JP2013031301A - 電池パック - Google Patents

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Abstract

【課題】無接点充電が可能な電池パックにおいて、通信端子を新たに増設することなく、無接点充電に必要な情報を送受信可能とする。
【解決手段】充電可能な二次電池セル2と、充電台110に内蔵される送電コイル113と電磁結合可能な受電コイル1と、二次電池セル2の温度を検出するための温度検出部94と、温度検出部94と直列に接続された端子切替スイッチ93と、端子切替スイッチ93のON/OFFを制御するためのパック制御部91と、電池駆動機器100と電気的に接続するための接続端子として、二次電池セル2の充放電を行うための、一対の電源端子102、104と、温度検出部94を接続した温度端子103と、を備え、パック制御部91は、温度端子103と接続されており、充電台110と無接点充電を開始する際に端子切替スイッチ93をOFFに切り替えて、温度端子103を介して電池駆動機器100と通信可能としている。
【選択図】図4

Description

本発明は、充電台に載せられた電池パックの受電コイルと、充電台の送電コイルとを電磁結合し、送電コイルから受電コイルに磁気誘導作用で電力搬送して、内蔵電池を充電可能な電池パックに関する。
携帯電話や携帯音楽プレーヤ等のモバイル機器に代表される電池駆動機器は、携帯に便利なように、充電できる電池により駆動されるものが多い。このような電池駆動機器は、電池を素電池の状態で、あるいは電池パックの状態で収納している。電池駆動機器は、電池を収納する状態で充電器に接点を接続して充電される。一方で、このように接点を接続することなく、電磁誘導の作用を利用して充電台に内蔵された送電コイルから、受電コイルに対して電力を搬送して、電池を充電する充電台が開発されている(特許文献1参照)。
一方で、電池パックで駆動する電池駆動機器側には、電池パックが充電中であることを示す表示や、満充電となったこと、あるいは電池の残容量などを表示するための表示窓を設けることが一般的である。このような表示窓を行うためには、図9に示すように電池駆動機器と電池パックとの間に通信端子を別途設ける必要がある。しかしながら、通信端子を増設することにより費用が嵩むことに加え、通信端子やこれを実現するための各種部品をどのように配置するかというスペース的な制約がある。特に、近年ではより一層の電池パックの小型化、薄型化が求められているところであり、コスト削減の要求に加え、これらの要求に対応することは容易でない。
このような要求に応えるべく、本願出願人は通信端子と温度端子とを共用可能な、電子機器用のパック電池を開発した(特許文献2)。このパック電池は、図10に示すように、パック電池内の通信ラインに接続された感温素子と、感温素子と基準電圧ラインとの接続を開閉するスイッチング素子と、通信ラインからの通信処理及びスイッチング素子の制御を行う制御手段とを備えている。この制御手段は、通信ラインの使用時においては、スイッチング素子を開状態とし、通信ラインの不使用時においては、スイッチング素子を閉状態とする。この結果、通信ラインの不使用時においては、感温素子に印加される電圧が、通信ラインを介して、電子機器側に出力される。この構成によって、感温素子の電圧を、通信ラインを介して、電子機器側で測定することができる。その一方で、通信ラインの使用時においては、感温素子の電圧変動の影響を通信ラインが受けないので、通信ラインを利用できるようになる。
しかしながら、この電池パックは一の電子機器にのみ接続されることを前提に構成されたものであって、電子機器以外から充電される構成には対応していないため、電子機器以外の充電方法、すなわち無接点充電が行われた場合に、充電や通信、電池温度の検出や満充電の表示といった動作が適切に行えないという問題があった。特に、無接点充電の機能を備える電池パックにおいては、従来の電子機器による充電も併存させていることが多いため、複数の充電が同時に競合することも考えられる。この場合に、いずれの充電を行い、いずれの充電を停止するか、あるいは電池の残容量表示を行うために、どのように通信を行うかといった構成に従来の電池パックでは十分に対応できなかった。
特開2008−141940号公報 特開2007−26712号公報
本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、無接点充電が可能な電池パックにおいて、通信端子を新たに増設することなく、無接点充電に必要な情報を送受信可能な電池パックを提供することにある。
課題を解決するための手段及び発明の効果
上記の目的を達成するため、本発明の第1の側面に係る電池パックは、電池駆動機器100に接続されて、該電池駆動機器100を駆動する電力を供給する一方、充電台110に載置されて、充電台110に内蔵される送電コイル113から電力を受けて無接点充電が可能な電池パックであって、充電可能な二次電池セル2と、充電台110に内蔵される送電コイル113と電磁結合可能な受電コイル1と、前記二次電池セル2の温度を検出するための温度検出部94と、前記温度検出部94と直列に接続された端子切替スイッチ93と、前記端子切替スイッチ93のON/OFFを制御するためのパック制御部91と、電池駆動機器100と電気的に接続するための接続端子として、前記二次電池セル2の充放電を行うための、一対の電源端子102、104と、前記温度検出部94を接続した温度端子103と、を備え、前記パック制御部91は、前記温度端子103と接続されており、充電台110と無接点充電を開始する際に前記端子切替スイッチ93をOFFに切り替えて、前記温度端子103を介して電池駆動機器100と通信可能に構成できる。これにより、温度端子を、無接点充電時には電池駆動機器との通信を行う通信端子として利用でき、温度端子と通信端子とを同一の端子で兼用することが可能となり、別個の通信端子を設けないことで電池パックのコスト上昇を抑制し、また部品点数の増加によるスペース的な制約を回避することができる。
また第2の側面に係る電池パックは、前記電池パックは、電池駆動機器100に接続された状態で、AC/DCアダプタ143による充電が可能であり、前記パック制御部91は、該AC/DCアダプタ143による充電時には、前記端子切替スイッチ93をONとして、前記二次電池セル2の温度に関する情報を電池駆動機器100側に出力可能とできる。これにより、温度端子を、AC/DCアダプタ充電時には二次電池セル温度を送出する温度端子として使用することが可能となる。
さらに第3の側面に係る電池パックは、前記端子切替スイッチ93がFETであり、前記パック制御部91は、前記FETのゲート端子に対してON/OFF信号を出力するための端子切替制御ラインSWLを備えており、前記パック制御部91は、無接点充電時には、端子切替制御ラインSWLをHIGHに、AC/DCアダプタ143充電時には、端子切替制御ラインSWLをLOWに、それぞれ切り替えることで、前記温度検出部94を前記温度端子103から切断するよう構成できる。これにより、パック制御部は温度端子の機能を容易に切り替えることができる。
さらにまた第4の側面に係る電池パックは、前記温度検出部94に、第一スイッチング素子を接続し、前記第一スイッチング素子の制御端子に、第二スイッチング素子を接続しており、前記第二スイッチング素子のON/OFFによって、前記第一スイッチング素子のON/OFFを制御可能とすると共に、前記第二スイッチング素子のOFF時に、AC/DCアダプタの電圧が前記第一スイッチング素子の制御端子に印加されて、前記第一スイッチング素子をONとすることができる。
さらにまた第5の側面に係る電池パックは、前記端子切替スイッチ93のFETが、前記端子切替制御ラインSWLにゲート端子が接続された第一FET93aと、前記第一FET93aのドレイン端子と、ゲート端子を接続してなる第二FET93bと、で構成されており、前記第一FET93a及び第二FET93bのソース端子は、共通のラインに接続されており、AC/DCアダプタ143充電時には、前記パック制御部91が前記端子切替制御ラインSWLをLOWとすることで、前記第一FET93aをOFFさせ、前記第二FET93bのゲート端子に電圧を印加することで、該第二FET93bをONとして、前記温度検出部94を通電するよう構成できる。
さらにまた第6の側面に係る電池パックは、充電台110と無接点充電を行う際に、前記パック制御部91がOFFに切り替えたことを、前記温度端子103と接続される電池駆動機器100側の機器側温度端子103’を介して検出し、電池駆動機器100側の通信を行うよう構成できる。これにより、無接点充電時には、電池パック側から電池駆動機器側に無接点充電に切り替えられたことを送出し、両者の通信が可能な状態に移行できる。
さらにまた第7の側面に係る電池パックは、前記パック制御部91は、充電台110と無接点充電を行う際に、機器制御部150に対して、前記温度端子103と接続される電池駆動機器100側の機器側温度端子103’が、プルアップ抵抗158と接続されるように通信を行うことができる。これにより、電池パックと電池駆動機器との間で、温度端子と機器側温度端子とを介して通信を行うことができる。
さらにまた第8の側面に係る電池パックは、前記パック制御部91は、AC/DCアダプタ143による充電と、無接点充電とが競合した場合に、前記温度端子103を介して電池パックから電池駆動機器100に対して無接点充電の中止とAC/DCアダプタ143充電への切替を指示するように構成できる。これにより、AC/DCアダプタ充電と無接点充電が同時に行われようとした場合には、無接点充電を中止してAC/DCアダプタ充電を優先させることで、より安定した充電を図ることができる。
さらにまた第9の側面に係る電池パックは、前記温度検出部94を、前記二次電池セル2に近接して配置されたサーミスタとできる。これにより、サーミスタでもって二次電池セル温度を電気信号として出力できる。
さらにまた第10の側面に係る電池パックは、前記受電コイル1の外形を角型状とすることができる。これにより、受電コイルの巻き線長を長くできる分、インダクタンスを増加できる。また、角型状のコイルは円形状のコイルに比べてコイルの回転方向を規制できるため、位置決めを容易にできる。
さらにまた第11の側面に係る電池パックは、さらに電池駆動機器100と接続されているか、又は電池パック90単体のいずれであるかを判定する機器接続判定部を備えることができる。
さらにまた第12の側面に係る電池パックは、前記機器接続判定部は、前記パック制御部91が電池駆動機器100と通信を試み、該通信の有無に基づいて、電池駆動機器100との接続の有無を判定できる。
さらにまた第13の側面に係る電池パックは、前記パック制御部91は、前記温度端子103を介して電池駆動機器100との通信がないときは、電池パック単体であると判定して、該電池パックに応じた条件で無接点充電するよう構成できる。
さらにまた第14の側面に係る電池パックは、前記パック制御部91は、前記温度端子103を介して電池駆動機器100との通信があるときは、該電池駆動機器100に接続されたと判定して、該電池駆動機器100に接続された状態に応じた条件で無接点充電するよう構成できる。
電池パックを内蔵する電池駆動機器を無接点の充電台にセットする状態を示す斜視図である。 図1に示す充電台に電池駆動機器を載置した状態を示す垂直断面図である。 図2に示す充電台に電池パック単体を載置した状態を示す垂直断面図である。 図1の充電台及び電池駆動機器の電気回路を示すブロック図である。 図3の充電台と電池パックの電気回路を示すブロック図である。 図1の電池駆動機器にAC/DCアダプタを接続した電気回路のブロック図である。 AC/DCアダプタに接続された電池駆動機器を充電台に載置した状態を示す回路図である。 無接点充電とアダプタ充電が競合した際の充電方式を選定手順を示すフローチャートである。 電池駆動機器と電池パックとの接続に通信端子を追加した状態を示すブロック図である。 従来の充電器を示す回路図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電池パックを例示するものであって、本発明は電池パックを以下のものに特定しない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
以下、本発明の実施の形態に係る電池パックの例として、携帯電話の電池パックに適用した例を、図1から図6に基づいて説明する。これらの図において、図1は電池パックを収納する電池駆動機器100を無接点式の充電台110にセットする状態を示す斜視図、図2は図1の垂直断面図、図3は電池パック90単体を充電台110にセットして充電する状態を示す垂直断面図、図4は充電台110に電池駆動機器100を載置し、電池駆動機器100に内蔵された電池パック90の二次電池セル2を充電する電気回路のブロック図、図5は受電台110に電池パック90単体を載置し、二次電池セル2を充電する電気回路のブロック図、図6は電池駆動機器100に装着された電池パック90を、電池駆動機器100のDC接続端子117Aから直流電源を供給して、二次電池セル2を有線で充電するための電気回路のブロック図を、それぞれ示している。これらの図に示すように、電池パック90は、電池駆動機器100に接続されて、この電池駆動機器100を駆動する電力を供給する一方で、充電台110に載置されて、充電台110に内蔵される送電コイル113から電力を受けて無接点充電を可能としている。図4においては、右側の充電台110に、電池パック90をセットした電池駆動機器100を載置することで、図において中央に示す電池パック90を充電する。またこの電池パック90は、AC/DCアダプタ143を電池駆動機器100に接続することでも充電できる。すなわち、図5において左側に図示する電池駆動機器100にAC/DCアダプタ143を接続し、ここから得られる電力によって中央の電池パック90を充電できる。このように電池パック90は、充電台110(図4において右側)からの無接点充電と、電池駆動機器100(図5において左側)からのアダプタ充電の両方に対応している。さらに電池パック90は、電池駆動機器100に接続された状態での無接点充電に加えて、図3に示すように電池パック90を電池駆動機器100と接続しない単体のままでも充電可能としている。
(充電台110)
図1から図3に示す充電台110は、電池パック90の受電コイル1に電磁結合される送電コイル113と、この送電コイル113に高周波電力を供給する高周波電源制御回路114を備えている。この充電台110の駆動電力は、外部の商用電源等から受ける電力を変換して、または充電台110に内蔵する充電台用二次電池112を、商用電源等で充電して得られる。図1の例では、外部からの電力は、充電台用AC/DC変換器(図示せず)のDC接続プラグ141や、USBケーブル142によって供給される。このため充電台110は、外部からの電力を受けるための直流入力端子117を外装ケース111に設けている。ここでは直流入力端子117として、DC接続プラグ141を接続するDC接続端子117Aと、USBケーブル142を接続するUSB端子117Bを備えている。この直流入力端子117からの直流電力は、充電台用二次電池112に充電され、また直接高周波電源制御回路114へ供給される。充電された充電台用二次電池112は、外部の電源から直流入力端子117への電力供給がない場合に、高周波電源制御回路114等に直流電力を供給することができる。これにより、充電台110を携行可能とし、直流入力端子117への電力供給が無くても、充電台用二次電池112の直流電力を供給することで高周波電源制御回路114により高周波電力を発生させることができる。
(電池駆動機器100)
一方、電池駆動機器100は、電池パック90を接続して、この電池パック90から電力供給を受けて駆動される。電池パック90は、電池駆動機器100内に収納される。図1の例では電池駆動機器100を携帯電話とする例を示しており、電池駆動機器100本体の裏蓋を外して、ケース内部に電池パック90を収納している。ただし、電池パックは必ずしも駆動機器本体の内部に収納する必要は無く、駆動機器本体から剥き出しのまま装着する形態としてもよい。例えば電池駆動機器を電動工具やビデオカメラとする場合は、電池パックを駆動機器本体の一部に着脱式としている。また逆に、電池パックを着脱式とせず、電池駆動機器本内の内部に埋め込み式として交換不可能な形態とすることもできる。
また電池駆動機器100には、交流電源に接続された機器用AC/DCアダプタ143からの入力端子として、DC接続端子117Aを有している。これにより、電池駆動機器100に接続されている電池パック90は、DC接続端子117Aより直流電源を供給することができ、電池パック90内の二次電池セル2を安定して充電することができる。
(電池パック90)
図4に示す電池パック90は、充電可能な二次電池セル2と、充電台110に内蔵される送電コイル113と電磁結合可能な受電コイル1と、二次電池セル2の温度を検出するための温度検出部94と、温度検出部94と直列に接続された端子切替スイッチ93と、端子切替スイッチ93のON/OFFを制御するためのパック制御部91と、電池駆動機器と電気的に接続するための接続端子とを備える。接続端子は、二次電池セル2の充放電を行うための、一対の電源端子102、104と、温度検出部94を接続した温度端子103とを含む。
この電池パック90は、図4の回路図に示すように電池駆動機器100に装着した状態で充電する他、図3の断面図に示すように、電池駆動機器100に装着せず、単体のまま充電台110に載置して充電することもできる。いずれの場合も、電池パック90の受電コイル1が、充電台110の送信コイル113と電磁結合し、受けた磁束により誘導起電力を発生させることができる。
また受電コイル1は、外形を円形状とする他、角型状とすることも好ましい。これにより、受電コイル1の巻き線長を長くできる分、インダクタンスを増加できる。また、角型状のコイルは円形状のコイルに比べてコイルの回転方向を規制できるため、位置決めを容易にできる。
ここで、電池パック90が無接点式の充電台110から受領した電力でもって、二次電池セル2を充電する原理を、図4に基づいて説明する。充電台110の送電コイル113と電磁結合される受電コイル1で発生される誘導起電力は、図4に示すように無接点充電回路95により直流電源に変換され、二次電池セル2が充電される。この実施例では図示していないが、二次電池セル2は、充電電圧、電流および電池温度等の監視パラメータを計測する監視回路を有している。この監視回路は、いずれかの監視パラメータが二次電池セル2に対して予め設定された閾値を超えた場合には、受電コイル1に変調信号を付加し、送電コイル113側へ伝達し、高周波電源制御回路114にて出力調整を行うことができる。たとえば、電池パック90の二次電池セル2が満充電に達した場合には、電池パック90側からの信号を受けて、充電台110の高周波電源制御回路114の出力を停止することができる。これにより、電池パック90の安全性を保つことができ、さらに充電台110の出力を停止することにより無駄な電力消費を抑制できる。
(二次電池セル2)
この電池パック90に内蔵される二次電池セル2は、幅よりも薄い角型の直方体で、各面を一体成型した外装缶を形成し、金属ケースとすることができる。たとえば、金属ケースは、アルミニウム等とすることができ、外因性の衝撃から保護することができ、さらに放熱性にも優れた効果を得ることができる。
この実施例での二次電池セル2は、体積エネルギー密度の大きいリチウムイオン二次電池又はリチウムポリマー電池を使用することで、全体を軽く、薄く、小さくして利便性を良く携帯駆動機器に利用できる特徴がある。ただこれに限るものではなく、二次電池セルは、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池等の充電できる全ての二次電池とすることもできる。
(無接点充電)
ここで、電池駆動機器100を充電台110に載置して、充電を行う様子を、図4、図5に基づいて説明する。この図においては、右側の充電台110に、左側の電池駆動機器100を載置して、内部に収納した電池パック90を充電する様子を示している。この電池パック90を無接点充電する充電台110は、高周波電源制御回路114からの高周波電力を送電コイル113へ通電し、磁束を発生させ、電池パック90内の受電コイル1に誘導起電力を発生させる。ここで、充電台110内の高周波電源制御回路114は、充電台用AC/DC変換器からのDC接続端子117AとUSB端子117Bとを有する直流入力端子117から、直流電力の供給を受けることができる。この直流電力は、充電台110の充電台用二次電池112への充電と共に、高周波電源制御回路114へ直流電力を供給し、直流電力を高周波電力に変換し送電コイル113へ供給することができる。また、直流入力端子117への直流電力が供給されない場合は、予め充電台110に内蔵された充電台用二次電池112を充電しておくことにより、この充電台用二次電池112から高周波電源制御回路114へ直流電力を供給することもできる。これにより、無接点電力送信を行う送信コイル113は、受電機器側にある受電コイル1と磁束により電磁結合ができ、受電コイル1に誘導起電力を供給することができる。
さらに、高周波電源制御回路114への電力供給は、直流電力制御回路121により制御され、直流入力端子117および充電台用二次電池112の切り替えをスイッチSW1、SW2、SW3及びSW4のON/OFFにて行う。ここで充電台用二次電池112への充電は、直流入力端子117から直流電力が入力されたことを、直流電力制御回路121にて認識し、スイッチSW1またはSW2及びSW3がONになり通電される。ここで通電された直流電力は、内部充電回路118にて、充電台用二次電池112が満充電か否かを検出し、充電可能であれば充電を開始し、満充電時は電力供給しないようにする。これにより、充電台110は、持ち運びが可能で、交流電源やUSB電源の供給不能な場所でも、充電台用二次電池112により高周波電源制御回路114への電力供給が可能でき、電池パック90への無接点充電を実行することができる。
高周波電源制御回路114は、送電コイル113と電磁結合される受電コイル1が認識できる範囲にあるか否かを判断し、受電範囲内であれば電力を供給し、受電範囲外であれば電力供給を停止する。これにより、充電台110は、無駄な送電エネルギーを供給することなく、必要時のみ送電することで省エネ効果を得ることができる。
さらに、直流電力制御回路121には、高周波電源制御回路114の高周波の電圧変化、電流、位相変化及び/又は変調周波数の検出により、二次電池セル2の残容量、充電電圧情報、満充電情報、異常出力停止信号等を受信し、残容量を点滅のパターンで表示できる充電表示LED119を接続している。これにより、充電台110は、満充電情報に基づき、高周波電力の供給を停止することができ、必要時のみの動作として、省エネ効果を得ることができる。
(電池パック90の詳細)
次に、電池パック90の詳細について、図4〜図6に基づいて説明する。図4に示す例では、電池駆動機器100は、電池パック90と、この電池パック90から電力供給を受ける駆動機器本体101とで構成される。そのため電池パック90は、接続端子として、一対の電源端子102、104を構成するプラス端子102とマイナス端子104を有し、更に温度端子103の計3端子を有している。これにより、電池パック90は、これらの4端子により駆動機器本体101が接続されている場合、駆動機器本体101の電池駆動機器100の制御情報や電池パック90の二次電池セル2の電池情報等を相互通信することができる。
送電コイル113からの磁束により、電池パック90内の受信コイル1で発生した誘導起電力の高周波電力は、無接点充電回路95を経由し、直流電力に変換され、端子切替スイッチ93を経由し、二次電池セル2を充電することができる。ここで、無接点充電回路95は、高周波電力をまず整流回路にて整流し、平滑コンデンサにより直流成分のみを直流電力として二次電池セル2への充電電力としている(図示せず)。
この実施例の電池パック90は、充電スイッチ98と端子切替スイッチ93を有している。この充電スイッチ98及び端子切替スイッチ93は、共にパック制御部91によりオープン/クローズを制御される。まず、充電スイッチ98は、無接点充電回路95の電力出力を制御し、二次電池セル2への充電電力を供給の有無を制御する。具体的には、充電スイッチ98は、充電台110に搭載されたとき、オープン状態となり、無接点充電により電力が供給されるとパック制御回路91が起動され、クローズ状態となる。また、端子切替スイッチ93は、電池駆動機器100との接続の有無によりオープン/クローズを制御している。この端子切替スイッチ93は、デフォルトでオープン状態となる。
充電スイッチ98及び端子切替スイッチ93は、電流通過制御可能なFET、トランジスタ等の半導体素子とすることで、回路の小型化を図ることができる。好ましくは、電流通過時に電力損失が少ないFETの半導体素子を選択することで、受電された電力の変換損失を減少させることができる。この場合、パック制御部91は図4に示すように、FETのゲート端子に対してON/OFF信号を出力するための端子切替制御ラインSWLを備えている。これにより、パック制御部91が端子切替制御ラインSWLをHIGH、LOWに切り替えることで、FETのON/OFFを制御できる。
また端子切替スイッチ93を、複数のスイッチング素子で構成することもできる。例えば端子切替スイッチ93を、第一スイッチング素子と第二スイッチング素子で構成する場合を考えると、第一スイッチング素子を温度検出部94に接続し、第一スイッチング素子の制御端子に、第二スイッチング素子を接続する。この構成では、第二スイッチング素子のON/OFFによって、第一スイッチング素子のON/OFFを制御する。また第二スイッチング素子のOFF時に、AC/DCアダプタの電圧が第一スイッチング素子の制御端子に印加されて、第一スイッチング素子をONとすることができる。
さらに端子切替スイッチ93のFETは、好ましくは図4に示すように、端子切替制御ラインSWLにゲート端子が接続された第一FET93aと、第一FET93aのドレイン端子と、ゲート端子を接続してなる第二FET93bとで構成される。また、これら第一FET93a及び第二FET93bのソース端子は、共通のラインに接続されている。
このパック制御部91は、電池パック90の充電方式が、充電台110による無接点充電かを判別し、これに応じて端子切替制御ラインSWLを介して、無接点充電の電力によりMPUであるパック制御部91が起動して、端子切替スイッチ93のON/OFFを切り替える。具体的には、無接点充電時には、端子切替制御ラインSWLをHIGHに切り替える。この結果、図4に示すように端子切替スイッチ93を構成するFETの内、第一FET93aがONとなって導通して、第二FET93bがOFFされて、温度検出部94が切り離され、温度端子103で電池駆動機器100との間で通信を行う。
一方、AC/DCアダプタ充電時には、図6に示すようにパック制御部91が端子切替制御ラインSWLをLOWに切り替える。これによって第一FET93aがOFFされて、第二FET93bのゲート端子に電圧を印加される結果、該第二FET93bがONとなり、温度検出部94が通電される。このようにして、パック制御部91は端子切替制御ラインSWLを介して温度端子103の機能を容易に切り替えることができる。
この図4における電池パック90は、同期整流回路95の電力出力を制御するパック制御回路91により、充電電力通過スイッチ98をクローズ(充電開始)の指示を実行している。この指示の基となる情報としては、パック制御部91に内蔵されるサーミスタ(図示せず)で検出される温度が所定範囲内であるとき、電池駆動機器100からの直流電力供給がないとき(詳細は後述)、充電電力通過スイッチ98をクローズして、充電を開始する。この情報をパック制御回路91へ転送し、充電電力通過スイッチ98を制御している。これにより、電池パック90への充電に伴う充電による温度上昇等より二次電池セル2を保護することができる。
(パック制御部91)
パック制御部91は、温度端子103と接続されている。パック制御部91が、充電台110と無接点充電時に通信を行う際に端子切替スイッチ93をOFFに切り替えることで、温度端子103を介して電池駆動機器100と通信可能とする。これにより、温度端子103を、無接点充電時には電池駆動機器100との通信を行う通信端子として利用でき、温度端子103と通信端子とを同一の端子で兼用することが可能となり、電池パックのコスト上昇を抑制し、また部品点数の増加によるスペース的な制約を回避することができる。例えば、UART等の通信が利用できる。
さらにパック制御部91は、図4に示すように、送信用FET97aと、受信用FET97bを接続している。加えて、パック制御部91は、電池パック90での温度を検出するセル温度検出部として、サーミスタを内蔵している。
(機器接続判定部)
電池パック90が、電池駆動機器100と接続されているか、又は電池パック90単体のいずれであるかは、機器接続判定部によって判定される。このような機器接続判定部は、例えばパック制御部91によって実現される。図4の例では、パック制御部91を構成するMPUであるICにて、機器接続判定部の機能が実現される。ただ、機器接続判定部をパック制御部と別部材で設けることもできる。本実施例に係る電池パック90では、パック制御部91が駆動機器本体101からの通信の有無により、駆動機器本体101に接続されているか否かを判定することができる。
さらに、端子切替制御ラインSWLが通信応答時にHIGHを出力して、端子切替スイッチ93は、OFFとなり、温度検出部94をGNDから切り離す。
機器接続判定部による判定は、パック制御部91が電池駆動機器100と通信を試み、この通信の有無に基づいて、電池駆動機器100との接続の有無を判定できる。例えば、温度端子103を介して電池駆動機器100との通信があるときは、電池駆動機器100に接続されていると判定する。また、電池駆動機器100との通信がないときは、電池パック単体であると判定する。そして、判定結果に基づいて、無接点充電の際の充電条件を変更できる。例えば、電池駆動機器100の接続の有無によって、受電コイルと送電コイルの距離が異なることが考えられる。すなわち、電池パック90が電池駆動機器100に接続されている場合は、電池駆動機器100のケース内に電池パック90が収納されるため、ケースの厚み分だけ受電コイルと送電コイルの距離が長くなる。また、電池パック90が単体の場合は、このようなケースの厚みを考慮する必要がなく、短い距離で受電コイルと送電コイルとを電磁結合できる。このように、パック制御部91は、機器接続判定部の判定結果に基づいて、無接点充電の条件を変更して、最適な条件にて無接点充電を行うことができる。
図4に示す構成における充電方法について、以下に説明する。駆動機器装置101に接続された電池パック90は、温度端子103を介して、駆動機器装置101と電池パック90とが通信する。UART通信においては、駆動機器装置101がマスター、電池パック90がスレーブとなり、時系列的に、或いは、定期的に、電池パック90での温度、二次電池セル電圧、電流値(無接点電流検出抵抗99にて測定)等を、マスター側の機器制御部150が問い合わせ、スレーブ側のパック制御部91より情報を、返信する通信を行う。このとき、パック制御部91が、機器制御部150から通信があることを検出して、電池パック90が駆動機器装置101に接続されていると認識し、充電スイッチ98をONして、無接点による充電を開始する。パック制御部91の通信は、上述した送信用FET97aと受信用FET97bで行う。
次に、電池パック90単体を無接点充電にて充電する場合の充電方法について、図5に基づいて説明する。電池パック90は、充電台110に搭載されたとき、充電スイッチ98はオープンで、無接点充電により電力が供給されるとパック制御回路91が起動し、充電スイッチ98はクローズとなる。パック制御部91が起動すると、端子切替制御ラインSWLにHIGHを出力し、端子切替スイッチ93がOFFとなり、温度端子103を介して、通信がないことをパック制御回路91が確認し、充電スイッチ98をONして、二次電池セル2を充電する。このとき、電池パック90の温度は、パック制御回路91に内蔵されるセル温度検出部(図示せず)にて測定される。そして、充電電流が無接点電流検出抵抗99にて検出され、パック制御部91により、充電台110に対し送電電力に信号を重畳する事でフィードバックを行い、最大電流、最大電圧を規制した定電流、定電圧にて二次電池セル2が充電され、所定電圧以上のとき、所定電流値以下が検出すると、パック制御部91が、満充電と判定し、電池パック90の無接点充電を禁止するよう、充電台110に停止信号を送信すると共に、充電スイッチ98をOFFする。
さらに、端子切替スイッチ93のデフォルトは、オープンとされているため、これにより、電池パック90単体での保管時は、二次電池セル2の放電の回路形成ができないため、電池パック90の自己放電を最小限に抑えることができる。
(アダプタ充電)
さらに、電池駆動機器100にAC/DCアダプタ143を接続して充電を行う様子を、図6に基づいて説明する。図6は、充電台110がなく、駆動機器装置101に接続された電池パック90を充電する構成を示している。この図においては、左側の電池駆動機器100にAC/DCアダプタ143を接続して、内部に収納した電池パック90を充電する様子を示している。図6の電池パック90は、駆動機器本体101のDC接続端子117Aへ、商用電源と接続されたAC/DCアダプタ143のDC接続プラグ141を接続し、直流電力を駆動機器本体101へ供給している。この直流電力が供給された駆動機器本体101は、DC接続端子117Aへの直流電力を、最大の電流、電圧を規制した定電流・定電圧充電を行うアダプタ充電回路159で受ける。図6に示すようにAC/DCアダプタ充電の際には、電池駆動機器100の機器制御部150がAC/DCアダプタ143の接続を検出し、プルアップ抵抗158への通電をOFFとし、通信を行わないこととする。
一方、電池パック90においては、無接点充電の電力が供給されないことより、パック制御部91がシャットダウン上であるので、端子切替制御ラインSWLはLOW状態であるので、端子切替スイッチ93の第二FET93bのゲート端子には電圧が印加され、ONとなり、温度検出部94が下側ラインと導通状態となるので、駆動機器本体101側より電圧を印加して、機器制御部150により、温度検出部94より、温度(特に充電中の温度)を測定することができる。このような状態で、AC/DCアダプタ143より充電することができる。
(充電方式判別機能)
この電池パック90は、充電方式がAC/DCアダプタ143による充電か、充電台110による無接点充電のいずれであるかを判別する充電方式判別機能を備えている。具体的には、駆動機器本体101からの通信による情報により判別を行う。
(アダプタ判定部)
このように充電方式の判別には、AC/DCアダプタ143の接続の有無の判定が必要となる。そこで電池パック90は、外部の商用電源と接続されるAC/DCアダプタ143から受電状態の電池駆動機器100に接続されているかどうかを判定するためのアダプタ判定部を備えることもできる。このアダプタ判定部は、例えば図4等の回路例においてはパック制御部91で実現できる。パック制御部91は、AC/DCアダプタ143からの電圧に基づいて、電池駆動機器100にAC/DCアダプタ143が接続されているかどうかの接続状態を判定できる。図4の電池駆動機器100にAC/DCアダプタ143を接続した状態を示す図6の回路例においては、AC/DCアダプタ143の直流電源の電圧又はアダプタ充電回路159で変換された変換電圧は、電池パック90の温度端子103と接続され、パック制御部91に伝達される。このパック制御部91は、温度端子103が所定電圧以上の場合、AC/DCアダプタ143が接続されていると判定する。また上述の通り、電池駆動機器100側からアダプタの接続情報を温度端子103を介して受信することでも、アダプタの接続判定を行うことができる。なお、この構成は一例であって、アダプタ判定部を、パック制御部と別部材で設けることも出来ることはいうまでもない。
パック制御部91は、AC/DCアダプタ143の接続を検出すると、充電方式を無接点充電からアダプタ充電に切り替える。上述の通り、アダプタ接続を検出すると、パック制御部91は、充電スイッチ98をオープンにし、無接点充電を中止する。
さらに、アダプタ充電を行うために、端子切替スイッチ93をクローズして、温度端子103を介して二次電池セル温度を電池駆動機器100側に伝達する。これにより、温度端子103を、AC/DCアダプタ充電時には二次電池セル温度を送出する温度端子103として使用することが可能となる。
一方パック制御部91は、AC/DCアダプタ143による充電と、無接点充電とが競合した場合に、温度端子103を介して電池パック90から電池駆動機器100に対して無接点充電の中止とアダプタ充電への切替を指示する。ここでは、まず無接点充電をOFFとするための信号を電池パック90から充電台110側に送出し、電力の送出を停止する。次に、AC/DCアダプタ143による充電を開始する。これにより、アダプタ充電と無接点充電が同時に行われようとした場合には、無接点充電を中止してアダプタ充電を優先させることで、エネルギーロスが小さくより安定した充電を図ることができる。
(アダプタ充電と無接点充電の競合)
次に、アダプタ充電と無接点充電が競合する場合の充電方法について、アダプタ充電が優先されることを、図7に基づいて以下説明する。まず、先に電池パック90が充電台110に搭載されると、充電スイッチ98がオープンの状態で充電台110から無接点充電の電力が供給されることより、パック制御回路91が起動し、充電スイッチ98をクローズさせる。パック制御部91が起動すると、端子切替制御ラインSWLにHIGHを出力し、端子切替スイッチ93がOFFとなり、二次電池セル2を充電する。
端子切替スイッチ93がOFFとなっていることより、温度検出部94上側の電圧がオープン状態で測定できないことを、機器制御部150が検出して、AC/DCアダプタ143による充電を、アダプタ充電回路159にて停止する。機器制御部150がプルアップ抵抗158への通電をONして、温度端子103を介して、電池パック90のパック制御回路91に通信を行い、無接点充電禁止の指示を送信する。これにより、パック制御回路91は、充電出力の停止を充電台110に送信して、出力を停止した後、充電スイッチ98をOFFすると共に、パック制御回路91の出力或いはシャットダウンにより、端子切替制御ラインSWLがLOWとなる
一方、端子切替制御ラインSWLがLOWとなるが、端子切替スイッチ93の第二FET93bのゲート端子には抵抗Rを介して電圧が印加され、ONとなり、温度検出部94が下側ラインと導通状態となる。パック制御回路91がプルアップ抵抗158への通電をOFFにして、上述のように、温度検出部94にて、温度の測定が可能となり、アダプタによる充電が優先されて、充電を開始する。またアダプタ充電回路159にて、満充電が検出されると、充電を停止する。
また、図7に示すように、AC/DCアダプタ143による充電中に、電池パック90を装着した電池駆動機器100を、AC/DCアダプタ143を接続したままの状態で充電台110に置かれることも考えられる。この場合には、いずれかの充電を中止する必要がある。そこで、無接点充電を停止すると共に、アダプタ充電を実行するように、適切な制御を行う。このような複数の充電が競合する場合の考えられる組み合わせとしては、以下の3通りが考えられる。いずれの場合においても、無接点充電を中止して、AC/DCアダプタ143充電のみを行うように制御する。
(1)AC/DCアダプタ143で充電中に無接点充電台110に置かれた場合、
この場合は、一旦、パック制御部91が起動するが、状態通信ラインSTLが低電圧であることより、電池パック90の無接点充電を禁止するよう、充電台110に停止信号を送信する。
(2)無接点充電中にAC/DCアダプタ143を接続した場合、
この場合は、上述の図7の説明のとおり、アダプタ充電が優先される。
(3)無接点充電とAC/DCアダプタ143充電とを同時に行う場合、
この場合は、上記の(1)(2)のいずれかの状態になり、アダプタ充電が優先される。
このような充電方式の選定手順を、図8のフローチャートに基づいて説明する。ここでは、無接点充電が既に実行されている状態から、アダプタ充電に移行する場合を説明する。まずステップS1で無接点充電による充電が行われているものとする。ここでは、温度検出部94が切断されており、AC/DCアダプタ143による充電は停止されている。この状態でステップS2において、AC/DCアダプタ143の接続を電池駆動機器100が検出する。ここでは、機器制御部150がAC/DCアダプタ143の接続を検出して、パック制御部91に対して、充電停止信号を送信するよう通信を行う。これを受けて、ステップS3で、電池パック90は無接点充電による充電を停止する。そしてステップS4で、AC/DCアダプタ143による充電を開始する。
(温度検出部94)
温度検出部94は、図4などでは説明の都合上二次電池セル2と離れて図示されているが、実際には二次電池セル2の近傍に配置されている。例えば二次電池セル2の表面に接触させて、二次電池セル2の温度を検出できるようにする。このような温度検出部94には、PTCサーミスタやNTCサーミスタなどが好適に利用できる。
このようにして電池パック90は、駆動機器本体101から二次電池セル2への充電を行うか、無接点の充電台110からの誘導起電力により二次電池セル2を充電するかを、機器の接続状態に応じて判断できる。
(保護回路92)
さらに二次電池セル2を過充電電流から保護するための保護回路92を設けることもできる。図4の例では、保護回路92を二次電池セル2と直列に接続しており、所定の閾値以上の充電電流が流れた場合に、電流を遮断して二次電池セル2を保護する。また、過充電電流に限らず、二次電池セルの電圧異常や温度異常、あるいは過放電の際にも、これを検出してオープンし、電流を遮断することもできる。
(電池駆動機器100の詳細)
次に電池駆動機器100の詳細を、図4〜図6に基づいて説明する。これらの図に示す電池駆動機器100は、AC/DCアダプタ143と接続されて、このAC/DCアダプタ143から電力を受けて、電池パック90を充電する電力に変換するためのアダプタ充電回路159と、アダプタ充電回路159の動作を制御する機器制御部150と、機器制御部150と電気的に接続され、電池パック90の接続端子と接続するための機器側接続端子と、AC/DCアダプタ143と接続するためのDC接続端子117Aと、プルアップ抵抗158とを備える。機器側接続端子は、機器側温度端子103’と、一対の機器側出力端子を含む。
(温度端子103)
上述の通り、端子切替スイッチ93によって温度端子103から温度検出部94を切り離すことで、温度端子103を通信端子として利用できるようになる。
充電台110と無接点充電を行う際には、パック制御部91がOFFに切り替えたことを、温度端子103と接続される電池駆動機器100側の機器側温度端子103’を介して検出し、電池駆動機器100側の通信を行う。これにより、無接点充電時には、電池パック90側から電池駆動機器100側に無接点充電に切り替えられたことを送出し、両者の通信が可能な状態に移行できる。
本発明に係る電池パックは、携帯電話、携帯型音楽プレーヤ用およびPDA等の電池パックとして、好適に利用できる。
1…受電コイル
2…二次電池セル
90…電池パック
91…パック制御部
92…保護回路
93…端子切替スイッチ;93a…第一FET;93b…第二FET
94…温度検出部
95…無接点充電回路
97a…送信用FET;97b…受信用FET
98…充電スイッチ
99…無接点電流検出抵抗
100…電池駆動機器
101…駆動機器本体
102…プラス端子
103…温度端子;103’…機器側温度端子
104…マイナス端子
110…充電台
111…外装ケース
112…充電台用二次電池
113…送電コイル
114…高周波電源制御回路
117…直流入力端子;117A…DC接続端子;117B…USB端子
118…内部充電回路
119…充電表示LED
120…LED表出孔
121…直流電力制御回路
141…DC接続プラグ
142…USBケーブル
143…AC/DCアダプタ
150…機器制御部
158…プルアップ抵抗
159…アダプタ充電回路
910…パック電池
911…スイッチング素子
912…制御手段
913…感温素子
920…電池駆動機器
930…電池パック
SW1、SW2、SW3、SW4…スイッチ;SWL…端子切替制御ライン
TT…通信端子

Claims (14)

  1. 電池駆動機器(100)に接続されて、該電池駆動機器(100)を駆動する電力を供給する一方、
    充電台(110)に載置されて、充電台(110)に内蔵される送電コイル(113)から電力を受けて無接点充電が可能な電池パックであって、
    充電可能な二次電池セル(2)と、
    充電台(110)に内蔵される送電コイル(113)と電磁結合可能な受電コイル(1)と、
    前記二次電池セル(2)の温度を検出するための温度検出部(94)と、
    前記温度検出部(94)と直列に接続された端子切替スイッチ(93)と、
    前記端子切替スイッチ(93)のON/OFFを制御するためのパック制御部(91)と、
    電池駆動機器(100)と電気的に接続するための接続端子として、
    前記二次電池セル(2)の充放電を行うための、一対の電源端子(102,104)と、
    前記温度検出部(94)を接続した温度端子(103)と、
    を備え、
    前記パック制御部(91)は、前記温度端子(103)と接続されており、
    充電台(110)と無接点充電を開始する際に前記端子切替スイッチ(93)をOFFに切り替えて、前記温度端子(103)を介して電池駆動機器(100)と通信可能に構成してなることを特徴とする電池パック。
  2. 請求項1に記載の電池パックであって、
    前記電池パックは、電池駆動機器(100)に接続された状態で、AC/DCアダプタ(143)による充電が可能であり、
    前記パック制御部(91)は、該AC/DCアダプタ(143)による充電時には、前記端子切替スイッチ(93)をONとして、前記二次電池セル(2)の温度に関する情報を電池駆動機器(100)側に出力可能としてなることを特徴とする電池パック。
  3. 請求項2に記載の電池パックであって、
    前記端子切替スイッチ(93)がFETであり、
    前記パック制御部(91)は、前記FETのゲート端子に対してON/OFF信号を出力するための端子切替制御ライン(SWL)を備えており、
    前記パック制御部(91)は、
    無接点充電時には、端子切替制御ライン(SWL)をHIGHに、
    AC/DCアダプタ(143)充電時には、端子切替制御ライン(SWL)をLOWに、
    それぞれ切り替えることで、前記温度検出部(94)を前記温度端子(103)から切断するよう構成してなることを特徴とする電池パック。
  4. 請求項3に記載の電池パックであって、
    前記温度検出部(94)に、第一スイッチング素子を接続し、
    前記第一スイッチング素子の制御端子に、第二スイッチング素子を接続しており、
    前記第二スイッチング素子のON/OFFによって、前記第一スイッチング素子のON/OFFを制御可能とすると共に、
    前記第二スイッチング素子のOFF時に、AC/DCアダプタの電圧が前記第一スイッチング素子の制御端子に印加されて、前記第一スイッチング素子をONとしてなることを特徴とする電池パック。
  5. 請求項4に記載の電池パックであって、
    前記端子切替スイッチ(93)のFETが、
    前記端子切替制御ライン(SWL)にゲート端子が接続された第一FET(93a)と、
    前記第一FET(93a)のドレイン端子と、ゲート端子を接続してなる第二FET(93b)と、
    で構成されており、
    前記第一FET(93a)及び第二FET(93b)のソース端子は、共通のラインに接続されており、
    AC/DCアダプタ(143)充電時には、前記パック制御部(91)が前記端子切替制御ライン(SWL)をLOWとすることで、前記第一FET(93a)をOFFさせ、前記第二FET(93b)のゲート端子に電圧を印加することで、該第二FET(93b)をONとして、前記温度検出部(94)を通電するよう構成してなることを特徴とする電池パック。
  6. 請求項2から5のいずれか一に記載の電池パックであって、
    充電台(110)と無接点充電を行う際に、前記パック制御部(91)がOFFに切り替えたことを、前記温度端子(103)と接続される電池駆動機器(100)側の機器側温度端子(103')を介して検出し、電池駆動機器(100)側の通信を行うよう構成してなることを特徴とする電池パック。
  7. 請求項6に記載の電池パックであって、
    前記パック制御部(91)は、充電台(110)と無接点充電を行う際に、機器制御部(150)に対して、前記温度端子(103)と接続される電池駆動機器(100)側の機器側温度端子(103')が、プルアップ抵抗(158)と接続されるように通信を行うことを特徴とする電池パック。
  8. 請求項2から7のいずれか一に記載の電池パックであって、
    前記パック制御部(91)は、AC/DCアダプタ(143)による充電と、無接点充電とが競合した場合に、前記温度端子(103)を介して電池パックから電池駆動機器(100)に対して無接点充電の中止とAC/DCアダプタ(143)充電への切替を指示するように構成してなることを特徴とする電池パック。
  9. 請求項1から8のいずれか一に記載の電池パックであって、
    前記温度検出部(94)が、前記二次電池セル(2)に近接して配置されたサーミスタであることを特徴とする電池パック。
  10. 請求項1から9のいずれか一に記載の電池パックであって、
    前記受電コイル(1)が、外形を角型状としてなることを特徴とする電池パック。
  11. 請求項1から10のいずれか一に記載の電池パックであって、さらに、
    電池駆動機器(100)と接続されているか、又は電池パック(90)単体のいずれであるかを判定する機器接続判定部を備えることを特徴とする電池パック。
  12. 請求項11に記載の電池パックであって、
    前記機器接続判定部は、前記パック制御部(91)が電池駆動機器(100)と通信を試み、該通信の有無に基づいて、電池駆動機器(100)との接続の有無を判定してなることを特徴とする電池パック。
  13. 請求項1から12のいずれか一に記載の電池パックであって、
    前記パック制御部(91)は、前記温度端子(103)を介して電池駆動機器(100)との通信がないときは、電池パック単体であると判定して、該電池パックに応じた条件で無接点充電するよう構成してなることを特徴とする電池パック。
    請求項1の電池パック。
  14. 請求項1から13のいずれか一に記載の電池パックであって、
    前記パック制御部(91)は、前記温度端子(103)を介して電池駆動機器(100)との通信があるときは、該電池駆動機器(100)に接続されたと判定して、該電池駆動機器(100)に接続された状態に応じた条件で無接点充電するよう構成してなることを特徴とする電池パック。
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