JP3271032B2 - 二次電池の充電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、二次電池に定電流を供
給すると共に二次電池の端子電圧と基準電圧とを比較
し、過放電の場合には充電終了電圧に相当する第１の基
準まで充電させた後、基準電圧を僅かに放置電圧に相当
する第２の基準電圧に切換え、以後第２の基準電圧に向
けて補充電させるようになった二次電池の充電装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の装置は、本出願人により特開昭
６３−２４５２３５により提案されており、過放電した
二次電池に対しても長時間の充電時間が必要としないだ
けでなく、負荷が接続している場合或は放置状態の場合
でも常に二次電池を完全充電状態に保持可能にする。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この装
置の場合は、交流電源の半波整流電圧が二次電池の電圧
を上廻った際に定電流を供給する方式であるために、交
流電源の整流回路及び二次電池間にその内部抵抗よりも
充分大きな直流抵抗を接続し、相応して交流電源電圧を
高くする必要があるために、電力損失が大きくなり、さ
らに電源電圧が変化すると定電流値も変動する問題が残
されていた。この問題は、交流電源に代えて直流電源を
用いる場合でも同様である。

【０００４】よって、本発明は、冒頭に述べた類の直流
電源式の二次電池の充電装置において、二次電池に直列
接続される定電流用抵抗を不要にして電力効率を向上さ
せることを目的とする。別の目的は、電源電圧が変化し
ても所定の充電電流量に対する所要時間を一定化するこ
とである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、最初の目的を
達成するために、請求項１により、二次電池に間欠的に
定電流を供給する定電流発生回路と、充電終了電圧に相
当する第１の基準電圧及び充電終了後のより低い放置電
圧に相当する第２の基準電圧を発生する基準電圧発生回
路と、定電流の非通流時の充電休止期間に二次電池の端
子電圧と第１又は第２の基準電圧とを比較する比較手段
と、充電動作の中断により所定時間についての充電電流
の積算量が所定量に低下するのを検出して第１の基準電
圧に代わって第２の基準電圧を比較手段に供給させる充
電電流積算手段とを備え、端子電圧で第１又は第２の基
準電圧を下廻るのが検出されると、定電流発生回路から
充電電流を供給させるようになった二次電池の充電装置
において、定電流発生回路が、直流電源と、その直流電
圧をスイッチング信号でオンオフされるスイッチ素子に
より入力されて、インダクタンスを通して電流出力を行
うチョッパと、充電電流を検知する電流検知手段と、そ
の電流検知信号の前記スイッチ素子のオンオフに起因す
る変動分を平均化により除去したパルス幅制御信号を出
力する平均化手段と、パルス幅制御信号レベルとパルス
幅制御用基準値との偏差に応じて充電電流レベルを一定
にするようにスイッチング信号のパルス幅を制御するパ
ルス幅制御手段と、二次電池の過放電状態での充電応答
時間に対応するモニタ時間間隔で比較手段をモニタして
端子電圧が基準電圧を下廻るのが検出されると、モニタ
時間間隔にわたりパルス幅制御手段を作動可能にする比
較信号モニタ手段とを有すことを特徴とする。

【０００６】電源電圧の変化に無関係に所定の積算充電
電流量に対する所要時間を一定にするには、請求項２に
より、平均化手段が、電源電圧の変化に無関係に充電電
流レベルを一定に保持するように、電源電圧信号と電源
電圧用基準値との偏差に応じてパルス幅制御信号のレベ
ルを補正するように構成される。

【０００７】

【作用】比較信号モニタ手段が所定のモニタ時間間隔で
比較手段をモニタして端子電圧が基準電圧を下廻るのを
検出すると、モニタ時間間隔にわたりパルス幅制御手段
を作動させる。パルス幅制御手段は、スイッチング信号
でスイッチング素子をオンさせ、端子電圧を越えた電圧
でインダクタンスを通してほとんど電力損失の無い状態
で充電電流を供給させる。これにより、モニタ時間間隔
にわたり一定の充電電流が供給される。平均化手段は充
電電流に応答した電流検知信号の変動分を除去したパル
ス幅制御信号を出力し、パルス幅制御手段にパルス幅制
御用基準値との偏差に応じてスイッチング信号をパルス
幅制御させることにより、モニタ期間中の充電電流レベ
ルを一定にする。

【０００８】電流を大きく消耗した過放電状態の場合、
充電電流積算手段は連続する充電状態を検知して、充電
終了信号を出力し得ず、第１の基準電圧を出力させる。
端子電圧が第１の基準電圧に達して、充電動作が中断し
つつくり返される過程で充電電流の積算量が低減し、充
電電流積算手段が充電終了信号を出力すると、第２の基
準電圧に切換えて充電が終了する。

【０００９】請求項２によれば、平均化手段は、電源電
圧用基準値との偏差に応じてパルス幅制御信号のレベル
を補正することにより、直流状充電電流のレベルを一定
に保持させる。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明の一実施例による例えば６セ
ルの鉛蓄電池である二次電池に対する直流電源式の充電
装置に対応して、電源を直流電源に代えて５０Ｈｚの商
用電源として対応の充電動作を行うする充電装置を示
す。１０はトランス１から供給される商用電源電圧を両
波整流するダイオードＤ１、Ｄ２で構成される両波整流
回路である。１１は降圧型チョッパであり、ハイパスコ
ンデンサＣ１１、平滑用インダクタンスＬ１１、フライ
ホイールダイオードＤ１１及び半導体スイッチ素子Ｓ１
１より構成されている。Ｒ１は電流検知抵抗であり、二
次電池２の内部抵抗に対して敢えて大きくすることな
く、電圧信号としてその両端に処理可能な電圧を発生さ
せ得るように例えば０．１Ω程度に設定されている。

【００１１】１２は半導体スイッチ素子Ｓ１１のオン及
びその時間幅を制御する例えば２０ｋＨｚのスイッチン
グパルス信号を出力するパルス幅制御回路であり、平均
化回路１２ａ及び比較信号保持回路１２ｂが付属してい
る。平滑用インダクタンスＬ１１はパルス状充電電流を
電力損失無しで出力し、フライホイールダイオードＤ１
１でその電流を保持させることによりオンオフ期間を平
滑された充電電流ｄを供給し、平均化回路１２ａは、充
電電流ｄの電流検知抵抗Ｒ１の両端で検知された電流検
知信号を平均化して、スイッチングリップル無しの台形
状パルス幅制御信号を出力する。また、このパルス幅制
御信号の電圧レベルは、ダイオードＤ３、Ｄ４による両
波整流波状の電源電圧信号を制御入力として、電源電圧
が変化して端子電圧Ｖｔを越えた半波整流波状電圧の振
幅及び時間幅が変化しても各半波整流期間の積算充電電
流量を一定に保持するように、基準電圧との偏差に応じ
てパルス幅制御信号レベルを自動的に補正するようにな
っている。例えば、電源電圧が増大して、端子電圧Ｖｔ
を越える電圧の振幅及び時間幅が大きくなると、パルス
幅制御信号レベルを相応に大きくして相対的にスイッチ
ングパルス信号のパルス幅を狭くして、充電電流ｄのレ
ベルを下げて半波整流期間の積算充電電流量を一定にす
る。

【００１２】比較信号保持回路１２ｂは、比較回路１３
で端子電圧Ｖｔが基準電圧Ｖ１、Ｖ２を下廻るのが検出
されると出力される比較信号を半波整流波形の周期より
も僅かに短い時間幅例えば８ｍｓ間の保持信号ｂを出力
する。この保持信号が出力される間、パルス幅制御回路
１２は作動可能状態となり、平均化回路１２ａの出力す
るパルス幅制御信号を基準値と比較して入力１００Ｖの
標準状態で例えば１Ａの時間幅６ｍｓの台形状の充電電
流ｄが出力されるように、スイッチングパルス信号をパ
ルス幅変調する。

【００１３】１４はダイオードＤ３、Ｄ４による両波整
流電圧を電源とする基準電圧発生回路であり、１４．５
Ｖの充電終了電圧に相当する第１の基準電圧Ｖ１ 及び
この充電終了電圧に達するまで充電された完全充電後の
放置状態で数時間経過した１３．２Ｖの放置電圧に相当
する第２の基準電圧Ｖ２を半波整流期間ごとに発生す
る。基準電圧Ｖ１、Ｖ２は、温度センサ１４ａに応答し
てそれぞれ温度補償して発生される。この回路は、例え
ば前述の特開昭６３−２４５２３５号公報に開示された
ように、プログラマブルツェナーダイオード及び温度セ
ンサとして機能するトランジスタを用いて構成できる。

【００１４】１４ｂは充電電流積算回路であり、電流検
知抵抗Ｒ１の電流検知信号を例えば数１０個の半波整流
期間に相当する時間分だけ積算し、端子電圧Ｖｔが第１
の基準電圧Ｖ１に達した後に充電動作が中断を繰返すこ
とにより、その積算量が半波整流期間ごとに連続する場
合の数１０％に下廻るのを検出すると、充電終了信号を
出力する。この充電終了信号が出力されると、基準電圧
発生回路１４は第１の基準電圧Ｖ１に代って第２の基準
電圧Ｖ２を出力する。

【００１５】このように構成された充電装置の動作を図
２を参照して説明する。負荷が電流を大きく消耗してい
ることにより充電電流積算回路１４ｂが連続充電状態を
検知して、充電終了信号を出力しなくなると、基準電圧
Ｖ１に切換わり連続的な充電が行われる。つまり、比較
信号保持回路１２ｂは各半波整流期間の間欠期間Ｔａに
端子電圧Ｖｔが基準電圧Ｖ１を下廻るごとに比較回路１
３の出力する比較信号を検知して、その消滅後も含めて
８ｍｓの間保持信号ｂを出力する。この間、パルス幅制
御回路１２は、半波整流電圧ａを２０ｋＨｚのスイッチ
ング信号で半導体スイッチ素子Ｓ１１をオンオフし、端
子電圧Ｖｔを上廻る電圧ｃが平滑用インダクタンスＬ１
１を通してオフ期間にフライホイールダイオードＤ１１
でクランプされた状態で充電電流を供給する。平均化回
路１２ａでは充電電流に対応する電流検知信号がスイッ
チングリップルの無いパルス幅制御信号となり、基準値
と比較されて基準電源電圧でループゲインに応じてほぼ
一定の１Ａのパルス幅６ｍｓ程度の台形状の充電電流ｄ
（リップルの時間幅は相対的に拡大して示す）が供給さ
れる。

【００１６】つまり、端子電圧Ｖｔの変動及びこれを越
える正弧波の整流電圧形状に応じてパルス幅変調され
る。また、過放電時に充電されて内部抵抗で瞬間的に高
くなった二次電池２の端子電圧Ｖｔが降下して安定する
充電応答時間を伴うことにより、比較信号が消滅する場
合でも保持信号ｂによりその時間内は充電電流を供給可
能にする。一方、充電応答時間が半波整流期間を越えて
極端に長い場合、後続する半波整流期間で比較信号が生
じた時点で再度充電される。端子電圧Ｖｔの充電応答時
間が６ｍｓより短い場合、比較信号が連続的に発生する
ことにより幅広になるが、間欠期間Ｔａが介在して各半
波整流期間ごとに充電される。

【００１７】端子電圧Ｖｔが基準電圧Ｖ１に達して、充
電動作が中断しつつくり返される過程で充電電流信号の
積算量が低減し、これにより充電電流積算回路１４ｂが
充電終了信号を出力すると、再度基準電圧Ｖ２に切換え
て充電が終了する。これにより、自己放電により端子電
圧Ｖｔが基準電圧Ｖ２を下廻ると補充電が行われ、完全
な充電を保証する。

【００１８】基準電圧Ｖ２の通常の充電過程では、比較
信号保持回路１２ｂは各半波整流期間の間欠期間Ｔａに
端子電圧Ｖｔが基準電圧Ｖ２を下廻るごとに比較回路１
３の出力する比較信号を保持して、８ｍｓの間保持信号
ｂを出力するが、間欠期間Ｔａが介在して半波整流期間
ごとに充電される。

【００１９】自家発電或は許容される電源電圧範囲の外
国での装置使用により、入力する交流電源電圧が変動も
しくは変更された場合、平均化回路１２ａはその電圧に
応じて自動的にパルス幅制御信号レベルを補正して、電
源電圧に相応して半波整流期間内の全てのパルス幅を相
対的に調整することにより、充電電流レベルを調整して
半波整流期間内の充電電流の積算量を一定に保持させ
る。

【００２０】図３は、このような商用電源に代えて、直
流電源２０を用いた本発明の実施例による充電装置をを
示すもので、図１のものと同等もしくは同等部分は同一
符号で説明する。降圧型チョッパ２１は、雑音除去用の
ハイパスコンデンサを廃止している。平均化回路２２ａ
は、電流検知抵抗Ｒ１の電流検知信号を平均化してスイ
ッチングリップルを除去すると共に、電源電圧の変化に
無関係に充電電流量レベルを一定に保持するように、電
源電圧信号と電源電圧用基準値との偏差に応じてパルス
幅制御信号のレベルを補正する。比較信号モニタ回路２
２ｂは例えば１０ｍｓごとに比較回路１３の比較出力が
出力されているか否かをモニタし、比較信号が出力され
ている場合、そのモニタ間隔時間中パルス幅制御回路１
２を作動可能にさせる。モニタ間隔時間は、二次電池２
の過放電状態でのさらに長い充電応答時間に対する対策
として１秒程度に設定しても良い。

【００２１】比較信号モニタ回路２２ｂは、比較回路１
３の比較出力が出力されていると、降圧型チョッパ１１
をモニタ間隔時間中作動させる。これにより、端子電圧
Ｖｔが変化しても相応したパルス幅変調で定電流充電が
保証される。次のモニタ時点で比較信号が出力されてい
ると、連続的に充電電流が供給される。この間、直流電
源の電圧が変動するとパルス幅制御信号がレベル補正さ
れ、充電電流は一定に保持される。つまり、電源電圧変
動に対して補正無しの単なるパルス幅制御信号で対応す
るのに比べて、本発明の電源電圧変動に対するパルス幅
制御信号の補正により、ループゲインを大きくしないで
済み、安定した定電流制御が可能になる。一定レベルの
直流状充電電流が間欠的に供給され、充電電流積算回路
１４ｂが充電終了信号を出力すると、基準電圧はＶ２に
切換わる。

【００２２】尚、前述の実施例ではチョッパをいずれも
降圧型として説明したが、図４に示すように、直流電源
電圧が二次電池電圧の充電に必要な電圧よりも低い場合
には、昇圧型チョッパに置換することもできる。即ち、
同図Ａにおいて、インダクタンスＬ３１は電源電圧より
も高い電圧をスイッチ素子Ｓ３１のオフ時に発生し、フ
ライホイールダイオードＤ３１を通して電流出力を行
う。この場合、同図Ｂに示すように、前述の実施例を異
り、充電電流は間欠的なパルス状になるが、同様にＣＲ
回路で構成される平均化回路で変動分を除去した直流パ
ルス状のパルス幅制御信号を発生させることにより、定
電流による充電が可能となる。また、スイッチング周期
を非可聴の２０ｋＨｚとして敢えて平滑しないパルス状
充電電流のままでも問題なく二次電池２の充電が行われ
ることが確認されている。

【００２３】図５は、チョッパのさらに別の実施例とし
てトランス式のものを示す。スイッチ素子Ｓ３１でトラ
ンスＴ３１の１次側巻線のアース側端子をオンオフし、
巻線比で電圧設定された２次側巻線から整流ダイオード
３２を通してパルス状充電電流を出力する。

【００２４】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、インダクタン
スを通して充電電流を出力するチョッパのパルス幅制御
による定電流制御により、定電流化用の直列抵抗が不要
となり、したがって交流電源電圧を二次電池電圧に対し
て大きく設定しても直列抵抗による電力損失が回避でき
る。過放電状態の二次電池の充電応答時間に対応したモ
ニタ時間間隔で端子電圧が基準電圧を下廻るか否かをモ
ニタして、パルス幅制御することにより、過放電状態の
充電にも長時間を要せず、高効率の安定した充電時間の
充電が可能となり、補充電も可能である。

【００２５】請求項２の発明によれば、過放電状態で内
部インピーダンスが高くなった電池或いは電源電圧変動
に対してループゲインを大きくすることなく、安定した
状態で電池電圧及び電源電圧変動に対応して充電電流の
定電流制御して所定の積算充電量に対する所要時間を一
定に確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の直流電源式の充電装置に対応して、電
源を直流電源に代えて商用電源とした場合の充電装置の
回路構成を示す図である。

【図２】同装置の動作を説明する波形図である。

【図３】本発明の実施例による直流電源式の充電装置の
回路構成を示す図である。

【図４】本発明の定電流発生回路に用いるチョッパの別
の実施例を示すもので、同図Ａは回路構成及び同図Ｂは
その出力電流波形である。

【図５】同チョッパのさらに別の実施例を示す。

【符号の説明】

２ 二次電池 １１、２１ 降圧型チョッパ １３ 比較回路

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−30668（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−245235（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−14471（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−58734（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−103430（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02J 7/04 - 7/10 H01M 10/44

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二次電池に間欠的に定電流を供給する定
   電流発生回路と、充電終了電圧に相当する第１の基準電
   圧及び充電終了後のより低い放置電圧に相当する第２の
   基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、定電流の非通
   流時の充電休止期間に二次電池の端子電圧と第１又は第
   ２の基準電圧とを比較する比較手段と、充電動作の中断
   により所定時間についての充電電流の積算量が所定量に
   低下するのを検出して第１の基準電圧に代わって第２の
   基準電圧を比較手段に供給させる充電電流積算手段とを
   備え、端子電圧で第１又は第２の基準電圧を下廻るのが
   検出されると、定電流発生回路から充電電流を供給させ
   るようになった二次電池の充電装置において、 前記定電流発生回路が、直流電源と、その直流電圧をス
   イッチング信号でオンオフされるスイッチ素子により入
   力されて、インダクタンスを通して電流出力を行うチョ
   ッパと、充電電流を検知する電流検知手段と、その電流
   検知信号の前記スイッチ素子のオンオフに起因する変動
   分を平均化により除去したパルス幅制御信号を出力する
   平均化手段と、前記パルス幅制御信号レベルとパルス幅
   制御用基準値との偏差に応じて充電電流レベルを一定に
   するように前記スイッチング信号のパルス幅を制御する
   パルス幅制御手段と、二次電池の過放電状態での充電応
   答時間に対応するモニタ時間間隔で比較手段をモニタし
   て前記端子電圧が前記基準電圧を下廻るのが検出される
   と、前記モニタ時間間隔にわたりパルス幅制御手段を作
   動可能にする比較信号モニタ手段とを有することを特徴
   とする二次電池の充電装置。
2. 【請求項２】 平均化手段が、電源電圧の変化に無関係
   に充電電流レベルを一定に保持するように、電源電圧信
   号と電源電圧用基準値との偏差に応じてパルス幅制御信
   号のレベルを補正するように構成されたことを特徴とす
   る請求項１記載の二次電池の充電装置。