(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオン二次電池の充電を行う充電装置において、
定電流回路および定電圧回路により構成され前記リチウムイオン二次電池に充電を行う定電圧定電流回路と、前記定電圧定電流回路と前記リチウムイオン二次電池とを開閉可能に接続するスイッチと、充電状態を監視し、所望の条件を満たしたとき前記スイッチをオフさせる制御回路とから成り、
前記定電圧回路は、前記定電流回路と前記リチウムイオン二次電池との間に配設された第１のトランジスタと、
前記第１のトランジスタのオン／オフ制御を行う第２のトランジスタと、
前記リチウムイオン二次電池の電位を検出して前記第２のトランジスタのオン／オフ制御を行う定電圧ＩＣとを有し、
前記検出回路は、前記リチウムイオン二次電池が充電されて所定の電位に上がると前記定電圧ＩＣが前記第２のトランジスタをオフし、前記第２のトランジスタのオフにより前記第１のトランジスタがオフになることにより発生する、前記定電流回路と前記第１のトランジスタとの接続点の電圧の上昇を検出し、前記スイッチをオフして充電を停止することを特徴とするリチウムイオン二次電池の充電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の充電装置において、前記第１のトランジスタはドレイン−ゲート間に抵抗が接続された電界効果トランジスタであり、
前記第２のトランジスタはベースが前記定電圧ＩＣに、コレクタが前記第１のトランジスタのゲートに、エミッタが接地されたｎチャンネル型バイポーラトランジスタであることを特徴とするリチウムイオン二次電池の充電装置。
【請求項３】
移動体通信端末に内蔵されたリチウムイオン二次電池の充電装置として適用されることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウムイオン二次電池の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウムイオン二次電池の充電方法およびその充電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば携帯形の電子機器の需要が高まり、これに使用される二次電池も小型・軽量でかつ高性能のものが要求されている。このような背景により、最近の多くの携帯形電子機器にはニッケル・カドミウム二次電池等に代わってリチウムイオン二次電池が用いられるようになっている。これは、リチウムイオン二次電池が、軽量かつ高エネルギー密度・高電圧・保存特性・サイクル寿命等の優れた特性を備えているからである。特にグラファイト系のリチウムイオン二次電池は、電池の消費による電圧の変化が少なくフラットな電圧レベルを保持する優れた放電特性を備えている。
【０００３】
このようなリチウムイオン二次電池に充電を行う充電装置は、リチウムイオン二次電池の性質に合わせた専用の充電装置が用いられる。すなわち、リチウムイオン二次電池は、抵抗がほとんど無いため、定電圧定電流回路により充電を行う必要がある。また、リチウムイオン二次電池は、ニッケル・カドミウム二次電池と違って、過充電でも電圧の上昇が止まらず、単電池電圧が４．５Ｖ以上になると電界液の分解によりガスが発生し、電池内部の圧力が上昇するという性質を持っている。このため、充電装置はリチウムイオン二次電池の単電池電圧が例えば４．２Ｖに達すると、その時点で充電を停止する機能を備えていなければならない。
【０００４】
図２は電圧検出充電制御方式によるリチウムイオン二次電池の充電装置を含む充電系を示した従来技術のブロック図である。同図において、定電圧定電流回路１０はリチウムイオン二次電池２８に充電を行う回路であり、ＣＰＵ（制御ロジック）３０は充電の開始または停止を制御する制御回路である。ＣＰＵ３０は、定電圧定電流回路１０とリチウムイオン二次電池２８間の電流経路に設けられたスイッチ４０（Ｓ１）を、制御ポートからの出力によりスイッチング制御する。
【０００５】
ＣＰＵ３０はまた、リチウムイオン二次電池２８の電圧をＡＤＣ入力ポートに入力し、電圧を内部でデジタル信号に変換して電池２８の電圧の変化を監視している。
【０００６】
リチウムイオン二次電池２８に充電を行う場合、ＣＰＵ３０はスイッチ４０の接点を閉じて定電圧定電流充電を行うとともに、ＡＤＣ入力ポートより入力した電池電圧を監視する。そして、ＡＤＣ入力ポートより入力した電池電圧が４．２Ｖに達すると、ＣＰＵ３０はその時点でスイッチ４０の接点を開放して充電を終了するか、またはタイマーを起動してこのタイマーがタイムアップしたら充電を終了させる。
【０００７】
一方、図３は電流検出充電制御方式によるリチウムイオン二次電池の充電装置を含む充電系を示した従来技術のブロック図である。図３ではリチウムイオン二次電池の電池電圧が上昇すると、定電圧定電流回路１０より供給される電流が低下することを利用している。すなわち、図３に示した電流検出充電制御方式では、図２の充電装置のリチウムイオン二次電池と定電圧定電流回路１０間に直列接続された抵抗４２と、この抵抗４２の両端の電圧を増幅するオペアンプ４４とを追加し、このオペアンプ４４の出力をＣＰＵ３０のＡＤＣ入力ポートに入力する。
【０００８】
電流検出充電制御方式による充電装置の場合、リチウムイオン二次電池２８の電圧が上がると、定電圧定電流回路１０からこの電池２８に供給される充電電流が低下する。これによって、抵抗４２の両端の電圧が下がり、オペアンプ４４の出力が所定の値以下になると、ＣＰＵ３０はその時点でスイッチ４０の接点を開放して充電を終了するか、またはタイマーを起動してこのタイマーがタイムアップしたらスイッチ４０の接点を開放して充電を終了させる。なお、抵抗４２は充電への影響を考慮して抵抗値の小さい抵抗を選択するので、オペアンプ４４を用いてその変化を増幅している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２に示した電圧検出充電方式では、グラファイト系のリチウムイオン二次電池のように容量の増減に対して電圧の変動が微小の電池の場合、その微小の電圧変動を読み取るために高精度のＡＤＣ（ＡＤコンバータ）を用いても十分な信頼性を得ることができなかった。このため、今後主流となるグラファイト系のリチウムイオン二次電池にはこの方式を用いることは実際にはできないという問題があった。一方、電流検出充電方式ではこのような問題は解決するが、抵抗やオペアンプを必要とするため、装置が大型化してしまうとともにコストアップにつながるという問題があった。
【００１０】
本発明はこのような従来技術の課題を解決し、部品点数を増やすこと無く的確にリチウムイオン二次電池の充電終了タイミングを検出可能な信頼性の高いリチウムイオン二次電池の充電方法およびその充電装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を解決するために、定電流回路および定電圧回路によりリチウムイオン二次電池の充電を行うリチウムイオン二次電池の充電方法において、定電流回路と定電圧回路間の電圧を監視し、この電圧がこの定電圧回路の開放電圧に推移したときに充電を停止する。
【００１２】
また、本発明によれば、リチウムイオン二次電池に充電を行う定電流回路および定電圧回路により構成される定電圧定電流回路と、リチウムイオン二次電池と定電圧電流回路との間に設けられたスイッチと、定電流回路と定電圧回路間の電圧を監視し、この電圧がこの定電圧回路の開放電圧に推移したときに充電を停止する制御回路とを有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に添付図面を参照して本発明によるリチウムイオン二次電池の充電方法およびその充電装置の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明によるリチウムイオン二次電池の充電装置を含む充電系の実施の形態を示すブロックである。図１に示した充電装置は、例えば携帯電話機やＰＨＳ，ＧＳＭ等の移動体通信端末や携帯用情報機器等の電子機器に適用される装置である。なお、同図において、図２および図３と同じ構成要素には同じ符号を記してあるが、ここではその内容をより詳細に説明する。また、図１に示した充電系の各構成要素は電子機器の本体側と充電装置側のどちらに設けることも可能であり、その点での制約は特に受けることは無い。
【００１４】
定電圧定電流回路１０は定電流回路１２と定電圧回路１４とにより構成されている。定電流回路１２は、リチウムイオン二次電池２８に一定の充電電流（その値は電池２８の容量等によって異なる）を供給する回路であり、ＡＣ／ＤＣアダプタまたはそれに類する外部電源に内蔵される。
【００１５】
定電圧回路１４は、リチウムイオン二次電池２８に印加される電圧を４．２０±０．０５（Ｖ）に保つとともに、開放電圧が、５．５（Ｖ）程度のものとなる。定電圧回路１４は、電界効果トランジスタ（Ｑ１）１８、抵抗２０、バイポーラトランジスタ（Ｑ２）２２および定電圧ＩＣ２４により構成されている。
【００１６】
電界効果トランジスタ１８はリチウムイオン二次電池２８に供給する充電電流を制御するスイッチである。電界効果トランジスタ１８は、ソースが定電流回路１２に、ドレインがスイッチ２６を介してリチウムイオン二次電池２８に、ゲートがバイポーラトランジスタ２２のコレクタにそれぞれ接続されている。なお、このスイッチ１８がオン状態では定電流回路１２側のＡ点の電位は４．２０±０．０５（Ｖ）であるが、スイッチがオフ状態になると定電流回路１２側のＡ点の電位は約５．５（Ｖ）の開放電圧に推移する。
【００１７】
抵抗２０は、バイポーラトランジスタ２２がオン状態のときに電界効果トランジスタ１８のゲートがローレベルに、このトランジスタ２２がオフ状態のときにこのゲートがハイレベルになるよう、電界効果トランジスタ１８のソース−ゲート間に配設された抵抗である。
【００１８】
バイポーラトランジスタ２２は定電圧ＩＣ２４によって制御されるスイッチである。バイポーラトランジスタ２２は、ｎチャンネル型バイポーラトランジスタであり、コレクタが電界効果トランジスタ１８のゲートに、ベースが定電圧ＩＣ２４の出力側に、エミッタが接地されている。定電圧ＩＣ２４は、スイッチ２６を介してリチウムイオン二次電池２８に接続され、これの電池電圧が４．２（Ｖ）未満ではトランジスタ２２のベースにＨレベルを、電池電圧が４．２（Ｖ）に達するとトランジスタ２２のベースにＬレベルを出力する。
【００１９】
スイッチ２６は、定電圧定電流回路１０とリチウムイオン二次電池２８との接続制御を行うスイッチであり、ＣＰＵ（制御ロジック）３０の制御ポートからの制御信号によりスイッチング制御される。リチウムイオン二次電池２８は１セルのグラファイト系のリチウムイオン二次電池である。なお、本実施の形態ではリチウムイオン二次電池２８の電池電圧を４．２（Ｖ）としたが、電池メーカ等に違いにより電池電圧が４．１（Ｖ）のものもある。
【００２０】
ＣＰＵ３０は、定電流回路１２と定電圧回路１４間のＡ点の電位を監視し、リチウムイオン二次電池２８への充電の開始および終了を制御する、マイコンまたはそれに類するロジック回路により構成される制御回路である。すなわち、ＣＰＵ３０は、内部にＡＤコンバータを内蔵し、ＡＤＣポートにＡ点の電位を入力し、この電位が５（Ｖ）以下の電圧（電池電圧とＦＥＴの電圧降下分を加えた電圧）から５．５（Ｖ）に推移すると、内部のタイマーがタイムアップした後にスイッチ２６の接点を開放する。なお、本実施の形態ではＡ点の電位をＡＤＣポートに入力し、ＡＤコンバータで電位の変化を検出するようにしたが、特にＡＤコンバータに限定されるものではなく、電界効果トランジスタや電圧検出ＩＣ等の素子でも電圧の変化を検出可能である。
【００２１】
次に図１を用いて本実施の形態の動作を説明する。外部電源がオンされると、充電制御を行うＣＰＵ３０は、スイッチ２６の接点を閉じて初めに外部電源電圧およびリチウムイオン二次電池２８の電圧を測定し、充電可能かどうかの判定を行う。この判定で問題が無ければ、スイッチ２６の接点が閉じた状態で維持されるので、定電圧ＩＣ２４によりバイポーラトランジスタ２２がオンされる。
【００２２】
このとき、充電されるリチウムイオン二次電池の残量が少ない場合、充電電流は流れることが可能な最大電流、すなわち外部電源に内蔵されている定電流回路１２によって制限される電流値になる。この充電電流で充電している間、電界効果トランジスタ１８のオン抵抗は最小値になり、定電圧回路１４が電圧の制御を開始するまでは（電池電圧が低い場合は）、このトランジスタ１８の電圧降下は一定のまま推移する。
【００２３】
リチウムイオン二次電池の充電が進み容量が１００％に近づいて電池電圧が４．２Ｖに近づくと、定電圧回路１４の定電圧ＩＣ２４はバイポーラトランジスタ２２をオフ状態に近い状態に遷移していく。これにより、電界効果トランジスタ１８がオフ状態に近い状態になりオン抵抗が高くなる。このときの定電流回路１２からの電流はまだほぼ一定であるため、Ａ点の電位は電池電圧に、ＦＥＴの電圧降下分を加えた電圧５（Ｖ）以下から急激に上昇し、トランジスタ１８が完全にオフ状態になると定電圧回路１４の開放電圧である５．５（Ｖ）に推移する。
【００２４】
ＣＰＵ３０は、ＡＤＣ入力ポートよりこの開放電圧を入力すると、その時点で充電電流の減少を判定し、タイマーを起動してタイムアップした後にスイッチ２６の接点を開放して充電の終了を行う。
【００２５】
なお、ここで説明した実施の形態は本発明を説明するためのものであって本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱すること無く当業者が可能な変形または修正は本発明の範疇に含まれる。
【００２６】
【発明の効果】
このように本発明によれば、従来技術に何ら素子を追加することなく、充電終了時に大きい電圧変化が得ることができるため、従来と同じ制御部でも確実な充電終了の判定が行える。したがって、装置の大型化やコストアップをすること無く信頼性の高い充電装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるリチウムイオン二次電池の充電装置の実施の形態を示すブロック図。
【図２】電圧検出充電制御方式によるリチウムイオン二次電池の充電装置を示した従来技術のブロック図。
【図３】電流検出充電制御方式によるリチウムイオン二次電池の充電装置を示した従来技術のブロック図。
【符号の説明】
１０    定電圧定電流回路
１２    定電流回路
１４    定電圧回路
１８    電界効果トランジスタ
２０    抵抗
２２    バイポーラトランジスタ
２４    定電圧ＩＣ
２６    スイッチ
２８    リチウムイオン二次電池
３０    ＣＰＵ
【図１】
0003585086.tif 000002
【図２】
0003585086.tif 000003
【図３】
0003585086.tif 000004