JP2001128387A - 充電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蓄電手段内の直列接続された複数の蓄電素子
各々の端子間電圧の均一化を図る。 【解決手段】 蓄電素子Ｃａ〜Ｃｃを直列接続して構成
された蓄電手段ＢＡＴを充電可能な充電装置１におい
て、互いに磁気結合された第１巻線２ｐおよび蓄電素子
Ｃａ〜Ｃｃに対応して設けられた複数の第２巻線２ｓａ
〜２ｓｃを有するトランス２と、第１巻線２ｐおよび蓄
電手段ＢＡＴに対して直列接続されると共にオン状態に
制御されたときに第１巻線２ｐを介して電流を流すこと
によって蓄電手段ＢＡＴを充電すると共にトランス２を
励磁させるスイッチ手段３とを備え、スイッチ手段３の
オン期間に励磁させたトランス２の励磁エネルギーに基
づく充電電流Ｉａ〜Ｉｃをスイッチ手段３のオフ期間に
複数の第２巻線２ｓａ〜２ｓｃの各々から対応する複数
の蓄電素子Ｃａ〜Ｃｃの各々に出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電池やコンデンサ
などの蓄電手段を充電する充電装置に関し、詳しくは、
端子間電圧の変動幅が大きい蓄電素子を複数直列接続し
て構成された蓄電手段を充電するのに適した充電装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気自動車用のバッテリー、およ
びそのバッテリーを充電するための充電装置の開発が急
ピッチで行われており、この種の充電装置として、図４
に示す充電装置４１が既に開発されている。この充電装
置４１は、簡易な構成のチョッパー方式によって、例え
ば複数の電気二重層型のコンデンサＣ１〜Ｃ４を直列接
続して構成されたバッテリーＢＡＴを高効率で充電可能
に構成されている。この充電装置４１では、図外の制御
回路がスイッチ素子４２をオン状態に制御すると、交流
を整流した脈流や安定化された直流電圧などの入力電圧
ＶINに基づく充電電流Ｉ11が、スイッチ素子４２、チョ
ークコイル４３、およびバッテリーＢＡＴからなる電流
経路を流れ、これにより、バッテリーＢＡＴが充電され
る。一方、スイッチ素子４２がオフ状態に制御される
と、充電電流Ｉ11が流れた際にチョークコイル４３に蓄
積されたエネルギーに基づいて、フライホイール電流Ｉ
F が、チョークコイル４３、バッテリーＢＡＴおよび転
流ダイオード４４からなる電流経路を流れ、これによ
り、この際にも、バッテリーＢＡＴが充電される。この
ように、この充電装置４１では、スイッチ素子４２をオ
ン／オフ制御することにより、そのオン期間およびオフ
期間の両期間において、充電電流Ｉ11またはフライホイ
ール電流ＩF でバッテリーＢＡＴが連続的に充電され
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この従来の
充電装置４１には、以下の問題点がある。すなわち、充
電装置４１では、スイッチ素子４２のオン期間およびオ
フ期間の両期間において、充電電流Ｉ11またはフライホ
イール電流ＩF をコンデンサＣ１〜Ｃ４に対して直列的
に通過させることによって、バッテリーＢＡＴを充電し
ている。このため、各コンデンサＣ１〜Ｃ４の各々の端
子間電圧は、必ずしも均一の電圧に維持されず、むし
ろ、ばらつく傾向となる。一方、コンデンサの蓄積エネ
ルギーは、コンデンサの端子間電圧の二乗に比例する。
したがって、複数のコンデンサＣ１〜Ｃ４各々の蓄積エ
ネルギーは、その端子間電圧が僅かに相違しても大きく
相違する。したがって、十分に充電したはずのバッテリ
ーＢＡＴが、実際には、十分な電気エネルギーを放出す
ることができないという事態が発生する。このため、電
気自動車用のバッテリーＢＡＴをこの充電装置４１で充
電した場合、僅かに走行しただけでバッテリー切れ状態
になってしまうおそれがある。このように、従来の充電
装置４１には、複数の蓄電素子を直列接続して構成され
た蓄電手段に対して効率よく十分に充電するのが困難で
あるという問題点がある。また、複数の蓄電素子の各端
子間電圧がばらついた状態で充電されると、蓄電素子の
寿命が低下するという問題点もある。

【０００４】本発明は、かかる問題点を解決すべくなさ
れたものであり、蓄電手段内の直列接続された複数の蓄
電素子各々の端子間電圧の均一化を図り得る充電装置を
提供することを主目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく請
求項１記載の充電装置は、蓄電素子を複数直列接続して
構成された蓄電手段を充電可能な充電装置において、互
いに磁気結合された第１巻線および複数の蓄電素子の各
々に対応して設けられた複数の第２巻線を有するトラン
スと、トランスの第１巻線および蓄電手段に対して直列
接続されると共にオン状態に制御されたときにトランス
の第１巻線を介して電流を流すことによって蓄電手段を
充電すると共にトランスを励磁させるスイッチ手段とを
備え、スイッチ手段のオン期間に励磁させたトランスの
励磁エネルギーに基づく充電電流をスイッチ手段のオフ
期間に複数の第２巻線の各々から対応する複数の蓄電素
子の各々にそれぞれ出力することを特徴とする。

【０００６】請求項２記載の充電装置は、請求項１記載
の充電装置において、トランスを複数備え、トランスの
第１巻線を互いに直列または並列接続したことを特徴と
する。

【０００７】請求項３記載の充電装置は、請求項１また
は２記載の充電装置において、蓄電素子は、電気二重層
コンデンサおよびイオン電池のいずれかで構成されてい
ることを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明に係る充電装置の好適な実施の形態について説明す
る。

【０００９】図１に示す充電装置１は、例えば、リチウ
ムイオン電池などのイオン電池や、電気二重層コンデン
サなどの端子間電圧が大幅に変動する蓄電素子を複数直
列接続して構成されたバッテリーを充電するのに適して
いる。以下、蓄電素子として電気二重層型のコンデンサ
Ｃａ〜Ｃｃを直列接続して構成されたバッテリーＢＡＴ
を充電する例について説明する。

【００１０】充電装置１は、全体としてチョッパー回路
で構成され、本発明における第１巻線に相当する一次巻
線２ｐおよび本発明における第２巻線に相当しコンデン
サＣａ〜Ｃｃの数と同数の二次巻線２ｓａ〜２ｓｃを有
するトランス２と、ＦＥＴやトランジスタで構成され一
次巻線２ｐに直列接続されたスイッチ素子３と、各二次
巻線２ｓａ〜２ｓｃの各々にそれぞれ直列接続されたダ
イオード４ａ〜４ｃと、スイッチ素子３のオン／オフを
制御する制御回路５とを備えている。この場合、トラン
ス２の一次巻線２ｐは、スイッチ素子３およびバッテリ
ーＢＡＴに対して直列に接続されている。また、二次巻
線２ｓｃは、その巻き始め側端子が、バッテリーＢＡＴ
の負極端子に接続され、その巻き終わり側端子が、ダイ
オード４ｃを介して二次巻線２ｓｂの巻始め側端子およ
びコンデンサＣｃの正極端子に接続されている。さら
に、二次巻線２ｓｂは、その巻き終わり側端子が、ダイ
オード４ｂを介して二次巻線２ｓａの巻始め側端子およ
びコンデンサＣｂの正極端子に接続され、二次巻線２ｓ
ａは、その巻き終わり側端子が、ダイオード４ａを介し
てコンデンサＣａの正極端子に接続されている。一方、
制御回路５は、入力電圧ＶINおよび出力電圧ＶO の電圧
差に応じて、各コンデンサＣａ〜Ｃｃを充電する充電電
流の電流値が最適な値になるように、例えばＰＷＭ（Pu
lse Width Modulation）制御方式でスイッチ素子３のオ
ン／オフを制御する。

【００１１】この充電装置１では、充電開始時には、制
御回路５がスイッチ素子３をオン状態に制御する。この
際には、入力電圧ＶINに基づく電流ＩINが、プラス入力
端子、スイッチ素子３、トランス２の一次巻線２ｐ、バ
ッテリーＢＡＴおよびマイナス入力端子からなる電流経
路を流れ、これにより、バッテリーＢＡＴが充電される
と共にトランス２に励磁エネルギーが蓄積される。この
場合、電流ＩINは、その電流値が時間の経過と共に徐々
に増加する。したがって、制御回路５は、入力電圧ＶIN
および出力電圧ＶO の電圧を監視し、両電圧ＶIN，ＶO
の電圧差に応じて、各コンデンサＣａ〜Ｃｃを充電する
のに最適な電流値になるように、スイッチ素子３のオン
時間を制御する。次いで、制御回路５は、電流ＩINの電
流値が最適な電流値に達したと判別した時点で、スイッ
チ素子３をオフ状態に制御する。

【００１２】スイッチ素子３がオフ状態に制御される
と、トランス２に蓄積されている励磁エネルギーに基づ
くフライバック電流が、各二次巻線２ｓａ〜２ｓｃから
放出される。この場合、各二次巻線２ｓａ，２ｓｂ，２
ｓｃの巻数をそれぞれＮａ，Ｎｂ，Ｎｃとし、バッテリ
ーＢＡＴ内の各コンデンサＣａ，Ｃｂ，Ｃｃの端子間電
圧をそれぞれＶca，Ｖcb，Ｖccとし、各ダイオード４ａ
〜４ｃの順方向電圧を無視すれば、下記の式が成立す
る。なお、以下、各コンデンサＣａ〜Ｃｃの端子間電圧
Ｖca〜Ｖccを互いに等しい電圧に充電するものとし、そ
のため各二次巻線２ｓａ〜２ｓｃが同じ巻数で巻き回さ
れているものとして説明する。 Ｖca：Ｖcb：Ｖcc＝Ｎａ：Ｎｂ：Ｎｃ・・・・・式

【００１３】したがって、フライバック電流が放出され
る際には、上記式に規定される電圧に対して最も低い
端子間電圧（つまり、最も端子間電圧が低い）のコンデ
ンサから順に充電される。具体的には、コンデンサＣａ
の端子間電圧Ｖcaが最も低く、コンデンサＣｂの端子間
電圧Ｖcbが最も高い場合、まず、フライバック電流Ｉａ
が、二次巻線２ｓａの巻き終わり側端子、ダイオード４
ａ、バッテリーＢＡＴ内のコンデンサＣａ、および二次
巻線２ｓａの巻始め側端子からなる電流経路を流れ、こ
れにより、コンデンサＣａが充電される。次いで、コン
デンサＣａの端子間電圧ＶcaがコンデンサＣｃの端子間
電圧Ｖccと等しくなった時点で、二次巻線２ｓｃからも
フライバック電流Ｉｃが放出される。この際には、フラ
イバック電流Ｉｃが、二次巻線２ｓｃの巻き終わり側端
子、ダイオード４ｃ、バッテリーＢＡＴ内のコンデンサ
Ｃｃ、および二次巻線２ｓｃの巻始め側端子からなる電
流経路を流れ、これにより、コンデンサＣａ，Ｃｃが共
に充電される。続いて、すべてのコンデンサＣａ〜Ｃｃ
の端子間電圧Ｖca〜Ｖccが等しくなった時点で、二次巻
線２ｓｂからもフライバック電流Ｉｂが放出される。こ
の際には、フライバック電流Ｉｂが、二次巻線２ｓｂの
巻き終わり側端子、ダイオード４ｂ、バッテリーＢＡＴ
内のコンデンサＣｂ、および二次巻線２ｓｂの巻始め側
端子からなる電流経路を流れ、これにより、コンデンサ
Ｃａ〜Ｃｃが共に充電される。

【００１４】この結果、すべてのコンデンサＣａ〜Ｃｃ
は、上記式を満たすように充電される。なお、スイッ
チ素子３による１回のスイッチングで励磁されるトラン
ス２の励磁エネルギーが、上記式を満たすのに十分で
ないときは、スイッチ素子３が繰り返しスイッチングさ
れることによって、すべてのコンデンサＣａ〜Ｃｃが、
上記式を満たすように充電される。

【００１５】このように、この充電装置１によれば、ス
イッチ素子３のオン期間において、トランス２の一次巻
線２ｐを流れる電流ＩINによってバッテリーＢＡＴを充
電し、スイッチ素子３のオフ期間において、その端子間
電圧Ｖca〜Ｖccが互いに等しい電圧になるように各コン
デンサＣａ〜Ｃｃを充電することができる。したがっ
て、バッテリーＢＡＴに対して、蓄積可能な極限値まで
の大容量電気エネルギーを最も効率よく蓄積させること
ができる。加えて、各コンデンサＣａ〜Ｃｃの端子間電
圧を均一化することができるため、従来の充電装置４１
による充電方法と比較して、各コンデンサＣａ〜Ｃｃの
寿命を大幅に延ばすことができる。

【００１６】次に、図２を参照して、他の実施の形態に
係る充電装置２１の構成および動作について説明する。
なお、充電装置１の構成要素と同一の機能を有する構成
要素については同一の符号を付して重複した説明を省略
する。また、スイッチ素子３に対するオン／オフスイッ
チングは充電装置１と同様にして制御されるため、制御
回路５などの図示を省略する。

【００１７】同図に示す充電装置２１では、数多くのコ
ンデンサＣａ〜Ｃｆを直列接続して構成されたバッテリ
ーＢＡＴａを充電するのに適した構成が採用されてい
る。数多くのコンデンサを直列接続して構成されたバッ
テリーＢＡＴａを充電する場合、充電装置１におけるト
ランス２に多くの二次巻線を形成してもよいが、コンデ
ンサの数が互いに異なる各種のバッテリーに合致するよ
うに数多くの種類のトランスを製作しなければならず、
トランスの共通化を図るのが困難になる。また、１つの
トランスに数多くの二次巻線を形成するのは、その製造
が煩雑のため製造コストが上昇する。このため、この充
電装置２１では、同じ数の二次巻線が形成されたトラン
スを複数用いることによって、トランスの共通化が図ら
れ、かつ、トランスの製造コストが低減されている。

【００１８】具体的には、充電装置２１では、二次巻線
が例えば２つ形成されたトランス２２〜２４が用いられ
ている。この場合、各トランス２２〜２４の各一次巻線
２２ｐ〜２４ｐが直列接続され、かつ、これらの一次巻
線２２ｐ〜２４ｐが、スイッチ素子３およびバッテリー
ＢＡＴａに対して直列に接続される。また、トランス２
４の二次巻線２４ｓｂは、その巻き始め側端子が、バッ
テリーＢＡＴａの負極端子に接続され、その巻き終わり
側端子が、ダイオード４ｆを介して二次巻線２４ｓａの
巻始め側端子およびコンデンサＣｆの正極端子に接続さ
れて、二次巻線２４ｓａは、その巻き終わり側端子が、
ダイオード４ｅを介してトランス２３における二次巻線
２３ｓｂの巻始め側端子およびコンデンサＣｅの正極端
子に接続されている。さらに、トランス２３の二次巻線
２３ｓｂは、その巻き終わり側端子が、ダイオード４ｄ
を介して二次巻線２３ｓａの巻始め側端子およびコンデ
ンサＣｄの正極端子に接続されて、二次巻線２３ｓａ
は、その巻き終わり側端子が、ダイオード４ｃを介して
トランス２２における二次巻線２２ｓｂの巻始め側端子
およびコンデンサＣｃの正極端子に接続されている。同
様にして、トランス２２の二次巻線２２ｓｂは、その巻
き終わり側端子が、ダイオード４ｂを介して二次巻線２
２ｓａの巻始め側端子およびコンデンサＣｂの正極端子
に接続されて、二次巻線２２ｓａは、その巻き終わり側
端子が、ダイオード４ａを介してコンデンサＣａの正極
端子に接続されている。

【００１９】この充電装置２１では、充電開始時には、
スイッチ素子３がオン状態に制御される。この際には、
入力電圧ＶINに基づく電流ＩINが、プラス入力端子、ス
イッチ素子３、トランス２４の一次巻線２４ｐ、トラン
ス２３の一次巻線２３ｐ、トランス２２の一次巻線２２
ｐ、バッテリーＢＡＴａおよびマイナス入力端子からな
る電流経路を流れ、これにより、バッテリーＢＡＴａが
充電されると共に各トランス２２〜２４に励磁エネルギ
ーが蓄積される。

【００２０】次いで、スイッチ素子３がオフ状態に制御
されると、各トランス２２〜２４に蓄積されている励磁
エネルギーに基づくフライバック電流Ｉａ〜Ｉｆが、各
二次巻線２２ｓａ，２２ｓｂ，２３ｓａ，２３ｓｂ，２
４ｓａ，２４ｓｂから放出される。この場合にも、各ト
ランス２２〜２４の各二次巻線２２ｓａ〜２４ｓｂが同
じ巻数で巻き回されているため、バッテリーＢＡＴａ
は、すべてのコンデンサＣａ〜Ｃｆの端子間電圧が等し
くなるように充電される。

【００２１】次に、図３を参照して、さらに他の実施形
態に係る充電装置３１の構成および動作について説明す
る。なお、充電装置２１の構成要素と同一の機能を有す
る構成要素については同一の符号を付して重複した説明
を省略する。

【００２２】同図に示す充電装置３１は、充電装置２１
とは異なり、トランス２２の一次巻線２２ｐおよびトラ
ンス２３の二次巻線２３ｐが並列接続されている。な
お、両トランス２２，２３の各二次巻線２２ｓａ，２２
ｓｂ，２３ｓａ，２３ｓｂの接続については、充電装置
２１における両トランス２２，２３と同一のため、その
説明を省略する。

【００２３】この充電装置３１では、充電開始時に、ス
イッチ素子３がオン状態に制御されると、入力電圧ＶIN
に基づく電流ＩINが、プラス入力端子、スイッチ素子
３、トランス２２の一次巻線２２ｐおよびトランス２３
の一次巻線２３ｐの並列回路、バッテリーＢＡＴｂ並び
にマイナス入力端子からなる電流経路を流れ、これによ
り、バッテリーＢＡＴｂが充電されると共に両トランス
２２，２３に励磁エネルギーが蓄積される。次いで、ス
イッチ素子３がオフ状態に制御されると、充電装置２１
と同様にして、両トランス２２，２３に蓄積されている
励磁エネルギーに基づくフライバック電流が各コンデン
サＣａ〜Ｃｄに放出される。この場合にも、バッテリー
ＢＡＴｂは、すべてのコンデンサＣａ〜Ｃｄの端子間電
圧が等しくなるように充電される。

【００２４】なお、本発明は、上記した発明の実施の形
態に限定されず、その構成を適宜変更することができ
る。例えば、充電対象のバッテリーとしては、イオン電
池や、電気二重層コンデンサで構成されたものに限ら
ず、鉛電池などの各種電池や各種コンデンサで構成され
たもであってもよい。また、本発明における蓄電手段
は、単一の蓄電素子を直列接続したものに限らず、複数
の蓄電素子を並列接続した蓄電素子の組を直列接続して
構成されていてもよい。さらに、各トランスの二次巻線
の数や、使用するトランスの数は、本発明の実施の形態
に限定されず、任意に規定することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の充電装置
によれば、スイッチ手段のオン期間に励磁させたトラン
スの励磁エネルギーに基づく充電電流をスイッチ手段の
オフ期間に複数の第２巻線の各々から対応する複数の蓄
電素子の各々にそれぞれ出力することにより、蓄電手段
における各蓄電素子の端子間電圧を均一化することがで
きる結果、蓄電手段に十分なエネルギーを蓄積すること
ができると共に各蓄電素子の端子間電圧を均一化するこ
とができるため、従来の充電装置４１による充電方法と
比較して、各充電素子の寿命を大幅に延ばすことができ
る。

【００２６】さらに、請求項２記載の充電装置によれ
ば、複数のトランスの各第１巻線を互いに直列または並
列接続したことにより、直列接続されている蓄電素子の
数が互いに異なる各種の蓄電手段を充電対象とする場合
であっても、トランスの共通化を図ることができると共
に、各トランスの製造コストを低減することができる。

【００２７】また、請求項３記載の充電装置によれば、
端子間電圧の変動幅が大きい電気二重層コンデンサやイ
オン電池などで構成された蓄電手段に対して十分なエネ
ルギーを蓄積させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る充電装置１の回路図
である。

【図２】本発明の実施の形態に係る充電装置２１の回路
図である。

【図３】本発明の実施の形態に係る充電装置３１の回路
図である。

【図４】従来の充電装置４１の回路図である。

【符号の説明】

１，２１，３１ 充電装置 ２，２２〜２４ トランス ２ｐ，２２ｐ〜２４ｐ 一次巻線 ２ｓａ〜２ｓｃ，２２ｓａ〜２４ｓｂ 二次巻線 ３ スイッチ素子 ４ａ〜４ｆ ダイオード ５ 制御回路 ＢＡＴ，ＢＡＴａ，ＢＡＴｂ バッテリー Ｃａ〜Ｃｆ コンデンサ Ｉａ〜Ｉｆ フライバック電流 ＩIN 電流

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蓄電素子を複数直列接続して構成された
   蓄電手段を充電可能な充電装置において、 互いに磁気結合された第１巻線および前記複数の蓄電素
   子の各々に対応して設けられた複数の第２巻線を有する
   トランスと、前記トランスの前記第１巻線および前記蓄
   電手段に対して直列接続されると共にオン状態に制御さ
   れたときに前記トランスの前記第１巻線を介して電流を
   流すことによって前記蓄電手段を充電すると共に当該ト
   ランスを励磁させるスイッチ手段とを備え、前記スイッ
   チ手段のオン期間に励磁させた前記トランスの励磁エネ
   ルギーに基づく充電電流を当該スイッチ手段のオフ期間
   に前記複数の第２巻線の各々から対応する前記複数の蓄
   電素子の各々にそれぞれ出力することを特徴とする充電
   装置。
2. 【請求項２】 前記トランスを複数備え、当該トランス
   の前記第１巻線を互いに直列または並列接続したことを
   特徴とする請求項１記載の充電装置。
3. 【請求項３】 前記蓄電素子は、電気二重層コンデンサ
   およびイオン電池のいずれかで構成されていることを特
   徴とする請求項１または２記載の充電装置。