JP4207130B2 - リチウムイオン電池の充電制御回路 - Google Patents
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Description
この発明は、各種携帯機器用電源として大量に使用されているリチウムイオン電池（単に、電池とも言う）の充電制御回路、特にその内部基準電圧の形成方法を改良した充電制御回路に関する。
リチウムイオン電池の充電制御は充電電流，電圧を監視して行なわれる。特に、過電圧の印加は電池を劣化させるため、厳密な電圧管理が要求されており、満充電時の電圧は充電時の電圧が４．２Ｖタイプの電池で４．２Ｖ±２５ｍＶ（変動率にすると±０．６％）が要求されている。電池はパックされた状態で製品化されており、１本（４．２Ｖ、ｎ本の並列もあり）のものや、数本直列にしたタイプなどがある。以下では、電池１本で使用する場合について説明する。
従来の充電制御回路としては、例えば特許文献１の図１に示すものがある。その図１には、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル変換器）１６ａの基準電圧は図示されていないが、これを図示すると、図９のようになる。
図９に示す回路の動作は後述の図１に示す回路と同様のため、ここでは説明を省略するが、このような構成では充電電圧設定用基準電圧とＡ／Ｄ変換器用基準電圧との２つが必要で、ここでは充電電圧設定用基準電圧を基準電圧設定回路１１で作り、Ａ／Ｄ変換器用基準電圧を回路１１の出力をＡ倍する増幅器Ａｍにて作成するようにしている。
図９に示す回路の動作は後述の図１に示す回路と同様のため、ここでは説明を省略するが、このような構成では充電電圧設定用基準電圧とＡ／Ｄ変換器用基準電圧との２つが必要で、ここでは充電電圧設定用基準電圧を基準電圧設定回路１１で作り、Ａ／Ｄ変換器用基準電圧を回路１１の出力をＡ倍する増幅器Ａｍにて作成するようにしている。
ところで、図９のような構成では、トリミング等による調整を、その出力電圧を基準として充電電圧の設定を行なう基準電圧設定回路１１、およびその出力をＡ倍してＡ／Ｄ変換器の基準電圧を作る増幅器Ａｍの両方に適用しなければならない。特に、Ａ倍する増幅器Ａｍについては、増幅器単体のオフセットおよびゲインを持たせるための抵抗値のばらつき等があるだけでなく、充電電圧を優先して設定回路１１の充電電圧設定用回路のばらつきをまず調整することから、Ａ／Ｄの基準電圧は益々ずれてしまうという問題が発生する。
この発明の課題は、回路内部の基準電圧の設定を簡単な構成で実現し得るようにすることにある。
この発明の課題は、回路内部の基準電圧の設定を簡単な構成で実現し得るようにすることにある。
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力トランス二次側の整流・平滑された直流電圧を、リチウムイオン電池の充電電圧および制御器用電源として用い、充電シーケンスに応じた充電電流または充電電圧を得るために、これら電流または電圧値を目標値に一致させるように前記ＡＣ／ＤＣコンバータにフィードバックする電流制御手段および電圧制御手段を備え、前記フィードバックされる出力トランス二次側の直流電圧を、最終的には電池の充電上限電圧に等しくなるように制御するリチウムイオン電池の充電制御回路において、
前記充電電圧を前記制御器内部の電圧，電流値の読み込みに使用するＡ／Ｄ変換器の基準電圧として入力するとともに、急速充電時に発生する充電電圧が低下する期間が発生するが、Ａ／Ｄ変換器が内部基準電圧を所定の値と読み込めるときのみ、定電圧充電期間（予備充電を含む）と判断して、Ａ／Ｄ変換器による各種制御データの読み込みを有効にすることを特徴とする。
前記充電電圧を前記制御器内部の電圧，電流値の読み込みに使用するＡ／Ｄ変換器の基準電圧として入力するとともに、急速充電時に発生する充電電圧が低下する期間が発生するが、Ａ／Ｄ変換器が内部基準電圧を所定の値と読み込めるときのみ、定電圧充電期間（予備充電を含む）と判断して、Ａ／Ｄ変換器による各種制御データの読み込みを有効にすることを特徴とする。
また、請求項２の発明では、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力トランス二次側の整流・平滑された直流電圧を、リチウムイオン電池の充電電圧および制御器用電源として用い、充電シーケンスに応じた充電電流または充電電圧を得るために、これら電流または電圧値を目標値に一致させるように前記ＡＣ／ＤＣコンバータにフィードバックする電流制御手段および電圧制御手段を備え、前記フィードバックされる出力トランス二次側の直流電圧を、最終的には電池の充電上限電圧に等しくなるように制御するリチウムイオン電池の充電制御回路において、
前記電流制御手段と電圧制御手段の各出力電圧を比較する比較手段を設け、その比較結果から電流制御動作中であると判断したときは、前記Ａ／Ｄ変換器による電圧，電流の読み込みを無効とすることを特徴とする。
前記電流制御手段と電圧制御手段の各出力電圧を比較する比較手段を設け、その比較結果から電流制御動作中であると判断したときは、前記Ａ／Ｄ変換器による電圧，電流の読み込みを無効とすることを特徴とする。
この発明によれば、内部基準回路の設定対象を充電電圧に一本化することと、基準（充電）電圧変動を許容する構成とすることで、内部制御回路の簡素化と電源の共通化が可能となる。
外部に電池が接続されており、電源として大きなフィルタが付加された構成となるため、安定した基準電圧を得ることが期待される。
外部に電池が接続されており、電源として大きなフィルタが付加された構成となるため、安定した基準電圧を得ることが期待される。
図１はこの発明の実施の形態を示す回路図である。
図示のように、充電制御回路１は基準電圧設定回路１１、コンパレータ１２，１３、電流検出用差動増幅器１５、Ａ／Ｄ変換器１６、制御器１７およびトリミング等の調整は特に必要としない基準電圧発生回路Ｅ等より構成される。制御器１７は、例えばコンピュータから構成される。なお、コンパレータ１２，１３と電流検出用差動増幅器１５は同じ回路シンボルで示されているが、コンパレータ１２，１３はシンボルのイメージ通りのオペアンプであるのに対して、電流検出用差動増幅器１５はオペアンプに数個の抵抗を接続した引き算回路を想定している。また、コンデンサＣは、ＡＣ／ＤＣコンバータ（ＡＣ／ＤＣ）の出力または充電制御回路１への入力を安定化させるために接続されている。ＳＷ１〜３は電池ＣＥの接続，開放を行なうためのスイッチである。
図示のように、充電制御回路１は基準電圧設定回路１１、コンパレータ１２，１３、電流検出用差動増幅器１５、Ａ／Ｄ変換器１６、制御器１７およびトリミング等の調整は特に必要としない基準電圧発生回路Ｅ等より構成される。制御器１７は、例えばコンピュータから構成される。なお、コンパレータ１２，１３と電流検出用差動増幅器１５は同じ回路シンボルで示されているが、コンパレータ１２，１３はシンボルのイメージ通りのオペアンプであるのに対して、電流検出用差動増幅器１５はオペアンプに数個の抵抗を接続した引き算回路を想定している。また、コンデンサＣは、ＡＣ／ＤＣコンバータ（ＡＣ／ＤＣ）の出力または充電制御回路１への入力を安定化させるために接続されている。ＳＷ１〜３は電池ＣＥの接続，開放を行なうためのスイッチである。
図１に示すように、充電電圧（電池充電用の電圧：充電電流検出抵抗Ｒの後の電圧＝端子Ｔの電圧）をＡ／Ｄ変換器１６の基準電圧端子に接続し、電圧設定を充電電圧またはＡ／Ｄ変換器基準電圧の設定だけで実現するとともに、Ａ／Ｄ変換器１６は基準電圧設定回路１１からの電圧（公称１Ｖの基準電圧：Ａ／Ｄ変換器の較正用）を必要に応じて随時読み込むものとする。
充電制御回路１は交流電源が投入されると起動され、充電電圧が４．２ＶとなるようにフォトカプラＰＣの発光量の制御が行なわれ、その時点で充電開始待ちの状態になる。この充電待ち状態では、充電用スイッチＳＷ２，３はオフで充電電流は０、電流指令値は急速充電設定の１Ａ程度を指示していて、その電流制御用コンパレータ１２の出力は「Ｈ」に振り切っている。そのため、電圧制御用コンパレータ１３の出力の方が電流制御用コンパレータ１２の出力よりも低くなっていることから、電圧制御が支配的となり充電電圧が４．２Ｖとなるように優先的に制御される。つまり、図２に示すように電流制御と電圧制御との切換えはコンパレータ１２，１３の出力をダイオード接続し、各出力電圧の低いほうを優先して制御する構成になっている。
充電開始は電池が取り付けられたことを検知して行なわれる。電池ＣＥが接続されると、まずＳＷ１をＯＮにして電池の電圧を測定し、充電可能でかつ予備充電が必要な電池と判断すると、図３に点線で示すように予備充電として１／１０Ｃ（Ｃは定格電流値を示す）程度の電流で充電するとともに、電池電圧を測定し一定時間内に電圧が上昇してきて急速充電へ移行する電圧になった時点で、急速充電動作を開始する。
図３は、最初は電池が未接続で、その後接続された電池の電圧を検出して予備充電は不要と判断し、急速充電する場合について示している。
急速充電動作では、充電電流を設定電流値（一定値）に調整するため、電流制御用コンパレータ１２の出力が電圧制御用コンパレータ１３の出力よりも低下していて、電流制御期間中は充電電圧が４．２Ｖより低い状態となる。
図３は、最初は電池が未接続で、その後接続された電池の電圧を検出して予備充電は不要と判断し、急速充電する場合について示している。
急速充電動作では、充電電流を設定電流値（一定値）に調整するため、電流制御用コンパレータ１２の出力が電圧制御用コンパレータ１３の出力よりも低下していて、電流制御期間中は充電電圧が４．２Ｖより低い状態となる。
図４はコンパレータ１２と１３の出力を示すもので、実線がコンパレータ１２の出力を、点線がコンパレータ１３の出力をそれぞれ示す。電流制御範囲ではコンパレータ１２の出力の方がコンパレータ１３の出力よりも小さく、また、電圧制御範囲ではコンパレータ１３の出力の方がコンパレータ１２の出力よりも小さくなっており、それに応じて電流制御，電圧制御が行なわれることが分かる。
電池の充電は図３に示すように、電池電圧が電池の充電終了の設定電圧よりも低い状態では定電流充電を行なう。このときの充電電圧は電池の充電終了電圧より低い電圧であり、その電圧が充電終了電圧に達すると（例えば電池１本の４．２Ｖタイプであればその４．２Ｖとなる。）、この電圧を上限にして固定され、定電圧充電に移行する。その定電圧充電状態で時間が経過するにつれて電池が充電されるとともに、充電電流は図３の点線で示すように徐々に低下してくる。その電流値が一定値（例えば定電流充電値の１／１０）にまで低下したら、充電終了と判断する。
図５を参照してより詳細に説明する。
予備充電は電池の１／１０Ｃ程度の電流で充電する方式であるが、これは平均的にこの電流値で充電することで実用上問題がなく、本方式では電池未接続（＝定電圧充電）時の電圧（４．２Ｖ）に充電電圧をセットしたまま、図1に示す抵抗Ｒｂと直列に接続されたＳＷ３のｏｎ／ｏｆｆ期間を例えば図５（ｂ）のように調整（パルス幅変調）して、充電電流がおおむね１／１０Ｃの充電電流になるように調整している。予備充電が進むにつれて電池電圧が図５（ａ）のように上昇するが、電流のピーク値は図５（ｃ）（Ｒｂは上記抵抗、ＶCEは電池電圧を示す）のように低下するので、電池電圧の変化をＡ／Ｄ変換器で測定して、ｏｎ／ｏｆｆ期間を見直し、通電期間を調整して１／１０Ｃに合うよう調整している。
予備充電は電池の１／１０Ｃ程度の電流で充電する方式であるが、これは平均的にこの電流値で充電することで実用上問題がなく、本方式では電池未接続（＝定電圧充電）時の電圧（４．２Ｖ）に充電電圧をセットしたまま、図1に示す抵抗Ｒｂと直列に接続されたＳＷ３のｏｎ／ｏｆｆ期間を例えば図５（ｂ）のように調整（パルス幅変調）して、充電電流がおおむね１／１０Ｃの充電電流になるように調整している。予備充電が進むにつれて電池電圧が図５（ａ）のように上昇するが、電流のピーク値は図５（ｃ）（Ｒｂは上記抵抗、ＶCEは電池電圧を示す）のように低下するので、電池電圧の変化をＡ／Ｄ変換器で測定して、ｏｎ／ｏｆｆ期間を見直し、通電期間を調整して１／１０Ｃに合うよう調整している。
図１に示すＳＷ２は急速充電用スイッチで、予備充電期間には図５（ｄ）のようにｏｆｆとなっており、急速充電時にｏｎとなって図５（ｅ）のような電流ｉQを電池ＣＥに供給する。ＳＷ３は予備充電時にｏｎ／ｏｆｆ期間の調整用スイッチとして使用している。
上記のようにすることにより、Ａ／Ｄ変換器の基準電圧は予備充電期間中も確保されるため、この期間のＡ／Ｄ動作を保証することができる。
上記のようにすることにより、Ａ／Ｄ変換器の基準電圧は予備充電期間中も確保されるため、この期間のＡ／Ｄ動作を保証することができる。
予備充電は不良電池の場合、２時間経過しても電圧が上昇しない電池を不良と判断することから、この時間は短い保証はない。また、この期間中にＳＷ３のｏｎ／ｏｆｆ周期を調整（電池電圧が低いときは仮に３０％の電圧が通電期間であったものを、電池電圧が上昇してくると、この通電期間を６０〜８０〜１００％とアップさせる）できるようにするためには、電池電圧を測定する必要があり、その電池電圧の読み込みは正しく実施することが必要となる。
以上の各期間とＳＷ１〜３のｏｎ，ｏｆｆとの関係をまとめると、下記のようになる。
予備充電 ＳＷ２……ｏｆｆ
ＳＷ３……ｏｎ／ｏｆｆ（通電角調整：Ｒｂ（Ω）で通電）
ＳＷ１……ｏｎ
急速充電 ＳＷ２……ｏｎ
ＳＷ３……ｏｆｆ
ＳＷ１……ｏｎ
電池電圧読込 ＳＷ２……ｏｆｆ
ＳＷ３……ｏｆｆ
ＳＷ１……ｏｎ（必要に応じて電池電圧読込）
以上の各期間とＳＷ１〜３のｏｎ，ｏｆｆとの関係をまとめると、下記のようになる。
予備充電 ＳＷ２……ｏｆｆ
ＳＷ３……ｏｎ／ｏｆｆ（通電角調整：Ｒｂ（Ω）で通電）
ＳＷ１……ｏｎ
急速充電 ＳＷ２……ｏｎ
ＳＷ３……ｏｆｆ
ＳＷ１……ｏｎ
電池電圧読込 ＳＷ２……ｏｆｆ
ＳＷ３……ｏｆｆ
ＳＷ１……ｏｎ（必要に応じて電池電圧読込）
以上のような一連の動作で、定電圧充電（予備充電および電池未接続状態を含む）期間の充電電圧をＡ／Ｄ変換器１６の所定の基準電圧とすることができるが、充電（基準）電圧が変動している急速充電（定電流充電）期間は、Ａ／Ｄ変換器として正しい変換ができない。そのため、Ａ／Ｄ変換器１６が基準電圧設定回路１１の出力を読出し変換した値が、図６のように基準値から外れることにより急速充電中と判断し、データの取り込みを実行しないこととする。従って、急速充電期間は動作状況の監視ができないことになるが、この期間の時間監視を行なうなどするため、特に問題はない。
このような動作をフローで示すのが図７で、Ａ／Ｄ変換器１６が回路１１から基準電圧を読み込み（ステップＳ１参照）、これを一定範囲として読めるかどうかをステップＳ２で判断し、読める場合（ＹＥＳ）のみＡ／Ｄ変換器１６は正常動作できるものとして、データを取り込みこれに基く判断，処理を実行する（ステップＳ３，Ｓ４参照）。なお、ステップＳ２で一定範囲として読めない場合は、データを取り込まないこととする。
図８はこの発明の第２の実施の形態を示す回路図である。
図８からも明らかなように、図１に示すものに対し設定回路１１からの基準電圧をＡ／Ｄ変換器１６に入力しない構成とするとともに、コンパレータ１２と１３の各出力を導入してその比較を行なうコンパレータ１４を付加した点が特徴である。コンパレータ１２の出力がコンパレータ１３の出力よりも低いときは、コンパレータ１４により急速充電期間中と判断し、Ａ／Ｄ変換器１６のコードの読み出しを禁止するものである。
図８からも明らかなように、図１に示すものに対し設定回路１１からの基準電圧をＡ／Ｄ変換器１６に入力しない構成とするとともに、コンパレータ１２と１３の各出力を導入してその比較を行なうコンパレータ１４を付加した点が特徴である。コンパレータ１２の出力がコンパレータ１３の出力よりも低いときは、コンパレータ１４により急速充電期間中と判断し、Ａ／Ｄ変換器１６のコードの読み出しを禁止するものである。
１…充電制御回路、１１…基準電圧設定回路、１２，１３，１４…コンパレータ、１５…差動増幅器、１６…Ａ／Ｄ変換器、１７…制御器、ＡＣ／ＤＣ…交流／直流コンバータ、Ｅ…基準電圧発生回路、Ｔｒ…トランス、ＰＣ…フォトカプラ、Ｒ…抵抗、Ｔ…端子、Ｃ…コンデンサ、ＳＷ１〜ＳＷ３…スイッチ、ＣＥ…電池。
Claims (2)
- ＡＣ／ＤＣコンバータの出力トランス二次側の整流・平滑された直流電圧を、リチウムイオン電池の充電電圧および制御器用電源として用い、充電シーケンスに応じた充電電流または充電電圧を得るために、これら電流または電圧値を目標値に一致させるように前記ＡＣ／ＤＣコンバータにフィードバックする電流制御手段および電圧制御手段を備え、前記フィードバックされる出力トランス二次側の直流電圧を、最終的には電池の充電上限電圧に等しくなるように制御するリチウムイオン電池の充電制御回路において、
前記充電電圧を前記制御器内部の電圧，電流値の読み込みに使用するＡ／Ｄ変換器の基準電圧として入力するとともに、急速充電時に発生する電圧低下期間には内部基準電圧をＡ／Ｄ変換器が所定値として読み込めるときのみ、Ａ／Ｄ変換器が正常動作するものと判断して、Ａ／Ｄ変換器による各種制御データの読み込みを有効にすることを特徴とするリチウムイオン電池の充電制御回路。 - ＡＣ／ＤＣコンバータの出力トランス二次側の整流・平滑された直流電圧を、リチウムイオン電池の充電電圧および制御器用電源として用い、充電シーケンスに応じた充電電流または充電電圧を得るために、これら電流または電圧値を目標値に一致させるように前記ＡＣ／ＤＣコンバータにフィードバックする電流制御手段および電圧制御手段を備え、前記フィードバックされる出力トランス二次側の直流電圧を、最終的には電池の充電上限電圧に等しくなるように制御するリチウムイオン電池の充電制御回路において、
前記電流制御手段と電圧制御手段の各出力電圧を比較する比較手段を設け、その比較結果から電流制御動作中であると判断したときは、前記Ａ／Ｄ変換器による電圧，電流の読み込みを無効とすることを特徴とするリチウムイオン電池の充電制御回路。
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