JP5146726B2

JP5146726B2 - 充電装置

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Publication number: JP5146726B2
Application number: JP2007277042A
Authority: JP
Inventors: 卓央荒舘; 一彦船橋; 信宏高野
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2027-10-25
Also published as: US8497662B2; EP2053718A2; EP2053718A3; JP2009106117A; US20090108804A1; CN101552483A

Description

本発明は、単数又は複数の二次電池セルからなり、電池セルが異なる接続形態を有する電池パックを充電するための充電装置に関し、特に、電池パックの電池セル接続形態による電池種に対応して適切な充電電流又は充電電圧を設定できる充電装置に関するものである。

コードレスタイプの電動工具においては、一般に、電動工具の駆動電源としてリチウムイオン二次電池から構成された電池パックが使用されつつある。リチウムイオン電池パックは、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池に比較してセル公称電圧が高く、且つ出力密度が高いため小形軽量であるという特徴を有する。更に、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も有する。このため、リチウムイオン電池パックは、電動工具の軽量化、小型化、及び作業効率の向上を図る電源として期待されている。

リチウムイオン電池パックの充電装置は、定電流・定電圧制御方式により充電を制御するのが一般的である。特に、リチウムイオン電池パックの充電において、過充電になると二次電池セルを損傷する恐れがあるので、充電装置の制御装置は、最初に一定の充電電流で充電を行い、この一定電流の充電により、一セル当たりの電圧が所定の充電電圧（例えば、４．２０Ｖ／セル程度）に達すると、一定電圧の充電電圧に切り替えて充電を行う。その後、充電電流が徐々に低下して終止電流値以下になったら、満充電として検出して充電を停止するように制御する。このため、充電装置は、充電電流又は充電電圧を制御するための制御回路を有する。満充電検出の検出方法としては、例えば下記特許文献１に開示されているように、充電時の充電電流を検出し、所定値以下に達した場合は、満充電と判別する方法が提案されている。

特開平２−１９２６７０号公報

リチウムイオン二次電池等の電池セル（素電池）から構成される電池パックは、所定の電圧もしくは公称電圧、又は所定の容量若しくは公称容量を得るために、電池セル単独で電池パックを構成する場合もあるが、一般には複数の電池セルを並列接続又は直列接続した組電池で構成するのが一般的である。例えば、公称電圧３．６Ｖ／セル、公称容量１．５Ａｈ／セルのリチウムイオン二次電池の電池セルを４個互いに直列接続した組電池を備える１並タイプの電池パック（一般に、４Ｓ１Ｐタイプと呼ばれる電池パック）は、出力電圧１４．４Ｖ、出力容量１．５Ａｈの定格を有するように構成できる。また、例えば、一対の電池セルを互いに並列接続した並列接続セルを４組用意して、それら４組の並列接続セルを互いに直列接続した２並タイプの電池パック（一般に、４Ｓ２Ｐタイプと呼ばれる電池パック）は、出力電圧１４．４Ｖ、出力容量３．０Ａｈの定格を有するように、電流容量を１並タイプの２倍とした電池パックとすることができる。このように、並列接続される電池セルのセル数を変えることによって電池パック（組電池）の電流容量を変更することができる。

従来の充電装置においては、例えば、１並タイプの電池パックと、２並タイプの電池パックとを同じ充電装置で充電しようとする場合、両者の電池パックに対して同一の電流値（総合電流値）による所定の定電流で充電することになるため、１並タイプの電池パックには２並タイプの電池パックに比べ、２倍の充電電流が流れることになる。このため、１並タイプの電池パックに対しては、必要以上の充電電流で充電されることになるので、１並タイプの電池パックにおける充放電のサイクル寿命を著しく損なうという問題があった。特に、リチウムイオン二次電池の電池寿命は、適切な充電電流で充電を行うことによってある程度保障されるものであり、必要以上の大きな充電電流で充電を行うと寿命を著しく損なう。また、逆に、１並タイプの電池パックの充電電流に合わせて２並タイプの電池パックの充電電流を同一に設定すれば、２並タイプの電池パックにおける充電時間が長くなってしまうという問題が生じた。

一方、電池パックの寿命は充電電圧の値によっても左右される。リチウムイオン電池セル当たりの充電電圧は一般的に４．２０Ｖ程度であるが、例えば４．１５Ｖに設定すれば寿命がより延びる方向となる。電動工具のような過酷な作業条件で電池パックが用いられる場合を考えると、充電電圧の高低は寿命に大きな影響を及ぼす。

従って、本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解消し、単数又は複数のリチウムイオン二次電池セルを内蔵するリチウムイオン電池パックを充電するための充電装置において、リチウムイオン電池パックの種類に対応して適切な充電電流又は充電電圧を設定できる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、次の通りである。

本発明は、単数の電池セル又は複数の電池セルを直列接続した組電池を備える第１の電池パックと、複数の電池セルを並列接続した組電池を備える第２の電池パックであって、且つ、前記第１の電池パック及び前記第２の電池パックは、リチウムイオン電池セルにより構成される電池パックを充電可能な充電装置において、前記第１の電池パック及び前記第２の電池パックの並列数に関する種別を判別する電池種判別手段と、前記電池種判別手段により、前記第１の電池パックと判別されたときには、前記第２の電池パックより充電電流を小さく設定し、且つ前記第２の電池パックより１セル当たりの充電電圧を低く設定する制御手段とを有し、前記制御手段により設定された充電電流及び充電電圧により前記第１の電池パック又は前記第２の電池パックを充電することに一つの特徴を有する。

本発明の他の特徴は、前記制御手段は、定電流制御の後、定電圧制御を行って前記
リチウムイオン電池セルを充電することにある。

本発明の他の特徴は、前記電池パックは、並列数に関する種別に応じて異なる抵抗値を有する電池種判別抵抗を備え、前記制御手段は、該電池種判別抵抗の抵抗値に応じて、前記第１の電池パック及び前記第２の電池パックの種別を判別することにある。

本発明の他の特徴は、前記第１の電池パックは、単一の電池セル、又は複数の電池セルを互いに直列接続した一列の組電池で構成した１並タイプの電池パックであり、前記第２の電池パックは、複数の電池セルを互いに並列接続した組電池、又は複数の電池セルを互いに直列接続して成る電池セル列を複数個並列接続した組電池で構成した複数並列タイプの電池パックより構成されることにある。

上述した本発明の特徴によれば、単数の電池セル、又は複数の電池セルを並列接続又は直列接続した組電池を内蔵する電池パックを充電するための充電装置において、電池パックの接続形態の種類に対応して適切な充電電流又は充電電圧を設定できる。これにより電池パックの充放電のサイクル寿命を阻害しない充電装置を提供できる。
本発明は、特に、過充電、過放電に対する保護対策が必要となるリチウムイオン二次電池セルより構成される電池パックの充電装置に適用して有効である。
本発明の上記及び他の目的、並びに上記及び他の特徴及び利点は、以下の本明細書の記述及び添付図面から更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及び図２を参照して詳細に説明する。最初に、本発明の実施形態に係る充電装置の構成について説明する。
図１は充電装置２００の回路図を示す。図１において、充電装置２００は、電池セル２ａの接続形態によって異なる複数種の電池パック２を同一充電装置によって充電できるように構成される。例えば、充電装置２００によって所定の充電電流又は充電電圧を設定して充電することが可能な第１の電池パック２は、単一の電池セル２ａ、又は複数の電池セル２ａを直列接続した組電池によって構成した１並タイプの電池パックである。また、充電装置２００によって充電可能な第２の電池パックは、少なくとも一対の電池セル２ａを並列接続した組電池、又は複数の電池セル２ａを直列接続した電池セル列の少なくとも２組を互いに並列接続して成る２並タイプの電池パックである。もちろん、２並タイプ以上の３並タイプについても充電可能に構成できる。電池セル２ａは、例えば、リチウムイオン二次電池セル２ａから構成される。本発明によれば、充電装置２００は、これら複数種の電池パック２の充電電流又は充電電圧を、電池セルの接続形態に応じて適切な値に設定することができる。

電池パック２は、上記１並タイプの第１の電池パック又は上記２並タイプの第２の電池パックにおける電池セル２ａのセル数又は接続形態を判別するための電池種判別手段７を有する。例えば、電池種判別手段７は、電池パック２の種類に応じて抵抗値を変えた電池種判別抵抗によって構成される。また、電池パック２は、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に接触又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８を内蔵する。例えば、本実施形態に係る充電装置２００では、電池パック２としてリチウムイオン電池セル２ａの４個が直列接続された公称電圧１４．４Ｖの４Ｓ１Ｐタイプと、４個の直列接続された電池セル列を２組並列接続した４Ｓ２Ｐタイプを充電可能に構成されている。感温素子８としてサーミスタが使用されている。電池種判別抵抗７は、直流電圧（安定化直流電圧）Ｖｃｃを、検出用抵抗９と分圧し、その検出電圧により電池種を判別する。

電池パック２の感温素子８は、直流電圧Ｖｃｃが給電された直列抵抗８１及び８２から成る電池温度検出回路８０に接続され、抵抗値の温度変化を電圧に変換し、後述するマイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５２に入力する。電池パック２の正極端子は、抵抗９１と抵抗９２の分圧回路から成る電池電圧検出回路９０に接続されている。

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１４０は、１次側整流平滑回路１０と、高周波トランス２１を含むスイッチング回路２０と、２次側整流平滑回路３０とから成るスイッチング電源回路により構成される。

１次側整流平滑回路１０はブリッジ接続された整流ダイオードを含む全波整流回路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。
スイッチング回路２０は、高周波トランス２１と、トランス２１の１次巻線２１ａ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（スイッチング制御ＩＣ）２３とを備える。

ＰＷＭ制御ＩＣ２３の駆動電源は、整流平滑回路（直流電源回路）６から供給される。この整流平滑回路６は、トランス６ａと、整流用ダイオード６ｂと、平滑用コンデンサ６ｃとから構成される。ＰＷＭ制御ＩＣ２３には、ホトカプラから成る充電帰還信号伝達手段５を介して充電電圧制御信号及び充電電流制御信号が入力される。また、ＰＷＭ制御ＩＣ２３には充電の開始及び停止を制御するための充電制御信号が、ホトカプラから成る充電制御伝達手段４を介して入力される。

ＰＷＭ制御ＩＣ２３は、ホトカプラ（充電制御伝達手段）４によって、マイコン５０より供給される制御信号によってＭＯＳＦＥＴ２２の充電動作の開始及び停止を制御し、且つホトカプラ（充電帰還信号伝達手段）５によって供給される制御信号によって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、２次側整流平滑回路３０の出力電圧と電池パック２の充電電流を調整する。

２次側整流平滑回路３０はトランス２１の２次巻線２１ｃに接続された整流用ダイオード３１、平滑用コンデンサ３２及び放電用抵抗３３から成る。

定電圧電源回路４０は、マイコン５０、オペアンプ６１、６５等の各種の制御回路（検出回路を含む）へ安定化直流電圧Ｖｃｃを供給するために設けられている。定電圧電源回路４０は、トランス４１ａ〜４１ｃと、スイッチング電源を構成するスイッチング素子４２及び制御用素子４３と、整流用ダイオード４４と、３端子レギュレータ４６と、３端子レギュレータ４６の入力側に接続された平滑用コンデンサ４５と、３端子レギュレータ４６の出力側に接続された平滑用コンデンサ４７とから構成され、定電圧Ｖｃｃを出力する。定電圧電源回路４０の定電圧出力側には、商用電源１が充電装置２００に投入された時にリセット信号を出力するためのリセットＩＣ４８が接続される。

制御回路装置（マイコン）５０は、電池温度検出回路８０の出力信号に基づく電池温度の判定、電池電圧検出回路９０の出力信号に基づく電池電圧の判定、充電電源回路１４０への制御信号の出力、後述する充電電流制御回路６０及び充電電圧制御回路１００への制御信号の出力等を実行するために設けられる。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等として利用されるランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、及びタイマ等を具備している。

更に、マイコン５０は、上記した電池種検出抵抗９、電池電圧検出回路９０、電池温度検出回路８０等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、後述する充電電圧制御回路１００へ制御信号を出力するための出力ポート５１ｂと、充電制御伝達手段４及び後述する充電状態表示回路１３０の制御信号を出力するための出力ポート５１ａと、リセットＩＣ４８のリセット信号を入力するためのリセット入力ポート５３とを具備する。

充電電流制御回路６０は、オペアンプ（演算増幅器）６１及び６５と、オペアンプ６１及び６５の入力抵抗６２及び６４と、オペアンプ６１及び６５の帰還抵抗６３及び６６と、ダイオード６８及び電流制限用抵抗６７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。充電電流制御回路６０の入力段は、電池パック２の充電電流を検出するための充電電流検出抵抗３に接続される。また、その出力段は、上述したように、ホトカプラから成る充電帰還信号電伝達手段５を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３を制御する。オペアンプ（電圧比較器）６５の一方の入力端子（＋）には、充電電流設定回路７０が接続される。一方、オペアンプ６１の出力電圧は、充電電流値を監視するために、Ａ／Ｄコンバータ５２に入力されて、マイコン５０によって充電電流値が計測される。マイコン５０は、オペアンプ６１の出力によって、満充電時等の電流値の低下も計測する。

充電電流設定回路７０は、充電電流を、電池パック２の電池種に従って、所定の電流値に設定するために設けられている。この設定回路７０は、安定化直流電圧Ｖｃｃに接続された抵抗７１と抵抗７２の直列回路（分圧回路）と、抵抗７２に並列接続される抵抗７３とを具備する。電圧比較器６５の入力端子（＋）に異なる充電電流に対応する基準電圧を供給することにより、所望の充電電流を設定する。本実施例によれば、マイコン５０の動作に基づいて抵抗７２に抵抗７３を並列接続することにより、２つの充電電流モードを設定できる。

例えば、マイコン５０により抵抗７１に直列接続される抵抗を抵抗７２単独と制御した場合は第１の充電電流に設定し、抵抗７１に直列接続される抵抗を抵抗７２と抵抗７３の並列接続抵抗と制御した場合は第２の充電電流を設定する。この場合、第１の充電電流は第２の充電電流より小さくなるものとする。

充電電流制御回路６０により、充電電流検出抵抗３に流れる充電電流に基づく電圧降下を抵抗６２、６３及びオペアンプ６１によって反転増幅させ、その出力電圧と、充電電流設定回路７０によって設定された充電電流値に対応する設定電圧値（設定充電信号）との差を電圧比較器として機能するオペアンプ６５によって増幅し、充電帰還信号伝達手段５を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３に帰還をかけてＭＯＳＦＥＴ２２のスイッチング動作を制御する。即ち、ＭＯＳＦＥＴ２２は、電流検出手段３に流れる充電電流が所定の充電電流より大きい場合はパルス幅を狭めた出力パルスを高周波トランス２１に与え、逆に充電電流が所定の充電電流より小さい場合はパルス幅をより広げたパルスを高周波トランス２１に与える。これによって、２次側整流平滑回路３０は、所定の充電電流に対応する直流電圧に平滑し、電池パック２の充電電流を充電電流設定回路７０によって設定した所定電流に保持する。言い換えれば、電流検出手段３、充電電流制御回路６０、充電帰還信号伝達手段５、スイッチング回路２０及び２次側整流平滑回路３０は、充電電流設定回路７０によって設定された設定充電電流値となるように電池パック２に流れる充電電流を制御する。

充電電圧制御回路１００は、電池パック２の充電電圧を制御するための回路で、アノード端子ａ、カソード端子ｋ及びリファレンス端子ｒを持つ周知のシャントレギュレータ１２２と、シャントレギュレータ１２２のリファレンス端子ｒに接続された第１の設定用抵抗回路Ｒ１と、第２の設定用抵抗回路Ｒ２とを具備する。シャントレギュレータ１２２の等価回路は、図２に示すように、オペアンプ（電圧比較器）Ｏｐと、電流パス用トランジスタＴｒと、ツェナダイオード等を含む基準電圧源Ｖｒｅｆとから構成されている。

図２に示すように、シャントレギュレータ１２２のリファレンス端子（比較入力端子）ｒには、電池パック２の正極端子との間に、抵抗１０１〜１０３によって構成された第１の設定用抵抗回路Ｒ１が接続される。また、電池パック２の負極端子（接地端子）との間に、抵抗１０７〜１１０によって構成された第２の設定用抵抗回路Ｒ２が接続される。シャントレギュレータ１２２のカソード端子ｋには、電流制限用抵抗１２０とダイオード１２１が接続され、シャントレギュレータ１２２のリファレンス端子ｒとカソード端子ｋとの間には、位相補償用抵抗１０４及びコンデンサ１０５が接続される。

シャントレギュレータ１２２は、リファレンス端子（電圧比較入力端子）ｒに接続される第１の設定用抵抗回路Ｒ１の合成抵抗値をＲ１、第２の設定用抵抗回路Ｒ２の合成抵抗値をＲ２、及びシャントレギュレータの内部基準電圧源（ツェナダイオード）をＶｒｅｆ（例えば、２．５Ｖ）とすれば、シャントレギュレータ１２２の機能によって調整される出力充電電圧Ｖｏは、Ｖｏ≒Ｖｒｅｆ＊（１＋Ｒ１／Ｒ２）となる。従って、分圧比Ｒ１／Ｒ２を可変とすることにより充電電圧Ｖｏのモードを調整することができる。

本実施形態によれば、充電電圧Ｖｏのモード切換えは、第１の合成抵抗値Ｒ１を可変させることにより行う。即ち、第１の合成抵抗値Ｒ１を可変させることによって、充電電圧が比較的に高い第１の充電電圧モードか、前記第１の充電電圧モードより低い充電電圧の第２の充電電圧モードの少なくとも２つの充電電圧モードを設定できるように構成する。

これらの充電電圧モードの切換えのために、第１の合成抵抗値Ｒ１を構成する抵抗１０２はスイッチング素子（ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ）１０６を介して抵抗１０１に並列接続される。これによって、充電電圧Ｖｏとして上記第１の充電電圧モードを出力する場合は、スイッチング素子１０６はオフ状態とされて、抵抗１０１のみが選択される。また、上記第２の充電電圧モードを選択する場合はスイッチング素子１０６をオンして抵抗１０２を抵抗１０１に並列接続する。この充電電圧のモード切換は、単位セルが単一セルから成る「１並タイプ」の場合は、充電電圧を低く、及び単位セルが並列接続された一対の電池セルから成る「２並タイプ」の場合は充電電圧を高く設定する。例えば、「１並タイプ」の場合は４．１０Ｖ／セルに設定し、「２並タイプ」の場合は４．１５Ｖ／セルに設定できるように構成する。

一方、本実施形態によれば、充電すべき電池パック２のセル数の違いに対応する充電電圧の調整は、第２の合成抵抗値Ｒ２を可変させて行う。即ち、セル数が多い場合で充電電圧を高くしたいときは、合成抵抗値Ｒ２をより小さく設定する。このために、第２の合成抵抗値Ｒ２を構成する抵抗１０８はスイッチング素子（ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ）１１１を介して抵抗１０７に並列接続される。同様に、抵抗１０９はスイッチング素子（ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ）１１２を介して抵抗１０７に並列接続され、更に、抵抗１１０はスイッチング素子（ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ）１１３を介して抵抗１０７に並列接続される。各スイッチング素子１１１、１１２、１１３のゲート端子は、各抵抗１１５、１１７、１１９を介してマイコン５０の出力ポート５１ｂに接続される。更に、各スイッチング素子１１１、１１２、１１３のゲート端子にはバイアス用抵抗１１４、１１６、１１８が接続されている。

各スイッチング素子１１１、１１２、１１３は、マイコン５０の制御信号により、オフ状態から択一的にオン状態に制御される。マイコン５０は、セル数を表す抵抗７とセル数検出抵抗９による分圧回路の出力電圧を、Ａ／Ｄコンバータ入力ポート５２より自動的に取り込み、セル数に対応して各スイッチング素子１１１、１１２、１１３を択一的にオン状態に制御する。

例えば、抵抗１０１及びポテンショメータ１０３の直列合成抵抗値Ｒ１と、抵抗１０７による抵抗値Ｒ２とによって決定される分圧比Ｒ１／Ｒ２は、２個の電池セルを直列接続した電池セル列を組電池とする電池パックの設定値とする。３個の電池セルを直列接続した電池セル列を組電池とする電池パックを充電するための設定値Ｒ２は、ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）１１１をオンさせて抵抗１０８を抵抗１０７に並列接続した合成抵抗値とする。同様に、４個の電池セルを直列接続した電池セル列を組電池とする電池パックを充電するための設定値Ｒ２は、ＭＯＳＦＥＴ１１２をオンさせて抵抗１０９を抵抗１０７に並列接続した合成抵抗値とする。更に、５個の電池セルを直列接続した電池セル列を組電池とする電池パックを充電するための設定値Ｒ２は、ＭＯＳＦＥＴ１１３をオンさせて抵抗１１０を抵抗１０７に並列接続した合成抵抗値とする。このように、本実施例に従えば、直列接続される電池セル数の違いに対応する組電池の充電電圧の調整は、第２の合成抵抗値Ｒ２を可変させて行う。もちろん、この調整は、１並タイプの電池パックに限らず、上記電池セル列の複数列を互いに並列接続した複数並列タイプの電池パックにおける充電電圧の調整にも同様に使用される。

充電状態表示回路１３０は、電池パック２の充電状態を表示するために設けられ、赤色ＬＥＤ（Ｒ）及び緑色ＬＥＤ（Ｇ）から成る表示手段１３１と、各ＬＥＤの電流制限抵抗１３２、１３３とから構成される。本実施形態によれば、マイコン５０の出力ポート５１ａより抵抗１３２にハイ信号を出力すると、赤色ＬＥＤ（Ｒ）が点灯して充電前の状態を表示し、マイコン５０の出力ポート５１ａより抵抗１３３にハイ信号を出力すると、緑色ＬＥＤ（Ｇ）が点灯して充電終了後の状態を表示する。更に、マイコン５０の両出力ポート５１ａより抵抗１３２及び抵抗１３３にハイ信号を出力すると、赤色ＬＥＤ（Ｒ）及び緑色ＬＥＤ（Ｇ）が同時点灯するので、表示手段１３１全体は橙色として点灯して充電中であることを表示する。

以上の構成により、直列接続される電池セル列のセル数が同じセル数の電池パック２であっても、その電池セル列の構造が、単一のセル列を組電池とする「１並タイプ」か、又はその電池セル列の２組を互いに並列接続して組電池とする「２並タイプ」かに従って電池寿命から見て適切な充電を行うことができる。即ち、１並タイプの電池パックの場合、マイコン５０によって充電電圧制御回路１００のスイッチング素子１０６をオンさせて、２並タイプの電池パックの場合よりも小さい充電電圧で充電することができる。また、マイコン５０の出力ポート５１ｂより抵抗７３の入力端子へロー信号を供給することによって充電電流制御回路６０の充電電流を小さく設定することもできる。

次に、上記実施形態に係る充電装置によって定電流・定電圧充電を行う場合の動作フローチャートについて図３を参照して説明する。

まず、ステップ２０１において、充電するための電池パック２が実装されたか否かを判別する。電池パック２が実装される前において、表示手段１３１は赤色ＬＥＤ（Ｒ）が点灯して充電前の状態を表示する。電池パック２の実装は、電池温度検出回路８０、電池種判別回路９、電池電圧検出回路９０の出力により判別する。

ステップ２０１において電池パック２が実装されたと判別した場合（ＹＥＳの場合）、ステップ２０２において電池種判別回路９によって電池種の判別を行う。

更に、ステップ２０３に進んで、充電電圧制御回路１００によって直列接続される電池セル数に対応した充電電圧を設定する。本実施形態においては、上述したように、直列接続された電池セル数が、２セル、３セル、４セル及び５セルのリチウムイオン電池パックを充電できる。即ち、スイッチング素子１１１をオンさせると３セルの電池パックに対応した充電電圧、スイッチング素子１１２をオンさせると４セルの電池パックに対応した充電電圧、スイッチング素子１１３をオンさせると５セルの電池パックに対応した充電電圧を設定し、スイッチング素子１１１〜１１３の何れもオンさせないと２セルの電池パックに対応した充電電圧を設定する。

次のステップ２０４において、電池種判別回路９によって電池パック２が「１並タイプ」か「２並タイプ」かの判別を行う。電池種判別回路９による判別は、電池に設けられた電池種判別抵抗７の値に対応する。例えば、電池種判別抵抗７の値がＲａという値であれば、２セルの２並タイプの電池パック（一般に、２Ｓ２Ｐタイプと称するもの）、Ｒｂという値であれば、２セルの１並タイプの電池パック（一般に、２Ｓ１Ｐタイプと称するもの）、Ｒｃという値であれば、３セルの２並タイプの電池パック（３Ｓ２Ｐタイプ）、Ｒｄという値であれば、３セルの１並タイプの電池パック（３Ｓ１Ｐタイプ）、Ｒｅという値であれば、４セルの２並タイプの電池パック（４Ｓ２Ｐタイプ）、Ｒｆという値であれば、４セルの１並タイプの電池パック（４Ｓ１Ｐタイプ）、Ｒｇという値であれば、５セルの２並タイプの電池パック（５Ｓ２Ｐタイプ）、Ｒｈという値であれば、５セルの１並タイプの電池パック（５Ｓ１Ｐタイプ）といったそれぞれの値に応じて判別を行う。

ここで、１並タイプの電池パックは２並タイプの電池パックに比べて同じ充電電流で充電を行っても、セル当たりの充電電流は倍となり、充電電流によっては寿命を著しく損なうこととなる。また、１並タイプの電池パックの充電電流に合わせて２並タイプの電池パックの充電電流を１並タイプの充電電流と同じように小さくすれば、２並タイプの充電時間が長くなるという問題を生ずる。

そこで、ステップ２０４において、１並タイプであると判別した場合（ＹＥＳの場合）、充電電流をマイコン５０の出力ポート５１ｂの抵抗７３に連なるポートよりロー信号を出力することにより、基準電圧Ｖｃｃが、抵抗７１と、抵抗７２及び７３の並列抵抗とによって分圧された値を基準とする充電電流（Ｉ１）に設定する（ステップ２０５）。逆に、２並タイプと判断した場合（ＮＯの場合）、マイコン５０の出力ポート５１ｂは抵抗７３にロー信号を出力しないことにより、充電電流設定回路７０は抵抗７１と抵抗７２で分圧された値を基準とする充電電流（Ｉ０）に設定する（ステップ２０７）。これにより、１並タイプの充電電流（Ｉ１）を２並タイプの充電電流（Ｉ０）より小さく設定することができる。例えば、１並タイプの充電電流（Ｉ１）を、２並タイプの１セル当たりの充電電流と等しい値もしくは近い値（Ｉ１≦Ｉ０／２）に設定できる。

一方、電池パック２の寿命は、充電電圧の値によっても左右される。リチウムイオン電池セルの１個当たりの充電電圧は一般的に４．２０Ｖ程度に設定されるが、例えば、４．２０Ｖ以下の４．１０Ｖに設定すれば、電池寿命はより延びる方向となる。また、１並タイプの電池パックは、２並タイプの電池パックに比べて許容できる電流値が半分となる。コードレスタイプの電動工具のように過酷な負荷電流で用いられる場合を考慮すれば、充電電流を２並タイプに比較して下げるだけではなく、充電電圧も若干下げることによって寿命を著しく向上させることができる。そこで、ステップ２０４で１並タイプの電池パックであると判別した場合、ステップ２０６において、スイッチング素子ＭＯＳＦＥＴ１０６をオンさせて、充電電圧を２並タイプに比べて若干さげた電圧（例えば、４．１０Ｖ）に設定する。

次に、ステップ２０８において、マイコン５０の出力ポート５１ａからホトカプラ４へ充電を開始すべくロー信号を出力し、ＰＷＭ制御ＩＣ２３を稼動状態にする。これにより充電が開始される。また、マイコン５０の出力ポート５１ａから充電状態表示回路１３０へハイ信号を出力して表示手段１３１を橙色に点灯し、充電中であることを表示する。

ステップ２０９において、充電開始後は、電流検出回路３によって検出された電位をオペアンプ６１によって反転増幅し、マイコン５０のＡ／Ｄポート５２に取込むことにより充電電流を監視する。定電流充電に伴い電池パック２の充電電圧が上昇して定電圧充電区間（例えば、充電電圧（電池電圧）が４．１０Ｖ）に達すると、定電流充電から定電圧充電に切替わり、充電電流は定電流値より下降するが、充電電流がある所定値以下に減少したか否かを検出し、満充電となったか否かを判別する。

充電電流が減少して所定値以下となって満充電と判別した後は、出力ポート５１ａにおけるホトカプラ４に連なるポートからハイ信号を出力し、ＰＷＭ制御ＩＣ２３を停止状態にする（ステップ２１０）。同時に、マイコン５０の出力ポート５１ａより放電状態表示回路１３０の抵抗１３３にハイ信号を出力して緑色ＬＥＤ（Ｇ）を点灯させ、充電終了後の状態を表示する。

その後、ステップ２１１において、電池パック２が充電装置２００から取り出された否かを判断し、電池パック２が充電装置２００から取り外された場合（ＹＥＳの場合）、ステップ２０１のステップに戻る。

上記本実施態様においては、１並タイプの電池パックであると判別した場合、定電流充電の電流値を下げると共に、定電圧充電の充電電圧も下げたが、比較例として図４、図５及び図６は、充電電流及び充電電圧の別の設定例を示す。

図４は、２並タイプの電池パックの充電電流を、１並タイプの電池パックの充電電流の倍の電流である１０．０Ａに設定し、１並タイプの電池パックと２並タイプの電池パックの各電池セルに流れる充電電流及び充電電圧を互いに等しく設定した例である。この例の設定によれば、１並タイプの電池パックと２並タイプの電池パックの電池寿命を同じにすることができる。

図５は、充電電流については、上記図４に示した例と同様に、２並タイプの電池パックの充電電流を、１並タイプの電池パックの充電電流の倍の電流である１０．０Ａに設定し、１並タイプの電池パックと２並タイプの電池パックの各電池セルに流れる充電電流を互いに等しく設定した例である。ただし、充電電圧については、１並タイプの電池セルの充電電圧４．１０Ｖ／セルを２並タイプの各電池セルの充電電圧４．１５Ｖ／セルより低く設定している。この例の設定によれば、１並タイプの電池パックの電池セルの充電電圧を下げることができるので、１並タイプの電池パックの電池寿命を改善することができる。

図６は、２並タイプの電池パックの充電電流（総合電流）を、１並タイプの電池パックの充電電流と同一電流である５．０Ａに設定し、且つ１並タイプの電池パックの充電電圧４．１０Ｖ／セルは、２並タイプの電池パックの充電電圧４．１５Ｖ／セルより低く設定した例である。この例によれば、２並タイプの各電池セルに流れる充電電流を、１並タイプの電池セルに流れる電流５．０Ａの半分（２．５Ａ）に設定できる。この例の設定によれば、２並タイプの電池パックにおける各電池セルに流れる充電電流を著しく下げることができるので、２並タイプの電池パックの電池寿命を長くすることができる。

以上の実施形態の説明より明らかにされるように、本発明によれば、単数又は複数のリチウムイオン二次電池セルを内蔵するリチウムイオン電池パックを充電するための充電装置において、リチウムイオン電池パックの種類に対応して適切な充電電流又は充電電圧を設定できる。これにより電池パックの充放電のサイクル寿命を阻害しない充電装置を提供できる。なお、上記実施態様は、２個の電池セル２ａを並列接続した組電池セルから成る２並タイプについて述べたが、２並タイプに限らず、３並タイプ（並列接続される電池セル数が３個）又は４並タイプ以上（並列接続される電池セル数が４個以上）の電池パックにも適用できる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施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。電池セルとしてリチウムイオン二次電池を使用した場合について述べたが、電池セルの接続形態が異なるニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池にも適用することができる。また、充電方式についても定電流・定電圧充電方式に限るものではなく、定電流充電方式の充電装置に適用することができる。更に、電池パックの種類を示す電池種判別手段は抵抗以外の機械的又は電気的な判別手段を使用することができる。例えば、電池パックの外形に電池種に対応する突出部の有無を設け、１並タイプの電池パックが充電装置にセットされると、充電装置側に形成された電池パック受入部の弾性体突起が引っ込み、また２並タイプの場合には引っ込まないような機械的に電池種を検出する外形とすることができる。

本発明に係る充電装置の一実施形態を示す回路図。図１に示した充電装置に用いられるシャントレギュレータの等価回路図。図１に示した充電装置によって定電流・定電圧充電を行う動作フローチャート。図１に示した充電装置によって充電を行う場合の充電電流及び充電電圧の第１の設定例を示す特性図。図１に示した充電装置によって充電を行う場合の充電電流及び充電電圧の第２の設定例を示す特性図。図１に示した充電装置によって充電を行う場合の充電電流及び充電電圧の第３の設定例を示す特性図。

１：入力商用電源２：電池パック２ａ：電池セル３：電流検出抵抗
４：充電制御伝達手段（ホトカプラ）５：充電帰還信号伝達手段（ホトカプラ）
６：整流平滑回路６ａ：トランス６ｂ：整流用ダイオード
６ｃ：平滑用コンデンサ７：電池種判別抵抗８：感温素子
９：検出用抵抗１０：１次側整流平滑回路１１：全波整流回路
１２：平滑用コンデンサ２０：スイッチング回路２１：高周波トランス
２１ａ：トランスの１次巻線２１ｃ：トランスの２次巻線
２２：ＭＯＳＦＥＴ２３：ＰＷＭ制御ＩＣ（スイッチング制御ＩＣ）
３０：２次側整流平滑回路３１：整流用ダイオード３２：平滑用コンデンサ
３３：放電用抵抗４０：定電圧電源回路４１ａ、４１ｂ、４１ｃ：トランス
４２：スイッチング素子４３：制御用素子４４：整流用ダイオード
４５：平滑用コンデンサ４６：３端子レギュレータ４７：平滑用コンデンサ
４８：リセットＩＣ５０：マイコン５１：ＣＰＵ５１ａ：出力ポート
５１ｂ：出力ポート５２：Ａ／Ｄコンバータポート
５３：リセット入力ポート６０：充電電流制御回路６１、６５：オペアンプ
６２、６３、６４、６６、６７：抵抗６８：ダイオード
７０：充電電流設定回路７１〜７３：抵抗８０：電池温度検出回路
８１、８２：検出用抵抗９０：電池電圧検出回路９１、９２：検出用抵抗
１００：充電電圧制御回路１０１、１０２、１０３、１０４：抵抗
１０５：コンデンサ１０６：スイッチング素子（ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ）
１０７、１０８、１０９、１１０：抵抗
１１１〜１１３：スイッチング素子（ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ）
１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９：抵抗１２０：抵抗
１２１：ダイオード１２２：シャントレギュレータ
１３０：充電状態表示回路１３１：表示手段（ＬＥＤ）１３１Ｒ：赤ＬＥＤ
１３１Ｇ：緑ＬＥＤ１３２、１３３：抵抗
１４０：充電電源回路２００：充電装置
Ｒ１：第１の設定用抵抗回路（第１の合成抵抗値）
Ｒ２：第２の設定用抵抗回路（第２の合成抵抗値）

Claims

単数の電池セル又は複数の電池セルを直列接続した組電池を備える第１の電池パックと、複数の電池セルを並列接続した組電池を備える第２の電池パックであって、且つ、前記第１の電池パック及び前記第２の電池パックは、リチウムイオン電池セルにより構成される電池パックを充電可能な充電装置において、
前記第１の電池パック及び前記第２の電池パックの並列数に関する種別を判別する電池種判別手段と、
前記電池種判別手段により、前記第１の電池パックと判別されたときには、前記第２の電池パックより充電電流を小さく設定し、且つ前記第２の電池パックより１セル当たりの充電電圧を低く設定する制御手段とを有し、
前記制御手段により設定された充電電流及び充電電圧により前記第１の電池パック又は
前記第２の電池パックを充電することを特徴とする充電装置。
前記制御手段は、定電流制御の後、定電圧制御を行って前記リチウムイオン電池セルを充電することを特徴とする請求項１に記載された充電装置。
前記第１及び第２の電池パックは、並列数に関する種別に応じて異なる抵抗値を有する電池種判別抵抗を備え、前記制御手段は、該電池種判別抵抗の抵抗値に応じて、前記第１の電池パック及び前記第２の電池パックの種別を判別することを特徴とする請求項１に記載された充
電装置。
前記第１の電池パックは、単一の電池セル、又は複数の電池セルを互いに直列接続した
一列の組電池で構成した１並タイプの電池パックであり、前記第２の電池パックは、複数
の電池セルを互いに並列接続した組電池、又は複数の電池セルを互いに直列接続して成る
電池セル列を複数個並列接続した組電池で構成した複数並列タイプの電池パックであるこ
とを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載された充電装置。