JP4766095B2 - 充電装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば電池パックを充電する充電装置に関する。

従来から商用電源からスイッチング電源によって生成した直流電圧によって２次電池を充電する充電装置が知られている。２次電池の具体例は、直列に接続された複数の電池（セルと呼ばれる）が絶縁性外装ケースによって覆われた電池パックである。リチウムイオン２次電池の場合、定電流充電と定電圧充電とを組合せたＣＣ・ＣＶ(Constant Current
Constant Voltage:定電流定電圧)充電方式でもって電池パックが充電される。この種の充電装置の一例として下記の特許文献１に記載のものが知られている。

特開２００７−２０２９９号公報

特許文献１に記載のものは、二つのエラーアンプ（演算増幅器）を有し、一方のエラーアンプにより出力電圧を基準電圧と比較する。他方のエラーアンプは、充電電流に対応する電圧を基準電圧と比較する。これらの比較出力がパルス幅変調制御回路に供給され、出力制御がなされる。

特許文献１に記載のものでは、電池パックの全体の出力電圧を基準電圧と比較して出力電圧を制御する構成とされており、個々の電池の電圧を検出する構成とはされていなかった。しかしながら、各電池の充電を安全に実施するためには、各電池に設定されている上限電圧以下の電圧で充電を行う必要がある。設定電圧値を超えると電池の繰返し寿命が急激に減少したり、最悪な場合には、電池からガスが発生する場合がある。さらに、使用期間が経過し、複数の電池に容量差および電圧差が生じた場合は 複数電池の電圧バランスが崩れてしまう。このような電池パックを充電すると、電池の上限電圧値を超えて充電する場合もあった。

したがって この上限電圧値を超えないように 充電装置の出力電圧を高精度に調整したり、出力電圧値を低く抑えて充電が行われていた。充電装置の出力電圧を高精度に調整することは、コストアップの問題が発生する。さらに 電池電圧の何れかが上限電圧値を超えた場合には、充電を停止する保護回路を設ける対策がなされている。保護回路を設けると、電池のアンバランスが発生している電池パックにおいて、電圧が高い電池に関して保護回路が動作し、電池パックの使用期間が極端に短くなる問題が生じる。

したがって、この発明の目的は、これらの問題点を解決することができ、複数の電池が直列接続された２次電池の充電を良好に行うことができる充電装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明は、交流入力を直流出力に変換する電源回路と、
電源回路の出力電圧が取り出される正負のライン間に挿入される電池電圧検出用の抵抗接続と、
正負のラインとそれぞれ接続され、直列に接続された複数の電池が絶縁性外装ケースによって覆われた電池パックの両端が接続可能とされる第１の電池接続用端子と、
電池パックの複数の電池の接続点と接続される第２の電池接続用端子と、
抵抗接続と第１および第２の電池接続用端子との間にそれぞれ挿入され、複数の電池の充電時にＯＮとなり、非充電時にＯＦＦとなるように制御される複数の双方向スイッチ回路と、
複数の双方向スイッチ回路のＯＮ時に、抵抗接続から取り出される複数の電池の端子電圧と、基準電圧とをそれぞれ比較する複数の電圧制御用比較部と、
電池パックの充電電流に対応する検出電圧を基準電圧と比較する電流制御用比較部と、
複数の電圧制御用比較部の比較出力が出力電圧制御信号として供給され、複数の電池のそれぞれの端子電圧を基準電圧に応じた値となるように制御し、電流制御用比較部の比較出力が出力電流制御信号として供給され、複数の電池の充電電流を基準電圧に応じた値となるように制御する制御部とを備え、
制御部は、電池パックの複数の電池の充電時に、複数の電池の端子電圧が基準電圧より低いことを電圧制御用比較部によって検出する場合に、定電流で充電する定電流充電モードを行い、複数の電池の何れかの端子電圧が基準電圧に達した時に、定電流充電モードから複数の電池を定電圧で充電する定電圧充電モードに切り替え、最初に基準電圧に達したことを検出した電圧制御用比較部からの出力電圧制御信号によって、以降の電圧制御を行う充電装置である。

好ましくは、双方向スイッチが直列接続された第１および第２のＦＥＴ(Field Effect Transistor) により構成される。

好ましくは、複数の電圧制御用比較部および電流制御用比較部の出力信号がダイオードを介してホトカプラのホトダイオードに供給され、ホトダイオードの出力信号が制御部に供給される。

この発明によれば、下記の作用効果を奏する。
１．複数の電池の電池電圧は、電池間ばらつきや、充放電のサイクルによっては、電圧のアンバランス状態が発生する。この時に 電池の充電上限電圧を超えて充電するおそれがある。この発明は、確実にこの上限電圧以下で充電することが可能であり、電池に対してより安全で、サイクル寿命にも効果的な充電を行なうことができる。
２．従来の充電装置では、上述した電池間のアンバランスを考慮して 各電池電圧が上限電圧に達したら 充電を停止する保護回路を設ける場合があった。この場合、保護回路が動作して充電が途中で停止し、充電が不充分となる。その結果、電池パックの使用期間が極端に短くなることがある。この発明は、かかる問題を回避できる。
３．この発明は、各電池の電圧を上限電圧値以下に確実に抑えることができるので、保護回路を不要とできる。したがって、保護回路を設けることによるコストの上昇を回避できる。
４．上述した電池間のアンバランスを生じないために、直列接続される複数の電池として、各電池の容量値が同一のものを組み合わせる必要があった。この発明においては、容量値を同一にする要求を緩やかとできる。

以下、この発明を実施するための最良の形態（以下実施の形態とする）について説明する。なお、以下の順序にしたがって一実施の形態について説明する。
１．この発明を適用できる充電装置
２．この発明の一実施の形態
３．この発明の他の実施の形態
４．変形例

１．この発明を適用できる充電装置
この発明の一実施形態の理解を容易とするために、この発明の発明者が先に、提案している充電装置（特許第３４３０２６４号（特開平６−１４４７３号公報）参照）について図１を参照して説明する。充電装置は、定電流充電と定電圧充電とを組合せたＣＣ・ＣＶ(Constant Current Constant Voltage:定電流定電圧)充電方式でもって電池パックＢＡＴを充電する。

商用の交流（ＡＣ）電源が入力フィルタ１および整流回路２によって、ＤＣ電源へ変換される。パルス幅変調制御回路３、トランジスタＱ１、トランスＴ１によってスイッチング電源が構成される。スイッチング素子としてのトランジスタＱ１がパルス幅変調制御回路３の出力パルスによって例えば１００ｋHzでもってスイッチング動作を行う。トランスＴ１の３次巻線Ｎ３に接続されたダイオードＤ１およびコンデンサＣ１の整流出力がパルス幅変調制御回路３の電源として供給される。

１次巻線Ｎ１に流れる電流をトランジスタＱ１が制御し、２次巻線Ｎ２および３次巻線Ｎ３に電力が誘起される。２次巻線Ｎ２から誘起された電圧をダイオードＤ２およびコンデンサＣ２で整流し、整流出力Ｖｏが得られる。整流出力ＶｏがＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)型ＦＥＴ−Ｆ１、ＭＯＳ型ＦＥＴ−Ｆ２およびトランジスタＴｒ１等で構成
されるスイッチ部４を介して出力端子５ａ（＋側）および５ｂ（−側）に取り出される。出力端子５ａおよび５ｂに電池パックＢＡＴが接続されている。電池パックＢＡＴは、２次電池例えばリチウムイオン２次電池Ｂ１およびＢ２が直列接続され、絶縁性外装ケースによってこれらの電池が一体化されたものである。ＦＥＴ−Ｆ１およびＦＥＴ−Ｆ２は、充電のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチである。

また、整流出力Ｖｏが抵抗Ｒ７および抵抗Ｒ８によって分圧されて演算増幅器（以下、オペアンプと称する）ＡＭＰ１のー端子に入力される。一方、オペアンプＡＭＰ１の＋端子には基準電圧ＲＥＦ１が入力されており、基準電圧ＲＥＦ１と出力電圧Ｖｏ（抵抗Ｒ７および抵抗Ｒ８によって分圧された電圧）と比較され、基準電圧との誤差信号がダイオードＤ３を介してホトカプラＰＨ１に供給される。オペアンプＡＭＰ１は、分圧電圧が基準電圧ＲＥＦ１より大きくなると、負の出力（差）信号を出力する。

ホトカプラＰＨ１の２次側から１次側に伝達された誤差信号がパルス幅変調制御回路３に供給され、パルス幅変調制御回路３によって、トランジスタＱ１の出力パルスのＯＮ期間を制御して、２次側への電力を制御し、２次側の基準電圧により設定された出力電圧が取り出されるように制御される。例えば出力電圧が設定電圧例えば８．４Ｖより高いと、オペアンプＡＭＰ１の出力に二つの入力電圧の差に対応する出力電流が流れる。出力電流がダイオードＤ３を通じて流れ、ホトカプラＰＨ１を介してパルス幅変調回路３に供給される。パルス幅変調回路３によってパルス信号のデューティがより小さくなるように制御され、出力電圧Ｖｏが低下するように制御される。このように出力電圧Ｖｏが設定された電圧に制御される。

また，出力（充電）電流Ｉｏが抵抗Ｒ２によって検出される。抵抗Ｒ２の負荷側（出力側）端子が抵抗Ｒ５を介してオペアンプＡＭＰ５の−端子に供給される。また、オペアンプＡＭＰ５の＋端子には、基準電圧ＲＥＦ１を抵抗Ｒ４とＲ６とで分圧した電圧が供給される。

オペアンプＡＭＰ５は、出力電流Ｉｏに対応する電圧を基準電圧と比較し、出力電流をダイオードＤ７を介してホトカプラＰＨ１に供給する。オペアンプＡＭＰ１およびオペアンプＡＭＰ５は、＋端子の入力電圧が−端子の入力電圧より高い場合には、出力信号がＨ（ハイレベルを意味する。以下同様）となる。この場合には、ダイオードＤ３およびＤ７に出力電流が流れない。−端子の入力電圧が＋端子の入力電圧より高い場合には、出力信号がＬ（ローレベルを意味する。以下同様）となる。この場合には、ダイオードＤ３およびＤ７に出力電流が流れる。

オペアンプＡＭＰ５の出力信号がダイオードＤ７およびホトカプラＰＨ１を介してパルス幅変調制御回路３に供給され、電圧制御と同様に、１次側のパルス幅変調回路３によって電流制御が行われる。すなわち、抵抗Ｒ２に流れる電流量によってオペアンプＡＭＰ５の＋端子および−端子のそれぞれの電圧の差が大きくなり、抵抗Ｒ２に生じる電圧を一定に制御するように、出力電流量が制御される。

コントローラ１１に対しては、出力電圧Ｖｏをレギュレータ１２によって安定化した所定の電圧が電源電圧として供給される。また、コントローラ１１に対して充電動作の状態を表すための表示部としてのＬＥＤ(Light Emitting Diode)１３が接続されている。コントローラ１１は、充電動作を制御するためのもので、マイクロコンピュータの構成とされている。

スイッチ部４は、コントローラ１１が出力するドライブパルス信号ＤＲ１，ＤＲ２，ＤＲ３によって駆動される。電池パックＢＡＴの装着を検出スイッチ（図示しない）の出力信号によってコントローラ１１が検出すると、充電動作が開始され、電池電圧を監視しながら所定の充電動作がなされる。ＦＥＴには、寄生ダイオードが存在するので、この寄生ダイオードを通じて電池が放電しないように、二つのＦＥＴ−Ｆ１およびＦＥＴ−Ｆ２が必要とされる。

さらに、電池電圧が過放電状態のように非常に低い場合は、ＦＥＴ−Ｆ１およびＦＥＴ−Ｆ２からなるスイッチ部４をＯＦＦ状態とし、トランジスタＴｒ１と抵抗Ｒ１０を経由して小さな充電電流を流すようにされている。例えば電池電圧が４．５Ｖ以下の場合に、電池パックＢＡＴに対して小さな充電電流を供給するようにしている。

上述した充電装置は、直列に接続された電池Ｂ１およびＢ２をＣＣ・ＣＶ充電方式で充電する。図２は、上述した充電装置の出力特性を示す。横軸が充電電流であり、縦軸が充電電圧である。充電装置は、先ず、定電流（ＣＣ）充電制御の動作を行う。定電流充電動作の区間では、オペアンプＡＭＰ５の出力電流によって出力電流が例えば１．０Ａ一定に制御される。次に、出力電圧が一定の定電圧（ＣＶ）充電制御の動作を行う。オペアンプＡＭＰ１の出力電流によって出力電圧が例えば８．４Ｖ一定に制御される。一般的に直列接続された電池の個数をＮとすると、Ｎ×４．２Ｖの出力電圧で充電がなされる。充電当初の初期充電モードでは、初期充電電流Ｉｆによる充電がなされる。電圧が急速切替電圧例えば４．５Ｖに達すると、急速充電モードに切り替わる。

初期充電電流Ｉｆ＝（Ｖｏ−Ｖｔｒ）／Ｒ１０（図１参照）

図３は、充電時の充電電圧および充電電流の時間変化（充電カーブ）を示す。例えば電池電圧が設定電圧（例えば８．４Ｖ）以下の領域では、定電流充電制御が行われ、一定の電流（例えば１．０Ａ）によって定電流充電を行う。充電によって電池電圧（内部起電力）が上昇し、電池電圧が８．４Ｖに達すると、充電装置が定電圧充電制御の動作に切り換わり、次第に充電電流が減少する。そして、充電電流が設定された充電終了検出値に達したことを検出すると、充電終了が検出される。

図１の構成において、定電流充電を行っている場合では、オペアンプＡＭＰ５の出力がダイオードＤ７を経由してフォトカプラＰＨ１に供給され、出力電流が定電流となるように電源が制御される。定電流充電では、オペアンプＡＭＰ１の出力よりオペアンプＡＭＰ５の出力が低くなり、オペアンプＡＭＰ５の出力によって電源を制御している。定電圧充電を行っている場合では、オペアンプＡＭＰ１の出力がダイオードＤ３を経由してフォトカプラＰＨ１に供給され、オペアンプＡＭＰ１の出力によって出力電圧Ｖｏが所定の電圧となるように電源が制御される。定電圧充電では、オペアンプＡＭＰ５の出力よりオペアンプＡＭＰ１の出力が低くなり、オペアンプＡＭＰ１の出力によって電源を制御している。

図１の構成における電流検出抵抗Ｒ２の負荷側の一端がコンパレータ６の−端子に接続され、その他端が基準電圧ＲＥＦ５の−側に接続され、基準電圧ＲＥＦ５の＋側がコンパレータ６の＋端子に接続される。抵抗Ｒ２によって充電電流が電圧へ変換され、その電圧が基準電圧ＲＥＦ５と比較される。充電電流が減少すると、コンパレータ６の＋端子の基準電圧の方がその−端子の検出電圧より大となり、コンパレータ６の出力Ｃｓが反転する。コンパレータ６の出力Ｃｓがコントローラ１１に供給され、コントローラ１１が充電終了を検出する。充電停止時には、スイッチ部４のＦＥＴおよびトランジスタが全てＯＦＦ状態となる。

上述した図１に示す構成の充電装置は、電池パックＢＡＴの電池Ｂ１およびＢ２の直列接続の電圧が８．４Ｖとなるように、電圧を制御するものである。したがって、個々の電池の電圧を上限電圧値例えば４．２Ｖ以下に確実に制御できない問題があった。その結果、上述したように、各電池に対して上限電圧値より大きい電圧が印加され、電池の繰返し寿命が急激に減少したり、最悪な場合には、電池からガスが発生するおそれがあった。特に、使用期間が経過し、複数の電池に容量差が発生した場合は 複数電池の電圧バランスが崩れてしまう。このような電池パックを池に充電すると、電池の上限電圧値を超えて充電する場合があった。

２．この発明の一実施の形態
かかる問題点を解決することができるこの発明の一実施の形態について、図４を参照して説明する。図４に示す充電装置は、上述した図１に示す従来の充電装置を改良した構成を有し、定電流充電と定電圧充電とを組合せたＣＣ・ＣＶ充電方式でもって電池パックＢＡＴを充電する。

電池パックＢＡＴは、例えばリチウムイオン２次電池Ｂ１およびＢ２が直列接続されたものである。充電装置の一方の出力端子５ａが電池パックＢＡＴの＋側端子（電池Ｂ１の正極）と接続され、充電装置の他方の出力端子５ｂが電池パックＢＡＴの−側端子（電池Ｂ２の負極）と接続される。電池Ｂ１およびＢ２の接続点が端子５ｃとして導出される。電池Ｂ１の電圧は、出力端子５ａおよび端子５ｃ間の電圧である。電池Ｂ２の電圧は、端子５ｃおよび出力端子５ｂ間の電圧である。後述するように、この発明の一実施の形態では、各電池の電圧がそれぞれ制御される。

商用の交流電源が入力フィルタ１および整流回路２を経由して直流電圧Ｖｉｎが形成される。所定周波数例えば１００ｋHzにてトランスＴ１の１次巻線Ｎ１に流れる電流をスイッチング素子Ｑ１がスイッチングする。トランスＴ１の２次側巻線Ｎ２および３次巻線Ｎ３に電力が誘起される。２次側巻線Ｎ２に誘起された電圧がダイオードＤ２およびコンデンサＣ２によって整流され、出力電圧Ｖｏが形成される。

この出力電圧Ｖｏがスイッチ部４のＭＯＳ型ＦＥＴ−Ｆ１およびＦＥＴ−Ｆ２を介して出力端子５ａに取り出される。ＦＥＴ−Ｆ１およびＦＥＴ−Ｆ２は、コントローラ１１が出力するドライブパルス信号ＤＲ１，ＤＲ２によって駆動される。ＦＥＴ−Ｆ１およびＦＥＴ−Ｆ２によって双方向スイッチが構成される。充電時には、ＦＥＴ−Ｆ１およびＦＥＴ−ＦＥＴ−Ｆ２がＯＮ状態とされる。

出力電圧Ｖｏが抵抗Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９およびＲ１０の直列回路により分圧される。抵抗分圧回路における抵抗Ｒ８およびＲ９の接続点がＭＯＳ型ＦＥＴ−Ｆ３およびＦＥＴ−Ｆ４を介して出力端子５ｃに接続される。ＦＥＴ−Ｆ３およびＦＥＴ−Ｆ４は、コントローラ１１が出力するドライブパルス信号ＤＲ４，ＤＲ５によって駆動される。ＦＥＴ−Ｆ３およびＦ４によって電池電圧検出用の双方向スイッチが構成される。充電時には、ＦＥＴ−Ｆ３およびＦＥＴ−Ｆ４がＯＮ状態とされる。

電池Ｂ１およびＢ２のそれぞれの電池電圧が電圧制御用のオペアンプＡＭＰ１およびＡＭＰ２によって制御される。オペアンプＡＭＰ１が電池Ｂ１の電圧を制御し、オペアンプＡＭＰ２が電池Ｂ２の電圧を制御する。スイッチ部４のＦＥＴがＯＮ状態において、抵抗Ｒ７およびＲ８の直列回路の両端に電池Ｂ１の電圧が印加され、抵抗Ｒ９およびＲ１０の直列回路の両端に電池Ｂ２の電圧が印加される。

抵抗Ｒ７およびＲ８の接続点の電圧がオペアンプＡＭＰ１の−端子に供給される。抵抗Ｒ８およびＲ９の接続点が基準電圧ＲＥＦ１の負極に接続され、基準電圧ＲＥＦ１の正極がオペアンプＡＭＰ１の＋端子に供給される。オペアンプＡＭＰ１の出力に入力端子に加えられた電圧の差信号が得られる。差信号がダイオードＤ３のカソードに供給される。

抵抗Ｒ９およびＲ１０の接続点の電圧がオペアンプＡＭＰ２の−端子に供給される。−側電源ライン（接地ライン）と基準電圧ＲＥＦ２の負極とが接続され、基準電圧ＲＥＦ２の正極がオペアンプＡＭＰ２の＋端子に供給される。オペアンプＡＭＰ２の出力に入力端子に加えられた電圧の差信号が得られる。差信号がダイオードＤ４のカソードに供給される。

ダイオードＤ３のアノードおよびダイオードＤ４のアノードが共通接続され、共通接続点がホトカプラＰＨ１のホトダイオードのカソードと接続される。ホトダイオードのアノードが抵抗Ｒ３を介して出力電圧Ｖｏの発生する電源ラインに接続されている。ホトダイオードが入力電流に応じて発光し、ホトトランジスタが出力電流を発生する。ホトカプラＰＨ１のホトトランジスタに取り出された差信号がパルス幅変調回路３に供給される。差信号によってパルス幅変調回路３の出力するパルス信号のデューティ比が制御され、出力電圧が所定の電圧となるように制御される。例えば出力電圧Ｖｏが設定電圧より高い場合には、ホトカプラＰＨ１のホトダイオードに電流が流れ、パルス幅変調回路の出力パルスのパルス幅が狭くされ、出力電圧が下げられる。

出力（充電）電流Ｉｏが抵抗Ｒ２によって検出される。抵抗Ｒ２の負荷側（出力側）端子が抵抗Ｒ５を介してオペアンプＡＭＰ５の−端子に供給される。また、オペアンプＡＭＰ５の＋端子には、基準電圧ＲＥＦ１を抵抗Ｒ４とＲ６とで分圧した基準電圧が供給され、オペアンプＡＭＰ５の＋端子の電圧を上昇させている。

出力電流Ｉｏが流れることによって、抵抗Ｒ２に出力電流Ｉｏによる電圧降下が生じる。この抵抗Ｒ２の電圧降下と基準電圧との差に応じた出力電流がオペアンプＡＭＰ５の出力に生じる。オペアンプＡＭＰ５の＋端子は、その−端子と同電圧以下になることによって、オペアンプＡＭＰ５の出力信号がＨからＬに変化する。

オペアンプＡＭＰ５の出力信号がダイオードＤ７およびホトカプラＰＨ１を介してパルス幅変調制御回路３に供給され、１次側のパルス幅変調回路３によって電流制御が行われる。すなわち、抵抗Ｒ２に流れる電流量によってオペアンプＡＭＰ５の＋端子が電圧降下してその−端子と比較され、抵抗Ｒ２に生じる電圧を一定に制御するように、出力電流が制御される。このように、出力電流が一定値に制御される。電流制御は、図１の構成と同様であり、電池パックＢＡＴを流れる電流を制御するようになされる。すなわち、電圧制御と異なり、直列に接続されている電池Ｂ１およびＢ２に対して等しい電流が流れるので、電流制御を個々の電池に関して行うことは必要ない。

充電がＯＦＦ状態では、スイッチ部４の全ＦＥＴおよびトランジスタＴｒ１がＯＦＦ状態とされる。この場合では、オペアンプＡＭＰ１が抵抗Ｒ７およびＲ８間の電圧が所定値になるように、出力電圧を制御する。すなわち、オペアンプＡＭＰ２が抵抗Ｒ９およびＲ１０間の電圧が所定値になるように、出力電圧を制御する。

なお、電池電圧が非常に低い場合は、ＦＥＴ−Ｆ１およびＦＥＴ−Ｆ２からなるスイッチ部４をＯＦＦ状態とし、ＯＮ状態のトランジスタＴｒ１と抵抗Ｒ１０を経由して小さな充電電流を流すようにされている。例えば電池電圧が４．５Ｖ以下の場合に、電池パックＢＡＴに対して小さな充電電流を供給するようにしている。

上述したように、従来は充電装置の出力電圧Ｖｏを１個の電圧制御アンプで制御するのに対して、この発明は、複数の電池毎に電池電圧を制御するアンプを設ける。図５は、この発明の一実施の形態による充電装置の出力特性を示す。横軸が充電電流であり、縦軸が充電電圧である。各電池に対して印加される電圧を４．２Ｖに制御する例が示されている。一方の電池Ｂ１に対する特性Ｖｂ１と、他方の電池Ｂ２に対する特性Ｖｂ２とが示されている。

充電装置は、直列に接続された電池Ｂ１およびＢ２をＣＣ・ＣＶ充電方式で充電する。充電装置は、初期充電後に、先ず、例えば１．０Ａの定電流によって定電流（ＣＣ）充電制御の動作を行う。充電当初の初期充電モードでは、初期充電電流Ｉｆによる充電がなされる。定電流充電動作の区間では、オペアンプＡＭＰ５の出力電流によって出力電流が例えば１．０Ａ一定に制御される。充電が進行するにしたがって電池電圧（内部起電力）が上昇する。各電池の電圧は、オペアンプＡＭＰ１およびオペアンプＡＭＰ２によって基準電圧と比較されている。オペアンプＡＭＰ１およびオペアンプＡＭＰ２は、電池電圧が基準電圧に比して低い定電流充電区間では、出力がＨであり、出力電流が流れない。

次に、電池Ｂ１およびＢ２の何れか一方の電圧が４．２Ｖに到達すると、その電池に接続されたオペアンプの二つの入力の大小関係が反転し、出力がＬとなり、出力電流が発生する。これ以降、定電圧（ＣＶ）充電制御の動作を行う。このように、この発明では、複数の定電圧制御回路としてのオペアンプがそれぞれ電池の電圧上昇を検出し、最初に定電圧制御の設定電圧例えば４．２Ｖに達したことを検出したオペアンプによって、充電装置の出力電圧が制御される。

定電圧（ＣＶ）充電制御において、オペアンプＡＭＰ１が電池Ｂ１の電圧を制御し、オペアンプＡＭＰ２が電池Ｂ２の電圧を制御する。ここで、電池Ｂ１の電圧およびＢ２の電圧間にアンバランスが生じた場合を考える。電池Ｂ２の電圧が電池Ｂ１の電圧より高いものとする。充電が進行して電池Ｂ２の電池電圧が先に４．２Ｖに達すると、オペアンプＡＭＰ２の出力がＬとなる。オペアンプＡＭＰ１の出力は、Ｈのままである。したがって、オペアンプＡＭＰ２の出力電流がホトカプラＰＨ１を介してパルス幅変調回路３にフィードバックされ、電池Ｂ２の電池電圧が４．２Ｖとなるように、電圧制御が行われる。

このように、充電装置が電池Ｂ２の電池電圧を４．２Ｖの一定電圧に制御することになり、より高い電圧（上限電圧値以上）による充電を行わないようにされる。一方、電池Ｂ１は、未だ４．２Ｖに電池電圧が到達していないので、電池Ｂ２側の電圧を制御する結果、必ず４．２Ｖ以下の充電電圧に制御され、電池Ｂ１が上限電圧値以上で充電されることが防止される。

図６は、充電時の充電電圧および充電電流の時間変化（充電カーブ）を示す。電池電圧が定電圧充電制御電圧（例えば電池Ｂ１の電池電圧と電池Ｂ２の電池電圧の合計電圧で８．４Ｖ）以下の領域では、一定の電流（例えば１．０Ａ）によって定電流充電がなされる。充電によって電池電圧（内部起電力）が上昇し、一方の電池電圧が４．２Ｖに達すると、充電装置が定電圧充電制御の動作に切り換わり、次第に充電電流が減少する。そして、充電電流が設定された充電終了検出値に達したことがコンパレータ６によって検出されると、充電終了が検出され、充電が停止する。

以上のように、本件実施回路例では 複数電池の電池毎に電圧を制御する回路を構成することによって、複数の電池間にアンバランスが発生しても 電池電圧の上限電圧値例えば４．２５Ｖを確実に超えない電圧制御を実現することができる。

３．この発明の他の実施の形態
図７は、４個の電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４を直列接続した電池パックＢＡＴの充電装置に対してこの発明を適用した他の実施の形態を示す。簡単のため、各電池の電圧を制御する構成部分のみを示す。

出力電圧Ｖｏが取り出される正負の電源ラインＬ１およびＬ２の間にスイッチ部４のＦＥＴ−Ｆ１およびＦＥＴ−Ｆ２を介して電池パックＢＡＴが接続される。電源ラインＬ１およびＬ２間に抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４，Ｒ１５，Ｒ１６，Ｒ１７，Ｒ１８の直列接続が挿入される。電池パックＢＡＴの一端が充電装置の出力端子５ａに接続され、その他端が充電装置の出力端子５ｂに接続される。電池Ｂ１〜Ｂ４の互いの接続点が出力端子５ｃ、５ｄ、５ｅとして導出される。

スイッチ部４のＦＥＴ−Ｆ１およびＦＥＴ−Ｆ２のゲートに対してコントローラ１１からドライブ信号ＤＲ１およびＤＲ２が供給され、急速充電時にＦＥＴ−Ｆ１およびＦＥＴ−Ｆ２がＯＮとされる。抵抗Ｒ１１およびＲ１２の接続点がオペアンプＡＭＰ１の−側入力端子に接続され、抵抗Ｒ１２およびＲ１３の接続点が基準電圧ＲＥＦ１の−側に接続される。基準電圧ＲＥＦ１の＋側がオペアンプＡＭＰ１の＋側入力端子に接続される。オペアンプＡＭＰ１の出力端子がダイオードＤ３のカソードに接続される。オペアンプＡＭＰ１は、電池Ｂ１の電圧と基準電圧ＲＥＦ１の差を出力する。

抵抗Ｒ１２およびＲ１３の接続点がＦＥＴ−Ｆ３およびＦＥＴ−Ｆ４からなる双方向スイッチを介して出力端子５ｃと接続される。ＦＥＴ−Ｆ３およびＦＥＴ−Ｆ４のゲートに対してコントローラ１１からドライブ信号ＤＲ４およびＤＲ５が供給され、急速充電時にＦＥＴ−Ｆ３およびＦＥＴ−Ｆ４がＯＮとされる。抵抗Ｒ１３およびＲ１４の接続点がオペアンプＡＭＰ２の−側入力端子に接続され、抵抗Ｒ１４およびＲ１５の接続点が基準電圧ＲＥＦ２の−側に接続される。基準電圧ＲＥＦ２の＋側がオペアンプＡＭＰ２の＋側入力端子に接続される。オペアンプＡＭＰ２の出力端子がダイオードＤ４のカソードに接続される。オペアンプＡＭＰ２は、電池Ｂ２の電圧と基準電圧ＲＥＦ１の差を出力する。

他の電池Ｂ３に関して、電池Ｂ１およびＢ２と同様に、ドライブ信号ＤＲ６およびＤＲ７によって急速充電時にＯＮとされるＦＥＴ−Ｆ５およびＦＥＴ−Ｆ６からなる双方向スイッチと、基準電圧ＲＥＦ３と、電圧比較用のオペアンプＡＭＰ３が設けられている。オペアンプＡＭＰ３の出力信号がダイオードＤ５のカソードに供給される。さらに、電池Ｂ４に関して、ドライブ信号ＤＲ８およびＤＲ９によって急速充電時にＯＮとされるＦＥＴ−Ｆ７およびＦＥＴ−Ｆ８からなる双方向スイッチと、基準電圧ＲＥＦ４と、電圧比較用のオペアンプＡＭＰ４が設けられている。オペアンプＡＭＰ４の出力信号がダイオードＤ６のカソードに供給される。

ダイオードＤ３〜Ｄ６のアノードが共通接続され、共通接続点が図４と同様にホトカプラＰＨ１のホトダイオードを介して正の電源ラインに接続される。定電流充電において、電池Ｂ１〜Ｂ４の中の何れかの電池の電圧が設定電圧例えば４．２Ｖに達すると、定電圧充電が開始される。定電圧充電時では、最初に設定電圧に到達した電池に関するオペアンプと基準電圧とによって電圧が制御される。電池パックを構成する電池の個数が多くなるほど、電池間のバラツキの範囲が大きくなるので、この発明を適用して有効である。

図８は、この発明の他の実施の形態による充電装置の出力特性を示す。横軸が充電電流であり、縦軸が充電電圧である。各電池に対して印加される電圧を４．２Ｖに制御する例が示されている。電池Ｂ１〜Ｂ４のそれぞれの特性をＶｂ１〜Ｖｂ４で示す。

上述した一実施の形態と同様に、充電装置は、初期充電後に、先ず、例えば１．０Ａの定電流によって定電流（ＣＣ）充電制御の動作を行う。充電当初の初期充電モードでは、初期充電電流Ｉｆによる充電がなされる。充電が進行するにしたがって電池電圧（内部起電力）が上昇する。各電池の電圧は、オペアンプＡＭＰ１〜オペアンプＡＭＰ４によって基準電圧と比較されている。

次に、電池Ｂ１〜Ｂ４の中の一つの電池の電圧が４．２Ｖに到達すると、その電池に接続されたオペアンプの二つの入力の大小関係が反転し、出力がＬとなり、出力電流が発生する。これ以降、定電圧（ＣＶ）充電制御の動作を行う。電池Ｂ１〜Ｂ４の間にアンバランスが生じた場合を考える。電池Ｂ３の電圧が他の電池の電圧より高いものとする。充電が進行して電池Ｂ３の電池電圧が先に４．２Ｖに達すると、オペアンプＡＭＰ３の出力がＬとなる。他のオペアンプの出力は、Ｈのままである。したがって、オペアンプＡＭＰ３の出力電流がホトカプラＰＨ１を介してパルス幅変調回路３にフィードバックされ、電池Ｂ３の電池電圧が４．２Ｖとなるように、電圧制御が行われる。

このように、充電装置が電池Ｂ３の電池電圧を４．２Ｖの一定電圧に制御することになり、より高い電圧（上限電圧値以上）による充電を行わないようにされる。一方、他の電池は、未だ４．２Ｖに電池電圧が到達していないので、電池Ｂ３の電圧を制御する結果、必ず４．２Ｖ以下の充電電圧に制御され、電池が上限電圧値以上で充電されることが防止される。

４．変形例
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、一実施形態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。例えば電池パックの構成ではなく、分離された複数本の２次電池を充電しても良く、充電電圧および充電電流を出力する電源回路としては、一実施の形態に示される構成以外のものを使用しても良い。さらに、ＦＥＴの代わりにリレー等のスイッチ素子を使用しても良い。

この発明を適用できる充電装置の一例の接続図である。 充電装置の一例の出力特性を示す略線図である。 充電装置の一例の充電時の電圧および電流変化を示す略線図である。 この発明の一実施形態による充電装置の接続図である。 この発明の一実施形態の出力特性を説明するための略線図である。 この発明の一実施形態の充電時の電圧および電流変化を示す略線図である。 この発明の他の実施の形態による充電装置の接続図である。 この発明の他の実施形態の出力特性を説明するための略線図である。

符号の説明

２ 整流回路
３ パルス幅変調制御回路
４ スイッチ部
５ａ ＋側電源出力端子
５ｂ −側電源入力端子
１１ コントローラ
１６ コンパレータ
ＢＡＴ 電池パック
ＡＭＰ１，ＡＭＰ２，ＡＭＰ３，ＡＭＰ４，ＡＭＰ５ オペアンプ

Claims (3)

1. 交流入力を直流出力に変換する電源回路と、
   上記電源回路の出力電圧が取り出される正負のライン間に挿入される電池電圧検出用の抵抗接続と、
   上記正負のラインとそれぞれ接続され、直列に接続された複数の電池が絶縁性外装ケースによって覆われた電池パックの両端が接続可能とされる第１の電池接続用端子と、
   上記電池パックの複数の電池の接続点と接続される第２の電池接続用端子と、
   上記抵抗接続と上記第１および第２の電池接続用端子との間にそれぞれ挿入され、上記複数の電池の充電時にＯＮとなり、非充電時にＯＦＦとなるように制御される複数の双方向スイッチ回路と、
   上記複数の双方向スイッチ回路のＯＮ時に、上記抵抗接続から取り出される上記複数の電池の端子電圧と、基準電圧とをそれぞれ比較する複数の電圧制御用比較部と、
   上記電池パックの充電電流に対応する検出電圧を基準電圧と比較する電流制御用比較部と、
   上記複数の電圧制御用比較部の比較出力が出力電圧制御信号として供給され、上記複数の電池のそれぞれの端子電圧を上記基準電圧に応じた値となるように制御し、上記電流制御用比較部の比較出力が出力電流制御信号として供給され、上記複数の電池の上記充電電流を上記基準電圧に応じた値となるように制御する制御部とを備え、
   上記制御部は、上記電池パックの複数の電池の充電時に、上記複数の電池の端子電圧が基準電圧より低いことを上記電圧制御用比較部によって検出する場合に、定電流で充電する定電流充電モードを行い、上記複数の電池の何れかの端子電圧が上記基準電圧に達した時に、上記定電流充電モードから上記複数の電池を定電圧で充電する定電圧充電モードに切り替え、最初に上記基準電圧に達したことを検出した上記電圧制御用比較部からの上記出力電圧制御信号によって、以降の電圧制御を行う充電装置。
2. 上記双方向スイッチが直列接続された第１および第２のＦＥＴにより構成される請求項１記載の充電装置。
3. 上記複数の電圧制御用比較部および上記電流制御用比較部の出力信号がダイオードを介してホトカプラのホトダイオードに供給され、上記ホトダイオードの出力信号が上記制御部に供給される請求項１または２記載の充電装置。

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