JP2000150001A - 充電式電池用のスマ―トコネクタ - Google Patents

充電式電池用のスマ―トコネクタ

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JP2000150001A
JP2000150001A JP11299114A JP29911499A JP2000150001A JP 2000150001 A JP2000150001 A JP 2000150001A JP 11299114 A JP11299114 A JP 11299114A JP 29911499 A JP29911499 A JP 29911499A JP 2000150001 A JP2000150001 A JP 2000150001A
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circuit
cells
battery
switch assembly
input
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マイケル・エス・シンク
Glen V Bowling
グレン・ブイ・ボウリング
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Alcatel Lucent SAS
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Alcatel CIT SA
Alcatel SA
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0024—Parallel/serial switching of connection of batteries to charge or load circuit

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  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
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  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マルチセル電池のセルを一様に充電すること
を可能にする切換機能を組み込んだスマート充電コネク
タを提供すること。 【解決手段】 スマートコネクタは、充電器と係合した
時にセルを並列に接続して同じ電池内の全てのセルが同
じ電圧レベルに一様に充電されるようにし、したがって
セルが直列接続の連なりで充電された時に起きる一様で
ない充電がなくなる。通常動作中、コネクタは電池のセ
ルを直列に接続して電池出力電圧を供給する。しかし、
コネクタが充電器と係合した時に、セルが並列に接続さ
れて、電池出力電圧より高い電圧の電源によって充電さ
れる。コネクタには、コネクタが充電器と係合した時に
作動してセルが並列で充電されるようにするいくつかの
スイッチ接点が含まれている。スイッチ接点は、充電器
を取り外した時に自動的にセルを直列に再接続する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般的に充電式電池
に関し、特に、充電式電池用のスマートコネクタに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】充電式マルチセル電池は多くの様々な用
途で使用されている。マルチセル電池の各セルは、一般
に直列接続されて電池出力電圧を供給している。広く使
用されている一般的な充電式電池の例に、ＮｉＣｄ（ニ
ッケルカドミウム）電池およびＮｉ金属水素化物電池が
ある。例えば、携帯電話などの携帯可能な電源内蔵装置
に対する需要の増加と電池の性能の向上で、リチウムイ
オンベースの電池が現在一般的に普及している。しか
し、この電池が現在多くの用途で使用されているが、マ
ルチセル直列接続電池の再充電は一般に複雑なプロセス
である。歴史的に言って、マルチセル直列接続電池の個
々のセルそれぞれが確実に一様に再充電されるようにす
ることは技術的な難題であった。一般には、直列接続さ
れた個々のセルを一様に充電するために、特殊な監視回
路および制御回路が使用されている。
【０００３】セルへの損傷を防ぐことに加えて、電池の
最適性能および長寿命を維持するために、リチウムイオ
ン充電式電池の場合には、セルを確実に一様に充電する
ことが非常に重要である。マルチセル充電式リチウムイ
オン電池では、セルの最適再充電を損なうまたは低下さ
せる過電圧条件にならないように直列接続された個々の
セルそれぞれを保護することが必要である。個々のセル
それぞれの電圧および充電速度を監視する比較的高価な
電子制御回路を使用して、過電圧条件からの保護が行わ
れる。さらに、セルの容量がいろいろであれば、個々の
セルを確実に適当に充電するために、平衡用回路も必要
になる。さらに、過去には、電池の損傷を防ぐために、
充電される電池の種類に専用に設計された充電器が使用
された。したがって、充電器は周知のように適合性のな
いものであった。
【０００４】現在、ＮｉＣｄセルおよびＮｉ金属水素化
物セルは、一様な充電を可能にするために、最初に容量
および性能を試験し選別した後で電池に組み込まれる。
電池に組み込まれると、セルは直列接続され、充電され
る。このために、ＮｉＣｄ電池およびＮｉ金属水素化物
電池では、電池の個々の構成および充電特性に特別に適
するように設計された専用の充電器が必要になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】したがって、マルチセ
ル電池用の現在の充電回路に関連した複雑さを減らすこ
とが本発明の目的である。
【０００６】マルチセル電池用の様々な充電器を使用す
ることができる全てのセル構成に適した汎用コネクタを
提供することが本発明の他の目的である。
【０００７】複雑な監視と制御の回路、平衡用回路、ま
たはマルチセル電池充電のためのセルの試験または選別
の必要をなくすことが本発明のさらなる目的である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の例示的な実施形
態によれば、前記およびその他の目的は、マルチセル電
池の全てのセルを一様に充電することを可能にする切換
え機能を組み込んだスマート充電コネクタの実施によっ
て達成される。本発明によれば、充電器に係合された時
に、スマート充電コネクタでセルが並列に接続されるの
で、同じ電池の全てのセルが同じ電圧レベルに一様に充
電されて、セルが直列接続で連なった状態で充電された
時に起きるどのような一様でない充電もなくなる。
【０００９】本発明によれば、通常動作（電池動作モー
ド）中には、スマート充電コネクタにより、セルが直列
接続されて電池出力電圧を供給する。しかし、スマート
充電コネクタが充電器に接続または係合された時には
（電池充電モード）、セルは並列に接続されて個々のセ
ルの完全充電電圧に等しい電源で充電される。本発明の
例示的な実施形態によれば、スマート充電コネクタに
は、スマート充電コネクタが充電器と係合した時に作動
してセルが並列で充電されるようにするいくつかのスイ
ッチが含まれている。スイッチ接点は、充電器を取り外
した時に自動的にセルを直列に再接続して、コネクタを
電池動作モードに戻す。
【００１０】本発明の上記その他の特徴、目的および利
点は図面を参照しながら以下の説明を読めばよりよく理
解できよう。
【００１１】
【発明の実施の形態】次に本発明の様々な特徴について
図面を参照しながら説明する。図では、同じ部分は同じ
参照記号で識別される。
【００１２】図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の例示的な
実施形態によるスマート充電コネクタおよびスイッチア
センブリを示す。図に、複数のセル１、２、３および４
が示されている。当業者は理解するであろうが、図示の
セルは例示的な目的のためだけものであり、セルの数お
よび種類は、本発明から逸脱することなく変えることが
できる。例えば、セルはリチウムイオンをベースにした
２次電池、ＮｉＣｄ電池、またはＮｉ金属水素化物電池
を構成するセルでもよい。また、スマート充電コネクタ
／スイッチアセンブリ１０が示される。本発明の１つの
実施形態によれば、セル１〜４がスマート充電コネクタ
／スイッチアセンブリ１０に配線される。スマート充電
コネクタ／スイッチアセンブリ１０には負端子１１およ
び正端子１２が設けられている。本発明の１つの実施形
態では、専用充電器との連結で、端子１１および１２を
セル１〜４を充電するためと放電するための両方に使用
することができ、適当な充電用コネクタだけで充電のた
めの並列切換えが作動する。もしくは、専用充電器が与
えられない場合には、セルを充電するための端子１１お
よび１２に加えて、別の組の端子１３および１４がセル
１〜４を放電するために設けられる。例えば、本発明を
既存の電池に後付けで使用する時には、端子１３および
１４は標準の端子でもよい。
【００１３】図１Ａはスマート充電コネクタ／スイッチ
アセンブリ１０の電池動作モードを図示する。この実施
形態によれば、コネクタスイッチ（図示されない）を形
成する複数のスイッチ３０が、複数の接点４０によりセ
ル１〜４を直列に接続する。それぞれのセル１〜４のそ
れぞれの端子が接点４０に電気的に接続される。回路を
完成するために、スイッチ３０が２つの接点４０の間を
電気的接続する。また、負端子１１とセル４の負端子の
間に接続されたダイオード２０が示されている。ダイオ
ード２０は、スマート充電コネクタ／スイッチアセンブ
リ１０を介して、または標準出力端子１３および１４を
介して適合性のない充電器で充電ができないようにして
いる。スマート充電コネクタ／スイッチアセンブリ１０
が電池動作モードである時に、端子１１と１２、または
１３と１４は、例えば回路６０に接続される。端子によ
って、回路６０に電源を供給するために、セル１〜４が
直列で放電し電池出力電圧を端子の両端間に供給できる
ようになる。
【００１４】図１Ｂを見ると、スマート充電コネクタ／
スイッチアセンブリ１０の電池充電モードの構成が示さ
れている。適合性のある電源５０がスマート充電コネク
タ／スイッチアセンブリ１０に接続されている。当業者
は様々な多くの種類の電源が使用できることを理解する
であろうが、電源５０は個々のセルの充電電圧に等しい
電圧であることが望ましい。電源５０がスマート充電コ
ネクタ／スイッチアセンブリ１０に接続された時に、ス
イッチ３０は図１Ｂに示される第２の位置に移る。図１
Ｂに示される例示的な実施形態に図示されるように、全
てのスイッチ３０は一つの接点４０だけ左に摺動する。
スイッチ３０がその第２の位置に移る時に、ダイオード
２０はバイパスされて、セル１〜４を充電できるように
なる。これによって、全てのセル１〜４が今や電源５０
に並列に接続されてセル１〜４を充電することができる
新しい回路構成になる。図１Ｂに示されているように、
セル１〜４が並列に接続されると、セル１〜４は電源５
０により同じ電圧レベルに一様に充電されるようにな
る。
【００１５】この例示的な実施形態によれば、例えばリ
チウムセルで一般に必要とされた複雑な監視回路または
充電制御回路は何も必要でない。ＮｉＣｄ電池およびＮ
ｉ金属水素化物電池で現在使用されているセルの試験と
選別の必要性も本発明によってなくなる。さらに、この
実施形態によって、全ての電池の構成に使用できる単一
の充電器を設計することができるようになる。
【００１６】当業者は理解するであろうが、スイッチ３
０の移動はよく知られている任意の数のアクチュエータ
のアセンブリで行うことができる。例えば、図１Ａおよ
び１Ｂに示される例示的な実施形態によれば、ピン型の
アクチュエータ（図示されない）を使用してもよい。電
源５０に接続される時に、電源ハウジングまたはコネク
タに接続されたピンがスマート充電コネクタ／スイッチ
アセンブリ１０と係合してスイッチ３０が１つの接点４
０だけ左に摺動し、それによってセル１〜４の並列接続
が実現される。噛み合わせピンと共に電源５０から離す
と、スイッチ３０が例えばばねで作動されて、図１Ａに
示される元の位置に自動的に戻り、セルを直列に再接続
し、スマート充電コネクタ／スイッチアセンブリ１０を
電池動作モードに戻す。
【００１７】図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の他の実施
形態による接点４０とスイッチ３０の別の構成を示す。
図２Ａおよび図２Ｂに示される実施形態によれば、接点
４０およびスイッチ３０は円形配置で構成される。この
実施形態によって、電源にスマート充電コネクタ／スイ
ッチアセンブリ１０をロックするために、電源５０を挿
入し回転してもよい。スロットに挿入すると、電源ハウ
ジングまたはコネクタが機械的にスイッチ３０に係合す
る。ハウジングまたは電源コネクタをねじることで、ス
イッチ３０が一つの接点４０だけ、例えば、反時計方向
に回転し、セル１〜４を並列接続させ、電池充電モード
を作動させ、電源５０をスマート充電コネクタ／スイッ
チアセンブリ１０にロックする。この実施形態の利点
は、スマート充電コネクタ／スイッチアセンブリ１０と
充電器の間で優れたロックが実現され、充電中維持され
ることである。充電器５０を時計方向にねじることで、
電源５０はスマート充電コネクタ／スイッチアセンブリ
１０からロックを解除され、スイッチ３０は元の位置に
戻り、アセンブリ１０を電池動作モードに戻す。
【００１８】本発明の例示的な実施形態による代表的な
充電および放電曲線が、２００サイクルにわたって処理
された４セルリチウムイオン充電式電池の１００サイク
ル目の場合について、図３Ａおよび図３Ｂに示される。
この例の電池のサイクルは、本開示に記載されている切
換え概念による直列接続放電および並列接続充電を使用
して行われた。本発明によれば、従来の電池の充電でこ
のタイプの電池に通常設けられていたような個々のセル
または電池の電子的な保護回路は必要でなかった。図３
Ａの放電曲線は、２アンペア放電についての電池全体
（４セル直列）の電圧および個々のセルそれぞれの電圧
を示す。図３Ｂの充電曲線は、個々のセル電圧および６
時間の充電サイクルの間の充電電流を示す。電池の寿命
の間ずっと電池のそれぞれのセルの電圧および充電電流
の特性は、サイクルごとに変らなかった。最小容量のセ
ル（最初に制限電圧に達する）では常に充電サイクルの
初期に電流がより大きくなる。電池の中のより大きい容
量のセルに対する充電電流は、より小容量なセルとつい
には交差し、最後には４つ全てが等しくなる。したがっ
て、本発明は、複雑な保護と監視の回路を必要としない
電池のセルを一様に再充電する簡単で効率のよい手段を
提供する。
【００１９】本発明は例によって説明されたので、本発
明の精神から逸脱することなく、例示的な実施形態の修
正および変更が当業者の心に浮かぶであろう。例えば、
当業者は理解するであろうが、電源をアセンブリに接続
する様々な構成も本発明によって実施できるであろう。
好ましい実施形態は単に例示的なものに過ぎず、決して
制限的なものと考えられるべきではない。本発明の範囲
は前記の説明ではなくて、添付の特許請求の範囲によっ
て判断されるべきであり、特許請求の範囲に入る全ての
変形物および同等物は、特許請求の範囲に含まれるもの
とする。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】本発明の例示的な実施形態による電池動作モ
ードのスマート充電コネクタおよびスイッチアセンブリ
を示す図である。
【図１Ｂ】本発明の例示的な実施形態による電池充電モ
ードのスマート充電コネクタおよびスイッチアセンブリ
を示す図である。
【図１Ｃ】本発明の例示的な実施形態による電池動作モ
ードの別個の充電端子および放電端子を有する他のスマ
ート充電コネクタおよびスイッチアセンブリを示す図で
ある。
【図１Ｄ】本発明の例示的な実施形態による電池充電モ
ードの別個の充電端子および放電端子を有する他のスマ
ート充電コネクタおよびスイッチアセンブリを示す図で
ある。
【図２Ａ】本発明の例示的な実施形態による電池動作モ
ードのスマート充電コネクタおよびスイッチアセンブリ
を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の他の例示的な実施形態による電池充
電モードのスマート充電コネクタおよびスイッチアセン
ブリを示す図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態による代表的な充電曲線お
よび放電曲線を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による代表的な充電曲線お
よび放電曲線を示す図である。
【符号の説明】
１、２、３、４ セル １０ スマート充電コネクタ／スイッチアセンブリ １１ 負端子 １２ 正端子 １３ 標準出力端子 １４ 標準出力端子 ２０ ダイオード ３０ スイッチ ４０ 接点 ５０ 電源 ６０ 回路

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数のセルを含む電池を充電する接続回
    路であって、 前記複数のセルを直列に接続して前記複数のセルを放電
    する第１の回路と、 前記複数のセルを並列に接続し、前記セルを充電する第
    ２の回路と、 前記第１の回路または前記第２の回路を完成するスイッ
    チアセンブリであって、電源コネクタ用の入力を含むス
    イッチアセンブリとを含み、 前記電源コネクタを前記入力に取り付けることにより、
    前記スイッチアセンブリが自動的かつ機械的に係合して
    前記第１の回路を開き、前記第２の回路を完成して前記
    複数のセルを充電し、前記入力から前記電源コネクタを
    取り外すことにより前記スイッチアセンブリが自動的か
    つ機械的に解放されて前記第２の回路を開き、前記第１
    の回路を完成する接続回路。
  2. 【請求項２】 前記スイッチアセンブリが、前記電源コ
    ネクタを前記入力に取り付けることにより機械的に作動
    する複数の接点スイッチをさらに含み、前記スイッチの
    接点が第１の接点位置から第２の接点位置に機械的に移
    動して前記第２の回路を完成し、前記接続回路を電池充
    電モードに入れる請求項１に記載の接続回路。
  3. 【請求項３】 前記電源コネクタが前記入力から取り外
    された時に、前記複数の接点スイッチが前記第１の回路
    を自動的に完成して前記接続回路を電池動作モードに入
    れる請求項２に記載の接続回路。
  4. 【請求項４】 前記入力に接続されたダイオードをさら
    に含み、前記第１の回路が完成した時に、前記ダイオー
    ドが前記セルを充電しないようにする請求項１に記載の
    接続回路。
  5. 【請求項５】 前記セルが、リチウムイオン、ＮｉＣｄ
    またはＮｉ金属水素化物のうちの１つである請求項１に
    記載の接続回路。
  6. 【請求項６】 複数のセルと電源コネクタに接続するた
    めの１対の端子とを含む電池用の接続回路であって、 前記セルを直列に接続して電池出力電圧を供給する第１
    の回路と、 前記セルを並列に接続して前記セルを充電する第２の回
    路と、 前記電源コネクタが前記端子に取り付けられた時に前記
    第１の回路を選択し、前記電源が前記端子から取り外さ
    れた時に前記第２の回路を選択する手段であって、前記
    電源コネクタが取り付けられた時に第１の位置に配列さ
    れ、前記電源コネクタが取り外された時に第２の位置に
    配列される複数の接点スイッチを含む手段とを含み、 最小の容量を有するセルが他の複数のセルのいずれより
    も大きい初期電流を有する接続回路。
  7. 【請求項７】 より大きい容量を有する前記複数のセル
    の充電電流が、前記複数のセルが等しくなるまでに、よ
    り小さい容量のセルの充電電流とついには交差する請求
    項６に記載の接続回路。
  8. 【請求項８】 １対の端子と、 複数のセルと、 前記複数のセルを直列に接続して前記端子を介して前記
    複数のセルを放電する第１の回路と、 前記複数のセルを並列に接続し、前記セルを充電する第
    ２の回路と、 前記第１の回路または前記第２の回路を完成するスイッ
    チアセンブリであって、電源コネクタに取り付けるため
    の入力を含むスイッチアセンブリとを含む電池であっ
    て、 前記電源コネクタを前記入力に取り付けられた時に、前
    記電源コネクタが前記スイッチアセンブリを自動的かつ
    機械的に作動させて前記第１の回路を開き、前記第２の
    回路を完成して、前記複数のセルを充電し、前記電源コ
    ネクタが前記入力から取り外された時に、前記スイッチ
    アセンブリが前記第２の回路を自動的に開き、前記第１
    の回路を完成する電池。
  9. 【請求項９】 前記電池がリチウムをベースにした２次
    電池である請求項８に記載の電池。
  10. 【請求項１０】 前記電池がＮｉＣｄ電池またはＮｉ金
    属水素化物電池である請求項８に記載の電池。
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