(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続された二次電池に対して定電圧以下の定電流で充電を行い、前記二次電池の端子電圧が前記定電圧に上昇したとき、定電圧で充電を行うように制御する充電装置において、
前記二次電池に供給する前記定電圧を、前記二次電池の満充電時の電池電圧に相当する第１の電圧と、前記第１の電圧よりも高い第２の電圧に設定する充電電圧設定手段と、
前記充電電圧設定手段が第２の電圧を設定して充電中に、充電電流を一定周期又は任意の周期で遮断する二次電池の負端子側に接続されたスイッチ手段と、
前記充電電流の遮断時に、前記充電電圧設定手段で前記第１の電圧を設定して、前記二次電池の負端子側の電位と基準電圧とを比較する比較手段とを有し、
前記比較手段の比較結果に従って、前記第２の電圧での充電を終了し、前記第１の電圧での充電に切り換えることを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記第２の電圧での充電の終了で、充電表示を終了するようにしたことを特徴とする請求項１記載の充電装置。
【請求項３】
少なくとも２回以上の前記スイッチ手段の遮断での前記比較手段の比較結果により、前記第２の電圧での充電を終了するようにしたことを特徴とする請求項１記載の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、二次電池を充電するための充電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リチウム電池等の二次電池を充電するのに用いられる充電装置においては、定電流充電と定電圧充電が一般的に行われている。即ち、二次電池の電池電圧が充電の設定電圧以下のときは、一定の充電電流で充電して電池電圧を上昇させ、電池電圧が設定電圧に達したら、充電電流が減少してきて一定の充電電圧で充電する。
このような充電方式を用いる充電装置は、例えば図１０に示すような構成であり、図１１に充電電圧Ｖと充電電流Ｉとの関係（充電装置の出力特性）を示し、図１２に充電電圧Ｖ・充電電流Ｉと充電時間Ｔとの関係（充電特性曲線）を示す。
【０００３】
この充電装置１０は、二次電池１１と電流検出抵抗１２が電源１３に直列接続されている。即ち、二次電池１１の正端子が電源１３の正端子に接続され、二次電池１１の負端子が電流検出抵抗１２の一端に接続され、電流検出抵抗１２の他端が電源１３の負端子に接続されている。そして、コンパレータ１４の正負入力端子が電流検出抵抗１２の両端に接続され、コンパレータ１４の出力端子が充電制御部１５に接続されている。そして、充電制御部１５と表示部１６とが接続されている。
【０００４】
このような構成において、二次電池１１の充電末期では定電流Ｉｂ１の充電が終了して定電圧Ｖｂ１の充電が開始するので、充電電流Ｉが低下する。そこで、コンパレータ１４が、この充電電流Ｉを電流検出抵抗１２で検出し、検出した充電電流Ｉと基準電圧Ｅ１で設定される電流を比較して検出信号を充電制御部１５に出力する。充電制御部１５は、検出信号がＨｉｇｈならば充電継続と判断して表示部１６に充電中と表示させ、検出信号がＬｏｗならば充電終了と判断して表示部１６に充電終了と表示させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の充電装置１０における充電開始から充電終了までの充電時間は、定電流充電の時間をｔとすると、定電圧充電の時間は３ｔとなるので、４ｔ掛かっている。特に、定電圧充電の時間は二次電池内部のインピーダンスによって決まってしまうので、充電時間を短縮させるには、定電流充電の充電電流を増加させる必要があった。従って、充電時間の３／４を占める定電圧充電の時間を短縮することができないという問題のみならず、高出力（高電力）の高価な装置になってしまうという問題があった。
【０００６】
この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、短時間で充電することができる安価な充電装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、この発明にあっては、接続された二次電池に対して定電圧以下の定電流で充電を行い、前記二次電池の端子電圧が前記定電圧に上昇したとき、定電圧で充電を行うように制御する充電装置において、前記二次電池に供給する前記定電圧を、前記二次電池の満充電時の電池電圧に相当する第１の電圧と、前記第１の電圧よりも高い第２の電圧に設定する充電電圧設定手段と、前記充電電圧設定手段が第２の電圧を設定して充電中に、充電電流を一定周期又は任意の周期で遮断する二次電池の負端子側に接続されたスイッチ手段と、前記充電電流の遮断時に、前記充電電圧設定手段で前記第１の電圧を設定して、前記二次電池の負端子側の電位と基準電圧とを比較する比較手段とを有し、前記比較手段の比較結果に従って、前記第２の電圧での充電を終了し、前記第１の電圧での充電に切り換えることにより達成される。
【０００８】
上記構成によれば、充電電流を遮断していないときのみ、即ち充電中のみ電源の出力電圧より高い電圧に切り替えて充電しているので、充電時間の３／４を占める定電圧充電の時間を短縮することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施の形態は、この発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、この発明の範囲は、以下の説明において特にこの発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
【００１０】
図１は、この発明の充電装置の実施形態を示す構成図である。この充電装置１００は、二次電池１０１と充電電流遮断スイッチ１０２と電流検出抵抗１０３とが整流回路１０４に直列接続されている。即ち、二次電池１０１の正端子が整流回路１０４に接続され、二次電池１０１の負端子が充電電流遮断スイッチ１０２の一端に接続され、充電電流遮断スイッチ１０２の他端が電流検出抵抗１０３の一端に接続され、電流検出抵抗１０３の他端が整流回路１０４に接続されている。さらに、二次電池１０１の負端子がコンパレータ１０５の正入力端子に接続され、基準電源１０６の正端子がコンパレータ１０５の負入力端子に接続され、コンパレータ１０５の出力端子が充電制御部１０７に接続されている。そして、充電制御部１０７には、充電電流遮断スイッチ１０２、基準電源切り替えスイッチ１０８及び表示部１０９が接続されている。
【００１１】
また、二次電池１０１の正端子と整流回路１０４との結線部がアンプ１１０の負入力端子に接続され、基準電源１１１ａ、１１１ｂを切り替える基準電源切り替えスイッチ１０８の端子がアンプ１１０の正入力端子に接続されている。そして、アンプ１１０の出力端子がダイオード１１２に接続されている。
また、充電電流遮断スイッチ１０２と電流検出抵抗１０３との結線部がアンプ１１３の負入力端子に接続され、基準電源１１４の正端子がアンプ１１３の負入力端子に接続されている。そして、アンプ１１３の出力端子がダイオード１１５に接続されている。
【００１２】
さらに、ダイオード１１２とダイオード１１５との結線部及び二次電池１０１の正端子と整流回路１０４との結線部がホトカプラ１１６に接続され、ホトカプラ１１６とＰＷＭ制御回路１１７とスイッチング回路１１８とが直列接続されている。
一方、変換トランス１１９の一次側の一端子には、整流回路１２０と入力フィルタ１２１が直列接続され、一次側の他端子には、スイッチング回路１１８が接続され、変換トランス１１９の二次側には、整流回路１０４が接続されている。
【００１３】
ここで、この発明の実施形態の充電装置１００による充電時間の短縮化について説明する。従来の充電装置１０においては、電源１３の出力電圧は常に一定であるため、定電流充電を終えて定電圧充電に入ると充電電流の減少が生じていた。この充電電流の減少は、二次電池１１の内部電圧、二次電池１１の内部抵抗、二次電池１１と充電装置１０との配線抵抗で決定される。この充電電流の減少がこの発明の実施形態の充電装置１００にも生じるとすると、例えば、二次電池１０１の内部抵抗ｒ０を０．３Ω、二次電池１０１と充電装置１００との配線抵抗ｒ１を０．１Ωとすると、全抵抗ｒ＝ｒ０＋ｒ１は０．４Ωとなる。そして、充電電流ＩＢを１Ａとすると、これによる電圧降下Ｖｒ＝ｒ・ＩＢは０．４Ｖとなる。この電圧降下Ｖｒは、二次電池１０１に対する充電電流ＩＢにも影響する。
【００１４】
二次電池１０１であるリチウム電池は、例えば電池電圧を８．４Ｖとすると、電池開放電圧ＶＢで限りなく８．４Ｖまで充電することで満充電状態となる。よって、二次電池１０１の内部抵抗ｒ０及び二次電池１０１と充電装置１００との配線抵抗ｒ１が小さいほど充電時間を短縮させることができる。
以上より、この発明の実施形態の充電装置１００では、充電と充電停止を所定の周期で繰り返すようにしているが、充電中は従来の充電電圧、即ち電源の出力電圧Ｖ０、例えば８．４Ｖより高い充電電圧Ｖ０１、例えば８．７Ｖで充電し、充電停止中は電源の出力電圧Ｖ０、例えば８．４Ｖに戻すようにして、全体の充電時間を短縮させている。
【００１５】
このような構成において、その動作例を図２のフローチャート、図３の基準電源１１１ａ又は１１１ｂの電圧ＥＶ１又はＥＶ２、充電電圧Ｖ・充電電流Ｉ及び電圧差ΔＶと充電時間Ｔとの関係（充電特性曲線）を示す図、図４のＸ部の拡大図及び図５の電圧区分を示す図で説明する。
先ず、二次電池１０１を接続すると共に（ステップＳＴＰ１）、ＡＣコネクタ１２２を交流電源（ＡＣ１００Ｖ）に接続し、電力を入力フィルタ１２１及び整流回路１２０を介して変換トランス１１９の一次側に供給する。そして、スイッチング回路１１８は、後で詳述する方法により変換トランス１１９をスイッチングして電力を一次側から二次側へ変換し、整流回路１０４を介して二次電池１０１に供給する。
【００１６】
コンパレータ１０５は、充電電流の遮断時に正入力端子に入力される無負荷時の電源の出力電圧Ｖ０と開放電池電圧ＶＢとの電圧差ΔＶ、即ち二次電池１０１の負端子電圧と、負入力端子に入力される基準電源１０６の基準電圧ＥＣとを比較し、検出信号を充電制御部１０７に出力する。
充電制御部１０７は、検出信号がＬｏｗならば充電終了と判断して表示部１０９に充電終了と表示させ、充電を終了させる（ステップＳＴＰ２、１１）。
一方、充電制御部１０７は、検出信号がＨｉｇｈならば充電継続と判断して基準電源切り替えスイッチ１０８を基準電源１１１ａ側、即ち電源の出力電圧Ｖ０より高い充電電圧ＥＶ１に切り替え、表示部１０９に充電中と表示させる（ステップＳＴＰ２、３）。
【００１７】
ここで、アンプ１１０は、二次電池１０１に供給される電圧Ｖ０と、基準電源１１１ａの電圧ＥＶ１とを比較する。アンプ１１３は、電流検出抵抗１０３により検出された二次電池１０１に流れる充電電流ＩＢと、基準電源１１４の電圧ＥＩで設定される電流とを比較する。ホトカプラ１１６は、ダイオード１１２及び１１５で加算されたアンプ１１０及び１１３の出力を二次側から一次側へ変換してＰＷＭ制御回路１１７へ出力する。ＰＷＭ制御回路１１７は、ホトカプラ１１６からの電圧／電流制御信号に基づき、出力電圧と充電電流が所定の設定値、即ち基準電源１１１ａの電圧ＥＶ１及び基準電源１１４の電圧ＥＩで設定される電圧（電源の出力Ｖ０１）／電流となるように、スイッチング回路１１８のオン期間を制御する。これにより、定電圧／定電流出力特性を得ることができる。
【００１８】
そして、充電制御部１０７は、急速充電を開始すると共にタイマをスタートさせ（ステップＳＴＰ４、５）、タイマがストップしたら急速充電を停止させる（ステップＳＴＰ６、７）。即ち、充電制御部１０７は、急速充電開始後に一定周期あるいは任意の周期で充電電流遮断スイッチ１０２をオン・オフ制御する。例えば、急速充電開始後に３分間だけ充電電流遮断スイッチ１０２をオンして充電電流を通電し、３分経過後に数秒〜数十秒間だけ充電電流遮断スイッチ１０２をオフして充電電流を遮断する動作を繰り返す。
【００１９】
上記充電停止期間において充電制御部１０７は、基準電源切り替えスイッチ１０８を基準電源１１１ｂ側、即ち電源の出力電圧Ｖ０と同一の充電電圧ＥＶ２に切り替える（ステップＳＴＰ８）。
ここで、アンプ１１０は、二次電池１０１に供給される電圧Ｖ０と、基準電源１１１ｂの電圧ＥＶ２とを比較し、電源出力電圧Ｖ０に制御する様、ホトカプラ１１６を経由してＰＷＭ制御回路１１７へ入力する。ＰＷＭ制御回路１１７は、スイッチング回路１１８のオン期間を制御する。この結果、電源の出力電圧はＶ０に設定される。
【００２０】
コンパレータ１０５は、充電電流の遮断時に正入力端子に入力される無負荷時の電源の出力電圧Ｖ０と開放電池電圧ＶＢとの電圧差ΔＶ、即ち二次電池１０１の負端子電圧と、負入力端子に入力される基準電源１０６の基準電圧ＥＣとを比較し、検出信号を充電制御部１０７に出力する。
充電制御部１０７は、検出信号がＨｉｇｈならば充電継続と判断して、ステップＳＴＰ３に戻って上述した処理を繰り返す（ステップＳＴＰ９）。
【００２１】
ここで、充電制御部１０７は、検出信号がＬｏｗならば充電終了と判定しても良いが、検出信号がＬｏｗとなる電圧差ΔＶを検出した後に以下の問題が発生する場合がある。例えば、図６の充電特性曲線を示す図及び図７のＹ部の拡大図に示すように、１回目の検出信号がＬｏｗとなる電圧差ΔＶａ又はΔＶｂを検出した後、基準電圧をＥＶ１（Ｖ０１電圧）からＥＶ２（Ｖ０電圧）に変更して充電を継続すると、減少し続けた充電電流Ｉ及び電圧差ΔＶが一端上昇する場合がある。
【００２２】
このような現象が生じる場合は、１回目の検出信号がＬｏｗとなる電圧差ΔＶａ又はΔＶｂの検出で充電終了を判定してしまうことは誤判定につながることになる。そこで、検出信号がＬｏｗとなる電圧差ΔＶを少なくとも２回連続で検出、即ち検出信号がＬｏｗとなる電圧差ΔＶｃ及びΔＶｄを検出してから充電終了を判定するようにすれば、充電終了の判定を確実にすることが可能となる。
【００２３】
具体的な動作例としては、充電制御部１０７は、１回目のＬｏｗの検出信号を検出する（ステップＳＴＰ９）。次に、検出信号Ｌｏｗを２回連続検出したか否かを判定する（ステップＳＴＰ１０）。この判定手段としては、例えば１回目の検出信号Ｌｏｗで検出カウンタを”１”とし、２回目の検出信号がＨｉｇｈならば、検出カウンタを”０”にリセットする。結果、検出信号Ｌｏｗを２回連続検出した場合のみ検出カウンタが”２”となるので判定することができる。
そして、ステップＳＴＰ１０において、検出信号Ｌｏｗの検出がまだ１回目ならば、ステップＳＴＰ３に戻り、充電電圧をＥＶ１（Ｖ０１）に切り替えて再度充電を行う。
【００２４】
一方、ステップＳＴＰ１０において、検出信号Ｌｏｗの検出が２回連続ならば、充電終了表示とする（ステップＳＴＰ１１）。このとき、電源の出力は、充電電圧ＥＶ２（Ｖ０）を継続して充電する。
尚、上記実施形態では、検出信号Ｌｏｗの検出を２回連続としたが、特にこれに限定されるものではなく、少なくとも２回又は２回以上の検出でも良い。
【００２５】
尚、コンパレータ１０５の検出信号の出力は、充電電流Ｉの遮断期間のみ有効であり、その期間以外は検出無効と判断される。従って、回路設定によっては、充電電流Ｉを遮断していない期間の検出信号の出力は、Ｈｉｇｈ又はＬｏｗになっている。
このように、この充電装置１００によれば、定電流充電時間が延長されるが、逆に定電圧充電時間が短縮されるので、例えば１２００ｍＡＨの二次電池１０１の場合、従来の充電時間４ｔが９０分掛かっていたものが、この発明の実施形態の充電時間ｔｔは約５０分とほぼ半減させることができる。
【００２６】
図８は、上記実施形態の充電装置１００の主要部以外を簡略化した構成を示す構成図であり、上記電圧差ΔＶは例えば８０ｍＶと設定されるが、この８０ｍＶの電圧差ΔＶを検出するためのコンパレータ１０５は、オフセット電圧のバラツキである約５ｍＶを考慮しても特に問題の無いレベルであり、一般汎用のＩＣを使用することができる。また、充電制御部１０７は、高精度のアナログ電圧を検出しているわけではないので、例えばロジック回路やワンチップマイコン等の１ｋＲＯＭ以下の安価なＩＣを使用することができる。従って、この充電装置１００は、電圧の検出に一般的なコンパレータを使用することができ、また充電の制御に汎用のマイコンを使用することができるので、装置そのものを安価とすることができる。
【００２７】
また、上記電圧差ΔＶの検出手段としてはコンパレータ１０５に限られるものではなく、図９に示すように、コンパレータ１０５の代わりにＣＰＵ（マイコン）１３１にＡ／Ｄコンバータ１３２が備えられたＡ／Ｄコンバータ内蔵ＣＰＵ１３０を用い、Ａ／Ｄコンバータ１３２により電圧差ΔＶを検出するように構成しても良い。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、簡易な構成であるので、製品コストを低減させることができる。また、短時間で充電することができると共に、確実に充電を終了させることができるので、信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の充電装置の実施形態を示す構成図。
【図２】図１に示す充電装置の動作例を説明するフローチャート。
【図３】図１に示す充電装置の充電電圧・電流等と充電時間との関係（充電特性曲線）を示す第１の図。
【図４】図３に示すＸ部の拡大図。
【図５】図１に示す充電装置の電圧区分を示す図。
【図６】図１に示す充電装置の充電電圧・電流等と充電時間との関係（充電特性曲線）を示す第２の図。
【図７】図６に示すＹ部の拡大図。
【図８】図１に示す充電装置の主要部以外を簡略化した構成を示す構成図。
【図９】この発明の充電装置の別の実施形態を示す構成図。
【図１０】従来の充電装置の一例を示す構成図。
【図１１】一般的な出力電圧と充電電流との関係（充電装置の出力特性）を示す図。
【図１２】図１０に示す充電装置の充電電圧・電流等と充電時間との関係（充電特性曲線）を示す図。
【符号の説明】
１０、１００・・・充電装置、１１、１０１・・・二次電池、１２、１０２・・・充電電流遮断スイッチ、１３・・・電源、１４、１０５・・・コンパレータ、１５、１０７・・・充電制御部、１６、１０９・・・表示部、１０３・・・電流検出抵抗、１０４、１２０・・・整流回路、１０６、１１１ａ、１１１ｂ、１１４・・・基準電源、１０８・・・基準電源切り替えスイッチ、１１０、１１３・・・アンプ、１１２、１１５・・・ダイオード、１１６・・・ホトカプラ、１１７・・・ＰＷＭ制御回路、１１８・・・スイッチング回路、１１９・・・変換トランス、１２１・・・入力フィルタ、１２２・・・ＡＣコネクタ、１３０・・・Ａ／Ｄコンバ−タ内蔵ＣＰＵ、１３１・・・ＣＰＵ、１３２・・・Ａ／Ｄコンバ−タ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0003911049.tif 000010
【図１０】
0003911049.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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