JP6660253B2 - バッテリ充電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、鉛蓄電池及び二次電池等の充電式バッテリを充電するためのバッテリ充電装置に関する。
従来、鉛蓄電池や二次電池等の充電式バッテリ(以下単に「バッテリ」と称する)の充電装置として、単相又は三相の交流を整流しスイッチングコンバータにより電力変換を行ってバッテリに出力するAC/DCコンバータが知られている。この場合、交流整流後の波形は、正弦波の半周期又はその一部からなる周期的な整流波形となる。この整流波形の周期に起因する後段の電圧又は電流の変動成分は「リップル」と称されている。リップルの周波数は基本的には整流前の交流の整数倍であるが、その他に非周期的ノイズが加わる場合もある。長年、バッテリ充電装置の出力のリップルは充電効率を低下させるものと認識されており、リップルを排除する技術が豊富に提示されている(特許文献1等)。
これに対し、特許文献2、3では、交流整流後に平滑化を行わず整流波形に起因する周期的な脈流をそのまま用いてバッテリを充電することが提案されている。これは、脈流を用いたバッテリ充電に支障がないことと、脈流によりバッテリ端子間に生じる大きなリップル電圧を利用すればバッテリ内部抵抗を容易に計測可能となることに着目したものである。特許文献2、3ではバッテリ内部抵抗の計測により充電状態を検出し、充電の開始と停止を制御している。
特許文献2、3では、交流整流後の脈流をほぼそのまま用いて充電出力とする構成、交流整流後の脈流の電圧を変換する電圧変換装置の出力を充電出力とする構成、交流整流後の脈流の力率改善を行う力率改善手段であるスイッチングコンバータの出力を充電出力とする構成が開示されている。特許文献3では、力率改善手段の一例としてフライバック方式の絶縁型スイッチングコンバータを設けている。
特開2003−17136号公報 特開2016−39742号公報 特開2016−63622号公報 特開2005−218224号公報 特開2007−37297号公報
特許文献2、3には、力率改善手段であるスイッチングコンバータのスイッチ制御を行う制御部の詳細は開示されていない。一般的にスイッチングコンバータによる力率改善手段は、そのスイッチング素子を駆動するPWM制御において非常に複雑な制御を行っている。例えば、特許文献4、5に開示される力率改善回路では、入力電圧及び/出力電圧を検出し、それらに基づいてパルスのオン時間とオフ時間が常に変化するような複雑なPWM制御信号を生成している。このため、従来の力率改善手段には大規模かつ高コストの制御部が必要であった。
従って、大きなリップルを含むリップル充電出力を用いてバッテリ充電を行えばバッテリ内部抵抗の計測が容易となるが、力率改善用のスイッチングコンバータの制御部が大規模かつ高コストになるという問題があった。
以上の問題点に鑑み本発明は、交流整流後に平滑化を行わずにスイッチングコンバータによる力率改善を行って大きなリップルを含むリップル充電出力をバッテリに出力するバッテリ充電装置において、簡易な構成と制御によりリップル充電出力を生成することを目的とする。
上記の目的を達成するべく、本発明は、以下の構成を提供する。なお、括弧内の符号は後述する図面中の符号であり、参考のために付するものである。
・ 本発明の態様は、 交流正弦波を入力され該交流を整流する整流部(2)と、前記整流部(2)の次段に設けられた力率改善部(3)と、を備え、該整流部(2)による整流電圧(Vrec)の波形に起因するリップルを含むリップル充電出力を生成するバッテリ充電装置であって、
前記力率改善部(3)を構成するスイッチングコンバータが、一次コイル(n1)と二次コイル(n2)を具備するトランス(T)と、スイッチング素子(Q)と、バッテリ(6)の充電期間中、該スイッチング素子(Q)の制御端に、前記交流の周波数より高い数kHz〜数百HzのPWM制御信号(Vp)を出力するPWM制御IC(4)と、を具備し、
前記PWM制御信号(Vp)が一定のデューティ比をもつパルス信号であり、
前記一次コイル(n1)に印加される前記整流電圧(Vrec)を前記スイッチング素子(Q)によりスイッチングすることにより、前記一次コイル(n1)には、前記PWM制御信号(Vp)のオン期間の間にオン時点の整流電圧(Vrec)の瞬時値と前記一次コイル(n1)のインダクタンスにより決まる傾きをもって次第に増加する波形の電流が流れる一方、前記二次コイル(n2)には、前記PWM制御信号(Vp)のオフ期間の間にオフ時点のピーク値から次第に減少していく波形の電流が流れることを特徴とする。
・ 上記態様において、バッテリ(6)のバッテリ充電電圧(Vbat)を検出する充電電圧検出部(5)を有し、
前記充電電圧検出部(5)は、ヒステリシスを有する2値出力の比較増幅器として構成されており、充電電圧(Vbat)が第1の電圧を超えたとき前記PWM制御IC(4)に対しPWM制御信号(Vp)の出力を停止させる信号を出力し、バッテリ充電電圧(Vbat)が該第1の電圧よりも低い第2の電圧を下回ったとき該PWM制御IC(4)に対しPWM制御信号(Vp)の出力を開始させる信号を出力することを特徴とする。
・ 上記態様において、前記リップル充電出力に含まれるリップルに起因する、前記バッテリ(6)の正極端子(TB1)と負極端子(TB2)の間の電圧(Vbat)の変動分であるリップル電圧(Vrip)を検出するバッテリチェッカ(7)をさらに有し、前記リップル電圧(Vrip)の振幅に比例するバッテリ(6)の内部抵抗によりバッテリ(6)の劣化の程度が示されることを特徴とする。
本発明においては、交流整流後に平滑化を行わずにスイッチングコンバータによる力率改善を行って大きなリップルを含むリップル充電出力をバッテリに出力するバッテリ充電装置において、力率改善部のスイッチング素子を制御するPWM制御信号を、バッテリの充電期間を通して一定のデューティ比をもつパルス信号とした。これにより、簡易な構成と制御によりリップル充電出力を生成することができる。
図1は、本発明のバッテリ充電装置の一実施形態の構成例を概略的に示した図である。 図2(a)〜(h)は、図1に示した構成の各所の電流又は電圧の時間変化を模式的に示した図である。 図3(a)〜(c)は、図1の構成におけるバッテリのバッテリ充電電圧と、充電電圧検出部及びPWM制御ICの出力との時間変化を模式的に示す図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明によるバッテリ充電装置の実施形態について説明する。
(1)バッテリ充電装置の構成
図1は、本発明のバッテリ充電装置の一実施形態の構成例を概略的に示した図である。図2(a)〜(h)は、図1に示した構成の各所の電流又は電圧の時間変化を模式的に示した図である。
本発明のバッテリ充電装置10は、整流部2と、PWM制御IC4を含む力率改善部3と、充電電圧検出部5とを有する。整流部2は、交流電源1から交流を入力される。力率改善部3は、バッテリ6に対しリップル充電出力を供給する。
ここで「リップル充電出力」とは、バッテリ充電用の出力であって整流部2により生成された整流電圧波形に起因する変動を伴う電圧及び電流の出力の意味で用いる。この変動は、典型的には整流電圧波形と同周期の変動である。リップル充電出力のうち、電流を「リップル出力電流」と、電圧を「リップル出力電圧」と称することとする。リップル出力電流Ioの例を図2(f)に、リップル出力電圧Voの例を図2(g)に示す。
交流電源1は、一例として100V又は200Vの50Hz又は60Hzの単相交流商用電源である。交流電源1による交流電圧vacは、図2(a)に示される正弦波波形を有し、バッテリ充電装置の入力端T1、T2に入力される。入力端T1、T2に入力された交流は、整流部2の交流入力端子に入力される。整流部2は、例えばブリッジ整流回路であるがこれに限られない。また、全波整流回路が好ましいが半波整流回路でもよい。整流部2の正極出力端と負極出力端の間に、図2(b)に示される全波整流された整流電圧Vrecが出力される。図示しないが、整流部2の前段にノイズ除去回路を設けることが好ましい。
図2(b)に示すように、整流電圧Vrecの波形は、交流正弦波の正極側の半周期波形が連続する波形となる。単相交流の全波整流の場合、整流電圧Vrecの周波数は交流電源1の周波数の2倍となる。
整流部2の正極出力端と負極出力端に出力された整流電圧Vrecは、次段の力率改善部3に入力される。本例では、力率改善部3は絶縁型フライバックコンバータとして構成されている。力率改善部3はこれに限られず、絶縁型フォワードコンバータでもよく、非絶縁型の昇圧チョッパ又は降圧チョッパでもよい。入力電圧と同じ正弦波で同位相の電流を出力する力率改善機能を有するスイッチングコンバータであれば、いずれの構成も採用できる。共通する構成として、いずれもスイッチ制御のためのスイッチング素子Qを有する。
トランスTの一次コイルn1の一端が整流部2の正極出力端に接続され、他端がスイッチング素子Q(この例ではnチャネルFET)の一端(ドレイン)に接続されている。スイッチング素子Qの他端(ソース)は、整流部2の負極出力端に接続されている。トランスTの二次コイルn2の一端は、バッテリ6の負極端子TB2に接続され、他端は出力ダイオードDのアノードに接続されている。出力ダイオードDのカソードはバッテリ6の正極端子TB1に接続されている。出力ダイオードDのカソードとトランスTの一端の間には平滑コンデンサCが接続されている。図1は原理的構成のみを示しており、絶縁型フライバックコンバータに通常備えられるスナバ回路等は省略している。
図2(d)及び図2(e)は、図1のトランスTの一次コイルの電流In1と二次コイルの電流In2の波形例をそれぞれ示す。これらの波形については、後述する動作説明において詳細に説明する。
また、力率改善部3は、整流電圧Vrecを、充電対象機器に適切な電圧に変換する電圧変換機能も有する。電圧変換は、トランスTのコイルの巻き比により設定することができる。
スイッチング素子Qは、PWM制御信号Vpにより駆動される制御端を有する。スイッチング素子Qは、nチャネルFETに限らず、pチャネルFET、IGBT又はバイポーラトランジスタでもよい。
図2(c)に示すPWM制御信号Vpは、PWM制御IC4により生成される。PWM制御IC4は周知であり、種々のものが市販されている。一般的なPWM制御ICに共通する構成として、制御電圧Vcsが入力される制御端子csと、所定のデューティ比をもつPWM制御信号を出力する出力端子outを備えている。PWM制御IC4は、制御端子csに入力された制御電圧Vcsに比例するデューティ比をもつPWM制御信号Vpを出力端子outから出力するように構成されている。
図1の構成ではスイッチングコンバータが絶縁型であるので、出力側からの帰還経路も絶縁する必要があり、PWM制御信号VpはフォトカプラPCを介してスイッチング素子Qに送られる。
本発明のバッテリ充電装置10では、制御電圧Vcsは充電電圧検出部5により出力される。制御電圧Vcsは、2値の電圧(HとLと称することとする)のいずれかである。充電電圧検出部5は、バッテリ6の正極端子TB1と負極端子TB2の間の電圧に比例する電圧を入力されることにより、バッテリ6の充電状態を検出する。充電電圧検出部5は、バッテリ充電装置10によりバッテリ6の充電を行う期間中はHの制御電圧Vcsを出力し、バッテリ6の放電中すなわち充電を行わない期間中はLの制御電圧Vcsを出力するように構成されている。
充電電圧検出部5の出力する制御電圧VcsがHであるとき、PWM制御IC4は、図2(c)に示すようにパルス信号であるPWM制御信号Vpを出力する。PWM制御信号Vpのデューティ比Dは、パルス信号の周期Tに対するオン期間Tonの割合でありD=Ton/Tである。本発明のバッテリ充電装置10では、充電期間を通して制御電圧Vcsが一定であるので、PWM制御信号Vpのデューティ比Dは常に一定であり、変化しない。
PWM制御IC4の内部構成は示さないが、大凡の構成は次の通りである。実際に必要なデューディ比を得るために制御電圧Vcsに適切な比例係数を掛けて所定の電圧とし、その所定の電圧と高周波搬送三角波電圧とを比較器に入力し、比較器の出力信号として、一定のデューティ比Dを有するパルス信号であるPWM制御信号Vpを生成する。
なお、図2(c)のPWM制御信号Vpは、分かり易いようにパルス幅を拡大して示している。スイッチングコンバータのスイッチング周波数は数kHz〜数百Hzであるので、実際には図2(a)に示す交流電源周波数より遙かに高周波である。
一方、充電電圧検出部5の出力する制御電圧VcsがLであるとき、PWM制御IC4はPWM制御信号Vpを出力しない。このとき、バッテリ充電装置10は停止状態である。
バッテリ6は、一例として、1セル2Vの鉛蓄電池を6セル直列接続した12Vのシール形鉛蓄電池である。バッテリ6には、バッテリの劣化を検出するためのバッテリチェッカ7を設けてもよい。バッテリチェッカ7は、バッテリ6の正極端子TB1と負極端子TB2の間の電圧の変動分すなわち交流成分である電池端子リップル電圧Vripを検出する。図2(h)に示す電池端子リップル電圧Vripの振幅は、電池の内部抵抗に比例し、内部抵抗の増大はバッテリの劣化の程度を示す。
(2)バッテリ充電装置の動作
図3(a)〜(c)は、図1の構成におけるバッテリ6のバッテリ充電電圧と、充電電圧検出部5及びPWM制御IC4の出力との時間変化を模式的に示す図である。図1及び図2も参照して、本発明のバッテリ充電装置10の動作を説明する。
バッテリ充電装置10においては、交流電源1からの交流vacが整流部2に入力されかつ力率改善部3にPWM制御信号Vpが送信されるときにのみ、リップル充電出力Vo、Ioが出力される。
PWM制御IC4によるPWM制御信号Vpの生成と停止は、充電電圧検出部5により制御される。充電電圧検出部5は、バッテリ充電電圧Vbatを検出し、それを基にPWM制御IC4を制御する。
図3(a)は、充電と放電を繰り返す場合のバッテリ充電電圧Vbatの時間変化を例示したものである。放電は例えばバッテリ6に適宜の負荷を接続することにより行われる。12Vの鉛蓄電池の場合、例えば満充電電圧V1を14V、放電終止電圧V2を12.6Vとする。図示の例では、充電時間の長さは同じであるが、放電時間は負荷状況等により長さが異なっている。
図3(b)は、図3(a)に対応する充電電圧検出部5の出力である制御電圧Vcsの時間変化を示す。充電電圧検出部5は、ヒステリシスを有する2値出力の比較増幅器として構成されている。バッテリ6の充電期間中の制御電圧VcsはHであり、バッテリ充電電圧Vbatが次第に上昇し、満充電電圧V1となるまでは制御電圧VcsはHのままである。バッテリ充電電圧Vbatが満充電電圧V1を超えると、制御電圧VcsはLとなる。これによりバッテリ6の充電が停止される。その後のバッテリ6の放電中、バッテリ充電電圧Vbatが次第に低下するが、放電終止電圧V2となるまでは制御電圧VcsはLのままである。バッテリ充電電圧Vbatが放電終止電圧V2を下回ると制御電圧VcsはHとなる。これによりバッテリ6の充電が開始される。
図3(c)は、図3(a)(b)に対応するPWM制御IC4の出力であるPWM制御信号Vpの時間変化を示す。バッテリ6の充電期間中すなわち充電電圧検出部5の制御電圧VcsがHの期間中は、一定のデューティ比DをもつPWM制御信号Vpが出力され続ける。バッテリ6の放電期間中すなわち充電電圧検出部5の制御電圧VcsがLの期間中は、PWM制御信号Vpは出力されない。
充電期間中、力率改善部3が稼動する。PWM制御信号Vpのパルス信号がオンとなりスイッチング素子Qが導通すると、一次コイルn1には整流電圧Vrecが印加される。一次コイルn1に流れる電流In1は、オン時点の整流電圧Vrecの瞬時値と一次コイルn1のインダクタンスにより決まる傾きをもってオン期間の間、次第に増加していく。一方、二次コイルn2に生じる起電力に対して出力ダイオードDが逆バイアスとなるため、二次コイルn2には電流は流れない。この結果、トランスTに磁気エネルギーが蓄積される。
PWM制御信号Vpのパルス信号がオフになりスイッチング素子Qが遮断されると、一次コイルn1の電流In1は零となる。一方、二次コイルn2に生じる逆起電力に対して出力ダイオードDが順バイアスとなるため、二次コイルn2に電流In2が流れ、磁気エネルギーが放出される。電流In2は、磁気エネルギーが最大であるオフ時点のピーク値からオフ期間の間、次第に減少していく。
図2(d)(e)は、電流In1及び電流In2の波形の一例を示したものである。PWM制御信号Vpの一周期に二次コイルn2に流れる電流In2のピーク値(又は平均値)を繋いだ波形は、整流電圧Vrecと同極性同周期の正弦波となる。これは力率1であることを示している。なお、図2(d)(e)では、電流を連続モードで示したが、臨界モード又は不連続モードとなる場合も本発明に含まれる。
平滑コンデンサCにより平滑化されたリップル出力電流Io及びリップル出力電圧Voは、図2(f)(g)の通りとなる。このリップル出力がバッテリ6の正極端子TB1と負極端子TB2の間に供給され、バッテリ6が充電される。一例として、リップル出力電圧Voの平均値は、満充電電圧V1と同じ程度とする。
(3)その他の実施形態
以上では、本発明のバッテリ充電装置を鉛蓄電池の充電に適用した場合を例として説明するが、本発明のバッテリ充電装置は、鉛蓄電池に限られず、リチウムイオン電池、ニッカド充電池、ニッケル水素充電池にも適用可能である。
また、本発明のバッテリ充電装置の交流入力として単相交流商用電源を例として説明したが、交流入力は三相交流でもよく、発電機出力でもよい。
1 交流電源
2 整流部
3 力率改善部
4 PWM制御IC
5 充電電圧検出部
6 バッテリ
7 バッテリチェッカ

Claims (3)

  1. 交流正弦波を入力され該交流を整流する整流部(2)と、前記整流部(2)の次段に設けられた力率改善部(3)と、を備え、該整流部(2)による整流電圧(Vrec)の波形に起因するリップルを含むリップル充電出力を生成するバッテリ充電装置であって、
    前記力率改善部(3)を構成するスイッチングコンバータが、一次コイル(n1)と二次コイル(n2)を具備するトランス(T)と、スイッチング素子(Q)と、バッテリ(6)の充電期間中、該スイッチング素子(Q)の制御端に、前記交流の周波数より高い数kHz〜数百HzのPWM制御信号(Vp)を出力するPWM制御IC(4)と、を具備し、
    前記PWM制御信号(Vp)が一定のデューティ比をもつパルス信号であり、
    前記一次コイル(n1)に印加される前記整流電圧(Vrec)を前記スイッチング素子(Q)によりスイッチングすることにより、前記一次コイル(n1)には、前記PWM制御信号(Vp)のオン期間の間にオン時点の整流電圧(Vrec)の瞬時値と前記一次コイル(n1)のインダクタンスにより決まる傾きをもって次第に増加する波形の電流が流れる一方、前記二次コイル(n2)には、前記PWM制御信号(Vp)のオフ期間の間にオフ時点のピーク値から次第に減少していく波形の電流が流れることを特徴とするバッテリ充電装置。
  2. バッテリ(6)のバッテリ充電電圧(Vbat)を検出する充電電圧検出部(5)を有し、
    前記充電電圧検出部(5)は、ヒステリシスを有する2値出力の比較増幅器として構成されており、充電電圧(Vbat)が第1の電圧を超えたとき前記PWM制御IC(4)に対しPWM制御信号(Vp)の出力を停止させる信号を出力し、バッテリ充電電圧(Vbat)が該第1の電圧よりも低い第2の電圧を下回ったとき該PWM制御IC(4)に対しPWM制御信号(Vp)の出力を開始させる信号を出力することを特徴とする請求項1に記載のバッテリ充電装置。
  3. 前記リップル充電出力に含まれるリップルに起因する、前記バッテリ(6)の正極端子(TB1)と負極端子(TB2)の間の電圧(Vbat)の変動分であるリップル電圧(Vrip)を検出するバッテリチェッカ(7)をさらに有し、前記リップル電圧(Vrip)の振幅に比例するバッテリ(6)の内部抵抗によりバッテリ(6)の劣化の程度が示されることを特徴とする請求項1又は2に記載のバッテリ充電装置。
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