JP4385659B2 - 充電回路およびそれを用いた充電装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発電機の出力を効率よく二次電池に充電する充電回路およびそれを用いた充電装置に関する。詳しくは、発電機の出力電圧を所定の電圧に降圧する降圧回路と、発電機の発電量に基づいて降圧回路から二次電池への充電電流を制御する電流制御手段とを備え、充電する際に、降圧回路により高電圧、小電流で発電機の出力を受け、低電圧、大電流で二次電池に充電することによって、発電機出力抵抗と二次電池とのインピーダンスマッチングを取ることができるため、発電機の電力を有効に取り出して二次電池に充電することができるようにした充電回路等に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境意識の向上や携帯機器の電池切れに対する対応からモータを利用した小型人力発電機が登場している。ラジオ一体型や携帯電話用のチャージャーとして商品化されている。
【０００３】
このようなチャージャーは、図９に示すような充電回路で充電を行うことが一般的である。図９において、１０は発電機である。Ｒは発電機１０の内部抵抗（出力抵抗）、ｒは電流制限抵抗、Ｄは逆流防止ダイオード、Ｂは二次電池である。また、Ｋｅは逆起電圧定数であり、ωは回転を示している。Ｖ0は発電電圧、Ｖｂは二次電池ＢとダイオードＤに印加した電圧である。
【０００４】
また近年、発電機の発電電圧を定電圧化する定電圧回路を有する手動式携帯型充電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
この手動式携帯型充電装置は、手動式回転自在のハンドルと，該ハンドルの回転動作により電圧を発生する発電機と，該発電機の発電電圧を定電圧化する定電圧回路と，該定電圧回路からの出力により二次電池を充電する出力端子と，充電対象の二次電池に印加する所定の電圧値または電流値を検出する検出回路を備え、定電圧回路は降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータで構成される。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−２１０６７３号公報（第２，３頁、第１，２図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、モータを利用した小型人力発電機を有する充電装置（チャージャー）の場合、発電能力は主にモータ部（発電機１０）の仕様により決められている。能力を上げる場合はコイルの巻き数を増やすことで起電圧定数を増やすことで対応が可能であるが、負荷が二次電池の場合は充電時のインピーダンスが小さいために、発電機出力インピーダンスとのマッチングがとれず、電力を有効に取り出せないため、巻き数を増やすだけでは効率の大幅な悪化を招いてしまっていた。
【０００８】
発電機１０の出力抵抗が高い場合に充電電流を多く取ると抵抗分により電流の２乗に比例した電力が消費される。それに対し二次電池に充電される電力は端子電圧と充電電流の比で決まり、端子電圧は充電電流により図１０に示すように変化するがその割合は非常に小さく略一定となる。これは二次電池の充電時インピーダンスが１Ω以下と小さいためである。
【０００９】
図１０は、充電時二次電池の電圧と充電電流との関係を示す図である。図１０に示すように、二次電池の電圧と充電電流とはリニア関係である。図中の式ｙ＝０．０００４ｘ＋１．４０５１は、充電時二次電池の電圧と充電電流との関係を示す近似式であり、Ｒ2は近似程度を表すものである。この場合、二次電池としてのニッケル−水素電池（Ｎｉ−ＭＨ電池）の抵抗値は０．４Ωであった。実際の回路ではこれに充電電流制限抵抗及び充電回路の抵抗が加わるために、１Ω程度になる。一般に負荷抵抗が出力抵抗と同じ時にインピーダンスマッチングが取れ、この時負荷抵抗に消費される電力が最大となり、効率が５０％になることが知られている。従って発電機１０の出力抵抗が大きい場合は充電電流を増やせば増やすほどロスが増大し、効率が悪化してしまう。
【００１０】
図１１は、負荷抵抗と発電電力、取り出し電力、充電電流との関係を示す図である。ここで、発電機１０の起電圧は１４Ｖ、出力抵抗は９０Ωの場合とする。図１１に示すように、電流を増やすためには負荷抵抗を小さくしなければならずこの時外部に取り出せる電力も効率も大幅に悪化することが分かる。
【００１１】
つまり発電電力を有効に利用するためにはインピーダンスマッチングを取ることが重要でありこの点からコイルの巻き数は電池を含む充電回路の抵抗分により制限されてしまうことになる。今まではまず発電機の出力抵抗と二次電池とのインピーダンスマッチングを取り、発電量はモータの回転数を増やすことで対応していた。例えば、ニッケル−水素電池への０．５Ａ充電を考えた場合は電池端子電圧＝１．６Ｖ，逆流防止ダイオードのＶｆ＝０．３Ｖから発電機１０の出力電圧を２．０Ｖ程度に設定していた。
【００１２】
従って発電機１０の出力抵抗は２．０Ｖ／０．５Ａから０．４Ωになるようにコイルを巻き０．５Ａ電流を流すためには発電機モータの回転数により設定していた。しかし、これは発電機の設計自由度を大きくしばり、例えば静音設計のために回転数を少なく抑え、なおかつ必要な電力を得るということが困難であった。
【００１３】
図１２は、幾つかの発電機のスペックと充電効率を示すである。図１２に示すように、効率のよい発電機は出力抵抗による電圧低下と充電回路を含めた負荷に生じる電圧が近くなっているのが分かる（手回しラジオ、試作機１）。これに対して低回転を狙って起電圧定数を増やした場合（試作機２）は抵抗値が９０Ωと高くなってしまうために効率が大幅に低下している。
【００１４】
また、市販の発電機では、発電モニタとして充電電流や発電電圧などを検出しＬＥＤ発光させることでユーザに一定状態での発電を行うように促していた。これは規定回転数１２０ｒｐｍを１分行った時における機器の使用時間を機器の発電能力と規定しているためで、従ってユーザは規定電力を蓄電するために規定回転数及び規定時間を意識して発電する必要があった。これはユーザに多大な負荷を与えていた。
【００１５】
環境側面の点では人力エネルギーの有効利用をはかる、また携帯機器の利便性の点では発電時間あたりの機器使用時間を増やすことが肝要である。つまりなるべく軽いトルクで必要な発電量を確保する技術が求められている。
【００１６】
発電量は発電機の起電圧定数を大きくすることで対応が可能だが、これは同時に出力抵抗が大きくなることを意味する。従って出力抵抗が大きい場合（例えば、内部抵抗の大きい発電機を利用する場合）でも効率よく外部に電力を取り出す技術が必要となる。
【００１７】
また、特許文献１の場合、構造簡単、低コストの充電装置が得られるが、発電機の出力抵抗による電力ロスが解決されなかった。また、発電量に基づいて充電電流を制御することができなかった。
【００１８】
そこで、この発明は、発電機の電力を有効に取り出して二次電池に充電することができるようにした充電回路およびそれを用いた充電装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る充電回路は、発電機の出力電圧を所定の電圧に降圧する降圧回路と、発電機の発電量に基づいて降圧回路から二次電池への充電電流を制御する電流制御手段とを備え、充電する際に、降圧回路により高電圧、小電流で発電機の出力を受け、降圧回路と電流制御手段により、発電機の出力抵抗と二次電池のインピーダンスが整合される低電圧、大電流で二次電池に充電するものである。
【００２０】
例えば、この充電回路において、二次電池への充電モードを選択するモード選択手段をさらに備え、充電モードは、二次電池への充電電流を所定値に制御する電流優先モードと、発電機から取り出し電力を最大限に利用する効率優先モードとを有する。
【００２１】
また例えば、この充電回路において、電流制御手段は、電流制御素子および電流制限抵抗とを備え、電流制御素子の負性抵抗分に対し二次電池抵抗分と電流制限抵抗分の和が等しいか、それ以上になるように設定されるようになされる。また、発電機のコイル結線はデルタ結線とされる。
【００２２】
また例えば、この充電回路において、充電電流と充電時間の掛け算を行い、充電量を検出する検出手段を有する充電量モニタ回路を備えるようになされる。
【００２３】
この発明に係る充電装置は、発電機の出力電圧を所定の電圧に降圧する降圧回路と、発電機の発電量に基づいて降圧回路から二次電池への充電電流を制御する電流制御手段とを備え、充電する際に、降圧回路により高電圧、小電流で発電機の出力を受け、降圧回路と電流制御手段により、発電機の出力抵抗と二次電池のインピーダンスが整合される低電圧、大電流で二次電池に充電するものである。
【００２４】
例えば、この充電装置において、二次電池への充電モードを選択するモード選択手段をさらに備え、充電モードは、二次電池への充電電流を所定値に制御する電流優先モードと、発電機から取り出し電力を最大限に利用する効率優先モードとを有する。
【００２５】
また例えば、この充電装置において、電流制御手段は、電流制御素子および電流制限抵抗とを備え、電流制御素子の負性抵抗分に対し二次電池抵抗分と電流制限抵抗分の和が等しいか、それ以上になるように設定されるようになされる。また、発電機のコイル結線はデルタ結線とされる。
【００２６】
また例えば、この充電回路において、充電電流と充電時間の掛け算を行い、充電量を検出する検出手段を有する充電量モニタ回路を備えるようになされる。
【００２７】
この発明においては、発電機の出力電圧を所定の電圧に降圧する降圧回路と、発電機の発電量に基づいて二次電池への充電電流を制御する電流制御手段とを備え、充電する際に、降圧回路により高電圧、小電流で発電機の出力を受け、低電圧、大電流で二次電池に充電することにより、発電機出力抵抗と二次電池とのインピーダンスマッチングを取ることができるため、発電機の電力を有効に取り出して二次電池に充電することが可能となる。
【００２８】
そのため、発電機の出力抵抗と無関係に二次電池を含む充電回路を構成することが可能となり、設計の自由度が大幅に向上する。低回転用の起電圧定数が大きい発電機を使って二次電池を充電した場合も良好なエネルギー効率が得られるため回転数を抑えた静音設計が可能となる。
【００２９】
また、充電電流を大きくしても一定の効率が得られるために、発電量を増やすとモータの回転トルクが急に大きくなってしまうことがなく良好な操作性が得られる。
【００３０】
また、二次電池への充電モードを選択することで、電流優先の充電或いは効率優先の充電を自由に選択可能となる。発電機はデルタ結線方式が採用されるため、発電機の出力抵抗が低くなり降圧回路の効率が向上可能となる。また、発電により一定の電力が蓄えられたことを検出し表示する充電量モニタ回路を有するため、ユーザは特に回転数を意識することなく、充電量モニタにより表示されるまで自分の好きな回転数で発電を行うことで規定の電力を蓄電することが可能となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態としての充電回路１００の構成を示すブロック図である。また、図３は充電回路１００の構成例を示す回路図である。
【００３２】
図１に示すように、充電回路１００は、発電機１０と、降圧回路１１と、電流制御手段１２と、二次電池Ｂとから構成されている。
【００３３】
発電機１０は、手動式回転自在のハンドルを有し、該ハンドルの回転動作により電圧を発生する発電機である。例えば３相ブラシレスモータが用いられる。この発電機１０のコイル結線はＹ結線またはデルタ（Δ）結線とされる。
【００３４】
降圧回路１１は、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを有している。この降圧回路１１は、充電する際に、高電圧、小電流で発電機１０の出力を受け、低電圧、大電流で二次電池Ｂに充電するようになされる。
【００３５】
電流制御手段１２は、発電機１０の発電量に基づいて充電電流を制御するようになされる。ここで、降圧回路１１を用いる充電方式を説明するため、電流制御手段１２は、電流制限抵抗Ｒ３と、逆流防止ダイオードＤとから構成したものとする。この場合、発電機１０を充電電源として充電を行う際に、抵抗Ｒ３により充電電流を所定値に制限するようになされる。また、ダイオードＤは、充電時に二次電池Ｂから降圧回路１１への逆流を防止するようになされる。
【００３６】
二次電池Ｂは、例えば単３形ニッケル−水素二次電池である。この二次電池Ｂの開放端子電圧は、例えば１．２Ｖである。なお、二次電池Ｂは、複数の二次電池を並列に接続されたものにしてもよい。
【００３７】
図１において、Ｒは発電機１０の内部抵抗（出力抵抗）であり、ここで、Ｒ＝９０Ωとする。また、Ｋｅは逆起電圧定数であり、ωは回転を示している。Ｖｙは発電電圧、Ｖｘは降圧回路１１の出力電圧である。また、Ｉｙは発電機１０の出力電流、Ｉｘは降圧回路の出力電流、即ち充電電流である。なお、Ｅ＝Ｋｅωである。
【００３８】
図１に示す降圧回路を用いた充電方式において、発電機１０は出力９０Ωの電池と等価とし、発電機１０の出力は変換効率８０％の降圧回路１１に入力される。降圧回路１１の出力電圧は２．０Ｖとした。この時降圧回路１１の入力は式（１）となり、
Ｖｙ＝Ｅ−９０×Ｉｙ （１）
降圧回路１１の入出力は同じであるので、式（２）が得られる。
２．０×Ｉｘ＝Ｖｙ×Ｉｙ×０．８ （２）
式（１）と（２）から式（３）が得られる。
９０×Ｉｙ2−Ｅ×Ｉｙ＋２．５×Ｉｘ＝０ （３）
式（３）によりＩｙを求めることができる。
Ｉｙ＝｛Ｅ±√（Ｅ2−４×９０×２．５×Ｉｘ）｝／２×９０ （４）
になる。式（４）中の√内が解を持つためには発電電圧Ｅは有る値以上にならなければならず、それは出力抵抗、変換効率、充電電流で決まることが分かる。√内がゼロになる場合、発電機の出力電流ＩｙはＥを出力抵抗の２倍で割ったものになり（出力抵抗と同じ負荷抵抗で受ける）、変換効率や充電電流に無関係に常に最大パワーを得る条件を満たすことになる。ここで、Ｉｘ＝１００ｍＡとする場合、Ｅ≧９．５Ｖとなる。さらにＥ＝９．５Ｖとする場合、Ｖｙ＝４．２５Ｖ、Ｉｙ＝５３ｍＡとなる。
【００３９】
図２に二次電池に直接つないだ場合と降圧回路を介して充電を行った場合についての計算結果を示す。発電機１０の出力抵抗は９０Ω、降圧回路１１の効率は０．８、降圧回路１１の出力電圧は２．０Ｖで行い、かつ最大パワー条件が満たされることを前提とした。
【００４０】
図２に示すように、ダイレクト充電は発電量を増大すると効率が悪化する。一方、降圧回路１１を用いた充電の場合は効率が高く、一定である。発電量を大きくしていくとその差は顕著になるため、降圧回路１１を用いた充電の効率が一定になり降圧回路１１の有効性が分かる。
【００４１】
次に、図３を参照しながら、実施の形態の充電回路１００の具体構成例について説明する。図３に示すように、充電回路１００は、発電機１０Ａと、降圧回路１１と、電流制御手段１２Ａと、二次電池Ｂと、充電量モニタ１３と、発電モニタ１４と、過電圧モニタ１５とから構成されている。ここで、電流制御手段１２Ａは、電流制限抵抗Ｒ３と、トランジスタ（電流制御トランジスタ）Ｑ２，Ｑ３とから構成される。
【００４２】
発電機１０Ａは３相ブラシレスモータとし、この発電機１０のコイルはデルタ（Δ）結線方式を採用している。そのため、発電機１０Ａの内部抵抗が小さくなり、例えば２１Ωになる。内部抵抗を小さくすることで降圧回路１１の効率を向上することができる。
【００４３】
降圧回路１１は、出力電圧が２Ｖの降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ（ＸＣ９２０１Ｃ型の降圧ＩＣ、以下、「降圧ＩＣ」という）を用いられる。ここで、降圧ＩＣ（Ｕ１）の過電流保護用端子２（２ピン）は使用されていない。そのため、抵抗Ｒ１の抵抗値は０とした。
【００４４】
電流制御手段１２Ａは、電流制限抵抗Ｒ３と、電流制御素子としてのトランジスタＱ２，Ｑ３とから構成される。この電流制御手段１２Ａは、発電機１０Ａの発電量に基づいて電流制限抵抗Ｒ３とトランジスタＱ２，Ｑ３により二次電池Ｂへの充電電流を制御するようになされる。
【００４５】
また、充電量モニタ回路１３は、図３に示すＲ１１，Ｃ７を含む充電量をモニタする回路である。この充電量モニタ回路１３は、Ｒ１１，Ｃ７で設定されたタイマーにより一定時間×電流に達した時にＬＥＤが光るようになっている。この場合、充電電流と充電時間の掛け算を行い、充電量を検出する。例えば降圧回路１１の入力電圧またはスイッチング素子ドライバパルスの平均値で充電電流をモニタする。
【００４６】
この充電量モニタ１３は、４００ｍＡ・分の充電量が溜まると、グリーン色の発光ダイオードＤ９が光る。この回路では４００ｍＡで１分間発電した時にＤ９が光るようにしてある。２００ｍＡの発電を行えば２分間発電した時に発光ダイオードＤ９が光ることになる。
【００４７】
また、発電モニタ１４は、Ｒ６とＤ７を含む回路である。発電電圧が２Ｖ以上で電流が流れ始め、降圧ＩＣ（Ｕ１）が安定動作するために必要な最低電圧が２．３Ｖである。この電圧で発電モニタ１４のオレンジ色の発光ダイオード（ＬＥＤ）Ｄ７が発光するように設定してあるので、ユーザは発光ダイオードＤ７が光るようにハンドルを回すことで確実に充電が行える。また、発電電圧で発光ダイオードＤ７の明るさが変わる。
【００４８】
過電圧モニタ１５は、発電量が多すぎる時に、例えば発電電圧が１６．５Ｖ以上になる時に、レッド色の発光ダイオードＤ１０が光る。回転数が多すぎて降圧ＩＣ（Ｕ１）に過大な入力電圧が加わらないように電圧が１６．５Ｖ以上になるとＱ５を介して保護電流を流すようにしてある。この時ユーザに発光ダイオードＤ１０を発光させてワーニングを出すようにしてある。
【００４９】
充電する際に、発電機１０Ａで発生した電力は、ダイオードＤ１〜６からなる整流回路を通しＤＣ電圧に変換した後降圧ＩＣ（Ｕ１）を有する降圧回路１１に入力される。スイッチング周波数は降圧ＩＣ（Ｕ１）の５ピンに接続された抵抗Ｒ１０とコンデンサＣ５で決まり、約３００ＫＨｚである。スイッチング素子Ｑ１はこの周波数でスイッチングされコイルＬ１を通して出力される。出力電圧はフィードバック抵抗Ｒ２，Ｒ４により降圧ＩＣ（Ｕ１）の７ピンに戻され内部基準電圧０．９Ｖと比較される。基準電圧との比較後のエラー電圧はパルス幅変調されスイッチングパルスに戻されパルスデューティーを変えることで、出力電圧を一定に保つように制御される。
【００５０】
降圧ＩＣ（Ｕ１）の出力は電流制限抵抗Ｒ３とトランジスタＱ２，Ｑ３を介して二次電池Ｂに印加される。ここで、トランジスタは回路ロスを低減するために低Ｖｃｅ（ｓａｔ）のトランジスタを選び２個使いとした。
【００５１】
降圧ＩＣ（Ｕ１）の出力電圧は２．０Ｖ一定なため電流制御が行われないと発電量に無関係に電流を流そうとするために充電電流（大）→発電機出力電流（大）→降圧ＩＣ入力電圧（低）のフィードバックにより降圧ＩＣ（Ｕ１）の動作条件を満たさないまで電圧が下がってしまう。従って発電量によって充電電流を制御する必要が生じる。トランジスタＱ２，Ｑ３は発電電圧によりベース電流を制御し充電電流を変化させることができる。
【００５２】
二次電池Ｂへの充電モードは、例えば、二次電池Ｂへの充電電流を所定値に制御する電流優先モードと、発電機１０Ａから取り出し電力を最大限に利用する効率優先モードとを有している。この充電モードの制御は、抵抗Ｒ７の抵抗値を変更することによって実現される。抵抗Ｒ７の抵抗値は、例えば切り替えスイッチ（図示せず）を用いて行い、この切り替えスイッチは二次電池Ｂへの充電モードを選択するモード選択手段として機能する。
【００５３】
切り替えスイッチにより抵抗Ｒ７の抵抗値を小さくすると、電流優先モードとなる。この場合、トランジスタＱ２，Ｑ３のベース電流が大きくなり、充電電流が大きくなる。例えば、ベース抵抗Ｒ７を２ｋΩに切り替え、充電電流を最大（例えば９００ｍＡ）とした電流優先モードにすると、発電電力の取り出し効率は約５０％になる。また、切り替えスイッチにより抵抗Ｒ７の抵抗値を大きくすると、効率優先モードとなる。この場合、トランジスタＱ２，Ｑ３のベース電流が小さくなり、充電電流が小さくなるが、取り出し効率が高くなる。例えば、ベース抵抗Ｒ７を８．２ｋΩに切り替え、発電電力の取り出し効率を最大（例えば８４％）とした効率優先モードにすると、充電電流は約４６０ｍＡになる。
【００５４】
図４〜図８に示す実験結果は上述充電回路１００において発電機１０Ａの代わりにＤＣ電源に出力抵抗（６８Ω）を接続して行った結果である。
【００５５】
図４は、電流制御トランジスタの特性を示す図である。ここで、実際の充電電流と制御用トランジスタＱ２，Ｑ３のＶｃｅ電圧およびベース電流の関係を示している。図中の式ｙ＝−０．０００７３ｘ＋０．５７４２１は、充電時充電電流とＶｃｅ電圧との関係を示す近似式であり、Ｒ2は近似程度を表すものである。
【００５６】
図４に示すように、充電電流とＶｃｅ電圧、充電電流とベース電流の関係は、よく直線性が保たれていることが分かる。またこの例ではＶｃｅ＝０．５７−０．７３×電流値（Ａ）で近似でき、抵抗成分は０．７３Ωで極性はマイナス、つまり負性抵抗と置きかえることができる。図３に示す充電回路１００では、この負性抵抗（−０．７３Ω）分を二次電池Ｂの内部抵抗０．４Ωと電流制限抵抗Ｒ３によりにキャンセルし、ゼロΩになるようにしてある。このために降圧ＩＣ（Ｕ１）の出力は充電電流の大小の影響を受けない。合成抵抗値がマイナスになると電流が流れると、さらに電流が流れる方向へフィードバックがかかり過大電流が流れてしまう。合成値をプラスにすると電流が流れると流れない方向にフィードバックがかかるのでより安全な充電が行える。
【００５７】
最大電流は発電量が十分で、なおかつトランジスタＱ２，Ｑ３のＶｃｅ電圧が最小になった時であり、主として出力電圧と電流制限抵抗Ｒ３で規定され、この回路では１Ａ以下となっている。
【００５８】
図５は、発電量と放電量、エネルギー効率の関係を示す図である。図５中横軸の電源投入パワーは発電機１０Ａの代わりに用いたＤＣ電源の出力パワーである。ここで、放電量（放電パワー）は充電電流×１．２Ｖで求めた。また充放電効率は（１．２Ｖ／降圧回路出力電圧）総合効率は（放電量／発電量）で定義してある。
【００５９】
図５からエネルギーの外部への取りだし効率は放電量が１００ｍＷ以上の領域では５０〜５７％とほぼパワー最大値近傍の良好な値が得られており、放電量の増大と共に微増していることが分かる。降圧回路の変換効率は入出力の電圧差が大きい程悪化するために、発電量の増加とともに減少する。このふたつの特性が打ち消し合うために総合効率はほぼ２５％フラットと充電電流（放電量）に無関係な特性を示した。
【００６０】
図６は、発電電圧と充電電流の関係を示す図である。図中の式ｙ＝５３．０１１ｘ−１０７．５４は、発電電圧と充電電流との関係を示す近似式であり、Ｒ2は近似程度を表すものである。
【００６１】
図６に示すように、発電機１０Ａの出力電圧と充電電流との関係は良好な直線性を示している。従って回転数変動などにより発電電圧が変動して充電電流が変わっても正確な充電量検出が可能である。２Ｖ以上で電流が流れ始めるのは、降圧ＩＣ（Ｕ１）が安定動作するために必要な最低電圧が２．３Ｖなためである。この電圧で発電モニタ１４の発光ダイオード（ＬＥＤ）Ｄ７が発光するように設定される。
【００６２】
図７は、降圧ＩＣ入力電圧と充電電流の関係を示す図である。図中の式ｙ＝５３．０１１ｘ−１０７．５４は、降圧ＩＣ（Ｕ１）の入力電圧と充電電流との関係を示す近似式であり、Ｒ2は近似程度を表すものである。図７に示すように、降圧ＩＣ（Ｕ１）の入力電圧と充電電流との関係は良好な直線性を示している。入力電圧が２Ｖ以上になると、電流が流れ始め、降圧ＩＣ（Ｕ１）が動作するようになる。
【００６３】
図８は、ベース抵抗と効率の関係を示す図である。図８において、発電電力６００ｍＷの場合の効率である。また、メカロス（ギア部によるロス）は推定であり、磁電効率は１００％である。
【００６４】
図８に示すように、ベース抵抗Ｒ７の抵抗値によらずメカ効率は９０％である。また、取り出し効率については、ベース抵抗Ｒ７の抵抗値が小さくなるほど取り出し効率が低くなる。また、コンバータ効率については、ベース抵抗Ｒ７の抵抗値が小さくなるほどコンバータ効率が高くなる。また、ベース抵抗Ｒ７の抵抗値が６．８ｋΩ、８．２ｋΩ、４．７ｋΩの場合、総合効率が比較的に高く、ベース抵抗Ｒ７の抵抗値が２ｋΩの場合、総合効率が比較的に低い。即ち、取り出し効率とコンバータ効率は両立しない。取り出し効率が５０％の場合、充電電流が最大（例えば９００ｍＡ）になる。
【００６５】
上述したように発電機１０Ａの出力と二次電池Ｂの間にインピーダンス変換素子として降圧回路１１（即ち、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ）を挿入し、発電機出力は高電圧、小電流でパワーを取りだし、二次電池へは低電圧、大電流で充電を行うことでインピーダンスマッチングを取り、出力抵抗が大きくなっても高い充電効率が得られる。
【００６６】
このように本実施の形態においては、発電機１０Ａの出力電圧を所定の電圧に降圧する降圧回路１１と、発電機１０Ａの発電量に基づいて降圧回路１１から二次電池Ｂへの充電電流を制御する電流制御手段１２Ａと、充電モードを選択するモード選択手段（図示せず）と、充電量モニタ１３とを備え、充電する際に、降圧回路１１により高電圧、小電流で発電機の出力を受け、低電圧、大電流で二次電池Ｂに充電するようになされる。これにより、発電機１０Ａの出力抵抗と二次電池Ｂとのインピーダンスマッチングを取ることができるため、発電機１０Ａの電力を有効に取り出して二次電池Ｂに充電することができる。
【００６７】
そのため、発電機１０Ａの出力抵抗と無関係に二次電池Ｂを含む充電回路を構成することが可能となり、設計の自由度が大幅に向上する。低回転用の起電圧定数が大きい発電機１０Ａを使って二次電池Ｂを充電した場合も良好なエネルギー効率が得られるため回転数を抑えた静音設計が可能となる。
【００６８】
また、充電電流を大きくしても一定の効率が得られるために、発電量を増やすとモータの回転トルクが急に大きくなってしまうことがなく良好な操作性が得られる。
【００６９】
また、二次電池Ｂへの充電モードを選択することで、電流優先の充電或いは効率優先の充電を自由に選択できる。発電機１０Ａはデルタ結線方式が採用されるため、発電機１０Ａの出力抵抗が低くなり降圧回路１１の効率が向上できる。
【００７０】
また、発電電圧と充電電流の関係を利用し抵抗とコンデンサによるタイマー回路に充電電流に比例した微小電流を流すことで発電機回転数の大小に係らず常に一定の電力が蓄電されたことを示す充電量モニタ１３を設けた。これにより、ユーザは特に回転数を意識することなく充電量モニタ１３が発光するまで自分の好きな回転数で発電を行うことで規定の電力を蓄電することが可能となった。
【００７１】
上述した充電回路１００を用いて発電機１０Ａを充電電源とする充電装置を構成することが可能となる。この場合、発電機１０Ａと、降圧回路１１、電流制御手段１２Ａおよび充電量モニタ１３等回路部とを一体に（例えば同一ケースに収納）して充電装置を構成するようになされる。また、二次電池Ｂを脱着可能に保持できるようになされる。なお、発電機１０Ａは、降圧回路１１、電流制御手段１２Ａおよび充電量モニタ１３等回路部と別体にしてもよい。
【００７２】
なお、上述実施の形態においては、二次電池Ｂは１．２Ｖ系のニッケル−水素電池である場合について説明したが、これに限定されるものではない。他の種類の二次電池にもこの発明を適用できる。また、被充電の二次電池Ｂとして直列または並列にした複数の二次電池を用いた場合にもこの発明を適用できる。この場合、降圧回路１１の出力電圧または出力電流を変更することにより対応できる。例えば、直列した複数の二次電池を充電する場合、出力電圧の高い降圧回路を用いることで対応する。
【００７３】
また、上述実施の形態においては、発電機１０Ａはデルタ結線方式が採用されるものであるが、これに限定されるものではない。Ｙ結線の発電機にもこの発明を適用できる。
【００７４】
また、上述実施の形態においては、発電機１０または１０Ａは手回し式モータを用いたが、これに限定されるものではない。他の回転式発電機、例えば小型風力発電機を用いてもよい。
【００７５】
【発明の効果】
この発明によれば、発電機の出力電圧を所定の電圧に降圧する降圧回路と、発電機の発電量に基づいて降圧回路から二次電池への充電電流を制御する電流制御手段とを備え、充電する際に、降圧回路により高電圧、小電流で上記発電機の出力を受け、低電圧、大電流で上記二次電池に充電するものであり、発電機出力抵抗と二次電池とのインピーダンスマッチングを取ることができるため、発電機の電力を有効に取り出して二次電池に充電することができる。
【００７６】
そのため、発電機の出力抵抗と無関係に二次電池を含む充電回路を構成することが可能となり、設計の自由度が大幅に向上する。低回転用の起電圧定数が大きい発電機を使って二次電池を充電した場合も良好なエネルギー効率が得られるため回転数を抑えた静音設計が可能となる。
【００７７】
また、充電電流を大きくしても一定の効率が得られるために、発電量を増やすとモータの回転トルクが急に大きくなってしまうことがなく良好な操作性が得られる。
【００７８】
また、二次電池への充電モードを選択することが可能となる。発電機はデルタ結線方式が採用されるため、降圧回路の効率が向上可能となる。また、発電により一定の電力が蓄えられたことを検出し表示する充電量モニタ回路を有するため、ユーザは特に回転数を意識することなく充電量モニタにより表示されるまで自分の好きな回転数で発電を行うことで規定の電力を蓄電することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の充電回路の構成例を示すブロック図である。
【図２】ダイレクト充電と高圧充電の比較例を示す図である。
【図３】充電回路の構成例を示す回路図である。
【図４】電流制御トランジスタの特性を示す図である。
【図５】発電量と放電量、エネルギー効率との関係を示す図である。
【図６】発電電圧と充電電流との関係を示す図である。
【図７】降圧回路の入力電圧と充電電流との関係を示す図である。
【図８】ベース抵抗と効率の関係を示す図である。
【図９】ダイレクト充電回路の構成例を示す図である。
【図１０】充電時二次電池の電圧と充電電流との関係を示す図である。
【図１１】負荷抵抗と発電電力、取り出し電力、充電電流との関係を示す図である。
【図１２】ダイレクト充電の効率を示す図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ・・・発電機、１１・・・降圧回路、１２，１２Ａ・・・電流制御手段、１３・・・充電量モニタ、１４・・・発電モニタ、１５・・・過電圧モニタ、１００・・・充電回路、Ｂ・・・二次電池、Ｕ１・・・降圧ＩＣ
【発明の属する技術分野】
この発明は、発電機の出力を効率よく二次電池に充電する充電回路およびそれを用いた充電装置に関する。詳しくは、発電機の出力電圧を所定の電圧に降圧する降圧回路と、発電機の発電量に基づいて降圧回路から二次電池への充電電流を制御する電流制御手段とを備え、充電する際に、降圧回路により高電圧、小電流で発電機の出力を受け、低電圧、大電流で二次電池に充電することによって、発電機出力抵抗と二次電池とのインピーダンスマッチングを取ることができるため、発電機の電力を有効に取り出して二次電池に充電することができるようにした充電回路等に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境意識の向上や携帯機器の電池切れに対する対応からモータを利用した小型人力発電機が登場している。ラジオ一体型や携帯電話用のチャージャーとして商品化されている。
【０００３】
このようなチャージャーは、図９に示すような充電回路で充電を行うことが一般的である。図９において、１０は発電機である。Ｒは発電機１０の内部抵抗（出力抵抗）、ｒは電流制限抵抗、Ｄは逆流防止ダイオード、Ｂは二次電池である。また、Ｋｅは逆起電圧定数であり、ωは回転を示している。Ｖ0は発電電圧、Ｖｂは二次電池ＢとダイオードＤに印加した電圧である。
【０００４】
また近年、発電機の発電電圧を定電圧化する定電圧回路を有する手動式携帯型充電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
この手動式携帯型充電装置は、手動式回転自在のハンドルと，該ハンドルの回転動作により電圧を発生する発電機と，該発電機の発電電圧を定電圧化する定電圧回路と，該定電圧回路からの出力により二次電池を充電する出力端子と，充電対象の二次電池に印加する所定の電圧値または電流値を検出する検出回路を備え、定電圧回路は降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータで構成される。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−２１０６７３号公報（第２，３頁、第１，２図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、モータを利用した小型人力発電機を有する充電装置（チャージャー）の場合、発電能力は主にモータ部（発電機１０）の仕様により決められている。能力を上げる場合はコイルの巻き数を増やすことで起電圧定数を増やすことで対応が可能であるが、負荷が二次電池の場合は充電時のインピーダンスが小さいために、発電機出力インピーダンスとのマッチングがとれず、電力を有効に取り出せないため、巻き数を増やすだけでは効率の大幅な悪化を招いてしまっていた。
【０００８】
発電機１０の出力抵抗が高い場合に充電電流を多く取ると抵抗分により電流の２乗に比例した電力が消費される。それに対し二次電池に充電される電力は端子電圧と充電電流の比で決まり、端子電圧は充電電流により図１０に示すように変化するがその割合は非常に小さく略一定となる。これは二次電池の充電時インピーダンスが１Ω以下と小さいためである。
【０００９】
図１０は、充電時二次電池の電圧と充電電流との関係を示す図である。図１０に示すように、二次電池の電圧と充電電流とはリニア関係である。図中の式ｙ＝０．０００４ｘ＋１．４０５１は、充電時二次電池の電圧と充電電流との関係を示す近似式であり、Ｒ2は近似程度を表すものである。この場合、二次電池としてのニッケル−水素電池（Ｎｉ−ＭＨ電池）の抵抗値は０．４Ωであった。実際の回路ではこれに充電電流制限抵抗及び充電回路の抵抗が加わるために、１Ω程度になる。一般に負荷抵抗が出力抵抗と同じ時にインピーダンスマッチングが取れ、この時負荷抵抗に消費される電力が最大となり、効率が５０％になることが知られている。従って発電機１０の出力抵抗が大きい場合は充電電流を増やせば増やすほどロスが増大し、効率が悪化してしまう。
【００１０】
図１１は、負荷抵抗と発電電力、取り出し電力、充電電流との関係を示す図である。ここで、発電機１０の起電圧は１４Ｖ、出力抵抗は９０Ωの場合とする。図１１に示すように、電流を増やすためには負荷抵抗を小さくしなければならずこの時外部に取り出せる電力も効率も大幅に悪化することが分かる。
【００１１】
つまり発電電力を有効に利用するためにはインピーダンスマッチングを取ることが重要でありこの点からコイルの巻き数は電池を含む充電回路の抵抗分により制限されてしまうことになる。今まではまず発電機の出力抵抗と二次電池とのインピーダンスマッチングを取り、発電量はモータの回転数を増やすことで対応していた。例えば、ニッケル−水素電池への０．５Ａ充電を考えた場合は電池端子電圧＝１．６Ｖ，逆流防止ダイオードのＶｆ＝０．３Ｖから発電機１０の出力電圧を２．０Ｖ程度に設定していた。
【００１２】
従って発電機１０の出力抵抗は２．０Ｖ／０．５Ａから０．４Ωになるようにコイルを巻き０．５Ａ電流を流すためには発電機モータの回転数により設定していた。しかし、これは発電機の設計自由度を大きくしばり、例えば静音設計のために回転数を少なく抑え、なおかつ必要な電力を得るということが困難であった。
【００１３】
図１２は、幾つかの発電機のスペックと充電効率を示すである。図１２に示すように、効率のよい発電機は出力抵抗による電圧低下と充電回路を含めた負荷に生じる電圧が近くなっているのが分かる（手回しラジオ、試作機１）。これに対して低回転を狙って起電圧定数を増やした場合（試作機２）は抵抗値が９０Ωと高くなってしまうために効率が大幅に低下している。
【００１４】
また、市販の発電機では、発電モニタとして充電電流や発電電圧などを検出しＬＥＤ発光させることでユーザに一定状態での発電を行うように促していた。これは規定回転数１２０ｒｐｍを１分行った時における機器の使用時間を機器の発電能力と規定しているためで、従ってユーザは規定電力を蓄電するために規定回転数及び規定時間を意識して発電する必要があった。これはユーザに多大な負荷を与えていた。
【００１５】
環境側面の点では人力エネルギーの有効利用をはかる、また携帯機器の利便性の点では発電時間あたりの機器使用時間を増やすことが肝要である。つまりなるべく軽いトルクで必要な発電量を確保する技術が求められている。
【００１６】
発電量は発電機の起電圧定数を大きくすることで対応が可能だが、これは同時に出力抵抗が大きくなることを意味する。従って出力抵抗が大きい場合（例えば、内部抵抗の大きい発電機を利用する場合）でも効率よく外部に電力を取り出す技術が必要となる。
【００１７】
また、特許文献１の場合、構造簡単、低コストの充電装置が得られるが、発電機の出力抵抗による電力ロスが解決されなかった。また、発電量に基づいて充電電流を制御することができなかった。
【００１８】
そこで、この発明は、発電機の電力を有効に取り出して二次電池に充電することができるようにした充電回路およびそれを用いた充電装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る充電回路は、発電機の出力電圧を所定の電圧に降圧する降圧回路と、発電機の発電量に基づいて降圧回路から二次電池への充電電流を制御する電流制御手段とを備え、充電する際に、降圧回路により高電圧、小電流で発電機の出力を受け、降圧回路と電流制御手段により、発電機の出力抵抗と二次電池のインピーダンスが整合される低電圧、大電流で二次電池に充電するものである。
【００２０】
例えば、この充電回路において、二次電池への充電モードを選択するモード選択手段をさらに備え、充電モードは、二次電池への充電電流を所定値に制御する電流優先モードと、発電機から取り出し電力を最大限に利用する効率優先モードとを有する。
【００２１】
また例えば、この充電回路において、電流制御手段は、電流制御素子および電流制限抵抗とを備え、電流制御素子の負性抵抗分に対し二次電池抵抗分と電流制限抵抗分の和が等しいか、それ以上になるように設定されるようになされる。また、発電機のコイル結線はデルタ結線とされる。
【００２２】
また例えば、この充電回路において、充電電流と充電時間の掛け算を行い、充電量を検出する検出手段を有する充電量モニタ回路を備えるようになされる。
【００２３】
この発明に係る充電装置は、発電機の出力電圧を所定の電圧に降圧する降圧回路と、発電機の発電量に基づいて降圧回路から二次電池への充電電流を制御する電流制御手段とを備え、充電する際に、降圧回路により高電圧、小電流で発電機の出力を受け、降圧回路と電流制御手段により、発電機の出力抵抗と二次電池のインピーダンスが整合される低電圧、大電流で二次電池に充電するものである。
【００２４】
例えば、この充電装置において、二次電池への充電モードを選択するモード選択手段をさらに備え、充電モードは、二次電池への充電電流を所定値に制御する電流優先モードと、発電機から取り出し電力を最大限に利用する効率優先モードとを有する。
【００２５】
また例えば、この充電装置において、電流制御手段は、電流制御素子および電流制限抵抗とを備え、電流制御素子の負性抵抗分に対し二次電池抵抗分と電流制限抵抗分の和が等しいか、それ以上になるように設定されるようになされる。また、発電機のコイル結線はデルタ結線とされる。
【００２６】
また例えば、この充電回路において、充電電流と充電時間の掛け算を行い、充電量を検出する検出手段を有する充電量モニタ回路を備えるようになされる。
【００２７】
この発明においては、発電機の出力電圧を所定の電圧に降圧する降圧回路と、発電機の発電量に基づいて二次電池への充電電流を制御する電流制御手段とを備え、充電する際に、降圧回路により高電圧、小電流で発電機の出力を受け、低電圧、大電流で二次電池に充電することにより、発電機出力抵抗と二次電池とのインピーダンスマッチングを取ることができるため、発電機の電力を有効に取り出して二次電池に充電することが可能となる。
【００２８】
そのため、発電機の出力抵抗と無関係に二次電池を含む充電回路を構成することが可能となり、設計の自由度が大幅に向上する。低回転用の起電圧定数が大きい発電機を使って二次電池を充電した場合も良好なエネルギー効率が得られるため回転数を抑えた静音設計が可能となる。
【００２９】
また、充電電流を大きくしても一定の効率が得られるために、発電量を増やすとモータの回転トルクが急に大きくなってしまうことがなく良好な操作性が得られる。
【００３０】
また、二次電池への充電モードを選択することで、電流優先の充電或いは効率優先の充電を自由に選択可能となる。発電機はデルタ結線方式が採用されるため、発電機の出力抵抗が低くなり降圧回路の効率が向上可能となる。また、発電により一定の電力が蓄えられたことを検出し表示する充電量モニタ回路を有するため、ユーザは特に回転数を意識することなく、充電量モニタにより表示されるまで自分の好きな回転数で発電を行うことで規定の電力を蓄電することが可能となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態としての充電回路１００の構成を示すブロック図である。また、図３は充電回路１００の構成例を示す回路図である。
【００３２】
図１に示すように、充電回路１００は、発電機１０と、降圧回路１１と、電流制御手段１２と、二次電池Ｂとから構成されている。
【００３３】
発電機１０は、手動式回転自在のハンドルを有し、該ハンドルの回転動作により電圧を発生する発電機である。例えば３相ブラシレスモータが用いられる。この発電機１０のコイル結線はＹ結線またはデルタ（Δ）結線とされる。
【００３４】
降圧回路１１は、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを有している。この降圧回路１１は、充電する際に、高電圧、小電流で発電機１０の出力を受け、低電圧、大電流で二次電池Ｂに充電するようになされる。
【００３５】
電流制御手段１２は、発電機１０の発電量に基づいて充電電流を制御するようになされる。ここで、降圧回路１１を用いる充電方式を説明するため、電流制御手段１２は、電流制限抵抗Ｒ３と、逆流防止ダイオードＤとから構成したものとする。この場合、発電機１０を充電電源として充電を行う際に、抵抗Ｒ３により充電電流を所定値に制限するようになされる。また、ダイオードＤは、充電時に二次電池Ｂから降圧回路１１への逆流を防止するようになされる。
【００３６】
二次電池Ｂは、例えば単３形ニッケル−水素二次電池である。この二次電池Ｂの開放端子電圧は、例えば１．２Ｖである。なお、二次電池Ｂは、複数の二次電池を並列に接続されたものにしてもよい。
【００３７】
図１において、Ｒは発電機１０の内部抵抗（出力抵抗）であり、ここで、Ｒ＝９０Ωとする。また、Ｋｅは逆起電圧定数であり、ωは回転を示している。Ｖｙは発電電圧、Ｖｘは降圧回路１１の出力電圧である。また、Ｉｙは発電機１０の出力電流、Ｉｘは降圧回路の出力電流、即ち充電電流である。なお、Ｅ＝Ｋｅωである。
【００３８】
図１に示す降圧回路を用いた充電方式において、発電機１０は出力９０Ωの電池と等価とし、発電機１０の出力は変換効率８０％の降圧回路１１に入力される。降圧回路１１の出力電圧は２．０Ｖとした。この時降圧回路１１の入力は式（１）となり、
Ｖｙ＝Ｅ−９０×Ｉｙ （１）
降圧回路１１の入出力は同じであるので、式（２）が得られる。
２．０×Ｉｘ＝Ｖｙ×Ｉｙ×０．８ （２）
式（１）と（２）から式（３）が得られる。
９０×Ｉｙ2−Ｅ×Ｉｙ＋２．５×Ｉｘ＝０ （３）
式（３）によりＩｙを求めることができる。
Ｉｙ＝｛Ｅ±√（Ｅ2−４×９０×２．５×Ｉｘ）｝／２×９０ （４）
になる。式（４）中の√内が解を持つためには発電電圧Ｅは有る値以上にならなければならず、それは出力抵抗、変換効率、充電電流で決まることが分かる。√内がゼロになる場合、発電機の出力電流ＩｙはＥを出力抵抗の２倍で割ったものになり（出力抵抗と同じ負荷抵抗で受ける）、変換効率や充電電流に無関係に常に最大パワーを得る条件を満たすことになる。ここで、Ｉｘ＝１００ｍＡとする場合、Ｅ≧９．５Ｖとなる。さらにＥ＝９．５Ｖとする場合、Ｖｙ＝４．２５Ｖ、Ｉｙ＝５３ｍＡとなる。
【００３９】
図２に二次電池に直接つないだ場合と降圧回路を介して充電を行った場合についての計算結果を示す。発電機１０の出力抵抗は９０Ω、降圧回路１１の効率は０．８、降圧回路１１の出力電圧は２．０Ｖで行い、かつ最大パワー条件が満たされることを前提とした。
【００４０】
図２に示すように、ダイレクト充電は発電量を増大すると効率が悪化する。一方、降圧回路１１を用いた充電の場合は効率が高く、一定である。発電量を大きくしていくとその差は顕著になるため、降圧回路１１を用いた充電の効率が一定になり降圧回路１１の有効性が分かる。
【００４１】
次に、図３を参照しながら、実施の形態の充電回路１００の具体構成例について説明する。図３に示すように、充電回路１００は、発電機１０Ａと、降圧回路１１と、電流制御手段１２Ａと、二次電池Ｂと、充電量モニタ１３と、発電モニタ１４と、過電圧モニタ１５とから構成されている。ここで、電流制御手段１２Ａは、電流制限抵抗Ｒ３と、トランジスタ（電流制御トランジスタ）Ｑ２，Ｑ３とから構成される。
【００４２】
発電機１０Ａは３相ブラシレスモータとし、この発電機１０のコイルはデルタ（Δ）結線方式を採用している。そのため、発電機１０Ａの内部抵抗が小さくなり、例えば２１Ωになる。内部抵抗を小さくすることで降圧回路１１の効率を向上することができる。
【００４３】
降圧回路１１は、出力電圧が２Ｖの降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ（ＸＣ９２０１Ｃ型の降圧ＩＣ、以下、「降圧ＩＣ」という）を用いられる。ここで、降圧ＩＣ（Ｕ１）の過電流保護用端子２（２ピン）は使用されていない。そのため、抵抗Ｒ１の抵抗値は０とした。
【００４４】
電流制御手段１２Ａは、電流制限抵抗Ｒ３と、電流制御素子としてのトランジスタＱ２，Ｑ３とから構成される。この電流制御手段１２Ａは、発電機１０Ａの発電量に基づいて電流制限抵抗Ｒ３とトランジスタＱ２，Ｑ３により二次電池Ｂへの充電電流を制御するようになされる。
【００４５】
また、充電量モニタ回路１３は、図３に示すＲ１１，Ｃ７を含む充電量をモニタする回路である。この充電量モニタ回路１３は、Ｒ１１，Ｃ７で設定されたタイマーにより一定時間×電流に達した時にＬＥＤが光るようになっている。この場合、充電電流と充電時間の掛け算を行い、充電量を検出する。例えば降圧回路１１の入力電圧またはスイッチング素子ドライバパルスの平均値で充電電流をモニタする。
【００４６】
この充電量モニタ１３は、４００ｍＡ・分の充電量が溜まると、グリーン色の発光ダイオードＤ９が光る。この回路では４００ｍＡで１分間発電した時にＤ９が光るようにしてある。２００ｍＡの発電を行えば２分間発電した時に発光ダイオードＤ９が光ることになる。
【００４７】
また、発電モニタ１４は、Ｒ６とＤ７を含む回路である。発電電圧が２Ｖ以上で電流が流れ始め、降圧ＩＣ（Ｕ１）が安定動作するために必要な最低電圧が２．３Ｖである。この電圧で発電モニタ１４のオレンジ色の発光ダイオード（ＬＥＤ）Ｄ７が発光するように設定してあるので、ユーザは発光ダイオードＤ７が光るようにハンドルを回すことで確実に充電が行える。また、発電電圧で発光ダイオードＤ７の明るさが変わる。
【００４８】
過電圧モニタ１５は、発電量が多すぎる時に、例えば発電電圧が１６．５Ｖ以上になる時に、レッド色の発光ダイオードＤ１０が光る。回転数が多すぎて降圧ＩＣ（Ｕ１）に過大な入力電圧が加わらないように電圧が１６．５Ｖ以上になるとＱ５を介して保護電流を流すようにしてある。この時ユーザに発光ダイオードＤ１０を発光させてワーニングを出すようにしてある。
【００４９】
充電する際に、発電機１０Ａで発生した電力は、ダイオードＤ１〜６からなる整流回路を通しＤＣ電圧に変換した後降圧ＩＣ（Ｕ１）を有する降圧回路１１に入力される。スイッチング周波数は降圧ＩＣ（Ｕ１）の５ピンに接続された抵抗Ｒ１０とコンデンサＣ５で決まり、約３００ＫＨｚである。スイッチング素子Ｑ１はこの周波数でスイッチングされコイルＬ１を通して出力される。出力電圧はフィードバック抵抗Ｒ２，Ｒ４により降圧ＩＣ（Ｕ１）の７ピンに戻され内部基準電圧０．９Ｖと比較される。基準電圧との比較後のエラー電圧はパルス幅変調されスイッチングパルスに戻されパルスデューティーを変えることで、出力電圧を一定に保つように制御される。
【００５０】
降圧ＩＣ（Ｕ１）の出力は電流制限抵抗Ｒ３とトランジスタＱ２，Ｑ３を介して二次電池Ｂに印加される。ここで、トランジスタは回路ロスを低減するために低Ｖｃｅ（ｓａｔ）のトランジスタを選び２個使いとした。
【００５１】
降圧ＩＣ（Ｕ１）の出力電圧は２．０Ｖ一定なため電流制御が行われないと発電量に無関係に電流を流そうとするために充電電流（大）→発電機出力電流（大）→降圧ＩＣ入力電圧（低）のフィードバックにより降圧ＩＣ（Ｕ１）の動作条件を満たさないまで電圧が下がってしまう。従って発電量によって充電電流を制御する必要が生じる。トランジスタＱ２，Ｑ３は発電電圧によりベース電流を制御し充電電流を変化させることができる。
【００５２】
二次電池Ｂへの充電モードは、例えば、二次電池Ｂへの充電電流を所定値に制御する電流優先モードと、発電機１０Ａから取り出し電力を最大限に利用する効率優先モードとを有している。この充電モードの制御は、抵抗Ｒ７の抵抗値を変更することによって実現される。抵抗Ｒ７の抵抗値は、例えば切り替えスイッチ（図示せず）を用いて行い、この切り替えスイッチは二次電池Ｂへの充電モードを選択するモード選択手段として機能する。
【００５３】
切り替えスイッチにより抵抗Ｒ７の抵抗値を小さくすると、電流優先モードとなる。この場合、トランジスタＱ２，Ｑ３のベース電流が大きくなり、充電電流が大きくなる。例えば、ベース抵抗Ｒ７を２ｋΩに切り替え、充電電流を最大（例えば９００ｍＡ）とした電流優先モードにすると、発電電力の取り出し効率は約５０％になる。また、切り替えスイッチにより抵抗Ｒ７の抵抗値を大きくすると、効率優先モードとなる。この場合、トランジスタＱ２，Ｑ３のベース電流が小さくなり、充電電流が小さくなるが、取り出し効率が高くなる。例えば、ベース抵抗Ｒ７を８．２ｋΩに切り替え、発電電力の取り出し効率を最大（例えば８４％）とした効率優先モードにすると、充電電流は約４６０ｍＡになる。
【００５４】
図４〜図８に示す実験結果は上述充電回路１００において発電機１０Ａの代わりにＤＣ電源に出力抵抗（６８Ω）を接続して行った結果である。
【００５５】
図４は、電流制御トランジスタの特性を示す図である。ここで、実際の充電電流と制御用トランジスタＱ２，Ｑ３のＶｃｅ電圧およびベース電流の関係を示している。図中の式ｙ＝−０．０００７３ｘ＋０．５７４２１は、充電時充電電流とＶｃｅ電圧との関係を示す近似式であり、Ｒ2は近似程度を表すものである。
【００５６】
図４に示すように、充電電流とＶｃｅ電圧、充電電流とベース電流の関係は、よく直線性が保たれていることが分かる。またこの例ではＶｃｅ＝０．５７−０．７３×電流値（Ａ）で近似でき、抵抗成分は０．７３Ωで極性はマイナス、つまり負性抵抗と置きかえることができる。図３に示す充電回路１００では、この負性抵抗（−０．７３Ω）分を二次電池Ｂの内部抵抗０．４Ωと電流制限抵抗Ｒ３によりにキャンセルし、ゼロΩになるようにしてある。このために降圧ＩＣ（Ｕ１）の出力は充電電流の大小の影響を受けない。合成抵抗値がマイナスになると電流が流れると、さらに電流が流れる方向へフィードバックがかかり過大電流が流れてしまう。合成値をプラスにすると電流が流れると流れない方向にフィードバックがかかるのでより安全な充電が行える。
【００５７】
最大電流は発電量が十分で、なおかつトランジスタＱ２，Ｑ３のＶｃｅ電圧が最小になった時であり、主として出力電圧と電流制限抵抗Ｒ３で規定され、この回路では１Ａ以下となっている。
【００５８】
図５は、発電量と放電量、エネルギー効率の関係を示す図である。図５中横軸の電源投入パワーは発電機１０Ａの代わりに用いたＤＣ電源の出力パワーである。ここで、放電量（放電パワー）は充電電流×１．２Ｖで求めた。また充放電効率は（１．２Ｖ／降圧回路出力電圧）総合効率は（放電量／発電量）で定義してある。
【００５９】
図５からエネルギーの外部への取りだし効率は放電量が１００ｍＷ以上の領域では５０〜５７％とほぼパワー最大値近傍の良好な値が得られており、放電量の増大と共に微増していることが分かる。降圧回路の変換効率は入出力の電圧差が大きい程悪化するために、発電量の増加とともに減少する。このふたつの特性が打ち消し合うために総合効率はほぼ２５％フラットと充電電流（放電量）に無関係な特性を示した。
【００６０】
図６は、発電電圧と充電電流の関係を示す図である。図中の式ｙ＝５３．０１１ｘ−１０７．５４は、発電電圧と充電電流との関係を示す近似式であり、Ｒ2は近似程度を表すものである。
【００６１】
図６に示すように、発電機１０Ａの出力電圧と充電電流との関係は良好な直線性を示している。従って回転数変動などにより発電電圧が変動して充電電流が変わっても正確な充電量検出が可能である。２Ｖ以上で電流が流れ始めるのは、降圧ＩＣ（Ｕ１）が安定動作するために必要な最低電圧が２．３Ｖなためである。この電圧で発電モニタ１４の発光ダイオード（ＬＥＤ）Ｄ７が発光するように設定される。
【００６２】
図７は、降圧ＩＣ入力電圧と充電電流の関係を示す図である。図中の式ｙ＝５３．０１１ｘ−１０７．５４は、降圧ＩＣ（Ｕ１）の入力電圧と充電電流との関係を示す近似式であり、Ｒ2は近似程度を表すものである。図７に示すように、降圧ＩＣ（Ｕ１）の入力電圧と充電電流との関係は良好な直線性を示している。入力電圧が２Ｖ以上になると、電流が流れ始め、降圧ＩＣ（Ｕ１）が動作するようになる。
【００６３】
図８は、ベース抵抗と効率の関係を示す図である。図８において、発電電力６００ｍＷの場合の効率である。また、メカロス（ギア部によるロス）は推定であり、磁電効率は１００％である。
【００６４】
図８に示すように、ベース抵抗Ｒ７の抵抗値によらずメカ効率は９０％である。また、取り出し効率については、ベース抵抗Ｒ７の抵抗値が小さくなるほど取り出し効率が低くなる。また、コンバータ効率については、ベース抵抗Ｒ７の抵抗値が小さくなるほどコンバータ効率が高くなる。また、ベース抵抗Ｒ７の抵抗値が６．８ｋΩ、８．２ｋΩ、４．７ｋΩの場合、総合効率が比較的に高く、ベース抵抗Ｒ７の抵抗値が２ｋΩの場合、総合効率が比較的に低い。即ち、取り出し効率とコンバータ効率は両立しない。取り出し効率が５０％の場合、充電電流が最大（例えば９００ｍＡ）になる。
【００６５】
上述したように発電機１０Ａの出力と二次電池Ｂの間にインピーダンス変換素子として降圧回路１１（即ち、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ）を挿入し、発電機出力は高電圧、小電流でパワーを取りだし、二次電池へは低電圧、大電流で充電を行うことでインピーダンスマッチングを取り、出力抵抗が大きくなっても高い充電効率が得られる。
【００６６】
このように本実施の形態においては、発電機１０Ａの出力電圧を所定の電圧に降圧する降圧回路１１と、発電機１０Ａの発電量に基づいて降圧回路１１から二次電池Ｂへの充電電流を制御する電流制御手段１２Ａと、充電モードを選択するモード選択手段（図示せず）と、充電量モニタ１３とを備え、充電する際に、降圧回路１１により高電圧、小電流で発電機の出力を受け、低電圧、大電流で二次電池Ｂに充電するようになされる。これにより、発電機１０Ａの出力抵抗と二次電池Ｂとのインピーダンスマッチングを取ることができるため、発電機１０Ａの電力を有効に取り出して二次電池Ｂに充電することができる。
【００６７】
そのため、発電機１０Ａの出力抵抗と無関係に二次電池Ｂを含む充電回路を構成することが可能となり、設計の自由度が大幅に向上する。低回転用の起電圧定数が大きい発電機１０Ａを使って二次電池Ｂを充電した場合も良好なエネルギー効率が得られるため回転数を抑えた静音設計が可能となる。
【００６８】
また、充電電流を大きくしても一定の効率が得られるために、発電量を増やすとモータの回転トルクが急に大きくなってしまうことがなく良好な操作性が得られる。
【００６９】
また、二次電池Ｂへの充電モードを選択することで、電流優先の充電或いは効率優先の充電を自由に選択できる。発電機１０Ａはデルタ結線方式が採用されるため、発電機１０Ａの出力抵抗が低くなり降圧回路１１の効率が向上できる。
【００７０】
また、発電電圧と充電電流の関係を利用し抵抗とコンデンサによるタイマー回路に充電電流に比例した微小電流を流すことで発電機回転数の大小に係らず常に一定の電力が蓄電されたことを示す充電量モニタ１３を設けた。これにより、ユーザは特に回転数を意識することなく充電量モニタ１３が発光するまで自分の好きな回転数で発電を行うことで規定の電力を蓄電することが可能となった。
【００７１】
上述した充電回路１００を用いて発電機１０Ａを充電電源とする充電装置を構成することが可能となる。この場合、発電機１０Ａと、降圧回路１１、電流制御手段１２Ａおよび充電量モニタ１３等回路部とを一体に（例えば同一ケースに収納）して充電装置を構成するようになされる。また、二次電池Ｂを脱着可能に保持できるようになされる。なお、発電機１０Ａは、降圧回路１１、電流制御手段１２Ａおよび充電量モニタ１３等回路部と別体にしてもよい。
【００７２】
なお、上述実施の形態においては、二次電池Ｂは１．２Ｖ系のニッケル−水素電池である場合について説明したが、これに限定されるものではない。他の種類の二次電池にもこの発明を適用できる。また、被充電の二次電池Ｂとして直列または並列にした複数の二次電池を用いた場合にもこの発明を適用できる。この場合、降圧回路１１の出力電圧または出力電流を変更することにより対応できる。例えば、直列した複数の二次電池を充電する場合、出力電圧の高い降圧回路を用いることで対応する。
【００７３】
また、上述実施の形態においては、発電機１０Ａはデルタ結線方式が採用されるものであるが、これに限定されるものではない。Ｙ結線の発電機にもこの発明を適用できる。
【００７４】
また、上述実施の形態においては、発電機１０または１０Ａは手回し式モータを用いたが、これに限定されるものではない。他の回転式発電機、例えば小型風力発電機を用いてもよい。
【００７５】
【発明の効果】
この発明によれば、発電機の出力電圧を所定の電圧に降圧する降圧回路と、発電機の発電量に基づいて降圧回路から二次電池への充電電流を制御する電流制御手段とを備え、充電する際に、降圧回路により高電圧、小電流で上記発電機の出力を受け、低電圧、大電流で上記二次電池に充電するものであり、発電機出力抵抗と二次電池とのインピーダンスマッチングを取ることができるため、発電機の電力を有効に取り出して二次電池に充電することができる。
【００７６】
そのため、発電機の出力抵抗と無関係に二次電池を含む充電回路を構成することが可能となり、設計の自由度が大幅に向上する。低回転用の起電圧定数が大きい発電機を使って二次電池を充電した場合も良好なエネルギー効率が得られるため回転数を抑えた静音設計が可能となる。
【００７７】
また、充電電流を大きくしても一定の効率が得られるために、発電量を増やすとモータの回転トルクが急に大きくなってしまうことがなく良好な操作性が得られる。
【００７８】
また、二次電池への充電モードを選択することが可能となる。発電機はデルタ結線方式が採用されるため、降圧回路の効率が向上可能となる。また、発電により一定の電力が蓄えられたことを検出し表示する充電量モニタ回路を有するため、ユーザは特に回転数を意識することなく充電量モニタにより表示されるまで自分の好きな回転数で発電を行うことで規定の電力を蓄電することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の充電回路の構成例を示すブロック図である。
【図２】ダイレクト充電と高圧充電の比較例を示す図である。
【図３】充電回路の構成例を示す回路図である。
【図４】電流制御トランジスタの特性を示す図である。
【図５】発電量と放電量、エネルギー効率との関係を示す図である。
【図６】発電電圧と充電電流との関係を示す図である。
【図７】降圧回路の入力電圧と充電電流との関係を示す図である。
【図８】ベース抵抗と効率の関係を示す図である。
【図９】ダイレクト充電回路の構成例を示す図である。
【図１０】充電時二次電池の電圧と充電電流との関係を示す図である。
【図１１】負荷抵抗と発電電力、取り出し電力、充電電流との関係を示す図である。
【図１２】ダイレクト充電の効率を示す図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ・・・発電機、１１・・・降圧回路、１２，１２Ａ・・・電流制御手段、１３・・・充電量モニタ、１４・・・発電モニタ、１５・・・過電圧モニタ、１００・・・充電回路、Ｂ・・・二次電池、Ｕ１・・・降圧ＩＣ
Claims (14)
- 発電機の出力電圧を所定の電圧に降圧する降圧回路と、
上記発電機の発電量に基づいて上記降圧回路から二次電池への充電電流を制御する電流制御手段とを備え、
充電する際に、上記降圧回路により高電圧、小電流で上記発電機の出力を受け、上記降圧回路と上記電流制御手段により、上記発電機の出力抵抗と上記二次電池のインピーダンスが整合される低電圧、大電流で上記二次電池に充電する
充電回路。 - 上記二次電池への充電モードを選択するモード選択手段をさらに備え、
上記充電モードは、
上記二次電池への充電電流を所定値に制御する電流優先モードと、
上記発電機から取り出し電力を最大限に利用する効率優先モードとを有する
請求項１に記載の充電回路。 - 上記発電機のコイル結線はデルタ結線とする
請求項１に記載の充電回路。 - 上記降圧回路は、上記発電機の発電電圧を定電圧化する降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータである
請求項１に記載の充電回路。 - 上記電流制御手段は、電流制御素子および電流制限抵抗とを備え、
上記電流制御素子の負性抵抗分に対し上記二次電池抵抗分と電流制限抵抗分の和が等しいか、それ以上になるように設定される
請求項１に記載の充電回路。 - 充電電流と充電時間の掛け算を行い、充電量を検出する検出手段を有する充電量モニタ回路をさらに備える
請求項１に記載の充電回路。 - 上記降圧回路の入力電圧の大きさから充電電流を求める
請求項１に記載の充電回路。 - 発電機の出力電圧を所定の電圧に降圧する降圧回路と、
上記発電機の発電量に基づいて上記降圧回路から二次電池への充電電流を制御する電流制御手段とを備え、
充電する際に、上記降圧回路により高電圧、小電流で上記発電機の出力を受け、上記降圧回路と上記電流制御手段により、上記発電機の出力抵抗と上記二次電池のインピーダンスが整合される低電圧、大電流で上記二次電池に充電する
充電装置。 - 上記二次電池への充電モードを選択するモード選択手段をさらに備え、
上記充電モードは、
上記二次電池への充電電流を所定値に制御する電流優先モードと、
上記発電機から取り出し電力を最大限に利用する効率優先モードとを有する
ことを特徴とする請求項８に記載の充電装置。 - 上記発電機のコイル結線はデルタ結線とする
請求項８に記載の充電装置。 - 上記降圧回路は、上記発電機の発電電圧を定電圧化する降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータである
請求項８に記載の充電装置。 - 上記電流制御手段は、電流制御素子および電流制御抵抗とを備え、
上記電流制御素子の負性抵抗分に対し上記二次電池抵抗分と電流制限抵抗分の和が等しいか、それ以上になるように設定される
請求項８に記載の充電装置。 - 充電電流と充電時間の掛け算を行い、充電量を検出する充電量モニタ回路をさらに備える
請求項８に記載の充電装置。 - 上記降圧回路の入力電圧の大きさから充電電流を求める
請求項８に記載の充電装置。
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