JPS631822B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は充電装置に関し、特に高周波インバ
ータを用いて二次電池を充電するような充電装置
に関する。

従来から、充電可能な二次電池が実用されてい
る。このような二次電池を２個以上同時に充電す
る方法として、従来では複数の電池を直列接続し
て直列的に充電電流を給電する方法が知られてい
る。ところが、複数の電池を直列充電する方法
は、電池個々の容量や内部抵抗等の特性上のバラ
ツキがあるため、大電流を短時間に与えて急速充
電すると、充電量が各電池の個々に均一にならな
い欠点があつた。

また、他の充電方法として、スイツチと電池の
直列回路を並列接続し、各電池に並列的に充電電
流を供給し、電池の充電終了後において当該電池
に対応するスイツチを電源から切り離す方法も使
用されている。このような並列充電方法によれ
ば、電池の特性バラツキに対しても無関係であ
り、全ての電池を完全に充電することが可能とな
る。ところが、電池の特性のバラツキによつて充
電完了するまでに要する時間が異り、充電電流が
大きいため、各電池別に充電状態を切換えるスイ
ツチング手段としてスイツチやリレーなどの機械
式のものを用いれば形状が大形化し、トランジス
タやSCRなどの半導体スイツチング素子を用い
ると自己発熱が大きくなるという欠点があつた。

そこで、この発明は上述のような従来のものの
欠点を解消するためになされたもので、充電電流
が電池の特性によつてほとんど影響されず、スイ
ツチング手段の形状を小形化でき、自己発熱を低
減でき、充電電流によるスイツチング手段の損傷
を防止できるような充電装置を提供することを目
的とする。

この発明を要約すれば、直流電圧を高周波スイ
ツチング手段によつて高周波電流に変換し、高周
波トランスの１次巻線に給電する。高周波トラン
スは１次巻線と２次巻線を密結合して構成され、
１次巻線への給電時に電磁エネルギを蓄積し、１
次巻線への給電停止時に２次巻線に電磁エネルギ
を誘起させて該２次巻線から高周波低電圧出力を
導出する。この高周波低電圧出力を直流化して被
充電電池に給電する。そして、被充電電池の充電
電位が所定電位に達したとき、高周波トランスの
１次巻線に密結合された３次巻線を短絡すること
により、２次巻線からの高周波低電圧出力を停止
させるものである。

以下に、図面を参照してこの発明の実施例を説
明する。

第１図はこの発明の一実施例の充電装置の回路
図であり、特に３個の電池を充電するための回路
図を示す。構成において、被充電電池１ａ，１
ｂ，１ｃに対応して、変成器の一例の高周波トラ
ンス２ａ，２ｂ，２ｃが設けられる。各高周波ト
ランス２ａ〜２ｃは、１次巻線２１ａ〜２１ｃ
と、１次巻線より小さな巻数比に選ばれる２次巻
線２２ａ〜２２ｃと、３次巻線２３ａ〜２３Ｃと
を含み、それぞれ１次巻線と２次巻線と３次巻線
を密結合して構成される。各高周波トランス２ａ
〜２ｃの１次巻線２１ｃ〜２１ｃは、それぞれ直
列接続される。

給電手段３は、入力端子３１，３１′間に高周
波バイパスコンデンサ３２に接続し、該高周波バ
イパスコンデンサ３２に対して並列にサージ緩衝
回路４と高周波スイツチングトランジスタ３３と
電流検出抵抗３４の直列回路を接続して成る。こ
のサージ緩衝回路４には、各高周波トランスの１
次巻線２１ａ〜２１ｃの直列回路が並列接続され
る。トランジスタ３３でベース入力端には、電流
検出抵抗３４で検出された電流に基づいて該トラ
ンジスタ３３のスイツチング動作周期を制御する
発振制御回路３５（後述の第２図で詳述する）の
出力が与えられる。

前記高周波トランス２ａの２次巻線２２ａに
は、整流手段の一例のダイオード５ａと被充電電
池１ａの直列回路が接続される。同様に、高周波
トランス２ｂの２次巻線２２ｂにはダイオード５
ｂと被充電電池１ｂの直列回路が接続され、高周
波トランス２ｃの２次巻線２２ｃにはダイオード
５ｃと被充電電池１ｃの直列回路が接続される。

前記高周波トランス２ａ〜２ｃの３次巻線２３
ａ〜２３ｃには、対応する被充電電池１ａ〜１ｃ
の充電電位が所定電位に達したとき３次巻線を短
絡して充電動作を終了させるための短絡手段６ａ
〜６ｃが接続される。この短絡手段６ａは、具体
的には被充電電池１ａの正側電位を検出する充電
検出回路６１ａと、充電検出回路６１ａが所定電
位を検出したとき導通制御されるトランジスタ６
２ａと、３次巻線２３ａに並列接続されかつトラ
ンジスタ６２ａの導通によつて短絡されるダイオ
ードブリツジ整流回路６３ａとから成る。なお、
被充電電池１ｂ，１ｃに対応する短絡手段６ｂ，
６ｃは短絡手段６ａと同様に回路構成されるが、
参照符号の末尾をａに替えてｂまたはｃで示し、
その説明を省略する。

第２図は前記発振制御回路３５の一例の具体的
な回路図である。この発振制御回路３５は、フリ
ツプフロツプ（以下FFと略称する）３５１と、
FF３５１のセツト出力によつて導通して前記ト
ランジスタ３３を導通制御するためのトランジス
タ３５２と、前記電流検出抵抗３４の両端電圧が
所定電圧を超えたとき導通するトランジスタ３５
３と、バイアス抵抗３５４と、インバータ３５５
と、FF３５１を或る繰返し周期でセツトさせる
ための無安定マルチ３６０とから成る。この無安
定マルチ３６０は、反転増幅器３６１，３６２と
抵抗３６３の直列回路にコンデンサ３６４を並列
接続し、反転増幅器３６１と抵抗３６３の直列回
路に抵抗３６５を並列接続して構成される。

第３図はこの発明の動作を説明するための第１
図および第２図各部の波形図であり、特にａは
FF３５１の入力（すなわち無安定マルチ３６０
の出力）波形を示し、ｂはFF３５１のリセツト
入力波形を示し、ｃはFF３５１のセツト出力Ｑ
波形を示し、ｄはトランジスタ３３の電流波形を
示し、ｅはトランジスタ３３の電圧波形を示し、
ｆは高周波トランス２ａ〜２ｃの２次巻線２２ａ
〜２２ｃの電流波形を示す。なお、波形図におい
て、実線は３個の被充電電池を充電中の場合、一
点鎖線は２個の被充電電池を充電中の場合、点線
は１個の被充電電池を充電中の場合を示す。

次に、第１図〜第３図の参照してこの実施例の
具体的な動作を説明する。この実施例の充電装置
は商用交流電源で動作するものであつて、商用交
流電源が直流化手段（図示せず）によつて一旦整
流されかつ平滑されて、直流化される。この直流
電源が入力端子３１，３１′に供給される。とこ
ろで、無安定マルチ３６０は予め定める周期でハ
イレベル（以下「Ｈ」）信号とローレベル（以下
「Ｌ」）信号とを第３図ａに示すごとく繰返して発
生し、その出力でFF３５１を周期的にセツトさ
せる。今、３個の被充電電池１ａ〜１ｃのいずれ
もが充電を要する場合であれば、各被充電電池１
ａ〜１ｃに対応する充電検出回路６１ａ〜６１ｃ
が検出出力を導出しないため、各高周波トランス
の３次巻線２３ａ〜２３ｃは短絡されない。この
状態において、無安定マルチ３６０が「Ｈ」信号
出力を導出したとき、FF３５１がセツトされ、
そのセツト出力でトランジスタ３５２および３３
をFF３５１のセツト出力期間中導通させる。応
じて、直流電流が高周波トランスの１次巻線２１
ａ−２１ｂ−２１ｃ−トランジスタ３３−電流検
出抵抗３４を介して流れるため、１次巻線２１ａ
〜２１ｃのそれぞれには電磁エネルギが蓄積され
る。このとき、高周波トランス２ａ〜２ｃのいず
れも３次巻線が短絡されていないため、各高周波
トランスの１次巻線２１ａ〜２１ｃに所定の電磁
エネルギが蓄積されるまで電流を供給する必要が
ある。そこで、トランジスタ３３に流れる電流が
各高周波トランスの１次巻線の電磁エネルギの蓄
積とともに次第に増大し所定電流I_Pになると、電
流検出抵抗３４の両端電圧が所定電圧を超えるた
め、トランジスタ３５３が導通する。応じて、該
トランジスタ３５３のコレクタ端子電圧が「Ｌ」
信号となり、該「Ｌ」信号がインバータ３５５で
「Ｈ」信号に反転されてFF３５１に与えられ、該
FF３５１をリセツトさせる。FF３５１のリセツ
トに応じて、トランジスタ３５２および３３が非
導通となる。従つて、トランジスタ３３のコレク
タ端子電圧が第３図ｅの実線に示すように急峻に
立ち上がる。トランジスタ３３が非導通になる
と、先に高周波トランス２ａ〜２ｃの１次巻線に
蓄積された電磁エネルギがそれぞれの２次巻線２
２ａ〜２２ｃに伝達されるため、各２次巻線２２
ａ〜２２ｃからは２次電流が出力される。この２
次巻線２２ａ〜２２ｃの出力電流が対応するダイ
オード５ａ〜５ｃを介して対応する被充電電池１
ａ〜１ｃに与えられ、各電池を充電する。この充
電電流は第３図ｆに示すように時間の経過ととも
に減少し、t₁₀においてほぼ零となる。

以後同様にして、トランジスタ３３は無安定マ
ルチ３６０の出力周期に同期した一定周期で導通
しかつ所定電流I_Pに達すると非導通となる動作を
繰返し、その導通期間に各高周波トランス２ａ〜
２ｃの１次巻線２１ａ〜２１ｃに電源に接続す
る。このとき、１次巻線２１ａ〜２１ｃに流れる
電流が常に一定値に達するようにトランジスタ３
３の導通期間を制御することによつて、各高周波
トランス１次巻線２１ａ〜２１ｃのそれぞれには
常に一定の電磁エネルギが蓄積される。そして、
トランジスタ３３の非導通期間において、先に高
周波トランスの１次巻線に蓄積された一定の電磁
エネルギが２次巻線２２ａ〜２２ｃの出力電流と
なり、充電電流として対応する被充電電池１ａ〜
１ｃに供給される。この場合において、１次巻線
によつて蓄えられた電磁エネルギが２次充電電流
となつて放電するのに必要な充分な非導通期間を
保つように、トランジスタ３３のオン−オフ周期
を制御すれば、充電電流が被充電電池の特性にあ
まり影響を受けることなく、ほぼ一定の電気量と
なるように充電される。

このとき、トランジスタ３３の導通時におい
て、１次巻線２１ａ〜２１ｃに供給される電流の
ピーク値をI_Pとし、１次巻線２１ａ〜２１ｃのそ
れぞれのインダクタンスL_Pとすれば、このとき
１次巻線に蓄積される電磁エネルギW_Pは次式で
表わされる。

W_P＝１／２L_P・I_P (A) 前述の動作を繰返すうちに、いずれかの被充電
電池（例えば１ａ）が他の被充電電池（１ｂおよ
び１ｃ）に先立つて所定の充電電位まで充電され
ると、充電検出回路６１ａは電池１ｂの充電電位
が所定電位を超えたことを検出し、「Ｈ」信号を
導出してトランジスタ６２ａを導通させる。これ
に応じて、ブリツジ整流回路６３ａの入出力端が
短絡され、３次巻線２３ａの両端を短絡する。高
周波トランス２ａは１次巻線２１ａ、２次巻線２
２ａ、３次巻線２３ａのそれぞれが互に密結合さ
れているので、各巻線とも短絡されたのと等価と
なり、かつ従つて１次巻線２１のインダクタンス
が非常に小さくなり、トランジスタ３３のスイツ
チング動作によつて給電されたときに生じる電磁
エネルギが微少となる。したがつて、高周波トラ
ンス２ａの２次巻線２２ａからは充電電流が発生
されない。なお、この場合において、３次巻線２
３ａを短絡するためのスイツチの一例のトランジ
スタ６２ａは、その電流容量が（１次巻線数÷３
次巻線数）×１次巻線の電流でよいため、大きな
２次充電電流を遮断するのに比べてはるかに小さ
な損失で済む利点がある。さらに、充電中はトラ
ンジスタ６２ａが非導通（すなわち開放）されて
いて、充電完了後に短絡するのでよいため、スイ
ツチの損失はさらに低減される利点がある。

前述のようにして、いずれかの電池（例えば１
ａ）が所定電位まで充電されると、該電池１ａに
対応する高周波トランス２ａが短絡されて、その
１次巻線２１ａのインダクタンスが斬減するの
で、他の高周波トランス（例えば２ｂ，２ｃ）の
１次巻線に流れる電流が増大する。このため、高
周波トランス２ａ，２ｂの１次巻線２１ａ，２１
ｂに所定量の電磁エネルギの蓄積される時間が速
くなり、トランジスタ３３の導通開始からt2時間
後に所定電流I_Pに達する。応じて、前述の動作と
同様にしてFF３５１がリセツトされ、トランジ
スタ３３が非導通となる。

そして、２個の電池（例えば１ａ，１ｂ）が所
定電位に達すると、高周波トランス２ａおよび２
ｂが短絡状態となり、高周波トランス２ｃの１次
巻線２１ｃに急速に電磁エネルギが蓄積され、周
期Ｔごとにごく短時間t1だけトランジスタ３３が
導通されて、所定電流で電池１ｃが充電される。
この状態が第３図の点線の波形で示される。

その後、全ての電池が所定電位に達すると、全
ての高周波トランスが短絡状態となるため、トラ
ンジスタ３３の導通後直ちにFF３５１がリセツ
トされ、各高周波トランスの１次巻線に電磁エネ
ルギが蓄積されることなく、充電完了した蓄電池
の過充電を防止する。

このようにして、トランジスタ３３の導通期間
が充電完了した被充電電池の数の増大とともに短
かくなり、高周波トランス２ｂ，２ｃの１次巻線
に蓄積される電磁エネルギが常に一定に保たれ
る。従つて他の電池の充電量のバラツキに影響さ
れることなく、所定電流で電池（１ｂおよび１
ｃ）を充電できる利点がある。

なお、上述の説明では、３個の電池を並列充電
する場合について説明したが、３個に限らず適宜
の数の電池を充電するのに利用できる。また、こ
の発明の技術思想は１個の電池を充電する場合に
ついても適用できることを指摘しておく。

以上のように、この発明によれば、所定の電流
値以下の電流である繰返し周期ごとに周期的に充
電するようにしているため、充電電流が電池の特
性によつてなんら影響を受けず、電池の充電電位
が所定電位を超えたときに充電を停止させるため
のスイツチの損失も極力小さくできるような充電
装置が得られる。また、この発明の技術思想を複
数個の蓄電池の充電に適用すれば、電池個々の特
性のバラツキがあつても、充電電量を均一化で
き、充電完了までに要する時間が大幅に変ること
なく、しかも所定充電電位に達したときに充電を
停止させるためのスイツチング手段の容量を小さ
くできかつ形状を小形化でき、半導体スイツチ素
子を用いても自己発熱を低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の充電装置の回路
図である。第２図は発振制御回路３５の詳細な回
路図である。第３図はこの発明の動作を説明する
ための各部の波形図である。 図において、１ａ〜１ｃは被充電電池、２ａ〜
２ｃは変成器の一例の高周波トランス、３は給電
手段、３３は高周波スイツチングトランジスタ、
３４は電流検出抵抗、３５は発振制御回路、４は
サージ緩衝回路、５ａ〜５ｃは整流手段の一例の
ダイオード、６ａ〜６ｃは短絡手段、６１ａ〜６
１ｃは充電検出回路、６２ａ〜６２ｃはトランジ
スタ、６３ａ〜６３ｂはブリツジ整流回路を示
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ １次巻線と２次巻線と３次巻線とを含みかつ
   それぞれが密結合された変成器、 前記１次巻線に断続的に給電して給電期間中に
   電磁エネルギを蓄積させる給電手段、 前記給電手段の給電休止時において前記変成器
   の２次巻線から出力される断続電力を整流して直
   流化し、該直流出力を被充電電池に与えて被充電
   電池を充電させる整流手段、および 前記被充電電池が予め定める充電電位に達した
   とき、前記変成器の３次巻線を短絡することによ
   り前記被充電電池の充電を終了させる短絡手段を
   備えた充電装置。 ２ 前記充電装置は、複数の被充電電池を並列充
   電するものであつて、 前記変成器は、被充電電池に対応して複数個設
   けられ、各変成器の１次巻線が直列接続され、 前記給電手段は、直列接続された各変成器の１
   次巻線に直列給電し、 前記整流手段は、各変成器の２次巻線の個別に
   設けられ、 前記短絡手段は、各変成器の３次巻線に個別に
   設けられる、特許請求の範囲第１項記載の充電装
   置。 ３ 前記給電手段は、前記変成器の１次巻線に直
   列接続される高周波スイツチング手段と、前記１
   次巻線に供給される電流を検出する給電電流検出
   手段と、予め定める繰返し周期で前記高周波スイ
   ツチング手段を断続的にスイツチング動作させか
   つ前記給電電流検出手段が所定電流を検出したこ
   とに基づいて高周波スイツチング手段を非導通状
   態に強制する発振制御手段を含む、特許請求の範
   囲第１項または第２項記載の充電装置。