JP3620118B2 - 定電流・定電圧充電装置 - Google Patents
定電流・定電圧充電装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する利用分野】
本発明は充電装置に関し、特に、電池を定電流および定電圧の順序で充電する定電流・定電圧充電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電池を電源とする装置では、マンガン乾電池に代表される充電不可能な１次電池から次第に、ニッケルカドミウム蓄電池や小型鉛シール蓄電池に代表されるような充電して何度も繰り返し使用できる２次電池が多く使用されるようになってきている。２次電池はどうしても１次電池よりもエネルギー密度が低いため、１次電池と同じ電池容量を得たいときは、より寸法の大きな電池を使う必要があった。そのため２次電池はたゆまなく高容量化が図られてきた。ところが最近になって、ニッケルカドミウム蓄電池や小型鉛シール蓄電池よりもはるかに高容量を得ることができるリチウムイオン蓄電池が登場してきた。この電池は陽極にコバルト酸リチウム、陰極に種々の組成の炭素を使用し、従来のニッケルカドミウム蓄電池よりも２５０〜３００％多い電池容量が得られる。
【０００３】
リチウムイオン蓄電池は通常、鉛蓄電池と同様に定電流・定電圧充電法で充電される。すなわち、電池電圧が一定値に到達するまでは定電流にて充電を行い、その後は一定の電圧にて充電を行う方法である。このとき、定電圧充電の電圧設定値が不適切だと、容易にリチウムイオン蓄電池は過充電状態になってしまう。具体的には、陰極が天然黒鉛径のリチウムイオン蓄電池では４．１Ｖを越える電圧、陰極がコークス系のリチウムイオン蓄電池では４．２Ｖを越える電圧で充電されると、過充電になってしまう。過充電状態のリチウムイオン蓄電池はニッケルカドミウム蓄電池よりも性能が速く劣化し、最悪の場合、電池内部のリチウムイオンがデンドライトと呼ばれる針状の結晶構造をとって金属リチウムとして析出し、電池の陽極と陰極を分離しているセパレータを突き破って電池内部でショートし、発火・発煙する可能性がある。
【０００４】
一方、定電流・定電圧充電装置は、抵抗やシリーズレギュレータでも実現できるが、効率や発熱を考慮してチョッパ回路として実現されることが多い。
【０００５】
以下、従来の定電流・定電圧充電装置について、図を用いて説明する。
図９は従来の定電流・定電圧充電装置を示す回路図である。図９において、１は電力を発生する電源回路、２は充電電流と充電電圧の制御を行うチョッパ回路、５は電池の電圧を検出する電池電圧検出回路、６は充電対象であるリチウムイオン蓄電池、９は印加される電圧により発振周波数が可変となる電圧制御発振器（ＶＣＯ）、１１は電池電圧検出回路５からの検出電池電圧を増幅して制御電圧として電圧制御発振器９へ出力する直流アンプ、１２は定電流充電時に充電電流を制限する電流制限抵抗器である。
【０００６】
図１０（ａ）は、従来の定電流・定電圧充電装置を用いてリチウムイオン蓄電池の充電を行なったときの電池電圧、充電電流の特性を示す特性図である。また、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡ部拡大図である。図１０（ａ）、（ｂ）において、Ｖ１は定電圧充電の設定電圧値、ｉ１は定電流充電の設定電流値、ｔｃは定電流充電から定電圧充電に切り替わる時点、ｒは電池電圧のリップル成分である。
【０００７】
以上のような構成、特性の定電流・定電圧充電装置について、その動作を説明する。図９の充電装置は、電源回路１の電源が投入され、電源回路１が電力を発生すると、電池電圧検出回路５がリチウムイオン蓄電池６の電圧を検出し、この検出された電池電圧は直流アンプ１１で増幅され、電圧制御発振器９に入力される。これにより電圧制御発振器９は或る周波数の信号を発振させ、発振信号としてチョッパ回路２へ出力し、チョッパ回路２は充電電圧、充電電流の供給を開始する。リチウムイオン蓄電池６の電池電圧がチョッパ回路２の出力電圧よりも低いときには、充電電流は両者の差と電流制限抵抗器１２の抵抗値とによって決まり、ほぼ一定の電流ｉ１で充電が行なわれる。すなわち、チョッパ回路２の出力電圧（充電電圧）は、電池電圧値を電圧値Ｖ１に近付けるように制御されるが、充電電流値はほぼ一定の電流値ｉ１となる。従って、この段階の充電は定電流充電である。図１０（ａ）に示すように、時刻ｔｃにおいて電池電圧値が一定電圧値Ｖ１に達したとき、充電は定電圧充電へ移行する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の定電流・定電圧充電装置では、チョッパ回路２のリップル成分ｒ（図１０（ｂ）参照）による過剰なリチウムイオンの移動により、リチウムイオン蓄電池では過充電になりやすいという問題点を有していた。
【０００９】
すなわち、従来の定電流・定電圧充電装置では、電池電圧検出回路５でリチウムイオン蓄電池６の電池電圧を検出しているが、電池電圧にはチョッパ回路２のリップル成分も含まれている。それを図示したのが図１０（ｂ）の拡大図である。一般に、チョッパ回路２の動作周波数はスイッチ素子の効率やインダクタの小型化を図るために数１０ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚが選ばれる。従って、チョッパ回路２の出力電圧は実際には電池電圧の変動を積分した電圧に追従することになるが、リップル成分の周波数が高いためにキャパシタ等で電池に流れることを阻止することは困難であり、リップル成分もまたリチウムイオン蓄電池６に印加されることになる。
【００１０】
上述したように、リップル成分によりリチウムイオン蓄電池６が過充電されると、陰極への金属リチウムの出現やデンドライト発生による不安全事故につながる可能性が高くなる。一方、市場では２次電池の容量アップの要求が根強く、高容量を得られるリチウムイオン蓄電池６を安全確実に充電する充電装置が強く求められている。
【００１１】
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、電池を安全確実に充電することができる定電流・定電圧充電装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記従来の課題を解決するために、充電電流と充電電圧の制御を行うチョッパ回路と、電池電圧を検出する電池電圧検出回路と、電池電圧に基づいて充電電流を算出する充電電流計算回路とを備えた定電流・定電圧充電装置において、検出された電池電圧のピークホールド処理を行うピークホールド回路と、ピークホールド回路によりホールド処理されたピーク電圧値が所定の値に到達するまでは定電流充電を行い、ホールド処理されたピーク電圧値が所定の値に到達した後は定電圧充電を行うように制御電圧を出力する演算回路と、制御電圧に応じた周波数の発振信号をチョッパ回路へ出力する電圧制御発振器とを備えた構成を有しているのでリチウムイオン蓄電池を安全確実に充電することができる定電流・定電圧充電装置を提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１記載の発明は、電力を発生する電源回路と、充電電流と充電電圧の制御を行うチョッパ回路と、電池電圧を検出する電池電圧検出回路と、電池電圧に基づいて充電電流を算出する充電電流計算回路と、検出された電池電圧のピークホールド処理を行うピークホールド回路と、ピークホールド回路によりホールド処理されたピーク電圧値が所定の値に到達するまでは定電流充電を行い、前記ホールド処理されたピーク電圧値が所定の値に到達した後は定電圧充電を行うように制御電圧を出力する演算回路と、制御電圧に応じた周波数の発振信号をチョッパ回路へ出力する電圧制御発振器とを備えたことにより、電池電圧にリップル成分を含んでいても、電池電圧の波高値を常に設定電圧値以下に制御することができるので、電池の過充電を防止することができ、安全確実に充電を行なうことができるという作用を有する。
【００１８】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１の記載の発明において、演算回路が、定電圧充電時の設定電圧値と、定電流充電時の設定電流値とを保持し、ピークホールド処理された電池電圧が設定電圧値に到達するまでは設定電流値で定電流充電を行い、ピークホールド処理された電池電圧値が設定電圧値に到達した後は設定電圧値で定電圧充電を行うことにより、電池電圧をピークホールド処理して得られたピーク値に基づいて電池電圧を制御するようにしたので、電池電圧の値を常に設定電圧値以下に設定することができるという作用を有する。
【００１９】
（実施の形態１）
以下、本発明の一実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置について図を用いて説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置を示す回路図である。図１において、１は電源回路、２はチョッパ回路、５は電池電圧検出回路、６はリチウムイオン蓄電池であり、これらは図９と同様のものなので、同一符号を付して説明は省略する。３はチョッパ回路２の出力電圧である充電電圧を検出する充電電圧検出回路、４は充電電流を検出するための充電電流検出回路、７は充電電圧検出回路３で検出された充電電圧と電池電圧検出回路５で検出された電池電圧の値ｖとから充電電流の値ｉを算出する充電電流計算回路、８は検出された電池電圧の値ｖおよび算出された充電電流の値ｉから電池電圧および充電電流の値ｖ、ｉを制御する制御電圧ａを出力する演算回路、９は演算回路８から出力される制御電圧ａに応じた周波数の発振信号ｂをチョッパ回路２へ出力する電圧制御発振器（ＶＣＯ）である。
【００２０】
以上のように構成された定電流・定電圧充電装置について、その動作を説明する。充電を開始する際にはまず電源回路１の電源が投入され、電源回路１が電力を発生すると、電池電圧検出回路５がリチウムイオン蓄電池６の電圧値ｖを検出する。充電電圧検出回路３で検出された充電電圧の値と電池電圧検出回路５で検出された電池電圧の値ｖとは充電電流計算回路７に入力され、充電電流計算回路７はこれらの値から充電電流の値ｉを算出する。演算回路８は、検出された電池電圧の値ｖおよび算出された充電電流の値ｉから電池電圧および充電電流の値ｖ、ｉを制御する制御電圧ａを電圧制御発振器９へ出力する。制御電圧ａを印加された電圧制御発振器９は、制御電圧ａに応じた或る周波数の信号を発振させ、その発振信号ｂをチョッパ回路２へ出力して、充電を開始する。このように、電池電圧は、検出電池電圧値ｖおよび算出充電電流値ｉに基づいて、演算回路８、電圧制御発振器９およびチョッパ回路２により制御される。本装置は定電流・定電圧充電装置であり、まず定電流充電を行ない、最後に設定電池電圧値つまり充電電圧の上限値の定電圧充電を行なう。その途中の段階においては種々の定電流・定電圧充電が考えられる。このように最終段階においては上限値の定電圧充電が行なわれるが、この最終段階の定電圧充電における充電電流の値ｉが定電流充電の電流値よりも小さい或る電流値に達すると、充電を終了する。つまり、定電圧充電において充電電流値が小さくなることはその定電圧において満充電に近いことを意味する。
【００２１】
以上のように本実施の形態によれば、定電流または充電電圧の上限値よりも低い定電圧で十分に充電を行ない、その後に充電電圧の上限値での充電を行なうようにすることができるので、チョッパ回路２の制御精度が高い時点で上記上限値での充電を行なうことができ、従って、リチウムイオン蓄電池６が過充電になることはなく、リチウムイオン蓄電池６を安全確実に充電することができる。
【００２２】
（実施の形態２）
以下、本発明の第２の実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置について説明する。
【００２３】
本実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置は図１の装置と同じ回路であり、第１の実施の形態とは演算回路８の動作が異なるのみであるので、演算回路８の動作を中心に説明する。
【００２４】
図２は本発明の第２の実施の形態における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図である。図２において、Ｓ１は電池電圧特性を示す特性曲線、Ｓ２は充電電流特性を示す特性曲線である。
【００２５】
図２のような特性を有する定電流・定電圧充電装置について、その動作を演算回路８を中心にして説明する。演算回路８には、定電圧充電時の設定電圧値である第１の電圧値Ｖ１と、第１の電圧値Ｖ１よりも小さな値の第２の電圧値Ｖ２と、定電流充電時の設定電流値である第１の電流値ｉ１と、第１の電流値ｉ１よりも小さな値の第２の電流値ｉ２とが、予め設定保持されている。演算回路８は、例えば天然黒鉛系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には電池電圧が３．９Ｖとなるように、またコークス系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には電池電圧が４．０Ｖとなるように、電圧制御発振器９に制御電圧ａを印加する。上記３．９Ｖ、４．０Ｖは第２の電圧値Ｖ２である。制御電圧ａを印加された電圧制御発振器９は、制御電圧ａに応じた或る周波数の信号を発振させ、その発振信号ｂをチョッパ回路２へ出力して、充電を開始する。リチウムイオン蓄電池６の電池電圧がチョッパ回路２の出力電圧（充電電圧）よりも低いときには、充電電流は両者の差と充電電流検出回路４の抵抗値とによって決まり、ほぼ一定の電流値ｉ１で充電が行なわれる。すなわち、チョッパ回路２の出力電圧は、電池電圧値を第２の電圧値Ｖ２に近付けるように制御されるが、充電電流値はほぼ一定の電流値ｉ１となる。従って、この段階の充電は定電流充電である。
【００２６】
図２に示すように電池電圧の値ｖが一定電圧値Ｖ２に達したとき、充電は定電圧充電へ移行する。この時点では、電池電圧の値ｖが一定値Ｖ２になるように、演算回路８から電圧制御発振器９に制御電圧ａが印加され、電圧制御発振器９からチョッパ回路２に対して電池電圧値が一定になるような周波数の発振信号ｂが与えられる。その結果、リチウムイオン蓄電池６における充電量が増加するにしたがってリチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスが増加するために充電電流は次第に減少していく。
【００２７】
一般的にチョッパ回路２の出力のリップル成分は、接続されている負荷のインピーダンス（充電装置の場合は電池の内部インピーダンス）と負荷に供給する電流値とに影響されることは広く知られている。図８は充電電流、電池内部インピーダンスとリップル成分波高値との関係を示すグラフ図である。図８に示すように、負荷のインピーダンス（ここでは電池の内部インピーダンス）が低いほど、また負荷に供給する電流が大きいほど、チョッパ回路２のレギュレーション（制御性）は悪くなり、リップル成分の波高値は大きくなる。逆に、負荷のインピーダンスが高いほど、また負荷に供給する電流が小さいほど、チョッパ回路２の制御性は良くなり、リップル成分の波高値は小さくなる。
【００２８】
電池電圧の値ｖが一定電圧（第２の電圧値）Ｖ２になるように定電圧充電を行なっている間もチョッパ回路２の出力電圧にはやはりリップルが含まれているが、第２の電圧値Ｖ２がリチウムイオン蓄電池６の充電電圧の上限値（一般に天然黒鉛系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には４．１Ｖ、コークス系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には４．２Ｖ）である第１の電圧値Ｖ１よりも低く設定されている。つまり、本実施の形態では、Ｖ１−Ｖ２＝０．２Ｖである。このため、チョッパ回路２の出力電圧中のリップル成分のピーク値であっても充電電圧の上限値Ｖ１には達せず、リチウムイオン蓄電池６が過充電になることはない。
【００２９】
第２の電圧値Ｖ２での定電圧充電においては図２に示すように充電電流が徐々に減少していくが、この充電電流値が第２の電流値ｉ２まで減少すると、演算回路８は、充電電流が第１の電流値ｉ１になるように再び電圧制御発振器９に制御電圧ａを印加する。これにより電圧制御発振器９からチョッパ回路２へ、充電電流値が一定電流値ｉ１になるような周波数の発振信号ｂが与えられる。
【００３０】
一定電流値ｉ１での定電流充電においては図２に示すように電池電圧の値ｖが徐々に上昇していく。電池電圧の値ｖが第１の電圧値Ｖ１に到達すると、充電は再び定電圧充電に移行する。この定電圧充電においては、電池電圧の値ｖが一定値Ｖ１になるように、演算回路８から電圧制御発振器９に制御電圧ａが印加され、電圧制御発振器９からチョッパ回路２へ、電池電圧が一定になるような周波数の発振信号ｂが与えられる。その結果、リチウムイオン蓄電池６の充電量が増加するにしたがって、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスが増加するために充電電流が次第に減少していく。このとき、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスは、この時点以前（電池電圧値ｖがＶ１に到達する以前）よりも十分に高くなっているので、チョッパ回路２の出力電圧中のリップル成分は十分に小さくなっており、リップル成分の波高値は無視できる値になっており、ほぼリチウムイオン蓄電池６の充電電圧の上限値Ｖ１と同じとみなすことができる。従って、リチウムイオン蓄電池６は安全に規定の電池電圧に到達し、満充電とすることができる。
【００３１】
図２に示すように、充電電流計算回路７における充電電流値ｉが最も小さな第２の電流値ｉ２となったところで充電を終了する。
【００３２】
以上のように本実施の形態によれば、定電圧充電時の設定電圧値（充電電圧上限値）Ｖ１よりも低い電圧値Ｖ２で十分に充電を行ない、その後に設定電圧値Ｖ１での充電を行なうようにしたので、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスが高く、従ってチョッパ回路２の制御精度が高い時点で設定電圧値Ｖ１での充電を行なうようになり、この高い制御精度においてはチョッパ回路出力電圧すなわち電池電圧のリップル成分のピーク電圧値が十分に低いことによりリチウムイオン蓄電池６が過充電になることはなく、リチウムイオン蓄電池６を安全確実に充電することができる。また電池電圧の値ｖが設定電圧値Ｖ１に近付くにつれて、リップル成分は減少していくので、電池電圧の値ｖを設定電圧値Ｖ１に到達させることができ、満充電が可能になる。
【００３３】
（実施の形態３）
以下、本発明の第３の実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置について説明する。本実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置は図１の装置と同一回路であり、第１の実施の形態とは演算回路８の動作が異なるのみであるので、演算回路８の動作を中心に説明する。
【００３４】
図３は本発明の第３の実施の形態における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図である。図３において、Ｓ１１は電池電圧特性を示す特性曲線、Ｓ１２は充電電流特性を示す特性曲線である。
【００３５】
図３のような特性を有する定電流・定電圧充電装置について、その動作を演算回路８を中心にして説明する。演算回路８には、定電圧充電時の設定電圧値（充電電圧の上限値）Ｖ１と、定電流充電時の設定電流値である第１の電流値ｉ１と、第１の電流値ｉ１よりも小さな値の第２の電流値ｉ２と、第１の電流値ｉ１よりも小さく第２の電流値ｉ２よりも大きい第３の電流値ｉ３とが、予め設定保持されている。演算回路８は、例えば天然黒鉛系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には電池電圧が４．１Ｖとなるように、またコークス系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には４．２Ｖとなるように、電圧制御発振器９に制御電圧ａを印加する。上記４．１Ｖ、４．２Ｖは設定電圧値Ｖ１である。制御電圧ａを印加された電圧制御発振器９は、制御電圧に応じた或る周波数の信号を発振させ、その発振信号ｂをチョッパ回路２へ出力して、充電を開始する。リチウムイオン蓄電池６の電池電圧がチョッパ回路２の出力電圧よりも低いときには、充電電流は両者の差と充電電流検出回路４の抵抗値とによって決まり、ほぼ一定の電流値ｉ１で充電が行なわれる。すなわち、チョッパ回路２の出力電圧は、電池電圧値を設定電圧値Ｖ１に近付けるように制御されるが、充電電流値はほぼ一定の電流値ｉ１となる。従って、この段階の充電は定電流充電である。電池電圧の値ｖが一定電圧値Ｖ１に達したとき、図３に示すように、充電電流値が第１の電流値ｉ１より十分に少ない第３の一定電流値ｉ３になるように、演算回路８から電圧制御発振器９に制御電圧ａが印加され、電圧制御発振器９からチョッパ回路２に対して、充電電流が一定値ｉ３になるような周波数の発振信号ｂが与えられる。
【００３６】
第２の実施の形態でも述べたように、一般的にチョッパ回路２の出力電圧のリップル成分は、負荷に供給する電流値に影響される。図８に示すように、負荷に供給する電流が大きいほど、チョッパ回路２のレギュレーション（制御性）は悪くなり、リップル成分の波高値は大きくなる。逆に、負荷に供給する電流が小さいほど、チョッパ回路２の制御性は良くなり、リップル成分の波高値は小さくなる。なお、図３に示すように電池電圧値は瞬間的に設定電圧値（充電電圧の上限値）Ｖ１に達するが、これは瞬間的であり、これにより過充電となることはない。
【００３７】
充電電流値が一定値ｉ３になるような定電流充電を行なっている間もチョッパ回路２の出力電圧にはやはりリップルが含まれているが、電流値ｉ３は電流値ｉ１よりも十分に少ないためリップル成分は十分に小さく、そのリップル成分のピーク電圧値は充電電圧の上限値Ｖ１に到達しないため、リチウムイオン蓄電池６が過充電になることはない。
【００３８】
図３に示すように、充電電流が電流値ｉ１からｉ３と少なくなるので、電池電圧は一時的に低下するが、充電の進行と共に再び上昇する。電池電圧の値ｖが再びＶ１に到達した後、充電は定電圧充電に移行する。電池電圧値ｖが一定値Ｖ１になるように演算回路８から電圧制御発振器９に制御電圧ａが印加され、電圧制御発振器９からチョッパ回路２へ、電池電圧値が一定になるような周波数の発振信号ｂが与えられる。その結果、リチウムイオン蓄電池６の充電量が増加するにしたがって、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスが増加するため、充電電流値ｉは次第に減少していく。このとき、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスは、この時点以前（電池電圧値ｖがＶ１に到達する以前）よりも十分に高くなっているので、チョッパ回路２の出力中のリップル成分は十分に小さくなっており、リップル成分の波高値は無視できる値になっており、ほぼリチウムイオン蓄電池６の充電電圧の上限値Ｖ１と同じとみなすことができる。従って、リチウムイオン蓄電池６は安全に規定の電池電圧に到達し、満充電とすることができる。
【００３９】
図３に示すように、充電電流計算回路７における充電電流値ｉが最も小さな第２の電流値ｉ２となったところで充電は終了する。
【００４０】
以上のように本実施の形態によれば、初期定電流充電時の設定電流値ｉ１よりも低い定電流ｉ３で十分に充電を行ない、その後に設定電圧値（充電電圧の上限値）Ｖ１での充電を行なうようにしたので、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスが高く、従ってチョッパ回路２の制御精度が高い時点で設定電圧値Ｖ１での充電を行なうようになり、高い制御精度におけるチョッパ回路出力電圧すなわち電池電圧のリップル成分のピーク電圧値が十分に低いことにより、リチウムイオン蓄電池６が過充電になることはなく、リチウムイオン蓄電池６を安全確実に充電することができる。
【００４１】
（実施の形態４）
以下、本発明の第３の実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置について説明する。
【００４２】
なお、本実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置は図１の装置と同一回路であり、演算回路８の動作が異なるのみであるので、演算回路８の動作を中心に説明する。
【００４３】
図４は本発明の第４の実施の形態における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図である。図４において、Ｓ２１は電池電圧特性を示す特性曲線、Ｓ２２は充電電流特性を示す特性曲線である。
【００４４】
図４のような特性を有する定電流・定電圧充電装置について、その動作を演算回路８を中心にして説明する。演算回路８には、定電圧充電時の設定電圧値（充電電圧の上限値）である第１の定電圧値Ｖ１と、第１の定電圧値Ｖ１よりも小さい第２の定電圧値Ｖ２と、定電流充電時の設定電流値である第１の電流値ｉ１と、第１の電流値ｉ１よりも小さな値の第２の電流値ｉ２と、第１の電流値ｉ１よりも小さく第２の電流値ｉ２よりも大きい第３の電流値ｉ３とが、予め設定保持されている。演算回路８は、例えば天然黒鉛系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には電池電圧が４．１Ｖとなるように、またコークス系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には電池電圧が４．２Ｖとなるように、電圧制御発振器９に制御電圧ａを印加する。上記４．１Ｖ、４．２Ｖは設定電圧値Ｖ１である。制御電圧ａを印加された電圧制御発振器９は、制御電圧ａに応じた或る周波数の信号を発振させ、その発振信号ｂをチョッパ回路２へ出力して、充電を開始する。リチウムイオン蓄電池６の電池電圧がチョッパ回路２の出力電圧よりも低いときには、充電電流は両者の差と充電電流検出回路４の抵抗値とによって決まり、ほぼ一定の電流値ｉ１で充電が行なわれる。すなわち、チョッパ回路２の出力電圧は、電池電圧値を設定電圧値Ｖ１に近付けるように制御されるが、充電電流値はほぼ一定の電流値ｉ１となる。従って、この段階の充電は定電流充電である。
【００４５】
電池電圧が電圧値Ｖ１よりも低い第２の電圧値Ｖ２（例えば天然黒鉛系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には３．９Ｖ、コークス系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には４．０Ｖ）に達したとき、図４に示すように、充電電流値が第１の電流値ｉ１より十分に少ない第３の一定電流値ｉ３になるように、演算回路８から電圧制御発振器９に制御電圧ａが印加され、電圧制御発振器９からチョッパ回路２に対して、充電電流値が一定値ｉ３になるような周波数の発振信号ｂが与えられる。
【００４６】
第２の実施の形態でも述べたように、一般的にチョッパ回路２の出力電圧のリップル成分は、負荷に供給する電流値にも影響される。図８に示すように、負荷に供給する電流が大きいほど、チョッパ回路２のレギュレーション（制御性）は悪くなり、リップル成分の波高値は大きくなる。逆に、負荷に供給する電流が小さいほど、チョッパ回路２の制御性は良くなり、リップル成分の波高値は小さくなる。
【００４７】
充電電流が一定値ｉ３になるような定電流充電を行なっている間もチョッパ回路２の出力電圧にはやはりリップルが含まれているが、電流値ｉ３は電流値ｉ１よりも十分に少ないためリップル成分は十分に小さく、そのリップル成分のピーク電圧値は充電電圧の上限値Ｖ１に到達しないため、リチウムイオン蓄電池６が過充電になることはない。
【００４８】
図４に示すように、充電電流値が電流値ｉ１からｉ３と少なくなるので、電池電圧は一時的に低下するが、充電の進行と共に再び上昇する。電池電圧の値ｖがＶ１に到達した後、充電は定電圧充電に移行する。電池電圧値ｖが一定値Ｖ１になるように演算回路８から電圧制御発振器９に制御電圧ａが印加され、電圧制御発振器９からチョッパ回路２へ、電池電圧が一定になるような周波数の発振信号ｂが与えられる。その結果、リチウムイオン蓄電池６の充電量が増加するにしたがって、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスが増加するため、充電電流値ｉは次第に減少していく。このとき、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスは、この時点以前（電池電圧値ｖがＶ１に到達する以前）よりも十分に高くなっているので、チョッパ回路２の出力電圧中のリップル成分は十分に小さくなっており、リップル成分の波高値は無視できる値になっており、ほぼリチウムイオン蓄電池６の充電電圧の上限値Ｖ１と同じとみなすことができる。従って、リチウムイオン蓄電池６は安全に規定の電池電圧に到達し、満充電とすることができる。
【００４９】
図４に示すように、充電電流計算回路７における充電電流値ｉが最も小さな第２の電流値ｉ２となったところで充電は終了する。
【００５０】
以上のように本実施の形態によれば、初期定電流充電時の設定電流値ｉ１よりも低い定電流ｉ３で十分に充電を行ない、その後に設定電圧値（充電電圧の上限値）Ｖ１での充電を行なうようにしたので、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスが高いことによりチョッパ回路２の制御精度が高い時点で設定電圧値Ｖ１での充電を行なうようになり、チョッパ回路出力電圧のリップル成分のピーク電圧値が十分に低いことにより、リチウムイオン蓄電池６が過充電になることはなく、リチウムイオン蓄電池６を安全確実に充電することができる。
【００５１】
（実施の形態５）
以下、本発明の第５の実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置について図５〜図７を用いて説明する。図５は本発明の第５の実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置を示す回路図である。図５において、１は電源回路、２はチョッパ回路、３は充電電圧検出回路、４は充電電流検出回路、５は電池電圧検出回路、６はリチウムイオン蓄電池、７は充電電流計算回路、８は演算回路、９は電圧制御発振器であり、これらは図１と同様のものなので、同一符号を付して説明は省略する。１０は電池電圧値ｖのピーク値をホールドするピークホールド回路である。
【００５２】
以上のように構成された定電流・定電圧充電装置について、その動作を説明する。演算回路８には、定電圧充電時の設定電圧値（充電電圧の上限値）Ｖ１と、定電流充電時の設定電流である電流値ｉ１とが、予め設定保持されている。
【００５３】
充電を開始する際にはまず電源回路１の電源が投入され、電源回路１が電圧を発生すると、電池電圧検出回路５がリチウムイオン蓄電池６の電圧値ｖを検出する。電池電圧値ｖと充電電圧値とが充電電流計算回路７に入力され、充電電流計算回路７は、予め記憶した充電電流検出回路４の抵抗値に基づいて、充電電流値ｉを算出する。ピークホールド回路１０は、入力された電池電圧値ｖのピーク値ｖｐ（図７参照）をホールドする。電池電圧値ｖと充電電流値ｉとピーク値ｖｐとは演算回路８に入力され、演算回路８はこれらの値から制御電圧ａを発生する。制御電圧ａを印加された電圧制御発振器９は、制御電圧ａに応じた或る周波数の信号を発振させ、その発振信号ｂをチョッパ回路２へ出力して、充電を開始する。本装置は定電流・定電圧充電装置であり、まず定電流充電が行なわれ、最後に設定電池電圧つまり充電電圧の上限値で定電圧充電が行なわれる。
【００５４】
以上のように本実施の形態によれば、ピークホールド処理された電池電圧に基づいて充電を行なうことにより、電池電圧にリップル成分を含んでいても、電池電圧の波高値を常に上記設定電池電圧値以下に制御することができるので、リチウムイオン蓄電池６の過充電を防止することができ、リチウムイオン蓄電池６を安全確実に充電することができる。
【００５５】
（実施の形態６）
以下、本発明の第６の実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置について説明する。
【００５６】
本実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置は図５と同一回路であり、演算回路８の動作が異なるのみであるので、演算回路８の動作を中心に説明する。
【００５７】
図６は本発明の第６の実施の形態における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図、図７は第６の実施の形態における電池電圧等を示すグラフ図である。また図６において、Ｓ３１は電池電圧特性を示す特性曲線、Ｓ３２は充電電流特性を示す特性曲線である。さらに図７において、Ｓ４１は電池電圧波形を示す特性曲線、Ｓ４２は後述のピークホールド回路１０の出力電圧を点線で示す特性曲線であり、ｖｐは電池電圧の波高値（ピーク値）である。
【００５８】
図６、図７の特性を有する定電流・定電圧充電装置について、その動作を演算回路８を中心にして説明する。演算回路８には、定電圧充電時の設定電圧値（充電電圧の上限値）Ｖ１と、定電流充電時の設定電流値ｉ１とが、予め設定保持されている。演算回路８は、例えば天然黒鉛系陰極のリチウムイオン蓄電池を充電する場合には電池電圧が４．１Ｖとなるように、またコークス系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には４．２Ｖとなるように、電圧制御発振器９に制御電圧ａを印加する。上記４．１Ｖ、４．２Ｖは設定電圧値Ｖ１である。制御電圧ａを印加された電圧制御発振器９は、制御電圧ａに応じた或る周波数の信号を発振させ、その発振信号ｂをチョッパ回路２へ出力して、充電を開始する。リチウムイオン蓄電池６の電池電圧がチョッパ回路２の出力電圧よりも低いときには、充電電流は両者の差と充電電流検出回路４の抵抗値とによって決まり、図６に示すように、ほぼ一定の電流値ｉ１で充電が行なわれる。すなわち、チョッパ回路２の出力電圧は、電池電圧値を設定電圧値Ｖ１に近付けるように制御されるが、充電電流値はほぼ一定の電流値ｉ１となる。従って、この段階の充電は定電流充電である。
【００５９】
このとき、演算回路８には、ピークホールド回路１０を介して、チョッパ回路２で発生したリップル成分の波高値（ピーク値）ｖｐが入力されており、演算回路８から電圧制御発振器９に印加される制御電圧ａもピーク値ｖｐに基づく電圧値となっている。すなわち、演算回路８は、ピークホールド回路１０からリップル成分の波高値ｖｐを入力し、この波高値ｖｐに基づいて制御電圧ａを発生するので、制御電圧ａの値はリップル成分に影響されない値となる。その結果、電圧制御発振器９からチョッパ回路２に与えられる或る周波数の発振信号ｂを受けて、チョッパ回路２から出力される充電電圧に基づく電池電圧値ｖは設定電圧値Ｖ１を越えることがない。この様子を図７に示す。図７に示すように、電池電圧はリップルを含む充電電圧のプラス側の包絡線をたどることになる。すなわち、リップルを含む電池電圧値ｖが電圧値Ｖ１を越えることはない。従って、チョッパ回路２の出力電圧は充電電圧の上限値Ｖ１に到達しないため、リチウムイオン蓄電池６が過充電になることはない。
【００６０】
リップル成分を含む電池電圧の波高値ｖｐが電圧値Ｖ１に到達した後は、電池電圧の波高値ｖｐが一定電圧値Ｖ１となるように、演算回路８から電圧制御発振器９に制御電圧ａが印加され、電圧制御発振器９からチョッパ回路２へ、電池電圧の波高値ｖｐが一定電圧値Ｖ１となるような周波数の発振信号ｂが与えられる。このときも、演算回路８にはチョッパ回路２で発生したリップル成分の波高値を含む電圧ｖｐが入力されており、チョッパ回路２から出力される充電電圧に基づく電池電圧の波高値ｖｐは電圧値Ｖ１を越えることはない。従って、電池電圧の波高値ｖｐが充電電圧の上限値Ｖ１に到達しないため、リチウムイオン蓄電池６が過充電になることはない。満充電が近付くにつれて、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスが増加して充電電流値ｉが減少することにより、チョッパ回路２のリップル成分も減少していくため、電池電圧の波高値ｖｐは図７に示すように最終的には上限値Ｖ１に到達することができる。従って、リチウムイオン蓄電池６を安全に満充電にできる。
【００６１】
以上のように本実施の形態によれば、電池電圧をピークホールド処理して得られたピーク値（電池電圧波高値）ｖｐに基づいて電池電圧を制御するようにしたので、電池電圧の波高値ｖｐを常に設定電圧値Ｖ１以下に設定することができ、また最終的にはチョッパ回路２のリップル成分が極めて小さくなることにより電池電圧の波高値ｖｐは上限値Ｖ１に到達することができるので、リチウムイオン蓄電池６の過充電を防止することができ、リチウムイオン蓄電池６を安全確実に満充電することができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように本発明は、電力を発生する電源回路と、充電電流と充電電圧の制御を行うチョッパ回路と、充電電圧を検出する充電電圧検出回路と、充電電流を検出するための充電電流検出回路と、電池電圧を検出する電池電圧検出回路と、検出された電池電圧および充電電圧の値から充電電流を算出する充電電流計算回路と、検出された電池電圧および算出された充電電流の値から電池電圧および充電電流の値を制御する制御電圧を出力する演算回路と、制御電圧に応じた周波数の発振信号をチョッパ回路へ出力する電圧制御発振器とを備えたことにより、低定電圧または低定電流で十分に充電を行ない、その後に充電電圧の上限値での充電を行なうようにすることができるので、チョッパ回路の制御精度が高い時点で上記上限値での充電を行なうことができ、従って、リチウムイオン蓄電池が過充電になることはなく、リチウムイオン蓄電池を安全確実に充電することが可能な定電流・定電圧充電装置を実現することができる。
【００６３】
また、演算回路が、定電圧充電時の設定電圧値である第１の電圧値と、第１の電圧値よりも小さな値の第２の電圧値と、定電流充電時の設定電流値である第１の電流値と、第１の電流値よりも小さな値の第２の電流値とを保持し、電池電圧値が第２の電圧値に到達するまでは第１の電流値で定電流充電を行い、電池電圧値が第２の電圧値に到達した後は第２の電圧値で定電圧充電を行い、充電電流値が第２の電流値に到達した後は再び第１の電流値で定電流充電を行い、電池電圧値が第１の電圧値に到達した後は第１の電圧値で定電圧充電を行うことにより、定電圧充電時の設定電圧値である第１の電圧値よりも低い第２の電圧値で十分に充電を行ない、その後に第１の電圧値での充電を行なうようにしたので、充電電流値が少なく且つ満充電に近いことにより内部インピーダンスが高い電池に対して第１の電圧値によるリップル成分の少ない定電圧充電を行なうことができるので、電池がリップル成分により過充電になることがなく、また電池電圧の値が設定電圧値に近付くにつれてリップル成分も減少していくので満充電が可能な定電流・定電圧充電装置を実現することができる。
【００６４】
さらに、演算回路が、定電圧充電時の設定電圧値と、初期定電流充電時の設定電流値である第１の電流値と、第１の電流値よりも小さな値の第２の電流値と、第１の電流値よりも小さく第２の電流値よりも大きな値の第３の電流値とを保持し、電池電圧値が設定電圧値に到達するまでは第１の電流値で定電流充電を行い、電池電圧値が設定電圧値に到達した後は第３の電流値で定電流充電を行い、電池電圧値が再び設定電圧値に到達した後は充電電流が第２の電流値となるまで第１の電圧値で定電圧充電を行うことにより、初期定電流充電時の設定電流値よりも低い定電流値で十分に充電を行ない、その後に設定電圧値での充電を行なうようにしたので、充電電流値が少なく且つ満充電に近いことにより内部インピーダンスが高い電池に対して設定電圧値によるリップル成分の少ない定電圧充電を行なうことができるので、電池がリップル成分により過充電になることがなく、また電池電圧の値が設定電圧値に近付くにつれてリップル成分も減少していくので満充電が可能な定電流・定電圧充電装置を実現することができる。
【００６５】
さらに、演算回路が、定電圧充電時の設定電圧である第１の電圧値と、第１の電圧値よりも小さな値の第２の電圧値と、初期定電流充電時の設定電流値である第１の電流値と、第１の電流値よりも小さな値の第２の電流値と、第１の電流値よりも小さく第２の電流値よりも大きな値の第３の電流値とを保持し、電池電圧値が第２の電圧値に到達するまでは第１の電流値で定電流充電を行い、電池電圧値が第２の電圧値に到達した後は第３の電流値で定電流充電を行い、電池電圧値が第１の電圧値に到達した後は充電電流値が第２の電流値となるまで第１の電圧値で定電圧充電を行うことにより、初期定電流充電時の設定電流値よりも低い定電流値で十分に充電を行ない、その後に第１の電圧値での充電を行なうようにしたので、充電電流値が少なく且つ満充電に近いことにより内部インピーダンスが高い電池に対して第１の電圧値によるリップル成分の少ない定電圧充電を行なうことができるので、電池がリップル成分により過充電になることがなく、また電池電圧の値が第１の電圧値に近付くにつれてリップル成分も減少していくので満充電が可能な定電流・定電圧充電装置を実現することができる。
【００６６】
さらに、電力を発生する電源回路と、充電電流と充電電圧の制御を行うチョッパ回路と、充電電圧を検出する充電電圧検出回路と、充電電流を検出するための充電電流検出回路と、電池電圧を検出する電池電圧検出回路と、検出された電池電圧および充電電圧の値から充電電流を算出する充電電流計算回路と、検出された電池電圧のピークホールド処理を行うピークホールド回路と、検出された電池電圧、前記算出された充電電流およびピークホールド処理された電池電圧の値から電池電圧および充電電流の値を制御する制御電圧を出力する演算回路と、制御電圧に応じた周波数の発振信号をチョッパ回路へ出力する電圧制御発振器とを備えたことにより、電池電圧にリップル成分を含んでいても、電池電圧の波高値を常に設定電圧値以下に制御することができるので、リチウムイオン蓄電池の過充電を防止することができ、リチウムイオン蓄電池を安全確実に充電することができる定電流・定電圧充電装置を実現することができる。
【００６７】
さらに、演算回路が、定電圧充電時の設定電圧値と、定電流充電時の設定電流値とを保持し、ピークホールド処理された電池電圧が設定電圧値に到達するまでは設定電流値で定電流充電を行い、ピークホールド処理された電池電圧値が設定電圧値に到達した後は設定電圧値で定電圧充電を行うことにより、電池電圧をピークホールド処理して得られたピーク値に基づいて電池電圧を制御するようにしたので、電池電圧の値を常に設定電圧値以下に設定することができるので過充電が生ぜず、また電池電圧の値が設定電圧値に近付くにつれてリップル成分も減少していくので満充電が可能な定電流・定電圧充電装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置を示す回路図
【図２】本発明の第２の実施の形態における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図
【図３】本発明の第３の実施の形態における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図
【図４】本発明の第４の実施の形態における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図
【図５】本発明の第５の実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置を示す回路図
【図６】本発明の第６の実施の形態における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図
【図７】第６の実施の形態における電池電圧等を示すグラフ図
【図８】充電電流、電池内部インピーダンスとリップル成分波高値との関係を示すグラフ図
【図９】従来の定電流・定電圧充電装置を示す回路図
【図１０】（ａ）図９の装置における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図
（ｂ）（ａ）のＡ部拡大図
【符号の説明】
１ 電源回路
２ チョッパ回路
３ 充電電圧検出回路
４ 充電電流検出回路
５ 電池電圧検出回路
６ リチウムイオン蓄電池
７ 充電電流計算回路
８ 演算回路
９ 電圧制御発振器
１０ ピークホールド回路
【発明の属する利用分野】
本発明は充電装置に関し、特に、電池を定電流および定電圧の順序で充電する定電流・定電圧充電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電池を電源とする装置では、マンガン乾電池に代表される充電不可能な１次電池から次第に、ニッケルカドミウム蓄電池や小型鉛シール蓄電池に代表されるような充電して何度も繰り返し使用できる２次電池が多く使用されるようになってきている。２次電池はどうしても１次電池よりもエネルギー密度が低いため、１次電池と同じ電池容量を得たいときは、より寸法の大きな電池を使う必要があった。そのため２次電池はたゆまなく高容量化が図られてきた。ところが最近になって、ニッケルカドミウム蓄電池や小型鉛シール蓄電池よりもはるかに高容量を得ることができるリチウムイオン蓄電池が登場してきた。この電池は陽極にコバルト酸リチウム、陰極に種々の組成の炭素を使用し、従来のニッケルカドミウム蓄電池よりも２５０〜３００％多い電池容量が得られる。
【０００３】
リチウムイオン蓄電池は通常、鉛蓄電池と同様に定電流・定電圧充電法で充電される。すなわち、電池電圧が一定値に到達するまでは定電流にて充電を行い、その後は一定の電圧にて充電を行う方法である。このとき、定電圧充電の電圧設定値が不適切だと、容易にリチウムイオン蓄電池は過充電状態になってしまう。具体的には、陰極が天然黒鉛径のリチウムイオン蓄電池では４．１Ｖを越える電圧、陰極がコークス系のリチウムイオン蓄電池では４．２Ｖを越える電圧で充電されると、過充電になってしまう。過充電状態のリチウムイオン蓄電池はニッケルカドミウム蓄電池よりも性能が速く劣化し、最悪の場合、電池内部のリチウムイオンがデンドライトと呼ばれる針状の結晶構造をとって金属リチウムとして析出し、電池の陽極と陰極を分離しているセパレータを突き破って電池内部でショートし、発火・発煙する可能性がある。
【０００４】
一方、定電流・定電圧充電装置は、抵抗やシリーズレギュレータでも実現できるが、効率や発熱を考慮してチョッパ回路として実現されることが多い。
【０００５】
以下、従来の定電流・定電圧充電装置について、図を用いて説明する。
図９は従来の定電流・定電圧充電装置を示す回路図である。図９において、１は電力を発生する電源回路、２は充電電流と充電電圧の制御を行うチョッパ回路、５は電池の電圧を検出する電池電圧検出回路、６は充電対象であるリチウムイオン蓄電池、９は印加される電圧により発振周波数が可変となる電圧制御発振器（ＶＣＯ）、１１は電池電圧検出回路５からの検出電池電圧を増幅して制御電圧として電圧制御発振器９へ出力する直流アンプ、１２は定電流充電時に充電電流を制限する電流制限抵抗器である。
【０００６】
図１０（ａ）は、従来の定電流・定電圧充電装置を用いてリチウムイオン蓄電池の充電を行なったときの電池電圧、充電電流の特性を示す特性図である。また、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡ部拡大図である。図１０（ａ）、（ｂ）において、Ｖ１は定電圧充電の設定電圧値、ｉ１は定電流充電の設定電流値、ｔｃは定電流充電から定電圧充電に切り替わる時点、ｒは電池電圧のリップル成分である。
【０００７】
以上のような構成、特性の定電流・定電圧充電装置について、その動作を説明する。図９の充電装置は、電源回路１の電源が投入され、電源回路１が電力を発生すると、電池電圧検出回路５がリチウムイオン蓄電池６の電圧を検出し、この検出された電池電圧は直流アンプ１１で増幅され、電圧制御発振器９に入力される。これにより電圧制御発振器９は或る周波数の信号を発振させ、発振信号としてチョッパ回路２へ出力し、チョッパ回路２は充電電圧、充電電流の供給を開始する。リチウムイオン蓄電池６の電池電圧がチョッパ回路２の出力電圧よりも低いときには、充電電流は両者の差と電流制限抵抗器１２の抵抗値とによって決まり、ほぼ一定の電流ｉ１で充電が行なわれる。すなわち、チョッパ回路２の出力電圧（充電電圧）は、電池電圧値を電圧値Ｖ１に近付けるように制御されるが、充電電流値はほぼ一定の電流値ｉ１となる。従って、この段階の充電は定電流充電である。図１０（ａ）に示すように、時刻ｔｃにおいて電池電圧値が一定電圧値Ｖ１に達したとき、充電は定電圧充電へ移行する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の定電流・定電圧充電装置では、チョッパ回路２のリップル成分ｒ（図１０（ｂ）参照）による過剰なリチウムイオンの移動により、リチウムイオン蓄電池では過充電になりやすいという問題点を有していた。
【０００９】
すなわち、従来の定電流・定電圧充電装置では、電池電圧検出回路５でリチウムイオン蓄電池６の電池電圧を検出しているが、電池電圧にはチョッパ回路２のリップル成分も含まれている。それを図示したのが図１０（ｂ）の拡大図である。一般に、チョッパ回路２の動作周波数はスイッチ素子の効率やインダクタの小型化を図るために数１０ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚが選ばれる。従って、チョッパ回路２の出力電圧は実際には電池電圧の変動を積分した電圧に追従することになるが、リップル成分の周波数が高いためにキャパシタ等で電池に流れることを阻止することは困難であり、リップル成分もまたリチウムイオン蓄電池６に印加されることになる。
【００１０】
上述したように、リップル成分によりリチウムイオン蓄電池６が過充電されると、陰極への金属リチウムの出現やデンドライト発生による不安全事故につながる可能性が高くなる。一方、市場では２次電池の容量アップの要求が根強く、高容量を得られるリチウムイオン蓄電池６を安全確実に充電する充電装置が強く求められている。
【００１１】
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、電池を安全確実に充電することができる定電流・定電圧充電装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記従来の課題を解決するために、充電電流と充電電圧の制御を行うチョッパ回路と、電池電圧を検出する電池電圧検出回路と、電池電圧に基づいて充電電流を算出する充電電流計算回路とを備えた定電流・定電圧充電装置において、検出された電池電圧のピークホールド処理を行うピークホールド回路と、ピークホールド回路によりホールド処理されたピーク電圧値が所定の値に到達するまでは定電流充電を行い、ホールド処理されたピーク電圧値が所定の値に到達した後は定電圧充電を行うように制御電圧を出力する演算回路と、制御電圧に応じた周波数の発振信号をチョッパ回路へ出力する電圧制御発振器とを備えた構成を有しているのでリチウムイオン蓄電池を安全確実に充電することができる定電流・定電圧充電装置を提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１記載の発明は、電力を発生する電源回路と、充電電流と充電電圧の制御を行うチョッパ回路と、電池電圧を検出する電池電圧検出回路と、電池電圧に基づいて充電電流を算出する充電電流計算回路と、検出された電池電圧のピークホールド処理を行うピークホールド回路と、ピークホールド回路によりホールド処理されたピーク電圧値が所定の値に到達するまでは定電流充電を行い、前記ホールド処理されたピーク電圧値が所定の値に到達した後は定電圧充電を行うように制御電圧を出力する演算回路と、制御電圧に応じた周波数の発振信号をチョッパ回路へ出力する電圧制御発振器とを備えたことにより、電池電圧にリップル成分を含んでいても、電池電圧の波高値を常に設定電圧値以下に制御することができるので、電池の過充電を防止することができ、安全確実に充電を行なうことができるという作用を有する。
【００１８】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１の記載の発明において、演算回路が、定電圧充電時の設定電圧値と、定電流充電時の設定電流値とを保持し、ピークホールド処理された電池電圧が設定電圧値に到達するまでは設定電流値で定電流充電を行い、ピークホールド処理された電池電圧値が設定電圧値に到達した後は設定電圧値で定電圧充電を行うことにより、電池電圧をピークホールド処理して得られたピーク値に基づいて電池電圧を制御するようにしたので、電池電圧の値を常に設定電圧値以下に設定することができるという作用を有する。
【００１９】
（実施の形態１）
以下、本発明の一実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置について図を用いて説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置を示す回路図である。図１において、１は電源回路、２はチョッパ回路、５は電池電圧検出回路、６はリチウムイオン蓄電池であり、これらは図９と同様のものなので、同一符号を付して説明は省略する。３はチョッパ回路２の出力電圧である充電電圧を検出する充電電圧検出回路、４は充電電流を検出するための充電電流検出回路、７は充電電圧検出回路３で検出された充電電圧と電池電圧検出回路５で検出された電池電圧の値ｖとから充電電流の値ｉを算出する充電電流計算回路、８は検出された電池電圧の値ｖおよび算出された充電電流の値ｉから電池電圧および充電電流の値ｖ、ｉを制御する制御電圧ａを出力する演算回路、９は演算回路８から出力される制御電圧ａに応じた周波数の発振信号ｂをチョッパ回路２へ出力する電圧制御発振器（ＶＣＯ）である。
【００２０】
以上のように構成された定電流・定電圧充電装置について、その動作を説明する。充電を開始する際にはまず電源回路１の電源が投入され、電源回路１が電力を発生すると、電池電圧検出回路５がリチウムイオン蓄電池６の電圧値ｖを検出する。充電電圧検出回路３で検出された充電電圧の値と電池電圧検出回路５で検出された電池電圧の値ｖとは充電電流計算回路７に入力され、充電電流計算回路７はこれらの値から充電電流の値ｉを算出する。演算回路８は、検出された電池電圧の値ｖおよび算出された充電電流の値ｉから電池電圧および充電電流の値ｖ、ｉを制御する制御電圧ａを電圧制御発振器９へ出力する。制御電圧ａを印加された電圧制御発振器９は、制御電圧ａに応じた或る周波数の信号を発振させ、その発振信号ｂをチョッパ回路２へ出力して、充電を開始する。このように、電池電圧は、検出電池電圧値ｖおよび算出充電電流値ｉに基づいて、演算回路８、電圧制御発振器９およびチョッパ回路２により制御される。本装置は定電流・定電圧充電装置であり、まず定電流充電を行ない、最後に設定電池電圧値つまり充電電圧の上限値の定電圧充電を行なう。その途中の段階においては種々の定電流・定電圧充電が考えられる。このように最終段階においては上限値の定電圧充電が行なわれるが、この最終段階の定電圧充電における充電電流の値ｉが定電流充電の電流値よりも小さい或る電流値に達すると、充電を終了する。つまり、定電圧充電において充電電流値が小さくなることはその定電圧において満充電に近いことを意味する。
【００２１】
以上のように本実施の形態によれば、定電流または充電電圧の上限値よりも低い定電圧で十分に充電を行ない、その後に充電電圧の上限値での充電を行なうようにすることができるので、チョッパ回路２の制御精度が高い時点で上記上限値での充電を行なうことができ、従って、リチウムイオン蓄電池６が過充電になることはなく、リチウムイオン蓄電池６を安全確実に充電することができる。
【００２２】
（実施の形態２）
以下、本発明の第２の実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置について説明する。
【００２３】
本実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置は図１の装置と同じ回路であり、第１の実施の形態とは演算回路８の動作が異なるのみであるので、演算回路８の動作を中心に説明する。
【００２４】
図２は本発明の第２の実施の形態における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図である。図２において、Ｓ１は電池電圧特性を示す特性曲線、Ｓ２は充電電流特性を示す特性曲線である。
【００２５】
図２のような特性を有する定電流・定電圧充電装置について、その動作を演算回路８を中心にして説明する。演算回路８には、定電圧充電時の設定電圧値である第１の電圧値Ｖ１と、第１の電圧値Ｖ１よりも小さな値の第２の電圧値Ｖ２と、定電流充電時の設定電流値である第１の電流値ｉ１と、第１の電流値ｉ１よりも小さな値の第２の電流値ｉ２とが、予め設定保持されている。演算回路８は、例えば天然黒鉛系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には電池電圧が３．９Ｖとなるように、またコークス系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には電池電圧が４．０Ｖとなるように、電圧制御発振器９に制御電圧ａを印加する。上記３．９Ｖ、４．０Ｖは第２の電圧値Ｖ２である。制御電圧ａを印加された電圧制御発振器９は、制御電圧ａに応じた或る周波数の信号を発振させ、その発振信号ｂをチョッパ回路２へ出力して、充電を開始する。リチウムイオン蓄電池６の電池電圧がチョッパ回路２の出力電圧（充電電圧）よりも低いときには、充電電流は両者の差と充電電流検出回路４の抵抗値とによって決まり、ほぼ一定の電流値ｉ１で充電が行なわれる。すなわち、チョッパ回路２の出力電圧は、電池電圧値を第２の電圧値Ｖ２に近付けるように制御されるが、充電電流値はほぼ一定の電流値ｉ１となる。従って、この段階の充電は定電流充電である。
【００２６】
図２に示すように電池電圧の値ｖが一定電圧値Ｖ２に達したとき、充電は定電圧充電へ移行する。この時点では、電池電圧の値ｖが一定値Ｖ２になるように、演算回路８から電圧制御発振器９に制御電圧ａが印加され、電圧制御発振器９からチョッパ回路２に対して電池電圧値が一定になるような周波数の発振信号ｂが与えられる。その結果、リチウムイオン蓄電池６における充電量が増加するにしたがってリチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスが増加するために充電電流は次第に減少していく。
【００２７】
一般的にチョッパ回路２の出力のリップル成分は、接続されている負荷のインピーダンス（充電装置の場合は電池の内部インピーダンス）と負荷に供給する電流値とに影響されることは広く知られている。図８は充電電流、電池内部インピーダンスとリップル成分波高値との関係を示すグラフ図である。図８に示すように、負荷のインピーダンス（ここでは電池の内部インピーダンス）が低いほど、また負荷に供給する電流が大きいほど、チョッパ回路２のレギュレーション（制御性）は悪くなり、リップル成分の波高値は大きくなる。逆に、負荷のインピーダンスが高いほど、また負荷に供給する電流が小さいほど、チョッパ回路２の制御性は良くなり、リップル成分の波高値は小さくなる。
【００２８】
電池電圧の値ｖが一定電圧（第２の電圧値）Ｖ２になるように定電圧充電を行なっている間もチョッパ回路２の出力電圧にはやはりリップルが含まれているが、第２の電圧値Ｖ２がリチウムイオン蓄電池６の充電電圧の上限値（一般に天然黒鉛系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には４．１Ｖ、コークス系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には４．２Ｖ）である第１の電圧値Ｖ１よりも低く設定されている。つまり、本実施の形態では、Ｖ１−Ｖ２＝０．２Ｖである。このため、チョッパ回路２の出力電圧中のリップル成分のピーク値であっても充電電圧の上限値Ｖ１には達せず、リチウムイオン蓄電池６が過充電になることはない。
【００２９】
第２の電圧値Ｖ２での定電圧充電においては図２に示すように充電電流が徐々に減少していくが、この充電電流値が第２の電流値ｉ２まで減少すると、演算回路８は、充電電流が第１の電流値ｉ１になるように再び電圧制御発振器９に制御電圧ａを印加する。これにより電圧制御発振器９からチョッパ回路２へ、充電電流値が一定電流値ｉ１になるような周波数の発振信号ｂが与えられる。
【００３０】
一定電流値ｉ１での定電流充電においては図２に示すように電池電圧の値ｖが徐々に上昇していく。電池電圧の値ｖが第１の電圧値Ｖ１に到達すると、充電は再び定電圧充電に移行する。この定電圧充電においては、電池電圧の値ｖが一定値Ｖ１になるように、演算回路８から電圧制御発振器９に制御電圧ａが印加され、電圧制御発振器９からチョッパ回路２へ、電池電圧が一定になるような周波数の発振信号ｂが与えられる。その結果、リチウムイオン蓄電池６の充電量が増加するにしたがって、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスが増加するために充電電流が次第に減少していく。このとき、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスは、この時点以前（電池電圧値ｖがＶ１に到達する以前）よりも十分に高くなっているので、チョッパ回路２の出力電圧中のリップル成分は十分に小さくなっており、リップル成分の波高値は無視できる値になっており、ほぼリチウムイオン蓄電池６の充電電圧の上限値Ｖ１と同じとみなすことができる。従って、リチウムイオン蓄電池６は安全に規定の電池電圧に到達し、満充電とすることができる。
【００３１】
図２に示すように、充電電流計算回路７における充電電流値ｉが最も小さな第２の電流値ｉ２となったところで充電を終了する。
【００３２】
以上のように本実施の形態によれば、定電圧充電時の設定電圧値（充電電圧上限値）Ｖ１よりも低い電圧値Ｖ２で十分に充電を行ない、その後に設定電圧値Ｖ１での充電を行なうようにしたので、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスが高く、従ってチョッパ回路２の制御精度が高い時点で設定電圧値Ｖ１での充電を行なうようになり、この高い制御精度においてはチョッパ回路出力電圧すなわち電池電圧のリップル成分のピーク電圧値が十分に低いことによりリチウムイオン蓄電池６が過充電になることはなく、リチウムイオン蓄電池６を安全確実に充電することができる。また電池電圧の値ｖが設定電圧値Ｖ１に近付くにつれて、リップル成分は減少していくので、電池電圧の値ｖを設定電圧値Ｖ１に到達させることができ、満充電が可能になる。
【００３３】
（実施の形態３）
以下、本発明の第３の実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置について説明する。本実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置は図１の装置と同一回路であり、第１の実施の形態とは演算回路８の動作が異なるのみであるので、演算回路８の動作を中心に説明する。
【００３４】
図３は本発明の第３の実施の形態における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図である。図３において、Ｓ１１は電池電圧特性を示す特性曲線、Ｓ１２は充電電流特性を示す特性曲線である。
【００３５】
図３のような特性を有する定電流・定電圧充電装置について、その動作を演算回路８を中心にして説明する。演算回路８には、定電圧充電時の設定電圧値（充電電圧の上限値）Ｖ１と、定電流充電時の設定電流値である第１の電流値ｉ１と、第１の電流値ｉ１よりも小さな値の第２の電流値ｉ２と、第１の電流値ｉ１よりも小さく第２の電流値ｉ２よりも大きい第３の電流値ｉ３とが、予め設定保持されている。演算回路８は、例えば天然黒鉛系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には電池電圧が４．１Ｖとなるように、またコークス系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には４．２Ｖとなるように、電圧制御発振器９に制御電圧ａを印加する。上記４．１Ｖ、４．２Ｖは設定電圧値Ｖ１である。制御電圧ａを印加された電圧制御発振器９は、制御電圧に応じた或る周波数の信号を発振させ、その発振信号ｂをチョッパ回路２へ出力して、充電を開始する。リチウムイオン蓄電池６の電池電圧がチョッパ回路２の出力電圧よりも低いときには、充電電流は両者の差と充電電流検出回路４の抵抗値とによって決まり、ほぼ一定の電流値ｉ１で充電が行なわれる。すなわち、チョッパ回路２の出力電圧は、電池電圧値を設定電圧値Ｖ１に近付けるように制御されるが、充電電流値はほぼ一定の電流値ｉ１となる。従って、この段階の充電は定電流充電である。電池電圧の値ｖが一定電圧値Ｖ１に達したとき、図３に示すように、充電電流値が第１の電流値ｉ１より十分に少ない第３の一定電流値ｉ３になるように、演算回路８から電圧制御発振器９に制御電圧ａが印加され、電圧制御発振器９からチョッパ回路２に対して、充電電流が一定値ｉ３になるような周波数の発振信号ｂが与えられる。
【００３６】
第２の実施の形態でも述べたように、一般的にチョッパ回路２の出力電圧のリップル成分は、負荷に供給する電流値に影響される。図８に示すように、負荷に供給する電流が大きいほど、チョッパ回路２のレギュレーション（制御性）は悪くなり、リップル成分の波高値は大きくなる。逆に、負荷に供給する電流が小さいほど、チョッパ回路２の制御性は良くなり、リップル成分の波高値は小さくなる。なお、図３に示すように電池電圧値は瞬間的に設定電圧値（充電電圧の上限値）Ｖ１に達するが、これは瞬間的であり、これにより過充電となることはない。
【００３７】
充電電流値が一定値ｉ３になるような定電流充電を行なっている間もチョッパ回路２の出力電圧にはやはりリップルが含まれているが、電流値ｉ３は電流値ｉ１よりも十分に少ないためリップル成分は十分に小さく、そのリップル成分のピーク電圧値は充電電圧の上限値Ｖ１に到達しないため、リチウムイオン蓄電池６が過充電になることはない。
【００３８】
図３に示すように、充電電流が電流値ｉ１からｉ３と少なくなるので、電池電圧は一時的に低下するが、充電の進行と共に再び上昇する。電池電圧の値ｖが再びＶ１に到達した後、充電は定電圧充電に移行する。電池電圧値ｖが一定値Ｖ１になるように演算回路８から電圧制御発振器９に制御電圧ａが印加され、電圧制御発振器９からチョッパ回路２へ、電池電圧値が一定になるような周波数の発振信号ｂが与えられる。その結果、リチウムイオン蓄電池６の充電量が増加するにしたがって、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスが増加するため、充電電流値ｉは次第に減少していく。このとき、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスは、この時点以前（電池電圧値ｖがＶ１に到達する以前）よりも十分に高くなっているので、チョッパ回路２の出力中のリップル成分は十分に小さくなっており、リップル成分の波高値は無視できる値になっており、ほぼリチウムイオン蓄電池６の充電電圧の上限値Ｖ１と同じとみなすことができる。従って、リチウムイオン蓄電池６は安全に規定の電池電圧に到達し、満充電とすることができる。
【００３９】
図３に示すように、充電電流計算回路７における充電電流値ｉが最も小さな第２の電流値ｉ２となったところで充電は終了する。
【００４０】
以上のように本実施の形態によれば、初期定電流充電時の設定電流値ｉ１よりも低い定電流ｉ３で十分に充電を行ない、その後に設定電圧値（充電電圧の上限値）Ｖ１での充電を行なうようにしたので、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスが高く、従ってチョッパ回路２の制御精度が高い時点で設定電圧値Ｖ１での充電を行なうようになり、高い制御精度におけるチョッパ回路出力電圧すなわち電池電圧のリップル成分のピーク電圧値が十分に低いことにより、リチウムイオン蓄電池６が過充電になることはなく、リチウムイオン蓄電池６を安全確実に充電することができる。
【００４１】
（実施の形態４）
以下、本発明の第３の実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置について説明する。
【００４２】
なお、本実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置は図１の装置と同一回路であり、演算回路８の動作が異なるのみであるので、演算回路８の動作を中心に説明する。
【００４３】
図４は本発明の第４の実施の形態における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図である。図４において、Ｓ２１は電池電圧特性を示す特性曲線、Ｓ２２は充電電流特性を示す特性曲線である。
【００４４】
図４のような特性を有する定電流・定電圧充電装置について、その動作を演算回路８を中心にして説明する。演算回路８には、定電圧充電時の設定電圧値（充電電圧の上限値）である第１の定電圧値Ｖ１と、第１の定電圧値Ｖ１よりも小さい第２の定電圧値Ｖ２と、定電流充電時の設定電流値である第１の電流値ｉ１と、第１の電流値ｉ１よりも小さな値の第２の電流値ｉ２と、第１の電流値ｉ１よりも小さく第２の電流値ｉ２よりも大きい第３の電流値ｉ３とが、予め設定保持されている。演算回路８は、例えば天然黒鉛系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には電池電圧が４．１Ｖとなるように、またコークス系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には電池電圧が４．２Ｖとなるように、電圧制御発振器９に制御電圧ａを印加する。上記４．１Ｖ、４．２Ｖは設定電圧値Ｖ１である。制御電圧ａを印加された電圧制御発振器９は、制御電圧ａに応じた或る周波数の信号を発振させ、その発振信号ｂをチョッパ回路２へ出力して、充電を開始する。リチウムイオン蓄電池６の電池電圧がチョッパ回路２の出力電圧よりも低いときには、充電電流は両者の差と充電電流検出回路４の抵抗値とによって決まり、ほぼ一定の電流値ｉ１で充電が行なわれる。すなわち、チョッパ回路２の出力電圧は、電池電圧値を設定電圧値Ｖ１に近付けるように制御されるが、充電電流値はほぼ一定の電流値ｉ１となる。従って、この段階の充電は定電流充電である。
【００４５】
電池電圧が電圧値Ｖ１よりも低い第２の電圧値Ｖ２（例えば天然黒鉛系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には３．９Ｖ、コークス系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には４．０Ｖ）に達したとき、図４に示すように、充電電流値が第１の電流値ｉ１より十分に少ない第３の一定電流値ｉ３になるように、演算回路８から電圧制御発振器９に制御電圧ａが印加され、電圧制御発振器９からチョッパ回路２に対して、充電電流値が一定値ｉ３になるような周波数の発振信号ｂが与えられる。
【００４６】
第２の実施の形態でも述べたように、一般的にチョッパ回路２の出力電圧のリップル成分は、負荷に供給する電流値にも影響される。図８に示すように、負荷に供給する電流が大きいほど、チョッパ回路２のレギュレーション（制御性）は悪くなり、リップル成分の波高値は大きくなる。逆に、負荷に供給する電流が小さいほど、チョッパ回路２の制御性は良くなり、リップル成分の波高値は小さくなる。
【００４７】
充電電流が一定値ｉ３になるような定電流充電を行なっている間もチョッパ回路２の出力電圧にはやはりリップルが含まれているが、電流値ｉ３は電流値ｉ１よりも十分に少ないためリップル成分は十分に小さく、そのリップル成分のピーク電圧値は充電電圧の上限値Ｖ１に到達しないため、リチウムイオン蓄電池６が過充電になることはない。
【００４８】
図４に示すように、充電電流値が電流値ｉ１からｉ３と少なくなるので、電池電圧は一時的に低下するが、充電の進行と共に再び上昇する。電池電圧の値ｖがＶ１に到達した後、充電は定電圧充電に移行する。電池電圧値ｖが一定値Ｖ１になるように演算回路８から電圧制御発振器９に制御電圧ａが印加され、電圧制御発振器９からチョッパ回路２へ、電池電圧が一定になるような周波数の発振信号ｂが与えられる。その結果、リチウムイオン蓄電池６の充電量が増加するにしたがって、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスが増加するため、充電電流値ｉは次第に減少していく。このとき、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスは、この時点以前（電池電圧値ｖがＶ１に到達する以前）よりも十分に高くなっているので、チョッパ回路２の出力電圧中のリップル成分は十分に小さくなっており、リップル成分の波高値は無視できる値になっており、ほぼリチウムイオン蓄電池６の充電電圧の上限値Ｖ１と同じとみなすことができる。従って、リチウムイオン蓄電池６は安全に規定の電池電圧に到達し、満充電とすることができる。
【００４９】
図４に示すように、充電電流計算回路７における充電電流値ｉが最も小さな第２の電流値ｉ２となったところで充電は終了する。
【００５０】
以上のように本実施の形態によれば、初期定電流充電時の設定電流値ｉ１よりも低い定電流ｉ３で十分に充電を行ない、その後に設定電圧値（充電電圧の上限値）Ｖ１での充電を行なうようにしたので、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスが高いことによりチョッパ回路２の制御精度が高い時点で設定電圧値Ｖ１での充電を行なうようになり、チョッパ回路出力電圧のリップル成分のピーク電圧値が十分に低いことにより、リチウムイオン蓄電池６が過充電になることはなく、リチウムイオン蓄電池６を安全確実に充電することができる。
【００５１】
（実施の形態５）
以下、本発明の第５の実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置について図５〜図７を用いて説明する。図５は本発明の第５の実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置を示す回路図である。図５において、１は電源回路、２はチョッパ回路、３は充電電圧検出回路、４は充電電流検出回路、５は電池電圧検出回路、６はリチウムイオン蓄電池、７は充電電流計算回路、８は演算回路、９は電圧制御発振器であり、これらは図１と同様のものなので、同一符号を付して説明は省略する。１０は電池電圧値ｖのピーク値をホールドするピークホールド回路である。
【００５２】
以上のように構成された定電流・定電圧充電装置について、その動作を説明する。演算回路８には、定電圧充電時の設定電圧値（充電電圧の上限値）Ｖ１と、定電流充電時の設定電流である電流値ｉ１とが、予め設定保持されている。
【００５３】
充電を開始する際にはまず電源回路１の電源が投入され、電源回路１が電圧を発生すると、電池電圧検出回路５がリチウムイオン蓄電池６の電圧値ｖを検出する。電池電圧値ｖと充電電圧値とが充電電流計算回路７に入力され、充電電流計算回路７は、予め記憶した充電電流検出回路４の抵抗値に基づいて、充電電流値ｉを算出する。ピークホールド回路１０は、入力された電池電圧値ｖのピーク値ｖｐ（図７参照）をホールドする。電池電圧値ｖと充電電流値ｉとピーク値ｖｐとは演算回路８に入力され、演算回路８はこれらの値から制御電圧ａを発生する。制御電圧ａを印加された電圧制御発振器９は、制御電圧ａに応じた或る周波数の信号を発振させ、その発振信号ｂをチョッパ回路２へ出力して、充電を開始する。本装置は定電流・定電圧充電装置であり、まず定電流充電が行なわれ、最後に設定電池電圧つまり充電電圧の上限値で定電圧充電が行なわれる。
【００５４】
以上のように本実施の形態によれば、ピークホールド処理された電池電圧に基づいて充電を行なうことにより、電池電圧にリップル成分を含んでいても、電池電圧の波高値を常に上記設定電池電圧値以下に制御することができるので、リチウムイオン蓄電池６の過充電を防止することができ、リチウムイオン蓄電池６を安全確実に充電することができる。
【００５５】
（実施の形態６）
以下、本発明の第６の実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置について説明する。
【００５６】
本実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置は図５と同一回路であり、演算回路８の動作が異なるのみであるので、演算回路８の動作を中心に説明する。
【００５７】
図６は本発明の第６の実施の形態における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図、図７は第６の実施の形態における電池電圧等を示すグラフ図である。また図６において、Ｓ３１は電池電圧特性を示す特性曲線、Ｓ３２は充電電流特性を示す特性曲線である。さらに図７において、Ｓ４１は電池電圧波形を示す特性曲線、Ｓ４２は後述のピークホールド回路１０の出力電圧を点線で示す特性曲線であり、ｖｐは電池電圧の波高値（ピーク値）である。
【００５８】
図６、図７の特性を有する定電流・定電圧充電装置について、その動作を演算回路８を中心にして説明する。演算回路８には、定電圧充電時の設定電圧値（充電電圧の上限値）Ｖ１と、定電流充電時の設定電流値ｉ１とが、予め設定保持されている。演算回路８は、例えば天然黒鉛系陰極のリチウムイオン蓄電池を充電する場合には電池電圧が４．１Ｖとなるように、またコークス系陰極のリチウムイオン蓄電池６を充電する場合には４．２Ｖとなるように、電圧制御発振器９に制御電圧ａを印加する。上記４．１Ｖ、４．２Ｖは設定電圧値Ｖ１である。制御電圧ａを印加された電圧制御発振器９は、制御電圧ａに応じた或る周波数の信号を発振させ、その発振信号ｂをチョッパ回路２へ出力して、充電を開始する。リチウムイオン蓄電池６の電池電圧がチョッパ回路２の出力電圧よりも低いときには、充電電流は両者の差と充電電流検出回路４の抵抗値とによって決まり、図６に示すように、ほぼ一定の電流値ｉ１で充電が行なわれる。すなわち、チョッパ回路２の出力電圧は、電池電圧値を設定電圧値Ｖ１に近付けるように制御されるが、充電電流値はほぼ一定の電流値ｉ１となる。従って、この段階の充電は定電流充電である。
【００５９】
このとき、演算回路８には、ピークホールド回路１０を介して、チョッパ回路２で発生したリップル成分の波高値（ピーク値）ｖｐが入力されており、演算回路８から電圧制御発振器９に印加される制御電圧ａもピーク値ｖｐに基づく電圧値となっている。すなわち、演算回路８は、ピークホールド回路１０からリップル成分の波高値ｖｐを入力し、この波高値ｖｐに基づいて制御電圧ａを発生するので、制御電圧ａの値はリップル成分に影響されない値となる。その結果、電圧制御発振器９からチョッパ回路２に与えられる或る周波数の発振信号ｂを受けて、チョッパ回路２から出力される充電電圧に基づく電池電圧値ｖは設定電圧値Ｖ１を越えることがない。この様子を図７に示す。図７に示すように、電池電圧はリップルを含む充電電圧のプラス側の包絡線をたどることになる。すなわち、リップルを含む電池電圧値ｖが電圧値Ｖ１を越えることはない。従って、チョッパ回路２の出力電圧は充電電圧の上限値Ｖ１に到達しないため、リチウムイオン蓄電池６が過充電になることはない。
【００６０】
リップル成分を含む電池電圧の波高値ｖｐが電圧値Ｖ１に到達した後は、電池電圧の波高値ｖｐが一定電圧値Ｖ１となるように、演算回路８から電圧制御発振器９に制御電圧ａが印加され、電圧制御発振器９からチョッパ回路２へ、電池電圧の波高値ｖｐが一定電圧値Ｖ１となるような周波数の発振信号ｂが与えられる。このときも、演算回路８にはチョッパ回路２で発生したリップル成分の波高値を含む電圧ｖｐが入力されており、チョッパ回路２から出力される充電電圧に基づく電池電圧の波高値ｖｐは電圧値Ｖ１を越えることはない。従って、電池電圧の波高値ｖｐが充電電圧の上限値Ｖ１に到達しないため、リチウムイオン蓄電池６が過充電になることはない。満充電が近付くにつれて、リチウムイオン蓄電池６の内部インピーダンスが増加して充電電流値ｉが減少することにより、チョッパ回路２のリップル成分も減少していくため、電池電圧の波高値ｖｐは図７に示すように最終的には上限値Ｖ１に到達することができる。従って、リチウムイオン蓄電池６を安全に満充電にできる。
【００６１】
以上のように本実施の形態によれば、電池電圧をピークホールド処理して得られたピーク値（電池電圧波高値）ｖｐに基づいて電池電圧を制御するようにしたので、電池電圧の波高値ｖｐを常に設定電圧値Ｖ１以下に設定することができ、また最終的にはチョッパ回路２のリップル成分が極めて小さくなることにより電池電圧の波高値ｖｐは上限値Ｖ１に到達することができるので、リチウムイオン蓄電池６の過充電を防止することができ、リチウムイオン蓄電池６を安全確実に満充電することができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように本発明は、電力を発生する電源回路と、充電電流と充電電圧の制御を行うチョッパ回路と、充電電圧を検出する充電電圧検出回路と、充電電流を検出するための充電電流検出回路と、電池電圧を検出する電池電圧検出回路と、検出された電池電圧および充電電圧の値から充電電流を算出する充電電流計算回路と、検出された電池電圧および算出された充電電流の値から電池電圧および充電電流の値を制御する制御電圧を出力する演算回路と、制御電圧に応じた周波数の発振信号をチョッパ回路へ出力する電圧制御発振器とを備えたことにより、低定電圧または低定電流で十分に充電を行ない、その後に充電電圧の上限値での充電を行なうようにすることができるので、チョッパ回路の制御精度が高い時点で上記上限値での充電を行なうことができ、従って、リチウムイオン蓄電池が過充電になることはなく、リチウムイオン蓄電池を安全確実に充電することが可能な定電流・定電圧充電装置を実現することができる。
【００６３】
また、演算回路が、定電圧充電時の設定電圧値である第１の電圧値と、第１の電圧値よりも小さな値の第２の電圧値と、定電流充電時の設定電流値である第１の電流値と、第１の電流値よりも小さな値の第２の電流値とを保持し、電池電圧値が第２の電圧値に到達するまでは第１の電流値で定電流充電を行い、電池電圧値が第２の電圧値に到達した後は第２の電圧値で定電圧充電を行い、充電電流値が第２の電流値に到達した後は再び第１の電流値で定電流充電を行い、電池電圧値が第１の電圧値に到達した後は第１の電圧値で定電圧充電を行うことにより、定電圧充電時の設定電圧値である第１の電圧値よりも低い第２の電圧値で十分に充電を行ない、その後に第１の電圧値での充電を行なうようにしたので、充電電流値が少なく且つ満充電に近いことにより内部インピーダンスが高い電池に対して第１の電圧値によるリップル成分の少ない定電圧充電を行なうことができるので、電池がリップル成分により過充電になることがなく、また電池電圧の値が設定電圧値に近付くにつれてリップル成分も減少していくので満充電が可能な定電流・定電圧充電装置を実現することができる。
【００６４】
さらに、演算回路が、定電圧充電時の設定電圧値と、初期定電流充電時の設定電流値である第１の電流値と、第１の電流値よりも小さな値の第２の電流値と、第１の電流値よりも小さく第２の電流値よりも大きな値の第３の電流値とを保持し、電池電圧値が設定電圧値に到達するまでは第１の電流値で定電流充電を行い、電池電圧値が設定電圧値に到達した後は第３の電流値で定電流充電を行い、電池電圧値が再び設定電圧値に到達した後は充電電流が第２の電流値となるまで第１の電圧値で定電圧充電を行うことにより、初期定電流充電時の設定電流値よりも低い定電流値で十分に充電を行ない、その後に設定電圧値での充電を行なうようにしたので、充電電流値が少なく且つ満充電に近いことにより内部インピーダンスが高い電池に対して設定電圧値によるリップル成分の少ない定電圧充電を行なうことができるので、電池がリップル成分により過充電になることがなく、また電池電圧の値が設定電圧値に近付くにつれてリップル成分も減少していくので満充電が可能な定電流・定電圧充電装置を実現することができる。
【００６５】
さらに、演算回路が、定電圧充電時の設定電圧である第１の電圧値と、第１の電圧値よりも小さな値の第２の電圧値と、初期定電流充電時の設定電流値である第１の電流値と、第１の電流値よりも小さな値の第２の電流値と、第１の電流値よりも小さく第２の電流値よりも大きな値の第３の電流値とを保持し、電池電圧値が第２の電圧値に到達するまでは第１の電流値で定電流充電を行い、電池電圧値が第２の電圧値に到達した後は第３の電流値で定電流充電を行い、電池電圧値が第１の電圧値に到達した後は充電電流値が第２の電流値となるまで第１の電圧値で定電圧充電を行うことにより、初期定電流充電時の設定電流値よりも低い定電流値で十分に充電を行ない、その後に第１の電圧値での充電を行なうようにしたので、充電電流値が少なく且つ満充電に近いことにより内部インピーダンスが高い電池に対して第１の電圧値によるリップル成分の少ない定電圧充電を行なうことができるので、電池がリップル成分により過充電になることがなく、また電池電圧の値が第１の電圧値に近付くにつれてリップル成分も減少していくので満充電が可能な定電流・定電圧充電装置を実現することができる。
【００６６】
さらに、電力を発生する電源回路と、充電電流と充電電圧の制御を行うチョッパ回路と、充電電圧を検出する充電電圧検出回路と、充電電流を検出するための充電電流検出回路と、電池電圧を検出する電池電圧検出回路と、検出された電池電圧および充電電圧の値から充電電流を算出する充電電流計算回路と、検出された電池電圧のピークホールド処理を行うピークホールド回路と、検出された電池電圧、前記算出された充電電流およびピークホールド処理された電池電圧の値から電池電圧および充電電流の値を制御する制御電圧を出力する演算回路と、制御電圧に応じた周波数の発振信号をチョッパ回路へ出力する電圧制御発振器とを備えたことにより、電池電圧にリップル成分を含んでいても、電池電圧の波高値を常に設定電圧値以下に制御することができるので、リチウムイオン蓄電池の過充電を防止することができ、リチウムイオン蓄電池を安全確実に充電することができる定電流・定電圧充電装置を実現することができる。
【００６７】
さらに、演算回路が、定電圧充電時の設定電圧値と、定電流充電時の設定電流値とを保持し、ピークホールド処理された電池電圧が設定電圧値に到達するまでは設定電流値で定電流充電を行い、ピークホールド処理された電池電圧値が設定電圧値に到達した後は設定電圧値で定電圧充電を行うことにより、電池電圧をピークホールド処理して得られたピーク値に基づいて電池電圧を制御するようにしたので、電池電圧の値を常に設定電圧値以下に設定することができるので過充電が生ぜず、また電池電圧の値が設定電圧値に近付くにつれてリップル成分も減少していくので満充電が可能な定電流・定電圧充電装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置を示す回路図
【図２】本発明の第２の実施の形態における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図
【図３】本発明の第３の実施の形態における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図
【図４】本発明の第４の実施の形態における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図
【図５】本発明の第５の実施の形態に係る定電流・定電圧充電装置を示す回路図
【図６】本発明の第６の実施の形態における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図
【図７】第６の実施の形態における電池電圧等を示すグラフ図
【図８】充電電流、電池内部インピーダンスとリップル成分波高値との関係を示すグラフ図
【図９】従来の定電流・定電圧充電装置を示す回路図
【図１０】（ａ）図９の装置における電池電圧、充電電流の特性を示すグラフ図
（ｂ）（ａ）のＡ部拡大図
【符号の説明】
１ 電源回路
２ チョッパ回路
３ 充電電圧検出回路
４ 充電電流検出回路
５ 電池電圧検出回路
６ リチウムイオン蓄電池
７ 充電電流計算回路
８ 演算回路
９ 電圧制御発振器
１０ ピークホールド回路
Claims (3)
- 電池を定電流および定電圧の順序で充電する定電流・定電圧充電装置であって、
電力を発生する電源回路と、
充電電流と充電電圧の制御を行うチョッパ回路と、
電池電圧を検出する電池電圧検出回路と、
電池電圧に基づいて充電電流を算出する充電電流計算回路と、
前記検出された電池電圧のピークホールド処理を行うピークホールド回路と、
前記ピークホールド回路によりホールド処理されたピーク電圧値が所定の値に到達するまでは定電流充電を行い、前記ホールド処理されたピーク電圧値が所定の値に到達した後は定電圧充電を行うように制御電圧を出力する演算回路と、
前記制御電圧に応じた周波数の発振信号を前記チョッパ回路へ出力する電圧制御発振器とを備えたことを特徴とする定電流・定電圧充電装置。 - 前記演算回路は、ピーク電圧値が所定の値に到達するまでの定電流充電を行う時の設定電流値と、ピーク電圧値が所定の値に到達した後の定電圧充電を行う時の設定電圧値とを保持する
ことを特徴とする請求項１記載の定電流・定電圧充電装置。 - 前記演算回路は、定電圧充電を行う時の設定電圧値を電池の種類毎に保持する
ことを特徴とする請求項１記載の定電流・定電圧充電装置。
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