JP5793121B2 - 充電回路 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池を充電する充電回路に関する。

従来から、充電器を二次電池に接続して充電するための充電回路には、二次電池への過電圧を防止するための保護回路が設けられている。

例えば、充電器にて定電流動作により二次電池を充電している場合に、出力の充電回路を開放すると出力電圧が急上昇するため、定電流動作から定電圧動作に切り替わるように制御するが、このとき定電圧制御の遅延があるために、その出力電圧は定電圧の設定値を短時間であるものの超えてしまう場合がある。

このため、保護回路としての出力電圧抑制手段として、比較的応答性の良い電圧ドロップ方式のシリーズレギュレータを組み込むことが提案されている。

下記の特許文献１には、シリーズレギュレータ型充電システムにおいて、充電制御素子への電力集中を軽減することにより充電制御素子の許容電力の低減とサイズの小型化を図ることを目的として、外部電源から二次電池への充電経路に、充電制御回路により制御されるＭＯＳＦＥＴからなる充電制御素子と、ＭＯＳＦＥＴからなる逆流防止素子を有する構成が開示されている。外部電源からの入力電圧が電池電圧より低い時は、逆流防止素子及びそのボディダイオードにより逆流を阻止し、入力電圧が電池電圧より十分高い充電時には、ボディダイオードでの電力消費によって充電制御素子への電力集中を分散させるとしている。

また、特許文献２には、電源部の高電圧を中間電圧に変換する電力分配システムにおいて、電圧変換装置としてシリーズレギュレータを内蔵する構成が開示されている。

特開２００６−２９６０８１号公報 特開２００３−０４８４９６号公報

しかしながら、シリーズレギュレータは、出力抑制素子での電力消費が大きく、このため別途冷却構造が必要となる。その一方、シリーズレギュレータに代えて、出力電圧を設定電圧と比較し、出力電圧が設定電圧を超えると出力電圧を遮断する回路を組み込んだ場合、電力消費を抑えることができるものの、その応答性はシリーズレギュレータよりも遅いため、オーバシュートを見越して予め設定値を低く設定しなければならない問題がある。このように、充電回路にシリーズレギュレータを組み込むと、応答性に優れるものの消費電力が増大して冷却構造を含めてサイズが増大し、出力遮断回路を組み込むと、消費電力は抑制できるものの応答性が低い問題があり、改善が求められている。

本発明の目的は、消費電力を抑制でき、かつ、応答性にも優れた過電圧防止機能を備える充電回路を提供することにある。

本発明は、電源により二次電池を充電する充電回路であって、前記電源に接続され、前記電源の出力電圧が所定の基準電圧を超えた場合に充電経路を遮断する出力電圧遮断回路と、前記出力電圧遮断回路と前記二次電池との間に接続され、前記電源の出力電圧を所定の抑制電圧に規制する出力電圧抑制回路とを備え、前記出力電圧遮断回路の応答性は、前記出力電圧抑制回路の応答性よりも遅く、前記基準電圧は、前記抑制電圧以下に設定されることを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、前記出力電圧遮断回路は、前記電源が前記基準電圧を超えた場合にオフするＭＯＳＦＥＴで構成され、前記出力電圧抑制回路は、シリーズレギュレータで構成されることを特徴とする。

本発明によれば、消費電力を抑制でき、かつ、応答性にも優れた過電圧防止機能を実現できる。

実施形態における充電システムの構成ブロック図である。 実施形態の充電回路の構成図である。 実施形態の基準電圧と抑制電圧の関係を示すグラフ図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１に、本実施形態における充電システムの構成ブロック図を示す。電源としての充電器１０と二次電池１４の間に、充電回路としての過電圧印加防止回路１２が設けられる。二次電池１４は、例えば車載用のリチウムイオン電池であるが、これに限定されるものではない。

充電回路としての過電圧印加防止回路１２は、出力電圧遮断回路１６と、出力電圧抑制回路１８を備える。出力電圧遮断回路１６は充電器１０の出力側に接続され、出力電圧抑制回路１８は出力電圧遮断回路１６と二次電池１４との間に接続される。出力電圧遮断回路１６と出力電圧抑制回路１８は互いにカスケード接続される。従って、出力電圧遮断回路１６は充電器１０側に接続され、出力電圧抑制回路１８は二次電池１４側に接続されるといえる。

出力電圧遮断回路１６は、充電器１０の出力電圧が所定の基準値を超えた場合に回路を遮断する回路である。

一方、出力電圧抑制回路１８は、二次電池１４への出力電圧を所定の基準値に抑制する回路であり、例えばシリーズレギュレータである。

従来の充電回路において、シリーズレギュレータのみを組み込むと、応答性に優れるものの消費電力が増大してしまい、出力遮断回路のみを組み込むと、消費電力は抑制できるものの応答性が低い問題が生じるが、本実施形態のように、出力電圧遮断回路１６と出力電圧抑制回路１８を組み合わせ、かつ、出力電圧遮断回路１６を充電器１０側に接続し、出力電圧抑制回路１８を二次電池１４側に接続することで、従来の問題を解消することができる。すなわち、応答性に優れた出力電圧抑制回路１８で迅速に出力電圧を抑制し、かつ、出力電圧抑制回路１８の前段、すなわち充電器１０と出力電圧抑制回路１８との間に接続された出力電圧遮断回路１６で過電圧時に出力電圧を遮断することで、出力電圧抑制回路１８での電力消費を抑制することができる。出力電圧遮断回路１６は、出力電圧抑制回路１８での電力消費を短時間に限定する機能を有するといえる。また、出力電圧遮断回路１６の応答性の遅れは、出力電圧抑制回路１８の応答性で補うといえる。なお、出力電圧遮断回路１６が、出力電圧抑制回路１８の後段にあると、出力電圧抑制回路１８により、出力電圧遮断回路１６の動作前に電圧が抑制され、出力電圧遮断回路１６が動作する電圧まで達せずに、消費電力の高い出力電圧抑制回路１８のみが動作し続ける場合がある。

図２に、過電圧印加防止回路１２の具体的な回路構成を示す。

過電圧防止回路１２は、出力電圧遮断回路１６と、出力電圧抑制回路１８に加え、電圧検出回路２０及び電流検出回路２２を備える。

電圧検出回路２０は、充電器１０の出力電圧（充電電圧）を検出する回路であり、充電器１０と出力電圧遮断回路１６との間に接続される。電圧検出回路２０は、充電器１０のプラス側端子とマイナス側端子との間に直列に接続された抵抗と、抵抗の接続節点が非反転入力端子に接続され、反転入力端子に所定の基準電圧Ｖｒｅｆが入力されるコンパレータから構成される。コンパレータは、充電器１０の出力電圧を所定の基準電圧Ｖｒｅｆと比較し、充電器１０の出力電圧が所定の基準電圧Ｖｒｅｆを超える場合に、過電圧検出信号ＯＶＤを出力する。具体的には、コンパレータの出力は、充電器１０の出力電圧がＶｒｅｆを超えればＯＶＤ＝ＯＮ（あるいはＨｉ）となり、充電器１０の出力電圧がＶｒｅｆ以下であればＯＶＤ＝ＯＦＦ（あるいはＬｏ）となる。電圧検出回路２０の過電圧検出信号ＯＶＤは、出力電圧遮断回路１６に供給される。

電流検出回路２２は、充電器１０の出力電流（充電電流）を検出する回路であり、シャント抵抗に流れる電流を検出する。コンパレータの非反転入力端子はシャント抵抗に接続され、反転入力端子には基準電圧が入力され、基準電圧を超えた場合に過電流検出信号ＯＣＤを出力する。電流検出回路２２の過電流検出信号ＯＣＤは、出力電圧遮断回路１６に供給される。なお、電流検出回路２２は、過電流検出信号ＯＣＤに加え、充電電流を検出したことを示す充電電流検出信号ＣＣＤを出力してもよい。この充電電流検出信号は、充電回路の図示しないＬＥＤ駆動回路に供給され、充電状態を示すＬＥＤを点灯させる。例えば、充電電流検出信号ＣＣＤ＝ＯＦＦ（あるいはＬｏ）の場合に赤色ＬＥＤを点灯させ、充電電流検出信号ＣＣＤ＝ＯＮ（あるいはＨｉ）の場合に緑色ＬＥＤを点灯させる等である。これにより、充電状態であるか否かを可視化することができる。

出力電圧遮断回路１６は、遮断用ＭＯＳＦＥＴと、ＭＯＳＦＥＴのゲートに制御信号を出力する論理ゲート（図ではＮＯＲゲート）と、論理ゲートの出力から出力スイッチ（ＳＷ）状態を示す信号を生成する論理ゲート（図ではＮＯＴゲート）から構成される。

ＮＯＲゲートの一方の端子には電圧検出回路２０からの過電圧検出信号ＯＶＤが入力され、他方の端子には電流検出回路２２からの過電流検出信号ＯＣＤが入力される。従って、ＮＯＲゲートの出力は、過電圧検出信号ＯＶＤまたは過電流検出信号ＯＣＤがＯＮ（あるいはＨｉ）の場合ＯＦＦ（あるいはＬｏ）となり、それ以外の場合、つまり過電圧検出信号ＯＶＤ及び過電流検出信号ＯＣＤがともにＯＦＦの場合にＯＮ（あるいはＨｉ）となる。ＮＯＲゲートの出力は制御信号としてＭＯＳＦＥＴのゲートに供給されるから、過電圧検出信号ＯＶＤまたは過電流検出信号ＯＣＤがＯＮの場合にＭＯＳＦＥＴはＯＦＦとなり、充電器１０から二次電池１４への充電経路は遮断される。また、過電圧検出信号ＯＶＤまたは過電流検出信号ＯＣＤがＯＮの場合に出力ＳＷ状態信号がＯＮ（あるいはＨｉ）となり、この信号はＬＥＤ駆動回路に供給されて充電経路が遮断されたことを示すＬＥＤを点灯させる。

出力電圧抑制回路１８は、抑制用トランジスタと、ツェナーダイオードを備えて構成される。抑制用トランジスタのコレクタ端子は充電器１０に接続され、エミッタ端子は二次電池１４に接続され、ベース端子はツェナーダイオードのカソード端子に接続される。ツェナーダイオードのアノード端子は出力電圧遮断回路１６に接続される。ツェナーダイオードにより抑制用トランジスタのベース端子に一定電圧を印加し、出力電圧を抑制する。

このような構成において、出力電圧遮断回路１６での基準電圧Ｖｒｅｆと、出力電圧抑制回路１８での抑制電圧Ｖｒｅｇを同一の値とすると、原理的には、充電器１０の出力電圧がＶｒｅｆ＝Ｖｒｅｇを超えたタイミングで出力電圧遮断回路１６と出力電圧抑制回路１８がともに動作し、出力電圧抑制回路１８で出力電圧をＶｒｅｇに抑制するとともに、出力電圧遮断回路１６で充電経路を遮断する。

しかしながら、出力電圧遮断回路１６の応答性は、出力電圧抑制回路１８の応答性よりも遅いので、実際には、まず、出力電圧抑制回路１８が動作して出力電圧をＶｒｅｇに抑制し、その後、出力電圧遮断回路１６が動作して充電経路を遮断することになる。この場合においても、出力電圧抑制回路１８の抑制用トランジスタでの電力消費は、その後に出力電圧遮断回路１６の動作により充電経路が遮断されるため短時間で済む。

なお、出力電圧遮断回路１６での基準電圧Ｖｒｅｆと、出力電圧抑制回路１８での抑制電圧Ｖｒｅｇを調整し、基準電圧Ｖｒｅｆ＜抑制電圧Ｖｒｅｇに設定することで、出力電圧遮断回路１６の応答性の遅れを補うことができる。

図３に、本実施形態における出力電流と出力電圧との関係を、出力遮断用の基準電圧Ｖｒｅｆ、出力抑制電圧Ｖｒｅｇ、充電器１０の出力最大電圧と併せて示す。図に示すように、出力遮断用の基準電圧Ｖｒｅｆ＜出力抑制電圧Ｖｒｅｇとなるように設定される。充電器１０の出力電圧がＶｒｅｆ以下であれば、充電電流が一定となる定電流動作で二次電池１４を充電する。一方、充電器１０の出力電圧がＶｒｅｆを超えると、過電圧検出信号ＯＶＤ及び過電流検出信号ＯＣＤがともにＯＮして出力電圧遮断回路１６が動作を開始する。但し、出力電圧遮断回路１６の応答性は相対的に低いため、直ちに充電経路は遮断されず、一定の遅延時間がある。この間に充電器１０の出力電圧が抑制電圧Ｖｒｅｇを超えると、出力電圧抑制回路１８が動作を開始する。出力電圧抑制回路１８の応答性は相対的に高いため、直ちに出力電圧はＶｒｅｇの一定電圧に抑制される。また、この間に、出力電圧遮断回路１６も動作を開始しているため、やがて充電経路が遮断される。従って、基準電圧Ｖｒｅｆの値を調整することで、出力電圧抑制回路１８での出力電圧抑制タイミングと、出力電圧遮断回路１６での遮断タイミングをほぼ同じか、あるいは出力電圧抑制タイミングの直後に遮断タイミングを設定することができる。

このように、本実施形態では、充電回路１２に出力電圧遮断回路１６と出力電圧抑制回路１８を備え、充電器１０側に出力電圧遮断回路１６、出力電圧遮断回路１６と二次電池１４の間に出力電圧抑制回路１８を接続することで、消費電力を抑制でき、かつ、応答性にも優れた過電圧防止機能を実現することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、本実施形態において充電の対象となる二次電池１４の種類は限定されないが、電流遮断デバイス（ＣＩＤ）を備える二次電池１４に好適に適用され得る。電流遮断デバイスを備える二次電池１４では、二次電池１４側で一定の条件下で充電経路を強制的に開放するため、定電圧の設定値を超える状況である充電回路の開放が生じやすいからである。本実施形態では、たとえ定電圧の設定値を超えたとしても、出力電圧遮断回路１６が動作して迅速に充電経路を遮断するため、出力電圧抑制回路１８での消費電力を抑制できる。

また、本実施形態における出力電圧遮断回路１６はＭＯＳＦＥＴで構成し、出力電圧抑制回路１８はトランジスタ（バイポーラトランジスタ）で構成したが、これに限定されず、出力電圧遮断回路１６についてはトランジスタ以外にもメカニカルスイッチを用いることができ、出力電圧抑制回路１８についても他の素子を用いることができる。但し、出力電圧抑制回路１８を構成する素子は、応答性に優れる素子が望ましい。

また、本実施形態では、電圧検出回路２０としてコンパレータ（あるいはオペアンプ）を用いているが、これに限定されず、ツェナーダイオードや電圧計等を用いてもよい。

また、本実施形態では、電圧検出回路２０からの過電圧検出信号ＯＶＤまたは電流検出回路２２からの過電流検出信号ＯＣＤのいずれかがＯＮ（あるいはＨｉ）の場合に出力電圧遮断回路１６を動作させて充電経路を遮断しているが、電圧検出回路２０からの過電圧検出信号ＯＶＤのみで出力電圧遮断回路１６を動作させて充電経路を遮断してもよい。すなわち、図２において、ＮＯＲゲートに代えてＮＯＴゲートを備え、過電圧検出信号ＯＶＤのみをＮＯＴゲートに供給し、過電圧検出信号ＯＶＤがＯＮ（あるいはＨｉ）の場合にＭＯＳＦＥＴをＯＦＦする構成としてもよい。また、基準電圧Ｖｒｅｆと抑制電圧Ｖｒｅｇの大小関係は、上記実施形態に限られず、動作タイミング等を考慮して設定すればよく、基準電圧Ｖｒｅｆ＞抑制電圧Ｖｒｅｇでもよい。

また、本実施形態では、電圧検出回路２０と出力電圧遮断回路１６とを別個の回路として示しているが、電圧検出回路２０は出力電圧遮断回路１６の一部に含まれるものとしてもよい。すなわち、図２における出力電圧遮断回路１６と電圧検出回路２０（さらには電流検出回路２２）を併せて出力電圧遮断回路を構成するとしてもよい。

また、本実施形態における外部電源としての充電器１０は、一般的にはスイッチング電源であるが、所望の出力電圧を得る任意の電力変換装置を用いることができる。この場合、電力変換装置の２次側に電圧検出回路２０及び出力電圧遮断回路１６が接続され、電力変換装置の２次側の電圧を電圧検出回路２０で検出し、この電圧が基準電圧Ｖｒｅｆを超えた場合に出力電圧遮断回路１６が動作を開始する。

さらに、本実施形態では、図１あるいは図２に示すように、出力電圧遮断回路１６と出力電圧抑制回路１８は直列接続されているが、これは必ずしも出力電圧遮断回路１６と出力電圧抑制回路１８との間に他の回路ないし素子の介在を排除することを意味するものではない。

１０ 充電器、１２ 過電圧印加防止回路（充電回路）、１４ 二次電池、１６ 出力電圧遮断回路、１８ 出力電圧抑制回路、２０ 電圧検出回路、２２ 電流検出回路。

Claims (2)

1. 電源により二次電池を充電する充電回路であって、
   前記電源に接続され、前記電源の出力電圧が所定の基準電圧を超えた場合に充電経路を遮断する出力電圧遮断回路と、
   前記出力電圧遮断回路と前記二次電池との間に接続され、前記電源の出力電圧を所定の抑制電圧に規制する出力電圧抑制回路と、
   を備え、
   前記出力電圧遮断回路の応答性は、前記出力電圧抑制回路の応答性よりも遅く、前記基準電圧は、前記抑制電圧以下に設定されることを特徴とする充電回路。
2. 請求項１記載の充電回路において、
   前記出力電圧遮断回路は、前記電源が前記基準電圧を超えた場合にオフするＭＯＳＦＥＴで構成され、
   前記出力電圧抑制回路は、シリーズレギュレータで構成される
   ことを特徴とする充電回路。

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