JP2006340505A

JP2006340505A - 充電装置

Info

Publication number: JP2006340505A
Application number: JP2005162252A
Authority: JP
Inventors: Yoshimitsu Odajima; 義光小田島; Junji Takemoto; 順治竹本; Kazuki Morita; 一樹森田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2006-12-14
Also published as: EP1860752A1; US7855533B2; US20090009145A1; WO2006129782A1

Abstract

【課題】充電素子の内部チップの温度上昇を抑制した信頼性の高い充電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】コンデンサ１１への充電電流を検出する電流検出手段２３と、コンデンサ１１の電圧と直流電源１０相当電圧の差を検出する電圧検出手段２１から得られる出力信号を積算器２２により積算し、その出力信号により充電素子１５の電力を所定の値に制御して充電するとともに、充電終了近傍時には定電圧制御回路１７により充電素子１５を制御して所定の電圧までコンデンサ１１を充電する構成としたので、充電素子１５の最大温度が抑制され高信頼性が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特にコンデンサに対して急速充電する充電装置に関するものである。

近年、ハイブリッドカーや電気自動車の開発が急速に進められており、それに伴い車両の制動についても、従来の機械的な油圧制御から電気的な油圧制御への各種の提案がなされてきている。

一般に車両の油圧制御を電気的に行うためには、電源としてバッテリーが用いられるが、その場合バッテリーだけでは何らかの原因で電力の供給が断たれると油圧制御ができなくなり、車両の制動が不可能になる可能性がある。

そこで、バッテリーとは別に補助電源として大容量コンデンサ等を搭載することにより非常時の対応ができるような提案もなされている。

このように、車両制動に関わる補助電源においては、非常時に確実に電力供給が行われることが極めて重要であり、エンジン始動時のコンデンサ放電状態から速やかに所定電圧までコンデンサを充電することが必要である。

なお、この出願に関連する先行技術文献情報としては、例えば、エンジン始動時のバッテリー補助用コンデンサの充電装置として特許文献１が知られている。
特開平５−１１６５７１号公報

前述の車両制動に関する充電装置においては、具体的にはエンジン始動後に容量が数１０Ｆのコンデンサを１００秒程度でバッテリー電圧相当まで急速充電することが要求される。

従来このような充電装置においては、例えば図１３に示すような回路を用いて定電流で急速充電する方法が一般的である。

この回路動作は以下の通りである。

定電圧源Ｖから放熱板（図示せず）に取り付けた充電素子１を介して容量が数１０Ｆのコンデンサ２に充電電流が供給される際、この電流を電流検出手段３で検出し、定電流制御回路４内の基準電圧５と差動処理がなされる。この信号が抵抗６を介して充電素子１にフィードバックされる。これにより、充電素子１の電流が一定に制御されて定電圧源Ｖに略等しい電圧までコンデンサ２を充電している。

以上説明した動作の各種特性の経時的変化を図１４に示す。図１４の横軸は時間ｔを示し、充電開始がｔ０、充電終了がｔ２（≒１００秒）である。図１４の縦軸は各種特性を示し、図１４（ａ）はコンデンサ２の充電電圧ＶＣおよび充電電流Ｉを、図１４（ｂ）は充電素子１が消費する損失電力Ｗを、図１４（ｃ）は温度Ｔをそれぞれ示す。

また、図１４（ｃ）において充電素子１の表面温度をＴＨ、素子内部チップ温度をＴｊとしてそれぞれ示す。

時間ｔ０で充電を開始すると、図１３の回路は定電流制御を行うので、図１４（ａ）に示すように電流Ｉは一定値になり、コンデンサ２に充電電流が流れる。これにより、経時的にコンデンサ２の充電電圧ＶＣは上昇し、充電完了のｔ２でほぼ定電圧源Ｖの電圧に等しくなる。

この過程における充電素子１が消費する損失電力Ｗは図１４（ｂ）に示すようになる。すなわち、充電初期にはコンデンサ２に充電電圧ＶＣがかかっていないため、充電素子１に定電圧源Ｖの電圧がかかるが、その後充電の進行によりコンデンサ２の充電電圧ＶＣが上がるとともに充電素子１にかかる電圧が下がる。従って、損失電力Ｗは最初大きく、充電とともに下がる特性を示す。

この場合の充電素子１に関する温度変化を図１４（ｃ）に示す。最初室温であった充電素子１は損失電力Ｗによって熱が発生するため素子内部チップ温度Ｔｊが上昇していく。それに伴って、素子表面温度ＴＨも上昇する。

しかし、図１４（ｂ）よりＷは経時的に下がっていくため、Ｔｊは時間ｔ１でピークを持ち、以降温度が下がる挙動を示す。それに伴ってＴＨも同様の温度変化を示す。

このような温度変化に対して問題となるのは損失電力ＷによってＴｊが高温になる点である。これを車両の起動毎に繰り返すことで充電素子１の内部チップが熱衝撃を受け劣化し、信頼性が損なわれるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、信頼性の高い充電装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の充電装置はコンデンサへの充電電圧を一定に制御する定電圧制御回路と、直流電源から前記コンデンサへの充電経路における充電電流を検出する電流検出手段と、前記コンデンサの電圧と前記直流電源相当電圧の差を検出する電圧検出手段と、前記電流検出手段と前記電圧検出手段の出力信号を積算する積算器とを備え、前記積算器の出力信号により前記充電素子の電力を所定の値に制御して前記コンデンサを充電するとともに、充電終了近傍時には前記定電圧制御回路により前記充電素子を制御して所定の電圧まで前記コンデンサを充電するようにしたものである。

本構成によって充電素子には一定の電力がかかるので、起動後の充電素子内部チップの温度は緩やかに上昇するのみであり、その最大温度は従来の高温ピーク値より低くなる。その結果、前記目的を達成することができる。

本発明の充電装置によれば、充電素子内部チップの最大温度が低くなり、起動毎の熱衝撃が和らげられるため、充電素子の信頼性を向上できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における充電装置のブロック回路図である。図２は、本発明の実施の形態１における充電装置の電圧検出手段と積算器の回路図である。図３は、本発明の実施の形態１における充電装置の充電動作時の経時特性変化図であり、（ａ）はコンデンサ充電電流および電圧の経時変化図を、（ｂ）は充電素子の損失電力の経時変化図を、（ｃ）は素子内部チップ温度および素子表面温度の経時変化図をそれぞれ示す。

図１において、充電装置１００には直流電源１０とコンデンサ１１が接続されている。ここで、直流電源１０は充電装置１００に電力を供給し、コンデンサ１１は直流電源１０の電力により充電装置１００を介して電荷が蓄積される。

コンデンサ１１は電気二重層コンデンサからなり、これにより急速充電が可能となるだけでなく、車両制動の際の非常時に大電力を放電できる。

なお、ここでは車両制動用としたため電気二重層コンデンサを用いたが、これに限らず一般の充電用途では通常用いられるコンデンサでもよい。

充電装置１００にはスイッチ１２、ダイオード１３、車両の制動装置等の電子装置１４からなるバックアップ回路２００が接続されている。ここで、直流電源１０からの電力供給が遮断されると、直流電源１０の電圧低下を検知するセンサ回路（図示せず）の信号によってスイッチ１２が閉じ、ダイオード１３を介して電子装置１４にコンデンサ１１の電荷が供給される構成となっている。

次に、充電装置１００の詳細な構成について説明する。

充電素子１５はコンデンサ１１に電荷を蓄積するための電流を制御するもので、従来と同様に放熱板（図示せず）に取り付けられており、直流電源１０とコンデンサ１１の間の配線経路に接続されている。その際、直流電源１０からの逆電流を防止するためのダイオード１６が直流電源１０と充電素子１５の間に接続されている。

定電圧制御回路１７は端子１８から検出したコンデンサ１１の電圧と基準電圧１９とで差動増幅した信号を制御合成回路２０に出力する。これにより、コンデンサ１１への充電電圧が一定になる。

なお、定電圧制御回路１７の詳細な役割は後述の充電終了近傍時に説明する。

電圧検出手段２１は、充電素子１５の入力電圧、すなわち直流電源１０に相当する電圧とコンデンサ１１の電圧の差を検出し出力する。この出力は積算器２２に入力される。

電流検出手段２３は抵抗器で構成され、直流電源１０からコンデンサ１１への充電経路における充電電流を電圧に変換して出力する。この出力も端子２２ａを通して積算器２２に入力される。

積算器２２は、電圧検出手段２１の出力と電流検出手段２３の出力を積算して電力を求めている。この出力は端子２２ｂを通して制御合成回路２０に入力される。なお、積算器２２の詳細は後述する。

制御合成回路２０は、抵抗器２４ａ〜２４ｄ、トランジスタ２５、およびダイオード２６ａ，２６ｂで構成されており、ダイオード２６ａ，２６ｂはＯＲ接続されている。

この制御合成回路２０は、内部電源２７に接続された抵抗器２４ｃを介した電流でトランジスタ２５を駆動し、抵抗器２４ａと充電素子１５の間に接続された抵抗器２８で充電素子１５を制御している。なお、この構成によりトランジスタ２５のベース電位の制御は、ＯＲ接続されたダイオード２６ａ，２６ｂのカソード電圧の低い方で行っている。

以上の構成をまとめると、積算器２２の出力信号により充電素子１５の電力を所定の値に制御してコンデンサ１１を充電している。

ここで、積算器２２の詳細について図２を用いて説明する。

積算器２２は、コンパレータ２９と、周波数および電圧が安定した鋸波発振器３０と、増幅器３１と抵抗器３２ａ，３２ｂとコンデンサ３３からなる平滑器３４と、基準電圧３５とで構成されている。

積算器２２には端子２１ｃを通して電圧検出手段２１が接続されている。

電圧検出手段２１は、充電素子１５の入力側電圧が端子２１ａを通して、また、コンデンサ１１の電圧が端子２１ｂを通して、それぞれ差動増幅器３６に接続される構成となっている。

差動増幅器３６は両電圧の差を求めているが、電圧検出手段２１の出力が鋸波発振器３０の電圧より高い電圧の期間のみ、電流検出手段２３の出力を端子２２ａから平滑器３４に入力している。

これにより、平滑器３４の出力端子２２ｂからは、充電電流と、充電素子１５の入力電圧とコンデンサ１１の電圧の差電圧を積算した、電力に相当する信号が出力される。

この出力は基準電圧３５と等しくなるよう制御されて制御合成回路２０に入力されるため、充電過程の充電素子１５の電力は一定に制御される。

次に、このように構成された充電装置の動作（経時特性変化）を、図３を用いて説明する。

動作条件は従来と同じ放熱板と充電素子を用いて同じ充電時間ｔ２となるように設定した。なお、図３（ａ），（ｂ），（ｃ）の横軸および縦軸は図１４と同じである。図３（ｃ）には比較のために従来のＴｊの経時変化特性も同時に太点線で示した。

図３において、図１４と異なる点は、充電過程の損失電力Ｗ（図３（ｂ）参照）を一定に制御することで充電素子１５の表面温度ＴＨおよび内部チップ温度Ｔｊが略直線で緩やかに上昇している点である。

この結果、全ての充電過程において本実施の形態１の最大Ｔｊが従来のＴｊのピーク値の約８０％となり、充電素子１５の内部チップが高温にさらされることがなくなった。

その後、充電終了近傍時でコンデンサ１１の電圧が既定の定電圧制御電圧Ｖｃｓに近づくと定電圧制御回路１７からの電圧が優先して制御合成回路２０に出力される。これにより定電圧で充電素子１５を制御することになるため、図３（ａ）に示したような充電終了近傍時に増大する充電電流を絞り込むことが可能となる。

その結果、過電流が流れないようにしながら所定の電圧までコンデンサ１１を充電し、時間ｔ２で充電動作を完了している。

以上の構成、動作により、従来と同じ充電時間、充電素子、放熱板の条件において、充電素子１５の最大温度を低減でき起動毎の熱衝撃が和らげられるため、高信頼性が得られる充電装置が実現できた。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における充電装置のブロック回路図である。図５は、本発明の実施の形態２における充電装置の電圧検出手段、電力切替手段、および積算器の回路図である。図６は、本発明の実施の形態２における充電装置の充電動作時の経時特性変化図であり、（ａ）はコンデンサ充電電流および電圧の経時変化図を、（ｂ）は充電素子の損失電力の経時変化図を、（ｃ）は素子内部チップ温度および素子表面温度の経時変化図をそれぞれ示す。

なお、図４、図５において、図１、図２と同一構成部分にはそれぞれ同一番号を付与して詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

すなわち相違点として、まず図４については電力切替手段３７を電圧検出手段２１の端子２１ｃと積算器２２の間に接続した点である。

また、図５については、基準電圧３５と電圧検出手段２１の端子２１ｃの電圧を比較するヒステリシスコンパレータ３８からなる電力切替手段３７を設け、さらに積算器２２にはヒステリシスコンパレータ３８の動作により平滑器３４の基準電圧を切り替えるための抵抗器３９ａ，３９ｂ，３９ｃを設けた点が相違点である。

次に、コンデンサ１１への充電過程において、このように構成された積算器２２の動作を説明する。なお、以下の説明では充電完了時間をｔ４（≒１００秒）とした。

まず、図５に示すように電圧検出手段２１の端子２１ｃと基準電圧３５をヒステリシスコンパレータ３８で比較し、端子２１ｃの出力が基準電圧３５で決まる所定値より大きいと、ヒステリシスコンパレータ３８はオフとなる。

その結果、平滑器３４の出力は、基準電圧３５を抵抗器３９ｂと３９ｃで抵抗分割した電圧を基にした電力信号となる。この出力は端子２２ｂを通して制御合成回路２０に入力される。これにより、充電素子１５の損失電力Ｗが一定に制御されて充電が進行する。

この際の経時特性は図６（ａ）〜（ｃ）の時間ｔ０からｔ２に示したように変化する。

時間がｔ２になると電圧検出手段２１の端子２１ｃの出力電圧が基準電圧３５で決まる所定値以下になり、ヒステリシスコンパレータ３８はオンになる。

その結果、抵抗器３９ａと３９ｂが並列接続されることになり、平滑器３４の出力は、前記した基準電圧３５を抵抗器３９ｂと３９ｃで抵抗分割した電圧より小さな電圧を基にした電力信号となるため、充電素子１５の損失電力Ｗが小さくなるように制御される。

これにより、図６（ａ）の時間ｔ２からｔ３に示したように、充電過程で充電素子１５の入力電圧とコンデンサ１１の電圧の差が小さくなるに従って増大する充電電流Ｉを、図３（ａ）のＩに比べ小さく抑制できる。

また、一定電力で充電中に直流電源１０の電圧が低下し、充電素子１５の入力電圧とコンデンサ１１の電圧の差が小さくなる状態が発生しても、上記のように充電電流Ｉの増大を抑制することができる。

その後、実施の形態１と同様に時間ｔ３でコンデンサ１１の電圧が既定の定電圧制御電圧Ｖｃｓに近づくと定電圧制御回路１７からの電圧が優先して制御合成回路２０に出力される。これにより定電圧で充電素子１５を制御することになるため、充電電流が絞り込まれる。

その結果、過電流が流れないようにしながら所定の電圧までコンデンサ１１を充電し、時間ｔ４で充電動作を完了することができる。

以上の構成、動作により、実施の形態１と同様の効果に加え、充電経路の構成部品への過大電流を回避でき、より信頼性の高い充電装置を提供できるという効果が得られる。

なお、本実施の形態２においては電圧検出手段２１の端子２１ａは充電素子１５とダイオード１６の間に電気的に接続しているが、これは図４に太点線で示したように直流電源１０とダイオード１６の間に接続してもよい。

この場合、電圧検出手段２１は直流電源１０とコンデンサ１１の間で充電電流が流れる回路を構成する全ての回路部品を含んだ回路部分の電圧を測定することになる。

これにより、電圧検出手段２１は常にダイオード１６の電圧を含んで測定するため、ダイオード１６を含む回路部品の総電力が一定になるように制御する。

その結果、充電経路に介在するダイオード１６を含めた構成部品全体の発熱を抑制制御でき、極めて信頼性の高い充電装置が実現できる。

また、本実施の形態２において、電流検出手段２３を直流電源１０とコンデンサ１１の端子１８との間に配置し、電流検出手段２３の電圧を含んだ電位差を電圧検出手段２１で測定する構成としてもよい。

これにより、上記したダイオード１６だけでなく電流検出手段２３も含めて構成部品全体の発熱の制御および充電電流の抑制が可能となり、さらに信頼性の高い充電装置が実現できる。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図面を参照しながら説明する。

図７は、本発明の実施の形態３における充電装置のブロック回路図である。図８は、本発明の実施の形態３における充電装置の充電動作時の経時特性変化図であり、（ａ）はコンデンサ充電電流および電圧の経時変化図を、（ｂ）は充電素子の損失電力の経時変化図を、（ｃ）は素子内部チップ温度および素子表面温度の経時変化図をそれぞれ示す。

なお、図７において、図１と同一構成部分には同一番号を付与して詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

すなわち本実施の形態３においては、図７に示すように新たに電流制限手段４０とダイオード４１を付加した構成とした。電流制限手段４０は差動増幅器からなり、この入力には電流検出手段２３の電圧と基準電圧１９が接続されている。また、電流制限手段４０の出力信号はダイオード４１を介して制御合成回路２０に接続されている。

このように構成された充電装置の動作を、図８を用いて説明する。

図８（ｂ）において、時間ｔ０からｔ２までは実施の形態１と同様に充電素子１５の損失電力Ｗを一定に制御して直流電源１０からコンデンサ１１へ充電が進行する。その結果、図８（ａ）に示すように電流Ｉが増加してくる。

これにより、電流検出手段２３の出力電圧も増加するが、電流制限手段４０はこの電圧が基準電圧１９と等しくなるようにダイオード４１を介して制御合成回路２０に信号を出力するので、時間ｔ２で充電電流は最大値Ｉｍに制限された状態で充電が進行していく。

その後、時間ｔ３でコンデンサ１１が所定の電圧Ｖｃｓになると、実施の形態１と同様に定電圧制御回路１７により充電素子１５を制御して過電流が流れないようにしながら所定の電圧までコンデンサ１１を充電し、時間ｔ４で充電動作を完了する。

このようにして充電した際の充電素子１５の表面温度ＴＨおよび内部チップ温度Ｔｊの経時変化を図８（ｃ）に示す。ＴＨおよびＴｊの最大温度が実施の形態１よりさらに低いことがわかる。

上述の構成、動作により、充電経路を構成する回路部品の定格電流に応じた充電電流の制御が可能となるため、充電素子１５の最大温度をさらに下げることができ、信頼性の高い充電装置が実現できる。

なお、本実施の形態３においても電圧検出手段２１の端子２１ａの先端を図７に太点線で示したように直流電源１０とダイオード１６の間に接続してもよい。

これにより、電圧検出手段２１で測定される出力電圧は、ダイオード１６を含め、直流電源１０とコンデンサ１１の間で充電電流が流れる回路を構成する全ての回路部品を含んだ回路部分の電圧となるため、充電経路に介在する構成部品全体の発熱を抑制制御でき、高信頼の充電装置が実現できる。

また、充電素子１５を取り付ける放熱板（図示せず）にダイオード１６を取り付けてもよい。これにより、両者の発熱を効率よく放熱板に伝導でき、ピーク温度をさらに小さくすることができる。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図面を参照しながら説明する。

図９は、本発明の実施の形態４における充電装置のブロック回路図である。図１０は、本発明の実施の形態４における充電装置の充電動作時の経時特性変化図であり、（ａ）はコンデンサ充電電流および電圧の経時変化図を、（ｂ）は充電素子の損失電力の経時変化図を、（ｃ）は素子内部チップ温度および素子表面温度の経時変化図をそれぞれ示す。

なお、図９において、図７と同一構成部分には同一番号を付与して詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

まず図９において、コンデンサ電圧検出手段４２はコンデンサ１１の電圧を検出しており、その電圧に応じてオンオフ信号を出力する。

電流切替手段４３はコンデンサ電圧検出手段４２の出力信号を受けて抵抗器４４に接続されたスイッチ４５をオンオフすることにより充電電流を変える構成となっている。

ここで、コンデンサ電圧検出手段４２および電流切替手段４３はマイクロコンピュータによって構成されている。すなわち、コンデンサ１１の電圧はマイクロコンピュータに内蔵されたＡ／Ｄコンバータ（図示せず）によってデジタル信号として検出される。この値が後述する所定の電圧Ｖａであるか否かをマイクロコンピュータで判断し、結果に応じて電流切替手段４３のスイッチ４５を切り替える。

このように構成することにより、コンデンサ電圧検出手段４２と電流切替手段４３を簡素化および小型化できる。

定電流制御回路４６には電流検出手段２３と基準電圧１９が接続され、その出力は制御合成回路２０に入力されている。

次に、このように構成された回路の動作について図１０を用いて説明する。

まず、図１０（ａ）において、コンデンサ１１の電圧ＶＣが時間ｔ２で所定の電圧Ｖａに達するまではコンデンサ電圧検出手段４２から電流切替手段４３のスイッチ４５をオンにする信号が出力されており、定電流制御回路４６の基準側の電圧は基準電圧１９を抵抗器４４と抵抗器４７からなる並列抵抗と抵抗器４８とで抵抗分割した電圧に設定され、これにより定電流Ｉ１１になるように動作している。

時間ｔ２でコンデンサ１１の電圧がＶａ以上になるとスイッチ４５をオフにする信号がコンデンサ電圧検出手段４２から出力されて定電流Ｉ１２に切り替わる。

その後、時間ｔ３でコンデンサ電圧がＶｃｓに近づくと定電圧制御回路１７からの電圧信号が優先して制御合成回路２０に入力されることにより充電電流が絞り込まれ、過電流が流れないようにしながらコンデンサ１１への充電を行い、時間ｔ４で完了する。

次に、前述の電流Ｉ１１，Ｉ１２および電圧Ｖａの設定について図１０（ｂ），（ｃ）を用いて説明する。

図１０（ｂ），（ｃ）は従来と同じ放熱板と充電素子を用いて直流電源１０からコンデンサ１１に対して同じ充電時間ｔ４（≒１００秒）で充電が終了するように充電電流を切り替えて充電したときの充電素子１５の損失電力および発熱をそれぞれ示す。また、充電素子１５の損失電力をＷ１１，Ｗ１２で示す。

図１０（ｂ）より、充電過程のｔ０からｔ２の損失電力Ｗ１１を時間ｔ０からｔ２で平均した平均電力Ｗａ（図中に右下斜線で示す）と、充電過程のｔ２からｔ３の損失電力Ｗ１２を時間ｔ２からｔ３で平均した平均電力Ｗｂ（図中に左下斜線で示す）とが略一定になるように充電流Ｉ１１，Ｉ１２およびＶａを設定している。

このように充電電流を階段状に切り替えることで、所定充電時間ｔ０からｔ４で生じる充電素子１５の発熱は図１０（ｃ）に示すように２段階となるが、いずれも従来の内部チップ温度Ｔｊの最大温度を上回ることはなくなった。

以上の構成、動作によって、従来と同じ充電時間、充電素子、放熱板の条件において、充電素子１５のピーク温度を低減することができ、高信頼の充電装置が実現できる。

なお、本実施の形態４では電流の切り替えを２段として説明したが、放熱板の形状による伝熱特性の違いなどの要因により、必要に応じて２段以上の電流を切り替える構成であっても構わない。

（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態５は実施の形態４と組み合わせて構成した場合について説明する。

図１１は、本発明の実施の形態５における充電装置の充電素子近傍のブロック回路図である。図１２は、本発明の実施の形態５における充電装置のコンデンサ充電電流の経時変化図である。

なお、図１１において、図９と同一構成部分には同一番号を付与して詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図１１は実施の形態４に示した充電装置１００のうち、充電素子部分および制御合成回路部分を抜粋したものである。このうち充電素子１５には、それと並列になるようにもう一つの充電素子４９が接続されている。

充電素子１５，４９にはそれぞれに対して充電制御信号を伝達するスイッチ５０ａおよび５０ｂが接続されている。

スイッチ５０ａ，５０ｂのもう一方の端子は制御合成回路２０に接続されている。

スイッチ５０ａ，５０ｂはスイッチ駆動部５１により各々オンオフ駆動される。これらの回路はマイクロコンピュータで構成されているため、回路が簡素化され充電装置１００の低コスト化、小型化が可能となる。

次に本実施の形態５における回路の動作について説明する。

スイッチ駆動部５１からは同じ周期で交互にオンオフする信号を発生している。これにより、制御合成回路２０からの充電制御信号をスイッチ５０ａと５０ｂを介して交互に充電素子１５，４９に伝達することにより充電を行っている。

この際の充電電流の経時変化を図１２に示す。ここで充電素子１５の電流をＩｆ１、充電素子４９の電流をＩｆ２とする。

本構成によれば、所定充電時間ｔ０からｔ４までの充電素子の損失電力を２個の充電素子１５，４９に均等に分散することができる。この損失による発熱は、各々の充電素子１５，４９の放熱フィン（図示せず）から放熱板に伝熱されることになり、放熱フィンと放熱板との間の熱抵抗が等価的に２分の１に小さくなることで充電素子１５，４９の温度上昇を低減することができる。

なお、本実施の形態５では電流Ｉｆ１およびＩｆ２のオンデューティーを５０％に設定しているため、この条件で様々な検討を行った結果、充電素子１５，４９のオンオフ周期は熱抵抗の軽減特性を適用できる２０ミリ秒以下に設定することが望ましかった。これにより、熱抵抗の小さい動作条件となり、最小のピーク温度とすることができる。

また、本実施の形態５では２個の充電素子１５，４９を用いたが、これは３個以上の複数でもよい。その場合も本実施の形態５と同様に全てを並列接続し、同数のスイッチを接続しておく。動作時はスイッチを順次切り替えることにより順番に充電素子を駆動させる。これによりさらに発熱を抑制することが可能となる。

以上の構成、動作によって、充電素子１５，４９のピーク温度を低減することができ、極めて信頼性の高い充電装置を実現できる。

なお、本実施の形態５は実施の形態４と組み合わせて説明したが、他の実施の形態と組み合わせても同様の効果が得られる。

本発明にかかる充電装置は、充電素子内部チップの最大温度が低くなり、充電素子の信頼性を向上できるため、特にコンデンサに対して急速充電する充電装置等として有用である。

本発明の実施の形態１における充電装置のブロック回路図本発明の実施の形態１における充電装置の電圧検出手段と積算器の回路図本発明の実施の形態１における充電装置の充電動作時の経時特性変化図であり、（ａ）コンデンサ充電電流および電圧の経時変化図、（ｂ）充電素子の損失電力の経時変化図、（ｃ）素子内部チップ温度および素子表面温度の経時変化図本発明の実施の形態２における充電装置のブロック回路図本発明の実施の形態２における充電装置の電圧検出手段、電力切替手段、および積算器の回路図本発明の実施の形態２における充電装置の充電動作時の経時特性変化図であり、（ａ）コンデンサ充電電流および電圧の経時変化図、（ｂ）充電素子の損失電力の経時変化図、（ｃ）素子内部チップ温度および素子表面温度の経時変化図本発明の実施の形態３における充電装置のブロック回路図本発明の実施の形態３における充電装置の充電動作時の経時特性変化図であり、（ａ）コンデンサ充電電流および電圧の経時変化図、（ｂ）充電素子の損失電力の経時変化図、（ｃ）素子内部チップ温度および素子表面温度の経時変化図本発明の実施の形態４における充電装置のブロック回路図本発明の実施の形態４における充電装置の充電動作時の経時特性変化図であり、（ａ）コンデンサ充電電流および電圧の経時変化図、（ｂ）充電素子の損失電力の経時変化図、（ｃ）素子内部チップ温度および素子表面温度の経時変化図本発明の実施の形態５における充電装置の充電素子近傍のブロック回路図本発明の実施の形態５における充電装置のコンデンサ充電電流の経時変化図従来の充電装置のブロック回路図従来の充電装置の充電動作時の経時特性変化図であり、（ａ）コンデンサ充電電流および電圧の経時変化図、（ｂ）充電素子の損失電力の経時変化図、（ｃ）素子内部チップ温度および素子表面温度の経時変化図

符号の説明

１０直流電源
１１コンデンサ
１２，４５，５０ａ，５０ｂスイッチ
１５，４９充電素子
１７定電圧制御回路
２１電圧検出手段
２２積算器
２３電流検出手段
３７電力切替手段
４０電流制限手段
４２コンデンサ電圧検出手段
４３電流切替手段
４６定電流制御回路
５１スイッチ駆動部
１００充電装置

Claims

直流電源とコンデンサの間に接続した充電素子を有し、前記充電素子を介して前記電流電源により前記コンデンサを充電する充電装置であって、
前記コンデンサへの充電電圧を一定に制御する定電圧制御回路と、
前記直流電源から前記コンデンサへの充電経路における充電電流を検出する電流検出手段と、
前記コンデンサの電圧と前記直流電源相当電圧の差を検出する電圧検出手段と、
前記電流検出手段と前記電圧検出手段の出力信号を積算する積算器とを備え、
前記積算器の出力信号により前記充電素子の電力を所定の値に制御して前記コンデンサを充電するとともに、
充電終了近傍時には前記定電圧制御回路により前記充電素子を制御して所定の電圧まで前記コンデンサを充電する充電装置。
電圧検出手段の出力電圧が所定値以下の場合には、充電電子の電力が小さくなるように制御する電力切替手段を備えた請求項１に記載の充電装置。
直流電源とコンデンサの間に直列接続した充電素子を有し、前記充電素子を介して前記直流電源により前記コンデンサを充電する充電装置であって、
前記コンデンサへの充電電圧を一定に制御する定電圧制御回路と、
前記直流電源から前記コンデンサへの充電経路における充電電流を検出する電流検出手段と、
前記コンデンサへの充電電流を制御する電流制限手段と、
前記コンデンサの電圧と前記直流電源相当電圧の差を検出する電圧検出手段と、
前記電流検出手段と前記電圧検出手段の出力信号を積算する積算器とを備え、
前記積算器の出力信号により前記充電素子の電力を所定の値に制御して前記コンデンサを充電するとともに、
充電終了近傍時には前記電流制限手段で充電電流の最大値を制限して所定の電圧まで前記コンデンサを充電した後、前記定電圧制御回路により前記充電素子を制御して所定の電圧まで前記コンデンサを充電する充電装置。
電圧検出手段で測定される出力電圧は、直流電源とコンデンサの間で充電電流が流れる全ての回路部品を含んだ回路部分の電圧である請求項１または３に記載の充電装置。
直流電源とコンデンサの間に接続した充電素子を有し、前記充電素子を介して前記直流電源により前記コンデンサを充電する充電装置であって、
前記コンデンサへの充電電流を一定に制御する定電流制御回路と、
前記コンデンサへの充電電圧を制御する定電圧制御回路と、
前記コンデンサの電圧を検出するコンデンサ電圧検出手段と、
前記定電流制御回路の電流を複数に切り替える電流切替手段とを備え、
前記定電流制御回路の出力信号で前記充電素子を制御する際に、
充電過程における充電素子の平均電力が一定になるように前記コンデンサ電圧検出手段の出力に基づいて複数の充電電流を切り替えて前記コンデンサを充電するとともに、
充電終了近傍時には前記定電圧制御回路により前記充電素子を制御して所定の電圧まで前記コンデンサを充電する充電装置。
複数の充電素子を並列接続して構成し、前記充電素子を制御する充電制御信号を前記充電素子毎に伝達するための複数のスイッチを備え、前記スイッチを順次切り替える請求項１または３または５のいずれかに記載の充電装置。
コンデンサ電圧検出手段、電流切替手段、および充電制御信号を充電素子毎に伝達する複数のスイッチを駆動するためのスイッチ駆動部をマイクロコンピュータで構成した請求項５または６に記載の充電装置。
コンデンサは電気二重層コンデンサである請求項１または３または５のいずれかに記載の充電装置。