JP2013192323A - Charger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、単数または複数の二次電池セルからなり、電池セルの形状や接続形態が異なる電池パックを充電するための充電装置に関し、特に、電池パックの電池セルの形状による電池種に対応して適切な充電電流または充電電圧を設定できる充電装置に関するものである。 The present invention relates to a charging device for charging a battery pack including one or a plurality of secondary battery cells and having different battery cell shapes and connection forms, and particularly corresponds to a battery type depending on the battery cell shape of the battery pack. The present invention relates to a charging device that can set an appropriate charging current or charging voltage.
コードレスタイプの電動工具において、電源としてリチウムイオン二次電池(以下、本明細書では単に「リチウムイオン電池」と呼ぶ)から構成された電池パックが広く用いられるようになってきた。リチウムイオン電池パックは、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池に比較してセル公称電圧が高く、かつ出力密度が高いため小形軽量であるという特徴を有する。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。このため、リチウムイオン電池パックは、電動工具の軽量化、小型化、および作業効率の向上を図る電源として期待されている。 In a cordless type power tool, a battery pack composed of a lithium ion secondary battery (hereinafter simply referred to as “lithium ion battery”) as a power source has been widely used. Lithium ion battery packs are characterized by a small and light weight because the cell nominal voltage is higher and the output density is higher than that of nickel cadmium batteries and nickel metal hydride batteries. Furthermore, the discharge efficiency is good, discharge is possible even in a relatively low temperature environment, and a stable voltage can be obtained in a wide temperature range. For this reason, the lithium ion battery pack is expected as a power source for reducing the weight, size and working efficiency of the electric tool.
リチウムイオン電池パックの充電装置は、定電流・定電圧制御方式により充電を制御するのが一般的である。特に、リチウムイオン電池パックの充電において、過充電になると二次電池セルを損傷する恐れがあるので、充電装置の制御装置は、最初に一定の充電電流で充電を行い、この一定電流の充電により、一セル当たりの電圧が所定の充電電圧(例えば、4.20V/セル程度)に達すると、一定電圧の充電電圧に切り替えて充電を行う。その後、充電電流が徐々に低下して終止電流値以下になったら、満充電として検出して充電を停止するように制御する。このため、充電装置は、充電電流または充電電圧を制御するための制御回路を有する。 Generally, a charging device of a lithium ion battery pack controls charging by a constant current / constant voltage control method. In particular, charging of a lithium ion battery pack may damage secondary battery cells if overcharged. Therefore, the control device of the charging device first charges with a constant charging current, When the voltage per cell reaches a predetermined charging voltage (for example, about 4.20 V / cell), charging is performed by switching to a constant charging voltage. After that, when the charging current gradually decreases and becomes equal to or less than the end current value, control is performed so as to detect the full charge and stop the charging. For this reason, the charging device has a control circuit for controlling the charging current or the charging voltage.
リチウムイオン二次電池等の電池セル(素電池)から構成される電池パックは、複数の電池セルを並列接続または直列接続した組電池で構成するのが一般的である。例えば、公称電圧3.6V/セルのリチウムイオン二次電池の電池セルを4個互いに直列接続した組電池を備える18650サイズの電池パックは、出力電圧14.4Vの定格を有する。また、リチウムイオン二次電池の電池セルを並列接続することによって電池パック(組電池)の電流容量を変更することも行われている。このように電池パックは、収容される電池セルの本数や接続形態によって適切な充電電流や充電電圧が変わるため、例えば特許文献1ではリチウムイオン電池パックの種類に対応して適切な充電電流または充電電圧を設定できるように構成している。
A battery pack composed of battery cells (unit cells) such as lithium ion secondary batteries is generally composed of an assembled battery in which a plurality of battery cells are connected in parallel or in series. For example, a battery pack of 18650 size including a battery pack in which four battery cells of a lithium ion secondary battery having a nominal voltage of 3.6 V / cell are connected in series has a rating of an output voltage of 14.4V. In addition, the current capacity of a battery pack (assembled battery) is changed by connecting battery cells of a lithium ion secondary battery in parallel. As described above, since the appropriate charge current and charge voltage of the battery pack vary depending on the number of battery cells accommodated and the connection form, for example,
図9は電動工具に用いられるリチウムイオン電池の寸法を示す図であり、(1)は従来から良く用いられていたサイズである。このリチウムイオン電池は、直径18mm、高さ65mmの円筒形で、これは18650サイズと呼ばれるものである。尚、数字の最初の2桁“18”は直径を示し、下3桁“650”は長さを示す(0.1mm単位で表示)。従来の電池パックにおいては、この18650サイズのリチウムイオン電池の接続本数、接続形態で異なる種類の電池パックを構成していたので、特許文献1の技術では、電池パック内にリチウムイオン電池セル2aの数およびその接続形態に対応する判別用抵抗7を内蔵し、充電装置は、電池パック2の判別用抵抗7から発生する制御信号に応答してリチウムイオン電池パック2の充電電流および充電電圧を設定するように構成した。
FIG. 9 is a view showing dimensions of a lithium ion battery used for an electric tool, and (1) is a size that has been often used conventionally. This lithium ion battery has a cylindrical shape with a diameter of 18 mm and a height of 65 mm, and this is called 18650 size. The first two digits “18” of the number indicate the diameter, and the last three digits “650” indicate the length (displayed in units of 0.1 mm). In the conventional battery pack, different types of battery packs are configured depending on the number of connected 18650 size lithium ion batteries and the connection form. Therefore, in the technique of
しかしながら、近年リチウムイオン電池の小型化や大容量化が進み、18650サイズの電池セルだけでなく、いわゆる14500サイズのリチウムイオン電池も電動工具の分野で実用化に向けて検討されつつある。図9(2)は14500サイズのリチウムイオン電池であり、円筒形であって直径14mm、高さ50mmである。このサイズは、乾電池(1次電池)の“単三サイズ”、“R6サイズ”、又は、“AAサイズ”と呼ばれるものとほぼ同じ大きさである。 However, in recent years, lithium ion batteries have been reduced in size and capacity, and not only 18650 size battery cells but also so-called 14500 size lithium ion batteries are being studied for practical use in the field of electric power tools. FIG. 9 (2) shows a 14500-size lithium ion battery, which is cylindrical and has a diameter of 14 mm and a height of 50 mm. This size is almost the same as what is called “AA size”, “R6 size”, or “AA size” of a dry cell (primary battery).
14500サイズのリチウムイオン二次電池の電池セルを4個互いに直列接続した組電池を備える14500サイズの電池パックは、出力電圧14.4Vの定格を有するため、18650サイズのリチウムイオン二次電池の電池セルを4個互いに直列接続した組電池と同じ定格電圧となる。このような電圧が同じで異なる種類の電池セルを有する電池パックを充電する場合には注意する必要がある。例えば、18650サイズの電池セルを有する電池パックを充電できる既存の充電装置は、14500サイズの電池セルにとってはその充電電流が最適ではなく、電池寿命を悪化させてしまう恐れがある。 A battery pack of 14500 size including a battery pack in which four battery cells of 14500 size lithium ion secondary battery are connected in series with each other has a rating of an output voltage of 14.4 V. Therefore, a battery of 18650 size lithium ion secondary battery The rated voltage is the same as that of an assembled battery in which four cells are connected in series. Care must be taken when charging battery packs having the same voltage but different types of battery cells. For example, an existing charging device that can charge a battery pack having 18650-size battery cells has an inadequate charge current for a 14500-size battery cell, which may deteriorate the battery life.
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は上記従来技術の欠点を解消し、サイズが異なる電池セルを備えた複数種類の電池パックを充電可能であると共に、電池パックに収容された電池セル(素電池)の種類に対応して適切な充電電流または充電電圧を設定できる充電装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above background, and its object is to solve the above-described drawbacks of the prior art, and to charge a plurality of types of battery packs having battery cells of different sizes and accommodated in the battery pack. Another object of the present invention is to provide a charging device capable of setting an appropriate charging current or charging voltage corresponding to the type of the battery cell (unit cell).
本発明の他の目的は、電池パックに収容される電池セルの種類に応じて異なる判別信号を充電装置が得ることができるようにした充電装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a charging device in which the charging device can obtain different determination signals depending on the types of battery cells accommodated in the battery pack.
本発明のさらに他の目的は、充電開始後の短い時間内に充電装置側で電池セルの種類を判別して、最適な充電電流又は充電電圧を設定することができる充電装置を提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide a charging device that can set the optimum charging current or charging voltage by determining the type of the battery cell on the charging device side within a short time after the start of charging. is there.
上記課題を解決するために本発明に従って開示される発明のうち、代表的なものの特徴を説明すれば、次のとおりである。 Among the inventions disclosed in accordance with the present invention in order to solve the above problems, the characteristics of typical ones will be described as follows.
本発明の一つの特徴によれば、複数種類の電池セルを直列または並列接続した組電池を備える電池パックを充電することが可能な制御装置を有する充電装置であって、複数種の電池パックは、18650サイズの電池セルを接続した組電池を備える第1の電池パックと、14500サイズの電池セルを接続した組電池を備える第2の電池パックとを含む。制御装置は、第1の電池パックと第2の電池パックとで異なる充電制御を行い、第1の電池パックと第2の電池パックとを、充電中の電池電圧又は電池温度に基づいて判別する。 According to one aspect of the present invention, there is provided a charging device having a control device capable of charging a battery pack including a battery pack in which a plurality of types of battery cells are connected in series or in parallel, the plurality of types of battery packs being 1st battery pack provided with the assembled battery which connected the battery cell of 18650 size, and 2nd battery pack provided with the assembled battery which connected the battery cell of 14500 size. The control device performs different charging control between the first battery pack and the second battery pack, and determines the first battery pack and the second battery pack based on the battery voltage or battery temperature during charging. .
本発明の他の特徴によれば、複数種類の電池セルを直列または並列接続した組電池を備える電池パックを充電することが可能な制御装置を有する充電装置であって、複数種の電池パックは、18650サイズの電池セルを接続した組電池を備える第1の電池パックと、14500サイズの電池セルを接続した組電池を備える第2の電池パックとを含み、制御装置は、第1の電池パックおよび第2の電池パックの充電を開始して所定時間経過後に、第1の電池パックおよび第2の電池パックに応じた充電電流に変更するように制御するようにした。 According to another aspect of the present invention, there is provided a charging device having a control device capable of charging a battery pack including a battery pack in which a plurality of types of battery cells are connected in series or in parallel, wherein the plurality of types of battery packs are A first battery pack including an assembled battery connected with 18650 size battery cells, and a second battery pack including an assembled battery connected with 14500 size battery cells. The charging is controlled so that the charging current is changed to the charging current corresponding to the first battery pack and the second battery pack after a predetermined time has elapsed since the charging of the second battery pack was started.
本発明の他の特徴によれば、第1の電池パックおよび第2の電池パックはリチウムイオン電池セルにより構成されてなり、制御装置は、充電電圧が所定値に達するまでは定電流制御で電池パックを充電し、充電電圧が所定値に達した後に定電圧制御で電池パックを充電し、定電流制御における電流値を第1の電池パックおよび第2の電池パックで変更するようにした。第1の電池パックおよび第2の電池パックは、内部に含まれる電池セルの種類を示す電池種判別手段を有し、制御装置は、電池パックの種類に応じて異なる抵抗値を有する電池種判別抵抗等の電池種判別手段によって判別した結果に応じて充電電流または充電電圧を制御するようにした。このため制御装置に電池種判別抵抗の抵抗値に応じた充電電流と充電電圧の組をあらかじめテーブルにて格納しておくと良い。 According to another feature of the present invention, the first battery pack and the second battery pack are constituted by lithium ion battery cells, and the control device controls the battery with constant current control until the charging voltage reaches a predetermined value. The pack is charged, and after the charging voltage reaches a predetermined value, the battery pack is charged by constant voltage control, and the current value in constant current control is changed between the first battery pack and the second battery pack. The first battery pack and the second battery pack have battery type discrimination means for indicating the type of battery cell contained therein, and the control device discriminates the battery type having a different resistance value depending on the type of battery pack. The charging current or the charging voltage is controlled according to the result determined by the battery type determining means such as resistance. For this reason, it is preferable to previously store a set of charging current and charging voltage in accordance with the resistance value of the battery type discrimination resistor in the control device in a table.
本発明のさらに他の特徴によれば、制御装置は、充電開始後の所定時間内の電池電圧又は/及び電池温度の上昇傾きを検出することにより、第1の電池パック又は第2の電池パックのいずれが装着されているかを判別し、判別された結果に応じて充電電流または充電電圧を制御する。制御装置は電池電圧又は/及び電池温度の傾きに応じた充電電流値をあらかじめ格納しておくと良い。また、制御装置は電池パックを電池容量の大きい電池セルに合わせた充電電流で充電を開始し、充電開始後の電池電圧又は/及び電池温度の上昇傾きが規定値以上の状態が規定時間以上続いた場合に、充電電流を小さい電池セル用に切り替える。また、制御装置は、第2の電池パックを充電する場合に、第1の電池パックを充電する場合に比較して、電池セルの1セル当たりの充電電流を少なく設定した。さらに制御装置は、複数直列タイプの電池パックを充電する場合、複数並列タイプの電池パックを充電する場合よりも、電池セルの1セル当たりの充電電流を少なく設定するようにした。 According to still another feature of the present invention, the control device detects the rising slope of the battery voltage or / and the battery temperature within a predetermined time after the start of charging to thereby detect the first battery pack or the second battery pack. Which is attached is determined, and the charging current or the charging voltage is controlled according to the determined result. The control device may store in advance a charging current value corresponding to the battery voltage or / and the inclination of the battery temperature. In addition, the control device starts charging the battery pack with a charging current that matches a battery cell having a large battery capacity, and the state in which the rising slope of the battery voltage or / and the battery temperature after the start of charging continues to exceed a specified value continues for a specified time. The charging current is switched for a small battery cell. In addition, the control device sets the charging current per battery cell to be smaller when charging the second battery pack than when charging the first battery pack. Furthermore, the control device sets the charging current per battery cell to be smaller when charging a plurality of series-type battery packs than when charging a plurality of parallel-type battery packs.
請求項1の発明によれば、一つの充電装置で18650と14500のサイズが異なる電池セルを備えた複数種類の電池パックを充電することができる。 According to the first aspect of the present invention, it is possible to charge a plurality of types of battery packs including battery cells having different sizes of 18650 and 14500 with a single charging device.
請求項2の発明によれば、第1と第2の電池パックとで異なる充電制御を行うので、電池パックの種類に応じて最適な充電が可能となり、電池パックの充放電のサイクル寿命を低下させることがない充電装置を提供できる
According to the invention of
請求項3の発明によれば、制御装置は、充電中の電池電圧又は電池温度に基づいて第1か第2の電池パックかを判別するので、電池パックの充電中の電池電圧又は電池温度に応じて最適な充電が可能となり、電池セルに対して過負荷となる電圧上昇や温度上昇を避けることができ、電池寿命の低下を一層確実に防ぐことができる。 According to the invention of claim 3, since the control device determines whether the battery pack is the first battery pack or the second battery pack based on the battery voltage or battery temperature during charging, the control device determines the battery voltage or battery temperature during charging of the battery pack. Accordingly, it is possible to perform optimal charging, avoid an increase in voltage or temperature that would overload the battery cell, and more reliably prevent a decrease in battery life.
請求項4の発明によれば、制御装置は充電を開始後に、第1の電池パックおよび第2の電池パックに応じた充電電流に変更するので、電池パックの充放電のサイクル寿命を阻害しない充電装置を提供できる。
According to the invention of
請求項5の発明によれば、制御装置は定電流制御及び定電圧制御で充電する際に、定電流制御における電流値を第1の電池パックおよび第2の電池パックで変更するので、電池セルに対して過負荷となる電圧上昇や温度上昇を避けることができ、電池寿命の低下を防ぐことができる。 According to the invention of claim 5, when the control device charges with the constant current control and the constant voltage control, the current value in the constant current control is changed between the first battery pack and the second battery pack. On the other hand, it is possible to avoid an increase in voltage and temperature that would be overloaded, and to prevent a decrease in battery life.
請求項6の発明によれば、内部に電池セルの種類を示す電池種判別手段を有するので、充電装置は装着された電池パックの電池のサイズを識別することができる。 According to the sixth aspect of the present invention, since the battery type discriminating means indicating the type of the battery cell is provided inside, the charging device can identify the size of the battery of the attached battery pack.
請求項7の発明によれば、電池種判別抵抗の抵抗値に応じた充電電流と充電電圧の組をあらかじめテーブルにて充電装置に格納するので、充電装置は迅速に最適な充電電流または充電電圧を設定することができる。 According to the invention of claim 7, since the set of the charging current and the charging voltage corresponding to the resistance value of the battery type discrimination resistor is stored in the charging device in advance in the table, the charging device can quickly obtain the optimum charging current or charging voltage. Can be set.
請求項8の発明によれば、充電装置は充電開始後の所定時間内の電池電圧又は/及び電池温度の傾きを検出することにより電池パックに含まれる電池セルの状態を検出するのでので、電池種判別手段が無い電池パックであっても最適な充電制御を行うことができる。 According to the invention of claim 8, since the charging device detects the state of the battery cell included in the battery pack by detecting the inclination of the battery voltage or / and the battery temperature within a predetermined time after the start of charging. Even if the battery pack has no seed discrimination means, optimal charging control can be performed.
請求項9の発明によれば、電池電圧、電池温度の傾き(変化)に応じた充電電流をあらかじめテーブルにて充電装置に格納するので、充電装置は迅速に最適な充電電流を設定することができる。 According to the ninth aspect of the present invention, since the charging current corresponding to the inclination (change) of the battery voltage and the battery temperature is stored in the charging device in advance in the table, the charging device can quickly set the optimum charging current. it can.
請求項10の発明によれば、電池パックを電池容量の大きい電池セルに合わせた充電電流で充電を開始するので、充電時間の短縮化を図ることができる一方、電池電圧・電池温度の異常上昇が続いた場合に充電電流を低下させるので電池セルに対して過負荷となることを避けることができる。
According to the invention of
請求項11の発明によれば、制御装置は第2の電池パックを充電する場合に、第1の電池パックを充電する場合に比較して、電池セルの1セル当たりの充電電流を少なく設定するので、電池セルのサイズに合わせた最適な充電を行うことができる。 According to the eleventh aspect of the invention, when the second battery pack is charged, the control device sets the charging current per battery cell to be smaller than when the first battery pack is charged. Therefore, it is possible to perform optimum charging according to the size of the battery cell.
請求項12の発明によれば、複数直列タイプの電池パックを充電する場合、複数並列タイプの電池パックを充電する場合よりも、電池セルの1セル当たりの充電電流を少なく設定するので、電池パックの接続形態の種類に対応して適切な充電電流または充電電圧を設定できる。
According to the invention of
本発明は、特に、過充電、過放電に対する保護対策が必要となるリチウムイオン二次電池セルより構成される電池パックの充電装置に適用して有効である。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。 The present invention is particularly effective when applied to a battery pack charging apparatus composed of lithium ion secondary battery cells requiring protection measures against overcharge and overdischarge. The above and other objects, and the above and other features and advantages of the present invention will become more apparent from the following description of the present specification and the accompanying drawings.
以下、本発明の一実施例について、図1および図2を参照して詳細に説明する。最初に、本発明の実施例に係る充電装置の構成について説明する。図1は充電装置200の回路図を示す。図1において、充電装置200は、電池セル2aの接続形態によって異なる複数種の電池パック2を同一の充電装置200によって充電できるように構成される。例えば、充電装置200によって所定の充電電流または充電電圧を設定して充電することが可能な1つの電池パック2は、単一の電池セル2a、または複数の電池セル2aを直列接続した組電池によって構成した電池パック(ここでは説明の便宜上、並列方向に見て1系統という意味で“1パラ”と称する)である。また、充電装置200によって充電可能な他の電池パックは、少なくとも一対の電池セル2aを並列接続した組電池、または複数の電池セル2aを直列接続した電池セル列の少なくとも2組を互いに並列接続して成る2パラタイプ(並列方向に見て2系統のタイプ)の電池パックである。もちろん、2パラタイプ以上の3パラタイプについても充電可能に構成できる。電池セル2aは、例えば、リチウムイオン二次電池セルから構成されるが、電池パック2の大きさによって18650サイズのリチウムイオン電池セルを用いたもの、14500サイズのリチウムイオン電池セルを用いたものが存在する。本発明によれば、充電装置200は、これら複数種の電池パック2の充電電流または充電電圧を、電池セルの大きさや直列又は並列等の接続形態に応じて適切な値に設定することができる。特に電池セルの大きさ(18650サイズと14500サイズ)に応じて適切な値に設定することで、電池セルを適切に充電し寿命低下を抑制することができる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1 and FIG. Initially, the structure of the charging device which concerns on the Example of this invention is demonstrated. FIG. 1 shows a circuit diagram of the
電池パック2には、1パラタイプの第1の電池パックまたは2パラタイプの第2の電池パックにおける電池セル2aのセル数または接続形態を判別するための電池種判別手段を有する。電池種判別手段は、例えば電池パック2の種類に応じて抵抗値を変えた判別用抵抗7によって構成される。また、電池パック2は、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を内蔵する。本実施例に係る充電装置200では、電池パック2としてリチウムイオン電池セル2aの4個が直列接続された公称電圧14.4Vの4S1Pタイプと、4個の直列接続された電池セル列を2組並列接続した4S2Pタイプを充電可能に構成されている。さらに、電池パック2として18650サイズのリチウムイオン電池セル2aの4個が直列接続されたものと、14500サイズのリチウムイオン電池セル2aの4個が直列接続されたものが充電可能に構成される。電池セルの判別用抵抗7は、直流電圧(安定化直流電圧)Vccを、電池種判別抵抗9と分圧するために用いられ、その検出電圧によりマイコン50が電池種を判別する。
The
電池パック2の感温素子8は、直流電圧Vccが給電された検出用抵抗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、電圧はマイコン50のA/Dポート52に入力される。電池パック2の正極端子は、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に接続される。
The temperature sensing element 8 of the
充電装置200は、交流電源1を用いて電池パック2を充電するための装置であって、交流電源1を整流して直流に変換する整流平滑回路10と、MOSFET22からの出力パルスによって出力が制御される高周波トランス21を含むスイッチング回路20と、スイッチング回路20の出力を整流して所定電圧の直流に変換する整流平滑回路30と、定電圧電源回路40と、充電電圧制御回路100と、充電電流制御回路60と、充電電流設定回路70と、電池温度検出回路80と、電池電圧検出回路90と、表示回路110と、これらを制御するマイコン50を含んで構成される。
The charging
整流平滑回路10はブリッジ接続された整流ダイオードを含む全波整流回路11と平滑用コンデンサ12とからなり、商用交流電源等の交流電源1を全波整流する。スイッチング回路20は、高周波トランス21と、高周波トランス21の1次巻線に直列接続された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PWM制御IC(スイッチング制御用IC)23を備える。
The rectifying / smoothing
PWM制御IC23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。PWM制御IC23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、PWM制御IC23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。
The drive power for the
PWM制御IC23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、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。整流平滑回路30は高周波トランス21の2次巻線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。
The
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。
The constant voltage
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。マイコン50は、上記した電池種判別抵抗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ポート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、充電制御伝達手段4および後述する充電状態の表示回路110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とを有する。
The control circuit device (microcomputer) 50 determines the battery temperature based on the output signal of the battery
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電流検出用抵抗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伝達手段5を介してPWM制御IC23を制御する。オペアンプ(電圧比較器)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ポート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。
The charging
充電電流設定回路70は、充電電流を、電池パック2の電池種に従って、所定の電流値に設定するために設けられる。充電電流設定回路70は、安定化直流電圧Vccに接続された抵抗71と抵抗72の直列回路(分圧回路)と、抵抗72に並列接続される抵抗73とを有する。電圧比較用のオペアンプ65の入力端子(+)に異なる充電電流に対応する基準電圧を供給することにより、所望の充電電流を設定する。本実施例によれば、マイコン50の動作に基づいて抵抗72に抵抗73を並列接続することにより、2つの充電電流モードを設定できる。例えば、マイコン50により抵抗71に直列接続される抵抗を抵抗72単独と制御した場合は第1の充電電流に設定し、抵抗71に直列接続される抵抗を抵抗72と抵抗73の並列接続抵抗と制御した場合は第2の充電電流を設定する。この場合、第1の充電電流は第2の充電電流より小さくなるものとする。
The charging
充電電流制御回路60により、電流検出用抵抗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PWM制御IC23に帰還をかけてMOSFET22のスイッチング動作を制御する。すなわち、MOSFET22は、電流検出用抵抗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、整流平滑回路30は、所定の充電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、電流検出用抵抗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。
The charging
充電電圧制御回路100は、充電電圧制御手段であり、抵抗101、103、105〜108、ポテンショメータ102、コンデンサ104、シャントレギュレータ116、整流ダイオード117、FET118から構成される。充電電圧は、抵抗101、ポテンショメータ102の直列抵抗と、抵抗105及び抵抗106との分圧値がシャントレギュレータ116の基準値となるように定められる。例えば、抵抗101、ポテンショメータ102の直列抵抗と、抵抗105とで定められる値は4セルのリチウムイオン電池を充電するための値、抵抗105と抵抗106の並列抵抗(FET118をオンさせることによる並列抵抗)とで定められる値は5セルのリチウムイオン電池を充電するための値と定める。
The charging
表示回路110は、電池パック2の充電状態を表示するための表示手段で、赤色LED(R)および緑色LED(G)から成るLED111と、各LEDの電流制限抵抗112、113とから構成される。本実施例によれば、マイコン50の出力ポート51aより抵抗112にハイ信号を出力すると、赤色LED(R)が点灯して充電前の状態を表示し、マイコン50の出力ポート51aより抵抗113にハイ信号を出力すると、緑色LED(G)が点灯して充電終了後の状態を表示する。さらに、マイコン50の両出力ポート51aより抵抗112および抵抗113にハイ信号を出力すると、赤色LED(R)および緑色LED(G)が同時点灯するので、表示回路110は橙色として点灯して充電中であることを表示する。
The
以上の構成により、直列接続される電池セル列のセル数が同じセル数の電池パックであっても、その電池セルが18650サイズか14500サイズかの違いに従って電池寿命から見て適切な充電を行うことができる。例えば、14500サイズの場合、マイコン50の出力ポート51bより抵抗73の入力端子へロー信号を供給することによって充電電流制御回路60の充電電流を小さく設定することができる。
With the above configuration, even in the case of a battery pack having the same number of cells in a series of battery cells connected in series, appropriate charging is performed from the viewpoint of the battery life according to whether the battery cell is 18650 size or 14500 size. be able to. For example, in the case of the 14500 size, the charging current of the charging
次に図2を用いて、18650サイズの電池セルと、14500サイズの電池セルの充電特性の違いについて説明する。本グラフは横軸が経過時間(単位min)で、縦軸が電圧(単位V)・温度(単位℃)・電流(単位A)である。充電対象は18650の単セルと、14500の単セルとするが、複数の電池セルを直列に接続した電池パックでも同様のグラフとなる。ここで18650サイズの電池セルを充電する場合には、時間0から時間t1まで定電流制御にて充電を行い、電池電圧が所定値Vmか電池温度が所定値Tmに到達したら、時間t2で定電流充電から定電圧充電に切り替えて充電を行う。そして、時間t3にて充電電流が充電終端電流IE以下に到達したら充電を終了させる。通常の充電においては、電池容量が大きい方の電池セル、即ち18650サイズの電池セルに合わせた充電電流I1にて充電を開始する。ここで、18650サイズの電池セルを充電する充電装置においてそのまま14500サイズの電池セルを充電すると、時間0〜時間t1の間において、18650サイズの電池セルの電池温度161に比べて、14500サイズの電池セルの電池温度162のように、特に矢印162aに示すように急激に上昇してしまう。また、電池電圧に関しても、18650サイズの電池セルの電池電圧171に比べて、14500サイズの電池電圧172の矢印172aのように急激に上昇してしまう。時間t1以降も充電電圧をI1のまま充電すると、さらなる電池電圧の上昇及び電池温度の上昇が起こってしまう。これは、サイズが小さい14500サイズの電池セルの方が、サイズが大きい18650サイズの電池セルより内部抵抗が大きいためである。そのため、同じ充電電流I1にて充電を行った場合に電池電圧の上昇及び電池温度の変化(上昇)が大きくなってしまう。
Next, the difference in charging characteristics between the 18650 size battery cell and the 14500 size battery cell will be described with reference to FIG. In this graph, the horizontal axis represents elapsed time (unit: min), and the vertical axis represents voltage (unit: V), temperature (unit: ° C), and current (unit: A). The charging target is a single cell of 18650 and a single cell of 14500, but the same graph is obtained even in a battery pack in which a plurality of battery cells are connected in series. Here, when charging a battery cell of 18650 size, charging is performed by constant current control from time 0 to time t 1 , and when the battery voltage reaches the predetermined value V m or the battery temperature reaches the predetermined value T m , the time switching from constant current charging to the constant voltage charging to charge at t 2. Then, the charging current at the time t 3 to terminate the charging when it reaches the following charge termination current I E. In normal charging, charging is started with a charging current I 1 that matches the battery cell having the larger battery capacity, that is, the battery cell of 18650 size. Here, when charging directly 14500 size battery cells in the charging device for charging the battery cells of 18650 size, between time 0 and time t 1, as compared with the
本実施例では、充電開始から所定時間t1経過後(初期充電経過後)に、点線152に示すように充電電流を14500サイズの電池セルに適合したI2に切り替えて充電を継続するようにした。時間t1において充電電流をI1からI2に低下させると、その瞬間に電池電圧172bは低下するが再び上昇を続け時間t2で定電流充電の終端電圧Vmに到達する。一方、電池温度162は上昇カーブが低下するものの徐々に上昇していく。時間t2において終端電圧Vm又は終端温度Tmに到達したら、定電圧制御に切り替えるが、その際の充電電圧はVmであって18650サイズの電池セルも14500サイズの電池セルも同様である。また、充電終端電流IEも18650サイズの電池セルと14500サイズの電池セルで同様の値で良い。但し、この終端電圧Vm又は終端温度Tmは、電池パック2内に収容される電池セルの特性によって最適な値を設定するのが好ましい。また、充電終止電流IEは、充電電流の変更に応じて変更するようにしても良い。このように充電開始後の所定時間内に、電池セルが18650サイズか14500サイズかを識別することによって時間t1〜t2間の定電流制御での電流値の設定を変えるので、電池セルに合わせた最適な充電制御を行うことができる。
In this embodiment, after a predetermined time t 1 has elapsed from the start of charging (after the initial charging has elapsed), the charging current is switched to I 2 suitable for a 14500 size battery cell as shown by the dotted
次に、本実施例に係る充電装置によって定電流・定電圧充電を行う場合の動作フローチャートについて図3を参照して説明する。本実施例の制御では、電池パック2に含まれる電池セルの本数又は定格電圧に関して、判別用抵抗7あるいは電池電圧検出回路90からの信号によりマイコン50は判別できるものの、電池パック2に含まれる電池セルが18650サイズか14500サイズかが不明な場合の充電制御例である。充電装置200は、充電を開始して所定時間経過した後の、電池温度勾配あるいは電池電圧勾配が所定値以上である場合は、14500サイズの電池と判定し、所定値以下である場合は18650サイズの電池であると判別し、それぞれ最適な充電を行う。
Next, an operation flowchart in the case where constant current / constant voltage charging is performed by the charging apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In the control of this embodiment, the
充電装置200は時間0にて充電電流I1で充電を開始し、マイコン50はその際の電池温度(161、162)、電池電圧(171、172)の上昇度合いを監視する。その際、矢印172aの時点(時間t1)において電池温度の上昇傾きが大きいと判断した場合、或いは、電池電圧の上昇傾きが大きいと判断したら充電電流をI1からI2に減少させる。時間t2において電池電圧が所定値Vmに達すると定電流制御から定電圧制御に切り替え、充電電流が充電終端電流IEに達した時間t3にて充電を終了させる。以下、具体的な動作フローを説明する。
図3は本発明の第1の実施例に係る充電装置によって定電流・定電圧充電を行う動作フローチャートである。まず、充電装置の図示しない電源コードが商用電源のコンセントに接続されると、充電するための電池パック2が充電装置に装着されたか否かを判別する(ステップ181)。ここで電池パック2が装着される前においては表示回路110の赤色LED(R)が点灯して充電前の状態を表示する。充電装置に電池パック2が装着されたか否かは、マイコン50が電池温度検出回路80、電池電圧検出回路90の出力を用いて判別できる。
FIG. 3 is an operation flowchart for performing constant current / constant voltage charging by the charging apparatus according to the first embodiment of the present invention. First, when a power cord (not shown) of the charging device is connected to a commercial power outlet, it is determined whether or not the
電池パック2が装着されたと判別した場合(YESの場合)、電池種判別抵抗9によって直列接続される電池セル数の判別を行う(ステップ182)。なお、電池パック2にセル数の判別用抵抗7が設けられていない場合には、電池電圧検出回路90の出力となる電池電圧を単位電池セル当たりの電圧(例えば3.6V)で除算すればセル数を判別することができる。次に、充電電圧制御回路100によって電池セル数(電池電圧)に対応した充電電圧を設定する(ステップ183)。
When it is determined that the
次にステップ184において、充電電流をI1に設定して電流充電を開始する。次に、マイコン50は、電池電圧を検出すると共に電池温度を検出する(ステップ186、187)。そして再びステップ186に戻り、所定時間が経過するまで、電池電圧と電池温度の検出を繰り返す。ステップ188において所定時間が検出したら、即ち後続のステップ189、190を実行するインターバル時間が経過したら、検出された複数の電池温度測定値から電池温度勾配を求め、その電池温度勾配が所定値以上であるかを検出する(ステップ189)。また、検出された複数の電池電圧測定値から電池電圧勾配を求め、その電池電圧勾配が所定値以上であるかを検出する(ステップ190)。ここで、電池温度勾配又は電池電圧勾配が所定値以上であるというのは、電池セルの内部抵抗が大きいことによって図2の矢印162aのように温度上昇(傾き)が大きい、又は図2の矢印172aのように電圧上昇(傾き)が大きいという意味であるので、ステップ192に移動して、電池パック2に含まれる電池セルが14500サイズであると判定して、定電圧充電電流をI2にセットしステップ194に進む(ステップ193)。なお、ステップ189と190の処理を逆にしても良い。
In
次に、マイコン50は電池パック2の電圧が定電圧充電に切り替える閾値(Vm)に到達したかを判定し、到達していなければステップ閾値に到達するまで設定した充電電流で定電流充電を継続する(ステップ194)。ステップ194で閾値(Vm)に到達したと判定されたら、電圧Vmでの定電圧充電に切り替えて充電を行う。次に、充電電流が充電終端電流IEに到達したかを判定し、到達していなければそのまま定電圧充電を継続し、到達していたら充電を終了させる(ステップ196、197)。その後、ステップ198において、電池パック2が充電装置200から取り出された否かを判断し、取り外された場合はステップ181に戻る。
Next, the
以上、第1の実施例によれば、充電を開始して所定時間経過した後の、電池温度勾配又は電池電圧勾配が所定値以上である場合は、14500サイズの電池、所定値以下である場合は18650サイズの電池であると判別し、それぞれ最適な充電を行うことができる。電池セルのサイズの違いによって内部抵抗が異なり、この内部抵抗を利用して電池セルのサイズを判別することができるため、電池パックが判別用抵抗を備えていなくても最適な充電を行うことができる。すなわち、電池種判別抵抗9(判別用抵抗7)を設けなくても電池電圧からセル数を判別できると共に電池セルの内部抵抗の違いから電池セルのサイズを判別できるため、部品点数を増加させることなく電池パック(電池セル)に最適な充電電流を設定することができ、電池セルの寿命低下を抑制することができる。 As described above, according to the first embodiment, when the battery temperature gradient or the battery voltage gradient is equal to or higher than a predetermined value after a predetermined time has elapsed after starting charging, the battery of 14500 size is equal to or lower than the predetermined value. Can be determined to be 18650 size batteries, and each can be charged optimally. The internal resistance varies depending on the size of the battery cell, and the size of the battery cell can be determined using this internal resistance. Therefore, even if the battery pack does not have a resistance for determination, optimal charging can be performed. it can. That is, the number of cells can be determined from the battery voltage and the size of the battery cell can be determined from the difference in the internal resistance of the battery cell without providing the battery type determination resistor 9 (the determination resistor 7). Therefore, it is possible to set an optimal charging current for the battery pack (battery cell) and to suppress a reduction in the life of the battery cell.
次に、電池パック2が判別用抵抗7を備えている場合の充電装置による定電流・定電圧充電を行う場合の動作フローチャートについて図4を参照して説明する。このフローチャートで説明する手順は、マイコン50(図1参照)がコンピュータプログラムを実行することにより実現することができる。この制御手順では、電池パック2に含まれる判別用抵抗7の出力である判別端子からの出力を用いて、電池パック2に収容される電池サイズが18650か14500かをマイコン50が判別し、最適な充電制御を行うものである。
Next, an operation flowchart in the case of performing constant current / constant voltage charging by the charging device when the
まず、充電装置の図示しない電源コードが商用電源のコンセントに接続されると、充電するための電池パック2が充電装置に装着されたか否かを判別する(ステップ201)。ここで電池パック2が装着される前においては表示回路110の赤色LED(R)が点灯して充電前の状態を表示する。充電装置に電池パック2が装着されたか否かは、マイコン50が電池温度検出回路80、電池種判別抵抗9、電池電圧検出回路90の出力を用いて判別できる。
First, when a power cord (not shown) of the charging device is connected to a commercial power outlet, it is determined whether or not the
ステップ201において電池パック2が装着されたと判別した場合(YESの場合)、電池種判別抵抗9によって直列接続される電池セル数の判別を行う(ステップ202)。次に、充電電圧制御回路100によって直列接続される電池セル数に対応した充電電圧を設定する(ステップ203)。本実施例においては、電池セル数が4セルと5セルの電池パックとして説明するが、例えば直列接続された電池セル数が、1セル、2セル、3セル、4セルおよび5セル、又はそれ以上のリチウムイオン電池パックを充電できるようにしても良く、この場合は充電電圧制御回路100で複数の充電電圧を設定できるようにすれば良い。次のステップ204において、電池種判別抵抗9によって電池パック2に含まれる電池セルが、18650の電池であるか否かを判定する。
When it is determined in
本実施例の充電装置で充電できる電池パック2は、18650サイズの電池から構成される電池セルと、14500サイズの電池から構成される電池セルの2種類がある。電池種判別抵抗9による判別は、電池に設けられた判別用抵抗7の値に対応する。例えば、判別用抵抗7の値がRaという値であれば、2セルの18650サイズの電池パック(一般に、2S2Pタイプと称するもの)、Rbという値であれば、2セルの14500サイズの電池パック(一般に、2S1Pタイプと称するもの)、Rcという値であれば、3セルの18650サイズの電池パック(3S2Pタイプ)、Rdという値であれば、3セルの14500サイズの電池パック(3S1Pタイプ)、Reという値であれば、4セルの18650サイズの電池パック(4S2Pタイプ)、Rfという値であれば、4セルの14500サイズの電池パック(4S1Pタイプ)、Rgという値であれば、5セルの18650サイズの電池パック(5S2Pタイプ)、Rhという値であれば、5セルの14500サイズの電池パック(5S1Pタイプ)といったそれぞれの値に応じて判別を行う。本実施例では電池パック2に含まれる電池セルの種類が18650サイズと14500サイズの2種類が存在するものとして、これらを判別しているが、電池パック2に用いられる電池セルのタイプ、サイズはこれだけに限られずにその他のものであっても良い。なお、上記したSは電池セルの直列接続数、Pは電池セルの並列接続数を意味する。
There are two types of
ステップ204において、電池パック2で用いられる電池セルが18650サイズの場合は、充電電流をI1に設定して電流充電を開始し(ステップ205、207)、電池セルが14500サイズの場合は、充電電流をI2に設定して電流充電を開始する(ステップ206、207)。つまり、14500サイズの電池パックは、18650サイズの電池パックに比べて許容できる電流値が通常約半分となるので、それに合わせて充電電流を充電当初からI2に変更する。すなわち、電池パックのサイズに応じて充電開始前に充電電流を設定するため、図2の所定時間(t0〜t1)で既に電池パックに応じて充電電流にて充電されることになる。次にステップ207において、マイコン50の出力ポート51aからホトカプラ4へ充電を開始すべくロー信号を出力し、PWM制御IC23を稼働状態にする。これにより充電が開始される。また、マイコン50の出力ポート51aから表示回路110へハイ信号を出力してLED111を橙色に点灯し、充電中であることを表示する。
In
ステップ207において、充電開始後は、電流検出用抵抗3によって検出された電位をオペアンプ65によって反転増幅し、マイコン50のA/Dポート52に取込むことにより充電電流を監視する。定電流充電に伴い電池パック2の充電電圧が上昇して定電圧充電区間(例えば、充電電圧(電池電圧)が4.10V)に達すると、定電流充電から定電圧充電に切替わり、充電電流は定電流値より下降するが、充電電流がある所定値以下に減少したか否かを検出し、満充電となったか否かを判別する。時間t3において充電電流が減少して所定値以下となって満充電と判別した後は、出力ポート51aにおけるホトカプラ4に連なるポートからハイ信号を出力し、PWM制御IC23を停止状態にする(ステップ209)。同時に、マイコン50の出力ポート51aより表示回路110の抵抗113にハイ信号を出力して緑色LED(G)を点灯させ、充電終了後の状態を表示する。その後、ステップ210において、電池パック2が充電装置200から取り出された否かを判断し、電池パック2が充電装置200から取り外された場合(YESの場合)、ステップ201に戻る。
In
以上、本実施例によれば、18650サイズの電池セルと、14500サイズの電池セルとで、それぞれに異なる判別素子(判別用抵抗7)を設け、判別素子の違いを充電装置200側で判別し、その結果に基づき、最適な充電制御を行う。これにより、14500サイズの電池と、18500サイズの電池の両方を最適に充電できる充電装置200を提供することができ、コードレスタイプの電動工具のように過酷な負荷電流で用いられる電池パックの充電電流を、18650サイズに比較して下げることによって寿命を著しく向上させることができる。また、充電開始前に最適な充電電流に設定することができるため、最適な充電電流で充電初期から充電することができ、電池セルの寿命低下を抑制することができる。
As described above, according to the present embodiment, the 18650-size battery cell and the 14500-size battery cell are provided with different discriminating elements (the discriminating resistor 7), and the difference between the discriminating elements is discriminated on the
次に図5を用いて、14500サイズの電池セルの単位を並列接続として場合(2パラ)と、直列接続(1パラ)の場合の充電特性の違いについて説明する。14500サイズの電池セルを並列接続した場合には、18650サイズの電池セルと同じような特性を示す。即ち、14500サイズの電池セルの直列接続(1パラ)の場合は、充電電流を点線252に示すように最初電流I1で充電して所定時間経過後にI2に切り替えると、電池電圧は点線272のように上昇して、電池温度は点線262のようになる。この電池セルを並列接続した場合は、所定時間における電流I1で充電を開始しても、電池電圧は実線271のように上昇度合いが緩やかであり、電池温度も実線261ように緩やかな上昇カーブとなり、定電流充電電流I1を変更せずに充電を継続することができる。そこで、第3の実施例では、電池パック2に含まれる電池サイズが18650サイズか14500サイズかだけでなく、14500サイズの場合に直列接続(1パラ)か並列接続(2パラ以上)かを判別して、その判別結果に合わせた充電電流を設定するように構成した。
Next, the difference in charging characteristics between the case where the unit of 14500-size battery cells is connected in parallel (2 para) and the case of series connection (1 para) will be described with reference to FIG. When 14500 size battery cells are connected in parallel, the same characteristics as 18650 size battery cells are exhibited. In other words, in the case of 14500-size battery cells connected in series (1 parameter), when the charging current is initially charged with current I 1 as shown by the dotted
判別用抵抗(判別素子)7を備えていない電池パック2の場合には、第1の実施例(図3)と同様に、電池電圧検出回路90によりセル数を判別して出力電圧を設定し(ステップ182、183)、充電電流をI1として充電を開始する(ステップ184、185)。充電開始後に、電池電圧と電池温度を検出し(ステップ186、187)、充電開始後の所定時間(t0〜t1)経過後に、電池電圧又は電池温度の上昇が所定値以上か否かを判断する(ステップ189、190)。電池電圧勾配又は電池温度勾配が所定値以上であった場合には1パラ接続の電池パックと判別して充電電流を変更している(ステップ192、193)。ステップ190において、2パラ接続の電池パックの場合、電池セルの内部抵抗が並列接続されておりその抵抗値が半分となるため、電池電圧や電池温度の上昇が緩やかとなる。そのため、2パラ接続と1パラ接続の電池パックを判別することができる。よって、2パラ接続の電池パックの場合、初期充電電流I1で充電を継続しても充電特性(電池電圧勾配、電池温度勾配)が異常(異常勾配)とならないため、電池セルの寿命低下を引き起こすことはない。なお、定電圧制御及び満充電制御は第1の実施例と同じであるため省略する。
In the case of the
一方、図6は、判別用抵抗7を備えた電池パック2における本発明の第4の実施例に係る充電装置によって定電流・定電圧充電を行う動作フローチャートである。まず、充電装置の図示しない電源コードが商用電源のコンセントに接続されると、充電するための電池パック2が充電装置に装着されたか否かを判別する(ステップ301)。ステップ301において電池パック2が装着されたと判別した場合(YESの場合)、電池種判別抵抗9によって直列・並列接続される電池セル数の判別を行う(ステップ302)。次に、充電電圧制御回路100によって電池セル数に対応した充電電圧を設定する(ステップ303)。
On the other hand, FIG. 6 is an operation flowchart for performing constant current / constant voltage charging by the charging device according to the fourth embodiment of the present invention in the
ステップ304において、電池パック2で用いられる電池セルが14500サイズの2パラ場合は、充電電流をI1に設定して電流充電を開始し(ステップ305、307)、電池セルが1パラの場合は、充電電流をI2に設定して電流充電を開始する(ステップ306、307)。つまり、同じ14500サイズの電池パックの充電であっても、1パラか2パラかに合わせて充電電流を変更する。図5において、充電初期の所定時間(t0〜t1)の区間は不要となり、充電初期からパラ次にステップ307において、定電流充電後に定電圧充電に切り替えて、充電電流がある所定値以下に減少したら満充電として充電を終了する(ステップ308、309)。その後、ステップ310において、電池パック2が充電装置200から取り出された否かを判断し、電池パック2が充電装置200から取り外された場合(YESの場合)、ステップ301に戻る。
In
以上、第4の実施例によれば、1パラ接続の電池セルと、2パラ接続の電池セルとで、それぞれに異なる判別素子(判別用抵抗7)を設け、判別素子の違いを充電装置200側で判別し、その結果に基づき、最適な充電制御を行う。これにより、同じ電圧であっても電池セルの配列が異なる電池パック2を最適に充電できる充電装置200を提供することができる。また、第2の実施例と同様に、判別素子によって電池の種類(電池セルの直列・並列接続数)を判別するため、充電開始前に充電電流を設定することができ、最適な充電電流で充電初期から充電することができる。
As described above, according to the fourth embodiment, a different determination element (determination resistor 7) is provided for each of the 1-para-connection battery cell and the 2-para-connection battery cell, and the difference between the determination elements is determined by the charging
次に、図7及び図8を用いて本発明の第5の実施例に係る定電流・定電圧充電について説明する。図7は、本発明の第5の実施例に係る充電装置によって充電を行う場合の充電電流と、電池電圧及び電池温度との関係を示す図である。横軸は時間(min)であり、縦軸はその時間の時の電池電圧(V)、電池温度(℃)、充電電流(A)である。第5の実施例の制御では、電池パック2に含まれる電池セルの本数又は定格電圧に関してマイコン50は判別できるものの、電池パック2に含まれる電池セルが18650サイズか14500サイズか、又は、14500サイズの1パラ接続か、2パラ接続かが不明な場合の充電制御例である。充電装置200は、充電を開始して所定時間経過した後の、電池温度勾配または電池電圧勾配が所定値以上である場合は、14500サイズの電池と判定し、所定値以下である場合は18650サイズの電池(又は14500サイズの2パラ接続)であると判別し、それぞれ最適な充電を行う。
Next, constant current / constant voltage charging according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a diagram illustrating the relationship between the charging current, the battery voltage, and the battery temperature when charging is performed by the charging device according to the fifth embodiment of the present invention. The horizontal axis represents time (min), and the vertical axis represents battery voltage (V), battery temperature (° C.), and charging current (A) at that time. In the control of the fifth embodiment, the
充電装置200は時間0にて充電電流I1で充電を開始し、マイコン50はその際の電池電圧391の上昇度合いを監視する。その際、矢印391aの時点(時間t11)において電池電圧391の上昇傾きが大きいと判断したら充電電流をI1からI2に減少させる。次に、マイコン50は電池電圧の傾きが矢印391bのように小さい場合は時間t12において再び充電電流をI1に戻す。しかしながら、この後、矢印391cの時点(時間t13)において電池電圧391の上昇傾きが大きいと判断したら充電電流をI1からI2に減少させる。このように充電電流をI1とI2で交互に変更しながら定電流充電を行い、時間t16にて、定電圧充電に切り替え、所定の充電電流以下になった時間t17にて充電を終了させる。なお、電池電圧勾配のみではなく電池温度勾配又は両方に応じて充電電流を切り替えても良い。
The charging
図8は本発明の第5の実施例に係る充電装置によって定電流・定電圧充電を行う動作フローチャートである。まず、充電装置の図示しない電源コードが商用電源のコンセントに接続されると、充電するための電池パック2が充電装置に装着されたか否かを判別する(ステップ401)。電池パック2が装着されたと判別した場合(YESの場合)、電池種判別抵抗9によって直列接続される電池セル数の判別を行う(ステップ402)。次に、充電電圧制御回路100によって並列接続される電池セル数に対応した充電電圧を設定する(ステップ403)。なお、電池種判別抵抗9はセル数を判別するものとし、この抵抗9では電池セルのサイズ、並列接続数が判別できないものとする。この判別は電池電圧勾配又は電池温度勾配から判別する。
FIG. 8 is an operation flowchart for performing constant current / constant voltage charging by the charging apparatus according to the fifth embodiment of the present invention. First, when a power cord (not shown) of the charging device is connected to a commercial power outlet, it is determined whether or not the
次にステップ404において、充電電流をI1に設定して電流充電を開始する。次に、マイコン50は、電池電圧を検出すると共に電池温度を検出する(ステップ406、407)。そして再びステップ406に戻り、所定時間が経過するまで、電池電圧と電池温度の検出を繰り返す。ステップ408において所定時間が検出したら、即ち後続のステップ409、410を実行するインターバル時間が経過したら、検出された複数の電池温度測定値から電池温度勾配を求め、その電池温度勾配が所定値以上であるかを検出する(ステップ409)。また、検出された複数の電池電圧測定値から電池電圧勾配を求め、その電池電圧勾配が所定値以上であるかを検出する(ステップ410)。ここで、電池電圧勾配が所定値以上であるというのは、図7の矢印391aのように電圧上昇が大きいという意味であるので、ステップ412に移動して、電池パック2に含まれる電池セルが14500サイズである、又は、14500サイズの1パラであると判定して、定電圧充電電流をI2にセットしステップ414に進む(ステップ413)。また、電池温度勾配についても同様に、温度上昇が所定値以上のときは温度上昇が大きい場合であるため、充電電流をI2にセットしステップ414に進む(ステップ413)。
In
次に、マイコン50は電池パック2の電圧が定電圧充電に切り替える閾値(Vm)に到達したかを判定し、到達していなければステップ406に戻る(ステップ414)。ステップ414で閾値(Vm)に到達したと判定されたら、電圧Vmでの定電圧充電に切り替えて充電を行う。次に、充電電流が充電終端電流IEに到達したかを判定し、到達していなければそのまま定電圧充電を継続し、到達していたら充電を終了させる(ステップ416、417)。その後、ステップ418において、電池パック2が充電装置200から取り出された否かを判断し、取り外された場合はステップ401に戻る。
Next, the
以上、第5の実施例によれば、充電を開始して所定時間経過した後の、電池温度勾配又は電池電圧勾配が所定値以上である場合は、14500サイズの電池、所定値以下である場合は18650サイズの電池又は14500サイズの電池の並列接続であると判別し、それぞれ最適な充電を行うことができる。また、第5の実施例によれば、定電流充電制御を行っている区間(時間t16まで)は常に電池電圧勾配又は電池温度勾配と所定値との比較を行っている。この制御により、14500サイズの電池セルの場合、充電初期に一旦、充電電流をI1からI2に小さく設定するが、その後の充電特性(電池電圧勾配、電池温度勾配)に応じて充電電流をI2からI1に戻すようにしている。18650サイズの電池セルの場合でも同様に、充電特性に応じて充電電流を制御している。すなわち、充電初期には電池セルに応じて充電電流を変更するが、その後の充電中においては、電池セルのサイズ(並列接続数)にかかわらず充電特性に応じて充電電流を変更するようにしている。そのため、電池セルの劣化を抑制しながら充電時間を短縮することも可能である。 As described above, according to the fifth embodiment, when the battery temperature gradient or the battery voltage gradient is equal to or higher than a predetermined value after a predetermined time has elapsed after starting charging, the battery of 14500 size is equal to or lower than the predetermined value. Is determined to be a parallel connection of 18650 size batteries or 14500 size batteries, and each can be charged optimally. In addition, according to the fifth embodiment, the interval (up to time t 16) that is performing constant-current charging control is constantly and compared with the battery voltage gradient or the battery temperature gradient with a predetermined value. With this control, in the case of a 14500-size battery cell, the charging current is temporarily set small from I 1 to I 2 at the beginning of charging, but the charging current is changed according to the subsequent charging characteristics (battery voltage gradient, battery temperature gradient). I 2 is returned to I 1 . Similarly, in the case of an 18650 size battery cell, the charging current is controlled according to the charging characteristics. In other words, the charging current is changed according to the battery cell at the initial stage of charging, but during the subsequent charging, the charging current is changed according to the charging characteristics regardless of the size (number of parallel connections) of the battery cell. Yes. Therefore, it is possible to shorten the charging time while suppressing deterioration of the battery cell.
以上、本発明によれば、単数または複数のリチウムイオン二次電池セルを内蔵するリチウムイオン電池パックを充電するための充電装置において、電池パックに含まれる電池セルのサイズや、直列接続、並列接続に対応して適切な充電電流または充電電圧を設定できる。これにより電池パックの充放電のサイクル寿命を阻害しない充電装置を提供できる。 As described above, according to the present invention, in a charging device for charging a lithium ion battery pack including one or a plurality of lithium ion secondary battery cells, the size of the battery cells included in the battery pack, serial connection, and parallel connection An appropriate charging current or charging voltage can be set corresponding to Thereby, the charging device which does not inhibit the cycle life of charging / discharging of a battery pack can be provided.
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例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。例えば、電池セルとしてリチウムイオン二次電池を使用した場合について述べたが、電池セルの接続形態が異なるニッケル水素電池やその他の二次電池にも適用することができる。また、充電方式についても定電流・定電圧充電方式に限るものではなく、定電流充電方式の充電装置に適用することができる。さらに、電池パックの種類を示す電池種判別手段は抵抗以外の機械的または電気的な判別手段を使用することができる。例えば、電池パックの外形に電池種に対応する突出部の有無を設け、14500サイズの電池パックが充電装置にセットされると、充電装置側に形成された電池パック受入部の弾性体突起が引っ込み、また18650サイズの場合には引っ込まないような機械的に電池種を検出する外形とすることができる。 The invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. . For example, although the case where a lithium ion secondary battery is used as the battery cell has been described, the present invention can also be applied to nickel hydride batteries and other secondary batteries having different battery cell connection forms. Further, the charging method is not limited to the constant current / constant voltage charging method, and can be applied to a constant current charging method charging device. Furthermore, the battery type discriminating means indicating the type of the battery pack can use mechanical or electrical discriminating means other than resistance. For example, if the battery pack is provided with a protrusion corresponding to the battery type on the outer shape of the battery pack and a battery pack of 14500 size is set in the charging device, the elastic protrusion of the battery pack receiving portion formed on the charging device side is retracted. Moreover, in the case of 18650 size, it can be set as the external shape which detects a battery type mechanically so that it may not retract.
また、充電装置は、2つの異なるサイズのみではなく、その他のサイズの電池セルにも適用することができる。さらに、18650サイズの電池セルが劣化した場合、充電初期の電池電圧勾配や電池温度勾配が正常セルよりも急になり、14500サイズの電池セルと同様の充電挙動となる場合がある。従って、判別素子がなく、充電特性(電池電圧勾配、電池温度勾配)から電池セルの種類を判別する場合、14500サイズの電池セルと劣化セルを判別することは難しい。しかしながら、劣化した電池セルは大電流で充電を継続してしまうと電池セルが破損し易いため、充電電流を小さくして充電することが好ましい。すなわち、14500サイズの電池セルと劣化セルとを区別する必要はなく、充電初期の勾配が急であれば充電電流を小さくすることで、14500サイズの電池セルの劣化と劣化セルの更なる劣化を抑制することができる。 Moreover, the charging device can be applied not only to two different sizes but also to battery cells of other sizes. Further, when the 18650 size battery cell deteriorates, the battery voltage gradient and the battery temperature gradient at the initial stage of charging may be steeper than those of the normal cell, and the charging behavior may be similar to that of the 14500 size battery cell. Therefore, when there is no discriminating element and the type of the battery cell is discriminated from the charging characteristics (battery voltage gradient, battery temperature gradient), it is difficult to discriminate the 14500 size battery cell from the deteriorated cell. However, since the deteriorated battery cell is easily damaged when it is continuously charged with a large current, it is preferable to charge the battery cell with a small charge current. In other words, it is not necessary to distinguish between 14500-size battery cells and deteriorated cells, and if the gradient at the beginning of charging is steep, the charge current is reduced to reduce deterioration of 14500-size battery cells and further deterioration of deteriorated cells. Can be suppressed.
1 交流電源(商用電源) 2 電池パック
2a 電池セル 3 電流検出用抵抗
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 判別用抵抗 8 感温素子
9 電池種判別抵抗 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
22 MOSFET
23 PWM制御IC(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IC 50 マイコン
51 CPU 51a 出力ポート
51b 出力ポート 52 A/Dポート
53 リセット入力ポート 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 71〜73 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
101〜103、105〜108 抵抗
102 ポテンショメータ 104 コンデンサ
110 (充電状態)表示回路 111 表示手段(LED)
112、113 電流制限抵抗
114、115、116、117、119 抵抗
116 シャントレギュレータ 117 整流ダイオード
118 FET 120 抵抗
121 ダイオード 122 シャントレギュレータ
140 充電電源回路 161、162 電池温度
172 電池電圧 200 充電装置
391 電池電圧 IE 充電終端電流
Tm 所定値(終端温度) Vm 所定値(終端電圧)
DESCRIPTION OF
5 Charging feedback signal transmission means (photocoupler)
6 Rectifier Smoothing Circuit 6a Transformer 6b Rectifying Diode 6c Smoothing Capacitor 7 Discriminating Resistor 8
23 PWM control IC (switching control IC)
30 Secondary-side rectifying and smoothing
112, 113 Current limiting resistor
114, 115, 116, 117, 119
Claims (12)
前記複数種の電池パックは、18650サイズの電池セルを接続した組電池を備える第1の電池パックと、14500サイズの電池セルを接続した組電池を備える第2の電池パックとを含むことを特徴とする充電装置。 A charging device having a control device capable of charging a battery pack including a battery pack in which a plurality of types of battery cells are connected in series or in parallel,
The plurality of types of battery packs include a first battery pack including an assembled battery connected with 18650 size battery cells, and a second battery pack including an assembled battery connected with 14500 size battery cells. Charging device.
前記制御装置は、
充電電圧が所定値に達するまでは定電流制御で前記電池パックを充電し、
前記充電電圧が所定値に達した後に定電圧制御で前記電池パックを充電し、
前記定電流制御における充電電流値を前記第1の電池パックおよび前記第2の電池パックで変更することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の充電装置。 The first battery pack and the second battery pack are constituted by lithium ion battery cells,
The controller is
Charge the battery pack with constant current control until the charging voltage reaches a predetermined value,
Charge the battery pack with constant voltage control after the charging voltage reaches a predetermined value,
5. The charging device according to claim 1, wherein a charging current value in the constant current control is changed between the first battery pack and the second battery pack. 6.
前記制御装置は、前記電池種判別手段によって判別した結果に応じて充電電流または充電電圧を制御することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の充電装置。 The first battery pack and the second battery pack have battery type discrimination means for indicating the type of the battery cell contained therein,
The charging device according to claim 1, wherein the control device controls a charging current or a charging voltage according to a result determined by the battery type determining unit.
前記制御装置に前記電池種判別抵抗の抵抗値に応じた充電電流と充電電圧の組をあらかじめ格納しておくことを特徴とする請求項6に記載の充電装置。 The battery type discrimination means comprises a battery type discrimination resistor having a different resistance value depending on the type of the battery pack,
The charging device according to claim 6, wherein a set of a charging current and a charging voltage corresponding to a resistance value of the battery type determination resistor is stored in the control device in advance.
充電開始後の所定時間内の電池電圧又は/及び電池温度の傾きを検出することにより、前記第1の電池パック又は前記第2の電池パックのいずれが装着されているかを判別し、判別された結果に応じて充電電流または充電電圧を制御することを特徴とする請求項3から7のいずれか一項に記載の充電装置。 The controller is
Whether the first battery pack or the second battery pack is installed is determined by detecting the inclination of the battery voltage or / and the battery temperature within a predetermined time after the start of charging. The charging device according to any one of claims 3 to 7, wherein a charging current or a charging voltage is controlled according to a result.
前記電池パックを電池容量の大きい電池セルに合わせた充電電流で充電を開始し、
充電開始後の電池電圧又は/及び電池温度の傾きが規定値以上の状態が規定時間以上続いた場合に、前記充電電流を小さい電池セル用に切り替えることを特徴とすることを特徴とする請求項8又は9に記載の充電装置。 The controller is
Start charging with a charging current that matches the battery pack with a battery cell with a large battery capacity,
The charging current is switched to a small battery cell when the state of the battery voltage or / and the battery temperature after the start of charging continues for a specified time or longer for a specified time or longer. The charging device according to 8 or 9.
8. The control device according to claim 7, wherein when the plurality of series-type battery packs are charged, the charging current per battery cell is set smaller than when the plurality of parallel-type battery packs are charged. Or the charging device of 8.
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