JP2010045922A

JP2010045922A - 充電装置

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Publication number: JP2010045922A
Application number: JP2008208210A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Funabashi; 一彦船橋; Takahisa Aradate; 卓央荒舘
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2008-08-12
Filing date: 2008-08-12
Publication date: 2010-02-25

Abstract

【課題】充電装置に、電池パック（二次電池）が長時間挿入された状態でも、電池パックが過放電状態にならないように放電を防止する。
【解決手段】一対の出力線路Ｌ１、Ｌ２間を横切って電気的接続される構成回路部（抵抗３３、抵抗１０１、１０２および１０５の直列接続回路、抵抗９１および９２の直列接続回路、シャントレギュレータ１１６の内部回路部等）を有し、出力線路Ｌ１、Ｌ２間に二次電池の正極端子Ｏ１および負極端子Ｏ２を電気的接続して充電する充電装置２００において、一対の出力線路Ｌ１及び出力線路間を横切って電気的接続される充電装置２００の構成回路部と充電される電池パック２との間にスイッチ素子１８５を電気的接続し、一対の出力線路Ｌ１によって電池パック２を充電しない場合、スイッチ素子１８５を非導通状態にすることによって、一対の出力線路Ｌ１及び構成回路部が形成する電池パック２に対する放電経路を遮断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池等の二次電池を充電するための充電装置に関し、特に、充電装置の出力線路に接続される充電用二次電池に対して形成される不要な放電経路を遮断するための保護スイッチング素子を有する充電装置に関する。

コードレス電動工具を駆動する電源として、ニッケル水素電池やニカド電池等の比較的高容量化された二次電池が使用されている。また、高容量化および軽量化された二次電池として、リチウムイオン電池が実用化されつつある。リチウムイオン電池は、公称電圧がニッケル水素電池やニカド電池に対して比較的高く、かつ小形軽量であるという特徴を有している。さらに、放電効率も良く、比較的低温環境の中でも放電が可能で、広い温度範囲で安定した電圧を得ることができる特徴を有している。

一方、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池（電池パック）を充電する充電装置においては、電池寿命を確保するために、不要な放電または充電を防止する工夫がなされている。特に、リチウムイオン電池においては、過放電または過充電を行うと、電池に損傷を与える可能性があるので、下記特許文献１に記載されたように、一般的には電池パック内に専用の保護ＩＣやマイコンを設け、過放電または過充電を監視し、所定電圧値以下または以上の場合は、前記保護ＩＣやマイコンによって制御信号を出力し、該制御信号に基づき二次電池の充電経路または放電経路を遮断してしまうという保護対策が行われている。

また、例えば下記特許文献２に開示されているように、充電装置の出力線路中にリレースイッチを挿入し、充電動作が終了したら、リレースイッチを遮断して二次電池を電気的に分離する充電装置や、下記特許文献３に開示されているように、充電装置の一対の出力線路を横切って電気的接続される構成回路（一対の出力線路の出力電圧の検出回路等）と該構成回路と直列接続する半導体スイッチング素子によって開閉回路を構成し充電装置の入力源であるＡＣ電源が充電装置から抜かれた状態の時には前記開閉回路を閉状態にする充電装置が周知である。

特開平６−１４１４７９号公報特開２００４−１８７３６６号公報整理番号２００６３０７

しかし、例えば、電池パック（二次電池）内には過放電または過充電を遮断する遮断手段を設けずに電池パックを監視する専用の保護ＩＣやマイコン等のみを設け、監視用保護ＩＣやマイコンから出力される信号に基づいて放電側の放電遮断手段は工具本体、また充電側の充電遮断手段は充電器側に設ける構成のシステムでは、充電器に充電を終了した電池パック、または充電をするための電池パックが長期間接続された状態で放置される場合がある。この放置状態では、充電器の一対の出力線路（出力ライン）を横切って設けられる抵抗等の充電装置の構成回路部が、電池パックに対する放電回路または放電経路を形成することになるので、電池パックが放電されて過放電状態に陥るといった問題を発生する。特にリチウムイオン二次電池においては、過放電状態になると内部の銅が析出して電極間が短絡されてしまうという損傷が発生する問題がある。

過充電に陥るような無駄な充電をさせないようにするために、充電終了後に充電経路を遮断するために、上記特許文献２に開示されるように、充電装置の出力線路にリレースイッチを設け、充電が終了したら充電装置の出力線路と電池パックの正極端子または負極端子との間を電気的に遮断することが周知である。このリレースイッチによれば、リレースイッチに至る充電器の出力線路を横切って接続される充電器の内部回路（構成回路部）によって作られる放電経路が、充電終了後に電池パックから開放されるが、リレースイッチの出力側（電池パックの正極端子または負極端子側）に接続される電池電圧検出回路等の放電経路については、リレースイッチの遮断により電池パックから開放もしくは遮断させることが不可能となる。したがって、長時間、電池パックを充電器に接続したままで放置した場合の過放電の問題は充分に解決されない。さらに、リレースイッチの充電器への使用は、製造コスト面で不利となるという欠点もある。

また、上記欠点を改善した特許文献３に開示されるように充電装置の一対の出力線路を横切って電気的接続される構成回路（出力電圧の検出回路等）と該構成回路と直列接続する半導体スイッチ素子によって開閉回路を構成し充電装置の入力源であるＡＣ電源が充電装置から抜かれた状態の時には前記開閉回路を開状態にすることにより電池パックから開放もしくは遮断させることが可能な充電装置が周知であるがＡＣ電源が入力続けた場合には電池パックと充電装置の一対の出力線路を横切って電気的接続される構成回路が放電回路または放電経路を維持するために過放電に至る事が考えられる。更には、前記半導体スイッチが破損した場合（特に開状態で破損）には、出力電圧を検出することが不可能となり電圧を一定にする定電圧制御が無制御状態になってしまう欠点もある。

したがって、本発明の目的は、上記したような従来技術の欠点をなくし、充電以外の状態の時には、一切の放電経路を無くす、充電装置を提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１の発明によれば、充電電流または充電電圧を供給するための一対の出力線路を有し、該一対の出力線路に備えられる一対の出力端子に二次電池の正極端子および負極端子を電気的接続して充電する充電装置であって、一対の出力線路間を横切って電気的接続される充電装置の構成回路部を有する充電装置において、一対の出力線路に対して充電電力を供給する充電回路と、一対の出力線路のうち構成回路部と二次電池との間の位置に充電回路の動作と連動するスイッチング素子を介在させ、充電回路が非動作状態とされているときにスイッチング素子を非道通状態とすることを特徴としている。

請求項２の発明では、充電回路にはスイッチング素子に接続される第二の出力線路を有し、スイッチング素子は、第二の出力線路の出力により導通状態または非道通状態にスイッチングするように構成されていることを特徴としている。

請求項３の発明では、スイッチング素子は、半導体スイッチング素子から構成されていることを特徴としている。

請求項４の発明では、構成回路部は抵抗素子を含む放電抵抗回路であって、スイッチング素子は一対の出力端子からみて放電抵抗回路と直列接続されていることを特徴としている。

請求項５の発明では、構成回路部は複数の直列接続された直列抵抗回路であって、スイッチング素子は一対の出力端子からみて直列抵抗回路と直列接続されていることを特徴としている。

請求項６の発明では、直列抵抗回路は、一対の出力線路の出力電圧を検出する電圧比較回路を構成する分圧回路及び一対の出力線路の出力電圧を放電する抵抗から構成されることを特徴としている。

本発明によれば、充電回路が停止しているときにはスイッチング素子も同時に非道通状態となるため、充電完了後あるいは充電装置が電源に接続されていない非充電時には二次電池と充電装置内の回路構成部とを回路的に確実に切り離すことができる。従って、充電装置に二次電池が長時間装着され続けた場合であっても、二次電池の過放電を防止することができる。

また、本発明によれば、スイッチング素子は半導体スイッチング素子から構成されるので、比較的安価なスイッチ手段により二次電池の不要な放電を防止できる。

本発明の上記および他の目的、ならびに上記および他の特徴および利点は、以下の本明細書の記述および添付図面からさらに明らかとなるであろう。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る、二次電池の放電防止回路が設けられている充電装置２００の回路図を示し、図２は、本発明を検討する段階で考えた充電装置２００の回路図に係り、本発明に係る二次電池の放電防止回路が適用されているが、不完全である充電装置を示し、さらに図３は、本発明を検討する段階で考えた充電装置２００の回路図に係り、本発明に係る二次電池の放電防止回路が適用されていない充電装置を示す。図４は、図１に示した充電装置に使用されるシャントレギュレータ部の等価回路図を示す。なお、図１乃至図４の回路図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１において、充電装置２００によって充電すべき電池パック（二次電池）２は、単数または直列接続された複数の充電可能な、例えばリチウムイオン電池セル２ａと、直列接続される電池セル２ａのセル数を判別するためのセル数判別抵抗７と、電池パック２内の電池温度を検出するために、電池セル２ａに接触または近接して配置されたサーミスタ等の温度検出センサとして機能する感温素子８と、電池電圧Ｖを監視し過充電または過放電を検知したら信号を出力する保護ＩＣ２ｂとから構成されている。例えば、本実施形態の電池パック２は、電池セル２ａが１セルのリチウムイオン電池（公称電圧３．６Ｖ）から成り、感温素子８としてサーミスタが使用されている。セル数判別抵抗７は、直流電圧源（安定化直流電圧）Ｖｃｃを、セル数判別回路を構成する検出用抵抗９と分圧し、その検出電圧によりセル数を判別する。電池パック２の正極端子Ｏ１は、充電装置２００の出力線路（出力ライン）Ｌ１に、電池パック２の負極端子Ｏ２は、充電装置２００の出力線路（出力ライン）Ｌ２にそれぞれ電気的接続されている。

電池パック２の感温素子８は、直流電圧Ｖｃｃが給電された直列抵抗８１および８２から成る電池温度検出回路８０に接続され、抵抗値の温度変化を電圧に変換し、後述するマイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５２に入力される。電池パック２の正極端子Ｏ１は、抵抗９１と抵抗９２の分圧回路から成る電池電圧検出回路９０に接続されている。

（充電電源回路１６０）
電池パック２に充電電力を供給するための充電電源回路１６０は、１次側整流平滑回路１０と、高周波トランス２１を含むスイッチング回路２０と、２次側整流平滑回路３０とから成るスイッチング電源回路により構成される。

１次側整流平滑回路１０は全波整流回路１１と平滑用コンデンサ１２とから成り、商用交流電源等の交流電源１に一対の入力電源端子Ｉ１およびＩ２を介して電気的接続され、交流電源１を全波整流する。一般には、入力電源端子Ｉ１およびＩ２は、電気プラグによって構成され、商用交流電源１のコンセントまたはソケットに差込みできるように構成されている。

スイッチング回路２０は、高周波トランス２１と、トランス２１の１次巻線２１ａに直列接続されたＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）２２と、ＭＯＳＦＥＴ２２のゲート電極に印加する駆動パルス信号のパルス幅を変調させるためのＰＷＭＩＣ（スイッチング制御ＩＣ）２３とを備える。

ＰＷＭＩＣ２３の駆動電源は、整流平滑回路（直流電源回路）６から供給される。この整流平滑回路６は、トランス６ａと、整流用ダイオード６ｂと、平滑用コンデンサ６ｃとから構成される。ＰＷＭＩＣ２３には、ホトカプラから成る充電帰還信号伝達手段５を介して充電電圧制御信号および充電電流制御信号が入力される。また、ＰＷＭＩＣ２３には充電の開始および停止を制御するための充電制御信号が、ホトカプラから成る充電制御伝達手段４を介して入力される。

ＰＷＭＩＣ２３は、ホトカプラ（充電制御伝達手段）４によって、マイコン５０より供給される制御信号によってＭＯＳＦＥＴ２２の充電動作の開始および停止を制御し、かつホトカプラ（充電帰還信号伝達手段）５によって供給される制御信号によってＭＯＳＦＥＴ２２のゲート電極に供給する駆動パルス幅を変えることによって、ＭＯＳＦＥＴ２２のオン時間を制御し、２次側整流平滑回路３０の出力電圧と電池パック２の充電電流を調整する。

２次側整流平滑回路３０はトランス２１の２次巻線２１ｃに接続された整流用ダイオード３１、平滑用コンデンサ３２および放電用抵抗３３から成る。放電用抵抗３３は、図３に示す検討段階での充電装置２００では、出力線路Ｌ１に直接に電気的接続されるが、図１に示す本発明に係る充電装置２００では、後述するように、本発明に従って挿入された放電防止用のスイッチング素子１８５を介して出力線路Ｌ１に接続される。

定電圧電源回路４０は、マイコン５０、オペアンプ６１、６５等の各種の制御回路（検出回路を含む）へ安定化直流電圧Ｖｃｃを供給するために設けられている。定電圧電源回路４０は、トランス４１ａ〜４１ｃと、スイッチング電源を構成するスイッチング素子４２および制御用素子４３と、整流用ダイオード４４と、３端子レギュレータ４６と、３端子レギュレータ４６の入力側に接続された平滑用コンデンサ４５と、３端子レギュレータ４６の出力側に接続された平滑用コンデンサ４７とから構成され、定電圧Ｖｃｃを出力する。定電圧電源回路４０の定電圧出力側には、商用電源１が充電装置２００に投入された時にリセット信号を出力するためのリセットＩＣ４８が接続される。

（制御回路装置５０）
制御回路装置（マイコン）５０は、電池温度検出回路８０の出力信号に基づく電池温度の判定、電池電圧検出回路９０の出力信号に基づく電池電圧の判定、充電電源回路１６０への制御信号の出力、後述する充電電流制御回路６０および充電電圧制御回路１００への制御信号の出力等を実行するために設けられる。マイコン５０は、制御プログラムを実行するＣＰＵ（中央処理装置）５１の他に、図示されていないが、ＣＰＵ５１の制御プログラム、電池パック２の電池種に関するデータ等を格納するリード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵ５１の作業領域やデータの一時記憶領域等として利用されるランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、およびタイマ等を具備している。

さらに、マイコン５０は、上記したセル数検出抵抗９、電池電圧検出回路９０、電池温度検出回路８０等によって検出されたアナログ入力信号をデジタル出力信号に変換するためのＡ／Ｄコンバータ５２と、後述する充電電圧制御回路１００へ制御信号を出力するための出力ポート５１ｂと、表示回路１３０の制御信号を出力するための出力ポート５１ａと、リセットＩＣ４８のリセット信号を入力するためのリセット入力ポート５３とを具備する。

（充電電流制御回路６０および充電電流設定回路７０）
充電電流制御回路６０は、オペアンプ（演算増幅器）６１および６５と、オペアンプ６１および６５の入力抵抗６２および６４と、オペアンプ６１および６５の帰還抵抗６３および６６と、ダイオード６８および電流制限用抵抗６７からなる出力回路とから構成された演算増幅回路を含む。充電電流制御回路６０の入力段は、電池パック２の充電電流を検出するための充電電流検出抵抗３に接続される。また、その出力段は、上述したように、ホトカプラから成る充電帰還信号電伝達手段５を介してＰＷＭＩＣ２３を制御する。オペアンプ６５の一方の入力端子（＋）には、充電電流設定回路７０が接続される。一方、オペアンプ６１の出力電圧は、充電電流値を監視するために、Ａ／Ｄコンバータ５２に入力されて、マイコン５０によって充電電流値が計測される。マイコン５０は、オペアンプ６１の出力によって、満充電時等の電流値の低下も計測する。

充電電流設定回路７０は、充電電流を所定の充電電流値に設定するために設けられている。この設定回路７０は、安定化直流電圧Ｖｃｃに接続された抵抗７１と抵抗７２の直列抵抗回路（分圧回路）を具備する。

充電電流制御回路６０により、充電電流検出抵抗３に流れる充電電流に基づく電圧降下を抵抗６２、６３およびオペアンプ６１によって反転増幅させ、その出力電圧と、充電電流設定回路７０によって設定された充電電流値に対応する設定電圧値（設定充電信号）との差を電圧比較器として機能するオペアンプ６５によって増幅し、充電帰還信号伝達手段５を介してＰＷＭＩＣ２３に帰還をかけＭＯＳＦＥＴ２２のスイッチング動作を制御する。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ２２は、電流検出手段３に流れる充電電流が所定の充電電流より大きい場合はパルス幅を狭めた出力パルスを高周波トランス２１に与え、逆に充電電流が所定の充電電流より小さい場合はパルス幅をより広げたパルスを高周波トランス２１に与える。これによって、２次側整流平滑回路３０は、所定の充電電流（定電流）に対応する直流電圧に平滑し、電池パック２の充電電流を充電電流設定回路７０によって設定した所定電流に保持する。言い換えれば、電流検出手段３、充電電流制御回路６０、充電帰還信号伝達手段５、スイッチング回路２０および２次側整流平滑回路３０は、充電電流設定回路７０によって設定された設定充電電流値となるように電池パック２に流れる充電電流を制御する。さらに、充電電流制御回路６０は設定充電電流値より小さい充電電流を検出する。

（充電電圧制御回路１００）
充電電圧制御回路１００は、電池パック２の充電電圧を制御するための回路で、アノード端子ａ、カソード端子ｋおよびリファレンス端子ｒを持つ周知のシャントレギュレータ１１６と、シャントレギュレータ１１６のリファレンス端子ｒに接続された充電電圧設定回路１００ｂとを具備する。シャントレギュレータ１１６の等価回路は、図３に示すように、オペアンプ（電圧比較器）Ｏｐと、電流パス用トランジスタＴｒと、ツェナダイオード等を含む基準電圧源Ｖｒｅｆとから構成されている。

図４に示すように、シャントレギュレータ１１６のリファレンス端子（比較入力端子）ｒには、電池パック２の正極端子Ｏ１との間に、抵抗１０１、１０２によって構成された第１の分圧抵抗手段Ｒ１が接続される。また、電池パック２の負極端子（接地端子）Ｏ２との間に、抵抗１０５、１０６、１０９、１１２によって構成された第２の分圧抵抗手段Ｒ２が接続される。シャントレギュレータ１１６のカソード端子ｋには、電流制限用抵抗１１５と整流用ダイオード１１７が接続され、シャントレギュレータ１１６のリファレンス端子ｒとカソード端子ｋとの間には、位相補償用抵抗１０３およびコンデンサ１０４が接続される。

シャントレギュレータ１１６は、リファレンス端子（電圧比較入力端子）ｒに接続される第１の分圧抵抗手段Ｒ１の合成抵抗値をＲ１、第２の分圧抵抗手段Ｒ２の合成抵抗値をＲ２、およびシャントレギュレータの内部基準電圧源（ツェナダイオード）をＶｒｅｆ（例えば、２．５Ｖ）とすれば、シャントレギュレータ１１６の機能によって調整される出力充電電圧Ｖは、Ｖ≒Ｖｒｅｆ＊（１＋Ｒ１／Ｒ２）となる。従って、分圧比Ｒ１／Ｒ２を可変とすることにより充電電圧Ｖｏを調整することができる。

（セル数による充電電圧の設定回路Ｒ２）
本実施形態によれば、充電すべき電池パック２のセル数の違いに対応する充電電圧の調整は、第２の分圧抵抗手段Ｒ２の合成抵抗値（Ｒ２）を可変させて行う。すなわち、セル数が多い場合で充電電圧を高くしたいときは、合成抵抗値Ｒ２をより小さく設定する。このために、第２の分圧抵抗手段Ｒ２を構成する抵抗１０６はスイッチング素子（ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ）１１８を介して抵抗１０５に並列接続される。同様に、抵抗１０９はスイッチング素子（ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ）１１９を介して抵抗１０５に並列接続され、さらに、抵抗１１２はスイッチング素子（ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ）１２０を介して抵抗１０５に並列接続される。各スイッチング素子１１８、１１９、１２０のゲート端子は、各抵抗１０８、１１１、１１４を介してマイコン５０の出力ポート５１ｂに接続されている。なお、各スイッチング素子１１８、１１９、１２０のゲート端子にはバイアス用抵抗１０７、１１０、１１３が接続されている。

各スイッチング素子１１８、１１９、１２０は、マイコン５０の制御信号により、オフ状態から択一的にオン状態に制御される。マイコン５０は、セル数を表す抵抗７とセル数検出抵抗９による分圧回路の出力電圧を、Ａ／Ｄコンバータ入力ポート５２より自動的に取り込み、セル数に対応して各スイッチング素子１１８、１１９、１２０を択一的にオン状態に制御する。

例えば、抵抗１０１およびポテンショメータ１０２の直列合成抵抗値Ｒ１と、抵抗１０５による抵抗値Ｒ２とによって決定される分圧比Ｒ１／Ｒ２は、「２セル」のリチウムイオン電池の設定値とする。「３セル」リチウムイオン電池を充電するための設定値Ｒ２は、ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）１１８をオンさせて抵抗１０６を抵抗１０５に並列接続した合成抵抗値とする。同様に、「４セル」のリチウムイオン電池を充電するための設定値Ｒ２は、ＭＯＳＦＥＴ１１９をオンさせて抵抗１０９を抵抗１０５に並列接続した合成抵抗値とする。さらに、「５セル」のリチウムイオン電池を充電するための設定値Ｒ２は、ＭＯＳＦＥＴ１２０をオンさせて抵抗１１２を抵抗１０５に並列接続した合成抵抗値とする。このように、本実施例に従えば、セル数の違いに対応する充電電圧の調整は、第２の分圧抵抗手段Ｒ２の合成抵抗値Ｒ２を可変させて行う。

（モード表示回路１３０）
モード表示回路１３０は、赤色ＬＥＤ（Ｒ）および緑色ＬＥＤ（Ｇ）から成る表示手段１３１と、各ＬＥＤの電流制限抵抗１３２、１３３とから構成される。モード表示回路１３０は、モードの状態を表示する。例えば、赤色ＬＥＤ（Ｒ）のみの点灯によって「充電前」の状態を表示し、赤色ＬＥＤ（Ｒ）および緑色ＬＥＤ（Ｇ）の同時点灯による橙色によって「充電中」であることを表示し、さらに、緑色ＬＥＤ（Ｇ）のみの点灯によって「充電終了後」であることを表示する。

以上の充電装置２００の構成は、図１，図２及び図３に示された充電装置に共通するものである。しかしながら、図２及び図３に示すような本発明の検討段階で考えられた充電装置２００においては、電池パック２を充電装置２００に挿入した状態で放置すると、次のような過放電の問題が発生する。

すなわち、図３に示す従来技術に従うような充電装置２００においては、電池パック２の正極端子Ｏ１および負極端子Ｏ２を充電装置２００の正極側出力線路Ｌ１および負極側出力線路（接地側線路）Ｌ２にそれぞれ挿入したままの状態で長期間放置しておくと、一対の出力線路Ｌ１およびＬ２間に挿入される平滑回路部を構成する抵抗３３が電池パック２に対する一つの放電経路を形成する。同様に、充電電圧設定回路部１００ｂを構成する複数の直列抵抗１０１、１０２および１０５も電池パック２に対する他の放電経路を形成し、さらに、電池電圧回路部９０を構成する複数の直列抵抗９１および９２も更なる放電経路を形成する。さらにまた、図４に示されるようなシャントレギュレータ１１６の内部回路部を介して電池パック２の電圧が放電してしまうという問題が発生する。その結果、例えば、電池パック２がリチウムイオン二次電池で構成される場合、過放電状態となってリチウムイオン二次電池の電極間が短絡されるという損傷の問題が発生する。

このために、図２に示す発明では図３の回路構成に加えて、放電防止回路１７０が設けられた発明が開示されているが以下に説明する欠点がある。

（放電防止回路１７０）
図２に示されるように、放電防止回路１７０は、抵抗３３等の充電装置２００の構成回路部（抵抗３３の他に、直列抵抗回路１０１、１０２および１０５、電池電圧検出用直列抵抗回路９１および９２を含む）と正極側出力線路Ｌ１との間に挿入されたスイッチング素子１２１を含む。スイッチング素子１２１は、例えば、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴから構成され、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ１２１のゲートにはゲート・ソース間の耐圧を保護するためのゲート保護用ツェナダイオード１２７と、直列接続抵抗１２２および１２３とが接続される。さらに、放電防止回路１７０はスイッチング素子１２４を含み、スイッチング素子１２４は、例えば、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴから構成される。ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ１２４のゲートは直列抵抗１２５および１２６による分圧点に接続されて、直流電圧源Ｖｃｃによってオン状態にバイアスされる。

図２に示す充電装置２００において、交流電源１に入力電源端子Ｉ１、Ｉ２が接続されている通常の充電動作において、定電圧電源回路４０は、直流電圧Ｖｃｃを直列抵抗１２５および１２６から成る分圧回路（ハイアス回路）に供給する。ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ１２４は、直列抵抗１２５および１２６に供給された直流電圧Ｖｃｃによってオン状態（導通状態）となる。ＭＯＳＦＥＴ１２４がオンすると、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ１２１のゲートには、一対の正極側出力線路Ｌ１および負極側Ｌ２間の電圧Ｖが直列抵抗１２２および１２３によって分圧された電圧がゲート電圧として印加され、ＭＯＳＦＥＴ１２１はオンする。

ＭＯＳＦＥＴ１２１がオンすると、抵抗３３と、充電電圧設定回路部１００ｂを構成する複数の直列抵抗１０１、１０２および１０５と、電池電圧回路部９０を構成する複数の直列抵抗９１および９２と、シャントレギュレータ１１６の内部回路部とは、ＭＯＳＦＥＴ１２１を介して正極側出力線路Ｌ１に電気的接続されることになる。これによって、充電装置２００は、交流電源１に接続されている限り正常な充電動作を行うことができる。すなわち、整流平滑回路３０は所定の充電電圧を平滑して、充電電流設定回路７０によって定電流値を設定し、さらに、充電電圧設定回路１００ｂによって定電圧値を設定することができる。

電池パック２の充電前もしくは充電後において、充電装置２００のプラグ（Ｉ１およびＩ２）を入力交流電源（コンセントまたはソケット）１から抜いた状態で電池パック２を充電装置２００に接続した状態で長時間放置した場合、図２に示した発明では充電装置２００のプラグＩ１およびＩ２が交流電源１から抜取られた時点で定電圧電源回路４０が直流電圧Ｖｃｃを出力しなくなるので、直列抵抗１２５および１２６に印加される直流電圧Ｖｃｃが零となる。このため、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ１２４にはオン電圧が供給されなくなって、ＭＯＳＦＥＴ１２４は非導通状態（オフ状態）もしくは遮断状態となる。

しかしながら、図２の発明では、充電装置２００のプラグ（Ｉ１およびＩ２）を入力交流電源（コンセントまたはソケット）１に接続した状態中常に、直流電圧Ｖｃｃが出力されているのでＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ１２４はオン電圧が供給され続け、ＭＯＳＦＥＴ１２４は導通状態（オン状態）を持続する。したがって、電池パック２は、抵抗３３と、充電電圧設定回路部１００ｂを構成する複数の直列抵抗１０１、１０２および１０５と、電池電圧回路部９０を構成する複数の直列抵抗９１および９２と、シャントレギュレータ１１６の内部回路部とは、ＭＯＳＦＥＴ１２１を介して正極側出力線路Ｌ１に電気的接続されることになり放電回路網が形成され続け、結果過放電に至る可能性がある。

本発明は、充電装置がどのような状態においても電池パック２が充電装置２００に接続され続け長時間放置されても、その放電を防止しようとするものである。

このために、図３に示す回路構成に加えて、図１に示されるように、本発明に従った放電防止回路１８０が設けられる。

（放電防止回路１８０）
図１に示されるように、放電防止回路１８０は、２次側整流平滑回路３０と電池パック２の正極端子O１との間の出力線路（出力ライン）Ｌ１を遮断出来るように挿入されたスイッチ素子１８５を含む回路構成となる。スイッチ素子１８５は、例えばＮチャンネルＭＯＳＦＥＴから構成されＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ１８５のゲートには、直列接続抵抗１８４及びゲートの駆動源である電圧の放電抵抗１８３が接続される。スイッチ素子１８５のスイッチ動作には、ゲート電圧が供給されればオン（導通状態）、供給されなければオフ（非導通状態）となる。ゲート電圧の供給は、スイッチング回路２０の高周波トランス２１の２次側巻き線２１２と直列に接続される巻き線２１１の出力電圧をダイオード１８１、コンデンサ１８２からなる平滑回路を介して供給される。つまり、電池パック２への充電電力を供給するための高周波トランス２１に巻かれた巻き線２１２は、電池パック２の充電中には、スイッチ素子１８５をオン状態とするゲート電圧を出力し、電池パック２の非充電時には、ゲート電圧が発生しないため、スイッチ素子１８５は、オフ状態となる。

したがって、充電装置２００が非充電中のいかなる状態においても、抵抗３３と、充電電圧設定回路部１００ｂを構成する複数の直列抵抗１０１、１０２および１０５と、電池電圧回路部９０を構成する複数の直列抵抗９１および９２と、シャントレギュレータ１１６の内部回路部とは、ＭＯＳＦＥＴ１２１の非導通状態によって、正極側出力線路Ｌ１から電気的に分離または遮断されることになる。すなわち、抵抗３３等の充電装置２００の構成回路部（放電経路）は、電池パック２の正極端子Ｏ１から分離されることになる。

その結果、抵抗３３と、充電電圧設定回路部１００ｂを構成する複数の直列抵抗１０１、１０２および１０５と、電池電圧回路部９０を構成する複数の直列抵抗９１および９２と、シャントレギュレータ１１６の内部回路部とは、電池パック２に対して無駄な放電回路または放電経路を形成することはない。もちろん、放電防止回路１８０自身は、電池パック２に対して不要な放電経路を形成しないように構成されている。したがって、電池パック２を充電装置２００に差した状態で長時間放置しても電池パック２の過放電を防止することができる。なお、トランス２１の二次コイルには、整流用ダイオード３１が電池パック２の放電電流を阻止する方向に挿入されているので、トランス２１の二次コイルが電池パック２に対して放電経路を形成することはない。

以上の実施形態の説明から明らかにされるように、本発明によれば、比較的簡単な回路によって過放電防止が可能となる充電装置を提供できる。なお、上記実施形態では、二次電池としてリチウムイオン電池を適用した場合について説明したが、本発明はニカド電池のような他の種類の二次電池を充電するための充電装置に適用してもよい。また、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを使用したが、ＭＯＳＦＥＴ以外にバイポーラトランジスタ等の他の半導体スイッチング素子を採用してもよい。また、スイッチング素子は、放電経路を形成する充電装置の構成回路部と正極側出力線路（電池パックの正極端子）との間に挿入した場合について説明したが、負極側出力線路（電池パックの負極端子）との間に挿入してもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

本発明に係る充電装置の一実施形態を示す回路図。従来の充電装置を示す回路図。従来の充電装置を示す回路図。図１に示した充電装置に用いられるシャントレギュレータの等価回路図。

符号の説明

１…入力商用電源２…電池パック２ａ…電池セル３…電流検出抵抗４…充電制御伝達手段（ホトカプラ）５…充電帰還信号伝達手段（ホトカプラ）６…整流平滑回路６ａ…トランス６ｂ…整流用ダイオード６ｃ…平滑用コンデンサ７…セル数判別抵抗８…感温素子９…検出用抵抗１０…１次側整流平滑回路１１…全波整流回路１２…平滑用コンデンサ２０…スイッチング回路２１…高周波トランス２１ａ…トランスの１次巻線２１ｃ…トランスの２次巻線２２…ＭＯＳＦＥＴ２３…ＰＷＭＩＣ（スイッチング制御ＩＣ）３０…２次側整流平滑回路３１…整流用ダイオード３２…平滑用コンデンサ３３…放電用抵抗４０…定電圧電源回路４１ａ、４１ｂ、４１ｃ…トランス４２…スイッチング素子４３…制御用素子４４…整流用ダイオード４５…平滑用コンデンサ４６…３端子レギュレータ４７…平滑用コンデンサ４８…リセットＩＣ５０…マイコン５１…ＣＰＵ５１ａ…入力ポート５１ｂ…出力ポート５２…Ａ／Ｄコンバータポート５３…入力ポート６０…充電電流制御回路６１、６５…オペアンプ６２、６３、６４、６６、６７…抵抗６８…ダイオード７０…充電電流設定回路７１、７２…分圧用抵抗８０…電池温度検出回路８１、８２…検出用抵抗９０…電池電圧検出回路９１、９２…検出用抵抗１００…充電電圧制御回路１００ｂ…充電電圧設定回路１０１、１０２（Ｒ１）…第１の分圧抵抗手段１０３…抵抗１０４…コンデンサ１０５、１０６、１０９、１１２（Ｒ２）…第２の分圧抵抗手段１０７、１０８、１１０、１１１、１１３、１１４…バイアス用抵抗１１５…抵抗１１６…シャントレギュレータ１１７…ダイオード１１８、１１９、１２０…スイッチング素子（ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ）１２１…スイッチング素子（ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ）１２２、１２３…抵抗１２４…スイッチング素子（ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ）１２５、１２６…抵抗１３０…モード表示回路１３１…表示手段（ＬＥＤ）１３１Ｒ…赤ＬＥＤ１３１Ｇ…緑ＬＥＤ１３２、１３３…抵抗１６０…充電電源回路１７０…放電防止回路１８０、放電防止回路２００…充電装置Ｉ１、Ｉ２…電源入力端子Ｌ１、Ｌ２…一対の出力線路Ｏ１…電池パックの正極端子Ｏ２…電池パックの負極端子

Claims

充電電流または充電電圧を供給するための一対の出力線路を有し、該一対の出力線路に備えられる一対の出力端子に二次電池の正極端子および負極端子を電気的接続して充電する充電装置であって、前記一対の出力線路間を横切って電気的接続される前記充電装置の構成回路部を有する充電装置において、
前記一対の出力線路に対して充電電力を供給する充電回路と、
前記一対の出力線路のうち前記構成回路部と前記二次電池との間の位置に前記充電回路の動作と連動するスイッチング素子を介在させ、
前記充電回路が非動作状態とされているときに前記スイッチング素子を非道通状態とすることを特徴とする充電装置。
前記充電回路には前記スイッチング素子に接続される第二の出力線路を有し、
前記スイッチング素子は、前記第二の出力線路の出力により導通状態または非道通状態にスイッチングするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載された充電装置。
前記スイッチング素子は、半導体スイッチング素子から構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された充電装置。
前記構成回路部は抵抗素子を含む放電抵抗回路であって、前記スイッチング素子は前記一対の出力端子からみて前記放電抵抗回路と直列接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載された充電装置。
前記構成回路部は複数の直列接続された直列抵抗回路であって、前記スイッチング素子は前記一対の出力端子からみて前記直列抵抗回路と直列接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載された充電装置。
前記直列抵抗回路は、前記一対の出力線路の出力電圧を検出する電圧比較回路を構成する分圧回路及び前記一対の出力線路の出力電圧を放電する抵抗から構成されることを特徴とする請求項５に記載された充電装置。