JP4085794B2 - 電池の充電装置 - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明はスイッチング電源の出力により携帯用機器等の電源として用いられている2次電池を充電する充電装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、ニッケル水素電池やニカド電池の高容量化及び大充電電流による充電特性の改善により、これら電池を短時間で充電する充電装置の出力容量は大きくなっている。
【0003】
そのため、出力容量のアップに伴う充電装置の大型化を抑制するため、充電装置の電源回路にスイッチング電源を用いたものが多くなっている。
【0004】
スイッチング電源のスイッチング方式としては、周波数固定の駆動パルス幅を変調することにより出力電圧を調整するPWM方式と、近年ではPWM方式より、スイッチング素子のオン及びオフ時の電力損失及びスイッチングノイズを低減させることを目的とした共振型電源が提案され実用化されている。共振型電源は名前に示すとおりに、電流あるいは電圧波形をコイルとコンデンサによって共振させサイン波状としてスイッチングさせるものである。
【0005】
共振型電源において、特にスイッチング時の短期間においてのみ共振現象を利用する部分共振型電源(疑似共振型電源ともいう)が比較的容易に制御回路を構成できるという利点から、定電圧出力用の電源として用いられている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スイッチング電源を充電装置に用いた場合、PWM方式ではスイッチング周波数を固定しデュティーを変える方式であり、電源そのものは最大負荷に合わせて設計するため、出力の負荷が軽い時の電源効率は基本的には低下する。
【0007】
一方、部分共振型電源においては、ある一定の定常負荷に対しは、そのスイッチング波形の性質上、上記のスイッチングノイズやスイッチングロスはPWM方式に比べ小さくなるが、負荷の変動範囲が広い用途に適応する場合、負荷が軽くなるに従いスイッチング時の共振動作が不安定になり、PWM方式と同様に電源効率が低下するといった欠点もある。
【0008】
それ故、上記の各種スイッチング電源を充電器に適応した場合、例えば電池パックの素電池数に応じて電圧は異なるので素電池数の少ない電池パックの充電、満充電後の微少電流によるトリクル充電時及び電池パックが挿入接続されていない待機時といった時に電源効率が低下する。
【0009】
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、電池状態に対応した如何なる充電条件においても、電源効率の低下が少なく、特に電池パックが接続されてない状態時や、トリクル充電のような微少電流での充電時において、省エネ化が図れる充電装置を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、図5 に示すそれぞれのスイッチング制御における出力電力に対するスイッチング効率の関係から、出力電力の大きさに対しスイッチング効率が高くなるスイッチング制御に使い分けるようにすればスイッチング効率が向上する点に着目し、請求項1 記載の発明は、被充電電池に所定の充電電流を供給するための電源出力を可能とする第1 スイッチング制御と、スイッチング周波数を前記第1 スイッチング制御のスイッチング周波数より下げて出力を調整する第2 スイッチング制御の両方の制御を可能とするスイッチング制御手段と、 被充電電池の電池状態を検出する電池状態検出手段と、電池状態検出手段の出力に基づき被充電電池への電力供給を所定値以上で行うか否かを判別する充電制御手段とを備え、前記電池状態検出手段の出力に基づき被充電電池への電力供給を所定値以上で行うと判別した時は前記充電制御手段の出力に基づき前記スイッチング制御手段の第1 スイッチング制御により出力を調整し、また被充電電池へ電力供給を所定値以下で行うと判別した時は前記充電制御手段の出力に基づき前記スイッチング制御手段の第2スイッチング制御により出力を調整することを特徴とする。
【0011】
請求項2記載の発明は、請求項1の充電装置に関連して、前記電池状態検出手段を被充電電池の電池電圧を検出する電池電圧検出手段又は被充電電池の温度を検出する電池温度検出手段とし、電池電圧検出手段又は電池温度検出手段の出力に基づき電池が充電装置に接続されていないと判別した時は、前記充電制御手段の出力に基づき前記スイッチング制御手段の第2スイッチング制御により出力を調整するようにしたことを特徴とする。
【0012】
請求項3記載の発明は、請求項1の充電装置に関連して、電池状態検出手段の前記電池電圧検出手段及び前記電池温度検出手段の出力に基づき前記スイッチング制御手段の第1スイッチング制御により出力を調整するか、スイッチング周波数を前記第1スイッチング制御より下げた前記スイッチング制御手段の第2スイッチング制御により出力を調整するかを判別するようにしたことを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の一実施形態を示す回路図である。図において、1は交流電源、2は複数の充電可能な素電池を直列に接続した電池パックであって、素電池に接触ないし近接して設けられたサーミスタ等の温度検出素子2aを装備している。3は電池パック2に流れる充電電流を検出する電流検出抵抗、4は充電電流を設定する充電電流設定手段であって、マイコン50の出力ポート56からの信号に対応して演算増幅器62の反転入力端に印加する電圧値を変えるものである。7はFETからなるスイッチング素子であり、高周波トランス80の1次巻線81との直列回路で構成されている。8は高周波トランス80の1次巻線81に連なる共振用コンデンサであり、1次巻線81の蓄積エネルギーの放出終了後に1次巻線81のインダクタンスと共振回路を形成する。10は全波整流回路11と平滑用コンデンサ12からなる1次側整流平滑回路、20はダイオード21、平滑用コンデンサ22からなる2次側整流平滑回路であり、ダイオード21はスイッチング素子7のオフ期間にオンになる方向性を有する。30はダイオード31、平滑用コンデンサ32からなる整流平滑回路であり、オン・オフ制御回路101の電源電圧を得るため及びスイッチング素子7のターンオン時の共振動作を安定化させ、スイッチングロスを低減させるるための遅延制御を行うものである。40は抵抗41、42からなる電池電圧検出手段で電池パック2の端子電圧を分圧する。50は演算手段(CPU)51、ROM52、RAM53、タイマ54、A/Dコンバータ55、出力ポート56、リセット入力ポート57からなるマイコンである。60は演算増幅器61、62、抵抗63〜66、ダイオード67からなる充電電流制御手段、70はダイオード71、平滑コンデンサ72、73、3端子レギュレータ74、リセットIC75からなる第2整流平滑回路で、マイコン50、充電電流制御手段60等の電源となる。リセットIC75はマイコン50を初期状態にするためにリセット入力ポート57にリセット信号を出力する。80は1次巻線81、2次巻線82、補助巻線83、84からなる高周波トランスであり、1次巻線81に対し2次巻線82、3次巻線83は逆極性の構成で、4次巻線84は同極性である。90は抵抗91と抵抗92からなる電池温度検出手段であり、5Vの定電圧源から連なる抵抗91と、抵抗92と温度検出素子2aとによって分圧された電圧をマイコン50のA/Dコンバータ55に入力し電池パック2の電池温度を検出する。100はオン・オフ制御回路101、充電電流制御信号伝達手段103、抵抗104〜108、ダイオード109、110、コンデンサ111、112からなるスイッチング制御手段であり、オン・オフ制御回路101は電源端子101a、グランド端子101b、フィードバック端子101c、制御パルス出力端子101dを有する。120はスイッチング制御方法を切り換えるスイッチング制御切換手段であり、スイッチングのオン・オフの切り換え時を共振動作で行い周波数制御により出力を調整するスイッチング制御と、スイッチング周波数を上記スイッチング制御より下げオン時間を制御することにより出力を調整するスイッチング制御の一つの方法であるスイッチング時のオフ時間を固定しオン時間を制御することにより出力を調整するスイッチング制御のどちらかに切り換える。130はツェナーダイオード131、抵抗132、ダイオード133からなる定電圧制御回路であり、電池パック2が充電装置に接続されていない時にツェナーダイオード131がブレイクする電圧で充電電流制御信号伝達手段であるフォトカプラ103を介しフィードバック端子101Cに帰還をかけ、電池パック2の充電時の電圧より大きい電圧で定電圧制御を行う。そのため、ツェナーダイオード131は上述したように大きなツェナー電圧のものを使用する。
【0014】
図1のオン・オフ制御回路101は、図2に示すブロック図で構成されている。201は電源端子101aからの入力電圧を定電圧化する定電圧回路、202は制御パルス出力端子101dを介してスイッチング素子7を駆動するためのドライブ電圧を出力するドライブ回路、203はドライブ回路202を介してスイッチング素子7をオン・オフさせる制御パルス信号を出力する発振回路、204は第1比較器、205は第2比較器であり、フィードバック端子101cに印加された電圧をそれぞれ所定の電圧値と比較し、比較器204、205の出力に応じて発振回路203は、2次側整流平滑回路の出力電圧を制御するスイッチング素子7の制御パルス幅に対応する制御パルス信号の出力を制御する。206はコンデンサ、207は抵抗であり、スイッチング時のオフ時間を固定しオン時間を制御することにより出力を調整するスイッチング制御において、コンデンサ206、抵抗207の放電時定数でオフ時間を固定する。208はスイッチング素子7のドライブ電流を制限する制限抵抗、209は所定の電圧値Vth(1)を発生する基準電源であり、第1比較器204の非反転入力端に印加されている。210は所定の電圧値Vth(2)( Vth(2)> Vth(1))を発する基準電源であり、第1比較器205の非反転入力端に印加されている。
【0015】
次に本発明の実施形態に係わるスイッチング電源の動作に関し、まず2次側整流平滑回路20が軽負荷時の時のスイッチング制御であるスイッチング時のオフ時間を固定しオン時間を制御することにより出力を調整する第2スイッチング制御について、図1、図2及び図3の動作波形を参照して説明する。
【0016】
AC電源1が投入されると、起動抵抗104を介して整流平滑回路30のコンデンサとオン・オフ制御回路101の電源端子101aに接続されスイッチング電源は起動する。
また、マイコン50は出力ポート56よりスイッチング制御切換手段120を介し高周波トランス80の3次巻線83の出力電圧から、ダイオード109、抵抗108、ダイオード110を介してオン・オフ制御回路101のフィードバック端子101cへの接続を切り離すことにより、オン・オフ制御回路101のフィードバック端子101cに入力される電圧をVth(1)以下にし、必ず第2スイッチング制御で電源制御を行うようにする。
【0017】
出力の制御方法は充電電流を電流検出抵抗3により検出し、この充電電流に対応する電圧と、マイコン50の出力ポート56の出力に応じて充電電流設定手段4の出力による充電電流設定基準値との差を充電電流制御手段60より、スイッチング制御手段100の充電電流制御信号伝達手段103を介してオン・オフ制御回路101のフィードバック端子101cに帰還をかける。すなわち図3のコンデンサ111の両端電圧に示すように、充電電流制御信号伝達手段103を流れるフィードバック電流が抵抗106に流れ、これによって生じる電圧(直流バイアス分)に、スイッチング素子7に流れる電流(ID)によって抵抗107に生じる電圧降下がフィードバック端子101cに印加され、この電圧が第1比較器204の基準電圧Vth(1)に達すると第1比較器204が動作し、発振回路203はドライブ回路202にスイッチング素子7をオフする信号を出力しスイッチング素子7をオフさせる。また図3のコンデンサ206の両端電圧波形に示すように、スイッチング素子7がオフするとコンデンサ206の充電が解除され、内部の抵抗207により放電を開始し、その両端電圧はコンデンサ206と抵抗207の放電時定数によって決まる傾きで降下する。コンデンサ206の両端電圧が所定値(V2)まで下がると発振回路203の出力は再び反転し、スイッチング素子7をオンさせる。この充電電流制御信号伝達手段103を流れるフィードバック電流が抵抗106に流れ、これによって生じる電圧(直流バイアス分)の制御により出力を調整する。ここで図2のオン・オフ制御回路101の内部コンデンサ206と抵抗207の固定時間がスイッチング素子7のオフ時間t1になり、軽負荷時に対応する制御方式とするためにはオフ時間は約50μsec程度に調整すれば、スイッチング周波数は低周波になり、単純にスイッチング素子7のオンする時間を低減できるので、結果として軽負荷に対応したスイッチング制御になりスイッチング効率は向上する。当然のことではあるが、スイッチング周波数を低周波にすることにより、出力が大きい時には、逆にスイッチング素子7に流れるピーク電流は大きくなるのでスイッチング効率は低下する。
【0018】
引き続き、2次側整流平滑回路30の負荷に大きい時に対応するスイッチング制御の一つであるスイッチングのオン・オフの切り換え時を共振動作で行い周波数制御により出力を調整する第1スイッチング制御について図1、図2及び図4の動作波形を参照して説明する。
【0019】
ここで説明する共振動作とは、図4の1次巻線81の電圧(V81)及びスイッチング素子7の両端電圧(VDS)に示すように、スイッチング素子7をターンオンさせるタイミングをトランスがエネルギーを放出した後の電圧共振波形のボトム点すなわち高周波トランス80の1次巻線81のインダクタンス(L81)と共振コンデンサの容量(C8)で決まる共振周波数の1/2周期と一致させることである。
【0020】
まず、起動抵抗104を介して整流平滑回路30のコンデンサとオン・オフ制御回路101の電源端子101aに接続されスイッチング電源は起動する。
【0021】
またマイコン50は、電池パック2への電力供給が所定値以上と判別した時、出力ポート56よりスイッチング制御切換手段120を介して高周波トランス80の3次巻線83の出力電圧から、ダイオード109、抵抗108、ダイオード110を介してオン・オフ制御回路101のフードバック端子101cへ接続する。そして出力の制御方法は上述のスイッチング時のオフ時間を固定しオン時間を制御することにより出力を調整するスイッチング制御方式と同様に充電電流を電流検出抵抗3により検出し、この充電電流に対応する電圧と、マイコン50の出力ポート56の出力に応じて充電電流設定手段4の出力による充電電流設定基準値との差を充電電流制御手段60より、スイッチング制御手段100の充電電流制御信号伝達手段103を介してオン・オフ制御回路101のフィードバック端子101cに帰還をかけることにより行われる。但し、フィードバック端子101cに印加される電圧は、スイッチング制御切換手段120を介して高周波トランス80の3次巻線83の出力電圧から、ダイオード109、抵抗108、ダイオード110を介してオン・オフ制御回路101のフードバック端子101cへ接続されているため、図4に示すように、スイッチング素子7がオフした時に、3次巻線83に発生するフライッバック電圧(V83)から共振信号が生成される。これにより、フィードバック端子101cの電圧(V101c)は、図4に示すように、オン・オフ制御回路101の第1比較器204、第2比較器205が動作し(Vth(2)以上)、第2比較器205が動作すると発振回路203のオフ時間は、基準電圧Vth(1)以上の電圧を保持している間は発振回路203の出力によりスイッチング素子7はオフし続ける。この時高周波トランス80のエネルギー放出が終わっても、フィードバック端子101に印加される電圧(共振信号)は遅延回路であるコンデンサ112、ダイオード109、110の作用により直ぐに降下せず、コンデンサ111及びコンデンサ112に充電された電荷が抵抗106とオン・オフ制御回路101の内部インピーダンスとの合成インピーダンスによって放電され一定時間後に、基準電圧Vth(1)以下に下がるためである。この一定時間をスイッチング素子7が最も低くなった時にターンオンするようにコンデンサ112を調整すればスイッチングロスは低減できる。また共振動作時には負荷の変動に応じ周波数制御を行うので、負荷が軽くなるに従い周波数は高くなる。それ故、軽負荷時には逆にスイッチングロスが増加するが、先に述べたオフ時間を固定しオン時間を制御することにより出力を調整する第2スイッチング制御とスイッチングのオン・オフの切り換え時を共振動作で行い周波数制御により出力を調整する第1スイッチング制御を併用することにより、図5に示すようにスイッチング効率の向上が図れる。
【0022】
この上記2種のスイッチング制御を可能とするスイッチング電源を充電装置の適応する場合、電池電圧検出手段40、電池温度検出手段90の出力に応じて、電池パック2に供給する電力が所定値以上であればスイッチングのオン・オフ時を共振動作で行い周波数制御により出力を調整する第1スイッチング制御で出力を調整し、また電池パック2に供給する電力が所定値以下であればオフ時間を固定しオン時間を制御する第2スイッチング制御で出力を調整するようにすれば充電装置内のスイッチングロスを少なくすることができる。
【0023】
特に電池パック2が充電装置に接続されていない待機状態の時に、共振動作による第1スイッチング制御よりスイッチング周波数を低くしたオフ時間を固定し、オン時間を制御する第2スイッチング制御を行えば、電源効率が向上し、省エネ化にも貢献できる。
【0024】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、電力供給が所定値以上であれば、その電源出力に対応できる第1のスイッチング制御により出力を調整し、また電力供給が所定値以下であればスイッチング周波数を第1スイッチング制御のスイッチング周波数より下げた第2スイッチング制御により出力を調整するようにし、これにより充電装置の電源であるスイッチング電源のスイッチング効率の向上が図れ、特に待機時の省エネ化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す回路図。
【図2】図1のオン・オフ制御回路の詳細を示すブロック回路図。
【図3】オン・オフ制御回路の各部の状態を示す波形図。
【図4】図1の各部の状態を示す波形図。
【図5】それぞれのスイッチング制御における出力電力に対するスイッチング効率を示す特性図。
【符号の説明】
2は電池パック、7はスイッチング素子、8は共振コンデンサ、40は電池電圧検出手段、50はデータの演算、充電の開始停止信号、及びスイッチング制御方式の切換信号を出力する等の機能を持つ充電制御手段としてのマイコン、90は電池温度検出手段、100はスイッチング制御手段である。
Claims (3)
- スイッチング電源の出力により被充電電池を充電する充電装置であって、
被充電電池に所定の充電電流を供給するための電源出力を可能とする第1スイッチング制御及びスイッチング周波数を前記第1スイッチング制御のスイッチング周波数より下げ出力を調整する第2スイッチング制御の両方の制御を可能とするスイッチング制御手段と、 被充電電池の電池状態を検出する電池状態検出手段と、電池状態検出手段の出力に基づき被充電電池への電力供給を所定値以上で行うか否かを判別する充電制御手段とを備え、前記電池状態検出手段の出力に基づき被充電電池への電力供給を所定値以上で行うと判別した時は前記充電制御手段の出力に基づき前記スイッチング制御手段の第1スイッチング制御により出力を調整し、また被充電電池への電力供給を所定値以下で行うと判別した時は前記充電制御手段の出力に基づき前記スイッチング制御手段の第2スイッチング制御により出力を調整するようにしたことを特徴とする電池の充電装置。 - 前記電池状態検出手段を被充電電池の電池電圧を検出する電池電圧検出手段又は被充電電池の温度を検出する電池温度検出手段とし、電池電圧検出手段又は電池温度検出手段の出力に基づき電池が充電装置に接続されていないと判別した時は、前記充電制御手段の出力に基づき前記スイッチング制御手段の第2スイッチング制御により出力を調整するようにしたことを特徴とする請求項1記載の電池の充電装置。
- 前記充電制御手段は、前記電池状態検出手段の前記電池電圧検出手段及び前記電池温度検出手段の出力に基づき前記スイッチング制御手段の第1スイッチング制御により出力を調整するか、前記スイッチング制御手段の第2スイッチング制御により出力を調整するかを判別するようにしたことを特徴とする請求項2記載の電池の充電装置。
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