JP2003023736A - 組電池の充電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 組電池と一体化する保護回路を簡略化するこ
とができようにする。 【解決手段】 電池ケース１１０に各単電池１０１〜１
０４に連なる端子２１Ａ〜２５Ａを備え、充電装置３の
充電制御部１０を備えた充電回路４１〜４４から充電端
子２１Ｂ〜２５Ｂを介して単電池１０１〜１０４にそれ
ぞれ個別に充電電圧を印加し、各充電回路４１〜４４の
充電制御部１０でそれぞれ定電流・定電圧制御を行いな
がら充電する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、組電池の充電装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、蓄電池はノートパソコンや携帯電
話等の携帯電気機器の電源から無停電電源装置の電源ま
であらゆる電気機器に幅広く利用されている。通常は、
負荷の大きさに応じて単電池を複数直列接続した組電池
として取り扱われている。このような組電池の充電方法
として、従来は、組電池の両端電極に電圧を印加するこ
とによって充電を行うことが一般的である。しかし、単
に組電池の両端電極を通じて充電を行ったのでは単電池
の間で容量や内部インピーダンスのばらつきによる充電
電圧の差が現れ、一部の単電池が過充電状態となり、過
充電となった単電池が劣化するおそれがある。そこで、
従来は、各単電池が過充電となることを防止するための
保護回路と組電池とを分離不可能に電池パック内に一体
に収容し、保護回路の監視の下に組電池の充電を行うこ
ととしている。上記保護回路には各単電池毎にそれぞれ
の充電電圧を監視する回路を設け、いずれかの単電池が
満充電であると検出されると全ての単電池について充電
を終了する機能を持たせている。この場合、満充電とな
った単電池と、満充電となっていない単電池とが混在す
ることになり各単電池間で充電容量のアンバランスが生
じるため、さらに、各単電池の充電容量を平準化するた
めに、満充電の単電池を放電させたり、充電不足の単電
池だけを充電したりするバランサー回路を設けることも
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成では単電池毎に充電電圧の監視を行うため、各単電池
にそれぞれ電圧検出回路を設けなくてはならず、組電池
と一体化される保護回路が複雑になるという問題があっ
た。また、単電池毎の電圧検出回路に加えてバランサー
回路を設ける場合には、保護回路が一層複雑化する。こ
のような保護回路は電池パック内に一体化されているか
ら、電池パックの軽量化や小型化の妨げになり、また、
電池交換時には組電池と共に廃棄されるから無駄にな
る。

【０００４】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、組電池と一体化される保護回路をでき
るだけ簡略化することができる組電池の充電装置を提供
することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、複数
の単電池を直列接続してなる組電池を充電するための組
電池の充電装置であって、前記単電池の正極及び負極に
連なる各端子に接続される複数対の充電端子を備え、こ
れらの対をなす充電端子間に前記各単電池を充電する単
電池充電回路と前記対をなす充電端子間の電圧を検出し
て前記単電池充電回路の充電動作を制御する充電制御部
とをそれぞれ備え、前記各単電池充電回路は共通の電源
に対して並列接続されるところに特徴を有する。

【０００６】請求項２の発明は、請求項１に記載のもの
において、前記単電池に連なる各充電端子間の電圧を監
視する端子電圧監視手段を設け、この端子電圧監視手段
により前記充電端子間に電圧が印加されていることを条
件に前記単電池充電回路の充電動作を行わせるところに
特徴を有する。

【０００７】

【発明の作用及び効果】請求項１の充電装置によれば、
充電制御部と単電池充電回路とは対をなす充電端子間に
備えられ、各充電端子に各単電池の正極及び負極に連な
る端子が接続されると、各単電池充電回路により単電池
が充電可能となる。そして、各単電池充電回路は、各単
電池の電圧を検出する充電制御部によって制御されるか
ら、各単電池をそれぞれ個別に満充電になるように充電
することができる。このように、組電池の各単電池は充
電装置側に設けた単電池充電回路と充電制御回路とによ
って個別に制御されながら充電されるから、組電池側に
は保護回路を設けずとも済み、或いは設けるとしても極
めて簡単な構成で済む。従って、組電池と保護回路とを
電池パックとして一体化した場合でも、電池パックを小
型・軽量化でき、また安価に製造することができる。電
池パックを小型・軽量化できることは、電池パックが電
子機器側に取り付けられて持ち運びされることを考慮す
ると、極めて合理的である。また、電池パックを安価に
できることは、組電池の寿命が尽きると電池パックごと
交換される事情を考慮すると、無駄が少なくなることを
意味する。

【０００８】なお、各単電池の電圧を検出する回路は、
従来は組電池側に設けられていたところ、本発明では充
電装置側に設けられることになるから、充電装置側の製
造コストが上昇することが懸念される。しかし、そのよ
うな懸念は次の理由によって杞憂であることが判る。す
なわち、組電池を構成する各単電池は、充電装置の各単
電池充電回路及び各充電制御部によってそれぞれ個別に
充電され、それらの各単電池充電回路は共通の電源に対
して並列接続される構成である。このことは、各単電池
充電回路と充電制御部とは各単電池毎に共通の回路構成
にできることを意味する。従って、単電池の構成数が異
なる各種の組電池のために各種の仕様の充電装置を製造
する場合でも、基本回路は同一としてその組み合わせ数
を異ならせることで対処することができる。このため、
その基本回路を大量生産することで充電装置全体の製造
コストを安価にすることができる。

【０００９】請求項２の発明によれば、各充電端子間に
端子電圧監視手段が設けられている。この端子電圧監視
手段によって充電端子間の電圧を計測し、電圧が印加さ
れていない場合は、充電装置からの電圧印加を禁止し、
電圧が印加されている場合は、組電池の端子が接続され
ていると判断して充電動作に移行する。これより、充電
装置に組電池が接続されていない場合には充電動作を行
わないので、充電端子が異物により短絡された状態で充
電を開始したり、電圧印加状態の充電端子に不用意に手
を触れて感電したりすることを防止できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面に基づいて説明する。 ＜第１実施形態＞本発明の第１実施形態に係る組電池の
充電装置について図１及び図２を参照して説明する。本
実施形態は、リチウムイオン電池の組電池の充電を行う
充電装置に関するものである。組電池１は電池ケース１
１０内に収納されており、例えば４個の単電池１０１〜
１０４を直列接続してなる。また、電池ケース１１０に
は電池側コネクタ２Ａが備えられており、電池側コネク
タ２Ａは５本の端子２１Ａ〜２５Ａを備える。端子２１
Ａは単電池１０１の正極に接続され、端子２５Ａは単電
池１０４の負極に接続されている。端子２２Ａは単電池
１０１の負極と単電池１０２の正極とに接続され、端子
２３Ａ、端子２４Ａも同様に図示した通りに接続され
る。

【００１１】充電装置３には電池側コネクタ２Ａと結合
可能な充電器側コネクタ２Ｂが備えられており、ここ
に、充電端子２１Ｂ〜２５Ｂが設けられている。また、
前記４個の単電池１０１〜１０４に対応して計４個の単
電池充電回路４１〜４４（以下単に充電回路４１〜４４
という）が備えられている。この充電回路４１〜４４は
メインリレースイッチ５Ａとラインフィルタ６とを介し
て商用電源７に接続され、各充電回路４１〜４４は商用
電源７に対してそれぞれ並列接続された状態となってい
る。一方、充電回路４１の出力側においては、正極側出
力（＋）が充電端子２１Ｂに連なっており、負極側出力
（−）が充電回路４２の正極側出力（＋）と接続されて
充電端子２２Ｂに連なり、他の充電回路の出力も同様に
図示する通りの接続状態となっており、結局、単電池１
０１〜１０４は充電回路４１〜４４の電圧が個別に印加
される回路構成となっている。

【００１２】各充電回路４１〜４４は図２に示すように
スイッチングレギュレータが用いられており整流器８、
絶縁型降圧チョッパ９、充電制御部１０から構成されて
いて、全て同一の構造である。例えば、単電池１０１を
充電する充電回路４１を例にとって説明すると、入力さ
れた商用電源７からの交流電力は整流器８にて整流さ
れ、次に、絶縁型降圧チョッパ９でスイッチング素子の
デューティファクタを調整して降圧した後、直流出力と
して取り出される。その、充電制御部１０は絶縁型降圧
チョッパ９の出力電圧及び出力電流を検出して単電池１
０１が定電流・定電圧充電されるように絶縁型降圧チョ
ッパ９を制御する。これは、充電初期は定電流で充電
し、電池電圧が所定の電圧に達すると定電圧充電制御に
切り替わる。

【００１３】充電端子２１Ｂと充電回路４１の正極出力
の間にはリレースイッチ５１が直列に設けられ、同様に
充電端子２２Ｂ〜２４Ｂについてもリレースイッチ５２
〜５４が設けられている。リレースイッチ５１〜５４の
開閉動作はリレー５０によって行われる。リレー５０に
は直列にＦＥＴ１２Ａが接続されており端子電圧監視手
段に相当する温度・電圧監視回路１３（以下単に監視回
路１３という）の出力ポート１３ＡがＦＥＴ１２Ａのス
イッチング動作を行う。各充電回路４１〜４４の正負の
出力間には過電圧検出回路１４が各１つ接続され、その
出力はＦＥＴ１２Ｂのスイッチング動作を行う。なお、
メインリレースイッチ５Ａはリレー５Ｂによって開閉さ
れ、そのリレー５ＢにはＦＥＴ１２Ｃを介して監視回路
１３の出力ポート１３Ｂにより制御される。

【００１４】監視回路１３は例えばＣＰＵを備えて構成
され、その入力ポート１３Ｃはリレースイッチ５１より
も充電端子２１Ｂ側に測定点を設け、充電端子２１Ｂと
充電端子２５Ｂとの間に印加される電圧を計測する。こ
の電圧が０ボルトの場合は電池側コネクタ２Ａが接続さ
れていないと判断されるから、出力ポート１３Ａの論理
出力をロウレベル（Ｌ）のままとしてリレースイッチ５
１〜５４を開放状態のままとする。電圧が印加されてい
る場合は電池側コネクタ２Ａが接続されていると判断さ
れるから、出力ポート１３Ａの論理出力をハイレベル
（Ｈ）としてリレースイッチ５１〜５４を閉じる。これ
は、充電器側コネクタ２Ｂと電池側コネクタ２Ａとの接
続状態を判断し、非接続状態で充電器側コネクタ２Ｂに
充電電圧が印加されることを防止するためである。

【００１５】入力ポート１３Ｄは、リレースイッチ５１
よりも充電回路４１の出力側に測定点を設け、充電端子
２１Ｂと充電端子２５Ｂに印加される電圧を計測する。
リレースイッチ５１〜５４が閉じられた状態となると、
入力ポート１３Ｄに組電池１の電圧が印加されることに
なる。ここでは、予め基準電圧値が設定されており、こ
の基準電圧値と印加された電圧値を監視装置１３で比較
して出力ポート１３Ｂを変化させる。基準電圧値は過放
電の単電池によるインラッシュ電流のおそれが無い程度
の電圧値に設定されている。印加電圧が基準電圧値より
も低い場合は、ＦＥＴ１２ＣをＯＦＦ状態のままとし
て、メインリレーンスイッチ５Ａを開放状態とする。印
加電圧が基準電圧値よりも高い場合は、ＦＥＴ１２Ｃを
ＯＮ状態にしてメインリレースイッチ５Ａを閉じる。

【００１６】また、入力ポート１３Ｅは例えば充電端子
２１Ｂの近傍に設けた温度測定回路１５に接続され、計
測された温度値が所定の温度範囲内であるかを判断す
る。所定の温度範囲内にある場合は、出力ポート１３
Ａ，１３Ｂの出力状態を反転せず、所定の温度範囲に無
い場合は、出力ポート１３Ａ，１３Ｂをロウレベル
（Ｌ）にして充電不可能な状態とする。

【００１７】さて、上記構成の動作について説明する。
例えば、予め充電装置３が商用電源７に接続された状態
において、充電器側コネクタ２Ｂに電池側コネクタ２Ａ
が接続されていない場合、入力ポート１３Ｃには電圧が
印加されないので、ＦＥＴ１２ＡはＯＦＦ状態であるか
らリレー５０には通電されず、リレースイッチ５１〜５
４は開放したままである。ここで、電池側コネクタ２Ａ
が充電器側コネクタ２Ｂに接続されると入力ポート１３
Ｃに組電池１の電圧が印加されるのでＦＥＴ１２ＡがＯ
Ｎ状態となりリレー５０が励磁され、リレースイッチ５
１〜５４が閉じられる。

【００１８】リレースイッチ５１〜５４が閉じられると
入力ポート１３Ｄに組電池１の電圧が印加される。この
電圧が基準電圧値以下の場合は、ＦＥＴ１２ＣをＯＦＦ
としてメインリレースイッチ５Ａを開放状態のままにし
て充電回路４１〜４４に電力供給を行わない。基準電圧
値以上である時は、ＦＥＴ１２ＣをＯＮにしてメインリ
レースイッチ５Ａを閉じて充電を行う。なお、単電池１
０１〜１０４は温度によって充電特性が変化するため、
入力ポート１３Ｅに入力される温度値が予め設定された
温度範囲にある場合は充電を継続し、その温度範囲外と
なったときは、メインリレースイッチ５Ａを開放して充
電を中止する。

【００１９】単電池１０１〜１０４は各充電回路４１〜
４４によってそれぞれ個別に定電流・定電圧充電制御が
行われている。充電が進行すると、各単電池１０１〜１
０４で容量や内部インピーダンスの違いによる充電容量
のばらつきが生ずる。従って、単電池１０１〜１０４は
所定の電圧になったものから順次定電流充電制御から定
電圧充電制御に切り替えられる。定電圧制御であるか
ら、満充電に近づくにつれ徐々に単電池に流れ込む充電
電流は減少し、満充電となると充電電流が流れなくなる
ことによって充電が自然と終了する。例えば、最初に単
電池１０１が満充電となって充電電流が流れなくなった
としても、他の単電池１０２〜１０４が満充電となって
いなければ、それらに対して充電回路４２〜４４による
充電は継続され、次に例えば単電池１０３が満充電とな
れば残りの単電池１０２及び単電池１０４のみが充電が
継続され、最終的に全ての単電池１０１〜１０４が満充
電となる。

【００２０】また、例えば、充電回路４３の充電制御部
１０の制御誤りによって充電中に単電池１０３が過電圧
となると、過電圧を検出した過電圧検出回路１４の出力
信号がハイレベル（Ｈ）に反転する。すると、ＦＥＴ１
２ＡはＯＦＦとなり、リレー５０の断電に伴ってリレー
スイッチ５１〜５４が開放されて全ての単電１０１〜１
０４の充電が中断される。この過電圧検出回路１４によ
って二重の充電電圧の監視が行われることになるので、
過電圧となって組電池１全体を劣化させる危険性がより
低減される。

【００２１】このように、本実施形態によれば、単電池
１０１〜１０４に各１個充電回路４１〜４４が備えら
れ、各充電回路４１〜４４は電力供給源である商用電源
７に対してそれぞれ並列接続された状態であり、各充電
回路４１〜４４によって個別に単電池１０１〜１０４の
充電を行う。また、各充電回路４１〜４４に備えた充電
制御部１０によって充電電圧の制御がなされるので組電
池１側の保護回路を省略することができる。これより、
組電池の小型・軽量化が可能で電子機器側に取り付けら
れて持ち運ぶ際には特に都合がよい。また、組電池交換
時には組電池の交換のみで済むことから使える保護回路
まで捨てなければならないという無駄を省くことができ
る。

【００２２】また、入力ポート１３Ｃは充電端子２１Ｂ
・充電端子２５Ｂ間の印加電圧を監視しており、入力ポ
ート１３Ｃに印加される電圧が０ボルトの時には、出力
ポート１３Ａをロウレベル（Ｌ）としてリレースイッチ
５１〜５４を閉じるようにしている。印加電圧０ボルト
とは充電器側コネクタ２Ｂと電池側コネクタ２Ａとが接
続されていないことを意味しており、この場合には、充
電電圧が印加されないことになる。これによって、充電
器側コネクタ２Ｂが異物よって短絡された状態で充電を
開始したり、人体の一部が充電端子２１Ｂ〜２５Ｂに接
触し、印加電圧によって感電することを防止することが
できる。さらに、入力ポート１３Ｄで接続された組電池
１の電圧を測定し基準電圧以下であればメインリレース
イッチ５Ａを開放状態とするので、組電池１の電圧が以
上に低い場合に一時的に大電流が流れることを防止する
ことができる。

【００２３】＜第２実施形態＞本発明の第２実施形態に
ついて図３を参照して説明する。本実施形態は第１実施
形態の単電池の数を７個にしたもので、同一の部分には
同一符号を付して重複する説明を省略する。即ち、７個
の単電池１０１〜１０７に対応して７個の充電回路４１
〜４７、過電圧検出回路１４、リレースイッチ５１〜５
７を備えたもので、各単電池１０１〜１０７の充電をそ
れぞれ独立に行うことができる。このように、充電回
路、過電圧検出回路及びリレースイッチを単電池の数に
合わせて備えれば保護回路を必要としない充電装置とし
て機能させることができる。

【００２４】このように、前記第１実施形態及び本実施
形態の充電装置３の構成部品である各充電回路４１〜４
７と過電圧検出回路１４とは、各単電池毎に共通の回路
構成とすることができる。従って、単電池の構成数が異
なる各種の組電池に対してそれぞれに対応した充電装置
を製造する場合においては、これら前記構成部品の組み
合わせの数を変更することで対応できるので、前記構成
部品を大量生産することで充電装置全体としての製造コ
ストを安価にすることができる。

【００２５】＜他の実施形態＞本発明は上記記述及び図
面によって説明した実施形態に限定されるものではな
く、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に
含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内
で種々変更して実施することができる。 （１）本実施形態では、単電池単電池がリチウムイオン
電池の場合を示したが、これに限らず、鉛蓄電池やニッ
ケルカドミウム二次電池等の各種の蓄電池であってもよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る充電装置の回路図

【図２】第１実施形態に係る単電池充電回路の回路図

【図３】第２実施形態に係る充電装置の回路図

【符号の説明】

１…組電池 ２Ａ…電池側コネクタ ２Ｂ…充電器側コネクタ ４１〜４４…単電池充電回路 １０…充電制御部 １３…温度・電圧監視回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の単電池を直列接続してなる組電池
   を充電するための組電池の充電装置であって、 前記単電池の正極及び負極に連なる各端子に接続される
   複数対の充電端子を備え、 これらの対をなす充電端子間に前記各単電池を充電する
   単電池充電回路と前記対をなす充電端子間の電圧を検出
   して前記単電池充電回路の充電動作を制御する充電制御
   部とをそれぞれ備え、 前記各単電池充電回路は共通の電源に対して並列接続さ
   れることを特徴とする組電池の充電装置。
2. 【請求項２】 前記単電池に連なる充電端子間の電圧を
   監視する端子電圧監視手段を設け、この端子電圧監視手
   段により前記充電端子間に電圧が印加されていることを
   条件に前記単電池充電回路の充電動作を行わせることを
   特徴とする請求項１記載の組電池の充電装置。