JP2007060772A

JP2007060772A - 充電電圧の切替え設定方式

Info

Publication number: JP2007060772A
Application number: JP2005241576A
Authority: JP
Inventors: Tomomi Sano; 佐野　　友美
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2007-03-08

Abstract

【課題】充電電圧の切替え設定を、高精度に行ない得るようにする。
【解決手段】電圧制御用コンパレータ１３の一方には、電池１個分の内部基準電圧（４．２Ｖ）を入力し、他方には充電電圧検出端子Ｔの電圧を導入し、電池１個分の設定時にはスイッチＳＷをオフしてトリミング回路１７をスルーにし、充電電圧検出端子Ｔが４．２Ｖになるように設定し、電池２個直列の場合の設定時には、スイッチＳＷをオンしてトリミング回路１７のタップを調整し、充電電圧検出端子Ｔが４．２Ｖの２倍（８．４Ｖ）になるよう、Ａ／Ｄ変換器１５および制御器１６により調整する。
【選択図】図１

Description

この発明は、各種携帯機器用電源として使用されている２次電池、特にリチウムイオン電池（単に、電池またはセルともいう）の充電器、特に１セル，２セル直列用として予め設定することが可能な充電電圧の切替え設定方式に関する。

２次電池の充電電圧は、電池の容量一杯に充電したいために、電池の許容上限電圧に極力近い（高い）電圧に設定するとともに、満充電量のバラツキを減らすため、電圧の設定値は精密な電圧に設定されている。また、充電器は充電の完了した電池には充電しない機能を有しており、電池の電圧を測定して電圧の低下が少ない電池は充電しないようになっているが、その電圧低下の度合いは充電終了電圧のバラツキ幅に関係することもあり、充電終了電圧幅は狭いことが望ましい。なお、充電終了電圧は、以下単に充電電圧とも言う。

また、充電回路（充電ＩＣ）の機能としては、充電電池のセル数（電圧）が変化しても、充電動作シーケンスおよび電流は基本的に変わりはないため、電池電圧の切替えにも簡単に適応できることが望ましい。充電電圧は、例えば、
２セル：８．４００Ｖ±５０ｍＶ（８．３５０Ｖ〜８．４５０Ｖ；±０．５９％）
１セル：４．２００Ｖ±５０ｍＶ（４．１７５Ｖ〜４．２２５Ｖ；±０．５９％）
のように、±０．６％以下の精度が要求されている。

従来の充電制御回路としては、例えば特許文献１の図１に示すものがある。その図１には、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル変換器）１６ａの基準電圧は図示されていないが、これを概略的に図示すると、例えば図６のようになる。
図６で充電電圧を例えば８．４Ｖ電圧に合わせる場合、コンパレータＣＭの基準電圧の設定をＶ２にして動作させ、充電電圧検出端子Ｔが８．４ＶになるようにＶ２の電圧を調整（トリミング）して、８．４Ｖを得るようにしている。この設定では、８．４Ｖ（Ｖ２）の一方だけの電圧設定で、もう一方のＶ１を４．２Ｖに合わせる調整はしておらず、Ｖ２の８．４Ｖに対する設定電圧を内部の厳密な分圧比を設定した分圧抵抗により、設定の半分の電圧（４．２Ｖ）に切替えるようにしている。この処理により、電圧は概ね半分の電圧になるが、抵抗値のバラツキ等による電圧変動で、前記精度を確保して量産に適用するには難しい状況にある（数％の規格外れ（ＮＧ品）が発生することが想定される）。

充電電圧を切替えて使用する場合に、その充電電圧を±０．６％の電圧設定精度を維持するためには、両方の電池用にそれぞれ電圧をトリミングして調整すべきであるが、トリミングするためにはそれ専用のＰＡＤ（外部よりプローブで針当てする端子），およびその信号処理回路等が必要になる。ＩＣチップの面積はそのままコストに反映するため、これを安易に大きくすることはできない。また、抵抗での分圧比の精度が重要になるため、多くの抵抗器を準備しこれらを組み合わせて細かな分圧比を得ようとすると、その部分のチップ面積が増大する。

そこで、例えば図７のように内部基準電圧の４．５Ｖから抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３による抵抗分割で、充電電圧８．４Ｖと４．２Ｖに対する基準電圧としてそれぞれ１Ｖ，０．５Ｖを生成し、充電電圧の検出も同様に８．４Ｖと４．２Ｖがそれぞれ１Ｖ，０．５Ｖになるように抵抗（Ｒ４，Ｒ５）で分圧して使用している。このため、比較用の分圧用抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の比を３．５：０．５：０．５として、０．６％以下の誤差で分圧する必要がある。また、充電電圧の検出用８．４Ｖ，４．２Ｖは１Ｖ，０．５Ｖに分圧するので、８．４：１の分圧比となるが、これらも同様に０．６％以下の誤差となるようＲ４，Ｒ５の精度が要求される。

いま、充電電圧の設定を仮に８．４Ｖとして図７の回路を動作させることは、８．４ＶにアジャストするためにＲ１〜Ｒ５や内部基準電圧をトリミング調整することで可能であるが、この場合に充電電圧を８．４Ｖにアジャストすることを優先しているため、８．４Ｖにアジャストするときに内部基準電圧を４．５Ｖにアジャストする処理はしていない。すなわち、充電電圧優先の設定となっていることから、８．４Ｖの充電電圧は規定値にセットできるものの、内部基準電圧の４．５Ｖおよび４．２Ｖの充電電圧は、８．４Ｖにアジャストするためのエラー分の補正および内部抵抗のバラツキ等に依存していることになり、このバラツキの度合いが大きい場合には規格を外れるものが発生する。
また、上記はアジャスト電圧の対象が８．４Ｖの場合について説明しているが、４．２Ｖでアジャストする場合のアジャスト方法も同様である。

特開２００４−２４８４７６号公報

従来の方法では、２種類の充電電圧に対して一方の電圧だけアジャストを行ない、もう一方は調整しない（できない）ため、内部基準電圧のズレおよび分圧用抵抗のバラツキにより両者の電圧設定を、一部の装置（ＩＣ）がクリアできない状態にある。
したがって、この発明の課題は、このような不具合を無くし、充電電圧の切替え設定を精度よく実現することにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力トランス二次側の整流・平滑された直流電圧を、２次電池の充電電圧および制御用電源として用い、充電シーケンスに応じた充電電流または充電電圧を得るために、これら電流または電圧値を目標値に一致させるように前記ＡＣ／ＤＣコンバータにフィードバックする電流制御手段および電圧制御手段を備え、前記フィードバックされる出力トランス二次側の直流電圧を、最終的には電池の充電電圧に等しくなるようにする充電器に対し、切替えタップ付き抵抗分圧回路とスイッチとの直列回路を充電電圧検出端子と接地との間に接続し、その切替えタップを前記電圧制御手段の一方の入力に接続する一方、他方の入力には電池１個分の内部基準電圧を目標電圧として導入するとともに、前記充電電圧検出端子の電圧を監視するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器からの出力を入力されて前記切替えタップ付き抵抗分圧回路のタップ切替えを制御する制御器とを設け、
電池１個の充電用として設定するときは前記スイッチをオフとし、
電池２個直列の充電用として設定するときは、充電を開始する前にまず前記スイッチをオフして充電電圧検出端子が電池１個分の電圧相当となるように電圧を設定し、充電電圧検出端子の電圧を前記Ａ／Ｄ変換器により読み出して記憶した後、前記スイッチをオンして充電電圧検出端子が記憶した値の２倍の電圧相当となるように、前記切替えタップを前記制御器により調整することを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記２次電池をリチウムイオン電池とすることができる（請求項２の発明）。

この発明によれば、Ａ／Ｄ変換器により２セルの充電電圧が１セルの場合の２倍になるよう切替えタップを調整するようにしたので、従来はできなかった微調整ができるようになり、高精度の電圧設定が可能となる利点が得られる。

図１はこの発明の実施の形態を示す回路図、図２は図１の部分詳細図である。
スイッチング電源ＡＣ／ＤＣはＡＣ電源を両波整流し、平滑した電圧を高周波スイッチングし、トランスＴｒを介して二次側に誘起する電圧を回路ＲＳにて整流，平滑して電池充電を行なうもので、ＡＣライン側と充電器側とはトランスＴｒおよびフォトカプラＰＣにより絶縁されている。二次側の電圧制御は、フォトカプラＰＣから得られる光量に応じ、高周波でスイッチングするパルス幅を変化（ＰＷＭ制御）させて行なうようにしている。

基準電圧設定回路１１、コンパレータ１２，１３、電流検出用増幅器１４、Ａ／Ｄ変換器１５、制御器１６、トリミング回路（具体的には、図２に示すような抵抗分圧回路から構成される）１７等により充電器が構成される。制御器１６は、例えば論理回路やマイクロプロセッサなどで構成される。なお、コンパレータ１２，１３と電流検出用増幅器１４は同じ回路シンボルで示されているが、コンパレータ１２，１３はイメージ通りのオペアンプであるのに対し、電流検出用増幅器１４は例えばオペアンプに数個の抵抗を接続した引き算回路を想定している。Ｅは調整を必要としない基準電圧、ＳＷは充電電圧８．４Ｖ設定時にオンするもので、トリミング回路１７を有効にするスイッチ、ＳＷ１は電池ＣＥの接続，開放を行なうためのスイッチ、Ｒｉは充電電流検出抵抗、Ｔは充電電圧検出端子をそれぞれ示す。

充電器は交流電源（ＡＣ）が投入されると起動され、充電電圧は設定された電圧４．２Ｖ／８．４ＶになるようにフォトカプラＰＣの発光量の制御が行なわれ、その時点で充電開始待ちの状態になる。この充電開始待ちの状態では、電流指令値（基準電圧Ｅの電圧値）は１Ａ程度を指示していて、その電流制御用コンパレータ１２の出力は「Ｈ」に振り切っている。そのため、電圧制御用コンパレータ１３の出力の方が電流制御用コンパレータ１２の出力よりも低くなっていることから、電圧制御が支配的となり充電電圧が指定された４．２Ｖ／８．４Ｖとなるように優先的に制御される。つまり、図３に示すように電流制御と電圧制御との切替えはコンパレータ１２，１３の出力をダイオード接続し、各出力電圧の低いほうを優先して制御するようになっている。

ここで、電池１個４．２Ｖの充電用として設定する場合について説明する。なお、このときスイッチＳＷ１はオフの状態で起動する。
この場合は、トリミング回路１７とＧＮＤ（接地）との間に接続されているスイッチＳＷもオフとし、充電電圧検出端子Ｔの充電電圧をそのまま（抵抗を介して）電圧制御用コンパレータ１３の一方に入力する。コンパレータ１３の他の入力には内部基準電圧（４．２Ｖ）がセットされているので、両者が一致するようにフィードバックされることにより、端子Ｔの充電電圧は４．２Ｖに落ち着くことになる。逆に、こうなるように、内部基準電圧をトリミングして充電電圧が所定の値になるようにしている。なお、内部基準電圧は充電電圧を４．２Ｖとするために調整した結果の電圧であり、コンパレータのオフセットなどにより４．２００Ｖにはならず、多少のズレが発生している。

電池１個４．２Ｖの設定では、充電電圧が４．２Ｖとなるように基準電圧をトリミングするため、目標の電圧とすることが可能であるが、８．４Ｖ設定を実現するために電圧分圧用の抵抗（例えば図７のＲ４，Ｒ５）で分圧する方法だと、抵抗値のバラツキおよび４．２Ｖを設定するときに基準電圧を調整してアジャストしている関係から、８．４Ｖの方が規格から外れる場合がある。この対策として、電池２個直列の８．４Ｖ充電用として設定する場合は、まず、４．２Ｖの充電電圧の状態で充電器の動作を立ち上げ、４．２Ｖの充電電圧を確認する。４．２Ｖが正常であることを確認し、そのときの充電電圧をＡ／Ｄ変換器１５で読み出して記憶した後、スイッチＳＷ（８．４Ｖ切替え用）をオンすることにより充電器の電圧を８．４Ｖ設定に切替えて、その電圧（端子Ｔの電圧）をＡ／Ｄ変換器１５で読み出す。このときの読出し値は、４．２Ｖ読出し時の値の２倍になるよう抵抗分圧回路１７のタップを切替え、Ａ／Ｄ変換器１５のＡ／Ｄ読み値が記憶した電圧値の２倍に一番近くなる点にトリミング（切替えタップをセット）する方法で電圧を調整する。

トリミング回路（抵抗分圧回路）１７の電圧ステップ幅の電圧誤差はあるものの、この電圧ステップ幅を０．６％程度になるようにすれば、±０．６％に対して約半分の幅に分布することになる（トリミング幅は、要求精度に応じてそのステップ電圧を調整している）。
以上のように設定すれば、内部の電圧分圧用の抵抗分圧回路部に特別な精度が要求されることなく、切替え設定が実現できる。このような方式によれば、Ａ／Ｄ変換器の精度に依存して電圧設定をすることができる。

次に、以上のように調整された充電器における、電池の充電制御動作について説明する。
充電開始は、電池ＣＥが取り付けられたことを検出して行なわれる。電池ＣＥが接続されると、先ずＳＷ１をＯＮにして電池の電圧を測定し、充電可能でかつ予備充電が必要な電池と判断すると、図４に点線で示すように予備充電として１／１０Ｃ（Ｃは定格電流値を示す）程度の電流で充電するとともに、電池電圧を測定し一定時間内に電圧が上昇してきて急速充電へ移行する電圧になった時点で、急速充電動作を開始する。
図４の実線は、最初は電池が未接続で、その後接続された電池の電圧を検出して予備充電は不要と判断し、急速充電から開始する場合について示している。
急速充電動作では、充電電流を設定電流値（一定値）に調整するため、電流制御用コンパレータ１２の出力が電圧制御用コンパレータ１３の出力よりも低下していて、電流制御期間中は充電電圧が４．２Ｖより低い状態になる。

図５はコンパレータ１２と１３の出力を示し、実線はコンパレータ１２の出力を、点線はコンパレータ１３の出力をそれぞれ示す。電流制御範囲ではコンパレータ１２の出力の方がコンパレータ１３の出力よりも小さく、また、電圧制御範囲ではコンパレータ１３の出力の方がコンパレータ１２の出力よりも小さくなっており、それぞれに応じて電流制御，電圧制御が行なわれることが分かる。

電池の充電は図４に示すように、電池電圧が電池の充電終了の設定電圧よりも低い状態では定電流充電を行なう。このときの充電電圧は電池の充電終了電圧より低い電圧であり、その電圧が充電終了電圧に達すると（例えば電池１本の４．２Ｖタイプであればその４．２Ｖとなる。）、この電圧を上限にして固定され、定電圧充電に移行する。その定電圧充電状態で時間が経過するにつれて電池が充電されるとともに、充電電流は図４の点線で示すように徐々に低下してくる。その電流値が一定値（例えば定電流充電値の１／１０）にまで低下したら、充電終了と判断する。

この発明の実施の形態を示す回路図図１の部分詳細図電圧制御回路および電流制御回路を示す回路図電池の充電シーケンスを説明する説明図電流制御と電圧制御の切替え動作説明図従来例を示す原理図図６の具体例を示す回路図

符号の説明

１１…基準電圧設定回路、１２，１３…コンパレータ、１４…電流検出用増幅器、１５…Ａ／Ｄ変換器、１６…制御器、１７…トリミング回路（抵抗分圧回路）、ＳＷ，ＳＷ１…スイッチ、Ｔ…充電電圧検出端子、ＣＥ…電池。

Claims

ＡＣ／ＤＣコンバータの出力トランス二次側の整流・平滑された直流電圧を、２次電池の充電電圧および制御用電源として用い、充電シーケンスに応じた充電電流または充電電圧を得るために、これら電流または電圧値を目標値に一致させるように前記ＡＣ／ＤＣコンバータにフィードバックする電流制御手段および電圧制御手段を備え、前記フィードバックされる出力トランス二次側の直流電圧を、最終的には電池の充電電圧に等しくなるようにする充電器に対し、切替えタップ付き抵抗分圧回路とスイッチとの直列回路を充電電圧検出端子と接地との間に接続し、その切替えタップを前記電圧制御手段の一方の入力に接続する一方、他方の入力には電池１個分の内部基準電圧を目標電圧として導入するとともに、前記充電電圧検出端子の電圧を監視するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器からの出力を入力されて前記切替えタップ付き抵抗分圧回路のタップ切替えを制御する制御器とを設け、
電池１個の充電用として設定するときは前記スイッチをオフとし、
電池２個直列の充電用として設定するときは、充電を開始する前にまず前記スイッチをオフして充電電圧検出端子が電池１個分の電圧相当となるように電圧を設定し、充電電圧検出端子の電圧を前記Ａ／Ｄ変換器により読み出して記憶した後、前記スイッチをオンして充電電圧検出端子が記憶した値の２倍の電圧相当となるように、前記切替えタップを前記制御器により調整することを特徴とする充電電圧の切替え設定方式。
前記２次電池がリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１に記載の充電電圧の切替え設定方式。