JP2007336664A - ２次電池充電回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 充電電圧や充電電流を制御するトランジスタ等が破損したり保護回路が正常に動作しなかった場合でも、２次電池への過充電が生じ得ない安全性の高い充電回路を提供する。
【解決手段】 入力された電源電圧により２次電池Ｅ２の充電を行う２次電池充電回路４において、前記電源電圧が２次電池Ｅ２の満充電電圧（例えば４．２Ｖ）よりも低い電圧（例えば４．０Ｖ）に設定され、２次電池Ｅ２の電圧が電源電圧より低いときに定電流回路が動作して昇圧を伴わない定電流充電を行い、２次電池Ｅ２の電圧が電源電圧より高く満充電電圧より低いときに昇圧回路が動作して昇圧を伴った定電流充電を行うように構成する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、例えばリチウムイオン電池などの２次電池の充電を行う２次電池充電回路に関する。

例えばリチウムイオン電池などの２次電池では、規定の満充電電圧より高い電圧で充電が続けられた場合、電池内圧の異常な上昇や発熱等の問題が発生する。また、充電電流が過大になった場合にも同様の問題が発生する。そのため、リチウムイオン電池等では、充電電圧や充電電流が過大にならないように電池パックに保護回路を内蔵するものが一般的である。

また、本願の発明と関連する技術として次のような技術の開示がある。すなわち、特許文献１には、充電中の電力ロスの削減のため充電電流が一定になるように昇圧回路で充電電圧を制御する充電回路が開示されている。また、特許文献２には、蓄電池の電池電圧の上昇に従って充電電圧を上昇させていく回路を有した蓄電池充電装置が開示されている。
特開平０７−１４３６８３号公報 実開昭５７−１８３０２９号公報

先に述べたように、２次電池への過充電は大きな問題が発生する。そのため、このような問題が生じないように何重もの対策を講じる必要がある。特に、本発明者らは、電源からの入力電圧や入力電流を制限して規定の充電電圧や充電電流に変換するバイポーラトランジスタや電界効果トランジスタが破損したり、保護回路が正常に動作しなかったりした場合に、高い電源電圧が２次電池に直接的に入力され、規定の満充電電圧よりも高い電圧で充電が続けられてしまうという不具合を完全に排除できないか検討した。

検討の結果、本発明者らは電源電圧を満充電電圧以下に設定することで上記の状況をほぼ完全に排除できると考えたが、この場合、充電方法や保護回路の設け方について、電源電圧が高い場合のものと異なり新たな工夫を講じる必要があった。

この発明の目的は、充電電圧や充電電流を制御するトランジスタ等が破損したり保護回路が正常に動作しなかった場合でも、２次電池への過充電が生じ得ない安全性の高い充電回路を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、入力された電源電圧により２次電池の充電を行う２次電池充電回路において、前記電源電圧が２次電池の満充電電圧よりも低い電圧に設定されている構成とした。

このような手段によれば、充電回路の制御素子が破損して電源電圧が２次電池に直接的に入力された場合でも、満充電電圧以上の電圧は印加されず２次電池への過充電を回避することが出来る。さらに、２次電池の充電率が低い段階で電源電圧が直接入力された場合でも、高い電圧が入力される場合と比較して、過大な充電電流の流れ込みを低減することが出来る。

望ましくは、前記電源電圧を検出する電源電圧検出回路（３：図５）を備え、該電源電圧検出回路は前記電源電圧が満充電電圧より低いと検出した場合に充電動作を起動させるように構成すると良い。さらに、前記電源電圧と２次電池とを接続する電流経路に該電流経路を開閉する第１スイッチ素子（ＦＥＴ０：図５）を備え、前記電源電圧検出回路は前記電源電圧が満充電電圧より高いと検出した場合に前記第１スイッチ素子をオフにするように構成すると良い。

このような構成により、例えば出力電圧の異なるＡＣアダプタが接続されるなど、誤って高い電源電圧が入力された場合や、電源装置の誤動作等で電源電圧が一時的に高電圧になってしまった場合でも、それらによる過充電を未然に防ぐことが出来る。

具体的には、前記電源電圧から２次電池に供給される電流を制御する電流回路（２０）と、前記電源電圧を昇圧する昇圧回路（３０）とを備え、２次電池の電圧が前記電源電圧より低いときに前記電流回路が動作して昇圧を伴わない定電流充電を行い、２次電池の電圧が前記電源電圧より高く満充電電圧より低いときに前記昇圧回路が動作して昇圧を伴った定電流充電を行うように構成すると良い。

このような構成により、満充電電圧より低い電源電圧を用いて２次電池を満充電にすることが出来る。昇圧回路においては、昇圧作用を発生させるスイッチング素子が破壊した場合には出力電圧は低下するし、その他、出力電圧が上昇するような故障要因は非常に小さくすることが出来る。従って、高い電源電圧を入力する場合と比較して、昇圧回路を用いた場合の方が安全性が非常に向上する。

さらに具体的には、前記電源電圧と２次電池の電圧との差電圧を検出する差電圧検出回路（６０：図９）を備え、前記昇圧を伴わない定電流充電の期間中、前記差電圧検出回路により前記差電圧が基準値以下になったことが検出されたことに基づき、前記昇圧回路を始動して前記昇圧を伴った定電流充電に移行するように構成すると良い。

或いは、充電電流の低下を検出する電流低下検出回路（５２：図１０）を備え、前記昇圧を伴わない定電流充電の期間中、前記電流検出回路により充電電流が所定量低下したことが検出されたことに基づき、前記昇圧回路を始動して前記昇圧を伴った定電流充電に移行するように構成すると良い。
このような構成により、昇圧回路を適切なタイミングで始動させることが出来る。

また望ましくは、２次電池の電圧を検出する電池電圧検出回路（４０：図１２）を備え、前記電流回路は、前記２次電池の電圧値に基づいて充電電流の大きさを切り換えるように構成すると良い。

具体的には、前記電流回路は、２次電池の電圧が、当該２次電池の電圧供給により動作するシステムの最低動作電圧より高いときに充電電流を第１の電流値に制御する一方、２次電池の電圧が前記最低動作電圧より低いときに充電電流を前記第１の電流値より小さい電流値に制御するように構成すると良い。

或いは、２次電池の電圧供給により動作するシステムからシステムの動作モードを表わす信号が入力される制御端子（ｔ１：図１５）を備え、前記電流回路は、前記制御端子の信号に基づいて充電電流の大きさを切り換えるように構成しても良い。

例えば携帯電話機など２次電池を装置の中に組み込んだまま充電を行うことのできるシステムの場合、充電用の電源電圧は２次電池の充電中にシステムの駆動電源として兼用されることがある。このような場合、充電だけに電源からの供給電力を多大に消費すると、電源電圧によるシステムの駆動に支障をきたす場合がある。そこで、上記構成のように、２次電池の電圧が低い場合やシステムの起動状態に応じて充電電流を小さく切り換えることで、電源の供給電力を２次電池の充電とシステムの駆動との両方でうまくシェアすることが出来る。

また望ましくは、前記電源電圧と２次電池とを接続する電流経路上に設けられたヒューズ（８２：図１６，１７）と、前記電源電圧および入力電流を検出する電圧電流検出回路（８０）と、前記ヒューズに直接に接続された第２スイッチ素子（ＦＥＴ１）とを備え、前記電源電圧又は入力電流が制限値を超えた場合に前記第２スイッチ素子をオンさせて前記ヒューズを切断するように構成すると良い。

さらに望ましくは、前記第２スイッチ素子をオンさせたときに２次電池からの電流が該第２スイッチ素子に流れないように前記２次電池からの電流を遮断可能な整流素子（Ｄ１：図1６）又は第３スイッチ素子（ＦＥＴ２：図１７）を備えると良い。

このような保護手段により、万が一の不具合で過大電圧や過大電流が入力された場合でもヒューズを切断して２次電池と切り離すことで高い安全性を確保することが出来る。また、ヒューズを切断する際に、２次電池からの過放電も防ぐことが出来る。

なお、この項目の説明において、実施形態との対応関係を示す符号を括弧書きで記したが、本発明はこれに限定されるものではない。

以上説明したように、本発明に従うと、充電回路の制御素子が破損したり保護回路が正常に動作しなかった場合でも、２次電池への過充電が生じ得ない高い安全性を提供できるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態の充電システムの基本構成を示したブロック図、図２は充電回路の構成を示したブロック図、図３と図４はこの充電回路の回路構成の一例を示した構成図である。また、図５にはこの充電システムの動作内容を説明した充電特性グラフを示す。

この実施の形態の充電システムは、例えばＡＣアダプタなどの電源装置２から供給される電源電圧によって、例えばリチウムイオン電池などの２次電池Ｅ２の充電を行うものである。そして、電源電圧を入力して２次電池Ｅ２に充電電圧を出力する充電回路４を備えている。

リチウムイオン電池などの一般的な充電方法は次の通りである。すなわち、リチウムイオン電池は、充電率が小さいときには端子間電圧が低く、この状態で電池電圧より少し高い電圧を印加することで充電が開始される。そして、充電率が大きくなるに従って端子間電圧が上昇し、電池の構造的な劣化を防ぐ規定の満充電電圧（例えば４．１Ｖや４．２Ｖ）まで達する。満充電電圧に達したら、満充電電圧を印加しつづけることで定電圧充電を行い、さらに充電率が進むに従って充電電流が小さくなる。そして、充電電流が十分に小さくなったら充電が完了となる。

この実施の形態の充電システムにおいては、電源装置２から入力される電源電圧が２次電池Ｅ２の満充電電圧よりも低い電圧に設定されている。電源電圧としては、特に制限されないが例えば３．５Ｖ〜４．０Ｖなどに設定することが出来る。

充電回路４には、図２に示すように、２次電池Ｅ２の側へ出力される電流を制御する定電流回路２０，２０Ｂと、スイッチング制御により昇圧動作が可能な電圧レギュレータ３０と、２次電池Ｅ２に印加される充電電圧を検出するための電圧検出回路４０と、この電圧の検出値に基づき定電流回路２０，２０Ｂや電圧レギュレータ３０の動作を切り換える切替制御回路５０とを備えている。

なお、図２において一点鎖線で示した部分は、この一点鎖線の部分が含まれる回路構成と、含まれない回路構成との双方が可能であることを表わしている。図３は、一点鎖線の部分が含まれない回路構成を示す図、図４は、一点鎖線の部分が含まれる回路構成を示す図である。

先ず、一点鎖線の部分が含まれない回路構成について説明する。
定電流回路２０は、図３に示すように、非飽和領域の動作でオン抵抗を変化させたり或いはスイッチング動作により出力電流を制御するトランジスタ（バイポーラトランジスタ）Ｑ１と、抵抗Ｒ１等により入力電流を検出してトランジスタＱ１を制御する定電流制御回路２１とから構成される。

この定電流回路２０は、出力電流を一定に保つ定電流動作のほか、切替制御回路５０からの信号に基づきトランジスタＱ１をオン状態にして後段の回路に直接的に電源電圧を出力する停止状態と、トランジスタＱ１をオフ状態にして電源電圧の入力を遮断する保護動作状態が可能にされている。

電圧レギュレータ３０は、図３に示すように、電流を流すことでエネルギーを蓄積するリアクトルＬ１と、スイッチング動作によりリアクトルＬ１に電流を流すトランジスタ（電界効果トランジスタ）ＦＥＴ１と、該トランジスタＦＥＴ１がオンのときに出力側からの電流の逆流を防ぐ整流素子Ｄ１と、トランジスタＦＥＴ１のオン・オフ制御を行うＳＷ制御回路３１とから構成される。

この電圧レギュレータ３０は、非動作時には、定電流回路２０から出力される電流をリアクトルＬ１にて平滑して２次電池Ｅ２に供給する。また、動作時には、所定の周波数および所定のデューティ比でトランジスタＦＥＴを動作させる昇圧動作を行い、出力電圧が満充電電圧になったらこの電圧を維持するように動作する。

次に、上記構成の充電システムの動作について説明する。
この充電システムにおいては、正常な場合に電源装置２から満充電電圧（例えば４．２Ｖ）よりも低い電源電圧（例えば４．0Ｖ）が供給されている。充電回路４の動作状態は、図５に示すように、定電流回路２０のみが動作する昇圧を伴わない定電流充電の状態と、定電流回路２０と電圧レギュレータ３０とが動作する昇圧を伴った定電流充電の状態と、電圧レギュレータ３０のみが動作する定電圧充電の状態と、の３つの状態がある。そして、このような動作状態の切替は、電池電圧の検出に基づき切替制御回路５０から定電流制御回路２１とＳＷ制御回路３１に停止信号や動作信号が出力されることで行われる。

切替制御回路５０は、充電中の電池電圧が満充電電圧よりも低いときには定電流回路２０を動作させ、満充電電圧に達したら定電流制御回路２１に停止信号を出力してトランジスタＱ１をオン状態にする。また、充電中の電池電圧が電源電圧の近傍に達するまでは、電圧レギュレータ３０を動作させず、電源電圧の近傍に達したらＳＷ制御回路３１に動作信号を出力して昇圧動作を開始させる。

ここで、電圧レギュレータ３０の動作タイミングは、例えば、電源電圧とほぼ同電圧或いは若干低い電圧の基準電圧を設定しておき、この基準電圧と電池電圧とを比較することで生成することが出来る。電源電圧が４．０Ｖであれば、基準電圧は例えば３．９Ｖ〜４．０Ｖと設定することができる。

定電流回路２０の動作期間には、定電流回路２０から一定の電流（例えば１Ｃ：Ｃは電池容量を１時間で充電する電流値）が出力され、電圧レギュレータ３０を通過して２次電池に入力される。これにより１Ｃの定電流充電が行われる。電源電圧よりも充電電圧が高い期間には、電圧レギュレータ３０が昇圧動作して２次電池Ｅ１に電流を供給することで１Ｃの定電流充電が保たれる。

なお、図３の回路では、電圧レギュレータ３０の動作時に、定電流回路２０の電流検出用抵抗Ｒ１には、充電電流に加えて、電圧レギュレータ３０のスイッチング電流も流れることとなるため、この電流の加算分を除外して２次電池に１Ｃの定電流が出力されるように、定電流制御回路２１において出力電流と検出電流の換算処理が行われるように構成する。なお、図３のように、電流検出を電圧レギュレータ３０の前段で行うのではなく、電圧レギュレータ３０の後段部分に電流検出用抵抗を設けて該後段部分で行うことで、上記の換算処理を省くようにしても良い。

また、定電流回路２０が停止されて電圧レギュレータ３０のみが動作する期間では、定電流回路のトランジスタＱ１はオン状態とされ、電圧レギュレータ３０が定電圧の制御動作を行って満充電電圧の電圧出力を維持する。そして、この電圧が２次電池Ｅ２に印加されて定電圧充電が行われる。
このような充電処理により、満充電電圧よりも低い電源電圧を用いて２次電池Ｅ２がフル充電される。

なお、上記の充電処理中に、例えば満充電電圧よりも大きい電圧が電圧検出回路４０により検出された場合には、切替制御回路５０から定電流制御回路２１に異常信号を一定時間出力させ、この異常信号によりトランジスタＱ１をオフされて、電源装置２からの電源電圧の供給を一定時間遮断するようにしても良い。

次に、図２の一点鎖線の部分を含んだ回路構成の充電回路について説明する。図４にこの回路構成図を示す。
この充電回路は、図３と同様の構成に加えて、電圧レギュレータ３０を介さずに２次電池Ｅ２に直接に電流出力を行う第２の定電流回路２０Ｂを設けたものである。すなわち、この第２の定電流回路２０Ｂは、図４に示すように、電源電圧端子と２次電池Ｅ２の端子間にリアクトル等を介さずに接続されたトランジスタＱ２を有している。トランジスタＱ２の動作制御を行う回路は、定電流制御回路２１によりトランジスタＱ１の制御用と合わせて１ブロックで表わしているが、別々の制御回路としても良い。

このような回路構成においては、電池電圧が電源電圧よりも低い期間においては、第１定電流回路２０は動作させずに、第２定電流回路２０Ｂのみを動作させて２次電池Ｅ２の定電流充電を行うように制御する。このような制御により、昇圧を伴わない定電流充電時にリアクトルＬ１や整流素子Ｄ１での損失をなくすことが出来る。

そして、電池電圧が電源電圧がよりも高くなったら、第２定電流回路２０Ｂを停止させてトランジスタＱ２をオフさせ、第１定電流回路２０と電圧レギュレータ３０とを動作させて昇圧を伴った定電流充電を行わせる。その後の動作は、図３の充電回路と同様である。

なお、図４の回路では、電圧レギュレータ３０に、電圧レギュレータ３０の入力が断たれた場合でもリアクトルＬ１に電流を供給し続けることが可能なアノードをグランド端子に接続した整流素子Ｄ２を設けている。これにより、電圧レギュレータ３０の動作時に、定電流回路のトランジスタＱ１が急にオフされても、整流素子Ｄ２を介してリアクトルＬ１に電流が流れるので、素子の破壊を防ぐことが出来る。また、定電流回路のスイッチング制御と電圧レギュレータのスイッチング制御を非同期とすることが出来るなど制御動作の自由度を増すことが出来る。

以上のように、この実施の形態の充電システムによれば、電源電圧が満充電電圧より低く設定されているので、充電電流や充電電圧を制御するトランジスタが破損したりした場合でも、２次電池Ｅ２に満充電電圧以上の電圧が印加されることがなく、過充電を回避することが出来る。

［第２の実施の形態］
図６には、第２の実施の形態の充電システムの基本構成を示したブロック図を、図７には、その回路構成の一例を示す構成図を示す。
第２実施形態の充電システムは、電源電圧が満充電電圧より低い電圧に設定されている点、充電時に電池電圧に応じて昇圧を伴わない定電流充電、昇圧を伴った定電流充電、満充電電圧による定電圧充電を行う点は、第１実施形態の充電システムとほぼ同様である。

この第２の実施の形態の充電システムでは、上記の構成に加えて、電源装置２からの入力電圧の検出を行う電源電圧検出回路３を有し、電源電圧が満充電電圧以下であることを確認してから充電処理回路（定電流回路や電圧レギュレータ）の動作を可能にしたものである。また、電源電圧が満充電電圧以上である場合には電源電圧の入力を遮断する構成を有したものである。

電源電圧検出回路３は、図７に示すように、検出電圧を出力する分割抵抗Ｒ２，Ｒ３と、この検出電圧に基づいて定電流回路のトランジスタＦＥＴ０をオフさせたり電圧レギュレータ３０のＳＷ制御回路３１に起動信号を出力するなどの検出制御を行う検出制御＆定電流制御回路２５とからなる。なお、この検出制御＆定電流制御回路２５は、定電流充電時にトランジスタＦＥＴ０を制御して定電流出力を行う定電流回路の制御回路も兼ねている。

検出制御＆定電流制御回路２５は、定電流制御に加えて、電源電圧が満充電電圧以下の場合にのみＳＷ制御回路３１に起動信号を供給して電圧レギュレータを動作可能とさせる制御と、電源電圧が満充電電圧以上だった場合に定電流制御を行うトランジスタＦＥＴ０をオフさせて２次電池Ｅ２側への電流を遮断する制御とを行う。

また、第２の実施の形態においては、電圧レギュレータ３０の整流素子として同期整流を行うトランジスタＦＥＴ２を適用しており、それにより、電圧レギュレータ３０での損失の低減を図っている。また、定電流回路の制御トランジスタとして電界効果トランジスタＦＥＴ１を用いて高耐圧化と低損失化とを図ることで、電源電圧として高い電圧が印加された場合にも電流の入力を遮断できるようになっている。

図８には、この充電システムの動作手順の一例を表わしたフローチャートを示す。
この実施の形態の充電システムにおいては、電源装置が接続されて電源電圧の供給がなされたら（ステップＳ１）、電源電圧検出回路３により電源電圧の電圧を検出して（ステップＳ２）、満充電電圧以下か否かを確認し（ステップＳ３）、満充電電圧より大きければ検出制御＆定電流制御回路２５の制御により定電流回路のトランジスタＦＥＴ０がオフに、ＳＷ制御回路３１への起動信号がネゲートのままとされる。
これにより、満充電電圧より大きな電源電圧が入力された場合には、電源電圧の入力が遮断され、充電処理が行われないようにされる。

一方、電源電圧が満充電電圧より小さいことが確認されたら、検出制御＆定電流制御回路２５からＳＷ制御回路３１へ起動信号が出力され、電圧レギュレータ３０が動作可能な状態になる（ステップＳ４）。そして、切替制御回路５０による電池電圧の監視に基づき電池電圧に応じて定電流回路と電圧レギュレータ３０とが協働して充電動作を行う（ステップＳ５）。

充電動作中、電源電圧が満充電電圧を超えたときには、検出制御＆定電流制御回路２５によりトランジスタＦＥＴ０がオフにされ、ＳＷ制御回路３１への起動信号をネゲートにして（ステップＳ６）、充電処理を異常終了する。

以上のように、この実施の形態の充電システムによれば、例えば、間違って出力電圧の高い電源装置が接続されたり、電源装置の故障等により高い電源電圧が入力されてしまった場合でも、それを遮断して２次電池Ｅ２が過充電することを防ぐことが出来る。

［第３の実施の形態］
図９には、第３の実施の形態の充電システムの回路構成図を示す。
第３実施形態の充電システムは、第１実施形態の充電システムとほぼ同様の構成であり、電圧レギュレータ３０の動作タイミングを発生させる構成のみを変更させたものである。

この実施形態の充電システムでは、トランジスタＦＥＴ１をスイッチング動作させて昇圧動作を開始させるタイミングとして、差電圧検出回路６０により電源電圧と電池電圧の差電圧を検出し、この差電圧が基準電圧となったタイミング、例えば、電源電圧Ｅ０−電池電圧Ｅ１＜基準電圧"０．０５〜０．２Ｖ"になったタイミングを検出する。そして、このタイミングで差電圧検出回路６０から検出信号を出力させ、この検出信号に基づき切替制御回路５０がＳＷ制御回路３１に動作信号を出力する。これにより、適宜なタイミングで昇圧を伴わない定電流充電から昇圧を伴った定電流充電へ移行することが出来る。

なお、２次電池Ｅ２の電池電圧を検出する電圧検出回路４０は、電池電圧が満充電電圧になったときに定電流回路２０の制御動作を停止させるのに必要であり、省略されていない。

このように、電源電圧と電池電圧の差電圧に基づいて電圧レギュレータ３０の昇圧動作を開始させるようにしても、最適な動作制御を実現することが出来る。

［第４の実施の形態］
図１０には第４実施形態の充電システムの回路構成図を、図１１にはこの充電システムの充電特性図を示す。
第４実施形態の充電システムは、第１実施形態の充電システムから、電圧レギュレータ３０の動作タイミングを発生させる構成を変更させたものである。この実施形態では、電圧レギュレータ３０を動作させるタイミングとして、昇圧動作を伴わない定電流充電時に電流値の監視を行って、電流値が基準量低下したことに基づき電圧レギュレータ３０の動作を開始させるものである。

そのため、この実施形態の充電システムでは、切替制御回路５２に充電電流の検出電圧を入力し、切替制御回路５２により定電流充電の電流値が監視され、且つ、この電流値の一定量の低下に基づいて切替制御回路５２から電圧レギュレータ３０のＳＷ制御回路３１に動作信号が出力されるようになっている。

図１１を参照しながらこの充電システムの動作について説明する。
このような充電システムによれば、図１１に示すように、電池電圧が電源電圧より十分に低いときには、電圧レギュレータ３０は動作せずに定電流回路２０のみが動作して定電流充電が行われる。この定電流充電において充電量が多くなってくると、電池電圧が高くなって電源電圧に近づき、定電流充電の電圧が維持できずに充電電流が低下してくる。

そして、この電流低下量が一定値ΔＩとなった場合に切替制御回路５２がＳＷ制御回路３１に動作信号を出力して、電圧レギュレータ３０を始動させ、昇圧動作を伴った定電流充電に移行する。その後は、第１実施形態の場合と同様に、電池電圧が満充電電圧になったら、定電流回路２０を停止させて電圧レギュレータ３０の動作による定電圧充電が行われて、満充電になるまで充電が続けられる。

以上のように、この実施形態の充電システムのように、充電電流の低下量に基づいて電圧レギュレータ３０を動作させるようにしても、定電流充電時における電圧レギュレータ３０の最適な動作制御を行うことが出来る。

［第５の実施の形態］
図１２には、第５実施形態の充電システムの構成図を示す。図１３は、この充電システムの動作を表わした動作特性図である。
この実施形態の充電システムは、２次電池Ｅ２からの電力供給で動作するシステムに２次電池Ｅ２を搭載したまま充電を行うとともに、２次電池Ｅ２の充電中に充電用の電源装置２からシステム回路１００側にも電力を供給して、該システム回路１００を動作可能にされたシステム（例えば携帯電話機など）に適用して有用なものである。

このようなシステムにおいては、電源装置２の出力電力にさほどの余裕がない場合、充電電流が大きく且つシステム回路１００への電力供給が大きくなると、出力不足によって電源電圧が低下し、システムの動作に支障をきたすことが考えられる。

そこで、本実施形態の充電システムでは、このような不都合が生じないように、２次電池Ｅ２の電圧がシステム回路１００の最低動作電圧よりも低い場合、すなわち、２次電池Ｅ２がシステム回路１００に電力を供給できない電池電圧の場合に、充電電流を小さくして電源装置２からシステム回路１００側への電力供給を不足させないようにする。

この充電システムは、上記の機能を実現するため、第１実施形態の充電システムの構成に加えて、２次電池Ｅ２の電池電圧に基づいて定電流回路２０の制御動作の切替を行う電流切替制御回路７０を設けている。

図１３に示すように、電流切替制御回路７０は、２次電池Ｅ２の電池電圧がシステム回路１００の最低動作電圧より低いときに、定電流制御回路２１に充電電流小の制御信号を出力する。そして、これにより、定電流回路２０は出力電流が一段低い値（例えば０．１〜０．３Ｃ）に設定される。また、電流切替制御回路７０は、２次電池Ｅ２の電池電圧がシステム回路１００の最低動作電圧よりマージン分を含めて大きくなったときに、充電電流小の制御信号をネゲートする。それにより、定電流回路２０は、電流値を所定の値（例えば１Ｃ）に戻す。

なお、定電流回路２０は、電流小の切替信号が入力された場合に、出力電流が小さな一定電流となるように制御するのではなく、図１４に示すように、電池電圧に応じて出力電流の大きさを変化させることで、電源装置２からシステム回路１００に供給される電源電圧が一定になるように制御するようにしても良い。

以上のように、この実施の形態の充電システムによれば、電源電圧を２次電池Ｅ２の充電とシステムの駆動との両方に使用する場合に、充電の電力負荷が大きくなってシステムの駆動が出来なくなるという不都合を回避することが出来る。

［第６の実施の形態］
図１５には、第６実施形態の充電システムの回路構成図を示す。
この実施形態の充電システムは、第５実施形態の場合と同様に、電源電圧により２次電池Ｅ２の充電とシステムの駆動との両方が行われる場合に、２次電池Ｅ２の充電のみに電力負荷が偏って電源装置２からシステム回路１００側への電力供給を不足させないようにするためのものである。

このため、この充電システムには、システム回路１００からシステムの動作モードを表わす信号を入力する入力端子ｔ１を備えている。そして、この入力端子ｔ１の信号によりシステムが通常動作モードや高負荷の動作モードである場合には、定電流回路２０の出力電流を低減して、電源装置２からシステム回路１００側に供給可能な電力を増加させるように制御する。

このような充電システムによれば、電源電圧を２次電池Ｅ２の充電とシステムの駆動との両方に使用する場合に、システムの負荷が高くなった場合に充電電流を低減させて充電用の電力を確保できるので、充電の電力負荷が大きくなってシステムの動作が停止するという不都合を回避できる。

［第７の実施の形態］
図１６には、第７実施形態の充電システムの回路構成図を示す。
この実施形態の充電システムは、第１実施形態の充電システムの構成に加えて、電源端子に過大電圧や過大電流が入力された場合に、ヒューズ８２を切断して電源端子からの入力を遮断する機能を有したものである。

この充電システムは、電源端子と２次電池Ｅ２とを結ぶ電流経路の電源端子側に接続されたヒューズ８２と、電源端子の入力電圧や入力電流を監視して過大な入力があった場合にヒューズ８２を切断する切断信号を出力する異常検出回路８０とを備えている。

ヒューズ８２は、定格電流以上で切断される通常のヒューズや、或いは、抵抗成分を含み所定の電力以上で切断される抵抗ヒューズなどを用いることが出来る。

異常検出回路８０は、異常検出時に電圧レギュレータ３０のＳＷ制御回路３１や定電流回路２０の制御回路２１に切断信号を出力する。各制御回路２１，３１は、この切断信号に基づきトランジスタＱ１やトランジスタＦＥＴ１をオンさせて、ヒューズ８２を介して２次電池Ｅ２から分離された電流経路で電源端子間を短絡させ、ヒューズ８２を切断する。

図１７には、充電システムの回路構成においてヒューズを切断する構成の変形例を示す。
図１７に示すように、電圧レギュレータ３０の整流素子として同期整流用のトランジスタＦＥＴ２を採用している場合、ヒューズ８２を切断するためにトランジスタＦＥＴ１をオンさせたときに、２次電池Ｅ２からこのトランジスタＦＥＴ１を介して放電が行われることが考えられる。従って、このように同期整流方式の電圧レギュレータ３０を採用している場合には、切断信号が入力されたらトランジスタＦＥＴ２をオフにして、２次電池Ｅ２の放電を遮断するように制御すると良い。

なお、図１７に一点鎖線で示すように、ヒューズ８２の切断時に、電圧レギュレータ３０のＳＷ制御回路３１を介してトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２をオン・オフ制御するのでなく、異常検出回路８０が直接にこれらトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２を駆動して同様の動作を実現するようにしても良い。

また、ヒューズ切断用のスイッチ素子や電流経路をそれ専用に用意して、このスイッチ素子をオン・オフ制御してヒューズ８２を切断するようにしても良い。また、その際に、２次電池Ｅ２の放電経路が生じる場合には、その放電経路を遮断するスイッチ素子を設けて放電経路を遮断するように制御すると良い。

以上のように、この実施の形態の充電システムによれば、不慮の事故で電源端子から高電圧や大電流の入力があった場合でも、ヒューズ８２の切断により２次電池Ｅ２にその影響が及ぶのを回避して充電システムの安全性をより高めることが出来る。

［第８の実施の形態］
図１８には、第８実施形態の充電システムの回路構成例を示す。
この実施形態の充電システムは、電源端子がオープンの場合に充電回路を介して２次電池Ｅ２からシステム回路１００へ電力供給を可能としたものである。

そのため、この充電システムでは、先ず、電圧レギュレータ３０の整流素子としてトランジスタＦＥＴ２を用いた、同期整流方式の電圧レギュレータ３０を採用している。

さらに、定電流回路２０の電流制御素子（トランジスタＱ１）と並列に、入力側をカソードとした整流素子Ｄ３を接続している。

このような構成により、電圧レギュレータ３０の同期整流用トランジスタＦＥＴ２をオンすることで、トランジスタＦＥＴ２、リアクトルＬ１、整流素子Ｄ３を介して、２次電池Ｅ２からシステム回路１００へ電流を出力することが可能となる。さらに、電圧レギュレータ３０を逆向きの出力で降圧型のスイッチングレギュレータとして動作させることで、システム回路１００へ出力する電圧を調整することも可能となる。

図１９と図２０には、充電回路を介して２次電池Ｅ２からシステム回路に電力供給を可能とした充電システムの変形例を示す。
定電流回路２０を迂回して２次電池Ｅ２からシステム回路１００へ電流を供給する構成としては、様々な構成を適用することが出来る。例えば、図１９に示すように、定電流回路２０の電流制御用のトランジスタとして、入力側がカソードにされたボディダイオードを有した電界効果トランジスタＦＥＴ３を用いることで、図１８と同様の作用を得ることが出来る。すなわち、トランジスタＦＥＴ３のボディダイオードを介してシステム回路側に電流を流すことが出来る。

すなわち、このような構成により、電圧レギュレータ３０の同期整流用トランジスタＦＥＴ２をオンすることで、トランジスタＦＥＴ２、リアクトルＬ１、トランジスタＦＥＴ３のボディダイオードを介して、２次電池Ｅ２からシステム回路１００へ電流を出力することが可能となる。

また、図２０に示すように、電流制御用のトランジスタＱ１や電圧レギュレータ３０のリアクトルＬ１と並列に電界効果トランジスタＦＥＴ４を接続して、放電制御回路９０によりこのトランジスタＦＥＴ４のオン・オフ制御できるように構成しても良い。そして、放電モードのときに放電制御回路９０がトランジスタＦＥＴ４をオン駆動し、２次電池Ｅ２からシステム回路１００へ電流を供給することが出来る。

以上のように、この実施形態の充電システムによれば、電源端子にシステム回路１００を並列に接続することで、２次電池Ｅ２からシステム回路１００への放電も可能となる。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限られるものではない。例えば、２次電池としてリチウムイオン電池を例示しているが、同様の充電特性を有するものであれば、他の２次電池を適用しても良い。その他、実施の形態で具体的に示した回路構成や動作内容は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の第１実施形態の充電システムの基本構成を示したブロック図である。 図１の充電システムの充電回路の部分を展開したブロック図である。 第１実施形態の充電システムの回路構成の一例を示した構成図である。 第１実施形態の充電システムの回路構成の一例を示した構成図である。 第１実施形態の充電システムの動作内容を説明した充電特性グラフである。 第２実施形態の充電システムの基本構成を示したブロック図である。 第２実施形態の充電システムの回路構成の一例を示す構成図である。 第２実施形態の充電システムの動作手順の一例を示したフローチャートである。 第３実施形態の充電システムを示す回路構成図である。 第４実施形態の充電システムを示す回路構成図である。 第４実施形態の充電システムの動作を示した充電特性図である。 第５実施形態の充電システムを示す回路構成図である。 第５実施形態の充電システムの動作を示した充電特性図である。 第５実施形態の充電システムの動作の変形例を示した充電特性図である。 第６実施形態の充電システムを示す回路構成図である。 第７実施形態の充電システムを示す回路構成図である。 ヒューズを切断する構成の変形例を示した回路構成図である。 第８実施形態の充電システムを示す回路構成図である。 充電回路を介して２次電池からシステム回路に電力供給を可能とした第１変形例を示す回路構成図である。 充電回路を介して２次電池からシステム回路に電力供給を可能とした第２変形例を示す回路構成図である。

符号の説明

２ 電源装置
３ 電源電圧検出回路
４ 充電回路
Ｅ２ ２次電池
２０ 定電流回路
Ｑ１ 電流制御用のトランジスタ
２１ 定電流制御回路
２５ 検出制御＆定電流制御回路
３０ 電圧レギュレータ（昇圧回路）
Ｌ１ リアクトル
Ｄ１ 整流素子
ＦＥＴ２ 同期整流用のトランジスタ
ＦＥＴ１ トランジスタ
３１ ＳＷ制御回路
４０ 電圧検出回路
５０ 切替制御回路
６０ 差電圧検出回路
７０ 電流切替制御回路
ｔ１ 入力端子（制御端子）
８０ 異常検出回路
８２ ヒューズ
９０ 放電制御回路
１００ システム回路

Claims (11)

1. 入力された電源電圧により２次電池の充電を行う２次電池充電回路において、
   前記電源電圧が２次電池の満充電電圧よりも低い電圧に設定されていることを特徴とする２次電池充電回路。
2. 前記電源電圧を検出する電源電圧検出回路を備え、
   該電源電圧検出回路は前記電源電圧が満充電電圧より低いと検出した場合に充電動作を起動させることを特徴とする請求項１記載の２次電池充電回路。
3. 前記電源電圧と２次電池とを接続する電流経路に該電流経路を開閉する第１スイッチ素子を備え、
   前記電源電圧検出回路は前記電源電圧が満充電電圧より高いと検出した場合に前記第１スイッチ素子をオフにすることを特徴とする請求項２記載の２次電池充電回路。
4. 前記電源電圧から２次電池に供給される電流を制御する電流回路と、
   前記電源電圧を昇圧する昇圧回路とを備え、
   ２次電池の電圧が前記電源電圧より低いときに前記電流回路が動作して昇圧を伴わない定電流充電を行い、
   ２次電池の電圧が前記電源電圧より高く満充電電圧より低いときに前記昇圧回路が動作して昇圧を伴った定電流充電を行う、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の２次電池充電回路。
5. 前記電源電圧と２次電池の電圧との差電圧を検出する差電圧検出回路を備え、
   前記昇圧を伴わない定電流充電の期間中、前記差電圧検出回路により前記差電圧が基準値以下になったことが検出されたことに基づき、前記昇圧回路を始動して前記昇圧を伴った定電流充電に移行することを特徴とする請求項４記載の２次電池充電回路。
6. 充電電流の低下を検出する電流低下検出回路を備え、
   前記昇圧を伴わない定電流充電の期間中、前記電流検出回路により充電電流が所定量低下したことが検出されたことに基づき、前記昇圧回路を始動して前記昇圧を伴った定電流充電に移行することを特徴とする請求項４記載の２次電池充電回路。
7. ２次電池の電圧を検出する電池電圧検出回路を備え、
   前記電流回路は、前記２次電池の電圧値に基づいて充電電流の大きさを切り換えることを特徴とする請求項４〜６の何れかに記載の２次電池充電回路。
8. 前記電流回路は、２次電池の電圧が、当該２次電池の電圧供給により動作するシステムの最低動作電圧より高いときに充電電流を第１の電流値に制御する一方、２次電池の電圧が前記最低動作電圧より低いときに充電電流を前記第１の電流値より小さい電流値に制御することを特徴とする請求項７記載の２次電池充電回路。
9. ２次電池の電圧供給により動作するシステムからシステムの動作モードを表わす信号が入力される制御端子を備え、
   前記電流回路は、前記制御端子の信号に基づいて充電電流の大きさを切り換えることを特徴とする請求項４〜８の何れかに記載の２次電池充電回路。
10. 前記電源電圧と２次電池とを接続する電流経路上に設けられたヒューズと、
    前記電源電圧および入力電流を検出する電圧電流検出回路と、
    前記ヒューズと直接に接続された第２スイッチ素子とを備え、
    前記電源電圧又は入力電流が制限値を超えた場合に前記第２スイッチ素子をオンさせて前記ヒューズを切断することを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の２次電池充電回路。
11. 前記第２スイッチ素子をオンさせたときに２次電池からの電流が該第２スイッチ素子に流れないように、前記２次電池からの電流を遮断可能な整流素子又は第３スイッチ素子を備えていることを特徴とする請求項１０記載の２次電池充電回路。

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