(57)【要約】【課題】二次電池電圧検出のための電流を消費せず、かつ、規定電圧範囲以外の異常な二次電池が接続されたことを検出できる機能及び二次電池逆接続時において保護のための電流制限素子を不要にすることのできる簡易な構成の二次電池充電装置を提供する。【解決手段】充電用電源の電圧と二次電池の端子電圧との電圧差を検出する電圧検出手段を備え、この差電圧検出回路によって検出される差電圧が所定の電圧以下のとき、充電制御回路を駆動して二次電池を充電用電源に選択的に接続して二次電池を充電する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池が接続される端子部と充電用電源との間に介挿されて前記二次電池の充電路を形成するスイッチ素子と、
前記端子部に逆電圧保護用のダイオードを介して接続されて前記端子部に印加される二次電池の端子電圧と、前記充電用電源から印加される充電電圧または該充電電圧から生成される所定の基準電圧とを比較する差電圧検出回路と、
この差電圧検出回路により検出される前記端子電圧と充電電圧または基準電圧との差電圧が所定の電圧以下のとき、前記スイッチ素子を導通駆動する充電制御回路と
を具備したことを特徴とする二次電池の充電装置。
【請求項２】
前記差電圧検出回路は、前記端子電圧または基準電圧をエミッタに入力し、そのベースに前記逆電圧保護用のダイオードを介して前記二次電池の端子電圧を入力してオン・オフ動作するｐｎｐトランジスタからなり、そのコレクタ出力により前記充電制御回路を駆動するものである請求項１に記載の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】
本発明は二次電池電圧検出のための電流を消費せず、かつ、二次電池の極性を逆に接続した場合等の保護用電流制限素子を必要としない二次電池の充電装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
近時、各種の電子機器の駆動源として二次電池が幅広く用いられている。この種の二次電池は、一般的には電子機器に組み込まれた図４に示すような充電装置によって充電される。
この充電装置は、一対の接続端子１０、１１間に接続される二次電池２０を充電するための充電用電源１を備え、充電制御回路部２により選択的に導通されるトランジスタＱ１を介して前記二次電池２０を充電するように構成される。上記充電制御回路部２は、二次電池２０の端子電圧を検出する異常電圧検出回路部５により、その作動が制御されるもので、具体的には異常電圧検出回路部５が出力する異常信号ＡＬＳＩＧを受けたとき、前記トランジスタＱ１を遮断（オフ）制御する。
【０００３】
ちなみに前記異常電圧検出回路部５は、前記一対の端子１０、１１間に並列に接続された抵抗２０、２１からなる分圧回路にて、二次電池２０の端子電圧を分圧して検出している。尚、上記分圧回路には逆電圧保護用のダイオードＤ１が直列に介装されている。また、前記端子１０、１１間には二次電池２０の逆接続から充電装置を保護するためのダイオードＤ２とヒューズ等からなる電流制限素子Ａが直列に接続されている。
【０００４】
このような考え方に基づいてなされた二次電池の充電式電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この充電式電源装置は、二次電池の電圧をＭＯＳＦＥＴおよびレベルシフタ回路とからなる低電圧検出回路を用いて検出して充放電制御回路に与え、該二次電池の電圧が所定の電圧を下回ったとき、この充放電制御回路が二次電池への充電を禁止するものである。
【０００５】
或いは、二次電池を有する回路の異常を検出して抵抗体に電流を流し、この抵抗体の発熱により温度ヒューズエレメントを切断すると共に、該二次電池に残留する充電エネルギーを放出する二次電池の回路保護方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−２２５００７号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開２０００−１００２９０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した図４に示すように構成された充電装置においては、電圧検出用の分圧抵抗Ｒ２０、Ｒ２１に電流が流れることが否めず、二次電池２０の消費電流を増加させるという問題があった。また、ＭＯＳＦＥＴおよびレベルシフタ回路とからなる低電圧検出回路を用いて二次電池の電圧を検出する構成をとる場合であっても、充放電制御回路を駆動する電流が必要であり、二次電池の消費電流を増加させるという懸念がある。
【０００９】
一方、前記電流制限素子Ａとしてヒューズを用いた場合、ヒューズの溶断によって充電装置を保護し得るものの、その都度、ヒューズを交換する必要があった。
これに対して、電流制限素子Ａとしてサーミスタを用いた場合は、サーミスタの温度の上昇に伴って保護機能が働くまでに時間が掛かるという問題がある。しかも二次電池２０の逆接続時に、二次電池２０から流れる電流に耐え得る大容量のものを用いる必要があり、更には、その発熱によって充電装置が温度上昇するという不具合があった。
【００１０】
もちろん、二次電池を有する回路の異常を検出して抵抗体に電流を流すことで、この抵抗体に生じる熱により温度ヒューズエレメントを切断する方法をとったとしても、保護機能が働くまでに時間が掛かるため同様の不具合が懸念される。本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、二次電池電圧検出のための電流を消費せず、かつ、規定電圧範囲以外の異常な二次電池が接続されたことを検出できる機能及び二次電池逆接続時において保護のための電流制限素子を不要にすることのできる簡易な構成の二次電池充電装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成すべく本発明に係る二次電池の充電装置は、二次電池が接続される二次電池接続端子部と充電用電源との間に介挿されて二次電池の充電路を形成するスイッチ素子と、前記二次電池接続端子部に逆電圧保護用のダイオードを介して接続されて前記二次電池接続端子部に印加される二次電池の端子電圧と、前記充電用電源から印加される充電電圧または該充電電圧から生成される所定の基準電圧とを比較する差電圧検出回路と、この差電圧検出回路により検出される前記端子電圧と充電電圧または基準電圧との差電圧が所定の電圧以下のとき、前記スイッチ素子を導通駆動する充電制御回路とを備えたことを特徴としている。
【００１２】
また、本発明に係る二次電池の充電装置の差電圧検出回路としては、請求項２に示すように、二次電池の端子電圧または基準電圧をエミッタに入力し、そのベースに前記逆電圧保護用のダイオードを介して前記二次電池の端子電圧を入力してオン・オフ動作するｐｎｐトランジスタを備えてなり、
この差電圧検出回路により検出される基準電圧との差電圧が所定の電圧以下のとき、そのコレクタ出力により前記充電制御回路を駆動することを特徴としている。
【００１３】
即ち、本発明は、二次電池の電圧を検出するための電流を必要とせず、かつ、規定電圧範囲以外の異常な二次電池が接続されたこと並びに二次電池の逆接続を検出し、回路保護のため二次電池の電流を遮断する機能を有することを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る二次電池の充電装置について説明する。
図１は第１の実施形態を示す充電装置の概略構成図で、充電用電源１は二次電池２０を充電するための電源であり、一般的には定電流定電圧電源が用いられる。前記二次電池２０は、例えば１個または直並列に接続した複数の二次電池からなる。そして充電用電源１は充電装置の外部接続端子３０、３１に接続され、また二次電池２０は一対の端子１０，１１間に接続されるようになっている。
【００１５】
さて、充電装置は、前記外部接続端子３０と端子１０との間に直列に介装されたｎｐｎトランジスタＱ１およびこのトランジスタＱ１には並列接続されたダイオードＤ３とリレー接点ｒｙとからなる直列回路を備えた正極電源ライン（＋）と、前記外部接続端子３１と端子１１間を接続した負側電源ライン（−）とを備える。これらの電源ライン（＋）（−）は、充電用電源１から二次電池２０に対する充電回路を形成すると共に二次電池２０から負荷回路４０に対する放電回路を形成する。
【００１６】
さて、ｎｐｎトランジスタＱ１は、充電制御回路部２によって選択的に導通駆動される。この充電制御回路部２は差電圧検出回路部６の出力信号ＡＬＳＩＧを受けて、その作動が制御される。差電圧検出回路部６は、前記端子３０にエミッタを接続したｐｎｐトランジスタＱ２を主体とするもので、このトランジスタＱ２のエミッタとベースとの間には抵抗Ｒ１が並列に接続され、またベースはベース抵抗Ｒ２、ツエナーダイオードＺＤ１及び逆電圧保護用のダイオードＤ１を直列に介して二次電池接続端子１０に接続されている。そして端子３０に接続された充電用電源１の電圧と端子１０に接続された二次電池２０の電圧との差電圧に応じて、そのコレクタに信号ＡＬＳＩＧを得るように構成される。
【００１７】
一方、外部接続端子３０、３１間には、その間の電圧を検出する抵抗Ｒ３０、Ｒ３１と、これらの抵抗Ｒ３０、Ｒ３１により分圧して検出される電圧に応じて、リレーＲＹを駆動する二次電池―リレー接続回路部４が設けられている。この二次電池―リレー接続回路部４は、前記分圧抵抗Ｒ３０，Ｒ３１を介して充電用電源１の電圧が所定値以下となったとき、リレーＲＹを駆動することでその接点ｒｙを閉じ、二次電池２０から負荷回路４０への放電回路を形成する役割を担う。またこの二次電池―リレー接続回路部４は前記差電圧検出回路部６からの二次電池電圧異常信号ＡＬＳＩＧを受けたときリレーＲＹを釈放することでその接点ｒｙを開き、二次電池２０から負荷回路４０への放電回路を開放する役割を担う。
【００１８】
このように構成された回路において、充電用電源１の電圧と二次電池２０との電圧差は下記手段によって検出される。
二次電池２０の電圧と充電用電源１の電圧との差電圧が後述する一定電圧以下にある場合、ツエナーダイオードＺＤ１がブレークダウンしないのでｐｎｐトランジスタＱ２にはベース電流が流れない。このためトランジスタＱ２のコレクタ電流が流れないため充電制御回路部２へは電流が供給されない。この電流は二次電池電圧異常信号ＡＬＳＩＧであり、この二次電池電圧異常信号ＡＬＳＩＧが充電制御回路部２に与えられたときは充電制御回路部２は二次電池２０の電圧が異常であるとして前記トランジスタＱ１をオフ動作させ、二次電池２０の充電を禁止する。
【００１９】
一方、充電制御回路部２へ前記二次電池電圧異常信号ＡＬＳＩＧが与えられないときは、二次電池電圧が正常であると判定される。即ち、二次電池２０の電圧と充電用電源１の電圧との差電圧があらかじめ設定された範囲内にあるとき、充電制御回路部２は前記ｎｐｎトランジスタＱ１を導通駆動し、充電用電源１から供給される電流により二次電池２０を充電する。
【００２０】
ここに二次電池異常信号ＡＬＳＩＧを充電制御回路部２に与える為の前記トランジスタＱ２の動作条件である、二次電池２０の電圧と充電用電源１の電圧との差電圧の設定値は、二次電池２０の電圧値をＶｂａｔ、充電用電源１の電圧をＶＯ、差電圧検出回路部のｐｎｐトランジスタＱ２がオンしたときのベース・エミッタ間電圧をＶｂｅ、ツエナーダイオードＺＤ１のツエナー電圧をＶｚ、逆電圧保護用ダイオードＤ２の順方向電圧をＶＦ、抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値をｒ１及びｒ２としたとき、
Ｖｂａｔ≦ＶＯ−｛Ｖｂｅ＋（ｒ２／ｒ１）＊Ｖｂｅ＋Ｖｚ＋ＶＦ｝…（１）
なる条件式を満足するように設定される。
【００２１】
即ち、（１）式の右辺の各定数で算出される値よりも左辺に示す二次電池２０の電圧値Ｖｂａｔが低い場合、トランジスタＱ２が導通して二次電池異常信号ＡＬＳＩＧが充電制御回路部２に与えられる。この結果、充電制御回路部２は充電路を形成するスイッチ素子Ｑ１を導通駆動しないため二次電池２０が充電されない。
【００２２】
逆に前記（１）式の右辺の各定数で算出される値よりも左辺に示す二次電池２０の電圧値Ｖｂａｔが高い場合、トランジスタＱ２はオフ状態を保ち、信号ＡＬＳＩＧを出力しない。この結果、充電制御回路部２は充電路を形成するスイッチ素子Ｑ１を導通駆動するため二次電池２０が充電される。
つまり（１）式で示される正常電圧範囲外の二次電池２０の場合、ツエナーダイオードＺＤ１がブレークダウンしてｐｎｐトランジスタＱ２のベース電流が流れ、該トランジスタがオンするため、該トランジスタのコレクタ電流である二次電池電圧異常信号ＡＬＳＩＧが充電制御回路部２に与えられることになる。充電制御回路部２は、この二次電池電圧異常信号ＡＬＳＩＧが与えられることで充電路を形成するトランジスタＱ１をオフするため充電用電源１から二次電池２０へ供給される充電電流が遮断される。
【００２３】
もちろん、二次電池２０が逆接続された場合、（１）式の左辺が負となるため（１）式は常に成立する。このため、充電路を形成するスイッチ素子が導通駆動されず充電が行われない。
一方、正常電圧範囲内の二次電池２０の場合、ツエナーダイオードＺＤ１がブレークダウンすることがないのでｐｎｐトランジスタＱ２のベース電流が流れず、充電制御回路部２からトランジスタＱ１がオンされるので充電用電源１から二次電池２０へ充電電流が供給される。
【００２４】
尚、二次電池２０を電源として負荷回路４０に放電供給する手段は次のとおりである。
二次電池の電圧が正常範囲にある場合で、かつ、充電用電源の電圧が与えられた場合、二次電池―リレー接続回路部４は、リレーＲＹを励磁し、そのリレー接点ｒｙがメークされる。二次電池２０は、このリレー接点ｒｙに接続されている放電経路逆流素子ダイオードＤ４を介して放電路が形成される。このとき、充電用電源１の電圧ＶＯが二次電池２０の電圧Ｖｂａｔよりも低下すると、二次電池２０から負荷回路４０へ電流が供給される。
【００２５】
二次電池２０の放電時に分圧抵抗Ｒ３０、Ｒ３１によって二次電池電圧を検出し、二次電池２０の電圧があらかじめ設定されている電圧以下に低下したときは、二次電池―リレー接続回路部４によって、放電路を形成しているリレーＲＹの接点ｒｙがブレークされるので二次電池２０から負荷回路４０への電流供給が絶たれる。
【００２６】
このように構成された回路においては、二次電池２０の電圧と充電用電源１の電圧との差電圧を電池電圧の異常状態を検出する手段として利用しているので、二次電池２０の電圧を検出のための分圧抵抗が不要になる。
加えて、前記差電圧の検出電圧を二次電池電圧と充電電源電圧とに応じて適応的に設定するだけで二次電池２０の電流が消費されることなく保護機能を得ることができる。また、本発明では電池電圧異常の検出は、前記差電圧の検出手段によっているので、二次電池２０の極性が逆に接続された場合でも該二次電池が回路から開放され、充電装置を逆接続から保護するための電流制限素子Ａを必要としない。
【００２７】
図２は第２の実施形態を示す充電装置の概略構成図である。
第１の実施形態と異なる点は、充電用電源１によって与えられる電圧から定電圧回路部３によって所定の基準電圧が生成され、この基準電圧と二次電池２０との差電圧を検出する回路を構成し、第１の実施形態において基準電圧が生成されるために必要であったツエナーダイオードＺＤ１を不要としたものである。
【００２８】
このように構成された図２に示す回路において、トランジスタＱ２が導通され二次電池異常信号ＡＬＳＩＧを充電制御回路部２に与える為の、具体的な二次電池２０の電圧と定電圧回路部３の電圧との差電圧の設定値は、定電圧回路部３の基準出力電圧をＶｒｅｆ、差電圧検出回路部のｐｎｐトランジスタＱ２がオンしたときのベース・エミッタ間電圧をＶｂｅ、逆電圧保護用ダイオードＤ２の順方向電圧をＶＦ、抵抗Ｒ１及びＲ２の抵抗値をｒ１及びｒ２としたとき、
Ｖｂａｔ≦Ｖｒｅｆ−｛Ｖｂｅ＋（ｒ２／ｒ１）＊Ｖｂｅ＋ＶＦ｝…（２）
なる条件式を満足するように各定数が設定される。
【００２９】
即ち、図２に示すような構成において、充電用電源１の電圧から定電圧回路部３によって一定の出力電圧が得られるので、充電用電源１の電圧範囲を広範囲にとることができる。更には、実施例１で必要でとされた差電圧検出用のツエナーダイオードＺＤ１を用いる必要がなく、該ツエナーダイオードの温度依存性による電圧検出のばらつきもないので、高精度の差電圧検出が可能となる。
【００３０】
もちろん、図２に示す構成例においても二次電池２０が逆接続された場合、（２）式の左辺が負となるため（２）式は常に成立する。このため、二次電池２０の電圧異常と判断することが出来、充電路を形成するスイッチ素子を導通駆動しないので二次電池２０が充電されない。
さて、このように構成された回路においては、定電圧回路部３の電圧が基準電圧とされ、二次電池２０の電圧との差電圧を電池電圧の異常状態を検出する手段として利用されているので、二次電池２０の電圧を検出のための分圧抵抗が不要になる。
【００３１】
加えて、前記定電圧回路部３の出力電圧を二次電池２０の電圧に応じて適応的に設定するだけで二次電池２０の電流を消費することなく差電圧検出を行うことができる。また、本発明では電池電圧異常の検出は、前記差電圧の検出手段によっているので、二次電池２０の極性を逆に接続した場合でも該二次電池を回路から開放することができ、充電装置を逆接続から保護するための電流制限素子Ａを必要としない。
【００３２】
図３は第２の実施形態にかかる具体的な二次電池の充電装置の回路図で、前記ｐｎｐトランジスタＱ１はそのエミッタとベース間には並列に接続されたバイアス抵抗Ｒ８と、該トランジスタＱ１のコレクタに直列に接続された電流制限用抵抗Ｒ９とを備える。
前記定電圧回路部３は、電流制限抵抗Ｒ１０を介して前記電流帰路との間に三端子レギュレータＩＣ１と、この三端子レギュレータＩＣ１の出力電圧調整の設定電圧を与えるための、逆流防止用ダイオードＤ３並びに分圧抵抗Ｒ１１、Ｒ１２及び設定電圧調整用の可変抵抗Ｒ１３を直列に接続した回路により構成される。
【００３３】
また、前記充電制御回路部２は、差電圧検出回路部６から二次電池電圧異常信号ＡＬＳＩＧを受けるトランジスタＱ３とその出力を受けてトランジスタＱ１を駆動するトランジスタＱ４により構成される。そして、前記二次電池―リレー接続回路部４は外部接続端子３０の電圧を検出するツエナーダイオードＺＤ３を備え、該外部接続端子３０の電圧値が正常の場合、トランジスタＱ５によりリレーＲＹが駆動され、該リレー接点ｒｙと直列接続された逆流防止ダイオードＤ４により放電路が構成される。
【００３４】
かくして前述した二次電池の充電装置よれば、充電用電源の電圧と二次電池の電圧との差電圧によって、二次電池の電圧異常若しくは逆接続の検出を行っている。このため、従来の充電装置にある二次電池電圧検出のための分圧抵抗器に電流を流す必要がない。また、個々の二次電池ごとに、その電池電圧に応じて差電圧検出回路部の定数を適応的に設定するようにしたならば、例えば複数の二次電池を直列に接続して、該二次電池を充電するような充電装置にも対応可能となる。
【００３５】
また、電圧差のみで電池の状態を検出しているため、どのような種類の二次電池についても二次電池の異常電圧の検出並びに逆接続の検出を行うことができる。加えて二次電池の逆接続を検出したときは、二次電池の通電経路を遮断する構成をとっているので、電流制限素子を用いることなく二次電池の逆接続の保護機能を得ることができる。
【００３６】
したがって、従来方式では例えばヒューズに代表される電流制限素子が動作して回路を遮断した場合は、ヒューズの交換が必要であったが、本発明によればこのようなことがない。また、サーミスタのような電流制限素子を用いた場合に生じる発熱の虞もない。
このように本発明によれば充電装置保護のための電流制限素子を必要としないことから、本充電制御手段を例えばＡＳＩＣやＬＳＩなどに組み込むことも可能となり、装置の小型化及び高信頼性に寄与することが可能となる。
【００３７】
加えて、二次電池を有する各種の電子機器に組み込まれた本充電装置によれば、電子機器を使用しない場合においても二次電池電圧検出用の分圧抵抗器に電流が流れないことから、二次電池を電子機器に接続した状態のままでの保管期間が長くなるという特徴がある。これらのことは、消費電流の小さな機器を駆動する場合は特に有用である。
【００３８】
更に二次電池の過放電によって二次電池の電圧が異常に低下した場合でも、本発明による電圧検出手段によって二次電池と負荷を切り離すことができるので二次電池保護の観点からも有用である。特に、二次電池の過放電防止のために二次電池に保護回路を別に設けている場合は、この回路を省略することができるので装置の簡素化を図る上で好ましい。
【００３９】
また、前述した手段において、二次電池の充電回路の制御にはバイポーラ・トランジスタをオン・オフさせて制御することを例に説明したが、ＦＥＴやＧＴＯ，ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を用いて制御するように構成することもできる。
その他、本発明は二次電池を有する装置において、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、二次電池の充電装置において、二次電池電圧と充電電源電圧との差電圧を電池異常の状態を検出する手段として利用しているので、差電圧の検出電圧を二次電池電圧と充電電源電圧とに応じて適応的に設定するだけで二次電池の電流を消費することなく、かつ、二次電池の極性を逆に接続した場合等の保護用の電流制限素子を必要とせず電池異常の検出及び逆接続の保護機能を得ることができる。
【００４１】
また本発明の充電装置によればどのような種類の二次電池についても二次電池の異常電圧及び逆接続の検出を行うことができるため、実用上多大なる効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る二次電池の充電装置の概念を示す図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る二次電池の充電装置の概念を示す図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る具体的な二次電池の充電装置の回路図。
【図４】従来例の二次電池の充電手段の概念を示す図。
【符号の説明】
１          充電用電源
２          充電制御回路部
３          定電圧回路部
４          リレー接続回路部
５          異常電圧検出回路部
６          差電圧検出回路部
１０、１１    二次電池接続端子
２０          二次電池
３０、３１    外部接続端子
４０          負荷回路
ｒｙ            リレー接点
Ａ              電流制限素子
ＡＬＳＩＧ      二次電池電圧異常信号
Ｄ１〜Ｄ４      ダイオード
ＩＣ１          三端子レギュレータ
Ｒ１〜１２      抵抗
Ｒ１３          可変抵抗
Ｒ２０、Ｒ２１  抵抗
Ｒ３０、Ｒ３１  抵抗
ＲＹ            リレー
ＺＤ１、ＺＤ２  ツエナーダイオード
【図１】
2004242441.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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