JP2016063622A - 充電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 充電時の満充電等の充電程度の検出に有利な脈流による充電を行いながら、充電の効率を高めた充電装置を提供する。
【解決手段】 交流電源１の交流を整流して脈流とする整流回路２と、この整流回路２から出力される脈流の力率を高める力率改善手段１５と、出力回路６とを備える。出力回路６は、充電対象機器３の充電端子に接続する出力端子５を有し前記力率改善手段１５から出力される力率改善脈流を、電圧の平滑化を行うことなく出力する。また、充電対象機器３のバッテリー４の端子電圧を監視し前記脈流により生じる前記端子電圧のリップル電圧の変動幅によって充電程度を検出する充電程度検出手段７を設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電気自動車や、スマートフォン、充電式乾電池、ＤＩＹ電動工具等の充電式バッテリーを備える種々の充電対象機器への急速充電等に適用される充電装置に関する。
従来、バッテリーの充電には、整流されかつ平滑化された直流電源を使用し、バッテリーの端子電圧を確認することでバッテリーの満充電等の蓄電状態を確認している。なお、研究・実験用途に設計されて、バッテリーの内部抵抗などの非常に小さい抵抗値を計測する機器としては、交流４端子法を用いたバッテリテスタ・内部抵抗計測器が市販されている（非特許文献１）。
交流４端子法バッテリテスタ・内部抵抗計測器（東京デバイセズＩＷ７８０７）、東京デバイセズ、http://tokyodevices.jp/categories/battery-testers （２０１４年６月１３日検索）
従来の充電装置は、上記のように整流されかつ平滑化された直流電源を使用している。しかし、平滑化せずに整流した脈流をそのままバッテリーに接続し充電を行っても、バッテリー寿命の低下の上で問題がないことがわかった。また、充電程度の検出手段の工夫により、脈流で充電する方が、むしろ充電程度の検出に有利であることが分かった。
すなわち、従来のバッテリーの端子電圧により蓄電状態を確認する方法では正確な蓄電状態を把握することが困難であり、そのため、特に急速充電時に過充電を起こし、バッテリーの寿命を短くするという課題がある。
そこで、本発明者は、バッテリーの内部抵抗と充電程度とが比例する関係に着眼し、内部抵抗を検出して充電程度を検出することを考えた。バッテリーの内部抵抗は、内部抵抗計測器を用いれば、精度良く検出することができる。この内部抵抗の測定につき、従来の内部抵抗計測器は研究・実験用途向けの機器であって、高価であり、一般用途に用いることが困難であるうえ、端子の当て方による抵抗値の変動等で測定値が変動し、一般の者が正確に測定することが難しい。
これに対して、脈流で充電すれば、その脈流により生じるバッテリの端子電圧のリップル電圧の変動幅によって充電程度を検出することが分かった。
このように、脈流で充電する方が、充電程度の検出に有利であり、過充電を回避してバッテリーの長寿命を図る上で有利である。
しかし、商用電源等の交流から整流しただけの脈流は、電圧波形はサイン波であるが、電流波形が幅の狭いパルス状であり、充電される電力は電流と電圧の積であり、電流波形のパルス間の電流値零のときは電力も零となるため、充電の効率が悪いという問題点がある。
この発明の目的は、上記課題を解消し、充電程度の検出に有利な脈流による充電を行いながら、充電の効率を高めた充電装置を提供することである。
この発明の充電装置は、交流電源１の交流を整流して脈流とする整流回路２と、この整流回路２から出力される脈流の力率を高める力率改善手段１５と、充電対象機器３の充電端子に接続する出力端子５を有し前記力率改善手段１５から出力される力率改善脈流を、電圧の平滑化を行うことなく出力する出力回路６とを備える。
この構成によると、力率改善手段１５を設けることで、整流回路２から出力される脈流の力率を高め、この力率改善脈流を用いて充電するため、脈流で充電するようにしながら、効率の良い充電が行える。また、脈流で充電するため、次のように充電程度の検出が精度良く行えて、過充電を防止し、バッテリー寿命を高めることができる。
すなわち、脈流で充電すると、バッテリーの端子電圧にリップル電圧が生じる。このリップル電圧の変動幅、つまり振幅は、バッテリーの内部抵抗に比例する。また、バッテリーの内部抵抗は充電が進むに従って小さくなる。そのため、バッテリーの端子電圧の変動幅を測定することにより、バッテリーの充電の程度を正確に検出することができる。これにより、満充電を精度良く検出し、急速充電等における過充電を回避し、バッテリーの寿命低下を防止することができる。なお、脈流で充電するが、電圧変動があっても、過充電の場合のようなバッテリーの寿命低下は生じない。
この発明において、前記力率改善手段１５は、入力された脈流の電流波形を矩形化し各波山間の幅を狭めて前記力率改善脈流とする構成であっても良い。
脈流の電流波形を矩形化し各波山間の幅を狭めることで、前記脈流の力率が向上してバッテリーに印加される電力が大きくなる。
この発明において、前記充電対象機器３のバッテリー４の端子電圧を監視し前記脈流により生じる前記端子電圧のリップル電圧の変動幅によって充電程度を検出する充電程度検出手段７を設けても良い。
上記のように、整流後の電圧の平滑化を行っていない脈流の状態で充電すると、バッテリー４の端子電圧にリップル電圧が生じる。このリップル電圧の変動幅、つまり振幅は、バッテリー４の内部抵抗に比例する。また、バッテリー４の内部抵抗は充電が進むに従って小さくなる。そのため、前記充電程度検出手段７によりバッテリー４の端子電圧の変動幅を測定することにより、バッテリー４の充電の程度を正確に検出することができる。これにより、満充電を精度良く検出し、急速充電等における過充電を回避し、バッテリー４の寿命低下を防止することができる。
なお、「リップル電圧」は、直流成分に重畳されて周期的に変動する電圧を言う。
この発明の充電装置は、交流電源の交流を整流して脈流とする整流回路と、この整流回路から出力される脈流の力率を高める力率改善手段と、充電対象機器の充電端子に接続する出力端子を有し前記力率改善手段から出力される力率改善脈流を、電圧の平滑化を行うことなく出力する出力回路とを備えるため、充電程度の検出に有利な脈流による充電を行いながら、充電の効率を高めることができる。
この発明の一実施形態にかかる充電装置の回路図である。 同充電装置における力率改善手段による改善前後の電圧、電流、および電力の波形例の概略を示す説明図である。 この発明の他の実施形態にかかる充電装置の回路図である。 力率改善手段の一例を示す電気回路図である。
この発明の一実施形態を図面と共に説明する。この充電装置は、交流電源１の交流を整流して脈流とする整流回路２と、この整流回路２から出力される脈流の力率を高める力率改善手段１５と、充電対象機器３の充電端子（図示せず）に接続する出力端子５を有し前記力率改善手段１５から出力される力率改善脈流を、電圧の平滑化を行うことなく出力する出力回路６と、前記充電対象機器３のバッテリー４の端子電圧を監視し前記脈流により生じる前記端子電圧のリップル電圧の変動幅によって充電程度を検出する充電程度検出手段７とを備える。さらに、充電停止手段１１および充電程度報知手段１３を備える。
前記交流電源１は、例えば１００Ｖまたは２００Ｖの単相の交流商用電源であり、整流回路２の上流側に、前記交流電源１の配線におけるコンセント（図示せず）に差し込むプラグ等の入力端子８が設けられている。整流回路２は、全波整流回路であり、半導体スイッチング素子２ａのブリッジ回路等で構成される。整流回路２は、半波整流回路であっても良い。
充電対象機器３は、充電可能なバッテリー４を備える機器であれば何でも良く、例えば、電気自動車、スマートフォン、パソコン、ＤＩＹ電動工具、充電式乾電池の充電用ソケット等である。
前記力率改善手段１５は、力率改善回路等からなる。力率改善回路は、電源の力率（power factor）を１に近づける回路のことであり、ＰＦＣ（Power Factor Correction ）回路と呼ばれることが多い。なお、力率とは、交流電力の電圧と電流の位相差をφとすると、力率＝cos φで求められる。力率改善手段１５には、例えばフライバック方式の力率改善回路が用いられる。力率改善手段１５は、ここでは、具体的には、前記力率の改善処理として、図2のように入力された脈流ａの電流波形を矩形化し各波山間の幅を狭めて前記力率改善脈流ｂとする。
図４に力率改善手段１５の回路例を示す。簡単に説明すると、スイッチング素子２１がオンすると、トランス２２の一次側に電流が流れ、エネルギーが蓄えられる。スイッチング素子２１がオフすると、蓄えられたエネルギーがトランス２２の二次側からダイオード２３を通して出力される。
図1において、出力回路６は、前記力率改善手段１５から出力される力率改善脈流を前記出力端子５に印加する構成であれば良いが、図示の例では整流回路２の後段に電流制限用の抵抗９を設けると共に、正負の出力端子５，５と並列にバッテリーの直流電圧を通さない用のコンデンサ１０を接続している。また、出力回路６における出力端子５の手前に、逆流防止用のダイオード（図示せず）を設けてもよい。
充電程度検出手段７は、この例では、出力回路６の正負の端子５，５間に接続した電圧計からなる電圧検出部７ａと、判定部７ｂとからなる。判定部７ｂは、電圧検出部７ａで検出される前記端子電圧の変動幅が設定変動幅以下または未満になると充電完了と判定すると充電完了と判定する手段である。前記設定変動幅は、満充電になるときのリップル電圧の変動幅とすれば良いが、必ずしも満充電に対応する値とせず、残充電可能量に余裕を持たせた値としても良い。例えば、電気自動車のバッテリーでは残充電可能量に余裕を持たせておくことで、回生ブレーキの使用の余地が得られる。前記設定変動幅は、充電対象のバッテリー４の種類等に応じて設定するが、複数種類のバッテリー４に対応できるようにモードスイッチ（図示せず）等で切換可能としても良い。
充電停止手段１１は、充電程度検出手段が充電完了と判定すると充電を停止する手段であり、例えば、出力回路６に設けた開閉スイッチ１２を開くことで充電を停止する。開閉スイッチ１２は、半導体スイッチング素子であっても、リレー等の有接点のスイッチであっても良い。
充電程度報知手段１３は、充電程度検出手段７により検出された充電の程度を人に知らせる手段であり、液晶パネルまたは報知ランプ等からなる。充電程度報知手段１３は、ランプのオンオフ等で充電の程度を段階的に知らせる構成であっても、またパーセント表示や指針，グラフ等で液晶画面等に表示する構成であっても良い。
上記構成の充電装置によると、整流回路２で全波整流された脈流ａが、力率改善手段１５で力率改善されて電流波形が図2のように矩形化された脈流ｂとなる。出力回路６は、この力率改善されて後に平滑化されていない脈流ｂで充電する。
図２と共に説明すると、整流回路２で全波整流された脈流ａは、同図（Ａ）に示すように電圧波形がサイン波状であるが、電流波形は幅の狭いパルス状となり、各パルス間の間隔が大きく開いている。電流波形の電流値が零の間は、電力も零となる。そのため電力波形は、電流波形と同様に幅の狭いパルス状となり、このまま充電に用いると充電効率が悪い。しかし、この実施形態では、力率改善手段１５により図２（Ｂ）に示すように、入力された脈流ａの電流波形を矩形化し各波山間の幅を狭める。これにより力率が改善されて電力波形が幅の広い矩形となり、電流波形の隣合うパトルス間の幅が狭くなる。そのため、この力率改善後の脈流ｂで充電することにより、脈流でありながら、できるだけ効率良く短時間で充電することができる。
上記のように力率改善は行うが、脈流であるため、バッテリー４の端子電圧に充電電圧である脈流ｂに対応するリップル電圧ｃが生じる。このリップル電圧ｃの変動幅、つまり振幅は、バッテリー４の内部抵抗ｒに比例する。また、バッテリー４の内部抵抗ｒは充電が進むに従って小さくなる。そのため、充電が進むに従って、リップル電圧ｃが符号「ｃ′」で波形を示すように小さくなり、充電程度検出手段７によりバッテリー４の端子電圧の変動幅を測定することによって、バッテリー４の充電の程度を正確に検出することができる。
充電程度検出手段７により検出した充電の程度は、充電程度報知手段１３により段階的に、またはパーセント表示等で表示する。充電程度検出手段７により、リップル電圧ｂの変動幅が設定変動幅以下または未満になると、充電程度検出手段７は充電完了と判定し、この判定に応答して充電停止手段１１は開閉スイッチ１２を開き、充電を停止する。
スマートフォン等の多くの充電対象機器３は、充電装置に接続したままに放置する場合が多いが、前記充電停止手段１１を設けることで、特に人による操作を必要とせずに、過充電を防止し、バッテリー４の長寿命化が得られる。
このように、この構成の充電装置によると、整流後に平滑化を行わない脈流の状態で充電するため、満充電等の充電状態を正確に検出でき、過充電の防止が行え、バッテリーの長寿命化が達成できる。また、脈流で充電するが、単に整流しただけでなく、その後に力率改善を行った脈流で充電するため、効率良く充電できて、短時間で充電が行え、急速充電にも対応することができる。
図３は、この発明の他の実施形態を示す。この例は、図１に示す第１の実施形態において、電圧を変換する電圧変換回路１４を設けたものである。電圧変換回路１４は、図示の例では整流回路２の後段に設けているが、整流回路２の前段に設けても良い。その他の事項は第１の実施形態と同様である。
前記交流電源１の電圧とバッテリー４の電圧は大きく異なる場合があるため、電圧変換回路１４を設けて充電に適した電圧に変換したうえで充電を行うようにすることで、良好に充電が行える。この場合に、この充電装置では脈流で充電を行うため、バッテリー４の充電端子に印加する充電電圧は、通常の平滑化された直流で充電する場合の電圧よりも高く設定しておくことが好ましい。これにより、脈流で充電することで生じる直流に対する充電時間の長時間化が回避できる。
１…交流電源
２…整流回路
３…充電対象機器
４…バッテリー
５…出力端子
６…出力回路
７…充電程度検出手段
１１…充電停止手段
１３…充電程度報知手段
１４…電圧変換回路
１５…力率改善手段

Claims (3)

  1. 交流電源の交流を整流して脈流とする整流回路と、この整流回路から出力される脈流の力率を高める力率改善手段と、充電対象機器の充電端子に接続する出力端子を有し前記力率改善手段から出力される力率改善脈流を、電圧の平滑化を行うことなく出力する出力回路とを備える充電装置。
  2. 請求項１に記載の充電装置において、前記力率改善手段は、入力された脈流の電流波形を矩形化し各波山間の幅を狭めて前記力率改善脈流とする充電装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の充電装置において、前記充電対象機器のバッテリーの端子電圧を監視し前記脈流により生じる前記端子電圧のリップル電圧の変動幅によって充電程度を検出する充電程度検出手段を設けた充電装置。
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