JP2010022133A

JP2010022133A - 充電装置

Info

Publication number: JP2010022133A
Application number: JP2008180271A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Otsuka; 啓右大塚
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2008-07-10
Filing date: 2008-07-10
Publication date: 2010-01-28

Abstract

【課題】本発明の目的は、ダイナモの出力電圧にかかわらず、電気二重層コンデンサをほぼ定格で充電できる充電装置を提供することにある。
【解決手段】充電装置１０は、ダイナモ１２、電気二重層コンデンサ１４、整流回路１６、およびスイッチＡ１，Ｓ２とを備える。スイッチＳ１，Ｓ２の切り替えによって、整流回路１６は、倍電圧整流回路１６ａ、全波整流回路１６ｂ、または半波整流回路１６ｃに切り替えられる。自転車の走行速度が、定格発電される速度では全波整流回路１６ａが選択される。その速度よりも低速時には倍電圧整流回路１６ｂが選択され、高速時には半波整流回路１６ｃが選択される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイナモで発電された電気エネルギーを充電するための充電装置に関するものである。

自転車に対して電動の自動変速装置が実用化されている。自転車用のダイナモで発電された電気エネルギーが二次電池や電気二重層コンデンサに蓄電される。この蓄電された電気エネルギーを自動変速機の駆動電源として利用する。

ここで、自転車のダイナモはＪＩＳ規格のＪＩＳＣ９５０２で規定されている。この規定の中に、定格電圧、定格出力とともに低速運転特性、高速運転特性などが含まれる。例えば、定格発電電圧は速度１５ｋｍ／ｈで６Ｖであり、低速（速度５ｋｍ／ｈ）で定格発電電圧の４１％、高速（速度３０ｋｍ／ｈ）で定格発電電圧の１３３％までの変動が許容されている。したがって、ダイナモの出力電圧は、２．５Ｖ〜８Ｖまでの変動が許容されていることとなる。

上記のようにダイナモの出力電圧の変動が大きいため、二次電池を使用すると、二次電池の充電回路は定電流充電などがおこなえるように、非常に複雑になる。充電制御をおこなわなければ、二次電池が発火したりする。

そこで、特許文献１のように、二次電池ではなく電気二重層コンデンサを使用する充電装置が開示されている。電気二重層コンデンサも二次電池も充電電圧の最大値が規定されているが、二次電池よりも電気二重層コンデンサの方が発火などの危険性が少ない。

特許文献１は、ダイナモの出力電圧が低いときにも十分な充電電圧を得るために、倍電圧整流回路を用いてダイナモの出力電圧を倍にして電気二重層コンデンサを充電している。

しかし、特許文献１の回路構成では、ダイナモの出力電圧が低いときに対応できるのみである。自転車は走行速度が常に変動し、ダイナモの出力電圧も常に変動する。自転車走行が高速になり、ダイナモの出力電圧が上昇すると、倍電圧整流回路によってさらに高い電圧が電気二重層コンデンサに印加されることとなる。電気二重層コンデンサに定格以上の電圧が印加され、漏れ電流の増加や電解液の電気分解が加速することにより、蓄電性能が劣化する。

特開２００４−４８８９７号公報

本発明の目的は、ダイナモの出力電圧にかかわらず、電気二重層コンデンサをほぼ定格で充電できる充電装置を提供することにある。

本発明の充電装置は、ダイナモと、前記ダイナモで発電された電気エネルギーが充電される電気二重層コンデンサと、前記ダイナモと電気二重層コンデンサとの間に設けられ、複数の整流素子を含む整流回路と、前記整流回路に並列に接続された複数のコンデンサと、前記複数の整流素子と複数のコンデンサの中から使用する整流素子とコンデンサを選択するスイッチとを備える。ダイナモで発電された電気エネルギーは整流回路を介して電気二重層コンデンサに充電される。整流回路には複数の整流素子を備え、そのスイッチによって使用する整流素子を選択し、また、スイッチによって使用するコンデンサを選択する。

前記電気二重層コンデンサの端子電圧を検出し、端子電圧によって前記スイッチの切り替えをおこなう制御部を備える。整流素子の選択をおこなうスイッチは、電気二重層コンデンサの端子電圧によって切り替えられる。

前記整流回路は、倍電圧整流回路、全波整流回路、または半波整流回路に切り替えられる。倍電圧整流回路はダイナモの出力電圧を約２倍にすることができ、全波整流回路はダイナモの出力電圧とほぼ同じに値で整流し、半波整流回路はダイナモの出力電圧を約１／２倍にすることができる。

前記整流回路は、倍電圧整流回路または全波整流回路に切り替えられる。２種類の整流回路の切り替えであってもよい。

前記整流回路は、全波整流回路または半波整流回路に切り替えられる。

本発明の充電装置は、整流回路に備えられる複数の整流素子をスイッチによって選択することにより、種々の整流回路に切り替えることができる。ダイナモの出力電圧に応じて電気二重層コンデンサへの印加電圧を適切な値に変更することができる。

本発明について図面を用いて説明する。本発明は、自転車などのように速度が常に変化する装置に取り付けられる充電装置である。

図１に示す充電装置１０は、ダイナモ１２、電気二重層コンデンサ１４、整流回路１６、およびスイッチＳ１，Ｓ２とを備える。ダイナモ１２は自転車の車輪に取り付けられ、自転車が走行することによって発電する装置である。電気二重層コンデンサ１４は、ダイナモ１２で発電された電気エネルギーが充電されるものである。充電された電気エネルギーを変速機や照明などの負荷１８に供給する。

整流回路１６はダイナモ１２から出力された交流電圧を直流電圧に整流するものである。整流回路１６には、整流をおこなうための複数の整流素子Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を備える。整流素子Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４としては、ダイオードが挙げられる。

整流回路１６の出力側に、整流回路１６に対して並列となるコンデンサＣ１，Ｃ２を備える。このコンデンサＣ１，Ｃ２は平滑をおこなう役目がある。また、後述するように、スイッチＳ１，Ｓ２の切り替えにより、整流回路１６にあわせたコンデンサＣ１，Ｃ２が選択される。

本発明では、複数の整流素子Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を常に全て使用するのではない。２つのスイッチＳ１，Ｓ２の切り替えによって使用される整流素子Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を選択する。整流素子Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の選択によって、後述するような種々の整流をおこなうことができる。

充電装置１０は、スイッチＳ１，Ｓ２の切り替えをおこなうための制御部２０を有する。具体的には、制御部２０は電気二重層コンデンサ１４の端子電圧を検出し、端子電圧によってスイッチＳ１，Ｓ２の切り替えをおこなう回路である。スイッチＳ１，Ｓ２は、機械的に接続を変更するリレーまたは電気的なオン・オフが可能なＦＥＴを使用することができる。制御部２０から信号を送信することによってスイッチＳ１，Ｓ２を切り替える。

スイッチＳ１，Ｓ２の切り替えによって、整流回路１６は、全波整流回路１６ａ（図２（ａ））、倍電圧整流回路１６ｂ（図２（ｂ））、または半波整流回路１６ｃ（図２（ｃ））に切り替えられる。自転車の走行速度が、定格発電される速度では全波整流回路１６ａが選択される。その速度よりも低速時には倍電圧整流回路１６ｂが選択され、高速時には半波整流回路１６ｃが選択される。

ダイナモ１２は交流出力である。図２（ａ）の全波整流回路１６ａの場合、半周期は整流素子Ｄ１、コンデンサＣ１，Ｃ２、整流素子Ｄ２の順で電流Ｉ１が流れる。また、他の半周期は整流素子Ｄ３、コンデンサＣ１，Ｃ２、整流素子Ｄ４の順で電流Ｉ２が流れる。この電流Ｉ１，Ｉ２によってコンデンサＣ１，Ｃ２が充電され、抵抗Ｒを介して電気二重層コンデンサ１４に電流が流れる。いずれの周期においても、コンデンサＣ１とＣ２とが直列接続された状態で充電がされる。したがって、コンデンサＣ１，Ｃ２の出力電圧はダイナモ１２の電圧とほぼ同じになる。

図２（ｂ）の倍電圧整流回路１６ｂの場合、半周期は整流素子Ｄ１、コンデンサＣ１の順で電流Ｉ３が流れる。他の半周期はコンデンサＣ２、整流素子Ｄ２の順で電流Ｉ４が流れる。この電流Ｉ３，Ｉ４によってコンデンサＣ１，Ｃ２が充電され、抵抗Ｒを介して電気二重層コンデンサ１４に電流が流れる。交互にコンデンサＣ１とＣ２が充電されるため、コンデンサＣ１とＣ２の充電電圧を直列接続した状態になり、出力電圧がダイナモ１２の電圧の２倍となる。

図２（ｃ）の半波整流回路１６ｃの場合、半周期ごとに整流素子Ｄ１、コンデンサＣ１の順で電流Ｉ５が流れる。この電流Ｉ５によってコンデンサＣ１が充電され、抵抗Ｒを介して電気二重層コンデンサ１４に電流が流れる。コンデンサＣ２に充電が行われないため、出力電圧はダイナモ１２の電圧の半分となる。

整流回路１６をスイッチＳ１，Ｓ２によって切り替える理由を説明する。自転車が所定の速度Ｂで走行すれば、ダイナモ１２は定格発電される。この場合、全波整流回路１６ａを選択することにより、ダイナモ１２の発電電圧とほぼ同じ直流電圧を電気二重層コンデンサ１４の端子に印加することができる。

次に、自転車が低速Ａで走行する場合、図３に示すようにダイナモ１２の発電電圧が低下する。この場合、倍電圧整流回路１６ｂを選択することにより、ダイナモ１２の発電電圧の約２倍の直流電圧を電気二重層コンデンサ１４の端子に印加することができる（図４）。発電電圧が低下しても、電気二重層コンデンサ１４の端子に印加する電圧を低下させない。

さらに、自転車が高速Ｃで走行する場合、ダイナモ１２の発電電圧が上昇する。この場合、半波整流回路１６ｃを選択することによって、ダイナモ１２の発電電圧の約１／２倍の直流電圧を電気二重層コンデンサ１４に印加することができる。発電電圧が上昇しても、電気二重層コンデンサ１４の端子に高電圧を印加せず、電気二重層コンデンサ１４の劣化を防止できる。

なお、通常の走行から高速走行になったとき、全波整流回路１６ａから半波整流回路１６ｃに切り替えられるまでの極短時間に、高電圧が電気二重層コンデンサ１４に印加される。しかし、極短時間の高電圧印加であれば、電気二重層コンデンサ１４を劣化させることはない。

以上のように、スイッチＳ１，Ｓ２によって３種類の整流回路１６ａ，１６ｂ，１６ｃを選択することにより、電気二重層コンデンサ１４への印加電圧の変動幅を小さくしている。極端な高電圧の印加はなく、また、低電圧によって電気二重層コンデンサ１４の充電に支障が生じることを防止できる。

スイッチＳ１，Ｓ２の切り替えをおこなう端子電圧は、適宜変更可能である。図３であれば、Ａ〜Ｂの間の所定ポイントで、倍電圧整流回路１６ｂと全波整流回路１６ａの切り替えをおこなう。また、Ｂ〜Ｃの間の所定のポイントで、全波整流回路１６ａと半波整流回路１６ｃの切り替えをおこなう。

以上のように、自転車の走行に応じて常にダイナモ１２の発電電圧が変化するが、整流回路１６をスイッチＳ１，Ｓ２によって切り替えることによって３種類の整流回路を切り替えることができる。ダイナモ１２の発電電圧の変化量と比べて、電気二重層コンデンサ１４への電圧印加をほぼ一定に保つことができる。切り替える条件も、電気二重層コンデンサ１４への印加電圧の値によって切り替えをおこなっており、実際の自転車の走行速度にあわせて整流回路１６の切り替えをおこなうことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では整流回路１６を３種類に切り替えたが、２種類であってもよい。整流回路１６は、倍電圧整流回路１６ｂまたは全波整流回路１６ａに切り替えられるようにする。低速走行時の電気二重層コンデンサへの印加電圧を高めることができる。

また、整流回路１６は、全波整流回路１６ａまたは半波整流回路１６ｃに切り替えられてもよい。高速走行時の電気二重層コンデンサ１４の保護をおこなう。

ダイナモ１４は、自転車に取り付けられるものに限定されない。ダイナモ１４の発電電圧が常に変化する装置に本発明の充電装置１０を使用することができる。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

本発明の充電装置の回路構成を示す図である。整流回路を切り替えた場合の図を示し、（ａ）は全波整流回路、（ｂ）は倍電圧整流回路、（ｃ）は半波整流回路を示す。自転車の走行速度とダイナモの発電電圧の関係を示すグラフである。スイッチを切り替えることにより、ほぼ一定の充電電圧が得られることを示すグラフである。

符号の説明

１０：充電装置
１２：ダイナモ
１４：電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）
１６：整流回路
１６ａ：全波整流回路
１６ｂ：倍電圧整流回路
１６ｃ：半波整流回路
１８：負荷
２０：制御部

Claims

ダイナモと、
前記ダイナモで発電された電気エネルギーが充電される電気二重層コンデンサと、
前記ダイナモと電気二重層コンデンサとの間に設けられ、複数の整流素子を含む整流回路と、
前記整流回路に並列に接続された複数のコンデンサと、
前記複数の整流素子と複数のコンデンサの中から使用する整流素子とコンデンサを選択するスイッチと、
を備えた充電装置。
前記電気二重層コンデンサの端子電圧を検出し、端子電圧によって前記スイッチの切り替えをおこなう制御部を備えた請求項１の充電装置。
前記整流回路が倍電圧整流回路、全波整流回路、または半波整流回路に切り替えられる請求項１または２の充電装置。
前記整流回路が倍電圧整流回路または全波整流回路に切り替えられる請求項１または２の充電装置。
前記整流回路が全波整流回路または半波整流回路に切り替えられる請求項１または２の充電装置。