JPH1189099A

JPH1189099A - 充放電制御回路

Info

Publication number: JPH1189099A
Application number: JP24152597A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Matsuo; 高明松尾; Hiroshi Konakano; 浩志向中野
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1997-09-05
Filing date: 1997-09-05
Publication date: 1999-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】充放電制御回路及びその回路を用いた充電式
電源装置の安定した充電動作と信頼性の向上を図る。【解決手段】充放電制御回路において、外部から過充
電検出電圧のヒステリシス回路を制御できるようにする
ことで、通常充電と間欠充電という２つの異なった充電
方式に対して、1つの充放電回路で対応できるように構
成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、二次電池の充放電を
制御することができる充放電制御回路とその回路を利用
した充電式電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の二次電池からなる充電式電源装置
としては、図２に回路ブロック図を示すような電源装置
が知られていた。例えば、特開平４−７５４３０号「充
電式の電源装置」にこのような構造が開示されている。
すなわち外部端子ＥＢ− １０５またはＥＢ＋１０４に
スイッチ回路１０３を介して二次電池１０１が接続され
ている。さらに二次電池１０１に並列に充放電制御回路
１０２が接続されている。この充放電制御回路１０２
は、二次電池１０１の電圧を検出する機能を備えてい
る。二次電池１０１が過充電状態（電池が所定の電圧値
より高い状態で以降この状態を過充電保護状態とい
う）、または過放電状態（電池が所定の電圧値より低い
状態で以降、この状態を過放電保護状態と呼ぶ）のいず
れかの場合は、スイッチ回路１０３がＯＦＦするように
充放電制御回路１０２から信号が出力される。外部端子
＋Ｖ０１０４がある電圧に達したときに放電をＳＴＯ
Ｐすることで、スイッチ回路１０３に流れる電流を制限
することが可能である。すなわち、過大な電流が流れた
ときに放電を停止状態（過電流制御）することができる
（以降この状態を過電流保護状態と呼ぶ）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の充放電
制御回路では、次のような欠点があった。リチウムイオ
ン二次電池は過充電保護状態では発熱、爆発の危険があ
るために、二次電池が過充電保護状態になったところ
で、即座に充電を停止させる必要がある。しかし電池の
内部抵抗の影響で充電停止直後に電池電圧の電圧降下が
生じる。そのため過充電検出電圧を１つの値に設定した
状態で充電を停止すると、電池の内部抵抗による電圧降
下のためにすぐに充電が再開され、回路が発振する。そ
こで過充電検出電圧にヒステリシスを持たせることで発
振を防いでいる。通常このような充電検出と制御が行な
われており、この充電方法を便宜上、通常充電と呼ぶこ
ととする。この方法は安全性の高い方式であるが検出電
圧にヒステリシスをかけるために充放電制御回路が複雑
になる。また、充電が停止すした時に電池の内部インピ
ーダンスと充電電流に比例した電池電圧が低下する。こ
のため、電池電圧を高い値まで充電することができない
という欠点を有する。

【０００４】また二次電池充電方式には次のような方式
も有る。過充電検出にヒステリシス電圧を設けず、過充
電保護状態を検出してから充電を停止するまでの時間に
遅延をかける。この様な回路では回路原理上発振を伴う
ことになる。しかしながら最終的には、充電と充電停止
を繰り返しながら充電停止後の二次電池電圧が過充電検
出電圧以上になったところで充電が終了する。このよう
な充電方法を間欠充電という。この方法ではヒステリシ
ス回路が必要無いので制御回路が簡単になる。また、充
電は制御回路の過充電検出電圧に達したときに終了する
ことになるので、低い電流で充電する必要もなく、充電
器の回路構成が簡単になり、部品数を削減などでコスト
を下げられるというメリットがある。しかし間欠充電で
は充電の際、短時間でも二次電池が過充電保護状態のと
きに充電することになる。電池の特性によっては、通常
充電に比べると二次電池に対する安全性が低いという欠
点を有す。

【０００５】これらの欠点を修正した充電方法もある。
二次電池電圧を常にモニターし、ある設定された電圧に
達するまでは一定の充電電流を流す。そして二次電池電
圧が充電電圧に近づいてからは一定の充電電圧になるよ
うに充電電流を制御する。電流は０Ａに収束するので、
その時点で充電を停止する。この結果、過充電保護状態
において充電するという危険性もなく、およそ９５％程
度の高い充電率を得ることができる。このような充電方
式を定電流定電圧方式と呼ぶ。図５は定電流定電圧方式
を用いたときの二次電池電圧波形を示したものである。
この場合は、充放電制御回路はヒステリシス回路がある場合で
も、ない場合でも対応できる。しかし定電流定電圧充電
方式では常に二次電池電圧をモニターする必要性が有る
ため、充電器の構成が複雑になり、コストが高くなると
いう欠点を有する。

【０００６】このように様々な充電の方法があり、安全
な制御回路を提供するためには、それぞれの方式に対応
した充放電制御回路を個別に用意する必要があった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記のような問題点を解
決するために本発明は、回路内部の検出電圧のヒステリ
シスの有無を外部から選択できるようにする簡単な方法
でありながら、１つの充放電制御回路で通常充電と間欠
充電の異なる充電方式に対応できるような構成とした。

【０００８】

【発明の実施の形態】充放電制御回路において、外部か
ら過充電検出電圧のヒステリシス回路を制御できるよう
にすることで、通常充電と間欠充電という２つの異なっ
た充電方式に対して、1つの充放電回路で対応できるよ
うに構成した。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明の充放電制御回路の回路ブロ
ック図である。外部端子ＥＢ−１４２にスイッチ回路１
５０を介して二次電池１０１が接続されている。スイッ
チ回路１５０はバイポーラ、ＣＭＯＳなどのデバイスは
問わない。また前記スイッチ回路は外部端子ＥＢ＋１
４０と二次電池１０１との間に直列に接続されていて
も同じ機能をはたす。二次電池１０１の電圧は充放電制
御回路１２０により検出されている。充放電制御回路１
２０は、過充電検出コンパレータ１０６、過放電検出コ
ンパレータ１０３、基準電圧回路１０４、電圧分割回路
Ａ１３０，電圧分割回路Ｂ１３１、ヒステリシス制御
回路１０７、出力制御ロジック回路１０８等で構成され
ている。基準電圧回路１０４は常に一定の電圧を出力す
る回路である。電圧分割回路は電池電圧に比例した低い
電圧を取り出すための回路である。充放電制御回路１２
０は信号線１６０でスイッチ回路１５０と接続されてい
て、前記スイッチ回路１５０のＯＮ／ＯＦＦ信号が送出
される。二次電池１０１へ充電を行うための充電器や負
荷は外部端子ＥＢ＋１４０と外部端子ＥＢ−１４２の間
に接続される。ヒステリシス制御回路１０７にはヒステ
リシス制御端子１４１が接続され、この端子からの信号
によってヒステリシス制御回路１０７がオン／オフす
る。

【００１０】過充電検出コンパレータ１０６、過放電検
出コンパレータ１０３は、二次電池１０１の電圧と基準
電圧１０４を比較する機能を備えている。それぞれのコ
ンパレータの出力に従い、出力制御ロジック回路１０８
が信号線１６０に信号を出すので、それぞれの状態に従
いスイッチ回路が動作して、二次電池への充電及び放電
がオン、オフ出来るようになる。例えば、過充電状態に
なると、過充電検出コンパレータ１０６のプラス入力端
子電圧が基準電圧１０４より高くなり、前記コンパレ―
タの出力がＬｏｗからＨｉｇｈに反転する。この出力信
号が出力制御ロジック回路に入力されることで、スイッ
チ回路１５０がＯＦＦする。これにより、充電電流は二
次電池１０１に流れ込まなくなり、充電は停止される。

【００１１】次に本実施例の有効性を説明するために、
充放電制御回路の動作について説明していく。最初に通
常充電を行なうときの充放電制御回路の動作を説明す
る。図３は充電式電源装置にヒステリシス回路がある際
に通常充電される時の二次電池電圧波形を示した図であ
る。

【００１２】ヒステリシス制御端子１４１はＨｉｇｈの
信号が与えられると、ヒステリシス制御回路１０７が働
くものである。信号の与えかたは任意であるが、ここで
は外部端子ＥＢ＋１４０と制御端子ＶＣＨ１４１の間に
抵抗を接続することで信号を与え、ヒステリシス制御回
路１０７を働かせる。。ヒステリシスとは、一度電圧が
上昇して、検出電圧を越えた際には、コンパレーターの
検出電圧が下がるような特性を示すものである。本発明
では、電圧が上昇する時の過充電検出電圧からヒステリ
シス電圧だけ下がった電圧を過充電解除電圧＝Ｖｃ２と
している。すなわち、電圧上昇時の検出電圧と該検出電
圧を越えた後に下降する時の検出電圧が異なる回路が実
現できる。

【００１３】外部端子ＥＢ＋１４０と外部端子ＥＢ−１
４２に充電器を接続して二次電池１０１に対して充電を
行なうと、二次電池１０１の電圧は次第に上昇してい
く。この時の動作を詳細に説明していく。過充電検出コ
ンパレータ１０６は二次電池１０１のが過充電検出電圧
Ｖｃ１に達するとヒステリシス制御回路１０７に出力す
る。この時の過充電検出電圧Ｖｃ１は基準電圧回路１０
４の電圧をＶｒｅｆ、電圧分割回路の抵抗をＲ１、Ｒ
２、Ｒ３，とすると（１）式のように表される。

【００１４】Ｖｃ１＝（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ１×Ｖｒｅｆ・・・（１）式ヒステリシス制御回路１０７は過充電検出コンパレータ
１０６から過充電保護状態検出の信号が入力されると、
ＭＯＳトランジスタ１０５をＯＮにする。その結果電圧
分割回路１３１の抵抗Ｒ2は短絡された形となり、過充電
検出電圧は（２）式のように変化する。

【００１５】Ｖｃ２＝（Ｒ１＋Ｒ３）／Ｒ１×Ｖｒｅｆ・・・（２）式過充電検出電圧と過充電解除電圧はＲ１，Ｒ２または基
準電圧回路の出力の値を適当な値に変更することで任意
の値に調整できる。二次電池には内部インピーダンスが
存在するので、充電電流が流れなくなると電池電圧降下
が起こる。この電圧降下をＶｄｏｗｎとしたとき、｜Ｖｃ１−Ｖｃ２｜＞Ｖｄｏｗｎ＝充電電圧×電池内部インピーダンス・・・（３）式となるようにＶｃ１，Ｖｃ２を決めると過充電検出電圧
にヒステリシスがかかることになる。この結果過充電保
護状態を検出する際に発振は起こらず、充電は正常に終
了する。

【００１６】次に間欠充電を行なうときの充放電制御回
路の動作を説明する。またこの充放電回路を用いた時に
二次電池が充電される時の電圧波形を図４に示す。ここ
でヒステリシス制御端子１４１にＬｏｗの信号を与える
とヒステリシス制御回路１０７は停止するものとする。
信号の与えかたは任意であるが、ここでは外部端子ＥＢ
−１４２とＧＮＤの間に抵抗を接続することで信号を与
え、ヒステリシス制御回路１０７を停止させる。。この
場合も外部端子ＥＢ＋１４０と外部端子ＥＢ−１４２に
充電器を接続して二次電池１０１に対して充電を行なう
とする。電池電圧がＶｃ１に達すると、遅延時間ｔ後に
スイッチ回路１０３がＯＦＦとなり充電が停止され二次
電池に供給される充電電流が停止する。二次電池は内部
インピーダンスを持っているので充電電流が停止するの
と同時に電池電圧は下降する。このため、二次電池の電
池電圧が再びＶｃ１以下となるため、スイッチ回路１０
３が再度ＯＮする。この際は、再度充電が始まり二次電
池１０１の電圧が上昇をはじめ、前記現象が繰り返され
る。そして最終的には図５に示すようにスイッチ回路が
ＯＦＦした直後にも電池電圧がＶｃ１を越えている場合
に充電が停止する。

【００１７】間欠充電の場合の制御回路では、ヒステリ
シス制御回路１０７は過充電検出コンパレータからの信
号を無視し、ＮＭＯＳトランジスタ１０５のゲートに対
して常にＯＦＦ信号を出力する。その結果過充電検出電
圧常は該（１）式の値に固定されている。このため、充
放電制御回路１２０はここまで説明した様に間欠充電用
の充放電制御回路として機能する。

【００１８】図６は本発明の充放電制御回路のヒステリ
シス制御回路を論理回路で表したときの回路ブロック図
である。ヒステリシス制御端子１４１からＬｏｗが入力
されているときは過充電放電検出コンパレータの出力に
よってＮＭＯＳ１０５がＯＮ／ＯＦＦされる。つまり過
充電検出電圧にヒステリシスを付けることが出来る。ヒ
ステリシス制御端子１４１からＨｉｇｈが入力されてい
る場合は、過充電検出コンパレータの出力に関わらずに
ＮＭＯＳトランジスタ１０５に対してＨｉｇｈが出力さ
れ、常にＯＮ状態になる。その結果過充電検出電圧は１
つに固定され、ヒステリシスが生じなくなる。

【００１９】よってこの充放電制御回路で通常充電と間
欠充電に対応できることは明らかである。図７は本発明
の充放電制御回路の別の例を示したものである。外部か
ら基準電圧を変更できる用な回路構成となっている。以
下にこの回路を通常充電する際の充放電制御回路動作に
ついて説明する。

【００２０】基準電圧回路１９０は外部からの信号によ
って２つ以上の定電圧を出力できるものである。ここで
は仮に基準電圧回路１９０からＶｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２
の２種類の定電圧が出力され、その出力はヒステリシス
制御回路１０７からの信号によって切り替わるものとす
る。ヒステリシス制御端子１４１にＨｉｇｈの信号が与
えられるとヒステリシス制御回路１０７が働くものとす
る。このときヒステリシス制御回路は過充電検出コンパ
レータ１０６からの出力の変化によって基準電圧回路１
９０に信号を送り、基準電圧回路１９０からの出力電圧
をＶｒｅｆ１またはＶｒｅｆ２に切り替える。

【００２１】Ｖｒｅｆ１＞Ｖｒｅｆ２とすると、過充電
検出電圧Ｖｃ１、過充電解除電圧Ｖｃ２はそれぞれ次の
式で表される。Ｖｃ１＝Ｖｒｅｆ１×（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１・・・（４）式Ｖｃ２＝Ｖｒｅｆ２×（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１・・・（５）式過充電検出電圧と過充電解除電圧はＲ１，Ｒ２または基
準電圧回路の出力の値を適当な値に変更することで、こ
の場合も任意の値に調整できる。

【００２２】この回路を用いて間欠充電を行うときの充
放電制御回路の動作について説明する。ヒステリシス制
御端子１４１をＧＮＤに接地するとヒステリシス制御回
路１０７は停止するものとする。この時ヒステリシス制
御回路１０７は過充電検出コンパレータ１０６から信号
に関わらず、基準電圧回路１９０から一定の電圧が出力
されるようにする。この結果過充電検出電圧は１つの値
に設定され、間欠充電用の充放電制御回路として機能す
る。

【００２３】図７の回路ブロック図においても通常充
電、間欠充電の両方に対応できる充放電制御回路が実現
されていることが明らかである。ここまでの説明では、
回路をＣＭＯＳで構成し、コンパレータ、基準電圧、ブ
リーダ抵抗で構成される充放電制御回路について説明し
てきたが、これらは当然ながらバイポーラトランジスタ
等いかなるデバイスを使っても作成することが可能であ
る。また、コンパレータを用いた電圧制御回路でなくて
も、２つの検出レベルを外部から制御できる回路さえあ
れば、本発明は実施することが可能である。

【００２４】

【発明の効果】本発明により、以下のような効果が得ら
れる。従来の充放電回路に簡単な回路を付け加えること
で、定電流定電圧充電方式と間欠充電方式の双方に対応
でき、より安価で汎用性の高い充放電制御回路を得るこ
とが出来る。また制御が外部から調整が行えるので、充
電器が変更された場合でも、充電器の種類により機能を
簡単に切り替えることが可能なので、安全性が高まると
いう効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の充放電制御回路の回路ブロック図であ
る。

【図２】従来の充放電制御回路の回路ブロック図であ
る。

【図3】通常充電を用いたときの二次電池電圧波形を示
した波形図である。

【図４】間欠充電を用いたときの二次電池電圧波形を示
した波形図である。

【図５】定電流定電圧方式を用いたときの二次電池電圧
波形を示した波形図である。

【図６】本発明の充放電制御回路のヒステリシス制御回
路を論理回路で表したときの回路ブロック図である。

【図７】本発明の充放電制御回路を外部から出力電圧を
変更できる基準電圧回路を用いて表したときの回路ブロ
ック図である。

【符号の説明】

１０１二次電池１０２ＮＭＯＳトランジスタ１０３過放電検出コンパレータ１０４基準電圧回路１０５ＮＭＯＳトランジスタ１０６過充電検出コンパレータ１０７ヒステリシス制御回路１０８出力制御ロジック回路１２０充放電制御回路１３０電圧分割回路Ａ１３１電圧分割回路Ｂ１４０外部端子ＥＢ＋１４１ヒステリシス制御端子１４２外部端子ＥＢ− １５０スイッチ回路１５１ＦＥＴ−Ａ１５２ＦＥＴ−Ｂ１６０信号線Ａ１６１信号線Ｂ１７１負荷１７２充電器１８０ＮＰＮトランジスター１８１ＮＰＮトランジスター１９０基準電圧回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部電源端子に直列接続されたスイッチ
回路と二次電池と、該スイッチ回路を制御するために該
二次電池に並列接続した充放電制御回路からなる充電式
電源装置において、該二次電池の電圧が高くなった過充
電時にはスイッチ回路をオフにして該二次電池への充電
を停止する機能を有すると共に、ヒステリシス回路を外
部から制御できることを特徴とする充放電制御回路。