JP3610842B2 - 給電装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、2次電池のような負荷に定電流を供給する給電装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に負荷へ供給する電流を定電流化することは、負荷となる2次電池を充電する給電装置(充電装置)において必要とされる。ここで、2次電池は充電とともに電池電圧が上昇するものであり、また電圧の異なる組電池を負荷とする場合もある。図25は従来の給電装置の一例を示しており、商用電源ACを整流平滑回路6にて整流平滑して負荷(この場合は2次電池5)に電流(充電電流)Idを供給するものである。ここで、2次電池5のように負荷電圧が大きく変化する負荷への供給電流Idを定電流化するために、上記従来の給電装置においては負荷抵抗(2次電池5の内部抵抗)よりも十分に大きな抵抗Rを負荷(2次電池5)と直列に接続している。これ以外にもインダクタンスを利用したスイッチング周波数制御やPWM制御によるフィードバック制御によって供給電流の定電流化を図った給電装置も提供されている。
【0003】
図26に示す従来例では、整流平滑回路6の出力端間にインダクタンスLs、スイッチング素子SW、整流用のダイオードD1、電流平滑用のチョークコイル4を介して2次電池5を接続するとともに、ダイオードD1とチョークコイル4の接続点と2次電池5の負極の間に環流用のダイオードD2を接続し、2次電池5に供給される電流Idを電流検出部20にて検出し、その検出値が略一定となるように制御部21にてスイッチング素子SWのスイッチング周波数をフィードバック制御している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記前者の従来例では、負荷に直列接続された抵抗Rでの損失が大きくなって給電の効率が悪いという問題があり、また上記後者の従来例では、回路構成が複雑となって部品点数が大幅に増大するという問題があった。
【0005】
本発明は上記問題点の解決を目的とするものであり、簡単な構成により各種の負荷に対して定電流を供給することが可能な給電装置を提供しようとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、上記目的を達成するために、高周波交流電圧を発生するとともにリーケージトランスから成る出力トランスを介して高周波交流電圧を出力する電源部と、出力トランスの2次側に並列接続されるコンデンサと出力トランスの漏れインダクタンスからなる直列共振回路と、この直列共振回路に生じる共振電圧を整流する整流部とを備え、整流部の出力側に接続される負荷に給電する給電装置であって、電源部で発生する高周波交流電圧の周波数をf[Hz]、直列共振回路の等価インダクタンスをL[H]、直列共振回路のコンデンサの容量値をC[F]としたときにf=1/{2π×(L×C) 1/2 }の関係が成立するように等価インダクタンスLおよびコンデンサの容量値Cが設定されたことを特徴とし、簡単な回路構成により電圧が変動する負荷や、電圧の異なる複数種の負荷に対して常に略一定の電流を負荷に供給することができる。
【0007】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、負荷を2次電池としたことを特徴とし、充電電流を定電流化することができ、本発明の給電装置を2次電池の充電装置に用いることができる。
【0008】
請求項3の発明は、請求項1又は2の発明において、整流部と負荷の間に電流平滑用のチョークコイルを接続したことを特徴とし、請求項1又は2の発明と同様の作用を奏する。
【0009】
請求項4の発明は、請求項1又は2又は3の発明において、整流部が半波整流回路からなることを特徴とし、請求項1又は2又は3の発明と同様の作用を奏する。
【0010】
請求項5の発明は、請求項1又は2又は3の発明において、整流部はセンタタップ付のトランスを具備することを特徴とし、請求項1又は2又は3の発明と同様の作用を奏する。
【0013】
請求項6の発明は、請求項1の発明において、出力トランスが、電源部に設けられる1次巻線と、負荷側に設けられる2次巻線とが分離自在に磁気結合されて成ることを特徴とし、請求項1の発明と同様の作用を奏する。
【0014】
請求項7の発明は、請求項1の発明において、負荷を2次電池とし整流部を半波整流回路とするとともに、2次電池の電池電圧の最大値において電源部の交流出力の極性反転時期がコンデンサの両端電圧が極値となる時期に略一致するような第1の値と、電源部で発生する高周波交流電圧の周波数と直列共振回路の共振周波数が略一致するような第2の値との間にコンデンサの容量値を設定して成ることを特徴とし、請求項1の発明の作用に加えて、2次電池の電池電圧が最大値となるときの充電電流で定電流化することにより回路効率の向上が図れる。
【0015】
請求項8の発明は、請求項7の発明において、負荷と並列に平滑コンデンサを接続したことを特徴とし、請求項7の発明と同様の作用を奏する。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態により詳細に説明する。
【0017】
(実施形態1)
図1に示すように本実施形態は、高周波交流電圧を発生する電源部1と、電源部1の出力側に接続されるインダクタンスLx及びコンデンサCxの直列共振回路2と、この直列共振回路2に生じる共振電圧を整流する整流部3とを備え、整流部3の出力側に電流平滑用のチョークコイル4を介して接続された負荷である2次電池5に電流(充電電流)を供給するものである。
【0018】
電源部1は、商用電源ACと、商用電源ACを整流平滑する整流平滑回路6と、整流平滑回路6の出力端間に接続されたインバータ回路とを備えている。このインバータ回路は、一対のスイッチ要素Sa,Sbの直列回路並びに一対のコンデンサCa,Cbの直列回路が整流平滑回路6の出力端間に互いに並列に接続されるとともに、スイッチ要素Sa,Sb及びコンデンサCa,Cbの接続点間にトランスT1の1次巻線n1が接続されて成り、図示しない制御回路によりスイッチ要素Sa,Sbが交互にオンオフされることでトランスT1の2次巻線n2に矩形波の高周波交流電圧を発生するものである。トランスT1は、図2に示すように断面形状が略日字状のコア8の中心部8aに1次巻線n1が巻回されるとともに、1次巻線n1の外側に2次巻線n2が巻回されて構成され、1次巻線n1に生じる磁束が2次巻線n2に略全部交鎖するような密結合のトランスである。
【0019】
トランスT1の2次巻線n2にはインダクタンスLx及びコンデンサCxの直列共振回路2が接続されており、インダクタンスLxとコンデンサCxの接続点にダイオードD1のアノードが接続されるとともに、ダイオードD1のカソードにダイオードD2のカソードが接続され、ダイオードD2のアノードがコンデンサCxと2次巻線n2の接続点に接続される。そして、ダイオードD2のカソード−アノード間にチョークコイル4を介して2次電池5が接続されている。なお、ダイオードD2は環流用のダイオードである。
【0020】
ここで、トランスT1の1次巻線n1の自己インダクタンスをL1、2次巻線n2の自己インダクタンスをL2、1次巻線n1及び2次巻線n2の相互インダクタンスをM、結合係数をk、1次側電圧をE1、2次側電圧をE2とすると、E2=E1×M/L1の関係が成立するが、トランスT1が密結合であることから結合係数kが1とみなせるので、上記式は1次巻線n1の巻数N1及び2次巻線n2の巻数N2を用いて、E2=E1×N2/N1と表せる。ここで、k=M/(L1×L2)1/2である。従って、図1に示した本実施形態は、電源部1を簡略化して図3に示すような等価回路で表すことができる。
【0021】
また、図4に示すようにコア8の中心部8aに1次巻線n1と2次巻線n2を分割巻きしてトランスT1をリーケージトランスとして構成し、意図的に漏れ磁束を作れば、トランスT2の2次側換算におけるインダクタンスLx’(=(1−k2)×L2、但し0<k<1)とコンデンサCxとで直列共振回路2を構成することができ、インダクタンスLxが不要となって部品点数の削減を図ることができる。このようにトランスT1をリーケージトランスとした場合の回路図を図5に示し、その等価回路を図6に示す。なお、実際の漏れインダクタンスLx’は、1次側を短絡した状態で2次巻線n2の両端間をLCRメータ等で計測して求めることができる。
【0022】
ここで、2次電池5の直列接続本数を種々変更することで電池電圧Edを大きく変化させた場合に、直列共振回路2を構成するコンデンサCxの容量値に対して2次電池5に供給される充電電流Idの平均値Iavを求めた実験結果を図7に示す。図7から明らかなように、2次電池5の電池電圧Edを1.65Vから10Vまで段階的に変化させた場合であっても図7中の点Aでは充電電流Idの平均値Iavがほぼ一定になっている。ここで、インダクタンスLx’の値が6μH、電源部1から出力される高周波交流電圧の周波数fが110kHzであり、図7から読み取った点Aに対応するコンデンサCxの容量値が約0.35μFであることから、f=1/{2π×(Lx’×Cx)1/2}の関係が成立する。すなわち、直列共振回路の共振周波数と電源部1から出力される高周波交流電圧の周波数fを略一致させれば、負荷である2次電池5の電池電圧Edが変化しても常に略一定の充電電流Idを供給することができる。逆に言うと、上記式を変形してCx=1/{Lx’×(2πf)2}から求まる容量値(今の場合は0.348μF)に設定すればよい。いずれにしても、上記式を満足するようにインダクタンスLx’及びコンデンサCxの値と周波数fを設定すれば、充電電流Idの定電流化が可能となる。ここで、図8には図6の等価回路における各部の電圧及び電流波形を示しており、2次電池5に対して矩形波の充電電流Idが流れてその平均値Iavが略一定となっている。
【0023】
上述のように、電源部1から出力される高周波交流電圧の周波数fを直列共振回路2の共振周波数に略一致させることによって、部品点数の追加を最小限に抑えながら、負荷(2次電池5)の電圧が変化しても常に略一定の電流を負荷に供給することが可能な給電装置が実現できる。
【0024】
なお、負荷は2次電池5に限定されるものではなく、例えば図9及び図10の等価回路に示すように抵抗RLと平滑コンデンサC0の並列回路で構成されるものであっても良い。但し、チョークコイル4を有して負荷に供給される電流が平滑化される場合には、必ずしも平滑コンデンサC0を必要とせず、抵抗RLのみの負荷であっても良い。従って、本実施形態の給電装置を不特定本数の2次電池を充電するための汎用充電器に用いたり、専用充電での充電に伴う電池電圧が上昇しても充電電流を略一定に保つことができる。さらに、負荷が2次電池以外、例えば蛍光灯負荷であっても負荷に供給する電流を定電流化することが可能である。
【0025】
また、電源部1の出力電圧は矩形波に限定されるものではなく、台形波や正弦波あるいは三角波であっても同様の効果を奏する。特に図11及び図12に示すように、トランスT1の1次巻線n1にコンデンサC1を並列に接続するか、あるいはスイッチ要素Sa,Sbとして寄生容量を有する半導体スイッチング素子を用いれば、トランスT1の漏れインダクタンスとの間で部分共振が生じてトランスT1の1次側及び2次側の電圧が台形波となる。さらに、図13及び図14に示すように直列共振回路2の出力端にダイオードD1を介して2次電池5を接続して半端整流するような回路構成としても良い。
【0026】
ところで、電源部1にトランスT1を用いているのは、電源部1の出力電圧を昇降圧したり、電源部1と負荷を絶縁したり、あるいは後述するように非接触給電を行うためであり、電源部1の回路構成に関わらず図3に示した等価回路で表される全ての形態において、本発明の技術思想を適用して広範囲の負荷電圧の変動に対して負荷への供給電流を定電硫化することができる。
【0027】
(実施形態2)
本実施形態は、図15に示すように電源部1で発生させた高周波交流電圧を一次コイル9に加えることで発生させた磁界内に二次コイル10を位置させて、二次コイル10に電磁誘導によって電力を伝達するものであり、実施形態1におけるトランスT1の代わりに一次コイル9と二次コイル10を備えた出力トランスT2が用いられている点以外は実施形態1と共通の構成を有している。従って、共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【0028】
出力トランスT2は、図16に示すようにコア9aに1次巻線n1が巻回されて成る一次コイル9と、同じくコア10aに2次巻線n2が巻回されて成る二次コイル10とを備え、一次コイル9と二次コイル10とが所定のギャップgをおいて対向配置される構造(図示せず)を有している。而して、一次コイル9と二次コイル10が対向配置されて磁気結合している状態では実施形態1と全く共通の回路構成となり、出力トランスT2の漏れインダクタンスを直列共振回路2のインダクタンスLxとして用いることができるから、その等価回路は図6と共通になる。
【0029】
このように本発明を従来周知の非接触式給電装置に適用した場合においても、負荷の電圧変動に対して定電流化が可能となる。
【0030】
(実施形態3)
本実施形態は、図17及び図18に示すように実施形態2における出力トランスT2の二次コイル10にセンタタップ10bを設けるとともに、2次電池5の負極をセンタタップ10bに接続した点に特徴があり、それ以外の構成及び動作は実施形態2と共通する。よって、共通する構成及び動作については同一の符号を付して説明を省略する。
【0031】
すなわち、本実施形態では出力トランスT2にセンタタップ10bを設けることで全波整流を行うようにしており、図19に示すような等価回路で表すことができる。ここで、図19におけるインダクタンスLx”は、Lx”=(1−k2)×L2/2で表され、実施形態1における直列共振回路2のインダクタンスLxに対してLx=2×Lx”の関係式が成立する。また、電源部1は2つの電源1a,1bで表され、各電源1a,1bの電源電圧E3と出力トランスT2の1次側電圧E1並びに実施形態1における2次側電圧E2との間には、E3=M×E1/(2×L1)とE2=2×E3の各関係式が成立する。なお、図20及び図21に示すように電流平滑用のチョークコイル4を省略しても良い。
【0032】
なお、出力トランスT2の漏れインダクタンスを直列共振回路2のインダクタンスに兼用しない場合には、上記インダクタンスLx”と同じ値を有するインダクタンスを2次側に各々直列に接続すればよい。
【0033】
(実施形態4)
本実施形態は、図22に示すように高周波出力電圧の波形が正弦波となる電源部1’と、インダクタンスLx及びコンデンサCxの直列共振回路2と、ダイオードD1から成る半端整流型の整流部3’と、負荷である2次電池5とを備えている。なお、正弦波の高周波交流電圧を出力する電源部1’の回路構成については、従来周知の技術を用いて実現可能であるから図示並びに説明を省略する。また、電源部1’にはリーケージトランスから成る出力トランス(図示せず)が用いられており、この出力トランスの漏れインダクタンスを直列共振回路2のインダクタンスLxに用いている。
【0034】
ここで、2次電池5の直列接続本数を種々変更することで電池電圧Edを大きく変化させた場合に、直列共振回路2を構成するコンデンサCxの容量値に対して2次電池5に供給される充電電流Idの平均値Iavを求めた実験結果を図23に示す。図23から明らかなように、2次電池5の電池電圧Edを1.35Vから3.9Vまで段階的に変化させた場合に、コンデンサCxの容量値が第1の値Cx1から第2の値Cx2の範囲では充電電流の平均値Iav間の差が最も小さくなって略一定とみなせる。ここで、インダクタンスLxの値は62.4μH、電源部1’から出力される高周波交流電圧の周波数fは67kHzとすると、周波数fを直列共振回路2の共振周波数に略一致させるためにはコンデンサCxの容量値を0.09μF(第2の値Cx2)に設定すれば、実施形態1と同様に2次電池5の充電電流Idを略一定とすることが可能である。しかしながら、2次電池5の電池電圧が変動する範囲が決まっている場合(上述の例では1.35V〜3.9V)には、その最大値(3.9V)において充電電流Idが最大となる条件、すなわちコンデンサCxの容量値を第1の値Cx1(約0.05μF)に設定して定電流化を図る方が回路効率が向上できる。
【0035】
而して、図24はコンデンサCxの容量値を第1の値Cx1に設定したときの各部の波形を示しており、2次電池5の電池電圧の最大値において電源部1’の交流出力E2の極性反転時期(図24における時刻ta)が、コンデンサCxの両端電圧Vcxが極値(極小値)となる時期に略一致することになる。逆に言うと、2次電池5の電池電圧の最大値において電源部1’の交流出力E2の極性反転時期がコンデンサCxの両端電圧Vcxが極値(極小値)となる時期に略一致するようなコンデンサCxの値が第1の値Cx1となるのである。従って、整流部3’が半波整流型である場合には、少なくとも直列共振回路2のコンデンサCxの容量値を第1の値Cx1から第2の値Cx2の範囲内に設定することによって、負荷の電圧変動に対して負荷に供給される電流を略一定とすることが可能となる。
【0036】
【発明の効果】
請求項1の発明は、高周波交流電圧を発生するとともにリーケージトランスから成る出力トランスを介して高周波交流電圧を出力する電源部と、出力トランスの2次側に並列接続されるコンデンサと出力トランスの漏れインダクタンスからなる直列共振回路と、この直列共振回路に生じる共振電圧を整流する整流部とを備え、整流部の出力側に接続される負荷に給電する給電装置であって、電源部で発生する高周波交流電圧の周波数をf[Hz]、直列共振回路の等価インダクタンスをL[H]、直列共振回路のコンデンサの容量値をC[F]としたときにf=1/{2π×(L×C) 1/2 }の関係が成立するように等価インダクタンスLおよびコンデンサの容量値Cが設定されたので、簡単な回路構成により電圧が変動する負荷や、電圧の異なる複数種の負荷に対して常に略一定の電流を負荷に供給することができるという効果がある。
【0037】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、負荷を2次電池としたので、充電電流を定電流化することができ、本発明の給電装置を2次電池の充電装置に用いることができるという効果がある。
【0038】
請求項3の発明は、請求項1又は2の発明において、整流部と負荷の間に電流平滑用のチョークコイルを接続したので、請求項1又は2の発明と同様の効果を奏する。
【0039】
請求項4の発明は、請求項1又は2又は3の発明において、整流部が半波整流回路からなるので、請求項1又は2又は3の発明と同様の効果を奏する。
【0040】
請求項5の発明は、請求項1又は2又は3の発明において、整流部はセンタタップ付のトランスを具備するので、請求項1又は2又は3の発明と同様の効果を奏する。
【0043】
請求項6の発明は、請求項1の発明において、出力トランスが、電源部に設けられる1次巻線と、負荷側に設けられる2次巻線とが分離自在に磁気結合されて成るので、請求項1の発明と同様の効果を奏する。
【0044】
請求項7の発明は、請求項1の発明において、負荷を2次電池とし整流部を半波整流回路とするとともに、2次電池の電池電圧の最大値において電源部の交流出力の極性反転時期がコンデンサの両端電圧が極値となる時期に略一致するような第1の値と、電源部で発生する高周波交流電圧の周波数と直列共振回路の共振周波数が略一致するような第2の値との間にコンデンサの容量値を設定して成るので、請求項1の発明の効果に加えて、2次電池の電池電圧が最大値となるときの充電電流で定電流化することにより回路効率の向上が図れるという効果がある。
【0045】
請求項8の発明は、請求項7の発明において、負荷と並列に平滑コンデンサを接続したので、請求項7の発明と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態1を示す概略回路構成図である。
【図2】同上におけるトランスの断面図である。
【図3】同上の等価回路図である。
【図4】同上における他の構成のトランスを示す断面図である。
【図5】同上の他の形態を示す概略回路構成図である。
【図6】同上の等価回路図である。
【図7】同上の説明図である。
【図8】同上の動作説明図である。
【図9】同上のさらに他の形態を示す概略回路構成図である。
【図10】同上の等価回路図である。
【図11】同上のさらにまた他の形態を示す概略回路構成図である。
【図12】同上の等価回路図である。
【図13】同上の別の形態を示す概略回路構成図である。
【図14】同上の等価回路図である。
【図15】実施形態2を示す概略回路構成図である。
【図16】同上の等価回路図である。
【図17】実施形態3を示す概略回路構成図である。
【図18】同上における出力トランスの断面図である。
【図19】同上の等価回路図である。
【図20】同上の他の形態を示す概略回路構成図である。
【図21】同上の等価回路図である。
【図22】実施形態4を示す概略回路構成図である。
【図23】同上の説明図である。
【図24】同上の動作説明図である。
【図25】従来例を示す概略回路構成図である。
【図26】他の従来例を示す概略回路構成図である。
【符号の説明】
1 電源部
2 直列共振回路
3 整流部
5 2次電池
Lx インダクタンス
Cx コンデンサ
Claims (8)
- 高周波交流電圧を発生するとともにリーケージトランスから成る出力トランスを介して高周波交流電圧を出力する電源部と、出力トランスの2次側に並列接続されるコンデンサと出力トランスの漏れインダクタンスからなる直列共振回路と、この直列共振回路に生じる共振電圧を整流する整流部とを備え、整流部の出力側に接続される負荷に給電する給電装置であって、電源部で発生する高周波交流電圧の周波数をf[Hz]、直列共振回路の等価インダクタンスをL[H]、直列共振回路のコンデンサの容量値をC[F]としたときにf=1/{2π×(L×C) 1/2 }の関係が成立するように等価インダクタンスLおよびコンデンサの容量値Cが設定されたことを特徴とする給電装置。
- 負荷を2次電池としたことを特徴とする請求項1記載の給電装置。
- 整流部と負荷の間に電流平滑用のチョークコイルを接続したことを特徴とする請求項1又は2記載の給電装置。
- 整流部が半波整流回路からなることを特徴とする請求項1又は2又は3記載の給電装置。
- 整流部はセンタタップ付のトランスを具備することを特徴とする請求項1又は2又は3記載の給電装置。
- 出力トランスは、電源部に設けられる1次巻線と、負荷側に設けられる2次巻線とが分離自在に磁気結合されて成ることを特徴とする請求項1記載の給電装置。
- 負荷を2次電池とし整流部を半波整流回路とするとともに、2次電池の電池電圧の最大値において電源部の交流出力の極性反転時期がコンデンサの両端電圧が極値となる時期に略一致するような第1の値と、電源部で発生する高周波交流電圧の周波数と直列共振回路の共振周波数が略一致するような第2の値との間にコンデンサの容量値を設定して成ることを特徴とする請求項1記載の給電装置。
- 負荷と並列に平滑コンデンサを接続したことを特徴とする請求項7記載の給電装置。
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