JP2004088923A

JP2004088923A - 二次電池充放電回路及びこれを有する電子機器

Info

Publication number: JP2004088923A
Application number: JP2002247315A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Inoue; 井上　祐一
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】負荷に流れる電流の大小に関りなく正確に二次電池への充電電流を検出し制御する充電および放電回路の提供。
【解決手段】二次電池１と充電電流検出抵抗３を直列に接続し、充電電源２と充電電流制御回路４を直列に接続し、直列に接続した二次電池１と充電電流検出抵抗３の一端と、直列に接続した充電電源２と充電電流制御回路４の一端と、負荷５の一端とを接続し、直列に接続した二次電池１と充電電流検出抵抗３の他の端子と、直列に接続した充電電源２と充電電流制御回路４の他の端子と、負荷５の他の端子とを接続する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の充電および放電回路に係り、特に負荷に流れる電流の大小に関りなく正確に二次電池への充電電流を検出し制御する充電および放電回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話やＰＤＡ等の携帯可能なコンピュータ・システムの電源として充電可能な二次電池とその充電回路が用いられており、複数の充電方法が提案されている。例えば、一定の電流で充電（以降、定電流充電と言う）し、一定の時間が経過した時点で充電を完了する方法や、充電開始から二次電池の電圧がある電圧に達するまでは定電流充電し、二次電池の電圧がある電圧に達した後は一定の電圧を供給（以降、定電圧充電という）する方法（以降、定電流定電圧充電方法という）。などがあった。
【０００３】
また、二次電池が満充電されたことを使用者に充電完了として知らせる方法も複数提案されている。例えば、前述のような一定時間が経過した時点で充電を完了する方法、また定電圧充電時の充電電流量がある値（以降、充電完了電流という）よりも小さくなった時点で充電を完了する方法（以降、電流検出式充電完了方法という）もあった。
【０００４】
充電電流を一定電流とするための一般的な動作原理は、充電電流量を何らかの方法で検出し充電電流量を一定となるように制御回路を動作させるところにある。充電電流量を検出する通常の方法は、充電電流が流れる回路に充電電流検出抵抗を挿入し、抵抗両端の電位差をオペアンプなどで検出することで行われる。
【０００５】
図７と図８に、従来の二次電池充放電回路の構成例を示すブロック図を示す。図７と図８の動作原理は同じである。充電電流を検出するための充電電流検出抵抗３の位置が図７と図８で異なる。放電時は二次電池１から負荷５へ放電電流が流れ、この放電電流は、負荷５のインピーダンス変動に対応して変化する。負荷５は二次電池１から供給される電気エネルギーで動作する。また、充電時は充電電源２から負荷５と二次電池１に二分されて充電電流が流れる。
この充電電流を一定とするために、充電電流検出抵抗３の両端の電位差を検出し、検出結果に基づき充電電流制御回路４が充電電流を制御する。図９に従来の二次電池充放電回路の回路例を示す。充電電流検出抵抗３に流れる充電電流（Ｉｃｈ０）、二次電池１に流れる充電電流（Ｉｃｈ１）と負荷５に流れる充電電流（Ｉｃｈ２）の関係は、式１となる。
【０００６】
Ｉｃｈ０　＝　Ｉｃｈ１　＋　Ｉｃｈ２　　　　　　　　（式１）
充電電流制御回路４はオペアンプ４１、基準電圧発生回路４２、電流制限トランジスタ４３と逆流防止ダイオード４４で構成される。オペアンプ４１は、基準電圧発生回路４２と充電電流検出抵抗３の電位を比較する。ここで、充電電流検出抵抗３の抵抗値をＲｃｈとし、オペアンプ４１が検出する電位差をＶｏｐ０とすると、充電電流Ｉｃｈ０は、オームの法則に従い式２となる。つまり、オペアンプ４１が検出する電位差Ｖｏｐ０が一定の場合、充電電流検出抵抗３の抵抗値Ｒｃｈを変えることで、充電電流Ｉｃｈ０を調整することができる。
【０００７】
Ｉｃｈ０　＝　Ｖｏｐ０　／　Ｒｃｈ　　　　　　　　（式２）
前述の電流検出式充電完了方法は、定電流充電と同じしくみで実現可能である。図９の従来の回路例に記載の充電完了検出回路９は、オペアンプ９１、基準電圧発生回路９２と充電検出結果出力端子９３から構成される。オペアンプ９１は、基準電圧発生回路９２と充電電流検出抵抗３の電位を比較する。ここで、充電電流検出抵抗３の抵抗値をＲｃｈとし、オペアンプ９１が検出する電位差をＶｏｐ１とすると、充電完了電流Ｉｅｎｄは、オームの法則に従い式３となる。
図９では、定電流充電のための充電電流検出抵抗３と充電完了検出のための抵抗を１個で兼用しているが、２個の抵抗を直列に接続しそれぞれの抵抗値を異ならせることは当然可能である。
【０００８】
Ｉｅｎｄ　＝　Ｖｏｐ１　／　Ｒｃｈ　　　　　　　　（式３）
図１０に、定電流定電圧充電方法での充電電流と充電を開始してからの時間の関係を示した。図に示した区間（ａ）では、一定の充電電流Ｉｃｈ０で充電する。そして区間（ｂ）では一定の電圧で充電し、時間とともに充電電流が減少する様子を示している。当然、充電電流Ｉｃｈ０と充電完了電流Ｉｅｎｄを比較すると式４の関係となる。
【０００９】
Ｉｅｎｄ　＜　Ｉｃｈ０　　　　　　　　　　　　　（式４）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の充電回路においては、充電時の負荷５に流れる電流の変動に対して二次電池１への充電電流も変動してしまった。その関係は、式１で示した。つまり、負荷５に流れる充電電流（Ｉｃｈ２）が大きければ、二次電池１に流れる充電電流（Ｉｃｈ１）が小さくなってしまい、逆にＩｃｈ２が小さければ、Ｉｃｈ１が大きくなってしまうという課題があった。
【００１１】
また、二次電池１への充電電流（Ｉｃｈ１）が変動してしまうので、充電時間が長くなってしまうという課題もあった。
図１０の（ａ）で示した区間が定電流充電区間であり、（ｂ）で示した区間が定電圧充電区間である。定電流定電圧充電方法の場合、二次電池１の容量を一定とすれば、定電流充電時の最大充電電流が充電時間を決定する主な要因である。一方、二次電池１の使用温度範囲や充放電サイクルなどの特性を考慮すると、むやみに最大充電電流を大きくはできない。つまり、充電時間を極力短くするには、充放電サイクル特性などのとの関係から許される最大充電電流（以降、許容最大充電電流という）で充電する必要がある。
【００１２】
ところが従来の充電方法では、上記のように負荷５に流れる電流の変動により二次電池１への充電電流も変動してしまうので、定電流充電時に常に許容最大充電電流で二次電池１を充電できないという課題があった。そして、負荷５に流れる充電電流Ｉｃｈ２が充電中に変動することを想定し、充電電流検出抵抗３に流れる充電電流Ｉｃｈ０を設定する必要があった。仮に携帯機器をオフした状態で充電する場合、負荷５に流れる充電電流Ｉｃｈ２＝０となる可能性があるので、Ｉｃｈ０≦許容最大充電電流となるように、式２に従い充電電流検出抵抗３の抵抗値Ｒｃｈを設定する必要がある。また、携帯機器をオンし状態で充電する場合、負荷５に流れる充電電流Ｉｃｈ２が大きくなり、その分だけ充電時間が長くなってしまうという課題があった。
【００１３】
さらに、充電完了を正確に検出できないという課題もあった。
図１０の定電流充電区間（ｂ）で時間の経過とともに二次電池への充電電流が減少するのは、あくまでも二次電池１への充電電流（Ｉｃｈ１）が減少するのであって、充電電流検出抵抗３に流れる電流（Ｉｃｈ０）では無いからである。つまり極端な場合、負荷に流れる充電電流（Ｉｃｈ２）が充電完了電流（Ｉｅｎｄ）よりも大きい場合、充電電流検出抵抗３に流れる電流（Ｉｃｈ０）は永久に充電完了電流（Ｉｅｎｄ）よりも小さくならず、永久に充電完了しないという課題がある。
【００１４】
図１０の定電流充電区間（ｂ）で時間の経過とともに二次電池への充電電流が減少する理由を以下簡単に説明しておく。充電電流が減少するのは、図１１に示した二次電池１の内部抵抗１１と内部電池１２によるものと考えられる。二次電池１の内部構造を簡易的な等価回路で表すと、図１１に示すような内部抵抗１１と内部電池１２で表される。外部から一定の電圧（Ｖｃｈ）が供給されている場合、二次電池１の内部電池の電圧（Ｖｂａｔ）が徐々に上昇し、外部から供給される電圧（Ｖｃｈ）と内部電池の電圧（Ｖｂａｔ）の電位差が減少し、電位差の減少にともない充電電流（Ｉｃｈ）も減少すると考えられる。
内部電池１２は理想的電源であり、インピーダンス＝０の電源と見なせる。外部から供給される電圧をＶｃｈ、内部電池の電圧をＶｂａｔ、内部抵抗の抵抗値をＲｂａｔとすると、充電電流（Ｉｃｈ）は、式５で表される。
【００１５】
Ｉｃｈ　＝　（Ｖｃｈ　−　Ｖｂａｔ）／　Ｒｂａｔ　　　　（式５）
上記のような課題に対し本発明は、負荷に流れる電流の影響を受けずに短時間で充電できる二次電池充放電回路を提供することを目的とする。また、充電の完了が正確に検出できる二次電池充放電回路を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明は、図１に示すように、充電電流検出抵抗３を二次電池１の一端へ直列に接続した。これにより、充電時は負荷５に流れる電流の影響を受けることなく、二次電池に流れる電流のみを充電電流検出抵抗３で検出可能となる。
また、図２に示すように、充電電流検出抵抗３と並列にスイッチング素子６を接続した。さらに、図３に示すように、充電状態検出回路８を追加し、充電電源２が接続されているか否かを検出可能とした。充電状態検出回路８は、充電電源２が機器に接続されるとスイッチング素子６を非導通とし、充電電源２が機器から離されるとスイッチング素子６を導通するように構成した。
【００１７】
【発明の実施の形態】
【００１８】
【実施例】
以下本発明の実施例を、図面をもとに説明する。
【００１９】
図１は、本発明による二次電池充放電回路の第１実施例の構成を示すブロック図である。二次電池１と充電電流検出抵抗３、そして充電電源２と充電電流制御回路４は、それぞれ直列に接続されている。充電電流制御回路４の充電電源２と接続されてない側は、２次電池１の抵抗３と接続されていない側と、負荷５の一端と接続されている。充電電源２の充電電流制御回路４と接続されていない側は、抵抗３の二次電池１と接続されていない側と、負荷５の他端と接続されている。
【００２０】
図１において、従来例を示した図７と同様に、充電時は充電電源２から負荷５と二次電池１に二分されて充電電流が流れる。ただし、従来例と異なり充電電流検出抵抗３に流れる電流は、二次電池に流れる電流と同一である。充電電源２は、二次電池よりも高い電圧を有している。また、従来例と同様に充電電流を一定とするために、充電電流検出抵抗３の両端の電位差を検出し、検出結果に基づき充電電流制御回路４が充電電流を制御する。
図６に本発明の二次電池充放電回路の回路例を示す。充電電流検出抵抗３に流れる充電電流（Ｉｃｈ０）、二次電池１に流れる充電電流（Ｉｃｈ１）と負荷５に流れる充電電流（Ｉｃｈ２）の関係は、前述の式１と同一である。
【００２１】
Ｉｃｈ０　＝　Ｉｃｈ１　＋　Ｉｃｈ２　　　　　　　（式１）
しかし、充電電流検出抵抗３の抵抗値をＲｃｈとし、オペアンプ４１が検出する電位差をＶｏｐ０とすると、二次電池１に流れる充電電流Ｉｃｈ１は、オームの法則に従い式６となる。
【００２２】
Ｉｃｈ１　＝　Ｖｏｐ０　／　Ｒｃｈ　　　　　　　　（式６）
従来は二次電池１と負荷５に流れる充電電流の合計（Ｉｃｈ０）が一定であったために、負荷に流れる充電電流の変化に伴い二次電池１に流れる充電電流が変化してしまったが、本発明では、Ｖｏｐ０とＲｃｈが充電時において常に一定であるので、二次電池１に流れる充電電流も一定になる。
【００２３】
図１の本発明は、充電時において二次電池１への充電電流を常に一定とできる長所を持っているが、放電時において見かけ上の電池電圧低下という短所をも有する。見かけ上の電池電圧低下は、二次電池１から負荷５に放電電流を流すときに、二次電池１に直列に充電電流検出抵抗３が入るために発生する。つまり、放電電流をＩｄｉｓとし、充電電流検出抵抗３の抵抗値をＲｃｈとすると、式７に示したＶｄｉｓの電位だけ低下した電圧が負荷５に供給されてしまう。
【００２４】
Ｖｄｉｓ　＝　Ｉｄｉｓ　＊　Ｒｃｈ　　　　　　　　（式７）
そこで、図２に示すように充電電流検出抵抗３と並列にスイッチング素子６を接続し、放電時にスイッチング素子６を導通させることで、上記見かけ上の電池電圧低下を防ぐようにした。
【００２５】
図２は、本発明による二次電池充放電回路の第２実施例の構成を示すブロック図である。図３にはスイッチング素子６と充電状態検出回路８の接続例を示した。図３において本体１００は、本発明における二次電池充放電回路を用いた電子機器であり、例えば携帯電話やＰＤＡ、パーソナルコンピュータ等である。
また、図６に接続例をより具体的に示した。
【００２６】
スイッチング素子６はオン抵抗が小さいＦＥＴ（Ｎチャンネル）を用いている。充電電源２が本体１００に接続していない状態では、充電状態検出回路８の出力が高抵抗（ハイインピーダンス）となりプルアップ抵抗７がＦＥＴのゲートをプラス電位に引き上げるのでＦＥＴはオンする。つまり、二次電池１に貯えた電気エネルギーで負荷５を駆動している状態（二次電池放電時、言いかえると非充電状態）においてスイッチング素子６は常にオンしているので、放電時における見かけ上の電池電圧低下という前記問題がない。
【００２７】
一方、充電電源２が本体１００に接続された状態では、充電状態検出回路８が低電位を出力するのでＦＥＴはオフする。つまり、充電電源２の電気エネルギーが二次電池１と負荷５に供給されている状態（二次電池充電状態）においてスイッチング素子６は常にオフしているので、充電時において前記（式６）が成り立ち、充電時間が長くなるという前記問題がない。
【００２８】
スイッチング素子６はＮチャンネルのＦＥＴで構成し、プルアップ抵抗７がＦＥＴのゲートをプルアップする。接続端子９９を介して充電電源２が本体１００に接続される。充電状態検出回路８の出力端子は、ＦＥＴのゲートに接続される。充電電源２が本体１００に接続されておらず非充電状態の時、充電状態検出回路８の出力端子は、高抵抗（ハイインピーダンス）状態となり、スイッチング素子６のＦＥＴのゲートにプラス電位が供給されＦＥＴはオン状態（導通状態）を保つ。一方、充電電源２が本体１００に接続され充電状態である時、充電状態検出回路８の出力端子は、ローレベルを出力し、スイッチング素子６のＦＥＴのゲートにはＦＥＴのソース電位と同等となりＦＥＴはオフ状態（非導通状態）を保つ。
【００２９】
充電状態検出回路８は、スイッチング素子６とプルアップ抵抗７に接続されたオープンコレクタトランジスタ８１と、このトランジスタと接続し充電電源２と並列に接続され充電時に電流が流れるベース抵抗８２とから構成される。
【００３０】
図４は、本発明による二次電池充放電回路の第３実施例の構成を示すブロック図である。二次電池１への充電電流を常に一定とするための回路例である。充電電流制御回路４は、二次電池１と直列に接続した充電電流検出抵抗３の端子間電圧を検出するので、負荷５に流れる電流とは関係なく一定の充電電流を二次電池１に供給する。オペアンプ４１は、基準電圧発生回路４２の電圧と充電電流検出抵抗３の電位を比較し、ＰチャンネルＦＥＴのゲート電圧を制御する。
【００３１】
仮に、充電電流検出抵抗３に流れる電流が一定の値より小さくなると、オペアンプ４１は、基準電圧発生回路４２の出力電圧より充電電流検出抵抗３の電位が低くなり、ＰチャンネルＦＥＴのオン抵抗を小さくするようにＦＥＴのゲート電圧を変更することで、充電電流を増加する方向に動作し、結果として充電電流を一定とする。
【００３２】
図５は、本発明による二次電池充放電回路の第５実施例の構成を示すブロック図である。図１に示したブロック図の二次電池１と充電電流検出抵抗３の接続位置を逆にしたブロック図であり、基本的動作は図１に示したブロック図と同等である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、充電時においては、二次電池に流れる電流のみを充電電流検出抵抗３で検出するので、負荷５に流れる電流の影響を受けることなく最小時間で充電でき、充電完了を正確に検出できる。また放電時においては、充電電流検出抵抗３の両端をスイッチング素子６で導通させるので、二次電池１の放電時間が短くならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による二次電池充放電回路の第１実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明による二次電池充放電回路の第２実施例の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明による二次電池充放電回路の第３実施例の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明による二次電池充放電回路の第４実施例の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明による二次電池充放電回路の第５実施例の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明による二次電池充放電回路の第６実施例の構成を示す回路図である。
【図７】従来の二次電池充放電回路の第１の構成例を示すブロック図である。
【図８】従来の二次電池充放電回路の第２の構成例を示すブロック図である。
【図９】従来の二次電池充放電回路の回路例を示す回路図である。
【図１０】定電流定電圧充電方法での充電電流と充電を開始してからの時間の関係を示すグラフである。
【図１１】定電圧充電時の二次電池の簡易的な等価回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１　　二次電池
２　　充電電源
３　　充電電流検出抵抗
４　　充電電流制御回路
５　　負荷
６　　スイッチング素子
７　　プルアップ抵抗
８　　充電状態検出回路
９　　充電完了検出回路
１１　内部抵抗
１２　内部電池
４１、９１　オペアンプ
４２、９２　基準電圧発生回路
４３　　電流制限トランジスタ
４４　　逆流防止ダイオード
８１　　オープンコレクタトランジスタ
８２　　ベース抵抗
９３　　充電検出結果出力端子
９９　　端子
１００　本体

Claims

充放電可能な二次電池（１）と、二次電池（１）を充電するための電源であって二次電池（１）より高い電圧を有する充電電源（２）と、二次電池（１）への充電電流を検出するための充電電流検出抵抗（３）と、充電電流検出抵抗（３）の検出電圧に基づき二次電池（１）への充電電流を制御する充電電流制御回路（４）と、二次電池（１）から供給される電気エネルギーで動作する負荷（５）からなる二次電池（１）の充放電回路において、
二次電池（１）と充電電流検出抵抗（３）を直列に接続し、充電電源（２）と充電電流制御回路（４）を直列に接続し、直列に接続した二次電池（１）と充電電流検出抵抗（３）の一端と、直列に接続した充電電源（２）と充電電流制御回路（４）の一端と、負荷（５）の一端とを接続し、直列に接続した二次電池（１）と充電電流検出抵抗（３）の他の端子と、直列に接続した充電電源（２）と充電電流制御回路（４）の他の端子と、負荷（５）の他の端子とを接続することを特徴とする二次電池充放電回路。
非充電時には導通し、充電時には非導通するスイッチング素子（６）を充電電流検出抵抗（３）と並列に接続することを特徴とする請求項１記載の二次電池充放電回路。
充電状態と非充電状態とを切り替えるための接続端子を充電電源（２）の少なくとも一つの端子に直列に接続し、非充電時にはスイッチング素子（６）を導通状態とするためのプルアップ抵抗（７）と、充電時にはスイッチング素子（６）を非導通状態とするための充電状態検出回路（８）とを有することを特徴とする請求項２記載の二次電池充放電回路。
請求項１記載の充電電流制御回路（４）は、充電電流検出抵抗（３）の両端の電位差を基準電位と比較するオペアンプ（４１）と、オペアンプ（４１）が出力する電圧比較結果に基づき二次電池（１）への充電電流を制御する充電電流制御トランジスタ（４３）と、逆流防止ダイオード（４４）とから構成されることを特徴とする二次電池充放電回路。
請求項３記載の充電状態検出回路（８）は、スイッチング素子（６）の導通状態と非導通状態を切り替えるためのオープンコレクタトランジスタ（８１）と、充電時にはオープンコレクタトランジスタにベース電流を流すためのベース抵抗（８２）とから構成されることを特徴とする二次電池充放電回路。
請求項１から５に記載の二次電池充放電回路を有することを特徴とする電子機器。