JP4016045B2

JP4016045B2 - バッテリーのウォーミングアップ回路及びバッテリー

Info

Publication number: JP4016045B2
Application number: JP2005359445A
Authority: JP
Inventors: 正二羽田; 英博高草; 實岡田; 晴樹和田
Original assignee: 株式会社エヌ・ティ・ティ・データ・イー・エックス・テクノ
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2025-12-13
Also published as: JP2007166779A

Description

本発明は、自動車エンジンの始動等に用いるバッテリーのウォーミングアップ回路及びバッテリーに関する。

寒冷地では、早朝などにバッテリー（鉛蓄電池）が冷却されて自動車エンジンの始動が困難な状況がしばしば発生する。これは、温度低下によりバッテリーの内部抵抗が高くなることによりエンジン始動に必要な電流量が供給不能となるためである。自動車エンジンのスタータモータ回路は始動時には数百Ａの大電流を必要としかつその内部インピーダンスは通常バッテリーの内部抵抗よりも小さい。ところが、バッテリーの内部抵抗が、例えば２０℃で０．１Ωであるものが−５℃で約０．２Ωと２倍程度になってしまうとバッテリーの内部抵抗による電圧降下が大きくなりスタータモータ回路に十分な電流を供給できなくなる。

従来、温度低下によるバッテリーの作動不良が生じた際には、バッテリーを取り外して外部電源により充電して温めるか、熱湯を注いで温めていた。また、寒冷地仕様では、並列接続するバッテリー数を増やしたりしていた。

一方、低温以外の原因でもバッテリーの経時変化により極板に硫酸鉛沈殿物が付着してバッテリーの不具合が発生する現象が知られている。特許文献１には、このような極板の付着物を除去するための回路が開示されており、当該回路はトランスの一次側に外部電源から得られるパルスを付与し、二次側に生じる急峻な電流パルスをバッテリーに印加することにより極板の付着物を除去してバッテリーの寿命を延ばすことができるとされている。
特表平９−５０２０７６号公報

低温時におけるバッテリーの作動不良を解消するためには、バッテリー自体を温めて内部抵抗を低下させることが必要であるが、自動車等からバッテリーを取り外して温めたり、熱湯を注いだりすることは煩雑であると同時に熱損が大きく効率が悪い。またバッテリー数を増やすことは、重量が増して燃費が悪化する上、設置スペースをとるため小型化の支障となる。

また、バッテリーに外部抵抗を接続して放電電流を流し、内部抵抗に発生するジュール熱で温めようとする方式は、放電時の電池反応が吸熱反応であるため効率的ではない。

また、特許文献１の回路は、極板の付着物除去を目的としバッテリーの加温を目的とするものではないが、このように外部からバッテリーに電流を流すと内部抵抗にジュール熱が発生するため内部からの温度上昇が期待できる。しかしながら、特許文献１の回路は外部電源が得られない場所では使用できない上、外部電源のエネルギーを消費することとなる。

以上の現状に鑑み、本発明は、低温時にバッテリーを内部から加温することにより内部抵抗を低下させてバッテリーの正常動作を可能とすると共に、バッテリーを流れる電流が無駄なく内部抵抗のジュール熱に寄与し、かつ外部電源が不要である、バッテリーのウォーミングアップ回路を提供することを目的とする。

（１）請求項１に係るバッテリーのウォーミングアップ回路は、
一次コイルと、該一次コイルと磁気結合された二次コイルとを具備するトランスと、
前記一次コイルに直列接続された第１コンデンサと、
前記二次コイルに直列接続された第２コンデンサと、
前記第１コンデンサを介して前記一次コイルに対しバッテリーの電圧を断続的に印加しかつ該バッテリーの電圧の印加時に該第１コンデンサの充電電流を導通させるべくオンオフ制御される第１スイッチング素子と、
前記バッテリーの電圧の非印加時に前記第１コンデンサの放電電流を導通させるべく前記第１スイッチング素子と逆相にてオフオン制御される第２スイッチング素子とを有し、
前記第１コンデンサの充電電流と放電電流とが前記一次コイルに交互に流れるとき、前記一次コイルと前記二次コイルの間の磁気誘導により、前記第２コンデンサを介して前記二次コイルに前記バッテリーの放電電流と充電電流とが交互に流れることを特徴とする。

（２）請求項２に係るバッテリーのウォーミングアップ回路は、請求項１において、前記トランスにおける前記一次コイルと前記二次コイルとが疎に結合されていることを特徴とする。

（３）請求項３に係るバッテリーのウォーミングアップ回路は、請求項１または２において、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の制御が前記バッテリー電源により行われることを特徴とする。

（４）請求項４に係るバッテリーは、請求項１〜３のいずれかに記載のバッテリーのウォーミングアップ回路を接続したことを特徴とする。

請求項１に係るバッテリーのウォーミングアップ回路は、一次コイルと二次コイルとを具備するトランスを有する。トランスの一次コイルには第１コンデンサを、二次コイルには第２コンデンサをそれぞれ直列接続する。一次コイルは、第１スイッチング素子により第１コンデンサを介して断続的にバッテリー電圧を印加される。

従って、第１スイッチング素子がオンのとき、第１コンデンサを介して一次コイルにバッテリー電圧が印加されると、一次コイルと二次コイルとの磁気誘導により二次コイルに起電力が発生し、二次コイルには第２コンデンサを介してバッテリーの放電電流が流れることとなる。このとき、第１コンデンサは第１スイッチング素子を流れる電流により充電され、第２コンデンサもバッテリーの放電電流により充電される。

そして、第１スイッチング素子と逆相で制御される第２スイッチング素子がオンのとき、第１コンデンサの電荷が放電されると同時に、トランスの一次コイルには第１コンデンサによる電圧が印加される。この電圧は第１スイッチング素子がオンのときとは逆極性である。この結果、一次コイルと二次コイルとの磁気誘導により二次コイルにも逆極性の起電力が発生し、二次コイルには第２コンデンサを介してバッテリーの充電電流が流れる。このとき第２コンデンサはバッテリーの充電電流により放電される。

このように、第１及び第２のスイッチング素子を互いに逆相で制御することによってバッテリーの放電電流と充電電流を交互に流すことができ、バッテリーの内部抵抗に生じるジュール熱によりバッテリーの極板が温まる。この結果、バッテリーの内部抵抗が低下する。バッテリーを内部から加温することとなるので熱損が極めて少なく、短時間で効率よく温まる。

また、バッテリーの放電電流は第２コンデンサの充電電流として第２コンデンサに蓄積され、第２コンデンサの放電電流はバッテリーの充電電流として再利用されるので、電力損はバッテリーの内部抵抗によるジュール熱のみとなり、このジュール熱は極板を温めるために有効に消費される。従って、バッテリー外部においてバッテリーの放電電流による電力損が生じない。

なお、第１コンデンサ及び第２コンデンサは、それぞれ一次コイル及び二次コイルにバッテリーの電圧が直接印加されて直流が流れることを防止する役割も果たしている。

請求項２では、請求項１に加えて、トランスの一次コイルと二次コイルが疎結合とされている。例えば、トランスのコアの中央脚に一次コイルを左右両脚に二次コイルを巻装する場合に、一次コイルと二次コイルとを空隙を介してまたは磁性体片を介して離隔するように巻装することにより、一次コイルと二次コイルの間の磁気誘導を疎結合とすることができる。相互インダクタンスを小さくすることにより磁気誘導が生じたときの一次コイルと二次コイルのそれぞれのリアクタンスが大きくなる。斯かる疎結合のトランスでは、一次コイルに一定以上の電流が流れた場合、一次コイルに生じて中央脚から左右両脚に向かう磁束の一部が空隙または磁性体片を通る漏れ磁束となり二次コイルと鎖交する磁束が減少する。これにより、一次コイル及び二次コイルに過大な電流が流れることを防止でき、コイル及びコンデンサを保護することができる。また、電流制限用のチョークコイルが不要となりコスト低減できる。

請求項３では、請求項１または請求項２に加えて、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の制御をバッテリー電源により行う。すなわち、第１及び第２のスイッチング素子をそれぞれオンオフ制御するパルス信号を生成する回路の電源としてバッテリー電圧を利用する。これにより、外部電源の得られない場所でも本ウォーミングアップ回路をバッテリーに接続するだけで作動させることができる。

請求項４のバッテリーは、本発明による上記のウォーミングアップ回路と一体化されており、例えば、寒冷対処機能付きのバッテリーとして自動車等に容易に組み込むことができる。
その他、本発明によるバッテリーのウォーミングアップ回路は、次のように利用しても有用である。
軽度の寒冷でもスタータモータが始動しない場合は、バッテリー不良の前兆の可能性があるが、本回路によりエンジン始動が可能となれば深刻な事態を回避することができ、バッテリー不良の早期発見が可能となる。
また、本回路をバッテリーに接続して動作させたときのバッテリー電流を検出することにより、正常動作するはずの常温において検出電流値が規定値を下回った場合に、バッテリー不良であることが判別できる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
（１）回路構成
図１は、本発明によるバッテリーのウォーミングアップ回路を、バッテリーＢ１．．Ｂｎに接続した状態を示した回路図である。本回路は、バッテリーに対して接続及び取り外し自在の独立した回路装置としてもよいし、バッテリーに常時接続された一体的回路として構成してもよい。本回路によりバッテリーをウォーミングアップする際には、本回路の端子１がバッテリーＢ１．．Ｂｎの正極に、端子２が負極にそれぞれ接続される。

トランスＴは、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とを有し、それぞれコイルの巻き始め端子を黒丸で示している。一次コイルＬ１と二次コイルＬ２の巻き数比は、一次コイルＬ１に対し二次コイルＬ２において大電流を得るために二次コイルＬ２の巻き数を一次コイルＬ１の巻き数より少なくする。

トランスＴは小型・軽量化するために、フェライトコアを用いることが好適であり、また高周波用を用いることが好適である。さらに、コイル及びコンデンサの保護のため、一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２に過大電流を流さないように、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とを疎結合としたトランスを用いることが好適である。すなわち一次コイルＬ１と二次コイルＬ２の相互インダクタンスを小さくしておく。例えば、トランスのコアの中央脚に一次コイルＬ１を左右両脚に二次コイルＬ２を巻装する場合に、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とを空隙を介してまたは磁性体片を介して離隔するように巻装することにより、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２の間の磁気誘導を疎結合とすることができる。これにより、一次コイルＬ１に一定以上の電流が流れると、一次コイルに生じる磁束が空隙または磁性体片へと迂回することで二次コイルＬ２と鎖交する磁束が低減されるため二次コイルＬ２に過大電流が流れない。別の例として、二次コイルＬ２に過大電流を流さないために、チョークコイルを直列に挿入してもよい。

トランスＴの一次コイルＬ１の巻き始め端子（黒丸）には、第１コンデンサＣ１が直列に接続されている。第１コンデンサＣ１のもう一方の端子は、第１スイッチング素子Ｑ１を介してバッテリーの正極側に接続され、かつ第２スイッチング素子Ｑ２を介してバッテリーの負極側に接続される。一次コイルＬ１の巻き終わり端子はバッテリーの負極側に接続される。

トランスＴの二次コイルＬ２の巻き終わり端子には、第２コンデンサＣ２が直列に接続されている。第２コンデンサＣ２のもう一方の端子は、バッテリーの正極側に接続されている。二次コイルＬ２の巻き始め端子（黒丸）はバッテリーの負極側に接続される。

第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２は、直流が印加されることと、大容量が得られる点で電解コンデンサが好適である。しかしながら、容量が十分であれば交流用コンデンサでもよい。電解コンデンサの正極側にバッテリーの正電位が印加されるように接続される。第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２は、後述するバッテリーの充電／放電電流による放電／充電動作の他に、バッテリーの電圧が一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２に直接印加されて直流が流れることを防止する役割も果たす。

第１スイッチング素子Ｑ１は、図示の例ではｎ形バイポーラトランジスタであり、コレクタがバッテリーの正極側に、エミッタが第１コンデンサＣ１に接続されている。ベースには制御信号が入力される。制御信号は、適宜の周波数の高周波のパルス電圧または交流電圧でよい。第１スイッチング素子Ｑ１がオンオフ制御されることにより、第１コンデンサＣ１を介してバッテリーの電圧を一次コイルＬ１に断続的に（周波数は厳密に一定でなくともよい）印加する。

第２スイッチング素子Ｑ２は、図示の例ではｐ形バイポーラトランジスタであり、エミッタが第１コンデンサＣ１に、コレクタがバッテリーの負極側に接続されている。第２スイッチング素子Ｑ２のベースには、第１スイッチング素子Ｑ１のベースと同じ制御信号が入力される。ただし、第１スイッチング素子Ｑ１はｎ形、第２スイッチング素子Ｑ２はｐ形であるので、第２スイッチング素子は、第１スイッチング素子とは逆相でオフオン制御されることとなる。

図示の例ではｎ形とｐ形のバイポーラトランジスタを用いることにより１つの制御信号で逆相のオンオフ制御が可能である。第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、互いに逆相でオンオフ制御できるものであれば、ＦＥＴ等の他の直流スイッチング素子でもよい。

制御信号の発生回路（図示せず）と第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の各ベースとの間には適宜スイッチＳＷを設けてもよい。このスイッチＳＷは、本回路によるバッテリーのウォーミングアップ動作の開始及び停止のための制御スイッチである。このスイッチＳＷのオンオフは、電流計測／ＳＷ駆動部により制御される。電流計測／ＳＷ駆動部は、バッテリーの充放電電流の経路上に設けられた適宜の電流検出器ＣＴにより検出される電流計測値に基づいてスイッチＳＷを制御する。

制御信号の発生回路は公知のパルスまたは交流の発振回路等でよく、その電源はバッテリーから得ることが好適である。これにより、本回路の電源として外部電源は不要となり、本回路をバッテリーの両極端子に接続するのみで作動させることができる。

（２）回路動作
バッテリーのウォーミングアップの開始にあたって、本回路が独立装置である場合は、本回路をバッテリーの両極端子に接続した後、スイッチＳＷをオンし制御信号の入力を開始する。また、本回路とバッテリーが一体化された構成の場合には、スイッチＳＷをオンし制御信号の入力を開始する。

まず、パルスまたは交流の制御信号が正のとき、第１スイッチング素子Ｑ１はオンとなりコレクタエミッタ間が導通し、第２スイッチング素子Ｑ２はオフとなりエミッタコレクタ間は遮断される。この時の動作は次の通りである。
第１スイッチング素子Ｑ１が導通するため、第１コンデンサＣ１を介して一次コイルＬ１の巻き始め端子にバッテリーの正極側の電圧が印加される。
バッテリーから放電される電流ｉ１は、第１スイッチング素子Ｑ１を通り第１コンデンサＣ１を充電する。よって、バッテリー放電電流ｉ１は、第１コンデンサＣ１の充電電流でもある。なお、第１コンデンサＣ１により、バッテリー電圧による直流成分は遮断される。

一方、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２の間の磁気誘導により二次コイルＬ２の巻き始め端子が正電位となり、バッテリーを放電させ得る電圧が発生する。これにより、バッテリーから第２コンデンサＣ２を介して二次コイルＬ２にバッテリー放電電流ｉ２が流れる。バッテリー放電電流ｉ２は、第２コンデンサＣ２を充電する充電電流でもある。なお、第２コンデンサＣ２により、バッテリー電圧による直流成分は遮断される。
こうして、バッテリーの内部には放電電流ｉ１＋ｉ２が流れることとなる。

次に、パルスまたは交流の制御信号が負のとき、第１スイッチング素子Ｑ１はオフとなりコレクタエミッタ間は遮断され、第２スイッチング素子Ｑ２はオンとなりエミッタコレクタ間が導通する。この時の動作は次の通りである。
第１スイッチング素子Ｑ１がオフとなることで、バッテリーの正極側の電圧は一次コイルＬ１に対して非印加の状態となる。一方、第２スイッチング素子Ｑ２がオンとなることで第１コンデンサＣ１に蓄積された電荷が放電され、放電電流ｉ３が流れる。第１コンデンサＣ１の放電電流ｉ３は、第２スイッチング素子Ｑ２と一次コイルＬ１とを含む閉回路を流れる。同時に、第１コンデンサＣ１の電圧が一次コイルＬ１に印加されることにより、一次コイルＬ１の巻き終わり端子が正電位となり、磁気誘導により二次コイルＬ２の巻き終わり端子が正電位となる。こうしてバッテリーを充電させ得る電圧が発生し、二次コイルに電流ｉ４が流れる。電流ｉ４は、第２コンデンサＣ２に蓄積された電荷の放電電流でありかつバッテリー充電電流でもある。

第１及び第２スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフが切り替わるとき、トランスの一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２の各々の両端の極性が逆に切り替わり、バッテリーの両極間に流れる電流の向きも逆方向に変わる。

第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２のオンオフが交互に行われることにより、上記の動作が繰り返される。よって、第１コンデンサＣ１の充電電流ｉ１（バッテリーの放電電流でもある）と放電電流ｉ３とが一次コイルＬ１に交互に流れるとき、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２の間の磁気誘導により、第２コンデンサＣ２を介して二次コイルＬ２にバッテリーの放電電流ｉ２と充電電流ｉ４とが交互に流れることとなる。

こうしてバッテリーに放電電流と充電電流が交互に流れることで内部抵抗によるジュール熱が発生し、バッテリーは内部から加温される。バッテリーの極板温度が高くなると内部抵抗が小さくなり充放電電流が増加する。やがて、エンジン始動のためのスタータモータ回路に十分な電流を供給できる量に達し、ウォーミングアップが完了する。ウォーミングアップに要する時間は、例えば、１分〜数分程度である。

電流計測／ＳＷ駆動部は、電流検知器ＣＴにより予め設定された電流値に達したことが検知されたならば、スイッチＳＷを遮断し制御信号の入力を停止する。

本発明によるバッテリーのウォーミングアップ回路を、バッテリーＢ１．．Ｂｎに接続した状態を示した回路図である。

符号の説明

Ｂ１．．Ｂｎバッテリー
Ｌ１一次コイル
Ｌ２二次コイル
Ｃ１第１コンデンサ
Ｃ２第２コンデンサ
Ｑ１第１スイッチング素子
Ｑ２第２スイッチング素子

Claims

一次コイルと、該一次コイルと磁気結合された二次コイルとを具備するトランスと、
前記一次コイルに直列接続された第１コンデンサと、
前記二次コイルに直列接続された第２コンデンサと、
前記第１コンデンサを介して前記一次コイルに対しバッテリーの電圧を断続的に印加しかつ該バッテリーの電圧の印加時に該第１コンデンサの充電電流を導通させるべくオンオフ制御される第１スイッチング素子と、
前記バッテリーの電圧の非印加時に前記第１コンデンサの放電電流を導通させるべく前記第１スイッチング素子と逆相にてオフオン制御される第２スイッチング素子とを有し、
前記第１コンデンサの充電電流と放電電流とが前記一次コイルに交互に流れるとき、前記一次コイルと前記二次コイルの間の磁気誘導により、前記第２コンデンサを介して前記二次コイルに前記バッテリーの放電電流と充電電流とが交互に流れることを特徴とするバッテリーのウォーミングアップ回路。
前記トランスにおける前記一次コイルと前記二次コイルとが疎に結合されていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーのウォーミングアップ回路。
前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の制御が前記バッテリー電源により行われることを特徴とする請求項１または２に記載のバッテリーのウォーミングアップ回路。
請求項１〜３のいずれかに記載のバッテリーのウォーミングアップ回路を接続したことを特徴とするバッテリー。