JP2008173003A

JP2008173003A - 充電システム

Info

Publication number: JP2008173003A
Application number: JP2008030386A
Authority: JP
Inventors: Kota Onishi; 幸太大西
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-06-11
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2008-07-24
Also published as: JP4165306B2; JP2005006396A; JP2008161052A

Abstract

【課題】受電装置（２次側装置）の定電圧回路を省略し、受電装置の構成部品の削減とその無駄な電力損失を低減化できるようにした充電システムの提供。
【解決手段】この発明は、送電装置５と、トランス６と、受電装置７と、充電制御装置８とからなる。充電制御装置８は、２次電池９の充電時にその充電の進行状況を監視し、その充電の進行状況に応じて２次電池９に供給する電力量が適正となるように、送電装置５の発振回路５１の発振周波数を変更させる制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、トランスを介して電磁的に接続された送電装置および受電装置を備え、受電装置の出力電力を利用して２次電池の充電ができるようにした充電システムに関するものである。

従来、この種の充電システムとしては、例えば図５に示すように、送電装置１と、トランス２と、受電装置３と、充電制御装置４とを備え、２次電池９の充電ができるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
送電装置１は、所定の周波数のパルスを発生する発振回路１１と、その発振回路１１の出力を反転するインバータ回路１２と、発振回路１１の出力とインバータ回路１２の各出力を駆動するドライバ回路１３、１４と、ドライバ回路１３、１４とトランス２の１次コイル２１の両端との交流結合を行う１次側コンデンサＣ１、Ｃ２と、を備えている。

トランス２は、平面状の１次コイル２１と、この１次コイル２１と電磁的に結合する平面状の２次コイル２２とを有し、両コイル２１、２２は物理的に容易に分離できるようになっている。
受電装置３は、２次コイル２２の出力から直流電圧を生成する出力整流回路３１と、出力整流回路３１の出力端子に接続されるコンデンサＣ３と、出力整流回路３１の出力電圧の定電圧化を図る定電圧回路３２とを備え、受電装置３の出力電力により、リチウムイオン電池のような２次電池９を充電するようになっている。

充電制御装置４は、充電電流を検出するための電流検出用抵抗ＲＳと、スイッチング素子としてのトランジスタＱ１と、２次電池９の充電時に充電制御を行う充電制御回路４１とを備えている。
このような構成からなる従来の充電システムでは、送電装置１が、発振回路１１の発振するパルスに基づいて、所定の周波数からなる交流電力が生成する。この交流電力は、トランス２を経て受電装置３に伝送されると、受電装置３はその交流電力を直流電力に変換する。

そして、その受電装置３からの直流電力で２次電池９の充電を行う場合には、充電制御回路４１が、トランジスタＱ１をオンにするので、これにより充電が開始される。２次電池９の充電が開始されると、充電制御回路４１は、電流検出用抵抗ＲＳの両端に発生する電圧に基づいて電流検出器（図示せず）が検出する２次電池９の充電電流と、電圧検出器（図示せず）が検出するその充電電圧を監視する。ここで、充電期間中は、定電圧回路３２は充電制御回路４１に対して一定電圧（例えば５Ｖ）を供給している。

その後、電流検出器の検出する充電電流と電圧検出器の検出する検出電圧とがそれぞれ所定値になると、充電制御回路４１は、充電が終了したものと判断してトランジスタＱ１をオフにする。これにより、充電制御回路４１は、図示しない発光ダイオードを点灯するので、使用者は、２次電池９の充電が終了したことを認識できる。
登録実用新案３０６７６０６号公報

ところで、従来の充電システムでは、受電装置３が出力整流回路３１の他に定電圧回路３２を必要とするので、受電装置３の部品点数が多くなるという不具合がある。また、定電圧回路３２は、例えば入力電圧が６．５Ｖで、出力電圧が５Ｖ、出力電流が５００ｍＡ程度の能力が必要とされるので、電力消費の無駄があり、その無駄に伴う電力損失（ロス）が無視できないという不具合がある。

このため、受電装置における定電圧回路を省略することにより、その定電圧回路の部品の削減とその無駄な電力損失を低減すること望まれる。
そこで、本発明の目的は、受電装置（２次側装置）の定電圧回路を省略できるようにし、これにより受電装置の構成部品の削減とその無駄な電力損失を低減化できるようにした充電システムを提供することにある。

上記の課題を解決し本発明の目的を達成するために、各発明は、以下のように構成した。
すなわち、第１の発明は、交流を生成するとともに、その生成する交流の周波数が可変自在な送電装置と、前記送電装置の出力が印加される平面状の１次コイルと、この１次コイルに電磁的に結合する平面状の２次コイルとを有し、前記１次コイルと前記２次コイルとが分離自在な変圧器と、前記２次コイルの出力を受けその出力から直流電圧を生成する受電装置と、前記受電装置の出力に基づいて充電される２次電池と、前記２次電池の充電時にその充電の進行状況を監視し、その充電の進行状況に応じて前記送電装置の交流の周波数を所定値に可変させる充電制御装置と、を備えている。

第２の発明は、第１の発明の充電システムにおいて、前記送電装置は、発振周波数が可変自在な発振回路を有し、その発振回路の出力に基づいて所定の交流を生成するようになっており、前記充電制御装置は、前記２次電池の充電時に、その２次電池に供給される充電電流を検出する電流検出器と、前記２次電池の充電時に、その２次電池に供給される充電電圧を検出する電圧検出器と、前記電流検出器の検出電流と前記電圧検出器の検出電圧に応じて、前記発振回路の発振周波数を所定値に変更させる制御回路と、を含んでいる。
このような構成からなる本発明によれば、受電装置の定電圧回路を省略することができ、これにより受電装置の構成部品の削減とその無駄な電力損失の低減化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
本発明の充電システムの実施形態の構成について、図１を参照しながら説明する。
この実施形態に係る充電システムは、図１に示すように、送電装置５と、トランス（変圧器）６と、受電装置７と、充電制御装置８とを備え、リチウムイオン電池などの２次電池（バッテリ）９の充電ができるようになっている。

送電装置５は、受電装置７に伝送すべき交流信号（交流電力）を生成するとともに、その交流信号の周波数を可変自在な装置である。
このために、送電装置５は、図１に示すように、発振回路５１と、インバータ回路５２と、ドライバ回路５３、５４と、１次側コンデンサＣ１、Ｃ２とから構成される。
発振回路５１は、高周波のパルス（矩形波）を発生する回路であり、発振周波数は例えば１００〔ｋＨｚ〕〜５００〔ｋＨｚ〕の範囲である。発振回路５１は、その発振周波数が例えば上記の範囲内で連続的または間欠的に可変できるようになっており、かつ、その発振周波数は後述の周波数制御回路８６からの周波数制御信号により所定値に制御（変更）されるようになっている。

インバータ回路５２は、発振回路５１の発生するパルスを反転する回路である。ドライバ回路５３は、発振回路５１の出力を増幅する回路である。ドライバ回路５４は、インバータ回路５２の出力を増幅する回路である。
１次側コンデンサＣ１は、ドライバ回路５３の出力側とトランス６の１次コイル６１の一端側とを交流結合するためのコンデンサである。２次側コンデンサＣ２は、ドライバ回路５４の出力側とトランス６の１次コイル６１の他端側とを交流結合するためのコンデンサである。

トランス６は、送電装置５で発生する電力を受電装置７側に効率的に伝達するものである。このため、このトランス６は、送電装置５の出力が印加される１次コイル６１と、この１次コイル６１に電磁的に結合する２次コイル６２とを有している。
１次コイル６１と２次コイル６２とは、図２に示すように、例えば絶縁された単線６３を同一平面内で渦巻き状に巻いた平面コイルからなる。この巻き数は多いほど良く、例えば１０巻き程度である。また、１次コイル６１と２次コイル６２は、渦巻き状態が適宜手段により維持できるようなっており、全体として例えば円盤状に形成されている。

さらに、１次コイル６１と２次コイル６２は、２次電池９の充電が必要なときには、その両者の平面同士が重なるようして電磁的に結合でき、その充電が不要なときなどにはその両者を物理的に分離できる分離自在な構造になっている。
受電装置７は、送電装置５からの交流電力を受け取って直流電力に変換する装置である。

このために、受電装置７は、図１に示すように、トランス６の２次コイル６２の出力電圧から直流電圧を生成出力する出力整流回路７１と、この出力整流回路７１の出力端子間に接続されるコンデンサＣ３とを備えている。また、受電装置７は、その出力電圧（出力電力）により２次電池９の充電を行うようになっている。
充電制御装置８は、２次電池９の充電時にその充電の進行状況を監視し、その充電の進行状況に応じて２次電池９に供給する電力量が適正となるように、送電装置５の発振回路５１の発振周波数を変更させる装置である。

このために、この充電制御装置８は、図１に示すように、電流検出用抵抗ＲＳと、トランジスタＱ１と、電流検出器８１と、電圧検出器８２と、充電制御回路８３と、共振回路８４と、補助トランス８５と、周波数制御回路８６とを備えている。
電流検出用抵抗ＲＳは、２次電池９の充電時に、充電電流を流してその充電電流を検出するための抵抗である。トランジスタＱ１は、充電時にオンし、充電終了後にオフとなるものであり、その制御は充電制御回路８３により行われるようになっている。

電流検出器８１は、２次電池９の充電時に、電流検出用抵抗ＲＳの両端に発生する電圧に基づいて２次電池９の充電電流を検出するものである。電圧検出器８２は、２次電池９の充電時に、その充電電圧を検出するものである。
充電制御回路８３は、電流検出器８１が検出する充電電流と、電圧検出器８２が検出する充電電圧をそれぞれ監視し、その検出される充電電流と充電電圧に基づいて送電装置５の発振回路５１の発振周波数を所定値に制御するための発振制御信号を出力する回路である。

共振回路８４は、充電制御回路８３が出力する発振制御信号に基づいて所定の交流信号を生成する回路である。
補助トランス８５は、共振回路８４の出力が印加される１次コイルと、この１次コイルに電磁的に結合する２次コイルとを有している。また、この補助トランス８５の１次コイルと２次コイルは、例えば、トランス６の１次コイル６１と２次コイル６２と同様に平面コイルからなるが、信号を伝送することを目的とするのでその規模は小規模のものである。さらに、この補助トランス８５の１次コイルと２次コイルは、トランス６の１次コイル６１と２次コイル６２との接続と分離に連動して、その接続と分離ができるようになっている。
周波数制御回路８６は、充電制御回路８３からの発振制御信号を補助トランス８５の２次コイルから受け取ると、その発振制御信号に基づいて発振回路５１の発振周波数を所定値に制御（変更）するための周波数制御信号を生成する回路である。

次に、図１に示す送電装置５におけるドライバ回路５３、５４の具体的な回路構成について、図３を参照して説明する。
ドライバ回路５３は、図３に示すように、Ｐ型とＮ型のＭＯＳトランジスタＱ１，Ｑ２からなるＣＭＯＳインバータ回路５３１で構成されるとともに、ＣＭＯＳインバータ回路５３１の動作時に流れる貫通電流を防止する制御回路５３２を含んでいる。制御回路５３２は、図示のようにノアゲート５３２１、アンドゲート５３２２、インバータＩＶ１〜ＩＶ６、コンデンサＣ１１，Ｃ１２から構成される。

ドライバ回路５４は、図３に示すように、Ｐ型とＮ型のＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ４からなるＣＭＯＳインバータ回路５４１で構成されるとともに、ＣＭＯＳインバータ回路５４１の動作時に流れる貫通電流を防止する制御回路５４２を含んでいる。制御回路５４２は、図示のようにノアゲート５４２１、アンドゲート５４２２、インバータＩＶ１１〜ＩＶ１６、コンデンサＣ２１，Ｃ２２から構成される。

このような構成からなるこの実施形態では、送電装置５の発振回路５１の発振周波数を変えると、これに応じて受電装置７の出力電圧、出力電力、および効率がそれぞれ変化するという特性を持っているので、以下にその各特性の試験例について図６を参照して説明する。
図６の各特性は、受電装置７の負荷抵抗が１２．５〔Ω〕、送電装置５の出力電圧（１次側電圧）が５．４〔Ｖ〕、１次側コンデンサＣ１，Ｃ２はその容量値が同一のものを使用した場合の試験結果である。また、図６において、曲線ａはＣ１，Ｃ２の容量値が大きな場合，曲線ｂはＣ１，Ｃ２の容量値が中程度の場合、曲線ｃはＣ１、Ｃ２の容量値が小さな場合である。

そして、図６（Ａ）は、送電装置５の入力周波数と効率の関係を示し、図６（Ｂ）はその周波数と受電装置７の出力電圧の関係を示し、図６（Ｃ）はその周波数と出力電力の関係を示している。
なお、この試験例では、試験時に、充電制御装置８はその動作を停止させ、発振回路５１の出力側に周波数が可変できる可変発振装置の出力を印加し、その可変発振装置の発振周波数を可変することにより特性試験を行うようにした。

図６（Ａ）によれば、１次側コンデンサＣ１，Ｃ２の容量値が大きな場合には、周波数が４１０〔ｋＨｚ〕のときに最大効率となり、その最大効率は６４．６〔％〕である。このときには、入力電力が５．４〔Ｖ〕×１．３８〔Ａ〕＝７．４５〔Ｗ〕で、出力電力が７．８０〔Ｖ〕×０．６２〔Ａ〕＝４．８３〔Ｗ〕である（図６（Ｂ）（Ｃ）参照）。また、図６（Ｃ）によれば、Ｃ１，Ｃ２の容量値が大きな場合には、周波数が４１０〔ｋＨｚ〕のときに最大出力となり、その最大出力は７．８０〔Ｖ〕×０．６２〔Ａ〕＝４．８３〔Ｗ〕となり、このときの入力電力は５．４〔Ｖ〕×１．３８〔Ａ〕＝７．４５〔Ｗ〕である。

次に、図６（Ａ）によれば、１次側コンデンサＣ１，Ｃ２の容量値が中程度の場合には、周波数が６２０〔ｋＨｚ〕のときに最大効率となり、その最大効率は６４．４〔％〕となる。このときには、入力電力が５．４〔Ｖ〕×０．９０〔Ａ〕＝４．８６〔Ｗ〕で、出力電力は６．２９〔Ｖ〕×０．５０〔Ａ〕＝３．１４〔Ｗ〕ある。また、図６（Ｃ）によれば、Ｃ１，Ｃ２の容量値が中程度の場合には、周波数が５８０〔ｋＨｚ〕のときに最大出力となり、その最大出力は６．４２〔Ｖ〕×０．５０〔Ａ〕＝３．２３〔Ｗ〕となり、このときの入力電力は５．４〔Ｖ〕×０．９４〔Ａ〕＝５．０７〔Ｗ〕である。

さらに、図６（Ａ）によれば、１次側コンデンサＣ１，Ｃ２の容量値が小さな場合には、周波数が８１０〔ｋＨｚ〕のときに最大効率となり、その最大効率は６２．５〔％〕となる。このときには、入力電力が５．４〔Ｖ〕×０．８２〔Ａ〕＝４．４３〔Ｗ〕で、出力電力は５．９４〔Ｖ〕×０．４７〔Ａ〕＝２．７９〔Ｗ〕である。また、図６（Ｃ）によれば、Ｃ１，Ｃ２の容量値が小さな場合には、周波数が８１０〔ｋＨｚ〕のときに最大出力となり、その最大出力は、５．９４Ｖで×０．４７〔Ｖ〕＝２．７８〔Ｗ〕であり、このときの入力電力は５．４〔Ｖ〕×０．８２〔Ａ〕＝４．４３〔Ｗ〕である。
以上の結果から明らかなように、１次側コンデンサＣ１，Ｃ２の容量値が大きなほど最大出力電力が大きく、その容量値が大きなほど共振周波数（極値の周波数）が低いことがわかる。また、発振周波数の制御により出力電圧、出力電力が制御でき（図６（Ｂ）（Ｃ）参照）、最大出力電力は４．８３〔Ｗ〕で、最大効率が６４〔％〕となる。

次に、このような構成からなる実施形態の動作について、図１および図４を参照して説明する。
この実施形態では、２次電池９の充電時には、充電制御回路８３がトランジスタＱ１をオンにする。この充電時には、電流検出器８１が電流検出用抵抗ＲＳの両端に発生する電圧に基づいて２次電池９の充電電流を検出し、電圧検出器８２がその充電電圧を検出する。
このように、２次電池９の充電期間に検出する充電電圧（電池電圧）及びそれに対応する充電電流の経時的な変化の一例を示すと、図４に示すようになる。

すなわち、図４によれば、充電電圧は、充電開始時には例えば３．３Ｖであり、充電の進行に伴って３．６Ｖ、４．０Ｖ、・・・・４．２Ｖと増加していく。一方、充電電流は、充電開始時には例えば０．５Ａであり、充電の進行に伴って０．５Ａ、０．３Ａ、・・・・０．１Ａと減少していく。その充電電圧とそれに対応する充電電流とに基づいて２次電池９に供給される電力を求めると、図４に示すようになる。

図４からわかるように、充電期間中に２次電池９に供給すべき電力は、その充電期間の全期間にわたって一定ではないので、その充電の進行状況に応じて２次電池９に供給する電力量が適正となるようにするのが望ましい。
一方、この実施形態では、上記のように送電装置５の発振回路５１の発振周波数を変化させると、受電装置７から出力される出力電圧および出力電流、すなわち出力電力を増減（変化）できるという性質がある（図６（Ｃ）参照）。

そこで、この実施形態では、２次電池９の充電時に、充電制御装置８がその充電の進行状況を監視し、その充電の進行状況に応じて２次電池９に対する供給電力量が適正となるように、送電装置５の発振回路５１の発振周波数を変更させる制御を行うようにした。
すなわち、２次電池９の充電時には、充電制御回路８３は、電流検出器８１が検出する充電電流と電圧検出器８２が検出する充電電圧をそれぞれ監視する。

そして、充電の開始時には、図４によれば、２次電池９の充電電圧が３．３Ｖ、その充電電流が０．５Ａである。この場合には、送電装置５の発振回路５１の発振周波数をｆ１に設定すると、受電装置７が２次電池９に対してその充電電圧と充電電流を供給できることが予めわかっている。そこで、充電制御回路８３は、発振回路５１の発振周波数がｆ１になるような充電制御信号を出力する。

充電制御回路８３から充電制御信号が出力されと、共振回路８４ではその充電制御信号に基づいて所定の交流信号が生成される。その交流信号は、補助トランス８５を介して周波数制御回路８６に伝送される。
周波数制御回路８６は、その交流信号を受け取ると、それに基づいて発振回路５１の発振周波数をｆ１に制御する周波数制御信号を生成する。この結果、発振回路５１は、発振周波数がｆ１に変更される。この発振回路５１の発振周波数の変更により、受電装置７の出力が変更されて、２次電池９には無駄のない適正な充電電力が供給される。

このように、電流検出器８１が検出する充電電流および電圧検出器８２が検出する充電電圧と、これに対応する送電装置５の発振回路５１の発振周波数は、ｆ２、ｆ３・・・・ｆｎと予めわかっている。そこで、充電制御回路８３は、発振回路５１の発振周波数が、ｆ２、ｆ３・・・・ｆｎになるような充電制御信号をその検出のタイミング毎に出力する。
周波数制御回路８６は、その充電制御信号を受け取ると、そのたびに発振回路５１の発振周波数をｆ２、ｆ３・・・・ｆｎに制御する周波数制御信号をそれぞれ生成する。この結果、発振回路５１は、発振周波数がｆ２、ｆ３・・・・ｆｎと順次変更（順次可変）される。この発振回路５１の発振周波数の変更により、受電装置７の出力が順次変更されて、２次電池９には充電の進行状況に応じた適正な充電電力が供給される。

その後、電流検出器８１の検出する充電電流と電圧検出器８２の検出する検出電圧とがそれぞれ所定値になると、充電制御回路８３は、充電が終了したものと判断してトランジスタＱ１をオフにする。これにより、２次電池９の充電が終了する。
以上説明したように、この実施形態によれば、２次電池の充電動作の際に、充電の進行状況に応じて２次電池に適正な充電電力を供給するようにした。このため、受電装置の定電圧回路を省略することができ、これにより受電装置の構成部品の削減とその無駄な電力損失の低減化を図ることができる。

本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。図１のトランスの１次および２次コイルの構成例を説明する平面図である。図１のドライバ回路の具体的な回路図であり、その制御回路を含んでいる。図１の２次電池における充電電圧とそれに対応する充電電流の関係などの一例を示す図である。従来装置の構成を示すブロック図である。実施形態において、１次側の発振周波数と、効率、出力電圧、および出力電力の関係を示す試験結果の一例である。

符号の説明

５、５Ａは送電装置、６はトランス、７は受電装置、８は充電制御装置、９は２次電池、５１は発振回路、６１は１次コイル、６２は２次コイル、７１は出力整流回路、８１は電流検出器、８２は電圧検出器、８３は充電制御回路、８４は共振回路、８５は補助トランス、８６は周波数制御回路である。

Claims

交流を生成するとともに、その生成する交流の周波数が可変自在な送電装置と、
前記送電装置の出力が印加される平面状の１次コイルと、この１次コイルに電磁的に結合する平面状の２次コイルとを有し、前記１次コイルと前記２次コイルとが分離自在な変圧器と、
前記２次コイルの出力を受けその出力から直流電圧を生成する受電装置と、
前記受電装置の出力に基づいて充電される２次電池と、
前記２次電池の充電時にその充電の進行状況を監視し、その充電の進行状況に応じて前記送電装置の交流の周波数を所定値に可変させる充電制御装置と、
を備えたことを特徴とする充電システム。
前記送電装置は、発振周波数が可変自在な発振回路を有し、その発振回路の出力に基づいて所定の交流を生成するようになっており、
前記充電制御装置は、
前記２次電池の充電時に、その２次電池に供給される充電電流を検出する電流検出器と、
前記２次電池の充電時に、その２次電池に供給される充電電圧を検出する電圧検出器と、
前記電流検出器の検出電流と前記電圧検出器の検出電圧に応じて、前記発振回路の発振周波数を所定値に変更させる制御回路と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の充電システム。