JP2015062334A - 家庭用装置の電池充電器 - Google Patents

Abstract

【課題】継続的な充電状態に放置されたときに電池を過充電し、電池寿命を短縮していることを解消する充電器を提供する。
【解決手段】充電池充電装置１０は、整流回路１８の出力と充電池１２との間に回路２２を結合することによって、充電池１２に印加される電圧を調整すること、充電電流を制限して第１の所定範囲内にすること、及び、所定の電池充電電圧に達すると、充電電流を第２の所定範囲内に低下させること、とを含む。
【選択図】図１

Description

家庭用装置、例えば、コードレス電気掃除機は、内蔵式の電池及び外部ＡＣ／ＤＣ電源／電池充電ユニットを使用する。典型的には、電池充電器への入力電圧は調整されず、電池充電電圧よりも高い。充電池を充電する間、電池充電器内の充電電流は、電池充電電圧が低下するにつれて減少する。しかしながら、完全充電の状態においても、電池充電器は充電池に細流充電電流を供給し続ける。

多くの家庭用装置は、最高で約Ｃ／５０（５０時間の充電速度）の細流充電電流を扱うことができるニッケルカドミウム又はニッケル水素電池を使用している。ここで、１Ｃの速度は、特定の充電池を１時間以内に充電する充電電流に対応する充電速度である。しかしながら、費用の制約により、多くの電池充電器は、この要件に応じておらず、継続的な充電状態に放置されたときに電池を過充電し、したがって電池寿命を短縮している。この結果、短い使用期間の後に、家庭用装置の実用時間が相当に減じられている。

少なくとも１つの充電池を充電する電池充電装置が開示され、この電池充電装置は、細流充電電流を減少させて所定の限界値未満にする。

一態様において、少なくとも１つの充電池を充電するための電池充電装置が、あるＤＣ電圧を受け、所定の充電電流及び細流充電電流で、実質的に一定の調整電圧出力を供給するように構成された電圧レギュレータ回路であって、その細流充電電流が第１の所定値未満となる電圧レギュレータ回路と、充電電流を制限して第１の所定値未満にするために、電圧レギュレータ回路の出力及び少なくとも１つの充電池に結合された抵抗器とを備える。

以下は、この態様の範囲に含まれる実施形態である。

この電池充電装置は、電圧レギュレータ回路にあるＤＣ電圧を供給するためのＡＣ／ＤＣアダプタ回路を更に備える。このＡＣ／ＤＣアダプタ回路は、２次側の回路と１次側の回路とを有する変圧器と、変圧器の２次側の回路に結合された整流回路であって、ＤＣ電圧を供給する整流回路とを備える。電圧レギュレータ回路は、制御端子と、電流源と、電流シンク端子とを有するトランジスタと、トランジスタの制御端子に接続されたダイオードであって、実質的に一定な調整ＤＣ電圧を制限して第３の所定値未満にするように選択された電圧特性を有するダイオードとを備える。第２の所定値は、充電サイクルの最後に達せられる第１の所定値よりも低いものである。トランジスタはバイポーラ接合トランジスタであり、ダイオードはツェナーダイオードである。抵抗値は、少なくとも１つの充電池の両端間の電圧値と、実質的に一定の調整ＤＣ電圧との平均差に関連付けられる。

実質的に一定な調整電圧出力は、少なくとも１つの充電池の両端間の最大連続充電電圧に関連付けられる。電池充電装置は、少なくとも１つの充電池に接続された負荷を更に含む。その負荷は、移動式電気装置のＤＣモータである。その少なくとも１つの充電池は、少なくとも１つ又は複数のニッカド又はニッケル水素セルを更に含む。

更なる態様において、少なくとも１つの充電池を充電するための電池充電装置は、２次側の回路と１次側の回路とを有する変圧器と、変圧器の２次側の回路に連結された整流回路であって、あるＤＣ電圧を供給する整流回路と、少なくとも１つの充電池に実質的に一定な調整ＤＣ電圧及びある充電電流を供給するために整流回路に結合された電圧レギュレータ回路であって、充電電流の値がその実質的に一定な調整電圧出力及び少なくとも１つの充電池の両端間の電圧値に関連付けられる電圧レギュレータ回路と、電圧レギュレータ回路の出力と少なくとも１つの充電池との間に連結された抵抗器であって、充電電流を制限して第１の所定値未満にするように与えられた抵抗値を有する抵抗器とを含む。

以下は、この態様の範囲に含まれる実施形態である。

電圧レギュレータ回路は更に、細流充電電流を制限して第２の所定値未満にする。第２の所定値は、第１の所定値未満である。電圧レギュレータ回路は、制御端子と、電流源と、電流シンク端子とを有するトランジスタと、トランジスタの制御端子に接続されたダイオードであって、実質的に一定な調整ＤＣ電圧を制限して第３の所定値未満にするように選択された電圧特性を有するダイオードとを備える。トランジスタはバイポーラ接合トランジスタであり、ダイオードはツェナーダイオードである。

抵抗値は、少なくとも１つの充電池の両端間の電圧値と、実質的に一定な調整ＤＣ電圧との平均差に関連付けられる。実質的に一定な調整電圧出力は、少なくとも１つの充電池の両端間の最大連続充電電圧に関連付けられる。電池充電装置は、少なくとも１つの充電池に接続された負荷を更に含む。その負荷は、移動式電気装置のＤＣモータである。その少なくとも１つの充電池は、少なくとも１つ又は複数のニッカド又はニッケル水素セルを更に含む。

更なる態様において、少なくとも１つの充電池を充電するための電池充電装置が、あるＤＣ電圧を供給するための整流回路と、そのＤＣ電圧を受け、所定値の充電電流で少なくとも１つの充電池に実質的に一定の調整ＤＣ電圧を供給するために整流回路に連結された回路であって、その所定値が、少なくとも１つの充電池の両端間の電圧値及び細流充電電流の所定値に関連付けられ、所定の限界値未満となる回路とを含む。いくつかの実施形態において、その回路は、スイッチモードＡＣ／ＤＣアダプタ回路によって実現される。

１つ以上の態様が、１つ以上の利点をもたらしてもよい。本発明による１つ以上の実施形態の詳細を、添付の図面及び以下の説明に示す。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、その説明と図面から、また特許請求の範囲から明らかとなろう。

家庭用装置の電池充電器の回路図。 スイッチモードＡＣ／ＤＣアダプタ回路を使用して実現された別の家庭用装置の電池充電器の回路図。 従来の充電回路を使用した７．２Ｖのニッケルカドミウム充電池に対する例示的な電池充電電圧の挙動を示すプロット。 従来の充電回路を使用した７．２Ｖのニッケルカドミウム充電池に対する例示的な電池充電電流の挙動を示すプロット。 従来の充電回路を使用した７．２Ｖのニッケルカドミウム充電池に対する例示的な細流充電電流の挙動を示すプロット。 家庭用装置の電池充電器の例示的な実施形態及び従来の充電器回路をそれぞれ使用した例示的な電池充電電圧の挙動を示す一連のプロット。 家庭用装置の電池充電器の例示的な実施形態及び従来の充電器回路をそれぞれ使用した例示的な電池充電電流の挙動を示す一連のプロット。

図１を参照すると、少なくとも１つの充電セルを有する少なくとも１つの充電池１２を充電するための例示的な家庭用装置の充電器又は充電池充電装置１０が示されている。充電池１２は、典型的には、例えば、コードレス電気掃除機、コードレス電話機、及び充電式懐中電灯などの家庭用又は移動式の電子装置に使用される。いくつかの実施形態において、充電池１２は、陽極用のカドミウム又は水素吸蔵合金及び陰極用のニッケルを有するニッケルカドミウム又はニッケル水素セルを含む。図１は、単一の充電池１２を示しているが、充電池充電装置１０は、２つ以上の充電池を同時に受容し充電するように適合されてもよい。更に、充電池充電装置１０は、例えば、円柱状の電池又は角柱状の電池を含めて、種々の電池型を充電してもよい。

充電池充電装置１０は、８５Ｖ〜２６５Ｖ及び５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの定格で電力を供給する電源などのＡＣ電源１４に電気的に結合されている。図示のように、ＡＣ電源１４は、充電池装置１０内で変圧器１６に結合されている。いくつかの実施形態において、変圧器１６は、１次巻線１６ａと２次巻線１６ｂとを有する限流線形変圧器である。
充電池充電装置１０は、整流回路、例えば、変圧器１６の２次巻線１６ｂに結合された全波整流回路１８を含む。逓降ＡＣ電圧が、変圧器１６の１次巻線１６ａに結合されたＡＣ電源１４から、２次巻線１６ｂにおいて誘導される。

全波整流回路１８は、逓降ＡＣ電圧を、充電池１２を充電するのに好適なレベルの低ＤＣ電圧（例えば、１．５Ｖ〜１４Ｖ）、例えば、上述の各ニッカド又はニッケル水素セルに対して約１．０Ｖ〜１．５ＶのレベルにあるＤＣ電圧に変換する。他のタイプのセルが、異なる電圧レベルを有することもある。

フィルタコンデンサ２０が、全波整流回路１８の出力の両端間に結合されている。そのようなフィルタコンデンサ２０の両端間の開回路電圧は、充電池１２の両端間の電圧よりも約５０％高くなる。電池充電電圧が上昇すると、公称の充電電流を供給する間、フィルタコンデンサ２０と充電池１２との電圧差が低下する。

全波整流回路１８は電圧レギュレータ回路２２に結合されており、電圧レギュレータ回路２２は限流抵抗器２４に接続されている。電圧レギュレータ回路２２は、抵抗器２６と、電流シンク端子、例えばコレクタ２８ａ、制御端子、例えばベース２８ｂ、及び電流源端子、例えばエミッタ２８ｃを有するトランジスタ、例えばバイポーラ接合トランジスタ２８と、トランジスタ２８の制御端子２８ｂとアース端子３２との間に逆バイアス状態で結合されたダイオード、例えばツェナーダイオード３０とを含む。あるいは、トランジスタ２８は電界効果トランジスタである。あるいは、電圧レギュレータ回路２２は、例えば可変型３端子線形電圧レギュレータチップ（three-terminal adjustable linear voltage regulator chip）（ＬＭ ３１７）などの集積型の電圧レギュレータチップによって実現される。

電圧レギュレータ回路２２の出力電圧の値は、充電池１２の両端間の許容可能な最大連続充電電圧の関数である。例えば、典型的な移動式電気掃除機を動作させるためには、直列にした６つの充電式ニッカドセルを有する７．２Ｖの電池が必要である。それゆえに、充電池１２の両端間の最大充電電圧は、したがって電圧レギュレータ回路２２の端子間の出力電圧の値は、７．２Ｖを超える（例えば８．４Ｖ）ように選択される。

バイポーラ接合トランジスタ（トランジスタ２８）の制御端子２８ｂと電流源端子２８ｃとの間の電圧降下は、典型的には約０．６Ｖである。したがって、最大充電電圧が８．４Ｖである実施形態においては、この電圧降下を補うために、９Ｖ（０．６Ｖプラス８．４Ｖ）の逆方向ブレークダウン電圧特性を有するツェナーダイオードがダイオード３０として設けられる。

限流抵抗器２４の抵抗値は、所望の充電電流、充電池１２の両端間の充電電圧と電圧レギュレータ回路２２の出力電圧の値との平均差に関連付けられる。上述のように、一例において、電圧レギュレータ回路２２の出力電圧の値は、８．４Ｖ（充電池１２の両端間の最大充電電圧）となるように選択される。それゆえに、平均の電池充電電圧が７．８Ｖであり、所望の充電電流が１５０ｍＡである場合、限流抵抗器２４の抵抗値は約（８．４Ｖ−７．８Ｖ）／０．１５Ａ＝４オームである。

充電池充電装置１０の所望の充電電流は、充電に利用可能な時間に基づいて選択される。例えば、いくつかの実施形態において、充電池充電装置１０で使用される充電電流は、平均Ｃ／１０（１０時間の充電速度）となるように選択される。

また、充電池充電装置１０内の限流抵抗器２４の抵抗値は、細流充電電流を制限して所定の限界値未満にするように選択される。したがって、充電池１２の両端間の電圧が、電圧レギュレータ回路２２の端子間の出力電圧の値、例えば、８．４Ｖ（１．４Ｖ／充電セル）に近づくと、充電電流は、所定の限界値未満である細流充電値にまで低下する。

例えば、充電の最初の１０時間（例えば、平均Ｃ／１０の充電速度での完全充電サイクル）の後、充電池１２の両端間の電圧が８．４Ｖに近づくと、充電池充電装置１０から供給される充電電流は、Ｃ／５０以下に自動的に低下する。その結果として、充電池１２は、使用量又は充電パターンにかかわらず、活力的な状態に維持される。

充電池１２は、負荷、例えば、典型的な家庭用装置、例えば、移動式電気掃除機の負荷モータ３６に、スイッチ３４を介して接続される。図示のように、所定の定格値（例えば、〜２０Ａ）を超える負荷電流から充電池１２及び負荷モータ３６を保護するために、通常、ヒューズ３８が充電池充電装置１０内に含められる。

いくつかの実施形態において、変圧器１６及び全波整流回路１８は、充電池充電装置１０（図１）内ではなく、ＡＣ電源アダプタ（図示せず）内に設けられる。それゆえに、ＡＣ／ＤＣアダプタはＡＣ電圧を受け、ＤＣ電圧を供給する。他の実施形態において、変圧器１６は、ＡＣ電源アダプタ（図示せず）内に設けられ、全波整流回路１８は、図１に示すものと同様の充電池充電装置の一部をなす。

ここで図２を参照すると、充電池充電装置の別の構成が、図示のようにスイッチモードＡＣ／ＤＣアダプタ回路４０となっている。この構成４０は、変圧器４２の一次側に全波整流器４１を含み、集積型の制御装置を使用して実現された電圧レギュレータを有している。図示のように、少なくとも１つの充電池１２が、スイッチモードＡＣ／ＤＣアダプタ回路４０の出力端子間に接続される。上述のように、スイッチモードＡＣ／ＤＣアダプタ回路４０は、複数の充電池を同時に受けかつ充電する。加えて、スイッチモードＡＣ／ＤＣアダプタ回路４０は、例えば、円柱状の電池又は角柱状の電池を含めて、種々の形状の電池を充電してもよい。

充電池１２は、負荷、例えば、電気掃除機の負荷モータ３６に、スイッチ３４及びヒューズ３８を介して接続される。

スイッチモードＡＣ／ＤＣアダプタ回路４０は、１次巻線４２ａと２次巻線４２ｂとを有する変圧器４２を含む。それゆえに、スイッチモードＡＣ／ＤＣアダプタ回路４０は、１次側４０ａと２次側４０ｂとを有している。

スイッチモードＡＣ／ＤＣアダプタ回路４０の１次側４０ａは、ＡＣ電源１４に結合された全波整流回路４２と、全波整流回路４２の出力端子間に結合されたコンデンサ４４とを含む。また、スイッチングトランジスタ４６が、変圧器４２の１次巻線４２ａと直列に接続されている。いくつかの実施形態において、スイッチングトランジスタ４６は、酸化金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を使用して実現される。

主制御器５０は、スイッチングトランジスタ４６のスイッチングサイクルを制御する。したがって、主制御器５０は、フィードバック制御されたデューティサイクルを用いてスイッチングトランジスタ４６をオン及びオフにする。

スイッチモードＡＣ／ＤＣアダプタ回路４０の２次側４０ｂは、変圧器４２の２次巻線４２Ｂと直列に接続された整流ダイオード５２と、整流ダイオード５２の陽極端子に接続されたフィルタコンデンサ５４とを含む。フィルタコンデンサ５４の端子は、抵抗器５６ａ及び５６ｂを有する分圧回路５６に更に結合されている。

２次側の制御器５８が、分圧回路５６の抵抗器５６ｂの両端間に結合されている。いくつかの実施形態において、２次側の制御器５８は、電流調整と電圧調整の双方を実施するための制御ループを有している。２次側の制御器５８は、例えば、スイス国ジュネーブ（Geneva）のＳＴマイクロエレクトロニクス社（STMicroelectronics）によるＴＳＭ１０５２などの集積型の制御チップによって実現される。２次側の制御器５８は更に、独立した光伝送経路６０を介してフィードバック信号Ｖ_ｏｕｔ及びＩ_ｏｕｔを主制御器５０に伝送する。

図３Ａ〜３Ｃは、従来の充電回路（図示せず）を使用した７．２Ｖのニッケルカドミウム充電池に対する例示的な電池充電電圧６２、電池充電電流６４、及び細流充電電流６６の挙動をそれぞれ示す。

図３Ｂに示すように、電池充電電流６４はわずかに低下するが、細流充電電流６６は、充電池が完全に充電された後でも（約１０時間）、依然として相当に一様である。図３Ｃに示すように、４８時間の充電の後の瞬間的な細流充電電流６６は変動しており、その結果、ピーク値は約３３０ｍＡとなっている。上述のように、７．２Ｖのニッケルカドミウム電池に対し、推奨される細流充電限界値は約３０ｍＡであり、例えば、１時間の充電速度でＣ／５０、つまり６×１５００／５０である。結果的に、このようにして充電池１２を継続的に過充電すると、充電池１２の寿命が短縮され、家庭用装置の実用時間が減じられる。

図４Ａ〜４Ｂは、図１又は図２のいずれかに示すタイプの充電池充電器を使用して、直列にした６つの１５００ｍＡｈのニッカドセルを、８．４Ｖの定電圧及び５００ｍＡ以下に制限した電流で２４時間超の充電にさらしたものに対する、例示的な電池充電電圧６８（図１の少なくとも１つの充電池１２の両端間の電圧）及び電池充電電流７０の挙動をそれぞれ示す。また、従来の充電器充電回路を使用して、直列にした６つの１５００ｍＡｈのニッカドセルを、８．４Ｖの定電圧で２４時間超の充電にさらしたものに対する、例示的な電池充電電圧７２、及び電池充電電流７４の挙動がそれぞれ示されている。約５００ｍＡの最大充電電流で、初めは実質的に完全に枯渇していたニッカド電池は、約１０時間で完全に充電される。

電池充電電流、例えば、例示的な電池充電電流７０、７４が充電池１２に印加されると、充電池充電装置１０の出力端子における電池充電電圧、例えば、例示的な電池充電電圧６８、７２が上昇し、８．２Ｖ〜８．６Ｖ（８．４Ｖ±０．２Ｖ）の平均電圧レベルに達する。その後に、充電池充電装置１０の実施形態、例えば、図１に示す回路に対応する電池充電電圧６８は、一定の電圧レベルに維持される。比較のために、従来の充電池充電回路に対応する電池充電電圧７２もまた、図４Ａに示されている。図示のように、従来の充電池充電回路は、一様でない出力電圧を示している。

完全充電が達成された後に、充電池充電装置１０は、変動、例えば、例示的な電池充電電流７０に現れるスパイクを生じ、平均すると、非常に低い所定の細流充電値未満、例えば、Ｃ／５０未満に達する。例えば、電池充電電流７０の平均値は、３０ｍＡ、即ち、１Ｃ＝１５００ｍＡｈとしてＣ／５０＝３０ｍＡｈ未満に低下する。その後、電池充電電流７０は、充電値１２が充電値充電装置１０から取り外されるまで、引き続き依然として非常に低い所定の細流充電値にとどまる。

他の実施形態
本発明の多数の実施形態について説明してきた。それでもなお、様々な修正が、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなくなされ得ることは理解されよう。それゆえに、他の実施形態が以下の特許請求の範囲に含まれる。

Claims (6)

1. ＡＣ電源が一端と他端との間に接続された一次巻線を有するとともに、二次巻線を有する変圧器と、
   第１の入力端子と第２の入力端子との間に前記二次巻線が接続された全波整流回路と、
   前記全波整流回路の第１の出力端子と第２の出力端子との間に接続されたコンデンサと、
   前記第１の出力端子にコレクタが接続されたＮＰＮ型バイポーラトランジスタと、
   前記ＮＰＮ型バイポーラトランジスタのコレクタとベースとの間に接続された第１の抵抗と、
   カソードが前記ＮＰＮ型バイポーラトランジスタのベースに接続され、アノードが前記全波整流回路の前記第２の出力端子に接続されたツェナーダイオードと、
   一端が前記ＮＰＮ型バイポーラトランジスタのエミッタに接続された第２の抵抗と、
   正極が前記第２の抵抗の他端に接続され、負極が前記全波整流回路の前記第２の出力端子に接続された充電池と、
   一端が前記第２の抵抗の他端に接続されたスイッチと、
   一端が前記スイッチの他端に接続された負荷と、
   前記負荷の他端と前記充電池の負極との間に接続されたヒューズと、を備える装置。
2. ＡＣ電源が入力端子間に接続された全波整流回路と、
   前記全波整流回路の出力端子間に接続されたコンデンサと、
   前記全波整流回路の出力端子間で前記コンデンサと並列に接続された一次巻線を有するとともに、二次巻線を有する変圧器と、
   前記全波整流回路の出力端子間で、前記二次巻線と直列に接続されたスイッチトランジスタと、
   前記スイッチトランジスタを制御する主制御回路と、
   アノードが、前記二次巻線の一端に接続され、カソードが、充電池の正極が接続される第１の端子に接続された、ダイオードと、
   一端が、前記ダイオードのカソードに接続され、他端が、前記二次巻線の他端に接続されるとともに前記充電池の負極が接続される第２の端子に接続された、フィルタコンデンサと、
   前記第１の端子と前記第２の端子との間に直列に接続された第１の分圧抵抗および第２の分圧抵抗を有する分圧回路と、を備える装置。
3. 前記主制御回路は、フィードバック制御されたデューティサイクルを用いて前記スイッチトランジスタを制御する、請求項２に記載の装置。
4. 前記第２の分圧抵抗の両端間に接続され、フィードバック信号を前記主制御回路に出力する制御器を、さらに備える、請求項３に記載の装置。
5. 前記制御器は、前記第１の端子と前記第２の端子との間の出力電圧に基づいた前記フィードバック信号を前記主制御回路に出力する、請求項４に記載の装置。
6. 前記スイッチトランジスタは、ＭＯＳＦＥＴである、請求項５に記載の装置。

Images