WO2007145240A1

WO2007145240A1 - ２次電池充電回路

Info

Publication number: WO2007145240A1
Application number: PCT/JP2007/061880
Authority: WO
Inventors: Kazuo Yamazaki; Hidenori Tanaka; Yukihiro Terada; Tamiji Nagai
Original assignee: Mitsumi Electric Co., Ltd.; Nagai, Toshio
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2007-12-21
Also published as: JP2007336664A; US20100188051A1; CN101467329A

Abstract

　充電電圧や充電電流を制御するトランジスタ等が破損したり保護回路が正常に動作しなかった場合でも、２次電池への過充電が生じ得ない安全性の高い充電回路を提供する。　入力された電源電圧により２次電池Ｅ２の充電を行う２次電池充電回路４において、前記電源電圧が２次電池Ｅ２の満充電電圧（例えば４．２Ｖ）よりも低い電圧（例えば４．０Ｖ）に設定され、２次電池Ｅ２の電圧が電源電圧より低いときに定電流回路が動作して昇圧を伴わない定電流充電を行い、２次電池Ｅ２の電圧が電源電圧より高く満充電電圧より低いときに昇圧回路が動作して昇圧を伴った定電流充電を行うように構成する。

Description

明細書

2次電池充電回路

技術分野

[0001] この発明は、例えばリチウムイオン電池などの 2次電池の充電を行う 2次電池充電回路に関する。

背景技術

[0002] 例えばリチウムイオン電池などの 2次電池では、規定の満充電電圧より高い電圧で充電が続けられた場合、電池内圧の異常な上昇や発熱等の問題が発生する。また、充電電流が過大になった場合にも同様の問題が発生する。そのため、リチウムイオン電池等では、充電電圧や充電電流が過大にならないように電池パックに保護回路を内蔵するものが一般的である。

[0003] また、本願の発明と関連する技術として次のような技術の開示がある。すなわち、特許文献 1には、充電中の電力ロスの削減のため充電電流が一定になるように昇圧回路で充電電圧を制御する充電回路が開示されている。また、特許文献 2には、蓄電池の電池電圧の上昇に従って充電電圧を上昇させていく回路を有した蓄電池充電装置が開示されている。

特許文献 1：特開平 07— 143683号公報

特許文献 2：実開昭 57— 183029号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 先に述べたように、 2次電池への過充電は大きな問題が発生する。そのため、このような問題が生じないように何重もの対策を講じる必要がある。特に、本発明者らは、電源からの入力電圧や入力電流を制限して規定の充電電圧や充電電流に変換するノイポーラトランジスタゃ電界効果トランジスタが破損したり、保護回路が正常に動作しな力たりした場合に、高い電源電圧が 2次電池に直接的に入力され、規定の満充電電圧よりも高い電圧で充電が続けられてしまうという不具合を完全に排除できないか検討した。 [0005] 検討の結果、本発明者らは電源電圧を満充電電圧以下に設定することで上記の状況をほぼ完全に排除できると考えたが、この場合、充電方法や保護回路の設け方にっ、て、電源電圧が高、場合のものと異なり新たな工夫を講じる必要があった。

[0006] この発明の目的は、充電電圧や充電電流を制御するトランジスタ等が破損したり保護回路が正常に動作しな力つた場合でも、 2次電池への過充電が生じ得ない安全性の高、充電回路を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0007] 本発明は、上記目的を達成するため、入力された電源電圧により 2次電池の充電を行う 2次電池充電回路において、前記電源電圧が 2次電池の満充電電圧よりも低い電圧に設定されて!ヽる構成とした。

[0008] このような手段によれば、充電回路の制御素子が破損して電源電圧が 2次電池に直接的に入力された場合でも、満充電電圧以上の電圧は印加されず 2次電池への過充電を回避することが出来る。さらに、 2次電池の充電率が低い段階で電源電圧が直接入力された場合でも、高い電圧が入力される場合と比較して、過大な充電電流の流れ込みを低減することが出来る。

[0009] 望ましくは、前記電源電圧を検出する電源電圧検出回路 (3 :図 5)を備え、該電源電圧検出回路は前記電源電圧が満充電電圧より低いと検出した場合に充電動作を起動させるように構成すると良い。さらに、前記電源電圧と 2次電池とを接続する電流経路に該電流経路を開閉する第 1スィッチ素子 (FETO：図 5)を備え、前記電源電圧検出回路は前記電源電圧が満充電電圧より高いと検出した場合に前記第 1スィッチ素子をオフにするように構成すると良、。

[0010] このような構成により、例えば出力電圧の異なる ACアダプタが接続されるなど、誤つて高、電源電圧が入力された場合や、電源装置の誤動作等で電源電圧が一時的に高電圧になってしまった場合でも、それらによる過充電を未然に防ぐことが出来る。

[0011] 具体的には、前記電源電圧から 2次電池に供給される電流を制御する電流回路（2 0)と、前記電源電圧を昇圧する昇圧回路 (30)とを備え、 2次電池の電圧が前記電源電圧より低いときに前記電流回路が動作して昇圧を伴わない定電流充電を行い、 2次電池の電圧が前記電源電圧より高く満充電電圧より低いときに前記昇圧回路が動作して昇圧を伴った定電流充電を行うように構成すると良!ヽ。

[0012] このような構成により、満充電電圧より低い電源電圧を用いて 2次電池を満充電にすることが出来る。昇圧回路においては、昇圧作用を発生させるスイッチング素子が破壊した場合には出力電圧は低下するし、その他、出力電圧が上昇するような故障要因は非常に小さくすることが出来る。従って、高い電源電圧を入力する場合と比較して、昇圧回路を用いた場合の方が安全性が非常に向上する。

[0013] さらに具体的には、前記電源電圧と 2次電池の電圧との差電圧を検出する差電圧検出回路 (60 :図 9)を備え、前記昇圧を伴わない定電流充電の期間中、前記差電圧検出回路により前記差電圧が基準値以下になったことが検出されたことに基づき、前記昇圧回路を始動して前記昇圧を伴った定電流充電に移行するように構成すると良い。

[0014] 或いは、充電電流の低下を検出する電流低下検出回路（52 :図 10)を備え、前記昇圧を伴わな!/、定電流充電の期間中、前記電流検出回路により充電電流が所定量低下したことが検出されたことに基づき、前記昇圧回路を始動して前記昇圧を伴った定電流充電に移行するように構成すると良ヽ。

[0015] このような構成により、昇圧回路を適切なタイミングで始動させることが出来る。

[0016] また望ましくは、 2次電池の電圧を検出する電池電圧検出回路 (40 :図 12)を備え、前記電流回路は、前記 2次電池の電圧値に基づ、て充電電流の大きさを切り換えるように構成すると良い。

[0017] 具体的には、前記電流回路は、 2次電池の電圧が、当該 2次電池の電圧供給により動作するシステムの最低動作電圧より高いときに充電電流を第 1の電流値に制御する一方、 2次電池の電圧が前記最低動作電圧より低いときに充電電流を前記第 1 の電流値より小さ、電流値に制御するように構成すると良、。

[0018] 或いは、 2次電池の電圧供給により動作するシステム力システムの動作モードを表わす信号が入力される制御端子 (tl :図 15)を備え、前記電流回路は、前記制御端子の信号に基づ、て充電電流の大きさを切り換えるように構成しても良、。

[0019] 例えば携帯電話機など 2次電池を装置の中に組み込んだまま充電を行うことのできるシステムの場合、充電用の電源電圧は 2次電池の充電中にシステムの駆動電源として兼用されることがある。このような場合、充電だけに電源からの供給電力を多大に消費すると、電源電圧によるシステムの駆動に支障をきたす場合がある。そこで、上記構成のように、 2次電池の電圧が低ヽ場合やシステムの起動状態に応じて充電電流を小さく切り換えることで、電源の供給電力を 2次電池の充電とシステムの駆動との両方でうまくシェアすることが出来る。

[0020] また望ましくは、前記電源電圧と 2次電池とを接続する電流経路上に設けられたヒューズ (82 :図 16, 17)と、前記電源電圧および入力電流を検出する電圧電流検出回路 (80)と、前記ヒューズに直接に接続された第 2スィッチ素子 (FET1)とを備え、前記電源電圧又は入力電流が制限値を超えた場合に前記第 2スィッチ素子をオンさせて前記ヒューズを切断するように構成すると良、。

[0021] さらに望ましくは、前記第 2スィッチ素子をオンさせたときに 2次電池からの電流が該第 2スィッチ素子に流れなヽように前記 2次電池からの電流を遮断可能な整流素子（ D1：図 16)又は第 3スィッチ素子 (FET2：図 17)を備えると良!、。

[0022] このような保護手段により、万が一の不具合で過大電圧や過大電流が入力された場合でもヒューズを切断して 2次電池と切り離すことで高い安全性を確保することが出来る。また、ヒューズを切断する際に、 2次電池力もの過放電も防ぐことが出来る。

[0023] なお、この項目の説明におヽて、実施形態との対応関係を示す符号を括弧書きで記した力本発明はこれに限定されるものではない。

発明の効果

[0024] 以上説明したように、本発明に従うと、充電回路の制御素子が破損したり保護回路が正常に動作しな力つた場合でも、 2次電池への過充電が生じ得ない高い安全性を提供できるという効果がある。

図面の簡単な説明

[0025] [図 1]本発明の第 1実施形態の充電システムの基本構成を示したブロック図である。

[図 2]図 1の充電システムの充電回路の部分を展開したブロック図である。

[図 3]第 1実施形態の充電システムの回路構成の一例を示した構成図である。

[図 4]第 1実施形態の充電システムの回路構成の一例を示した構成図である。

[図 5]第 1実施形態の充電システムの動作内容を説明した充電特性グラフである。 [図 6]第 2実施形態の充電システムの基本構成を示したブロック図である。

[図 7]第 2実施形態の充電システムの回路構成の一例を示す構成図である。

[図 8]第 2実施形態の充電システムの動作手順の一例を示したフローチャートである。

[図 9]第 3実施形態の充電システムを示す回路構成図である。

[図 10]第 4実施形態の充電システムを示す回路構成図である。

[図 11]第 4実施形態の充電システムの動作を示した充電特性図である。

[図 12]第 5実施形態の充電システムを示す回路構成図である。

[図 13]第 5実施形態の充電システムの動作を示した充電特性図である。

[図 14]第 5実施形態の充電システムの動作の変形例を示した充電特性図である。

[図 15]第 6実施形態の充電システムを示す回路構成図である。

[図 16]第 7実施形態の充電システムを示す回路構成図である。

[図 17]ヒューズを切断する構成の変形例を示した回路構成図である。

[図 18]第 8実施形態の充電システムを示す回路構成図である。

[図 19]充電回路を介して 2次電池力システム回路に電力供給を可能とした第 1変形例を示す回路構成図である。

[図 20]充電回路を介して 2次電池力システム回路に電力供給を可能とした第 2変形例を示す回路構成図である。

符号の説明

2 電源装置

3 電源電圧検出回路

4 充電回路

E2 2次電池

20 定電流回路

Q1 電流制御用のトランジスタ

21 定電流制御回路

25 検出制御 &定電流制御回路

30 電圧レギユレータ（昇圧回路）

L1 リアタトル Dl 整流素子

FET2 同期整流用のトランジスタ

FET1 トランジスタ

31 SW制御回路

40 電圧検出回路

50 切替制御回路

60 差電圧検出回路

70 電流切替制御回路

tl 入力端子 (制御端子）

80 異常検出回路

82 ヒューズ

90 放電制御回路

100 システム回路

発明を実施するための最良の形態

[0027] 以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

[0028] [第 1の実施の形態]

図 1は、本発明の第 1の実施の形態の充電システムの基本構成を示したブロック図

、図 2は充電回路の構成を示したブロック図、図 3と図 4はこの充電回路の回路構成の一例を示した構成図である。また、図 5にはこの充電システムの動作内容を説明した充電特性グラフを示す。

[0029] この実施の形態の充電システムは、例えば ACアダプタなどの電源装置 2から供給される電源電圧によって、例えばリチウムイオン電池などの 2次電池 E2の充電を行うものである。そして、電源電圧を入力して 2次電池 E2に充電電圧を出力する充電回路 4を備えている。

[0030] リチウムイオン電池などの一般的な充電方法は次の通りである。すなわち、リチウムイオン電池は、充電率が小さいときには端子間電圧が低ぐこの状態で電池電圧より少し高い電圧を印加することで充電が開始される。そして、充電率が大きくなるに従つて端子間電圧が上昇し、電池の構造的な劣化を防ぐ規定の満充電電圧 (例えば 4 . IVや 4. 2V)まで達する。満充電電圧に達したら、満充電電圧を印加しつづけることで定電圧充電を行い、さらに充電率が進むに従って充電電流が小さくなる。そして、充電電流が十分に小さくなつたら充電が完了となる。

[0031] この実施の形態の充電システムにおいては、電源装置 2から入力される電源電圧力 ^次電池 E2の満充電電圧よりも低ヽ電圧に設定されて!ヽる。電源電圧としては、特に制限されないが例えば 3. 5V〜4. OVなどに設定することが出来る。

[0032] 充電回路 4には、図 2に示すように、 2次電池 E2の側へ出力される電流を制御する定電流回路 20, 20Bと、スイッチング制御により昇圧動作が可能な電圧レギユレータ 30と、 2次電池 E2に印加される充電電圧を検出するための電圧検出回路 40と、この電圧の検出値に基づき定電流回路 20, 20Bや電圧レギユレータ 30の動作を切り換える切替制御回路 50とを備えて、る。

[0033] なお、図 2において一点鎖線で示した部分は、この一点鎖線の部分が含まれる回路構成と、含まれない回路構成との双方が可能であることを表わしている。図 3は、一点鎖線の部分が含まれない回路構成を示す図、図 4は、一点鎖線の部分が含まれる回路構成を示す図である。

[0034] 先ず、一点鎖線の部分が含まれない回路構成について説明する。

[0035] 定電流回路 20は、図 3に示すように、非飽和領域の動作でオン抵抗を変化させたり或いはスイッチング動作により出力電流を制御するトランジスタ (バイポーラトランジスタ） Q1と、抵抗 R1等により入力電流を検出してトランジスタ Q1を制御する定電流制御回路 21とから構成される。

[0036] この定電流回路 20は、出力電流を一定に保つ定電流動作のほか、切替制御回路 50からの信号に基づきトランジスタ Q 1をオン状態にして後段の回路に直接的に電源電圧を出力する停止状態と、トランジスタ Q1をオフ状態にして電源電圧の入力を遮断する保護動作状態が可能にされている。

[0037] 電圧レギユレータ 30は、図 3に示すように、電流を流すことでエネルギーを蓄積するリアタトル L1と、スイッチング動作によりリアタトル L1に電流を流すトランジスタ（電界効果トランジスタ) FET1と、該トランジスタ FET1がオンのときに出力側からの電流の逆流を防ぐ整流素子 D1と、トランジスタ FET1のオン'オフ制御を行う SW制御回路 3 1とから構成される。

[0038] この電圧レギユレータ 30は、非動作時には、定電流回路 20から出力される電流をリァクトル L1にて平滑して 2次電池 E2に供給する。また、動作時には、所定の周波数および所定のデューティ比でトランジスタ FETを動作させる昇圧動作を行、、出力電圧が満充電電圧になったらこの電圧を維持するように動作する。

[0039] 次に、上記構成の充電システムの動作について説明する。

[0040] この充電システムにおいては、正常な場合に電源装置 2から満充電電圧（例えば 4 . 2V)よりも低い電源電圧 (例えば 4. 0V)が供給されている。充電回路 4の動作状態は、図 5に示すように、定電流回路 20のみが動作する昇圧を伴わない定電流充電の状態と、定電流回路 20と電圧レギユレータ 30とが動作する昇圧を伴った定電流充電の状態と、電圧レギユレータ 30のみが動作する定電圧充電の状態と、の 3つの状態がある。そして、このような動作状態の切替は、電池電圧の検出に基づき切替制御回路 50から定電流制御回路 21と SW制御回路 31に停止信号や動作信号が出力されることで行われる。

[0041] 切替制御回路 50は、充電中の電池電圧が満充電電圧よりも低いときには定電流回路 20を動作させ、満充電電圧に達したら定電流制御回路 21に停止信号を出力してトランジスタ Q1をオン状態にする。また、充電中の電池電圧が電源電圧の近傍に達するまでは、電圧レギユレータ 30を動作させず、電源電圧の近傍に達したら SW制御回路 31に動作信号を出力して昇圧動作を開始させる。

[0042] ここで、電圧レギユレータ 30の動作タイミングは、例えば、電源電圧とほぼ同電圧或いは若干低!、電圧の基準電圧を設定しておき、この基準電圧と電池電圧とを比較することで生成することが出来る。電源電圧が 4. OVであれば、基準電圧は例えば 3. 9 V〜4. OVと設定することができる。

[0043] 定電流回路 20の動作期間には、定電流回路 20から一定の電流（例えば 1C : ま電池容量を 1時間で充電する電流値）が出力され、電圧レギユレータ 30を通過して 2 次電池に入力される。これにより 1Cの定電流充電が行われる。電源電圧よりも充電電圧が高い期間には、電圧レギユレータ 30が昇圧動作して 2次電池 E1に電流を供給することで 1Cの定電流充電が保たれる。 [0044] なお、図 3の回路では、電圧レギユレータ 30の動作時に、定電流回路 20の電流検出用抵抗 R1には、充電電流にカ卩えて、電圧レギユレータ 30のスイッチング電流も流れることとなるため、この電流の加算分を除外して 2次電池に 1Cの定電流が出力されるように、定電流制御回路 21にお、て出力電流と検出電流の換算処理が行われるように構成する。なお、図 3のように、電流検出を電圧レギユレータ 30の前段で行うのではなぐ電圧レギユレータ 30の後段部分に電流検出用抵抗を設けて該後段部分で行うことで、上記の換算処理を省くようにしても良、。

[0045] また、定電流回路 20が停止されて電圧レギユレータ 30のみが動作する期間では、定電流回路のトランジスタ Q1はオン状態とされ、電圧レギユレータ 30が定電圧の制御動作を行って満充電電圧の電圧出力を維持する。そして、この電圧が 2次電池 E2 に印加されて定電圧充電が行われる。

[0046] このような充電処理により、満充電電圧よりも低い電源電圧を用いて 2次電池 E2がフル充電される。

[0047] なお、上記の充電処理中に、例えば満充電電圧よりも大きい電圧が電圧検出回路 40により検出された場合には、切替制御回路 50から定電流制御回路 21に異常信号を一定時間出力させ、この異常信号によりトランジスタ Q1をオフされて、電源装置 2からの電源電圧の供給を一定時間遮断するようにしても良ヽ。

[0048] 次に、図 2の一点鎖線の部分を含んだ回路構成の充電回路について説明する。図 4にこの回路構成図を示す。

[0049] この充電回路は、図 3と同様の構成に加えて、電圧レギユレータ 30を介さずに 2次電池 E2に直接に電流出力を行う第 2の定電流回路 20Bを設けたものである。すなわち、この第 2の定電流回路 20Bは、図 4に示すように、電源電圧端子と 2次電池 E2の端子間にリアタトル等を介さずに接続されたトランジスタ Q2を有している。トランジスタ Q 2の動作制御を行う回路は、定電流制御回路 21によりトランジスタ Q 1の制御用と合わせて 1ブロックで表わして、るが、別々の制御回路としても良!、。

[0050] このような回路構成においては、電池電圧が電源電圧よりも低い期間においては、第 1定電流回路 20は動作させずに、第 2定電流回路 20Bのみを動作させて 2次電池 E2の定電流充電を行うように制御する。このような制御により、昇圧を伴わない定電流充電時にリアタトル LIや整流素子 Dlでの損失をなくすことが出来る。

[0051] そして、電池電圧が電源電圧がよりも高くなつたら、第 2定電流回路 20Bを停止させてトランジスタ Q2をオフさせ、第 1定電流回路 20と電圧レギユレータ 30とを動作させて昇圧を伴った定電流充電を行わせる。その後の動作は、図 3の充電回路と同様である。

[0052] なお、図 4の回路では、電圧レギユレータ 30に、電圧レギユレータ 30の入力が断たれた場合でもリアタトル L1に電流を供給し続けることが可能なアノードをグランド端子に接続した整流素子 D2を設けている。これにより、電圧レギユレータ 30の動作時に、定電流回路のトランジスタ Q1が急にオフされても、整流素子 D2を介してリアタトル L1 に電流が流れるので、素子の破壊を防ぐことが出来る。また、定電流回路のスィッチング制御と電圧レギユレータのスイッチング制御を非同期とすることが出来るなど制御動作の自由度を増すことが出来る。

[0053] 以上のように、この実施の形態の充電システムによれば、電源電圧が満充電電圧より低く設定されてヽるので、充電電流や充電電圧を制御するトランジスタが破損したりした場合でも、 2次電池 E2に満充電電圧以上の電圧が印加されることがなぐ過充電を回避することが出来る。

[0054] [第 2の実施の形態]

図 6には、第 2の実施の形態の充電システムの基本構成を示したブロック図を、図 7 には、その回路構成の一例を示す構成図を示す。

[0055] 第 2実施形態の充電システムは、電源電圧が満充電電圧より低い電圧に設定されている点、充電時に電池電圧に応じて昇圧を伴わない定電流充電、昇圧を伴った定電流充電、満充電電圧による定電圧充電を行う点は、第 1実施形態の充電システムとほぼ同様である。

[0056] この第 2の実施の形態の充電システムでは、上記の構成にカ卩えて、電源装置 2からの入力電圧の検出を行う電源電圧検出回路 3を有し、電源電圧が満充電電圧以下であることを確認して力も充電処理回路 (定電流回路や電圧レギユレータ）の動作を可能にしたものである。また、電源電圧が満充電電圧以上である場合には電源電圧の入力を遮断する構成を有したものである。 [0057] 電源電圧検出回路 3は、図 7に示すように、検出電圧を出力する分割抵抗 R2, R3 と、この検出電圧に基づいて定電流回路のトランジスタ FETOをオフさせたり電圧レギユレータ 30の SW制御回路 31に起動信号を出力するなどの検出制御を行う検出制御 &定電流制御回路 25とからなる。なお、この検出制御 &定電流制御回路 25は、定電流充電時にトランジスタ FETOを制御して定電流出力を行う定電流回路の制御回路も兼ねている。

[0058] 検出制御 &定電流制御回路 25は、定電流制御に加えて、電源電圧が満充電電圧以下の場合にのみ SW制御回路 31に起動信号を供給して電圧レギユレータを動作可能とさせる制御と、電源電圧が満充電電圧以上だった場合に定電流制御を行うトランジスタ FETOをオフさせて 2次電池 E2側への電流を遮断する制御とを行う。

[0059] また、第 2の実施の形態においては、電圧レギユレータ 30の整流素子として同期整流を行うトランジスタ FET2を適用しており、それにより、電圧レギユレータ 30での損失の低減を図っている。また、定電流回路の制御トランジスタとして電界効果トランジスタ FET1を用いて高耐圧化と低損失化とを図ることで、電源電圧として高い電圧が印加された場合にも電流の入力を遮断できるようになって!/ヽる。

[0060] 図 8には、この充電システムの動作手順の一例を表わしたフローチャートを示す。

[0061] この実施の形態の充電システムにおいては、電源装置が接続されて電源電圧の供給がなされたら (ステップ S1)、電源電圧検出回路 3により電源電圧の電圧を検出して (ステップ S2)、満充電電圧以下か否かを確認し (ステップ S3)、満充電電圧より大きければ検出制御 &定電流制御回路 25の制御により定電流回路のトランジスタ FE TOがオフに、 SW制御回路 31への起動信号がネゲートのままとされる。

[0062] これにより、満充電電圧より大きな電源電圧が入力された場合には、電源電圧の入力が遮断され、充電処理が行われないようにされる。

[0063] 一方、電源電圧が満充電電圧より小さいことが確認されたら、検出制御 &定電流制御回路 25から SW制御回路 31へ起動信号が出力され、電圧レギユレータ 30が動作可能な状態になる (ステップ S4)。そして、切替制御回路 50による電池電圧の監視に基づき電池電圧に応じて定電流回路と電圧レギユレータ 30とが協働して充電動作を行う（ステップ S 5)。 [0064] 充電動作中、電源電圧が満充電電圧を超えたときには、検出制御 &定電流制御回路 25によりトランジスタ FETOがオフにされ、 SW制御回路 31への起動信号をネゲートにして (ステップ S6)、充電処理を異常終了する。

[0065] 以上のように、この実施の形態の充電システムによれば、例えば、間違って出力電圧の高い電源装置が接続されたり、電源装置の故障等により高い電源電圧が入力されてしまった場合でも、それを遮断して 2次電池 E2が過充電することを防ぐことが出来る。

[0066] [第 3の実施の形態]

図 9には、第 3の実施の形態の充電システムの回路構成図を示す。

[0067] 第 3実施形態の充電システムは、第 1実施形態の充電システムとほぼ同様の構成であり、電圧レギユレータ 30の動作タイミングを発生させる構成のみを変更させたものである。

[0068] この実施形態の充電システムでは、トランジスタ FET1をスイッチング動作させて昇圧動作を開始させるタイミングとして、差電圧検出回路 60により電源電圧と電池電圧の差電圧を検出し、この差電圧が基準電圧となったタイミング、例えば、電源電圧 EO —電池電圧 El <基準電圧" 0. 05〜0. 2V"になったタイミングを検出する。そして、このタイミングで差電圧検出回路 60から検出信号を出力させ、この検出信号に基づき切替制御回路 50が SW制御回路 31に動作信号を出力する。これにより、適宜なタイミングで昇圧を伴わない定電流充電力昇圧を伴った定電流充電へ移行することが出来る。

[0069] なお、 2次電池 E2の電池電圧を検出する電圧検出回路 40は、電池電圧が満充電電圧になったときに定電流回路 20の制御動作を停止させるのに必要であり、省略されていない。

[0070] このように、電源電圧と電池電圧の差電圧に基づいて電圧レギユレータ 30の昇圧動作を開始させるようにしても、最適な動作制御を実現することが出来る。

[0071] [第 4の実施の形態]

図 10には第 4実施形態の充電システムの回路構成図を、図 11にはこの充電システムの充電特性図を示す。 [0072] 第 4実施形態の充電システムは、第 1実施形態の充電システムから、電圧レギユレータ 30の動作タイミングを発生させる構成を変更させたものである。この実施形態では、電圧レギユレータ 30を動作させるタイミングとして、昇圧動作を伴わない定電流充電時に電流値の監視を行って、電流値が基準量低下したことに基づき電圧レギュレータ 30の動作を開始させるものである。

[0073] そのため、この実施形態の充電システムでは、切替制御回路 52に充電電流の検出電圧を入力し、切替制御回路 52により定電流充電の電流値が監視され、且つ、この電流値の一定量の低下に基づいて切替制御回路 52から電圧レギユレータ 30の SW 制御回路 31に動作信号が出力されるようになっている。

[0074] 図 11を参照しながらこの充電システムの動作について説明する。

[0075] このような充電システムによれば、図 11に示すように、電池電圧が電源電圧より十分に低、ときには、電圧レギユレータ 30は動作せずに定電流回路 20のみが動作して定電流充電が行われる。この定電流充電において充電量が多くなつてくると、電池電圧が高くなつて電源電圧に近づき、定電流充電の電圧が維持できずに充電電流が低下してくる。

[0076] そして、この電流低下量が一定値 Δ Ιとなった場合に切替制御回路 52が SW制御回路 31に動作信号を出力して、電圧レギユレータ 30を始動させ、昇圧動作を伴った定電流充電に移行する。その後は、第 1実施形態の場合と同様に、電池電圧が満充電電圧になったら、定電流回路 20を停止させて電圧レギユレータ 30の動作による定電圧充電が行われて、満充電になるまで充電が続けられる。

[0077] 以上のように、この実施形態の充電システムのように、充電電流の低下量に基づ!/、て電圧レギユレータ 30を動作させるようにしても、定電流充電時における電圧レギュレータ 30の最適な動作制御を行うことが出来る。

[0078] [第 5の実施の形態]

図 12には、第 5実施形態の充電システムの構成図を示す。図 13は、この充電システムの動作を表わした動作特性図である。

[0079] この実施形態の充電システムは、 2次電池 E2からの電力供給で動作するシステムに 2次電池 E2を搭載したまま充電を行うとともに、 2次電池 E2の充電中に充電用の電源装置 2からシステム回路 100側にも電力を供給して、該システム回路 100を動作可能にされたシステム（例えば携帯電話機など）に適用して有用なものである。

[0080] このようなシステムにおいては、電源装置 2の出力電力にさほどの余裕がない場合、充電電流が大きく且つシステム回路 100への電力供給が大きくなると、出力不足によって電源電圧が低下し、システムの動作に支障をきたすことが考えられる。

[0081] そこで、本実施形態の充電システムでは、このような不都合が生じな、ように、 2次電池 E2の電圧がシステム回路 100の最低動作電圧よりも低い場合、すなわち、 2次電池 E2がシステム回路 100に電力を供給できない電池電圧の場合に、充電電流を小さくして電源装置 2からシステム回路 100側への電力供給を不足させないようにする。

[0082] この充電システムは、上記の機能を実現するため、第 1実施形態の充電システムの構成に加えて、 2次電池 E2の電池電圧に基づ!/、て定電流回路 20の制御動作の切替を行う電流切替制御回路 70を設けて、る。

[0083] 図 13に示すように、電流切替制御回路 70は、 2次電池 E2の電池電圧がシステム回路 100の最低動作電圧より低いときに、定電流制御回路 21に充電電流小の制御信号を出力する。そして、これにより、定電流回路 20は出力電流が一段低い値 (例えば 0. 1〜0. 3C)に設定される。また、電流切替制御回路 70は、 2次電池 E2の電池電圧がシステム回路 100の最低動作電圧よりマージン分を含めて大きくなつたときに、充電電流小の制御信号をネゲートする。それにより、定電流回路 20は、電流値を所定の値 (例えば 1C)に戻す。

[0084] なお、定電流回路 20は、電流小の切替信号が入力された場合に、出力電流が小さな一定電流となるように制御するのではなぐ図 14に示すように、電池電圧に応じて出力電流の大きさを変化させることで、電源装置 2からシステム回路 100に供給される電源電圧が一定になるように制御するようにしても良、。

[0085] 以上のように、この実施の形態の充電システムによれば、電源電圧を 2次電池 E2の充電とシステムの駆動との両方に使用する場合に、充電の電力負荷が大きくなつてシステムの駆動が出来なくなるという不都合を回避することが出来る。

[0086] [第 6の実施の形態] 図 15には、第 6実施形態の充電システムの回路構成図を示す。

[0087] この実施形態の充電システムは、第 5実施形態の場合と同様に、電源電圧により 2 次電池 E2の充電とシステムの駆動との両方が行われる場合に、 2次電池 E2の充電のみに電力負荷が偏って電源装置 2からシステム回路 100側への電力供給を不足させな、ようにするためのものである。

[0088] このため、この充電システムには、システム回路 100からシステムの動作モードを表わす信号を入力する入力端子 tlを備えている。そして、この入力端子 tlの信号によりシステムが通常動作モードや高負荷の動作モードである場合には、定電流回路 20 の出力電流を低減して、電源装置 2からシステム回路 100側に供給可能な電力を増カロさせるように制御する。

[0089] このような充電システムによれば、電源電圧を 2次電池 E2の充電とシステムの駆動との両方に使用する場合に、システムの負荷が高くなつた場合に充電電流を低減させて充電用の電力を確保できるので、充電の電力負荷が大きくなつてシステムの動作が停止するという不都合を回避できる。

[0090] [第 7の実施の形態]

図 16には、第 7実施形態の充電システムの回路構成図を示す。

[0091] この実施形態の充電システムは、第 1実施形態の充電システムの構成にカ卩えて、電源端子に過大電圧や過大電流が入力された場合に、ヒューズ 82を切断して電源端子からの入力を遮断する機能を有したものである。

[0092] この充電システムは、電源端子と 2次電池 E2とを結ぶ電流経路の電源端子側に接続されたヒューズ 82と、電源端子の入力電圧や入力電流を監視して過大な入力があつた場合にヒューズ 82を切断する切断信号を出力する異常検出回路 80とを備えている。

[0093] ヒューズ 82は、定格電流以上で切断される通常のヒューズや、或、は、抵抗成分を含み所定の電力以上で切断される抵抗ヒューズなどを用いることが出来る。

[0094] 異常検出回路 80は、異常検出時に電圧レギユレータ 30の SW制御回路 31ゃ定電流回路 20の制御回路 21に切断信号を出力する。各制御回路 21, 31は、この切断信号に基づきトランジスタ Q1やトランジスタ FET1をオンさせて、ヒューズ 82を介して 2次電池 E2から分離された電流経路で電源端子間を短絡させ、ヒューズ 82を切断する。

[0095] 図 17には、充電システムの回路構成においてヒューズを切断する構成の変形例を示す。

[0096] 図 17に示すように、電圧レギユレータ 30の整流素子として同期整流用のトランジスタ FET2を採用している場合、ヒューズ 82を切断するためにトランジスタ FET1をオンさせたときに、 2次電池 E2からこのトランジスタ FET1を介して放電が行われることが考えられる。従って、このように同期整流方式の電圧レギユレータ 30を採用している場合には、切断信号が入力されたらトランジスタ FET2をオフにして、 2次電池 E2の放電を遮断するように制御すると良ヽ。

[0097] なお、図 17に一点鎖線で示すように、ヒューズ 82の切断時に、電圧レギユレータ 30 の SW制御回路 31を介してトランジスタ FETl , FET2をオン ·オフ制御するのでなく、異常検出回路 80が直接にこれらトランジスタ FETl, FET2を駆動して同様の動作を実現するようにしても良い。

[0098] また、ヒューズ切断用のスィッチ素子や電流経路をそれ専用に用意して、このスイツチ素子をオン'オフ制御してヒューズ 82を切断するようにしても良い。また、その際に、 2次電池 E2の放電経路が生じる場合には、その放電経路を遮断するスィッチ素子を設けて放電経路を遮断するように制御すると良!ヽ。

[0099] 以上のように、この実施の形態の充電システムによれば、不慮の事故で電源端子から高電圧ゃ大電流の入力があった場合でも、ヒューズ 82の切断により 2次電池 E2にその影響が及ぶのを回避して充電システムの安全性をより高めることが出来る。

[0100] [第 8の実施の形態]

図 18には、第 8実施形態の充電システムの回路構成例を示す。

[0101] この実施形態の充電システムは、電源端子がオープンの場合に充電回路を介して

2次電池 E2からシステム回路 100へ電力供給を可能としたものである。

[0102] そのため、この充電システムでは、先ず、電圧レギユレータ 30の整流素子としてトランジスタ FET2を用いた、同期整流方式の電圧レギユレータ 30を採用している。

[0103] さらに、定電流回路 20の電流制御素子（トランジスタ Q1)と並列に、入力側をカソードとした整流素子 D3を接続して、る。

[0104] このような構成により、電圧レギユレータ 30の同期整流用トランジスタ FET2をオンすることで、トランジスタ FET2、リアタトル Ll、整流素子 D3を介して、 2次電池 E2からシステム回路 100へ電流を出力することが可能となる。さらに、電圧レギユレータ 30 を逆向きの出力で降圧型のスイッチングレギユレータとして動作させることで、システム回路 100へ出力する電圧を調整することも可能となる。

[0105] 図 19と図 20には、充電回路を介して 2次電池 E2からシステム回路に電力供給を可能とした充電システムの変形例を示す。

[0106] 定電流回路 20を迂回して 2次電池 E2からシステム回路 100へ電流を供給する構成としては、様々な構成を適用することが出来る。例えば、図 19に示すように、定電流回路 20の電流制御用のトランジスタとして、入力側が力ソードにされたボディダイオードを有した電界効果トランジスタ FET3を用いることで、図 18と同様の作用を得ることが出来る。すなわち、トランジスタ FET3のボディダイオードを介してシステム回路側に電流を流すことが出来る。

[0107] すなわち、このような構成により、電圧レギユレータ 30の同期整流用トランジスタ FE T2をオンすることで、トランジスタ FET2、リアタトル Ll、トランジスタ FET3のボディダィオードを介して、 2次電池 E2からシステム回路 100へ電流を出力することが可能となる。

[0108] また、図 20に示すように、電流制御用のトランジスタ Q1や電圧レギユレータ 30のリァクトル L 1と並列に電界効果トランジスタ FET4を接続して、放電制御回路 90によりこのトランジスタ FET4のオン'オフ制御できるように構成しても良い。そして、放電モードのときに放電制御回路 90がトランジスタ FET4をオン駆動し、 2次電池 E2からシステム回路 100へ電流を供給することが出来る。

[0109] 以上のように、この実施形態の充電システムによれば、電源端子にシステム回路 10 0を並列に接続することで、 2次電池 E2からシステム回路 100への放電も可能となる

[0110] 以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきた力本発明は上述の実施形態に限られるものではない。例えば、 2次電池としてリチウムイオン電池を例示している力同様の充電特性を有するものであれば、他の 2次電池を適用しても良い。その他、実施の形態で具体的に示した回路構成や動作内容は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

産業上の利用可能性

この発明は、例えばリチウムイオン電池などの 2次電池の充電を行う 2次電池充電回路に利用可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 入力された電源電圧により 2次電池の充電を行う 2次電池充電回路において、前記電源電圧が 2次電池の満充電電圧よりも低ヽ電圧に設定されて!ヽることを特徴とする 2次電池充電回路。

[2] 前記電源電圧を検出する電源電圧検出回路を備え、

該電源電圧検出回路は前記電源電圧が満充電電圧より低いと検出した場合に充電動作を起動させることを特徴とする請求項 1記載の 2次電池充電回路。

[3] 前記電源電圧と 2次電池とを接続する電流経路に該電流経路を開閉する第 1スイツチ素子を備え、

前記電源電圧検出回路は前記電源電圧が満充電電圧より高いと検出した場合に前記第 1スィッチ素子をオフにすることを特徴とする請求項 2記載の 2次電池充電回路。

[4] 前記電源電圧から 2次電池に供給される電流を制御する電流回路と、

前記電源電圧を昇圧する昇圧回路とを備え、

2次電池の電圧が前記電源電圧より低いときに前記電流回路が動作して昇圧を伴わな!ヽ定電流充電を行ヽ、

2次電池の電圧が前記電源電圧より高く満充電電圧より低いときに前記昇圧回路が動作して昇圧を伴った定電流充電を行う、

ことを特徴とする請求項 1〜3の何れかに記載の 2次電池充電回路。

[5] 前記電源電圧と 2次電池の電圧との差電圧を検出する差電圧検出回路を備え、前記昇圧を伴わない定電流充電の期間中、前記差電圧検出回路により前記差電圧が基準値以下になったことが検出されたことに基づき、前記昇圧回路を始動して前記昇圧を伴った定電流充電に移行することを特徴とする請求項 4記載の 2次電池充電回路。

[6] 充電電流の低下を検出する電流低下検出回路を備え、

前記昇圧を伴わな、定電流充電の期間中、前記電流検出回路により充電電流が所定量低下したことが検出されたことに基づき、前記昇圧回路を始動して前記昇圧を伴った定電流充電に移行することを特徴とする請求項 4記載の 2次電池充電回路

[7] 2次電池の電圧を検出する電池電圧検出回路を備え、

前記電流回路は、前記 2次電池の電圧値に基づ、て充電電流の大きさを切り換えることを特徴とする請求項 4〜6の何れかに記載の 2次電池充電回路。

[8] 前記電流回路は、 2次電池の電圧が、当該 2次電池の電圧供給により動作するシステムの最低動作電圧より高いときに充電電流を第 1の電流値に制御する一方、 2次電池の電圧が前記最低動作電圧より低いときに充電電流を前記第 1の電流値より小さい電流値に制御することを特徴とする請求項 7記載の 2次電池充電回路。

[9] 2次電池の電圧供給により動作するシステムからシステムの動作モードを表わす信号が入力される制御端子を備え、

前記電流回路は、前記制御端子の信号に基づ、て充電電流の大きさを切り換えることを特徴とする請求項 4〜8の何れかに記載の 2次電池充電回路。

[10] 前記電源電圧と 2次電池とを接続する電流経路上に設けられたヒューズと、

前記電源電圧および入力電流を検出する電圧電流検出回路と、

前記ヒューズと直接に接続された第 2スィッチ素子とを備え、

前記電源電圧又は入力電流が制限値を超えた場合に前記第 2スィッチ素子をオンさせて前記ヒューズを切断することを特徴とする請求項 1〜9の何れかに記載の 2次電池充電回路。

[11] 前記第 2スィッチ素子をオンさせたときに 2次電池からの電流が該第 2スィッチ素子に流れな!/ヽように、前記 2次電池からの電流を遮断可能な整流素子又は第 3スィッチ素子を備えていることを特徴とする請求項 10記載の 2次電池充電回路。