JP3674794B2

JP3674794B2 - 蓄電池充電回路

Info

Publication number: JP3674794B2
Application number: JP05087596A
Authority: JP
Inventors: 晃一井上
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1996-02-14
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2016-02-14
Also published as: JPH09219935A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、蓄電池充電回路に関し、詳しくは、十分に充電したことを検出して充電を自動停止する機能を有するリチウム・イオン蓄電池の充電において、簡単な回路でかつ安全性の高いような蓄電池充電回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウム・イオン二次蓄電池等の充電については、一般に、先ず蓄電池が放電後の状態の場合には、例えば３００ｍＡの定電流での充電が行われ、次にかなり充電されて充電状態が進んだ場合には定電圧での充電形態に切り換わり、この定電圧充電の下で、充電電流が例えば５ｍＡ以下となったとき、あるいは充電電圧が所定値以上になったとき、十分に充電が行われたものとして充電を終了させる。
【０００３】
図３に、このような従来の電池充電回路の例を示す。１はマイクロコンピュータ等からなるコントローラ、２はその制御信号に応じて充電動作を開始又は停止する充電電流供給回路、３は、充電電流供給回路２からの充電電流により充電されるリチウム・イオン電池（以下電池）、４は端子電圧判定回路、５は、接点スイッチ、６ａは、電源側の端子、６ｂは、グランド端子であり、６ｃは充電電流供給回路２の制御端子である。
ここで、電池３が装填されたときには、接点スイッチ５の接点が点線で示す状態から移動して、電池３の端子３ａ，３ｂに電源側の端子６ａと端子６ｂとがそれぞれ接触して電池３にこれら端子が接続され、さらに、制御端子６ｃを端子６ｂに接続させる。これにより、電池３に充電電流供給回路２から電力が供給される。
なお、後述するスイッチＳＷは、通常、ＯＮ状態にされていて、端子６ｂがこのスイッチＳＷを介してグランドＧＮＤに接続されている。
【０００４】
充電電流供給回路２は、電源ライン＋Ｖccと端子６ａとの間に接続されたＬＥＤ素子２ａを介して、順次接続された保護抵抗Ｒ1、ＰＮＰトランジスタＱ1、そして保護ダイオードＤの直列回路からなるもので、端子６ａの電圧が所定値以上上昇したときには、保護ダイオードＤにより電流の供給が遮断される。
ここで、コントローラ１は、電池３の充電状態を監視している。そのために、その＋Ｖoutの端子が保護ダイオードＤ1を介して端子６ａに接続され、−Ｖoutの端子がスイッチＳＷを介して端子６ｂに接続されている。そして、端子６ａと端子６ｂとの間の電圧を端子電圧判定回路４が判定する。端子電圧判定回路４は、下側検出のコンパレータ４ａ，上側検出のコンパレータ４ｂとアンドゲート４ｃとにより構成され、端子電圧が、例えば、４．２Ｖ±０．０４の範囲にあるときに、検出信号をアンドゲート４ｃよりコントローラ１に送出する。コントローラ１がこの検出信号を受けたときには、スイッチＳＷは、ＯＦＦにされ、充電完了になる。
【０００５】
充電されるリチウム電池の内部の構造は、一例として、図４に示すように、内蔵電池３ｃに対して、正側の電極は、そのまま正側端子３ａに接続されるが、その負側の電極は、Ｎｃｈ型（ＮＰＮ型）のＦＥＴトランジスタＦ1，Ｆ2を介して負側端子３ｂに接続されている。ＦＥＴトランジスタＦ1，Ｆ2は、リチウム電池保護回路（ＩＣ）３ｄにより制御されてＯＮ／ＯＦＦされる。保護回路３ｄは、電池３ｃの電池がほぼ完全放電（過放電）状態のときに、トランジスタＦ1をＯＦＦさせ、完全充電（過充電）状態のときに、トランジスタＦ2をＯＦＦさせることで電池３ｃを保護する。
過放電の場合にトランジスタＦ1がＯＦＦ状態であっても、端子３ａ，３ｂ間に電流を流すと、トランジスタＦ1に形成される点線で示すようなボディダイオード（寄生ダイオード）Ｄ2を介して電流が流れるので、電池３の端子３ａ，３ｂに所定値以上の電圧が加われば、この充電電流により過放電状態を検出できる。
なお、前記の充電電流供給回路２は、コントローラ１からの制御信号に応じて定電流型と定電圧型とが切り替わる形態のものであってもよい。このような充電回路などでは、点線で示すような制御信号がコントローラ１から充電電流供給回路２に送出されるが、ここでは、この発明との関係でより単純化した回路を例として挙げている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の電池充電回路では、充電の安全性を確保するために、接点スイッチ５が用いられているが、異物の混入により接触不良や、接点がＯＮ状態にされて充電電流供給回路２のトランジスタＱ1がＯＮになり、過大な大電流が流れる虞がある。特に、最近は、いわゆる高速充電の要求も高まっており、これに呼応して、充電電流が数１００ｍＡ程度からそれ以上に増大する傾向にある。その結果、前記のような従来の回路では、安全性や信頼性の面では十分なものとは言えず、このままでは、高速充電の要求にも応えられない。
また、コントローラ等を用いることにより、回路構成素子が多くなり、ノイズ等で誤動作の危険性も高い。
この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決するものであって、接点スイッチを用いることなく、簡単な回路で安全性の高い充電ができる電池充電回路を実現することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するこの発明の電池充電回路の構成は、所定の電流を電池が接続される正極側の端子に供給する充電電流供給回路と、正極側が接地されて常時電流が流れても問題のない、定電流充電の電流値に対して千分の１以下でかつμＡか、それ以下の微小定電流を前記の端子に流出する定電流源と、前記の端子に送出される充電電流供給回路の充電電流をそのＯＮ／ＯＦＦにより送出／停止させるスイッチ回路と、前記端子に接続され流された微小定電流により検出される端子の電圧が、充電が可能な下限電圧値以上でかつ充電が完了する電圧以下の範囲にあるか否かを判定してこの範囲にあるときに前記のスイッチ回路をＯＮ／ＯＦＦのいずれか一方にして充電電流を送出させる判定回路とを備えるものである。そして、前記の判定回路は、端子に接続された第１および第２のコンパレータと充電が完了する電圧に対応する電圧を発生する電圧源とを有し、さらに端子と電圧源との間に微小定電流に対して順方向となるダイオードが設けられ、第１のコンパレータは、端子の電圧が、充電が可能な下限電圧値以上であることを検出し、第２のコンパレータは、電圧源からの電圧を受けて端子の電圧が、充電が完了する電圧以下であることを検出し、前記の蓄電池は、内部にスイッチ回路を内蔵するリチウム・イオン蓄電池であり、充電電圧が所定の過電圧になったときに蓄電池に内蔵するスイッチ回路がＯＦＦするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
このような構成の電池充電回路では、充電電流供給回路による充電電流に対し、正極が接地されて常時電流を流しても問題のない、数μＡか、それ以下の、充電電流に対して千分の１以下の微小定電流を流出する定電流源を設けることにより、μＡか、それ以下の定電流値でリチウム・イオン蓄電池の状態を検出できる。しかも、定電流であるので、その範囲判定にばらつきが発生し難く、また、千分の１以下の微小定電流であるので、保護回路のＦＥＴのボディダイオードも痛めることなく、接点スイッチを使用せずに直接リチウム・イオン蓄電池を接続することができる。
【０００９】
【実施例】
図１は、この発明の電池充電回路の実施例の回路図であって、図３と同一の構成要素は同一の符号で示してある。そこで、それの説明を割愛する。
図１の電池充電回路１０では、図３のコントローラ１に換えて、保護ダイオードＤ3を介して接触端子７ａに出力側が直接接続された微小定電流源７が設けられている。また、充電電流供給回路８と接触端子７ａとの間にスイッチ回路ＳＷ1が設けられ、接点スイッチ５は設けていない。接触端子７ｂは直接接地され、電池３は、接触端子７ａ，７ｂに直接接続されている。
【００１０】
端子電圧判定回路９は、図３の端子電圧判定回路４と異なり、ここでは、電池３について、充電可能な範囲を検出する。したがって、下側コンパレータ９ａの比較電圧Ｖref1は、電池３の充電可能下限電圧値以上を検出するように設定され、上側コンパレータ９ｂの比較電圧Ｖref2は、電池３の過充電電圧値以下を検出するように設定されている。アンドゲート９ｃは、下側コンパレータ９ａと上側コンパレータ９ｂとの検出信号のアンド条件においてスイッチ回路ＳＷ1をＯＮさせる信号を発生する。
なお、比較電圧Ｖref1は、電池３に内蔵されたトランジスタＦ1がＯＮするスレショルド電圧に対応する０．７Ｖ（寄生ダイオードＤ2の順方向電圧）であり、比較電圧Ｖref2は、４．２Ｖである。また、コンパレータ９ｂの入力側に挿入されたダイオードＤ4は、保護ダイオードであり、電池３の充電電圧が４．２Ｖを越えて４．２＋０．７Ｖ＝４．９Ｖ以上に上昇しないようにするとともに、電池が過充電状態になって、高インピーダンス状態のときには、微小電流を別経路に流して誤動作を防ぐ回路になっている。
【００１１】
スイッチ回路ＳＷ1は、この実施例では、充電電流供給回路８と接触端子７ａとの間に挿入され、通常は、ＯＦＦ状態にあって、アンドゲート９ｃからの信号を受けてＯＮになる。
このようにすることで、電池３と電池充電回路１０とは、電池が装填された状態で接触端子７ａ，７ｂを介して直接接続される。したがって、最初に電源ライン＋Ｖccから微小定電流源７を介して電池３に微小電流が流れる。微小定電流源７の電流は、ここでは、充電電流供給回路８の数百ｍＡ単位のものに対して千分の１より小さい数μＡからそれ以下の０．数μＡ程度の定電流を流出する。
【００１２】
したがって、電池３内部の保護回路になっているＦＥＴのボディダイオードを保護できる状態で電池３の充電状態を検出でき、電池３に前記の電流を流すことにより接触端子７ａ，７ｂ間の電圧が０．７Ｖから４．２Ｖの範囲にあるときには、電池３に対して充電電流供給回路８からその初期において数百ｍＡ程度の電流値で充電が開始される。そして、充電が進むに従って、その電流値は、順次低下していく。接触端子７ｂの電圧が充電が完了する電圧４．２Ｖを越えたときには、アンドゲート９ｃの信号がＯＦＦになり、スイッチ回路ＳＷ1がＯＦＦして充電電流供給回路８からの充電電流が停止する。ことのき微小定電流源７の電流の０．数μＡ程度は、流れ続けるが、これは、ダイオードＤ4によりクランプされ、微小定電流源７の誤動作を防ぎ、安全な充電回路となる。
一方、リチウム電池では、内部にスイッチ回路としてトランジスタＦ2が設けられているので、これがＯＦＦになり、この微小定電流源７の微小電流は、停止する。なお、端子電圧判定回路９には、電流が流れるので判定には変化はなく、スイッチＳＷ1は、ＯＦＦに維持される。また、電池３も保護される。端子７ａ，７ｂに異物が付いてショートしたときには、端子７ａ，７ｂ間が０．７Ｖ以下になるので、この場合も大電流はながれない。
【００１３】
図２は、コンパレータを差動増幅回路で構成して、カレントミラーにより充電電流の遮断制御を行う充電電流供給回路を用いた具体例である。
図２において、１１は、充電電流供給回路であって、トランジスタＱ2とＱ3とからなるカレントミラーで構成され、出力側のトランジスタＱ3は、入力側のトランジスタＱ2に対してｎ倍のエミッタ面積を持つ出力段トランジスタになっている。トランジスタＱ2の下流には、スイッチ回路を構成するＮＰＮ型トランジスタＱ10が設けられていて、これを介してトランジスタＱ2は接地されている。トランジスタＱ10は、エミッタがグランドＧＮＤに接続され、ベースが差動増幅回路１２の出力を受けてＯＮ／ＯＦＦされる。その動作開始電圧（ＯＮする下側電圧）が１Ｖf（ベース−エミッタ間順方向電圧≒０．７Ｖ）になっている。そこで、ここでは、このトランジスタＱ10自体が図１における下側コンパレータ９ａの役割を果たす。そして、差動増幅回路１２が上側コンパレータ９ｂの役割を果たす。
【００１４】
差動増幅回路１２は、ＰＮＰ型の差動トランジスタＱ4，Ｑ5とカレントミラー負荷のＮＰＮ型のトランジスタＱ6，Ｑ7、そしてトランジスタＱ4，Ｑ5の上流側で電源ライン＋Ｖccとの間に設けられた電流源１３とからなる。その出力は、トランジスタＱ7とトランジスタＱ3のコレクタの接続点より取り出され、これが下側電圧のスイッチ回路になっているトランジスタＱ10のベースに送出される。
一方、微小電流定回路７は、電源ライン＋Ｖccに接続された定電流源１４とその下流に設けられたＰＮＰ型のトランジスタＱ8とで構成されている。定電流源１４の出力は、トランジスタＱ8のコレクタ側に接続されてエミッタ側を通して接地され、ベース側から接触端子７ａに出力が取り出される。これにより、定電流源１４の定電流値Ｉは、Ｉ／ｈfeになり、０．数μＡの定電流値に変換される。さらに、トランジスタＱ8のコレクタ−ベース間によりここに順方向にダイオードが形成され、これが保護ダイオードとなっている。
【００１５】
差動増幅回路１２のトランジスタＱ4のベースは、このンジスタＱ8のコレクタと接続されて、出力電圧をここで検出する。また、この差動増幅回路１２ンパレータとしての動作のバランスを採るために、トランジスタＱ5側にも定電流源１４に対応する電流値Ｉの定電流源１５が設けられ、さらに、トランジスタＱ8に対称に配置されるように、同様な接続関係においてトランジスタＱ9が設けられている。この差動増幅回路１２のコンパレータとしての比較電圧は、このトランジスタＱ9のベースとグランドＧＮＤとの間に設けられた定電圧源Ｖref2により発生する。
【００１６】
その動作としては、電池３が接続されたときに、トランジスタＱ8のベースを経て接触端子７ａに０．数μＡの定電流値が供給される。これにより接触端子７ａ，７ｂ間に電圧が発生し、これを差動増幅回路１２が検出して、この初期状態ではトランジスタＱ8のベース電圧がトランジスタＱ9のベース電圧より低いので、トランジスタＱ4，Ｑ9がＯＦＦ状態になり、トランジスタＱ3，Ｑ8がＯＮ状態になる。そして、トランジスタＱ10のベース電圧が０．７Ｖ以上であるときに、トランジスタＱ10がＯＮにされ、出力段のトランジスタＱ3から接触端子７ａへと充電電流が供給される。
【００１７】
この充電により電池３が充電され、やがて接触端子７ａの電圧が４．２Ｖを越えたときには、トランジスタＱ8のベース電圧がトランジスタＱ9の電圧より高くなり、トランジスタＱ4，Ｑ9がＯＮ状態になり、トランジスタＱ3，Ｑ8がＯＦＦ状態になる。その結果、トランジスタＱ10がＯＦＦしてトランジスタＱ3がＯＦＦになり、接触端子７ａへの充電電流は停止する。
なお、このときでも、接触端子７ａには、トランジスタＱ8のベースを経て０．数μＡの電流は流れる。しかし、この端子電圧４．２Ｖ以下にならない限り、充電は開始されない。
【００１８】
以上説明してきたが、図２の実施例のＰＮＰ型トランジスタは、ＮＰＮ型トランジスタに置き換えることができ、また逆に、ＮＰＮ型トランジスタは、ＰＮＰ型トランジスタに置き換えることができる。
また、充電電流供給回路８と接触端子７ａとの間にＬＥＤ素子等やその他の保護回路を設けてもよいことはもちろんである。
【００１９】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、この発明の電池充電回路にあっては、充電電流供給回路による充電電流に対し、正極が接地されて常時電流を流しても問題のない、数μＡか、それ以下の、充電電流に対して千分の１以下の微小定電流を流出する定電流源を設けることにより、μＡか、それ以下の定電流値でリチウム・イオン蓄電池の状態を検出できる。しかも、定電流であるので、その範囲判定にばらつきが発生し難く、また、千分の１以下の微小定電流であるので、保護回路のＦＥＴのボディダイオードも痛めることなく、接点スイッチを使用せずに直接リチウム・イオン蓄電池を接続することができる。
その結果、リチウム・イオン蓄電池に対して接点スイッチを用いることなく、かつ充電回路や充電電池の特性のばらつきに影響されることが少ない回路を提供できる。また、回路構成が単純で、信頼性と安全性の高い回路を充電回路を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の電池充電回路の実施例の回路図である。
【図２】図２は、この発明の電池充電回路の他の実施例の回路図である。
【図３】図３は、従来の電池充電回路の説明図である。
【図４】図４は、リチウム二次電池の内部の説明図である。
【符号の説明】
１…コントローラ、２，８，１１…充電電流供給回路、
３…蓄電池、４…端子電圧判定回路、
５…接点スイッチ、６ａ，６ｂ…端子、
７ａ…電源側の接触端子、７ｂ…グランド接触端子、
６ｃ…制御端子、７…微小定電流源、
９…端子電圧判定回路、９ａ，９ｂ…コンパレータ、
１０…電池充電回路、１２…差動増幅回路、１３…電流源、
１４…定電流源、Ｑ1〜Ｑ10…トランジスタ、ＳＷ1…スイッチ回路。

Claims

所定の電流を蓄電池が接続される正極側の端子に供給する充電電流供給回路と、前記正極側が接地されて常時電流が流れても問題のない、定電流充電の電流値に対して千分の１以下でかつμＡか、それ以下の微小定電流を前記端子に流出する定電流源と、前記端子に送出される前記充電電流供給回路の充電電流をそのＯＮ／ＯＦＦにより送出／停止させるスイッチ回路と、前記端子に接続され流された前記微小定電流により検出される前記端子の電圧が、充電が可能な下限電圧値以上でかつ充電が完了する電圧以下の範囲にあるか否かを判定して前記範囲にあるときに前記スイッチ回路をＯＮ／ＯＦＦのいずれか一方にして前記充電電流を送出させる判定回路とを備え、
前記判定回路は、前記端子に接続された第１および第２のコンパレータと前記充電が完了する電圧に対応する電圧を発生する電圧源とを有し、さらに前記端子と前記電圧源との間に前記微小定電流に対して順方向となるダイオードが設けられ、前記第１のコンパレータは、前記端子の電圧が、充電が可能な下限電圧値以上であることを検出し、前記第２のコンパレータは、前記電圧源からの電圧を受けて前記端子の電圧が、前記充電が完了する電圧以下であることを検出し、前記蓄電池は、内部にスイッチ回路を内蔵するリチウム・イオン蓄電池であり、充電電圧が所定の過電圧になったときに前記蓄電池に内蔵する前記スイッチ回路がＯＦＦする蓄電池充電回路。