JP3990003B2 - 電力損制御付きバッテリ・チャージャ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般にバッテリ・チャージャに関し、さらに詳しくは、パス装置を用いるバッテリの高速充電に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
バッテリ・チャージャは、一般に、交流（AC）を整流して、バッテリを充電するための直流（DC）を生成する調整器を用いる。直列パス・チャージャと呼ばれるある種のチャージャにおいては、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）などの線形スイッチ・パス装置を調整器とバッテリとの間に接続する。バッテリの充電中は、パス装置が損失する電力は、パス装置の入力電圧と出力電圧の差に、最大充電電流を乗じた値に等しい。バッテリが大きく放電すると、パス装置の出力電圧であるバッテリ電圧は、パス装置の入力電圧である調整器電圧よりはるかに小さい。この状態にある間、パス装置が損失する電力が、携帯電子機器に見られる通常の装置パッケージの最大電力定格を超える場合がある。パス装置による電力損が大きいこの期間の間は、過剰な熱が発生して、チャージャの全体的な効率はきわめて悪くなる。
【０００３】
空間と熱が肝要な携帯装置用の従来の高速チャージャは、チャージャのパス装置の電力損を制限するために、外部追跡調整器(external tracking regulator)を用いる。追跡調整器は、充電されるバッテリの電圧からの一定の正のオフセットである電圧を提供し、それによりパス装置の入力電圧および出力電圧の差を相対的に一定に維持する。マイクロプロセッサがバッテリ電圧を検知し、所望の充電電流に比例するアナログの制御電圧を生成する。充電電流は、検知抵抗の両端の電圧降下を検知し、それを変倍（スケーリング）し、制御電圧と比較するハードウェア帰還ループにより制御される。バッテリ電圧の変更に基づいて充電ソフトウェアが充電電流の変更を必要とする場合は、マイクロプロセッサが制御電圧をそれに従って変更する。
【０００４】
パス装置の両端の電圧降下を相対的に一定に維持し、充電電流を変更するだけで、チャージャはパス装置の電力損を容易に制御することができる。電圧降下を一定に維持する追跡調整器は、特定用途向けであり高価である。従って、電力損を制限し、しかも、高価な追跡調整器を必要としないバッテリ・チャージャが必要である。
【０００５】
【実施例】
電力損制御付きバッテリ・チャージャは、現在のバッテリ電圧を検知し、パス装置の瞬間電力損を監視し、携帯無線電話などの装置のバッテリ・パックを充電する電流制御信号を生成する帰還ループを具備する。帰還ループ内のコントローラは、ハードウェア，ソフトウェアまたはハードウェアとソフトウェアの組み合わせを備える。コントローラは、現在のパス装置の電力損に基づいて電流制御信号を調整し、パス装置の電力損が計算された長期および短期の電力最大値を超えないようにする。また、バッテリ・パック内のサーミスタをポーリングすることにより、コントローラはパス装置の電力最大値をより正確に決定することができる。これは、装置が損失する最大電力が装置周辺の環境温度により可変するためである。
【０００６】
このバッテリ・チャージャは、可変する充電電圧にあわせて動的に調整され、それにより従来のバッテリ充電トポロジーに見られる高価な外部追跡調整器を、簡単な非調整DCトランスフォーマと置き換えることができる。また、高電流量にある低価格の非調整DCトランスフォーマの電圧降下により、パス装置で損失される必要のある電力を減らし、帰還ループがこの特性を監視し、調査する。ソフトウェアの汎用性と、低価格の非調整DCトランスフォーマを適切に選択することとにより、ニッケル−カドミウム（NiCad ），ニッケル水素化金属（NiMH）およびリチウム・イオン（LiIon ）バッテリを含む多くの種類のバッテリを容量一杯まで効率的に充電することができる。
【０００７】
図１は、好適な実施例によるバッテリ・チャージャのブロック図である。この方法では、ウォール・トランスフォーマなどの安価な非調整DCトランスフォーマ１００により、調整されない電圧がバッテリ・パック１０１を充電するパス装置１０４に送られる。バッテリ・パック１０１は、携帯無線電話用のバッテリ・パックであり、データ格納装置１２３を備える。このデータ格納装置は、充電速度その他の充電パラメータなどの情報を保持するEPROM またはEEPROMなどの電子的なプログラム可能読み取り専用メモリとすることができる。チャージャ・コントローラ１５０は、データ入力１２４を介してデータ格納装置から情報を受信し、バッテリの効率的な充電を助けることができる。
【０００８】
チャージャ・コントローラ１５０は、温度検知入力１２２を用いて、多くのバッテリ・パックに内蔵されるサーミスタ１２１をポーリングすることにより、バッテリを充電する前に環境温度を判定することもできる。パス装置の最大電力損は温度により可変するので、環境温度データを用いて、パス装置の計算された最大許容電力損を変倍することができる。この変倍により、パス装置１０４の損失が最悪の場合を基にして、最悪の場合よりも多くなるよう充電時間を改善することができる。
【０００９】
チャージャ・コントローラ１５０は、バッテリ検知入力１０９を介して瞬間バッテリ電圧も受信する。このため、データ入力１２４，温度検知入力１２２およびバッテリ検知入力１０９からの情報により、チャージャ・コントローラ１５０は、格納された充電速度とその他の充電パラメータ，環境温度および現在のバッテリ電圧に基づいて、所望の充電電流値を計算することができる。この計算された所望の充電電流値は、所望の電流出力１０７を介して電力コントローラ１０３に送られる。
【００１０】
電力コントローラ１０３は、チャージャ・コントローラ１５０からの所望の充電電流情報と、電力検知入力１１０を介して検知されたパス装置１０４の瞬間電力損とに基づいて電流制御信号を生成する。電流検知機能を持つ電力FET を容易に利用して、FET からの電流出力を用い、パス装置１０４の両端の電圧降下を計算して、パス装置１０４の瞬間電力損を決定することもできる。電力コントローラ１０３は、電力検知入力１１０からの情報に基づいて、チャージャ・コントローラ１５０からの所望の充電電流値を変倍し、電流制御信号生成する。この電流制御信号は、電力コントローラ１０３の電流制御出力１１１からパス装置１０４に送られ、パス装置１０４により損失される電力を受認できる電力定格内に維持する。
【００１１】
電力コントローラ１０３が充電電流の削減を命令して、パス装置の電力損を制限しようとすると、バッテリ充電時間が長くなることに注目されたい。時間の延長量は、トランスフォーマの設計により決まる。非調整DCトランスフォーマではよく起こることであるが、電流流出時にトランスフォーマに大きな電圧降下があると、パス装置の両端の降下は小さくなり、それにより充電電流はより高くなる。しかし、トランスフォーマの電圧降下が非常に大きい場合、バッテリが満充電に近い場合は、大きな充電電流を用いることはできない。
【００１２】
本方法の利点は、充電電圧が変動することを可能にして、充電電流のみを制御することにより、パス装置の電力損をチャージャが制御することである。チャージャ・コントローラ１５０を通る第１帰還ループは、現在のバッテリ電圧，環境温度およびバッテリ・パックのデータ格納装置からの情報に基づいて所望の電流を決定する。この所望の電流情報は、電力コントローラ１０３を備える第２帰還ループに送られる。電力コントローラ１０３は、所望の電流値がパス装置の過剰な電力損を起こす場合には、所望の電流を削減して電流制御信号を生成する。この変倍は、電力検知入力１１０からの瞬間電力損情報に基づく。その結果得られる、電流制御出力１１１からの電流制御信号により、短期および長期の電力最大値を超えない最大電流がパス装置１０４を通過することになる。
【００１３】
このため、非調整DCトランスフォーマ１００の出力における電圧が可変することもあり、電力コントローラ１０３は充電電流を動的に調整し、パス装置１０４に過剰な電力損が起こらないようにする。チャージャ・コントローラ１５０は、電力コントローラ１０３と共に、パス装置の絶対最大値および短期最大電力損を計算して、非調整DCトランスフォーマの条件に関わらず、これらの最大値を超えないようにする。
【００１４】
図２は、第１の好適な実施例によるバッテリ・チャージャを示す。図１に図示されるチャージャ・コントローラ１５０および電力コントローラ１０３は、マイクロプロセッサ２５０を用いて実現され、このマイクロプロセッサがバッテリ検知入力２０９を通るバッテリ電圧と、トランスフォーマから電源検知入力２１０を通る充電電圧とを検知する。検知入力２０９，２１０は、好ましくは、マイクロプロセッサ２５０内のアナログ−デジタル変換器に接続される。アナログ−デジタル変換を含むこれらの実施例のソフトウェアの機能性は、ハードウェアを用いて実現することもでき、またその逆も可能である。
【００１５】
パス装置２０４の両側の電圧を表す検知入力からの情報を用いて、マイクロプロセッサ２５０はパス装置の両端の電圧降下を計算する。次にマイクロプロセッサは、演算増幅器２０２，２０３を通る充電電流制御信号を指示する電流制御出力２１１からの制御信号を調整することにより、パス装置の電力損が計算された最大許容値を超えないようにする。好ましくは、所望の電流出力２１１における制御信号は、パルス幅変調（PWM: pulse-width modulated）波形である。あるいは、マイクロプロセッサ２５０は、デジタル−アナログ変換器を用いて、所望の電流出力２１１において制御信号を生成することができる。
【００１６】
パス装置２０４で許される最大電力損は、好ましくはバッテリ・パック１０１内のサーミスタ１２１に接続された温度検知入力２２２からの環境温度情報と、バッテリ・パック１０１内のデータ記憶装置１２３に接続されたデータ入力２２４からの充電速度およびその他の充電パラメータとから計算される。パス装置またはトランスフォーマの特性および定格などのその他の情報も、パス装置の計算された最大電力損を決定するために用いることができる。
【００１７】
非調整DCトランスフォーマ１００からの電圧は、検知抵抗２０５およびダイオード２０６を介して送られ、バッテリ・パック１０１内のセルを充電する。充電中は、検知抵抗２０５の両端の電圧は、演算増幅器２０２，２０３を備え電流制御出力２１１からの信号により制御されるハードウェア帰還ループにより一定に保たれる。演算増幅器２０３は、アナログ・スイッチ・パス装置２０４を制御して、マイクロプロセッサの所望の電流出力２１１からの信号により指示されるように、演算増幅器２０２の出力電流を設定する。演算増幅器２０３は、その出力に低域通過フィルタ２１５を持ち、安定性を図る。
【００１８】
図３は、第２の好適な実施例によるバッテリ・チャージャを示す。この方法では、所望の電流帰還ループと電流制御信号の動的調整の両方がマイクロプロセッサ・ソフトウェアに組み込まれる。低価格の非調整DCトランスフォーマ１００は、ここでも、ダイオード３０６を介してバッテリ・パック１０１を充電する電源として図示される。マイクロプロセッサ３５０内のアナログ−デジタル変換装置が、電源検知入力３１０および電圧検知入力３１２を介して受信された検知抵抗３０５の両側の電圧を監視する。マイクロプロセッサ・ソフトウェアは、この電圧情報と、検知抵抗の既知の抵抗値とを用いて、検知抵抗を通る電流を計算する。この電流は、パス装置３０４を通る電流でもある。この実施例においては、検知抵抗３０５は１／２オームである。その他の抵抗値をマイクロプロセッサ・ソフトウェア内の小変更と置き換えることもできる。
【００１９】
アナログ・スイッチ・パス装置３０４のための制御は、マイクロプロセッサ３５０の電流制御出力３１１におけるパルス幅変調（PWM ）波形による。この波形は、パス装置３０４のゲートに行く前に、低域通過フィルタ３１５により濾波され、トランジスタ装置３２０により増幅される。あるいは、電流制御出力３１１におけるPWM 信号を、マイクロプロセッサ３５０内のデジタル−アナログ（D/A 変換ソフトウェアからのアナログ信号と置き換えてもよい。
【００２０】
所望の電流値は、温度検知入力３２２からの環境温度，バッテリ検知入力３０９を介して受信された現在のバッテリ電圧およびデータ入力３２４からのデータに基づいて決まる。この所望の電流値は、パス装置３０４の瞬間電力損に基づいて調整され、電流制御信号を生成する。パス装置３０４の瞬間電力損は、検知抵抗３０５を通る瞬間電流に、電圧検知入力３１２およびバッテリ検知入力３０９から計算されたパス装置両端の瞬間電圧を乗じた値に等しい。これにより、電流制御信号は、非調整DCトランスフォーマ１００からの充電電圧またはマイクロプロセッサ３５０により計算された所望の電流の変更に反応して可変する。
【００２１】
多くの非調整トランスフォーマは、電流がトランスフォーマの定格電流の１／２を超えると、出力電圧リップルを示しはじめる。この電圧リップルは、全波整流１２０／１００Hzにおいて現れるのが普通であり、電源検知入力３１０により検知され、マイクロプロセッサ・ソフトウェアにより濾波することができる。ソフトウェアにより、リップルの周波数と強度が判定されると、マイクロプロセッサ３５０内の誤差関数を用いて修正信号を生成することができ、ソフトウェアに組み込まれる加算器によりリップルを最小限に抑えることができる。図２に示されるようなハードウェア帰還ループでは、演算増幅器がどのような電圧リップルも濾波することに注目されたい。
【００２２】
かくして、電力損制御を有するバッテリ・チャージャが、従来の高速バッテリ充電方法に低価格の代替案を提供する。電力損制御を有するバッテリ・チャージャの特定の構成部品および機能を上記に説明したが、本発明の精神および範囲内で当業者はそれより少ない機能も多い機能も採用することができる。本発明は、添付の請求項によってのみ制限されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】好適な実施例によるバッテリ・チャージャのブロック図である。
【図２】第１の好適な実施例によるバッテリ・チャージャを示す。
【図３】第２の好適な実施例によるバッテリ・チャージャを示す。
【符号の説明】
１００ 非調整トランスフォーマ
１０１ バッテリ・パック
１０３ 電力コントローラ
１０４ パス装置
１０７ 所望電流
１０９ バッテリ
１１０ 電力
１１１ 電流制御
１２１ サーミスタ
１２２ 温度
１２３ データ格納装置
１２４ データ
１５０ チャージャ・コントローラ

Claims (10)

1. 非調整トランスフォーマを用いてバッテリ・パックを充電するバッテリ・チャージャであって：
   前記非調整トランスフォーマに接続するよう設定された入力と、前記バッテリ・パックに接続するように設定された出力とを有するアナログ・スイッチ・パス装置；
   前記バッテリ・パックに接続するよう設定され、バッテリ電圧に基づき所望のバッテリ充電電流値を計算するチャージャ・コントローラ；および
   前記チャージャ・コントローラに結合され、前記アナログ・スイッチ・パス装置に結合されて、前記チャージャ・コントローラからの前記所望のバッテリ充電電流値を、前記アナログ・スイッチ・パス装置の瞬間電力損に基づき電流制御信号に変換する電力コントローラ；
   によって構成されることを特徴とするバッテリ・チャージャ。
2. 前記チャージャ・コントローラが、前記バッテリ・パックに接続するよう設定され、現在のバッテリ電圧を検知するバッテリ検知入力を有する請求項１記載のバッテリ・チャージャ。
3. 前記電力コントローラが、前記アナログ・スイッチ・パス装置に結合され、前記アナログ・スイッチ・パス装置の前記瞬間電力損を検知する電力検知入力を有する請求項１記載のバッテリ・チャージャ。
4. 前記電力コントローラが、前記アナログ・スイッチ・パス装置のゲートに結合され、前記アナログ・スイッチ・パス装置の両端の電流を制御する電流制御信号出力を有する請求項１記載のバッテリ・チャージャ。
5. 非調整トランスフォーマを用いてバッテリ・パックを充電するバッテリ・チャージャであって：
   前記非調整トランスフォーマに接続するよう設定された入力と、前記バッテリ・パックに接続するように設定された出力とを有する可変スイッチを含むアナログ・スイッチ・パス装置；および
   コントローラであって：
   前記アナログ・スイッチ・パス装置の前記入力に結合された第１電圧検知入力；
   前記バッテリ・パックに接続するよう設定された第２電圧検知入力；
   前記非調整トランスフォーマに接続するよう設定された第３電圧検知入力；および
   前記アナログ・スイッチ・パス装置のゲートに結合された電流制御信号出力；
   を有するコントローラ；
   によって構成され、前記コントローラは、前記第２電圧検知入力に基づいて決定された所望のバッテリ充電電流値を、前記アナログ・スイッチ・パス装置の瞬間電力損に基づき電流制御信号に変換して、該電流制御信号を前記電流制御信号出力において出力することを特徴とするバッテリ・チャージャ。
6. 前記第１電圧検知入力と前記第３電圧検知入力との間に結合された検知抵抗をさらに有する請求項５記載のバッテリ・チャージャ。
7. 前記電流制御出力と前記アナログ・スイッチ・パス装置との間に結合されたトランジスタをさらに有する請求項５記載のバッテリ・チャージャ。
8. 前記アナログ・スイッチ・パス装置と前記第２電圧検知入力との間に結合されたダイオードをさらに有する請求項５記載のバッテリ・チャージャ。
9. 前記コントローラが、サーミスタに接続する温度検知入力をさらに有する請求項５記載のバッテリ・チャージャ。
10. 前記コントローラが、データ記憶装置に接続するデータ入力をさらに有する請求項５記載のバッテリ・チャージャ。

Images