JP5381534B2

JP5381534B2 - 二次電池の充電回路

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Publication number: JP5381534B2
Application number: JP2009211336A
Authority: JP
Inventors: 邦彰荒井
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-09-14
Also published as: JP2011062033A

Description

本発明は、携帯型の電子機器などに用いられる二次電池の充電回路に関し、特に、二次電池の充電モードを複数の充電モードのうちの１つの充電モードに選択的に切り換えて充電する二次電池の充電回路に関する。

一般に、二次電池の充電回路は、電池電圧及び充電電流に基づいて充電方法の異なる複数の充電モードのうちの１つの充電モードに切り換えて二次電池を充電する。例えば、一般に、リチウムイオン蓄電池は、充電回路によって以下の充電モードで充電される（例えば、特許文献１参照。）。
（ａ）二次電池電圧が過放電電圧未満の場合に、比較的小さい所定の充電電流で充電するプリ充電モード（一般に、予備充電モードともいう。）。
（ｂ）プリ充電モードにおいて充電中に二次電池電圧が過放電電圧以上に到達したときに、所定の大電流による定電流で充電を行なう定電流充電モード。
（ｃ）定電流充電モードにおいて定電流充電中に二次電池電圧が満充電電圧に到達したときに、所定の定電圧で充電を行なう定電圧充電モード。
（ｄ）定電圧充電モードにおいて定電圧充電中に充電電流が所定の充電電流未満になり、充電完了信号を外部装置に出力した後に、所定の方法で補充電を行なう補充電モード。

これらの充電モードのうち選択された１つの充電モードで充電を行なっている場合に、当該選択された充電モードを正常に停止させて他の充電モードに切り換えることができないことがある。例えば、二次電池が内部で短絡している場合は、プリ充電モードでの充電を行なっても、二次電池の電圧は過放電電圧まで上昇することはないので、プリ充電モードを停止させて定電圧充電モードに移行できない。また、劣化や不具合のある二次電池の場合は、定電流充電や定電圧充電を行なっている場合でも、充電開始から目標の電圧値や電流値に到達するまでの時間が通常より長くかかってしまう。

このように、異常な二次電池を充電した場合にはいつまで経っても充電が終了しないことになる。従って、充電中の二次電池が発熱したり、発火したり、最悪の場合は爆発するといった事態も予想される。従って、一般に、各充電モードにおける最長の充電時間を予め設定しておき、最長の充電時間が経過しても他の充電モードに移行しなかったり、充電が完了しなかったりしたときには充電を停止するための安全対策がとられている。

例えば、特許文献２に開示されている電子機器におけるバッテリ充電制御方法は、大電流での急速充電モードと小電流での通常充電モードを少なくとも有し、前記充電モードの切替えの判定要素の少なくとも一つとしてタイマカウンタを用いる電子機器におけるバッテリ充電制御方法において、バッテリの装着時または電源入力時、充電を開始する際に前記バッテリの端子電圧が充電を必要とする空充電レベルにあるか否かを検出し、検出した端子電圧が空充電レベルにあるときには前記急速充電モードで所定期間充電を開始するように設定し、また検出した端子電圧が空充電レベルにないときには前記通常充電モードで充電を開始するように設定する設定ステップを有することを特徴としている。

しかしながら、一般に、各充電モードの最長の充電時間は互いに異なるので、特許文献２に記載のバッテリ充電制御方法では、充電モード毎に当該充電モードの最長の充電時間を設定するためのタイマカウンタ回路が必要となる。従って、充電回路の回路規模が大きくなり効率が悪いという課題があった。また、タイマカウンタ回路を１つだけ設け、各充電モードの開始時にタイマカウンタ回路の計数値をプリセットする方法も考えられる。しかしながら、この場合、各充電モード毎にタイマカウンタ回路の計数値をプリセットするためのＣＰＵ（Central Processing Unit）などの制御回路が必要となり、やはり回路規模が大きくなってしまうという課題があった。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して小さい回路規模を有し、かつ各充電モードを正常に停止させることができる二次電池の充電回路を提供することにある。

本発明に係る充電回路は、異なる充電モードを示す複数の充電モード信号から選択された１つの充電モード信号に応答して、対応する選択された充電モードで二次電池を充電するように制御する二次電池の充電回路において、上記充電モード信号に応答して、所定のパルス長を有するリセット信号を発生するリセット信号発生回路と、クロック信号を発生する発振回路と、上記リセット信号に応答してリセットされた後に、上記クロック信号を計数して当該計数値を示す計数信号を出力するカウンタ回路と、上記計数値が上記選択された充電モードに対応して予め決められた最長の充電期間長に対応する所定の計数値になったときに、上記計数信号及び上記充電モード信号に基づいて、上記選択された充電モードを停止させるための停止信号を発生するデコーダ回路とを備えたことを特徴とする。

上記二次電池の充電回路において、上記リセット信号発生回路は、上記複数の充電モード信号に対応して設けられ、上記選択された充電モード信号を、対応する充電モードの開始時に上記パルス長と等しい遅延時間だけ遅延させて出力する一方、上記選択されていない充電モード信号をそのまま出力する複数の遅延回路と、上記各遅延回路からの複数の充電モード信号に対して排他的論理和演算を行い、当該演算結果の信号を上記リセット信号として出力するノア回路とを備えたことを特徴とする。

また、上記二次電池の充電回路において、上記各充電モード信号は、上記各充電モードで上記二次電池を充電することを示す第１のレベルと、上記各充電モードで上記二次電池を充電しないことを示す第２のレベルとを有し、上記各遅延回路は、入力される充電モード信号のレベルが上記第２のレベルから上記第１のレベルに変化したときに積分を開始した後その出力電圧を出力し、上記積分の開始から上記遅延時間だけ経過したときに上記積分の出力電圧が所定のしきい値レベルとなるように設定された積分回路と、上記積分の出力電圧が上記しきい値電圧以上のとき、上記第１のレベルを有する遅延された充電モード信号を発生する信号発生回路とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る二次電池の充電回路によれば、異なる充電モードを示す複数の充電モード信号から選択された１つの充電モード信号に応答して、対応する選択された充電モードで二次電池を充電するように制御する二次電池の充電回路において、上記充電モード信号に応答して、所定のパルス長を有するリセット信号を発生するリセット信号発生回路と、クロック信号を発生する発振回路と、上記リセット信号に応答してリセットされた後に、上記クロック信号を計数して当該計数値を示す計数信号を出力するカウンタ回路と、上記計数値が上記選択された充電モードに対応して予め決められた最長の充電期間長に対応する所定の計数値になったときに、上記計数信号及び上記充電モード信号に基づいて、上記選択された充電モードを停止させるための停止信号を発生するデコーダ回路とを備える。従って、選択された充電モードの期間長を１つのカウンタ回路を用いて計測でき、充電モード毎に所定の最長の充電期間長が経過したときに停止信号を発生できる。このため、ＣＰＵなどの制御回路を用いることなく、従来技術に比較して小さい回路規模の充電回路を用いて、二次電池に異常があるときにも各充電モードでの充電を正常に停止できる。

本発明の実施形態に係る充電回路１０を備えた二次電池１の充電装置２の構成を示すブロック図である。図１の停止信号発生回路７の回路図である。二次電池１が正常であるときの、図１の充電回路１０の動作の一例を示すタイミングチャートである。二次電池１に異常があるときの、図１の充電回路１０の動作の一例を示すタイミングチャートである。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

実施形態．
図１は、本発明の実施形態に係る充電回路１０を備えた二次電池１の充電装置２の構成を示すブロック図であり、図２は、図１の停止信号発生回路７の回路図である。また、図３は、二次電池１が正常であるときの、図１の充電回路１０の動作の一例を示すタイミングチャートであり、図４は、二次電池１に異常があるときの、図１の充電回路１０の動作の一例を示すタイミングチャートである。

図１において、二次電池１の充電装置２は、リチウムイオン蓄電池にてなる二次電池１に直列に接続されて二次電池１を充電するための電力を二次電池１に供給する充電電源３と、二次電池１の電圧を検出する電圧検出回路４と、二次電池１に流れる電流を検出する電流検出回路５と、充電モード信号発生回路６及び停止信号発生回路７を備え二次電池１の電圧及び電流に基づいて充電電源３の動作を制御する充電回路１０とを備えて構成される。ここで、電圧検出回路４は、二次電池１の正極及び負極間に直列に接続された２つの抵抗（図示せず。）を備え、これらの２つの抵抗の接続点の電圧に基づいて二次電池１の電圧を検出して充電モード信号発生回路６に出力する。また、電流検出回路５は、二次電池１に直列に接続された抵抗（図示せず。）を備え、この抵抗に流れる電流を検出して充電モード信号発生回路６に出力する。

図１において、充電回路１０は、詳細後述するようにプリ充電モード信号Ｓ６ａ、急速充電モード信号Ｓ６ｂ、補充電モード信号Ｓ６ｃ及び定電流定電圧切り換え制御信号Ｓ６ｄを発生して充電電源３に出力することにより、プリ充電モード、急速充電モード（定電流充電モード及び定電圧充電モードを含む。）及び補充電モードのうちの１つの充電モードで二次電池１を充電するように充電電源３を制御する。

詳細後述するように、本実施形態に係る充電回路１０は、プリ充電モード、急速充電モード及び補充電モードをそれぞれ示すプリ充電モード信号Ｓ６ａ、急速充電モード信号Ｓ６ｂ及び補充電モード信号Ｓ６ｃから選択された１つの充電モード信号に応答して、対応する選択された充電モードで二次電池１を充電するように制御する二次電池１の充電回路において、プリ充電モード信号Ｓ６ａ、急速充電モード信号Ｓ６ｂ及び補充電モード信号Ｓ６ｃに応答して、所定のパルス長Ｔｄを有するリセット信号ＲＳＴを発生するリセット信号発生回路９０と、クロック信号を発生する発振回路１２と、リセット信号ＲＳＴに応答してリセットされた後に、上記クロック信号を計数して当該計数値を示す計数信号を出力するカウンタ回路１１と、上記計数値が上記選択された充電モードに対応して予め決められた最長の充電期間長に対応する所定の計数値になったときに、上記計数信号及びプリ充電モード信号Ｓ６ａ、急速充電モード信号Ｓ６ｂ及び補充電モード信号Ｓ６ｃに基づいて、上記選択された充電モードを停止させるためのプリ充電停止信号Ｓ７ａ、急速充電停止信号Ｓ７ｂ及び補充電終了信号Ｓ７ｃを発生するデコーダ回路４０とを備えたことを特徴としている。

ここで、プリ充電モードとは、二次電池１の電圧が所定の過放電電圧(例えば、３Ｖである。)未満の場合に、過放電電圧を超えるまでは安全のために所定の比較的小さい充電電流で二次電池１を充電するモードである。また、急速充電モードは、プリ充電モードにおいて充電中に二次電池１の電圧が過放電電圧以上に到達したときに、所定の大電流による定電流で二次電池１を充電する定電流充電モードと、定電流充電中に二次電池１の電圧が満充電電圧に到達したときに、所定の定電圧で二次電池１を充電する定電圧充電モードをと含む。さらに、補充電モードは、急速充電モードで定電圧充電中に充電電流が所定の充電電流（例えば、４０ｍＡである。）未満になったときに、充電モード信号発生回路６から充電完了信号Ｓ６ｅを外部装置に出力した後に、二次電池１の電圧及び電流に関係なく所定の補充電期間長Ｔｃの間だけ二次電池１を定電圧充電するモードである。

図１において、充電電源３は、ハイレベルのプリ充電モード信号Ｓ６ａに応答して、所定の比較的小さい充電電流で二次電池１を充電する。また、充電電源３は、ハイレベルの急速充電モード信号Ｓ６ｂに応答して所定の大電流によって二次電池１を定電流充電し、当該定電流充電中にハイレベルの定電流定電圧切り換え制御信号Ｓ６ｄを受信すると、所定の定電圧で二次電池１を充電する。さらに、充電電源３は、ハイレベルの補充電モード信号Ｓ６ｃに応答して、二次電池１を所定の定電圧で補充電する。

図２において、停止信号発生回路７は、リセット信号発生回路９０と、発振回路１２と、カウンタ回路１１と、デコーダ回路４０とを備えて構成される。ここで、リセット信号発生回路９０は、遅延回路８１〜８３と、３入力ノア回路１３とを備えて構成される。さらに、遅延回路８１はインバータ回路２１〜２２と、電流源５１及びコンデンサ６１を備えた積分回路７１と、インバータ回路２３〜２４を備えた信号発生回路９１とを備え、遅延回路８１はインバータ回路２５〜２６と、電流源５２及びコンデンサ６２を備えた積分回路７２と、インバータ回路２７〜２８を備えた信号発生回路９２とを備え、遅延回路８３はインバータ回路２９〜３０と、電流源５３及びコンデンサ６３を備えた積分回路７３と、インバータ回路３１〜３２を備えた信号発生回路９３とを備える。また、デコーダ回路４０は、３入力ナンド回路４１〜４３を備えて構成される。

プリ充電モード信号Ｓ６ａはインバータ回路２１に出力される。インバータ回路２１の出力端子はインバータ回路２２の入力端子に接続されている。インバータ回路２２の電源端子は電流源５１を介して電源端子Ｖｄｄに接続され、出力端子はインバータ回路２３の入力端子に接続されている。また、インバータ回路２２の出力端子と接地端子ＧＮＤとの間にはコンデンサ６１が接続されている。さらに、インバータ回路２３の出力端子はインバータ回路２４の入力端子に接続され、インバータ回路２４の出力端子は３入力ノア回路１３の第１の入力端子と、３入力ナンド回路４１の第１の入力端子に接続されている。

急速充電モード信号Ｓ６ｂはインバータ回路２５に出力される。インバータ回路２５の出力端子はインバータ回路２６の入力端子に接続されている。インバータ回路２６の電源端子は電流源５２を介して電源端子Ｖｄｄに接続され、出力端子はインバータ回路２７の入力端子に接続されている。また、インバータ回路２６の出力端子と接地端子ＧＮＤとの間にはコンデンサ６２が接続されている。さらに、インバータ回路２７の出力端子はインバータ回路２８の入力端子に接続され、インバータ回路２８の出力端子は３入力ノア回路１３の第２の入力端子と、３入力ナンド回路４２の第１の入力端子に接続されている。

補充電モード信号Ｓ６ｃはインバータ回路２９に出力される。インバータ回路２９の出力端子はインバータ回路３０の入力端子に接続されている。インバータ回路３０の電源端子は電流源５３を介して電源端子Ｖｄｄに接続され、出力端子はインバータ回路３１の入力端子に接続されている。また、インバータ回路３０の出力端子と接地端子ＧＮＤとの間にはコンデンサ６３が接続されている。さらに、インバータ回路３１の出力端子はインバータ回路３２の入力端子に接続され、インバータ回路３２の出力端子は３入力ノア回路１３の第３の入力端子と、３入力ナンド回路４３の第１の入力端子に接続されている。

３入力ノア回路１３の出力信号は、リセット信号ＲＳＴとして発振回路１２及びカウンタ回路１１の各リセット入力端子Ｒに出力される。発振回路１２は、ハイレベルのリセット信号ＲＳＴに応答してリセットされて発振を停止する一方、ローレベルのリセット信号ＲＳＴに応答して発振を開始し、パルス形状を有するクロック信号を発生してカウンタ回路１１のクロック入力端子ＣＫに出力する。

また、Ｎビットの計数値を示す計数信号をＮ個のＱ出力端子Ｑ１〜ＱＮ（図２において、Ｑ出力端子Ｑ１０〜Ｑ１３のみを示す。）から出力するカウンタ回路１１は、ハイレベルのリセット信号ＲＳＴに応答してリセットされてローレベルの各信号をＱ出力端子Ｑ１〜ＱＮから出力する。また、カウンタ回路１１は、ローレベルのリセット信号ＲＳＴに応答して、入力されるクロック信号のパルス数を計数し、Ｎビットの計数値の各ビットの値をＱ出力端子Ｑ１〜ＱＮから出力する。本実施形態において、カウンタ回路１１は、上記計数値の１０ビット目の値を示す計数信号をＱ出力端子Ｑ１０から３入力ナンド回路４１の第２の入力端子及び３入力ナンド回路４３の第２の入力端子に出力し、上記計数値の１１ビット目の値を示す計数信号をＱ出力端子Ｑ１１から３入力ナンド回路４２の第２の入力端子に出力し、上記計数値の１２ビット目の値を示す計数信号をＱ出力端子Ｑ１２から３入力ナンド回路４１の第３の入力端子及び３入力ナンド回路４３の第３の入力端子に出力し、上記計数値の１３ビット目の値を示す信号をＱ出力端子Ｑ１３から３入力ナンド回路４２の第３の入力端子に出力する。

３入力ナンド回路４１からの出力信号はプリ充電停止信号Ｓ７ａとして充電モード信号発生回路６に出力され、３入力ナンド回路４２からの出力信号は急速充電停止信号Ｓ７ｂとして充電モード信号発生回路６に出力され、３入力ナンド回路４３からの出力信号は補充電終了信号Ｓ７ｃとして充電モード信号発生回路６に出力される。

プリ充電停止信号Ｓ７ａは、プリ充電モードでの充電の開始から最長プリ充電期間長Ｔａだけ経過しても二次電池１の電圧が過放電電圧に到達しない場合に、二次電池１に異常があると判定してプリ充電を停止させるための信号である。最長プリ充電期間長Ｔａは、インバータ回路２３，２７，３１の出力信号の電圧レベルがローレベルからハイレベルになるまでの遅延時間Ｔｄと、カウンタ回路１１が計数を開始してからカウンタ回路１１のＱ出力端子Ｑ１０及びＱ１２からの出力信号の電圧レベルが共にハイレベルになるまでの時間Ｔａ１との和である（図４参照。）。また、急速充電停止信号Ｓ７ｂは、急速充電中に二次電池１の電圧が満充電電圧に達して定電圧充電に移行し、急速充電モードの開始から最長急速充電期間長Ｔｂだけ経過しても所定の充電電流に到達しない場合に、二次電池１の異常と判定して急速充電を停止させるための信号である。最長急速充電期間長Ｔｂは、上記遅延時間Ｔｄと、カウンタ回路１１が計数を開始してからカウンタ回路１１のＱ出力端子Ｑ１１及びＱ１３からの出力信号の電圧レベルが共にハイレベルになるまでの期間Ｔｂ１との和である（図４参照。）。さらに、補充電終了信号Ｓ７ｃは、補充電モードでの充電を所定の補充電期間長Ｔｃ経過後に停止させるための信号である。補充電期間長Ｔｃは、上記遅延時間Ｔｄと、カウンタ回路１１が計数を開始してからカウンタ回路１１のＱ出力端子Ｑ１０及びＱ１２からの出力信号の電圧レベルが共にハイレベルになるまでの期間Ｔｃ１との和（図４参照。）である。なお、最長プリ充電期間長Ｔａ、最長急速充電期間長Ｔｂ及び補充電期間長Ｔｃは、上述した期間長に限られず、カウンタ回路１１のＱ出力端子Ｑ１〜ＱＮの任意の出力端子からの出力信号を組み合わせることで充電モード毎に互いに異なる所望の最長の期間長に設定することができる。

なお、以上のように構成することにより、充電モード信号Ｓ６ａ〜Ｓ６ｃに対応して設けられた遅延回路８１〜８３は、選択された充電モードに対応する充電モード信号を、選択された充電モードの開始時に遅延時間Ｔｄだけ遅延させて出力する一方、上記選択されていない充電モードに対応する充電モード信号をそのまま出力する。具体的には、遅延回路８１の積分回路６１は、入力されるプリ充電モード信号Ｓ６ａの電圧レベルが、プリ充電モードで二次電池１を充電しないことを示すローレベルからプリ充電モードで二次電池１を充電することを示すハイレベルに変化したときに積分を開始した後、その出力電圧を示す信号Ａ１を出力する。ここで、積分回路６１のコンデンサ６１の容量値は、上記積分の開始から遅延時間Ｔｄだけ経過したときに上記積分の出力電圧が後段のインバータ回路２３の入力しきい値電圧Ｖｔｈとなるように設定されている。さらに、信号発生回路９１は、積分回路７１から出力された信号Ａ１の電圧レベルが入力しきい値電圧Ｖｔｈ以上のとき、遅延時間Ｔｄだけ遅延されたハイレベルのプリ充電モード信号である信号Ａ２を発生する。なお、積分回路６２及び６３はそれぞれ、積分回路６１と同様に構成されている。

次に、図３を参照して、二次電池１が正常であるときの、図１の充電回路１０の動作を説明する。なお、図３及び図４において、信号Ａ１はインバータ回路２２の出力信号であり、信号Ａ２はインバータ回路２４の出力信号であり、信号Ｂ１はインバータ回路２６の出力信号であり、信号Ｂ２はインバータ回路２８の出力信号であり、信号Ｃ１はインバータ回路３０の出力信号であり、信号Ｃ２はインバータ回路３２の出力信号である。

図３において、充電開始のタイミングｔ１以前は、充電モード信号発生回路６は、ローレベルの充電モード信号Ｓ６ａ〜Ｓ６ｃを出力している。このため、信号Ａ２、信号Ｂ２、信号Ｃ２の各電圧レベルはローレベルであり、ハイレベルのリセット信号ＲＳＴが出力されている。また、３入力ナンド回路４１〜４３はそれぞれ、ハイレベルのプリ充電停止信号Ｓ７ａ、急速充電停止信号Ｓ７ｂ及び補充電終了信号Ｓ７ｃを出力している。さらに、ローレベルのリセット信号ＲＳＴに応答して、発振回路１２は停止しており、カウンタ回路１１はリセットされ、ローレベルの各出力信号をＱ出力端子Ｑ１〜ＱＮから出力している。

タイミングｔ１において、充電モード信号発生回路６は、ハイレベルのプリ充電モード信号Ｓ６ａを発生して充電電源３及び停止信号発生回路７に出力する。これに応答して、充電電源３は二次電池１のプリ充電を開始する。また、ハイレベルのプリ充電モード信号Ｓ６ａに応答して、インバータ回路２１はローレベルの信号をインバータ回路２２に出力する。ここで、インバータ回路２２の電源端子には電流源５１が接続されているため、インバータ回路２２からの出力電流が制限されている。従って、インバータ回路２２の出力端子に接続されているコンデンサ６１を直ちに充電することができず、信号Ａ１の電圧レベルは所定の遅延時間Ｔｄだけかけてインバータ回路２３の入力しきい値電圧Ｖｔｈまで上昇する。

タイミングｔ２において信号Ａ１の電圧レベルがインバータ回路２３の入力しきい値電圧Ｖｔｈに達すると、インバータ回路２３からの出力信号の電圧レベルが反転してローレベルとなる。するとインバータ回路２４からの出力信号の電圧レベルも反転し、プリ充電モード信号Ｓ６ａを遅延時間Ｔｄだけ遅延させたハイレベルの信号Ａ２が発生される。これに応答して、３入力ノア回路１３はローレベルのリセット信号ＲＳＴを発生する。これに応答して、発振回路１２は発振を開始し、カウンタ回路１１は発振回路１２から出力されるクロック信号の計数を開始する。

二次電池１が正常の場合は、タイミングｔ１から最長プリ充電期間長Ｔａだけ経過する前（カウンタ回路１１の計数の開始タイミングｔ２から期間長Ｔａ１だけ経過する前）のタイミングｔ３において、二次電池１の電圧が過放電電圧に達したことを示すプリ充電終了信号が電圧検出回路４から充電モード信号発生回路６に出力される。これに応答して、充電モード信号発生回路６はローレベルのプリ充電モード信号Ｓ６ａを充電電源３及び停止信号発生回路７に出力し、充電電源３はプリ充電モードを終了する。従って、プリ充電停止信号Ｓ７ａの電圧レベルはハイレベルのままである。

タイミングｔ３においてプリ充電モード信号Ｓ６ａの電圧レベルがローレベルになると、インバータ回路２２からの出力信号Ａ１の電圧レベルはローレベルになる。このときは、インバータ回路２２のシンク電流は電流制限されず、コンデンサ６１の電荷を瞬時に放電することができるので、信号Ａ１と信号Ａ２の各電圧レベルはタイミングｔ３において直ちにローレベルとなる。

さらに、タイミングｔ３において、充電モード信号発生回路６はハイレベルの急速充電モード信号Ｓ６ｂを発生して充電電源３及び停止信号発生回路７に出力する。これに応答して、充電電源３は二次電池１の定電流充電を開始する。また、ハイレベルの急速充電モード信号Ｓ６ｂに応答して、インバータ回路２５はローレベルの信号をインバータ回路２６に出力する。ここで、インバータ回路２６の電源端子には電流源５２が接続されているため、インバータ回路２６からの出力電流が制限されている。従って、インバータ回路２６の出力端子に接続されているコンデンサ６２を直ちに充電することができず、信号Ｂ１の電圧レベルは所定の遅延時間Ｔｄだけかけてインバータ回路２７の入力しきい値電圧Ｖｔｈまで上昇する。

タイミングｔ４において信号Ｂ１の電圧レベルがインバータ回路２７の入力しきい値電圧Ｖｔｈに達すると、インバータ回路２７からの出力信号の電圧レベルが反転してローレベルとなる。するとインバータ回路２８からの出力信号の電圧レベルも反転して信号Ｂ２の電圧レベルはハイレベルとなる。これにより、急速充電モード信号Ｓ６ｂを遅延時間Ｔｄだけ遅延させた信号Ｂ２が発生される。これに応答して、３入力ノア回路１３はローレベルのリセット信号ＲＳＴを発生する。これに応答して、発振回路１２は発振を開始し、カウンタ回路１１は発振回路１２から出力されるクロック信号の計数を開始する。

充電モード信号発生回路６は、定電流充電中に二次電池１の電圧が満充電電圧に到達したことを検出すると、ハイレベルの定電流定電圧切り換え制御信号Ｓ６ｄを充電電源３に出力する。これに応答して、充電電源３は定電圧充電モードでの充電を開始する。

二次電池１が正常の場合は、タイミングｔ３から最長急速充電期間長Ｔｂだけ経過する前（カウンタ回路１１計数の開始タイミングｔ４から期間長Ｔｂ１だけ経過する前）のタイミングｔ５において、充電モード信号発生回路６は、充電電流が所定の充電電流未満になったことを検出し、ローレベルの急速充電モード信号Ｓ６ｂを発生して充電電源３及び停止信号発生回路７に出力する。これに応答して、充電電源３は急速充電モードの定電圧充電モードでの充電を終了する。従って、急速充電停止信号Ｓ７ｂの電圧レベルはハイレベルのままである。

タイミングｔ５において、急速充電モード信号Ｓ６ｂの電圧レベルがローレベルになると、インバータ回路２６からの出力信号Ｂ１の電圧レベルはローレベルになる。このときは、インバータ回路２６のシンク電流は電流制限されず、コンデンサ６２の電荷を瞬時に放電することができるので、信号Ｂ１と信号Ｂ２の各電圧レベルはタイミングｔ５において直ちにローレベルとなる。

さらに、タイミングｔ５において、充電モード信号発生回路６はハイレベルの補充電モード信号Ｓ６ｃを発生して充電電源３及び停止信号発生回路７に出力する。これに応答して、充電電源３は二次電池１の補充電を開始する。また、ハイレベルの補充電モード信号Ｓ６ｃに応答して、インバータ回路２９はローレベルの信号をインバータ回路３０に出力する。ここで、インバータ回路３０の電源端子には電流源５３が接続されているため、インバータ回路３０からの出力電流が制限されている。従って、インバータ回路３０の出力端子に接続されているコンデンサ６３を直ちに充電することができず、信号Ｃ１の電圧レベルは所定の遅延時間Ｔｄだけかけてインバータ回路３１の入力しきい値電圧Ｖｔｈまで上昇する。

タイミングｔ６において信号Ｃ１の電圧レベルがインバータ回路３１の入力しきい値電圧Ｖｔｈに達すると、インバータ回路３１からの出力信号の電圧レベルが反転してローレベルとなる。するとインバータ回路３２からの出力信号の電圧レベルも反転して信号Ｃ２はハイレベルとなる。これにより、補充電モード信号Ｓ６ｂを遅延時間Ｔｄだけ遅延させた信号Ｃ２が発生される。これに応答して、３入力ノア回路１３はローレベルのリセット信号ＲＳＴを発生する。これに応答して、発振回路１２は発振を開始し、カウンタ回路１１は発振回路１２から出力されるクロック信号の計数を開始する。

充電モード信号発生回路６は、ハイレベルの補充電終了信号Ｓ７ｃに応答して補充電モードを終了させるように充電電源３を制御する。このために、二次電池１が正常であるか異常であるかに関係なく、カウンタ回路１１のＱ出力端子Ｑ１０及びＱ１２からの各出力信号の電圧レベルが共にハイレベルになるまで、カウンタ回路１１は計数動作を行なう。

タイミングｔ７において、Ｑ出力端子Ｑ１０及びＱ１２からの各出力信号の電圧レベルが共にハイレベルになると、補充電終了信号Ｓ７ｃの電圧レベルがローレベルとなる。これに応答して、充電モード信号発生回路６は、ローレベルの補充電モード信号Ｓ６ｃを発生して充電電源３及び停止信号発生回路７に出力する。これに応答して、充電電源３は補充電を終了する。また、信号Ｃ１及び信号Ｃ２の各電圧レベルもタイミングｔ７において直ちにローレベルとなる。すると、３入力ノア回路１３からのリセット信号ＲＳＴの電圧レベルはハイレベルとなるので、発振回路１２は停止し、カウンタ回路１１のＱ出力端子Ｑ１〜ＱＮからの各出力信号の電圧レベルはローレベルにリセットされる。その結果、補充電終了信号Ｓ７ｃの電圧レベルはタイミングｔ７の直後のタイミングにおいてハイレベルに戻る。これにより、二次電池１の充電が完了する。

以上詳述したように、本実施形態によれば、各充電モード信号Ｓ６ａ，Ｓ６ｂ，Ｓ６ｃの立ち上がり時にパルス長Ｔｄを有するリセット信号ＲＳＴを発生して発振回路１２及びカウウンタ回路１１をリセットするようにしたので、ＣＰＵなどの特別な制御回路が不要であり、しかも１つのカウンタ回路１１を用いて充電モード毎に所望の互いに異なる最長の充電期間長Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃを設定できる。

次に、図４を参照して、二次電池１に異常があるときの、図１の充電回路１０の動作を説明する。なお、図４において、タイミングｔ１，ｔ３，ｔ５〜ｔ７における各動作は図３のタイミングｔ１，ｔ３，ｔ５〜ｔ７における各動作と同一であり、説明を省略する。

二次電池１に不具合があると、プリ充電モードで充電中の二次電池１の電圧は過放電電圧に達しない。このとき、タイミングｔ１から最長プリ充電期間長Ｔａだけ経過した（カウンタ回路１１の動作開始タイミングｔ２から期間Ｔａ１だけ経過した）タイミングｔ１３で、カウンタ回路１１のＱ出力端子Ｑ１０及びＱ１２からの各出力信号の電圧レベルがハイレベルとなる。これに応答して、３入力ナンド回路４１への全ての入力信号の電圧レベルがハイレベルとなるので、ローレベルのプリ充電停止信号Ｓ７ａが発生される。これに応答して、充電モード信号発生回路６は、ローレベルのプリ充電モード信号Ｓ６ａを発生して充電電源３及び停止信号発生回路７に出力する。これに応答して充電電源３はプリ充電を停止する。また、信号Ａ１及び信号Ａ２の各電圧レベルもローレベルに戻るので、ハイレベルのリセット信号ＲＳＴが発生される。これに応答して、発振回路１２及びカウンタ回路１１はリセットされ、カウンタ回路１１のＱ出端子力Ｑ１〜ＱＮからの各出力信号の電圧レベルはローレベルに戻り、３入力ナンド回路４１からのプリ充電停止信号Ｓ７ａの電圧レベルはハイレベルに戻る。この状態で二次電池１のプリ充電は終了する。

プリ充電が正常に終了して急速充電モードに移行した後に、二次電池１の劣化又は不具合によって急速充電に時間がかかり、タイミングｔ３から最長急速充電期間長Ｔｂだけ経過すると（カウンタ回路１１の動作開始タイミングｔ４から期間Ｔｂ１だけ経過すると）、タイミングｔ１５において、カウンタ回路１１のＱ出力端子Ｑ１１及びＱ１３からの各出力信号の電圧レベルがハイレベルになる。これに応答して、３入力ナンド回路４２はローレベルの急速充電停止信号Ｓ７ｂを発生して充電モード信号発生回路６に出力する。これに応答して、充電モード信号発生回路６はローレベルの急速充電モード信号Ｓ６ｂを発生して充電電源３及び停止信号発生回路７に出力する。これに応答して、充電電源３は急速受電を終了する。また、信号Ｂ１及び信号Ｂ２の各電圧レベルもローレベルに戻るので、ハイレベルのリセット信号ＲＳＴが発生される。これに応答して、発振回路１２及びカウンタ回路１１はリセットされ、カウンタ回路１１のＱ出端子力Ｑ１〜ＱＮからの各出力信号の電圧レベルはローレベルに戻り、３入力ナンド回路４２からの急速充電停止信号Ｓ７ｂの電圧レベルはハイレベルに戻る。この状態で二次電池１の急速充電は終了する。

以上詳述したように、本実施形態によれば、二次電池１に不具合に起因して、二次電池１の電圧又は電流に基づいて各充電モードを停止することができないときには、停止信号発生回路７からの各充電停止信号Ｓ７ａ，Ｓ７ｂ，Ｓ７ｃを用いて各充電モードによる充電を正常に停止できる。このとき、リセット信号ＲＳＴは各充電モード信号Ｓ６ａ，Ｓ６ｂ，Ｓ６ｃの立ち上がりタイミングｔ１，ｔ３，ｔ５に基づいて発生されるので、ＣＰＵなどの特別な制御回路が不要であり、従来技術に比較して充電回路１０を簡素化できる。

また、各充電モードの開始時に、パルス幅Ｔｄを有するリセット信号ＲＳＴを発生するので、発振回路１２及びカウンタ回路１１をパルス幅Ｔｄの期間以内に確実にリセットできる。

なお、上記実施形態では急速充電モードを１つの充電モードして扱ったが、本発明はこれに限られず、急速充電モードに含まれる定電流充電モード及び定電圧充電モードの各最長充電期間長を設定してもよく、プリ充電モード、急速充電モード及び補充電モード以外の充電モードを追加してもかまわない。Ｍ個の充電モードがある場合には、３入力ノア回路１３をＭ入力ノア回路に置き換え、Ｍ入力ノア回路の前段にインバータ回路２１からインバータ回路２４までの回路と同様のＭ個の回路を設け、３入力ナンド回路４１〜４３に代えて所定の入力端子をそれぞれ有するＭ個のナンド回路を設ける。

また、上記実施形態において各信号の電圧レベルを用いたが、本発明はこれに限られず、各信号の信号レベルなどのレベルを用いてもよい。

さらに、上記実施形態において二次電池１はリチウムイオン蓄電池であったが、本発明はこれに限られず、ニッケルカドミウム蓄電池又はニッケル水素蓄電池などの他の二次電池であってもよい。

以上詳述したように、本発明に係る二次電池の充電回路によれば、異なる充電モードを示す複数の充電モード信号から選択された１つの充電モード信号に応答して、対応する選択された充電モードで二次電池を充電するように制御する二次電池の充電回路において、上記充電モード信号に応答して、所定のパルス長を有するリセット信号を発生するリセット信号発生回路と、クロック信号を発生する発振回路と、上記リセット信号に応答してリセットされた後に、上記クロック信号を計数して当該計数値を示す計数信号を出力するカウンタ回路と、上記計数値が上記選択された充電モードに対応して予め決められた最長の充電期間長に対応する所定の計数値になったときに、上記計数信号及び上記充電モード信号に基づいて、上記選択された充電モードを停止させるための停止信号を発生するデコーダ回路とを備える。従って、選択された充電モードの期間長を１つのカウンタ回路を用いて計測でき、充電モード毎に所定の最長の充電期間長が経過したときに停止信号を発生できる。このため、ＣＰＵなどの制御回路を用いることなく、従来技術に比較して小さい回路規模の充電回路を用いて、二次電池に異常があるときにも各充電モードでの充電を正常に停止できる。

１…二次電池、
２…充電装置、
３…充電電源、
４…電圧検出回路、
５…電流検出回路、
６…充電モード信号発生回路、
７…停止信号発生回路、
１０…充電回路、
１１…カウンタ回路、
１２…発振回路、
４０…デコーダ回路、
７１〜７３…積分回路、
８１〜８３…遅延回路、
９０…リセット信号発生回路、
９１〜９３…信号発生回路。

特開２００７−３２９９９７号公報。特開平７−３２２５２３号公報。

Claims

異なる充電モードを示す複数の充電モード信号から選択された１つの充電モード信号に応答して、対応する選択された充電モードで二次電池を充電するように制御する二次電池の充電回路において、
上記充電モード信号に応答して、所定のパルス長を有するリセット信号を発生するリセット信号発生回路と、
クロック信号を発生する発振回路と、
上記リセット信号に応答してリセットされた後に、上記クロック信号を計数して当該計数値を示す計数信号を出力するカウンタ回路と、
上記計数値が上記選択された充電モードに対応して予め決められた最長の充電期間長に対応する所定の計数値になったときに、上記計数信号及び上記充電モード信号に基づいて、上記選択された充電モードを停止させるための停止信号を発生するデコーダ回路とを備えたことを特徴とする二次電池の充電回路。
上記リセット信号発生回路は、
上記複数の充電モード信号に対応して設けられ、上記選択された充電モード信号を、対応する充電モードの開始時に上記パルス長と等しい遅延時間だけ遅延させて出力する一方、上記選択されていない充電モード信号をそのまま出力する複数の遅延回路と、
上記各遅延回路からの複数の充電モード信号に対して排他的論理和演算を行い、当該演算結果の信号を上記リセット信号として出力するノア回路とを備えたことを特徴とする請求項１記載の二次電池の充電回路。
上記各充電モード信号は、上記各充電モードで上記二次電池を充電することを示す第１のレベルと、上記各充電モードで上記二次電池を充電しないことを示す第２のレベルとを有し、
上記各遅延回路は、
入力される充電モード信号のレベルが上記第２のレベルから上記第１のレベルに変化したときに積分を開始した後その出力電圧を出力し、上記積分の開始から上記遅延時間だけ経過したときに上記積分の出力電圧が所定のしきい値レベルとなるように設定された積分回路と、
上記積分の出力電圧が上記しきい値電圧以上のとき、上記第１のレベルを有する遅延された充電モード信号を発生する信号発生回路とを備えたことを特徴とする請求項２記載の二次電池の充電回路。