JP2010057250A - 充電システムおよび充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 充電電流を電流検知抵抗により測定する充電システムにおいて、充電電流の発生によるバッテリーパックの温度測定誤差を適切に補正することが可能な充電システムを提供する。
【解決手段】 バッテリーパックは、＋端子と、−端子と、＋端子と−端子との間に接続される二次電池セルと、一方端が−端子に接続される温度検出素子と、温度検出素子の他方端が接続される温度端子とを有する。
充電装置は、温度端子の接続部と、接続部の電圧を測定する第１の電圧測定手段と、二次電池セルを充電する際の充電電流を検知するための電流検知抵抗と、電流検知抵抗の両端の電圧を測定する第２の電圧測定手段と、第１の電圧から第２の電圧を減算した結果に基づいてバッテリーパックの温度を判定する温度判定手段と、温度判定手段の判定結果により充電を制御する制御部とを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、一方端が温度端子に接続され、他方端が−端子に接続される温度検出素子を有するバッテリーパックを充電する充電システムおよび充電装置に関する。

バッテリーパックに内蔵されるサーミスタによってバッテリーパックの温度を測定し、バッテリーパックの温度に応じて充電電流による影響を補正する充電装置が知られている。（特許文献１参照）
特許第０２５２７４０１号公報

バッテリーパックに内蔵する温度検出素子の温度を検出して充電の制御を行う充電システムおよび充電装置は、バッテリーパックの温度を正確に測定する必要がある。

しかしながら、温度検出素子の一方端がバッテリーパックの−端子に接続されるバッテリーパックでは、充電を行っているときに充電電流の発生によって充電制御マイコンが検出する温度端子の電圧が持ち上ってしまい、温度検出精度を低下させる。

本発明はこのような課題を鑑みて、充電電流を電流検知抵抗により測定する充電装置において、充電電流の発生によるバッテリーパックの温度測定誤差を適切に補正することが可能な充電システムおよび充電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の充電システムは、バッテリーパックと前記バッテリーパックを充電する充電装置を含む充電システムであって、前記バッテリーパックは、＋端子と、−端子と、前記＋端子と前記−端子との間に接続される二次電池セルと、一方端が前記−端子に接続される温度検出素子と、前記温度検出素子の他方端が接続される温度端子とを有し、前記充電装置は、前記温度端子の接続部と、前記接続部の電圧を測定する第１の電圧測定手段と、前記二次電池セルを充電する際の充電電流を検知するための電流検知抵抗と、前記電流検知抵抗の両端の電圧を測定する第２の電圧測定手段と、前記第１の電圧測定手段によって測定される前記接続部の電圧から前記第２の電圧測定手段によって測定される前記電流検知抵抗の両端の電圧を減算する演算手段と、前記演算手段による演算結果に基づいてバッテリーパックの温度を判定する温度判定手段と、前記温度判定手段の判定結果により前記充電を制御する制御部とを有することを特徴とする。

本発明の充電装置は、＋端子と、−端子と、前記＋端子と前記−端子との間に接続される二次電池セルと、一方端が前記−端子に接続される温度検出素子と、前記温度検出素子の他方端が接続される温度端子を有するバッテリーパックを充電する充電装置であって、前記温度端子の接続部と、前記接続部の電圧を測定する第１の電圧測定手段と、前記二次電池セルを充電する際の充電電流を検知するための電流検知抵抗と、前記電流検知抵抗の両端の電圧を測定する第２の電圧測定手段と、前記第１の電圧測定手段によって測定される前記接続部の電圧から前記第２の電圧測定手段によって測定される前記電流検知抵抗の両端の電圧を減算する演算手段と、前記演算手段による演算結果に基づいてバッテリーパックの温度を判定する温度判定手段と、前記温度判定手段の判定結果により前記充電を制御する制御部とを有することを特徴とする。

充電電流の発生により温度端子の電圧が持ち上るような状況においても、バッテリーパックの温度測定誤差を適切に補正することが可能になる。

図１は、本発明の実施の形態に係る充電システムの外観図である。

図２は、図１に示した充電装置５とバッテリーパック１からなる充電システムの電気回路の構成を示すブロック図である。

図１と図２を用いて、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１に示した充電装置５は、温度端子付きのバッテリーパックを充電する充電装置である。

バッテリーパック１は、＋端子２、温度端子３、−端子４を有している。

また、温度端子３は、バッテリーパック１の温度を出力する出力端子として機能する。

充電装置５は、バッテリーパック１の各端子に対応する端子として、＋端子６、温度端子７（温度端子の接続部）、−端子８を有している。

これら対応する各端子は、バッテリーパック１を充電装置５の装着部９に装着することにより、互いに接続される。

充電装置５が充電を行うための電力は、ＡＣコード１０、ＡＣプラグ１１を介して家庭用交流電源から供給することができる。

サーミスタ１２８は、バッテリーパック１の温度端子３と−端子４との間に接続され、後述するように、バッテリーパック１の温度検出素子として機能する。

充電装置５のレギュレータ１０６（基準電圧発生手段）から、抵抗器１２５を介して温度端子７に電圧が供給されるため、温度端子７の電圧を測定することによりバッテリーパック１の装着を検出することができる。

充電制御マイコン１１９は温度端子７の電圧によりバッテリーパック１の装着を検出しバッテリーパック１の温度が充電可能な温度範囲であれば充電を開始する。

充電制御マイコン１１９は＋端子６の電圧を測定し、急速充電可能な電圧以上を検出すると、予め設定された充電電圧及び充電電流で急速充電を開始する。

充電制御マイコン１１９は、温度端子７の電圧を測定する。

また充電制御マイコン１１９は、ＧＮＤラインに介挿される電流検知抵抗の両端の電圧を測定する。

そして充電制御マイコン１１９は、この電流検知抵抗の両端の電圧から充電電流を判断し、更に、温度端子７の電圧から電流検知抵抗の両端の電圧を減算した値をもとに、バッテリーパック１の温度を判断する。

この温度端子７の電圧とバッテリーパック１の温度との関係のデータは、充電制御マイコン１１９のメモリ１２４に記憶される。

図２を用いて、本発明の電気回路の構成例を説明する。

なお図２では、本発明の説明に必要のない一般的な構成については、図示省略した。

図２の充電装置５の構成要素に付した符号は、次の要素を示している。

１０１はＡＣ入力部、１０２は一次電源回路、１０３はトランス、１０４はフォトカプラ、１０５は二次平滑回路、１０６はレギュレータである。

１０７、１１０、１１１、１１３、１１６、１２５、１２６及び１２７は抵抗器である。

１０８、１０９はオペアンプ、１１２はボリューム、１１４はトリクル充電スイッチ、１１５は急速充電スイッチである。

１１７は電流検知抵抗１１６の−側の電圧測定点、１１８は電流検知抵抗１１６の＋側の電圧測定点である。

１１９は充電制御マイコン、１２０は＋端子６の電圧検出部、１２１は温度端子電圧検出部、１２２は電流検知抵抗１１６の＋側の電圧検出部、１２３は電流検知抵抗１１６の−側の電圧検出部、１２４はメモリである。

６は前述の充電装置５の＋端子、７は充電装置５の温度端子、８は充電装置５の−端子である。

図２のバッテリーパック１の構成要素に付した符号は、次の要素を示している。

２はバッテリーパック１の＋端子、３はバッテリーパック１の温度端子、４はバッテリーパック１の−端子である。

１２８はサーミスタ、１２９はサーミスタ１２８のＧＮＤ側の電気的接続点、１３０は二次電池セル（以下、セルと省略する。）である。

ＡＣ入力部１０１にＡＣ電力が入力されると、そのＡＣ電力は、一次電源回路１０２を介してトランス１０３に供給される。

トランス１０３は、一次側の高電圧から二次側の低電圧に電圧変換すると共に、一次側と二次側のＧＮＤラインを分離する。

トランス１０３の二次側出力は、二次平滑回路１０５で整流されて後段の充電制御回路に出力される。

レギュレータ１０６は、二次平滑回路１０５からの出力電圧をレギュレートした基準電圧に変換して、定電圧回路、定電流回路、充電制御マイコン、及び抵抗器１２５を介して温度端子７に供給する。

充電制御マイコン１１９は温度端子７の電圧によりバッテリーパック１の装着を検出すると、先ずバッテリーパック１の温度が充電可能な温度範囲であるかを判断する。したがって、充電制御マイコン１１９は温度端子７の電圧を測定する第１の電圧測定手段として機能する。

充電制御マイコン１１９はバッテリーパック１の温度が充電可能な温度範囲でなければ、充電可能な温度範囲になるまで充電を待機する。

充電制御マイコン１１９はバッテリーパック１の温度が充電可能な温度範囲であれば充電を開始する。

充電制御マイコン１１９は＋端子６の電圧を測定する。

＋端子６の電圧は、抵抗器１２６及び１２７によって分圧され、分圧された電圧が、充電制御マイコン１１９に内蔵するバッテリーパック電圧検出部１２０で測定される。

充電制御マイコン１１９は、＋端子６の電圧が急速充電可能な電圧未満であれば、抵抗器１１３及びスイッチ１１４を介して、制限された電流でトリクル充電を行って、バッテリーパック１の＋端子２の電圧を上昇させる。

トリクル充電は、バッテリーパック１の電圧が急速充電可能な電圧に満たない場合に行われ、急速充電可能な電圧に達した場合に終了する。

急速充電可能な電圧値は、充電制御マイコン１１９のメモリ１２４に記憶される。

充電制御マイコン１１９は、＋端子６の電圧が急速充電可能な電圧以上を検出すると、スイッチ１１５を閉じて急速充電を行う。

急速充電は、充電初期の段階では、バッテリーパック１に一定の充電電流を供給する定電流充電を行い、その後バッテリーパック１に一定の充電電圧を供給する定電圧充電に移行する。

充電電流値の設定は、レギュレータ１０６の出力電圧を抵抗器１０７及び１１０で分圧した電圧値で決定される。

充電電流値は、電流検知抵抗１１６の＋側の接続点１１８の電圧を、オペアンプ１０９、及びフォトカプラ１０４を介して一次側に帰還して定電流制御される。

また、充電電圧値は、二次平滑回路１０５の出力電圧を抵抗器１１１と充電電圧を調整するボリューム１１２によって分圧し、分圧した電圧を、オペアンプ１０８、及びフォトカプラ１０４を介して一次側に帰還して定電圧制御される。

充電電流はＧＮＤラインに介挿される電流検知抵抗を流れるため、充電電流の値は電流検知抵抗の両端の電圧を検出することにより測定可能である。

充電制御マイコン１１９は、電流検知抵抗１１６の−側の測定点１１７を基準点として、電流検知抵抗１１６の＋側の測定点１１８の電位差（Ｖｒ）を測定して、充電電流を検出する。したがって、充電制御マイコン１１９は、電流検知抵抗１１６の両端の電圧を測定する第２の電圧測定手段として機能する。

また、充電電流が流れることにより、サーミスタ１２８と−端子４との接続点１２９から電流検知抵抗１１６の＋側の測定点１１８までの回路抵抗に対して電位差（Ｖｐ）が発生する。

この電位差（Ｖｐ、Ｖｒ）により、充電電流が発生していない時の温度端子７の電圧（Ｖ７）と、充電電流が発生している時の温度端子７の電圧（Ｖ７ｏ）に電位差が生じる。

そこで、充電制御マイコン１１９は、温度端子７の電圧（Ｖ７ｏ）からバッテリーパック１の温度を検出する際に、上述の電位差を補正する。

充電電流が発生していない時の温度端子７の電圧（Ｖ７）は、
Ｖ７＝Ｖ７ｏ−Ｖｕ＋ΔＶｄとして求められる（Ｖｕ＝Ｖｐ＋Ｖｒ）。
但し、ΔＶｄは、Ｖｕが発生することによる、接続点１２９から温度端子７までの電圧（Ｖｔ）の変化量である（ΔＶ＝Ｖ７−Ｖｔ）。

そこで、充電制御マイコン１１９は、充電電流が発生している時の温度端子７の電圧（Ｖ７ｏ）を測定すると、電流検知抵抗１１６の＋側の測定点１１８の電圧（Ｖｒ）を減算する（Ｖ７ｃ＝Ｖ７ｏ−Ｖｒ）。

そして、充電制御マイコン１１９は、この演算結果であるＶ７ｃからバッテリーパック１の温度を判定するようにした。したがって、充電制御マイコン１１９は、演算結果Ｖ７ｃに基づいてバッテリーパックの温度を判定する温度判定手段として機能する。

このことにより、電流検知抵抗による温度端子７の電圧の持ち上りによる測定誤差を補正することが可能になる。

また、電流検知抵抗１１６のー側の測定点１１７から電流検知抵抗１１６の＋側の測定点１１８までの回路抵抗と、電流検知抵抗１１６の＋側の測定点１１８からサーミスタ１２８と−端子４との接続点１２９までの回路抵抗とを概略等しくする。

さらに、通常使用温度におけるサーミスタの抵抗値と抵抗器１２５の抵抗値とを等しくする。

このことにより、Ｖｒ＝Ｖｐ＝（Ｖｕ／２）＝ΔＶｄが成立する。

この条件では、Ｖ７ｃ＝Ｖ７ｏ−Ｖｒの算出によってＶ７＝Ｖ７ｃとなるため、通常使用温度において、充電電流による測定誤差を適切に補正することが可能になる。充電制御マイコン１１９はこのように演算された温度判定結果により充電を制御する制御部として機能する。

図３は、充電制御マイコン１１９のメモリ１２４に記憶される充電温度範囲のデータである。図３を用いて、充電制御マイコン１１９が行う充電温度制御を説明する。

２０１は低温待機温度の閾値、２０２は高温待機温度の閾値である。

図３において、バッテリーパック１の温度が０℃未満では、低温により充電を待機する必要がある。

また、バッテリーパック１の温度が５５℃以上では、高温により充電を待機する必要がある。

バッテリーパック１の温度が０℃から５５℃の範囲では、充電電圧を４．２Ｖ、充電電流を１Ａで充電することが可能である。

また、温度端子７の電圧とバッテリーパック１の温度との関係を示すデータは、充電制御マイコン１１９のメモリ１２４に記憶される。

図４は、温度端子７の電圧とバッテリーパック１の温度との関係を示すデータの例である。

図４を用いて、充電制御マイコン１１９が行う充電温度の判定処理を説明する。

低温待機温度の閾値である０℃のときに、バッテリーパック１の温度端子電圧は３．３Ｖである。

高温待機温度の閾値である５５℃のときに、バッテリーパック１の温度端子電圧は１．２Ｖである。

図４において、温度端子電圧が３．３Ｖを超える場合、バッテリーパック１の温度が０℃未満であるため、低温により充電を待機する。

また、温度端子電圧が１．２Ｖ以下の場合、バッテリーパック１の温度が５５℃以上であるため、高温により充電を待機する。

温度端子電圧が１．２Ｖを超えて３．３Ｖ以下の場合、バッテリーパック１の充電を行う。

すなわち、充電制御マイコン１１９は、急速充電中のバッテリーパック１の内部温度を検出し、検出した内部温度に応じて、充電の開始／停止制御を行う。

バッテリーパック１の充電温度範囲のデータは、バッテリーパック１に内蔵するメモリ（図示省略）から通信によって入手しても良い。

充電制御マイコン１１５は、急速充電中の充電電圧の上昇と充電電流の減少を検出し、その上昇及び減少の程度により急速充電を完了するか否かを判定する。

本実施の形態では、通常使用温度において温度測定精度を向上する方法を示したが、温度測定精度を向上したい温度におけるサーミスタの抵抗値に抵抗器１２５の抵抗値をあわせることも可能である。

本実施の形態では、充電電流値の大きさに関係なく補正を行う実施形態について説明した。

充電電流値が十分小さいときには、上述の電位差も僅かであるので、充電電流値が予め設定した値よりも小さい場合には補正を行わなくてもよい。

また、本実施の形態では、測定した温度をもとに充電待機制御及び充電制御を行う例を示したが、温度測定結果をもとに、充電電圧及び／又は充電電流を制御する方法も考えられる。

また、本実施の形態では、充電装置に使用する例を示したが、充電を行う電子機器であれば、本発明の効果を得ることが可能である。

例えば、電子機器本体内での充電制御が挙げられる。

また、測定温度をもとに制御を行う電子機器であれば、その制御内容にかかわらず、本発明の効果を得ることが可能である。

次に、充電制御の流れを、図５のフローチャートに基づいて説明する。

充電制御マイコン１１９は、温度端子の電圧（Ｖ７ｏ）を測定する（ステップＳ２）。

充電制御マイコン１１９は、温度端子電圧（Ｖ７ｏ）の測定結果、バッテリーパック１が装着されているかどうかを判断する（ステップＳ３）。

具体的には、レギュレータ１０６の出力電圧を抵抗器１２５とサーミスタ１２８により分圧した電圧が、バッテリーパックが装着されている時の条件であるかどうかによって、バッテリーパック１の装着を判断している。

バッテリーパック１が装着されていない場合には、ステップＳ２に戻る。

バッテリーパック１が装着されている場合、充電制御マイコン１１９は、電流検知抵抗１１６の−側の測定点１１７を基準点とし、電流検知抵抗１１６の＋側の測定点１１８の電圧（Ｖｒ）を測定する（ステップＳ４）。

そして、充電制御マイコン１１９は、内蔵する演算手段により、
Ｖ７ｃ＝Ｖ７ｏ−Ｖｒの演算を行う（ステップＳ５）。

充電制御マイコン１１９は、メモリ１２４に記憶する温度端子電圧とバッテリーパックの温度との関係を示すデータを参照する（ステップＳ６）。

充電制御マイコン１１９は、Ｖ７ｃの電圧をもとに、バッテリーパック１の温度を判断する（ステップＳ７）。

次に、バッテリーパック１の充電温度範囲データを参照する（ステップＳ８）。

次に、充電制御マイコン１１９は、検出したバッテリーパック１の温度に基づいて、急速充電を開始するか否かを判別する（ステップＳ９）。

バッテリーパック１の温度が充電温度範囲である場合、充電制御マイコン１１９はバッテリーパック１の充電を開始する（ステップＳ１０）。

そして、充電制御マイコン１１９は、充電電流の低下によりセル１３０の充電量が充電終了の条件に達したか否かを判別する（ステップＳ１１）。

セル１３０の充電量が充電終了の条件に達していなければステップＳ２に戻り、セル１３０の充電量が充電終了の条件に達していれば、本充電制御を終了する（ステップＳ１２）。

ステップ９で充電待機条件である場合、充電を待機し（ステップＳ１３）、充電を待機する最大時間を設定するタイマーをスタートさせる（ステップＳ１４）。

次に、温度待機を行う最大時間のタイマー時間が経過しているかを判断（ステップ１５）し、温度待機を行う最大時間が経過していなければステップ２に戻り、温度待機を行う最大時間が経過していれば、異常終了する（ステップＳ１６）。

以上説明したように、充電制御マイコン１１９は、電流検知抵抗１１６の−側の測定点１１７を基準点とし、電流検知抵抗１１６の＋側の測定点１１８の電圧（Ｖｒ）を測定して、充電電流を検出する。

また、充電制御マイコン１１９は、温度端子７の電圧（Ｖ７ｏ）を測定すると、電流検知抵抗１１６の＋側の測定点１１８の電圧（Ｖｒ）を減算して、温度端子７の電圧（Ｖ７ｃ）を算出する（Ｖ７ｃ＝Ｖ７ｏ−Ｖｒ）。

そして、Ｖ７ｃからバッテリーパック１の温度を判定するようにした。

このことにより、電流検知抵抗による温度端子７の電圧の持ち上りによる測定誤差を補正することが可能になった。

また、電流検知抵抗１１６のー側の測定点１１７から電流検知抵抗１１６の＋側の測定点１１８までの回路抵抗と、電流検知抵抗１１６の＋側の測定点１１８からサーミスタ１２８と−端子４との接続点１２９までの回路抵抗を概略等しくした。

更に、通常使用温度におけるサーミスタの抵抗値と抵抗器１２５の抵抗値を等しくすることにより、Ｖｒ＝Ｖｐ＝（Ｖｕ／２）＝ΔＶｄが成立する。

この条件では、Ｖ７ｃ＝Ｖ７ｏ−Ｖｒの算出により、Ｖ７＝Ｖ７ｃとなるため、通常使用温度において、充電電流による測定誤差を適切に補正することが可能になった。

本発明の実施の形態に係る充電システムの外観図である。 実施の形態の、充電装置とバッテリーパックからなる充電システムの電気回路の構成を示すブロック図である。 充電装置の充電温度範囲を説明する図である。 温度端子電圧とバッテリーパックの温度との関係を説明する図である。 充電制御動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ バッテリーパック
２ バッテリーパックの＋端子
３ バッテリーパックの温度端子
４ バッテリーパックのー端子
５ 充電装置
６ 充電装置の＋端子
７ 充電装置の温度端子
８ 充電装置のー端子
９ 装着部
１０ ＡＣコード
１１ ＡＣプラグ
１０４ フォトカプラ
１０６ レギュレータ
１１２ ボリューム
１１５ 急速充電スイッチ
１１６ 電流検知抵抗
１１９ 充電制御マイコン
１２４ メモリ
１２８ サーミスタ
１３０ セル

Claims (6)

1. バッテリーパックと前記バッテリーパックを充電する充電装置を含む充電システムであって、
   前記バッテリーパックは、
   ＋端子と、
   −端子と、
   前記＋端子と前記−端子との間に接続される二次電池セルと、
   一方端が前記−端子に接続される温度検出素子と、前記温度検出素子の他方端が接続される温度端子とを有し、
   前記充電装置は、
   前記温度端子の接続部と、
   前記接続部の電圧を測定する第１の電圧測定手段と、
   前記二次電池セルを充電する際の充電電流を検知するための電流検知抵抗と、
   前記電流検知抵抗の両端の電圧を測定する第２の電圧測定手段と、
   前記第１の電圧測定手段によって測定される前記接続部の電圧から前記第２の電圧測定手段によって測定される前記電流検知抵抗の両端の電圧を減算する演算手段と、
   前記演算手段による演算結果に基づいてバッテリーパックの温度を判定する温度判定手段と、
   前記温度判定手段の判定結果により前記充電を制御する制御部とを有することを特徴とする充電システム。
2. 前記電流検知抵抗の電圧測定点から前記電流検知抵抗の電圧測定の基準点までの回路抵抗を、前記バッテリーパックの前記温度検出素子と前記−端子との電気的接続点から前記電流検知抵抗の電圧測定点までの回路抵抗と概略等しくしたことを特徴とする請求項１に記載の充電システム。
3. 前記第１の電圧測定手段の基準電圧を発生するための基準電圧発生手段と、
   前記基準電圧から前記接続部に接続される抵抗器とを有し、
   前記抵抗器の抵抗値を、前記温度検出素子の抵抗値と等しくしたことを特徴とする、請求項１または２に記載の充電システム。
4. ＋端子と、−端子と、前記＋端子と前記−端子との間に接続される二次電池セルと、一方端が前記−端子に接続される温度検出素子と、前記温度検出素子の他方端が接続される温度端子を有するバッテリーパックを充電する充電装置であって、
   前記温度端子の接続部と、
   前記接続部の電圧を測定する第１の電圧測定手段と、
   前記二次電池セルを充電する際の充電電流を検知するための電流検知抵抗と、
   前記電流検知抵抗の両端の電圧を測定する第２の電圧測定手段と、
   前記第１の電圧測定手段によって測定される前記接続部の電圧から前記第２の電圧測定手段によって測定される前記電流検知抵抗の両端の電圧を減算する演算手段と、
   前記演算手段による演算結果に基づいてバッテリーパックの温度を判定する温度判定手段と、
   前記温度判定手段の判定結果により前記充電を制御する制御部とを有することを特徴とする充電装置。
5. 前記電流検知抵抗の電圧測定点から前記電流検知抵抗の電圧測定の基準点までの回路抵抗を、前記バッテリーパックの前記温度検出素子と前記−端子との電気的接続点から前記電流検知抵抗の電圧測定点までの回路抵抗と概略等しくしたことを特徴とする請求項４に記載の充電装置。
6. 前記第１の電圧測定手段の基準電圧を発生するための基準電圧発生手段と、
   前記基準電圧から前記接続部に接続される抵抗器とを有し、
   前記抵抗器の抵抗値を、前記温度検出素子の抵抗値と等しくしたことを特徴とする、請求項４または５に記載の充電装置。

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