JP5261063B2

JP5261063B2 - 人力駆動車用直流電源装置

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Publication number: JP5261063B2
Application number: JP2008203004A
Authority: JP
Inventors: 敬之堀内
Original assignee: Shimano Inc
Current assignee: Shimano Inc
Priority date: 2005-05-20
Filing date: 2008-08-06
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2025-05-20
Also published as: EP1724901B1; EP1724901A1; TWI314803B; US7292006B2; CN1881742A; JP2006325372A; US20060261785A1; CN100411274C; BRPI0601095A; JP2008289358A; TW200642232A

Description

本発明は、直流電源装置、特に、自転車や三輪車のような人力駆動車に搭載される回転数が変化する交流発電機で発生する電力を直流に変換して蓄えて電気機器に供給する人力駆動車用直流電源装置に関する。

自転車（人力駆動車の一例）に使用される電気機器としては、従来、夜間照明用の前照灯や尾灯などが一般的である。このような灯火類に使用する電源としてダイナモ（交流発電機）が自転車に装着されている。しかし、最近では、自転車の電装化が進み、たとえば、変速装置等の機構が電装化され、このような電装化された機構に使用されるモータや制御装置等の電気機器に対して電源が必要になっている。そこで、このような電装化された機構に用いられる電気機器にダイナモからの電力を供給することが最近行われている。しかし、ダイナモで発電される電圧は交流であり、電装化された機構の電気機器に必要な電圧は直流であることが多い。したがって、ダイナモから出力された交流電圧を直流電圧に整流する必要がある。また、ダイナモで得られる最大電圧は、通常８Ｖ程度の低い電圧であり、かつその電圧も自転車の走行速度に依存して大きく変動する。

これらの電気機器では、駆動電圧が所定の電圧以下になると、その動作が不安定になる。例えば、アクチュエータとしてモータを例に取ると、駆動電圧が低くなると回転速度が遅くなり、正常な速度で動作をさせることができなくなったり、あるいは電動変速機が変速途中で停止してしまったり、電動サスペンションのアクチュエータが途中で動作不能になる等の不具合が発生する。また、電気部品にマイクロコンピュータを用いている場合は、誤動作する場合もある。

ここで、ダイナモの回転数が同じ場合は、ランプ点灯時には消灯時に比較して電圧が低下するので、特に前述のような電気機器が設けられた自転車では、安定した充電電圧を得ることが重要である。これを実現するために、ダイナモとランプとの間に設けられた第１スイッチ手段とダイナモにより充電される充電池（蓄電素子の一例）と、ダイナモと充電池との間に設けられた整流回路と、充電池の充電電圧を検出する充電電圧検出手段と、充電電圧検出手段で検出された充電電圧値に応じて第１スイッチ手段をオン、オフ制御し、ランプへの電力供給を間欠的に行わせる制御手段とを有する直流電源装置が従来知られている（特許文献１参照）。

前記従来の構成では、充電池の充電電圧を検出して所定電圧より低いときに、ランプへの電力供給を制限している。この結果、ダイナモの低回転域より充電池への充電が優先されるので、電動ユニットの動作が不安定になるのを抑えることができる。また、ランプへの電力供給が間欠的になるので、ランプが点滅することになるが、点滅周波数を高くすることによって人の目にはわかりにくいものとなる。
特開２００２−２６２４７３号公報

前記従来の構成では、充電池の充電電圧の低下を可及的に抑えることができる。しかし、充電池の充電電圧によりランプへの電力供給をオンオフして電力の消耗を抑えているので、夜間に長時間の走行を行うと、充電池の過放電が生じて蓄電素子の寿命が低下するおそれがある。また、上述のように、ダイナモから得られる電圧は自転車の走行速度に依存して大きく変動するため、走行速度が速くなりダイナモから発生する電圧が高くなると、過充電が生じ、やはり蓄電素子の寿命の低下が生じるおそれがある。

本発明の課題は、蓄電素子の寿命の低下を可及的に抑えることにある。

発明１に係る人力駆動車用直流電源装置は、人力駆動車に搭載される回転数が変化する交流発電機で発生する電力を直流に変換して蓄えて電気機器に供給する装置であって、整流回路と、蓄電素子と、入力電流規制部と、出力電流規制部と、充電状態検出部と、電源制御部と、条件検出部と、を備えている。整流回路は、交流発電機の電力を整流して直流に変換する回路である。蓄電素子は、整流回路で得られた直流の電力を蓄える充放電可能な素子である。入力電流規制部は、整流回路と蓄電素子との間に配置され蓄電素子に流れる電流を規制するものである。電力出力部は、蓄電素子に蓄えられた直流の電力を電気機器に向けて出力するためのものである。出力電流規制部は、蓄電素子と電力出力部との間に配置され蓄電素子から電気機器に流れる電流を規制するものである。充電状態検出部は、蓄電素子が過充電状態か否か及び過放電状態か否かを検出する。電源制御部は、充電状態検出部の検出結果に応じて入力電流規制部及び出力電流規制部を制御するものである。条件検出部は、蓄電素子の種類、本数および容量の少なくともいずれかを検出可能である。充電状態検出部は、蓄電素子の電圧を検出する蓄電電圧検出部と、整流回路から蓄電素子に流れる充電電流を検出する充電電流検出部と、蓄電素子から電力出力部に流れる放電電流を検出する放電電流検出部と、をさらに備えている。入力電流規制部及び出力電流規制部は、電流をオンオフ制御可能なスイッチ素子であり、電源制御部は、充電電流及び放電電流により入力電流規制部及び出力電源制御部を制御する。また、電源制御部は、条件検出部が検出した、蓄電素子の種類、蓄電素子の容量、および蓄電素子の数の少なくともいずれかを検出し、検出結果に応じて、スイッチ素子を制御する。

この直流電源装置では、交流発電機が回転すると、発生した交流の電力が整流回路で直流に整流され入力電流規制部を介して蓄電素子に蓄えられる。蓄電素子に蓄えられた直流の電力は、出力電流規制部を介して電力出力部から電気機器に出力される。蓄電素子への充電時又は蓄電素子からの放電時には、電源制御部が充電状態検出部の検出結果に応じて入力電流規制部及び出力電流規制部を制御する。蓄電素子の充電電圧が過充電状態になったり、過放電状態になったりすると、入力電流規制部及び出力電流規制部で流れる電流を規制したり流れないように遮断したりする。また、温度が所定の条件になると同様な制御を行ってもよい。ここでは、蓄電素子の入力側と出力側とにそれぞれ電流を規制する電流規制部を設けるとともに、電源制御部により蓄電素子が過充電状態及び過放電状態かを判断して、入力電流規制部及び出力電流規制部を制御するようにしたので、自転車の走行速度に依存して大きく変動する電圧であっても過充電や過放電が生じにくくなり、蓄電素子の寿命の低下を可及的に抑えることができる。

また、スイッチ素子により、電流を簡単にオンオフすることができる。

さらに、たとえば、充電電流が所定値以下になると、過充電状態であると判断して入力電流規制部で遮断を含めて蓄電素子への入力電流を制限したり、放電電流が所定値以上になると、過放電になる可能性や電気機器が短絡した等の異常の可能性があるため、出力電流規制部で遮断を含めて蓄電素子からの出力電流を制限したりすることができ、蓄電素子を保護することができ、寿命の低下を可及的に抑えることができる。

発明２に係る人力駆動車用直流電源装置は、発明１に記載の装置において、蓄電素子の温度を検出する温度検出部をさらに備え、電源制御部は、蓄電素子温度により入力電流規制部及び出力電源制御部の少なくともいずれかを制御する。この場合には、蓄電素子が過充電状態になると温度が高くなりやすいので、温度により過充電状態か否かを簡単に判断できる。

発明３に係る人力駆動車用直流電源装置は、発明１又は２に記載の装置において、蓄電素子への充放電時間を測定する充放電時間測定部をさらに備え、電源制御部は、充放電時間により入力電流規制部及び出力電源制御部の少なくともいずれかを制御する。この場合には、充放電時間により蓄電素子の充電状態を判断して、入力電流規制部及び出力電流規制部の少なくともいずれかを制御できる。

発明４に係る人力駆動車用直流電源装置は、力駆動車に搭載される回転数が変化する交流発電機で発生する電力を直流に変換して蓄えて電気機器に供給する装置であって、整流回路と、蓄電素子と、入力電流規制部と、出力電流規制部と、充電状態検出部と、電源制御部と、種類入力部と、を備えている。整流回路は、交流発電機の電力を整流して直流に変換する回路である。蓄電素子は、整流回路で得られた直流の電力を蓄える充放電可能な素子である。入力電流規制部は、整流回路と蓄電素子との間に配置され蓄電素子に流れる電流を規制するものである。電力出力部は、蓄電素子に蓄えられた直流の電力を電気機器に向けて出力するためのものである。出力電流規制部は、蓄電素子と電力出力部との間に配置され蓄電素子から電気機器に流れる電流を規制するものである。充電状態検出部は、蓄電素子が過充電状態か否か及び過放電状態か否かを検出する。電源制御部は、入力電流規制部及び出力電流規制部を制御するものである。種類入力部は、蓄電素子の種類を入力するためのものである。充電状態検出部は、整流回路から蓄電素子に流れる充電電流を検出する充電電流検出部と、蓄電素子から電力出力部に流れる放電電流を検出する放電電流検出部と、をさらに備えている。入力電流規制部及び出力電流規制部は、電流をオンオフ制御可能なスイッチ素子であり、電源制御部は、充電電流及び放電電流により入力電流規制部及び出力電源制御部を制御する。また、電源制御部は、種類入力部によって入力された蓄電素子の種類に応じて、スイッチ素子を制御する。

本発明によれば、蓄電素子の入力側と出力側とにそれぞれ電流を規制する電流規制部を設けるとともに、電源制御部により蓄電素子が過充電状態及び過放電状態かを判断して、入力電流規制部及び出力電流規制部を制御するようにしたので、自転車の走行速度に依存して大きく変動する電圧であっても過充電や過放電が生じにくくなり、蓄電素子の寿命の低下を可及的に抑えることができる。

＜本発明の基本実施形態＞
図１において、本発明の基本実施形態による直流電源装置１０は、自転車（人力駆動車の一例）に搭載される回転数が変化する交流発電機（以下、ダイナモという）１２で発生する電力を直流に変換して蓄えてフロントディレーラ（ＦＤ），リアディレーラ（ＲＤ），ランプ等の電気機器１４に供給する装置である。直流発電装置１０は、ダイナモ１２の電力を整流して直流に変換する整流回路２０と、蓄電素子２２と、入力電流規制部２４と、電力出力部２６と、出力電流規制部２８と、電源制御回路３０とを備えている。

整流回路２０は、たとえば、半波整流回路や全波整流回路等の整流回路で構成されている。蓄電素子２２は、たとえば、大容量コンデンサや二次電池等で構成されており、ダイナモ１２で得られた直流の電力を蓄える充放電可能な素子である。入力電流規制部２４は、整流回路２０と蓄電素子２２との間に配置され蓄電素子２２に流れる電流を規制するものである。入力電流規制部２４は、ＦＥＴなどの大容量電流をオンオフ可能な制御可能なスイッチ素子や、遮断状態を含む複数の段階に電流を制限できる定電圧回路等で構成され、蓄電素子２２への入力電流を制限できるものである。

電力出力部２６は、蓄電素子２２に蓄えられた直流の電力を電気機器１４に向けて出力するためのものであり、出力端子等で構成されている。出力電流規制部２８は、蓄電素子２２と電力出力部２６との間に配置され蓄電素子２２から電気機器１４に流れる電流を規制するものである。出力電流規制部２８は、ＦＥＴなどの大容量電流をオンオフ可能な制御可能なスイッチ素子や、遮断状態を含む複数の段階に電流を制限できる定電圧回路等で構成され、電力出力部２６への出力電流を制限できるものである。

電源制御回路３０は、たとえばマイクロプロセッサ等で構成され、入力電流規制部２４及び出力電流規制部２８の少なくともいずれかを所定の条件により制御するものである。ここで、所定の条件とは、たとえば、蓄電素子２２の蓄電電圧の値、蓄電素子２２の充電電流及び出力電流の値、蓄電素子２２の内部抵抗、蓄電素子２２の温度、蓄電素子２２の充放電時間等が所定の値になったときなどである。

次に本発明の具体的な実施形態について説明する。なお、以降の説明で基本実施形態と同様な構成部分については同一符号を付して説明を省略する。

＜第１実施形態＞
図２において、本発明の第１実施形態による直流電源装置１０ａは、ダイナモ１２の電力を整流して直流に変換する整流回路２０と、二次電池２２ａと、充電側スイッチ２４ａと、電力出力部２６と、放電側スイッチ２８ａと、電源制御回路３０ａと、電圧検出部３２とを備えている。

二次電池２２ａは、たとえば、リチウム電池やニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池等で構成されており、ダイナモ１２で得られた直流の電力を蓄える充放電可能な素子である。入力電流規制部２４としての充電側スイッチ２４ａは、整流回路２０と蓄電素子２２との間に配置され二次電池２２ａに流れる電流をオンオフするものである。充電側スイッチ２４ａは、ＦＥＴなどの大容量電流をオンオフ可能な制御可能なスイッチ素子で構成されている。出力電流規制部２８としての放電側スイッチ２８ａは、二次電池２２ａと電力出力部２６との間に配置され二次電池２２ａからフロントディレーラ（ＦＤ）１６，リアディレーラ（ＲＤ）１７，ＬＥＤを用いたランプ１８等の電気機器１４に流れる電流を規制するものである。放電側スイッチ２８ａは、ＦＥＴなどの大容量電流をオンオフ可能な制御可能なスイッチ素子で構成されている。電源制御回路３０ａは、たとえばマイクロプロセッサ等で構成され、充電側スイッチ２４ａ及び放電側スイッチ２８ａを所定の検出電圧により制御するものである。電圧検出部３２は、二次電池２２ａと電源制御回路３０ａとに接続され、二次電池２２ａの電池電圧Ｖを検出するものである。電源制御回路３０ａは、電池電圧Ｖが予め設定された最大電圧Ｖｍａｘ（たとえば、単位セルあたり１．４ボルト程度）以上であるか及び最小電圧Ｖｍｉｎ（たとえば、単位セルあたり１．０ボルト程度）以下であるかにより過充電状態及び過放電状態かをそれぞれ判断し、充電側スイッチ２４ａ及び放電側スイッチ２８ａをオンオフ制御する。

次に、第１実施形態の電源制御回路３０ａの制御動作について、図３に示す制御フローチャートに基づいて説明する。

充電済みの二次電池２２ａが搭載されると、図３のステップＳ１で初期設定がなされる。この初期設定では、過充電状態を反転するための最大電圧Ｖｍａｘ及び過放電状態を反転するための最小電圧Ｖｍｉｎが所定の値にセットされる。また、充電側スイッチ２４ａ及び放電側スイッチ２８ａをともにオンする。ステップＳ２では、電池電圧Ｖを電圧検出部３２から取り込む。ステップＳ３では、取り込んだ電池電圧Ｖが最大電圧Ｖｍａｘより高いか否か、つまり二次電池２２ａが過充電状態か否かを判断する。電池電圧Ｖが最大電圧Ｖｍａｘより低いときにはステップＳ４に移行し、充電側スイッチ２４ａがオンしているか否かを判断する。充電側スイッチ２４ａがオンしていない場合、つまり一度電池電圧Ｖが最大電圧Ｖｍａｘより上昇した後に充電側スイッチ２４ａがオフしている場合は、ステップＳ５に移行して充電側スイッチ２４ａをオンする。充電側スイッチ２４ａがすでにオンしている場合は、ステップＳ５をスキップしてステップＳ８に移行する。電池電圧Ｖが最大電圧Ｖｍａｘより高いときにはステップＳ３からステップＳ６に移行し、充電側スイッチ２４ａがオフしているか否かを判断する。充電側スイッチ２４ａがオフしていない場合、つまり初めて電池電圧Ｖが最大電圧Ｖｍａｘより上昇した場合は、過充電状態と判断してステップＳ７に移行して充電側スイッチ２４ａをオフする。充電側スイッチ２４ａがすでにオフしている場合は、ステップＳ７をスキップしてステップＳ８に移行する。

ステップＳ８では、取り込んだ電池電圧Ｖが最小電圧Ｖｍｉｎより低いか否か、つまり二次電池２２ａが過放電状態か否かを判断する。電池電圧Ｖが最小電圧Ｖｍｉｎより高いときにはステップＳ９に移行し、放電側スイッチ２８ａがオンしているか否かを判断する。放電側スイッチ２８ａがオンしていない場合、つまり一度電池電圧Ｖが下降した後に放電側スイッチ２８ａがオフしている場合は、ステップＳ１０に移行して放電側スイッチ２８ａをオンする。放電側スイッチ２８ａがすでにオンしている場合は、ステップＳ１０をスキップしてステップＳ２に戻る。電池電圧Ｖが最小電圧Ｖｍｉｎより低いときにはステップＳ８からステップＳ１１に移行し、放電側スイッチ２８ａがオフしているか否かを判断する。放電側スイッチ２８ａがオフしていない場合、つまり初めて電池電圧Ｖが最小電圧Ｖｍｉｎより下降した場合は、過放電状態と判断してステップＳ１２に移行して放電側スイッチ２８ａをオフする。放電側スイッチ２８ａがすでにオフしている場合は、ステップＳ１２をスキップしてステップＳ２に戻る。

ここでは、二次電池２２ａの電池電圧を検出することにより、二次電池２２ａの状態を簡単に検出でき、電池電圧が高いと過充電状態であると判断して充電側スイッチ２４ａをオフして二次電池２２ａへの入力電流を遮断したり、電池電圧が低いと過放電状態であると判断して放電側スイッチ２８ａをオフして二次電池２２ａからの出力電流を遮断したりすることができ、二次電池２２ａを保護することができ、電池寿命の低下を可及的に抑えることができる。

なお、本参考実施形態では、電池電圧Ｖが最大電圧Ｖｍａｘより高いか否か、若しくは、最小電圧Ｖｍｉｎより低いか否かで判断したが、それは最大、最小である必要はなく、例えば最大電圧Ｖｍａｘより高い電圧としたり、最小電圧Ｖｍｉｎより低い電圧としたり、任意で設定変更できることは言うまでもない。

＜第２実施形態＞
前記第１実施形態では、電池電圧により二次電池２２ａの状態を判断しているが、図４に示す第２実施形態では、二次電池２２ｂへの充電電流及び放電電流により二次電池２２ｂの状態を判断するとともに、二次電池２２ｂの種類、本数、容量を電池条件として検出してそれにより二次電池２２ｂに充電する電流を制限している。なお、第１実施形態以降の説明では、基本実施形態及び第１実施形態と同様な構成の部材については同一の符号を付して説明を省略する。

図４において、本発明の第２実施形態による直流電源装置１０ｂは、ダイナモ１２の電力を整流して直流に変換する整流回路２０と、二次電池２２ｂと、入力電流規制部２４としての定電流回路２４ｂと、電力出力部２６と、放電側スイッチ２８ａと、電源制御回路３０ａと、充電電流検出部３４と、放電電流検出部３６と、電池条件検出部３８とを備えている。二次電池２２ｂは、たとえばリチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池などの市販の単三型及び単四型のサイズの充電池であり、電池ケース４０に着脱自在に収納されている。電池ケース４０には、それぞれのサイズの二次電池２２ｂを最大２本まで収納可能である。この電池ケース４０に電池条件検出部３８が設けられている。電池条件検出部３８は、電池ケースの外壁に設けられた凹凸等の識別形状であったり、また、特定の抵抗値を持った検出端子であったり、特定の信号を発信するＣＰＵ等であったりして、二次電池２２ｂが電池ケース４０に装着されると、二次電池２２ｂの種類、本数及び容量を検出可能である。

定電流回路２４ｂは、充電電流を複数段階に制限可能な回路である。この第２実施形態では、充電電流を、たとえば、１０００ｍＡ，１１００ｍＡ，１２００ｍＡ，１３００ｍＡ，１４００ｍＡ，１５００ｍＡの６段階に制限でき、少なくとも６つのサイズの２次電池を充電可能である。なお、後述する動作の説明ではリチウム電池の記載を省略している。

充電電流検出部３４は、整流回路２０から二次電池２２ｂに流れる電流値を検出するものであり、放電電流検出部３６は、二次電池２２ｂから電気機器１４に流れる電流値を検出するものである。

次に、第２実施形態の電源制御回路３０ｂの制御動作について、図５及び図６に示す制御フローチャートに基づいて説明する。

充電済みの二次電池２２ｂが電池ケース４０に装着されると、図５のステップＳ２１で初期設定がなされる。この初期設定では、図６のステップＳ２２で、電池条件検出部３８で検出した電池条件を取り込む。ステップＳ２３では、二次電池２２ｂの種類がニッケル水素電池（Ｎｉ−ＭＨ）か否かを判断する。ニッケル水素電池で無い場合はステップＳ２４に移行し、二次電池２２ｂの種類がニッケルカドミウム電池（Ｎｉ−Ｃｄ）か否かを判断する。ニッケルカドミウム電池でも無い場合は、ステップＳ２５に移行し、他の初期設定を行う。この他の初期設定では、最小充電電流Ｃｓ及び最大放電電流Ｄｓが所定の値にセットされる。また、定電流回路２４ｂ及び放電側スイッチ２８ａをともにオンする。

二次電池２２ｂの種類がニッケル水素電池の場合は、ステップＳ２３からステップＳ２６に移行し、二次電池２２ｂの本数が２本か否かを判断する。二次電池２２ｂの本数が２本ではない、つまり１本の時は、ステップＳ２７に移行し、二次電池２２ｂの容量、つまりサイズが単四か否かを判断する。単四の場合は、ステップＳ２８に移行して定電流回路２４ｂがオンしたときの最大許容電流値を１１００ｍＡに設定する。単四ではなく単三の場合は、ステップＳ２７からステップＳ２９に移行し、最大許容電流値を１３００ｍＡに設定する。二次電池２２ｂの数が２本の時は、ステップＳ２６からステップＳ３０に移行する。ステップＳ３０では、二次電池２２ｂサイズが単四か否かを判断する。単四の場合は、ステップＳ３１に移行して最大許容電流値を１４００ｍＡに設定する。単四ではなく単三の場合は、ステップＳ３０からステップＳ３２に移行し、最大許容電流値を１５００ｍＡに設定する。

二次電池２２ｂの種類がニッケルカドミウム電池の場合は、ステップＳ２４からステップＳ３３に移行し、二次電池２２ｂの本数が２本か否かを判断する。二次電池２２ｂの本数が２本ではない、つまり１本の時は、ステップＳ３４に移行し、二次電池２２ｂの容量、つまりサイズが単四か否かを判断する。単四の場合は、ステップＳ３５に移行して定電流回路２４ｂがオンしたときの最大許容電流値を１０００ｍＡに設定する。単四ではなく単三の場合は、ステップＳ３４からステップＳ３６に移行し、最大許容電流値を１２００ｍＡに設定する。二次電池の数が２本の時は、ステップＳ３３からステップＳ３７に移行する。ステップＳ３７では、二次電池２２ｂサイズが単四か否かを判断する。単四の場合は、ステップＳ３８に移行して最大許容電流値を１３００ｍＡに設定する。単四ではなく単三の場合は、ステップＳ３７からステップＳ３９に移行し、最大許容電流値を１４００ｍＡに設定する。

これにより、二次電池２２ｂの種類や数や容量に応じて、入力電流や出力電流を制限して二次電池を保護でき、寿命の低下を可及的に抑えることができる。

初期設定が終了すると、図５のステップＳ４０に移行する。ステップＳ４０では、充電電流ＣＡを充電電流検出部３４から取り込む。ステップＳ４１では、取り込んだ充電電流ＣＡが最小充電電流より低いか否か、つまり二次電池２２ｂが過充電状態か否かを判断する。充電電流ＣＡが最小充電電流より高いときにはステップＳ４２に移行し、定電流回路２４ｂがオンしているか否かを判断する。定電流回路２４ｂがオンしていない場合、つまり一度充電電流ＣＡが低下した後に定電流回路２４ｂがオフしている場合は、ステップＳ４３に移行して定電流回路２４ｂをオンする。定電流回路２４ｂがすでにオンしている場合は、ステップＳ４３をスキップしてステップＳ４６に移行する。充電電流ＣＡが最小充電電流Ｃｓより低いときにはステップＳ４１からステップＳ４４に移行し、定電圧回路２４ｂがオフしているか否かを判断する。定電圧回路２４ｂがオフしていない場合、つまり初めて充電電流ＣＡが最小充電電流Ｃｓを下回った場合は、過充電状態と判断してステップＳ４５に移行して定電流回路２４ｂをオフして電流を遮断する。定電流回路２４ｂがすでにオフしている場合は、ステップＳ４５をスキップしてステップＳ４６に移行する。

ステップＳ４６では、放電電流ＤＡを放電電流検出部３６から取り込む。ステップＳ４７では、取り込んだ放電電流ＤＡが最大放電電流Ｄｓより高いか否か、つまり二次電池２２ｂが過放電状態か否かを判断する。放電電流ＤＡが最大放電電流より低いときにはステップＳ４８に移行し、放電側スイッチ２８ａがオンしているか否かを判断する。放電側スイッチ２８ａがオンしていない場合、つまり一度放電電流ＤＡが上昇した後に放電側スイッチ２８ａがオフしている場合は、ステップＳ４９に移行して放電側スイッチ２８ａをオンする。放電側スイッチ２８ａがすでにオンしている場合は、ステップＳ４９をスキップしてステップＳ４０に戻る。放電電流ＤＡが最大放電電流Ｄｓより高いときにはステップＳ４７からステップＳ５０に移行し、放電側スイッチ２８ａがオフしているか否かを判断する。放電側スイッチ２８ａがオフしていない場合、つまり初めて放電電流ＤＡが最大放電電流Ｄｓを超えた場合は、過放電状態と判断してステップＳ５１移行して放電側スイッチ２８ａをオフして電流を遮断する。放電側スイッチ２８ａがすでにオフしている場合は、ステップＳ５１をスキップしてステップＳ４０に戻る。

ここでは、二次電池２２ｂの電池電圧を検出することにより、二次電池２２ａの状態を簡単に検出でき、電池電圧が高いと過充電状態であると判断して充電側スイッチ２４ａをオフして二次電池２２ｂへの入力電流を遮断したり、電池電圧が低いと過放電状態であると判断して放電側スイッチ２８ａをオフして二次電池２２ａからの出力電流を遮断したりすることができ、二次電池２２ｂを保護することができ、電池寿命の低下を可及的に抑えることができる。

この場合には、充電電流ＣＡが所定値Ｃｓ以下になると、過充電状態であると判断して定電流回路２４ｂで電流を遮断し、放電電流が所定値Ｄｓ以上になると、過放電になる可能性や電気機器１４が短絡した等の異常の可能性があるため、放電側スイッチ２８ａで電流を遮断することができ、二次電池２２ｂや電気機器１４を保護することができ、二次電池２２ｂの寿命の低下を可及的に抑えることができる。

＜第３実施形態＞
図７に示す第３実施形態では、二次電池２２ａの温度により二次電池２２ａが過充電状態か否かを判断している。図７において、本発明の第３実施形態による直流電源装置１０ｃは、ダイナモ１２の電力を整流して直流に変換する整流回路２０と、二次電池２２ａと、充電側スイッチ２４ａと、電力出力部２６と、放電側スイッチ２８ａと、電源制御回路３０ａと、温度検出部４２とを備えている。

温度検出部４２は、二次電池２２ａの温度を検出するものであり、たとえば、サーミスタなどの半導体温度検出素子を用いている。その他の構成は第１実施形態と同様なため説明を省略する。

次に、第３実施形態の電源制御回路３０ｃの制御動作について、図８に示す制御フローチャートに基づいて説明する。

充電済みの二次電池２２ａが搭載されると、図８のステップＳ６１で初期設定がなされる。この初期設定では、過充電状態を検出するための最大温度Ｔｍａｘが所定の値にセットされる。また、充電側スイッチ２４ａ及び放電側スイッチ２８ａをともにオンする。ステップＳ６２では、電池温度Ｔを温度検出部４２から取り込む。ステップＳ６３では、取り込んだ電池温度Ｔが最大温度Ｔｍａｘより高いか否か、つまり二次電池２２ａが過充電状態か否かを判断する。電池温度Ｔが最大温度Ｔｍａｘより低いときにはステップＳ６４に移行し、充電側スイッチ２４ａがオンしているか否かを判断する。充電側スイッチ２４ａがオンしていない場合、つまり一度電池温度Ｖが最大温度Ｔｍａｘより上昇した後に充電側スイッチ２４ａがオフしている場合は、ステップＳ６５に移行して充電側スイッチ２４ａをオンする。充電側スイッチ２４ａがすでにオンしている場合は、ステップＳ６５をスキップしてステップＳ６６に移行する。ステップＳ６６では、放電側スイッチ２８ａがオンしているか否かを判断する。放電側スイッチ２８ａが何らかの要因でオンしていない場合は、ステップＳ６７に移行し放電側スイッチ２８ａをオンする。放電側スイッチ２８ａがすでにオンしている場合は、ステップＳ６７をスキップしてステップＳ６２に戻る。

電池温度Ｔが最大温度Ｔｍａｘより高いときにはステップＳ６３からステップＳ６８に移行し、充電側スイッチ２４ａがオフしているか否かを判断する。充電側スイッチ２４ａがオフしていない場合、つまり初めて電池温度Ｔが最大温度Ｔｍａｘより上昇した場合は、過充電状態と判断してステップＳ６９に移行して充電側スイッチ２４ａをオフする。充電側スイッチ２４ａがすでにオフしている場合は、ステップＳ６９をスキップしてステップＳ７０に移行する。ステップＳ７０では、放電側スイッチ２８ａがオフしているか否かを判断する。放電側スイッチ２８ａがオンしている場合は、ステップＳ７１に移行し放電側スイッチ２８ａをオフする。放電側スイッチ２８ａがすでにオフしている場合は、ステップＳ７１をスキップしてステップＳ６２に戻る。

ここでは、二次電池２２ａが過充電状態になると温度が高くなりやすいので、温度により過充電状態か否かを簡単に判断できる。また、過充電の際には、放電側スイッチ２８ａをオフしている。

＜第４実施形態＞
図９に示す第４実施形態では、二次電池２２ａの充放電時間により二次電池２２ａの過充電状態及び過放電状態を判断している。図９において、本発明の第４実施形態による直流電源装置１０ｅは、ダイナモ１２の電力を整流して直流に変換する整流回路２０と、二次電池２２ａと、充電側スイッチ２４ａと、電力出力部２６と、放電側スイッチ２８ａと、電源制御回路３０ａと、充放電時間測定部４６とを備えている。

充放電時間測定部４６、二次電池２２ａの充電時間ＴＣ及び放電時間ＴＤを検出するものである。その他の構成は第１実施形態と同様なため説明を省略する。

次に、第４実施形態の電源制御回路３０ｅの制御動作について、図１０に示す制御フローチャートに基づいて説明する。

充電済みの二次電池２２ａが搭載されると、図１０のステップＳ１０１で初期設定がなされる。この初期設定では、最大充電時間Ｔｍａｘ及び最小放電時間Ｔｍｉｎが所定の値にセットされる。また、充電側スイッチ２４ａ及び放電側スイッチ２８ａをともにオンする。ステップＳ１０２では、充電時間ＴＣ又は放電時間ＴＤを充放電時間測定部４６から取り込む。ステップＳ１０３では、取り込んだ充電時間ＴＣが最大充電時間Ｔｍａｘより高いか否か、つまり二次電池２２ａが過充電状態か否かを判断する。充電時間ＴＣが最大充電時間Ｔｍａｘより短い場合は、ステップＳ１０４に移行する。以降のステップＳ１０４〜ステップＳ１０７までの処理は、第１実施形態の図３のステップＳ４〜ステップＳ７と同様なため説明を省略する。

ステップＳ１０８では、取り込んだ放電時間ＴＤが最小放電時間Ｔｍｉｎより短いか否か、つまり二次電池２２ａが過放電状態か否かを判断する。放電時間ＴＤが最小放電時間Ｔｍｉｎより長いときにはステップＳ１０９に移行する。以降のステップＳ１０９〜ステップＳ１１２までの処理は、第１実施形態の図３のステップＳ９〜ステップＳ１２と同様なため説明を省略する。

ここでは、充放電時間により二次電池２２ａの充電状態を判断して、充電側スイッチ２４ａ及び放電側スイッチ２８ａをオンオフ制御して二次電池２２ａを保護することができ、電池寿命の低下を可及的に抑えることができる。

＜第５実施形態＞
図１１に示す第５実施形態では、電池の種類を入力する種類入力部４８を設けて二次電池２２ｂに流れる最大充電電流を制限している。
図１１において、本発明の第５実施形態による直流電源装置１０ｆは、ダイナモ１２の電力を整流して直流に変換する整流回路２０と、二次電池２２ｂと、入力電流規制部２４としての定電流回路２４ｂと、電力出力部２６と、放電側スイッチ２８ａと、電源制御回路３０ａと、電圧検出部３２と、種類入力部４８とを備えている。二次電池２２ｂは、たとえばリチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池などの市販の単三型のサイズの充電池であり、電池ケース４０ａに着脱自在に収納されている。電池ケース４０ａには、その二次電池２２ｂを２本収納可能である。この電池ケース４０ａに収納される二次電池２２ｂの種類を入力するために種類入力部４８が設けられている。

種類入力部４８は、たとえば、電池の種類がニッケルカドミウム電池とニッケル水素電池の２種類である場合、オンオフするスイッチで構成されている。このスイッチがオンするとニッケルカドミウム電池、オフするとニッケル水素電池である。なお、３種類以上の場合、種類に応じた、たとえばロータリスイッチを設けてもよく、操作入力部の構成はオンオフするスイッチに限定されない。その他の構成は第１実施形態と同様なため説明を省略する。

次に、第５実施形態の電源制御回路３０ｆの制御動作について、図１２に示す制御フローチャートに基づいて説明する。

充電済みの二次電池２２ｂが電池ケース４０ａに装着されると、図１２のステップＳ１２１で初期設定がなされる。この初期設定では、最大電圧Ｖｍａｘ及び最小電圧Ｖｍｉｎが所定の値にセットされる。また、充電側スイッチ２４ａ及び放電側スイッチ２８ａをともにオンする。ステップＳ１２２では、電池ケース４０ａに装着された電池の種類がニッケル水素電池であるか否かを種類入力部４８の状態により判断する。ニッケル水素電池の場合は、ステップＳ１２３に移行し、最大充電電流を１５００ｍＡに設定する。ステップＳ１２４では、電池ケース４０ａに装着された電池の種類がニッケルカドミウム電池であるか否かを種類入力部４８の状態により判断する。ニッケルカドミウム電池の場合は、ステップＳ１２５に移行し、最大充電電流を１４００ｍＡに設定する。ステップＳ１３２では、電池電圧Ｖを電圧検出部３２から取り込む。ステップＳ１３２以降の処理は、第１実施形態のステップＳ２以降の処理と同様であるので説明を省略する。

ここでは、二次電池２２ｂの種類を入力すると、入力電流や出力電流を制限して二次電池２２ｂを保護でき、寿命の低下を可及的に抑えることができる。

＜第６実施形態＞
図１３に示す、第６実施形態では、充電状態検出部５０により一括して過充電状態及び過放電状態を判断している。図１３において、本発明の第５実施形態による直流電源装置１０ｇは、ダイナモ１２の電力を整流して直流に変換する整流回路２０と、二次電池２２ａと、充電側スイッチ２４ａと、電力出力部２６と、放電側スイッチ２８ａと、電源制御回路３０ａと、充電状態検出部５０とを備えている。充電状態検出部５０は、前述した、たとえば電池電圧や電池温度や内部抵抗などの検出結果を組み合わせて過充電状態か否か及び過放電状態か否かを検出している。その他の構成は参考実施形態と同様なため説明を省略する。

次に、第６実施形態の電源制御回路３０ｇの制御動作について、図１４に示す制御フローチャートに基づいて説明する。

充電済みの二次電池２２ａが搭載されると、図１４のステップＳ１５１で初期設定がなされる。この初期設定では、過充電状態及び過放電状態を示すフラグがリセットされる。また、充電側スイッチ２４ａ及び放電側スイッチ２８ａをともにオンする。ステップＳ１５２では、充電状態検出部５０の状態から二次電池２２ａが過充電状態か否かを判断する。また、ステップＳ１５８では、二次電池２２ａが過放電状態か否かを判断する。ステップＳ１５４〜ステップＳ１５７及びステップＳ１５９〜ステップＳ１６２までの処理は、図３に示す第１実施形態のステップＳ４〜ステップＳ７及びステップＳ９〜ステップＳ１２と同様なため説明を省略する。

＜他の実施形態＞
（ａ）前記実施形態では、過充電状態及び過放電状態を電圧や電流などの一つの要素で判定しているが、第１〜第６実施形態に記載された複数の要素の少なくともいずれかを組み合わせて二次電池の状態を判定してもよい。

（ｂ）前記実施形態では、蓄電素子として二次電池を例示したが、大容量コンデンサなどの容量も蓄電素子として用いることができる。

（ｃ）前記実施形態では、入力側の入力電流規制部だけに定電流回路を用いたが、出力側の出力電流規制部に定電流回路を用いてもよい。

（ｄ）前記実施形態では、入力側の入力電流規制部で二次電池に適した充電電流を切換えて充電を行ったが、微小の充電電流（例えば１００ｍＡ程度）に規制し、電池の最大電圧、最小電圧に関係なく、常時充電するようにしても良い。

本発明に係る直流電源装置基本実施形態の構成を示すブロック図。第１実施形態の直流電源装置の構成を示すブロック図。第１実施形態の電源制御回路の制御フローチャート。第２実施形態の図２に相当するブロック図。第２実施形態の図３に相当するフローチャート。第２実施形態の初期設定のフローチャート。第３実施形態の図２に相当するブロック図。第３実施形態の図３に相当するフローチャート。第４実施形態の図２に相当するブロック図。第４実施形態の図３に相当するフローチャート。第５実施形態の図２に相当するブロック図。第５実施形態の図３に相当するフローチャート。第６実施形態の図２に相当するブロック図。第６実施形態の図３に相当するフローチャート。

１０，１０ａ〜１０ｇ直流電源装置
１２ダイナモ（交流発電装置）
１４電気機器
２０整流回路
２２，２２ａ，２２ｂ二次電池
２４入力電流規制部
２４ａ充電側スイッチ
２４ｂ定電流回路
２６電力出力部
２８出力電流規制部
２８ａ放電側スイッチ
３０，３０ａ〜３０ｇ電源制御回路
３２電圧検出部
３４充電電流検出部
３６放電電流検出部
３８電池条件検出部
４２温度センサ
４６充電時間測定部
４８種類入力部
５０充電状態検出部

Claims

人力駆動車に搭載される回転数が変化する交流発電機で発生する電力を直流に変換して蓄えて電気機器に供給する人力駆動車用直流電源装置であって、
前記交流発電機の電力を整流して直流に変換する整流回路と、
前記整流回路で得られた直流の電力を蓄える充放電可能な蓄電素子と、
前記整流回路と前記蓄電素子との間に配置され前記蓄電素子に流れる電流を規制する入力電流規制部と、
前記蓄電素子に蓄えられた直流の電力を前記電気機器に向けて出力するための電力出力部と、
前記蓄電素子と前記電力出力部との間に配置され前記蓄電素子から前記電気機器に流れる電流を規制する出力電流規制部と、
前記蓄電素子が過充電状態か否か及び過放電状態か否かを検出する充電状態検出部と、
前記充電状態検出の検出結果に応じて前記入力電流規制部及び前記出力電流規制部を制御する電源制御部と、
前記蓄電素子の種類、本数および容量の少なくともいずれかを検出可能な条件検出部と、
を備え、
前記充電状態検出部は、
前記蓄電素子の電圧を検出する蓄電電圧検出部と、
前記整流回路から前記蓄電素子に流れる充電電流を検出する充電電流検出部と、
前記蓄電素子から前記電力出力部に流れる放電電流を検出する放電電流検出部と、をさらに備え、
前記入力電流規制部及び出力電流規制部の少なくともいずれかは、電流をオンオフ制御可能なスイッチ素子であり、
前記電源制御部は、前記蓄電電圧により前記入力電流規制部及び出力電流規制部を制御するか、または、前記充電電流及び放電電流により前記入力電流規制部及び出力電流規制部を制御し、
電源制御部は、前記電池条件検出部によって検出された前記蓄電素子の種類、前記蓄電素子の容量、および前記蓄電素子の数の少なくともいずれかに応じて、前記スイッチ素子を制御する、人力駆動車用直流電源装置。
前記充電状態検出部は、前記蓄電素子の温度を検出する温度検出部をさらに備える、請求項１に記載の人力駆動車用直流電源装置。
前記充電状態検出部は、前記蓄電素子への充放電時間を測定する充放電時間測定部をさらに備える、請求項１又は２記載の人力駆動車用直流電源装置。
人力駆動車に搭載される回転数が変化する交流発電機で発生する電力を直流に変換して蓄えて電気機器に供給する人力駆動車用直流電源装置であって、
前記交流発電機の電力を整流して直流に変換する整流回路と、
前記整流回路で得られた直流の電力を蓄える充放電可能な蓄電素子と、
前記整流回路と前記蓄電素子との間に配置され前記蓄電素子に流れる電流を規制する入力電流規制部と、
前記蓄電素子に蓄えられた直流の電力を前記電気機器に向けて出力するための電力出力部と、
前記蓄電素子と前記電力出力部との間に配置され前記蓄電素子から前記電気機器に流れる電流を規制する出力電流規制部と、
前記蓄電素子が過充電状態か否か及び過放電状態か否かを検出する充電状態検出部と、
前記充電状態検出部の検出結果に応じて前記入力電流規制部及び前記出力電流規制部を制御する電源制御部と、
前記蓄電素子の種類を入力するための種類入力部と、を備え、
前記充電状態検出部は、
前記蓄電素子の電圧を検出する蓄電電圧検出部と、
前記整流回路から前記蓄電素子に流れる充電電流を検出する充電電流検出部と、
前記蓄電素子から前記電力出力部に流れる放電電流を検出する放電電流検出部と、をさらに備え、
前記入力電流規制部及び出力電流規制部の少なくともいずれかは、電流をオンオフ制御可能なスイッチ素子であり、
前記電源制御部は、前記蓄電電圧により前記入力電流規制部及び出力電流規制部を制御するか、または、前記充電電流及び放電電流により前記入力電流規制部及び出力電流規制部を制御し、
電源制御部は、前記種類入力部によって入力された前記蓄電素子の種類に応じて、前記スイッチ素子を制御する、人力駆動車用直流電源装置。