WO2006129782A1

WO2006129782A1 - 充電装置

Info

Publication number: WO2006129782A1
Application number: PCT/JP2006/311064
Authority: WO
Inventors: Yoshimitu Odajima; Junji Takemoto; Kazuki Morita
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2006-12-07
Also published as: JP2006340505A; US20090009145A1; US7855533B2; EP1860752A1

Abstract

　充電素子の内部チップの温度上昇を抑制した信頼性の高い充電装置を提供する。コンデンサ（１１）への充電電流を検出する電流検出部（２３）と、コンデンサ（１１）の電圧（ＶＣ）と直流電源（１０）の相当電圧の差を検出する電圧検出部（２１）から得られる出力信号を積算器（２２）により積算する。積算器（２２）の出力信号により充電素子（１５）の電力を所定の値に制御して充電するとともに、充電完了近傍時には定電圧制御回路（１７）により充電素子（１５）を制御して所定の電圧までコンデンサ（１１）を充電する。これにより、充電素子（１５）内部の最大温度を低減し高信頼性が得られる充電装置を提供する。

Description

明細書

充電装置

技術分野

[0001] 本発明は、コンデンサを急速充電する充電装置に関するものである。

背景技術

[0002] 近年、ハイブリッドカーや電気自動車の開発が急速に進められており、それに伴い車両の制動方法は、従来の機械的な油圧制御方法から電気的な油圧制御方法へと移り、各種の制御方法が提案されてきている。

[0003] 一般に車両の油圧制御を電気的に行うためには、電源としては、ノッテリーが用いられる。その場合、ノッテリーだけでは何らかの原因で電力の供給が断たれると油圧制御ができなくなり、車両の制動が不可能になるという不具合が生じる。

[0004] そこで、バッテリーとは別に補助電源として大容量コンデンサ等を搭載することにより非常時の対応ができるように、 V、わゆる補助電源を備えた充電装置が提案されて!ヽる。

[0005] 車両の制動に用いられる補助電源は、非常時に確実に電力供給が行われることが極めて重要であり、エンジン始動時のコンデンサ放電状態力所定電圧の大きさまでコンデンサを急速に充電することが必要となる。

[0006] なお、この出願に関連する先行技術文献として、例えば、エンジン始動時のノッテリー補助用コンデンサの充電装置としては、たとえば特開平 5— 116571号公報が知られている。

[0007] 従来の車両制動に関する充電装置においては、具体的にはエンジン始動後に静電容量が数十ファラッドのコンデンサをたとえば、 100秒程度の比較的短、時間で所定の電圧まで急速に充電することが要求される。

[0008] 図 13は、定電流で急速充電する従来の充電装置の一例を示す。この回路動作は次のとおりである。すなわち、定電圧源 Vから放熱板（図示せず）に取り付けた充電素子 1を介し、静電容量が数十ファラッドのコンデンサ 2に充電電流 Iを供給する。充電電流 Iは電流検出部 3で検出され、電圧 V3に変換されて定電流制御回路 4の第 1の入力端子 4aに入力される。定電流制御回路 4の第 2の入力端子 4bには基準電圧 5 が与えられている。定電流制御回路 4の出力端子 4cには、電流検出部 3で検出された電圧 V3と基準電圧 5との差分に相当する電圧が取り出される。すなわち、定電流制御回路 4は第 1の入力端子 4aと第 2の入力端子 4bに入力される両者の差の電圧を増幅する。定電流制御回路 4の出力端子 4cから取り出された電圧 V4は抵抗器 6を介して充電素子 1の制御端子側にフィードバックされる。これにより、充電素子 1に流れる充電電流 Iが一定に制御され定電圧源 Vに略等しい電圧までコンデンサ 2が充電される。

[0009] 図 14A,図 14Bおよび図 14Cは図 13に示した従来の充電装置の各種特性の経時変化をそれぞれ示す。図 14A〜図 14Cの横軸は充電時間 tを示す。充電開始時間を tO、充電完了時間を t2 ( 100秒）でそれぞれ示している。図 14A〜図 14Cの縦軸は各種特性を示す。図 14A,図 14Bおよび図 14Cのそれぞれの縦軸はコンデンサ 2の充電電圧 VCおよび充電電流 I,充電素子 1が消費する損失電力 W,および充電素子 1の表面温度 TH、充電素子 1の内部温度 Tjcのそれぞれ経時変化を示す。

[0010] 図 14Aにおいて、充電開始時間 tOで充電を開始すると、図 13に示した充電装置は定電流制御を行う形式であるので、図 14Aに示すように一定値の充電電流 Iが、コンデンサ 2に流れる。これにより、経時的にコンデンサ 2の充電電圧 VCは上昇し、充電完了時間の t2でほぼ定電圧源 Vの電圧に等しくなる。

[0011] 図 14Bは充電過程における充電素子 1が消費する損失電力 Wの経時変化を示す。すなわち、充電初期にはコンデンサ 2に充電電圧 VCが力かっていないため、充電素子 1には、定電圧源 Vの電圧がかかる。その後充電の進行に伴い、コンデンサ 2の充電電圧 VCが上がり充電素子 1にかかる電圧が下がる。従って、損失電力 Wは、図 14Bに示すように充電開始時間 tOで最大値を示し、その後は充電の進行とともに下がる。

[0012] 図 14Cは、充電時の充電素子 1の温度変化を示す。当初、室温 TOであった充電素子 1は、損失電力 Wによって熱が発生するため充電素子 1の内部温度 Tjcが上昇する。それに伴って、充電素子 1の表面温度 THも上昇する。

[0013] しかし、図 14Bから明らかなように損失電力 Wは充電時間の経過とともに下がっていく。このため図 14Cに示すように、充電素子 1の内部温度 Tjcは時間 tlで最大値 Tj cmaxを示し、それ以降の内部温度 Tjcは時間 tの経過とともに下がる。それに伴って充電素子 1の表面温度 THも同様の温度変化を示す。

[0014] このような温度変化に対して問題となるのは損失電力 Wによって充電素子 1の内部が高温におかれるということである。すなわち、車両を起動するたびに充電素子 1の内部が熱衝撃を受けるという不具合が生じる。

発明の開示

[0015] 本発明は、従来の不具合を克服し、信頼性の高い充電装置を提供するものである

[0016] 本発明の充電装置は、コンデンサへの充電電圧を一定に制御する定電圧制御回路と、直流電源力コンデンサへの充電経路における充電電流を検出する電流検出部と、コンデンサの電圧と直流電源相当電圧の差を検出する電圧検出部と、電流検出部と電圧検出部の出力信号を積算する積算器とを備え、積算器力出力される出力信号により充電素子の電力を所定の値に制御してコンデンサを充電するとともに、充電完了近傍時に、定電圧制御回路によって充電素子を制御して所定の電圧までコンデンサを充電するようにしたものである。

[0017] また、本発明の別の充電装置は、直流電源とコンデンサの間に直列接続した充電素子を有し、充電素子を介して直流電源によりコンデンサを充電する充電装置であつて、コンデンサへの充電電圧を一定に制御する定電圧制御回路と、直流電源からコンデンサへの充電経路における充電電流を検出する電流検出部と、コンデンサへの充電電流を制御する電流制限部と、コンデンサの電圧と直流電源相当電圧の差を検出する電圧検出部と、電流検出部と電圧検出部の出力信号を積算する積算器とを備え、積算器の出力信号により充電素子の電力を所定の値に制御してコンデンサを充電するとともに、充電完了近傍時には電流制限部で充電電流の最大値を制限して所定の電圧までコンデンサを充電した後、定電圧制御回路により充電素子を制御して所定の電圧までコンデンサを充電する充電装置である。

[0018] また、本発明のさらに別の充電装置は、直流電源とコンデンサの間に接続した充電素子を有し、充電素子を介して直流電源によりコンデンサを充電する充電装置であつて、コンデンサへの充電電流を一定に制御する定電流制御回路と、コンデンサへの充電電圧を制御する定電圧制御回路と、コンデンサの電圧を検出するコンデンサ電圧検出部と、定電流制御回路の電流を複数に切り替える電流切替部とを備え、定電流制御回路の出力信号で充電素子を制御する際に、充電過程における充電素子の平均電力が一定になるようにコンデンサ電圧検出部の出力に基づ!/、て複数の充電電流を切り替えてコンデンサを充電するとともに、充電完了近傍時には定電圧制御回路により充電素子を制御して所定の電圧までコンデンサを充電する充電装置である。

[0019] 本発明の充電装置は、こうした構成によって充電素子には一定の電力が加えられることになり、充電装置に搭載された充電素子の内部温度は緩やかに上昇する。これによって、充電素子の内部温度の上昇を抑止することができる。充電素子の内部温度を低く抑えることができ、車輛を起動するたびに生じる熱衝撃を和らげ、充電素子の信頼性を向上することができる。

図面の簡単な説明

[0020] [図 1]図 1は、本発明の実施の形態 1にかかる充電装置のブロック回路図である。

[図 2]図 2は、本発明の実施の形態 1にかかる充電装置の電圧検出部と積算器の回路図である。

[図 3A]図 3Aは、本発明の実施の形態 1にかかる充電装置の充電動作時のコンデンサ充電電流および電圧の経時変化を示す。

[図 3B]図 3Bは、本発明の実施の形態 1にかかる充電素子の損失電力の経時変化を示す。

[図 3C]図 3Cは、本発明の実施の形態 1にかかる充電素子の内部温度およびその表面温度の経時変化を示す。

[図 4]図 4は、本発明の実施の形態 2にかかる充電装置のブロック回路図である。

[図 5]図 5は、本発明の実施の形態 2にかかる充電装置の電圧検出部、電力切替部、および積算器の回路図である。

[図 6A]図 6Aは、本発明の実施の形態 2にかかる充電装置の充電動作時のコンデンサ充電電流および電圧の経時変化を示す。圆 6B]図 6Bは、本発明の実施の形態 2にかかる充電素子の損失電力の経時変化を示す。

[図 6C]図 6Cは、本発明の実施の形態 2にかかる充電素子の内部温度およびその表面温度の経時変化を示す。

[図 7]図 7は、本発明の実施の形態 3にかかる充電装置のブロック回路図である。

[図 8A]図 8Aは、本発明の実施の形態 3にかかる充電装置の充電動作時のコンデンサ充電電流および電圧の経時変化を示す。

圆 8B]図 8Bは、本発明の実施の形態 3にかかる充電素子の損失電力の経時変化を示す。

[図 8C]図 8Cは、本発明の実施の形態 3にかかる充電素子の内部温度およびその表面温度の経時変化を示す。

[図 9]図 9は、本発明の実施の形態 4にかかる充電装置のブロック回路図である。

[図 10A]図 10Aは、本発明の実施の形態 4にかかる充電装置の充電動作時のコンデンサ充電電流およびコンデンサ電圧の経時変化を示す。

圆 10B]図 10Bは、本発明の実施の形態 4にかかる充電素子の損失電力の経時変化を示す。

[図 10C]図 10Cは、本発明の実施の形態 4にかかる素子内部チップ温度および素子表面温度の経時変化を示す。

[図 11]図 11は、本発明の実施の形態 5にかかる充電装置の充電素子の周辺のプロック回路図である。

[図 12]図 12は、本発明の実施の形態 5にかかる充電装置のコンデンサ充電電流の経時変化を示す。

[図 13]図 13は、従来の充電装置のブロック回路図である。

[図 14A]図 14Aは、従来の充電装置の充電動作時のコンデンサ充電電流および電圧の経時変化を示す。

[図 14B]図 14Bは、従来の充電素子の損失電力の経時変化を示す。

[図 14C]図 14Cは、従来の充電素子の内部温度およびその表面温度の経時変化を示す。符号の説明

[0021] 10 直流電源

11 コンデンサ

12, 45, 50a, 50b スィッチ

15, 49 充電素子

17 定電圧制御回路

20 制御合成回路

21 電圧検出部

22 積算器

23 電流検出部

37 電力切替部

40 電流制限部

42 コンデンサ電圧検出部

43 電流切替部

46 定電流制御回路

51 スィッチ駆動部

100 充電装置

発明を実施するための最良の形態

[0022] 以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する

[0023] (実施の形態 1)

図 1〜図 3Cは本発明の実施の形態 1にかかる。図 1は、充電装置のブロック回路図である。図 2は、充電装置の電圧検出部および積算器の回路図である。図 3Aはコンデンサの充電電流およびコンデンサに生じる電圧の経時変化、図 3Bは充電素子の損失電力の経時変化、図 3Cは充電素子の内部温度および表面温度の経時変化をそれぞれ示す。

[0024] 図 1において、充電装置 100には直流電源 10とコンデンサ 11が接続されている。

直流電源 10は充電装置 100に電力を供給し、コンデンサ 11には直流電源 10の電力により充電装置 100を介して電荷が蓄積される。

[0025] コンデンサ 11はたとえば、電気二重層コンデンサで構成されている。これにより急速に充電することが可能となるだけでなぐ車両制動において、非常時には大電力を放電することができる。

[0026] なお、実施の形態 1においての充電装置は、たとえば、車両制動に用いるものとして例示したために、電気二重層コンデンサを採用した。しかし、これに限らず一般の充電用途では通常用いられるコンデンサであってもよい。

[0027] 充電装置 100にはスィッチ 12,ダイオード 13および車両の制動装置等の電子装置 14力なるバックアップ回路 200が接続されて!、る。直流電源 10から充電装置 100 への電力供給がオフされると、直流電源 10の電圧の低下を検知するセンサ回路（図示せず)の信号によってスィッチ 12が閉じ、ダイオード 13を介して電子装置 14にコンデンサ 11の電荷が供給されるよう構成されて、る。

[0028] 次に、充電装置 100の詳細な構成について説明する。充電素子 15はコンデンサ 1 1に電荷を蓄積するための電流を制御する。充電素子 15はたとえば、放熱板（図示せず）に取り付けられており、直流電源 10とコンデンサ 11の間の接続経路に設けられている。直流電源 10に逆電流が流れるのを防止するためにダイオード 16のァノードを直流電源 10側に、その力ソードを充電素子 15にそれぞれ接続して！/、る。

[0029] 定電圧制御回路 17の 2つの入力端子には、端子 18に表れる電圧、すなわち、コンデンサ 11の両端子に生じる電圧 VCと基準電圧 19が各別に入力される。定電圧制御回路 17で差動増幅された電圧は制御合成回路 20に入力される。制御合成回路 2 0の出力端子はコンデンサ 11に接続された充電素子 15に接続される。これにより、コンデンサ 11への充電電圧を一定に保つことができる。なお、定電圧制御回路 17の回路動作につ!、ては後述する。

[0030] 電圧検出部 21は、第 1の入力端子 21aと第 2の入力端子 21bを備える。第 1の入力端子 21aには充電素子 15に入力される電圧、すなわち、直流電源 10に相当する入力電圧 V15aが入力される。第 2の入力端子 21bには端子 18の電圧、すなわち、コンデンサ 11の電圧 VCが入力される。電圧検出部 21は、これら両者の差分の電圧を検出し、さらに、その大きさを増幅して出力端子 21cに出力する。電圧検出部 21の出力端子 21cから取り出された出力電圧は積算器 22に入力される。

[0031] 電流検出部 23は、通常、抵抗器で構成されるが他の素子、たとえば電流に比例した電圧を出力する電流センサでもよぐ直流電源 10からコンデンサ 11への充電経路に流れる充電電流を電圧に変換する。電流検出部 23から取り出された電圧は端子 2 2aを介して積算器 22に入力される。

[0032] 積算器 22は、電圧検出部 21及び電流検出部 23の両者の電圧を積算して電力を算出する。積算器 22の出力電圧は端子 22bを介して制御合成回路 20に入力される。なお、積算器 22の詳細な動作については後述する。

[0033] 制御合成回路 20は、抵抗器 24a〜24d、トランジスタ 25、およびダイオード 26a, 2 6bで構成されている。トランジスタ 25のコレクタ，ェミッタにはそれぞれ抵抗器 24a, 2 4bの一方の端子が接続される。抵抗器 24a, 24bの他方の端子はそれぞれ抵抗器 2 8,接地端子（GND)に接続される。トランジスタ 25のベースには抵抗器 24cおよび 2 4dの分割によって決められたベース電圧が与えられる。また、トランジスタ 25のべ一スにはダイオード 26a, 26bが接続されている。ダイオード 26a, 26bは、いわゆる OR 回路を構成している。

[0034] すなわち、制御合成回路 20の入力側は、ダイオード 26aおよび 26bが、各別に積算器 22および定電圧制御回路 17に接続されて OR回路を構成している。このため、制御合成回路 20は、積算器 22および定電圧制御回路 17のいずれか一方の動作で制御されるよう構成されてヽる。

[0035] 制御合成回路 20は、内部電源 27に接続された抵抗器 24cを介して供給される電流によってトランジスタ 25を駆動し、抵抗器 24aの他方の端子と充電素子 15の間に接続された抵抗器 28を介して充電素子 15を制御している。なお、トランジスタ 25のベース電圧の制御は、 OR回路構成されたダイオード 26a, 26bの力ソード電圧で決定される。

[0036] 図 2は、図 1に示した電圧検出部 21および積算器 22の具体的な回路構成を示す。

積算器 22は、コンパレータ 29、安定した周波数および電圧を生成する鋸波発振器 3 0、増幅器 31および抵抗器 32a, 32bとコンデンサ 33からなる平滑器 34、基準電圧 3 5とで構成されている。 [0037] 積算器 22には端子 21cを介して電圧検出部 21が接続されている。電圧検出部 21 は、差動増幅器 36、抵抗器 38a, 38b, 38c, 38dおよび、端子 21a, 21b, 21cを備える。充電素子 15の入力側電圧は端子 21aを介して、抵抗器 38aおよび 38bで分割された電圧が差動増幅器 36の非反転入力端子（+ )に与えられる。

[0038] また、コンデンサ 11の電圧 VC、すなわち端子 18の電圧は、端子 21bおよび抵抗器 38dを介して差動増幅器 36の反転入力端子（一）に入力される。差動増幅器 36の出力端子 21cと反転入力端子（一）の間には負帰還抵抗器 38cが接続されている。差動増幅器 36は、反転入力端子（一）と非反転入力端子（+ )に入力された両者の差分電圧を増幅する。すなわち、充電素子 15に入力される入力電圧に比例した電圧と、コンデンサ 11に表れる電圧 VCとを比較し、それらの差分電圧を増幅して、出力端子 21cに出力する。

[0039] 出力端子 21cに出力された出力電圧はコンパレータ 29の非反転入力端子（+ )に入力される。コンパレータ 29の反転入力端子（一）には鋸歯状波発振器 30から鋸歯状波電圧が入力される。コンパレータ 29は両電圧の差を求めるよう構成されて、る。すなわち、電圧検出部 21の出力電圧が鋸波発振器 30の電圧より高い電圧の期間、電流検出部 23の出力を端子 22aから平滑器 34に入力している。

[0040] これにより、平滑器 34の出力端子 22bからは、充電電流 Iと、充電素子 15の入力電圧 VI 5aとコンデンサ 11の電圧 VCの差電圧を積算した、、わゆる電力に相当する信号が出力される。出力端子 22bから出力される出力電圧は基準電圧 35と等しくなるよう制御されて制御合成回路 20に入力される。これにより、充電過程において充電素子 15の電力は一定に制御される。

[0041] 図 3A,図 3Bおよび図 3Cは、このように構成された充電装置の経時変化を示す。

[0042] 本発明の動作条件は従来と同じ放熱板と充電素子を用い、かつ、同じ充電完了時間 t2となるように設定した。なお、図 3A〜図 3Cの横軸および縦軸は従来例を示した図 14と同じである。すなわち、横軸は時間 tを示す。充電開始時間を tO、充電完了時間を t2 ( 100秒)でそれぞれ示している。縦軸は各種の電気的特性を示す。図 3A ,図 3Bおよび図 3Cのそれぞれの縦軸はコンデンサ 11の充電電圧 VCおよび充電電流 I,充電素子 15が消費する損失電力 W,および充電素子 15の表面温度を TH、その内部温度を Tjとしてそれぞれ示す。

[0043] また、図 3Cには比較のために従来の充電素子 1の内部温度 Tjcの経時変ィ匕も併せて示している。図 3Cから明らかなように、実施の形態 1が従来例の図 14と異なる点は、充電過程の損失電力 W (図 3B参照）を一定に制御することで充電素子 15の表面温度 THおよびその内部温度 Tjが略直線で緩やかに上昇していることである。

[0044] この結果、実施の形態 1においては、充電素子 15の内部温度 Tjの最大値 Tjmax が従来の最大値 Tjcmaxの約 80%となり、充電素子 15が高温にさらされるという不具合を排除することができる。

[0045] 図 3Aにおいては、充電完了近傍時でコンデンサ 11の内部抵抗成分と充電電流の積算した相当電圧を含む端子 18の電圧が定電圧制御電圧 Vcsに近づくと基準電圧 19との比較において、定電圧制御回路 17の出力は積算器 22の出力 22bより低い電圧が出力される。制御合成回路 20の一部を構成するダイオード 26a, 26bはオア接続であるためトランジスタ 25のベース電圧は定電圧制御回路 17から入力される低い出力電圧に追随して電圧が下がる。この時、トランジスタ 25のコレクタ電圧が上昇するため、充電素子 15を順バイアスする抵抗 28の両端電圧は減少し、充電素子 15の作動インピーダンスが大きくなるように作用する。これにより、充電電流の増大が制限される。そしてコンデンサ 11の充電が進行 (さらに充電完了電圧に近づく）するにつれてトランジスタ 25のベース電圧も徐々に小さくなる。これにより充電素子 15の順バィァス電圧も小さくなつて最終的には端子 18の電圧は定電圧制御電圧 Vcsで連続的に定電圧制御される。

[0046] その結果、過電流が流れないようにしながら所定の電圧までコンデンサ 11を充電し、時間 t2で定電圧制御動作に移行することができる。このため、図 3Aに示すような充電完了時間 t2の近傍の時間 t2fに増大する充電電流を徐々に絞り込むことが可能となる。

[0047] なお、上述の動作から時間 t2fから t2までの時間は一律に規定できるものではなく、コンデンサ 11の内部抵抗が大きい程、充電電流の大きさによって端子 18に生じる見かけ上の電圧は高くなる。このため、定電圧制御電圧 Vcsに達する時間が早くなる力逆に時間 t2fから時間 t2までの時間は大きくなり、コンデンサの内部抵抗に依存した充電時間となる。

[0048] 以上の構成、動作により、従来と同じ充電時間，充電素子および放熱板の条件において、充電素子 15が発熱するときの温度を低減することができる。これにより、車輛を起動するごとに生じ易い熱衝撃を緩和することができるため、高信頼性が得られる充電装置を提供することができる。

[0049] (実施の形態 2)

図 4〜図 6Cは、本発明の実施の形態 2にかかる充電装置を示す。図 5は、充電装置の電圧検出部，電力切替部，および積算器の回路図である。図 6A,図 6Bおよび図 6Cは、充電装置の充電動作時の経時変化である。図 6Aはコンデンサの充電電流およびコンデンサ電圧、図 6Bは、充電素子の損失電力、図 6Cは充電素子の内部温度およびその表面温度の経時変化をそれぞれ示す。

[0050] なお、図 4,図 5において、図 1,図 2と同一構成部分にはそれぞれ同一番号を付与した。

[0051] 実施の形態 2が実施の形態 1と異なる点は、電力切替部 37を電圧検出部 21の端子 21cと積算器 22の間に接続したことである。

[0052] また、実施の形態 2は図 5に示すように、基準電圧 35と電圧検出部 21の端子 21c の電圧を比較するヒステリシスコンパレータ 38からなる電力切替部 37を設ける。さらに、実施の形態 2においては、積算器 22に、ヒステリシスコンパレータ 38の動作により平滑器 34の基準電圧を切り替えるための抵抗器 39a, 39bおよび 39cを設けたことが実施の形態 2と相違する。

[0053] 次に、コンデンサ 11への充電過程において、積算器 22の動作を説明する。なお、以下の説明では充電完了時間を t2 100秒）とした。

[0054] まず、図 5に示すように電圧検出部 21の端子 21cと基準電圧 35をヒステリシスコンパレータ 38で比較し、端子 21cの出力が基準電圧 35で決まる所定値よりも大きくなつたときに、ヒステリシスコンパレータ 38がオフとなるよう構成する。

[0055] こうした構成は、平滑器 34の出力は、基準電圧 35を抵抗器 39bと 39cで抵抗分割した電圧を基にした電力信号となる。平滑器 34の出力電圧は端子 22bを介して制御合成回路 20に入力される。これにより、充電素子 15の損失電力 Wが一定に制御されて充電が進行する。

[0056] 図 6A,図 6Bはおよび図 6Cは、本発明の実施の形態 2にかかるそれぞれ充電装置の充電動作時のコンデンサ充電電流および電圧，充電素子の損失電力、および充電素子の内部温度およびその表面温度の経時変化をそれぞれ示す。

[0057] 図 5,図 6A,図 6Bおよび図 6Cにおいて、時間 t3に到達すると電圧検出部 21の出力端子 21cの出力電圧が基準電圧 35で決まる所定値以下になり、ヒステリシスコンパレータ 38はオンになる。

[0058] その結果、抵抗器 39aと 39bが並列接続されることになり、平滑器 34の出力は、基準電圧 35を抵抗器 39bと 39cで抵抗分割した電圧より小さな電圧によって定められる電力信号となるため、充電素子 15の損失電力 Wが小さくなるように制御される。

[0059] これにより、図 6Aにおいて、時間 t3から時間 t4に示したように、充電過程で充電素子 15の入力電圧 V15とコンデンサ 11の電圧 VCの差が小さくなるに従って増大する充電電流 Iを、図 3Aの充電電流 Iに比べ小さく抑制することができる。

[0060] また、一定電力で充電中に直流電源 10の電圧が低下し、充電素子 15の入力電圧 V15aとコンデンサ 11の電圧 VCの差が小さくなる状態が仮に発生したとしても、上記のように充電電流 Iの増大を抑制することができる。

[0061] その後、実施の形態 1と同様に時間 t4でコンデンサ 11の電圧 VCが既定の定電圧制御電圧 Vcsに近づくと定電圧制御回路 17からの電圧が優先して制御合成回路 20 に出力される。これによりコンデンサ 11の充電が進行して徐々に定電圧で充電素子 15を制御することになるため、充電電流 Iは数秒程度要して減少する。

[0062] その結果、過電流が流れな、ようにしながら所定の定電圧制御電圧 Vcsまでコンデンサ 11を充電し、時間 t2で充電動作を完了することができる。

[0063] 以上の構成、動作により、実施の形態 1と同様の効果に加え、充電経路に介在されるトランジスタ，ダイオード，抵抗およびコンデンサ等の電子部品に流れる過大電流を回避することができ、より信頼性の高、充電装置を提供することができる。

[0064] なお、実施の形態 2においては電圧検出部 21の第 1の端子 21aは接続線 21abを介して充電素子 15とダイオード 16との共通接続点に電気的に接続されて!ヽる。しかし、接続線 21acを介して、端子 21aを直流電源 10とダイオード 16との共通接続点に接続してちょい。

[0065] この場合、電圧検出部 21は直流電源 10とコンデンサ 11の間で充電電流が流れる回路を構成するすべての回路部品を含んだ回路部分の電圧を測定することになる。これにより、電圧検出部 21は常にダイオード 16の電圧を含んだ状態で測定することになるため、ダイオード 16を含む回路部品の総電力が一定になるように制御することができる。その結果、充電経路に介在されるダイオード 16を含む回路素子の発熱を抑制することができ、極めて信頼性の高、充電装置を提供することができる。

[0066] また、実施の形態 2においては、電流検出部 23を直流電源 10とコンデンサ 11の端子 18との間に接続し、電流検出部 23の電圧を含んだ電圧差を電圧検出部 21で測定する構成としてもよい。

[0067] これにより、ダイオード 16だけではなく電流検出部 23も含めて充電装置を構成している回路部品全体の発熱の抑制および充電電流の抑制が可能となり、さらに信頼性の高、充電装置を提供することができる。

[0068] (実施の形態 3)

図 7〜図 8Cは、本発明の実施の形態 3にかかる充電装置を示す。

[0069] 図 7は、充電装置のブロック回路図である。図 8Aはコンデンサ充電電流およびコンデンサ電圧、図 8Bは充電素子の損失電力、図 8Cは充電素子の内部温度およびその表面温度の経時変化をそれぞれ示す。

[0070] なお、図 7において、図 1と同一の構成部分には同一番号を付与した。図 7に示した実施の形態 3は実施の形態 1の構成に加えて電流制限部 40とダイオード 41を備えている。電流制限部 40はたとえば、差動増幅器からなり、電流制限部 40の 2つの入力には電流検出部 23の電圧と基準電圧 19が各別に与えられている。また、電流制限部 40の出力端子はダイオード 41を介して制御合成回路 20に接続されている。ダイオード 41は、ダイオード 26aおよび 26bとともに、いわゆる OR回路を構成している。すなわち、実施の形態 3においては、積算器 22および定電圧制御回路 17に加えて、あらたに電流制限部 40が制御合成回路 20の入力側に接続され、これらの回路部によって新たな OR回路構成を成して、る。

[0071] このように構成された充電装置の動作を、図 8A〜図 8Cを用いて説明する。まず、図 8Bにおいて、充電開始時間 tO力充電完了時間 t2までは実施の形態 1と同様に充電素子 15の損失電力 Wを一定に制御して直流電源 10からコンデンサ 11への充電が進行する。その結果、図 8Aに示すように充電電流 Iが増加する。

[0072] これにより、電流検出部 23の出力電圧も増加する。ここで、電流制限部 40は電流検出部 23に生じた電圧が基準電圧 19と等しくなるようにダイオード 41を介して制御合成回路 20に信号を出力するので、時間 t5で充電電流は最大値 Imに制限された状態で充電が進行する。

[0073] その後、時間 t6でコンデンサ 11が所定の定電圧制御電圧 Vcsになると、実施の形態 1と同様に定電圧制御回路 17により充電素子 15を制御して過電流が流れな、ようにしながら所定の電圧までコンデンサ 11を充電し、充電完了時間 t2で充電動作を完了する。

[0074] このようにして充電した際の充電素子 15の表面温度 THおよびその内部温度の経時変化を図 8Cに示す。充電素子 15の表面温度 THおよびその内部温度 Tjの最大温度 Tjmaxが実施の形態 1の場合のそれよりもさらに低くなることを知見した。

[0075] 上述の構成、動作により、充電経路を構成する回路部品を定格電流の範囲内で充電装置に充電電流を流すことができるので、充電素子 15の内部の最大温度 Tjmax をさらに下げることができ、信頼性の高い充電装置を提供することができる。

[0076] なお、実施の形態 3においても電圧検出部 21の端子 21aに接続される接続線 21a bを、ダイオード 16,充電素子 15および抵抗器 28の共通接続点に接続するのではなぐ接続線 21ac (図 7参照）で示すように、直流電源 10とダイオード 16との共通接続点に接続してもよい。これにより、電圧検出部 21で測定される出力電圧は、ダイォード 16を含め、直流電源 10とコンデンサ 11の間で充電電流が流れる回路を構成するすべての回路部品を含んだ回路部の電圧となるため、充電経路に介在するトランジスタ，ダイオード，抵抗，コンデンサ等の回路部品の発熱を抑制することができ、高 V、信頼性を備えた充電装置を提供することができる。

[0077] また、充電素子 15を取り付ける放熱板（図示せず）にダイオード 16を取り付けてもよい。これにより、充電素子 15およびダイオード 16から発生する発熱を効率よく放熱板に伝導することができ、充電素子 15の内部の最大温度 Tjmaxをさらに小さくすることができる。

[0078] (実施の形態 4)

図 9〜図 10Cは、本発明の実施の形態 4にかかる充電装置を示す。

[0079] 以下、本発明の実施の形態 4について、図面を参照しながら説明する。図 9は、充電装置のブロック回路図である。図 10Aはコンデンサ充電電流およびコンデンサ電圧、図 10Bは充電素子の損失電力、図 10Cは充電素子の内部温度およびその表面温度の経時変化をそれぞれ示す。

[0080] なお、図 9において、図 7と同一構成部分には同一番号を付与した。まず図 9において、コンデンサ電圧検出部 42はコンデンサ 11の電圧を検出しており、その電圧に応じてオンオフ信号を出力する。電流切替部 43はコンデンサ電圧検出部 42の出力信号を受けて抵抗器 44に接続されたスィッチ 45をオンオフすることにより充電電流を変化させる構成として、る。

[0081] ここで、コンデンサ電圧検出部 42および電流切替部 43はマイクロコンピュータによつて構成されている。すなわち、コンデンサ 11の電圧 VCはマイクロコンピュータに内蔵された AZDコンバータ（図示せず）によってデジタル信号として検出される。このデジタル信号によって後述する所定電圧 Vaであるカゝ否かをマイクロコンピュータで判断し、その判断した結果に応じて電流切替部 43のスィッチ 45を切り替える。このように構成することにより、コンデンサ電圧検出部 42と電流切替部 43を簡素化および小型化することができる。定電流制御回路 46には電流検出部 23から電流電圧変換電圧と基準電圧 19が与えられ、その出力電圧は制御合成回路 20に入力される。

[0082] 次に、このように構成された回路の動作について図 10A〜図 10Cを用いて説明する。

[0083] まず、図 10Aにおいて、コンデンサ 11の電圧 VCが時間 t7で所定電圧 Vaに達するまではコンデンサ電圧検出部 42から電流切替部 43のスィッチ 45をオンにする信号が出力されている。定電流制御回路 46の基準側の電圧は基準電圧 19を抵抗器 44 と抵抗器 47からなる並列抵抗器と抵抗器 48とで抵抗分割した電圧に設定され、これにより充電電流は定電流 II 1になるように動作する。

[0084] 図 10A〜図 10Cにおいて、時間 t7でコンデンサ 11の電圧 VCが所定電圧 Va以上になるとスィッチ 45をオフにする信号がコンデンサ電圧検出部 42から出力されて定電流 112に切り替わる。

[0085] その後、時間 t8でコンデンサ電圧が定電圧制御電圧 Vcsに近づくと定電圧制御回路 17からの電圧信号が優先して制御合成回路 20に入力されることにより充電電流が絞り込まれ、過電流が流れないようにしながらコンデンサ 11への充電を行い、充電は充電完了時間 t2で完了する。

[0086] 次に、前述の充電電流 111, 112および所定電圧 Vaの設定について図 10Bおよび図 10Cを用いて説明する。

[0087] 図 10B,図 10Cは従来と同じ放熱板と充電素子を用いて直流電源 10からコンデンサ 11に対して同じ充電時間 t2 ( = 100秒)で充電が終了するように充電電流を切り替えて充電したときの充電素子 15の損失電力および発熱をそれぞれ示す。また、充電素子 15の損失電力をそれぞれ Wl l, W12で示す。

[0088] 図 10Bは、充電過程の充電開始時間 tOから時間 t7の損失電力 W11を充電開始時間 tOから時間 t7で平均した平均電力 Wa (図中に右下斜線で示す）と、充電過程の時間 t7から時間 t8の損失電力 W12を時間 t7から t8で平均した平均電力 Wb (図中に左下斜線で示す）とが略一定になるように充電流 111, 112および所定電圧 Vaが設定された状態を示す。

[0089] このように充電電流を階段状に切り替えることで、充電開始時間時間 tOから充電完了時間 t2で生じる充電素子 15の発熱は図 10Cに示すように 2段階となる力いずれの状態においても従来の充電素子 1の内部温度 Tjcの最大温度 Tjcmaxを超えると V、う不具合を排除することができる。

[0090] 以上の構成、動作によって、従来と同じ充電時間，充電素子および放熱板の条件において、充電素子 15の内部の最大温度 Tjmax (内部温度 Tjの最大値)を低減することができ、高信頼の充電装置を実現することができる。なお、実施の形態 4では電流の切り替えを 2段として説明した。しかし、放熱板の形状による伝熱特性の違いなどの要因により、 2段以上の電流を切り替える構成であってもよい。

[0091] (実施の形態 5)

図 11〜図 12は、本発明の実施の形態 5にかかる充電装置を示す。なお、実施の形態 5は実施の形態 4と組み合わせて構成した場合について説明する。

[0092] 図 11は、実施の形態 5にかかる充電装置の充電素子周辺のブロック回路図である。図 12は、充電装置のコンデンサ充電電流の経時変化を示す。なお、図 11において、図 9と同一構成部分には同一番号を付与した。

[0093] 図 11は実施の形態 4に示した充電装置 100のうち、充電素子 15および制御合成回路 20を抜粋したものである。このうち充電素子 15には、それと並列になるようにもう 1つの充電素子 49が接続されている。充電素子 15, 49の制御端子側には各別に、制御合成回路 20から出力された充電制御信号を伝達するスィッチ 50aおよび 50bの一方の端子が接続されている。スィッチ 50a, 50bの他方の端子同士は共通接続されて制御合成回路 20に接続されている。スィッチ 50a, 50bはスィッチ駆動部 51により各々オンオフ駆動される。制御合成回路 20,スィッチ駆動部 51,スィッチ 50aおよび 50b等の回路部はマイクロコンピュータで構成されているため、回路が簡素化され充電装置 100の低コスト化，小型化が可能となる。

[0094] 次に実施の形態 5における回路動作について説明する。スィッチ駆動部 51からは同じ周期で交互にオンオフする信号 51aおよび 51bが出力される。これにより、制御合成回路 20から出力される充電制御信号をスィッチ 50aと 50bを介して交互に充電素子 15, 49に伝達することにより充電を行う。

[0095] 図 12は、充電電流の経時変化を示す。ここで充電素子 15および充電素子 49に流れる電流をそれぞれ If 1および If 2とする。本構成によれば、充電開始時間 tOから充電完了時間 t2までの充電素子の損失電力を 2個の充電素子 15, 49に均等に分散することができる。この損失電力による発熱は、充電素子 15, 49の放熱フィン（図示せず)力放熱板に伝熱されることになり、放熱フィンと放熱板との間の熱抵抗が等価的に 2分の 1に小さくなるので充電素子 15, 49の温度上昇を低減することができる。

[0096] なお、実施の形態 5では電流 Iflおよび H2のデューティーを 50%、すなわち、オンする期間を全体の 1Z2に設定した。このため、この条件で様々な検討を行った結果、充電素子 15, 49のオンオフの周期は熱抵抗の軽減特性を適用できる 20ミリ秒以下に設定することが望ましいことを知見した。これにより、充電素子 15, 49の熱抵抗を小さくして駆動することができるので、それらの内部の最大温度 Tjmaxを低減することができる。

[0097] なお、実施の形態 5では 2個の充電素子 15, 49を用いた力 3個以上であってもよい。そうした場合には実施の形態 5と同様に充電素子の全てを並列接続し、かつ、同数のスィッチを用意する。各充電素子を作動させるときにはスィッチを順次切り替えることにより順番に充電素子を駆動させる。これによりさらに、充電素子 15, 49の発熱を抑制することが可能となる。

[0098] 以上の構成、動作によって、充電素子 15, 49の最大温度 Tjmaxを低減することができ、極めて信頼性の高、充電装置を提供することができる。

[0099] なお、実施の形態 5は実施の形態 4と組み合わせて説明したが、他の実施の形態と組み合わせても同様の効果を奏する。

産業上の利用可能性

[0100] 本発明に力かる充電装置は、充電素子の内部の温度を低く抑えることができるので

、充電素子の信頼性を向上することができる。このため、特にコンデンサに対して急速充電する充電装置等として有用であるので、その産業上の利用可能性は高い。

Claims

請求の範囲

[1] 直流電源とコンデンサの間に接続した充電素子を有し、前記充電素子を介して前記直流電源により前記コンデンサを充電する充電装置であって、

前記コンデンサへの充電電圧を一定に制御する定電圧制御回路と、

前記直流電源から前記コンデンサへの充電経路における充電電流を検出する電流検出部と、

前記コンデンサの電圧と前記直流電源に相当する電圧との差を検出する電圧検出部と、

前記電流検出部と前記電圧検出部の出力信号を積算する積算器とを備え、前記積算器の出力信号により前記充電素子の電力を所定の値に制御して前記コンデンサを充電するとともに、

前記定電圧制御回路により前記充電素子を制御して所定の電圧まで前記コンデンサを充電する充電装置。

[2] 前記電圧検出部の前記出力信号が所定値以下の場合には、充電電子の電力が小さくなるように制御する電力切替部を備えた請求項 1に記載の充電装置。

[3] 直流電源とコンデンサの間に直列接続した充電素子を有し、前記充電素子を介して前記直流電源により前記コンデンサを充電する充電装置であって、

前記コンデンサへの充電電流を制御する電流制限部と、

前記電流検出部と前記電圧検出部の出力信号を積算する積算器とを備え、前記積算器の出力信号は、前記充電素子の電力を所定の値に制御して前記コンデンサを充電し、

前記電流制限部は前記充電電流の最大値を制限して所定の電圧まで前記コンデンサを充電し、前記定電圧制御回路は前記充電素子を制御して所定の電圧まで前記コンデンサを充電する充電装置。

[4] 前記電圧検出部で測定される出力電圧は、前記直流電源とコンデンサの間で充電電流が流れる全ての回路部品を含んだ回路部分の電圧である請求項 1または 3のいずれか 1項に記載の充電装置。

[5] 直流電源とコンデンサの間に接続した充電素子を有し、前記充電素子を介して前記直流電源により前記コンデンサを充電する充電装置であって、

前記直流電源から前記コンデンサへの充電経路における充電電流を検出する電流検出部と

前記コンデンサへの充電電流を一定に制御する定電流制御回路と、

前記コンデンサへの充電電圧を制御する定電圧制御回路と、

前記コンデンサの電圧を検出するコンデンサ電圧検出部と、

前記定電流制御回路の電流を複数に切り替える電流切替部とを備え、

前記定電流制御回路の出力信号で前記充電素子を制御する際に、

前記コンデンサ電圧検出部の出力に基づいて、複数の充電電流を切り替え、充電過程における充電素子の平均電力が一定になるように前記コンデンサを充電し、前記定電圧制御回路により前記充電素子を制御して所定の電圧まで前記コンデンサを充電する充電装置。

[6] 複数の前記充電素子を並列接続して構成し、前記充電素子を制御する充電制御信号を前記充電素子毎に伝達するための複数のスィッチを備え、前記スィッチを順次切り替える請求項 1または 3または 5のいずれか 1項に記載の充電装置。

[7] 前記コンデンサ電圧検出部、前記電流切替部、および充電制御信号を充電素子毎に伝達する複数のスィッチを駆動するためのスィッチ駆動部をマイクロコンピュータで構成した請求項 5または 6のいずれか 1項に記載の充電装置。

[8] コンデンサは電気二重層コンデンサである請求項 1または 3または 5のいずれか 1項に記載の充電装置。