JP2010207044A - 充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の充電装置において、発熱する電子部品による温度検出素子の温度検出への影響を抑制し、二次電池の温度を充電装置側で検出する際の検出精度を向上させる。
【解決手段】充電装置に設けられた電池挿入部には、充電時に二次電池が挿入される。充電装置は、電池挿入部の位置と、温度検出素子の位置と、回路基板に実装される電子部品について、（１）電池挿入部と温度検出素子の距離、（２）各電子部品と温度検出素子の距離、が適切となるようにして温度検出素子の位置を決定する。各電子部品は、それぞれ発熱温度が異なるため、発熱温度に応じて電子部品と温度検出素子との間の最低距離を決定する。複数の電子部品それぞれの温度検出素子との間の最低距離と、電池挿入部と温度検出素子間の距離に基づいて温度検出素子の位置を特定する。
【選択図】図８

Description

この発明は、充電装置に関し、特にリチウムイオン二次電池を充電するための充電装置に関する。

近年、デジタルカメラ、携帯電話あるいはラップトップコンピュータなどのポータブル電子機器が多く登場し、それらの小型化、軽量化が図られている。それに伴い、ポータブル電子機器の電源として用いられる電池の需要が急速に伸びており、機器の小型化実現のために、電池設計も軽く、薄型であり、かつ機器内の収納スペースを効率的に使うことが求められている。このような要求を満たす電池パックとして、エネルギー密度および出力密度の大きいリチウムイオン二次電池を用いた電池パックが広く用いられている。

リチウムイオン二次電池を充電する場合には、例えば、定電流充電を行い、所定の電圧値に達すると定電圧充電に切り替える定電流定電圧法が広く用いられている。充電時には、リチウムイオン二次電池の温度、もしくは電池パック自体の温度を測定することにより、充電の制御を行うようにしている。

従来、下記の特許文献１のように、二次電池を収容した電池パックの内部に、二次電池の温度を測定するための温度検出素子を設けた構成が提案されている。特許文献１では、充電時に、電池パック内部の温度検出素子を利用して、充電器で二次電池の温度を検出するようにしている。

そして、特許文献２のように、充電器および電池パックのそれぞれに温度検出素子を設けて、少なくともいずれかの温度検出素子の出力によって二次電池の充電を制御する技術も提案されている。

さらに、特許文献３のように、二次電池を充電器にはめ込んだ際に、二次電池の表面に温度検出素子が接触するようにした充電器も提案されている。

特開平７−１４７７３０号公報 特開平１０−９４１８９号公報 特開平１０−９４１８９号公報

しかしながら、引用文献１のような構成では、内部に温度検出素子を持たない電池パックを用いた場合、充電器側で電池パックの温度を検出することができないという問題が生じる。

また、引用文献２のような構成では、電池パックと充電器の双方に温度検出素子を設けるため、コストが高くなる。

さらに、引用文献３の構成では、温度検出素子が充電器外部に露出するため、外気の温度が大きく影響し、電池温度を高精度で測定することが困難となる。また、引用文献３の充電器では、温度検出素子として製品コスト、実装コストの高いディスクリートサーミスタを用いており、充電器自体が高価になってしまう。また、二次電池に温度検出素子を接触させる場合は、例えばリード形状を有し、設置状態が不安定な温度検出素子を用いることも考えられる。設置状態が不安定な温度検出素子は、固定部品および組立工程の追加が必要となり、製造コストの増加につながる。

そして、どのような構成であっても、温度検出素子が電池以外の部品等の発熱を検出してしまう場合は、電池温度を高精度で検出することが困難となる。

したがって、この発明は、上述の問題点を解消し、電子部品設置位置の条件を明確にして、充電する電池の電池温度を簡易な構成で高精度に検出することを目的とする。

課題を解決するために、この発明は、充電すべき二次電池が挿入される挿入部から外部に露出するように設けられ、二次電池と電気的に接続される端子部と、
外部電源から電圧を得て二次電池に対して充電電流を供給する電源回路部と、
二次電池の電池温度を検出する温度検出部と、
充電電流をＯＮ／ＯＦＦする充電制御スイッチと、
電源回路部の電圧および電流、ならびに二次電池の電池温度を基に、電源回路部または充電制御スイッチの制御を行う制御部と
を備える回路基板を有し、
温度検出部は、挿入部に対向する回路基板の一部に設けられ、かつ、電源回路部および制御部を構成する複数の電子部品のそれぞれの発熱温度に応じて設定された所定の距離以上、複数の電子部品のそれぞれと距離を有する位置に設けられる
充電装置である。

この発明の発明では、温度検出部を、二次電池が挿入される挿入部の近傍に設けて電池温度を精度よく検出するとともに、発熱する電子部品を、発熱温度に応じて定めた距離以上遠ざけることにより、温度検出部が電池温度以外を検出しないようにしている。

この発明によれば、充電装置側で精度よく電池パックの温度を検出することができる。そして、電池パックの温度に応じた充電制御を好適に行うことができる。
することができる。

この発明の充電装置および充電装置に挿入されて充電される電池パックの外観を模式的に示す斜視図である。 この発明の充電装置の上面図および側面図である。 サンプル１−１ないし１−４における温度検出素子の位置を示す断面図である。 サンプル１−１ないし１−４の測定結果を示すグラフである。 この発明の充電装置および回路基板の上面図である。 サンプル２−１ないし２−４の測定結果を示すグラフである。 サンプル３−１ないし３−４の測定結果を示すグラフである。 この発明において、各電子部品が発熱によって影響を与える領域を示す略線図である。 サンプル４−１ないし４−３の温度検出素子の設置位置を示す略線図である。 サンプル４−１ないし４−３の温度検出素子の測定結果を示すグラフである。 この発明の充電装置を用いた場合における二次電池の温度と、温度検出素子により検出された温度と、充電装置の環境温度とを示すグラフである。 この発明の充電装置の回路構成を示すブロック図である。

以下、発明を実施するための形態（以下、実施の形態とする）について説明する。なお、説明は以下のように行う。
１．第１の実施の形態（充電装置内において、温度検出素子と他の電子部品との適切な位置関係を決定して配置する例）

＜１．第１の実施の形態＞
以下、この発明の第１の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（１−１）充電装置の構成
以下、この発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、この発明の充電装置１および充電装置１に挿入されて充電される電池パック３０の外観を模式的に示す斜視図である。図２は、この発明の充電装置１の上面図および側面図である。

充電装置１は、電池パック３０を嵌合可能な電池挿入部１ａを備えている。そして、電池パック３０を電池挿入部１ａに挿入した際には、電池パック３０の外装から外部に露出した接点部（図示せず）と接触するように、充電装置１の一部から外部に露出するように端子４を設ける。

なお、充電装置１には、例えば電池パック３０の挿入および取り出しを容易にするために、切り欠き部１ｂを設けてもよい。また、端子４と電池パック３０の接点部との接触性を高めるために、端子４は凸状かつばね性を有するように設けられることが好ましい。

そして、充電装置１には、家庭用交流電源等の外部電源から交流電圧Ｖａｃを得るための電源供給端子が設けられている。電源供給端子は、コンセント等の端子が充電装置１に直接設けられていてもよく、また、コンセントを有するケーブル等が差し込まれる差し込み部が設けられるようにしてもよい。

図２に示すように、充電装置１の内部には、電池パック３０の充電を行うための電子部品（図示せず）が実装された回路基板１ｃが備えられている。回路基板１ｃには、電池パック３０の温度を検出する温度検出素子とともに、電源回路部としてスイッチングＩＣ、電力変換パワートランス（以下、トランスと適宜称する）、ダイオード、ＦＥＴ（Field Effect Transistor；電界効果トランジスタ）等の電子部品が実装されている。

［電子部品の実装位置］
この発明では、充電される電池パック３０の温度を精度よく検出するために、温度検出素子および各電子部品の実装位置を、下記の２つの点を考慮して決定する。
（ｉ） 温度検出素子と電池パックとの位置関係
（ii） 温度検出素子と電子部品との距離
上述の４つの点について、詳細に説明する

（ｉ）温度検出素子と電池パックとの位置関係
温度検出素子は、電池パック３０に近いほど電池パック３０の温度を高精度に検出し、電池パック３０から離れるにつれて温度の検出精度が低下する。すなわち、温度検出素子と、温度の測定対象である電池パック３０との距離と検出精度は略比例関係にあると考えられる。このため、温度検出素子を充電装置１の電池挿入部１ａに近い位置に設けるようにする。

上述のような関係について確認するために、図１および２に示すような充電装置１において、温度検出素子の位置を変化させて、電池パック３０の温度と、温度検出素子による検出温度との差分を測定する。

＜サンプル１−１＞
図３に示すように、電池パック３０を充電する場合において、電池パック３０の表面には電池パック３０の温度を測定するための温度検出素子ＴＨｂを接触させる。そして、サンプル１−１として図４の温度検出素子ＴＨ１を回路基板１ｃに設けた充電装置を用い、温度検出素子ＴＨｂと温度検出素子ＴＨ１の検出温度を測定する。温度検出素子ＴＨ１は、電池挿入部１ａの設けられた範囲に設置するようにし、この範囲にある場合は、電池パック３０と温度検出素子ＴＨ１との距離を０ｍｍとする。

＜サンプル１−２＞
温度検出素子ＴＨ１の代わりに温度検出素子ＴＨ２を設けた以外は、サンプル１−１と同様にして充電装置を作製して温度検出素子ＴＨｂないし温度検出素子ＴＨ２の検出温度をそれぞれ測定した。サンプル１−２において、温度検出素子ＴＨ２は電池挿入部１ａの端部から１０ｍｍの位置に設置した。この場合の電池パック３０と温度検出素子ＴＨ２との距離を１０ｍｍとする。

＜サンプル１−３＞
温度検出素子ＴＨ１の代わりに温度検出素子ＴＨ３を設けた以外は、サンプル１−１と同様にして充電装置を作製して温度検出素子ＴＨｂないし温度検出素子ＴＨ３の検出温度をそれぞれ測定した。サンプル１−３において、温度検出素子ＴＨ３は電池挿入部１ａの端部から２３ｍｍの位置に設置した。

＜サンプル１−４＞
温度検出素子ＴＨ１の代わりに温度検出素子ＴＨ４を設けた以外は、サンプル１−１と同様にして充電装置を作製して温度検出素子ＴＨｂないし温度検出素子ＴＨ４の検出温度をそれぞれ測定した。サンプル１−４において、温度検出素子ＴＨ４は電池挿入部１ａの端部から３５ｍｍの位置に設置した。

上述のようなサンプル１−１ないしサンプル１−４について、充電装置１を交流電圧１００Ｖの外部電源と接続し、電池パック３０を充電した。例えばリチウムイオン二次電池が収容された電池パックを用いる場合、一般的には、定電流充電を行って電池電圧が所定の電圧に達した後、定電圧での充電に切り替える。定電圧での充電に切り替わった後は、満充電に近づくにつれて充電電流が小さくなっていく。このため、一定の電流値でもっとも長く流れた時点、すなわち、定電流充電から定電圧充電への切り替え時に、電池パック３０の温度が最も高くなる。

したがって、電池パック３０について、２５０ｍＡの電流による定電流充電を電池パック３０内の二次電池の電圧が１セルあたり４．２Ｖとなるまで行って定電圧充電に切り替わる際に、温度検出素子ＴＨｂ、ＴＨ１ないしＴＨ４によってそれぞれの温度を検出した。以下、発熱温度とは、定電流充電から定電圧充電に切り替わる時点での温度とする。

以下の表１に、温度検出素子ＴＨｂ、ＴＨ１ないしＴＨ４による測定結果を示す。表１では、電池パック３０の温度である温度検出素子ＴＨｂでの検出温度と、回路基板１ｃ上で検出した温度検出素子ＴＨ１ないしＴＨ４のいずれかの温度との差分と、温度検出素子ＴＨｂに対する温度検出素子ＴＨ１ないしＴＨ４の距離との関係を示す。

また、図４は測定結果のグラフである。

図４から分かるように、温度検出素子を回路基板１ｃ上に設けたこの発明の充電装置１では、一般的に下記の関係式が成り立つと考えられる。
ｐ＝βｑ＋θ ・・・（１）
ここで、ｐは電池パック３０の温度と温度検出素子による検出温度との差分［℃］、ｑは電池パック３０と温度検出素子との距離、βは熱伝導の係数、θは初期検出誤差である。

初期検出誤差θは、電池パック３０と温度検出素子との間に存在する基板や、電池パック３０の外装ケースによって熱伝導性が低下するために発生する誤差である。

上述の結果より、電池パック３０の位置と回路基板１ｃ上の温度検出素子との距離が離れるほど、検出精度が低下することが分かる。このため、高精度な温度検出を行うためには、温度検出素子を電池挿入部１に対向する位置に配置する必要がある。充電装置の大きさに関わらず、高精度な温度検出のためには温度検出素子が電池挿入部１の直下に配置される必要がある。

この発明の充電装置１を用いた場合、表１および図４の結果から、式（１）は具体的に
ｐ＝０．０１１ｑ＋０．３８ ・・・（１）’
と表すことができる。線形近似式（１）’の係数βおよびθは、最小二乗法（線形近似）により算出したものである。熱伝導の係数βおよび初期検出誤差θは充電装置１によって異なる。

（ii）温度検出素子と電子部品との距離
次に、温度検出素子と電子部品との距離を考慮する必要がある。それぞれの電子部品は充電動作によって発熱するため、温度検出素子が電池パック３０以外の熱を検出してしまう場合には高精度の温度検出を行うことができない。

そこで、電子部品を温度検出素子から離れた位置に設けることが考えられるが、回路基板１ｃの面積は有限であり、より詳細に電子部品の設置位置を検討する必要がある。

電子部品の発熱が大きいほど、電子部品と温度検出素子との距離を大きくする必要がある。また、検出誤差が大きいほど、電子部品と温度検出素子との距離を大きくする必要がある。したがって、電子部品のそれぞれが温度検出素子３に与える影響は、下記の式で表すことができる。
ｙ＝αｘ ・・・（２）
ここで、ｙは電子部品と温度検出素子との最低距離、ｘは電子部品の発熱温度（電子部品の発熱温度と環境温度との差分）、αは温度検出誤差を示す係数である。

例えば、図５Ａに充電装置１の上面図を、図５Ｂに回路基板１ｃの上面図を示す。図５Ａにおいて、点線で示すのは充電装置１の内部に収容された回路基板１ｃである。回路基板１ｃに設けられた切り欠き部は、例えば家庭用交流電源等を得るための電源供給端子（図示せず）の位置に対応して設けたものである。

図５Ｂにおいて、点線部は電池収容部１ｂの位置を示す。図５Ｂに示すように、回路基板１ｃ上には、温度検出素子３とともに、発熱を伴う電子部品の一例としてスイッチングＩＣ１２、トランス１３、ダイオード１４およびＦＥＴ２の設置位置を示している。スイッチングＩＣ１２は、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）により電池パック３０への充電電流を調整するものである。ＦＥＴ２は、電池パック３０の充電時にはＯＮされるとともに、電池パック３０の状態に応じてＯＦＦされて充電電流の遮断を行うものである。

発熱する電子部品が温度検出素子３から遠い位置に設けられているほど電池パック３０の温度時における影響を低減できる。一方、電子部品それぞれの発熱温度は異なるため、発熱温度に応じて設置可能位置、すなわち温度検出素子３との間の最低間隔は変化する。以下、各電子部品と温度検出素子３との距離関係について確認するために、電池パック３０を充電する充電電流を変化させて電池パック３０の表面温度と温度検出素子３の検出温度との差分を測定した結果を示す。

ここで、スイッチングＩＣ、トランス、ＦＥＴ、ダイオードおよび温度検出素子の配置位置は、図５に示す位置とする。

＜サンプル２−１＞
スイッチングＩＣについて、発熱温度と充電装置内の環境温度との差分を測定した。発熱温度は、定電流充電から定電圧充電に切り替わる際のスイッチングＩＣの温度とした。充電条件は、２５０ｍＡの電流による定電流充電を電池パック３０内の二次電池の電圧が１セルあたり４．２Ｖとなるまで行うようにした。

＜サンプル２−２＞
トランスの発熱温度と充電装置内の環境温度との差分を測定した以外は、サンプル２−１と同様にして測定を行った。

＜サンプル２−３＞
ダイオードの発熱温度と充電装置内の環境温度との差分を測定した以外は、サンプル２−１と同様にして測定を行った。

＜サンプル２−４＞
ＦＥＴの発熱温度と充電装置内の環境温度との差分を測定した以外は、サンプル２−１と同様にして測定を行った。

以下の表２に、各電子部品と環境温度との差分の測定結果を示す。

また、図６はサンプル２−１ないし２−４の測定結果を示すグラフである。図６中、サンプル２−１は「三角」で示す。サンプル２−２は「×」で示す。サンプル２−３は「丸」で示す。サンプル２−４は「四角」で示す。

図６に示すように、サンプル２−１のスイッチングＩＣでの測定結果を上述の式（２）に適用することにより、充電電流２５０ｍＡの場合においてα＝１．５という結果が得られる。すなわち、充電電流２５０ｍＡの場合において、温度検出素子と各電子部品との最低距離がｙ＝１．５ｘで表される。そして、各電子部品の発熱温度に応じて、電子部品の発熱の影響が及ぶ範囲が決定される。

続いて、発熱する各電子部品と温度検出素子との距離を表２で示される距離とし、充電電流を変化させて、検出温度の誤差を測定した。

＜サンプル３−１＞
充電電流を１２５ｍＡとして定電流充電を行い、電池パックの温度が４．２Ｖに達した時点の電池パック表面における検出温度と、温度検出素子の検出温度との差分を測定した。なお、充電電流が１２５ｍＡの場合の温度検出誤差を示す係数αは、サンプル２−１ないし２−４により充電電流が２５０ｍＡの場合のαを算出したのと同様の方法により得ることができ、α＝２．８であった。

＜サンプル３−２＞
充電電流を２５０ｍＡとした以外はサンプル３−１と同様の方法により電池パック表面における検出温度と、温度検出素子の検出温度との差分を測定した。なお、充電電流が２５０ｍＡの場合の温度検出誤差を示す係数αは、上述のようにα＝１．５であった。

＜サンプル３−３＞
充電電流を５００ｍＡとした以外はサンプル３−１と同様の方法により電池パック表面における検出温度と、温度検出素子の検出温度との差分を測定した。なお、充電電流が５００ｍＡの場合の温度検出誤差を示す係数αは、α＝１．０であった。

＜サンプル３−４＞
充電電流を１０００ｍＡとした以外はサンプル３−１と同様の方法により電池パック表面における検出温度と、温度検出素子の検出温度との差分を測定した。なお、充電電流が１０００ｍＡの場合の温度検出誤差を示す係数αは、α＝０．４であった。

以下の表３に、温度検出誤差を示す係数αと、電池パック表面における検出温度と温度検出素子の検出温度との差分の測定結果を示す。

図７は、サンプル３−１ないし３−４の測定結果を示すグラフである。ここで、図７中、サンプル３−１は「×」で示す。サンプル３−２は「三角」で示す。サンプル３−３は「丸」で示す。サンプル３−４は「四角」で示す。

図７に示すようにこの発明の充電装置では、充電電流が大きくなるほどαの値が小さくなり、かつ温度の検出誤差が増大することが分かる。図７のグラフから、この発明の充電装置１では、一般的に下記の関係式が成り立つと考えられる。
ΔＴ＝γ／α^ε ・・・（３）
ここで、ΔＴは電池パック表面における検出温度と温度検出素子の検出温度との差分、すなわち温度誤差である。αは温度誤差を表す係数である。γおよびεは、充電装置固有の係数である。

そして、この発明の充電装置１を用いた場合、表３および図７の結果から、式（３）は具体的に
ΔＴ＝１／α ・・・（３）’
と表すことができる。累乗近似式（３）’の係数γおよびεは、最小二乗法（累乗近似）により算出したものである。

式（３）から、温度誤差を表す係数αが大きいほど、検出される温度の誤差が小さいことが分かる。表２に示すように、一定の充電電流の場合において、αが最も大きいＦＥＴ２は、温度検出素子３に対して最も影響が小さいことが分かる。

上述のように、式（１）ないし（３）から、充電装置１内において温度検出素子と各電子部品の設置位置が特定される。

すなわち、温度検出素子は、電池パック３０を挿入する電池挿入部１ａの底面部に対向する位置に設ける必要がある。そして、各電子部品は、発熱温度に応じて温度検出素子との最低距離が決定される。

図８に、上述のようにして算出した各電子部品が発熱によって影響を与える領域を示す。図８では、スイッチングＩＣ１２、トランス１３、ダイオード１４およびＦＥＴ２について、それぞれ式（２）によって算出された距離を略同心円状に示す。温度検出素子３は、それぞれの電子部品の影響が及ばない部分に設けられることが好ましい。そして、式（１）により得られた電池パック３０と温度検出素子３との位置関係も考慮する。これにより、高い検出精度で電池パック３０の温度を測定することができる温度検出素子３の位置が特定される。

さらに、充電装置１内は、電子部品の発熱によって温度が上昇し、熱対流が起こることが考えられる。温度が上昇した空気は、空間の広い部分に入りこみやすい。このため、やや狭い空間部分に温度検出素子３を配置するようにすることがより好ましい。

この発明では、充電装置１の一方の領域に偏るように電池挿入部１ａが設けられているが、充電装置１の中心部等に電池挿入部１ａが設けられる場合もある。この場合は、電池挿入部１ａの両側面に発熱を伴う電子部品が設けられることが考えられる。このような構成では、上述の式（１）および（２）の位置関係から温度検出素子３の位置を決定することでより電子部品の発熱の影響を除外することができる。

温度検出素子３の位置による検出精度を確認するために、温度検出素子の位置を変えて充電装置を作製し、電池パック３０の表面に設けた温度検出素子ＴＨｂの検出温度との差分を測定する。

＜サンプル４−１＞
サンプル１−１と同様に、電池パック３０を充電する際に、電池パック３０の表面に電池パック３０の温度を測定するための温度検出素子ＴＨｂを接触させる。そして、サンプル４−１として図９の温度検出素子ＴＨ５を回路基板１Ｃに設けた充電装置を用い、温度検出素子ＴＨｂと温度検出素子ＴＨ５の検出温度を測定して差分を求める。

＜サンプル４−２＞
図９の温度検出素子ＴＨ６を回路基板１Ｃに設けた充電装置を用い、温度検出素子ＴＨｂと温度検出素子ＴＨ６の検出温度を測定して差分を求めた以外はサンプル４−１と同様にした。

＜サンプル４−３＞
図９の温度検出素子ＴＨ７を回路基板１Ｃに設けた充電装置を用い、温度検出素子ＴＨｂと温度検出素子ＴＨ７の検出温度を測定して差分を求めた以外はサンプル４−１と同様にした。

以下の表４に、測定結果を示す。

また、図１０は測定結果のグラフである。

図１０に示すように、各電子部品の発熱の影響を受けにくい位置に温度検出素子ＴＨ５を設置したサンプル４−１は、温度の誤差が１℃以内となっていた。一方、スイッチングＩＣ１２およびＦＥＴ２の影響を受けやすい位置に温度検出素子ＴＨ６を設置したサンプル４−２は、検出温度の誤差がサンプル４−１の略２倍となっていた。そして、全ての電子部品の発熱の影響を受け易い位置に温度検出素子ＴＨ７を設置したサンプル４−３は、検出温度の誤差が３．５℃となり、検出精度が大幅に低下することが分かった。

このように、この発明では、温度検出素子３と、各電子部品と、電池パック３０が挿入される電池挿入部１ａのそれぞれの位置を、電子部品の発熱温度等を基にして決定する。これにより、温度検出素子３による電池パック３０の温度の検出精度を向上させることができる。

図１１は、上述のようにして位置決めを行った温度検出素子３を有する充電装置１を用いて電池パック３０を充電した場合の温度変化を示すグラフである。破線で示されるグラフは、電池パック３０の表面温度である。実線は、温度検出素子３によって検出された温度である。点線は、充電装置１内の環境温度である。充電条件は、２５０ｍＡの定電流にて電池電圧が４．２Ｖ／セルとなるまで充電した後、定電圧充電に切り替えて、総充電時間が４００分となるまで充電を行ったものである。

図１１において、充電開始から２００分の時点で電池パック３０の表面温度の低下が開始される。これは、この時点で定電流充電から定電圧充電に切り替わったことを示している。充電開始から２００分の時点で、電池パック３０の表面温度と回路基板に設けた温度検出素子３の検出温度の差分（図１１中におけるΔＴ）は約１℃であり、この発明の充電装置１における温度検出が高い精度で行われていることが分かる。

上述のような、電子部品が実装された回路基板１ｃの回路構成を説明する。

［充電装置の回路構成］
図１２は、この発明が適用された二次電池の充電装置１の回路例である。この回路は、電源回路部１０と、ＦＥＴ２と、温度検出素子３と、充電制御部２０とから構成されている。そして、この回路の＋端子４ａと−端子４ｂとに電池パック３０が接続されて、電池パック３０の充電が行われる。この回路は、回路基板上に電子部品が実装されることによって形成される。回路基板は、充電装置１内に配置される。また、通信端子４ｃが設けられ、充電装置１と電池パック３０との間で情報の通信が行われる。

電源回路部１０は、例えばスイッチング制御による電圧変換部であり、トランス１３を境に高圧部の一次回路と低圧部の二次回路とに分かれている。トランス１３は、平滑コンデンサＣｉが電気的に接続されている一次巻線Ｎ１からなる一次コイル１３ａと、電池パック３０がＦＥＴ２を介して電気的に接続されている二次巻線Ｎ２からなる二次コイル１３ｂとからなる。そして、トランス１３では、コアに対して一次巻線Ｎ１と二次巻線Ｎ２とを巻装して形成される。トランス１３では、一次コイル１３ａに電流が供給されることで二次コイル１３ｂにおいて電圧が誘起される。

一次回路には、家庭用交流電源等の外部電源から交流電圧Ｖａｃを供給させるコンセント等の電源供給端子に接続されるブリッジ回路ＢＤと、フィルタ回路１１と、フィルタ回路１１に接続される平滑コンデンサＣｉと、スイッチングＩＣ１２と、トランス１３の一次巻線Ｎ１とが備えられる。

ブリッジ回路ＢＤは、交流電源Ｖａｃの交流電圧を整流して全波整流電圧をフィルタ回路１１に供給する。フィルタ回路１１は、ブリッジ回路ＢＤから入力された所定の周波数帯域の交流電流を除去し、必要な周波数帯域のパルス波形の交流電流だけを透過させる。平滑コンデンサＣｉは、例えばフィルタ回路１１によって必要な周波数帯域だけにされた交流電流を、所定の直流電流に変換し、安定した電圧を有するパルス波形の直流電流を発生させる。

スイッチングＩＣ１２は、例えばトランジスタ等であり、パルス幅変調を行うものである。スイッチングＩＣ１２は、一次コイル１３ａと充電制御部２０との間に配置され、充電制御部２０から供給されるパルス信号に基づいてＯＮ/ＯＦＦを切り替える。スイッチングＩＣ１２がＯＮの状態では、一次コイル１３ａに電流が供給されて二次コイル１３ｂで電流が発生する。スイッチングＩＣ１２がＯＦＦの状態では、一次コイル１３ａに電流が供給されず二次コイル１３ｂにも電流が発生しない。

このような構成のスイッチングＩＣ１２は、充電制御部２０からの電気信号によりスイッチングＩＣ１２がＯＮになると、外部電源等から供給された交流電圧をブリッジ回路ＢＤ、フィルタ回路１１および平滑コンデンサＣｉを介して直流電流に変換する。そして、直流電流をトランス１３の一次コイル１３ａに供給する。一次コイル１３ａに直流電圧の電流が供給されることにより、二次コイル１３ｂで電圧が誘起されて二次コイル１３ｂに直流電圧の電流が発生し、充電電流を電池パック３０に供給する。

スイッチングＩＣ１２は、二次回路側で検出した電圧値および／または電流値を基に充電制御部２０から出力される電気信号によりＯＮ/ＯＦＦすることで直流電流を制御する。スイッチングＩＣ１２は、充電制御部２０からの電気信号によりスイッチングＩＣ１２がＯＦＦになると、トランス１３の一次コイル１３ａに対する直流電流の供給が停止され、電池パック３０に供給される充電電流が抑制される。電池パック３０に対する充電電流は、スイッチングＩＣ１２をＯＮ／ＯＦＦする信号のデューティ比に応じたものとなる。このため、ＯＮ／ＯＦＦのデューティ比を変化させることで、直流電流の平均電流量を変化させることができる。

二次回路には、ダイオード１４と、平滑コンデンサＣｏと、電圧検出抵抗Ｒ１およびＲ２と、電流検出抵抗Ｒ３とが備えられる。ダイオード１４は、二次コイル１３ｂで発生した直流電流を整流するものであり、例えばショットキーダイオードからなる。平滑コンデンサＣｏは、例えば二次コイル１３ｂから電池パック３０に供給される充電電流の電圧を整流平滑する。

そして、電圧検出抵抗Ｒ１およびＲ２と、電流検出抵抗Ｒ３とにより、充電制御部２０の充電制御ＩＣ２１において電池パック３０の充電電圧および充電電流を検出することができる。

ＦＥＴ２は、例えばＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）−ＦＥＴからなり、充電電流を流さないように回路を遮断する。ＦＥＴ２は、電池パック３０と接続される＋端子４ａもしくは−端子４ｂと二次コイル１３ｂとの間に備えられている。図３の回路では、ＦＥＴ２が高電圧側に設けられているため、ＦＥＴ２として例えばＰチャネル型のＦＥＴが用いられる。ＦＥＴ２は、通常の放電動作および充電動作では、充電制御部２０からの制御信号が論理“Ｌ”レベル（以下、ローレベルと適宜称する）とされてＯＮ状態とされる。ＦＥＴ２はＰチャネル型であるので、ソース電位より所定値以上低いゲート電位によってＯＮする。

そして、例えば充電時に検出した電圧が所定の電圧値以上であると検出した場合、充電制御部２０からＦＥＴ２に対して出力される制御信号を論理“Ｈ”レベル（以下、ハイレベルと適宜称する）として、ＦＥＴ２がＯＦＦ状態とされる。充電電流が過電流状態であると検出した場合や、電池パック３０の温度が所定の範囲外であると検出した場合、充電が終了したと判断した場合にも同様に、ＦＥＴ２がＯＦＦ状態とされる。これにより、充電動作が遮断される。

なお、ＦＥＴ２が低電圧側に設けられる場合には、Ｎチャネル型のＦＥＴを用いる。そして、充電制御部２０からの制御信号がハイレベルとされてＯＮ状態とされる。

温度検出素子３は、例えば回路基板１ｃ上に配置したチップサーミスタＴＨからなり、電池パック３０の温度を検出する。温度検出素子３は温度に応じて抵抗値が変化するものであり、検出した電池パック３０の温度を充電制御ＩＣ２１に出力する。

充電制御部２０は、充電制御ＩＣ２１と、発光素子および受光素子（図示せず）を備えるフォトカプラ２２とを備えている。

充電制御ＩＣ２１は、電源回路部１０から電池パック３０に供給される電流および電圧ならびに電池パック３０の温度を検出する。そして、検出した電流および電圧に応じて充電の制御を行う制御信号をフォトカプラ２２もしくはＦＥＴ２に対して出力する。

フォトカプラ２２は、発光ダイオードからなる発光素子と、フォトトランジスタ等からなる受光素子とを備えている。発光素子は、充電制御ＩＣ２１に接続され、充電制御ＩＣ２１で検出した電流もしくは電圧に応じて光信号を発光する。受光素子は、発光素子からの光信号を受光し、受光した光信号を電気信号に変換してスイッチングＩＣ１２に供給する。これにより、フォトカプラ２２は、充電制御ＩＣ２１で検出された電流もしくは電圧に対応した明暗レベルの電気信号をスイッチングＩＣ１２に対して出力する。

例えば異常電池等が装着された場合、充電電流が突発的に大電流となった場合、もしくは充電電圧が所定値よりも高くなった場合等に、回路を遮断する制御信号を出力する。この場合、ＦＥＴ２に対してローレベルもしくはハイレベルの制御信号を出力することにより、ＦＥＴ２のＯＮ／ＯＦＦを行う。

そして、充電電流の調整を行う場合には、フォトカプラ２２に対して所望のパルス幅に変調するための制御信号を出力する。

充電制御ＩＣ２１は、フォトカプラ２２の発光素子に電気的に接続され、発光素子に供給される電流を制御する。具体的に、充電制御ＩＣ２１は、所定の電圧を有する基準電圧源（図示せず）を備え、充電電圧と基準電圧源の電圧との差により、フォトカプラ２２の発光素子に供給される電流値を制御する。フォトカプラ２２において発光素子は、充電制御ＩＣ２１によって制御された電圧レベルに則った明暗レベルの光を発光する。

このような構成の充電制御部２０は、電池パック３０に供給されるパルス波形の充電電流の電圧に対応して制御された電圧レベルの電気信号を出力する。すなわち、充電制御部２０は、電池パック３０に供給される充電電流、充電電圧および電池パック３０の温度を検出し、この検出した情報に基づいた電気信号を出力する。充電制御部２０は、電池パック３０の充電状態に対応してデューティ比が制御されたパルス信号を、スイッチングＩＣ１２に出力する。充電制御ＩＣ２１とＰＷＭスイッチングＩＣ１２とは、フォトカプラ２２を介して接続されており、充電状況に応じてリアルタイムにフィードバック制御を行うことができる。

以上のような構成の電源回路部１０は、電源供給端子から交流電圧がフィルタ回路１１、平滑コンデンサＣｉ等を介して直流電圧にされた状態でトランス１３の一次コイル１３ａに供給されると、二次コイル１３ｂが誘起されて充電電流が生じる。この充電電流は、直流電圧のパルス波形を有しており、電池パック３０に供給される。そして、電源回路部１０では、電池パック３０の充電状態が充電制御ＩＣによって検出され、検出した情報に基づいた電圧レベルの電気信号がフォトカプラ２２から出力される。充電制御部２０は、電気信号の電圧レベルに対応したパルス幅のパルス信号をスイッチングＩＣ１２に出力する。そして、電源回路部１０では、パルス信号のデューティ比に応じてスイッチングＩＣ１２のＯＮ/ＯＦＦが制御されて、トランス１３の一次コイル１３ａに供給される電流を制御する。

そして、電源回路部１０は、一次コイル１３ａに供給される、制御された状態の電流に対応した状態の充電電流を二次コイル１３ｂから電池パック３０に供給する。このように、電源回路部１０は、充電電流の出力状態を確認しながら、平滑コンデンサＣｏで整流されたパルス波形を有する充電電流を安定した状態で電池パック３０に供給する。

このような構成の回路では、電池パック３０に収容された二次電池の電圧の変化により満充電検出を行う。この発明においては、二次電池の満充電検出方法については特に制限はなく、種々の方法が使用可能である。

上述のような充電装置では、充電装置側で精度よく電池パックの温度を検出することができる。このため、内部に温度検出機構を備えない電池パックについても、充電装置側で電池温度を基にした充電制御を行うことができる。

また、回路基板上に温度検出素子を設けることにより、温度検出素子の設置が安定する。このため、温度検出を安定して行うことができるとともに、不要な部品の組み込みが不要となる。

以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

例えば、上述の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。

１・・・充電装置
２・・・ＦＥＴ
３・・・温度検出素子
４ａ・・・＋端子
４ｂ・・・−端子
４ｃ・・・通信端子
１０・・・電源回路部
１１・・・フィルタ回路
１２・・・スイッチングＩＣ
１３・・・トランス
１４・・・ダイオード
２０・・・充電制御部
２１・・・充電制御ＩＣ
２２・・・フォトカプラ
３０・・・電池パック

Claims (5)

1. 充電すべき二次電池が挿入される挿入部から外部に露出するように設けられ、該二次電池と電気的に接続される端子部と、
   外部電源から電圧を得て上記二次電池に対して充電電流を供給する電源回路部と、
   上記二次電池の電池温度を検出する温度検出部と、
   上記充電電流をＯＮ／ＯＦＦする充電制御スイッチと、
   上記電源回路部の電圧および電流、ならびに上記二次電池の上記電池温度を基に、上記電源回路部または上記充電制御スイッチの制御を行う制御部と
   を備える回路基板を有し、
   上記温度検出部は、上記挿入部に対向する上記回路基板の一部に設けられ、かつ、上記電源回路部および上記制御部を構成する複数の電子部品のそれぞれの発熱温度に応じて設定された所定の距離以上、複数の該電子部品のそれぞれと距離を有する位置に設けられる
   充電装置。
2. 上記二次電池の電圧が所定値以下の場合は、一定の充電電流を該二次電池に対して供給し、上記二次電池の電圧が所定の電圧に達した場合は、該所定の電圧を保ったまま充電電流を該二次電池に対して供給する
   請求項１に記載の充電装置。
3. 上記発熱温度は、上記二次電池の電圧が所定の電圧に達した時点での上記電子部品の温度と、環境温度との差分である
   請求項２に記載の充電装置。
4. 複数の上記電子部品と上記温度検出素子との間の距離は、それぞれ下記式１で表される最低距離ｙ以上である
   請求項３に記載の充電装置。
   （式１） ｙ＝αｘ
   （ここで、αは上記二次電池に対して供給される充電電流および充電装置内の環境に応じて決定される、温度検出誤差を示す係数である。また、ｘは上記電子部品の上記発熱温度である。）
5. 上記式１において、上記二次電池の温度と、上記温度検出部で検出される温度との差分は、１／αで表される
   請求項４に記載の充電装置。

Images