JP2008067496A - 二次電池の充電装置及び充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の燃料の消費を抑え、十分に放電した二次電池に対しエネルギーを充電可能な、充電装置及び充電方法を提供する。
【解決手段】燃料電池１０１と、上記燃料電池の電力にて充電される二次電池１０２と、上記燃料電池の出力電圧、及び上記二次電池の出力電圧に基づいて上記燃料電池から上記二次電池への充電の可否を判断する充電手段１０７とを備えた。二次電池への充電の可否を燃料電池及び二次電池の出力電圧に基づき判断することから、燃料電池の燃料消費を抑え、二次電池に対して多くのエネルギーを充電することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の充電装置及び充電方法に関し、特に燃料電池のみ、又は燃料電池と直流電源とを併用して二次電池の充電を行う充電装置及び充電方法に関する。

携帯電子機器では、経済性、利便性、電力の出力密度などの観点から二次電池、特に最近ではリチウムイオン電池が多く利用されている。携帯電子機器のアプリケーションは、増加の一途をたどり、最近では地上デジタル放送、所謂１セグ放送がスタートし、携帯電子機器にてテレビを視聴することが一般化されようとしている。それに伴い、携帯電子機器における消費電力が飛躍的に増大している。これに対し、リチウムイオン電池の出力密度は、満足できるものの、エネルギー密度が足らないため短時間の動作しか行えない。しかも携帯電子機器の消費電力の増加に電池性能向上が追いつかず、携帯電子機器の動作時間がユーザーの要求に応えられなくなってきている。

この状況を解決するために期待されているのが燃料電池である。特に燃料にメタノールを使い、ポンプなどの補機を用いないパッシブ型ＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は小型化が可能で、携帯電話などの小型携帯電子機器の電源として期待されている。燃料電池のエネルギー密度は、重量当たりでリチウムイオン電池の約１０倍、体積当りでも３倍以上有り、しかも燃料であるメタノールを追加すれば継続して電力を供給することができるため、動作時間に対する要求は満たせる。一方、出力密度が小さく、現状の携帯電子機器の要求にはまだ届かない。そこで、現状の二次電池と燃料電池とを組み合わせることで、上述の問題を解決しようとする試みがなされている。

例えば、特開２００６−１２１７８９号公報、及び特開２００６−５４９７６号公報では、複数組の二次電池を備え、それら複数組の二次電池について、負荷に電力を供給し放電を行う組と、燃料電池を用いて充電する組とに分け、交互に放電と充電とを切り換えることで動作時間を延ばすようにした携帯機器が開示されている。

又、特開２００６−５４９７６号公報では、商用交流電源を用いて二次電池の充電を行う場合には、燃料電池からの充電電流を停止することで、燃料電池の燃料の消耗を抑える技術も開示されている。

さらに、特開２００６−１２８０８８号公報では、エネルギー密度は小さいが、出力密度の大きい電気二重層コンデンサを燃料電池に並列に接続して、二次電池に断続的に電力を供給することで二次電池の充電を行う技術が開示されている。
特開２００６−１２１７８９号公報 特開２００６−５４９７６号公報 特開２００６−１２８０８８号公報

しかしながら、従来の燃料電池を用いて二次電池を充電する方法は、二次電池の状態について、ほとんど考慮されていなかった。すなわち、二次電池がまだ負荷に対し十分電力を供給できるにもかかわらず、機械的に燃料電池からの充電が行われていた。そのため、不用意に燃料電池の燃料が消費され、いざ、完全に放電された二次電池に対して燃料電池を接続したとき、十分な充電を行うだけの燃料が残っていないという事態が発生していた。

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたもので、燃料電池の燃料の消費をできるだけ抑え、十分に放電した二次電池に対し、できるだけ多くのエネルギーを充電可能であり、有限である燃料電池の燃料をより有効に活用可能とする、充電装置及び充電方法を提供することを目的とする。

本発明の第１態様における充電装置は、燃料電池を用いて二次電池を充電する充電装置において、
上記燃料電池と上記二次電池との間に接続され、上記燃料電池の出力電圧、及び上記二次電池の出力電圧に基づいて上記燃料電池から上記二次電池への充電の可否を判断する充電手段であって、上記燃料電池の出力電圧が第１電圧以上か否かを検出するＦＣ電圧検出手段を有する充電手段を備えたことを特徴とする。
このように構成することで、燃料電池及び二次電池を有し当該充電装置とは独立して別設される装置に対して、当該充電装置を外付けすることが可能である。

本発明の第２態様における充電装置は、燃料電池と、
上記燃料電池の電力にて充電される二次電池と、
上記燃料電池と上記二次電池との間に接続され、上記燃料電池の出力電圧、及び上記二次電池の出力電圧に基づいて上記燃料電池から上記二次電池への充電の可否を判断する充電手段であって、上記燃料電池の出力電圧が第１電圧以上か否かを検出するＦＣ電圧検出手段を有する充電手段と、
を備えたことを特徴とする。

又、上記充電手段は、上記二次電池の出力電圧が第２電圧未満か否かを検出するＢＡＴ電圧検出手段をさらに有し、上記二次電池の出力電圧が上記第２電圧未満であると上記ＢＡＴ電圧検出手段にて検出され、かつ上記燃料電池の出力電圧が上記第１電圧以上であると上記ＦＣ電圧検出手段にて検出されたときに、上記燃料電池による上記二次電池の充電を行うこともできる。

又、上記二次電池の充電を行う直流電源をさらに備え、
上記充電手段は、上記直流電源の出力電圧が第３電圧以上か否かを検出するＤＣ電圧検出手段をさらに有し、上記二次電池の出力電圧が第２電圧未満であり、かつ上記燃料電池の出力電圧が第１電圧以上であり、かつ上記直流電源の出力電圧が第３電圧未満であると上記ＤＣ電圧検出手段にて検出されたときに、上記燃料電池による上記二次電池の充電を行うこともできる。

又、上記第３電圧は、上記燃料電池の出力電圧よりも高く設定することもできる。
このように構成することで、充電手段への給電を直流電源で行うか、燃料電池で行うかを簡単な回路で切り換えることができる。

又、上記充電手段は、上記直流電源の出力電圧が第３電圧以上であると上記ＤＣ電圧検出手段にて検出されたときには、上記燃料電池ではなく上記直流電源にて上記二次電池の充電を行うこともできる。
このように構成することで、燃料電池の燃料の消費を抑え充電時間の短縮を図ることができる。

又、上記直流電源にて上記二次電池の充電を行う場合には定電流−定電圧充電を行い、上記燃料電池にて上記二次電池の充電を行う場合には定電流充電を行うこともできる。
このように構成することで、燃料電池の燃料の消費を抑え充電時間の短縮を図ることができる。

又、上記充電手段は、上記燃料電池にて上記二次電池の充電を行うときの充電電流値を、上記直流電源にて定電流充電を行うときの充電電流値より小さく設定することもできる。

又、上記充電手段は、上記燃料電池にて上記二次電池の充電を行うとき、上記二次電池が満充電電圧以下の第４電圧に上記二次電池の電圧が達したときに充電を完了することもできる。
このように構成することで、燃料電池の燃料の消耗を減らし充電時間の短縮を図ることができる。

又、上記燃料電池で充電を行う場合は、上記充電手段に備わる定電圧充電回路の動作を禁止することもできる。
このように構成することで、燃料電池の燃料の消耗を減らすことができる。

さらに本発明の第３態様における充電方法は、二次電池の充電方法であって、
燃料電池の出力電圧が第１電圧以上か否かを検出し、
二次電池の出力電圧が第２電圧未満か否かを検出し、
上記燃料電池の出力電圧が上記第１電圧以上で、かつ、上記二次電池の出力電圧が上記第２電圧未満の場合に、上記燃料電池による上記二次電池の充電を開始する、
ことを特徴とする。

本発明の第１態様及び第２態様の充電装置、並びに第３態様の充電方法によれば、燃料電池及び二次電池の出力電圧に基づいて二次電池の充電の可否を判断するようにした。即ち、ＦＣ電圧検出手段を備え、二次電池の状態つまり二次電池の出力電圧を、二次電池の充電可否の判断材料として検出するようにしたことから、燃料電池の燃料消費を抑えることができ、十分に放電した二次電池に対して多くのエネルギーを充電することが可能となる。さらに詳しくはＢＡＴ電圧検出手段を備え、燃料電池の出力電圧が第１電圧以上で、かつ、二次電池の出力電圧が第２電圧未満の場合に、上記燃料電池による上記二次電池の充電を開始するようにした。このように構成することで、二次電池の出力電圧及び燃料電池の出力電圧を考慮したことより、燃料電池の燃料消費を抑えることができ、十分に放電した二次電池に対して多くのエネルギーを充電することが可能となる。

又、燃料電池による充電では、定電流充電だけしか行わないようにし、しかも満充電になる前に充電を停止するようにしたことより、充電時間の短縮が図れ、充電手段の回路規模の縮小とそれに伴うコストダウン、消費電流の削減が可能となり、又、燃料電池の消耗を少なくすることができる。

さらにまた、直流電源を備えるときには、ＤＣ電圧検出手段をさらに有し、上記直流電源の出力電圧が第３電圧未満で、かつ上記燃料電池の出力電圧が上記第１電圧以上で、かつ上記二次電池の出力電圧が上記第２電圧未満の場合に、上記燃料電池にて上記二次電池の充電を行うようにした。このように構成することで、直流電源を備え、規定の条件を満たすときには、直流電源からの充電を優先することで、さらに燃料電池の燃料消費を抑えることができ、二次電池に対して多くのエネルギーを充電することが可能となる。又、直流電源使用時には、通常の定電流−定電圧充電を行うようにしたので、フル充電も可能である。

さらに、燃料電池の出力密度に配慮して、燃料電池使用時の定電流充電の電流値を直流電源使用時の場合に比べ少なくした。この結果、満充電電圧よりやや低い電圧で充電停止を行っても、フル充電時の８０％程度の充電が可能となった。

以上の対策により、燃料電池を有効に使用することができるようになり、不用意に燃料電池の燃料消費が抑制され、完全に放電された二次電池が充電装置に接続されたときに十分な充電を行うことができるようになった。

本発明の実施形態である充電装置、及び該充電装置を使用した充電方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。尚、以下に説明する実施形態では、充電装置は、燃料電池及び二次電池を備えた構成を有するが、燃料電池及び二次電池は必須の構成部分ではない。即ち、充電装置は、最低限、下記の充電手段を備えればよい。

図１は、第１実施形態における充電装置１１０の構成を示すブロック図である。充電装置１１０は、燃料電池１０１、二次電池１０２、充電制御回路１０３、ＦＣ電圧検出手段１０４、ＢＡＴ電圧検出手段１０５、及びアンド回路１０６を備える。ここで、充電制御回路１０３、ＦＣ電圧検出手段１０４、ＢＡＴ電圧検出手段１０５、及びアンド回路１０６は、充電手段１０７の一構成例である。このような充電手段１０７は、燃料電池１０１と二次電池１０２との間に接続され、燃料電池１０１の出力電圧、及び二次電池１０２の出力電圧に基づいて燃料電池１０１から二次電池１０２への充電の可否を判断する。各構成部分について以下に説明する。

燃料電池１０１は、本実施形態では、上述したパッシブ型ＤＭＦＣである。パッシブ型は、アクティブ型に比べ出力は落ちるが、燃料供給用のポンプ等の補機が不要なため小型携帯機器には適している。燃料電池１０１の出力は、充電制御回路１０３、ＦＣ電圧検出手段１０４及びＢＡＴ電圧検出手段１０５の各端子Ｖｄｄに接続され、燃料電池１０１は、これらの回路にそれぞれ電力を供給する。

二次電池１０２は、本実施形態ではリチウムイオン電池であり、充電制御回路１０３の出力に接続されている。又、二次電池１０２の電圧は、ＢＡＴ電圧検出手段１０５の入力端子Ｖｉｎにも接続されている。

ＦＣ電圧検出手段１０４は、燃料電池１０１の出力電圧が第１電圧Ｖ１以上か否かを検出する回路であり、燃料電池１０１の出力電圧が上記第１電圧Ｖ１以上の場合にハイレベルの信号を、アンド回路１０６の一方の入力へ出力する。尚、上記第１電圧Ｖ１は、本実施形態では、燃料電池１０１が確実に起動しているときの最低出力電圧に設定している。

ＢＡＴ電圧検出回路１０５は、二次電池１０２の出力電圧が入力端子Ｖｉｎに入力されており、二次電池１０２の出力電圧が第２電圧Ｖ２未満か否かを検出する回路であり、二次電池１０２の出力電圧が第２電圧Ｖ２未満の場合にハイレベルの信号を、アンド回路１０６の他方の入力に出力する。尚、第２電圧Ｖ２は、本実施形態では、二次電池１０２の電圧が負荷を駆動できる最低電圧に近い電圧に設定している。
アンド回路１０６の出力は、充電制御回路１０３の入力端子Ａに接続されている。

充電制御回路１０３は、入力端子Ａにアンド回路１０６からハイレベルの信号が印加されると、端子Ｖｄｄに入力された燃料電池１０１の出力電圧を用いて、出力端子Ｖｏに接続された二次電池１０２の充電を開始する。

以上のように構成された充電装置１１０の動作、つまり二次電池１０２の充電方法について、図２を参照して以下に説明する。
図２に示すステップＳ１では、ＦＣ電圧検出手段１０４にて、燃料電池１０１の出力電圧が第１電圧Ｖ１以上か否かを確認する。燃料電池１０１の出力電圧が第１電圧Ｖ１以上であれば、燃料電池１０１が起動しており、充電可能な電圧を出力していることから、ステップＳ２の、二次電池１０２の電圧確認に進む。一方、燃料電池１０１の出力電圧が第１電圧Ｖ１未満であれば、燃料電池１０１の出力電圧が第１電圧Ｖ１以上になるまで、ステップＳ１の確認動作を繰り返す。

ステップＳ２において、ＢＡＴ電圧検出回路１０５にて、二次電池１０２の電圧が第２電圧未満、つまり充電要と判断されたときには、ＦＣ電圧検出手段１０４及びＢＡＴ電圧検出回路１０５はともにハイレベル信号をアンド回路１０６に出力している。よって、アンド回路１０６は、ハイレベル信号を充電制御回路１０３に送出し、ステップＳ３にて、充電制御回路１０３は、燃料電池１０１により二次電池１０２の充電を開始する。尚、二次電池１０２の電圧が第２電圧以上、つまり充電不要であれば、ステップＳ１に戻る。
このように、ステップＳ１及びステップＳ２では、燃料電池１０１が起動され充電を行うのに十分な出力電圧となり、しかも二次電池１０２の容量が充電を必要とする電圧まで低下していることを検出している。

ステップＳ３に進むと直ぐにステップＳ４に移り、定電流Ｉｆｃにて、二次電池１０２の充電が開始される。定電流Ｉｆｃの電流値は、燃料電池１０１の出力密度に依存するため、それほど大きくはできない。燃料電池１０１の出力密度にもよるが、例えば０．５Ｃ電流以下の電流値が望ましい。

充電中に、ステップＳ５にて、ＢＡＴ電圧検出回路１０５は、二次電池１０２の電圧を確認し、第４電圧Ｖ４以上になったか調べる。二次電池１０２の電圧が第４電圧Ｖ４以上になったときには、充電を終了する。ここで、第４電圧Ｖ４は、二次電池１０２の満充電時の電圧と同じか、やや低い電圧に設定する。例えば、満充電時の電圧が４．２Ｖの場合であれば、第４電圧Ｖ４を４．２Ｖ〜４．１Ｖ程度に設定する。

通常、リチウムイオン電池の充電は、定電流−定電圧充電を行う。すなわち、定電流充電で満充電電圧に達すると、満充電電圧による定電圧充電に切り換える。定電圧充電中は、充電電流は減少する。充電電流がほぼ０Ａになった時点が満充電となるが、通常は、０Ａに近い所定の電流値になった時点で充電完了としている。定電圧充電で注意しなければならないことは、定電圧の精度である。リチウムイオン電池は、過充電すると障害を起こす可能性があるため、定電圧充電時の電圧は、誤差を含め満充電電圧を超えてはならない。しかし、誤差の大きい定電圧電源を用いた場合、誤差下限の定電圧で充電すると満充電まで充電できないことになる。そのため、定電圧充電に用いる定電圧電源の出力電圧誤差は、±１０ｍＶ前後と極めて高精度の電源を用いている。

又、リチウムイオン電池の定電流充電においては、定電流充電の電流値が大きいほど満充電電圧に達した時点での充電容量は少なくなっている。これはリチウムイオン電池の内部抵抗による電圧降下が大きく影響するためである。例えば、１Ｃ電流で定電流充電を行った場合、満充電電圧に達した時点での充電容量は７５％前後に対し、０．５Ｃ電流で定電流充電を行った場合は、８０％前後まで充電されている。そのため、０．５Ｃ電流以下で定電流充電を行った場合、充電完了電圧が満充電電圧より０．１Ｖ低くても８０％近く充電されている。

本実施形態では、定電圧充電を行わず、充電完了時の第４電圧Ｖ４を二次電池１０２の満充電電圧よりやや低い電圧でも可能としたので、従来必要であった定電圧充電回路が不要となり、充電完了を検出するための第４電圧Ｖ４の精度も±５０ｍＶ程度とラフでよいため簡単な回路で実現できる。これにより、充電制御回路１０３の回路規模の縮小と消費電流の低減が可能となり、回路コストの削減と、充電制御回路１０３で消費する燃料電池の負担の減少が可能となった。しかも、比較的時間の長い定電圧充電を行わないことから、充電時間が短くなり、さらに満充電時の８０％前後の充電が可能であり、燃料電池１０１の燃料消費も抑えることができるようになった。

図３は、本発明の第２実施形態における充電装置１２０のブロック図である。図１に示す充電装置１１０と異なる点は、ＦＣ電圧検出手段１０４及びアンド回路１０６を削除し、ＢＡＴ電圧検出手段１２５の出力が直接、充電制御回路１２３の入力端子Ａに接続されている点である。尚、充電制御回路１２３は、上記充電制御回路１０３に相当する回路であり、ＢＡＴ電圧検出手段１２５は、上記ＢＡＴ電圧検出手段１０５に相当する回路である。又、充電制御回路１２３及びＢＡＴ電圧検出手段１２５は、充電手段１０７の一構成例である。

充電制御回路１２３の駆動電源は、燃料電池１０１から供給されており、燃料電池１０１が起動して出力電圧が第１電圧Ｖ１以上の場合に動作可能なようにしている。よって、充電制御回路１２３は、燃料電池１０１の出力電圧が第１電圧Ｖ１以上の場合に、二次電池１０２の電圧が第２電圧Ｖ２未満でありＢＡＴ電圧検出手段１２５の出力がハイレベルであるときに、充電を開始する。一方、充電制御回路１２３は、燃料電池１０１の出力電圧が第１電圧Ｖ１未満であるとき、又は二次電池１０２の出力電圧が第２電圧Ｖ２以上の場合には充電を開始しない。
このような構成を有する充電装置１２０における動作、つまり充電方法は、図２を参照して説明した動作に同じである。よって、ここでの説明は省略する。

図４は、本発明の第３実施形態における充電装置１６０のブロック図である。
充電装置１６０は、燃料電池１０１、直流電源としての機能を果たす一例であるＡＣアダプタ１３２、二次電池１３０、充電制御回路１４０、及び電圧検出回路１５０を備え、ＡＣアダプタ１３２と燃料電池１０１とのどちらか一方を用いて二次電池１３０の充電を行う。又、充電制御回路１４０及び電圧検出回路１５０は、充電手段１０７の一構成例である。

燃料電池１０１は、パッシブ型ＤＭＦＣであり、燃料電池１０１の出力は、充電制御回路１４０及び電圧検出回路１５０に入力されている。
ＡＣアダプタ１３２は、商用電源を用いた直流電源で、燃料電池１０１の出力電圧より少し高い電圧を出力する。又、ＡＣアダプタ１３２の出力は、燃料電池１０１と同様、充電制御回路１４０と電圧検出回路１５０に入力されている。
二次電池１３０は、リチウムイオン電池であり、充電制御回路１４０と接地との間に接続されている。

充電制御回路１４０は、制御回路１４１、充電電流検出回路１４２、電池電圧検出回路１４３、演算増幅回路１４４と１４５、第１〜第３の３つの基準電圧Ｖｒ１〜Ｖｒ３、３つのＰＭＯＳトランジスタＭ４１〜Ｍ４３、２つのＮＭＯＳトランジスタＭ４４、Ｍ４５、２つのダイオードＤ４１、Ｄ４２、３つの抵抗Ｒｓ、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、及びスイッチ手段ＳＷ１を備える。

ＰＭＯＳトランジスタＭ４１は、充電電流制御用トランジスタである。ＰＭＯＳトランジスタＭ４１のドレインは、ＰＭＯＳトランジスタＭ４２及びダイオードＤ４１を介して燃料電池１０１の出力に接続され、さらに、ＰＭＯＳトランジスタＭ４３及びダイオードＤ４２を介してＡＣアダプタ１３２の出力に接続されている。ＰＭＯＳトランジスタＭ４１のソースは、抵抗Ｒｓを介して二次電池１３０の正極に接続されている。又、ＰＭＯＳトランジスタＭ４１のゲートは、抵抗Ｒ１で電源Ｖｄｄにプルアップされると共に、ゲート−接地間には、直列接続されたＮＭＯＳトランジスタＭ４４及びＮＭＯＳトランジスタＭ４５が接続されている。
ダイオードＤ４１及びダイオードＤ４２は、逆流防止ダイオードであり、二次電池１３０から燃料電池１０１又はＡＣアダプタ１３２への電流の逆流と、燃料電池１０１からＡＣアダプタ１３２又はその逆へ電流が流れるのを防止している。

ＰＭＯＳトランジスタＭ４２、Ｍ４３は、二次電池１３０の充電に用いる電源を選択する。ＰＭＯＳトランジスタＭ４２がオンのときには、燃料電池１０１が選択され、ＰＭＯＳトランジスタＭ４３がオンのときには、ＡＣアダプタ１３２が選択される。尚、ＰＭＯＳトランジスタＭ４２とＰＭＯＳトランジスタＭ４３とが同時にオンすることはない。又、ＰＭＯＳトランジスタＭ４２及びＰＭＯＳトランジスタＭ４３のゲートは、制御回路１４１に接続されている。

ＮＭＯＳトランジスタＭ４４のドレインは、ＰＭＯＳトランジスタＭ４１のゲートに接続され、ソースはＮＭＯＳトランジスタＭ４５のドレインに接続されている。又、ＮＭＯＳトランジスタＭ４４のゲートは、演算増幅回路１４４の出力に接続されると共に、電源Ｖｄｄに抵抗Ｒ２でプルアップされている。

演算増幅回路１４４の非反転入力と接地との間には、第１基準電圧Ｖｒ１が印加されている。又、演算増幅回路１４４の反転入力には、電池電圧検出回路１４３の出力が印加されている。さらに、演算増幅回路１４４の制御端子ＣＥは、制御回路１４１に接続されている。

電池電圧検出回路１４３は、二次電池１３０の出力電圧に比例した電圧を出力しているので、演算増幅回路１４４は、電池電圧検出回路１４３の出力電圧が第１基準電圧Ｖｒ１と等しくなるように、ＮＭＯＳトランジスタＭ４４を介してＰＭＯＳトランジスタＭ４１のゲート電圧を制御する。これによって定電圧充電制御が行われる。

ＮＭＯＳトランジスタＭ４５のドレインは、ＮＭＯＳトランジスタＭ４４のソースに接続され、ＮＭＯＳトランジスタＭ４５のソースは接地され、ＮＭＯＳトランジスタＭ４５のゲートは、演算増幅回路４５の出力に接続されている。演算増幅回路４５の非反転入力は、スイッチ手段ＳＷ１の共通端子Ｃに接続されている。スイッチ手段ＳＷ１の端子Ａと接地との間には、第２基準電圧Ｖｒ２が接続され、スイッチ手段ＳＷ１の端子Ｂと接地との間には、第３基準電圧Ｖｒ３が接続されている。又、演算増幅回路１４５の反転入力には、充電電流検出回路１４２の出力が印加されている。さらに、演算増幅回路１４５の制御端子ＣＥは、制御回路１４１に接続されている。
充電電流検出回路１４２は、抵抗Ｒｓの電圧降下を検出し、充電電流に比例した電圧を生成しているので、演算増幅回路１４５は、充電電流検出回路１４２の出力電圧が第２基準電圧Ｖｒ２、あるいは第３基準電圧Ｖｒ３と等しくなるように、ＮＭＯＳトランジスタＭ４５を介してＰＭＯＳトランジスタＭ４１のゲート電圧を制御する。これによって定電流充電制御が行われる。

電圧検出回路１５０は、ＦＣ電圧検出回路１５１、ＤＣ電圧検出回路１５２、ＢＡＴ電圧検出回路１５３、及び２つのダイオードＤ５１、Ｄ５２を備える。

制御回路１４１には、充電電流検出回路１４２、電池電圧検出回路１４３、ＢＡＴ電圧検出回路１５３、ＦＣ電圧検出回路１５１、及びＤＣ電圧検出回路１５２の出力が入力されている。又、制御回路１４１は、ＰＭＯＳトランジスタＭ４２、Ｍ４３のゲート制御信号、演算増幅回路１４４，１４５の制御信号ＣＥ１、ＣＥ２、及び、スイッチ手段ＳＷ１の制御信号を、それぞれ出力する。

電圧検出回路１５０に入力された燃料電池１０１の出力電圧は、ＦＣ電圧検出回路１５１で第１電圧Ｖ１と比較される。燃料電池１０１の出力電圧が第１電圧Ｖ１以上のときには、ＦＣ電圧検出回路１５１の出力は、ハイレベルとなる。同様に、ＡＣアダプタ１３２の出力電圧は、ＤＣ電圧検出回路１５２で第３電圧Ｖ３と比較され、ＡＣアダプタ１３２の出力電圧が第３電圧Ｖ３以上の場合は、ＤＣ電圧検出回路１５２の出力は、ハイレベルとなる。

電池電圧検出回路１４３の出力は、ＢＡＴ電圧検出回路１５３に入力され、第２電圧Ｖ２と比較され、電池電圧検出回路１４３の出力が第２電圧Ｖ２未満の場合には、ＢＡＴ電圧検出回路１５３の出力はハイレベルとなる。

制御回路１４１は、入力された、ＦＣ電圧検出回路１５１、ＤＣ電圧検出回路１５２、ＢＡＴ電圧検出回路１５３の出力信号レベルに基づいて、出力制御信号を生成する。
即ち、ＤＣ電圧検出回路１５２の出力がハイレベルの場合には、制御回路１４１は、燃料電池１０１の出力電圧の大小に関わり無く、ＡＣアダプタ１３２を用いて二次電池１３０の充電を行うよう制御する。つまり、制御回路１４１は、ＰＭＯＳトランジスタＭ４３のゲート電圧をローレベルにしてＰＭＯＳトランジスタＭ４３をオンに制御し、かつ、ＰＭＯＳトランジスタＭ４２のゲート電圧をハイレベルにしてＰＭＯＳトランジスタＭ４２をオフに制御する。さらに又、制御回路１４１は、スイッチ手段ＳＷ１に対して、共通端子Ｃと端子Ｂとをショートさせて、演算増幅回路１４５の非反転入力に第３基準電圧Ｖｒ３を接続する。さらに、制御回路１４１は、演算増幅回路制御信号ＣＥ１、ＣＥ２を制御して、演算増幅回路１４４、１４５の両方を動作状態にする。
この状態では、第１実施形態で説明した通常の定電流−定電圧充電が行われる。

一方、ＤＣ電圧検出回路１５２の出力がローレベルで、かつ、ＦＣ電圧検出回路１５１の出力がハイレベル、つまり燃料電池１０１の出力電圧が第１電圧Ｖ１以上、つまり燃料電池１０１の出力電圧にて充電可能な場合には、制御回路１４１は、ＢＡＴ電圧検出回路１５３の出力を確認する。該確認により、二次電池１３０の出力電圧が第２電圧Ｖ２以上の場合、つまり二次電池１３０の充電不要の場合には、上述したように、ＢＡＴ電圧検出回路１５３の出力は、ローレベルとなる。よってこの場合には、二次電池１３０の充電を開始しないので、制御回路１４１は、ＰＭＯＳトランジスタＭ４２、Ｍ４３のゲート電圧を共にハイレベルに制御して両トランジスタＭ４２、Ｍ４３をオフにする。さらに、制御回路１４１は、演算増幅回路制御信号ＣＥ１とＣＥ２を制御して演算増幅回路１４４、１４５の動作を停止させる。

上述のＢＡＴ電圧検出回路１５３の出力確認により、二次電池１３０の出力電圧が第２電圧Ｖ２未満の場合、つまり二次電池１３０の充電要の場合には、ＢＡＴ電圧検出回路１５３の出力は、ハイレベルとなる。よってこの場合には、燃料電池１０１を用いて充電を行う。該充電動作のため制御回路１４１は、ＰＭＯＳトランジスタＭ４２のゲート電圧をローレベル、ＰＭＯＳトランジスタＭ４３のゲート電圧をハイレベルに制御して、ＰＭＯＳトランジスタＭ４２だけをオンにする。又、制御回路１４１は、スイッチ手段ＳＷ１に対して、制御信号にて、共通端子Ｃと端子Ａとをショートさせ、演算増幅回路１４５の非反転入力に第２基準電圧Ｖｒ２を接続する。さらに、制御回路１４１は、演算増幅回路制御信号ＣＥ１、ＣＥ２を制御して、演算増幅回路１４５を動作させ、演算増幅回路１４４の動作を停止させる。

燃料電池１０１にて二次電池１３０の充電を行う場合には、定電圧充電を行わないので、演算増幅回路１４４は動作停止させ、消費電流の削減を行う。ＮＭＯＳトランジスタＭ４４のゲートは、抵抗Ｒ２でプルアップされているので、演算増幅回路１４４が動作停止しているときには、ＮＭＯＳトランジスタＭ４４はオンとなり、定電流充電の妨げにはならない。さらに、第２基準電圧Ｖｒ２は、第３基準電圧Ｖｒ３より低い電圧に設定してあるので、燃料電池１０１にて二次電池１３０を定電流充電する場合には、ＡＣアダプタ１３２にて二次電池１３０を定電流充電する場合に比べて充電電流が小さくなる。そのため、出力密度の低い燃料電池を用いた場合でも、無理なく定電流充電が可能である。

定電流充電中に制御回路１４１は、電池電圧検出回路１４３の出力電圧を調べ、二次電池１３０の出力電圧が第４電圧Ｖ４以上になったときには、充電を完了する。

ダイオードＤ５１、Ｄ５２は、充電制御回路１４０と電圧検出回路１５０の駆動電源Ｖｄｄの切り替えを行っている。ＡＣアダプタ１３２の出力電圧は、燃料電池１０１の出力電圧より少し高く設定しているので、ＡＣアダプタ１３２及び燃料電池１０１の両方とも、二次電池１３０を充電可能な電圧を出力している場合には、ダイオードＤ５２がオン、ダイオードＤ５１はオフとなり、充電制御回路１４０及び電圧検出回路１５０への給電は、ＡＣアダプタ１３２のみから行われる。よって、燃料電池１０１の燃料を無駄に消費することはない。

以上のように構成される充電装置１６０における動作、つまり充電方法について、図５を参照して以下に説明する。
ステップＳ１１では、ＡＣアダプタ１３２の出力電圧が第３電圧Ｖ３以上か否かを確認する。ＡＣアダプタ１３２の出力電圧が第３電圧Ｖ３以上であれば、後述するステップＳ１７の充電開始２に進む。一方、ＡＣアダプタ１３２の出力電圧が第３電圧Ｖ３未満であれば、次のステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、燃料電池１０１の出力電圧が第１電圧Ｖ１以上か否かを確認する。燃料電池１０１の出力電圧が第１電圧Ｖ１以上であれば、ステップＳ１３の二次電池１３０の電圧確認へ進む。一方、燃料電池１０１の出力電圧が第１電圧Ｖ１未満であれば、ステップＳ１１に戻る。
ステップＳ１３にて、二次電池１３０の電圧が第２電圧Ｖ２未満であれば、ステップＳ１４の充電開始１に進み、燃料電池１０１により二次電池１３０の充電を開始する。一方、二次電池１３０の電圧が第２電圧Ｖ２以上であれば、ステップＳ１１に戻る。
このように、ステップＳ１２及びステップＳ１３では、燃料電池１０１が起動して充電を行うのに十分な出力電圧となり、さらに、二次電池１３０の容量が充電を必要とする電圧まで低下したことを検出している。

ステップＳ１４に進むと直ぐにステップＳ１５に移り、定電流Ｉｆｃにて、燃料電池１０１による二次電池１３０の充電を開始する。定電流Ｉｆｃの電流値は、燃料電池１０１の出力密度に依存するため、ＡＣアダプタ１３２を用いた定電流充電の場合の電流値Ｉａｃより少ない電流値に設定されている。定電流Ｉｆｃの値は、燃料電池１０１の出力密度にもよるが、例えば０．５Ｃ電流以下の電流値が望ましい。これは、燃料電池１０１による充電では定電圧充電を行わないので、定電流Ｉｆｃの値を大きくしすぎると、充電完了時の充電容量が少なくなってしまうからである。

充電中に、ステップＳ１６にて、二次電池１３０の電圧を確認し、二次電池１３０の電圧が第４電圧Ｖ４以上になったか否かを調べ、第４電圧Ｖ４以上になったときには充電を終了する。ここの充電動作では、上述したように定電圧充電は行わない。第４電圧Ｖ４は、二次電池１３０の満充電時の電圧と同じか、やや低い電圧に設定する。例えば、満充電時の電圧が４．２Ｖの場合であれば、第４電圧を４．２Ｖ〜４．１Ｖ程度に設定する。
尚、燃料電池１０１を用いた充電方法については、第１及び第２の実施形態での説明と変わらないので、詳細説明は省略する。

一方、ステップＳ１１にて、ＡＣアダプタ１３２の出力電圧が第３電圧Ｖ３以上である場合には、ステップＳ１７の充電開始２に進む。
ステップＳ１７に進むと直ぐにステップＳ１８に移り、定電流Ｉａｃにて、ＡＣアダプタ１３２による二次電池１３０の充電を開始する。定電流Ｉａｃの電流値は、ＡＣアダプタ１３２の出力容量に依存するが、通常は１Ｃ電流以上の大電流で急速充電を行う。定電流充電中は、常にステップＳ１９にて、二次電池１３０の電圧を確認し、第５電圧Ｖ５以上になったか調べ、二次電池１３０の出力電圧が第５電圧Ｖ５以上になったときには、ステップＳ２０の定電圧充電に移行する。なお、第５電圧Ｖ５は、二次電池１３０の満充電時の電圧に設定する。
定電圧充電中は、常にステップＳ２０にて、二次電池１３０の充電電流の確認を行う。充電電流が充電終了電流であるＩｅ未満になったときには充電を完了する。

以上のように、燃料電池１０１を用いた充電装置にＡＣアダプタ１３２が併用された充電装置において、ＡＣアダプタ１３２が接続された場合には、ＡＣアダプタ１３２による充電を優先させると共に、充電制御回路１４０及び電圧検出回路１５０の駆動用電源もＡＣアダプタ１３２に切り換え、極力、燃料電池１０１の燃料の消耗を抑えるようにしている。
又、ＡＣアダプタ１３２による充電では、定電流−定電圧充電を実施し、二次電池１３０が満充電になるまで充電を行うようにした。
さらに、ＡＣアダプタ１３２が未接続で、燃料電池１０１を用いて充電する場合には、定電流充電のみとし、充電電流もＡＣアダプタ１３２を用いた場合に比べ少なくしたので、充電完了時の充電容量を、定電圧充電を行わなくても満充電時の８０％程度と大きくすることができる。さらに、定電圧充電に用いる回路を停止することで、充電回路で消費する電流も抑えるようにした。

本発明は、特に、燃料電池のみ、又は燃料電池とＡＣアダプタとを併用して二次電池の充電を行う充電装置及び充電方法に適用可能である。

本発明の第１実施形態における充電装置のブロック図である。 図１に示す充電装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態における充電装置のブロック図である。 本発明の第３実施形態における充電装置のブロック図である。 図４に示す充電装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０１…燃料電池、１０２…二次電池、１０３…充電制御回路、
１０４…ＦＣ電圧検出手段、１０５…ＢＡＴ電圧検出手段、１０７…充電手段、
１１０…充電装置、１２０…充電装置、１３２…ＡＣアダプタ、
１４０…充電制御回路、１５０…電圧検出回路、１６０…充電装置。

Claims (20)

1. 燃料電池を用いて二次電池を充電する充電装置において、
   上記燃料電池と上記二次電池との間に接続され、上記燃料電池の出力電圧、及び上記二次電池の出力電圧に基づいて上記燃料電池から上記二次電池への充電の可否を判断する充電手段であって、上記燃料電池の出力電圧が第１電圧以上か否かを検出するＦＣ電圧検出手段を有する充電手段を備えたことを特徴とする充電装置。
2. 燃料電池と、
   上記燃料電池の電力にて充電される二次電池と、
   上記燃料電池と上記二次電池との間に接続され、上記燃料電池の出力電圧、及び上記二次電池の出力電圧に基づいて上記燃料電池から上記二次電池への充電の可否を判断する充電手段であって、上記燃料電池の出力電圧が第１電圧以上か否かを検出するＦＣ電圧検出手段を有する充電手段と、
   を備えたことを特徴とする充電装置。
3. 上記充電手段は、上記二次電池の出力電圧が第２電圧未満か否かを検出するＢＡＴ電圧検出手段をさらに有し、上記二次電池の出力電圧が上記第２電圧未満であると上記ＢＡＴ電圧検出手段にて検出され、かつ上記燃料電池の出力電圧が上記第１電圧以上であると上記ＦＣ電圧検出手段にて検出されたときに、上記燃料電池による上記二次電池の充電を行う、請求項１又は２記載の充電装置。
4. 上記二次電池の充電を行う直流電源をさらに備え、
   上記充電手段は、上記直流電源の出力電圧が第３電圧以上か否かを検出するＤＣ電圧検出手段をさらに有し、上記二次電池の出力電圧が第２電圧未満であり、かつ上記燃料電池の出力電圧が第１電圧以上であり、かつ上記直流電源の出力電圧が第３電圧未満であると上記ＤＣ電圧検出手段にて検出されたときに、上記燃料電池による上記二次電池の充電を行う、請求項３記載の充電装置。
5. 上記第３電圧は、上記燃料電池の出力電圧よりも高く設定される、請求項４記載の充電装置。
6. 上記充電手段は、上記直流電源の出力電圧が第３電圧以上であると上記ＤＣ電圧検出手段にて検出されたときには、上記燃料電池ではなく上記直流電源にて上記二次電池の充電を行う、請求項４記載の充電装置。
7. 上記直流電源にて上記二次電池の充電を行う場合には定電流−定電圧充電を行い、上記燃料電池にて上記二次電池の充電を行う場合には定電流充電を行う、請求項６記載の充電装置。
8. 上記充電手段は、上記燃料電池にて上記二次電池の充電を行うときの充電電流値を、上記直流電源にて定電流充電を行うときの充電電流値より小さく設定する、請求項７記載の充電装置。
9. 上記充電手段は、上記燃料電池にて上記二次電池の充電を行うとき、上記二次電池が満充電電圧以下の第４電圧に上記二次電池の電圧が達したときに充電を完了する、請求項１から８のいずれかに記載の充電装置。
10. 上記燃料電池で充電を行う場合は、上記充電手段に備わる定電圧充電回路の動作を禁止する、請求項４から７のいずれかに記載の充電装置。
11. 上記二次電池はリチウムイオン電池であり、上記燃料電池はパッシブ型ＤＭＦＣである、請求項２から１０のいずれかに記載の充電装置。
12. 二次電池の充電方法であって、
    燃料電池の出力電圧が第１電圧以上か否かを検出し、
    二次電池の出力電圧が第２電圧未満か否かを検出し、
    上記燃料電池の出力電圧が上記第１電圧以上で、かつ、上記二次電池の出力電圧が上記第２電圧未満の場合に、上記燃料電池による上記二次電池の充電を開始する、
    ことを特徴とする二次電池の充電方法。
13. さらに、直流電源の出力電圧が第３電圧以上か否かを検出し、
    上記直流電源の出力電圧が上記第３電圧以上のときには上記直流電源の電力にて上記二次電池の充電を行い、
    上記直流電源の出力電圧が上記第３電圧未満で、かつ上記燃料電池の出力電圧が上記第１電圧以上で、かつ上記二次電池の出力電圧が上記第２電圧未満の場合に、上記燃料電池にて上記二次電池の充電を行う、請求項１２記載の充電方法。
14. 上記第３電圧は、上記燃料電池の出力電圧より高く設定した、請求項１３記載の充電方法。
15. 上記直流電源にて上記二次電池の充電を行う場合には定電流−定電圧充電を行い、上記燃料電池にて上記二次電池の充電を行う場合には定電流充電を行う、請求項１３又は１４記載の充電方法。
16. 上記燃料電池にて上記二次電池の充電を行うときの充電電流値を、上記直流電源にて定電流充電を行うときの充電電流値より小さく設定する、請求項１５記載の充電方法。
17. 上記燃料電池にて上記二次電池の充電を行うとき、上記二次電池が満充電電圧未満の第４電圧に上記二次電池の電圧が達したときに充電を完了する、請求項１２から１６のいずれかに記載の充電方法。
18. 上記燃料電池にて上記二次電池の充電を行うとき、上記二次電池の満充電電圧に上記二次電池の電圧が達したときに充電を完了する、請求項１２から１６のいずれかに記載の充電方法。
19. 上記燃料電池で充電を行う場合、定電圧充電動作を禁止する、請求項１２記載の充電装置。
20. 上記二次電池はリチウムイオン電池であり、上記燃料電池はパッシブ型ＤＭＦＣである、請求項１２から１９のいずれかに記載の充電方法。

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