JP3747398B2 - 充放電装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電と放電とを切替えて二次電池の特性を試験する為の充放電装置に関し、特に、二次電池の端子電圧が低電圧の場合でも放電電流が流れるようにし、且つ電力損失を低減した充放電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池の充電装置は、例えば、図４に示す構成を有するもので、二次電池ＢＡＴ，負荷回路部１０，充電電源から構成される。図４に於いては、充電電源としてフォワードコンバータ形式のスイッチング電源装置を用いた場合を示し、検出制御部７は、電源の出力電圧と、抵抗６により検出した出力電流とを基にパルス幅制御部８を制御し、設定された出力電圧となるように、スイッチング・トランジスタＱ０のオン期間を制御し、このスイッチング・トランジスタＱ０により、直流電源９からのトランスＴ１の一次巻線に印加する直流電圧をオン，オフし、トランスＴ１の二次巻線に誘起した電圧を、ダイオードＤ０，Ｄ１と、チョークコイルＬ１と、コンデンサＣ１とを含む整流平滑回路を介して二次電池ＢＡＴの充電を行うものである。この場合の充電電流は、負荷回路部１０により設定，制御する。
【０００３】
このような電源装置を充電電源として二次電池ＢＡＴの充電を行った後、二次電池ＢＡＴの向きを入れ換えて放電を行い、この充電と放電とを所定の周期で繰り返すことにより、二次電池ＢＡＴの充放電特性の試験を行うことができる。この二次電池ＢＡＴの端子電圧が低い場合、又は二次電池ＢＡＴの端子電圧が０Ｖ近傍の場合に、放電経路のインピーダンスが無視できなくなる場合がある。そこで、少なくとも放電経路のインピーダンスを補償する為のバイアス電圧を印加することが提案されている。
【０００４】
例えば、図５は従来例の充放電装置の説明図であり、Ｑ１〜Ｑ５はトランジスタ、Ｓ１，Ｓ２は制御信号、Ｄ２〜Ｄ５はダイオード、ＢＡＴは二次電池、１１は電力制御回路、１２は充放電用バイアス電源、１３はバイアス電圧制御回路を示し、充放電用バイアス電源１２を図４に示すようなスイッチング電源装置により構成した場合、検出制御部７に相当する制御部１２ａと、トランスＴ１，スイッチング・トランジスタＱ０，パルス幅制御部８，ダイオードＤ０，Ｄ１，チョークコイルＬ１，コンデンサＣ１等を含む構成に相当する直流電圧出力部１２ｂとを備えた構成となり、直流電圧出力部１２ｂの出力電圧の＋極性側をトランジスタＱ１に、−極性側をトランジスタＱ３，Ｑ４側にそれぞれ接続する。
【０００５】
バイアス電圧制御回路１３に図示を省略した制御回路から充電と放電との切替信号と共に制御信号Ｓ１，Ｓ２がトランジスタＱ２〜Ｑ５に加えられるもので、二次電池ＢＡＴの充電時は、制御信号Ｓ１によりトランジスタＱ２，Ｑ３がオンとなり、又バイアス電圧制御回路１３から充放電用バイアス電源１２の出力電圧が充電用となるように設定される。従って、充放電用バイアス電源１２→トランジスタＱ１→トランジスタＱ２→ダイオードＤ２→二次電池ＢＡＴ→ダイオードＤ３→トランジスタＱ３の経路で二次電池ＢＡＴの充電が行われる。この場合の充電電流は、電力制御回路１１によりトランジスタＱ１を制御することによって設定値とすることができる。
【０００６】
又二次電池ＢＡＴの放電時は、制御信号Ｓ２によりトランジスタＱ４，Ｑ５がオンとなり、又バイアス電圧制御回路１３により充放電用バイアス電源１２の出力電圧は、二次電池ＢＡＴの端子電圧が０Ｖ近傍でも放電電流が流れる値に制御される。そして、二次電池ＢＡＴ→ダイオードＤ４→トランジスタＱ４→充放電用バイアス電源１２→トランジスタＱ１→トランジスタＱ５→ダイオードＤ５の経路で放電が行われる。この場合の放電電流は、電力制御回路１１によりトランジスタＱ１を制御することによって、設定値とすることができる。従って、電力制御回路１１とトランジスタＱ１とは、電子負荷装置として知られている構成を適用することもできる。
【０００７】
この充放電用バイアス電源１２を前述のようにスイッチング電源装置により構成すると、二次電池ＢＡＴの充電時は、スイッチング・トランジスタＱ０のオン期間を長くして出力電圧を高くすることになり、又放電時は、スイッチング・トランジスタＱ０のオン期間を短くして出力電圧を低下させることになる。なお、トランスＴ１の二次巻線の巻数比の切替えにより、出力電圧の切替えを行うことも可能であるが、トランスＴ１が大型化する問題がある。
【０００８】
又スイッチング電源装置は、定電圧特性を有する構成とすることが容易であるが、スイッチング・トランジスタＱ０のオン期間の制御のみで、出力電圧を大幅に変更することは一般に困難である。従って、二次電池ＢＡＴの充電用の出力電圧と放電用の出力電圧との差が大きい場合には、出力電圧を充電用と放電用とに切替える充放電用バイアス電源１２に適用することは容易ではない。そこで、図６に示すように、バイアス電源１５と、充電用電源１６とを別個に設けた構成が提案されている。なお、図５と同一符号は同一部分を示す。
【０００９】
充電用電源１６は、二次電池ＢＡＴの充電専用とし、バイアス電源１５は、充放電経路に於ける電圧降下を補償する出力電圧の電源とする。従って、制御信号Ｓ１により充電用スイッチ回路を構成するトランジスタＱ２，Ｑ３をオンとすると、充電用電源１６→ダイオードＤ３→トランジスタＱ３→バイアス電源１５→トランジスタＱ１→トランジスタＱ２→ダイオードＤ２→二次電池ＢＡＴの充電経路で二次電池ＢＡＴの充電が行われ、その時、電力制御回路１１によりトランジスタＱ１を制御して充電電流を設定値とすることができる。この場合、バイアス電源１５の出力電圧により充電経路の電圧降下を補償するように設定すると、充電用電源１６の出力電圧は、二次電池ＢＡＴの充電完了時の端子電圧とほぼ同一に設定することができる。
【００１０】
又制御信号Ｓ２により放電用スイッチ回路を構成するトランジスタＱ４，Ｑ５をオンとすると、二次電池ＢＡＴ→ダイオードＤ４→トランジスタＱ４→バイアス電源１５→トランジスタＱ１→トランジスタＱ５→ダイオードＤ５の放電経路で二次電池ＢＡＴの放電が行われ、電力制御回路１１によりトランジスタＱ１を制御して放電電流を設定値とすることができる。この場合、バイアス電源１５の出力電圧により放電経路の電圧降下を補償するように設定すると、二次電池ＢＡＴの端子電圧が０Ｖ近傍でも放電を行わせることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来例の充放電装置として、図５に示す構成は、１個の充放電用バイアス電源１２により二次電池ＢＡＴの充電と放電とを行うことができるが、出力電圧の切替えが必要であり、通常のスイッチング電源装置を適用した場合には実現困難となる。これに対して、図６に示す構成は、充電用の出力電圧の充電用電源１６と、バイアス電源１５とを別個に設けたことにより、定電圧出力特性のスイッチング電源装置を適用することが容易となる。
【００１２】
しかし、何れの場合も、電力制御回路１１によりトランジスタＱ１を制御して、充電電流及び放電電流を制御するものであり、例えば、充電用電源１６は、二次電池ＢＡＴの満充電時の端子電圧を少なくとも超える出力電圧を有し、又バイアス電源１５は、充放電経路の電圧降下を補償する出力電圧を有するものであるから、充電開始により、充電用電源１６の出力電圧とバイアス電源１５の出力電圧との和と、二次電池ＢＡＴの端子電圧との差分に、充電電流を乗算した値の電力損失をトランジスタＱ１の部分に於いて発生させることになり、この電力損失分は、二次電池ＢＡＴの充電終了に向かって減少するが、充電用電源１６及びバイアス電源１５から供給されるものである。
【００１３】
又二次電池ＢＡＴの放電開始により、二次電池ＢＡＴの端子電圧は低下するが、バイアス電源１５の出力電圧によって放電が継続し、二次電池ＢＡＴの端子電圧が０Ｖでも放電電流を流すことができる。その場合、放電電流を制御するトランジスタＱ１に於いて、バイアス電源１５の出力電圧と放電電流との積に相当する電力損失を生じるもので、この電力損失はバイアス電源１５から供給されることになる。
【００１４】
前述のように、二次電池ＢＡＴの充放電時の電力損失が比較的大きくなり、二次電池ＢＡＴの充放電特性を試験する場合の電力効率が低い問題があった。
本発明は、二次電池の充放電時の電力効率の改善を目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の充放電装置は、図１を参照して説明すると、（１）二次電池ＢＡＴの充電時にオンとする充電用スイッチ回路（ダイオードＤ２，トランジスタＱ２）と前記二次電池ＢＡＴの放電時にオンとする放電用スイッチ回路（ダイオードＤ５，トランジスタＱ５）とを直列接続した第１の直列回路と、前記二次電池ＢＡＴの放電時にオンとする放電用スイッチ回路（ダイオードＤ４，トランジスタＱ４）と前記二次電池ＢＡＴの充電時にオンとする充電用スイッチ回路（ダイオードＤ３，トランジスタＱ３）とを直列に接続した第２の直列回路と、前記第１の直列回路の充電用スイッチ回路と放電用スイッチ回路との接続点と前記第２の直列回路の放電用スイッチ回路と充電用スイッチ回路との接続点との間に直列に接続した充放電経路の電圧降下を補償するバイアス電源２と充放電電流を制御するトランジスタＱ１を含む電力制御部と、前記第１及び第２の直列回路の前記充電用スイッチ回路を介して前記バイアス電源２の出力電圧に対して、出力電圧を加算して前記二次電池ＢＡＴを充電する充電用電源３と、前記二次電池ＢＡＴの端子電圧を検出して前記バイアス電源２と前記充電用電源３との両方の出力電圧を制御する電圧制御回路４と、前記充電用スイッチ回路と前記放電用スイッチ回路と前記電圧制御回路４とを制御する制御回路５とを備えている。
【００１６】
又（２）電圧制御回路４は、充電用電源３とバイアス電源２との何れか一方を、二次電池ＢＡＴの端子電圧に対応して連続的に制御し、他方を二次電池ＢＡＴの充電完了時と放電完了時との端子電圧に対応して２段階の切替制御を行わせる構成とすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態の説明図であり、１は電力制御回路、２はバイアス電源、３は充電用電源、４は電圧制御回路、５は制御回路、ＢＡＴは二次電池、Ｑ１はトランジスタ、Ｑ２，Ｑ３，Ｄ２，Ｄ３は充電用スイッチ回路を構成するトランジスタ及びダイオード、Ｑ４，Ｑ５，Ｄ４，Ｄ５は放電用スイッチ回路を構成するトランジスタ及びダイオード、Ｓ１，Ｓ２は制御信号を示す。又Ｖｂはバイアス電源２の出力電圧、Ｖｃは充電用電源３の出力電圧を示す。又電力制御回路１とトランジスタＱ１とにより充電電流又は放電電流を制御する電力制御部を構成している。この電力制御部は、電子負荷装置として知られている構成を適用することもできる。
【００１８】
又バイアス電源２と充電用電源３との少なくとも何れか一方は、出力電圧を電圧制御回路４からの制御によって変更可能の構成とするもので、例えば、スイッチングのオン期間を制御して出力電圧を制御するスイッチング電源装置によって構成することができる。又電圧制御回路４は、二次電池ＢＡＴの端子電圧を検出し、且つ制御回路５からの充電と放電との何れかを示す制御信号に従って、バイアス電源２の出力電圧と充電用電源３の出力電圧とを制御する。その場合、充電時はバイアス電源２と充電用電源３との少なくとも何れか一方の出力電圧を制御し、放電時はバイアス電源２の出力電圧のみを制御する。
【００１９】
図２は電圧制御回路の要部説明図であり、二次電池ＢＡＴの両端の電圧を演算増幅器２１により検出し、ＡＤ変換器（Ａ／Ｄ）２２によりディジタル信号に変換して、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）２３に入力し、マイクロプロセッサ２３は、この検出電圧値に従ってバイアス電源２及び充電用電源３を制御する制御信号を形成するもので、放電制御を行う制御信号ｃｎｔにより、バイアス電源２を制御する制御信号をＤＡ変換器（Ｄ／Ａ）２４から出力し、又充電制御を行う制御信号ｃｎｔにより、充電用電源３を制御する制御信号をＤＡ変換器（Ｄ／Ａ）２５から出力するように制御する。
【００２０】
又図１に於いて、制御回路５は、二次電池ＢＡＴの充放電試験等のシーケンス等に従って、二次電池ＢＡＴの充電時は、充電用スイッチ回路を構成するトランジスタＱ２，Ｑ３に制御信号Ｓ１を加えてオンとし、又二次電池ＢＡＴの放電時は、放電用スイッチ回路を構成するトランジスタＱ４，Ｑ５に制御信号Ｓ２を加えてオンとし、且つ電圧制御回路４に、充電時と放電時の出力電圧を切替える為の切替信号を加える（図２に於ける制御信号ｃｎｔに相当）。
【００２１】
従って、充電時は、制御信号Ｓ１によりトランジスタＱ２，Ｑ３がオンとなり、又電圧制御回路４によりバイアス電源２と充電用電源３との出力電圧が、二次電池ＢＡＴの端子電圧に従って制御されて、充電用電源３→ダイオードＤ３→トランジスタＱ３→バイアス電源２→トランジスタＱ１→トランジスタＱ２→ダイオードＤ２→二次電池ＢＡＴの充電経路で充電され、電力制御回路１からの制御信号によりトランジスタＱ１を介した充電電流が制御される。
【００２２】
又放電時は、制御信号Ｓ２によりトランジスタＱ４，Ｑ５がオンとなり、又電圧制御回路４によりバイアス電源２の出力電圧が、二次電池ＢＡＴの端子電圧に従って制御されて、二次電池ＢＡＴ→ダイオードＤ４→トランジスタＱ４→バイアス電源２→トランジスタＱ１→トランジスタＱ５→ダイオードＤ５の放電経路で二次電池ＢＡＴの放電が行われ、その時の放電電流は、トランジスタＱ１によって制御される。
【００２３】
二次電池ＢＡＴの充電時に於いて、電力制御部を構成するトランジスタＱ１による電圧降下をＶｅとし、充電用スイッチ回路と接続線とを含む経路の電圧降下をＶｄとすると、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂと、充電用電源３の出力電圧Ｖｃとの和を縦軸とし、横軸を二次電池ＢＡＴの端子電圧とすると、図２の（Ａ）に示す実線のように、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂと、充電用電源３の出力電圧Ｖｃとの何れか一方又は両方を変化させる。この場合、二次電池ＢＡＴの充電完了時の最大端子電圧をＶｍとし、充電電流一定として、Ｖｅ＋Ｖｄ＝Ｖａとすると、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂと充電用電源３の出力電圧Ｖｃとの和は、Ｖｍ≦Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃの関係となるように制御する。
【００２４】
従来例に於いては、例えば、Ｖｍ≦Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃを満足するｂ点の電圧に、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂと、充電用電源３の出力電圧Ｖｃとの和が相当するように予め設定し、トランジスタＱ１を制御することにより、電圧降下Ｖｅの大きさを制御して、所望の充電電流を流すものであり、従って、ａ，ｂ，Ｖａ点で囲まれる領域内が、トランジスタＱ１を含む電力制御部による電力損失に相当し、バイアス電源と充電用電源とから電力損失分が余分に供給される。
【００２５】
これに対して、前述の本発明の実施の形態によれば、Ｖａ，ａ線上に沿って、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂと充電用電源３の出力電圧Ｖｃとの和を制御するものであるから、トランジスタＱ１を含む電力制御部による電力損失を大幅に低減することができる。
【００２６】
又バイアス電源２と充電用電源３との出力電圧をそれぞれ制御する場合、それぞれの出力電圧の変化範囲を小さくすることができるから、制御が容易となる。又二次電池ＢＡＴの端子電圧が比較的低い場合は、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂを固定し、充電用電源３の出力電圧Ｖｃのみを、図３の（Ａ）の実線の特性に従って制御することができる。又充電用電源３の出力電圧Ｖｃを固定し、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂを図３の（Ａ）の実線の特性に従って制御することも可能である。
【００２７】
又二次電池ＢＡＴの放電時に於いては、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂのみを制御するもので、充電用電源３は停止状態とすることができる。そして、二次電池ＢＡＴの端子電圧を電圧制御回路４に於いて検出し、図３の（Ｂ）の実線のように、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂを制御する。この場合、二次電池ＢＡＴの端子電圧が、放電経路の電圧降下分より大きければ、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂは０Ｖでも所定の放電電流を流すことができる。
【００２８】
しかし、二次電池ＢＡＴの端子電圧が放電経路の電圧降下分以下に低下すると、所定の放電電流を流すことができなくなる。そこで、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂを、放電経路の電圧降下分を補償する値Ｖａ以上に設定することによって、二次電池ＢＡＴの端子電圧が電圧降下分Ｖａ以下に低下しても、所定の放電電流を流すことができる。
【００２９】
この場合、図６に示す従来例に於いては、このバイアス電源２の出力電圧Ｖｂを予め設定した値ｄに固定するものであり、従って、二次電池ＢＡＴの端子電圧がＶｍに近い値の時には、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂを含めて所定の放電電流を流す為に、電力制御部を構成するトランジスタＱ１を制御して、電圧を降下させることになる。従って、ｄ，ｅ，ｃ（＝Ｖａ）点で囲まれる領域に相当する電力損失が生じる。
【００３０】
そこで、二次電池ＢＡＴの放電時のバイアス電源２の出力電圧Ｖｂを、二次電池ＢＡＴの端子電圧が高い時は低く、低い時は高くするように制御する。例えば、前述のように、図３の（Ｂ）に於いて、縦軸をバイアス電源２の出力電圧Ｖｂとし、横軸を二次電池ＢＡＴの端子電圧とし、又二次電池ＢＡＴの充電完了時の端子電圧をＶｍとして、この端子電圧Ｖｍの場合のバイアス電源２の出力電圧Ｖｂを、放電経路の電圧降下分Ｖａとし、二次電池ＢＡＴの端子電圧の低下に対応してバイアス電源２の出力電圧Ｖｂを上昇させる。そして、二次電池ＢＡＴの端子電圧が０Ｖ近傍の時に、所望の放電電流を流すことができる値ｄとする。
【００３１】
即ち、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂを二次電池ＢＡＴの端子電圧の低下に対応して上昇させ、電力制御部を構成するトランジスタＱ１による大きな電力損失を生じさせることなく、二次電池ＢＡＴの端子電圧が０Ｖ近傍となるまで、所望の放電電流を流して試験を行うことができる。
【００３２】
本発明は、前述の実施の形態のみに限定されるものではなく、種々付加変更することができるものであり、電圧制御回路４に於いて、二次電池ＢＡＴの端子電圧と共に充放電電流を検出し、所望の充放電電流が得られるように、バイアス電源２と充電用電源３と電力制御回路１とを制御する構成とすることも可能である。又バイアス電源２と充電用電源３との出力電圧は、連続的に制御する代わりに複数段階的に制御することも可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、トランジスタＱ２，Ｑ３を含む充電用スイッチ回路と、トランジスタＱ４，Ｑ５を含む放電用スイッチ回路と、トランジスタＱ１を含む電力制御部と、バイアス電源２と、充電用電源３とを備え、電圧制御回路４により二次電池ＢＡＴの端子電圧を検出して、二次電池ＢＡＴの充放電時のバイアス電源２の出力電圧と充電用電源３の出力電圧との少なくとも何れか一方を制御する構成としたもので、充放電時の電力制御部の電力損失を大幅に低減することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の説明図である。
【図２】電圧制御回路の要部説明図である。
【図３】充放電時の電圧制御説明図である。
【図４】二次電池充電装置の説明図である。
【図５】従来例の充放電装置の説明図である。
【図６】従来例の充放電装置の説明図である。
【符号の説明】
１ 電力制御回路
２ バイアス電源
３ 充電用電源
４ 電圧制御回路
５ 制御回路
ＢＡＴ 二次電池
Ｑ１〜Ｑ５ トランジスタ
Ｄ２〜Ｄ５ ダイオード
Ｓ１，Ｓ２ 制御信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電と放電とを切替えて二次電池の特性を試験する為の充放電装置に関し、特に、二次電池の端子電圧が低電圧の場合でも放電電流が流れるようにし、且つ電力損失を低減した充放電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池の充電装置は、例えば、図４に示す構成を有するもので、二次電池ＢＡＴ，負荷回路部１０，充電電源から構成される。図４に於いては、充電電源としてフォワードコンバータ形式のスイッチング電源装置を用いた場合を示し、検出制御部７は、電源の出力電圧と、抵抗６により検出した出力電流とを基にパルス幅制御部８を制御し、設定された出力電圧となるように、スイッチング・トランジスタＱ０のオン期間を制御し、このスイッチング・トランジスタＱ０により、直流電源９からのトランスＴ１の一次巻線に印加する直流電圧をオン，オフし、トランスＴ１の二次巻線に誘起した電圧を、ダイオードＤ０，Ｄ１と、チョークコイルＬ１と、コンデンサＣ１とを含む整流平滑回路を介して二次電池ＢＡＴの充電を行うものである。この場合の充電電流は、負荷回路部１０により設定，制御する。
【０００３】
このような電源装置を充電電源として二次電池ＢＡＴの充電を行った後、二次電池ＢＡＴの向きを入れ換えて放電を行い、この充電と放電とを所定の周期で繰り返すことにより、二次電池ＢＡＴの充放電特性の試験を行うことができる。この二次電池ＢＡＴの端子電圧が低い場合、又は二次電池ＢＡＴの端子電圧が０Ｖ近傍の場合に、放電経路のインピーダンスが無視できなくなる場合がある。そこで、少なくとも放電経路のインピーダンスを補償する為のバイアス電圧を印加することが提案されている。
【０００４】
例えば、図５は従来例の充放電装置の説明図であり、Ｑ１〜Ｑ５はトランジスタ、Ｓ１，Ｓ２は制御信号、Ｄ２〜Ｄ５はダイオード、ＢＡＴは二次電池、１１は電力制御回路、１２は充放電用バイアス電源、１３はバイアス電圧制御回路を示し、充放電用バイアス電源１２を図４に示すようなスイッチング電源装置により構成した場合、検出制御部７に相当する制御部１２ａと、トランスＴ１，スイッチング・トランジスタＱ０，パルス幅制御部８，ダイオードＤ０，Ｄ１，チョークコイルＬ１，コンデンサＣ１等を含む構成に相当する直流電圧出力部１２ｂとを備えた構成となり、直流電圧出力部１２ｂの出力電圧の＋極性側をトランジスタＱ１に、−極性側をトランジスタＱ３，Ｑ４側にそれぞれ接続する。
【０００５】
バイアス電圧制御回路１３に図示を省略した制御回路から充電と放電との切替信号と共に制御信号Ｓ１，Ｓ２がトランジスタＱ２〜Ｑ５に加えられるもので、二次電池ＢＡＴの充電時は、制御信号Ｓ１によりトランジスタＱ２，Ｑ３がオンとなり、又バイアス電圧制御回路１３から充放電用バイアス電源１２の出力電圧が充電用となるように設定される。従って、充放電用バイアス電源１２→トランジスタＱ１→トランジスタＱ２→ダイオードＤ２→二次電池ＢＡＴ→ダイオードＤ３→トランジスタＱ３の経路で二次電池ＢＡＴの充電が行われる。この場合の充電電流は、電力制御回路１１によりトランジスタＱ１を制御することによって設定値とすることができる。
【０００６】
又二次電池ＢＡＴの放電時は、制御信号Ｓ２によりトランジスタＱ４，Ｑ５がオンとなり、又バイアス電圧制御回路１３により充放電用バイアス電源１２の出力電圧は、二次電池ＢＡＴの端子電圧が０Ｖ近傍でも放電電流が流れる値に制御される。そして、二次電池ＢＡＴ→ダイオードＤ４→トランジスタＱ４→充放電用バイアス電源１２→トランジスタＱ１→トランジスタＱ５→ダイオードＤ５の経路で放電が行われる。この場合の放電電流は、電力制御回路１１によりトランジスタＱ１を制御することによって、設定値とすることができる。従って、電力制御回路１１とトランジスタＱ１とは、電子負荷装置として知られている構成を適用することもできる。
【０００７】
この充放電用バイアス電源１２を前述のようにスイッチング電源装置により構成すると、二次電池ＢＡＴの充電時は、スイッチング・トランジスタＱ０のオン期間を長くして出力電圧を高くすることになり、又放電時は、スイッチング・トランジスタＱ０のオン期間を短くして出力電圧を低下させることになる。なお、トランスＴ１の二次巻線の巻数比の切替えにより、出力電圧の切替えを行うことも可能であるが、トランスＴ１が大型化する問題がある。
【０００８】
又スイッチング電源装置は、定電圧特性を有する構成とすることが容易であるが、スイッチング・トランジスタＱ０のオン期間の制御のみで、出力電圧を大幅に変更することは一般に困難である。従って、二次電池ＢＡＴの充電用の出力電圧と放電用の出力電圧との差が大きい場合には、出力電圧を充電用と放電用とに切替える充放電用バイアス電源１２に適用することは容易ではない。そこで、図６に示すように、バイアス電源１５と、充電用電源１６とを別個に設けた構成が提案されている。なお、図５と同一符号は同一部分を示す。
【０００９】
充電用電源１６は、二次電池ＢＡＴの充電専用とし、バイアス電源１５は、充放電経路に於ける電圧降下を補償する出力電圧の電源とする。従って、制御信号Ｓ１により充電用スイッチ回路を構成するトランジスタＱ２，Ｑ３をオンとすると、充電用電源１６→ダイオードＤ３→トランジスタＱ３→バイアス電源１５→トランジスタＱ１→トランジスタＱ２→ダイオードＤ２→二次電池ＢＡＴの充電経路で二次電池ＢＡＴの充電が行われ、その時、電力制御回路１１によりトランジスタＱ１を制御して充電電流を設定値とすることができる。この場合、バイアス電源１５の出力電圧により充電経路の電圧降下を補償するように設定すると、充電用電源１６の出力電圧は、二次電池ＢＡＴの充電完了時の端子電圧とほぼ同一に設定することができる。
【００１０】
又制御信号Ｓ２により放電用スイッチ回路を構成するトランジスタＱ４，Ｑ５をオンとすると、二次電池ＢＡＴ→ダイオードＤ４→トランジスタＱ４→バイアス電源１５→トランジスタＱ１→トランジスタＱ５→ダイオードＤ５の放電経路で二次電池ＢＡＴの放電が行われ、電力制御回路１１によりトランジスタＱ１を制御して放電電流を設定値とすることができる。この場合、バイアス電源１５の出力電圧により放電経路の電圧降下を補償するように設定すると、二次電池ＢＡＴの端子電圧が０Ｖ近傍でも放電を行わせることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来例の充放電装置として、図５に示す構成は、１個の充放電用バイアス電源１２により二次電池ＢＡＴの充電と放電とを行うことができるが、出力電圧の切替えが必要であり、通常のスイッチング電源装置を適用した場合には実現困難となる。これに対して、図６に示す構成は、充電用の出力電圧の充電用電源１６と、バイアス電源１５とを別個に設けたことにより、定電圧出力特性のスイッチング電源装置を適用することが容易となる。
【００１２】
しかし、何れの場合も、電力制御回路１１によりトランジスタＱ１を制御して、充電電流及び放電電流を制御するものであり、例えば、充電用電源１６は、二次電池ＢＡＴの満充電時の端子電圧を少なくとも超える出力電圧を有し、又バイアス電源１５は、充放電経路の電圧降下を補償する出力電圧を有するものであるから、充電開始により、充電用電源１６の出力電圧とバイアス電源１５の出力電圧との和と、二次電池ＢＡＴの端子電圧との差分に、充電電流を乗算した値の電力損失をトランジスタＱ１の部分に於いて発生させることになり、この電力損失分は、二次電池ＢＡＴの充電終了に向かって減少するが、充電用電源１６及びバイアス電源１５から供給されるものである。
【００１３】
又二次電池ＢＡＴの放電開始により、二次電池ＢＡＴの端子電圧は低下するが、バイアス電源１５の出力電圧によって放電が継続し、二次電池ＢＡＴの端子電圧が０Ｖでも放電電流を流すことができる。その場合、放電電流を制御するトランジスタＱ１に於いて、バイアス電源１５の出力電圧と放電電流との積に相当する電力損失を生じるもので、この電力損失はバイアス電源１５から供給されることになる。
【００１４】
前述のように、二次電池ＢＡＴの充放電時の電力損失が比較的大きくなり、二次電池ＢＡＴの充放電特性を試験する場合の電力効率が低い問題があった。
本発明は、二次電池の充放電時の電力効率の改善を目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の充放電装置は、図１を参照して説明すると、（１）二次電池ＢＡＴの充電時にオンとする充電用スイッチ回路（ダイオードＤ２，トランジスタＱ２）と前記二次電池ＢＡＴの放電時にオンとする放電用スイッチ回路（ダイオードＤ５，トランジスタＱ５）とを直列接続した第１の直列回路と、前記二次電池ＢＡＴの放電時にオンとする放電用スイッチ回路（ダイオードＤ４，トランジスタＱ４）と前記二次電池ＢＡＴの充電時にオンとする充電用スイッチ回路（ダイオードＤ３，トランジスタＱ３）とを直列に接続した第２の直列回路と、前記第１の直列回路の充電用スイッチ回路と放電用スイッチ回路との接続点と前記第２の直列回路の放電用スイッチ回路と充電用スイッチ回路との接続点との間に直列に接続した充放電経路の電圧降下を補償するバイアス電源２と充放電電流を制御するトランジスタＱ１を含む電力制御部と、前記第１及び第２の直列回路の前記充電用スイッチ回路を介して前記バイアス電源２の出力電圧に対して、出力電圧を加算して前記二次電池ＢＡＴを充電する充電用電源３と、前記二次電池ＢＡＴの端子電圧を検出して前記バイアス電源２と前記充電用電源３との両方の出力電圧を制御する電圧制御回路４と、前記充電用スイッチ回路と前記放電用スイッチ回路と前記電圧制御回路４とを制御する制御回路５とを備えている。
【００１６】
又（２）電圧制御回路４は、充電用電源３とバイアス電源２との何れか一方を、二次電池ＢＡＴの端子電圧に対応して連続的に制御し、他方を二次電池ＢＡＴの充電完了時と放電完了時との端子電圧に対応して２段階の切替制御を行わせる構成とすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態の説明図であり、１は電力制御回路、２はバイアス電源、３は充電用電源、４は電圧制御回路、５は制御回路、ＢＡＴは二次電池、Ｑ１はトランジスタ、Ｑ２，Ｑ３，Ｄ２，Ｄ３は充電用スイッチ回路を構成するトランジスタ及びダイオード、Ｑ４，Ｑ５，Ｄ４，Ｄ５は放電用スイッチ回路を構成するトランジスタ及びダイオード、Ｓ１，Ｓ２は制御信号を示す。又Ｖｂはバイアス電源２の出力電圧、Ｖｃは充電用電源３の出力電圧を示す。又電力制御回路１とトランジスタＱ１とにより充電電流又は放電電流を制御する電力制御部を構成している。この電力制御部は、電子負荷装置として知られている構成を適用することもできる。
【００１８】
又バイアス電源２と充電用電源３との少なくとも何れか一方は、出力電圧を電圧制御回路４からの制御によって変更可能の構成とするもので、例えば、スイッチングのオン期間を制御して出力電圧を制御するスイッチング電源装置によって構成することができる。又電圧制御回路４は、二次電池ＢＡＴの端子電圧を検出し、且つ制御回路５からの充電と放電との何れかを示す制御信号に従って、バイアス電源２の出力電圧と充電用電源３の出力電圧とを制御する。その場合、充電時はバイアス電源２と充電用電源３との少なくとも何れか一方の出力電圧を制御し、放電時はバイアス電源２の出力電圧のみを制御する。
【００１９】
図２は電圧制御回路の要部説明図であり、二次電池ＢＡＴの両端の電圧を演算増幅器２１により検出し、ＡＤ変換器（Ａ／Ｄ）２２によりディジタル信号に変換して、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）２３に入力し、マイクロプロセッサ２３は、この検出電圧値に従ってバイアス電源２及び充電用電源３を制御する制御信号を形成するもので、放電制御を行う制御信号ｃｎｔにより、バイアス電源２を制御する制御信号をＤＡ変換器（Ｄ／Ａ）２４から出力し、又充電制御を行う制御信号ｃｎｔにより、充電用電源３を制御する制御信号をＤＡ変換器（Ｄ／Ａ）２５から出力するように制御する。
【００２０】
又図１に於いて、制御回路５は、二次電池ＢＡＴの充放電試験等のシーケンス等に従って、二次電池ＢＡＴの充電時は、充電用スイッチ回路を構成するトランジスタＱ２，Ｑ３に制御信号Ｓ１を加えてオンとし、又二次電池ＢＡＴの放電時は、放電用スイッチ回路を構成するトランジスタＱ４，Ｑ５に制御信号Ｓ２を加えてオンとし、且つ電圧制御回路４に、充電時と放電時の出力電圧を切替える為の切替信号を加える（図２に於ける制御信号ｃｎｔに相当）。
【００２１】
従って、充電時は、制御信号Ｓ１によりトランジスタＱ２，Ｑ３がオンとなり、又電圧制御回路４によりバイアス電源２と充電用電源３との出力電圧が、二次電池ＢＡＴの端子電圧に従って制御されて、充電用電源３→ダイオードＤ３→トランジスタＱ３→バイアス電源２→トランジスタＱ１→トランジスタＱ２→ダイオードＤ２→二次電池ＢＡＴの充電経路で充電され、電力制御回路１からの制御信号によりトランジスタＱ１を介した充電電流が制御される。
【００２２】
又放電時は、制御信号Ｓ２によりトランジスタＱ４，Ｑ５がオンとなり、又電圧制御回路４によりバイアス電源２の出力電圧が、二次電池ＢＡＴの端子電圧に従って制御されて、二次電池ＢＡＴ→ダイオードＤ４→トランジスタＱ４→バイアス電源２→トランジスタＱ１→トランジスタＱ５→ダイオードＤ５の放電経路で二次電池ＢＡＴの放電が行われ、その時の放電電流は、トランジスタＱ１によって制御される。
【００２３】
二次電池ＢＡＴの充電時に於いて、電力制御部を構成するトランジスタＱ１による電圧降下をＶｅとし、充電用スイッチ回路と接続線とを含む経路の電圧降下をＶｄとすると、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂと、充電用電源３の出力電圧Ｖｃとの和を縦軸とし、横軸を二次電池ＢＡＴの端子電圧とすると、図２の（Ａ）に示す実線のように、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂと、充電用電源３の出力電圧Ｖｃとの何れか一方又は両方を変化させる。この場合、二次電池ＢＡＴの充電完了時の最大端子電圧をＶｍとし、充電電流一定として、Ｖｅ＋Ｖｄ＝Ｖａとすると、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂと充電用電源３の出力電圧Ｖｃとの和は、Ｖｍ≦Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃの関係となるように制御する。
【００２４】
従来例に於いては、例えば、Ｖｍ≦Ｖａ＋Ｖｂ＋Ｖｃを満足するｂ点の電圧に、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂと、充電用電源３の出力電圧Ｖｃとの和が相当するように予め設定し、トランジスタＱ１を制御することにより、電圧降下Ｖｅの大きさを制御して、所望の充電電流を流すものであり、従って、ａ，ｂ，Ｖａ点で囲まれる領域内が、トランジスタＱ１を含む電力制御部による電力損失に相当し、バイアス電源と充電用電源とから電力損失分が余分に供給される。
【００２５】
これに対して、前述の本発明の実施の形態によれば、Ｖａ，ａ線上に沿って、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂと充電用電源３の出力電圧Ｖｃとの和を制御するものであるから、トランジスタＱ１を含む電力制御部による電力損失を大幅に低減することができる。
【００２６】
又バイアス電源２と充電用電源３との出力電圧をそれぞれ制御する場合、それぞれの出力電圧の変化範囲を小さくすることができるから、制御が容易となる。又二次電池ＢＡＴの端子電圧が比較的低い場合は、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂを固定し、充電用電源３の出力電圧Ｖｃのみを、図３の（Ａ）の実線の特性に従って制御することができる。又充電用電源３の出力電圧Ｖｃを固定し、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂを図３の（Ａ）の実線の特性に従って制御することも可能である。
【００２７】
又二次電池ＢＡＴの放電時に於いては、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂのみを制御するもので、充電用電源３は停止状態とすることができる。そして、二次電池ＢＡＴの端子電圧を電圧制御回路４に於いて検出し、図３の（Ｂ）の実線のように、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂを制御する。この場合、二次電池ＢＡＴの端子電圧が、放電経路の電圧降下分より大きければ、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂは０Ｖでも所定の放電電流を流すことができる。
【００２８】
しかし、二次電池ＢＡＴの端子電圧が放電経路の電圧降下分以下に低下すると、所定の放電電流を流すことができなくなる。そこで、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂを、放電経路の電圧降下分を補償する値Ｖａ以上に設定することによって、二次電池ＢＡＴの端子電圧が電圧降下分Ｖａ以下に低下しても、所定の放電電流を流すことができる。
【００２９】
この場合、図６に示す従来例に於いては、このバイアス電源２の出力電圧Ｖｂを予め設定した値ｄに固定するものであり、従って、二次電池ＢＡＴの端子電圧がＶｍに近い値の時には、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂを含めて所定の放電電流を流す為に、電力制御部を構成するトランジスタＱ１を制御して、電圧を降下させることになる。従って、ｄ，ｅ，ｃ（＝Ｖａ）点で囲まれる領域に相当する電力損失が生じる。
【００３０】
そこで、二次電池ＢＡＴの放電時のバイアス電源２の出力電圧Ｖｂを、二次電池ＢＡＴの端子電圧が高い時は低く、低い時は高くするように制御する。例えば、前述のように、図３の（Ｂ）に於いて、縦軸をバイアス電源２の出力電圧Ｖｂとし、横軸を二次電池ＢＡＴの端子電圧とし、又二次電池ＢＡＴの充電完了時の端子電圧をＶｍとして、この端子電圧Ｖｍの場合のバイアス電源２の出力電圧Ｖｂを、放電経路の電圧降下分Ｖａとし、二次電池ＢＡＴの端子電圧の低下に対応してバイアス電源２の出力電圧Ｖｂを上昇させる。そして、二次電池ＢＡＴの端子電圧が０Ｖ近傍の時に、所望の放電電流を流すことができる値ｄとする。
【００３１】
即ち、バイアス電源２の出力電圧Ｖｂを二次電池ＢＡＴの端子電圧の低下に対応して上昇させ、電力制御部を構成するトランジスタＱ１による大きな電力損失を生じさせることなく、二次電池ＢＡＴの端子電圧が０Ｖ近傍となるまで、所望の放電電流を流して試験を行うことができる。
【００３２】
本発明は、前述の実施の形態のみに限定されるものではなく、種々付加変更することができるものであり、電圧制御回路４に於いて、二次電池ＢＡＴの端子電圧と共に充放電電流を検出し、所望の充放電電流が得られるように、バイアス電源２と充電用電源３と電力制御回路１とを制御する構成とすることも可能である。又バイアス電源２と充電用電源３との出力電圧は、連続的に制御する代わりに複数段階的に制御することも可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、トランジスタＱ２，Ｑ３を含む充電用スイッチ回路と、トランジスタＱ４，Ｑ５を含む放電用スイッチ回路と、トランジスタＱ１を含む電力制御部と、バイアス電源２と、充電用電源３とを備え、電圧制御回路４により二次電池ＢＡＴの端子電圧を検出して、二次電池ＢＡＴの充放電時のバイアス電源２の出力電圧と充電用電源３の出力電圧との少なくとも何れか一方を制御する構成としたもので、充放電時の電力制御部の電力損失を大幅に低減することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の説明図である。
【図２】電圧制御回路の要部説明図である。
【図３】充放電時の電圧制御説明図である。
【図４】二次電池充電装置の説明図である。
【図５】従来例の充放電装置の説明図である。
【図６】従来例の充放電装置の説明図である。
【符号の説明】
１ 電力制御回路
２ バイアス電源
３ 充電用電源
４ 電圧制御回路
５ 制御回路
ＢＡＴ 二次電池
Ｑ１〜Ｑ５ トランジスタ
Ｄ２〜Ｄ５ ダイオード
Ｓ１，Ｓ２ 制御信号
Claims (2)
- 二次電池の充電時にオンとする充電用スイッチ回路と前記二次電池の放電時にオンとする放電用スイッチ回路とを直列接続した第１の直列回路と、
前記二次電池の放電時にオンとする放電用スイッチ回路と前記二次電池の充電時にオンとする充電用スイッチ回路とを直列に接続した第２の直列回路と、
前記第１の直列回路の充電用スイッチ回路と放電用スイッチ回路との接続点と前記第２の直列回路の放電用スイッチ回路と充電用スイッチ回路との接続点との間に直列に接続した充放電経路の電圧降下を補償するバイアス電源と充放電電流を制御するトランジスタを含む電力制御部と、
前記第１及び第２の直列回路の前記充電用スイッチ回路を介して前記バイアス電源の出力電圧に対して、出力電圧を加算して前記二次電池を充電する充電用電源と、
前記二次電池の端子電圧を検出して前記バイアス電源と前記充電用電源との両方の出力電圧を制御する電圧制御回路と、
前記充電用スイッチ回路と前記放電用スイッチ回路と前記電圧制御回路とを制御する制御回路と
を備えたことを特徴とする充放電装置。 - 前記電圧制御回路は、前記二次電池の端子電圧を検出し、前記充電用電源と前記バイアス電源との何れか一方の出力電圧を前記二次電池の端子電圧に対応して連続的に制御し、前記充電用電源と前記バイアス電源との何れか他方の出力電圧を前記二次電池の充電完了時と放電完了時との端子電圧に対応して２段階の切替制御を行わせる構成を備えたことを特徴とする請求項１記載の充放電装置。
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