JP2011083093A - 充電制御方法及び充電制御回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】 仕様の異なる充電器を用いて充電を行っても、二次電池を満充電することが可能な充電制御回路を提供する。
【解決手段】 充電対象装置の充電端子に充電器が接続され、充電器が電圧を印加すると、充電器が行う定電流充電の充電電流の大きさに応じて、充電時間の延長、及び、充電対象装置の動作の制限の少なくとも一方を行う。
【選択図】 図2
【解決手段】 充電対象装置の充電端子に充電器が接続され、充電器が電圧を印加すると、充電器が行う定電流充電の充電電流の大きさに応じて、充電時間の延長、及び、充電対象装置の動作の制限の少なくとも一方を行う。
【選択図】 図2
Description
本発明は、携帯電話機等の充電対象装置にて用いる二次電池の充電の制御に関し、特に、仕様の異なる充電器を接続して行う充電の制御に関する。
今日、携帯電話機をはじめとする携帯通信機器、携帯情報処理装置は高性能化及び多機能化が進んでおり、これに伴って消費電力も増加している。一般にこの種の装置の多くは電源として二次電池を用いている。高い消費電力であっても十分なバッテリ駆動時間を確保するため、電池パック容量の増加等が講じられてきている。
他方、バッテリ駆動時間を確保する別のアプローチとして、充電の機会を増やすことが考えられる。携帯電話機では、その携帯電話機のメーカー或いはその携帯電話機の通信事業者が提供する正規の充電器以外にも様々な形態の充電器が市販されており、ユーザは自分の使用環境に応じて好適な充電器を選択している。例えば、様々な通信事業者の携帯電話機や、携帯情報機器、携帯ゲーム機等、複数の種類の携帯機器への充電に対応するACアダプタ、乾電池や他の充電済みの二次電池を電源として充電を行う充電器、或いは、コンピュータのUSB(Universal Serial Bus)ポートと携帯機器の充電用ポートとをケーブルで接続して充電を行うものなどがある。尚、最後の例は厳密に言えば充電器ではないが、本明細書ではこのような形態で充電を行う装置も充電器として扱うものとする。
こうした様々な形態の充電器は一律の充電能力をもつものではなく、充電器によって充電能力が異なるという実情がある。このため出力電流が低い充電器で充電することにより、次のような問題が生じることがある。
・充電中のシステム負荷が充電器の出力電流を上回り、充電が行われない。
・充電は行われても、電池に流入する電流が不足するため、満充電までの所要時間が正規の充電器と比較して延びてしまう。
・過充電防止等のため、充電対象の装置が充電タイマを備え、充電を一定時間に制限している場合に、満充電に至る前にタイムアウトになる。
・充電は行われても、電池に流入する電流が不足するため、満充電までの所要時間が正規の充電器と比較して延びてしまう。
・過充電防止等のため、充電対象の装置が充電タイマを備え、充電を一定時間に制限している場合に、満充電に至る前にタイムアウトになる。
本発明に関連する発明が記載された先行技術文献として、特許文献1を挙げる。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、仕様の異なる充電器を用いて充電を行っても、二次電池を満充電することが可能な充電制御回路を提供することである。
上述の課題を解決するため、本発明は、その一態様として、充電対象装置の充電端子に充電器が接続され、充電器が電圧を印加する段階と、充電器が行う定電流充電の充電電流の大きさに応じて、充電時間の延長、及び、充電対象装置の動作の制限の少なくとも一方を充電制御回路が行う段階とを含むことを特徴とする充電制御方法を提供する。尚、充電電流とは、充電対象装置の負荷電流と、二次電池への流入電流の両方を含むものである。
また、本発明は、他の一態様として、充電対象装置の充電端子に充電器が接続され、充電器が電圧を印加すると、充電器が行う定電流充電の充電電流の大きさに応じて、充電時間の延長、及び、充電対象装置の動作の制限の少なくとも一方を行う充電制御回路を提供する。
本発明によれば、充電器が定電流充電を行う際の充電電流の大きさに応じて、充電時間や充電対象装置の動作を適宜制御し、充電時間の延長や、ユーザへの通知処理、表示装置、発光装置等の輝度の制限等の充電対象装置の動作制限をすることにより、定電流充電を行う時間を延ばし、或いは、充電中の充電対象装置における消費電力を削減する。これにより、充電対象装置の正規の充電器よりも出力電流が小さな充電器を用いて充電対象装置を充電しても、二次電池を満充電することができる。
本発明の実施の形態である充電制御回路200について説明するのに先立って、充電制御回路100について説明する。充電制御回路100は、充電器(或いは充電アダプタ)1と二次電池である電池パック5との間に接続されて、電池パック5への充電を制御する回路である。充電制御回路100は、電池パック5を電源として内蔵或いは接続して動作する、不図示の充電対象装置に内蔵される回路である。充電対象装置の例としては、携帯電話機、携帯情報端末、モバイルコンピュータ等、二次電池を電源とする様々な装置が考えられる。
充電制御回路5は、検出抵抗2、電界効果トランジスタ(FET)3、FET4、充電電流センス回路6、アンプ7、アンプ8、バッファ9、アダプタ電圧検出回路10、電流検出回路11、定電流用リファレンス回路12、定電圧用リファレンス回路13、電池電圧検出回路14、充電制御ロジック回路15、タイマ回路16からなる。
充電制御回路100の各部について説明する。充電器1は電池パック5に充電電流を供給する。検出抵抗2は充電電流をモニタするための抵抗器である。FET3は充電電流及び充電電圧を制御するためのものである。FET4は充電のオンオフを制御するためのものである。尚、FET4の出力は電池パック5と充電対象装置に接続されているので、充電器1は、電池パック5を充電するための電源としてだけではなく、充電対象装置のシステム電源としても同時に機能し、電池パック5を充電しながら充電対象装置に電源を供給する。充電電流センス回路6は検出抵抗2の両端から電流をモニタし、電圧に変換する。アンプ7はFET3に対して充電電流の制御を行う。アンプ8はFET8に対して充電電圧の制御を行う。バッファ9はFET4をオンオフするために用いる。アダプタ電圧検出回路10は充電器1の電圧をモニタし、異常な電圧もしくは充電可能な電圧を判定する。電流検出回路11は充電電流センス回路6からリミット電流、充電完了電流を検出する。定電流用リファレンス回路12は充電電流を定める。定電圧用リファレンス回路13は充電電圧を定める。電池電圧検出回路14は電池パック5の電池電圧を測定して充電状態を確認する。タイマ回路16は充電開始後の経過時間を計測し、所定の時間になると充電制御ロジック回路15に通知し、この通知を受けた充電制御ロジック回路15は充電を終了する。充電制御ロジック回路15は、アダプタ電圧検出回路10、電流検出回路11、電池電圧検出回路14及びタイマ回路16からの信号、並びに、不図示の温度センサが提供する温度情報、不図示のCPUによる制御に基づいて充電動作を制御する。
本発明の一実施例である充電制御回路200について説明する。充電制御回路200は充電制御回路100と同様の充電対象装置に内蔵される回路であり、上述の充電制御回路100の構成に加えて、アダプタ電流検出回路112、能力判定許可信号生成回路17を備える。アダプタ電流検出回路112は電流検出回路11の一部であり、充電器1が流せる最大電流を判定するための回路である。以下、充電器1が流せる最大電流をリミット電流と記す。リミット電流を測定するためには電池電圧を参照する必要があり、このために設けたのが能力判定許可信号生成回路17である。能力判定許可信号生成回路17は、電池電圧検出回路14のモニタ信号に基づいて、充電器1の充電能力判定の実行を許可する許可信号を生成する回路である。
アダプタ電流検出回路112には2通りの構成が考えられる。それぞれをアダプタ電流検出回路112a、112bとして図3、図4に示す。
図3を参照すると、アダプタ電流検出回路112aでは、充電電流センス回路6にてI−V変換された電圧を、それぞれ異なる閾値を有するコンパレータ1121、1122、1123にて比較し、これらの結果に基づいて充電制御ロジック回路15が充電器1の充電電流の大きさがどの範囲にあるかを判定する。尚、ここではコンパレータ1121、1122、1123の閾値は、それぞれ600mA、400mA、200mAの電流に対応する電圧であるとする。
一方、図4を参照すると、アダプタ電流検出回路112bでは、充電電流センス回路6にてI−V変換された電圧を、A/Dコンバータ1128でデジタルデータに変換し、そのデジタルデータに基づいて充電制御ロジック回路15が充電器1の充電電流の大きさを判定する。
いずれの構成であっても、アダプタ電流検出回路112は、能力判定許可信号生成回路17が生成した許可信号に応じて、リミット電流の範囲の判定、或いは、リミット電流の測定を行う。能力許可信号生成回路17は電池電圧検出回路14の検出状態に基づいて許可信号を生成する。
次に、充電制御回路200の動作の概略について、リミット電流の大きさが異なる2種類の充電器を充電器1として接続したときのそれぞれの充電特性を互いに比較しつつ、図5を参照して説明する。説明の便宜上、ここではアダプタ電流が小さい方の充電器を充電器A、大きい方を充電器Bと呼ぶものとする。双方ともに電池電圧が低いトリクル充電からの充電特性を記載している。充電器A、Bのそれぞれについて、充電器電圧と時間の関係を示すグラフ、電池電圧と時間の関係を示すグラフを図5上に示し、充電電流と時間の関係を示すグラフを図5下に示す。尚、図5では、充電器は電池パックへの充電のための電源としてのみ作用し、充電対象装置のシステム電源としては作用していないこととする。
時刻t0において充電器1が接続されると、電池電圧がある一定の電圧に達するまで少ない充電電流でトリクル充電が行われる。図5では充電器A、B共に電池電圧が3.0Vに達する時刻t1までトリクル充電を行っている。
ある一定の電圧を超えると、定電流充電が始まり、電池電圧が満充電電圧に達するまで、リミット電流、すなわち、充電器1で流すことができる最大の電流で充電が行われる。充電電流のグラフに示すように、充電器A、Bのリミット電流の差によって満充電電圧(4.2V)に到達する時間が変わる。電池電圧のグラフが示すように、リミット電流が小さい充電器Aで満充電電圧に達するのは時刻t4であるが、リミット電流が大きい充電器Bでは時刻t2であり、満充電電圧に至るまでの所要時間は充電器Bの方が短くなる。
電池電圧が満充電電圧に達すると、定電圧充電に切り替り、FET4はその電圧を超えないようにゲート電圧を制御しながら充電を行っていく。電池電圧グラフを参照すると、充電器Aでは時刻t4から時刻t5の間に定電圧充電を行うが、充電器Bでは時刻t2から時刻t3の間に定電圧充電を行っている。
定電圧充電で電池側への充電電流が少なくなっていき、ある充電電流を下回ったのを検出すると、FET3、4をそれぞれオフすることにより充電を完了する。充電器のリミット電流が小さいほど、定電流充電の時間が長くなり、結果として充電時間が長くなる。
図5では、充電器は電池パックへの充電のための電源としてのみ作用し、充電対象装置のシステム電源としては作用していないことを前提としていた。即ち、充電器が供給する電力は全て電池パック5の充電に用いられていた。しかしながら、充電器からの電流が完全に電池パック5の充電に費やされるのは理想的な状態であって、実際には充電が始まって電池電圧が上昇すると充電対象装置のシステムが立ち上がるために、システム側でいくらかの電流は消費される。
このことを考慮したのが図6である。図6では、簡易的にシステムで消費される場合の充電特性を示している。この場合は、システムに電流が流れる区間では、その分電池に充電される電流が減少するために電池電圧の上昇が鈍くなっている。そのため、充電時間が長くなる。
タイマ回路16にて充電時間に制限を設けている場合、図6に示すようにタイムアウトにより満充電に至らないまま充電を終了してしまうことが考えられる。特に、充電器のリミット電流が低く、システムで消費される電流が大きい場合には、タイムアウトによって満充電以前の充電終了が頻繁に発生すると考えられる。
このようなタイムアウトによる不完全な充電を防止するため、本発明では、充電対象装置に接続された充電器のリミット電流の情報を、充電の途中に或いは充電に先立って取得して、リミット電流の大きさに応じて充電対象装置側や充電制御回路側での対処を変更する。
図7を参照して、充電器の電流供給能力を判定する際の充電制御回路200の動作について説明する。
充電器1が接続される(ステップA1)と、まず、アダプタ電圧検出回路10にて充電器1の電圧を確認する(ステップA2)。
想定されている充電器電圧以上(ステップA2 Yes)であれば、システムの保護のために充電回路をオフ、すなわち制御用のFET3、FET4をオフする(ステップA5)。もしシステムがオンしているようであれば、充電制御ロジック回路15は、不図示の充電対象装置のCPUを介して、充電対象装置のLCD等の画面表示装置でのメッセージ表示、所定のLEDの点灯、明滅等により、想定されている電圧以上の充電器電圧を出力する充電器が接続されている旨をユーザに対して通知(ステップA6)させ、そのまま充電を停止する。
充電器電圧が異常でなければ(ステップA2−No)、充電制御ロジック回路15は電池電圧検出回路14を介して電池電圧を確認し、ある一定の電圧(ここでは3V)以下では電池の保護のためにトリクル充電を行う(ステップA4)。
トリクル充電において電池電圧が上昇し、一定電圧(3V)以上になると、充電制御ロジック回路15は定電流用リファレンス回路12、アンプ7、FET3を介して行う定電流充電を開始する(ステップA7)。
その後、充電制御ロジック回路15は電池電圧検出回路14を介して再度電池電圧を確認(ステップA8)し、満充電電圧に近い4Vに達していれば、充電制御ロジック回路15は定電圧用リファレンス回路13、アンプ8、FET3を介して行う充電を継続し、通常の充電動作と同様、充電電流が一定値以下になるまで充電制御を継続するか、もしくは充電開始から所定の時間が経過したことをタイマ回路16にて計測すると充電を終了する。ここでは、充電の設定時間の延長や充電対象装置での対処は行わない。これは、既に満充電電圧付近に達していることから、今後仮に充電対象装置にてシステム負荷が大きくなったとしても、タイマの設定時間の範囲内で満充電に達する可能性が高く、システム側での対処は特に必要ないと考えられるからである。
逆にステップA8での電池電圧確認において、電池電圧が4Vに達していない場合は、図5からわかるように定電流充電領域になっており、充電器アダプタで流せるだけの電流を流すことから、このポイントでの電流値をモニタすることによって(ステップA9)、システム側での対処の有無を判断する(ステップA10)。
ここで図8を参照してステップA9における充電電流測定について更に説明する。充電状態がトリクル充電から定電流充電になると、即ち、電池電圧検出回路14による電池電圧の測定結果が3.0V以上で満充電電圧以下であると、能力判定許可信号生成回路17は許可信号を生成する。図8では、能力判定許可信号生成回路17は電池電圧が3.1〜4Vの範囲で許可信号を出力している。許可信号を受けた充電制御ロジック回路15は、アダプタ電流検出回路112に対して測定要求を出力し、この測定要求に応じて、アダプタ電流検出回路112は充電電流センス回路6を介して充電器1の電流値を測定する。測定した電流値の領域もしくは値を持って電流能力を判定し、システムによる制御が行われる。
電流のモニタ方法に関しては、図3にあるように充電電流が、ある一定の範囲にあることをモニタするようにコンパレータで検出を行うか、もしくは図4のように充電電流をI−V変換した電圧でA/D変換することによってデジタル的に電流値をモニタすることができる。
充電対象装置の正規の充電器のように、電流能力の高い充電器、即ちモニタして電流値が推定される電流値より高い充電器に関しては、特に対処する必要がなく充電動作は継続する。
一方で補助的な充電アダプタなどの電流能力の低いものに関しては、制御によって充電タイマの延長や、高負荷となる機能の制限などの対処を行う(ステップA11)。
ステップA11における対処の例を図9に示す。本例では、リミット電流が600mA以上であるならば特にシステム的に対処はしない。リミット電流が400〜600mAであれば、ユーザにアダプタ電流が低く充電完了までに時間がかかることをLEDやLCDを介して通知するとともに、タイマの設定時間を1.5倍にして充電時間を増やすことにより、タイムアウトによる充電不足を防止する。リミット電流が200〜400mAであれば、タイマの設定時間を2倍にするとともに、ユーザにその旨を通知する。リミット電流が200mA以下であればタイマの設定時間を3倍にし、LEDやLCDの輝度を落とす等、充電対象装置の機能制限を設け、充電所要時間の延長と充電対象装置の機能制限を通知するメッセージをユーザに通知するなどの措置をとる。
ユーザへの通知(ステップA12)は、前述したようにLEDやLCDなどを介してユーザに「アダプタの充電電流が低いので充電時間が長くなる」ことや、機能の使用制限などを伝えることで充電状況を認知してもらい、充電動作を継続する。
実施例1では、二次電池の充電を開始した後で充電器のリミット電流を測定した。これに対して実施例2では、二次電池の充電に先立って充電器のリミット電流を測定する。即ち、実施例2では、充電を開始する前に、電池パック5への充電パス(FET4)を遮断しておいて、充電器1が流せる最大の電流を流すことによって、充電器の電流能力を判定する。
図10を参照して説明すると、充電制御回路300は、充電制御回路200に対して、電流引き込み回路18を追加し、能力判定許可信号生成回路17を削除した構成を有する。
電流引き込み回路18は、引き込みラインのスイッチ181と、電圧のフィードバック切り替え用のスイッチ182と、制限抵抗183と定電流回路184から構成される。
尚、実施例1では、充電器の電流能力判定は定電流充電領域時に確認するためのものであったが、本実施例では、電池電圧に関係なく電流能力判定を行うために不要となったため、能力判定許可信号生成17を備えていない。
図11を参照して充電制御回路300による充電器の電流能力判定動作について説明する。充電器1が接続される(ステップB1)と、充電制御ロジック回路15はアダプタ電圧検出回路10を介して充電器1の電圧を確認して充電器異常であるかを判定する(ステップB2)。
充電器1の電圧が異常であれば、充電対象装置の表示装置等を介したユーザ通知等を行い(ステップB3)、充電を停止する。
充電器1の電圧が異常でなければ、SW181をオンにし、SW182を電流引込回路側に接続する。このとき、FET3はオンにし、FET4は電池側に電流が流れないようにオフしておく(ステップB4)。
次いで電流引込回路18から充電器1に対し、定電流回路184が出力する定電流を流し込む(ステップB5)。定電流回路184が出力する定電流の大きさは、充電対象装置の正規の充電器のリミット電流より大きい、予め定められた電流とする。このとき、充電器側で電流制限がかかる場合は、制限電流以上の電流を流すことができないため、電圧降下が発生する。一方で電流制限のかからない充電器では電圧降下は発生しない。
電圧降下が発生する(ステップB6−Yes)場合、充電器1の電流能力を判定する(ステップB9)。充電器で流せる電流が所定の正規の充電器の電流値の範囲であれば、システム的な対処やユーザ通知は特に行わない。充電器で流せる電流が正規の範囲以下であれば、図9に示したシステム的な対処(ステップB10)や、ユーザへの通知を行う(ステップB11)。それらが完了した後、SW181、SW182の設定を変更し、電流の引き込みをオフし(ステップB12)、通常の充電を行う(ステップB13)。
一方、電流引込回路18によって電圧降下が発生しない場合(ステップB6−No)、過電流が電池側に流れないように充電制御回路側で充電電流に制限をかける(ステップB7)と共に、ユーザに異常アダプタであることを通知する(ステップB8)。それらが完了した後、SW181、SW182の設定を変更し、電流の引き込みをオフし(ステップB12)、電制御回路側で充電電流に制限をかけた状態で充電が行われる(ステップB13)。このとき、充電電流の制限に関しては、充電時の発熱を考慮して推奨電流値の半分以下が望ましい。
実施例1及び2によれば、充電器の電流能力が小さいことを判定することにより、充電タイマを延長するなどのシステムでの対応が可能にできる。また、充電器の電圧と電流能力によっておおよそではあるが充電器が正規品であるか否かの判別を行うことができる。更に、ユーザに充電器の能力によって充電時間がかかるなどの情報を通知し、充電状況をユーザに認知させることができる。
1 充電器(或いは充電アダプタ)
2 検出抵抗
3、4 電界効果トランジスタ(FET)
5 電池パック
6 充電電流センス回路
7、8 アンプ
9 バッファ
10 アダプタ電圧検出回路
11 電流検出回路
12 定電流用リファレンス回路
13 定電圧用リファレンス回路
14 電池電圧検出回路
15 充電制御ロジック回路
16 タイマ回路
100、200、300 充電制御回路
2 検出抵抗
3、4 電界効果トランジスタ(FET)
5 電池パック
6 充電電流センス回路
7、8 アンプ
9 バッファ
10 アダプタ電圧検出回路
11 電流検出回路
12 定電流用リファレンス回路
13 定電圧用リファレンス回路
14 電池電圧検出回路
15 充電制御ロジック回路
16 タイマ回路
100、200、300 充電制御回路
Claims (10)
- 充電対象装置の充電端子に充電器が接続され、前記充電器が電圧を印加する段階と、
前記充電器が行う定電流充電の充電電流の大きさに応じて、充電時間の延長、及び、充電対象装置の動作の制限の少なくとも一方を充電制御回路が行う段階と
を含むことを特徴とする充電制御方法。 - 定電流充電を開始した後、電池電圧が予め定められた電圧に達したことの検出に応じて、充電電流の大きさの判定の要否を判定することを特徴とする請求項1に記載の充電制御方法。
- 前記充電制御回路は、予め定められた一乃至複数の閾値に対応するコンパレータ及びロジック回路を備え、前記コンパレータでの比較結果に応じて前記ロジック回路は充電電流の大きさに応じた動作を定めることを特徴とする請求項1に記載の充電制御方法。
- 前記充電制御回路は、前記充電電流に対応するアナログ値をデジタル値に変換するアナログデジタルコンバータ及びロジック回路を備え、前記アナログデジタルコンバータが出力するデジタル値に応じて前記ロジック回路は充電電流の大きさに応じた動作を定めることを特徴とする請求項1に記載の充電制御方法。
- 充電に先立って、二次電池と充電器を電気的に切り離し、前記充電対象装置の所定の正規の充電器が定電流充電を行うときに出力する電流よりも大きな予め定められた電流を、定電流回路から前記充電器に流したとき、電圧降下が生じるか否かに応じて、充電電流の大きさの判定の要否を判定することを特徴とする請求項1に記載の充電制御方法。
- 充電対象装置の充電端子に充電器が接続され、前記充電器が電圧を印加すると、前記充電器が行う定電流充電の充電電流の大きさに応じて、充電時間の延長、及び、充電対象装置の動作の制限の少なくとも一方を行う充電制御回路。
- 定電流充電を開始した後、電池電圧が予め定められた電圧に達したことの検出に応じて、充電電流の大きさの判定の要否を判定することを特徴とする充電制御回路。
- 予め定められた一乃至複数の閾値に対応するコンパレータ及びロジック回路を備え、前記コンパレータでの比較結果に応じて前記ロジック回路は充電電流の大きさに応じた動作を定めることを特徴とする請求項6に記載の充電制御回路。
- 前記充電電流に対応するアナログ値をデジタル値に変換するアナログデジタルコンバータ及びロジック回路を備え、前記アナログデジタルコンバータが出力するデジタル値に応じて前記ロジック回路は充電電流の大きさに応じた動作を定めることを特徴とする請求項6に記載の充電制御回路。
- 充電に先立って、二次電池と充電器を電気的に切り離すスイッチと、
前記充電対象装置の所定の正規の充電器が定電流充電を行うときに出力する電流よりも大きな予め定められた電流を前記充電器に流すための定電流回路と、
前記定電流回路から前記充電器に前記予め定められた電流を流したとき、電圧降下が生じるか否かに応じて、充電電流の大きさの判定の要否を判定するロジック回路と
を備えることを特徴とする請求項6に記載の充電制御回路。
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