JP4174530B2

JP4174530B2 - 充電回路を有する電子機器装置

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Publication number: JP4174530B2
Application number: JP2006175017A
Authority: JP
Inventors: 繁笠原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2026-06-26
Also published as: JP2008005667A

Description

本発明は、蓄電器とその充電器を備えた電子機器装置の充電制御に関するものである。

電気二重層コンデンサ等の蓄電器への充電を一定電流で行う場合、蓄電器に対する供給電力は電圧と電流の積で与えられる。従って、充電初期では供給電力が小さく、充電末期では充電された電圧に比例して供給電力が大きくなる傾向がある。このような充電を行う場合には蓄電器の充電電圧が高くなると充電のための供給電力が極端に増えることになり、充電回路の電力供給能力を確保するために充電回路のコスト、サイズがアップしてしまう問題がある。

また、オフィスや家庭で使われる電子機器装置の場合、一般のコンセントには最大供給電流の制限があり、装置全体として充電回路のピーク電力まで考慮した消費電力配分の設計を行わなければならない。

そこで、充電段階に応じて蓄電器に対する給電形態を変更し、定電力化等による充電効率を高めるキャパシタの充電制御手法が考えられている（例えば特許文献１参照）。

図９に充電回路の概略構成のブロック図、図１０に充電時の電流と電圧の関係を示すグラフを示す。

図９中のＶｉｎは充電回路への入力電源、Ｃ１、ＴＲ１、Ｒ１、Ｄ１、Ｌ１、Ｃ２は制御部により定電流、定電圧、定電力で充電を制御するための電力制御回路を構成する。Ｃ３、Ｃ４は充電される蓄電器、Ｒ２、Ｒ３は蓄電器両端の端子電圧検出用抵抗、Ｒ４は蓄電器に流れる電流検出用抵抗であり、それぞれ検出された電圧情報と電流情報から電力情報を得る電力検知回路を備えている。また、ＬＯＡＤは蓄電器に接続された負荷を示している。

制御部１０１は充電初期状態では、図１０に示す電流値ｉで定電流充電を開始する。一定電流で充電が進むと充電電圧が上昇し、充電電圧が所定値に達したところで電力目標値Ｐｏである定電力制御に切り替わる。その後定電力制御による充電を行う。更に充電電圧が上昇し、その電圧値がｖに到達すると定電圧制御による充電に切り替わって充電電流値が減少し、電流がゼロになったところで充電が完了する。

このような充電制御は従来からリチウムイオン電池等の二次電池の充電方法として知られており、充電時におけるピーク電力の低減には効果的である。
特開２００５−２５３２８８号公報

しかし、上述した方式では以下のような問題点があった。

一般的なオフィスや家庭では商用電源供給用のコンセントには供給電流の上限が定められており、電子機器装置の設計において装置の最大電力消費時にこの上限電流値を超えないような内部の電力配分を行う必要がある。

また、近年の複雑化した電子機器装置内では動作状態に応じてその時々に使われるデバイスが異なり、デバイスごとの消費電力はそれぞれ異なるので、ピーク電力が重ならないような動作シーケンスを組むなどの工夫がされているのが通常である。

しかしながら、従来の充電制御方法では電力消費のピークを無制御時と比較して低減できるものの、目標電力を外部から制御することはできない。

そこで、本発明の目的は、蓄電器の充電電力を制御することで装置全体の消費電力を所定値内に常時収めることができる電子機器装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の電子機器装置は、蓄電器に充電を行う充電回路を有する電子機器装置において、交流を入力して直流電圧を出力する電源と、前記交流により前記電子機器装置に供給される入力電流の情報を取得する入力電流情報取得手段と、前記蓄電器の端子間電圧を検出する電圧検出手段と、前記蓄電器に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記蓄電器に対して定電流制御により充電を開始させ、前記電圧検出手段の出力と前記電流検出手段の出力に基づいて前記蓄電器に供給される電力が目標値に到達したことを判断すると定電力制御による充電に切り替え、前記電圧検出手段の出力に基づいて前記蓄電器の端子間電圧が所定の電圧に到達したことを判断すると定電圧制御による充電に切り替える制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記入力電流情報取得手段により取得した入力電流情報と前記電源の効率と前記蓄電器への充電の効率とに基づいて前記定電力充電における前記目標値を設定することを特徴とする。

本発明によれば、電子機器装置の動作状態に応じて入力電力に占める蓄電器への充電電力最大値を制御することで、常時装置の入力電力が規定値を超えることなく、且つ蓄電器への最適な充電を行うことができる。

以下、本発明の各実施の形態について、図１〜８を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態について、図１〜４を用いて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る蓄電器への充電制御回路を示すブロック図である。図２は、図１の充電制御回路が内蔵される電子機器装置のハードウエア構成を示すブロック図である。図３は、蓄電器への充電時に蓄電器端子間にかかる電圧と蓄電器に流れる電流の関係を示すグラフである。図４は、蓄電器への充電制御方法を示すフローチャートである。

図１において、Ｖｉｎは充電回路への入力電源である。コンデンサＣ１、スイッチング素子ＴＲ１、抵抗Ｒ１、ダイオードＤ１、コイルＬ１、コンデンサＣ２はＣＰＵ１０により定電流、定電圧、定電力で充電を制御するための電力制御回路を構成する。１４はキャパシタＣ３、Ｃ４を有する蓄電器、Ｒ２、Ｒ３は蓄電器両端の端子電圧検出用抵抗、Ｒ４は蓄電器に流れる電流検出用抵抗である。電圧検出回路１１は抵抗Ｒ２，Ｒ３で分圧された電圧から蓄電器両端の端子電圧を検出する。電流検出回路１２は抵抗Ｒ４の両端の電圧から蓄電器１４に流れる電流を検出する。また、１３は蓄電器１４に接続された負荷を示している。

図２において、商用電源２１から入力された交流は途中分岐して負荷１に接続されている。負荷１は、例えばＡＣモーターやヒーターなど直接商用交流で動作可能なものを想定している。もう一方の分岐先は電源装置２２である。電源装置２２は小型化のためスイッチング方式の絶縁型電源を用いる。電源装置２２の出力は例えば２４Ｖや１２Ｖ、５Ｖ、３．３Ｖといった直流電圧であり、接続される負荷デバイスによって使い分ける。

本実施形態では電源出力は更に２系統に分かれており、一方は負荷２へ供給される。負荷２は例えばメモリなどの半導体デバイスなどである。もう一方は充電器２３へ供給される。充電器２３は負荷３へ電力供給する。負荷３はＤＣモーターなど特定タイミングで起動時などに急激なピーク電流を流す必要があるデバイスである。負荷３に電力供給する際に、電源側から見たピーク電流を平準化する狙いで負荷３と電源の間に蓄電器が接続されている。この蓄電器は図１の蓄電器１４（キャパシタＣ３，Ｃ４）に相当し、負荷３は図１の負荷１３に相当する。

蓄電器は大容量であればあるほど多くのピーク時電力を吸収して平準化することが可能である。従って、蓄電器１４のキャパシタＣ３，Ｃ４としては近年小型化、大容量化、低価格化が進んできた電気二重層コンデンサなどを用いる。

本実施形態では充電器２３内にＣＰＵ（中央演算装置）を搭載しており、様々な情報を演算し、処理することが可能となっている。このＣＰＵは図１のＣＰＵ１０に相当する。

商用電源２１の入力部には例えばカレントトランスような電流電圧変換素子を用いた電流検知手段２４を設けており、検知結果はＣＰＵ１０に入力電流情報として送られる。

ＣＰＵ１０には上述した装置入力電流検出結果の他、電圧検出回路１１による蓄電器１４の端子電圧検出結果、電流検出回路１２による蓄電器１４に流れる電流検出結果がそれぞれ情報として入力されている。

ＣＰＵ１０は、装置入力電流検出結果により、予め設定されている商用電源２１の電圧情報との演算により入力電力情報を得、その結果から蓄電器１４への充電に利用できる電力余裕度を算出する。

また、ＣＰＵ１０は電圧検出回路１１によって検出された蓄電器１４の端子間の電圧情報と電流検出回路１２によって検出された蓄電器に流れる電流情報とから、充電器２３で消費している電力を演算する。

次に図３のグラフと、図４のフローチャートを用いて充電時の制御について説明する。

まず、充電器内のＣＰＵ１０は、電圧検出回路１１により蓄電器１４の電圧を監視し、充電の要不要を判断する（ステップ１）。蓄電器１４の電圧が基準値よりも低く、充電が必要であると判断した場合、装置の入力電流値を読み込み（ステップ２）、装置全体の入力電力余裕度（充電に使用可能な電力）を算出して（ステップ３）、蓄電器１４への充電目標電力値を設定する（ステップ４）。

ＣＰＵ１０は目標電力設定後、一定電流ｉで蓄電器１４の充電を開始させる（ステップ５）。この時ＣＰＵ１０は、電流検出回路１２で検出される電流情報に基づいて、検出電流値が目標値ｉになるようスイッチング素子ＴＲ１のスイッチング動作を制御する。

定電流制御による充電が進むと蓄電器１４の端子間電圧は上昇する。一定電流で電圧が上昇するということは消費電力量が増加することを意味している。そして、並行して電圧検出回路１１で検出を行っている蓄電器１４の端子間電圧情報を取得し（ステップ６）、端子間電圧情報と定電流値ｉとに基づいて消費電力量を演算する（ステップ７）。定電流充電制御は上述した充電使用可能電力によって決まる充電電力目標値に到達するまで継続する。

算出した充電電力が電力目標値に到達したか否かを判断し（ステップ８）、到達したと判断すると、今度は電圧検出回路１１によって得られる電圧情報と電流検出回路１２によって得られる電流情報から演算した消費電力量が一定となるようにスイッチング素子ＴＲ１のスイッチング動作を制御する（ステップ９）。即ち、定電流制御による充電から定電力制御による充電に切り替える。

この際の定電力制御の目標値を可変できる構成とし、その目標値は装置全体の電力消費量からＣＰＵ１０が演算する。例えば１００Ｖの入力で一般的な上限が１５Ａのコンセントを使用する場合、装置の入力電流検出手段２４により検出した電流値が１５Ａに対してどの程度余裕があるのか計算する。本実施形態で言えば電源装置の効率、充電器の効率を含めて充電に使用できる最大電力を求める。本実施形態では入力電圧値を予め決めた固定値としているが、例えばオペレータが操作部から使用されるコンセントの電圧情報を入力するような形でもよい。また、装置に供給される入力電圧を検出する手段を設け、ＣＰＵ１０がこの入力電圧検出手段から入力電圧情報を取得し、取得した入力電流情報と入力電圧情報とから充電に使用できる電力余裕度を求めても良い。

一例として、入力電流値が１４Ａ、電源の効率が８０％、充電器の効率が８５％と仮定すると、充電に使用できる最大電力は以下のように求められる。
１００×（１５−１４）×０．８×０．８５＝６８ワット
更に入力電流値が１３．５Ａだったとすると、充電に使用できる最大電力は、
１００×（１５−１３．５）×０．８×０．８５＝１０２ワット
となる。

図３の例では、電力目標値がＰ１の場合とＰ２の場合の二通りを示している。目標電力をＰ１として制御している場合の方が目標電力をＰ２のとして制御した場合と比較して、充電器を除いた装置全体の消費電力が少なく、電力余裕度が高いことを示している。

上の計算式において、Ｐ１を１０２ワット、Ｐ２を６８ワットと置き換えると装置の電力余裕度はそれぞれ、
Ｐ１の場合：１００×（１５−１３．５）＝１５０ワット
Ｐ２の場合：１００×（１５−１４）＝１００ワット
となる。

当然のことながらＰ１を目標電力値として充電した場合の方が充電時間は短縮されるが、装置全体としての電力消費量は変化しないと言える。また、目標電力値は装置の使用状態に応じてリアルタイムに変動させてもよい。

図４に戻って、定電力充電制御中に電圧検出回路１１で検出した電圧値が目標値ｖに到達したか否かを判断する（ステップ１０）。到達したと判断すると、定電力充電から電圧値ｖでの定電圧充電を行うようにスイッチング素子ＴＲ１のスイッチング動作を制御（ステップ１１）。その後充電が進むと徐々に充電電流は低減し、最後に電流がゼロとなった時点で満充電となり、充電を終了する（ステップ１２）。

このように蓄電器への充電状態を監視し、定電流充電、定電力充電、定電圧充電と切り替えることにより、電力オーバーすることなく、効率良く充電を行うことができる。また、装置の動作状態に応じて最大充電電力目標値を可変できるようにしていることで、オフィスや家庭などの電力制限値がそれほど大きくない環境でブレーカーを動作させるようなことなく、安全且つ効率よく充電を行うことができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について、図５〜８を用いて説明する。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る蓄電器への充電回路のブロック図である。図６は、図５の充電回路を内蔵する電子機器装置のハードウエア構成を示すブロック図である。図７は、蓄電器への充電時に蓄電器端子間にかかる電圧と蓄電器に流れる電流の関係を示すグラフである。図８は、蓄電器への充電制御方法を示すフローチャートである。

一般的に商用電源電圧は送電設備の状態や周辺の電力消費状態等により必ず定格値を供給できるわけではなく、供給電圧値は常に変動している。また、商用電源電圧が変動することを想定すると、入力電流値の検出結果だけで最大消費電力を見積もることができなくなる。そこで、第２の実施形態では、商用電源の入力電圧検知手段を設け、電流検知手段の検知結果との演算により装置の電力余裕度を求めている。

電力余裕度の演算は装置を制御するＣＰＵ３１が行うものとする。なお、充電器３３内にはＣＰＵを持たない構成としてもよい。充電器３３に専用のＣＰＵを持たないようにすることで充電器のコスト低減を実現できる。

図６において、図２に示す構成と異なるのは、電子機器のＣＰＵ３１が充電器の制御を行う点と、充電器３３がＣＰＵを持たないことであり、その他の構成は同じである。また、図５において、図１に示す構成と異なるのは、ＣＰＵ１０、電圧検出回路１１、電流検出回路１２の代わりに、制御部３０、誤差増幅器ＯＰ１〜ＯＰ３、電圧源Ｖｒ１，Ｖｒ，２、抵抗Ｒ５，Ｒ６が設けられている点である。その他の構成要素は図１と同じである。

ＣＰＵ３１は、まず装置への商用電源の入力電圧及び入力電流を読み込み（ステップ２１）、入力電圧及び入力電流に基づいて入力電力の余裕度を算出する（ステップ２）。

次に、予め設定されている電力余裕度と充電電力設定値との関係を示すデータを格納したテーブルを参照し、算出した結果に基づいて充電電力設定値を決定する（ステップ３）。なお、このテーブルは、商用電源の入力電圧と入力電流と充電電力設定値との関係を示すものであっても良い。

次に、決定された充電電流設定値と現在の充電電力目標値を比較し、充電電力目標値を現在の値から変更する必要があるか否かを判断する（ステップ４）。変更する必要があれば充電電力設定値を変更し（ステップ５）、変更する必要が無ければ再度入力電流、入力電圧を読み込みにゆく動作を繰り返す。

これによりリアルタイムに装置の入力電力余裕値を読み取って、充電時に使える電力最大値を制御することができる。

次に図５を用いて充電器の構成及び動作を説明する。

第２の実施形態では、複雑な電力演算を擬似定電力制御という形を取ることで簡素化している。回路の構成と動作について説明する。

図５において、Ｒ４は蓄電器１４のキャパシタＣ３、Ｃ４に流れる電流を検出して電圧レベルに変換するための抵抗である。誤差増幅器ＯＰ３は抵抗Ｒ４に流れた電流によって発生するＲ４両端電圧、すなわち蓄電器１４に流れる電流と可変電圧源Ｖｒ２で決められる値との差分を増幅する。制御部３０は誤差増幅器ＯＰ１の出力が０になるよう、即ち蓄電器１４に流れる電流と可変電圧源Ｖｒ２で決められる値とが一致するようにスイッチング素子ＴＲ１のスイッチング動作を制御する。

Ｒ２、Ｒ３は蓄電器１４両端の端子間電圧Ｖｏを検出するための抵抗である。誤差増幅器ＯＰ２は抵抗Ｒ２，Ｒ３で分圧された電圧と基準電圧Ｖｒ１との差分を増幅する。制御部３０は誤差増幅器ＯＰ２との出力に基づいて、出力電圧ＶｏをＲ２とＲ３で分圧した電圧が基準電圧Ｖｒ１と同じになる、すなわち蓄電器の端子間電圧Ｖｏが一定になるようにスイッチング素子ＴＲ１のスイッチング動作を制御する。

Ｒ５、Ｒ６は蓄電器１４の両端の端子電圧Ｖｏを検出するための抵抗である。基準電圧Ｖｒ２（可変電圧源の出力値）は外部から可変できるようになっている。即ち、Ｖｒ２の値はＣＰＵ３１により決められた目標電力に基づいて決定する。また、端子電圧検出用抵抗Ｒ５、Ｒ６から見た場合、蓄電器１４に流れる電流によって電流検出抵抗Ｒ４に発生する電圧降下量が変化するため、結果として以下のような関係式が成り立つ。
Ｖｒ２＝Ｖｏ×Ｒ６／（Ｒ５＋Ｒ６）＋Ｉｏ×Ｒ４
この式をＶｏについて解くと、以下のようになる。
Ｖｏ＝−（（Ｒ５＋Ｒ６）×Ｒ４／Ｒ６）×Ｉｏ＋（（Ｒ５＋Ｒ６）／Ｒ６）×Ｖｒ２
更に回路内の抵抗値で決まる固定値を定数ａ、ｂに置き換えると以下のように表すことができる。
Ｖｏ＝−ａ×Ｉｏ＋ｂ×Ｖｒ２（１）
式（１）によると、蓄電器端子間電圧Ｖｏは蓄電器１４に流れるＩｏに関する一次式として表すことができ、回路抵抗値により傾き−ａが決まり、外部から設定される基準電圧Ｖｒ２で切片を可変にすることができることを示している。

次に蓄電器端子間電圧Ｖｏと蓄電器に流れる電流Ｉｏから算出される充電電力Ｐｏは、
Ｐｏ＝Ｖｏ×Ｉｏであり、この式をＶｏについて解くと、
Ｖｏ＝Ｐｏ／Ｉｏ（２）
となる。

図７は蓄電器１４への充電時における電圧、電流の変化を示したグラフを示している。
式（２）はＶｏがＩｏに対して係数Ｐｏで単純に反比例していることを示している。従って例えば式（１）の係数ａが１となるように回路定数を決定し、切片を決める基準電圧Ｖｒ２をＰｏに近づくような値とすれば目標電力値に対して図７の実線に示すような形で定電力制御時の電力を近似することが可能である。

図７では、電力目標値Ｐ１に対して外部から設定される基準電圧をＶｒ２１とした場合と電力目標値Ｐ２に対して外部から設定される基準電圧をＶｒ２２とした場合についての充電特性を示している。基準電圧Ｖｒ２は装置ＣＰＵが３１が演算した電力余裕度により決定され、電力目標値として充電器３３に入力される。

続いて図７を用いて実際の充電が行われるときの流れを説明する。

まず、最初に一定電流ｉで充電が開始される。充電が進むと蓄電器１４の充電電圧が上昇し、充電器３３が消費する電力も増加する。その後、蓄電器１４の端子間電圧が装置の電力消費量に応じて決められたＶｒ２の値によって決まる値に達すると、定電流充電から上述した擬似定電力直線（蓄電器の電流の一次式）に従った充電へと切り替わる。実際に行いたい定電力目標値Ｐｏと擬似定電力目標値Ｖｒ２との関係は予め関係を表わすデータを記憶したテーブルを用意して決定する。そして蓄電器１４の端子間電圧がｖに達すると擬似定電力充電から定電圧充電に切り替わる。その後充電電流は減少し、ゼロになった時点で充電完了となる。

本実施形態では装置本体制御に使用するＣＰＵが装置全体の消費電力量を算出し、充電器側で消費してもよい電力値を決めて充電器の最大電力値を制御すること、充電器側では高価なＣＰＵを専用に持つことなく、且つ消費電力演算のための複雑な回路を使わずに定電力曲線にほぼ近似した充電特性を得られることで装置の余計なコストアップ、サイズアップをしない構成とした。

本発明の第１の実施形態に係る充電器の構成を示す回路図である。図１の充電器を内蔵した電子機器装置のハードウエア構成を示すブロック図である。蓄電器への充電時に蓄電器端子間にかかる電圧と蓄電器に流れる電流の関係を示すグラフである。蓄電器への充電制御方法を示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態に係る充電器の構成を示す回路図である。図５の充電器を内蔵した電子機器装置のハードウエア構成を示すブロック図である。蓄電器への充電時に蓄電器端子間にかかる電圧と蓄電器に流れる電流の関係を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係る蓄電器への充電制御方法を示すフローチャートである。従来の充電器の構成を示す回路図である。図９の充電器における充電時の電流と電圧の関係を示すずである。

符号の説明

１０ＣＰＵ
１１電圧検出回路
１２電流検出回路
１４蓄電器
２１商用電源
２２電源回路
２３充電器
２４電流検出手段

Claims

蓄電器に充電を行う充電回路を有する電子機器装置において、
交流を入力して直流電圧を出力する電源と、
前記交流により前記電子機器装置に供給される入力電流の情報を取得する入力電流情報取得手段と、
前記蓄電器の端子間電圧を検出する電圧検出手段と、
前記蓄電器に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記蓄電器に対して定電流制御により充電を開始させ、前記電圧検出手段の出力と前記電流検出手段の出力に基づいて前記蓄電器に供給される電力が目標値に到達したことを判断すると定電力制御による充電に切り替え、前記電圧検出手段の出力に基づいて前記蓄電器の端子間電圧が所定の電圧に到達したことを判断すると定電圧制御による充電に切り替える制御手段と、
を有し、前記制御手段は、前記入力電流情報取得手段により取得した入力電流情報と前記電源の効率と前記蓄電器への充電の効率とに基づいて前記定電力充電における前記目標値を設定することを特徴とする充電回路を有する電子機器装置。
前記交流により前記電子機器装置へ供給される入力電圧の情報を取得する入力電圧情報取得手段を有し、前記制御手段は、入力電流取得手段で取得した入力電流情報と前記入力電圧取得手段で取得した入力電圧情報とに基づいて前記定電力充電における前記目標値を設定することを特徴とする請求項１記載の充電回路を有する電子機器装置。