JP5375322B2 - 充電装置 - Google Patents

Description

本発明は電動工具用のリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池（以下ニカド電池と称する）等を充電するための充電装置に関するものである。

従来、補助電源回路を排し、単一の電源回路のみで充電用の電力と制御系用の電力を補う１電源方式充電装置が提案されている。このような充電装置においては、補助電源回路を排したことにより低コストで充電装置を構成できる。また、充電を行っていない充電待機中は、制御系を駆動するための定電圧回路へ電力を供給する補助巻線の出力電圧を制御系が駆動するために最低限必要なレベルまで抑制するため、充電ラインの電圧を電池電圧より低く抑えることができ低消費である。また、この制御方式により充電装置と電池とを接続するときに発生する突入電流を無くすことができ、リレー等の接続手段の破損率を大幅に低減できる。

このような１電源方式充電装置は、充電を行っているときと、充電待機中とで、スイッチング制御回路へ電力を供給する補助巻線に出力される電圧が大きく変動するため、２電源方式に比べると、電源としての安定度はやや劣る。特に充電を行っているときの定格出力時においては、補助巻線に出力される電圧が上昇し、電源装置から給電線路に伝播するノイズが発生し易くなる。また、充電装置の定格出力を大きくしようとした場合もノイズが発生し易くなるため、適正なノイズ対策が必要になる。

一般に、充電装置のような電源装置においては、電力のスイッチングに起因して発生するノイズ（雑音または電磁妨害波）の伝播を抑制または防止することが要求される。

電源装置から発生したノイズは、その電源装置に接続された給電線路に伝播し、他の給電線路に接続されるラジオ、テレビなど他の電気機器または電子機器に電磁妨害波として支障を及ぼすことが知られている。従って、このノイズに対し、国際規格であるＣＩＳＰＲ Pｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ１４（国際無線障害特別委員会）において規制値が定められている。

一般に、給電線路へ伝播するノイズの基本的な低減手段として、特許文献１図１の電源装置のごとく、コモンモードフィルタとして一対のチョークコイルを含むコモンモードチョークコイルとコンデンサを給電線路に挿入したり、他に特性の異なるコモンモードフィルタを更に一段追加し、広帯域のフィルタを構成する手段などがある。

他に、ノイズ低減をする手段の代表例として、図２に示すようにコンデンサと抵抗を直列接続して構成されるＣＲアブソーバ１３を、スイッチング素子９の電力スイッチング端子間（例えば、ＦＥＴのドレイン、ソース間）に接続し、スイッチング素子９のターンオフ時に発生するサージ電圧を抑制することにより、ノイズを低減する手段がある。

ノイズの発生原因としては様々だが、一つの例として、装置の基準電位の脈動が挙げられる。例えば、一般に、携帯用電動工具の電池を充電する充電装置は携帯性が重視されていて、接地端子は備えられないため、充電装置の基板グランドは大地に接地されない。そのため、充電装置は、基板グランドが接地電位に対して浮いた状態で使用される。一般に、基板グランドが大地に接地されない充電装置には、電源トランスの一次側基準電位点と二次側基準電位点との間にコンデンサが設けられ、充電装置の基板と大地との間の電位差が低減され、充電装置の動作の安定性がある程度確保されている。ただし、電源トランスの一次側から見た二次側の基準電位は直流的には浮いた状態であるため、その波形は、商用交流電源の周波数と充電装置のスイッチング周波数に基づき、一次側基準電位を基準に脈動する。

特開２００８―１７８２７８

前述のコモンモードチョークコイルは、電磁妨害波対策用素子として一般的に使用されているものであるが、ノイズ除去の機能と同時に、商用電源の給電線路の一部を構成するものであるので、巻線を数十回から数百回巻き込まれた中空ボビンにフェライトコアを通して形成した構造となる。例えば、コモンモードチョークコイルは、ノイズ除去のために５ｍＨ以上のインダクタンスを必要とし、かつ充電装置の定格出力が70W以上である場合、要求されるインダクタンス値と定格電流値を実現し、かつ、コイルの温度上昇を規格値以下に適合させるために、約４ｍｍ×２０ｍｍ×１５ｍｍのサイズの中空フェライトコアと、導体断面積０．１３ｍｍ２のリード線を巻き込んだ直径１５ｍｍ幅１５ｍｍの中空ボビンが必要であり、プリント基板上におけるコモンモードチョークコイルの占有スペースは、約１５ｍｍ×２０ｍｍとなる。但し、装置のノイズレベルによって、上記のサイズより更に大型のコモンモードチョークコイルを使用したり、コモンモードチョークコイルを更に一段追加使用しなければならなくなる場合もある。

しかし、コモンモードチョークコイルを大型化したり、多段化すれば、装置は大型化し、更に、そのコストも高くなるという問題がある。

また、前述のＣＲアブソーバは、スイッチング素子のスイッチングロスを増大させる問題がある。そのためスイッチング素子の発熱が高まり、その分、スイッチング素子に装着される放熱器のサイズは大きくなり、そのコストも高くなるという問題がある。

従って、本発明の目的は、ノイズ除去用部材にかかるコストを低減し、かつノイズ電圧レベル(電磁妨害波端子電圧レベル)を低減し、また、電源部のスイッチングロスを低減し、放熱器にかかるコストを低減させた充電装置を提供することにある。

上記した目的は、携帯用電動工具の電池を充電するための充電装置であって、商用交流電源を整流平滑した直流電圧が入力される一次側主巻線と、前記電池への充電電力を出力する二次側主巻線と、前記充電装置の主電力を制御するスイッチング制御回路への電力を出力する一次側補助巻線と、前記充電装置の動作を制御する二次側制御回路への電力を出力する二次側補助巻線とで構成される単一のトランスと、少なくとも一つのコンデンサと少なくとも一つの抵抗を直列に接続して構成されるノイズ抑制回路とを有し、該ノイズ抑制回路を前記一次側補助巻線の正極側と前記二次側主巻線の負極側との間に接続したことを特徴とする充電装置により解決することができる。

本発明によれば、ノイズ除去用部材としてコンデンサと抵抗を追加するのみで、コモンモードチョークコイルを大型化または多段化せずに、ノイズレベルを抑制できる。すなわち、ノイズ除去用部材にかかるコストを低減し、かつノイズレベルを低減した充電装置を提供できる。

また、本発明によれば、ＣＲアブソーバを用いずとも、十分なノイズ低減効果を得られるため、ＣＲアブソーバを無くすことができ、ＣＲアブソーバにより発生するスイッチングロスが無くなり、スイッチング素子に装着される放熱器を小型化または無くすことができる。すなわち、電源部のスイッチングロスを低減し、放熱器にかかるコストを低減させた充電装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る充電装置の電源部を示す回路図である。 従来の充電装置の電源部の一例を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る充電装置の妨害波雑音端子電圧の周波数特性を示す特性図である。 本発明の一実施形態に係る充電装置と電池を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る充電装置における、一次側基準電位点Ｇ１から見た二次側基準電位点Ｇ２の電位変動を示す波形図である。 本発明の一実施形態に係る充電装置における、一次側基準電位点Ｇ１から見た二次側基準電位点Ｇ２の電位変動を示す波形の拡大図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図５を参照して詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。

図１は本発明の一実施形態に係る充電装置の電源部を示す回路図である。この電源部は、トランス２、コモンモードフィルタ３、整流平滑回路４、５、６、７、スイッチング制御回路８、スイッチング素子９、回路安定化用コンデンサ１０、１１、ノイズ抑制回路１２、定電圧回路１４、及びノイズ除去用コンデンサ３１、３２よりなる単一のスイッチング電源である。

トランス２は、商用電源１から供給される電力が入力される一次側主巻線２ａと、電池を充電するための電力を出力する二次側主巻線２ｂと、スイッチング制御回路へ電力を出力する一次側補助巻線２ｃと、二次側の制御回路へ電力を出力する二次側補助巻線２ｄを有する。

コモンモードフィルタ３は、コモンモードチョークコイルとコンデンサにより構成され、電源部から給電線路に伝播するノイズ（電磁妨害波）を低減する。

整流平滑回路４は、ダイオードブリッジとコンデンサにより構成され、商用電源１から供給される交流電圧を直流へと整流平滑する。

整流平滑回路５は、ダイオードとコンデンサにより構成され、一次側補助巻線２ｃに誘起される電圧を直流へと整流平滑し、スイッチング制御回路８を駆動するための電圧を出力する。

整流平滑回路６は、ダイオードとコンデンサにより構成され、二次側主巻線２ｂに誘起される電圧を直流へと整流平滑し、電池を充電するための電圧を出力する。

整流平滑回路７は、ダイオードとコンデンサにより構成され、二次側補助巻線２ｄに誘起される電圧を直流へと整流平滑し、装置の動作を制御する図示していない二次側制御回路を駆動するための電圧を出力する。

スイッチング制御回路８は、図示していない二次側制御回路からのフィードバック信号に基づき、スイッチング素子９を駆動せしめるＰＷＭ制御された信号を出力する。

スイッチング素子９は、スイッチング制御回路８からのＰＷＭ信号に基づき駆動し、一次側主巻線２ａに印加される電圧をスイッチングする。

定電圧回路１４は、整流平滑回路７から出力される直流電圧を所定の電圧に変換し、二次側制御回路に電力を供給する。

回路安定化用コンデンサ１０、１１は、一次側の基準電位に対する、二次側の基準電位を安定化し、制御回路の誤動作を防止する。

ノイズ除去用コンデンサ３１、３２は、一般に３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの周波数帯におけるノイズを低減させる。

ノイズ抑制回路１２は、本発明に従って、コンデンサ１２ａ、１２ｂ、抵抗１２ｃを直列に接続し構成され、一次側補助巻線２ｃの正極側と二次側基準電位点Ｇ２との間に接続されることにより、一次側の基準電位に対する、二次側の基準電位を更に安定化させ、０．１５ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの周波数帯におけるノイズを低減させる。

コンデンサ１２ａ、１２ｂの種類として、国際規格で認定されたセラミックコンデンサが選択される。容量として、コンデンサ１０、１１の合成容量とコンデンサ１２ａ、１２ｂの合成容量をより近い容量にすることで、より高いノイズ低減効果が得られる。但し、コンデンサの容量をあまり大きくすると、コンデンサ１２ａ、１２ｂ、１０、１１、３１、３２の合成容量に応じて、電源一次側から二次側へこれらのコンデンサを介して流れる漏れ電流が増加するため、国際規格で規定されている漏れ電流の限度を超えないレベルの容量が選択される。例えば、国際規格の規定値を満たしながら、十分なノイズ低減効果を得るために、コンデンサ１２ａ、１２ｂ、１０、１１、３１、３２の合成容量が、３３００ｐＦ程度になるように選択すればよい。

抵抗１２ｃは、一次側補助巻線２ｃとコンデンサ１２ａ、１２ｂによって形成される共振周波数付近のノイズを低減する。抵抗１２ｃの抵抗値としては、数十Ω〜数百Ωの範囲で実験的に選択すればよい。

図４は、本発明の一実施形態に係る充電装置と電池を示す回路図である。
充電装置１００は、電源部として、図１で示した単一のスイッチング電源を有し、制御部として、マイクロコンピュータ（以下、マイコンとする）１８、定電圧フィードバック回路１９、定電流フィードバック回路２０、充電電流検出抵抗２１、フォトカプラ２２、リレー駆動回路２４、電池電圧検出回路２５、電池温度検出回路２６、過充電信号検出回路２７、電池識別回路２８及び電圧降下回路３０を有する１電源方式充電装置である。

電池パック５０は、充電装置１００に装着されると、前記２５乃至２８の各回路及びマイコン１８により状態をチェックされた後、リレー２３と逆流阻止ダイオード２９を介して電源部に接続され、充電されるように構成されている。

なお、充電装置１００において、電池５０の充電を行っていない充電待機中は、整流平滑回路７の出力電圧をフィードバック制御することにより、制御部が最低限動作可能なレベルまで電源出力を抑制し、かつ電圧降下回路３０により整流平滑回路６の出力電圧を電池電圧より低い電圧に保持するように構成されている。

図４においても図１同様、ノイズ抑制回路１２を一次側補助巻線２ｃの正極側と二次側基準電位点Ｇ２との間に接続しているが、ノイズ抑制回路１２の二次側接続端は、基準電位点Ｇ２から充電電流検出抵抗２１を介した電位点Ｇ３に接続されてもよい。この場合、同時に回路安定化用コンデンサ１０、１１、ノイズ除去用コンデンサ３１、３２の二次側接続端も電位点Ｇ３に接続した方がよい。

図３は、本発明の一実施形態に係る充電装置のノイズ電圧レベル（電磁妨害波端子電圧レベル）の周波数特性を示す特性図である。特性曲線１５は、国際規格で規定されたノイズ周波数帯の許容限度値を示す特性曲線、特性曲線１６は、ノイズ制御回路１２を設けた場合のノイズ電圧レベルを示す特性曲線、特性曲線１７は、ノイズ制御回路１２を設けない場合のノイズ電圧レベルを示す特性曲線である。ノイズ抑制回路１２により、０．１５ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの周波数帯におけるノイズ電圧レベル（電磁妨害波端子電圧レベル）を低減でき、国際規格の規定値に対して、より低い電圧レベルに改善することができる。

図５は、本発明の一実施形態に係る充電装置において、一次側基準電位点Ｇ１から見た二次側基準電位点Ｇ２の電位変動を示す波形図である。波形（ａ）はノイズ抑制回路１２を設けない場合の波形、波形（ｂ）はノイズ抑制回路１２を設けた場合の波形である。何れの電圧波形も商用交流電源周波数の周期とスイッチング周波数の周期に基づき振動している。ノイズ抑制回路１２を設けない場合の波形（ａ）に比べ、ノイズ抑制回路１２を設けた場合の波形（ｂ）は電位変動の振れ幅が小さくなる。この理由について、図６を用いて説明する。

図６は、本発明の一実施形態に係る充電装置において、一次側基準電位点Ｇ１から見た二次側基準電位点Ｇ２の電位変動を示す波形の拡大図である。波形（ｃ）はコンデンサ１０、１１を設け、ノイズ抑制回路１２を設けない場合の波形、波形（ｄ）はコンデンサ１０、１１を設けずに、ノイズ抑制回路１２を設けた場合の波形、波形（ｅ）はコンデンサ１０、１１、ノイズ抑制回路１２の何れも設けた場合の波形である。
波形（ｅ）のごとく、波形（ｃ）と波形（ｄ）を打消し合わせることで、電位変動の振れ幅を小さくできる。

このことは、ノイズ抑制回路１２により、一次側に対する二次側の基準電位が、より安定化されていることを示している。これにより、０．１５ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの周波数帯のノイズ電圧レベルは、より低電圧レベルに改善された。

図２は従来の充電装置の電源部の一例を示す回路図である。この回路において、スイッチング素子９の電力スイッチング端子間に、ＣＲアブソーバ１３を接続している。ＣＲアブソーバ１３の効果により、スイッチング素子９のターンオフ時に発生するサージ電圧は低減され、サージ電圧により発生するノイズは低減される。しかしながら、ＣＲアブソーバ１３により発生するスイッチングロスにより、スイッチング素子９の発熱が高まるため、その分、スイッチング素子９に装着される放熱器のサイズが大きくなる。これに対し、本発明に従えば、図１のノイズ抑制回路１２によって、ＣＲアブソーバ１３を備えなくとも十分なノイズ低減効果が得られるため、ＣＲアブソーバ１３を無くすことができ、これによりスイッチングロスを低減でき、放熱器を小型化または無くすことができる。

以上の本発明によれば、ノイズ除去用部材としてコンデンサと抵抗を追加するのみで、コモンモードチョークコイルを大型化または多段化せずに、ノイズレベルを抑制できる。すなわち、ノイズ除去用部材にかかるコストを低減し、かつノイズレベルを低減した充電装置を提供できる。

また、本発明によれば、ＣＲアブソーバを備えなくとも、十分なノイズ低減効果を得られるため、ＣＲアブソーバにより発生するスイッチングロスを無くすことができ、スイッチング素子に装着される放熱器を小型化または無くすことができる。すなわち、電源部のスイッチングロスを低減し、放熱器にかかるコストを低減させた充電装置を提供できる。

１：交流電源 ２：トランス ３：コモンモードフィルタ ４、５、６、７：整流平滑回路 ８：スイッチング制御回路 ９：スイッチング素子 １０、１１：回路安定化用コンデンサ １２：ノイズ抑制回路 １３：ＣＲアブソーバ １４：定電圧回路 １８：マイコン １９：定電圧フィードバック回路 ２０：定電流フィードバック回路 ２１：充電電流検出抵抗 ２２：フォトカプラ ２３：リレー ２４：リレー駆動回路 ２５：電池電圧検出回路 ２６：電池温度検出回路 ２７：過充電信号検出回路 ２８：電池識別回路 ２９：逆流阻止ダイオード ３０：電圧降下回路 ３１、３２：ノイズ除去用コンデンサ ５０：電池パック５０ １００：充電装置

Claims (1)

1. 携帯用電動工具の電池を充電するための充電装置であって、
   商用交流電源を整流平滑した直流電圧が入力される一次側主巻線と、前記電池への充電電力を出力する二次側主巻線と、前記充電装置の主電力を制御するスイッチング制御回路への電力を出力する一次側補助巻線と、前記充電装置の動作を制御する二次側制御回路への電力を出力する二次側補助巻線とで構成される単一のトランスと、少なくとも一つのコンデンサと少なくとも一つの抵抗を直列に接続して構成されるノイズ抑制回路とを有し、該ノイズ抑制回路を前記一次側補助巻線の正極側と前記二次側主巻線の負極側との間に接続したことを特徴とする充電装置。