JP2005261020A

JP2005261020A - 充電制御装置

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Publication number: JP2005261020A
Application number: JP2004066116A
Authority: JP
Inventors: Satoyuki Takanabe; 智行高鍋
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-09
Also published as: JP4091010B2

Abstract

【課題】充電に要する時間を短縮し、二次電池の充電状態や種類に応じて最適な充電時間を設定することができる充電制御装置を提供する。
【解決手段】差分電圧検出回路１２によって二次電池１５の内部抵抗１６によって生じる電圧降下が求められる。カウンタ回路１３は定電流での充電中に、差分電圧検出回路１２によって求められた電圧降下だけ端子電圧ＶＢＡＴが変化する時間を計測する。端子電圧ＶＢＡＴが電池セル１７の充電目標値に達すると、カウンタ回路１３は以後の経過時間を計測して、経過時間が保持した計測結果に一致すると切替回路１１に対し定電流制御回路９による定電流充電を終了させる。電池セル１７を満充電状態に精度よく近づけることによって、充電時間を短縮することが可能になる。
【選択図】図１

Description

この発明は、二次電池の充電制御装置に関し、より特定的には二次電池に定電流を印加して充電を行なう充電制御装置に関するものである。

近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種の携帯端末の普及により二次電池の需要が高まっている。二次電池の代表的なものには、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などがある。中でも、リチウムイオン電池は他の２つの二次電池と比較して容量が大きいことから各種の携帯端末に用いられ、急速に用途が広がっている。

二次電池は充電により繰返し使用される。二次電池は長時間の使用が可能な満充電状態になるよう充電されることが望ましい。しかし、二次電池を満充電状態にするための充電が適切になされない場合、二次電池は特性の劣化を招くおそれがある過充電状態になる。

二次電池の充電に際しては、その二次電池に許される充電電流の範囲内で適切に設定された定電流にて充電が行われる。二次電池が充電されるのに伴って電池の端子電圧は上昇する。充電電圧が二次電池の定格電圧を超えると過充電状態となるので、定格電圧を超える前に充電を停止する。

充電を開始した時点では、電池の電圧が低い。よって、充電電流は許容電流値を超えない、ある設定値に制限されて二次電池に印加される。充電が進行して端子電圧が設定電圧まで上昇すると端子電圧が設定電圧に保持され、さらに充電が継続される。

充電が進行し端子電圧と設定電圧との差が少なくなると充電電流が減少する。充電電流が減少するほど、充電時間に対する充電電流の変化は緩やかになり、全体の充電時間は長くなる。充電電圧が設定電圧に等しくなり充電電流が０に到達する時点で充電を終了するのが理想的である。しかし、上述のように充電電流が減少するほど充電時間は長くなり、また、充電電流が微小になるほど充電電流を検出するのは困難になる。よって、定電圧での充電時には充電電流が所定の値以下に減少すると充電が終了するよう設定される。

このような充電方法は二次電池の特性を劣化することなく充電できるという特徴を有する。リチウムイオン等の二次電池は過充電や過放電に対する耐量が少ないので上述のような充電方法は特に有効である。ただし、定電圧での充電が長時間行われて電池の充電電流が微小になるほど、充電装置の内部で電流が無駄に消費される。また充電時間が長いことは電池を使用するユーザの利便性を低下させる要因になる。よって二次電池の充電時間はできるだけ短いことが望ましい。

充電時間を短くする方法として、たとえば、定電流充電の際に充電電流を大きくすることで、端子電圧が設定電圧に達するまでの時間を短縮する方法がある。この方法では、充電に要する時間は短くなるものの、充電電流が大きいため、電池の発熱等を始めとして電池の性能を劣化させるという影響を与える。したがって、充電電流を大きくして充電時間を短くすることは二次電池にとって好ましくない。

また、充電時間を短くする別の方法として、たとえば定電圧充電の際に設定電圧値を大きくすることで端子電圧が設定電圧に達するまでの時間を短縮する方法が考えられる。しかし設定電圧値を大きくした場合には電池に含まれる電解液の電気分解反応が促進され、電池寿命が極端に低下する。したがって、設定電圧値を大きくして充電時間を短くすることは二次電池にとって好ましくない。

よって、二次電池の充電に際しては充電電圧がその二次電圧の定格電圧を超えないように余裕を持たせながらできるだけ高い電圧値に設定し、設定された電圧値に達するまで一定電流にて充電を行なうことによって、定電圧での充電後の充電時間を短縮する方法が用いられる。以上のことから、定電流での充電における設定電圧値は、二次電池の充電時間や使用時間、あるいは性能劣化の防止を決定付ける重要な要因となる。

しかしながら、実際の二次電池は内部抵抗と電池セルとから構成される。たとえば、リチウムイオン電池の場合、過充電を防ぐための安全装置として半導体スイッチング素子やサーミスタ抵抗などが内蔵される。これらの素子の抵抗と電池セルの内部抵抗が二次電池の内部抵抗になる。

電池セルの電圧が本来の充電電圧であり、電池セルの電圧をできるだけ満充電状態の電圧に近づけることが望ましい。しかし二次電池を充電している間においては、電池セルの電圧は外部からモニタできず、電池セルの充電電圧および内部抵抗による電圧降下分とを加えた電圧が外部からモニタされる。

したがって、定電流による充電の際には二次電池の内部抵抗による電圧降下分を考慮して設定電圧値を高く設定し、端子電圧が設定電圧値に到達した後は、設定電圧値よりも低い定電圧で充電を行なうことで、充電時間を短縮しつつ二次電池が満充電状態になるように充電される充電方法がある。このような充電方法の例として、特開平６−３２５７９４号公報（特許文献１）では、定電流を二次電池に印加して端子電圧が充電目標値に達すると、さらに、予め求められた時間、定電流による充電を継続して電池セルに充電される電圧を目標値に近づけることでその後の定電圧による充電時間を減少させ、全体の充電時間を減少させる充電方法および充電器が開示される。
特開平６−３２５７９４号公報

特許文献１に開示される充電方式においては、端子電圧が充電目標値に達した後、さらに固定された時間だけ定電流が印加される。しかしながら、電池の状態によって端子電圧が設定電圧値に達するまでの時間は変化し得る。一般的に、電池に電流が印加されると電池は発熱し電池の温度は上昇する。特に、内部に抵抗素子や半導体素子を含むリチウムイオン電池の場合、温度上昇によって内部抵抗の抵抗値が上昇する。また、抵抗値は二次電池の製造時におけるばらつきによっても変化する。このため、固定された時間で充電を行なっても電池セルの電圧は精度よく目標の電圧に到達することができない。

また、特許文献１に開示される充電方式では、充電目標値および一定電流を印加する固定時間は、特定の種類の電池をもとにして求められるものである。このため、特許文献１に開示される充電方式は同種の電池には最適な充電を行なうことができるが、電池の種類が異なる場合には、過充電によって電池の寿命が短くなる、あるいは充電が不足するという課題が発生する。

本発明は、要約すれば、二次電池に充電を行なう電源回路の充電電流を変化させる充電制御装置であって、充電電流を計測して、充電電流が定電流になるように電源回路に定電流制御を行なう制御回路と、定電流の充電によって、二次電池の端子電圧と二次電池内部の電池セル電圧とに生じる電圧差を検出する差分検出回路と、定電流の充電中に端子電圧が電圧差だけ上昇する期間を求め、端子電圧が満充電値に達してから経過した経過時間が期間に一致すると、制御回路に定電流制御を停止する停止指示を行なう計測回路とを備える。

本発明の充電制御装置によれば、充電に要する時間を短縮することが可能になる。また、本発明の充電制御装置によれば、二次電池の充電状態や種類に応じて最適な充電時間を設定することができる。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１の充電制御装置を含む充電装置のブロック図である。

図１を参照して、充電装置１は、交流電圧を直流電圧に変換して二次電池１５に充電電流を供給する電源回路２と、電源回路２の充電電流を変化させて二次電池１５に定電流を印加する充電制御装置３と、電源回路２から二次電池１５に流れる充電電流を電圧に変換して充電制御装置３で充電電流の電流値を監視する抵抗４と、電源回路２から二次電池１５への向きに充電電流が流れて、逆の向きに電流が流れるのを防ぐダイオード５とを備える。

電源回路２は、交流電圧を直流電圧に変換する変換回路６と、二次電池１５に充電電流の供給と停止とを切換えるスイッチ７とを含む。変換回路６は、例えばトランスや、ダイオードブリッジ、コンデンサなどを組合せて構成される。また、スイッチ７は、図１においてはＰチャネルＭＯＳトランジスタとして示されるが、これに限定されるものでなく、たとえば、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタであってもよい。さらに、スイッチ７に換えて、たとえば連続的に電流値を変化させることができる回路が含まれていてもよい。

充電制御装置３は、充電電流を計測して、充電電流が定電流になるように電源回路２に定電流制御を行なう制御回路８と、定電流によって二次電池１５の端子電圧と電池セル１７の充電電圧との間に生じる電圧差を検出する差分電圧検出回路１２と、定電流の充電によって端子電圧が電圧差だけ上昇する期間を求めるカウンタ回路１３とを含む。

制御回路８は、電源回路２に定電流制御を行なう定電流制御回路９と、端子電圧ＶＢＡＴが満充電電圧に達するとカウンタ回路１３に、端子電圧ＶＢＡＴが満充電電圧に達した以後の経過時間を測定するよう指示し、定電流充電が終了すると、端子電圧ＶＢＡＴが満充電電圧で一定になるように電源回路２を制御する定電圧制御回路１０と、定電流制御回路９と定電圧制御回路１０の出力のいずれかの出力をスイッチ７に伝達することで二次電池を定電流充電から定電圧充電に切り替える切替回路１１とを含む。

切替回路１１は、カウンタ回路１３の指示によって定電流制御回路９からの出力をスイッチ７に伝達するのを遮断する。切替回路１１の例としては、たとえば定電流制御回路９あるいは定電圧制御回路１０の入力をベースに受けて、コレクタ出力がスイッチ７（図１ではＰチャネルＭＯＳトランジスタのゲート）に接続される、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタを用いたオープンコレクタ回路がある。

差分電圧検出回路１２は、二次電池１５への電流を印加しないときの端子電圧ＶＢＡＴと電流を印加したときの端子電圧ＶＢＡＴを測定して二次電池１５の内部抵抗１６によって生じる電圧差を求める。また、端子電圧がその電圧差だけ変化したことを検知した結果をカウンタ回路１３に出力する。差分電圧検出回路１２の構成および動作については後述する。

カウンタ回路１３は、差分電圧検出回路１２の出力を受けて一定の時間間隔で計数を行なってその計数値を保持する。カウンタ回路１３は、定電圧制御回路１０によって経過時間の計測が指示されると計数を開始して、計数結果が保持した計数値と一致すると、電源回路２に対する定電流制御を停止するよう切替回路１１に指示する。カウンタ回路１３の構成および動作については後述する。

図１の充電制御装置３について説明する。差分電圧検出回路１２によって二次電池１５の内部抵抗１６によって生じる電圧降下が求められる。カウンタ回路１３は定電流での充電中に、差分電圧検出回路１２によって求められた電圧降下だけ端子電圧ＶＢＡＴが変化する時間を計測する。端子電圧ＶＢＡＴが電池セル１７の充電目標値に達すると、カウンタ回路１３は以後の経過時間を計測して、経過時間が保持した計測結果に一致すると切替回路１１に対し定電流制御回路９による定電流充電を終了させる。電池セル１７を満充電状態に精度よく近づけることによって、充電時間を短縮することが可能になる。

実施の形態１の充電制御装置および方法について、従来の充電方法と比較しながらさらに詳細に説明する。

たとえば特許文献１に開示される従来の充電方法では、二次電池の端子電圧が充電目標値に達した後、固定された期間だけ定電流が印加される。しかしながら、実際には電池の状態によって内部抵抗値が異なり、電池セルの電圧が充電目標値に達するまでの時間は変化し得る。また、その固定時間は特定の種類の電池から求められるものであるので、電池の種類が異なる場合には最適な充電を行なうことが不可能である。

これに対し、実施の形態１の充電制御装置では、差分電圧検出回路１２によって、毎回の充電動作ごとに二次電池の内部抵抗による電圧降下が測定される。また、毎回の充電ごとにカウンタ回路１３によって、この電圧差だけ端子電圧が変化するのに要する時間が計測される。したがって、電池の温度や製造ばらつきなどの様々な要因によって二次電池の状態が異なっても、電池セルを満充電にするための充電時間は常に最適になるように設定される。また、充電動作ごとに内部抵抗による電圧降下を測定することによって、本発明の充電制御装置は異なる種類の二次電池にも応用可能であり、汎用性が高いという利点を有する。

図２は、図１の差分電圧検出回路１２の主要部の構成を示すブロック図である。

図２を参照して、差分電圧検出回路１２は、電流印加前の二次電池の端子電圧と電流印加後の二次電池の端子電圧を各々保持する保持部２０を含む。

保持部２０は、スイッチＳ１と、スイッチＳ１のＡ側の出力を入力に受ける保持回路ＳＨ１と、スイッチＳ１のＢ側の出力を入力に受ける保持回路ＳＨ２と、スイッチＳ２と、スイッチＳ３とを含む。

スイッチＳ２はＡ側に選択されると保持回路ＳＨ１の出力結果が出力され、Ｂ側に選択されると保持回路ＳＨ２の出力結果が出力される。同様に、スイッチＳ３はＡ側に選択されると保持回路ＳＨ２の出力結果が出力され、Ｂ側に選択されると図１の二次電池１５の端子電圧ＶＢＡＴが出力される。

保持回路ＳＨ１は、ノードＷ１と接地ノードとの間に接続されるキャパシタＣ１と、ノードＷ１に非反転入力端子が接続され、ノードＷ２に反転入力端子と出力が接続される差動アンプＯＰ１を含む。

保持回路ＳＨ２は、ノードＷ３と接地ノードとの間に接続されるキャパシタＣ２と、ノードＷ３に非反転入力端子が接続され、ノードＷ４に反転入力端子と出力が接続される差動アンプＯＰ２を含む。なお、保持回路ＳＨ２の構成は保持回路ＳＨ１と同様である。

保持回路ＳＨ１とスイッチＳ２は、二次電池１５に電流を印加する前の端子電圧、つまり電池セル１７の電圧を測定した結果を保持する第１の保持回路を構成する。また、同様に、保持回路ＳＨ２とスイッチＳ３は、二次電池１５に電流を印加して、電池セル１７の電圧と端子電圧との間に内部抵抗１６による電圧降下を生じさせた後の端子電圧を測定した結果を保持する第２の保持回路を構成する。なお、スイッチＳ１は、第１の保持回路および第２の保持回路に共通して含まれる。

差分電圧検出回路１２は、さらに、電流印加前後の端子電圧ＶＢＡＴの電位差を検出する差動検出部２１を含む。

差動検出部２１は、スイッチＳ３の出力端子とノードＷ５との間に接続される抵抗Ｒ１と、ノードＷ５と接地ノードとの間に接続される抵抗Ｒ２と、スイッチＳ２の出力端子とノードＷ６との間に接続される抵抗Ｒ３と、ノードＷ６とノードＷ７との間に接続される抵抗Ｒ４と、非反転入力端子がノードＷ５に接続され、反転入力端子がノードＷ６に接続され、出力がノードＷ７に接続される差動アンプＯＰ３とを含む。

差分電圧検出回路１２は、さらに、差動検出部２１の出力結果をＡ側かＢ側のいずれかに出力するよう選択するスイッチＳ４と、ノードＷ８と接地ノードとの間に接続されるキャパシタＣ３と、スイッチＳ４のＢ側の出力に非反転入力端子が接続され、ノードＷ８に反転入力端子が接続される比較回路ＣＰを含む。比較回路ＣＰの出力は図１のカウンタ回路１３の動作開始および動作停止を指示する信号ＣＮＴＳＲとして出力される。

図２の差分電圧検出回路１２の動作について説明する。

スイッチＳ１は充電開始前にはＡ側に接続される。スイッチＳ１がＡ側に接続されたときの端子電圧ＶＢＡＴの電圧値は保持回路ＳＨ１に保持される。

なお、差分電圧検出回路１２におけるスイッチＳ１〜Ｓ４の切り替えは、端子電圧を検知してスイッチＳ１〜Ｓ４を制御する、図示されない電圧検出回路によって行なわれる。ただし、スイッチＳ１〜Ｓ４の切り替えはこのように集中的にスイッチを制御する回路によってなされるよう限定されるものではなく、スイッチＳ１〜Ｓ４ごとに設けられて各々の切り替えを行なう回路であっても良い。また、このようなスイッチＳ１〜Ｓ４を切り替える回路は、差分電圧検出回路１２の内部に設けられる必要はなく、差分電圧検出回路１２の外部に設けられてもよい。

まず、充電開始前に端子電圧ＶＢＡＴが測定されて初期の電圧値ＶＢ１が求められる。ただし、充電開始前では、二次電池が充電装置１に接続されていない状態で電圧測定がされる場合が起こり得る。二次電池１５が確実に接続されたことを検知するため、たとえば電圧検出回路はノードＷ０における電圧の変化を検知する。二次電池が接続されていない場合にはノードＷ０における電圧は開放電圧である。二次電池１５が接続され、充電が行なわれるとノードＷ０における電圧はある値に変化する。電圧検出回路はノードＷ０における変化を検知すると、スイッチＳ１をＡ側に切り替える。

また、電池が接続されたことを検知する別の方法の例として、たとえばリチウムイオン電池であれば、二次電池の状態を検出するサーミスタ抵抗を含む場合が多い。サーミスタ抵抗の一方端は電流を取り出す出力端子の一方に接続され、他方端は、二次電池に出力端子と独立に設けられた検出端子に接続される。したがって、電圧検出回路は、この検出端子の電圧をモニタし、電圧変化が検知されるとスイッチＳ１をＡ側に切り替えるようにしてもよい。

次に、二次電池１５に電流が印加され、端子電圧ＶＢＡＴが変化すると、上述の電圧検出回路または別のスイッチ切替回路によってスイッチＳ１はＢ側に接続される。充電が開始されると、端子電圧ＶＢＡＴは、初期の電圧値から内部抵抗１６によって生じる電圧差ΔＶだけ上昇する。上昇後の端子電圧ＶＢＡＴの電圧値は保持回路ＳＨ２に保持される。

スイッチＳ２，Ｓ３，Ｓ４は、電流印加前および電流印加後には、すべてＡ側に接続される。差動アンプＯＰ３では保持回路ＳＨ１の出力および保持回路ＳＨ２の出力の差から電圧差ΔＶを検出する。

比較回路ＣＰおよびキャパシタＣ３は保持回路としての役割も有する。差動アンプＯＰ３の出力はキャパシタＣ３に一旦保持される。この結果、ノードＷ８における電圧はΔＶになる。比較回路ＣＰから出力される信号ＣＮＴＳＲは、ノードＷ８の電圧がΔＶになるとＬレベルからＨレベルに反転する。信号ＣＮＴＳＲがＨレベルになると、図示されない後続のカウンタ回路１３が時間計測を開始する。カウンタ回路１３の動作については後述する。

なお、ノードＷ８において電圧がΔＶになったときに信号ＣＮＴＳＲがＨレベルに反転するようにするには、たとえば、比較回路ＣＰの非反転入力端子に入力される電圧が反転入力端子に入力される電圧よりも高くなるように予め電圧差を設け、ノードＷ８における電圧が電圧差を超えると比較回路ＣＰが動作することによって実現される。

信号ＣＮＴＳＲがＨレベルに反転するのに応じ、スイッチＳ２、Ｓ３、Ｓ４はすべてＢ側に接続される。差動アンプＯＰ３の反転入力端子には保持回路ＳＨ２で保持された電圧が印加される。また、差動アンプＯＰ３の非反転入力端子には端子電圧ＶＢＡＴが入力される。二次電池が充電されることで端子電圧ＶＢＡＴはさらに上昇する。

端子電圧ＶＢＡＴが保持回路ＳＨ２で予め保持した電圧よりも高くなると、端子電圧ＶＢＡＴと保持回路ＳＨ２で予め保持した電圧との差分の電圧が差動アンプＯＰ３から出力され、スイッチＳ４を介して比較回路ＣＰの非反転入力端子に入力される。この差分の電圧が比較回路ＣＰの反転入力の電圧、すなわちノードＷ８での電圧値であるΔＶと等しくなった時点で、信号ＣＮＴＳＲはＬレベルに反転する。信号ＣＮＴＳＲがＬレベルに反転すると後続のカウンタ回路１３は時間計測を停止する。信号ＣＮＴＳＲが二回反転する間にカウンタ回路１３によって計測された時間は、端子電圧ＶＢＡＴが目標値に達した後にさらに定電流で充電を継続する期間として、カウンタ回路１３に保持される。

図３は、図１のカウンタ回路１３のブロック図である。

図３を参照して、カウンタ回路１３は、時間を計測するための基準となるクロック信号を発生するクロック回路２５と、クロック回路２５から出力されるクロック信号ＣＬＫ１と差分電圧検出回路１２から出力される信号ＣＮＴＳＲとを受けて論理積を演算するＡＮＤ回路２６と、クロック回路２５から出力されるクロック信号ＣＬＫ２と定電圧制御回路１０から出力される信号ＣＶＯＮとを受けて論理積を演算するＡＮＤ回路２７とを含む。

カウンタ回路１３は、さらに、ノードＷ９からＨレベルの電位が入力されると活性化され、ＡＮＤ回路２６からＨレベルの信号を受けて計数を行なうカウンタ２８と、ノードＷ９からＨレベルの電位が入力されると活性化され、ＡＮＤ回路２７からＨレベルの信号を受けて計数を行なうカウンタ２９と、カウンタ２８，２９の各々の計数結果が一致するとＨレベルの信号を出力するＡＮＤ回路３０とを含む。ＡＮＤ回路３０の出力結果は切替回路１１に入力される。

図３のカウンタ回路１３の動作について説明する。

差分電圧検出回路１２からＨレベルの信号ＣＮＴＳＲを受けてカウンタ２８は時間計測を開始する。カウンタ２８は、クロック回路２５からのクロック信号ＣＬＫ１が立ち上がるとＡＮＤ回路２６から出力されるＨレベルの信号を受けて計数を行なう。

信号ＣＮＴＳＲはＬレベルに反転するとＡＮＤ回路２６から出力される信号はＬレベルになり、カウンタ２８での計数は終了する。カウンタ２８には計数値が保持される。

なお、カウンタ２９でも同様に計数値が保持されている。ただし、カウンタ２９で保持される計数値は初期化された値か、あるいは前回の充電動作での計数値である。よってカウンタ２９で保持する計数値はカウンタ２８で保持する計数値と相違するのでＡＮＤ回路３０の出力はＬレベルになる。

次に、端子電圧ＶＢＡＴが上昇して目標値に達すると定電圧制御回路１０からＨレベルの信号ＣＶＯＮが出力される。カウンタ２８での計数動作と同様に、カウンタ２９は、クロック回路２５からのクロック信号ＣＬＫ２が立ち上がるとＡＮＤ回路２７から出力されるＨレベルの信号を受けて計数を行なう。

カウンタ２９での計数値がカウンタ２８で保持する計数値と同一になるとＡＮＤ回路３０からＨレベルの信号が出力される。切替回路１１は、ＡＮＤ回路３０から出力される信号がＨレベルに反転したことに応答し、定電流での充電動作を終了する。

図４は、図１の充電制御装置３の動作を説明する図である。

図４を参照して、縦軸には図１の充電装置１から二次電池１５に供給される充電電流ＩＣＨＲＧと、二次電池１５の端子電圧ＶＢＡＴと、電池セル１７のセル電圧ＶＣＥＬが示される。

まず、時刻ｔ１において充電装置１に接続された二次電池１５の端子電圧ＶＢＡＴが差分電圧検出回路１２によって測定されて初期の端子電圧ＶＢＡＴの電圧値ＶＢ１が確定する。

なお、時刻ｔ１〜ｔ２では、二次電池１５に充電電流が供給されていない状態である。したがって、セル電圧ＶＣＥＬの電圧値と端子電圧ＶＢＡＴの電圧値はともにＶＢ１である。

次に、時刻ｔ２では、充電装置１から二次電池１５に供給される充電電流ＩＣＨＲＧが一定電流Ｉ１になる。端子電圧ＶＢＡＴは時刻ｔ２において電圧値ＶＢ１から電圧値ＶＢ２に変化する。差分電圧検出回路１２は電圧値ＶＢ２を保持するとともに、電圧値ＶＢ２と電圧値ＶＢ１の電圧差ΔＶを保持する。

また、時刻ｔ２において端子電圧ＶＢＡＴが電圧値ＶＢ２になると、信号ＣＮＴＳＲがＨレベルになる。カウンタ回路１３はＨレベルの信号ＣＮＴＳＲを受けて時間計測を開始する。

時刻ｔ２以降、充電制御装置３によって、充電電流ＩＣＨＲＧが一定電流Ｉ１に保たれたまま二次電池１５に充電が行なわれる。

時刻ｔ３において、端子電圧ＶＢＡＴの電圧値がＶＢ２からΔＶだけ変化した電圧値ＶＢ３に到達したことが差分電圧検出回路１２によって検知されると、差分電圧検出回路１２は信号ＣＮＴＳＲをＬレベルに反転させる。カウンタ回路１３はＬレベルの信号ＣＮＴＳＲを受けて時間計測を停止するとともに、時刻ｔ２〜ｔ３までの計数値を保持する。図４において、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間変化はΔｔと示される。

続いて時刻ｔ４において、端子電圧ＶＢＡＴが電圧値ＶＣＶに到達したことが図１の定電圧制御回路１０によって検知される。電圧値ＶＣＶとは、電池セル１７が満充電状態であるときの電圧値である。定電圧制御回路１０は、端子電圧ＶＢＡＴが電圧値ＶＣＶに達したことを検知すると、カウンタ回路１３に計数を行なうよう指示する。カウンタ回路１３は指示を受けて計数を開始する。

続いて時刻ｔ５において、カウンタ回路１３による計数が終了する。時刻ｔ４〜ｔ５までの時間はΔｔであり、二次電池１５に供給される充電電流ＩＣＨＲＧは一定電流Ｉ１である。したがって、端子電圧ＶＢＡＴは、時刻ｔ５では電圧値ＶＣＶ＋ΔＶにほぼ達する。また、時刻ｔ５においてセル電圧ＶＣＥＬは電圧値ＶＣＶにほぼ達する。

時刻ｔ５では、切替回路１１によって定電圧制御回路１０の出力がスイッチ７に伝達されて二次電池１５には定電圧充電が行なわれる。定電圧充電を行なうときの端子電圧ＶＢＡＴの電圧値は電圧値ＶＣＶに設定される。電池の内部抵抗が温度上昇によって高くなると、定電流での充電が完了した時点でのセル電圧ＶＣＥＬは電圧値ＶＣＶよりも低い。したがって電池セルを満充電にするため、定電圧での充電が行なわれる。充電電流は徐々に減少し、時刻ｔ６において下限値Ｉ２に到達すると充電が終了する。

図５は、図１の充電制御装置３による充電方法と従来の充電方法で充電時間を比較した図である。

図５を参照して、充電制御装置３による定電圧充電の場合のセル電圧ＶＣＥＬ１と充電電流ＩＣＨＲＧ１のそれぞれの時間変化、および従来の定電圧充電の場合のセル電圧ＶＣＥＬ２と充電電流ＩＣＨＲＧ２のそれぞれの時間変化が示される。

まず時刻ｔ１以前において、セル電圧ＶＣＥＬ１，ＶＣＥＬ２および充電電流ＩＣＨＲＧ１，ＩＣＨＲＧ２の時間変化は図４における時刻ｔ４以前のセル電圧ＶＣＥＬおよび充電電流ＩＣＨＲＧと同様であるので、以後の説明は繰り返さない。

時刻ｔ１では、図示されない端子電圧ＶＢＡＴは電圧値ＶＣＶに到達する。このときセル電圧ＶＣＥＬ１，ＶＣＥＬ２は電圧値ＶＣＶより内部抵抗による電圧差ΔＶだけ降下した電圧値ＶＣ０になる。

従来の充電方法においては時刻ｔ１より定電圧充電が開始される。端子電圧ＶＢＡＴは電圧値ＶＣＶに設定されるので、充電電流ＩＣＨＲＧ２は一定電流Ｉ１より低くなる。よって定電圧充電開始後のセル電圧ＶＣＥＬ２の変化は緩やかになる。セル電圧ＶＣＥＬ２が電圧値ＶＣＶに近づくほど充電電流ＩＣＨＲＧ２の減少は緩やかになり、時刻ｔ４で下限値Ｉ２に到達する。

これに対し、図１の充電制御装置３による充電方法では、端子電圧ＶＢＡＴが電圧値ＶＣＶに到達すると、予め求められた時間Δｔだけ一定電流Ｉ１での充電が継続される。時刻ｔ２ではセル電圧ＶＣＥＬ１は電圧値ＶＣＶにほぼ達する。従来の充電方法と同様に時刻ｔ２以後に定電圧充電が行なわれるが、セル電圧ＶＣＥＬ１が電圧値ＶＣＶにほぼ達しているので、充電電流ＩＣＨＲＧ１は時刻ｔ２以後において急激に減少する。したがって充電電流ＩＣＨＲＧ１は時刻ｔ４よりも早い時刻ｔ３で下限値Ｉ２に到達する。

［実施の形態２］
実施の形態２の充電制御装置は、定電流充電完了時に電池セルの充電電圧を実施の形態１の充電制御装置よりも精度良く目標値に近づけることを可能にする。二次電池に充電電流を印加すると電池の発熱による温度上昇などの理由で二次電池の内部抵抗の抵抗値が充電開始直後より上昇する。端子電圧が設定値に達する直前に二次電池の内部抵抗による電圧差が測定されることで電池セルの充電をより精度よく目標値に近づけて行なうことが可能になり、充電時間の短縮および電池の長時間の使用が可能になる。

以下、実施の形態２の充電制御装置について図１の充電制御装置３と相違する部分を中心に説明する。なお、図１の充電制御装置３と同一の符号を付した部分については名称および機能が同じであるので、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

図６は、実施の形態２の充電制御装置を含む充電装置のブロック図である。

図１，図６を参照して、充電制御装置３Ａは、図１の差分電圧検出回路１２に換えて差分電圧検出回路１２Ａを含む。

差分電圧検出回路１２Ａは、二次電池１５に充電電流を供給する期間中に、充電電流の供給停止時における二次電池１５の端子電圧ＶＢＡＴと、充電電流の供給時の端子電圧ＶＢＡＴを各々測定し、各々の測定結果を保持することで二次電池１５の内部抵抗１６によって生じる電圧差を求める。測定される充電電流の供給時の端子電圧ＶＢＡＴは充電電流停止時の前後のいずれであってもよい。

図７は、図６の充電制御装置３Ａの動作を説明する図である。

図７を参照して、時刻ｔ１以前では二次電池１５に電流が供給されていないため、端子電圧ＶＢＡＴと電池セル１７のセル電圧ＶＣＥＬは同じ電圧値ＶＢ１である。

なお、図６の充電制御装置３Ａでは充電開始前、すなわち時刻ｔ１以前における端子電圧ＶＢＡＴは検出されない。

時刻ｔ１では、図４における時刻ｔ２以後の充電制御装置３の動作と同様に、充電制御装置３Ａによって充電電流ＩＣＨＲＧが一定電流Ｉ１に保たれたまま二次電池１５に充電が行なわれる。

続いて、時刻ｔ２において端子電圧ＶＢＡＴの電圧値がＶＣＶ１であることが定電圧制御回路１０によって検知される。

定電圧制御回路１０は切替回路１１に停止指示を送り、電源回路２から二次電池１５への電流の印加が停止される。端子電圧ＶＢＡＴは二次電池１５への電流印加が停止されることで電圧値ＶＣＶ１からセル電圧ＶＣＥＬの電圧値ＶＢ１１に降下する。差分電圧検出回路１２Ａでは、図２と同様に図示されない電圧検出回路によって端子電圧ＶＢＡＴが電圧値ＶＣＶ１に達し、その後電圧が低下したことを検知してスイッチＳ１をＡ側に接続する。

差分電圧検出回路１２Ａでは保持回路ＳＨ１に充電電流の供給が停止された時の端子電圧ＶＢＡＴの電圧値ＶＢ１１が取得される。

なお、スイッチＳ１の接続の切り替えは、上述のスイッチ制御を行なう電圧検出回路によって行なわれてもよい。また、他の手段で行なわれて良い。

続いて時刻ｔ３では二次電池１５への定電流供給が再開され、端子電圧ＶＢＡＴの電圧値はＶＣＶ１に上昇する。差分電圧検出回路１２Ａ内部の電圧検出回路によってスイッチＳ１がＢ側に接続されて、保持回路ＳＨ２は電圧値ＶＣＶ１を取得する。また、差分電圧検出回路１２Ａは電圧値ＶＣＶ１と電圧値ＶＢ１１との電圧差ΔＶを求めるとともに、差分電圧検出回路１２ＡはＨレベルの信号ＣＮＴＳＲを出力し、カウンタ回路１３はＨレベルの信号ＣＮＴＳＲを受けて時間計測を開始する。

時刻ｔ３以後、差分電圧検出回路１２Ａは端子電圧ＶＢＡＴがＶＣＶ１からΔＶだけ変化した電圧値ＶＢ１２に到達したことを検知して、信号ＣＮＴＳＲをＬレベルに反転させる。カウンタ回路１３はＬレベルの信号ＣＮＴＳＲを受けて時間計測を停止するとともに、時刻ｔ３〜ｔ４までの計数値を保持する。

続いて時刻ｔ５において端子電圧ＶＢＡＴが電圧値ＶＣＶに到達したことが図６の定電圧制御回路１０によって検知される。時刻ｔ５以後の充電制御装置３Ａの動作は図４における時刻ｔ４以後の充電制御装置３の動作と同様である。よって以後の説明は繰り返さない。

図７に示されるように端子電圧ＶＢＡＴが電圧値ＶＣＶに達する直前に電圧差ΔＶが測定されることで電池セルを満充電状態にするために必要な時間Δｔが、より精度よく求められるので、図１の充電制御装置３と比較して充電時間がより短縮される。

［実施の形態３］
二次電池の充電においては、定電流で充電した後に定電圧で充電することで電池セルを限りなく満充電状態に近づける充電方法が一般的である。電池セルが満充電であるほど携帯端末等の機器を長時間使用することができるが、定電圧での充電は充電時間を長くさせる要因となり、電池を利用するユーザにとって不便を感じる原因になる。実施の形態３の充電制御装置は、このような課題を解決する。

以下、実施の形態３の充電制御装置について、図１の充電制御装置３と相違する部分を中心に説明する。なお、図１の充電制御装置３と同一の符号を付した部分については名称および機能が同じであるので、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

図８は、実施の形態３の充電制御装置を含む充電装置のブロック図である。

図１，図８を参照して、充電制御装置３Ｂは図１の制御回路８に換えて制御回路８Ａを含む。制御回路８Ａは、切替回路１１に換えて切替回路１１Ａを含む。また、図１の制御回路８における定電圧制御回路１０は、図８の制御回路８Ａには含まれない。充電制御装置３Ｂは、さらに、差分電圧検出回路１２Ｂと、カウンタ回路１３Ａとを含む。

切替回路１１Ａは、カウンタ回路１３Ａの指示によって定電流制御回路９からの出力をスイッチ７に伝達するのを遮断する点において図１における切替回路１１と同様である。ただし、スイッチ７に定電圧制御を行なうような信号が伝達されない点で切替回路１１と異なる。

差分電圧検出回路１２Ｂは、端子電圧ＶＢＡＴが満充電電圧に達したことを検知するとカウンタ回路１３Ａに経過時間の計測を指示する点で図１の差分電圧検出回路１２と異なる。すなわち、差分電圧検出回路１２Ｂは、図１の定電圧制御回路１０における端子電圧が満充電電圧であるかどうかを検知する機能と、カウンタ回路１３に指示を与える機能を包含する。

また、差分電圧検出回路１２Ｂは、図１における時刻ｔ５以後に端子電圧ＶＢＡＴを測定して、電流供給停止後の端子電圧ＶＢＡＴが満充電電圧とみなされる電圧の下限値に達するまでカウンタ回路１３Ａに計数指示を繰り返し行なう点で図１における差分電圧検出回路１２と異なる。

なお、差分電圧検出回路１２Ｂによる電圧差ΔＶを検出するタイミングは図４で示される充電開始前後または図７で示される電圧値ＶＣＶ付近のいずれでもよい。ただし実施の形態２において既に説明されるように、電圧値ＶＣＶ付近でΔＶを測定するほうが、電池セル１７を精度よく満充電状態にすることができる。

カウンタ回路１３Ａは、差分電圧検出回路１２Ｂの指示に応じて定電流の供給を指示し、所定の計数値を計数すると切替回路１１Ａに対し、定電流の供給停止を指示する点で図１のカウンタ回路１３と異なる。このような動作を実現するカウンタ回路１３の構成として、図示しないが図３のカウンタ２８と同様に、クロック回路２５と差分電圧検出回路１２Ｂの指示を受けて計数を開始し予め内部で保持する計数値と結果が一致すると切替回路１１Ａに停止指示を送る第３のクロック回路が設けられる。

図９は、図８の充電制御装置３Ｂの動作を説明する図である。

図９を参照して、時刻ｔ１〜時刻ｔ５における動作は図４の時刻ｔ１〜ｔ５における動作と同様である。よって以後の説明は繰り返さない。

また、図９においては、充電制御装置３Ｂは充電開始前後で端子電圧ＶＢＡＴの電圧差ΔＶを測定するよう示される。ただし、上述のように充電制御装置３Ｂは定電流供給中に端子電圧ＶＢＡＴの電圧差ΔＶを測定しても良い。この場合、図９の時刻ｔ１〜ｔ５における動作は図７のｔ１〜ｔ６における動作に置き換えられる。

時刻ｔ５で定電流による充電が完了すると、充電制御装置３Ｂは二次電池１５への充電電流ＩＣＨＲＧの供給を停止する。また、時刻ｔ５では差分電圧検出回路１２Ｂによって端子電圧ＶＢＡＴが制御電圧ＶＣＶＦ以上であるか否かが検知される。

なお、制御電圧ＶＣＶＦは電圧値ＶＣＶよりも低い電圧であり、たとえば電池セル１７が満充電状態であるとみなすことができる、セル電圧ＶＣＥＬの下限値に設定される。端子電圧ＶＢＡＴが制御電圧ＶＣＶＦ以上であれば充電完了と判断され、充電が終了する。よって、充電時間が短縮される。

図１０は、図８の充電制御装置３Ｂの別の動作を説明する図である。

図１０では、図９における時刻ｔ５での端子電圧ＶＢＡＴが制御電圧ＶＣＶＦ以下である場合の動作について説明される。

図１０を参照して、時刻ｔ１〜ｔ５における動作は図９の時刻ｔ１〜ｔ５における動作と同様である。すなわち図に示されるように時刻ｔ１〜ｔ５における動作は図４の時刻ｔ１〜ｔ５における動作と同様である。また、図示されないが時刻ｔ１〜ｔ５における動作は図７のｔ１〜ｔ６における動作と同様であってもよい。

時刻ｔ５において、端子電圧ＶＢＡＴが制御電圧ＶＣＶＦ以下であると差分電圧検出回路１２Ｂによって検出されると差分電圧検出回路１２Ｂはカウンタ回路１３Ａに時刻ｔ４〜ｔ５における計数指示とは別の計数指示を行なう。

カウンタ回路１３Ａは差分電圧検出回路１２Ｂの指示を受けて、定電流を供給するための指示を切替回路１１Ａに送る。上述のようにカウンタ回路１３Ａによって所定時間計数計数動作が行なわれると、カウンタ回路１３Ａは切替回路１１Ａに定電流の供給停止の指示を送る。差分電圧検出回路１２Ｂは再び、端子電圧ＶＢＡＴが制御電圧ＶＣＶＦ以上であるかどうかを検知する。差分電圧検出回路１２Ｂ，カウンタ回路１３Ａ，切替回路１１Ａは端子電圧ＶＢＡＴが制御電圧ＶＣＶＦ以上になるまで上記の動作を繰り返す。時刻ｔ６においてセル電圧ＶＣＥＬが制御電圧ＶＣＶＦに達すると充電が終了する。図９の場合と比較して充電時間は長くなるが、定電圧制御による充電よりも短い時間で二次電池１５は満充電状態に達することが可能になる。

なお、時刻ｔ５以後における充電動作について、繰り返し行なわれる定電流の供給期間は毎回同じであると限定される必要はない。図示しないが、たとえば以下のように、差分電圧検出回路１２Ｂにいわゆるパルス幅変調（Pulse Width Modulation）方式の制御を行なわせることで、定電流の供給期間を変化させることが可能である。

ＰＷＭ方式による定電流の供給期間の変化の例について説明すると、差分電圧検出回路１２Ｂの内部で一定周期の三角波を発生させて、三角波の電圧と端子電圧ＶＢＡＴとを比較する。端子電圧ＶＢＡＴが三角波の電圧を下回ると差分電圧検出回路１２Ｂは切替回路１１Ａに電流供給を指示する。

続いて、端子電圧ＶＢＡＴが三角波の電圧を上回ると差分電圧検出回路１２Ｂは切替回路１１Ａに電流供給停止を指示する。端子電圧ＶＢＡＴが制御電圧ＶＣＶＦ以下であれば、再び上記の動作を繰り返す。端子電圧ＶＢＡＴが制御電圧ＶＣＶＦに近づくにつれ、電流供給期間は短くなり、最適な電圧値での充電が達成される。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１の充電制御装置を含む充電装置のブロック図である。図１の差分電圧検出回路１２の主要部の構成を示すブロック図である。図１のカウンタ回路１３のブロック図である。図１の充電制御装置３の動作を説明する図である。図１の充電制御装置３による充電方法と従来の充電方法で充電時間を比較した図である。実施の形態２の充電制御装置を含む充電装置のブロック図である。図６の充電制御装置３Ａの動作を説明する図である。実施の形態３の充電制御装置を含む充電装置のブロック図である。図８の充電制御装置３Ｂの動作を説明する図である。図８の充電制御装置３Ｂの別の動作を説明する図である。

符号の説明

１充電装置、２電源回路、３，３Ａ，３Ｂ充電制御装置、４抵抗、５ダイオード、６変換回路、７スイッチ、８，８Ａ制御回路、９定電流制御回路、１０定電圧制御回路、１１、１１Ａ切替回路、１２，１２Ａ，１２Ｂ差分電圧検出回路、１３、１３Ａカウンタ回路、１５二次電池、１６内部抵抗、１７電池セル、２０保持部、２１差動検出部、２５クロック回路、２６，２７，３０ＡＮＤ回路、２８，２９カウンタ、Ｃ１〜Ｃ３キャパシタ、ＣＰ比較回路、ＯＰ１〜ＯＰ３差動アンプ、Ｒ１〜Ｒ４抵抗、Ｓ１〜Ｓ４スイッチ、ＳＨ１，ＳＨ２保持回路、Ｗ０〜Ｗ９ノード。

Claims

二次電池に充電を行なう電源回路の充電電流を変化させる充電制御装置であって、
前記充電電流を計測して、前記充電電流が定電流になるように前記電源回路に定電流制御を行なう制御回路と、
前記定電流の充電によって、前記二次電池の端子電圧と前記二次電池内部の電池セル電圧とに生じる電圧差を検出する差分検出回路と、
前記定電流の充電中に前記端子電圧が前記電圧差だけ上昇する期間を求め、前記端子電圧が満充電値に達してから経過した経過時間が前記期間に一致すると、前記制御回路に前記定電流制御を停止する停止指示を行なう計測回路とを備える、充電制御装置。
前記差分検出回路は、
前記端子電圧を測定して、第１の端子電圧と第２の端子電圧とを保持する保持部を含み、
前記保持部は、
前記二次電池に前記定電流が供給されていないときに前記第１の端子電圧を取得する第１の保持回路と、
前記二次電池に前記定電流が供給されているときに前記第２の端子電圧を取得する第２の保持回路とを有し、
前記保持部から前記第１，第２の端子電圧を受けて前記電圧差を出力する差動増幅回路と、
前記電圧差を保持する第３の保持回路をさらに含む、請求項１に記載の充電制御装置。
前記差分検出回路は、
充電開始前の前記端子電圧を前記第１の端子電圧として取得するよう前記保持部に指示し、充電開始直後の前記端子電圧を前記第２の端子電圧として取得するよう前記保持部に指示する電圧検出回路をさらに含む、請求項２に記載の充電制御装置。
前記差分検出回路は、
前記制御回路によって前記定電流での充電中に前記満充電値より低い測定開始電圧値に前記端子電圧が達したことが検知されて前記定電流の供給が停止されると前記第１の端子電圧を取得するよう前記保持回路に指示し、前記制御回路によって前記電源回路に前記定電流の供給が指示されると前記第２の端子電圧を取得するよう前記保持回路に指示する電圧検出回路をさらに含む、請求項２に記載の充電制御装置。
前記計測回路は、
前記差分検出回路によって前記端子電圧が前記第１の端子電圧から前記第２の端子電圧に変化したことが検知されると時間計測を開始し、前記差分検出回路によって前記端子電圧が前記第２の端子電圧から前記電位差だけ上昇したことが検知されると前記時間計測を終了させて前記期間を求める第１の計測回路と、
前記端子電圧が前記満充電値に達すると前記制御回路から計測開始の指示を受けて前記経過時間を計測する第２の計測回路と、
前記第１，第２の計測回路の測定結果が一致すると前記制御回路に前記停止指示を行なう指示回路とを含む、請求項１に記載の充電制御装置。
前記計測回路は、
前記期間の経過後に前記端子電圧が満充電状態の最低値に達するまで、前記制御回路に前記定電流制御の停止と再開を一定時間ごとに繰り返して行なわせる第３の計測回路をさらに含む、請求項５に記載の充電制御装置。
前記制御回路は、
前記期間の経過後に前記端子電圧が前記満充電値を保つように前記電源回路に対して定電圧制御を行なう定電圧制御回路を含む、請求項１に記載の充電制御装置。