JP4434108B2 - 充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、２次電池の充電装置に関し、特に定電流・定電圧充電制御が要求されるリチウム電池、および定電流充電制御が要求されるニッケル水素電池、ニッケル・カドミウム電池（以下、ニカド電池と称する）等の異なる充電制御方式および異なる電池電圧が要求される各種の電池パックを充電するための汎用型充電装置に関する。

コードレス電動工具等の携帯用機器の発達に伴い、携帯用機器の電源に、ニッケル水素電池やニカド電池等の高容量化された２次電池が使用されつつある。また高容量化された２次電池の他の例として、ニッケル水素電池やニカド電池に比較して電気量を多く取り出せるリチウム電池が携帯用機器へ使用されつつある。なお、本願明細書におけるリチウム電池とは、一つには、バナジウム・リチウム電池、マンガン・リチウム電池等を指し、負極にリチウム・アルミ合金を用い、有機電解液を使用した電池を言う。また、リチウムイオン電池は、一般には、正極にコバルト酸リチウム、負極に黒鉛、電解液として有機電解液を用いて、充電時に負極にリチウムイオンを存在させた電池であるが、この２次電池も電池反応にリチウム種が深く関与するので、便宜上、本願においては、リチウムイオン電池も含めて単にリチウム電池と称する。

リチウム電池のセル公称電圧は、広く実用に供されているニッケル水素電池やニカド電池に比較すると約２〜３倍高く、そのエネルギー密度はニカド電池の約３倍という性能を持ち、かつ小形軽量であるという特徴を有する。さらに、放電効率も良く、比較的低温環境の中でも放電が可能で、広い温度範囲で安定した電圧を得ることができる特徴を有する。

これらの２次電池は、コードレス電動工具等のように、所要電圧が大きくなるに従って、当然、電池パック（電池組）内に収容する電池セル数（素電池数）も多くなる。例えば、ニカド電池セルやニッケル水素電池セルの公称電圧は１．２Ｖであるために、電池電圧が１４．４Ｖの電動工具では１２個、２４Ｖの場合は２０個の電池セルを電池パックに収納する必要があり、また、リチウム電池を使用する場合、特にリチウムイオン電池セルでは公称電圧は３．６Ｖと高いために、電池電圧が１４．４Ｖの場合は４個の電池セルを電池パックに収納する必要がある。

各種の携帯用機器に対応して電池電圧が互いに異なる各種の電池パックが使用されることから、電池セル数の異なる各種の電池パックを一台の充電装置で充電する汎用型充電装置が普及している。この汎用型充電装置は、例えば下記特許文献１に開示されている。またリチウムイオン電池を含むリチウム電池の電池パックの充電方式では図７に示すような定電流・定電圧制御が要求され、一方、ニッケル水素電池およびニカド電池等の充電方式では図８に示すような定電流制御が要求されることから、異なる電池電圧および異なる充電制御が要求される複数種の電池パックを一台の充電装置で充電することができる汎用型の充電装置も普及しつつある。

後者の汎用型充電装置においては、ニッケル水素電池およびニカド電池の電池パックを充電するときには、定電流制御を行うため、充電装置が充電可能な最も電池セル数の多い電池パックに対応した電圧値を出力電圧として設定する必要がある。このため、特許文献１に開示されたように、充電電源と被充電電池パック間に、充電電流路をオン・オフ制御するリレースイッチを挿入した充電装置においては、電池セル数の少ない低電圧の電池パックを充電するとき、充電すべくリレースイッチを閉じると、電池セル数の多い高電圧の電池パックに対応した高い出力電圧が電池セル数の少ない電池パックに過剰に印加され、リレースイッチを閉じた瞬間、過渡的に突入電流が流入することになる。その結果、充電電流路に存在するリレースイッチに大きなダメージを与えてしまう。また、被充電電池パックが充電装置に実装されていないときや、電池パックが満充電と判別されて充電を終了するときには、リレースイッチをオフし、充電電流の供給を遮断するが、充電電源は、その充電装置で充電可能な最も電池セル数の多い電池パックに要求される一番高い出力電圧を給電できるように制御されることになるので、リレースイッチのオフ時でも消費電力が大きくなる。

上述した充電電源から被充電電池パックへの突入電流の問題を解決するために、特許文献１に開示された技術に従えば、複数の出力電圧を設定可能な出力電圧設定手段を設け、充電時にリレースイッチをオンする場合、充電電源の出力電圧を充電中の電池パックに要求される電池電圧より大きい第１の出力電圧に設定し、リレースイッチをオフしている場合は、充電電源の出力電圧を該第１の出力電圧より小さい第２の出力電圧になるように設定する充電装置が提案されている。

特開２００４−１８７３６６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術のように、単純に充電可能な複数の電池セルに対応する出力電圧を設けただけではニッケル水素電池またはニカド電池を定電流制御で充電することは可能でも、リチウム電池を充電するには不十分である。リチウム電池を劣化なく充電し、十分な充放電容量を得るためには高精度な定電圧制御が必要となる。例えばリチウムイオン電池の場合、４．２Ｖ／セル±５０ｍＶ程度の精度で充電を行わないと電池の劣化や十分な容量が得られないという特質がある。すなわち、特にリチウム電池の充電においては制御された充電電圧も出力できる汎用充電装置が要求される。

また、特許文献１に開示された技術のように、電池パックの実装を待機し、充電を行っていない場合、充電中の第１の出力電圧より小さい第２の出力電圧に設定するだけでは、消費電力を小さくする観点からも不十分である。

さらに、単純に被充電電池パックに充電電力を供給するための充電電源回路とは別に、マイコンやオペアンプ等の制御系の電源を第２の電源回路として設ければ、リレースイッチを削除することができ、突入電流の問題を解決できるように考えられる。しかし、そのような充電装置では、例えば被充電電池パックの実装時に、電池パックの正負極（＋−）を逆に挿入できるような実装構造を持つ場合、その正負極が逆に実装されたときに、充電電源回路の出力電圧側の平滑用コンデンサが逆充電されてしまい、該コンデンサが損傷してしまうという問題も残る。従って簡単にはリレースイッチを削除することができない。

従って、本発明の一つの目的は、充電待機時の低消費電力化を図ると共に、充電開始時の被充電電池パックへの過渡的な突入電流を抑制することが可能で、かつ異なる電池電圧および異なる充電制御方式を有する電池パックを充電することが可能な汎用型充電装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、ニカド電池およびニッケル水素電池のような電池パックを定電流制御方式で充電することが可能な充電装置を提供すると同時に、リチウム電池のような電池パックを定電流・定電圧制御方式で充電できる汎用型充電装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に従って開示される発明のうち、代表的なものの特徴を説明すれば、次のとおりである。

本発明の一つのの特徴によれば、リチウム電池を含む電池電圧の異なる複数種の電池パックを充電することが可能な充電装置であって、電池パックを充電するための電圧を出力する充電電源手段と、前記充電電源手段と前記電池パックとの間に接続され、該充電電源手段と該電池パックとの間の充電流通路をオンまたはオフするスイッチ手段と、前記スイッチ手段を制御するためのマイクロコンピュータと、前記電池パックの電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、前記電池パックの電池の種類を判別する電池種判別手段と、前記マイクロコンピュータに接続され、該マイクロコンピュータからの指令に応じて段階的に異なる値の電圧を発生するための抵抗手段と、該抵抗手段から得られる複数段階の電圧に応じて前記充電電源手段の出力電圧を制御する手段とを備えた充電装置であって、前記マイクロコンピュータは、前記電池パックが接続され、且つ前記スイッチ手段がオフ状態にあるときの充電前の電池電圧を検出し、前記複数段階の電圧の中から前記充電前の電池電圧に近い電圧を選択して、その電圧を前記抵抗手段により発生した後、前記スイッチ手段をオン状態とし、前記電池種判別手段により接続された電池種を判別して、充電すべき電池パックがリチウム電池である場合には、前記マイクロコンピュータは接続された電池数に応じた電圧を選択して、その電圧を抵抗手段により発生するように制御することにある。

本発明の他の特徴によれば、前記マイクロコンピュータ、前記出力電圧設定手段、前記スイッチ手段および電池電圧検出手段を駆動するための駆動電源は、前記充電電源手段とは独立した別系統の電源として設けられ、充電すべき前記電池パックが実装されていない場合、前記充電電源手段の出力を停止する。

本発明のさらに他の特徴によれば、電池電圧が異なり、かつ充電方式が定電流・定電圧制御または定電流制御で充電される複数種の前記電池パックを検出するための電池パック検出手段を該電池パック内に内蔵させ、前記マイコンは前記電池パック検出手段に基づいて検出された検出信号に基づいて電池パックの種類を判別する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記スイッチ手段は、リレースイッチからなり、該リレースイッチの制御コイルを含むスイッチ制御回路を前記マイコンによってオン・オフ制御する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記被充電電池パックが定電流・定電圧制御により充電されるリチウム電池、ならびに定電流制御により充電されるニッケル水素電池およびニッケル・カドミウム電池である。

本発明によれば、前記出力電圧制御手段は、前記スイッチ手段がオフ状態にあるとき、前記充電電源手段の出力電圧を、前記電池電圧検出手段によって検出した前記電池パックの電池電圧に対応する所定電圧に設定し、かつ前記出力電圧制御手段は、前記スイッチ手段がオン状態にあるとき、前記充電電源手段の出力電圧を、前記電池パックに充電すべき電池電圧より高い所定電圧に設定することによって充電を行うので、充電待機時の低消費電力化を図れると共に、充電開始時の被充電電池パックへの過渡的な突入電流を抑制することが可能で、かつ異なる電池電圧および異なる充電制御方式を有する電池パックを充電することが可能な汎用型充電装置を提供できる。

本発明によれば、充電電流制御手段および出力電圧制御手段を具備するので、ニカド電池およびニッケル水素電池のような電池パックを定電流制御方式で充電することが可能な充電装置を提供すると同時に、リチウム電池のような電池パックを定電流・定電圧制御方式で充電できる汎用型充電装置を提供できる。

本発明の上記および他の目的、ならびに上記および他の特徴および利点は、以下の本明細書の記述および添付図面からさらに明らかとなるであろう。

以下、本発明の一実施形態について、図１乃至図６を参照して詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。

図１は本発明の一実施形態に係る充電装置の回路図を示す。図１において、充電装置２００によって充電すべき電池パック２は、単数または直列接続された複数の充電可能な、例えばリチウム電池セル２ａと、電池パック２内の電池温度を検出するために、電池セル２ａに接触または近接して配置されたサーミスタ等の温度検出センサとして機能する感温素子２ｂとから成り、さらに電池パック２は、ニッケル水素電池、ニカド電池およびリチウム電池等の電池の種類および電池セル２ａのセル数を判別するための電池種判別手段２ｃを有する。この電池種判別手段２ｃは、本実施形態では、電池種によって異なる抵抗値を持つ抵抗２ｃから成るが、電池種を種別コードで表示して、コードを読み出すように構成しても良い。例えば、電池パック２は、電池セル２ａが公称電圧３．６Ｖの電圧を有するリチウムイオン電池（セル）を３個直列接続したものから成り、総計１０．８Ｖの電圧を持つ。

電池パック２に充電電力を供給するための充電電源回路（第１の電源回路）３００は、第１の整流平滑回路１０と、スイッチング電源回路２０と、第２の整流平滑回路３０とから構成される。

第１の整流平滑回路１０は全波整流回路１１と平滑用コンデンサ１２とから成り、商用交流電源等の交流電源１を全波整流する。スイッチング電源回路２０は、高周波トランス２１と、トランス２１の１次コイルに直列接続されたＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）２２と、ＭＯＳＦＥＴ２２のゲート電極に印加する駆動パルス信号のパルス幅を変調させるためのＰＷＭ制御ＩＣ（スイッチング電源ＩＣ）２３とを備える。ＰＷＭ制御ＩＣ２３は、ホトカプラから成る充電制御信号伝達手段４および充電帰還信号伝達手段５より入力される制御入力信号に基づいて、ＭＯＳＦＥＴ２２の充電動作の開始および停止を制御し、かつＭＯＳＦＥＴ２２のゲート電極に供給する駆動パルス幅を変えることによって、ＭＯＳＦＥＴ２２のオン時間を制御し、整流平滑回路３０の出力電圧と電池パック２の充電電流を調整する。第２の整流平滑回路３０はトランス２１の２次コイル側に接続されたダイオード３１および３２、チョークコイル３３、および平滑用コンデンサ３４および放電用抵抗３５から成る。

第１の整流平滑回路１０、スイッチング電源回路２０、および第２の整流平滑回路３０を含む充電電源手段３００の出力側（出力端子３０ａ）と、電池パック２との間には、充電電流通路の開閉（オン・オフ）を制御するためのスイッチ手段１２１が電気的接続されている。このスイッチ手段１２１は、例えばリレーから成り、さらにリレー１２１の駆動コイル１２１ａはスイッチングトランジスタ７ａ、およびバイアス抵抗７ｂ、７ｃから成るリレー制御回路７によって駆動される。またリレー制御回路７はマイコン５０から出力される制御信号によってオン・オフ制御される。

一方、第１の整流平滑回路１０、スイッチング電源回路２０、および第２の整流平滑回路３０から構成された充電電源手段３００には、充電電流制御手段６０および定電圧制御手段８０が電気的に接続される。

充電電流制御手段６０は、演算増幅器６１ａおよび６１ｂと、演算増幅器６１ａおよび６１ｂの入力抵抗６２および６４と、演算増幅器６１ａおよび６１ｂの帰還抵抗６３および６５と、充電電流設定手段を構成する抵抗６６および抵抗６７と、ダイオード６９およびダイオード電流制限用抵抗６８からなる出力回路とから構成された演算増幅回路を含む。設定電位を与える分圧抵抗６６および６７には、後述する、制御回路やマイコンの駆動電源を給電する定電圧電源（第２の電源回路）１００の出力電圧Ｖｃｃが給電される。充電電流制御手段６０の入力側は電池パック２の充電電流を検出するための抵抗から成る電流検出手段３に接続される。また、その出力側は、上述したように、ホトカプラから成る充電帰還信号伝達手段５を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３を制御する。このような構成に基づき充電電流制御手段６０は電池パック２に供給する充電電流を一定値に制御する。

定電圧制御手段８０は、演算増幅器８１と、反転入力端子（−）側の入力抵抗８２と、帰還抵抗８４と、非反転入力端子（＋）側の入力抵抗８３と、ダイオード８６およびダイオード電流制限用抵抗８５から成る出力回路とから構成される。定電圧制御手段８０の入力側は、抵抗４１および抵抗４２から成る充電電源の出力電圧検出手段４０に接続され、上述した充電電源回路３００の出力電圧のフィードバック用検出電圧が入力される。その出力側は、上記充電電流制御手段６０の出力側と同様に、ホトカプラから成る充電帰還信号伝達手段５を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３を制御する。従って、ＰＷＭ制御ＩＣ２３は、上記充電電流制御手段６０または定電圧制御手段８０の出力信号（フィードバック信号）により制御されることになる。

さらに、演算増幅器８１の非反転入力端子には抵抗８３を介して出力電圧設定手段６が接続される。出力電圧設定手段６は、固定抵抗６ａ〜６ｅと可変抵抗６ｆ〜６ｊとから成るポテンショメータ回路から構成される。出力電圧設定手段６から演算増幅器８１の非反転入力（＋）へ供給される設定電圧は、マイコン５０の出力ポート５３における４つのポート５３ｆ〜５３ｉのデジタル制御信号によって各種の電圧値に設定され、該設定電圧値に応じた定電圧制御手段８０のフィードバック作用によって、第２の整流平滑回路３０の出力電圧（出力端子３０ａの電圧）が所定の出力電圧値に制御される。例えば、ポテンショメータ６ｆ、６ｇ、６ｈおよび６ｉに連なるマイコン５０の出力ポート５３ｆをロウ出力、他の出力ポート５３ｇ〜５３ｉをハイインピーダンス出力とした場合、演算増幅器８１の非反転入力端子（＋）に出力電圧設定手段６から所定の設定電圧が印加され、第２の整流平滑回路３０の出力電圧（出力端子３０ａの電圧）は、１セルのリチウムイオン電池の電池パック２を定電流・定電圧充電制御するために必要な４．２Ｖに設定される。他方、出力ポート５３ｇをロウ出力、出力ポート５３ｆおよび５３ｈ〜５３ｉをハイインピーダンス出力とした場合、第２の整流平滑回路３０の出力電圧は、２セルのリチウムイオン電池の電池パック２を定電流・定電圧充電制御するために必要な８．４Ｖに設定される。同様にして、出力ポート５３ｈをロウ出力、出力ポート５３ｆ、５３ｇ、５３ｉをハイインピーダンス出力とした場合、３セルのリチウムイオン電池の電池パック２を定電流・定電圧充電するための１２．６Ｖを出力し、出力ポート５３ｉをロウ出力、出力ポート５３ｆ〜５３ｈをハイインピーダンス出力とした場合、４セルのリチウムイオン電池の電池パック２を定電流・定電圧充電するための１６．８Ｖを出力し、さらに全出力ポート５３ｆ〜５３ｉをハイインピーダンス出力とした場合、ニッケル水素電池またはニカド電池の電池パック２を定電流充電するための２５Ｖを出力する。図３は、電池の種類および電池のセル数に応じた各種の設定電圧と、上述したマイコン５０の出力ポート５３ｆ〜５３ｊの信号レベルとの関係を示した設定電圧例である。図３において、上述した出力ポートの信号レベルはロウ出力の場合は「Ｌ」で表示し、ハイインピーダンス出力の場合は「Ｈ」で表示している。出力電圧設定手段６は、可変抵抗６ｆ〜６ｊを再調整することにより、設定電圧を正確に調整することができるので、電池パック２に内蔵されたリチウムイオン電池のセル数に応じて精度のよい出力電圧で充電を行うことができる。従って、定電圧制御手段８０は出力電圧設定手段６と共に、充電電源手段３００の出力電圧を設定するための出力電圧制御手段を構成する。

充電電源手段３００、充電電流制御手段６０、定電圧制御手段８０、出力電圧設定手段６、および電池温度検出手段７０等の動作は、マイコン（制御手段）５０によって制御される。マイコン５０は、制御プログラムを実行するＣＰＵ（中央処理装置）５１の他に、図示されていないが、ＣＰＵ５１の制御プログラム、電池パックの電池種に関するデータ等を格納するリード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵ５１の作業領域やデータの一時記憶領域などとして利用されるランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、およびタイマを具備している。さらに、マイコン５０は、上記した電池種判別抵抗２ｃ、電池電圧検出手段８、出力電圧検出手段９および電池温度検出手段７０によって検出されたアナログ入力信号をデジタル出力信号に変換するためのＡ／Ｄコンバータ５２と、上記出力電圧設定手段６およびリレー制御回路７に制御信号を出力するための出力ポート５３（ポート５３ｆ〜５３ｉを含む）と、充電制御信号伝達手段４に充電の開始または停止を制御する制御信号を出力するための出力ポート５４と、電源投入時にリセット信号を入力するためのリセット入力ポート５５とを具備する。

電池パック２の感温素子２ｂは、駆動電源電圧Ｖｃｃが給電された直列抵抗７１および７２から成る電池温度検出手段７０に接続され、抵抗値の温度変化を電圧に変換し、マイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５２に入力される。

電池パック２の電池種判別抵抗２ｃは、上述したように電池パック２のセル数および電池種に対応する抵抗値を持つので、一端が駆動電源Ｖｃｃに接続された抵抗１２０と共に分圧回路を構成し、その分圧電圧をマイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５２に入力し、マイコン５０によって電池パック２の電池の種類を判別する。

電池パック２の電池電圧は、分圧用抵抗８ａおよび８ｂから成る電池電圧検出手段８によって検出電圧として分圧され、マイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５２に入力される。

出力電圧検出手段９は、直列接続された２つの分圧用抵抗９ａおよび９ｂから成り、両者の抵抗によって分圧された検出電圧をマイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５２に入力する。

電池パック２の充電を開始または停止させる制御信号は、マイコン５０の制御プログラムに従って、その出力ポート５４より充電制御信号伝達手段４を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３の制御入力へ供給される。充電制御信号伝達手段４より充電開始の制御信号を受信すれば、ＰＷＭ制御ＩＣ２３によって、ＭＯＳＦＥＴ２２はスイッチング動作を開始し、逆に充電停止の制御信号を受信すれば、ＭＯＳＦＥＴ２２はスイッチング動作を停止する。

マイコン５０、充電電流制御手段６０、充電電圧制御手段８０、出力電圧設定手段６、リレー制御回路７、電池温度検出手段７０、電池種判別の検出抵抗２ｃ等の駆動電源電圧Ｖｃｃは、商用交流電源１を整流する第１の整流平滑回路１０より分岐され形成された定電圧電源（第２の電源回路）１００によって供給される。この定電圧電源１００は、上記第１の電源回路である充電電源手段３００とは別系統の第２の電源回路として設けられる。

定電圧電源１００は、電源トランス１０２と、電源トランス１０２の１次コイル１０２ａの閉回路に設けられたスイッチング電源用ＩＣ１０１と、スイッチング電源用ＩＣ１０１によって発生したパルス電圧を電源トランス１０２の２次コイル１０２ｂ側で整流する整流ダイオード１０３および平滑コンデンサ１０４と、フィードバック回路装置１０５、シャントレギュレータ１０６、出力電圧を設定する分圧抵抗１０７、１０８および平滑用コンデンサ１０９から成る定電圧化回路と、３端子レギュレータ１１０および平滑用コンデンサ１１１から成る定電圧Ｖｃｃを出力する定電圧出力回路と、定電圧出力側に設けられたリセットＩＣ１１２とから構成される。定電圧電源１００のリセットＩＣ１１２は、電源投入時などにマイコン５０を初期状態にするために、リセット入力ポート５５にリセット信号を出力する機能を有する。

直流電源回路９０は、上記ＰＷＭ制御ＩＣ２３を駆動するための電源回路で、電源トランス１０２の第２の２次コイル９２に接続された整流用ダイオード９１および平滑用コンデンサ９３から成り、この電源回路も上記充電電源手段３００と別系統の電源回路として構成されている。

次に、上述した本発明に係る充電装置の動作について、図１に示した回路図、および図２に示した制御フローチャートを参照して説明する。

電源を投入すると、ステップ２０１において、マイコン５０は、充電すべき電池パック２が充電装置２００に電気的に接続されるのを待機する実装待機状態となる。電池パック２が接続（実装）されたか否かは、電池電圧検出手段８および電池温度検出手段７０からの検出信号をマイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５２に取込むことによって判別する。

電池パック２が接続された場合、ステップ２０２において、電池電圧検出手段８により充電前（リレー１２１をオンする前）の電池電圧をマイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５２に取込む。

次に、ステップ２０３において、ステップ２０２で検出された充電前の電池パック２の電池電圧に応じて、充電電源手段３００の出力電圧（出力端子３ａの電圧）を設定すべく、マイコン５０は、出力電圧設定手段６へ電気的接続された複数の出力ポート５３ｆ〜５３ｉにおける各ポートのデジタル制御信号の出力レベルを、ロウ出力（Ｌレベル）またはハイインピーダンス出力（Ｈレベル）に設定する。図４は、充電前の電池電圧の大きさに従って設定される設定電圧、および該設定電圧を出力するために複数出力ポート５３ｆ〜５３ｉに要求されるデジタル制御信号の出力レベルの例を示す。この設定電圧と出力ポートの信号レベルとの設定例は、上記図３に示した例と同様に設定される。

このステップ２０３において、充電前の電池パック２の電池電圧に応じた出力電圧の設定とは、検出した充電前の電池電圧との電位差が小さくなるように、充電電源手段３００の出力電圧を設定することを意味する。例えば、ステップ２０２において、充電前の電池パック２の電池電圧が１３Ｖであった場合、図４に示すように、電池電圧１３Ｖと電位差が小さくなるような出力電圧１２．６Ｖが選択され、設定される。これによって、充電電源手段３００の出力電圧（端子３０ａの電圧）と電池パック２の電池電圧との間の電位差が小さくなるために、リレー１２１をオンしたときに瞬間的に流れる過渡的な突入電流を小さくできる。リレー１２１をオンする前、すなわち充電前において、電池パック２の電池電圧と充電電源手段３００の出力電圧との電位差を小さくするために、本実施形態においては、図４に示したように、出力電圧値を４．２Ｖ、８．４Ｖ、１２．６Ｖ、１６．８Ｖ、および２５Ｖの５つの基準電圧に規定し、これらの基準電圧と充電前の電池パック２の電池電圧とを比較することによって、電池パック２の電池電圧と近い基準電圧を出力電圧値として設定する。

ステップ２０３において充電電源手段３００の出力電圧値を設定したら、ステップ２０４に進み、マイコン５０の出力ポ−ト５４より充電制御信号伝達手段４を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３に出力オン信号を伝達し、ステップ２０３において設定した出力電圧値を出力端子３０ａに出力する。これによって、被充電電池パック２が充電装置２００に実装されない充電待機時においては、充電電源手段３００の出力電圧が発生しないので、充電待機時の消費電力を低減できる。

次にステップ２０５において、充電電源手段３００の出力電圧が所定値以下か否かを判別する。電池パック２の実装時に出力電圧がごく小さい値であれば、ステップ２０３において設定した電池電圧に近い出力電圧がステップ２０４において出力をオンすることにより出力されるが、例えば、公称電圧２４Ｖのニカド電池の電池パックのように電池電圧の高い電池パックを充電中または充電終了後、直ぐに充電装置２００から取外した場合、充電電源手段３００のコンデンサ３４等に充電された電圧が残っている場合がある。この残留電圧が放電用抵抗３５によって放電されまでには、コンデンサ３４および抵抗３５によって決まる時定数に応じた時間が必要である。特に、コンデンサ３４に大きな電圧が残ったまま、電池電圧が比較的小さい電池パック２を充電装置２００に実装した場合、その残留出力電圧が、ステップ２０３において設定した充電前の電池電圧に応じた比較的小さい出力電圧値以下に低下するまでに、コンデンサ３４および抵抗３５において決まる時定数に応じた時間が必要となる。従って、ステップ２０５は、充電電源手段３００の実際の出力電圧（コンデンサ３４の電圧）が電池パック２の電池電圧に近い値になっているか否かを確認するために設けられたステップであり、実際の出力電圧が所定値以上であれば、その出力電圧が電池パック２の電池電圧と近い値になるまで待機する。例えば、充電前の電池電圧が１３Ｖである場合は、実際の出力電圧がその値に近い例えば１４．７Ｖになるまで待機する。図５に例示するように、出力電圧（残留電圧）が設定電圧値に向って低下する場合、充電前の電池電圧に応じて設定電圧以下に低下させる必要がある。

ステップ２０５において充電電源３００の実際の出力電圧（コンデンサ３４の電圧）が図５に示すような設定電圧値以下となった場合、ステップ２０６に進み、出力ポート５３の制御信号により制御回路７を制御し、リレー１２１をオンさせる。この時、図６に示すように、電池パック２の電池電圧と充電電源手段３００の出力電圧Ｖｏとの電位差Ｖｄが小さくなるように設定されているために、充電電源手段３００から電池パック２に過渡的に流れる突入電流Ｉｄは小さい値（尖頭値）となる。例えば、従来の充電装置では最悪の場合、１００Ａに近い突入電流（尖頭値）が流入したが、本発明によれば１０Ａ程度の突入電流に低減できる。これによって、リレー１２１の破壊または電池パック２等の損傷を防止することができる。

ステップ２０６においてリレー１２１をオンさせた後、ステップ２０７において、電池パック２の電池種がリチウムイオン電池か否かを判別する。電池種の判別は電池種判別素子として機能する抵抗２ｃの端子電圧をマイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５２に入力することによって実行する。

ステップ２０７において電池パック２がリチウムイオン電池であると判別された場合は、ステップ２０８に進み、電池パック２の電池セル数に応じて、図３に示したように、出力電圧設定手段６によって、充電電源手段３００の出力電圧を再設定する。例えば、図３に示すように、電池パック２のリチウムイオン電池のセル数が３個の場合、設定出力電圧は１２．６Ｖとなり、マイコン５０の出力ポート５３ｆ〜５３ｉから出力電圧設定手段６に出力される制御信号の出力レベルは、ポート５３ｈがロウ出力（Ｌ）、他のポート５３ｆ、５３ｇおよび５３ｉがハイインピーダンス出力（Ｈ）となる。これによって、図７に示したように、定電流・定電圧制御充電が行われる。

次に、ステップ２０９において満充電か否かを判別する。満充電の判別は、例えば、図７に示すような定電流・定電圧制御において、定電圧の区間で充電電流の値がある所定値以下になったか否かで行う。

ステップ２０７において電池パック２が、リチウムイオン電池以外のニッケル水素電池またはニカド電池であると判別された場合、ステップ２１０に進み、図８に示すように定電流制御で充電を行うために、出力電圧設定手段６によって、充電電源手段３００の出力電圧を設定値２５Ｖに再設定する。尚、本実施形態においては充電可能な最大の電池電圧は１４．４Ｖを想定している。

次に、ステップ２１１において、電池パック２は満充電か否かを判別する。電池パック２がニッケル水素電池またはニカド電池である場合の満充電の判別は、周知の種々の検出方法がある。周知の代表的な一つの例は、電池パック２の電池電圧を電池電圧検出手段８によって検出し、この電池電圧を監視しながら、充電末期のピーク値から所定量降下したことを検出して満充電とする−ΔＶ（マイナス・デルタ・ブイ）検出がある。その他の検出方式としては、電池電圧がピーク値に達する前に充電を停止することにより過充電を低減し、電池パックのサイクル寿命を向上させるために、電池電圧の時間による２階微分値が負になるのを検出して満充電と判別する２階微分検出、電池温度検出手段７０の出力に基づいて充電開始からの電池パック２の温度上昇値が所定の温度上昇値以上になるのを検出して満充電と判別するΔＴ検出、または特開昭６２−１９３５１８号、特開平２−２４６７３９号および実開平３−３４６３８号公報等に記載されている充電時における所定時間当りの電池温度上昇率（温度勾配）が所定値以上になるのを検出して満充電と判別するｄＴ／ｄｔ検出があり、これら周知の満充電検出法の一方式または複数方式を採用して満充電の判別を行うことができる。

ステップ２０９またはステップ２１１において満充電と判別したら、まず、ステップ２１２において、マイコン５０の出力ポート５４より充電制御信号伝達手段４を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３に、ＰＷＭ制御ＩＣ２３の動作を停止するために出力オフ信号を伝達し、充電電源手段３００の出力電圧をオフする。

次に、ステップ２１３において、マイコン５０の出力ポート５３よりリレー制御回路７を介し、リレー１２１をオフさせる。

さらに、ステップ２１４において、電池パック２が充電装置２００から抜かれたか否かを判別し、抜かれた場合（ＹＥＳの場合）、充電が終了したことになるので、新たに実装される電池パック２を充電すべくステップ２０１に戻る。

以上の実施形態の説明から明らかにされるように、本発明に従えば、充電すべき電池パック２が充電装置２００に実装された場合、スイッチ手段１２１がオフしているとき、充電電源手段３００の出力電圧Ｖｏ（図６参照）を、被充電電池パック２の電池電圧と電位差Ｖｄが小さくなるように、電池パック２の充電前の電池電圧に対応する電圧値に予め設定する。しかる後、充電電源手段３００の充電電流路に挿入されたスイッチ手段１２１をオンするので、スイッチ手段１２１のオン制御時に充電電流路に流れる突入電流Ｉｄ（図６参照）を低減することができ、これによって、スイッチ手段１２１の破壊または電池パック２の損傷等を防止することができる。一方、スイッチ手段１２１をオン状態にして充電を開始するとき、充電電源手段３００の出力電圧を、電池パック２の電池種に従って、再設定するので、所定の充電制御ができる。さらに、本発明の充電装置に従えば、被充電電池パック２が充電装置２００に実装されたときに、充電前の電池パック２の電池電圧に従って、充電電源手段３００の出力電圧が出力されるので、充電待機時の充電装置の低消費電力化が可能である。特に、本発明に従えば、電池パック２が実装されたことを検出してから充電電源手段３００が充電電圧を給電するので、出力電圧を適切な値に設定できると共に、電池パック２が実装されるまでは充電電源手段３００の出力電圧を実質的に零に設定できる。

以上の実施形態では、定電流・定電圧制御によって充電される電池パックの電池種としてリチウム電池のうち、特にリチウムイオン電池を例に説明したが、その他のリチウム電池種を充電する充電装置に適用しても同様な効果を得ることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

本発明の一実施形態に係る充電装置の回路図。 図１に示した充電装置による充電制御方式を示すフローチャート。 図１に示した充電装置による電池種と出力設定電圧との関係を示す特性図。 図１に示した充電装置による電池電圧と出力設定電圧との関係を示す特性図。 図１に示した充電装置による電池電圧と出力設定電圧との関係を示す特性図。 図１に示した充電装置による突入電流の対時間変化を示す特性図。 定電流・定電圧充電制御を示す充電特性図。 定電流充電制御を示す充電特性図。

符号の説明

１：入力商用電源 ２：電池パック ２ａ：電池セル ２ｂ：感温素子
２ｃ：電池種判別素子 ３：電流検出抵抗
４：充電制御信号伝達手段（ホトカプラ） ５：充電帰還信号伝達手段（ホトカプラ）
６：出力電圧設定手段 ６ａ〜６ｅ：固定抵抗 ６ｆ〜６ｉ：可変抵抗
７：リレー制御回路 ７ａ：トランジスタ ７ｂ、７ｃ：バイアス用抵抗
８：電池電圧検出手段 ８ａ、８ｂ：分圧用抵抗
９：出力電圧検出手段 ９ａ、９ｂ：分圧用抵抗
１０：第１の整流平滑回路 １１：全波整流回路 １２：平滑用コンデンサ
２０：スイッチング電源回路 ２１：高周波トランス ２２：ＭＯＳＦＥＴ
２３：ＰＷＭ制御ＩＣ ３０：第２の整流平滑回路 ３０ａ：出力端子
３１、３２：整流用ダイオード ３３：チョークコイル
３４：平滑用コンデンサ ３５：放電用抵抗
４０：出力電圧検出手段（フィードバック用） ４１、４２：分圧用抵抗
５０：マイクロコンピュータ（マイコン） ５１：中央処理装置（ＣＰＵ）
５２：Ａ／Ｄコンバータ ５３：出力ポート ５４：出力ポート
５５：リセット入力ポート ６０：充電電流制御手段
６１ａ、６１ｂ：演算増幅器 ６２、６４：演算増幅器の入力用抵抗
６３、６５：演算増幅器の帰還用抵抗 ６６、６７：充電電流設定用分圧抵抗
６８：抵抗 ６９：ダイオード ７０：電池温度検出手段
７１、７２：分圧用抵抗 ８０：充電電圧制御手段（出力電圧制御手段）
８１：演算増幅器 ８２、８３：演算増幅器の入力用抵抗
８４：演算増幅器の帰還用抵抗 ８５：抵抗 ８６：ダイオード
９０：直流電源回路 ９１：整流用ダイオード
９２：電源トランスの２次コイル ９３：平滑用コンデンサ
１００：定電圧電源（第２の電源回路） １０１：スイッチング電源用ＩＣ
１０２：電源トランス １０２ａ：電源トランスの１次コイル
１０２ｂ：電源トランスの２次コイル １０３：整流用ダイオード
１０４：平滑用コンデンサ １０５：フィードバック回路装置
１０６：シャントレギュレータ １０７、１０８：分圧用抵抗
１０９：平滑用コンデンサ １１０：３端子レギュレータ
１１１：平滑用コンデンサ １１２：リセットＩＣ １２０：検出用抵抗
１２１：リレースイッチ １２１ａ：リレースイッチの駆動コイル
２００：充電装置 ３００：充電電源手段（第１の電源回路）

Claims (7)

1. リチウム電池を含む電池電圧の異なる複数種の電池パックを充電することが可能な充電装置であって、
   電池パックを充電するための電圧を出力する充電電源手段と、
   前記充電電源手段と前記電池パックとの間に接続され、該充電電源手段と該電池パックとの間の充電流通路をオンまたはオフするスイッチ手段と、
   前記スイッチ手段を制御するためのマイクロコンピュータと、
   前記電池パックの電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、
   前記電池パックの電池の種類を判別する電池種判別手段と、
   前記マイクロコンピュータに接続され、該マイクロコンピュータからの指令に応じて段階的に異なる値の電圧を発生するための抵抗手段と、
   該抵抗手段から得られる複数段階の電圧に応じて前記充電電源手段の出力電圧を制御する手段とを備えた充電装置であって、
   前記マイクロコンピュータは、前記電池パックが接続され、且つ前記スイッチ手段がオフ状態にあるときの充電前の電池電圧を検出し、
   前記複数段階の電圧の中から充電前の前記電池パックの電圧に近い電圧を選択して、その電圧を前記抵抗手段により発生した後、前記スイッチ手段をオン状態とし、
   前記電池種判別手段により接続された電池種を判別して、充電すべき電池パックがリチウム電池である場合には、前記マイクロコンピュータは接続された電池数に応じた電圧を選択して、その電圧を抵抗手段により発生するように制御することを特徴とする充電装置。
2. 前記マイクロコンピュータ、前記スイッチ手段および電池電圧検出手段を駆動するための駆動電源は、前記充電電源手段とは独立した別系統の電源として設けられ、充電すべき前記電池パックが接続されていない場合、前記充電電源手段の出力を停止することを特徴とする請求項１に記載された充電装置。
3. 請求項１において、前記充電電源手段の出力電圧を検出する出力電圧検出手段を有し、
   前記マイクロコンピュータは、該出力電圧が所定値以下になったか否かを判定し、所定値以下になってから前記スイッチ手段により前記充電通路をオンするように制御することを特徴とする充電装置。
4. 前記電池種判別手段により、充電すべき電池がリチウム電池と判別されたときは、定電流充電を行った後に定電圧充電を行い、充電すべき電池がニッケル水素電池又はニカド電池と判別されたときは、定電流充電を行うことを特徴とする請求項１に記載された充電装置。
5. 前記スイッチ手段は、リレースイッチからなり、該リレースイッチの制御コイルを含むスイッチ制御回路を前記マイクロコンピュータによってオン・オフ制御することを特徴とする請求項１に記載された充電装置。
6. 請求項１において、前記スイッチ手段をオン状態にした後、前記充電電源手段の出力電圧を充電すべき電池電圧より高い所定電圧に再設定することを特徴とする充電装置。
7. 前記マイクロコンピュータは、前記充電電源手段の出力電圧が、出力電圧設定手段で設定された所定電圧となったときに、前記スイッチ手段をオンすることを特徴とする請求項１に記載の充電装置。

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