JP4192797B2 - 二次電池の充電方法および充電装置 - Google Patents

Description

この発明は、二次電池の充電方法および充電装置に関し、特に、二次電池の満充電後に電源回路の動作を停止させ、待機電力を削減する充電方法および充電装置に関する。

現在、二次電池を電源として内蔵した機器が多くの分野で用いられている。また、機器の多機能化、携帯化とともに使用頻度も増し、二次電池の需要が大きくなっている。

これら二次電池の充電装置は、機器の置き台と兼用になっているものが多く、不使用時には機器を充電装置の上に置き、充電することが多い。また、機器の充電時以外でも、家庭用電源コンセントに差し込まれたままであることが多い。

ところが、家庭用商用電源から電力を取り込み動作する家電機器は、電源ケーブルを家庭用電源コンセントに差し込んでいる限り、機器の主電源がＯＮの状態でなくても、機器の電源回路内では電力を消費している。主電源がＯＮ状態になった際にＯＮしたことを検知し、瞬時に機器内部の回路に電力を供給する必要がある為、主電源のＯＮ／ＯＦＦを検知する電源回路は動作させておく必要があり、電力消費に繋がっている。

近年、環境問題が取り沙汰され、家電機器の消費電力や待機電力削減の要求が高まっている。昨今普及が著しい二次電池の充電装置においても、常に家庭用商用電源につないだままであるという状況から鑑みて、待機電力を削減することが重要な課題となっている。下記の特許文献１には、電池内の温度の過度の上昇を防止する充電装置が記載されている。

特開平９−３３１６３６号公報

従来の二次電池充電装置は、特許文献１に記載されているように、家庭用商用電源から交流電流を取り込み、充電装置内電源回路部で直流電流に変換し、これにより電池を充電する。他の家電機器同様、電池が装着されていない状態もしくは電池充電が終了した後は、定格充電電流は出力されないものの、電源回路部は動作し続けており電力が消費されている。

これまで、待機電力を削減するという目的の下で、低消費電力電源用ＩＣ（Integrated Circuit）などが商品化されている。例えば、必要な時にだけ電源をＯＮさせる回路（間欠制御回路）などを搭載することでＡＣアダプタの待機時の消費電力を削減するものである。この回路は、出力電圧を検出回路でモニターし、設定電圧以下になった時にスイッチング信号を出力してトランスを動作させ、設定電圧以上になった時にはトランスを停止させる制御を繰り返す機能を持っている。低待機電力化は徐々に進歩してきているが、市場要求はまだまだ高く、更に低待機電力化対応の専用ＩＣを開発する必要がある。

しかしながら、ＩＣの開発には莫大なコストと時間がかかることから、これ以外の待機電力削減策が求められていた。

したがって、この発明の目的は、二次電池の充電装置において、新たに開発したＩＣを使用せずに待機電力を削減する二次電池の充電方法および充電装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明の第１の態様は、電源回路の出力で二次電池を充電する充電方法において、二次電池の電池電圧又は電池温度を検出することにより、二次電池が満充電に達したか否かを判別するステップと、満充電に達したことが検出された時点で、充電表示を継続するとともに、充電電流を停止するステップと、満充電が検出されると、予め時間を設定した充電終了タイマーを起動させ、設定時間が経過した後にスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を完全に停止することによって、充電表示を停止するステップとからなる充電方法である。
上述の充電方法においては、充電終了タイマーの設定時間内に二次電池の抜差しの有無を判別するステップを設け、充電終了タイマーの設定時間内に二次電池の抜差しがないと判別された場合には、設定時間の終了後に電源回路の動作および充電表示を停止させるようにすることが好ましい。

また、この発明の第２の態様は、電源回路の出力で二次電池を充電する充電装置において、二次電池の電池電圧又は電池温度を検出することにより、二次電池が満充電に達したか否かを判別する判別手段と、充電中であることを表示する表示手段と、判別手段が二次電池が満充電に達したことが検出されることによって、充電電流を停止させ、表示手段の充電表示を継続させ、満充電が検出されると、充電終了タイマーを起動させ、設定時間が経過した後にスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を完全に停止させ、表示手段における充電表示を停止させる制御手段とを有する充電装置である。
上述の充電装置では、充電終了タイマーの設定時間内に二次電池の抜差しの有無を判別する第２の判別手段を有し、制御手段が、第２の判別手段により充電終了タイマーの設定時間内に二次電池の抜差しがないと判別された場合、充電終了タイマー期間の設定時間終了後に電源回路の動作および充電表示を停止させるようにすることが好ましい。

この発明によれば、電池が満充電になり充電が必要なくなった後電源の回路動作を停止する為に、電源の消費電力は限りなくゼロに近い消費電力とすることができる。例えば、従来０．５Ｗ消費していた電力を０．００１Ｗ以下の消費電力（待機時電力）にすることが可能となる。また、電池が満充電になり充電が必要なくなった後、所定時間二次電池の充電は行わないものの、充電表示を継続する為に、使用者が満充電状態で温度が上昇した二次電池に触れるのを防止することができる。

また、この発明に用いた電源制御の機能は、一般的な電源制御用ＩＣに付与されている機能である。したがって、従来の電源制御用ＩＣを用いることが可能であり、新たなＩＣ開発等のためのコストが生じないことから、短期間で達成することができる。

以下、この発明に係る二次電池の充電装置の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、この発明が適用された二次電池の充電装置の回路例である。この回路は、電源回路部１と、スイッチ８と、充電制御回路１３と、電池９とから構成されている。

電源回路部１は、例えばスイッチング電源回路であり、家庭用交流電源等の外部電源から交流電圧を供給させるコンセント等の電源供給端子に接続される入力フィルタ回路２と、入力フィルタ回路２に接続される整流平滑回路３と、整流平滑回路３より供給された交流電流を昇圧/降圧させるＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）コンバータ４と、ＰＷＭコンバータ４より電池９に供給される直流電流の出力電圧を検出する出力検出回路１２と、出力検出回路１２が検出した情報に基づいてＰＷＭコンバータ４を制御する制御回路６とを備えている。

入力フィルタ回路２は、電源供給端子等から入力された所定の周波数帯域の交流電流を除去し、必要な周波数帯域のパルス波形の交流電流だけを透過させる。整流平滑回路３は、例えば入力フィルタ回路２によって必要な周波数帯域だけにされた交流電流を、所定の直流電流に変換し、安定した電圧を有するパルス波形の直流電流を発生させる。

ＰＷＭコンバータ４は、一対のコイル５ａ、５ｂを有するトランス５と、トランス５に接続されて制御回路６からの電気信号によりＯＮ/ＯＦＦすることでＰＷＭコンバータ４に供給される直流電流を制御するスイッチング素子１４とを備えている。トランス５は、整流平滑回路３が電気的に接続されている一次コイル５ａと、電池９がスイッチ８を介して電気的に接続されている二次コイル５ｂとからなり、一次コイル５ａに電流が供給されることで二次コイル５ｂが電圧を誘起して、整流平滑回路７にパルス波形の電流を供給する。整流平滑回路７は、例えば二次コイル５ｂから電池９に供給される充電電流の電圧を整流平滑する。

スイッチング素子１４は、例えばトランジスタ等であり、一次コイル５ａと制御回路６との間に配置され、制御回路６から供給されるパルス信号に基づいてＯＮ/ＯＦＦを切り換える。スイッチング素子１４がＯＮの状態ではトランス５に電流が供給され、ＯＦＦの状態ではトランス５に直流電流が流れない。

なお、ＰＷＭコンバータ４においては、トランス５やスイッチング素子１４の他に、整流平滑回路７や、異常電池等が装着された場合に、充電電流を流さないように回路を遮断するスイッチ８を、二次コイル５ｂと電池保持部１５との間に備えている。

このような構成のＰＷＭコンバータ４は、制御回路６からの電気信号によりスイッチング素子１４がＯＮになると、外部電源等から供給された交流電圧を入力フィルタ回路２、整流平滑回路３を介して直流電流に変換し、直流電流をトランス５の一次コイル５ａに供給する。そして、ＰＷＭコンバータ４は、一次コイル５ａに直流電圧の電流が供給されることにより、二次コイル５ｂで電圧が誘起されて二次コイル５ｂに直流電圧の電流が発生し、整流平滑回路７により平滑化された直流電圧の充電電流を電池９に供給する。

また、ＰＷＭコンバータ４は、制御回路６からの電気信号によりスイッチング素子１４がＯＦＦになると、トランス５の一次コイル５ａに対する直流電流の供給が停止されることになり、電池９に供給される充電電流を抑制する。電池９に対する充電電流は、スイッチング素子１４をＯＮ／ＯＦＦする信号のデューティ比に応じたものとなる。

出力検出回路１２は、発光素子１０ａおよび受光素子１０ｂを備えるフォトカプラ１０と、ＰＷＭコンバータ４から電池９に供給されるパルス波形の充電電流の電圧を検出する差動増幅回路１６とを備えている。

フォトカプラ１０は、ＰＷＭコンバータ４と電池９との間の電圧を検出するように接続される、発光ダイオードからなる発光素子１０ａと、発光素子１０ａからの光信号を受光し、受光した光信号を電気信号に変換して制御回路６に供給する、フォトトランジスタ等からなる受光素子１０ｂとを備えている。そして、フォトカプラ１０は、発光素子１０ａがＰＷＭコンバータ４と電池９との間に流れる充電電流の電圧に対応した明暗レベルの電気信号を制御回路６に対して出力する。

差動増幅回路１６は、フォトカプラ１０の発光素子１０ａに電気的に接続され、発光素子１０ａに供給される電流を制御する。具体的に、差動増幅回路１６は、所定の電圧を有する基準電圧源１６ａを備え、充電電圧と基準電圧源１６ａの電圧との差により、フォトカプラ１０の発光素子１０ａに供給される電流値を制御する。フォトカプラ１０において、差動増幅回路１６によって制御された電圧レベルに則った明暗レベルの光を発光素子１０ａが発光する。

このような構成の出力検出回路１２は、電池９に供給されるパルス波形の充電電流の電圧に対応して制御された電圧レベルの電気信号を制御回路６に出力する。すなわち、出力検出回路１２は、電池９に供給される充電電流の出力状態を検出し、この検出した情報に基づいた電気信号を制御回路６に出力する。制御回路６は、出力検出回路１２から供給される電気信号の電圧レベルに対応してデューティ比が制御されたパルス信号を、ＰＷＭコンバータ４のスイッチング素子１４に出力する。

以上のような構成の電源回路部１は、電源供給端子から交流電圧が入力フィルタ回路２、整流平滑回路３等を介して直流電圧にされた状態でＰＷＭコンバータ４におけるトランス５の一次コイル５ａに供給されると、二次コイル５ｂが誘起されて直流電圧のパルス波形を有する充電電流が生じ、この充電電流を電池９に供給する。そして、電源回路部１は、ＰＷＭコンバータ４から供給される充電電流の出力状態を出力検出回路１２が検出し、その検出した情報に基づいた電圧レベルの電気信号をフォトカプラ１０が制御回路６に出力する。そして、電源回路部１は、制御回路６が出力検出回路１２からの電気信号の電圧レベルに対応したパルス幅のパルス信号をＰＷＭコンバータ４のスイッチング素子１４に出力し、パルス信号のデューティ比に応じてスイッチング素子１４のＯＮ/ＯＦＦが制御されて、トランス５の一次コイル５ａに供給される電流を制御する。

そして、電源回路部１は、一次コイル５ａに供給される、制御された状態の電流に対応した状態の充電電流を二次コイル５ｂから電池保持部１５を介して電池９に供給する。このように、電源回路部１は、充電電流の出力状態を確認しながら、整流平滑回路７で整流されたパルス波形を有する充電電流を安定した状態で電池９に供給する。

充電制御回路１３は、電池保持部１５に電気的に接続された充電制御スイッチ８と、発光素子１１ａおよび受光素子１１ｂからなるフォトカプラ１１とを備えている。

フォトカプラ１１は、ＰＷＭコンバータ４からの出力に接続される発光ダイオード等からなる発光素子１１ａと、受光した光信号を電気信号に変換して制御回路６に供給するフォトトランジスタ等からなる受光素子１１ｂとを備えている。そして、フォトカプラ１１において発光素子１１ａは、充電制御回路１３から出力される信号に基づく明暗レベルの光を発光し、発光素子１１ａからの光を受光した受光素子１１ｂが、受光した光信号の明暗レベルに対応した電圧レベルの電気信号を制御回路６に対して出力する。

このような構成の充電制御回路１３は、電池保持部１５から検出する電池電圧の変化により満充電検出を行う。この発明においては、電池の満充電検出方法については特に制限はなく、種々の方法が使用可能である。

ここで、電圧に基づいた満充電検出方法の一例としては、Ｎｉ−ＭＨ（ニッケル水素）電池やＮｉ−ｃｄ（ニッカド）電池特有の満充電時の電圧降下を検出する−ΔＶ／Δｔ（一定時間内に電圧変化が負になる点を検出する）方法が挙げられる。電池電圧は、図３において実線で示されるとおり、２つの上昇カーブを有している。すなわち、充電の初期で比較的急に電池電圧が上昇し、次に、電池電圧がほとんど変化しない期間を迎える。その後、再び電池電圧が上昇し、ピークを迎えた後で少し降下する。

ここでは、最初の電圧上昇カーブが緩やかになるポイントを「初期終息」と称し、再度電圧上昇カーブが一定係数以上上向きになるポイントを「末期上昇」と称する。また、末期上昇後に電圧上昇カーブが緩やかになるポイント（電圧のピークポイントの手前）を「末期終息」と称する。このように、Ｎｉ−ＭＨ電池やＮｉ−ｃｄ電池といった二次電池の充電においては、電池電圧が一定のパターンで変化することが知られている。この変化から、末期上昇期または末期終息期であることを検知し、充電終了の判断を行う。

また、電池温度の上昇を観察し、温度が急上昇する現象を検知し、満充電と判別する方法もある。図３において破線で示すように電池が満充電を迎えると急速に温度が上昇し始める。この時、電池温度について、ΔＴ／Δｔ（一定時間内の温度上昇が規定値以上変化する点を検出する）方式を用い、満充電を検知して充電終了の判断を行うものである。

充電制御回路１３が電池電圧または電池温度の変化から、電池が満充電になったと判別すると、フォトカプラ１１への出力を反転させ、フォトカプラ１１の発光素子１１ａを発光させる。発光素子１１ａからの光を受光した受光素子１１ｂは、受光した光信号のレベルに対応した電気信号を制御回路６に出力する。制御回路６は、フォトカプラ１１の受光素子１１ｂからの電気信号を受けると、ＰＷＭコンバータ４を停止させる信号を出力する。

ＰＷＭコンバータ４は、制御回路６からの信号に基づき、スイッチング素子１４のＯＮ／ＯＦＦ動作を完全に停止する機能を備えている（ラッチ機能）。すなわち、電池の充電中はフォトカプラ１１の受光素子１１ｂからの電気信号がないので、前述のＰＷＭコンバータ制御を行い、発生電流が電池９に供給される。そして、電池が満充電になったことが検出されると、充電制御回路１３がフォトカプラ１１を介して電気信号を制御回路６に供給することにより、制御回路６がＰＷＭコンバータ４に信号を送りスイッチング素子１４をＯＦＦにし、ＯＦＦ状態を継続させる。その結果、電流の流れが皆無となり、電源回路部１全体が無動作状態となる。電池が満充電に達し、その後充電電流を出力する必要がなくなった電源回路部１は完全に動作を停止し、待機電力を０にすることができる。

ＰＷＭコンバータ４のラッチ機能は、家庭用交流電源等の外部電源から交流電圧を供給させるコンセント等の電源供給端子を抜き、再度接続することで解除される機能である。この機能は、従来の電源制御ＩＣに付与されている。したがって、この発明を実施するに当たっては、新たなコスト発生も生じず、また短期間で達成し得る内容である。

また、充電制御回路１３が、電池が満充電になったと判別した後、上述した構成で即時に電源回路の動作を停止させる方法以外に、予め時間設定しておいた充電終了タイマーを起動させ、タイマー時間内に電池の取り外しがなかったことを判別した後に、電源回路の動作を停止させるようにしてもよい。なお、電池を取り外した場合は即時に充電終了となる。充電中の電池は充電の進行と共に電池温度が上昇し、満充電になった時点で最も高い温度に至る。電池カバー付きの充電装置が一部商品化されているが、使用者が高温状態の電池になるべく触らないよう配慮しているがゆえの工夫である。

充電終了タイマーも、使用者が満充電に達した電池をすぐ触らないように考慮したものである。この充電終了タイマーは、電池が満充電に至った後、ある一定期間、充電電流は流さないが充電表示は続けるものである。使用者はまだ充電が継続されているものと判断し、電池には触ろうとしないため、安全性の観点で有効な手段である。電池カバーのないものなど、一部の充電装置で採用して有効である。

なお、この発明においては、満充電検出方法は上述したものに限定されず、また、電池に関しても、例えばコイン型、ボタン型、ガム型等、様々な二次電池に対して適用可能である。

次に、上述した一実施例の形態における充電方法について、図２のフローチャートを参照にしながら説明する。

ステップＳ１において、使用者が、例えば家庭用交流電源等にコンセント等の電源供給端子を接続させることにより、ステップＳ２において電源回路部１、充電制御回路１３が起動し、電池９が充電可能な状態となる。

次に使用者は、ステップＳ３において、電池９を電池保持部１５に装着する。この際、電池電圧を検出している充電制御回路１３が、その電圧変化により電池９が装着されたと判別し、スイッチ８をオンする信号を出力する。ステップＳ４において、充電電流が電池９に流れ始め、充電が開始され、これに伴って、充電中であることを示すランプ等が点灯する。

次に、充電制御回路１３が常時電池９の電圧または温度を検出し、ステップＳ５において満充電に至ったか否かを判別する。電池９が満充電に至ったと判別されると、ステップＳ６において充電終了タイマー有無確認を行う。充電終了タイマーのない充電装置においては、ステップＳ９に処理が進み、充電終了タイマーを内蔵する充電装置においては、処理がステップＳ７に進む。ステップＳ７において、充電終了タイマーが開始する。

ステップＳ８において、充電終了タイマーが既定の時間を経過したと判別されるか、ステップＳ６で充電終了タイマーは内蔵していない充電装置であると判断された場合は、ステップＳ９において、電源回路の動作を停止させる信号を充電制御回路１３が出力する。この信号がフォトカプラ１１を介して制御回路６に供給され、制御回路６がＰＷＭコンバータ４のスイッチング素子１４のＯＮ／ＯＦＦ動作を停止させる信号を発生し、電源回路の動作が停止する。電源回路の動作が完全に停止することにより、充電が終了する（ステップ１０）。したがって、充電終了後の消費電力は限りなくゼロに近い低消費電力充電装置が達成できる。なお、この時ランプ等が消灯し、充電が終了したことが表示される。

以上、この発明について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

この発明による二次電池充電装置の一実施形態を示すブロック図である。 この発明による二次電池充電装置の一実施形態において、充電停止までの動作の一例を示すフローチャートである。 充電時における充電特性を示す図である。

符号の説明

１・・・電源回路部
２・・・入力フィルタ回路
３，７・・・整流平滑回路
４・・・ＰＷＭコンバータ
５・・・トランス
５ａ，５ｂ・・・コイル
６・・・制御回路
８・・・スイッチ
９・・・二次電池
１０，１１・・・フォトカプラ
１０ａ，１１ａ・・・発光素子
１０ｂ，１１ｂ・・・受光素子
１２・・・出力検出回路
１３・・・充電制御回路
１４・・・スイッチング素子
１５・・・電池保持部
１６・・・差動増幅回路
１６ａ・・・基準電圧源

Claims (4)

1. 電源回路の出力で二次電池を充電する充電方法において、
   上記二次電池の電池電圧又は電池温度を検出することにより、上記二次電池が満充電に達したか否かを判別するステップと、
   満充電に達したことが検出された時点で、充電表示を継続するとともに、上記充電電流を停止するステップと、
   満充電が検出されると、予め時間を設定した充電終了タイマーを起動させ、設定時間が経過した後にスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を完全に停止することによって、上記充電表示を停止するステップと
   からなる充電方法。
2. 請求項１において、
   上記充電終了タイマーの上記設定時間内に上記二次電池の抜差しの有無を判別するステップと、
   上記充電終了タイマーの上記設定時間内に上記二次電池の抜差しがないと判別された場合、上記設定時間の終了後に上記電源回路の動作および充電表示を停止させるステップと
   を有する充電方法。
3. 電源回路の出力で二次電池を充電する充電装置において、
   上記二次電池の電池電圧又は電池温度を検出することにより、上記二次電池が満充電に達したか否かを判別する判別手段と、
   充電中であることを表示する表示手段と、
   上記判別手段が上記二次電池が満充電に達したことが検出されることによって、充電電流を停止させ、上記表示手段の充電表示を継続させ、満充電が検出されると、充電終了タイマーを起動させ、設定時間が経過した後にスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を完全に停止させ、上記表示手段における充電表示を停止させる制御手段と
   を有する充電装置。
4. 請求項３において、
   上記充電終了タイマーの上記設定時間内に上記二次電池の抜差しの有無を判別する第２の判別手段を有し、
   上記制御手段が、上記第２の判別手段により上記充電終了タイマーの上記設定時間内に上記二次電池の抜差しがないと判別された場合、上記充電終了タイマー期間の上記設定時間終了後に電源回路の動作および充電表示を停止させる
   ことを特徴とする充電装置。

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