JP3554360B2

JP3554360B2 - 二次電池の充電装置

Info

Publication number: JP3554360B2
Application number: JP09873694A
Authority: JP
Inventors: 俊典石垣
Original assignee: Toshiba Battery Co Ltd
Current assignee: FDK Twicell Co Ltd
Priority date: 1994-05-12
Filing date: 1994-05-12
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2019-08-18
Also published as: JPH07307166A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は二次電池の充電装置に係り、特にリチウムイオン二次電池（非水電解質二次電池）の急速充電に適した二次電池の充電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３に、非水電解質二次電池の急速充電時における充電電流Ｉと電池電圧ＶＢの特性の一例を示す。同図に示されるように、充電開始時点から例えば１時間の期間Ｔ１は充電電流Ｉとして１．０Ａの定電流を流す。この定電流制御期間Ｔ１において、電池に印加する電圧（以下、充電電圧という）ＶＢは徐々に上昇し、１時間後には８．５Ｖとなる。この後、例えば３時間の期間Ｔ２にわたり充電電圧ＶＢは８．５Ｖに定電圧制御される。この定電圧制御期間Ｔ２においては、充電電流Ｉは定電流制御されず、徐々に減少する。
【０００３】
ところで、このような急速充電器における定電流制御および定電圧制御は、一般にパルス幅制御方式により実現される。パルス幅制御方式は、充電電流または充電電圧の誤差に応じたパルス幅のパルスを用いて、充電路に直列に挿入したスイッチングトランジスタのオン幅（パルス幅）を制御する方式である。
【０００４】
このパルス幅制御方式では、特に定電圧制御の精度が問題となる。すなわち、充電器の入力直流電圧（例えば＋１２Ｖ）の変動、温度変化や充電電流の変化によるスイッチングトランジスタ、ダイオード、抵抗、パルス幅制御回路などの特性変動、経年変化による特性変化など、全てが充電電圧の変動となる。例えば、上述した充電電圧ＶＢを８．４Ｖに定電圧制御する場合を例にとると、これらの要因による変動は±２％で、±１６８ｍＶであり、８．２３２〜８．５６８Ｖの範囲で変動する。図３に示した急速充電特性の非水電解質二次電池の場合、４．２Ｖ／単セル、８．４Ｖ／２直セルの充電電圧の変動を±２０ｍＶ〜±６０ｍＶという範囲に精度よく抑えることが必要であるが、従来の急速充電器ではそれが困難であった。
【０００５】
一方、非水電界質二次電池の特性として、印加電圧、すなわち充電電圧の最大値が厳しく制限される。電池への過電圧の印加は、電池内の非水電解質の分解によるガス発生の原因となり、また電池寿命を縮めるからである。このため、充電電圧が過電圧とならないように、上述の例では充電電圧の設定値を８．２３２Ｖとして、最大の場合で８．４Ｖとなるようにする必要があった。この場合、充電電圧が平均的に８．４Ｖよりかなり低くなるため、電池の特性上、充電容量が十分にとれなくなるという問題が生じる。具体的には概略、単セル当たり１００ｍＶ充電電圧が低いと、充電容量は約１０％の減少という犠牲を強いられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の非水電解質二次電池に使用される急速充電器のように定電圧制御を行う必要のある急速充電器では、十分に高精度の定電圧制御を行うことが難しく、充電電圧の設定値を大きくとると過電圧の印加により電池寿命を損ねる結果となり、また設定値を小さくすると充電容量が十分にとれないという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の急速充電器の問題点を解消するためになされたもので、高精度の定電圧制御を可能とした二次電池の充電装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は二次電池に印加する充電電圧を定電圧制御する機能を有する二次電池の充電装置において、充電電圧を検出して該充電電圧に対応する充電電圧検出信号を出力する充電電圧検出手段と、この充電電圧検出手段から出力される充電電圧検出信号に充電電圧の設定値からの誤差に応じたバイアス信号を加算するバイアス加算手段と、このバイアス加算手段の出力信号に基づいて充電電圧を前記設定値に維持されるように制御する制御手段とを具備することを特徴とする。
【０００９】
また、バイアス加算手段は、例えば充電電圧検出手段の出力端に一端が接続された複数個のバイアス抵抗と、これらのバイアス抵抗の他端の電位を充電電圧の誤差に応じて選択的に二値的に変化させる手段とにより構成される。
【００１０】
【作用】
このように本発明の充電装置では、充電電圧の誤差、つまり設定値に対するずれに応じたバイアス信号を充電電圧検出信号に加算して微調整し、その加算した後の信号に基づいて充電電圧を制御することにより、充電電圧検出信号をそのまま制御に使用する従来の急速充電器に比較して、充電電圧の定電圧制御が格段に高精度に行われる。
従って、充電電圧の設定値を比較的大きくとっても、充電電圧が過電圧となって電池寿命を損ねることがなく、充電容量も十分に確保される。
【００１１】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る二次電池の充電装置の回路構成図である。同図において、電池パック１は非水電解質二次電池のような二次電池２（以下、単に電池という）と、この電池２の近傍に配置された温度測定用のサーミスタ３を筐体内に設けたものである。図１は、この電池パック１が充電装置４にセットされた状態を示している。なお、電池パック１が組み込まれた携帯電話機その他の機器を充電装置４にセットするようにしてもよい。
【００１２】
充電装置４は、次のように構成されている。充電装置４には、外部の直流電源から例えば＋１２Ｖの直流電圧が入力され、ノイズ除去のためのフィルタ５を通り、平滑コンデンサ６で平滑される。また、フィルタ５から出力される直流電圧は、レギュレータ７で＋５Ｖに高精度に安定化された後、マイクロコントローラ８に供給される。
【００１３】
さらに、フィルタ５の＋側出力端子はパワーＭＯＳトランジスタからなるスイッチングトランジスタ９の一端に接続される。このスイッチングトランジスタ９は、ＰＷＭ（パルス幅変調）回路１０の出力端子Ｄからのパルス信号によってスイッチング制御される。スイッチングトランジスタ９によりスイッチングされた電圧は、ダイオード１１、チョークコイル１２および平滑コンデンサ１３により平滑された後、逆流防止用ダイオード１４を介して電池２の＋側端子に充電電圧ＶＢとして供給される。
【００１４】
電池２の−側端子とフィルタ５の−側出力端子との間には、充電電流検出用抵抗１５が接続されている。また、ダイオード１１、チョークコイル１２およびコンデンサ１３からなる平滑回路の出力端子とフィルタ５の−側出力端子との間には、二つの充電電圧検出用抵抗１６，１７が直列に接続されている。抵抗１５の端子電圧、すなわち充電電流に比例した電圧と、抵抗１６，１７の接続点Ａの電圧、すなわち充電電圧に比例した電圧は、ダイオード１８，１９をそれぞれ介してＰＷＭ回路１０の入力端子Ｆに入力される。ＰＷＭ回路１０の接地端子Ｇはフィルタ５の−側端子に接続され、起動端子Ｓはマイクロコントローラ８のポートＰ０に接続されている。ＰＷＭ回路１０は、起動端子Ｓに“Ｈ”レベルの信号が入力されることにより起動され、入力端子Ｆに入力される電圧に反比例したパルス幅のパルス信号を出力端子Ｄから出力する。
【００１５】
マイクロコントローラ８には、さらに充電電圧ＶＢと、サーミスタ３と一端が電源Ｖｃｃ（＋５Ｖ）に接続された抵抗２０との接続点の電圧（以下、これをサーミスタ電圧という）Ｖｔも入力されている。また、マイクロコントローラ８には抵抗２２を介してＬＥＤ２３が接続されている。ＬＥＤ２３は、マイクロコントローラ８により制御され、電池２の充電中点灯する。
【００１６】
また、充電電圧検出用抵抗１６，１７の接続点Ａはマイクロコントローラ８のポートＰ１に接続されるとともに、バイアス用抵抗２１ａ〜２１ｄの一端に接続され、バイアス用抵抗２１ａ〜２１ｄの他端はマイクロコントローラ８のポートＰ２〜Ｐ５に接続されている。バイアス用抵抗２１ａ〜２１ｄは、その各他端の電位がポートＰ１〜Ｐ５によって選択的に二値レベル（“Ｈ”レベル，“Ｌ”レベル）に制御されることにより、Ａ点から得られる充電電圧検出信号にバイアス信号を加算するものである。
【００１７】
マイクロコントローラ８は、マイクロコンピュータを主体として構成されたものである。図２に、マイクロコントローラ８のうち本発明における充電電圧の定電圧制御に関係する主要部の構成を示す。
【００１８】
図２において、充電電圧ＶＢはＡ／Ｄ変換器３１によりディジタル値に変換される。なお、Ａ／Ｄ変換器３１には基準電圧としてレギュレータ７から出力される＋５Ｖが与えられている。Ａ／Ｄ変換器３１の出力ディジタル値は、電圧判定部３２に入力される。電圧判定部３２は、Ａ／Ｄ変換器３１の出力ディジタル値から充電電圧ＶＢを後述するようにして判定するものである。スイッチング制御回路３３は、この電圧判定部３２の判定結果に基づいて、ポートＰ１〜Ｐ５およびＰ０と接地端との間に接続されたスイッチ３４ａ〜３４ｅおよび３４ｆを制御する。この場合、スイッチ３４ａ〜３４ｅの制御によってＡ点の電圧、すなわち充電電圧検出信号に充電電圧に応じた適切なバイアス信号が加算され、このバイアス信号の加算により以下に説明するように高精度の定電圧制御が可能となる。また、スイッチ３４ｆの制御によって充電のオン・オフ制御が行われる。
【００１９】
次に、本実施例における充電動作を説明する。
電池パック１を充電装置４にセットすると、マイクロコントローラ８はサーミスタ電圧ＶｔがＶｃｃ＝＋５Ｖから例えば２．５Ｖ（電池２の温度が２０℃のときに相当する値）に変化することにより、電池パック１がセットされたことを認識する。また、マイクロコントローラ８はＡ／Ｄ変換器３２の出力ディジタル値から電池電圧ＶＢが５．０Ｖ≦ＶＢ ≦８．６Ｖであるか否かを電圧判定部３３でチェックし、この範囲にＶＢが入っていれば電池２は正常であると判断して、スイッチ制御回路３３によりスイッチ３４ｆをオフとして、ポートＰ０を“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに反転させる。
【００２０】
これによりＰＷＭ回路１０が起動され、ＰＷＭ回路１０は入力端子Ｆに入力される電圧に反比例したパルス幅のパルスを出力端子Ｄから出力し、スイッチングトランジスタ９のゲートにスイッチングパルスとして与える。このスイッチングパルスによりスイッチングトランジスタ９がオンすると、フィルタ５から出力される直流電圧はスイッチングトランジスタ９を通り、ダイオード１１、チョークコイル１２およびコンデンサ１３により平滑された後、逆流防止用ダイオード１４を介して電池２の＋側端子に充電電圧ＶＢとして供給されることにより、充電が行われる。
【００２１】
このとき充電電流は充電電流検出用抵抗１５を流れ、この抵抗１５の端子電圧（充電電流に対応した電圧）がダイオード１８を介してＰＷＭ回路１０の入力端子Ｆに供給される。ここで、充電電流が規定値、例えば１．０Ａより大きいときは、入力端子Ｆが高電位となってスイッチングパルスのパルス幅（オン幅）が狭くなることにより、充電電流を減少させ、逆に充電電流が１．０Ａより小さいときは、入力端子Ｆが低電位となってスイッチングパルスのパルス幅（オン幅）が広くなることにより、充電電流を増加させるようにフィードバック系が構成される。すなわち、充電電流が１．０Ａで安定化するように定電流制御が行われる。これが図３に示す定電流制御期間Ｔ１である。この定電流制御期間Ｔ１では、図２中に示すスイッチ３４ａ〜３４ｅは全てオンとされ、ポートＰ１〜Ｐ５が接地電位に引かれることにより、ポートＰ１〜Ｐ５や充電電圧検出用抵抗１６，１７による充電電圧検出結果が充電電圧の定電圧制御のためのフィードバック系に影響を与えないようにしている。
【００２２】
ここで、この定電流制御期間Ｔ１において、従来ではマイクロコントローラ８は充電電圧ＶＢを常に８．４Ｖ以下か否かをチェックし、ＶＢが８．４Ｖ以下になるとポートＰ１を“Ｈ”レベルとして抵抗１６，１７のＡ点に得られる充電電圧制御信号をＰＷＭ回路１０の入力端子Ｆに与えることにより、ＶＢ＝８．４Ｖとなるように定電圧制御を行っていた。
【００２３】
これに対し、本実施例では定電流制御期間Ｔ１においてマイクロコントローラ８は充電電圧ＶB をＡ／Ｄ変換器３１を介して取り込み、電圧判定部３２で充電電圧ＶB が設定値である８．３８Ｖになったことを認識すると、充電電圧ＶB を８．３８Ｖ一定となるように定電圧制御を行うべく、スイッチ制御回路３３によりスイッチ３４ａをオフとし、ポートＰ１を“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに反転させる。この場合、通常はスイッチ３４ｂ，３４ｃをオン、スイッチ３４ｄ，３４ｅをオフとして、ポートＰ１，Ｐ２を“Ｌ”レベル、ポートＰ３，Ｐ４を“Ｈ”レベルとする。なお、ポートＰ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５に接続されたバイアス抵抗２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの値は、それに接続されたポートが“Ｌ”レベルとなると１０ｍＶずつ増加するように、抵抗１６，１７の値と関連付けて設定されている。
【００２４】
ここで、充電電圧ＶＢが設定値である８．３８Ｖを維持していれば、マイクロコントローラ８はポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の状態をそのまま保つが、もし８．４０Ｖ以上になればポートＰ２を“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに変化させる。これにより充電電圧ＶＢは１０ｍＶ減少するが、それでもまだ８．４０Ｖ以上であればさらにポートＰ３も“Ｈ”レベルとして、ＶＢをさらに１０ｍＶ減少させる。
【００２５】
一方、充電電圧ＶＢが８．３６Ｖ以下になればポートＰ４を“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに変化させる。これにより充電電圧ＶＢは１０ｍＶ増加するが、それでもまだ８．３６以下であればポートＰ５も“Ｌ”レベルに変化させ、ＶＢをさらに１０ｍＶ増加させる。
【００２６】
このようにしてポートＰ１〜Ｐ４の電位を充電電圧ＶＢの誤差、つまり設定値からの誤差に応じて二値的に選択的に変化させることで、バイアス抵抗２１ａ〜２１ｄにより得られたバイアス信号をＡ点に得られる充電電圧検出信号に加算することによって充電電圧ＶＢを１０ｍＶ単位で高精度に制御することができる。すなわち、この例では充電電圧ＶＢは設定値である８．３８Ｖを中心として８．３６Ｖ≦ＶＢ ≦８．４０Ｖの範囲に保持されるように、つまりＶＢ＝８．３８Ｖ±２０ｍＶの精度で定電圧制御される。
【００２７】
なお、上記実施例では定電圧制御のためのポートＰ１〜Ｐ４として４個のポートを設けたが、さらにポート数を増やし、それに伴いポートに接続されるバイアス抵抗の数を増やすことにより、定電圧制御のさらなる高精度化を図ると共に、充電電圧のより広い変動幅に対応できるようにすることも可能である。また、バイアス電圧の印加手段も上述した実施例に示した構成に限定されるものでなく、種々変形することが可能である。さらに、上記実施例では充電装置の入力を直流としたが、充電装置の入力部にＡＣ／ＤＣコンバータを設け、交流入力を可能とした充電装置にも本発明を適用することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば充電電圧検出信号に充電電圧の誤差に応じたバイアス信号を加算し、その加算した信号に基づいて充電電圧の定電圧制御を行うことにより、充電電圧検出信号をそのまま定電圧制御に使用する従来の急速充電器に比較して、定電圧制御を極めて高精度に行うことができる。従って、充電電圧が過電圧となることにより電池寿命を短縮させることがなく、しかも充電容量を十分に大きくとることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る二次電池の充電装置の回路構成図
【図２】図１におけるマイクロコントローラ内の要部の構成を示す図
【図３】非水電解質二次電池に適した充電装置の急速充電特性を示す図
【符号の説明】
１…電池パック２…二次電池
３…サーミスタ４…充電装置
５…フィルタ６…平滑コンデンサ
７…レギュレータ８…マイクロコントローラ
９…スイッチングトランジスタ１０…パルス幅変調回路
１１…整流ダイオード１２…チョークコイル
１３…平滑コンデンサ１４…逆流防止ダイオード
１５…充電電流検出用抵抗１６，１７…充電電圧検出用抵抗
１８，１９…ダイオード２１ａ〜２１ｄ…バイアス抵抗
２２…抵抗２３…ＬＥＤ
３１…Ａ／Ｄ変換器３２…電圧判定部
３３…スイッチ制御回路３４ａ〜３４ｅ…スイッチ

Claims

二次電池に印加する充電電圧を定電圧制御する機能を有する二次電池の充電装置において、
前記充電電圧を検出して該充電電圧に対応する充電電圧検出信号を出力する充電電圧検出手段と、
前記充電電圧検出信号に前記充電電圧の設定値からの誤差に応じたバイアス信号を加算するバイアス加算手段と、
前記バイアス加算手段の出力信号に基づいて前記充電電圧を前記設定値に維持されるように制御する制御手段とを具備することを特徴とする二次電池の充電装置。
前記バイアス加算手段は、前記充電電圧検出手段の出力端に一端が接続された複数個のバイアス抵抗と、これらのバイアス抵抗の他端の電位を前記充電電圧の設定値からの誤差に応じて選択的に二値的に変化させる手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の二次電池の充電装置。