JP5816814B2

JP5816814B2 - 充電器

Info

Publication number: JP5816814B2
Application number: JP2011188426A
Authority: JP
Inventors: 健彰長島; 淳雄松本
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: JP2013051819A

Description

本発明は、リチウム二次電池からなる電池パックなどの充電電池を充電する充電器に関する。

近年、スマートフォンやデジタルスチルカメラといった携帯可能な電子機器の市場が急速に伸びている。その中で、携帯型電子機器に電力を供給するために充電して再利用可能なリチウム二次電池は重要な役割を担っている。

また、多様な電子機器に電気特性面や構造面で合致するようにリチウム二次電池からなる電池パックの形状は、電子機器毎に合わせるべく電池パックの形状や端子の配列を個々の本体機器の仕様に整合させ、数多くの電池パックが開発され市場へ販売されている。

そのため、あらゆる充電電池の形状に合わせるべく充電器の形状は小型化され、かつ市場価格の要求から電気回路を簡素化させる取り組みが必要である。

そのような背景において、充電器の小型化や製品のコストダウンの為、電気回路の簡素化を実施すべく搭載する部品点数を低減していく必要性があった。

また、充電器の部品点数を低減していく取り組みは、充電器の開発メーカー各社とも開発研究を進めており、例えば充電器に搭載している充電制御ＩＣの周辺部品を削減する取り組みを実施し、電気回路の簡素化を実現している。

以下、従来における部品点数を削減したリチウム二次電池パックの充電制御方式について図３を参照しながら説明する。

図３は、充電器の回路簡略図である。

１は一次側電源回路、２は二次側充電制御回路、３はトランス、４は二次側出力整流ダイオード、５は二次側出力平滑コンデンサ、６は一次側平滑コンデンサ、７は電源制御ＩＣ、８はフォトカプラ、９は充電制御ＩＣ、１０は充電制御ＩＣ９の充電電流入力端子、１１は充電制御ＩＣ９の充電電流出力端子、１２は充電する電池、１３は充電電流、１４は充電制御ＩＣ９のフォトカプラ制御端子、１５は充電制御ＩＣ９内部のトランジスタである。

この従来の充電器は、一次側平滑コンデンサ６によって直流化された入力電力をトランス３及び電源制御ＩＣ７によってパルス状の出力電流に変換し、そのパルス状の出力電流を二次側出力整流ダイオード４及び２次側出力平滑コンデンサ５によって直流電流である充電電流１３へ変換する。

その充電電流１３は、充電制御ＩＣ９の充電電流入力端子１０から、充電制御ＩＣ９へ入力され、その充電電流値を充電制御ＩＣ９にて検出される。そして充電電流１３は充電制御ＩＣ９の充電電流出力端子１１から出力され、電池１２を充電する。

また、充電制御ＩＣ９に入力された充電電流１３の電流値の制御方法は充電制御ＩＣ９の充電電流入力端子１０と充電制御ＩＣ９の充電電流出力端子１１の電位差を検出することによってその検出電圧が予め充電制御ＩＣ９の内部で設定されている基準電流値と同等値になるように充電制御ＩＣ９は充電制御ＩＣ９のフォトカプラ制御端子１４にてフォトカプラ８を制御することによって一次側電源回路１の電源制御ＩＣ７を制御し、充電電流１３を一定になるように充電制御している（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−９８９３４号公報

しかしながら、前述した回路方式では、電池１２を充電するための充電電流１３の電流値の検出を行う電流検出素子を、充電制ＩＣ９内部へ取り組み、さらに電池１２の状態によって充電電流１３を停止させたり、充電電流１３を出力させたりしている充電出力をオンオフするスイッチの役目をするために搭載している出力切替え用のトランジスタも充電制御ＩＣ９の内部に取り組くむことによって、部品の削減を行っている。

さらに部品削減の取り組みとして、帰還部品であるフォトカプラ８を削減する方法が知られているが、高精度な充電電流と充電電圧を要求され、さらに電池の充電状態によって充電電圧や充電電流の細かい制御を必要とする充電器については、技術的に難易度が高く、まだ実現されていなかった。

この要因としては、フォトカプラ８を削除した制御方式の場合、充電電流１３を充電制御ＩＣ９で検出してその電流値を制御するために電源制御ＩＣ７へ情報伝達するフォトカプラ８が無い為、電池１２を充電するために一定電流にしなければならない充電電流１３の制御は、電源制御ＩＣ７で制御する必要があった。

しかしながら、電源制御ＩＣ７は、一般的に定電圧制御機能は搭載しているが定電流制御機能は搭載していないため、この定電圧制御機能で電池１２を充電するための充電電流１３を一定電流にする必要があり、その方法としてはトランス３の出力電圧を、常に一定電圧を出力させてこの定電圧制御領域で充電電流１３を制御する必要があった。

そのため、充電制御電圧を制御している充電制御ＩＣ９の充電電流入力端子１０と、充電制御ＩＣ９の充電電流出力端子１１の入出力電位差は常に大きい電圧差が発生し、充電電流１３を出力している時、充電制御ＩＣ９内部のトランジスタ１５にはその電圧差と充電電流で消費される大きな電力が発生し、充電制御ＩＣ９に過大な発熱が発生するため、その放熱方法や充電制御ＩＣ９を大きくする必要がある等、小型化を要求される充電器では実現性がなかった。

本発明は、上記従来例で説明した部品点数よりもさらに部品点数を削減し電気回路を簡素化し充電器の小型化を行うため、従来では不可能だった一次側電源制御回路１と二次側充電制御回路２の帰還部品であるフォトカプラ８を削除し、充電制御ＩＣ９に電力負担のかけない方式を考案し、さらに充電器に要求される高精度な充電電流制御と充電制御電圧を実現した、コストダウンおよび小型に優れた充電器を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明の充電器は、入力電力を電源制御部によってパルス状の出力電流に変換してトランスから出力する電源回路と、前記トランスからのパルス状の出力電流を整流平滑し、充電制御部の入力部と出力部を通して、直流電流である充電電流に変換して充電電池を充電する充電回路とを備え、前記電源回路は、前記電源制御部により出力電圧が０Ｖから所定電圧までは所定電流を出力する定電流制御となり、出力電圧が前記所定電圧では定電圧制御となり、前記充電回路は、前記所定電圧より低い予め設定された電圧まで前記充電電池の電圧が上昇すると、前記充電制御部の制御によって、前記電源回路の出力電圧を前記所定電圧まで上昇させ、前記充電電流を低下させることを特徴とする。
また、本発明の充電器は、前記充電制御部の入力部と出力部の電圧は、前記充電電池の電圧が前記予め設定された電圧より低いときは、前記充電電池の端子電圧に依存したものであることを特徴とする。

本発明によると電池パックを充電する充電器において、一次側電源制御回路と二次側の充電制御回路の帰還部品であるフォトカプラを削除しても、電池の充電制御を行っている充電制御ＩＣに電力の負担をかけずに、充電器に要求される充電電流制御と充電制御電圧を実現した、コストダウンおよび小型に優れた充電装置を提供することが可能となる。

本発明の一実施の形態における充電器の回路構成図本発明の電源制御ＩＣの出力特性と充電器の充電出力特性図従来の充電器の回路構成図

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の充電器の回路構成図である。

２１は一次側電源制御回路、２２は二次側充電制御回路、２３はトランス、２４は二次側出力整流ダイオード、２５は二次側出力平滑コンデンサ、２６は一次側平滑コンデンサ、２７は電源制御ＩＣ、２９は充電制御ＩＣ、３０は充電制御ＩＣ２９の充電電流入力端子、３１は充電制御ＩＣ２９の充電電流出力端子、３２は充電する電池、３３は充電電流、３４は充電制御ＩＣ２９内部のトランジスタである。

本発明の充電装置は、一次側平滑コンデンサ２６によって直流化された入力電力をトランス２３及び電源制御ＩＣ２７によってパルス状の出力電流に変換し、そのパルス状の出力電流を二次側出力整流ダイオード２４及び２次側出力平滑コンデンサ２５によって直流電流である充電電流３３へ変換する。

そしてその充電電流３３は、一次側回路の電源制御ＩＣ２７とトランス２３の制御によって、図２のように設定される。ここで図２の説明を行う。

図２は電源制御ＩＣ２７の出力特性と充電器の充電出力の制御特性である。

出力電圧０Ｖから５Ｖまでは、電源制御ＩＣ２７の制御により一定の出力電流を出力する定電流制御され、さらに出力電圧５Ｖで電圧を一定電圧に制御する定電圧制御が制御される。

この電源制御ＩＣ２７で一定出力に制御された一定電流を充電器の充電電流３３として使用することにより、トランス２３の出力電圧を５．０Ｖとしてその定電圧制御の領域で出力電流を出力し充電電流とする必要がなくなるため、充電制御ＩＣ２９の充電電流入力端子３０と、充電制御ＩＣ２９の充電電流出力端子３１に印加される電圧は、電池３２の電圧のみに依存するため、充電制御ＩＣ２９の充電電流入力端子３０と、充電制御ＩＣ２９の充電電流出力端子３１間の電位差はなくなり、充電制御ＩＣ２９内部のトランジスタ３４に電力負担は発生しなくなる。

そのため、充電制御ＩＣ２９に電力負担をかけずに、充電電流３３を充電制御ＩＣ２９の充電電流入力端子３０から充電制御ＩＣ２９へ入力し、充電制御ＩＣ２９の充電電流出力端子３１から出力して電池３２を充電することができる。

また、充電電池を一定電圧に制御する充電制御電圧についても、電池３２の電圧を充電制御ＩＣ２９の充電電流出力端子３１へ入力し、その電圧を充電制御ＩＣ２９にて検出することにより充電電池３２の電圧を一定電圧にする充電制御電圧の制御を行う。

その充電制御電圧の制御は電池３２の電圧が、充電制御ＩＣ２９内部で予め設定された電圧である４．２Ｖまで上昇した時、充電制御ＩＣ２９は充電制御ＩＣ２９の充電電流入力端子３０と充電電流出力端子３１間に搭載されている充電制御ＩＣ２９内部のトランジスタ３４を飽和―不飽和制御する事により、トランス２３の出力電圧を一定電圧である５．０Ｖまで上昇させて、充電電流３３を徐々に低下させ、充電する充電電池３２の電圧を一定電圧にするように充電電流３３を徐々に低下させて、充電電圧の制御を行う。

また、上述したように充電制御ＩＣ２９の充電入力端子３０の電圧は、電源制御ＩＣ２７の出力特性にように一定電圧である５．０Ｖで制御され、充電制御ＩＣ２９の充電出力端子３１は、充電制御電圧４．２Ｖで制御されるため、充電制御ＩＣ２９内部のトランジスタ３４へは、その電位差と充電電流３３の電力が負担されるが、充電電流３３は電池３２の充電が進み充電電流３３が徐々に低下していくため充電制御ＩＣ２９への電力負担は軽減されることになる。

上記構成から、充電電池を一定電圧に制御する充電制御電圧についても、充電電池の電圧が上昇し充電制御電圧が制御されるときは、充電電流が低くなり充電制御ＩＣに電力負担が減ることに着眼し、充電制御電圧が制御される時は、トランスの出力を一定電圧が出力されるように制御し、充電制御ＩＣの入力と出力に電圧差を持たせて制御することにより、二次側の充電制御ＩＣのみで充電制御電圧を制御することが可能となり、フォトカプラを使用した従来の制御方法である制御方式が不要となる。

また、上記構成は、リチウムイオン電池の素電池１個の１直用だけでなく、リチウムイオン電池が複数本直列につながった二次電池に対しても、素電池単位のセル単位で制御しすることで２直、３直などのように多直用の充電器にも使用可能である。

電池パックを充電する充電器において、一次側電源制御回路と二次側の充電制御回路の絶縁帰還部品であるフォトカプラを削除しても、電池の充電制御を行っている充電制御ＩＣに電力の負担をかけずに、充電器に要求される充電電流制御と充電制御電圧を実現した、コストダウンおよび小型に優れた充電装置を提供することが可能となる。

１一次側電源制御回路
２二次側充電制御回路
３トランス
４二次側出力整流ダイオード
５二次側出力平滑コンデンサ
６一次側平滑コンデンサ
７電源制御ＩＣ
８フォトカプラ
９充電制御ＩＣ
１０充電制御ＩＣ９の充電電流入力端子
１１充電制御ＩＣ９の充電電流出力端子
１２充電する電池
１３充電電流
１４充電制御ＩＣ９のフォトカプラ制御端子
１５充電制御ＩＣ９内部のトランジスタ
２１一次側電源制御回路
２２二次側充電制御回路
２３トランス
２４二次側出力整流ダイオード
２５二次側出力平滑コンデンサ
２６一次側平滑コンデンサ
２７電源制御ＩＣ
２９充電制御ＩＣ
３０充電制御ＩＣ２９の充電電流入力端子
３１充電制御ＩＣ２９の充電電流出力端子
３２充電する電池
３３充電電流
３４充電制御ＩＣ２９内部のトランジスタ

Claims

入力電力を電源制御部によってパルス状の出力電流に変換してトランスから出力する電源回路と、
前記トランスからのパルス状の出力電流を整流平滑し、充電制御部の入力部と出力部を通して、直流電流である充電電流に変換して充電電池を充電する充電回路とを備え、
前記電源回路は、前記電源制御部により出力電圧が０Ｖから所定電圧までは所定電流を出力する定電流制御となり、出力電圧が前記所定電圧では定電圧制御となり、
前記充電回路は、前記所定電圧より低い予め設定された電圧まで前記充電電池の電圧が上昇すると、前記充電制御部の制御によって、前記電源回路の出力電圧を前記所定電圧まで上昇させ、前記充電電流を低下させることを特徴とする充電器。
前記充電制御部の入力部と出力部の電圧は、前記充電電池の電圧が前記予め設定された電圧より低いときは、前記充電電池の端子電圧に依存したものであることを特徴とする請求項１に記載の充電器。