CN110138024A - 充电控制装置、充电***以及充电控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种充电控制装置、充电***以及充电控制方法。充电控制装置利用外部电源的电流限制功能对二次电池的充电进行控制，其具有：充电控制元件，其被配置为串联连接在上述外部电源与上述二次电池之间；恒流控制部，其将上述充电控制元件的输出电流控制为恒定；恒压控制部，其将上述充电控制元件的输出电压控制为恒定；以及接通状态设定部，其将上述充电控制元件设定为接通状态，上述充电控制元件具有用于输入对上述输出电流以及上述输出电压进行控制的控制信号的控制端子，并且由单一的输出元件构成。

Description

充电控制装置、充电***以及充电控制方法
技术领域
本发明涉及充电控制装置、充电***以及充电控制方法。
背景技术
图1表示现有的充电***的结构的一例。充电***1000具备将交流电力变换为直流电力后进行输出的AC适配器300、锂离子电池等的二次电池200、基于从AC适配器300输出的直流电力对二次电池200的充电进行控制的充电控制装置100。
在充电控制装置100通过线性充电方式对二次电池200进行CC(ConstantCurrent)充电或者CV(Constant Voltage)充电时，充电控制装置100的消耗功率为ΔV×Ic占据大半。ΔV表示从AC适配器300向充电控制装置100输入的输入电压与从高充电控制装置100向二次电池200输出的输出电压的电位差。Ic表示从充电控制装置100向二次电池200输出的充电电流。
作为二对次电池的充电进行控制的现有技术文献，例如举出专利文献1、2、3。
但是，在现有技术中，为了缩短充电时间当以比较大的电流对二次电池以线性充电方式进行充电时，充电控制装置的消耗功率有可能过大。
例如，如图1、2所示，在使AC适配器300的输出电压5.0V进行降压来对电池电压为3.0V的二次电池200进行充电时，为了缩短充电时间，当把充电电流设定为比较大的1.0A时，充电控制装置100的消耗功率大约为2.0W。存在该消耗功率值超过安装IC(IntegratedCircuit)时的允许损失的情况。
专利文献1：日本特开2000-060015号公报
专利文献2：日本特开2000-195563号公报
专利文献3：日本特开2009-296817号公报
发明内容
因此，本公开提供一种即使以比较大的电流对二次电池进行充电，也能够抑制充电控制装置的消耗功率的技术。
本公开提供一种充电控制电路，其是利用外部电源的电流限制功能对二次电池的充电进行控制的充电控制电路，其具有：充电控制元件，其串联连接在上述外部电源与上述二次电池之间；恒流控制部，其恒定地控制上述充电控制元件的输出电流；恒压控制部，其恒定地控制上述充电控制元件的输出电压；以及接通状态设定部，其将上述充电控制元件设定为接通状态，上述充电控制元件具有用于输入对上述输出电流以及上述输出电压进行控制的控制信号的控制端子，并且由单一的输出元件构成。
本公开提供一种充电***，其具备：二次电池、具备电流限制功能的外部电源、以及利用上述电流限制功能对上述二次电池的充电进行控制的充电控制装置，上述充电控制装置具有：充电控制元件，其串联连接在上述外部电源与上述二次电池之间；恒流控制部，其恒定地控制上述充电控制元件的输出电流；恒压控制部，其恒定地控制上述充电控制元件的输出电压；以及接通状态设定部，其将上述充电控制元件设定为接通状态，上述充电控制元件具有用于输入对上述输出电流以及上述输出电压进行控制的控制信号的控制端子，并且由单一的输出元件构成。
此外，本公开提供一种充电控制方法，其是利用外部电源的电流限制功能来对二次电池的充电进行控制的充电控制方法，恒定地控制以串联连接在上述外部电源与上述二次电池之间的方式配置的充电控制元件的输出电流，恒定地控制上述充电控制元件的输出电压，并且将上述充电控制元件设定为接通状态，上述充电控制元件具有用于输入对上述输出电流以及上述输出电压进行控制的控制信号的控制端子，并且由单一的输出元件构成。
根据本公开，即使以比较大的电流对二次电池进行充电，也能够抑制充电控制装置的消耗功率。
附图说明
图1表示现有的充电***的结构的一例。
图2表示由现有的充电***进行的充电动作的一例的时序图。
图3表示AC适配器等外部电源的输出特性的变动。
图4表示本实施方式的充电***的结构的一例。
图5表示本实施方式的充电***进行的充电控制动作的一例。
图6更加详细地表示本实施方式的充电***的结构的一例。
图7表示电流检测电路的结构的一例。
图8表示充电控制电路的结构的一例。
图9是表示本实施方式的充电***进行的充电控制方法的一例的流程图。
图10表示本实施方式的充电***的变形例。
具体实施方式
以下按照附图对本公开的实施方式进行说明。首先说明AC适配器等外部电源的输出特性的变动。
图3表示AC适配器等外部电源的输出特性的变动。AC适配器等外部电源的输出特性中存在A、B、C这样的种类。在具有这些输出特性的外部电源中，当输出电流达到电流限制Il时，用于限制输出电流的过电流保护功能起作用。
输出特性A表示当在输出电压为预定的电压值时想要超过预定的电流值(电流限制Il)而流过输出电流时，输出电流保持恒定的电流值(电流限制Il)而输出电压下降的下降特性。输出特性B表示当在输出电压为预定的电压值时想要超过预定的电流值(电流限制Il)而流过输出电流时，输出电压与输出电流一同下降的“フ”字型特性(折返特性)。输出特性C表示当在输出电压为预定的电压值时超过某个电流值(电流限制Il的下限值)而流过输出电流时，一边流过输出电流输出电压一边降低的特性。
如此，无论具有哪个输出特性的外部电源都具有当把电流限制Il(的下限值)以上的电流引至外部电源的输出侧的负载时，输出电压降低的电流限制功能。“电流限制功能”还包含即使并非有意识地(在设计上)设置电流限制，但在电路结构上，当超过某个电流值而流过输出电流时输出电压降低的情况(例如，输出特性C那样的情况)。
因此，图4所示的本实施方式的充电控制装置101利用AC适配器等外部电源301具有的电流限制功能，使向自身输入的输入电压(外部电源301的输出电压)如图5那样追随电池电压。由此，即使通过比较大的充电电流对二次电池201进行充电，也能够降低充电控制装置101的消耗功率。
具体地说，充电控制装置101具备串联连接在外部电源301与二次电池201之间的充电控制晶体管，在使该充电控制晶体管接通的动作模式(直接模式)下进行动作。由此，低电阻(即，充电控制晶体管的接通电阻)地将外部电源301与二次电池201连接，能够直到在外部电源301中预先设定的电流限制为止从外部电源301引出充电电流。此时，对二次电池201进行充电时的充电电流在规格上的上限值需要超过外部电源301的电流限制值，因此，需要预先取得外部电源301的输出电流能力与二次电池201的充电规格之间的匹配性。
理想的是希望使用预定的具备一定的电流能力的专用的外部电源来对二次电池进行充电。但是，还假设以下的情况：当采用USB(Universal Serial Bus)连接器时，在市场上，将与专用的外部电源不同规格的外部电源连接在充电控制装置101的入力侧。因此，作为保护功能，充电控制装置101可以具备当输入电流超过了规定值时限制输出电流的电流制限功能，也可以具备当温度超过了规定值时限制输出电流的温度制限功能。
接着，参照图4、5对本实施方式的充电***1001的结构以及充电动作进行说明。
图4表示本实施方式的充电***的结构的一例。图4所示的充电***1001具备：AC适配器等外部电源301、锂离子电池等二次电池201、根据从外部电源301输出的直流电力对二次电池201的充电进行控制的充电控制装置101。
充电控制装置101使用通过预定的电流值施加电流限制的外部电源301，以在使外部电源301与二次电池201之间串联连接的充电控制晶体管接通的状态下对二次电池201急速地进行充电的直接模式进行动作。当充电控制装置101以直接模式对二次电池201进行充电时，外部电源301的电流限制功能起作用。在电流限制功能起作用的状态下，外部电源301的输出电流(充电电流)上升到电流限制Il，另一方面，从外部电源301输出的输出电压降低到比二次电池201的电池电压稍高的电压。即，当充电控制装置101以直接模式对二次电池201进行充电时，内置有充电控制晶体管的充电控制装置101的输入输出之间的电压ΔV(即，外部电源301的输出电压与二次电池201的电池电压之间的差)如图5那样减少。ΔV相当于充电电流的电流限制Il的值与充电控制晶体管的接通电阻的值之间的乘积(即，充电控制晶体管的接通电阻的电压降)。
例如，在使用以1.0A来施加电流限制的外部电源301，并且内置有接通电阻为300mΩ的充电控制晶体管的充电控制装置101以直接模式对二次电池201进行充电的情况下，充电控制装置101的消耗功率为300mW。即使充电电流为相同的1.0A，该消耗功率与图1、2的现有例子相比也非常小，一般多为不会超过安装状态的IC的允许损失的值。
在使用直接模式的线性充电方式下产生的消耗功率取决于充电控制晶体管的接通电阻，因此，流过的充电电流越是增加，充电控制装置101的输入输出之间的电压变得越小。因此，充电控制晶体管的接通电阻越小，越是能够抑制充电控制装置101的消耗功率。
接着，对本实施方式的充电***1001的结构以及充电控制动作进行更加详细的说明。
图6更加详细地表示本实施方式的充电***的结构的一例。充电***1001具备外部电源301、二次电池201、以及充电控制装置101。
外部电源301是基于直流电力或交流电力来输出直流电力的设备。作为外部电源301的具体例子，举出USB装置、AC适配器等。
二次电池201是可充电的电池。作为二次电池201的具体例子，举出锂离子电池，但并不限于此。
充电控制装置101是利用外部电源301的电流限制功能来对二次电池201的充电进行控制的集成电路(IC)。充电控制装置101具备电流检测电路10、充电控制电路20、电流制限电路30、恒流控制电路40、直接控制电路50、恒压控制电路60、满充电检测电路70以及重新充电检测电路80。
电流检测电路10检测从外部电源301向充电控制装置101输入的输入电流的电流值，将该检测结果向电流制限电路30、恒流控制电路40以及满充电检测电路70输出。电流检测电路10被配置为串联连接在外部电源301与充电控制电路20之间。
图7表示电流检测电路10的结构的一例。a、b、c表示图6与图7之间对应的部位。电流检测电路10具有流过充电电流的晶体管11；尺寸比晶体管11小的晶体管12；对晶体管11、12的各栅极进行控制的栅极控制电路13；与晶体管12连接的电阻14。晶体管11、12例如为P沟道的MOSFET(Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor)。晶体管11、12构成电流反射镜。栅极控制电路13在直接模式时将晶体管11、12完全接通，除此以外，在通常的充电时在饱和区域(在接通电阻高的状态下)使晶体管11、12进行动作。
在晶体管11与晶体管12之间的尺寸比(反射镜比)为N：1时(N为比1大的正整数)，从晶体管12输出从外部电源301向晶体管11流过的充电电流的N分之一倍的电流。通过电阻14将从晶体管12输出的电流变换为电压。即，图7所示的电流检测电路10检测与从外部电源301向充电控制电路20输入的充电电流的电流值对应的电流检测电压。
图8表示充电控制电路20的结构的一例。b、d、eは表示图6与图8之间对应的部位。充电控制电路20具有充电控制晶体管21和防逆流电路22。
充电控制晶体管21是以串联连接在外部电源301与二次电池201之间的方式配置的充电控制元件的一例，由单一的输出元件构成。作为充电控制晶体管21的具体例，举出P沟道的MOSFET。充电控制晶体管21在为P沟道时，将源极连接在外部电源301侧，将漏极连接在二次电池201侧，将栅极经由开关93(参照图6)接地。充电控制晶体管21的栅极是用于输入对充电控制晶体管21的输出电流以及输出电压进行控制的控制信号的控制端子。
防逆流电路22防止从二次电池201经由充电控制晶体管21向外部电源301流过电流。防逆流电路22构成为在符号d侧的输出电压变得高于符号b侧的输入电压的紧前，使充电控制晶体管21为断接通状态来防止逆流(例如参照上述的专利文献3)。“符号d侧的输出电压变得高于符号b侧的输入电压的紧前”例如是指“符号b侧的输入电压与符号d侧的输出电压之间的差接近至30mV时”等。
在图6中，充电控制装置101具有恒流模式、恒压模式以及直接模式这样的至少三个充电模式，从充电控制电路20内的单一的充电控制晶体管21输出在各充电模式下对二次电池201进行充电的充电电流。在各个充电模式下使用的充电电流并非从各个晶体管输出，而是从单一的充电控制晶体管21输出，因此充电控制装置101能够小型化。
恒流模式是从外部电源301向二次电池201流过恒定的充电电流的充电模式，通过恒流控制电路40进行控制。恒压模式是抑制充电电流使得二次电池201的电池电压不会上升超过恒定的电压(恒压控制电压)的充电模式，通过恒压控制电路60进行控制。直接模式是使充电控制晶体管21为接通状态，由此利用外部电源301的电流限制功能流过对二次电池201急速进行充电的充电电流的充电模式，通过直接制御电路50进行控制。
恒流控制电路40是进行将充电控制晶体管21的输出电流控制为恒定的恒流目标值的恒流控制的恒流控制部的一例，对于通过恒流(即，恒定的恒流目标值)对二次电池201进行充电的CC充电进行控制。例如，恒流控制电路40基于由电流检测电路10检测的充电电流值来调整充电控制晶体管21的栅极电压，使得从充电控制晶体管21的漏极向二次电池201输出的输出电流与恒定的恒流目标值一致。即，恒流控制电路40向充电控制晶体管21的栅极供给用于控制充电控制晶体管21的输出电流的控制信号。
恒压控制电路60是进行将充电控制晶体管21的输出电压控制为恒定的恒压控制电压的恒压控制的恒压控制部的一例，对于通过恒压(即，恒定的恒压控制电压)对二次电池201进行充电的CV充电进行控制。例如，恒压控制电路60根据从充电控制晶体管21的漏极检测的输出电压调整充电控制晶体管21的栅极电压，使得从充电控制晶体管21的漏极输出的输出电压与恒定的恒压制御电压一致。即，恒压控制电路60向充电控制晶体管21的栅极供给用于控制充电控制晶体管21的输出电压的控制信号。从充电控制晶体管21的漏极检测的输出电压与二次电池201的电池电压大体相等。
恒流控制电路40进行的恒流控制的反馈环与恒压控制电路60进行的恒压控制的反馈环同时进行动作，取决于配线阻抗等而自动地切换。具体地说，并非同时执行恒流控制与恒压控制，而是始终执行某一方。
电流制限电路30判定由电流检测电路10检测的充电电流值是否大于预定的过电流检测值，在检测出充电电流大于预定的过电流检测值时，输出表示充电电流过大的过电流检测信号。经由“或”电路91将过电流检测信号输入给直接控制电路50。过电流检测值设定得比恒流目标值高，因此在恒流控制电路40将充电控制晶体管21的输出电流控制为恒流的恒流模式下，不输出过电流检测信号。
直接控制电路50是将充电控制晶体管21设定为接通状态的接通状态设定部的一例，利用外部电源301的电流限制功能进行在直接模式下对二次电池201进行充电的控制。例如，直接控制电路50通过使开关93为接通状态，将充电控制晶体管21设定为接通状态。
直接控制电路50例如根据来自充电控制装置101外部的信号，控制充电控制晶体管21的接通状态的设定。由此，能够对于是否将二次电池201的充电模式设定为直接模式进行切换。充电控制装置101的外部例如是指从二次电池201接受电力供给的设备(具体地说，为便携终端装置或电动工具等)。直接控制电路50在检测到二次电池201的电池电压(充电控制晶体管21的输出电压)为预定的直接模式突入电压以上且小于预定的直接模式解除电压时，可以将充电模式设定为直接模式。
直接控制电路50当在直接模式下检测到电流制限电路30的过电流检测信号时，为了解除直接模式，使开关93断开使开关92接通。由此，由恒流控制电路40执行CC充电。由此，即使错误地连接了电流输出能力比预想的要高的外部电源301，也能够限制充电电流以CC充电的恒定的恒流目标值为上限，防止充电控制装置101发生故障。此外，还能够防止向二次电池201流入额定以上的电流，防止二次电池201的故障。
满充电检测电路70是检测二次电池201的满充电的电路。例如，满充电检测电路70在由电流检测电路10检测到比预定的满充电检测电流低的充电电流时，输出表示检测到二次电池201充满电的满充电检测信号。满充电检测电路70例如经由“或”电路94将表示满充电检测信号的高电平的信号输出给充电控制电路20。由此，充电控制电路20内的P沟道的充电控制晶体管21的栅极断开，从而停止从充电控制晶体管21向二次电池201输出充电电流。
重新充电检测电路80还在由满充电检测电路70检测到满充电后，如果连接外部电源301，则始终监视二次电池201的电池电压。重新充电检测电路80在检测到比预定的重新充电检测电压小的电池电压时，判断为二次电池201的电池电压由于放电而降低，并再次开始CC充电或CV充电。
图9表示本实施方式的充电***进行的充电控制方法的一例。参照图5、6等说明图9所示的方法。
在步骤S11，将AC适配器或USB装置等外部电源301与充电控制装置101连接。
在步骤S13，恒压控制电路60检测二次电池201的电池电压是否低于恒压控制电压VCV(参照图5。例如，4.2V)。在检测到比恒压控制电力低的电池电压时，在步骤S15，恒流控制电路40通过恒流模式对二次电池201进行CC充电(图5的时刻t3以前的期间)。
在步骤S17，直接控制电路50判定是否正在输入直接模式开信号。在“或”电路91未检测到直接模式开信号的输入时，执行步骤S13的处理。另一方面，在由“或”电路91检测到直接模式开信号的输入时，直接控制电路50将开关93接通将开关92断开。由此，将充电控制晶体管21设定为接通状态，因此充电电流上升到电流限制Il，另一方面，外部电源301的输出电压下降到比电池电压稍大的电压(图5的时刻t1)。
在步骤S19，重新充电检测电路80检测二次电池201的电池电压是否低于直接模式解除电压Vdm(参照图5。例如为4.1V)。在由重新充电检测电路80检测到比直接模式解除电压Vdm低的电池电压时，在步骤S21进行直接模式下的充电(图5的从时刻t1到t2的期间)。
另一方面，重新充电检测电路80在检测到直接模式解除电压Vdm以上的电池电压时，输出表示电池电压为直接模式解除电压Vdm以上的解除指令信号。当通过“或”电路91接收到解除指令信号时，直接控制电路50将开关92接通并且将开关93断开。由于开关93断开，充电控制电路20的充电控制晶体管21的接通状态的设定被解除。由于开关92接通，恒流控制电路40控制充电控制晶体管21的栅极，使得充电控制晶体管21的输出电流成为恒流。由此，在步骤S15，恒流控制电路40在恒流模式下对二次电池201进行CC充电(图5的从时刻t2到t3的期间)。
另一方面，在步骤S13，恒压控制电路60在检测到电池电压为恒压控制电压VCV以上时，控制充电控制电路20，使得通过从充电控制电路20输出的恒压对二次电池201进行充电(步骤S23)。即，恒压控制电路60对二次电池201进行CV充电(图5的从时刻t3到t4的期间)。
在此，如图5所示，并非从直接模式立即迁移到CV充电，而是从直接模式经由CC充电迁移到CV充电。通过经由CC充电，充电电流从电流限制Il暂时降低。由此，能够防止在电池电压比较高的状态下，以比较高的充电电流(电流限制Il)对二次电池201进行充电，能够防止二次电池201的恶化。
在步骤S25，满充电检测电路70检测充电电流是否低于预定的满充电检测电流Imin(参照图5)。在由满充电检测电路70检测到满充电检测电流Imin以上的充电电流时，继续由恒压控制电路60进行恒压充电。另一方面，在由满充电检测电路70检测到小于满充电检测电流Imin的充电电流时，满充电检测电路70输出表示检测到小于满充电检测电流Imin的充电电流的满充电检测信号(步骤S27)。由于满充电检测信号的输出，充电控制晶体管21断开，二次电池201的充电停止。
在步骤S29，检测电池电压是否低于重新充电检测电压。将重新充电检测电压设定为比直接模式解除电压Vdm低的电压(例如为3.9V)。在通过重新充电检测电路80检测到重新充电检测电压以上的电池电压时，满充电状态持续。另一方面，重新充电检测电路80在检测到小于重新充电检测电压的电池电压时，输出表示检测到小于重新充电检测电压的电池电压的重新充电检测信号。恒流控制电路40对二次电池201进行CC充电(步骤S15)。
图10表示本实施方式的充电***的变形例。为了使充电控制装置具有通用性，可以将通过直接模式而接通的充电控制晶体管21设置在充电控制装置102的外部。关于充电控制装置102的结构，除了外设充电控制晶体管21这一点以外，可以与充电控制装置101相同。
如上所述，根据本实施方式，通过将充电控制晶体管21设定为接通状态，由于外部电源301的电流限制功能，充电控制晶体管21的输入输出之间的电压降低。由此，即使用比较大的充电电流对二次电池进行充电，与能够抑制充电制御装置的消耗功率。此外，充电控制装置因为搭载了CV充电的控制功能，能够防止二次电池陷入过充电状态。此外，通过使用电流制限保护功能，不会使二次电池流过过电流。
以上通过实施方式说明了充电控制电路以及电池组，但是本发明并不限于上述实施方式。能够在本发明的范围内进行与其他实施方式的一部分或全部的组合或置换等各种变形以及改进。
附图标记的说明
21 充电控制晶体管
40 恒流控制电路
50 直接控制电路
60 恒压控制电路
101、102 充电控制装置
200、201 二次电池
300 AC适配器
301 外部电源
1000、1001 充电***。

Claims (7)

1.一种充电控制电路，其是利用外部电源的电流限制功能对二次电池的充电进行控制的充电控制电路，其特征在于，具有：
充电控制元件，其被配置为串联连接在上述外部电源与上述二次电池之间；
恒流控制部，其将上述充电控制元件的输出电流控制为恒定；
恒压控制部，其将上述充电控制元件的输出电压控制为恒定；以及
接通状态设定部，其将上述充电控制元件设定为接通状态，
上述充电控制元件具有用于输入对上述输出电流以及上述输出电压进行控制的控制信号的控制端子，并且由单一的输出元件构成。
2.根据权利要求1所述的充电控制电路，其特征在于，
在检测到预定的解除电压以上的上述输出电压时，解除上述接通状态设定部的上述接通状态的设定，通过上述恒流控制部将上述输出电流控制为恒定。
3.根据权利要求2所述的充电控制电路，其特征在于，
在检测到预定的恒压控制电压以上的输出电压时，从上述恒流控制部的控制迁移到上述恒压控制部的控制。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的充电控制电路，其特征在于，
上述接通状态设定部根据来自上述充电控制装置外部的信号，控制上述接通状态的设定。
5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的充电控制电路，其特征在于，
上述充电控制电路具备防逆流电路，该防逆流电路防止从上述二次电池经由上述充电控制元件向上述外部电源流动电流。
6.一种充电***，其具备：二次电池、具备电流限制功能的外部电源、以及利用上述电流限制功能对上述二次电池的充电进行控制的充电控制装置，其特征在于，
上述充电控制装置具有：
充电控制元件，其串联连接在上述外部电源与上述二次电池之间；
恒流控制部，其将上述充电控制元件的输出电流控制为恒定；
恒压控制部，其将上述充电控制元件的输出电压控制为恒定；以及
接通状态设定部，其将上述充电控制元件设定为接通状态，
上述充电控制元件具有用于输入对上述输出电流以及上述输出电压进行控制的控制信号的控制端子，并且由单一的输出元件构成。
7.一种充电控制方法，其是利用外部电源的电流限制功能对二次电池的充电进行控制的充电控制方法，其特征在于，
将被配置为串联连接在上述外部电源与上述二次电池之间的充电控制元件的输出电流控制为恒定，
将上述充电控制元件的输出电压控制为恒定，
将上述充电控制元件设定为接通状态，
上述充电控制元件具有用于输入对上述输出电流以及上述输出电压进行控制的控制信号的控制端子，并且由单一的输出元件构成。
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