JP2009112111A - 電池パック、充電器及び電池パックシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】電池パックの状態に合わせて、最適な状態で且つ短時間で充電できる電池パック、充電器及び電池パックシステムを提供する。
【解決手段】直列又は並列に接続された複数の電池11a〜11nと、複数の電池の各電池の電圧を検出する電圧検出手段13と、電圧検出手段で検出された各電池の電圧に基づき各電池を充電するための最適な充電電流値を演算する演算手段15と、演算手段で演算された充電電流値を充電器3に伝送する通信手段19とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、ハイブリッド自動車や電動アシスト自転車の走行電源などに使用される電池パック、充電器及び電池パックシステムに関し、特に、電池パックと充電器との間のインタフェースと充電器の制御方式の技術に関する。
図11は従来の電池パックシステムの回路構成図である。図12は従来の電池パックシステムの充電器での充電動作を説明する図である。
図11に示す従来の充電器3eでは、充電器3eが充電電圧及び充電電流を制御し、制御された充電電圧及び充電電流を電池パック1eに供給していた。例えば、図12に示すようにCCCV充電、即ち、定電流充電期間T1においては設定電流Isで充電し、定電圧充電期間T2においては設定電圧Vsで充電する方法で電池の充電を制御していた。
このように、充電器が電池パック内の2次電池(以下、電池と称する。)を充電する際に、通常では充電器が充電電圧や充電電流を監視して電池の充電を行う。
しかしながら、電池パックの温度や電池の内部抵抗の状態によっては、必ずしも電池パック内の電池に対して最適な充電が行えない場合があった。
また、従来の電池パックシステムの技術として、例えば特許文献1に記載されたバッテリ充電装置が知られている。このバッテリ充電装置は、バッテリの充電量が第1の充電量になるまでバッテリに対する充電を行う第1の充電制御手段と、バッテリの充電量が第1の充電量より小さい第2の充電量になるまでバッテリに対する充電を行う第2の充電制御手段と、第1の充電制御手段による充電処理又は第2の充電制御手段による充電処理を選択する選択手段とを有する。
即ち、バッテリ充電装置は、電池を充電する際に、電池の寿命を優先させる充電方式、又は、充電時間の短縮を優先させる方式を選択している。また、このバッテリ充電装置は、温度やユーザの意向によっても方式の選択が可能である。
特開2000−23383号公報
しかしながら、特許文献1に記載されたバッテリ充電装置では、電池パックから充電器に対して充電電流などを指定する方法ではなかった。このため、電池パックと充電器では、電池パックの状態に合わせた最適な充電が不可能であるという問題があった。
本発明の課題は、電池パックの状態に合わせて、最適な状態で且つ短時間で充電できる電池パック、充電器及び電池パックシステムを提供することにある。
上記課題を解決するために、請求項1の発明の電池パックは、直列又は並列に接続された複数の電池と、前記複数の電池の各電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段で検出された各電池の電圧に基づき前記各電池を充電するための最適な充電電流値を演算する演算手段と、前記演算手段で演算された前記充電電流値を充電器に伝送する通信手段とを備えることを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1記載の電池パックにおいて、前記複数の電池の温度を測定する温度センサと、前記充電器の状態を示す充電器状態信号を前記充電器から入力する入力回路と、当該電池パックの状態を示す電池パック状態信号を前記充電器に出力する出力回路と、前記電圧検出手段、前記演算手段、前記通信手段、前記入力回路及び前記出力回路を制御する制御回路とを備え、前記演算手段は、前記電圧検出手段で検出された各電池の電圧と前記温度センサで測定された電池の温度とに基づき前記最適な充電電流値を演算することを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項2記載の電池パックにおいて、前記入力回路を介して前記充電器から入力される前記充電器状態信号により起動し、前記制御回路を動作させるための電流を前記制御回路に供給する電源回路を備えることを特徴とする。
請求項4の発明の充電器は、請求項1記載の前記電池パックからの前記充電電流値に応じた電流を前記電池パックの前記複数の電池に供給する電流制御回路を備えることを特徴とする。
請求項5の発明の電池パックシステムは、充電器と、前記充電器により充電される電池パックとを備え、前記電池パックは、直列又は並列に接続された複数の電池と、前記複数の電池の各電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段で検出された各電池の電圧に基づき前記各電池を充電するための最適な充電電流値を演算する演算手段と、前記演算手段で演算された前記充電電流値を充電器に伝送する通信手段とを備え、前記充電器は、前記電池パックからの前記充電電流値に応じた電流を前記電池パックの前記複数の電池に供給する電流制御回路を備えることを特徴とする。
本発明によれば、電池パックにおいて、電圧検出手段が複数の電池の各電池の電圧を検出し、演算手段は、検出された各電池の電圧に基づき各電池を充電するための最適な充電電流値を演算し、通信手段は、演算された充電電流値を充電器に伝送し、充電器の電流制御回路は、電池パックからの充電電流値に応じた電流を電池パックの複数の電池に供給する。
即ち、電池パックは、最適な充電電流値を演算し、充電電流値を充電器に指示して充電器を制御することで、電池パックの状態に合わせて、電池パックを最適な状態で且つ短時間で充電できる。
以下、本発明に係る電池パック、充電器及び電池パックシステムのいくつかの実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
実施例1の電池パックシステムの回路構成図である。図1において、電池パックシステムは、電池パック1と、電池パック1内の電池を充電する充電器3とを備える。
この電池パックシステムは、電池パック1内の各電池の電圧を検出する電圧検出回路や電池の温度を検出する温度センサにより電池の充電状態を計測し、計測データに基づき充電電流演算手段によりその時の充電可能な電流値を演算し、該電流値を通信I/Fを介して充電器へ伝送することで充電電流を制御する。
電池バック1は、直列に接続された複数の電池11a〜11nと、複数の電池11a〜11nの両端に接続された抵抗12a〜12nと、複数の電池11a〜11nの電圧を検出する電圧検出回路(電圧検出手段)13と、電池11a〜11nの温度を検出する温度センサ14と、各部を制御するマイクロプロセッサユニット(MPU)15と、電流制御回路16と、通信インターフェイス(通信I/F)19と、入力ポート20と、出力ポート21とを備えている。
電流制御回路16は、ポートP1を介する充電器3からの充電電流を制御し、制御された充電電流を複数の電池11a〜11n及び電源回路17に供給する。電源回路17は、充電器3からの充電電流と複数の電池11a〜11nの電圧により電源を生成し、この電源によりダイオード18を介してMPU15を動作させる。
通信I/F19(通信手段)は、充電器3とのデータ通信を行う。入力ポート20は、充電器3の状態を示す充電器状態信号を充電器3から入力してMPU15に出力する。出力ポート21は、MPU15からの電池バック1の状態を示す電池バック状態信号を充電器3に出力する。
また、充電器3は、各部を制御するMPU31と、充電電流を制御する電流制御回路32と、電池パック1との間で通信を行う通信I/F33と、充電器状態信号を電池パック1に出力する出力ポート34と、電池パック1からの電池パック状態信号を入力する入力ポート35とを備える。
MPU15(演算手段)は、電圧検出回路13で検出された各電池の電圧と温度センサ14で検出された温度データとに基づき各電池を充電するための最適な充電電流値を演算する。通信I/F19は、MPU15で演算された充電電流値を充電器3に伝送する。
このように、電池パック1において、電圧検出回路13が各電池11a〜11nの電圧を検出し、MPU15は、検出された各電池11a〜11nの電圧と温度センサ14からの温度データとに基づき各電池を充電するための最適な充電電流値を演算し、通信I/F19は、演算された充電電流値を充電器3に伝送する。充電器3は、電流制御回路32が、電池パック1からの充電電流値に応じた電流を電池パック1の複数の電池11a〜11nに供給する。
即ち、電池パック1は、最適な充電電流値を演算し、充電電流値を充電器3に指示して充電器3を制御することで、電池パック1の状態(温度や内部抵抗等)に合わせて、電池パック1を最適な状態で且つ短時間で充電できる。
また、入力ポート20と出力ポート21を用いて充電器3の状態と電池パック1の状態とを相互に知ることができる。即ち、充電器3が充電可能な状態にある場合、充電器3のMPU31は、充電器側の出力ポート34から充電可能状態である信号を電池パック側の入力ポート20を介してMPU15に出力することで、その旨を電池パック1に知らせることができる。
また、電池パック1のMPU15は、充電器3が接続されたことを、入力ポート20からの信号により検出すると、電池11a〜11nの状態を診断し、電池11a〜11nが充電可能状態のときには、電池パック側の出力ポート21から出力可能状態である信号を充電器3に出力することで、その旨を充電器3に知らせることができる。
このように、入出力ポート20,21の信号をハンドシェーク信号として用い、電池パック1と充電器3の状態が共に正常であるときのみ、電池11a〜11nへの充電を行うことで、安全に充電が行える。また、充電器3と電池パック1が共に正常である場合には、MPU15が演算した最適な充電電流値が通信I/F19を介して充電器3に指示される。また、この充電電流値は、出力ポート21からコード化された電流値として充電器3に出力できる。
図2は実施例2の電池パックシステムの回路構成図である。図2において、電池パックシステムは、図1に示す実施例1の電池パックシステムの構成に対して、さらに、ダイオード23と、入力ポート20を介して充電器3から入力される充電器状態信号により起動し、MPU15を動作させるための電流をダイオード23を介してMPU15に供給する電源回路22とを追加したものである。
なお、実施例2において、実施例1と同一の構成には同一の符号を付し、同一部分の説明は省略する。
このように実施例2の構成によれば、電源回路22が、入力ポート20を介して充電器3から入力される充電器状態信号により起動し、MPU15を動作させるための電流をダイオード23を介してMPU15に供給するので、充電器3が充電電流を供給していない状態で、且つ電池パック1の電池にMPU15を動作させるだけの十分な充電量がない場合でも、電源回路22により電池パック1のMPU15を動作させることができる。
図3は実施例3の電池パックシステムの回路構成図である。図3において、電池パックシステムは、図2に示す実施例2の電池パックシステムの構成に対して、充電器1bのMPU31aが異なる。
なお、実施例3において、図2に示す実施例2と同一の構成には同一の符号を付し、同一部分の説明は省略する。
電池パック1bの通信I/F19は、MPU15内の電池パック1bのステータス信号を充電器3bの通信I/F33に出力するとともに、出力ポート21は、電池パック1bの充電可能状態信号を入力ポート35に出力する。
充電器3bの通信I/F33は、通信I/F19からの電池パック1のステータス信号を取得し、入力ポート35は、出力ポート21からの電池パック1の充電可能状態信号を入力する。
充電器側のMPU31aは、通信I/F33からのステータス信号と入力ポート35からの充電可能状態信号とが共に正常である場合にのみ、電池の充電を行うための信号を電流制御回路32に送る。
このように、電池パック1と充電器3が正常に接続され、且つ充電が正常に実行可能な状態のときのみ、電池11a〜11nに充電電流を流すことができる。このため、電池パック1が異常充電状態であったり、電池パック1が接続されていないときに充電電流を許可することで発生する感電事故や短絡事故を回避できる。
図4は実施例4の電池パックシステムの充電電流指定動作及び充電モード指定動作を説明する図である。実施例4の回路図は図1に示す回路図と略同一である。
実施例4の電池パック1のMPU15は、充電電流値及び他の情報を通信I/F19に出力する。通信I/F19は、MPU15からの充電電流値及び他の情報を充電器3の通信I/F33に出力する。
例えば、図4に示すように、電池パック1から充電器3に対して、充電電流値を階段的に指定したり、あるいは、定電流充電モード(定電流充電期間T1)や定電圧充電モード(定電圧充電期間T2)を指定することで、最適な充電特性を実現できる。
また、電池パック1のMPU15は、通信毎に充電電流値を指定できるので、きめ細かい電池の充電制御が行える。
なお、電池パック1のMPU15は、充電電流値や充電モードの情報を、入力ポート20及び出力ポート21を用いて充電器3に伝送することもできる。
図5は実施例5の電池パックシステムの充電時間制限を説明する図である。実施例5の回路図は図1に示す回路図と略同一である。
実施例5の電池パック1のMPU15は、通信I/F19又は入出力ポート20,21を介して電池の充電制限時間の情報を充電器3に伝送する。充電器3のMPU31は、電池パック1からの充電制限時間に基づき充電制限時間で電池パック1の電池11a〜11nの充電を停止させるように制御する。
このため、図5に示すように、充電中に電池パック1の故障により異常な充電電流が流れ続ける状態になっても、充電器3のMPU31は、充電制限時間T3で電池11a〜11nの充電を停止させる。これにより、電池パック1の過熱や発火を回避できる。
また、電池パック1のMPU15は、通信I/F19又は入出力ポート20,21を用いて任意のタイミングで充電制限時間T3を変更することもできる。例えば、低温時に、電池11a〜11nへの充電電流を小さくする必要があるが、この場合には、充電制限時間T3を延長して十分に時間をかけて電池11a〜11nの充電を行うことができる。
図6は実施例6の電池パックと充電器でのステータス格納動作を説明する図である。実施例6の回路図は図1に示す回路図と略同一である。
実施例6の電池パック1は、通信I/F19又は入出力ポート20,21を介して電池パック1のステータスを充電器3に送信し、充電器3は、通信I/F33又は入出力ポート34,45を介して充電器3のステータスを電池パック1に送信する。
図6に示すように、電池パック1と充電器3において、充電器側に送信した電池パックステータスと充電器側から受信した充電器ステータスを時系列的に電池パック側メモリ25に記憶させる。また、電池パック側に送信した充電器ステータスと電池パック側から受信した電池パックステータスを時系列的に充電器側メモリ36に記憶させる。
このため、電池パック1と充電器3のどちらかに異常が発生した場合に、故障した側に故障時のステータス情報が記憶されていない場合でも、相手側に記憶されているステータス情報を使用して故障時の状態を知ることができる。これにより、不適合の原因を容易に解析できる。
図7は実施例7の電池パックシステムの充電用コネクタのピンの機能を説明する図である。図7において、充電器3cには充電器側コネクタ4が設けられ、電池パック1cには電池パック側コネクタ8が設けられ、充電器側コネクタ4に電池パック側コネクタ8が着脱可能に構成されている。
充電器側コネクタ4には、充電電流用ピン5aと、充電電流用ピン5bと、充電器状態信号用ピン6aと、電池パック状態信号用ピン6bとが形成されている。充電器状態信号用ピン6a及び電池パック状態信号用ピン6bの長さは、充電電流用ピン5a,5bの長さよりも短い。
電池パック側コネクタ8にはコネクタソケット8aが形成され、このコネクタソケット8aには、充電電流用ピン5aに嵌合する溝部9aと、充電電流用ピン5bに嵌合する溝部9bと、充電器状態信号用ピン6aに嵌合する溝部10aと、電池パック状態信号用ピン6bに嵌合する溝部10bとが形成されている。
即ち、充電器側の各ピン5a,5b,6a,6bは、充電器コネクタ4が電池パック側コネクタ8に着脱する際に、各溝部9a,9b,10a,10bに着脱されるようになっている。
また、電池パック状態信号用ピン6bを介して充電器3cに入力される電池パック状態信号は、Lレベルの状態を電池パック1cが正常であるものとする。また、充電器3cは、電池パック状態信号用ピン6bを介して入力される電池パック状態信号を反転してMPU31に出力するインバータ37と、電源Vccとインバータ37の入力側との間に接続された抵抗36とを備える。
このような構成によれば、充電器側コネクタ4が電池パックコネクタ8に接続された際には、電池パック状態信号であるLレベルがインバータ37により反転してHレベルとなり、HレベルがMPU31に入力されることで、MPU31により電池パック1cが正常であると判定できる。
一方、充電器側コネクタ4が電池パックコネクタ8から抜け始めた際には、最初に、充電器状態信号用ピン6aと電池パック状態信号用ピン6bとが溝部10a,10bから抜けるため、電池パック状態信号と充電器状態信号とが遮断される。
このため、MPU31は、電池パック状態信号と充電器状態信号とが遮断されることにより、電池パック1cの状態及び充電器3cの状態を異常であると判定し、充電電流を直ちに遮断するように電流制御回路32を制御する。
また、充電器3cのMPU31は、電池パック状態信号がHレベル、即ち電池パック1cが異常になった際には、直ちに充電電流を遮断するように電流制御回路32を制御する。これにより、充電器側コネクタ4が電池パックコネクタ8から抜け掛かった状態のときには、直ちに充電電流を遮断でき、感電事故などを回避できる。
図8は実施例8の電池パックシステムの充電用コネクタの脱着検出機能を説明する図である。なお、図7に示す実施例7の構成と同一の構成には同一の符号を付し、同一部分の説明は省略する。
図8において、充電器側コネクタ4の各ピン5a,5b,6a,6bを覆うカバー7が設けられている。このカバー7を設けることで、外部から充電電流用ピン5a,5bに触れることができないようになるので、感電を防止できる。
また、電池パック側コネクタ8に対する充電器側コネクタ4の着脱を検出するスイッチ7aを、例えばカバー7に取り付けている。そして、充電器側コネクタ4が電池パック側コネクタ8から抜け始めると、コネクタソケット8aに設けた図示しない突起部とスイッチ7aとの接触が遮断される。このため、スイッチ7aがオフし、オフ信号が入力ポート35を介してMPU31に伝送される。
MPU31は、スイッチ7aからのオフ信号により、直ちに充電電流を遮断するように電流制御回路32を制御する。これにより、充電器側コネクタ4が抜け掛かったときにも直ちに充電電流を遮断できるので、露出した充電電流用ピン5a,5bに触れて感電する危険性が低くなる。
図9は実施例9の電池パックシステムの充電器接続検出機能を説明する図である。図9に示す充電器3dの充電電流用端子TP1,TP2と電池パック1dの充電電流用端子TP3,TP4とを接続し、電池パック1dに設けた充電電圧検出回路25が充電器3dの充電電流用端子TP1,TP2間の電圧を検出し、検出された電圧により電池パック1dのMPU15aに割込みをかける。
このような構成によれば、図1に示したような、充電器3と電池パック1との間に通信I/F33や入出力ポート34,35を有する充電器3のみではなく、充電電流用端子のみを有する充電器3dを電池パック1dと組み合わせた場合でも、充電器3dの接続を可能とし、充電電流を制御できる。即ち、充電器状態信号を有しない充電器3dが電池パック1dに接続された場合には、充電電圧検出回路25による充電電圧のみで充電器3dが電池パック1dに接続されたことを判断できる。
図10は実施例10の電池パックシステムの充電回数の計測動作を説明する図である。実施例10では、電池11a〜11nの充電回数を計測することを特徴とする。
実施例10の電池パックシステムは、例えば、充電器状態信号と電池パック状態信号を用いて、充電器3と電池パック1との接続を確認し、充電電流の指定などによって充電を許可するとともに(実施例1と同じ)、電圧検出回路13で電池11a〜11nの電圧を検出し、図10に示すように、充電量がある規定充電量(図10では、規定充電量Q2)を越えたときに、MPU15に有する図示しないカウンタが充電回数を1回とする。
これに対して、充電器3と電池パック1との間に充電器状態信号や電池パック状態信号などのハンドシェーク信号を有しない場合には、図9に示すように充電電圧検出回路25で検出した電圧により充電器3の接続を検出するとともに、電圧検出回路13で電池の電圧を検出し、充電量がしきい値を超えたときに、MPU15に有する図示しないカウンタが充電回数を1回とカウントする。これにより、できるだけ正確に電池11a〜11nの充電回数を計測できる。
実施例1の電池パックシステムの回路構成図である。 実施例2の電池パックシステムの回路構成図である。 実施例3の電池パックシステムの回路構成図である。 実施例4の電池パックシステムの充電電流指定動作及び充電モード指定動作を説明する図である。 実施例5の電池パックシステムの充電時間制限を説明する図である。 実施例6の電池パックと充電器でのステータス格納動作を説明する図である。 実施例7の電池パックシステムの充電用コネクタのピンの機能を説明する図である。 実施例8の電池パックシステムの充電用コネクタの脱着検出機能を説明する図である。 実施例9の電池パックシステムの充電器接続検出機能を説明する図である。 実施例10の電池パックシステムの充電回数の計測動作を説明する図である。 従来の電池パックシステムの回路構成図である。 従来の電池パックシステムの充電器での充電動作を説明する図である。
符号の説明
1 電池パック
3 充電器
11a〜11n 電池
12a〜12n 抵抗
13 電圧検出回路
14 温度センサ
15、31 MPU
16、32 電流制御回路
17、22 電源回路
18、23 ダイオード
19、33 通信I/F
20、35 入力ポート
21、34 出力ポート

Claims (5)

  1. 直列又は並列に接続された複数の電池と、
    前記複数の電池の各電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記電圧検出手段で検出された各電池の電圧に基づき前記各電池を充電するための最適な充電電流値を演算する演算手段と、
    前記演算手段で演算された前記充電電流値を充電器に伝送する通信手段と、
    を備えることを特徴とする電池パック。
  2. 前記複数の電池の温度を測定する温度センサと、
    前記充電器の状態を示す充電器状態信号を前記充電器から入力する入力回路と、
    当該電池パックの状態を示す電池パック状態信号を前記充電器に出力する出力回路と、
    前記電圧検出手段、前記演算手段、前記通信手段、前記入力回路及び前記出力回路を制御する制御回路とを備え、
    前記演算手段は、前記電圧検出手段で検出された各電池の電圧と前記温度センサで測定された電池の温度とに基づき前記最適な充電電流値を演算することを特徴とする請求項1記載の電池パック。
  3. 前記入力回路を介して前記充電器から入力される前記充電器状態信号により起動し、前記制御回路を動作させるための電流を前記制御回路に供給する電源回路を備えることを特徴とする請求項2記載の電池パック。
  4. 請求項1記載の前記電池パックからの前記充電電流値に応じた電流を前記電池パックの前記複数の電池に供給する電流制御回路を備えることを特徴とする充電器。
  5. 充電器と、前記充電器により充電される電池パックとを備え、
    前記電池パックは、直列又は並列に接続された複数の電池と、
    前記複数の電池の各電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記電圧検出手段で検出された各電池の電圧に基づき前記各電池を充電するための最適な充電電流値を演算する演算手段と、
    前記演算手段で演算された前記充電電流値を充電器に伝送する通信手段とを備え、
    前記充電器は、前記電池パックからの前記充電電流値に応じた電流を前記電池パックの前記複数の電池に供給する電流制御回路を備えることを特徴とする電池パックシステム。
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