JP6083923B2

JP6083923B2 - 充電装置

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Publication number: JP6083923B2
Application number: JP2011161661A
Authority: JP
Inventors: 太郎内山; 茂生角本
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2031-07-25
Also published as: JP2013027227A

Description

本発明は、充電装置に関する。

従来、２次電池を充電する充電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図３は、従来例に係る充電装置１００の回路図である。充電装置１００は、２次電池ＢＴを充電するか否かを制御する。この充電装置１００は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴで構成される充電スイッチ素子Ｑと、抵抗Ｒａ、Ｒｂと、制御スイッチ素子ＳＷと、ダイオードＤと、を備える。

充電スイッチ素子Ｑのソースには、直流電源ＤＣの正極が接続され、充電スイッチ素子Ｑのドレインには、ダイオードＤのアノードが接続される。ダイオードＤのカソードには、２次電池ＢＴの正極が接続される。

直流電源ＤＣの正極と負極との間には、抵抗Ｒａと抵抗Ｒｂと制御スイッチ素子ＳＷとを直列接続したものが設けられており、抵抗Ｒａと抵抗Ｒｂとの接続点には、充電スイッチ素子Ｑのゲートが接続される。具体的には、直流電源ＤＣの正極には、抵抗Ｒａの一端が接続され、抵抗Ｒａの他端には、抵抗Ｒｂの一端と、充電スイッチ素子Ｑのゲートと、が接続される。抵抗Ｒｂの他端には、制御スイッチ素子ＳＷを介して直流電源ＤＣの負極が接続される。直流電源ＤＣの負極には、２次電池ＢＴの負極も接続される。

以上の構成を備える充電装置１００は、制御スイッチ素子ＳＷを制御することで、充電スイッチ素子Ｑをスイッチングさせて、２次電池ＢＴを充電するか否かを制御する。

特開平１０−１４１２７号公報

図３に示した充電装置１００において、制御スイッチ素子ＳＷをオン状態にすることで、充電スイッチ素子Ｑをオン状態にすれば、充電スイッチ素子Ｑのゲートには、２次電池ＢＴの正極の電圧、すなわち２次電池ＢＴの充電電圧を、抵抗Ｒａと抵抗Ｒｂとで抵抗分割したものが印加される。

例えば、２次電池ＢＴの充電電圧をＶ_ＢＴ、抵抗Ｒａの抵抗値をＲＡ、抵抗Ｒｂの抵抗値をＲＢとすると、充電スイッチ素子Ｑおよび制御スイッチ素子ＳＷがともにオン状態であれば、充電スイッチ素子Ｑのゲートの電位ＶＧは、以下の式（１）のように表され、充電スイッチ素子Ｑのソースの電位ＶＳは、以下の式（２）のように表される。

このため、式（１）、（２）より、充電スイッチ素子Ｑのゲート−ソース間電圧ＶＧＳは、以下の式（３）のように表される。

以上のように、充電装置１００では、充電スイッチ素子Ｑのゲート−ソース間電圧は、２次電池ＢＴの充電電圧に依存する。このため、充電電圧の高い２次電池ＢＴを充電装置１００に接続すると、充電スイッチ素子Ｑの耐圧を超えてしまうおそれがある。よって、多様な種類の２次電池の充電には対応できず、充電装置１００で充電できる２次電池に制約があり、充電装置１００は、汎用性に欠けていた。

上述の課題を鑑み、本発明は、多様な種類の２次電池の充電に対応できる充電装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するために、以下の事項を提案している。
（１）本発明は、２次電池（例えば、図１の２次電池ＢＴに相当）を充電する充電装置（例えば、図１の充電装置１に相当）であって、前記２次電池の正極と直流電源（例えば、図１の直流電源ＤＣに相当）の正極とを断続する第１の充電スイッチ素子（例えば、図１の充電スイッチ素子Ｑ１に相当）と、前記第１の充電スイッチ素子の第１端子（例えば、図１の充電スイッチ素子Ｑ１のソースに相当）と制御端子（例えば、図１の充電スイッチ素子Ｑ１のゲートに相当）とを断続する第１の制御スイッチ素子（例えば、図１の制御スイッチ素子ＳＷ１に相当）と、前記第１の充電スイッチ素子の制御端子に正極が接続され、当該第１の充電スイッチ素子の第１端子に負極が接続された定電圧源（例えば、図１の定電圧源ＶＤＤに相当）と、を備え、前記第１の充電スイッチ素子の第１端子には、前記２次電池の正極が接続され、前記第１の充電スイッチ素子の第２端子（例えば、図１の充電スイッチ素子Ｑ１のドレインに相当）には、前記直流電源の正極が接続され、前記第１の充電スイッチ素子において、制御端子の電位が第１端子の電位と比べて前記定電圧源の電源電圧の分だけ高くなると、第１端子と第２端子とが導通することを特徴とする充電装置を提案している。

この発明によれば、２次電池を充電する充電装置に、第１の充電スイッチ素子、第１の制御スイッチ素子、および定電圧源を設けた。そして、第１の充電スイッチ素子の第１端子には、２次電池の正極を接続し、第１の充電スイッチ素子の第２端子には、直流電源の正極を接続し、この第１の充電スイッチ素子により、２次電池の正極と直流電源の正極とを断続することとした。また、第１の制御スイッチ素子により、第１の充電スイッチ素子の第１端子と制御端子とを断続することとした。また、定電圧源の正極には、第１の充電スイッチ素子の制御端子を接続し、定電圧源の負極には、第１の充電スイッチ素子の第１端子を接続した。また、第１の充電スイッチ素子において、制御端子の電位が第１端子の電位と比べて定電圧源の電源電圧の分だけ高くなると、第１端子と第２端子とが導通することとした。

このため、第１の制御スイッチ素子がオフ状態である場合には、第１の充電スイッチ素子の制御端子の電位は、第１の充電スイッチ素子の第１端子の電位と比べて、定電圧源の電源電圧の分だけ高くなる。したがって、第１の充電スイッチ素子の第１端子と第２端子とが導通し、第１の充電スイッチ素子がオン状態になる。

一方、第１の制御スイッチ素子がオン状態である場合には、第１の充電スイッチ素子の制御端子の電位は、第１の充電スイッチ素子の第１端子の電位と等しくなる。このため、第１の充電スイッチ素子の第１端子と第２端子とが絶縁状態となり、第１の充電スイッチ素子がオフ状態になる。

以上によれば、２次電池の充電電圧が直流電源の電源電圧以下である状態において、第１の制御スイッチ素子をオフ状態にすることで、第１の充電スイッチ素子をオン状態にし、直流電源の正極から２次電池の正極に向かって電流を流して、２次電池の充電を行うことができる。また、２次電池の充電電圧が直流電源の電源電圧以下である状態において、第１の制御スイッチ素子をオン状態にすることで、第１の充電スイッチ素子をオフ状態にし、直流電源の正極から２次電池の正極に向かって電流を流さないようにして、２次電池の充電を停止させることができる。

また、第１の充電スイッチ素子の制御端子には、第１の制御スイッチ素子を介して第１の充電スイッチ素子の第１端子が接続されるとともに、定電圧源を介して第１の充電スイッチ素子の第１端子が接続される。このため、第１の充電スイッチ素子において、制御端子の電位は、第１端子の電位と等しくなるか、または、第１端子の電位より定電圧源の電源電圧分だけ高くなる。したがって、第１の充電スイッチ素子の第１端子と制御端子との電位差は、定電圧源の電源電圧に依存するが、２次電池の充電電圧には依存しない。このため、２次電池の充電電圧が高い場合であっても、この２次電池を充電装置に接続することができるので、多様な種類の２次電池の充電に対応できる。

また、第１の充電スイッチ素子において、制御端子の電位が第１端子の電位と比べて定電圧源の電源電圧の分だけ高くなると、第１端子と第２端子とが導通する。このため、第１の充電スイッチ素子を、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成することができる。ここで、図３に示した従来例に係る充電装置１００では、２次電池ＢＴの正極と直流電源ＤＣの正極との間の充電スイッチ素子Ｑ、すなわち本発明の第１の充電スイッチ素子に対応するスイッチ素子を、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴで構成している。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴのオン抵抗は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴのオン抵抗と比べて小さい。そして、２次電池の充電中においては、２次電池の正極と直流電源の正極との間のスイッチ素子には、電流が流れる。このため、充電装置１００と比べて、２次電池の充電中における損失を低減できる。

（２）本発明は、（１）の充電装置について、一端から他端に向かって電流を流す逆流防止手段（例えば、図１の充電スイッチ素子Ｑ２や、ダイオードに相当）を備え、前記逆流防止手段の一端には、前記第１の充電スイッチ素子の第１端子が接続され、前記逆流防止手段の他端には、前記２次電池の正極が接続されることを特徴とする充電装置を提案している。

ここで、（１）の充電装置において、２次電池の充電電圧が直流電源の電源電圧より高い状態で、第１の充電スイッチ素子をオン状態にすると、２次電池の正極から直流電源の正極に向かって電流が逆流してしまうおそれがある。

そこで、この発明によれば、（１）の充電装置において、一端から他端に向かって電流を流す逆流防止手段を設け、逆流防止手段の一端には、第１の充電スイッチ素子の第１端子を接続し、逆流防止手段の他端には、２次電池の正極を接続した。

このため、逆流防止手段により、２次電池の正極から直流電源の正極に向かって電流が逆流してしまうのを防止できる。

（３）本発明は、（２）の充電装置について、前記逆流防止手段は、前記第１の充電スイッチ素子の第１端子と前記２次電池の正極とを断続する第２の充電スイッチ素子（例えば、図１の充電スイッチ素子Ｑ２に相当）と、前記第２の充電スイッチ素子の第１端子と制御端子とを断続する第２の制御スイッチ素子（例えば、図１の制御スイッチ素子ＳＷ２に相当）と、を備え、前記第１の充電スイッチ素子の第１端子には、前記第２の充電スイッチ素子を介して、前記２次電池の正極が接続され、前記第２の充電スイッチ素子の第１端子（例えば、図１の充電スイッチ素子Ｑ２のソースに相当）には、前記第１の充電スイッチ素子の第１端子と前記定電圧源の負極とが接続され、前記第２の充電スイッチ素子の第２端子（例えば、図１の充電スイッチ素子Ｑ２のドレインに相当）には、前記２次電池の正極が接続され、前記第２の充電スイッチ素子の制御端子（例えば、図１の充電スイッチ素子Ｑ２のゲートに相当）には、前記定電圧源の正極が接続され、前記第２の充電スイッチ素子において、制御端子の電位が第１端子の電位と比べて前記定電圧源の電源電圧の分だけ高くなると、第１端子と第２端子とが導通することを特徴とする充電装置を提案している。

この発明によれば、（２）の充電装置において、逆流防止手段に、第２の充電スイッチ素子および第２の制御スイッチ素子を設けた。そして、第２の充電スイッチ素子を介して、第１の充電スイッチ素子の第１端子と２次電池の正極とを接続し、この第２の充電スイッチ素子により、第１の充電スイッチ素子の第１端子と２次電池の正極とを断続することとした。具体的には、第２の充電スイッチ素子の第１端子には、第１の充電スイッチ素子の第１端子と定電圧源の負極とを接続し、第２の充電スイッチ素子の第２端子には、２次電池の正極を接続し、第２の充電スイッチ素子の制御端子には、定電圧源の正極を接続した。また、第２の制御スイッチ素子により、第２の充電スイッチ素子の第１端子と制御端子とを断続することとした。また、第２の充電スイッチ素子において、制御端子の電位が第１端子の電位と比べて定電圧源の電源電圧の分だけ高くなると、第１端子と第２端子とが導通することとした。

このため、第２の制御スイッチ素子がオフ状態である場合には、第２の充電スイッチ素子の制御端子の電位は、第２の充電スイッチ素子の第１端子の電位と比べて、定電圧源の電源電圧の分だけ高くなる。したがって、第２の充電スイッチ素子の第１端子と第２端子とが導通し、第２の充電スイッチ素子がオン状態になる。

一方、第２の制御スイッチ素子がオン状態である場合には、第２の充電スイッチ素子の制御端子の電位は、第２の充電スイッチ素子の第１端子の電位と等しくなる。このため、第２の充電スイッチ素子の第１端子と第２端子とが絶縁状態となり、第２の充電スイッチ素子がオフ状態になる。

以上によれば、２次電池の充電電圧が直流電源の電源電圧より高い場合には、第１の制御スイッチ素子の状態にかかわらず第２の制御スイッチ素子をオン状態にすることで、第１の充電スイッチ素子の状態にかかわらず第２の充電スイッチ素子をオフ状態にして、２次電池から直流電源に向かって電流が逆流してしまうのを防止できる。

また、図３のダイオードＤのように、（２）の充電装置における逆流防止手段をダイオードで構成しても、上述のように、２次電池から直流電源に向かって電流が逆流してしまうのを防止できる。しかしながら、第２の充電スイッチ素子のオン抵抗は、ダイオードのオン抵抗と比べて小さい。そして、２次電池の充電中においては、第２の充電スイッチ素子、または、第２の充電スイッチ素子の代わりに設けられたダイオードに、電流が流れる。このため、第２の充電スイッチ素子の代わりにダイオードを設けた場合と比べて、２次電池の充電中における損失を低減できる。

（４）本発明は、（３）の充電装置について、前記２次電池の充電を開始する際に、前記第２の制御スイッチ素子をオフ状態にした後に、前記第１の制御スイッチ素子をオフ状態にすることを特徴とする充電装置を提案している。

ここで、２次電池の充電を開始する際に、第１の制御スイッチ素子をオフ状態にした後に、第２の制御スイッチ素子をオフ状態にする場合について、検討する。この場合、第１の充電スイッチ素子がオン状態になってから、第２の充電スイッチ素子がオン状態になる。このため、第１の充電スイッチ素子がオン状態になるタイミングでは、第２の充電スイッチ素子がオフ状態であるため、第１の充電スイッチ素子の第１端子と２次電池の正極とが絶縁状態である。これによれば、第１の充電スイッチ素子がオン状態になるタイミングにおいて、直流電源から見た負荷のインピーダンスが小さくなるため、直流電源から大電流が出力されてしまうおそれがある。

そこで、この発明によれば、（３）の充電装置において、２次電池の充電を開始する際には、第２の制御スイッチ素子をオフ状態にした後に、第１の制御スイッチ素子をオフ状態にすることとした。このため、２次電池の充電を開始する際には、第２の充電スイッチ素子がオン状態になってから、第１の充電スイッチ素子がオン状態になる。したがって、第１の充電スイッチ素子がオン状態になるタイミングでは、第２の充電スイッチ素子が既にオン状態であるため、スイッチ素子の第１端子と２次電池の正極とが導通状態である。これによれば、第１の充電スイッチ素子がオン状態になるタイミングにおいて、直流電源にとっては、負荷として２次電池が既に接続されている状態であるため、直流電源から大電流が出力されてしまうのを防止できる。

（５）本発明は、（３）または（４）の充電装置について、前記２次電池の充電を終了する際に、前記第１の制御スイッチ素子をオン状態にした後に、前記第２の制御スイッチ素子をオン状態にすることを特徴とする充電装置を提案している。

ここで、２次電池の充電を終了する際に、第２の制御スイッチ素子をオン状態にした後に、第１の制御スイッチ素子をオン状態にする場合について、検討する。この場合、第２の充電スイッチ素子がオフ状態になってから、第１の充電スイッチ素子がオフ状態になる。第２の充電スイッチ素子には、ボディダイオードといった一方向性素子が内蔵されているため、第２の充電スイッチ素子をオフ状態にしても、第１の充電スイッチ素子と、第２の充電スイッチ素子に内蔵されている一方向性素子と、を介して、直流電源の正極から２次電池の正極に向かって電流が流れてしまう。このため、第２の充電スイッチ素子に内蔵されている一方向性素子に電流が流れることによって、損失が増大してしまう。

そこで、この発明によれば、（３）または（４）の充電装置において、２次電池の充電を終了する際には、第１の制御スイッチ素子をオン状態にした後に、第２の制御スイッチ素子をオン状態にすることとした。このため、２次電池の充電を終了する際には、第１の充電スイッチ素子がオフ状態になってから、第２の充電スイッチ素子がオフ状態になる。したがって、第１の充電スイッチ素子がオフ状態になるタイミングで、直流電源の正極から２次電池の正極に向かって電流が流れなくなる。よって、第２の充電スイッチ素子に内蔵されている一方向性素子に電流が流れてしまうのを防止して、損失を抑制できる。

本発明によれば、第１の制御スイッチ素子を制御することで、第１の充電スイッチ素子のスイッチングを制御して、２次電池の充電を制御することができる。また、第１の充電スイッチ素子の制御端子の電位は、定電圧源の電源電圧には依存するが、２次電池の充電電圧には依存しないので、２次電池の充電電圧が高い場合であっても、この２次電池を充電装置に接続することができ、多様な種類の２次電池の充電に対応できる。また、図３に示した従来例に係る充電装置１００と比べて、２次電池の充電中における損失を低減できる。

本発明の一実施形態に係る充電装置を備える充電システムの回路図である。前記充電装置のタイミングチャートである。従来例に係る充電装置の回路図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素などとの置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下の実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る充電装置１を備える充電システムＡＡの回路図である。充電システムＡＡは、充電装置１に加えて、直流電源ＤＣおよび２次電池ＢＴを備える。充電装置１は、２次電池ＢＴを充電するか否かを制御するとともに、２次電池ＢＴから直流電源ＤＣに向かって電流が逆流してしまうのを防止する。

［充電装置１の構成］
充電装置１は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成される充電スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２と、フォトトランジスタで構成される制御スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２と、抵抗Ｒ１、Ｒ２と、定電圧源ＶＤＤと、を備える。

充電スイッチ素子Ｑ１は、ボディダイオードＢＤ１を備えており、充電スイッチ素子Ｑ１のソースには、ボディダイオードＢＤ１のアノードが接続されるとともに、後述の充電スイッチ素子Ｑ２を介して２次電池ＢＴの正極が接続される。充電スイッチ素子Ｑ１のドレインには、ボディダイオードＢＤ１のカソードと、直流電源ＤＣの正極と、が接続される。

制御スイッチ素子ＳＷ１は、充電スイッチ素子Ｑ１のソースとゲートとの間に設けられる。具体的には、制御スイッチ素子ＳＷ１の一端には、充電スイッチ素子Ｑ１のソースが接続され、制御スイッチ素子ＳＷ１の他端には、充電スイッチ素子Ｑ１のゲートが接続される。この制御スイッチ素子ＳＷ１は、制御スイッチ素子ＳＷ１と対に設けられたフォトダイオード（図示省略）から光が出射されたか否かに応じて、充電スイッチ素子Ｑ１のソースとゲートとを断続する。

充電スイッチ素子Ｑ１のソースとゲートとの間には、定電圧源ＶＤＤと抵抗Ｒ１とを直列接続したものも、設けられる。具体的には、充電スイッチ素子Ｑ１のソースには、定電圧源ＶＤＤの負極が接続され、定電圧源ＶＤＤの正極には、抵抗Ｒ１を介して充電スイッチ素子Ｑ１のゲートが接続される。

充電スイッチ素子Ｑ２は、ボディダイオードＢＤ２を備えており、充電スイッチ素子Ｑ２のソースには、ボディダイオードＢＤ２のアノードが接続されるとともに、充電スイッチ素子Ｑ１のソースが接続される。充電スイッチ素子Ｑ２のドレインには、ボディダイオードＢＤ２のカソードと、２次電池ＢＴの正極と、が接続される。

制御スイッチ素子ＳＷ２は、充電スイッチ素子Ｑ２のソースとゲートとの間に設けられる。具体的には、制御スイッチ素子ＳＷ２の一端には、充電スイッチ素子Ｑ２のソースが接続され、制御スイッチ素子ＳＷ２の他端には、充電スイッチ素子Ｑ２のゲートが接続される。この制御スイッチ素子ＳＷ２は、制御スイッチ素子ＳＷ２と対に設けられたフォトダイオード（図示省略）から光が出射されたか否かに応じて、充電スイッチ素子Ｑ２のソースとゲートとを断続する。

充電スイッチ素子Ｑ２のソースとゲートとの間には、定電圧源ＶＤＤと抵抗Ｒ２とを直列接続したものも、設けられる。具体的には、充電スイッチ素子Ｑ２のソースには、定電圧源ＶＤＤの負極が接続され、定電圧源ＶＤＤの正極には、抵抗Ｒ２を介して充電スイッチ素子Ｑ２のゲートが接続される。

直流電源ＤＣの負極と、２次電池ＢＴの負極とは、互いに接続される。

［充電装置１の動作］
以上の構成を備える充電装置１は、制御スイッチ素子ＳＷ１を制御することで、２次電池ＢＴを充電するか否かを制御し、制御スイッチ素子ＳＷ２を制御することで、２次電池ＢＴから直流電源ＤＣに向かって電流が逆流してしまうのを防止する。

図２は、充電装置１のタイミングチャートである。図２において、Ｖ_ＤＣは、直流電源ＤＣの正極の電圧、すなわち直流電源ＤＣの電源電圧を示す。ＳＴ_ＳＷ１は、制御スイッチ素子ＳＷ１の状態を示し、ＳＴ_ＳＷ２は、制御スイッチ素子ＳＷ２の状態を示す。ＳＴ_Ｑ１は、充電スイッチ素子Ｑ１の状態を示し、ＳＴ_Ｑ２は、充電スイッチ素子Ｑ２の状態を示す。

ここで、時刻ｔ１より以前の期間では、直流電源ＤＣが停止しており、制御スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２がともにオン状態であるものとする。このため、オン状態である制御スイッチ素子ＳＷ１により、充電スイッチ素子Ｑ１のソースとゲートとが導通し、充電スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧がゼロであるため、充電スイッチ素子Ｑ１はオフ状態である。また、オン状態である制御スイッチ素子ＳＷ２により、充電スイッチ素子Ｑ２のソースとゲートとが導通し、充電スイッチ素子Ｑ２のゲート−ソース間電圧がゼロであるため、充電スイッチ素子Ｑ２はオフ状態である。したがって、直流電源ＤＣの正極から２次電池ＢＴの正極に向かって電流が流れないため、２次電池ＢＴの充電は行われていない。

時刻ｔ１において、直流電源ＤＣを起動させる。これによれば、直流電源ＤＣの電源電圧Ｖ_ＤＣは、Ｖ１まで上昇する。しかし、制御スイッチ素子ＳＷ１はオン状態のままであるため、充電スイッチ素子Ｑ１はオフ状態のままである。このため、２次電池ＢＴの充電は開始されない。

時刻ｔ２において、制御スイッチ素子ＳＷ２をオフ状態にする。これによれば、充電スイッチ素子Ｑ２のゲート−ソース間電圧は、定電圧源ＶＤＤの正極の電圧、すなわち定電圧源ＶＤＤの電源電圧に等しくなる。本実施形態では、定電圧源ＶＤＤの電源電圧は、充電スイッチ素子Ｑ２の閾値電圧以上であるものとする。このため、充電スイッチ素子Ｑ２は、オン状態になる。しかし、制御スイッチ素子ＳＷ１はオン状態のままであるため、充電スイッチ素子Ｑ１はオフ状態のままである。したがって、２次電池ＢＴの充電は開始されない。

時刻ｔ３において、制御スイッチ素子ＳＷ１をオフ状態にする。これによれば、充電スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧は、定電圧源ＶＤＤの電源電圧に等しくなる。本実施形態では、定電圧源ＶＤＤの電源電圧は、充電スイッチ素子Ｑ１の閾値電圧以上であるものとする。このため、充電スイッチ素子Ｑ１は、オン状態になる。すると、充電スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２を介して、直流電源ＤＣの正極から２次電池ＢＴの正極に向かって電流が流れ、２次電池ＢＴの充電が開始される。したがって、直流電源ＤＣの電源電圧Ｖ_ＤＣは、２次電池ＢＴの正極の電圧、すなわち２次電池ＢＴの充電電圧Ｖ_ＢＴに略等しくなる。

時刻ｔ４において、制御スイッチ素子ＳＷ１をオン状態にする。これによれば、充電スイッチ素子Ｑ１のソースとゲートとが導通し、充電スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧がゼロになるため、充電スイッチ素子Ｑ１がオフ状態になる。すると、直流電源ＤＣの正極から２次電池ＢＴの正極に向かって電流が流れなくなるため、２次電池ＢＴの充電が終了となる。このため、直流電源ＤＣにとっては無負荷状態になるので、直流電源ＤＣの電源電圧Ｖ_ＤＣは、Ｖ１に戻る。

時刻ｔ５において、制御スイッチ素子ＳＷ２をオン状態にする。これによれば、充電スイッチ素子Ｑ２のソースとゲートとが導通し、充電スイッチ素子Ｑ２のゲート−ソース間電圧がゼロになるため、充電スイッチ素子Ｑ２がオフ状態になる。

時刻ｔ６において、直流電源ＤＣを停止させる。これによれば、直流電源ＤＣの電源電圧Ｖ_ＤＣは、ゼロまで低下する。

以上の充電装置１によれば、以下の効果を奏することができる。

充電装置１は、２次電池ＢＴの充電電圧Ｖ_ＢＴが直流電源ＤＣの電源電圧Ｖ_ＤＣ以下である状態において、制御スイッチ素子ＳＷ１をオフ状態にする。すると、充電スイッチ素子Ｑ１がオン状態になる。ここで、制御スイッチ素子ＳＷ２がオフ状態であれば、充電スイッチ素子Ｑ２がオン状態であるため、充電スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２を介して、直流電源ＤＣの正極から２次電池ＢＴの正極に向かって電流が流れ、２次電池ＢＴの充電が行われる。一方、制御スイッチ素子ＳＷ２がオン状態であれば、充電スイッチ素子Ｑ２はオフ状態であるが、充電スイッチ素子Ｑ１およびボディダイオードＢＤ２を介して、直流電源ＤＣの正極から２次電池ＢＴの正極に向かって電流が流れ、２次電池ＢＴの充電が行われる。以上によれば、２次電池ＢＴの充電電圧Ｖ_ＢＴが直流電源ＤＣの電源電圧Ｖ_ＤＣ以下である状態において、制御スイッチ素子ＳＷ１をオフ状態にすることで、２次電池ＢＴの充電を行うことができる。

また、充電装置１は、２次電池ＢＴの充電電圧Ｖ_ＢＴが直流電源ＤＣの電源電圧Ｖ_ＤＣ以下である状態において、制御スイッチ素子ＳＷ１をオン状態にする。すると、充電スイッチ素子Ｑ１がオフ状態になる。このため、制御スイッチ素子ＳＷ２がオン状態であるかオフ状態であるかにかかわらず、すなわち充電スイッチ素子Ｑ２がオフ状態であるかオン状態であるかにかかわらず、直流電源ＤＣの正極から２次電池ＢＴの正極に向かって電流が流れないため、２次電池ＢＴの充電が行われない。以上によれば、２次電池ＢＴの充電電圧Ｖ_ＢＴが直流電源ＤＣの電源電圧Ｖ_ＤＣ以下である状態において、制御スイッチ素子ＳＷ１をオン状態にすることで、２次電池ＢＴの充電を停止させることができる。

また、充電装置１は、充電スイッチ素子Ｑ１のゲートを、制御スイッチ素子ＳＷ１を介して充電スイッチ素子Ｑ１のソースに接続するとともに、抵抗Ｒ１および定電圧源ＶＤＤを介して充電スイッチ素子Ｑ１のソースに接続している。このため、充電スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧は、制御スイッチ素子ＳＷ１がオン状態である場合にはゼロとなり、制御スイッチ素子ＳＷ１がオフ状態である場合には定電圧源ＶＤＤの電源電圧に略等しくなる。したがって、充電スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧は、定電圧源ＶＤＤの電源電圧には依存するが、２次電池ＢＴの充電電圧Ｖ_ＢＴには依存しない。よって、２次電池の充電電圧が高い場合であっても、この２次電池を充電装置１に接続することができるので、多様な種類の２次電池の充電に対応できる。

また、２次電池ＢＴの正極と直流電源ＤＣの正極との間のスイッチ素子は、図３に示した従来例に係る充電装置１００では、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されているのに対して、図１に示した本発明の一実施形態に係る充電装置１では、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されている。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴのオン抵抗は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴのオン抵抗と比べて小さい。そして、２次電池ＢＴの充電中においては、２次電池ＢＴの正極と直流電源ＤＣの正極との間のスイッチ素子には、電流が流れる。このため、充電装置１００と比べて、２次電池ＢＴの充電中における損失を低減できる。

また、充電装置１は、２次電池ＢＴの充電電圧Ｖ_ＢＴが直流電源ＤＣの電源電圧Ｖ_ＤＣより高い状態において、制御スイッチ素子ＳＷ２をオン状態にする。すると、充電スイッチ素子Ｑ２がオフ状態になる。このため、制御スイッチ素子ＳＷ１がオン状態であるかオフ状態であるかにかかわらず、すなわち充電スイッチ素子Ｑ１がオフ状態であるかオン状態であるかにかかわらず、２次電池ＢＴの正極から直流電源ＤＣの正極に向かって電流が流れない。以上によれば、２次電池ＢＴの充電電圧Ｖ_ＢＴが直流電源ＤＣの電源電圧Ｖ_ＤＣより高い状態において、制御スイッチ素子ＳＷ２をオン状態にすることで、２次電池ＢＴの正極から直流電源ＤＣの正極に向かって電流が逆流してしまうのを防止できる。

また、充電装置１は、上述のように、充電スイッチ素子Ｑ２をオフ状態にすることで、２次電池ＢＴの正極から直流電源ＤＣの正極に向かって電流が逆流してしまうのを防止する。ここで、図３のダイオードＤのように、充電スイッチ素子Ｑ２の代わりにダイオードを設けても、２次電池ＢＴの正極から直流電源ＤＣの正極に向かって電流が逆流してしまうのを防止できる。しかしながら、充電スイッチ素子Ｑ２は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されているため、充電スイッチ素子Ｑ２のオン抵抗は、ダイオードのオン抵抗と比べて小さい。そして、２次電池ＢＴの充電中においては、充電スイッチ素子Ｑ２、または、充電スイッチ素子Ｑ２の代わりに設けられたダイオードに、電流が流れる。このため、充電スイッチ素子Ｑ２の代わりにダイオードを設けた場合と比べて、２次電池ＢＴの充電中における損失を低減できる。

ここで、２次電池ＢＴの充電を開始する際に、制御スイッチ素子ＳＷ１をオフ状態にした後に、制御スイッチ素子ＳＷ２をオフ状態にする場合について、検討する。この場合、充電スイッチ素子Ｑ１がオン状態になってから、充電スイッチ素子Ｑ２がオン状態になる。このため、充電スイッチ素子Ｑ１がオン状態になるタイミングでは、充電スイッチ素子Ｑ２がオフ状態であるため、充電スイッチ素子Ｑ１のソースと２次電池ＢＴの正極とが絶縁状態である。これによれば、充電スイッチ素子Ｑ１がオン状態になるタイミングにおいて、直流電源ＤＣから見た負荷のインピーダンスが小さくなるため、直流電源ＤＣから大電流が出力されてしまうおそれがある。

しかしながら、充電装置１は、２次電池ＢＴの充電を開始する際に、図２の時刻ｔ２および時刻ｔ３に示したように、制御スイッチ素子ＳＷ２をオフ状態にした後に、制御スイッチ素子ＳＷ１をオフ状態にすることで、充電スイッチ素子Ｑ２をオン状態にした後に、充電スイッチ素子Ｑ１をオン状態にする。このため、充電スイッチ素子Ｑ１がオン状態になるタイミングでは、充電スイッチ素子Ｑ２が既にオン状態であるため、充電スイッチ素子Ｑ１のソースと２次電池ＢＴの正極とが導通状態である。これによれば、充電スイッチ素子Ｑ１がオン状態になるタイミングにおいて、直流電源ＤＣにとっては、負荷として２次電池ＢＴが既に接続された状態であるため、直流電源ＤＣから大電流が出力されてしまうのを防止できる。

ここで、２次電池ＢＴの充電を終了する際に、制御スイッチ素子ＳＷ２をオン状態にした後に、制御スイッチ素子ＳＷ１をオン状態にする場合について、検討する。この場合、充電スイッチ素子Ｑ２がオフ状態になってから、充電スイッチ素子Ｑ１がオフ状態になる。充電スイッチ素子Ｑ２にはボディダイオードＢＤ２が内蔵されているため、充電スイッチ素子Ｑ２をオフ状態にしても、充電スイッチ素子Ｑ１およびボディダイオードＢＤ２を介して、直流電源ＤＣの正極から２次電池ＢＴの正極に向かって電流が流れてしまう。このため、ボディダイオードＢＤ２に電流が流れることによって、損失が増大してしまう。

しかしながら、充電装置１は、２次電池ＢＴの充電を終了する際に、制御スイッチ素子ＳＷ１をオン状態にした後に、制御スイッチ素子ＳＷ２をオン状態にすることで、充電スイッチ素子Ｑ１をオフ状態にした後に、充電スイッチ素子Ｑ２をオフ状態にする。このため、充電スイッチ素子Ｑ１がオフ状態になるタイミングで、直流電源ＤＣの正極から２次電池ＢＴの正極に向かって電流が流れなくなる。したがって、ボディダイオードＢＤ２に電流が流れてしまうのを防止して、損失を抑制できる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

例えば、上述の実施形態では、制御スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２は、フォトトランジスタで構成されるものとしたが、これに限らず、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＢＪＴ（Bipolar Junction Transistor）で構成されるものとしてもよい。

また、上述の実施形態では、２次電池ＢＴの正極から直流電源ＤＣの正極に向かって電流が逆流してしまうのを防止する逆流防止手段として、充電スイッチ素子Ｑ２を用いたが、これに限らず、一端から他端に向かって電流を流す素子や回路を用いてもよい。例えば、逆流防止手段として、充電スイッチ素子Ｑ２の代わりにダイオードを用いることもできる。ダイオードを用いる場合には、ダイオードのカソードを、２次電池ＢＴの正極に接続し、ダイオードのアノードを、充電スイッチ素子Ｑ１のソースに接続すればよい。

１、１００；充電装置
ＡＡ；充電システム
ＢＤ１、ＢＤ２；ボディダイオード
ＢＴ；２次電池
Ｄ；ダイオード
ＤＣ；直流電源
Ｑ、Ｑ１、Ｑ２；充電スイッチ素子
Ｒａ、Ｒｂ、Ｒ１、Ｒ２；抵抗
ＳＷ、ＳＷ１、ＳＷ２；制御スイッチ素子
ＶＤＤ；定電圧源

Claims

２次電池を充電する充電装置であって、
前記２次電池の正極に接続された第１端子と、直流電源の正極に接続された第２端子と、制御端子と、を有し、当該第１端子と当該制御端子との電位差に応じて当該２次電池の正極と当該直流電源の正極とをオンオフする第１の充電スイッチ素子と、
前記第１の充電スイッチ素子の第１端子と当該第１の充電スイッチ素子の制御端子とに接続し、前記第１の充電スイッチ素子がオン状態のときにオフ状態になり、前記第１の充電スイッチ素子がオフ状態のときにオン状態になる第１の制御スイッチ素子と、
前記第１の充電スイッチ素子の制御端子及び前記第１の制御スイッチ素子の他端に正極が接続され、当該第１の充電スイッチ素子の第１端子及び前記第１の制御スイッチ素子の一端に負極が接続された定電圧源と、を備えることを特徴とする充電装置。
前記第１の充電スイッチ素子において、制御端子の電位が第１端子の電位と比べて前記定電圧源の電源電圧の分だけ高くなると、第１端子と第２端子とが導通することを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
一端から他端に向かって電流を流す逆流防止手段を備え、
前記逆流防止手段の一端には、前記第１の充電スイッチ素子の第１端子が接続され、前記逆流防止手段の他端には、前記２次電池の正極が接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の充電装置。
前記逆流防止手段は、
前記第１の充電スイッチ素子の第１端子と前記２次電池の正極とを断続する第２の充電スイッチ素子と、
前記第２の充電スイッチ素子の第１端子と制御端子とを断続する第２の制御スイッチ素子と、を備え、
前記第１の充電スイッチ素子の第１端子には、前記第２の充電スイッチ素子を介して、前記２次電池の正極が接続され、
前記第２の充電スイッチ素子の第１端子には、前記第１の充電スイッチ素子の第１端子と前記定電圧源の負極とが接続され、前記第２の充電スイッチ素子の第２端子には、前記２次電池の正極が接続され、前記第２の充電スイッチ素子の制御端子には、前記定電圧源の正極が接続され、
前記第２の充電スイッチ素子において、制御端子の電位が第１端子の電位と比べて前記定電圧源の電源電圧の分だけ高くなると、第１端子と第２端子とが導通することを特徴とする請求項３に記載の充電装置。
前記２次電池の充電を開始する際に、
前記第２の制御スイッチ素子をオフ状態にした後に、前記第１の制御スイッチ素子をオフ状態にすることを特徴とする請求項４に記載の充電装置。
前記２次電池の充電を終了する際に、
前記第１の制御スイッチ素子をオン状態にした後に、前記第２の制御スイッチ素子をオン状態にすることを特徴とする請求項４または５に記載の充電装置。