JPH0970147A

JPH0970147A - 充電装置

Info

Publication number: JPH0970147A
Application number: JP22408395A
Authority: JP
Inventors: Yasuharu Yamazaki; 康晴山崎; Shoichi Nakamura; 正一中村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1995-08-31
Publication date: 1997-03-11

Abstract

(57)【要約】【課題】リチウムイオン電池などの定電圧充電が行わ
れる２次電池の充電が、電流検出をすることなく、効率
良く充電できるようにする。【解決手段】電池電圧が所定電圧以上となると、２次
電池２３と充電用端子２１，２２との間を切り離す保護
回路２５を備える２次電池装置２０を充電する充電装置
において、充電用端子へ充電用電流を供給して充電を行
う充電回路と、２次電池装置２０内の保護回路２５が作
動したことを検出したとき、２次電池２３が所定容量以
上充電されたと判断する充電状態の判別回路１０とを備
えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、２次電池の充電装
置に関し、特にリチウムイオン電池などの定電圧充電が
必要な２次電池に適用して好適な充電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、充電が可能な電池である２次電池
として、リチウムイオン電池が開発されている。このリ
チウムイオン電池は、例えば図４に示す特性にて充電さ
れる。図４は一般的なリチウムイオン電池の充電電流・
電圧対経過時間の特性図であり、充電開始から電池電圧
が所定電位になるまでは、充電電流Ｉを一定電流として
充電を行う。この定電流充電を行うことで、電池電圧Ｖ
が上昇し、所定値を越えたとき、定電圧充電に切換え
る。このときには、例えばリチウムイオン電池の満充電
時（即ち１００％充電されたとき）の電池電圧に相当す
る電圧Ｖ₀を供給する。この定電圧充電を行うことで、
リチウムイオン電池が充電されて、電池電圧が電圧Ｖ₀
まで上昇するが、この充電が行われるに従って、充電電
流Ｉは減少する。ここで、この充電電流Ｉが所定値まで
減少したとき、リチウムイオン電池が１００％に近い所
定量まで充電（例えば９０％充電）されたと判断し、充
電電流の供給を停止させる。

【０００３】このようにして充電を行うことで、リチウ
ムイオン電池を１００％に近い状態まで充電することが
できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このように
充電電流を検出して充電の制御を行う場合には、充電電
流の検出手段が必要になり、それだけ充電装置の構成が
複雑になる不都合があった。即ち、充電電流の検出手段
としては、例えば充電電流の供給路に抵抗器を接続し
て、この抵抗器の一端と他端との間の電位差を検出し、
この抵抗器の抵抗値と検出された電位差より充電電流を
検出する構成が考えられるが、このような電流検出手段
を設けると、それだけ充電装置の構成が複雑になってし
まう。また、充電電流の供給路に接続された抵抗器を使
用して充電電流を検出する場合には、この抵抗器による
充電電流のロスがあり、それだけ充電効率が悪くなる不
都合があった。

【０００５】このため、充電時の電池電圧だけを検出し
て充電の制御を行うことが考えられるが、リチウムイオ
ン電池の場合には、電池電圧が満充電時の電池電圧と等
しくなった段階では、電池容量の数十％しか充電されて
なく、その段階で充電を停止させるようにすると、電池
を１００％まで充電させることができず、電池容量が有
効に活用されないと言う不都合が生じる。

【０００６】本発明はかかる点に鑑み、リチウムイオン
電池などの定電圧充電が行われる２次電池の充電が、電
流検出をすることなく、効率良く充電できるようにする
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、２次電池装置
内の保護回路が作動したことを検出したとき、２次電池
が所定容量以上充電されたと判断するようにしたもので
ある。

【０００８】かかる構成の本発明によると、保護回路の
作動状態を監視するだけで、充電時の充電停止の判断が
可能になる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１〜
図３を参照して説明する。

【００１０】図１は本例の充電装置の構成を示す回路図
で、商用交流電源１からの交流１００Ｖ電源を、電源ス
イッチ２ａ及び２ｂを介してダイオードブリッジ３に供
給し、このダイオードブリッジ３の出力側に整流された
直流信号を得る。この場合、ダイオードブリッジ３の交
流入力部の一端と他端との間には、コンデンサＣ１を接
続し、ダイオードブリッジ３の直流出力部の一端と他端
との間には、コンデンサＣ２を接続する。

【００１１】そして、このダイオードブリッジ３の＋側
の直流出力部を、スイッチング用トランス４の一次側巻
線４ａの一端に接続し、このトランス４の一次側巻線４
ａの他端をＮＰＮ型のトランジスタＱ１のコレクタに接
続する。このトランジスタＱ１は、スイッチング電源を
構成する上で発振用のスイッチング手段として機能する
トランジスタである。そして、このトランジスタＱ１の
コレクタを、ダイオードＤ１のアノードに接続し、この
ダイオードＤ１のカソードを、抵抗器Ｒ１とコンデンサ
Ｃ３の並列回路を介して、トランス４の一次側巻線４ａ
の一端に接続する。

【００１２】そして、ダイオードブリッジ３の−側の直
流出力部に抵抗器Ｒ２の一端を接続し、この抵抗器Ｒ２
の他端にＮＰＮ型のトランジスタＱ２のエミッタを接続
する。このトランジスタＱ２は、大電流による急速充電
と小電流によるトリクル充電とを切換えるスイッチとし
て機能するトランジスタであり、このトランジスタＱ２
のベースが、後述する充電制御回路１０の充電制御信号
出力端子１１と抵抗器Ｒ３を介して接続してある。

【００１３】そして、トランジスタＱ１のエミッタと、
トランジスタＱ２のコレクタとの間を、抵抗器Ｒ４で接
続し、トランジスタＱ１のエミッタと、トランジスタＱ
２のエミッタとの間に、抵抗器Ｒ５とコンデンサＣ４と
の並列回路を接続する。また、トランス４の一次側巻線
４ａの一端と、トランジスタＱ２のエミッタとの間に、
コンデンサＣ５を接続する。

【００１４】そして、トランジスタＱ１のベースを、コ
ンデンサＣ６と抵抗器Ｒ６の直列回路を介して、スイッ
チング用トランス４の補助巻線４ｃの一端に接続し、こ
の補助巻線４ｃの他端を、抵抗器Ｒ２の他端側に接続す
る。そして、トランジスタＱ１のベースとコンデンサＣ
６との接続点を、抵抗器Ｒ７を介してトランス４の一次
側巻線４ａの一端に接続する。

【００１５】そして、トランジスタＱ１のエミッタを、
ＮＰＮ型のトランジスタＱ３のベースに接続する。そし
て、このトランジスタＱ３のコレクタを、トランジスタ
Ｑ１のベースに接続すると共に、トランジスタＱ３のエ
ミッタを、ＮＰＮ型のトランジスタＱ４のベースに接続
する。そして、トランジスタＱ４のコレクタを、トラン
ジスタＱ１のベースに接続すると共に、トランジスタＱ
４のエミッタを、抵抗器Ｒ２の他端側に接続する。ここ
で、トランジスタＱ３及びＱ４は、充電電流制御用トラ
ンジスタとして機能するもので、トランジスタＱ３のベ
ースに接続された抵抗器Ｒ４及びＲ５を流れる電流に比
例した充電電流が、トランジスタＱ３及びＱ４により設
定される。ここで、抵抗器Ｒ４は、上述したトランジス
タＱ２のオン・オフにより導通が制御されるので、トラ
ンジスタＱ２のオン・オフにより、充電電流が急速充電
に対応した大電流（例えば最大１Ａ）と、トリクル充電
に対応した小電流（例えば最大０．１Ａ）との間で変化
する。

【００１６】そして、トランジスタＱ４のコレクタとエ
ミッタとを、それぞれＮＰＮ型のトランジスタＱ５のコ
レクタとエミッタとに接続し、このトランジスタＱ５の
ベースを、抵抗器Ｒ８を介して抵抗器Ｒ２の他端側に接
続する。このトランジスタＱ５は、充電電圧制御用トラ
ンジスタとして機能するものである。

【００１７】そして、スイッチング用トランス４の補助
巻線４ｃの一端と、抵抗器Ｒ６との接続点を、ダイオー
ドＤ２のアノードに接続し、このダイオードＤ２のカソ
ードを、抵抗器Ｒ９を介して電圧レギュレータ５の入力
端子５ａに接続する。また、抵抗器Ｒ９と入力端子５ａ
との間を、コンデンサＣ７の一端に接続し、このコンデ
ンサＣ７の他端を、レギュレータ５の接地電位部ＧＮＤ
と接続する。そして、このレギュレータ５の出力端子５
ｂを、充電制御回路１０の直流電源入力端子ＶＤＤに接
続し、レギュレータ５が出力する安定した所定電位（こ
こでは５Ｖ）の電源を充電制御回路１０に供給する。ま
た、レギュレータ５と充電制御回路１０の双方の接地電
位部ＧＮＤと、レギュレータ５の出力端子５ｂとの間
を、コンデンサＣ８を介して接続する。

【００１８】そして、スイッチング用トランス４の二次
巻線４ｂの一端を、ダイオードＤ３のアノードに接続
し、このダイオードＤ３のカソードを、＋側充電端子６
に接続する。そして、二次巻線４ｂの他端を、−側充電
端子７と、抵抗器Ｒ２の他端側に接続する。また、トラ
ンジスタＱ５のベースを、ツェナーダイオードＤ４と抵
抗器Ｒ１０を介して、ダイオードＤ３のカソード側に接
続する。そして、ツェナーダイオードＤ４と抵抗器Ｒ１
０との接続点に、コンデンサＣ９及びＣ１０の一端を接
続し、コンデンサＣ９の他端を端子６に接続し、コンデ
ンサＣ１０の他端を端子７に接続する。ここで、ツェナ
ーダイオードＤ４と抵抗器Ｒ１０とは、過電圧の検出用
素子である。

【００１９】そして、＋側充電端子６を、抵抗器Ｒ１１
を介して充電制御回路１０の電池電圧検出端子１２に接
続する。また、−側充電端子７を、充電制御回路１０の
接地電位部ＧＮＤに接続すると共に、この接地電位部Ｇ
ＮＤと電池電圧検出端子１２との間を、コンデンサＣ１
１で接続する。このように電池電圧検出端子１２の周辺
を接続したことで、＋側充電端子６及び−側充電端子７
に２次電池が接続されている場合には、その電池電圧を
端子１２に得られる電位で検出することができる。

【００２０】ここで、本例の充電制御回路１０で行う制
御について説明すると、充電制御回路１０はＩＣ（集積
回路）で構成され、レギュレータ５から供給される５Ｖ
の電源により作動する。そして、充電状態の制御として
は、充電制御信号出力端子１１からの信号により、トラ
ンジスタＱ２をオン状態としたとき、大電流による急速
充電を実行させ、充電制御信号出力端子１１からの信号
により、トランジスタＱ２をオフ状態としたときには、
小電流によるトリクル充電を実行させる。そして、この
急速充電からトリクル充電に変化させる際の充電制御回
路１０での判断は、電池電圧検出端子１２で検出される
充電中の２次電池の電池電圧に基づいて行うようにして
ある。即ち、本例の充電制御回路１０は、電池電圧検出
端子１２の電圧を所定周期（例えば０．１秒周期）でサ
ンプリングして、そのサンプリング値を判断するように
してある。そして、そのサンプリング値と直前のサンプ
リング値との変化が所定電位以上（例えば０．１Ｖ以
上）あったとき、この充電制御回路１０内のタイマ回路
（図示せず）で所定時間（ここでは５分とする）のカウ
ントを開始させ、このタイマ回路で５分間カウントした
とき、充電制御信号出力端子１１からの信号によりトラ
ンジスタＱ２をオフ状態に変化させて、トリクル充電モ
ードに変化させる。この変化で、端子６及び７に２次電
池（後述するバッテリパック２０）が接続されている限
り、小電流での充電を随時行って、満充電状態を維持さ
せる制御を行う。

【００２１】次に、この充電装置の充電端子６及び７に
接続される２次電池について説明する。本例の充電装置
に接続される２次電池は、リチウムイオン電池である
が、ここでは保護回路を内蔵したリチウムイオンバッテ
リパック２０として構成される。

【００２２】その構成について説明すると、充電装置側
の充電端子６及び７と接続される＋側充放電端子２１及
び−側充放電端子２２を備え、＋側充放電端子２１を２
次電池であるリチウムイオン電池２３の正極に接続す
る。そして、リチウムイオン電池２３の負極を、電界効
果トランジスタ２４のソース・ドレイン間を介して−側
充放電端子２２に接続する。そして、このトランジスタ
２４のゲートを、保護回路２５の制御端子に接続する。
この保護回路２５は、リチウムイオン電池２３の正極と
負極との間の電位を検出するように接続してあり、この
検出した電位がリチウムイオン電池２３の満充電時の電
位よりも若干高い閾値を設定して、この閾値を越えたと
き、トランジスタ２４をオフ状態とし、閾値以下のとき
オン状態とする制御が行われる。なお、以下の説明で
は、リチウムイオンバッテリパック２０内のリチウムイ
オン電池２３は、満充電時の電池電圧が４．２５Ｖであ
るとし、充電装置側の充電端子６及び７からは最大で
４．５Ｖの充電電圧を供給するように設定する。

【００２３】なお、リチウムイオンバッテリパック２０
を電池として使用する場合には、この充電装置から外し
て、＋側充放電端子２１及び−側充放電端子２２を負荷
装置に接続させる。或いは、図１に示す充電装置に接続
された状態で、＋側充放電端子２１及び−側充放電端子
２２（或いは別に用意された放電用の端子）が負荷装置
に接続されている場合もある。

【００２４】ここで、この図１に示す充電装置にてバッ
テリパック２０内のリチウムイオン電池２３が充電され
る動作について説明すると、電源スイッチ２ａ及び２ｂ
が接続状態であるとき、商用交流電源１からの交流１０
０Ｖ電源がダイオードブリッジ３で整流され、この整流
信号のトランジスタＱ１でのスイッチングと、トランス
４の補助巻線４ｃに接続されたコンデンサＣ６と抵抗器
Ｒ６との作用で、スイッチング電流が二次巻線４ｂに得
られ、このスイッチング電流がダイオードＤ３で整流さ
れて、端子６，７に接続されたリチウムイオン電池２３
に充電される。ここで、そのときの充電電流は、トラン
ジスタＱ２のオン・オフにより決まる。

【００２５】次に、この充電時にトランジスタＱ２のオ
ン・オフを制御する充電制御回路１０の充電制御動作
を、図２のフローチャートを参照して説明する。

【００２６】まず、この充電装置にバッテリパック２０
が装着されたときには、装着されたバッテリパック２０
内のリチウムイオン電池２３の残容量を、電池電圧など
から検出し、検出した残量が所定量以下である場合に
は、トランジスタＱ２をオン状態とする制御信号を出力
端子１１から出力させて、急速充電を行う。この急速充
電時には、図２のフローチャートに示すように、最初に
例えば１Ａ充電電流を流す定電流充電を行い（ステップ
１０１）、その後充電電流の低下に伴って定電圧充電に
切換える（ステップ１０２）。この定電圧充電を行って
いる間は、充電制御回路１０で電池電圧検出端子１２の
電圧を判断し、この電池電圧の判断で、電圧の波、即ち
電池電圧の急激な変動を検出するか否か判断する（ステ
ップ１０３）。具体的には、例えば０．１秒間で０．１
Ｖ以上の電圧変動があるか否か判断する。

【００２７】ここで、この急激な電圧変動を検出しない
場合には、ステップ１０２での定電圧充電を継続させ
る。そして、ステップ１０３で急激な電圧変動を検出し
た場合には、充電制御回路１０内のタイマ回路を作動さ
せる（ステップ１０４）。そして、このタイマ回路でカ
ウントする時間が予め設定された所定時間ｔａ（ここで
は５分）になったか否か判断し（ステップ１０５）、こ
の所定時間ｔａが経過したと判断したときには、出力端
子１１からの制御信号によりトランジスタＱ２をオフ状
態として、急速充電を停止させる（ステップ１０６）。
この急速充電を停止させることで、以後は小電流による
トリクル充電が行われる（ステップ１０７）。

【００２８】ここで、この図２のフローチャートに示す
ように充電制御回路１１で充電動作を制御したときの電
池の充電状態を、図３を参照して説明する。図３のＡは
充電開始からの電池電圧（実際には端子１２で検出され
る電圧）の変化を示し、図３のＢは充電開始からの充電
電流の変化を示し、図３のＡとＢの特性図の時間変化は
同じに設定してある。ここでは定電流充電時の充電電流
Ｉ₁として１Ａを設定し、リチウムイオン電池２３があ
る程度充電されたタイミングｔ₁になるまで、この１Ａ
の充電電流が流れる。そして、このタイミングｔ₁以後
は徐々に充電電流が減少するが、電池電圧は満充電時の
電池電圧Ｖ₁（ここでは４．２５Ｖ）まで徐々に増加
し、タイミングｔ₂で電池電圧がＶ₁になる。充電開始
から電池電圧がＶ₁になるタイミングｔ₂までに要する
時間は、例えば数十分程度（実際には電池容量により大
きく異なる）である。

【００２９】ここで、充電装置の端子６，７からリチウ
ムイオン電池２３側に供給する最大電圧は４．５Ｖとし
てあり、この４．５Ｖがリチウムイオン電池２３側に供
給されている状態では、電池電圧が満充電時の電池電圧
Ｖ₁になると、バッテリパック２０内の保護回路２５
が、電池電圧Ｖ₁（即ち４．２５Ｖ）を越える電圧を検
出するようになる。なお、この時点では、リチウムイオ
ン電池２３は充電できる容量の数十％（例えば９０％）
程度まで充電された状態である。

【００３０】このとき、この保護回路２５によりバッテ
リパック２０内のトランジスタ２４をオフ状態とする保
護動作が行われる。この保護動作が行われると、充電制
御回路１１の端子１２で検出される電圧としては、４．
５Ｖの充電電圧になる。従って、端子１２で検出される
電圧が急激に４．２５Ｖから４．５Ｖに上昇することに
なり、充電制御回路１０内でタイマ回路を作動させる制
御が行われる。

【００３１】一方、バッテリパック２０側では、保護回
路２５の作動によりリチウムイオン電池２３が充電装置
から切り離された状態となっているため、保護回路２５
が検出する電位がリチウムイオン電池２３そのものの電
位となり、４．２５Ｖ（或いは４．２５Ｖより若干低い
電位）が検出されて、図３のＡに示すタイミングｔ₃で
保護回路２５がトランジスタ２４をオン状態にさせて、
保護された状態を解除する動作が行われる。

【００３２】このとき、充電制御回路１１の端子１２で
検出される電圧は、電池電圧である４．２５Ｖに戻り、
図３のＢに示す充電電流Ｉａが流れるようになる。この
ようにして充電電流がリチウムイオン電池２３に供給さ
れるようになると、再びバッテリパック２０内の保護回
路２５が、４．２５Ｖを越える電圧を検出するようにな
り、トランジスタ２４をオフ状態とする保護動作が行わ
れる。

【００３３】以後は、保護回路２５の作動による端子１
２の電圧の急上昇と、保護回路２５による保護動作の解
除とを繰り返し行うようになり、端子１２で検出される
電位が上下に波を打つようになる。そして、保護動作が
解除された時点で若干の充電電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ‥‥
が流れ、リチウムイオン電池２３の充電状態が１００％
に近づく。なお、ここでの充電電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ‥
‥は、充電されて行くに従って、徐々に電流値が減少す
る。

【００３４】そして、充電制御回路１０内のタイマ回路
の作動時間ｔａを、このリチウムイオン電池２３がほぼ
１００％充電されるのに必要な時間に設定することで、
リチウムイオン電池２３がほぼ１００％充電されたタイ
ミングｔ₄で急速充電が停止することになり、以後（図
３のＡに示す期間ｔｂ）は小電流Ｉｉによるトクリル充
電が行われるようになる。

【００３５】このように本例の充電装置によりリチウム
イオン電池を充電させることで、電圧だけを検出させる
構成で、リチウムイオン電池をほぼ１００％の状態まで
充電させることができる。このため、従来の充電装置の
ように充電電流を検出するための構成が必要なく、それ
だけ充電装置の構成が簡単になる。また、充電電流検出
用の抵抗器による充電電流のロスがなく、それだけ少な
い電力で効率良く２次電池を充電することができる。ま
た本例においては、ほぼ１００％まで充電された後は、
トリクル充電と称される小電流による充電が行われるの
で、１００％の充電状態が維持される。

【００３６】なお上述実施例では、２次電池としてリチ
ウムイオン電池を充電する場合について説明したが、他
の同様な定電圧充電を必要とする２次電池の充電装置に
も適用できることは勿論である。

【００３７】また、上述実施例で説明した電圧や電流の
値や、充電制御回路１０内のタイマ回路の作動時間ｔａ
などについても、使用する電池の電圧特性などに応じて
適宜選定すれば良く、上述実施例の値に限定されるもの
ではない。例えば、充電制御回路１０内のタイマ回路の
作動時間ｔａについては、上述実施例では５分としてた
が、使用されるリチウムイオン電池の特性や容量に合わ
せて、５分から３０分程度の間で、適当な時間を予め設
定するのが好ましい。

【００３８】また、充電電流や充電電圧を設定する回路
についても、上述実施例で説明した回路に限定されるも
のではなく、種々の構成の電流・電圧設定回路が適用で
きる。

【００３９】

【発明の効果】本発明によると、保護回路の作動状態を
監視するだけで、充電時の充電停止の判断が可能にな
り、簡単な構成で、リチウムイオン電池などの定電圧充
電が必要な２次電池を、所定の容量まで充電させること
ができる。

【００４０】この場合、２次電池装置の正極の充電用端
子と負極の充電用端子との間の電圧を検出する電圧検出
回路で、一定時間内に所定レベル以上の電圧変化を検出
したとき、保護回路が作動したと判別するようにしたこ
とで、電圧検出を行うだけで簡単に電池の状態の判断が
できるようになり、簡単な構成で実現できる。

【００４１】さらに、この場合に保護回路の作動を判別
したとき、タイマ手段を作動させ、このタイマ手段でカ
ウントする時間が所定時間経過したとき、充電を停止さ
せるようにしたことで、タイマ回路でカウントする時間
を適切に設定するだけで、簡単にほぼ１００％まで充電
できるようになる。

【００４２】さらにまた、充電回路での充電を停止させ
た後、小電流で随時充電を行うようにしたことで、この
１００％の充電状態を良好に維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による充電装置の構成を示す
回路図である。

【図２】一実施例による充電処理を示すフローチャート
である。

【図３】一実施例による充電状態を示す特性図である。

【図４】リチウムイオン蓄電池の一般的な充電特性を示
す説明図である。

【符号の説明】

６＋側充電端子７ −側充電端子１０充電制御回路１１充電制御信号出力端子１２電池電圧検出端子２０リチウムイオンバッテリパック２１＋側充放電端子２２ −側充放電端子２３リチウムイオン電池２４電界効果トランジスタ２５保護回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電池電圧が所定電圧以上となると、２次
電池と充電用端子との間を切り離す保護回路を備える２
次電池装置を充電する充電装置において、上記充電用端子へ充電用電流を供給して充電を行う充電
回路と、上記２次電池装置内の保護回路が作動したことを検出し
たとき、上記２次電池が所定容量以上充電されたと判断
する充電状態の判別回路とを備えた充電装置。
【請求項２】上記２次電池装置の正極の充電用端子と
負極の充電用端子との間の電圧を検出する電圧検出回路
を備え、該電圧検出回路で一定時間内に所定レベル以上の電圧変
化を検出したとき、上記保護回路が作動したと判別する
ようにした請求項１記載の充電装置。
【請求項３】タイマ手段を備え、上記判別回路が上記保護回路の作動を判別したとき、上
記タイマ手段を作動させ、このタイマ手段でカウントす
る時間が所定時間経過したとき、上記充電回路での充電
を停止させるようにした請求項２記載の充電装置。
【請求項４】上記充電回路での充電を停止させた後、
上記充電回路により小電流で随時充電を行うようにした
請求項３記載の充電装置。