JP5198489B2 - 充電回路、移動機及び充電方法 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の充電技術に関し、より詳細には、移動機に備えられた二次電池を無線充電及び／又は有線充電する充電技術に関する。

携帯電話などの移動機に内蔵されているリチウムイオン電池などの二次電池は、商用電力などから電力供給されるＡＣアダプタなどと接続することによる有線充電によって、又は無線で電力を送電するワイアレス電源などの無線充電によって、二次電池の充電を制御する電流電圧変換回路を経由して、充電される。

従来の二次電池の充電回路を図１、２に示す。図１では、リチウムイオン電池などの充電・放電が可能な二次電池１、商用電力（ＡＣ１００Ｖなど）などの外部からの交流電力を５Ｖなどの直流電力に変換するＡＣアダプタ１１、ＡＣアダプタからの電力を二次電池が充電に必要とする電流及び電圧に変換するための電流・電圧変換回路２、二次電池に流れ込む充電電流を測定するための電流検出抵抗３、電流検出抵抗の両端の電圧を測定するための２つの電圧端子、すなわち、電流・電圧変換回路と電流検出抵抗の間と電流・電圧変換回路とに接続する電圧端子２１と、電流検出抵抗と二次電池の間と電流・電圧変換回路とに接続する電圧端子２２とからなり、ＡＣアダプタ１１からの電力を、電流・電圧変換回路２を介して、二次電池１に供給することにより充電を行っている。また、電流・電圧変換回路２は、二次電池１の電池電圧は電圧端子２２から、二次電池１に流れ込む充電電流の値は電圧端子２２と電圧端子２１の値の差を電流検出端子の抵抗値で割ることから算出している。電流・電圧変換回路２はそれら検出された電池電圧と充電電流を使って、二次電池１の電池電圧と充電電圧を監視し、充電制御に使っている。なお、電流・電圧変換回路２は所定の固定された充電条件（上限電圧Ｖａ、充電電圧Ｉａ）を回路内で設定している。

図２は、図１で電力の入力電源部分にＡＣアダプタ１１の代わりに無線で電力を送電するワイアレス電源（送電側ワイアレス電源１２、受電側ワイアレス電源１３）を接続している以外は、図１と同様の充電回路を示している。ワイアレス電源は、数１００ｋＨｚの高周波発生回路と送信コイルからなる送電側ワイアレス電源１２と受信コイルと直流を発生させる整流回路からなる受電側ワイアレス電源１３からなり、送電コイルと受電コイルとの間を空間経由して、交流磁束を飛ばしてエネルギーを伝送する回路方式である。携帯電話などにワイアレス電源を適用する場合、直径が５ｃｍ程度の平型の送電コイルと受電コイルが使われる。送電できる電力としては、典型的には、パワー５W〜３０W程度の電力が送電される。

図１、図２での二次電池１の従来の充電フローを図３に示す。ステップＳ１０における充電スタート後、予備充電として、二次電池１の電池電圧Ｖ１がある電圧値Ｖｂ（例えば、２．５Vなど）以下の場合は、微小電流（例えば、１０ｍＡなど）を流す（ステップＳ１２）。

その後、二次電池１の電圧Ｖ１がある電圧値Ｖｂ以上になった時点で、二次電池１に対して充電電流Ｉ１として一定電流であるＩａを流しだす（ステップＳ１４）。なお、例えば、二次電池１である携帯電話用のリチウムイオン電池の電池容量が８００ｍＡｈ（ｍＡｈは電池容量の単位：電流（ｍＡ）×時間（ｈ））である場合、１Ｃの電流を充電するということ（Ｉａを１Ｃ（Ｃ：Ｃａｐａｃｉｔｙ）と設定しているとき）は、Ｉ１＝Ｉａ＝８００ｍA（１Ｃは電池を１時間で放電完了する電流値のこと（１時間放電率））の電流で充電することを意味する。この電流は、電流・電圧変換回路２により制御され、８００mＡの電流を発生させ二次電池１に供給される。なお、この充電状態を定電流充電（ＣＣ充電：Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）という。この状態で二次電池１の電圧がＶｂから上限電圧Ｖａ（Ｖａ＝４．２Ｖ）まで上昇するまで、この定電流充電が継続される。

その後、二次電池１の電池電圧Ｖ１が上限電圧値Ｖａ（４．２Ｖなど）に達した時点で（ステップＳ１６：Ｙｅｓ）、二次電池１の電池電圧Ｖ１をＶａに保持するように定電圧充電（ＣＶ充電：Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）が行われる（ステップＳ１８）。この充電状態では、二次電池電圧Ｖ１を一定値に保持するように、充電電流Ｉ１が電流・電圧変換回路２により制御される。この定電圧制御（ＣＶ制御）により、二次電池の充電が進むに従い、充電電流Ｉ１が低減される（電流値が垂下する）。そして、充電電流Ｉ１がある電流値Ｉｂ以下（例：５０ｍＡ）になった時点で（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）、充電が完了して、二次電池１は満充電（１００％の充電状態）となる（ステップＳ２２）。

以上の一連の充電方式を"ＣＣ−ＣＶ充電（定電流定電圧充電）"と呼んでいる。

以上のＣＣ−ＣＶ充電の動作が、図４において二次電池１の電池電圧Ｖ１と充電電流Ｉ１との動作軌跡図として示される。図４に示されるように、予備充電後の動作として、まず定電流充電（ＣＣ充電）がＡ点から始まる。定電流Ｉａの充電を継続するに従って二次電池１の電池電圧Ｖ１は上昇していき、軌跡上ではＡ点からＢ点に移動していく。電池電圧Ｖ１がＶａ（４．２Ｖ）に達した段階（Ｂ点）で、定電流充電（ＣＣ充電）から定電圧充電（ＣＶ充電）に移行する。Ｂ点からＣ点では、二次電池１の電池電圧Ｖ１は一定（Ｖａ）で、充電が進行するにしたがって、電流Ｉ１は減少していく。電流Ｉ１がＩｂの値（例えば、５０ｍＡなど）に達した段階で充電が終了し、二次電池１は満充電状態となる。

さらに、以上のＣＣ−ＣＶ充電動作が動作波形を示す図５により説明される。図５では、上述した予備充電が完了した後のＣＣ−ＣＶ充電動作が示され、予備充電から本充電に切り替わった時点での充電時間をゼロ（０）時として、それ以降の波形が示される。定電流（ＣＣ）充電の期間では、充電電流Ｉ１は一定値Ｉａであり、電池電圧Ｖ１はＶｂからＶａに増加していく。それによって二次電池１の充電量Ｑも増えていく。そして、電池電圧Ｖ１がＶａ（４．２Ｖ）に達した時点で、定電圧（ＣＶ）充電に移行する。定電圧（ＣＶ）充電の期間では、電池電圧Ｖ１はＶａの値で一定になるように、充電量Ｑの増加に伴いながら充電電流Ｉ１が低減されていく。そして、充電電流Ｉ１が充電終止電流Ｉｂまで低下した時点で、充電が終了し、二次電池１は満充電（１００％）状態となる。

ところで、ＡＣアダプタ１１からの電力供給でも、ワイアレス電源１２，１３からの電力供給でも、従来の充電回路で急速充電を行う場合、充電回路内の電流・電圧変換回路２にあらかじめ上限電圧Ｖａと充電電流Ｉａを内部メモリなどに書き込んでおく必要がある（通常、書き換え不可）。このため、一旦、低速充電（１Ｃ以下）、通常充電（１Ｃ程度）または急速充電（１Ｃ以上）のＶａとＩａを電流・電圧変換回路２に書き込んでしまった場合、安全上の観点で充電を遅くしたい場合や、夜間時のゆっくりした充電などといったいろいろなシーンに応じて通常充電や低速充電など自由に充電条件を変更できないという問題点があった。

さらに、急速充電を行う場合、Ｉａの値を大きくすることとなるが、従来の回路ではＶａは４．２Ｖで一定としており、Ｖａを一定にしたままＩａを大きくすると、二次電池１の異常時（短絡時など）の安全性が低下することが懸念される。しかしながら、従来の充電回路では充電電流Ｉａを大きくしても上限電圧Ｖａは４．２Ｖに固定されたままであるため、充電動作上の安全性低下の懸念が残っている。

さらに、従来の充電回路では、ＡＣアダプタ１１からの電力供給でも、ワイアレス電源１２、１３からの電力供給でも、それとは独立に充電回路の充電条件が電流・電圧変換回路２に対して固定されたＶａ，Ｉａに設定される。従って、入力コネクタ（有線充電時の充電端子のこと）の電流制限やＡＣアダプタの電気容量の制約から、急速充電が難しいＡＣアダプタからの電力給電される場合でも、ワイアレス電源内蔵の幅の広い平板コイル間で大きな電力を送電で急速充電が可能であるワイアレス電源の場合でも、従来の充電回路では充電条件の切り替え（ＡＣアダプタに適した充電条件、ワイアレス電源に適した充電条件）を自動的にできないないという問題があった。

上述した従来の方法において、従来の充電回路はリチウムイオン電池などの二次電池１の充電速度（通常充電、急速充電など）を制御する場合において、充電回路内の電流・電圧変換回路に設定された定電流定電圧充電のための上限電圧及び充電電流が固定値であるため、その上限電圧や充電電流の固定値を適切に変更及び制御できないという問題があった。

さらに、従来の充電回路では、急速充電を行う場合の充電条件として、充電電流を大きくしても、二次電池の上限電圧が４．２Ｖに固定されたままであるため、充電電流の増加に伴う二次電池の安全性が低下するという問題点があった。

さらに、従来の充電回路では、急速充電に適した入力電源（ワイアレス充電など）でも、急速充電に適さない入力電源（ＡＣアダプタ）であっても充電回路の充電条件（Ｖａ，Ｉａ）は固定されたままであるため、入力電源に応じて充電回路の充電条件を自動的に適切な条件に変更することができないという問題があった。

本発明の課題は、上記問題点に鑑み、定電流定電圧充電方式のための上限電圧及び充電電流を充電回路に固定的に設定するのではなく、各種充電条件に従って上限電圧及び充電電流を適応的に適用することを可能にすることである。

本発明のさらなる課題は、前述の自由に設定できる上限電圧（Ｖａ）や充電電流（Ｉａ）において、急速充電のために充電電流Ｉａを大きくした場合において二次電池の安全性を確保するため、充電電流Ｉａの増加に対して二次電池の安全性を確保することが可能な上限電圧Ｖａを決定し、自動的に回路外部から設定可能にすることである。

本発明のさらなる課題は、前述で安全上の観点から適切な上限電圧Ｖａや充電電流Ｉａを用いて、ＡＣアダプタやワイアレス電源などの入力電源の特性（急速充電に適したワイアレス電源、通常充電に適したＡＣアダプタなど）を自動的に識別し、識別された電源特性に応じた充電条件を充電回路の電流・電圧変換回路に設定する構成を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の一特徴は、二次電池を定電流定電圧方式により充電する充電回路であって、各充電条件に対応して、定電流充電のための充電電流値を決定する充電条件入力部と、所定の方法で規定した各充電電流値に対応する上限電圧値に基づき、前記決定された充電電流値から定電圧充電のための上限電圧値を決定する演算関数部とを有し、前記充電条件入力部は、外部電源から当該充電回路に供給される入力電圧レベルを検出し、前記検出された入力電圧レベルに応じて前記充電電流値を決定する充電回路に関する。

本発明によると、定電流定電圧充電方式のための上限電圧や充電電流を充電回路に固定的に設定するのではなく、各種充電条件に従って上限電圧や充電電流を適応的に適用することが可能となる。

図１は、従来の有線充電による充電回路を示す。 図２は、従来の無線充電による充電回路を示す。 図３は、従来の充電制御を示すフロー図である。 図４は、従来の充電制御を示す遷移図である。 図５は、従来の充電動作波形を示す。 図６は、本発明の一実施例による移動機を示すブロック図である。 図７は、本発明の一実施例による充電回路を示す。 図８は、本発明の一実施例による移動機に表示される充電条件の入力画面の一例を示す。 図９は、本発明の一実施例による充電条件と充電電流とを示す表である。 図１０は、本発明の一実施例による充電制御を示すフロー図である。 図１１は、本発明の一実施例による充電制御を示す遷移図である。 図１２は、本発明の一実施例による充電動作波形を示す。 図１３は、本発明の一実施例による充電電流及び電圧の可能な組み合わせを示すグラフである。 図１４は、本発明の他の実施例による充電回路を示す。 図１５は、ワイアレス電源を詳細に示す。 図１６は、本発明の他の実施例による充電回路を示す。 図１７は、本発明の一実施例による充電回路による充電制御の一例を示す。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図６を参照して、本発明の一実施例による移動機の構成が説明される。図６は、本発明の一実施例による移動機を示す。

移動機１００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１００ａと、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１００ｂと、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１００ｃと、操作部１００ｄと、無線通信部１００ｅと、アンテナ１００ｆと、ディスプレイ１００ｇと、電源部１００ｈとを含むハードウェア構成を有する。移動機１００の各機能は、ＲＡＭ１００ｂやＲＯＭ１００ｃに格納されている各機能に係るコンピュータプログラムをＣＰＵ１００ａが実行することにより実現される。ユーザは、移動機１００に設けられた操作ボタンなどの操作部１００ｄ及び／又は各種アイコンなどを表示するディスプレイ１００ｇなどのユーザインタフェースを介し、移動機１００への指示を入力することによって、移動機１００の各種機能をＣＰＵ１００ａに実行させる。ＣＰＵ２００ａによる実行結果は、ディスプレイ１００ｄなどを介しユーザに提供されてもよい。無線通信部１００ｅは、典型的には、ＣＰＵ１００ａにより制御され、アンテナ１００ｆを介しネットワーク（図示せず）及び／又は他の移動機との通信を実行する。上述した移動機１００の各要素は、電源部１００ｈにより供給される電力により駆動される。電源部１００ｈは、後述される二次電池などの電源と、当該二次電池の充電を制御する充電回路とを有する。

本実施例による移動機１００は、典型的には上述したような携帯電話などの無線通信機能を有する携帯装置に適した構成を有するが、本発明は、これに限定されるものでない。本発明は、充放電可能な二次電池を電源として使用する任意の装置に適用可能である。

次に図７を参照して、本発明の一実施例による移動機１００の電源部１００ｈの構成が詳細に説明される。図７は、本発明の一実施例による充電回路を示す。なお、本実施例では、二次電池を充電するための外部電源としてワイアレス電源が使用される場合について説明する。しかしながら、本発明による充電回路は、外部電源としてＡＣアダプタなどの有線充電が使用される場合も同様の構成及び動作となることは以下の説明から明らかであろう。

図７に示される電源部１００ｈは、二次電池１０１と充電回路とを有し、充電回路は、電流・電圧変換回路１０２と、電流検出抵抗１０３と、受電側ワイアレス電源１１３と、電圧端子１２１，１２２と、演算関数回路１２３と、充電条件入力回路１２４とを有する。これらの要素は図７に示されるように互いに電気接続される。二次電池１０１は、外部電源１１１から商用電力（例えば、ＡＣ１００Ｖなど）が供給される送電側ワイアレス電源１１２を介し無線電力伝送されることにより、充電される。

二次電池１０１は、リチウムイオン電池などの充電・放電が可能な任意の二次電池であり、典型的には、移動機１００に着脱可能に装着される。移動機１００の上述した各要素は、二次電池１０１から供給される電力によって駆動される。

電流・電圧変換回路１０２は、定電流定電圧充電方式により二次電池１０１を充電するため、受電側ワイアレス電源１１３から二次電池１０１に供給される電力を制御する。本実施例では、電流・電圧変換回路１０２は、定電流定電圧充電方式の充電パラメータである定電流充電のための電流値Ｉａと定電圧充電のための電圧値Ｖａとして、回路内に予め保持された固定値を使用するのでなく、後述される演算関数回路１２３から提供された可変的な電流値Ｉａと電圧値Ｖａとを使用して二次電池１０１の充電を制御する。すなわち、電流・電圧変換回路１０２は、演算関数回路１２３から提供された電流値Ｉａと電圧値Ｖａとに基づき、二次電池１０１の電池電圧が電圧値Ｖａに到達するまで、まず一定の電流値Ｉａにより二次電池１０１を充電する。二次電池１０１の電池電圧が電圧値Ｖａに到達すると、次に電池電圧が一定の電圧値Ｖａを維持するように二次電池１０１を充電する。この定電圧充電に伴って充電の進捗と共に二次電池１０１に供給される電流値は低減される。供給される電流値が所定の充電終止電流値まで低下すると、二次電池１０１は満充電となり、電流・電圧変換回路１０２は、二次電池１０１の充電を終了する。

電流検出抵抗１０３は、図示されるように、二次電池１０１と電流・電圧変換回路１０２とを接続する配線上に設けられ、二次電池１０１に供給される充電電流の電流レベルを測定する。測定された電流レベルは、適宜電流・電圧変換回路１０２に提供される。

受電側ワイアレス電源１１３は、送電側ワイアレス電源１１２から非接触又は無線形式により電力を受電する。典型的には、移動機１００を送電側ワイアレス電源１１２に空間的に接近させると、送電側ワイアレス電源１１２から送出される交流磁束が、受電側ワイアレス電源１１３にエネルギーとして伝送され、このエネルギーを利用して受電側ワイアレス電源１１３から電圧が発生する。この生成された電圧から二次電池１０１を充電するための電力が提供される。

電圧端子１２１，１２２は、図示されるように、電流検出抵抗１０３の両端と電流・電圧変換回路１０２と接続するよう設けられ、電流検出抵抗１０３の両端の電圧を測定する。測定された電圧レベルは、適宜電流・電圧変換回路１０２に提供される。

演算関数回路１２３は、図示されるように、充電条件入力回路１２４から電流値Ｉａを受け取り、所定の関数を電流値Ｉａに適用して定電流定電圧充電のための上限電圧Ｖａを算出する。一実施例では、演算関数回路１２３は、関数Ｖａ＝αＩａ＋β（α，βは所定の定数である）を内部に組み込み、充電条件入力回路１２４から提供された電流値Ｉａを当該関数に代入することにより上限電圧Ｖａを算出する。演算関数回路１２３は、電流値Ｉａと共に算出した上限電圧Ｖａを定電流定電圧充電方式の充電パラメータとして電流・電圧変換回路１０２に提供する。なお、上記関数のパラメータα，βの決定方法については、以下で詳細に説明される。

なお、他の実施例では、演算関数回路１２３は、上述した関数の代わりに、各電流値Ｉａとこれらに対応する各上限電圧Ｖａとを関連付けた所定の対応テーブルを備えるようにしてもよい。この場合、演算関数回路１２３は、充電条件入力回路１２４から電流値Ｉａを受信すると、この対応テーブルを参照して、受信した電流値Ｉａに対応する上限電圧Ｖａを決定し、電流値Ｉａと共に決定した上限電圧Ｖａを定電流定電圧充電方式の充電パラメータとして電流・電圧変換回路１０２に提供する。典型的には、この対応テーブルにおける電流値Ｉａと上限電圧Ｖａの各組み合わせは、以下で詳細に説明されるような二次電池１０１を安全に充電することが可能な何れか適当な組み合わせとされる。

充電条件入力回路１２４は、ユーザが操作部１００ｄを介し提供するなどによって、外部から充電条件として充電電流の電流値Ｉａを受け取る。典型的には、ユーザは、電流値Ｉａの値を入力するのでなく、１Ｃなどの時間放電電流値を入力する。なお、二次電池１０１が８００ｍｈＡの電池容量を有するリチウムイオン電池である場合、１Ｃ（１時間放電電流値）は８００ｍＡ、６Ｃ（１／６（１０分）時間放電電流値）は４８００ｍＡに相当する。本実施例では、ユーザが定電流値を指定することが可能となり、この指定された定電流値を充電条件入力回路１２４から受け取った演算関数回路１２３により対応する定電圧値が計算され、可変的な充電パラメータにより定電流定電圧充電を実行することが可能となる。例えば、ユーザが二次電池１０１を急速充電したい場合には、ユーザは相対的に大きな電流値Ｉａを設定することが可能であり（例えば、Ｉａ＝２Ｃ〜６Ｃなど）、通常充電の場合には、ユーザは相対的に小さな電流値Ｉａを設定することが可能となる（例えば、Ｉａ＝１Ｃなど）。これにより、ユーザのニーズに適合した可変的な充電が可能となる。

本実施例では、充電条件入力回路１２４は、操作部１００ｄを介しユーザにより直接入力された時間放電電流値に対応した電流値Ｉａを充電電流として使用するが、本発明はこれに限定されるものでない。好適な実施例では、ユーザに時間放電電流値を指定させる代わりに、充電方法について急速充電を所望するか、又は通常充電を所望するかユーザに選択させるようにしてもよい。ユーザが急速充電を選択した場合には、充電条件入力回路１２４は、より大きな電流値Ｉａを設定し、通常充電を選択した場合には、相対的に小さな電流値Ｉａを設定するようにしてもよい。

さらなる好適な実施例によると、後述されるような有線充電と無線充電の双方に対応可能な移動機では、例えば、図８に示されるような充電条件入力画面がディスプレイ１００ｇ上に表示され、ユーザが操作部１００ｄを介し時間放電電流値を直接入力する代わりに、当該画面の選択肢を指定するようにしてもよい。図示される充電条件入力画面では、ユーザは、上述した充電方法に加えて、移動機１００をＡＣアダプタに接続することにより有線充電するか、又は移動機１００を送電側ワイアレス電源１１２に接近させることにより無線充電するかなど、移動機１００を充電するための充電機器の種別を選択することが要求される。充電条件入力回路１２４は、回路内部又は移動機１００の何れかの記憶手段に保持される充電条件と電流値Ｉａとの対応関係を示すテーブル（対応情報）を参照して、選択された充電機器と充電方法とに対応する電流値Ｉａを演算関数回路１２３に提供するようにしてもよい。なお、ユーザが時間放電電流値のみを指定する実施例では、この対応情報は、時間放電電流値とこれに相当する電流値とを規定した数式などにより構成されてもよい。また、演算関数回路１２３が電流値（Ｉ）の代わりに時間放電電流値（Ｃ）により上限電圧を算出する場合には、充電条件入力回路１２４は、入力された時間放電電流値をそのまま演算関数回路１２３に提供してもよい。

さらなる好適な実施例では、図９に示されるように、充電条件入力回路１２４は、充電時刻を考慮してより詳細に電流値Ｉａ（Ｉａ１〜Ｉａ６）を設定するようにしてもよい。充電時刻が夜間に該当する場合、相対的に小さな電流値Ｉａにより移動機１００を時間をかけて充電しても構わない可能性が高いためである。なお、この充電時刻は、ユーザにより入力されてもよいし、又は移動機１００のタイマー機能（図示せず）から取得するようにしてもよい。充電時刻がユーザから入力される場合には、図９に示される充電条件入力画面に充電時刻を入力するための表示が設けられるようにしてもよい。

なお、上述した実施例では、演算関数回路１２３と充電条件入力回路１２４は、ハードウェア回路により実現されているが、本発明はこれに限定されるものでない。他の実施例では、演算関数回路１２３と充電条件入力回路１２４と同様の機能を有するプログラムをＲＯＭ１００ｃなどの記憶手段に格納し、これをＣＰＵ１００ａが実行することによって、ソフトウェアにより実現することも可能である。

図１０を参照して、本発明の一実施例による充電回路による充電制御が説明される。図１０は、本発明の一実施例による移動機１００の充電制御を示すフロー図である。

ステップＳ１００において、移動機１００の二次電池１０１の充電が開始される。この充電開始は、例えば、ユーザが移動機１００をＡＣアダプタなどの外部電源に有線接続することによって、又は送電側ワイアレス電源１１２などに接近させて無線接続することによって開始される。

ステップＳ１０２において、まず二次電池１０１の現在の電池電圧Ｖ１が測定される。測定された電池電圧Ｖ１が所定の電圧値Ｖｂ（例えば、２．５Ｖなど）以下である場合、電流・電圧変換回路１０２は、二次電池１０１に微小電流（例えば、１０ｍＡなど）を供給することによって、電池電圧Ｖ１が所定の電圧値Ｖｂを超えるまで予備充電を実行する。

ステップＳ１０４において、充電条件入力回路１２４に電流値Ｉａ（時間放電電流値）が入力される。上述したように、電流値Ｉａは、外部から直接入力されてもよいし、ユーザが充電条件入力画面を介し入力した充電モード（充電機器、充電方法、充電時刻など）に対応した所定の電流値として設定されてもよい。その後、充電条件入力回路１２４は、入力された電流値Ｉａを演算関数回路１２３に提供する。

ステップＳ１０６において、演算関数回路１２３は、充電条件入力回路１２４から受け取った電流値Ｉａを予め保持する所定の関数に適用して、定電流定電圧充電方式に使用される上限電圧Ｖａを算出する。本実施例では、所定の関数として、Ｖａ＝αＩａ＋βが使用されるが、他の何れか適切な関数が使用されてもよい。その後、演算関数回路１２３は、算出した上限電圧Ｖａと電流値Ｉａとを電流・電圧変換回路１０２に提供する。

なお、図示されたフロー図では、ステップＳ１０４，Ｓ１０６はステップＳ１０２の後に実行されているが、これに限定されるものでない。すなわち、ステップＳ１０４，Ｓ１０６は、ステップＳ１０２とは独立に実行されてもよい。

ステップＳ１０２において電池電圧Ｖ１が所定の電圧値Ｖｂを超えると、ステップＳ１０８において、電流・電圧変換回路１０２は、定電流定電圧充電方式に従って、演算関数回路１２３から受け取った上限電圧Ｖａと電流値Ｉａとに基づき定電流充電、すなわち、ＣＣ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）充電を開始する。電流・電圧変換回路１０２は、有線又は無線供給された電力を変換して、二次電池１０２の電池電圧Ｖ１が上限電圧Ｖａに上昇するまで（Ｓ１１０：Ｎｏ）、二次電池１０１に充電電流Ｉ１として一定の電流値Ｉａを供給し続ける。

ステップＳ１０８の定電流充電により電池電圧Ｖ１が上限電圧Ｖａに到達すると（Ｓ１１０：Ｙｅｓ）、電流・電圧変換回路１０２は、定電流充電から定電圧充電、すなわち、ＣＶ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）充電に移行する。定電圧充電では、電流・電圧変換回路１０２は、二次電池１０１の電池電圧Ｖ１を上限電圧Ｖａに保持するように充電電流Ｉ１を制御して、制御された充電電流Ｉ１を二次電池１０１に供給し続ける。この定電圧制御では、二次電池１０１の充電が進捗するに従って、二次電池１０１に供給される充電電流Ｉ１は低下していく。充電電流Ｉ１が所定の電流値Ｉｂ（例えば、５０ｍＡなど）未満になるまで、電流・電圧変換回路１０２は、定電圧充電を実行し続ける。

充電電流Ｉ１が所定の電流値Ｉｂ未満になると（ステップＳ１１４：Ｙｅｓ）、二次電池１０１は満充電となり、充電は終了される。

図１１は、本発明の一実施例による充電制御を示す遷移図である。図１１では、入力された電流値Ｉａが１Ｃのケース（Ｉａ１）と２Ｃのケース（Ｉａ２）とが示される。例えば、Ｉａ１は通常充電に対応し、Ｉａ２は急速充電に対応する電流値としてもよい。各ケースにおいて、それぞれに対応する上限電圧Ｖａ１，Ｖａ２が決定され、定電流定電圧充電が実行される。

図１１に示されるように、二次電池１０１を予備充電した後（Ｄ点）、定電流充電が開始される（Ａ点）。定電流Ｉａ１又はＩａ２の充電を継続するに従って二次電池１０１の電池電圧Ｖ１は上昇していく（Ａ点からＢ点）。電池電圧Ｖ１が上限電圧Ｖａに到達すると（Ｂ点）、定電流充電から定電圧充電に移行する。その後、電池電圧Ｖ１を維持しながら充電が進捗し、これに伴って充電電流Ｉ１は低下していく（Ｂ点からＣ点）。充電電流Ｉ１が所定の電流値Ｉｂまで低下すると（Ｃ点）、二次電池１０１は満充電となり、充電は終了される。

図１２は、本発明の一実施例による充電動作波形を示す。図１２では、予備充電が終了し定電流定電圧充電が開始された時点を０として（横軸）、時間の経過に従って充電電流Ｉ１と電池電圧Ｖ１（縦軸）が定電流定電圧充電によりどのように変化するかが示されている。なお、図１２に図示される例では、図１１と同様に異なる電流値Ｉａ１，Ｉａ２に対応したケースが示され、破線の部分は電流値Ｉａ１のケースに対応し、実線の部分は電流値Ｉａ２のケースに対応する。

まず、破線のケースに着目すると、時点０から電池電圧Ｖ１が上限電圧Ｖａ１に到達するまで定電流Ｉａ１が供給される（ＣＣ充電）。電池電圧Ｖ１が上限電圧Ｖａ１に到達すると、定電圧充電に移行し、充電電流Ｉ１が所定の電流値Ｉｂに低下するまで定電圧Ｖａ１を維持するように二次電池１０１が充電される。破線のケースでは、時点Ｔ１において、充電電流Ｉ１が所定の電流値Ｉｂまで低下し、二次電池１０１が満充電となる。

次に、実線のケースに着目すると、時点０から電池電圧Ｖ１が上限電圧Ｖａ２に到達するまで定電流Ｉａ２が供給される（ＣＣ充電）。電池電圧Ｖ１が上限電圧Ｖａ２に到達すると、定電圧充電に移行し、充電電流Ｉ１が所定の電流値Ｉｂに低下するまで定電圧Ｖａ２を維持するように二次電池１０１が充電される。実線のケースでは、時点Ｔ２において、充電電流Ｉ１が所定の電流値Ｉｂまで低下し、二次電池１０１が満充電となる。図示された例では、時点Ｔ２は時点Ｔ１のほぼ１／２の期間に対応している。

次に図１３を参照して、上述した演算関数回路１２３における充電電流Ｉａから上限電圧Ｖａを算出するための関数について説明する。図１３は、本発明の一実施例による充電電流及び電圧の可能な組み合わせを示すグラフの一例である。横軸は充電電流Ｉａのとり得る電流値を表し（０Ｃ〜６．５Ｃ）、縦軸は上限電圧Ｖａのとり得る電圧値を表す（０Ｖ〜４．３Ｖ）。

なお、ここで示した図１３は、角型リチウムイオン電池（電池容量：８００ｍｈＡ）の二次電池の場合の測定結果である。組み合わせＯＫかどうかについては次の方法で測定した。まず様々な組み合わせの電流値Ｉａ及び電圧値Ｖａの条件下で（グラフ上の適当な格子点など）、二次電池１０１に対して定電流定電圧充電を実行し、満充電状態にする。各条件下で満充電にされた二次電池１０１の両極に配線と短絡用スイッチを接続し、短絡用スイッチをオフにして二次電池１０１の外部短絡を実行する。そして、その時の二次電池１０１の電池温度を測定する。このとき、微小発熱の振る舞いをして発熱事象が収まる場合、つまり異常発熱（例えば１５０度以上になる場合）しない場合は組み合わせＯＫであるとする。このような試験を様々な電流値Ｉａ及び電圧値Ｖａの組み合わせに対して実行し、安全上問題のない組み合わせＯＫ領域のＩａとＶａの範囲を決定する。

なおこの方法以外でも、安全上問題のない（安全に充電できる）ＩａとＶａを決定できればよい。また、図１３に示されるような充電可能な電流・電圧値の組み合わせは、事前に取得しておくことが好ましい。

充電可能な電流・電圧値の組み合わせとして図１３が得られている場合、境界領域と組み合わせＯＫ領域の境界は、Ｖａ＝（−０．０５）Ｉａ＋４．３０である。その式以下の範囲でＶａ＝αＩａ＋βを決定することにより安全な充電が実現される。例えば、リチウムイオン電池の満充電時の電池電圧として一般的に採用される電池電圧４．２Ｖに考慮して、一例となる関数として、組み合わせＯＫ領域に含まれ、充電電流Ｉａが１Ｃ（本例では、１Ｃ＝８００ｍＡとなる）のとき上限電圧Ｖａが４．２Ｖとなるような下記の充電条件式が充電プロファイルとして演算関数回路１２３に書き込まれてもよい。

Ｖａ＝（−０．０５）Ｉａ＋４．２５
この式より、Ｉａ＝１Ｃの場合は、Ｖａは４．２Ｖとなり、Ｉａ＝６Ｃの場合は、Ｖａは４．０Ｖとなる。この式に基づいて急速充電や通常充電に使用される安全な充電電流Ｉａと上限電圧Ｖａとを適切に決定することができる。

しかしながら、本発明は上記関数に限定されるものでなく、短絡時などの異常時に二次電池の安全性を確保することが可能な電流値Ｉａと上限電圧Ｖａとの組み合わせを導出可能な任意の関数が使用可能である。さらに、本発明により使用される電流値Ｉａと上限電圧Ｖａは、線形及び非線形を含む何れかの関数形式により導出されるものに限定されず、短絡時などの異常時に二次電池の安全性を確保することが可能な電流値Ｉａと上限電圧Ｖａとの組み合わせを規定する対応テーブルなどの何れかの方法が使用可能である。

次に図１４〜１６を参照して、本発明の他の実施例による移動機１００の電源部１００ｈの構成が詳細に説明される。図１４及び図１６は、本発明の他の実施例による充電回路を示す。本実施例による電源部１００ｈは、ＡＣアダプタを介した有線充電とワイアレス電源を介した無線充電の双方の充電方式に対応可能であり、図１４は無線充電が適用されたケースを示し、図１６は有線充電が適用されたケースを示す。

本実施例による電源部１００ｈは、二次電池２０１と充電回路とを有し、充電回路は、電流・電圧変換回路２０２と、電流検出抵抗２０３と、受電側ワイアレス電源２１３と、入力コネクタ２１４，２１５と、電圧端子２２１，２２２と、演算関数回路２２３と、充電条件入力回路２２４と、検出端子２２５，２２６とを有する。これらの要素は図１４，１６に示されるように互いに電気接続される。なお、本実施例では、図７に示された電源部１００ｈの各要素に加えて、入力コネクタ２１４，２１５と検出端子２２５，２２６が設けられる。二次電池２０１と、電流・電圧変換回路２０２と、電流検出抵抗２０３と、受電側ワイアレス電源２１３と、電圧端子２２１，２２２と、演算関数回路２２３とについては、図７に示された各要素と同様であるため、以下において詳細には説明されない。

検出端子２２５，２２６は、移動機１００が送電側ワイアレス電源２１２に接近され（例えば、１０ｃｍなど）、受電側ワイアレス電源２１３における電圧の発生を検出するためのものである。電圧が発生すると、検出端子２２５，２２６を介し充電条件入力回路２２４がこれを検知する。充電条件入力回路２２４は、例えば、検出端子２２５を介し検出された電圧レベルＶｗが０Ｖから５Ｖになったことなどを検知するなどによって、移動機１００が送電側ワイアレス電源２１２に接近したことを検知する。移動機１００が送電側ワイアレス電源２１２に接近したことを検知すると、充電条件入力回路２２４は、無線充電に対応する所定の電流値Ｉａを設定し、この電流値Ｉａを演算関数回路２２３に提供する。演算関数回路２２３は、上述した実施例と同様にして、受け取った電流値Ｉａから上限電圧Ｖａを算出し、電流・電圧変換回路２０２に定電流定電圧充電のための電流値Ｉａ及び上限電圧Ｖａとして提供する。なお、無線充電は大きな電力を送電可能であるので、急速充電に適した電源である。従って、充電条件入力回路２２４は、移動機１００が送電側ワイアレス電源２１２に接近したことを検知した場合には、相対的に大きな電流値Ｉａ（例えば、２Ｃ〜６Ｃなど）を設定するようにしてもよい。

他方、入力コネクタ２１４，２１５は、移動機１００がＡＣアダプタ２１１に接続されているか検出するためのものであり、図示されるように、充電条件入力回路２２４に接続される。充電条件入力回路２２４は、例えば、入力コネクタ２１４を介し検出された電圧レベルＶｃが０Ｖから５Ｖになったことなどを検知することによって、移動機１００がＡＣアダプタ２１１に接続されたことを検知する。移動機１００がＡＣアダプタ２１１に接続されたことを検知すると、充電条件入力回路２２４は、有線充電に対応する所定の電流値Ｉａを設定し、この電流値Ｉａを演算関数回路２２３に提供する。演算関数回路２２３は、上述した実施例と同様にして、受け取った電流値Ｉａから上限電圧Ｖａを算出し、電流・電圧変換回路２０２に定電流定電圧充電のための電流値Ｉａ及び上限電圧Ｖａとして提供する。なお、有線充電により供給される電力は、入力コネクタ２１４，２１５の電流制限などによって制限を受けるため、通常充電に適した電源として使用される。従って、充電条件入力回路２２４は、移動機１００がＡＣアダプタ２１１に接続されたことを検知した場合には、相対的に小さな電流値Ｉａ（例えば、１Ｃなど）を設定するようにしてもよい。

なお、上述した実施例では、外部電源の充電種別（無線充電か有線充電）は、検出端子２２５，２２６と入力コネクタ２１４，２１５とを介した通電の有無（０Ｖ又は５Ｖ）の検知により判定されたが（通電端子ベースの検出）、本発明はこれに限定されるものでない。他の実施例では、入力コネクタ２１４，２１５を介し供給される電圧レベルと、検出端子２２５，２２６を介し供給される電圧レベルとが異なる電圧レベルとなるように、電源部１００ｈが構成され、充電条件入力回路２２４は、これらの電圧レベルを検出し、電圧レベルの相違に基づき充電種別を判断するようにしてもよい（電圧レベルベースの検出）。例えば、受電側ワイアレス電源２１３において生成される電圧レベルを５．５Ｖなどに設定し、ＡＣアダプタ２１１により供給される５Ｖと異なる電圧レベルとなるようにしてもよい。この場合、充電条件入力回路２２４は、５Ｖと５．５Ｖの何れの電圧が印加されたか判断し、５Ｖである場合には移動機１００がＡＣアダプタ２１１に接続されたと判断し、５．５Ｖである場合には移動機１００が送電側ワイアレス電源２１２に接近したと判断する。一般に、ＡＣアダプタ２１１の電圧レベルは規格などにより５Ｖに固定されている場合が多いが、受電側ワイアレス電源２１３により生成される電圧レベルは充電回路において任意に変更可能である。このため、受電側ワイアレス電源２１３の出力電圧レベルを調整するようにしてもよい。ただし、電流・電圧変換回路２０２が必要とする入力電圧が一般的に４．５〜６．０Ｖ程度であるため、この範囲内の電圧レベルで変更されるようにしてもよい。

本実施例では、充電条件入力回路２２４は、ＡＣアダプタ２１１に接続されたか、又は送電側ワイアレス電源２１２に接近したかに応じて所定の電流値Ｉａを設定している。他の実施例では、図７に示された実施例と同様に、移動機１００のディスプレイ１００ｇに充電条件入力画面を表示し、ユーザに充電機器以外の充電方法などの他の充電条件を選択させるようにしてもよい。この場合、充電条件入力回路２２４は、図９に示されるような充電条件と電流値Ｉａとの対応関係を示すテーブルを参照して、入力コネクタ２１４，２１５及び検出端子２２５，２２６を介し検知した充電機器と、ユーザにより選択された充電方法（急速充電又は通常充電）とに対応した電流値を設定するようにしてもよい。さらに、充電条件入力回路２２４は、充電時刻を考慮して電流値をより詳細に設定するようにしてもよい。具体的には、充電条件入力回路２２４は、移動機１００がＡＣアダプタ２１１に接続されたか、又は送電側ワイアレス電源２１２に接近したか検出すると共に、充電条件入力画面などを介しユーザにより指示された充電条件を受け付け、検出結果と受け付けた充電条件との両方を考慮して充電電流値を決定するようにしてもよい。例えば、充電条件入力回路２２４が、ＡＣアダプタ２１１の接続を検出すると、図８に示される充電条件入力画面の「充電機器」の「ＡＣアダプタ」を予め選択済みとして表示し、ユーザに充電方法のみを選択させるようにしてもよい。同様に、充電条件入力回路２２４が、送電側ワイアレス電源２１２への接近を検出すると、図８に示される充電条件入力画面の「充電機器」の「ワイアレス」を予め選択済みとして表示し、ユーザに充電方法のみを選択させるようにしてもよい。さらに、必要に応じて充電方法以外の他の充電条件（時刻、時間放電率など）を入力させるようにしてもよい。充電条件入力回路２２４は、図９に示される所定の充電条件と充電電流との対応関係を規定した対応情報に基づき、検出又は選択された充電条件の組み合わせに対応する充電電流値を決定するようにしてもよい。

なお、上述した実施例では、演算関数回路２２３と充電条件入力回路２２４は、ハードウェア回路により実現されているが、本発明はこれに限定されるものでない。他の実施例では、演算関数回路２２３と充電条件入力回路２２４と同様の機能を有するプログラムをＲＯＭ１００ｃなどの記憶手段に格納し、これをＣＰＵ１００ａが実行することによって、ソフトウェアにより実現することも可能である。

ここで、図１５を参照して、上述した実施例に用いられる送信側ワイアレス電源２１２と受信側ワイアレス電源２１３の構成がより詳細に説明される。図１５では、送信側ワイアレス電源２１２と受信側ワイアレス電源２１３について説明するが、上述した送信側ワイアレス電源１１２と受信側ワイアレス電源１１３もまた同様の構成を有することができる。図１５は、図１４及び１６のワイアレス電源を詳細に示す。

図示されるように、送電側ワイアレス電源２１２は、高周波回路２１２ａと送電コイル２１２ｂとを有し、商用電力を供給可能な外部電源などに接続される。他方、受電側ワイアレス電源２１３は、整流回路２１３ａと受電コイル２１３ｂとを有し、直流電流を出力する。送電側ワイアレス電源２１２と受電側ワイアレス電源２１３とを空間的に接近させると、送電コイル２１２ｂから生成された交流磁束によるエネルギーが受電コイル２１３ｂに伝送され、エネルギー伝送された受電コイル２１３ｂから交流電流が発生する。発生した交流電流は整流回路２１３ａに送出され、直流電流に変換される。携帯電話などにワイアレス電源を適用する場合、典型的には、直径が５ｃｍ程度の平型の送電コイルと受電コイルが使われる。送電できる電力としては、パワー５Ｗ〜３０Ｗ程度まで送電することが可能となる。

図１７は、上述した実施例による充電制御を利用した場合の具体的な数値例を示す。図１７に示される例では、急速充電に適したワイアレス電源（無線充電）と通常充電に適したＡＣアダプタ（有線充電）がそれぞれ移動機１００に接続又は接近され、これを上述した通電端子ベースの検出によりワイアレス電源に接近したか、又はＡＣアダプタに接続されたか判断するケースが示される。本例では、電池容量が８００ｍｈＡのリチウムイオン電池が充電されるケースが想定される。また、図１３の組み合わせＯＫ領域に含まれるＶａ＝（−０．０５）Ｉａ+４．２５の関数が用いられ、ＡＣアダプタなどの有線充電が設定された場合の充電電流値を１Ｃとし、ワイアレス充電が設定された場合の充電電流値を３Ｃとして、両方の電流値を異なる値とすることに入力電源に適した充電条件を実現している。なお、Ｉａが１Ｃの場合は充電時間は約６０分（８００ｍｈＡの二次電池：１Ｃ＝８００ｍＡのとき）程度であるが、Ｉａ＝３Ｃ（３Ｃ＝２４００ｍＡ）の場合は充電時間は約２０分程度となる。

図１７において、移動機１００にＡＣアダプタ２１１が接続された場合、図１６に示される入力コネクタ２１３，２１４が通電状態となって、充電条件入力回路２２４は、Ｖｃ＝Ｈｉｇｈ（５Ｖ）を検知し、有線充電が開始されると判断する（ケース（1））。従って、充電条件入力回路２２４は、上記設定に基づき充電電流値を１Ｃに設定し（Ｉａ＝１Ｃ）、演算関数回路２２３にこれを提供する。演算関数回路２２３は、上記関数に基づき、受信した充電電流値Ｉａ＝１Ｃから上限電圧Ｖａ＝４．２Ｖを取得し、Ｉａ及びＶａを電流・電圧変換回路２０２に提供する。受け付けたＩａ及びＶａに従って、電流・電圧変換回路２０２は、二次電池２０１に定電流定電圧充電を実行する。Ｉａ＝１Ｃの場合、上述したように約６０分で充電が完了する。他方、移動機１００に送電側ワイアレス電源２１２が接近された場合、図１４に示される検出端子２２５，２２６が通電状態となって、充電条件入力回路２２４は、Ｖｗ＝Ｈｉｇｈ（５Ｖ）を検知し、無線充電が開始されると判断する（ケース（2））。従って、充電条件入力回路２２４は、上記設定に基づき充電電流値を３Ｃに設定し（Ｉａ＝３Ｃ）、演算関数回路２２３にこれを提供する。演算関数回路２２３は、上記関数に基づき、受信した充電電流値Ｉａ＝３Ｃから上限電圧Ｖａ＝４．１Ｖを取得し、Ｉａ及びＶａを電流・電圧変換回路２０２に提供する。受け付けたＩａ及びＶａに従って、電流・電圧変換回路２０２は、二次電池２０１に定電流定電圧充電を実行する。Ｉａ＝３Ｃの場合、上述したように約２０分で充電が完了する。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１００ 移動機
１０１，２０１ 二次電池
１０２，２０２ 電流・電圧変換回路
１２３，２２３ 演算関数回路
１２４，２２４ 充電条件入力回路

Claims (9)

1. 二次電池を定電流定電圧方式により充電する充電回路であって、
   各充電条件に対応して、定電流充電のための充電電流値を決定する充電条件入力部と、
   所定の方法で規定した各充電電流値に対応する上限電圧値に基づき、前記決定された充電電流値から定電圧充電のための上限電圧値を決定する演算関数部と、
   を有し、
   前記充電条件入力部は、外部電源から当該充電回路に供給される入力電圧レベルを検出し、前記検出された入力電圧レベルに応じて前記充電電流値を決定する充電回路。
2. 前記演算関数部は、所定の線形関数Ｖａ＝αＩａ＋βに基づき、前記決定された充電電流値（Ｉａ）から前記上限電圧値（Ｖａ）を決定し、
   前記パラメータα及びβは、前記二次電池が安全に充電できる前記充電電流値（Ｉａ）と前記上限電圧値（Ｖａ）との組み合わせを前記線形関数が導出するよう設定される、請求項１記載の充電回路。
3. 前記充電条件は、時間放電率、外部電源の種別、充電方法の種別及び充電時刻の少なくとも１つを含む、請求項１又は２記載の充電回路。
4. 前記充電条件入力部は、外部から前記充電条件を受け付け、各充電条件と該充電条件に対応する前記充電電流値との対応情報を参照して、前記受け付けた充電条件に対応する前記充電電流値を決定する、請求項３記載の充電回路。
5. 前記充電条件入力部は、前記検出された入力電圧レベルから、前記外部電源が有線充電電源か無線充電電源か判定し、前記判定結果に応じて前記充電電流値を決定する、請求項１記載の充電回路。
6. 前記充電条件入力部は、前記外部電源が無線充電電源であると判定すると、前記外部電源が有線充電電源である場合より大きな値となるよう前記充電電流値を決定する、請求項５記載の充電回路。
7. 請求項１乃至６何れか一項記載の充電回路を有する移動機。
8. 前記充電条件をユーザが入力するためのユーザインタフェース部をさらに有する、請求項７記載の移動機。
9. 二次電池を定電流定電圧方式により充電する充電回路における方法であって、
   各充電条件に対応して、定電流充電のための充電電流値を決定するステップと、
   所定の方法で規定した各充電電流値に対応する上限電圧値に基づき、前記決定された充電電流値から定電圧充電のための上限電圧値を決定するステップと、
   前記決定された充電電流値と上限電圧値とを用いて前記定電流定電圧方式により前記二次電池を充電するステップと、
   を有し、
   前記充電電流値を決定するステップは、外部電源から前記充電回路に供給される入力電圧レベルを検出し、前記検出された入力電圧レベルに応じて前記充電電流値を決定する方法。

Images