JP2008187767A - 充電器 - Google Patents

Abstract

【課題】全体の回路構成を簡単にしながら電池の装着を電気的に検出する。電池を装着しない無負荷状態における無駄な電力消費を著しく少なくする。
【解決手段】充電器は、入力電力を、電池１０を充電する直流電圧に変換するスイッチング電源１と、このスイッチング電源１の出力電圧を制御する電圧調整回路２と、スイッチング電源１の出力側に接続されて、スイッチング電源１の出力電圧を、電池１０を検出するパルス電圧に変換するスイッチング素子３と、このスイッチング素子３から出力されるパルス電圧を電池１０の接続端子８に供給して、電池１０の有無を検出すると共に、電池１０を充電しない無負荷状態においては、電圧調整回路２を介してパルス電圧の”Ｌｏｗ”のタイミングに同期して、スイッチング電源１の出力電圧を低電圧状態とし、電池１０の充電状態においてはスイッチング電源１の出力電圧を高電圧状態に保持する制御回路４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池の充電器に関し、とくに電池を装着しない状態における消費電力を減少する充電器に関する。

充電器は、電池をセットしない状態での消費電力をいかに小さくできるかが大切である。この状態における消費電力が全く有効に利用されないからである。電池をセットしない状態で充電器の無駄な電力消費を削減するには、電池のセットを物理的に検出するスイッチを設けて実現できる。（特許文献１参照）

特許文献１の充電器は、電池がセットされて、スイッチのプランジャーが押される状態で充電電圧を出力し、スイッチのプランジャーが電池に押されない状態、いいかえると電池がセットされない状態では、電源スイッチをオフに切り換えて、電池を充電しない状態での電力消費を０にできる。ただ、このことを実現する充電器は、電池のセットを物理的に検出するスイッチを設ける必要があって、部品コストが高くなる。また、物理的な可動部分のあるスイッチは電子回路に比較して寿命が短く、スイッチが故障すると、電池を正常に充電できない状態となり、あるいは電池がセットされて正常に充電できない等の弊害がある。

この欠点を解消するために、電池が接続されていない無負荷状態を電気的に検出して、無負荷状態においてスイッチング電源の出力電圧を大幅に下げて、消費電力を下げる充電器が開発されている。（特許文献２参照）

特許文献２の充電器は、無負荷状態でスイッチング電源の出力電圧を大幅に低下させるので、電池が装着されたことを検出するために、電池側に専用の回路を設ける必要がある。特許文献２の充電器は、電池の正負端子に加えて抵抗を介して電池の負極側に接続する検出端子を設けている。この検出端子と電池の負極端子との電気抵抗の変化から無負荷状態と電池が装着された状態を判別している。したがって、この充電器は、電池側に専用の回路を設ける必要があって回路構成が複雑になる。また、専用の端子が接触不良を起こすと電池の装着状態を判別できなくなって、電池を正常に充電できなくなる欠点がある。
特開２００２−１９９６１２号公報 特開２００６−２０４３７号公報

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、全体の回路構成を簡単にしながら電池の装着を電気的に検出でき、さらに電池を装着しない無負荷状態における無駄な電力消費を著しく少なくできる充電器を提供することにある。

本発明の充電器は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
充電器は、入力電力を、電池１０を充電する直流電圧に変換するスイッチング電源１と、このスイッチング電源１の出力電圧を制御する電圧調整回路２と、スイッチング電源１の出力側に接続されて、スイッチング電源１の出力電圧を、電池１０を検出するパルス電圧に変換するスイッチング素子３と、このスイッチング素子３から出力されるパルス電圧を電池１０の接続端子８に供給して、電池１０の有無を検出すると共に、電池１０を充電しない無負荷状態においては、電圧調整回路２を介してパルス電圧の”Ｌｏｗ”のタイミングに同期して、スイッチング電源１の出力電圧を低電圧状態とし、電池１０の充電状態においてはスイッチング電源１の出力電圧を高電圧状態に保持する制御回路４を備える。

本発明の請求項２の充電器は、請求項１の構成に加えて、スイッチング電源１から制御回路４に電源電力を供給しており、スイッチング電源１の低電圧状態を、制御回路４を動作させる電圧としている。

本発明の請求項３の充電器は、請求項１の構成に加えて、スイッチング電源１の出力側に、電池１０を充電する電圧と電流のいずれか又は両方を制御する充電制御回路５を接続している。さらに、この充電器は、スイッチング電源１が低電圧状態において、この充電制御回路５の電力供給を遮断する電源スイッチ回路６を備える。

本発明の請求項４の充電器は、請求項３の構成に加えて、リチウムイオン二次電池１０Ａの充電器としており、充電制御回路５を定電圧・定電流回路としている。

本発明の請求項５の充電器は、請求項１の構成に加えて、スイッチング素子３を、電池１０の充電を制御する充電スイッチ７に併用している。

さらに、本発明の請求項６の充電器は、請求項１の構成に加えて、パルス電圧の”Ｈｉｇｈ”の時間幅を高電圧状態の時間幅よりも短く設定している。

本発明の充電器は、全体の回路構成を簡単にして電池が装着されたかどうかを電気的に判定できる。それは、電池の接続端子にパルス電圧を出力して、電池が装着されたかどうかを判定するからである。パルス電圧は、電池が装着されない無負荷状態にあっては、パルス電圧の”Ｈｉｇｈ”と”Ｌｏｗ”の電圧となり、電池が装着されると”Ｈｉｇｈ”の電圧が低下し、あるいは”Ｌｏｗ”の電圧が電池電圧まで上昇する。したがって、出力されるパルス電圧”のＨｉｇｈ”と”Ｌｏｗ”の電圧変化を検出して電池が装着されたことを電気的に検出できる。電池の装着を電気的に検出するので、電池の装着を物理的に検出するスイッチなどを設ける必要がなく、部品コストを低減できる。また、電池の装着を電気的に検出するので、スイッチ等に比較して信頼性が高く、電池の装着を確実に検出できる。また、電池が装着されない無負荷状態においては、パルス電圧の”Ｌｏｗ”に同期してスイッチング電源の出力電圧を低電圧状態とするので、この状態における無駄な電力消費を削減できる。ちなみに、本発明の技術を利用することで、電池を装着しない状態での充電器の無駄な消費電力を８００ｍＷから２８０ｍＷと半分以下に減少できる。

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器を例示するものであって、本発明は充電器を以下のものに特定しない。

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。

図１のブロック図に示す充電器は、入力電力である商用電源９を電池１０の充電に適した直流電圧に変換するスイッチング電源１と、このスイッチング電源１の出力電圧を制御する電圧調整回路２と、スイッチング電源１の出力側に接続されて、スイッチング電源１の出力電圧を、電池１０を検出するパルス電圧に変換するスイッチング素子３と、このスイッチング素子３から出力されるパルス電圧を電池１０の接続端子８に供給して、電池１０の有無を検出すると共に、電池１０を充電しない無負荷状態においては、電圧調整回路２を介してパルス電圧のオフタイミングに同期して、スイッチング電源１の出力電圧を低電圧状態とし、電池１０の充電状態においては、スイッチング電源１の出力電圧を高電圧状態に保持する制御回路４を備える。

スイッチング電源１は、商用電源９の交流（日本においては１００Ｖの交流）を電池１０の出力電圧の直流に変換する。スイッチング電源１は、図示しないが、交流をダイオードブリッジと平滑回路で直流に変換し、この直流を半導体スイッチを介してスイッチングトランスの一次側に供給する。スイッチングトランスは、二次側に電池１０を充電する交流電圧又は脈流を出力する。交流電圧又は脈流は、ダイオードと電解コンデンサからなる平滑回路で直流に変換されて直流出力となる。スイッチング電源１は、半導体スイッチを所定の周期でオンオフに切り換えるが、オフに対するオン時間、いいかえると半導体スイッチをスイッチングするデューティーを変更して、スイッチングトランスの二次側の出力電圧を調整できる。図１の充電器は、フォトカップラー等の絶縁型信号伝送器１１を介して、スイッチング電源１の出力電圧を電圧調整回路２で制御している。スイッチング電源１は、電圧調整回路２から入力される制御信号で、出力電圧を低電圧状態と高電圧状態に切り換える。充電器に電池１０がセットされて電池１０を充電するとき、スイッチング電源１の出力電圧は高電圧状態に保持される。充電器に電池１０がセットされず、スイッチング電源１が無負荷状態となるとき、スイッチング電源１は、電圧調整回路２から入力される制御信号で出力電圧を高電圧状態と低電圧状態に切り換える。

図の充電器は、３個のリチウムイオン二次電池１０Ａを直列に接続しているパック電池を充電する。この充電器は、スイッチング電源１の高電圧状態の出力電圧を１５Ｖ、低電圧状態の出力電圧を約３〜１０Ｖ（制御回路４であれば、約３．３Ｖで駆動できるが、他の周辺回路（図示せず）がある場合は、約３．３Ｖ以上の電圧とすることもできる。）とする。低電圧状態の出力電圧は、定電圧ＩＣ１７にて安定化され、制御回路４を動作できる最低電圧に決定している。低電圧状態の出力電圧を低くして、電池１０を装着しない状態での無駄な消費電力を少なくできるが、この状態にあっても電池１０が装着されたかどうかを判定する必要がある。したがって、電池１０の装着を検出する制御回路４をスイッチング電源１の出力で動作させる充電器にあっては、スイッチング電源１の低電圧状態の電圧を、制御回路４を動作できる電圧とする。ただし、制御回路４は、必ずしもスイッチング電源１の出力で動作させる必要はなく、たとえば、スイッチング電源とは別に専用の電源回路を設けて、この電源回路から制御回路に動作電圧を供給することもできる。この充電器にあっては、スイッチング電源の低電圧状態における出力電圧を０Ｖまで、あるいは０Ｖ近くまで低くできる。

電圧調整回路２は、制御回路４から入力される信号で、スイッチング電源１の出力電圧を制御する制御信号をスイッチング電源１に出力する。図２の電圧調整回路２は、コンパレータ１２を備え、このコンパレータ１２の出力側に絶縁型信号伝送器１１であるフォトカップラーを接続している。コンパレータ１２は、一方の入力側に第１の分圧抵抗１３を介してスイッチング電源１の出力電圧を分圧して入力し、他方の入力側には基準電圧を入力している。この電圧調整回路２は、基準電圧を変更して、スイッチング電源１の電圧を変更する。基準電圧は、定電圧ＩＣ１７から出力される電圧を、第２の分圧抵抗１４で分圧して入力している。第２の分圧抵抗１４は、アース側抵抗１４Ａと並列に、電圧低下抵抗１５に制御スイッチ１６を直列に接続している直列回路を並列に接続している。制御スイッチ１６は、制御回路４でオンオフに切り換えられて、コンパレータ１２に入力される基準電圧を変更する。制御回路４が制御スイッチ１６をオンにすると、電圧低下抵抗１５は第２の分圧抵抗１４のアース側抵抗１４Ａと並列に接続される。この状態になると、第２の分圧抵抗１４は、分圧比を大きくして、定電圧ＩＣ１７から出力される電圧をより低くして、コンパレータ１２に入力する基準電圧を低下させる。制御スイッチ１６がオフになると、電圧低下抵抗１５は第２の分圧抵抗１４のアース側抵抗１４Ａと並列に接続されず、コンパレータ１２の基準電圧は高くなる。電圧調整回路２は、スイッチング電源１の出力電圧がコンパレータ１２の基準電圧に対応する電圧となるように、絶縁型信号伝送器１１を介して、制御信号をスイッチング電源１に出力する。コンパレータ１２の基準電圧が高くなると、スイッチング電源１の出力電圧は高電圧状態となり、コンパレータ１２の基準電圧が低くなると、スイッチング電源１の出力電圧は低電圧状態となる。

スイッチング素子３は、制御回路４に制御されて所定の周期でオンオフに切り換えられて、スイッチング電源１の直流出力をパルス電圧とする。パルス電圧は、スイッチング素子３をオンとする状態で”Ｈｉｇｈ”、スイッチング素子３をオフとする状態で”Ｌｏｗ”となる。図１の充電器は、スイッチング素子３を、電池１０の充電を制御する充電スイッチ７に併用する。このスイッチング素子３は、電池１０を充電するときにオン、電池１０が満充電されるとオフに切り換えられて、電池１０の充電を停止する。

制御回路４は、接続端子８に出力されるパルス電圧でもって、電池１０が装着されたかどうかを判別する。接続端子８に電池１０が接続されると、パルス電圧が”Ｈｉｇｈ”（約１２．６Ｖ）の状態では、パルス電圧の”Ｈｉｇｈ”は電池電圧まで低下し、パルス電圧が”Ｌｏｗ”（約０Ｖ）の状態では、パルス電圧の”Ｌｏｗ”は電池電圧まで上昇する。接続端子に接続される電池が、保護回路を内蔵するパック電池であって、この放電回路のスイッチがオフに切り換えられる状態にあることがある。たとえば、電池の残容量が少なく過放電される状態にあるパック電池は、放電スイッチ（ＦＥＴ）をオフに切り換えている。この電池が接続端子に接続されると、放電はできないが充電（充電用ＦＥＴスイッチはオン状態）は可能であるから、パルス電圧が”Ｈｉｇｈ”の状態では、パルス電圧の”Ｈｉｇｈ”が電池電圧まで低下し、パルス電圧が”Ｌｏｗ”の状態では、放電できないことからパルス電圧の”Ｌｏｗ”の状態に保持される。したがって、制御回路４は、パルス電圧の”Ｈｉｇｈ”が電池電圧まで低下したことを検出して、電池１０が装着されたと判定する。また、電池が満充電されて充電スイッチ（充電用ＦＥＴスイッチ）をオフとするパック電池が接続端子に接続されると、パルス電圧が”Ｈｉｇｈ”の状態では、パルス電圧の”Ｈｉｇｈ”は電圧が変化せず、パルス電圧が”Ｌｏｗ”の状態では、パルス電圧の”Ｌｏｗ”は電池電圧まで上昇する。したがって、制御回路４は、パルス電圧の”Ｌｏｗ”が電圧上昇したことを検出して電池１０の装着を判別する。制御回路４は、電池１０が装着されたことを検出すると、スイッチング電源１の出力電圧を高電圧状態とし、さらにスイッチング素子３をオンに保持して、電池１０を充電する。制御回路４は、電池１０が装着されないことを検出すると、スイッチング素子３をオンオフに切り換えてパルス電圧を出力する状態とし、さらに電圧調整回路２を介してスイッチング電源１を制御して、スイッチング電源１の出力電圧をパルス電圧に同期して、高電圧状態と低電圧状態に切り換える（図３参照）。

制御回路４は、スイッチング電源１の低電圧状態にあっても動作状態に保持される。図１の充電器は、スイッチング電源１の出力に定電圧ＩＣ１７を接続し、この定電圧ＩＣ１７から制御回路４に電源電力を供給している。定電圧ＩＣ１７の出力電圧は、制御回路４を動作できる最適電圧に設定している。たとえば、３個のリチウムイオン二次電池を直流に接続するパック電池の充電器にあっては、スイッチング電源１の高電圧状態を１５Ｖ、低電圧状態の出力電圧を約３〜１０Ｖとして、低電圧状態においても、定電圧ＩＣ１７から制御回路４を動作できる電圧を供給する。この定電圧ＩＣ１７は、電圧調整回路２のコンパレータ１２に、電源電力と基準電圧を供給している。

さらに、図１の充電器は、スイッチング電源１の出力側に、充電制御回路５を接続している。充電制御回路５は、リチウムイオン二次電池を充電する充電器にあっては、定電圧・定電流回路である。ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池を充電する充電器にあっては、定電流回路である。したがって、この充電制御回路５は、充電する電池によって、電池を充電する電圧と電流のいずれか又は両方を制御する回路となる。充電制御回路５は、無負荷状態での無駄な消費電力を阻止するために、スイッチング回路１が低電圧状態において、この充電制御回路５の電力供給を遮断する電源スイッチ回路６を備える。電源スイッチ回路６は、制御回路４でオンオフに制御される。電源スイッチ回路６は、電池１０が装着されない状態で、スイッチング電源１の出力を低電圧状態とするタイミングでオフに切り換えられる。このタイミングで充電制御回路５は動作する必要がなく、無駄な電力消費を皆無にできる。図１の充電制御回路５は、制御ＩＣ１８と、この制御ＩＣ１８で制御される充電スイッチ７である制御ＦＥＴ１９を備える。制御ＩＣ１８の電源回路は、電源スイッチ回路６を介してスイッチング電源１の出力に接続される。電源スイッチ回路６がオフになると、制御ＩＣ１８は動作しない。電源スイッチ回路６がオンになると、制御ＩＣ１８は動作して、制御ＦＥＴ１９を制御できる状態とする。

図１の充電器は、以下の動作をして電池１０を充電し、電池１０が装着されない状態では無駄な電力を消費しない状態にコントロールされる。
［電池が装着される状態］
電池１０が装着されると、制御回路４が接続端子８の電圧を検出して電池１０が装着されたことを検出する。電池１０が装着されると、接続端子８の電圧が電池電圧となるので、制御回路４は、接続端子８の電圧から電池１０が装着されたことを検出する。放電電流を遮断する保護回路を備えるパック電池がセットされると、接続端子に電圧を供給する状態で電池電圧が検出されるので、この電池電圧を検出して電池が装着されたことを判定できる。また、充電電流を遮断する保護回路を備えるパック電池がセットされると、接続端子に電圧を供給しない状態で電池電圧が検出されるので、この電池電圧を検出して電池の装着を検出できる。ただ、充電電流を遮断する保護回路を備えるパック電池は、さらに充電すると過充電するので、電池の装着が検出されて充電を開始しても、充電制御回路５が充電電流を遮断し、あるいは制御回路４が電池１０の満充電を検出して充電スイッチ７をオフとして電池１０を充電しない。

［電池が装着されない状態］
制御回路４が、接続端子８の電圧から電池１０が装着されない、無負荷状態を検出する。この状態を検出した制御回路４は、スイッチング素子３を所定の周期でオンオフに切り換えて、接続端子８に供給する電圧をパルス電圧とする。さらに、制御回路４は、電圧調整回路２を介してスイッチング電源１を制御して、パルス電圧の”Ｌｏｗ”のタイミングに同期して、スイッチング電源１の出力電圧を低電圧状態とする。図３は、電池１０が装着されない状態で、接続端子８に供給されるパルス電圧と、スイッチング電源１を高電圧状態と低電圧状態とに切り換えるタイミングを示している。この図は、スイッチング電源１が出力電圧を高電圧状態とする時間を約５０ｍｓｅｃ（約３０〜１５０ｍｓｅｃで可能）とし、出力電圧を低電圧状態とする時間を約４５０ｍｓｅｃ（約３００〜１０００ｍｓｅｃで可能）として、高電圧状態と低電圧状態を約５００ｍｓｅｃの周期で切り換える状態を示している。この図に示すように、本発明の充電器は、スイッチング電源１の出力電圧を高電圧状態と低電圧状態とに切り換えることで、電池が装着されない無負荷状態における無駄な電力消費を削減できる。さらに、充電器は、スイッチング電源１を高電圧状態と低電圧状態とに切り換えるデューティーを調整して、電池が装着されない無負荷状態における充電器の消費電力を最適値に調整できる。

さらに、図３に示すタイミングで制御する充電器は、パルス電圧の”Ｈｉｇｈ”の時間幅を、スイッチング電源１の出力電圧を高電圧状態とする時間幅よりも短く設定している。パルス電圧とスイッチング電源１の出力電圧をこのタイミングで制御するには、電池１０が装着されない状態で、制御回路４がスイッチング素子３をオフに切り換えた後、所定の時間経過して、スイッチング電源１の出力電圧を低電圧状態とするように制御して実現できる。この図に示すように、本発明の充電器は、パルス電圧を”Ｈｉｇｈ”と”Ｌｏｗ”に切り換えるタイミングと、スイッチング電源１を高電圧状態と低電圧状態に切り換えるタイミングを必ずしも完全に一致させる必要はない。パルス電圧の”Ｌｏｗ”の時間帯の全体あるいは一部の時間帯に、スイッチング電源１の出力電圧を低電圧状態として電力消費を少なくできるからである。

本発明の一実施例にかかる充電器のブロック図である。 電圧調整回路の一例を示すブロック図である。 接続端子に供給されるパルス電圧とスイッチング電源の出力電圧を切り換えるタイミングを示す図である。

符号の説明

１…スイッチング電源
２…電圧調整回路
３…スイッチング素子
４…制御回路
５…充電制御回路
６…電源スイッチ回路
７…充電スイッチ
８…接続端子
９…商用電源
１０…電池 １０Ａ…リチウムイオン二次電池
１１…絶縁型信号伝送器
１２…コンパレータ
１３…第１の分圧抵抗
１４…第２の分圧抵抗 １４Ａ…アース側抵抗
１５…電圧低下抵抗
１６…制御スイッチ
１７…定電圧ＩＣ
１８…制御ＩＣ
１９…制御ＦＥＴ

Claims (6)

1. 入力電力を電池(10)を充電する直流電圧に変換するスイッチング電源(1)と、このスイッチング電源(1)の出力電圧を制御する電圧調整回路(2)と、前記スイッチング電源(1)の出力側に接続されて、スイッチング電源(1)の出力電圧を、電池(10)を検出するパルス電圧に変換するスイッチング素子(3)と、このスイッチング素子(3)から出力されるパルス電圧を電池(10)の接続端子(8)に供給して、電池(10)の有無を検出すると共に、電池(10)を充電しない無負荷状態においては、電圧調整回路(2)を介してパルス電圧の”Ｌｏｗ”のタイミングに同期して、スイッチング電源(1)の出力電圧を低電圧状態とし、電池(10)の充電状態においてはスイッチング電源(1)の出力電圧を高電圧状態に保持する制御回路(4)を備える充電器。
2. スイッチング電源(1)が制御回路(4)に電源電力を供給しており、さらにスイッチング電源(1)の低電圧状態が制御回路(4)を動作させる電圧である請求項１に記載される充電器。
3. スイッチング電源(1)の出力側に電池(10)を充電する電圧と電流のいずれか又は両方を制御する充電制御回路(5)を接続しており、スイッチング回路(1)が低電圧状態において、この充電制御回路(5)の電力供給を遮断する電源スイッチ回路(6)を備える請求項１に記載される充電器。
4. リチウムイオン二次電池(10A)の充電器であって、充電制御回路(5)が定電圧・定電流回路である請求項３に記載される充電器。
5. スイッチング素子(3)が電池(10)の充電を制御する充電スイッチ(7)に併用される請求項１に記載される充電器。
6. パルス電圧の”Ｈｉｇｈ”の時間幅を高電圧状態の時間幅よりも短く設定している請求項１に記載される充電器。

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