JP5994675B2

JP5994675B2 - 充電装置

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Publication number: JP5994675B2
Application number: JP2013030613A
Authority: JP
Inventors: 浩一 ▲崎▼田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: JP2014161160A

Description

本発明は、直流電圧を出力する電源装置にＤＣＤＣコンバータを直列に接続して構成された充電装置に関するものである。

電源装置を複数直列に接続して構成された充電装置として、下記の特許文献１に開示された充電装置が知られている。この充電装置は、同一仕様の直流電源装置を複数備え、必要に応じた台数の直流電源装置の各出力を直列接続することで、各直流電源装置から出力される直流電圧を加算して、必要な高電圧を得るように構成されている。この充電装置では、各直流電源装置が同時に動作を開始して、複数の二次電池で構成される組電池に対する充電を実行する。また、この充電装置では、組電池に流れる充電電流および組電池の充電電圧を検出しつつ組電池に対して定電流充電を実行し、検出している充電電圧が予め設定した充電終了電圧に達した時点で充電動作を終了させる。したがって、この充電装置によれば、直流電源装置の量産効果を追求することができ、これにより装置を安価に構成することが可能になっている。

また、この充電装置によれば、発生可能な電圧範囲（例えば、０〜９０ボルト）全域に亘って直流電源装置から直流電圧を発生させるのではなく、電源効率の低下が大きくなる低い電圧範囲を避けながら比較的狭い範囲（例えば、６０〜９０ボルト）内で直流電圧を発生させることで、各直流電源装置での電源効率を高めることが可能になっている。

特開２０００−１６６１１４号公報（第２−７頁、第１−２図）

ところが、上記の充電装置には以下のような改善すべき課題が存在している。すなわち、上記の充電装置では電源効率を高めるために、各直流電源装置で発生させる直流電圧の電圧範囲を上記の狭い範囲に限定する構成を採用していることから、この限定した狭い電圧範囲よりも充電電圧が低い電池を充電することができないという課題が存在している。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、複数の電源装置を直列に接続して電池を高電圧まで充電可能にし、かつ電源効率の低下を軽減しつつ充電電圧の低い電池についても充電し得る充電装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明に係る充電装置は、定電流電圧垂下型の過電流保護特性を有して正出力端子と負出力端子との間に直流電圧を出力する電源装置と、正入力端子が前記電源装置の前記正出力端子に接続されると共に負入力端子が前記電源装置の前記負出力端子に接続されて前記電源装置からの前記直流電圧を作動電圧として作動して、正出力端子と負出力端子との間に直流電圧を出力すると共に定電流電圧垂下型の過電流保護特性を有するＤＣＤＣコンバータとを備え、前記電源装置および前記ＤＣＤＣコンバータは、当該電源装置の前記正出力端子と当該ＤＣＤＣコンバータの前記負出力端子とが接続されることによって互いに直列に接続されると共に、当該ＤＣＤＣコンバータの前記正出力端子と当該電源装置の前記負出力端子との間に充電対象が接続され、前記ＤＣＤＣコンバータは、当該ＤＣＤＣコンバータの前記過電流保護特性における電圧垂下時の定電流値が前記電源装置の前記過電流保護特性における電圧垂下時の定電流値よりも低く規定されると共に、当該電源装置の前記直流電圧の電圧値が当該電源装置の当該直流電圧についての最大出力電圧値および当該最大出力電圧値の近傍の電圧値のいずれかに予め規定された閾値電圧に達したときに作動状態に移行して、当該ＤＣＤＣコンバータの前記定電流値で前記充電対象に充電電流を供給する。

本発明の充電装置によれば、電源装置の直流電圧が閾値電圧未満の低電圧の充電対象については、電源装置の直流電圧（充電対象の充電電圧）が閾値電圧に達するまでは電源装置だけで効率よく充電し、電源装置の直流電圧が閾値電圧に達した以降（充電電圧がある程度高い状態のとき）では、電源装置およびＤＣＤＣコンバータで充電対象をより高い充電電圧（電源装置の最大出力電圧値とＤＣＤＣコンバータの最大出力電圧値の合計電圧値）に充電することができる。したがって、この充電装置によれば、充電装置全体としての電源効率を充分に高く維持しつつ、充電電圧が低電圧の充電対象および充電電圧が高電圧の充電対象を充電することができる。

電源装置ＰＳとＤＣＤＣコンバータＣＮＶを備えた充電装置ＣＨの構成図である。電源装置ＰＳの直流電流Ｉｄｃ１に対する直流電圧Ｖｄｃ１の特性を示す出力特性図Ａ１、およびＤＣＤＣコンバータＣＮＶの直流電流Ｉｄｃ２に対する直流電圧Ｖｄｃ２の特性を示す出力特性図Ａ２である。充電装置ＣＨの充電電流Ｉｄｃに対する充電電圧Ｖｂの特性を示す出力特性図である。

以下、充電装置ＣＨの実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

まず、図１の充電装置ＣＨの構成について説明する。この充電装置ＣＨは、１つの電源装置ＰＳ、他の電源装置の一例である１つのＤＣＤＣコンバータＣＮＶ、逆流防止用の整流素子Ｄ１およびバイパス用の整流素子Ｄ２を備え、充電対象の電池としての蓄電池ユニット５０に直流電圧（後述する直流電圧Ｖｄｃ１、または直流電圧（Ｖｄｃ１＋Ｖｄｃ２））を出力して所定の充電電圧値（後述する各基準電圧値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２の合計電圧値）に充電する。なお、蓄電池ユニット５０は、一例として複数の蓄電池を直列接続して構成されている。

電源装置ＰＳは、一例として、正入力端子２、負入力端子３、整流平滑回路４、スイッチング回路５、トランス６、整流回路７、平滑回路８、制御回路９、正出力端子１０および負出力端子１１を備え、正入力端子２および負入力端子３間に入力される外部入力電圧（本例では一例として交流電圧Ｖａｃであるが、直流電圧でもよい）を直流電圧Ｖｄｃ１に変換して出力する絶縁型コンバータ（本例では絶縁型ＡＣＤＣコンバータ）として構成されている。

また、電源装置ＰＳは、図２に示す出力特性図Ａ１で表されるように、出力する直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値（本例では、この電圧値についても「電圧値Ｖｄｃ１」と表記するものとする）が基準電圧値Ｖｒｅｆ１で制限され、出力する直流電流Ｉｄｃ１の電流値（本例では、この電流値についても「電流値Ｉｄｃ１」と表記するものとする）が基準電流値Ｉｒｅｆ１で制限される定電流電圧垂下型の過電流保護特性を有している。なお、電源装置ＰＳは、絶縁型コンバータである限り、フォーワード方式、フライバック方式、ブリッジ方式およびプッシュプル方式など種々の絶縁型コンバータで構成することができる。

整流平滑回路４は、交流電圧Ｖａｃを整流および平滑することにより、直流電圧に変換して出力する。なお、交流電圧Ｖａｃに代えて直流電圧を外部入力電圧として入力する場合には、整流平滑回路４に代えて平滑回路を使用する構成を採用することもできるし、さらに、入力する直流電圧のリップルが少ない場合には、整流平滑回路４を省く構成を採用することもできる。

スイッチング回路５は、不図示のスイッチ素子（トランジスタなど）を有し、このスイッチ素子が制御回路９によって制御されてオン・オフを繰り返すことにより、整流平滑回路４から出力される直流電圧をスイッチングしてトランス６に断続的に印加する。トランス６は、一例として、互いに電気的に絶縁された１次巻線６ａおよび２次巻線６ｂを有している。また、トランス６は、スイッチング回路５による１次巻線６ａに対する直流電圧の断続的な印加に起因して２次巻線６ｂに交流電圧を誘起させる。

整流回路７は、２次巻線６ｂに誘起される交流電圧を整流することにより、脈流電圧に変換して出力する。平滑回路８は、整流回路７と相俟って整流平滑回路を構成し、整流回路７から出力される脈流電圧を平滑することによって直流電圧Ｖｄｃ１に変換して、正出力部８ａと負出力部８ｂとの間から出力する。また、平滑回路８は、不図示の電圧検出部および電流検出部を備えている。電圧検出部は、例えば、分圧抵抗回路で構成されて、直流電圧Ｖｄｃ１を検出すると共に、直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値に応じて電圧値が変化する電圧検出信号Ｓｖを生成して制御回路９に出力する。また、電流検出部は、例えば１Ω未満の微小抵抗値の検出抵抗で構成されて、正出力部８ａおよび負出力部８ｂから出力される直流電流Ｉｄｃ１を検出すると共に、直流電流Ｉｄｃ１の電流値Ｉｄｃ１に応じて電圧値が変化する電流検出信号Ｓｉを生成して制御回路９に出力する。

制御回路９は、スイッチング回路５のスイッチ素子に対するスイッチング制御を実行する。このスイッチング制御では、制御回路９は、電圧検出信号Ｓｖに基づいて現在の直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値を算出すると共に、電流検出信号Ｓｉに基づいて現在の直流電流Ｉｄｃ１の電流値Ｉｄｃ１を算出する。また、制御回路９は、算出した現在の直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値Ｖｄｃ１および現在の直流電流Ｉｄｃ１の電流値Ｉｄｃ１に基づいて、直流電圧Ｖｄｃ１および直流電流Ｉｄｃ１が図２に示す出力特性図Ａ１を満たすようにスイッチング回路５のスイッチ素子を制御する。

具体的には、制御回路９は、スイッチング回路５のスイッチ素子に対するデューティ比制御（または周波数制御）を実行することにより、出力される直流電流Ｉｄｃ１の電流値Ｉｄｃ１が基準電流値（最大出力電流値）Ｉｒｅｆ１未満のときには、直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値を一定の基準電圧値（最大出力電圧値）Ｖｒｅｆ１に制御して出力する定電圧制御動作を実行し、直流電流Ｉｄｃ１の電流値Ｉｄｃ１が基準電流値Ｉｒｅｆ１に達した状態においては、直流電流Ｉｄｃ１の電流値Ｉｄｃ１を一定の基準電流値Ｉｒｅｆ１に維持（制限）しつつ、直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値Ｖｄｃ１を変化させる定電流制御動作を実行する。

ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、一例として、正入力端子２２、負入力端子２３、入力電圧検出回路２４、スイッチング回路２５、トランス２６、整流回路２７、平滑回路２８、制御回路２９、正出力端子３０および負出力端子３１を備え、電源装置ＰＳの正出力端子１０に接続線を介して接続された正入力端子２２および電源装置ＰＳの負出力端子１１に接続線を介して接続された負入力端子２３間に入力される外部入力電圧（本例では、電源装置ＰＳから出力される直流電圧Ｖｄｃ１）を作動電圧として作動して、この直流電圧Ｖｄｃ１を直流電圧Ｖｄｃ２に変換して出力する絶縁型ＤＣＤＣコンバータとして構成されている。

また、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、図２に示す出力特性図Ａ２で表されるように、出力する直流電圧Ｖｄｃ２の電圧値（本例では、この電圧値についても「電圧値Ｖｄｃ２」と表記するものとする）が基準電圧値Ｖｒｅｆ２で制限され、出力する直流電流Ｉｄｃ２の電流値（本例では、この電流値についても「電流値Ｉｄｃ２」と表記するものとする）が基準電流値Ｉｒｅｆ２（＜Ｉｒｅｆ１）で制限される定電流電圧垂下型の過電流保護特性を有している。なお、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、絶縁型コンバータである限り、フォーワード方式、フライバック方式、ブリッジ方式およびプッシュプル方式など種々の絶縁型コンバータで構成することができる。

この場合、基準電流値Ｉｒｅｆ２は、上記した基準電流値Ｉｒｅｆ１よりも低く規定されているが、基準電圧値Ｖｒｅｆ２については、図２に示すように上記した基準電圧値Ｖｒｅｆ１よりも低い電圧値に規定してもよいし、図２の状態とは異なり、基準電圧値Ｖｒｅｆ１以上の電圧値に規定することもできる。

ただし、この充電装置ＣＨでは、電源装置ＰＳが、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶに供給する電力も含めて蓄電池ユニット５０に対する充電時における電力のすべてを供給している。このため、充電装置ＣＨが蓄電池ユニット５０の充電時において蓄電池ユニット５０に供給する電力の最大値（最大電力値）は、電源装置ＰＳが出力し得る電力の最大値（最大電力値）よりも小さくなる。

この場合、充電装置ＣＨについての上記の最大電力値は、電源装置ＰＳが後述するように直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値Ｖｄｃ１を基準電圧値Ｖｒｅｆ１に維持している状態（定電圧動作状態）において、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶが、直流電流Ｉｄｃ２の電流値Ｉｄｃ２を基準電流値Ｉｒｅｆ２に規定して蓄電池ユニット５０を充電している状態（定電流動作状態）から直流電圧Ｖｄｃ２の電圧値Ｖｄｃ２を基準電圧値Ｖｒｅｆ２に規定して蓄電池ユニット５０を充電する状態（定電圧動作状態）に移行した時点での電力値（（Ｖｒｅｆ１＋Ｖｒｅｆ２）×Ｉｒｅｆ２）になる。したがって、この充電装置ＣＨでは、基準電圧値Ｖｒｅｆ２および基準電流値Ｉｒｅｆ２は、この電力値（（Ｖｒｅｆ１＋Ｖｒｅｆ２）×Ｉｒｅｆ２）が電源装置ＰＳの最大電力値（Ｖｒｅｆ１×Ｉｒｅｆ１）未満になるように予め規定されている。

入力電圧検出回路２４は、例えば、不図示の分圧抵抗回路、基準電源およびコンパレータを備えて構成されて、分圧抵抗回路が、正入力端子２２および負入力端子２３間に入力される外部入力電圧（本例では直流電圧Ｖｄｃ１）を分圧し、コンパレータがこの分圧された電圧と基準電源（例えばツェナーダイオード）から出力される基準電圧とを比較することにより、直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値Ｖｄｃ１が予め規定された閾値電圧Ｖｔｈ以上のときに作動信号Ｓ１を出力する。

この場合、閾値電圧Ｖｔｈは、電源装置ＰＳの直流電圧Ｖｄｃ１についての最大出力電圧値（本例では、基準電圧値Ｖｒｅｆ１）およびこの最大出力電圧値にほぼ等しい電圧値（例えば、基準電圧値Ｖｒｅｆ１未満で、かつ基準電圧値Ｖｒｅｆ１の９０％以上の任意の電圧値。言い換えれば、最大出力電圧値よりも若干低い電圧値）のいずれかに予め規定されている。本例では一例として、閾値電圧Ｖｔｈは、図３に示すように、基準電圧値Ｖｒｅｆ１にほぼ等しい電圧値に規定されている。

スイッチング回路２５は、不図示のスイッチ素子（トランジスタなど）を有し、このスイッチ素子が制御回路２９によって制御されてオン・オフを繰り返すことにより、正入力端子２２および負入力端子２３間に入力される外部入力電圧（本例では直流電圧Ｖｄｃ１）をスイッチングしてトランス２６に断続的に印加する。トランス２６は、一例として、互いに電気的に絶縁された１次巻線２６ａおよび２次巻線２６ｂを有している。また、トランス２６は、スイッチング回路２５による１次巻線２６ａに対する直流電圧の断続的な印加に起因して２次巻線２６ｂに交流電圧を誘起させる。

整流回路２７は、２次巻線２６ｂに誘起される交流電圧を整流することにより、脈流電圧に変換して出力する。平滑回路２８は、整流回路２７と相俟って整流平滑回路を構成し、整流回路２７から出力された脈流電圧を平滑することによって直流電圧Ｖｄｃ２に変換して、正出力部２８ａと負出力部２８ｂとの間から出力する。また、平滑回路２８は、不図示の電圧検出部および電流検出部を備えている。電圧検出部は、例えば、分圧抵抗回路で構成されて、直流電圧Ｖｄｃ２を検出すると共に、直流電圧Ｖｄｃ２の電圧値に応じて電圧値が変化する電圧検出信号Ｓｃｖを生成して制御回路２９に出力する。また、電流検出部は、例えば１Ω未満の微小抵抗値の検出抵抗で構成されて、正出力部２８ａおよび負出力部２８ｂから出力される直流電流Ｉｄｃ２を検出すると共に、直流電流Ｉｄｃ２の電流値Ｉｄｃ２に応じて電圧値が変化する電流検出信号Ｓｃｉを生成して制御回路２９に出力する。

制御回路２９は、入力電圧検出回路２４から作動信号Ｓ１が出力されているときには、スイッチング回路２５のスイッチ素子に対するスイッチング制御を実行し、作動信号Ｓ１が出力されていないときには、このスイッチ素子に対するスイッチング制御の実行を停止する。このスイッチング制御では、制御回路２９は、電圧検出信号Ｓｃｖに基づいて現在の直流電圧Ｖｄｃ２の電圧値Ｖｄｃ２を算出すると共に、電流検出信号Ｓｃｉに基づいて現在の直流電流Ｉｄｃ２の電流値Ｉｄｃ２を算出する。また、制御回路２９は、算出した現在の直流電圧Ｖｄｃ２の電圧値Ｖｄｃ２および現在の直流電流Ｉｄｃ２の電流値Ｉｄｃ２に基づいて、直流電圧Ｖｄｃ２および直流電流Ｉｄｃ２が図２に示す出力特性図Ａ２を満たすようにスイッチング回路２５のスイッチ素子を制御する。

具体的には、制御回路２９は、スイッチング回路２５のスイッチ素子に対するデューティ比制御（または周波数制御）を実行することにより、出力される直流電流Ｉｄｃ２の電流値Ｉｄｃ２が基準電流値（最大出力電流値）Ｉｒｅｆ２未満のときには、直流電圧Ｖｄｃ２の電圧値を基準電圧値（最大出力電圧値）Ｖｒｅｆ２に制御して出力する定電圧制御動作を実行し、直流電流Ｉｄｃ２の電流値Ｉｄｃ２が基準電流値Ｉｒｅｆ２に達した状態においては、直流電流Ｉｄｃ２の電流値Ｉｄｃ２を基準電流値Ｉｒｅｆ２に維持（制限）しつつ、直流電圧Ｖｄｃ２の電圧値Ｖｄｃ２を変化させる定電流制御動作を実行する。

逆流防止用の整流素子Ｄ１は、一例としてダイオードで構成されて、図１に示すように、平滑回路２８の正出力部２８ａと後述する蓄電池ユニット５０の正極との間に、蓄電池ユニット５０の正極に向かう方向を順方向として接続されている。本例では一例として、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶに整流素子Ｄ１を外付けする構成のため、整流素子Ｄ１は、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの正出力端子３０と蓄電池ユニット５０の正極との間に接続線を介して接続されているが、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶに整流素子Ｄ１を内蔵させる構成では、整流素子Ｄ１は、平滑回路２８の正出力部２８ａとＤＣＤＣコンバータＣＮＶの正出力端子３０との間に接続される。なお、平滑回路２８が正出力部２８ａからの電流の流入を阻止する機能を備えている場合には、この整流素子Ｄ１を省くことができる。

バイパス用の整流素子Ｄ２は、一例としてダイオードで構成されて、図１に示すように、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの負出力端子３１と蓄電池ユニット５０の正極（この正極と整流素子Ｄ１を構成するダイオードのカソード端子との接続点）との間に、蓄電池ユニット５０の正極に向かう方向を順方向として接続されている。なお、上記したように、逆流防止用の整流素子Ｄ１をＤＣＤＣコンバータＣＮＶに内蔵させる構成では、バイパス用の整流素子Ｄ２についても、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの正出力端子３０と負出力端子３１との間に、正出力端子３０に向かう方向を順方向として接続した状態でＤＣＤＣコンバータＣＮＶに内蔵させる構成を採用することもできる。

以上のように構成された充電装置ＣＨでは、電源装置ＰＳの正出力端子１０とＤＣＤＣコンバータＣＮＶの正入力端子２２、および電源装置ＰＳの負出力端子１１とＤＣＤＣコンバータＣＮＶの負入力端子２３とが、それぞれ接続線で接続されている。また、電源装置ＰＳの正出力端子１０とＤＣＤＣコンバータＣＮＶの負出力端子３１とが接続線で接続されることによって、電源装置ＰＳおよびＤＣＤＣコンバータＣＮＶが互いに直列に接続（電源装置ＰＳおよびＤＣＤＣコンバータＣＮＶの各出力段が互いに直列に接続）されている。

また、整流素子Ｄ２を構成するダイオードのアノード端子には、電源装置ＰＳの正出力端子１０とＤＣＤＣコンバータＣＮＶの負出力端子３１とが接続され、整流素子Ｄ１を構成するダイオードのアノード端子には、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの正出力端子３０が接続されている。また、各整流素子Ｄ１，Ｄ２の接続点（各整流素子Ｄ１，Ｄ２をそれぞれ構成する各ダイオードのカソード端子）は、接続線を介して充電対象の電池（蓄電池ユニット５０）の正極に接続され、電源装置ＰＳの負出力端子１１と蓄電池ユニット５０の負極とが接続線で接続されることにより、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの正出力端子３０と電源装置ＰＳの負出力端子１１との間に蓄電池ユニット５０が接続されている。

したがって、充電装置ＣＨでは、電源装置ＰＳおよびＤＣＤＣコンバータＣＮＶの各直流電圧Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２が加算されて蓄電池ユニット５０に出力され、蓄電池ユニット５０は、充電装置ＣＨから出力される直流電流Ｉｄｃ（以下、「充電電流Ｉｄｃ」ともいう）により、各基準電圧値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２の合計電圧値に充電される。

次に、充電装置ＣＨの動作について説明する。なお、以下では、発明の理解を容易にするため、各整流素子Ｄ１，Ｄ２は、理想の整流素子であって、電圧降下がゼロボルトであるものとする。

充電装置ＣＨでは、まず、電源装置ＰＳが直流電圧Ｖｄｃ１の出力を開始する。具体的には、充電開始当初の蓄電池ユニット５０の充電電圧Ｖｂが基準電圧値Ｖｒｅｆ１よりも低い（より具体的には、閾値電圧Ｖｔｈよりも低い）ときには、電源装置ＰＳでは、制御回路９が、当初は、直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値Ｖｄｃ１を基準電圧値Ｖｒｅｆ１に規定するようにスイッチング回路５におけるスイッチ素子のデューティ比を増加させる制御を実行するものの、直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値Ｖｄｃ１は蓄電池ユニット５０の充電電圧Ｖｂに規定される。

この場合、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶでは、入力電圧検出回路２４は、検出している直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値Ｖｄｃ１が閾値電圧Ｖｔｈよりも低いことから、作動信号Ｓ１の出力を停止している。これにより、制御回路２９がスイッチング回路２５のスイッチ素子に対するオン・オフ制御を実行しないため、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、停止状態（直流電圧Ｖｄｃ２の出力を停止している状態）に維持されている。したがって、充電装置ＣＨでは、電源装置ＰＳのみが作動して、直流電圧Ｖｄｃ１で直流電流Ｉｄｃ１を出力する。この際に、電源装置ＰＳから出力された直流電流Ｉｄｃ１は、バイパス用の整流素子Ｄ２を経由して蓄電池ユニット５０に出力される。

この際に、直流電流Ｉｄｃ１は、充電電流Ｉｄｃとして蓄電池ユニット５０に供給される。また、蓄電池ユニット５０の充電電圧Ｖｂの電圧値が所定の充電電圧値（各基準電圧値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２の合計電圧値）に達するまでは、充電電流Ｉｄｃは、大きな電流値で蓄電池ユニット５０に流れ込む。このため、電源装置ＰＳでは、制御回路９が、スイッチング回路５のスイッチ素子に対するデューティ比を制御して、この電流値Ｉｄｃ１（この場合には、充電電流Ｉｄｃの電流値でもある）を基準電流値Ｉｒｅｆ１に維持する動作を実行する（定電流電圧垂下型の過電流保護機能を作動させる）。

これにより、充電装置ＣＨ（この場合には電源装置ＰＳ）は、図３に示すように、蓄電池ユニット５０の充電が進んでその充電電圧Ｖｂ（この場合には直流電圧Ｖｄｃ１）が基準電圧値Ｖｒｅｆ１に達するまでは、充電電流Ｉｄｃの電流値を基準電流値Ｉｒｅｆ１に維持しつつ蓄電池ユニット５０に出力する定電流充電を実行する。

その後、蓄電池ユニット５０の充電が進んで充電電圧Ｖｂ（この場合には直流電圧Ｖｄｃ１）が閾値電圧Ｖｔｈに達したときには、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶでは、入力電圧検出回路２４が作動信号Ｓ１の出力を開始する。これにより、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶでは、制御回路２９が、スイッチング回路２５のスイッチ素子に対するオン・オフ制御の実行を開始することから、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、直流電圧Ｖｄｃ２の出力を開始する。

したがって、この状態では、蓄電池ユニット５０には、電源装置ＰＳから出力されている直流電圧Ｖｄｃ１にＤＣＤＣコンバータＣＮＶから出力される直流電圧Ｖｄｃ２が加算されて供給される。この場合、この各直流電圧Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２の加算電圧値（合計電圧値）は、蓄電池ユニット５０の充電電圧Ｖｂに規定されて、この充電電圧Ｖｂの上昇に伴って上昇する。

このため、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶによる直流電圧Ｖｄｃ２の出力開始当初においては、直流電圧Ｖｄｃ２の電圧値が基準電圧値Ｖｒｅｆ２未満であることから、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの制御回路２９は、直流電圧Ｖｄｃ２の電圧値Ｖｄｃ２を基準電圧値Ｖｒｅｆ２に規定するようにスイッチング回路２５におけるスイッチ素子のデューティ比を増加させる制御を実行する。しかしながら、上記したように、直流電圧Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２の加算電圧値が、蓄電池ユニット５０の充電電圧Ｖｂに規定され、かつ直流電圧Ｖｄｃ１が、閾値電圧Ｖｔｈ（基準電圧値Ｖｒｅｆ１に近い電圧値）と等しい電圧となっている。このため、直流電圧Ｖｄｃ２の電圧値Ｖｄｃ２は、低い電圧値に抑えられて、その後に、充電電圧Ｖｂの上昇に伴って上昇する。

この状態では、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶが直流電圧Ｖｄｃ２の出力を開始した後においても、蓄電池ユニット５０の充電電圧Ｖｂの電圧値が所定の充電電圧値（各基準電圧値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２の合計電圧値）に達するまでは、充電電流Ｉｄｃは大きな電流値で蓄電池ユニット５０に流れ込もうとする。しかしながら、充電装置ＣＨでは、直流電圧Ｖｄｃ２の出力を開始したＤＣＤＣコンバータＣＮＶがその定電流電圧垂下型の過電流保護機能を作動させることにより、充電電流Ｉｄｃの電流値を制限する。つまり、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの制御回路２９が、スイッチング回路２５のスイッチ素子に対するデューティ比を制御することにより、直流電流Ｉｄｃ２の電流値Ｉｄｃ２、すなわち充電電流Ｉｄｃの電流値を基準電流値Ｉｒｅｆ２（＜基準電流値Ｉｒｅｆ１）に維持する動作を実行する。

これにより、充電装置ＣＨ（この場合には電源装置ＰＳおよびＤＣＤＣコンバータＣＮＶ）は、図３に示すように、蓄電池ユニット５０の充電が進んでその充電電圧Ｖｂの電圧値が基準電圧値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２の合計電圧値に達するまでは、充電電流Ｉｄｃの電流値を基準電流値Ｉｒｅｆ２に規定して蓄電池ユニット５０に出力する定電流充電を実行する。

この状態のときには、電源装置ＰＳから出力されている直流電流Ｉｄｃ１は、その一部が直流電流Ｉｄｃとして蓄電池ユニット５０に出力（供給）され、残りがＤＣＤＣコンバータＣＮＶに出力（供給される）される。

ここで、発明の理解を容易にするため、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの効率が仮に１００％であるとしたときには、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから出力されている直流電流Ｉｄｃ２の電流値Ｉｄｃ２が基準電流値Ｉｒｅｆ２のときには、電源装置ＰＳからＤＣＤＣコンバータＣＮＶに供給される直流電流Ｉｄｃ３の電流値（本例ではこの電流値についても「電流値Ｉｄｃ３」と表記するものとする）は、以下の式で表される。
電流値Ｉｄｃ３＝Ｖｄｃ２×Ｉｒｅｆ２／Ｖｄｃ１

また、電源装置ＰＳから出力されている直流電流Ｉｄｃ１の電流値Ｉｄｃ１は、各電流値Ｉｄｃ２（＝Ｉｒｅｆ２），Ｉｄｃ３の合計値となっている。このため、電流値Ｉｄｃ１は、以下の式で表される。
電流値Ｉｄｃ１＝Ｉｒｅｆ２＋Ｖｄｃ２×Ｉｒｅｆ２／Ｖｄｃ１
＝Ｉｒｅｆ２（１＋Ｖｄｃ２／Ｖｄｃ１）

また、本例のように閾値電圧Ｖｔｈが基準電圧値Ｖｒｅｆ１と同じか、または基準電圧値Ｖｒｅｆ１よりも若干低い電圧値に規定されているときには、電源装置ＰＳから出力されている直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値Ｖｄｃ１は、閾値電圧Ｖｔｈに達した後に、短時間で基準電圧値Ｖｒｅｆ１まで上昇する。また、このようにして直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値Ｖｄｃ１が基準電圧値Ｖｒｅｆ１に達した後は、電源装置ＰＳでは、制御回路９が、スイッチング回路５のスイッチ素子に対してデューティ比を制御しつつ、直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値Ｖｄｃ１を基準電圧値Ｖｒｅｆ１に維持する定電圧制御を実行する。

これにより、直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値Ｖｄｃ１が基準電圧値Ｖｒｅｆ１に達した後は、上記した電流値Ｉｄｃ１の式のパラメータのうちの電圧値Ｖｄｃ１が基準電圧値Ｖｒｅｆ１で一定となっているため、電流値Ｉｄｃ１の式のパラメータのうちの電圧値Ｖｄｃ２が、電圧値Ｖｄｃ１よりも十分に低い値から蓄電池ユニット５０の充電電圧Ｖｂの上昇に伴って次第に上昇する。したがって、直流電流Ｉｄｃ１の電流値Ｉｄｃ１は、基準電流値Ｉｒｅｆ２にほぼ等しい電流値から次第に増加する。

この充電装置ＣＨでは、上記したように、充電装置ＣＨが蓄電池ユニット５０の充電時において蓄電池ユニット５０に供給する電力の最大値（（Ｖｒｅｆ１＋Ｖｒｅｆ２）×Ｉｒｅｆ２）が、電源装置ＰＳが出力し得る電力の最大値（Ｖｒｅｆ１×Ｉｒｅｆ１）未満になるように、基準電圧値Ｖｒｅｆ２および基準電流値Ｉｒｅｆ２が規定されている。つまり、図３に示す電力Ｗａ（＝（Ｉｒｅｆ１−Ｉｒｅｆ２）×Ｖｒｅｆ１）が、同図に示す電力Ｗｂ（＝Ｖｒｅｆ２×Ｉｒｅｆ２）よりも大きくなるように規定されている。言い替えれば、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶが動作を開始したとき（つまり、充電装置ＣＨによる基準電流値Ｉｒｅｆ２での定電流充電が開始したとき）の電源装置ＰＳの余剰電力が、電力Ｗｂよりも大きくなるように規定されている。

このため、電源装置ＰＳは、動作を開始したＤＣＤＣコンバータＣＮＶに対して十分な電流値Ｉｄｃ３の直流電流Ｉｄｃ３を供給しつつ、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと共に蓄電池ユニット５０に対して基準電流値Ｉｒｅｆ２の直流電流Ｉｄｃ２を供給し続ける。

これにより、蓄電池ユニット５０の充電電圧Ｖｂは、次第に上昇し、その後に、基準電圧値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２の合計電圧値（Ｖｒｅｆ１＋Ｖｒｅｆ２）に達する。この状態に達した以降は、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶでは、制御回路２９が、スイッチング回路２５のスイッチ素子に対してデューティ比を制御しつつ、直流電圧Ｖｄｃ２の電圧値Ｖｄｃ２を基準電圧値Ｖｒｅｆ２に維持する定電圧制御を実行する。したがって、充電装置ＣＨは、基準電流値Ｉｒｅｆ２での定電流充電から、一定の電圧値（Ｖｒｅｆ１＋Ｖｒｅｆ２）での定電圧充電に充電動作を移行させる。

このように、この充電装置ＣＨでは、蓄電池ユニット５０の充電電圧Ｖｂが閾値電圧Ｖｔｈよりも低いとき（低電圧のとき）には、まず、電源装置ＰＳだけが作動状態に移行して、蓄電池ユニット５０に対する充電を実行し、その後に、充電電圧Ｖｂが閾値電圧Ｖｔｈに達したときに、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶが作動状態に移行して、電源装置ＰＳと共に蓄電池ユニット５０に対する充電を実行するというように、出力が直列に接続された電源装置ＰＳおよびＤＣＤＣコンバータＣＮＶが、この順序で順次作動状態に移行して、蓄電池ユニット５０を充電する。

したがって、この充電装置ＣＨは、充電電圧Ｖｂが低電圧の蓄電池ユニット５０についても充電することが可能になっている。また、この充電装置ＣＨは、電源効率が低下する充電電圧Ｖｂが低電圧のときには、電源装置ＰＳだけで蓄電池ユニット５０を充電し、充電電圧Ｖｂが閾値電圧Ｖｔｈに達したとき（充電電圧Ｖｂがある程度高くなったとき）に、残りのＤＣＤＣコンバータＣＮＶを作動状態に移行させて、電源装置ＰＳおよびＤＣＤＣコンバータＣＮＶで蓄電池ユニット５０をより高い充電電圧Ｖｂに充電する。このため、この充電装置ＣＨでは、電源効率の低い状態で電源装置ＰＳおよびＤＣＤＣコンバータＣＮＶが同時に動作する（例えば、電源装置ＰＳが直流電圧Ｖｄｃ１をその基準電圧値Ｖｒｅｆ１の２０％未満の状態で出力し、かつＤＣＤＣコンバータＣＮＶが直流電圧Ｖｄｃ２をその基準電圧値Ｖｒｅｆ２の２０％未満の状態で出力する）という事態の発生が回避されていることから、充電装置ＣＨ全体としての電源効率の低下が軽減されている。

なお、充電装置ＣＨが蓄電池ユニット５０に対する充電動作を開始した際に、蓄電池ユニット５０の充電電圧Ｖｂが閾値電圧Ｖｔｈよりも高いときには、電源装置ＰＳが動作を開始して直流電圧Ｖｄｃ１の出力を開始した直後において、直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値Ｖｄｃ１が閾値電圧Ｖｔｈを超えることになる。このため、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶも直ちに動作を開始する。したがって、充電装置ＣＨは、上記したように充電電流Ｉｄｃの電流値を基準電流値Ｉｒｅｆ２に規定して蓄電池ユニット５０に出力する定電流制御を実行して、蓄電池ユニット５０に対する充電を開始する。しかしながら、このときにおいても、電源装置ＰＳおよびＤＣＤＣコンバータＣＮＶがそれぞれの直流電圧Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２の電圧値Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２が共に低い状態で動作するという事態が発生しないことから、充電装置ＣＨ全体としての電源効率の低下が回避されている。

このようにして、充電装置ＣＨによる一定の電圧値（Ｖｒｅｆ１＋Ｖｒｅｆ２）での定電圧充電が継続して実行されたときには、蓄電池ユニット５０に供給される充電電流Ｉｄｃの電流値は基準電流値Ｉｒｅｆ２から徐々に減少する。したがって、電源装置ＰＳの制御回路９は、この充電電流Ｉｄｃの電流値が下限電流値Ｉｍｉｎ（＜基準電流値Ｉｒｅｆ２）に達した時点で、スイッチング回路５のスイッチ素子をオフ状態に制御することにより、直流電圧Ｖｄｃ１の生成動作を停止する（直流電圧Ｖｄｃがゼロボルトになる）。この結果、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶも動作を停止して、充電装置ＣＨによる蓄電池ユニット５０に対する充電が完了する。

このように、この充電装置ＣＨでは、最初に作動状態に移行して直流電圧Ｖｄｃ１の出力を開始する電源装置ＰＳの出力に、この直流電圧Ｖｄｃ１を作動電圧として作動状態に移行するＤＣＤＣコンバータＣＮＶの出力が直列に接続され、かつこのＤＣＤＣコンバータＣＮＶが、直流電圧Ｖｄｃ１についての最大出力電圧値（基準電圧値Ｖｒｅｆ１）およびこの最大出力電圧値の近傍の電圧値のいずれかに予め規定された閾値電圧Ｖｔｈに達したときに作動状態に移行して、一定の基準電流値Ｉｒｅｆ２で蓄電池ユニット５０に充電電流Ｉｄｃを供給する。

したがって、この充電装置ＣＨによれば、充電電圧Ｖｂが閾値電圧Ｖｔｈ未満の低電圧の蓄電池ユニット５０については、充電電圧Ｖｂが閾値電圧Ｖｔｈに達するまでは電源装置ＰＳだけで効率よく充電し、充電電圧Ｖｂが閾値電圧Ｖｔｈに達した以降（充電電圧Ｖｂがある程度高い状態のとき）では、電源装置ＰＳおよびＤＣＤＣコンバータＣＮＶで蓄電池ユニット５０をより高い充電電圧Ｖｂ（各基準電圧値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２の合計電圧値）に充電することができる。したがって、この充電装置ＣＨによれば、充電装置ＣＨ全体としての電源効率を充分に高く維持しつつ、充電電圧Ｖｂが低電圧の蓄電池ユニット５０および充電電圧Ｖｂが高電圧の蓄電池ユニット５０を充電することができる。

また、上記の例では、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの入力電圧検出回路２４が、電源装置ＰＳから出力される直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値Ｖｄｃ１を検出して閾値電圧Ｖｔｈと比較する構成を採用しているが、蓄電池ユニット５０の充電電圧Ｖｂの電圧値は、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの作動前では、この直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値Ｖｄｃ１に対して整流素子Ｄ２の順方向電圧分だけ低い電圧になるが、直流電圧Ｖｄｃ１の電圧値Ｖｄｃ１とほぼ等しい電圧値といえる。このため、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの入力電圧検出回路２４が、この蓄電池ユニット５０の充電電圧Ｖｂを検出して閾値電圧Ｖｔｈと比較する構成を採用することもできる。

１０，３０正出力端子
１１，３１負出力端子
２２正入力端子
２３負入力端子
５０蓄電池ユニット
ＣＮＶＤＣＤＣコンバータ
Ｉｒｅｆ１，Ｉｒｅｆ２基準電流値
ＰＳ電源装置
Ｖｂ充電電圧
Ｖｄｃ、Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２直流電圧
Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２基準電圧値（最大出力電圧値）
Ｖｔｈ閾値電圧

Claims

定電流電圧垂下型の過電流保護特性を有して正出力端子と負出力端子との間に直流電圧を出力する電源装置と、
正入力端子が前記電源装置の前記正出力端子に接続されると共に負入力端子が前記電源装置の前記負出力端子に接続されて前記電源装置からの前記直流電圧を作動電圧として作動して、正出力端子と負出力端子との間に直流電圧を出力すると共に定電流電圧垂下型の過電流保護特性を有するＤＣＤＣコンバータとを備え、
前記電源装置および前記ＤＣＤＣコンバータは、当該電源装置の前記正出力端子と当該ＤＣＤＣコンバータの前記負出力端子とが接続されることによって互いに直列に接続されると共に、当該ＤＣＤＣコンバータの前記正出力端子と当該電源装置の前記負出力端子との間に充電対象が接続され、
前記ＤＣＤＣコンバータは、当該ＤＣＤＣコンバータの前記過電流保護特性における電圧垂下時の定電流値が前記電源装置の前記過電流保護特性における電圧垂下時の定電流値よりも低く規定されると共に、当該電源装置の前記直流電圧の電圧値が当該電源装置の当該直流電圧についての最大出力電圧値および当該最大出力電圧値の近傍の電圧値のいずれかに予め規定された閾値電圧に達したときに作動状態に移行して、当該ＤＣＤＣコンバータの前記定電流値で前記充電対象に充電電流を供給する充電装置。