JP6733512B2 - 充電器 - Google Patents

Description

本発明は、充電器に関する。

二次電池を充電する際に、電池パックから送信される充電電流指令値を用いずに、定電流定電圧制御を実行する充電器がある。こうした充電器では、例えば、制御ＩＣ（Integrated Circuit）は、ＤＣ／ＤＣ（Direct Current/Direct Current）コンバータ部からの出力電流に対応する電圧が所定の基準電圧に一致するように定電流制御を実行する。そして、充電器からの出力電圧が満充電電圧に達すると、制御ＩＣは、ＤＣ／ＤＣコンバータ部からの出力電圧が所定の基準電圧に一致するように定電圧制御を実行する。

なお、関連する技術として、特許文献１及び２に記載の技術が知られている。

特開平１０−１３６５７８号公報 特許第３２１３４０１号明細書

しかしながら、定電流充電から定電圧充電へ切り替えられる瞬間、基準電圧と比較される電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ部から制御ＩＣに入力されなくなると、制御ＩＣの制御が不安定になる。この結果、制御ＩＣからＤＣ／ＤＣコンバータ部へ出力されるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号のデューティ比が大きくなって、充電器から電池パックに過電圧が出力される虞がある。

本発明の一側面に係る目的は、充電器において定電流充電から定電圧充電へ切り替える際に充電器から電池パックに過電圧が出力されることを防止する充電器を提供することである。

本発明に係る一つの形態である充電器は、制御回路、ＤＣ／ＤＣコンバータ部、電流検出部、フィードバック抵抗、切り替え器、及び充電制御部を含む。制御回路は、基準電圧とフィードバック電圧との差分に従ってＰＷＭ信号を生成する。ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、ＰＷＭ信号に従って所定の出力電圧を出力する。電流検出部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部からの出力電流に対応する第１の電圧を出力する。フィードバック抵抗は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部からの出力電圧を分圧する。切り替え器は、制御回路に入力するフィードバック電圧を第１の電圧又はフィードバック抵抗で分圧された第２の電圧に切り替える。充電制御部は、基準電圧とフィードバック電圧とを制御する。

充電制御部は、定電流充電を実行する場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ部からの出力電流を所定の一定電流に一致させる第１の基準電圧に基準電圧を制御し、フィードバック電圧として第１の電圧が制御回路に入力するように切り替え器を制御する。また、充電制御部は、出力電圧が所定の一定電圧に達すると、制御回路の動作が停止する動作停止電圧以下に基準電圧を下げ、フィードバック電圧として第２の電圧が制御回路に入力するように切り替え器を制御する。さらに、充電制御部は、基準電圧を動作停止電圧から、出力電圧を一定電圧に一致させる第２の基準電圧まで徐々に上げた後、定電圧充電を実行する。

一実施形態に従った充電器によれば、充電器において定電流充電から定電圧充電へ切り替える際に充電器から電池パックに過電圧が出力されることを防止することができる。

実施形態に従った充電器全体の概略的な構成例を示す図である。 実施形態に従った充電器の一部の詳細な構成例を示す図である。 実施形態に従った充電器が実行する充電制御の例示的なフロー図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、実施形態に従った充電器全体の概略的な構成例を示す図である。図１に示す構成例では、実施形態に従った充電器の一例である充電器１は、４つの電源ユニット１１と、充電器制御ユニット１２とを含む。

各電源ユニット１１は、電源２から入力した交流電力（例えば、３相交流電力）を所定の直流電力に変換し、該直流電力を電池パック３の二次電池３１へ出力する。二次電池３１は、例えば、１つ以上のリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、又は電気二重層コンデンサにより構成される。なお、図１に示した構成例では、４つの電源ユニット１１が充電器１に含まれるが、実施形態に従った充電器には任意の数の電源ユニットが含まれてもよい。

各電源ユニット１１は、３つの直流変換部１１１、電源ユニット制御部１１２、及びＡＣ／ＤＣ（Alternating Current/Direct Current）コンバータ１１３を含む。
３つの直流変換部１１１は、電源２から電源ユニット１１に入力する３相交流電力の内の対応する１相の交流電力を所定の直流電力に夫々変換する。なお、図１に示した構成例では、３つの直流変換部１１１が含まれるが、実施形態に従った充電器には、電源２の送電形式等に応じて任意の数の直流変換部が含まれてよい。

各直流変換部１１１は、ＰＦＣ（Power Factor Correction）回路１１１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１２、及び基準電圧出力回路１１１３を含む。
ＰＦＣ回路１１１１は、入力した交流電流の高調波成分を除去すると共に、入力した交流電圧を直流電圧に変換する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１２は、基準電圧出力回路１１１３から入力した基準電圧に一致する直流電圧を、ＰＦＣ回路１１１１から入力した直流電圧から生成して出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１２に入力する基準電圧は、基準電圧出力回路１１１３を介して電源ユニット制御部１１２により制御される。

電源ユニット制御部１１２は、実施形態に従った充電制御部の一例である。電源ユニット制御部１１２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、又はプログラマブルディバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）等）により構成される。電源ユニット制御部１１２は、電源ユニット１１に含まれる各部の動作を制御する。例えば、電源ユニット制御部１１２は、充電器制御ユニット１２と通信し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１２からの出力を定電流定電圧制御する。

電源ユニット制御部１１２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１３から供給された直流電力によって動作する。ＡＣ／ＤＣコンバータ１１３は、電源２から入力した交流電力を直流電力に変換し、直流電力を電源ユニット制御部１１２へ出力する。

充電器制御ユニット１２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２１及び充電器制御部１２２を含む。
充電器制御部１２２は、例えば、ＣＰＵ、マルチコアＣＰＵ、又はプログラマブルディバイス（ＦＰＧＡやＰＬＤ等）により構成される。充電器制御部１２２は、電源ユニット制御部１１２及び電池パック３の電池制御ユニット３２と通信し、充電器１に含まれる各部の動作を制御する。

充電器制御部１２２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２１から供給された直流電力によって動作する。ＡＣ／ＤＣコンバータ１２１は、電源２から入力した交流電力を直流電力に変換し、直流電力を充電器制御部１２２へ出力する。

実施形態に従った充電器により実行される充電制御の具体例を図２及び図３を参照しながら更に説明する。
図２は、実施形態に従った充電器の一部の詳細な構成例を示す図である。図２には、図１に示した充電器１に含まれる構成要素の一部のみが示されている。例えば、図２には、任意の１つの電源ユニット１１に含まれる任意の１つの直流変換部１１１の構成要素と電源ユニット制御部１１２とが示されている。また、充電器制御部１２２が示されている。図２に示す構成例では、各直流変換部１１１には、ＰＦＣ回路１１１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１２、及び基準電圧出力回路１１１３が含まれる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１２は、第１のスイッチング素子Ｓ１、制御回路Ｃｃｖ、ＤＣ／ＤＣコンバータ部ＣＯＮＶ、電流検出部ＳＮＳＲ、第１のフィードバック抵抗Ｒｆ１、第２のフィードバック抵抗Ｒｆ２、ヒューズＦ、及びダイオードＤを含む。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ部ＣＯＮＶは、第２のスイッチング素子Ｓ２、第３のスイッチング素子Ｓ３、インダクタＬ、及び第１のコンデンサＣ１を含む。

第１のスイッチング素子Ｓ１は実施形態に従った切り替え器の一例である。第１のスイッチング素子Ｓ１は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の半導体スイッチや電磁式リレー等により構成される。

制御回路Ｃｃｖには基準電圧とフィードバック電圧とが入力する。制御回路Ｃｃｖは、フィードバック電圧が基準電圧に一致するように、基準電圧とフィードバック電圧との差分に従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ部ＣＯＮＶへ出力されるＰＷＭ信号を生成する。

制御回路Ｃｃｖに入力する基準電圧は、電源ユニット制御部１１２の制御に従って基準電圧出力回路１１１３により生成される。例えば、定電流充電中、基準電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部ＣＯＮＶからの出力電流を所定の一定電流に一致させる第１の基準電圧に制御される。また、定電圧充電中、基準電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部ＣＯＮＶからの出力電圧を所定の一定電圧に一致させる第２の基準電圧に制御される。

また、制御回路Ｃｃｖに入力するフィードバック電圧は、電源ユニット制御部１１２の制御に従って第１のスイッチング素子Ｓ１により第１の電圧又は第２の電圧に切り替えられる。第１の電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部ＣＯＮＶからの出力電流に対応する電圧であり、電流検出部ＳＮＳＲにより検出されて出力される。電流検出部ＳＮＳＲは、例えば、ホール素子やシャント抵抗により構成される。第２の電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部ＣＯＮＶからの出力電圧が第１のフィードバック抵抗Ｒｆ１及び第２のＲｆ２により分圧された電圧である。図２に示すように、第１の電圧及び第２の電圧は電源ユニット制御部１１２にも出力される。

第２のスイッチング素子Ｓ２及び第３のスイッチング素子Ｓ３は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチ等により構成される。ＤＣ／ＤＣコンバータ部ＣＯＮＶにおいて、第２のスイッチング素子Ｓ２及び第３のスイッチング素子Ｓ３は、制御回路Ｃｃｖから入力したＰＷＭ信号に従って夫々オン又はオフし、ＰＦＣ回路１１１１から入力した直流電圧を時分割する。インダクタＬ及び第１のコンデンサＣ１は、時分割された直流電圧を平滑化し、所望の直流電圧／電流を電池パック３内の二次電池３１へ出力する。ヒューズＦは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１２から過電流が出力されることを防止するために設けられ、インダクタＬ及び第１のコンデンサＣ１を介した出力電流が過電流になると切断される。ダイオードＤは、バッテリ３１からＤＣ／ＤＣコンバータ１１１２へ逆流することによるＤＣ ／ＤＣコンバータ部の故障を防止する。

基準電圧出力回路１１１３は、基準電圧生成回路Ｃｖｒ、第２のコンデンサＣ２、抵抗Ｒ、及び第４のスイッチング素子Ｓ４を含む。
基準電圧生成回路Ｃｖｒは、所定の電圧源Ｖｓから基準電圧を生成する。第４のスイッチング素子Ｓ４は、電源ユニット制御部１１２から出力されたパルス信号に従ってオン又はオフする。所定の抵抗Ｒは第４のスイッチング素子Ｓ４と直列接続され、第２のコンデンサＣ２は第４のスイッチング素子Ｓ４及び抵抗Ｒと並列接続される。第２のコンデンサＣ２は、基準電圧生成回路Ｃｖｒから出力された基準電圧を、第４のスイッチング素子Ｓ４のオン又はオフに従って充放電する。この結果、基準電圧生成回路Ｃｖｒから出力された基準電圧は、電源ユニット制御部１１２によって所定の基準電圧に制御され、所定の基準電圧が制御回路Ｃｃｖへ出力される。

図３は、実施形態に従った充電器が実行する充電制御の例示的なフロー図である。
電池パック３が充電器１に接続された後、充電器制御部１２２は、二次電池３１の現在の電圧と二次電池３１の満充電電圧とを電池制御ユニット３２から受信する（ステップＳ１０１）。充電器制御部１２２は二次電池３１の現在の電圧と満充電電圧とを比較する。二次電池３１の現在の電圧が満充電電圧である場合（ステップＳ１０２で“ＮＯ”）、一連の処理はステップＳ１１０に進む。二次電池３１の現在の電圧が満充電電圧未満である場合（ステップＳ１０２で“ＹＥＳ”）、一連の処理はステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３において、充電器制御部１２２は電源ユニット制御部１１２に定電流充電を指示する。電源ユニット制御部１１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１１２を定電流制御する。具体的には、電源ユニット制御部１１２は、フィードバック電圧として第１の電圧が制御回路Ｃｃｖに入力するように第１のスイッチング素子Ｓ１を制御する。また、電源ユニット制御部１１２は、第４のスイッチング素子Ｓ４へ出力するパルス信号のデューティ比を制御することで、基準電圧出力回路１１１３から制御回路Ｃｃｖに入力する基準電圧を第１の基準電圧に制御する。

定電流充電の実行中、電源ユニット制御部１１２は、第１の電圧から算出されるＤＣ／ＤＣコンバータ１１１２からの出力電流値と、第２の電圧から算出されるＤＣ／ＤＣコンバータ１１１２からの出力電圧値とを充電器制御部１２２へ出力する。充電器制御部１２２は、各電源ユニット制御部１１２から入力した出力電流値と出力電圧値とを乗算することで、各ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１２からの出力電力を計算する。充電器制御部１２２は、計算した出力電力の値を合算することで、充電器１の現在の出力電力を計算する。

充電器１の現在の出力電力が充電器１の定格電力未満である場合（ステップＳ１０４で“ＮＯ”）、一連の処理はステップＳ１０６に進む。充電器１の現在の出力電力が充電器１の定格電力に到達した場合（ステップＳ１０４で“ＹＥＳ”）、一連の処理はステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５において、充電器制御部１２２は電源ユニット制御部１１２に定電力充電を指示する。電源ユニット制御部１１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１１２を定電力制御する。具体的には、電源ユニット制御部１１２は、第４のスイッチング素子Ｓ４へ出力するパルス信号のデューティ比を制御することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１２からの出力電圧の増加に応じて第１の基準電圧を下げる。このように、定電流充電中に定電力充電を実行することで、充電器１からの出力電圧を所定電圧（例えば、満充電電圧）まで上げることができ、二次電池３１を満充電電圧まで充電することができる。

充電器制御部１２２は、各電源ユニット制御部１１２から入力した出力電圧値を合算することで、充電器１の現在の出力電圧を計算する。充電器１の現在の出力電圧が満充電電圧未満である場合（ステップＳ１０６で“ＮＯ”）、一連の処理はステップＳ１０３に戻る。

充電器１の現在の出力電圧が満充電電圧に到達した場合（ステップＳ１０６で“ＹＥＳ”）、電源ユニット制御部１１２は、定電流充電から定電圧充電への切り替えを電源ユニット制御部１１２に指示する。電源ユニット制御部１１２は、第４のスイッチング素子Ｓ４へ出力されるパルス信号のデューティ比を制御することで、制御回路Ｃｃｖの動作が停止する所定の動作停止電圧以下に基準電圧を下げる（ステップＳ１０７）。この結果、制御回路Ｃｃｖの動作は停止する。

電源ユニット制御部１１２は、フィードバック電圧として第２の電圧が制御回路Ｃｃｖに入力するように第１のスイッチング素子Ｓ１を制御する（ステップＳ１０８）。そして、電源ユニット制御部１１２は、第４のスイッチング素子Ｓ４へ出力するパルス信号のデューティ比を制御することで、動作停止電圧から第２の基準電圧まで基準電圧を徐々に上げる（ステップＳ１０９）。

ステップＳ１０９での処理が実行された後、電源ユニット制御部１１２は、充電器１からの出力電流が所定電流以上である間（ステップＳ１１１で“ＮＯ”）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１２を定電圧制御する（ステップＳ１１０）。充電器１からの出力電流が所定電流未満になると（ステップＳ１１１で“ＹＥＳ”）、一連の処理は終了する。

このように、制御回路Ｃｃｖの動作が停止した後に（ステップＳ１０７）、制御回路Ｃｃｖに入力するフィードバック電圧が切り替えられる（ステップＳ１０８）。このため、定電流充電から定電圧充電へ切り替えられる時に、基準電圧と比較されるフィードバック電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ部ＣＯＮＶから制御回路Ｃｃｖに入力されずに、制御回路Ｃｃｖの制御が不安定になることはない。したがって、実施形態に従った充電器よれば、定電流充電から定電圧充電へ切り替えられる瞬間に充電器から二次電池に過電圧が印加されることを防止できる。

また、制御回路Ｃｃｖに入力するフィードバック電圧が切り替えられた後（ステップＳ１０８）、動作停止電圧から第２の基準電圧へ基準電圧がソフトスタートさせられる（ステップＳ１０９）。このため、定電流充電から定電圧充電へ切り替えられる時に、充電器１からの出力電圧は、ソフトスタートさせられた基準電圧に応じて徐々に増加する。したがって、実施形態に従った充電器によれば、定電流充電から定電圧充電へ切り替えられる瞬間に充電器から二次電池に過電圧が印加されることを防止できる。

本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。
例えば、定電流充電から定電圧充電への切り替え中（ステップＳ１０９での基準電圧のソフトスタート中）に充電器１の現在の出力電力が充電器１の定格電力に到達した場合、電源ユニット制御部１１２は定電力制御を実行するように構成してもよい。定電流充電から定電圧充電への切り替え中とは、電源ユニット制御部１１２が動作停止電圧から第２の基準電圧まで基準電圧を徐々に上げる間である。こうした構成によれば、定電流充電から定電圧充電への切り替え後に、充電器１からの出力電流を定電流充電時の所定の一定電流に戻し、充電器１からの出力電圧を定電流充電後の所定の一定電圧（例えば、満充電電圧）に戻すことができる。このため、定電流充電された後の二次電池を適切に定電圧充電することができる。

１ 充電器
２ 電源
３ 電池パック
１１ 電源ユニット
１２ 充電器制御ユニット
３１ 二次電池
３２ 電池制御ユニット
１１１ 直流変換部
１１２ 電源ユニット制御部
１１３ ＡＣ／ＤＣコンバータ
１２１ ＡＣ／ＤＣコンバータ
１２２ 充電器制御部
１１１１ ＰＦＣ回路
１１１２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１１３ 基準電圧出力回路
Ｃ１ 第１のコンデンサ
Ｃ２ 第２のコンデンサ
Ｃｃｖ 制御回路
ＣＯＮＶ ＤＣ／ＤＣコンバータ部
Ｃｖｒ 基準電圧生成回路
Ｄ ダイオード
Ｆ ヒューズ
Ｌ インダクタ
Ｒ 抵抗
Ｒｆ１ 第１のフィードバック抵抗
Ｒｆ２ 第２のフィードバック抵抗
Ｓ１ 第１のスイッチング素子
Ｓ２ 第２のスイッチング素子
Ｓ３ 第３のスイッチング素子
Ｓ４ 第４のスイッチング素子
ＳＮＳＲ 電流検出部
Ｖｓ 電圧源

Claims (3)

1. 基準電圧とフィードバック電圧との差分に従ってＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成する制御回路と、
   前記ＰＷＭ信号に従って所定の出力電圧を出力するＤＣ／ＤＣ（Direct Current/Direct Current）コンバータ部と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部からの出力電流に対応する第１の電圧を出力する電流検出部と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部からの出力電圧を分圧するフィードバック抵抗と、
   前記制御回路に入力する前記フィードバック電圧を前記第１の電圧又は前記フィードバック抵抗で分圧された第２の電圧に切り替える切り替え器と、
   前記基準電圧と前記フィードバック電圧とを制御する充電制御部と
   を含み、
   前記充電制御部は、
   定電流充電を実行する場合に、前記出力電流を所定の一定電流に一致させる第１の基準電圧に前記基準電圧を制御し、前記フィードバック電圧として前記第１の電圧が前記制御回路に入力するように前記切り替え器を制御し、
   前記出力電圧が所定の一定電圧に達すると、前記制御回路の動作が停止する動作停止電圧以下に前記基準電圧を下げ、前記フィードバック電圧として前記第２の電圧が前記制御回路に入力するように前記切り替え器を制御し、
   前記基準電圧を前記動作停止電圧から、前記出力電圧を前記一定電圧に一致させる第２の基準電圧まで徐々に上げた後、定電圧充電を実行する
   充電器。
2. 請求項１に記載の充電器であって、
   前記充電制御部は、前記定電流充電の実行中に前記出力電流と前記出力電圧とから算出された前記充電器の出力電力が所定電力に達すると定電力制御を実行する
   充電器。
3. 請求項１又は２に記載の充電器であって、
   前記充電制御部は、前記基準電圧を前記動作停止電圧から前記第２の基準電圧まで徐々に上げる間に前記出力電流と前記出力電圧とから算出された前記充電器の出力電力が所定電力に達すると定電力制御を実行する
   充電器。

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