(57)【要約】【課題】電圧が低い電池を、電流制限抵抗の消費電力を大きくすることなくトリクル充電する。【解決手段】充電回路は、スイッチング素子４と電流制限抵抗５を介して電池１に接続されて電池１をトリクル充電する電源回路２と、スイッチング素子４を所定のデューティーでオンオフに切り換えて電池１をパルス充電してトリクル充電する制御回路３とを備える。制御回路３は、電池電圧を検出して、スイッチング素子４をオンオフに切り変えるデューティーをコントロールするオンタイミング調整回路６を備える。このオンタイミング調整回路６は、電池電圧が低い状態におけるデューティー比を、電池電圧が高い状態よりも小さくして、スイッチング素子４をオンオフに切り変えてパルス充電してトリクル充電する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子(4)と電流制限抵抗(5)を介して電池(1)に接続されて電池(1)をトリクル充電する電源回路(2)と、前記スイッチング素子(4)を所定のデューティーでオンオフに切り換えて電池(1)をパルス充電してトリクル充電する制御回路(3)とを備える充電回路であって、
制御回路(3)が、電池電圧を検出して、スイッチング素子(4)をオンオフに切り変えるデューティーをコントロールするオンタイミング調整回路(6)を備え、このオンタイミング調整回路(6)が、前記電池電圧が低い状態におけるデューティー比を、電池電圧が高い状態よりも小さくして、スイッチング素子(4)をオンオフに切り変えてパルス充電してトリクル充電するようにしてなる充電回路。
【請求項２】
前記制御回路(3)とスイッチング素子(4)と電流制限抵抗(5)からなるトリクル充電回路(10)がパック電池(11)に内蔵されて、パック電池(11)に内蔵される電池(1)のパルス充電を制御する請求項１に記載される充電回路。
【請求項３】
前記制御回路(3)が電池状態検出回路(7)を備え、この電池状態検出回路(7)が電池(1)をパルス充電のトリクル充電して、電池(1)の状態を検出する請求項１に記載される充電回路。
【請求項４】
前記制御回路(3)が、前記電池状態検出回路(7)と、この電池状態検出回路(7)に制御されて、電池(1)を正常状態とトリクル充電とに切り換えて充電する充電切換回路(8)とを備えており、
電池状態検出回路(7)が充電切換回路(8)を制御して、正常電池と判定された電池(1)が正常状態に充電されるようにしてなる請求項３に記載される充電回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として電池の充電を開始するに先立って電池をトリクル充電して電池の状態を検出するためのパルス充電する回路を内蔵する充電回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
充電できる電池は使用されるにしたがって劣化する。劣化した異常電池は、正常な電池と同じように充電できない。電池側では液漏れしたり発熱の弊害があり、充電回路側では、過大な電流が流れたり、満充電が検出できない等の弊害が発生するからである。この弊害は、正常な充電に先だって、異常電池を判別し、正常な電池のみを充電して解消できる。異常電池は、微少電流でトリクル充電して検出している。トリクル充電は、異常電池に過大な電流が流れないようにして、正常電池から識別できる。トリクル充電による異常電池の判定は、所定の時間経過して、電池の電圧が設定範囲にあるかどうかで判定する。正常な電池は、トリクル充電されると所定の設定電圧となり、異常電池は設定範囲にならないからである。このことから、異常電池を判定する充電回路は、充電の最初に小さい電流で充電するトリクル充電回路を内蔵している。
【０００３】
充電の初期に、電池をトリクル充電して、過放電電池への充電による弊害を防止する充電回路は開発されている（特許文献１参照）。この充電回路は、過放電された電池を充電するときに、過大な電流が流れのを防止できる。
【特許文献１】特開２００７−１１０８７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
さらに、電池のトリクル充電は、充電電流を小さく制限するために、電池と直列に電流制限抵抗を接続して充電する。図１は、トリクル充電回路９０を備える充電器の回路図である。この回路図に示すように、トリクル充電回路９０は、電池９１と直列に電流制限抵抗９５とスイッチング素子９４を接続しており、電流制限抵抗９５で電池９１の電流を小さく制限している。電流制限抵抗９５は、トリクル充電において電力を消費する。電流制限抵抗９５の電力消費は、トリクル充電する充電電流の二乗と電流制限抵抗９５の電気抵抗の積に比例する。電流制限抵抗９５に流れる充電電流は、電池９１の電圧と電源回路９２の出力電圧との差に比例して電気抵抗に反比例する。したがって、トリクル充電の充電電流は、電池９１の電圧が低くなるにしたがって大きくなる。充電電流が大きくなると、その二乗に比例して電流制限抵抗９５の消費電力が大きくなる。電流制限抵抗９５は消費電力で発熱するので、消費電力が大きくなって発熱量が大きくなると温度が上昇する。したがって、電圧の低い電池をトリクル充電するための電流制限抵抗は、発熱量が大きくなる。発熱量に耐えるように、電流制限抵抗は、最大消費電力に耐えるワット数の抵抗器を使用する必要がある。このため、電圧の低い電池をトリクル充電できるトリクル充電回路は、大きなワット数の抵抗器を使用する必要がある。大ワットの抵抗器は大きくて高価である。また、発熱量が大きくなるので、放熱できる構造で配置する必要がある。さらに、異常電池の電圧範囲は広くて特定できず、極めて低い電圧のものもあることから、電流制限抵抗の消費電力は、電圧が最も低くなる異常電池をトリクル充電できる大きな消費電力のものとする必要がある。このため、トリクル充電して異常電池を判別する充電回路は、大きな消費電力の電流制限抵抗を装備する必要があって、電流制限抵抗のコストが高く、またこれが大きくなり、しかも十分な放熱構造とするためにもコストが高くなる欠点がある。
【０００５】
本発明は、この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、電圧が低い電池を電流制限抵抗の消費電力を大きくすることなくトリクル充電できる充電回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の充電回路は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
充電回路は、スイッチング素子４と電流制限抵抗５を介して電池１に接続されて電池１をトリクル充電する電源回路２と、スイッチング素子４を所定のデューティーでオンオフに切り換えて電池１をパルス充電してトリクル充電する制御回路３とを備える。制御回路３は、電池電圧を検出して、スイッチング素子４をオンオフに切り変えるデューティーをコントロールするオンタイミング調整回路６を備える。このオンタイミング調整回路６は、電池電圧が低い状態におけるデューティー比を、電池電圧が高い状態よりも小さくして、スイッチング素子４をオンオフに切り変えてパルス充電してトリクル充電する。
【０００７】
本発明の請求項２の充電回路は、制御回路３とスイッチング素子４と電流制限抵抗５からなるトリクル充電回路１０をパック電池１１に内蔵して、パック電池１１に内蔵される電池１のパルス充電を制御している。
【０００８】
本発明の請求項３の充電回路は、制御回路３が電池状態検出回路７を備え、この電池状態検出回路７が電池１をパルス充電のトリクル充電して、電池１の状態を検出している。
【０００９】
本発明の請求項４の充電回路は、制御回路３が、電池状態検出回路７と、この電池状態検出回路７に制御されて、電池１を正常状態とトリクル充電とに切り換えて充電する充電切換回路８とを備えており、電池状態検出回路７が充電切換回路８を制御して、正常電池１と判定された電池１を正常状態に充電する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の充電回路は、電流制限抵抗の消費電力を大きくすることなく、電圧の低い電池をトリクル充電できる。このため、小さい電流制限抵抗でもって、低い電圧の電池をトリクル充電できる。このことは、電流制限抵抗を小さくして部品コストを低コストにできる。また、電流制限抵抗が小さくて消費電力が小さく、発熱量も少なくできることから、放熱構造を簡素化し、さらに、小型で回路基板などへの装着を簡単にして、トータルコストを相当に低減できる。この特徴は、本発明の充電回路の独特の構成、すなわち、トリクル充電をパルス充電とし、さらにパルス充電のデューティーを、電池の電圧で変更すること、すなわち、電圧が低くて電源回路から大きな電流が流れる状態では、オフ時間に対するオン時間が短くなるようにデューティーを変更して、電池をトリクル充電する平均電流の変動を小さくする独特の回路構成とするからである。とくに、本発明は、パルス充電してトリクル充電するスイッチング素子をオンオフに切り変えるデューティーを変更して、電流制限抵抗の消費電力をコントロールするので、極めて簡単な回路構成で、低い電圧の電池を充電しながら、電流制限抵抗の消費電力が大きくなるのを確実に防止できる。
【００１１】
さらに、本発明の請求項２の充電回路は、請求項１の構成に加えて、制御回路とスイッチング素子と電流制限抵抗とをパック電池に内蔵しており、これらの回路がパック電池に内蔵している電池のパルス充電を制御するので、電池の電圧が低下する状態でトリクル充電しながら、パック電池内の発熱が大きくなるのを防止できる。それは、パック電池に内蔵される電流制限抵抗の消費電力が、電池の電圧にかかわらず大きくならないように制御できるからである。
【００１２】
また、本発明の請求項３の充電回路は、請求項１の構成に加えて、制御回路に、電池状態検出回路を設け、この電池状態検出回路でもって、電池をパルス充電によるトリクル充電で電池の状態を検出する。この充電回路は、トリクル充電で電池の状態を判別して充電できるので、過充電された電池を大電流で充電することなく、また、異常電池を正常な電池と同じように充電するのを防止できる。
【００１３】
さらにまた、本発明の請求項４の充電回路は、請求項３の構成に加えて、制御回路に、電池状態検出回路と、この電池状態検出回路に制御されて、電池を正常状態とトリクル充電とに切り換えて充電する充電切換回路とを設けている。この充電回路は、電池状態検出回路で充電切換回路を制御し、正常電池と判定された電池を正常状態に充電する。したがって、異常電池の異常な充電を防止しながら、正常電池を正常に充電できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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充電回路を例示するものであって、本発明は充電回路を以下の回路には特定しない。
【００１５】
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」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。
【００１６】
図２に示す充電回路は、スイッチング素子４と電流制限抵抗５を介して電池１に接続されて電池１をトリクル充電する電源回路２と、スイッチング素子４を所定のデューティーでオンオフに切り換えて電池１をパルス充電してトリクル充電する制御回路３とを備える。さらに、図２の充電回路は、電池１を正常状態で充電する主スイッチ９も備えている。
【００１７】
スイッチング素子４は、電池１をトリクル充電する状態で、制御回路３でオンオフに切り変えられて電池１をパルス充電する。スイッチング素子４がオンオフに切り変えられる周期は、たとえば１ｓｅｃ〜１０ｓｅｃに設定される。スイッチング素子４をオンオフに切り変えるデューティーは、電池１をトリクル充電する平均電流を特定する。デューティー比を小さく、すなわちオフ時間に対するオン時間を短くして平均電流を小さく、反対にデューティー比を大きくして平均電流を大きくできる。スイッチング素子４は、充電される電池１の電圧が変化しても、トリクル充電する平均電流が同じ電流となるデューティーに制御回路３でオンオフに切り変えられる。
【００１８】
電流制限抵抗５は、電気抵抗で電池１をパルス充電するピーク電流を調整する。スイッチング素子４がオンに切り換えられる状態で、電源回路２から電池１に電流制限抵抗５を介して充電電流が流れるからである。スイッチング素子４をオンに切り換える状態で電流制限抵抗５に流れるピーク電流は、電源電圧と電池電圧との差電圧に比例して、電流制限抵抗５の電気抵抗に反比例する。また、電流制限抵抗５の消費電力（Ｐ）は、平均電流の二乗と電気抵抗の積となる。したがって、電池１をトリクル充電する平均電流（Ｉ）が特定され、さらに電流制限抵抗５の消費電力（Ｐ）が特定されると、電流制限抵抗５の電気抵抗（Ｒ）は以下の式で計算される。
Ｒ＝Ｐ／Ｉ２
したがって、たとえばトリクル充電の平均電流を０．１Ａ、電流制限抵抗５の消費電力を０．１Ｗとすれば、電流制限抵抗５の電気抵抗は、１０Ωとなる。この電流制限抵抗５は、消費電力を０．１Ｗとするので、定格消費電力を０．５Ｗとする抵抗器を使用して、それほど発熱することなく使用できる。
【００１９】
本発明の充電回路は、電流制限抵抗５に連続して電流を流すのではない。電流制限抵抗５と直列に接続しているスイッチング素子４をオンオフに切り変えてパルス電流でトリクル充電する。パルス電流は、スイッチング素子４をオンに切り換える状態で、電源電圧と電池電圧の差電圧に比例して電気抵抗に反比例する。したがって、電源電圧と電池電圧との差電圧を、たとえば１０Ｖとし、電流制限抵抗５の電気抵抗を１０Ωとすれば、ピーク電流は１Ａとなる。さらに、パルス電流でトリクル充電される電池１の平均電流は、パルス電流のピーク電流とデューティー比（％）の積となる。したがって、この状態でスイッチング素子４をオンオフに切り変えるデューティー比を１０％、すなわち１周期の９０％のタイミングでスイッチング素子４をオフ、１０％のタイミングでオンとする状態で、平均電流は１Ａの１／１０となって、０．１Ａとなる。すなわち、電気抵抗を１０Ωとする電流制限抵抗５は、電源電圧と電池電圧との差が１０Ｖある状態で、オンオフに切り変えるデューティー比を１０％として、平均電流を０．１Ａに制御できる。また、電源電圧と電池電圧との差が２０Ｖになると、電流制限抵抗５のピーク電流は２Ａと２倍になるが、この状態でデューティー比を５％と半分にして、平均電流を０．１Ａと同じにできる。電流制限抵抗５の消費電力は、平均電流の二乗と電気抵抗の積に比例するので、ピーク電流が大きくても、平均電流を同じに制御して、消費電力を同じ、すなわち発熱量を同じにできる。したがって、平均電流を０．１Ａ、電気抵抗を１０Ωとする電流制限抵抗５は、消費電力が０．１Ｗとなるので、定格消費電力を０．５Ｗとする抵抗器を使用して、高温に加熱されるのを防止できる。ここで、電流制限抵抗５の定格消費電力は、０．３Ｗ〜２．０Ｗ程度のものが利用できる。なお、電流制限抵抗５の電気抵抗は、数Ω〜２００Ω程度のものが利用できる。
【００２０】
図３は、変化するピーク電流に対して、パルス電流のデューティーを変更して、平均電流を均一にする状態を示している。図３の（ａ）は、電池電圧が高い状態、いいかえると電源電圧と電池電圧との差電圧が小さい状態を示している。この状態では、電流制限抵抗５に流れるピーク電流が小さくなるので、パルス幅を大きく、すなわち、デューティー比を大きくしている。また、図３の（ｂ）は、電池電圧が低い状態、いいかえると電源電圧と電池電圧との差電圧が大きい状態を示している。この状態では、電流制限抵抗５に流れるピーク電流が大きいので、パルス幅を小さく、すなわち、デューティー比を小さくしている。この図に示すように、ピーク電流が小さい状態ではデューティー比を大きくし、ピーク電流が大きい状態ではデューティーを小さくすることで、平均電流を均一にできる。
【００２１】
制御回路３は、ピーク電流によってスイッチング素子４をオンオフに切り変えるデューティーを制御する。電池１をパルス充電するピーク電流は、電源電圧と電池電圧との差電圧に比例する。電源電圧は、電源回路２の出力電圧であるから一定の電圧となる。これに対して電池電圧は、トリクル充電する電池１の状態で変化する。したがって、制御回路３は電池電圧を検出して、電源電圧と電池電圧との差電圧を検出できる。ただし、制御回路は、電源電圧と電池電圧の両方を検出して差電圧を検出することもできる。この制御回路は、より正確に電源電圧と電池電圧の差電圧を検出できる。それは、電源回路の出力電圧が、電池の電圧、すなわち電池電圧によって多少は変化するからである。
【００２２】
パルス充電のピーク電流は、電池電圧をパラメータとして変化するので、制御回路３は電池電圧を検出してピーク電流を特定し、このピーク電流からデューティーを制御する。図の制御回路３は、電池電圧を検出して、スイッチング素子４をオンオフに切り変えるデューティーをコントロールするオンタイミング調整回路６を備える。このオンタイミング調整回路６は、電池電圧が低い状態においては、ピーク電流が大きいので、パルス幅を小さく、すなわちデューティー比を小さくしてスイッチング素子４をオンオフに切り変えてパルス充電してトリクル充電する。さらに、制御回路３は、電池電圧に対するデューティー比、あるいは電源の出力電圧と電池電圧の差電圧に対するデューティー比を記憶回路に記憶している。あるいは、制御回路３は、パルス充電のピーク電流にかかわらず、リアルタイムに平均電流を均一化する電子回路を実装している。この回路は、たとえば、平均電流を検出して、デューティーを制御する回路にフィードバックして実現できる。制御回路３は、パルス充電するピーク電流が変化して平均電流を均一化する。ただし、制御回路３は、必ずしもパルス充電のピーク電流が変化しても、一定の平均電流に制御する必要はない。それは、本発明の充電回路が、パルス充電における電流制限抵抗５の発熱を制限して、小さいワット数の電流制限抵抗５でパルス充電できることを目的とするからである。電流制限抵抗５は、消費電力の変化に全く対応できないのではなく、多少の消費電力の変化には十分に対応できる。電流制限抵抗５が、現実の回路においては、トリクル充電における消費電力よりも大きなワット数の抵抗器を使用するからである。したがって、制御回路３は、ピーク電流が大きい状態においては、ピーク電流が小さい状態よりもデューティー比を小さくなるようにスイッチング素子４を制御するが、電流制限抵抗５に流れる平均電流が正確に一定電流に制御する必要はない。たとえば、ピーク電流が変化して平均電流が±５０％、好ましくは、±３０％、さらに好ましくは±２０％変化するように制御することもできる。
【００２３】
図２の充電回路は、制御回路３とスイッチング素子４と電流制限抵抗５からなるトリクル充電回路１０を、電池１を内蔵しているパック電池１１に内蔵している。さらに、この充電回路は、電池１の充電を開始するに先立って、電池１をあらかじめトリクル充電して、電池１の状態を検出する。したがって、制御回路３は、電池状態検出回路７を備える。電池状態検出回路７は、電池１を所定の時間（５〜１２時間で、例えば、１０時間）、パルス充電してトリクル充電（例えば、約０．１Ｃ以下の電流値）し、電池１の電圧を検出して電池状態を検出する。トリクル充電して電池電圧が設定電圧（ニッケル水素電池の場合、１．１〜１．２Ｖ／セルで、例えば１．１５Ｖ／セル以上）になると、正常状態と判定して、その後に電池１を正常状態で充電する。正常状態と判定された電池１を正常状態で充電するために、図２の充電回路は、電池状態検出回路７と、この電池状態検出回路７に制御されて、電池１を正常状態の充電とトリクル充電とに切り換えて充電する充電切換回路８とを備える。電池状態検出回路７は、充電切換回路８を制御し、正常電池１と判定された電池１を正常状態で充電する。充電切換回路８は、電池１をトリクル充電する状態では、オンタイミング調整回路６でスイッチング素子４をオンオフに制御し、電池１を正常状態で充電するには、スイッチング素子４をオフにして、主スイッチ９をオンに切り換える。主スイッチ９がオンに切り換えられると、電源回路２は電池１を満充電する。
【００２４】
以上の充電回路は、最初にトリクル充電して電池１を正常な状態かどうかを判定する。ただし、本発明の充電回路は、必ずしも電池の状態を判定するためにトリクル充電するものには特定しない。たとえば、電池をトリクル充電して満充電された状態に保持する充電回路に使用され、あるいは、満充電に近い電池をトリクル充電して満充電する昇圧回路にも利用できるからである。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の充電回路は、電池をトリクル充電するときに、電池の電圧が変化しても、電流を小さく制限する電流制限抵抗の消費電力を一定範囲に制限できるので、電池をトリクル充電する全ての回路、たとえば正常な電池かどうかを判定する回路として最適である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来の充電回路の回路図である。
【図２】本発明の一実施例にかかる充電回路の回路図である。
【図３】パルス電流のデューティーを変更して平均電流を均一にする状態を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
１…電池
２…電源回路
３…制御回路
４…スイッチング素子
５…電流制限抵抗
６…オンタイミング調整回路
７…電池状態検出回路
８…充電切換回路
９…主スイッチ
１０…トリクル充電回路
１１…パック電池
９０…トリクル充電回路
９１…電池
９２…電源回路
９４…スイッチング素子
９５…電流制限抵抗
【図１】
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【図２】
2008301638.tif 000004
【図３】
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