JP5419551B2 - 充電装置及び照明装置 - Google Patents

Description

この発明は、二次電池を充電する充電装置に関する。

変圧器を有するＡＣ／ＤＣコンバータ、もしくはＤＣ／ＤＣコンバータを用いた二次電池の充電装置において、制御用ＩＣの電源（制御電源）を取得する構成の場合、二次電池の状態により制御電源への出力電圧が変化することを回避するため、制御電源は変圧器によって充電回路とは別の巻線から電圧を得ていた。

あるいは、充電回路から制御電源を取り出す際、二次電池の電圧が下がった場合に制御電源電圧が低下するのを避けるため、充電される二次電池に対して抵抗を直列に入れ、電池電圧が低い場合でも、抵抗にかかる電圧を電池電圧に加えることで、制御電源を確保していた（例えば、特許文献１。）。

特開２００６−３２０１８５号公報

抵抗にかかる電圧を電池電圧に加えることで制御電源を確保する方式（特許文献１）では、二次電池の電圧がある程度高くなった際には抵抗ロスが発生する。そこで、この発明は、制御用ＩＣの制御電源を充電装置から取得する構成において、二次電池電圧が低い場合でも充電回路から安定した制御用電源を取り出し可能であると共に、二次電池電圧が十分に高い通常時は抵抗ロスのない充電装置の提供を目的とする。

この発明の充電装置は、
直流電源の正極から、フィードバック制御によって定電流制御を実行する定電流制御回路、充電対象の二次電池、前記フィードバック制御に使用される電流を検出する定電流検出部の順に接続され、前記定電流検出部を経て前記直流電源の負極に接続される回路によって前記二次電池を充電する充電装置において、
前記二次電池と前記定電流制御回路との間に直列に接続された第１の抵抗と、
前記第１の抵抗に並列に接続すると共に制御を受けることにより自己の導通のオンオフ切替可能な第１のスイッチ部と、
前記二次電池の充電状態を監視することにより、前記二次電池の充電状態に応じて前記第１のスイッチ部をオンとオフとのいずれかの状態に切り替える二次電池状態監視部と
を備えたことを特徴とする。

この発明により、二次電池電圧が低い場合でも安定した制御用電源を取り出し可能であると共に、二次電池電圧が十分に高い通常時は抵抗ロスのない充電装置を提供できる。

実施の形態１の充電装置１００Ａの構成図。 実施の形態１の充電装置１００Ａのタイムチャート。 実施の形態２の充電装置１００Ｂの構成図。 実施の形態２の充電装置１００Ｂのタイムチャート。 実施の形態３の充電装置１００Ｃの構成図。 実施の形態３の充電装置１００Ｃのタイムチャート。

実施の形態１．
図１、図２を参照して実施の形態１の充電装置１００Ａを説明する。
図１は充電装置１００Ａを示すブロック図である。
図２は充電装置１００Ａの動作を示すタイミングチャートである。

（構成）
充電装置１００Ａは、変換回路２（直流電源）の正極から、フィードバック制御によって定電流制御を実行する定電流制御回路３、充電対象の二次電池７、前記フィードバック制御に使用される電流を検出する定電流検出部９の順に接続され、定電流検出部９を経て変換回路２の負極に接続される回路を構成している。そして、充電装置１００Ａは、二次電池７と定電流制御回路３との間に直列に接続された抵抗１（５）と、抵抗１（５）に並列に接続すると共に制御を受けることにより自己の導通のオンオフ切替可能な素子１（６）（スイッチ部）と、二次電池７の充電状態を監視することにより、二次電池７の充電状態に応じて素子１（６）をオンとオフとのいずれかの状態に切り替えるマイクロコンピュータ１１０（以下マイコンという）（二次電池状態監視部）とを備えている。

充電装置１００Ａは、定電流で二次電池７を充電する。充電装置１００Ａは、交流電源あるいは直流電源である電源１を変換回路２によって直流電源に変換することによりＤＣの二次電圧を得る。電源１は、例えば９０Ｖ〜２５４Ｖの商用交流電源である。また変換回路２は、ダイオードブリッジと変圧器により構成される回路である。充電装置１００Ａは、負荷である二次電池７が接続されると、定電流制御回路３（例えば定電流制御ＩＣなど）により、定電流動作をする。定電流制御回路３は二次電池７に定電流を供給する。

（定電流検出部９）
定電流検出部９は、抵抗などにより構成される。定電流制御回路３が、定電流検出部９に発生する電圧を取得してフィードバック制御（定電流制御）する。定電流検出部９は、定電流制御するために、電流を抵抗の分圧で検知し、定電流制御回路３にフィードバックする。

（定電流制御回路３）
定電流制御回路３は、定電流検出部９に発生した上記の電圧と基準電圧とを自身の有するコンパレータに入力する構成である。

（制御電源回路４）
制御電源回路４は、定電流制御回路３の出力のＡ点から充電装置１００Ａと同一のＤＣ二次電圧を取得する回路構成である。制御電源回路４は、自身の有するレギュレータにより、充電装置１００Ａと同一のＤＣ二次電圧に基づき、安定した電圧を得る。このように制御電源回路４はレギュレータを含む回路により構成され、安定した制御電源をつくる回路である。

（抵抗１、素子１）
抵抗１（５）は、バッテリー電圧（二次電池電圧）が低い時に、制御電源用の所定以上の電圧を与えるための抵抗である。素子１（６）は、抵抗１（５）を電気的に短絡のオンオフ（後述のように開放〜短絡まで調整してもよい）するための素子である。また二次電池７は、回路被充電物であり放電により動作する負荷８をもつ。ここで負荷８は充電された二次電池７により動作する。抵抗１（５）は、二次電池７に対して直列に接続され、その抵抗値は、二次電池７の短絡状態を想定し、その時、充電電流と抵抗により発生する電圧が、図１のＡ点に発生する。
すなわち、
Ａ点電圧ＶＡ＝二次電池７の電圧＋抵抗１（５）の電圧＋定電流検出部９の電圧
である。
このＡ点で発生する電圧が、制御用電源電圧を確保できる最低電圧を上回るように設定されるものとする。すなわち制御用電源電圧を確保できるＡ点の最低電圧をＶｍｉｎ、定電流の充電電流をＩとすると、
抵抗１（５）の最低の抵抗値Ｒｍｉｎは、次の式（１）により求まる。
Ｖｍｉｎ＝Ｒｍｉｎ×Ｉ、すなわちＲｍｉｎ＝Ｖｍｉｎ／Ｉ （１）
この抵抗１（５）は、二次電池７が低電圧状態の時に効果があるが、二次電池７の電池電圧が上昇すると、単なるロスになってしまう。そこで、二次電池７の電圧が十分高くなったときは抵抗１（５）と並列に接続された「素子１（６）」（スイッチ部）を短絡させ、抵抗１（５）を電気的に短絡させることで抵抗１（５）に電流が流れないようにする。ここで「素子１」とは、例えばスイッチング素子（トランジスタ）であり、二次電池７の電池電圧が所定値に上昇した際に、後述のようにマイコン１１０によりオンに制御される。このときの短絡させるタイミングは、バッテリー電圧（二次電池の電圧、以下ではバッテリー電圧ともいう）をＶｂａｔとすると、Ａ点の電圧が次の条件、式（２）を満たす場合とする。
Ｖｍｉｎ＜Ｖｂａｔ （２）
逆に、上記の式（２）を満たさなくなった場合、「素子１」を開放状態（オフ状態）にすることで、抵抗１（５）に電流が流れるようにする。

（素子１の例）
この素子１（６）の例としては、前述のようにトランジスタなどのスイッチング素子、あるいはフォトカプラ、あるいは複数のトランジスタによって構成された素子がある。素子１（６）はトリガー信号に対してレスポンス（オン、オフ動作）する仕組みになっている。一例としてマイコン１１０が二次電池の電圧（二次電池の充電状態）を監視しており、二次電池の電圧に応じて素子１（６）をオンあるいはオフにする制御するための信号１を素子１（６）に出力する。

（二次電池状態監視部の具体例）
トリガー信号出力（信号１の出力）は次の（１）または（２）を想定している。
（１）二次電池電圧を検出し、閾値を超えるとトリガー信号を出力する場合：
例えば、次の３パターンが挙げられる。
１．電池電圧をコンパレータに入力し、規定の電圧を超えるとトリガーがかかる。
２．電池電圧をマイコンに取り込んで、規定の電圧を超えるとトリガーがかかる。
３．リセットＩＣを用いて、規定の電圧を超えるとトリガーがかかる。
（２）電池電圧に追従する形でトリガー信号が出力される場合
１．電池電圧を分圧し、その電圧を持って徐々にトランジスタをＯＮさせていく方式などがあげられる。

（動作概要）
図２は、充電装置１００Ａの動作タイミングを示すタイミングチャートである。
図２を参照して、充電装置１００Ａの動作概要を説明する。

図２は、横軸を同一の時間軸ｔとした場合の、
（１）マイコン１１０の出力する信号１、
（２）電池電圧（二次電池電圧）、
（３）図１に示すＡ点の電圧ＶＡ、
（４）制御電源電圧Ｖｃｃ、
（５）充電電流（定電流）
の５つを対比した図である。
マイコン１１０は、二次電池７の充電状態を監視しており、二次電池７の電圧Ｖｂａｔが上記の式（２）の閾値Ｖｍｉｎをこえた時点（図２のｔ１）で、スイッチ・オンを指令する信号１を素子１（６）に出力する。素子１（６）は、この信号１を入力するとスイッチ・オンとなり、抵抗１（５）が短絡される。この短絡によって図２のようにＡ点電圧が低下するが、式（２）の条件のもとであるので、制御電源回路４に必要なＡ点電圧ＶＡが確保されることとなる。よって図２に示すように制御電源回路４の制御電源電圧Ｖｃｃは、素子１（６）のスイッチ・オン以降（ｔ１以降）もＶｍｉｎ以上に保たれる。

上記では素子１（６）はオン、オフ制御されるスイッチング素子の場合を説明したが次のような構成でもよい。すなわち、素子１（６）は、オン、オフの制御可能なスイッチング機能を持ち、さらに、可変抵抗機能を有すると共に制御を受けることにより所定の範囲で抵抗値を変化可能な可変抵抗素子であり、マイコン１１０は、二次電池７の充電状態を監視することにより、二次電池７の充電状態（電池電圧）に応じて素子１（６）の抵抗値を制御するように構成しても構わない。この構成により、抵抗ロス低減及び制御電源安定化のための細かい制御が可能になる。

実施の形態２．
図３、図４を参照して実施の形態２の充電装置１００Ｂを説明する。
図３は、充電装置１００Ｂのブロック図である。
図４は、充電装置１００Ｂの動作タイミングを示すタイミングチャートである。

図３の充電装置１００Ｂは、充電装置１００Ａに対して、定電流検出部９に並列に接続された抵抗接続部１２０を備えている。抵抗接続部１２０は抵抗２（１１）（第２の抵抗）と、スイッチング機能を有する素子２（１２）（第２のスイッチ部）との直列接続からなる。抵抗２（１１）は定電流検出部９の電圧を変化させるための抵抗である。素子２（１２）は、定電流検出部９の電圧を調整する素子である。マイコン１１０は、二次電池７の充電状態を監視し、二次電池７の充電状態に応じて素子２（１２）をオンとオフとのいずれかの状態に切り替える。

このように、充電装置１００Ａに対して、抵抗２（１１）、素子２（１２１）とからなる抵抗接続部１２０を定電流検出部９と並列に接続する。そしてマイコン１１０が、二次電池７の充電状態（電圧）の応じて素子２（１２）をオン（短絡）、オフ制御することで定電流の電流値を変化させるようにする。すなわちそしてマイコン１１０が、素子２（１２）をオンからオフあるいはオフからオンに制御すると、定電流検出部９によって検出される定電流が変化し、この定電流変化が定電流制御回路３にフィードバックされて定電流の電流値が変化する。これによって、実施の形態１の充電装置１００Ａに比べて、Ａ点の電位の安定を確保した上で、さらに細かい抵抗ロス低減の制御が可能となる。

（動作概要）
図４を参照して充電装置１００Ｂの動作概要を説明する。
図４は素子２（１２）の追加に伴い図２に対して信号２のタイムチャートが追加されている。図４は、素子１（６）がオフ、素子２（１２）がオンの前提である。マイコン１１０は、二次電池７の充電状態を監視しており、二次電池７の電圧が図４の閾値２（素子２に対応）を超えた時点（ｔ２）で、素子２（１２）に出力していた信号２（スイッチ・オンを指示する信号）の出力を停止し、素子（１２）をオフにする。この時点で、充電電流が図４のように低下する。さらにＡ点電圧が低下するが、閾値２は、制御電源に必要な電圧以上を確保する電池電圧という条件が課されているのでＡ点電圧はＶｃｃが確保される電圧以上に維持される。さらにマイコン１１０は、二次電池７の充電状態を監視しており、二次電池７の電圧が図４の閾値１（素子１に対応）を超えた時点（ｔ３）で、素子１（６）に信号１（スイッチ・オンを指示する信号）を出力し、素子１（６）をオンにし抵抗１（５）を短絡する。この短絡の効果は図２と同じであるので説明は省略する。

上記では素子２（１２）はオン、オフ制御されるスイッチング素子の場合を説明したが、実施の形態１の最後の部分で説明した素子１（６）のように、次の構成でもよい。すなわち、素子２（１２）は、オン、オフの制御可能なスイッチング機能を持ち、さらに、可変抵抗機能を有すると共に制御を受けることにより所定の範囲で抵抗値を変化可能な可変抵抗素子であり、マイコン１１０は、二次電池７の充電状態を監視することにより、二次電池７の充電状態（電池電圧）に応じて素子２（１２）の抵抗値を制御するように構成しても構わない。このように素子２（１２）にスイッチング機能及び可変抵抗機能を持たせて開放から短絡まで調整可能とすることで、定電流の電流値を変化させるようにする。定電流の検出抵抗は抵抗値が小さいほど多く電流を流すため、二次電池７が低電圧の場合、素子２（１２）を短絡（スイッチ・オン）することで、充電電流を増やすことが可能となる。実施の形態２では、抵抗１（５）の抵抗値は小さく、電流を大きくすることで、Ａ点の電圧を制御電源が確保できる最低電圧を確保した。そのほか素子１（６）とは別の閾値を設定し、トリガー信号により変化させる動作などは実施の形態１と同じである。

実施の形態３．
図５、図６を参照して実施の形態３の充電装置１００Ｃを説明する。
図５は、充電装置１００Ｃのブロック図である。
図６は、充電装置１００Ｃの動作タイミングを示すタイミングチャートである。充電装置１００Ｃは実施の形態２の充電装置１００Ｂに対して素子１（６）をなくした構成であり、構成バリエーションの一つとして示した。
図６は、充電装置１００Ｃの動作タイミングを示すタイミングチャート図であるが動作は充電装置１００Ｂと同様であり、動作説明は省略する。

充電装置１００Ｂでは素子１（６）の制御が可能であるが、素子２（１２）のみの制御で十分と考える場合は充電装置１００Ｃの構成とすることで構成が簡易となりコストも低減する効果がある。

実施の形態４．
実施の形態４は、電源１のバリエーションに関する。以上の実施の形態１〜３の図１、図３、図５で示した電源１、変換回路２は、以下のようなバリエーションでもよい。
（１）電源１が商用交流電源であり、変換回路２がＡＣ−ＤＣコンバータであり、これらの構成でＤＣ二次出力を得る。
（２）あるいは電源１が太陽電池、変換回路２がＤＣ−ＤＣコンバータであり、これらの構成でＤＣ二次出力を得る。
（３）電源１が充電対象の二次電池７とは異なる別の二次電池であり、変換回路２がＤＣ−ＤＣコンバータであり、これらの構成によってＤＣ二次出力を得る。

また、以上に説明した充電装置１００Ａ〜１００Ｃは、例えば非常灯などの照明装置に組み込まれて使用される。

以上に説明した充電装置１００Ａ〜１００Ｃでは、新たに回路に加えた抵抗に並列、または直列に可変抵抗素子を接続することで、電池電圧が上昇した場合に抵抗を短絡または開放して、抵抗ロスをなくし、もしくは異なる定電流充電モード（図４のｔ２、図６のｔ４）へ変化させることで、二次電池の低電圧時に、必要な制御用電圧を確保でき、かつ通常時は抵抗ロスのない消費電力の少ない充電装置を実現できる。

１ 電源、２ 変換回路、３ 定電流制御回路、４ 制御電源回路、５ 抵抗１、６ 素子１、７ 二次電池、８ 負荷、９ 定電流検出部、１０ 信号１、１１ 抵抗２、１２ 素子２、１３ 信号２、１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ 充電装置、１１０ マイコン、１２０ 抵抗接続部。

Claims (6)

1. 直流電源の正極から、フィードバック制御によって定電流制御を実行する定電流制御回路、充電対象の二次電池、前記フィードバック制御に使用される電流を検出する定電流検出部の順に接続され、前記定電流検出部を経て前記直流電源の負極に接続される回路によって前記二次電池を充電する充電装置において、
   前記二次電池と前記定電流制御回路との間に直列に接続された第１の抵抗と、
   前記第１の抵抗に並列に接続すると共に制御を受けることにより自己の導通のオンオフ切替可能な第１のスイッチ部と、
   前記二次電池の充電状態を監視することにより、前記二次電池の充電状態に応じて前記第１のスイッチ部をオンとオフとのいずれかの状態に切り替える二次電池状態監視部と、
   第２の抵抗と、制御を受けることにより自己の導通のオンオフ切替可能な第２のスイッチ部との直列接続からなり、前記定電流検出部に並列に接続された抵抗接続部と
   を備え、
   前記二次電池状態監視部は、
   前記二次電池の充電状態を監視することにより、前記二次電池の充電状態に応じて前記第２のスイッチ部をオンとオフとのいずれかの状態に切り替えることを特徴とする充電装置。
2. 前記抵抗接続部の前記第２のスイッチ部は、
   可変抵抗機能を有すると共に制御を受けることにより所定の範囲で抵抗値を変化可能であり、
   前記二次電池状態監視部は、
   前記二次電池の充電状態を監視することにより、前記二次電池の充電状態に応じて前記第２のスイッチ部の抵抗値を制御することを特徴とする請求項１記載の充電装置。
3. 直流電源の正極から、フィードバック制御によって定電流制御を実行する定電流制御回路、充電対象の二次電池、前記フィードバック制御に使用される電流を検出する定電流検出部の順に接続され、前記定電流検出部を経て前記直流電源の負極に接続される回路によって前記二次電池を充電する充電装置において、
   前記二次電池と前記定電流制御回路との間に直列に接続された第１の抵抗と、
   第２の抵抗と、制御を受けることにより自己の導通のオンオフ切替可能なスイッチ部との直列接続からなり、前記定電流検出部に並列に接続された抵抗接続部と、
   前記二次電池の充電状態を監視することにより、前記二次電池の充電状態に応じて前記スイッチ部をオンとオフとのいずれかの状態に切り替える二次電池状態監視部と
   を備えたことを特徴とする充電装置。
4. 前記抵抗接続部の前記スイッチ部は、
   可変抵抗機能を有すると共に制御を受けることにより所定の範囲で抵抗値を変化可能であり、
   前記二次電池状態監視部は、
   前記二次電池の充電状態を監視することにより、前記二次電池の充電状態に応じて前記スイッチ部の抵抗値を制御することを特徴とする請求項３記載の充電装置。
5. 前記充電装置は、さらに、
   前記定電流制御回路の出力から電圧が供給される制御電源回路を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の充電装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の充電装置を備えた照明装置。

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