JP3797350B2 - 充電装置および充電制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、充電器に用意された被充電電池が一次電池か二次電池かを判別することができる充電装置および充電制御方法に関する。

ニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池などの非水系二次電池は、充電によって放電前の状態に回復出来るため、アルカリ電池などの一次電池と比較すると、充電器と充電時の消費電力とを含めても、非水系二次電池の方がランニングコストが安くなり経済性に優れている。

近年、急速に普及しているデジタルカメラなどの携帯型電子機器においては、その電源として汎用性の高い一次電池が主流であったが、経済的なメリットに加え、高容量化、長寿命化が図られてきた二次電池に主流が移行しつつある。

さらに、二次電池は、一次電池と同じ形状、寸法で製品化されているため、これらを電源として使用する電子機器は、電池収納部構造を二次電池専用に変更する必要がなく、消費者は自由に一次電池または二次電池を選択し、使用できる状況になっている。

一方、二次電池専用充電器においては、同じ形状、寸法の一次電池を消費者が誤って装着し、充電してしまうという事故が容易に想定され、これを未然防止する設計が求められるようになった。

一次電池と二次電池の識別方法および一次電池誤装着時の充電停止方法は種々報告されており、充電器内部にマイクロコンピュータを搭載し充電スイッチをオン／オフしているのがこれまでの主流である。

例えば、電池パック２２からの基準電圧が規格判別用抵抗２２４を介してモニタ抵抗２１４に印加され、このモニタ抵抗２１４には、接続電池２２１の規格に応じたモニタ電圧が発生され、このモニタ電圧はＡ／Ｄ（Analog to Digital）変換器２１５によりデジタル値に変換され、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１２へ伝送され、ＣＰＵ２１２において、記憶回路２１６に予め記憶されている規格値と比較し、一致する規格を判別するようにしているものもある（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−０６５８６４号公報

しかしながら、マイクロコンピュータは高価なため、充電器のコストアップが避けられないという問題がある。

また、低コストを特徴とした充電器も多種製品化されてはいるが、これらは一定時間経過した時点で充電を完了するタイマ充電方式が殆どである。このように、タイマ回路により充電スイッチをオン／オフするだけなのでコストは極めて低く抑えられる。しかしながら、一次電池を誤装着した時に充電をオフする機能が盛り込まれていないため、一次電池を装着した時の安全性は無視されているという問題がある。

従って、この発明の目的は、二次電池専用充電器の低コスト化を達成しうるタイマ方式であっても、一次電池を誤装着したときの安全を確保することができる充電装置および充電制御方法を提供することにある。

上述した課題を達成するために請求項１の発明は、二次電池を充電する時間をタイマ回路で制御する充電装置において、充電のため装着される電池が一次電池か二次電池かを判別する判別手段と、時定数によって充電する時間を設定する時定数手段と、時定数を切り替える時定数切替手段とを有し、電池が一次電池であると判別すると、時定数切替手段によって時定数を切り替えて充電時間を短くするようにしたことを特徴とする充電装置である。

請求項３の発明は、二次電池を充電する時間をタイマ回路で制御する充電制御方法において、充電のため装着される電池が一次電池か二次電池かを判別し、時定数によって充電する時間を設定し、電池が一次電池であると判別すると、時定数を切り替えて充電時間を短くするようにしたことを特徴とする充電制御方法である。

このように、装着された電池が一次電池か二次電池かを判別し、一次電池と判別されると、短い充電時間へ切り替えることができる。

この発明に依れば、マイクロコンピュータなどの高価な制御用ＩＣ（Integrated Circuit）を採用することなく、安価で安全性の高い充電を行うことができる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。まず、この発明を容易とするために、二次電池の充電について説明する。二次電池として従来より使用されているニッカド（Ｎｉ−Ｃｄ）二次電池や、ニッケル水素二次電池は定電流充電を行い、満充電時の電圧降下を検出する−ΔＶ／Δｔ方式や、電池温度を監視するΔＴ／Δｔ方式により充電を終了するようにしている。これに対して、リチウムイオン二次電池の充電は、定電流定電圧制御方式によって行われ、同方式によって満充電検出も行うようにしている。このように、様々な充電方式があるが、この一実施形態では、電圧電流の制御方法については省略し、充電時間のみで制御する。

図１を参照して、この発明が適用された一実施形態について説明する。定電圧電源回路１から正極側の端子１１が導出され、定電圧電源回路１から負極側の端子１２が導出される。端子１１と端子１３が接続され、端子１２と端子１４が接続される。端子１３と端子１５との間にスイッチ回路２が設けられ、端子１４と端子１６が接続される。端子１５と端子１７が接続され、端子１６と端子１８が接続される。装着された電池３の正極側は端子１７と接続され、その負極側は端子１８と接続される。

電池判別回路４は、装着された電池３の正極側および負極側と接続し、電池３が一次電池か二次電池かを判別する。その判別結果に応じて、スイッチ回路５をオン／オフするための切替信号が電池判別回路４からスイッチ回路５へ供給される。タイマ回路９と接地との間に、コンデンサ６および抵抗７が並列に設けられ、タイマ回路９と接地との間に、スイッチ回路５および抵抗８が直列に設けられる。これらコンデンサ６、抵抗７、および８は、タイマ回路９の時定数回路を構成するものであり、スイッチ回路５のオン／オフで時定数が変化する。従って、タイマ回路９からスイッチ回路２へ供給される切替信号のタイミングは、スイッチ回路５のオン／オフによって異なる。

スイッチ回路２がオンとなると、定電圧電源回路１から二次電池に対して充電用の直流電流が供給される。この定電圧電源回路１は、商用電源から定電圧定電流を出力するスイッチング電源方式のＡＣ（Alternating Current）アダプタや、車載シガライタから任意の電圧に降圧したＤＣ（Direct Current）−ＤＣコンバータ方式のＤＣアダプタなどどのようなものであっても良く、定電圧電源１の電圧・電流は限定されるものではない。

電池判別回路４では、装着された電池３が一次電池か二次電池かを判別し、その判別結果がスイッチ回路５へ供給される。タイマ回路９では、電池３が装着された時点からコンデンサ６、抵抗７、および８からなる時定数回路で決定された時間が経過した時点で、スイッチ回路２へ切替信号を供給し、スイッチ回路２をオフとする。

図２を参照して、電池判別回路４の一例について説明する。電池判別回路４は、比較器２１および基準電圧２２とから構成される。比較器２１の反転入力端子は、電池３の正極側と接続され、その非反転入力端子は、基準電圧２２の正極側と接続される。比較器２１の出力は、切替信号としてスイッチ回路５へ供給される。電池３の負極側は接地され、基準電圧２２の負極側も接地される。

電池３の電圧が基準電圧２２より高い場合、装着されている電池３は、一次電池と判別され、スイッチ回路５をオンさせる切替信号がスイッチ回路５へ供給される。電池３の電圧が基準電圧２２より低い場合、装着されている電池３は、二次電池と判別され、スイッチ回路５をオフさせる切替信号がスイッチ回路５へ供給される。

通常、一次電池の電圧は、１．５Ｖ程度であり、二次電池の電圧は、１．２Ｖ程度である。従って、基準電圧２２を１．４５Ｖ程度にすることによって電圧の違いで一次電池か二次電池かを判別することができる。

なお、この電池判別回路４は、充電開始後も動作させておく必要がある。例えば、放電済みの一次電池が装着された場合、初期電圧は、基準電圧１１の１．４５Ｖより低いため、二次電池として判別される可能性がある。その場合は、充電が開始され充電電流が流れた後に一次電池として判別される。

具体的には、一次電池は新品、放電済みに関わらず二次電池より内部抵抗が大きいために、（充電電流×内部抵抗）に相当する電圧が初期電池電圧に加わると、電池両端の電圧すなわち比較器２１の反転入力端子に入力される電圧が基準電圧２２より高くなる。これによって、二次電池と判別された放電済みの一次電池も充電開始数分後には確実に一次電池として判別される。

また、充電開始後も電池判別回路４を動作させるため、二次電池が満充電近くになっても一次電池として誤判別されないように、基準電圧２２は１．４５Ｖ程度が最適である。二次電池は、満充電近くに至っても１．４５Ｖ以上に至ることはないので、一次電池として誤判別されることはない。

図３を参照して、タイマ回路９の一例について説明する。この一実施形態では、タイマ回路９の一例として、松下電器産業株式会社製の長時間タイマＩＣ：ＡＮ６７８３Ｓを用いている。この図３は、ＡＮ６７８３Ｓの応用回路例である。

図３に示すように、このＡＮ６７８３Ｓは、８ピンから構成される。第１ピンｔ１はＶｓ端子であり、基準電圧を供給するための端子である。第２ピンｔ２はＳｔｏｐ端子であり、このＡＮ６７８３Ｓの発振を停止させるための端子である。第３ピンｔ３はＲｅｓｅｔ端子であり、このＡＮ６７８３Ｓの発振をリセットさせるための端子である。第４ピンｔ４はＧＮＤ端子であり、接地するための端子である。

第５ピンｔ５はＣＲ端子であり、コンデンサや抵抗などを接続するための端子である。第６ピンｔ６はＯｕｔ端子であり、出力端子である。第７ピンｔ７はＶｃｃ端子であり、電源電圧を供給するための端子である。第８ピンｔ８はＭｏｎｉｔｏｒ端子であり、このＡＮ６７８３Ｓの発振が正常に動作しているかを判断するときに使用するための端子である。

まず、この応用回路例において、ＡＮ６７８３Ｓのそれぞれの端子の接続関係を説明する。第２ピンｔ２、第３ピンｔ３、および第７ピンｔ７は、電圧Ｖｃｃと接続され、いわゆるプルアップされている。第４ピンｔ４は接地され、第６ピンｔ６は抵抗３４を介して接地される。第１ピンｔ１はコンデンサ３１を介して接地され、第５ピンｔ５はコンデンサ３３を介して接地される。第５ピンｔ５と第１ピンｔ１との間に抵抗３２が設けられる。

定電圧回路４１は、第１ピンｔ１および第７ピンｔ７と接続される。定電圧回路４１から各ブロックへ定電圧が供給される。第１ピンｔ１と接地との間に、抵抗４４、４５、および４６が直列に設けられる。第２ピンｔ２と接続される入力回路４２から発振回路４９のストップ端子へストップ信号が供給される。第３ピンｔ３と接続される入力回路４３から発振回路（Oscillator：ＯＳＣ）４９、フリップフロップ回路５０₁、５０₂、・・・、および５０₁₅のそれぞれのリセット端子へリセット信号が供給される。

比較器４７および４８の非反転入力端子は、第５ピンｔ５と接続される。比較器４７の反転入力端子は、抵抗４４および４５の接続点と接続される。比較器４７の出力は、発振回路４９へ供給される。比較器４８の反転入力端子は、抵抗４５および４６の接続点と接続される。比較器４８の出力は、発振回路４９へ供給される。

発振回路４９の出力は、フリップフロップ回路５０₁へ供給される。フリップフロップ回路５０₁の出力は、フリップフロップ回路５０₂および増幅器５１へ供給される。フリップフロップ回路５０₂の出力は、フリップフロップ回路５０₃へ供給される。このように、フリップフロップ回路５０₁₅まで順次出力が供給される。すなわち、１５段のフリップフロップ回路が構成されている。

フリップフロップ回路５０₁₅の出力は、増幅器５２へ供給される。増幅器５１の出力は、第８ピンｔ８のＭｏｎｉｔｏｒ端子から出力される。増幅器５２の出力は、第６ピンｔ６のＯｕｔ端子から出力される。

一例として、図４Ａに示す発振周期ｔ₀の信号が第５ピンｔ５から供給されると、第８ピンｔ８から得られるモニタ信号は、図４Ｂに示すように、ｔ₁＝２ｔ₀の周期となる。このとき、第６ピンｔ６からスイッチ回路２へ供給される出力信号の周期は、図４Ｃに示すように、ｔ₂となる。この出力周期ｔ₂は、
ｔ₂＝２¹⁵×ｔ₀
＝３２７６８ｔ₀
となる。

ここで、電池判別回路４において、電池３が二次電池であると判別されたときの動作の一例を説明する。電池３が二次電池であると判別されると、スイッチ回路５がオフとなる。そのため、タイマ回路９に接続される時定数回路は、コンデンサ６および抵抗７から構成される。スイッチ回路５がオフとされると、このコンデンサ６および抵抗７によって、タイマ時間が決定される。タイマ回路９は、決定された時間が経過した時点で出力を反転させる。

使用するＩＣの仕様によって設定方法は異なるが、図３に示す１５段のフリップフロップ回路を内蔵したＡＮ６７８３Ｓを用いた場合、発振周期ｔ₀（秒）が
ｔ₀＝０．９４７Ｒ₁（Ω）・Ｃ₁（Ｆ）
となり、出力周期ｔ₂（秒）が
ｔ₂＝ｔ₀×３２７６８
＝３１．０３Ｒ₁（ｋΩ）・Ｃ₁（μＦ）
となる。

このとき、コンデンサ６の容量を４μＦとし、抵抗７を５ｋΩとしたときのタイマ時間は、タイマ回路９の出力が反転するまでの時間となるため、出力周期ｔ₀の１／２となるので、
４×５×３１．０３÷２＝３１０．３秒＝約５分１０秒
となる。

ここで、二次電池の充電時間を８時間に設定したい場合、コンデンサ６の容量を４．７μＦとし、抵抗７を３９０ｋΩとすると、タイマ時間は、
４．７×３９０×３１．０３÷２＝２８４３８．９９５秒
＝約７時間５３分５９秒＝約８時間
となる。

このように、時定数回路で設定された時間を経過した時点で、タイマ回路９からの出力が反転し、スイッチ回路２がオフとなる。スイッチ回路２がオフとなることによって、電池３の充電が終了となる。タイマ方式の充電器では、設定した時間で満充電になるように電流が決められているため、二次電池を満充電にするという性能は最低限保証されている。

次に、電池判別回路４において、電池３が一次電池であると判別されたときの動作の一例を説明する。電池３が一次電池であると判別されると、スイッチ回路５がオンとなる。そのため、タイマ回路９に接続される時定数回路は、コンデンサ６および抵抗７と８とからなる合成抵抗から構成される。スイッチ回路５がオンとされると、このコンデンサ６および抵抗７と８とからなる合成抵抗によって、タイマ時間が決定される。タイマ回路９は、決定された時間が経過した時点で出力を反転させる。

このようにスイッチ回路５がオンしている場合、抵抗７と８とからなる合成抵抗となるので、図１に示すように抵抗７および８が並列に接続されているため、時定数回路の抵抗値は、スイッチ回路５がオフの場合より小さい値となる。例えば、上述したタイマ時間を８時間に設定した場合の一例を説明すると、抵抗７は３９０ｋΩとし、抵抗８は１．５ｋΩとすると、抵抗７と８との合成抵抗は、
３９０ｋΩ×１．５ｋΩ÷（３９０ｋΩ＋１．５ｋΩ）＝約１．４９４ｋΩ
となる。

そして、タイマ時間は、
４．７×１．４９４×３１．０３÷２＝１０８．９４３秒＝約１分４９秒
となる。

従って、電池判別回路４において、電池３が二次電池であると判別されると、約８時間の充電動作が行われ、電池３が一次電池であると判別されると、約１分４９秒で充電動作が停止される。

このように、電池判別回路４において、電池３を一次電池および二次電池の何れかであるかを判別し、一次電池と判別された場合には充電時間を極めて短く設定することができるため、一次電池を誤装着した場合の誤充電から発生する漏液による事故を防止することができる。

なお、電池判別回路４の切替信号によってタイマ回路９の時定数回路を切り替えるのではなく、主回路に設けられたスイッチ回路２を直接オン／オフすることも可能である。しかしながら、そのような場合、一次電池装着後、まずスイッチ回路２がオフとなり、充電電流が一旦流れなくなるものの、その後一次電池の自己放電などによって電池電圧が基準電圧２２より減少した場合に、電池判別回路４が二次電池が装着されたものと判別し、スイッチ回路２を再度オンさせてしまう可能性がある。

スイッチ回路２がオンとなり、充電電流が流れると、電池電圧が再度上昇するので、電池判別回路４は、一次電池と判別して再度スイッチ回路２をオフとする。また、自己放電によって電圧低下、再充電開始というループ現象に至る可能性がある。知らない間に充電が繰り返されているというのは安全性の観点で好ましくない。

時定数回路を切り替える場合、一旦タイマ時間が満了すると、電池判別回路４の出力が切り替わっても、タイマ回路９の出力が反転することはなく、スイッチ回路２が自動的にオンし、再充電するということはない。一般的に、充電器に電池を装着すると、電池を実際に使用するまで装着したままという事例は多く、この実施形態では、これを鑑みて時定数回路を切り替えるようにしている。

なお、この一実施形態では、電池が装着されると充電が開始される。電池が装着されたことを検出する一例を説明する。二次電池専用充電装置に電池が装着される前は回路が開放された状態であり、電池が装着されると、電池は内部抵抗を持っているため、回路が構成される。このように、回路が構成されることを検出して、充電を開始するようにしても良い。また、電池が装着されたことを検出するセンサを設けるようにしても良い。

図５のフローチャートを参照して、この発明が適用された一実施形態について説明する。ステップＳ１では、電池判別回路４において装着された電池３が一次電池か二次電池かが判別される。装着された電池３が一次電池であると判別されると、ステップＳ２へ制御が移り、装着された電池３が二次電池であると判別されると、ステップＳ３へ制御が移る。

ステップＳ２では、スイッチ回路５がオンとされ、充電時間が約１分４９秒に設定される。ステップＳ３では、スイッチ回路５がオフとされ、充電時間が約８時間に設定される。

ステップＳ４では、スイッチ回路２がオンとされ、充電が開始される。ステップＳ５では、設定された所定時間経過したか否かが判断される。所定時間が経過したと判断されると、ステップＳ６へ制御が移り、未だ所定時間が経過していないと判断されると、ステップＳ５の制御が繰り返し行われる。ステップＳ６では、スイッチ回路２がオフされ、充電が終了する。

この一実施形態では、８時間の充電を行う充電器を一例として定数を設定する説明をしているが、この一例に限定されるものではなく、コンデンサおよび抵抗（合成抵抗）から構成される時定数回路を有するタイマ回路を備え、任意の時間を設定することが可能な充電器に適用することが可能である。

この発明は、上述したこの発明の一実施形態等に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

この発明が適用される一実施形態について説明するためのブロック図である。 この発明が適用される一実施形態で用いられる電池判別回路の一例について説明するためのブロック図である。 この発明が適用される一実施形態で用いられるタイマ回路の一例について説明するためのブロック図である。 この発明が適用される一実施形態で用いられるタイマ回路の一例について説明するためのタイミングチャートである。 この発明が適用される一実施形態について説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 定電圧電源回路
２、５ スイッチ回路
３ 電池
４ 電池は別回路
６ コンデンサ
７、８ 抵抗
９ タイマ回路

Claims (4)

1. 二次電池を充電する時間をタイマ回路で制御する充電装置において、
   充電のため装着される電池が一次電池か二次電池かを判別する判別手段と、
   時定数によって充電する時間を設定する時定数手段と、
   上記時定数を切り替える時定数切替手段とを有し、
   上記電池が一次電池であると判別すると、上記時定数切替手段によって上記時定数を切り替えて充電時間を短くするようにしたことを特徴とする充電装置。
2. 上記判別手段は、
   上記電池の端子電圧と、基準電圧とを比較し、上記基準電圧より小さいと上記電池は二次電池であると判別し、上記基準電圧以上であると上記電池は一次電池であると判別するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
3. 二次電池を充電する時間をタイマ回路で制御する充電制御方法において、
   充電のため装着される電池が一次電池か二次電池かを判別し、
   時定数によって充電する時間を設定し、
   上記電池が一次電池であると判別すると、上記時定数を切り替えて充電時間を短くするようにしたことを特徴とする充電制御方法。
4. 上記電池の判別は、
   上記電池の端子電圧と、基準電圧とを比較し、上記基準電圧より小さいと上記電池は二次電池であると判別し、上記基準電圧以上であると上記電池は一次電池であると判別するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の充電制御方法。

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