JPH0614471A - トランスレスの充電器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 過充電を防止して、電池を正確に満充電でき
るトランスレス充電器とする。 【構成】 トランスレスの充電器は、入力される交流を
ダイオードで脈流に整流し、整流した脈流に同期して電
池３をパルス充電する。さらに、電池３をパルス充電す
る休止時間に電池３の電圧を検出し、電池電圧によって
電池３の満充電を検出し、満充電になると電池３の充電
を停止する。 【効果】 パルス充電を休止するときに電池の電圧を検
出するので、充電電流の影響を受けずに電池の電圧を測
定し、満充電を正確に測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電源トランスを使用し
ないで、電池をパルス充電するトランスレスの充電器に
関する。

【０００２】

【従来の技術】トランスレスの充電器はすでに開発され
ている（アメリカ特許第４９９８０５６号）。この公報
に記載される充電器の回路図を図１に示している。この
図に示す充電器は、入力される交流をダイオードブリッ
ジ１で全波整流し、ダイオードブリッジ１の＋側を、ス
イッチング素子２であるサイリスタＳＣＲを介して電池
３に接続している。サイリスタＳＣＲのゲートは、トリ
ガー回路４に接続されている。トリガー回路４は、ＵＪ
Ｔと、トリガーのタイミングを決定する抵抗Ｒとコンデ
ンサーＣとを備えている。さらに、電池３が満充電にな
ると、充電を停止するためにサーモスタット５と、リレ
ー６とを備えている。サーモスタット５は電池３に内蔵
されている。電池３が満充電になって温度が上昇する
と、サーモスタット５の接点はオフに切り変えられる。
サーモスタット５がオフになると、リレー６に通電され
なくなって、リレー６の接点もオフになる。この回路構
成のトランスレスの充電器は、下記の動作をして電池３
を充電する。 充電を開始するときには、リレー６の接点と並列に
接続された手動スイッチ７を一次的にオンとする。 手動スイッチ７がオンになると、リレー６のコイル
に通電されて、リレー６の接点がオンとなる。充電する
最初、電池３は温度が低くサーモスタット５はオンとな
っている。 リレー６の接点がオンになると、トリガー回路４の
コンデンサーＣがアースに接続される。したがって、ト
リガー回路４の抵抗Ｒを介してコンデンサーＣが充電さ
れる。 コンデンサーＣの電圧が所定の値に上昇すると、瞬
間的にＵＪＴがオンとなる。 ＵＪＴがオンになると電流が流れ、これがサイリス
タＳＣＲのゲートにトリガー信号を入力して、サイリス
タＳＣＲをオンとする。一方、コンデンサーＣの電荷
は、ＵＪＴをトリガーしたときに放電される。 サイリスタＳＣＲがオンになると、電池３がダイオ
ードブリッジ１に接続されて充電電流が流れる。 ダイオードブリッジ１の出力は脈流で、一定の周期
で０Ｖとなる。したがって、一旦オン状態となったサイ
リスタＳＣＲは、ダイオードブリッジ１の出力が０Ｖに
低下したときにオフとなる。その後、〜の動作を繰
り返して、電池３に一定の周期で、パルス状に充電電流
を流して充電する。 電池３が満充電になると、通電する電流が電池３の
化学変化に消費されなくなり、電池３の温度が上昇す
る。電池温度が上昇すると、サーモスタット５がオフと
なり、したがってリレー６がオフになり、コンデンサー
Ｃがアースから切り離され、トリガー回路４は動作を停
止する。したがって、サイリスタＳＣＲはトリガーされ
ず、電池３の充電は停止される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この構造の充電器は、
スイッチング素子２であるサイリスタＳＣＲをトリガー
してパルス状に充電する電流を制御することによって、
入力電圧を電池電圧に低下させるトランスを省略でき
る。このため、充電器を著しく小型化して、安価に製造
できる特長がある。とくに、トランスで電圧を低下させ
る充電器は、大容量の電池３を充電するには大型のトラ
ンスを必要とし、大きく、重くなる欠点がある。近年、
自動車やバイクの排気ガスによる公害が叫ばれる中、二
次電池を駆動用電源として使用する電気自動車、電動バ
イクの開発がさかんに行われている。このように電気自
動車、電動バイクには大容量の二次電池が持ちいられる
ので、充電器のトランスも相当に大きくなってしまい、
充電器を内蔵した電気自動車、電動バイクでは重量が重
くなり、走行距離の低下等の原因となる。トランスレス
の充電器は、大きくて重いトランスを省略できるので、
大容量の電池を充電できるものであっても小型、軽量化
できる特長がある。

【０００４】しかしながら、図１に示すトランスレスの
充電器は、電池が満充電されたときに正確なタイミング
で充電を停止するのが難しい。このため、電池が過充電
となりやすく、これが原因で電池性能を低下させる弊害
がある。それは、電池の温度を検出して充電を停止する
ことが理由である。本発明者は、この欠点を解決するた
めに、従来の充電器がすでに採用できるように、電池の
電圧を検出して、電池の満充電を検出する充電器を開発
した。しかしながら、この方式の充電器も正確に、満充
電を検出して、正確なタイミングで充電を停止すること
が難しい欠点がある。それは、トランスレスの充電器
は、通常の充電器のように、一定の電流を流して充電す
るのではなく、瞬間的に大きな電流を流し、その間は充
電を停止する、パルス充電するために、電池電圧が短時
間で急激に変動することが理由である。

【０００５】本発明は、さらにこの欠点を解決すること
を目的に開発されたもので、本発明の重要な目的は、満
充電を正確に検出して、最適なタイミングで充電を停止
でき、過充電による電池性能の低下を防止できるトラン
スレスの充電器を提供するにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の装置は、前述の
目的を達成するために下記の構成を備える。すなわち、
本発明のトランスレスの充電器は、入力される交流をダ
イオードで脈流に整流し、整流した脈流に同期した周期
で電池をパルス充電するものを改良したものである。電
池をパルス充電するタイミングは、図２のハッチングで
示すように、脈流の電圧が電池電圧よりも高く、電池を
充電してダメージを与えない電圧よりも低く設定され
る。電池を充電する電圧が、整流された脈流のピーク値
よりも低い場合、好ましくは、図２に示すように、電圧
の立ち上がり部分と、降下部分の両方で電池をパルス充
電する。商用電源は交流の１００Ｖである。これを整流
した脈流のピーク電圧は１４０Ｖとなる。したがって、
パルス充電するタイミングを調整することによって、ほ
ぼ１４０Ｖよりも低い電池を充電することができる。さ
らに、ダイオードで交流を脈流に変換する回路に、倍電
圧整流回路を使用することによって、１４０Ｖよりも高
い電池を充電することも可能である。

【０００７】充電器は、電池の満充電を正確に検出する
ために、電池をパルス充電する休止時間に電池の電圧を
検出する。このときに検出した電池電圧によって、電池
の満充電を検出し、満充電になると電池の充電を停止す
るように構成されている。

【０００８】

【作用】本発明のトランスレスの充電器は、整流した脈
流に同期して、電池をパルス充電する。電池の満充電を
検出するために、電池の充電を休止するときに、電池の
電圧を測定する。したがって、測定する電池電圧が、パ
ルス充電する充電電流によって変動されるのを防止で
き、大電流でパルス充電する影響を少なくして、電池３
の満充電を正確に検出できる。

【０００９】さらに、電池をパルス充電するトランスレ
スの充電器は、電池を連続的に充電することができな
い。それは、充電時間を制御して、平均的な充電電流を
制御するからである。すなわち、パルス充電する充電時
間を長くして、休止時間を短くすると、電池を充電する
平均的な電流は増加する。反対に、パルス充電する充電
時間を短くして、休止時間を長くすると、平均的な充電
電流は減少する。トランスレスの充電器は、このように
電池をパルス充電するので、電池の充電を休止する時間
ができる。本発明の充電器は、充電の休止時間を有効に
利用して、電池の満充電を正確に検出する。すなわち、
電池の電圧を検出するために、電池の充電を停止する必
要がなく、パルス充電の休止時間を利用して電池の電圧
を検出する。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想
を具体化するためのトランスレスの充電器を例示するも
のであって、本発明の充電器、回路構成、使用部品等を
下記のものに特定するものでない。本発明の充電器は、
特許請求の範囲において、種々の変更を加えることがで
きる。

【００１１】図３に示すトランスレスの充電器は、ダイ
オードブリッジ１と、オンの時に電池３をパルス充電す
るスイッチング素子２と、スイッチング素子２を一定の
周期でオンオフ制御するスイッチング制御回路８と、電
池３の電圧を検出する電圧検出手段９と、電池３の温度
を検出する温度検出手段１０と、充電の終了信号を出力
する充電終了制御回路１１とを備えている。

【００１２】ダイオードブリッジ１は、４個のダイオー
ドをブリッジ接続したもので、入力される交流を全波整
流して脈流に変換する。このように、交流を全波整流す
ると、半波整流に比較して電池３の平均充電電流を多く
でき、充電時間を短くできる特長がある。それは、図２
に示すように、交流の半サイクルに２回、１サイクルで
は４回通電して充電できるからである。ただ、半波整流
して、電池を充電することもできるのは言うまでもな
い。

【００１３】スイッチング素子２には、サイリスタ、ト
ランジスター、ＦＥＴ等が使用できる。サイリスタは小
型のもので大電流を制御でき、しかも、ゲートにトリガ
ーパルスを供給してオンに制御できるので、トリガー回
路を簡単にできる特長がある。サイリスタには、脈流の
電圧が０にならない状態で、充電を停止するために、Ｇ
ＴＯが使用される。ＧＴＯは、ゲートにオフ信号を入力
して強制的にオフに切り換えできる。トランジスタやＦ
ＥＴは、ベースにパルス状の矩形波を入力して、オンオ
フ制御される。

【００１４】スイッチング制御回路８は、ダイオードブ
リッジ１の出力である脈流の周期に同期して、電池３を
適正な電流で充電できるタイミングでスイッチング素子
２をオンとする制御信号を出力する。スイッチング制御
回路８がスイッチング素子２をオンにするタイミング
が、脈流のピークに接近すると、電池３の充電電流は大
きくなる。したがって、スイッチング制御回路８がスイ
ッチング素子２をオンとして電池３をパルス充電するタ
イミングは、電池３の電圧と容量とを考慮して最適値に
設定される。電圧が高く、また、大電流で充電できる電
池は、パルス充電するタイミングを脈流のピークに接近
させる。

【００１５】交流を整流した脈流は、図２に示すよう
に、次第に電圧が上昇してピークとなり、その後次第に
電圧が低下する。したがって、スイッチング制御回路８
は、脈流の半サイクルで２回スイッチング素子２をオン
としてパルス充電する。電圧が上昇するときと、降下す
るときにほぼ同じ電圧でスイッチング素子２をオンとす
る。

【００１６】スイッチング素子２に逆方向に電流を流す
ことがない素子を使用する場合、脈流の電圧が電池電圧
よりも低いときに、スイッチング素子２をオン状態とす
ることもできる。それは、脈流の電圧が電池電圧より低
くても、スイッチング素子２によって、電池３からダイ
オードブリッジ１に放電電流が流れるのが阻止されるか
らである。本発明の充電器は、電池をパルス充電する休
止時間に電池の電圧を検出するので、電池電圧が脈流の
電圧よりも低いときは、逆に電流を流すことがないスイ
ッチング素子をオン状態として、電池電圧を測定するこ
とができる。

【００１７】電圧検出手段９は、電池のパルス充電を休
止するときに、電池電圧を検出して電池の満充電を検出
する。したがって、電圧検出手段９には、スイッチング
制御回路８から電圧検出信号が出力される。電圧検出信
号は、スイッチング制御回路８がスイッチング素子２を
オンにする制御信号を出力していない間、すなわちパル
ス充電を休止する間に出力される。電圧検出信号が入力
された時に、電圧検出手段９は電池電圧を検出して、電
池３が満充電されたかどうかを検出する。電圧検出手段
９が電池３の満充電を検出する方式は、従来からすでに
採用され、あるいはこれから開発される全ての方式を採
用することができる。例えば、ニッケルカドミウム電池
の場合、満充電されると電圧がピーク値に上昇し、その
後に多少低下するので、ピークから電圧が低下したこと
を検出して満充電とする。電圧検出手段９には、例え
ば、Ａ／Ｄコンバータが使用される。Ａ／Ｄコンバータ
は、スイッチング制御回路８から電圧検出信号が出力さ
れたときに、電池電圧をデジタル値に変換して、充電終
了制御回路１１とスイッチング制御回路８とに出力す
る。電圧検出手段９は、脈流の半サイクルに１回電池３
の電圧を検出することができる。ただ、電圧検出手段９
は、必ずしも、半サイクルに１回電池電圧を検出する必
要はない。例えば、１〜数秒に１回の割合で電池電圧を
検出すこともできる。電池電圧の検出回数が少なくなっ
ても、電池電圧を検出するタイミングはパルス充電を休
止する時間に設定される。

【００１８】温度検出手段１０は、電池３の温度を検出
して、充電終了制御回路１１に出力を伝送する。電池３
は充電が完了すると温度が上昇するので、電圧検出手段
９を有する充電器は、電池電圧と温度の両方を検出して
電池３の充電を終了することができる。

【００１９】充電終了制御回路１１は、電圧検出手段９
と温度検出手段１０から入力される信号を演算して、電
池３が満充電になったことを検出する。充電終了制御回
路１１は、電池３の満充電を検出すると、充電終了信号
をスイッチング制御回路８に出力する。充電終了信号が
入力されたスイッチング制御回路８は、スイッチング素
子２をオンとするのを停止して、電池３の充電を終了す
る。

【００２０】図３に示すトランスレスの充電器は、下記
の動作をして電池３を充電する。 満充電されていない電池３を接続して充電を開始す
ると、スイッチング制御回路８が、スイッチング素子２
を、脈流に同期してオンとする。スイッチング素子２が
オンとなる時間は、電池３を適正な電流で充電できるタ
イミングに設定されている。 スイッチング素子２がオンになると、電池３はダイ
オードブリッジ１に接続されて、充電される。 脈流の電圧が変化して、電池電圧よりも低く、ある
いは、電池３にダメージを与える電圧になると、スイッ
チング素子２はオフとなり、充電を停止する。したがっ
て、電池３は、スイッチング素子２がオンオフされて、
脈流の半サイクルに少なくとも１回の割合で、パルス充
電される。 電池３の充電が休止される時間に、電圧検出手段９
は電池３の電圧を検出する。 電池３の充電が進行するに従って電池電圧は上昇
し、ニッケルカドミウム電池３の場合、ピークから多少
低下する。 電池電圧の変化は電圧検出手段９に検出され、その
出力は充電終了制御回路１１に出力される。 充電終了制御回路１１は、電池３が満充電になった
かどうかを検出し、電池３が満充電になったことを検出
すると、充電終了信号をスイッチング制御回路８に出力
し、スイッチング制御回路８はスイッチング素子２をオ
ンとするのを停止して、電池３の充電を終了する。 さらに、温度検出手段１０も電池３の温度を検出
し、電池温度によっても電池３の満充電を検出して、充
電を停止する。

【００２１】

【発明の効果】本発明のトランスレスの充電器は、整流
した脈流で電池をパルス充電し、さらに、パルス充電の
タイミングを避けて、充電を休止するときに電池の電圧
を測定して満充電を検出する。電池の充電を休止するタ
イミングにあわせて、電池の電圧を測定すると、充電電
流の影響を受けることなく、電池電圧を正確に測定でき
る。とくに、電池をパルス充電する充電器は、充電時に
電池の電圧が上昇し、充電を休止するときに電圧が低下
して電池電圧が変動する。変動する電圧を測定して満充
電を検出する回路は、変動する電圧を平均化する等の方
式で処理して満充電を検出する必要がある。この充電器
は、電池の満充電の検出回路が複雑になるばかりでな
く、充電電流の影響を受けて、正確に満充電を検出する
ことが難しい欠点がある。これに対して、本発明の充電
器は、充電のタイミングを避けて、充電の休止時間に電
池電圧を検出するので、充電電流の影響を受けず、正確
に満充電を検出できる。したがって、本発明の充電器
は、電池を過充電して寿命を短くする欠点がなく、正確
に満充電できる特長がある。

【００２２】さらにまた、本発明の充電器の特筆すべき
特長は、パルス充電の休止時間を有効に利用して、電池
の電圧を検出するので、充電の休止時間で電池の電圧を
検出するにもかかわらず、電池の充電時間が長くなるこ
とがないことにある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のトランスレス充電器の一例を示す回路図

【図２】トランスレスの充電器が電池をパルス充電する
状態を示すグラフ

【図３】本発明の一実施例を示すトランスレス充電器の
ブロック線図

【符号の説明】

１…ダイオードブリッジ ２…スイッチング素子 ３…電池 ４…トリガー回路 ５…サーモスタット ６…リレー ７…手動スイッチ ８…スイッチング制御回路 ９…電圧検出手段 １０…温度検出手段 １１…充電終了制御回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力される交流をダイオードで脈流に整
   流し、整流した脈流に同期した周期で電池をパルス充電
   するトランスレスの充電器において、 電池をパルス充電する休止時間に電池の電圧を検出し、
   検出した電池電圧によって電池の満充電を検出し、満充
   電になると充電を停止するように構成されたことを特徴
   とするトランスレスの充電器。