JP4479910B2 - 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（リチウムイオン電池を含む）、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）等の各種の電池パックを充電することができる充電装置に関する。

コードレス電動工具の駆動電源として、ニッケル水素電池やニカド電池の高容量化された２次電池が使用されつつある。さらに、コードレス工具の他の駆動電源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、かつ小形軽量であるリチウム電池の使用も注目されつつある。

リチウム電池の公称電圧は、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、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。

リチウム電池においては、過充電または過放電を行なうと、電池の特性劣化および発火の可能性がある。例えば、リチウムイオン電池は、定電流・定電圧制御により充電が行われるが、過充電を行うと、リチウムイオン電池に蓄積できる電気エネルギー容量には限界があるため、有機電解液の電気分解により熱とガスが発生し、可燃性の電解液に発火してしまう危険性がある。また、正負電極からはデンドライト（金属の枝）が析出し、そのデンドライトが電極間をショート（短絡）させる恐れもある。

従って、一般にリチウム電池から構成される電池パックには、過放電または過充電を防止するために、制御用ＩＣやマイクロコンピュータ（以下、単にマイコンと称する）を含む保護回路装置（保護ＩＣ）が内蔵されている。この技術は、例えば下記特許文献１および特許文献２に開示されているように、複数個のリチウムイオン電池セルから構成される電池パックの電池電圧が所定値以下（例えば２．３Ｖ／セル以下）となった場合、または電池電圧が所定値以上（例えば、４．３Ｖ／セル以上）となった場合、保護ＩＣは、過充電または過放電を報知する制御信号（電池状態信号）を出力し、電池パックの充電経路または放電経路を遮断することによって、電池パックを構成するリチウムイオン電池の特性劣化を防止し、かつ安全対策を行っている。

特開２００２−７６３４０号公報 特開平６−１４１４７９号公報

しかしながら、リチウム電池の電池パック内に内蔵された保護ＩＣは、電池を電源として電池状態信号を出力するように動作するものであり、動作に必要な所定値以上の電圧が必要である。例えば電池パックを長期間放置した場合には、自己放電等により著しく電池電圧が低下し、保護ＩＣを動作させるのに必要な電圧値が所定値以下に低下してしまう場合がある。この場合、例えば保護ＩＣが電池パックの状態（例えば過充電状態、あるいは通常状態）に応じて電池状態信号を出力するような場合には、保護ＩＣは所定の電池状態信号を出力できないことになる。このため、保護ＩＣからの所定の電池状態信号を受信し、その受信結果に基づいて充電を行うか否かを判別する充電装置、すなわち、過充電であるという信号を電池パックより受信した場合は充電を行わず、通常状態であるという信号を受信した場合には充電を行うような手段が設けられている充電装置では、過充電状態なのか通常状態なのか判別できないため、正しい充電を行えないといった状態が起こってしまう。

従って、本発明の目的は、電池パックに内蔵された保護ＩＣから出力された電池状態信号に基づいて電池パックの充電を行うか否かを判別する充電装置において、被充電電池パックからの電池状態信号が電池状態に正しく対応した所定信号を出力できない場合でも、充電することが可能な充電装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、電池パックに内蔵された保護ＩＣから出力された電池状態信号に基づいて電池パックの充電を行うか否かを判別する充電装置において、被充電電池パックの電池電圧が著しく低い状態においても充電を可能とした充電装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、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充電装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために本発明は、複数の電池セルと、該電池セルの電池状態検出信号を出力する手段であって、それぞれの電池セルの電圧が所定範囲内の電圧のときは通常状態であることを示す第１の信号を出力し、それ以外のときは、通常状態でないことを示す第２の信号を出力する保護回路手段とを有する電池パックを充電する充電装置において、前記電池パックへの充電電力を供給するための充電電源手段と、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、該電池電圧検出手段からの検出信号及び前記電池状態検出信号を入力し、前記電池パックの充電の開始及び停止を制御する制御回路装置とを備え、該制御回路装置は、充電開始前の前記電池電圧検出手段の検出信号より、充電開始前の前記電池電圧が所定値以下のときは、前記保護回路手段からの電池状態検出信号にかかわらず前記電池パックの充電を開始する第１の制御手段と、充電開始前の電池電圧が所定値より大きいときは、前記保護回路手段からの電池状態信号より電池セルの状態を判別し、前記各電池セルが通常状態であることを示す第１の信号を受け取ったときのみ前記電池パックを充電する第２の制御手段を具備することに一つの特徴を有する。

本発明の他の特徴は、前記制御回路手段は、充電を開始した後に、前記保護回路より前記第１の信号を受け取ったときは、前記第１の制御手段による充電を停止し、前記第２の制御手段により充電を継続し、前記第２の信号を受け取ったときは、前記第１及び第２の制御手段による充電を停止するようにしたことにある。

本発明の他の特徴は、充電すべき電池がリチウム電池であるか、又はニカド電池、ニッケル水素電池であるかを識別する手段を有し、該識別手段により充電すべき電池がニカド電池又はニッケル水素電池よりなる電池パックと認識されたときには、前記充電前の電池電圧の大きさにかかわらず、前記電池パックを充電するようにしたことである。

本発明によれば、被充電電池パックの電池の状態に応じて出力される電池状態信号に基づき、電池パックを充電するか否かを判別する充電装置において、被充電電池パックの電池電圧が著しく低い状態においても充電を可能とする。

本発明によれば、過充電が防止できるので、保護回路装置を内蔵するリチウム電池パックを充電するのに適した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、本発明の第１の実施形態について、図１乃至図３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および図２は本発明の一実施形態に係る充電装置２００の回路図で、図１は、被充電電池パック２として、保護ＩＣ（保護回路装置）２ｄを内蔵するリチウム電池が実装（接続）された場合を示し、図２は、被充電電池パック２として、ニッケル水素電池またはニカド電池が実装された場合を示す。図１および図２に示された、被充電電池パック２を除く、充電装置２００本体は全く同一の構成である。以下、図１に示したリチウム電池の電池パック２を実装した例を主体に、充電装置２００の全体構成について説明する。

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、例えばリチウムイオン電池セル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、また電池パック２は、電池セル２ａのセル数を判別するためのセル数判別素子２ｃを有する。このセル数判別素子２ｃは、本実施形態では、セル数によって異なる抵抗値を持つ抵抗から成る。

さらに、図１に示すように、電池パック２は、特にリチウム電池で構成される場合、被充電電池パック２の電池の状態、例えば過放電状態、過充電状態あるいは通常状態を報知する電池状態信号を充電装置２００へ出力する出力線２ｏを持つ保護ＩＣ２ｄを内蔵する。本実施形態によれば、保護ＩＣ２ｄは、電池パック２に収納された複数のリチウムイオン電池セル２ａごとの電池電圧を検出し、検出された複数の電池セル２ａの全てが所定範囲内の電圧値を検出したら、電池状態は通常状態として判別し、出力線２ｏよりロー信号を、それ以外の場合にはハイインピーダンス信号を出力する。

保護ＩＣ２ｄの出力信号（電池状態信号）は、信号変換回路（電池状態検出手段）６に入力され、信号変換回路６は、後述するようにマイコン５０の入力ポート５６に、通常状態ではハイ信号を、それ以外ではロー信号を出力する。この信号変換回路６の出力によりマイコン５０は電池パック２の状態を検知することができる。

なお、電池パック２がニッケル水素電池またはニカド電池により構成される場合、図２に示されるように、電池パック２には保護ＩＣ２ｄが内蔵されていないので、マイコン５０の入力ポート５６に対する接続形態は図１に示した場合と異なる。

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、その出力側（出力端子３０ａ）は電池パック２に電気的接続される。

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を介して入力される制御信号に基づいて、ＭＯＳＦＥＴ２２をオン・オフ制御し、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、第２の整流平滑回路３０の出力電圧と電池パック２へ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から成る。

一方、充電電源回路３００には、充電電流制御手段６０および出力電圧制御手段８０が電気的に接続される。充電電源回路３００、充電電流制御手段６０および出力電圧制御手段８０によって、電池パック２へ充電電力を供給するための充電電源手段を構成する。

充電電流制御手段６０は、演算増幅器６１ａおよび６１ｂと、入力抵抗６２および６４と、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６７と、ダイオード６９と、電流制限用抵抗６８とから構成される。充電電流を設定するための設定電位を与える分圧抵抗６６および６７には、後述する、マイコン５０等の制御回路系の駆動電源となる定電圧電源回路すなわち駆動電源回路（第２の電源回路）１００の定電圧Ｖｃｃが供給される。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、その出力により充電帰還信号伝達手段５を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３が制御される。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所定値に制御する。

出力電圧制御手段８０は、演算増幅器８１と、入力抵抗８２および８３と、帰還抵抗８４と、ダイオード８８と、電流制限用抵抗８５と、充電電源回路３００の出力電圧を設定するための出力電圧設定手段を構成する抵抗８６および８７ａ〜８７ｃとから構成される。出力電圧制御手段８０の入力側（反転入力端子（−））は、抵抗４１および４２から成る充電電源回路３００の出力電圧を検出する出力電圧検出手段４０に接続され、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。他方の入力側（非反転入力端子（＋））には、上記した出力電圧設定手段が接続される。この出力電圧設定手段の分圧電圧がマイコン５０の出力ポート５５の出力信号により制御されることによって、充電電源回路３００の出力電圧を複数の電圧に設定することができる。すなわち、出力電圧制御手段８０は、充電電源回路３００の出力電圧を、出力ポート５５の出力信号によって、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池およびニカド電池の電池パック２に対応した所定の電圧値に設定することができる。さらに、出力電圧制御手段８０の出力により充電電流制御手段６０の出力側と同様に、充電帰還信号伝達手段５を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３が制御される。従って、ＰＷＭ制御ＩＣ２３は、充電電流制御手段６０または出力電圧制御手段８０の出力信号（帰還信号）により制御されることになる。

充電電源回路３００、充電電流制御手段６０、出力電圧制御手段８０、電池温度検出手段７０等の動作は、マイコン（制御回路装置）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２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、セル数判別素子２ｃ、電池電圧検出手段８および電池温度検出手段７０または１５０（図２）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、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５３および５４と、充電電源回路３００の出力電圧を設定する制御信号を出力する出力ポート５５と、信号変換回路６を介して保護ＩＣ２ｄからの出力信号を受信する入力ポート５６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５７とを具備する。

充電制御信号伝達手段４は、トランジスタ４ｂと、抵抗４ｃおよび４ｄと、トランジスタ４ｂによって駆動されるホトカプラ４ａとから構成される。トランジスタ４ｂは抵抗４ｃを介して印加されるハイ信号によってオンしてホトカプラ４ａを介してＰＷＭ制御ＩＣ２３の動作を開始させる。

マイコン５０の出力ポート５３は、ダイオード１３０および１４０のアノード側に接続されている。通常状態の電池パック２を充電する場合、保護ＩＣ２ｄは電池状態信号としてロー信号を、信号変換回路６はハイ信号を出力することにより、マイコン５０は出力ポート５３からハイ信号を出力し、ダイオード１３０を介してトランジスタ４ｂをオンさせることで充電を開始することができる。一方、電池電圧が所定値以下の電池パック２を充電する場合、すなわち電池電圧が保護ＩＣ２ｄを動作できない電圧まで低下している場合には、保護ＩＣ２ｄはハイインイーダンス信号を、信号変換回路６がロー信号を出力するので、マイコン５０が出力ポート５３からハイ信号を出力しても、ダイオード１３０に供給されるべき信号はダイオード１４０を介してローサイドに供給されてしまい、トランジスタ４ｂをオンすることができず充電を開始することができない。すなわち、出力ポート５３のみの信号に基づくだけでは、電池パック２の状態によって充電を開始できない場合があるため、本実施形態では、出力ポート５４およびダイオード１２０を設け、電池電圧が所定値以下の電池パック２を充電する場合には、出力ポート５４からの信号に基づき充電を開始させる。すなわち出力ポート５４からハイ信号を出力することにより、ダイオード１２０を介してトランジスタ４ｂをオンさせ充電を開始することができる。すなわち、出力ポート５４は、電池パック２の保護ＩＣ２ｄからの電池状態信号の出力状態とは無関係にトランジスタ４ｂをオンさせ充電を開始させることができる。ここでダイオード１２０およびダイオード１３０は、出力ポート５４または出力ポート５３のどちらか一方がハイ信号となったときにトランジスタ４ｂにオン信号を供給するためのＯＲ回路として機能する。

マイコン５０の出力ポート５５は、充電電源回路３００の出力を、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池およびニカド電池の電池パック２に対応した所定の電圧値に設定することができる。本実施形態では、抵抗８７ｂ、８７ｃに電気的接続される出力ポート５５にハイインピーダンス信号を出力した場合、充電電源回路３００の出力をニッケル水素電池またはニカド電池の電池パック２を充電するための電圧２５Ｖに設定し、抵抗８７ｂに電気的接続される出力ポート５５のみをロー信号として出力した場合、充電電源回路３００の出力を、４セルのリチウムイオン電池の電池パック２を充電するための電圧１６．８Ｖに設定し、さらに抵抗８７ｃに電気的接続された出力ポート５５のみをロー信号として出力した場合、充電電源回路３００の出力を、２セルのリチウムイオン電池の電池パック２を充電するための電圧８．４Ｖに設定する。

図１に示すように、リチウムイオン電池の電池パック２の感温素子２ｂは、駆動電源（電源電圧）Ｖｃｃが供給された抵抗７１および７２から成る電池温度検出手段７０に接続される。電池温度検出手段７０によって感温素子２ｂの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に入力する。これにより実装された電池パック２がリチウムイオン電池であることを判別する。この電池温度検出手段７０は、図２に示すように、ニカド電池およびニッケル水素電池の電池パック２が実装された場合は、電池パック２に電気的接続されない。

一方、図２に示すように、ニカド電池およびニッケル水素電池の電池パック２の感温素子２ｂは、駆動電源Ｖｃｃが供給された抵抗１５０ａおよび１５０ｂから成る電池温度検出手段１５０に接続される。電池温度検出手段１５０によって感温素子２ｂの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に入力する。これにより実装された電池パック２がニカド電池またはニッケル水素電池であることを判別する。この電池温度検出手段１５０は、図１に示すように、リチウムイオン電池の電池パック２が実装された場合は、電池パック２に電気的接続されない。

信号変換回路６は、図１に示されるように、リチウムイオン電池の電池パック２に内蔵された保護ＩＣ２ｄの電池状態信号をレベル変換するために設けられたものである。

図２に示されるように、電池パック２としてニカド電池またはニッケル水素電池が実装された場合、保護ＩＣ２ｄがないため、信号変換回路６は入力が開放状態となり、ロー信号を出力するので、マイコン５０の出力ポート５３より充電開始のハイ信号を出力しようとしても充電を開始することができない。すなわち、ニカド電池またはニッケル水素電池が実装された場合、リチウムイオン電池が実装された場合と同様の充電制御方法では充電を開始することができない。

そこで本実施形態では、この不都合を無くすために、ニカド電池またはニッケル水素電池の電池パック２が実装された場合は、信号変換回路６への信号の入力状態に関係なく充電を行うことができるように電池実装認識手段１６０を設ける。この電池実装認識手段１６０は、実装された電池パック２がニッケル水素電池またはニカド電池であると認識した場合には、信号変換回路６よりハイ信号を出力させることによって、マイコン５０の出力ポート５３はハイ信号を出力し、これによりトランジスタ４ｂをオンさせて充電ができるようにする。また別の方法として、ニッケル水素電池またはニカド電池の電池パック２の実装時にはマイコン５０の出力ポート５４よりハイ信号を出力させて充電を行ってもよい。

電池パック２のセル数判別素子２ｃは、電池パック２のセル数２ａに対応する抵抗値を持つので、一端が駆動電源Ｖｃｃに接続されたセル数検出用分圧抵抗７と共にセル数判別手段を構成し、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のセル数２ａを判別する。

電池パック２の電池電圧は、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。

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５の出力ポート５３または出力ポート５４より充電制御信号伝達手段４を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３へ出力される。充電制御信号伝達手段４を介して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（オン）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（オフ）する。

以上のように、本発明における充電制御のための制御回路装置または充電制御手段は、マイコン５０の他に、信号変換回路６、セル数検出用分圧抵抗７、電池実装認識手段１６０、電池温度検出手段７０および１５０等の入力回路系と、出力電圧設定用抵抗８７ｂ、８７ｃ、充電制御信号伝達手段４等の出力回路系とを含んでいる。

マイコン５０、充電電流制御手段６０、出力電圧制御手段８０、リチウム電池用電池温度検出手段７０、ニカド電池およびニッケル水素電池用電池温度検出手段１５０およびセル数判別手段２ｃの検出用分圧抵抗７等の駆動電源Ｖｃｃは、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駆動電源回路１００によって供給される。この駆動電源回路１００は、第１の電源回路である充電電源回路３００とは別系統の第２の電源回路として設けられる。駆動電源回路１００は、充電電源回路３００の駆動状態または非駆動状態にかかわらず、充電電源回路３００とは別系統に形成される。

駆動電源回路１００は、電源トランス１０２と、電源トランス１０２の１次コイル１０２ａに接続されたスイッチング電源用ＩＣ１０１と、電源トランス１０２の２次コイル１０２ｂ側に接続されたダイオード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、抵抗１０７、１０８および平滑用コンデンサ１０９から成る回路と、３端子レギュレータ１１０および平滑用コンデンサ１１１から成る回路と、リセットＩＣ１１２とから構成される。駆動電源回路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５７にリセット信号を出力する。

直流電源回路９０は、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、この電源回路も充電電源回路３００と別系統の電源回路として構成されている。

次に、図１および図２に示した本発明に係る充電装置の動作について、図３に示した制御フローチャートを参照して説明する。

充電装置２００の電源を投入すると、ステップ３０１において、マイコン５０は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池またはニカド電池の電池パック２が実装されるまで接続待機状態となる。

リチウムイオン電池の電池パック２の実装は、電池電圧検出手段８および電池温度検出手段７０の検出信号により判別する。また、ニッケル水素電池またはニカド電池の電池パック２の実装は、電池電圧検出手段８および電池温度検出手段１５０の検出信号により判別する。

次に、ステップ３０１において、電池パック２が実装されたと判別されたら、ステップ３０２に進み電池種を判別する。判別方法は、電池温度検出手段７０を介してマイコン５０に信号が入力された場合はリチウムイオン電池であると判別し、電池温度検出手段１５０を介して信号が入力された場合はニッケル水素電池またはニカド電池であると判別する。

ステップ３０２において実装された電池パック２がリチウムイオン電池であると判別した場合は、ステップ３０３に進み、充電前の電池パック２の電池電圧を電池電圧検出手段８より検出する。

次に、ステップ３０４において、ステップ３０３で検出した電池パック２の電池電圧が所定値以下か否かを判別する。この所定値は保護ＩＣ２ｄの最小動作電圧を考慮して決定すればよい。例えば、保護ＩＣ２ｄの最小動作電圧が２Ｖの場合は、マージンを考慮し３Ｖに設定すればよい。ステップ３０４において電池電圧が所定値以下の場合、電池電圧は保護ＩＣ２ｄが動作できる電圧に達していないと考えられ、保護ＩＣ２ｄは電池の状態に応じた信号（電池状態信号）を出力していないと考えられる。

マイコン５０は、保護ＩＣ２ｄからの電池状態信号を信号変換回路６を介して入力ポート５６に取込み、電池パック２の電池状態が通常状態であるか否かを判別し、充電するか否かを判別する。電池電圧が所定値以下の場合においては、マイコン５０の入力ポート５６にはロー信号が入力されるようになっているので、出力ポート５３からハイ信号を出力し充電を開始しようとしても、その信号はダイオード１４０を介してローサイドに供給されてしまうためトランジスタ４ｂをオンできない。すなわち、出力ポート５３からの信号のみに基づいて充電を開始することができない。

従って、電池パック２の電池電圧が保護ＩＣ２ｄを動作させるに足る値に達していない場合（ステップ３０４でＹＥＳの場合）は、電池パック２の保護ＩＣ２ｄからの電池状態信号とは無関係な出力ポート５４の信号に基づいて充電を開始させる。

すなわち、ステップ３０４で電池電圧が所定値以下の場合には、まずステップ３０５で、出力ポート５５によって充電電源回路３００の出力電圧をセル数に応じた電圧値に設定する。

次いで、ステップ３０６に進み、マイコン５０の出力ポート５４の出力をハイ信号とすることにより充電制御信号伝達手段４のトランジスタ４ｂをオンさせ充電を開始させる。その後、ステップ３０８に進む。

ステップ３０４において電池パック２の電池電圧が所定値以下でない場合は、電池パック２の保護ＩＣ２ｄを動作させるために十分な電圧なので、保護ＩＣ２ｄから電池状態信号が出力されている。従って、ステップ３０７に進み、出力ポート５５によって充電電源回路３００の出力電圧を電池パック２のセル数に応じた電圧値に設定する。

ステップ３０８において、出力ポート５５の出力信号に連動してマイコン５０の出力ポート５３よりハイ信号を出力しトランジスタ４ｂをオンさせ充電を開始させる。

充電を開始したら、ステップ３０９に進み、マイコン５０の入力ポート５６にロー信号が入力されているか否かを判別する。すなわち、入力ポート５６には電池パック２の電池の状態によって保護ＩＣ２ｄより信号変換回路６を介して信号が入力されているので、その信号に基づき電池パック２の状態を判別する。

ステップ３０９において入力ポート５６にロー信号が入力されていない場合、電池状態は通常状態であると判別され、ステップ３１０に進み、出力ポート５４よりハイ信号が出力されていたら、ロー信号を出力する。すなわち、出力ポート５４よりハイ信号が出力されているということは、ステップ３０４において電池パック２の保護ＩＣ２ｄを動作させるための電圧が不十分であったため、出力ポート５４に基づいて充電を開始したことを意味する。また、ステップ３０９において入力ポート５６がハイ信号を検知したということは、電池パック２の電池電圧が所定値以下でないことを意味する。従って、出力ポート５４の出力をロー信号とすることにより、保護ＩＣ２ｄと連動した出力ポート５３の出力に基づく保護ＩＣ２ｄの正しい電池状態信号と連動した充電を行うことができる。

ステップ３０９において入力ポート５６がロー信号を検出した場合は、ステップ３１２に進み、出力ポート５４よりハイ信号が出力されたか否かを判別する。

ステップ３１２において出力ポート５４よりハイ信号が出力されていると判別した場合は、まだ電池パック２の電池電圧が保護ＩＣ２ｄを動作させるに足る電圧まで達していないので、そのまま充電を続行し、ステップ３１１に進む。

ステップ３１１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がリチウム電池の場合、図７に示すような定電流・定電圧制御によって充電が行われる。リチウム電池の満充電の判別は、例えば、図７に示したような定電流・定電圧制御における定電圧充電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判定する。

ステップ３１２において出力ポート５４よりハイ信号が出力されていないと判別した場合、電池パック２の電池電圧がその保護ＩＣ２ｄを動作させるに足る電池電圧に達しており、この場合は、電池パック２が過充電であることを意味するので、ステップ３１３に進み、マイコン５０の出力ポート５３よりロー信号を出力し、次いで、ステップ３１４に進み、出力ポート５４からもロー信号を出力して、トランジスタ４ｂをオフし充電を終了させる。

次にステップ３１５に進み、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、電池パック２が充電装置２００から抜かれた場合（ＹＥＳの場合）はステップ３０１に戻る。

ステップ３０２において実装された電池パック２がリチウムイオン電池であると判別されなかった場合はステップ３１６に進み、マイコン５０の出力ポート５５によりニッケル水素電池またはニカド電池を充電すべく充電電源回路３００の出力電圧を２５Ｖに設定する。

次いでステップ３１７において出力ポート５３よりハイ信号を出力し充電を開始する。ステップ３１７において、電池実装認識手段１６０は、信号変換回路６への信号の入力状態に関係なく信号変換回路６よりハイ信号を出力させ、マイコン５０の出力ポート５３の出力をハイ信号とし、これによりトランジスタ４ｂをオンさせて充電ができるようにする。

次に、ステップ３１８において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の場合、図８に示すような定電流制御によって充電が行われる。定電流制御での満充電の判別は、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、充電末期のピーク電池電圧から所定量降下したことを検出して満充電とする−ΔＶ検出方法がある。その他の検出方法としては、電池電圧がピーク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１５０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３１８で電池パック２が満充電と判別された場合は、ステップ３１９においてマイコン５０の出力ポート５３よりロー信号を出力しトランジスタ４ｂをオフして充電を終了させ、次いでステップ３１５に進み、電池パック２が抜かれたか否かを判別し、抜かれた場合はステップ３０１に戻る。

以上の本発明に係る実施形態の説明より明らかなように、本発明によれば、電池状態信号を出力する保護ＩＣを内蔵する電池パックの充電装置において、被充電電池パックの電池電圧不足により、電池パックの保護ＩＣより正しく電池状態信号が出力されていない場合でも、充電が可能な充電装置を提供できる。特に、保護ＩＣを内蔵するリチウム電池パックの充電装置として有効である。また、この充電装置は、保護ＩＣを内蔵しないニッケル水素電池またはニカド電池のような他の電池パックの充電にも併用できる。

次に、図４および図５に示した本発明に係る第２の実施形態について説明する。

図４および図５は本発明の第２の実施形態に係る充電装置２００の回路図を示す。図４および図５の回路構成は、図１および図２に示した回路構成と基本的には同一である。異なる点は、図１および図２に示した第１の実施形態におけるダイオード１２０および１４０、ならびにマイコン５０の出力ポート５４を削除し、マイコン５０の処理により出力ポート５３のみから充電制御信号を出力するものである。ダイオード１４０がないことでマイコン５０の出力ポート５３から出力される出力信号は、保護ＩＣ２ｄから出力される電池状態信号とは無関係に信号を出力し、充電を開始することができる。この場合、保護ＩＣ２ｄからの電池状態信号の検出はマイコン５０の入力ポート５６においてのみ行われる。

次に、第２の実施形態に係る充電装置２００の動作について、図６に示す制御フローチャートを参照して説明する。

充電装置２００の電源を投入すると、ステップ６０１において、マイコン５０は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池またはニカド電池の電池パック２が実装されるまで接続待機状態となる。

リチウムイオン電池の電池パック２の実装は、電池電圧検出手段８および電池温度検出手段７０の検出信号により判別する。また、ニッケル水素電池またはニカド電池の電池パック２の実装は、電池電圧検出手段８および電池温度検出手段１５０の検出信号により判別する。

次に、ステップ６０１において電池パック２が実装されたと判別されたら、ステップ６０２に進み電池種を判別する。判別方法は、電池温度検出手段７０を介してマイコン５０に信号が入力された場合はリチウムイオン電池であると判別し、電池温度検出手段１５０を介して信号が入力された場合はニッケル水素電池またはニカド電池であると判別する。

ステップ６０２において実装された電池パック２がリチウムイオン電池であると判別した場合は、ステップ６０３に進み、充電前の電池パック２の電池電圧を電池電圧検出手段８より検出する。

次に、ステップ６０４において、ステップ６０３で検出した電池パック２の電池電圧が所定値以下か否かを判別する。この所定値は保護ＩＣ２ｄの最小動作電圧を考慮して決定すればよい。例えば、第１の実施形態と同様、保護ＩＣ２ｄの最小動作電圧が２Ｖの場合は、マージンを考慮して３Ｖ程度に定めればよい。ステップ６０４において電池電圧が所定値以下の場合、電池電圧は保護ＩＣ２ｄが動作できる電圧に達していないと考えられ、保護ＩＣ２ｄは電池の状態に応じた正しい電池状態信号を出力していないと考えられる。

マイコン５０は、保護ＩＣ２ｄからの電池状態信号を信号変換回路６を介して入力ポート５６に取込み、電池パック２が通常状態であるか否かを判別し、充電するか否かを判別する。よって保護ＩＣ２ｄから信号が何も出力されていない状態（電池電圧が所定値以下の場合）では充電を開始することができない。そこで、本実施形態では、電池状態報知信号不感フラグの状態に基づき出力ポート５３からハイ信号を出力し充電を開始することができるようにする。

すなわち、ステップ６０４で電池電圧が所定値以下の場合には、まずステップ６０５で、出力ポート５５によって充電電源回路３００の出力電圧をセル数に応じた電圧値に設定する。

次いでステップ６０６に進み、マイコン５０の出力ポート５３の出力をハイ信号にするために、マイコン５０のＣＰＵ５１内に「電池状態報知信号不感フラグ」を立てる。すなわち電池状態報知信号不感フラグ＝１とする。この電池状態報知信号不感フラグ＝１の場合は、マイコン５０の入力ポート５６に何も信号が入力されていない場合でも、マイコン５０の出力ポート５３にはハイ信号を出力し、充電ができるようにする。その後、ステップ６０８に進む。

ステップ６０４において電池パック２の電池電圧が所定値以下でない場合は、電池パック２の保護ＩＣ２ｄを動作させるために十分な電圧なので、保護ＩＣ２ｄから電池状態信号が出力されている。従って、ステップ６０７に進み、出力ポート５５によって充電電源回路３００の出力電圧を電池パック２のセル数に応じた電圧値に設定する。

ステップ６０８において、出力ポート５５の出力信号に連動してマイコン５０の出力ポート５３よりハイ信号を出力しトランジスタ４ｂをオンさせ充電を開始させる。

充電を開始したら、ステップ６０９に進み、マイコン５０の入力ポート５６にロー信号が入力されているか否かを判別する。すなわち、入力ポート５６には、電池パック２の電池の状態によって保護ＩＣ２ｄより信号変換回路６を介して信号が入力されているので、その信号に基づき電池パック２の状態を判別する。

ステップ６０９で入力ポート５６にロー信号が入力されていない場合、電池状態は通常状態であると判別され、ステップ６１０に進み、電池状態報知信号不感フラグ＝１か否かを判別する。

ステップ６１０において電池状態報知信号不感フラグ＝１である場合は、ステップ６０４において充電開始前の電池パック２の電池電圧が所定値以下であると判別された場合であり、また、ステップ６０９においてマイコン５０の入力ポート５６にハイ信号が入力されているということは、電池パック２の電池電圧が保護ＩＣ２ｄを動作させるに足る電圧値まで充電されたことを意味する。すなわち、保護ＩＣ２ｄの電池状態信号に応じた充電が可能となったので電池状態報知信号不感フラグ＝０とする。ステップ６１０において、電池状態報知信号不感フラグ＝１でない場合はステップ６１２にジャンプする。

ステップ６０９において入力ポート５６にロー信号が入力されている場合は、ステップ６１３に進み、電池状態報知信号不感フラグ＝１か否かを判別する。

ステップ６１３において、電池状態報知信号不感フラグ＝１でない場合は電池パック２が過充電となったことを意味するので充電を終了させるべくステップ６１６にジャンプする。

ステップ６１３において、電池状態報知信号不感フラグ＝１である場合は、ステップ６１４に進み、電池パック２の電池電圧が保護ＩＣ２ｄを動作させるに足る所定電圧以下でないか否かを判別する。

ステップ６１４において電池パック２の電池電圧が所定値以上の場合は、電池電圧が保護ＩＣ２ｄを動作させるに足る電圧に達しており、保護ＩＣ２ｄからは電池の状態に応じた電池状態信号が出力されている。よって、ステップ６１１に進み、保護ＩＣ２ｄからの電池状態信号に応じた充電を行うために電池状態報知信号不感フラグ＝０とする。

ステップ６１４において電池電圧が所定値以下の場合はステップ６１５に進み、電池パック２の充電が充電開始からａ秒経過しているか否かを判別する。

ステップ６１５においてａ秒間経過している場合は、ステップ６１６に進み、マイコン５０の出力ポート５３よりロー信号を出力してトランジスタ４ｂをオフし充電を終了させる。ステップ６１５においてａ秒間経過していない場合は、充電を終了させることなくステップ６１２にジャンプする。ここでａ秒間とは、ステップ６０４において電池パック２の電池電圧が所定値以下であると判別された場合すなわち電池状態報知信号不感フラグ＝１である場合は、入力ポート５６の入力信号とは無関係にａ秒間は充電を行うことを意味する。電池パック２の電池状態が正常であれば、著しく電池電圧が低い電池すなわち電池電圧がステップ６０４で所定電圧以下であると判別されるくらいの低い電圧の電池であっても、数秒間、充電すれば電池電圧は相当程度上昇し、保護ＩＣ２ｄを動作させるに足る電池電圧まで上昇する。すなわち電池電圧が低い場合にはａ秒間は電池状態信号とは無関係に充電を行い、ａ秒経過した場合は電池パック２が異常状態と判断しステップ６１６に進む。

ステップ６１２において満充電か否かを判別する。満充電の判別は、第１の実施形態と同様に、図７に示した定電流・定電圧制御における定電圧の区間で充電電流の値が所定値以下になったか否かで行う。所定値以下である場合はステップ６１６に進み、充電を終了させるべく出力ポート５３よりロー信号を出力し、トランジスタ４ｂをオフし充電を終了させる。

次にステップ６１７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、電池パック２が抜かれた場合はステップ６０１に戻る。

ステップ６０２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なかった場合はステップ６１８に進む。

ステップ６１８において、マイコン５０の出力ポート５５によりニッケル水素電池またはニカド電池を充電すべく充電電源回路３００の出力電圧を２５Ｖに設定する。

次いでステップ６１９において出力ポート５３よりハイ信号を出力し充電を開始する。ステップ６１９において、電池実装認識手段１６０は、信号変換回路６への信号の入力状態に関係なく信号変換回路６よりハイ信号を出力させ、マイコン５０の出力ポート５３の出力をハイ信号とし、これによりトランジスタ４ｂをオンさせて充電ができるようにする。

次に、ステップ６２０において満充電か否かを判別する。満充電の判別は第１の実施形態と同様なものが適用できる。

ステップ６２０において電池パック２が満充電と判別された場合は、ステップ６２１に進み、マイコン５０の出力ポート５３よりロー信号を出力しトランジスタ４ｂをオフして充電を終了させ、次いでステップ６１７に進み、電池パック２が抜かれたか否かを判別し、抜かれた場合はステップ６０１に戻る。

以上の第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、被充電電池パックの電池電圧不足により保護ＩＣから正しく電池状態信号が出力されていない場合でも、充電が可能な充電装置を提供できる。また、第２の実施形態ではダイオードおよびマイコンの出力ポートを削減できるので、充電電源回路の充電の開始を制御する制御回路系の回路構成を単純化できる。

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。

本発明の第１の実施形態に係る充電装置において、リチウム電池パックを実装した場合の回路図。 本発明の第１の実施形態に係る充電装置において、ニッケル水素電池パックまたはニカド電池パックを実装した場合の回路図。 本発明の第１の実施形態に係る充電装置による充電制御フローチャート。 本発明の第２の実施形態に係る充電装置において、リチウム電池パックを実装した場合の回路図。 本発明の第２の実施形態に係る充電装置において、ニッケル水素電池パックまたはニカド電池パックを実装した場合の回路図。 本発明の第２の実施形態に係る充電装置による充電制御フローチャート。 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：交流電源 ２：電池パック ２ａ：電池セル ２ｂ：感温素子
２ｃ：セル数判別素子 ２ｄ：保護ＩＣ（保護回路装置）
２ｏ：保護ＩＣの出力線 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：信号変換回路（電池状態検出手段） ７：セル数検出用分圧抵抗
８：電池電圧検出手段 ８ａ、８ｂ：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 ４０：出力電圧検出手段
４１、４２：分圧用抵抗 ５０：マイコン（制御回路装置）
５１：ＣＰＵ ５２：Ａ／Ｄコンバータ ５３〜５５：出力ポート
５７：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：入力用抵抗
６３、６５：帰還用抵抗 ６６、６７：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：出力電圧制御手段
８１：演算増幅器 ８２、８３：入力用抵抗 ８４：帰還用抵抗
８５：抵抗 ８６：ダイオード ９０：直流電源回路 ９１：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：駆動電源回路（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：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
１５０：電池温度検出手段 １５０ａ、１５０ｂ：分圧用抵抗
１６０：電池実装認識手段 ２００：充電装置
３００：充電電源回路（第１の電源回路）

Claims (4)

1. 複数の電池セルと、
   該電池セルの電池状態検出信号を出力する手段であって、それぞれの電池セルの電圧が所定範囲内の電圧のときは通常状態であることを示す第１の信号を出力し、それ以外のときは、通常状態でないことを示す第２の信号を出力する保護回路手段と
   を有する電池パックを充電する充電装置において、
   前記電池パックへの充電電力を供給するための充電電源手段と、
   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、
   該電池電圧検出手段からの検出信号及び前記電池状態検出信号を入力し、前記電池パックの充電の開始及び停止を制御する制御回路装置とを備え、
   該制御回路装置は、充電開始前の前記電池電圧検出手段の検出信号より、充電開始前の前記電池電圧が所定値以下のときは、前記保護回路手段からの電池状態検出信号にかかわらず前記電池パックの充電を開始する第１の制御手段と、
   充電開始前の電池電圧が所定値より大きいときは、前記保護回路手段からの電池状態信号より電池セルの状態を判別し、前記各電池セルが通常状態であることを示す第１の信号を受け取ったときのみ前記電池パックを充電する第２の制御手段を具備することを特徴とする充電装置。
2. 請求項１において、前記制御回路手段は、充電を開始した後に、前記保護回路より前記第１の信号を受け取ったときは、前記第１の制御手段による充電を停止し、前記第２の制御手段により充電を継続し、前記第２の信号を受け取ったときは、前記第１及び第２の制御手段による充電を停止することを特徴とする充電装置。
3. 請求項１又は２において、充電すべき電池がリチウム電池であるか、又はニカド電池、ニッケル水素電池であるかを識別する手段を有し、該識別手段により充電すべき電池がニカド電池又はニッケル水素電池よりなる電池パックと認識されたときには、前記充電前の電池電圧の大きさにかかわらず、前記電池パックを充電することを特徴とする充電装置。
4. 請求項１において、前記制御回路装置は前記充電電源手段の出力電圧の大きさを制御する回路に送出する制御信号を断続するスイッチング用トランジスタと、
   前記電池電圧検出手段及び前記電池状態検出信号を入力し、前記スイッチング用トランジスタに制御信号を出力するマイコンを備え、
   該マイコンは前記第１の信号を受け取ったときに前記スイッチング用トランジスタに、ダイオードを介して制御信号を送出する第１の出力ポートと、充電開始前の電池電圧が所定値以下のときに前記スイッチング用トランジスタにダイオードを介して制御信号を送出する第２の出力ポートを有することを特徴とする充電装置。

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