JP2004304976A - 二次電池の充電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】セット内充電においてトリクル充電を行う場合、電池電圧が異常に低下した電池を正確な充電電流で誤動作なく充電できる二次電池の充電装置を提供する。
【解決手段】電池２６の出力電圧から過放電状態であるか否かを検出し、過放電状態であればトリクル充電を行う。トリクル充電時には電池２６から寄生ダイオード４４を介してＤＣ／ＤＣ２（符号３２）の入力に至る径路を経由して電子回路１４が充電電流を吸い込み、電池２６が充電されないことが起こる。ダイオード４２をＤＣ／ＤＣ１（符号３０）の出力とＤＣ／ＤＣ２の入力の間に備え、ＤＣ／ＤＣ１からＤＣ／ＤＣ２への電源供給路が開通し、電子回路１４は径路Ｇにより電源供給される。径路Ｆを経由して充電電流が電子回路１４に吸い込まれる現象が起こらず、電池２６は正常に充電される。
【選択図】 図１
【解決手段】電池２６の出力電圧から過放電状態であるか否かを検出し、過放電状態であればトリクル充電を行う。トリクル充電時には電池２６から寄生ダイオード４４を介してＤＣ／ＤＣ２（符号３２）の入力に至る径路を経由して電子回路１４が充電電流を吸い込み、電池２６が充電されないことが起こる。ダイオード４２をＤＣ／ＤＣ１（符号３０）の出力とＤＣ／ＤＣ２の入力の間に備え、ＤＣ／ＤＣ１からＤＣ／ＤＣ２への電源供給路が開通し、電子回路１４は径路Ｇにより電源供給される。径路Ｆを経由して充電電流が電子回路１４に吸い込まれる現象が起こらず、電池２６は正常に充電される。
【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回路に係り、特に充電器を使用せず二次電池を電子機器に装着して充電を行うセット内充電に好適な二次電池の充電技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、種々の電子機器の電源としてニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の充電可能な二次電池が幅広く使用されている。高エネルギー密度を持つ二次電池は電池の正極と負極を短絡させると爆発等の危険があり、また電池電圧が所定の電圧以下に低下した（過放電状態）電池を充電する際にも、注意が必要である。過放電状態の電池を充電する場合には、電池電圧が所定の電圧に達するまでは微少電流で充電を行うトリクル充電を行うなど、二次電池は充電時の電池性能劣化防止や安全確保のために、電池電圧を監視して電池電圧が所定範囲内となるように充電や放電を制御している。また、特に高エネルギー密度を有する二次電池には、充電時の安全を確保するためのさまざまな保護機能が備えられている。
【０００３】
図６に従来の充電装置１０の例を示す。充電装置１０はデジタルカメラ１２の一部として構成されている。
【０００４】
従来の充電装置１０（以下従来装置と記載）には、ＡＣアダプタ２２を接続する電源入力端子２４、電池２６の充電放電制御を行う充電放電制御装置２８、デジタルカメラ１２のパワースイッチ２６がオフであっても常時オンしているＤＣ／ＤＣコンバータ３０（以下ＤＣ／ＤＣ１と記載）、セット内回路１４に電源を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ３２（以下ＤＣ／ＤＣ２と記載）、電池２６からＤＣ／ＤＣ１への電源供給路にあり電池２６からＤＣ／ＤＣ１へ順方向接続されるダイオード３４、電池２６からＤＣ／ＤＣ２の入力への電源供給路にあり、当該電源供給路の開閉を行うＦＥＴ３６、電源供給端子２４からＤＣ／ＤＣ２への電源供給路にあり、当該電源供給路の開閉を行うＦＥＴ３８およびＦＥＴ４０から構成されている。ＦＥＴ３６およびＦＥＴ３８、ＦＥＴ４０にはそれぞれ寄生ダイオード４４、寄生ダイオード４６、寄生ダイオード４８が内蔵されている。
【０００５】
充電時には、ＦＥＴ３６、ＦＥＴ３８およびＦＥＴ４０はオフとなり、電池２６および電源入力端子２４からＤＣ／ＤＣ２への電源供給路が遮断される。また、セット内回路１４へは電源が供給されず、セット内回路１４は動作を停止する。一方、充電放電制御装置２８は電池２６に充電電流を供給し、電池２６の充電が開始される。
【０００６】
充電放電制御装置２８は電池２６の出力電圧（以下電池電圧と記載）に応じて充電方法を切り換える制御を行い、電池電圧が２．０Ｖ未満であればトリクル充電が行われ、２．０Ｖ以上であれば通常充電が行われる。
【０００７】
トリクル充電時には、充電電流を１ｍＡに制限し、電池電圧より僅かに高い充電電圧で充電を開始する。電池電圧が上昇するとともに充電電圧を上げ、電池電圧が２Ｖを超えるとトリクル充電から通常充電へ切り換えが行われる。
【０００８】
通常充電では、充電電圧は４．１Ｖ、充電電流は４００ｍＡに設定され、電池２６が満充電状態になるまで充電は継続される。
【０００９】
しかしながら、充電時にはＦＥＴ３６がオフであるにも関わらずＦＥＴ３６に内蔵されている寄生ダイオード４４が順バイアスとなり、図７に示す経路Ｈが開通する。経路Ｈは充電放電制御装置２８からＤＣ／ＤＣ２への電源供給路となり、ＤＣ／ＤＣ２へ電源供給が行われると、セット内回路１４にも電源が供給され、セット内回路１４は動作可能な状態になる。
【００１０】
セット内回路１４の動作保証範囲より低い電圧（２．０Ｖ未満）がＤＣ／ＤＣ２に印加されると、セット内回路１４は誤動作を起こすことがあり、セット内回路１４の消費電流は増加する。
【００１１】
充電放電制御装置２８から出力される電圧は２．０Ｖ以下であり、充電放電制御回路２８の出力電圧から寄生ダイオード４４の電圧降下０．６Ｖを差し引いた電圧がＤＣ／ＤＣ２の入力に印加される。トリクル充電時には、ＤＣ／ＤＣ２の入力に印加される電圧は１．４Ｖ以下になる。
【００１２】
図７はＤＣ／ＤＣ２の入力電圧とセット内回路１４の消費電流を示したグラフである。図７によると、ＤＣ／ＤＣ２の入力電圧が１．４Ｖ以下であるときには、セット内回路の消費電流は約１０ｍＡである。トリクル充電時の充電電流は１ｍＡ程度なので、前期充電電流はセット内回路１４に吸い込まれる現象（吸い込み電流）が起こる。結果として電池２６には供給する充電電流がばらついたり、電池電圧が上昇しないことが発生する。
【００１３】
なお、かかる課題に対して図８に示すように、寄生ダイオード４４を通じて流れる吸い込み電流を阻止する方向となる寄生ダイオード５２を内蔵したＦＥＴ５４をＦＥＴ３６と直列接続すると、当該吸い込み電流を阻止することができる。
【００１４】
しかしながら、図８の構成では、電池２６からＤＣ／ＤＣ２へ電源供給を行う際に、電池電圧３．６ＶからＦＥＴ３６およびＦＥＴ５４の電圧降下１．２Ｖを差し引いた２．４ＶがＤＣ／ＤＣ２の入力に印加される。ＤＣ／ＤＣ２の入力電圧が低下すると、セット内回路１４が誤動作を起こしたり動作停止となることがある。電池２６からＤＣ／ＤＣ２に電源供給を行う場合には、電圧余裕が少ないため、図７に示すＦＥＴ５４を使用しない回路が好ましい。
【００１５】
一方、通常充電時には、充電電圧４．１Ｖから寄生ダイオード４４の電圧降下０．６Ｖを差し引いた３．５ＶがＤＣ／ＤＣ２に印加され、吸い込み電流は数ｍＡ程度である。したがって、セット内回路１４が充電電流を吸い込む現象が起きても、電池２６には十分な充電電流が供給される。
【００１６】
また、二次電池の充電技術に関しては特許文献１、２および３などがある。
【００１７】
特許文献１に開示された二次電池の充電方法では、二次電池の電圧を検出して、検出した電圧値が設定値以下であるとパルス充電を行い、再度二次電池の電圧を検出し、検出した電圧値が適正電圧に上昇していれば通常充電を行う。
【００１８】
特許文献２に開示された二次電池の充電回路では、二次電池には電池電圧が設定電圧以下になると放電を遮断する機能を備え、充電回路には電池電圧が設定電圧以下になると充電を禁止する機能を備え、充電回路は二次電池の電圧を監視して電池電圧に応じて充電電流を切り換える制御を行う。
【００１９】
特許文献３に開示された充電装置は、二次電池の電池電圧を検出する電圧検出回路と、この電圧検出回路にて検出される二次電池の電池電圧に応じて充電電流を可変可能な充電制御回路とからなり、この充電制御回路は二次電池の電池電圧が深放電電圧以下であるときには所定期間トリクル充電を行い、トリクル充電後は電池電圧に応じて急速充電を行うか充電を中止するかを決定する。
【００２０】
【特許文献１】
特開平７−２９８５０４号公報
【００２１】
【特許文献２】
特開平９−１２１４６５号公報
【００２２】
【特許文献３】
特開平１１−２６２１９７号公報
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のとおり、図６に示した従来装置では、セット内充電においてトリクル充電を行うと、電子機器内の電子回路（セット内回路）に動作保証範囲以下の電圧が印加されることがあり、セット内回路は誤動作を起こし、セット内回路に吸い込み電流が流れる。結果として二次電池に充電電流が十分に供給されず、充電電流がばらついたり電池電圧が上昇しないことが起こる。
【００２４】
特許文献１に開示された発明では、二次電池の電圧が設定値以下であるとトリクル充電ではなくパルス充電を行うために、吸い込み電流は流れないがパルス充電を行う回路は回路規模が大きくなり、回路構成が複雑である。
【００２５】
特許文献２および特許文献３の発明では、充電される電池の電圧を監視しながら充電電圧を切り換え、電池電圧が所定の電圧以下である場合には微少電流で充電を行うので、セット内充電を行う場合には、特別な保護機能を付加しない限り機器の電子回路誤動作を起こし、吸い込み電流が流れる現象が起こり得る。
【００２６】
本発明はこのような事情を鑑みてなされたもので、セット内充電においてトリクル充電を行う場合、電池電圧が異常に低下した電池を正確な充電電流で誤動作なく充電できる、二次電池の充電装置を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明に係る二次電池の充電装置は、二次電池を使用する電子機器に組み込まれる充電装置であって、当該電子機器に装填された二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、電源入力端子に接続される外部電源から供給される電力によって前記二次電池を充電する充電手段と、前記電圧検出手段の検出結果に応じて前記充電手段による前記二次電池の充電動作を制御する充電制御手段と、前記二次電池及び前記外部電源のうち少なくとも一方から供給される電源電圧を所定の電圧に変換する第１の電源回路と、前記二次電池から電源の供給を受け、当該電子機器内の電子回路の動作に必要な電圧に変換して前記電子回路に電源を供給する第２の電源回路と、前記二次電池から前記第２の電源回路への第１の電源供給路に設けられたスイッチ素子と、前記二次電池の充電時には前記二次電池から前記第２の電源回路への前記電源供給路を遮断し、前記二次電池の非充電時には前記二次電池から前記第２の電源回路への前記電源供給路を導通させるように前記スイッチ素子を制御するスイッチ制御手段と、少なくとも前記二次電池の充電時に前記第１の電源回路から前記第２の電源回路に電源を供給する第２の電源供給路と、を備えたことを特徴としている。
【００２８】
本発明によれば、二次電池を充電する際に当該二次電池の電圧を検出し、検出結果によって、充電制御手段は第１の電源供給路と第２の電源供給路に設けられたスイッチ素子を制御して、第２の電源回路への電源供給路を第１の電源供給路から第２の電源供給路へ切り換える。したがって、第２の電源供給路を経由して第２の電源回路に電源供給が行われ、第２の電源回路から電源供給を受ける電子機器が有する電子回路には当該電子回路が正常動作できる電圧が印加される。
【００２９】
二次電池にはリチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等があるが、本発明はリチウムイオン電池を使用する場合において特に効果的である。
【００３０】
電子機器とは、電子カメラ、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡなどを含む、二次電池を使用することができる機器である。
【００３１】
第１の電源回路および第２の電源回路は、電子機器が有する任意の電源から電子回路が正常動作することができる電圧および電流を供給可能なＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータ、三端子レギュレータ等が含まれる。
【００３２】
第１の電源回路は、当該電子機器の主電源オフ時にも動作し、主電源スイッチ操作の監視やカレンダー機能および時計機能用の電源としても使用される。
【００３３】
本発明の一態様に係る二次電池の充電装置は、前記充電制御手段は、前記電圧検出手段の検出結果により前記二次電池の放電状態が過放電状態であるか否かを判定し、前記二次電池が過放電状態である場合にはトリクル充電を行う充電方法切換手段を備えたことを特徴としている。
【００３４】
過放電状態とは二次電池の電圧が正常放電状態に比べて十分低くなる状態を表す。二次電池は出力電圧が所定の電圧を下回ると出力を遮断する安全装置を備えている。過放電状態では二次電池の出力は遮断されている。
【００３５】
トリクル充電とは、過放電状態である二次電池を通常充電より十分低い充電電流で充電する充電方法である。トリクル充電を行うと、過放電状態の二次電池を安全に正常放電状態にすることができる。また、二次電池の自然放電を補う目的で行われることもある。
【００３６】
本発明の他の態様に係る二次電池の充電装置は、前記第２の電源供給路は、ダイオードにより構成されることを特徴としている。
【００３７】
さらに、本発明の他の態様に係る二次電池の充電装置は、前記第２の電源供給路は、スイッチを含むことを特徴としている。
【００３８】
かかる態様によれば、第２の電源供給路はダイオード、スイッチあるいはダイオードとスイッチを直列接続した回路を使用することにより、制御が容易であり簡単な構成が実現できる。
【００３９】
本発明の他の態様に係る二次電池の充電装置は、前記第１の電源供給路は、ＦＥＴにより構成されることを特徴としている。
【００４０】
かかる態様によれば、第１の電源供給路にＦＥＴを使用したので、第１の電源供給路は構成が単純で、電池接続手段による電圧降下が少なく電子回路用電源供給手段に二次電池の電圧を効率よく供給することが可能になる。
【００４１】
ＦＥＴには低損失であるＭＯＳＦＥＴを用いることが好ましい。ＭＯＳＦＥＴには電流の流れる向きによりＰチャネル型とＮチャネル型があり、またゲート電圧とドレイン電流の関係によってディプレッション型とエンハンスメント型がある。当該第１の電源供給路には何れのＦＥＴを用いても、同様の効果を得ることができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って本発明に係る二次電池の充電装置の好ましい実施の形態について説明する。
【００４３】
例示する電流値および電圧値等の数値は一例であり、適宜変更可能である。また、前記数値には個体差による変動および特性上の変動があるが本実施形態では前記変動分は表示しない。特に断らずに電圧値、電流値を記載した場合には直流電圧、直流電流を表す。
【００４４】
図１は、本発明の実施形態に係る充電装置１０の内部構成を示したブロック図である。図１中図６と共通する部分には同一符号を付す。
【００４５】
図１には充電装置１０の他に、デジタルカメラ１２の有するセット内回路１４、主電源であるパワースイッチ１６とパワースイッチ部回路の一部である抵抗器１８、ＡＣ１００Ｖ等の商用電源２０からＡＣアダプター２２を介してデジタルカメラ１２に電源を供給する電源入力端子２４が表示されている。
【００４６】
充電装置１０は、リチウムイオン二次電池（以下リチウムイオン電池と記載）である電池２６を装着する電池ホルダー（不図示）、電池２６の充電放電制御を行う充電放電制御装置２８、デジタルカメラの電源オフ時にも動作し、パワースイッチ１６の監視するＤＣ／ＤＣ１、セット内回路１４に電源を供給するＤＣ／ＤＣ２から構成されている。
【００４７】
ＤＣ／ＤＣ１およびＤＣ／ＤＣ２には電圧降下が少ない低損失タイプを用いることが好ましい。さらに、入力電圧と同じ電圧を出力できるタイプもある。
【００４８】
また、充電装置１０は、電池２６とＤＣ／ＤＣ１の入力の間に順方向接続されるダイオード３４、電池２６とＤＣ／ＤＣ２の入力の間に挿入され、電池２６からＤＣ／ＤＣ２の入力への回路の開閉を行うＦＥＴ３６、電源供給端子２４からＤＣ／ＤＣ２の入力の間に挿入され電池２６とＤＣ／ＤＣ２の入力の間の回路の開閉を行うＦＥＴ３８およびＦＥＴ４０、ＤＣ／ＤＣ１の出力からＤＣ／ＤＣ２の入力の間に順方向接続されるダイオード４２を備えている。
【００４９】
ＦＥＴ３６はＭＯＳＦＥＴであり、ドレインとソースの間に寄生ダイオード４４が内蔵されている。同様にＦＥＴ３８、ＦＥＴ４０はＭＯＳＦＥＴであり、それぞれ寄生ダイオード４６、寄生ダイオード４８が内蔵されている。
【００５０】
充電放電制御装置２８とＤＣ／ＤＣ２はパワースイッチ１６に接続され、パワースイッチ操作を検出する主電源検出機能が備えられている。
【００５１】
図２は、電池２６からデジタルカメラ１１に電源を供給する電源供給径路を示している。図２の径路Ａは電池２６からＤＣ／ＤＣ１への電源供給路である。
【００５２】
図２中図１および図６と同一又は類似する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００５３】
電池２６は４Ｖ系リチウムイオン二次電池であり、充電装置１０の電池スロット（不図示）に装着され、標準的な出力電圧（正常時）は３．６Ｖである。電池２６には、電池電圧が電圧下限値を下回ると、出力を遮断する機能を備えている。リチウムイオン電池では電圧下限値は２．０Ｖ程度に設定される。また、電池電圧が電圧上限値を上回ると、出力を下げるかもしくは出力を遮断する機能を備えている。電圧上限値は４．５Ｖ程度に設定される。
【００５４】
電池２６の正極は順方向接続されたダイオード３４を介してＤＣ／ＤＣ１の入力に接続され、電池２６からＤＣ／ＤＣ１へ電源供給が行われる。電池２６の出力電圧（以下電池電圧と記載）３．６Ｖからダイオード３４オン時の電圧降下０．６Ｖを差し引いた３．０ＶがＤＣ／ＤＣ１の入力に印加される。
【００５５】
また、パワースイッチ１６のオンオフに関わらず、径路Ａによる電池２６からＤＣ／ＤＣ１への電源供給は遮断されない。
【００５６】
図２の径路Ｂは、電池２６からＤＣ／ＤＣ２への電源供給路である。
【００５７】
電池２６の正極はＦＥＴ３６を介してＤＣ／ＤＣ２の入力に接続される。充電放電制御装置２８によりＦＥＴ３６がオンされると、電池２６からＤＣ／ＤＣ２への電源供給が行われる。電池電圧３．６ＶからＦＥＴ３６オン時の電圧降下０．６Ｖを差し引いた３．０ＶがＤＣ／ＤＣ２の入力に印加される。
【００５８】
ＦＥＴ３６はＰチャネル型ＭＯＳＦＥＴであり、ドレインは電池２６に接続され、ソースはＤＣ／ＤＣ２の入力に接続され、ゲートは充電放電制御装置２８に接続される。また、寄生ダイオード４４は電池２６の正極からＤＣ／ＤＣ２の入力へ順方向となる。
【００５９】
ＦＥＴ３６オン時の損失（電圧降下）は、ゲート電圧やドレイン電流等の制御方法や、ＦＥＴの構造により異なる。ＦＥＴ３６での電圧降下が大きいとＤＣ／ＤＣ２やセット内回路１４は必要な電源電圧を得られないことがあり、セット内回路１４の動作に影響を与えることがある。ＦＥＴ３６にはできる限り低損失の制御方法、デバイスを選択することが望ましい。
【００６０】
図３は、ＡＣアダプター２２を電源入力端子２４に接続し、商用電源２０からデジタルカメラ１１に電源を供給する電源供給径路を示している。
【００６１】
図３中図１、図２および図６と同一又は類似する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００６２】
図３の径路Ｃは、電源入力端子２４からＤＣ／ＤＣ１への電源供給路である。電源入力端子２４はダイオード４０を介してＤＣ／ＤＣ１の入力に接続される。ダイオード４０は電源供給端子２４からＤＣ／ＤＣ１へ順方向接続される。
【００６３】
ＡＣアダプター２２により、商用電源２０から印加されるＡＣ１００ＶはＤＣ５．０Ｖに変換される。ＡＣアダプター２２を電源入力端子２４に接続すると、５Ｖからダイオード４０の電圧降下０．６Ｖを差し引いた４．４ＶがＤＣ／ＤＣ１の入力に印加される。
【００６４】
また、パワースイッチ１６のオンオフに関わらず、径路Ｃによる電源入力端子２４からＤＣ／ＤＣ１への電源供給は遮断されない。
【００６５】
ダイオード３４とダイオード４０はＤＣ／ＤＣ１への２系統の電源供給路の切換回路を形成している。
【００６６】
図３の径路ＣによりＤＣ／ＤＣ１の入力に印加される電圧が４．４Ｖ、図２の径路ＡによりＤＣ／ＤＣ１の入力に印加される電圧が３．０Ｖである場合、ダイオード３４は逆バイアスとなり径路Ａは遮断される。電池２６からＤＣ／ＤＣ１への電源供給は停止される。
【００６７】
一方、図３の径路ＣによるＤＣ／ＤＣ１への電源供給がないときは、ダイオード３４は順バイアスとなり、図２の径路Ａによる電池２６からＤＣ／ＤＣ１へ電源供給が行われる。
【００６８】
図３の径路Ｄは、電源入力端子２４からＤＣ／ＤＣ２への電源供給路である。
【００６９】
ＡＣアダプター２２が電源入力端子２４に接続されると、充電放電制御装置２８によりＦＥＴ３８およびＦＥＴ４０はオンされ、商用電源２０からＡＣアダプター２２を介してＤＣ／ＤＣ２へ電源供給が行われる。一方、充電放電制御装置２８によりＦＥＴ３６はオフされ、電池２６からＤＣ／ＤＣ２への電源供給路Ｂは遮断される。
【００７０】
ＤＣ／ＤＣ２の入力には、５．０ＶからＦＥＴ３８の電圧降下０．６ＶおよびＦＥＴ４０の電圧降下０．６Ｖを差し引いた３．８Ｖが印加される。
【００７１】
ＦＥＴ３８およびＦＥＴ４０はＰチャネルＭＯＳＦＥＴである。ＦＥＴ３８のドレインは電源入力端子に接続され、ＦＥＴ３８のソースはＦＥＴ４０のソースに接続される。ＦＥＴ４０のドレインはＤＣ／ＤＣ２の入力に接続され、ＦＥＴ３８のゲートおよびＦＥＴ４０のゲートは充電放電制御装置２８に接続される。
【００７２】
また、ＦＥＴ３８のソースとドレインの間には寄生ダイオード４６が内蔵され、ＦＥＴ４０のドレインとソースの間には寄生ダイオード４８が内蔵されている。寄生ダイオード４６は電源入力端子２４からＦＥＴ４０へ順方向であり、寄生ダイオード４０はＦＥＴ３８からＤＣ／ＤＣ２へ逆方向となる。
【００７３】
また、径路ＤではＦＥＴ３８とＦＥＴ４０は直列接続され、ＦＥＴ３８オフ時に発生する寄生ダイオード４６経由のバイパス電流を寄生ダイオード４８で阻止している。
【００７４】
径路Ｄでは２つのＦＥＴが直列接続されるため、径路Ｄにおける電圧降下が大きくなる。したがってＦＥＴ３８およびＦＥＴ４０は低損失であるもの（電圧降下が小さいもの）を使用することが好ましい。
【００７５】
図４は、電池２６の充電時における充電電流径路および電源供給径路を示している。
【００７６】
図４中図１乃至図３および図６と同一又は類似する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００７７】
充電放電制御装置２８は電池電圧を監視し、所定の電圧を下回ると、電池２６の出力を遮断させ電池２６の充電を開始する。所定の電圧は電池２６が過放電状態にならないように設定されることが好ましい。
【００７８】
充電時にはＡＣアダプタ２２が電源入力端子２４に接続され、商用電源２０からＡＣアダプタ２２を介して充電装置１０に充電電流が供給される。また、充電時にはデジタルカメラ１２の有する電子回路は動作を停止する。
【００７９】
充電が開始されると、充電放電制御装置２８はＦＥＴ３６、ＦＥＴ３８およびＦＥＴ４０をオフし、図２に示した径路Ｂおよび図３に示した径路Ｄを遮断する。また、図３の径路Ｃは遮断されず、電源入力端子２４からＤＣ／ＤＣ１に電源供給が行われる。
【００８０】
充電放電制御装置２８は電池電圧から、電池２６が正常放電状態であるか過放電状態であるかを判別する。電池電圧が２．０Ｖ以上であれば通常充電が行われ、２．０Ｖ未満であれば電池２６は過放電状態であると判断されトリクル充電が行われる。
【００８１】
本実施形態では、電池２６の充電に定電圧定電流充電を用いる。本実施形態では定電圧定電流充電を例示するが、リチウムイオン電池の充電方法は定電圧定電流充電に限定されない。
【００８２】
前記定電圧定電流充電は４．１Ｖ程度の一定電圧に充電電圧を設定して、電池電圧が設定電圧に達するまでは一定電流値で充電する充電方法である。
【００８３】
図４の径路Ｅは、電源入力端子２４から充電放電制御装置２８を介して電池２６に充電電流が流れる電流径路を示している。
【００８４】
通常充電では、充電放電制御装置２８は電池電圧が３．３Ｖに達するまで充電電流４００ｍＡで充電し、電池電圧が３．３Ｖを超えると充電電流を徐々に減少させ、電池電圧が設定電圧に達するまで充電を継続する。
【００８５】
また、トリクル充電では、充電放電制御回路２８は充電電流を１ｍＡに制限して充電を開始し、電池電圧が上昇するとともに充電電圧を徐々に上げてゆく。充電放電制御装置２８は電池電圧が２．０Ｖを超えると通常充電に切り換え、電池２６が満充電になるまで充電を継続する。
【００８６】
リチウムイオン電池では、過放電状態の電池を通常充電すると、電池の性能劣化や電池破損の可能性があり、過放電状態の電池を安全に充電する方法としてトリクル充電が用いられている。
【００８７】
上記に示した充電時の電圧値、電流値は一般的な値であり、安全性や効率を考慮することが好ましい。
【００８８】
図４の径路Ｆは、充電放電制御装置２８から寄生ダイオード４４を経由してＤＣ／ＤＣ２の入力に至るバイパス径路を示している。充電時にはＦＥＴ３６がオフになるにも関わらず、寄生ダイオード４４が順バイアスされオンとなり前記径路Ｆが開通する。
【００８９】
図７は、ＤＣ／ＤＣ２の入力への印加電圧と、セット内回路１４の消費電流の関係を示したグラフである。
【００９０】
ＤＣ／ＤＣ２は入力に電圧が印加されると、ＤＣ／ＤＣ２内部での電圧降下を差し引いた電圧を出力する。だたし、ＤＣ／ＤＣコンバータには自身の電圧降下がないタイプがあり、本実施形態ではＤＣ／ＤＣ２には自身の電圧降下がないタイプを使用している。
【００９１】
図７によると、ＤＣ／ＤＣ２の入力電圧がおおよそ１Ｖ以下である場合には、セット内回路１４は動作をせず、消費電流は０から数ｍＡ程度である。
【００９２】
ＤＣ／ＤＣ２の入力電圧が１Ｖを超え１．８Ｖ以下の範囲では、ＤＣ／ＤＣ２の入力電圧がセット内回路１４の動作保証電圧範囲を下回るためにセット内回路１４が誤動作を起こすことがある。セット内回路１４が誤動作を起こすと消費電流が大きくなり、その値は１０ｍＡ程度になる。
【００９３】
ＤＣ／ＤＣ２の入力電圧が１．８Ｖを超えると、セット内回路１４には動作保証範囲内の電圧が印加され、セット内回路１４は正常に動作する。充電時にはセット内回路１４はスタンバイモードであり、セット内回路１４が正常動作しているときには消費電流は数ｍＡ程度である。
【００９４】
図７における電流値および電圧値は素子による誤差、環境による変動が大きく、例示した電流値および電圧値はあくまでも一例である。
【００９５】
通常充電時には、充電放電制御装置２８の出力電圧は４．１Ｖであり、寄生ダイオード４４の電圧降下０．６Ｖを差し引いた３．５ＶがＤＣ／ＤＣ２の入力に印加される。図５のグラフによると、通常充電時には径路Ｆによる消費電流は数ｍＡ程度である。前記消費電流は充電電流に比べ十分に小さく電池２６の充電には影響を与えない。
【００９６】
一方、トリクル充電時にはダイオード４２は順バイアスされオンし、図４の径路Ｇに示す、ＤＣ／ＤＣ１からダイオード４２を介してＤＣ／ＤＣ２の入力に電源を供給する。一方、寄生ダイオード４４は逆バイアスとなり、径路Ｆが遮断されるようにＤＣ／ＤＣ１の出力電圧が決められている。
【００９７】
上記の如く構成された充電装置１０では、電池電圧から過放電状態であるか否かを検出し、過放電状態でなければ通常充電を行い、過放電状態であればトリクル充電と通常充電を併用した充電を行う。トリクル充電時には、電池２６の正極からＦＥＴ３６の寄生ダイオード４４を介してＤＣ／ＤＣ２の入力に至る径路Ｆを経由して吸い込み電流（セット内回路１４の消費電流）が流れ、充電電流がばらついたり電池２６の電池電圧が上昇しないことを避けるために、ダイオード４２をＤＣ／ＤＣ１の出力とＤＣ／ＤＣ２の入力の間に備え、ダイオード４２を介してＤＣ／ＤＣ１からＤＣ／ＤＣ２への電源供給路である径路Ｇを開通させ、径路Ｆを遮断する。したがって、セット内回路１４は径路Ｇにより電源供給され、径路Ｆを経由して吸い込み電流が流れず電池２６は正常に充電される。
【００９８】
ＤＣ／ＤＣコンバータには入力電圧が所定の電圧範囲内であるときには出力を出し、入力電圧が所定の電圧範囲外であるときには出力を出さない電圧監視機能を備えたものがある。前記電圧監視機能を備えたＤＣ／ＤＣコンバータを用いて、当該吸い込み電流を防止する方法が考えられる。しかしながら前記電圧監視機能を備えたＤＣ／ＤＣコンバータを用いるとコストアップになり、回路規模や外形が大きくなることに伴う設計変更が必要になる場合がある。
【００９９】
図５を用いて上記実施形態の応用例を説明する。
【０１００】
図５中図１乃至図４および図６と同一又は類似する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１０１】
図５は充電装置１０の内部構成を示すブロック図である。図１に示した充電装置１０のＤＣ／ＤＣ１とダイオード４２の間にスイッチ５０が挿入されている。スイッチ５０は充電放電制御装置２８により制御される。
【０１０２】
電池２６からＤＣ／ＤＣ２に電源供給が行われる場合やＡＣアダプタ２２を介して商用電源２０からＤＣ／ＤＣ２に電源供給が行われる場合および通常充電時には、充電放電制御装置２８によりスイッチ５０はオフされ、図４の径路Ｇは遮断される。
【０１０３】
一方、トリクル充電時には充電放電制御装置２８はスイッチ５０をオンし、径路Ｇが開通する。
【０１０４】
上記の如く構成された充電装置１０では、電池２６からＤＣ／ＤＣ２に電源供給が行われる場合やＡＣアダプタ２２を介して商用電源２０からＤＣ／ＤＣ２に電源供給が行われる場合および通常充電時には、ダイオード４２は逆バイアスされオフになるが、ダイオードは逆バイアス時にも漏れ電流を発生することがある。前記漏れ電流は温度や湿度といった環境条件に依存し、前記漏れ電流がＤＣ／ＤＣ１およびＤＣ／ＤＣ２の誤動作や故障の原因となることがある。さらにダイオード４２のカソードにサージ電圧等の異常電圧が発生するとダイオード４２は故障に至ることがある。したがって、図４に示す径路Ｇにスイッチ５０を付加し図５のとおり構成すると、充電放電制御装置２８によりスイッチ５０を制御すると、ダイオード４２が逆バイアス時に発生する漏れ電流をスイッチ５０により遮断することができる。また、スイッチ５０がオフであればダイオード４２のカソードはオープンであり、ダイオード４２のアノードにサージ電圧等の異常電圧が発生した場合にもダイオード４２は逆方向電圧を受けない。
【０１０５】
本応用例では、ダイオード４２のカソード側にスイッチ５０を挿入したが、ダイオード４２のアノード側にスイッチを挿入してもよい。さらに、ダイオード４２の代わりにスイッチ５０を搭載してもよい。
【０１０６】
【発明の効果】
本発明によれば、二次電池を電子機器に装着して充電するセット内充電において、過放電状態の二次電池を安全に充電するトリクル充電が行われ、トリクル充電時は電子機器内の電子回路に動作保証範囲内の電源供給を行う電源供給路を備えたので、前記電子機器内の電子回路が誤動作して充電電流を吸い込む現象が起こらず、電池電圧が異常に低下した二次電池は、正確な充電電流で誤動作なく充電される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る充電装置のブロック図
【図２】二次電池によりデジタルカメラに電源を供給する電源供給路を示す図
【図３】商用電源からデジタルカメラに電源を供給する電源供給路を示す図
【図４】二次電池の充電時における充電電流供給路および電源供給路を示す図
【図５】本発明の実施形態の応用例に係る充電装置のブロック図
【図６】従来の充電装置ブロック図
【図７】ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧と電子回路の消費電流の関係を示すグラフ
【図８】従来の充電装置の改善例のブロック図
【符号の説明】
１０…充電装置、１４…セット内回路、２８…充電放電制御装置、３０，３２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３６，３８，４０…ＦＥＴ、４２…ダイオード、５０…スイッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は二次電池の充電回路に係り、特に充電器を使用せず二次電池を電子機器に装着して充電を行うセット内充電に好適な二次電池の充電技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、種々の電子機器の電源としてニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の充電可能な二次電池が幅広く使用されている。高エネルギー密度を持つ二次電池は電池の正極と負極を短絡させると爆発等の危険があり、また電池電圧が所定の電圧以下に低下した（過放電状態）電池を充電する際にも、注意が必要である。過放電状態の電池を充電する場合には、電池電圧が所定の電圧に達するまでは微少電流で充電を行うトリクル充電を行うなど、二次電池は充電時の電池性能劣化防止や安全確保のために、電池電圧を監視して電池電圧が所定範囲内となるように充電や放電を制御している。また、特に高エネルギー密度を有する二次電池には、充電時の安全を確保するためのさまざまな保護機能が備えられている。
【０００３】
図６に従来の充電装置１０の例を示す。充電装置１０はデジタルカメラ１２の一部として構成されている。
【０００４】
従来の充電装置１０（以下従来装置と記載）には、ＡＣアダプタ２２を接続する電源入力端子２４、電池２６の充電放電制御を行う充電放電制御装置２８、デジタルカメラ１２のパワースイッチ２６がオフであっても常時オンしているＤＣ／ＤＣコンバータ３０（以下ＤＣ／ＤＣ１と記載）、セット内回路１４に電源を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ３２（以下ＤＣ／ＤＣ２と記載）、電池２６からＤＣ／ＤＣ１への電源供給路にあり電池２６からＤＣ／ＤＣ１へ順方向接続されるダイオード３４、電池２６からＤＣ／ＤＣ２の入力への電源供給路にあり、当該電源供給路の開閉を行うＦＥＴ３６、電源供給端子２４からＤＣ／ＤＣ２への電源供給路にあり、当該電源供給路の開閉を行うＦＥＴ３８およびＦＥＴ４０から構成されている。ＦＥＴ３６およびＦＥＴ３８、ＦＥＴ４０にはそれぞれ寄生ダイオード４４、寄生ダイオード４６、寄生ダイオード４８が内蔵されている。
【０００５】
充電時には、ＦＥＴ３６、ＦＥＴ３８およびＦＥＴ４０はオフとなり、電池２６および電源入力端子２４からＤＣ／ＤＣ２への電源供給路が遮断される。また、セット内回路１４へは電源が供給されず、セット内回路１４は動作を停止する。一方、充電放電制御装置２８は電池２６に充電電流を供給し、電池２６の充電が開始される。
【０００６】
充電放電制御装置２８は電池２６の出力電圧（以下電池電圧と記載）に応じて充電方法を切り換える制御を行い、電池電圧が２．０Ｖ未満であればトリクル充電が行われ、２．０Ｖ以上であれば通常充電が行われる。
【０００７】
トリクル充電時には、充電電流を１ｍＡに制限し、電池電圧より僅かに高い充電電圧で充電を開始する。電池電圧が上昇するとともに充電電圧を上げ、電池電圧が２Ｖを超えるとトリクル充電から通常充電へ切り換えが行われる。
【０００８】
通常充電では、充電電圧は４．１Ｖ、充電電流は４００ｍＡに設定され、電池２６が満充電状態になるまで充電は継続される。
【０００９】
しかしながら、充電時にはＦＥＴ３６がオフであるにも関わらずＦＥＴ３６に内蔵されている寄生ダイオード４４が順バイアスとなり、図７に示す経路Ｈが開通する。経路Ｈは充電放電制御装置２８からＤＣ／ＤＣ２への電源供給路となり、ＤＣ／ＤＣ２へ電源供給が行われると、セット内回路１４にも電源が供給され、セット内回路１４は動作可能な状態になる。
【００１０】
セット内回路１４の動作保証範囲より低い電圧（２．０Ｖ未満）がＤＣ／ＤＣ２に印加されると、セット内回路１４は誤動作を起こすことがあり、セット内回路１４の消費電流は増加する。
【００１１】
充電放電制御装置２８から出力される電圧は２．０Ｖ以下であり、充電放電制御回路２８の出力電圧から寄生ダイオード４４の電圧降下０．６Ｖを差し引いた電圧がＤＣ／ＤＣ２の入力に印加される。トリクル充電時には、ＤＣ／ＤＣ２の入力に印加される電圧は１．４Ｖ以下になる。
【００１２】
図７はＤＣ／ＤＣ２の入力電圧とセット内回路１４の消費電流を示したグラフである。図７によると、ＤＣ／ＤＣ２の入力電圧が１．４Ｖ以下であるときには、セット内回路の消費電流は約１０ｍＡである。トリクル充電時の充電電流は１ｍＡ程度なので、前期充電電流はセット内回路１４に吸い込まれる現象（吸い込み電流）が起こる。結果として電池２６には供給する充電電流がばらついたり、電池電圧が上昇しないことが発生する。
【００１３】
なお、かかる課題に対して図８に示すように、寄生ダイオード４４を通じて流れる吸い込み電流を阻止する方向となる寄生ダイオード５２を内蔵したＦＥＴ５４をＦＥＴ３６と直列接続すると、当該吸い込み電流を阻止することができる。
【００１４】
しかしながら、図８の構成では、電池２６からＤＣ／ＤＣ２へ電源供給を行う際に、電池電圧３．６ＶからＦＥＴ３６およびＦＥＴ５４の電圧降下１．２Ｖを差し引いた２．４ＶがＤＣ／ＤＣ２の入力に印加される。ＤＣ／ＤＣ２の入力電圧が低下すると、セット内回路１４が誤動作を起こしたり動作停止となることがある。電池２６からＤＣ／ＤＣ２に電源供給を行う場合には、電圧余裕が少ないため、図７に示すＦＥＴ５４を使用しない回路が好ましい。
【００１５】
一方、通常充電時には、充電電圧４．１Ｖから寄生ダイオード４４の電圧降下０．６Ｖを差し引いた３．５ＶがＤＣ／ＤＣ２に印加され、吸い込み電流は数ｍＡ程度である。したがって、セット内回路１４が充電電流を吸い込む現象が起きても、電池２６には十分な充電電流が供給される。
【００１６】
また、二次電池の充電技術に関しては特許文献１、２および３などがある。
【００１７】
特許文献１に開示された二次電池の充電方法では、二次電池の電圧を検出して、検出した電圧値が設定値以下であるとパルス充電を行い、再度二次電池の電圧を検出し、検出した電圧値が適正電圧に上昇していれば通常充電を行う。
【００１８】
特許文献２に開示された二次電池の充電回路では、二次電池には電池電圧が設定電圧以下になると放電を遮断する機能を備え、充電回路には電池電圧が設定電圧以下になると充電を禁止する機能を備え、充電回路は二次電池の電圧を監視して電池電圧に応じて充電電流を切り換える制御を行う。
【００１９】
特許文献３に開示された充電装置は、二次電池の電池電圧を検出する電圧検出回路と、この電圧検出回路にて検出される二次電池の電池電圧に応じて充電電流を可変可能な充電制御回路とからなり、この充電制御回路は二次電池の電池電圧が深放電電圧以下であるときには所定期間トリクル充電を行い、トリクル充電後は電池電圧に応じて急速充電を行うか充電を中止するかを決定する。
【００２０】
【特許文献１】
特開平７−２９８５０４号公報
【００２１】
【特許文献２】
特開平９−１２１４６５号公報
【００２２】
【特許文献３】
特開平１１−２６２１９７号公報
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のとおり、図６に示した従来装置では、セット内充電においてトリクル充電を行うと、電子機器内の電子回路（セット内回路）に動作保証範囲以下の電圧が印加されることがあり、セット内回路は誤動作を起こし、セット内回路に吸い込み電流が流れる。結果として二次電池に充電電流が十分に供給されず、充電電流がばらついたり電池電圧が上昇しないことが起こる。
【００２４】
特許文献１に開示された発明では、二次電池の電圧が設定値以下であるとトリクル充電ではなくパルス充電を行うために、吸い込み電流は流れないがパルス充電を行う回路は回路規模が大きくなり、回路構成が複雑である。
【００２５】
特許文献２および特許文献３の発明では、充電される電池の電圧を監視しながら充電電圧を切り換え、電池電圧が所定の電圧以下である場合には微少電流で充電を行うので、セット内充電を行う場合には、特別な保護機能を付加しない限り機器の電子回路誤動作を起こし、吸い込み電流が流れる現象が起こり得る。
【００２６】
本発明はこのような事情を鑑みてなされたもので、セット内充電においてトリクル充電を行う場合、電池電圧が異常に低下した電池を正確な充電電流で誤動作なく充電できる、二次電池の充電装置を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明に係る二次電池の充電装置は、二次電池を使用する電子機器に組み込まれる充電装置であって、当該電子機器に装填された二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、電源入力端子に接続される外部電源から供給される電力によって前記二次電池を充電する充電手段と、前記電圧検出手段の検出結果に応じて前記充電手段による前記二次電池の充電動作を制御する充電制御手段と、前記二次電池及び前記外部電源のうち少なくとも一方から供給される電源電圧を所定の電圧に変換する第１の電源回路と、前記二次電池から電源の供給を受け、当該電子機器内の電子回路の動作に必要な電圧に変換して前記電子回路に電源を供給する第２の電源回路と、前記二次電池から前記第２の電源回路への第１の電源供給路に設けられたスイッチ素子と、前記二次電池の充電時には前記二次電池から前記第２の電源回路への前記電源供給路を遮断し、前記二次電池の非充電時には前記二次電池から前記第２の電源回路への前記電源供給路を導通させるように前記スイッチ素子を制御するスイッチ制御手段と、少なくとも前記二次電池の充電時に前記第１の電源回路から前記第２の電源回路に電源を供給する第２の電源供給路と、を備えたことを特徴としている。
【００２８】
本発明によれば、二次電池を充電する際に当該二次電池の電圧を検出し、検出結果によって、充電制御手段は第１の電源供給路と第２の電源供給路に設けられたスイッチ素子を制御して、第２の電源回路への電源供給路を第１の電源供給路から第２の電源供給路へ切り換える。したがって、第２の電源供給路を経由して第２の電源回路に電源供給が行われ、第２の電源回路から電源供給を受ける電子機器が有する電子回路には当該電子回路が正常動作できる電圧が印加される。
【００２９】
二次電池にはリチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等があるが、本発明はリチウムイオン電池を使用する場合において特に効果的である。
【００３０】
電子機器とは、電子カメラ、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡなどを含む、二次電池を使用することができる機器である。
【００３１】
第１の電源回路および第２の電源回路は、電子機器が有する任意の電源から電子回路が正常動作することができる電圧および電流を供給可能なＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータ、三端子レギュレータ等が含まれる。
【００３２】
第１の電源回路は、当該電子機器の主電源オフ時にも動作し、主電源スイッチ操作の監視やカレンダー機能および時計機能用の電源としても使用される。
【００３３】
本発明の一態様に係る二次電池の充電装置は、前記充電制御手段は、前記電圧検出手段の検出結果により前記二次電池の放電状態が過放電状態であるか否かを判定し、前記二次電池が過放電状態である場合にはトリクル充電を行う充電方法切換手段を備えたことを特徴としている。
【００３４】
過放電状態とは二次電池の電圧が正常放電状態に比べて十分低くなる状態を表す。二次電池は出力電圧が所定の電圧を下回ると出力を遮断する安全装置を備えている。過放電状態では二次電池の出力は遮断されている。
【００３５】
トリクル充電とは、過放電状態である二次電池を通常充電より十分低い充電電流で充電する充電方法である。トリクル充電を行うと、過放電状態の二次電池を安全に正常放電状態にすることができる。また、二次電池の自然放電を補う目的で行われることもある。
【００３６】
本発明の他の態様に係る二次電池の充電装置は、前記第２の電源供給路は、ダイオードにより構成されることを特徴としている。
【００３７】
さらに、本発明の他の態様に係る二次電池の充電装置は、前記第２の電源供給路は、スイッチを含むことを特徴としている。
【００３８】
かかる態様によれば、第２の電源供給路はダイオード、スイッチあるいはダイオードとスイッチを直列接続した回路を使用することにより、制御が容易であり簡単な構成が実現できる。
【００３９】
本発明の他の態様に係る二次電池の充電装置は、前記第１の電源供給路は、ＦＥＴにより構成されることを特徴としている。
【００４０】
かかる態様によれば、第１の電源供給路にＦＥＴを使用したので、第１の電源供給路は構成が単純で、電池接続手段による電圧降下が少なく電子回路用電源供給手段に二次電池の電圧を効率よく供給することが可能になる。
【００４１】
ＦＥＴには低損失であるＭＯＳＦＥＴを用いることが好ましい。ＭＯＳＦＥＴには電流の流れる向きによりＰチャネル型とＮチャネル型があり、またゲート電圧とドレイン電流の関係によってディプレッション型とエンハンスメント型がある。当該第１の電源供給路には何れのＦＥＴを用いても、同様の効果を得ることができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って本発明に係る二次電池の充電装置の好ましい実施の形態について説明する。
【００４３】
例示する電流値および電圧値等の数値は一例であり、適宜変更可能である。また、前記数値には個体差による変動および特性上の変動があるが本実施形態では前記変動分は表示しない。特に断らずに電圧値、電流値を記載した場合には直流電圧、直流電流を表す。
【００４４】
図１は、本発明の実施形態に係る充電装置１０の内部構成を示したブロック図である。図１中図６と共通する部分には同一符号を付す。
【００４５】
図１には充電装置１０の他に、デジタルカメラ１２の有するセット内回路１４、主電源であるパワースイッチ１６とパワースイッチ部回路の一部である抵抗器１８、ＡＣ１００Ｖ等の商用電源２０からＡＣアダプター２２を介してデジタルカメラ１２に電源を供給する電源入力端子２４が表示されている。
【００４６】
充電装置１０は、リチウムイオン二次電池（以下リチウムイオン電池と記載）である電池２６を装着する電池ホルダー（不図示）、電池２６の充電放電制御を行う充電放電制御装置２８、デジタルカメラの電源オフ時にも動作し、パワースイッチ１６の監視するＤＣ／ＤＣ１、セット内回路１４に電源を供給するＤＣ／ＤＣ２から構成されている。
【００４７】
ＤＣ／ＤＣ１およびＤＣ／ＤＣ２には電圧降下が少ない低損失タイプを用いることが好ましい。さらに、入力電圧と同じ電圧を出力できるタイプもある。
【００４８】
また、充電装置１０は、電池２６とＤＣ／ＤＣ１の入力の間に順方向接続されるダイオード３４、電池２６とＤＣ／ＤＣ２の入力の間に挿入され、電池２６からＤＣ／ＤＣ２の入力への回路の開閉を行うＦＥＴ３６、電源供給端子２４からＤＣ／ＤＣ２の入力の間に挿入され電池２６とＤＣ／ＤＣ２の入力の間の回路の開閉を行うＦＥＴ３８およびＦＥＴ４０、ＤＣ／ＤＣ１の出力からＤＣ／ＤＣ２の入力の間に順方向接続されるダイオード４２を備えている。
【００４９】
ＦＥＴ３６はＭＯＳＦＥＴであり、ドレインとソースの間に寄生ダイオード４４が内蔵されている。同様にＦＥＴ３８、ＦＥＴ４０はＭＯＳＦＥＴであり、それぞれ寄生ダイオード４６、寄生ダイオード４８が内蔵されている。
【００５０】
充電放電制御装置２８とＤＣ／ＤＣ２はパワースイッチ１６に接続され、パワースイッチ操作を検出する主電源検出機能が備えられている。
【００５１】
図２は、電池２６からデジタルカメラ１１に電源を供給する電源供給径路を示している。図２の径路Ａは電池２６からＤＣ／ＤＣ１への電源供給路である。
【００５２】
図２中図１および図６と同一又は類似する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００５３】
電池２６は４Ｖ系リチウムイオン二次電池であり、充電装置１０の電池スロット（不図示）に装着され、標準的な出力電圧（正常時）は３．６Ｖである。電池２６には、電池電圧が電圧下限値を下回ると、出力を遮断する機能を備えている。リチウムイオン電池では電圧下限値は２．０Ｖ程度に設定される。また、電池電圧が電圧上限値を上回ると、出力を下げるかもしくは出力を遮断する機能を備えている。電圧上限値は４．５Ｖ程度に設定される。
【００５４】
電池２６の正極は順方向接続されたダイオード３４を介してＤＣ／ＤＣ１の入力に接続され、電池２６からＤＣ／ＤＣ１へ電源供給が行われる。電池２６の出力電圧（以下電池電圧と記載）３．６Ｖからダイオード３４オン時の電圧降下０．６Ｖを差し引いた３．０ＶがＤＣ／ＤＣ１の入力に印加される。
【００５５】
また、パワースイッチ１６のオンオフに関わらず、径路Ａによる電池２６からＤＣ／ＤＣ１への電源供給は遮断されない。
【００５６】
図２の径路Ｂは、電池２６からＤＣ／ＤＣ２への電源供給路である。
【００５７】
電池２６の正極はＦＥＴ３６を介してＤＣ／ＤＣ２の入力に接続される。充電放電制御装置２８によりＦＥＴ３６がオンされると、電池２６からＤＣ／ＤＣ２への電源供給が行われる。電池電圧３．６ＶからＦＥＴ３６オン時の電圧降下０．６Ｖを差し引いた３．０ＶがＤＣ／ＤＣ２の入力に印加される。
【００５８】
ＦＥＴ３６はＰチャネル型ＭＯＳＦＥＴであり、ドレインは電池２６に接続され、ソースはＤＣ／ＤＣ２の入力に接続され、ゲートは充電放電制御装置２８に接続される。また、寄生ダイオード４４は電池２６の正極からＤＣ／ＤＣ２の入力へ順方向となる。
【００５９】
ＦＥＴ３６オン時の損失（電圧降下）は、ゲート電圧やドレイン電流等の制御方法や、ＦＥＴの構造により異なる。ＦＥＴ３６での電圧降下が大きいとＤＣ／ＤＣ２やセット内回路１４は必要な電源電圧を得られないことがあり、セット内回路１４の動作に影響を与えることがある。ＦＥＴ３６にはできる限り低損失の制御方法、デバイスを選択することが望ましい。
【００６０】
図３は、ＡＣアダプター２２を電源入力端子２４に接続し、商用電源２０からデジタルカメラ１１に電源を供給する電源供給径路を示している。
【００６１】
図３中図１、図２および図６と同一又は類似する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００６２】
図３の径路Ｃは、電源入力端子２４からＤＣ／ＤＣ１への電源供給路である。電源入力端子２４はダイオード４０を介してＤＣ／ＤＣ１の入力に接続される。ダイオード４０は電源供給端子２４からＤＣ／ＤＣ１へ順方向接続される。
【００６３】
ＡＣアダプター２２により、商用電源２０から印加されるＡＣ１００ＶはＤＣ５．０Ｖに変換される。ＡＣアダプター２２を電源入力端子２４に接続すると、５Ｖからダイオード４０の電圧降下０．６Ｖを差し引いた４．４ＶがＤＣ／ＤＣ１の入力に印加される。
【００６４】
また、パワースイッチ１６のオンオフに関わらず、径路Ｃによる電源入力端子２４からＤＣ／ＤＣ１への電源供給は遮断されない。
【００６５】
ダイオード３４とダイオード４０はＤＣ／ＤＣ１への２系統の電源供給路の切換回路を形成している。
【００６６】
図３の径路ＣによりＤＣ／ＤＣ１の入力に印加される電圧が４．４Ｖ、図２の径路ＡによりＤＣ／ＤＣ１の入力に印加される電圧が３．０Ｖである場合、ダイオード３４は逆バイアスとなり径路Ａは遮断される。電池２６からＤＣ／ＤＣ１への電源供給は停止される。
【００６７】
一方、図３の径路ＣによるＤＣ／ＤＣ１への電源供給がないときは、ダイオード３４は順バイアスとなり、図２の径路Ａによる電池２６からＤＣ／ＤＣ１へ電源供給が行われる。
【００６８】
図３の径路Ｄは、電源入力端子２４からＤＣ／ＤＣ２への電源供給路である。
【００６９】
ＡＣアダプター２２が電源入力端子２４に接続されると、充電放電制御装置２８によりＦＥＴ３８およびＦＥＴ４０はオンされ、商用電源２０からＡＣアダプター２２を介してＤＣ／ＤＣ２へ電源供給が行われる。一方、充電放電制御装置２８によりＦＥＴ３６はオフされ、電池２６からＤＣ／ＤＣ２への電源供給路Ｂは遮断される。
【００７０】
ＤＣ／ＤＣ２の入力には、５．０ＶからＦＥＴ３８の電圧降下０．６ＶおよびＦＥＴ４０の電圧降下０．６Ｖを差し引いた３．８Ｖが印加される。
【００７１】
ＦＥＴ３８およびＦＥＴ４０はＰチャネルＭＯＳＦＥＴである。ＦＥＴ３８のドレインは電源入力端子に接続され、ＦＥＴ３８のソースはＦＥＴ４０のソースに接続される。ＦＥＴ４０のドレインはＤＣ／ＤＣ２の入力に接続され、ＦＥＴ３８のゲートおよびＦＥＴ４０のゲートは充電放電制御装置２８に接続される。
【００７２】
また、ＦＥＴ３８のソースとドレインの間には寄生ダイオード４６が内蔵され、ＦＥＴ４０のドレインとソースの間には寄生ダイオード４８が内蔵されている。寄生ダイオード４６は電源入力端子２４からＦＥＴ４０へ順方向であり、寄生ダイオード４０はＦＥＴ３８からＤＣ／ＤＣ２へ逆方向となる。
【００７３】
また、径路ＤではＦＥＴ３８とＦＥＴ４０は直列接続され、ＦＥＴ３８オフ時に発生する寄生ダイオード４６経由のバイパス電流を寄生ダイオード４８で阻止している。
【００７４】
径路Ｄでは２つのＦＥＴが直列接続されるため、径路Ｄにおける電圧降下が大きくなる。したがってＦＥＴ３８およびＦＥＴ４０は低損失であるもの（電圧降下が小さいもの）を使用することが好ましい。
【００７５】
図４は、電池２６の充電時における充電電流径路および電源供給径路を示している。
【００７６】
図４中図１乃至図３および図６と同一又は類似する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００７７】
充電放電制御装置２８は電池電圧を監視し、所定の電圧を下回ると、電池２６の出力を遮断させ電池２６の充電を開始する。所定の電圧は電池２６が過放電状態にならないように設定されることが好ましい。
【００７８】
充電時にはＡＣアダプタ２２が電源入力端子２４に接続され、商用電源２０からＡＣアダプタ２２を介して充電装置１０に充電電流が供給される。また、充電時にはデジタルカメラ１２の有する電子回路は動作を停止する。
【００７９】
充電が開始されると、充電放電制御装置２８はＦＥＴ３６、ＦＥＴ３８およびＦＥＴ４０をオフし、図２に示した径路Ｂおよび図３に示した径路Ｄを遮断する。また、図３の径路Ｃは遮断されず、電源入力端子２４からＤＣ／ＤＣ１に電源供給が行われる。
【００８０】
充電放電制御装置２８は電池電圧から、電池２６が正常放電状態であるか過放電状態であるかを判別する。電池電圧が２．０Ｖ以上であれば通常充電が行われ、２．０Ｖ未満であれば電池２６は過放電状態であると判断されトリクル充電が行われる。
【００８１】
本実施形態では、電池２６の充電に定電圧定電流充電を用いる。本実施形態では定電圧定電流充電を例示するが、リチウムイオン電池の充電方法は定電圧定電流充電に限定されない。
【００８２】
前記定電圧定電流充電は４．１Ｖ程度の一定電圧に充電電圧を設定して、電池電圧が設定電圧に達するまでは一定電流値で充電する充電方法である。
【００８３】
図４の径路Ｅは、電源入力端子２４から充電放電制御装置２８を介して電池２６に充電電流が流れる電流径路を示している。
【００８４】
通常充電では、充電放電制御装置２８は電池電圧が３．３Ｖに達するまで充電電流４００ｍＡで充電し、電池電圧が３．３Ｖを超えると充電電流を徐々に減少させ、電池電圧が設定電圧に達するまで充電を継続する。
【００８５】
また、トリクル充電では、充電放電制御回路２８は充電電流を１ｍＡに制限して充電を開始し、電池電圧が上昇するとともに充電電圧を徐々に上げてゆく。充電放電制御装置２８は電池電圧が２．０Ｖを超えると通常充電に切り換え、電池２６が満充電になるまで充電を継続する。
【００８６】
リチウムイオン電池では、過放電状態の電池を通常充電すると、電池の性能劣化や電池破損の可能性があり、過放電状態の電池を安全に充電する方法としてトリクル充電が用いられている。
【００８７】
上記に示した充電時の電圧値、電流値は一般的な値であり、安全性や効率を考慮することが好ましい。
【００８８】
図４の径路Ｆは、充電放電制御装置２８から寄生ダイオード４４を経由してＤＣ／ＤＣ２の入力に至るバイパス径路を示している。充電時にはＦＥＴ３６がオフになるにも関わらず、寄生ダイオード４４が順バイアスされオンとなり前記径路Ｆが開通する。
【００８９】
図７は、ＤＣ／ＤＣ２の入力への印加電圧と、セット内回路１４の消費電流の関係を示したグラフである。
【００９０】
ＤＣ／ＤＣ２は入力に電圧が印加されると、ＤＣ／ＤＣ２内部での電圧降下を差し引いた電圧を出力する。だたし、ＤＣ／ＤＣコンバータには自身の電圧降下がないタイプがあり、本実施形態ではＤＣ／ＤＣ２には自身の電圧降下がないタイプを使用している。
【００９１】
図７によると、ＤＣ／ＤＣ２の入力電圧がおおよそ１Ｖ以下である場合には、セット内回路１４は動作をせず、消費電流は０から数ｍＡ程度である。
【００９２】
ＤＣ／ＤＣ２の入力電圧が１Ｖを超え１．８Ｖ以下の範囲では、ＤＣ／ＤＣ２の入力電圧がセット内回路１４の動作保証電圧範囲を下回るためにセット内回路１４が誤動作を起こすことがある。セット内回路１４が誤動作を起こすと消費電流が大きくなり、その値は１０ｍＡ程度になる。
【００９３】
ＤＣ／ＤＣ２の入力電圧が１．８Ｖを超えると、セット内回路１４には動作保証範囲内の電圧が印加され、セット内回路１４は正常に動作する。充電時にはセット内回路１４はスタンバイモードであり、セット内回路１４が正常動作しているときには消費電流は数ｍＡ程度である。
【００９４】
図７における電流値および電圧値は素子による誤差、環境による変動が大きく、例示した電流値および電圧値はあくまでも一例である。
【００９５】
通常充電時には、充電放電制御装置２８の出力電圧は４．１Ｖであり、寄生ダイオード４４の電圧降下０．６Ｖを差し引いた３．５ＶがＤＣ／ＤＣ２の入力に印加される。図５のグラフによると、通常充電時には径路Ｆによる消費電流は数ｍＡ程度である。前記消費電流は充電電流に比べ十分に小さく電池２６の充電には影響を与えない。
【００９６】
一方、トリクル充電時にはダイオード４２は順バイアスされオンし、図４の径路Ｇに示す、ＤＣ／ＤＣ１からダイオード４２を介してＤＣ／ＤＣ２の入力に電源を供給する。一方、寄生ダイオード４４は逆バイアスとなり、径路Ｆが遮断されるようにＤＣ／ＤＣ１の出力電圧が決められている。
【００９７】
上記の如く構成された充電装置１０では、電池電圧から過放電状態であるか否かを検出し、過放電状態でなければ通常充電を行い、過放電状態であればトリクル充電と通常充電を併用した充電を行う。トリクル充電時には、電池２６の正極からＦＥＴ３６の寄生ダイオード４４を介してＤＣ／ＤＣ２の入力に至る径路Ｆを経由して吸い込み電流（セット内回路１４の消費電流）が流れ、充電電流がばらついたり電池２６の電池電圧が上昇しないことを避けるために、ダイオード４２をＤＣ／ＤＣ１の出力とＤＣ／ＤＣ２の入力の間に備え、ダイオード４２を介してＤＣ／ＤＣ１からＤＣ／ＤＣ２への電源供給路である径路Ｇを開通させ、径路Ｆを遮断する。したがって、セット内回路１４は径路Ｇにより電源供給され、径路Ｆを経由して吸い込み電流が流れず電池２６は正常に充電される。
【００９８】
ＤＣ／ＤＣコンバータには入力電圧が所定の電圧範囲内であるときには出力を出し、入力電圧が所定の電圧範囲外であるときには出力を出さない電圧監視機能を備えたものがある。前記電圧監視機能を備えたＤＣ／ＤＣコンバータを用いて、当該吸い込み電流を防止する方法が考えられる。しかしながら前記電圧監視機能を備えたＤＣ／ＤＣコンバータを用いるとコストアップになり、回路規模や外形が大きくなることに伴う設計変更が必要になる場合がある。
【００９９】
図５を用いて上記実施形態の応用例を説明する。
【０１００】
図５中図１乃至図４および図６と同一又は類似する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１０１】
図５は充電装置１０の内部構成を示すブロック図である。図１に示した充電装置１０のＤＣ／ＤＣ１とダイオード４２の間にスイッチ５０が挿入されている。スイッチ５０は充電放電制御装置２８により制御される。
【０１０２】
電池２６からＤＣ／ＤＣ２に電源供給が行われる場合やＡＣアダプタ２２を介して商用電源２０からＤＣ／ＤＣ２に電源供給が行われる場合および通常充電時には、充電放電制御装置２８によりスイッチ５０はオフされ、図４の径路Ｇは遮断される。
【０１０３】
一方、トリクル充電時には充電放電制御装置２８はスイッチ５０をオンし、径路Ｇが開通する。
【０１０４】
上記の如く構成された充電装置１０では、電池２６からＤＣ／ＤＣ２に電源供給が行われる場合やＡＣアダプタ２２を介して商用電源２０からＤＣ／ＤＣ２に電源供給が行われる場合および通常充電時には、ダイオード４２は逆バイアスされオフになるが、ダイオードは逆バイアス時にも漏れ電流を発生することがある。前記漏れ電流は温度や湿度といった環境条件に依存し、前記漏れ電流がＤＣ／ＤＣ１およびＤＣ／ＤＣ２の誤動作や故障の原因となることがある。さらにダイオード４２のカソードにサージ電圧等の異常電圧が発生するとダイオード４２は故障に至ることがある。したがって、図４に示す径路Ｇにスイッチ５０を付加し図５のとおり構成すると、充電放電制御装置２８によりスイッチ５０を制御すると、ダイオード４２が逆バイアス時に発生する漏れ電流をスイッチ５０により遮断することができる。また、スイッチ５０がオフであればダイオード４２のカソードはオープンであり、ダイオード４２のアノードにサージ電圧等の異常電圧が発生した場合にもダイオード４２は逆方向電圧を受けない。
【０１０５】
本応用例では、ダイオード４２のカソード側にスイッチ５０を挿入したが、ダイオード４２のアノード側にスイッチを挿入してもよい。さらに、ダイオード４２の代わりにスイッチ５０を搭載してもよい。
【０１０６】
【発明の効果】
本発明によれば、二次電池を電子機器に装着して充電するセット内充電において、過放電状態の二次電池を安全に充電するトリクル充電が行われ、トリクル充電時は電子機器内の電子回路に動作保証範囲内の電源供給を行う電源供給路を備えたので、前記電子機器内の電子回路が誤動作して充電電流を吸い込む現象が起こらず、電池電圧が異常に低下した二次電池は、正確な充電電流で誤動作なく充電される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る充電装置のブロック図
【図２】二次電池によりデジタルカメラに電源を供給する電源供給路を示す図
【図３】商用電源からデジタルカメラに電源を供給する電源供給路を示す図
【図４】二次電池の充電時における充電電流供給路および電源供給路を示す図
【図５】本発明の実施形態の応用例に係る充電装置のブロック図
【図６】従来の充電装置ブロック図
【図７】ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧と電子回路の消費電流の関係を示すグラフ
【図８】従来の充電装置の改善例のブロック図
【符号の説明】
１０…充電装置、１４…セット内回路、２８…充電放電制御装置、３０，３２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３６，３８，４０…ＦＥＴ、４２…ダイオード、５０…スイッチ
Claims (5)
- 二次電池を使用する電子機器に組み込まれる充電装置であって、
当該電子機器に装填された二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
電源入力端子に接続される外部電源から供給される電力によって前記二次電池を充電する充電手段と、
前記電圧検出手段の検出結果に応じて前記充電手段による前記二次電池の充電動作を制御する充電制御手段と、
前記二次電池及び前記外部電源のうち少なくとも一方から供給される電源電圧を所定の電圧に変換する第１の電源回路と、
前記二次電池から電源の供給を受け、当該電子機器内の電子回路の動作に必要な電圧に変換して前記電子回路に電源を供給する第２の電源回路と、
前記二次電池から前記第２の電源回路への第１の電源供給路に設けられたスイッチ素子と、
前記二次電池の充電時には前記二次電池から前記第２の電源回路への前記電源供給路を遮断し、前記二次電池の非充電時には前記二次電池から前記第２の電源回路への前記電源供給路を導通させるように前記スイッチ素子を制御するスイッチ制御手段と、
少なくとも前記二次電池の充電時に前記第１の電源回路から前記第２の電源回路に電源を供給する第２の電源供給路と、
を備えたことを特徴とする二次電池の充電装置。 - 前記充電制御手段は、前記電圧検出手段の検出結果により前記二次電池の放電状態が過放電状態であるか否かを判定し、前記二次電池が過放電状態である場合にはトリクル充電を行う充電方法切換手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の二次電池の充電装置。
- 前記第２の電源供給路は、ダイオードにより構成されることを特徴とする請求項３記載の二次電池の充電装置。
- 前記第２の電源供給路は、スイッチを含むことを特徴とした請求項２または３記載の二次電池の充電装置。
- 前記第１の電源供給路は、ＦＥＴにより構成されることを特徴とする請求項１乃至４何れか１項に記載の二次電池の充電装置。
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| JP2003097865A JP2004304976A (ja) | 2003-04-01 | 2003-04-01 | 二次電池の充電装置 |
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7511453B2 (en) | 2006-04-21 | 2009-03-31 | Dell Products, L.P. | Method and apparatus for extending battery life by adaptive control of regulators |
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| JPWO2009072281A1 (ja) * | 2007-12-03 | 2011-04-21 | ローム株式会社 | 電源管理回路 |
| US7956578B2 (en) | 2006-05-09 | 2011-06-07 | Lenovo (Singapore) Pte. Ltd. | Power supply having a reduced number of switching elements |
| JPWO2015097805A1 (ja) * | 2013-12-26 | 2017-03-23 | 三菱電機エンジニアリング株式会社 | 高周波整流回路用自動整合回路 |
-
2003
- 2003-04-01 JP JP2003097865A patent/JP2004304976A/ja active Pending
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