JP2010288377A - 電池パック、充電装置および移動機 - Google Patents

Abstract

【課題】充電電圧制御の高い精度を維持しつつ電池セルの充電に要する時間を短縮する。
【解決手段】電池パックは、充電可能な電池セルと、電池セルを充電するための充電回路のプラス極端子側と接続されるプラス極端子と、充電回路のマイナス極端子側と接続されるマイナス極端子と、充電回路にセル電圧を算出させるための信号を、充電回路に供給するセル電圧監視端子と、電池セルのマイナス極とマイナス極端子との間に流れる電流をオン・オフする第一切換スイッチと、電池セルのマイナス極側とセル電圧監視端子との接続をオン・オフする第二切換スイッチと、第一切換スイッチおよび第二切換スイッチのオン・オフを制御する保護動作部とを備える。そして、充電回路により、プラス極端子およびセル電圧監視端子それぞれが供給する信号に基づいてセル電圧が算出され、算出されたセル電圧に応じて、定電流定電圧充電方式の充電が電池セルに対して行われる。
【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池の充電を行う場合に使用して好適な電池パック、充電装置および移動機に関する。

二次電池（電池セル）の充電方式として、ＣＣＣＶ（定電流定電圧：Constant Current Constant Voltage）充電方式がある。これは、電池セルを含む電池パックの＋（プラス）極端子と−（マイナス）極端子との間に掛かる電圧（以下、「充電電圧」という）が決められた電圧（以下、「充電方式変更電圧」という）になるまでＣＣ（定電流：Constant Current）充電を行う。そして、充電方式変更電圧に達してからはＣＶ（定電圧：Constant Voltage）充電に切り換え、充電電圧を充電方式変更電圧に維持しつつ充電電流を減少させていき、所定の充電電流に降下した場合に充電を終了する充電方式である。

ところで、二次電池にはリチウムイオン電池のように高いエネルギー密度を有するものがあり、過充電に対して注意を払う必要がある。つまり、二次電池が過充電とならないようにするため、当該二次電池をＣＣＣＶ充電方式で充電する際にはＣＶ充電の制御精度を高くすることが求められている。

ここで、１本の電池セルに対してＣＣＣＶ充電を行う場合の従来の充電装置について図７を参照して説明する。
図７は、従来の充電装置を示すブロック図である。
充電装置７０２は、電池パック７０３と充電回路７０５よりなる。まず、電池パック７０３について説明する。

電池パック７０３は、電池セル２０２と、この電池セル２０２を保護する電池保護回路７０４と、電池パック７０３の温度を検出するためのサーミスタ素子２０９とを備えている。この電池パック７０３には、＋極端子Ｔ１と、−極端子Ｔ２と、温度検出端子Ｔ３とが設けられている。

電池保護回路７０４は、過充電、過放電および過電流等の電池セル２０２の異常を防止すべく、電池セル２０２の異常を検出すると−極端子を電池セル２０２から切り離すものである。この電池保護回路７０４は、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子２０３と、保護動作制御ＩＣ２０８（Integrated Circuit）と、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）２０４，２０５とを備えている。

ＰＴＣ素子２０３の一端は電池セル２０２のマイナス極に接続されており、その他端はｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４のソースと接続されている。ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４のドレインはｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０５のドレインに接続されている。ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０５のソースは−極端子Ｔ２に接続されている。

保護動作制御ＩＣ２０８は、電池セル２０２の状態を検出し、その検出結果に基づいて、電池セル２０２からの放電または電池セル２０２への充電を停止させるべく、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０５を制御する。

具体的には、保護動作制御ＩＣ２０８は、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４のソースとｎＭＯＳ−ＦＥ２０５のソース間での電圧降下に基づいて、制御信号を生成し、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４のゲートに出力する。また、保護動作制御ＩＣ２０８は、電池セル２０２のプラス極の電位およびｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４のソース電位、すなわち電池セル２０２およびＰＴＣ素子２０３に掛かる電位に基づいて、制御信号を生成し、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０５のゲートに出力する。

これらの制御信号は、保護動作制御ＩＣ２０８が電池セル２０２の異常を検出した際に、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０５をオフするように当該ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０５を制御する論理信号である。

より詳細には、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４が、過放電および過電流から電池セル２０２を保護すべく電池セル２０２からの放電を禁止させるためのスイッチである。そして、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０５が、過充電から電池セル２０２を保護すべく電池セル２０２への充電を禁止するためのスイッチである。

ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０５のソースはサーミスタ素子２０９の一端と接続されている。このサーミスタ素子２０９の他端は、温度検出端子Ｔ３に接続されている。

次に、充電回路７０５について説明する。
充電回路７０５は、充電制御回路７０６と、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４と、抵抗器Ｒ２１１〜Ｒ２１３を備えている。この充電回路７０５には、＋極端子Ｔ５、−極端子Ｔ６、温度検出端子Ｔ７、＋電源端子Ｔ９および−電源端子Ｔ１０が設けられている。

充電装置７０２に電池パック７０３が取り付けられると、＋極端子Ｔ５、−極端子Ｔ６および温度検出端子Ｔ７は、＋極端子Ｔ１、−極端子Ｔ２および温度検出端子Ｔ３とそれぞれ接続される。また、充電回路７０５の＋電源端子Ｔ９および−電源端子Ｔ１０には、電池セル２０２を充電する充電電流を流すべく、ＡＣアダプタ１０４から出力される電源電圧および接地電圧がそれぞれ入力される。

充電制御回路７０６は、＋極端子Ｔ５における電位を制御する回路である。この充電制御回路７０６は、充電制御部２１９と、温度検出部２１８と、定電圧制御部７０７と、電流検出部２１６とを備える。

充電制御部２１９は、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のゲートと接続されている。この充電制御部２１９は、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のソースとドレインとの間に流れる電流（前述の充電電流に相当）を制御すべく、所定の電圧信号（以下、「電流制御信号」という）を生成し、生成した電流制御信号をＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のゲートに印加する。つまり、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のソースとドレインとの間に流れる電流が調節されることにより、電池セル２０２の充電電圧が制御される。

温度検出部２１８は、電池パックの温度を監視しており、その温度が異常な値となった場合に、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のソースとドレインとの間に電流が流れないようにするために、充電制御部２１９を制御する。この温度検出部２１８は、温度検出端子Ｔ７，Ｔ３を介してサーミスタ素子２０９と直列に接続されている抵抗器Ｒ２１１に掛かる電圧の値に基づいて電池パック７０３の温度を検出している。

電流検出部２１６は、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４と＋極端子Ｔ５との間に接続されている抵抗器Ｒ２１２に流れる電流を監視している。そして、その電流が異常な値となった場合に、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のソースとドレインとの間に電流が流れないようにするために、充電制御部２１９を制御する。なお、ＡＣアダプタ１０４で規定のものである場合は、抵抗器Ｒ２１２に異常な電流は流れないので、電流検出部２１６が充電制御部２１９を制御することはない。

定電圧制御部７０７は、電池セル２０２の充電方式をＣＣ充電方式からＣＶ充電方式への切り替えるタイミングを制御するものである。この定電圧制御部７０７は、充電電圧を監視する。そして、定電圧制御部７０７は、充電電圧が充電方式変更電圧になった時点で、充電電圧が当該所定値に保たれる（ＣＶ充電）ようにするための電流制御信号を充電制御部２１９に生成させる。このような構成により、ＣＣ充電方式とＣＶ充電方式との切換を適切に行うことができる。特許文献１には、この種のＣＣＣＶ充電を１本の電池セルに対して行う技術についての記載がある。

特開２００８−２５３１２９号公報

ところで、充電装置を備える移動機の消費電流は増える傾向にあり、電池パックの充電を早く終わらせたいというニーズがある。そのため、充電電流を増やし、充電時間を短くする急速充電を行う必要が出てきている。しかしながら、従来からの電池パックにおいて充電電流を増やすと、ＰＴＣ素子２０３およびｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０５での電圧降下が無視できなくなり、電池セル２０２には決められた電圧より低い電圧の印加となる。

ここで、充電時に電池セル２０２に印加される電圧について図８を参照して説明する。
図８は、電池セル２０２充電時における、充電電流８０２と、充電電圧８０３と、セル電圧８０４と、電池セル２０２の充電容量８０５との関係を示す波形図である。縦軸は、充電電流８０２の電流値（ｍＡ）と、充電電圧８０３およびセル電圧８０４の電圧値（Ｖ）と、当該充電電流８０２の時間積分、すなわち電池セル２０２の充電容量（ｍＡｈ）とをそれぞれ示している。横軸は共通の時間軸である。

図８に示すように、ＰＴＣ素子２０３およびｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０５に充電電流が流れることに伴う電圧降下の影響により、セル電圧８０４は充電電圧８０３より低くなる。したがって、ＣＣ充電とＣＶ充電とを切り替えるタイミングが理想のタイミング（セル電圧８０４が充電方式変更電圧に到達するタイミング）より早くなり、充電時間短縮の妨げになるという問題があった。特に、急速充電時のように充電電流が大きくなればなるほど、ＰＴＣ素子２０３およびｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０５での電圧降下の影響が大きくなるので、問題はより顕著になる。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、充電電圧制御の高い精度を維持しつつ電池セルの充電に要する時間を短縮する電池パック、充電装置および移動機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電池パックは、充電可能な電池セルと、電池セルを充電するための充電回路のプラス極端子側と接続されるとともに、電池セルのセル電圧を充電回路に算出させるための第一電圧信号を、該充電回路に供給するプラス極端子と、充電回路のマイナス極端子側と接続されるマイナス極端子と、充電回路にセル電圧を算出させるための第二電圧信号を、充電回路に供給するセル電圧監視端子と、電池セルのマイナス極とマイナス極端子との接続のオン・オフを切り換える第一切換スイッチと、電池セルのマイナス極側とセル電圧監視端子との接続のオン・オフを切り換える第二切換スイッチと、セルのセル電圧または放電電流に基づいて、第一切換スイッチおよび第二切換スイッチのオン・オフを制御する保護動作部とを備え、充電回路により、プラス極端子およびセル電圧監視端子それぞれが供給する第一電圧信号および第二電圧信号に基づいてセル電圧が算出され、算出されたセル電圧に応じて、定電流定電圧充電方式の充電が電池セルに対して行われるものである。

上記構成によれば、充電時において、セル電圧を監視するために設けられたセル電圧監視端子と電池セルの間に設けられた第二切換スイッチにほとんど電流を流さないようにすることができる。そのため、当該第二切換スイッチでは電圧降下がほとんど生じなくなり、プラス極端子とセル電圧監視端子との間に掛かる電圧を電池セルのセル電圧とほぼ等しくすることができる。

本発明によれば、電池セルのマイナス極の電圧を直接監視できるセル電圧監視端子を設け、プラス極端子とセル電圧監視端子との間に掛かる電圧に基づいて、ＣＣＣＶ充電の制御が行われるので、よりＣＣ充電を行う期間を長くすることができる。さらに、ＣＶ充電を行う期間を短縮することができる。これにより、充電電圧制御の高い精度を維持しつつ電池セルの充電に要する時間を短縮することが可能になる。

本発明の第一の実施形態に係る移動機の概略的な内部構成を示すブロック構成図である。 本発明の第一の実施形態に係る充電装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第一の実施形態に係る充電装置の充電動作を説明するための波形図である。 本発明の第二の実施形態に係る充電装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第三の実施形態に係る充電装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第四の実施形態に係る充電装置の構成を示すブロック図である。 従来の充電装置の構成を示すブロック図である。 従来の充電装置の充電動作を説明するための波形図である。

以下、本発明を実施するための形態例（以下、「本例」ということもある。）について説明を行う。以下に述べる実施の形態例は、本発明の好適な具体例であるため、技術的に好ましい種々の限定が付されている。しかしながら、本発明の範囲は、下記の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。例えば、以下の説明で挙げる各パラメータの数値的条件は好適例に過ぎず、説明に用いた各図における配置関係も概略的なものである。

説明を以下の順に行う。
１．本発明の第一の実施形態例
（１）移動機の構成
（２）充電装置の構成
（３）充電装置（充電時）の動作
２．本発明の第二の実施形態例
（１）充電装置の構成および充電時の動作
３．本発明の第三の実施形態例
（１）充電装置の構成および充電時の動作
４．本発明の第四の実施形態例
（１）充電装置の構成および充電時の動作

＜１．本発明の第一の実施形態例＞
以下、本発明の第一の実施形態例を、図１〜図３を参照して説明する。

［移動機の構成］
図１は、本発明の第一の実施形態に係る移動機の概略的な内部構成を示すブロック図である。
移動機１０１は、携帯電話端末に適応した例であり、携帯電話機能部１０２と、充電装置１０３とを備える。
携帯電話機能部１０２は、ユーザの操作内容に応じて携帯電話端末の一般的な機能である通話、電子メール、ウェブ閲覧等の機能を提供する。

充電装置１０３は、携帯電話機能部１０２に当該携帯電話機能部１０２を動作させるための電力を供給する電池パック１０６と、ＡＣアダプタ１０４から供給される電力によりＣＣＣＶ（定電流定電圧）充電方式で当該電池パック１０６に含まれる電池セル（図２にて後述）の充電を行う充電回路１０５とよりなる。ただし、電池パック１０６は、充電装置１０３に対して取り外し可能となっている。なお、充電装置１０３の詳細については図２にて後述する。

［充電装置の構成］
図２は、本発明の第一の実施形態に係る充電装置１０３を示すブロック図である。
充電装置１０３は、図１で示したように、電池パック１０６と充電回路１０５とよりなる。
まず、電池パック１０６について説明する。

電池パック１０６は、二次電池である電池セル２０２と、この電池セル２０２を保護する電池保護回路２２０と、電池パック１０６の温度を検出するためのサーミスタ素子２０９とを備えている。さらに、この電池パック１０６には、＋極端子Ｔ１と、−極端子Ｔ２と、温度検出端子Ｔ３と、セル電圧監視端子Ｔ４とが設けられている。この例では、電池セル２０２にリチウムイオン電池を用いるものとするが、この例に限られるものではない。

電池保護回路２２０は、過充電、過放電および過電流等の電池セル２０２の異常を防止すべく、電池セル２０２の異常を検出すると−極端子Ｔ２およびセル電圧監視端子Ｔ４を電池セル２０２から切り離す。この電池保護回路２２０は、ＰＴＣ素子２０３と、保護動作制御ＩＣ２０８と、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４〜２０７と、電流制限用抵抗器Ｒ２１０とを備えている。

ＰＴＣ素子２０３は電池セル２０２の温度に応じてその抵抗値が変化する抵抗体（温度可変抵抗素子）の一例であり、その一端は電池セル２０２のマイナス極に接続されており、その他端はｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４のソースと接続されている。ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４のドレインはｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０５のドレインに接続されている。ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０５のソースは−極端子Ｔ２に接続されている。

一方、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０６のソースは電池セル２０２のマイナス極に接続されており、そのドレインはｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０７のドレインと接続されている。ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０７のソースは、電流制限用抵抗器Ｒ２１０の一端に接続されている。

電流制限用抵抗器Ｒ２１０は、＋極端子Ｔ１とセル電圧監視端子Ｔ４とをショートさせた際にｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０６，２０７に当該ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０６，２０７が故障する程度の大きな電流が流れないようにするための抵抗体である。この電流制限用抵抗器Ｒ２１０の他端はセル電圧監視端子Ｔ４と接続されている。

保護動作制御ＩＣ２０８は、過充電、過放電および過電流等の電池セル２０２の状態を検出する。そして、その検出結果に基づいて、電池セル２０２からの放電または電池セル２０２への充電を停止させるべく、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４〜２０７のオン・オフ、すなわちｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４〜２０７のソースとドレインの間に流れる電流を制御する。

具体的には、保護動作制御ＩＣ２０８は、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４のソースとｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０５のソース間での電圧降下に基づいて、制御信号を生成し、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０６のゲートにそれぞれ出力する。また、保護動作制御ＩＣ２０８は、電池セル２０２およびＰＴＣ素子２０３に掛かる電圧に基づいて、制御信号を生成し、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０５，２０７のゲートにそれぞれ出力する。

これらの制御信号は、保護動作制御ＩＣ２０８が電池セル２０２の異常を検出した際に、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４〜２０７がオフとするように当該ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４〜２０７を制御する論理信号である。

すなわち、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０６が、過放電および過電流から電池セル２０２を保護すべく電池セル２０２からの放電を禁止させるためのスイッチである。そして、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０５，２０７が、過充電から電池セル２０２を保護すべく電池セル２０２への充電を禁止するためのスイッチである。

ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０５のソースはサーミスタ素子２０９の一端と接続されている。このサーミスタ素子２０９の他端は、温度検出端子Ｔ３に接続されている。

次に、充電回路１０５について説明する。
充電回路１０５は、充電制御回路２１５と、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４と、抵抗器Ｒ２１１〜Ｒ２１２を備えている。この充電回路１０５には、＋極端子Ｔ５、−極端子Ｔ６、温度検出端子Ｔ７、セル電圧監視端子Ｔ８、＋電源端子Ｔ９および−電源端子Ｔ１０が設けられている。

充電装置１０３に電池パック１０６が取り付けられると、＋極端子Ｔ５、−極端子Ｔ６、温度検出端子Ｔ７およびセル電圧監視端子Ｔ８は、＋極端子Ｔ１、−極端子Ｔ２、温度検出端子Ｔ３およびセル電圧監視端子Ｔ４とそれぞれ接続される。また、充電回路１０５の＋電源端子Ｔ９および−電源端子Ｔ１０には、電池セル２０２を充電する充電電流を流すべく、ＡＣアダプタ１０４から出力される電源電圧および接地電圧がそれぞれ入力される。

充電制御回路２１５は、＋極端子Ｔ５における電位を制御する回路である。この充電制御回路２１５は、充電制御部２１９と、温度検出部２１８と、定電圧制御部２１７と、電流検出部２１６とを備える。

充電制御部２１９は、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のゲートと接続されている。この充電制御部２１９は、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のソースとドレインとの間に流れる電流（前述の充電電流に相当）を制御すべく、所定の電圧信号（以下、「電流制御信号」という）を生成し、生成した電流制御信号をＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のゲートに印加する。このようにＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のソースとドレインとの間に流れる電流が調整されることにより、＋極端子Ｔ１とセル電圧監視端子Ｔ４との間の電圧である充電電圧が制御される。

温度検出部２１８は、電池パック１０６の温度を監視しており、その温度が異常な値となった場合に、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のソースとドレインとの間に電流が流れないようにするために、充電制御部２１９を制御する。温度検出部２１８は、温度検出端子Ｔ７，Ｔ３を介してサーミスタ素子２０９と直列に接続されている抵抗器Ｒ２１１に掛かる電圧に基づいて電池パック１０６の温度を検出している。この温度検出は、サーミスタ素子２０９と抵抗器Ｒ２１１を直列に接続した回路に基準電圧を印加すると、電池パック１０６の温度に応じて抵抗器Ｒ２１１に印加される電圧が変化するという特性を利用したものである。

電流検出部２１６は、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４と＋極端子Ｔ５との間に接続されている抵抗器Ｒ２１２に流れる電流を監視している。そして、その電流が異常な値となった場合に、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のソースとドレインとの間に電流が流れないようにするために、充電制御部２１９を制御する。本例では、電池セル２０２の充電に用いられるＡＣアダプタ１０４は規定のものであるとする。この場合、抵抗器Ｒ２１２に異常な電流は流れないので、電流検出部２１６が充電制御部２１９を制御することはない。

定電圧制御部２１７は、電池セル２０２の充電方式をＣＣ充電方式からＣＶ充電方式への切り替えるタイミングを制御するものである。この定電圧制御部２１７は、＋極端子Ｔ５と、セル電圧監視端子Ｔ４に接続されており、充電電圧を監視する。そして、定電圧制御部２１７は、充電電圧が所定値（以下、充電方式変更電圧」という）になった時点で、充電電圧を当該所定値に保つ（ＣＶ充電）ようにするための電流制御信号を充電制御部２１９に生成させる。

なお、充電装置１０３において、＋極端子Ｔ１および−極端子Ｔ２のセットは電池セル２０２から電流を取り出すことが目的であるので、＋極端子Ｔ１および−極端子Ｔ２を含む閉回路のｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０５をできる限り低い抵抗値を有するものにしなければならない。

＋極端子Ｔ１およびセル電圧監視端子Ｔ４のセットはセル電圧を監視することが目的であるので、＋極端子Ｔ１および電池セル監視端子Ｔ４を含む閉回路の抵抗値をできる限り高くする必要がある。例えば、電流制限用抵抗器Ｒ２１０や抵抗器Ｒ２１３をできる限り高い抵抗値のものにすることが理想である。このため、＋極端子Ｔ１およびセル電圧監視端子Ｔ４をショートさせたり、＋極端子Ｔ１およびセル電圧監視端子Ｔ４に直接電圧を印加したりしない限り、分岐点Ａとセル電圧視端子との間にはほぼ電流が流れないように構成されている。

［充電装置（充電時）の動作］
次に、電池セル２０２の充電時の充電装置１０３の動作について、図３に基づいて説明する。
図３は電池セル２０２の充電時において、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のソースとドレインの間に流れる充電電流３０２と、＋極端子−極端子間電圧３０３と、充電電圧３０４と、電池セル２０２の充電容量３０５との関係を示す波形図である。

縦軸は、充電電流３０２の電流値（ｍＡ）と、＋極端子−極端子間電圧３０３および充電電圧３０４の電圧値（Ｖ）と、当該充電電流３０２の時間積分、すなわち電池セル２０２の充電容量（ｍＡｈ）とをそれぞれ示している。横軸は共通の時間軸である。

本例では、充電容量３０５がほぼ０Ａｈの電池セル２０２に対し充電を行うものとする。このとき、定電圧制御部２１７が検出する充電電圧３０４の電圧値が２．１Ｖであるものとする。そして、充電方式変更電圧が４．２Ｖであるものとする。つまり、定電圧制御部２１７によって、充電制御部２１９からＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のゲートに当該ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４をオンにする電流制御信号が入力されている。

電池セル２０２の充電を開始すると、例えばＡＣアダプタ１０４から＋電源端子Ｔ９に５００ｍＡの電流が供給され、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のソースとドレインとの間には５００ｍＡの充電電流３０２が流れる。そして、この充電電流３０２は、抵抗器Ｒ２１２、＋極端子Ｔ５，Ｔ１を通じて電池セル２０２に入力される。そして、一定（５００ｍＡ）の充電電流３０２で電池セル２０２が充電される（ＣＣ充電）。すると、充電容量３０５に応じて電池セル２０２のセル電圧が上昇していく。

ところで、前述したように、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０５，２０７および電流制限用抵抗器Ｒ２１０には電流がほぼ流れないような構成になっているので、これらのｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０５，２０７および電流制限用抵抗器Ｒ２１０ではほとんど電圧降下は生じない。そのため、電池セル２０２のセル電圧は、定電圧制御部２１７で監視されている充電電圧３０４とほぼ等しくなる。

そして、充電開始からＣＣ充電期間３０６が経過すると、充電電圧３０４が４．２Ｖになったことが定電圧制御部２１７により検出される。すると、定電圧制御部２１７では、検出した充電電圧３０４を４．２Ｖに保つべくＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のソースとドレインの間に流れる電流を調節する電流制御信号を、充電制御部２１９に生成させる制御が行われる。

そして、この電流制御信号が、充電制御部２１９からＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のゲートに出力される（ＣＶ充電）。すると、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のソースとドレインとの間に流れる充電電流３０２が時間経過とともに減少していく。そして、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１４のソースとドレインとの間に流れる充電電流３０２は、抵抗器Ｒ２１２および＋極端子Ｔ５を通じて電池セル２０２に入力される。そして、ＣＶ充電が開始されてからＣＶ充電期間３０７が経過する、すなわち充電電流３０２が所定値まで減少すると、充電制御部２１９によりＭＯＳ−ＦＥＴ２１４がオフされ、電池セル２０２に対する充電が終了する。

図３に示したように、充電電圧３０４が充電方式変更電圧に到達するまでに要する時間は、＋極端子−極端子間電圧３０３が当該充電方式変更電圧に到達するまでに要する時間よりもＣＣ充電延長期間３０８だけ長くなる。すなわち、＋極端子−極端子間電圧３０３に基づいてＣＣ充電からＣＶ充電に切り換えるよりも、充電電圧３０４に基づいてＣＣ充電からＣＶ充電に切り換えた方が、ＣＣ充電を行う期間をＣＣ充電延長期間３０８だけ長くすることができる。つまり、ＣＣ充電延長期間３０８だけ従来のものよりＣＣ充電が長く行うことができる。ところで、ＣＣ充電が終了した時点において、電池セルの充電容量は従来のものよりも大きくなるので、この充電容量が充電を終了する規定の値に達するまで行われるＣＶ充電を行うＣＶ充電期間は従来のＣＶ充電期間よりも短くなる。

以上説明したように、本発明の第一の実施形態例では、分岐点Ａとセル電圧視端子との間にほぼ電流が流れないようにした。このため、分岐点Ａとセル電圧監視端子との間での電圧降下の影響がほとんどなくなるので、＋極端子Ｔ１およびセル電圧監視端子Ｔ４により電池セル２０２のセル電圧にほぼ等しい充電電圧３０４を取り出すことができる。そして、電池セル２０２に対して充電を行う際に、充電電圧３０４が充電方式変更電圧に到達するまでＣＣ充電を行い、充電電圧３０４が充電方式変更電圧に到達してから充電が終了するまで、ＣＶ充電を行うようにしている。すなわち、電池セル２０２に対してＣＣ充電を行う期間を従来のものよりＣＣ充電延長期間３０８だけ長くすることができる。つまり、ＣＣ充電の速度はＣＶ充電の速度よりも早いので、電池セル２０２に対してＣＶ充電を行う期間をＣＣ充電延長期間３０８よりも長く短縮することができる。これにより、充電電圧制御の高い精度を維持しつつ電池セル２０２の充電に要する時間を短縮することができる、という効果を奏する。

この電池セル２０２の充電に要する時間を短縮することができるという効果は、電池セル２０２を充電するための充電電流３０２が大きくなるほど顕著になる。これは、ＰＴＣ素子２０３、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０５での電圧降下の影響が大きくなるので充電電圧３０４と＋極端子−極端子間電圧３０３との差が大きくなり、ＣＣ充電延長期間３０８が長くなるためである。

また、本発明の第一の実施形態例では、電池セル２０２とセル電圧監視端子Ｔ４の間にｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０６が設けられており、放電電流が規定の値以上になった場合に、当該ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０６をオフに制御するようにしている。すなわち、過電流時には、セル電圧監視端子Ｔ４を電気的に電池セル２０２から切り離すことできる。これにより、例えば、＋極端子Ｔ１とセル電圧監視端子Ｔ４とをショートさせた時に生じる過電流を防止することができる。

また、本発明の第一の実施形態例では、電池セル２０２とセル電圧監視端子Ｔ４の間にｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０７を備え、電池セル２０２およびＰＴＣ素子２０３に掛かる電圧が規定の値以上になった場合に、当該ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０７をオフに制御する。すなわち、過充電時には、セル電圧監視端子Ｔ４を電気的に電池セル２０２から切り離すことができる。これにより、例えば、＋極端子Ｔ１とセル電圧監視端子Ｔ４とに異常な電圧を加えられたとしても、電池セル２０２にこの電圧が印加されることはないので、電池セル２０２を保護することができる。

＜２．本発明の第二の実施形態例＞
次に、本発明の第二の実施形態例を、図４を参照して説明する。以下説明において、第一の実施形態例と同様の構成については、同一符号を付して、その説明を省略もしくは簡略する。

［充電装置の構成および充電時の動作］
図４は、本発明の第二の実施形態に係る充電装置を示すブロック図である。
実施携帯の充電装置４０１は、第一の実施形態の充電装置１０３と同様の機能を有するセル電圧監視端子Ｔ４を設け、過充電、過放電あるいは過電流が生じた場合に、セル電圧監視端子と電池セル２０２を切り離すものである。この充電装置４０１は、第一の実施形態の充電装置１０３の電池パック１０６に代えて、電池パック４０２が設けられている。この電池パック４０２は、電池パック１０６のｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０６，２０７の代替として、スイッチ４０４が設けられ、また、このスイッチ４０４を動作させるＡＮＤゲート４０３がｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０５に接続するように備えられている。

ＡＮＤゲート４０３は、保護動作制御ＩＣ２０８からｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０５それぞれに出力される論理信号の論理積を示す信号（以下、「論理積信号」という）をスイッチ４０４に出力する。つまり、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０５の両方ともオンの状態の場合は、ＡＮＤゲート４０３からスイッチ４０４に‘真’を示す論理積信号が出力される。そして、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０５のいずれか一方でもオフの状態の場合は、ＡＮＤゲート４０３からスイッチ４０４に‘偽’を示す論理積信号が出力される。

スイッチ４０４は、ＡＮＤゲート４０３から入力される論理積信号に基づいてオン・オフを制御する。スイッチ４０４は、入力される論理積信号が‘真’の場合にオンとし、入力される論理信号が‘偽’の場合にオフとする。

なお、電池セル２０２に対して充電を行う際の充電装置４０１の各ブロックの動作は、第一の実施形態の充電装置１０３のそれと同じであるので説明は省略する。

以上説明したように、本発明の第二の実施形態例では、第一の実施形態例と同様に、電池セル２０２のセル電圧にほぼ等しい充電電圧３０４に基づいてＣＣＣＶ充電の制御を行っている。そのため、電池セル２０２の充電に要する時間を短縮することができる、という効果を奏する。

また、本発明の第二の実施形態例では、電池セル２０２とセル電圧監視端子Ｔ４の間にスイッチ４０４を設けた。そして、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０５のいずれか一方でもオフの場合はスイッチ４０４をオフし、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０５の両方ともオンの場合はスイッチ４０４をオンするようにした。そのため、過充電、過放電あるいは家電流等が生じた場合に、セル電圧監視端子Ｔ４を電気的に電池セル２０２から切り離すことができる。これにより、電池セル２０２を保護できる、という効果を奏する。

＜３．本発明の第三の実施形態例＞
次に、本発明の第三の実施形態例を、図５を参照して説明する。以下説明において、第一の実施形態例と同様の構成については、同一符号を付して、その説明を省略もしくは簡略する。

［充電装置の構成および充電時の動作］
図５は、本発明の第三の実施形態に係る充電装置を示すブロック図である。
本実施形態の充電装置５０１は、第一の実施形態の充電装置１０３と同様の機能を有するセル電圧監視端子Ｔ４を設け、電池パック５０２が正しい充電回路１０５に接続されたとき以外は、電池セル監視端子Ｔ４と電池セル２０２を切り離すものである。この充電装置５０１は、第一の実施形態の充電装置１０３の電池パック１０６に代えて、電池パック５０２が設けられている。この電池パック５０２は、電池パック１０６のｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０６，２０７をスイッチ５０３に置き換えたものである。

スイッチ５０３は、電池セルのマイナス極と電流制限用抵抗器Ｒ２１０の接続のオン・オフを切り換えるスイッチである。このスイッチ５０３は、温度検出端子Ｔ３と電気的に接続されており、温度検出端子Ｔ３に電圧が印加されている場合はオンし、温度検出端子Ｔ３に電圧が印加されていない場合はオフする。

なお、電池セル２０２に対して充電を行う際の充電装置５０１の各ブロックの動作は、第一の実施形態の充電装置１０３のそれと同じであるので説明は省略する。

以上説明したように、本発明の第三の実施形態例では、第一の実施形態例と同様に、電池セル２０２のセル電圧にほぼ等しい充電電圧３０４に基づいてＣＣＣＶ充電の制御を行っている。そのため、電池セル２０２の充電に要する時間を短縮することができる、という効果を奏する。

また、本発明の第三の実施形態例では、電池セル２０２とセル電圧監視端子Ｔ４の間にスイッチ５０３を設けた。そして、温度検出端子Ｔ３に電圧が印加されている場合はスイッチ５０３をオンにし、温度検出端子Ｔ３に電圧が印加されていない場合はスイッチ５０３をオフにするようにした。このため、温度検出端子Ｔ３と温度検出端子Ｔ７とが接続されていない時、例えば充電回路１０５に電池パック５０２が取り付けられていない状態では、電池パック５０２の温度検出端子Ｔ３に電圧が印加されなくなるので、スイッチ５０３をオフの状態にすることができる。すなわち、充電回路１０５と電池パック５０２の接続を解除するだけで、セル電圧監視端子Ｔ４を電気的に電池セル２０２から切り離すことができる。これにより、例えば、電池パック５０２が単体で存在する場合でも、＋極端子Ｔ１とセル電圧監視端子Ｔ４間のショートおよび直接充電を防止することができる、という効果がある。

＜４．本発明の第四の実施形態例＞
次に、本発明の第四の実施形態例を、図６を参照して説明する。以下説明において、第一の実施形態例と同様の構成については、同一符号を付して、その説明を省略もしくは簡略する。

［充電装置の構成および充電時の動作］
図６は、本発明の第四の実施形態に係る充電装置を示すブロック図である。
本実施形態の充電装置６０１は、第二の実施形態の充電装置４０１と第三の実施形態の充電装置５０１の構成を組み合わせたものである。

ＡＮＤゲート６０３は、保護動作制御ＩＣ２０８からｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０５それぞれに出力される論理信号の論理積を示す信号（以下、「第一論理積信号」という）をＡＮＤゲート６０４に出力する。

ＡＮＤゲート６０４は、ＡＮＤゲート６０３から入力される第一論理積信号と、温度検出端子Ｔ３に対する電圧の印加の有無を表す論理信号（以下、「印加電圧信号」という）との論理積を示す信号（以下、「第二論理積信号」という）をスイッチ６０５へ出力する。なお、この印加電圧論理信号は、温度検出端子Ｔ３に対する電圧の印加がある時は‘真’をとり、温度検出端子Ｔ３に対する電圧の印加がない時は‘偽’をとる論理信号である。

すなわち、温度検出端子Ｔ３に対する電圧の印加がない時は、ＡＮＤゲート６０４からスイッチ６０５に‘偽’の第二論理信号が出力される。

また、温度検出端子Ｔ３に対する電圧の印加がある時は、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０５の両方ともオンの状態の場合にＡＮＤゲート６０４からスイッチ６０５に‘真’を示す第二論理積信号が出力される。また、ｎＭＯＳ−ＦＥＴ２０４，２０５のいずれか一方でもオフの状態の場合にＡＮＤゲート６０４からスイッチ６０５に‘偽’を示す第二論理積信号が出力される。

スイッチ６０５は、ＡＮＤゲート６０４から入力される第二論理積信号に基づいてオン・オフが制御する。スイッチ６０５は、入力される第二論理積信号が‘真’の場合にオンとし、入力される論理信号が‘偽’の場合にオフとする。

なお、電池セル２０２に対して充電を行う際の充電装置６０１の各ブロックの動作は、第一の実施形態の充電装置１０３のそれと同じであるので説明は省略する。

以上説明したように、本発明の第四の実施形態例では、第一の実施形態例と同様に、電池セル２０２のセル電圧にほぼ等しい充電電圧３０４に基づいてＣＣＣＶ充電の制御を行っている。そのため、電池セル２０２の充電に要する時間を短縮することができる、という効果を奏する。さらに、本発明の第四の実施形態では、第二および第三の実施形態例と同様の効果もあることはいうまでもない。

なお、上記した各実施形態では、充電装置のスイッチにｎＭＯＳ−ＦＥＴを用いているが、ｐＭＯＳ−ＦＥＴを用いてもよい。また、ＰＮＰ型あるいはＮＰＮ型のバイポーラトランジスタを充電装置のスイッチとして用いてもよいことはいうまでもない。

また、上記した各実施形態では、移動機として携帯電話端末に適用した例を説明したが、この移動機は充電装置を備えていればよく携帯電話端末に限られない。

また、上記した各実施形態において、電池パックの電池セル２０２から−極端子Ｔ２までのライン上の任意の位置に抵抗器を設け、その抵抗器の電圧降下を検出することにより、保護動作制御ＩＣ２０８が放電電流および充電電流を算出できるようにしてもよい。

以上、本発明の実施形態の例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含むことはいうまでもない。

１０１…移動機、１０２…携帯電話機能部、１０３…充電装置、１０４…ＡＣアダプタ、２０２…電池セル、２０３…ＰＴＣ素子、２０４〜２０７…ｎＭＯＳ−ＦＥＴ、２０８…保護動作制御ＩＣ、２０９…サーミスタ素子、Ｒ２１０…電流制限用抵抗器、Ｒ２１１〜Ｒ２１２…抵抗器、２１４…ＭＯＳ−ＦＥＴ、２１５…充電制御回路、２１６…電流検出部、２１７…定電圧制御部、２１８…温度検出部、２１９…充電制御部、３０２…充電電流、３０３…＋極端子−極端子間電圧、３０４…充電電圧、３０５…充電容量、３０６…ＣＣ充電期間、３０７…ＣＶ充電機関、３０８…ＣＣ充電延長期間、４０１…充電装置、４０２…電池パック、４０３…ＡＮＤゲート、４０４…スイッチ、５０１…充電装置、５０２…電池パック、５０３…スイッチ、６０１…充電装置、６０２…電池パック、６０３，６０４…ＡＮＤゲート、６０５…スイッチ

Claims (10)

1. 充電可能な電池セルと、
   前記電池セルを定電流定電圧方式で充電するための充電回路のプラス極端子側と接続されるとともに、前記電池セルのセル電圧を前記充電回路に算出させるための第一電圧信号を、該充電回路に供給するプラス極端子と、
   前記充電回路のマイナス極端子側と接続されるマイナス極端子と、
   前記充電回路に前記セル電圧を算出させるための第二電圧信号を、前記充電回路に供給するセル電圧監視端子と、
   前記電池セルのマイナス極と前記マイナス極端子との接続のオン・オフを切り換える第一切換スイッチと、
   前記電池セルのマイナス極側と前記セル電圧監視端子との接続のオン・オフを切り換える第二切換スイッチと、
   前記セルのセル電圧または放電電流に基づいて、前記第一切換スイッチおよび前記第二切換スイッチのオン・オフを制御する保護動作部とを備え、
   前記充電回路により、前記プラス極端子および前記セル電圧監視端子それぞれが供給する前記第一電圧信号および前記第二電圧信号に基づいて前記セル電圧が算出され、算出された前記セル電圧に応じて前記電池セルに対する充電が行われる
   電池パック。
2. 前記第一切換スイッチは、
   前記電池セルの放電電流のオン・オフ制御を行う第一放電用トランジスタと、
   前記電池セルの充電電流のオン・オフ制御を行う第一充電制御用トランジスタとを含む
   請求項１に記載の電池パック。
3. 前記第二切換スイッチは、
   前記電池セルの放電電流のオン・オフ制御を行う第二放電用トランジスタと、
   前記電池セルの充電電流のオン・オフ制御を行う第二充電用トランジスタとを備え、
   前記第一放電用トランジスタおよび前記第二放電用トランジスタのオン・オフの動作は同期しており、前記第一充電用トランジスタおよび前記第二充電用トランジスタのオン・オフの動作は同期している
   請求項２に記載の電池パック。
4. 前記第二切換スイッチは、前記第一放電用トランジスタおよび前記第一充電用トランジスタの両方がオンの時のみオンする
   請求項２に記載の電池パック。
5. さらに、
   一端が前記マイナス極端子と接続されるサーミスタと、
   前記サーミスタの他端が接続され、前記サーミスタの抵抗値に応じた電圧信号が前記充電回路から入力される温度検出端子とを備え、
   前記第二切換スイッチは、前記第一放電用トランジスタおよび前記第一充電用トランジスタの両方がオン且つ前記温度検出端子に前記電圧信号が入力されている時にのみオンする
   請求項２に記載の電池パック。
6. さらに、
   前記セル電圧監視端子と前記第二切換スイッチとの間に過電流抑制のための抵抗素子を備える
   請求項１から５のいずれかに記載の電池パック。
7. さらに、
   前記マイナス極と前記充放電制御スイッチとの間に、前記電池セルの温度に応じて抵抗値が変化する温度可変抵抗素子を備える
   請求項１から６のいずれかに記載の電池パック。
8. 充電可能な電池セルと、
   前記電池セルを充電するための充電回路のプラス極端子側と接続されるとともに、前記電池セルのセル電圧を前記充電回路に算出させるための信号を、該充電回路に供給する前記プラス極端子と、
   前記充電回路のマイナス極端子側と接続されるマイナス極端子と、
   前記充電回路に前記セル電圧を算出させるための信号を、前記充電回路に供給するセル電圧監視端子と、
   前記電池セルのマイナス極と前記マイナス極端子との間に流れる電流のオン・オフを切り換える第一切換スイッチと、
   前記電池セルのマイナス極側と前記セル電圧監視端子との接続のオン・オフを切り換える第二切換スイッチと、
   前記セルのセル電圧または放電電流に基づいて、前記第一切換スイッチおよび前記第二切換スイッチのオン・オフを制御する保護動作部と、
   一端が前記マイナス極端子と接続されるサーミスタと、
   前記サーミスタの他端が接続され、前記サーミスタの抵抗値に応じた電圧信号が前記充電回路から入力される温度検出端子と
   前記温度検出端子に前記電圧信号が入力されている時だけ、前記電池セルのマイナス極側と前記セル電圧監視端子との接続をオンする第二切換スイッチとを備え、
   前記充電回路により、前記プラス極端子および前記セル電圧監視端子それぞれが供給する信号に基づいて前記セル電圧が算出され、算出された前記セル電圧に応じて、定電流定電圧充電方式の充電が前記電池セルに対して行われる
   電池パック。
9. 充電可能な電池セルと、
   前記電池セルのプラス極と接続されるプラス極端子と、
   前記電池セルのマイナス極側と接続されるマイナス極端子と、
   前記電池セルのマイナス極側と接続されるセル電圧監視端子と、
   前記電池セルのマイナス極と前記マイナス極端子との間に流れる電流のオン・オフを切り換える第一切換スイッチと、
   前記電池セルのマイナス極側と前記セル電圧監視端子との接続のオン・オフを切り換える第二切換スイッチと、
   前記セルのセル電圧または放電電流に基づいて、前記第一切換スイッチおよび前記第二切換スイッチのオン・オフを制御する保護動作部と
   を備える電池パックと、
   直流電流を供給するＡＣアダプタのプラス極と前記プラス極端子とを接続するプラス電源端子と、
   前記ＡＣアダプタのマイナス極と前記マイナス極端子とを接続するマイナス電源端子と、
   前記プラス極端子と前記セル電圧監視端子との間の電圧であるプラス極端子セル電圧監視端子間電圧を検出し、前記プラス極端子セル電圧監視端子間電圧に基づいて、前記電池セルに対して定電流低電圧充電をすべく、前記ＡＣアダプタから前記プラス極端子に供給される電流を制御する充電制御部と
   を備える充電回路と、
   を有する充電装置。
10. 充電可能な電池セルと、
    前記電池セルのプラス極と接続されるプラス極端子と、
    前記電池セルのマイナス極側と接続されるマイナス極端子と、
    前記電池セルのマイナス極側と接続されるセル電圧監視端子と、
    前記電池セルのマイナス極と前記マイナス極端子との間に流れる電流のオン・オフを切り換える第一切換スイッチと、
    前記電池セルのマイナス極側と前記セル電圧監視端子との接続のオン・オフを切り換える第二切換スイッチと、
    前記セルのセル電圧または放電電流に基づいて、前記第一切換スイッチおよび前記第二切換スイッチのオン・オフを制御する保護動作部と
    を備える、前記携帯電話機能部を動作させるための電力を供給する電池パックと、
    直流電流を供給するＡＣアダプタのプラス極と前記プラス極端子とを接続するプラス電源端子と、
    前記ＡＣアダプタのマイナス極と前記マイナス極端子とを接続するマイナス電源端子と、
    前記プラス極端子と前記セル電圧監視端子との間の電圧であるプラス極端子セル電圧監視端子間電圧を検出し、前記プラス極端子セル電圧監視端子間電圧に基づいて、前記電池セルに対して定電流低電圧充電をすべく、前記ＡＣアダプタから前記プラス極端子に供給される電流を制御する充電制御部と
    を備える充電回路と、から構成される充電装置
    を有する移動機。

Images