JP2013518541A - スイッチング配列と充放電を用いた高効率充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両等に使用する鉛、ニッケルバッテリーの充電効率を高めて充電時間を短縮できる充電装置を提供する。
【解決手段】率充電装置は、充電のための電気供給源である電源１０、発振周波数を指定し、これに対応する周波数を有する電気的自己発振信号を出力する速度指定部２０、速度指定部２０から供給される電気的自己発振信号により駆動される複数のスイッチＳ１〜Ｓ４を有するスイッチング部３０、及びスイッチング部３０の複数のスイッチＳ１〜Ｓ４の駆動状態によって電源１０を複数回充電し、これを一度に放電させてバッテリー５０に供給する電力送出部を含む。
【選択図】図２

Description

本発明はスイッチング配列と充放電を用いた高効率充電装置に関するもので、特に時差がある充電と放電を用いて、バッテリーの充電効率を高め、充電時間を短縮できるスイッチング配列と充放電を用いた高効率充電装置に関するものである。

一般的に車両等に装着される鉛、ニッケルバッテリーは化学的性能により充電時間を短縮できるリチウムバッテリーとは異なり、およそ４−７時間程度の充電時間を必要とする。これは充電初期には急激な過負荷によって供給側の電位が低く充電され、バッテリー容量の中間以上充電された後には逆起電力により充電効率が低下するためである。

車両に装着される鉛バッテリーは安価である長所がある。しかし、重量であり、且つ充電効率が低いし、バッテリー容量の５０％以上放電した後に直ぐに充電しなければ機能（寿命）が低下する欠点がある。またニッケルバッテリーは鉛バッテリーに比べて充電時間が４時間程度短縮した。しかし、ニッケルバッテリーは鉛バッテリーに比べて同一容量バッテリーの放電力が弱いため、高い電力を要求する動力装備には、その使用を忌避している傾向がある。

前述したように、リチウムバッテリーを用いる場合、充電効率が少しでも改善できるが、あまりに高価であり、安全性が低下する問題点がある。

図１は車両等に装着される一般的な充電方式のバッテリーの充電回路図である。従来の方式は整流素子１０１を通じてバッテリー１０２にＡＣ電源の電力を供給して充電するように構成されている。ここで、バッテリーの正格電圧より約１．５％上昇した若干量のＡＣリップルを有する脈流をバッテリー１０２に供給することによって、充電効率の増加を試みている。この時、バッテリー１０２に供給される電源が正格電圧より１．５％以上高くなると、充電時間は短縮するが、バッテリーの寿命も短縮する。

特に、放電したバッテリーの充電初期には図１に示すように、放電したバッテリー１０２がＤＣ供給電源に直接接続される。したがって、供給電源が放電したバッテリー１０２の電位に下降しながらあっという間に過負荷状態になって、効率的な充電が行われない。

またバッテリーに電力がバッテリー容量の中間以下まで充電した場合、即ち概略初期には充電液の化学的反応によりある程度の充電が行われる。しかし、バッテリーに電力がバッテリー容量の中間以上に充電した場合には、同じ電荷間で反発する作用が発生して充電効率が低下しながら充電時間が長くなる。

即ち図１のバッテリー充電回路はバッテリー１０２に充電される電荷が増加するほどバッテリーに供給される電荷を受け入れまいとする反撥力が大きくなる。したがって、初期のような充電効率を維持できない欠点がある。

前述したような欠点を解決するための本発明は、車両等に使用する鉛、ニッケルバッテリーの充電効率を高めて充電時間を短縮できる充電装置を提供することにその目的がある。

前述の目的を達成するための本発明に係るスイッチング配列と充放電を用いた高効率充電装置は、充電のための電気供給源である電源；発振周波数を指定し、これに対応する周波数を有する電気的自己発振信号を出力する速度指定部；前記速度指定部から供給される電気的自己発振信号により駆動される複数のスイッチを有するスイッチング部；及び前記スイッチング部の複数のスイッチの駆動状態によって前記電源を複数回充電し、これを一度に放電させてバッテリーに供給する電力送出部；を含むことを特徴とする。

ここで、前記スイッチング部を構成する複数のスイッチは前記速度指定部の電気的自己発振信号により時差を置いて駆動されることが好ましい。

また、前記電力送出部は、前記スイッチング部のスイッチを通したスイッチング信号により駆動されて前記電源の電力をキャパシタに１次に充電するための閉ループを形成し、前記スイッチング部の第１のスイッチを通したスイッチング信号とコンデンサーにより駆動されて前記電源の電力をキャパシタに２次に充電するための閉ループを形成する第１の電界効果トランジスタ；前記スイッチング部の第３のスイッチを通したスイッチング信号により駆動されて前記電源の電力をキャパシタに３次に充電するための閉ループを形成する第２の電界効果トランジスタ；及び前記スイッチング部の第４のスイッチを通したスイッチング信号により駆動されてキャパシタとバッテリー、そしてバッテリーと電源を連結させる充電用閉ループを形成する第３の電界効果トランジスタ；を含むことが好ましい。

さらに、前記スイッチング部のスイッチは時差を置いて繰り返して駆動されて、３回充電と１回放電を繰り返しながらバッテリーに電源の電力を充電するようにすることが好ましい。

またさらに、前記キャパシタは電解コンデンサーであることが好ましい。

前述の構成を有する本発明によれば、充電初期や中盤以後にも同一に充実な充電が行われるようにして充電時間が短縮でき、充放電制御のための時差別スイッチング作用を通じてバッテリーに電流を一定に供給することによって、高効率の充電、及び充電時間の短縮が誘導でき、充電時負荷により供給側に与えるダメージを５０％以上減少させる効果がある。
特に、本発明は供給側電力の２０倍容量のバッテリーを充電する場合にも同一の効果を得ることができる。

一般的な充電方式の充電回路図である。 本発明に係るスイッチング配列と充放電を用いた高効率充電装置の概略図である。 電解コンデンサーの作動原理を説明するための図面である。

図２は本発明に係るスイッチング配列と充放電を用いた高効率充電装置を示した概略図である。この充電装置は充電のための電気供給源である電源１０と、発振周波数を指定し、これに対応する周波数を有する電気的自己発振信号を出力する速度指定部２０と、速度指定部２０から供給される電気的自己発振信号により駆動される複数のスイッチＳ１−Ｓ４を有するスイッチング部３０と、スイッチング部３０の複数のスイッチＳ１−Ｓ４の駆動状態によって電源１０を複数回充電し、充電した電流を一度に放電させてバッテリー５０に供給する電力送出部４０から構成されている。
ここで、スイッチング部３０を構成する複数のスイッチＳ１−Ｓ４は速度指定部２０から供給される電気的自己発振信号の周波数により時差を置いて駆動できる。

また、電力送出部４０はスイッチング部３０の第１のスイッチＳ１を通したスイッチング信号により駆動されて電源１０の電力をキャパシタＣ２に１次に充電するための閉ループを形成し、スイッチング部３０の第２のスイッチＳ２を通したスイッチング信号とコンデンサーＣ１により駆動されて電源１０の電力をキャパシタＣ２に２次に充電するための閉ループを形成する第１の電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＦＥＴ）Ｔ１と、スイッチング部３０の第３のスイッチＳ３を通したスイッチング信号により駆動されて電源１０の電力をキャパシタＣ２に３次に充電するための閉ループを形成する第２の電界効果トランジスタＴ２及びスイッチング部３０の第４のスイッチＳ４を通したスイッチング信号により駆動されてキャパシタＣ２とバッテリー５０、そしてバッテリー５０と電源１０を連結させる充電用閉ループを形成する第３の電界効果トランジスタＴ３から構成される。
そして、スイッチング部３０のスイッチＳ１−Ｓ４は時差を置いて繰り返して駆動されて３回充電と１回放電が繰り返して行われるようにする。キャパシタＣ２としては電解コンデンサーを使用する。

以下、本発明の動作、即ち放電した車両などのバッテリー５０に充電する過程を説明する。
完全に放電した車両などのバッテリー５０に電源の電力を充電する場合、低くなったバッテリー５０の電位の影響を少なく受け、充電を効果的に行うことが必要である。このために、図２に示すようにスイッチング素子の役割をする第２及び第３の電界効果トランジスタＴ２及びＴ３を用いて電源１０とバッテリー５０を連結する閉ループを形成することによって、負荷力を相殺させることができる。言い換えれば、電源１０が供給されると、速度指定部２０とスイッチング部３０がまず作動して電力送出部４０を構成する複数の電界効果トランジスタＴ１−Ｔ３を作動させる。これによって、起動負荷が急に発生しないようになる。

より詳細には、電源１０から供給される電力を受けた速度指定部２０は指定した速度、即ち指定した周波数を有する電気的自己発振信号をスイッチング部３０に伝達する。スイッチング部３０は速度指定部２０から供給された電気的自己発振信号により複数のスイッチＳ１−Ｓ４が順次駆動される。

まず、スイッチング部３０の第１のスイッチＳ１が駆動されて抵抗Ｒ１を通じてスイッチング信号が第１の電界効果トランジスタＴ１のゲートＧに印加される場合、第１の電界効果トランジスタＴ１のドレーンＤからソースＳの方に電流が流れてキャパシタＣ２に充電される。

次に、スイッチング部３０の第１のスイッチＳ１が元の位置に復帰され、第２のスイッチＳ２が駆動される場合にも前述のような動作を行う。この時、第２のスイッチＳ２に接続されたコンデンサーＣ１は第１のスイッチＳ１の駆動時より多くの波形電源を供給してキャパシタＣ２に充電する役割をする。

ここでキャパシタＣ２、即ち電解コンデンサーの作動原理を見ると、図３の（ａ）に示すように残余電荷がなく無負荷状態で電圧を印加する場合、突然の充電帯電になって供給側にダメージを与える。図３の（ｂ）に示すように残余電荷がある場合、残余電荷により突然の充電帯電が緩和することによって、供給側の電気的負荷のダメージが緩和される。図３の（ｃ）に示すように残余電荷が多くの場合、増加した残余電荷により充電ダメージは減少する。

図３の（ａ）〜（ｃ）を参照して前述した通常の電解コンデンサーの急充電・帯電機能を用いて最初の急充電時負荷ダメージを緩和することが必要である。このために図２に示すように、第３の電界効果トランジスタＴ３を通じて放電したキャパシタＣ２は残余電流を含んで、図３の（ｂ）の段階から出発して第３のスイッチＳ３まで充電する。電力送出はキャパシタＣ２の帯電電荷を第３の電界効果トランジスタＴ３が放電スイッチングして、電気的な充電効果をキャパシタＣ２と第３の電界効果トランジスタＴ３が担当する。したがって、供給電力に影響を与えず、バッテリー５０の状態に影響を受けないながらも一定して充電を行うことができる。

また、スイッチング部３０の第３のスイッチＳ３を通したスイッチング信号により駆動される第２の電界効果トランジスタＴ２もやはり、前述した２段階に続く３段階の充電作用をする。この時、キャパシタＣ２の充電誘引力によりある程度の電流がダイオードＤを通じてバッテリー５０に充電される。しかし、バッテリー５０の（−）側が負荷状態を維持しておらず、キャパシタＣ２の帯電電流もやはり完全な負荷状態になっていない状態を維持する。この状態で、スイッチング部３０の第４のスイッチＳ４を通じて供給されるスイッチング信号により第３の電界効果トランジスタＴ３が駆動される瞬間、電源１０とバッテリー５０の（−）側の連結されながら、キャパシタＣ２に負荷が掛かって、キャパシタＣ２の放電と共にバッテリー５０の充電が行われる。

ここで、スイッチＳ１−Ｓ３を通じてキャパシタＣ２に３段階に亘って電源の電力を繰り返して充電する理由は、電解物質で製作された電解コンデンサー、即ちキャパシタＣ２は瞬間的な充電−帯電能力と放電能力を有しているためである。また、瞬間充電時、供給側にダメージを与える問題を解消するために、第３の電界効果トランジスタＴ３の駆動時、放電した後の残余電流を含んでおり、スイッチに到達する小さな電流も衝撃なく１次充電を試みるようにして、最初の衝撃を相殺させる。

したがって、本発明に係る充電装置によれば、計数によるスイッチング作用を通したパルス電流を供給して既にバッテリーに充電されている電荷との逆起電干渉を最小化することによって、充電開始から充電が終了する時まで安定的、且つ優れた充電効率を得ることができる。

１０ 電源
２０ 速度指定部
３０ スイッチング部
４０ 電力送出部
５０ バッテリー
Ｔ１−Ｔ３ 電界効果トランジスタ
Ｃ１ コンデンサー
Ｃ２ キャパシタ

Claims (5)

1. 充電のための電気供給源である電源；
   発振周波数を指定し、これに対応する周波数を有する電気的自己発振信号を出力する速度指定部；
   前記速度指定部から供給される電気的自己発振信号により駆動される複数のスイッチを有するスイッチング部；及び
   前記スイッチング部の複数のスイッチの駆動状態によって前記電源を複数回充電し、これを一度に放電させてバッテリーに供給する電力送出部；を含むことを特徴とするスイッチング配列と充放電を用いた高効率充電装置。
2. 前記スイッチング部を構成する複数のスイッチは前記速度指定部の電気的自己発振信号により時差を置いて駆動されることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング配列と充放電を用いた高効率充電装置。
3. 前記電力送出部は、前記スイッチング部のスイッチを通したスイッチング信号により駆動されて前記電源の電力をキャパシタに１次に充電するための閉ループを形成し、前記スイッチング部の第１のスイッチを通したスイッチング信号とコンデンサーにより駆動されて前記電源の電力をキャパシタに２次に充電するための閉ループを形成する第１の電界効果トランジスタ；
   前記スイッチング部の第３のスイッチを通したスイッチング信号により駆動されて前記電源の電力をキャパシタに３次に充電するための閉ループを形成する第２の電界効果トランジスタ；及び
   前記スイッチング部の第４のスイッチを通したスイッチング信号により駆動されてキャパシタとバッテリー、そしてバッテリーと電源を連結させる充電用閉ループを形成する第３の電界効果トランジスタ；を含むことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング配列と充放電を用いた高効率充電装置。
4. 前記スイッチング部のスイッチは時差を置いて繰り返して駆動されて、３回充電と１回放電を繰り返しながらバッテリーに電源の電力を充電するようにすることを特徴とする請求項３に記載のスイッチング配列と充放電を用いた高効率充電装置。
5. 前記キャパシタは電解コンデンサーであることを特徴とする請求項３に記載のスイッチ配列と充放電を用いた高効率充電装置。

Images