JP2009044845A

JP2009044845A - 充電装置

Info

Publication number: JP2009044845A
Application number: JP2007206659A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Arata; 英和新; Hirofumi Sugie; 博典杉江
Original assignee: Lecip Corp
Current assignee: Lecip Corp
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2009-02-26

Abstract

【課題】本発明は、充電装置の出力が短絡した際に、充電器回路の部品の損傷を防止するための短絡保護回路を備えた充電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本実施例の充電装置１は、充電器回路４に、電流制限抵抗Ｒ１,Ｒ２と逆流防止ダイオードＤとの間へ短絡から部品の損傷を防ぐための短絡保護回路１０が設けられている。その短絡保護回路１０は、バッテリーＶＴと並列に接続された電圧検出抵抗Ｒ４，Ｒ５の接続点と、その電圧検出抵抗Ｒ４，Ｒ５の接続点にツェナーダイオードＺＤを介して接続されたメイン駆動回路Ｔｒ２と、メイン駆動回路Ｔｒ２が動作を停止することによって電流の制限を行う電流制限駆動回路Ｔｒ１と、電流制限駆動回路Ｔｒ１と並列に接続された短絡保護抵抗Ｒ３とにより構成されているので、充電装置１の出力が短絡した場合の短絡電流を抑制し、充電器回路４の部品の発熱が抑えられ部品の損傷・破壊が発生しなくなる。
【選択図】図２

Description

この発明は、直流電力をバッテリーへ供給して充電を行う充電回路を備えた充電装置に関するものである。

従来の充電装置は、誤動作の防止や回路の保護をする機能を備えた様々な回路構成が提案されてきている。
例えば、均等充電が終了して、浮動充電に切り替ると、検出回路の検出電圧を一時的に下げる手段が設けられている。均等充電が終了して浮動充電に切り替っても大きな検出電圧が電源回路へ供給されず、電源回路の出力電圧が大きく下がることなく、均等タイマ回路は動作状態が保持され、浮動充電状態に必ず移行することになる。均等充電が終了して検出回路の分圧比が浮動充電状態に切り替わると、その分圧比を一時的に低下する誤動作防止回路が設けられている（例えば特許文献１）。
特開２００４−１２０９４７号公報（段落０００６、段落０００７、図１）

しかしながら、図４に示す従来の充電装置１の充電器回路４の構成にあるように、充電器回路４への入力は直流（ＤＣ）電源５であり、充電器回路４の負荷はバッテリーＶＴを示している。図のように従来の充電器回路４では、充電器回路４への入力とバッテリー電圧の電位差(Ｖｉ−Ｖｂａｔ)分の電圧が印加されることで、通常時のバッテリー充電電流：Ｉｂａｔは (Ｖｉ−Ｖｂａｔ−Ｖｆ)／Ｒとなる。しかし、バッテリ異常や工場等での作業ミスにより充電器出力（バッテリー接続端子）を短絡した場合にはバッテリー電圧：Ｖｂａｔ＝０Ｖとなることからバッテリー充電電流：Ｉｂａｔは (Ｖｉ−Ｖｆ)／Ｒとなる。１２Ｖ系バッテリー充電器を想定しＶｉ＝１３．５Ｖ,Ｖｂａｔ＝１２Ｖ，Ｖｆ＝０．７Ｖ,Ｒ＝４Ωとすると、通常時の充電電流がＩｂａｔ＝０．２Ａであるのに対し、短絡時の電流はＩｓ＝３．２Ａとなり通常時の１．６倍の過大な電流が流れることになる。

このように、図４に示す従来使用していた簡易的な充電装置１は、電流制限抵抗（Ｒ１，Ｒ２）及び逆流防止ダイオードＤのみで構成されており、通常時は、充電器入力電圧とバッテリー端子電圧の電位差（逆流防止ダイオードＤの順方向電圧を含む）及び電流制限抵抗（Ｒ１，Ｒ２）の抵抗値で決定される充電電流でバッテリーの充電を行っている。この回路構成の場合には、充電器出力を短絡した場合、電流制限抵抗（Ｒ１，Ｒ２）に充電器入力電圧のほぼ全てが印加され、通常時に比べ過大な短絡電流が流れるため、電流制限抵抗（Ｒ１，Ｒ２）及び逆流防止ダイオードＤが損傷するという問題が発生していた。

そこで、本発明の目的は、バッテリ異常や工場等での作業ミスにより充電装置の出力が短絡した際、充電器回路の部品の損傷を防止するための短絡保護回路を備えた充電装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の充電装置（１）は、直流電力をバッテリー（ＶＴ）へ供給して充電を行う充電回路（４）を備えた充電装置であって、
前記充電回路（４）には、直流電源（５（ＤＣ電源））からの電流を制限する電流制限抵抗（Ｒ１,Ｒ２）と、バッテリー（ＶＴ）の正の端子と直列に接続され電流の逆流を防止する逆流防止ダイオード（Ｄ）と、前記電流制限抵抗（Ｒ１,Ｒ２）と前記逆流防止ダイオード（Ｄ）との間には短絡による部品の損傷を防ぐための短絡保護回路（１０）と、を設け、
当該短絡保護回路（１０）は、前記バッテリー（ＶＴ）と並列に接続された電圧検出抵抗（Ｒ４,Ｒ５）と、当該電圧検出抵抗（Ｒ４,Ｒ５）の接続点にツェナーダイオードＺＤを介して接続されたメイン駆動回路（Ｔｒ２）と、当該メイン駆動回路（Ｔｒ２）が動作を停止することによって電流の流れを制限する電流制限駆動回路（Ｔｒ１）と、当該電流制限駆動回路（Ｔｒ１）と並列に接続された短絡保護抵抗（Ｒ３）と、を備え、
前記メイン駆動回路（Ｔｒ２）が作動する電圧の閾値は、前記バッテリー電圧（ＶＴ）と前記逆流防止ダイオード（Ｄ）の順方向の電圧とを合計した電圧を前記電圧検出抵抗（Ｒ４,Ｒ５）により分圧した電圧であって、前記ツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧以上の電圧値が設定され、前記メイン駆動回路（Ｔｒ２）が作動を停止する電圧の閾値は、前記ツェナー電圧以下になると前記メイン駆動回路（Ｔｒ２）が作動を停止する電圧値が設定され、前記短絡保護抵抗（Ｒ３）の抵抗値を前記電流制限抵抗（Ｒ１,Ｒ２）の抵抗値より大きくしたことを特徴とする。

以上の構成により、通常時には、従来と同様の電流値を流すことができるとともに、充電装置の出力が短絡した場合には、短絡電流を抑制し、充電装置の部品の発熱が抑えられ、部品の損傷・破壊が発生することがない。

請求項２記載の充電装置（１）は、前記電流制限抵抗（Ｒ１,Ｒ２）及び前記電圧検出抵抗（Ｒ４，Ｒ５）の各々を複数の抵抗により構成したことを特徴とする。

以上の構成により、抵抗の定数を変更するという簡単な変更により、様々なバッテリー電圧に対応した充電器回路の短絡保護回路を構成することが可能となった。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を、図１又は図２に基づいて説明する。本実施の形態における充電装置１は、商用の交流電力を受電中はその商用電力を負荷へ供給すると共に充電装置１でバッテリーＶＴに充電し、停電になると、バッテリーＶＴの電力をインバータ出力回路７で昇圧し交流電力に変換し、その交流電力を切替回路８を介して負荷９へ供給する無停電電源装置（ＵＰＳ）に応用した充電装置１の例を以下に挙げて説明する。

図１は、充電装置１を備えたＵＰＳの概要図であり、図２は、充電器回路４にある短絡保護装置１０の概要図である。
図１に示す充電装置１は、商用の交流電源２を電源として電源回路３に入力される。そして電源回路３には、交流を直流に変換して出力するＤＣ電源５が設けられている。そのＤＣ電源５は充電器回路４と接続されており、その充電器回路４はバッテリーＶＴと接続されている。充電器回路４には、制御部６と短絡保護回路１０で構成されている。その制御部６は充電器回路４の制御を行うものである。

次に、本発明の充電装置１の制御部６を除いた充電器回路４の構成を図２に示す。図４の従来の充電装置１にトランジスタ等の電流制御用メイン素子Ｔｒ１、トランジスタ等のメイン素子駆動回路Ｔｒ２、電圧検出抵抗（Ｒ４,Ｒ５）、短絡保護抵抗Ｒ３で構成される短絡保護回路１０を追加した構成である。

詳細には、充電器回路４への入力電源としてのＤＣ電源５の正と接続された電流制限抵抗がＲ１、Ｒ２との２個設けられている。そして、電流制限抵抗（Ｒ１、Ｒ２）は、短絡保護回路１０にある電流制御用メイン素子Ｔｒ１のコレクタと接続されている。電流制御用メイン素子Ｔｒ１のエミッタは、逆流防止ダイオードＤのアノードと接続され、カソードは、バッテリーＶＴの正の端子と接続されている。また、短絡保護抵抗Ｒ３は、電流制御用メイン素子Ｔｒ１のエミッタ−コレクタ間に並列に接続されている。

また、電流制御用メイン素子Ｔｒ１と逆流防止ダイオードＤとの間には、バッテリーＶＴと並列に電圧検出抵抗（Ｒ４,Ｒ５）が接続されている。その電圧検出抵抗（Ｒ４,Ｒ５）同士の接続点には、ツェナーダイオードＺＤのカソードと接続され、そのツェナーダイオードＺＤのアノードにはメイン素子駆動回路Ｔｒ２のベースと接続されている。そして、メイン素子駆動回路Ｔｒ２のエミッタは、ベース抵抗ＢＲを介して電流制御用メイン素子Ｔｒ１のベースに接続されている。また、メイン素子駆動回路Ｔｒ２のコレクタは、ＤＣ電源５の負と接続されている。
（本実施の形態の作用及び効果）

以下、本実施の形態の作用及び効果を図２及び図３に基づいて説明する。図３は、短絡時におけるメイン駆動回路の動作を示す図である。
〔本実施の形態における作用〕
通常時は、充電器出力にバッテリーＶＴが接続されることからＶａ点の電圧はバッテリー電圧と逆流防止ダイオードＤの順方向電圧の合計：Ｖｂａｔ＋Ｖｆとなる。ここで、従来の充電器と同様に１２Ｖ系バッテリー充電器を想定して、Ｖｂａｔ＝１２Ｖ，Ｖｆ＝０．７Ｖとすると、この電圧（Ｖｂａｔ＋Ｖｆ）を電圧検出抵抗（Ｒ４,Ｒ５）で分圧した電圧をＶｂとすると、ＶｂがツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧以上（５Ｖ）となるように電圧検出抵抗（Ｒ４,Ｒ５）の値（例えば、Ｒ４＝３．９ｋΩ,Ｒ５＝６．８ｋΩ）を調整することでツェナーダイオードＺＤ及びメイン素子駆動回路Ｔｒ２が動作（ＯＮ）することになる。

詳しくは、図３にみられる作動を示し、Ｖａ点でのメイン駆動素子（Ｔｒ２）を駆動する電圧の閾値＝（（Ｒ４＋Ｒ５）／Ｒ５）×ツェナー電圧（５Ｖ）で求められ、Ｖａ点でのメイン駆動素子（Ｔｒ２）を駆動する電圧の閾値＝（（３．９＋６．８）／６．８）×ツェナー電圧（５Ｖ）＝約８Ｖ以上でメイン駆動素子（Ｔｒ２）が駆動することになる。そして、Ｖａ点の電圧が、Ｖｂａｔ＋Ｖｆ＝１２．７Ｖとなり、８Ｖ以上であるためメイン素子駆動回路Ｔｒ２が動作（ＯＮ）する。そして、メイン素子駆動回路Ｔｒ２がＯＮすることでメイン素子ベース抵抗ＢＲを介して電流制御用メイン素子Ｔｒ１のベース電流が流れることから電流制御用メイン素子Ｔｒ１が動作（ＯＮ）する。

この時、電流制御用メイン素子Ｔｒ１のコレクタ−エミッタ間の飽和電圧を約０Ｖとすると、短絡保護抵抗Ｒ３には電流が流れないことから通常時のバッテリー充電電流：Ｉｂａｔは従来の充電器回路４と同様に (Ｖｉ−Ｖｂａｔ−Ｖｆ）／Ｒで表される。即ち、通常時においては、従来と同様の電流値を流す事が可能となるのである。

短絡時については、充電器回路４の出力（バッテリー接続端子）の電圧が０Ｖになることから、Ｖａ点の電圧はダイオード順方向電圧:Ｖｆ＝０．７Ｖ程度となり、メイン素子駆動回路Ｔｒ２が動作（ＯＦＦ）する閾値である８Ｖを下回ることになる。この時、Ｖｂ点の電圧も低下してツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧（５Ｖ）を下回ることになるから、ツェナーダイオードＺＤ及びメイン素子駆動回路Ｔｒ２が停止（ＯＦＦ）し、これに伴い電流制御用メイン素子Ｔｒ１も停止（ＯＦＦ）する。

この状態で充電器短絡電流は電流制限抵抗（Ｒ１，Ｒ２）及び短絡保護抵抗Ｒ３を経由して流れることになるため、充電器短絡電流：Ｉｓは(Ｖｉ−Ｖｆ）／（Ｒ＋Ｒｓ）で示される。短絡保護抵抗Ｒ３の抵抗値を電流制限抵抗（Ｒ１，Ｒ２）の抵抗値より十分大きくすることで短絡電流を低減させることができる。従来の充電器と同様に１２Ｖ系バッテリー充電器を想定しＶｉ＝１３．５Ｖ，Ｖｂａｔ＝１２Ｖ，Ｖｆ＝０．７Ｖ，Ｒ＝４Ω，Ｒｓ＝４７０Ωとすると、通常時の充電電流がＩｂａｔ＝０．２Ａであるのに対し、短絡時の電流はＩｓ＝０．０３Ａとなり通常時の１／１０程度の電流に抑えることができ充電器回路４の保護が可能となる。
〔本実施の形態における効果〕

（１）本発明は、電流制限抵抗（Ｒ１、Ｒ２）と逆流防止ダイオードＤで構成された充電器回路４に、電流制御用メイン素子Ｔｒ１と、電圧検出抵抗（Ｒ４,Ｒ５）と、短絡保護抵抗Ｒ３とで構成した短絡保護回路１０を追加することで、充電器回路４の出力が短絡した場合の短絡電流を抑制し、充電器回路４の部品の発熱が抑えられ部品の損傷・破壊が発生しなくなる。

（２）本発明は、１０個程度の少ない部品でもって短絡保護が可能となる。
（３）本発明は、電圧検出抵抗（Ｒ４,Ｒ５）及び電流制限抵抗（Ｒ１、Ｒ２）の各々に複数の抵抗が設けられているため、抵抗の定数を変更するという簡単な変更により、様々なバッテリー電圧に対応した充電器回路４の短絡保護回路１０を構成することが可能である。また、電圧検出抵抗（Ｒ４,Ｒ５）及び電流制限抵抗（Ｒ１、Ｒ２）の各々に複数の抵抗が設けられているため、抵抗値の組み合わせが可能となり、抵抗値を自由に調整することができるようになった。
（他の実施形態への変更例）

以上説明した実施形態を他の実施形態へ変更した例を以下に示す。
・短絡保護回路１０の部品定数を変更することで、１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖなど様々なバッテリー電圧に対応した短絡保護回路１０の機能を備えた充電器回路４を構成することが可能である。

・本発明では、充電装置１を備えた無停電電源装置に応用したが、ニッケル電池等の充電器に応用してもよく、また、充電式のフォークリフト等に採用されている鉛蓄電池における充電装置１に適用するものであっても良い。

充電装置を備えた無停電電源装置の概要図。充電装置の短絡保護回路の概要図。短絡時におけるメイン駆動回路の動作を示す図。従来の充電装置の短絡保護回路の概要図。

符号の説明

１・・・充電装置、２・・・交流電源、３・・・電源回路、４・・・充電器回路、
５・・・ＤＣ電源、６・・・制御部、７・・・インバーター出力回路、
８・・・切替回路、９・・・負荷、１０・・・短絡保護回路、
Ｒ１,Ｒ２・・・電流制限抵抗、Ｄ・・・逆流防止ダイオード、ＶＴ・・・バッテリー、Ｒ３・・・短絡保護抵抗、Ｒ４，Ｒ５・・・電圧検出抵抗、
ＺＤ・・・ツェナーダイオード、ＢＲ・・・ベース抵抗、
Ｔｒ１・・・電流制限用メイン素子、Ｔｒ２・・・メイン素子駆動回路。

Claims

直流電力をバッテリーへ供給して充電を行う充電回路を備えた充電装置であって、
前記充電回路には、直流電源からの電流を制限する電流制限抵抗と、バッテリーの正の端子と直列に接続され電流の逆流を防止する逆流防止ダイオードと、前記電流制限抵抗と前記逆流防止ダイオードとの間には短絡による部品の損傷を防ぐための短絡保護回路と、を設け、
当該短絡保護回路は、前記バッテリーと並列に接続された電圧検出抵抗と、当該電圧検出抵抗の接続点にツェナーダイオードを介して接続されたメイン駆動回路と、当該メイン駆動回路が動作を停止することによって電流の流れを制限する電流制限駆動回路と、当該電流制限駆動回路と並列に接続された短絡保護抵抗と、を備え、
前記メイン駆動回路が作動する電圧の閾値は、前記バッテリー電圧と前記逆流防止ダイオードの順方向の電圧とを合計した電圧を前記電圧検出抵抗により分圧した電圧であって、前記ツェナーダイオードのツェナー電圧以上の電圧値が設定され、
前記メイン駆動回路が作動を停止する電圧の閾値は、前記ツェナー電圧以下になると前記メイン駆動回路が作動を停止する電圧値が設定され、
前記短絡保護抵抗の抵抗値を前記電流制限抵抗の抵抗値より大きくしたことを特徴とする充電装置。
前記電流制限抵抗及び前記電圧検出抵抗の各々を複数の抵抗により構成したことを特徴とする請求項１に記載の充電装置。