JP6751679B2

JP6751679B2 - 充電装置

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Publication number: JP6751679B2
Application number: JP2017016948A
Authority: JP
Inventors: 智貴大中; 由貴夫小野; 規生福井
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2017-02-01
Filing date: 2017-02-01
Publication date: 2020-09-09
Anticipated expiration: 2037-02-01
Also published as: WO2018143290A1; EP3579328A4; JP2018125190A; CN110235300B; US11817735B2; US20190372383A1; EP3579328A1; CN110235300A; EP3579328B1

Description

本発明は、ニッケル水素二次電池等の二次電池の充電装置に関する。

ニッケル水素二次電池等の二次電池は、充電することによって繰り返し使用することが可能であり、様々な分野で広く利用されている。このような二次電池を充電する充電装置においては、二次電池を充電する上で、充電電圧及び充電電流を適切に制御する必要がある。そして出来るだけ短時間で二次電池の充電を完了させる上では、二次電池が劣化しない範囲で、出来るだけ大きい充電電流で充電を行うのが望ましい。

しかし二次電池を充電する充電装置へ電力を供給する入力電源は、その電力供給能力が必ずしも一定でない場合も少なくない。例えばその入力電源が他の機器へも電力を供給しており、しかもその機器の負荷が変動し得るような場合には、充電装置へ供給可能な最大電力が変動し得ることになる。そのため例えば充電装置において、常に最短時間で充電可能な大きさの最大充電電流で二次電池が充電される構成になっていると、入力電源の電力供給能力が不足して入力電源の電圧が低下したときに、最小限必要な電圧の充電電圧が得られず二次電池の充電を中断せざるを得なくなる虞が生ずる。

このような課題を解決することを目的とした従来技術の一例としては、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧で二次電池を充電する際に、入力電源である太陽電池等の電圧の変動に応じてＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流特性（電圧垂下開始電流）を調整する電源装置が公知である（例えば特許文献１を参照）。また他の従来技術としては、二次電池の充電中に入力電圧の低下を検出したときに、現在の充電電流で二次電池の充電を継続可能か否か判定する演算処理を行い、その演算処理結果に応じて、充電電流制御手段の演算増幅回路の設定を変更して充電電流を低い値に設定する充電装置が公知である（例えば特許文献２を参照）。

特開２００６−０１４５２６号公報特開２００６−１２９６１９号公報

しかしながら上記の従来技術は、いずれも装置構成が大掛かりで制御手順も複雑であるため、充電装置の小型化及び低コスト化が困難であるという課題がある。
このような状況に鑑み本発明はなされたものであり、その目的は、入力電源の電力供給能力が変動しても二次電池の充電を継続可能な充電装置の小型化及び低コスト化を実現することにある。

＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、入力電源から供給される直流電力の電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが出力する直流電圧で二次電池を充電する充電回路と、前記入力電源の電圧を検出する電源電圧検出回路と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を設定する出力電圧設定回路と、前記入力電源の電圧に基づいて、前記充電回路及び前記出力電圧設定回路を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記入力電源の電圧を監視しながら前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を所定電圧ずつ段階的に上昇させ、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が定格充電電圧まで上昇する前に前記入力電源の電圧が第１閾値以下に低下した場合には、その時点より一段階低い電圧に前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を維持する、充電装置である。

入力電源の電圧を監視しながらＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を所定電圧ずつ段階的に上昇させていくと、それによって二次電池の充電電流が所定電流ずつ段階的に増加していく。入力電源の電力供給能力に十分な余裕がある場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が定格充電電圧まで上昇し、最大充電電流で二次電池の充電が行われる。

他方、入力電源の電力供給能力に十分な余裕がない場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が定格充電電圧まで上昇する前に、入力電源の電圧が第１閾値電圧以下に低下する。この場合、制御装置は、その時点より一段階低い電圧にＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を維持する。つまり入力電源の電力供給能力が不足して入力電源の電圧が第１閾値電圧以下に低下した場合には、二次電池の充電電流が最大充電電流より低い電流に制限されるように、定格充電電圧より低い電圧に充電電圧が設定されて二次電池の充電が行われる。

このように入力電源の電力供給能力が低下したときには、二次電池の充電で消費される電力が小さくなる分だけ充電時間は長くなるものの、必要最小限の電圧以上の充電電圧を維持して二次電池の充電を継続することができる。それによって入力電源の電力供給能力が低下したときに、二次電池の充電電圧が必要最小限の電圧未満に低下して二次電池の充電を中断せざるを得なくなる虞を低減することができるので、入力電源の電力供給能力が変動しても二次電池の充電を継続することができる。

つまり本発明に係る充電装置は、入力電源の電力供給能力が低下したときには、二次電池の充電電流が最大充電電流より低い電流に制限されるように、入力電源の電圧の低下に応じてＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が可変設定されるシンプルな構成である。そのため本発明に係る充電装置は、入力電源の電力供給能力が変動しても二次電池の充電を継続できる充電装置を小型で低コストに構成することができる。また本発明に係る充電装置は、入力電源の電圧の低下に応じてＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が可変設定される構成であるため、充電電流を検出する抵抗及び回路が不要である。そのため部品コストを大幅に削減することができる。

これにより本発明の第１の態様によれば、入力電源の電力供給能力が変動しても二次電池の充電を継続可能な充電装置の小型化及び低コスト化を実現できるという作用効果が得られる。さらに本発明によれば、充電電流を検出する抵抗で生ずる損失を削減することもできるため、より高効率な充電装置を実現することができる。

＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記制御装置は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が前記定格充電電圧より低い電圧に維持されている状態では、前記第１閾値電圧より高い第２閾値電圧以上に前記入力電源の電圧が上昇したことを条件として、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を所定電圧ずつ段階的に上昇させる、充電装置である。

入力電源の電力供給能力が不足して入力電源の電圧が第１閾値電圧以下に低下した場合には、二次電池の充電電流が最大充電電流より低い電流に制限されるように、定格充電電圧より低い電圧に充電電圧が設定されて引き続き二次電池の充電が行われる。そして充電中に入力電源の電力供給能力が回復して入力電源の電圧が第２閾値電圧以上に上昇した場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を所定電圧ずつ段階的に上昇させる。それによって二次電池の充電電流を最大充電電流より低い電流に制限して充電しているときに、入力電源の電力供給能力が回復した場合には、二次電池の充電電流が最大充電電流まで段階的に増加していく。したがって本発明の第２の態様によれば、入力電源の電力供給能力の変動に応じて柔軟かつ的確に充電電流を自動的に設定して二次電池を充電することができる。

＜本発明の第３の態様＞
本発明の第３の態様は、前述した本発明の第１の態様又は第２の態様において、前記出力電圧設定回路は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を分圧する分圧回路と、前記分圧回路の分圧比を変更する分圧比変更回路と、前記分圧比変更回路を制御するＤＡコンバータと、を含み、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記分圧回路の分圧点の電圧が所定電圧に維持されるように出力電圧を制御する、充電装置である。

本発明の第３の態様によれば、極めてシンプルな回路構成でＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を可変設定することができるので、本発明に係る充電装置において、さらなる小型化及び低コスト化を実現することができる。また本発明の第３の態様によれば、ＤＡコンバータのデジタル入力値から二次電池の充電電流を正確に特定することができるため、二次電池の充電制御を高精度に行うことができる。

本発明によれば、入力電源の電力供給能力が変動しても二次電池の充電を継続可能な充電装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。

本発明に係る充電装置の構成を図示した回路図。出力電圧設定回路の要部を図示した回路図。出力電圧設定回路の要部を図示した回路図。ＤＡコンバータのデジタル入力値と二次電池の充電電流との関係を表した表。ＤＡコンバータのデジタル入力値と二次電池の充電電流との関係を表した表。ＤＡコンバータのデジタル入力値と二次電池の充電電流との関係を表した表。入力電源の電力供給能力に十分な余裕がある場合の充電制御の一例を図示したタイミングチャート。入力電源の電力供給能力が不足している場合の充電制御の一例を図示したタイミングチャート。二次電池の充電中に入力電源の電力供給能力が回復した場合の充電制御の一例を図示したタイミングチャート。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
尚、本発明は、以下説明する実施例に特に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

＜充電装置１０の構成＞
本発明に係る充電装置１０の構成について、図１〜図４を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る充電装置１０の構成を図示した回路図である。

充電装置１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１、充電回路１２、電源電圧検出回路１３、出力電圧設定回路１４、充電制御部１５を備える。二次電池２０は、例えばニッケル水素二次電池等の二次電池である。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、入力端子ＩＮとグランド端子ＧＮＤに接続される入力電源（図示省略）から供給される直流電力の電圧を変換する。より具体的にはＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、入力電圧Ｖｅを降圧して定電圧出力する降圧コンバータである。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、特に降圧コンバータに限定されるものではなく、例えば昇圧コンバータでもよいし、昇降圧コンバータでもよい。

充電回路１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が出力する直流電圧で二次電池２０を充電する回路であり、トランジスタＱ１を含む。トランジスタＱ１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１から二次電池２０への充電経路を開閉する半導体スイッチであり、当該実施例においてはＮＰＮ型バイポーラトランジスタである。トランジスタＱ１は、コレクタがＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力に接続されており、エミッタが二次電池２０の正極に接続される。またトランジスタＱ１は、ベースが充電制御部１５に接続されており、充電制御部１５によってＯＮ／ＯＦＦ制御される。

電源電圧検出回路１３は、入力電圧Ｖｅを検出する回路であり、２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２を含む分圧回路である。抵抗Ｒ１は、一端が入力端子ＩＮに接続されており、他端が抵抗Ｒ２の一端に接続されている。抵抗Ｒ２の他端は、グランド端子ＧＮＤに接続されている。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点は、充電制御部１５に接続されている。

出力電圧設定回路１４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力電圧を設定する回路であり、分圧回路１４１、分圧比変更回路１４２及びＤＡコンバータ１４３を含む。

分圧回路１４１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力電圧を分圧する回路であり、２つの抵抗Ｒ３、Ｒ４を含む。抵抗Ｒ３は、一端がＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力に接続されており、他端が抵抗Ｒ４の一端に接続されている。抵抗Ｒ４の他端は、グランド端子ＧＮＤに接続されている。抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との接続点（分圧点）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１のフィードバック制御端子に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との接続点の電圧が所定電圧に維持されるように出力電圧を制御する。

分圧比変更回路１４２は、分圧回路１４１の分圧比を変更する回路であり、３つの抵抗Ｒ５〜Ｒ７及びトランジスタＱ２を含む。抵抗Ｒ５は、一端が抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との接続点に接続されており、他端がトランジスタＱ２のコレクタに接続されている。抵抗Ｒ６は、一端がＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力に接続されており、他端が抵抗Ｒ７の一端に接続されている。抵抗Ｒ７の他端は、ＤＡコンバータ１４３のアナログ出力端子に接続されている。トランジスタＱ２は、当該実施例においてはＰＮＰ型バイポーラトランジスタである。トランジスタＱ２は、コレクタが抵抗Ｒ５の他端に接続されており、エミッタがＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力に接続されており、ベースが抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ７との接続点に接続されている。

分圧比変更回路１４２を制御するＤＡコンバータ１４３は、充電制御部１５が出力するデジタル信号を入力し、アナログ信号に変換して出力する。

充電制御部１５は、公知のマイコン制御装置であり、二次電池２０の充電制御を実行する制御装置である。充電制御部１５は、さらに入力電圧Ｖｅに基づいて充電回路１２及び出力電圧設定回路１４を制御する。より具体的には充電制御部１５は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点の電圧に基づいて、トランジスタＱ１のＯＮ／ＯＦＦ制御、トランジスタＱ２のベース電流制御を実行する。

図２及び図３は、出力電圧設定回路１４の要部を図示した回路図であり、図２は、トランジスタＱ２がＯＦＦしている状態、図３は、トランジスタＱ２がＯＮしている状態をそれぞれ図示したものである。

電流ｉ３は、抵抗Ｒ３に流れる電流である。電流ｉ４は、抵抗Ｒ４に流れる電流である。電流ｉ５は、抵抗Ｒ５に流れる電流である。電圧Ｖｆｅは、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との接続点の電圧である。前述したようにＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、分圧回路１４１の分圧点（抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との接続点）の電圧Ｖｆｅが一定の電圧に維持されるように出力電圧を制御する。二次電池２０を充電しているときのＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力電圧、つまり充電電圧Ｖｏｕｔは、以下の式（１）で表される。
Ｖｏｕｔ＝Ｒ３×ｉ３＋Ｖｆｅ・・・（１）
トランジスタＱ２がＯＦＦしている状態（図２）では、ｉ３＝ｉ４となる。また電圧Ｖｆｅは、以下の式（２）で表される。
Ｖｆｅ＝Ｒ４×ｉ４・・・（２）
他方、トランジスタＱ２がＯＮしている状態（図３）では、二次電池２０の充電電流が定電流制御となる。そしてｉ４＝ｉ３＋ｉ５となるため、電圧Ｖｆｅは、以下の式（３）で表される。
Ｖｆｅ＝Ｒ４×（ｉ３＋ｉ５）・・・（３）
ＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、分圧回路１４１の分圧点の電圧Ｖｆｅが一定の電圧に維持されるように出力電圧を制御するため、トランジスタＱ２のベース電流Ｉ_Ｑ２Ｂが減少するに従って電流ｉ５が減少すると、それによって電流ｉ３が増加していく。そして電流ｉ３が増加していくと、それに従って充電電圧Ｖｏｕｔが上昇していくことになる。

図４〜図６は、ＤＡコンバータ１４３のデジタル入力値と二次電池２０の充電電流Ｉｏｕｔとの関係を表した表である。

図４は、４ビットのＤＡコンバータ１４３を用いる場合の一例である。
ＤＡコンバータ１４３は、デジタル入力値が０の状態では出力電圧が０Ｖであり、そのためトランジスタＱ２がＯＮしている状態になる（図３）。そしてＤＡコンバータ１４３のデジタル入力値を１ビットずつ増加させていくに従って、トランジスタＱ２のベース電流Ｉ_Ｑ２Ｂが段階的に減少していく。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力電圧は、デジタル入力値を１ビットずつ増加させていくに従って、定格電圧の１／１５の電圧ずつ段階的に上昇していく。それによって二次電池２０の充電電流Ｉｏｕｔは、最大値の１／１５の電流ずつ段階的に増加し、例えば二次電池２０の充電電流Ｉｏｕｔの最大値を４Ａとすると約０．２６７Ａずつ増加していくことになる。

図５は、６ビットのＤＡコンバータ１４３を用いる場合の一例である。
この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力電圧は、デジタル入力値を１ビットずつ増加させていくに従って、定格電圧の１／６３の電圧ずつ段階的に上昇していく。それによって二次電池２０の充電電流Ｉｏｕｔは、最大値の１／６３の電流ずつ段階的に増加し、例えば二次電池２０の充電電流Ｉｏｕｔの最大値を４Ａとすると約０．０６３Ａずつ増加していくことになる。

図６は、８ビットのＤＡコンバータ１４３を用いる場合の一例である。
この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力電圧は、デジタル入力値を１ビットずつ増加させていくに従って、定格電圧の１／２５５の電圧ずつ段階的に上昇していく。それによって二次電池２０の充電電流Ｉｏｕｔは、最大値の１／２５５の電流ずつ段階的に増加し、例えば二次電池２０の充電電流Ｉｏｕｔの最大値を４Ａとすると約０．０１５６８６Ａずつ増加していくことになる。

＜充電装置１０の動作＞
充電装置１０の動作について、図７〜図９を参照しながら説明する。
図７は、充電装置１０の動作を図示したタイミングチャートであり、入力電源の電力供給能力に十分な余裕がある場合の充電制御の一例を図示したものである。

充電制御部１５は、入力電圧Ｖｅを監視しながら充電電圧Ｖｏｕｔ（ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力電圧）を所定電圧ずつ段階的に上昇させる。より具体的には充電制御部１５は、ＤＡコンバータ１４３のデジタル入力値を０に設定して充電制御電圧Ｖ_Ａを下げた状態でトランジスタＱ１をＯＮする（タイミングＴ１）。それによってトランジスタＱ２のベース電流Ｉ_Ｑ２Ｂは最大となるため、充電電圧Ｖｏｕｔ及び充電電流Ｉｏｕｔは最小値で動作開始する。そして充電制御部１５は、ＤＡコンバータ１４３のデジタル入力値を１ビットずつ増加させて充電制御電圧Ｖ_Ａを段階的に上げていく。それによってトランジスタＱ２のベース電流Ｉ_Ｑ２Ｂが段階的に低下していく。二次電池２０の充電電圧Ｖｏｕｔが段階的に上昇していくとともに充電電流Ｉｏｕｔが段階的に増加し、入力電圧Ｖｅが低下していく。

入力電源の電力供給能力に十分な余裕がある場合には、入力電圧Ｖｅが第１閾値電圧Ｖｔｈ１以下に低下する前に、二次電池２０の充電電圧Ｖｏｕｔが定格充電電圧Ｖ１まで上昇し、それによって二次電池２０の充電電流Ｉｏｕｔが最大充電電流Ｉ１まで増加する（タイミングＴ２）。したがって二次電池２０は、最大充電電流Ｉ１で充電される。ここで最大充電電流Ｉ１は、例えば二次電池２０が劣化しない範囲で流すことが可能な充電電流Ｉｏｕｔの最大値であり、二次電池２０を最短時間で充電することが可能な大きさの電流である。つまり充電装置１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力電圧が定格充電電圧Ｖ１であるときに二次電池２０の充電電流Ｉｏｕｔが最大充電電流Ｉ１となるように構成されている。

充電制御部１５は、二次電池２０の充電中、つまりトランジスタＱ１がＯＮしている間は、例えばサーミスタ等の感温素子（図示省略）で検出した二次電池２０の温度から二次電池２０の充電状態を検出する。そして充電制御部１５は、二次電池２０の充電状態が満充電になった時点で、トランジスタＱ１をＯＦＦして二次電池２０の充電を終了する（タイミングＴ３）。このように入力電源の電力供給能力に十分な余裕がある場合には、最大充電電流Ｉ１で二次電池２０を充電することができるので、最短時間で二次電池２０を満充電にすることができる。

図８は、充電装置１０の動作を図示したタイミングチャートであり、入力電源の電力供給能力が不足している場合の充電制御の一例を図示したものである。

充電制御部１５は、ＤＡコンバータ１４３のデジタル入力値を０に設定して充電制御電圧Ｖ_Ａを下げた状態でトランジスタＱ１をＯＮする（タイミングＴ１１）。そしてＤＡコンバータ１４３のデジタル入力値を１ビットずつ増加させて充電制御電圧Ｖ_Ａを段階的に上げていくと、トランジスタＱ２のベース電流Ｉ_Ｑ２Ｂが段階的に低下していく。それによって二次電池２０の充電電圧Ｖｏｕｔが段階的に上昇していくとともに充電電流Ｉｏｕｔが段階的に増加し、入力電圧Ｖｅが低下していく。そして入力電源の電力供給能力が不足している場合には、二次電池２０の充電電圧Ｖｏｕｔが定格充電電圧Ｖ１まで上昇する前に、入力電圧Ｖｅが第１閾値電圧Ｖｔｈ１以下に低下する（タイミングＴ１２）。

第１閾値電圧Ｖｔｈ１は、定格充電電圧Ｖ１及び最大充電電流Ｉ１で二次電池２０を定電流充電する上で、入力電源の電力供給能力が不足している状態を検出するためのものである。そのため第１閾値電圧Ｖｔｈ１は、例えば定格充電電圧Ｖ１を出力可能なＤＣ−ＤＣコンバータ１１の入力電圧の下限と同じ電圧か、それよりも高い電圧に設定される。

充電制御部１５は、充電電圧Ｖｏｕｔが定格充電電圧まで上昇する前に入力電圧Ｖｅが第１閾値以下Ｖｔｈ１に低下した場合には、その時点より一段階低い電圧に充電電圧Ｖｏｕｔを維持する。より具体的には充電制御部１５は、入力電圧Ｖｅが第１閾値電圧Ｖｔｈ１以下に低下した時点で（タイミングＴ１２）、充電制御電圧Ｖ_Ａの上昇を止め、ＤＡコンバータ１４３のデジタル入力値を１ビット前の値に戻す（タイミングＴ１３）。それによって充電電圧Ｖｏｕｔが定格充電電圧Ｖ１より低い充電電圧Ｖ２に維持され、二次電池２０の充電電流Ｉｏｕｔが最大充電電流Ｉ１より低い充電電流Ｉ２に維持される。

つまり入力電源の電力供給能力が不足して入力電圧Ｖｅが第１閾値電圧Ｖｔｈ１以下に低下した場合には、二次電池２０の充電電流Ｉｏｕｔが最大充電電流Ｉ１より低い充電電流Ｉ２に制限されるように、定格充電電圧Ｖ１より低い充電電圧Ｖ２が設定されて引き続き二次電池２０の充電が行われる。それによって二次電池２０は、最大充電電流Ｉ１より低い充電電流Ｉ２で定電流充電が行われることになる。そして充電制御部１５は、二次電池２０の充電状態が満充電になった時点で、トランジスタＱ１及びＱ２をＯＦＦして二次電池２０の充電を終了する（タイミングＴ１４）。

このように入力電源の電力供給能力が低下したときには、二次電池２０の充電で消費される電力が小さくなる分だけ充電時間は長くなるものの、入力電源の電力供給能力の最大限の充電電流（充電電流Ｉ２）を維持して二次電池２０の充電を継続することができる。それによって入力電源の電力供給能力が低下したときに、二次電池２０の充電電圧Ｖｏｕｔが必要最小限の電圧未満に低下して二次電池２０の充電を中断せざるを得なくなる虞を低減することができるので、入力電源の電力供給能力が変動しても二次電池２０の充電を継続することができる。

このように本発明に係る充電装置１０は、入力電源の電力供給能力が低下したときには、二次電池２０の充電電流が最大充電電流Ｉ１より低い充電電流Ｉ２に制限されるように、入力電圧Ｖｅの低下に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力電圧が可変設定されるシンプルな構成である。したがって本発明によれば、入力電源の電力供給能力が変動しても二次電池２０の充電を継続できる充電装置１０を小型で低コストに構成することができる。また本発明に係る充電装置１０は、入力電圧Ｖｅの低下に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力電圧が可変設定される構成であるため、充電電流Ｉｏｕｔを検出する抵抗及び回路が不要である。そのため部品コストを大幅に削減することができる。それによって充電電流Ｉｏｕｔを検出する抵抗で生ずる損失を削減することもできるため、より高効率な充電装置１０を実現することができる。

さらに本発明に係る充電装置１０は、極めてシンプルな回路構成でＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力電圧を可変設定することができるので、さらなる小型化及び低コスト化を実現することができる。またＤＡコンバータ１４３のデジタル入力値から二次電池２０の充電電流Ｉｏｕｔを正確に特定することができるため、二次電池２０の充電制御を高精度に行うことができる。

図９は、充電装置１０の動作を図示したタイミングチャートであり、二次電池２０の充電中に入力電源の電力供給能力が回復した場合の充電制御の一例を図示したものである。

充電制御部１５は、ＤＡコンバータ１４３のデジタル入力値を０に設定して充電制御電圧Ｖ_Ａを下げた状態でトランジスタＱ１をＯＮする（タイミングＴ２１）。そしてＤＡコンバータ１４３のデジタル入力値を１ビットずつ増加させて充電制御電圧Ｖ_Ａを段階的に上げていくと、トランジスタＱ２のベース電流Ｉ_Ｑ２Ｂが段階的に低下していく。それによって二次電池２０の充電電圧Ｖｏｕｔが段階的に上昇していくとともに充電電流Ｉｏｕｔが段階的に増加し、入力電圧Ｖｅが低下していく。そして入力電源の電力供給能力が不足している場合には、二次電池２０の充電電圧Ｖｏｕｔが定格充電電圧Ｖ１まで上昇する前に、入力電圧Ｖｅが第１閾値電圧Ｖｔｈ１以下に低下する（タイミングＴ２２）。

充電制御部１５は、入力電圧Ｖｅが第１閾値電圧Ｖｔｈ１以下に低下した時点で（タイミングＴ２２）、充電制御電圧Ｖ_Ａの上昇を止め、ＤＡコンバータ１４３のデジタル入力値を１ビット前の値に戻す（タイミングＴ２３）。それによって充電電圧Ｖｏｕｔが定格充電電圧Ｖ１より低い充電電圧Ｖ２に維持され、二次電池２０の充電電流Ｉｏｕｔが最大充電電流Ｉ１より低い充電電流Ｉ２に維持される。

充電制御部１５は、二次電池２０の充電状態が満充電になる前に、入力電源の電力供給能力が回復し、入力電圧Ｖｅが第２閾値電圧Ｖｔｈ２以上に上昇した場合には、再びＤＡコンバータ１４３のデジタル入力値を１ビットずつ増加させて充電制御電圧Ｖ_Ａを段階的に上げていく（タイミングＴ２４）。つまり充電制御部１５は、充電電圧Ｖｏｕｔが定格充電電圧Ｖ１より低い充電電圧Ｖ２に維持されている状態では、第１閾値電圧Ｖｔｈ１より高い第２閾値電圧Ｖｔｈ２以上に入力電圧Ｖｅが上昇したことを条件として、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力電圧を所定電圧ずつ段階的に上昇させる。

それによってトランジスタＱ２のベース電流Ｉ_Ｑ２Ｂが段階的に低下していく。二次電池２０の充電電圧Ｖｏｕｔが段階的に上昇していくとともに充電電流Ｉｏｕｔが段階的に増加し、入力電圧Ｖｅが低下していく。そして入力電源の電力供給能力に十分な余裕がある場合には、入力電圧Ｖｅが第１閾値電圧Ｖｔｈ１以下に低下する前に、二次電池２０の充電電圧Ｖｏｕｔが定格充電電圧Ｖ１まで上昇し、それによって二次電池２０の充電電流Ｉｏｕｔが最大充電電流Ｉ１まで増加する（タイミングＴ２５）。したがって二次電池２０は、最大充電電流Ｉ１で充電される。そして充電制御部１５は、二次電池２０の充電状態が満充電になった時点で、トランジスタＱ１をＯＦＦして二次電池２０の充電を終了する（タイミングＴ２６）。

第２閾値電圧Ｖｔｈ２は、定格充電電圧Ｖ１及び最大充電電流Ｉ１で二次電池２０を定電流充電することが可能な程度に入力電源の電力供給能力が回復したことを検出するためのものである。そのため第２閾値電圧Ｖｔｈ２は、少なくとも第１閾値電圧Ｖｔｈ１以上の電圧に設定され、好ましくは第１閾値電圧Ｖｔｈ１よりも高い電圧に設定される。

このように入力電源の電力供給能力が不足していて充電電圧Ｖ２で二次電池２０の充電が行われている場合であっても、充電中に入力電源の電力供給能力が回復して入力電圧Ｖｅが第２閾値電圧Ｖｔｈ２以上に上昇した場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の出力電圧を所定電圧ずつ段階的に上昇させるのが好ましい。それによって二次電池２０の充電電流Ｉｏｕｔを最大充電電流Ｉ１より低い充電電流Ｉ２に制限して充電しているときに、入力電源の電力供給能力が回復した場合には、二次電池２０の充電電流Ｉｏｕｔが最大充電電流Ｉ１まで段階的に増加していく。したがって入力電源の電力供給能力の変動に応じて柔軟かつ的確に充電電流Ｉｏｕｔを自動的に設定して二次電池２０を充電することができる。

１０充電装置
１１ＤＣ−ＤＣコンバータ
１２充電回路
１３電源電圧検出回路
１４出力電圧設定回路
１５充電制御部
２０二次電池
１４１分圧回路
１４２分圧比変更回路
１４３ＤＡコンバータ

Claims

入力電源から供給される直流電力の電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータが出力する直流電圧で二次電池を充電する充電回路と、
前記入力電源の電圧を検出する電源電圧検出回路と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を設定する出力電圧設定回路と、
前記入力電源の電圧に基づいて、前記充電回路及び前記出力電圧設定回路を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記入力電源の電圧を監視しながら前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を所定電圧ずつ段階的に上昇させ、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が定格充電電圧まで上昇する前に前記入力電源の電圧が第１閾値以下に低下した場合には、その時点より一段階低い電圧に前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を維持する、充電装置。
請求項１に記載の充電装置において、前記制御装置は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が前記定格充電電圧より低い電圧に維持されている状態では、前記第１閾値電圧より高い第２閾値電圧以上に前記入力電源の電圧が上昇したことを条件として、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を所定電圧ずつ段階的に上昇させる、充電装置。
請求項１又は２に記載の充電装置において、前記出力電圧設定回路は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を分圧する分圧回路と、前記分圧回路の分圧比を変更する分圧比変更回路と、前記分圧比変更回路を制御するＤＡコンバータと、を含み、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記分圧回路の分圧点の電圧が所定電圧に維持されるように出力電圧を制御する、充電装置。