JP2009055761A - 充放電制御回路および充電式電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 パルス充電、パルス放電に対応して安全に二次電池の充放電を制御することが出来る充放電制御回路、及びそれを備えた充電式電源装置を提供する。
【解決手段】 充電禁止解除後の過充電検出の遅延時間を短くする遅延時間切替回路を設け、充電禁止解除後の過充電を検知した場合、通常の過充電検出遅延時間よりも短い遅延時間で充電を禁止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二次電池の充放電を制御する充放電制御回路およびその充放電制御回路を内蔵する充電式電源装置に関するものである。

近年、電子機器の小型化、携帯型化に伴って二次電池の利用が盛んになっている。最も広く用いられている二次電池としてリチウム二次電池が挙げられる。リチウム二次電池は、過充電、過放電による電池の破損、劣化、低寿命化など多くの問題点が指摘されている。なかでも、安全な電池電圧範囲を超えて充電が進んだ過充電状態のリチウム二次電池は、加熱・破裂の危険性があり、これを保護する充放電制御回路には高い信頼性が要求される。また、充放電制御回路は主に携帯用機器のバッテリーに搭載されることが多いことから、当然回路の小型化は必須となる。

充放電制御回路は、過充電、過放電、過電流などの状態を検出して充放電電流を制御している。一般的に充放電制御回路は、ノイズ等の影響による誤動作を回避するため、各状態を検出すると、夫々に対応したある遅延時間をもって検出を確定している。一般的に、過充電検出の遅延時間は、数百mSから数S程度が設定されている。

しかしながら、充電電流がパルス状に間欠的に供給されるようなときには、正常に過充電を検出できない場合がある。図４は、パルス状の充電電流が供給されているときの、二次電池の電圧を示す図である。区間ｔＨは、充電電流が供給されいる区間であり、区間ｔＬは、充電電流が供給されいない区間である。ｔＣＵは過充電検出の遅延時間である。区間ｔＨでは、二次電池の内部インピーダンスを電流が流れることによって、二次電池の電圧は充電禁止電圧を超えている。しかし、区間ｔＨでは、電流が流れないため、二次電池の電圧は充電禁止電圧を下回っている。このとき、ｔＣＵ＞ｔＨならば、遅延時間の間に二次電池の電圧は充電禁止電圧を下回るので、過充電検出の検出信号はリセットされてしまう。従って、過充放が検出されずに、充電制御回路は充電を禁止することができない。

この課題を解決するために、図５のような充放電制御回路の制御方法が考案されている（特許文献１参照）。図５の充放電制御回路の制御方法は、遅延時間ｔＣＵの間に、区間ｔＬよりも長い無視時間を設けている。これによって、遅延時間ｔＣＵの間に、一時的に二次電池電圧が充電禁止電圧を下回っても、下回っている時間が区間ｔＬであるならば、充電制御回路は充電を禁止することができる。
特開２００３−２５７５０２

しかしながら、図５に示すような充電制御回路の制御方法では、次のような問題が発生する。すなわち、パルス状の充電と同時に、パルス状の放電も行われている状況において、一旦充電を禁止した後すぐに充電禁止が解除されてしまう。このような現象を図６に示す。過充電検出によって充電が禁止された後に、パルス放電により二次電池電圧が充電禁止解除電圧を下回った場合、充電禁止状態を解除する。充電禁止状態が解除されれば、充電器によって再度充電が開始され、遅延時間ｔＣＵの間は再び電池電圧は上昇してしまう。この問題を回避するために、充電禁止解除電圧をより低くすることが考えられる。

図７に、一般的な充電式電源装置のブロック図を示す。充電式電源装置１は、二次電池２と、充放電制御回路１００と、充放電電流制御回路１０とを備えている。充電禁止状態では、充電制御用トランジスタ１２はオフしているので、放電電流は充電制御用トランジスタ１２の寄生ダイオード１４を経由して流れる。放電電流が多い場合には、寄生ダイオード１４に過大な負荷がかかり、劣化または破損させてしまう場合がある。従って、パルス放電による充電禁止の解除を、充電禁止解除電圧をより低くすることによって回避する方法は、充電式電源装置の安全性を確保するという点で好ましくない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、パルス放電に対応した充放電制御回路を提供し、二次電池の充放電を安全に制御することを目的としている。さらには、上記課題を解決するために充放電制御回路の回路規模の過大な増加を招くことなく、携帯性に優れた小型の充電式電源を提供することを目的としている。

従来の課題を解決するために、本発明の充放電制御回路、およびそれを備えた充電式電源装置は以下のような構成とした。

本発明の充放電制御回路は、二次電池の充放電を制御する充放電制御回路であって、過充電電圧検出手段と、前記過充電電圧検出手段が出力する信号を受けて、所定の遅延時間を計数後に前記信号を出力する遅延手段と、前記過充電電圧検出手段が出力する信号と、前記遅延手段が出力する信号を受けて、前記遅延手段の遅延時間を切替る遅延時間切替手段と、を備え、前記遅延手段は、第１の遅延時間と、前記第１の遅延時間よりも短い第２の遅延時間を計数する切替え手段を有し、 前記遅延時間切替手段は、過充電による充電禁止状態からの充電禁止解除後に、前記遅延回路へ前記第２の遅延時間へ切替る信号を出力し、前記遅延手段は、前記第２の遅延時間で過充電を検出することを特徴とする充放電制御回路である。

また、本発明の充電式電源装置は、充放電器を接続する端子に直列に接続された、二次電池および充放電電流制御回路と、前記二次電池の両端の端子と電圧検出端子を接続し、充放電電流制御回路と制御信号出力端子を接続した請求項１から４のいずれかに記載の充放電制御回路と、を備えた充電式電源装置である。

本発明の充放電制御回路、およびそれを備えた充電式電源装置によれば、パルス放電に対応した充放電制御回路を提供し、二次電池の充放電を安全に制御することが可能となる。さらに、充放電制御回路の回路規模の過大な増加を招くことなく、携帯性に優れた小型の充電式電源を提供することが可能となる。

図１は、本実施形態の充放電制御回路、およびそれを備えた充電式電源装置のブロック図である。

本実施形態の充電式電源装置１は、二次電池２と、充放電制御回路３と、充放電電流制御回路１０とを備えている。充放電制御回路３は、電圧検出回路５と、遅延回路６と、遅延時間切替回路７と、制御信号出力回路８とを備えている。充放電電流制御回路１０は、放電制御用トランジスタ１１と、放電制御用トランジスタ１２とを備えている。

充放電制御回路３は、二次電池２の両端の端子と電圧検出端子を接続し、充放電電流制御回路１０と制御信号出力端子を接続している。電圧検出回路５は、二次電池２の過充電電圧や過放電電圧を検出するように、充放電制御回路３に備えられている。本実施形態の電圧検出回路５は、過充電電圧を検出するものとする。遅延回路６は、電圧検出回路５から、過充電電圧を検出した検出信号を入力して、一定の遅延時間の後に検出信号を制御信号出力回路８に出力する。制御信号出力回路８は、検出信号に応じて充電および放電を制御する信号を充放電電流制御回路１０に出力する。

ここで、遅延回路６は、遅延時間切替回路７からの信号によって遅延時間を切り替える機能を備えている。遅延時間切替回路７は、電圧検出回路５と遅延回路６の信号によって、遅延回路６の遅延時間を切替る信号を、遅延回路６に出力する。すなわち、遅延時間切替回路７は、充電禁止解除後に遅延回路６へ、通常の遅延時間である第１の遅延時間よりも短い、第２の遅延時間へ切替る信号を出力する。遅延回路６は、その信号によって、第２の遅延時間で過充電検出を行う。また、遅延回路６は、第１の遅延時間より短く第２の遅延時間より長い、第１の遅延時間に復帰するためのタイマーも、計数する。タイマーは、充電禁止が解除されると一定時間を計数しており、その間に過充電を検出するとリセットされる。また、過充電を検出する前にタイマーが計数を終了すると、遅延回路６は遅延時間切替回路７は信号を出力する。それによって、遅延時間切替回路７は、第２の遅延時間へ切替る信号の出力を停止する。

図２は、本実施形態の充放電制御回路の、遅延回路の一例を示したブロック図である。

遅延回路６は、遅延時間を計数するための発振回路２１と、分周回路２２と、スイッチ２３および２４とを備えている。分周回路２２は、複数段のフリップフロップ回路ＦＦ１で構成されている。

発振回路２１は、出力がフリップフロップ回路ＦＦ１とスイッチ２４に接続される。分周回路２２は、スイッチ２３によって、フリップフロップ回路ＦＦ１からＦＦｎと、フリップフロップ回路ＦＦｎ+１からＦＦｍとに分けられている。またフリップフロップ回路ＦＦｎ＋１の入力は、スイッチ２３を介してフリップフロップ回路ＦＦｎの信号を入力するか、スイッチ２４を介して発振回路２１の信号を入力するか、が選択できるように接続されている。また、フリップフロップ回路ＦＦｎの出力と、フリップフロップ回路ＦＦｍの出力とが、遅延時間切替回路７および制御信号出力回路８に接続される。発振回路２１は、電圧検出回路５の信号によって動作の開始および停止が制御される。スイッチ２３および２４は、遅延時間切替回路７の信号によって、開閉が制御される。

図２に示したような充放電制御回路３は、以下のように動作してパルス放電電流による過充電から回路を保護する機能を有する。

先ず、低電圧からの充電によって過充電が検出されると、電圧検出回路５から発振回路２１に信号が出力され、発振を開始する。また、電圧検出回路５から遅延時間切替回路７に信号が出力される。このとき、遅延時間切替回路７は、通常の過充電検出なので、スイッチ２３を閉に、スイッチ２４を開に制御する。すなわち、第１の遅延時間ｔＣＵ１の後に第１の遅延信号ｓＣＵ１がフリップフロップ回路ＦＦｍから出力される。第１の遅延時間ｔＣＵ１の間、電圧検出回路５が過充電を検出し続けると、遅延回路６は制御信号出力回路８に第１の遅延信号ｓＣＵ１を出力する。従って、充放電制御回路３は充電を禁止するように、放電制御用トランジスタ１２を制御する。

次に、充電禁止状態から放電によって充電禁止が解除されたときは、電圧検出回路５から発振回路２１に信号が出力され、発振を開始する。また、電圧検出回路５から遅延時間切替回路７に信号が出力される。このとき、遅延時間切替回路７は、充電禁止解除なので、スイッチ２３および２４を開に制御する。すなわち、タイマー時間ｔＣ後にタイマー信号ｓＣがフリップフロップ回路ＦＦｎから出力され、フリップフロップ回路ＦＦｎ+１以降には信号は伝わらない。

このとき、充電禁止解除の状態でタイマー時間ｔＣが経過すると、遅延時間切替回路７は通常の過充電検出待ちの状態にリセットされる。また、タイマー時間ｔＣが経過する前に過充電が検出されると、電圧検出回路５から遅延時間切替回路７に信号が出力される。遅延時間切替回路７は、充電禁止解除後の過充電検出なので、スイッチ２４を閉に制御され、発振回路２１の信号がフリップフロップ回路ＦＦｎ+１以降に伝わる。すなわち、第２の遅延時間ｔＣＵ２の後に第２の遅延信号ｓＣＵ２がフリップフロップ回路ＦＦｍから出力される。第２の遅延時間ｔＣＵ２の間、電圧検出回路５が過充電を検出し続けると、遅延回路６は制御信号出力回路８に第２の遅延信号ｓＣＵ２を出力する。従って、充放電制御回路３は充電を禁止するように、放電制御用トランジスタ１２を制御する。

ここで、第１の遅延時間ｔＣＵ１、第２の遅延時間ｔＣＵ２、およびタイマー時間ｔＣは、ｔＣＵ１＞ｔＣ＞ｔＣＵ２の関係を満足するように設定する。

図３に、上述の充放電制御回路３を備えた充電式電源装置１に、パルス充放電器４が接続されたときの、二次電池２の電圧を示す。充電式電源装置１にパルス充放電器４が接続されたときに、二次電池２の電圧が図３のように制御されるので、二次電池の充放電を安全に制御することが可能となる。

さらに、充放電制御回路３を図２のように構成することによって、すなわち分周回路２を分割して使用することにより、ｔＣとｔＣＵ2を同時に計数することが可能となり、回路規模の過大な増加を招くことなく、携帯性に優れた小型の充電式電源を提供することが可能となる。

本実施形態の充放電制御回路、およびそれを備えた充電式電源装置のブロック図である。 本実施形態の充放電制御回路の、遅延回路の一例を示したブロック図である。 本実施形態の充放電制御回路を備えた充電式電源装置に、パルス充放電器が接続されたときの、二次電池の電圧を示す図である。 従来の充放電制御回路を備えた充電式電源装置に、パルス状の充電電流が供給されているときの、二次電池の電圧を示す図である。 従来の充放電制御回路を備えた充電式電源装置に、パルス状の充電電流が供給されているときの、二次電池の電圧を示す図である。 従来の充放電制御回路を備えた充電式電源装置に、パルス充放電器が接続されたときの、二次電池の電圧を示す図である。 充電式電源装置のブロック図である。

符号の説明

１，１００ 充放電制御回路
２ 二次電池
３ 充電式電源装置
４ パルス充放電器
５ 電圧検出手段
６ 遅延回路
７ 遅延時間切替回路
８ 出力信号制御回路
１０ 充放電電流制御回路
１１ 放電制御用トランジスタ
１２ 充電制御用トランジスタ
１３、１４ 寄生ダイオード
２１ 発振回路
２２ 分周回路
２３、２４ スイッチ
ＦＦ フリップフロップ回路

Claims (5)

1. 二次電池の充放電を制御する充放電制御回路であって、
   過充電電圧検出手段と、
   前記過充電電圧検出手段が出力する信号を受けて、所定の遅延時間を計数後に前記信号を出力する遅延手段と、
   前記過充電電圧検出手段が出力する信号と、前記遅延手段が出力する信号を受けて、前記遅延手段の遅延時間を切替る遅延時間切替手段と、を備え、
   前記遅延手段は、第１の遅延時間と、前記第１の遅延時間よりも短い第２の遅延時間を計数する切替え手段を有し、
   前記遅延時間切替手段は、過充電による充電禁止状態からの充電禁止解除後に、前記遅延回路へ前記第２の遅延時間へ切替る信号を出力し、
   前記遅延手段は、前記第２の遅延時間で過充電を検出することを特徴とする充放電制御回路。
2. 前記遅延手段はさらに、前記第２の遅延時間から前記第１の遅延時間に復帰するためのタイマー手段を有し、
   前記タイマー手段が計数を終了した後は、前記第１の遅延時間で過充電を検出することを特徴とする請求項１に記載の充放電制御回路。
3. 前記タイマー手段の計数するタイマー時間は、前記第１の遅延時間よりも短く、前記第２の遅延時間よりも長いことを特徴とする請求項２に記載の充放電制御回路。
4. 前記遅延手段は、複数のフリップフロップ回路とスイッチ回路を備え、
   前記スイッチ回路で前記複数のフリップフロップ回路を分割することによって、前記第２の遅延時間と、前記タイマー時間とを同時に計数することを特徴とする請求項２に記載の充放電制御回路。
5. 充放電器を接続する端子に直列に接続された、二次電池および充放電電流制御回路と、
   前記二次電池の両端の端子と電圧検出端子を接続し、充放電電流制御回路と制御信号出力端子を接続した、請求項１から４のいずれかに記載の充放電制御回路と、を備えた充電式電源装置。

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