JP2007215251A - 蓄電池の充電システムおよび充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電池パックを充電する外部充電器の構造を大幅に簡素化し、安価に製造できる充電システムを提供する。
【解決手段】 電池パックが外部充電器と電子機器本体のいずれに接続されたかを識別可能にし、電池パックが外部充電器に接続された場合に、電池パック内部の電圧設定部および電流設定部から、充電電圧値および充電電流値に関する信号を外部充電器の電圧調整器および電流調整器に送信する。これによって、外部充電器のＭＰＵを省略し、構造を簡素化する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、携帯型電子機器において使用される蓄電池を充電するシステムに関し、さらには、プロセッサを備えた電池パックに対する充電器の構造を簡素化した充電システムに関する。

携帯型電子機器の中でも代表的な存在であるノート型パーソナル・コンピュータ（以後ノートＰＣという。）で使用される蓄電池は、ＣＰＵの動作周波数の高速化、モバイル環境での長時間動作や小型軽量化などが要求されることから、近年はエネルギー密度の高いリチウム・イオン蓄電池やニッケル水素蓄電池などが主流になってきている。これらの蓄電池を充電放電するときには、充放電電流および充放電電圧を精密に制御する必要がある。このため、ケース内に蓄電池のみを装備していた従来の電池パックではなく、電池パック自体がマイクロ・コンピュータを備えてノートＰＣ本体との通信によって情報を交換しつつ充電および放電を制御するスマート・バッテリと呼ばれるバッテリ装置の仕組みが一般的なものになっている。

スマート・バッテリは、米国インテル社および米国デュラセル社によって提唱されたスマート・バッテリ・システム（ＳＢＳ：Smart Battery System)と呼ばれる規格に準拠したバッテリ装置である。ＳＢＳ規格は、１９９５年にバージョン０．９が初めて公開され、現在のバージョン１．１に至る。それまではノートＰＣのメーカーが各々独自に開発していた充放電の管理、残量の測定、およびノートＰＣとの通信方法などを一本化し、電池パックが自らの化学組成に適した充放電の制御を行うことにより、ノートＰＣの設計者を充放電制御から開放することが主な目的であった。同規格に準拠した電池パックは、インテリジェント電池とも呼ばれる。

インテリジェント電池は、充放電が行われる蓄電池の本体である蓄電池に、ＣＰＵ、電流測定回路、電圧測定回路および各種センサなどを基板に実装した電気回路部が組み合わされており、データ回線を介してノートＰＣ本体のエンベデッド・コントローラと通信を行っている。インテリジェント電池とノートＰＣ本体との連携によって、たとえば充電容量の残量に応じてノートＰＣの消費電力モードを変更したり、残量が少なくなった場合や電池に何らかの異常が生じた場合にディスプレイ上に警告を表示した上でノートＰＣの動作を終了したりということが可能になる。

非特許文献１のＳＢＳの充電装置に関する規格書の「4.2. Smart Battery Charger Types」の項目によると、インテリジェント電池の充電装置にはLevel2およびLevel3の２種類が定義されているが、Level2の充電装置においてはインテリジェント電池がマスター・デバイスであり、充電装置が同電池に従属するスレーブ・デバイスであると位置づけられている。この場合、インテリジェント電池側が充電に必要な電流および電圧についての情報をデータ回線によって充電装置側に送信し、充電装置はその情報に基づいて電流および電圧を出力する。Level3の充電装置では、Level2と同様の動作モードの他に、充電装置がマスター・デバイスであり、インテリジェント電池が同装置に従属するスレーブ・デバイスである動作モードも存在する。この場合、充電装置側がインテリジェント電池に、充電に必要な電流および電圧について問い合わせ、その返信に基づいて電流および電圧を出力する。

なお、特許文献１はインテリジェント電池の容量を大きく、かつ寿命を長くすることのできる充電制御方法を開示している。特許文献２はＣＰＵを有する電池と充電器との間の通信によって充電を適正に管理する技術を開示している。
特開２００１−３０９５６８号公報 特開平１１−２１５７２７号公報 Smart Battery Charger Specification, version 1.1（SBS Forum, December 11, 1998 , http://www.sbs-forum.org/specs/sbc110.pdf）

電池パックが装着されたノートＰＣに対して商用電源から電力を供給していれば、ノートＰＣ内部の充電器で同時に電池パックの充電も行われ、その後モバイル環境で使用することもできる。長時間モバイル環境で多数のノートＰＣを使用するユーザの場合は、予備の電池パックをあらかじめ充電して用意しておく必要がある。そのためには、多数の外部充電器が必要となりそのコスト負担が大きくなる。

図７は、従来の充電システムの基本構成について示す図である。図７（Ａ）は従来の電池パック１０’が商用電源から電力の供給を受けているノートＰＣ本体１００に取り付けられた状態である。ＡＣアダプタ１２３は、商用電源にＡＣコード１２５で接続され、ＡＣ電圧を所定のＤＣ電圧に変換し、ＤＣケーブル１２７を通じてノートＰＣ本体１００に電力を供給する。ノートＰＣ本体１００に供給された電力は、ノートＰＣ本体１００のシステム負荷と電池パック１０’の充電に使用される。図７（Ｂ）は電池パック１０’が外部充電器５０’に取り付けられて充電されている状態を示している。充電器５０’には、ノートＰＣ本体１００に接続されるものと同一のＡＣアダプタ１２３が接続される。

図８は、図７（Ａ）に示した従来の電池パック１０’がノートＰＣ本体１００に取り付けられた状態をより詳しく示す図である。電池パック１０’はＳＢＳ規格に準拠している。電池パック１０’には、蓄電池１１の他に、ＭＰＵ２１、Ｄ−ＦＥＴ１７、Ｃ−ＦＥＴ１９、電圧調整器２３、サーミスタ３５、電流測定回路１３、および電圧測定回路１５などの電子部品が設けられている。電池パック１０’とノートＰＣ本体１００との間は、＋端子３７、Ｃ端子３９、Ｄ端子４１、Ｔ端子４３、および−端子４５の５つの端子で接続されている。電池パック１０’の内部で蓄電池１１から出力された電力は、＋端子３７および−端子４５を通じて、ノートＰＣ本体１００に出力される。Ｃ端子３９とＤ端子４１はそれぞれＭＰＵ２１のクロック端子およびデータ端子に接続され、Ｔ端子はサーミスタ３５に接続される。

ＭＰＵ２１は、電圧調整器２３を介して得られた定電圧によって動作し、８〜１６ビット程度のＣＰＵの他に、ＲＡＭ、ＲＯＭ、アナログ入出力、タイマ、デジタル入出力などを１個のパッケージの中に備えた集積回路であり、電池パック１０’の制御に関わるプログラムを単独で実行することが可能である。ＭＰＵ２１は、電流測定回路１３および電圧測定回路１５によって、蓄電池１１から出力される電流および電圧を常時監視し、蓄電池１１の放電に関してＤ−ＦＥＴ１７を制御し充電に関してＣ−ＦＥＴ１９を制御する。ＭＰＵ２１からはクロック・ラインとデータ・ラインが、それぞれＣ端子３９およびＤ端子４１を介してノートＰＣ本体１００側のエンベデッド・コントローラ１１５に通じ、ＭＰＵ２１とエンベデッド・コントローラ１１５との間での通信が可能になっている。

また、蓄電池１１の近傍に配置されたサーミスタ３５は温度に応じて抵抗値が変わる素子であり、ノートＰＣ本体１００側のプルアップ抵抗１２１を介して電圧源Ｖｃｃに接続されることによって測温回路として機能する。このサーミスタ３５からの出力が、Ｔ端子４３を通ってエンベデッド・コントローラ１１５に入力される。サーミスタ３５は、蓄電池の温度の測定と同時に、ノートＰＣ本体１００に対して正当な電池パック１０’が接続されたことをエンベデッド・コントローラ１１５が認識するためにも使用される。

ノートＰＣ本体１００の電源管理機能は、エンベデッド・コントローラ１１５を中心として充電器１１７、コントロール・ライン１１９、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２２、ＡＣアダプタ１２３などで構成される。エンベデッド・コントローラ１１５は、電源以外にもノートＰＣ本体１００を構成する多くのハードウェア要素を制御する集積回路である。エンベデッド・コントローラ１１５は、蓄電池１１の現在の電流値および電圧値についての情報をＭＰＵ２１からの通信によって得て、この情報に基づいてコントロール・ライン１１９を介してノートＰＣ本体１００に内蔵された充電器１１７を制御し、電池パック１０’の充電を制御する。

ＡＣアダプタ１２３および電池パック１０’から供給される電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２２を経由してノートＰＣ内の各部へ供給される。さらにエンベデッド・コントローラ１１５は、ＩＳＡバス１１３に接続されており、そこからＰＣＩ−ＩＳＡブリッジ１１１、ＰＣＩバス１０９、ＣＰＵブリッジ１０７、ＦＳバス１０３などを介して、ＣＰＵ１０１、メインメモリ１０５、およびノートＰＣ１００を構成するその他のハードウェア要素と相互接続され、通信することが可能である。なお、ディスプレイ、磁気ディスク、光学ディスク、キーボードなど、ノートＰＣ１００を構成するハードウェア要素の多くは公知であるので、図８では記載を省略している。

図９は、図７（Ｂ）に示した電池パック１０’が外部充電器５０’に取り付けられた状態をより詳しく示す図である。電池パック１０’内部は図８に示したノートＰＣ本体１００に接続されたものと同一である。充電器５０’はＭＰＵ１１６、スイッチ（ＳＷ）１２９、電圧調整器５１、電流調整器５３などで構成される。ＭＰＵ１１６は、電池パック１０’の充電でノートＰＣ本体１００におけるエンベデッド・コントローラ１１５に相当する役割を果たす。ＭＰＵ１１６は、蓄電池１１の現在の電流および電圧などの充電情報をＭＰＵ２１からの通信によって得て、この情報に基づいてスイッチ（ＳＷ）１２９、および電圧調整器５１、電流調整器５３を制御することによって、ノートＰＣ本体１００と同様の充電の制御を行っている。

従来の外部充電器５０’は、電池パック１０’の充電の制御をノートＰＣ本体１００に内蔵された充電器１１７と同様に行うことが可能である。しかし、このような外部充電器５０’はＭＰＵ１１６を使用しているためコストが高いので、その構造を簡素化してコストを低減することが求められていた。

本発明の目的は、外部充電器の構造を簡素化して安価に製造が可能である、電池パックおよび外部充電器からなる充電システムを提供することにある。本発明の目的はさらに、そのような充電システムを構成する電池パックおよび外部充電器、そしてそのような充電方法を提供することにある。

本発明の原理は、電池パックと外部充電器からなる充電システムにおいて、それぞれに重複して搭載されていたプロセッサのうち、外部充電器のプロセッサを排除して構成を簡素化した点にある。従来外部充電器が担っていた機能を電池パックのプロセッサに移すことで従来と同様に精密な充電制御が可能となる。電池パックがノートＰＣなどの電子機器本体に接続される場合に従来の電池パックと全く同じ動作をするようにしておけば、ノートＰＣの改造をする必要がないので都合がよい。このため、外部充電器に識別回路を備えることによって、電池パックが外部充電器と電子機器本体のいずれに接続されたかを識別可能にする。電池パックが外部充電器に接続された場合には、電池パック側のプロセッサが充電の制御を行うようにする。

多くの場合、電池パックの充電は定電圧定電流制御方式で行われるので、充電の制御で充電器に必要となるパラメータは充電電圧値および充電電流値である。このため、外部充電器は充電調整器として電圧調整器および電流調整器を備え、電池パックで設定された充電電圧値および充電電流値を受け取り、当該電圧値および電流値を電池パックに供給することによって充電を行う。

電池パックが電子機器本体に接続された場合に、電池パック側のプロセッサと電子機器本体側のエンベデッド・コントローラとの間で行われる充電情報の通信のためのデータ・ラインおよびクロック・ラインが電池パックに備えられており、これらのラインは従来の外部充電器との間での充電情報の通信にも使用されている。電池パックのプロセッサが外部充電器の電圧調整器および電流調整器にパラメータを送って動作を制御するようにすると、データ・ラインおよびクロック・ラインを充電情報の転送に使用する必要がなくなる。よって、これらのラインを、充電パラメータを外部充電器に転送するために利用することで電池パックの改造を少なくすることができる。

また、電池パック内部の温度を電子機器本体側のエンベデッド・コントローラや外部充電器のＭＰＵが把握できるよう、電池パック内部にはサーミスタを利用した測温回路が備えられている。本発明にかかる充電システムでは、この測温回路を利用した識別回路を形成する。

電子機器本体の測温回路を接続する端子には、電圧源に接続されたプルアップ抵抗が備えられている。従って、外部充電器にも同じように電圧源に接続されたプルアップ抵抗を電池パックの測温回路に接続するようにし、かつ当該プルアップ抵抗の抵抗値を電子機器本体とは異なる値とすることにより、電池パックが外部充電器と電子機器本体のいずれに接続されたかを、ＭＰＵに入力された電圧値の違いで識別できる。

電池パック内部には、充電電圧値および充電電流値を設定するパラメータ設定手段があり、さらに前述のデータ・ラインおよびクロック・ラインと、パラメータ設定手段からの信号とを切り替え可能な切り替えスイッチを備えている。これにより、電池パックが電子機器本体に接続された場合はプロセッサからの充電情報を電子機器本体に送り、電池パックが外部充電器に接続された場合は充電パラメータの設定に関する信号を外部充電器に送るようにすることが可能である。

従来の電池パックでは、充電容量が減少した場合、および内部で異常が発生した場合などを除き、電力の入出力を制御する充電スイッチは常時オン状態であった。充電スイッチが常時オンであっても、電池パックが接続されたときに外部充電器が電池パックの充電電圧値および充電電流値を正しく設定した後にその出力をオンにすることができたので、異常な充電電圧が電池パックに印加されるおそれはなかった。本発明にかかる外部充電器は、構造が簡素化されているため充電スイッチがオンに設定された電池パックが接続されると、異常な充電電圧が電池パックに印加されるおそれがある。これを防ぐために、本発明では電池パックが外部充電器と電子機器本体のいずれにも接続されていないことをＭＰＵが識別した場合には、電池パックの充電スイッチをオフにして外部から蓄電池に対する電圧の印加ができないようにする。電池パックが外部充電器に接続されたときは、先に充電パラメータを電池パックから外部充電器に送り、充電パラメータが正しく設定されてから充電スイッチをオンにして充電を開始する。充電が完了した場合には、同スイッチをオフにして充電を終了させることができる。これによって、外部充電器側に同じようなスイッチを設ける必要がなくなり、外部充電器の構造の簡素化に貢献する。

電池パックはＳＢＳ規格に準拠したものを利用できるが、必ずしも同規格に準拠したものに限定されない。また外部充電器は、交流電源に接続されたトランスを含むことによって、ＡＣアダプタを別個に用意しなくても直接商用電源に接続して使用することが可能なものとすることができる。

本発明は、上記のような特徴を持った充電システム、あるいは充電システムを構成する電池パックおよび外部充電器、さらに充電方法として捉えることができる。

本発明によって、外部充電器の構造を簡素化して安価に製造が可能である、電池パックおよび外部充電器からなる充電システムを提供することができた。そして、充電システムを構成する電池パックおよび外部充電器、さらに充電方法を提供することができた。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は、本実施の形態が適用される充電システムの構成について示す図である。図１（Ａ）は電池パック１０が商用電源から電力の供給を受けているノートＰＣ本体１００に取り付けられた状態である。ノートＰＣ本体１００は、ＡＣアダプタ１２３からＤＣ電圧の供給を受けて動作し、同時に電池パック１０を充電する。ＡＣアダプタ１２３は、ＡＣコード１２５を介して受けた商用電源からのＡＣ電圧を所定のＤＣ電圧に変換し、ＤＣケーブル１２７を通じてノートＰＣ本体１００に供給する。電池パック１０は、ＳＢＳ規格に準拠したインテリジェント電池である。図１（Ｂ）は電池パック１０がＡＣコード１２５を介して商用電源から電力の供給を受けている外部充電器５０に取り付けられた状態である。充電器５０はＡＣアダプタと一体化した構成であり、ＡＣコード１２５から直接ＡＣ電力の供給を受けて動作する。

図２は、図１（Ａ）に示した電池パック１０がノートＰＣ本体１００に取り付けられた状態をより詳しく示す図である。ノートＰＣ本体１００は、図８に示した従来のノートＰＣ本体１００と同一であるので、以後の説明を省略する。また、電池パック１０は図８に示した従来の電池パック１０’と類似しているので、本発明の特徴部分のみを説明する。

電池パック１０は、従来の電池パック１０’に、第１の切り替えスイッチ（ＳＷ１）２７および第２の切り替えスイッチ（ＳＷ１）２９、電圧設定部（Ｖｓｅｔ）３１および電流設定部（Ｉｓｅｔ）３３などが付加されている。また、サーミスタ３５の電圧がＭＰＵ２１のアナログ入力Ａ／Ｄ＃３に入力されるように回路が変更されている。電池パック１０内部のＭＰＵ２１は、第１の切り替えスイッチ（ＳＷ１）２７および第２の切り替えスイッチ（ＳＷ２）２９を操作することができる。第１の切り替えスイッチ（ＳＷ１）２７は、ＭＰＵ２１のＣＬＯＣＫ端子の出力および電圧設定部（Ｖｓｅｔ）３１の出力のうちいずれかを、Ｃ端子３９に接続する。第２の切り替えスイッチ（ＳＷ２）２９は、ＭＰＵ２１のＤＡＴＡ端子の出力および電流設定部（Ｉｓｅｔ）３３の出力のうちいずれかを、Ｄ端子４１に接続する。なお、電圧設定部（Ｖｓｅｔ）３１の出力がＤ端子４１に、電流設定部（Ｉｓｅｔ）３３の出力がＣ端子３９にそれぞれ接続される形でもよい。電圧設定部（Ｖｓｅｔ）３１および電流設定部（Ｉｓｅｔ）３３については後述する。

電池パック１０がノートＰＣ本体１００に接続されている時、ＭＰＵ２１は第１の切り替えスイッチ（ＳＷ１）２７および第２の切り替えスイッチ（ＳＷ２）２９を操作して、ＭＰＵ２１のＣＬＯＣＫ端子およびＤＡＴＡ端子の出力をＣ端子３９およびＤ端子４１に接続する。これによって、ＭＰＵ２１からクロック・ラインおよびデータ・ラインが、Ｃ端子３９およびＤ端子４１を介してノートＰＣ本体１００側のエンベデッド・コントローラ１１５に通じ、ＭＰＵ２１とエンベデッド・コントローラ１１５との間での通信が可能になる。なお、電池パック１０がノートＰＣ本体１００および外部充電器５０のいずれに接続されたかを識別する方法については後述する。

図３は、図１（Ｂ）に示した電池パック１０が外部充電器５０に取り付けられた状態をより詳しく示す図である。電池パック１０の内部は図２に示したノートＰＣ本体１００に接続されたものと同一である。一方外部充電器５０は電圧調整器５１、電流調整器５３、変圧器５７、およびＴ端子４３を通ってサーミスタ３５に接続されるプルアップ抵抗１２１’などで構成される。本実施の形態の外部充電器５０は、従来の外部充電器が必要としていたＭＰＵおよびスイッチを持たない。さらに本実施の形態の外部充電器５０は、従来の外部充電器では別に用意する必要があったＡＣアダプタの機能を内蔵している。本実施の形態の外部充電器５０は、ＡＣコード１２５を介して得た商用電源からのＡＣ電圧を、変圧器５７を通してＤＣ電圧に変換し、電圧調整器５１および電流調整器５３によって電圧値および充電電流値を調整することが可能である。また、プルアップ抵抗１２１’は、ノートＰＣ本体１００と等しい電圧値の電圧源Ｖｃｃに接続されるが、ノートＰＣ本体１００のプルアップ抵抗１２１と異なる抵抗値を持つ。

定電圧定電流制御方式（ＣＶＣＣ）で電池パック１０を充電する場合、充電の制御で必要となるパラメータは充電電圧値および充電電流値である。充電電圧値および充電電流値は、充電の対象となる蓄電池１１の種類および物理的特性によって一意的に決定される。そのため、電圧設定部（Ｖｓｅｔ）３１は、電池パック１０自身を充電するために供給されるべき充電電圧値を外部充電器５０に供給するための信号を生成する。電流設定部（Ｉｓｅｔ）３３も同様に、電池パック１０自身を充電するために供給されるべき充電電流値を外部充電器５０に供給するための信号を生成する。

電池パック１０が外部充電器５０に接続されている時、ＭＰＵ２１は第１の切り替えスイッチ（ＳＷ１）２７および第２の切り替えスイッチ（ＳＷ２）２９を操作して、電圧設定部（Ｖｓｅｔ）３１および電流設定部（Ｉｓｅｔ）３３の出力をＣ端子３９およびＤ端子４１に接続する。電圧調整器５１および電流調整器５３は、電圧設定部（Ｖｓｅｔ）３１および電流設定部（Ｉｓｅｔ）３３で設定された充電電圧値および充電電流値に関する信号をＣ端子３９およびＤ端子４１を介して受けとり、充電電圧値および充電電流値を設定された値に調整して充電を行う。なお、より具体的に充電電圧値および充電電流値を決定する方法については後述する。

ＭＰＵ２１は電流測定回路１３および電圧測定回路１５で測定された充電電流および充電電圧によって、充電が完了した否かを判断する。充電が完了したと判断した場合、ＭＰＵ２１はＤ−ＦＥＴ１７およびＣ−ＦＥＴ１９をオフにして、電池パック１０の充電を停止する。外部充電器５０側は構造が簡素化されており、特にその出力電圧をオフにするようなスイッチを設けない。

ＭＰＵ２１のアナログ入力Ａ／Ｄ＃３には、Ｔ端子４３を通って外部充電器５０側のプルアップ抵抗１２１’を介して電圧源Ｖｃｃに接続されたサーミスタ３５の電圧値が入力される。なお、同入力は十分にハイインピーダンスであるため、サーミスタ３５が同入力に接続されたままであっても、電池パック１０がノートＰＣ本体１００に接続された時のエンベデッド・コントローラによる測温に支障を与えることはない。そして、外部充電器５０のプルアップ抵抗１２１’と、ノートＰＣ本体１００のプルアップ抵抗１２１とでは、抵抗値が異なっているため、電圧源Ｖｃｃの電圧値がプルアップ抵抗とサーミスタ３５の抵抗とで分圧されてＭＰＵ２１のアナログ入力Ａ／Ｄ＃３に入力される電圧値は、外部充電器５０に接続された場合と、ノートＰＣ本体１００に接続された場合とで異なる。このことを利用すれば、Ａ／Ｄ＃３に入力される電圧値の違いによって、電池パック１０がノートＰＣ本体１００および外部充電器５０のいずれに接続されたかを識別できる。さらに、電池パック１０が外部充電器５０とノートＰＣ本体１００のいずれにも接続されていない状態も、Ａ／Ｄ＃３に入力される電圧値によって容易に識別できる。その場合、前述のＤ−ＦＥＴ１７およびＣ−ＦＥＴ１９によって、電力の入出力はオフにされる。

なお、ノートＰＣ本体１００に接続された場合と外部充電器５０に接続された場合とでＡ／Ｄ＃３に入力される電圧値が異なっていれば、ＭＰＵ２１はいずれに接続されたかを識別可能であるから、前述のようなプルアップ抵抗の抵抗値が外部充電器５０とノートＰＣ本体１００とで異なり、かつ電圧源の電圧値が外部充電器５０とノートＰＣ本体１００とで等しい例以外にも、実施の形態が考えられる。たとえばプルアップ抵抗の抵抗値を外部充電器５０とノートＰＣ本体１００とで等しく、かつ電圧源の電圧値を外部充電器５０とノートＰＣ本体１００とで異なる値にしてもよい。またプルアップ抵抗の抵抗値および電圧源の電圧値を両方とも外部充電器５０とノートＰＣ本体１００とで異なる値にしてもよい。

以上で述べた電池パック１０の構成は、従来の電池パック１０’と比べて数個の素子を追加し、ＭＰＵ２１内部のファームウェアに後述の図５に示す動作をさせるように変更を加えるという程度で済むため、電池パック１０の改造の程度は小さくてよい。それに対して外部充電器５０はＭＰＵを省略することができるため、構造を大幅に簡素化して安価に製造することが可能となる。また、電池パック１０と外部充電器５０との間の接続には、インテリジェント電池をノートＰＣ本体に接続するための端子をそのまま使用するため、電池パック１０に新たな端子などを設ける必要はなく、ノートＰＣ本体１００のソフトウェアおよびハードウェアも一切変更する必要はない。

なお、図１〜３は本実施の形態を説明するために、主要なハードウェアの構成および接続関係を簡素化して記載したに過ぎないものである。電池パック１０、外部充電器５０、およびノートＰＣ本体１００を構成するためには、これら以外にも多くの電気回路および装置が使われるが、それらは当業者には周知であるので詳しく言及しない。もちろん、図１〜３で記載した複数のブロックを１個の集積回路としたり、逆に１個のブロックを複数の集積回路に分割して構成したりすることも、当業者が任意に選択することができる範囲においては本発明の範囲に含まれる。

図４は、本実施の形態が適用される外部充電器５０において、充電電圧値および充電電流値を決定および制御する方法を説明する図である。前述のように、外部充電器５０はＡＣアダプタの機能を内蔵し、ＡＣコード１２５から直接ＡＣ電圧の供給を受けて動作する。ＡＣコード１２５から入力されたＡＣ電圧は、まず１次側の整流ブリッジ・ダイオード７１によって全波整流され、キャパシタ６９によって平滑化され、トランス５７の１次側巻線に供給される。また、１次側には、整流し平滑化された電圧に対してスイッチング動作を行うスイッチング・トランジスタ６７、スイッチング・トランジスタ６７のスイッチング動作を制御し、所定の動作周波数を提供するパルス幅変調（ＰＷＭ：Power Width Modulation）ＩＣ６５、２次側のフォト・ダイオード（ＰＤ１）６１から出力フィードバックを受けて出力電圧の高低によってＰＷＭの周期を制御するフォト・トランジスタ（ＴＲ１）６３などを備えている。

一方、２次側としては、電圧調整器５１および電流調整器５３の他に、電圧調整器５１および電流調整器５３からの出力を１次側に対してフィードバックするためのフォト・ダイオード（ＰＤ１）６１などを備えている。安全性の観点から１次側と２次側の回路を電気的に切り離す必要があるため、２次側のフォト・ダイオード（ＰＤ１）６１と１次側のフォト・トランジスタ（ＴＲ１）６３とでフォト・カプラを構成している。

電池パック１０内部に装備された抵抗Ｒ１３は、充電電圧値Ｖｃｈｇを設定する電圧設定部（Ｖｓｅｔ）３１として機能する。電池パック１０が外部充電器５０に接続されている時、第１の切り替えスイッチ（ＳＷ１）２７によって抵抗Ｒ１３がＣ端子３９に接続される。設定された充電電圧値Ｖｃｈｇと、実際に外部充電器５０から電池パック１０に出力される充電電圧との差は、外部充電器５０内部の電圧調整器５１で基準電圧Ｖｒｅｆ２と入力電圧の差として、演算増幅器ＡＭＰ１１から出力される。この時、電圧調整器５１の中で以下の式（１）が成立する。

そこから、以下の式（２）が導かれ、これによって充電電圧値Ｖｃｈｇを設定することが可能である。

電池パック１０内部に装備された抵抗Ｒ３は、充電電流値Ｉｃｈｇを設定する電流設定部（Ｉｓｅｔ）３３として機能する。電池パック１０が外部充電器５０に接続されている時、第２の切り替えスイッチ（ＳＷ２）２９によってＲ３がＤ端子４１に接続される。設定された充電電流値Ｉｃｈｇと、実際に外部充電器５０から電池パック１０に出力される充電電流値との差は、外部充電器５０内部の電流調整器５３で基準電圧Ｖｒｅｆ１と入力電圧の差として、演算増幅器ＡＭＰ１から出力される。この時、電圧調整器５３の中で以下の式（３）が成立する。

そこから、以下の式（４）が導かれ、これによって充電電圧値Ｉｃｈｇを設定することが可能である。

以上で述べたように、電池パック１０内部の電圧設定部（Ｖｓｅｔ）３１および電流設定部（Ｉｓｅｔ）３３は、実際には抵抗値Ｒ３およびＲ１３を設定するだけで上記の式（２）および（４）に基づいて充電電圧値および充電電流値を設定できるので、極めて安価に構成することができる。

過電圧または過電流が発生している場合、ＡＭＰ１から出力された過電流に対応する出力およびＡＭＰ１１から出力された過電圧に対応する出力とが合成され、フォト・ダイオード（ＰＤ１）６３に出力される。フォト・ダイオード（ＰＤ１）６１からの出力は、共にフォト・カプラを構成するフォト・トランジスタ（ＴＲ１）６３を介して１次側のパルス幅変調ＩＣ６５にフィードバックされる。フォト・トランジスタ（ＴＲ１）６３に過電圧または過電流に対応したフィードバックがされた場合、パルス幅変調ＩＣ６５はスイッチング・トランジスタ６７を介してパルス幅を小さくし、トランジスタのオン期間を短くする。これによって充電電圧値および充電電流値を一定に制御する。ノートＰＣのＡＣアダプタ等に使われるスイッチング・レギュレータ方式の電源装置で、パルス幅変調による電圧値および電流値の制御方法は、たとえば特開２００２−２４７８４７号公報などにも記載されているように公知である。本実施の形態の外部充電器５０は、当該電源装置に電圧調整器５１および電流調整器５３を付加し、ＡＭＰ１およびＡＭＰ１１からの出力をフォト・ダイオード（ＰＤ１）６１に入力するようにすれば、容易に構成できる。

図５は、以上で述べた電池パック１０がノートＰＣ本体１００または外部充電器５０に接続された場合に、ＭＰＵ２１が実行するプログラムの動作を示すフローチャートである。このプログラムは、ＭＰＵ２１内に書き込まれたファームウェアとして提供される。なお、前述のように、電池パック１０は外部充電器５０およびノートＰＣ本体１００のいずれにも接続されていない時にはＤ−ＦＥＴ１７およびＣ−ＦＥＴ１９をオフにする。このため、図５のプログラムが起動される時には、必ずＤ−ＦＥＴ１７およびＣ−ＦＥＴ１９はオフの状態であるという点に注意されたい。

まずＭＰＵ２１のアナログ入力Ａ／Ｄ＃３に電圧が入力されると、ノートＰＣ本体１００または外部充電器５０に接続された可能性があるとみなされて当該プログラムが起動される（ブロック３０１）。次に、電池パック１０がノートＰＣ本体１００および外部充電器５０のいずれに接続されたかを判定する（ブロック３０３〜３０５）。より具体的には、アナログ入力Ａ／Ｄ＃３への入力電圧が外部充電器５０のプルアップ抵抗１２１’の抵抗値に対応した値であれば、外部充電器５０に接続されたと判断される。また、入力電圧がノートＰＣ本体１００のプルアップ抵抗１２１の抵抗値に対応した値であれば、ノートＰＣ本体１００に接続されたと判断される。入力電圧がそれら以外の値であれば、ノートＰＣ本体１００および外部充電器５０のいずれにも接続されていないと判断し、そのまま処理を終了する（ブロック３３９）。

もし電池パック１０がノートＰＣ本体１００に接続されたと判断された場合、第１の切り替えスイッチ（ＳＷ１）２７および第２の切り替えスイッチ（ＳＷ２）２９を切り替えて、ＭＰＵ２１のＣＬＯＣＫ端子およびＤＡＴＡ端子の出力をＣ端子３９およびＤ端子４１に接続する（ブロック３１１）。次にＤ−ＦＥＴ１７およびＣ−ＦＥＴ１９をオンにする（ブロック３１３）。これによってＭＰＵ２１とエンベデッド・コントローラ１１５との間での通信が開始され（ブロック３１５）、電池パック１０はインテリジェント電池としての動作を開始し（ブロック３１７）、当該プログラムの動作を終了する（ブロック３３９）。以後、ＭＰＵ２１とエンベデッド・コントローラ１１５との間での通信によって、電池パック１０の現在の電流値および電圧値などがノートＰＣ本体１００に送られる。電池パック１０に充電が必要である場合は、ノートＰＣ本体１００上の充電器１１７から充電電力が供給される。

もし電池パック１０が外部充電器５０に接続されたと判断された場合、まず電流測定回路１３および電圧測定回路１５によって測定された電流値および電圧値から、当該電池パック１０の充電の要不要を判定する（ブロック３２１〜３２３）。もし充電が不要であれば、そのままプログラムの動作を終了する（ブロック３３９）。もし充電が必要であれば、第１の切り替えスイッチ（ＳＷ１）２７および第２の切り替えスイッチ（ＳＷ２）２９を切り替えて、電圧設定部（Ｖｓｅｔ）３１および電流設定部（Ｉｓｅｔ）３３の出力をＣ端子３９およびＤ端子４１に接続し（ブロック３２５）、出力される充電電圧値および充電電流値を設定する。充電電圧値および充電電流値の設定が完了してから、Ｄ−ＦＥＴ１７およびＣ−ＦＥＴ１９をオンにし（ブロック３２７）、これによって設定された充電電圧値および充電電流値が電池パック１０に供給され、充電が開始される（ブロック３２９）。充電が完了したら（ブロック３３１）、Ｄ−ＦＥＴ１７およびＣ−ＦＥＴ１９をオフにして充電を終了し（ブロック３３３）、プログラムの動作を終了する（ブロック３３９）。

図６は、電池パック１０を充電する際の充電電圧および充電電流について示す図である。図６（Ａ）は充電中の蓄電池１１周辺から見たブロック図であり、図６（Ｂ）は外部充電器５０から出力される電圧Ｖｏｕｔおよび電流Ｉｏｕｔの変化について示す図である。蓄電池１１がリチウム・イオン蓄電池である場合、充電は定電圧定電流制御方式で行われる。以後、Ｖｃｈｇを電圧設定部（Ｖｓｅｔ）３１によって設定された充電電圧値、Ｉｃｈｇを電流設定部（Ｉｓｅｔ）３３によって設定された充電電流値、Ｖｃｅｌｌを蓄電池両端の電圧、Ｒｐｋを蓄電池の直流抵抗（電池パック１０の直流抵抗を除く）とする。定電流期間２０１は、電流値を一定にして充電する時間帯である。図６（Ｂ）の曲線２０９に示すように、定電流期間２０１の間、電流Ｉｏｕｔは設定された電流値Ｉｃｈｇに等しい値で一定となる。また曲線２０５および２０７に示すように、電圧ＶｏｕｔおよびＶｃｅｌｌは徐々に上昇する。式（５）が成立するまで電圧Ｖｃｅｌｌが上昇すれば、電圧Ｖｏｕｔは設定された電圧値Ｖｃｈｇに等しくなり、以後は定電圧期間２０３に入る。

定電圧期間２０３の間、電圧Ｖｏｕｔは設定された電圧値Ｖｃｈｇで一定となり、電圧ＶｃｅｌｌはＶｃｈｇに徐々に近づき、電流Ｉｏｕｔは徐々に低下する。そして、電圧ＶｏｕｔおよびＶｃｅｌｌがほぼ等しくなり、電流Ｉｏｕｔが設定された充電終了電流２１１に等しくなった時に、電池パック１０の充電は終了する。ＭＰＵ２１は、電池パック１０内部の電圧測定回路１５および電流測定回路１７によってＶｃｅｌｌおよびＩｏｕｔの値を常時把握し、充電が終了した状態になった時にＤ−ＦＥＴ１７およびＣ−ＦＥＴ１９をオフにし、充電を完了させる。

電池パックの充電に適した電圧値および電流値は、各々の電池パックの構造および物理的特性などによって異なる。従来は電池パックのＭＰＵが、外部充電器側のＭＰＵとの通信によって、設定すべき充電電圧値および充電電流値を外部充電器に伝えていた。しかし本発明では、ＭＰＵを有しない安価で簡単な構造の外部充電器に対しても、電圧設定部および電流設定部内部の抵抗値を設定することによって、各々の電池パックが自らの充電に適した電圧値および電流値に関する情報を自ら保有することができる。このことによって、電池パックの種類ごとに違った外部充電器を用意する必要はなくなり、一つの外部充電器で多くの種類の電池パックの充電に対応できるようになる。

また、本実施の形態では、充電電圧値および充電電流値を電圧設定部および電流設定部内部の抵抗値だけで容易に設定できる。このため、一つの電池パックで充電電圧値および充電電流値のセットを複数個必要とする場合も、電圧設定部および電流設定部内部に複数個の抵抗値を用意して、切り替えスイッチによって抵抗値を切り替えるだけでよい。電池パック内でスイッチおよび抵抗を少々増やすだけでよいので、電池パックの製造コストが大きく増すことはなく、また外部充電器は前述の形態と同一の物でよい。

さらに、電圧設定部および電流設定部として、抵抗値ではなく、充電電圧値および充電電流値に対応した電圧をＭＰＵのアナログ出力から直接電圧調整器および電流調整器に出力する実施の形態もある。この場合も、ＭＰＵ内のファームウェアおよび電池パック内のスイッチなどを僅かに変更する程度で実現可能である。

これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることはいうまでもないことである。

内部にプロセッサを有する電池パックと外部充電器からなる充電システムに適用可能である。

本実施の形態が適用される充電システムの構成について示す図である。 本実施の形態が適用される電池パックがノートＰＣ本体に取り付けられた状態を示す図である。 本実施の形態が適用される電池パックが外部充電器に取り付けられた状態を示す図である。 本実施の形態が適用される外部充電器において、充電電圧値および充電電流値を決定および制御する方法について示す図である。 本実施の形態が適用される電池パックにおいて、ＭＰＵが実行するプログラムの動作を示すフローチャートである。 本実施の形態が適用される電池パックを充電する際の充電電圧および充電電流について示す図である。 従来の充電システムの構成について示す図である。 従来の電池パックがノートＰＣ本体取り付けられた状態を示す図である。 従来の電池パックが外部充電器に取り付けられた状態を示す図である。

符号の説明

１０ 電池パック
１１ 蓄電池
１３ 電流測定回路
１５ 電圧測定回路
１７ Ｄ−ＦＥＴ
１９ Ｃ−ＦＥＴ
２１ ＭＰＵ
２３ 電圧調整器
２５ サイリスタ
２７ 第１の切り替えスイッチ（ＳＷ１）
２９ 第２の切り替えスイッチ（ＳＷ２）
３１ 電圧設定部（Ｖｓｅｔ）
３３ 電流設定部（Ｉｓｅｔ）
３５ サーミスタ
３７ ＋端子
３９ Ｃ端子
４１ Ｄ端子
４３ Ｔ端子
４５ −端子
５０ 外部充電器
５１ 電圧調整器
５３ 電流調整器
５７ トランス
６１ フォトダイオード（ＰＤ１）
６３ フォトトランジスタ（ＴＲ１）
６５ パルス幅変調ＩＣ
１００ ノートＰＣ本体
１１５ エンベデッド・コントローラ
１１６ ＭＰＵ
１１７ 充電器
１１９ コントロール出力
１２１ プルアップ抵抗
１２３ ＡＣアダプタ
１２５ ＡＣコード
１２７ ＤＣケーブル

Claims (18)

1. 識別回路を有する電子機器に装着可能な電池パックの充電システムであって、
   識別回路と外部から受け取った充電パラメータ値に応じて充電特性が制御される充電調整器とを備える外部充電器と、
   蓄電池と、前記電子機器の識別回路と前記外部充電器の識別回路を認識することが可能で前記外部充電器の識別回路を認識したときに前記充電パラメータ値を前記充電調整器に送るプロセッサとを備える電池パックと
   を有する充電システム。
2. 前記充電調整器が定電圧定電流制御方式を実現する電圧調整器と電流調整器とで構成され、前記充電パラメータ値が充電電圧値と充電電流値とで構成される請求項１記載の充電システム。
3. 前記充電パラメータ値は前記プロセッサに対するデータ・ラインとクロック・ラインを通じて前記外部充電器に送られる請求項１記載の充電システム。
4. 前記電池パックがサーミスタを含む測温回路を備え、前記電子機器の識別回路および前記外部充電器の識別回路がそれぞれ前記測温回路に接続可能なプルアップ抵抗を備える請求項１記載の充電システム。
5. 識別回路とプロセッサとを含む電子機器に装着可能で、識別回路と充電調整器とを含む外部充電器で充電可能な電池パックであって、
   蓄電池と、
   前記電子機器および前記外部充電器に接続可能な外部端子と、
   前記電子機器または前記外部充電器の識別回路に接続され、前記電子機器の識別回路を認識したときに前記蓄電池の充電情報を前記電子機器に送り、前記外部充電器の識別回路を認識したときに前記蓄電池の充電パラメータ値を前記充電調整器に送るプロセッサと
   を有する電池パック。
6. 前記充電パラメータ値は前記プロセッサのデータ端子およびクロック端子にそれぞれ接続されたデータ・ラインおよびクロック・ラインを通じて前記外部充電器に送られる請求項５記載の電池パック。
7. パラメータ設定手段と、前記外部端子と前記データ端子と前記クロック端子と前記パラメータ設定手段とに接続された切り替えスイッチとを有し、前記プロセッサは前記外部充電器の識別回路を認識したときに前記パラメータ設定手段と前記外部端子とを接続し、前記電子機器の識別回路を認識したときに前記データ端子および前記クロック端子と前記外部端子とを接続するように前記切り替えスイッチを制御する請求項６記載の電池パック。
8. 前記電池パックが前記蓄電池に対する充電電流を制御する充電スイッチを備え、前記プロセッサは前記電子機器の識別回路および前記外部充電器の識別回路のいずれも認識しないときに前記充電スイッチをオフにする請求項５記載の電池パック。
9. 前記プロセッサは、前記電池パックが前記外部充電器に接続されたとき前記充電スイッチをオンにする前に前記蓄電池の充電パラメータ値を前記充電調整器に送る請求項５記載の電池パック。
10. 前記電池パックがサーミスタを備え、前記プロセッサは前記サーミスタの両端に発生する電圧により前記電子機器および前記外部充電器を認識する請求項５記載の電池パック。
11. 前記電池パックがスマート・バッテリィ・システム規格に準拠している請求項５記載の電池パック。
12. 電池パックを装着することが可能で前記電池パックから電力の供給を受けて動作するノート型パーソナル・コンピュータであって、前記電池パックが請求項５〜請求項１１のいずれかに記載の電池パックであるノート型パーソナル・コンピュータ。
13. 蓄電池とプロセッサとを備え電子機器に装着可能な電池パックを充電する外部充電器であって、
    前記電池パックが接続されたとき前記プロセッサが認識可能な識別回路と、
    前記電池パックから送られた充電パラメータに応じて充電特性が制御される充電調整器と
    を有する外部充電器。
14. 交流電源に接続されたトランスを含む請求項１３記載の外部充電器。
15. 前記充電調整器が前記充電パラメータを前記電池パックのデータ・ラインおよびクロック・ラインを通じて受け取る請求項１３記載の外部充電器。
16. 電子機器に装着可能で蓄電池とプロセッサとを備える電池パックを外部充電器で充電する方法であって、
    前記電池パックを前記外部充電器に接続するステップと、
    前記プロセッサが前記外部充電器に接続されたことを認識するステップと、
    前記電池パックにおいて前記外部充電器の充電パラメータを提供するステップと、
    前記認識するステップに応答して前記プロセッサが前記外部充電器に前記充電パラメータを送るステップと、
    前記外部充電器が前記充電パラメータに応じて前記蓄電池を充電するステップと
    を有する充電方法。
17. 前記充電パラメータを送るステップが、前記充電パラメータをスマート・バッテリィ・システム規格に準拠したデータを転送するデータ・ラインとクロック・ラインを通じて送るステップを含む請求項１６記載の充電方法。
18. 前記電池パックの充電回路を制御する充電スイッチをオフにするステップと、前記前記充電パラメータを送るステップに続いて前記充電スイッチをオンにするステップとを有する請求項１６記載の充電方法。
    

Images