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技術 充電回路

出願人 九州日立マクセル株式会社
発明者 舌間勝昭
出願日 1985年2月23日 (35年8ヶ月経過) 出願番号 1993-326193
公開日 1994年9月22日 (26年1ヶ月経過) 公開番号 1994-269134
状態 特許登録済
技術分野 電池の充放電回路 電池等の充放電回路
主要キーワード 負荷駆動中 停止信号発生 衝撃電圧 コレクタ端 度インバータ 両発光ダイオード ベース端 ツエナー
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1994年9月22日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (5)

目的

充電を繰り返しても過充電となることがなく、更に必要最小限の時間で過不足がない満充電状態に自動的に移行可能とする。

構成

二次電池16の端子電圧V4を比較器60で設定電圧V3と比較し、端子電圧V4が設定電圧V3を上回る期間に対応して、パルス状の電圧を出力させる。この出力電圧コンデンサ71で積分するとともに、積分値定電圧ダイオード64のツエナー電圧を超えると、コンデンサ71を放電するとともに、トランジスタ63をオンし、スイッチング素子19のベース端アースして、インバータ回路13の発振強制的に止める。

概要

背景

通常、二次電池を1C電流急速充電を長時間に亘り行うと過充電となるため、満充電時を検出して充電電流遮断あるいは絞り込みの制御を行う必要がある。かかる要請に対して従来は、充電開始からの時間を計測して所定時間に達するのを検知、あるいは二次電池の端子電圧設定値に達するのを検知すると、二次電池に対する充電強制的に停止するものが一般的であった。

概要

充電を繰り返しても過充電となることがなく、更に必要最小限の時間で過不足がない満充電状態に自動的に移行可能とする。

二次電池16の端子電圧V4を比較器60で設定電圧V3と比較し、端子電圧V4が設定電圧V3を上回る期間に対応して、パルス状の電圧を出力させる。この出力電圧コンデンサ71で積分するとともに、積分値定電圧ダイオード64のツエナー電圧を超えると、コンデンサ71を放電するとともに、トランジスタ63をオンし、スイッチング素子19のベース端アースして、インバータ回路13の発振を強制的に止める。

目的

本発明はかかる不都合に鑑みてなされたものであって、充電を繰り返しても過充電となることがなく、更に必要最小限の時間で満充電状態に移行できる充電回路を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

一次コイル(20)に流れる電流スイッチング素子(19)でオンオフ規制し、出力コイル(23)から二次電池(16)へパルス状の充電電圧印加するインバータ式充電回路であって、上記二次電池(16)の端子電圧が第1の設定値を上回る期間に対応して、所定値電圧を発生する比較手段(60)と、該比較手段(60)の出力側に接続されて、発生電圧を積分するコンデンサ(71)と、該コンデンサ(71)の端子電圧が第2の設定値を超えるとオンし、コンデンサ(71)を放電する手段(64)と、該放電手段(64)のオン期間に対応して、インバータ回路(13)に停止信号を送る手段(9)とを備えた充電回路。

技術分野

0001

この発明は二次電池充電回路であって、特に満充電状態を検知して充電自動停止するものに関する。

背景技術

0002

通常、二次電池を1C電流急速充電を長時間に亘り行うと過充電となるため、満充電時を検出して充電電流遮断あるいは絞り込みの制御を行う必要がある。かかる要請に対して従来は、充電開始からの時間を計測して所定時間に達するのを検知、あるいは二次電池の端子電圧設定値に達するのを検知すると、二次電池に対する充電を強制的に停止するものが一般的であった。

発明が解決しようとする課題

0003

しかしながら、上記した満充電の制御方法では何れも、充電完了後電源を一旦切って通電すると、再度1C充電を行い、これを繰り返すと過充電になる虞れがあった。

0004

本発明はかかる不都合に鑑みてなされたものであって、充電を繰り返しても過充電となることがなく、更に必要最小限の時間で満充電状態に移行できる充電回路を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0005

本発明にかかる充電回路は、図1にその基本的な構成を示す如く、一次コイル20に流れる電流をスイッチング素子19でオンオフ規制し、出力コイル23から二次電池16へパルス状の充電電流を供給するインバータ式のものである。

0006

更に、上記二次電池16の端子電圧V4が第1の設定値V3を上回る期間に対応して、所定値電圧を発生する比較手段60と、該比較手段60の出力側に接続されて、発生電圧を積分するコンデンサ71と、定電圧ダイオードの様に前記コンデンサ71の端子電圧V5が第2の設定値Vtを超えるとオンしてコンデンサ71を放電する手段64と、その放電手段64のオン期間に対応して、インバータ回路13に停止信号を送る手段9とを備えている。

0007

上記した構成により、インバータ回路13に入力電圧印加して始動すると、、例えば抵抗26を介した入力電圧あるいは帰還コイル24からの出力電圧でコンデンサ25を充放電することにより、スイッチング素子19をオンオフ制御するとともに、そのスイッチング素子19のオフ期間に対応して出力コイル23から二次電池16に対してパルス状の電圧を印加し、充電が開始される。しかし、充電初期で二次電池16の端子電圧V4が第1の設定値V3よりも低い間は、インバータ回路13の停止制御は行われず、インバータ回路13は所定の発振を続ける。

0008

ここで充電がすすみ、二次電池16の端子電圧V4が第1の設定値V3を超える様になると、その超えた期間に対応して、比較手段60の出力端61からは、パルス状の電圧が出力される。この時、出力端61にはコンデンサ71が接続されているため、図2(a)の如く、出力電圧は直ちに停止信号発生手段9側に送られることなく、コンデンサ71に一旦蓄えられて積分される。

0009

ここでコンデンサ71の両端電圧V5が、放電手段64において設定された第2の設定電圧Vtを超えるまでに上昇すると、図2(b)の如く放電手段64はオンしてコンデンサ71を放電すると同時に、停止信号送出手段9を構成する抵抗66に電流を流してスイッチング素子63に駆動電圧を与える。するとスイッチング素子63は放電手段64のオン期間に対応してオンし、インバータ回路13中のスイッチング素子16におけるベース端アースするなどして、インバータ回路13を強制的に停止させる。

0010

インバータ回路13が停止すると、二次電池16の端子電圧V4は第1の設定電圧V3よりも下がって再度インバータ回路13は発振する。しかし上記した停止制御を繰り返す毎に、二次電池16の端子電圧V4が第1の設定値V3を超える期間も長くなり、放電手段64がオンしている期間すなわちインバータ回路13が停止する期間も長くなって、二次電池16に供給される充電電流は急激に0.1Cあるいはそれ以下に絞り込まれるのである。

発明の効果

0011

本発明は上記の如く、二次電池16の端子電圧V4を常時監視し、第1の設定値V3を超える期間に対応してインバータ回路13の発振を強制的に停止する様に構成したので、充電を繰り返しても過充電になることが未然に防止される。

0012

更に、二次電池16の端子電圧V4が第1の設定値V3を超える期間に対応してパルス状の電圧を発生させるとともに、その電圧を積分した値V5が第2の設定値Vtを超える期間に対応してインバータ回路13の発振を停止する様に構成したので、充電電流の絞り込みの時期を可及的に遅らせ、過不足のない充電が、必要最小限の時間で行なえる。

0013

次に本発明を、図3に例示する如く、二次電池に対する充電と並行してモータの様な負荷駆動を並行して実行可能とする、電気かみそりの様な小型電気機器に実施した一例に基づいて更に詳細に説明する。

0014

電源プラグの様な所定の給電手段を介して入力された商用交流電圧10は、ダイオードブリッジを備えた整流回路11によって全波整流された後、充電部12に印加される。ここで入力される商用交流電圧10の範囲は、200〜240Vの上域の電圧を使用する国および100〜120Vの下域電圧を使用する国を考慮して、100〜240Vに設定されている。

0015

充電部12は、商用交流電圧10より周波数の高いパルス電圧を発生するインバータ回路13と、そのインバータ回路13より発生されたパルス電圧を印加して充電する二次電池16と、商用交流電圧10の大小に応じてインバータ回路13からの出力を増減する出力制御回路15と、二次電池16が満充電になったことを検出するとインバータ回路13の出力を規制する満充電制御回路17と、充電状況の表示を行う表示回路18とから構成される。

0016

インバータ回路13は、スイッチング素子19として備えたトランジスタコレクタ側に、一次コイル20と該一次コイル20の両端に接続されてスイッチング素子19のオフ時に発生する衝撃電圧を吸収する衝撃吸収部21とを介装するとともに、ベースエミッタ間に帰還部22を備え、更に一次コイル20と同一鉄心上に出力コイル23を巻いている。

0017

帰還部22は、一次コイル20と同一鉄心上に巻かれた帰還コイル24の一端をスイッチング素子19のベース端に繋ぎ、帰還コイル24の他端とスイッチング素子19のエミッタ間にコンデンサ25を接続する。更に帰還コイル24とコンデンサ25の接続点には、抵抗26を介して定電圧ダイオード27で安定化させた電圧を印加するとともに、スイッチング素子19のエミッタ端には、前記定電圧ダイオード27よりツエナー電圧の低い定電圧ダイオード28を接続している。

0018

したがって、インバータ回路13への電圧印加と同時に、定電圧ダイオード27の両端に安定化電圧が発生し、かかる電圧によりコンデンサ25が充電される。コンデンサ25の両端電圧がスイッチング素子19のターンオン電圧を超えると、該スイッチング素子19はオンして一次コイル20に電流が流れはじめ、かかる電流の増加により帰還コイル24に電圧が発生する。この電圧が、スイッチング素子19のベース・エミッタ間を通じてコンデンサ25を上記と逆方向に急速に充電し、かかるコンデンサ25の充電電圧阻止電圧となってスイッチング素子19をオフする。このスイッチング素子19のオフ後は、定電圧ダイオード27の両端電圧が抵抗26を通じてコンデンサ25に印加され、コンデンサ25を正方向に充電して、上記オンオフ動作を繰り返す。

0019

ここでスイッチング素子19のオン時に一次コイル20側に蓄えられたエネルギーは、スイッチング素子19のオフ期間に、出力コイル23に接続された二次電池16に向けて整流用ダイオード29により選択的に取り出される。

0020

本実施例にあっては更に、アース側に備えたスイッチ30を介し、負荷31として備えたモータを出力コイル23と並列に接続される様にしている。したがって、スイッチ30の切り換えにより二次電池16に対する充電を単独で、あるいは充電と負荷駆動を同時に並行して行なえる様にしている。

0021

出力制御回路15は、基準電圧V1および回路駆動用の電圧Vsを発生する第1電圧発生部32と、入力電圧検出用の電圧V2を発生する第2電圧発生部33と、基準電圧V1と検出電圧V2とを比較して、所定の制御信号を発生する出力制御部34とから構成される。

0022

第1電圧発生部32は、一次コイル20と同一鉄心上に巻いた四次コイル35から充電期間中に出力される電圧を、大容量のコンデンサ36、定電圧ダイオード37およびトランジスタ38で安定化したものであって、かかる電圧を更に定電圧ダイオード39で安定化したのち、抵抗40・41で分圧して出力制御部34に基準電圧V1として印加する。

0023

第2電圧発生部33は、出力コイル23の両端に、ダイオード42を介して抵抗43およびコンデンサ44からなる積分回路を接続するとともに、コンデンサ44の両端の電圧を抵抗45・46で分圧している。したがって、商用交流電圧10が100〜240V程度の範囲内で変化した場合、かかる電圧の変化に対応し、出力コイル23からは二次電池16に供給される充電電流の平均値に対応して変化する検出電圧V2が取り出されるので、この検出電圧V2の上下変動に対応したインバータ回路13における出力制御を出力制御部34により行なわせる様にしている。

0024

出力制御部34は、第1および第2の2組の比較器47・48を備える。両比較器47・48にはオープンコレクタタイプのものが使用され、プラス側入力端に基準電圧V1を、マイナス側入力端に検出電圧V2を印加し、検出電圧V2の値が基準電圧V1より十分低い間は、出力端はオープン状態を維持するが、検出電圧V2が基準電圧V1と略等しい間は抵抗を介して接地され、更に検出電圧V2が基準電圧V1を十分超えると、出力端は直接接地される。

0025

第1比較器47は、出力端49を、インバータ回路13における抵抗26と定電圧ダイオード27の接続点に繋ぎ、入力電圧が上昇して検出電圧V2が基準電圧V1を十分超えると、第1比較器47の出力側がオンして出力端49を接地することによりインバータ回路13の発振を強制的に停止するものであって、使用する商用交流電圧10が設定値を超えて上昇した場合に、二次電池16に過大な充電電流が流れるのを防止する。

0026

第2比較器48は、出力端50を抵抗51を介して第1電圧発生部32に繋ぐとともに、抵抗52を介してスイッチング素子19のベース端に各々接続している。従って、検出電圧V2が基準電圧V1を十分下回るとき、第2比較器48の出力端50はオープン状態となり、スイッチング素子19のベース端に、第1電圧発生部32からの出力電圧Vsが抵抗51を通じて印加され、スイッチング素子19のオフ期間に帰還部22のコンデンサ25に流入する電流量を増大してオフ期間を短縮し、充電時に出力コイル23から出力される電圧のパルスレートを上げて、入力電圧が低電圧時において充電電流が減少するのを防止する。

0027

ところで、スイッチ30をオンして負荷31をインバータ回路13からの出力で駆動した際、負荷31に大電流が流れて検出電圧発生部33に供給される電流量が減少する結果、検出電圧V2の上昇が抑えられ、入力電圧が高くなっても制御部34が低電圧時の制御を行い、スイッチング素子19に過大な電流が流れて、該スイッチング素子19を破損する虞れがある。そこで本実施例にあっては、第2比較器48の出力端50を抵抗53を介してスイッチ30に接続することにより、電圧発生部32から出力される電圧を抵抗53で分圧し、スイッチング素子19のベース端に印加する電圧値下げ発振周波数の上昇を抑えている。

0028

満充電制御回路17は、二次電池16の充電が進んで満充電状態になった時、該二次電池16への充電を停止して、1C充電時における過充電を防止せんとするものであって、満充電制御部80と第3電圧発生部81とから構成される。

0029

第3電圧発生部81は、抵抗54およびダイオード55を直列接続したものを二次電池16の両端に並列につないで、ダイオード55の定電圧作用を利用して基準電圧V3を形成する一方、抵抗56・57で二次電池16の両端電圧に比例した電圧V4を取り出し、満充電制御部80で基準電圧V3と比較する様に構成している。

0030

なお、両電圧V3・V4の発生部81を常時二次電池16に接続すると、二次電池16は過度に放電してしまう。そこでスイッチング素子として比較器58を利用し、前記ダイオード55および抵抗57のアース側を比較器58の出力端59に繋ぎ、第1電圧発生部32からの出力電圧Vsを比較電圧として使用することにより、インバータ回路13が作動して二次電池16の充電中、すなわち満充電制御回路17における制御を必要とする期間中のみ、所定の電圧Vsを比較器58に印加し、第3電圧発生部81を作動させる。

0031

満充電制御部80は、比較器60の出力端61を抵抗62を介して第1電圧発生部32に接続する一方、トランジスタ63のベース端との間をツエナー電圧がVtの定電圧ダイオード64を介して繋ぐ。トランジスタ63は、コレクタ端低値の抵抗65を介してスイッチング素子19のベース端に接続する一方、ベース・エミッタ間に抵抗66を接続することにより、検出電圧V4が基準電圧V3を下回る間は、比較器60の出力端61がアースされてトランジスタ63はオフ状態を維持して、インバータ回路13は通常の充電動作を行う。

0032

しかし、検出電圧V4が基準電圧V3を超えて満充電状態に近づいたことを検出すると、比較器60の出力端61は検出電圧V4が基準電圧V3を超える時期に対応して間欠的にオープンし、第1電圧発生部32からの出力電圧Vsが出力端61側に取り出される。かかる出力電圧Vsによる出力端61の電圧値が定電圧ダイオード64と抵抗66を直列接続したものの両端に印加されるが、その時の電圧値が定電圧ダイオード64のツエナー電圧Vtを超えていると、該ダイオード64は導通する。すると、トランジスタ63にベース電流が流れてオンし、スイッチング素子19のベース端をアースしてインバータ回路13の発振を強制的に停止し、二次電池16への充電を中断する。

0033

ところで定電圧充電においては、低電圧で充電を行うと、充電時間が長くなったり充電不足になる虞れもある。一方、高電圧で充電すると、充電時間は短いが、充電初期に大電流が流れる。

0034

そこで本発明における満充電制御回路17では、比較器60の出力端61に更にコンデンサ71を接続し、抵抗62とともに積分回路を構成している。従って満充電制御回路17の制御がかかる以前は、低電圧による安定した定電圧充電を行い、二次電池電圧が設定値を超えて制御がかかり始めると、パルス状のオン信号を積分して停止制御を遅らせて実行することにより、実質的に高電圧による定電圧充電に移行させ、短時間で充電電流の絞り込みが行われる様にしているのである。

0035

表示回路18は、出力コイル23の両端に、発光ダイオード67および過電流制限用の抵抗68を繋いだものであって、満充電制御回路17における制御が行われていない期間は、出力コイル23から十分な電力が取り出されて、発光ダイオード67は正常に点灯するが、満充電制御回路17の作動期間が長くなってインバータ回路13の停止期間が長くなると、発光ダイオード67は点滅をはじめて、満充電状態となったことを表示する。

0036

図4は本発明の他の実施例であって、基本的には上記実施例と構成を同じくするが、下記の点において相違する。

0037

すなわち、インバータ回路13において、スイッチング素子19のエミッタ端に二次電池16を繋いで、エミッタ端の電位の安定化を図っている。また、第1電圧発生部32における四次コイル35からの出力は、特に安定化処理を施すことなく取り出され、従って基準電圧発生用ではなく、各部の駆動用としてのみ使用される。

0038

なおこの場合、基準電圧V1は満充電制御回路17における基準電圧V3と同様に、第3電圧発生部81に備えたダイオード69の両端から取り出される。ここで二次電池16は、1セル当たり3〜4mV/℃程度の温度特性を有するが、ダイオード69の順方向電圧が0.6V、ダイオード55の順方向電圧が1.5V付近で且つ二次電池16と同程度の温度特性のものを各々使用するとともに、抵抗70・70aの抵抗値を調整することにより、温度係数補正して二次電池16の電圧変動キャンセルし、十分安定化された基準電圧V1・V3が取り出せる様にしている。

0039

更にまた表示回路18は、赤、緑等の2色の発光ダイオード72・73を点滅させて充電状態を表示させる。すなわち、第1トランジスタ74のエミッタ端を二次電池16のプラス極に繋ぎ、ベース端をコンデンサ44と抵抗43の接続点に繋ぐとともに、コレクタ端に発光ダイオード72を介装する。

0040

前記第1トランジスタ74のエミッタ端には、第2トランジスタ75のエミッタ端を、コレクタ端には第2トランジスタ75のベース端を各々接続するとともに、第2トランジスタ75のコレクタ端に発光ダイオード73を繋ぐ。更に、両発光ダイオード72・73のカソード側を第3トランジスタ76のコレクタ端に繋ぎ、該第3トランジスタ76のベース端を第1電圧発生部32の出力端に接続するとともに、ベース・エミッタ間に上記スイッチ30と連繋して開閉するスイッチ接点30aを接続している。

0041

かかる構成により、スイッチ接点30aの開放時すなわち負荷31の停止時において装置を作動させると、インバータ回路13が作動して充電を開始するとともに、第1電圧発生部32から電圧Vsが出力されて第3トランジスタ76をオンする。この時、第2電圧発生部33から第1トランジスタ74のベース端に印加される電圧は高く、従って該第1トランジスタ74はオフ状態を保つ。

0042

そこで、二次電池16のプラス極から第2トランジスタ75のベース、発光ダイオード72および第3トランジスタ76を通って第2トランジスタ75にベース電流が流れ、該第2トランジスタ75をオンして発光ダイオード73に電流を流して点灯し、充電中であることを表示する。

0043

ここで二次電池16の充電がすすみ、満充電状態に近づくと、満充電制御回路17が働き、インバータ回路13の発振動作は間欠的となる。それに伴い、第2電圧発生部33から第1トランジスタ74のベース端に印加される電圧値も徐々に下がり、第1トランジスタ74はオンしてコレクタ電流が流れ、発光ダイオード72を点灯しはじめる。それと同時に、第2トランジスタ75のベース・エミッタ間の電圧が低下して、ベース電流が減少して発光ダイオード73に流れるコレクタ電流も減少し、発光ダイオード73の照度を下げて満充電状態に達したことを表示する。

0044

更に充電がすすむと、第2トランジスタ75がオフして発光ダイオード73は完全に消灯する一方、第1トランジスタ74がオンして発光ダイオード72のみが常時点灯し、充電が終了したことを表示する。

0045

また、スイッチ30をオンして負荷31駆動している場合は、該スイッチ30と連動してオンオフするスイッチ接点30aがオンし、第3トランジスタ76をオフすることにより、2つの発光ダイオード72・73を共に消灯して負荷駆動中であることを表示するのである。

図面の簡単な説明

0046

図1本発明の基本的な構成を示す電気回路図である。
図2図1動作状態を示す説明図である。
図3本発明の実施例を示す電気回路図である。
図4本発明の他の実施例を示す電気回路図である。

--

0047

9停止信号送出手段
13インバータ回路
15出力制御回路
16二次電池
17満充電制御回路
18表示回路
19スイッチング素子
20一次コイル
23出力コイル
30 スイッチ
32 第1電圧発生部
33 第2電圧発生部
34出力制御部
60比較器
61出力端
62抵抗
63トランジスタ
64定電圧ダイオード(放電手段)
66 抵抗
71 コンデンサ

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