JPH0538070A - 充電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 二次電池を充電する時の終了間際にも正確に
充電でき，かつ，簡単な制御方法で充電可能な装置を提
供する。 【構成】 スイッチング制御装置６は，主スイッチング
素子３を固定のオン時間だけ駆動したとき，フライバッ
ク形変圧器２に単位電磁エネルギー＝ＬＩ² ／２が蓄積
されるように制御する。スイッチング制御装置６は分圧
抵抗器７ｂの端子電圧を検出して二次電池１０の充電状
態を監視し，その充電状態に応じて，主スイッチング素
子３をオフにするオフタイミングを決定し，そのオフ時
間で主スイッチング素子３をオフ状態に維持する。スイ
ッチング制御装置６は二次電池１０に必要な充電量に相
当して主スイッチング素子３をオン・オフスイッチング
すればよく，単位電磁エネルギーの分解能で二次電池１
０への充電を制御するから，充電終了時点までその分解
能で正確に効率的に充電することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は二次電池（蓄電池）を充
電する充電装置に関するものであり，特に，充電終了時
点においても簡単な制御方式で正確に二次電池を充電す
ることが可能な充電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】二次電池，たとえば，ニッケル・カドミ
ウム蓄電池，鉛蓄電池などを充電する充電装置としては
従来種々の方式のものが提案されている。たとえば，そ
の充電法としては，定電流充電法，定電圧充電法，浮動
充電法などが知られているが，それぞれ一長一短があ
る。

【０００３】かかる従来の充電方法の１例を図７を参照
して述べる。図７に示した充電方法は，パルス幅変調
（ＰＷＭ）制御方式のスイッチング電源を用いる方法で
ある。図７において，スイッチング素子１２をオン・オ
フさせて直流電源１から流れるオン・オフ電流を交流電
流ｉとして変圧器１１の一次コイルに流し，変圧器１１
の二次コイルに誘起された電圧を整流器１４で整流し
て，二次電池１０，たとえば，ニッケル・カドミウム蓄
電池，鉛蓄電池などに充電させる。

【０００４】その充電方法としては，二次電池１０の電
圧が低い時は，たとえば，規格容量Ｃの４倍（４Ｃ）程
度の大きな電流を流して充電をし，二次電池１０の充電
電圧が充分高くなると，たとえば，０．１Ｃ程度で充電
する。通常，公称電圧の１４０％程度の規定充電電圧ま
で充電する。

【０００５】スイッチング素子１２のオン時間が長いと
より多くの電流が二次電池１０に流れて迅速に充電され
る。したがって，ＰＷＭ制御回路１６は，二次電池１０
の充電初期時にはスイッチング素子１２のオン時間を長
くするためパルス幅を長くしてスイッチング素子１２の
オン時間を長くし，規定充電電圧の近傍に到達するとス
イッチング素子１２がオンされるパルス幅を短くする。

【０００６】ＰＷＭ制御回路１６は，シャント抵抗器１
５を介して二次電池１０に流れる充電電流ｉ_C を検出す
るとともに，分圧抵抗回路１７の抵抗器１７ｂの端子電
圧を検出して二次電池１０の電圧を監視する。ＰＷＭ制
御回路１６は充電電流と充電電圧とから，一定周期内の
うちのスイッチング素子１２をオンにするパルス幅を決
定し，そのパルス幅でスイッチング素子１２をオンにす
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図７に示したＰＷＭ制
御方式のスイッチング電源を用いた充電方法では，充電
初期時の４Ｃから充電終了間際の０．１Ｃの広い範囲で
充電を行うため，スイッチング素子１２のパルス幅を４
０以上の分解能で正確に制御しなければならないという
問題がある。特に規定充電電圧の近傍において０．１Ｃ
を供給する短いパルス幅での充電を正確に行うことが難
しい。したがって，本発明はかかる問題を解決し，簡単
な制御方式でかつ正確に二次電池に充電可能な充電装置
を提供すること目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め，本発明の充電装置は，直流電源と，該電源の電圧を
オン・オフするスイッチング回路と，該スイッチング回
路のオン・オフ動作に応答して該電源から断続して出力
される電気エネルギーを蓄積し，その蓄積電気エネルギ
ーを充電すべき二次電池に放出する電気エネルギー蓄積
手段と，上記スイッチング回路を付勢するスイッチング
制御手段とを有する。上記スイッチング制御手段は上記
スイッチング回路を１回ごと固定の所定時間オンして単
位電気エネルギーを上記電気エネルギー蓄積手段に蓄積
させるように構成され，かつ，上記二次電池の充電状態
を検出し上記スイッチング回路の付勢タイミングを制御
する。

【０００９】好適には，上記電気エネルギー蓄積手段は
上記電源からの断続電気エネルギーを電磁エネルギーと
して蓄積する電気エネルギー蓄積形変圧回路を有する。
また好適には，上記電気エネルギー蓄積手段は上記電源
からの断続電気エネルギーをを静電エネルギーとして蓄
積するコンデンサ回路を有する。

【００１０】

【作用】スイッチング制御手段がスイッチング回路を１
回ごと固定の所定時間オンすることにより，電気エネル
ギー蓄積手段に電源からの電気エネルギーが一定の単位
電気エネルギーとして蓄積される。この蓄積電気エネル
ギーが二次電池の充電特性に依存した特性で充電され
る。スイッチング制御手段は二次電池の状態を監視し，
充電に必要な回数だけスイッチング回路を付勢（オン
に）する。たとえば，充電初期の二次電池電圧が低いと
きはスイッチング制御手段は所定時間当たりのスイッチ
ング回路の付勢回数を多くして所定時間当たり電気エネ
ルギー蓄積手段に蓄積される電気エネルギーを大きく
し，充電終了間際では所定時間当たりのスイッチング回
路の付勢回数を少なくする。これるより，実施的に，充
電初期では，たとえば，４Ｃで充電され，充電終了間際
では０．１Ｃで充電されるように制御することができ
る。ここで，スイッチング回路のオフ時間は二次電池の
充電状態に依存して変化するが，スイッチング回路が１
回所定時間オンされて電気エネルギー蓄積手段に蓄積さ
れる電気エネルギーは一定の単位電気エネルギーだけ蓄
積されるので，スイッチング制御手段は，充電に必要な
回数だけスイッチング回路をオンさせればよく，ＰＷＭ
制御方式におけるパルス幅の分解能などの制限を受け
ず，充電終了間際でも正確に充電を行うことができる。
またスイッチング制御手段における充電制御方法も簡単
である。

【００１１】上記電気エネルギー蓄積手段としては，電
磁的にエネルギーを蓄積する回路でもよく，静電的に電
気エネルギーを蓄積する回路でもよい。

【００１２】

【実施例】図１に本発明の充電装置の第１実施例として
の電磁式エネルギー蓄積式充電装置の回路構成を示す。
この電磁式エネルギー蓄積式充電装置は，直流電源１
と，電磁エネルギー蓄積手段としてのフライバック形変
圧器２と，パワートランジスタなどの半導体スイッチン
グ素子で実現される主スイッチング素子３と，整流器５
と，抵抗器７ａおよび抵抗器７ｂからなる分圧抵抗回路
７と，スイッチング制御装置６とを有し，二次電池１
０，たとえば，ニッケル・カドミウム蓄電池に充電す
る。スイッチング制御装置６は分圧抵抗回路７内の抵抗
器７ａの端子電圧，すなわち，二次電池１０の充電電圧
を監視して，スイッチング素子３のオン・オフタイミン
グ，特に，後述するようにオン時間は一定であるからオ
ンタイミングを決定し，主スイッチング素子３のオン・
オフ動作を制御する。

【００１３】図２に示すように，この電磁式エネルギー
蓄積式充電装置においては，主スイッチング素子３が１
回，スイッチングオン時間Ｔ_ONだけオンされることによ
って下記式１で規定される電磁エネルギーＥＥがフライ
バック形変圧器２に蓄積されるように構成されている。 ＥＥ＝ＬＩ² ／２ ・・・（１） ただし，Ｌは変圧器２のインダクタンスであり，Ｉは変
圧器２に流れる電流の実効値である。すなわち，スイッ
チング制御装置６には，スイッチング素子３をオンする
スイッチングオン時間Ｔ_ONとして一定（固定）の時間と
して設定しておき，１回スイッチング素子３がオンされ
るごとにフライバック形変圧器２に式１で規定される電
磁エネルギーが蓄積される。フライバック形変圧器２に
蓄積された電磁エネルギーは整流器５を介して二次電池
１０に充電される。

【００１４】図３に示すように，スイッチング制御装置
６は抵抗器７ｂの端子電圧を検出して，二次電池１０の
充電電圧Ｖがどの位置にあるかを判断して，その時点に
おける規格容量Ｃに対する充電容量αＣを決定する。α
は任意の値で，たとえば，αＣ＝０．１Ｃ〜４．０Ｃな
どとなり，充電の初期は，たとえば，４．０Ｃとなり，
充電終了間際では０．１Ｃとなる。スイッチング制御装
置６はそのαＣに応じて二次電池１０の充電特性をも考
慮してスイッチング素子３をオフするスイッチングオフ
時間Ｔ_OFF を決定し，スイッチングオン時間Ｔ_ONおよび
スイッチングオフ時間Ｔ_OFF からなるスイッチング周期
でスイッチング素子３をオン・オフ駆動させる。

【００１５】図４にかかるスイッチング制御装置６によ
る主スイッチング素子３のスイッチング周期τのタイミ
ング例を示す。二次電池１０の電圧が低いときは，スイ
ッチング制御装置６はスイッチング素子３のスイッチン
グ周期τ１，すなわち，スイッチングオフ時間Ｔ_OFF を
短くし，所定時間内にスイッチング素子３がオンされる
回数を多くして，単位時間当たりフライバック形変圧器
２に蓄積され二次電池１０に充電される電気エネルギー
を大きくし，たとえば，４Ｃで二次電池１０への充電迅
速に行う。充電が進み二次電池１０の電圧が高くなるに
つれて，スイッチング制御装置６はスイッチング素子３
のスイッチング周期τ２（より特定的には，スイッチン
グオフ時間Ｔ_OFF ）を長くし，所定時間内に半導体スイ
ッチング素子３がオンされる回数を減少させ，たとえ
ば，２．５Ｃで充電させるため，単位時間当たりフライ
バック形変圧器２に蓄積される電磁エネルギーを低下さ
せて二次電池１０に充電させる。二次電池１０の電圧が
充電規定電圧の近傍になると，たとえば，０．１Ｃで充
電させるため，スイッチング制御装置６はスイッチング
素子３のスイッチング周期τ３と非常に長くする。

【００１６】以上述べた充電方法によると，スイッチン
グ素子３が１回，スイッチングオン時間Ｔ_ONだけオンさ
れると式１で示した一定の電磁エネルギーＥＥに相当す
る電気エネルギーが二次電池１０に充電されるから，二
次電池１０の電圧が規定充電電圧の近傍になってもスイ
ッチング制御装置６はスイッチング素子３をオン・オフ
させる回数を制御するだけでよく，正確に二次電池１０
を充電することができる。本充電法は，二次電池１０の
充電状態，この例では二次電池１０の充電電圧を監視す
るだけでよいから，スイッチング素子３をオフする時間
の決定も簡単である。なお，二次電池１０の充電状態を
監視する方法としては，上述した二次電池１０の充電電
圧を検出する他，二次電池１０の温度を監視するなどの
他の方法を採用することもできる。

【００１７】上記スイッチングオフ時間Ｔ_OFF を決定す
るためのスイッチング制御装置６の回路構成としては，
スイッチング制御装置６としてマイクロコンピュータな
どのコンピュータを用いた場合はＲＯＭを用いてこのＲ
ＯＭに二次電池１０の充電電圧または二次電池１０の温
度をパラメータとして，スイッチングオフ時間Ｔ_OFF を
データとして予め記憶しておき，二次電池１０の充電電
圧または二次電池１０の温度を入力してスイッチングオ
フ時間Ｔ_OFF をテーブルルックアップ方式でサーチする
ように構成することができる。スイッチング素子３をオ
ンするスイッチングオン時間Ｔ_ONは事前にＲＡＭなどに
記憶しておく。

【００１８】スイッチングオン時間Ｔ_ONだけ主スイッチ
ング素子３をオンし，スイッチングオフ時間Ｔ_OFF だけ
主スイッチング素子３をオフする回路としては，種々の
回路構成をとることができる。たとえば，スイッチング
制御装置６を構成するマイクロコンピュータがスイッチ
ングオン時間Ｔ_ONに対応する時間だけオンパルスを出力
するように第１のプログラム時限タイマを設定し，上記
サーチしたスイッチングオフ時間Ｔ_OFF に対応るする時
間だけ第２のプログラム時限タイマを設定し，第１のプ
ログラム時限タイマの時間切れで，第２のプログラム時
限タイマを動作させ，第２のプログラム時限タイマの時
間切れな第１のプログラム時限タイマを駆動させるとい
った動作を反復させる。なお，プログラム時限タイマは
マイクロコンピュータの設定した時間が経過したらタイ
マ切れ信号を出力する。第１のプログラム時限タイマの
出力は主スイッチング素子制御信号ＣＳＷ３として主ス
イッチング素子３に出力されて主スイッチング素子３を
スイッチングオン時間Ｔ_ONの間オンし，スイッチングオ
フ時間Ｔ_OFF の間，主スイッチング素子３をオフにす
る。

【００１９】電気エネルギー変換・蓄積回路として，フ
ライバック形変圧器２を用いた場合について述べたが，
電気エネルギーを電磁エネルギーとして蓄積する機能を
有する回路であればフライバック形変圧器に限らず，他
のインダクタンス回路を用いることができる。

【００２０】図５に本発明の充電装置の第２実施例とし
ての静電エネルギー蓄積式充電装置の回路構成を示す。
この静電エネルギー蓄積式充電装置は，図１に示した電
磁式エネルギー蓄積式充電装置内の電磁エネルギーを蓄
積するフライバック形変圧器２に代えて静電エネルギー
を蓄積するコンデンサ８を用いたものである。コンデン
サ８を用いることにより，静電エネルギー蓄積式充電装
置においては，パワートランジスタなどの半導体スイッ
チング素子で実現される副スイッチング素子９を付加
し，さらにコンデンサ８および副スイッチング素子９を
制御するため図１に示したスイッチング制御装置６をス
イッチング制御装置６Ａに変えている。

【００２１】図５に示した静電エネルギー蓄積式充電装
置においては，主スイッチング素子３がスイッチングオ
ン時間Ｔ_ONの間オンするたびに下記式２で規定される静
電エネルギーＣＥがコンデンサ８に蓄積される。 ＣＥ＝ＣＶ² ／２ ・・（２） ただし，Ｃはコンデンサ８のキャパシタンスであり，Ｖ
はコンデンサ８の端子電圧である。

【００２２】スイッチング制御装置６Ａは分圧抵抗回路
７の抵抗器７ａの端子電圧を監視して，二次電池１０の
充電電圧を検出し，図３に示した充電特性にしたがって
主スイッチング素子３をオン・オフするスイッチング周
期τ，より特定的には，スイッチングオフ時間Ｔ_OFF を
上記第１実施例と同様に決定する。図６にスイッチング
制御装置６Ａの主スイッチング素子３（ＳＷ３）および
副スイッチング素子９（ＳＷ９）のオン・オフ動作タイ
ミング図を示す。この例では所定の静電エネルギーがコ
ンデンサ８に蓄積されてコンデンサ８の端子電圧Ｖ８が
所定レベルまで上昇して始めて副スイッチング素子９が
駆動され，二次電池１０に一括して蓄積エネルギーＣＥ
が充電される場合の動作タイミング図を示している。主
スイッチング素子３と副スイッチング素子９とは逆動作
させる。すなわち，主スイッチング素子３がオン・オフ
されコンデンサ８に式１で規定される静電エネルギーを
蓄積している間は副スイッチング素子９はオフ状態にあ
る。所定の期間主スイッチング素子３がオン・オフされ
てコンデンサ８のコンデンサ充電電圧Ｖ８が所定の値に
なると，主スイッチング素子３のオン・オフ動作は停止
され，副スイッチング素子９が連続してオンされてコン
デンサ８に蓄積された静電エネルギーを二次電池１０に
充電させる。

【００２３】図５に示した静電エネルギー蓄積式充電装
置においても図１に示した電磁式エネルギー蓄積式充電
装置と同様に，主スイッチング素子３を駆動して主スイ
ッチング素子３の１回駆動当たり二次電池１０に充電す
る基本の電気エネルギーとして式２に示した静電蓄積エ
ネルギーを１単位を基準としており，主スイッチング素
子３のオン動作回数を制御するだけで，二次電池１０の
充電の終了時点まで正確に二次電池１０を充電すること
ができる。

【００２４】なお，主スイッチング素子３と副スイッチ
ング素子９とのスイッチングタイミングは，図６の実線
で示した他，図６の破線で示したように，主スイッチン
グ素子３の動作は副スイッチング素子９の動作を交互に
してもよい。すなわち，主スイッチング素子３を１回オ
ンして式２で規定される静電エネルギーをコンデンサ８
に蓄積させ，この単位静電エネルギーを主スイッチング
素子３がオフしている間，副スイッチング素子９をオン
にして二次電池１０に充電させる。なお，コンデンサ８
に蓄積された静電エネルギーが全て二次電池１０に充電
されるのを待つ必要はなく，二次電池１０の充電状態は
スイッチング制御装置６Ａが抵抗器７ａの端子電圧をマ
クロ的に監視しながら，上記主スイッチング素子３と副
スイッチング素子９のスイッチング動作を制御すること
ができる。

【００２５】上述した本発明による電磁式エネルギー蓄
積式充電装置および静電エネルギー蓄積式充電装置によ
る充電対象となる二次電池としては，上述したニッケル
・カドミウム蓄電池，鉛蓄電池などに限らず，その他の
種々の二次電池に適用することができる。また二次電池
１０の充電状態を検出する方法としては，上述した分圧
抵抗回路７を用いて二次電池１０の端子電圧を監視する
方法の他，二次電池１０の温度を検出する方法など，他
の二次電池１０状態監視方法を採用することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上に述べたように，本発明の充電装置
によれば，簡単な回路構成で，スイッチング素子の１回
当たりの電気エネルギー蓄積手段への単位電気エネルギ
ー蓄積量を基準として精度で二次電池の充電終了時点ま
で正確な充電が可能となる。また本発明の充電装置にお
いては二次電池の充電状態のみ検出してスイッチング素
子のオフ時間を制御するだけであるから，充電制御方法
が簡単である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の充電装置の第１実施例の電磁エネルギ
ー蓄積式充電装置の回路図である。

【図２】図１に示した充電装置における単位蓄積エネル
ギーを示す図である。

【図３】図１に示した充電装置における充電特性を示す
図である。

【図４】図１に示した充電装置におけるスイッチング動
作タイミング図である。

【図５】本発明の充電装置の第２実施例の静電エネルギ
ー蓄積式充電装置の回路図である。

【図６】図５に示した充電装置の動作タイミング図であ
る。

【図７】従来の充電装置の回路図である。

【符号の説明】

１・・直流電源，２・・フライバック変圧器，３・・主
スイッチング素子，５・・整流器，６，６Ａ・・スイッ
チング制御装置，７・・分圧抵抗回路，８・・コンデン
サ，９・・副スイッチング素子，１０・・二次電池，１
１・・変圧器，１２・・スイッチング素子，１４・・整
流器，１５・・シャント抵抗器，１６・・ＰＷＭ制御回
路，１７・・分圧抵抗回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菊地原 務 埼玉県坂戸市千代田５丁目５番30号 株式 会社タムラ製作所埼玉事業所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電源と， 該電源の電圧をオン・オフするスイッチング回路と， 該スイッチング回路のオン・オフ動作に応答して該電源
   から断続して出力される電気エネルギーを蓄積し，その
   蓄積電気エネルギーを充電すべき二次電池に放出する電
   気エネルギー蓄積手段と， 上記スイッチング回路を付勢するスイッチング制御手段
   とを有し， 上記スイッチング制御手段は上記スイッチング回路を１
   回ごと固定の所定時間オンして単位電気エネルギーを上
   記電気エネルギー蓄積手段に蓄積させるように構成さ
   れ，かつ，上記二次電池の充電状態を検出し上記スイッ
   チング回路の付勢タイミングを制御することを特徴とす
   る充電装置。
2. 【請求項２】 上記電気エネルギー蓄積手段は上記電源
   からの断続電気エネルギーを電磁エネルギーとして蓄積
   する電気エネルギー蓄積形変圧回路を有する請求項１記
   載の充電装置。
3. 【請求項３】 上記電気エネルギー蓄積手段は上記電源
   からの断続電気エネルギーをを静電エネルギーとして蓄
   積するコンデンサ回路を有する請求項１記載の充電装
   置。