JP2019118193A - 二次電池の充電回路及び充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池を充電する際に無駄な電力損失が生じることがなく、充電効率の低下を抑制すること。【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータ２０を有し、供給された直流電流を前記ＤＣ−ＤＣコンバータにより所定の充電電流とする充電電流形成部２と、前記充電電流形成部により形成された充電電流を二次電池に出力するか否かを切換可能な充電スイッチ部５と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータにおけるスイッチング周波数を監視し、検出する周波数検出部３と、記憶手段を有し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータがＰＦＭ制御される際、前記周波数検出部により検出されたスイッチング周波数を、前記記憶手段に予め設定された参照周波数と比較し、検出したスイッチング周波数が前記参照周波数よりも小さい場合に充電終了と判定する充電終了検出部４と、前記充電終了検出部の判定に従い、前記充電スイッチをオンオフ制御する充電制御部６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の充電回路及び充電方法に関し、特に充電時における電力損失を低減し、充電完了まで効率よく充電することのできる二次電池の充電回路及び充電方法に関する。

近年、モバイル端末やブルートゥース（登録商標）接続のヘッドホン等、二次電池を内蔵した機器、或いはそれらに電力供給するためのモバイルバッテリー（二次電池）が広く普及している。前記二次電池への充電作業は、一般にユーザが行うことになる。例えば、充電回路を内蔵したＡＣアダプタをモバイル機器或いはモバイルバッテリーに接続し、インジケータ（ＬＥＤランプ）の色の変化等によりユーザは充電完了を知ることになる。

ところで、従来の充電回路は、図４に示すように構成される。図４は、従来の一般的な充電回路を模式的に示すブロック図である。図示する充電回路は、ＡＣ電源に接続され、商用電源から電力供給がなされるとともに、二次電池に供給する電流を生成し、その値を測定する充電電流測定部５１と、この充電電流測定部５１による測定結果に基づき充電終了を判定する充電終了検出部５２と、充電終了検出部５２による判定結果に基づき、充電スイッチ部５３をオンオフするための制御信号を出力する充電制御部５４とを有する。更には、二次電池の電池残量を検出する電池残量検出部５５を備え、ここで検出された二次電池の電池残量の結果は、前記充電終了検出部５２での充電終了判定に用いられる。

より具体的に説明すると、前記充電電流測定部５１は、充電スイッチ部５３がオンとされた充電の初期段階において、定電流制御により一定の充電電流を二次電池に供給し、二次電池の端子電圧が所定値を越えれば、定電圧制御に切り替えられ、一定の充電電圧が二次電圧に供給される。この定電圧制御の充電の後期段階では、充電が進むにつれ充電電流は徐々に減少する。充電電流測定部５１では、充電電流を測定し、その値を充電終了検出部５２に出力する。

充電終了検出部５２には、充電電流測定部５１により測定された充電電流値と、電池残量検出部５５により検出された二次電池の電池残量の情報が入力される。
充電終了検出部５２では、二次電池の電池残量が所定値以上（例えば９０％）であり、且つ充電電流が所定値以下の場合に、充電が完了したものと判定し、その結果を充電制御部５４に出力する。

前記充電スイッチ５３は、例えばＦＥＴなどのスイッチング素子により構成することができる。充電制御部５４は、この充電スイッチ５３をオンオフするための制御信号を、生成するが、前記のように充電終了検出部５２から判定結果に基づき、充電未完了の場合には、充電スイッチ５３をオンとし、充電完了の場合には、充電スイッチ５３をオフとするための制御信号を出力する。

前記電池残量検出部５５は、例えば、二次電池の端子電圧を測定することにより二次電池の電池残量を検出する。

このように構成された従来の充電回路によれば、充電中において充電電流測定部５１により充電電流を監視し、その電流値に基づき充電完了を判定するため、精度良く充電完了のタイミングを知ることができる。

尚、このように充電電流を監視することにより充電制御を行う技術については、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２０１４−１８００５号公報

ところで、図４に示した従来の充電回路において、充電電流測定部５１にあっては、充電電流（負荷電流）を測定するために、充電電流の検出用の抵抗を用いている。
しかしながら、この充電回路においては、前記検出用抵抗を用いるために、この検出抵抗による損失が発生する。即ち無駄な電力損失が生じ、充電回路の効率を大きく低下させるという課題があった。

本発明は、前記した点に着目してなされたものであり、二次電池を充電する際に無駄な電力損失が生じることがなく、充電効率の低下を抑制することのできる二次電池の充電回路及び充電方法を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために、本発明に係る二次電池の充電回路は、二次電池を充電するための充電回路であって、ＤＣ−ＤＣコンバータを有し、供給された直流電流を前記ＤＣ−ＤＣコンバータにより所定の充電電流とする充電電流形成部と、前記充電電流形成部により形成された充電電流を二次電池に出力するか否かを切換可能な充電スイッチ部と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータにおけるスイッチング周波数を監視し検出する周波数検出部と、記憶手段を有し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータがＰＦＭ制御される際、前記周波数検出部により検出されたスイッチング周波数を、前記記憶手段に予め設定された参照周波数と比較し、検出したスイッチング周波数が前記参照周波数よりも小さい場合に充電終了と判定する充電終了検出部と、前記充電終了検出部の判定に従い、前記充電スイッチをオンオフ制御する充電制御部と、を備えることに特徴を有する。
尚、前記充電スイッチ部は、その出力側に複数の二次電池が並列に接続可能に形成され、前記充電スイッチ部の出力側に接続された二次電池の数を検出する二次電池接続数検出手段を備え、前記充電終了検出部の記憶手段には、複数の参照周波数が設定され、前記充電終了検出部は、前記二次電池接続数検出手段が検出した二次電池の数に応じて参照周波数を切り換えることが望ましい。

このような構成によれば、二次電池に供給する充電電流（負荷電流）を直接的に測定するのではなく、ＰＦＭ制御において充電電流の減少とともに低下するスイッチング周波数を検出する。このとき、検出周波数が、充電完了と見なす充電電流に対応する参照周波数を下回ると、充電完了のタイミングとされる。
この構成により、充電電流を直接的に測定するための電流検出抵抗が不要となり、それによる無駄な電力損失が生じることがなく、充電効率の低下を抑制することができる。

また、前記した課題を解決するために、本発明に係る二次電池の充電方法は、二次電池を充電するための充電方法であって、供給された直流電流をＤＣ−ＤＣコンバータにより所定の充電電流とするステップと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータにおけるスイッチング周波数を監視するステップと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータがＰＦＭ制御される際、前記スイッチング周波数と、記憶手段に予め設定された参照周波数とを比較し、前記スイッチング周波数が前記参照周波数よりも小さい場合に充電終了と判定するステップと、前記充電終了と判定されるまで充電電流を二次電池に供給し、前記充電終了と判定した場合に、充電電流の二次電池への供給を停止するステップと、を備えることに特徴を有する。
尚、前記記憶手段に予め複数の参照周波数を記憶させるステップと、接続された二次電池の数を検出するステップと、接続された二次電池の数に応じて、前記スイッチング周波数と比較する参照周波数を決定するステップと、を更に備えることが望ましい。

このような方法によれば、二次電池に供給する充電電流（負荷電流）を直接的に測定するのではなく、ＰＦＭ制御において充電電流の減少とともに低下するスイッチング周波数を検出する。このとき、検出周波数が、充電完了と見なす充電電流に対応する参照周波数を下回ると、充電完了のタイミングとされる。
この構成により、充電電流を直接的に測定するための電流検出抵抗が不要となり、それによる無駄な電力損失が生じることがなく、充電効率の低下を抑制することができる。

二次電池を充電する際に無駄な電力損失が生じることがなく、充電効率の低下を抑制することのできる二次電池の充電回路及び充電方法を得ることができる。

図１は、本発明に係る二次電池の充電回路を模式的に示すブロック図である。 図２は、図１の充電回路による充電方法の一連の動作の流れを示すフローである。 図３は、図１の充電回路が有するＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング周波数と負荷電流との関係を示すグラフである。 図４は、従来の充電回路の構成を模式的に示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。図１は、本発明に係る二次電池の充電回路を模式的に示すブロック図である。
図１に示す充電回路１は、図示しないＡＣアダプタにより商用電源を利用して生成された充電電流が入力されるとともに、これをＤＣ−ＤＣ変換し出力する充電電流形成部２と、ＤＣ−ＤＣ変換の際のスイッチング周波数を検出する周波数検出部３とを備える。更に、周波数検出部３の検出結果に基づいて充電終了を判定する充電終了検出部４と、充電電流形成部２から供給される充電電流を二次電池に供給するか否かをスイッチ動作する充電スイッチ５と、充電スイッチ５への制御信号を出力する充電制御部６とを備える。充電制御部６には、前記充電終了検出部４からの充電終了の判定結果が入力されるように構成されている。

前記充電電流形成部２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２０を有する。このＤＣ−ＤＣコンバータ部２０は、例えばチョッパー型のＤＣ−ＤＣコンバータ回路であり、直流入力電圧を異なる直流電圧に変換するように機能する。この出力電圧を所定の範囲に保つための制御方法として、本実施の形態では、ＰＷＭ方式（pulse width modulation=パルス幅変調）とＰＦＭ方式（pulse frequency modulation=周波数変調）とが切り替えられて用いられる。具体的には、前記ＰＷＭ方式とＰＦＭ方式とは、出力負荷に応じて切り換え駆動される。

出力負荷の検出方法は、本発明において特に限定されるものではないが、例えば、ドロッパ抵抗を介して負荷に供給される電流を監視し、これに基づいてＰＷＭ方式とＰＦＭ方式とを切り換えることが考えられる。しかしながら、ドロッパ抵抗を用いることで、抵抗において消費され、熱として廃棄される電力損失が非常に大きいという問題がある。そのため、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を検出し、この出力電圧の分圧値と、基準電圧源からの基準電圧との差分により生成される誤差出力電圧に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータの駆動方式を切り換えることが望ましい。この方式によれば、ドロッパ抵抗が必要ないため前記した抵抗による電力損失を低減させることができる。

また、周波数検出部３は、所定の検出用周波数に基づき、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２０におけるＰＦＭ制御の周波数を監視し（検出し）、充電終了検出部４に出力するよう機能する。

また、充電終了検出部４は、周波数検出部３により検出した周波数の値と、予め記憶した参照周波数とを比較し、その結果を充電制御部６に出力するよう機能する。前記参照周波数は、所定の充電電流値に対応する値である。即ち、ＰＦＭ制御では、負荷電流が低くなるほどスイッチング周波数が低くなる。そこで予め充電完了に相当する負荷電流（充電電流）を決定し、それに対応するスイッチング周波数を参照値として、該参照値と検出周波数との比較を行うものである。このようにして充電終了を検出することにより、充電電流を直接的に測定する必要がない。即ち、充電電流を測定するための抵抗が必要なくなり、抵抗部の損失を無くすことができる。

また、充電制御部６は、充電終了検出部４により出力された結果に基づいて充電スイッチ部５にスイッチオン・オフのための切り換え信号を出力する。
また、前記充電スイッチ部５は、充電電流形成部２から入力される充電電流を二次電池に供給するか否かを切り換えるスイッチング素子であり、例えばＦＥＴにより構成することができる。
尚、前記周波数検出部３、充電終了検出部４、及び充電制御部６の機能は、コンピュータ実行可能なプログラムにより構築することが可能であり、マイコンにより機能させることができる。

続いて、このように構成された充電回路１の一連の動作について図２のフローに沿って説明する。
先ず、この充電回路１を図示しないＡＣアダプタと、充電対象である二次電池に接続する（図２のステップＳ１）。
ステップＳ１の後、充電回路１が駆動すると、周波数検出部３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２０におけるスイッチング周波数を監視開始し（図２のステップＳ２）、検出した周波数を充電終了検出部４に出力する。

充電終了検出部４では、入力された検出周波数と所定の参照周波数とを比較し（図２のステップＳ３）、検出周波数が参照周波数より大きい場合には、充電作業継続を示す信号を充電制御部６に出力し、検出周波数が参照周波数より小さい場合には、充電作業終了を示す信号を充電制御部６に出力する。

検出周波数が参照周波数より大きい場合、充電制御部６は、充電スイッチ部５をオンするための制御信号を充電スイッチ部５に出力し、それにより充電電流が二次電池に供給される（図２のステップＳ４）。
一方、検出周波数が参照周波数より小さい場合、充電制御部６は、充電スイッチ部５をオフするための制御信号を充電スイッチ部５に出力し、それにより充電電流の二次電池への供給がストップされる（図２のステップＳ５）。

ここで、二次電池の充電量が少ない状態の場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２０から出力される負荷電流（充電量）は大きいため、ＰＷＭ方式により充電電流の供給がなされる（図２のステップＳ４）。このステップＳ４では、好ましくは、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２０の出力電圧から得られるエラー信号により判定する。

充電が進むと、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２０から出力される負荷電流（充電量）は、徐々に小さくなり、ＰＷＭ制御では電源変換効率が低下するため、ＰＦＭ制御に切り換えられる。尚、ＰＦＭ制御では、図３のグラフに示すように、負荷電流が減少すると、スイッチング周波数も低下し、スイッチングによる損失が低減されるため、電源変換を高効率に進めることができる。

前記のようにＤＣ−ＤＣコンバータ部２０におけるスイッチング制御がＰＦＭ方式に切り替わり、二次電池への充電が進むと、周波数検出部３により検出される周波数も小さくなり、ある段階で予め設定された参照周波数に達する。この参照周波数は、例えば、図３のグラフに示すＤＣ−ＤＣコンバータ特性の場合、充電完了とする充電電流値を１０ｍＡとすると、スイッチング周波数は１０ｋＨｚとなり、その値より検出周波数が小さくなった場合に充電終了と判定される。即ち、充電終了検出部４は、充電作業終了を示す信号を充電制御部６に出力することになる（図２のステップＳ５）。

以上のように、本発明に係る実施の形態によれば、二次電池に供給する充電電流（負荷電流）を直接的に測定するのではなく、ＰＦＭ制御において充電電流の減少とともに低下するスイッチング周波数を検出する。このとき、検出周波数が、充電完了と見なす充電電流に対応する参照周波数を下回ると、充電完了のタイミングとした。
この構成により、充電電流を直接的に測定するための電流検出抵抗が不要となり、それによる無駄な電力損失が生じることがなく、充電効率の低下を抑制することができる。

尚、前記実施の形態においては、充電される二次電池が１つの場合を例にとって説明したが、本発明にあっては、それに限定されるものではなく、充電回路１の充電スイッチ部５出力に対し複数の二次電池を並列に接続可能な構成としてもよい。

この場合、例えば１つの二次電池が接続される場合には、負荷電流（充電電流）が１０ｍＡのときに充電完了とすれば、充電終了検出部４において、参照周波数を例えば１０ｋＨｚに設定する。また、２つの二次電池が接続される場合には、各二次電池の負荷電流が１０ｍＡのときに充電完了とすれば、充電終了検出部４において、参照周波数を、負荷電流２０ｍＡに対応する例えば２０ｋＨｚに設定すればよい。
また、このとき接続される二次電池の数を検出する手段（二次電池接続数検出手段）を設け、参照周波数を自動的に切り換えるようにすればよい。

また、前記実施の形態において、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２０は、ＰＷＭ方式とＰＦＭ方式とを切り換える制御を行うものとしたが、本発明はそれに限定されるものではない。即ち、本発明はＰＦＭ制御における動作に特徴を有するため、ＤＣ−ＤＣコンバータ部２０は少なくともＰＦＭ制御を行うものであればよい。

１ 充電回路
２ 充電電流形成部
３ 周波数検出部
４ 充電終了検出部
５ 充電スイッチ部
６ 充電制御部

Claims (4)

1. 二次電池を充電するための充電回路であって、
   ＤＣ−ＤＣコンバータを有し、供給された直流電流を前記ＤＣ−ＤＣコンバータにより所定の充電電流とする充電電流形成部と、
   前記充電電流形成部により形成された充電電流を二次電池に出力するか否かを切換可能な充電スイッチ部と、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータにおけるスイッチング周波数を監視し検出する周波数検出部と、
   記憶手段を有し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータがＰＦＭ制御される際、前記周波数検出部により検出されたスイッチング周波数を、前記記憶手段に予め設定された参照周波数と比較し、検出したスイッチング周波数が前記参照周波数よりも小さい場合に充電終了と判定する充電終了検出部と、
   前記充電終了検出部の判定に従い、前記充電スイッチをオンオフ制御する充電制御部と、
   を備えることを特徴とする二次電池の充電回路。
2. 前記充電スイッチ部は、その出力側に複数の二次電池が並列に接続可能に形成され、
   前記充電スイッチ部の出力側に接続された二次電池の数を検出する二次電池接続数検出手段を備え、
   前記充電終了検出部の記憶手段には、複数の参照周波数が設定され、
   前記充電終了検出部は、前記二次電池接続数検出手段が検出した二次電池の数に応じて参照周波数を切り換えることを特徴とする請求項１に記載された二次電池の充電回路。
3. 二次電池を充電するための充電方法であって、
   供給された直流電流をＤＣ−ＤＣコンバータにより所定の充電電流とするステップと、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータにおけるスイッチング周波数を監視するステップと、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータがＰＦＭ制御される際、前記スイッチング周波数と、記憶手段に予め設定された参照周波数とを比較し、前記スイッチング周波数が前記参照周波数よりも小さい場合に充電終了と判定するステップと、
   前記充電終了と判定されるまで充電電流を二次電池に供給し、前記充電終了と判定した場合に、充電電流の二次電池への供給を停止するステップと、
   を備えることを特徴とする二次電池の充電方法。
4. 前記記憶手段に予め複数の参照周波数を記憶させるステップと、
   接続された二次電池の数を検出するステップと、
   接続された二次電池の数に応じて、前記スイッチング周波数と比較する参照周波数を決定するステップと、
   を更に備えることを特徴とする請求項３に記載された二次電池の充電方法。

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