JP2008187790A - 充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムイオン二次電池等の二次電池を定電流・定電圧充電するための充電装置において、長寿命を維持するための充電電圧モードが設定可能な充電装置を提供する。
【解決手段】充電装置２００は、充電電流制御回路６０と、充電電圧制御回路１００と、充電電圧制御回路１００に関連して設けられた充電電圧を設定するための充電電圧設定回路１００ｂとを具備し、充電電圧設定回路１００ｂは、第１の分圧抵抗手段Ｒ１および第２の分圧抵抗手段Ｒ２を具備し、第１の分圧抵抗手段Ｒ１の抵抗値Ｒ１と前記第２の分圧抵手段Ｒ２の抵抗値Ｒ２との分圧比を可変させることによって充電電圧を第１の設定電圧モード（通常モード）または第２の設定電圧モード（長寿命モード）のいずれか一方を選択できるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池等の二次電池を定電流・定電圧充電するための充電装置に関し、特に、充電電圧モードが設定可能な充電装置に関する。

コードレス電動工具を駆動する電源として、ニッケル水素電池やニカド電池等の比較的高容量化された二次電池が使用されている。また、高容量化および軽量化された二次電池として、リチウムイオン電池が実用化されている。リチウムイオン電池のセル公称電圧は、広く実用に供されているニッケル水素電池やニカド電池に対して約３倍と比較的高く、かつ小形軽量であるという特徴を有する。さらに、放電効率も良く、比較的低温環境の中でも放電が可能で、広い温度範囲で安定した電圧を得ることができる特徴を有する。

コードレス電動工具等の電源に用いられているニッケル水素電池やニカド電池等の電池パックを充電する充電装置においては、充電を早く完了させたい場合、大きな充電電流により短時間で充電を行う急速充電モードを採用し、急速充電モードより電池の長寿命化を図りたい場合、小さい充電電流で長時間かけて充電を行う長時間充電モードを採用する充電装置が特許文献１に提案されている。

特開２００５−７３４３４号公報

従来の充電装置においては、電池の長寿命化を優先して長時間充電モードで充電する場合、小さい充電電流で充電を行うので、充電時間が長くかかるという問題がある。特に、ニッケル水素電池やニカド電池では定電流充電制御方式を採用するために、電池の長寿命化を図るには、電池の寿命に影響を与える要因の一つである充電時の発熱を抑制するように充電電流を小さくして長時間かけて充電を行うのが一般的である。

一方、リチウムイオン電池は、一般的には定電流・定電圧充電制御方式を採用して充電を行うので、定電流充電時の発熱は比較的少ないために電池の寿命に比較的影響を与えない。特に電池の寿命に大きな影響を与えるのは、定電圧充電時の充電電圧値である。一般的にリチウムイオン電池の充電電圧はセル当り４．２Ｖに設定する。しかし、この値を超えた値で充電を行う場合はリチウムイオン電池の寿命は大幅に劣化し、逆に、４．２Ｖ以下の例えば４．１Ｖに設定した場合は、電池容量が若干低下するものの、電池寿命は向上することが見出された。

したがって、本発明の目的は、リチウム電池の寿命が定電流充電後における定電圧充電時の充電電圧の大きさに依存することに着目し、充電時間をかけることなく、電池の寿命向上に効果のある充電方式を選択できる充電装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に従って開示される発明のうち、代表的なものの特徴を説明すれば、次のとおりである。

本発明の一つの特徴によれば、二次電池を充電するための充電装置であって、前記二次電池に対して定電流を通電した後に、定電圧を印加する定電流・定電圧充電制御方式の充電装置において、前記定電流を通電するための充電電流制御回路と、前記定電圧を印加するための充電電圧制御回路と、前記充電電圧制御回路に関連して設けられた充電電圧を設定するための充電電圧設定回路と、前記充電電圧設定回路の設定電圧を、少なくとも第１の設定電圧値および該第１の設定電圧値より低い第２の設定電圧値を含む複数モードの設定電圧値のうちの一つに選択するための充電電圧選択手段とを具備し、前記充電電圧制御回路は、前記充電電圧に対応する入力電圧を基準電圧と比較して充電電圧を制御するための制御信号を出力する電圧比較器を具備し、前記充電電圧設定回路は、前記電圧比較器の前記入力電圧または前記基準電圧を設定するための互いに直列接続された第１の分圧抵抗手段および第２の分圧抵抗手段を具備し、かつ前記第２の分圧抵抗手段に分圧された分圧電圧を前記電圧比較器の前記入力電圧または前記基準電圧として印加するように構成し、前記充電電圧選択手段は、前記第１の分圧抵抗手段の抵抗値と前記第２の分圧抵手段の抵抗値との分圧比に基づいて前記入力電圧または前記基準電圧を可変させることによって、前記充電電圧を前記複数モードの設定電圧値のいずれか一つに選択する。

本発明の他の特徴によれば、前記充電電圧設定回路の前記第１の分圧抵抗手段は、前記第１の設定電圧値を設定するための第１の抵抗と、該第１の抵抗に第１のスイッチング素子を介して並列接続されて前記第２の設定電圧値を設定するための第２の抵抗とを有し、前記充電電圧選択手段は、前記第１のスイッチング素子をオンまたはオフさせるためのスイッチ手段から成る。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記充電電圧選択手段は、前記第１の抵抗に前記第２の抵抗を並列接続して前記第２の設定電圧値を設定した場合、充電電圧が前記第２の設定電圧値であることを表示するための表示手段を点灯させる。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記充電電流制御回路は、少なくとも第１の設定電流値および該第１の設定電流値より低い第２の設定電流値を含む複数モードの設定電流値のうちの一つを選択することができる充電電流選択手段を具備する。

本発明の上記特徴によれば、二次電池の寿命向上に効果のある比較的短時間による充電方式を選択可能な充電電圧設定手段を有する充電装置を提供することができる。

本発明の上記および他の目的、ならびに上記および他の特徴および利点は、以下の本明細書の記述および添付図面からさらに明らかとなるであろう。

以下、本発明の一実施形態について、図１および図２を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態に係る充電装置２００の回路図を示す。図１において、充電装置２００によって充電すべき電池パック（二次電池）２は、単数または直列接続された複数の充電可能な、例えばリチウムイオン電池セル２ａと、直列接続される電池セル２ａのセル数を判別するためのセル数判別抵抗７と、電池パック２内の電池温度を検出するために、電池セル２ａに接触または近接して配置されたサーミスタ等の温度検出センサとして機能する感温素子８とから構成されている。例えば、本実施形態の電池パック２は、電池セル２ａが１セルのリチウムイオン電池（公称電圧３．６Ｖ）から成り、感温素子８としてサーミスタが使用されている。セル数判別抵抗７は、直流電圧（安定化直流電圧）Ｖｃｃを、セル数判別回路を構成する検出用抵抗９と分圧し、その検出電圧によりセル数を判別する。

電池パック２の感温素子８は、直流電圧Ｖｃｃが給電された直列抵抗８１および８２から成る電池温度検出回路８０に接続され、抵抗値の温度変化を電圧に変換し、後述するマイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５２に入力される。電池パック２の正極端子は、抵抗９１と抵抗９２の分圧回路から成る電池電圧検出回路９０に接続されている。

（充電電源回路１６０）
電池パック２に充電電力を供給するための充電電源回路１６０は、１次側整流平滑回路１０と、高周波トランス２１を含むスイッチング回路２０と、２次側整流平滑回路３０とから成るスイッチング電源回路により構成される。

１次側整流平滑回路１０は全波整流回路１１と平滑用コンデンサ１２とから成り、商用交流電源等の交流電源１を全波整流する。

スイッチング回路２０は、高周波トランス２１と、トランス２１の１次巻線２１ａに直列接続されたＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）２２と、ＭＯＳＦＥＴ２２のゲート電極に印加する駆動パルス信号のパルス幅を変調させるためのＰＷＭＩＣ（スイッチング制御ＩＣ）２３とを備える。

ＰＷＭＩＣ２３の駆動電源は、整流平滑回路（直流電源回路）６から供給される。この整流平滑回路６は、トランス６ａと、整流用ダイオード６ｂと、平滑用コンデンサ６ｃとから構成される。ＰＷＭＩＣ２３には、ホトカプラから成る充電帰還信号伝達手段５を介して充電電圧制御信号および充電電流制御信号が入力される。また、ＰＷＭＩＣ２３には充電の開始および停止を制御するための充電制御信号が、ホトカプラから成る充電制御伝達手段４を介して入力される。

ＰＷＭＩＣ２３は、ホトカプラ（充電制御伝達手段）４によって、マイコン５０より供給される制御信号によってＭＯＳＦＥＴ２２の充電動作の開始および停止を制御し、かつホトカプラ（充電帰還信号伝達手段）５によって供給される制御信号によってＭＯＳＦＥＴ２２のゲート電極に供給する駆動パルス幅を変えることによって、ＭＯＳＦＥＴ２２のオン時間を制御し、２次側整流平滑回路３０の出力電圧と電池パック２の充電電流を調整する。

２次側整流平滑回路３０はトランス２１の２次巻線２１ｃに接続された整流用ダイオード３１、平滑用コンデンサ３２および放電用抵抗３３から成る。

定電圧電源回路４０は、マイコン５０、オペアンプ６１、６５等の各種の制御回路（検出回路を含む）へ安定化直流電圧Ｖｃｃを供給するために設けられている。定電圧電源回路４０は、トランス４１ａ〜４１ｃと、スイッチング電源を構成するスイッチング素子４２および制御用素子４３と、整流用ダイオード４４と、３端子レギュレータ４６と、３端子レギュレータ４６の入力側に接続された平滑用コンデンサ４５と、３端子レギュレータ４６の出力側に接続された平滑用コンデンサ４７とから構成され、定電圧Ｖｃｃを出力する。定電圧電源回路４０の定電圧出力側には、商用電源１が充電装置２００に投入された時にリセット信号を出力するためのリセットＩＣ４８が接続される。

（制御回路装置５０）
制御回路装置（マイコン）５０は、電池温度検出回路８０の出力信号に基づく電池温度の判定、電池電圧検出回路９０の出力信号に基づく電池電圧の判定、充電電源回路１６０への制御信号の出力、後述する充電電流制御回路６０および充電電圧制御回路１００への制御信号の出力等を実行するために設けられる。マイコン５０は、制御プログラムを実行するＣＰＵ（中央処理装置）５１の他に、図示されていないが、ＣＰＵ５１の制御プログラム、電池パック２の電池種に関するデータ等を格納するリード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵ５１の作業領域やデータの一時記憶領域等として利用されるランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、およびタイマ等を具備している。

さらに、マイコン５０は、上記したセル数検出抵抗９、電池電圧検出回路９０、電池温度検出回路８０等によって検出されたアナログ入力信号をデジタル出力信号に変換するためのＡ／Ｄコンバータ５２と、後述する充電電圧制御回路１００へ制御信号を出力するための出力ポート５１ｂと、表示回路の制御信号を出力するための出力ポート５１ａと、充電モード選択回路１５０の出力信号を入力するための入力ポート５３と、リセットＩＣ４８のリセット信号を入力するためのリセット入力ポート５４とを具備する。

（充電電流制御回路６０および充電電流設定回路７０）
充電電流制御回路６０は、オペアンプ（演算増幅器）６１および６５と、オペアンプ６１および６５の入力抵抗６２および６４と、オペアンプ６１および６５の帰還抵抗６３および６６と、ダイオード６８および電流制限用抵抗６７からなる出力回路とから構成された演算増幅回路を含む。充電電流制御回路６０の入力段は、電池パック２の充電電流を検出するための充電電流検出抵抗３に接続される。また、その出力段は、上述したように、ホトカプラから成る充電帰還信号電伝達手段５を介してＰＷＭＩＣ２３を制御する。オペアンプ（電圧比較器）６５の一方の入力端子（＋）には、充電電流設定回路７０が接続される。一方、オペアンプ６１の出力電圧は、充電電流値を監視するために、Ａ／Ｄコンバータ５２に入力されて、マイコン５０によって充電電流値が計測される。マイコン５０は、オペアンプ６１の出力によって、満充電時等の電流値の低下も計測する。

充電電流設定回路７０は、充電電流を「第１の充電電流モード」、「第２の充電電流モード」、および「第３の充電電流モード」を択一的に設定するために設けられている。この設定回路７０は、安定化直流電圧Ｖｃｃに接続された抵抗７１と抵抗７２の直列回路（分圧回路）と、抵抗７２に並列接続される抵抗７３および抵抗７４とを具備する。電圧比較器６５の入力端子（＋）に異なる充電電流に対応する基準電圧を供給することにより、所望の充電電流を設定する。本実施例によれば、マイコン５０の動作に基づいて抵抗７２に抵抗７３または抵抗７４を並列接続することにより、３つの充電電流モードを設定する。

例えば、マイコン５０により抵抗７１に直列接続される抵抗を抵抗７２単独と制御した場合は「第１の充電電流モード」と設定し、抵抗７１に直列接続される抵抗を抵抗７２と抵抗７３の並列接続抵抗と制御した場合は「第２の充電電流モード」と設定する。さらに、抵抗７１に直列接続される抵抗を抵抗７２と抵抗７４の並列接続抵抗と制御した場合は「第３の充電電流モード」と設定する。この場合、「第１の充電電流モード」、「第２の充電電流モード」および「第３の充電電流モード」の順にしたがって充電電流値が小さくなるものとする。

充電電流制御回路６０により、充電電流検出抵抗３に流れる充電電流に基づく電圧降下を抵抗６２、６３およびオペアンプ６１によって反転増幅させ、その出力電圧と、充電電流設定回路７０によって設定された充電電流値に対応する設定電圧値（設定充電信号）との差を電圧比較器として機能するオペアンプ６５によって増幅し、充電帰還信号伝達手段５を介してＰＷＭＩＣ２３に帰還をかけＭＯＳＦＥＴ２２のスイッチング動作を制御する。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ２２は、電流検出手段３に流れる充電電流が所定の充電電流より大きい場合はパルス幅を狭めた出力パルスを高周波トランス２１に与え、逆に充電電流が所定の充電電流より小さい場合はパルス幅をより広げたパルスを高周波トランス２１に与える。これによって、２次側整流平滑回路３０は、所定の充電電流に対応する直流電圧に平滑し、電池パック２の充電電流を充電電流設定回路７０によって設定した所定電流に保持する。言い換えれば、電流検出手段３、充電電流制御回路６０、充電帰還信号伝達手段５、スイッチング回路２０および２次側整流平滑回路３０は、充電電流設定回路７０によって設定された設定充電電流値となるように電池パック２に流れる充電電流を制御する。

（充電電圧制御回路１００）
充電電圧制御回路１００は、電池パック２の充電電圧を制御するための回路で、アノード端子ａ、カソード端子ｋおよびリファレンス端子ｒを持つ周知のシャントレギュレータ１０９と、シャントレギュレータ１０６のリファレンス端子ｒに接続された充電電圧設定回路１００ｂとを具備する。シャントレギュレータ１０９の等価回路は、図２に示すように、オペアンプ（電圧比較器）Ｏｐと、電流パス用トランジスタＴｒと、ツェナダイオード等を含む基準電圧源Ｖｒｅｆとから構成されている。

図２に示すように、シャントレギュレータ１０９のリファレンス端子（比較入力端子）ｒには、電池パック２の正極端子との間に、抵抗１０１〜１０３、１０５によって構成された第１の分圧抵抗手段Ｒ１が接続される。また、電池パック２の負極端子（接地端子）との間に、抵抗１１０、１１１、１１２、１１３によって構成された第２の分圧抵抗手段Ｒ２が接続される。シャントレギュレータ１０９のカソード端子ｋには、電流制限用抵抗１２３とダイオード１２４が接続され、シャントレギュレータ１０９のリファレンス端子ｒとカソード端子ｋとの間には、位相補償用抵抗１０７およびコンデンサ１０８が接続される。

シャントレギュレータ１０９は、リファレンス端子（電圧比較入力端子）ｒに接続される第１の分圧抵抗手段Ｒ１の合成抵抗値をＲ１、第２の分圧抵抗手段Ｒ２の合成抵抗値をＲ２、およびシャントレギュレータの内部基準電圧源（ツェナダイオード）をＶｒｅｆ（例えば、２．５Ｖ）とすれば、シャントレギュレータ１０９の機能によって調整される出力充電電圧Ｖｏは、Ｖｏ≒Ｖｒｅｆ＊（１＋Ｒ１／Ｒ２）となる。従って、分圧比Ｒ１／Ｒ２を可変とすることにより充電電圧Ｖｏを調整することができる。

（充電電圧モードの設定回路Ｒ１）
本発明によれば、「充電電圧モード」の切換えは、第１の分圧抵抗手段Ｒ１の抵抗値Ｒ１を可変させることにより行う。すなわち、抵抗値Ｒ１を可変させることによって、比較的急速な充電を目的とした通常の第１の充電電圧モード（例えば、「通常充電モード」と称する）か、前記第１の充電電圧モードより低い充電電圧によって長寿命を維持するための充電を目的とした第２の充電電圧モード（例えば、「エコ充電モード」と称する）の少なくとも２つの充電電圧モードを設定できるように構成する。さらに、必要に応じてより長寿命を維持するための充電を目的とした第３の充電電圧モード（例えば、「超エコ充電モード」と称する）が設定できるように構成する。すなわち、第３の充電電圧モードは第２の充電電圧モードより低い充電電圧に設定され、第２の充電電圧モードは第１の充電電圧モードより低い充電電圧に設定される。

これらの「充電電圧モード」の切換えのために、第１の分圧抵抗手段Ｒ１を構成する抵抗１０２はスイッチング素子（ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ）１０４を介して抵抗１０１に並列接続され、さらに、抵抗１０５はスイッチング素子（ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ）１０６を介して抵抗１０１に並列接続される。各スイッチング素子１０４、１０６は、マイコン５０の出力ポート５１ｂの制御信号により、オフ状態から択一的にオン状態に制御される。これによって、上記第１の充電電圧モードを選択する場合は、スイッチング素子１０４および１０６はオフ状態とされて、抵抗１０１のみが選択される。また、上記第２の充電電圧モードを選択する場合はスイッチング素子１０４のみがオンされて、抵抗１０２が抵抗１０１に並列接続される。さらに、上記第３の充電電圧モードを選択する場合はスイッチング素子１０６が択一的にオンされて、抵抗１０５が抵抗１０１に並列接続される。合成抵抗値Ｒ１は第１の充電電圧モード、第２の充電電圧モードおよび第３の充電電圧モードの順に小さくなって、各出力充電電圧Ｖｏは順に低くなる。

（セル数による充電電圧の設定回路Ｒ２）
一方、本実施形態によれば、充電すべき電池パック２のセル数の違いに対応する充電電圧の調整は、第２の分圧抵抗手段Ｒ２の合成抵抗値（Ｒ２）を可変させて行う。すなわち、セル数が多い場合で充電電圧を高くしたいときは、合成抵抗値Ｒ２をより小さく設定する。このために、第２の分圧抵抗手段Ｒ２を構成する抵抗１１１はスイッチング素子（ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ）１１４を介して抵抗１１０に並列接続される。同様に、抵抗１１２はスイッチング素子（ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ）１１５を介して抵抗１１０に並列接続され、さらに、抵抗１１３はスイッチング素子（ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ）１１６を介して抵抗１１０に並列接続される。各スイッチング素子１１４、１１５、１１６のゲート端子は、各抵抗１１８、１２０、１２２を介してマイコン５０の出力ポート５１ｂに接続されている。なお、各スイッチング素子１１４、１１５、１１６のゲート端子にはバイアス用抵抗１１７、１１９、１２１が接続されている。

各スイッチング素子１１４、１１５、１１６は、マイコン５０の制御信号により、オフ状態から択一的にオン状態に制御される。マイコン５０は、セル数を表す抵抗７とセル数検出抵抗９による分圧回路の出力電圧を、Ａ／Ｄコンバータ入力ポート５２より自動的に取り込み、セル数に対応して各スイッチング素子１１４、１１５、１１６を択一的にオン状態に制御する。

例えば、抵抗１０１およびポテンショメータ１０３の直列合成抵抗値Ｒ１と、抵抗１１０による抵抗値Ｒ２とによって決定される分圧比Ｒ１／Ｒ２は、「２セル」のリチウムイオン電池の設定値とする。「３セル」リチウムイオン電池を充電するための設定値Ｒ２は、ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）１１４をオンさせて抵抗１１１を抵抗１１０に並列接続した合成抵抗値とする。同様に、「４セル」のリチウムイオン電池を充電するための設定値Ｒ２は、ＭＯＳＦＥＴ１１５をオンさせて抵抗１１２を抵抗１１０に並列接続した合成抵抗値とする。さらに、「５セル」のリチウムイオン電池を充電するための設定値Ｒ２は、ＭＯＳＦＥＴ１１６をオンさせて抵抗１１３を抵抗１１０に並列接続した合成抵抗値とする。このように、本実施例に従えば、セル数の違いに対応する充電電圧の調整は、第２の分圧抵抗手段Ｒ２の合成抵抗値Ｒ２を可変させて行う。

（充電モード選択回路１５０）
充電モード選択回路１５０は、上記「第１の充電電圧モード」乃至上記「第３の充電電圧モード」を択一的に選択するために設けられている。さらに、上記「第１の充電電流モード」乃至上記「第３の充電電流モード」を択一的に選択するために設けられている。

充電モード選択回路１５０は、押しボタンスイッチ１５２と抵抗１５１とから成る第１のモード入力スイッチ回路１５０ａと、押しボタンスイッチ１５４と抵抗１５３とから成る第２のモード入力スイッチ回路１５０ｂとを具備する。押しボタンスイッチ１５２および１５４は、通常状態でオフ状態のノーマルオフスイッチで、スイッチを押圧したときのみにオンするモーメンタリオンスイッチから構成される。

押しボタンスイッチ１５２と抵抗１５１とから成る第１のモード入力スイッチ回路１５０ａは、「充電電圧モード」を切換えるために設けられており、ボタンスイッチ１５２が押されると、マイコン５０の入力ポート５３にはロー信号が入力され、押圧された所定回数に従ってマイコン５０の出力ポート５１ｂには、ＭＯＳＦＥＴ１０４または１０６をオンさせるためのロー信号を出力し、またはＭＯＳＦＥＴ１０４および１０６の両者をオフさせるためのハイ信号を出力する。もし、ＭＯＳＦＥＴ１０４またはＭＯＳＦＥＴ１０６がオンされれば、抵抗１０２または抵抗１０５が抵抗１０１に並列接続されて合成抵抗値Ｒ１が抵抗１０１単独の場合に比べ小さく設定され、充電電圧を低く設定できる。また、ＭＯＳＦＥＴ１０４および１０６の両者をオフさせることによって抵抗１０１を単独で使用できる。これによって、例えば、１回の押圧回数は「第１の充電電圧モード」、２回の押圧回数は「第２の充電電圧モード」、３回の押圧回数は「第３の充電電圧モード」と判定し、判定回数に従って上記したスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）１０４または１０６をオン状態またはオフ状態に制御できる。

一方、押しボタンスイッチ１５４と抵抗１５３とから成る第２のモード入力スイッチ回路１５０ｂは、充電電流を「第１の充電電流モード」、「第２の充電電流モード」、および「第３の充電電流モード」を択一的に設定するために設けられている。上記充電電圧モードの設定と同様に、押しボタンスイッチ１５４の押圧回数をマイコン５０が検知することによって、マイコン５０の出力ポート５１ｂより抵抗７２に抵抗７３または抵抗７４を並列接続し、または両者の抵抗７３および７４を切り離すことにより、３つの充電電流モードを設定する。例えば、１回の押圧回数は「第１の充電電流モード」、２回の押圧回数は「第２の充電電流モード」、３回の押圧回数は「第３の充電電流モード」と判定し、異なる判定回数に従って抵抗７３または抵抗７４のいずれか一つを選択し、抵抗７２と並列接続する。

（モード切換表示回路１３０およびモード設定表示回路１４０）
モード切換表示回路１３０は、赤色ＬＥＤ（Ｒ）および緑色ＬＥＤ（Ｇ）から成る表示手段１３１と、各ＬＥＤの電流制限抵抗１３２、１３３とから構成され、同様に、モード設定表示回路１４０は、赤色ＬＥＤ（Ｒ）および緑色ＬＥＤ（Ｇ）から成る表示手段１４１と、各ＬＥＤの電流制限抵抗１４２、１３３とから構成される。両者の表示回路１３０および１４０が一体となって充電モード表示を行う。

すなわち、モード切換表示回路１３０は、モード切換の種類を表示する。例えば、モード切換表示回路１３０は、赤色ＬＥＤ（Ｒ）の点灯によって「充電電圧モード切換」を表示し、緑色ＬＥＤ（Ｇ）の点灯によって「充電電流モード切換」を表示し、さらに、赤色ＬＥＤ（Ｒ）および緑色ＬＥＤ（Ｇ）の同時点灯による橙色によって「充電電圧・充電電流モード切換」であることを表示する。

一方、モード設定表示回路１４０は、上記モード切換表示回路１３０と協同してモードの大小関係を表示する。例えば、モード切換表示回路１３０が赤色ＬＥＤ（Ｒ）の点灯によって「充電電圧モード切換」を表示している場合において、赤色ＬＥＤ（Ｒ）の点灯によって「第１の充電電圧モード」を表示し、緑色ＬＥＤ（Ｇ）の点灯によって「第２の充電電圧モード」を表示し、さらに、赤色ＬＥＤ（Ｒ）および緑色ＬＥＤ（Ｇ）の同時点灯による橙色によって「第３の充電電圧モード」であることを表示する。

同様に、モード切換表示回路１３０が緑色ＬＥＤ（Ｇ）の点灯によって「充電電流モード切換」を表示している場合において、モード設定表示回路１４０は、赤色ＬＥＤ（Ｒ）の点灯によって「第１の充電電流モード」を表示し、緑色ＬＥＤ（Ｇ）の点灯によって「第２の充電電流モード」を表示し、さらに、赤色ＬＥＤ（Ｒ）および緑色ＬＥＤ（Ｇ）の同時点灯による橙色によって「第３の充電電流モード」であることを表示する。

さらに、モード切換表示回路１３０が赤色ＬＥＤ（Ｒ）および緑色ＬＥＤ（Ｇ）の点灯によって「充電電圧・電流モード切換」を表示している場合において、モード設定表示回路１４０は、赤色ＬＥＤ（Ｒ）および緑色ＬＥＤ（Ｇ）の同時点灯による橙色によって「第１の充電電圧・電流モード」（例えば、「急速充電モード」）を表示し、赤色ＬＥＤ（Ｒ）の点灯によって「第２の充電電圧・電流モード」（例えば、「エコ充電モード」）を表示し、さらに、緑色ＬＥＤ（Ｇ）の点灯によって「第３の充電電圧・電流モード」（例えば、「超エコ充電モード」）であることを表示する。

なお、本実施形態では充電モード選択回路１５０により９種類のモードを設定可能にしているが、充電電圧のみを設定できるようにしても良い。

（充電装置２００による電池パックの充電特性）
１．充電電圧モード切換方式（充電電流一定）
図３は、本発明に係る充電装置２００によって、リチウムイオン電池の電池パック２を定電流・定電圧充電した場合の電池電圧および充電電流の時間変化を示す特性図である。特に、充電電流を一定とし、放電容量が同一の電池パック（リチウムイオン電池）３個について、第１の充電電圧モードＶ１、第２の充電電圧モードＶ２および第３の充電電圧モードＶ３の３種をそれぞれ適用した場合の特性図を示す。

図３に示した特性図は、充電電圧設定回路１００ｂの電圧比較器Ｏｐの合成抵抗値Ｒ１（図２参照）を可変させることによって、第１の電池パックについては、第１の充電電圧モードＶ１を適用してセル一個当たりの充電電圧を４．２０Ｖ／セルに設定した。また、第２の電池パックについては、第２の充電電圧モードＶ２を適用して、セル一個当たりの充電電圧を４．１５Ｖ／セルに設定し、さらに、第３の電池パックについては、第３の充電電圧モードＶ３を適用して、セル一個当たりの充電電圧を４．１０Ｖ／セルに設定した場合をそれぞれ示す。充電電圧モードＶ１乃至Ｖ３を選択することにより、充電電流の特性はＩ１乃至Ｉ３と変化し、充電時間はＴ１からＴ３（Ｔ３＜Ｔ１）へと短くすることができる。

かかる充電電圧モードに従えば、充電電圧モードの充電電圧を低く設定することにより、比較的急速で長寿命を維持するための充電モード（特性Ｖ３および特性Ｉ３）が可能であり、充電時間を短くすることができる。この場合、充電電圧モードの設定は電圧比較器Ｏｐ（図２参照）の分圧抵抗回路（１００ｂ）の分圧比（Ｒ１／Ｒ２）を変えることによって容易に実現できる。

２．充電電圧・充電電流モード切換方式
図４および図５は、本発明に係る充電装置２００によって、リチウムイオン電池の電池パック２を定電流・定電圧充電した場合の電池電圧および充電電流の時間変化を示す特性図である。特に、充電電圧モードおよび充電電流モードの両者を共に設定して充電した場合の特性図である。充電電圧モードの設定は、上述したように、充電電圧設定回路１００ｂの分圧抵抗手段Ｒ１の抵抗値（Ｒ１）を変えて行う。また、充電電流モードの設定は、上述したように、電圧比較器６５に接続される充電電流設定回路７０の分圧抵抗７２、７３、７４の接続を切り換えて行う。

図４および図５の特性図において、「急速充電モード」（第１の充電モード）は、充電電流Ｉ４を９Ａ、充電電圧Ｖ４を４．２０Ｖ／セルに設定した場合を示す。この場合、図５に示すように、充電時間は２０分となる。同様に、「エコ充電モード」（第２の充電モード）は、充電電流Ｉ５を６Ａ、充電電圧Ｖ５を４．１５Ｖ／セルに設定した場合、さらに、「超エコモード」（第３の充電モード）は、充電電流Ｉ６を４Ａ、充電電圧Ｖ６を４．１０Ｖ／セルに設定した場合をそれぞれ示す。充電時間は、「エコ充電モード」では３０分、「超エコモード」では４５分となった。

図４および図５から明らかなように、設定充電電圧および設定充電電流を可変とすることにより、充電時間を短縮する急速充電（Ｉ４・Ｖ４特性）を可能にする。また、必要に応じて長寿命を維持できる超エコ充電（Ｉ６・Ｖ６特性）も可能となる。

３．充電電流モード切換方式（充電電圧一定）
図６は、充電設定電圧（Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９）を一定にして設定充電電流を、Ｉ７、Ｉ８およびＩ９と減少した場合の充電特性図を示す。図６において、充電電圧特性Ｖ７は充電電流がＩ７の場合の特性、充電電圧特性Ｖ８は充電電流がＩ８の場合の特性、充電電圧特性Ｖ９は充電電流がＩ９の場合の特性をそれぞれ示す。この充電モードでは、充電電圧が一定に設定されるので、急速充電を可能とするが、長寿命を維持するためのエコモード充電という面では、図４に示した充電モード（充電電圧モードを可変）の方が効果的である。

（定電流・定電圧充電の動作フローチャート）
図７は、本発明に係る充電装置２００の定電流・定電圧充電の動作フローチャートを示す。特に、図４および図５に示した充電電圧・充電電流モード切換方式に従う動作フローチャートを示す。以下、図７に示したフローチャートを参照して本発明の充電装置２００に係る充電動作を説明する。

まず、充電すべき電池パック２を充電装置２００に実装する前に、充電モード選択回路１５０の選択ボタン１５２および１５４を押したか否かを判別する（ステップ２０１）。選択ボタン１５２および１５４を押したか否かは、マイコン５０の入力ポート５３にロー信号が入力されたか否かによって判別される。

ステップ２０１において、選択ボタン１５２および１５４を押したと判別した場合は（ＹＥＳの場合は）、表示手段（ＬＥＤ）１４１の表示が赤（Ｒ）か否かを判別する（ステップ２０２ａ）。表示手段１４１が赤ＬＥＤ（Ｒ）である場合は、表示手段１４１の緑ＬＥＤ（Ｇ）を点灯させて表示手段１４１を橙色にする（ステップ２０３）。この設定によって、充電電圧設定回路１００ｂのＦＥＴ１０４をオフするとともに（ステップ２０４）、ＦＥＴ１０６もオフさせる（ステップ２０５）。これによって、充電電圧を図４および図５に示すＶ４（４．２０Ｖ／セル）に設定する。また、その時の充電電流をＩ４（９Ａ）に設定する（ステップ２０６）。

ステップ２０２ａにおいて表示手段１４１が赤ＬＥＤ（Ｒ）でないと判別された場合（ＮＯの場合）、ステップ２０２ｂに進み、表示手段１４１の赤ＬＥＤ（Ｒ）および緑ＬＥＤ（Ｇ）が点灯し橙色になっているか否かを判別する（ステップ２０２ｂ）。赤ＬＥＤ（Ｒ）および緑ＬＥＤ（Ｇ）が点灯している場合は、赤ＬＥＤ（Ｒ）のみを点灯させる（ステップ２０７）。この設定によって、充電電圧設定回路１００ｂのＦＥＴ１０４をオンさせるとともに（ステップ２０８）、ＦＥＴ１０６をオフさせる（ステップ２０９）。これによって、充電電圧を図４および図５に示すＶ５（４．１５Ｖ／セル）に設定する。また、その時の充電電流をＩ５（６Ａ）に設定する（ステップ２１０）。

ステップ２０２ｂにおいて、表示手段１４１の赤ＬＥＤ（Ｒ）および緑ＬＥＤ（Ｇ）が同時に点灯し橙色になっていない場合（ＮＯの場合）、緑ＬＥＤ（Ｇ）を点灯させる（ステップ２１１）。この設定によって、ＦＥＴ１０４をオフさせるとともに（ステップ２１２）、ＦＥＴ１０６をオンさせる（ステップ２１３）。これによって、充電電圧を図４および図５に示すＶ６（４．１０Ｖ／セル）に設定する。また、その時の充電電流をＩ６（４Ａ）に設定する（ステップ２１４）。

本実施形態の場合、充電モード選択回路１５０によるモード選択は、電池パック２の実装前のみ行えるものとする。ステップ２０１において、押しボタン１５２または１５４が押されていないと判別した場合、電池が実装されたか否かを判別する（ステップ２１５）。この判別は、電池温度検出回路８０、セル数判別回路９、電池電圧検出回路９０の出力により判別する。

ステップ２１５において電池パック２が実装されたと判別された場合は、セル数判別回路９によってセル数判別を行い（ステップ２１６）、セル数に対応した充電電圧を設定する（ステップ２１７）。

本実施形態においては、電池パック２が２セル、３セル、４セル、５セルから構成されたリチウムイオン電池である電池パックを充電できるものとする。すなわち、ＦＥＴ（スイッチング素子）１１４をオンさせると３セルの電池パックに対応した充電電圧に設定できる。また、スイッチング素子１１５をオンさせると４セルの電池パックに対応した充電電圧を設定することができ、さらに、スイッチング素子１１６をオンさせると５セルの電池パックに対応した充電電圧が設定できる。いずれのスイッチング素子もオンさせない場合は、２セルの電池パックに対応した充電電圧が設定できる。

次に、マイコン５０の出力ポート５１ａよりホトカプラ４に、充電を開始すべくロー信号を出力し、ＰＷＭＩＣ２３を稼動状態にする。これにより充電が開始される（ステップ２１８）。

充電開始後は、電流検出回路３によって検出された電位をオペアンプ６１によって反転増幅し、マイコン５０のＡ／Ｄポート５２に取込むことにより充電電流（定電流）を制御する。図４に示すように、充電に伴い電池パック２の電池電圧が上昇して定電圧充電区間に移行し、その後充電電流が減少する。この電流減少がある所定値以下に達した場合を満充電と判別する（ステップ２１９）。満充電と判別した後は、出力ポート５１ａにおけるホトカプラ４に連なるポートからハイ信号を出力し、ＰＷＭＩＣ２３を停止状態にする（ステップ２２０）。その後、電池パック２を充電装置２００から取り出した場合（ステップ２２１）、ステップ２０１に戻る。

なお、本実施形態では、図４および図５に示すように充電電圧および充電電流の両方を切り換える場合について説明したが、ステップ２０６、２１０、２１４で充電電流の切り換えをせず、図３に示すように、充電電流を一定にし、充電電圧のみを切り換えるようにしても良い。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、比較的簡単な回路によって充電電圧モードを所定のモードに設定できるので、電池の寿命向上に効果のある充電方式を簡単に選択できる充電装置を提供することができる。

なお、以上の実施形態では、充電電圧設定回路１００ｂの第１の分圧抵抗手段Ｒ１および第２の分圧抵抗手段Ｒ２によって構成する直列抵抗回路（分圧回路）は、シャントレギュレータ１０９の電圧比較器Ｏｐの入力電圧として印加する充電装置２００の出力電圧Ｖｏを分圧するように構成したが、この直列抵抗回路（Ｒ１およびＲ２の直列回路）は、電圧比較器Ｏｐの基準電圧Ｖｒｅｆを発生させるために直流電圧（安定化直流電圧）Ｖｃｃを分圧する分圧回路として構成してもよい。すなわち、直流電圧Ｖｃｃを直列抵抗回路（Ｒ１、Ｒ２）に印加し、それらの抵抗比によって第２の分圧抵抗手段Ｒ２に生ずる電圧を基準電圧Ｖｒｅｆとして使用し、基準電圧Ｖｒｅｆを可変させることによって、異なる充電電圧を選択できるように構成してもよい。

また、充電電圧制御回路１００は、上記したようなシャントレギュレータ１０９の電圧比較器Ｏｐを使用しないで、図８に示すように、通常のオペアンプによって構成した電圧比較器Ｏｐを使用してもよい。図８に示した充電電圧制御回路１００では、電圧比較器Ｏｐの一方の入力端子（−）に、充電装置２００の出力電圧Ｖｏを抵抗８６と抵抗８７の分圧比によって分圧したものを入力し、電圧比較器Ｏｐの他方の入力端子（＋）に、抵抗８９を含む第１の分圧抵抗手段Ｒ１と、抵抗８８を含む第２の分圧抵抗手段Ｒ２との分圧比によって直流電圧Ｖｃｃを分圧したものを基準電圧Ｖｒｅｆとして入力した構成を示す。

この例では、直流電圧Ｖｃｃを第１分圧抵抗手段Ｒ１と第２分圧抵抗手段Ｒ２の抵抗比の設定によって基準電圧Ｖｒｅｆを可変させ、大きさの異なる充電電圧を選択できるように構成する。第１分圧抵抗手段Ｒ１および第２分圧抵抗手段Ｒ２の各抵抗値（Ｒ１、Ｒ２）の可変のさせ方は、図２に示した上記実施例の充電電圧設定回路１００ｂと同様に、基準分圧回路（抵抗８９と抵抗８８の直列回路）を構成する抵抗８９または抵抗８８に、他の抵抗（図示なし）をスイッチング素子によって並列接続させるか否かによって可変させる。この場合、充電電圧モードのみを可変させたい場合、第１の分圧抵抗手段Ｒ１と第２の分圧抵抗手段Ｒ２のどちらか一方の抵抗値を可変させるように構成すればよい。また、電池パック２のセル数に対応して充電電圧を可変させたい場合は、両方の分圧抵抗手段Ｒ１、Ｒ２の各抵抗値を可変させるように構成すればよい。このような図８に示した構成によって上述と同様な効果を得ることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

本発明に係る充電装置の一実施形態を示す回路図。 図１に示した充電装置に用いられるシャントレギュレータの等価回路図。 本発明に係る充電装置によって定電流・定電圧充電した場合の電池電圧および充電電流の時間変化を示す特性図（充電電流一定）。 本発明に係る充電装置によって定電流・定電圧充電した場合の電池電圧および充電電流の時間変化を示す特性図（充電電流可変）。 本発明に係る充電装置によって定電流・定電圧充電した場合の設定電池電圧および設定充電電流を示す特性図。 本発明に係る充電装置によって定電流・定電圧充電した場合の電池電圧および充電電流の時間変化を示す特性図（充電電圧一定）。 図１に示した充電装置によって定電流・定電圧充電を行う動作フローチャート。 図１に示した充電装置を構成する充電電圧制御回路の他の実施例を示す回路図。

符号の説明

１：入力商用電源 ２：電池パック ２ａ：電池セル ３：電流検出抵抗
４：充電制御伝達手段（ホトカプラ） ５：充電帰還信号伝達手段（ホトカプラ）
６：整流平滑回路 ６ａ：トランス ６ｂ：整流用ダイオード
６ｃ：平滑用コンデンサ ７：セル数判別抵抗 ８：感温素子
９：検出用抵抗 １０：１次側整流平滑回路 １１：全波整流回路
１２：平滑用コンデンサ ２０：スイッチング回路 ２１：高周波トランス
２１ａ：トランスの１次巻線 ２１ｃ：トランスの２次巻線
２２：ＭＯＳＦＥＴ ２３：ＰＷＭＩＣ（スイッチング制御ＩＣ）
３０：２次側整流平滑回路 ３１：整流用ダイオード ３２：平滑用コンデンサ
３３：放電用抵抗 ４０：定電圧電源回路 ４１ａ、４１ｂ、４１ｃ：トランス
４２：スイッチング素子 ４３：制御用素子 ４４：整流用ダイオード
４５：平滑用コンデンサ ４６：３端子レギュレータ ４７：平滑用コンデンサ
４８：リセットＩＣ ５０：マイコン ５１：ＣＰＵ ５１ａ：入力ポート
５１ｂ：出力ポート ５２：Ａ／Ｄコンバータポート ５３：入力ポート
５４：リセット入力ポート ６０：充電電流制御回路 ６１、６５：オペアンプ
６２、６３、６４、６６、６７：抵抗 ６８：ダイオード
７０：充電電流設定回路 ７１〜７３：抵抗 ８０：電池温度検出回路
８１、８２：検出用抵抗 ８３〜８９：抵抗 ９０：電池電圧検出回路
９１、９２：検出用抵抗 １００：充電電圧制御回路
１００ｂ：充電電圧設定回路
１０１、１０２、１０３、１０５（Ｒ１）：第１の分圧抵抗手段
１０４、１０６：スイッチング素子（ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ）
１０７：抵抗 １０８：コンデンサ １０９：シャントレギュレータ
１１０、１１１、１１２、１１３（Ｒ２）：第２の分圧抵抗手段
１１４、１１５、１１６：スイッチング素子（ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ）
１１７〜１２３：抵抗 １２４：ダイオード １３０：モード切換表示回路
１３１：表示手段（ＬＥＤ） １３１Ｒ：赤ＬＥＤ １３１Ｇ：緑ＬＥＤ
１３２、１３３：抵抗 １４０：モード設定表示回路
１４１：表示手段（ＬＥＤ） １４１Ｒ：赤ＬＥＤ １４１Ｇ：緑ＬＥＤ
１４２、１４３：抵抗 １５０：充電モード選択回路 １５１、１５３：抵抗
１５２、１５４：押しボタンスイッチ １６０：充電電源回路
２００：充電装置

Claims (4)

1. 二次電池を充電するための充電装置であって、前記二次電池に対して定電流を通電した後に、定電圧を印加する定電流・定電圧充電制御方式の充電装置において、
   前記定電流を通電するための充電電流制御回路と、前記定電圧を印加するための充電電圧制御回路と、前記充電電圧制御回路に関連して設けられた充電電圧を設定するための充電電圧設定回路と、前記充電電圧設定回路の設定電圧を、少なくとも第１の設定電圧値および該第１の設定電圧値より低い第２の設定電圧値を含む複数モードの設定電圧値のうちの一つに選択するための充電電圧選択手段とを具備し、
   前記充電電圧制御回路は、前記充電電圧に対応する入力電圧を、基準電圧と比較して充電電圧を制御するための制御信号を出力する電圧比較器を具備し、
   前記充電電圧設定回路は、前記電圧比較器の前記入力電圧または前記基準電圧を設定するための互いに直列接続された第１の分圧抵抗手段および第２の分圧抵抗手段を具備し、かつ前記第２の分圧抵抗手段に分圧された分圧電圧を前記電圧比較器の前記入力電圧または前記基準電圧として印加するように構成し、
   前記充電電圧選択手段は、前記第１の分圧抵抗手段の抵抗値と前記第２の分圧抵手段の抵抗値との分圧比に基づいて前記入力電圧または前記基準電圧を可変させることによって、前記充電電圧を前記複数モードの設定電圧値のいずれか一つに選択することを特徴とする充電装置。
2. 前記充電電圧設定回路の前記第１の分圧抵抗手段は、前記第１の設定電圧値を設定するための第１の抵抗と、該第１の抵抗に第１のスイッチング素子を介して並列接続されて前記第２の設定電圧値を設定するための第２の抵抗とを有し、前記充電電圧選択手段は、前記第１のスイッチング素子をオンまたはオフさせるためのスイッチ手段から成ることを特徴とする請求項１に記載された充電装置。
3. 前記充電電圧選択手段は、前記第１の抵抗に前記第２の抵抗を並列接続して前記第２の設定電圧値を設定した場合、充電電圧が前記第２の設定電圧値であることを表示するための表示手段を点灯させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された充電装置。
4. 前記充電電流制御回路は、少なくとも第１の設定電流値および該第１の設定電流値より低い第２の設定電流値を含む複数モードの設定電流値のうちの一つを選択することができる充電電流選択手段を具備することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載された充電装置。

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