JP2007014091A - Charge control circuit for secondary battery and battery pack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池の充電を制御する充電制御回路及び充電制御回路を備えた電池パックに関する。 The present invention relates to a charge control circuit that controls charging of a secondary battery and a battery pack including the charge control circuit.
近年、携帯電話機、デジタルカメラ、電動工具、ロボットなどの種々の機器を駆動するための電源として電池パックが汎用されている。この電池パックは、リチウムイオン二次電池などの複数の電池セルが直列接続されて構成された充電可能なものであり、各電池セルの電圧が低くなり過ぎても単に放置期間が長かったことによる充電可能状態にある二次電池については充電を行うことができる。しかしながら、各電池セルの電圧がある特定の電圧を下回った充電不能状態になると、電池セルを構成する電池ケースが溶解して孔が開き漏液に至る場合や、負極板の集電体に用いている銅箔が非水電解液中に銅イオンの形で溶出すると共に、充電により針状結晶の状態で負極板上に析出し、正極板と微小短絡状態に至る場合がある。 In recent years, battery packs have been widely used as power sources for driving various devices such as mobile phones, digital cameras, electric tools, and robots. This battery pack is a rechargeable battery composed of a plurality of battery cells such as lithium ion secondary batteries connected in series. Even if the voltage of each battery cell becomes too low, the battery is simply left for a long time. The secondary battery in a chargeable state can be charged. However, when the voltage of each battery cell falls below a certain voltage and the battery becomes incapable of charging, the battery case constituting the battery cell is melted to open a hole and lead to leakage, or used as a current collector for the negative electrode plate. In some cases, the copper foil is eluted in the form of copper ions in the non-aqueous electrolyte, and is deposited on the negative electrode plate in the form of needle crystals by charging, resulting in a minute short circuit with the positive electrode plate.
このような充電不能状態になった二次電池については、充電を行ったとしても微小短絡状態では充電エネルギーを消費してしまうので、十分な充電ができない場合が生じる可能性や電池が短絡状態で充電されると不安全状態に至る可能性もある。 Even if the secondary battery is in a state where it cannot be charged, even if it is charged, the charging energy is consumed in a very short-circuited state. If it is charged, it may lead to an unsafe state.
このように、二次電池が如何なる状態にあるかにより充電状況が異なるため、充電を行うにあたっては、最初に通常の充電電流よりも低い充電電流でトリクル充電することにより電圧復帰の可能性があるかどうかを確認し、電圧復帰の可能性がある充電可能状態にある場合には急速充電に切り換えて短時間で充電できるようにする一方、電圧復帰の可能性がない充電不能状態にある場合には充電回路を遮断するようにした充電制御回路が提案されている(例えば、特許文献1、2)。
ところが、上記充電制御回路によれば、充電可能状態にある二次電池については充電を行うことで電圧復帰されるとはいうものの、トリクル充電を行う時間が必要になることから充電時間の短縮化に限界が生じると共に、電圧復帰の可能性のない充電不能状態にあるものについてもトリクル充電を行うことで不要な電力を消費するだけでなく、電池が短絡状態で充電されると不安全状態に至る可能性や、充電装置に大きな負荷を掛けることにもなる場合も生じ得るという問題があった。 However, according to the charge control circuit, although the voltage of the secondary battery in the chargeable state is restored by charging, the time for performing trickle charging is required, so the charging time is shortened. If the battery is in a non-chargeable state with no potential for voltage recovery, it will not only consume unnecessary power by trickle charging, but it will also become unsafe if the battery is charged in a short-circuited state. There is a problem that it may occur and a case where a large load is applied to the charging device may occur.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、充電可能状態にある二次電池に対する充電を可能にし、充電不能状態にある二次電池に対する充電を禁止し得るようにしたものであり、充電時間の短縮を可能にすると共に、無駄な消費電力を抑制することと不安全状態を回避できる二次電池の充電制御回路及び電池パックを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and enables charging of a secondary battery in a chargeable state and prohibits charging of a secondary battery in an unchargeable state. An object of the present invention is to provide a charging control circuit and a battery pack for a secondary battery that can shorten the charging time, suppress unnecessary power consumption, and avoid an unsafe state.
上記目的を達成するため、請求項1の発明は、二次電池の充電を制御する充電制御回路であって、前記二次電池を構成する電池セルの電圧を検出する電圧検出部と、前記電池セルに対し充電電流が供給される充電回路をオンオフする充電制御スイッチと、前記電池セルの電圧が基準値を満たしているか否かを判別する電圧判別部と、この電圧判別部により前記電池セルの電圧が基準値を満たしていると判別された場合に前記充電制御スイッチをオンにし、前記電池セルの電圧が基準値を満たしていないと判別された場合に前記充電制御スイッチをオフにするスイッチ制御部とを備えたことを特徴としている。
In order to achieve the above object, the invention of
請求項2の発明は、請求項1に係るものにおいて、前記二次電池は、複数の電池セルが直列接続されて構成されたものであり、前記電圧検出部は、各電池セルの電圧を検出するものであって、前記電圧判別部は、各電池セルの電圧が基準値を満たしているか否かを判別するものであり、前記スイッチ制御部は、各電池セルの電圧が基準値を満たしている場合に前記充電制御スイッチをオンにし、少なくとも1の電池セルの電圧が基準値を満たしていない場合に前記充電制御スイッチ部をオフにするものであることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the secondary battery is configured by connecting a plurality of battery cells in series, and the voltage detection unit detects a voltage of each battery cell. The voltage determination unit determines whether or not the voltage of each battery cell satisfies a reference value, and the switch control unit determines that the voltage of each battery cell satisfies the reference value. The charging control switch is turned on when the battery is present, and the charging control switch unit is turned off when the voltage of at least one battery cell does not satisfy a reference value.
請求項3の発明は、請求項1に係るものにおいて、前記電圧判別部は、前記電池セルの電圧が前記基準値である第1の基準値を満たしているか否かを判別すると共に、当該第1の基準値よりも大きい第2の基準値を満たしているか否かを判別するものであり、前記スイッチ制御部は、前記電圧判別部により前記電池セルの電圧が第1の基準値を満たしていると判別された場合に前記充電制御スイッチをオンにし、前記電池セルの電圧が第1の基準値を満たしていないと判別された場合に前記充電制御スイッチをオフにするものであり、前記電池セルに対し供給される充電電流を調節する電流調節部と、前記電圧判別部により前記電池セルの電圧が第1の基準値を満たしており、かつ、第2の基準値を満たしていないと判別された場合に前記電流調節部を制御して所定値の充電電流とし、前記電圧判別部により前記電池セルの電圧が第2の基準値を満たしていると判別された場合に前記電流調節部を制御して前記所定値よりも大きい充電電流にする電流制御部とをさらに備えたことを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, the voltage determining unit according to the first aspect determines whether or not the voltage of the battery cell satisfies a first reference value that is the reference value. Determining whether or not a second reference value larger than a reference value of 1 is satisfied, and the switch control unit determines that the voltage of the battery cell satisfies the first reference value by the voltage determination unit. The charging control switch is turned on when it is determined that the battery cell voltage is determined, and the charging control switch is turned off when it is determined that the voltage of the battery cell does not satisfy the first reference value. A current adjustment unit for adjusting a charging current supplied to the cell, and the voltage determination unit determines that the voltage of the battery cell satisfies the first reference value and does not satisfy the second reference value. If the power The control unit controls the charging current to a predetermined value, and when the voltage determining unit determines that the voltage of the battery cell satisfies a second reference value, the current adjusting unit is controlled to control the predetermined value. And a current control unit for making the charging current larger than that.
請求項4の発明は、請求項3に係るものにおいて、前記二次電池は、複数の電池セルが直列接続されて構成されたものであり、前記電圧検出部は、各電池セルの電圧を検出するものであって、前記電圧判別部は、各電池セルの電圧が第1の基準値を満たしているか否かを判別すると共に、各電池セルの電圧が第2の基準値を満たしているか否かを判別するものであり、前記スイッチ制御部は、各電池セルの電圧が第1の基準値を満たしている場合に前記充電制御スイッチをオンにし、少なくとも1の電池セルの電圧が第1の基準値を満たしていない場合に前記充電制御スイッチをオフにするものであり、前記電流制御部は、各電池セルの電圧が第1の基準値を満たしており、かつ、第2の基準値を満たしていないと判別された場合に前記電流調節部を制御して所定値の充電電流とし、各電池セルの電圧が第2の基準値を満たしていると判別された場合に前記電流調節部を制御して前記所定値よりも大きい充電電流にするものであることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect, the secondary battery is configured by connecting a plurality of battery cells in series, and the voltage detection unit detects a voltage of each battery cell. The voltage determination unit determines whether or not the voltage of each battery cell satisfies a first reference value, and determines whether or not the voltage of each battery cell satisfies a second reference value. The switch control unit turns on the charge control switch when the voltage of each battery cell satisfies the first reference value, and the voltage of at least one battery cell is the first voltage. The charge control switch is turned off when the reference value is not satisfied, and the current control unit is configured such that the voltage of each battery cell satisfies the first reference value and the second reference value is set. If it is determined that the current is not satisfied, the current is A charging current having a predetermined value is controlled by controlling the node, and when it is determined that the voltage of each battery cell satisfies the second reference value, the charging current larger than the predetermined value is controlled by controlling the current adjusting unit. It is characterized by that.
請求項5の発明は、請求項3又は4に係るものにおいて、前記第1の基準値は、充電を行うことにより電圧復帰の可能な充電可能状態の下限電圧値に設定されるものであることを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first or second aspect, the first reference value is set to a lower limit voltage value in a chargeable state in which voltage recovery is possible by charging. It is characterized by.
請求項6の発明は、請求項1乃至5のいずれかに係るものにおいて、前記スイッチ制御部は、二次電池を充電するための充電装置から供給される電力により作動するものであることを特徴としている。 A sixth aspect of the present invention is based on any one of the first to fifth aspects, wherein the switch control unit is operated by electric power supplied from a charging device for charging a secondary battery. It is said.
請求項7の発明は、充電装置に接続可能に構成された電池パックであって、負荷装置に対し電力を供給するための二次電池と、請求項1乃至6のいずれかに記載の二次電池の充電制御回路とを一体に備えたことを特徴とするものである。
The invention according to
請求項1の発明によれば、電池セルの電圧が基準値を満たしている場合に充電制御スイッチをオンにし、電池セルの電圧が基準値を満たしていない場合に充電制御スイッチをオフにするようにしているので、この基準値を二次電池が充電可能状態にあるか充電不能状態にあるかを判別するための所定値に設定しておくことにより、従来のような電圧復帰の可能性があるか否かを確認するためのトリクル充電が不要になる。このため、従来のようなトリクル充電に要する時間が不要となる結果、二次電池に対する充電時間を短縮することが可能になると共に、無駄な電力消費を抑制することができる。 According to the first aspect of the invention, the charge control switch is turned on when the voltage of the battery cell satisfies the reference value, and the charge control switch is turned off when the voltage of the battery cell does not meet the reference value. Therefore, by setting this reference value to a predetermined value for determining whether the secondary battery is in a chargeable state or a non-chargeable state, there is a possibility of voltage recovery as in the prior art. Trickle charging for confirming whether or not there is no longer necessary. For this reason, the time required for trickle charging as in the prior art becomes unnecessary, so that the charging time for the secondary battery can be shortened, and wasteful power consumption can be suppressed.
請求項2の発明によれば、各電池セルの電圧が基準値を満たしている場合に充電制御スイッチをオンにし、少なくとも1の電池セルの電圧が基準値を満たしていない場合に充電制御スイッチをオフにするようにしているので、この基準値を二次電池が充電可能状態にあるか充電不能状態にあるかを判別するための所定値に設定しておくことにより、従来のような電圧復帰の可能性があるか否かを確認するためのトリクル充電が不要になる。このため、従来のようなトリクル充電に要する時間が不要となる結果、二次電池に対する充電時間を短縮することが可能になると共に、無駄な電力消費を抑制することができる。
According to the invention of
請求項3の発明によれば、電池セルの電圧が第1の基準値を満たしている場合に充電制御スイッチをオンにし、電池セルの電圧が第1の基準値を満たしていない場合に充電制御スイッチをオフにするようにしているので、この第1の基準値を二次電池が充電可能状態にあるか充電不能状態にあるかを判別するための所定値に設定しておくことにより、従来のような電圧復帰の可能性があるか否かを確認するためのトリクル充電が不要になる。このため、従来のようなトリクル充電に要する時間が不要となる結果、二次電池に対する充電時間を短縮することが可能になると共に、無駄な電力消費を抑制することができる。 According to the invention of claim 3, the charge control switch is turned on when the voltage of the battery cell satisfies the first reference value, and the charge control is performed when the voltage of the battery cell does not satisfy the first reference value. Since the switch is turned off, the first reference value is set to a predetermined value for determining whether the secondary battery is in a chargeable state or a non-chargeable state. Thus, trickle charging for confirming whether or not there is a possibility of voltage recovery is not necessary. For this reason, the time required for trickle charging as in the prior art becomes unnecessary, so that the charging time for the secondary battery can be shortened, and wasteful power consumption can be suppressed.
また、電池セルの電圧が第1の基準値を満たしており、かつ、第1の基準値よりも大きい第2の基準値を満たしていない場合に所定値の充電電流とし、電池セルの電圧が第2の基準値を満たしている場合に第2の基準値を満たしていない場合の所定値よりも大きい充電電流にするようにしているので、電池セルの電圧が低い場合に電池セルに大きな負担を掛けないようにすることができる結果、電池寿命に悪影響を与えないようにすることができる。 In addition, when the voltage of the battery cell satisfies the first reference value and does not satisfy the second reference value larger than the first reference value, the charging current is set to a predetermined value, and the voltage of the battery cell is When the second reference value is satisfied, the charging current is set to be larger than the predetermined value when the second reference value is not satisfied. Therefore, when the battery cell voltage is low, a large burden is imposed on the battery cell. As a result, the battery life can be prevented from being adversely affected.
請求項4の発明によれば、各電池セルの電圧が第1の基準値を満たしている場合に充電制御スイッチをオンにし、少なくとも1の電池セルの電圧が第1の基準値を満たしていない場合に充電制御スイッチをオフにするようにしているので、この第1の基準値を二次電池が充電可能状態にあるか充電不能状態にあるかを判別するための所定値に設定しておくことにより、従来のような電圧復帰の可能性があるか否かを確認するためのトリクル充電が不要になる。このため、従来のようなトリクル充電に要する時間が不要となる結果、二次電池に対する充電時間を短縮することが可能になると共に、無駄な電力消費を抑制することができる。 According to the invention of claim 4, when the voltage of each battery cell satisfies the first reference value, the charge control switch is turned on, and the voltage of at least one battery cell does not satisfy the first reference value. In this case, since the charge control switch is turned off, the first reference value is set to a predetermined value for determining whether the secondary battery is in a chargeable state or a non-chargeable state. This eliminates the need for trickle charging for confirming whether there is a possibility of voltage recovery as in the prior art. For this reason, the time required for trickle charging as in the prior art becomes unnecessary, so that the charging time for the secondary battery can be shortened, and wasteful power consumption can be suppressed.
また、各電池セルの電圧が第1の基準値を満たしており、かつ、各電池セルの電圧が第1の基準値よりも大きい第2の基準値を満たしていない場合に所定値の充電電流とし、各電池セルの電圧が第2の基準値を満たしている場合に第2の基準値を満たしていない場合の所定値よりも大きい充電電流にするようにしているので、電池セルの電圧が低い場合に電池セルに大きな負担を掛けないようにすることができる結果、電池寿命に悪影響を与えないようにすることができる。 In addition, when the voltage of each battery cell satisfies the first reference value and the voltage of each battery cell does not satisfy the second reference value larger than the first reference value, the charging current of a predetermined value And when the voltage of each battery cell satisfies the second reference value, the charging current is larger than the predetermined value when the second reference value is not satisfied. As a result of not being able to place a heavy burden on the battery cell when the battery is low, the battery life can be prevented from being adversely affected.
請求項5の発明によれば、第1の基準値が充電を行うことにより電圧復帰の可能な充電可能状態の下限電圧値に設定されるので、電池セルの電圧が第1の基準値を満たしている場合に充電を行い、第1の基準値を満たしていない場合に充電を行わないようにすることにより、従来のような電圧復帰の可能性があるか否かを確認するためのトリクル充電が不要になる。このため、従来のようなトリクル充電に要する時間が不要となる結果、二次電池に対する充電時間を短縮することが可能になると共に、無駄な電力消費を抑制することができる。 According to the invention of claim 5, since the first reference value is set to the lower limit voltage value of the chargeable state where the voltage can be restored by charging, the voltage of the battery cell satisfies the first reference value. Trickle charge to check whether there is a possibility of voltage recovery as in the prior art by charging when the first reference value is not met, and not charging when the first reference value is not met Is no longer necessary. For this reason, the time required for trickle charging as in the prior art becomes unnecessary, so that the charging time for the secondary battery can be shortened, and wasteful power consumption can be suppressed.
また、電池セルの電圧が第1の基準値を満たしていない場合には、電池セルの負極板の集電体に用いている銅箔などの金属が充電により針状結晶の状態で析出して電極板を短絡させる場合があることから、第1の基準値を満たしていない場合に充電を行わないようにすることで安全を確保することができる。 In addition, when the voltage of the battery cell does not satisfy the first reference value, a metal such as a copper foil used for the current collector of the negative electrode plate of the battery cell is deposited in a needle-like crystal state by charging. Since the electrode plate may be short-circuited, safety can be ensured by preventing charging when the first reference value is not satisfied.
請求項6の発明によれば、スイッチ制御部が二次電池を充電するための充電装置から供給される電力により作動するものであるので、二次電池を構成している電池セルの電圧が低くなり過ぎた場合でもスイッチ制御部を確実に機能させることができる。 According to the invention of claim 6, since the switch control unit is operated by the electric power supplied from the charging device for charging the secondary battery, the voltage of the battery cells constituting the secondary battery is low. Even if it becomes too much, the switch control unit can function reliably.
請求項7の発明によれば、電池セルの電圧が基準値を満たしている場合に充電制御スイッチをオンにし、電池セルの電圧が基準値を満たしていない場合に充電制御スイッチをオフにするようにしているので、この基準値を二次電池が充電可能状態にあるか充電不能状態にあるかを判別するための所定値に設定しておくことにより、従来のような電圧復帰の可能性があるか否かを確認するためのトリクル充電が不要になる。このため、従来のようなトリクル充電に要する時間が不要となる結果、二次電池に対する充電時間を短縮することが可能になると共に、無駄な電力消費を効果的に抑制することができる電池パックが実現される。
According to the invention of
図1は、本発明の第1の実施形態に係る充電制御回路を用いた電池パックの回路構成を説明するための図である。この図において、電池パック10は、携帯電話機、デジタルカメラ、電動工具、ロボットなどの種々の負荷装置を駆動するためのものであり、一対の外部端子12、14と、二次電池16と、一対の外部端子12、14と二次電池16との間に配設された充電制御回路18とから構成されたものである。
FIG. 1 is a diagram for explaining a circuit configuration of a battery pack using the charge control circuit according to the first embodiment of the present invention. In this figure, a
ここで、一対の外部端子12、14は、二次電池16に対して充電を行う充電装置20の一対の出力端子22、24に接続されるものである。二次電池16は、リチウムイオン二次電池からなる充電可能なものであり、複数(本実施形態では3個)の電池セル28、30、32が直列接続されて構成されたものである。このリチウムイオン二次電池からなる二次電池16は、アルミニウムやアルミニウム合金などの電池ケース内に、正極板と負極板とがセパレータを介して絶縁された状態で扁平状に巻回されてなる極板群が収納され、非水電解液が注入されて構成されたものである。
Here, the pair of
この正極板は、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金などの箔やラス加工もしくはエッチング処理された厚み10〜60μmの正極集電体の片面又は両面に正極ペーストを塗布して乾燥させ、圧延して正極活物質層を形成することにより作製されたものである。また、負極板は、例えば、普通の銅箔やラス加工もしくはエッチング処理された銅箔からなる厚み10〜50μmの負極集電体の片面又は両面に負極ペーストを塗布して乾燥させ、圧延して負極活物質層を形成することにより作製されたものである。 For example, the positive electrode plate is formed by applying a positive electrode paste to one or both surfaces of a foil or a lath-processed or etched positive electrode current collector having a thickness of 10 to 60 μm, drying it, rolling it, and rolling it. It is produced by forming a material layer. Moreover, the negative electrode plate is applied by drying a negative electrode paste on one or both sides of a negative electrode current collector having a thickness of 10 to 50 μm made of, for example, ordinary copper foil or lath processed or etched copper foil, and rolled. It was produced by forming a negative electrode active material layer.
充電制御回路18は、二次電池16を構成する各電池セル28、30、32の電圧を検出する電圧検出部34と、各電池セル28、30、32に対し充電電流が供給される充電回路をオンオフするものであり、一方の外部端子12と二次電池16との間に配設された充電制御スイッチ36と、電圧検出部34から出力される検出信号が入力され、この検出信号のレベルに対応して充電制御スイッチ36をオンオフ制御する充電制御部38とを備えている。
The
ここで、電圧検出部34は、第1の電圧検出部40と第2の電圧検出部42とを備えている。第1の電圧検出部40は、二次電池16が電圧復帰の可能性のある充電可能状態(過放電状態)にあるか、電圧復帰の可能性のない充電不能状態(深放電状態)にあるかを検出するためのもので、各電池セル28、30、32の電圧を分圧する分圧抵抗回路と、この分圧抵抗回路により得た各電池セル28、30、32の分圧電圧を基準値と比較し、その比較結果をハイ信号又はロー信号である検出信号として出力するコンパレータとから構成されたものである。このコンパレータは、充電装置20から供給される電力により駆動される。
Here, the
すなわち、本発明は、電圧復帰の可能性のある充電可能状態にある二次電池16と、電圧復帰の可能性のない充電不能状態にある二次電池16とでは、各電池セル28、30、32の電圧値に差異があることを実験的に見出したことに基づくものであり、この臨界的な電圧値を満たしているか否かで充電可能状態にある二次電池16であるか、充電不能状態にある二次電池16であるかを検出しようとするものである。
That is, according to the present invention, each of the
このため、電圧復帰の可能性のある充電可能状態にある二次電池16と電圧復帰の可能性のない充電不能状態にある二次電池16とを判別し得る各電池セル28、30、32の臨界値としての電圧値Vrを実験的に求めておき、この臨界値としての電圧値Vrを各電池セル28、30、32の電圧値と比較するための基準値(臨界基準値)Vrとして設定したものである。
Therefore, each of the
この基準値Vrは、本実施形態では0.5〜1.3V(Vr=0.5〜1.3V)としているが、電池セルの特性ばらつきなどを考慮すると、0.6〜1.3V(Vr=0.6〜1.3V)とすることがより高い安全性を確保する上で好ましい。このように基準値Vrに幅を持たせているのは、電池パックが用いられる機器の用途などにより同じ二次電池であっても基準値を異ならせる必要があることが実験的に確認されていることによるものであり、このため機器の用途などに応じて上記範囲内の所定値が選択されて設定されることになる。なお、コンパレータに入力される基準値としては、上記基準値Vrから分圧抵抗回路による分圧比に対応して求めた値に設定される。 The reference value Vr is set to 0.5 to 1.3 V (Vr = 0.5 to 1.3 V) in the present embodiment. However, considering the characteristic variation of the battery cell, the reference value Vr is 0.6 to 1.3 V ( Vr = 0.6 to 1.3 V) is preferable for securing higher safety. It has been experimentally confirmed that the reference value Vr is given a width in this way because the reference value needs to be different even for the same secondary battery depending on the application of the device in which the battery pack is used. For this reason, a predetermined value within the above range is selected and set according to the application of the device. The reference value input to the comparator is set to a value obtained from the reference value Vr corresponding to the voltage dividing ratio by the voltage dividing resistor circuit.
また、第2の電圧検出部42は、二次電池16が充電装置20から充電電流が供給されることで満充電になったか否かを検出するためのもので、第1の電圧検出部40と同様に、各電池セル28、30、32の電圧を分圧する分圧抵抗回路と、この分圧抵抗回路により得た各電池セル28、30、32の分圧電圧を基準値と比較し、その比較結果をハイ信号又はロー信号である検出信号として出力するコンパレータとから構成されたものである。このコンパレータは、充電装置20から供給される電力により駆動される。
The
すなわち、この第2の電圧検出部42は、各電池セル28、30、32の電圧値Vcを満充電か否かを判別するための基準値(満充電基準値)Vfと比較し、その比較結果を検出信号として出力するものである。なお、コンパレータに入力される基準値としては、上記基準値Vfから分圧抵抗回路による分圧比に対応して求めた値に設定される。
That is, the second
充電制御スイッチ36は、例えば、電界効果型トランジスタにより構成されたものであり、充電制御部38によりオンにされることで充電装置20から二次電池16に対して充電電流を供給して充電を行い、充電制御部38によりオフにされることで二次電池16に対する充電電流の供給を遮断して充電を禁止するものである。
The charging
充電制御部38は、演算処理を実行するCPU(Central Processing Unit)、制御処理プログラムやデータなどを記憶するROM(Read-Only Memory)、及び、データを一時的に記憶するRAM(Random Access Memory)を備えたマイクロコンピュータなどで構成されたものであり、充電装置20から供給される電力により駆動されるものである。
The
充電制御部38には、電圧判別部44、満充電判別部46及びスイッチ制御部48としての機能実現部を備えている。この電圧判別部44は、第1の電圧検出部40から出力される検出信号がハイ信号であるかロー信号であるかを判別するものである。すなわち、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが基準値Vrを満たしているか否かを判別するものである。
The
満充電判別部46は、第2の電圧検出部42から出力される検出信号がハイ信号であるかロー信号であるかを判別するものである。すなわち、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが基準値Vfに達したか否かを判別するものである。
The full
スイッチ制御部48は、充電制御スイッチ36をオンオフ制御するものであり、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが基準値Vrを満たしている場合(Vc≧Vr)に制御信号により充電制御スイッチ36をオンにし、電池セル28、30、32のうちの少なくとも1の電池セルの電圧値Vcが基準値Vrを満たしていない場合(Vc<Vr)に制御信号により充電制御スイッチ36をオフにするものである。
The
すなわち、充電制御スイッチ36が電界効果型トランジスタで構成される場合では、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが基準値Vrを満たしている場合にゲートにハイ信号を供給して電界効果型トランジスタをオンにし、電池セル28、30、32のうちの少なくとも1の電池セルの電圧値Vcが基準値Vrを満たしていない場合にゲートにロー信号を供給して電界効果型トランジスタをオフにする。
That is, when the
また、このスイッチ制御部48は、充電装置20により二次電池16に対して充電が行われることで満充電となり、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが基準値Vfに達した場合(Vc=Vf)に制御信号により充電制御スイッチ36をオフにする。すなわち、充電制御スイッチ36が電界効果型トランジスタで構成される場合では、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが基準値Vfに達した場合にゲートにロー信号を供給して電界効果型トランジスタをオフにし、二次電池16に対する充電電流の供給を中止する。
Further, the
図2は、上記のように構成された電池パック10を充電装置20に接続した場合の充電制御回路18の制御動作を説明するためのフローチャートである。まず、第1の電圧検出部40により各電池セル28、30、32の電圧が検出され、この検出信号が充電制御部38に供給される(ステップS1)。この電圧検出部34における検出信号は、監視情報として常に充電制御部38に供給される。
FIG. 2 is a flowchart for explaining the control operation of the charging
次いで、第1の電圧検出部40から出力される各電池セル28、30、32に対する検出信号がハイ信号であるか否か、すなわち、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが基準値Vrを満たしているか否かが電圧判別部44により判別される(ステップS3)。
Next, whether or not the detection signal for each
このステップS3での判別が肯定されると(各電池セル28、30、32の電圧値Vcが基準値Vrを満たしている場合)、スイッチ制御部48の制御信号により充電制御スイッチ36がオンにされ、充電装置20から二次電池16に充電電流が供給されて二次電池16に対する充電が実行される(ステップS5)。このように、本発明では、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが基準値Vrを満たしている場合に充電が実行されることになることから、従来のような電圧復帰の可能性があるか否かを確認するためのトリクル充電に要する時間が不要となり、二次電池16に対する充電時間を効果的に短縮することができる。このステップS5においては、急速充電を行うことができる。
When the determination in step S3 is affirmative (when the voltage value Vc of each
次いで、第2の電圧検出部42からの検出信号がハイ信号であるか否か、すなわち、所定時間が経過することで二次電池16が満充電になったか否かが満充電判別部46により判別される(ステップS7)。このステップS7での判別が肯定されると、スイッチ制御部48の制御信号により充電制御スイッチ36がオフにされることで充電回路が遮断される(ステップS9)。なお、ステップS7での判別が否定されると、ステップS5に移行して充電動作が継続される。
Next, the full
一方、ステップS3での判別が否定されると(各電池セル28、30、32のうちの少なくとも1の電池セルであっても電圧値Vcが基準値Vrを満たしていない場合)、ステップS9に移行する。すなわち、スイッチ制御部48の制御信号により充電制御スイッチ36がオフにされることで充電回路が遮断される。このように、各電池セル28、30、32のうちの少なくとも1の電池セルの電圧値Vcが基準値Vrを満たしていない場合は充電が開始されないことから、従来のような電圧復帰の可能性があるか否かを確認するためのトリクル充電が不要となって無駄な消費電力を抑制することができる。
On the other hand, if the determination in step S3 is negative (if the voltage value Vc does not satisfy the reference value Vr even in at least one of the
また、電池セル28、30、32の電圧が基準値Vrを満たしていない場合、電池セル28、30、32の負極板の集電体に用いている銅箔などの金属が非水電解液中にイオンの形で溶出し、充電により針状結晶の状態で析出して電極板を短絡させる場合があるため、基準値Vrを満たしていない場合に充電を行わないようにすることで安全を確保することができる。また、電池セル28、30、32の電極板が短絡している場合のように充電装置20に大きな負荷を掛けることがないので、充電装置20の小型化を図ることも可能になる。
Further, when the voltage of the
なお、各電池セル28、30、32のうちの少なくとも1の電池セルであっても電圧値Vcが基準値Vrを満たしていない場合に充電制御スイッチ36をオフにして充電回路を遮断するのは、1つの電池セルであっても電極板上に金属が針状結晶の状態で析出していると、充電電流が流れた場合にその電池セルが破壊に至るなどの危険を伴う虞があるからである。
Note that even if at least one of the
図3は、本発明の第2の実施形態に係る充電制御回路を用いた電池パックの回路構成を説明するための図である。この第2の実施形態に係る充電制御回路18を用いた電池パック10は、第1の実施形態に係る充電制御回路18を用いた電池パック10と基本的には同一の構成要素からなるものであるため、同一の機能を有する構成要素については同一の符号を付与することにより詳細な説明を省略し、以下には第1の実施形態に係る充電制御回路18を用いた電池パック10との相違点を中心に説明する。
FIG. 3 is a diagram for explaining a circuit configuration of a battery pack using the charge control circuit according to the second embodiment of the present invention. The
この第2の実施形態に係る充電制御回路18を用いた電池パック10は、電圧検出部34の第1の電圧検出部40の構成、充電制御部38の電圧判別部44の構成、及び、充電制御部38のスイッチ制御部48の構成が第1の実施形態に係る充電制御回路18を用いた電池パック10のものと相違すると共に、充電回路に介挿された電流調整部50を備え、充電制御部38に電流調整部50の動作を制御する電流制御部52としての機能を備えた点で相違している。
The
すなわち、第2の実施形態における第1の電圧検出部40は、基準値として第1の基準値Vr1と第1の基準値よりも所定値だけ高い第2の基準値Vr2とを設定しておき、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが第1の基準値Vr1を満たしているか否かにより二次電池16が電圧復帰の可能性のある充電可能状態(過放電状態)にあるか、電圧復帰の可能性のない充電不能状態(深放電状態)にあるかを検出すると共に、電圧復帰の可能性のある充電可能状態にある場合に各電池セル28、30、32の電圧値Vcが第2の基準値Vr2を満たしているか否かにより急速充電を行う急速充電可能状態にあるか、緩速充電を行う方が好ましい充電許容状態にあるかを検出するようにしたものである。
That is, the first
このため、第2の実施形態における第1の電圧検出部40は、各電池セル28、30、32の電圧を分圧する分圧抵抗回路と、この分圧抵抗回路により得た各電池セル28、30、32の分圧電圧を第1の基準値と比較し、その比較結果をハイ信号又はロー信号である検出信号として出力する第1のコンパレータと、分圧抵抗回路により得た各電池セル28、30、32の分圧電圧を第2の基準値と比較し、その比較結果をハイ信号又はロー信号である検出信号として出力する第2のコンパレータとから構成されたものである。これらのコンパレータは、充電装置20から供給される電力により駆動される。
Therefore, the
すなわち、この第2の実施形態の発明は、第1の実施形態における場合と同様に、電圧復帰の可能性のある充電可能状態にある二次電池16と電圧復帰の可能性のない充電不能状態にある二次電池16とを判別し得る各電池セル28、30、32の臨界値としての電圧値Vr1を実験的に求めておき、この臨界値としての電圧値Vr1を各電池セル28、30、32の電圧値と比較するための第1の基準値(第1の臨界基準値)Vr1として設定したものである。
That is, the invention of the second embodiment is similar to the case of the first embodiment in that the
また、充電可能状態にある二次電池16であっても、急速充電を行うことが可能な急速充電可能状態にある二次電池16と、緩速充電を行う方が好ましい充電許容状態にある二次電池16とが存在することから、これらの状態を判別し得る各電池セル28、30、32の臨界値としての電圧値Vr2を実験的に求めておき、この臨界値としての電圧値Vr2を各電池セル28、30、32の電圧値と比較するための第2の基準値(第2の臨界基準値)Vr2として設定したものである。
Further, even if the
本実施形態では、第1の基準値Vr1を0.5〜1.3V(Vr1=0.5〜1.3V)とし、第2の基準値Vr2を2.0〜3.0V(Vr2=2.0〜3.0V)としている。すなわち、図4に示すように、電池セル28、30、32の電圧値Vcが0.5〜1.3V未満の範囲(Vc<0.5〜1.3V)を充電不許可範囲とし、電池セル28、30、32の電圧値Vcが0.5〜1.3Vを満たし、かつ、2.0〜3.0Vを満たしていない範囲(0.5〜1.3V≦Vc<2.0〜3.0V)を緩速充電許可範囲とし、電池セル28、30、32の電圧値Vcが2.0〜3.0Vを満たしている範囲(Vc≧2.0〜3.0V)を急速充電許可範囲としている。
In the present embodiment, the first reference value Vr1 is set to 0.5 to 1.3 V (Vr1 = 0.5 to 1.3 V), and the second reference value Vr2 is set to 2.0 to 3.0 V (Vr2 = 2). 0.0 to 3.0 V). That is, as shown in FIG. 4, a range in which the voltage value Vc of the
なお、電池セルの特性ばらつきなどを考慮すると、0.6〜1.3V未満の範囲を充電不許可範囲として設定することがより高い安全性を確保する上で好ましい。このように、第1の基準値Vr1及び第2の基準値Vr2にそれぞれ幅を持たせているのは、電池パックが用いられる機器の用途などにより同じ二次電池であっても第1の基準値Vr1及び第2の基準値Vr2基準値をそれぞれ異ならせる必要があることが実験的に確認されていることによるものであり、このため機器の用途などに応じて上記範囲内の所定値が選択されて設定されることになる。また、各コンパレータに入力される基準値としては、これら第1の基準値Vr1及び第2の基準値Vr2から分圧抵抗回路による分圧比に対応して求めた値に設定される。 In consideration of variations in characteristics of battery cells, it is preferable to set a range of 0.6 to less than 1.3 V as a charge disapproval range in order to ensure higher safety. As described above, the first reference value Vr1 and the second reference value Vr2 have different widths because the first reference value Vr1 and the second reference value Vr2 are different even if the same secondary battery is used depending on the use of the device in which the battery pack is used. This is because it has been experimentally confirmed that the value Vr1 and the second reference value Vr2 need to be different from each other. For this reason, a predetermined value within the above range is selected according to the use of the device. Will be set. The reference value input to each comparator is set to a value obtained from the first reference value Vr1 and the second reference value Vr2 corresponding to the voltage dividing ratio by the voltage dividing resistor circuit.
また、第2の実施形態における電圧判別部44は、第1の電圧判別部44a及び第2の電圧判別部44bとを備えている。この第1の電圧判別部44aは、第1の電圧検出部40の第1のコンパレータから出力される検出信号がハイ信号であるかロー信号であるかを判別するものである。すなわち、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが第1の基準値Vr1を満たしているか否かを判別するものである。第2の電圧判別部44bは、第1の電圧検出部40の第2のコンパレータから出力される検出信号がハイ信号であるかロー信号であるかを判別するものである。すなわち、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが第2の基準値Vr2を満たしているか否かを判別するものである。
In addition, the
また、第2の実施形態におけるスイッチ制御部48は、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが第1の基準値Vr1を満たしている場合(Vc≧Vr1)に制御信号により充電制御スイッチ36をオンにし、電池セル28、30、32のうちの少なくとも1の電池セルであっても電圧値Vcが第1の基準値Vr1を満たしていない場合(Vc<Vr1)に制御信号により充電制御スイッチ36をオフにするものである。
In addition, the
また、第2の実施形態における電流調整部50は、二次電池16に対する充電電流を調整するものであり、例えば、充電回路に介挿された抵抗素子と、この抵抗素子を短絡するスイッチ素子とで構成されたものである。すなわち、充電回路に抵抗素子が介挿された状態では抵抗素子が介挿されていない場合よりも小さい所定値の充電電流に設定されると共に、スイッチ素子により抵抗素子が短絡された状態では抵抗素子が介挿された場合の所定値よりも大きい充電電流に設定される。
In addition, the
また、第2の実施形態における電流制御部52は、電流調整部50の動作を制御するものである。すなわち、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが第1の基準値Vr1を満たしており、かつ、第2の基準値Vr2を満たしていない場合に小さい所定値の充電電流に設定することで二次電池16に対し緩速充電を行わせると共に、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが第2の基準値Vr2を満たしている場合に第2の基準値Vr2を満たしていない場合の所定値よりも大きい充電電流に設定することで二次電池16に対し急速充電を行わせるものである。
In addition, the
図5は、上記のように構成された第2の実施形態における充電制御回路18を用いた電池パック10を充電装置20に接続した場合の充電制御回路18の制御動作を説明するためのフローチャートである。まず、電圧検出部34の第1の電圧検出部40により各電池セル28、30、32の電圧が検出され、この検出信号が充電制御部38に供給される(ステップS21)。この電圧検出部34における検出信号は、監視情報として常に充電制御部38に供給される。
FIG. 5 is a flowchart for explaining the control operation of the
次いで、第1の電圧検出部40を構成する第1のコンパレータから出力される各電池セル28、30、32に対する検出信号がハイ信号であるか否か、すなわち、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが第1の基準値Vr1を満たしているか否かが第1の電圧判別部44aにより判別される(ステップS23)。
Next, whether or not the detection signal for each
このステップS23での判別が肯定されると(各電池セル28、30、32の電圧値Vcが第1の基準値Vr1を満たしている場合)、第1の電圧検出部40を構成する第2のコンパレータから出力される各電池セル28、30、32に対する検出信号がハイ信号であるか否か、すなわち、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが第2の基準値Vr2を満たしているか否かが第2の電圧判別部44bにより判別される(ステップS25)。
If the determination in step S23 is affirmative (when the voltage value Vc of each
このステップS25での判別が否定されると(各電池セル28、30、32の電圧値Vcが第2の基準値Vr2を満たしていない場合)、スイッチ制御部48の制御信号により充電制御スイッチ36がオンにされると共に、電流制御部52の制御信号により電流調整部50が作動されて各電池セル28、30、32の電圧値Vcが第2の基準値Vr2を満たしている場合よりも小さい充電電流が供給されて二次電池16に対する充電(緩速充電)が実行される(ステップS27)。
If the determination in step S25 is negative (when the voltage value Vc of each
このように、本発明では、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが第1の基準値Vr1を満たしている場合に充電が実行されることになることから、従来のような電圧復帰の可能性があるか否かを確認するためのトリクル充電に要する時間が不要となり、二次電池16に対する充電時間を効果的に短縮することができる。また、小さい充電電流で充電が行われることで電池セルに対し大きな負担を掛けることがなくなる結果、電池セルに対し悪影響を及ぼすことがない。
As described above, in the present invention, charging is performed when the voltage value Vc of each
次いで、第1の電圧検出部40を構成する第2のコンパレータから出力される各電池セル28、30、32に対する検出信号がハイ信号であるか否か、すなわち、各電池セル28、30、32の電圧値Vcが第2の基準値Vr2を満たしているか否かが第2の電圧判別部44bにより判別される(ステップS29)。
Next, whether or not the detection signal for each
このステップS29での判別が肯定されると、電流制御部52の制御信号により電流調整部50が作動されて各電池セル28、30、32の電圧値Vcが第2の基準値Vr2を満たしていない場合よりも大きい充電電流が供給されて二次電池16に対する充電(急速充電)が実行される(ステップS31)。
If the determination in step S29 is affirmed, the
次いで、第2の電圧検出部42からの検出信号がハイ信号であるか否か、すなわち、所定時間が経過することで二次電池16が満充電になったか否かが満充電判別部46により判別される(ステップS33)。このステップS33での判別が肯定されると、スイッチ制御部48の制御信号により充電制御スイッチ36がオフにされることで充電回路が遮断される(ステップS35)。
Next, the full
一方、ステップS23での判別が否定されると(各電池セル28、30、32のうちの少なくとも1の電池セルであっても電圧値Vcが第1の基準値Vr1を満たしていない場合)、ステップS35に移行する。すなわち、スイッチ制御部48の制御信号により充電制御スイッチ36がオフにされることで充電回路が遮断される。このように、各電池セル28、30、32のうちの少なくとも1の電池セルであっても電圧値Vcが第1の基準値Vr1を満たしていない場合は充電が開始されないことから、従来のような電圧復帰の可能性があるか否かを確認するためのトリクル充電が不要となって無駄な消費電力を抑制することができる。
On the other hand, if the determination in step S23 is negative (when the voltage value Vc does not satisfy the first reference value Vr1 even in at least one of the
また、電池セル28、30、32の電圧が第1の基準値Vr1を満たしていない場合、電池セル28、30、32の負極板の集電体に用いている銅箔などの金属が非水電解液中にイオンの形で溶出し、充電により針状結晶の状態で析出して電極板を短絡させる場合があるため、第1の基準値Vr1を満たしていない場合に充電を行わないようにすることで安全を確保することができる。また、電池セル28、30、32の電極板が短絡している場合のように充電装置20に大きな負荷を掛けることがないので、充電装置20の小型化を図ることも可能になる。
Further, when the voltage of the
なお、各電池セル28、30、32のうちの少なくとも1の電池セルの電圧値Vcが第1の基準値Vr1を満たしていない場合に充電制御スイッチ36をオフにして充電回路を遮断するのは、1つの電池セルであっても電極板上に金属が針状結晶の状態で析出していると、充電電流が流れた場合にその電池セルが破壊に至るなどの危険を伴う虞があるからである。
Note that when the voltage value Vc of at least one of the
また、ステップS25での判別が肯定されると(各電池セル28、30、32の電圧値Vcが第2の基準値Vr2を満たしている場合)、ステップS31に移行して以降の各ステップが実行される。また、ステップS29での判別が否定されると(各電池セル28、30、32の電圧値Vcが第2の基準値Vr2を満たしていない場合)、ステップS27に移行して小さい充電電流での充電(緩速充電)が継続される。また、ステップS33での判別が否定されると、ステップS31に移行して大きい充電電流での充電(急速充電)が継続される。
When the determination in step S25 is affirmed (when the voltage value Vc of each
本発明に係る充電制御回路18及び充電制御回路18を用いた電池パック10は、上記第1の実施形態又は第2の実施形態のように構成されているので、二次電池16を充電する場合でも電圧復帰の可能性があるか否かを確認するためのトリクル充電を不要にすることで充電時間の短縮を可能にすると共に、無駄な消費電力を抑制することができる。なお、本発明に係る充電制御回路18及び充電制御回路18を用いた電池パック10は、上記実施形態のものに限定されるものではなく、以下に述べるような種々の変形態様を必要に応じて採用することができる。
Since the
(1)上記第1、第2の実施形態では、二次電池16は、リチウムイオン二次電池からなるものであるが、これに限るものではない。例えば、二次電池16は、リチウムポリマー二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池などからなるものであってもよい。
(1) In the first and second embodiments, the
(2)上記第1、第2の実施形態では、二次電池16は複数の電池セル28、30、32が直列接続されて構成されたものであるが、これに限るものではない。例えば、1つの電池セルのみで構成されたものであってもよい。また、二次電池16が1つの電池セルから構成される場合及び複数の電池セルが直列接続されて構成される場合のいずれの場合であっても、複数の電池セルが並列接続されて1つの電池セルを構成していてもよい。
(2) In the first and second embodiments, the
(3)上記第1、第2の実施形態では、電圧検出部34(第1の電圧検出部40及び第2の電圧検出部42)は、各電池セル28、30、32の電圧を検出するようにしたものであるが、これに限るものではない。例えば、各電池セル28、30、32が直列接続されて構成された二次電池16の両端電圧を検出するようにしてもよい。この場合、各基準値Vr、Vr1、Vr2、Vfは、それに対応したものとして設定すればよい。
(3) In the first and second embodiments, the voltage detector 34 (the
(4)上記第1の実施形態では、充電開始時に各電池セル28、30、32の電圧値Vcが基準値Vrを満たしている場合、充電制御スイッチ36がオンにされることで充電装置20から二次電池16に充電電流が供給されて二次電池16に対し急速充電が行われるが、これに限るものではない。例えば、充電開始時に各電池セル28、30、32の電圧値Vcが基準値Vrを満たしている場合でも、満充電になるまで大きな充電電流を流さないようにして緩速充電を行うようにしてもよい。
(4) In the first embodiment, when the voltage value Vc of each
(5)上記第1、第2の実施形態では、充電を行うことで二次電池16が満充電になった場合、充電制御スイッチ36をオフにして充電回路を遮断するようにしているが、これに限るものではない。例えば、充電装置20に液晶表示部などの適宜の表示部を設けておき、二次電池16が満充電になった場合でも充電回路を遮断しないで、満充電になった旨のメッセージを表示部に表示させるようにしてもよい。また、充電回路を遮断することに加え、満充電になった旨のメッセージを表示部に表示することも可能である。なお、満充電になった後に定電圧充電を行うことも可能である。
(5) In the first and second embodiments, when the
(6)上記第1、第2の実施形態では、電池パック10は、充電制御回路18のみを一体に備えたものであるが、これに限るものではない。例えば、充電制御回路18に加え、二次電池16を過充電や深放電などから保護する保護回路などを一体に備えていてもよい。
(6) In the first and second embodiments, the
(7)上記第1、第2の実施形態では、電圧検出部34(第1の電圧検出部40及び第2の電圧検出部42)を分圧抵抗回路とコンパレータとから構成されたものとして説明しているが、これに限るものではない。例えば、電圧検出部34(第1の電圧検出部40及び第2の電圧検出部42)を分圧抵抗回路のみで構成し、コンパレータとしての機能を充電制御部38に持たせるようにすることもできる。
(7) In the first and second embodiments described above, the voltage detection unit 34 (the first
本発明に係る充電制御回路18及び充電制御回路18を用いた電池パック10は、二次電池16を充電する場合に電圧復帰の可能性があるか否かを確認するためのトリクル充電を行わないので、充電時間を短縮することができて充電制御回路18あるいは充電制御回路18を用いた電池パック10を構成する上で有用なものとなる。
The
10 電池パック
16 二次電池
18 充電制御回路
20 充電装置
28、30、32 電池セル
34 電圧検出部
36 充電制御スイッチ
38 充電制御部
40 第1の電圧検出部
42 第2の電圧検出部
44 電圧判別部
46 満充電判別部
48 スイッチ制御部
50 電流調整部
52 電流制御部
DESCRIPTION OF
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