JP2010011594A - Charging circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は二次電池の充電のための充電回路に関するものである。 The present invention relates to a charging circuit for charging a secondary battery.
電動工具や携帯機器などの電気機器の駆動電源として、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池などの種々の二次電池が汎用されている。このような二次電池では、過充電されると、電池パックが破損したり、電池寿命を縮めてしまうことになる。リチウムイオン二次電池はこの過充電による悪影響が顕著である。 Various secondary batteries such as lithium ion secondary batteries and nickel hydride secondary batteries are widely used as drive power sources for electric devices such as electric tools and portable devices. If such a secondary battery is overcharged, the battery pack may be damaged or the battery life may be shortened. Lithium ion secondary batteries are markedly affected by this overcharge.
このような過充電を防止するとともに、充電に要する時間を短くするために、充電開始直後は定電流充電で急速充電を行い、ある程度二次電池の電圧が上昇すれば所定の定電圧を二次電池に印加する定電圧充電に切り替えることで、二次電池の充電が進めば充電電流を減少させ、充電電流が所定値を下回ったら充電を停止させるものが知られている。 In order to prevent such overcharging and shorten the time required for charging, rapid charging is performed by constant current charging immediately after the start of charging, and if the voltage of the secondary battery rises to some extent, a predetermined constant voltage is applied to the secondary voltage. It is known to switch to constant voltage charging applied to the battery to reduce the charging current as the charging of the secondary battery proceeds, and stop charging when the charging current falls below a predetermined value.
また、満充電状態及び満充電に近い状態の二次電池に対して定電流充電が開始されると、急速充電用に大きな電流値に設定された充電電流が二次電池に強制的に流されるために、過充電になってしまうおそれがあることに鑑み、特開2007−143279号公報には、充電開始直後の電流を小さくしておき、徐々に充電電流を増大させて定電流充電状態に移行するようにしたものが示されている。 In addition, when constant current charging is started for a secondary battery in a fully charged state or a state close to full charge, a charging current set to a large current value for rapid charging is forcibly supplied to the secondary battery. Therefore, in view of the possibility of overcharging, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-143279 discloses that the current immediately after the start of charging is reduced and the charging current is gradually increased to enter a constant current charging state. It shows what you have migrated.
ところで定格容量の異なる複数種の二次電池が充電対象となっているものでは、定格容量の大きい二次電池に合わせて単位時間当たりの電流増大量を大きくすると、定格容量の小さい二次電池に対して与えるストレスが大きくて寿命を縮めてしまう原因となる。逆に定格容量の小さい二次電池に合わせて電流増大量を小さくすると、定格容量の大きい二次電池を充電する時には定電流充電の電流値に達するまでに時間がかかることになり、充電に長い時間がかかるものとなる。
本発明は上記の点に鑑みて為されたもので、定格容量の異なる二次電池への充電を夫々適切に行うことができる充電回路を提供することを課題とするものである。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a charging circuit that can appropriately charge secondary batteries having different rated capacities.
上記課題を解決するために本発明に係る充電回路は、二次電池に充電用の電流を供給する電源部と、前記電源部の動作を制御する制御部と、前記電源部から前記二次電池に供給される充電電流を検知する電流検知部と、前記二次電池の定格容量を検知する定格容量検知部とを備え、前記制御部は、前記二次電池への充電を開始する際、前記電源部から供給する充電電流を徐々に増大させるものであるとともに、充電電流の時間当たりの増大量を上記定格容量検知部で検知した二次電池の定格容量に応じた値としているものであることに特徴を有している。充電開始直後の電流増大を二次電池の定格容量に応じた電流増大量で行うようにしたものである。 In order to solve the above problems, a charging circuit according to the present invention includes a power supply unit that supplies a charging current to a secondary battery, a control unit that controls the operation of the power supply unit, and the secondary battery from the power supply unit. A current detection unit that detects a charging current supplied to the battery and a rated capacity detection unit that detects a rated capacity of the secondary battery, and the control unit, when starting charging the secondary battery, The charging current supplied from the power supply unit is gradually increased, and the increase amount per hour of the charging current is a value corresponding to the rated capacity of the secondary battery detected by the rated capacity detection unit. It has the characteristics. The current increase immediately after the start of charging is performed with a current increase amount corresponding to the rated capacity of the secondary battery.
前記制御部は、充電電流の時間当たりの増加量を二次電池の定格容量に比例した値としているものが好ましく、また、前記制御部は、二次電池の定格容量に応じた増大量で段階的に増大させるものであってもよい。 The control unit preferably has an increase amount of charging current per hour in a value proportional to the rated capacity of the secondary battery, and the control unit has an increase amount corresponding to the rated capacity of the secondary battery. It may be increased.
本発明においては、充電開始直後の電流増大を、二次電池の定格容量に応じた電流増大量で行うために、二次電池にストレスを与えることがなく、しかも最適な充電時間を実現することができる。 In the present invention, since the current increase immediately after the start of charging is performed with a current increase amount corresponding to the rated capacity of the secondary battery, the secondary battery is not stressed and an optimum charging time is realized. Can do.
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明すると、図6は本発明に係る充電装置を備えた充電式電動工具セットを示しており、充電式ドリルドライバーである電動工具本体2と、この電動工具本体2に装着される電池パック10と、この電池パック10を充電する充電装置3とで構成されている。
Hereinafter, the present invention will be described based on an embodiment shown in the accompanying drawings. FIG. 6 shows a rechargeable power tool set including a charging device according to the present invention, and a
電動工具本体2は、筐体18の把持部の内部に形成されて電池パック10が取外し自在に装着される装着部20と、筐体18の内部に配設されて電池パック10から電流が供給されることで駆動されるモータ22と、筐体18の把持部に設けられてモータ22への電流の供給をオンオフ制御するトリガースイッチ24と、筐体18の先端に設けられてドリル歯などが取り付けられる回転部26とを備えている。装着部20の底部には、モータ22に接続された一対の電極端子28が取り付けられている。
The electric power tool
電池パック10は、二次電池13が収納された筐体11と、筐体11の一面側に突出して電動工具本体2の装着部20に装着されるコネクタ部9とを備え、コネクタ部9の側面には電極15,17がその表面に露出するように配設されている。そして、電極15,17は、複数の二次電池セル12が直列に接続された上記二次電池13に接続されており、電動工具本体2の装着部20に装着された時、電極15,17と一対の電極28とが接触する。図2は電動工具本体2の装着部20に電池パック10を装着した状態を示している。
The
一方、上記電池パック10が装着された時に電池パック10内の二次電池13の充電を行う充電装置3は、上面に電池パック10におけるコネクタ部9が挿入可能な凹部をなした装着孔部35とを備えている略箱状の筐体30から例えばAC100Vの商用電源に接続される電源線7を引き出したもので、筐体30の内部には本発明に係る充電回路300が配設されている。
On the other hand, the
上記装着孔部35の内側面にはコネクタ部9が備える電極15,17と接触することにより電気的接続を図る電極32,31(図1参照)が配設されており、充電装置3に電池パック10が装着されれば電極15,1にと電極31,32が接触し、充電回路300と電池パック10とが接続される。図示例では電極17,32は正の充電電極、電極15,31は負の充電電極(回路グラウンド)にされている。また、この電池パック10は、図1に示すように、二次電池13の定格容量毎に決まった出力を出す定格容量識別回路14を備えている。具体的回路構成としては、定格容量識別回路14には定格容量に応じて予め抵抗値が定められた抵抗を用いることができる。図8に充電装置3の装着孔部35に電池パック10を装着した状態を示す。
なお、電動工具本体2、充電装置3、及び電池パック10が別体になっている例を示したが、電動工具本体2に充電回路300及び二次電池13が内蔵された構成であってもよい。また、電池パック10は、電動工具本体2に用いられるものに限るものではなく、携帯型パーソナルコンピュータや携帯電話機等、種々の電気機器用の電池パックであってもよい。
In addition, although the example in which the electric power tool
図1に充電回路300と電池パック10とが接続された状態での電気的構成の一例を示す。複数の二次電池セル12が直列に接続された二次電池13における正極端子が電極17に接続され、二次電池13における負極端子が電極15に接続されて構成されている。なお、二次電池13は、二次電池セル12が複数直列に接続されたものに限られず、例えば一つの二次電池セル12からなるものや、複数の二次電池セル12が並列に接続されたものであってもよい。また、二次電池セル12は、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池等、どのようなものであってもよい。
FIG. 1 shows an example of an electrical configuration in a state where the
充電回路300は、電圧検知部33、電流検知部34、電源部37、制御部38、定電流回路39、定電圧回路41、そして定格容量検知部36を備えている。上記電源部37は、例えばAC−DCコンバータとして構成されたもので、電源線7を介して接続された商用電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換する。そして電源部37における正極側出力端子は、定電圧回路41、電流検知部34、電極32、及び電極17を介して二次電池13の正極端子に接続され、電源部37における負極側出力端子は、定電流回路39、電極31、及び電極15を介して二次電池13の負極端子に接続されている。また、電極31は、グラウンドに接続されている。
The
上記定電流回路39は、制御部38からの制御信号に応じて電源部37から電池パック10に供給する充電電流を調整するものであり、定電圧回路41は、制御部38からの制御信号に応じて電源部37から電池パック10に供給する充電電圧を調整する。
The constant
電圧検知部33は、電極31,32間の電圧、すなわち二次電池13における端子電圧Vbを検出する回路部で、例えば抵抗体を用いて構成されており、その抵抗体の電圧降下により生じた電圧を電圧検知信号Svとして制御部38へ出力する。なお、電圧検知部33は、例えば電池パック10が備える複数の二次電池セル12の夫々について両端の端子電圧を検出し、その端子電圧を示す電圧検知信号Svをそれぞれ制御部38へ出力するものであってもよい。
The
電流検知部34は、定電圧回路41から電極32,17を介して二次電池13に供給する充電電流Icを検出する回路部で、例えばホール素子を用いた電流センサや抵抗体によって充電電流Icを電圧に変換することにより得られた電流検知信号Siを制御部38へ出力する。
The
制御部38は、例えば所定の演算処理を実行するCPU(Central Processing Unit)と、所定の制御プログラムが記録された不揮発性の記憶素子であるROM(Read Only Memory)と、データを一時的に記録する揮発性の記憶素子であるRAM(Random Access Memory)と、電圧検知信号Sv及び電流検知信号Siをデジタル値に変換するADコンバータとを備えたものとして構成されており、上記ROMに記憶された制御プログラムを実行することにより、定電流回路39及び定電圧回路41へ制御信号を出力して二次電池13の充電動作を制御する。
The
また充電回路300は上記定格容量識別回路14の出力を検出して電池パック10の定格容量を検知し、充電しようとする二次電池13の定格容量がいくつであるかを制御部38に出力する定格容量検知部36を備えている。この定格容量検知部36は、定格容量識別回路14が定格容量に応じて予め抵抗値が定められた抵抗である場合、定格容量識別回路14に電流を流した際に発生する電圧を検知するものを用いることができる。なお、定格容量識別回路14と定格容量検知部36とは、夫々端子16,40が接続されており、充電装置3に電池パック10を装着した時、両端子16,40が接続されることで、定格容量の識別が可能となる。
The charging
次に、上述のように構成された電池パック10と充電装置3とが接続された場合の充電動作について説明する。図2は定格容量が大である電池パック10を充電装置3に装着した時の充電動作を示しており、例えば電源線7が商用電源ACに接続されたり、あるいは図略の操作スイッチが操作されたことが制御部38によって検出されたり、ユーザが電池パック10を充電装置3に取り付けたり等のタイミングT0において、制御部38は定格容量検知部36を通じて接続された二次電池13の定格容量の情報を取得し、次いで充電制御動作を開始する。この時、制御部38は充電電流を小さく抑えた状態で充電を開始するとともに、充電の開始(T0)後、制御部38は電源部37から二次電池13へ供給される充電電流Icを連続的に(滑らかに)、例えば1A/1秒の増加率で徐々に増大させる動作を定電流回路39に行わせる。
Next, a charging operation when the
徐々に増大する充電電流Icが二次電池13に供給されることで、電極31,32間の電圧、すなわち二次電池13を充電するための電圧である端子電圧Vbが、充電開始タイミングT0における二次電池13の出力電圧である初期電圧Vs1から徐々に増大する。
When the charging current Ic that gradually increases is supplied to the
一方、電流検知部34によって充電電流Icが検出され、充電電流Icを示す電流検知信号Siが制御部38へ出力される。そして電流検知信号Siにより示される充電電流Icと予め設定された電流値I1(第1の閾値電流)とが制御部38において比較され、充電電流Icが電流値I1に達すれば、そのタイミングT1で制御部38からの制御信号により定電流回路回路39は充電電流Icを一定の電流値I1(定電流充電用電流)を保持する。なお、閾値電流と定電流充電用電流とがいずれも電流値I1で等しい例を示したが、閾値電流と定電流充電用電流とが異なる電流値に設定されていてもよい。
On the other hand, the charging current Ic is detected by the
そして定電流充電により電極31,32間の端子電圧Vbが緩やかに上昇するが、電圧検知部33によって端子電圧Vbが検出され、端子電圧Vbを示す電圧検知信号Svが制御部38へ出力される。制御部38は電圧検知信号Svにより示される端子電圧Vbと予め設定された電圧V1(閾値電圧)とを比較し、端子電圧Vbが電圧V1に達したタイミングT2で応じて定電流回路39による定電流出力制御を停止し、定電圧回路41による定電圧充電を開始する。つまり電源部37から電池パック10へ供給される二次電池13の端子電圧Vbが一定の定電圧充電用の電圧V1(定電圧充電用電圧)とする。なお、閾値電圧と定電圧充電用電圧とが共に電圧V1で等しい電圧である例を示したが、閾値電圧と定電圧充電用電圧とを異なる電圧に設定してもよい。
The terminal voltage Vb between the
二次電池13が満充電に近くなって定電圧充電に移行したことで、充電電流Icは緩やかに減少する。そして、電圧検知部33により検知される端子電圧Vbが電圧V1以上である時に電流検知部34により検出された充電電流Icが、予め設定された充電完了電流I2(第2の閾値電流)まで下がれば(あるいは充電完了電流I2より低くなれば)、制御部38はそのタイミングT3で二次電池13が満充電になったと判断し、電源部37の出力電圧及び充電電流Icを略ゼロとし、二次電池13の充電を終了する。
Since the
なお、電流検知部34による充電電流Icの検出、電圧検知部33による端子電圧Vbの検出、及び制御部38による充電電流Ic、端子電圧Vbと電流値I1、電圧V1との比較動作は、充電開始後、定電流回路39及び定電圧回路41の制御と並行して実行されている。
The detection operation of the charging current Ic by the
そして、充電対象の二次電池13の定格容量が小さい場合、全体としての充電制御は上記の定格容量が大きい場合と同じであるが、制御部38は定格容量検知部36から得た定格容量の情報に基づき、図3に示すように、定電流充電の際の電流I3を上記の定格容量の大きい二次電池13に対する定電流充電の際の電流I1より低くするとともに、充電開始から定電流充電に移行するまでの充電電流の増大量を小さく抑える。定格容量が大(例えば3Ah)の二次電池13に対する電流増大量が1A/secである時、定格容量が半分(たとえば1.5Ah)の二次電池13に対する電流増大量は0.5A/secとするのである。
When the rated capacity of the
なお、ここでは単位時間当たりの電流増大量を二次電池13の定格容量の値に比例させたものとしているが、比例していないものであってもよい。ただし、定格容量が大きい時は電流増大量も大きくし、定格容量が小さい時は電流増大量を小さくする。
Here, the amount of increase in current per unit time is proportional to the value of the rated capacity of the
図4及び図5に他例を示す。 4 and 5 show other examples.
なお、充電の開始(T0)後、例えば図6に示すように、制御部38からの制御信号に応じて定電流回路39によって、電源部37から二次電池13へ供給される充電電流Icが段階的に(階段状に)、例えば1秒経過する都度1Aづつ徐々に増大されるようにしてもよい。ただし、段階的に充電電流Icを増大させた場合には、充電電流Icを増大させたタイミングと、充電電流Icが電流値I1に達するタイミングとが必ずしも一致しないため、充電電流Icが電流値I1を超えてしまう場合がある。一方、連続的に充電電流Icを増大させた場合には、電流検知部34及び制御部38の動作応答時間による制御遅れにより多少の誤差は生じうるものの、充電電流Icが電流値I1にほぼ一致するタイミングを検出して充電電流Icを電流値I1で一定にすることができるので、段階的に充電電流Icを増大させる場合に比して充電電流Icが電流値I1に達したことを精度よく検出することができる。
After the start of charging (T0), for example, as shown in FIG. 6, the charging current Ic supplied from the
定電流充電のための電流I1(I3)に達するまでの充電電流の増大は、図4及び図5に示すように段階的に(ステップ状に)行ってもよい。もちろん、この場合においても、定格容量が大きい二次電池13に対しては、電流増大量ΔI1をたとえば1Aとし、定格容量が小さい二次電池13に対しては電流増大量ΔI3をたとえば0.5Aとして、定格容量に応じた電流増大量で充電開始初期の充電電流増大を行う。
The increase of the charging current until reaching the current I1 (I3) for constant current charging may be performed step by step (stepwise) as shown in FIGS. Of course, even in this case, for the
13 二次電池
14 定格容量識別回路
34 電流検知部
36 定格容量検知部
37 電源部
38 制御部
300 充電回路
13
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