WO2013065329A1 - 充放電制御機能を備えた携帯端末充電装置 - Google Patents

充放電制御機能を備えた携帯端末充電装置 Download PDF

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忠嗣 小杉
雅生 塚越
木村　毅
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株式会社Ｄｍｋバッテリー
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Definitions

  • the present invention relates to a portable terminal charging device having a charge / discharge control function, and is particularly suitable for charging a lithium ion battery and using the battery as a power source for a portable terminal carried and used like a mobile terminal.
  • the present invention relates to a portable terminal charging device.
  • lithium cobalt oxide (LiCoO2), which is a compound of cobalt oxide, has been proposed as a positive electrode material.
  • lithium ion batteries are installed in a wide range of products and put into practical use. For example, it is also applied to portable terminals such as mobile terminals and is becoming popular.
  • Such a lithium ion battery is known to have features such as safety and high capacity. On the other hand, it is known that the lithium ion battery undergoes a volume change at the time of charging, which causes destruction of the electrode and is inexpensive.
  • the charging method (protocol), charging current, charging start voltage, charging stop voltage, etc. are strictly defined.
  • the amount of charging current (the magnitude of the applied voltage) is generally kept low compared to the battery capacity.
  • charging to a portable terminal involves carrying a portable charger in which a battery is stored, and charging the portable terminal as necessary.
  • the electric field mounted on the portable charger is also charged.
  • the current situation is that it usually takes several hours to fully charge.
  • a lithium ion battery capable of rapid charging for example, 2C (capacity) or more, has been developed, and the battery is appearing on the market for charging mobile terminals. is there.
  • battery manufacturers are developing lithium batteries capable of rapid charging at 2C or higher, taking into account, for example, battery electrode materials and electrolytes.
  • battery chargers have been actively improved.
  • a battery that generates a low voltage of 3.7 V from a commercial power source and enables rapid charging of the battery with the low voltage has been proposed.
  • the charging of the lithium ion battery at this time is generally charge control by a constant current / constant voltage CCCV (Constant-Current-Constant-Voltage) charging method.
  • CCCV Constant-Current-Constant-Voltage
  • This invention is made in view of the subject which concerns, and the objective is to provide the portable terminal power receiving apparatus provided with the charging / discharging control function which can achieve rapid charging and charge efficiency improvement.
  • a constant current charging region by constant current charging is provided according to the state of the battery voltage.
  • a circuit for measuring the charging current value and voltage value is introduced, a constant power charging area (Constant Watt, hereinafter referred to as CW) is provided, the CW area is multistage, for example, 2 to 3 stages, and the CW area is lengthened.
  • CW Constant Watt
  • the CV region can be minimized to shorten the charging time, and the charging efficiency can be improved (for example, compared with charging only CC without the CV process for shortening the charging time).
  • the present invention is as follows, for example.
  • a portable terminal charging device having a charging / discharging function capable of rapid charging by a constant current / constant power / constant voltage CCCWCV (Constant Current Constant Watt Constant Constant Voltage) method for a rapid charging compatible battery
  • the voltage of the battery is detected.
  • the first constant power charging control is performed and a second voltage higher than the first voltage is detected.
  • the mobile terminal charging device has a charging / discharging function provided with a control unit configured to perform the second constant power charging control and to perform the constant voltage charging control when an upper limit voltage higher than the second voltage is detected.
  • the battery is a lithium ion battery
  • the control unit is a portable terminal charging device having a charge / discharge function including an MCU including a voltage sensor, a current sensor, and a memory.
  • a portable terminal charging apparatus having a charging / discharging function capable of rapid charging by a CCCWCV method with respect to a quick-charge compatible battery
  • the battery in a constant power charging range between the start of charging of the battery and a maximum voltage
  • a portable terminal charging device having a charging / discharging function provided with a control means for controlling the constant power charging control in two or more stages according to the voltage.
  • the battery is a lithium ion battery
  • the control means has a charge / discharge function comprising a voltage detection unit for detecting the voltage of the battery and a control unit for switching the CCCWCV control between constant power charging and constant voltage charging.
  • Mobile terminal charging device a lithium ion battery
  • the control means has a charge / discharge function comprising a voltage detection unit for detecting the voltage of the battery and a control unit for switching the CCCWCV control between constant power charging and constant voltage charging.
  • the battery is detachably connected to the charging adapter and the portable terminal, receives a low voltage from the charging adapter, The battery charged by the voltage, and a battery circuit unit that boosts the low voltage to a voltage usable by the mobile terminal and outputs the boosted voltage to the mobile terminal side, the battery circuit unit,
  • the detection unit for detecting the voltage of the battery, and when the detection unit detects the first voltage in the constant power charging region in the CCCWCV method, the first constant power charging control is performed, and is higher than the first voltage.
  • the second voltage it has a charge / discharge function provided with a control unit that performs the second constant power charging control and detects the upper limit voltage higher than the second voltage, and performs the constant voltage charging control. Is a mobile terminal charging device.
  • the battery circuit unit is housed in a battery box configured to be portable, and the battery box is a portable terminal charging device having a charging / discharging function that can be integrated with the portable terminal.
  • charging to the mobile terminal charging device can be performed in about several minutes to 10 minutes.
  • a portable terminal charging device having a charge / discharge control function that can correct the conventional problems, achieve rapid charging, and improve charging efficiency.
  • FIG. 1 is a functional block diagram showing the general outline of the present invention.
  • FIG. 2 is a functional diagram showing an embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of a power receiving device having a charging adapter and a charging / discharging function of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a sequence between the power supply circuit unit and the battery circuit unit of the portable terminal charging device of the present invention and a charging process flow of both units.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram for explaining an example of CCCWCV charge control of the mobile terminal charging device of the present invention.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram for explaining an example of charge control by the conventional CCCWCV method.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the concept of the present invention.
  • reference numeral 1 denotes a power supply circuit section including a constant current voltage generation power supply circuit that receives a commercial power supply and generates a constant current voltage.
  • 2 is configured to be attachable to and detachable from the power supply circuit unit 1 and can be rapidly charged by receiving a voltage from the power supply circuit unit 1, for example, a lithium ion battery, a battery management circuit for managing the battery, the battery It is a battery circuit unit including a booster circuit that boosts the voltage.
  • the power supply circuit unit 1 is housed in a charging adapter, and the battery circuit unit 2 is housed in a battery box, which constitutes a portable terminal charging device having a charge / discharge function.
  • Reference numeral 3 denotes a portable terminal such as a cellular phone which is detachably connected to the battery circuit unit 2 and receives charge from the battery circuit unit.
  • the power supply circuit unit 1 is increased in size and weight depending on the amount of current handled and is subjected to portability, the power supply circuit unit 1 is separated from the battery circuit unit 2 and only the relatively light battery circuit unit 2 is used. It is good to make it independent.
  • the power supply circuit unit 1 and the battery circuit unit 2 have different module configurations. Thereby, carrying of the portable terminal charging device which accommodates the battery circuit part 2 can be performed easily.
  • the battery box that houses the battery circuit unit 2 may be a size that is slightly larger than the portable terminal 3 and may be a charging case that allows the portable terminal 3 to be fully charged once, but is not limited thereto.
  • FIG. 2 is a block diagram showing one embodiment of the power supply circuit unit 1 and the battery circuit unit 2 of the present invention.
  • a charging adapter equipped with a power supply circuit unit 1 includes a commercial power outlet 11, an AC-DC converter 12 that converts an AC voltage from the outlet into a DC voltage, a DC voltage from the converter, and a desired low voltage.
  • PWM pulse width modulator
  • a low voltage output circuit 13 including a switch
  • a control circuit 14 including a micro control unit (MCU) for controlling the circuit
  • an output side of the low voltage output circuit 13 A low impedance current detection resistor 15 for measuring the flowing current IVC, a sensor 16 for detecting the current flowing through the resistor, a voltage sensor 17 for overvoltage protection of the charging adapter, and an input terminal on the battery box side housing the battery circuit unit 2
  • the output terminal is composed of an output jack (or output plug) 18.
  • the low voltage of the low voltage output circuit 13 is set to, for example, 2.3 V lower than the normal low voltage in the present invention in consideration of the charging time.
  • a lithium ion battery capable of charging about 10 C is used instead of keeping the voltage as low as 2.3 V. According to such a battery, rapid charging is possible, and it can be expected that the charging time is further shortened.
  • the battery box in which the battery circuit unit 2 is housed is equipped with an output jack 18 of a charging adapter, and is electrically connected to an input plug 21, receives a low voltage supplied from the charging adapter via the plug, and receives a low input
  • a circuit 22 having a reverse voltage / overvoltage protection function receives a low voltage (2.3 V) from the circuit to a voltage required by the mobile terminal 3 (for example, 5.0 V), and a battery (cell) 24
  • a lithium-ion battery a low-impedance current detection resistor (or temperature detection resistor) 25 that is connected in series with the battery 24 and measures the current IB of the battery between the front stage of the booster circuit and the ground, and a current sensor ( Or a temperature sensor), a voltage sensor, a memory (EEPROM), an MCU, and the like.
  • Circuit 22 protects applications where the power supply input voltage may be too high, too low, or even negative. For example, by using two comparator inputs, an overvoltage (0 V) and an undervoltage (UV) can be set using a resistor divider.
  • the shutdown pin can be used for external control for enabling / disabling the MOSFET of the switch element, and has a function of allowing the device to be in a low current shutdown state.
  • the control circuit 26 receives the current and voltage of the current detection resistor 25 and controls the circuit 22 and the booster circuit 23 having a low input / reverse voltage / overvoltage protection function.
  • a known lithium ion battery 24 is used.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing a more detailed embodiment of the power supply circuit unit 1 (charging adapter) and the battery circuit unit 2 (charging device having a battery box charging / discharging function) of the present invention.
  • reference numerals 221 and 222 denote switching elements made up of a plurality of MOSFETs (field effect transistors), 223 denotes a comparator for turning on and off the switching elements, and 224 to 226 denote resistance dividers made up of resistors.
  • the circuit 22 is configured.
  • Reference numeral 27 denotes a differential amplifier.
  • the comparator 223 is an input pin 1 to which the voltage supplied to the battery box is supplied, an undervoltage pin 2 (UV), an overvoltage pin 3 (0 V), a ground pin 4 (GND), and a pin 8 for controlling on / off of the FETs 221 and 222.
  • GATE voltage output pin 7
  • VOUT pin 6
  • pin 5 (/ STDN) connected to MCU of control circuit 26 is doing.
  • the control circuit 25 and the comparator 223 are connected to the GATE pin 6.
  • the switching elements FETs 221 and 222 are controlled to be turned on.
  • the area switching from the constant power charging area CW to the constant voltage charging area CV can be performed in the same manner as before.
  • the low voltage supplied from the charging adapter is received, and the constant current charging and the constant voltage charging to the cell are controlled by the voltage output to the voltage output pin 7 (VOUT) of the comparator 223.
  • FIG. 6 is a diagram showing CCCWCV charging characteristics of a standard lithium ion battery, in which the vertical axis shows the terminal voltage VB and current IB of the battery, and the horizontal axis shows the charging time T.
  • the charger first checks the battery (hereinafter referred to as a cell) before charging, and confirms that the battery can be charged, and that the cell can be quickly charged safely.
  • a cell the battery
  • a predetermined voltage for example, 2.5 V or less
  • the area until the cell can be charged is called a charge restriction area (PREQUALIFICATION) CC.
  • the linear charging circuit controls the FET of the switching element to be turned on, thereby enabling constant current charging to the cell.
  • the current VI and the voltage VB change as shown in the figure and continue until the cell voltage reaches the constant voltage charging start voltage (VB2).
  • constant current charging is performed in the region CW of S1-S2. This region is generally referred to as a constant current (CONSTANT CURRENT) charging region.
  • the current IB decreases with time and continues until the measured value of the charging current decreases to the value at the time of torque charging, and charging is stopped at the charging stop point E.
  • the constant voltage charging is performed in the region of S2-E between the charging end time E. This region is called a constant voltage charging region (CONSTANT VOLTAGE) CV.
  • a charge control method having such a charge cycle is generally known.
  • the current in the constant voltage charging region CV as shown in FIG. IB slowly decreases slowly until the end of charging E, and the time of the constant voltage charging area CV is longer than or equal to that of the constant current charging area CW.
  • the time until the charging end time E becomes longer. End up. This means that there is a problem in terms of charging efficiency.
  • the charging control is performed as follows.
  • constant power charging control by constant current is performed so that the constant current charging region (referred to as constant power charging region CW in the present invention) has multiple stages, for example, two to three stages, and constant power charging region CW (The charging time) is lengthened and the constant voltage charging region CV by constant voltage charging is shortened accordingly, thereby satisfying the rapid charging of the cell and improving the charging efficiency. That is, the charging efficiency can be improved without changing the total time from the charging start time S to the charging stop time E.
  • a charging phase with a reference current is provided so as to determine the charging performance.
  • a change in battery performance is predicted from the initial voltage of the determination phase to the predetermined final voltage of the slot, and a current value and a charging time are calculated.
  • the cell voltage tends to increase near the end of charging, compared to other lithium ion batteries. This is a turning point from the constant power charging area CW to the constant voltage charging area CV.
  • the charging voltage is measured, and only when it is within a certain range, shift to constant voltage charging (constant voltage charging region CV) with ⁇ V detection as an effective trigger. .
  • the charging time in the region CV there is a limit on the charging time in the region CV.
  • the time of the constant power charging area CW is set to, for example, two stages (control by two control patterns) of about 3.5 minutes and 5 + ⁇ , and the constant voltage charging area
  • the CV time was about 1 minute, and the total time was about 10 minutes.
  • a memory chip such as an EEPROM may be provided in a battery housing case that houses the module of the battery circuit unit 2, a cell charging history may be stored, and a charging specification may be determined based on the data.
  • FIG. 4 is a diagram showing a sequence between the power supply circuit unit 1 and the battery circuit unit 2 and control processing of each unit of the present invention.
  • the power supply circuit unit 1 on the charging adapter side performs AC-DC conversion in step S411, generates a constant current voltage in step S412 and outputs it to the battery voltage unit 2 on the battery side.
  • the battery circuit unit 2 receives this constant current voltage, and determines in step 421 whether or not the voltage is an overvoltage or the like. If there is no problem as a result of the determination, the cell 24 can be charged.
  • step S422 it is detected whether or not the voltage VB of the cell 24 has reached 2.0V (voltage VB).
  • the cell is charged in step S425. And control is performed so that the first constant power charge control CW1 state is maintained until the voltage VB reaches 2.3V.
  • step S423 the constant current voltage is controlled so that the current IB decreases and the second constant power charge control state CW2 is set in step S426. And continue this state up to the maximum upper limit voltage of 2.7V.
  • step S424 when the voltage VB reaches the maximum upper limit voltage 2.7 V in step S424, the constant current voltage is controlled in step S427 so that the current IB further decreases and the constant voltage charge control state CV is set. Control to be.
  • step 428 the low voltage is boosted to a desired voltage (5.0V) and output to the mobile terminal 3 side.
  • a desired voltage 5.0V
  • FIG. 5 is a characteristic diagram showing an example of the charging cycle of the present invention at that time. Similarly to FIG. 7, the vertical axis indicates the voltage VB and current IB of the cell 24, and the horizontal axis indicates the charging time T. Yes.
  • the important point is to detect a change in the voltage VB in the constant power charging area CW and switch the constant power charging in multiple stages in accordance with the voltage.
  • the voltage from voltage 2.0 V (point A) to voltage 2.3 V (B Point) is constant power charging (constant power charging area CW1), and switches from constant power charging to constant voltage charging when the voltage reaches 2.3 V (point B) from the maximum voltage 2.7 V (point C).
  • the charge cycle region is controlled to be CW1 ⁇ CW2 ⁇ CV.
  • Such control can be performed by the control circuit 26 including the MCU of the battery circuit unit 2.
  • the voltage VB of the cell 24 is monitored, and it is detected that the voltage has reached a predetermined value, that is, 2.0V, 2.3V, and 2.7V.
  • the circuit 22 including the comparator 223 is controlled so as to be constant power charging (region CW1) as in the conventional case, and then when the voltage VB becomes 2.3V, the constant power charging is performed.
  • (Region CW2) is controlled, and when it becomes 2.7V, it is controlled so as to change from constant power charging (region CW2) to constant voltage charging (region CV) in the same manner as in the past. What is necessary is just to comprise so that it may be controlled with a control pattern.
  • the multi-stage (control pattern) of constant power charging is three stages, but it may be more.
  • Power supply circuit unit 12 AC-DC converter 13 PWM 14 Control circuit including MCU 15 Resistor 16 Current sensor 17 Voltage sensor 2 Battery circuit unit 22 Circuit having low input / reverse voltage / overvoltage protection function 23 Booster circuit 24 Battery (cell) 25 Resistor 26 Control circuit 3 Mobile terminal (mobile device)

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Abstract

　急速充電が図れ、かつ充電効率化が図れる充放電制御機能を備えた携帯端末充電装置を提供すること。　急速充電が可能な電池（セル）に対して、ＣＣＣＷＣＶ方式により急速充電するとき、定電流充電領域（以下、定電力充電領域ＣＷと称する）を多段階に分けて制御可能とする手段を設けた携帯端末充電装置。

Description

充放電制御機能を備えた携帯端末充電装置
　本発明は充放電制御機能を備えた携帯端末充電装置に関し、特にリチウムイオン電池に対して充電し、該電池をモバイル端末のように携帯して使用する携帯端末の電源として利用する場合に好適な携帯端末用充電装置に関する。
　最近、例えば酸化コバルトの化合物であるコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）を正極材としたものが提案されている。
　また、リチウムイオン電池は、幅広い製品に搭載され、実用化されている。例えばモバイル端末などの携帯端末にも適用され、普及しつつある。
　係るリチウムイオン電池は、安全性および高容量が得られるなどの特長があること、およびその反面、充電時に体積変化を起こし、電極の破壊を招き安いことも知られている。
　そのため、一般的には、充電方式（プロトコール）や充電電流、充電開始電圧、充電停止電圧などが厳密に定められている。特に、充電電流量（印加電圧の大きさ）は、電池容量に比べ、低く抑えられるのが一般的であった。
　最近、携帯端末の普及に伴って、データ通信量も増えてきている。このような携帯端末において、データ通信を常時行うようなユーザにとっては、携帯端末の電池への充電を頻繁に行う必要が生じ、またこの充電時間に時間を要する問題があった。
　例えば、携帯端末への充電は、電池が格納された携帯型充電器を持ち運び、必要に応じて携帯端末へ充電を行うものであるが、該携帯型充電器に搭載される電地も充電の対象となり、フル充電までには、通常数時間かかっているのが現状であった。
　従って、ユーザから、この充電時間の短縮化が望まれている。
最近、この充電時間の短縮化要望に鑑み、急速充電、例えば２Ｃ（容量：Capacity）以上の急速充電が可能なリチウムイオン電池が開発され、該電池が携帯端末の充電用として市場に登場しつつある。
　また、電池メーカでは、例えば電池の電極材や電解液等を考慮し、２Ｃ以上の急速充電が可能なリチウム電池の開発が進められている。
　また、これと平行して充電器の改良も盛んに行われている。その充電器の一例として、例えば商用電源から３．７Ｖの低い電圧を生成し、該低電圧をもって電池への急速充電を可能とするものが提案されている。
　このときのリチウムイオン電池の充電は、定電流／定電圧ＣＣＣＶ（Constant Current Constant Voltage）充電方式による充電制御が一般的である。
　しかし、この充電の場合、その充電速度の面で満足できず、更に改善する必要がある新たな課題があることが判った。換言すれば、本出願人が知る限り、従来のＣＣＣＷＣＶ方式による充電制御において、急速充電および電池寿命を決定する充電安全性の両立化を追求した携帯端末充電装置はなかった。
　本発明は係る課題に鑑みてなされ、その目的は急速充電および充電効率化の両立化が図れる充放電制御機能を備えた携帯端末受電装置を提供することにある。
　本発明は、前記目的を達成するため、充放電制御機能を備えた携帯端末充電装置において、電池の充電に際して、電池電圧の状態に応じて、定電流充電による定電流充電領域を設ける。
　更に充電電流値と電圧値を測定する回路を導入し、定電力充電領域（Constant Watt以下ＣＷと称する）を設け、ＣＷ領域を多段階、例えば２～３段階とし、そのＣＷ領域を長くすることで結果的にＣＶ領域を極少にして充電時間の短縮を図ると共に、充電効率を（例えば、充電時間短縮のためにＣＶ過程を省いたＣＣのみの充電と比較して）向上させることができる。
　更に詳述すれば、本発明は、例えば、以下のとおりである。
　急速充電対応電池に対して定電流／定電力／定電圧ＣＣＣＷＣＶ（Constant Current Constant Watt Constant Voltage）方式により急速充電を可能とした充放電機能を有した携帯端末充電装置において、　前記電池の電圧を検出する検出部と、該検出部が、前記ＣＣＣＷＣＶ方式における定電力充電領域において第１の電圧を検出したとき、第１の定電力充電制御とし、該第１の電圧より高い第２の電圧を検出したとき、第２の定電力充電制御とし、該第２の電圧より高い上限電圧を検出したとき、定電圧充電制御とする制御部を設けた充放電機能を有した携帯端末充電装置である。
　前記電池がリチウムイオン電池であり、前記制御部が電圧センサ、電流センサ、メモリを含むＭＣＵからなる充放電機能を有した携帯端末充電装置である。
　急速充電対応電池に対してＣＣＣＷＣＶ方式により急速充電を可能とした充放電機能を有した携帯端末充電装置において、前記電池の充電開始時点から最上限電圧までの間における定電力充電領域において、前記電池の電圧を検出し、該電圧に応じて、前記定電力充電制御を、２以上の多段階に制御する制御手段を設けた充放電機能を有した携帯端末充電装置である。
　前記電池がリチウムイオン電池であり、前記制御手段が、前記電池の電圧を検出する電圧検知部と、前記ＣＣＣＷＣＶ制御を定電力充電と定電圧充電を切り替え制御する制御部からなる充放電機能を有した携帯端末充電装置である。
　急速充電対応電池に対してＣＣＣＷＣＶ方式により急速充電を可能とした充放電機能を有した携帯端末充電装置において、充電アダプタおよび携帯端末に着脱可能に接続され、該充電アダプタからの低電圧を受け、該電圧により充電される前記電池と、該低電圧を前記携帯端末が使用可能な電圧まで昇圧し、該昇圧した電圧を該携帯端末側へ出力する電池回路部を備え、前記電池回路部は、前記電池の電圧を検出する検出部と、該検出部が、前記ＣＣＣＷＣＶ方式における定電力充電領域において第１の電圧を検出したとき、第１の定電力充電制御とし、該第１の電圧より高い第２の電圧を検出したとき、第２の定電力充電制御とし、該第２の電圧より高い上限電圧を検出したとき、定電圧充電制御とする制御部を設けた充放電機能を有した携帯端末充電装置である。
　前記電池回路部は、携帯可能に構成された電池ボックスに収容され、該電池ボックスは前記携帯端末と一体化して使用可能な充放電機能を有した携帯端末充電装置である。
　本出願人による実験検証によれば、例えば、携帯端末充電装置への充電を、数分～１０分程度で行うことができることを確認できた。
　本発明によれば、従来の課題を是正することができ、急速充電が図れ、かつ充電効率化が図れる充放電制御機能を備えた携帯端末充電装置を提供することができる。
図１は本発明の全体概要を示す機能ブロック図である。 図２は発明の一実施例を示す機能図である。 図３は本発明の充電アダプタおよび充放電機能を有する受電装置の一例を示す回路図である。 図４は本発明の携帯端末充電装置の電源回路部と電池回路部間のシーケンスおよび両部の充電処理フローを示す図である。 図５は本発明の携帯端末充電装置のＣＣＣＷＣＶ充電制御の一例を説明する特性図である。 図６は従来のＣＣＣＷＣＶ方式による充電制御の例を説明する特性図である。
　　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
　図１は本発明の概念を示すブロック図である。同図において、１は商用電源を受け、定電流電圧を発生する定電流電圧発生電源回路を含む電源回路部である。
２は電源回路部１に着脱接続可能に構成され、電源回路部１からの電圧を受けて急速充電が可能な急速充電対応電池、例えばリチウムイオン電池、該電池を管理する電池管理回路、該電池電圧を昇圧する昇圧回路を含む電池回路部である。
電源回路部１は充電アダプタ内に収容され、電池回路部２は電池ボックスに収容され、充放電機能を有する携帯端末充電装置を構成している。
３は電池回路部２に着脱可能に接続され、該電池回路部から充電を受ける携帯電話などの携帯端末である。
　一般的に、電源回路部１は扱う電流量により、サイズおよび重量が増大し、ポータブル性にかけているため、電源回路部１は、電池回路部２から分離し、比較的軽量な電池回路部２だけを独立させて構成すると良い。例えば、電源回路部１と電池回路部２は、別モジュール構成とする。これにより、電池回路部２を収容する携帯端末充電装置の持ち運びが容易に行える。
　電池回路部２を収容する電池ボックスは、携帯端末３より一回り大きなサイズとし、また、携帯端末３のフル充電が一回分可能な充電筐体とすると良いが、これに限定する必要はない。
　図２は本発明の電源回路部１と電池回路部２の一形態を示すブロック図である。同図において、電源回路部１を搭載した充電アダプタは、商用電源コンセント１１、該コンセントからの交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ－ＤＣコンバータ１２、該コンバータからの直流電圧を受け、所望の低電圧にして出力する、例えばＰＷＭ（パルス幅変調器）、スイッチを含む低電圧出力回路１３、該回路を制御するマイクロコントロールユニット（ＭＣＵ）を含む制御回路１４、低電圧出力回路１３の出力側に流れる電流ＩＶＣを計測する低インピーダンスの電流検出抵抗１５、該抵抗に流れる電流を検知するセンサ１６、充電アダプタの過電圧保護用電圧センサ１７、電池回路部２を収容した電池ボックス側の入力端子と接続される例えば出力ジャック（又は出力プラグ）１８からなる出力端子から構成されている。
　ここで、低電圧出力回路１３の低電圧としては、充電時間を考慮して、本発明では、通常の低電圧より低い例えば２．３Ｖとしている。このように電圧を２．３Ｖに低く抑える代わりに、１０Ｃ程度の充電が可能なリチウムイオン電池を使用する。係る電池によれば、急速充電が可能であり、その充電時間をより短縮することが期待できる。
　電池回路部２が収容される電池ボックスは、充電アダプタの出力ジャック１８が装着され、電気的に接続される入力プラグ２１、該プラグを介して充電アダプタから供給される低電圧を受け、低入力・逆電圧・過電圧保護機能を有する回路２２、該回路からの低電圧（２．３Ｖ）を携帯端末３で所要可能な電圧（例えば５．０Ｖ）まで昇圧する昇圧回路２３、電池（セル）２４、例えばリチウムイオン電池、前記昇圧回路の前段と接地間に、該電池２４と直列接続され、該電池の電流ＩＢを計測する低インピーダンスの電流検出抵抗（又は温度検出抵抗）２５、および電流センサ（又は温度センサ）、電圧センサ、メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、ＭＣＵなどを含む制御回路２６から構成されている。
　回路２２は、電源入力電圧が高すぎたり、低すぎたり、場合によっては負電圧になる恐れのあるアプリケーションを保護するものである。これは、例えば２つのコンパレータ入力により、抵抗分割器を使用して、過電圧（０Ｖ）と低電圧（ＵＶ）の設定を行うことができる。また、シャットダウンピンにより、例えばスイッチ素子のＭＯＳＦＥＴのイネーブル／ディスエーブルを外部制御用として利用できる他、デバイスを低電流のシャットダウン状態にすることができる機能を有するものである。
制御回路２６は、電流検出抵抗２５の電流や電圧を受け、低入力・逆電圧・過電圧保護機能を有する回路２２および昇圧回路２３を制御する。
リチウムイオン電池２４は公知のものが使用される。
　図３は、本発明の電源回路部１（充電アダプタ）および電池回路部２（電池ボックスの充放電機能を有する充電装置）の更に詳細な実施形態を示す回路図である。
　同図において、２２１、２２２は、複数のＭＯＳＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）からなるスイッチ素子、２２３は該スイッチ素子をオンオフするコンパレータ、２２４～２２６は抵抗からなる抵抗分割器を示し、これらは図２の回路２２を構成している。なお、２７は差動増幅器である。コンパレータ２２３は、電池ボックスに供給された電圧が供給される入力ピン１、低電圧ピン２（ＵＶ）、過電圧ピン３（０Ｖ）、グランドピン４（ＧＮＤ）、ＦＥＴ２２１、２２２をオンオフ制御するピン８（ＧＡＴＥ）、電圧出力ピン７（ＶＯＵＴ）、ＧＡＴＥピン８が“Ｌ”であることを知らすためのピン６（／ＦＡＬＴ）、制御回路２６のＭＣＵに接続されるピン５（／ＳＴＤＮ）を有している。
　ここで、制御回路２５およびコンパレータ２２３は、昇圧回路２３に接続された電圧入力ピン１（ＶＩＮ）が１Ｖ～４．５Ｖ（例えば、電池２４の電圧ＶＢ＞１．０Ｖ）のとき、ＧＡＴＥピン６を通してスイッチ素子のＦＥＴ２２１、２２２がオンするように制御するように動作する。
　この制御により、従前と同様に定電力充電領域ＣＷから定電圧充電領域ＣＶへの領域切り替えが行える。
　また、電池２４の電圧ＶＢが、例えば最上限の２．７Ｖまで上昇したとき、この電圧の上昇を、ＭＣＵを含む制御回路２６で検知し、該制御回路２６によりコンパレータ２２３のピン５（／ＳＴＤＮ）をロー（Ｌ）とし、ＦＥＴ２２１、２２２をオフするように制御動作する。この制御によって、電池回路２の低入力・逆電圧・過電圧保護が行える。
　すなわち、充電アダプタから供給される低電圧を受け、コンパレータ２２３の電圧出力ピン７（ＶＯＵＴ）に出力される電圧をもってセルへの定電流充電と定電圧充電の制御を行う。
　次に、本発明の電池回路部２における電池への充電について、一般的に知られているＣＣＣＷＣＶ方式による充電について説明する。
　まず、充電器のＣＣＣＷＣＶ方式によるリニア充電について図６を参照して説明する。図６は標準リチウムイオン電池のＣＣＣＷＣＶ充電特性を示す図であって、縦軸に電池の端子電圧ＶＢおよび電流ＩＢを示し、横軸に充電時間Ｔを示している。
　同図において、充電器としては、まず電池（以下セルと称する）の充電前チェックを行い、充電が可能な状態であること、また当該セルに対して急速充電を安全に行えることを確認し、セル電圧が所定の電圧（例えば、２．５Ｖ以下）以下の場合、１Ｃ充電によってセルに不可逆的なダメージが発生する。
　従って、ＣＣＣＷＣＶ制御に際しては、１Ｃ以下でゆっくりとトルク充電を行い、セル電圧を充電開始可能電圧（ＶＢ１）まで上昇させるような制御を行う必要がある。
　セルが充電可能になるまでの領域は、充電制限領域（PREQUALIFICATION）ＣＣと称されている。
　次に、セルが充電可能な充電開始時点Ｓ１になると、リニア充電回路は、スイッチ素子のＦＥＴをオンに制御し、セルへの定電流充電を可能とする。
　このとき、電流ＶＩおよび電圧ＶＢは図示のように変化し、このセル電圧が、定電圧充電開始電圧（ＶＢ２）になるまで続く。この間Ｓ１－Ｓ２の領域ＣＷでは、定電流充電を行う。この領域は、一般的に、定電流（CONSTANT　CURRENT）充電領域と称されている。
　更にセル電圧が上昇し、最上限電圧（ＶＢ２）、つまり定電圧充電開始時点Ｓ２の電圧に達すると、この後は、トップオフ充電となる。
　電流ＩＢは時間とともに減少し、充電電流の計測値がトルク充電時の値に低下するまで続き、充電停止時点Ｅで充電を停止する。この時点Ｓ２－充電終了時点Ｅ間Ｓ２－Ｅの領域では、定電圧充電を行う。このときの領域は、定電圧充電領域（CONSTANT　VOLTAGE）ＣＶと称されている。
　このような充電サイクルを持つ充電制御方法は、一般的に知られている。しかし、このように定電流充電を定電圧充電に切り替えて、定電流領域ＣＷと定充電領域ＣＶを有するように制御するものにあっては、図７に示す如く、定電圧充電領域ＣＶにおける電流ＩＢが、充電終了時点Ｅまでゆっくりとなだらかに減少し、この定電圧充電領域ＣＶの時間が定電流充電領域ＣＷより長いか、同じ程度となり、結果として充電終了時点Ｅまでの時間が長くなってしまう。これは、充電効率から見ると、課題があることを意味する。
　本発明は、係る点を是正するために、その充電制御を以下のとおり、行うようにしたものである。
　すなわち、定電流充電領域（本発明では、定電力充電領域ＣＷと称する）が多段階、例えば２乃至３段階となるように定電流による定電力充電制御し、該制御による定電力充電領域ＣＷ（充電時間）を長くし、その分だけ定電圧充電による定電圧充電領域ＣＶを短くし、セルの急速充電を満たすとともに充電効率を向上したものである。つまり、充電開始時点Ｓから充電停止時間Ｅまでのトータル時間を変えずに充電効率を向上することができる。
　本発明では、セル２４の経年変化等、使用履歴から生じる性能変化に対応するため、充電性能を判定するように基準電流による充電フェーズを設ける。判定フェーズの初期電圧から、予め定められたそのスロットの最終電圧への到達時間により、電池性能の変化を予測し、電流値や充電時間を算出する。
　リチウムイオン電池充電に際しては、安全性上から、定電力充電領域ＣＷから定電圧充電領域ＣＶへの転換や充電終止電圧の判定は正確に行う必要がある。
　後述するＥ－ＭＡＸ社製Ｍ２電池においては、充電終了の近くになると、セル電圧が上昇する傾向が、他のリチウムイオン電池と比べて強いことが判ったため、電圧の上昇分ΔＶを検出し、定電力充電領域ＣＷから定電圧充電領域ＣＶへの転換点とする。
　但し、何らかの理由でΔＶが高くなることもあり得ることから、充電電圧を測定し、一定の範囲内にあるときのみ、ΔＶ検出を有効トリガーとして定電圧充電（定電圧充電領域ＣＶ）に移行する。また、領域ＣＶにおける充電時間には制限を設ける。本発明では、Ｅ－ＭＡＸ社製Ｍ２電池を用いて、定電力充電領域ＣＷの時間を、例えば約３．５分と５＋α分の２段階（２つの制御パターンによる制御）とし、定電圧充電領域ＣＶの時間を約１分間とし、トータル時間を約１０分とした。
　また、本発明では、電池回路部２のモジュールを収容する電池収容ケース内に、ＥＥＰＲＯＭなどのメモリチップを設け、セルの充電履歴を記憶し、そのデータに基づき充電仕様を決めても良い。
　以下、その充電サイクルの制御について説明する。
図４は、本発明の電源回路部１と電池回路部２間のシーケンスおよび各部の制御処理を示す図である。
　同図において、充電アダプタ側の電源回路部１は、ステップＳ４１１にてＡＣ－ＤＣ変換し、ステップＳ４１２にて定電流電圧を生成し、電池バッテリ側の電池電圧部２に出力する。
　電池回路部２は、この定電流電圧を受け、ステップ４２１にて該電圧が過電圧などであるか否かを判断する。判断の結果、問題なければ、セル２４への充電を可能状態とする。
　次に、ステップＳ４２２にて、セル２４の電圧ＶＢが２．０Ｖに達したか否（電圧ＶＢ）かを検知し、該電圧ＶＢが２．０Ｖに達すると、ステップＳ４２５にて、セルの充電を開始し、電圧ＶＢが２．３Ｖに達するまで第１の定電力充電制御ＣＷ１状態となるように制御する。
　更に、ステップＳ４２３にて、電圧ＶＢが２．３Ｖに達すると、ステップＳ４２６にて、電流ＩＢが減少するように、かつ定電流電圧を制御し、第２の定電力充電制御状態ＣＷ２となるように制御し、最上限電圧２．７Ｖまでこの状態を継続する。
　次に、ステップＳ４２４にて、電圧ＶＢが最上限電圧２．７Ｖに達すると、ステップＳ４２７にて、電流ＩＢが更に減少するように、かつ定電流電圧を制御し、定電圧充電制御状態ＣＶとなるように制御する。
なお、ステップ４２８では、低電圧を所望の電圧（５．０Ｖ）まで昇圧し、携帯端末３側に出力する。
　図５は、そのときの本発明の充電サイクルの一例を示す特性図であって、図７と同様に縦軸にセル２４の電圧ＶＢおよび電流ＩＢを示し、横軸に充電時間Ｔを示している。
　ここで、重要な点は、定電力充電領域ＣＷにおいて、電圧ＶＢの変化を検知し、該電圧に対応して、定電力充電を多段階に切り替えることである。
　同図において、充電開始時点Ｓの２．０Ｖ（Ａ点）から最上限電圧２．７Ｖ（Ｃ点）に達する前においては、まず、電圧２．０Ｖ（Ａ点）から電圧２．３Ｖ（Ｂ点）までは定電力充電（定電力充電領域ＣＷ１）とし、電圧２．３Ｖ（Ｂ点）から最上限の電圧２．７Ｖ（Ｃ点）になったとき、定電力充電から定電圧充電に切り替わるに制御し、図示の如く、充電サイクルの領域がＣＷ１→ＣＷ２→ＣＶとなるように制御することである。
　このような制御は電池回路部２のＭＣＵを含む制御回路２６をもって行うことができる。例えばセル２４の電圧ＶＢを監視し、その電圧が所定の値、つまり２．０Ｖ、２．３Ｖおよび２．７Ｖになったことを検知する。電圧ＶＢが２．０Ｖになったとき、コンパレータ２２３を含む回路２２をもって、従来と同様に定電力充電（領域ＣＷ１）となるように制御し、次に２．３Ｖになったとき、定電力充電（領域ＣＷ２）となるように制御し、２．７Ｖになったとき、従来と同様に定電力充電（領域ＣＷ２）から定電圧充電（領域ＣＶ）となるように制御し、充電制御が複数の制御パターンをもって制御されるように構成すれば良い。本例では、この定電力充電の多段化（制御パターン）は、３段階であるが、それ以上であっても良い。
　上記実施例では、リチウムイオン電池への充電を前提に説明したものであるが、急速充電が可能な電池であれば、適用可能である。
１　電源回路部
１２　ＡＣ－ＤＣコンバータ
１３　ＰＷＭ
１４　ＭＣＵを含む制御回路
１５　抵抗
１６　電流センサ
１７　電圧センサ
２　電池回路部
２２　低入力・逆電圧・過電圧保護機能を有する回路
２３　昇圧回路
２４　電池（セル）
２５　抵抗
２６　制御回路
３　携帯端末（携帯機器）

Claims (6)

  1. 　急速充電対応電池に対してＣＣＣＷＣＶ方式により急速充電を可能とした充放電機能を有した携帯端末充電装置において、
    　前記電池の電圧を検出する検出部と、該検出部が、前記ＣＣＣＷＣＶ方式における定電力充電領域において第１の電圧を検出したとき、第１の定電力充電制御とし、該第１の電圧より高い第２の電圧を検出したとき、第２の定電力充電制御とし、該第２の電圧より高い上限電圧を検出したとき、定電圧充電制御とする制御部を設けた
    ことを特徴とする充放電機能を有した携帯端末充電装置。
  2. 　請求項１記載の充放電機能を有した携帯端末充電装置において、前記電池がリチウムイオン電池であり、前記制御部が電圧センサ、電流センサ、メモリを含むＭＣＵからなることを特徴とする充放電機能を有した携帯端末充電装置。
  3. 　急速充電対応電池に対してＣＣＣＷＣＶ方式により急速充電を可能とした充放電機能を有した携帯端末充電装置において、
    　前記電池の充電開始時点から最上限電圧までの間における定電力充電領域において、前記電池の電圧を検出し、該電圧に応じて、前記定電力充電制御を、２以上の多段階に制御する制御手段を設けた
    ことを特徴とする充放電機能を有した携帯端末充電装置。
  4. 　請求項２記載の充放電機能を有した携帯端末充電装置において、前記電池がリチウムイオン電池であり、前記制御手段が、前記電池の電圧を検出する電圧検知部と、前記ＣＣＣＷＣＶ制御を定電力充電と定電圧充電を切り替え制御する制御部からなることを特徴とする充放電機能を有した携帯端末充電装置。
  5. 　急速充電対応電池に対してＣＣＣＷＣＶ方式により急速充電を可能とした充放電機能を有した携帯端末充電装置において、
    　充電アダプタおよび携帯端末に着脱可能に接続され、該充電アダプタからの低電圧を受け、該電圧により充電される前記電池と、該低電圧を前記携帯端末が使用可能な電圧まで昇圧し、該昇圧した電圧を該携帯端末側へ出力する電池回路部を備え、
    　前記電池回路部は、
    前記電池の電圧を検出する検出部と、該検出部が、前記ＣＣＣＷＣＶ方式における定電力充電領域において第１の電圧を検出したとき、第１の定電力充電制御とし、該第１の電圧より高い第２の電圧を検出したとき、第２の定電力充電制御とし、該第２の電圧より高い上限電圧を検出したとき、定電圧充電制御とする制御部を設けた
    ことを特徴とする充放電機能を有した携帯端末充電装置。
  6. 　請求項５に記載された充放電機能を有した携帯端末充電装置において、
    　前記電池回路部は、携帯可能に構成された電池ボックスに収容され、該電池ボックスは前記携帯端末と一体化して使用可能な充放電機能を有した携帯端末充電装置。
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