JP2009268345A - 二次電池パックの充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】充電中の二次電池の異常温度上昇を防止するとともに、短時間に二次電池の充電を完了することのできる充電装置を提供することにある。
【解決手段】充電電流を制御する充電制御部１２は、二次電池２１の温度を監視する温度監視部１３と、二次電池２１の温度が第１の設定温度Ｔ_１以上に上昇したとき、充電電流の供給を停止させる充電停止部１４とを備えている。温度監視部１３の入力端子Ｔ_ＩＮは、二次電池２１の温度を検出するサーミスタ２２の出力端子Ｔ_２２に接続され、温度監視部１３の接地端子Ｔ_ＧＮＤは、充電電流が流れる線路１７に接続され、サーミスタ２２の接地端子Ｔ_２１は、充電装置１０の接地端子Ｔ_１１と接続されている。温度監視部１３の入力電圧Ｖ_ＩＮは、サーミスタ２２の出力電圧Ｖ_ＴＨＡに、温度監視部１３の接地端子Ｔ_ＧＮＤの接続点Ａと充電装置１０の接地端子Ｔ_１１間の電圧Ｖ_Ｒが差分電圧ΔＶとして加わっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池の温度を監視して充電電流の制御を行う二次電池パックの充電装置に関する。

近年、ポータブルオーディオやデジタルスチルカメラといった携帯可能な電子機器の市場が急速に伸びている。その中で、携帯型電子機器に電源を供給するため、充電して再利用可能な二次電池は重要な役割を担っている。そして、電子機器の駆動電源として用いる二次電池は、電子機器の使用時間をより長くできる様に、二次電池の容量を増加させることが要求されている。

一方、二次電池の容量を増加させることは、二次電池の安全性にも大きく影響する。例えば、二次電池を充電する場合、二次電池を充電装置に装着して充電を行うが、このとき、充電装置からの煽り熱や、二次電池自身の発熱等により、二次電池の温度が、環境温度よりも上昇するおそれがある。

そこで、従来の充電装置では、充電中、二次電池の温度を監視して、二次電池の温度が設定温度を超えたとき、充電電流の供給を停止して、二次電池の温度がそれ以上に上昇するのを防止する機能を備えている。

通常、このような充電電流の制御は、二次電池の温度を検出するサーミスタからの出力電圧を、設定温度に対応した基準電圧と比較するコンパレータによって実行される。

しかしながら、充電電流の供給を停止した後、二次電池の温度が急速に低下した場合、直ぐに充電電流の供給か再開されるため、二次電池の温度は再び上昇する。その結果、充電電流のオン／オフ動作が短時間に繰り返される、いわゆる異常発振（チャタリング）が発生するという問題がある。

そこで、このようなチャタリングを防止するために、例えば、特許文献１には、コンパレータにヒステリシス特性をもたす方法が記載されている。すなわち、二次電池の温度が設定温度に達したとき、充電電流の供給を停止し、その後、二次電池の温度が設定温度より所定のヒステリシス温度だけ低い温度に低下するまで、充電電流の供給停止を解除しないように制御することによって、異常発振を防止することができる。
特開平７−４６７７４号公報

上記の方法において、ヒステリシス温度が小さすぎると、外部からのノイズ等の影響を受けて、異常発振を効果的に防止することができない。そのため、ヒステリシス温度は、ある程度大きく設定する必要がある。

図４（ａ）、（ｂ）は、ヒステリシス特性を用いて、二次電池の温度が設定温度以上に上昇しないよう、充電電流を制御する方法を示した図である。図４（ａ）に示すように、二次電池の温度がＴ_１に達したとき、充電電流の供給を停止し、二次電池の温度がＴ_２まで下がったとき、充電電流の供給を再開するように、充電電流を制御する。このとき、ヒステリシス温度ΔＴ（Ｔ_１−Ｔ_２）は、ある程度大きく設定されているため、図４（ｂ）に示すように、充電電流の流れていない時間ｔ_１が、充電電流の流れている時間ｔ_２よりも長くなってしまう。そのため、充電が完了するまでの時間が長くなってしまうという問題がある。

本発明は、かかる問題に鑑みなされたもので、その主な目的は、充電中の二次電池の異常温度上昇を防止するとともに、短時間に二次電池の充電を完了することのできる充電装置を提供することにある。

本発明の一側面における二次電池パックの充電装置は、二次電池パックに充電電流を供給する電流供給回路と、電流供給回路の充電電流を制御する充電制御部とを備え、充電制御部は、二次電池の温度を監視する温度監視部と、温度監視部で監視された二次電池の温度が第１の設定温度以上に上昇したとき、充電電流の供給を停止させる充電停止部とを備え、温度監視部の入力端子は、二次電池パック側に備えられた二次電池の温度を検出するサーミスタの出力端子に接続され、温度監視部の接地端子は、充電装置の接地端子と電流供給回路とを接続する充電電流が流れる線路に接続され、二次電池パック側に備えられたサーミスタの接地端子は、充電装置の接地端子と接続されている。そして、温度監視部の入力端子における電圧は、サーミスタの出力端子における電圧に、温度監視部の接地端子の線路に接続された接続点と充電装置の接地端子との間の線路における抵抗値によって定まる所定の電圧が差分電圧として加わっており、二次電池の温度が第１の設定温度以上に上昇して、充電停止部によって充電電流の供給が停止されたとき、温度監視部の入力端子における電圧は、差分電圧だけ瞬間的に減少する。

ある好適な側面において、上記充電停止部は、温度監視部で監視された二次電池の温度が、第１の設定温度よりも低い第２の設定温度以下に低下したとき、充電電流の供給停止を解除する。このとき、温度監視部の入力端子における電圧は、上記差分電圧だけ瞬間的に増加する。

ここで、上記差分電圧は、温度監視部の接地端子の線路に接続された接続点と、充電装置の接地端子との間の線路における抵抗値に、線路に流れる充電電流を乗じた値である。好適には、差分電圧が５０ｍＶ以上になるように、温度監視部の接地端子の線路への接続点が設定されている。

ある好適な側面において、上記温度監視部の入力端子は、充電装置の温度監視端子を介して、二次電池パック側に備えられたサーミスタの出力端子に接続されている。

本発明によれば、ヒステリシス機能を設けることなく、充電中の二次電池の異常温度上昇を安定して防止しつつ、短時間に二次電池の充電を完了することのできる充電装置を実現することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

図１は、本発明の一実施形態における二次電池パック２０の充電装置１０の構成を示したブロック図である。

図１に示すように、充電装置１０は、二次電池パック２０に充電電流を供給する電流供給回路１１と、電流供給回路１１の充電電流を制御する充電制御部１２とを備えている。さらに、充電制御部１２は、二次電池２１の温度を監視する温度監視部１３と、温度監視部１３で監視された二次電池２１の温度が、第１の設定温度以上に上昇したとき、充電電流の供給を停止させる充電停止部１４とを備えている。

ここで、温度監視部１３の入力端子Ｔ_ＩＮは、二次電池パック２０側に備えられた二次電池２１の温度を検出するサーミスタ２２の出力端子Ｔ_２２に接続されている。また、温度監視部１３の接地端子Ｔ_ＧＮＤは、充電装置１０の接地端子Ｔ_１１と電流供給回路１１とを接続する充電電流が流れる線路１７に接続されている。さらに、二次電池パック２０側に備えられたサーミスタ２２の接地端子Ｔ_２１は、充電装置１０の接地端子Ｔ_１１と接続されている。

次に、図２（ａ）〜（ｅ）を参照しながら、本実施形態の充電装置１０において、充電中の二次電池２１の異常温度上昇を防止する充電電流の制御方法を説明する。

図２（ａ）は、充電中の二次電池２１の温度Ｔの変化を示す。図２（ｂ）は、サーミスタ２２の出力電圧Ｖ_ＴＨＡの変化を示す。一般に、温度が上昇するとサーミスタ２２の抵抗は下がるため、サーミスタ２２の出力電圧Ｖ_ＴＨＡの変化は、温度Ｔの変化と逆になる。

本実施形態において、温度監視部１３の接地端子Ｔ_ＧＮＤは、図１に示したように、充電装置１０の接地端子Ｔ_１１と電流供給回路１１とを接続する線路１７の接続点Ａに接続されている。そのため、温度監視部１３の入力端子Ｔ_ＩＮにおける電圧Ｖ_ＩＮは、サーミスタ２２の出力端子Ｔ_２２における電圧Ｖ_ＴＨＡに、接続点Ａと充電装置１０の接地端子Ｔ_１１との間の線路１７における抵抗値によって定まる所定の電圧Ｖ_Ｒが差分電圧ΔＶとして加わっている。すなわち、Ｖ_ＩＮ、Ｖ_ＴＨＡ、Ｖ_Ｒとは、以下の関係式がなりたつ。

Ｖ_ＩＮ＝Ｖ_ＴＨＡ＋Ｖ_Ｒ
ここで、接続点Ａと充電装置１０の接地端子Ｔ_１１との間の線路１７における抵抗値をｒ、線路１７を流れる充電電流をＩとすると、Ｖ_Ｒ＝ｒ×Ｉとなる。

図２（ｅ）に示すように、一定の充電電流Ｉで二次電池２１を充電中に、図２（ａ）に示すように、二次電池２１の温度が上昇し、第１の設定温度Ｔ_１に達したとき、温度監視部１３は、入力電圧Ｖ_ＩＮが基準電圧Ｖ_ｔｈ以下になったことを検出して、充電停止部１４を作動させて充電電流の供給を停止させる。このとき、充電電流がゼロになるため、図２（ｃ）に示すように、Ｖ_Ｒ＝０となり、温度監視部１３の入力端子Ｔ_ＩＮにおける電圧Ｖ_ＩＮは、図２（ｄ）に示すように、差分電圧ΔＶだけ瞬間的に減少する。

従って、二次電池２１が第１の設定温度Ｔ_１に達して、充電電流がゼロに切り替わっても、温度監視部１３の入力電圧Ｖ_ＩＮは、その瞬間に、基準電圧Ｖ_ｔｈから差分電圧ΔＶだけ減少するため、外部からのノイズ等の影響を受けても、異常発振が生じることはない。

充電電流の供給が停止した後、図２（ａ）に示すように、二次電池２１の温度が第２の設定温度Ｔ_２まで低下したとき、サーミスタ２２の出力電圧Ｖ_ＴＨＡは上昇し、図２（ｄ）に示すように、温度監視部１３の入力電圧Ｖ_ＩＮが基準電圧Ｖ_ｔｈ以上になったとき、充電電流の供給停止は解除される。このとき、充電電流が再び流れるため、温度監視部１３の入力端子Ｔ_ＩＮにおける電圧Ｖ_ＩＮは、図２（ｄ）に示すように、差分電圧ΔＶだけ瞬間的に増加する。

従って、二次電池２１が第２の設定温度Ｔ_２に達して、充電電流が再び流れても、温度監視部１３の入力電圧Ｖ_ＩＮは、その瞬間に、基準電圧Ｖ_ｔｈから差分電圧ΔＶだけ増加するため、外部からのノイズ等の影響を受けても、異常発振が生じることはない。

以上、説明したように、二次電池の充電中に、温度監視部１３、及び充電停止部１４が作動して、充電電流のオン／オフが切り替わっても、切り換え時に、温度監視部１３の入力電圧Ｖ_ＩＮが、瞬間的に差分電圧ΔＶだけ減少または増加するため、異常発振を防止することができる。すなわち、ヒステリシス機能を設けることなく、充電中の二次電池の異常温度上昇を安定して防止することができる。

ここで、差分電圧ΔＶは、温度監視部１３の接地端子Ｔ_ＧＮＤの線路１７に接続された接続点Ａと、充電装置１０の接地端子Ｔ_１１との間の線路１７における抵抗値ｒに、線路１７に流れる充電電流Ｉを乗じた値で決まる。この差分電圧ΔＶの大きさは、特に制限されないが、外部からのノイズ等の影響を受けて異常発振が生じない程度の大きさ（例えば、５０ｍＶ以上）にすることが好ましい。この場合、線路１７の比抵抗と充電電流の大きさを考慮して、所定の差分電圧ΔＶが生じるよう、温度監視部１３の接地端子Ｔ_ＧＮＤの線路１７への接続点Ａの位置が決められる。

また、異常発振を防止できる程度の大きさに設定された差分電圧ΔＶは、５０ｍＶ程度と小さいため、従来のヒステリシス機能を用いた充電電流の制御に比べて、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、充電電流の流れていない時間を非常に短くすることができる。従って、短時間に二次電池の充電を完了することのできる充電装置を実現することが可能となる。

本発明において、サーミスタ２２の出力端子Ｔ_２２における電圧Ｖ_ＴＨＡは、サーミスタ２２の抵抗と分圧抵抗１６との抵抗比によって定まる電圧をいい、サーミスタ２２の温度変化にのみ依存して変化する。また、温度監視部１３の入力端子Ｔ_ＩＮにおける電圧Ｖ_ＩＮは、温度監視部１３に実際に読み込まれる電圧値をいう。また、温度監視部１３の入力端子Ｔ_ＩＮ、及び接地端子Ｔ_ＧＮＤは、必ずしも、独立に存在する「端子」でなくてもよい。なお、温度監視部１３の入力端子Ｔ_ＩＮは、通常、図１に示すように、充電装置１０の温度監視端子Ｔ_１２を介して、二次電池パック２０側に備えられたサーミスタ２２の出力端子Ｔ_２２に接続されている。

本発明において、温度監視部１３の構成は、特に制限されないが、例えば、コンパレータ等が好適に用いられる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては、温度監視部１３と充電停止部１４とを、別々の構成として説明したが、上述した充電電流の制御を実行するものであれば、一体に構成されたものであってもよい。この場合、温度監視部１３の入力端子Ｔ_ＩＮは、充電制御部１２の入力端子と、温度監視部１３の接地端子Ｔ_ＧＮＤは、充電制御部１２の接地端子と読み替えられる。

また、上記実施形態において、二次電池パック２０は単一の電池２１を備えた例を説明したが、複数の二次電池２１が直列または並列に接続されたものであってもよい。

本発明は、電子機器の駆動電源として用いる二次電池パックの充電装置に有用である。

本発明の一実施形態における二次電池パックの充電装置の構成を示したブロック図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本実施形態の充電装置における充電電流の制御動作を説明する図である。 （ａ）は、本実施形態の充電装置における充電電流と温度との関係を示した図、（ｂ）は、本実施形態の充電装置における電池温度と充電電流との関係を示した図である。 （ａ）は、従来のヒステリシス機能を用いた充電装置における充電電流と温度との関係を示した図、（ｂ）は、従来のヒステリシス機能を用いた充電装置における電池温度と充電電流との関係を示した図である。

１０ 充電装置
１１ 電流供給回路
１２ 充電制御部
１３ 温度監視部
１４ 充電停止部
１６ 分圧抵抗
１７ 線路
２０ 二次電池パック
２１ 二次電池
２２ サーミスタ
Ｔ_ＩＮ 温度監視部の入力端子
Ｔ_ＧＮＤ 温度監視部の接地端子
Ｔ_１１ 充電装置の接地端子
Ｔ_１２ 充電装置の温度監視端子
Ｔ_２１ サーミスタの接地端子
Ｔ_２２ サーミスタの出力端子

Claims (6)

1. 二次電池パックに充電電流を供給する電流供給回路と、前記電流供給回路の充電電流を制御する充電制御部とを備えた充電装置であって、
   前記充電制御部は、
   前記二次電池の温度を監視する温度監視部と、
   前記温度監視部で監視された前記二次電池の温度が、第１の設定温度以上に上昇したとき、充電電流の供給を停止させる充電停止部と、
   を備え、
   前記温度監視部の入力端子は、前記二次電池パック側に備えられた二次電池の温度を検出するサーミスタの出力端子に接続され、
   前記温度監視部の接地端子は、前記充電装置の接地端子と前記電流供給回路とを接続する充電電流が流れる線路に接続され、
   前記二次電池パック側に備えられたサーミスタの接地端子は、前記充電装置の接地端子と接続されており、
   前記温度監視部の入力端子における電圧は、前記サーミスタの出力端子における電圧に、前記温度監視部の接地端子の前記線路に接続された接続点と、前記充電装置の接地端子との間の前記線路における抵抗値によって定まる所定の電圧が差分電圧として加わっており、
   前記二次電池の温度が前記第１の設定温度以上に上昇して、前記充電停止部によって充電電流の供給が停止されたとき、前記温度監視部の入力端子における電圧は、前記差分電圧だけ瞬間的に減少する、二次電池パックの充電装置。
2. 前記充電停止部は、前記温度監視部で監視された前記二次電池の温度が、前記第１の設定温度よりも低い第２の設定温度以下に低下したとき、充電電流の供給停止を解除する、請求項１に記載の二次電池パックの充電装置。
3. 前記二次電池の温度が前記第２の設定温度以下に低下して、前記充電停止部によって充電電流の供給停止が解除されたとき、前記温度監視部の入力端子における電圧は、前記差分電圧だけ瞬間的に増加する、請求項２に記載の二次電池パックの充電装置。
4. 前記差分電圧は、前記温度監視部の接地端子の前記線路に接続された接続点と、前記充電装置の接地端子との間の前記線路における抵抗値に、該線路に流れる充電電流を乗じた値である、請求項１に記載の二次電池パックの充電装置。
5. 前記差分電圧が５０ｍＶ以上になるように、前記温度監視部の接地端子の前記線路への接続点が設定されている、請求項１に記載の二次電池パックの充電装置。
6. 前記温度監視部の入力端子は、前記充電装置の温度監視端子を介して、前記二次電池パック側に備えられたサーミスタの出力端子に接続されている、請求項１に記載の二次電池パックの充電装置。

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