JPH07307166A

JPH07307166A - 二次電池の充電装置

Info

Publication number: JPH07307166A
Application number: JP6098736A
Authority: JP
Inventors: Toshinori Ishigaki; 俊典石垣
Original assignee: Toshiba Battery Co Ltd
Current assignee: FDK Twicell Co Ltd
Priority date: 1994-05-12
Filing date: 1994-05-12
Publication date: 1995-11-21
Anticipated expiration: 2019-08-18
Also published as: JP3554360B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高精度の定電圧制御を可能とした二次電池の充
電装置を提供する。【構成】二次電池２に印加する充電電圧ＶB を定電圧制
御する機能を有する充電装置４において、充電電圧検出
用抵抗１６，１７の接続点Ａに得られる充電電圧検出信
号に、マイクロコントローラ８によって充電電圧ＶB の
誤差に応じたバイアス信号をバイアス抵抗２１ａ〜２１
ｄを介して加算し、この加算した信号に基づいてＰＷＭ
回路１０で充電電圧ＶB を定電圧制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は二次電池の充電装置に係
り、特にリチウムイオン二次電池（非水電解質二次電
池）の急速充電に適した二次電池の充電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３に、非水電解質二次電池の急速充電
時における充電電流Ｉと電池電圧ＶBの特性の一例を示
す。同図に示されるように、充電開始時点から例えば１
時間の期間Ｔ１は充電電流Ｉとして１．０Ａの定電流を
流す。この定電流制御期間Ｔ１において、電池に印加す
る電圧（以下、充電電圧という）ＶB は徐々に上昇し、
１時間後には８．５Ｖとなる。この後、例えば３時間の
期間Ｔ２にわたり充電電圧ＶB は８．５Ｖに定電圧制御
される。この定電圧制御期間Ｔ２においては、充電電流
Ｉは定電流制御されず、徐々に減少する。

【０００３】ところで、このような急速充電器における
定電流制御および定電圧制御は、一般にパルス幅制御方
式により実現される。パルス幅制御方式は、充電電流ま
たは充電電圧の誤差に応じたパルス幅のパルスを用い
て、充電路に直列に挿入したスイッチングトランジスタ
のオン幅（パルス幅）を制御する方式である。

【０００４】このパルス幅制御方式では、特に定電圧制
御の精度が問題となる。すなわち、充電器の入力直流電
圧（例えば＋１２Ｖ）の変動、温度変化や充電電流の変
化によるスイッチングトランジスタ、ダイオード、抵
抗、パルス幅制御回路などの特性変動、経年変化による
特性変化など、全てが充電電圧の変動となる。例えば、
上述した充電電圧ＶB を８．４Ｖに定電圧制御する場合
を例にとると、これらの要因による変動は±２％で、±
１６８ｍＶであり、８．２３２〜８．５６８Ｖの範囲で
変動する。図３に示した急速充電特性の非水電解質二次
電池の場合、４．２Ｖ／単セル、８．４Ｖ／２直セルの
充電電圧の変動を±２０ｍＶ〜±６０ｍＶという範囲に
精度よく抑えることが必要であるが、従来の急速充電器
ではそれが困難であった。

【０００５】一方、非水電界質二次電池の特性として、
印加電圧、すなわち充電電圧の最大値が厳しく制限され
る。電池への過電圧の印加は、電池内の非水電解質の分
解によるガス発生の原因となり、また電池寿命を縮める
からである。このため、充電電圧が過電圧とならないよ
うに、上述の例では充電電圧の設定値を８．２３２Ｖと
して、最大の場合で８．４Ｖとなるようにする必要があ
った。この場合、充電電圧が平均的に８．４Ｖよりかな
り低くなるため、電池の特性上、充電容量が十分にとれ
なくなるという問題が生じる。具体的には概略、単セル
当たり１００ｍＶ充電電圧が低いと、充電容量は約１０
％の減少という犠牲を強いられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の非水電解質二次電池に使用される急速充電器のように
定電圧制御を行う必要のある急速充電器では、十分に高
精度の定電圧制御を行うことが難しく、充電電圧の設定
値を大きくとると過電圧の印加により電池寿命を損ねる
結果となり、また設定値を小さくすると充電容量が十分
にとれないという問題があった。

【０００７】本発明は、このような従来の急速充電器の
問題点を解消するためになされたもので、高精度の定電
圧制御を可能とした二次電池の充電装置を提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明は二次電池に印加する充電電圧を定電圧制御
する機能を有する二次電池の充電装置において、充電電
圧を検出する充電電圧検出手段と、この充電電圧検出手
段から出力される充電電圧検出信号に充電電圧の誤差に
応じたバイアス信号を加算するバイアス加算手段と、こ
のバイアス加算手段の出力信号に基づいて充電電圧を制
御する制御手段とを具備することを特徴とする。

【０００９】また、バイアス加算手段は、例えば充電電
圧検出手段の出力端に一端が接続された複数個のバイア
ス抵抗と、これらのバイアス抵抗の他端の電位を充電電
圧の誤差に応じて選択的に二値的に変化させる手段とに
より構成される。

【００１０】

【作用】このように本発明の充電装置では、充電電圧の
誤差、つまり設定値に対するずれに応じたバイアス信号
を充電電圧検出信号に加算して微調整し、その加算した
後の信号に基づいて充電電圧を制御することにより、充
電電圧検出信号をそのまま制御に使用する従来の急速充
電器に比較して、充電電圧の定電圧制御が格段に高精度
に行われる。従って、充電電圧の設定値を比較的大きく
とっても、充電電圧が過電圧となって電池寿命を損ねる
ことがなく、充電容量も十分に確保される。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は、本発明の一実施例に係る二次電池の充電
装置の回路構成図である。同図において、電池パック１
は非水電解質二次電池のような二次電池２（以下、単に
電池という）と、この電池２の近傍に配置された温度測
定用のサーミスタ３を筐体内に設けたものである。図１
は、この電池パック１が充電装置４にセットされた状態
を示している。なお、電池パック１が組み込まれた携帯
電話機その他の機器を充電装置４にセットするようにし
てもよい。

【００１２】充電装置４は、次のように構成されてい
る。充電装置４には、外部の直流電源から例えば＋１２
Ｖの直流電圧が入力され、ノイズ除去のためのフィルタ
５を通り、平滑コンデンサ６で平滑される。また、フィ
ルタ５から出力される直流電圧は、レギュレータ７で＋
５Ｖに高精度に安定化された後、マイクロコントローラ
８に供給される。

【００１３】さらに、フィルタ５の＋側出力端子はパワ
ーＭＯＳトランジスタからなるスイッチングトランジス
タ９の一端に接続される。このスイッチングトランジス
タ９は、ＰＷＭ（パルス幅変調）回路１０の出力端子Ｄ
からのパルス信号によってスイッチング制御される。ス
イッチングトランジスタ９によりスイッチングされた電
圧は、ダイオード１１、チョークコイル１２および平滑
コンデンサ１３により平滑された後、逆流防止用ダイオ
ード１４を介して電池２の＋側端子に充電電圧ＶB とし
て供給される。

【００１４】電池２の−側端子とフィルタ５の−側出力
端子との間には、充電電流検出用抵抗１５が接続されて
いる。また、ダイオード１１、チョークコイル１２およ
びコンデンサ１３からなる平滑回路の出力端子とフィル
タ５の−側出力端子との間には、二つの充電電圧検出用
抵抗１６，１７が直列に接続されている。抵抗１５の端
子電圧、すなわち充電電流に比例した電圧と、抵抗１
６，１７の接続点Ａの電圧、すなわち充電電圧に比例し
た電圧は、ダイオード１８，１９をそれぞれ介してＰＷ
Ｍ回路１０の入力端子Ｆに入力される。ＰＷＭ回路１０
の接地端子Ｇはフィルタ５の−側端子に接続され、起動
端子Ｓはマイクロコントローラ８のポートＰ０に接続さ
れている。ＰＷＭ回路１０は、起動端子Ｓに“Ｈ”レベ
ルの信号が入力されることにより起動され、入力端子Ｆ
に入力される電圧に反比例したパルス幅のパルス信号を
出力端子Ｄから出力する。

【００１５】マイクロコントローラ８には、さらに充電
電圧ＶB と、サーミスタ３と一端が電源Ｖcc（＋５Ｖ）
に接続された抵抗２０との接続点の電圧（以下、これを
サーミスタ電圧という）Ｖｔも入力されている。また、
マイクロコントローラ８には抵抗２２を介してＬＥＤ２
３が接続されている。ＬＥＤ２３は、マイクロコントロ
ーラ８により制御され、電池２の充電中点灯する。

【００１６】また、充電電圧検出用抵抗１６，１７の接
続点Ａはマイクロコントローラ８のポートＰ１に接続さ
れるとともに、バイアス用抵抗２１ａ〜２１ｄの一端に
接続され、バイアス用抵抗２１ａ〜２１ｄの他端はマイ
クロコントローラ８のポートＰ２〜Ｐ５に接続されてい
る。バイアス用抵抗２１ａ〜２１ｄは、その各他端の電
位がポートＰ１〜Ｐ５によって選択的に二値レベル
（“Ｈ”レベル，“Ｌ”レベル）に制御されることによ
り、Ａ点から得られる充電電圧検出信号にバイアス信号
を加算するものである。

【００１７】マイクロコントローラ８は、マイクロコン
ピュータを主体として構成されたものである。図２に、
マイクロコントローラ８のうち本発明における充電電圧
の定電圧制御に関係する主要部の構成を示す。

【００１８】図２において、充電電圧ＶB はＡ／Ｄ変換
器３１によりディジタル値に変換される。なお、Ａ／Ｄ
変換器３１には基準電圧としてレギュレータ７から出力
される＋５Ｖが与えられている。Ａ／Ｄ変換器３１の出
力ディジタル値は、電圧判定部３２に入力される。電圧
判定部３２は、Ａ／Ｄ変換器３１の出力ディジタル値か
ら充電電圧ＶB を後述するようにして判定するものであ
る。スイッチング制御回路３３は、この電圧判定部３２
の判定結果に基づいて、ポートＰ１〜Ｐ５およびＰ０と
接地端との間に接続されたスイッチ３４ａ〜３４ｅおよ
び３４ｆを制御する。この場合、スイッチ３４ａ〜３４
ｅの制御によってＡ点の電圧、すなわち充電電圧検出信
号に充電電圧に応じた適切なバイアス信号が加算され、
このバイアス信号の加算により以下に説明するように高
精度の定電圧制御が可能となる。また、スイッチ３４ｆ
の制御によって充電のオン・オフ制御が行われる。

【００１９】次に、本実施例における充電動作を説明す
る。電池パック１を充電装置４にセットすると、マイク
ロコントローラ８はサーミスタ電圧ＶｔがＶcc＝＋５Ｖ
から例えば２．５Ｖ（電池２の温度が２０℃のときに相
当する値）に変化することにより、電池パック１がセッ
トされたことを認識する。また、マイクロコントローラ
８はＡ／Ｄ変換器３２の出力ディジタル値から電池電圧
ＶB が５．０Ｖ≦ＶB ≦８．６Ｖであるか否かを電圧判
定部３３でチェックし、この範囲にＶB が入っていれば
電池２は正常であると判断して、スイッチ制御回路３３
によりスイッチ３４ｆをオフとして、ポートＰ０を
“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに反転させる。

【００２０】これによりＰＷＭ回路１０が起動され、Ｐ
ＷＭ回路１０は入力端子Ｆに入力される電圧に反比例し
たパルス幅のパルスを出力端子Ｄから出力し、スイッチ
ングトランジスタ９のゲートにスイッチングパルスとし
て与える。このスイッチングパルスによりスイッチング
トランジスタ９がオンすると、フィルタ５から出力され
る直流電圧はスイッチングトランジスタ９を通り、ダイ
オード１１、チョークコイル１２およびコンデンサ１３
により平滑された後、逆流防止用ダイオード１４を介し
て電池２の＋側端子に充電電圧ＶB として供給されるこ
とにより、充電が行われる。

【００２１】このとき充電電流は充電電流検出用抵抗１
５を流れ、この抵抗１５の端子電圧（充電電流に対応し
た電圧）がダイオード１８を介してＰＷＭ回路１０の入
力端子Ｆに供給される。ここで、充電電流が規定値、例
えば１．０Ａより大きいときは、入力端子Ｆが高電位と
なってスイッチングパルスのパルス幅（オン幅）が狭く
なることにより、充電電流を減少させ、逆に充電電流が
１．０Ａより小さいときは、入力端子Ｆが低電位となっ
てスイッチングパルスのパルス幅（オン幅）が広くなる
ことにより、充電電流を増加させるようにフィードバッ
ク系が構成される。すなわち、充電電流が１．０Ａで安
定化するように定電流制御が行われる。これが図３に示
す定電流制御期間Ｔ１である。この定電流制御期間Ｔ１
では、図２中に示すスイッチ３４ａ〜３４ｅは全てオン
とされ、ポートＰ１〜Ｐ５が接地電位に引かれることに
より、ポートＰ１〜Ｐ５や充電電圧検出用抵抗１６，１
７による充電電圧検出結果が充電電圧の定電圧制御のた
めのフィードバック系に影響を与えないようにしてい
る。

【００２２】ここで、この定電流制御期間Ｔ１におい
て、従来ではマイクロコントローラ８は充電電圧ＶB を
常に８．４Ｖ以下か否かをチェックし、ＶB が８．４Ｖ
以下になるとポートＰ１を“Ｈ”レベルとして抵抗１
６，１７のＡ点に得られる充電電圧制御信号をＰＷＭ回
路１０の入力端子Ｆに与えることにより、ＶB ＝８．４
Ｖとなるように定電圧制御を行っていた。

【００２３】これに対し、本実施例では定電流制御期間
Ｔ１においてマイクロコントローラ８は充電電圧ＶB を
Ａ／Ｄ変換器３１を介して取り込み、電圧判定部３２で
充電電圧ＶB が設定値である８．３８Ｖになったことを
認識すると、充電電圧ＶB を８．３８Ｖ一定となるよう
に定電圧制御を行うべく、スイッチ制御回路３３により
スイッチ３４ａをオフとし、ポートＰ１を“Ｌ”レベル
から“Ｈ”レベルに反転させる。この場合、通常はスイ
ッチ３４ｂ，３４ｃをオン、スイッチ３４ｃ，３４ｄを
オフとして、ポートＰ１，Ｐ２を“Ｌ”レベル、ポート
Ｐ３，Ｐ４を“Ｈ”レベルとする。なお、ポートＰ１，
Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に接続されたバイアス抵抗２１ａ，２
１ｂ，２１ｃ，２１ｄの値は、それに接続されたポート
が“Ｌ”レベルとなると１０ｍＶずつ増加するように、
抵抗１６，１７の値と関連付けて設定されている。

【００２４】ここで、充電電圧ＶB が設定値である８．
３８Ｖを維持していれば、マイクロコントローラ８はポ
ートＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の状態をそのまま保つが、
もし８．４０Ｖ以上になればポートＰ２を“Ｌ”レベル
から“Ｈ”レベルに変化させる。これにより充電電圧Ｖ
B は１０ｍＶ減少するが、それでもまだ８．４０Ｖ以上
であればさらにポートＰ３も“Ｈ”レベルとして、ＶB
をさらに１０ｍＶ減少させる。

【００２５】一方、充電電圧ＶB が８．３６Ｖ以下にな
ればポートＰ４を“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに変化
させる。これにより充電電圧ＶB は１０ｍＶ増加する
が、それでもまだ８．３６以下であればポートＰ５も
“Ｌ”レベルに変化させ、ＶB をさらに１０ｍＶ増加さ
せる。

【００２６】このようにしてポートＰ１〜Ｐ４の電位を
充電電圧ＶB の誤差、つまり設定値からの誤差に応じて
二値的に選択的に変化させることで、バイアス抵抗２１
ａ〜２１ｄにより得られたバイアス信号をＡ点に得られ
る充電電圧検出信号に加算することによって充電電圧Ｖ
B を１０ｍＶ単位で高精度に制御することができる。す
なわち、この例では充電電圧ＶB は設定値である８．３
８Ｖを中心として８．３６Ｖ≦ＶB ≦８．４０Ｖの範囲
に保持されるように、つまりＶB ＝８．３８Ｖ±２０ｍ
Ｖの精度で定電圧制御される。

【００２７】なお、上記実施例では定電圧制御のための
ポートＰ１〜Ｐ４として４個のポートを設けたが、さら
にポート数を増やし、それに伴いポートに接続されるバ
イアス抵抗の数を増やすことにより、定電圧制御のさら
なる高精度化を図ると共に、充電電圧のより広い変動幅
に対応できるようにすることも可能である。また、バイ
アス電圧の印加手段も上述した実施例に示した構成に限
定されるものでなく、種々変形することが可能である。
さらに、上記実施例では充電装置の入力を直流とした
が、充電装置の入力部にＡＣ／ＤＣコンバータを設け、
交流入力を可能とした充電装置にも本発明を適用するこ
とができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば充
電電圧検出信号に充電電圧の誤差に応じたバイアス信号
を加算し、その加算した信号に基づいて充電電圧の定電
圧制御を行うことにより、充電電圧検出信号をそのまま
定電圧制御に使用する従来の急速充電器に比較して、定
電圧制御を極めて高精度に行うことができる。従って、
充電電圧が過電圧となることにより電池寿命を短縮させ
ることがなく、しかも充電容量を十分に大きくとること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る二次電池の充電装置の
回路構成図

【図２】図１におけるマイクロコントローラ内の要部の
構成を示す図

【図３】非水電解質二次電池に適した充電装置の急速充
電特性を示す図

【符号の説明】

１…電池パック２…二次電池３…サーミスタ４…充電装置５…フィルタ６…平滑コンデ
ンサ７…レギュレータ８…マイクロコ
ントローラ９…スイッチングトランジスタ１０…パルス幅変
調回路１１…整流ダイオード１２…チョーク
コイル１３…平滑コンデンサ１４…逆流防止
ダイオード１５…充電電流検出用抵抗１６，１７…充
電電圧検出用抵抗１８，１９…ダイオード２１ａ〜２１ｄ
…バイアス抵抗２２…抵抗２３…ＬＥＤ３１…Ａ／Ｄ変換器３２…電圧判定
部３３…スイッチ制御回路３４ａ〜３４ｅ
…スイッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二次電池に印加する充電電圧を定電圧制御
する機能を有する二次電池の充電装置において、前記充電電圧を検出する充電電圧検出手段と、この充電電圧検出手段から出力される充電電圧検出信号
に前記充電電圧の誤差に応じたバイアス信号を加算する
バイアス加算手段と、このバイアス加算手段の出力信号に基づいて前記充電電
圧を制御する制御手段とを具備することを特徴とする二
次電池の充電装置。
【請求項２】前記バイアス加算手段は、前記充電電圧検
出手段の出力端に一端が接続された複数個のバイアス抵
抗と、これらのバイアス抵抗の他端の電位を前記充電電
圧の誤差に応じて選択的に二値的に変化させる手段とを
有することを特徴とする請求項１に記載の二次電池の充
電装置。