
IPC主号:H02J7-00

专利说明:

[0001] 本発明は、少なくとも１つのバッテリー手段により電力を供給する高周波（ＲＦ）送信機モジュールに関するものである。]
背景技術

[0002] 本発明の適用分野は、特に制限するものではないが、水、熱、ガスのエネルギーメーター、あるいは電気メータータイプを、遠隔で読取るに使用されるラジオモジュールの分野である。]
[0003] この適用分野においては、エネルギー消費の平均レベルはやや低く、一般に、例えば３．６ボルト（Ｖ）のＡＡバッテリーのような小さいサイズの小容量バッテリーを使用することで可能である。]
[0004] しかしながら、このモジュールがＲＦ信号を送っているときには、バッテリーは、１分のオーダーの短時間にわたり、やや高い（数百ミリアンペア（ｍＡ）オーダー）瞬間電流を送ることが出来なければならない。この瞬間に必要な電力は、小サイズおよび小容量のバッテリーを使用することと矛盾することになるかもしれない。また、モジュールの使用期間に亘ってバッテリー特性が保証されるように、供給される電力、バッテリーのサイズ、使用温度範囲、およびモジュール寿命の間で妥協点を見出す必要がしばしばある。]
[0005] さらに、バッテリーの内部インピーダンスは、電流ピークが大きくなるに伴い電圧降下を大きくするので、出来るだけ最も低い内部インピーダンスを示すバッテリーを使用することが一般的に望ましい。]
[0006] 第１の解決法は、バッテリーのサイズ拡大をすることにある。当然、この解決法は、容積の点ばかりでなく、そのような状況下ではバッテリー内の有効能力のほんの一部しか使われず、残りの部分は使用されていないので、効率の点でも不利である。]
[0007] 別の公知の解決法は、例えば、欧州特許０７１８９５１号公報に開示されているように、充電可能なバッテリーと、１つ以上の電気二重層コンデンサー（スーパーキャパシタ）でなる補助回路をもつバッテリーを組込むことにあり、この補助回路は、バッテリーと電力が供給されるＲＦ送信モジュールとの間に常時並列に接続される。補助回路は、送信フェーズのとき以外常に充電されて、蓄積された電力を送信時に送ることができるようにしているが、電流ピーク時にバッテリーが送るに必要な電力に限界がある。]
[0008] しかしながら、この解決法は、第１に補助回路に含まれる機器が高価であり、また、要求される価値のあるものを市場に見出すのが困難である、という欠点がある。]
[0009] さらに、この機器の信頼度は、遠隔読み取りモジュールに保証されるに必要な従来の寿命に対応している数年または数十年の使用期間が保証されていない。さらに、その性能は、時間とともに急速に下がっていく。特に、それらの等価直列抵抗（ＥＳＲ）は、時間と共に増加し、そのために、電流ピークが送られる必要がある時に、その効果を限られたものとしてしまう。]
[0010] さらに、この機器は、一般に漏出電流が高いレベルにあり、これにより生じるエネルギーロスを少なくするために、バッテリーを大サイズにする必要が出てくる。]
[0011] 最後に、関連する価値について、これらの解決法に使用される電気二重層コンデンサーは、今でも充分にコンパクトでない機器である。]
[0012] 第３の解決法は、欧州特許０６１３２５７号公報に開示されており、標準コンデンサーを、バッテリーの電圧より高い保存電圧に充電し、次いで、充電の終わりの時点で、コンデンサーの保存電圧より低い電圧で電流ピークを送ることにある。より正確には、この特許公報は、ＲＦ送信機モジュールの電源装置を開示しており、この装置は、少なくとも１つのバッテリーと少なくとも１つのコンデンサーを有していて、コンデンサーは、バッテリーとＲＦ送信機モジュールの間に並列に、電気的に接続されたエネルギー保存回路を作っている。]
[0013] この電源装置は、さらに次の機器を有している。
−コンデンサーを、バッテリーによって送られた電圧より高い保存電圧に充電するコンデンサーの充電フェーズの初期に作用するＤＣ−ＤＣ電圧上昇変換器。]
[0014] −コンデンサーとＲＦ送信機モジュールの間に直列に設けられ、放電フェーズに電力をＲＦ送信機モジュールに送るべく、コンデンサーを放電し、保存電圧を予め定めた放出電力の電圧値まで下げるコントロールされた電圧調整器。]
[0015] −充電フェーズの初期にＲＦ送信機モジュールをコンデンサーから分離し、次いで放電フェーズにＤＣ−ＤＣ電圧変換器をバッテリーから分離するに適したコントロールモジュール。]
[0016] 以下の記載は、特に、バッテリーと保存コンデンサーの間で使用される電圧上昇手段に関するものである。]
[0017] 欧州特許０６１３２５７号公報で推奨されているＤＣ−ＤＣ電圧上昇変換器は、図１の配線図で示した回路配置で一般に使用される。この図では、ＤＣ−ＤＣ電圧上昇変換器４を通してコンデンサー３を充電しているバッテリー２のターミナル間に、負荷１を接続している。電圧上昇変換器４は、本質的に、インダクタンスＬとダイオードを直列に接続して、スイッチ４０をコントロールするためのコントロール手段（図示してない）と共に構成されている。] 図１
[0018] 図２は、スイッチ４０の閉じた／開いた状態が時間でどのように変わるかを、コンデンサーの充電フェーズにインダクタンスＬを流れる電流ＩＬを対応させて示している。] 図２
[0019] コンデンサー３のターミナル間の電圧ＶＣが、所望する保存電圧値より低い限り、スイッチ４０は、閉じた状態（慣習により、図２で高い状態として表している）と開いた状態（慣習により、図２で低い状態として表している）を交互になるようにコントロールされている。スイッチ４０が閉じた状態にあるとき、インダクタンスＬを流れる電流ＩＬは、スイッチが閉じられていた時間に比例した値だけ増加する。スイッチ４０が開いた状態にあるとき、電流ＩＬは、ダイオードＤを通ってコンデンサー３を充電する。それ故、電流ＩＬは、スイッチ４０が開いている時間に比例した値だけ降下する。] 図２
[0020] 従来のＤＣ−ＤＣコンバーターでは、スイッチは、図２に示したものに対応して、一定時間の矩形波周期的コントロール信号を生成するオシレーター手段によってコントロールされる。電圧ＶＣが所望値に達したとき、コントロール信号の生成は中断される。負荷１が働いて電圧ＶＣが下がるとすぐに、スイッチコントロール信号の生成が復活する。] 図２
[0021] 上記の操作は、コンデンサーが充電されると、負荷に電流ピークを送り、次いで、負荷からの要求電流値に拘らず、保存電圧を所望の値に維持することを可能にするように最適化される。このように、スタートすると、電流ＩＬは、特別な限界がなく安定した条件で増えていき、電圧ＶＣは、一定のままであり、インダクタンスに流れる電流ＩＬは、負荷電流の直接の函数となる。]
[0022] しかしながら、電圧上昇変換器がバッテリーに接続されて、負荷（ここではＲＦ送信機モジュール）が未だ接続されていないときでもコンデンサーを充電していき、次いで、所望の保存電圧ＶＣに達し、コンデンサーが負荷に接続されたとき、バッテリーから分離される、ということを考慮すると、上記の操作は、この適用には適していない。]
[0023] さらに、この既知回路は、一般に、コンデンサーの充電フェーズでバッテリー電流を制限することができるようにしていない。バッテリーを抑えるのを回避するために、そのような状況の下で、バッテリーと電圧上昇変換器の間に電流発生器または電流制限器のいずれかを準備する必要がある。別の機器を追加することで、電源装置のコストが高くなることに加えて、電流発生器または電流制限器は、エネルギーを移送する点で効率を下げるというロスを生じさせる。]
[0024] ある既知の電圧上昇変換器には、電流制限機能を組込んでいる。しかしながら、これらの変換器は、多数ではなく、また高価である。]
先行技術

[0025] 欧州特許０７１８９５１号公報
欧州特許０６１３２５７号公報]
発明が解決しようとする課題

[0026] 本発明の目的は、特に、コンデンサーの充電サイクル中にバッテリー電流の完全コントロールすることを可能にする特別のコントロールタイプの電圧上昇手段を用いた電源装置を、低コストで提供することである。]
課題を解決するための手段

[0027] より正確に、本発明は、ＲＦ送信機モジュール用の電源装置を提供することであり、この電源装置は、少なくとも１つのバッテリーと、バッテリーとＲＦ送信機モジュールの間に並列に、電気的に接続されたエネルギー保存回路を形成する少なくとも１つのコンデンサーを有している。電源装置はさらに、コンデンサーに、充電フェーズの初期にバッテリーから供給される電圧より高い保存電圧にまで充電する電圧上昇手段を有していて、この電圧上昇手段は、インダクタンス、バッテリーとコンデンサーの間に直列に接続されたダイオード、充電フェーズの初期においてエネルギーをインダクタンスに周期的に集め、次いで、集められたエネルギーをコンデンサーに送るように作用するに適したスイッチ手段を有してなっている。電源装置はさらに、スイッチング手段にコントロール信号を生成するに適したコントロールモジュールを有していて、このコントロールモジュールは、一方で、充電フェーズの初期において、ＲＦ送信機モジュールからコンデンサーを分離し、他方で、引続くコンデンサー放電フェーズにおいて、バッテリーから電圧上昇手段を分離する。]
[0028] このコントロール信号は、予め定められ、可変の期間を有して、計算された固定期間スイッチ手段を閉じて、インダクタンスの電流をゼロから予め定められた限界値迄上げ、他方、可変でコンデンサーのターミナル間の電圧が印加されている期間スイッチ手段を開いて、インダクタンスの電流を予め定められた限界値からゼロに下げることを可能にする。]
[0029] 好ましい実施形態において、ＲＦ送信機モジュール用の電源装置は、さらに、コンデンサーとＲＦ送信機モジュールの間に直列に接続されたコントロールされた電圧レギュレータを有し、放電フェーズにおいて、保存された電圧を予め定めた電圧値まで下げてＲＦ送信機モジュール（５）に電力を送る。]
[0030] このコントロールモジュールは、電流ピークを送る直前に充電フェーズを開始させ、電流ピークがコンデンサーを完全に充電される迄充電フェーズを充分な時間とるようにするのが好ましい。]
[0031] 本発明は、さらに、エネルギーメーター用の遠隔読取りモジュールを提供するものであり、上記のＲＦ送信機モジュール用の電源装置を有したエネルギーメーター用の遠隔読取りモジュールである。]
図面の簡単な説明

[0032] 本発明およびその利点は、以下の添付した図面を参照しつつ、本発明による電源装置の好ましい実施形態の記載から一層よく理解できる。]
[0033] 従来技術のＲＦ送信機用バッテリー電源装置の回路図であり、電圧上昇手段としてＤＣ−ＤＣ電圧変換器が使用されている。
図１の変換器がコントロールされるタイミングと、それに対応するコンデンサー充電電流の推移を示す図である。
本発明の好ましい実施形態における、ＲＦ送信機用バッテリー電源装置の回路図である。
図３の電圧上昇手段がコントロールされるタイミングと、それに対応するコンデンサー充電電流の推移を示す図である。
（ａ）から（ｃ）は、シミュレーションによって得られた、コンデンサーの保存電圧およびコントロール信号のパラメーターの１つが推移する曲線の例である。] 図１ 図３
実施例

[0034] 図３は、本発明の好ましい実施形態を構成する電源装置の回路図である。この装置は、電圧上昇手段４’によりバッテリー２から標準の保存コンデンサー３を充電し、次いで、ＲＦモジュール５が作用しているときコンデンサー３を放電するようにしている。] 図３
[0035] この装置は、好ましくは、さらに、保存コンデンサーより下流に、コンデンサー３からＲＦモジュール５への放電フェーズに、保存電圧をモジュールに必要とされる電圧に下げることを可能にする電圧降下手段６を有している。]
[0036] 好ましい実施形態において、充電フェーズでは、ＲＦモジュールはコンデンサーに接続されておらず、コンデンサーの放電フェーズでは、コンデンサーはバッテリー２に接続されていない。これは、マイクロプロセッサータイプのコントロールモジュール９によってコントロールされる２つのスイッチ手段７および８で可能となる。]
[0037] ここで、コンデンサーを充電するフェーズ（スイッチ手段７が閉じ、スイッチ手段８が開いている）に何が起きるか関心のあることである。]
[0038] この発明に従って使用され、図３に示す電圧上昇手段４’は、インダクタンスＬと、バッテリー２と保存コンデンサー３の間に直列に接続されたダイオードＤと、スイッチ４０’を有している点で、図１を参照して記載した電圧上昇変換器４に構造上かなり類似している。しかしながら、ＤＣ−ＤＣコンバーターとの類似点は、以下にある。] 図１ 図３
[0039] 好ましいが、しかし限定することなしに思い描くアプリケーションでは、電圧上昇手段４’の役割は、コンデンサーの充電フェーズに、バッテリーの電圧、典型的には３Ｖ程度を、予め定めた電圧値、典型的に３０Ｖと６０Ｖの間に上げることである。さらに、電流は、例えば１０ｍＡの値に制限するのが好ましい。]
[0040] 本発明の特徴は、コンデンサーの充電フェーズではスイッチ４０’がコントロールされ、そのコントロール信号は、装置に取付けられたマイクロプロセッサータイプのコントロールモジュール９によって有利に送られることである。
これを図４を参照して以下に記載する。] 図４
[0041] 図２に示すように、コントロール信号ＳＣは、スイッチ４０’が閉じている期間ＴＯＮと、スイッチ４０’が開いている期間ＴＯＦＦが、交互となる周期的な信号であるが、コントロール信号の期間は、変えることができる。
より正確に、コンデンサー３の充電フェーズまたはサイクルに対応する期間では、スイッチ４０’が閉じた状態である期間ＴＯＮは、それぞれ互いに固定され、電流ＩＬがゼロの値からバッテリーが耐えることができる最大許容値に対応する予め定められた値ＩＬｐｅａｋに変えることができる予め定められた値に相当する。] 図２
[0042] これに対して、スイッチ４０’が開いた状態にある期間ＴＯＦＦは、互いに可変であり、インダクタンスＬの電流ＩＬを０まで下げることを可能にする方法で計算される。]
[0043] このように、引続く期間ＴＯＮでは、電流ＩＬがゼロからスタートし、インダクタンスＬの平均電流ＩＬａｖｇは増加しないことが保証される。]
[0044] 期間ＴＯＮにおけるインダクタンスＬの電流増加ΔＩＬ＋は、次の関係によって与えられる。



ここでＶＤＣは、バッテリー２のターミナル間の電圧である。]
[0045] 関係式（Ｉ）では、ＶＤＣとＬの値は一定であり、ＩＬｐｅａｋの値は予め定められ、それにより固定値ＴＯＮを計算することが可能になる。]
[0046] 例として次の値を挙げる。
Ｌ＝１ミリヘンリー（ｍＨ）
Ｃ（コンデンサー３のキャパシタンス）＝１ミリファラド（ｍＦ）
ＶＤＣ＝３Ｖ
ＩＬｐｅａｋ＝１０ｍＡ＝２×ＩＬａｖｇ
ＴＯＮ＝３．３３マイクロセカンド（μｓ）が得られる。]
[0047] さらに、期間ＴＯＦＦで、インダクタンスの電流は、電流の増加ΔＩＬ＋と等しく、次の関係式で書くことができる値ΔＩＬ−だけ下がる。]
[0048] 関係式（ＩＩ）では、ＶＤＣとＬの値は、一定であり、期間ＴＯＦＦが、コンデンサー３のターミナル間の電圧ＶＣにのみ依存するように値ΔＩＬ＋は予め定められる。]
[0049] 電圧ＶＣの変化は、コントロール信号の連続した２つの期間の間で、インダクタンスＬによりコンデンサー３に移送されるエネルギーを表す次の関係式から決定できる。



ここで、ｎはコントロール信号の今の期間、（ｎ−１）はその前の期間を表わしている。]
[0050] 関係式（ＩＩ）と（ＩＩＩ）を組み合わせることによって、コントロール信号の各期間におけるＴＯＦＦの値を決定するが可能である。]
[0051] 期間ＴＯＦＦは、電圧ＶＣを測定し、次いで上記の関係式を適用して期間ＴＯＦＦを計算することにより、リアルタイムで決定できるが、本発明は、意図したアプリケーションで、充電フェーズの最後に所望する電圧ＶＣの値を前もって知ることができ、これにより、コントロール信号ＳＣの特性、つまり合計の期間（期間の数）、そして各期間の期間ＴＯＮおよびＴＯＦＦを予め定めることが可能になるという利点がある。]
[0052] 図５の（ａ）から（ｃ）は、限定しない例として前述の構成値でシミュレーションし、充電フェーズの最後で所望する充電電圧、好ましくは３０Ｖ、にセットした結果を示している。
−図５の（ａ）は、上記の関係式（ＩＩＩ）の適用において、コンデンサーターミナル間の電圧ＶＣ（１ｍＦ）が、期間を函数としてどのように変わるかを示している。
−図５の（ｂ）は、期間ＴＯＦＦが、期間を函数としてどのように変わるかを示している（関係式（ＩＩ）と（ＩＩＩ）の組合せ）。
−図５の（ｃ）は、期間ＴＯＦＦが、時間とともにどのように変わるか示している。] 図５
[0053] このように、コンデンサーの充電フェーズ中に、期間ＴＯＦＦが時間とともに下がることがみられる。]
[0054] 信号のＳＣの特性は、このように完全に予め定められ、各充電サイクルでコントロールモジュール９によって使用装置に保存される。]
[0055] 本発明によって、コンデンサーの充電フェーズ中にバッテリーによって送られた電流は、最大選択値に制限されることが保証される。また、これは、高価な追加の機器を使用する必要がなく達成される。]
[0056] さらに、追加の機器の使用をなくすことによって、エネルギーロスは、同様にインダクタンスＬ、ダイオードＤおよびスイッチ４０’にのみに限ることになる。本発明の装置は、このように効率的に、典型的に８０％以上でエネルギーを移送できる。]
[0057] さらに、コントロール信号ＳＣの予め定めた期間の合計に対応するコンデンサーの充電フェーズの合計期間は、充電中に、同じ平均電流ＩＬａｖｇが常に使用されるので、厳しく最小に下げられる。]
[0058] 最後に、コンデンサーを充電するに必要な全期間を前もって知れるということは、コントロールモジュール９にとっては、スイッチ手段７を閉じ、そしてスイッチ手段８を開くことにより、コンデンサーの充電フェーズを起こすに必要な時を正確に知ることができ、最高に有利である。コントロールモジュール９は、電流ピークを送る直前で、コンデンサー３が完全に充電されるように電流ピークを送るに充分な期間に充電フェーズの最初の段階を始動させるに適している。]

权利要求:

請求項1
ＲＦ送信機モジュール（５）用の電源装置であって、前記電源装置が、（ａ）少なくとも１のバッテリー（２）と、（ｂ）前記バッテリーとＲＦ送信機モジュールの間に、並列に電気的に接続されたエネルギー保存回路を形成する少なくとも１つのコンデンサー（３）と、（ｃ）インダクタンス（Ｌ）、前記バッテリー（２）と前記コンデンサー（３）の間に直列に接続されたダイオード（Ｄ）、充電フェーズの初期においてエネルギーを前記インダクタンスに周期的に集め、次いで集められたエネルギーを前記コンデンサーに送るように作用するに適したスイッチ手段（４０）からなり、前記コンデンサーに、充電フェーズの初期に前記バッテリーにより供給される電圧より高い保存電圧に充電する電圧上昇手段（４’）と、（ｄ）充電フェーズの初期にＲＦ送信機モジュール（５）から前記コンデンサー（３）を分離し、次いで、コンデンサー放電フェーズの引続く期間に前記バッテリー（２）から電圧上昇手段（４’）を分離するように、前記スイッチング手段（４０）にコントロール信号（ＳＣ）を生成するに適したコントロールモジュール（９）と、で構成されて、このコントロール信号は、予め定められ、かつ可変期間を有して、計算された固定期間（ＴＯＮ）前記スイッチ手段を閉じて、インダクタンスの電流（ＩＬ）をゼロから予め定められた限界値（ＩＬｐｅａｋ）迄上げ、他方で、前記コンデンサーのターミナル間の電圧（ＶＣ）が印加されている期間（ＴＯＦＦ）前記スイッチ手段を開いて、インダクタンスの電流（ＩＬ）を予め定められた限界値（ＩＬｐｅａｋ）からゼロに下げることを可能にする、ことを特徴とするＲＦ送信機モジュール用の電源装置。
請求項2
さらに、前記コンデンサー（３）と前記ＲＦ送信機モジュール（５）の間に直列に接続されるに適したコントロールされた電圧レギュレータ（６）を有し、前記電圧レギュレータ（６）が、放電フェーズにおいて、保存された電圧を予め定めた電圧値まで下げて前記ＲＦ送信機モジュール（５）に電力を送ることを特徴とする請求項１に記載のＲＦ送信機モジュール用の電源装置。
請求項3
前記コントロールモジュール（９）が、電流ピークを送る直前に充電フェーズを開始させ、電流ピークが前記コンデンサー（３）を完全に充電される迄の充分な時間充電フェーズをとることを特徴とする請求項１または２に記載のＲＦ送信機モジュール用の電源装置。
請求項4
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＲＦ送信機モジュール用の電源装置を有していることを特徴とするエネルギーメーター用の遠隔読取りモジュール。