JP3585086B2 - リチウムイオン二次電池の充電装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウムイオン二次電池の充電方法およびその充電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、例えば携帯形の電子機器の需要が高まり、これに使用される二次電池も小型・軽量でかつ高性能のものが要求されている。このような背景により、最近の多くの携帯形電子機器にはニッケル・カドミウム二次電池等に代わってリチウムイオン二次電池が用いられるようになっている。これは、リチウムイオン二次電池が、軽量かつ高エネルギー密度・高電圧・保存特性・サイクル寿命等の優れた特性を備えているからである。特にグラファイト系のリチウムイオン二次電池は、電池の消費による電圧の変化が少なくフラットな電圧レベルを保持する優れた放電特性を備えている。
【0003】
このようなリチウムイオン二次電池に充電を行う充電装置は、リチウムイオン二次電池の性質に合わせた専用の充電装置が用いられる。すなわち、リチウムイオン二次電池は、抵抗がほとんど無いため、定電圧定電流回路により充電を行う必要がある。また、リチウムイオン二次電池は、ニッケル・カドミウム二次電池と違って、過充電でも電圧の上昇が止まらず、単電池電圧が4.5V以上になると電界液の分解によりガスが発生し、電池内部の圧力が上昇するという性質を持っている。このため、充電装置はリチウムイオン二次電池の単電池電圧が例えば4.2Vに達すると、その時点で充電を停止する機能を備えていなければならない。
【0004】
図2は電圧検出充電制御方式によるリチウムイオン二次電池の充電装置を含む充電系を示した従来技術のブロック図である。同図において、定電圧定電流回路10はリチウムイオン二次電池28に充電を行う回路であり、CPU(制御ロジック)30は充電の開始または停止を制御する制御回路である。CPU30は、定電圧定電流回路10とリチウムイオン二次電池28間の電流経路に設けられたスイッチ40(S1)を、制御ポートからの出力によりスイッチング制御する。
【0005】
CPU30はまた、リチウムイオン二次電池28の電圧をADC入力ポートに入力し、電圧を内部でデジタル信号に変換して電池28の電圧の変化を監視している。
【0006】
リチウムイオン二次電池28に充電を行う場合、CPU30はスイッチ40の接点を閉じて定電圧定電流充電を行うとともに、ADC入力ポートより入力した電池電圧を監視する。そして、ADC入力ポートより入力した電池電圧が4.2Vに達すると、CPU30はその時点でスイッチ40の接点を開放して充電を終了するか、またはタイマーを起動してこのタイマーがタイムアップしたら充電を終了させる。
【0007】
一方、図3は電流検出充電制御方式によるリチウムイオン二次電池の充電装置を含む充電系を示した従来技術のブロック図である。図3ではリチウムイオン二次電池の電池電圧が上昇すると、定電圧定電流回路10より供給される電流が低下することを利用している。すなわち、図3に示した電流検出充電制御方式では、図2の充電装置のリチウムイオン二次電池と定電圧定電流回路10間に直列接続された抵抗42と、この抵抗42の両端の電圧を増幅するオペアンプ44とを追加し、このオペアンプ44の出力をCPU30のADC入力ポートに入力する。
【0008】
電流検出充電制御方式による充電装置の場合、リチウムイオン二次電池28の電圧が上がると、定電圧定電流回路10からこの電池28に供給される充電電流が低下する。これによって、抵抗42の両端の電圧が下がり、オペアンプ44の出力が所定の値以下になると、CPU30はその時点でスイッチ40の接点を開放して充電を終了するか、またはタイマーを起動してこのタイマーがタイムアップしたらスイッチ40の接点を開放して充電を終了させる。なお、抵抗42は充電への影響を考慮して抵抗値の小さい抵抗を選択するので、オペアンプ44を用いてその変化を増幅している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図2に示した電圧検出充電方式では、グラファイト系のリチウムイオン二次電池のように容量の増減に対して電圧の変動が微小の電池の場合、その微小の電圧変動を読み取るために高精度のADC(ADコンバータ)を用いても十分な信頼性を得ることができなかった。このため、今後主流となるグラファイト系のリチウムイオン二次電池にはこの方式を用いることは実際にはできないという問題があった。一方、電流検出充電方式ではこのような問題は解決するが、抵抗やオペアンプを必要とするため、装置が大型化してしまうとともにコストアップにつながるという問題があった。
【0010】
本発明はこのような従来技術の課題を解決し、部品点数を増やすこと無く的確にリチウムイオン二次電池の充電終了タイミングを検出可能な信頼性の高いリチウムイオン二次電池の充電方法およびその充電装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を解決するために、定電流回路および定電圧回路によりリチウムイオン二次電池の充電を行うリチウムイオン二次電池の充電方法において、定電流回路と定電圧回路間の電圧を監視し、この電圧がこの定電圧回路の開放電圧に推移したときに充電を停止する。
【0012】
また、本発明によれば、リチウムイオン二次電池に充電を行う定電流回路および定電圧回路により構成される定電圧定電流回路と、リチウムイオン二次電池と定電圧電流回路との間に設けられたスイッチと、定電流回路と定電圧回路間の電圧を監視し、この電圧がこの定電圧回路の開放電圧に推移したときに充電を停止する制御回路とを有する。
【0013】
【発明の実施の形態】
次に添付図面を参照して本発明によるリチウムイオン二次電池の充電方法およびその充電装置の実施の形態を詳細に説明する。
図1は、本発明によるリチウムイオン二次電池の充電装置を含む充電系の実施の形態を示すブロックである。図1に示した充電装置は、例えば携帯電話機やPHS,GSM等の移動体通信端末や携帯用情報機器等の電子機器に適用される装置である。なお、同図において、図2および図3と同じ構成要素には同じ符号を記してあるが、ここではその内容をより詳細に説明する。また、図1に示した充電系の各構成要素は電子機器の本体側と充電装置側のどちらに設けることも可能であり、その点での制約は特に受けることは無い。
【0014】
定電圧定電流回路10は定電流回路12と定電圧回路14とにより構成されている。定電流回路12は、リチウムイオン二次電池28に一定の充電電流(その値は電池28の容量等によって異なる)を供給する回路であり、AC/DCアダプタまたはそれに類する外部電源に内蔵される。
【0015】
定電圧回路14は、リチウムイオン二次電池28に印加される電圧を4.20±0.05(V)に保つとともに、開放電圧が、5.5(V)程度のものとなる。定電圧回路14は、電界効果トランジスタ(Q1)18、抵抗20、バイポーラトランジスタ(Q2)22および定電圧IC24により構成されている。
【0016】
電界効果トランジスタ18はリチウムイオン二次電池28に供給する充電電流を制御するスイッチである。電界効果トランジスタ18は、ソースが定電流回路12に、ドレインがスイッチ26を介してリチウムイオン二次電池28に、ゲートがバイポーラトランジスタ22のコレクタにそれぞれ接続されている。なお、このスイッチ18がオン状態では定電流回路12側のA点の電位は4.20±0.05(V)であるが、スイッチがオフ状態になると定電流回路12側のA点の電位は約5.5(V)の開放電圧に推移する。
【0017】
抵抗20は、バイポーラトランジスタ22がオン状態のときに電界効果トランジスタ18のゲートがローレベルに、このトランジスタ22がオフ状態のときにこのゲートがハイレベルになるよう、電界効果トランジスタ18のソース−ゲート間に配設された抵抗である。
【0018】
バイポーラトランジスタ22は定電圧IC24によって制御されるスイッチである。バイポーラトランジスタ22は、nチャンネル型バイポーラトランジスタであり、コレクタが電界効果トランジスタ18のゲートに、ベースが定電圧IC24の出力側に、エミッタが接地されている。定電圧IC24は、スイッチ26を介してリチウムイオン二次電池28に接続され、これの電池電圧が4.2(V)未満ではトランジスタ22のベースにHレベルを、電池電圧が4.2(V)に達するとトランジスタ22のベースにLレベルを出力する。
【0019】
スイッチ26は、定電圧定電流回路10とリチウムイオン二次電池28との接続制御を行うスイッチであり、CPU(制御ロジック)30の制御ポートからの制御信号によりスイッチング制御される。リチウムイオン二次電池28は1セルのグラファイト系のリチウムイオン二次電池である。なお、本実施の形態ではリチウムイオン二次電池28の電池電圧を4.2(V)としたが、電池メーカ等に違いにより電池電圧が4.1(V)のものもある。
【0020】
CPU30は、定電流回路12と定電圧回路14間のA点の電位を監視し、リチウムイオン二次電池28への充電の開始および終了を制御する、マイコンまたはそれに類するロジック回路により構成される制御回路である。すなわち、CPU30は、内部にADコンバータを内蔵し、ADCポートにA点の電位を入力し、この電位が5(V)以下の電圧(電池電圧とFETの電圧降下分を加えた電圧)から5.5(V)に推移すると、内部のタイマーがタイムアップした後にスイッチ26の接点を開放する。なお、本実施の形態ではA点の電位をADCポートに入力し、ADコンバータで電位の変化を検出するようにしたが、特にADコンバータに限定されるものではなく、電界効果トランジスタや電圧検出IC等の素子でも電圧の変化を検出可能である。
【0021】
次に図1を用いて本実施の形態の動作を説明する。外部電源がオンされると、充電制御を行うCPU30は、スイッチ26の接点を閉じて初めに外部電源電圧およびリチウムイオン二次電池28の電圧を測定し、充電可能かどうかの判定を行う。この判定で問題が無ければ、スイッチ26の接点が閉じた状態で維持されるので、定電圧IC24によりバイポーラトランジスタ22がオンされる。
【0022】
このとき、充電されるリチウムイオン二次電池の残量が少ない場合、充電電流は流れることが可能な最大電流、すなわち外部電源に内蔵されている定電流回路12によって制限される電流値になる。この充電電流で充電している間、電界効果トランジスタ18のオン抵抗は最小値になり、定電圧回路14が電圧の制御を開始するまでは(電池電圧が低い場合は)、このトランジスタ18の電圧降下は一定のまま推移する。
【0023】
リチウムイオン二次電池の充電が進み容量が100%に近づいて電池電圧が4.2Vに近づくと、定電圧回路14の定電圧IC24はバイポーラトランジスタ22をオフ状態に近い状態に遷移していく。これにより、電界効果トランジスタ18がオフ状態に近い状態になりオン抵抗が高くなる。このときの定電流回路12からの電流はまだほぼ一定であるため、A点の電位は電池電圧に、FETの電圧降下分を加えた電圧5(V)以下から急激に上昇し、トランジスタ18が完全にオフ状態になると定電圧回路14の開放電圧である5.5(V)に推移する。
【0024】
CPU30は、ADC入力ポートよりこの開放電圧を入力すると、その時点で充電電流の減少を判定し、タイマーを起動してタイムアップした後にスイッチ26の接点を開放して充電の終了を行う。
【0025】
なお、ここで説明した実施の形態は本発明を説明するためのものであって本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱すること無く当業者が可能な変形または修正は本発明の範疇に含まれる。
【0026】
【発明の効果】
このように本発明によれば、従来技術に何ら素子を追加することなく、充電終了時に大きい電圧変化が得ることができるため、従来と同じ制御部でも確実な充電終了の判定が行える。したがって、装置の大型化やコストアップをすること無く信頼性の高い充電装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるリチウムイオン二次電池の充電装置の実施の形態を示すブロック図。
【図2】電圧検出充電制御方式によるリチウムイオン二次電池の充電装置を示した従来技術のブロック図。
【図3】電流検出充電制御方式によるリチウムイオン二次電池の充電装置を示した従来技術のブロック図。
【符号の説明】
10 定電圧定電流回路
12 定電流回路
14 定電圧回路
18 電界効果トランジスタ
20 抵抗
22 バイポーラトランジスタ
24 定電圧IC
26 スイッチ
28 リチウムイオン二次電池
30 CPU
Claims (3)
- リチウムイオン二次電池の充電を行う充電装置において、
定電流回路および定電圧回路により構成され前記リチウムイオン二次電池に充電を行う定電圧定電流回路と、前記定電圧定電流回路と前記リチウムイオン二次電池とを開閉可能に接続するスイッチと、充電状態を監視し、所望の条件を満たしたとき前記スイッチをオフさせる制御回路とから成り、
前記定電圧回路は、前記定電流回路と前記リチウムイオン二次電池との間に配設された第1のトランジスタと、
前記第1のトランジスタのオン/オフ制御を行う第2のトランジスタと、
前記リチウムイオン二次電池の電位を検出して前記第2のトランジスタのオン/オフ制御を行う定電圧ICとを有し、
前記検出回路は、前記リチウムイオン二次電池が充電されて所定の電位に上がると前記定電圧ICが前記第2のトランジスタをオフし、前記第2のトランジスタのオフにより前記第1のトランジスタがオフになることにより発生する、前記定電流回路と前記第1のトランジスタとの接続点の電圧の上昇を検出し、前記スイッチをオフして充電を停止することを特徴とするリチウムイオン二次電池の充電装置。 - 請求項1に記載の充電装置において、前記第1のトランジスタはドレイン−ゲート間に抵抗が接続された電界効果トランジスタであり、
前記第2のトランジスタはベースが前記定電圧ICに、コレクタが前記第1のトランジスタのゲートに、エミッタが接地されたnチャンネル型バイポーラトランジスタであることを特徴とするリチウムイオン二次電池の充電装置。 - 移動体通信端末に内蔵されたリチウムイオン二次電池の充電装置として適用されることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池の充電装置。
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