JP2009148005A

JP2009148005A - 充電装置

Info

Publication number: JP2009148005A
Application number: JP2007319959A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Kurashina; 憲一倉品
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2009-07-02

Abstract

【課題】二次電池の充電電流を検出する構成に起因する充電電流による熱損失が抑制された充電装置を提供する。
【解決手段】充電器１から二次電池７への充電経路中に挿入された第１スイッチ２と、第１スイッチと二次電池の間に一端が接続された第２スイッチ３と、第２スイッチの他端と接地の間に接続されたコンデンサ４と、コンデンサを放電させるための放電回路８と、二次電池の電圧を検出する電圧検出回路５と、第１及び第２スイッチ、及び放電回路の動作を制御する制御回路６とを備える。二次電池を充電するための充電モードの動作を行うときには、第１スイッチをオン、第２スイッチをオフの状態に制御する。第１スイッチをオフの状態にして、第２スイッチの動作を制御するとともに、電圧検出回路の検出出力を用いて検出した二次電池の放電特性に基づき二次電池への充電電流を算出し、算出された充電電流に応じて二次電池に対する充電動作を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン電池等の二次電池の充電を行うための充電装置に関する。特に、充電動作を制御するための充電電流を検出する構成に起因する電流損失を抑制した充電装置に関するものである。

リチウムイオン電池等の二次電池を急速充電する場合に、スイッチング電源を用いた降圧コンバータが、アダプタなどからの入力電源電圧を所望の電圧に変換する手段として採用されている。

従来の充電器の充電動作、特に充電動作を制御するための充電電流を検出する動作について、図６を参照して説明する。リチウムイオン電池等の二次電池の充電には、一般に定電流定電圧方式が用いられている。電圧精度や充電電流の精度が電池の容量に大きく影響するため、この精度をどこまで向上させられるかが重要になっている。図６において、横軸は充電時間の経過、縦軸は電圧Ｖ及び電流Ｉである。曲線ＶＢが電池電圧の変化、曲線Ｉｃが充電電流の変化を示す。

図６に示すように、まず電池電圧ＶＢが設定された定電圧値ＣＶより低い範囲では、定電流充電領域で充電が行われる。そして時間ａで電池電圧ＶＢが定電圧値ＣＶに達すると定電圧充電領域に移行し、充電電流Ｉｃが減少していく。やがて充電電流Ｉｃが設定された終止電流値Ｉ_offになると充電を終了する。あるいは図７に示すように、２段階の定電流充電を行う定電流定電圧充電方式も知られている。

次に、従来の充電装置における充電電流の検出について、図８を参照して説明する。図８は、従来の充電装置の構成を示す。充電器１から供給される電源は、検出抵抗１０、及びスイッチ１１を介して、内部インピーダンスｚを持つ二次電池７に供給される。電流検出回路１２は、検出抵抗１０の両端の電圧に基づき充電電流を検出する。電圧検出回路１３は、二次電池７の電圧を検出する。電流検出回路１２と電圧検出回路１３は、制御回路１４により制御される。定電圧充電モードでも、充電器１から、スイッチ１１を通して検出抵抗１０に電流が流れており、この時、検出抵抗１０に発生する電位差を検出して電流が検出される。

図９は、従来の充電器における充電電流と検出電圧との関係を示した図である。充電電流が小さくなっていくと検出電圧も小さくなり、任意レベル以下の電圧、つまり終止電流まで小さくなったことが検出されたら、充電を停止する。

また特許文献１には、図１０に示すような充電装置が開示されている。この装置は、ＡＣ電圧を整流平滑回路１５でＤＣ電圧に変換し、定電圧定電流制御回路１６およびスイッチ１１を介して二次電池７に充電電流を供給し、所定電位に充電する。定電圧定電流制御回路１６と二次電池７とに直列に、抵抗器１０が接続されている。抵抗器１０の両端電流を検出して、電流検出回路１２により充電電流を検出する。電流検出回路１２の検出出力により、定電圧定電流制御回路１６から二次電池７に供給する充電電流を制御する。

すなわち、抵抗器１０に充電電流が流れることにより抵抗器１０の両端に電圧降下が発生し、充電電流が電圧に変換される。この電圧をコンパレータ等で比較することにより、充電電流が任意設定電流になるようスイッチ１１を制御する。
特開平８−８８０２６号公報

しかしながら、上記従来技術によれば、定電流充電モード時の充電電流により検出抵抗で熱損失が発生し、使用法によっては相当に大きな熱が発生する。これは充電装置の使用に際して、安全上大きな問題となる。

充電しながら内部回路で大電流を消費する使用の場合、検出抵抗での熱損失が持続し、セットの温度が上昇し、場合によってはやけど等、安全上大きな問題となる。従ってこのような状態では、二次電池への充電を行なう事が困難となる。

本発明は、上記問題点を解消するためのもので、充電電流を検出するための構成に起因する、充電電流による熱損失が抑制された充電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の構成の充電装置は、充電器と、前記充電器から二次電池への充電経路中に挿入された第１スイッチと、前記充電経路における前記第１スイッチと前記二次電池の間に一端が接続された第２スイッチと、前記第２スイッチの他端と接地の間に接続されたコンデンサと、前記コンデンサに充電された電荷を放電させるための放電回路と、前記二次電池の電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路による検出電圧が供給され、前記第１及び第２スイッチ、及び前記放電回路の動作を制御する制御回路とを備える。前記制御回路は、前記二次電池を充電するための充電モードの動作を行うときには、前記第１スイッチをオン、前記第２スイッチをオフの状態に制御し、前記第１スイッチをオフの状態にして、前記第２スイッチの動作を制御するとともに、前記電圧検出回路の検出出力を用いて検出した前記二次電池の放電特性に基づき前記二次電池への充電電流を算出し、算出された前記充電電流に応じて前記二次電池に対する充電動作を制御する。

本発明の第２の構成の充電装置は、上記構成の充電装置における放電回路に代えて、前記充電器により前記コンデンサに対して充電を行わせる機能を有する充電回路を備えた構成を有する。

本発明の充電装置の構成によれば、熱損失の発生源となっていた検出抵抗を用いることなく、コンデンサを使用することにより、二次電池への検出抵抗による熱損失を低減することができる。

本発明の充電装置は、上記構成を基本として、以下のような態様を採ることができる。

すなわち、第１の構成の充電装置において、前記制御回路は、前記コンデンサの電荷を前記放電回路により放電した後、前記第１スイッチをオフ、前記第２スイッチをオンとすることにより、前記二次電池からの放電により前記コンデンサに対する充電を行うことにより、前記二次電池の放電特性を測定する構成とすることができる。

また、前記制御回路は、前記二次電池の内部インピーダンスを測定し、前記充電モードから前記第１スイッチをオフにしてパルス電流を発生させ、前記電圧検出回路により検出される前記二次電池の開放電圧に基づき、前記充電電流を検出する構成とすることができる。

この構成において、前記制御回路は、前記コンデンサの電荷を前記放電回路により放電した後、前記第１スイッチをオフ、前記第２スイッチをオンとすることにより、前記二次電池からの放電により前記コンデンサに対する充電を行い、そのときの前記二次電池の放電特性に基づき、前記二次電池の内部インピーダンスを測定する構成とすることができる。

また、第２の構成の充電装置において、前記制御回路は、前記充電回路を制御して前記充電器により前記コンデンサに対して充電を行わせた後、前記第１スイッチをオフ、前記第２スイッチをオンとすることにより、前記コンデンサからの放電により前記二次電池に対する充電を行い、そのときの前記二次電池の充電特性に基づき、前記充電電流を検出する構成とすることができる。

第１または第２の構成の充電装置において、前記制御回路は、前記充電モードと、前記充電電流を測定するための動作とを、間欠的に行わせる構成とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して、より詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における充電装置を示す。充電器１から供給される充電電流により、第１スイッチ２を介して二次電池７を充電するように構成されている。ｚは二次電池７の内部インピーダンス、Ｖ_bは起電力を示す。

第１スイッチ２と二次電池７の間に第２スイッチ３を介して、コンデンサ４が接続されている。第２スイッチ３とコンデンサ４の間には、放電回路８が接続されている。コンデンサ４及び放電回路８の他方の端子は接地されている。第２スイッチ３と二次電池７の間に、電圧検出回路５が接続され、二次電池７の電圧を検出してその検出出力を制御回路６に供給する。制御回路６は、充電器１、第１スイッチ２、第２スイッチ３、及び放電回路８の動作を制御できるように接続されている。

第２スイッチ３により、二次電池７から充放電させる経路が形成され、コンデンサ４は二次電池７からの電荷を蓄えることができる。放電回路８は、コンデンサ４に蓄積された電荷を放電するために設けられている。放電回路８は、コンデンサ４と接地の間の挿入したスイッチにより構成することができる。

上記構成の充電装置の動作の概要は、以下のとおりである。二次電池７を充電する充電モードでは、第１スイッチ２をオン、第２スイッチ３をオフとして、充電器１から二次電池７に充電電流が供給される。この充電モード中に、放電回路８によりコンデンサ４を放電させ、初期状態を０Ｖとする。

その後、制御回路６は、内部インピーダンスｚを測定するインピーダンス測定モードに入るように制御する。このモードでは、第１スイッチ２をオフさせて充電動作を任意時間停止する。同時に第２スイッチ３をオンさせることにより、二次電池７から、第２スイッチ３を介してコンデンサ４に対する放電が行われる。この時の二次電池７の放電電圧特性から、二次電池７の内部インピーダンスｚを算出する。算出方法の具体例については、後述する。

次に、第２スイッチ３をオフすると同時に第１スイッチ２をオンさせて充電モードに入り、再び充電を開始する。同時に、コンデンサ４に蓄えられた電荷を放電回路８により放電させ、初期状態に戻す。

その後、制御回路６は、充電電流Ｉｃを算出する電流検出モードに入るように制御する。このモードでは、第１スイッチ２をオフさせる。それにより、電圧検出回路５が検出する電圧値は、充電モード時の内部インピーダンスｚによる電圧変化（ｚ×Ｉｃ）分低下する。内部インピーダンスｚは先に測定されているので、この電圧変化の値を用いて充電電流Ｉｃを求めることができる。

このようにして、制御回路６は、充電電流Ｉｃを検出するために、電圧検出回路５による電池電圧（端子電圧）Ｖ_(t)の測定を行いながら、第１スイッチ２、第２スイッチ３、放電回路８、及び充電器１を制御する。

次に、図１及び図２を参照して、本実施の形態の充電装置における充電電流検出の動作について説明する。図２は、本実施の形態における制御回路６の動作、及びそれに伴う充電電流Ｉｃと電池電圧Ｖ_(t)の時間的変化を示す。波形（ａ）は第１スイッチ２のオン・オフ、（ｂ）は第２スイッチ３のオン・オフを示す。（ｃ）は放電回路８のオン・オフを示す。（ｄ）は充電電流Ｉｃ、（ｅ）は電池電圧（端子電圧）Ｖ_(t)を示す。

充電モードでは、（ａ）、（ｂ）に示すように、第１スイッチ２がオン、第２スイッチ３がオフであり、（ｄ）に示すように二次電池７に充電電流が供給される。この時、（ｃ）に示すように放電回路８をオンさせてコンデンサ４を放電させ、初期状態を０Ｖとする。

また、（ａ）に示すように、通常の充電モードの間に所定時間を設定して第１スイッチ２をオフとし、インピーダンス測定モードと電流検出モードを間欠的に繰り返しながら検出動作を行う。（ｂ）に示すように第２スイッチ３がオンのときがインピーダンス測定モード、オフのときが電流検出モードとなる。電流検出モードにより検出される充電電流値Ｉｃが所定の値に達したら、充電モードを抜け充電を終了する（図示せず）。

インピーダンス測定モードにおいて、制御回路６は、第１スイッチ２をオフ、第２スイッチ３をオンとすることにより、二次電池７からの放電によりコンデンサ４に対する充電を行う。それにより、二次電池７の電池電圧が（ｅ）に示すように、ΔＶ₀₁低下する。このときの二次電池７の放電特性に基づき、二次電池７の内部インピーダンスｚを算出する。

電流検出モードにおいて充電電流値Ｉｃを検出するときには、（ａ）、（ｂ）に示すように、充電モードから、第２スイッチ３がオフのまま、第１スイッチ２をオフにしてパルス電流を発生させ、電圧検出回路５により検出される二次電池の開放電圧を用いて、充電電流Ｉｃを算出する。

次に図２、図３を参照して、インピーダンス測定モードにおける二次電池７の内部インピーダンスｚを算出する方法について説明する。図３は、本実施の形態における内部インピーダンスｚの測定時の、電圧検出回路５が検出する電池電圧Ｖ_(t)の波形を示す。電池電圧Ｖ_(t)は、コンデンサ４への放電により、時間とともに時定数（１／Ｃ×ｚ）に従って低下していく。この時の開放電圧Ｖ₀、及び任意時間Ｔでの電池電圧Ｖ_(T)から、二次電池７の内部インピーダンスｚを求める。

上述の動作を計算式で表すと、以下のようになる。充電モード時には、二次電池７の入力電圧Ｅ₀は、電池電圧（起電力）Ｖ_bと充電電流Ｉｃによる電圧上昇分（ｚ×Ｉｃ）から、
Ｅ₀＝Ｖ_b＋ｚ×Ｉｃ・・・（１）
と表される。

電池電圧Ｖ_(t)は、時定数（１／Ｃ×ｚ）を用いて、
Ｖ_(t)＝Ｖ_b＋（Ｅ₀−Ｖ_b）ｅｘｐ｛−ｔ／（Ｃ×ｚ）｝・・・（２）
と表される。

電池電圧Ｖ_(t)の初期状態である開放電圧Ｖ₀（ｔ＝０）は、式（２）から、Ｖ₀＝Ｅ₀となる。

従って、図３に示すインピーダンス測定モード時の電池電圧Ｖ_(t)の低下ΔＶ₀₁は、検出時間をＴ₁とすると
ΔＶ₀₁＝（Ｅ₀−Ｖ_b）［１−ｅｘｐ｛−Ｔ₁／（Ｃ×ｚ）｝］・・・（３）
と表される。

また、電流検出モード時の電池電圧Ｖ_(t)の低下ΔＶ₀₂は、式（１）を考慮すれば、
ΔＶ₀₂＝（Ｅ₀−Ｖ_b）＝ｚ×Ｉｃ・・・（４）
と表される。

式（３）及び式（４）からは、Ｔ₁／（Ｃ×ｚ）＜＜１、であることを考慮すれば、
ΔＶ₀₁＝｛Ｔ₁／（Ｃ×ｚ）｝ΔＶ₀₂ ・・・（５）
が得られる。従って、充電電流Ｉｃは、
Ｉｃ＝（ΔＶ₀₁×Ｃ）／Ｔ₁ ・・・（６）
となる。

（実施の形態２）
実施の形態２における充電装置の回路構成は、図１に示したものと同様である。本実施の形態は、図４に示す制御回路６の動作、及びそれに伴う電池電圧Ｖ_(t)の時間的変化が、実施の形態１とは相違する。すなわち、実施の形態１では、インピーダンス測定モードでの計算式、及び電流検出モードでの計算式より充電電流Ｉｃを求めた。これに対して本実施の形態では、図２に示したインピーダンス測定モードで検出される放電特性だけに基づいて充電電流Ｉｃを算出する。

図４に示す充電モードでは、実施の形態１と同様、（ａ）に示すように第１スイッチ２がオンであり、（ｄ）に示すように二次電池７に充電電流が供給される。この時、（ｃ）に示すように放電回路８をオンさせて、コンデンサ４を放電させ、初期状態を０Ｖとする。

また、（ａ）に示すように、通常の充電モードの間に所定時間を設定して第１スイッチ２をオフとし、電流検出モードを繰り返しながら、間欠的に検出動作を行う。この電流検出モードは、実施の形態１におけるインピーダンス測定モードと同様の動作である。すなわち、第１スイッチ２をオフ、第２スイッチ３をオンとすることにより、二次電池７からコンデンサ４に充電する動作が行われる。

電流検出モードにおいて、コンデンサ４に対する充電を行うことにより、二次電池７の電池電圧が（ｅ）に示すように、ΔＶ₀₁低下する。このときの二次電池７の放電特性に基づき、すなわち電池電圧Ｖ_(t)がΔＶ₀₁低下するのに要した検出時間Ｔ₁を用いて、式（６）により充電電流Ｉｃを算出する。

電流検出モードにより検出される充電電流値Ｉｃが所定の値に達したら、充電モードを抜け充電を終了する（図示せず）。

（実施の形態３）
実施の形態３における充電装置の回路構成を、図５に示す。実施の形態１では、コンデンサ４の初期状態を０Ｖにするために放電回路８により放電動作を行っていたが、コンデンサ４の初期状態が電池電圧より高い状態でも、充電電流Ｉｃを検出することが可能である。すなわち、本実施の形態における充電装置は、図１に示した充電装置における放電回路８に代えて、充電回路９を設けた点が、実施の形態１の回路構成とは異なる。実施の形態１における要素と同一の要素については同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。

充電回路９には、充電器１が接続されている。従って、充電モード時、電池電圧より高い充電電圧を充電器１から供給している場合、この充電電圧を充電回路９を介してコンデンサ４に印加し、充電を行うことができる。

その後、インピーダンス測定モードに入り、第１スイッチ２をオフさせ第２スイッチ３をオンさせる。この時、コンデンサ４側の電圧が二次電池７の電圧よりも高いため、コンデンサ４から内部インピーダンスｚを介して二次電池７に対する充電が行われる。コンデンサ４から放電の特性、すなわち二次電池７に対する充電特性に基づいて、充電電流を算出することができる。

本発明の充電装置は、充電電流を検出ための構成に起因する充電電流による熱損失が抑制されるので、リチウムイオン電池等の二次電池の充電装置に有用である。

実施の形態１における充電装置を示すブロック図同充電装置における制御回路の動作、及びそれに伴う充電電流と電池電圧の時間的変化を示す図同充電装置における内部インピーダンス測定時の電圧波形を示す波形図実施の形態２における充電装置における制御回路の動作、及びそれに伴う充電電流と電池電圧の時間的変化を示す図実施の形態３における充電装置を示すブロック図従来例の充電装置の充電電流と電池電圧波形を示す図他の従来例の充電装置の充電電流と電池電圧波形を示す図従来例の充電装置を示すブロック図従来例の充電装置における充電電流と検出電圧との関係を示す図他の従来例の充電装置を示すブロック図

符号の説明

１充電器
２第１スイッチ
３第２スイッチ
４コンデンサ
５、１３電圧検出回路
６、１４制御回路
７二次電池
８放電回路
９充電回路
１０検出抵抗
１１スイッチ
１２電流検出回路
１５整流平滑回路
１６定電圧定電流制御回路
ｚ内部インピーダンス
Ｖ_b 起電力

Claims

充電器と、
前記充電器から二次電池への充電経路中に挿入された第１スイッチと、
前記充電経路における前記第１スイッチと前記二次電池の間に一端が接続された第２スイッチと、
前記第２スイッチの他端と接地の間に接続されたコンデンサと、
前記コンデンサに充電された電荷を放電させるための放電回路と、
前記二次電池の電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路による検出電圧が供給され、前記第１及び第２スイッチ、及び前記放電回路の動作を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記二次電池を充電するための充電モードの動作を行うときには、前記第１スイッチをオン、前記第２スイッチをオフの状態に制御し、
前記第１スイッチをオフの状態にして、前記第２スイッチの動作を制御するとともに、前記電圧検出回路の検出出力を用いて検出した前記二次電池の放電特性に基づき前記二次電池への充電電流を算出し、
算出された前記充電電流に応じて前記二次電池に対する充電動作を制御することを特徴とする充電装置。
前記制御回路は、前記コンデンサの電荷を前記放電回路により放電した後、前記第１スイッチをオフ、前記第２スイッチをオンとすることにより、前記二次電池からの放電により前記コンデンサに対する充電を行うことにより、前記二次電池の放電特性を測定する請求項１に記載の充電装置。
前記制御回路は、前記二次電池の内部インピーダンスを測定し、前記充電モードから前記第１スイッチをオフにしてパルス電流を発生させ、前記電圧検出回路により検出される前記二次電池の開放電圧に基づき、前記充電電流を検出する請求項１に記載の充電装置。
前記制御回路は、前記コンデンサの電荷を前記放電回路により放電した後、前記第１スイッチをオフ、前記第２スイッチをオンとすることにより、前記二次電池からの放電により前記コンデンサに対する充電を行い、そのときの前記二次電池の放電特性に基づき、前記二次電池の内部インピーダンスを測定する請求項３に記載の充電装置。
充電器と、
前記充電器から二次電池への充電経路中に挿入された第１スイッチと、
前記充電経路における前記第１スイッチと前記二次電池の間に一端が接続された第２スイッチと、
前記第２スイッチの他端と接地の間に接続されたコンデンサと、
前記充電器により前記コンデンサに対して充電を行わせる機能を有する充電回路と、
前記二次電池の電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路による検出電圧が供給され、前記第１及び第２スイッチ、及び前記放電回路の動作を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記二次電池を充電するための充電モードの動作を行うときには、前記第１スイッチをオン、前記第２スイッチをオフの状態に制御し、
前記第１スイッチをオフの状態にして、前記第２スイッチの動作を制御するとともに、前記電圧検出回路の検出出力を用いて検出した前記二次電池の放電特性に基づき前記二次電池への充電電流を算出し、
算出された前記充電電流に応じて前記二次電池に対する充電動作を制御することを特徴とする充電装置。
前記制御回路は、前記充電回路を制御して前記充電器により前記コンデンサに対して充電を行わせた後、前記第１スイッチをオフ、前記第２スイッチをオンとすることにより、前記コンデンサからの放電により前記二次電池に対する充電を行い、そのときの前記二次電池の充電特性に基づき、前記充電電流を検出する請求項５に記載の充電装置。
前記制御回路は、前記充電モードと、前記充電電流を測定するための動作とを、間欠的に行わせる請求項１または５に記載の充電装置。