(57)【要約】【課題】バッテリを定電流充電するバッテリ充電装置に関し、電力損失の低減を図る。【解決手段】スイッチング制御により出力電圧を制御するスイッチング制御電源部からバッテリ１０を定電流充電するバッテリ充電装置であって、スイッチング制御電源部の出力電圧Ｖｏｕｔと基準電圧との比較に基づいて、スイッチング制御電源部のスイッチングトランジスタ１４のオン、オフを制御するスイッチング制御回路１５と、スイッチング制御電源部の出力電圧Ｖｏｕｔによりバッテリ１０を充電する充電制御トランジスタ１８と、バッテリ１０の充電電流を検出して充電制御トランジスタ１８を制御し、定電流充電を行う為の充電制御回路１９と、スイッチング制御電源部の出力電圧Ｖｏｕｔとバッテリ１０の電圧ＶＢとの差分をほぼ一定となるように制御する追従制御回路３０とを備えている。【選択図】図１
2011188583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング制御により出力電圧を制御するスイッチング制御電源部からバッテリを定電流充電するバッテリ充電装置に於いて、
前記出力電圧と基準電圧との比較に基づいて前記スイッチング制御電源部のスイッチングトランジスタのオン、オフを制御するスイッチング制御回路と、
前記スイッチング制御電源部の出力電圧により前記バッテリを充電する充電制御トランジスタと、
前記バッテリの充電電流を検出して前記充電制御トランジスタを制御する充電制御回路と、
前記スイッチング制御電源部の出力電圧と前記バッテリの端子電圧との差分をほぼ一定となるように制御する追従制御回路と
を備えたことを特徴とするバッテリ充電装置。
【請求項２】
前記追従制御回路は、前記スイッチング制御電源部の出力電圧検出用の分圧抵抗の接続点に、前記バッテリの端子電圧と前記スイッチング制御電源部の出力電圧との差分に比例した電圧を付加する構成を備えたことを特徴とする請求項１記載のバッテリ充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリの充電過程の端子電圧の変化に対応して充電制御を行うバッテリ充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種の負荷に直流電力を供給するバッテリを充電する各種の構成が提案され、且つ実用化されている。例えば、図３の（Ａ）は最も簡単な充電回路の要部を示し、１００はバッテリ、１０１は交流１００Ｖ等の交流電源（ＡＣ）、１０２はトランス、１０３，１０４はダイオード、１０５は抵抗を示す。交流電源１０１からの交流電圧をトランス１０２により所定の電圧とし、ダイオード１０３，１０４により整流し、抵抗１０５を介してバッテリ１００の充電を行う一般的な充電回路を示す。又図３の（Ｂ）は、バッテリの短時間充電回路の要部を示し、交流電源１１１からの交流電圧をトランス１１２により所定の電圧とし、ダイオード１１３，１１４により整流し、コンデンサ１１７により平滑化して、抵抗１１５とトランジスタ１１６とを介してバッテリ１１０を充電するもので、タイマ１１８の設定時間だけ、その出力信号によりトランジスタ１１６をオンとして、バッテリ１１０の短時間充電を可能とした構成を示す。又図３の（Ｃ）は、バッテリの急速充電回路の要部を示し、交流電源１２１からの交流電圧を整流し、スイッチング制御回路１２２により直流電圧として出力し、この出力直流電圧によりバッテリ１２０の充電を行い、抵抗１２４，１２５の接続点の電圧を、充電電圧の検出電圧としてプロセッサ（ＣＰＵ）１２９に入力し、充電電流を抵抗１２７により検出してプロセッサ１２９に入力し、バッテリ１２０の温度をサーミスタ１２８により検出してプロセッサ１２９に入力し、このプロセッサ１２９によりスイッチング制御回路１２４を制御して、バッテリ１２０の急速充電を可能とした構成を示す。
【０００３】
又スイッチング制御回路からバッテリの充電を行うと共に、他の回路の動作電圧を供給する構成として、例えば、図４に示す構成が考えられる。同図に於いて、２００はバッテリ、２０１は交流電源、２０２は全波整流回路、２０３は平滑用コンデンサ、２０４はスイッチングトランジスタ、２０５はスイッチング制御回路、２０６はトランス、２０７は整流平滑回路、２０８は充電制御トランジスタ、２０９は充電制御回路、２１０はチョッパ回路等の負荷回路を示す。スイッチング制御回路２０５は、三角波発振器２１１と演算増幅器２１２とコンパレータ２１３と基準電圧２１４と抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４とを含む構成を備えている。又充電制御回路２０９は、充電電流検出抵抗２２１と演算増幅器２２２とトランジスタ２２３とを含む構成を有し、バッテリ２００と直列接続の充電電流検出抵抗２２１による充電電流の検出値が所定値となるように、トランジスタ２２３を制御し、このトランジスタ２２３により、充電制御トランジスタ２０８を制御し、バッテリ２００の定電流充電を行う。又スイッチング制御回路２０５は、抵抗Ｒ３，Ｒ４により分圧した整流平滑回路２０７の出力電圧を、演算増幅器２１２により基準電圧２１４と比較し、その差分と三角波発振器２１１の出力信号とをコンパレータ２１３により比較し、差分に相当するパルス幅のスイッチング制御信号により、スイッチングトランジスタ２０５のオン、オフを制御する。それにより、スイッチング制御による出力電圧Ｖｏｕｔは、基準電圧をＶｒとすると、Ｖｏｕｔ＝｛（Ｒ３＋Ｒ４）／Ｒ４｝×Ｖｒとして表すことができる。この出力電圧Ｖｏｕｔをチョッパ回路等の負荷回路２１０にも供給する。
【０００４】
図５は、前述のバッテリ充電装置の特性説明図であり、横軸を時間ｔとし、スイッチング制御電源の出力電圧をＶｏｕｔ、バッテリの端子電圧をＶＢ、バッテリの温度をＴ、充電電流をＩとして、時間ｔの経過による変化の傾向を示すもので、定電流充電を行うことから、充電電流Ｉは一定に維持され、バッテリの温度Ｔは、充電完了近くから上昇し、又バッテリ電圧ＶＢは、充電開始により一時急速に上昇してから略平坦な特性となり、充電完了近くでは急に上昇し、充電停止によりΔＶ低下する特性を有するものである。
【０００５】
前述のように、バッテリの充電装置は、各種の構成が提案され、且つ実用化されており、バッテリの充電方式としては、充電電流を所定値に維持する定電流充電、又は、所定の電圧を維持して充電を継続する定電圧充電の何れかを適用するか、又は定電流充電と定電圧充電とを切替える構成が知られている。例えば、バッテリ電圧とバッテリ温度との相対関係のデータに基づいたコンピュータ制御により、定電流充電と定電圧充電との切替えを行う手段が提案されている（例えば、特許文献１参照）。又バッテリに対して定電流充電を行い、そのバッテリの端子電圧が所定値に上昇したことを検出して、定電流充電の電流値を低下させる切替制御を行い、且つ、その定電流値の切替過程に於いて、所定の短い時間内で電流値を次第に低下する特性とすることにより、充電電流制御の急変による不安定動作を回避する構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
又バッテリの充電用電源に、逆流防止用トランジスタとバッテリと電流検出用抵抗との直列回路及びツェナーダイオードと抵抗との直列回路を接続し、そのツェナーダイオードと抵抗との接続点にベースを接続したスイッチング用トランジスタのコレクタを、逆流防止用トランジスタのベースに接続し、エミッタをバッテリと電流検出用抵抗との接続点に接続した構成として、バッテリに対する定電流充電制御を行い、その場合の電流検出用抵抗と逆流防止用トランジスタとによる電圧降下は僅かであるから、充電用電源の電圧の低電圧化を図る充電回路も提案されている（例えば、特許文献３参照）。又電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載するバッテリを充電する場合、充電所要時間の短縮を図ると共に、過充電とならないように制御することが要求され、充電開始時は定電流充電を行い、バッテリ電圧が所定値に達すると、定電圧充電に切替える基本的な構成に対して、更に、定電流充電最大時間を設定し、この設定時間経過時は、強制的に定電圧充電に切替える制御構成を含む充電装置も提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−１７４３０３号公報
【特許文献２】特開平１０−２４３５６９号公報
【特許文献３】特開２００５−８０３３５号公報
【特許文献４】特開２００９−７２０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
バッテリの充電を定電流制御によって行う充電装置は、既に各種の構成が提案されているが、一般的には、図４に示すように、スイッチング制御電源による定電圧制御出力電圧をバッテリ充電回路の入力電源として使用する場合が一般的であり、バッテリ充電回路としては、定電流制御構成が一般的である。従って、図５に示すように、スイッチング制御電源の出力電圧Ｖｏｕｔはほぼ一定に維持されており、バッテリ電圧ＶＢは、充電完了に近づくに従って上昇し、スイッチング制御電源の出力電圧Ｖｏｕｔとバッテリ電圧ＶＢとの差分の電圧Ｖｓ１（＝Ｖｏｕｔ−ＶＢ）は、充電開始初期には大きく、充電完了近くでは、バッテリ電圧ＶＢは上昇することにより、差分の電圧Ｖｓ２は減少する。この差分の電圧に比例した損失が発生するものであり、従って、図４に示す従来例のバッテリ充電装置は電力効率が低い問題があった。このような問題点については、前述の特許文献１〜４にも開示されておらず、従って、解決手段については全く開示されていない。
【０００９】
本発明は、前述の従来例の問題点を解決することを目的とし、スイッチング制御電源の出力電圧を、バッテリ電圧に対応して制御することにより、バッテリ充電に於ける電力損失を低減するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のバッテリ充電装置は、スイッチング制御により出力電圧を制御するスイッチング制御電源部からバッテリを定電流充電するバッテリ充電装置であって、スイッチング制御電源部の出力電圧と基準電圧との比較に基づいて、スイッチング制御電源部のスイッチングトランジスタのオン、オフを制御するスイッチング制御回路と、スイッチング制御電源部の出力電圧によりバッテリを充電する充電制御トランジスタと、バッテリの充電電流を検出して充電制御トランジスタを制御する充電制御回路と、スイッチング制御電源部の出力電圧とバッテリの端子電圧との差分をほぼ一定となるように制御する追従制御回路とを備えている。
【００１１】
又前記追従制御回路は、前記スイッチング制御電源部の出力電圧検出用の分圧抵抗の接続点に、バッテリの端子電圧とスイッチング制御電源部の出力電圧との差分に比例した電圧を付加する構成を備えている。
【発明の効果】
【００１２】
バッテリをスイッチング制御電源部から定電流充電する場合のスイッチング制御電源部の出力電圧を、バッテリの端子電圧に比例して制御することにより、スイッチング制御電源部の出力電圧とバッテリの端子電圧との差分に応じた電力損失を従来例に比較して大幅に低減することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１の説明図である。
【図２】本発明の実施例１の充電特性説明図である。
【図３】従来例の定電流充電装置の説明図である。
【図４】従来例の定電流充電特性の説明図である。
【図５】従来例のバッテリ充電特性説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のバッテリ充電装置は、図１を参照して説明すると、スイッチング制御により出力電圧を制御するスイッチング制御電源部からバッテリ１０を定電流充電するバッテリ充電装置であって、スイッチング制御電源部の出力電圧Ｖｏｕｔと基準電圧との比較に基づいて、スイッチング制御電源部のスイッチングトランジスタ１４のオン、オフを制御するスイッチング制御回路１５と、スイッチング制御電源部の出力電圧Ｖｏｕｔによりバッテリ１０を充電する充電制御トランジスタ１８と、バッテリ１０の充電電流を検出して充電制御トランジスタ１８を制御する充電制御回路１９と、スイッチング制御電源部の出力電圧Ｖｏｕｔとバッテリ１０の端子電圧ＶＢとの差分を必要最小限且つほぼ一定となるように制御する追従制御回路３０とを備えている。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の実施例１の説明図であり、１０はバッテリ、１１は交流電源、１２は全波整流回路、１３は平滑用コンデンサ、１４はスイッチングトランジスタ、１５はスイッチング制御回路、１６はトランス、１７は整流平滑回路で、整流用ダイオードや整流用トランジスタ、平滑用チョークコイル、平滑用コンデンサ等を含むものである。又１８は充電制御トランジスタ、１９は充電制御回路、２０はチョッパ回路、２１は充電電流検出抵抗、２２は演算増幅器、２３はトランジスタ、２４は三角波発振器、２５はコンパレータ、２６は演算増幅器、２７は基準電圧、３０は追従制御回路、３１はトランジスタ、３２，３３はダイオード、Ｒ１〜Ｒ４は抵抗を示す。スイッチング制御電源部は、全波整流回路１２と、平滑用コンデンサ１３と、スイッチングトランジスタ１４と、トランス１６と、整流平滑回路１７と、スイッチング制御回路１５とを含み、その出力電圧Ｖｏｕｔにより、バッテリ１０を、充電制御トランジスタ１８を介して充電するものである。
【００１６】
スイッチング制御電源部は、交流電源１１からの１００Ｖ又は２００Ｖの交流電圧又はバッテリ１０の電圧に対応してトランスにより昇圧或は降圧して、全波整流回路１２により全波整流し、スイッチングトランジスタ１４のオン、オフをスイッチング制御回路１５により制御し、トランス１６の一次巻線に供給する電流をオン、オフ制御し、トランス１６の二次巻線の誘起電圧を整流平滑回路１７により整流して平滑化し、負荷回路のチョッパ回路２０に供給すると共に、充電制御トランジスタ１８を介してバッテリ１０の充電を行う。チョッパ回路２０は、図示を省略した負荷に所定の電圧を供給するもので、入力電圧の変動に対応したスイッチング制御を行う周知の構成を有するものである。又スイッチングトランジスタ１４のオン、オフ制御を行うスイッチング制御回路１５は、出力電圧Ｖｏｕｔを抵抗Ｒ３，Ｒ４により分圧した電圧と基準電圧との差分を演算増幅器２６により求めて、三角波発振器２４からの三角波信号とコンパレータ２５により比較して、差分に相当するパルス幅の制御信号をスイッチングトランジスタ１４のゲートに印加する。又充電制御回路１９は、トランジスタ２３と演算増幅器２２とを含む構成を有し、充電電流検出抵抗２１により検出したバッテリ１０の充電電流を基にトランジスタ２３を制御し、このトランジスタ２３により充電制御トランジスタ１８を制御して、バッテリ１０の充電電流を所定値に維持する定電流充電を行うものである。
【００１７】
又追従制御回路３０は、トランジスタ３１と、ダイオード３２，３３と、抵抗Ｒ１，Ｒ２とを含む構成を有し、バッテリ１０の電圧ＶＢの変化に追従して、整流平滑回路１７からの出力電圧Ｖｏｕｔを制御するように、抵抗Ｒ３，Ｒ４の分圧点に、ダイオード３２とトランジスタ３１とダイオード３３とを介して出力電圧Ｖｏｕｔを印加する。それにより、バッテリ１０の電圧ＶＢが低い充電開始初期時には、トランジスタ３１のエミッタとベースとの間の電位差が大きくなって、トランジスタ３１とダイオード３２，３３を介して抵抗Ｒ４に流れる電流が増加し、恰も出力電圧Ｖｏｕｔが上昇したかのように、スイッチング制御回路１５が動作して、スイッチングトランジスタ１４を制御し、出力電圧Ｖｏｕｔを低下させる。又充電終期には、バッテリ１０の電圧ＶＢが上昇し、追従制御回路３０のトランジスタ３１のエミッタとベースとの間の電位差が小さくなり、このトランジスタ３１とダイオード３２，３３を介して抵抗Ｒ４に流れる電流は減少し、恰も出力電圧Ｖｏｕｔが低下したかのように、スイッチング制御回路１５が動作して、スイッチングトランジスタ１４を制御し、出力電圧Ｖｏｕｔを上昇させる。従って、出力電圧Ｖｏｕｔは、バッテリ１０の電圧ＶＢにほぼ比例して変化し、従来例に比較して、電力損失を低減することが可能となる。又出力電圧Ｖｏｕｔを供給するチョッパ回路２０は、入力電圧の変化に対応して、図示を省略した負荷に供給することが可能であるから、バッテリ１０の電圧ＶＢに比例関係で出力電圧Ｖｏｕｔが変化しても、負荷に動作電力を継続して供給することが可能である。
【００１８】
図２は、本発明の実施例１の充電特性説明図であり、縦軸は、電流Ｉ、温度Ｔ、電圧ＶＢ，Ｖｏｕｔを示し、横軸は時間ｔを示す。図１を参照して説明すると、バッテリ１０を定電流により充電するので、充電終了までは電流Ｉは一定値を維持する。又温度Ｔは、充電初期からほぼ一定であるが、充電終期近くから上昇する。又バッテリ１０の電圧ＶＢは、充電初期には低く、充電の進行に従って上昇し、充電終期には更に上昇し、充電終了によりΔＶだけ低下する。バッテリ１０の電圧ＶＢと温度Ｔと充電電流Ｉについては、図５に示す従来例と同様であるが、バッテリ１０の電圧ＶＢの変化に対応して整流平滑回路１７を介した出力電圧Ｖｏｕｔを、追従制御回路３０によって、スイッチング制御回路１５を制御して追従させる。それによって、出力電圧Ｖｏｕｔとバッテリ１０の電圧ＶＢとは比例関係に制御される。従って、充電制御トランジスタ１８を含む定電流充電構成のバッテリ充電装置の電力損失を低減することが可能となる。
【符号の説明】
【００１９】
１０  バッテリ
１１  交流電源
１２  全波整流回路
１３  平滑用コンデンサ
１４  スイッチングトランジスタ
１５  スイッチング制御回路
１６  トランス
１７  整流平滑回路
１８  充電制御トランジスタ
１９  充電制御回路
２０  チョッパ回路
２１  充電電流検出抵抗
２２  演算増幅器
２３  トランジスタ
２４  三角波発振器
２５  コンパレータ
２６  演算増幅器
２７  基準電圧
３０  追従制御回路
３１  トランジスタ
３２，３３  ダイオード
Ｒ１〜Ｒ４  抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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