JP2007097397A - 定電流定電圧充電方法および定電流定電圧充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 短時間かつ低発熱量で充電池を充電する。
【解決手段】 第１の定電流値ＩＣＣ１による定電流充電（ステップＳ２）と、第１の定電流値ＩＣＣ１よりも小さい第２の定電流値ＩＣＣ２による定電流充電（ステップＳ４）と、定電圧充電（ステップＳ５）とを順次に経て充電池を充電する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、充電池を定電流および定電圧で充電する定電流定電圧充電方法および定電流定電圧充電装置に関する。

従来より、携帯電話機やモバイルコンピュータなどに内蔵されるリチウムイオン電池などといった充電池を充電するための定電流定電圧充電装置が、その携帯電話機やモバイルコンピュータなどに組み込まれている。このような携帯電話機やモバイルコンピュータなどに代表される携帯用の電子機器では、小型化や軽量化のために、回路構成が簡素な電圧降下型電圧安定器が用いられた定電流定電圧充電方法および定電流定電圧充電装置が採用されることが一般的である。

また、携帯用の電子機器では、小型化や軽量化が追求されたため、充電池と、熱に弱い回路や使用者の肌との距離が近く、充電池を充電する際に発生する熱をなるべく小さく抑えることが望まれている。

充電時の発熱を抑える最も簡単な方法は、充電の電圧を抑えてゆっくりと充電する方法である。

しかし一方で、携帯用電子機器の稼働時間を延ばすために、充電池の容量を増大させることが望まれていることに伴い、充電池を短時間で充電することに対する要望も年々強まっており、このような短時間の充電は、より多くの熱を発生させることとなる。

本発明は、上記事情に鑑み、充電時間が短いとともに発熱も小さい定電流定電圧充電方法および定電流定電圧充電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の定電流定電圧充電方法は、充電池に対して所定の第１電流値で定電流充電を行う第１の定電流充電過程と、
第１の定電流充電過程による定電流充電によって充電池の電圧が所定電圧に達したことを受けて、その充電池に対して、第１電流値よりも低い所定の第２電流値で定電流充電を行う第２の定電流充電過程と、
第１の定電流充電過程および第２の定電流充電過程の双方を経た後で上記充電池に対して所定の電圧値で定電圧充電を行う定電圧充電過程とを有することを特徴とする。

この本発明の定電流定電圧充電方法では、第２の定電流充電過程の後、定電圧充電過程の前に、更に、第２の定電流充電過程と同様な第３や第４の定電流充電過程等を経てもよい。

本発明の定電流定電圧充電方法によれば、複数段階の定電流充電を導入することにより、充電時間を短く抑えるとともに発熱も抑えることができる。

上記目的を達成する本発明の定電流定電圧充電装置は、充電池に対して所定の第１電流値で定電流充電を行う第１の定電流充電部と、
第１の定電流充電部による定電流充電によって充電池の電圧が所定電圧に達したことを受けて、その充電池に対して、第１電流値よりも低い所定の第２電流値で定電流充電を行う第２の定電流充電部と、
第１の定電流充電部および第２の定電流充電部それぞれによる定電流充電を経た後で充電池に所定の電圧値で定電圧充電を行う定電圧充電部とを備えたことを特徴とする。

ここで、第１の定電流充電部、第２の定電流充電部、および定電圧充電部は、互いに独立の回路などによって実現されるものであってもよく、あるいは、１つの充電回路における電流値や電圧値が制御されることによって実現されるものであってもよい。

本発明の定電流定電圧充電装置によれば、複数段階の定電流充電が行われるため、充電時間が短く、発熱も少ない。

本発明の定電流定電圧充電装置において上記第１の定電流充電部は、交流電源による交流電流から前記第１電流値の直流電流を生成する直流電源であることが望ましい。

このような直流電源を備えた定電流定電圧充電装置は、その直流電源を、例えばＡＣアダプタとして、上述した携帯用の電子機器から離すことができ、その結果、電子機器内部での発熱を大幅に減少させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、充電池を短い充電時間と小さな発熱量で充電することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明による充電の対象となる充電池の等価回路図である。

充電池１０は、抵抗ｒと容量Ｃと内部起電力Ｅとを直列に接続したものに等しいと考えられる。このような充電池１０は、内部起電力Ｅと容量Ｃの起電力との合計の起電力を越えた電圧が印加されると容量Ｃに電荷が充電される。また、充電速度は、充電池１０に印加される電圧が高いほど早く、容量Ｃに電荷が溜まるほど遅くなる。

このような充電池１０に対する充電方法として、いわゆる定電流定電圧充電方法が知られている。ここで、この定電流定電圧充電方法の比較例について以下説明し、その後、本発明の実施形態について説明する。

図２は、定電流定電圧充電方法の第１比較例における充電経過を表すグラフである。

この図２に示すグラフの横軸は、充電開始からの経過時間を表しており、縦軸は、充電池の電圧と充電電流を示している。また、グラフの左側に電圧の目盛りが付され、グラフの右側に電流の目盛りが付されている。

ここでは、充電容量が６００ｍＡｈである充電池が用いられた例が示されており、充電池の電圧変化を表す電圧曲線Ｇ１と、充電電流の変化を表す電流曲線Ｇ２が示されている。

この第１比較例では、充電が開始されると、まず、７００ｍＡの定電流値による定電流充電が行われる。定電流充電の期間は約３５分程続き、その間、電流曲線Ｇ２は７００ｍＡの定電流値を示し、電圧曲線Ｇ１は、約３．８Ｖから４．２Ｖまで電圧が徐々に上昇することを示している。

充電池の電圧が４．２Ｖに達すると、４．２Ｖの定電圧値による定電圧充電に移行し、電圧曲線Ｇ１は４．２Ｖを示し続ける。この定電圧充電の間、電流曲線Ｇ２は、充電電流が徐々に下降することを示しており、約５０分経過すると電流値が終始電流値５０ｍＡに達して充電が終了する。

この第１比較例における、充電開始から充電終了までの充電完了時間は、約８５分間である。

図３は、定電流定電圧充電方法の第２比較例における充電経過を表すグラフである。

この図３に示すグラフも、図２に示すグラフと同様に、横軸が、充電開始からの経過時間を表しており、縦軸は、充電池の電圧と充電電流を示しており、グラフの左側に電圧、右側に電流の目盛りが付されている。

ここでも、充電容量が６００ｍＡｈである充電池が用いられた例が示されており、充電池の電圧変化を表す電圧曲線Ｇ３と、充電電流の変化を表す電流曲線Ｇ４が示されている。

この第２比較例では、充電が開始されると、まず、３５０ｍＡの定電流値による定電流充電が行われる。定電流充電の期間は約９０分程続き、その間、電流曲線Ｇ４は３５０ｍＡの定電流値を示し、電圧曲線Ｇ３は、約３．５Ｖから４．２Ｖまで電圧が徐々に上昇することを示している。

充電池の電圧が４．２Ｖに達すると、４．２Ｖの定電圧値による定電圧充電に移行し、電圧曲線Ｇ３は４．２Ｖを示し続ける。この定電圧充電の間、電流曲線Ｇ４は、充電電流が徐々に下降することを示しており、約３５分経過すると電流値が終始電流値５０ｍＡに達して充電が終了する。

この第２比較例における、充電開始から充電終了までの充電完了時間は、約１２５分間である。

これら第１比較例と第２比較例における発熱量の詳細については後述するが、第２比較例の発熱量の方が第１比較例の発熱量よりも小さい。しかし、第２比較例では、第１比較例の充電完了時間の約１．５倍という長い充電完了時間が必要となる。

図４は、本発明の定電流定電圧充電装置の第１実施形態を示す図であり、図５は、本発明の定電流定電圧充電方法の第１実施形態を表すフローチャートである。

ここに例示する定電流定電圧充電装置２０は、携帯電話機に内蔵されて、その携帯電話機の充電池１０を充電するものである。

この定電流定電圧充電装置２０の入力端子２１には定電圧の入力電圧が印加される。また、出力端子２９は充電池１０に接続されており、その充電池１０は、携帯電話機内で電力を消費する負荷回路に接続されている。

定電流定電圧充電装置２０には、電流値および電圧値が制御可能なアナログスイッチ２２と、そのアナログスイッチ２２における電流値および電圧値を制御する制御回路２３が備えられている。また、この定電流定電圧充電装置２０には、整流器２４と、電圧降下に基づいて電流を検出するための抵抗２５と、抵抗２５を流れる電流を第１電流値および第２電流値それぞれを基準として検出する電流検出回路２６と、充電池の電圧を検出する電圧検出回路２７と、電流検出回路２６が第１電流値および第２電流値それぞれを基準とした２つの検出値を選択的に切り換える電流値切換スイッチ２８も備えられている。

アナログスイッチ２２および制御回路２３は、電流値切換スイッチ２８が、２つの検出値のうち第１電流値を基準とした検出値を選択した場合には、本発明にいう第１の定電流充電部の一例として動作し、その電流値切換スイッチ２８が、２つの検出値のうち第２電流値を基準とした検出値を選択した場合には、本発明にいう第２の定電流充電部の一例として動作し、電圧検出回路２７による検出値に基づいて動作する場合には、本発明にいう定電圧充電部の一例として動作する。

このような定電流定電圧充電装置２０が動作することにより、図５に示す本発明の定電流定電圧充電方法の第１実施形態が実行される。

この定電流定電圧充電方法が開始されると、先ず、充電池１０が異常になっていないか確かめるために電池状態チェックが行われ、電池の電圧や温度がチェックされる（図５のステップＳ１）。電池の電圧は、図４に示す電圧検出回路２７で得られる検出値に基づいてチェックされ、電池の温度は、図示を省略したサーミスタからの信号に基づいてチェックされる。電池の電圧が、例えば１Ｖなどといった低電圧になっている場合などには、充電池がいわゆる過放電の状態になっていると判断される。また、サーミスタからの信号が、例えば、動作保証された温度範囲を大きく外れた温度を示している場合などには、異常発熱などと判断される。このように、電池状態チェックによって異常が見つかった場合には、異常に応じた処理が実行されるが、その内容は本発明の本筋とは関係ないので説明を省略する。

電池状態チェックで充電池が正常であると確認された場合には、電流値切換スイッチ２８によって、電流検出回路２６の基準電流値が第１の定電流値ＩＣＣ１に切り換えられる。そして、その第１の定電流値ＩＣＣ１に基づいた検出値が制御回路２３に入力されてアナログスイッチ２２が制御されることにより、第１の定電流値ＩＣＣ１による定電流充電が行われる（図５のステップＳ２）。その、第１の定電流値ＩＣＣ１による定電流充電が行われている間、充電池１０の電圧は電圧検出回路２７を介して監視されており、充電池１０の電圧が定電圧充電の電圧まで一旦到達すると（図５のステップＳ３）、電流値切換スイッチ２８によって、電流検出回路２６の基準電流値が第１の定電流値ＩＣＣ１よりも小さい第２の定電流値ＩＣＣ２に切り換えられる。これにより、第２の定電流値ＩＣＣ２による定電流充電に移行する（図５のステップＳ４）。その後も充電池１０の電圧は電圧検出回路２７を介して監視され、充電池１０の電圧が定電圧充電の電圧まで再度到達すると制御回路２３による制御が定電圧充電に移行する（図５のステップＳ５）。その後、充電電流が所定の終始電流値に到達したことが電流検出回路２６によって検出されると充電が完了する。

図６は、本発明の定電流定電圧充電方法の第１実施形態における充電経過の例を表すグラフである。

この図６に示すグラフも、図２に示すグラフと同様に、横軸が、充電開始からの経過時間を表しており、縦軸は、充電池の電圧と充電電流を示しており、グラフの左側に電圧、右側に電流の目盛りが付されている。

また、ここでも、充電容量が６００ｍＡｈである充電池が用いられた例が示されており、充電池の電圧変化を表す電圧曲線Ｇ５と、充電電流の変化を表す電流曲線Ｇ６が示されている。

また、ここに示した例では、第１の定電流値ＩＣＣ１は７００ｍＡであり、第２の定電流値ＩＣＣ２は３５０ｍＡである。

この定電流定電圧充電方法の第１実施形態では、充電が開始されると、まず、７００ｍＡの定電流値による定電流充電が行われる。第１比較例と同様に、定電流充電の期間は約３５分程続き、その間、電流曲線Ｇ６は７００ｍＡの定電流値を示し、電圧曲線Ｇ５は、約３．５Ｖから４．２Ｖまで電圧が徐々に上昇することを示している。

充電池の電圧が４．２Ｖに一旦達すると、３５０ｍＡの定電流値による定電流充電に移行する。この第２段の定電流充電は１７分程続き、その間、電流曲線Ｇ６は３５０ｍＡの定電流値を示し、電圧曲線Ｇ５は、約４．０Ｖから４．２Ｖまで電圧が再び徐々に上昇することを示している。

充電池の電圧が４．２Ｖに再び到達すると、今度は４．２Ｖの定電圧値による定電圧充電に移行し、電圧曲線Ｇ５は４．２Ｖを示し続ける。この定電圧充電の間、電流曲線Ｇ６は、充電電流が徐々に下降することを示しており、約３５分経過すると電流値が終始電流値５０ｍＡに達して充電が終了する。

この定電流定電圧充電方法の第１実施形態における、充電開始から充電終了までの充電完了時間は約８５分間であり、第１比較例と同等である。

ここで、第１比較例と第２比較例と定電流定電圧充電方法の第１実施形態とのそれぞれについて実際に充電を行った結果を以下の表１にまとめて示す。

この表１の上段には第１比較例の結果が示されており、中段および下段には、それぞれ第１実施形態および第２比較例の結果が示されている。

この表１に示すように、第１実施形態は、充電完了時間が短い第１比較例とほぼ同様に短い時間で充電が完了し、最終的に充電される容量（ｍＡｈ）も第１比較例の容量とほぼ同等である。

ここで、第１比較例および第２比較例における充電時の発熱量と、第１実施形態における充電時の発熱量とを比較する。なお、充電に伴う発熱量は、消費電力に比例するので、以下では、発熱量に替えて消費電力を用いて比較を行う。

図７は、第１比較例における消費電力を示すグラフであり、図８は、第２比較例における消費電力を示すグラフであり、図９は、第１実施形態における消費電力を示すグラフである。

これら図７，図８，図９それぞれのグラフの横軸は、充電開始からの経過時間を示しており、縦軸は消費電力を示している。

図７に示すように、第１比較例では、充電開始から約３５分間におよぶ定電流充電期間Ｔ１において、１Ｗを越える電力を消費し、その後、徐々に消費電力が減衰する。また、第２比較例では、図８に示すように、定電流充電期間Ｔ２における消費電力は０．６Ｗ以下という小さな消費電力であり、定電流充電期間Ｔ２が終わると徐々に消費電力が減衰する。第２比較例では、このような小さな消費電力と引き替えに、長い充電時間が必要とされる。

これに対し第１の実施形態の場合には、図９に示すように、第１の定電流値による定電流充電期間Ｔ３で、第１比較例と同様に１Ｗを越える電力を消費するものの、第２の定電流充電期間Ｔ４に移行する際に急激に消費電力が低下するので、第１比較例よりも消費電力が抑えられている。

このように、第１実施形態では、第１比較例と同様な短時間で充電が完了するとともに、第１比較例よりも発熱量が抑えられる。

次に、本発明の定電流定電圧充電装置の第２実施形態について説明する。

図１０は、本発明の定電流定電圧充電装置の第２実施形態を示す図である。

この図１０には、携帯電話機１５に内蔵された内部充電回路３２と、その内部充電回路３２に携帯電話機１５外から直流電流を供給する外部電源供給源３１とからなる定電流定電圧充電装置３０が示されている。また、携帯電話機１５には、リチウムイオン電池の充電池１０と、その携帯電話機１５内で電力を消費する負荷回路１１が備えられている。

内部充電回路３２の構造は、図４に示す定電流定電圧充電装置２０の構造とほぼ同一の構造であるが、電流検出回路２６における基準電流値が、上述した第１の定電流値よりも大きい第３の定電流値、および上述した第２の定電流値の２つの基準電流値となっている点で異なっている。

また、外部電源供給源３１は、内部充電回路３２における定電圧充電の電圧値よりも大きい電圧値に到達するまで、上述した第１の定電流値で定電流を生成するものである。

図１１は、外部電源供給源の動作を表す図であり、この図１１には、外部電源供給源と、所定の電圧で充電を行う定電圧充電回路とが接続された場合における充電経過が示されている。

この図１１のグラフの横軸は、充電開始からの経過時間を示し、縦軸は、電圧および電流を示している。

また、この図１１には、外部電源供給源から定電圧充電回路に入力される電圧の変化を示す入力電圧曲線Ｇ７と、充電池の電圧の変化を示す電池電圧曲線Ｇ８と、充電電流の変化を表す電流曲線Ｇ９が示されている。

この場合には、先ず、外部電源供給源による定電流充電が行われ、その期間は、電流曲線Ｇ９は第１の定電流値を示し、入力電圧曲線Ｇ７と電池電圧曲線Ｇ８は、入力電圧と電池電圧が、小さな電力差を維持して徐々に上昇していることを示している。

電池電圧が定電圧充電回路における充電電圧に到達すると、定電圧充電回路による定電圧充電に移行し、その後の電池電圧曲線Ｇ８は一定電圧値を示し、入力電圧曲線Ｇ７は、所定の入力電圧値を示し、電流曲線Ｇ９は、徐々に減衰する電流値を示す。

このような外部電源供給源３１と、上述した内部充電回路３２が接続されていることにより、外部電源供給源３１は、本発明にいう第１の定電流充電部の一例として動作することとなる。また、この図１０に示す第２実施形態の定電流定電圧充電装置３０における動作は、図４に示す第１実施形態の定電流定電圧充電装置２０における動作と全く同様の動作となり、第２実施形態の定電流定電圧充電装置３０における充電経過は、図６のグラフが示す充電経過と全く同様となる。

但し、第２実施形態の定電流定電圧充電装置３０では、外部電源供給源３１が携帯電話機１５の外部に備えられているため、内部充電回路３２によって発生する熱だけが内部発熱として考慮される。ここでも、発熱量に替えて、内部充電回路３２における消費電力を用いて説明する。

図１２は、第２実施形態における消費電力を示すグラフであり、グラフの横軸は、充電開始からの経過時間を示しており、縦軸は消費電力を示している。

外部電源供給源３１が図１１に示すような動作を示すので、第１の定電流値による定電流充電期間Ｔ３では、外部電源供給源３１から内部充電回路３２に供給される入力電圧は充電池の電圧と小さな電力差を維持する。この結果、第１の定電流値による定電流充電期間Ｔ３における充電電流が十分に大きいにもかかわらず、消費電力は０．５Ｗ程度となり、上述した第２比較例における小さな消費電力よりも更に抑えられる。

また、第２の定電流値による定電流充電期間Ｔ４に移行しても、今度は電流値が抑えられるため、消費電力は、やはり０．５Ｗ程度となる。

このように、第２実施形態では、第１比較例と同様な短時間で充電が完了するとともに、発熱量は第２比較例よりも更に小さい発熱量に抑えられる。

なお、上記説明では、本発明にいう定電圧充電部や第２の定電流充電部などが、１つのアナログスイッチにおける電流値や電圧値を１つの制御回路が制御することによって実現されている例が示されているが、本発明にいう定電圧充電部や第２の定電流充電部などは、互いに独立の回路によって実現されてもよい。

また、本発明にいう第１電流値や第２電流値などが、上記で例示した７００ｍＡや３５０ｍＡなどに限定されないことは当然である。

更に、上記説明では、第１および第２の２段階の定電流充電が行われる例が示されているが、本発明では、第２の定電流充電の後で、更に同様に、第３や第４の定電流充電が実行されてもよい。

本発明による充電の対象となる充電池の等価回路図である。 定電流定電圧充電方法の第１比較例における充電経過を表すグラフである。 定電流定電圧充電方法の第２比較例における充電経過を表すグラフである。 本発明の定電流定電圧充電装置の第１実施形態を示す図である。 本発明の定電流定電圧充電方法の第１実施形態を表すフローチャートである。 本発明の定電流定電圧充電方法の第１実施形態における充電経過の例を表すグラフである。 第１比較例における消費電力を示すグラフである。 第２比較例における消費電力を示すグラフである。 第１実施形態における消費電力を示すグラフである。 本発明の定電流定電圧充電装置の第２実施形態を示す図である。 外部電源供給源の動作を表す図である。 第２実施形態における消費電力を示すグラフである。

符号の説明

１０ 充電池
１１ 負荷回路
１５ 携帯電話機
２０，３０ 定電流定電圧充電装置
２１ 入力端子
２２ アナログスイッチ
２３ 制御回路
２４ 整流器
２５ 抵抗
２６ 電流検出回路
２７ 電圧検出回路
２８ 電流値切換スイッチ
２９ 出力端子
３１ 外部電源供給源
３２ 内部充電回路

Claims (3)

1. 充電池に対して所定の第１電流値で定電流充電を行う第１の定電流充電過程と、
   前記第１の定電流充電過程による定電流充電によって前記充電池の電圧が所定電圧に達したことを受けて、該充電池に対して、前記第１電流値よりも低い所定の第２電流値で定電流充電を行う第２の定電流充電過程と、
   前記第１の定電流充電過程および前記第２の定電流充電過程の双方を経た後で前記充電池に所定の電圧値で定電圧充電を行う定電圧充電過程とを有することを特徴とする定電流定電圧充電方法。
2. 充電池に対して所定の第１電流値で定電流充電を行う第１の定電流充電部と、
   前記第１の定電流充電部による定電流充電によって前記充電池の電圧が所定電圧に達したことを受けて、該充電池に対して、前記第１電流値よりも低い所定の第２電流値で定電流充電を行う第２の定電流充電部と、
   前記第１の定電流充電部および前記第２の定電流充電部それぞれによる定電流充電を経た後で前記充電池に対して所定の電圧値で定電圧充電を行う定電圧充電部とを備えたことを特徴とする定電流定電圧充電装置。
3. 前記第１の定電流充電部は、交流電源による交流電流から前記第１電流値の直流電流を生成する直流電源であることを特徴とする請求項１記載の定電流定電圧充電装置。

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