JP4479760B2 - 充電装置および充電方法 - Google Patents

Description

この発明は、二次電池の電池パックを充電する充電装置および充電方法に関する。

従来から商用電源によって２次電池を充電する充電装置が知られている。この発明の発明者は、先に、充電装置としては、下記の特許文献１に記載のものを提案している。

特許第３４３０２６４号（特開平６−１４４７３号公報）

図１は、特許文献１に記載の充電装置と同様の構成を示す。商用の交流（以下、ＡＣと適宜称する）電源が入力フィルタ１および整流回路２によって、ＤＣ電源へ変換される。パルス幅変調制御回路３、トランジスタＱ１、トランスＴ１によってスイッチング電源が構成される。スイッチング素子としてのトランジスタＱ１がパルス幅変調制御回路３の出力パルスによって例えば１００ｋHzでもってスイッチング動作を行う。トランスＴ１の３次巻線Ｎ３に接続されたダイオードＤ１およびコンデンサＣ１の整流出力がパルス幅変調制御回路３の電源として供給される。

１次巻線Ｎ１に流れる電流をトランジスタＱ１が制御し、２次巻線Ｎ２および３次巻線Ｎ３に電力が誘起される。２次巻線Ｎ２から誘起された電圧をダイオードＤ２およびコンデンサＣ２で整流し、整流出力Ｖｏが得られる。整流出力ＶｏがＦＥＴ−Ｆ１、ＦＥＴ−Ｆ２およびトランジスタＴｒ１等で構成されるスイッチ部４を介して出力端子５ａ（＋側）および５ｂ（−側）に取り出される。

出力端子５ａおよび５ｂに２次電池例えばリチウムイオン２次電池ＢＡＴが接続されている。２次電池ＢＡＴは、充電装置に対して装着／離脱可能に取り付けられる。２次電池ＢＡＴが装着／離脱を検出するスイッチＳＷが設けられている。２次電池ＢＡＴが装着されると、スイッチＳＷがオンし、２次電池ＢＡＴが装着されたことを示すＬ（ローレベルを意味する。以下同様）の検出信号Ｂａｔｔがマイクロコンピュータで構成されるコントローラ１１に供給される。

また、整流出力Ｖｏが抵抗Ｒ７および抵抗Ｒ８によって抵抗分圧されてオペアンプＡＭＰ１のー端子に入力される。一方、オペアンプＡＭＰ１の＋端子には基準電圧ＲＥＦ１が入力されており、基準電圧ＲＥＦ１と出力電圧Ｖｏと比較され、基準電圧との誤差信号がダイオードＤ３を介してホトカプラＰＨ１に供給される。

ホトカプラＰＨ１の２次側から１次側に伝達された誤差信号がパルス幅変調制御回路３に供給され、パルス幅変調制御回路３によって、トランジスタＱ１の出力パルスのＯＮ期間を制御して、２次側への電力を制御し、２次側の基準電圧により設定された出力電圧が取り出されるように制御される。

また，出力（充電）電流Ｉｏが抵抗Ｒ２によって検出される。抵抗Ｒ２の負荷側（出力側）端子が抵抗Ｒ５を介してオペアンプＡＭＰ２の−端子に供給される。また、オペアンプＡＭＰ２の＋端子には、基準電圧ＲＥＦ１を抵抗Ｒ４とＲ６とで分圧した電圧が供給され、オペアンプＡＭＰ２の＋端子の電圧を上昇させている。

出力電流Ｉｏが流れることによって、抵抗Ｒ２に出力電流Ｉｏによる電圧降下が生じる。その結果、抵抗Ｒ４とＲ６とで抵抗分圧された電圧が下降する。さらに、出力電流Ｉｏが増加すると、オペアンプＡＭＰ２の＋端子がさらに電圧降下する。オペアンプＡＭＰ２の＋端子は、その−端子と同電圧以下になることによって、オペアンプＡＭＰ２の出力信号がＨ（ハイレベルを意味する。以下同様）からＬに変化する。

オペアンプＡＭＰ２の出力信号がダイオードＤ４およびホトカプラＰＨ１を介してパルス幅変調制御回路３に供給され、電圧制御と同様に、１次側のパルス幅変調回路３によって電力制御が行われる。すなわち、抵抗Ｒ２に流れる電流量によってオペアンプＡＭＰ２の＋端子が電圧降下してその−端子と比較され、抵抗Ｒ２に生じる電圧を一定に制御するように、出力電流量が制御される。このように、出力電流が一定値に制御される。

コントローラ１１に対しては、出力電圧Ｖｏをレギュレータ１２によって安定化した所定の電圧が電源電圧として供給される。また、コントローラ１１に対して充電動作の状態を表すための表示部としてのＬＥＤ(Light Emitting Diode)１３が接続されている。

スイッチ部４は、コントローラ１１が出力するドライブパルス信号ＤＲ１，ＤＲ２，ＤＲ３によって駆動される。２次電池ＢＡＴの装着を検出信号Ｂａｔｔによってコントローラ１１が検出すると、充電動作が開始され、電池電圧Ｖｂａｔｔを監視しながら所定の充電動作がなされる。

上述した充電装置は、定電流充電と定電圧充電とを組合せたＣＣ・ＣＶ(Constant Current Constant Voltage:定電流定電圧)充電方式でもって２次電池ＢＡＴを充電する。
図２は、上述した充電装置の出力特性を示す。横軸が充電電流であり、縦軸が充電電圧である。充電装置は、先ず、例えば１．０Ａの定電流（ＣＣ）充電制御の動作を行い、次に、出力電圧例えば４．２Ｖの定電圧（ＣＶ）充電制御の動作を行う。充電当初の初期充電モードでは、初期充電電流Ｉｆによる充電がなされる。電圧が急速切替電圧例えば２．７Ｖに達すると、急速充電モードに切り替わる。

図３は、充電時の充電電圧および充電電流の時間変化（充電カーブ）を示す。例えば電池電圧が定電圧充電制御電圧（例えば４．２Ｖ）以下の領域では、定電流充電制御が行われ、一定の電流（例えば１．０Ａ）によって定電流充電を行う。充電によって電池電圧（内部起電力）が上昇し、電池電圧が４．２Ｖに達すると、充電装置が定電圧充電制御の動作に切り換わり、次第に充電電流が減少する。そして、充電電流が設定された充電終了検出値Ｉｓに達したことを検出すると、充電終了が検出される。この時点からフロートタイマーを開始してタイムアウトまで充電して電池への充電を停止する。充電終了が検出された時点からも多少の容量の増加が可能なためにフロートタイマーを使用して充電がなされる。

図１の構成において、定電流充電を行っている場合では、オペアンプＡＭＰ２の出力がダイオードＤ４を経由してフォトカプラＰＨ１に供給され、出力電流が定電流となるように電源が制御される。定電流充電では、オペアンプＡＭＰ１の出力よりオペアンプＡＭＰ２の出力が低くなり、オペアンプＡＭＰ２の出力によって電源を制御している。定電圧充電を行っている場合では、オペアンプＡＭＰ１の出力がダイオードＤ３を経由してフォトカプラＰＨ１に供給され、オペアンプＡＭＰ１の出力によって出力電圧Ｖｏが所定の電圧となるように電源が制御される。定電圧充電では、オペアンプＡＭＰ２の出力よりオペアンプＡＭＰ１の出力が低くなり、オペアンプＡＭＰ１の出力によって電源を制御している。

図１の構成における電流検出抵抗Ｒ２の負荷側の一端がコンパレータ６の−端子に接続され、その他端が基準電圧ＲＥＦ２の−側に接続され、基準電圧ＲＥＦ２の＋側がコンパレータ６の＋端子に接続される。抵抗Ｒ２によって充電電流が電圧へ変換され、その電圧が基準電圧ＲＥＦ２と比較される。充電電流が減少すると、コンパレータ６の＋端子の基準電圧の方がその−端子の検出電圧より大となり、コンパレータ６の出力Ｃｓが反転する。コンパレータ６の出力Ｃｓがコントローラ１１に供給され、コントローラ１１が充電終了を検出する。

このように充電終了を検出する従来の充電装置は、基準電圧ＲＥＦ１以外に充電終了検出用の基準電圧ＲＥＦ２を設ける必要があり、また、充電終了検出用のコンパレータ６として、オフセット電圧の小さい高精度オフセットのコンパレータを使用する必要があり，高価な部品を必要とする問題があった。また、充電終了を検出する電流値は、非常に小さい電流であるので、電流検出抵抗の値をある程度大きくする必要がある。しかしながら、その場合には、定電流充電制御を行う場合に検出抵抗における損失が発生する問題が生じる。

さらに、特許文献１には、充電動作において、スイッチ部４（ＦＥＴ−Ｆ１およびＦＥＴ−Ｆ２）を所定周期でＯＦＦし、ＯＦＦしたスイッチ部４の入出力間の電圧差ΔＶ（Ｖｏ−Ｖｂ（２次電池ＢＡＴの開放電圧））が所定電圧差よりも小さくなることを検出して充電を終了することが記載されている。

この場合においては、２次電池ＢＡＴに対する充電電圧が４．２Ｖとした場合、コントローラ１１に対する電源電圧が２．５Ｖと、充電電圧よりも小さい。かかるコントローラ１１としてＡ／Ｄコンバータ付きのマイクロコンピュータを採用した場合、ΔＶの直接の測定が不可能となり、例えばΔＶを抵抗分圧する必要がある。抵抗分圧すると、抵抗値のばらつきや、電源電圧のばらつきによって、ΔＶの値を正確に測定できない問題が生じる。この問題を避けるために、電源電圧を発生するレギュレータ１２および抵抗として精度の高い部品を使用することになり、コストが上昇する問題があった。

したがって、この発明の目的は、充電終了を検出するための構成として高価な部品を必要とせず、ローコストに構成することができる充電装置および充電方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明は、交流入力を直流出力に変換する電源回路により２次電池を充電する場合に、２次電池を定電流で充電する定電流充電モードと、２次電池の端子電圧が所定の電圧に達した時に、定電流充電モードから２次電池を定電圧で充電する定電圧充電モードに移行し、充電電流が充電終了検出電流まで低下した時に、定電圧充電モードから充電終了検出モードに移行するようにした充電装置であって、
定電流充電モードと定電圧充電モードとを判別し、判別信号を生成する判別回路と、
判別信号が供給されると共に、定電流制御の電流として、定電流充電モードにおける電流と、充電終了検出電流とを切り替える制御信号を発生する制御部とを備え、
制御部は、
判別信号により定電流充電モードと判定される時に、制御信号によって、定電流充電モードにおける電流を設定し、
判別信号により定電圧充電モードと判定される時に、間欠的に制御信号によって、充電終了検出電流を設定すると共に、判別信号によって定電流充電モードと定電圧充電モードとを判定する充電終了検出期間が設定され、
充電終了検出期間において判別信号が定電圧充電モードを示すものになると、充電終了検出モードに移行するように制御することを特徴とする充電装置である。
また、この発明は、このように、充電終了検出モードに移行するように制御する充電方法である。

この発明では、定電流充電制御用のオペアンプの出力信号および定電圧充電制御用のオペアンプの出力信号を比較することによって充電終了を検出するので、比較のために、オフセットの小さい高価なコンパレータを使用する必要がなく、ローコストな構成を実現できる。

以下、図４を参照しながらこの発明の一実施形態について説明する。図４に示す充電装置は、上述した図１に示す従来の充電装置を改良した構成を有し、定電流充電と定電圧充電とを組合せたＣＣ・ＣＶ(Constant Current Constant Voltage:定電流定電圧)充電方式でもって２次電池ＢＡＴを充電する。ダイオードＤ２およびコンデンサＣ２により整流された出力電圧Ｖｏがスイッチ部４を介して２次電池ＢＡＴの両端に印加される。

スイッチ部４に含まれるトランジスタＴｒ１、ＦＥＴ−Ｆ１、ＦＥＴ−Ｆ２は、コントローラ１１から出力されるドライブ信号ＤＲ１，ＤＲ２，ＤＲ３によってそれぞれスイッチングされる。コントローラ１１には、２次電池ＢＡＴが装着されているか否かを示すスイッチＳＷの発生する検出信号Ｂａｔｔが供給される。また、直列接続されたＦＥＴ−Ｆ１およびＦＥＴ−Ｆ２の接続点から電池電圧Ｖｂａｔｔが取り出され、電池電圧Ｖｂａｔｔがコントローラ１１に対して供給される。コントローラ１１に対して充電状態を表示するＬＥＤ１３が接続されている。

抵抗Ｒ７、抵抗Ｒ８、オペアンプＡＭＰ１および基準電圧ＲＥＦ１によって出力電圧Ｖｏの変動が検出され、パルス幅変調制御回路３によって、出力電圧Ｖｏが所望の電圧となるように制御される。

抵抗Ｒ２の負荷側（出力側）端子が抵抗Ｒ５を介してオペアンプＡＭＰ２の−端子に供給され、オペアンプＡＭＰ２の＋端子には、基準電圧ＲＥＦ１を抵抗Ｒ４とＲ６とで分圧した電圧が供給され、オペアンプＡＭＰ２の＋端子の電圧を上昇させている。この発明の一実施の形態では、抵抗Ｒ４とＲ６の接続点（オペアンプＡＭＰ２の＋端子）が抵抗Ｒ１３を介してコントローラ１１の制御信号Ｉｓ／Ｉｃの出力端子に接続される。制御信号Ｉｓ／Ｉｃは、後述するように、オープン状態とＬとの両方をとりうるものである。この制御信号Ｉｓ／ＩｃのオープンおよびＬの状態がコントローラ１１内のスイッチ素子で模式的に表されている。

出力（充電）電流Ｉｏが流れることによって、抵抗Ｒ２に出力電流による電圧降下が生じる。その結果、抵抗Ｒ４とＲ６とで抵抗分圧された電圧が下降する。さらに、出力電流Ｉｏが増加すると、オペアンプＡＭＰ２の＋端子がさらに電圧降下する。オペアンプＡＭＰ２の＋端子は、その−端子と同電圧以下になることによって、オペアンプＡＭＰ２の出力信号がＨからＬに変化する。

オペアンプＡＭＰ２の出力信号がダイオードＤ４およびホトカプラＰＨ１を介してパルス幅変調制御回路３に供給され、電圧制御と同様に、１次側のパルス幅変調回路３によって電力制御が行われる。すなわち、抵抗Ｒ２に流れる電流量によってオペアンプＡＭＰ２の＋端子が電圧降下してその−端子と比較され、抵抗Ｒ２に生じる電圧を一定に制御するように、出力電流量が制御される。このように、出力電流が一定値に制御される。

このように、定電流充電を行っている定電流充電モードでは、オペアンプＡＭＰ２の出力がダイオードＤ４を経由してフォトカプラＰＨ１に供給され、出力電流が定電流となるように電源が制御される。定電流充電モードでは、オペアンプＡＭＰ１の出力よりオペアンプＡＭＰ２の出力が低くなり、オペアンプＡＭＰ２の出力によって電源を制御している。定電圧充電を行う定電圧充電モードでは、オペアンプＡＭＰ１の出力がダイオードＤ３を経由してフォトカプラＰＨ１に供給され、オペアンプＡＭＰ１の出力によって出力電圧Ｖｏが所定の電圧となるように電源が制御される。定電圧充電モードでは、オペアンプＡＭＰ２の出力よりオペアンプＡＭＰ１の出力が低くなり、オペアンプＡＭＰ１の出力によって電源を制御している。

この発明の一実施の形態では、オペアンプＡＭＰ１の出力をコンパレータ１６の−端子に供給し、オペアンプＡＭＰ２の出力をコンパレータ１６の＋端子に供給する。コンパレータ１６の出力が定電流充電モードと定電圧充電モードとを示す判別信号ＣＣ／ＣＶとしてコントローラ１１に対して供給される。判別信号ＣＣ／ＣＶは、定電流充電制御時では、コンパレータ１６の＋端子がＬとなり、その−端子がＨとなるので、Ｌとなる。一方、定電圧充電制御時では、コンパレータ１６の＋端子がＨとなり、その−端子がＬとなるので、Ｈとなる。

判別信号ＣＣ／ＣＶを受け取ったコントローラ１１は、ＣＣ／ＣＶ＝Ｈとなると、定電流充電制御から定電圧充電制御に移ったことを認識する。コントローラ１１は、例えば１Ａの定電流による定電流充電制御期間では、オープン状態であり、且つ定電圧充電制御期間では、一定周期例えば３分毎にＬとなる制御信号Ｉｓ／Ｉｃを発生する。

制御信号Ｉｓ／ＩｃがＬとなると、オペアンプＡＭＰ２の＋端子が抵抗Ｒ１３を介して接地される。その結果、抵抗Ｒ６とＲ１３とが並列接続され、オペアンプＡＭＰ２の＋端子に対して供給される基準電圧がより小さな値とされる。制御信号Ｉｓ／ＩｃがＬの状態において、オペアンプＡＭＰ２の＋端子の電圧は、充電終了電流をＩｓとすると、下式で示すものとなる。

充電終了電圧Ｖｓ（抵抗Ｒ２における電圧降下）＝Ｉｓ×Ｒ２

この充電終了電圧Ｖｓと等しい電圧値となるように、オペアンプＡＭＰ２の＋端子の基準電圧が設定される。この場合では、定電流充電制御は、電流Ｉｃ例えば１Ａに充電電流を制御する状態から、充電終了電流Ｉｓ例えば０．１Ａに充電電流を制御する状態に変化する。このように、この発明の一実施の形態では、定電流充電制御の状態として、制御信号Ｉｓ／Ｉｃがオープンの場合で、電流Ｉｃに充電電流を制御する状態（Ｉｃ電流制御）と、制御信号Ｉｓ／ＩｃがＬの場合で、充電終了電流Ｉｓに充電電流を制御する状態（Ｉｓ電流制御）とがある。

図５は、この発明の一実施の形態の出力特性の一例を示す。充電装置は、先ず、例えば１．０Ａの定電流（ＣＣ）充電制御の急速充電動作を行い、次に、出力電圧例えば４．２Ｖの定電圧（ＣＶ）充電制御の動作を行う。充電当初の初期充電モードでは、初期充電電流Ｉｆによる充電がなされる。電圧が急速切替電圧例えば２．７Ｖに達すると、急速充電モードに切り替わる。定電流充電制御時では、定電流値がＩｃ（１．０Ａ）とされ、定電圧充電制御では、定電流値がＩｓ（０．１Ａ）とＩｃ（１．０Ａ）が選択される。

図６は、この発明の他の実施の形態を示す。コンパレータ１６によって判別信号ＣＣ／ＣＶを形成している点は、上述した一実施の形態と同様である。他の実施の形態では、充電電流検出抵抗Ｒ２１に対して直列に充電終了検出抵抗Ｒ２２を接続する。また、抵抗Ｒ２２と並列にスイッチＳＷＷが設けられる。スイッチＳＷＷの一方の入力端子ａが抵抗Ｒ２１およびＲ２２の接続点に接続される。スイッチＳＷＷの他方の入力端子ｂが抵抗Ｒ２２２と２次巻線Ｎ２の接地側端子と接続される。スイッチＳＷＷの出力端子ｃがオペアンプＡＭＰ２の＋端子に接続される。

スイッチＳＷＷがコントローラ１１が出力する制御信号Ｉｓ／Ｉｃによって切り換えられる。上述した一実施の形態と同様に、制御信号Ｉｓ／Ｉｃは、判別信号ＣＣ／ＣＶに基づいて生成され、初期充電モード、並びにＩｃ＝１Ａの定電流による定電流充電制御期間では、オープン状態であり、Ｉｓ＝０．１Ａの定電流による定電流充電制御期間では、Ｌとなる。

制御信号Ｉｓ／Ｉｃがオープンの時に、スイッチＳＷＷの入力端子ａおよび出力端子ｃが接続される。この状態では、充電電流が電流検出抵抗Ｒ２１によって検出される。制御信号Ｉｓ／ＩｃがＬの時に、スイッチＳＷＷの入力端子ｂおよび出力端子ｃが接続される。この状態では、充電電流が検出抵抗Ｒ２１および抵抗Ｒ２２の直列接続の合成抵抗によって検出される。

ここで、抵抗Ｒ２１およびＲ２２の値の設定について説明する。急速充電電流Ｉｃ＝１．０Ａ、充電終了電流値Ｉｓ＝０．１Ａとする。例えばＲ２１＝０．１Ωとすると、急速充電時に、抵抗Ｒ２１で（検出電圧Ｖ２１＝Ｉｃ×Ｒ２１＝１．０Ａ×０．１Ω＝０．１Ｖ）の電圧降下が生じる。この検出電圧Ｖ２１がスイッチＳＷＷの入力端子ａおよび出力端子ｃを介してオペアンプＡＭＰ２の＋端子に入力される。Ｖ２１＝０．１Ｖとなるように、基準電圧ＲＥＦ１および抵抗Ｒ４、Ｒ６によって設定される。以上から充電電流がゼロの場合にオペアンプＡＭＰ２の＋端子を０．１Ｖに設定する。

一方、充電終了電流Ｉｓ＝０．１Ａによって抵抗Ｒ２１およびＲ２２の直列接続に生じる電圧が上述した電圧Ｖ２１と等しい電圧となるように、抵抗Ｒ２２が設定される。抵抗Ｒ２２の設定によって、同一回路構成および同一基準電圧を使用してオペアンプＡＭＰ２が充電終了電流Ｉｓに制御することができる。

すなわち、Ｖ２１＝０．１Ｖ＝０．１Ａ×（Ｒ２１＋Ｒ２２）＝０．１Ａ×１Ωとなる。Ｒ２１＝０．１Ωとしたので、（Ｒ２２＝１Ω−Ｒ２１＝１Ω−０．１Ω＝０．９Ω）となる。このように、（Ｒ２１＝０．１Ω、Ｒ２２＝０．９Ω）と設定される。

上述したこの発明の他の実施の形態は、直列接続された抵抗Ｒ２１およびＲ２２によって充電終了電流Ｉｓを検出するので、電流Ｉｓが小さくても検出電圧を抵抗Ｒ２１のみで検出する場合より大きくすることができる利点がある。

コントローラ１１による充電制御について図７および図８のフローチャートを参照して説明する。図７および図８は、一連の処理を説明するためのフローチャートであるが、作図スペースの制約から２枚の図面に分けたものである。スイッチＳＷによって２次電池ＢＡＴの装着が検出されると、検出信号ＢａｔｔがＬとなり、充電動作が開始する。

ステップＳ１において、ドライブ信号ＤＲ１がＨとされてＦＥＴ−Ｆ１がＯＦＦし、ドライブ信号ＤＲ２がＬとされてＦＥＴ−Ｆ２がＯＮし、ドライブ信号ＤＲ３がＬとされてトランジスタＴｒ１がＯＮする。したがって、トランジスタＴｒ１、抵抗Ｒ１０およびＦＥＴ−Ｆ２を通じて２次電池ＢＡＴが初期充電される。初期充電モードでは、制御信号Ｉｓ／Ｉｃがオープンであり、また、スタンバイ状態では消灯していたＬＥＤ１３が点灯される。

初期充電電流Ｉｆは、下記の式（１）で表される。式（１）において、Ｖｔｒは、トランジスタＴｒ１のエミッタ・コレクタ間電圧である。
Ｉｆ＝（Ｖｏ−Ｖｔｒ）／Ｒ１０ （１）

ステップＳ２において、電池電圧Ｖｂａｔｔが所定電圧例えば２．７Ｖより大となったか否かが判定される。電池電圧Ｖｂａｔｔが所定電圧例えば２．７Ｖより大と判定されると、ステップＳ３の急速充電モード（定電流充電モード）へ移行する。

急速充電モード（ステップＳ３）では、ドライブ信号ＤＲ１がＬとされてＦＥＴ−Ｆ１がＯＮし、ドライブ信号ＤＲ２がＬとされてＦＥＴ−Ｆ２がＯＮし、ドライブ信号ＤＲ３がＨとされてトランジスタＴｒ１がＯＦＦする。したがって、ＦＥＴ−Ｆ１およびＦＥＴ−ＦＦ２を通じて２次電池ＢＡＴが充電される。急速充電モードでは、制御信号Ｉｓ／Ｉｃがオープンであり、ＬＥＤ１３が引き続き点灯する。急速充電モードの動作は、図１に示す従来の充電装置の動作と同様である。

ステップＳ４において、コンパレータ１６の出力に発生する判別信号ＣＣ／ＣＶがＨか否かが判定される。判別信号ＣＣ／ＣＶがＨになると、図８に示すステップＳ５において、充電タイマー（ＣＶタイマー）が開始（起動）されて定電流充電制御から定電圧充電制御に移行する。ＣＶタイマーは、充電時間が長くなりすぎることを防止するためのものである。

ステップＳ６の定電圧充電モードにおいて、ドライブ信号ＤＲ１がＬとされてＦＥＴ−Ｆ１がＯＮし、ドライブ信号ＤＲ２がＬとされてＦＥＴ−Ｆ２がＯＮし、ドライブ信号ＤＲ３がＨとされてトランジスタＴｒ１がＯＦＦする。したがって、ＦＥＴ−Ｆ１およびＦＥＴ−ＦＦ２を通じて２次電池ＢＡＴが充電される。制御信号Ｉｓ／Ｉｃがオープンであり、ＬＥＤ１３が引き続き点灯する。また、Ｉｓタイマーが開始され、間欠的に設定される充電終了検出期間（Ｉｓ検出期間）まで待機する。

ステップＳ７において、Ｉｓタイマーが終了したか否かが判定され、Ｉｓタイマーが終了したと判定されると、ステップＳ８において、処理がＩｓ検出モードに移行する。Ｉｓ検出モードでは、制御信号Ｉｓ／ＩｃがＬとされる。したがって、図４の構成では、オペアンプＡＭＰ２の＋端子が接地される。図６の構成では、スイッチＳＷＷの入力端子ｂと出力端子ｃとが接続される。この切り換えによって、充電電流が急速充電時の電流Ｉｃから充電終了電流Ｉｓに切り換えられる。

ステップＳ９において、ＣＶタイマーが終了したか否かが判定され、ＣＶタイマーが終了したと判定されると、次のステップＳ１０の判定結果にかかわらず、処理がステップＳ１１の充電終了検出モードに移行する。

ＣＶタイマーが終了していないと、ステップＳ１０において、判別信号ＣＣ／ＣＶがＨであるか否かが判定される。判定結果がＣＣ／ＣＶ＝Ｌ（定電流充電制御）の場合は、ステップＳ６に戻り、定電圧充電動作がなされる。判定結果がＣＣ／ＣＶ＝Ｈ（定電圧充電制御）の場合は、ステップＳ１１の充電終了検出モードに処理が移行する。

充電終了検出モードにおいて、ドライブ信号ＤＲ１がＬとされてＦＥＴ−Ｆ１がＯＮし、ドライブ信号ＤＲ２がＬとされてＦＥＴ−Ｆ２がＯＮし、ドライブ信号ＤＲ３がＨとされてトランジスタＴｒ１がＯＦＦし、フロート充電のタイマー（フロートタイマー）が開始する。したがって、ＦＥＴ−Ｆ１およびＦＥＴ−ＦＦ２を通じて２次電池ＢＡＴが充電される。充電終了検出モードにおいては、制御信号Ｉｓ／Ｉｃがオープンであり、また、ＬＥＤ１３が消灯される。ユーザに対して充電の終了がＬＥＤ１３の消灯によって通知される。

ステップＳ１２において、フロートタイマーが終了（タイムアウト）したか否かが判定される。フロートタイマーが終了したと判定されると、ステップＳ１３の充電停止モードへ移行する。充電停止モードでは、ドライブ信号ＤＲ１がＨとされてＦＥＴ−Ｆ１がＯＦＦし、ドライブ信号ＤＲ２がＨとされてＦＥＴ−Ｆ２がＯＦＦし、ドライブ信号ＤＲ３がＨとされてトランジスタＴｒ１がＯＦＦする。スイッチ部４のＯＦＦによって、充電電流が遮断され、２次電池ＢＡＴに対する充電が停止する。充電停止モードにおいては、制御信号Ｉｓ／Ｉｃがオープンであり、また、ＬＥＤ１３は、消灯状態である。

この発明の動作についてさらに図９の充電カーブを参照して説明する。図９に示すように、電池電圧が定電圧充電制御電圧（例えば４．２Ｖ）以下の領域では、定電流充電制御が行われ、一定の充電電流（例えば１．０Ａ）によって定電流充電を行う。充電によって電池電圧（内部起電力）が上昇し、電池電圧Ｖが４．２Ｖに達すると、判別信号ＣＣ／ＣＶがＨとなり、充電装置が定電圧充電制御の動作に切り換わり、次第に充電電流が減少する。

定電圧充電モードでは、コントローラ１１によって所定の周期毎（間欠的）に制御信号Ｉｓ／ＩｃをオープンからＬとし、Ｉｃ制御モードからＩｓ制御モードに切り替わる。Ｉｓ制御モードにおいて、充電終了検出電流（０．１Ａ）以上の充電電流が流れている場合には、オペアンプＡＭＰ２の出力がオペアンプＡＭＰ１の出力より低くなり、充電電流を電流Ｉｓに下げるように電流制御がなされる。したがって、コンパレータ１６から出力される判別信号ＣＣ／ＣＶもＬである。コントローラ１１は、上述したフローチャートにおけるステップＳ１０の判定結果が否定であるため、充電終了電流に充電電流がなっていないことを認識し、ステップＳ６に戻り、Ｉｓタイマーで規定される時間例えば３分間の定電圧充電制御が引き続きなされる。

図１０は、図９中の丸で囲んだ部分を拡大して示す。Ｉｓタイマーによって３分周期でＩｓ制御モードがなされる。Ｉｓ制御モードの期間は、判別信号ＣＣ／ＣＶが生成され、判別信号ＣＣ／ＣＶのＨ／Ｌをコントローラ１１が判定できる時間を確保できる長さとされている。

以上の動作が繰り返されて充電電流が充電終了電流Ｉｓまで低下すると、オペアンプＡＭＰ２の出力がオペアンプＡＭＰ１の出力より高くなり、コンパレータ１６から出力される判別信号ＣＣ／ＣＶがＨとなる。コントローラ１１は、上述したフローチャートにおけるステップＳ１０の判定結果が肯定であるため、ステップＳ１１の充電終了検出モードに移行する。このように充電終了状態を検出したとしても、電池によっては、多少の充電量を蓄積できる場合があり、その場合には、フロートタイマーが開始されてそのタイムアウトまで充電が続行されてから電池への充電を完全に停止する。

図１１は、ＣＣ／ＣＶ判別のための構成の他の例を示し、関連する回路部分のみを示す。上述したように、定電流充電制御においては、オペアンプＡＭＰ２の出力がＬで、オペアンプＡＭＰ１の出力がＨとなっている。ＰＮＰ型のトランジスタＱ２のエミッタが出力電圧Ｖｏの出力される端子に接続され、そのベースがオペアンプＡＭＰ２の出力端子に接続される。トランジスタＱ２のコレクタから判別信号ＣＣ／ＣＶが取り出され、判別信号ＣＣ／ＣＶがコントローラ１１に供給される。

定電流充電制御においては、オペアンプＡＭＰ２の出力がＬとなると、トランジスタＱ２がＯＮし、コレクタに発生する判別信号ＣＣ／ＣＶがＨとなる。定電圧充電制御においては、オペアンプＡＭＰ２の出力がＨであるため、トランジスタＱ２がＯＦＦしている。このように、コンパレータ１６に代えてトランジスタＱ２によって判別信号ＣＣ／ＣＶを発生することができ、よりローコストな回路構成とすることができる。

上述した図４に示すこの発明の一実施の形態は、下記の効果を奏する。
充電電流が減少し、充電終了電流になったことで充電終了を検出する場合、充電終了電流が小さいために、従来では、検出用のコンパレータとしてオフセット電圧が小さい高精度のコンパレータを採用する必要があった。この発明は、定電流充電制御のためのオペアンプＡＭＰ２および定電圧充電制御のためのオペアンプＡＭＰ１の出力信号を比較するコンパレータを使用するので、通常のオフセットのコンパレータを使用することができ、ローコストの構成とできる。また、基準電圧源を別個に必要としない利点がある。

上述した図６に示すこの発明の他の実施の形態は、上述した一実施の形態の奏する効果に加えて下記の効果を奏する。
定電流充電制御のための電流検出抵抗Ｒ２１に対して直列に抵抗Ｒ２２を接続し、この直列回路の抵抗（Ｒ２１＋Ｒ２２）に発生する電圧によって充電終了を検出するように切り替えるので、内部の基準電圧の値を変更する必要がなく、一般的な基準電圧源を使用することができる。

さらに、この発明の一実施の形態および他の実施の形態では、充電保護タイマー（定電圧充電制御タイマー）を電池の容量値によって切り替えることを不要とできる。充電開始時点から充電保護タイマーを開始した場合には、電池容量に応じてタイマーの期間を設定する必要がある。これに対して、この発明では、定電流充電制御から定電圧充電制御に切り替わった時点から充電保護タイマーを開始するので、このような容量に応じてタイマーの計測時間を変更することが不要となる。

以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、一実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。例えば複数本の２次電池を充電しても良く、充電電圧および充電電流を出力する電源回路としては、一実施の形態に示される構成以外のものを使用しても良い。

従来の充電装置の一例の接続図である。 従来の充電装置の出力特性を示す略線図である。 従来の充電装置の充電時の電圧および電流変化を示す略線図である。 この発明の一実施形態による充電装置の接続図である。 この発明の出力特性を説明するための略線図である。 この発明の他の実施の形態による充電装置の接続図である。 この発明の一実施形態および他の実施の形態の動作の流れを説明するためのフローチャートの一部である。 この発明の一実施形態および他の実施の形態の動作の流れを説明するためのフローチャートの他の部分である。 この発明の一実施の形態の動作を説明するための充電時の電圧および電流変化を示す略線図である。 図９の一部を拡大して示す略線図である。 この発明における判別信号ＣＣ／ＣＶを発生するための構成の変形例を示す接続図である。

符号の説明

２ 整流回路
３ パルス幅変調制御回路
４ スイッチ部
５ａ ＋側電源出力端子
５ｂ −側電源入力端子
１６ コンパレータ
１１ コントローラ
ＢＡＴ ２次電池
ＡＭＰ１，ＡＭＰ２ オペアンプ
ＳＷ，ＳＷＷ スイッチ

Claims (6)

1. 交流入力を直流出力に変換する電源回路により２次電池を充電する場合に、上記２次電池を定電流で充電する定電流充電モードと、上記２次電池の端子電圧が所定の電圧に達した時に、上記定電流充電モードから上記２次電池を定電圧で充電する定電圧充電モードに移行し、充電電流が充電終了検出電流まで低下した時に、上記定電圧充電モードから充電終了検出モードに移行するようにした充電装置であって、
   上記定電流充電モードと上記定電圧充電モードとを判別し、判別信号を生成する判別回路と、
   上記判別信号が供給されると共に、定電流制御の電流として、上記定電流充電モードにおける電流と、上記充電終了検出電流とを切り替える制御信号を発生する制御部とを備え、
   上記制御部は、
   上記判別信号により上記定電流充電モードと判定される時に、上記制御信号によって、上記定電流充電モードにおける電流を設定し、
   上記判別信号により上記定電圧充電モードと判定される時に、間欠的に上記制御信号によって、上記充電終了検出電流を設定すると共に、上記判別信号によって定電流充電モードと定電圧充電モードとを判定する充電終了検出期間が設定され、
   上記充電終了検出期間において上記判別信号が上記定電圧充電モードを示すものになると、上記充電終了検出モードに移行するように制御することを特徴とする充電装置。
2. 第１の抵抗と、第２の抵抗とが直列に充電電流の電流路に挿入され、
   上記制御部は、
   上記定電流充電モードにおける電流を設定する場合には、上記第１の抵抗に発生する第１の検出電圧によって定電流制御を行い、
   上記充電終了検出期間においては、上記第１の抵抗および上記第２の抵抗の直列合成抵抗に発生する第２の検出電圧によって定電流制御を行うように切り替えることを特徴とする請求項１記載の充電装置。
3. 上記制御部は、上記定電圧充電モードに移行した時に、充電タイマーを開始し、上記充電タイマーが終了すると、上記充電終了検出モードに移行することを特徴とする請求項１記載の充電装置。
4. 上記制御部は、上記充電終了検出期間において上記判別信号が上記定電圧充電モードを示すものになると、上記充電終了検出モードに移行し、上記充電終了検出モードにおいて、フロート充電タイマーを開始して充電を継続し、上記フロート充電タイマーが終了すると、充電を完全に停止することを特徴とする請求項１記載の充電装置。
5. 上記定電圧充電モードにおいて、上記電源回路の出力電圧制御を行う第１の出力信号を発生する第１の比較回路と、上記定電流充電モードにおいて、上記電源回路の出力電流制御を行う第２の出力信号を発生する第２の比較回路を有し、
   上記定電圧充電モードと上記定電流充電モードの間で、上記第１および第２の出力信号の大小関係が反転するものとされ、
   上記判別回路が上記第１および第２の出力信号が入力される第３の比較回路により構成される請求項１記載の充電装置。
6. 交流入力を直流出力に変換する電源回路により２次電池を充電する場合に、上記２次電池を定電流で充電する定電流充電モードと、上記２次電池の端子電圧が所定の電圧に達した時に、上記定電流充電モードから上記２次電池を定電圧で充電する定電圧充電モードに移行し、充電電流が充電終了検出電流まで低下した時に、上記定電圧充電モードから充電終了検出モードに移行するようにした充電方法であって、
   判別回路によって、上記定電流充電モードと上記定電圧充電モードとを判別するための判別信号が形成され、
   制御部によって、定電流制御の電流として、上記定電流充電モードにおける電流と、上記充電終了検出電流とを切り替える制御信号が形成され、
   上記判別信号によって上記定電流充電モードと判定される時に、上記制御信号によって、上記定電流充電モードにおける電流が設定され、
   上記判別信号によって上記定電圧充電モードと判定される時に、間欠的に上記制御信号によって、上記充電終了検出電流が設定されると共に、上記判別信号によって定電流充電モードと定電圧充電モードとを判定する充電終了検出期間が設定され、
   上記充電終了検出期間において上記判別信号が上記定電圧充電モードを示すものになると、上記充電終了検出モードに移行するように制御することを特徴とする充電方法。

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