JP6031361B2 - 二次電池の充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の充電装置に関するものであって、特に、電源電圧を降圧するトランスの二次巻線として、充電回路に接続されるメイン巻線と制御回路に接続されるサブ巻線を有する充電装置に係る。

従来から、二次電池の充電装置としては、たとえば、特許文献１から特許文献３に示すように、トランスと交流生成用のスイッチング素子を組み合わせたスイッチング電源が、一般的に用いられている。このスイッチング電源は、トランスの一次側に商用電源を接続し、二次側に二次電池の充電回路とその制御回路を接続すると共に、トランスの一次側にトランジスタやＦＥＴなどのスイッチング素子を配置している。二次側の制御回路により充電回路で必要とする電力を検出し、これを一次側にフィードバックして、スイッチング素子をオン・オフさせている。

この種の従来技術の充電回路には、電池パックを充電装置に装着していない待機時や、電池パックの充電完了時などの軽負荷時において、制御回路の駆動電力を確保したり、スイッチング素子の動作を安定させるためのブリーダー抵抗が設けられている。

すなわち、電池パックの充電中は、充電回路に大きな電圧が要求されることから、スイッチング素子の連続したスイッチング動作により二次側に大きな電力を供給するため、制御回路の駆動電力も十分に賄える。しかし、電池パックの充電を行わない軽負荷時には、二次側は大きな電力を必要としないことから、スイッチング素子の発振周波数も低くなり、二次側に供給される電力が低下する。その結果、制御回路の駆動電力が不足することになるので、充電回路にブリーダー抵抗を挿入することで、ブリーダー抵抗が消費する電力分を二次側に供給し、制御回路に必要とする電力供給がなされるようにしている。

特開２００４−３５７４２０号公報 特開２００６−２０４３７号公報 特許第３６６１４７２号公報

昨今ＣＯ_２削減を目的として、家電製品に関する省エネ化が進む中、各国においても消費エネルギーの規格化が進み、待機電力や電源効率も基準値以下に対応しなければならなくなった。バッテリー充電器においても同様に待機中、充電中、充電後のトータル的なエネルギー規制が規格化されつつある。

しかしながら、前記のような従来技術においては、待機時や充電完了時におけるブリーダー抵抗の電力消費が、消費エネルギー低減の妨げになっていた。すなわち、この種の充電装置は、充電回路の負荷に応じてスイッチング素子を制御しているが、このような回路で電池パックが挿入されていない時などの軽負荷時において、スイッチング素子は軽負荷時損失を軽減するために、発振周波数を落としたり、バーストモードと呼ばれる間欠発振をしている。

一方、たとえ充電回路が軽負荷時であっても、サブ巻線に接続された制御回路では、制御回路の動作に必要な一定の値以上の電圧を維持する必要があるため、スイッチング素子の発振周波数を一定限度以上に落としたり間欠発振させて、二次側に供給する電力をあまり少なくすることは好ましくない。そのため、従来技術では、充電回路にブリーダー抵抗を設けることで、軽負荷時であっても充電回路にはブリーダー抵抗分の負荷が残るようにして、スイッチング素子の安定化や制御回路の駆動電力の確保を図っていた。しかし、このようなブリーダー抵抗の存在は、充電性能やユーザーの利便性に何ら関係のないものであり、単に電力を消費するだけのものであるから、電力の有効利用の面から好ましいものではなかった。

本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものである。本発明の目的は、ブリーダー抵抗を不要として、軽負荷時の電力削減を可能とした二次電池の充電装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、ＬＥＤを点滅表示する場合に、ＬＥＤの点灯時にはブリーダー抵抗に通電することなく、ＬＥＤの消灯時にのみブリーダー抵抗に通電することにより、消費電力の削減と、スイッチング素子の安定化や制御回路の駆動電力の確保を可能とした二次電池の充電装置を提供することにある。

本発明の二次電池の充電装置は、次のような構成を有することを特徴とする。
(1) トランスの一次巻線に電源回路とスイッチング素子が接続され、前記トランスの二次側にメイン巻線とサブ巻線が接続されている。
(2) 前記メイン巻線には充電対象の電池パックに対して電力を供給する充電回路が、前記サブ巻線には前記充電回路または前記スイッチング素子をオン・オフ制御する制御回路が接続されている。
(3) 前記充電回路には待機状態若しくは充電完了を表示するＬＥＤが接続され、この表示用のＬＥＤが、前記制御回路の指令に基づき、前記充電回路の軽負荷時において点灯する。
(4) 前記ＬＥＤに抵抗の一端が接続され、前記抵抗の他端が前記制御回路に接続されている。
(5) 前記制御回路が、充電回路の軽負荷時において、バッテリーの状態により、前記ＬＥＤを点滅させ、前記ＬＥＤが点灯するときには前記抵抗に電流を流さないように制御し、前記ＬＥＤが消灯するときには前記抵抗に電流を流すように制御する。

前記ＬＥＤを、ＬＥＤに直列に接続された定電圧回路を介して前記充電回路に接続することも、本発明の一態様である。

前記ＬＥＤと定電圧回路の接続点に抵抗の一端を接続し、前記抵抗の他端を前記制御回路に接続することも、本発明の一態様である。

前記制御回路が、充電回路の軽負荷時において、バッテリーの状態により、前記ＬＥＤを点滅させ、前記ＬＥＤが点灯するときには前記抵抗に電流を流さないように制御し、前記ＬＥＤが消灯するときには前記抵抗に電流を流すように制御することも、本発明の一態様である。

本発明によれば、ブリーダー抵抗を不要とし、充電装置において従来から設けられていた状態表示用のＬＥＤをブリーダー抵抗の代替として使用することが可能になるので、ブリーダー抵抗分の電力を削減することが可能になる。

バッテリーの充電状態に応じてＬＥＤを点滅させる実施の形態においては、ＬＥＤが消灯している間、すなわち、ＬＥＤに電流が流れていない時に、ブリーダー抵抗を接続して電流を流すことが可能になるので、消費電力を削減しつつ、スイッチング素子の安定化や制御回路の駆動電力を確保することが可能になる。

本発明の第１実施形態の構成を示す回路図である。 第１実施形態における表示用ＬＥＤの点灯と調整用抵抗の関係を示すシーケンス図である。

［実施形態の構成］
以下、本発明の実施形態を図１に従って具体的に説明する。本実施形態では、トランスＴの一次巻線１ａの一端には交流電源２が整流回路部３を介して接続され、一次巻線１ａの他端にはスイッチング素子４が接続されている。スイッチング素子４には、そのオン・オフを制御する一次側のスイッチング素子制御部５が設けられている。一次側のスイッチング素子制御部５にはフォトカプラ６の受信部が接続され、この受信部が制御回路２０から送信されたスイッチング素子４の制御信号を受信するこのフォトカプラ６の送信部は、トランスＴの二次側に接続された制御回路２０に設けられている。

スイッチング素子４は、制御回路２０からの制御信号に基づいて一次側制御部５にてオン・オフがコントロールされ、トランスＴを介して、二次側に充電出力を出力する。トランスＴの二次側には、メインとサブの２つの巻線１ｂ，１ｃが設けられ、メイン巻線１ｂには充電回路１０が、サブ巻線１ｃには制御回路２０が接続されている。

充電回路１０には、充電対象となる電池パック３０が接続され、電池パック３０の充電に必要な電圧がメイン巻線１ｂから供給される。電池パック３０には、電池パック３０の充放電状態や電池の温度などを検出する内部回路（図示せず）が設けられている。充電回路１０は、メイン巻線１ｂに接続された整流用のダイオードＤ１及びコンデンサＣ１と、電池パック３０に対する充電を開始したり、充電を停止するための充電スイッチ１１が設けられている。

制御回路２０は、電池パック３０の充放電の状態に応じて、充電回路１０の電圧及び電流を制御するもので、その駆動用の電力はサブ巻線１ｃから供給される。制御回路２０は、サブ巻線１ｃに接続された整流用のダイオードＤ２及びコンデンサＣ２と、充電回路１０の充電スイッチ１１に接続された充電制御部２１を備えている。

充電制御部２１は、電池パック３０の状態を判別する電池状態判別回路２２を備え、この電池状態判別回路２２によって検出した電池パック３０の充放電状態や電池の温度などに応じて、充電スイッチ１１をオン・オフする。充電制御部２１のスイッチング素子４のオン・オフを制御する信号の出力部２３が設けられている。充電制御部２１は、充電回路１０の電圧を常時監視し、検出した電圧に応じてスイッチング素子４をオン・オフする制御信号を、トランスＴの一次側に設けられたフォトカプラ６に対して、信号出力部２３から出力する。

充電回路１０と制御回路２０を接続するように、状態表示用のＬＥＤ４０が設けられている。状態表示用のＬＥＤ４０の一端は、ＬＥＤ４０に対して直列に接続された定電圧回路４１を介して、充電回路１０のメイン巻線１ｂに接続されている。ＬＥＤ４０の他端は、サブ巻線１ｃに接続された制御回路２０の充電制御部２１に接続されている。この状態表示用のＬＥＤ４０は、充電回路１０の軽負荷時に点灯あるいは点滅するものである。

状態表示用ＬＥＤ４０と同じように一端は定電圧回路４１を介して、充電回路１０のメイン巻線１ｂに接続されている。他端は、サブ巻線１ｃに接続された制御回路２０の充電制御部２１に調整用抵抗Ｒが接続されている。この調整用負荷抵抗Ｒは、従来技術におけるブリーダー抵抗に相当するものである。

充電制御部２１には、状態表示用のＬＥＤ４０の点灯あるいは点滅を制御するために、充電制御部２１にはＬＥＤ点灯回路４２と、このＬＥＤ点灯回路４２に代えて負荷調整用の抵抗Ｒを駆動する負荷調整回路４３が設けられている。このＬＥＤ点灯回路４２は、充電制御部２１に設けられた電池状態判別回路２２の検出結果、具体的には、電池パック３０の有無、電池パック３０の充放電状態に従って、ＬＥＤ４０の連続的な点灯あるいは断続的な点灯（点滅動作）を制御する。

調整用負荷抵抗Ｒは、軽負荷時に表示用ＬＥＤ４０が消灯しているときに、表示用ＬＥＤ４０に代わって、負荷調整回路４３に制御され、充電回路の電力を消費する。これらの動作は、制御回路２０に設けられたＬＥＤ点灯回路４２と負荷調整回路４３によって制御される。表示用ＬＥＤ４０の点灯と負荷抵抗Ｒの具体的なシーケンスの一例を、図２に示す。

本実施形態では、電池のない待機状態で電源が投入されると、電源が投入されているにも拘わらず、電池パックが充電装置にセットされていないことを警告する意味で、ＬＥＤ４０は点灯と消灯を繰り返す点滅動作を行う。その場合、充電スイッチ１１は、電池パック３０がセットされていないため、充電停止状態にある。ＬＥＤ４０の点滅動作の間、負荷抵抗Ｒには、ＬＥＤ４０の点灯時には電流が流れず、ＬＥＤ４０の消灯時には電流が流れる。

電池パック３０が充電装置にセットされると、これを検出して、充電スイッチ１１が投入され充電が開始されると共に、ＬＥＤ４０が消灯する。充電中は、充電回路１０に所定の負荷が加わることになるので、負荷抵抗Ｒを投入する必要がないので、ＬＥＤ４０の消灯中でも負荷抵抗Ｒに電流は流れない。

充電が完了すると、充電スイッチ１１がオフになると共に、ＬＥＤ４０は、点灯を継続することで充電完了の表示を行う。この状態では、ＬＥＤ４０に電流が流れるため、負荷抵抗Ｒに通電する必要はない。

［実施形態の作用］
本実施形態において、電池パック３０の充電中は、充電回路１０に対して充電に必要な多くの電力を供給する必要がある。そのため、制御回路２０は、その電池状態判別回路２２が検出した電池パック３０の状態に応じて、所定の電力が供給されるように、信号出力部２３からフォトカプラ６を介して、一次側のスイッチング素子制御部５に対して制御信号を送信する。一次側のスイッチング素子制御部５は、二次側の制御回路２０からの制御信号を受けてスイッチング素子４のオン・オフ制御を行い、それに従って、トランスＴの一次側に必要とする電力を供給する。

トランスＴの二次側では、メイン巻線１ｂがスイッチング素子制御部５によって制御された電力を降圧して充電回路１０が必要とする電圧を生成し、整流素子であるダイオードＤ１及びコンデンサＣ１によって整流した後、電池パック３０の充電を行う。この場合、トランスＴの一次側には、電池パック３０の充電に十分な電力が供給されるので、サブ巻線１ｃにおいても、制御回路２０を動作させるに足る十分な電力が供給される。

制御回路２０の電池状態判別部２２が、電池パック３０の充電完了を検出すると、充電制御部２１は充電スイッチ１１を切って充電を停止する一次側の制御部５は、軽負荷時スイッチング素子４のオン・オフ制御の発振周波数の低下若しくはバーストモードへの移行を指示する。同時に、充電制御部２１は、ＬＥＤ点灯回路４２に表示用ＬＥＤ４０の点灯あるいは点滅指令を出力し、ＬＥＤ点灯回路４２はその指令に従って表示用ＬＥＤ４０を連続的あるいは断続的に点灯させる。これにより、電池パック３０の充電完了や、充電装置から電池パック３０を取り外した待機状態になったことが、表示される。

一方、表示用ＬＥＤ４０が点灯した分、充電回路１０は電力消費することになるので、充電回路１０に対する電力供給は「０」になることがなく、スイッチング素子制御部５のオン・オフ制御もＬＥＤ４０の電力消費に見合った割合で行われる。その結果、トランスＴの一次側には一定の電力が供給されることになり、それを受けて、二次側のサブ巻線１ｃに接続された制御回路２０に対しても、その動作を確保することの電力が供給される。その結果、制御回路２０からの制御信号がスイッチング素子４に対して確実に出力されることになり、スイッチング素子４のオン・オフ制御が安定して行われる。

ＬＥＤ４０が消灯状態で電力消費を行わない時は、調整用抵抗Ｒが代わって電力消費を行うことで、スイッチング素子の安定化や制御回路の駆動電力を確保している。

［実施形態の効果］
本実施形態は、待機状態や充電完了を表示するためのＬＥＤ４０を光らせるための電力をメイン巻線１ｂ側から供給するようにしたので、従来のサブ巻線１ｃ側から供給する場合に比較して、ブリーダー抵抗が不要となり待機電力を低減させることができる。

また、バッテリーの状態により、ＬＥＤを点滅させたいときにも、消灯している間、すなわち、ＬＥＤに電流が流れていない時に、ブリーダー抵抗を接続して電流を流すことが可能になるので、消費電力を削減しつつ、スイッチング素子の安定化や制御回路の駆動電力を確保することができる。

特に、従来ではブリーダー抵抗をメイン巻線１ｂに接続された充電回路１０側に設けていたが、このブリーダー抵抗はスイッチング素子４の安定化以外には意味のないものである。これに対して、本実施形態では、装置に不可欠なＬＥＤ４０をスイッチング素子４安定化用の素子として使用したので、余分な部材を使用することなく、スイッチング素子４の安定化と電力削減を両立できる効果がある。

本実施形態では、表示用ＬＥＤ４０に定電圧回路４１を接続したので、電池電圧が変化しても、この定電圧回路４１により表示用ＬＥＤ４０には一定電圧が供給されるので、ＬＥＤ４０の発光量（輝度）が負荷の状態によって変動することがなく、点灯や点滅の表示が見やすい利点がある。

［他の実施形態］
本発明は、図示の実施形態に限定されるものではなく、以下のような他の実施形態も包含する。
(1) 表示用のＬＥＤ４０の数や種類は、表示形態やスイッチング素子４の安定化に要求される消費電力に合わせて適宜変更することができる。

(2) 図示の実施形態は、トランスに対して１つのメイン巻線を設けてそれに充電回路を接続したものであるが、複数のメイン巻線を設けて、各メイン巻線にそれぞれ充電回路を設けることもできる。その場合、すべての充電回路に表示用のＬＥＤを設けても良いし、いずれかの充電回路にＬＥＤを設け、すべての充電回路が軽負荷になった場合にそのＬＥＤを点灯させても良い。

(3) 図示の実施形態では、表示用ＬＥＤに定電圧回路を直列に接続して、それをメイン巻線に接続したが、充電回路の中から定電圧を取り出すことができれば、必ずしも図の位置に定電圧回路を設ける必要はない。

(4) ＬＥＤを点滅させる必要がない場合、すなわち、軽負荷時にＬＥＤを点灯させるだけで良い場合には、調整用負荷抵抗Ｒおよび負荷調整回路４３は不要である。

Ｔ…トランス
Ｄ１，Ｄ２…整流用ダイオード
Ｃ１，Ｃ２…整流用コンデンサ
Ｒ…調整用負荷抵抗
１ａ…一次巻線
１ｂ…メイン巻線
１ｃ…サブ巻線
２…交流電源
３…整流回路部
４…スイッチング素子
５…スイッチング素子制御部
６…フォトカプラ
１０…充電回路
１１…充電スイッチ
２０…制御回路
２１…充電制御部
２２…電池状態判別回路
２３…制御信号出力部
３０…電池パック
４０…状態表示用のＬＥＤ
４１…定電圧回路
４２…ＬＥＤ点灯回路
４３…負荷調整回路

Claims (1)

1. トランスの一次巻線に電源回路とスイッチング素子が接続され、前記トランスの二次側にメイン巻線とサブ巻線が接続され、
   前記メイン巻線には充電対象の電池パックに対して電力を供給する充電回路が、前記サブ巻線には前記充電回路または前記スイッチング素子をオン・オフ制御する制御回路が接続され、
   前記充電回路には待機状態若しくは充電完了を表示するＬＥＤが接続され、この表示用のＬＥＤが、前記制御回路の指令に基づき、前記充電回路の軽負荷時において点灯し、
   前記ＬＥＤに抵抗の一端が接続され、前記抵抗の他端が前記制御回路に接続され、
   前記制御回路が、充電回路の軽負荷時において、バッテリーの状態により、前記ＬＥＤを点滅させ、前記ＬＥＤが点灯するときには前記抵抗に電流を流さないように制御し、前記ＬＥＤが消灯するときには前記抵抗に電流を流すように制御することを特徴とする二次電池の充電装置。