JP7429730B2 - 電力調整回路、充電装置、および、これらの給電モード設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力調整回路、充電装置、および、これらの給電モード設定方法に関し、より具体的には、過充電を防止可能な電力調整回路、充電装置、および、これらの給電モード設定方法に関する。

従来、リチウムバッテリが損傷する要因として主に二つが挙げられている。これらのうち一つは過放電であり、過放電では、リチウムバッテリは、その電圧が３．０ボルト未満といった標準電圧（通常、３．７ボルト）よりも大幅に低くなるまで微電流を徐々に放電する。過放電は、これらのリチウムバッテリが使用される電子デバイスの再起動を完全に不可能にしてしまうだけでなく、リチウムバッテリに恒久的な損傷を引き起こすことがある。他の一つは過充電であり、過充電では、リチウムバッテリが既に完全に充電された後にさらに充電される。過充電は、リチウムバッテリの充電サイクル数の実質的な増大を引き起こすことがあるため、その寿命を著しく低下させる。リチウムバッテリが著しく過充電されると、リチウムバッテリの膨張、変形、さらには爆発さえ生じる恐れが高い。

現在、コンピュータ市場では、ラップトップ型コンピュータのほとんどが内蔵リチウムバッテリを有しており、充電器を介して充電される。充電器は、通常、一般的なＤＣアダプタまたはＵＳＢ－Ｃ充電器でもよい。一般的な使用においては、ユーザは、一旦外部電源を電源ケーブルを介してラップトップ型コンピュータに接続すると電源供給に関してなんら更なる操作を行なわないことが多く、ラップトップ型コンピュータをデスクトップコンピュータと見做してしまう。このため、内蔵されたリチウムバッテリが完全に充電されたにもかかわらず、通常、外部電源からの電源ケーブルはラップトップコンピュータに接続された状態を維持しており、ラップトップコンピュータに電源を供給する。短時間の過充電はリチウムバッテリに実質的な損傷を引き起こさないかも知れないものの、このような使用習慣の状況下では、リチウムバッテリは１０日さらには１ヶ月といった長期間に亘って連続的に充電されてしまい、その寿命が大きく低下する。

さらに、従来のラップトップコンピュータの多くは取り外し可能なラッチ設計のリチウムバッテリを有しており、完全に充電されると容易に取り外すことができる。しかしながら、ユーザは過充電を防止するために適時にリチウムバッテリを取り外すことができるものの、リチウムバッテリを一度取り外すと、商業電源の停電や電源ケーブルが意図せず外れることによってラップトップコンピュータが異常シャットダウンしてしまい、その結果、ハードウェアまたはソフトウェアの破損が生じることがある。

上記課題を解決するため、本開示は、電力調整回路、充電装置、およびこれらの給電モード設定方法を提供する。

本開示の実施形態の一つによると、給電モード設定方法が開示され、給電モード設定方法は、検出期間において、電力調整回路を電力伝送状態で制御し、充電電流を検出して検出値を取得すること、検出値がトリクル充電（ＴＣ）範囲、定電圧（ＣＶ）範囲、および定電流（ＣＣ）範囲のいずれにあるかを判断すること、検出値がＴＣ範囲にある場合、第１の期間の間、電力調整回路を電力オフ状態に調整すること、検出値がＣＶ範囲にある場合、第２の期間の間、電力調整回路を電力伝送状態に維持すること、および検出値がＣＣ範囲にある場合、第３の期間の間、電力調整回路を電力伝送状態に維持することを含み、ＴＣ範囲内の値はＣＶ範囲内の値よりも小さく、ＣＶ範囲内の値はＣＣ範囲内の値よりも小さい。

本開示の他の実施形態によると、電力調整回路が開示され、電力調整回路は、検出期間において充電電流を検出して検出値を取得する検出モジュール、検出モジュールに連結され、検出値を受け取り、検出値がトリクル充電（ＴＣ）範囲、定電圧（ＣＶ）範囲、および定電流（ＣＣ）範囲のいずれにあるかを判断する制御モジュール、および制御モジュールに連結され、制御モジュールから命令を受け取って電力伝送状態または電力オフ状態で電力調整回路を制御する操作モジュールを備え、ＴＣ範囲内の値はＣＶ範囲内の値よりも小さく、ＣＶ範囲内の値はＣＣ範囲内の値よりも小さく、制御モジュールは、検出期間において操作モジュールに命令して電力伝送状態で電力調整回路を制御させ、制御モジュールによって検出値がＴＣ範囲にあると判断された場合、第１の期間の間、電力調整回路を電力オフ状態に調整し、制御モジュールによって検出値がＣＶ範囲にあると判断された場合、第２の期間の間、電力調整回路を電力伝送状態で維持し、制御モジュールによって検出値がＣＣ範囲にあると判断された場合、第３の期間の間、電力調整回路を電力伝送状態で維持する。

本開示のさらに他の実施形態によると、充電装置が開示され、充電装置は、電源に連結し、電源によって提供される電力を充電電流に変換し、充電電流を出力するように構成される変換モジュール、および、変換モジュールに連結される検出モジュールを備える上記電力調整回路を備える。

上記記載を考慮すると、電子デバイスが過充電される、過放電される、あるいは電子デバイスが電源に接続された状況で他の異常な問題が発生することを防ぐため、本開示に係る電力調整回路、充電装置、およびこれらの給電モード設定方法は、充電電流を検出し、電力を制御して電子デバイスの充電システムに出力するように動作することで、電子デバイスのバッテリが過充電される、過放電される、または他の問題が発生する可能性を効果的に低減し、これにより、電子デバイスの使用習慣を変えることを要求しない電子デバイスの保護メカニズムを実現する。

本発明は、以下に示す詳細な説明と添付した図面からより完全に理解することができるであろう。図面は、単に説明のためのものであり、したがって、発明を限定するものではない。
本開示の実施形態の一つに係る電力調整回路を示すブロック図。 本電力調整回路の実施形態の一つが接続された電子デバイスのバッテリの充電電流を示す曲線。 本電力調整回路の実施形態の一つが接続された電子デバイスのバッテリの充電電圧を示す曲線。 本電力調整回路の実施形態の一つが接続された電子デバイスのバッテリの蓄電量を示す曲線。 本開示の実施形態の一つに係る充電装置を示すブロック図。 本開示の実施形態の一つに係る給電モード設定方法を示すフローチャート。

本発明において述べられる充電システムを有する「電子デバイス」は、ラップトップコンピュータ、スマートホン、パーソナルデジタルアシスタント、ナビゲーション機器、ゲーム操作盤、タブレットコンピュータ、またはこれらの装置の任意の組み合わせでもよいと理解するべきであり、これらに限定されるものではない。以下の議論では、より容易で深い理解のため、「電子デバイス」の例としてラップトップコンピュータを用いる。

本開示の実施形態の一つに係る電力調整回路を示すブロック図である図１を参照する。本実施形態では、電力調整回路１００は、検出モジュール１２、制御モジュール１４、および操作モジュール１６を備える。電力調整回路１００は、さらに受電端Ａと給電端Ｂを有し、電力調整回路１００が受電端Ａで充電電流を受け取った後、電力調整回路１００はこの充電電流を出力電力として取り出し、給電端Ｂを介して電子デバイスへ送電する。さらに、図１の実線は、電力送電パスを示し、点線は検出モジュール１２と制御モジュール１４の間および制御モジュール１４と操作モジュール１６の間の信号伝送パスを示す。

一つの実施形態では、検出期間中、検出モジュール１２は受電端Ａにおいて充電電流を検出して検出値を取得することができ、この検出期間中、電力調整回路１００は電力伝送状態にある。この検出期間は、検出モジュール１２が充電電流の量を検出するために十分な数ミリ秒（ｍｓ）または数マイクロ秒（μｍ）といった時間的長さを有することができるが、本開示はこれに限られない。

制御モジュール１４を明瞭に説明するため、図１および図２Ａから図２Ｂを参照されたい。ここで、図２Ａは本電力調整回路の実施形態の一つが接続された電子デバイスのバッテリの充電電流を示す曲線であり、図２Ｂはその充電電圧を示す曲線であり、図２Ｃはその蓄電量を示す曲線である。一つの実施形態では、制御モジュール１４は検出モジュール１２と連結され、上記検出値を受け取り、検出値が図２Ａに示すトリクル充電（ＴＣ）範囲Ｒ１、定電圧（ＣＶ）範囲Ｒ２、および定電流（ＣＣ）範囲Ｒ３のいずれにあるかを判断することができる。一つの実施形態では、制御モジュール１４は、マイクロ演算ユニット、マイクロ制御ユニット、中央演算ユニット（ＣＰＵ）、他のプログラム可能な汎用または専用マイクロプロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、プログラマブルコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、または他の同様の構成の一つまたは複数の集積回路、あるいはこれらの組み合わせなどによって実現することができる。すなわち、制御モジュール１４は、少なくとも以下で述べる計算を実行することが可能な構成である。

本開示の電力調整回路１００の操作例では、上記検出値がＴＣ範囲Ｒ１内にあると制御モジュール１４が判断した場合、制御モジュール１４は操作モジュール１６を第１の操作モードで制御し、電力の伝送が第１の期間において禁止される。すなわち、電力調整回路１００は、第１の期間の間、電力オフ状態に留まる。具体的には、受電端Ａにおいて検出される充電電流の値がＴＣ範囲Ｒ１内にあって検出値が０．０５Ａ未満またはほぼ０といったような場合、給電端Ｂによって出力される出力電力を受け取る対象、すなわち、本実施形態における電子デバイスのバッテリがほぼ完全に充電されていることを意味している。電子デバイスのバッテリの過充電を防止するため、制御モジュール１４は第１の操作モードに入って操作モジュール１６を開くように操作し、出力電力を給電端Ｂにおいて停止する。電子デバイスは、第１の期間においてバッテリによって電力が与えられるので、この第１の期間は、バッテリの容量に従って、例えば２時間といったように設定することが好ましい。

一つの実施形態では、上記検出値がＣＶ内Ｒ２にあると制御モジュール１４が判断した場合、制御モジュール１４は操作モジュール１６を第２の操作モードで制御し、第２の期間の間、電力の伝送が維持される。すなわち、電力調整回路１００は、第２の期間の間、電力伝送状態に留まる。具体的には、受電端Ａにおいて検出される充電電流の値がＣＶ範囲Ｒ２内にあって検出値が０．０５Ａと１．５Ａの間といったような場合、給電端Ｂによって出力される出力電力を受け取る対象は一定量の電気、例えばバッテリの容量の５０％から９０％の電気を蓄えたことを意味する。電子デバイスの充電システムは定電圧モードでバッテリを充電して一定期間の後にトリクル充電モードに入るので、この第２の期間もバッテリの容量に応じて例えば０．５時間といった長さに設定することが好ましい。

一つの実施形態では、上記検出値がＣＣ範囲Ｒ３内にあると制御モジュール１４が判断した場合、制御モジュール１４は操作モジュール１６を第３の操作モードで制御し、第３の期間の間、電力の伝送が維持される。すなわち、電力調整回路１００は、第３の期間の間、電力伝送状態に留まる。具体的には、受電端Ａにおいて検出される充電電流の値がＣＣ範囲Ｒ３内にあって検出値が１．５Ａよりも大きいといったような場合、給電端Ｂによって出力される出力電力を受け取る対象が枯渇しかけている、または電気が少ないことを意味する。電子デバイスの充電システムは定電流モードでバッテリを充電して一定期間の後に定電圧モードに入ることでバッテリの枯渇を防止するするので、この第３の期間もバッテリの容量に応じて例えば１時間といった長さに設定することが好ましい。

制御モジュール１４は、要求に応じて第１から第３の期間の長さを設定するだけでなく、要求に応じてＴＣ範囲Ｒ１、ＣＶ範囲Ｒ２、ＣＣ範囲Ｒ３の隣り合う二つの間の境界値を設定することができる。具体的には、制御モジュール１４は、ＴＣ範囲Ｒ１とＣＶ範囲Ｒ２の間の第１の境界値ＢＶ１の値、およびＣＶ範囲Ｒ２とＣＣ範囲Ｒ３の間の第２の境界値ＢＶ２の値をバッテリの特性に基づいて設定する境界制御素子１４２を含むことができる。したがって、制御モジュール１４が検出値を取得して検出値がどの範囲にあるかを判断する前に第１の境界値ＢＶ１と第２の境界値ＢＶ２を設定することができる。境界制御素子１４２は、二つの境界ＢＶ１とＢＶ２を設定するためのマルチセクションＤＩＰスイッチまたはスライドスイッチによって実現される物理的スイッチであってもよい。あるいは、境界制御素子１４２は、通信素子とソフトウェア操作インターフェースによって実現される仮想スイッチでもよい。通信素子は、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）、近距離通信（ＮＦＣ）、またはブルートゥース（登録商標）などのデバイスでもよい。このため、本開示の電力調整回路１００は、異なる仕様や特性を有するバッテリに適用しても過放電や過充電に対する保護を十分に行うことができる。

制御モジュール１４が第１、第２、または第３の操作モードの内容を完了する、すなわち、操作モジュール１６を制御することによって第１の期間において電力の伝送を禁止する、第２の期間において電力の伝送を維持する、または第３の期間において電力の伝送を維持することを完了すると、制御モジュール１４は、給電モード設定の次のステージを実行してもよい。具体的には、制御モジュール１４が第１、第２、または第３の操作モードの内容を完了した後、制御モジュール１４は検出モジュール１２を再度制御して次の検出期間において充電電流の新たな検出値を取得し、操作モジュール１６を制御するためにどのモードを使用すべきかをこの新たな検出値に基づいて判断してもよい。

一つの実施形態では、操作モジュール１６は電子スイッチ（図示しない）を含んでもよく、電子スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ、リレー、ＤＥＰＦＥＴ、ＤＧＭＯＦＥＴ、ＦＲＥＤＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＩＧＢＴ、ＮＯＭＦＥＴ、ＭＯＤＦＥＴ、ＯＦＥＴ、または上記素子の組み合わせでもよい。この実施形態では、操作モジュール１６は制御モジュール１４に連結し、電力調整回路１００が制御モジュール１４の命令に従って電力を出力しているか否かを制御してもよい。すなわち、操作モジュール１６の動作によって電力調整回路１００が電力伝送モードにあるか電力オフ状態にあるかを決定してもよい。特に、操作モジュール１６がトランジスタによって実現されている場合、制御モジュール１４の命令によって操作モジュール１６が制御されて飽和領域または遮断領域で動作する。

一つの実施形態では、本開示の電力調整回路１００は、受電端Ａと給電端Ｂの間に連結される状態制御素子１８をさらに含んでもよく、これにより、検出モジュール１２、制御モジュール１４、および操作モジュール１６を含む直列回路が状態制御素子１８と並列となる。この状態制御素子１８は、制御モジュール１４の命令が電力調整回路１００の状態を実際に決定しているか否かを設定するために用いられる。例えば、状態制御素子１８は、制御モジュール１４が操作モジュール１６に対して何ら命令を伝送しなくても電力調整回路１００が電力伝送状態にあるよう、受電端Ａと給電端Ｂの間を短絡するためのトグルスイッチでもよい。

本開示の実施形態の一つに係る充電装置を示すブロック図である図３を参照する。本実施形態では、変換モジュール３２と電力調整回路３４を含む充電装置３００が示されており、電力調整回路３４は図１に示された電力調整回路１００によって実現されてよく、変換モジュール３２は電力調整回路３４の検出モジュール（図示しない）と連結される。一つの実施形態では、変換モジュール３２は電源Ｃと連結されるように構成され、電源Ｃによって供給される電力を電力調整回路３４の受電端Ａが受け取る充電電流に変換してもよい。例えば、電源Ｃは１００から２４０ＶのＡＣ電力でよく、変換モジュール３２は、このＡＣ電力を５から２４ＶのＤＣ電力へ変換して受電端Ａが受け取る充電電流として提供してもよい。なお、本開示は、上記ＡＣ電力とＤＣ電力を上記値に制限するものではない。

本開示の実施形態の一つに係る給電モード設定方法を示すフローチャートである図４を参照されたい。ステップＳ１では、検出期間において電力調整回路１００は電力伝送状態であり、充電電流が検出されて充電電流に関連する検出値が取得される。具体的には、一つの実施形態では、検出期間において制御モジュール１４は操作モジュール１６を制御してオンとし、検出モジュール１２は充電電流に対応する検出値を取得してもよい。

ステップＳ２では、制御モジュール１４は、検出値がＴＣ範囲、ＣＶ範囲、およびＣＣ範囲のいずれにあるかを判断する。ここで、（図２Ａで示されるように）ＴＣ範囲内の値はＣＶ範囲内の値より小さく、ＣＶ範囲内の値はＣＣ範囲内の値よりも低い。

検出値がＴＣ範囲Ｒ１内であれば、ステップＳ３が実行される。ステップＳ３では、制御モジュール１４は、電力の伝送が第１の期間中禁止される第１の操作モードで操作モジュール１６を制御する。すなわち、電力調整回路１００は第１の期間中電力オフ状態に留まる。電子デバイスのバッテリはほぼ完全に充電されているので、第１の期間は、通常使用において電子デバイスのバッテリが飽和状態から枯渇するのに必要な時間と比較して短い。例えば、電子デバイスが「ＣＣ-ＣＶ ０．５Ｃ（ｍａｘ） ４．２０Ｖ、２５℃でのカットオフが６５ｍＡ」という充電仕様のノートブックコンピュータであれば、第１の期間は約２時間でよい。

検出値がＣＶ範囲Ｒ２内であれば、ステップＳ４が実行される。ステップＳ４では、制御モジュール１４は、電力の伝送が第２の期間中維持される第２の操作モードで操作モジュール１６を制御する。すなわち、電力調整回路１００は第２の期間中電力伝送状態に留まる。電子デバイスのバッテリは一定量の電気を既に蓄えているので、第２の期間は、電子デバイスのバッテリがこの一定の電気量（例えば、バッテリの容量の約６０％）から飽和するまでに必要な時間であり、通常第１の期間よりも短い。例えば、電子デバイスが上述した充電仕様のノートブックコンピュータであれば、上記第２の期間は約０．５時間でもよい。

検出値がＣＣ範囲Ｒ３内であれば、ステップＳ５が実行される。ステップＳ５では、制御モジュール１４は、電力の伝送が第３の期間中維持される第３の操作モードで操作モジュール１６を制御する。すなわち、電力調整回路１００は第３の期間中電力伝送状態に留まる。電子デバイスのバッテリは空に近い、またはその電気の量が実際に低いので、第３の期間は、通常使用において電子デバイスのバッテリが空から飽和するのに必要な時間よりも短い。通常、第３の期間は第１の期間よりも短いが、第２の期間よりも長い。例えば、電子デバイスが上述した充電仕様のノートブックコンピュータであれば、第３の期間は約１時間でもよい。

さらに、図４に示されるように、ステップＳ３からＳ５のいずれかが完了するとステップＳ１を再度実行し、バッテリの現有蓄電量に基づいて電子デバイスに電力をさらに供給するのが適切かどうかを判断してもよい。また、ステップＳ１が実行される前に、異なる種類のバッテリの要求に適合させるため、前もって命令を受信してＴＣ範囲Ｒ１とＣＶ範囲Ｒ２の間の第１の境界値ＢＶ１、およびＣＶ範囲Ｒ２とＣＣ範囲Ｒ３の間の第２の境界値ＢＶ２を設定してもよい。

本開示の電力調整回路、充電装置、および給電モード設定方法の上記実施形態により、検出された充電電流に従って出力電力を制御することができる。すなわち、開示された装置と方法の実施形態を通じて電子デバイスのバッテリが充電される際、ユーザは、使用習慣を変えてまでバッテリの過充電や過放電、充電に起因する他の問題を防止する必要がない。

Claims (5)

1. 電力調整回路に適合する給電モード設定方法であり、
   検出期間において、前記電力調整回路を電力伝送状態で制御し、充電電流を検出して検出値を取得すること、
   前記検出値がトリクル充電（ＴＣ）範囲、定電圧（ＣＶ）範囲、および定電流（ＣＣ）範囲のいずれにあるかを判断すること、
   前記検出値が前記ＴＣ範囲にある場合、第１の期間の間、前記電力調整回路を電力オフ状態に調整すること、
   前記検出値が前記ＣＶ範囲にある場合、第２の期間の間、前記電力調整回路を前記電力伝送状態に維持すること、および、
   前記検出値が前記ＣＣ範囲にある場合、第３の期間の間、前記電力調整回路を前記電力伝送状態に維持することを含み、
   前記ＴＣ範囲内の値は前記ＣＶ範囲内の値よりも小さく、前記ＣＶ範囲内の前記値は前記ＣＣ範囲内の値よりも小さく、
   前記第１の期間は前記第３の期間よりも長く、前記第３の期間は前記第２の期間よりも長い、給電モード設定方法。
2. 前記検出値が前記ＴＣ範囲、前記ＣＶ範囲、および前記ＣＣ範囲のいずれにあるかを判断する前に、前記ＴＣ範囲と前記ＣＶ範囲の間の第１の境界値および前記ＣＶ範囲と前記ＣＣ範囲の間の第２の境界値を設定する命令を受け取ることをさらに含む、請求項１に記載の給電モード設定方法。
3. 電力調整回路であり、
   検出期間の間、充電電流を検出して検出値を取得する検出モジュール、
   前記検出モジュールに連結され、前記検出値を受け取り、前記検出値がトリクル充電（ＴＣ）範囲、定電圧（ＣＶ）範囲、および定電流（ＣＣ）範囲のいずれにあるかを判断する制御モジュール、および
   前記制御モジュールに連結され、前記制御モジュールから命令を受け取って電力伝送状態または電力オフ状態で前記電力調整回路を制御する操作モジュールを備え、
   前記ＴＣ範囲内の値は前記ＣＶ範囲内の値よりも小さく、前記ＣＶ範囲内の前記値は前記ＣＣ範囲内の値よりも小さく、
   前記制御モジュールは、
   前記検出期間において前記操作モジュールに命令して前記電力伝送状態で前記電力調整回路を制御させ、
   前記制御モジュールによって前記検出値が前記ＴＣ範囲にあると判断された場合、第１の期間の間、前記電力調整回路を前記電力オフ状態に調整し、
   前記制御モジュールによって前記検出値が前記ＣＶ範囲にあると判断された場合、第２の期間の間、前記電力調整回路を前記電力伝送状態で維持し、
   前記制御モジュールによって前記検出値が前記ＣＣ範囲にあると判断された場合、第３の期間の間、前記電力調整回路を前記電力伝送状態で維持し、
   前記第１の期間は前記第３の期間よりも長く、前記第３の期間は前記第２の期間よりも長い、電力調整回路。
4. 前記検出モジュール、前記制御モジュール、および前記操作モジュールは、受電端と給電端の間で連結され、
   前記受電端と前記給電端の間に連結されて前記受電端と前記給電端の間を選択的に短絡させる状態制御素子をさらに含む、請求項３に記載の電力調整回路。
5. 電源に連結し、前記電源によって提供される電力を充電電流に変換し、前記充電電流を出力するように構成される変換モジュール、および
   変前記換モジュールに連結される前記検出モジュールを備える請求項３に記載の前記電力調整回路を備える充電装置。
   

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