JP3728622B2 - Charger - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電装置に関し、特に、複数の電気二重層コンデンサを電力素子として備えたコンデンサバンクに、電気エネルギーを蓄積する充電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、鉛蓄電池やアルカリ蓄電池等の二次電池の充電においては、定電流充電、あるいは、定電圧充電、定電圧パルス充電等の方法が用いられている。これらの充電方法により二次電池を充電した場合、充電による端子電圧の変化が微少であるため、充電の終了状態(終了時期)の検出に際し、微少な電圧変動を検出するか、あるいは、電池の温度変化を検出する等の手法を採用する必要があった。そのため、充電状態を正確に検出して効率的に充電動作を行うためには、装置構成や制御が複雑となり、装置の大型化や製造コストの増大を招くという問題を有していた。
【0003】
一方、近年、電気自動車等の駆動用電源として、電気二重層コンデンサ等のコンデンサ型蓄電池を備えた充電回路(装置)を適用することが研究されている。
一般に、電気二重層コンデンサを含むコンデンサの両端電圧(充電電圧)Vは、Qを電荷量、Cをコンデンサ容量とすると、次式のように表される。
V=Q/C ……(11)
また、電荷量Qは、IBをコンデンサに流れる電流(充電電流)、tを充電時間とすると、次式のように表される。
Q=IB・t ……(12)
【0004】
したがって、例えば、図8に示すように、複数の電気二重層コンデンサC101〜C104を備えたコンデンサバンク200に対して、電源回路100から所定の充電電流IBを供給することにより、電気二重層コンデンサC101〜C104の各々に電流値に応じた電荷が蓄積される。ここで、コンデンサバンク200を構成する複数の電気二重層コンデンサC101〜C104を直列に接続して充電動作を行うことにより、合成容量を小さくして充電電流の電流値を低減した充電装置を構成できる。
【0005】
なお、図8において、301〜304は、電圧モニタ回路(または、並列モニタ)であって、充電電圧が電気二重層コンデンサの耐圧以上にならないように、各電気二重層コンデンサC101〜C104の端子間に並列に接続され、充電電圧値を検出、監視し、充電電圧値が基準電圧耐圧(保証電圧)を越えたとき、電気二重層コンデンサへの充電電流をバイパスすることにより、該電気二重層コンデンサへの充電動作を停止する機能を有している。
【0006】
このように、コンデンサ型蓄電池を備えた充電装置によれば、コンデンサに蓄積される電荷量Qが、充電時間tの経過に比例して上昇するので、コンデンサの充電電圧Vも、充電時間tとともに上昇する特性を有するとともに、上述した鉛蓄電池やアルカリ蓄電池等の二次電池に比較して極めて軽量であり、かつ、急速充電が可能であり、繰り返し充放電によるサイクル寿命も長い、という長所を有している。このような電気二重層コンデンサにおいて、充電効率向上のため、一定電流を供給する充電方式を用いることが、たとえば、特開平7−87668号公報に記載されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術においては、次に示すような問題点を有していた。
(1)電気二重層コンデンサを適用した充電装置においては、コンデンサの充電電圧Vが充電時間tとともに上昇する特性を有しているため、図8に示したように、充電電圧を検出、監視するための電圧モニタ回路を、各電気二重層コンデンサ毎に並列的に接続する必要があった。そのため、充電装置の規模が極端に大型化し、製品コストが増大してしまうという問題を有していた。
【0008】
(2)また、電圧モニタ回路により充電電流をバイパスする場合、電圧モニタ回路の消費電力および接続数(すなわち、電気二重層コンデンサの接続数)に応じた熱量Wが発生することになるため、充電装置の小型化を一層困難なものにしていた。なお、電圧モニタ回路により充電電流をバイパスした場合に発生する熱量Wは、IBを充電電流、VLを電気二重層コンデンサの端子電圧(耐圧保証電圧)とすると、次の(13)式のように表され、電圧モニタ回路の消費電力に応じた熱量が発生し、充電装置全体では、概略電圧モニタ回路(電気二重層コンデンサ)の数nに比例した熱量が発生することになる。
W=IB・VL ……(13)
【0009】
(3)さらに、電気二重層コンデンサを適用した充電装置において、今後の実用化のためには、より充電効率を高めつつ、電気二重層コンデンサを急速充電することができ、かつ、コンデンサの充電電圧を精度良く監視して、充電動作を適切に制御することが強く求められている。したがって、このような多様なニーズに応じた充電特性を実現するために、設計自由度の一層の向上を図る必要がある。
【0010】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、電気二重層コンデンサを適用した充電装置において、回路構成を簡素化することができるとともに、設計自由度の向上を図って、より充電効率を高めつつ電気二重層コンデンサを適切に急速充電することができる充電装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の充電装置は、所定の直流電圧または脈流よりなる充電電圧を生成して出力する電源回路と、任意の信号幅および任意の周期を有する出力信号を生成する発振回路と、前記出力信号の所定のタイミングで、前記充電電圧に基づいて生成される出力電流を間欠的に出力する間欠充電回路と、複数のコンデンサ、または、複数のコンデンサを積層して構成される複数のコンデンサスタックを備え、前記出力電流に対応する電気エネルギーを蓄積するコンデンサ型蓄電池と、前記出力信号の所定のタイミングに同期して、前記複数のコンデンサ相互、または、前記複数のコンデンサスタック相互を直列接続状態に切り替え制御する接続状態切替回路と、を具備し、前記接続状態切替回路は、前記間欠充電回路から前記出力電流が出力されるタイミングでは、前記複数のコンデンサ相互、または、前記複数のコンデンサスタック相互を並列から直列に接続して、前記各コンデンサ、または、前記各コンデンサスタックに前記出力電流に対応する電気エネルギーを蓄積し、前記間欠充電回路からの前記出力電流が遮断されるタイミングでは、前記複数のコンデンサ相互、または、前記複数のコンデンサスタック相互を直列から並列に接続して、前記各コンデンサ、または、前記各コンデンサスタックに充電された充電電圧を均一化することを特徴としている。
【0013】
請求項2記載の充電装置は、請求項1記載の充電装置において、前記充電装置は、前記接続状態切替回路により前記複数のコンデンサ相互、または、前記複数のコンデンサスタック相互が並列に接続されたとき、前記コンデンサ、又は、前記コンデンサスタックに充電された前記充電電圧を検出、監視する電圧モニタ回路を備えたことを特徴としている。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る充電装置について、実施の形態を示して詳しく説明する。
<第1の実施形態>
本発明に係る充電装置の第1の実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明に係る充電装置の第1の実施形態を示す概略回路図である。
【0015】
図1に示すように、本実施形態に係る充電装置は、所定の直流電圧を供給する電源回路10と、所定のタイミングでパルス信号を出力する発振回路20と、パルス信号の所定のタイミングで、直流電圧Vinに基づく充電電流IAを間欠的に供給する間欠充電回路30と、複数の電気二重層コンデンサ(以下、単に、「コンデンサ」と記す)から構成される充電コンデンサ50と、上記パルス信号の所定のタイミングで、充電コンデンサ50を構成する複数のコンデンサ相互の接続状態を切り替え制御する接続状態切替回路40と、充電コンデンサ50に充電された電圧を検出、監視する電圧モニタ回路60と、を有して構成されている。
【0016】
以下、各構成について説明する。
図2は、本実施形態に係る充電装置に適用される間欠充電回路30の一例を示す概略構成図であり、図3は、本実施形態に係る充電装置に適用される充電コンデンサ50および接続状態切替回路40の一例を示す概略構成図であり、図4は、接続状態切替回路40による充電コンデンサ50の接続状態の切替制御を示すタイミングチャートであり、図5は、接続状態切替回路40に適用される切替スイッチの一例を示す概略構成図である。
【0017】
電源回路10は、後述する間欠充電回路30において、所定の充電電流IAを生成するために必要な直流電圧を、高電位側電源線HLおよび低電位側電源線LL間に供給する。なお、電源回路としては、所定の直流電圧を供給可能なものであれば、電池電源等から供給される一定電圧に限らず、商用交流電源(たとえば、AC100V)の交流電圧を整流して、所定の極性の電圧成分のみを抽出した脈流や、交流電圧を整流、平滑化したものであっても良好に適用することができる。
発振回路20は、所定のタイミング、すなわち、任意の信号幅および任意の周期を有するパルス信号Paを生成して、間欠充電回路30および接続状態切替回路40に出力する。ここで、発振回路20により生成、出力されるパルス信号Paは、上述した電源回路10における直流電圧の供給周期とは独立した任意のタイミングで出力される。
【0018】
間欠充電回路30は、発振回路20から出力されるパルス信号Paのタイミングに基づいて、電源回路10から供給される直流電圧Vinに基づく充電電流IAを生成し、後述する充電コンデンサ50に間欠的に供給する。
具体的には、間欠充電回路30は、図2に示すように、高電位側電源線HLに直列に接続されたスイッチング用トランジスタ(以下、「スイッチングFET」と記す)31、インダクタンス(コイル)L1、電流検出用の抵抗素子R1と、抵抗素子R1の両端電位差を入力とする増幅器33と、増幅器33の出力を一方(−)の入力とし、PWM(Pulse Width Modulation)発振回路35の出力を他方(+)の入力とするコンパレータ34と、コンパレータ34の出力、発振回路20の出力信号(パルス信号Pa)、後述する電圧モニタ回路60の出力信号(制御信号Sc)を各々入力とし、出力端がスイッチングFET31のゲート端子に接続された3入力論理積素子(以下、「ANDゲート」と記す)32と、スイッチングFET31、インダクタンスL1間の接点と低電位側電源線LLとの間に接続された整流素子D1と、を有している。
【0019】
ここで、コンパレータ34の+側入力端に接続されるPWM発振器35は、所定の周期で、たとえば、鋸歯状の信号波形を有するパルス波を出力する。なお、図2に示した間欠充電回路30は、たとえば、一部の構成が集積化されて単体のICとして市販されているものを適用することができる。また、本実施形態に示した構成は、一般的なDC−DCコンバータを適用した回路構成であって、何ら本発明の構成を限定するものではない。
【0020】
すなわち、間欠充電回路30は、発振回路20からのパルス信号Paおよび電圧モニタ回路60からの制御信号Scが、ハイ(High)レベルの場合には、コンパレータ34の出力に基づいて、電源回路10から供給される直流電圧Vinを、所定の定電圧に変換して抵抗素子R1に印加し、抵抗素子R1の両端電位の電圧降下(すなわち、抵抗素子R1を流下する電流値)に応じて、スイッチングFET31の導通/遮断制御を行う、いわゆる、DC−DCコンバータの機能を有している。
【0021】
したがって、この間欠充電回路30においては、コンパレータ34により抵抗素子R1の電圧降下(充電コンデンサ50に供給される充電電流IAに対応)と、PWM発振器35からの鋸歯状のパルス信号の信号電圧との比較処理が行われて、抵抗素子R1の電圧降下が小さく(充電電流値が小さく)なると、ANDゲート32の入力端にハイレベルが出力されて、スイッチングFET31が導通制御され、また、抵抗素子R1の電圧降下が大きく(充電電流値が大きく)なると、ANDゲート32の入力端にロー(Low)レベルが出力される。これにより、所定のタイミングで充電電流IAが生成され、充電コンデンサ50に出力される。なお、具体的な動作については、後述する。
【0022】
接続状態切替回路40は、上述した発振回路20から出力されるパルス信号Paのタイミングに基づいて、充電コンデンサ50を構成する複数のコンデンサの接続状態を、直列または並列に切り替える制御を行う。特に、上述した間欠充電回路30において、発振回路20からANDゲート32への出力がハイレベルであって、コンパレータ34の出力に応じてスイッチングFET31が導通(ON)状態となって、充電コンデンサ50に充電電流IAが供給されるタイミングに同期して、複数のコンデンサ相互を直列接続状態に切り替え、また、スイッチングFET31が遮断(OFF)状態となって、充電電流IAの供給が停止したタイミングに同期して、コンデンサ相互を並列接続状態に切り替える制御を行う。
【0023】
充電コンデンサ50は、複数の電気二重層コンデンサにより構成され、上述した発振回路20から出力されるパルス信号Paのタイミングに基づいて、接続状態切替回路40によりコンデンサ相互の接続状態が切替制御される。
具体的には、接続状態切替回路40および充電コンデンサ50は、図3に示すように、高電位側電源線HLおよび低電位側電源線LL間に、コンデンサC1と、切替スイッチSW11と、コンデンサC2と、切替スイッチSW12と、コンデンサC3と、切替スイッチSW13と、コンデンサC4が、順次接点N11、N12、N21、N22、N31、N32を介して直列に接続されている。
【0024】
そして、高電位側電源線HLおよび接点N12間、高電位側電源線HLおよび接点N22間、高電位側電源線および接点N32間には、各々切替スイッチSW21〜23が設けられ、低電位側電源線LLおよび接点N11間、低電位側電源線LLおよび接点N21間、低電位側電源線LLおよび接点N31間には、各々切替スイッチSW31〜33が設けられている。
ここで、図4に示すように、切替スイッチSW11〜SW13は、発振回路20から出力されるパルス信号Paに基づいて、所定のタイミングで一斉にON/OFF動作を行うように制御される。また、切替スイッチSW21〜23およびSW31〜33は、切替スイッチSW11〜SW13とは、逆のタイミングで一斉にON/OFF動作を行うように制御される。
【0025】
このように、本実施形態に適用される接続状態切替回路40および充電コンデンサ50は、コンデンサC1〜C4と、これらのコンデンサC1〜C4の接続状態を直列または並列に切り替え制御する切替スイッチSW11〜SW13、SW21〜SW23、SW31〜SW33とを有する、いわゆる、コンデンサバンクを構成している。
【0026】
なお、上述した切替スイッチSW11〜SW13、SW21〜SW23、SW31〜SW33の具体的な構成としては、図5に示すように、たとえば、発振回路20から出力されるパルス信号Paに基づいて、所定の波長の光を発光するフォトダイオード群PDと、フォトダイオード群PDからの光を受光して電位差を発生する受光素子PSと、該電位差に基づいて、電気的に導通する電界効果トランジスタMOSTから構成される、いわゆるフォトカプラ(光結合トランジスタともいう)を利用することができる。このような構成を有する切替スイッチによれば、入力側(パルス信号Pa)と出力側(スイッチ動作)を電気的に分離することができるとともに、パルス信号Paの信号レベルに的確に対応した導通制御を実現することができる。
【0027】
電圧モニタ回路60は、高電位側電源線HLおよび低電位側電源線LLとの間に、充電コンデンサ50と並列に接続され、コンデンサC1〜C4に蓄積された電荷量を、モニタ電圧(充電電圧)値として検出するとともに、あらかじめ定められた基準電圧(耐圧保証電圧)値と比較し、モニタ電圧値が、基準電圧値に達したか否かを判定する。モニタ電圧値が、基準電圧値に達した場合には、制御信号Sc(ローレベル)を間欠充電回路30のANDゲート32に出力し、充電電流IAの充電コンデンサ50への供給を遮断する。
【0028】
次に、上述した構成を有する充電装置の動作について、図面を参照して説明する。
図6は、本実施形態に係る充電装置における充電動作/電圧モニタ動作の切り替え制御と各電圧レベルとの関係、および、充電コンデンサの充電電圧の変化を示すタイミングチャートである。なお、ここでは、必要に応じて上述した充電装置(図1乃至図4参照)の構成を参照しながら説明する。
【0029】
まず、充電コンデンサ50を構成するコンデンサC1〜C4に電荷が蓄積されていない状態、すなわち、充電電圧Vmが0Vの状態を初期状態として説明する。このとき、電圧モニタ回路60からは、ハイレベルの制御信号Scが出力され、図2に示した間欠充電回路30のANDゲート32の入力端(1)に入力されている。
そして、発振回路20から所定のタイミングでハイレベルのパルス信号Paが出力されると、充電装置は充電可能状態となる。すなわち、パルス信号Paが間欠充電回路30のANDゲート32の入力端(2)に入力されることにより、ANDゲート32の入力端(1)にも、ハイレベルの制御信号Scが入力されているので、ANDゲート32は、入力端(3)に入力されるコンパレータ34からの出力レベルに基づいて、スイッチングFET31の導通状態が制御される。
【0030】
また、パルス信号Paは、間欠充電回路30への入力と同期して、接続状態切替回路40にも入力され、図3に示した切替スイッチSW11〜SW13を一斉にON状態にするとともに、切替スイッチSW21〜SW23、SW31〜SW33を一斉にOFF状態に設定して、コンデンサC1〜C4相互を直列接続する。
ここで、増幅回路33からの出力がローレベル、すなわち、抵抗素子R1の両端電位差が小さく、流下する電流値が小さい場合には、PWM発振器35から出力される信号周期(ハイレベル)となるタイミングに基づいて、コンパレータ34からハイレベルの信号が間欠的に出力されるので、ANDゲート32への入力が全てハイレベルとなって、スイッチングFET31のゲート電極にはハイレベルが印加されてスイッチングFET31は断続的に導通状態になる。これにより、インダクタンスL1を介して抵抗素子R1に印加される電圧が上昇するように制御される。
【0031】
一方、増幅回路33からの出力がハイレベル、すなわち、抵抗素子R1の両端電位差が大きく、流下する電流値が大きい場合には、コンパレータ34からローレベルの信号が常時出力されるので、スイッチングFET31のゲート電極にはローレベルが印加されてスイッチングFET31は遮断状態になる。
このような間欠的なスイッチングFET31の導通/遮断動作により、ダイオードD1を介して断続的にインダクタンスL1に電荷が蓄積されて抵抗素子R1への印加電圧が制御され、この電圧に基づいて抵抗素子R1を介して充電電流IAが断続的に充電コンデンサ50に供給されて充電動作が行われる。
【0032】
特に、m個(本実施形態では、m=4)のコンデンサC1〜Cmを直列接続状態に切り替えて充電動作を行うことにより、充電コンデンサ50を単一のコンデンサで構成して充電する場合に比べて、充電コンデンサ50としての容量値を1/m2(本実施形態では、1/16)倍に低減することができるので、コンデンサによる分割割合に応じて、充電電流値を1/m(=1/4)倍に低減することができる。
【0033】
次いで、発振回路20から所定のタイミングでローレベルのパルス信号Paが出力されると、充電装置は電圧モニタ状態となる。すなわち、パルス信号Paが間欠充電回路30のANDゲート32の入力端(2)に入力されることにより、スイッチングFET31のゲート電極には常時ローレベルが印加されてスイッチングFET31は遮断状態に制御される。
このとき、パルス信号Paは、間欠充電回路30への入力と同期して、接続状態切替回路40にも入力されているので、図3に示した切替スイッチSW11〜SW13を一斉にOFF状態にするとともに、切替スイッチSW21〜SW23、SW31〜SW33を一斉にON状態に設定して、コンデンサC1〜C4相互を並列接続する。並列接続されたコンデンサC1〜C4は、単一の電圧モニタ回路60に共通に接続される。
【0034】
これにより、各コンデンサC1〜C4の容量のばらつきに起因して不均一になっている各両端電圧は、共通接続されることにより均一化されるので、単一の電圧モニタ回路60により、この均一化された両端電圧を、各コンデンサC1〜C4の充電電圧Vmとしてバラツキなく検出(モニタ)することができる。また、分割されたコンデンサC1〜C4を並列接続することにより、充電コンデンサ50の容量を増大して負荷駆動能力を向上させることができる。
【0035】
電圧モニタ回路70における具体的な電圧モニタ動作は、図6に示すように、上記均一化され、検出された充電電圧Vmと、コンデンサC1〜C4の耐圧に基づいて予め設定された基準電圧(耐圧保証電圧)Vzとを比較処理し、充電電圧Vmが基準電圧Vz以上でない場合には、電圧モニタ動作終了後に継続して充電動作が実行されるように間欠充電回路30のANDゲート32にハイレベルの制御信号Scを出力する。一方、充電電圧Vmが基準電圧Vz以上となった場合には、充電コンデンサ50への充電電流IAの供給を強制的に遮断するように間欠充電回路30のANDゲート32にローレベルの制御信号Scを出力して、充電動作を終了する。
【0036】
したがって、上述したような充電動作および電圧モニタ動作を、発振回路20において設定される任意の信号幅および任意の周期を有するパルス信号Paに基づいて繰り返し実行することにより、電源回路10における直流電圧Vinの供給周期(たとえば、商用電源の交流周期)等に依存することなく、充電コンデンサ50への充電の進行状態を任意のタイミングで制御することができるので、充電装置の設計自由度を向上させることができ、充電コンデンサ50の耐圧を保証しつつ、より迅速かつ安定した充電動作を行うことができる。
【0037】
また、電圧モニタ動作時には、充電コンデンサ50を構成する各コンデンサC1〜C4を並列接続することにより、各コンデンサC1〜C4の充電電圧Vmを均一化することができるので、充電電圧Vmを精度良く監視することができるとともに、単一の電圧モニタ回路60により充電電圧Vmを検出することができるので、充電装置の装置規模を小型化することができるとともに、電圧モニタ回路60における発熱量および消費電力の低減を図ることができる。
【0038】
<第2の実施形態>
次に、本発明に係る充電装置の第2の実施形態について、図面を参照して説明する。
図7は、本発明に係る充電装置の第2の実施形態を示す概略構成図である。ここで、上述した実施形態と同等の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
【0039】
上述した第1の実施形態においては、充電装置に適用される接続状態切替回路40および充電コンデンサ50を構成する個別のコンデンサC1〜C4を所定のタイミングで直列接続状態または並列接続状態に切り替え制御する構成について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。したがって、たとえば、複数のコンデンサを積層したスタックコンデンサを同様の技術思想に基づいて、直列接続状態または並列接続状態に切り替え制御するものにも適用することができる。
【0040】
具体的には、図7に示すように、本実施形態に係る接続状態切替回路40および充電コンデンサ50は、複数のコンデンサを積層したコンデンサスタックを複数備え、上記高電位側電源線HLおよび低電位側電源線LL間に、複数のコンデンサC11〜C31、C12〜C32、C13〜C33、・・・、C1n〜C3nを、各々直列に接続(積層)したコンデンサスタックCS1、CS2、CS3、・・・、CSnと、各コンデンサスタックCS1、CS2、CS3、・・・、CSnを構成するコンデンサC11〜C31、C12〜C32、C13〜C33、・・・、C1n〜C3nの各層毎の並列接続を制御する切替スイッチ群SWA11〜SWA1m、SWA21〜SWA2m、SWA31〜SWA3mと、各コンデンサスタックCS1、CS2、CS3、・・・、CSn相互の直列接続を制御する切替スイッチ群SWB1〜SWBmと、各コンデンサスタックCS1、CS2、CS3、・・・、CSnと低電位側電源線LLとの接続を制御する切替スイッチ群SWA41〜SWA4mと、を有している。
【0041】
ここで、切替スイッチ群SWA11〜SWA1m、SWA21〜SWA2m、SWA31〜SWA3m、SWA41〜SWA4m、SWB1〜SWBmは、上述した実施形態(図4参照)と同等の構成を有し、図示を省略した発振回路20から出力されるパルス信号Paのタイミングに基づいて、各コンデンサスタックCS1、CS2、CS3、・・・、CSn相互を直列接続状態に、または、各コンデンサスタックCS1、CS2、CS3、・・・、CSnを構成する各コンデンサ相互を並列接続状態に切り替え制御する。
【0042】
このような構成を有する接続状態切替回路40および充電コンデンサ50において、充電動作においては、パルス信号Paがハイレベルとなるタイミングで、切替スイッチSWB1〜SWBmを導通状態に、また、切替スイッチSWA11〜SWA1m、SWA21〜SWA2m、SWA31〜SWA3mおよびSWA41〜SWA4mを遮断状態に切り替え制御する。
【0043】
このような切替スイッチSWA11〜SWA1m、SWA21〜SWA2m、SWA31〜SWA3m、SWA41〜SWA4m、SWB1〜SWBmの切り替え制御により、充電コンデンサ50は、高電位側電源線HLと低電位側電源線LLとの間に、各コンデンサC11、C21、C31、C12、C22、・・・、C2n、C3nが直列接続された状態となり、間欠充電回路30から高電位側電源線HLに供給される充電電流IAにより充電コンデンサ50の充電が行われる。
【0044】
一方、電圧モニタ動作においては、パルス信号Paがローレベルとなるタイミングで、切替スイッチSWB1〜SWBmを遮断状態に、また、切替スイッチSWA11〜SWA1m、SWA21〜SWA2m、SWA31〜SWA3mおよびSWA41〜SWA4mを導通状態に切り替え制御する。
【0045】
このような切り替え制御により、充電コンデンサ50は、高電位側電源線HLと接点N21〜N2nを接続する信号線L1との間に、同一階層のコンデンサC11〜C1nが並列接続され、信号線L1と接点N31〜N3nを接続する信号線L2との間に、同一階層のコンデンサC21〜C2nが並列接続され、さらに、信号線L2と接点N41〜N4nを接続する信号線L3との間に、同一階層のコンデンサC31〜C3nが並列接続された状態となる。並列接続されたコンデンサ群C11〜C1n、C21〜C2n、C31〜C3nは、各コンデンサの充電電圧が均一化されるとともに、各々のコンデンサ群が個別の電圧モニタ回路61、62、63に接続され、各コンデンサ群C11〜C1n、C21〜C2n、C31〜C3nに充電された(均一化された)充電電圧が検出、監視される。
【0046】
そして、上述した実施形態(図5参照)に示したように、上記充電動作および電圧モニタ動作を繰り返し実行することにより、充電期間中に周期的に充電電圧を検出し、基準電圧(耐圧保証電圧)と比較することにより充電状態が監視され、間欠充電回路30のANDゲート33に入力する制御信号Scにより充電コンデンサ50への充電動作を制御することができるので、安定した急速充電動作特性を実現することができる。
したがって、このようなコンデンサスタックを用いた充電コンデンサ50によれば、上述した実施形態における作用効果に加えて、スタック構造を有し、集積化された電気二重層コンデンサの接続状態を簡易に切り替え制御して、充電時の容量を極めて小さくすることができるので、充電装置の小型化を図りつつ、充電時間を短縮して充電特性の一層の向上を図ることができる。
【0047】
なお、上述した各実施形態においては、充電コンデンサ50を構成する個別の複数のコンデンサ相互、または、複数のコンデンサを積層した複数のコンデンサスタック相互を直列接続または並列接続状態に切り替え制御する構成について一例を示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、要するに、コンデンサ相互またはコンデンサ群相互の接続状態を切り替えて、充電動作および電圧モニタ動作を周期的(間欠的に)に繰り返し実行するものであれば、良好に適用することができる。
【0048】
【発明の効果】
請求項1記載の発明によれば、発振回路から出力される任意の信号幅および任意の周期を有するパルス信号に基づいて、間欠充電回路により充電コンデンサに間欠的に充電電流を供給するとともに、上記パルス信号に同期して、接続状態切替回路によりコンデンサ型蓄電池を構成する複数のコンデンサ相互、または、複数のコンデンサスタック相互を直列状態に切り替えて充電動作を行うように制御されるので、電源回路の電圧供給周期等に依存することなく、コンデンサ型蓄電池への充電の進行状態を任意のタイミングで制御することができ、充電装置の設計自由度を向上させて、より迅速な充電動作を行うことができる。
【0049】
請求項2記載の発明によれば電装置は、接続状態切替回路により、間欠充電回路から出力電流が供給されるタイミングでは、複数のコンデンサ相互、または、複数のコンデンサスタック相互を直列に接続して充電動作を行うので、コンデンサ型蓄電池を単一のコンデンサにより構成して充電する場合に比べて、コンデンサ型蓄電池としての容量値を大幅に低減することができ、充電電流を削減して省電力化を図ることができる。
また、前記間欠充電回路からの出力電流が遮断されるタイミングでは、複数のコンデンサ相互、または、複数のコンデンサスタック相互を並列に接続して充電電圧を均一化する動作を行うように制御されるので、コンデンサ型蓄電池に充電されるコンデンサ電圧をバラツキなく精度良く検出することができる。
【0050】
請求項3記載の発明によれば、接続状態切替回路により複数のコンデン相互、または、複数のコンデンサスタック相互が並列に接続されたとき、該コンデンサ、又は、コンデンサスタックに並列に接続された単一の電圧モニタ回路により充電電圧を検出、監視することができるので、充電装置の装置規模を小型化することができるとともに、電圧モニタ回路における発熱量および消費電力の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る充電装置の第1の実施形態を示す概略回路図である。
【図2】本実施形態に係る充電装置に適用される間欠充電回路の一例を示す概略構成図である。
【図3】本実施形態に係る充電装置に適用される充電コンデンサおよび接続状態切替回路の一例を示す概略構成図である。
【図4】本実施形態に係る接続状態切替回路による充電コンデンサの接続状態の切替制御を示すタイミングチャートである。
【図5】本実施形態に係る接続状態切替回路に適用される切替スイッチの一例を示す概略構成図である。
【図6】本実施形態に係る充電装置における充電動作/電圧モニタ動作の切り替え制御と各電圧レベルとの関係、および、充電コンデンサの充電電圧の変化を示すタイミングチャートである。
【図7】本発明に係る充電装置の第2の実施形態を示す概略構成図である。
【図8】従来技術おける充電装置の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
10 電源回路
20 発振回路
30 間欠充電回路
40 接続状態切替回路
50 充電コンデンサ
31 スイッチングFET
32 ANDゲート
34 コンパレータ
33 増幅器
35 PWM発振器
60 電圧モニタ回路
Pa パルス信号
Sc 制御信号
HL 高電位側電源線
LL 低電位側電源線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a charging device, and more particularly to a charging device that accumulates electric energy in a capacitor bank including a plurality of electric double layer capacitors as power elements.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, methods such as constant current charging, constant voltage charging, constant voltage pulse charging, and the like are used for charging secondary batteries such as lead storage batteries and alkaline storage batteries. When a secondary battery is charged by these charging methods, the change in terminal voltage due to charging is very small. Therefore, when detecting the end state (end time) of charging, a minute voltage fluctuation is detected, or the battery It was necessary to adopt a technique such as detecting a temperature change. Therefore, in order to accurately detect the charging state and perform the charging operation efficiently, the configuration and control of the apparatus are complicated, and there is a problem that the apparatus is enlarged and the manufacturing cost is increased.
[0003]
On the other hand, in recent years, application of a charging circuit (apparatus) including a capacitor type storage battery such as an electric double layer capacitor as a driving power source for an electric vehicle or the like has been studied.
In general, a voltage (charge voltage) V across a capacitor including an electric double layer capacitor is represented by the following equation, where Q is the charge amount and C is the capacitor capacity.
V = Q / C (11)
The charge amount Q is expressed by the following equation, where IB is a current flowing through the capacitor (charging current) and t is a charging time.
Q = IB · t (12)
[0004]
Therefore, for example, as shown in FIG. 8, by supplying a predetermined charging current IB from the
[0005]
In FIG. 8, reference numerals 301 to 304 denote voltage monitoring circuits (or parallel monitors), which are connected between terminals of the electric double layer capacitors C101 to C104 so that the charging voltage does not exceed the withstand voltage of the electric double layer capacitors. Is connected in parallel to detect and monitor the charging voltage value, and when the charging voltage value exceeds the reference voltage withstand voltage (guaranteed voltage), the electric double layer capacitor is bypassed by bypassing the charging current to the electric double layer capacitor. Has a function of stopping the charging operation.
[0006]
As described above, according to the charging device including the capacitor-type storage battery, the charge amount Q stored in the capacitor increases in proportion to the lapse of the charging time t, so that the charging voltage V of the capacitor also increases with the charging time t. In addition to the above-mentioned characteristics, it has the advantages that it is extremely light compared to the secondary batteries such as the lead storage battery and alkaline storage battery described above, can be rapidly charged, and has a long cycle life due to repeated charge and discharge. are doing. In such an electric double layer capacitor, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-87668 discloses that a charging method for supplying a constant current is used to improve charging efficiency.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described prior art has the following problems.
(1) Since the charging device to which the electric double layer capacitor is applied has a characteristic that the charging voltage V of the capacitor increases with the charging time t, the charging voltage is detected and monitored as shown in FIG. Therefore, it is necessary to connect a voltage monitor circuit for each electric double layer capacitor in parallel. For this reason, there has been a problem that the scale of the charging device becomes extremely large and the product cost increases.
[0008]
(2) When the charging current is bypassed by the voltage monitor circuit, the amount of heat W corresponding to the power consumption and the number of connections of the voltage monitor circuit (that is, the number of connections of the electric double layer capacitor) is generated. The size reduction of the device was made more difficult. The amount of heat W generated when the charging current is bypassed by the voltage monitor circuit is expressed by the following equation (13), where IB is the charging current and VL is the terminal voltage (withstand voltage withstand voltage) of the electric double layer capacitor. The amount of heat corresponding to the power consumption of the voltage monitor circuit is generated, and the amount of heat proportional to the number n of the voltage monitor circuits (electric double layer capacitors) is generated in the entire charging device.
W = IB ・ VL (13)
[0009]
(3) Furthermore, in a charging device to which an electric double layer capacitor is applied, the electric double layer capacitor can be rapidly charged while further improving the charging efficiency, and the charging voltage of the capacitor can be used for future practical use. Therefore, there is a strong demand to accurately control the charging operation. Therefore, it is necessary to further improve the degree of design freedom in order to realize such charging characteristics according to various needs.
[0010]
Therefore, in view of the above-described problems, the present invention can simplify the circuit configuration and improve the degree of freedom in design in a charging device to which an electric double layer capacitor is applied. An object of the present invention is to provide a charging device that can appropriately rapidly charge a double layer capacitor.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The charging device according to
[0013]
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a charging device according to the present invention will be described in detail with reference to an embodiment.
<First Embodiment>
A first embodiment of a charging device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic circuit diagram showing a first embodiment of a charging apparatus according to the present invention.
[0015]
As shown in FIG. 1, the charging apparatus according to the present embodiment includes a
[0016]
Each configuration will be described below.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating an example of the
[0017]
The
The
[0018]
The
Specifically, as shown in FIG. 2, the
[0019]
Here, the
[0020]
That is, the
[0021]
Therefore, in the
[0022]
The connection
[0023]
The charging
Specifically, as shown in FIG. 3, the connection
[0024]
Further, selector switches SW21 to SW23 are provided between the high potential side power supply line HL and the contact N12, between the high potential side power supply line HL and the contact N22, and between the high potential side power supply line and the contact N32, respectively. Changeover switches SW31 to SW33 are provided between the line LL and the contact point N11, between the low potential side power supply line LL and the contact point N21, and between the low potential side power supply line LL and the contact point N31, respectively.
Here, as shown in FIG. 4, the changeover switches SW11 to SW13 are controlled to perform ON / OFF operations all at a predetermined timing based on the pulse signal Pa output from the
[0025]
As described above, the connection
[0026]
In addition, as a specific configuration of the above-described change-over switches SW11 to SW13, SW21 to SW23, SW31 to SW33, as shown in FIG. 5, for example, based on a pulse signal Pa output from the
[0027]
The
[0028]
Next, the operation of the charging apparatus having the above-described configuration will be described with reference to the drawings.
FIG. 6 is a timing chart showing the relationship between the switching control of the charging operation / voltage monitoring operation and each voltage level in the charging apparatus according to the present embodiment, and the change in the charging voltage of the charging capacitor. In addition, here, it demonstrates, referring the structure of the charging device (refer FIG. 1 thru | or FIG. 4) mentioned above as needed.
[0029]
First, a state where no charge is accumulated in the capacitors C1 to C4 constituting the charging
When the high-level pulse signal Pa is output from the
[0030]
Further, the pulse signal Pa is also input to the connection
Here, when the output from the amplifier circuit 33 is at a low level, that is, when the potential difference between both ends of the resistance element R1 is small and the flowing current value is small, the timing when the signal period (high level) output from the
[0031]
On the other hand, when the output from the amplifier circuit 33 is at a high level, that is, when the potential difference between both ends of the resistance element R1 is large and the flowing current value is large, a low level signal is constantly output from the
Due to such intermittent conduction / cut-off operation of the switching FET 31, charges are intermittently accumulated in the inductance L1 via the diode D1, and the voltage applied to the resistance element R1 is controlled. Based on this voltage, the resistance element R1 The charging current IA is intermittently supplied to the charging
[0032]
In particular, the charging operation is performed by switching m capacitors C1 to Cm (in this embodiment, m = 4) to the serial connection state and performing charging operation, compared with the case where the charging
[0033]
Next, when the low-level pulse signal Pa is output from the
At this time, since the pulse signal Pa is also input to the connection
[0034]
As a result, the voltages across the terminals that are non-uniform due to variations in the capacitances of the capacitors C1 to C4 are made uniform by being commonly connected. It is possible to detect (monitor) the converted voltage at both ends as the charging voltage Vm of each of the capacitors C1 to C4 without variation. Further, by connecting the divided capacitors C1 to C4 in parallel, the capacity of the charging
[0035]
As shown in FIG. 6, a specific voltage monitoring operation in the voltage monitor circuit 70 is performed by the above-described uniformed and detected charging voltage Vm and a reference voltage (withstand voltage) set in advance based on the withstand voltages of the capacitors C1 to C4. (Guaranteed voltage) Vz and if the charging voltage Vm is not equal to or higher than the reference voltage Vz, the AND gate 32 of the
[0036]
Therefore, by repeatedly performing the charging operation and the voltage monitoring operation as described above based on the pulse signal Pa having an arbitrary signal width and an arbitrary period set in the
[0037]
In addition, during the voltage monitoring operation, the capacitors C1 to C4 constituting the charging
[0038]
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the charging device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of the charging device according to the present invention. Here, about the structure equivalent to embodiment mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
[0039]
In the first embodiment described above, the connection
[0040]
Specifically, as shown in FIG. 7, the connection
[0041]
Here, the changeover switch groups SWA11 to SWA1m, SWA21 to SWA2m, SWA31 to SWA3m, SWA41 to SWA4m, and SWB1 to SWBm have the same configuration as that of the above-described embodiment (see FIG. 4), and the oscillation circuit is not illustrated. Based on the timing of the pulse signal Pa output from 20, the capacitor stacks CS1, CS2, CS3,..., CSn are connected in series, or the capacitor stacks CS1, CS2, CS3,. Each capacitor constituting CSn is controlled to be switched to a parallel connection state.
[0042]
In the connection
[0043]
By such switching control of the switch SWA11 to SWA1m, SWA21 to SWA2m, SWA31 to SWA3m, SWA41 to SWA4m, SWB1 to SWBm, the charging
[0044]
On the other hand, in the voltage monitoring operation, at the timing when the pulse signal Pa becomes low level, the changeover switches SWB1 to SWBm are turned off, and the changeover switches SWA11 to SWA1m, SWA21 to SWA2m, SWA31 to SWA3m, and SWA41 to SWA4m are turned on. Control switching to the state.
[0045]
By such switching control, the charging
[0046]
Then, as shown in the above-described embodiment (see FIG. 5), by repeatedly executing the charging operation and the voltage monitoring operation, the charging voltage is periodically detected during the charging period, and the reference voltage (withstand voltage guarantee voltage) is detected. ), The charging state is monitored, and the charging operation to the charging
Therefore, according to the charging
[0047]
In each of the embodiments described above, an example of a configuration in which a plurality of individual capacitors constituting the charging
[0048]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the charging current is intermittently supplied to the charging capacitor by the intermittent charging circuit based on the pulse signal having an arbitrary signal width and an arbitrary period output from the oscillation circuit, and In synchronization with the pulse signal, the connection state switching circuit is controlled so as to perform charging operation by switching a plurality of capacitors constituting a capacitor-type storage battery or a plurality of capacitor stacks in a series state. Regardless of the voltage supply cycle, etc., it is possible to control the progress of charging the capacitor-type storage battery at an arbitrary timing, improve the design freedom of the charging device, and perform a quicker charging operation. it can.
[0049]
According to the second aspect of the present invention, the electric device connects a plurality of capacitors or a plurality of capacitor stacks in series at a timing when the output current is supplied from the intermittent charging circuit by the connection state switching circuit. Since the charging operation is performed, the capacity value of the capacitor-type storage battery can be greatly reduced compared to the case where the capacitor-type storage battery is configured with a single capacitor, and power consumption is reduced by reducing the charging current. Can be achieved.
In addition, at the timing when the output current from the intermittent charging circuit is cut off, it is controlled to perform the operation of equalizing the charging voltage by connecting a plurality of capacitors or a plurality of capacitor stacks in parallel. Thus, the capacitor voltage charged in the capacitor-type storage battery can be accurately detected without variation.
[0050]
According to the invention of
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic circuit diagram showing a first embodiment of a charging apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example of an intermittent charging circuit applied to the charging device according to the present embodiment.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing an example of a charging capacitor and a connection state switching circuit applied to the charging device according to the present embodiment.
FIG. 4 is a timing chart showing switching control of a charging capacitor connection state by a connection state switching circuit according to the present embodiment;
FIG. 5 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a selector switch applied to the connection state switching circuit according to the embodiment.
FIG. 6 is a timing chart showing the relationship between the switching control of the charging operation / voltage monitoring operation and each voltage level in the charging apparatus according to the present embodiment, and the change in the charging voltage of the charging capacitor.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of the charging device according to the present invention.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing an example of a charging device in the prior art.
[Explanation of symbols]
10 Power supply circuit
20 Oscillator circuit
30 Intermittent charging circuit
40 Connection state switching circuit
50 Charging capacitor
31 Switching FET
32 AND gate
34 Comparator
33 Amplifier
35 PWM oscillator
60 Voltage monitor circuit
Pa pulse signal
Sc control signal
HL High potential power line
LL Low potential power line
Claims (2)
任意の信号幅および任意の周期を有する出力信号を生成する発振回路と、
前記出力信号の所定のタイミングで、前記充電電圧に基づいて生成される出力電流を間欠的に出力する間欠充電回路と、
複数のコンデンサ、または、複数のコンデンサを積層して構成される複数のコンデンサスタックを備え、前記出力電流に対応する電気エネルギーを蓄積するコンデンサ型蓄電池と、
前記出力信号の所定のタイミングに同期して、前記複数のコンデンサ相互、または、前記複数のコンデンサスタック相互を直列接続状態に切り替え制御する接続状態切替回路と、
を具備し、
前記接続状態切替回路は、前記間欠充電回路から前記出力電流が出力されるタイミングでは、前記複数のコンデンサ相互、または、前記複数のコンデンサスタック相互を並列から直列に接続して、前記各コンデンサ、または、前記各コンデンサスタックに前記出力電流に対応する電気エネルギーを蓄積し、
前記間欠充電回路からの前記出力電流が遮断されるタイミングでは、前記複数のコンデンサ相互、または、前記複数のコンデンサスタック相互を直列から並列に接続して、前記各コンデンサ、または、前記各コンデンサスタックに充電された充電電圧を均一化することを特徴とする充電装置。A power supply circuit that generates and outputs a charging voltage composed of a predetermined DC voltage or pulsating current;
An oscillation circuit for generating an output signal having an arbitrary signal width and an arbitrary period;
An intermittent charging circuit that intermittently outputs an output current generated based on the charging voltage at a predetermined timing of the output signal;
A plurality of capacitors, or a capacitor type storage battery comprising a plurality of capacitor stacks configured by stacking a plurality of capacitors, and storing electrical energy corresponding to the output current;
In synchronization with a predetermined timing of the output signal, the plurality of capacitors, or a connection state switching circuit for switching and controlling the plurality of capacitor stacks in a series connection state,
Equipped with,
The connection state switching circuit connects the plurality of capacitors or the plurality of capacitor stacks in series from parallel to each other at the timing when the output current is output from the intermittent charging circuit, or , Storing electrical energy corresponding to the output current in each capacitor stack,
At the timing when the output current from the intermittent charging circuit is cut off, the plurality of capacitors or the plurality of capacitor stacks are connected in series to parallel to each capacitor or each capacitor stack. A charging device characterized by equalizing a charged charging voltage .
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