JP2675794B2 - 充電器の制御回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、Ni−Cd電池のような２次電池を充電し、電
池の種類に応じた充電制御を行なう充電器の制御回路に
関するものである。

［従来の技術］ 従来の充電器は電池の特性に応じて電池パックの形状
や充電電流、制御方式等を変えて電池の種類に対応して
きたが、電池パックの本体側の共用化の要求や、充電時
間短縮などのニーズによって同一充電器での共用化が必
要になってきた。そこで、外観上電池パックに切り欠き
等を入れて、充電器に入らないようにする等の配慮がな
されていた。しかしながら、電池の種類や互換性の有無
に耐えられなくなっているのが現状である。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、上述の点に鑑みて提供したものであって、
２次電池の外観上の区別なく温度計測用のセンサーや２
次電池の温度上昇率の特性を考慮して、それに応じた充
電電流を切り換えて、充電器の共用化を図ることを目的
とした充電器の制御回路を提供するものである。

［課題を解決するための手段］ （構成） 請求項１の発明の充電器は、被充電用の２次電池を収
容した電池パックが着脱自在に接続される充電器であっ
て、２次電池に密着して設けられ２次電池の種類ごとに
異なる特性を有した温度計測用センサーを電池パック内
に設け、温度センサーの出力により２次電池の温度を計
測して該温度に対応した電圧を出力する温度検出回路の
出力に基づいて２次電池への充電を制御することを前提
構成とし、温度検出回路の温度計測用センサーの出力電
圧を検知して２次電池への充電電流を切り換える切換制
御手段を設けたことを特徴とする。

また、請求項３の発明では、２次電池の温度上昇率を
検知して２次電池への充電電流を切り換える切換制御手
段を設けることにより、２次電池の温度上昇率を検知し
て２次電池への充電電流を切り換えて、電池の違いを検
知して各電池に応じて充電電流を流すようにしたことを
特徴とするものである。

（実施例１） 以下、本発明の１実施例を図面を参照して説明する。
まず、本発明の基本動作である温度上昇率に応じて充電
電流を制御するΔＴ制御について説明する。第５図は充
電回路全体のブロック図を示すものであり、電源１から
の電圧はトランス等からなる降圧回路２により降圧さ
れ、さらに降圧された電圧は整流回路３により直流に整
流されて平滑回路４により平滑される。平滑された電圧
は定電流回路５を介して定電流化され、サイリスタ、ト
ランジスタ等の充電電流制御素子６を通してNi−Cd電池
のような２次電池８を充電する。この電池８を充電する
際に、ΔＴ制御回路７により電池８の充電量を温度上昇
の微分値でとらえ、周囲温度や電池温度に関係なく電池
８を100％充電できるようにしている。このΔＴ制御回
路７が本発明の要旨であり以下に詳述する。

ところで、第６図はΔＴ制御回路７により制御するΔ
Ｔ制御方式の制御状態のグラフを示すものであり、横軸
に時間ｔ及び充電電気量％をとり、縦軸に電池電圧及び
電池温度をとっている。第６図からわかるように、充電
開始直後から100％充電電気量まではほとんど電池８の
温度上昇は見られないが、100％を過ぎると温度上昇は
急激に増加する。これを単位時間当たりの増加量を、Δ
Ｔ＝T/（Δｔ）として、ΔＴをある値に設定することに
よって充電電流を制御する。このΔＴ制御方式のΔＴ制
御回路７のブロック図を第４図に示す。

第４図はΔＴ制御方式のΔＴ制御回路７のブロック図
を示し、電池８の温度を温度センサーにより検出し、こ
の検出した温度に対応した電圧を出力する温度検出回路
９と、この温度検出回路９の出力をサンプル・ホールド
するサンプル・ホールド回路10と、サンプル・ホールド
回路10と温度検出回路９からの出力を減算する減算増幅
回路11と、基準電圧発生回路13からの基準電圧と減算増
幅回路11の出力とを比較する比較回路12等から構成され
ているものである。

第１図はΔＴ制御回路７の具体回路図を示し、温度検
出回路９は、ダイオードで構成した温度センサーD_S、オ
ペアンプOP₁、抵抗R_S1〜R_S3、ボリュームVR₁等から構成
されている。サンプル・ホールド回路10は、トランジス
タQ₁、オペアンプOP₂、コンデンサC_H1等から構成されて
いる。また、サンプル・ホールド回路10にクロックパル
スを出力するクロック発生回路14は、クロック発生用集
積回路IC₁、外付け用の抵抗R_T，R_V、コンデンサC_T，C_V
等から構成してある。サンプル・ホールド回路10の出力
と温度検出回路９の出力が入力される減算増幅回路11
は、オペアンプOP₄、抵抗R_M1〜R_M4等から構成され、減
算増幅回路11の出力を積分する積分回路16は抵抗R_Dとコ
ンデンサC_Dから構成されている。基準電圧発生回路13は
抵抗Rref、ボリュームVR₂、ツエナーダイオードD_Z1から
構成され、また、比較回路12はコンパレータCOP₁から構
成してある。比較回路12の出力をラッチするラッチ回路
15はナンドゲートIC₂，IC₃、抵抗R_LA、トランジスタQ₇
等から構成されているものである。

第７図はΔＴ制御回路７のタイムチャートを示し、同
図（ａ）は充電電気量を、同図（ｂ）は電池表面温度
を、同図（ｃ）は電池内圧を、同図（ｄ）はクロック出
力を、同図（ｅ）は第４図におけるＡ点の出力を、同図
（ｆ）は第４図におけるＢ点の出力を夫々示すものであ
る。

次に動作を説明する。電池８が第７図（ａ）に示すよ
うに充電されていき、充電電気量が100％近くまでは電
池８の表面温度は上述したようにあまり上昇しない。一
方、温度検出回路９の温度センサーD_Sにより電池８の温
度を検出し、検出した温度は温度検出回路９により電圧
に変換される。この電圧はサンプル・ホールド回路10に
よってサンプル・ホールドされ、減算増幅回路11に入力
される。減算増幅回路11のもう一方の入力に温度検出回
路９の出力電圧が直接入力される。従って、サンプル・
ホールド回路10のホールド時すなわちt₁時の電圧をV_T1
とすると、t₁間はこの電圧V_T1のままとなり変化しな
い。一方、電池８は温度上昇しているため、温度検出回
路９の出力電圧はt₁時間の間も変化する。t₁時間後の電
圧をV_T2とすると、減算増幅回路11の出力はΔV_T＝V_T2−
V_T1となる。すなわち、クロック発生回路14からは、第
７図（ｄ）に示すようにサンプル・ホールド回路10にク
ロックパルスが出力され、サンプル・ホールド回路10で
はクロックパルス毎にサンプリングとホールドを繰り返
し、電池８の温度上昇率が少ない時は第７図（ｅ）に示
すように減算増幅回路11より大きな出力は出ない。従っ
て、この場合は、第７図（ｅ）の一点鎖線に示す基準電
圧Vrefつまり基準電圧発生回路13により形成される基準
電圧Vrefより減算増幅回路11の出力は小さい。この時の
比較回路12の出力は第７図（ｆ）に示すようにＨレベル
の信号が出力され、ラッチ回路15を介して電池８を充電
するように制御している。ここで、電池８の充電電気量
が100％近くになると、電池８の温度が急激に上昇し、
サンプル・ホールド回路10でホールドしている時の電圧
V_T1より、温度検出回路９からの電圧V_T2の方が大きくな
り、つまりΔV_Tの電圧が大きくなり、第７図（ｅ）に示
すように減算増幅回路11の出力電圧が基準電圧発生回路
13の基準電圧Vrefより大きくなるため（Vref＜ΔV_T）、
第７図（ｆ）に示すように比較回路12の出力が反転し、
充電電流制御素子６を制御して電池８への充電を停止す
ることになる。このように、電池８の温度上昇を微分値
でとらえるために、周囲温度や電池温度に関係なく電池
８を安全に又確実に100％の充電電気量を確保すること
ができるものである。

以上がΔＴ制御の基本動作である。次に、本発明の要
旨の第１の実施例について説明する。この実施例では、
温度センサーD_Sの出力電圧を検知して超急速充電用か急
速充電用かを判断して充電電流を切り換えるようにした
ものである。第１図に具体回路図を示す。第１図では上
記で説明した回路の他に電池種類判別回路17と、電池電
圧制御回路18とを付加している。電池種類判別回路17
は、コンパレータCOP₆、トランジスタQ₁₅，Q₁₆、フォト
カップラーPC₃、抵抗R₂₇〜R₃₂等から構成され、電池電
圧制御回路18は、コンパレータCOP₇、トランジスタ
Q₁₇、抵抗R₃₃〜R₃₇等から構成されている。ここで、温
度センサーD_Sは電池８に密着して温度を検知する構造と
なっている。温度センサーD_Sは、この実施例ではダイオ
ードで構成しているが、感温抵抗、サーミスタ等で構成
してもよい。今、例えば、超急速充電用電池のセンサー
をダイオード１個とすると、そのセンサー電圧は順方向
降下電圧であるV_Fになる。急速充電用電池のセンサーを
ダイオード２個に選べば、センサー電圧は２×V_Fとな
り、超急速充電と急速充電の区別を外観上区別すること
なく判別することができる。

電池種類判別回路17のコンパレータCOP₆で、反転入力
がV_Fの時、非反転入力をV_F以上２V_F以下に基準電圧を設
定しておけば、コンパレータCOP₆の出力はＨレベルとな
って急速充電には切り換わらず、急速充電用の電池電圧
制御回路18も動作しない。従って、超急速充電用制御回
路である上述のΔＴ制御回路７が動作する。次に、急速
充電用の電池の場合、ダイオードD_Sの出力電圧は２V_Fと
なるので、コンパレータCOP₆の出力はＬレベルとなり、
トランジスタQ₁₅がオンし、フォトカップラーPC₃が動作
する。この時、トランジスタQ₁₆はオフし、Ｃ点電圧
（電池電圧）がコンパレータCOP₇に入力され、急速充電
用の電池電圧制御回路18が動作する。従って、電池の種
類、つまり超急速充電用か急速充電用かによりΔＴ制御
回路７と電池電圧制御回路18とを切り換えるようにして
いる。尚、電池種類判別回路17が電池８への充電電流を
切り換える切換制御手段を構成している。

第２図は充電器の具体回路図を示すものである。な
お、第５図はブロック図で概略的に示したものであるの
で、第２図とは直接対応していない。この例ではフィー
ドフォワード型の定電流スイッチングレギュレータを示
している。コンデンサC_I1とダイオードブリッジRefで構
成される入力整流回路19で交流を直流に変換し、コンデ
ンサC_I2からなる平滑回路21で平滑される。降圧トラン
ス26の１次側には、スナバ回路22、１次側制御回路用電
源24、主スイッチング回路25、パルス幅制御回路23、補
助電源回路20が設けられ、また、降圧トランス26の２次
側には、２次側整流回路27、平滑回路28、電池８、２次
側制御回路用電源30、定電流制御回路31、充電電流切換
回路32等が設けられている。

ここで、降圧トランス26は高周波で電圧を降圧し、整
流回路27で降圧した電圧を整流し、平滑回路28で平滑を
行なって電池８に充電を行なう。定電流制御は以下のよ
うに行なっている。センサー抵抗R_I01で検出した電池８
の充電電流を定電流制御回路31で増幅し、フォトカップ
ラーPC₁にてパルス幅制御回路23にフィードバックす
る。このパルス幅制御回路23により発振周波数を一定に
し、主スイッチング回路25のパルス幅を充電電流に応じ
て制御している。補助電源回路20はパルス幅制御回路23
のPWMIC23aの起動時の補助電源用で、降圧トランス26の
巻線L₁，L₂，L₃，L₄は互いに結合されているので、発振
を開始すると、１次側制御回路用電源24に安定した電源
が供給される。２次側制御回路用電源30も、電源24と同
様の動作を行なう。

第１図のフォトカップラーPC₃の発光ダイオードと第
２図の充電電流切換回路32のフォトカップラーPC₃のフ
ォトトランジスタとは光結合しているため、急速充電用
の電池が入ると、フォトカップラーPC₃は動作し、充電
電流切換回路32の抵抗R_I02とR_I04は並列になり、オペア
ンプOP₁の増幅率が増すので、充電電流は急速充電用の
充電電流に切り換えられる。フォトカップラーPC₂は過
充電制御時で、超急速充電用制御回路の充電制御時と急
速充電制御時の両方共通で使用される。急速充電時の制
御は第１図のＣ点の電池電圧が上昇してコンパレータCO
P₇の非反転入力の基準電圧を越えると、コンパレータCO
P₇の出力はＨレベルになり、トランジスタQ₇をオンさ
せ、フォトカップラーPC₂もオンする。同時にトランジ
スタQ₁₇もオンし、基準電圧を下げてヒステリシスを形
成している。

このように、電池種類判別回路17により温度センサー
（ダイオードのV_Fの違い、サーミスタのRthの違い等）D
_Sの電圧の超急速充電用と急速充電用とを切り換えるこ
とにより、外観上の区別なく電池の充電電流と制御回路
7,18を切り換えることが可能となるものである。

（実施例２） 第３図に第２実施例を示す。温度センサーD_Sの電圧を
見て超急速充電と急速充電を切り換える回路は先の実施
例と同様である。この実施例では１つのΔＴ制御回路７
で超急速充電と急速充電が可能な回路を提示している。
すなわち、温度センサーD_Sが超急速充電用の１個の場合
には、コンパレータCOP₆の出力はＨレベルであるため
に、トランジスタQ₁₅とQ₁₈は共にオフとなり、ΔＴ制御
回路７とは切り離されて、先の実施例と同様にΔＴ制御
回路７により電池８が超急速充電されることになる。次
に、温度検知用のダイオードである温度センサーD_Sが超
急速充電用の１個から急速充電用の２個に切り換わる
と、コンパレータCOP₆の出力はＨレベルからＬレベルに
切り換わり、トランジスタQ₁₅がオンしてフォトカップ
ラーPC₃は出力し、充電電流を減少させると同時にトラ
ンジスタQ₁₈もオンし、ΔＴ制御回路７の基準電圧発生
回路13の基準電圧を切り換える。温度センサーD_Sつまり
ダイオードが１個から２個になることによって、単位時
間当たりの温度上昇率ΔＴも２倍に増加するが、本制御
方式は、温度の絶対値ではなく、相対値を比較するの
で、第３図のボリュームVR₁を適宜に調整することによ
り、オペアンプOP₁を飽和させない範囲で使用すればΔ
Ｔ制御回路７の兼用が可能である。

このように構成することで、先の実施例と同様、外観
上の区別なしに電池８の充電電流を切り換えることがで
きるが、さらに、超急速充電用でも急速充電用でも電流
本数に関係なく定電流化できるため、充電器の共用化が
可能となるものである。また、超急速充電用でも急速充
電でも同一のΔＴ制御回路７を用いているので、回路コ
ストが安くなるものである。

（実施例３） 次に、請求項３に対応した実施例について説明する。
第８図に示す本方式は、電池８の温度上昇率を見て超急
速充電用が急速充電用かを判断する方法を示したもので
ある。第９図に超急速充電用電池と急速充電用電池の電
池電圧、温度、温度上昇率ΔＴの特性例を示す。この第
９図から明らかなように、超急速充電用電池では電池内
部での発生ガスにより内圧上昇を防ぐため電池の満充電
後は、ガス発生を温度上昇に変換させている。また、高
い充電電流の内部抵抗による損失を防ぐため内部抵抗を
抑えることにより、一般の急速充電用電池に比較し、充
電初期の温度上昇率ΔＴは低い。このように、超急速充
電用電池と急速充電用電池の充電初期でのΔＴの特性の
違いにより充電電流と充電制御回路を切り換えることを
特徴とした方式である。

次に、第８図の動作の説明をする。比較回路12の反転
入力にあらわれる単位時間当たりの温度上昇率を電圧に
変換した値を電池種類判別回路17のコンパレータCOP₂の
反転入力端に入力し、抵抗R₁とR₂によって作られる基準
電圧を非反転入力端に入力する。この例では急速充電用
電池の方が初期での温度上昇率ΔＴが高いので、基準電
圧より反転入力が高いとコンパレータCOP₂の出力はＬレ
ベルになる。ナンドゲートIC₄とIC₅で構成される回路は
フリップフロップで、コンパレータCOP₂の出力がＬレベ
ルになると、ナンドゲートIC₅の出力もＬレベルになっ
てラッチされる。従って、トランジスタQ₁₀がオンし、
フォトカップラーPC₃が動作するので、充電電流が急速
充電用に切り換えられる（第２図）。また、トランジス
タQ₈はオフし、第２図のＣ点に接続された電池電圧が電
池電圧制御回路18のコンパレータCOP₃の反転入力にあら
われ、電池電圧制御が開始される。その後の動作につい
ては第１の実施例で述べたのと同じであるので説明は省
略する。また、超急速充電用の場合は温度上昇率ΔＴが
低いので、電池種類判別回路17のコンパレータCOP₂の出
力はＨレベルとなり、両回路17,18は動作せず、ΔＴ制
御回路７の制御により電池８は充電される。しかして、
この方法は切り換えた後の制御方法は第２の実施例で述
べたΔＴ制御を行なうようにしても良い。尚、電池種類
判別回路17が切換制御手段を構成している。

このように構成することで、電池８の温度上昇率を検
出して超急速充電用か急速充電用かを決定するため、温
度センサーも電池形状も全く同じであっても自動的に切
り換えが可能である。

（実施例４） 次に、請求項４に対応した第４の実施例について説明
する。第10図は実施例４を示し、ΔＴ制御とＴ−Ｔ（タ
イマー制御から絶対温度制御）制御とを切り換える方式
である。尚、電池種類の判別は第１の実施例と同様にし
て行なうので、電池種類判別回路17の動作説明は省略す
る。従って、超急速充電用の場合は第１の実施例と同様
に第１の制御回路たるΔＴ制御回路７により充電制御さ
れる。この時、温度センサーD_Sは１個であるので、コン
パレータCOP₄の出力はＨレベルなので、各トランジスタ
Q₁₅，Q₁₃はオフとなり、フォトカップラーPC₃及びタイ
マー回路35は動作しない。また、トランジスタQ₁₁はオ
ンとなりトランジスタQ₁₂をオフにして絶対温度保護回
路34から信号は出力されない。

また、絶対温度保護回路34とタイマー回路35とから第
２の制御回路は構成され、急速充電用電池が入れられる
と、電池種類判別回路17のコンパレータCOP₄はＬレベル
になり、トランジスタQ₁₃はオンするので、タイマー回
路35のタイマーIC₆のピンはＬレベルになり、タイマ
ーIC₆はタイマー動作を開始し、タイマー動作している
間電池８は充電される。同時にトランジスタQ₁₅もオン
してフォトカップラーPC₃が動作して上述のように充電
電流が切り換わる。また、絶対温度保護回路34におい
て、急速充電用の２個の温度センサーD_Sによりコンパレ
ータCOP₄がＬレベルになると、トランジスタQ₁₁はオフ
レ、トランジスタQ₁₂は動作できる状態になる。従っ
て、電池８が温度上昇して、抵抗R₁₆とR₁₇で作られる基
準電圧より温度センサーD_Sの電圧が低下すると、コンパ
レータCOP₅はＨレベルになり、トランジスタQ₁₂はオン
し、ラッチ回路15のナンドゲートIC₂の入力はＬレベル
になるので、トランジスタQ₇はオンし、フォトカップラ
ーPC₂が動作して充電をカットする。このように構成す
ることにより、先の実施例と同様に外観上の区別なしに
超急速充電用か急速充電用かを選択してその電池に応じ
た充電電流と制御回路とを切り換え、且つ電池電圧を計
測しないので電池本数の区別なく定電流電流充電が可能
となるものである。

尚、上記各実施例においては、超急速充電用と急速充
電用の区別について説明したが、急速充電用と定常用、
超急速充電用と定常用というように色々な組み合わせに
ついても本発明は適用できるのはもちろんである。

［発明の効果］ 本発明は上述のように、被充電用の２次電池を収容し
た電池パックが着脱自在に接続される充電器であって、
２次電池に密着して設けられ２次電池の種類ごとに異な
る特性を有した温度計測用センサーを電池パック内に設
け、温度センサーの出力により２次電池の温度を計測し
て該温度に対応した電圧を出力する温度検出回路の出力
に基づいて２次電池への充電を制御する充電器におい
て、温度検出回路の温度計測用センサーの出力電圧を検
知して２次電池への充電電流を切り換える切換制御手段
を設けたものであるから、温度検出回路の温度計測用セ
ンサーの出力電圧を検知して２次電池への充電電流を切
り換えて、電池の違いを検知し、超急速充電、急速充
電、定常充電等の各充電電流に自動的に切り換えること
ができるものであり、そのため、電池を外観上区別する
ことなく充電することができて、充電器の共用化を図る
ことができる効果を奏するものである。

また、請求項３においても、２次電池の温度上昇率か
ら２次電池の種類を判別し、２次電池の特性に応じて充
電電流を切り換えているので、同じ充電器で異なる種類
の２次電池を充電することができ、充電器の共用化を図
ることができるという効果を奏するものである。

請求項４においては、２次電池の温度上昇率に応じて
充電電流を制御する第１の制御回路と、２次電池の充電
時間を計時するタイマー回路と、温度センサー及びタイ
マー回路の出力に応じて充電電流を制御する第２の制御
回路とを備えており、２次電池の種類に応じて第１及び
第２の制御回路を切り換えているので、電池の本数に関
係なく定電流で２次電池を充電したり、タイマー回路や
温度センサーの出力で充電電流を制御することができ、
充電器を異なる種類の２次電池で共用できるという効果
を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の充電用制御回路の具体回路
図、第２図は同上の充電器の具体回路図、第３図は同上
の第２実施例の具体回路図、第４図は同上のΔＴ制御回
路のブロック図、第５図は同上の全体のブロック図、第
６図は同上の充電時の電池の特性図、第７図は同上の動
作波形図、第８図は同上の第３実施例の具体回路図、第
９図は同上の超急速充電用と急速充電用の電池の区別を
示す各特性における特性図、第10図は同上の第４実施例
の具体回路図である。 ８は電池、９は温度検出回路、10はサンプル・ホールド
回路、11は減算増幅回路、12は比較回路、14はクロック
発生回路である。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被充電用の２次電池を収容した電池パック
   が着脱自在に接続される充電器であって、２次電池に密
   着して設けられ２次電池の種類ごとに異なる特性を有し
   た温度計測用センサーを電池パック内に設け、温度セン
   サーの出力により２次電池の温度を計測して該温度に対
   応した電圧を出力する温度検出回路の出力に基づいて２
   次電池への充電を制御する充電器において、温度検出回
   路の温度計測用センサーの出力電圧を検知して２次電池
   への充電電流を切り換える切換制御手段を設けて成るこ
   とを特徴とする充電器の制御回路。
2. 【請求項２】２つの制御回路を備え、電池の種類に応じ
   て制御回路を切り換えるようにした請求項１記載の充電
   器の制御回路。
3. 【請求項３】被充電用の２次電池の温度を計測して該温
   度に対応した電圧を出力する温度検出回路の出力に基づ
   いて２次電池への充電を制御する充電器において、２次
   電池の温度上昇率から２次電池の種類を判別して、２次
   電池の特性に応じて２次電池への充電電流を切り換える
   切換制御手段を設けて成ることを特徴とする充電器の制
   御回路。
4. 【請求項４】２次電池の温度上昇率に応じて充電電流を
   制御する第１の制御回路と、２次電池の充電時間を計時
   するタイマー回路と、温度センサー及びタイマー回路の
   出力に応じて充電電流を制御する第２の制御回路とを備
   え、２次電池の種類に応じて第１及び第２の制御回路を
   切り換えるようにした請求項１記載の充電器の制御回
   路。