JP6555753B2 - 充電回路 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池を充電するための充電回路に関する。

複数の二次電池を同時に充電する充電回路において、各二次電池を直列に充電する充電方式は、並列に充電する充電方式と比較して各二次電池に電流を供給する電源系統を少なくすることができる。そのため直列充電は、特に低コストの充電回路に採用される場合が多い。また例えば直列に接続された二次電池を内蔵する電子機器において、それらの二次電池を取り出すことなく充電する場合、必然的に直列充電を行うことになる。しかし直列充電は、充電前における充電量に差がある複数の二次電池を全て満充電に至るまで充電しようとすると、充電前における充電量が多い二次電池ほど過充電状態が長時間持続して劣化が促進されることになる。

このような課題を解決することを目的とした従来技術としては、直列充電を行う前に複数の二次電池の充電量を揃える充電装置が公知である。例えば特許文献１に開示された先行技術は、２つの二次電池を充電する充電回路に３つのスイッチを設け、各二次電池の個別充電と直列充電とを切り替え可能に構成されている。そして特許文献１に開示された先行技術は、２つの二次電池の電圧を測定しながら、その電圧差がほぼ同一になるまで電圧の低い方の二次電池だけを個別に充電することにより、直列充電を行う前に２つ二次電池の充電量を揃えることができる。つまり特許文献１に開示された先行技術は、個別充電により２つ二次電池の充電量を揃えた後に２つの二次電池の直列充電を開始するため、上述のような二次電池の劣化を抑制することができる。

特開２００７−２５０３６４号公報

しかしながら各二次電池の個別充電と直列充電とを切り替える構成は、特許文献１に開示された先行技術のように少なくとも３つのスイッチが必要であり、またその回路構成が複雑になるため、充電回路の製造コストの上昇を招来することになってしまう。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、充電量に差がある複数の二次電池を直列に充電する場合であっても過充電による劣化を抑制する充電回路を低コストで提供することにある。

＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、複数の二次電池に充電電力を供給する電源回路と、前記電源回路から前記複数の二次電池への電力供給を制御するスイッチと、前記複数の二次電池の各電圧値に基づいて前記スイッチの切り替え制御を行う制御装置と、を備え、前記制御装置は、充電開始前に前記複数の二次電池の電圧差を検出し、充電時間の上限を設定するタイマーを起動して前記複数の二次電池の直列充電を開始し、前記複数の二次電池の充電前の電圧差が第１閾値以上であったことを条件として、前記タイマーが終了する前に前記複数の二次電池の各電圧値が全て第２閾値以上になった場合には、その時点で前記タイマーの残り時間を短縮し、前記複数の二次電池の全てが満充電になったとき、又は前記タイマーが終了したときのいずれか早い方の時点で前記複数の二次電池の直列充電を終了する、充電回路である。

制御装置は、まず充電前の各二次電池の電圧差を検出した後、充電時間の上限を設定するタイマーを起動するとともに、電源回路から複数の二次電池への電力供給を制御するスイッチをＯＮにすることにより複数の二次電池の直列充電を開始する。二次電池の充電中において制御装置は、タイマーが終了する前に全ての二次電池の電圧値が第２閾値以上になった場合、充電前に検出した各二次電池の電圧差が第１閾値以上であったことを条件として、その時点でタイマーの残り時間を短縮する。ここで第１閾値は、各二次電池の充電前の充電量に差が認められるかどうかを判定するために予め設定される閾値である。また第２閾値は、各二次電池が充電によって最低限確保されるべき充電量に至ったかどうかを判定するための閾値であり、その充電量に至った場合の二次電池の電圧値として予め設定される。そして制御装置は、全ての二次電池が満充電になったとき、又はタイマーが終了したときのいずれか早い方の時点で、電力供給を制御するスイッチをＯＦＦにして充電を終了する。

充電前の各二次電池の充電量に一定以上の差がある場合には、直列充電で全ての二次電池を満充電に至るまで充電してしまうと、先に満充電になった二次電池（充電開始前に他の二次電池より充電量が多かった二次電池）の過充電状態が長時間持続することになり、その二次電池が劣化する虞が生ずる。そこで制御装置は、先にタイマーが終了しない限り全ての二次電池を最低限の充電量まで充電し、充電前の各二次電池の充電量に一定以上の差があった場合（複数の二次電池の充電前の電圧差が第１閾値以上であった場合）には、その時点でタイマーの残り時間を短縮する。それによって充電前における充電量が多い二次電池が満充電に至った後に過充電状態が長時間持続しないよう早期に充電を終了させることができる。また充電回路は、複数の二次電池への電力供給を制御するスイッチが１つあればよく、それによって回路構成を簡略化することができるため製造コストを削減することができる。

これにより本発明の第１の態様によれば、充電量に差がある複数の二次電池を直列に充電する場合であっても過充電による劣化を抑制する充電回路を低コストで提供することができるという作用効果が得られる。

＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記制御装置は、前記複数の二次電池の充電前の電圧差に基づいて、前記タイマーの残り時間の短縮幅を設定する、充電回路である。

複数の二次電池の充電前における充電量の差は、各二次電池の電圧差から推測することができる。また充電前における複数の二次電池の充電量の差が大きい程、充電前における充電量が多い二次電池が満充電に至った後に過充電状態が長時間持続する可能性が高まることになる。そのため制御装置は、充電前における複数の二次電池の充電量の差が大きいほどタイマーの残り時間の短縮幅が大きくなるよう設定する。これにより本発明の第２の態様によれば、前述した本発明の第１の態様による作用効果に加え、過充電による二次電池の劣化がより的確に抑制される充電回路を提供することができるという作用効果が得られる。

＜本発明の第３の態様＞
本発明の第３の態様は、前述した本発明の第１又は２の態様において、前記制御装置は、予め設定されている上限値と下限値の範囲内で前記タイマーの残り時間の短縮幅を設定する、充電回路である。

タイマーの残り時間の短縮幅が短すぎると、先に満充電に至った二次電池が過充電状態となる時間が十分に短縮されないことになるため、その二次電池の劣化を抑制する効果が低減することになる。一方、タイマーの残り時間の短縮幅が長すぎると、全ての二次電池の電圧値が第２閾値以上になった後の充電時間が短くなり過ぎて、複数の二次電池がいずれも満充電まで充電されないまま充電が終了してしまう可能性が高まることになる。そのため制御装置は、予め設定された上限値と下限値の範囲内でタイマーの残り時間の短縮幅を設定することにより、複数の二次電池を全て満充電状態まで充電できるようにしつつ、より効果的に二次電池の劣化を抑制することができる。これにより本発明の第３の態様によれば、前述した本発明の第１又は２の態様による作用効果に加え、出来るだけ二次電池の充電量を確保しつつ二次電池の劣化を抑制する効果を維持する充電回路を提供することができるという作用効果が得られる。

本発明に係る充電回路の構成図である。 本発明に係る充電回路の制御を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る充電回路１の構成図である。

充電回路１は、例えば複数の二次電池を充電するための機器としての充電器であってもよいし、例えば電子機器に内蔵又は装着される複数の二次電池を充電するために電子機器の内部に組み込まれる回路であってもよい。充電回路１は、外部電源２に接続されることにより、充電に必要な電力を外部電源２から受電する。ここで外部電源２が出力する電力は、直流電力であってもよいし交流電力であってもよい。

充電回路１は、第１電源回路１１、第２電源回路１２、制御装置１３、表示装置１４、スイッチＳＷ、抵抗Ｒ、２つの二次電池Ｂ１、Ｂ２、を備える。

「電源回路」としての第１電源回路１１は、例えばＤＣ‐ＤＣコンバータであり、外部電源２から受電した電力を二次電池Ｂ１、Ｂ２の充電に適した電圧に変換する。また第１電源回路１１は、外部電源２が交流電源である場合には、受電した交流電力を直流電力に変換して出力するＡＣ‐ＤＣコンバータで構成すればよい。さらに第１電源回路１１は、第２電源回路１２に接続され、第２電源回路１２に対しても直流電力を出力する。

第２電源回路１２は、例えば３端子レギュレータであり、第１電源回路１１から受電した直流電力を制御装置１３の電源に適した電圧に変換して制御装置１３の電源端子Ｖｃｃに出力する。

制御装置１３は、公知のマイコン制御回路であり、第１電源回路１１、表示装置１４、及びスイッチＳＷにそれぞれ接続されている。制御装置１３は、詳細を後述するように、二次電池Ｂ１、Ｂ２の各電圧値を検出し、検出した二次電池Ｂ１、Ｂ２の各電圧値に基づいてスイッチＳＷを制御する。

表示装置１４は、例えばＬＥＤであり、二次電池Ｂ１、Ｂ２が充電中であるかどうかを表示する。

スイッチＳＷは、直列に接続された二次電池Ｂ１、Ｂ２と第１電源回路１１との間に設けられたスイッチング素子であり、制御装置１３のＣ端子から出力される制御信号によってＯＮ／ＯＦＦが切り替えられることにより二次電池Ｂ１、Ｂ２への電力供給をＯＮ／ＯＦＦ制御する。

抵抗Ｒは、スイッチＳＷに対して並列に接続され、二次電池Ｂ１、Ｂ２が充電回路１に装着されていることを検出するために設けられている。

二次電池Ｂ１、Ｂ２は、充電回路１によって直列充電されるアルカリ蓄電池である。二次電池Ｂ１は、一端がスイッチＳＷ及び抵抗Ｒに接続され、他端が二次電池Ｂ１の一端に接続されている。また二次電池Ｂ２は、他端が接地ラインに接続されている。ここで制御装置１３は、二次電池Ｂ１とＢ２との接続点の電圧値Ｖ２を二次電池Ｂ２の電圧値ＶＢ２として検出し、また二次電池Ｂ１の一端の電圧値Ｖ１と電圧値Ｖ２との差から二次電池Ｂ１の電圧値ＶＢ１を検出する。

つづいて制御装置１３の動作について図２を参照しながら説明する。
図２は、本発明に係る充電回路の制御を示すフローチャートである。

制御装置１３は、充電回路１が外部電源２と接続されて電力が供給されることにより動作がスタートする。動作のスタート時点では制御装置１３は、ＥＮ端子から出力する制御信号をＯＦＦに設定することで第１電源回路１１から充電電力を供給しないように制御している。また動作のスタート時点では制御装置１３は、Ｃ端子から出力する制御信号をＯＦＦに設定することでスイッチＳＷがＯＦＦ状態になるように制御している。

制御装置１３は、動作がスタートすると、充電回路１に二次電池Ｂ１、Ｂ２が共に装着されているか否かを判定する（ステップＳ１）。より具体的には制御装置１３は、まずＥＮ端子から出力する制御信号をＯＮに設定することで第１電源回路１１から充電電力を出力させる。このとき充電回路１に二次電池Ｂ１、Ｂ２が装着されていなければ、電圧値Ｖ１として検出される電圧値は、抵抗Ｒを介して印加された無負荷電圧になる。一方、充電回路１に二次電池Ｂ１、Ｂ２が装着されていれば、電圧値Ｖ１として検出される電圧値は、二次電池Ｂ１、Ｂ２の電圧（ＶＢ１＋ＶＢ２）になる。そのため制御装置１３は、電圧値Ｖ１として検出される電圧値から二次電池Ｂ１、Ｂ２が装着されているか否かを判定することができる。

充電回路１に二次電池Ｂ１、Ｂ２が装着されていないと判定された場合（ステップＳ１でＮｏ）、制御装置１３は、一旦ＥＮ端子から出力する制御信号をＯＦＦに設定し、一定時間待機した後（ステップＳ２）、再度ステップＳ１に戻って電池装着の判定を行う。すなわち制御装置１３は、充電回路１に二次電池Ｂ１、Ｂ２が装着されるまでステップＳ１及びステップＳ２を繰り返す。

充電回路１に二次電池Ｂ１、Ｂ２が装着されていると判定された場合（ステップＳ１でＹｅｓ）、制御装置１３は、二次電池Ｂ１、Ｂ２の充電前における充電量に差があるか否か、すなわちアンバランス充電であるか否かを判定する（ステップＳ３）。より具体的には制御装置１３は、二次電池Ｂ１の電圧値ＶＢ１と二次電池Ｂ２の電圧値ＶＢ２とを比較し、その差が第１閾値以上である場合にアンバランス充電であると判定する。ここで第１閾値は、二次電池Ｂ１、Ｂ２の充電前の充電量に一定以上の電圧差があるか否かを判定するために予め設定される電圧差の閾値である。ステップＳ３の時点では制御装置１３は、アンバランス充電の判定結果を保持する。

次に制御装置１３は、充電時間の上限を設定するタイマーを起動する（ステップＳ４）。また制御装置１３は、Ｃ端子から出力する制御信号をＯＮに設定することでスイッチＳＷをＯＦＦからＯＮに切り替える制御を行い、二次電池Ｂ１、Ｂ２の直列充電を開始する（ステップＳ５）。このとき表示装置１４は、制御装置１３のＤ端子から出力される信号に基づいて、例えばＬＥＤを点灯させる等によって二次電池Ｂ１、Ｂ２が充電中であることを表示する。

続いて制御装置１３は、二次電池Ｂ１の電圧値ＶＢ１と二次電池Ｂ２の電圧値ＶＢ２とが共に第２閾値以上になっているか否かを判定する（ステップＳ６）。ここで第２閾値は、二次電池Ｂ１、Ｂ２のそれぞれが充電によって最低限確保されるべき充電量に至ったかどうかを判定するための閾値であり、その充電量に至った場合の二次電池Ｂ１、Ｂ２の電圧値として予め設定される。

二次電池Ｂ１の電圧値ＶＢ１、二次電池Ｂ２の電圧値ＶＢ２のいずれか一方又は両方が第２閾値未満である場合（ステップＳ６でＮｏ）、制御装置１３は、タイマーが終了したか否かを判定する（ステップＳ７）。そして制御装置１３は、タイマーが終了したと判定した場合には（ステップＳ７でＹｅｓ）、後述するステップＳ１３により充電を終了する。制御装置１３は、タイマーが終了していないと判定した場合には（ステップＳ７でＮｏ）、再びステップＳ６に戻り二次電池Ｂ１の電圧値ＶＢ１及び二次電池Ｂ２の電圧値ＶＢ２が共に第２閾値以上になっているか否かを判定する。すなわち制御装置１３は、タイマーが先に終了しない限り、二次電池Ｂ１、Ｂ２が共に最低限確保されるべき充電量に至るまで充電を継続する。

一般的にアルカリ蓄電池は、充電が進むにつれて電圧値が上昇し、満充電に至ったときに電圧のピークを示すことが知られている。そのためアルカリ蓄電池は、このピーク直後の電圧降下を検出（−ΔＶ検出）することにより満充電に達したと判定することができる。本実施例では、二次電池Ｂ１、Ｂ２が共に第２閾値以上になったと判定された場合（ステップＳ６でＹｅｓ）、制御装置１３は、二次電池Ｂ１、Ｂ２に対する−ΔＶ検出を許可する（ステップＳ８）。

次に制御装置１３は、充電開始前のステップＳ３におけるアンバランス充電の判定結果を確認する（ステップＳ９）。そして制御装置１３は、アンバランス充電である場合には（ステップＳ９でＹｅｓ）、この時点で残りのタイマー時間を短縮する（ステップＳ１０）。

ステップＳ１０におけるタイマー時間の短縮幅は、その設定方法に種々の態様が可能である。例えば一定の短縮幅に設定しておいてもよいし、残りのタイマー時間を５０％に短縮するといったように残りのタイマー時間に対する比率で設定してもよい。またタイマー時間の短縮幅は、充電前の二次電池Ｂ１、Ｂ２の電圧差に基づいて設定するのが好ましい。ここで充電前における二次電池Ｂ１、Ｂ２の充電量の差は、充電前の二次電池Ｂ１、Ｂ２の電圧差の大きさによって推測することができる。そのため二次電池Ｂ１、Ｂ２の電圧差に応じてタイマー時間の短縮幅を設定することにより、二次電池Ｂ１又はＢ２が過充電状態になったとしても、それが長時間持続しないようにタイマーによって充電を終了することができる。さらにタイマー時間の短縮幅は、予め設定されている上限値と下限値の範囲内で設定されるのが好ましい。すなわちタイマー時間の短縮幅に上限値を設定することによって、タイマーの残り時間が短くなり過ぎることを防止できるため、二次電池が十分に充電されることなくタイマーが終了してしまうことを回避することができる。またタイマー時間の短縮幅に下限値を設定することによって、タイマーの残り時間が長くなり過ぎることを防止できるため、二次電池Ｂ１又はＢ２の過充電状態による劣化をより的確に抑制することができる。

一方、ステップＳ９においてアンバランス充電でないことが確認された場合には（ステップＳ９でＮｏ）、制御装置１３は、タイマー時間を変更することなく充電を継続する。

次に制御装置１３は、二次電池Ｂ１の電圧値ＶＢ１及び二次電池Ｂ２の電圧値ＶＢ２において−ΔＶが検出されたか否か、つまり二次電池Ｂ１及び二次電池Ｂ２が共に満充電に至ったか否かを判定する（ステップＳ１１）。そして制御装置１３は、二次電池Ｂ１及び二次電池Ｂ２が共に満充電に至ったと判定した場合（ステップＳ１１でＹｅｓ）、その時点でステップＳ１３に進み充電を終了する。

ステップＳ１１において、二次電池Ｂ１又は二次電池Ｂ２の少なくとも一方が満充電に至っていない場合（ステップＳ１１でＮｏ）、制御装置１３は、タイマーが終了したか否かを判定する（ステップＳ１２）。そして制御装置１３は、タイマーが終了したと判定した場合には（ステップＳ１２でＹｅｓ）、その時点でステップＳ１３に進み充電を終了する。また制御装置１３は、タイマーが終了していないと判定した場合には（ステップＳ１２でＮｏ）、再びステップＳ１１に戻り二次電池Ｂ１及び二次電池Ｂ２が共に満充電に至ったか否かを判定する。すなわち制御装置１３は、二次電池Ｂ１、Ｂ２が共に満充電になるか、又はタイマーが終了するかのいずれか早い方の時点で充電を終了する。

制御装置１３は、具体的には次の制御により二次電池Ｂ１、Ｂ２の直列充電を終了する（ステップＳ１３）。制御装置１３は、Ｃ端子から出力する制御信号をＯＦＦに設定することでスイッチＳＷをＯＮからＯＦＦに切り替えるとともに、ＥＮ端子から出力する制御信号をＯＦＦに設定することで第１電源回路１１から二次電池Ｂ１、Ｂ２へ出力している充電電力を停止させる。またこのとき表示装置１４は、制御装置１３のＤ端子から出力される信号に基づいて、二次電池Ｂ１、Ｂ２が充電中であることを示す表示を停止（例えばＬＥＤを消灯）する。これにより充電回路１は、一連の充電動作を完了する。

上記説明したように制御装置１３は、充電回路１の制御装置１３が充電前に二次電池Ｂ１、Ｂ２の電圧差を検出することによりアンバランス充電であるか否かを判定し、先にタイマーが終了しない限り最低限確保されるべき充電量に至るまで二次電池Ｂ１、Ｂ２を充電する。そして制御装置１３は、アンバランス充電であること条件として、二次電池Ｂ１、Ｂ２が共にその充電量に至った時点で残りのタイマー時間を短縮する。この場合、二次電池Ｂ１、Ｂ２が共に満充電に至る前にタイマーによって二次電池Ｂ１、Ｂ２の直列充電を終了することになる。それによって二次電池Ｂ１又は二次電池Ｂ２のいずれかのうち、充電前における充電量が少なかった方の二次電池は、満充電状態まで充電されないことになるものの、充電前における充電量がより多かった方の二次電池は、過充電状態になった後の過充電状態の継続時間が短縮されるため劣化が抑制されることになる。また先述のように充電回路１は、二次電池Ｂ１、Ｂ２を直列充電するための構成としてスイッチが１つあればよく、それによって回路構成を簡略化することができるため製造コストを削減することができる。

このようにして本発明によれば、充電量に差がある複数の二次電池を直列に充電する場合であっても過充電による劣化を抑制する充電回路を低コストで提供することができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施例において直列充電される二次電池は、３つ以上であってもよい。さらに上記実施例における制御装置１３は、アンバランス充電か否かを判定する時点で（ステップＳ３）、充電前の二次電池Ｂ１、Ｂ２の各電圧値、又はそれらの電圧差が極端に大きいことを条件として、充電を中止するとともにその旨を表示装置１４に表示させることも可能である。それによって例えば、装着された全ての二次電池が充電前にすでに十分な充電量である場合や、一方の二次電池だけが充電前にすでに満充電状態であるような場合に発生し得る意図しない不具合を予防することができる。

１ 充電回路
２ 外部電源
１１ 第１電源回路
１２ 第２電源回路
１３ 制御装置
１４ 表示装置
Ｂ１、Ｂ２ 二次電池
ＳＷ スイッチ
Ｒ 抵抗

Claims (3)

1. 複数の二次電池に充電電力を供給する電源回路と、
   前記電源回路から前記複数の二次電池への電力供給を制御するスイッチと、
   前記複数の二次電池の各電圧値に基づいて前記スイッチの切り替え制御を行う制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、充電開始前に前記複数の二次電池の電圧差を検出し、
   充電時間の上限を設定するタイマーを起動して前記複数の二次電池の直列充電を開始し、
   前記複数の二次電池の充電前の電圧差が第１閾値以上であったことを条件として、前記タイマーが終了する前に前記複数の二次電池の各電圧値が全て第２閾値以上になった場合には、その時点で前記タイマーの残り時間を短縮し、
   前記複数の二次電池の全てが満充電になったとき、又は前記タイマーが終了したときのいずれか早い方の時点で前記複数の二次電池の直列充電を終了する、充電回路。
2. 請求項１に記載の充電回路において、前記制御装置は、前記複数の二次電池の充電前の電圧差に基づいて、前記タイマーの残り時間の短縮幅を設定する、充電回路。
3. 請求項１又は２に記載の充電回路において、前記制御装置は、予め設定されている上限値と下限値の範囲内で前記タイマーの残り時間の短縮幅を設定する、充電回路。

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