JP2007143217A - 二次電池の充電回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ニッケル水素、リチウムイオン等の二次電池を充電する充電回路に関し、特に定電流充電時における充電制御回路の電力消費量を低減して温度上昇を抑制する。
【解決手段】二次電池１５を充電する電流・電圧制御部１３、充電制御部１４及び充電電流検出抵抗Ｒsensからなる充電制御回路１２と、該充電制御回路に電力を供給する可変レギュレータ１１とを備えた充電回路において、可変レギュレータ１１の出力電圧Ｖcrg ＿v と二次電池１５の充電電圧Ｖbattとを比較してその電位差△Ｖcrg を検出する差動増幅器２１を備え、可変レギュレータ１１は差動増幅器２１が検出する電位差△Ｖcrg が所定の電位差となるように出力電圧Ｖcrg ＿v を出力するよう構成したことを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ニッケル水素、リチウムイオン等の二次電池を充電する充電回路に関するものである。

ニッケル水素、リチウムイオン等の二次電池を充電する回路では、通常その回路電源としてＤＣＤＣコンバータ、シリーズレギュレータ等の可変レギュレータから供給され、定電流充電又は定電流・定電圧充電等により充電される。図２は従来の定電流・定電圧充電回路の一例を示すブロック回路図である。図２において、１１は可変レギュレータ、Ｒａ，Ｒｂは可変レギュレータ１１の出力電圧設定用の抵抗、１２は充電制御回路であり、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ），トランジスタ等からなる電流・電圧制御部１３，充電制御部１４，充電電流の検出抵抗Ｒsens等から構成されている。１５は充電対象の二次電池である。

なお、ＶFBは可変レギュレータ１１の出力電圧の出力制御電圧、Ｖcrg-c は可変レギュレータ１１の出力電圧（充電回路の電源電圧）であり、出力制御電圧ＶFBを所定の電圧に維持するように出力電圧Ｖcrg-c を制御するものであるが、結果的には一定電圧に固定されている。Ｉcrg は充電電流、Ｖq は電流・電圧制御部１３に印加される電圧、Ｖsensは充電電流Ｉcrg によって抵抗Ｒsensに発生する電圧である。Ｖbattは二次電池１５に印加される充電電圧である。この図２に示した充電回路は、可変レギュレータ１１から供給される電力により、二次電池１５は充電電流Ｉcrg により定電流充電され、電池電圧が所定値を越えたことを充電制御部１４が検出すると、電流・電圧制御部１３を制御して定電圧充電に切り替える。この定電流充電と定電圧充電の期間を図３に示してある。
従来のＰＨＳ電話機の充電システム等においても、基本的には前述したと同様な充電回路が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２８７３７５号公報

しかしながら、従来の充電回路は、出力電圧Ｖcrg-c が可変レギュレータ１１の出力設定用の抵抗Ｒａ，Ｒｂで決まる一定電圧であるため、電流・電圧制御部１３や抵抗Ｒsens等に印加される電圧が大きく、従って二次電池１５の電圧が低いほど充電回路の電流・電圧制御部１３で消費される電力が大きくなり、機器内部及び充電装置全体の温度が上昇する原因となっていた。即ち、電流・電圧制御部１３や抵抗Ｒsens等の充電制御回路１２に印加される電圧は、図２より明らかなように、
Ｖcrg ＿c −Ｖbatt
であるから、充電回路での消費電力Ｐd ＿c は、

Ｐd ＿c ＝Ｉcrg ×（Ｖcrg ＿c −Ｖbatt） …… （１）
となる。
この従来の充電回路における充電電流・充電電圧特性を、本発明における充電回路による充電電流・充電電圧特性と共に図３に示す。図２に示した従来の充電回路における可変レギュレータ１１の出力電圧（充電回路の電源電圧）は、図３に一点鎖線で示すように一定電圧Ｖcrg ＿c であるため、実線で示す二次電池の充電電圧Ｖbattとの差の電圧である電流・電圧制御部１３に印加される電圧Ｖq は変化し、消費電力Ｐd ＿c も変化する。即ち、充電される二次電池１５の充電電圧Ｖbattが低い状態であるピーク時の消費電力が大きくなり、したがって平均消費電力も大きくなる。
本発明の二次電池の充電回路は、充電回路に供給する電源電圧を可変制御することにより、充電回路の消費電力を低減すると共に、機器の温度上昇を抑制し得る充電回路の提供を目的とするものである。

本発明による二次電池の充電回路は、二次電池を充電する電流・電圧制御部、充電制御部及び充電電流検出抵抗からなる充電制御回路と、該充電制御回路に電力を供給する可変レギュレータとを備えた充電回路において、
前記可変レギュレータの出力電圧と前記二次電池の充電電圧とを比較してその電位差を検出する差動増幅器を備え、
前記可変レギュレータは前記差動増幅器が検出する前記電位差が所定の電位差となるように前記出力電圧を出力するよう構成したことを特徴とするものである。

本発明は、二次電池の充電回路の消費電力を低減することができ、これにより機器の温度上昇の抑制が図られ、充電回路部品の信頼性の向上を得ることができる。また、フィールドバック制御の定数設定を機器仕様に合わせて設定することで、消費電力及び温度上昇が最小限となるように設計することが可能としたものである。

本発明による二次電池の充電回路の一実施例のブロック回路を図１に示す。なお、従来例として示した図２のブロック回路図と同じ部分は同一の記号を付し、その説明を省略する。図１において、２１は差動増幅器、Ｒｃ1 は可変レギュレータ１１の出力電圧（充電回路電源電圧）のフィードバック用の抵抗、Ｒｃ2 は二次電池１５の充電電圧のフィードバック用の抵抗であり、Ｒｃ1 とＲｃ2 の抵抗値は同じである。Ｒｄ1 は差動増幅器２１出力の一端側入力端子への帰還用抵抗、Ｒｄ2 は差動増幅器２１の他端側入力端子の接地用の抵抗であり、Ｒｄ1 とＲｄ2 の抵抗値は同じである。

次に、図１のブロック回路の動作を説明する。この充電回路では先ず可変レギュレータ１１の出力電圧（充電回路電源電圧）Ｖcrg ＿v が充電制御回路１２に入力され、それを充電制御部１４が電流・電圧制御部１３をコントロールすることにより定電流Ｉcrg 制御を行い、二次電池１５を充電する。二次電池１５の充電電圧Ｖbattが所定の電圧に上昇した後は、充電制御部１４の制御により電流電圧制御部１３は定電圧充電に切り換えられる。前述の定電流Ｉcrg 制御において、可変レギュレータ１１の出力電圧Ｖcrg ＿v は、この出力電圧Ｖcrg ＿v と二次電池１５の充電電圧Ｖbattとの電位差を検出する差動増幅器２１によって、次式（２）で決まる出力制御電圧ＶFBにより制御される。

ＶFB＝（Ｖcrg＿v −Ｖbatt）×Ｒｄ／Ｒｃ …… （２）
この回路では、差動増幅器２１の出力制御電圧ＶFBが一定となるように動作させるため、次式（３）のように可変レギュレータ１１の出力電圧Ｖcrg ＿v と二次電池１５の充電電圧（Ｖbatt）との間の電位差は常に一定値となる。

△Ｖcrg （常に一定値）＝Ｖcrg ＿v −Ｖbatt＝ＶFB×Ｒｃ／Ｒｄ …… （３）
本発明の充電制御回路１２での消費電力Ｐd ＿v は、前記式（３）により

Ｐd ＿v ＝Ｉcrg ×（Ｖcrg ＿v −Ｖbatt）
＝Ｉcrg ×△Ｖcrg （常に一定値）
＝Ｉcrg ×ＶFB×Ｒｃ／Ｒｄ …… （４）
上記式（４）により、図３に点線で示す可変レギュレータ１１の出力電圧Ｖcrg ＿v と、実線で示す二次電池１５の充電電圧Ｖbattとの電位差△Ｖcrg は常に一定であるため、充電制御回路１２での消費電力はＰd ＿v も常に一定となる。この電位差△Ｖcrg は、充電制御回路１２の各部の特性にもよるが、１Ｖ弱（０．７〜１Ｖ程度）である。

従って、式（４）及び図３から明らかなように、差動増幅器２１に接続された抵抗Ｒｃ，Ｒｄを最適化することにより、充電制御回路１２の消費電力を最小限になるように設計することができる。
なお、最適化とは、充電制御回路１２に印加される電圧〔Ｖsens＋Ｖq 〕は一定であり、二次電池１５に流す電流Ｉcrg の設計値で決められる抵抗Ｒsensに印加される電圧Ｖsens及び電流・電圧制御部１３に印加される電圧Ｖq の設定で、Ｖq の制御可能な電圧を決定するに当たり、最も消費電力の少ない状態を電流・電圧制御部１３を構成するＦＥＴで決められることである。

差動増幅器２１に接続される抵抗Ｒｄ，Ｒｃの抵抗値は、充電制御回路１２の消費電力から最適化した電位差△Ｖcrg が、可変レギュレータ１１の内部回路によって決まる出力制御電圧ＶFBの何倍に当たるか計算し、この電位差△Ｖcrg と出力制御電圧ＶFBとの比が式（２）により差動増幅器２１の利得に当たるので、これを満たすように抵抗Ｒｄ，Ｒｃの抵抗値を決める。

例えば、電位差△Ｖcrg ＝１Ｖ，出力制御電圧ＶFB＝２Ｖとすると、
Ｒｄ／Ｒｃ＝２Ｖ／１Ｖ＝２
となるので、抵抗値をＲｄ／Ｒｃ＝２０ｋΩ／１０ｋΩとする。
従って、二次電池１５の充電電圧Ｖbatt＝３Ｖとした場合、式（２）により
２Ｖ＝（Ｖcrg ＿v −３Ｖ）×２０ｋΩ／１０ｋΩ
＝（Ｖcrg ＿v −３Ｖ）×２
∴ Ｖcrg ＿v ＝２Ｖ／２×４Ｖ＝４Ｖ
となる。

出力制御電圧ＶFBは、差動増幅器２１だけでなく、可変レギュレータ１１の内部回路による制御も合わせて制御されるため、出力電圧Ｖcrg ＿v は常に“充電電圧Ｖbatt＋１Ｖ”を維持する。もし、二次電池１５が接続されてなく充電電圧Ｖbatt＝０である場合は、出力電圧Ｖcrg ＿v は、
Ｖcrg ＿v ＝２Ｖ／２＋０Ｖ＝１Ｖ
となる。
本発明による消費電力の低減は、回路定数の設定にもよるが、その低減率はピーク電力で５０％程度、平均電力で約１５〜２０％程度低減される。

本発明は、ニッケル水素、リチウムイオン等の二次電池のほか、各種の二次電池を充電する充電回路に適用することができる。

本発明の二次電池の充電回路の一実施例を示すブロック回路図である。 従来の二次電池の充電回路の一例を示すブロック回路図である。 従来の充電回路による充電電圧特性と本発明の二次電池の充電回路による充電電圧特性との比較図である。

符号の説明

１１ 可変レギュレータ
１２ 充電制御回路
１３ 電流・電圧制御部
１４ 充電制御部
１５ 二次電池
２１ 差動増幅器
Ｒa ，Ｒb ，Ｒc ，Ｒd ，Ｒsens 抵抗
ＶFB 出力制御電圧
Ｖcrg ＿c ，Ｖcrg ＿v 出力電圧
Ｉcrg 充電電流
Ｖbatt 充電電圧
Ｐd ＿c 消費電力
△Ｖcrg 電位差（出力電圧と充電電圧との差）

Claims (1)

1. 二次電池を充電する電流・電圧制御部、充電制御部及び充電電流検出抵抗からなる充電制御回路と、該充電制御回路に電力を供給する可変レギュレータとを備えた充電回路において、
   前記可変レギュレータの出力電圧と前記二次電池の充電電圧とを比較してその電位差を検出する差動増幅器を備え、
   前記可変レギュレータは前記差動増幅器が検出する前記電位差が所定の電位差となるように前記出力電圧を出力するよう構成したことを特徴とする二次電池の充電回路。

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