JP6092542B2 - 充電制御装置、及び、これを用いた電子機器 - Google Patents

充電制御装置、及び、これを用いた電子機器 Download PDF

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    • H02J7/00719Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters in response to degree of gas development in the battery

Description

本発明は、充電制御装置、及び、これを用いた電子機器に関するものである。
従来より、バッテリの充電精度は、充電制御装置(充電制御ICまたは充電制御機能を備えたシステムIC)単体の能力によって決まっていた(一般的に±1.0%程度)。
なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献1や特許文献2を挙げることができる。
特開2011−203235号公報 特開2002−152988号公報
しかしながら、充電制御装置の製造ばらつき(温度特性のばらつき、パッケージ応力のばらつき、ないしは、実装応力のばらつき)を完全にキャンセルすることは困難であり、充電制御装置単体によるバッテリの充電精度向上には限界があった。
本発明は、本願の発明者により見出された上記の問題点に鑑み、充電精度の高い充電制御装置を提供することを目的とする。
本明細書で開示される充電制御装置は、バッテリの充電電圧と充電電流を監視して各々の出力帰還制御を行うことにより前記バッテリの定電圧充電ないしは定電流充電を行う制御回路と、ガスゲージ装置で取得された前記バッテリの充電残量情報に基づいて前記制御回路の出力帰還制御を補正する補正回路と、を有する構成(第1の構成)とされている。
なお、第1の構成から成る充電制御装置において、前記制御回路は、前記バッテリの定電圧充電時には前記充電電圧が目標電圧と一致するように前記充電電圧の出力帰還制御を行う一方、前記バッテリの定電流充電時には前記充電電流が目標電流と一致するように前記充電電流の出力帰還制御を行い、前記補正回路は、前記充電残量情報に基づいて前記目標電圧及び前記目標電流を補正する構成(第2の構成)にするとよい。
また、第2の構成から成る充電制御装置において、前記制御回路は、前記充電電圧が前記目標電圧に達するまで前記バッテリの定電流充電を行い、前記充電電圧が前記目標電圧に達すると前記バッテリの定電圧充電を行う構成(第3の構成)にするとよい。
また、第2または第3の構成から成る充電制御装置において、前記補正回路は、前記充電残量情報の未入力時には前記目標電圧及び前記目標電流を補正せずスルー出力する構成(第4の構成)にするとよい。
また、第2〜第4いずれかの構成から成る充電制御装置において、前記補正回路は、前記充電残量情報で示される実際の充電電圧及び充電電流と、前記目標電圧及び前記目標電流との差分に応じて、前記目標電圧及び前記目標電流を補正する構成(第5の構成)にするとよい。
また、第5の構成から成る充電制御装置は、前記差分が所定の閾値を上回ったときに前記バッテリの充電を強制的に停止させる保護回路をさらに有する構成(第6の構成)にするとよい。
また、第5または第6の構成から成る充電制御装置は、外部バスとの間でデジタル信号の授受を行うインタフェイス回路をさらに有する構成(第7の構成)にするとよい。
また、第7の構成から成る充電制御装置において、前記目標電圧及び前記目標電流、並びに、前記充電残量情報は、いずれもデジタル信号として前記インタフェイス回路に外部入力される構成(第8の構成)にするとよい。
また、第8の構成から成る充電制御装置において、前記補正回路は、前記目標電圧及び前記目標電流、並びに、前記充電残量情報をデジタル信号として格納するレジスタを含む構成(第9の構成)にするとよい。
また、第8または第9の構成から成る充電制御装置において、前記制御回路は、前記補正回路からデジタル信号として入力される前記目標電圧及び前記目標電流をアナログ信号に変換するデジタル/アナログ変換器を含む構成(第10の構成)にするとよい。
また、本明細書で開示される電子機器は、第1〜第10いずれかの構成から成る充電制御装置と、前記充電制御装置によって充電制御されるバッテリと、前記バッテリの充電残量情報を取得するガスゲージ装置と、前記充電制御装置や前記ガスゲージ装置を統括的に制御するホスト装置と、を有する構成(第11の構成)とされている。
なお、第11の構成から成る電子機器は、携帯電話、携帯情報端末、デジタルスチルカメラ、または、デジタルビデオカメラである構成(第12の構成)にするとよい。
本発明によれば、充電精度の高い充電制御装置、及び、これを用いた電子機器を提供することが可能となる。
電子機器の一構成例を示すブロック図 充電制御動作の一例を示す図 充電制御装置10の第1構成例を示すブロック図 充電制御装置10の第2構成例を示すブロック図 携帯電話(スマートフォン)の外観図 携帯情報端末(タブレットPC)の外観図 デジタルスチルカメラの外観図 デジタルビデオカメラの外観図
<全体構成>
図1は、電子機器の一構成例を示すブロック図である。本構成例の電子機器1は、充電制御装置10と、バッテリ20と、ガスゲージ装置30と、ホスト装置40とを有する。
充電制御装置10は、バッテリ20の充電制御を行うモノリシック半導体集積回路装置(いわゆる充電制御IC)であり、制御回路11と補正回路12を含む。
制御回路11は、バッテリ20の充電電圧Vcと充電電流Ic(出力値情報S1)を監視し、補正部12から入力される補正済みの目標値情報S4に基づいて、各々の出力帰還制御を行うことにより、バッテリ20の定電圧充電ないしは定電流充電を行う。例えば、制御回路11は、充電電圧Vcが目標電圧Vtgに達するまでの間、充電電流Icが目標電流Itgと一致するようにバッテリ20の定電流充電を行い、充電電圧Vcが目標電圧Vtgに達して以後、充電電圧Vcが目標電圧Vtgに維持されるようにバッテリ20の定電圧充電を行う(図2を参照)。
補正回路12は、ガスゲージ装置30で取得されたバッテリ20の充電残量情報S3に基づいて、ホスト装置20から入力される目標値情報S2を補正することにより、補正済みの目標値情報S4を生成し、これを制御回路11に送出する。
バッテリ20は、電子機器1の電源となる二次電池(リチウムイオン電池やニッケル水素電池など)であり、充電制御装置10によって充電制御される。
ガスゲージ装置30は、バッテリ20の充電電圧Vcと充電電流Icを常時監視して、バッテリ20の充電残量情報S3を取得するモノリシック半導体集積回路装置(いわゆるガスゲージICまたはフューエルゲージIC)である。なお、ガスゲージ装置30は、バッテリ20の充電残量情報S3を検出するために設けられた専用ICであり、一般的には充電制御装置10の充電精度(±1.0%程度)よりも高い検出精度(±0.2%程度)を備えている。
ホスト装置40は、充電制御装置10やガスゲージ装置30などの動作を始めとして、電子機器1の全体動作を統括的に制御する。例えば、ホスト装置40は、充電制御装置10に目標値情報S2を供給したり、ガスゲージ装置30で得られた充電残量情報S3に応じて充電残量表示を行うように表示装置(不図示)を制御したりする。なお、ホスト装置40としては、CPU[central processing unit]などを好適に用いることができる。
上記したように、本構成例の電子機器1において、充電制御装置10は、ガスゲージ装置30で取得される充電残量情報S3を流用することにより、充電制御装置10の製造ばらつき(温度特性のばらつき、パッケージ応力のばらつき、ないしは、実装応力のばらつき)を補正して、バッテリ20の充電精度向上を実現する構成とされている。
このような構成であれば、バッテリ20の満充電容量がばらつき難くなるので、バッテリ寿命のばらつきを抑えることが可能となる。バッテリ寿命のばらつきは、バッテリ寿命が長くなる(例えば数時間→数日)ほど大きく見えてくる。従って、長寿命のバッテリ20を備えた電子機器1においては、ガスゲージ装置30で取得される充電残量情報S3を流用してバッテリ20の充電精度を高めることが可能な充電制御装置10を搭載することが望ましい。
<充電制御装置(第1構成例)>
図3は、充電制御装置10の第1構成例を示すブロック図である。第1構成例の充電制御装置10は、制御回路11と、補正回路12と、出力回路13と、インタフェイス回路14と、を含む。
制御回路11は、デジタル/アナログ変換器111及び112(以下の説明ではDAC[digital/analog converter]111及び112と呼ぶ)と、エラーアンプ113及び114と、スイッチ制御部115と、アンプ116と、抵抗117及び118と、を含む。
DAC111は、補正回路12からデジタル信号として入力される補正済み目標電圧値情報S4Vをアナログ信号としての基準電圧V1に変換する。
DAC112は、補正回路12からデジタル信号として入力される補正済み目標電流値情報S4Iをアナログ信号としての基準電圧V2に変換する。
エラーアンプ113は、非反転入力端(+)に印加される基準電圧V1(補正済み目標電圧値情報S4V(目標電圧Vtg)に相当)と、反転入力端(−)に印加される帰還電圧Vfb1(出力電圧値情報S1V(充電電圧Vc)に相当)との差分に応じた誤差信号E1を生成し、これをスイッチ制御部115に出力する。
エラーアンプ114は、非反転入力端(+)に印加される基準電圧V2(補正済み目標電流値情報S4I(目標電流Itg)に相当)と、反転入力端(−)に印加される帰還電圧Vfb2(出力電流値情報S1I(充電電流Ic)に相当)との差分に応じた誤差信号E2を生成し、これをスイッチ制御部115に出力する。
スイッチ制御部115は、誤差信号E1及びE2に基づいて出力回路13に含まれるスイッチ素子131及び132のオン/オフ制御を行う。より具体的に述べると、スイッチ制御部115は、バッテリ20の定電圧充電時には誤差信号E1が小さくなるように充電電圧Vcの出力帰還制御を行う一方、バッテリ20の定電流充電時には誤差信号E2が小さくなるように充電電流Icの出力帰還制御を行う。
言い換えると、スイッチ制御部115は、バッテリ20の定電圧充電時には帰還電圧Vfb1(充電電圧Vcに相当)が基準電圧V1(目標電圧Vtgに相当)と一致するように充電電圧Vcの出力帰還制御を行う一方、バッテリ20の定電流充電時には帰還電圧Vfb2(充電電流Icに相当)が基準電圧V2(目標電流Itgに相当)と一致するように充電電流Icの出力帰還制御を行う。
アンプ116は、出力回路134に含まれるセンス抵抗134の両端電圧(バッテリ20の充電電流Icに相当)を増幅して帰還電圧Vfb2を生成する。
抵抗117及び118は、バッテリ20の充電電圧Vcを分圧して帰還電圧Vfb1を生成する。
補正回路12は、レジスタ121〜124と、減算器125及び126と、補正部127及び128と、を含む。
レジスタ121は、インタフェイス回路14からデジタル信号として入力される目標電圧値情報S2V(目標電圧Vtgに相当)を格納する。
レジスタ122は、インタフェイス回路14からデジタル信号として入力される充電残残量情報S3V(実際の充電電圧Vcに相当)を格納する。
レジスタ123は、インタフェイス回路14からデジタル信号として入力される目標電流値情報S2I(目標電流Itgに相当)を格納する。
レジスタ124は、インタフェイス回路14からデジタル信号として入力される充電残残量情報S3I(実際の充電電流Icに相当)を格納する。
減算器125は、目標電圧値情報S2Vから充電残量情報S3Vを差し引いて差分電圧値情報S5V(目標電圧Vtgと充電電圧Vcとの差分電圧値に相当)を算出する。差分電圧値情報S5Vは、充電電圧Vcが目標電圧Vtgよりも高いときにマイナスとなり、充電電圧Vcが目標電圧Vtgよりも低いときにプラスとなる。
減算器126は、目標電流値情報S2Iから充電残量情報S3Iを差し引いて差分電流値情報S5I(目標電流Itgと充電電流Icとの差分電流値に相当)を算出する。差分電流値情報S5Iは、充電電流Icが目標電流Itgよりも高いときにマイナスとなり、充電電流Icが目標電流Itgよりも低いときにプラスとなる。
補正部127は、差分電圧値情報S5Vに応じて目標電圧値情報S2Vを補正することにより補正済み目標電圧値情報S4Vを生成し、これをDAC111に送出する。補正部127は、差分電圧値情報S5Vがマイナスであるときには、目標電圧Vtgを引き下げるように目標電圧値情報S2Vを補正し、逆に、差分電圧値情報S5Vがプラスであるときには、目標電圧Vtgを引き上げるように目標電圧値情報S2Vを補正する。
補正部128は、差分電流値情報S5Iに応じて目標電流値情報S2Iを補正することにより補正済み目標電流値情報S4Iを生成し、これをDAC112に送出する。補正部128は、差分電流値情報S5Iがマイナスであるときには、目標電流Itgを引き下げるように目標電流値情報S2Iを補正し、逆に、差分電流値情報S5Iがプラスであるときには、目標電流Itgを引き上げるように目標電流値情報S2Iを補正する。
また、補正回路12は、充電残量情報S3(V,I)の未入力時には、目標値情報S2(V,I)を補正せずにスルー出力する構成としておくことが望ましい。このような構成とすることにより、電子機器1にガスゲージ装置30が設けられていない場合には、特段の切替制御を要することなく、充電制御装置10単体によって、従前の通りに充電電圧Vc及び充電電流Icの出力帰還制御を行うことが可能となる。
なお、上記の構成を実現するための一手法として、補正回路12は、インタフェイス回路14から目標値情報S2(V,I)が入力されたときには、これらをレジスタ121及び123に格納するだけでなく、レジスタ122及び124にも並列的に格納する構成とすればよい。このような構成とすることにより、レジスタ122及び124の内容が充電残量情報S3(V,I)によって書き換えられない限り、減算器125及び126で得られる差分値情報S5(V,I)はゼロ値となるので、補正部127及び128による目標値情報S2(V,I)の補正動作を実質的に停止することが可能となる。
出力回路13は、充電制御装置10に外付けされるディスクリート回路であり、スイッチ素子(Nチャネル型MOS[metal oxide semiconductor]電界効果トランジスタ)131及び132と、コイル133と、センス抵抗134と、キャパシタ135とを含む。
スイッチ素子131の第1端(ドレイン)は、入力電圧Vinの印加端に接続されている。スイッチ素子131の第2端(ソース)とスイッチ素子132の第1端(ドレイン)は、いずれもコイル133の第1端に接続されている。スイッチ素子132の第2端(ソース)は、接地端に接続されている。スイッチ素子131及び132の制御端(ゲート)は、それぞれスイッチ制御部115に接続されている。コイル133の第2端は、センス抵抗134の第1端とアンプ116の非反転入力端(+)に接続されている。センス抵抗134の第2端は、バッテリ20の正極端とアンプ116の反転入力端(−)に接続されている。キャパシタ135は、バッテリ20の正極端と接地端との間に接続されている。
上記構成から成る出力回路13は、スイッチ素子131及び132の相補的(排他的)なオン/オフ制御により、入力電圧Vinを降圧して充電電圧Vcを生成する。ただし、出力回路13の回路構成はこれに限定されるものではなく、その他の回路構成を採用しても構わない。
インタフェイス回路14は、外部バス50を介してホスト装置40やガスゲージ装置30との間でデジタル信号の授受を行うフロントエンド回路であり、先述の目標値情報S2(V,I)や充電残量情報S3(V,I)は、いずれもデジタル信号としてインタフェイス回路14に外部入力される。なお、外部バス50としては、例えば、I2Cバスなどを好適に用いることができる。
先出のガスゲージ装置30は、ホスト装置40から所定のインターバルで送出されるリクエスト信号に応じて外部バス50に充電残量情報S3(V,I)を出力する。従って、インタフェイス回路14は、ガスゲージ装置30からホスト装置40に向けて定期的に送出される充電残量情報S3(V,I)を逐次取得して、レジスタ122及び124の内容を更新するように構成しておけばよい。
このように、第1構成例の充電制御装置10であれば、ガスゲージ装置30で取得される充電残量情報S3を流用して出力帰還制御を補正することにより、バッテリ20の充電精度を向上することが可能となる。
<充電制御装置(第2構成例)>
図4は、充電制御装置10の第2構成例を示すブロック図である。第2構成例は、先述の第1構成例とほぼ同様の構成であり、保護回路15をさらに備えた点に特徴を有している。そこで、第1構成例と同様の構成要素については、図3と同一の符号を付すことで重複した説明を割愛し、以下では、第2構成例の特徴部分について重点的な説明を行う。
保護回路15は、減算器125及び126で各々生成される差分値情報S5(V,I)が所定の閾値を上回ったときに、バッテリ20の充電を強制的に停止させるための保護信号S6を生成し、これをスイッチ制御部115に送出する。このような構成とすることにより、充電制御装置10またはガスゲージ装置30の少なくとも一方に異常が発生して、差分値情報S5(V,I)が大きくなった場合には、バッテリ20の充電が強制的に停止されるので、電子機器1の安全性を高めることが可能となる。
<電子機器>
図5は、携帯電話(スマートフォン)の外観図である。携帯電話Aは、電子機器1の一具体例であり、外観的には、本体の前面や背面に搭載される撮像部A1と、ユーザ操作を受け付ける操作部A2(各種ボタンなど)と、文字や映像を表示する表示部A3と、を有する。なお、表示部A3には、ユーザのタッチ操作を受け付けるためのタッチパネル機能が搭載されている。
図6は、携帯情報端末(タブレットPC)の外観図である。携帯情報端末Bは、電子機器1の一具体例であり、外観的には、本体の前面や背面に搭載される撮像部B1と、ユーザ操作を受け付ける操作部B2(各種ボタンなど)と、文字や映像を表示する表示部B3と、を有する。なお、表示部B3には、ユーザのタッチ操作を受け付けるためのタッチパネル機能が搭載されている。携帯情報端末としては、タブレットPCのほかにも、ノートPCや携帯ゲーム機などを挙げることができる。
図7は、デジタルスチルカメラの外観図である。デジタルスチルカメラCは、電子機器1の一具体例であり、外観的には、静止画を撮影する撮像部C1と、ユーザ操作を受け付ける操作部C2(レリーズボタンやズームレバーなど)と、撮影画像やメニュー画面を表示する表示部C3と、を有する。
図8は、デジタルビデオカメラの外観図である。デジタルビデオカメラDは、電子機器1の一具体例であり、外観的には、動画を撮影する撮像部D1と、ユーザ操作を受け付ける操作部D2(撮影開始/停止ボタンやズームレバーなど)と、撮影画像やメニュー画面を表示する表示部D3と、を有する。
上記いずれの電子機器A〜Dについても、先に説明した充電制御装置10を搭載することにより、バッテリ寿命のばらつきを抑えて利便性や信頼性を高めることが可能となる。
<その他の変形例>
なお、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
本発明は、携帯電話(スマートフォンを含む)、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、タブレットPC、ノートPC、及び、携帯ゲーム機など、充電式のバッテリを有する電子機器全般に利用することが可能である。
1 電子機器
10 充電制御装置
11 制御回路
111、112 デジタル/アナログ変換器(DAC)
113、114 エラーアンプ
115 スイッチ制御部
116 アンプ
117、118 抵抗
12 補正回路
121〜124 レジスタ
125、126 減算器
127、128 補正部
13 出力回路
131、132 スイッチ素子(Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ)
133 コイル
134 センス抵抗
135 キャパシタ
14 インタフェイス回路
15 保護回路
20 バッテリ
30 ガスゲージ装置
40 ホスト装置
50 外部バス
A 携帯電話(スマートフォン)
B 携帯情報端末(タブレットPC)
C デジタルスチルカメラ
D デジタルビデオカメラ
A1、B1、C1、D1 撮像部
A2、B2、C2、D2 操作部
A3、B3、C3、D3 表示部

Claims (12)

  1. バッテリの充電電圧と充電電流を監視して各々の出力帰還制御を行うことにより前記バッテリの定電圧充電ないしは定電流充電を行う制御回路と、
    前記バッテリの充電残量情報を取得するために充電制御装置とは別に設けられたガスゲージ装置から入力される前記充電残量情報に基づいて前記制御回路の出力帰還制御を補正する補正回路と、
    を有することを特徴とする充電制御装置。
  2. 前記制御回路は、前記バッテリの定電圧充電時には前記充電電圧が目標電圧と一致するように前記充電電圧の出力帰還制御を行う一方、前記バッテリの定電流充電時には前記充電電流が目標電流と一致するように前記充電電流の出力帰還制御を行い、
    前記補正回路は、前記充電残量情報に基づいて前記目標電圧及び前記目標電流を補正することを特徴とする請求項1に記載の充電制御装置。
  3. 前記制御回路は、前記充電電圧が前記目標電圧に達するまで前記バッテリの定電流充電を行い、前記充電電圧が前記目標電圧に達すると前記バッテリの定電圧充電を行うことを特徴とする請求項2に記載の充電制御装置。
  4. 前記補正回路は、前記充電残量情報の未入力時には前記目標電圧及び前記目標電流を補正せずスルー出力することを特徴とする請求項2または請求項3に記載の充電制御装置。
  5. 前記補正回路は、前記充電残量情報で示される実際の充電電圧及び充電電流と、前記目標電圧及び前記目標電流との差分に応じて、前記目標電圧及び前記目標電流を補正することを特徴とする請求項2〜請求項4のいずれか一項に記載の充電制御装置。
  6. 前記差分が所定の閾値を上回ったときに前記バッテリの充電を強制的に停止させる保護回路をさらに有することを特徴とする請求項5に記載の充電制御装置。
  7. 外部バスとの間でデジタル信号の授受を行うインタフェイス回路をさらに有することを特徴とする請求項5または請求項6に記載の充電制御装置。
  8. 前記目標電圧及び前記目標電流、並びに、前記充電残量情報は、いずれもデジタル信号として前記インタフェイス回路に外部入力されることを特徴とする請求項7に記載の充電制御装置。
  9. 前記補正回路は、前記目標電圧及び前記目標電流、並びに、前記充電残量情報をデジタル信号として格納するレジスタを含むことを特徴とする請求項8に記載の充電制御装置。
  10. 前記制御回路は、前記補正回路からデジタル信号として入力される前記目標電圧及び前記目標電流をアナログ信号に変換するデジタル/アナログ変換器を含むことを特徴とする請求項8または請求項9に記載の充電制御装置。
  11. 請求項1〜請求項10のいずれかに記載の充電制御装置と、
    前記充電制御装置によって充電制御されるバッテリと、
    前記バッテリの充電残量情報を取得するガスゲージ装置と、
    前記充電制御装置や前記ガスゲージ装置を統括的に制御するホスト装置と、
    を有することを特徴とする電子機器。
  12. 携帯電話、携帯情報端末、デジタルスチルカメラ、または、デジタルビデオカメラであることを特徴とする請求項11に記載の電子機器。
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