JP5510385B2 - 充電システム - Google Patents

Description

本発明は、二次電池に対して充電用電力を供給する充電用電源と、前記二次電池の電池電圧が入力される一対の入力端子の電圧を検出して前記二次電池に対する充電動作を制御する充電制御部とが備えられた充電システムに関する。

かかる充電システムは、充電対象の二次電池の電池電圧を監視して、充電制御を行うものであり、一般に、二次電池の電極と、二次電池の電池電圧を検出するための一対の入力端子とを配線接続し、二次電池の電池電圧を検出する場合が多い。
このような配線形態では、二次電池の電池電圧の検出情報によって、充電対象の電池が接続されているか否かの検出をも行うことができ、例えば、充電装置に対する二次電池の装着離脱動作を機械的スイッチによって検出するような構成に比べて、簡素な構成で二次電池が接続されているか否かを検出できる。

ところが、二次電池の電極と、二次電池の電池電圧を検出するための一対の入力端子とを常に接続した状態とすると、二次電池に充電していないときに、微弱ながらも二次電池から上記入力端子側へ放電される。従って、この状態が長時間に亘ると、二次電池の放電量も無視できないものとなり、大きなエネルギーの損失を招いてしまう。
このような事態を回避するために、例えば下記特許文献１に記載のように、二次電池の電極と上記入力端子との配線の途中箇所にスイッチ装置を配置して、電圧検出の必要のないときは、そのスイッチ装置を切り操作しておき、二次電池の放電を防止する技術も考えられている。

特開２００８−０６１３６３号公報

しかしながら、二次電池の電極と上記入力端子との配線の途中箇所にスイッチ装置を配置して、電圧検出の必要のないときは、そのスイッチ装置を切り操作しておく構成では、スイッチ装置を切り操作した状態では、二次電池の電池電圧を検出できず、二次電池の接続の有無を検出できない。検出するためには、スイッチ装置を定期的に入り操作して二次電池の電池電圧を検出し、二次電池の存否を検出するような制御が必要となり、検出動作が煩雑なものとなってしまう。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、二次電池からの放電を抑制すると共に、二次電池の接続の有無を簡素な構成で検出できるようにする点にある。

本出願の第１の発明は、二次電池に対して充電用電力を供給する充電用電源と、前記二次電池の電池電圧が入力される一対の入力端子の電圧を検出して前記二次電池に対する充電動作を制御する充電制御部とが備えられた充電システムにおいて、前記二次電池の電極と前記入力端子とを接続する電池電圧検出用電気配線の途中箇所に、前記電池電圧検出用電気配線の通電を入り切りするスイッチ装置が備えられ、前記スイッチ装置と並列で、且つ、前記二次電池から前記入力端子への放電電流を阻止する向きにダイオードが接続され、前記ダイオードに順電圧が印加される状態となるように電圧が印加され、前記充電制御部は、前記スイッチ装置が切り操作されている状態で、前記電池電圧検出用電気配線に対して前記二次電池の電極が接続又は離脱されるのに伴って生じる、前記入力端子における電圧の変化を検出することによって、前記二次電池が前記電池電圧検出用電気配線に接続されているか否かを検出するように構成されている。

すなわち、二次電池から上記入力端子側への放電を、電池電圧検出用電気配線の途中箇所に配置されているスイッチ装置を切り操作しておくことで防止する。
その一方、そのスイッチ装置と並列にダイオードを接続しておくことで、二次電池の接続の有無によって生じる電圧変化を検出するための信号経路を確保しておく。
もちろん、このダイオードは、二次電池からの放電を阻止する向きに接続している。

又、本出願の第２の発明は、上記第１の発明の構成に加えて、一対の前記入力端子のうちの高電位側の前記入力端子が、電気抵抗を介して、前記二次電池の電池電圧よりも高電圧の電源ラインに接続されている。
すなわち、一対の入力端子のうちの高電位側の入力端子を、電気抵抗を経てプルアップ接続しておくことで、プルアップ接続先の電源ラインと二次電池の電池電圧との大小関係から、上記のスイッチ装置と並列に接続されているダイオードには順電圧がかかることになる。

又、本出願の第３の発明は、上記第１又は第２の発明の構成に加えて、前記スイッチ装置は、ＭＯＳＦＥＴにて構成され、そのＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを前記ダイオードとしている。
すなわち、半導体スイッチ装置としてよく利用されるＭＯＳＦＥＴは、それの構造上、電気配線の通電を入り切りする接点に相当するソース−ドレイン間に寄生ダイオードが生成されることが良く知られている。
この寄生ダイオードは、回路構成上、スイッチ装置に対して並列に接続されている関係にあり、この寄生ダイオードを利用して、二次電池の接続の有無を検出するための信号経路を構成するのである。

上記第１の発明によれば、二次電池から上記入力端子側への放電を、電池電圧検出用電気配線の途中箇所に配置されているスイッチ装置を切り操作しておくことで防止しながら、そのスイッチ装置と並列にダイオードを接続するだけの回路構成で、二次電池の接続の有無によって生じる電圧変化を検出するための信号経路を確保するので、二次電池からの放電を抑制すると共に、二次電池の接続の有無を簡素な構成で検出できるものとなった。
又、上記第２の発明によれば、一対の入力端子のうちの高電位側の入力端子を、電気抵抗を経てプルアップ接続するだけの一般的な構成で、スイッチ装置と並列に接続されるダイオードを適切なバイアス状態とすることができる。
又、上記第３の発明によれば、上記スイッチ装置としてＭＯＳＦＥＴを使用することで、ＭＯＳＦＥＴに内蔵されている寄生ダイオードを、上記スイッチ装置と並列接続するダイオードとして利用できるので、二次電池の接続の有無を検出するための回路構成を一層簡素化することができる。

本発明の実施の形態にかかる充電装置の概略ブロック構成図 本発明の実施の形態にかかる動作説明のための概略ブロック構成図 本発明の実施の形態にかかる動作説明のための概略ブロック構成図 本発明の実施の形態にかかる動作説明のための概略ブロック構成図 本発明の実施の形態にかかる信号説明図

以下、本発明の充電システムの実施の形態を図面に基づいて説明する。
本実施の形態では、本発明の充電システムを充電装置に備える場合を例示して説明する。本実施の形態では、充電装置の充電対象となる二次電池としてニッケル水素電池を例示して説明する。
充電装置ＢＣは、図１に示すように、充電端子Ｃ１，Ｃ２に接続される充電対象の二次電池に対して充電用電力を供給する充電用電源１と、その充電用電源１に対して充電動作を行うか否かを指示して、二次電池に対する充電動作を制御する充電制御部２とが主要部として備えられて構成されている。

充電用電源１の出力端子Ｐ１，Ｐ２は、二次電池が接続される充電端子Ｃ１，Ｃ２に夫々接続され、高電位側の出力端子Ｐ１の充電用電源１内側に、二次電池に対して充電用電力を供給するか否かを切り換える充電切り換えスイッチ１１が接続されている。この充電切り換えスイッチ１１の入り切り（開閉）の切り換えが充電制御部２の制御によって行われる。
充電制御部２は、充電用電源１に備えられた充電切り換えスイッチ１１の制御のために、充電端子Ｃ１，Ｃ２に接続される二次電池の電池電圧をモニタしており、二次電池の電池電圧が入力される一対の入力端子Ｄ１，Ｄ２を備えている。
充電端子Ｃ１，Ｃ２に接続された二次電池の電極と入力端子Ｄ１，Ｄ２とを接続する電池電圧検出用電気配線ＶＬの途中箇所に、この電池電圧検出用電気配線ＶＬの通電を入り切りするスイッチ装置３が備えられている。より具体的なスイッチ装置３の配置位置は、一対の入力端子Ｄ１，Ｄ２のうちの高電位側の入力端子Ｄ１と高電位側の充電端子Ｃ１との途中箇所としている。更に、高電位側の入力端子Ｄ１は、電気抵抗Ｒ１を介して、電源ライン（Ｖｃｃ）にプルアップ接続されている。
他方の低電位側の入力端子Ｄ２は、低電位側の充電端子Ｃ２と共にグラウンド接続されて、両端子Ｃ２，Ｄ２は同電位となっている。
この接続によって、スイッチ装置３が入り操作されている状態（閉状態）で、充電制御部２の入力端子Ｄ１，Ｄ２に二次電圧の電池電圧が入力され、充電制御部２で二次電池の電池電圧を検出できる。

本実施の形態では、スイッチ装置３は、ＭＯＳＦＥＴ（より具体的には、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ）を用いて構成しており、このＭＯＳＦＥＴのゲートが電気抵抗を介して充電制御部２の制御出力端子Ｑ１に接続されて、充電制御部２からスイッチ装置３の入り切り（開閉）が制御される。
又、スイッチ装置３の開閉接点に相当するＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間と並列に接続されているダイオード４は、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードであり、ダイオードを個別の素子として配線接続しているものではない。このダイオード４は、充電制御部２の入力端子Ｄ１（高電位側）から充電端子Ｃ１（高電位側）に向かう方向が順方向となるように接続されており、これは、充電端子Ｃ１，Ｃ２に接続された二次電池から充電制御部２の入力端子Ｄ１，Ｄ２への放電電流を阻止する向きとなっている。

次に、上記構成の充電装置ＢＣの充電開始動作について、図２乃至図４の概略ブロック図及び図５の信号説明図によって説明する。
図２乃至図４は、スイッチ装置３や充電切り換えスイッチ１１の切り換え状態を明示するために、図１の回路におけるスイッチ装置３を通常のスイッチとして表記しているもので、図２乃至図４におけるダイオード４は、上述のように、ＭＯＳＦＥＴであるスイッチ装置３の寄生ダイオードである。
図５の上段側は、充電制御部２の入力端子Ｄ１，Ｄ２に入力される電圧を示しており、図５の下段側は、上段側の入力電圧と同一の時間軸で、充電制御部２から充電用電源１への充電切り換えスイッチ１１及びスイッチ装置３への開閉制御信号を示している。図５下段側において、「ＯＮ」が各スイッチ３，１１を入り操作（閉じ操作）する制御信号を送っている状態であり、「ＯＦＦ」が各スイッチ３，１１を切り操作（開き操作）する制御信号を送っている状態である。

充電装置ＢＣは、充電端子Ｃ１，Ｃ２に二次電池が装着されるに伴って、自動的に充電動作を開始する機能を有しており、二次電池が装着されていない待機状態では、図２に示すように、スイッチ装置３及び充電切り換えスイッチ１１は、いずれも切り状態（開き状態）としている。
この時点では、充電制御部２の入力端子Ｄ１が電気抵抗Ｒ１を介してプルアップされているだけの状態であるので、充電制御部２の入力端子Ｄ１，Ｄ２の電圧は、図５の上段側の信号において「Ｔ１」で示すタイミングまでの、ほぼ「Ｖｃｃ」に相当する電圧が入力される状態となっている。

次に、図５の上段側の信号において「Ｔ１」で示すタイミングで、図３に示すように、充電端子Ｃ１，Ｃ２に二次電池５が接続されると、切り状態（開き状態）のスイッチ装置３と並列に接続されている関係のダイオード４を通じて電源ライン（Ｖｃｃ）から二次電池５の正極に至る通電経路が形成される。
すなわち、ニッケル水素電池である二次電池５の電池電圧は、「２Ｖ」を超えることはなく、電源ライン（Ｖｃｃ）の電圧は、本実施の形態では、「５Ｖ」に設定して、二次電池５の電池電圧よりも高電圧としているので、充電制御部２側からの電圧印加によって、ダイオード４には順電圧が印加される。
このため、図５に上段側の信号説明図に示すように、「Ｔ１」のタイミングで、充電制御部２の入力端子Ｄ１，Ｄ２の電圧は、「Ｖｃｃ」から「Ｖ１」に低下する。
この電圧「Ｖ１」は、その時点の二次電池５の電池電圧とダイオード４の順電圧を加えた電圧値であり、例えば、順電圧が１Ｖのダイオード４を用いた場合は「３Ｖ」以下となる。

充電制御部２は、スイッチ装置３が切り操作されている状態で、電池電圧検出用電気配線ＶＬに対して二次電池５の電極が接続されるのに伴って生じる、入力端子Ｄ１，Ｄ２における上記のような電圧の変化を検出することによって、二次電池５が電池電圧検出用電気配線ＶＬに接続されているか否かを検出する。
より具体的に説明すると、ダイオード４の順電圧はほぼ一定であり、又、二次電池５の最大電池電圧も二次電池の種類によって決まってくるので、「Ｖ１」が取り得る最大値は予め特定できる。
従って、「Ｖｃc」と、「Ｖ１」の想定最大値との電圧範囲内に、二次電池５が充電端子Ｃ１，Ｃ２に接続されているか否かを判別するための判別用電圧値を設定しておき、入力端子Ｄ１，Ｄ２での検出電圧が、その判別用電圧値よりも低下したときに、二次電池５が接続されたものと特定することができる。この特定は、ソフトウェアで実行しても良いし、コンパレータ等を使用して電子回路にて行うようにしても良い。
充電制御部２は、「Ｔ１」のタイミングで、入力端子Ｄ１，Ｄ２での検出電圧値が「Ｖ１」となって、上記判別用電圧値よりも低下したときに、若干の時間遅れの後に、図５の下段側において「Ｔ２」で示すタイミングで、スイッチ装置３及び充電切り換えスイッチ１１を入り操作（閉じ操作）する制御信号を出力する。
これによって、図４に示す状態に移行し、充電用電源１から二次電池５への充電動作が開始される。
この状態では、スイッチ装置３の入り状態への移行によって、ダイオード４での電圧降下が無くなって「Ｖ２」へと電圧が低下し、入力端子Ｄ１，Ｄ２には、二次電池５の電池電圧が入力されることになる。

このようにして二次電池５への充電動作が開始した後は、充電制御部２は、入力端子Ｄ１，Ｄ２での二次電池５の電池電圧の検出値に応じて、充電用電源１の充電切り換えスイッチ１１を制御し、二次電池５を所望の充電状態とする。
この後、二次電池５への充電が完了すると、充電制御部２は、スイッチ装置３及び充電切り換えスイッチ１１を切り操作（開き操作）する制御信号を出力する。
これによって、二次電池５が充電端子Ｃ１，Ｃ２に接続されたままの状態で放置されても、二次電池５が放電されてしまうことがない。
更に、この状態において、二次電池５を充電端子Ｃ１，Ｃ２から離脱させると、充電制御部２の入力端子Ｄ１，Ｄ２への入力電圧は、「Ｖ１」近辺の電圧からほぼ「Ｖｃｃ」に上昇し、上記判別用電圧値よりも高くなることで、二次電池５の離脱を検出できる。
すなわち、充電制御部２は、スイッチ装置３が切り操作されている状態で、電池電圧検出用電気配線ＶＬに対して二次電池５の電極が離脱されるのに伴って生じる、入力端子Ｄ１，Ｄ２における上記のような電圧の変化を検出することによって、二次電池５が電池電圧検出用電気配線ＶＬに接続されているか否かを検出するのである。

〔別実施形態〕
以下、本発明の別実施形態を列記する。
（１）上記実施の形態では、本発明の充電システムを充電装置ＢＣに適用して、スイッチ装置３等を充電装置ＢＣに備える構成とした場合を例示しているが、スイッチ装置３等を充電装置ＢＣとは切り離して、例えば電池パック内に配置するような構成でも良い。
（２）上記実施の形態では、スイッチ装置３としてＭＯＳＦＥＴを使用する場合を例示しているが、スイッチ装置３として、バイポーラトランジスタやリレー等を使用しても良い。
（３）上記実施の形態では、充電制御部２の入力端子Ｄ１よりもダイオード４の存在側で、電気抵抗Ｒ１を介して電源ライン（Ｖｃｃ）にプルアップする場合を例示しているが、充電制御部２内部における入力端子Ｄ１への配線上で、電気抵抗を介して、電源ラインにプルアップ接続する構成としても良い。
（４）上記実施の形態では、二次電池５としてニッケル水素電池を例示して説明しているが、リチウムイオン電池やニッカド電池等の各種の二次電池の充電において本発明を適用できる。

１ 充電用電源
２ 電制御部
３ スイッチ装置
４ ダイオード
５ 二次電池
Ｄ１，Ｄ２ 入力端子
Ｒ１ 電気抵抗
ＶＬ 電池電圧検出用電気配線

Claims (3)

1. 二次電池に対して充電用電力を供給する充電用電源と、前記二次電池の電池電圧が入力される一対の入力端子の電圧を検出して前記二次電池に対する充電動作を制御する充電制御部とが備えられた充電システムであって、
   前記二次電池の電極と前記入力端子とを接続する電池電圧検出用電気配線の途中箇所に、前記電池電圧検出用電気配線の通電を入り切りするスイッチ装置が備えられ、
   前記スイッチ装置と並列で、且つ、前記二次電池から前記入力端子への放電電流を阻止する向きにダイオードが接続され、
   前記ダイオードに順電圧が印加される状態となるように電圧が印加され、
   前記充電制御部は、前記スイッチ装置が切り操作されている状態で、前記電池電圧検出用電気配線に対して前記二次電池の電極が接続又は離脱されるのに伴って生じる、前記入力端子における電圧の変化を検出することによって、前記二次電池が前記電池電圧検出用電気配線に接続されているか否かを検出するように構成されている充電システム。
2. 一対の前記入力端子のうちの高電位側の前記入力端子が、電気抵抗を介して、前記二次電池の電池電圧よりも高電圧の電源ラインに接続されている請求項１記載の充電システム。
3. 前記スイッチ装置は、ＭＯＳＦＥＴにて構成され、そのＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを前記ダイオードとしている請求項１又は２記載の充電システム。

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