JP2010200392A - 充電器 - Google Patents

Abstract

【課題】インダクタやトランス、平滑コンデンサ容量を小型化した充電器を提供する。
【解決手段】充電制御回路１４は、組電池監視ユニット１６から受信した組電池の状態情報に基づいて、ＳＷ制御回路１０が制御するスイッチング素子６〜９のオンデューティを制御することにより、組電池最高セル電圧または組電池総電圧が規定値を超えない範囲の充電可能電力で組電池を充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源から組電池を充電する充電器に関する。

近年、ノート型パソコンや携帯電話、携帯音楽プレーヤ等の携帯型電子機器が普及し、これらが内蔵する二次電池を充電する充電器の小型軽量化の要請が増している。またプラグインハイブリッド車や電気自動車の普及のためには、充電器が欠かせない。交流商用電源から二次電池へ充電する場合、ＡＣ１００Ｖを二次電池に適合した直流電圧に変換する必要がある。しかし交流５０または６０Ｈｚを直接電源トランスを用いて電圧変換しようとすれば、トランスや平滑用コンデンサの容積及び重量が嵩む。このため、ＡＣ１００Ｖを直接整流した直流電圧をＤＣ／ＤＣ変換して、所望の電圧、電流を得る充電器が知られている（例えば、特許文献１）。

特開平１０−２９５０７６号公報

しかしながら、上記従来の充電器においては、充電の制御方式として、定電流または定電圧制御方式を採用しており、平滑コンデンサ容量やインダクタが大型になるという問題点があった。

上記問題点を解決するために本発明は、交流入力を整流して直流電圧を出力する整流回路と、整流回路が出力する直流電圧を所望の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力で組電池を充電する充電器において、組電池の状態に基づいて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのオンデューティを制御する。

本発明によれば、定電流または定電圧充電制御方式に比べて、同じインダクタや平滑コンデンサ容量であれば、充電電力を大きくして充電時間を短縮することができ、同じ充電電力であれば、インダクタやトランス、平滑コンデンサ容量を小型化することができるという効果がある。

本発明に係る充電器の実施例１の構成を説明する回路ブロック図である。 実施例１における充電制御の内容を説明するフローチャートである。 実施例２における充電制御の内容を説明するフローチャートである。 スイッチング素子のオンデューティ制御を説明するタイムチャートである。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが、プラグインハイブリッド自動車や電気自動車のバッテリ充電に好適な実施例である。

図１は、本発明に係る充電器の実施例１を示すブロック図である。図１において、交流商用電源１は、充電器２へ例えばＡＣ１００Ｖを供給する。充電器２は、ＡＣ１００Ｖを直接整流した直流電圧をスイッチング回路により一旦交流電圧に変換して変圧した後、整流して組電池１５へ充電する充電器である。

充電器２は、交流商用電源１の交流電圧を整流するダイオードブリッジ３と、平滑コンデンサ４と、インダクタ５と、Ｈブリッジを構成する４つのスイッチング素子６，７，８，９と、スイッチング素子６〜９を制御するＳＷ制御回路１０と、Ｈブリッジの出力電圧を１次電圧として入力して変圧するトランス１１と、トランス１１の２次電圧を整流するダイオードブリッジ１２と、平滑コンデンサ１３と、充電制御回路１４を備える。

スイッチング素子６〜９は、ＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子である。ＳＷ制御回路１０は、交流商用電源１の周波数である５０または６０Ｈｚより高い周波数、例えば１０ｋＨｚ〜ＭＨｚ帯域のスイッチングにより直流入力を高周波に電力変換する。この交流商用電源より高い周波数でスイッチングすることにより、トランス１１の容量、体積、重量、また平滑コンデンサ１３の容量、体積、重量は、交流商用周波数を扱うトランス平滑コンデンサより大幅に縮小することができる。

ここで、スイッチング素子６〜９と、ＳＷ制御回路１０と、トランス１１と、ダイオードブリッジ１２と、平滑コンデンサ１３とは、ＤＣ／ＤＣコンバータを構成している。ＤＣ／ＤＣコンバータは、図１に示した回路以外に種々の回路方式を採用することができる。

平滑コンデンサ１３の両端の直流電圧は、組電池１５に接続されて、組電池１５を充電する。組電池１５は、組電池１５を構成する各セルの電圧を含む組電池の状態を検出する組電池監視ユニット１６が設けられている。

組電池監視ユニット１６は、組電池１５を構成する各セルの電圧を検出する電圧センサ、組電池の温度を検出する温度センサ、組電池に入出力する電流を検出する電流センサを内蔵している。また組電池監視ユニット１６は、これらセンサの検出値に基づいて、組電池の各種状態、例えば、組電池の総電圧、組電池内の最高セル電圧、組電池の充電状態（ＳＯＣ）、組電池の入力可能電力等を演算するマイクロコンピュータを内蔵している。

このマイクロコンピュータは、プログラム及び制御用パラメータを記憶したＲＯＭと、作業用のＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えている。そしてＲＯＭには、上記の各種センサから収集した信号に基づいて、組電池の充電可能電力、ＳＯＣ、最高セル電圧等の組電池の状態を計算するプログラム及びこれら状態を示す信号を通信により充電制御回路１４へ送信するプログラムが記憶されている。

組電池監視ユニット１６と充電制御回路１４との間は、通信線１７により接続され、相互に通信可能となっている。組電池監視ユニット１６は、通信線１７を介して、組電池の総電圧、組電池内の最高セル電圧、組電池のＳＯＣ、組電池温度、組電池の入力可能電力等の組電池の状態を示す状態信号や、異常コード、充電終了要求信号を含む制御信号を充電制御回路１４へ送信する機能を備えている。逆に充電制御回路１４は、異常コードを組電池監視ユニット１６へ送信する機能を備えている。

充電制御回路１４は、プログラム及び制御用パラメータを記憶したＲＯＭと、作業用のＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロコンピュータを備えている。そしてＲＯＭには、組電池監視ユニット１６との通信を制御する通信プログラム、及び組電池１５の状態信号に基づいてＳＷ制御回路１０を制御して、組電池１５の充電電力を制御する充電制御プログラムが記憶されている。

次に、図２の制御フローチャートを参照して、実施例１における組電池監視ユニット１６と充電器２との協働による充電制御の内容を説明する。このフローチャートは、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０〜Ｓ２２のイニシャル処理のフェーズと、Ｓ２４〜Ｓ３４の通常処理のフェーズと、Ｓ３６の終了処理のフェーズからなる。

充電器２に交流商用電源１と組電池１５とが接続されると、本フローチャートの実行が開始される。まずＳ１０において、充電器２の充電制御回路１４と、組電池監視ユニット１６との通信線１７を介した通信が開始される。次いで、Ｓ１２で組電池監視ユニット１６から充電制御回路１４へ、組電池１５の状態信号が送信される。この状態信号には、組電池１５の入力可能電力、組電池内の最高セル電圧、組電池総電圧（開回路電圧）、ＳＯＣ、組電池温度、組電池１５に何らかの異常があれば、その異常を示す異常コード、異常がなければ正常コード、が含まれる。

次いでＳ１４で、充電制御回路１４から組電池監視ユニット１６へ、充電器２に何らかの異常があれば異常コード、正常であれば正常コードが送信される。

次いでＳ１６で、充電制御回路１４は、組電池監視ユニット１６から受信した、充電可能電力、ＳＯＣ、組電池温度、異常コード等に基づいて、充電可能か否かを判定する。Ｓ１６の判定で、充電可能でなければ、Ｓ１８で、充電制御回路１４は、充電終了処理を行って、充電を終了する。

Ｓ１６の判定で、充電可能であれば、Ｓ２０へ進み、充電制御回路１４は、予めＲＯＭに記憶された基本充電電力値を読み出して、基本充電電力値で組電池１５を充電するスイッチング制御を行うように、ＳＷ制御回路１０へ指示する。次いでＳ２２で、充電制御回路１４からＳＷ制御回路１０へ、スイッチングの開始を指示することにより、充電開始処理が行われる。以上のＳ１０からＳ２２までがイニシャル処理のフェーズである。

次いでＳ２４で、ＳＷ制御回路１０がスイッチング素子６〜９のスイッチングを開始させることにより、充電器２から基本充電電力が組電池１５へ出力される。次いでＳ２６で、組電池監視ユニット１６から充電制御回路１４へ組電池の状態信号として、組電池の充電可能電力、ＳＯＣ、組電池温度、及び充電終了の必要が生じれば充電終了要求が送信される。次いでＳ２８で、充電制御回路１４は、充電器２が出力している充電電力を算出し、組電池監視ユニット１６から受信した充電可能電力より充電電力が大きいか否かを判定する。充電可能電力より充電電力が大きくなければ、現在の充電電力で充電を継続するために、Ｓ２４へ戻る。

Ｓ２８の判定で、充電可能電力より充電電力が大きければ、Ｓ３０へ進み、充電制御回路１４は、オンデューティ演算を行う。この演算は、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側入力電圧であるＶ１を判定して、充電電力が充電可能電力を超えないように、充電電力を低下させるスイッチングのオンデューティを算出する。次いでＳ３２で、Ｓ３０で算出したオンデューティでスイッチングするように、充電制御回路１４からＳＷ制御回路１０へ指示して、スイッチングのオンデューティを変更する。

図４（ａ）は、一次側電圧Ｖ１，一次側電流Ｉ１を示す図、図４（ｂ）は、充電器２の出力電力Ｐ２を示す図である。オンデューティ制御区間では、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング周期中のオンの期間が短くなるように制御され、充電器の出力電力が組電池１５の充電可能電力を超えないように制御されている。

次いでＳ３４で、充電制御回路１４は、組電池監視ユニット１６から受信した信号が充電終了要求か否かを判定し、充電終了要求でなければ、充電を継続するために、Ｓ２４へ戻る。以上のＳ２４からＳ３４までが通常処理のフェーズである。

Ｓ３４の判定で、充電終了要求であれば、Ｓ３６へ進み、充電終了処理を行って、充電を終了する。Ｓ３６が終了処理のフェーズである。

以上説明した実施例１によれば、組電池の充電可能電力を超えて充電されることなく、充電電力の実効値が向上するので、従来の定電流・低電圧式の充電器より、充電時間を短縮することができるという効果がある。また従来の定電流・低電圧式の充電器と同じ充電電力を実現するためのインダクタやトランス、平滑コンデンサの容量を低減して、充電器を小型軽量化することができるという効果がある。

次に、本発明に係る充電器の実施例２を説明する。実施例２の回路ブロック構成は、実施例１と同様である。実施例１との相違は、充電制御回路１４が内蔵するマイクロコンピュータの制御プログラムの一部が異なっていることである。

次に、図３の制御フローチャートを参照して、実施例２における組電池監視ユニット１６と充電器２との協働による充電制御の内容を説明する。

充電器２に交流商用電源１と組電池１５とが接続されると、本フローチャートの実行が開始される。まずＳ１０において、充電器２の充電制御回路１４と、組電池監視ユニット１６との通信線１７を介した通信が開始される。次いで、Ｓ１２で組電池監視ユニット１６から充電制御回路１４へ、組電池１５の状態信号が送信される。この状態信号には、組電池１５の入力可能電力、組電池内の最高セル電圧、組電池総電圧（開回路電圧）、ＳＯＣ、組電池温度、組電池１５に何らかの異常があれば、その異常を示す異常コード、異常がなければ正常コード、が含まれる。

次いでＳ１４で、充電制御回路１４から組電池監視ユニット１６へ、充電器２に何らかの異常があれば異常コード、正常であれば正常コードが送信される。

次いでＳ１６で、充電制御回路１４は、組電池監視ユニット１６から受信した、充電可能電力、ＳＯＣ、組電池温度、異常コード等に基づいて、充電可能か否かを判定する。Ｓ１６の判定で、充電可能でなければ、Ｓ１８で、充電制御回路１４は、充電終了処理を行って、充電を終了する。

Ｓ１６の判定で、充電可能であれば、Ｓ２０へ進み、充電制御回路１４は、予めＲＯＭに記憶された基本充電電力値を読み出して、基本充電電力値で組電池１５を充電するスイッチング制御を行うように、ＳＷ制御回路１０へ指示する。次いでＳ２２で、充電制御回路１４からＳＷ制御回路１０へ、スイッチングの開始を指示することにより、充電開始処理が行われる。以上のＳ１０からＳ２２までがイニシャル処理のフェーズである。

次いでＳ２４で、ＳＷ制御回路１０がスイッチング素子６〜９のスイッチングを開始させることにより、充電器２から基本充電電力が組電池１５へ出力される。次いでＳ４０で、組電池監視ユニット１６から充電制御回路１４へ組電池の状態信号として、組電池内最高セル電圧、ＳＯＣ、組電池温度、及び充電終了の必要が生じれば充電終了要求が送信される。次いでＳ４２で、充電制御回路１４は、セル電圧の目標電圧閾値をＲＯＭから読み出し、目標電圧閾値より組電池監視ユニット１６から受信した最高セル電圧が高いか否かを判定する。目標電圧閾値より最高セル電圧が高くなければ、充電を継続するために、Ｓ２４へ戻る。

Ｓ４２の判定で、目標電圧閾値より最高セル電圧が高ければ、Ｓ３０へ進み、充電制御回路１４は、オンデューティ演算を行う。この演算は、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側入力電圧であるＶ１を判定して、最高セル電圧が目標電圧閾値を超えないように、充電電力を低下させるスイッチングのオンデューティを算出する。次いでＳ３２で、Ｓ３０で算出したオンデューティでスイッチングするように、充電制御回路１４からＳＷ制御回路１０へ指示して、スイッチングのオンデューティを変更する。

次いでＳ３４で、充電制御回路１４は、組電池監視ユニット１６から受信した信号が充電終了要求か否かを判定し、充電終了要求でなければ、充電を継続するために、Ｓ２４へ戻る。以上のＳ２４からＳ３４までが通常処理のフェーズである。

Ｓ３４の判定で、充電終了要求であれば、Ｓ３６へ進み、充電終了処理を行って、充電を終了する。Ｓ３６が終了処理のフェーズである。

尚、本実施例の変形例として、組電池内最高セル電圧に代えて組電池総電圧をＳ４０における送信情報、及びＳ４２の判定に用いることもできる。

以上説明した実施例２によれば、組電池内の最高セル電圧（または総電圧）が規定の電圧を超えて過充電されることなく、充電電力の実効値が向上するので、従来の定電流・低電圧式の充電器より、充電時間を短縮することができるという効果がある。また従来の定電流・低電圧式の充電器と同じ充電電力を実現するためのインダクタやトランス、平滑コンデンサの容量を低減して、充電器を小型軽量化することができるという効果がある。

１ 交流商用電源
２ 充電器
３ ダイオードブリッジ
４ 平滑コンデンサ
５ インダクタ
６，７，８，９ スイッチング素子
１０ ＳＷ制御回路
１１ トランス
１２ ダイオードブリッジ
１３ 平滑コンデンサ
１４ 充電制御回路
１５ 組電池
１６ 組電池監視ユニット
１７ 通信線

Claims (3)

1. 交流入力を整流して直流電圧を出力する整流回路と、整流回路が出力する直流電圧を所望の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力で組電池を充電する充電器において、
   前記組電池の状態に基づいて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング周期中のオン期間の比率であるオンデューティを制御する充電制御回路を備えたことを特徴とする充電器。
2. 前記組電池の状態は、組電池の充電可能電力であり、充電器の出力電力が前記充電可能電力より大きい場合に、前記充電制御回路は、オンデューティ制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の充電器。
3. 前記組電池の状態は、組電池内の最高セル電圧または組電池の総電圧であり、前記最高セル電圧または前記総電圧が目標電圧閾値より高い場合に、前記充電制御回路は、オンデューティ制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の充電器。

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