JP3667803B2 - 二次電池の充電回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は二次電池の充電回路に係り、特に電圧充電方式で二次電池を充電する充電回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池の充電方式は種々提案されているが、リチウム二次電池などの非水溶媒系二次電池あるいは鉛蓄電池は定電圧充電方式をとることが多い。この充電方式は、電池電圧が設定値に達するまでは大電流で充電し、設定値に達すると電池電圧を一定にするように電流を下げる方式である。
【０００３】
このような電圧充電方式を実現する方法の具体的な一例として、例えば特開平４−１８３２３２号公報に記載されているように、二次電池の充電路に電流制御トランジスタを挿入し、このトランジスタのベース電流を電池電圧またはこれを分圧した電圧と基準電圧との誤差を増幅する誤差増幅器の出力に基づいて制御することにより、電池電圧が基準電圧に対応する設定値に近付くに従って該トランジスタのベース電流を減少させて充電電流の値を下げることにより、電池電圧が設定値を越えないようにする方法が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の定電圧充電方式では、電池電圧が設定値に近付くと電流制御トランジスタのベース電流が減少し始めてしまい、電池電圧が設定値に達する以前から充電電流が減少するため、電池電圧が設定値に達するまでの時間が長くなり、結果的に電池が満充電に達するまでの時間が長くなってしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、電池電圧が設定値に達してから充電電流を下げる制御を行うことにより、短時間で確実に満充電まで充電することができる二次電池の充電回路を提供することを目的とする。
【０００６】
【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用電源と、この充電用電源から二次電池に供給される充電電流を検出し該充電電流に対応した電圧を発生する電流検出手段と、この電流検出手段の出力電圧と二次電池の端子電圧に対応した電圧とを比較する電圧比較手段と、この電圧比較手段の出力に基づいて、電流検出手段の出力電圧と二次電池の端子電圧に対応した電圧のうち電圧値の大きい方を選択するスイッチ手段と、電流検出手段の出力電圧と二次電池の端子電圧に対応した電圧のいずれか一方を選択するスイッチ手段と、このスイッチ手段により選択された電圧が基準電圧と等しくなるように前記充電電流を制御する電流制御手段とを具備し、前記充電電流が所定の定電流値のときの前記電流検出手段の出力電圧と前記端子電圧が設定値のときの該端子電圧に対応した電圧とが等しくなるように構成されることを特徴とする。
【０００８】
【作用】
上記のように構成された本発明の充電回路では、充電初期の電池電圧が設定値に達するまでの期間は、電流検出手段の出力電圧が電池電圧に対応した電圧より高いため、電圧比較手段の出力に従って電流検出手段の出力電圧がスイッチ手段で選択され、これに基づいて充電電流が所定の定電流値を維持するように制御される。そして、充電が進んで電池電圧が設定値に達すると、電池電圧に対応した電圧が電流検出手段の出力電圧より高くなるため、電圧比較手段の出力に従って電池電圧に対応した電圧がスイッチ手段で選択され、これに基づいて電池電圧が設定値を保つように充電電流が減少される。
【０００９】
このように電池電圧が設定値に達してから充電電流が減少する制御が行われることにより、電池電圧が設定値に達するまでの時間が短くなるため、電池が満充電に達するまでの時間が短縮される。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る二次電池の充電回路を示す回路図である。同図において、充電用電源１の一端には電流制御回路２を介して二次電池３（以下、単に電池という）の正極端子が接続され、電池３の負極端子は電流検出回路４を介して充電用電源１の他端に接続されている。
【００１１】
電池３には、二つの抵抗Ｒ１，Ｒ２の直列回路からなる分圧回路５が並列に接続されている。抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値を同じ記号Ｒ１，Ｒ２で表わすと、電池３の端子電圧（以下、電池電圧という）ＶB は分圧回路５により次式（１）に示すようにＶ２なる電圧に分圧される。
【００１２】
Ｖ２＝｛Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）｝×ＶB …（１）
電流検出回路４は、電池３と直列に接続された比較的低い抵抗値（例えば数ｍΩ〜数百ｍΩ）の抵抗Ｒ３と、この抵抗Ｒ３の両端に発生する電圧を増幅する増幅器Ａ１とからなる。抵抗Ｒ３の抵抗値を同じ記号Ｒ３で表わし、増幅器Ａ１の増幅度をＧ、充電電流をＩB とすると、電流検出回路４の出力電圧Ｖ３は次式（２）に示すようになる。
【００１３】
Ｖ３＝ＩB ×Ｒ３×Ｇ …（２）
分圧回路５の出力電圧Ｖ２および電流検出回路４の出力電圧Ｖ３は、電圧比較器６の非反転入力端子および反転入力端子にそれぞれ入力されると共に、スイッチ回路７にも入力される。電圧比較器６の出力は、分圧回路５の出力電圧Ｖ２と電流検出回路４の出力電圧Ｖ３の大小関係がＶ２＞Ｖ３のとき高レベル、Ｖ２＜Ｖ３のとき低レベルとなる。
【００１４】
スイッチ回路７は、電圧比較器６の出力に応じて分圧回路５の出力電圧Ｖと電流検出回路４の出力電圧Ｖ３のうち電圧値の高い方を選択して出力する回路であり、二つのアナログスイッチＳＷ１，ＳＷ２とインバータＩＣ１からなる。すなわち、アナログスイッチＳＷ１，ＳＷ２の各一端には分圧回路５の出力電圧Ｖ２および電流検出回路４の出力電圧Ｖ３がそれぞれ与えられる。アナログスイッチＳＷ１，ＳＷ２の各他端はスイッチ回路７の内部で共通接続され、この共通接続点からスイッチ回路７の出力が取り出される。アナログスイッチＳＷ１，ＳＷ２は制御信号により導通・非導通が制御されるスイッチであり、制御信号として電圧比較器６の出力信号およびこれをインバータＩＣ１で反転した信号がそれぞれ与えられ、制御信号が高レベルのとき導通状態、低レベルのとき非導通状態となる。
【００１５】
電流制御回路２は、スイッチ回路７の出力に応じて充電用電源１から電池３に供給される充電電流を制御する回路であり、充電用電源１の一端にエミッタが接続されコレクタが電池３の正極端子に接続されたＰＮＰトランジスタである電流制御トランジスタＱ１と、この電流制御トランジスタＱ１のベースに抵抗Ｒ４を介して出力端子が接続された誤差増幅器Ａ２からなるドロッパ型構成となっている。誤差増幅器Ａ２は演算増幅器からなり、その非反転入力端子にはスイッチ回路７の出力が印加され、反転入力端子には基準電圧発生器Ｖｒｅｆから発生される基準電圧Ｖ１が印加される。
【００１６】
なお、上記構成においては、電池電圧ＶB が設定値Ｖａ（例えば、電池１個当たり４．２Ｖ）に達したときＶ２＝Ｖ１となるように分圧回路５を構成する抵抗Ｒ１，Ｒ２の値が選定され、また充電電流ＩB が所定の定電流値ＩａのときＶ３＝Ｖ１となるように電流検出回路４における抵抗Ｒ３の値と増幅器Ａ１の増幅度Ｇが設定されているものとする。言い換えれば、電流検出回路４および分圧回路５は充電電流ＩB が所定の定電流値Ｉａのときの電流検出回路４の出力電圧Ｖ３（＝Ｖ１）と、電池電圧ＶB が設定値Ｖａのときの分圧回路５の出力電圧Ｖ２（＝Ｖ１）とが等しくなるように構成される。
【００１７】
次に、図１の充電回路の動作を図２に示す充電時の各部の波形図を参照して説明する。図２において（ａ）は充電電流ＩB および電池電圧ＶB の波形、（ｂ）は分圧回路５の出力電圧Ｖ２と電流検出回路４の出力電圧Ｖ３の波形、（ｃ）は電圧比較器６の出力波形をそれぞれ示している。
【００１８】
まず、充電が開始されると充電用電源１から電流制御回路２および電流検出回路４を介して電池３に充電電流ＩB が供給され始める。充電初期は、図２（ａ）に示すように電池電圧ＶB が設定値Ｖａより低いため、電池３は定電流値Ｉａで充電される。
【００１９】
すなわち、充電初期は図２（ｂ）に示すようにＶ２＜Ｖ３であるため、電圧比較器６の出力は低レベルとなる。従って、スイッチ回路７においてアナログスイッチＳＷ２が導通状態となり、誤差増幅器Ａ２の非反転入力端子には電流検出回路４の出力電圧Ｖ３が印加される。この誤差増幅器Ａ２の出力によって、
Ｖ３＝Ｖ１ …（３）
となるように電流制御トランジスタＱ１のベース電流が制御される。つまり、電流検出回路４によって検出される充電電流ＩB が基準電圧Ｖ１に対応した定電流値Ｉａを保つように充電電流ＩB が制御され、定電流充電動作が行われる。このときの充電電流ＩB の値は、式（２）および（３）から、

となる。
【００２０】
充電が進むと電池電圧ＶB が上昇し、それに伴って分圧回路５の出力電圧Ｖ２が上昇する。そして、ｔ＝ｔａの時点でＶ２＞Ｖ３となると、図２（ｃ）に示すように電圧比較器６の出力は高レベルとなる。このため、スイッチ回路７においてアナログスイッチＳＷ１が導通状態となり、誤差増幅器Ａ２の非反転入力端子には分圧回路５の出力電圧Ｖ２が印加される。この誤差増幅器Ａ２の出力によって、
Ｖ２＝Ｖ１ …（５）
となるように、つまり分圧回路５の出力電圧Ｖ２、つまり電池電圧ＶB に対応した電圧が基準電圧Ｖ１と等しくなるように電流制御トランジスタＱ１のベース電流が制御されるため、電池電圧ＶB は一定に保たれる。すなわち、充電動作は定電流充電動作から定電圧充電動作へと移行する。
【００２１】
なお、一旦スイッチＳＷ１が導通すると、電流制御回路２が上述のように定電圧充電動作を行うことにより充電電流ＩB が減少し、それに伴って図２（ｂ）に示すように電流検出回路４の出力電圧Ｖ３が低下するため、Ｖ２＞Ｖ３の関係は維持される。従って、電流制御回路２が定電流充電動作から定電圧充電動作に移行するときにスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２が交互に導通動作を行ってしまうことはない。
【００２２】
充電がさらに進み、充電電流ＩB が設定値Ｉｂ（例えば１００ｍＡ）まで低下したｔ＝ｔｂの時点で、図示しない公知の満充電検出手段により電池３がほぼ満充電まで充電されたと判定される。こうして電池３が満充電に達したと判定されると、充電が停止するか、またはトリクル充電に移行するか、あるいは充電完了の表示が行われる。
【００２３】
ここで、前述した従来の定電圧充電方式の充電回路では、図２（ａ）の破線で示した波形のように、電池電圧ＶB が設定値Ｖａに達する以前から充電電流ＩB が減少し始めるため、満充電に達するまでの時間、つまり充電電流がＩB ＝Ｉｂに減少するまでの時間がｔ＝ｔｃと長くなるという問題があった。
【００２４】
これに対し、本発明では図２（ａ）の実線に示したように電池電圧ＶB が設定値Ｖａに達するまでは定電流値Ｉａで充電を行い、電池電圧ＶB が設定値Ｖａに達してから充電電流ＩB を減少させて定電圧充電動作に移行するため、満充電に達するまでの時間ｔ＝ｔｂを従来方式より短縮することができる。
【００２５】
以上本発明の一実施例を説明したが、本発明はこれに限られるものでなく、次のように種々変形して実施することができる。
（１）実施例では、分圧回路５を設けて電池電圧ＶB を分圧した電圧Ｖ２を電圧比較器６とスイッチ回路７に入力したが、電池電圧ＶB そのものを電圧比較器６とスイッチ回路７に入力してもよく、要するに電池電圧ＶB に対応した電圧を入力すればよい。
【００２６】
（２）実施例では、スイッチ回路７を構成するスイッチとしてアナログスイッチＳＷ１，ＳＷ２を用いたが、ＦＥＴやバイポーラトランジスタなどの他の半導体スイッチあるいは機械的なリレースイッチでもよく、要するに制御信号により導通・非導通を制御できるスイッチであればよい。
【００２７】
（３）実施例では、満充電検出に基づく充電制御の具体的手法について特に説明しなかったが、温度検出、温度微分検出、電圧制御、−ΔＶ制御、ピーク電圧制御、タイマー制御その他の公知の手法を用いればよく、またこれらの制御法を適宜組み合わせて用いることもできる。
【００２８】
（４）実施例では、電池３が１個の場合について示したが、２個以上の組電池の場合にも本発明を適用することができる。
（５）実施例では、電流制御回路をドロップ型で説明したが、スイッチング型でもよく、この方が発熱は少ない。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば電流検出手段の出力電圧と電池電圧に対応した電圧のうち電圧値の大きい方を選択して充電電流の制御に用いることにより、電池電圧が設定値に達してから充電電流を下げる制御を行うことが可能となるため、短時間で確実に満充電まで充電を行うことができる。
【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回路の構成を示す回路図
【図２】図１の動作を説明するための充電時の各部の波形を示す図
【符号の説明】
１…充電用電源
２…電流制御回路
３…二次電池
４…電流検出回路
５…分圧回路
６…電圧比較器
７…スイッチ回路

Claims (1)

1. 二次電池を充電するための充電用電源と、
   この充電用電源から前記二次電池に供給される充電電流を検出し該充電電流に対応した電圧を発生する電流検出手段と、
   この電流検出手段の出力電圧と前記二次電池の端子電圧に対応した電圧とを比較する電圧比較手段と、
   この電圧比較手段の出力に基づいて、前記電流検出手段の出力電圧と前記二次電池の端子電圧に対応した電圧のうち電圧値の大きい方を選択するスイッチ手段と、
   このスイッチ手段により選択された電圧が基準電圧と等しくなるように前記充電電流を制御する電流制御手段とを具備し、前記充電電流が所定の定電流値のときの前記電流検出手段の出力電圧と前記端子電圧が設定値のときの該端子電圧に対応した電圧とが等しくなるように構成されることを特徴とする二次電池の充電回路。

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