JP2005354893A - 一次側充電状態検出を有するバッテリ充電器 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリを充電するためのバッテリ充電器に関する。特に、一次側で制御されるスイッチング電源と、前記バッテリの充電状態をモニタするための充電モニタ回路とを有する、バッテリ充電器に関する。回路の複雑さの緩和、機器のコストの削減、さらにはサイズの縮小を図りつつ、バッテリに対する安定性および信頼性の高い充電を可能にする改良されたバッテリ充電器を提供する。
【解決手段】充電モニタ回路を、バッテリ充電器の一次側のスイッチング回路に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリに充電するためのバッテリ充電器に関する。本発明は、特に、一次側で制御されるスイッチング電源と、バッテリの充電状態をモニタするための充電モニタ回路とを有するバッテリ充電器に関する。

例えば図３に示されているように、既知の充電装置は、例えば、ブロッキングオッシレータ型コンバータによって形成されたＡＣ／ＤＣコンバータ１０２を有する。前記ブロッキングオッシレータ型コンバータは、電源として動作するために接続され、以下の説明にて充電式バッテリ、蓄電池、バッテリパックまたは蓄電池パックを表すバッテリに充電するための定電流を供給する。

ニッケル−カドミウムバッテリなどの充電式バッテリは、ポータブル型電子機器の電源として頻繁に使用されている。一般に、前記バッテリの正の電極と負の電極との間の電位は、このようなバッテリの充電プロセス時に検出される。電位の実測値が上昇する場合には、通常の方法で前記バッテリが充電される一方で、電位の実測値が降下する場合には、前記バッテリは完全に充電されたものとしてバッテリ充電プロセスは終了する。

さらに、いわゆるニッケル水素バッテリなどの特定のバッテリは、充電プロセス時に大量の熱を生成することが知られている。このようなニッケル水素バッテリは、前記正電極と負電極間の前記電位が降下し始めるまで充電されると、非常に高い温度まで上昇する。

したがって、多くの場合、前記ニッケル水素バッテリには、温度のモニタが可能なように、温度センサーが備わっている。バッテリの電圧情報と温度の実測値情報はともに、充電プロセスをそれらの情報に従って制御可能なように、充電コントローラによってさらに処理される。前記充電コントローラ１０４は、完全充電状態検出後の浮動充電電流への充電電流の低減などの全体的充電管理や、バッテリの充電期間、発生温度、セル電圧などの各種情報の評価を実施する。したがって、図４に図解されているように、前記ブロッキングオッシレータ型コンバータ１０２は、対応する出力特性、例えばＩ／Ｕ特性を利用可能にする。前記充電コントローラ１０４は、時間に従ってこの特性を制御するので、充電特性Ｕ，Ｉ＝Ｆ（Ｔ）を呈する。

図５は、先行技術によるバッテリ充電器１００のブロック図である。この図から明らかなように、前記装置は、ライン電圧に接続された一次側１０６、前記バッテリに接続された二次側１０８を有している。前記一次側１０６と前記二次側１０８とは、相互に電気絶縁されている。

ドイツ特許出願公開１００ １８ ２２９号明細書に示されているように、前記バッテリ充電器１００に、調整回路１１０を有するブロッキングオッシレータ型コンバータを用いる場合には、前記調整回路１１０を前記一次側１０６に配置するが、前記一次側電流の調整と、補助巻線から消費され前記二次電圧に比例する電圧とからのみ、前記出力特性が得られる。しかし、図５に示されているように、既知の構造の所要充電モニタ回路（図３の充電コントローラ）は、前記二次側１０８に配置され、光電子カプラを介して前記充電プロセスを制御する。現在では、マイクロコントローラやいわゆるバッテリ管理ＩＣが、バッテリパラメータの必要な測定を実施するのにしばしば利用されている。

しかし、図５に示されている解決策では、必要な構成部品にはかなりの回路周辺部が必要であり、これらはさらにプリント基板上で対応するスペースを必要とし、比較的高価であるという欠点がある。さらに、回路に要するコストによっても、必要とされるスペースが増大し、引いては前記バッテリ充電器の外形寸法も拡大することとなる。

したがって、本発明は、安定性や信頼性の高いバッテリ充電を可能にし、さらに回路の複雑さを緩和し、機器のコストを削減し、構造物のサイズを縮小する改良されたバッテリ充電器を提供することを目的としている。

この目的は、請求項１の主題によって達成される。本発明の好適な実施形態は、各従属請求項の主題を構成する。

本発明は、前記一次側で制御されるスイッチング電源の一次側の調整ドライバ回路（regulation and driver circuit）に充電モニタを集積化するという思想に基づいている。したがって、前記二次側における別個の充電接続部をなくすことができるうえ、構成部品の数と複雑さを緩和し、さらにバッテリ充電器の外形寸法も、有利な方法で縮小できる。さらに、バッテリ自体にも温度モニタを取り付ける必要がないので、バッテリの複雑さを緩和し、価格を下げることができる。

本発明の好適な実施形態によれば、充電モニタ回路は、バッテリの温度を検出するための温度検出器を有している。したがって、電力供給は、温度情報に基づいて調整することができる。つまり、バッテリに温度検出器、例えばサーミスタなどを取り付けなくても、高すぎる温度上昇を回避できるという利点がある。さらに、前記バッテリと前記バッテリ充電器は、前記バッテリから前記バッテリ充電器に温度情報を伝達するための接続機構をいっさい必要としないので、前記バッテリと前記バッテリ充電器の双方の構造を容易にすることができる。

本発明のもうひとつの好適な実施形態によれば、電力管理ＩＣに収納された充電コントローラ１０４に温度情報を伝達し、前記バッテリもしくは前記蓄電池との良好な熱結合を有する、電気絶縁温度依存抵抗器（electrically isolated temperature-dependent resistor）が、温度検出の目的で備えられている。このような温度依存抵抗器は、例えば、いわゆるＮＴＣ抵抗器などの、負の温度係数を有する抵抗器であってよい。

さらに、既定の充電期間後に電力供給を終了するために、充電モニタ回路は、タイムスイッチを有することができる。このような充電プロセスの最大充電期間に対する制限により、前記バッテリ充電器がさらに安定化し、引いては信頼性も向上するという利点を有する。

例えば、タイムスイッチを制御しＲＣモジュールによって形成された調整可能オッシレータを、最大充電期間を制限する目的で取り付ける。あるいは、前記期間を本線周波数から導出してもよい。この場合、前記期間は、ＲＣオッシレータを使用した場合に比べ、さらに正確であり、後に接続される分周器に要する費用も削減される。

前記バッテリ充電器の一次側の充電モニタ回路の、本発明による構成の好適な特性は、前記スイッチング電源が、スイッチング電源の出力電流および／または出力電圧を調整するためにトランスに配置された補助巻線で発生する補助電圧を使用するスイッチング電源である場合に、特に効果を発揮する。この場合、充電モニタ回路は、前記スイッチング電源の調整と制御の両方を実施する同一の集積回路で実現化可能であるため好適である。つまり、必要な集積回路の数を削減できるうえ、組み立て部品全体の信頼性も向上する。

さらに、実用可能とするために、バッテリの温度上昇や完全充電状態に達していることを知らせる情報としての降下二次電圧（dropping secondary voltage）に加え、前記バッテリ電圧に対応する前記二次電圧の実瞬時値（actual instant value）を判定し、前記論理回路に格納することができる。このような実値をモニタした場合、および、数回のサンプリング時に前記瞬時値が低下した場合には、いわゆる−ΔＵの事象が発生し、既定値を越えた時点で、充電保存への切替えを行うことができる。この実瞬時値は、例えば、前記スイッチング電源の前記一次側の前記スイッチのスイッチオフ時間を制御することによる、Ｉ／Ｕ特性上の動作点の変調から得られる。

本発明のさらにもうひとつの好適な実施形態によれば、前記電源は、前記バッテリが完全充電状態に至った後に、完全にオフされるわけではなく、充電保存小電流が前記バッテリに供給されるように調節される。したがって、前記バッテリの充電が再度減少するのを有利に防止する。

鉛蓄電池の充電に関しては、前記バッテリの耐用年数が、充電時にいわゆるＩＵ_０Ｕ特性を維持することによって延長可能であることが知られている。つまり、前記バッテリを、当初比較的高い電圧で充電し、前記充電電流が降下した後に、完全な充電状態になるまで、電圧を下げて充電を継続する。本発明のひとつの好適な実施形態によれば、このようなＩＵ_０Ｕ特性は、ブロッキングオッシレータ型コンバータの一次側のスイッチのスイッチング周波数をモニタする場合に、充電モニタ回路によって実現化可能であり、前記周波数が降下した場合に、前記出力電圧がそれに伴って下がる。

以下、添付の図面に示された好適な実施形態によって本発明を詳細に説明する。本発明に係る主題についての、同様のまたは対応する細部には同じ参照番号を割り当ててある。本発明に係るバッテリ充電器の構造と機能について、図面を参照しながらより詳細に説明する。

図１に示されているように、本発明によるバッテリ充電器１００は、電位に関して、相互に分離されている、一次側１０６と二次側１０８を有している。

本発明によれば、給電装置１１２を制御するための調整ドライバ回路１１０および充電モニタ回路１０４はいずれも、前記バッテリ充電器１００の前記一次側１０６に配置されている。したがって、給電装置１１２は、通常、前記一次側１０６と前記二次側１０８との間での必要な電位分離を含むトランスである。

本発明によれば、いわゆるＮＴＣ抵抗器である、負の温度係数を有する抵抗器１１６が、前記バッテリ１１４に直接熱結合している。前記熱結合は、矢印１１８によって表されており、前記二次側１０８から前記一次側１０６への電気絶縁情報伝達部（electrically isolated information transmission）を含んでいる。前記ＮＴＣ抵抗器１１６によって供給される前記温度情報は、前記調整ドライバ回路１１０とともにいわゆる電力管理ＩＣ１２０内に収納された充電モニタ回路１０４に伝達される。この場合、前記給電装置の調整は、この情報およびその他の情報に基づいて、達成することができる。したがって、本発明によれば、必要なのは、前記調整機構と前記充電モニタ機構とを含む単一のＩＣ１２０であり、回路の複雑さの軽減、機器に要するコストの削減および前記バッテリ充電器のサイズの縮小が可能となる。さらに、構成部品の数が少数で、前記二次側１０８から前記一次側１０６へ情報を伝達するための光電子カプラを完全になくすことができるため、本装置の信頼性を向上できることは明らかである。

図２のブロック図は、もうひとつの実施形態による本発明のバッテリ充電器１００の詳細を表している。本発明によれば、前記電流電圧調整機構１１０のための前記構成部品とは別に、前記集積回路１２０は、最大充電期間を設定するためのプログラマブルタイムスイッチ１２２と、前記最大温度の既定限界値および／または事前に設定されている温度上昇および／または既設定温度上昇速度に従って、充電プロセスを終了し、浮動充電小電流（small float charging current）に切り替える温度検出装置１２３とを有している。

前記温度モニタ装置１２３は、温度センサー、この場合にはＮＴＣ抵抗器１１６に接続されている。前記温度センサー１１６は、押し出しコーティング、外殻構造化、カプセル化など、適切な絶縁手段によって前記二次側１０８から電気絶縁されているが、前記矢印１１８によって示されているように、熱伝達に十分なだけの熱結合が達成される。論理回路１２４は、所要の論理演算を実行し、前記パラメーターの事前調整を可能にする。

例えば、前述の説明では、前記電力管理ＩＣ１２０は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として組み立てることができる集積回路であると常時想定してきたが、前記回路１２０は、個別に構造化された回路であってもよいということが理解されよう。

図２に従った、本発明のバッテリ充電器１００の動作原理について、以下にさらに詳細に説明する。

本発明によれば、給電装置１１２によって必要な充電電流が供給される前記バッテリ１１４の接続部のみが、前記二次側１０８に配置されている。前記温度検出装置１２３は、前記バッテリの温度または前記蓄電池の温度を検出し、最大値に達した時点で、浮動充電動作に切り替える。

あるいは、またはそれに加えて、前記温度検出装置１２３は、前記実際の充電プロセスの終了に関する閾値として、既定の温度上昇かまたは代表的温度勾配の達成も利用可能である。したがって、前記電力部の前記Ｉ／Ｕ特性によって形成される前記最大充電電流は、前記所要のより小さな充電保存電流を発生するようパルス化される。

前記タイムスイッチ１２２を制御しＲＣモジュールによって形成されている調整可能オッシレータ１２６は、前記最大充電期間を制限する。あるいは、前記期間を、本線周波数から導出することも可能である。この場合、前記期間は、ＲＣオッシレータ１２６を使用した場合に比べ、より正確となり、後に接続される分周器に要するコストも低減される。

前記論理回路１２４は、前記温度検出装置１２３と前記タイムスイッチ１２２とからの個別の信号を結合し、ブロッキングオッシレータ型コンバータを制御するために前記調整ドライバ回路１１０にこれらの結合信号を出力する。

前記スイッチング電源の前記一次側の前記スイッチのスイッチオフ時間を制御することによる前記Ｉ／Ｕ特性上の動作点の変調により、前記バッテリ電圧に対応する実瞬時値を判定することが可能である。この瞬時値は、前記論理回路１２４に格納される。負のΔＵに対応するこの瞬時値が数回のサンプリング時に低下し、既定値を越えると、前記論理回路１２４は、前記調整ドライバ回路１１０を、充電保存動作に切り替えさせる。

前記一次側における前記電力管理ＩＣへの充電状態モニタの集積化により、前記二次側における追加のいわゆるバッテリ管理ＩＣをなくすことができるので、コスト削減、スペース縮小、および信頼性向上が達成される。

第一の実施形態に係る本発明のバッテリ充電器の概略図を示す。 第二の好適な実施形態に係る本発明のバッテリ充電器の概略図を示す。 バッテリ充電器の一般的構造のブロック図を示す。 バッテリ充電器の一般的構造のもうひとつのブロック図を示す。 先行技術に係るバッテリ充電器のブロック図を示す。

Claims (10)

1. バッテリを充電するためのバッテリ充電器（１００）において、
   一次側のスイッチ回路（１０６）と二次側のスイッチ回路（１０８）とに接続された少なくとも一つのコンバータを有するとともに前記二次側（１０８）に供給される電力を調整するための調整ドライバ回路（１１０）を有し且つ前記一次側で制御されるスイッチング電源（１０２）と、
   前記バッテリの充電状態をモニタするための充電モニタ回路（１０４）と、を有し、
   前記充電モニタ回路（１０４）は、前記バッテリ充電器（１００）の前記一次側の前記スイッチ回路（１０６）に配置される、バッテリ充電器。
2. 前記充電モニタ回路（１０４）は、
   前記バッテリ（１１４）の温度を検出するための温度検出器（１２３）を有し、実測温度に応答して電力供給を制御するよう設計される、請求項１に記載のバッテリ充電器。
3. 前記温度検出器（１２３）は、
   前記バッテリ（１１４）に対して電気絶縁されている、負の温度係数を有する抵抗器（１１６）を有する、請求項２に記載のバッテリ充電器。
4. 前記充電モニタ回路（１０４）は、
   既定充電期間後に電力供給を終了するタイムスイッチ（１２２）を有する、請求項１から請求項３の少なくともひとつに記載のバッテリ充電器。
5. 前記タイムスイッチ（１２２）は、タイムパルスを発生するためのオッシレータ回路（１２６）を有する、請求項４に記載のバッテリ充電器。
6. 前記タイムスイッチ（１２２）は、本線周波数からタイムパルスを発生するよう設計される、請求項４に記載のバッテリ充電器。
7. 前記スイッチング電源（１０２）は、一次側のスイッチと、前記一次側のスイッチを開いた後で補助電圧が誘起される補助巻線を有する変圧器と、を有し、
   前記調整ドライバ回路（１１０）は、誘起された補助電圧に従って、前記スイッチング電源の出力電圧および／または出力電流を調整するよう設計される、請求項１から請求項６の少なくともひとつに記載のバッテリ充電器。
8. 前記スイッチング電源の出力電圧の値をバッテリ電圧の実瞬時値として格納するための論理回路（１２４）であって、連続する実値を比較するための論理回路（１２４）をさらに有し、
   前記論理回路（１２４）は、数回の連続サンプリング時に実値が低下した場合は充電プロセスを終了するよう設計される、請求項１から請求項７の少なくともひとつに記載のバッテリ充電器。
9. 前記論理回路（１２４）は、充電プロセス終了後、前記調整ドライバ回路（１１０）に、充電保存小電流をバッテリに供給させるよう設計される、請求項１から請求項８の少なくともひとつに記載のバッテリ充電器。
10. 前記充電モニタ回路（１０４）は、前記一次側のスイッチのスイッチング周波数をモニタし、ＩＵ_０Ｕ充電特性が調整されるような既定スイッチング周波数に基づいて前記調整ドライバ回路（１１０）を制御するよう設計される、請求項１から請求項９の少なくともひとつに記載のバッテリ充電器。

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