JP2008220104A - 充電装置および充電装置の充電制御方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のバッテリーを充電する場合に、バッテリー間での電流の流れ込みを防止しつつ、短い充電時間で効率的な充電を可能とする。
【解決手段】複数のバッテリーを充電可能な充電装置に関して、定電圧源の最大負荷電流容量と接続されたバッテリーの数に応じて、個別に行う充電容量を算出する。また、バッテリーの中に満充電に近いバッテリーがあった場合、他のバッテリーの充電容量が満充電に近いバッテリーの充電容量と揃ってから同時定電圧充電に加える。
【選択図】図１

Description

本発明は、充電装置および充電装置の充電制御方法に関する。

図４は、充電装置の従来構成を示す図である。図４において、充電装置４００は、定電圧源１、スイッチングＦＥＴ２、ダイオード３、パワーインダクタ４、平滑コンデンサ５、充電電流検出抵抗６、充電対象バッテリー７、ＰＷＭ信号生成部８を備えている。

充電装置４００では、最初にスイッチングＦＥＴ２、ダイオード３、パワーインダクタ４、平滑コンデンサ５、ＰＷＭ信号生成部８により構成される定電流回路により定電流充電を行い、次にスイッチングＦＥＴを常時ＯＮとし、定電圧充電を行う。ＰＷＭ信号生成部８は、充電電流／充電電圧検出部８ａとＰＷＭ制御部８ｂとを含む。充電電流／充電電圧検出部８ａは、バッテリー７への充電電流及び電圧を検出する。また、検出結果に従ってＰＷＭ制御部８ｂがスイッチングＦＥＴ２を制御する。

定電流回路は、バッテリー７の電圧が所定電圧に上昇するまで、規定の電流より小さい電流による初期充電を行う。初期充電によってバッテリー７の電圧が所定電圧まで上昇したところで、定電流回路は特定の一定電流を出力して定電流充電を開始する。

定電流充電により充電が進み、バッテリー７に流入する電流が少なくなると、スイッチングＦＥＴ７は常時ＯＮ状態となり、定電圧充電へ移行する。定電圧充電により充電電流が減少し、所定の充電電流以下になったところで充電を停止する。

以上のように、１個のバッテリーを充電する場合には、このような方法で充電を行っている。しかし、複数のバッテリーを取り付け可能な機器の場合、上記充電方式をそのまま適用して複数の充電装置を内蔵すれば、回路規模が大型化し、コストも高くなることから、携帯機器には不向きである。

一方、回路規模を大型化させずに複数のバッテリーを充電する方法として、各々のバッテリーをスイッチで切替、順番に充電する方法がある。しかし、この方法では全てのバッテリーが充電終了するための充電時間が、バッテリー個数がｎ倍になれば、時間もｎ倍がかかることになるので非効率である。

また、複数個のバッテリーを充電する際に、最初に所定の充電量まで１個ずつ充電を行い、その後、複数のバッテリーを同時に充電する方法も提案されている（特許文献１を参照）。しかし、コンパクトアダプター等の定電圧源は最大負荷電流容量を持っている。よって、充電対象のバッテリー個数が増加した場合は、定電圧充電による同時充電時の充電電流が最大負荷電流容量を越えないよう、個別の充電期間を長く取らなければならず、結果として充電時間が長くなるという課題を有していた。

また、充電装置に接続された複数のバッテリー中に、充電容量が個別の充電を停止する充電容量よりも高いバッテリーが存在する場合、同時に定電圧充電時にバッテリー間に電位差が発生し、バッテリー間で電流が流れ込む課題もある。
特開平９−１０３０３３号公報

以上のように、複数のバッテリーを充電する場合に、バッテリー間での電流の流れ込みを防止しつつ、短い充電時間で効率的に充電を行うことが困難であった。

そこで、本発明は、複数のバッテリーを充電する場合に、バッテリー間での電流の流れ込みを防止しつつ、短い充電時間で効率的な充電を可能とすることを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、
定電流充電及び定電圧充電を行う充電回路と、
充電電流検出手段と、
複数のバッテリーのそれぞれと前記充電回路との接続状態を切り替えるためのスイッチと
前記充電回路、前記充電電流検出手段、前記スイッチを制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、充電電流値が第１の所定値以下となるまで前記複数のバッテリーを１つずつ定電流充電する第１の充電制御動作と、充電電流値が第２の所定値以下となるまで前記第１の充電制御動作よって充電された複数のバッテリーを同時に定電圧充電する第２の充電制御動作とを実行し、
前記第１の所定値は前記充電回路の最大負荷電流容量と充電するバッテリーの個数とに基づいて設定されることを特徴とする。

また、上記課題を更に解決するための発明は、
定電流充電及び定電圧充電を行う充電回路と、充電電流検出手段と、複数のバッテリーのそれぞれと前記充電回路との接続状態を切り替えるためのスイッチとを備える充電装置の充電制御方法であって、
充電電流値が第１の所定値以下となるまで前記複数のバッテリーを１つずつ定電流充電する第１の充電ステップと、
充電電流値が第２の所定値以下となるまで前記第１の充電ステップよって充電された複数のバッテリーを同時に定電圧充電する第２の充電ステップと、
を有し、
前記第１の所定値は前記充電回路の最大負荷電流容量と充電するバッテリーの個数とに基づいて設定されることを特徴とする。

本発明によれば、複数のバッテリーを充電する場合に、バッテリー間での電流の流れ込みを防止しつつ、短い充電時間で効率的な充電を行うことができる。

以下、添付の図面を参照して、発明の実施形態を説明する。
本発明は、複数のバッテリー充電時に、定電圧源の最大負荷電流容量とバッテリー個数から得られる所定の電流値までは個別充電を行い、その後は電池を並列に接続して同時に定電圧充電を行うことで充電制御動作を切り替える充電装置に関する。

［第１の実施形態］
図１は、発明の実施形態に対応する充電装置１００の構成の一例を示す図である。図１において、充電装置１００は、定電流充電及び定電圧充電を実行する充電回路を備えている。具体的に、定電圧源１１、スイッチング素子１２、ダイオード１３、パワーインダクタ１４、平滑コンデンサ１５、充電電流検出抵抗１６、定電流制御部１７、バッテリー個数検出部１８、記録部１９を有する。更に、互いに並列接続された充電対象のバッテリー１０−１…１０−nと、個々のバッテリーの充電回路への接続状態を切り替えるためのスイッチ素子２０−１…２０−nを備えている。スイッチ素子２０−ｎの切替は、セレクタ２１により行われる。

定電流制御部１７は、充電電流／充電電圧検出部１７ａとＰＷＭ制御部１７ｂを含む。充電電流／充電電圧検出部１７ａは、バッテリー１０−ｎへの充電電流及び電圧を検出する。検出された充電電流の値は、セレクタ２１に供給され、スイッチ素子２０−ｎの切替が行われる。また、検出結果に従ってＰＷＭ制御部１７ｂがスイッチングＦＥＴ１２を制御する。

以下、充電装置１００における動作を説明する。図２は、充電装置１００の動作の一例を示すフローチャートである。

充電が開始されると、ステップＳ２０１においてバッテリー個数検出部１８が、接続されたバッテリーの個数：Ｂｎを検出する。続くステップＳ２０２では、定電圧源１１の既知の最大負荷電流容量：Ｙとバッテリー個数：Ｂｎとに基づいて、第１の閾値Ｔｈ１を算出する。この第１の閾値Ｔｈ１は、Ｙ／Ｂｎの除算により算出し、設定することができる。但し、算出されたＹ／Ｂｎの値が、充電装置１００で規定している定電流充電電流値より大きい場合には、第１の閾値Ｔｈ１は、定電圧充電移行時の充電電流値とする。

次に、ステップＳ２０３では、スイッチ素子２０−ｎ及びバッテリー１０−ｎを選択するための"ｎ"の値を１に初期化する。次に、ステップＳ２０４では、"ｎ"の値に対応するスイッチ素子とバッテリーとを選択して、スイッチ素子２０−ｎを接続し、バッテリー１０−ｎの充電を開始する。ステップＳ２０３における初期化直後では、スイッチ素子２０−１とバッテリー１０−１とがそれぞれ選択される。なお、バッテリー保護のため、最初は初期充電として充分に小さい充電電流でトリクル充電し、バッテリーの電圧が規定の電圧まで上がった後、定電流充電を開始する。

続くステップＳ２０５では、定電流充電を開始した時点で充電電流／充電電圧検出部１７ａが検出した充電電流（充電開始時電流値）Ｉｓｎの値を、記憶部１９に記憶する。更にステップＳ２０６では、充電電流／充電電圧検出部１７ａで検出した定電流充電時の充電電流Ｉｃｎが第１の閾値Ｔｈ１より大きいか否かを判定する。なお、Ｉｓｎ及びＩｃｎにおける"ｎ"は、スイッチ素子２０−ｎとバッテリー１０−ｎにおける"ｎ"に対応する。

もし、充電電流Ｉｃｎが第１の閾値Ｔｈ１より大きい場合には（ステップＳ２０６において「ＹＥＳ」）、充電を継続する。一方、充電電流Ｉｃｎが、第１の閾値以下の場合には（ステップＳ２０６において「ＮＯ」）、ステップＳ２０７に移行して、ステップＳ２０４で接続したスイッチ素子２０−ｎを切り離し、充電を停止する。なお、既にある程度の充電がされているバッテリーは、充電開始時点で充電電流Ｉｃｎの値が閾値Ｔｈ１より小さくなるので、直ちに充電が停止される。更に、ステップＳ２０８では、"ｎ"の値をインクリメントして、ステップＳ２０９において、"ｎ"が、バッテリー数Ｂｎよりも大きくなったか否かを判定する。

もし、ｎがＢｎ以下の場合には（ステップＳ２０９において「ＮＯ」）、ステップＳ２０４に移行する。ステップＳ２０４では、更新後の"ｎ"に対応するスイッチ素子２０とバッテリー１０とを選択して、充電を継続する。即ち、全てのバッテリーについてステップＳ２０４からＳ２０７までの処理を繰り返す。これによって、接続されたバッテリーは、充電電流Ｉｃｎが第１の閾値Ｔｈ１以下となるまで、１つずつ定電流充電される。

一方、ｎがＢｎより大きい場合には（ステップＳ２０９において「ＹＥＳ」）、ステップＳ２１０に移行する。ステップＳ２１０では、ステップＳ２０５で記録部１９に記録されている充電開始時電流値Ｉｓｎの値が、第１の閾値Ｔｈ１よりも大きかったバッテリー１０−ｎのスイッチ素子２０−ｎを全て接続して、同時に定電圧充電（同時定電圧充電）を開始する。

この時、充電開始時電流値Ｉｓｎが第１の閾値Ｔｈ１以下のバッテリー、即ちＳ２１０で同時定電圧充電を開始していないバッテリーの数をＢｍとすると、Ｓ２１０で同時定電圧充電が開始されているバッテリーの数は、Ｂｎ−Ｂｍ個となる。このＢｍ個に含まれるバッテリーに関しては、ステップＳ２１１で同時定電圧充電に追加するバッテリーが存在するか否かを判定する。この判定は、具体的に、同時定電圧充電時の充電電流をＩｃｓとした場合に、Ｉｃｓ／（Ｂｎ−Ｂｍ）＝Ｉｓｎとなるバッテリー１０−ｎの有無を判定する。もし、Ｂｍ個に含まれるバッテリー１０−ｎの中に、このようなバッテリーが存在する場合には（ステップＳ２１１において「ＹＥＳ」）、ステップＳ２１２に移行する。ステップＳ２１２では、当該バッテリーのスイッチ素子２０−ｎを接続して、同時定電圧充電に追加する。これにより、充電開始時の電流Ｉｓｎが第１の閾値Ｔｈ１より小さかったバッテリーは、ステップＳ２１０で同時定電圧充電を開始した後、充電電流Ｉｃｓが低下し、Ｉｃｓ／（Ｂｎ−Ｂｍ）＝Ｉｓｎの条件を満たした時点で接続される。なお、Ｂｍは、新たに接続されたスイッチ素子数の数に応じて更新（減少）される。その後、ステップＳ２１３に移行する。一方、係るバッテリーが存在しない場合には（ステップＳ２１１において「ＮＯ」）、そのままステップＳ２１３に移行する。

ステップＳ２１３では、Ｂｍの値が０となったかどうか、即ち全バッテリーが接続されたか否かを判定する。もし、全バッテリーが同時定電圧充電されている場合には（ステップＳ２１３において「ＹＥＳ」）、ステップＳ２１４に移行する。一方、未接続のバッテリーが存在する場合には、ステップＳ２１１に戻って処理を上記の継続する。

ステップＳ２１４では、充電電流／充電電圧検出部１７ａで検出される充電電流Ｉｃｓが、第２の閾値Ｔｈ２に達したか否かを判定する。ここで、第２の閾値Ｔｈ２は、第１の閾値Ｔｈ１より小さい値であって、所定の電流値Ｉｅに、バッテリー数Ｂｎを乗じた値としている。もし、充電電流Ｉｃｓが、第２の閾値Ｔｈ２に達した場合には（ステップＳ２１４において「ＮＯ」）、ステップＳ２１５に移行する。ステップＳ２１５では、全てのスイッチを切断して、同時定電圧充電を停止して、本処理を終了する。一方、第２の閾値Ｔｈ２より大きい場合には（ステップＳ２１４において「ＹＥＳ」）、そのまま同時定電圧充電を継続する。

図３に、２つのバッテリーを本実施形態に対応する充電シーケンスにおいて充電した場合の充電時間と、２つを個々に充電した場合の充電時間とを比較したグラフを示す。

図３では、定電圧源１１の最大負荷電流容量を１．５Ａとし、各バッテリーの電流容量を８００ｍＡｈとしている。なお、図３の例では、閾値Ｔｈ１を７００ｍＡとして、１．５Ａをバッテリー数２で割った値よりも、余裕を持たせている。

図３において、点線３０１は、２つのバッテリーを個々に充電した場合の充電電流の変化を示している。また、実線３０２は、本実施形態に対応する充電シーケンスにより充電した場合の充電電流の変化を示している。

図３では、充電電流が約３０ｍＡとなった時点で充電完了としているが、実線３０１では、２つのバッテリーの充電が完了するまで３５０分以上を必要としている。一方、本実施形態に対応する充電シーケンスでは約１８０分であるから、ほぼ半分の充電時間で充電が可能となっている。

実線３０２における充電の流れを説明すると、時刻０．０において最初のバッテリー（バッテリー１）の充電開始されると、充電電流が徐々に下がり始め、Ｔｈ１に一致する７００ｍＡに到達した時点で、次のバッテリー（バッテリー２）の充電に切り替わる。バッテリー２の充電も７００ｍＡに到達した時点で一旦停止され、その後は、定電圧充電により、バッテリー１及びバッテリー２が同時に充電される。この時、バッテリー１及び２を個々に充電するために必要な充電電流の合計は、７００ｍＡ＋７００ｍＡ＝１．４Ａであって、定電圧源１１の最大負荷電流容量である１．５Ａより小さいので、両方を同時に充電することが可能となっている。

定電圧充電開始後は、徐々に充電電流が降下していき、３０ｍＡ＋３０ｍＡ＝６０ｍＡとなったところで、充電が完了する。

以上のようにして、複数のバッテリーが接続された場合であっても、効率的に充電を実行することができる。

なお、上記において、パワーインダクタ１４は定電圧充電中その直流抵抗成分から損失が発生する。また、同時定電圧充電を行う際、個別の定電流充電より高い電流が流れる場合があり、パワーインダクタの大型化・コストアップが発生する。そこで、定電圧充電中はバイパス回路２０を接続しても良い。

なお、上記の充電シーケンス中に充電装置１００に新たなバッテリーが追加接続された場合は、充電シーケンスを一旦終了し最初からやり直してもよい。その一方で、該新たに接続されたバッテリーは充電対象には加えず、それまで充電対象であったバッテリーの充電は継続し、それらの充電終了後、新たに接続されたバッテリーの充電を開始しても良い。

また、ステップＳ２０７以前の充電シーケンスにおいて、個別に定電流充電されているバッテリーが充電装置１００から外された場合は、最初からのやり直しは行わず、次のバッテリーの個別充電を開始する。なお、取り外されたバッテリーが、個別充電される最後のバッテリーであった場合は、そのままステップＳ２１０以降の同時定電圧充電に移行する。定電流充電が終わって待機中のバッテリーが外された場合は、フローチャートの流れに従って処理を継続する。

なお、定電流充電のシーケンス中にバッテリーが外された場合、第１の閾値Ｔｈ１を算出する際のＢｎの値には反映させない。即ち、充電シーケンスの途中でＴｈ１の値を変更することはない。

但し、定電圧充電のシーケンス中にバッテリーが外された場合には、Ｂｎの値を更新し、ステップＳ２１１及びステップＳ２１４における判定に、接続バッテリー数の変更を反映させる。

以上の本実施形態によれば、複数のバッテリーを充電可能な充電装置１００において、定電圧源の最大負荷電流容量と接続されたバッテリーの数に応じて、個別に行う充電容量を算出することにより定電圧源の電流容量を最大限に生かすことができる。これにより、充電時間を短縮することが可能である。

また、充電対象となるバッテリーの中に、満充電に近いバッテリーがあった場合においては、他のバッテリーの充電容量が満充電に近いバッテリーの充電容量と揃ってから同時定電圧充電に加える。これにより、バッテリー間での電流が流れ込むのを防止し、バッテリーの劣化を抑えることが可能となる。

［その他の実施形態］
本発明の目的は、前述した機能を実現するソフトウェアのコンピュータプログラムコードを記録した記憶媒体を、システムに供給し、そのシステムがプログラムコードを読み出し実行することによっても達成される。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現し、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成する。また、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているオペレーティングシステム（ＯＳ）などが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した機能が実現される場合も含まれる。

さらに、以下の形態で実現しても構わない。すなわち、記憶媒体から読み出されたプログラムコードを、コンピュータに挿入された機能拡張カードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書込む。そして、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張カードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵなどが実際の処理の一部または全部を行って、前述した機能が実現される場合も含まれる。

本発明を上記記憶媒体に適用する場合、その記憶媒体には、先に説明したフローチャートに対応するプログラムコードが格納されることになる。

発明の実施形態に対応する充電装置の構成の一例を示す図である。 発明の実施形態に対応する充電装置の処理のフローチャートである。 発明の実施形態に対応する充電処理と従来の充電処理との充電結果を対比するグラフである。 従来の充電装置の構成を示す図である。

符号の説明

１‥‥定電圧源
２‥‥スイッチングＦＥＴ
３‥‥ダイオード
４‥‥パワーインダクタ
５‥‥平滑コンデンサ
６‥‥充電電流検出抵抗
７‥‥バッテリー
８‥‥定電流制御部
８ａ‥‥充電電流／充電電圧検出部
８ｂ‥‥ＰＷＭ制御部
１１‥‥定電圧源
１２‥‥スイッチングＦＥＴ
１３‥‥ダイオード
１４‥‥パワーインダクタ
１５‥‥平滑コンデンサ
１６‥‥充電電流検出抵抗
１７‥‥定電流制御部
１７ａ‥‥充電電流／充電電圧検出部
１７ｂ‥‥ＰＷＭ制御部
１８‥‥バッテリー個数検出部
１９‥‥記録部
２０‥‥バイパス回路
１０-１〜１０-ｎ‥‥バッテリー
２０-１〜２０-ｎ‥‥スイッチ素子
２１‥‥セレクタ

Claims (8)

1. 定電流充電及び定電圧充電を行う充電回路と、
   充電電流検出手段と、
   複数のバッテリーのそれぞれと前記充電回路との接続状態を切り替えるためのスイッチと
   前記充電回路、前記充電電流検出手段、前記スイッチを制御する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、充電電流値が第１の所定値以下となるまで前記複数のバッテリーを１つずつ定電流充電する第１の充電制御動作と、充電電流値が第２の所定値以下となるまで前記第１の充電制御動作よって充電された複数のバッテリーを同時に定電圧充電する第２の充電制御動作とを実行し、
   前記第１の所定値は前記充電回路の最大負荷電流容量と充電するバッテリーの個数とに基づいて設定されることを特徴とする充電装置。
2. 前記第２の所定値は前記第１の所定値より小さい値に設定されることを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
3. 前記第１の所定値は前記充電回路の最大負荷電流容量を充電するバッテリーの個数で除算した値に設定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の充電装置。
4. 前記第２の充電制御動作は、
   前記第１の充電制御動作における充電開始時電流値が前記第１の所定値よりも大きいバッテリーに対して同時に充電を開始し、
   前記充電開始時電流値が前記第１の所定値以下のバッテリーに対しては、前記充電開始時電流値が前記第２の充電制御動作における充電電流を前記第２の充電制御動作を行っているバッテリーの個数で除算した値になった時点で、充電を開始する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の充電装置。
5. 定電流充電及び定電圧充電を行う充電回路と、充電電流検出手段と、複数のバッテリーのそれぞれと前記充電回路との接続状態を切り替えるためのスイッチとを備える充電装置の充電制御方法であって、
   充電電流値が第１の所定値以下となるまで前記複数のバッテリーを１つずつ定電流充電する第１の充電ステップと、
   充電電流値が第２の所定値以下となるまで前記第１の充電ステップよって充電された複数のバッテリーを同時に定電圧充電する第２の充電ステップと、
   を有し、
   前記第１の所定値は前記充電回路の最大負荷電流容量と充電するバッテリーの個数とに基づいて設定されることを特徴とする充電制御方法。
6. 前記第２の所定値は前記第１の所定値より小さい値に設定されることを特徴とする請求項５に記載の充電制御方法。
7. 前記第１の所定値は前記充電回路の最大負荷電流容量を充電するバッテリーの個数で除算した値に設定されることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の充電制御方法。
8. 前記第２の充電ステップは、
   前記第１の充電ステップの充電開始時電流値が前記第１の所定値よりも大きいバッテリーに対して同時に充電を開始し、
   前記第１の充電ステップの充電開始時電流値が前記第１の所定値以下のバッテリーに対しては、前記充電開始時電流値が前記第２の充電ステップおける充電電流を前記第２の充電ステップを行っているバッテリーの個数で除算した値になった時点で、充電を開始する
   ことを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の充電制御方法。

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