JP4877181B2 - 充電装置および充電方法 - Google Patents

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Description

この発明は、二次電池に対する充電装置および充電方法に関する。
二次電池の充電方法として定電流充電と定電圧充電とを組合せたものが知られている。図1は、この充電方法を説明するものであり、横軸が充電電流Aであり、縦軸が電池電圧Vである。(a−b)領域が定電圧充電の範囲であり、(c−d)領域が定電流充電の範囲である。充電のための電源部が(a−b)領域では、定電圧制御の動作を行い、(c−d)領域では、定電流制御の動作を行う。
例えば電池電圧Vb=4.1V以下の領域では、Ib=500mAによって定電流充電を行う。電池電圧が4.1Vより大きくなると、電源部が定電圧制御の動作を行い、次第に充電電流Ibが減少する。電池電圧Vbが電源部の出力電圧Vo=4.2Vに向かって上昇する。そして、充電が完了する。
従来の充電装置の一例を図2に示す。図2の構成は、充電状態の検出方法として、電流検出とΔV検出の両方を説明するためのもので、何れか一方を備えれば良い。電源部1がACコネクタCN11を介して商用電源に接続され、出力端子1aおよび1bに出力電圧Vo例えば4.2Vを出力する。電源部1の出力電圧が検出・充電部3を介して二次電池2に供給され、二次電池2が充電される。
検出・充電部3は、充電制御部4により制御される。検出・充電部3および充電制御部4によって充電装置が構成される。充電制御部4は、二次電池2に対する充電および放電を制御し、例えばマイクロコンピュータを含むIC回路の構成とされている。図示しないが、電源部1の例えば正の出力電圧がレギュレータに供給され、レギュレータにて所定の電圧とされ、所定の電圧が充電制御部4に対して電源電圧として供給される。電源部1の正側出力端子1aと二次電池2の正側との間にスイッチ素子S11および充電電流Ibに対して順方向の極性でもってダイオードD11が直列に挿入されている。スイッチ素子S11が充電制御部4によって制御される。スイッチ素子S11がOFFすると、充電電流Ibの供給が断たれる。
電源部1の負側出力端子1bと二次電池2の負側との間に直列に電流検出用抵抗Rxが挿入される。電源部1の出力端子1aおよび1b間と並列に抵抗R11およびR12の直列接続が挿入される。ダイオードD11のカソード側で、二次電池2の正負の端子間と並列に抵抗R13およびR14の直列接続が挿入される。
抵抗R11およびR12の接続中点から取り出された電圧Vx、並びに抵抗R13およびR14の接続中点から取り出された電圧Vyが充電制御部4に供給される。抵抗Rxの両端には、充電電流Ibに応じた電圧Exが発生する。電圧Exが演算増幅器OP11に供給され、電圧源IC1による検知電圧Eiと比較される。演算増幅器OP11の出力電圧が充電制御部4に供給される。
電流検出方式は、充電末期の定電圧制御時に充電電流Ibが減少することを利用し、充電電流Ibを抵抗Rxにより電圧Exへ変換し、その電圧Exを検知電圧Ei と比較することで充電状態の判別を行う。抵抗Rxには、充電電流Ibによる損失が発生するため比較的、充電電流Ibが小さい装置に対し有効である。ΔV検出方式は、電源部1の出力電圧Voと検出・充電部3に接続された二次電池2の電池電圧Vbとを測定し、その差ΔVにより充電状態の判別を行う。ΔV方式は電圧測定により充電状態を判別するためIbの大きな装置に対し有効である。ΔV方式の充電装置の一例が下記の特許文献1に記載されている。
特開平6−014473号公報
図2の構成の充電装置において、精度の点について説明する。先ず、電流検出方式の検出精度について説明する。
検出抵抗をRx、検出する電流をIx、演算増幅器の正負の出力端子間に存在するオフセット電圧をVioとすると、検出電圧Exは
Ex=Ix×Rx・・・(1)
となる。
検知電圧であるEi =Exの時、オフセット電圧による測定誤差Qは
Q=Vio÷Ei ・・・(2)
となる。
演算増幅器OP11、電圧源IC1、検出抵抗Rxに高精度品を使用することで検出精度が向上できるが、部品コストの上昇が生じる。また、検知電圧Ei を高くすることは、検出精度を向上させるが、抵抗Rxの損失Pは
P=Ib×Ib ×Rx・・・(3)
であるため、効率の低下を伴うと共に、高電力品の使用が必要となりコストの上昇が生じ、小型化の妨げとなる。
次に、ΔV方式の検出精度について図1により説明する。一般的に、充電制御部4は、ワンチップマイコン等により構成され、その動作電圧は、電源部1の出力電圧Voよりも低いので、抵抗分割により電圧を下げた検出電圧を入力する必要がある。
抵抗R11およびR12の接続中点から取り出される検出電圧Vxは、
Vx=Vo×R12÷(R11+R12)・・・(4)
である。同様に抵抗R13およびR14の接続中点から取り出されるVyは
Vy=Vb×R14÷(R13+R14)・・・(5)
となる。
R11÷R12=Aとすると、式(4)は
Vx=Vo÷(A+1)・・・(6)
となる。
抵抗R11の精度をG、抵抗R12の精度をHとする時、同一のVoに対しVxが大となる条件Bhは
Bh=(1−G)÷(1+H)・・・(7)
Vxが小となる条件Bs は
Bs=(1+G)÷(1−H)・・・(8)
となる。
抵抗誤差を考慮したVxをそれぞれVxh、Vxsとすると
Vxh=Vo÷(A×Bh+1)・・・(9)
Vxs=Vo÷(A×Bs+1)・・・(10)
となる。
よって、分割抵抗の抵抗値精度による検出誤差Qは
Qh=(Vxh−Vx)÷Vx・・・(11)
Qs=(Vxs−Vx)÷Vx・・・(12)
となる。G=Hの時、Qh≒Qsである。
ここで、(R11=R13、R12=R14:条件1)とするならば、VyもVxと同様の誤差が生じる。例えばVo=10V、R11〜R14=10kΩ±0.5 %とした場合、Vx、Vyにはそれぞれ±0.5 %の誤差が生じる。精度が±0.5%である抵抗は、高精度部品である。このことは、ΔV(=Vo−Vb)を検知するときにVo の約1%は抵抗誤差により検知不可能であることを意味する。Vo=10Vの場合、100mVが検知不能となる。
一般的に充電状態の検出には、数mV〜数十mVのΔVの検知が必要であるため、検知不能な電圧が100mVであることは、何らかの対策を行うことが必要となる。例えば抵抗R14を可変抵抗とし、調整することで精度の向上は可能であるが、調整誤差が残り、コスト上昇および小型化の妨げになる。また、充電終了後も二次電池2に対し抵抗R13、R14が接続されているため電池2が放電され、電池容量の低下や再充電による電池の劣化が問題となる。
また、二次電池2が接続されている状態で電源部1の動作が停止すると、充電制御部4に対する動作電源電圧が0Vであるにもかかわらず、抵抗R13を介して電池電圧が充電制御部4へ印加され、逆電圧状態が生じるために充電制御部4を構成するIC等に対する保護が必要となる。また、電源部1の出力電圧Voが過電圧状態となった際に、充電制御部4に対して逆電圧が印加されないためには、Vxの値が充電制御部4の動作電源電圧以下である必要がある。さらに、(Vx÷Vo)の商が小さい、すなわち、VoとVxの比が大きいと、Voの変化量に対する検出電圧Vxの変化量が小さくなるため検出精度が低下する。
特許文献1には、第1実施例(図1)、第2実施例(図7)および第3実施例(図13)が記載されている。これらの実施例の問題点について説明する。
第1実施例は充電出力電圧Vo1を充電中に測定し、その測定箇所はスイッチ部8よりも二次電池9側である。つまり、Vo1の測定には測定時の充電電流とスイッチ部8のインピーダンスによる電圧降下分が含まれ測定結果に影響が生じる。
特許文献1の第2実施例は充電電流をある周期で遮断し、遮断状態での電源側出力電圧VA1と電池側の電圧VA2の電圧差を測定する際に、接続箇所をスイッチで切り替えることで複数箇所の電圧を同一の検出回路で測定する。測定箇所にそれぞれ検出回路を設けることによる検出回路間の測定誤差を排除することが可能であるが切り替えるための部品によるコスト上昇が発生する。特許文献1の第3実施例も第2実施例と同様の問題を有する。
したがって、この発明の目的は、充電量をΔV検出によって検出する場合に、抵抗の精度、周囲の環境変化に対して高精度の検出を可能とする充電装置および充電方法を提供することにある。
上述の課題を解決するために、この発明は、電源部から正負の電圧が印加される入力端子と、
入力端子から正負の電源ラインを介して電圧が印加されることによって二次電池を充電する出力を発生する出力端子と、
正負の電源ラインの一方にそのドレイン・ソース間が挿入され、充電電流に対して逆方向の極性の第1の寄生ダイオードを有する第1の電界効果型トランジスタと、
正負の電源ラインの一方にそのドレイン・ソース間が挿入され、充電電流に対して順方向の極性の第2の寄生ダイオードを有する第2の電界効果型トランジスタと、
入力端子と第1の電界効果型トランジスタとの間で、正負の電源ライン間に挿入された複数の抵抗の直列接続からなり、第1の検出電圧が抵抗分割点から取り出される第1の検出回路と、
第1の電界効果型トランジスタと第2の電界効果型トランジスタとの間で、正負の電源ライン間に挿入された複数の抵抗の直列接続からなり、第2の検出電圧が抵抗分割点から取り出される第2の検出回路と、
第1および第2の検出電圧が供給され、第1および第2の電界効果型トランジスタのゲートに対するON/OFF制御信号を生成する充電制御部とを備え、
充電制御部は、第1の電界効果型トランジスタをOFFとすると共に、第2の電界効果型トランジスタをONとして第1および第2の検出電圧の第1の差電圧を演算し、第1の差電圧が第2の寄生ダイオードをONしないような値であるか否かを判定し、
第1の差電圧が第2の寄生ダイオードをONするような値である場合には、第1および第2の電界効果型トランジスタをONとして充電動作を行い、
第1の差電圧が第2の寄生ダイオードをONしないような値である場合には、第1の電界効果型トランジスタをONとすると共に、第2の電界効果型トランジスタをOFFして第1および第2の検出回路に等しい電圧を印加した状態で、誤差成分の第2の差電圧が演算され、
第1の電界効果型トランジスタをOFFすると共に、第2の電界効果型トランジスタをONとして求められた、第1および第2の検出電圧の差電圧を第2の差電圧で補正して誤差成分が除去された第3の差電圧を得、
第3の差電圧を基準電圧と比較することによって充電終了状態を検出する充電装置である。
この発明は、電源部から正負の電圧が印加される入力端子と、
入力端子から正負の電源ラインを介して電圧が印加されることによって二次電池を充電する出力を発生する出力端子と、
正負の電源ラインの一方にそのドレイン・ソース間が挿入され、充電電流に対して逆方向の極性の第1の寄生ダイオードを有する第1の電界効果型トランジスタと、
正負の電源ラインの一方にそのドレイン・ソース間が挿入され、充電電流に対して順方向の極性の第2の寄生ダイオードを有する第2の電界効果型トランジスタと、
入力端子と第1の電界効果型トランジスタとの間で、正負の電源ライン間に挿入された複数の抵抗の直列接続からなり、第1の検出電圧が抵抗分割点から取り出される第1の検出回路と、
第1の電界効果型トランジスタと第2の電界効果型トランジスタとの間で、正負の電源ライン間に挿入された複数の抵抗の直列接続からなり、第2の検出電圧が抵抗分割点から取り出される第2の検出回路と、
第1および第2の検出電圧が供給され、第1および第2の電界効果型トランジスタのゲートに対するON/OFF制御信号を生成する充電制御部とを備え、
充電制御部は、第1の電界効果型トランジスタをOFFとすると共に、第2の電界効果型トランジスタをONとして第1および第2の検出電圧の第1の差電圧を演算し、第1の差電圧が第2の寄生ダイオードをONしないような値であるか否かを判定し、
第1の差電圧が第2の寄生ダイオードをONするような値である場合には、第1および第2の電界効果型トランジスタをONとして充電動作を行い、
第1の差電圧が第2の寄生ダイオードをONしないような値である場合には、第2の検出回路の抵抗精度による誤差を求め、該誤差を補正するように、充電終了状態か否かを判定するための基準値を補正した補正基準値を演算し、
第1および第2の検出電圧の差電圧を補正基準電圧と比較することによって充電終了状態を検出する充電装置である。
この発明は、第1の電界効果型トランジスタをOFFして充電電流を遮断して電源部からの無負荷電圧を第1の検出回路に印加して第1の検出電圧を検出すると共に、第2の電界効果型トランジスタをONして二次電池の開放電圧を第2の検出回路に印加して第2の検出電圧を検出するステップと、
第1および第2の検出電圧の第1の差電圧を演算し、第1の差電圧が第2の電界効果型トランジスタの第2の寄生ダイオードをONしないような値であるか否かを判定するステップと、
第1の差電圧が第2の寄生ダイオードをONするような値である場合には、第1および第2の電界効果型トランジスタをONとして充電動作を行うステップと、
第1の差電圧が第2の寄生ダイオードをONしないような値である場合には、第1の電界効果型トランジスタをONとすると共に、第2の電界効果型トランジスタをOFFして第1および第2の検出回路に等しい電圧を印加した状態で、誤差成分の第2の差電圧を演算するステップと、
第1の電界効果型トランジスタをOFFすると共に、第2の電界効果型トランジスタをONとして求められた、第1および第2の検出電圧の差電圧を第2の差電圧で補正して誤差成分が除去された第3の差電圧を得るステップと、
第3の差電圧を基準電圧と比較することによって充電終了状態を検出するステップと
からなる充電方法である。
この発明は、第1の電界効果型トランジスタをOFFして充電電流を遮断して電源部からの無負荷電圧を第1の検出回路に印加して第1の検出電圧を検出すると共に、第2の電界効果型トランジスタをONして二次電池の開放電圧を第2の検出回路に印加して第2の検出電圧を検出するステップと、
第1および第2の検出電圧の第1の差電圧を演算し、第1の差電圧が第2の電界効果型トランジスタの第2の寄生ダイオードをONしないような値であるか否かを判定するステップと、
第1の差電圧が第2の寄生ダイオードをONするような値である場合には、第1および第2の電界効果型トランジスタをONとして充電動作を行うステップと、
第1の差電圧が第2の寄生ダイオードをONしないような値である場合には、第2の検出回路の抵抗精度による誤差を求め、該誤差を補正するように、充電終了状態か否かを判定するための基準値を補正した補正基準値を演算するステップと、
第1および第2の検出電圧の差電圧を補正基準電圧と比較することによって充電終了状態を検出するステップと
からなる充電方法である。
この発明は、電源部から正負の電圧が印加される入力端子と、
入力端子から正負の電源ラインを介して電圧が印加されることによって二次電池を充電する出力を発生する出力端子と、
正負の電源ラインの一方にそのドレイン・ソース間が挿入され、充電電流に対して逆方向の極性の第1の寄生ダイオードを有する第1の電界効果型トランジスタと、
正負の電源ラインの一方にそのドレイン・ソース間が挿入され、充電電流に対して順方向の極性の第2の寄生ダイオードを有する第2の電界効果型トランジスタと、
入力端子と第1の電界効果型トランジスタとの間で、正負の電源ライン間に挿入された複数の抵抗の直列接続からなり、第1の検出電圧が抵抗分割点から取り出される第1の検出回路と、
第1の電界効果型トランジスタと第2の電界効果型トランジスタとの間で、正負の電源ライン間に挿入された複数の抵抗の直列接続からなり、第2の検出電圧が抵抗分割点から取り出される第2の検出回路と、
第1および第2の検出電圧が供給され、第1および第2の電界効果型トランジスタのゲートに対するON/OFF制御信号を生成する充電制御部とを備え、
充電制御部は、第1の電界効果型トランジスタをONとすると共に、第2の電界効果型トランジスタをOFFとして充電電流が流れるか否かを判定し、
充電電流が流れると判定される場合には、第1および第2の電界効果型トランジスタをONとして充電動作を行い、
充電電流が流れないと判定される場合には、ON状態の第1の電界効果型トランジスタを介して第1および第2の検出回路に等しい電圧を印加した状態で、誤差成分の第2の差電圧が演算され、
第1の電界効果型トランジスタをOFFすると共に、第2の電界効果型トランジスタをONとして求められた、第1および第2の検出電圧の差電圧を第2の差電圧で補正して誤差成分が除去された第3の差電圧を得、
第3の差電圧を基準電圧と比較することによって充電終了状態を検出する充電装置である。
この発明は、電源部から正負の電圧が印加される入力端子と、
入力端子から正負の電源ラインを介して電圧が印加されることによって二次電池を充電する出力を発生する出力端子と、
正負の電源ラインの一方にそのドレイン・ソース間が挿入され、充電電流に対して逆方向の極性の第1の寄生ダイオードを有する第1の電界効果型トランジスタと、
正負の電源ラインの一方にそのドレイン・ソース間が挿入され、充電電流に対して順方向の極性の第2の寄生ダイオードを有する第2の電界効果型トランジスタと、
入力端子と第1の電界効果型トランジスタとの間で、正負の電源ライン間に挿入された複数の抵抗の直列接続からなり、第1の検出電圧が抵抗分割点から取り出される第1の検出回路と、
第1の電界効果型トランジスタと第2の電界効果型トランジスタとの間で、正負の電源ライン間に挿入された複数の抵抗の直列接続からなり、第2の検出電圧が抵抗分割点から取り出される第2の検出回路と、
第1および第2の検出電圧が供給され、第1および第2の電界効果型トランジスタのゲートに対するON/OFF制御信号を生成する充電制御部とを備え、
充電制御部は、第1の電界効果型トランジスタをONとすると共に、第2の電界効果型トランジスタをOFFとして充電電流が流れるか否かを判定し、
充電電流が流れると判定される場合には、第1および第2の電界効果型トランジスタをONとして充電動作を行い、
充電電流が流れないと判定される場合には、第2の検出回路の抵抗精度による誤差を求め、該誤差を補正するように、充電終了状態か否かを判定するための基準値を補正した補正基準値を演算し、
第1および第2の検出電圧の差電圧を補正基準電圧と比較することによって充電終了状態を検出する充電装置である。
この発明は、第1および第2の電界効果型トランジスタを直列に介して二次電池を充電し、複数の抵抗からなる第1の検出回路によって第1の電界効果型トランジスタの入力側の第1の電圧を検出し、複数の抵抗からなる第2の検出回路によって第1の電界効果型トランジスタと第2の電界効果型トランジスタの接続点の第2の電圧を検出する充電装置における充電方法であって、
第1の電界効果型トランジスタをONすると共に、第2の電界効果型トランジスタをOFFした状態で、第2の電界効果型トランジスタの寄生ダイオードを介して二次電池に対する充電電流が流れるか否かを判定するステップと、
充電電流が流れると判定される場合には、第1および第2の電界効果型トランジスタをONとして二次電池に対する充電動作を行うステップと、
充電電流が流れないと判定される場合には、ON状態の第1の電界効果型トランジスタを介して第1および第2の検出回路に等しい電圧を印加した状態で、誤差成分の差電圧を演算するステップと、
第1の電界効果型トランジスタをOFFすると共に、第2の電界効果型トランジスタをONとして求められた、第1および第2の電圧の差電圧を誤差成分の差電圧で補正して誤差成分を除去するステップと、
誤差成分が除去された第1の電圧および第2の電圧の差電圧を基準電圧と比較することによって充電終了状態を検出するステップと
からなる充電方法である。
この発明は、第1および第2の電界効果型トランジスタを直列に介して二次電池を充電し、複数の抵抗からなる第1の検出回路によって第1の電界効果型トランジスタの入力側の電圧を検出し、複数の抵抗からなる第2の検出回路によって第1の電界効果型トランジスタと第2の電界効果型トランジスタの接続点の電圧を検出する充電装置における充電方法であって、
第1の電界効果型トランジスタをONすると共に、第2の電界効果型トランジスタをOFFした状態で、第2の電界効果型トランジスタの寄生ダイオードを介して二次電池に対する充電電流が流れるか否かを判定するステップと、
充電電流が流れると判定される場合には、第1および第2の電界効果型トランジスタをONとして二次電池に対する充電動作を行うステップと、
充電電流が流れないと判定される場合には、第2の検出回路の抵抗精度による誤差を求め、該誤差を補正するように、充電終了状態か否かを判定するための基準値を補正した補正基準値を演算するステップと、
第1および第2の検出電圧の差電圧を補正基準電圧と比較することによって充電終了状態を検出するステップと
からなる充電方法である。
この発明の奏する作用効果は、下記のものである。
1.ΔV検出回路において、充電制御および放電制御用の電界効果型トランジスタを制御することで、誤差を補正するので、特別に回路や部品等を付加することなく安価に高精度にΔVの検出を可能とする。
2.充電終了後の二次電池の開放電圧Vbを検出する抵抗(R23、R24)による二次電池の放電が発生せず、充電容量の低下と再充電による電池の劣化を抑えることが可能である。
3.充電終了後に二次電池の電池電圧と充電制御部との間が完全に遮断されるため充電制御部を構成するICの保護を不要とでき、信頼性が向上できる。
4.電圧検出用抵抗として高精度の部品の使用を不要とでき、コストを削減できる。
5.充電を行う度に補正が可能であり、周囲温度などの環境変化に対して、高精度な検出が可能である。
6.電源部の出力電圧Voおよび電池開放電圧Vbに対する検知電圧Vx、Vyの抵抗分割比(Vx/Vo、Vy/Vb)が検出精度に影響しないため、分割比を下げることができ充電制御部の信頼性が向上する。
以下、この発明の第1の実施の形態について図3を参照して説明する。第1の実施の形態は、定電流充電と定電圧充電とを組合せた充電を行う充電装置において、充電状態の検出方法として、ΔV検出方法を使用するものである。電源部1がACコネクタCN11を介して商用電源に接続され、AC−DC変換によって出力端子1aおよび1bに出力電圧Vo(無負荷電圧)を出力する。電源部1の出力電圧が検出・充電部30を介して二次電池(例えばリチウムイオン電池)2に供給され、二次電池2が充電される。検出・充電部30が充電制御部40によって制御され、検出・充電部30と充電制御部40とによって充電装置が構成される。
電源部1の正側出力端子1aと二次電池2の正極とを結ぶ正側の電源ライン中にスイッチ素子としてのPチャンネル型電界効果型トランジスタ(以下、FETと略す)Q21およびQ22が直列に挿入される。FETQ21およびQ22のそれぞれのドレイン・ソース間には、寄生ダイオードD21およびD22が存在する。寄生ダイオードD21は、充電電流Ibに対して逆方向で、放電電流に対して順方向の極性を有し、寄生ダイオードD22は、充電電流Ibに対して順方向で、放電電流に対して逆方向の極性を有する。
FETQ21は、充電制御用のスイッチ素子であり、FETQ22は、放電制御用のスイッチ素子である。FETQ21のゲートに対して充電制御部40から充電制御信号が供給され、FETQ22のゲートに対して充電制御部40から放電制御信号が供給される。FETQ21およびQ22は、Pチャンネル型であるので、ソース電位より所定値以上低いゲート電位によってONする。
充電制御部40は、例えばマイクロコンピュータを含むIC回路の構成とされている。図示しないが、電源部1の例えば正の出力電圧がレギュレータに供給され、レギュレータにて所定の動作電源電圧(通常、電源部1の出力電圧Voより低い電圧)とされ、動作電源電圧が充電制御部40に対して供給される。充電制御部40は、FETQ21およびQ22のON/OFFを制御することによって二次電池2に対する充電および放電を制御する。充電制御部40の機能の一つとして、過充電、過放電、または過電流から二次電池2を保護する保護機能がある。
保護動作について説明すると、充電制御部40が過充電を検出すると、FETQ21をOFFする充電制御信号がFETQ21のゲートに供給される。FETQ22は、ONのままである。したがって、電源部1からの充電電流Ibが遮断され、一方、放電電流がFETQ22および寄生ダイオードD21を通じて流れることが可能である。この保護動作によって電源部1の故障等による過充電状態を回避できる。
また、電源部1の代わりに負荷が接続されており、二次電池2が過放電状態になった場合は、電池が故障する場合がある。充電制御部40は、電池電圧がある電圧値(例えば2.7V)以下になったことを検出し、放電制御信号によってFETQ22をOFFし、放電電流を遮断する。FETQ21は、ONのままで充電電流Ibは流れることが可能である。さらに、電池2の+−端子間が短絡された場合には、大電流がながれてしまい、異常発熱する危険性がある。放電電流がある電流値以上流れた場合には、充電制御部40は、放電制御FETQ22をOFFし、放電電流を遮断する。また、FETQ22がOFFすることによって、二次電池2から電源部1に対して電流が流れることが阻止される。
これらの保護機能は、従来の電池パックが備えるものと同様である。この発明の第1の実施の形態では、充電制御部40が電源部1の無負荷電圧Voと二次電池2の開放電圧Vbとをそれぞれ測定し、両者の電圧差ΔV(=Vo−Vb)によって充電状態の判別を行う。充電状態とは、検出・充電部30に接続された二次電池2の充電容量に対する充電量のことである。
電源部1の正側出力端子1aとFETQ21(ソース)との間と、負側電源ラインとの間に、抵抗R21およびR22の直列接続が挿入される。抵抗R21およびR22の直列接続が第1の検出回路31を構成する。FETQ21(ドレイン)およびFETQ22(ソース)との間と、負側電源ラインとの間に抵抗R23および抵抗R24の直列接続が挿入される。抵抗R23および抵抗R24の直列接続が第2の検出回路32を構成する。抵抗R21およびR22の接続中点から取り出された電圧Vx、並びに抵抗R23およびR24の接続中点から取り出された電圧Vyが充電制御部40に供給される。
上述したこの発明の第1の実施の形態において、FETQ21をOFFとすることによって、充電電流Ibが流れなくなり、検出回路31には満充電電圧に設定された無負荷電圧Voが印加される。FETQ22をONとすることによって、検出回路32には二次電池2の開放電圧Vbが印加される。これらの無負荷電圧Voおよび開放電圧VbがそれぞれVxおよびVyにより間接的に測定され、電圧差ΔVが得られる。一般的にΔV=充電量の関係があるので、電圧差ΔVから充電量が推測され、ΔVに基づいて充電停止や充電表示の変更などの動作が制御される。
ここで、抵抗R21,R22,R23,R24の精度によって、検出回路31が検出する電圧Vxおよび検出回路32が検出する電圧Vyに誤差が生じる。例えば、R21=R22=R23=R24となる定数を設定したとしても、各々に抵抗値のバラツキが存在するので、検出回路31と検出回路32に同電位を印加した場合でも、VxおよびVyの間に誤差が生じる。この場合、全ての抵抗を高精度品を使用し、抵抗値のバラツキを0.5%とした場合でも、ΔVに±1.0%の誤差が生じる。
図4に示すように、正側の電源ラインに対してFETQ21を接続し、負側の電源ラインに対してFETQ22を接続するようにしても良い。FETQ22は、そのソースが二次電池2の負極と接続され、そのドレインが電源部1の負側出力端子1bと接続される。寄生ダイオードD22が放電電流に対して逆方向の極性とされる。FETQ22としては、ソースに対して所定値以上高いゲート電圧でONするNチャンネル型が使用される。さらに、FETQ21およびQ22の両者を負側の電源ラインに挿入することを可能である。
この発明の第1の実施の形態による充電装置は、無負荷電圧以下に設定された電圧Vcで行われる定電流充電と、無負荷電圧Voで行われる定電圧充電で行われる。例えば電池電圧Vb=4.1V以下の領域では、Ib=500mAによって定電流充電を行う。電池電圧が4.1Vより大きくなると、電源部1が定電圧制御の動作を行い、次第に充電電流Ibが減少する。電池電圧Vbが電源部1の出力電圧Vo=4.2Vに向かって上昇する。そして、充電が完了する。一例として、ΔV=40mVを検出して充電終了状態が検出される。充電状態が検出されると、直ちに充電が停止されるか、または充電表示が変更されてから所定時間後に充電が停止される。
この時、Vo=4.2V、Vb=4.16Vである。R21=R22=R23=R24とすれば、ΔV=40mVの場合、VxおよびVyの差が20mVであり、Vx=2.1VであるからVy=2.08Vを検出すれば良い。しかしながら、抵抗R21〜R24の製品のバラツキによって検出精度が低下する。この発明では、検出精度を向上させるために、検出回路31および32間に存在する抵抗精度による誤差を測定し、誤差を補正するように、ΔV検出の設定値(基準値)を再計算するものである。
上述したこの発明の第1の実施の形態の動作について図5のフローチャートを参照して説明する。フローチャートに示される制御動作は、充電制御部40内のマイクロコンピュータによってなされる。充電を開始するのに先立って、充電制御部40のマイクロコンピュータのメモリには、適切な三つの基準値ΔVp、ΔVq、Vysが記憶される。これらの基準値は、例えば抵抗R21〜R24の値が決まった段階で設定され、例えば充電制御部40内のメモリに記憶されている。この基準値ΔVp、ΔVqと、測定したVxおよびVyの差の電圧ΔVxyを比較し充電状態の判定がなされる。
ここで、ΔVpは、後述する補正動作を行うか否かを判定する基準値であり、ΔVqは充電を終了するか否かを判定する基準値である。ΔVpは、ΔVpに対応するVo−Vbの差がFETQ22の寄生ダイオードD22の順方向電圧Vf以下となるよう設定する。ΔVpは、上述したように検出回路31と検出回路32との間には誤差が生じるため一定の余裕度を持って設定する必要がある。しかしながら、一般的にΔVp(例えば0.3V)>>ΔVq(40mV)であるため、ΔVq検出にΔVpが影響することはない。
(Vo−Vb=ΔV)となると充電終了状態となり、この時のΔVxy(=Vx−Vy)がΔVqとされる。一例として、抵抗R23、R24のセンター値(公称値ともいう)をそれぞれR23’、R24’として下記のように設定される。
ΔVq=ΔV×R24’÷(R23’+R24’)・・・(13)
ΔVqは一般的に数mVから数十mV程度であるが、使用する電池の特性などにより定まる値である。
Vysは、R23,R24の抵抗値のセンターをそれぞれR23’,R24’とし、無負荷電圧Voの定格値をVo’とし、検出回路32にVo’を印加した時のVyの値であり、下記の式(14)で表される。
Vys=Vo’×R24’÷(R23’+R24’)・・・(14)
まず、検出・充電部30に対して二次電池2が接続されることによって充電動作が開始される。ステップS1において、FETQ21がOFFされ、FETQ22がONされ、ステップS2において、電圧Vx,Vyがそれぞれ充電制御部40において測定される。FETQ21をOFFすることによって、検出回路31および32間が遮断され、充電電流Ibが遮断される。充電電流Ibを遮断することによって、FETQ21のON抵抗等の影響を排除できる。電源部1の無負荷電圧Voが検出回路31に印加される。FETQ22をONすることによって、二次電池2の開放電圧が検出回路32に印加される。ステップS3において、(Vx−Vy)の演算によってΔVxyが求められる。
ステップS4において、ΔVxyと基準電圧ΔVpとが下記のように比較される。
(ΔVxy=Vx−Vy)>ΔVp・・・(15)
式(15)で示す比較において、測定したVxとVyとの差の電圧ΔVxyが充電制御部40に設定された基準電圧ΔVpに比して大の時には、ステップS5において、FETQ21およびFETQ22がONとされ、二次電池2が充電電流Ibによって充電される。ステップS6において、充電開始と共に、充電制御部40のタイマT1がカウントを始める。タイマT1は、電圧測定間隔例えば5分を規定する。
ステップS7において、タイマT1が設定値に達したか否か、すなわち、所定の時間経過したか否かが判定される。タイマT1が設定値に達すると、処理がステップS1に戻る。ステップS1において、FETQ21をOFFにすることで充電電流IbをOFFとする。ステップS2において、Vx,Vyをそれぞれ測定し、ΔVxyを再度求め、ステップS3において、ΔVxyと基準電圧ΔVpとを比較する。ΔVxy>ΔVpであれば再度充電動作を繰り返す。
ステップS4において、ΔVxyが基準電圧ΔVp以下と判定されると、誤差の補正が可能となったと判定される。この状態では、電源部1の無負荷電圧Voと二次電池2の開放電圧Vbとの差が寄生ダイオードD22の順方向電圧降下以下の値となる。そして、検出回路31と検出回路32との間に存在する誤差を数値化するために、ステップS8以降の動作を行う。
ステップS8において、FETQ21をONし、FETQ22をOFFし、ステップS9において、Vx,Vyをそれぞれ測定する。ΔVpがFETQ22の寄生ダイオードD22の順方向電圧Vf以下となるよう設定されているので、FETQ21がONの状態でも、FETQ22の寄生ダイオードD22がONせず、二次電池2に対する充電電流Ibが流れず、検出回路31と検出回路32には等しく電源部1の出力電圧Voが印加される。
このステップS9で測定した電圧Vx,Vyの測定値をそれぞれVx’,Vy’とし、ステップS10において、(ΔVxy’=Vx’―Vy’)が計算される。抵抗R21〜R24が等しい設定では、Vx’=Vy’となるはずであるので、このΔVxy’が検出回路31と検出回路32との間に存在する誤差である。
ステップS11において、FETQ21をOFFし、FETQ22をONし、ステップS12において、Vx,Vyをそれぞれ測定し、(ΔVxy=Vx−Vy)が計算される。FETQ21がOFFであり、FETQ22がONであるので、検出回路31には、電源部1の無負荷電圧Voが印加され、検出回路32には、二次電池2の開放電圧Vbが印加される。したがって、ΔVxyは、充電終了状態とするか否かを判定する電圧である。この電圧に含まれている誤差が補正される。誤差の補正後のΔVxyをΔVxyq とするならば、ステップS13において、下記の演算によってΔVxyq が求められる。
ΔVxyq =ΔVxy−ΔVxy’・・・(16)
ステップS14において、誤差の補正後の差電圧を使用して、充電終了状態か否かが判定される。すなわち、ΔVxyq >ΔVqであれば、ステップS16において、FETQ21およびQ22がONとされ、充電が開始(継続)される。充電制御部40のタイマT2が充電開始と同期して計数を開始し、タイマT2の計数動作が終了、すなわち、所定時間経過すると、処理がステップS11に戻る。上述したのと同様に、ステップS14において、ΔVxyq が基準電圧ΔVq以下と判定されると、二次電池2の充電量が満充電に達したと判断され、ステップS15において、FETQ21およびQ22がOFFとされ、充電が停止する。なお、充電終了状態が検出された場合に、LED等の表示を変更して所定時間後に充電を停止しても良い。
図5のフローチャートに示される抵抗誤差補正動作は、好ましくは、充電動作を行う度に実行される。これは、温度等の環境変化、並びに径年変化によって変動する抵抗値の誤差の補正を行うためである。但し、充電装置の製造時にのみ誤差補正を行い、補正されたΔVxyq を不揮発性メモリに記憶する方法も使用できる。
上述したこの発明の第1の実施の形態におけるΔV検出の検出精度について、図6および図7を用いて説明する。例えばR21=R22=R23=R24とする。
検出回路31に精度±S%の抵抗を使用し、電圧を印加した時、図6に示すように、Vxの検知電圧は、最大Vx+ となり最低Vx- となる。同様に検出回路32に精度T%の抵抗を使用し電圧を印加した時、Vyの検知電圧は、最大Vy+ となり最低Vy- となる。
ΔV検出方式では、Vxを基準とした時のVyの値を検出する。よってVx+ を基準とした時のVy- を考える時、その誤差の最大値は、ほぼ−(S+T)%となり、Vx- を基準とした時のVy+ の誤差の最大値は、ほぼ+(S+T)%となる。これが検出回路間に存在する誤差である。
この発明によれば、この抵抗値精度によって発生する差(図6のΔVxy’)を数値化することが可能である。よって、Vxを基準とした時のVyに含まれる誤差ΔVxy’分を補正することによって検出回路間に存在した抵抗精度による誤差は0%となる。つまり、基準となるVxがどのような電位であれVyとの差を完全に補正することが可能となる。このことは、検出回路31におけるR21,R22の分割比および抵抗精度は検出精度に一切影響しないことを意味する。
また、図7に示すように、必要とするΔVを検出する時のVyの値は、R23,R24の抵抗精度により±T%の幅を持つ。充電終了状態か否かを検出するための基準値ΔVqは、式(13)で示すように、抵抗R23およびR24のセンター値R23’およびR24’によって定めているので、基準値ΔVqもR23,R24の誤差の影響を受ける。つまり、ΔVをより正確に検出するためには、充電制御部40に設定されるΔVqもR23,R24の抵抗精度により±T%の幅で調整することが好ましい。
図8に示すフローチャートは、上述した第1の実施の形態における検出電圧の誤差の補正と、基準電圧ΔVqの誤差の補正との両方を行うようにした第2の実施の形態の補正処理を示す。ステップS10において、検出電圧の誤差ΔVxy’が計算され、その次のステップS21において、基準電圧Vqの誤差が補正される。
Vy’と予め充電制御部40に設定した基準値Vys(式(14)で示すように設定されている)により検出回路32の抵抗精度による誤差が分かる。検出回路32の誤差Qは、次式で表される。
Q=(Vy’−Vys)÷Vys・・・(17)
充電制御部40に予め設定したΔVqの値は、上述したように、R23,R24のセンター値により設定されているが、R23,R24の抵抗精度を加味した設定値をΔVq’とすると、ΔVq’は、次式で示すものとなる。
ΔVq’=ΔVq×Q・・・(18)
ステップS21においては、式(18)により補正後の基準値Vq’が計算される。そして、ステップS11において、FETQ21がOFFされ、FETQ22がONされ、ステップS12において、Vx,Vyの電圧が測定され、ステップS13において誤差が補正された電圧ΔVxyq が計算される。ステップS22において、次式(19)によって誤差が補正された差電圧ΔVxyq とΔVq’とが比較されることによって、充電終了状態とすべきか否かが判定される。
(ΔVxyq =Vx−Vy−ΔVxy’)>ΔVq’・・・(19)
式(19)の関係が成立する場合には、ステップS16において、FETQ21,FETQ22をONとし充電を再開する。充電の再開と共に充電制御部40のタイマT2がカウントを始める。タイマT2が設定値に達すると、ステップS11に処理が戻り、FETQ21をOFFにすることで充電電流IbがOFFとされ、ステップS12において、Vx,Vyが測定され、再度ΔVxyq を求め、ΔVxyq と基準電圧ΔVq'とがステップS22において比較される。式(19)が成立しなくなると、充電終了状態と判定され、FETQ21,Q22が共にOFFとされ、充電が終了する(ステップS15)。このように、誤差が補正された二つの値ΔVxy'とΔVq'を使用することにより非常に高精度なΔV検出が可能となる。
第2の実施の形態では、式(17)で求めた値により検出回路32の誤差を数値化し、式(18)によって達成する。この補正により、検出回路32における抵抗R23,R24についても分割比および抵抗精度を検出精度に一切影響しないようにできる。
さらに、検出電圧ΔVxyを補正せずに、基準電圧Vqのみを補正するようにしても良い。図9は、そのようなこの発明の第3の実施の形態の処理を示すフローチャートである。図8に示すフローチャートにおけるステップS21と同様に、ステップS21において、基準電圧Vqの誤差が補正され、ΔVq’が計算される。ステップS23において、ΔVxy(=Vx−Vy)が演算され、ステップS24において、ΔVxyとΔVq’とが比較され、ΔVxy>ΔVq’であれば、充電が再開され、ΔVxy≦ΔVq’であれば、充電が終了する。検出電圧ΔVxyの誤差の補正が行っていない。
電源部1の無負荷電圧Voの調整バラツキによる誤差について説明する。一般的に、電圧Voは可変抵抗などによりVo±U%に調整される。電圧Voの調整に関しては周知であるとし、ここでは省略する。充電制御部40に予め設定した基準電圧Vysは、Voを定格値Vo’としているので、基準電圧Vysには±U%の誤差が含まれることになる。よって式(17)おいて式(18)から分かるように、電圧Voの調整精度±U%によってΔVq’にも±U%の誤差が生じる。
この誤差が二次電池2の開放電圧Vbに及ぼす影響は、上述した式(19)と下記の式(20)から明らかとなる。
Vb=Vy×(R23+R24)÷R24・・・(20)
式(19)および式(20)からΔVq’がVyに占める割合がΔVq’のVbに及ぼす影響となる。(ΔVq’÷Vy×100 )をW%とすると、最終的にVbには約±(U/100×W/100)×100 (%)の誤差が生じることになる。
式(19)を変形すると
ΔVq’/Vy ≒ΔVxy/Vy
≒ΔV/Vo・・・(21)
となる。一般的に充電装置におけるΔVは出力電圧の1%未満である。
電源部1の無負荷電圧Voの調整精度を0.2 %とするならば、この発明による充電装置によって充電停止をした時の電圧Vbの精度は約±0.002 %となり高精度な検出が可能であることが分かる。
また、式(14)におけるVo’の値を予め測定しておき、充電制御部40に入力することによって、基準電圧Vysを正確に設定することが可能となる。
この発明の第1の実施の形態(図5のフローチャート)では、ΔVq’を求めず補正値ΔVxy’のみを補正している。この場合、式(19)と対応する式は、下記に示すものである。
(ΔVxyq=Vx−Vy−ΔVxy’)>ΔVq・・・(22)
式(22)を変形すると、式(21)と同様に、下記の式(23)が得られる。
ΔVq/ Vy ≒ ΔV/Vo・・・(23)
ΔVqには式(20)から抵抗R23,R24の精度T%による誤差が含まれる。R23=R24の場合、ΔVqにはT%の誤差が生じる。
式(20)と式(23)から電源部1の無負荷電圧Vbには、約±(T/100×W/100 )×100 (%)の誤差が生じることになる。この場合、出力電圧の調整精度による検出誤差は生じないが検出回路32の抵抗精度と分割比による誤差が生じる。
抵抗精度Tを±0.5 %とした場合、本発明による検出回路によって充電停止をした時のVb電圧の精度は約±0.005 %となり高精度な検出が可能であることが分かる。
上述した第1乃至第3の実施の形態においては、FETQ21をOFFし、FETQ22をONし、検出された電圧VxおよびVyの差の電圧Vxyが基準電圧Vp以下となると、検出電圧の誤差の検出と補正に移行するようにしている。すなわち、電源部1の無負荷電圧Voと二次電池2の開放電圧Vbとの差電圧ΔVが寄生ダイオードD22の順方向電圧降下Vfより小となった時に、FETQ21をONし、FETQ22をOFFして補正動作に移行するようにしている。(Vo−Vb)<Vfの関係によってFETQ22の寄生ダイオードD22を介して充電電流Ibが流れない。
したがって、FETQ21をONし、FETQ22をOFFしたときに充電電流Ibが流れないことを検出することによって充電動作から補正動作へ移行するようにできる。以下に説明する第4乃至第6の実施の形態は、充電動作から補正動作に移行する条件として充電電流Ibが流れなくなることが検出された場合とするものである。
第4の実施の形態の構成を図10に示す。この構成は、第1の実施の形態の図3の構成と同様のものである。電源部1がACコネクタCN11を介して商用電源に接続され、AC−DC変換によって出力端子1aおよび1bに出力電圧Vo(無負荷電圧)が出力される。電源部1の出力電圧が検出・充電部130を介して二次電池(例えばリチウムイオン電池)2に供給され、二次電池2が充電される。検出・充電部130が充電制御部140によって制御され、検出・充電部130と充電制御部140とによって充電装置が構成される。
電源部1の正側出力端子1aと二次電池2の正極とを結ぶ正側の電源ライン中に例えばPチャンネル型のFETQ21およびQ22が直列に挿入される。FETQ21およびQ22のそれぞれのドレイン・ソース間には、寄生ダイオードD21およびD22が存在する。
充電制御部140は、例えばマイクロコンピュータを含むIC回路の構成とされている。図示しないが、電源部1の例えば正の出力電圧がレギュレータに供給され、レギュレータにて所定の動作電源電圧(通常、電源部1の出力電圧Voより低い電圧)とされ、動作電源電圧が充電制御部140に対して供給される。充電制御部140は、FETQ21およびQ22のON/OFFを制御することによって二次電池2に対する充電および放電を制御する。充電制御部140の制御によって、過充電、過放電、または過電流から二次電池2が保護される。
この発明の第4の実施の形態では、充電電流Ibが流れるか否かによって充電状態の判別を行う。充電状態とは、検出・充電部130に接続された二次電池2の充電容量に対する充電量のことである。(ΔV<Vf)の場合には、充電電流Ibが流れなくなる。実際には、もれ電流等によって微小な充電電流Ibが流れるが、この明細書では、かかる微小電流が流れる場合を含めて充電電流Ibが流れないと記述する。
充電電流Ibが流れるか否かを検出するために、充電電流路に抵抗Rxが挿入される。例えば抵抗Rxの一端が二次電池2の負側と接続され、その他端が電源部1の負側出力端子と接続される。抵抗Rxの一端と他端(接地)間に生じる電圧降下が充電制御部140に供給される。充電制御部140は、抵抗Rxの電圧降下が殆ど0の場合に充電電流Ibが流れないと判定する。
電源部1の正側出力端子1aとFETQ21(ソース)との間と、抵抗R21およびR22の直列接続(第1の検出回路31)が接続される。FETQ21(ドレイン)およびFETQ22(ソース)との間に抵抗R23および抵抗R24の直列接続(第2の検出回路)が接続される。抵抗R21およびR22の接続中点から取り出された電圧Vx、並びに抵抗R23およびR24の接続中点から取り出された電圧Vyが充電制御部140に供給される。
上述したこの発明の第4の実施の形態において、FETQ21をOFFとすることによって、充電電流Ibが流れなくなり、検出回路31には満充電電圧に設定された無負荷電圧Voが印加される。FETQ22をONとすることによって、検出回路32には二次電池2の開放電圧Vbが印加される。これらの無負荷電圧Voおよび開放電圧VbがそれぞれVxおよびVyにより間接的に測定され、電圧差ΔVが得られる。一般的にΔV=充電量の関係があるので、電圧差ΔVから充電量が推測され、ΔVに基づいて充電停止や充電表示の変更などの動作が制御される。
上述した第1乃至第3の実施の形態と同様に、抵抗R21,R22,R23,R24の精度によって、検出回路31が検出する電圧Vxおよび検出回路32が検出する電圧Vyに誤差が存在する。この誤差が測定され、誤差の補正がなされる。
なお、FETQ21を正側の電源ラインに対して接続し、負側の電源ラインに対してFETQ22を接続するようにしても良い。FETQ22としては、ソースに対して所定値以上高いゲート電圧でONするNチャンネル型が使用される。さらに、FETQ21およびQ22の両者を負側の電源ラインに挿入することを可能である。
上述したこの発明の第4の実施の形態の動作について図11のフローチャートを参照して説明する。フローチャートに示される制御動作は、充電制御部140内のマイクロコンピュータによってなされる。上述した第1の実施の形態の動作を示す図5のフローチャート中のステップ(S9〜S18)とそれぞれ対応するステップには、同一の参照符号を付して示す。
充電を開始するのに先立って、充電制御部140のマイクロコンピュータのメモリには、基準値ΔVqおよびVysが記憶される。これらの基準値は、例えば抵抗R21〜R24の値が決まった段階で設定され、例えば充電制御部140内のメモリに記憶されている。ΔVqは充電を終了するか否かを判定する基準値である。この基準値ΔVqと、測定したVxおよびVyの差の電圧ΔVxyを比較して充電状態の判定がなされる。
(Vo−Vb=ΔV)となると充電終了状態となり、この時のΔVxy(=Vx−Vy)がΔVqとされる。一例として、抵抗R23、R24のセンター値(公称値ともいう)をそれぞれR23’、R24’としてΔVqが前出の式(13)のように設定される。
Vysは、R23,R24の抵抗値のセンターをそれぞれR23’,R24’とし、無負荷電圧Voの定格値をVo’とし、検出回路32にVo’を印加した時のVyの値であり、前出の式(14)で表されるものである。
まず、検出・充電部130に対して二次電池2が接続されることによって充電動作が開始される。ステップS101において、FETQ21がONされ、FETQ22がOFFされ、ステップS102において、充電電流Ibが測定され、ステップS104において、充電電流Ib≒0であるか否かが判定される。充電電流Ibを所定のしきい値と比較することによって判定がなされる。しきい値としては、例えば100mAを使用しても良い。(Vo−Vb)<Vf(Vf:寄生ダイオードD22の順方向電圧降下Vf)の場合に(Ib≒0)となり、そうでない場合に充電電流Ibが流れる。
ステップS104において、(Ib≒0)でないと判定されると、ステップS105において、FETQ21およびFETQ22がONとされ、二次電池2が充電される。ステップS106において、充電開始と共に、充電制御部140のタイマT1がカウントを始める。タイマT1は、電圧測定間隔例えば5分を規定する。
ステップS107において、タイマT1が設定値に達したか否か、すなわち、所定の時間経過したか否かが判定される。タイマT1が設定値に達すると、処理がステップS101に戻る。ステップS101において、FETQ21をOFFにすることで充電電流IbをOFFとする。ステップS102において、充電電流Ibを測定し、ステップS104において、Ib≒0か否かを判定する。Ib≒0でない場合には、再度充電動作を繰り返す。
ステップS104において、Ib≒0と判定されると、誤差の補正が可能となったと判定される。この状態では、電源部1の無負荷電圧Voと二次電池2の開放電圧Vbとの差が寄生ダイオードD22の順方向電圧降下以下の値である。そして、検出回路31と検出回路32との間に存在する誤差を数値化するために、ステップS9以降の動作を行う。
ステップS101において、FETQ21をONし、FETQ22をOFFしているので、図5のフローチャートにおけるステップS8の処理が不要である。ステップS9以降の処理は、上述した第1の実施の形態(図5のフローチャート)と同様であるので、概略的に説明する。
ステップS9において、Vx’,Vy’がそれぞれ測定され、ステップS10において、(ΔVxy’=Vx’―Vy’)が計算される。抵抗R21〜R24が等しい設定では、Vx’=Vy’となるはずであるので、このΔVxy’が検出回路31と検出回路32との間に存在する誤差である。
ステップS11において、FETQ21をOFFし、FETQ22をONし、ステップS12において、Vx,Vyをそれぞれ測定し、(ΔVxy=Vx−Vy)が計算される。誤差の補正後のΔVxyをΔVxyq と表記すると、ステップS13において、(ΔVxy−ΔVxy’)の演算によってΔVxyq が求められる。
ステップS14において、ΔVxyq >ΔVqであれば、ステップS16において、FETQ21およびQ22がONとされ、充電が開始(継続)される。充電制御部140のタイマT2が充電開始と同期して計数を開始し、タイマT2の計数動作が終了、すなわち、所定時間経過すると、処理がステップS11に戻る。ステップS14において、ΔVxyq
が基準電圧ΔVq以下と判定されると、二次電池2の充電量が満充電に達したと判断され、ステップS15において、FETQ21およびQ22がOFFとされ、充電が停止する。なお、充電終了状態が検出された場合に、LED等の表示を変更して所定時間後に充電を停止しても良い。
図11のフローチャートに示される抵抗誤差補正動作は、好ましくは、充電動作を行う度に実行される。これは、温度等の環境変化、並びに径年変化によって変動する抵抗値の誤差の補正を行うためである。但し、充電装置の製造時にのみ誤差補正を行い、補正されたΔVxyq を不揮発性メモリに記憶する方法も使用できる。
上述した第4の実施の形態は、第1の実施の形態と同様に、検出電圧の誤差ΔVxy'が
求められ、誤差の補正後の差電圧ΔVxyq が求められる。差電圧ΔVxyq が基準値ΔVq以下となると充電が終了される。
次に、この発明の第5の実施の形態について図12のフローチャートを参照して説明する。第5の実施の形態は、上述した第2の実施の形態と同様に、検出電圧の誤差の補正と、基準電圧ΔVqの誤差の補正との両方を行うようにしたものである。
図12におけるステップS101(FETQ21がON、FETQ22がOFF)、ステップS102(充電電流Ibの測定)、ステップS104(Ib≒0であるか否かの判定)、ステップS105(FETQ21およびFETQ22がON)、ステップS106(タイマT1のカウント開始)、ステップS107(タイマT1の終了判定)は、上述したこの発明の第4の実施の形態と同様である。
ステップS104において、Ib≒0と判定されると、誤差の補正が可能となったと判定される。この状態では、電源部1の無負荷電圧Voと二次電池2の開放電圧Vbとの差が寄生ダイオードD22の順方向電圧降下以下の値である。そして、検出回路31と検出回路32との間に存在する差電圧の誤差を補正し、また、基準電圧の誤差を補正するために、ステップS9以降の動作を行う。
検出電圧Vy’と予め充電制御部140に設定した基準値Vys(式(14)参照)により検出回路32の抵抗精度による誤差が分かる。検出回路32の誤差Qは、前出の式(17)で表される。すなわち、(Q=(Vy’−Vys)÷Vys)である。
充電制御部140に予め設定したΔVqの値は、上述したように、R23,R24のセンター値により設定されているが、R23,R24の抵抗精度を加味した設定値をΔVq’とすると、ΔVq’は、前出の式(18)で表される。すなわち、ΔVq’=ΔVq×Q)である。
ステップS21においては、式(18)により補正後の基準値Vq’が計算される。そして、ステップS11において、FETQ21がOFFされ、FETQ22がONされ、ステップS12において、Vx,Vyの電圧が測定され、ステップS13において誤差が補正された電圧ΔVxyq が計算される。ステップS22において、誤差が補正された差電圧ΔVxyq とΔVq’とが前出の式(19)で示すように比較されることによって、充電終了状態とすべきか否かが判定される。すなわち、(ΔVxyq =Vx−Vy−ΔVxy’)>ΔVq’か否かが判定される。
式(19)の関係が成立する場合には、ステップS16において、FETQ21,FETQ22をONとし充電を再開する。充電の再開と共に充電制御部140のタイマT2がカウントを始める。タイマT2が設定値に達すると、ステップS11に処理が戻り、FETQ21をOFFにすることで充電電流IbがOFFとされ、ステップS12において、Vx,Vyが測定され、再度ΔVxyq を求め、ΔVxyq と基準電圧ΔVq'とがステップS22において比較される。式(19)が成立しなくなると、充電終了状態と判定され、FETQ21,Q22が共にOFFとされ、充電が終了する(ステップS15)。このように、誤差が補正された二つの値ΔVxy'とΔVq'を使用することにより非常に高精度なΔV検出が可能となる。
第5の実施の形態では、検出回路32の誤差を式(17)によって数値化し、式(18)によって誤差の補正を達成する。この補正により、検出回路32における抵抗R23,R24についても分割比および抵抗精度を検出精度に一切影響しないようにできる。
次に、この発明の第6の実施の形態について図13のフローチャートを参照して説明する。第6の実施の形態は、上述した第3の実施の形態と同様に、検出電圧ΔVxyを補正せずに、基準電圧Vqのみを補正するようにしたものである。
図13におけるステップS101(FETQ21がON、FETQ22がOFF)、ステップS102(充電電流Ibの測定)、ステップS104(Ib≒0であるか否かの判定)、ステップS105(FETQ21およびFETQ22がON)、ステップS106(タイマT1のカウント開始)、ステップS107(タイマT1の終了判定)は、上述したこの発明の第4および第5の実施の形態と同様である。
ステップS21において、基準電圧Vqの誤差が補正され、ΔVq’が計算される。ステップS23において、ΔVxy(=Vx−Vy)が演算され、ステップS24において、ΔVxyとΔVq’とが比較され、ΔVxy>ΔVq’であれば、充電が再開され、ΔVxy≦ΔVq’であれば、充電が終了する。検出電圧ΔVxyの誤差の補正が行っていない。
上述した第1乃至第3の実施の形態においては、FETQ21をOFFし、FETQ22をONし、検出された電圧VxおよびVyの差電圧Vxyが基準電圧Vp以下となると、検出電圧の誤差の検出と補正に移行するようにしている。すなわち、(Vo−Vb)<Vfの場合に誤差の検出とその補正動作に移行する。これに対して、上述した第4、第5および第6の実施の形態においては、FETQ21をONし、FETQ22をOFFしたときに充電電流Ibが流れないことを検出することによって充電動作から補正動作へ移行する。充電電流Ibが流れないことを検出する方法は、電圧検出の方法に比して誤差の影響を少なくできる利点がある。
図14を参照して説明すると、図14Aが電圧検出の方法を示す。Vo〜(Vo−Vf)の電圧範囲において、範囲W1が(Vo−Vb<Vf)の検出範囲である。VoおよびVbを検出するための検出回路の誤差の補正が未だなされていない段階で検出がなされるので、検出範囲W1が誤差の影響で広いものとする必要がある。例えば(Vo−Vf)をVfより小の0.3Vと比較して判定する必要がある。一方、ΔVqは、Vfより十分に小さい必要があった。若し、検出誤差が大きくなり、検出範囲W1が広くなると、ΔVqの検出範囲W2が狭くなり、影響を受けるおそれがある。
これに対して、電流を検出する方法では、充電電流Ibが流れているか否かを判定すれば良いので、検出回路に高精度部品を使用する必要がなく、図14Bに示すように、検出範囲W11を狭い範囲とできる。その結果、基準電圧ΔVqの検出範囲W12を広い範囲とすることができる。したがって、ΔVqをVfより十分に小さいものに設定する必要がなくなり、ΔVqの設定の自由度が増える利点がある。
この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、電源部1と検出・充電部30と充電制御部40とから充電装置を構成し、充電装置に対して二次電池2を接続するようにしているが、検出・充電部30および充電制御部40からなる充電装置と二次電池2とを一体に構成することも可能である。さらに、電子機器の本体内に充電装置を構成するようにしても良い。
充電方法の説明に用いる略線図である。 従来の充電装置の一例の接続図である。 この発明の第1の実施の形態の接続図である。 この発明の一部変形例を示す接続図である。 この発明の第1の実施の形態の処理の流れを示すフローチャートである。 この発明における抵抗誤差の影響を概略的に示す略線図である。 この発明における抵抗誤差の影響を概略的に示す略線図である。 この発明の他の実施の形態の処理の流れを示すフローチャートである。 この発明の第3の実施の形態の処理の流れを示すフローチャートである。 この発明の第4の実施の形態の接続図である。 この発明の第4の実施の形態の処理の流れを示すフローチャートである。 この発明の第5の実施の形態の処理の流れを示すフローチャートである。 この発明の第6の実施の形態の処理の流れを示すフローチャートである。 充電動作から誤差の検出および誤差の補正動作に移行する場合に、電流を検出する方法について説明するための略線図である。
符号の説明
1・・・電源部
2・・・二次電池
3,30,130・・・検出・充電部
4,40,140・・・充電制御部
31,32・・・検出回路
Q21,Q22・・・FET
D21,D22・・・寄生ダイオード
Rx・・・充電電流検出用抵抗

Claims (12)

  1. 電源部から正負の電圧が印加される入力端子と、
    上記入力端子から正負の電源ラインを介して上記電圧が印加されることによって二次電池を充電する出力を発生する出力端子と、
    上記正負の電源ラインの一方にそのドレイン・ソース間が挿入され、充電電流に対して逆方向の極性の第1の寄生ダイオードを有する第1の電界効果型トランジスタと、
    上記正負の電源ラインの一方にそのドレイン・ソース間が挿入され、充電電流に対して順方向の極性の第2の寄生ダイオードを有する第2の電界効果型トランジスタと、
    上記入力端子と上記第1の電界効果型トランジスタとの間で、上記正負の電源ライン間に挿入された複数の抵抗の直列接続からなり、第1の検出電圧が抵抗分割点から取り出される第1の検出回路と、
    上記第1の電界効果型トランジスタと上記第2の電界効果型トランジスタとの間で、上記正負の電源ライン間に挿入された複数の抵抗の直列接続からなり、第2の検出電圧が抵抗分割点から取り出される第2の検出回路と、
    上記第1および第2の検出電圧が供給され、上記第1および第2の電界効果型トランジスタのゲートに対するON/OFF制御信号を生成する充電制御部とを備え、
    上記充電制御部は、上記第1の電界効果型トランジスタをOFFとすると共に、上記第2の電界効果型トランジスタをONとして上記第1および第2の検出電圧の第1の差電圧を演算し、上記第1の差電圧が上記第2の寄生ダイオードをONしないような値であるか否かを判定し、
    上記第1の差電圧が上記第2の寄生ダイオードをONするような値である場合には、上記第1および第2の電界効果型トランジスタをONとして充電動作を行い、
    上記第1の差電圧が上記第2の寄生ダイオードをONしないような値である場合には、上記第1の電界効果型トランジスタをONとすると共に、上記第2の電界効果型トランジスタをOFFして上記第1および第2の検出回路に等しい電圧を印加した状態で、誤差成分の第2の差電圧が演算され、
    上記第1の電界効果型トランジスタをOFFすると共に、上記第2の電界効果型トランジスタをONとして求められた、上記第1および第2の検出電圧の差電圧を上記第2の差電圧で補正して誤差成分が除去された第3の差電圧を得、
    記第3の差電圧を基準電圧と比較することによって充電終了状態を検出する充電装置。
  2. 電源部から正負の電圧が印加される入力端子と、
    上記入力端子から正負の電源ラインを介して上記電圧が印加されることによって二次電池を充電する出力を発生する出力端子と、
    上記正負の電源ラインの一方にそのドレイン・ソース間が挿入され、充電電流に対して逆方向の極性の第1の寄生ダイオードを有する第1の電界効果型トランジスタと、
    上記正負の電源ラインの一方にそのドレイン・ソース間が挿入され、充電電流に対して順方向の極性の第2の寄生ダイオードを有する第2の電界効果型トランジスタと、
    上記入力端子と上記第1の電界効果型トランジスタとの間で、上記正負の電源ライン間に挿入された複数の抵抗の直列接続からなり、第1の検出電圧が抵抗分割点から取り出される第1の検出回路と、
    上記第1の電界効果型トランジスタと上記第2の電界効果型トランジスタとの間で、上記正負の電源ライン間に挿入された複数の抵抗の直列接続からなり、第2の検出電圧が抵抗分割点から取り出される第2の検出回路と、
    上記第1および第2の検出電圧が供給され、上記第1および第2の電界効果型トランジスタのゲートに対するON/OFF制御信号を生成する充電制御部とを備え、
    上記充電制御部は、上記第1の電界効果型トランジスタをOFFとすると共に、上記第2の電界効果型トランジスタをONとして上記第1および第2の検出電圧の第1の差電圧を演算し、上記第1の差電圧が上記第2の寄生ダイオードをONしないような値であるか否かを判定し、
    上記第1の差電圧が上記第2の寄生ダイオードをONするような値である場合には、上記第1および第2の電界効果型トランジスタをONとして充電動作を行い、
    上記第1の差電圧が上記第2の寄生ダイオードをONしないような値である場合には、上記第2の検出回路の抵抗精度による誤差を求め、該誤差を補正するように、充電終了状態か否かを判定するための基準値を補正した補正基準値を演算し、
    上記第1および第2の検出電圧の差電圧を上記補正基準電圧と比較することによって充電終了状態を検出する充電装置。
  3. 上記第1の電界効果型トランジスタをOFFすると共に、上記第2の電界効果型トランジスタをONした状態で、上記第1および第2の検出電圧の差電圧を上記補正基準電圧と比較して充電終了状態か否かを判定する請求項記載の充電装置。
  4. 第1の電界効果型トランジスタをOFFして充電電流を遮断して電源部からの無負荷電圧を第1の検出回路に印加して第1の検出電圧を検出すると共に、第2の電界効果型トランジスタをONして二次電池の開放電圧を第2の検出回路に印加して第2の検出電圧を検出するステップと、
    上記第1および第2の検出電圧の第1の差電圧を演算し、上記第1の差電圧が上記第2の電界効果型トランジスタの第2の寄生ダイオードをONしないような値であるか否かを判定するステップと、
    上記第1の差電圧が上記第2の寄生ダイオードをONするような値である場合には、上記第1および第2の電界効果型トランジスタをONとして充電動作を行うステップと、
    上記第1の差電圧が上記第2の寄生ダイオードをONしないような値である場合には、上記第1の電界効果型トランジスタをONとすると共に、上記第2の電界効果型トランジスタをOFFして上記第1および第2の検出回路に等しい電圧を印加した状態で、誤差成分の第2の差電圧を演算するステップと、
    上記第1の電界効果型トランジスタをOFFすると共に、上記第2の電界効果型トランジスタをONとして求められた、上記第1および第2の検出電圧の差電圧を上記第2の差電圧で補正して誤差成分が除去された第3の差電圧を得るステップと、
    記第3の差電圧を基準電圧と比較することによって充電終了状態を検出するステップと
    からなる充電方法。
  5. 第1の電界効果型トランジスタをOFFして充電電流を遮断して電源部からの無負荷電圧を第1の検出回路に印加して第1の検出電圧を検出すると共に、第2の電界効果型トランジスタをONして二次電池の開放電圧を第2の検出回路に印加して第2の検出電圧を検出するステップと、
    上記第1および第2の検出電圧の第1の差電圧を演算し、上記第1の差電圧が上記第2の電界効果型トランジスタの第2の寄生ダイオードをONしないような値であるか否かを判定するステップと、
    上記第1の差電圧が上記第2の寄生ダイオードをONするような値である場合には、上記第1および第2の電界効果型トランジスタをONとして充電動作を行うステップと、
    上記第1の差電圧が上記第2の寄生ダイオードをONしないような値である場合には、上記第2の検出回路の抵抗精度による誤差を求め、該誤差を補正するように、充電終了状態か否かを判定するための基準値を補正した補正基準値を演算するステップと、
    上記第1および第2の検出電圧の差電圧を上記補正基準電圧と比較することによって充電終了状態を検出するステップと
    からなる充電方法。
  6. 上記第1の電界効果型トランジスタをOFFすると共に、上記第2の電界効果型トランジスタをONした状態で、上記第1および第2の検出電圧の差電圧を上記補正基準電圧と比較して充電終了状態か否かを判定する請求項記載の充電方法。
  7. 電源部から正負の電圧が印加される入力端子と、
    上記入力端子から正負の電源ラインを介して上記電圧が印加されることによって二次電池を充電する出力を発生する出力端子と、
    上記正負の電源ラインの一方にそのドレイン・ソース間が挿入され、充電電流に対して逆方向の極性の第1の寄生ダイオードを有する第1の電界効果型トランジスタと、
    上記正負の電源ラインの一方にそのドレイン・ソース間が挿入され、充電電流に対して順方向の極性の第2の寄生ダイオードを有する第2の電界効果型トランジスタと、
    上記入力端子と上記第1の電界効果型トランジスタとの間で、上記正負の電源ライン間に挿入された複数の抵抗の直列接続からなり、第1の検出電圧が抵抗分割点から取り出される第1の検出回路と、
    上記第1の電界効果型トランジスタと上記第2の電界効果型トランジスタとの間で、上記正負の電源ライン間に挿入された複数の抵抗の直列接続からなり、第2の検出電圧が抵抗分割点から取り出される第2の検出回路と、
    上記第1および第2の検出電圧が供給され、上記第1および第2の電界効果型トランジスタのゲートに対するON/OFF制御信号を生成する充電制御部とを備え、
    上記充電制御部は、上記第1の電界効果型トランジスタをONとすると共に、上記第2の電界効果型トランジスタをOFFとして上記充電電流が流れるか否かを判定し、
    上記充電電流が流れると判定される場合には、上記第1および第2の電界効果型トランジスタをONとして充電動作を行い、
    上記充電電流が流れないと判定される場合には、ON状態の上記第1の電界効果型トランジスタを介して上記第1および第2の検出回路に等しい電圧を印加した状態で、誤差成分の第2の差電圧が演算され、
    上記第1の電界効果型トランジスタをOFFすると共に、上記第2の電界効果型トランジスタをONとして求められた、上記第1および第2の検出電圧の差電圧を上記第2の差電圧で補正して誤差成分が除去された第3の差電圧を得、
    記第3の差電圧を基準電圧と比較することによって充電終了状態を検出する充電装置。
  8. 電源部から正負の電圧が印加される入力端子と、
    上記入力端子から正負の電源ラインを介して上記電圧が印加されることによって二次電池を充電する出力を発生する出力端子と、
    上記正負の電源ラインの一方にそのドレイン・ソース間が挿入され、充電電流に対して逆方向の極性の第1の寄生ダイオードを有する第1の電界効果型トランジスタと、
    上記正負の電源ラインの一方にそのドレイン・ソース間が挿入され、充電電流に対して順方向の極性の第2の寄生ダイオードを有する第2の電界効果型トランジスタと、
    上記入力端子と上記第1の電界効果型トランジスタとの間で、上記正負の電源ライン間に挿入された複数の抵抗の直列接続からなり、第1の検出電圧が抵抗分割点から取り出される第1の検出回路と、
    上記第1の電界効果型トランジスタと上記第2の電界効果型トランジスタとの間で、上記正負の電源ライン間に挿入された複数の抵抗の直列接続からなり、第2の検出電圧が抵抗分割点から取り出される第2の検出回路と、
    上記第1および第2の検出電圧が供給され、上記第1および第2の電界効果型トランジスタのゲートに対するON/OFF制御信号を生成する充電制御部とを備え、
    上記充電制御部は、上記第1の電界効果型トランジスタをONとすると共に、上記第2の電界効果型トランジスタをOFFとして上記充電電流が流れるか否かを判定し、
    上記充電電流が流れると判定される場合には、上記第1および第2の電界効果型トランジスタをONとして充電動作を行い、
    上記充電電流が流れないと判定される場合には、上記第2の検出回路の抵抗精度による誤差を求め、該誤差を補正するように、充電終了状態か否かを判定するための基準値を補正した補正基準値を演算し、
    上記第1および第2の検出電圧の差電圧を上記補正基準電圧と比較することによって充電終了状態を検出する充電装置。
  9. 上記第1の電界効果型トランジスタをOFFすると共に、上記第2の電界効果型トランジスタをONした状態で、上記第1および第2の検出電圧の差電圧を上記補正基準電圧と比較して充電終了状態か否かを判定する請求項記載の充電装置。
  10. 第1および第2の電界効果型トランジスタを直列に介して二次電池を充電し、複数の抵抗からなる第1の検出回路によって上記第1の電界効果型トランジスタの入力側の第1の電圧を検出し、複数の抵抗からなる第2の検出回路によって上記第1の電界効果型トランジスタと上記第2の電界効果型トランジスタの接続点の第2の電圧を検出する充電装置における充電方法であって、
    上記第1の電界効果型トランジスタをONすると共に、上記第2の電界効果型トランジスタをOFFした状態で、上記第2の電界効果型トランジスタの寄生ダイオードを介して上記二次電池に対する充電電流が流れるか否かを判定するステップと、
    上記充電電流が流れると判定される場合には、上記第1および第2の電界効果型トランジスタをONとして上記二次電池に対する充電動作を行うステップと、
    上記充電電流が流れないと判定される場合には、ON状態の上記第1の電界効果型トランジスタを介して上記第1および第2の検出回路に等しい電圧を印加した状態で、誤差成分の差電圧を演算するステップと、
    上記第1の電界効果型トランジスタをOFFすると共に、上記第2の電界効果型トランジスタをONとして求められた、上記第1および第2の電圧の差電圧を上記誤差成分の差電圧で補正して誤差成分を除去するステップと、
    上記誤差成分が除去された上記第1の電圧および上記第2の電圧の差電圧を基準電圧と比較することによって充電終了状態を検出するステップと
    からなる充電方法。
  11. 第1および第2の電界効果型トランジスタを直列に介して二次電池を充電し、複数の抵抗からなる第1の検出回路によって上記第1の電界効果型トランジスタの入力側の電圧を検出し、複数の抵抗からなる第2の検出回路によって上記第1の電界効果型トランジスタと上記第2の電界効果型トランジスタの接続点の電圧を検出する充電装置における充電方法であって、
    上記第1の電界効果型トランジスタをONすると共に、上記第2の電界効果型トランジスタをOFFした状態で、上記第2の電界効果型トランジスタの寄生ダイオードを介して上記二次電池に対する充電電流が流れるか否かを判定するステップと、
    上記充電電流が流れると判定される場合には、上記第1および第2の電界効果型トランジスタをONとして上記二次電池に対する充電動作を行うステップと、
    上記充電電流が流れないと判定される場合には、上記第2の検出回路の抵抗精度による誤差を求め、該誤差を補正するように、充電終了状態か否かを判定するための基準値を補正した補正基準値を演算するステップと、
    上記第1および第2の検出電圧の差電圧を上記補正基準電圧と比較することによって充電終了状態を検出するステップと
    からなる充電方法。
  12. 上記第1の電界効果型トランジスタをOFFすると共に、上記第2の電界効果型トランジスタをONした状態で、上記第1および第2の検出電圧の差電圧を上記補正基準電圧と比較して充電終了状態か否かを判定する請求項1記載の充電方法。
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