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JP5029862B2 - 充電装置 - Google Patents

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JP5029862B2 JP2006097427A JP2006097427A JP5029862B2 JP 5029862 B2 JP5029862 B2 JP 5029862B2 JP 2006097427 A JP2006097427 A JP 2006097427A JP 2006097427 A JP2006097427 A JP 2006097427A JP 5029862 B2 JP5029862 B2 JP 5029862B2
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Description

本発明は、2次電池の充電装置に関し、特に、リチウム電池(リチウムイオン電池を含む)等の定電流・定電圧充電制御方式が要求される電池パックを充電するために好適な充電装置に関する。
コードレス電動工具を駆動する電源として、ニッケル水素電池やニカド電池等の比較的高容量化された2次電池が使用されている。さらに、高容量化および軽量化された2次電池として、リチウムイオン電池を含むリチウム電池が実用化されつつある。
リチウム電池のセル公称電圧は、広く実用に供されているニッケル水素電池やニカド電池に比較すると約3倍高く、かつ小形軽量であるという特徴を有する。さらに、放電効率も良く、比較的低温環境の中でも放電が可能で、広い温度範囲で安定した電圧を得ることができる特徴を有する。
リチウム電池(電池パック)においては、定電流・定電圧制御にて充電を行うのが一般的である。しかし、定電流・定電圧制御によって過充電を行うと電池の特性もしくは寿命の面から望ましくないことが一般的に知られている。このため、例えば下記特許文献1に開示されているように、定電圧で充電しながら充電電源回路の充電電流を検出し、充電電流が所定値以下に下降した場合、満充電と判別して充電停止信号を発生させ、充電電源回路の充電経路を遮断することによって充電を終了する方法が提案されている。
また、一般に比較的に大きな電流で充電すると短時間で充電できるが、電池を充電する場合の電池温度が低いときは、電池のサイクル寿命が短くなるため、充電初期においては、比較的小さな電流で充電を行い、充電に伴い、電池温度がある所定値にまで上昇したら段階的に充電電流を大きくし、短時間で充電する充電装置が提案されている。例えば、このような技術は、下記特許文献2に開示されている。
特開平2−192670号公報 特開平4−340330号公報
しかし、電池温度の上昇に応じて充電電流を段階的に上昇させるためには、電池温度および充電電流を監視する必要があるので、マイクロコンピュータなどの比較的高価な回路装置を用いて監視する方法が考えられるが、コスト的に不利になるという問題がある。
また、リチウム電池のような定電流・定電圧制御で充電を行い、終止電流を検出して充電を終了させるような充電装置においては、単純に電池温度の上昇に伴い充電電流を上昇させるだけではなく、それに伴い充電時間も短縮させるために終止電流も変化させる必要がある。
従って、本発明の一つの目的は、電池の温度に対応して適切な充電電流を選択し得る比較的簡単な回路で構成できる充電装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、リチウム電池のような2次電池(電池パック)を定電流・定電圧制御方式で充電する充電装置において、電池の温度に対応して満充電の設定電流値を可変し得る安価な充電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に従って開示される発明のうち、代表的なものの特徴を説明すれば、次のとおりである。
本発明の一つの特徴は、充電電流設定手段によって充電電流値を設定し、充電電流を前記設定充電電流値に制御するための充電電流制御回路と、満充電電流設定手段によって満充電時に対応する満充電電流値を設定し、充電電流が前記設定満充電電流値以下になったとき充電停止信号を発生させるための満充電検出回路と、被充電2次電池の電池温度を検出するための電池温度検出手段とを具備し、定電流・定電圧充電制御方式により電池パックを充電する充電装置であって、一方の入力端子に前記電池温度検出手段によって検出された前記電池温度に対応する電池温度信号を入力し、他方の入力端子に基準温度に対応する基準信号を入力し、出力に対応して前記充電電流設定手段の前記設定充電電流値及び前記満充電電流設定手段の前記設定満充電電流値を可変させる比較器を有し電池温度が所定値以下のときの設定充電電流値をi1、設定満充電電流値をi2としたときに、電池温度が所定値より大きい場合は、設定充電電流値をi3(i3>i1)、設定満充電電流値をi4(i4>i2)に切り替える設定電流切替回路を備えたことにある。
本発明の他の特徴によれば、前記電池温度検出手段は、前記被充電2次電池に内蔵された感温素子の抵抗変化を検出する。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記充電電流設定手段および前記満充電電流設定手段は、分圧抵抗回路を含み、前記設定電流切替回路の出力によって前記分圧抵抗回路を構成する分圧抵抗に分圧値調整用抵抗を並列接続するか否かによって、前記設定充電電流値および前記設定満充電電流値を切替る。
本発明の更に他の特徴によれば、前記設定充電電流値及び前記満充電電流値は、それぞれの電流値に対応する信号が電圧値であり、前記電池温度信号及び前記基準信号は、それぞれ前記電池温度及び前記基準温度に対応する電圧値である。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記被充電2次電池が定電流・定電圧制御で充電されるリチウム電池である。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記充電電流制御回路は第2の比較器を具備し、前記第2の比較器における一方の入力端子に前記充電電流に応答する充電信号を入力し、前記第2の比較器における他方の入力端子に前記設定電流切替回路の出力に基づいて設定された前記設定充電電流値に対応する設定充電信号を入力するように構成し、前記満充電検出回路は第3の比較器を具備し、前記第3の比較器における一方の入力端子に前記充電電流に応答する充電信号を入力し、前記第3の比較器における他方の入力端子に前記設定電流切替回路の出力に基づいて設定された前記設定満充電電流値に対応する設定満充電信号を入力するように構成し、前記設定電流切替回路によって前記設定充電電流値および前記設定満充電電流値を温度に対し可変させる構成とする。
本発明によれば、比較器を用いて被充電2次電池の充電電流および満充電の設定電流を電池温度に対応して適切な電流値に選択し得るので、比較的簡単な回路で構成できる充電装置を提供できる。また、電池の温度に対応して満充電の設定電流値を可変し得るので、リチウム電池のような2次電池(電池パック)を定電流・定電圧制御方式で充電する充電装置として好適である。
本発明の上記および他の目的、ならびに上記および他の特徴および利点は、以下の本明細書の記述および添付図面からさらに明らかとなるであろう。
以下、本発明の一実施形態について、図1乃至図4を参照して詳細に説明する。
図1は本発明の一実施形態に係る充電装置300の回路図を示す。図1において、充電装置300によって充電すべき電池パック(2次電池)2は、単数または直列接続された複数の充電可能な、例えばリチウム電池セル2aと、電池パック2内の電池温度を検出するために、電池セル2aに接触または近接して配置されたサーミスタ等の温度検出センサとして機能する感温素子2bとから成る。例えば、本実施例の電池パック2は、電池セル2aが1セルのリチウムイオン電池(公称電圧3.6V)から成り、感温素子2bとしてサーミスタが使用されている。
電池パック2に充電電力を供給するための充電電源回路200は、1次側整流平滑回路10と、高周波トランス21を含むスイッチング回路20と、2次側整流平滑回路30とから成るスイッチング電源回路により構成される。
1次側整流平滑回路10は全波整流回路11と平滑用コンデンサ12とから成り、商用交流電源等の交流電源1を全波整流する。
スイッチング回路20は、高周波トランス21と、トランス21の1次巻線21aに直列接続されたMOSFET(スイッチング素子)22と、MOSFET22のゲート電極に印加する駆動パルス信号のパルス幅を変調させるためのPWMIC(スイッチング制御IC)23とを備える。
PWMIC23の駆動電源は、トランス21の2次巻線21bに形成された定電圧回路24から供給される。この定電圧回路24は、整流用ダイオード24aと、3端子レギュレータ24dと、3端子レギュレータ24dの入力側に接続されたコンデンサ24cと、3端子レギュレータ24dの出力側に接続されたコンデンサ24bとから構成される。PWMIC23には、ホトカプラから成る充電帰還信号伝達手段5を介して充電電圧制御信号および充電電流制御信号が帰還される。また、PWMIC23には、後述するスイッチング停止回路6を構成するホトカプラ6aによってスイッチング停止制御信号が帰還される。PWMIC23は、ホトカプラ6aによる制御信号によってMOSFET22の充電動作の開始および停止を制御し、かつホトカプラ5による制御信号によってMOSFET22のゲート電極に供給する駆動パルス幅を変えることによって、MOSFET22のオン時間を制御し、2次側整流平滑回路30の出力電圧と電池パック2の充電電流を調整する。PWMIC23には、起動時において起動抵抗25を介して1次側整流平滑回路10の出力電圧が供給される。また、ホトカプラ6aからのスイッチング停止制御信号が供給されるPWMIC23にはプルアップ抵抗26が接続される。後述するスイッチング停止回路6のスイッチングトランジスタ6eがオフ状態にある動作状態において、このプルアップ抵抗26によってPWMIC23に動作電位が与えられる。
2次側整流平滑回路30はトランス21の3次巻線21cに接続されたダイオード31、平滑用コンデンサ32および放電用抵抗33から成る。
トランス21の4次巻線21dには、後述する各種の制御回路の電源Vccを供給するための制御回路用定電圧電源110が形成される。制御回路用定電圧電源110は、整流用ダイオード111と、3端子レギュレータ114と、3端子レギュレータ114の入力側に接続されたコンデンサ112と、3端子レギュレータ114の出力側に接続されたコンデンサ113とから構成され、定電圧Vccを出力する。
1次側整流平滑回路10、スイッチング回路20、および2次側整流平滑回路30は充電電源回路200を構成し、充電電源回路200の出力側と電池パック2の間には、充電経路の開閉(オン・オフ)を制御するためのスイッチ手段4が電気的接続されている。このスイッチ手段4は、例えばリレーから成り、リレースイッチ4aと制御コイル4bを具備する。制御コイル4bはリレー制御回路7によって制御される。
リレー制御回路7は、後述する電池温度検出回路8の出力によってオン・オフ制御されるトランジスタ7hと、トランジスタ7hのコレクタ側にベースが接続されたトランジスタ7iと、後述する満充電検出回路90の出力によってオン・オフ制御され、かつトランジスタ7hと直列接続されたトランジスタ7jとを具備し、それらトランジスタ7h、7iおよび7jに関連して設けられた抵抗7a〜7gを具備する。
充電電流制御回路70は、演算増幅器(オペアンプ)76および77と、演算増幅器76および77の入力抵抗71および73と、演算増幅器76および77の帰還抵抗72および74と、ダイオード78および電流制限用抵抗75からなる出力回路とから構成された演算増幅回路を含む。演算増幅器77の一方の入力端子(+)には、充電電流設定回路80が接続される。
充電電流設定回路80は、特に限定されないが、抵抗81と抵抗82から成る基本的な分圧抵抗回路を含み、さらに分圧抵抗82に分圧値調整用抵抗83およびトランジスタ86が並列接続される。トランジスタ86のベースは抵抗84および抵抗85を介して後述する設定電流切替回路(充電・終止電流切替回路)120に接続される。直列接続された分圧抵抗81および82には、制御回路用定電圧電源110の出力電圧Vccが供給される。充電電流設定回路80は、後述する電池温度検出回路8によって検出される電池温度に従ってトランジスタ86をオンまたはオフさせ、結果的に分圧抵抗82に分圧値調整用抵抗83を並列接続するか否かによって、演算増幅器77の(+)入力端子に入力される設定充電電流値に対応する設定電圧値(設定充電信号)を可変させるように構成する。例えば、もし電池温度が基準温度より高い温度に変化した場合、結果的にトランジスタ86はオフして抵抗83は抵抗82に並列接続されず、抵抗81と抵抗82によって分圧された設定電圧がそのまま設定電圧値(設定充電信号)となり、逆に、電池温度が基準温度より低い温度に変化した場合、結果的にトランジスタ86はオンして抵抗83は抵抗82に並列接続され、抵抗82と抵抗83の合成並列抵抗値が下がって、抵抗81と分圧される設定電圧値は低い電圧となる。従って、充電電流は低温時に低く設定され、高温時に高く設定される。
充電電流制御回路70の入力側は電池パック2の充電電流を検出するための充電電流検出抵抗3に接続される。また、その出力側は、上述したように、ホトカプラから成る充電帰還信号電伝達手段5を介してPWMIC23を制御する。
このような充電電流制御回路70により、充電電流検出抵抗3に流れる充電電流に基づく電圧降下を抵抗71、72および演算増幅器76によって反転増幅させ、その出力電圧と充電電流設定回路80によって設定された設定電圧値(設定充電信号)との差を演算増幅器77によって増幅し、充電帰還信号伝達手段5を介してPWMIC23に帰還をかけMOSFET22のスイッチング動作を制御する。すなわち、MOSFET22は、電流検出手段3に流れる充電電流が所定の充電電流より大きい場合はパルス幅を狭めた出力パルスを高周波トランス21に与え、逆に充電電流が所定の充電電流より小さい場合はパルス幅をより広げたパルスを高周波トランス21に与える。これによって、2次側整流平滑回路30は、所定の充電電流に対応する直流電圧に平滑し、電池パック2の充電電流を充電電流設定回路80によって設定した所定電流に保持する。言い換えれば、電流検出手段3、充電電流制御回路70、充電帰還信号伝達手段5、スイッチング回路20および2次側整流平滑回路30は、充電電流設定回路80によって設定された設定充電電流値となるように電池パック2に流れる充電電流を制御する。
出力電圧制御回路50は、演算増幅器55と、反転入力端子(−)側の入力抵抗51と、帰還抵抗53と、非反転入力端子(+)側の入力抵抗52と、ダイオード56および電流制限用抵抗54から成る出力回路とから構成される。出力電圧制御回路50の反転入力端子(−)側は、抵抗41および抵抗42から成る充電電源の出力電圧検出回路40に接続され、上述した充電電源回路200の出力電圧の帰還用検出電圧が入力される。一方、非反転入力端子(+)側は、電源電圧Vccを分圧する分圧抵抗61および62から成る出力電圧設定回路60に接続され、定電圧充電のための所定の電圧を設定する。本実施例では、電池パック2が1セルのリチウムイオン電池から成るので、出力電圧が例えば4.2Vになるように設定すればよい。出力電圧制御回路50の出力側は、充電電流制御手段70の出力側と同様に、ホトカプラから成る充電帰還信号伝達手段5を介してPWMIC23に接続される。このような構成により、出力電圧検出回路40からの検出出力電圧と、出力電圧設定回路60からの設定基準電圧との差を増幅し、充電帰還信号伝達手段5を介してPWMIC23に帰還をかけ出力電圧を所定値に制御する。従って、PWMIC23は、充電電流制御回路70または出力電圧制御回路50の出力信号(フィードバック信号)により制御されることになる。
電池温度検出回路8は、電池パック2の温度が所定の温度範囲(例えば、−10℃〜50℃)にあるときのみ充電装置300を動作させるための電池温度検出手段で、ORゲートを用いたウィンドコンパレータ(電圧比較器)より構成される。すなわち、電池温度検出回路8は、演算増幅器8k、帰還抵抗8iおよび入力抵抗8cから成る第1の電圧比較器と、演算増幅器81、帰還抵抗8jおよび入力抵抗8fから成る第2の電圧比較器とを具備する。第1の電圧比較器を構成する演算増幅器8kの基準入力端子(−)には、電源電圧Vccを分圧抵抗8aおよび8bによって分圧した下限温度(−10℃)に対応する基準電圧(下限基準信号)が印加され、第2の電圧比較器を構成する演算増幅器81の基準入力端子(+)には、電源電圧Vccを分圧抵抗8dおよび8eによって分圧した上限温度(50℃)に対応する基準電圧(上限基準信号)が印加され、さらに演算増幅器8kの信号入力端子(+)および演算増幅器81の信号入力端子(−)には、電源電圧Vccおよび抵抗8g、8hから成る分圧回路を介して、感温素子2bの抵抗値の対温度変化に基づく電圧変化が入力される。演算増幅器8kおよび演算増幅器81の両出力信号はORゲート8mに入力され、ORゲート8mのOR出力は抵抗7bを介してリレー制御回路7のトランジスタ7hのベースへ入力される。このような電池温度検出回路8によって、電池パック2の充電を許容する所定温度範囲(例えば、−10℃〜50℃)で、リレー制御回路7の動作を制御することができる。
LED(発光ダイオード)表示回路9は、充電の開始または充電の終了をユーザーに認知させるためのモニター回路で、表示用LED9dと、駆動用トランジスタ9eと、抵抗9a〜9cとから成る。例えば、表示用LED9dは、充電中に点灯し、充電終了時に消灯するように制御される。
過電圧検出回路100は、電圧比較器として機能する演算増幅器103と、演算増幅器103の一方の入力端子(−)に接続された、過電圧に対応する電圧を設定するための分圧抵抗101および102とを具備し、演算増幅器103の他方の入力端子(+)には、2次側整流平滑回路30の出力電圧を出力電圧検出回路40の抵抗41、42によって分圧した分圧電圧が入力される。過電圧検出回路100の出力はスイッチング停止回路6に接続される。
スイッチング停止回路6は、過電圧検出回路100からの信号に応答してPWMIC23の動作を停止させるために設けられたもので、ホトカプラ6aと、抵抗6b〜6dと、スイッチング用トランジスタ6eとから構成されている。
満充電検出回路90は電圧比較器として機能する演算増幅器98を具備する。演算増幅器98の一方の入力端子(−)には、充電電流検出抵抗3に流れる充電電流に対応する電圧が演算増幅器76および抵抗91を介して入力される。演算増幅器98の他方の入力端子(+)には、分圧抵抗回路を構成する直列抵抗92および93の中点が接続される。分圧抵抗93には分圧値調整用抵抗94を介してトランジスタ99のコレクタが接続される。さらにトランジスタ99のベースには抵抗95および抵抗96を介して後述する設定電流切替回路120が接続される。満充電検出回路90は、後述する電池温度検出回路8によって検出される電池温度に従ってトランジスタ99をオンまたはオフさせ、結果的に分圧抵抗93に分圧値調整用抵抗94を並列接続するか否かによって、演算増幅器98の入力端子(+)に入力される設定満充電電流値(設定満充電信号)を可変させる。例えば、電池温度が基準温度より高い温度に変化した場合、結果的にトランジスタ99はオフして抵抗99は抵抗93に並列接続されず、抵抗92と抵抗93とによって分圧された基準電圧値が設定満充電電流値に対応し、逆に、電池温度が基準温度より低い温度に変化した場合、結果的にトランジスタ99はオンして抵抗94は抵抗93に並列接続され、抵抗93と抵抗94の合成並列抵抗値が下がり、抵抗92と分圧される電圧は基準電圧値より低い電圧値となる。従って、対応する設定満充電電流値は低温時に低い電圧値に設定され、高温時に高い電圧値に設定できる。
満充電検出回路90の出力(電圧比較器98の出力)は、充電開始信号または充電停止信号としてリレー制御回路7のトランジスタ7jのベースに印加され、トランジスタ7jをオン・オフ制御する。通常の充電時の動作において、演算増幅器98の一方の入力端子(+)に印加される設定満充電電流値の電圧換算値(設定満充電信号)より、演算増幅器98の他方の入力端子(−)に印加される充電電流の電圧換算値(充電信号)が低い場合、トランジスタ7jをオンさせることでトランジスタ7iがオフしてリレー制御回路7がリレー4を遮断状態にする。逆に充電電流が高い場合、トランジスタ7jをオフさせることでトランジスタ7iがオンしてリレー4を導通状態に制御する。すなわち、電池パック2のリチウムイオン電池は、定電圧制御での充電時に充電電流が減少(下降)する特性があるので、満充電検出回路90は、比較器98によって充電電流と満充電を示す基準電流とを比較し、充電電流が基準電流以下に下降したとき満充電と判断し比較器98の出力によってリレー4を遮断状態に制御し、充電を停止させる。この場合、本発明によれば、上述のように充電電流の設定値および満充電電流の設定値を電池温度に従って可変させることができる。
ここで留意すべきことは、満充電検出回路90は充電電流が所定の充電電流値(設定電流値)以下の場合、リレー4を遮断状態に制御する機能を有することである。従って、充電のために被充電電池である電池パック2を充電装置300に単に挿入(接続)しても、設定電流値以上の充電電流が流れなければ、リレー4は依然として遮断状態を持続し、充電電源回路200の出力電圧を電池パック2に給電することができない。すなわち、満充電検出回路90はリレー制御回路7を起動不能とする。この問題を解決するために、比較器98の充電電流に応答する信号が与えられる一方の入力端子(−)には、充電開始から所定時間経過するまでの過渡状態において、抵抗92および93によって他方の入力端子(+)に設定される充電電流の設定値に対応する設定電圧以上の電圧(起動信号)を印加するための起動電圧印加手段97が接続される。起動電圧印加手段97の一例は、比較器98の一方の入力端子(−)とリレー制御回路7のトランジスタ7hのコレクタとの間に接続されたコンデンサ97によって構成される。電池温度検出回路8によって充電すべき電池パック2が充電装置300に接続されたことを検知すると、リレー制御回路7のトランジスタ7hがオンするので、コンデンサ97により、充電開始から所定時間経過するまでの過渡状態において、電源電圧Vccを比較器98の一方の入力端子(−)に起動信号として入力することができる。その結果、満充電検出回路90の比較器98は、リレー制御回路7のトランジスタ7jをオフさせるのでトランジスタ7iがオンし、リレー4を導通状態(リレーON)に制御することができるため、充電を開始することができる。
設定電流切替回路120は、演算増幅器127、トランジスタ128、抵抗121〜126、129から構成された設定充電電流および設定満充電電流(終止電流)を可変させるための切替駆動回路として機能する。演算増幅器127は電圧比較器として機能し、演算増幅器127の一方の入力端子(−)には、電池パック2に内蔵された感温素子2bの対温度抵抗変化に応答した電圧が印加される。演算増幅器127の他方の入力端子(+)には、分圧抵抗回路を構成する直列接続抵抗121および122の中点が抵抗123を介して接続される。演算増幅器127の出力にはトランジスタ128が接続され、トランジスタ128のコレクタ出力は、満充電検出回路90のトランジスタ99および充電電流設定回路80のトランジスタ86のベースに入力される。演算増幅器127の入力端子(+)に入力される分圧抵抗121および122による分圧値である基準値より、電池温度検出回路8から演算増幅器127の入力端子(−)に入力される電圧値が高い場合(低温の場合)は、演算増幅器127の出力によりトランジスタ128がオフされるので、充電電流設定回路80および満充電検出回路90におけるトランジスタ86及び99がオンされ、上述のように設定充電電流および設定満充電電流(終止電流)が低く設定される。
以上の説明から明らかなように、設定電流切替回路120は、充電電流設定回路80および満充電検出回路90と共に設定電流可変手段を構成する。
次に充電装置300の充電時の動作について説明する。
被充電2次電池である電池パック2が充電装置300に挿入または接続されると、電池温度に応答した抵抗値を有するサーミスタ2bと抵抗8hとの合成抵抗と抵抗8gとで定電圧Vccを分圧した値が演算増幅器8kの入力端子(+)および演算増幅器81の入力端子(−)に入力される。演算増幅器8kは、分圧抵抗8aおよび8bによって定電圧Vccを分圧した値を基準とし、電池温度が低温側の所定温度以下である場合はハイ出力となり、所定温度以上である場合はロー出力となるように構成されている。例えば、この所定温度は−10℃に設定されている。一方、演算増幅器81は、分圧抵抗8dおよび8eによって定電圧Vccを分圧した値を基準とし、電池温度が高温側のある所定温度以下である場合はロー出力となり、高温側の所定温度以上である場合はハイ出力となるように構成されている。例えば、高温側の所定温度は50℃に設定されている。
以上のように電圧比較器として動作する一対の演算増幅器8kおよび81の基準入力端子側電圧値を所定値に設定すると、電池パック2の電池温度範囲が−10℃〜50℃の範囲内であれば、ORゲート8mの2つの入力レベルはどちらもローとなるので、ORゲート8mの出力レベルはローとなる。電池パック2の電池温度が−10℃以下または50℃以上である場合は、ORゲート8mの2入力の少なくとも一方の入力レベルはハイとなるので、ORゲート8mの出力レベルはハイになる。
ORゲート8mの出力は、トランジスタ7hのベースに入力される。従って、ベースにローが入力された場合、言い換えれば電池温度が−10℃〜50℃の温度範囲にある場合のみトランジスタ7hをオンする。トランジスタ7hをオンすることによって、上述したように、電圧比較器として機能する演算増幅器98の充電信号入力端子(−)に、電圧Vccがコンデンサ97を介して充電起動信号として過渡的に印加される。起動信号Viはコンデンサ97の静電容量に応じた時間、過渡的に印加される。
この時、電池パック2を充電装置300へ接続した時から所定時間を経過するまで、コンデンサ97を介して過渡的に電源電圧Vccが入力されるので、演算増幅器98の設定信号入力端子(+)に入力される設定電圧Vr(設定満充電信号)より充分高い電圧となり、演算増幅器98の出力レベルはロー出力(充電開始信号)となる。
一方、電池温度が−10℃〜50℃の範囲の電池パック2を充電装置300へ挿入する前において、演算増幅器98の充電信号入力端子(−)に入力される電圧Viは、何ら電圧も印加されず0Vなので、演算増幅器98の設定信号入力端子(+)に入力される設定電圧Vrよりも小さくなり、演算増幅器98の出力レベルはハイ出力となる。従って、−10℃〜50℃の範囲の電池温度を持つ電池パック2が充電装置300に挿入されることにより、トランジスタ7jのベースへの入力はハイからローに変化し、そのトランジスタ7jはオンからオフに切り替わる。これによって、トランジスタ7iのベースはローからハイ入力となり、トランジスタ7iはオンし、リレー4の制御コイル4bには電圧Vccが印加され、リレースイッチ4aがオンする。
過渡状態において充電開始信号がコンデンサ97により演算増幅器98の充電信号入力端子(−)に入力されリレー4がオンすると同時に、充電電流が流れ始め、充電電流検出手段3における電圧降下は、演算増幅器76および抵抗71、72によって構成される反転増幅回路に入力される。この場合、反転増幅回路(演算増幅器76)の出力(充電電流を電圧に換算した値)は、演算増幅器98の充電信号入力端子(−)に電圧Viとして入力される。この時、演算増幅器98の充電信号入力端子(−)の入力電圧Vi(検出充電電流値に対応する電圧)が演算増幅器98の設定信号入力端子(+)に入力される設定電圧Vr(満充電の終止電流に対応)以上であれば、過渡的な電圧Vccの印加が終了した後も、入力電圧Viは依然として設定値Vr以上の値を維持することになるので、演算増幅器98の出力レベルはローを維持し続け、リレー4は引き続きオン状態(リレーON)となり、充電を継続する。
電池パック2の充電が継続され、その電池電圧が定電圧値(例えば4.2V)に達すると、定電圧制御に切り換わり充電電流が降下してくる。そして演算増幅器98の充電信号入力端子(−)の入力電圧Vi(現在の充電電流値に相当)が、演算増幅器98の設定信号入力端子(+)に入力される、抵抗92と抵抗93の比(または、抵抗92と、抵抗93および抵抗94の並列合成抵抗との比)によって電圧Vccを分圧した設定値Vr(満充電を検出する終止電流に相当)以下になった場合、演算増幅器98の出力レベルがハイになるので、トランジスタ7jはオンし、トランジスタ7iのベースにはローが入力(オフ)されるのでリレー4がオフ状態(リレーOFF)となって充電を終了する。
上記構成において、サーミスタ等の感温素子2bの抵抗は一般的には負の温度係数を持つので、電池パック2の電池温度の上昇に伴い感温素子2bの抵抗値が低くなる。そこで、設定電流切替回路120の演算増幅器127の基準となる抵抗121および抵抗122の分圧値を、電池温度が例えば0℃に対応するように設定しておけば、充電時の電池温度が0℃以下である場合、設定電流切替回路120の演算増幅器127の入力端子(−)に入力される入力電圧値は前記基準値より高い値となるために演算増幅器127の出力はローになる。従って、設定電流切替回路120のトランジスタ128はオフ状態となるので、充電電流設定回路80および満充電検出回路90におけるトランジスタ86および99はそれぞれオン状態となる。
これによって、充電電流設定回路80の抵抗81および抵抗82による電源電圧Vccの分圧比をみると、トランジスタ86のオンによって抵抗83が抵抗82に並列接続されることになるので、抵抗81と抵抗82との分圧比に比べ、抵抗81と抵抗83および抵抗82の並列合成抵抗との分圧比が低くなって演算増幅器77の入力端子(+)に入力される設定充電電流値に対応する設定電圧値は低い値となる。このため充電電流制御回路70は、電池温度が低い場合の充電電流を電池パック2に供給する。同様に、満充電検出回路90の抵抗92および抵抗93による電源電圧Vccの分圧比をみると、トランジスタ99のオンによって抵抗94が抵抗93に並列接続されることになるので、抵抗92と抵抗93との分圧比に比べ、抵抗92と抵抗93および抵抗94の並列合成抵抗との分圧比が低くなって演算増幅器98の入力端子(+)に入力される設定満充電電流値に対応する設定電圧値は低い値となる。このため満充電検出回路90は、電池温度が低い場合の満充電電流値(終止電流値)となる。
逆に、充電時の電池パック2の電池温度が0℃以上である場合、設定電流切替回路120の演算増幅器127の入力値は前記基準値より低い値が入力されるため、演算増幅器127の出力はハイになる。よって、トランジスタ128はオンするので、充電電流設定回路80および満充電検出回路90におけるトランジスタ86および99はそれぞれオフ状態を維持するので、抵抗81と抵抗82による分圧比、および抵抗92と抵抗93による分圧比によって分圧される電圧値が充電電流および終止電流値の基準値になる。ここで、抵抗82と抵抗83の並列合成抵抗値は抵抗82に比べ小さく、また抵抗93と抵抗94の並列合成抵抗値は抵抗93に比べ小さくなる。すなわち、電池温度が0℃以下の場合の充電電流をi1、設定満充電電流(終止電流)をi2とし、0℃以上の場合の充電電流をi3、設定満充電電流(終止電流)をi4とすると、i1<i3、i2<i4の関係が成り立ち、電池パック2の電池温度に応じて適切な電流値を選択し充電を行うことができる。
本発明の充電装置300に従う充電特性図の例を図2乃至図4に示す。図2は0℃以下の電池パックを充電した場合の充電特性図、図3は充電初期は0℃以下の電池パックが充電中に0℃以上に変化した場合の充電特性図、図4は0℃以上の電池パックを充電した場合の充電特性図をそれぞれ示す。
図2に示した充電特性図は、充電開始時おいて電池パック2の電池温度が−10℃、充電電流i1が1Aで、充電終了時に電池温度が−2℃〜−3℃、充電電流の終止電流(満充電電流)i2が0.5Aの例を示す。
図3に示した充電特性図は、充電開始時おいて電池パック2の電池温度が−2℃〜−3℃、充電電流i1が1Aで、充電終了時に電池温度が17℃〜18℃、充電電流の終止電流(満充電電流)i4が1Aの例を示す。この場合、電池温度が充電途中で0℃を越えたので、充電電流をi1=1Aからi3=3Aに切替え、また終止電流もi3=0.5Aからi4=1Aに切替えている。充電時間は図2に示す場合に比べ短くできる。
図4に示した充電特性図は、充電開始時おいて電池パック2の電池温度が10℃、充電電流i3が3Aで、充電終了時に電池温度が17℃〜18℃、充電電流の終止電流(満充電電流)i4が1Aの例を示す。充電時間は図3に示す場合に比べさらに短くできる。図2乃至図4に示すように、本実施形態おいては低温時には寿命に配慮した低電流充電を行う。また、電池温度の上昇に伴い充電電流を上昇させるので寿命に配慮しつつ、充電時間の短縮を実現できる。
なお、上記実施例では設定電流切替回路120に一つの比較器127を用いて設定充電電流値および設定満充電電流値を可変した例について説明したが、比較器を多数用いることによって、細かく設定充電電流値および設定満充電電流値を切替えることができる。
以上の実施例の説明から明らかなように、本発明の充電装置によれば、演算増幅器または電圧比較器を用いることによって、被充電2次電池に流す充電電流の大きさおよび満充電電流(終止電流)の大きさを電池温度に応答して調整するように構成したので、マイクロコンピュータを使用せずに比較的簡単で安価な制御回路により定電流・定電圧制御での電池温度に対応した満充電判別を行うことができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
本発明の一実施形態に係る充電装置の回路図。 図1に示した充電装置において電池温度が0℃以下の場合の充電特性図。 図1に示した充電装置において電池温度が充電初期には0℃以下で充電中に0℃以上になった場合の充電特性図。 図1に示した充電装置において電池温度が0℃以上の場合の充電特性図。
符号の説明
1:入力商用電源 2:電池パック 2a:電池セル 2b:感温素子
3:電流検出抵抗 4:スイッチ手段(リレー) 4a:リレースイッチ
4b:制御コイル 5:充電帰還信号伝達手段(ホトカプラ)
6:スイッチング停止回路 6a:ホトカプラ 6b、6c、6d:抵抗
6e:トランジスタ 7:リレー制御回路 7a〜7g:抵抗
7h〜7j:トランジスタ 8:電池温度検出回路 8a〜8j:抵抗
8k、81:演算増幅器 8m:ORゲート 9:LED表示回路
9a〜9c:抵抗 9d:表示用LED 10:1次側整流平滑回路
11:全波整流回路 12:平滑用コンデンサ 20:スイッチング回路
21:高周波トランス 21a〜21d:トランスの巻線
24:定電圧回路 24a:整流用ダイオード 24b、24c:コンデンサ
24d:3端子レギュレータ 30:2次側整流平滑回路
31:整流用ダイオード 32:平滑用コンデンサ 33:放電用抵抗
40:出力電圧検出回路 41、42:分圧抵抗 50:出力電圧制御回路
51〜54:抵抗 55:演算増幅器 56:ダイオード
60:出力電圧設定回路 61、62:分圧抵抗 70:充電電流制御回路
71〜75:抵抗 76、77:演算増幅器 78:ダイオード
80:充電電流設定回路 81〜85:抵抗 86:トランジスタ
90:満充電検出回路 91〜96:抵抗 97:コンデンサ
98:演算増幅器 99:トランジスタ 100:過電圧検出回路
101、102:抵抗 103:演算増幅器 110:制御回路用定電圧電源
111:整流用ダイオード 112、113:コンデンサ
114:3端子レギュレータ 120:設定電流切替回路
121〜126、129:抵抗 127:演算増幅器 128:トランジスタ
200:充電電源回路 300:充電装置

Claims (6)

  1. 充電電流設定手段によって充電電流値を設定し、充電電流を前記設定充電電流値に制御するための充電電流制御回路と、
    満充電電流設定手段によって満充電時に対応する満充電電流値を設定し、充電電流が前記設定満充電電流値以下になったとき充電停止信号を発生させるための満充電検出回路と、
    被充電2次電池の電池温度を検出するための電池温度検出手段とを具備し、定電流・定電圧充電制御方式により電池パックを充電する充電装置であって、
    一方の入力端子に前記電池温度検出手段によって検出された前記電池温度に対応する電池温度信号を入力し、他方の入力端子に基準温度に対応する基準信号を入力し、出力に対応して前記充電電流設定手段の前記設定充電電流値及び前記満充電電流設定手段の前記設定満充電電流値を可変させる比較器を有し
    電池温度が所定値以下のときの設定充電電流値をi1、設定満充電電流値をi2としたときに、電池温度が所定値より大きい場合は、設定充電電流値をi3(i3>i1)、設定満充電電流値をi4(i4>i2)に切り替える設定電流切替回路を備えたことを特徴とする充電装置。
  2. 前記電池温度検出手段は、前記被充電2次電池に内蔵された感温素子の抵抗変化を検出することを特徴とする請求項1に記載された充電装置。
  3. 前記充電電流設定手段及び前記満充電電流設定手段は、分圧抵抗回路を含み、前記設定電流切替回路の出力によって前記分圧抵抗回路を構成する分圧抵抗に分圧値調整用抵抗を並列接続するか否かによって、前記設定充電電流値及び前記設定満充電電流値を切替ることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載された充電装置。
  4. 前記設定充電電流値及び前記満充電電流値は、それぞれの電流値に対応する信号が電圧値であり、前記電池温度信号及び前記基準信号は、それぞれ前記電池温度及び前記基準温度に対応する電圧値であることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか一つに記載された充電装置。
  5. 前記被充電2次電池が定電流・定電圧制御で充電されるリチウム電池であることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか一つに記載された充電装置。
  6. 前記充電電流制御回路は第2の比較器を具備し、前記第2の比較器における一方の入力端子に前記充電電流に応答する充電信号を入力し、前記第2の比較器における他方の入力端子に前記設定電流切替回路の出力に基づいて設定された前記設定充電電流値に対応する設定充電信号を入力するように構成し、
    前記満充電検出回路は第3の比較器を具備し、前記第3の比較器における一方の入力端子に前記充電電流に応答する充電信号を入力し、前記第3の比較器における他方の入力端子に前記設定電流切替回路の出力に基づいて設定された前記設定満充電電流値に対応する設定満充電信号を入力するように構成し、前記設定電流切替回路によって前記設定充電電流値及び前記設定満充電電流値を温度に対し可変させる構成としたことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか一つに記載された充電装置。
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