JP2003032909A - 二次電池の充電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 充電時に、モールドによるデバイスの特性変
化、充電環境温度の変化、デバイスの経時変化等による
影響を除去して安定した充電を行う。 【解決手段】 予備充電を数秒間行う微少充電を行った
後、充電停止状態でのＡＤ変換器５の出力値（電流値）
をＲＡＭ８に一時保存する。その後の充電期間におい
て、この一時保存された出力値と定電流充電時のＡＤ変
換器５の出力値との差が予め設定された所定の値になる
ようにＣＰＵ６が制御するが、その制御手段として、出
力ポートを介して電流制御用の差動増幅器３の非反転入
力端子側にマルチプレクサ４を介して接続されている電
圧調整回路９内の複数個の電圧を調整するための抵抗Ｒ
１〜Ｒ４を、それぞれＧＮＤに短絡するか、または開放
にするかのいずれかの選択を行い、積分器として機能す
る差動増幅器３の非反転入力端子に印加される電圧を調
整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二次電池の充電装
置に関し、特に、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、
ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池の
充電を行う定電流制御型、定電圧／定電流制御型の二次
電池の充電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、充電装置を用いてリチウムイオン
電池等の二次電池を充電する場合、充電の初期の段階で
は、急速充電の１０分の１程度の電流で充電する予備充
電が行われている。また、この予備充電は、定電流制御
下で行われている。

【０００３】この予備充電は、＋端子と−端子との短絡
状態の発生など、不良箇所を有する電池に対して、誤っ
て充電のための大電流を流すことを排除することを意図
して行われている。

【０００４】予備充電により、充電対象の電池の正常が
確認できた後に、急速充電を行っている。この急速充電
には、一定の電流で充電を行う定電流制御方式と、一定
の電圧で充電を行う走電圧制御方式とがある。一般に、
予備充電の直後には定電流制御方式による急速充電が行
われている。

【０００５】図５は、従来の代表的なリチウムイオン電
池用充電装置の電流制御回路の回路図を示す。予備充電
と急速充電との切替えは、ＣＰＵ９６からの「Ｈ」（ハ
イレベル）、「Ｌ」（ローレベル）信号によって行われ
る。充電電流はＯＰアンプ（差動増幅器）のオフセット
値や抵抗のバラツキ、基準電圧のずれ等の誤差要因で設
計値からずれることが多い。特に予備充電は電流が少な
いので信号成分が小さく誤差の影響を受けやすい。電流
検出抵抗を大きくすることによって信号を大きくするこ
とは可能だが、エネルギーのロスが増大するので好まし
くない。

【０００６】そこで充電電流の調整を行うのであるが、
従来の回路では予備充電と急速充電の充電電流の調整
は、積分器として機能する差動増幅器９３の非反転入力
端子側の電圧調整用抵抗Ｒ１１〜Ｒ１５、若しくは差動
増幅器９１の非反転入力端子側の電圧調整用抵抗Ｒ２１
〜Ｒ２５で行っている。

【０００７】従来、この電圧調整用抵抗の調整（トリミ
ング）は、例えば、レーザーカットトリミング法や、ツ
ェナーダイオードトリミング法によって製品出荷前に行
われている。これらのトリミングによって、図５に示す
電圧を調整するための抵抗Ｒ１１〜Ｒ１５、Ｒ２１〜Ｒ
２５と、ＧＮＤ間にあるスイッチＳ１１〜Ｓ１５、Ｓ２
１〜Ｓ２５を、それぞれ投入（短絡）側または切断（開
放）側のいずれかに固定するという方式がとられてい
た。

【０００８】なお、特開平１０−１０８３８２号公報に
開示されている「基準値発生回路の出力調整装置および
その出力調整方法でも、図５に示す回路と同様に抵抗を
使用して基準値発生回路からの供給電圧をトリミング
し、その結果をスイッチに代えてハンダ付けで固定して
いる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した特
開平１０−１０８３８２号公報の技術を含む従来の二次
電池の充電装置にあっては、ウェハー状態でトリミング
を行うために、モールドによるデバイスの特性の変化
や、環境温度の影響、経時変化が大きくなり、信頼性が
低くなるという欠点があった。

【００１０】また、複数セル対応の充電装置の場合、セ
ル数によって差動増幅器の同相電圧の影響を受けてしま
うという欠点もあった。さらに、装置（ハードウェア）
を使用してトリミングを行うので、レーザーカットトリ
ミング法は投資コストが割高となり、また、ツェナーダ
イオードトリミング法ではチップ面積が大きくなってし
まうといった問題を有していた。

【００１１】本発明は、以上のような従来の二次電池の
充電装置における問題点に鑑みてなされたものであり、
充電時に、モールドによるデバイスの特性変化、充電環
境温度の変化、デバイスの経時変化等による影響を受け
ずに安定した充電を行うことができる二次電池の充電装
置を提供することを目的とする。

【００１２】本発明の他の目的は、充電対象電池のセル
数が異なっても差動増幅器の同相電圧の影響を受けない
二次電池の充電装置を提供することにある。また、本発
明の他の目的は、基準値発生回路からの供給電圧をトリ
ミングする電圧調整回路の小型化とコストダウンを図る
ことにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明では上記の課題を
解決するために、充電期間中に充電電流を検出して、充
電電流を制御する手段を備えた二次電池の充電装置にお
いて、二次電池に供給される充電電流の電流値を検出す
る充電電流検出手段と、前記充電電流検出手段からの出
力を使用して充電電流を制御する回路中の差動増幅器の
非反転入力端子側に印加する電圧を充電中に調整する電
圧調整手段と、前記差動増幅器からの出力により、前記
充電電流をフィードバック制御する充電電流制御手段と
を備えたことを特徴とする二次電池の充電装置が提供さ
れる。

【００１４】ここで、前記二次電池の充電装置は、電流
検出用差動増幅器により増幅しアナログ出力された充電
電流検出抵抗の電位差をディジタル情報の検出値に変換
するアナログ−ディジタル変換手段と、定電流充電期間
前の充電停止状態でのディジタル情報の検出値を第１の
検出値として記憶する検出値記憶手段と、定電流充電期
間におけるディジタル情報の検出値を第２の検出値とし
て前記第１の検出値との差を計算する検出値計算手段
と、前記検出値計算手段により計算された差に基づい
て、電流制御用の積分器として機能する差動増幅器また
は前記電流検出用差動増幅器の、非反転入力端子に接続
される抵抗を複数個の電圧調整抵抗の選択により調整す
る電圧調整手段とを備えることが可能である。

【００１５】また、前記定電流充電期間は、予備充電期
間および急速充電期間中の定電流充電期間であることが
可能である。さらに、前記電圧調整手段による電圧値の
調整は、前記検出値検出手段により計算される差が充電
期間毎に定められた所定の範囲内になるように調整され
ることが可能である。

【００１６】また、前記定電流充電中に定期的に充電を
停止し、充電停止状態での前記ディジタル情報の検出値
を第３の検出値として記憶し、この後の前記検出値計算
手段による計算は、第１の検出値の代わりに第３の検出
値を用いることが可能である。

【００１７】さらに、前記予備充電期間の前に微少充電
期間を有し、微少充電期間後の停止状態での前記ディジ
タル情報の検出値を前記第１の検出値とすることが可能
である。

【００１８】即ち、本発明では、より具体的には、二次
電池に対して定電流充電を行うアナログ制御回路と、検
出された充電電流（アナログ値）をデジタル値に変換す
るＡＤ変換器と、充電プログラムを記憶するＲＯＭ部
と、このプログラムに従って演算を行うＣＰＵ（ディジ
タル情報処理装置）と、このＣＰＵで演算された値及び
算出された値を一時記憶するＲＡＭ部とを備えた充電装
置において、充電停止状態でのＡＤ変換器の出力と定電
流充電時のＡＤ変換器の出力の差が所定の値になるよう
にアナログ制御回路内に接地された差動増幅器の非反転
入力端子側に接続された抵抗（ＣＰＵに接続されたスイ
ッチ素子により選択制御が可能に接続されている）を上
記ＣＰＵを使用して選択することで、上記差動増幅器の
非反転入力端子側に印加する電圧を調整している。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係
る二次電池の充電装置の全体構成を示すブロック図であ
る。

【００２０】本実施の形態に係る二次電池の充電装置
は、フライバックコンバータ方式を採用し、ＡＣ１００
Ｖの電源１１と、ＡＣ１００Ｖの電源１１から出力され
る交流を直流に整流する整流回路１２と、整流回路１２
からの出力を後述のパワーＭＯＳＦＥＴ１８によりパル
ス幅変調された一次側入力を二次側に接続された充電回
路系統（回路図を後述するアナログ制御手段）のパワー
として供給するためのトランス１３と、トランス１３の
二次側出力を整流する整流回路１４と、整流回路１４の
出力を充電回路系統に投入または切断するための充電ス
イッチ１５と、充電電流の電流値を検出するための抵抗
１６、及び電流検出回路２３（充電電流検出手段）と、
充電電流の逆流を防止するためのダイオード１７と、充
電対象である二次電池２０（ここではリチウムイオン電
池とする）と、二次電池２０の電圧を検出する電圧検出
回路２１と、充電電圧を制御する電圧制御回路２２と、
電圧検出回路２１及び電流検出回路２３からの出力を入
力して充電の制御を行う充電制御回路２５と、電流検出
回路２３及び充電制御回路２５からの出力を入力して充
電電流を制御する電流制御回路２４（充電電流制御手
段）と、電圧制御回路２２及び電流制御回路２４からの
出力をフィードバックするためのフォトカプラ１９と、
フォトカプラ１９からの信号を入力してパルス幅変調の
制御を行うＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御回路
２６と、ＰＷＭ制御回路２６の出力をゲートに入力して
充電電流源のパルス幅変調を行うパワーＭＯＳＦＥＴ１
８とを備える。

【００２１】なお、トランス１３は、一次側端子の一方
に整流回路１２の出力を接続し、他方に後述するパワー
ＭＯＳＦＥＴ１８のドレインを接続し、二次側端子の一
方に整流回路１４の入力側を接続し、他方は接地されて
いる。また、二次電池２０の負極側も接地されている。

【００２２】以下、本実施の形態に係る二次電池の充電
装置の機能を説明する。ＡＣ１００Ｖの電源１１は、整
流回路１２により交流から直流に整流され、その出力
は、トランス１３を介してもう一方の整流回路１４に供
給される。トランス１３の一次側の一方の端に整流回路
１２の出力端子が接続され、一次側の他方の端にパワー
ＭＯＳＦＥＴ１８のドレインが接続されている。また、
既に述べたように、トランス１３の二次側の一方の端子
は、整流回路１４の入力側に接続され、他方の端は接地
されている。

【００２３】パワーＭＯＳＦＥＴ１８は、そのソースが
一次側の基準電位０（Ｖ）に接続され、ゲートにはＰＷ
Ｍ制御回路２６の出力が供給される。そして、このＰＷ
Ｍ制御回路２６によりパルス幅変調制御が行われる。即
ち、ＰＷＭ制御回路２６は、フォトカプラ１９から供給
されるフィードバック信号によりパワーＭＯＳＦＥＴ１
８に供給するゲート電圧のデューティ比を制御する。

【００２４】充電スイッチ１５の一方の端子は、整流回
路１４の出力端子に接続され、他方の端子は、充電電流
の電流値を検出するための抵抗１６に接続されている。
この充電スイッチ１５は、充電制御回路２５から供給さ
れる充電制御信号により開閉動作（オン／オフ）を行
う。この回路の場合、常時開状態（オフ）になってお
り、充電制御回路２５から充電開始信号が供給された時
点で閉状態（オン）になる。充電スイッチ１５を投入し
てオンにすることにより、ダイオード１７を介して二次
電池２０への充電が開始される。ダイオード１７は、二
次電池２０から装置側への充電電流の逆流を防止する。

【００２５】以下、充電の制御について説明する。充電
電流を検出するための抵抗１６の両端の電位差（充電電
流に比例する電圧降下）を電流検出回路２３により増幅
し、電流制御回路２４に入力する。また、二次電池２０
の電池電圧は、電圧検出回路２１で検出され、電圧制御
回路２２に入力される。充電電圧の状態により、常に電
圧制御回路２２と、電流制御回路２４とのいずれかが支
配的となり、定電圧制御または定電流制御を行う。この
電圧制御回路２２及び電流制御回路２４より出力される
フィードバック信号は、フォトカプラ１９を介してＰＷ
Ｍ制御回路２６に供給される。

【００２６】図２は、図１に示す電流検出回路２３と、
電流制御回路２４と、充電制御回路２５の一実施例とし
ての回路図を示す。図２において、符号１，２，３は差
動増幅器を示す。電圧調整回路９内のＭＯＳ型トランジ
スタＭ１〜Ｍ４のゲートは、それぞれＣＰＵ６（ディジ
タル情報処理装置）のポートと接続されており、ＣＰＵ
６からの制御によって、それぞれがＯＮ／ＯＦＦ動作を
する。

【００２７】図２に示す回路では、予備充電と急速充電
との切替えを、ＣＰＵ６の制御により、マルチプレクサ
４で積分器として機能する差動増幅器３の非反転入力端
子に印加する印加電圧を出力ポートを介して切替えるこ
とによって行う。

【００２８】より具体的には、充電開始時に、予備充電
と同程度の充電電流で数秒間行う微少充電を行った後、
充電停止状態でのＡＤ変換器５の出力値をＲＡＭ８（検
出値記憶手段）に一時保存する。この値と定電流充電時
のＡＤ変換器５の出力値との差が所定の値になるように
ＣＰＵ６（検出値計算手段、充電電流調整手段）を使用
し、その出力ポートを介して、電流制御用の差動増幅器
３の非反転入力端子側にマルチプレクサ４を介して接続
されている電圧調整回路９（電圧調整手段）内の複数個
の電圧を調整するための抵抗Ｒ１〜Ｒ４を、それぞれＧ
ＮＤに短絡するか、または開放にするかのいずれかの選
択をＣＰＵ６が行い、これにより、積分器として機能す
る差動増幅器３の非反転入力端子に印加される印加電圧
を調整する。

【００２９】例えば、ＣＰＵ６の制御により、その出力
ポートからの信号が全て「Ｈ」（ハイレベル）とされる
場合は、抵抗Ｒ１〜Ｒ４とＧＮＤ間にあるＭＯＳ型トラ
ンジスタＭ１〜Ｍ４が全てオン状態となり、抵抗Ｒ１〜
Ｒ４とＧＮＤが短絡され、ＣＰＵ６の制御により、その
出力ポートからの信号が全て「Ｌ」（ローレベル）とさ
れる場合は、抵抗Ｒｌ〜Ｒ４とＧＮＤ間にあるＭＯＳ型
トランジスタＭｌ〜Ｍ４がオフ状態となり、抵抗Ｒｌ〜
Ｒ４はＧＮＤと短絡されずに開放状態となる。

【００３０】ちなみに、本実施の形態において、微少充
電の実施後に充電停止状態でのＡＤ変換器５の出力を取
得しているのは下記の理由による。一般に、リチウムイ
オン電池は、完全に放電された状態で内部の保護回路が
作動し、電池電圧が０（Ｖ）になる。従って、本実施の
形態に係る二次電池２０（リチウムイオン電池）につい
ても、保護回路が作動した電池電圧が０Ｖの場合と充電
中とでは電位差が大きくなるために、電流検出用の差動
増幅器１の同相電圧の影響が大きくなってしまう。そこ
で微少充電を実施することにより、同相電圧分である電
池電圧をまず上げてから、この時点で、充電停止状態の
ＡＤ変換器５の出力を取得し、この値を基準とすること
により、同相電圧の影響を低減することができる。

【００３１】図３は、本発明の実施の形態に係る二次電
池の充電装置の充電期間における充電電流と電池電圧と
の関係を経過時間による変化で示したグラフである。図
３に示すグラフでは、充電電流をＡＤ変換器５の出力で
示し、かつ微少充電後の充電停止状態でのＡＤ変換器５
の出力を基準の検出値とする。

【００３２】予備充電開始時に、ＡＤ変換器５の出力
（検出値）と、上記基準の検出値との差が予備充電期間
について予め定められた所定の範囲内に入っていない場
合には、予備充電時に、上記の差が、上記所定の範囲内
に入るまでＣＰＵ６の出力ポートにより電圧調整回路９
内の抵抗Ｒ１〜Ｒ４のトリミングを行う。

【００３３】同様に、急速充電開始時にも、ＡＤ変換器
５の出力（検出値）と、上記基準の電流値との差が急速
充電期間について予め定められた所定の値の範囲内に入
っていない場合には、急速充電時に、上記の差が、上記
所定の範囲内に入るまでＣＰＵ６の出力ポートにより電
圧調整回路９内の抵抗Ｒ１〜Ｒ４のトリミングを行い、
充電電流の補正を行う。

【００３４】ここで、図２に示す電圧調整回路９内の抵
抗Ｒｌ〜Ｒ４の抵抗値に、それぞれ重みを付けるように
すると、少ない抵抗数で広い電圧変化範囲をカバーでき
る。図４は、図１に示す電流検出回路２３と、電流制御
回路２４と、充電制御回路２５の他の一実施例としての
回路図を示す。

【００３５】図４に示す回路は、電圧調整回路９の接続
位置が図２に示す回路と異なっている点を除き、図２に
示す回路と実質的に同じ回路である。図４に示す回路で
は、差動増幅器１の非反転入力端子側の電圧Ｖ５を、電
圧調整回路９を使用して、図２に示す回路と同様の方法
で調整することによっても充電期間における充電電流の
補正を行っている。

【００３６】なお、本実施の形態により、予備充電や急
速充電の開始時に充電電流の調整を行ったとしても、電
池電圧が増加するに連れて同相電圧の影響で充電電流が
ずれる場合が生じる可能性がある。この場合は、定期的
に充電を停止し、充電停止状態でのＡＤ変換器５の出力
を取り込んで、充電電流の基準値を更新することによ
り、やはり同相電圧の変化による影響を除去することが
可能となる。

【００３７】

【発明の効果】以上に説明したとおり、本発明では、充
電対象の二次電池に対して定電流充電を行う時に、この
二次電池に供給される充電電流の電流値を検出し、ま
た、充電中に、この電流値を検出するための回路を構成
する差動増幅器の非反転入力端子側に印加する電圧を、
上記検出した電流値をディジタル情報として入力するデ
ィジタル情報処理装置を用いて調整しており、これによ
り充電電流が所定の範囲内に入るように制御することが
できるので、モールドによるデバイスの特性変化、充電
環境温度の変化、デバイスの経時変化等による影響を除
去して安定した充電を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る二次電池の充電装置
の全体構成を示すブロック図である。

【図２】図１に示す電流検出回路と、電流制御回路と、
充電制御回路の一実施例としての回路図を示す。

【図３】本発明の実施の形態に係る二次電池の充電装置
の充電期間における充電電流と電池電圧との関係を経過
時間による変化で示したグラフである。

【図４】図１に示す電流検出回路と、電流制御回路と、
充電制御回路の他の一実施例としての回路図を示す。

【図５】従来の代表的なリチウムイオン電池用充電装置
の電流制御回路の回路図を示す。

【符号の説明】

１〜３ 差動増幅器 ４ マルチプレクサ ５ ＡＤ変換器 ６ ＣＰＵ ７ ＲＯＭ ８ ＲＡＭ ９ 電圧調整回路 １１ ＡＣ１００Ｖの電源 １２ 整流回路（一次側） １３ トランス １４ 整流回路（二次側） １５ 充電スイッチ １６ 抵抗（電流値検出用） １７ ダイオード（逆流防止用） １８ パワーＭＯＳＦＥＴ １９ フォトカプラ ２０ 二次電池（充電対象の電池） ２１ 電圧検出回路 ２２ 電圧制御回路 ２３ 電流検出回路 ２４ 電流制御回路 ２５ 充電制御回路 ２６ ＰＷＭ制御回路 Ｍ１〜Ｍ４ ＭＯＳ型トランジスタ Ｒ１〜Ｒ２ 抵抗（電圧調整用）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G016 CA00 CB12 CB31 CB32 CC01 CC04 CC07 CC09 CC12 CD06 CD09 CD14 5G003 AA01 BA01 CA03 CC02 GA01 GB04 GC05 5H030 AA02 AA03 AS18 BB01 BB03 FF42 FF52

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 充電期間中に充電電流を検出して、充電
   電流を制御する手段を備えた二次電池の充電装置におい
   て、 二次電池に供給される充電電流の電流値を検出する充電
   電流検出手段と、 前記充電電流検出手段からの出力を使用して充電電流を
   制御する回路中の差動増幅器の非反転入力端子側に印加
   する電圧を充電中に調整する電圧調整手段と、 前記差動増幅器からの出力により、前記充電電流をフィ
   ードバック制御する充電電流制御手段と、 を備えたことを特徴とする二次電池の充電装置。
2. 【請求項２】 電流検出用差動増幅器により増幅しアナ
   ログ出力された充電電流検出抵抗の電位差をディジタル
   情報の検出値に変換するアナログ−ディジタル変換手段
   と、 定電流充電期間前の充電停止状態でのディジタル情報の
   検出値を第１の検出値として記憶する検出値記憶手段
   と、 定電流充電期間におけるディジタル情報の検出値を第２
   の検出値として前記第１の検出値との差を計算する検出
   値計算手段と、 前記検出値計算手段により計算された差に基づいて、電
   流制御用の積分器として機能する差動増幅器または前記
   電流検出用差動増幅器の、非反転入力端子に接続される
   抵抗を複数個の電圧調整抵抗の選択により調整する電圧
   調整手段と、 を備えたことを特徴とする請求項１記載の二次電池の充
   電装置。
3. 【請求項３】 前記定電流充電期間は、予備充電期間お
   よび急速充電期間中の定電流充電期間であることを特徴
   とする請求項２記載の二次電池の充電装置。
4. 【請求項４】 前記電圧調整手段による電圧値の調整
   は、前記検出値検出手段により計算される差が充電期間
   毎に定められた所定の範囲内になるように調整されるこ
   とを特徴とする請求項３記載の二次電池の充電装置。
5. 【請求項５】 前記定電流充電中に定期的に充電を停止
   し、充電停止状態での前記ディジタル情報の検出値を第
   ３の検出値として記憶し、この後の前記検出値計算手段
   による計算は、第１の検出値の代わりに第３の検出値を
   用いることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記
   載の二次電池の充電装置。
6. 【請求項６】 前記予備充電期間の前に微少充電期間を
   有し、微少充電期間後の停止状態での前記ディジタル情
   報の検出値を前記第１の検出値とすることを特徴とする
   請求項３記載の二次電池の充電装置。