JP4333777B2 - 充電装置 - Google Patents

Description

この発明は、二次電池の電池パックを充電すると共に、安定な直流電源を外部電源出力端子に出力することができる充電装置に関する。

従来から商用電源によって２次電池を充電する充電装置が知られている。充電機能とは別に、２次電池の蓄電された電力を外部直流（以下、ＤＣと適宜称する）電源として使用することができれば、充電装置の利用範囲を拡げることができる。この発明の発明者は、先に、充電装置としては、下記の特許文献１に記載のものを提案している。

特開平１０−２３４１３９号公報

図７は、特許文献１に記載の充電装置の構成を示す。商用の交流（以下、ＡＣと適宜称する）電源が入力フィルタ１１および整流回路１２によって、ＤＣ電源へ変換される。パルス幅変調制御回路１３、トランジスタＱ１１、トランスＴ１によってスイッチング電源が構成され、スイッチング素子としてのトランジスタＱ１１がパルス幅変調制御回路１３の出力パルスによって例えば１００ｋHzでもってスイッチング動作を行う。トランスＴ１の３次巻線Ｎ３に接続されたダイオードＤ１１およびコンデンサＣ１１の整流出力がパルス幅変調制御回路１３の電源として供給される。

１次巻線Ｎ１に流れる電流をトランジスタＱ１１が制御し、２次巻線Ｎ２および３次巻線Ｎ３に電力が誘起される。２次巻線Ｎ２から誘起された電圧をダイオードＤ１２およびコンデンサＣ１２で整流し、その整流出力Ｖｏが出力端子２１および２２を介して充電制御回路部２３に供給されると共に、抵抗２１および抵抗２２によって抵抗分圧されてオペアンプＡＭＰ１のー端子に入力される。一方、オペアンプＡＭＰ１の＋端子には基準電圧ＲＥＦ１が入力されており、出力電圧Ｖｏと比較され、基準電圧との誤差信号がダイオードＤ１３を介してホトカプラＰＨ１に接続される。

また、トランスＴ１の巻線Ｎ２２からは、出力電圧Ｖｏより高い電圧が誘起され、ダイオードＤ１５およびコンデンサＣ１３によって整流され、その出力が抵抗を介してホトカプラＰＨ１に供給される。ホトカプラＰＨ１の２次側から１次側に伝達された誤差信号がパルス幅変調制御回路１３に供給され、パルス幅変調制御回路１３によって、トランジスタＱ１１の出力パルスのＯＮ期間を制御して、２次側への電力を制御し、２次側の基準電圧により設定された出力電圧が取り出されるように制御される。

また，出力電流Ｉｏが負荷回路に供給されると共に、抵抗Ｒ１２によって、この電流量が検出され、検出された電流量がオペアンプＡＭＰ２の−端子に入力される。オペアンプＡＭＰ２の＋端子には、基準電圧ＲＥＦ２が供給されており、基準電圧分がオペアンプＡＭＰ２の＋端子の電圧が上昇されている。出力電流Ｉｏが流れることで、抵抗Ｒ１２に出力電流による電圧降下が生じ、その結果、基準電圧がマイナス方向へ電圧降下され、負荷電流量が増加すると、基準電圧ＲＥＦ２が接続されているオペアンプＡＭＰ２の＋端子の電圧が下降する。

このように、抵抗Ｒ１２に流れる電流量によって、オペアンプＡＭＰ２の＋端子が電圧降下して、ー端子の電圧と比較される。オペアンプＡＭＰ２は、基準電圧ＲＥＦ２で設定される電流量と、抵抗Ｒ１２に流れる電流量を比較し、その誤差信号がダイオードＤ１４を介してホトカプラＰＨ１に入力される。この出力電流の誤差信号は、上述した電圧制御時と同様に、出力電流Ｉｏが基準電圧ＲＥＦ２で設定される所定の電流量になるように、１次側のパルス幅変調制御回路１３がトランジスタＱ１１のＯＮ期間を制御する。

このように、オペアンプＡＭＰ１が出力電圧Ｖｏを所定の電圧に制御し、オペアンプＡＭＰ２が出力電流Ｉｏを所定の電流に制御する。以上の電源装置から出力される電圧が充電制御回路部２３に供給される。

充電制御回路部２３の構成を図８に示す。充電制御回路部は、ニッケル水素２次電池である電池ＢＡＴ２１とＢＡＴ２２を充電する構成とされている。上述した電源装置の＋側端子２１がトランジスタＱ２１およびＱ２２のそれぞれのエミッタと接続され、それぞれのコレクタが電池ＢＡＴ２１およびＢＡＴ２２の正極と接続され、電源装置の−側端子が電池ＢＡＴ２１およびＢＡＴ２２の負極と接続される。

マイクロコンピュータで構成されるコントローラ２４の出力ＣＨ１およびＣＨ２によってトランジスタＱ２１およびＱ２２のそれぞれのスイッチング動作が制御され、電池ＢＡＴ２１およびＢＡＴ２２に対して、図９に示すように、交互に充電電流が供給される。すなわち、トランジスタＱ２１がＯＮし、トランジスタＱ２２がＯＦＦすれば、電池ＢＡＴ２１に充電電流が流れ、トランジスタＱ２１がＯＦＦし、トランジスタＱ２２がＯＮすれば、電池ＢＡＴ２２に充電電流が流れる。

電池ＢＡＴ２１およびＢＡＴ２２の電池電圧がコントローラ２４のＡ／Ｄコンバータの入力ＡＤ１およびＡＤ２に供給され、ディジタルデータに変換された電池電圧がコントローラ２４によって検出される。さらに、コントローラ２４は、充電中に充電表示例えばＬＥＤ２５を点灯させる。コントローラ２４に対しては、上述した電源装置で形成された電圧Ｖｃｃが安定化電源回路２７を介して電源電圧として供給される。

図１０は、ニッケル水素２次電池の充電時の電圧Ｖおよび電流Ｉの典型的な変化を示す。充電末期に近づくと、急激な電圧上昇が発生してその後電圧が降下するニッケル水素特有の充電電圧の変化が発生する。この電圧降下を一般的に、−Δと表現し、数ｍＶの電圧降下である−ΔＶを検出することで、充電終了を検出している。

上述した特許文献１に記載のものは、２次電池に充電を行なうと共に、外部負荷へのＤＣ電源を出力することができる。この例では、２次電池の電圧をそのまま外部へ出力できて、商用電源が停電した場合でも電源供給が可能である。しかしながら、電池電圧をそのまま出力しているものであり、電池の過放電のおそれがあり、また、ニッケル水素電池の場合では、公称電圧が１．２Ｖ程度と低く、外部電源として取り出しても利用範囲が限られるおそれがあり、さらに、安定化されていない電源である、という問題があった。

さらに、ＡＣ−ＤＣ変換回路によって電池を充電し、外部へのＤＣ出力を備えた充電装置が下記の特許文献２に記載されている。すなわち、特許文献２では、ＡＣ−ＤＣ変換回路からの出力は、逆流防止ダイオードを介してＤＣ出力回路から外部へ出力され、一方、電池からの出力がＤＣ−ＤＣ変換回路を介してＤＣ出力回路で合成されている。

特開２００４−３０４９４１号公報

特許文献２に記載の構成においては、ＡＣ−ＤＣ変換された出力は、電池の充電と外部への出力を行っている。ニッケル水素２次電池、リチウムイオン２次電池を充電する時は、その電池電圧が変化するので、ＡＣ−ＤＣ変換回路の出力に安定な電圧を得ることが困難である。

また、特許文献２には、ニッケル水素２次電池、リチウムイオン２次電池について その具体的な電池セルの構成数や複数電池に対する電池の接続についての記載が無い。例えばニッケル水素２次電池の１セルの電池電圧は、１．０Ｖ〜１．４Ｖと電池電圧が低く、その電池電圧値でＤＣ−ＤＣコンバータを安定に動作させることは非常に難しく、不安定動作が生じる可能性がある。

さらに、特許文献２の構成において、ＡＣ入力が無いときに、２次電池がＤＣ−ＤＣコンバータと接続されているので、ＤＣ−ＤＣコンバータが常に動作することによって、電池が消費されている状態となってしまう。ＤＣ−ＤＣコンバータからの出力電力が仮にゼロとしても、ＤＣ−ＤＣコンバータ動作での消費電流が発生し、電池が消費される問題がある。

したがって、この発明の目的は、外部ＤＣ電源出力を備える充電装置であって、安定なＤＣ電源を出力でき、また、電池電圧が低い２次電池を使用した場合でも所望のＤＣ電源出力を得ることができ、さらに、電池の消費電流を少なくすることできる充電装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明は、交流入力を直流出力に変換する電源回路の出力に接続され、電源回路の出力に対して複数の２次電池が接続され、それぞれの２次電池に対して充電を行う充電装置であって、
第１および第２の極性の入力端子と、出力端子と、制御端子とを有し、制御端子に印加された制御電圧に基づき動作状態が制御され、第１の極性の入力端子に供給された直流電源を所定に変換した出力電源を出力端子から出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、
複数の２次電池を直列に接続する第１のスイッチと、
直列接続された複数の２次電池の中の最高電位の２次電池の第１の極性の端子をＤＣ−ＤＣコンバータの第１の極性の入力端子に接続する第２のスイッチと、
電源回路の出力端子をＤＣ−ＤＣコンバータの第１の極性の入力端子に接続する第３のスイッチと、
マニュアル操作によってＯＮ／ＯＦＦされる第４のスイッチと、
第４のスイッチの操作に応じてＯＮ／ＯＦＦされ、第１のスイッチおよびＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態を制御する第５のスイッチと、
ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子に接続され、安定した電源が取り出される外部電源出力端子と、
第１、第２および第３のスイッチを制御する制御部と
を備え、
交流入力の有無を判定し、
交流入力が有ると判定された場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作をＯＮするか否かを判定し、第４のスイッチが操作され、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作をＯＮすると判定された場合に、制御部は、第１および第２のスイッチをＯＦＦすると共に、第３のスイッチをＯＮし、ＤＣ−ＤＣコンバータの制御端子に対して制御電圧を印加してＤＣ−ＤＣコンバータの動作をＯＮし、電源回路で生成された直流電源をＤＣ−ＤＣコンバータの第１の極性の入力端子に供給し、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電源を外部電源出力端子に出力し、
交流入力が無いと判定された場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作をＯＮするか否かを判定し、第４のスイッチが操作され、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作をＯＮすると判定された場合に、第５のスイッチがＯＮすることにより、第１のスイッチがＯＮして複数の２次電池が直列接続されると共に、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作がＯＮし、第２のスイッチを介して、直列接続された複数の２次電池の最高電位の電圧をＤＣ−ＤＣコンバータの第１の極性の入力端子に供給し、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電源を外部電源出力端子に出力すると共に、出力電源を制御部の動作電圧として制御部に供給し、制御部を起動させる
ようにした充電装置である。

この発明では、ＡＣ−ＤＣ変換された出力と、２次電池からの出力とがＤＣ−ＤＣコンバータを介して外部ＤＣ電源出力端子に取り出されるので、安定したＤＣ電源の供給が可能である。したがって、充電機能に加えて２次電池に蓄電された電力を外部ＤＣ電源として活用することができる。

また、この発明は、複数の２次電池を直列接続して最高電位の電池電圧をＤＣ−ＤＣコンバータに供給して外部ＤＣ電源を得ているので、ＤＣ−ＤＣコンバータを安定に動作させることができる。例えばニッケル水素２次電池の場合では、単独では、低い電池電圧しか出力できず、通常のＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることができない。この発明では、直列接続することによって、ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることが可能な電圧を発生することができる。

さらに、この発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力および出力にスイッチを設け、ＤＣ電源出力のＯＮ／ＯＦＦと連動してＤＣ−ＤＣコンバータの動作等を制御するので、２次電池の消費を抑えることができる。

以下、この発明の一実施形態について説明する。図１を参照しての一実施形態による充電装置の外観を説明する。図１Ａに示すように、充電装置１０１のケース上面に設けられた電池収納部には、複数本例えば互いの電池容量が等しい２本の２次電池例えばニッケル水素２次電池ＢＡＴ１およびＢＡＴ２が収納される。ケース内には、電源部および充電制御回路部が収納され、電源ケーブルおよび電源プラグ１０２を介して商用電源が充電装置１０１に供給され、後述するように、２次電池ＢＡＴ１およびＢＡＴ２が電源部および充電制御回路部によって充電される。

充電装置１０１の上面には、手動のメカニカルスイッチ例えばタクトスイッチを使用したメカニカルスイッチＳＷおよび発光素子Ｌ１およびＬ２が設けられる。メカニカルスイッチＳＷは、ＤＣ出力の有無を切り替えるスイッチである。発光素子Ｌ１およびＬ２は、ＬＥＤにより構成され、放電状態に対応して発光素子Ｌ１の発光状態が制御され、充電状態に対応して発光素子Ｌ２の発光が制御される。

図１Ｂに示すように、充電装置１０１の側面１０３には、外部ＤＣ電源出力端子としてのＵＳＢポート１０４が設けられている。ＵＳＢポート１０４に対して、ＵＳＢプラグ１１１が接続され、携帯音楽プレーヤー１１２に対してＤＣ電源が供給され、携帯音楽プレーヤー１１２の内部の２次電池の充電が可能とされている。この場合、ＵＳＢプラグの電源の端子のみが使用され、通信端子は使用されない。さらに、携帯音楽プレーヤー１１２は、一例であって、携帯電話等の他の機器の２次電池の充電を行うことができる。なお、この発明においては、外部ＤＣ電源出力端子は、ＵＳＢポートに限定されるものではなく，丸型ＤＣ出力であっても、専用のコネクタの形状であっても良い。

電池ＢＡＴ１およびＢＡＴ２の放電により容量が低下しないように、通常は、ＤＣ出力を停止状態としており、ＤＣ出力を使用したい時に、メカニカルスイッチＳＷがＯＮとされ、ＤＣ出力を発生するようになされる。後述するように、内部のＤＣ−ＤＣコンバータの動作と外部ＤＣ電源出力端子としてのＵＳＢポート１０４からの出力を制御するために、メカニカルスイッチＳＷが設けられている。

このように、ＵＳＢポート１０４を充電装置１０１が備えているので、携帯電話、携帯型音楽プレーヤー等の機器の充電用および動作用電源として商用電源が無い場合においても、その機器への充電を行なうことが可能となり ユーザの使い勝手を向上させることができる。

図２は、一実施の形態の充電制御回路部の構成を示す。＋側入力端子１および−側入力端子２に電源回路部によって生成されたＤＣ電源が入力され、また、ＤＣ電圧Ｖｃｃが入力端子３に入力される。電源回路部としては、先に提案されている図７に示すような商用電源をスイッチ電源回路によってＤＣ電源に変換する構成を使用できる。他の構成の電源回路を構成しても良い。

マイクロコンピュータで構成されたコントローラ４が所定のシーケンスにしたがって充電制御回路部のトランジスタ、電界効果トランジスタ等の動作を制御する。コントローラ４に対して、安定化電源回路５から動作電源が供給される。安定化電源回路５には、ダイオードＤ１を介して電源電圧Ｖｃｃが入力され、また、ダイオードＤ２を介して後述するＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子７ｂからのＤＣ電圧が供給される。さらに、電源電圧Ｖｃｃがコントローラ４に対してＡＣ入力の有無を検出するために供給される。

コントローラ４が表示部６を制御する。表示部６には、発光素子Ｌ１およびＬ２が含まれる。ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、入力端子７ａ、出力端子７ｂ、接地端子７ｃおよびＯＮ（動作）／ＯＦＦ（動作停止）制御端子７ｄを有する。ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、例えば昇圧型（入力電圧より高い出力電圧を発生）とされている。ＯＮ／ＯＦＦ制御端子７ｄが例えばハイレベルのときにＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作し、端子７ｄがローレベルのときにＤＣ−ＤＣコンバータ７がその動作を停止する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ７で生成されたＤＣ出力電圧例えば５ＶがＰチャンネル型（以下、Ｐｃｈと適宜称する）電界効果型トランジスタＦ５（以下、ＦＥＴ−Ｆ５と適宜称する）を介して外部ＤＣ電源出力端子８に取り出される。外部ＤＣ電源出力端子８の一例が上述したＵＳＢポートである。

２次電池ＢＡＴ１およびＢＡＴ２は、例えばニッケル水素２次電池であり、それぞれの正極がＰＮＰ型トランジスタＱ１およびＱ２を介して＋側入力端子１に接続されている。電池ＢＡＴ１の負極が−側入力端子２に接続されている。電池ＢＡＴ２の負極がＮチャンネル型（以下、Ｎｃｈと適宜称する）ＦＥＴ−Ｆ２を介して−側入力端子２に接続されている。電池ＢＡＴ１の正極と電池ＢＡＴ２の負極との間にＮｃｈのＦＥＴ−Ｆ１が接続される。

ＦＥＴ−Ｆ１およびＦＥＴ−Ｆ２がコントローラ４の出力Ｓｏ１およびＣＨ３により制御される。ＦＥＴ−Ｆ１がＯＦＦで、ＦＥＴ−Ｆ２がＯＮの状態で、トランジスタＱ１およびＱ２のベースに対してコントローラ４の出力ＣＨ１およびＣＨ２が供給され、図９の例と同様に、２次電池ＢＡＴ１およびＢＡＴ２に対して交互に充電電流が供給され、これらの２次電池が充電される。

２次電池ＢＡＴ１およびＢＡＴ２のそれぞれの正極の電圧がコントローラ４のＡ／Ｄコンバータの入力ＡＤ１およびＡＤ２にそれぞれ供給され、コントローラ４がこれらの電圧を測定する。コントローラ４には、ＤＣ電圧Ｖｃｃが入力され、ＡＣ電源の有無が検出される。

ＦＥＴ−Ｆ１がＯＮで、ＦＥＴ−Ｆ２がＯＦＦの状態で、電池ＢＡＴ１およびＢＡＴ２が直列接続される。直列接続された電池ＢＡＴ１およびＢＡＴ２の最高電位の２次電池ＢＡＴ２の正極がＰｃｈＦＥＴ−Ｆ３を介してＤＣ−ＤＣコンバータ７の入力端子７ａに接続される。

電池ＢＡＴ２の正極がＰＮＰ型トランジスタＱ３およびＱ４のそれぞれのエミッタに接続される。トランジスタＱ４のコレクタがトランジスタＱ３のベースに接続されると共に、抵抗およびメカニカルスイッチＳＷを介して−側入力端子２に接続される。トランジスタＱ４のベースに対してコントローラ４の出力ＣＨ４が入力される。抵抗およびメカニカルスイッチＳＷの接続中点が信号ＳＷ１として、コントローラ４に対して入力される。

トランジスタＱ３のコレクタが抵抗を介してＦＥＴ−Ｆ１のゲートに接続されると共に、ＤＣ−ＤＣコンバータ７のＯＮ／ＯＦＦ制御端子７ｄに接続される。

メカニカルスイッチＳＷがＯＮされると、トランジスタＱ３のベースがローレベルとなり、トランジスタＱ３がＯＮし、ＦＥＴ−Ｆ１のゲート電圧が高くされ、ＦＥＴ−Ｆ１がＯＮする。この結果、電池ＢＡＴ１の正極と、電池ＢＡＴ２の負極とがＦＥＴ−Ｆ１を介して直列接続状態とされる。この場合、ＦＥＴ−Ｆ２は、コントローラ４の出力ＣＨ３によってＯＦＦ状態に制御されている。

このように、電池ＢＡＴ１とＢＡＴ２の直列接続は、ＦＥＴ−Ｆ１によって制御され、ＦＥＴ−Ｆ１のゲート・ソース間電圧が電池ＢＡＴ２の電圧で制御される。ここで、ＦＥＴ−Ｆ１のゲートＯＮ電圧を１．０Ｖとすると、電池ＢＡＴ２の電圧が１Ｖ以上で、ＦＥＴ−Ｆ１がＯＮし、電池ＢＡＴ２の電圧が放電された状態である例えば０．９Ｖ以下の場合は、ＦＥＴ−Ｆ１がＯＮすることができない。このことによって、電池ＢＡＴ１およびＢＡＴ２の過放電が防止されている。

また、ＦＥＴ−Ｆ１のゲートが抵抗およびダイオードＤ３を介してＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子７ｂに接続されている。したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作状態となると、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧（例えば５Ｖ）がＦＥＴ−Ｆ１のゲートに印加され、ＦＥＴ−Ｆ１のゲート電圧が高くなり、ＦＥＴ−Ｆ１が十分にＯＮ状態となって、ＦＥＴ−Ｆ１のＯＮ抵抗が最小となるように工夫されている。

ここで、トランジスタＱ３のエミッタとベース間に、トランジスタＱ４のエミッタ・コレクタ間が接続されているので、トランジスタＱ４がＯＮすることで、トランジスタＱ３がＯＮすることを禁止している。コントローラ４の出力ＣＨ４によって、トランジスタＱ４は、商用電源が入力されている場合にＯＮされ、トランジスタＱ３がＯＮするのを禁止している。

直列接続された電池ＢＡＴ２の正極とＤＣ−ＤＣコンバータ７の入力端子７ａとの間に接続されたＦＥＴ−Ｆ３は、商用電源が入力されていない場合で、且つＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作状態となると、ＯＮするように、コントローラ４の出力Ｓｏ２がゲートに供給されることで制御される。

一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の入力端子７ａは、ＰｃｈのＦＥＴ−Ｆ４を介して電源出力のＶｃｃ端子３に接続される。ＦＥＴ−Ｆ４は、商用電源が入力されている場合で、且つＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作状態となるとＯＮするように、ＦＥＴ−Ｆ４のゲートに供給されるコントローラ４の出力Ｓｏ３によって制御される。

このように、ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、動作状態において、商用電源の有無に応じて、ＦＥＴ−Ｆ３およびＦＥＴ−Ｆ４の何れか一方をＯＮすることによって、ＤＣ入力を受け取るようになされている。

コントローラ４に対する電源電圧例えば２．５Ｖが安定化電源回路５により生成される。商用電源が接続されている場合には、安定化電源回路５に対して、ダイオードＤ１を介して電源回路の出力電圧Ｖｃｃが供給される。また、ダイオードＤ２を介してＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子７ｂからの出力電圧が安定化電源回路５に供給される。したがって、商用電源が接続されていない場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力電圧例えば５ＶがダイオードＤ２を介して安定化電源回路５に供給され、安定化電源回路５によってコントローラ４の動作電圧が安定に供給される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ７のＯＮ／ＯＦＦ制御端子７ｄが抵抗を介してトランジスタＱ３のコレクタに接続されている。商用電源が無い場合において、メカニカルスイッチＳＷがＯＮされると、トランジスタＱ３がＯＮし（この時、トランジスタＱ４がＯＦＦ状態）、トランジスタＱ３のコレクタからＯＮ／ＯＦＦ制御端子７ｄに対してハイレベルの電圧が入力される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ７のＯＮ／ＯＦＦ制御端子７ｄにハイレベルの電圧が印加されると、ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作を開始し、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子７ｂからダイオードＤ２および安定化電源回路５を介してコントローラ４へ安定な電圧が供給される。電圧の供給に応答してコントローラ４が起動して、コントローラ４の出力Ｓｏ４（ハイレベル電圧）がＤＣ−ＤＣコンバータ７のＯＮ／ＯＦＦ制御端子７ｄに供給され、スイッチＳＷによってトランジスタＱ３がＯＦＦしても、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の動作が継続する。

以上のように、商用電源が入力されている場合は、トランジスタＱ１およびＱ２によって、充電電流が電池ＢＡＴ１およびＢＡＴ２に交互に供給され、電池ＢＡＴ１およびＢＡＴ２が充電される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ７のＯＮ開始スイッチであるＳＷがＯＮされることによって、コントローラ４に対する信号ＳＷ１がローレベルとなり、ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作を開始する。この時、ＦＥＴ−Ｆ４がＯＮとされて電源回路のＶｃｃ端子３からＤＣ−ＤＣコンバータ７の入力端子７ａにＤＣ入力が供給される。

一方、商用電源が入力されていない場合は、メカニカルスイッチＳＷがＯＮされることによって、トランジスタＱ３がＯＮし、ＦＥＴ−Ｆ１がＯＮし、電池ＢＡＴ１およびＢＡＴ２が直列接続状態となる。また、トランジスタＱ３のコレクタからＤＣ−ＤＣコンバータのＯＮ／ＯＦＦ制御端子７ｄにハイレベルの電圧が印加されて、ＤＣ−ＤＣコンバータ７がＯＮ状態となる。

直列接続された電池ＢＡＴ２の正極のＤＣ電圧がＦＥＴ−Ｆ３を介してＤＣ−ＤＣコンバータ７の入力端子７ａに供給され、ＤＣ−ＤＣコンバータ７から出力が発生すると、出力がダイオードＤ２および安定化電源回路５を介してコントローラ４に供給され、コントローラ４が起動される。コントローラ４によってＦＥＴ−Ｆ３がＯＮしてＤＣ−ＤＣコンバータ７の消費電力が増加しても、ＦＥＴ−Ｆ３の損失が発生しないように工夫している。このＦＥＴ−Ｆ３のＯＮするタイミングからディレー時間を設けて、ＦＥＴ−Ｆ５がＯＮし、外部ＤＣ出力端子８から例えば５ＶのＤＣが出力される。

図３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力の特性の一例を示す。外部ＤＣ電源出力端子８がＵＳＢポートの例の出力特性を示す。出力電圧が５Ｖの定電圧に制御される。また、図３において、出力電流が５００ｍＡの位置の点線は、出力電流が５００ｍＡの定電流で制御されて電圧が降下する特性例を示す。この定電流特性は、ＵＳＢポートに接続される機器に対して過大電流が流入しないように保護を行なった場合の特性である。

図４は、一実施の形態における電池放電終了検出動作を示す。コントローラ４が直列接続された電池ＢＡＴ１およびＢＡＴ２の容量を監視して、放電終了時には、過放電を防止するために、動作を停止するように、コントローラ４が制御する。ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作する時に、電池ＢＡＴ１およびＢＡＴ２が放電する。電池ＢＡＴ１の正極およびＢＡＴ２の正極のそれぞれの電圧がコントローラ４のＡ／Ｄコンバータの入力ＡＤ１およびＡＤ２にそれぞれ供給され、コントローラ４によって検出される。

電池ＢＡＴ１の正極の電圧をＶ１とし、 電池ＢＡＴ２の正極の電圧をＶ２と表すと、
電池ＢＡＴ１およびＢＡＴ２のそれぞれの電圧は、下記の式で表される。
ＢＡＴ１の電圧Ｖ１＝ＡＤ１
ＢＡＴ２の電圧Ｖ２＝ＡＤ２−ＡＤ１−ＥＶ

上式において、ＥＶは、ＦＥＴ−Ｆ１のＯＮ抵抗による電圧降下である。したがって、この電圧降下ＥＶをコントローラ４で調整することによって、直列接続された電池ＢＡＴ１およびＢＡＴ２の合計電圧を調整することが可能である。

ニッケル水素２次電池の場合、満充電状態で電池電圧が約１．３Ｖ〜１．４Ｖであり、放電が進むにしたがって、電池電圧が降下する。図４は、縦に各電池の電圧Ｖ１およびＶ２の変化を並べて示している。電池電圧Ｖ１およびＶ２の何れかが設定したしきい値電圧Ｖ１ａ、Ｖ２ａ例えば１．０５Ｖより小となると、放電終了が近いと、コントローラ４が判断する。さらに、放電が進んで電池電圧Ｖ１およびＶ２の何れかが設定したしきい値電圧Ｖ１ｂ、Ｖ２ｂ例えば０．９Ｖより小となると、放電終了と、コントローラ４が判断する。

満充電状態から放電終了が近いと判断されるまでの期間Ｔ１において、表示部６の発光素子Ｌ１が連続して発光し、放電終了が近いと判断されてから放電終了を検出するまでの期間Ｔ２において、発光素子Ｌ１が点滅するように、コントローラ４が表示部６を制御する。ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、期間Ｔ１およびＴ２の両方を含む期間Ｔ３において動作し、放電終了が検出されると、動作を停止する。

この放電終了を検出した場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子７ｂと外部ＤＣ電源出力端子８との間に挿入されたＦＥＴ−Ｆ５がＯＦＦとされ、外部ＤＣ電源出力端子８からの電源出力を停止する。このＦＥＴ−Ｆ５がＯＦＦされてから所定のディレー期間の後に、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の動作が停止状態とされる。ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作を停止することによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力から供給されていたコントローラ４の動作電圧もＯＦＦ状態とされ、コントローラ４の動作が停止し、回路が完全に停止状態となり、電池ＢＡＴ１およびＢＡＴ２の放電を完全にＯＦＦすることができ、過放電を防止することができる。

上述したこの発明の一実施の形態におけるコントローラ４の制御によってなされる動作の流れを図５のフローチャートに示す。ステップＳ１では、ＡＣ（商用電源）入力の有無を判定する。ＡＣ入力が有ると判定される場合に、ステップＳ２において、電池（ＢＡＴ１およびＢＡＴ２）の有無を判定する。電池が無いと判定されると、メカニカルスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦの判定ステップＳ６に処理が移る。

ステップＳ２において、電池が有ると判定されると、ステップＳ３（充電開始）がなされる。充電開始は、ＦＥＴ−Ｆ１がコントローラ４の出力Ｓｏ１によってＯＦＦされる（図５および以下の記載においては「Ｆ１（Ｓｏ１）：ＯＦＦ」と表記する。以下同様である）。また、〔Ｆ２（ＣＨ３）：ＯＮ、ＣＨ１／ＣＨ２ドライブＯＮ、Ｌ２ ＯＮ（点灯）〕の各動作が時間的にこの順序にしたがってなされる。

充電中の電池電圧が監視され、充電終了か否かが判定される（ステップＳ４）。充電終了でないと判定されると、メカニカルスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦの判定ステップＳ６がなされる。充電終了と判定されると、ステップＳ５において、充電終了処理がなされる。すなわち、〔ＣＨ１／ＣＨ２ドライブＯＦＦ、ＦＥＴ２（ＣＨ３）：ＯＦＦ、Ｌ２：ＯＦＦ（消灯）〕の各動作が時間的にこの順序にしたがってなされる。

ステップＳ６において、メカニカルスイッチＳＷがＯＮされていないと判定されると、ステップＳ１の処理に戻り、上述した処理が繰り返される。メカニカルスイッチＳＷがＯＮされたと判定されると、ＤＣ出力がＯＦＦか否かがステップＳ７において判定される。ＤＣ出力がＯＦＦしている時に、メカニカルスイッチＳＷが操作された場合には、ステップＳ８において、ＤＣ−ＤＣコンバータ７をＯＮする処理がなされる。すなわち、〔Ｆ４（Ｓｏ３）：ＯＮ、ＤＣ−ＤＣコンバータ（Ｓｏ４）：ＯＮ、Ｌ１：ＯＮ、Ｆ５（Ｓｏ５）：ＯＮ〕の各動作が時間的にこの順序にしたがってなされる。

ＤＣ出力がＯＮしている時に、メカニカルスイッチＳＷが操作された場合には、ステップＳ９において、ＤＣ−ＤＣコンバータ７をＯＦＦする処理がなされる。すなわち、〔Ｆ５（Ｓｏ５）：ＯＦＦ、Ｆ４（Ｓｏ３）：ＯＦＦ、Ｌ１：ＯＦＦ、ＤＣ−ＤＣコンバータ（Ｓｏ４）：ＯＦＦ〕の各動作が時間的にこの順序にしたがってなされる。ステップＳ８およびＳ９の処理が終了すると、処理がステップＳ１に戻り、上述した動作が繰り返される。

ステップＳ１において、ＡＣ入力が無いと判定されると、ステップＳ１１において、メカニカルスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦが判定される。メカニカルスイッチＳＷがＯＮされたと判定されると、ＤＣ出力がＯＦＦか否かがステップＳ１２において判定される。ＤＣ出力がＯＮの場合には、ステップＳ１４の放電終了判定がなされる。

ＤＣ出力がＯＦＦしている時に、メカニカルスイッチＳＷが操作された場合には、ステップＳ１３において、ＤＣ−ＤＣコンバータ７をＯＮする処理がなされる。すなわち、〔Ｆ２（ＣＨ３）：ＯＦＦ、Ｆ１（Ｓｏ１）：ＯＮ、Ｆ３（Ｓｏ２）：ＯＮ、ＤＣ−ＤＣコンバータ（Ｓｏ４）：ＯＮ、Ｌ１：ＯＮ、Ｆ５（Ｓｏ５）：ＯＮ〕の各動作が時間的にこの順序にしたがってなされる。

ステップＳ１３の処理が終了すると、ステップＳ１４の放電終了判定がなされる。放電終了でないと判定されると、処理がステップＳ１に戻り、上述した動作が繰り返される。ステップＳ１４において、放電終了が検出されると、ステップＳ１５において、ＤＣ−ＤＣコンバータ７をＯＦＦする処理がなされる。すなわち、〔Ｆ２（ＣＨ３）：ＯＦＦ、Ｆ５（Ｓｏ５）：ＯＦＦ、Ｌ１：ＯＦＦ、Ｆ３（Ｓｏ２）：ＯＦＦ、ＤＣ−ＤＣコンバータ（Ｓｏ４）：ＯＦＦ、Ｆ１（Ｓｏ１）：ＯＦＦ〕の各動作が時間的にこの順序にしたがってなされる。

上述したこの発明の一実施の形態の動作のタイミングチャートを図６に示す。図６では、ＡＣ（商用電源）の入力有りと無しの両方の場合と、それぞれの場合でメカニカルスイッチＳＷが操作された結果の信号の変化が示されている。ＡＣ入力の切り替えは、ユーザがＡＣプラグをＡＣコンセントに接続しているか否かに応じてなされる。メカニカルスイッチＳＷが操作されると、コントローラ４に対する信号ＳＷ１がローレベルに変化する。メカニカルスイッチＳＷは、ユーザがＤＣ出力を使用したい時とか、使用を終了してＤＣ出力をＯＦＦした時にＯＮ／ＯＦＦされる。

図６におけるタイミングｔ１は、ＡＣ入力が有り、充電開始のタイミング（図５中のステップＳ３）を示す。タイミングｔ２は、メカニカルスイッチＳＷが操作され、信号ＳＷ１がローレベルとなったタイミングを示す。ＤＣ−ＤＣコンバータ７の動作が停止している状態でメカニカルスイッチＳＷが操作されたので、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の動作を開始する処理（図５中のステップＳ８）がなされ、外部ＤＣ電源出力端子（ＵＳＢポート）に対してＤＣ電源が取り出される。

タイミングｔ３は、充電終了のタイミングであり、充電終了処理（図５中のステップＳ５）がなされる。

タイミングｔ４は、ＡＣ入力が有り、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の動作状態でメカニカルスイッチＳＷが操作された場合を示す。この場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の動作を停止する処理（図５中のステップＳ９）がなされ、外部ＤＣ電源出力端子（ＵＳＢポート）のＤＣ電源がＯＦＦとされる。

タイミングｔ５は、ＡＣ入力が無く、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の動作停止状態でメカニカルスイッチＳＷが操作された場合を示す。この場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の動作を開始する処理（図５中のステップＳ１３）がなされ、外部ＤＣ電源出力端子（ＵＳＢポート）に対してＤＣ電源が取り出される。タイミングｔ５に対してディレー時間ＤＬ１遅れたタイミングｔ６において、信号Ｓｏ５（ＦＥＴ−Ｆ５をＯＮ／ＯＦＦする信号）が変化する。

タイミングｔ７は、ＡＣ入力が無く、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の動作状態で放電終了が検出された場合を示す。この場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の動作を停止する処理（図５中のステップＳ１５）がなされ、外部ＤＣ電源出力端子（ＵＳＢポート）のＤＣ電源がＯＦＦとされる。タイミングｔ７に対してディレー時間ＤＬ２遅れたタイミングｔ８において、信号Ｓｏ５（ＦＥＴ−Ｆ５をＯＮ／ＯＦＦする信号）が変化する。

以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、一実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。例えば３本以上の２次電池を使用しても良く、ニッケル水素２次電池以外の２次電池例えばリチウムイオン２次電池を使用しも良い。リチウムイオン２次電池の場合は、電池電圧が高いので、通常は、ＤＣ−ＤＣコンバータとして降圧型の構成を使用するようになされる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータとして、昇圧降圧の複合型のＤＣ−ＤＣコンバータを用いても良い。

この発明の一実施形態による充電装置の外観を示す平面図および側面図である。 この発明の一実施形態における充電制御回路部の一例の接続図である。 この発明の一実施形態におけるＤＣ出力特性の一例を示す略線図である。 この発明の一実施形態における電池の放電特性の一例を示す略線図である。 この発明の一実施形態における動作の流れを説明するためのフローチャートである。 この発明の一実施形態における動作を示すタイミングチャートである。 従来の電源回路部の構成の一例を示す接続図である。 従来の充電制御回路部の構成の一例を示す接続図である。 従来の充電制御回路部の動作を示すタイミングチャートである。 ニッケル水素２次電池を充電した時の電圧および電流変化の一例を示す略線図である。

符号の説明

１ ＋側電源入力端子
２ −側電源入力端子
３ Ｖｃｃ入力端子
４ コントローラ
５ 安定化電源回路
６ 表示部
７ ＤＣ−ＤＣコンバータ
８ 外部ＤＣ電源端子

Claims (3)

1. 交流入力を直流出力に変換する電源回路の出力に接続され、上記電源回路の出力に対して複数の２次電池が接続され、それぞれの上記２次電池に対して充電を行う充電装置であって、
   第１および第２の極性の入力端子と、出力端子と、制御端子とを有し、上記制御端子に印加された制御電圧に基づき動作状態が制御され、上記第１の極性の入力端子に供給された直流電源を所定に変換した出力電源を上記出力端子から出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、
   複数の上記２次電池を直列に接続する第１のスイッチと、
   直列接続された複数の上記２次電池の中の最高電位の上記２次電池の第１の極性の端子を上記ＤＣ−ＤＣコンバータの上記第１の極性の入力端子に接続する第２のスイッチと、
   上記電源回路の出力端子を上記ＤＣ−ＤＣコンバータの上記第１の極性の入力端子に接続する第３のスイッチと、
   マニュアル操作によってＯＮ／ＯＦＦされる第４のスイッチと、
   上記第４のスイッチの操作に応じてＯＮ／ＯＦＦされ、上記第１のスイッチおよび上記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態を制御する第５のスイッチと、
   上記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子に接続され、安定した電源が取り出される外部電源出力端子と、
   上記第１、第２および第３のスイッチを制御する制御部と
   を備え、
   交流入力の有無を判定し、
   上記交流入力が有ると判定された場合に、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作をＯＮするか否かを判定し、上記第４のスイッチが操作され、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作をＯＮすると判定された場合に、上記制御部は、上記第１および第２のスイッチをＯＦＦすると共に、上記第３のスイッチをＯＮし、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの上記制御端子に対して制御電圧を印加して上記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作をＯＮし、上記電源回路で生成された直流電源を上記ＤＣ−ＤＣコンバータの第１の極性の入力端子に供給し、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電源を上記外部電源出力端子に出力し、
   上記交流入力が無いと判定された場合に、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作をＯＮするか否かを判定し、上記第４のスイッチが操作され、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作をＯＮすると判定された場合に、上記第５のスイッチがＯＮすることにより、上記第１のスイッチがＯＮして複数の上記２次電池が直列接続されると共に、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作がＯＮし、上記第２のスイッチを介して、上記直列接続された複数の上記２次電池の最高電位の電圧を上記ＤＣ−ＤＣコンバータの第１の極性の入力端子に供給し、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電源を上記外部電源出力端子に出力すると共に、該出力電源を上記制御部の動作電圧として該制御部に供給し、上記制御部を起動させる
   ようにした充電装置。
2. 上記交流入力が無いと判定され、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作をＯＮすると判定された場合で、上記制御部が起動されたときに、
   上記制御部は、上記第１および上記第２のスイッチをＯＮすると共に、上記第３のスイッチをＯＦＦし、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの上記制御端子に対して制御電圧を印加して上記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作をＯＮし、複数の上記２次電池を直列接続すると共に、上記第２のスイッチを介して、上記直列接続された複数の上記２次電池の最高電位の電圧を上記ＤＣ−ＤＣコンバータの第１の極性の入力端子に供給し、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電源を上記外部電源出力端子に出力し、
   上記複数の２次電池の放電終了を検出し、上記放電終了が検出された場合に、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電源の出力の停止と、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止する
   ようにした請求項１記載の充電装置。
3. 上記第１のスイッチは、上記制御部によってＯＮされた後に上記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧によってＯＮされる請求項１記載の充電装置。

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