JP4805223B2 - 充電システムおよび充電方法 - Google Patents

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    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0068Battery or charger load switching, e.g. concurrent charging and load supply

Description

本発明は、二次電池の充電時間を短縮する技術に関し、さらに詳細には、充電器の容量よりも充電レートの大きな二次電池の充電時間を短縮する技術に関する。
携帯型電子機器の一例であるノート型パーソナル・コンピュータ(以後ノートPCという。)では、リチウム・イオン蓄電池が一般に使用されている。リチウム・イオン蓄電池に対しては、エネルギー密度が高いという利点がある一方で充電時間が長いという問題が指摘されている。近年、負極材料にナノ微粒子を採用した急速充電型のリチウム・イオン蓄電池が開発され市場に供給されている。通常充電型のリチウム・イオン蓄電池は充電レートが0.7C程度であるが、急速充電型のリチウム・イオン蓄電池では充電レートが2C程度あり通常充電型に比べて短時間で充電することができる。
通常充電型のリチウム・イオン蓄電池を充電するための容量を備えた充電器で急速充電型のリチウム・イオン蓄電池を充電しようとしても容量が足りないために、十分にその性能を生かすことができない。一例では、急速充電型のリチウム・イオン蓄電池では、充電レートに適合した容量の充電器を使用すれば30分で満充電容量の80%まで充電することができるが、これを通常充電型のリチウム・イオン蓄電池用の充電器で充電した場合には、同じ容量まで充電するのに75分必要とする。
特許文献1に記載の発明は、充電時間が短く発熱も小さい定電流定電圧の充電方法を提供する。同発明では、最初に大きな定電流値で定電流充電を行い、つづいてそれよりも小さな定電流値で定電流充電を行い、最後に定電圧充電を行う。特許文献2に記載の発明は、充電電力供給回路と二次電池の間に充電制御回路を備え、かつ電源供給バイパス回路によって充電電力供給回路から二次電池に直接充電電流を供給することもできるようにして充電回路での発熱を防ぐ方法を開示する。充電電力供給回路から直接充電するか、充電制御回路を通してより小さい電流で充電するかは二次電池の電圧を検出して決定する。特許文献3は、直流電源装置が電池を充電しながら負荷に電力を供給する場合に、負荷にピーク電流を供給する場合とピーク電流を要求しないで電池の充電だけに電流を供給する場合のそれぞれの定電流制御を別々の電流制限回路で行うことで、二次電池に対する過大電流の流入を防ぐ技術を開示する。
特開2007−97397号公報 特開2002−359936号公報 特開2004−320865号公報
ノートPCは、モバイル環境で使用した後にできるだけ短時間のうちにできるだけ多くの容量を充電して、つぎのモバイル使用の準備をしておくことが望ましい。したがって、今後ノートPCには急速充電型のリチウム・イオン蓄電池が逐次採用されていくと思われる。しかし、ノートPCに搭載する充電器の容量を急速充電型のリチウム・イオン蓄電池に対応させて大きくすると、装置が大型化してノートPCの内部におけるスペースの確保、発熱量の上昇およびコスト上昇などの問題が生ずる。
そこで本発明の目的は、充電レートの大きな蓄電池を容量の小さな充電器で短時間に充電する充電システムを提供することにある。さらに本発明の目的はそのような充電システムを搭載した情報処理装置およびそのような充電システムが実現する充電方法を提供することにある。
本発明にかかる機器は、蓄電池または直流電源装置から電力の供給を受ける負荷を備え蓄電池の充電システムを搭載している。直流電源装置は、交流電圧または直流電圧を所定の直流電圧に変換する。充電器は直流電源装置から電力の供給を受けて設定電流で蓄電池を充電することができる。蓄電池および直流電源装置はそれぞれ機器の内部に実装されたり、機器とは別の筐体で構成されて使用時に機器に装着されたり、あるいは機器に配線で接続されたりして機器に電力を供給する。この充電システムは2つの充電モードを備えている。第1の充電モードでは直流電源装置が負荷に電力を供給できる状態で充電器に電力を供給している間に充電器が蓄電池を充電する。第2の充電モードでは、直流電源装置が負荷に電力を供給できる状態で蓄電池を充電する。ここで、直流電源装置が負荷に電力を供給できる状態とは、充電システムの動作とは無関係に負荷が必要とすれば実際に直流電源装置から電力が供給され、負荷が電力を必要としなければ実際には電力が供給されないことを意味している。
本発明にかかる充電システムは、充電器の容量が小さいために蓄電池の充電レートでは充電することができない場合に、直流電源装置が充電器の充電電流よりも大きな充電電流で充電することができるように構成されている。第2の充電モードでは、直流電源装置が負荷に電力を供給できる状態であるため、直流電源装置が蓄電池を充電するのと同時に負荷にも実際に電力を供給する場合がある。直流電源装置の出力は、負荷と蓄電池に配分されるため、負荷の消費電力の増大により充電電力が小さくなる場合がある。そのときは、第1の充電モードに切り替えたほうが大きな充電電力で充電できる。制御部は、それぞれの充電モードで充電した場合の充電電流または充電電力の大きさを相互に比較した結果に基づいて充電モードを選択するため、常に優位な充電モードで充電することができる。
蓄電池の定電圧充電期間においては、充電器が自らの定電圧領域で蓄電池を充電するため、定電圧充電期間における充電電圧の精度や管理が厳しく要求されるリチウム・イオン蓄電池を充電するような場合でも、安全上の支障がでるようなことはない。一方、リチウム・イオン蓄電池では、定電流充電期間における充電電流は、充電レート以下であれば充電時間が長くはなるが安全上の支障は生じないので、直流電源装置で充電することができる。
したがって、蓄電池が急速充電型の場合に、蓄電池の定電流充電期間において第2の充電モードにおける直流電源装置の充電電流の値が蓄電池の充電レート以下であれば、安全に充電できすることができる。具体的には、直流電源装置が定電流特性または定電力特性を備えており、蓄電池の定電流充電期間において、定電流特性または定電力特性を利用して充電するようにすれば、充電電流を蓄電池の充電レート以下に制御することができるので安全に充電することができる。
直流電源装置が定電圧特性を備えている場合は、第1の充電モードにおいて、充電器に定電圧領域で電力を供給することができる。その結果、充電器は直流電源装置から供給された所定の入力電圧で動作して設定電流で蓄電池を充電するので、負荷の消費電力が大きい場合は定電流充電期間において直流電源装置よりも大きな充電電流で充電することができる。制御部は、第2の充電モードで充電した場合の充電電流または充電電力の大きさに関連するイベントに基づいて、第1の充電モードで充電した場合の充電電流または充電電力の大きさと第2の充電モードで充電した場合の充電電流または充電電力の大きさを比較することができる。そのイベントは、第2の充電モードで直流電源装置が充電する場合の充電電力または充電電流から直接生成してもよい。その際、第1の充電モードで充電しているときに第2の充電モードで充電する場合の充電電流または充電電力を測定することは、第1の充電モードから一時的に第2の充電モードに切り替えることで可能になる。
また、イベントは、第1の充電モードまたは前記第2の充電モードにおける負荷の電流または消費電力に基づいて生成してもよい。負荷の電流または消費電力は、第1の充電モードでも第2の充電モードでも測定することができるので、充電電流または充電電力を直接測定する場合に比べて、第1の充電モードから第2の充電モードへの切り替え操作の必要がないため都合がよい。さらに、イベントは、負荷の電流または消費電力に関連した機器の動作モードに基づいて生成してもよい。この場合は、消費電力を測定する必要がないのでイベントの生成が簡単になる。本発明にかかる充電システムは、電動工具のような機器や、コンピュータ、携帯電話またはPDAなどのような情報処理装置に適用することができる。
コンピュータに適用するときは、イベントを、コンピュータの通常状態、サスペンド状態、スタンバイ状態、ハイバネーション状態、および電源オフ状態などに基づいて生成することができる。電池パックがスマート・バッテリィの場合は、電池パックから充電システムに送る蓄電池からの放電電力値を負荷の消費電力として利用することができる。また、電池パックから充電システムに送る蓄電池に対する充電電力値の情報を第2の充電モードで充電した場合の充電電力として利用することができる。第1の充電モードで充電している場合は、一時的に切替部を第2の充電モードに切り替えて測定した充電電力値に基づいて切換部を制御するためのイベントを生成することができる。コンピュータが、AC/DCアダプタが接続される交流電源のためのピーク・シフト回路を備えている場合は、コントローラが、第1の充電モードまたは第2の充電モードにおいてピーク・シフト回路を操作して測定した放電電力値に基づいて切換部を制御するためのイベントを生成することができる。
本発明により、充電レートの大きな蓄電池を容量の小さな充電器で短時間に充電する充電システムを提供することができた。さらに本発明によりそのような充電システムを搭載した情報処理装置およびそのような充電システムが実現する充電方法を提供することができた。
図1(A)は、本発明の実施形態にかかる充電システムの基本構成を示すブロック図で、図1(B)は、充電器17および直流電源装置11の電圧電流特性を示す図である。この充電システムは、充電器17による充電モードと直流電源装置11による充電モードの2つの充電モードを備えている。図1(A)において、直流電源装置11は、交流電圧または直流電圧を所定値の直流電圧に変換する電圧変換装置である。直流電源装置11はシステム負荷13に電力を供給しながら、スイッチSW2を開きスイッチSW1を閉じて充電器17に電力を供給することができる。直流電源装置11は、システム負荷13に電力を供給しながらスイッチSW1を開きスイッチSW2を閉じて直接蓄電池15を充電することができる。
直流電源装置11は、定電圧領域21と定電流領域23で動作する定電流定電圧特性を備えている。すなわち、直流電源装置11は、出力電流Ioが定格電流Iaを超えるような大きな負荷が接続されたような場合や、出力側に短絡事故または過電流事故が発生したような場合に定電流領域23で動作して出力電流Ioを定格電流Iaに一致させるように出力電圧Voを制御し、出力電流Ioが定格電流Ia未満になるような状態の場合に定電圧領域21で動作して出力電圧Voを定格電圧Vaに一致させるように制御する。この直流電源装置11の定格出力PaはVa×Iaとなる。直流電源装置11の定電流領域23の定格電流Iaは、充電器17の設定電圧Ichgよりも大きく、かつ、蓄電池15の充電レート以下となるように構成されている。
蓄電池15は、急速充電型のリチウム・イオン蓄電池で構成され、定電流定電圧充電方式で充電される。定電流定電圧充電方式では、通常定電流充電期間には蓄電池の充電レートで規定される一定の電流で充電され、充電電圧が一定の値まで上昇すると定電圧充電期間に移行する。そして、定電圧充電期間では充電電流が所定の値に低下するまで一定の電圧で充電される。定電流定電圧充電方式で充電するときは、定電流充電期間の充電電流を蓄電池の充電レートに設定して充電することが蓄電池の劣化や充電時間の観点から望ましいが、充電レートよりも小さい電流で充電することもできる。さらに、充電電流が充電レートよりも小さくなるように維持されていれば、充電の進行に伴って充電電流が変化してもよい。ただし、充電電流が小さくなると充電時間が長くなる。これに対して定電圧充電期間の充電電圧は安全上の問題があるので厳密に管理する必要がある。
蓄電池15は、急速充電型であるため充電レートが2Cと大きく、定電流充電期間の充電電流を通常型に比べて大きくして短時間で充電できる性能を備えている。ここに充電レートのCは容量と同じ数値の電流値を意味しており、たとえば、1000mAhの容量の蓄電池の充電レートが1Cのときは充電電流が1Aとなり2Cのときは2Aとなる。蓄電池15は、直流電源装置11が停止しているときにシステム負荷13に電力を供給することができるようになっている。なお、図1(A)では、蓄電池15からシステム負荷13までの放電経路は省略している。
通常充電型のリチウム・イオン蓄電池の充電レートは0.7C程度なので、急速充電型の蓄電池15は定電流充電期間において同一容量の通常充電型の蓄電池に比べて約3倍の充電電流で充電することができる。急速充電型の蓄電池の性能を十分に発揮させて短時間で充電するためには、充電器が蓄電池15の充電レートで充電する能力を備えている必要があるが、充電器17は通常充電型の蓄電池を充電するように構成されており、急速充電型の蓄電池15を2Cの充電レートで充電する能力は備えていない。
したがって、定電流充電期間に充電器17による充電モードを採用すると、蓄電池15に十分な充電電流を供給することができないため急速充電の性能を発揮させることができない。充電器17は、定電圧領域25と定電流領域27で動作する定電流定電圧特性を備えている。すなわち、充電器17は、充電電流Ixが大きい場合には、定電流領域27で充電電流Ixを設定電流Ichgに一致させるように充電電圧Vxを制御し、充電が進行して充電電圧Vxが高くなった場合には、定電圧領域25で動作して充電電圧Vxを設定電圧Vchgに一致させるように制御する。
直流電源装置11が定電圧領域21で動作して充電器17に定格電圧Vaを供給しているとき、充電器17が蓄電池15を充電する最大の電力である定格出力PchgはVchg×Ichgとなる。充電器17が十分に放電した蓄電池15の充電を開始すると、充電器17には蓄電池15の充電レートに応じて設定された設定電流Ichgが流れ、蓄電池15の充電電圧Vxは定電流領域27において、充電開始電圧Vblから徐々に上昇して、最終的に充電器の設定電圧Vchgに到達する。定電流領域27での充電電流Ixは設定電流Ichgに等しいので、充電器17が蓄電池15を充電しているときの充電電力Pxは、Vx×IchgとなりPxは充電時間の経過とともに上昇する。
充電開始電圧Vblは、蓄電池15の劣化を促進させないようにしながら定電流による充電を開始するときの蓄電池15の最低の電圧で、電池電圧が充電開始電圧Vbl以下のときは、あらかじめ充電器17を定電圧領域25で動作させてトリクル充電を行い電池電圧を回復させておくようにする。トリクル充電の間は、直流電源装置11は定電圧領域21で動作する。
負荷13は、直流電源装置11から電力の供給を受けて動作する電気機器や電子デバイスである。この充電システムでは、直流電源装置11が定電圧領域21で動作するときに、負荷13の最大消費電力P1と、充電器17の定格出力Pchgと、直流電源装置11の定格出力Paの関係は、Pa−P1>Pchgとなるように選定されている。なお、充電器17の効率は一般的に95%以上あるので、説明の便宜上効率を100%として考える。つまり、直流電源装置11は、充電器17が定格出力Pchgで蓄電池15を充電しているときに定電圧領域21で動作して負荷13に最大消費電力P1を供給することができる。この充電システムにおいては、負荷13の消費電力Psysは、充電システムの動作とは無関係に0〜P1の間を自由に変動する。
つぎに、この充電システムの動作を説明する。この充電システムでは蓄電池15の定電流充電期間において、負荷13の消費電力がゼロまたは所定値以下のときに、スイッチSW1を開きスイッチSW2を閉じて直流電源装置11で蓄電池15を直接充電する。蓄電池15は充電レートが高いため、蓄電池15に対して直流電源装置11から充電を開始すると、直流電源装置11は定電流領域23で動作し、蓄電池15の充電電圧Vyは充電開始電圧Vblから徐々に上昇し最終的に設定電圧Vchgに到達する。
直流電源装置11が蓄電池15を充電しているときの充電電圧Vy、充電電力Py、および充電電流Iyは、充電システムが図示しない周知の方法で測定できるものとする。直流電源装置11が定電流領域23において蓄電池15を充電しているときの充電電流Iyは定格電流Iaに等しいので充電電力PyはPy=Vy×Iaとなる。直流電源装置11が定電流領域23で動作して負荷13に電力を供給していないときは、蓄電池15は充電電力Py=Vy×Iaで充電される。このとき充電電流Iyは、蓄電池15の充電レート以下であるため直流電源装置を利用して安全に充電することができる。
前述のように、充電器17が蓄電池15を充電しているときの充電電力Pxは、Vx×Ichgとなる。ここで、充電器17の蓄電池15に対する充電電圧Vxと直流電源装置11の蓄電池15に対する充電電圧Vyは等しいと考えてよく、またIa>IchgであるためPy≧Pxとなる。よって、蓄電池15を、直流電源装置11で充電した方が充電器17で充電するよりも定電流充電期間の充電時間を短縮することができる。リチウム・イオン蓄電池は、定電圧充電期間の電圧制御を精密に行う必要があるが、本発明にかかる充電システムは、充電電圧Vyが設定電圧Vchgに到達したときには、スイッチSW2をオフにし、スイッチSW1をオンにして、充電器17が定電圧領域25において蓄電池15を充電することにより、残りの充電期間において蓄電池15を安全に充電することができる。
直流電源装置11は、定電流領域23で蓄電池15を充電している間に、負荷13にも負荷電力Psyを供給する必要がある。このとき、負荷13には、充電電圧Vyが供給されることになる。この充電システムでは、蓄電池15の充電電圧Vyが上昇してVchgに到達したときには、スイッチSW2を開きスイッチSW1を閉じて、充電電圧Vyが充電器17の設定電圧Vchgを超えることがないように制御しているので、定電流領域23で直流電源装置11が蓄電池15を充電するときの直流電源装置11の最大出力P2はVchg×Iaとなる。設定電圧Vchgに到達するまでの直流電源装置11の出力Poは、負荷13の消費電力Psysと蓄電池15の充電電力Pyに分配されて、Po=Psys+Py<P2となる。
消費電力Psysと充電電力Pyの割合は、直流電源装置11の出力端子からみた負荷13と蓄電池15の等価抵抗に反比例する。しがたって、消費電力Psysが増大して負荷13の等価抵抗が低下していくと、直流電源装置11の出力Poは、システム負荷13に多く配分されるようになるので充電電力Pyが低下していき、ついに直流電源装置11で充電するよりも充電器17で充電したほうがより大きな充電電力で充電できるようになる。その理由は、充電器17で充電する場合は、Pa>P1+Pchgであるため、直流電源装置11は定電圧領域21で動作して出力電圧Voが定格電圧Vaとなり、充電器17は直流電源装置11よりも大きな充電電力Pxを供給できるようになるからである。
蓄電池15の定電流充電期間に、直流電源装置11による充電モードと充電器17による充電モードの充電時間に関する優位性を簡単に判断して充電モードを決定するには、式(1)の条件が成立するときには充電器で充電し、式(2)の条件が成立するときには直流電源装置11で充電するようにする。
Py<Px (1)
Py≧Px (2)
充電器17で充電しているときに直流電源装置11で充電する場合の充電電力Pyを測定するには、スイッチSW1およびスイッチSW2を操作して短時間だけ直流電源装置11からの充電に切り替えることで可能となる。式(1)、式(2)は、充電電力Px、Pyを常時監視して優位性を判断する必要があるために回路がやや複雑になるので、次の方法で簡単に判断するようにしてもよい。
本発明の実施においては、充電器17で充電しているときの充電電力Pxは充電器17の定格出力Pchgに等しいと考えてもよいので、式(1)、式(2)はそれぞれ式(3)、式(4)に変形することができる。
Py<Pchg (3)
Py≧Pchg (4)
したがって、直流電源装置11で充電するときの充電電力Pyが充電器の定格出力Pchgより小さいときは充電器17で充電し、その逆の場合は直流電源装置11で充電するようにする。
また充電中の直流電源装置11の出力Poは、充電中の直流電源装置11の最大出力P2に等しいと考えてもよいので、充電器17で充電するときの条件となる式(3)は式(7)のように変形することができる。
Po=Psys+Py (5)
Po−Psys<Pchg (6)
P2−Pchg<Psys (7)
さらに、式(7)より、式(8)のように直流電源装置11で充電するときの条件を求めることができる。
P2−Pchg≧Psys (8)
式(7)、式(8)によれば、P2=Vchg×Iaであるため、あらかじめ決まっている充電器17の設定電圧Vchg、直流電源装置11の定格電流Ia、および充電器17の定格出力Pchgから求めた閾値と負荷の消費電力Psysとを比較して優位性を判断することができるので、充電モードを判断するための回路を簡単に構成することができる。また、式(3)、式(4)では、充電器17で充電している間に直流電源装置11で充電するとした場合の充電電力Pyを測定するためには、スイッチSW1およびスイッチSW2の切り替え操作が必要となるが、負荷13の消費電力Psysは、いずれの充電モードでも測定できるので、式(7)、式(8)によればそのような切り替え操作は不要となる。
充電電力PyがPy<Pxとなったときに、スイッチSW2を開きスイッチSW1を閉じると、充電器17は、定電流領域27で動作して設定電流Ichgにより蓄電池15の充電を開始する。前述のとおりこの充電システムでは、充電器17の定格出力Pchg、負荷13の最大消費電力P1、および直流電源装置11の定格出力Paの関係は、Pa>Pchg+P1となるように選定されているので、直流電源装置11は定電流領域23から定電圧領域21に動作が移行して充電器17に定格電圧Vaを供給する。充電器17は直流電源装置11から定格電圧Vaが入力されると、充電電力Pxで蓄電池17を充電することができるので、Py<Pxである限り、直流電源装置11が充電電力Pyで充電するよりも充電電力を大きくすることができる。充電電圧Vxが設定電圧Vchgに到達したときには、充電器17は定電圧領域25の動作に移行して引き続いて蓄電池15を充電する。
上述のように、本実施の形態では、急速充電型の蓄電池15を通常充電型の充電器17を使用して充電するときに、蓄電池15の定電流充電期間は、負荷13の負荷電力Psysの大きさに応じて直流電源装置11または充電器17のいずれか一方で充電し、定電圧充電期間は充電器17で充電する。また、充電モードを選択するためにこれまで、負荷13の消費電力Psysおよび直流電源装置11の充電電力Pyを測定する方法を説明したが、本発明は、負荷13に流れる負荷電流または直流電源装置11が充電するときの充電電流Iyで優位性を判断することもできる。
本発明における直流電源装置11は、蓄電池15の定電流充電期間に充電器17の定電流領域よりも大きな電流で、かつ、蓄電池15の充電レート以下の電流で蓄電池15を充電できるものであればよい。したがって、直流電源装置11は定電流特性に代えて定電力特性を備えるものであってもよい。定電力特性を備える直流電源装置の特性を図2に示す。図2において図1(B)と異なる点は、直流電源装置11が定格電流Iaよりも電流が多く流れる領域において定電力領域24を備えていることだけである。
定電力領域24では、充電器は出力Poが定格出力Paになるように動作する。したがって、充電電圧Vyが低下するほど充電電流Iyが大きくなる。充電電圧Vyが最も低下しているときの充電電流Iyが蓄電池15の充電レート以下であれば、蓄電池15の充電を安全に行うことができる。充電システムにおける定電力領域24の利用方法は先に説明した定電流領域23の利用方法と同じである。定電力領域24では、直流電源装置の出力PoがPaとなり、充電中の直流電源装置11の最大出力P3は定電圧特性の場合の最大出力P2よりも大きくなるため、定電流特性23を備える直流電源装置11よりも短時間で充電することができる。
図3は、図1で説明した充電システムをノートPC100で実現する場合の構成を示すブロック図である。ノートPC100の電源端子には、AC/DCアダプタ101の接続が可能であり、さらに電池ベイには主電池パック103および補助電池パック105の装着が可能になっている。AC/DCアダプタ101は、交流電圧を所定の直流電圧に変換する直流電源装置である。AC/DCアダプタ101は、図1で説明した直流電源装置11と同様の定電流定電圧特性を備えている。
主電池パック103および補助電池パック105は、それぞれ、図1で説明した急速充電型のリチウム・イオン蓄電池15を収納し、さらに、電池電圧、充電電流、充電電力、および放電電力などを計算して、定期的にノートPC100に送るマイクロ・プロセッサ(MPU)を搭載している。主電池パック103および補助電池パック105は、米国インテル社および米国デュラセル社によって提唱されたスマート・バッテリィ・システム(Smart Battery System、以下、SBSという。)と呼ばれる規格に準拠したスマート・バッテリィといわれているものである。主電池パック103および補助電池パック105は、充電時および放電時には、選択されたいずれか一方だけが使用され、並列充電および並列放電は行われないようになっている。以後の説明では主電池パック103と補助電池パック105を区別する必要がないときは、単に電池パック103、105と表現することにする。
ノートPC100の電源管理機能は、エンベデッド・コントローラ(EC)113を中心として充電器107およびDC/DCコンバータ109などで構成される。EC113は、電源以外にもノートPC100を構成する多くのハードウェア要素を制御する集積回路である。EC113は、電池パックが生成した電池電圧、充電電流、充電電力、放電電力、および充電器に設定する設定電圧および設定電流などの情報をMPUとの通信によって取得することができる。
充電器107は、図1で示した充電器17と同様に定電流定電圧特性を備えている。また、充電器17と同様に充電レートが2Cの急速充電型の蓄電池の充電には対応しておらず、充電レートが0.7Cの一般充電型の蓄電池の充電に対応している。充電器107は、FET129およびFET131をPWM方式で制御するスイッチング回路と、インダクタ133およびキャパシタ134による平滑回路とを備える。充電器107は、スイッチング回路を駆動して生成された直流電流の脈動を平滑回路によって低減して、ACアダプタ151から入力された直流電圧を電池パックの定電流領域または定電圧領域での充電に適した直流電圧に変換して出力する。
充電器107は、定電流定電圧方式(CC−CV:Constant Current Constant Voltage)で電池パックを充電する。充電器107の電流設定値入力Isetおよび電圧設定値入力Vsetには、ノートPC100の内部で生成された一定電圧を分圧した基準電圧源111からの電圧が入力される。基準電圧源111は、EC113からの指示に基づいて電圧設定値入力Vsetには設定電圧Vchgを入力し、電流設定値入力Isetには設定電流Ichgを入力する。充電器107の電圧フィードバック入力FB−Vおよび電流フィードバック入力FB−Iには、分圧抵抗137、139とセンス抵抗135からの出力がそれぞれ接続され、充電器107の充電電圧Vxおよび充電電流Ixに対応した電圧がそれぞれ入力される。
DC/DCコンバータ109は、ノートPC100に収納されるデバイスに所定の電圧の電力を供給し、図1の消費電力Psysを消費する負荷に相当する。DC/DCコンバータ109は、AC/DCアダプタ101から受け取った直流電圧または電池パック103、105から受け取った直流電圧を所定の電圧に変換してノートPC100内のデバイスに供給する。DC/DCコンバータ109の消費電力は、ノートPC100の動作状態により変化する。FET−A117およびFET−B119は、主電池パック103に対する充放電を制御するためのスイッチであり、主電池パック103の充放電回路に接続されている。FET−C121およびFET−D123は、補助電池パック105に対する充放電を制御するためのスイッチであり、補助電池パック105の充放電回路に接続されている。
FET−E125は、電池パック103、105とDC/DCコンバータ109との間に接続され、充電モードを充電器107とAC/DCアダプタ101のいずれにするかを選択するためのスイッチである。FET−E125は、さらに電池パック103、105からDC/DCコンバータ109に電力を供給する際にも使用される。FET−F127は、AC/DCアダプタ101からDC/DCコンバータ109に電力を供給する回路に接続され、AC/DCアダプタ101からDC/DCコンバータ109に電力を供給している際、交流電力源からの電力の受け取りを停止して交流電力源のピークを緩和させるいわゆるピーク・シフトを行うために、一時的に電池パックからDC/DCコンバータ109に電力を供給するためのスイッチである。
スマート・バッテリィでは、内部で充電電力や放電電力を測定し、定期的にEC103に送るようになっている。したがって、充電器107またはAC/DCアダプタ101が充電するときに、式(7)、式(8)を利用するためにシステムの消費電力Psysを測定する場合は、FET−F127、FET−E125、およびEC103からなるピーク・シフト回路を操作して、電池パック103、105からDC/DCコンバータ109に放電される電力を測定することにより行うことができる。FET駆動回路115は、EC113からの指示に基づいてFET−A117〜FET−Fを制御する。
なお、図1は本実施の形態を説明するために、主要なハードウェアの構成および接続関係を簡素化して記載したに過ぎないものである。ノートPC100を構成するためにはたとえば磁気ディスク、光学ディスク、キーボードなどの多くの電気回路および装置が使われるが、それらは当業者には周知であるので記載を省略し、詳しく言及しない。図で記載した複数のブロックを1個の集積回路としたり、逆に1個のブロックを複数の集積回路に分割して構成したりすることも、当業者が任意に選択することができる範囲においては本発明の範囲に含まれる。
図4は、図3に示した充電システムの動作を説明するフローチャートである。ブロック201では、主電池パック103に対する充電を開始する準備を行う。補助電池パック105の充電も図3のフローチャートを参照して同じように理解することができる。FET−A117、FET−B119、FET−F127は閉じており、FET−C121、FET−D123およびFET−E125は開いている。
DC/DCコンバータ109は、入力電圧の許容変動範囲が広く、本発明を実現する上で変動するAC/DCアダプタ101の出力電圧Voの範囲で適正に動作する。消費電力Psysは、ノートPC100の使用状態により変動する。ノートPCの状態によっては消費電力Psysがゼロの場合もある。充電器107の電圧設定値入力Vsetおよび電流設定値入力Isetにはともにゼロが設定されて充電器107は動作を停止しており、FET129およびFET131はともに開いている。
ブロック203において、主電池パック103は、EC113に対して充電器107の設定電圧Vchgおよび設定電流Ichgを送って充電を開始するように要求する。EC101は、FET−F127が閉じておりAC/DCアダプタ101がDC/DCコンバータ109に電力を供給しながら充電できる状態になっていることを確認したら、充電器107を動作させる代わりにFET駆動回路115にFET−E125を閉じるための信号を送る。FET駆動回路115がEC113の指示に基づいてFET−E125を閉じると、AC/DCアダプタ101が定電流領域23で電池パック103を充電する。EC113は、電池パック103から充電電力Pyの値を定期的に受け取る。
ブロック205においてEC113は、充電電圧Vyが充電器107の設定電圧Vchgに到達したか否かを判断する。充電電圧Vyの値は、主電池パック103からEC113に定期的に送られてくる。充電電圧Vyが充電器107の設定電圧Vchgに到達した場合はブロック215に移行して、EC113は基準電圧源111を経由して電圧設定値入力Vsetには設定電圧を入力し、電流設定値入力Isetには設定電流を入力して充電器107を動作させる。充電器107は、定電圧領域25で動作して充電を開始する。EC113は、主電池パック103から定期的に充電電流Ixの値を受け取り、充電電流Ixが所定値まで低下した場合にブロック217に移行して、電圧設定値入力Vsetおよび電流設定値入力Isetにゼロを設定し充電器107を停止させて充電を終了する。
ブロック205において、充電電圧Vyが設定電圧Vchgより低い場合は、ブロック207に移行して、EC113は式(3)の条件が成立するかどうかを判断する。式(3)の条件が成立しない場合は、ブロック203に戻ってAC/DCアダプタ101による充電を継続する。式(3)の条件が成立した場合はブロック209に移行して、EC113は、電圧設定値入力Vsetには設定電圧Vchgの値を入力し、電流設定値入力Isetには設定電流Ichgの値を入力して充電器107を動作させる。さらにEC113は、FET駆動回路115に指示してFET−E125を開かせる。その結果、電池パック103は充電器107で充電される。充電器107は、定電流領域27で電池パック103を充電するが、システム負荷の消費電力Psysが増大しても式(3)の条件が満たされている限り、AC/DCアダプタ101よりも大きな充電電流で充電することができる。
ブロック211では、EC113は、充電電圧Vxが充電器107の設定電圧Vchgに到達したか否かを判断する。充電電圧Vxの値は、主電池パック103からEC113に定期的に送られてくる。充電電圧Vxが充電器107の設定電圧Vchgに到達した場合はブロック215に移行し、充電器107は、定電圧領域25における充電に移行する。ブロック213において、充電電圧Vxが設定電圧Vchgより低い場合は、ブロック213に移行して、EC113は式(4)の条件が成立するかどうかを判断する。
式(4)の条件を判断するために必要な、AC/DCアダプタ101で充電した場合の充電電力Pyは、EC101が一時的に充電器107の動作を停止しFET−E125を閉じて、AC/DCアダプタ101から充電し、そのときに電池パック103が測定した充電電力Vyを利用することができる。ブロック213において、式(4)の条件が成立しない場合は、ブロック209に戻って充電器117による充電を継続する。ブロック213で式(4)の条件が成立した場合は、ブロック203に戻って、EC101は充電器107の動作を停止しFET−E125を閉じてAC/DCアダプタ101に電池パック103を充電させる。
ブロック207、ブロック213では、式(3)、式(4)の条件を利用して充電モードを決定したが、ピーク・シフト回路を操作してDC/DCコンバータ109の省電力Psysを測定し、式(7)、式(8)を利用して決定することもできる。以上の手順では、ブロック203で最初にAC/DCアダプタ203から充電を開始ように説明したが、充電モードの優位性を判断するブロック207、ブロック213によりいずれか一方の充電モードで充電しながら、常に他方の充電モードの優位性を評価しているので、充電器117から充電を開始するようにしてもよい。また、ノートPC100では作業状態により、DC/DCコンバータ109の消費電力Psysが頻繁に上下する。したがって、ブロック207からブロック209へ移行するとき、およびブロック213からブロック203へ移行するときの閾値には差を設けることが望ましい。さらに、一方の動作モードで充電を開始してから所定の時間が経過するまでは、たとえブロック207、213で動作モードを変更する条件が成立しても、変更させないようにすることが望ましい。
図2では、スマート・バッテリィの電池パック103、105を例に説明したが、本発明は、内部にプロセッサを搭載しない電池パックの充電にも適用することができる。その場合は、充電電力や充電電圧は、ノートPC100の本体で測定する。本発明では、充電モードを変更するときに、電流値や電力値を使用するだけでなく、負荷の消費電力に関連した特有の動作モードで判断することもできる。たとえば、ノートPC100にはACPI(Advanced Configuration and Power Interface) と呼ばれる規定で定義された通常状態、サスペンド状態、スタンバイ状態、ハイバネーション状態、および電源オフ状態といった動作モードが実装されている。電源オフ状態では、つぎにノートPC100の電源を起動したり、AC/DCアダプタ101による充電を制御したりするために最小限必要な回路以外の負荷には電力を供給しない。
ハイバネーション状態では、電源停止前に作業中のRAMやレジスタの内容を磁気ディスク装置に書き込み、電源はほぼ電源オフ状態と同じになる。スタンバイ状態では、ディスプレイのVGA信号をオフにし、かつプロセッサの周波数を低下させたりスロットリングをさせたりしてプロセッサの消費電力を低下させる。サスペンド状態では、作業状態が書き込まれたメモリの記憶が維持される必要があるため、メモリの記憶維持と再起動に必要な回路にだけ電源が供給される。最後に通常動作状態では、すべてのシステム負荷に電力を供給するように電源が構成され、実際のシステム負荷の消費電力は作業状態に応じて変動する。
ノートPC100は、ユーザの操作、アクセスがない時間の長さ、無線LANの電波の検出などに関連したイベント情報によりこれらの動作モード間を移行して消費電力の節約と利便性の維持を図ることができる。サスペンド状態、スタンバイ状態、ハイバネーション状態、および電源オフ状態では、負荷の消費電力Psysが小さくAC/DCアダプタ101で充電した方が充電レートを高くできることが明らかであるので、EC113は、これらの動作状態に入るイベントをプロセッサから受け取った場合は、AC/DCアダプタ101で充電するように充電システムを制御し、通常動作状態に入るイベント情報を受け取った場合は、充電器で充電するように充電システムを制御することができる。図4で示した手順をEC113が実行するプログラムは、EC113の内部に設けたフラッシュ・メモリに格納されている。
図5は、図3の充電システムが主電池パック103を充電したときの充電特性を説明する図である。ライン301、302、303は、満充電容量を100%としたときの充電時間と充電容量の変化を示している。ライン305はライン301に対応し、充電器107だけを使用して完全に放電した蓄電池15を、定電流充電期間から定電圧充電期間に渡って充電したときの充電電流Ixを示している。このとき蓄電池15に充電されるエネルギーである充電容量が満充電容量の80%に到達するまでの時間はt2である。ライン307はライン302に対応し、DC/DCコンバータ109の消費電力がゼロの状態において、定電流充電期間にAC/DCアダプタ101で充電し、充電電圧Vyが設定電圧VChgに到達した後の定電圧充電期間に充電器107で充電したときの充電電流Iy、Ixを示している。
DC/DCコンバータ109の消費電力がゼロであるため、AC/DCアダプタ101は定格電流Iaをすべて蓄電池15に供給する。このとき蓄電池15に充電されるエネルギーである充電容量が満充電容量の80%に到達するまでの時間はt1であり、時間t1よりも時間t2の30%だけ充電時間を短縮することができる。ライン309はライン303に対応し、DC/DCコンバータ109が所定の電力を消費している状態において、定電流充電期間にAC/DCアダプタ101で充電し、充電電圧Vyが設定電圧VChgに到達した後の定電圧充電期間に充電器107で充電したときの充電電流Iy、Ixを示している。
ライン309では、DC/DCコンバータ109に負荷電流Isysが流れるため、蓄電池15にはIy=Ia−Isysの充電電流が流れる。この状態ではDC/DCコンバータ109の消費電力が大きくIy<Ichg(Py<Pchg)の条件が成立しているため、蓄電池15に充電されるエネルギーである充電容量が満充電容量の80%に到達するまでの時間はt3(t3≧t2)となっている。したがってDC/DCコンバータ109の消費電力がある一定値を超えて増大したときには、定電流充電期間に充電器107で充電したほうが充電時間を短縮できることになる。
充電レートの高い蓄電池を充電レートの小さい充電器で充電する機器に適用できる。
本発明の実施形態にかかる充電システムの基本構成を説明するための図である。 直流電源装置の定電力特性を説明するための図である。 ノートPCに搭載した本発明の実施形態にかかる充電システムの構成を説明する図である。 図3に示した充電システムにおいて蓄電池を充電する手順を示すフローチャートである。 図3に示した充電システムが蓄電池を充電するときの充電時間を説明する図である。
符号の説明
P1…負荷の最大消費電力
Psys…負荷の消費電力
Isys…負荷電流
Vchg…充電器の設定電圧
Ichg…充電器の設定電流
Pchg…充電器の定格出力
Vx…充電器で充電中の充電電圧
Ix…充電器で充電中の充電電流
Px…充電器で充電中の充電電力
Va…直流電源装置の定格電圧
Ia…直流電源装置の定格電流
Pa…直流電源装置の定格出力
Vo…直流電源装置の出力電圧
Io…直流電源装置の出力電流
Po…直流電源装置の出力
P2…充電中の直流電源装置の最大出力
Vy…直流電源装置で充電中の充電電圧
Iy…直流電源装置で充電中の充電電流
Py…直流電源装置で充電中の充電電力
Vbl…充電開始電圧
21…直流電源装置の定電圧領域
23…直流電源装置の定電流領域
24…直流電源装置の定電力領域
25…充電器の定電圧領域
27…充電器の定電流領域

Claims (14)

  1. 定電流定電圧充電方式で充電される蓄電池または定電流特性を備える直流電源装置から電力の供給を受ける負荷を備える機器に搭載される充電システムであって、
    前記直流電源装置から電力の供給を受け設定電圧および設定電流に基づいて前記蓄電池を定電流定電圧充電方式で充電することができる充電器と、
    前記直流電源装置が前記負荷に電力を供給できる状態で前記充電器に電力を供給している間に前記充電器が前記蓄電池を定電流領域で充電する第1の充電モードと、前記直流電源装置が前記負荷に電力を供給できる状態で前記蓄電池を定電流領域で充電する第2の充電モードとを切り替える切替部と、
    前記第1の充電モードまたは前記第2の充電モードで充電している間に、前記第1の充電モードにおける充電電流または充電電力と前記第2の充電モードにおける充電電流または充電電力のいずれが大きいかを判断して、充電電流または充電電力の大きな充電モードで充電するように前記切替部を制御する制御部と
    を有する充電システム。
  2. 前記制御部は、前記第2の充電モードで充電している間に前記蓄電池の充電電圧が前記充電器の設定電圧に到達したと判断したときに前記第1の充電モードで充電するように前記切替部を制御し前記充電器は前記蓄電池を定電圧領域で充電する請求項1に記載の充電システム。
  3. 前記直流電源装置の定格電流が前記充電器の設定電流よりも大きく前記蓄電池の充電レート以下である請求項1または請求項2に記載の充電システム。
  4. 前記直流電源装置は定電圧特性を備え、前記第1の充電モードにおいて前記充電器に定電圧領域で電力を供給する請求項1〜請求項3のいずれかに記載の充電システム。
  5. 前記制御部は、前記第2の充電モードにおいて前記直流電源装置が前記蓄電池を充電するときの充電電流または充電電力を測定して前記充電器の定格出力と比較することにより充電電流または充電電力の大きな充電モードを判断する請求項1〜請求項のいずれかに記載の充電システム。
  6. 前記制御部は、前記負荷の電流または消費電力を測定して、前記充電器の設定電圧、前記直流電源装置の定格電流、および前記充電器の定格出力から求めた閾値と比較することにより充電電流または充電電力の大きな充電モードを判断する請求項1〜請求項のいずれかに記載の充電システム。
  7. 前記制御部は、前記負荷の電流または消費電力に関連した前記機器の動作モードに基づいて充電電流または充電電力の大きな充電モードを判断する請求項1〜請求項のいずれかに記載の充電システム。
  8. 定電流定電圧充電方式で充電される蓄電池または定電力特性を備える直流電源装置から電力の供給を受ける負荷を備える機器に搭載される充電システムであって、
    前記直流電源装置から電力の供給を受け設定電圧および設定電流に基づいて前記蓄電池を定電流定電圧充電方式で充電することができる充電器と、
    前記直流電源装置が前記負荷に電力を供給できる状態で前記充電器に電力を供給している間に前記充電器が前記蓄電池を定電流領域で充電する第1の充電モードと、前記直流電源装置が前記負荷に電力を供給できる状態で前記蓄電池を定電力領域で充電する第2の充電モードとを切り替える切替部と、
    前記第1の充電モードまたは前記第2の充電モードで充電している間に、前記第1の充電モードにおける充電電流または充電電力と前記第2の充電モードにおける充電電流または充電電力のいずれが大きいかを判断して、充電電流または充電電力の大きな充電モードで充電するように前記切替部を制御する制御部と
    を有する充電システム。
  9. 前記制御部は、前記第2の充電モードで充電している間に前記蓄電池の充電電圧が前記充電器の設定電圧に到達したと判断したときに前記第1の充電モードで充電するように前記切替部を制御し前記充電器は前記蓄電池を定電圧領域で充電する請求項8に記載の充電システム。
  10. 定電流定電圧充電方式で充電される蓄電池を実装した電池パックまたは定電流特性を備えるAC/DCアダプタから電力の供給を受けるシステム負荷を搭載した情報処理装置であって、
    前記AC/DCアダプタから電力の供給を受け設定電圧および設定電流に基づいて前記蓄電池を定電流定電圧充電方式で充電することができる充電器と、
    前記直流電源装置が前記システム負荷に電力を供給できる状態で前記充電器に電力を供給している間に前記充電器が前記蓄電池を定電流領域で充電する第1の充電モードと、前記直流電源装置が前記システム負荷に電力を供給できる状態で前記蓄電池を定電流領域で充電する第2の充電モードとを切り替える切替部と、
    前記第1の充電モードまたは前記第2の充電モードで充電している間に、前記第1の充電モードにおける充電電流または充電電力と前記第2の充電モードにおける充電電流または充電電力のいずれが大きいかを判断して、充電電流または充電電力の大きな充電モードで充電するように前記切替部を制御するコントローラと
    を有する情報処理装置。
  11. 前記コントローラは、前記情報処理装置の通常状態、サスペンド状態、スタンバイ状態、ハイバネーション状態、および電源オフ状態からなるグループから選択された少なくともいずれか1つの前記システム負荷の消費電力に関連する要素に基づいて前記切替部を制御する請求項10に記載の情報処理装置。
  12. 前記コントローラは、前記第1の充電モードにおいて充電しているときに一時的に前記第2の充電モードで充電しながら測定した充電電流値または充電電力値に基づいて前記切換部を制御する請求項10に記載の情報処理装置。
  13. 前記AC/DCアダプタが接続される交流電源のためのピーク・シフト回路を備え、前記コントローラは、前記第1の充電モードまたは前記第2の充電モードにおいて前記ピーク・シフト回路を操作して測定した放電電流値または放電電力値に基づいて前記切換部を制御する請求項10に記載の情報処理装置。
  14. 定電流定電圧充電方式で充電される蓄電池または定電流特性を備える直流電源装置から電力の供給を受ける負荷を含む充電システムにおいて、前記蓄電池を充電する方法であって、
    前記直流電源装置が前記負荷に電力を供給できる状態で前記充電器に電力を供給している間に前記充電器が前記蓄電池を定電流領域で充電する第1の充電モードで充電するステップと、
    前記直流電源装置が前記負荷に電力を供給できる状態で前記蓄電池を定電流領域で充電する第2の充電モードで充電するステップと、
    前記第1の充電モードまたは前記第2の充電モードで充電している間に、前記第1の充電モードにおける充電電流または充電電力と前記第2の充電モードにおける充電電流または充電電力のいずれが大きいかを判断するステップと、
    前記判断するステップに応答して充電電流または充電電力の大きな充電モードで充電するステップと
    を有する充電方法。
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