JP2007274813A

JP2007274813A - 充電装置

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Publication number: JP2007274813A
Application number: JP2006097427A
Authority: JP
Inventors: Takahisa Aradate; 卓央荒舘; Shinji Watabe; 伸二渡部; Kazuhiko Funabashi; 一彦船橋; Hiroyuki Hanawa; 浩之塙
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: RU2448402C2; CN101416367B; RU2008138164A; CN101416367A; MX2008012445A; BRPI0710201A2; US20090102428A1; AU2007231975A1; US8035350B2; EP2016660A1; JP5029862B2; WO2007114016A1; AU2007231975B2

Abstract

【課題】被充電２次電池（電池パック）の電池温度に応答して適切な充電電流を選択し得る安価な充電装置を提供することにある。
【解決手段】設定電流切替回路１２０は比較器１２７を具備し、比較器１２７の一方の入力端子（−）に電池温度検出手段８によって検出された電池温度に対応する電池温度信号を入力し、比較器１２７の他方の入力端子（＋）に基準温度に対応する基準信号を入力し、比較器１２７の出力に対応して充電電流設定手段８０の設定充電電流値および満充電電流設定手段９０の設定満充電電流値を可変させるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、２次電池の充電装置に関し、特に、リチウム電池（リチウムイオン電池を含む）等の定電流・定電圧充電制御方式が要求される電池パックを充電するために好適な充電装置に関する。

コードレス電動工具を駆動する電源として、ニッケル水素電池やニカド電池等の比較的高容量化された２次電池が使用されている。さらに、高容量化および軽量化された２次電池として、リチウムイオン電池を含むリチウム電池が実用化されつつある。

リチウム電池のセル公称電圧は、広く実用に供されているニッケル水素電池やニカド電池に比較すると約３倍高く、かつ小形軽量であるという特徴を有する。さらに、放電効率も良く、比較的低温環境の中でも放電が可能で、広い温度範囲で安定した電圧を得ることができる特徴を有する。

リチウム電池（電池パック）においては、定電流・定電圧制御にて充電を行うのが一般的である。しかし、定電流・定電圧制御によって過充電を行うと電池の特性もしくは寿命の面から望ましくないことが一般的に知られている。このため、例えば下記特許文献１に開示されているように、定電圧で充電しながら充電電源回路の充電電流を検出し、充電電流が所定値以下に下降した場合、満充電と判別して充電停止信号を発生させ、充電電源回路の充電経路を遮断することによって充電を終了する方法が提案されている。

また、一般に比較的に大きな電流で充電すると短時間で充電できるが、電池を充電する場合の電池温度が低いときは、電池のサイクル寿命が短くなるため、充電初期においては、比較的小さな電流で充電を行い、充電に伴い、電池温度がある所定値にまで上昇したら段階的に充電電流を大きくし、短時間で充電する充電装置が提案されている。例えば、このような技術は、下記特許文献２に開示されている。

特開平２−１９２６７０号公報特開平４−３４０３３０号公報

しかし、電池温度の上昇に応じて充電電流を段階的に上昇させるためには、電池温度および充電電流を監視する必要があるので、マイクロコンピュータなどの比較的高価な回路装置を用いて監視する方法が考えられるが、コスト的に不利になるという問題がある。

また、リチウム電池のような定電流・定電圧制御で充電を行い、終止電流を検出して充電を終了させるような充電装置においては、単純に電池温度の上昇に伴い充電電流を上昇させるだけではなく、それに伴い充電時間も短縮させるために終止電流も変化させる必要がある。

従って、本発明の一つの目的は、電池の温度に対応して適切な充電電流を選択し得る比較的簡単な回路で構成できる充電装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、リチウム電池のような２次電池（電池パック）を定電流・定電圧制御方式で充電する充電装置において、電池の温度に対応して満充電の設定電流値を可変し得る安価な充電装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に従って開示される発明のうち、代表的なものの特徴を説明すれば、次のとおりである。

本発明の一つの特徴によれば、充電電流設定手段によって充電電流値を設定し、充電電流を前記設定充電電流値に制御するための充電電流制御回路と、満充電電流設定手段によって満充電時に対応する満充電電流値を設定し、充電電流が前記設定満充電電流値以下になったとき充電停止信号を発生させるための満充電検出回路と、被充電２次電池の電池温度を検出するための電池温度検出手段とを具備する充電装置であって、比較器を具備し、前記比較器の一方の入力端子に前記電池温度検出手段によって検出された前記電池温度に対応する電池温度信号を入力し、前記比較器の他方の入力端子に基準温度に対応する基準信号を入力し、前記比較器の出力に対応して前記充電電流設定手段の前記設定充電電流値および前記満充電電流設定手段の前記設定満充電電流値を可変させる構成とした設定電流切替回路を具備する。

本発明の他の特徴によれば、前記電池温度検出手段は、前記被充電２次電池に内蔵された感温素子の抵抗変化を検出する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記充電電流設定手段および前記満充電電流設定手段は、分圧抵抗回路を含み、前記設定電流切替回路の出力によって前記分圧抵抗回路を構成する分圧抵抗に分圧値調整用抵抗を並列接続するか否かによって、前記設定充電電流値および前記設定満充電電流値を切替る。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記設定電流切替回路は、前記電池温度が所定温度範囲の低温時にはその高温時に比較して前記設定充電電流値および前記設定満充電電流値を低くするように構成する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記設定充電電流値、前記満充電電流値、前記電池温度信号および前記基準信号は、それぞれ前記設定充電電流値、前記設定満充電電流値、前記電池温度および前記基準温度に対応する電圧値である。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記被充電２次電池が定電流・定電圧制御で充電されるリチウム電池である。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記充電電流制御回路は第２の比較器を具備し、前記第２の比較器における一方の入力端子に前記充電電流に応答する充電信号を入力し、前記第２の比較器における他方の入力端子に前記設定電流切替回路の出力に基づいて設定された前記設定充電電流値に対応する設定充電信号を入力するように構成し、前記満充電検出回路は第３の比較器を具備し、前記第３の比較器における一方の入力端子に前記充電電流に応答する充電信号を入力し、前記第３の比較器における他方の入力端子に前記設定電流切替回路の出力に基づいて設定された前記設定満充電電流値に対応する設定満充電信号を入力するように構成し、前記設定電流切替回路によって前記設定充電電流値および前記設定満充電電流値を温度に対し可変させる構成とする。

本発明によれば、比較器を用いて被充電２次電池の充電電流および満充電の設定電流を電池温度に対応して適切な電流値に選択し得るので、比較的簡単な回路で構成できる充電装置を提供できる。また、電池の温度に対応して満充電の設定電流値を可変し得るので、リチウム電池のような２次電池（電池パック）を定電流・定電圧制御方式で充電する充電装置として好適である。

本発明の上記および他の目的、ならびに上記および他の特徴および利点は、以下の本明細書の記述および添付図面からさらに明らかとなるであろう。

以下、本発明の一実施形態について、図１乃至図４を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る充電装置３００の回路図を示す。図１において、充電装置３００によって充電すべき電池パック（２次電池）２は、単数または直列接続された複数の充電可能な、例えばリチウム電池セル２ａと、電池パック２内の電池温度を検出するために、電池セル２ａに接触または近接して配置されたサーミスタ等の温度検出センサとして機能する感温素子２ｂとから成る。例えば、本実施例の電池パック２は、電池セル２ａが１セルのリチウムイオン電池（公称電圧３．６Ｖ）から成り、感温素子２ｂとしてサーミスタが使用されている。

電池パック２に充電電力を供給するための充電電源回路２００は、１次側整流平滑回路１０と、高周波トランス２１を含むスイッチング回路２０と、２次側整流平滑回路３０とから成るスイッチング電源回路により構成される。

１次側整流平滑回路１０は全波整流回路１１と平滑用コンデンサ１２とから成り、商用交流電源等の交流電源１を全波整流する。

スイッチング回路２０は、高周波トランス２１と、トランス２１の１次巻線２１ａに直列接続されたＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）２２と、ＭＯＳＦＥＴ２２のゲート電極に印加する駆動パルス信号のパルス幅を変調させるためのＰＷＭＩＣ（スイッチング制御ＩＣ）２３とを備える。

ＰＷＭＩＣ２３の駆動電源は、トランス２１の２次巻線２１ｂに形成された定電圧回路２４から供給される。この定電圧回路２４は、整流用ダイオード２４ａと、３端子レギュレータ２４ｄと、３端子レギュレータ２４ｄの入力側に接続されたコンデンサ２４ｃと、３端子レギュレータ２４ｄの出力側に接続されたコンデンサ２４ｂとから構成される。ＰＷＭＩＣ２３には、ホトカプラから成る充電帰還信号伝達手段５を介して充電電圧制御信号および充電電流制御信号が帰還される。また、ＰＷＭＩＣ２３には、後述するスイッチング停止回路６を構成するホトカプラ６ａによってスイッチング停止制御信号が帰還される。ＰＷＭＩＣ２３は、ホトカプラ６ａによる制御信号によってＭＯＳＦＥＴ２２の充電動作の開始および停止を制御し、かつホトカプラ５による制御信号によってＭＯＳＦＥＴ２２のゲート電極に供給する駆動パルス幅を変えることによって、ＭＯＳＦＥＴ２２のオン時間を制御し、２次側整流平滑回路３０の出力電圧と電池パック２の充電電流を調整する。ＰＷＭＩＣ２３には、起動時において起動抵抗２５を介して１次側整流平滑回路１０の出力電圧が供給される。また、ホトカプラ６ａからのスイッチング停止制御信号が供給されるＰＷＭＩＣ２３にはプルアップ抵抗２６が接続される。後述するスイッチング停止回路６のスイッチングトランジスタ６ｅがオフ状態にある動作状態において、このプルアップ抵抗２６によってＰＷＭＩＣ２３に動作電位が与えられる。

２次側整流平滑回路３０はトランス２１の３次巻線２１ｃに接続されたダイオード３１、平滑用コンデンサ３２および放電用抵抗３３から成る。

トランス２１の４次巻線２１ｄには、後述する各種の制御回路の電源Ｖｃｃを供給するための制御回路用定電圧電源１１０が形成される。制御回路用定電圧電源１１０は、整流用ダイオード１１１と、３端子レギュレータ１１４と、３端子レギュレータ１１４の入力側に接続されたコンデンサ１１２と、３端子レギュレータ１１４の出力側に接続されたコンデンサ１１３とから構成され、定電圧Ｖｃｃを出力する。

１次側整流平滑回路１０、スイッチング回路２０、および２次側整流平滑回路３０は充電電源回路２００を構成し、充電電源回路２００の出力側と電池パック２の間には、充電経路の開閉（オン・オフ）を制御するためのスイッチ手段４が電気的接続されている。このスイッチ手段４は、例えばリレーから成り、リレースイッチ４ａと制御コイル４ｂを具備する。制御コイル４ｂはリレー制御回路７によって制御される。

リレー制御回路７は、後述する電池温度検出回路８の出力によってオン・オフ制御されるトランジスタ７ｈと、トランジスタ７ｈのコレクタ側にベースが接続されたトランジスタ７ｉと、後述する満充電検出回路９０の出力によってオン・オフ制御され、かつトランジスタ７ｈと直列接続されたトランジスタ７ｊとを具備し、それらトランジスタ７ｈ、７ｉおよび７ｊに関連して設けられた抵抗７ａ〜７ｇを具備する。

充電電流制御回路７０は、演算増幅器（オペアンプ）７６および７７と、演算増幅器７６および７７の入力抵抗７１および７３と、演算増幅器７６および７７の帰還抵抗７２および７４と、ダイオード７８および電流制限用抵抗７５からなる出力回路とから構成された演算増幅回路を含む。演算増幅器７７の一方の入力端子（＋）には、充電電流設定回路８０が接続される。

充電電流設定回路８０は、特に限定されないが、抵抗８１と抵抗８２から成る基本的な分圧抵抗回路を含み、さらに分圧抵抗８２に分圧値調整用抵抗８３およびトランジスタ８６が並列接続される。トランジスタ８６のベースは抵抗８４および抵抗８５を介して後述する設定電流切替回路（充電・終止電流切替回路）１２０に接続される。直列接続された分圧抵抗８１および８２には、制御回路用定電圧電源１１０の出力電圧Ｖｃｃが供給される。充電電流設定回路８０は、後述する電池温度検出回路８によって検出される電池温度に従ってトランジスタ８６をオンまたはオフさせ、結果的に分圧抵抗８２に分圧値調整用抵抗８３を並列接続するか否かによって、演算増幅器７７の（＋）入力端子に入力される設定充電電流値に対応する設定電圧値（設定充電信号）を可変させるように構成する。例えば、もし電池温度が基準温度より高い温度に変化した場合、結果的にトランジスタ８６はオフして抵抗８３は抵抗８２に並列接続されず、抵抗８１と抵抗８２によって分圧された設定電圧がそのまま設定電圧値（設定充電信号）となり、逆に、電池温度が基準温度より低い温度に変化した場合、結果的にトランジスタ８６はオンして抵抗８３は抵抗８２に並列接続され、抵抗８２と抵抗８３の合成並列抵抗値が下がって、抵抗８１と分圧される設定電圧値は低い電圧となる。従って、充電電流は低温時に低く設定され、高温時に高く設定される。

充電電流制御回路７０の入力側は電池パック２の充電電流を検出するための充電電流検出抵抗３に接続される。また、その出力側は、上述したように、ホトカプラから成る充電帰還信号電伝達手段５を介してＰＷＭＩＣ２３を制御する。

このような充電電流制御回路７０により、充電電流検出抵抗３に流れる充電電流に基づく電圧降下を抵抗７１、７２および演算増幅器７６によって反転増幅させ、その出力電圧と充電電流設定回路８０によって設定された設定電圧値（設定充電信号）との差を演算増幅器７７によって増幅し、充電帰還信号伝達手段５を介してＰＷＭＩＣ２３に帰還をかけＭＯＳＦＥＴ２２のスイッチング動作を制御する。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ２２は、電流検出手段３に流れる充電電流が所定の充電電流より大きい場合はパルス幅を狭めた出力パルスを高周波トランス２１に与え、逆に充電電流が所定の充電電流より小さい場合はパルス幅をより広げたパルスを高周波トランス２１に与える。これによって、２次側整流平滑回路３０は、所定の充電電流に対応する直流電圧に平滑し、電池パック２の充電電流を充電電流設定回路８０によって設定した所定電流に保持する。言い換えれば、電流検出手段３、充電電流制御回路７０、充電帰還信号伝達手段５、スイッチング回路２０および２次側整流平滑回路３０は、充電電流設定回路８０によって設定された設定充電電流値となるように電池パック２に流れる充電電流を制御する。

出力電圧制御回路５０は、演算増幅器５５と、反転入力端子（−）側の入力抵抗５１と、帰還抵抗５３と、非反転入力端子（＋）側の入力抵抗５２と、ダイオード５６および電流制限用抵抗５４から成る出力回路とから構成される。出力電圧制御回路５０の反転入力端子（−）側は、抵抗４１および抵抗４２から成る充電電源の出力電圧検出回路４０に接続され、上述した充電電源回路２００の出力電圧の帰還用検出電圧が入力される。一方、非反転入力端子（＋）側は、電源電圧Ｖｃｃを分圧する分圧抵抗６１および６２から成る出力電圧設定回路６０に接続され、定電圧充電のための所定の電圧を設定する。本実施例では、電池パック２が１セルのリチウムイオン電池から成るので、出力電圧が例えば４．２Ｖになるように設定すればよい。出力電圧制御回路５０の出力側は、充電電流制御手段７０の出力側と同様に、ホトカプラから成る充電帰還信号伝達手段５を介してＰＷＭＩＣ２３に接続される。このような構成により、出力電圧検出回路４０からの検出出力電圧と、出力電圧設定回路６０からの設定基準電圧との差を増幅し、充電帰還信号伝達手段５を介してＰＷＭＩＣ２３に帰還をかけ出力電圧を所定値に制御する。従って、ＰＷＭＩＣ２３は、充電電流制御回路７０または出力電圧制御回路５０の出力信号（フィードバック信号）により制御されることになる。

電池温度検出回路８は、電池パック２の温度が所定の温度範囲（例えば、−１０℃〜５０℃）にあるときのみ充電装置３００を動作させるための電池温度検出手段で、ＯＲゲートを用いたウィンドコンパレータ（電圧比較器）より構成される。すなわち、電池温度検出回路８は、演算増幅器８ｋ、帰還抵抗８ｉおよび入力抵抗８ｃから成る第１の電圧比較器と、演算増幅器８１、帰還抵抗８ｊおよび入力抵抗８ｆから成る第２の電圧比較器とを具備する。第１の電圧比較器を構成する演算増幅器８ｋの基準入力端子（−）には、電源電圧Ｖｃｃを分圧抵抗８ａおよび８ｂによって分圧した下限温度（−１０℃）に対応する基準電圧（下限基準信号）が印加され、第２の電圧比較器を構成する演算増幅器８１の基準入力端子（＋）には、電源電圧Ｖｃｃを分圧抵抗８ｄおよび８ｅによって分圧した上限温度（５０℃）に対応する基準電圧（上限基準信号）が印加され、さらに演算増幅器８ｋの信号入力端子（＋）および演算増幅器８１の信号入力端子（−）には、電源電圧Ｖｃｃおよび抵抗８ｇ、８ｈから成る分圧回路を介して、感温素子２ｂの抵抗値の対温度変化に基づく電圧変化が入力される。演算増幅器８ｋおよび演算増幅器８１の両出力信号はＯＲゲート８ｍに入力され、ＯＲゲート８ｍのＯＲ出力は抵抗７ｂを介してリレー制御回路７のトランジスタ７ｈのベースへ入力される。このような電池温度検出回路８によって、電池パック２の充電を許容する所定温度範囲（例えば、−１０℃〜５０℃）で、リレー制御回路７の動作を制御することができる。

ＬＥＤ（発光ダイオード）表示回路９は、充電の開始または充電の終了をユーザーに認知させるためのモニター回路で、表示用ＬＥＤ９ｄと、駆動用トランジスタ９ｅと、抵抗９ａ〜９ｃとから成る。例えば、表示用ＬＥＤ９ｄは、充電中に点灯し、充電終了時に消灯するように制御される。

過電圧検出回路１００は、電圧比較器として機能する演算増幅器１０３と、演算増幅器１０３の一方の入力端子（−）に接続された、過電圧に対応する電圧を設定するための分圧抵抗１０１および１０２とを具備し、演算増幅器１０３の他方の入力端子（＋）には、２次側整流平滑回路３０の出力電圧を出力電圧検出回路４０の抵抗４１、４２によって分圧した分圧電圧が入力される。過電圧検出回路１００の出力はスイッチング停止回路６に接続される。

スイッチング停止回路６は、過電圧検出回路１００からの信号に応答してＰＷＭＩＣ２３の動作を停止させるために設けられたもので、ホトカプラ６ａと、抵抗６ｂ〜６ｄと、スイッチング用トランジスタ６ｅとから構成されている。

満充電検出回路９０は電圧比較器として機能する演算増幅器９８を具備する。演算増幅器９８の一方の入力端子（−）には、充電電流検出抵抗３に流れる充電電流に対応する電圧が演算増幅器７６および抵抗９１を介して入力される。演算増幅器９８の他方の入力端子（＋）には、分圧抵抗回路を構成する直列抵抗９２および９３の中点が接続される。分圧抵抗９３には分圧値調整用抵抗９４を介してトランジスタ９９のコレクタが接続される。さらにトランジスタ９９のベースには抵抗９５および抵抗９６を介して後述する設定電流切替回路１２０が接続される。満充電検出回路９０は、後述する電池温度検出回路８によって検出される電池温度に従ってトランジスタ９９をオンまたはオフさせ、結果的に分圧抵抗９３に分圧値調整用抵抗９４を並列接続するか否かによって、演算増幅器９８の入力端子（＋）に入力される設定満充電電流値（設定満充電信号）を可変させる。例えば、電池温度が基準温度より高い温度に変化した場合、結果的にトランジスタ９９はオフして抵抗９９は抵抗９３に並列接続されず、抵抗９２と抵抗９３とによって分圧された基準電圧値が設定満充電電流値に対応し、逆に、電池温度が基準温度より低い温度に変化した場合、結果的にトランジスタ９９はオンして抵抗９４は抵抗９３に並列接続され、抵抗９３と抵抗９４の合成並列抵抗値が下がり、抵抗９２と分圧される電圧は基準電圧値より低い電圧値となる。従って、対応する設定満充電電流値は低温時に低い電圧値に設定され、高温時に高い電圧値に設定できる。

満充電検出回路９０の出力（電圧比較器９８の出力）は、充電開始信号または充電停止信号としてリレー制御回路７のトランジスタ７ｊのベースに印加され、トランジスタ７ｊをオン・オフ制御する。通常の充電時の動作において、演算増幅器９８の一方の入力端子（＋）に印加される設定満充電電流値の電圧換算値（設定満充電信号）より、演算増幅器９８の他方の入力端子（−）に印加される充電電流の電圧換算値（充電信号）が低い場合、トランジスタ７ｊをオンさせることでトランジスタ７ｉがオフしてリレー制御回路７がリレー４を遮断状態にする。逆に充電電流が高い場合、トランジスタ７ｊをオフさせることでトランジスタ７ｉがオンしてリレー４を導通状態に制御する。すなわち、電池パック２のリチウムイオン電池は、定電圧制御での充電時に充電電流が減少（下降）する特性があるので、満充電検出回路９０は、比較器９８によって充電電流と満充電を示す基準電流とを比較し、充電電流が基準電流以下に下降したとき満充電と判断し比較器９８の出力によってリレー４を遮断状態に制御し、充電を停止させる。この場合、本発明によれば、上述のように充電電流の設定値および満充電電流の設定値を電池温度に従って可変させることができる。

ここで留意すべきことは、満充電検出回路９０は充電電流が所定の充電電流値（設定電流値）以下の場合、リレー４を遮断状態に制御する機能を有することである。従って、充電のために被充電電池である電池パック２を充電装置３００に単に挿入（接続）しても、設定電流値以上の充電電流が流れなければ、リレー４は依然として遮断状態を持続し、充電電源回路２００の出力電圧を電池パック２に給電することができない。すなわち、満充電検出回路９０はリレー制御回路７を起動不能とする。この問題を解決するために、比較器９８の充電電流に応答する信号が与えられる一方の入力端子（−）には、充電開始から所定時間経過するまでの過渡状態において、抵抗９２および９３によって他方の入力端子（＋）に設定される充電電流の設定値に対応する設定電圧以上の電圧（起動信号）を印加するための起動電圧印加手段９７が接続される。起動電圧印加手段９７の一例は、比較器９８の一方の入力端子（−）とリレー制御回路７のトランジスタ７ｈのコレクタとの間に接続されたコンデンサ９７によって構成される。電池温度検出回路８によって充電すべき電池パック２が充電装置３００に接続されたことを検知すると、リレー制御回路７のトランジスタ７ｈがオンするので、コンデンサ９７により、充電開始から所定時間経過するまでの過渡状態において、電源電圧Ｖｃｃを比較器９８の一方の入力端子（−）に起動信号として入力することができる。その結果、満充電検出回路９０の比較器９８は、リレー制御回路７のトランジスタ７ｊをオフさせるのでトランジスタ７ｉがオンし、リレー４を導通状態（リレーＯＮ）に制御することができるため、充電を開始することができる。

設定電流切替回路１２０は、演算増幅器１２７、トランジスタ１２８、抵抗１２１〜１２６、１２９から構成された設定充電電流および設定満充電電流（終止電流）を可変させるための切替駆動回路として機能する。演算増幅器１２７は電圧比較器として機能し、演算増幅器１２７の一方の入力端子（−）には、電池パック２に内蔵された感温素子２ｂの対温度抵抗変化に応答した電圧が印加される。演算増幅器１２７の他方の入力端子（＋）には、分圧抵抗回路を構成する直列接続抵抗１２１および１２２の中点が抵抗１２３を介して接続される。演算増幅器１２７の出力にはトランジスタ１２８が接続され、トランジスタ１２８のコレクタ出力は、満充電検出回路９０のトランジスタ９９および充電電流設定回路８０のトランジスタ８６のベースに入力される。演算増幅器１２７の入力端子（＋）に入力される分圧抵抗１２１および１２２による分圧値である基準値より、電池温度検出回路８から演算増幅器１２７の入力端子（−）に入力される電圧値が高い場合（低温の場合）は、演算増幅器１２７の出力によりトランジスタ１２８がオフされるので、充電電流設定回路８０および満充電検出回路９０におけるトランジスタ８６及び９９がオンされ、上述のように設定充電電流および設定満充電電流（終止電流）が低く設定される。

以上の説明から明らかなように、設定電流切替回路１２０は、充電電流設定回路８０および満充電検出回路９０と共に設定電流可変手段を構成する。

次に充電装置３００の充電時の動作について説明する。

被充電２次電池である電池パック２が充電装置３００に挿入または接続されると、電池温度に応答した抵抗値を有するサーミスタ２ｂと抵抗８ｈとの合成抵抗と抵抗８ｇとで定電圧Ｖｃｃを分圧した値が演算増幅器８ｋの入力端子（＋）および演算増幅器８１の入力端子（−）に入力される。演算増幅器８ｋは、分圧抵抗８ａおよび８ｂによって定電圧Ｖｃｃを分圧した値を基準とし、電池温度が低温側の所定温度以下である場合はハイ出力となり、所定温度以上である場合はロー出力となるように構成されている。例えば、この所定温度は−１０℃に設定されている。一方、演算増幅器８１は、分圧抵抗８ｄおよび８ｅによって定電圧Ｖｃｃを分圧した値を基準とし、電池温度が高温側のある所定温度以下である場合はロー出力となり、高温側の所定温度以上である場合はハイ出力となるように構成されている。例えば、高温側の所定温度は５０℃に設定されている。

以上のように電圧比較器として動作する一対の演算増幅器８ｋおよび８１の基準入力端子側電圧値を所定値に設定すると、電池パック２の電池温度範囲が−１０℃〜５０℃の範囲内であれば、ＯＲゲート８ｍの２つの入力レベルはどちらもローとなるので、ＯＲゲート８ｍの出力レベルはローとなる。電池パック２の電池温度が−１０℃以下または５０℃以上である場合は、ＯＲゲート８ｍの２入力の少なくとも一方の入力レベルはハイとなるので、ＯＲゲート８ｍの出力レベルはハイになる。

ＯＲゲート８ｍの出力は、トランジスタ７ｈのベースに入力される。従って、ベースにローが入力された場合、言い換えれば電池温度が−１０℃〜５０℃の温度範囲にある場合のみトランジスタ７ｈをオンする。トランジスタ７ｈをオンすることによって、上述したように、電圧比較器として機能する演算増幅器９８の充電信号入力端子（−）に、電圧Ｖｃｃがコンデンサ９７を介して充電起動信号として過渡的に印加される。起動信号Ｖｉはコンデンサ９７の静電容量に応じた時間、過渡的に印加される。

この時、電池パック２を充電装置３００へ接続した時から所定時間を経過するまで、コンデンサ９７を介して過渡的に電源電圧Ｖｃｃが入力されるので、演算増幅器９８の設定信号入力端子（＋）に入力される設定電圧Ｖｒ（設定満充電信号）より充分高い電圧となり、演算増幅器９８の出力レベルはロー出力（充電開始信号）となる。

一方、電池温度が−１０℃〜５０℃の範囲の電池パック２を充電装置３００へ挿入する前において、演算増幅器９８の充電信号入力端子（−）に入力される電圧Ｖｉは、何ら電圧も印加されず０Ｖなので、演算増幅器９８の設定信号入力端子（＋）に入力される設定電圧Ｖｒよりも小さくなり、演算増幅器９８の出力レベルはハイ出力となる。従って、−１０℃〜５０℃の範囲の電池温度を持つ電池パック２が充電装置３００に挿入されることにより、トランジスタ７ｊのベースへの入力はハイからローに変化し、そのトランジスタ７ｊはオンからオフに切り替わる。これによって、トランジスタ７ｉのベースはローからハイ入力となり、トランジスタ７ｉはオンし、リレー４の制御コイル４ｂには電圧Ｖｃｃが印加され、リレースイッチ４ａがオンする。

過渡状態において充電開始信号がコンデンサ９７により演算増幅器９８の充電信号入力端子（−）に入力されリレー４がオンすると同時に、充電電流が流れ始め、充電電流検出手段３における電圧降下は、演算増幅器７６および抵抗７１、７２によって構成される反転増幅回路に入力される。この場合、反転増幅回路（演算増幅器７６）の出力（充電電流を電圧に換算した値）は、演算増幅器９８の充電信号入力端子（−）に電圧Ｖｉとして入力される。この時、演算増幅器９８の充電信号入力端子（−）の入力電圧Ｖｉ（検出充電電流値に対応する電圧）が演算増幅器９８の設定信号入力端子（＋）に入力される設定電圧Ｖｒ（満充電の終止電流に対応）以上であれば、過渡的な電圧Ｖｃｃの印加が終了した後も、入力電圧Ｖｉは依然として設定値Ｖｒ以上の値を維持することになるので、演算増幅器９８の出力レベルはローを維持し続け、リレー４は引き続きオン状態（リレーＯＮ）となり、充電を継続する。

電池パック２の充電が継続され、その電池電圧が定電圧値（例えば４．２Ｖ）に達すると、定電圧制御に切り換わり充電電流が降下してくる。そして演算増幅器９８の充電信号入力端子（−）の入力電圧Ｖｉ（現在の充電電流値に相当）が、演算増幅器９８の設定信号入力端子（＋）に入力される、抵抗９２と抵抗９３の比（または、抵抗９２と、抵抗９３および抵抗９４の並列合成抵抗との比）によって電圧Ｖｃｃを分圧した設定値Ｖｒ（満充電を検出する終止電流に相当）以下になった場合、演算増幅器９８の出力レベルがハイになるので、トランジスタ７ｊはオンし、トランジスタ７ｉのベースにはローが入力（オフ）されるのでリレー４がオフ状態（リレーＯＦＦ）となって充電を終了する。

上記構成において、サーミスタ等の感温素子２ｂの抵抗は一般的には負の温度係数を持つので、電池パック２の電池温度の上昇に伴い感温素子２ｂの抵抗値が低くなる。そこで、設定電流切替回路１２０の演算増幅器１２７の基準となる抵抗１２１および抵抗１２２の分圧値を、電池温度が例えば０℃に対応するように設定しておけば、充電時の電池温度が０℃以下である場合、設定電流切替回路１２０の演算増幅器１２７の入力端子（−）に入力される入力電圧値は前記基準値より高い値となるために演算増幅器１２７の出力はローになる。従って、設定電流切替回路１２０のトランジスタ１２８はオフ状態となるので、充電電流設定回路８０および満充電検出回路９０におけるトランジスタ８６および９９はそれぞれオン状態となる。

これによって、充電電流設定回路８０の抵抗８１および抵抗８２による電源電圧Ｖｃｃの分圧比をみると、トランジスタ８６のオンによって抵抗８３が抵抗８２に並列接続されることになるので、抵抗８１と抵抗８２との分圧比に比べ、抵抗８１と抵抗８３および抵抗８２の並列合成抵抗との分圧比が低くなって演算増幅器７７の入力端子（＋）に入力される設定充電電流値に対応する設定電圧値は低い値となる。このため充電電流制御回路７０は、電池温度が低い場合の充電電流を電池パック２に供給する。同様に、満充電検出回路９０の抵抗９２および抵抗９３による電源電圧Ｖｃｃの分圧比をみると、トランジスタ９９のオンによって抵抗９４が抵抗９３に並列接続されることになるので、抵抗９２と抵抗９３との分圧比に比べ、抵抗９２と抵抗９３および抵抗９４の並列合成抵抗との分圧比が低くなって演算増幅器９８の入力端子（＋）に入力される設定満充電電流値に対応する設定電圧値は低い値となる。このため満充電検出回路９０は、電池温度が低い場合の満充電電流値（終止電流値）となる。

逆に、充電時の電池パック２の電池温度が０℃以上である場合、設定電流切替回路１２０の演算増幅器１２７の入力値は前記基準値より低い値が入力されるため、演算増幅器１２７の出力はハイになる。よって、トランジスタ１２８はオンするので、充電電流設定回路８０および満充電検出回路９０におけるトランジスタ８６および９９はそれぞれオフ状態を維持するので、抵抗８１と抵抗８２による分圧比、および抵抗９２と抵抗９３による分圧比によって分圧される電圧値が充電電流および終止電流値の基準値になる。ここで、抵抗８２と抵抗８３の並列合成抵抗値は抵抗８２に比べ小さく、また抵抗９３と抵抗９４の並列合成抵抗値は抵抗９３に比べ小さくなる。すなわち、電池温度が０℃以下の場合の充電電流をｉ１、設定満充電電流（終止電流）をｉ２とし、０℃以上の場合の充電電流をｉ３、設定満充電電流（終止電流）をｉ４とすると、ｉ１＜ｉ３、ｉ２＜ｉ４の関係が成り立ち、電池パック２の電池温度に応じて適切な電流値を選択し充電を行うことができる。

本発明の充電装置３００に従う充電特性図の例を図２乃至図４に示す。図２は０℃以下の電池パックを充電した場合の充電特性図、図３は充電初期は０℃以下の電池パックが充電中に０℃以上に変化した場合の充電特性図、図４は０℃以上の電池パックを充電した場合の充電特性図をそれぞれ示す。

図２に示した充電特性図は、充電開始時おいて電池パック２の電池温度が−１０℃、充電電流ｉ１が１Ａで、充電終了時に電池温度が−２℃〜−３℃、充電電流の終止電流（満充電電流）ｉ２が０．５Ａの例を示す。

図３に示した充電特性図は、充電開始時おいて電池パック２の電池温度が−２℃〜−３℃、充電電流ｉ１が１Ａで、充電終了時に電池温度が１７℃〜１８℃、充電電流の終止電流（満充電電流）ｉ４が１Ａの例を示す。この場合、電池温度が充電途中で０℃を越えたので、充電電流をｉ１＝１Ａからｉ３＝３Ａに切替え、また終止電流もｉ３＝０．５Ａからｉ４＝１Ａに切替えている。充電時間は図２に示す場合に比べ短くできる。

図４に示した充電特性図は、充電開始時おいて電池パック２の電池温度が１０℃、充電電流ｉ３が３Ａで、充電終了時に電池温度が１７℃〜１８℃、充電電流の終止電流（満充電電流）ｉ４が１Ａの例を示す。充電時間は図３に示す場合に比べさらに短くできる。図２乃至図４に示すように、本実施形態おいては低温時には寿命に配慮した低電流充電を行う。また、電池温度の上昇に伴い充電電流を上昇させるので寿命に配慮しつつ、充電時間の短縮を実現できる。

なお、上記実施例では設定電流切替回路１２０に一つの比較器１２７を用いて設定充電電流値および設定満充電電流値を可変した例について説明したが、比較器を多数用いることによって、細かく設定充電電流値および設定満充電電流値を切替えることができる。

以上の実施例の説明から明らかなように、本発明の充電装置によれば、演算増幅器または電圧比較器を用いることによって、被充電２次電池に流す充電電流の大きさおよび満充電電流（終止電流）の大きさを電池温度に応答して調整するように構成したので、マイクロコンピュータを使用せずに比較的簡単で安価な制御回路により定電流・定電圧制御での電池温度に対応した満充電判別を行うことができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

本発明の一実施形態に係る充電装置の回路図。図１に示した充電装置において電池温度が０℃以下の場合の充電特性図。図１に示した充電装置において電池温度が充電初期には０℃以下で充電中に０℃以上になった場合の充電特性図。図１に示した充電装置において電池温度が０℃以上の場合の充電特性図。

符号の説明

１：入力商用電源２：電池パック２ａ：電池セル２ｂ：感温素子
３：電流検出抵抗４：スイッチ手段（リレー）４ａ：リレースイッチ
４ｂ：制御コイル５：充電帰還信号伝達手段（ホトカプラ）
６：スイッチング停止回路６ａ：ホトカプラ６ｂ、６ｃ、６ｄ：抵抗
６ｅ：トランジスタ７：リレー制御回路７ａ〜７ｇ：抵抗
７ｈ〜７ｊ：トランジスタ８：電池温度検出回路８ａ〜８ｊ：抵抗
８ｋ、８１：演算増幅器８ｍ：ＯＲゲート９：ＬＥＤ表示回路
９ａ〜９ｃ：抵抗９ｄ：表示用ＬＥＤ１０：１次側整流平滑回路
１１：全波整流回路１２：平滑用コンデンサ２０：スイッチング回路
２１：高周波トランス２１ａ〜２１ｄ：トランスの巻線
２４：定電圧回路２４ａ：整流用ダイオード２４ｂ、２４ｃ：コンデンサ
２４ｄ：３端子レギュレータ３０：２次側整流平滑回路
３１：整流用ダイオード３２：平滑用コンデンサ３３：放電用抵抗
４０：出力電圧検出回路４１、４２：分圧抵抗５０：出力電圧制御回路
５１〜５４：抵抗５５：演算増幅器５６：ダイオード
６０：出力電圧設定回路６１、６２：分圧抵抗７０：充電電流制御回路
７１〜７５：抵抗７６、７７：演算増幅器７８：ダイオード
８０：充電電流設定回路８１〜８５：抵抗８６：トランジスタ
９０：満充電検出回路９１〜９６：抵抗９７：コンデンサ
９８：演算増幅器９９：トランジスタ１００：過電圧検出回路
１０１、１０２：抵抗１０３：演算増幅器１１０：制御回路用定電圧電源
１１１：整流用ダイオード１１２、１１３：コンデンサ
１１４：３端子レギュレータ１２０：設定電流切替回路
１２１〜１２６、１２９：抵抗１２７：演算増幅器１２８：トランジスタ
２００：充電電源回路３００：充電装置

Claims

充電電流設定手段によって充電電流値を設定し、充電電流を前記設定充電電流値に制御するための充電電流制御回路と、
満充電電流設定手段によって満充電時に対応する満充電電流値を設定し、充電電流が前記設定満充電電流値以下になったとき充電停止信号を発生させるための満充電検出回路と、
被充電２次電池の電池温度を検出するための電池温度検出手段とを具備する充電装置であって、
比較器を具備し、前記比較器の一方の入力端子に前記電池温度検出手段によって検出された前記電池温度に対応する電池温度信号を入力し、前記比較器の他方の入力端子に基準温度に対応する基準信号を入力し、前記比較器の出力に対応して前記充電電流設定手段の前記設定充電電流値および前記満充電電流設定手段の前記設定満充電電流値を可変させる構成とした設定電流切替回路を具備することを特徴とする充電装置。
前記電池温度検出手段は、前記被充電２次電池に内蔵された感温素子の抵抗変化を検出することを特徴とする請求項１に記載された充電装置。
前記充電電流設定手段および前記満充電電流設定手段は、分圧抵抗回路を含み、前記設定電流切替回路の出力によって前記分圧抵抗回路を構成する分圧抵抗に分圧値調整用抵抗を並列接続するか否かによって、前記設定充電電流値および前記設定満充電電流値を切替ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された充電装置。
前記設定電流切替回路は、前記電池温度が所定温度範囲の低温時にはその高温時に比較して前記設定充電電流値および前記設定満充電電流値を低くする構成としたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載された充電装置。
前記設定充電電流値、前記満充電電流値、前記電池温度信号および前記基準信号は、それぞれ前記設定充電電流値、前記設定満充電電流値、前記電池温度および前記基準温度に対応する電圧値であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載された充電装置。
前記被充電２次電池が定電流・定電圧制御で充電されるリチウム電池であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一つに記載された充電装置。
前記充電電流制御回路は第２の比較器を具備し、前記第２の比較器における一方の入力端子に前記充電電流に応答する充電信号を入力し、前記第２の比較器における他方の入力端子に前記設定電流切替回路の出力に基づいて設定された前記設定充電電流値に対応する設定充電信号を入力するように構成し、
前記満充電検出回路は第３の比較器を具備し、前記第３の比較器における一方の入力端子に前記充電電流に応答する充電信号を入力し、前記第３の比較器における他方の入力端子に前記設定電流切替回路の出力に基づいて設定された前記設定満充電電流値に対応する設定満充電信号を入力するように構成し、前記設定電流切替回路によって前記設定充電電流値および前記設定満充電電流値を温度に対し可変させる構成としたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載された充電装置。