JP2799261B2 - バッテリ充電制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バッテリに充電を行う
ためのバッテリ充電制御装置に関し、さらに詳しくは、
バッテリが過充電状態および過放電状態であるときに充
電および放電を中断させるとともに、充放電可能なバッ
テリ特有の自然放電等によって、バッテリの電圧が極め
て低い場合においてもスムーズに充電を開始することの
できるバッテリ充電制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ニッケル・カドミウム電池のような充電
可能なバッテリは、携帯用の電子機器の電源として多く
使用されており、バッテリに蓄えられたエネルギが消費
された場合においても、バッテリ充電器により充電を行
うことにより再び電子機器に装着して使用することがで
きる。しかしながら、このような充電可能なバッテリは
充放電回数が増えるに従って、充電能力が低下し最終的
には充電時間を長くしても、うまく充電を完了できない
状態となり、その結果、バッテリの寿命が尽きバッテリ
として使用することができなくなる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、充電可能な
バッテリは推奨される使用状態が規定されており、バッ
テリの両端電圧が予め定める電圧の範囲内で使用するこ
とが望ましく、その上限あるいは下限を越えて使用する
とバッテリの寿命を短くするという欠点を有する。

【０００４】バッテリの両端電圧が予め定める電圧以下
の状態で使用を続けた場合、すなわち過放電状態で使用
した場合、およびバッテリの充電中にバッテリの両端電
圧が予め定められる電圧以上になった場合にもかかわら
ず充電を継続した場合、すなわち過充電状態で充電する
と、バッテリの寿命を低下させる原因となる。

【０００５】このような問題点を解決するために、バッ
テリの使用中はバッテリの過放電を防止し、バッテリの
充電中はバッテリの過充電を防止することが必要とな
る。

【０００６】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、バッテリの過充電および過放電を検出すると
ともに、バッテリの両端電圧が極めて低い状態、たとえ
ば、ほぼ０ボルトであっても円滑に充電が開始されるバ
ッテリ充電制御装置を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、充電用及び電
力供給用の両方を兼ねた両端子間に接続された充電可能
なバッテリと、前記バッテリの両端電圧が予め定める第
１電圧を越える過充電状態を検出する過充電検出手段
と、前記バッテリの両端電圧が予め定める第２電圧より
低下する過放電状態を検出する過放電検出手段と、前記
第２電圧以上の時に前記バッテリと前記端子間の導通を
維持すると共に前記バッテリの充電中に前記過充電検出
手段が前記バッテリの過充電状態を検出したとき、前記
過充電検出手段の出力信号に応答して前記バッテリへの
充電を中断するようにし、前記バッテリの充電方向と逆
方向のダイオードを有する第１スイッチ手段と、前記第
２電圧以上の時に前記バッテリと前記端子間の導通を維
持すると共に前記バッテリの放電中に前記過放電検出手
段が前記バッテリの過放電状態を検出したとき、前記過
放電検出手段の出力信号に応答して前記バッテリと前記
端子間を遮断するようにし、前記バッテリの充電方向と
順方向のダイオードを有する第２スイッチ手段と、前記
バッテリの充電開始時に前記バッテリの両端電圧が予め
定められている第３電圧以下であるとき、前記両端子側
に供給される印加電圧のマイナス電圧をソース側に印加
すると共に該印加電圧のプラス電圧をゲート側に印加す
るようにして前記第１スイッチ手段を強制的に導通状態
にする制御手段とからなり、前記第１スイッチ手段と、
第２スイッチ手段とは前記バッテリと前記端子との間に
直列に接続されているバッテリ充電制御装置である。

【０００８】好ましくは、上記制御手段は、充電開始時
に前記バッテリの両端電圧が予め定める第３電圧以下で
あることを記憶するラッチ回路と、前記ラッチ回路の出
力信号に応答して、前記第１スイッチ手段を強制的に導
通状態にするゲート回路と、から構成される。

【０００９】

【作用】本発明のバッテリ充電装置は、充電可能なバッ
テリの両端電圧が予め定めている電圧以下である過放電
を検出する過放電検出手段とバッテリの両端電圧が予め
定める電圧以上になったことすなわち過充電を検出する
過充電検出手段に接続される。

【００１０】バッテリの出力線には第１スイッチおよび
第２スイッチが設けられており、過放電検出手段によっ
てバッテリの過放電が検出されると、第２スイッチ手段
によって、バッテリからの放電が中断される。また、バ
ッテリの充電中にバッテリの過充電を検出すると、第１
スイッチ手段によりバッテリへの充電が中断される。

【００１１】このように、バッテリの過放電および過充
電が検出されると第１スイッチ手段および第２スイッチ
手段によって充電／放電が中断され、その結果バッテリ
が過放電状態および過充電状態で使用されることを防止
することができる。

【００１２】また、バッテリの充電電圧が予め定められ
ている電圧以下のときにバッテリの充電を行う場合、第
１スイッチ手段を強制的に導通状態にすることにより、
バッテリへの充電を円滑に行うことができる。

【００１３】

【実施例】図１は本発明の一実施例であるバッテリ充電
制御装置１０のブロック構成図である。

【００１４】ニッケル・カドミウム電池のような充電可
能なバッテリ１１の正端子は端子１２に接続され、負端
子はパワーＭＯＳトランジスタである第２スイッチ（第
２スイッチ手段）１３および第１スイッチ（第１スイッ
チ手段）１４を介して端子１５と直列に接続される。バ
ッテリ１１が充分に充電されている状態においては、端
子１２、１５は電力供給対象に接続される。バッテリ１
１の両端電圧が低下し、充電が必要となるとバッテリ充
電器１６が端子１２、１５に接続され、バッテリ１１に
対して充電を行う。この端子１２が正端子であり、端子
１５が負端子となり、端子１２からバッテリ１１を介し
て端子１５への方向が充電方向となる。

【００１５】バッテリ１１の正負両極にはバッテリの両
端電圧を検出するための３個の直列抵抗１７、１８、１
９が接続され、抵抗１８、１９の接続点は過充電検出回
路２０に接続されるとともに、抵抗１７、１８の接続点
は過放電検出回路２１の一方の入力に接続される。

【００１６】バッテリ１１の負端子は第２スイッチ１３
に接続されるとともに基準電圧発生回路２２にも接続さ
れる。基準電圧発生回路２２の出力は過充電検出回路２
０および過放電検出回路２１の他方の入力にも接続され
る。

【００１７】過充電検出回路２０は、バッテリ１１の両
端電圧が予め定める電圧（第１電圧）を越えると、高レ
ベルの信号を出力し、それ以外のときは低レベルの信号
を出力する。過放電検出回路２１は、バッテリ１１の両
端電圧が予め定める電圧（第２電圧）より低下すると、
高レベルの信号を出力し、それ以外のときは低レベルの
信号を出力する。

【００１８】過充電検出回路２０の出力はＮＡＮＤゲー
ト２３の一方の入力に接続される。また、ＮＡＮＤゲー
ト２３の他方の入力はＮチャンネルＭＯＳトランジスタ
２４のドレイン電極およびＮＯＲゲート２５の一方の入
力に接続されると共に、抵抗２６を介して端子１２にも
接続される。

【００１９】過放電検出回路２１の出力はインバータ２
７を介してＮＯＲ回路２５の他方の入力に接続されると
ともに第２スイッチ１３も接続される。ＮＡＮＤゲート
２３の出力は第１スイッチ１４に接続される。ＮＡＮＤ
ゲート２３の電源入力端子は端子１２および端子１５に
接続され、レベル・シフタとしても機能する。

【００２０】ＮＯＲゲート２５の出力はＭＯＳトランジ
スタ２４のゲート電極に接続され、ＭＯＳトランジスタ
２４のドレインがＮＯＲゲート２５の一方の入力に接続
されることによりラッチ回路を構成する。ＭＯＳトラン
ジスタ２４のソース電極は端子１５に接続されるととも
に第１スイッチ１４にも接続される。

【００２１】第１スイッチ１４および第２スイッチ１３
は、いわゆるパワーＭＯＳトランジスタ１４ａ、１３ａ
により構成され、図１において図示されるように、ソー
ス・ドレイン間にパワーＭＯＳトランジスタの構造上寄
生ダイオード１４ｂ、１３ｂが形成される。この寄生ダ
イオード１４ｂはバッテリ１１の充電方向に対して逆方
向に接続され、寄生ダイオード１３ｂはバッテリ１１の
充電方向に対して順方向に接続されている。

【００２２】第１および第２スイッチ１４、１３以外の
回路は一つの集積回路上に構成できるが、第１スイッチ
１４、第２スイッチ１３は一般に消費電力が大きいので
個別に構成される。

【００２３】次にバッテリ充電器１６が端子１２、１５
に接続され、バッテリ１１に対して充電動作を行う場合
について説明する。

【００２４】まず、バッテリ１１の両端電圧が予め定め
られている第３電圧以下であるとき、例えばほぼ０ボル
トに近い状態の場合を想定する。バッテリ１１を充電す
るためには、バッテリ充電器１６から供給される電流が
端子１２からバッテリ１１に供給され、さらに第２スイ
ッチ１３および第１スイッチ１４を介してバッテリ充電
器１６へ還流させる必要がある。

【００２５】しかしながら、バッテリ１１の両端電圧が
ほぼ０に近い状態においては、ライン２８上の電位ＶＤ
Ｄとライン２９上の電位ＶＳＳはほぼ同一の電位となる
ので、電位ＶＤＤおよび電位ＶＳＳを電源入力とする回
路は動作が不能となる。すなわち、電位ＶＤＤおよび電
位ＶＳＳを電源入力とする回路の各部は同じ電位とな
る。

【００２６】従って、第１スイッチ１４および第２スイ
ッチ１３は過充電検出回路２０および過放電検出回路２
１の出力信号によってのみ制御されるとすると（ＮＡＮ
Ｄゲート２３、ＭＯＳトランジスタ２４、ＮＯＲゲート
２５が接続されていない状態を想定する）、上述の状態
においては第１スイッチ１４および第２スイッチ１３は
制御不能となる状態が生じる。

【００２７】すなわち、ＭＯＳトランジスタ１３ａ、１
４ａのゲート電極へはライン２９上の電位ＶＳＳと同じ
電位が印加され、結局ＭＯＳトランジスタ１３ａ、１４
ａはオフ状態となる。このような状態では、第２スイッ
チ１３はソース電極からドレイン電極への順方向の寄生
ダイオード１３ｂが形成されているので、ＭＯＳトラン
ジスタ１３ａがオフの場合でも第２スイッチは電流を流
すことができる。

【００２８】しかしながら、第１スイッチ１４は、ＭＯ
Ｓトランジスタ１４ａがオフの場合、寄生ダイオードの
順方向がバッテリの放電方向になるように接続した寄生
ダイオード１４ｂは、充電方向に対して逆方向に形成さ
れているので、第１スイッチに電流は流れない。従っ
て、バッテリ１１の両端電圧がほぼ０ボルトのとき、充
電ができないことになる。

【００２９】上述の問題点を解決するために、本発明は
バッテリ１１の両端電圧が予め定められている第３電圧
以下であるとき、例えばほぼ０ボルトの状態において、
第１スイッチ手段である第１スイッチ１４を強制的に導
通状態にする制御手段を備えている。

【００３０】この制御手段の動作について説明すると、
先ず、バッテリ充電器１６を接続してバッテリ１１の両
端子１２、１５に供給される印加電圧により充電を開始
する。この充電開始時にはバッテリ１１の両端電圧がほ
ぼ０ボルトであるので、電位ＶＤＤおよび電位ＶＳＳに
よって電力が供給される回路部分はほぼ同一の電位、す
なわちプラス側の端子１２に供給される電位と同じ状態
になる。

【００３１】従って、ＮＯＲゲート２５の出力電位も、
プラス側の端子１２と同じ電位が現れる。すなわち、マ
イナス側の端子１５からみると、ＮＯＲゲート２５の出
力電位は端子１２とほぼ同じプラスの電位、すなわちＭ
ＯＳトランジスタ２４をオンにするに充分な電位が現れ
る。従って、ＭＯＳトランジスタ２４はオンとなり、Ｎ
ＡＮＤゲート２３の一方の電位は端子１５に供給される
マイナスの電位とほぼ同じ電位が供給される。その結
果、ＮＡＮＤゲート２３の出力は端子１２とほぼ同じの
プラスの電位が出力され、ＭＯＳトランジスタ１４ａの
ゲート電極に供給される。ＭＯＳトランジスタ１４ａが
オンとなることにより、第１スイッチ１４は導通状態と
なる。このようにして、バッテリ１１の充電開始時にバ
ッテリ１１の両端電圧が予め定められている第３電圧以
下であるとき、例えばほぼ０ボルトであるときでも、外
部のバッテリ充電器１６から供給される印加電圧に基づ
いて第１スイッチ手段である第１スイッチ１４を強制的
に導通状態にすることができるのである。

【００３２】第１スイッチ１４が導通すると、バッテリ
充電器１６からの充電電流がバッテリ１１に供給され、
充電が開始される。バッテリ１１の充電が進行し、バッ
テリ１１の両端電圧が上昇すると電位ＶＤＤおよび電位
ＶＳＳ間にバッテリ１１の両端電圧が発生し、その電圧
が予め定める電圧を越えると電位ＶＤＤおよび電位ＶＳ
Ｓを電源とする回路の動作を開始する。

【００３３】すなわち、ＮＯＲゲート２５の動作も開始
し、ＮＯＲゲート２５の一方の入力に同レベルの電位が
入力されているので、ＮＯＲゲート２５の出力からは高
レベルの電位がＭＯＳトランジスタ２４のゲート電極に
供給される。従って、ＭＯＳトランジスタ１４ａはオン
の状態を維持し、その結果ＭＯＳトランジスタ２４とＮ
ＯＲゲート２５により構成されるループでラッチ回路が
形成される。

【００３４】ＭＯＳトランジスタ２４のドレイン電極は
低レベルに維持されているので、ＮＡＮＤゲート２３の
出力からは高レベルが出力される。ＭＯＳトランジスタ
１４ａのゲート電極に高レベルの電位が供給されるの
で、第１スイッチ１４はこの状態を維持し、バッテリ１
１への充電が続行される。

【００３５】バッテリ１１への充電がさらに進行し、バ
ッテリ１１の両端電圧がさらに上昇し、過放電電圧（第
２電圧）より高くなると、過放電検出回路２１から低レ
ベルの信号が出力される。その信号はインバータ２７に
より反転されＭＯＳトランジスタ１３ａのゲート電極に
印加され、ＭＯＳトランジスタ１３ａをオンの状態にす
る。

【００３６】インバータ２７からの高レベルの出力信号
はＭＯＳトランジスタ１３ａのゲートに与えられるとと
もにＮＯＲゲート２５の他方の入力にも与えられる。Ｎ
ＯＲゲート２５の出力からは低レベルの信号がＭＯＳト
ランジスタ２４のゲート電極に与えられるので、ＭＯＳ
トランジスタ２４をオフの状態にする。その結果、ＮＡ
ＮＤゲート２３の一方の入力は抵抗２６を介して高レベ
ルの信号が与えられる。

【００３７】一方、バッテリ１１の両端電圧はいまだ過
充電電圧より高くなっていないので、過充電検出回路２
０からは低レベルの信号がＮＡＮＤゲート２３の他方の
入力に与えられる。その結果ＮＡＮＤゲート２３の出力
からは高レベルの信号がＭＯＳトランジスタ１４ａのゲ
ート電極に与えられ、ＭＯＳトランジスタ２４はオンの
状態を維持する。

【００３８】バッテリ１１への充電がさらに進行し、バ
ッテリ１１の両端電圧が過充電電圧（第１電圧）より高
くなると、過充電検出回路２０はその電位を検出して、
高レベルの信号を出力する。その信号はＮＡＮＤゲート
２３の他方の入力に印加され、低レベルの信号がＭＯＳ
トランジスタ１４ａのゲート電極に与えられる。これに
よりＭＯＳトランジスタ１４ａはオフする。

【００３９】すなわち、バッテリ１１の両端電圧が過充
電電圧を越えると、第１スイッチ１４をオフ状態にする
ことによりバッテリ充電器１６からの充電電流を遮断
し、バッテリ１１への充電を停止させる。バッテリ１１
の両端電圧が過充電電圧に達したことにより、充電動作
を終了し、過充電によるバッテリ１１の劣化を防止す
る。

【００４０】以上はバッテリ１１がほぼ０ボルトの状態
から充電を行った場合の充電動作を説明したが、それ以
外の状態からバッテリ１１への充電を開始した場合にお
いても上述と同様の動作を行う。たとえば、バッテリ１
１の両端電圧が過充電電圧と過放電電圧の間にあるとき
充電を開始した場合、過充電検出回路２０および過放電
検出回路２１からはともに低レベルの信号が出力され、
ＭＯＳトランジスタ１４ａ、１３ａのゲート電極へは高
レベルの信号が印加される。

【００４１】従って、第１および第２スイッチ１４、１
３はともに導通状態であり、充電電流が端子１２から与
えられ、バッテリ１１に供給される。充電が進行し、バ
ッテリ１１の両端電圧が過充電電圧に達すると、第１ス
イッチ１４が遮断し、充電が終了する。

【００４２】次に、バッテリ１１の使用時における、バ
ッテリ充電制御装置１０の動作を説明する。バッテリ１
１の両端電圧が過充電電圧と過放電電圧の間にあると
き、過充電検出回路２０および過放電検出回路２１から
はともに低レベルの信号が出力されるので、第１および
第２スイッチ１４、１３はともに導通状態である。バッ
テリ１１から端子１２、１５を介して電子機器へ電力が
供給される。電力の供給が続行しバッテリ１１の両端電
圧が低下し、過放電電圧より低くなると、過放電検出回
路２１は高レベルの信号を出力する。この信号はインバ
ータ２７により反転され、ＭＯＳトランジスタ１３ａの
ゲート電極に印加される。ゲート電極に低レベルの信号
が印加されることにより、第２スイッチ１３は遮断状態
となり、バッテリ１１からの放電を中断させる。この中
断により、バッテリ１１が過放電となるのを防止し、バ
ッテリ１１の寿命低下を防ぐ。

【００４３】

【発明の効果】本発明に従えば、バッテリの両端電圧が
予め定める第１電圧を越える場合バッテリへの充電を終
了し、バッテリの両端電圧が予め定める第２電圧より低
下する場合、バッテリの放電を中止させることにより、
バッテリの過度な使用を防止し、バッテリの寿命の低下
を有効に防止する。また、バッテリの両端電圧が極めて
低下した場合においても、充電を円滑に行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるバッテリ充電制御装置
１０のブロック構成図である。

【符号の説明】

１０ バッテリ充電制御装置 １１ バッテリ １２、１５ 端子 １３ 第２スイッチ １４ 第１スイッチ １３ａ、１４ａ パワーＭＯＳトランジスタ １３ｂ、１４ｂ 寄生ダイオード １６ バッテリ充電器 １７、１８、１９、２６ 抵抗 ２０ 過充電検出回路 ２１ 過放電検出回路 ２２ 基準電圧発生回路 ２３ ＮＡＮＤゲート ２４ ｎチャンネルＭＯＳトランジスタ ２５ ＮＯＲゲート ２７ インバータ ２８、２９ ライン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02J 7/00 - 7/12 H02J 7/34 - 7/36

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】充電用及び電力供給用の両方を兼ねた両端
   子間に接続された充電可能なバッテリと、 前記バッテリの両端電圧が予め定める第１電圧を越える
   過充電状態を検出する過充電検出手段と、 前記バッテリの両端電圧が予め定める第２電圧より低下
   する過放電状態を検出する過放電検出手段と、前記第２電圧以上の時に前記バッテリと前記端子間の導
   通を維持すると共に 前記バッテリの充電中に前記過充電
   検出手段が前記バッテリの過充電状態を検出したとき、
   前記過充電検出手段の出力信号に応答して前記バッテリ
   への充電を中断するようにし、前記バッテリの充電方向
   と逆方向のダイオードを有する第１スイッチ手段と、前記第２電圧以上の時に前記バッテリと前記端子間の導
   通を維持すると共に 前記バッテリの放電中に前記過放電
   検出手段が前記バッテリの過放電状態を検出したとき、
   前記過放電検出手段の出力信号に応答して前記バッテリ
   と前記端子間を遮断するようにし、前記バッテリの充電
   方向と順方向のダイオードを有する第２スイッチ手段
   と、 前記バッテリの充電開始時に前記バッテリの両端電圧が
   予め定められている第３電圧以下であるとき、前記両端
   子側に供給される印加電圧のマイナス電圧をソース側に
   印加すると共に該印加電圧のプラス電圧をゲート側に印
   加するようにして前記第１スイッチ手段を強制的に導通
   状態にする制御手段とからなり、 前記第１スイッチ手段と、第２スイッチ手段とは前記バ
   ッテリと前記端子との間に直列に接続されていることを
   特徴とするバッテリ充電制御装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、充電開始時に前記バッ
   テリの両端電圧が予め定める第３電圧以下であることを
   記憶するラッチ回路と、 前記ラッチ回路の出力信号に応答して、前記第１スイッ
   チ手段のソース側に印加電圧のマイナス電圧を印加し、
   ゲート側に印加電圧のプラス電圧を印加して強制的に導
   通状態にするゲート回路と、 から構成されることを特徴とする請求項１記載のバッテ
   リ充電制御装置。
3. 【請求項３】 前記過充電検出手段および前記過放電検
   出手段は、前記バッテリの両端電圧を基準電圧発生手段
   から供給される基準電圧と比較して、前記第１電圧およ
   び前記第２電圧を検出することを特徴とする請求項１記
   載のバッテリ充電制御装置。
4. 【請求項４】 前記第３電圧は、ほぼ０ボルトであるこ
   とを特徴とする請求項１記載のバッテリ充電制御装置。
5. 【請求項５】 前記第１および第２スイッチ手段は、パ
   ワーＭＯＳトランジスタにより構成されることを特徴と
   する請求項１記載のバッテリ充電制御装置。