(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１制御信号に応答して２次バッテリに充電電流を供給する充電源部と、２次バッテリの内部温度を感知するバッテリ温度検出部と、第２制御信号に応答して充電源部の充電速度を制御する高速充電制御部と、バッテリ温度検出部に応じて前記第１及び第２制御信号を出力する充電動作制御部と、２次バッテリ周辺の周辺温度を段階的に感知し、第２制御信号によってイネーブルされる周辺温度検出部と、周辺温度検出部に応じて充電源部を制御し、周辺温度の上昇にあわせて段階的に充電電流を減少させる充電電流制御部と、を有する２次バッテリ充電回路。
【請求項２】
充電動作制御部は、バッテリ温度検出部によりバッテリ内部温度が所定温度以上の高温であると感知されると、第１制御信号により充電源部の充電電流供給を止める請求項１記載の２次バッテリ充電回路。
【請求項３】
２次バッテリへの充電電圧が所定のレベルを維持するように充電源部を制御する定電圧制御部を有する請求項１又は請求項２記載の２次バッテリ充電回路。
【請求項４】
携帯型コンピュータに内蔵される請求項１〜３のいずれか１項に記載の２次バッテリ充電回路。
【請求項５】
２次バッテリへ充電電流を流す充電ノードと、外部電圧源と充電ノードとの間のスイッチング部と、スイッチング部を通じて充電ノードへ流れる充電電流を検出し、検出結果を帰還ノードに出力する充電電流検出部と、第１制御信号によりイネーブルされ、帰還ノードに従いスイッチング部のオン／オフ時間を制御するスイッチング制御部と、第２制御信号に応答して帰還ノードの信号を変化させ、充電速度を制御する高速充電制御部と、２次バッテリの内部温度を感知するバッテリ温度検出部と、バッテリ温度検出部の感知結果に従い第１及び第２制御信号を出力する充電動作制御部と、２次バッテリ周辺の周辺温度を段階的に感知する周辺温度検出部と、周辺温度検出部の感知結果に従い帰還ノードの信号を変化させ、周辺温度の上昇にあわせて段階的に充電電流を減少させる充電電流制御部と、第２制御信号に応答して周辺温度検出部の検出動作をイネーブルさせる検出イネーブル手段と、を有する２次バッテリ充電回路。
【請求項６】
周辺温度検出部は、電源電圧を分圧して２以上の基準電圧を発生する分圧手段と、その各基準電圧と周辺温度に従うサーミスタによる電圧とを比較する２以上の比較器と、からなる請求項５記載の２次バッテリ充電回路。
【請求項７】
検出イネーブル手段は、第２制御信号に応答して分圧手段を接地へつなぐスイッチである請求項６記載の２次バッテリ充電回路。
【請求項８】
充電電流制御部は、帰還ノードに並列接続された２以上の抵抗と、周辺温度検出部の比較器によりそれぞれ制御されて前記各抵抗を接地へつなぐ２以上のトランジスタと、をもつ請求項５〜７のいずれか１項に記載の２次バッテリ充電回路。
【請求項９】
充電動作制御部は、バッテリ温度検出部によりバッテリ内部温度が所定温度以上の高温であると感知されると、第１制御信号によりスイッチング制御部にスイッチング部をオフさせる請求項５〜８のいずれか１項に記載の２次バッテリ充電回路。
【請求項１０】
２次バッテリへの充電電圧が所定のレベルを維持するように帰還ノードの電圧レベルを制御する定電圧制御部を有する請求項５〜９のいずれか１項に記載の２次バッテリ充電回路。
【請求項１１】
携帯型コンピュータに内蔵される請求項５〜１０のいずれか１項に記載の２次バッテリ充電回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は携帯型コンピュータ、模型器機、ヘッドホンステレオ、携帯電話機など２次バッテリによって動作する装置のバッテリ充電回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１に、バッテリ動作式装置の一例として携帯型コンピュータの電源供給系統を概略的に図示している。
【０００３】
ＤＣ−ＤＣ変換器２、ＤＣ−ＡＣインバータ３、そしてバッテリ充電回路５は、ＡＣ１００〜２４０ＶをＤＣ変換して出力するＡＣアダプタ１からの電源供給が可能となっている。一方、ＡＣアダプタ１が使用されない場合は、バッテリパック４により変換器２及びインバータ３へ電源供給が行われる。このようなバッテリパック４は、Ｎｉ−Ｃｄ、Ｎｉ−ＭＨ、Ｌｉ−ｉｏｎなどのバッテリセルをもち、バッテリ充電回路５によって充電される。
【０００４】
そのバッテリ充電方式としては、ランアンドチャージング(run & charging)方式とランオアチャージング(run or charging) 方式がある。前者はシステムが使用中であるかないかに関係なく充電する方式で、充電制御が難しい。後者はシステムの使用中は充電せず、システムが使用されていないときに充電する方式で、充電制御が容易である。さらに、バッテリの充電容量(charging capacity) あるいは充電電流(charging current)により、場合に応じた充電モードが設定されており、快速充電(rapid or fast charging)、急速充電(quick charging)、標準充電(standard charging) 、細流充電(trickle charging)のモードに区分される。快速充電モードは１〜２時間、急速充電モードは４〜６時間、標準充電モードは８〜１０時間でフル充電を完了するモードである。細流充電モードは常時充電電流を流すモードで、このモードでは実質的な充電動作を遂行するのではなく、自然放電による損失を補償するだけである。これら充電モードは、システムの電源管理用マイクロコンピュータあるいはマイクロプロセッサによって制御される。
【０００５】
ＤＣ−ＤＣ変換器２は、ＡＣアダプタ１あるいはバッテリパック４からコンピュータシステムで必要とする各種のＤＣ電源（３．３Ｖ、５Ｖ、１２Ｖ、システム電源管理用マイクロプロセッサの電源など）を発生し、ＣＰＵ、ビデオ回路、オーディオ回路、各ディスクドライブ（ＨＤＤ、ＦＤＤ、ＣＤ−ＲＯＭ drive) 、メモリなどを装着したマザーボード(mother board)６へ供給する。ＤＣ−ＡＣインバータ３は、ＡＣアダプタ１やバッテリパック４によるＤＣ電圧を高電圧（５００Ｖなど）のＡＣ電圧に変換し、ＬＣＤ７の冷陰極蛍光灯(cold cathode fluorescent lamp) に提供する。
【０００６】
図２は、バッテリパック４及びバッテリ充電回路５の詳細である。そのバッテリ充電動作の制御は、携帯型コンピュータシステムの電源管理用マイクロプロセッサ２１０を充電動作制御部として行われる。
【０００７】
バッテリパック４は、バッテリセル２１２、このセル２１２の温度を感知するサーミスタ２１４、＋端子２１６、−端子２１８、温度端子２２０を具備する。このバッテリパック４を携帯型コンピュータに装着すると、その各端子１６，１８，２０が充電回路５の対応する端子２１６ａ，２１８ａ，２２０ａに接続される。
【０００８】
バッテリ充電回路５は、ＡＣアダプタ１からのＤＣ電圧をレギュレーティングして出力するレギュレータ（図示略）とした外部電圧源(external voltagesource)から所定のＤＣ電圧ＶINを受ける電源端子２２２と、マイクロプロセッサ２１０による制御信号ＣＥＮ，ＦＱが各々印加される制御端子２２４，２２６と、を具備する。電源端子２２２と＋バッテリ端子２１６ａとの間にはスイッチング部２２８が設けられ、このスイッチング部２２８を介して＋バッテリ端子２１６ａへつながる充電ノード２７８に供給される充電電流量が充電電流検出部２３０により検出される。パルス幅変調回路（pulse width modulation；ＰＷＭ）２３２は、帰還ノード２３３を通じてフィードバック端子Ｆ／Ｂに入力される信号電圧に従ってスイッチング部２２８のオン／オフ時間を制御するスイッチング制御部である。ＰＷＭ２３２は、マイクロプロセッサ２１０から提供される充電イネーブル信号ＣＥＮによってイネーブルされる。
【０００９】
高速充電制御部２３４は、マイクロプロセッサ２１０から提供される充電モード制御信号ＦＱに応答して帰還ノード２３３の電圧レベルを変化させることにより、快速と急速の充電モード切換を行う。定電圧制御部２３６は、＋バッテリ端子２１６ａを通じてバッテリパック４へ供給される充電電圧を予め定めてあるレベルに維持するためのものである。この定電圧制御部２３６は、充電初期には定電流方式で充電後期には定電圧方式を実行しなければならないＬｉ−ｉｏｎバッテリセルを使用したバッテリパック４を充電する場合に必要な要素である。
【００１０】
バッテリパック４に内蔵されたサーミスタ２１４とともにバッテリ温度検出部を構成する抵抗２８０及びキャパシタ２８２は、マイクロプロセッサ２１０の入力ポート(input port)に接続される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図３のグラフには、２次バッテリの温度により変わる充電容量波形Ｂ，Ｃと充電電流波形Ａの概略を示してある。充電容量波形Ｂは２５℃を挟んだ常温範囲の場合で充電率１００％までいくが、充電容量波形Ｃは５０℃を越える高温となった場合で充電率６０〜７０％までしかあがらない。なお、バッテリ充電率は、バッテリの本来もつフル容量に対する実際の充電量の比率である。すなわち、２次バッテリの充電に際してはその内部抵抗などによって発熱し、温度が上がるとバッテリの充放電容量が減少することはよく知られているが、このため図３のように、常温範囲内で充電されれば１００％の充電率となるが、高温になると６０〜７０％程度の充電率しか達成できなくなる。
【００１２】
最近の携帯型コンピュータなどにつまれる大型プロセッサには動作温度が９０〜１００℃にまで達するものがあり、その影響でバッテリ温度も上がりやすくなっている。つまり、周辺装置の発熱によるバッテリ温度の上昇も無視できない段階にきている。高温下で大電流による充電を行うとバッテリ寿命を短縮してしまうので、バッテリ内蔵のサーミスタ２１４による温度感知で温度変化に応じた充電動作制御を行う技術が採用され、バッテリの温度が基準値を越えて高温となる場合には、バッテリのフル充電前でも充電電流をカットするようにしている（時刻Ｔｅ）。
【００１３】
しかしこの手法では、上記の高温下での充電容量低下などの現象とも相まって不十分なまま充電終了となる結果を招くので、バッテリ動作の装置使用時間が短くなるなど不具合を生じている。これに鑑みて本発明の目的は、高温下でより高い充電率を達成可能な２次バッテリ充電回路を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の２次バッテリ充電回路は、第１制御信号に応答して２次バッテリに充電電流を供給する充電源部と、２次バッテリの内部温度を感知するバッテリ温度検出部と、第２制御信号に応答して充電源部の充電速度を制御する高速充電制御部と、バッテリ温度検出部に応じて前記第１及び第２制御信号を出力する充電動作制御部と、２次バッテリ周辺の周辺温度を感知する周辺温度検出部と、周辺温度検出部に応じて充電源部を制御し、周辺温度の上昇に従い充電電流を減少させる充電電流制御部と、を有する。
【００１５】
充電電流制御部は、周辺温度の上昇にあわせて段階的に充電電流を減少させる構成とすることができる。また周辺温度検出部は、第２制御信号によってイネーブルされる構成とすることができる。充電動作制御部は、バッテリ温度検出部によりバッテリ内部温度が所定温度以上の高温であると感知されると、第１制御信号により充電源部の充電電流供給を止めるようにしておくとよい。さらに、２次バッテリへの充電電圧が所定のレベルを維持するように充電源部を制御する定電圧制御部を有する構成としておくこともできる。
【００１６】
あるいは本発明の２次バッテリ充電回路は、２次バッテリへ充電電流を流す充電ノードと、外部電圧源と充電ノードとの間のスイッチング部と、スイッチング部を通じて充電ノードへ流れる充電電流を検出し、検出結果を帰還ノードに出力する充電電流検出部と、第１制御信号によりイネーブルされ、帰還ノードに従いスイッチング部のオン／オフ時間を制御するスイッチング制御部と、第２制御信号に応答して帰還ノードの信号を変化させ、充電速度を制御する高速充電制御部と、２次バッテリの内部温度を感知するバッテリ温度検出部と、バッテリ温度検出部の感知結果に従い第１及び第２制御信号を出力する充電動作制御部と、２次バッテリ周辺の周辺温度を感知する周辺温度検出部と、周辺温度検出部の感知結果に従い帰還ノードの信号を変化させて充電電流を減少させる充電電流制御部と、を有する。
【００１７】
充電電流制御部は、周辺温度の上昇にあわせて段階的に充電電流を減少させるものとすることができ、そのときの周辺温度検出部は、電源電圧を分圧して２以上の基準電圧を発生する分圧手段と、その各基準電圧と周辺温度に従うサーミスタによる電圧とを比較する２以上の比較器と、からなるものとすることができる。この場合、第２制御信号に応答して周辺温度検出部の検出動作をイネーブルさせる検出イネーブル手段をもたせることも可能である。その検出イネーブル手段は、第２制御信号に応答して分圧手段を接地へつなぐスイッチとすればよい。そして充電電流制御部は、帰還ノードに並列接続された２以上の抵抗と、周辺温度検出部の比較器によりそれぞれ制御されて前記各抵抗を接地へつなぐ２以上のトランジスタと、をもつものとすることができる。
【００１８】
充電動作制御部は、バッテリ温度検出部によりバッテリ内部温度が所定温度以上の高温であると感知されると、第１制御信号によりスイッチング制御部にスイッチング部をオフさせるものとするとよく、２次バッテリへの充電電圧が所定のレベルを維持するように帰還ノードの電圧レベルを制御する定電圧制御部を有することもできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図４に本発明のバッテリ充電回路の回路例を示し、そして図５にその充電電流波形及び充電容量波形のグラフを示して説明する。
【００２０】
図４に示すように本例の２次バッテリ充電回路は、図２の従来回路の構成に周辺温度検出部３８及び充電電流制御部４０を加えてある。周辺温度検出部３８は、バッテリ４を装着している装置内の温度、たとえば図１のマザーボード６の温度を感知してその上昇にあわせ検出信号を発生する。充電電流制御部４０は、周辺温度検出部３８の検出信号に従って、バッテリパック４へ供給される充電電流が段階的に減少していくように制御し、周辺温度の上昇とともに充電電流を減らしていくことにより高充電率を達成する。
【００２１】
すなわち、図５に示すように、バッテリパック４に供給される充電電流（波形D）は周辺温度の上昇につれて階段的に減少し、これによりバッテリ自体の発熱を抑えて周辺温度の上昇分を補償しながら充電を継続する。充電電流は少なくなっていくのでバッテリ寿命の短命化現象も防がれ、バッテリ温度を常温範囲に止めながら充電を継続することができるので、９５〜１００％のフル充電を達せいすることが可能である（波形Ｅ）。
【００２２】
より具体的に、スイッチング部２８は抵抗４４，４６、ダイオード４８、トランジスタ５０，５２で構成され、充電電流検出部３０は抵抗６０，６２，６４，６６，７０，７２，７４、差動増幅器６８で構成される。この充電電流検出部３０で、抵抗６０両端の電位差が差動増幅器６８によって増幅され、その出力が抵抗７２，７４を通じてＰＷＭ３２のフィードバック端子Ｆ／Ｂに提供される。これらスイッチング部２８、充電電流検出部３０、ＰＷＭ３２は、第１制御信号としてマイクロプロセッサ１０から提供される充電イネーブル信号ＣＥＮに応答してバッテリパック４へＡＣアダプタなどの外部電圧源から充電電流を供給する充電源部(charging source) として機能する。
【００２３】
高速充電制御部３４は、充電電流検出部３０の出力端子と並列にＰＷＭ３２のフィードバック端子Ｆ／Ｂである帰還ノード３３に接続される抵抗８４、トランジスタ８６、該トランジスタ８６のベースに接続された抵抗８８で構成される。この高速充電制御部３４で、トランジスタ８６は第２制御信号としてマイクロプロセッサ１０から提供される高速充電制御信号ＦＱに応答して動作する。マイクロプロセッサ１０からロウレベルの高速充電制御信号ＦＱが出力されると、高速充電制御部３４のトランジスタ８６はオフで帰還ノード３３の電圧レベルは差動増幅器６８による。つまり、ＰＷＭ３２の出力パルス信号のデューティ(duty)は充電電流検出部３０の出力による。したがって、高速充電制御信号ＦＱがロウレベルであると充電源部２８，３０，３２は快速充電モードで動作する。一方、マイクロプロセッサ１０からハイレベルの高速充電制御信号ＦＱが入力されると高速充電制御部３４は、帰還ノード３３の電圧レベルを降下させる。これによって、ＰＷＭ３２の出力パルス信号のデューティが低くなり、外部電圧源からスイッチング部２８を通じて充電ノード７８へ伝達される電流量が減って急速充電モードで動作する。
【００２４】
周辺温度検出部３８は、抵抗９０〜９８，１０４〜１０８，１１８、サーミスタ１００、キャパシタ１０２、比較器１１０，１１２，１１４、トランジスタ１１６で構成される。電源電圧Ｖcc（マイクロプロセッサ用電源）から抵抗９２〜９８が直列接続されて分圧手段が形成され、この抵抗９２〜９８の各接続点が比較器１１０，１１２，１１４の反転入力端子にそれぞれ接続されている。また、抵抗９０を介し電源電圧が供給され負温度係数をもつサーミスタ１００には、並列にして抵抗１０４，１０６，１０８が接続され、それぞれ比較器１１０，１１２，１１４の非反転入力端子につながっている。
【００２５】
トランジスタ１１６と抵抗１１８は、マイクロプロセッサ１０の指示によって周辺温度検出部３８の動作を制御する検出イネーブル手段である。すなわち、マイクロプロセッサ１０からハイレベルの高速充電制御信号ＦＱ（もちろん他の制御信号でも可）が出力されると、これに応じるトランジスタ１１６によって周辺温度検出部３８がイネーブルされ、ロウレベルの高速充電制御信号ＦＱが出力されると、周辺温度検出部３８はディスエーブルされる。なお、このスイッチ構成の検出イネーブル手段は省くことも可能である。
【００２６】
比較器１１０，１１２，１１４の各反転入力端子に提供される基準電圧をＶ110 ，Ｖ112 ，Ｖ114 とし、抵抗９２〜９８の抵抗値をＲ92〜Ｒ98とすると、Ｖ110 ，Ｖ112 ，Ｖ114 は次式で表せる。
【数１】
Ｖ110 ＝Ｖｃｃ×（Ｒ94＋Ｒ96＋Ｒ98）／（Ｒ92＋Ｒ94＋Ｒ96＋Ｒ98）
Ｖ112 ＝Ｖｃｃ×（Ｒ96＋Ｒ98）／（Ｒ92＋Ｒ94＋Ｒ96＋Ｒ98）
Ｖ114 ＝Ｖｃｃ×Ｒ98／（Ｒ92＋Ｒ94＋Ｒ96＋Ｒ98）
【００２７】
周辺温度が上昇してくると、サーミスタ１００の抵抗値はそれに反比例して減少する。したがって、比較器１１０，１１２，１１４の非反転入力端子の電圧は温度上昇に伴って減少していき、その際にこの例では、３種の基準値Ｖ110 ，Ｖ112 ，Ｖ114 と比べられる。つまり、周辺温度は４段階で検出されることになり、最初の段階が常温で、比較器１１０，１１２，１１４はすべてハイレベルを出力する。温度が上昇して次の段階へ至ると、サーミスタ１００による非反転入力端子の電圧が第１基準値Ｖ110 よりも低くなるので、比較器１１０からロウレベルが出力される。さらに温度が上昇して非反転入力端子の電圧が第２基準値Ｖ112 よりも低くなる次の段階へ至ると、比較器１１０，１１２からロウレベルが出力される。そして、さらに温度上昇して非反転入力端子の電圧が第３基準値Ｖ114 よりも低くなる次の段階へ至ると、全比較器１１０，１１２，１１４からロウレベルが出力される。
【００２８】
充電電流制御部４０は、抵抗１２２〜１２６，１３４〜１３８とトランジスタ１２８〜１３２で構成される。この充電電流制御部４０は、周辺温度検出部３８の比較器１１０〜１１４から出力される検出信号に応答し、周辺温度の上昇に従ってＰＷＭ３２のフィードバック端子Ｆ／Ｂの電圧を調整することで充電電流を徐々に減らしていく。
【００２９】
常温では比較器１１０，１１２，１１４のすべてがハイレベル出力なので、トランジスタ１２８〜１３２のすべてがオンし、図５の時刻Ｔ１以前のように本例では急速充電の充電電流Ｄが流れる。周辺温度が上昇したＴ１で、サーミスタ１００による電圧が第１基準値Ｖ110 まで落ちると、比較器１１０がロウレベル出力となってトランジスタ１２８がオフになる。これに応じてＰＷＭ３２のフィードバック端子電圧が上昇し、充電電流Ｄは１段階減少する。続いて周辺温度が上昇し、Ｔ２でサーミスタ１００による電圧が第２基準値Ｖ112 まで落ちると、比較器１１０，１１２がロウレベル出力となってトランジスタ１２８，１３０がオフになる。これに応じてＰＷＭ３２のフィードバック端子電圧がさらに上昇し、充電電流Ｄはさらに１段階減少する。
【００３０】
そこからさらに周辺温度が上昇し、Ｔ３でサーミスタ１００による電圧が第３基準値Ｖ114 まで落ちると、全比較器１１０，１１２，１１４がロウレベル出力となってトランジスタ１２８，１３０，１３２のすべてがオフになる。これに応じてＰＷＭ３２のフィードバック端子電圧がさらに上昇し、充電電流Ｄはさらに１段階減少する。そして充電完了で充電イネーブル信号ＣＥＮがきられると、Ｔｅで充電電流Ｄはなくなる。
【００３１】
以上のように、周辺温度の上昇にあわせて充電電流を下げバッテリパックの温度上昇を抑制する手法とすることにより、図５に示してあるように充電容量Ｅは、９５〜１００％まで改善される。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、バッテリパックの周辺温度上昇を感知して充電電流を下げていくことにより、バッテリ自体の温度上昇を抑えて周辺温度の上昇分を補償するので、従来よりもフル充電が可能となり、高温下での大電流充電も防止されるので、バッテリ寿命を縮めることもなく信頼性が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バッテリを使用する携帯型コンピュータの電源供給系統を示したブロック図。
【図２】従来の２次バッテリ充電回路の回路図。
【図３】従来における充電電流と充電容量を示したグラフ。
【図４】本発明の２次バッテリ充電回路の回路図。
【図５】本発明による充電電流と充電容量を示したグラフ。
【符号の説明】
３８  周辺温度検出部
４０  充電電流制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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