JP3612152B2

JP3612152B2 - 充電装置

Info

Publication number: JP3612152B2
Application number: JP27751296A
Authority: JP
Inventors: 正樹大島
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2016-09-27
Also published as: JPH09205737A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
２次電池を急速充電する充電装置の充電制御方式に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の急速充電器には、直流電源からドロッパを使って電池を充電するものがある。
【０００３】
これは、充電々流を検出しながら、例えばＤＣ／ＤＣコンバ−タによりＯＮ／ＯＦＦ制御して、方形波パルスを作っていた。
図１は直流を入力とした場合の、パルス充電法（Ｒ・Ｆ・Ｖ法＝ＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＦｒｅｅＶｏｌｔａｇｅ法）による、充電装置の充電々流波形（ａ）及び電池電圧波形（ｂ）である。
【０００４】
この方式は、充電々流（ａ）のＯＦＦ期間の電池電圧（ｂ）ＲＦＶを検出して充電制御を行うものである。この為、充電々流が流れていない期間の電池電圧を検出しているので、高い検出精度を得る事が出来る。
【０００５】
但し、方形波パルス制御である為、充電効率が例えば３０％程度であり非常に悪く、又高価なものとなっていた。
【０００６】
又、単相交流入力を用いて、ＤＣ／ＤＣコンバ−タ制御によって２次電池を充電するリップル充電法がある。
この方式は、充電器として全波整流ダイオ−ドと、小さめの入出力コンデンサを用い、広い入力電圧変動範囲で制御出来るＤＣ／ＤＣコンバ−タ等で構成されている。この場合、充電制御を行う為の検出電圧は、平均電池電圧ＶＡＶＥを用いていた。
従って、充電効率は良くなるが、検出精度や応答性の面でやや劣っていた。
【０００７】
図２は、従来のリップル充電法による各部波形である。
単相交流電圧のゼロクロス付近は、充電器出力電流（充電々流）（ｄ）が流れない期間があり、従って電池電圧は（ｅ）の波形となり、この電圧波形の平均値ＶＡＶＥを検出電圧として用いていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術のパルス充電法（Ｒ・Ｆ・Ｖ法）では、電池電圧の検出精度は高いが、充電器が低効率かつ高価なものになるという欠点がある。
又従来技術のリップル充電法に於いては、充電効率は良くなるが、充電終了を電池の平均電圧を用いて検出しているので検出精度が悪くなるという欠点がある。従って本発明は、上記両者の長所を生かし、高効率かつ検出精度の高い充電器を提供する事を目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決する為の手段】
本発明は、前記リップル充電法に於いて、交流入力電圧のゼロクロス信号をタイミングパルスとして用い、ＤＣ／ＤＣコンバ−タの変換動作停止期間の電池電圧をサンプリングして、これを記憶して検出情報として充電制御を行うものである。
【００１０】
充電制御は、全波整流電圧を高周波でＯＮ／ＯＦＦするＤＣ／ＤＣコンバ−タのＤＵＴＹを制御する方法（連続パルス充電法）か又は、これに併用して全波整流波形の偶数倍毎にＤＣ／ＤＣコンバ−タの動作、停止を繰返す方法（不連続パルス充電法）が行われるが、いずれの場合もＤＣ／ＤＣコンバ−タの休止期間の電池電圧をサンプリングする事には変わらない。
【００１１】
【実施の形態】
図３は、本発明の連続パルス充電法による各部波形である。
図３の波形（ａ）〜（ｄ）は、図２の従来技術の場合と全く同じであるので説明は省略する。
尚、ＤＣ／ＤＣコンバ−タは数１０ＫＨＺでチョッピング動作を行っているので、図２、図３の充電器出力電流（ｄ）は高周波のＯＮ／ＯＦＦ波形であるが、その包絡線がえがいてある。
【００１２】
電池電圧波形は図３（ｅ）の様になっており、単相交流の毎サイクルのゼロクロス付近でＤＣ／ＤＣコンバ−タが停止している為、この期間電池電圧は一定となっている。
【００１３】
ＤＣ／ＤＣコンバ−タが停止している期間の電池電圧（図３（ｅ）のＲＦＶ１、ＲＦＶ２・・・ＲＦＶ４等）を検出し、図３（ｆ）の様に、ゼロクロス時の電池電圧サンプリング信号を取り出す。
【００１４】
そして、入力電圧が低下してＤＣ／ＤＣコンバ−タが変換動作を停止している時の適当な時期に、このゼロクロス時の電池電圧（ｆ）をサンプリングし、電池の充電状態を推定する。
【００１５】
これによって、電池が充電状態でない時の電池電圧を検出する事が出来るので、検出精度の高い充電制御を行う事が出来る。
尚、サンプリング信号は必ずしもこの様な形状でなくても良い事は言うまでもない。
特に、急速充電とトリクル充電を併用した方式に於いては、とくにこの様な方法で充電停止期間の電池電圧をサンプリングして、電池の充電状態を推定する事は好ましい方法である。
【００１６】
尚この方式の場合の充電制御は、ＤＣ／ＤＣコンバ−タのＤＵＴＹ比を変える事によって行われる。
【００１７】
又、例えば０．７ＡＨのＮｉＣｄ電池（１．２Ｖ）を１０Ｃ（７Ａ）で充電を行う場合、充電停止期間の分極作用による電圧降下は、４５ｍｓで１００ｍＶぐらいドロップする。
Ｌｉイオン電池（３．６Ｖ）の場合は４５ｍｓで３００ｍＶぐらい分極作用によるドロップがある。
【００１８】
この為、ＤＣ／ＤＣコンバ−タの休止期間を、ゼロクロス期間より長く取って、電池電圧を測定した方が、より電池電圧精度の高いサンプリング検出を行うことが出来る。
【００１９】
そこで本発明の第２の実施の形態は、図４に示す不連続パルスによるパルス充電法である。
【００２０】
これは、図４の単相交流電圧（ａ）の全波整流波形の１サイクル分の整数倍毎の単位で、ＤＣ／ＤＣコンバ−タを動作、不動作を繰り返すものである。
もちろん充電制御はコンバ−タ動作期間中のＯＮ／ＯＦＦＤＵＴＹ比によって行う事を主とし、可能ならコンバ−タの動作、不動作の期間の比を制御することを併用してもよい。
【００２１】
尚、上記１サイクルの整数倍毎のコンバ−タのＯＮ／ＯＦＦは偶数回数毎のＯＮ／ＯＦＦ繰り返しでないと、高調波分が入力側へ帰還して入力力率を悪くしてしまう。
【００２２】
従って、１サイクルの偶数倍回充電を行い、偶数倍回充電を連続休とすることが望ましい。
【００２３】
よって、図４（ｂ）の様な充電器入力電流となり、ＤＣ／ＤＣコンバ−タ入力電圧は（ｃ）、充電器出力電流は（ｄ）の様な波形になる。
【００２４】
これによって電池電圧（ｅ）は、図の様にゼロクロス期間より長い休止期間を設けて、休止期間中の電池電圧ＲＦＶ３、ＲＦＶ４の内、分極ドロップを見込んだ休止時間後（例えば４５ｍｓ後）の電池電圧ＲＦＶ４をサンプリングする。
【００２５】
この様に、休止期間中の電池電圧の応答の様子を見て、電池の充電状態を推定する事によってより精度の高い充電制御を行う事が出来る。
【００２６】
図５は、本発明の充電装置の一実施例ブロック図である。
図に於いて、充電器１は単相交流２を入力として、ＤＣ／ＤＣコンバ−タ４で制御して２次電池５を充電する。全波整流器３で整流された入力電圧で動作するＤＣ／ＤＣコンバ−タ４と、これを制御するマイコン６、電池電圧を測定するＡ／Ｄ変換部７、入力電圧監視回路８から成る。
【００２７】
ＤＣ／ＤＣコンバ−タ４は広い入力電圧範囲で動作するが、入力電圧がある値以下では変換動作を停止する様に構成されている。
ＤＣ／ＤＣコンバ−タ４が停止している適当な時期に、入力電圧監視回路８の情報と合わせてサンプリング信号をマイコン６が出力し、一方Ａ／Ｄ変換部７で２次電池５の電池電圧を測定し、この情報を記憶部９で記憶し、この情報によってマイコン６がＤＣ／ＤＣコンバ−タ４の制御を行う。
【００２８】
制御は電流制御中心で、ＤＣ／ＤＣコンバ−タ４のＤＵＴＹ比によって電流値と電流休止期間を主に変える。
【００２９】
充電方法は、本発明の連続パルス充電法（図３）、不連続パルス充電法（図４）のどちらも同じである。
連続パルス充電法は急速充電、不連続パルス充電法はトリクル充電に使うとより有効である。
【００３０】
尚、本実施例の様に必ずしもマイコンやＡ／Ｄ変換回路を用いる必要はない。基準電池電圧（満充電電圧を含む）を複数個用意して、サンプリング信号が入る時期ごとにコンパレ−タで電池電圧と比較し、電池の充電状態をその都度判定し、その結果を状態記憶して充電制御しても良い。
【００３１】
又電池温度の情報をＡ／Ｄコンバ−タで取り込んだりタイマ−等の制御を合わせて行えばより充電終止検出を高精度化する事は明らかである。
【００３２】
又、図５に於いて、全波整流器３の入出力側に設けた抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、本発明の請求項４を構成する具体的実施例である。
全波整流器３の入力側の分圧抵抗Ｒ２の電圧と、出力側の抵抗Ｒ３の電圧を、入力電圧監視回路８で監視する事によって、ゼロクロス信号を検出する事が出来る。
【００３３】
図６は、２次電池をスマ−トバッテリ化した場合の本発明の一実施例である。スマ−トバッテリ−は、バッテリ−にインテリジェント機能（例えば残量、劣化、判定、保護機能など）を持たせたものであり、それだけ充電器の制御機能が簡素化される。
【００３４】
すなわち、図５の実施例の方式では、検出精度を上げる為には、ＯＦＦ期間の電池情報をより多く採らなければならず、それだけマイコンの負担がかかった。
【００３５】
図６のスマ−トバッテリの場合は、スマ−トバッテリ−に内蔵されたデジタル制御部分に電池情報を送る事によって充電器側のマイコンの演算が簡素化され、デジタル制御部の負担を軽くする事が出来る。
【００３６】
図６に於いて、スマ−トバッテリ−１１は、２次電池５にバッテリ−マネ−ジメント部１０を内蔵したものであり、入力電圧監視回路８よりのサンプリング信号をバッテリ−マネ−ジメント部１０が受けて、これを使い電池情報として記憶部９に送り、ＤＣ／ＤＣコンバ−タ４を制御するものである。
【００３７】
尚、図６のスマ−トバッテリ−の実施例に於いても、ゼロクロス信号と検出電圧のタイミングは、充電器毎によって決められるものであり、図５と図６による差異はない。又、本実施例では、マイコンをＤＣ／ＤＣコンバ−タの入力側に持って来たが、ＤＣ／ＤＣコンバ−タの出力側に持ってきて制御しても良いことは言うまでもない。
【００３８】
図７は、本発明充電装置に係る別の実施の形態を示す一実施例回路図である。この実施例では、第２の整流回路１２を設け、この出力側に出来るだけ高インピーダンスの（充電器の効率低下にほとんど影響しない程度の）抵抗負荷Ｒ４を設けてある。
【００３９】
抵抗負荷Ｒ４に電圧を分圧する分圧検出抵抗Ｒ５を接続してあり、検出抵抗Ｒ５は、非検出側の抵抗Ｒ４に比べて充分小さな値にしてある。
図６では、Ｒ４＝１ＭΩ、Ｒ５＝１０ＫΩである。
【００４０】
抵抗Ｒ５の分圧電圧を、入力電圧監視回路８の、例えば差動回路に入力する事により、ゼロクロス電圧のパルスを作る事が出来る。
以下、サンプリング処理の方法は、前述の方法と全く同じである。
【００４１】
尚、ＤＣ／ＤＣコンバ−タの変換動作を、交流入力電圧のゼロクロス毎に強制的に停止させると、ＤＣ／ＤＣコンバ−タから不快な低周波音を発生させる場合がある。
これを避ける方法として、ＲＦＶ測定周期Ｔ２を長くとる方法がある。
【００４２】
例えば、電池の充電時間は急速充電時でも、１０分〜１時間程度であるので、充電時の電池情報を検知するのに、例えば、１秒程度の遅れ時間は十分無視できる値である。
【００４３】
図８は、本発明の連続パルス充電法に於ける２次電池電圧測定周期Ｔ２を、単相交流電圧の入力周期Ｔ１の整数倍に設定した場合の電池電圧、波形である。
【００４４】
２次電池電圧測定周期Ｔ２に対して、期間τだけＤＣ／ＤＣコンバータを停止させている。例えば、５０Ｈｚの商用入力でもＴ１＝２０ｍｓであるので、Ｔ２＝１ｓｅｃと取れば、充電器を定期的に止めても、不快音の発生は無視できる程度に小さい。
【００４５】
尚、１秒周期の停止なら、ＤＣ／ＤＣコンバ−タの停止期間は、必ずしも図３（Ｃ）の谷の部分だけでなくても良い。
例えば、図３（Ｃ）の波形に於いて、ゼロクロス休止期間が広がっても、例えば、停止期間が５ｍｓとなっても、大きな音の発生はない。
【００４６】
測定周期Ｔ２は、例えば充電時間が８時間程度の普通充電では、１００秒程度の充電時間の誤差でも、充電容量の誤差は、１００／（３６００×８）＝０．３％程度であり、無視できる。
よって、普通充電では、Ｔ２＝１００秒は十分使える周期である。
【００４７】
図９は、図７の第２の全波整流器１２の代わりに半波整流用ダイオ−ド１３を使った例である。
これにより、Ｔ２の周期を、Ｔ１の整数倍にとる事が簡単に実行できる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明のパルス充電法はリップル充電であるので、入出力コンデンサを比較的小さくする事が出来る。又、ＤＣ／ＤＣコンバータを電流制御で動かすので、例えば６０％以上の高効率となる。さらに、充電電流が流れていない時の電池電圧を電池情報として制御するので、高精度に充電終了を監視する事が出来る。従って、本発明により電池に最適な急速充電が可能な、急速充電器を安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来方式の、直流入力パルス充電法による充電装置の各部波形。
【図２】従来方式の、リップル充電法による充電装置の各部波形。
【図３】本発明の、連続パルス充電法による充電装置の各部波形。
【図４】本発明の、不連続パルス充電法による充電装置の各部波形。
【図５】本発明の、充電装置の一実施例ブロック図。
【図６】２次電池をスマ−トバッテリ化した場合の、本発明の充電装置の一実施例ブロック図。
【図７】本発明の、充電装置の他の実施例ブロック図。
【図８】本発明の連続パルス充電法において、測定周期のインタ−バルを長く取った場合の電池電圧波形。
【図９】図７において、半波整流回路を用いた実施例ブロック図。
【符号の説明】
１充電装置
２単相交流
３全波整流器
４ＤＣ／ＤＣコンバ−タ
５２次電池
６マイコン
７Ａ／Ｄ変換部
８入力電圧監視回路
９記憶部
１０バッテリ−マネ−ジメント部
１１スマ−トバッテリ−
１２第２の全波整流器
Ｒ１〜Ｒ５抵抗
１３半波整流用ダイオ−ド

Claims

単相交流を入力とし、全波整流回路とＤＣ／ＤＣコンバ−タにより２次電池を充電し、２次電池よりの電池情報を用いて充電制御を行う充電装置において、前記単相交流電圧のゼロクロス信号をタイミングパルスとし、これに基づいて前記ＤＣ／ＤＣコンバ−タ変換動作の停止期間中の２次電池電圧を測定し、測定して得た２次電池電圧情報を用いて、前記ＤＣ／ＤＣコンバ−タの変換動作期間を、前記単相交流全波整流波形の偶数倍に設定し、前記ＤＣ／ＤＣコンバ−タの変換動作の停止期間を単相交流全波整流波形の偶数倍に設定して、充電制御を行うように構成してある事を特徴とする充電装置。
単相交流を入力とし、全波整流回路とＤＣ／ＤＣコンバ−タにより２次電池を充電し、２次電池よりの電池情報を用いて充電制御を行う充電装置において、前記単相交流電圧のゼロクロス信号をタイミングパルスとし、これに基づいて前記ＤＣ／ＤＣコンバ−タ変換動作の停止期間中の２次電池電圧を測定し、測定して得た２次電池電圧情報を用いて、前記ＤＣ／ＤＣコンバ−タの変換動作期間を、前記単相交流全波整流波形の偶数倍に設定し、前記ＤＣ／ＤＣコンバ−タの変換動作の停止期間を単相交流全波整流波形の偶数倍に設定するとともに、前記２次電池電圧測定周期を、前記単相交流電圧の入力周期の整数倍に設定し、この２次電池電圧測定周期に対して、任意の期間だけ前記ＤＣ／ＤＣコンバータを停止させて、充電制御を行うように構成してある事を特徴とする充電装置。
請求項１又は２記載の充電装置に於いて、前記ＤＣ／ＤＣコンバ−タの変換動作の停止期間の開始時を、単相交流電圧のゼロクロス近傍に設けて、充電制御を行うように構成してある事を特徴とする充電装置。
請求項１、２又は３記載の充電装置に於いて、単相交流電圧のゼロクロス信号を、全波整流回路の入出力信号を監視する事によって得るように構成してある事を特徴とする充電装置。