JP2019169436A - ヒータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータの消費電力を従来よりも削減する。【解決手段】二次電池の電力に基づいてヒータを駆動するヒータ駆動装置であって、ヒータに第１の微分駆動電流と該第１の微分駆動電流とは逆方向に流れる第２の微分駆動電流とを交互に通電する。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒータ駆動装置に関する。

下記特許文献１には、誘導加熱型ヒータとランプ型ヒータとを用いて加熱対象物である定着ローラを立上り良く加熱するヒータ駆動装置が開示されている。すなわち、このヒータ駆動装置は、交流電力を供給することによってヒータを加熱させるものであり、直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路と、スイッチング回路の出力電流を検出する電流検出回路と、スイッチング回路のスイッチング動作を制御するコントローラとを備え、コントローラは、電流検出回路によって検出される電流に基づいてスイッチング回路に接続された負荷が予め決められた２種類のヒータのいずれであるかを判別し、判別の結果に応じて予め当該ヒータの種類ごとに定められた周波数の電力を出力するようにスイッチング回路を制御する。

特開２０１１−０９６６０５号公報

ところで、上記従来技術では、２つのスイッチを交互にＯＮ／ＯＦＦすることで駆動開始時の立ち上がり電流を緩やかにすることが開示されているが、立ち上がり後の定常駆動時に一定の周波数でヒータ電流を流し続けるので、ヒータを過剰に加熱させてしまう虞、つまり電力を無用に消費する虞がある。例えば電池を電源としてヒータを駆動する場合のように電源容量に制限があるヒータの駆動アプリケーションでは、無用な電力消費は極力抑制する必要がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ヒータの消費電力を従来よりも削減することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、ヒータ駆動装置に係る第１の解決手段として、二次電池の電力に基づいてヒータを駆動するヒータ駆動装置であって、前記ヒータに第１の微分駆動電流と該第１の微分駆動電流とは逆方向に流れる第２の微分駆動電流とを交互に通電する、という手段を採用する。

本発明では、ヒータ駆動装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記ヒータに直列接続される第１のコンデンサと、前記二次電池によって充電される第２のコンデンサと、前記ヒータと第１のコンデンサとからなる直列回路に前記二次電池あるいは第２のコンデンサを交互に接続することにより、前記第１の微分駆動電流及び前記第２の微分駆動電流を発生させる切替回路とを備える、という手段を採用する。

本発明では、ヒータ駆動装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記切替回路は、前記第１のコンデンサと前記二次電池のマイナス端子との間に設けられた第１の半導体スイッチと、前記二次電池のプラス端子と前記第２のコンデンサとの間に設けられた第２の半導体スイッチと、前記第２のコンデンサと前記第１のコンデンサとの間に設けられた第３の半導体スイッチと、前記第１〜第３の半導体スイッチを制御する制御回路とを備える、という手段を採用する。

本発明では、ヒータ駆動装置に係る第４の解決手段として、上記第２または第３の解決手段において、前記切替回路は、前記第１の微分駆動電流及び前記第２の微分行動電流との繰り返し周波数を調整することにより前記ヒータの発熱量を制御する、という手段を採用する。

本発明では、ヒータ駆動装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４の何れかの解決手段において、前記ヒータは前記二次電池を加熱する、という手段を採用する。

本発明によれば、ヒータの消費電力を従来よりも削減することが可能である。

本発明の一実施形態に係るヒータ駆動装置の回路図である。 本発明の一実施形態に係るヒータ駆動装置の動作モードのうちモード１を示す状態図である。 本発明の一実施形態に係るヒータ駆動装置の動作モードのうちモード２を示す状態図である 本発明の一実施形態に係るヒータ駆動装置の駆動波形を示す波形図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るヒータ駆動装置は、図１に示すように二次電池Ｘに備えられた複数のヒータＨ１〜Ｈ３を駆動対象とするものであり、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２、３つの半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３及び制御回路Ｄを備えている。なお、これら各構成要素のうち、３つの半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３及び制御回路Ｄは切替回路を構成している。

二次電池Ｘは、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）あるいはハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）等の移動車両に搭載され、走行用モータ等に高電圧の電力を供給するリチウムイオン電池や燃料電池等の組電池である。すなわち、この二次電池Ｘは、複数の単電池（電池セル）を直列に接続することにより高電圧の直流電力を負荷に出力する。なお、図１では４つの電池セルを示しているが、この電池セルの個数は便宜的なのであり、４つに限定されない。

このような二次電池Ｘは、自らを最適な動作温度の設定するために加熱する複数のヒータＨ１〜Ｈ３を備えている。なお、図１では３つのヒータＨ１〜Ｈ３を示しているが、ヒータＨ１〜Ｈ３の個数は３つに限定されない。本実施形態における３つのヒータＨ１〜Ｈ３は、図示するように直列接続されており、第１のヒータＨ１の一端が二次電池Ｘのプラス端子に接続され、第３のヒータＨ３の一端が第１のコンデンサＣ１の一端に接続されている。

第１のコンデンサＣ１は、所定の静電容量を有しており、上述したように一端が第３のヒータＨ３の一端に接続され、他端が第１、第３の半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ３の各一方の接点に接続されている。すなわち、この第１のコンデンサＣ１は、３つのヒータＨ１〜Ｈ３に直列接続されており、本発明における直列回路を構成している。

第２のコンデンサＣ２は、所定の静電容量を有しており、一端が第２の半導体スイッチＳＷ２の一端及び第３の半導体スイッチＳＷ３の他方の接点に接続され、他端が二次電池Ｘのマイナス端子に接続されている。この第２のコンデンサＣ２は、第２の半導体スイッチＳＷ２がＯＮ状態になることにより二次電池Ｘによって充電される。

第１の半導体スイッチＳＷ１は、上述したように一方の接点が第１のコンデンサＣ１の他端及び第３の半導体スイッチＳＷ３の一方の接点に接続され、他方の接点が二次電池Ｘのマイナス端子に接続され、また制御端子が制御回路Ｄの第１出力端に接続されている。

第２の半導体スイッチＳＷ２は、一方の接点が第２のコンデンサＣ２の一端及び第３の半導体スイッチＳＷ３の他方の接点に接続され、他方の接点が二次電池Ｘのプラス端子に接続され、また制御端子が制御回路Ｄの第２出力端に接続されている。

第３の半導体スイッチＳＷ３は、一方の接点が第１のコンデンサＣ１の他端及び第１の半導体スイッチＳＷ１の一方の接点に接続され、他方の接点が第２のコンデンサＣ２の一端及び第２の半導体スイッチＳＷ２の一方の接点に接続され、また制御端子が制御回路Ｄの第３出力端に接続されている。

制御回路Ｄは、上述した第１〜第３出力端から第１〜第３の制御信号をそれぞれ出力することにより、３つの半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を制御する回路である。この制御回路Ｄは、内部に記憶された制御プログラムに基づいて第１〜第３の制御信号を生成して第１〜第３の半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の各制御端子に出力する。

次に、このように構成されたヒータ駆動装置の動作について、図２〜図４を参照して詳しく説明する。

このヒータ駆動装置の動作モードには、二次電池Ｘを電源として第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３に駆動電流を供給するモード１と、第２のコンデンサＣ２を電源として第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３に駆動電流を供給するモード２とがある。図２は上記モード１を示しており、図３は上記モード２を示している。

モード１では、図２及び図４に示すように第１、第２の半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２がＯＮ状態に設定され、第３の半導体スイッチＳＷ３がＯＦＦ状態に設定される。すなわち、制御回路Ｄは、第１、第２の半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２をＯＮ状態に設定する第１、第２の制御信号を生成して第１、第２の半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２の各制御端子に出力し、また第３の半導体スイッチＳＷ３をＯＦＦ状態に設定する第３の制御信号を生成して第３の半導体スイッチＳＷ３の制御端子に出力する。

このようなモード１では、矢印で示すように第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３、第１のコンデンサＣ１及び第１の半導体スイッチＳＷ１を経由するように第１の微分駆動電流が流れるが、この第１の微分駆動電は、図４に示すように、第１の半導体スイッチＳＷ１がＯＦＦ状態からＯＮ状態に設定されることによって流れ、第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３の合成抵抗値と第１のコンデンサＣ１の静電容量とからなる時定数で減衰する微分波形状の電流である。

また、この第１の微分駆動電流は、二次電池Ｘによって第１のコンデンサＣ１が満充電に至るまでの期間にのみ流れる。すなわち、第１の微分駆動電流は、二次電池Ｘの出力が第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３と第１のコンデンサＣ１からなる直列回路（微分回路）によって微分された電流波形として、二次電池Ｘのプラス端子からマイナス端子に向かう方向（正方向）に流れる

また、このモード１では、第２の半導体スイッチＳＷ２がＯＮ状態に設定されるので、二次電池Ｘによって第２のコンデンサＣ２が充電される。すなわち、第２のコンデンサＣ２は、一端が正極性（＋）に、また他端が負極性（−）となるように充電される。また、第１のコンデンサＣ１は、第１の微分駆動電流によって一端が正極性（＋）に、また他端が負極性（−）となるように充電される。

モード２では、図３及び図４に示すように第１、第２の半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２がＯＦＦ状態に設定され、第３の半導体スイッチＳＷ３がＯＮ状態に設定される。すなわち、制御回路Ｄは、第１、第２の半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２をＯＦＦ状態に設定する第１、第２の制御信号を生成して第１、第２の半導体スイッチＳＷ１、ＳＷ２の各制御端子に出力し、また第３の半導体スイッチＳＷ３をＯＮ状態に設定する第３の制御信号を生成して第３の半導体スイッチＳＷ３の制御端子に出力する。

すなわち、このモード２では、モード１において二次電池Ｘによって満充電状態に充電された第２のコンデンサＣ２が第１のコンデンサＣ１と第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３とからなる直列回路（微分回路）に電源として接続される。

ここで、第１のコンデンサＣ１は一端つまり第３の半導体スイッチＳＷ３の他方の接点側が二次電池Ｘのプラス端子と略同電位に充電され、第２のコンデンサＣ２は、他端つまり第３の半導体スイッチＳＷ３の一方の接点側が二次電池Ｘのマイナス端子と略同電位に充電されているので、第３のヒータＨ３の一端には二次電池Ｘの端子間電圧の略２倍の正電圧が印加される。この結果、第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３には、図３に示すようにモード１とは逆方向かつモード１と略同波高の第２の微分駆動電流（微分波形の電流）が流れる。

このため、二次電池Ｘによって第２のコンデンサＣ２が充電され、第１〜第３の半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を制御することによって、第２のコンデンサＣ２から二次電池Ｘに向かって電流が流れるため、二次電池Ｘの消費電流を最少とし第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３へ電流を流し続けることが可能である。

制御回路Ｄは、このようなモード１とモード２とを交互に繰り返すように第１〜第３の半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を制御するので、第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３に通電される駆動電流は、図３に示すように第１微分駆動電流と第２の微分駆動電流とが所定の繰り返し周波数で交互に繰り返すものとなる。そして、第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３の温度（発熱量）は、繰り返し周波数を可変することによって、つまり単位時間当たりの通電電力が調節されることによって制御される。

このような本実施形態によれば、第１微分駆動電流と第２の微分駆動電流とを第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３に交互に通電するので、第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３を的確に発熱させることが可能であると共に、第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３の消費電力を従来よりも削減することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、第１のコンデンサＣ１と第２のコンデンサＣ２とを直接接続することによって二次電池Ｘの端子間電圧の略２倍の正電圧を発生させて第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３に印加することによって第２の微分駆動電流を生成したが、本発明はこれに限定されない。二次電池Ｘの端子間電圧の略２倍の正電圧を発生させるための回路として他の回路を用いても良い。例えばチャージポンプ回路を用いて二次電池Ｘの端子間電圧の略２倍の正電圧を発生させても良い。

（２）上記実施形態では、第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３の合成抵抗値と第１のコンデンサＣ１の静電容量とからなる時定数によって第１微分駆動電流及び第２の微分駆動電流の減衰特性を設定したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３と第１のコンデンサＣ１とからなる直列回路（微分回路）に上記時定数を調整するための抵抗器をさらに直列接続してもよい。

（３）上記実施形態では、単独の電子素子である第２のコンデンサＣ２を二次電池Ｘで充電させたが、本発明はこれに限定されない。例えば、複数のコンデンサを並列接続したコンデンサブロックを第２のコンデンサＣ２に代えて採用しても良い。このようなコンデンサブロックを採用することにより充電容量を大きくすることが可能である。

（４）上記実施形態では、第１微分駆動電流の波高値と第２の微分駆動電流の波高値とを略同等に設定したが、本発明はこれに限定されない。第１微分駆動電流の波高値と第２の微分駆動電流の波高値とは同等である必要はなく、必要に応じて大幅に異なる値としても良い。

（５）上記実施形態では、第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３を直列接続したが、本発明はこれに限定されない。例えば第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３を並列接続して第１のコンデンサＣ１と直列接続しても良い。また、この場合に第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３の各々に時定数調整用の抵抗器を接続しても良い。

（６）上記実施形態では、第１微分駆動電流と第２の微分駆動電流との繰り返し周波数を調節することによって第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３の発熱量（温度）を制御したが、本発明はこれに限定されない。上記繰り返し周波数に代えてあるいは上記繰り返し周波数に加えて、第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３と第１のコンデンサＣ１とからなる直列回路（微分回路）の時定数を可変して第１〜第３のヒータＨ１〜Ｈ３の発熱量（温度）を制御し手もよい。

（７）上記実施形態では、駆動対象を二次電池Ｘに備えられた複数のヒータＨ１〜Ｈ３としたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、電池を電源として駆動されるヒータであれば他の用途のヒータにも適用可能である。

Ｘ 二次電池
Ｈ１ 第１のヒータ
Ｈ２ 第２のヒータ
Ｈ３ 第３のヒータ
Ｃ１ 第１のコンデンサ
Ｃ２ 第２のコンデンサ
ＳＷ１ 第１の半導体スイッチ（切替回路）
ＳＷ２ 第２の半導体スイッチ（切替回路）
ＳＷ３ 第２の半導体スイッチ（切替回路）
Ｄ 制御回路（切替回路）

Claims (5)

1. 二次電池の電力に基づいてヒータを駆動するヒータ駆動装置であって、
   前記ヒータに第１の微分駆動電流と該第１の微分駆動電流とは逆方向に流れる第２の微分駆動電流とを交互に通電することを特徴とするヒータ駆動装置。
2. 前記ヒータに直列接続される第１のコンデンサと、
   前記二次電池によって充電される第２のコンデンサと、
   前記ヒータと第１のコンデンサとからなる直列回路に前記二次電池あるいは第２のコンデンサを交互に接続することにより、前記第１の微分駆動電流及び前記第２の微分駆動電流を発生させる切替回路と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のヒータ駆動装置。
3. 前記切替回路は、
   前記第１のコンデンサと前記二次電池のマイナス端子との間に設けられた第１の半導体スイッチと、
   前記二次電池のプラス端子と前記第２のコンデンサとの間に設けられた第２の半導体スイッチと、
   前記第２のコンデンサと前記第１のコンデンサとの間に設けられた第３の半導体スイッチと、
   前記第１〜第３の半導体スイッチを制御する制御回路と
   を備えることを特徴とする請求項２に記載のヒータ駆動装置。
4. 前記切替回路は、前記第１の微分駆動電流及び前記第２の微分駆動電流との繰り返し周波数を調整することにより前記ヒータの発熱量を制御することを特徴とする請求項２または３に記載のヒータ駆動装置。
5. 前記ヒータは前記二次電池を加熱することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のヒータ駆動装置。
   

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