JP2014045551A - パック電池及びパック電池の放電制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】所定の電気機器に装着した場合に端子部に発生するスパークを防止することが可能なパック電池、及びパック電池の放電制限方法を提供する。
【解決手段】二次電池1の放電電流を遮断する放電FET72に対して、第2の放電FET73及び抵抗器74が直列接続されたスイッチ回路を並列に接続してある。パック電池10が電動自転車9に装着される前は、放電FET72をオフしておき、電動自転車9への装着を検出した場合は、放電FET72をオンする前に、第2の放電FET73をオンし、更に、二次電池1から第2の放電FET73及び抵抗器74を介して電動自転車9に印加する電圧が、例えばV1(30V)より高い場合に、放電FET72をオンする。
【選択図】図1
【解決手段】二次電池1の放電電流を遮断する放電FET72に対して、第2の放電FET73及び抵抗器74が直列接続されたスイッチ回路を並列に接続してある。パック電池10が電動自転車9に装着される前は、放電FET72をオフしておき、電動自転車9への装着を検出した場合は、放電FET72をオンする前に、第2の放電FET73をオンし、更に、二次電池1から第2の放電FET73及び抵抗器74を介して電動自転車9に印加する電圧が、例えばV1(30V)より高い場合に、放電FET72をオンする。
【選択図】図1
Description
本発明は、二次電池と、該二次電池の放電電流を遮断するスイッチング素子と、電気機器に装着されたことを検出する検出手段とを備えるパック電池、及びパック電池の放電制御方法に関する。
近年、モータを大電流で駆動して人力をアシストしたり人力を実質的に不要としたりする電動機器の電力源として二次電池が盛んに用いられている。例えば、モータに10A程度の駆動電流が流れる電動自転車では、高パワー・高エネルギー密度の二次電池の特性が最大限に活かされており、人力の1〜2倍にも及ぶ動力でのアシストが可能である。
一方、二次電池は定格を超えた過充電、過放電及び過電流に対する耐性が低いものが多いため、二次電池がケースに収容されたパック電池には、過充電防止回路、過放電防止回路等の保護回路が備わっている。これにより、パック電池及び該パック電池が装着される電動機器の安全性が確保される。このような保護回路にはMOSFET等のスイッチング素子が用いられており、通常は各スイッチング素子がオンしているが、過充電、過放電等の異常が検出された場合に、夫々の防止回路のスッチング素子がオフするようになっている。
ところで、上述した電動機器のモータに駆動電圧を供給するインバータ等の駆動回路では、二次電池から電力を受電する回路に少なからぬ容量のコンデンサが並列的に接続されていることが多い。このため、電動機器の起動時に二次電池から前記コンデンサに流入する突入電流によって、上述の保護回路のスイッチング素子に許容値を超える電流が流れたり、許容値を超える損失が発生したりする可能性がある。
これに対し特許文献1では、二次電池を有する電源装置と容量性の負荷とを接続する放電スイッチがオンされる場合、二次電池の充放電路に介装された並列接続スイッチに対して、電流制限抵抗及びスイッチング素子で構成される突入電流防止回路を並列に接続することにより、並列接続スイッチ、放電スイッチ及び負荷に流れる突入電流を防止する技術が開示されている。また、特許文献2では、二次電池から負荷への電源供給ラインに介装されたFET等のスイッチ素子(スイッチング素子)をオンして負荷を起動させる前に、前記スイッチ素子と並列に接続された補助スイッチ素子及び抵抗器の直列回路を導通させることにより、負荷が有する容量成分を小さな電流で充電する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献1及び2に開示された技術は、二次電池又は二次電池を備える電源回路と負荷との間にスイッチ又はスイッチング素子が定常的に介装されている構成が前提となっており、二次電池を備えるパック電池を電気機器に装着する場合にパック電池の端子部に発生するスパークを抑制できるものではなかった。特に、負荷電流が流れる回路に介装されたスイッチング素子のオン抵抗による電力損失を低減するために、モータ等の負荷を高電圧で駆動する場合は、パック電池の装着時に発生するスパークが増大する問題があった。
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、所定の電気機器に装着した場合に端子部に発生するスパークを防止することが可能なパック電池、及びパック電池の放電制限方法を提供することにある。
本発明に係るパック電池は、二次電池と、該二次電池の放電電流を遮断するスイッチング素子と、所定の電気機器に装着されたことを検出する装着検出部とを備えるパック電池において、前記装着検出部が検出した場合、前記スイッチング素子をオンするようにしてあることを特徴とする。
本発明に係るパック電池は、第2のスイッチング素子及び電流制限回路を直列的に接続してなるスイッチ回路を前記スイッチング素子に並列的に接続してあり、前記検出手段が検出した場合、前記スイッチング素子をオンする前に前記第2のスイッチング素子をオンするようにしてあることを特徴とする。
本発明に係るパック電池は、前記電気機器に印加されるべき電圧を検出する手段と、該手段が検出した電圧が所定の電圧より高いか否かを判定する手段とを備え、該手段が高いと判定した場合、前記スイッチング素子をオンするようにしてあることを特徴とする。
本発明に係るパック電池は、前記電気機器に印加されるべき電圧を検出する手段と、該手段が検出した電圧及び前記二次電池の電圧の電圧差を算出する手段と、該手段が算出した電圧差が所定の電圧差より小さいか否かを判定する手段とを備え、該手段が小さいと判定した場合、前記スイッチング素子をオンするようにしてあることを特徴とする。
本発明に係るパック電池の放電制限方法は、二次電池と、該二次電池の放電電流を遮断するスイッチング素子と、所定の電気機器に装着されたことを検出する装着検出部とを備えるパック電池で前記二次電池の放電を制限する方法において、第2のスイッチング素子及び電流制限回路を直列的に接続してなるスイッチ回路を前記スイッチング素子に並列的に接続しておき、前記装着検出部が検出した場合、前記第2のスイッチング素子をオンし、前記電気機器に印加されるべき電圧を検出し、検出した電圧が所定の電圧より高いか否かを判定し、高い場合、前記スイッチング素子をオンすることを特徴とする。
本発明に係るパック電池の放電制限方法は、二次電池と、該二次電池の放電電流を遮断するスイッチング素子と、所定の電気機器に装着されたことを検出する装着検出部とを備えるパック電池で前記二次電池の放電を制限する方法において、第2のスイッチング素子及び電流制限回路を直列的に接続してなるスイッチ回路を前記スイッチング素子に並列的に接続しておき、前記装着検出部が検出した場合、前記第2のスイッチング素子をオンし、前記電気機器に印加されるべき電圧を検出し、検出した電圧及び前記二次電池の電圧の電圧差を算出し、算出した電圧差が所定の電圧差より小さいか否かを判定し、小さい場合、前記スイッチング素子をオンすることを特徴とする。
本発明にあっては、自身が所定の電気機器に装着される前は、二次電池の放電電流を遮断する放電用のスイッチング素子をオフしておき、所定の電気機器への装着を検出した場合に、放電用のスイッチング素子をオンする。
これにより、自身が所定の電気機器に装着されて、電気機器と自身とを電気的に接続する端子同士が接触した後に、二次電池からの電圧が電気機器に印加される。
これにより、自身が所定の電気機器に装着されて、電気機器と自身とを電気的に接続する端子同士が接触した後に、二次電池からの電圧が電気機器に印加される。
本発明にあっては、放電用のスイッチング素子に対して、第2のスイッチング素子及び電流制限回路が直列的に接続されたスイッチ回路を並列的に接続してある。そして、所定の電気機器への装着を検出した場合は、放電用のスイッチング素子をオンする前に、第2のスイッチング素子をオンする。
これにより、パック電池から見た電気機器の負荷インピーダンスの容量成分が大きい場合であっても、二次電池から電流制限回路を介して前記容量成分に充電電流が流入することによって前記容量成分が予め充電されるため、スイッチング素子をオンしたときの突入電流が低減される。
これにより、パック電池から見た電気機器の負荷インピーダンスの容量成分が大きい場合であっても、二次電池から電流制限回路を介して前記容量成分に充電電流が流入することによって前記容量成分が予め充電されるため、スイッチング素子をオンしたときの突入電流が低減される。
本発明にあっては、所定の電気機器への装着を検出した場合、放電用のスイッチング素子をオンする前に、第2のスイッチング素子をオンし、更に、二次電池から第2のスイッチング素子及び電流制限回路を介して電気機器に印加する電圧が所定の電圧より高い場合に、放電用のスイッチング素子をオンする。
これにより、二次電池から電流制限回路を介して前記容量成分に流入する充電電流によって、電気機器に印加される電圧が所定の電圧より高くなった後に放電用のスイッチング素子がオンされるため、スイッチング素子をオンしたときの突入電流が確実に低減される。また、電気機器の受電部が内部短絡している場合は、電気機器に印加される電圧が所定の電圧より高くなることがないため、内部短絡した電気機器への放電を防止することが可能となる。
これにより、二次電池から電流制限回路を介して前記容量成分に流入する充電電流によって、電気機器に印加される電圧が所定の電圧より高くなった後に放電用のスイッチング素子がオンされるため、スイッチング素子をオンしたときの突入電流が確実に低減される。また、電気機器の受電部が内部短絡している場合は、電気機器に印加される電圧が所定の電圧より高くなることがないため、内部短絡した電気機器への放電を防止することが可能となる。
本発明にあっては、所定の電気機器への装着を検出した場合、放電用のスイッチング素子をオンする前に、第2のスイッチング素子をオンし、更に、二次電池から第2のスイッチング素子及び電流制限回路を介して電気機器に印加する電圧と、二次電池の電圧との電圧差が所定の電圧差より小さい場合に、放電用のスイッチング素子をオンする。
これにより、二次電池から電流制限回路を介して前記容量成分に流入する充電電流によって、電気機器に印加される電圧が上昇し、該電圧と二次電池の電圧との電圧差が所定の電圧差より小さくなった後に放電用のスイッチング素子がオンされるため、スイッチング素子をオンしたときの突入電流が確実に低減される。また、電気機器の受電部が内部短絡している場合は、前記電圧差が所定の電圧差より小さくなることがないため、内部短絡した電気機器への放電を防止することが可能となる。
これにより、二次電池から電流制限回路を介して前記容量成分に流入する充電電流によって、電気機器に印加される電圧が上昇し、該電圧と二次電池の電圧との電圧差が所定の電圧差より小さくなった後に放電用のスイッチング素子がオンされるため、スイッチング素子をオンしたときの突入電流が確実に低減される。また、電気機器の受電部が内部短絡している場合は、前記電圧差が所定の電圧差より小さくなることがないため、内部短絡した電気機器への放電を防止することが可能となる。
本発明によれば、自身が所定の電気機器に装着されて、電気機器と自身とを電気的に接続するための端子同士が接触した後に、二次電池からの電圧が電気機器に印加される。
従って、電気機器に装着した場合に端子部に発生するスパークを防止することが可能となる。また例えば、負荷電流が流れる回路に介装されたスイッチング素子のオン抵抗による電力損失を低減するために、二次電池の電圧を高めてモータ等の負荷を高電圧で駆動する場合は、スパークの防止効果が顕著となる上に、端子部に触れた使用者が感電するのを防止することが可能となる。
従って、電気機器に装着した場合に端子部に発生するスパークを防止することが可能となる。また例えば、負荷電流が流れる回路に介装されたスイッチング素子のオン抵抗による電力損失を低減するために、二次電池の電圧を高めてモータ等の負荷を高電圧で駆動する場合は、スパークの防止効果が顕著となる上に、端子部に触れた使用者が感電するのを防止することが可能となる。
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るパック電池の構成例を示すブロック図である。図中10はパック電池であり、パック電池10は、電動自転車(請求項に記載の電気機器)9に着脱可能に装着される。パック電池10は、例えばリチウムイオン電池からなる単位セル111,112,113,121,122,123,・・231,232,233を3個ずつ順に並列接続してなる13個の電池ブロック11,12,・・23を、この順番に直列接続してなる二次電池1を備える。二次電池1で直列及び/又は並列に夫々接続される単位セルの個数は、39個に限定されない。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るパック電池の構成例を示すブロック図である。図中10はパック電池であり、パック電池10は、電動自転車(請求項に記載の電気機器)9に着脱可能に装着される。パック電池10は、例えばリチウムイオン電池からなる単位セル111,112,113,121,122,123,・・231,232,233を3個ずつ順に並列接続してなる13個の電池ブロック11,12,・・23を、この順番に直列接続してなる二次電池1を備える。二次電池1で直列及び/又は並列に夫々接続される単位セルの個数は、39個に限定されない。
電池ブロック11,12,・・23の電圧は、夫々独立してA/D変換部4のアナログ入力端子に与えられ、デジタルの電圧値に変換されてA/D変換部4のデジタル出力端子から、マイクロコンピュータからなる制御部5に与えられる。A/D変換部4のアナログ入力端子には、二次電池1に密接して配置されており、サーミスタを含む回路によって二次電池1の電池温度を検出する温度検出器3の検出信号と、二次電池1の負極側の充放電路に介装されており、二次電池1の充電電流及び放電電流を検出する抵抗器からなる電流検出器2の検出信号と、パック電池10のプラス(+)端子83の電圧とが与えられている。これらの検出信号又は電圧は、デジタルの検出値に変換されてA/D変換部4のデジタル出力端子から制御部5に与えられる。
二次電池1の正極側の充放電路には、充電電流,放電電流夫々を遮断するPチャネル型のMOSFET71,72からなる遮断器7が介装されている。MOSFET71,72は、ドレイン電極同士を突き合わせて直列に接続してあり、充電用のMOSFET71のソース電極がパック電池10のプラス端子83に、放電用のMOSFET72のソース電極が電池ブロック23の正極側に、夫々接続されている。MOSFET71,72夫々のドレイン電極及びソース電極間に並列接続されているダイオードは、寄生ダイオード(ボディダイオード)である。
二次電池1の負極側の充放電路には、上述した電流検出器2が介装されており、該電流検出器2の一端がパック電池10のマイナス(−)端子84に接続されている。該マイナス端子84に隣接する装着検出端子85には、パック電池10が電動自転車9に装着されたことを検出するためのPチャネル型のMOSFET56のゲート電極と、制御部5の電源電圧(Vcc)にプルアップされた抵抗器57の一端とが接続されている。MOSFET56のソース電極は、前記電源電圧に接続されている。MOSFET56及び抵抗器57が、請求項に記載の装着検出部に対応する。
MOSFET71,72は、Nチャネル型であってもよいし、MOSFET71,72に代えて、電磁力を利用したリレースイッチを用いてもよい。以下、放電用のMOSFET72(請求項に記載のスイッチング素子)を放電FET72ともいう。放電FET72には、MOSFET73(請求項に記載の第2のスイッチング素子 以下、第2の放電FET73ともいう)及び抵抗器74(請求項に記載の電流制限回路)の直列回路からなるスイッチ回路が並列に接続されている。本実施の形態1では、抵抗器74の抵抗値が2kΩである。なお、抵抗器74に代えて定電流回路を用いてもよい。例えばゲート及びソース間が短絡されたデプレッション型のFETからなる定電流素子を定電流回路とすることができる。
制御部5は、CPU51を有し、CPU51は、プログラム等の情報を記憶するROM52、一時的に発生した情報を記憶するRAM53、各種時間を並列的に計時するタイマ54、及びパック電池10内の各部に対して入出力を行うI/Oポート55と互いにバス接続されている。I/Oポート55は、A/D変換部4のデジタル出力端子、MOSFET71,72,73夫々のゲート電極、MOSFET56のドレイン電極及び通信部6に接続されている。MOSFET56のドレイン電極に接続されているI/Oポート55の入力端子は、内部の抵抗器にてプルダウンされている。通信部6は、図示しない充電器と通信するのに用いられる。ROM52は、例えばフラッシュメモリからなる不揮発性メモリである。ROM52には、プログラムの他に、各種設定データが記憶される。
CPU51は、ROM52に予め格納されている制御プログラムに従って、演算及び入出力等の処理を実行する。例えばCPU51は、250ms周期で電池ブロック11,12,13の電圧値と、二次電池1の充放電電流の検出値とを取り込み、取り込んだ電圧値及び検出値に基づいて二次電池1の充電電流若しくは充電電力又は放電電流若しくは放電電力を積算し、積算によって算出した充電量又は放電量をRAM53に記憶する。充放電電流,充放電電力を夫々積算した場合の充放電量の単位は、Ah,Whとなる。電圧値及び充放電電流の検出値の取り込み周期は250msに限定されない。
CPU51は、また、電池ブロック11,12,13の電圧値を加算して二次電池1の電圧を算出すると共に、上記で積算した充放電量に基づいて残容量を算出し、算出した残容量及び満充電容量に基づいて相対残容量を算出して、これらの算出値をRAM53に記憶する。二次電池1が満充電状態にあるか否かの判定はCPU51が行うが、好ましくは、電圧が最大の電池ブロックの電池電圧が満充電検出開始電圧以上、且つ充電電流が所定値以下の状態が一定時間以上継続したときに満充電と判定する。更に、CPU51は、RAM53に記憶した残容量及び相対残容量に応じて残容量及び相対残容量のデータを生成し、生成した各データを、パック電池10の外部からのポーリングに応じて通信部6を介して送信する。
遮断器7は、通常の充放電時にI/Oポート55からMOSFET71,72のゲート電極にL(ロウ)レベルのオン信号が与えられることにより、MOSFET71,72夫々のドレイン電極及びソース電極間が導通するようになっている。二次電池1の充電電流を遮断する場合、I/Oポート55からMOSFET71のゲート電極にH(ハイ)レベルのオフ信号が与えられることにより、MOSFET71のドレイン電極及びソース電極間の導通が遮断される。同様に二次電池1の放電電流を遮断する場合、I/Oポート55からMOSFET72のゲート電極にH(ハイ)レベルのオフ信号が与えられることにより、MOSFET72のドレイン電極及びソース電極間の導通が遮断される。MOSFET71,72をNチャネル型とした場合は、上記のL/Hレベルを反転させたH/Lレベルのオン信号/オフ信号をゲート電極に与えればよい。二次電池1が電動自転車9に装着されていない場合、遮断器7のうちMOSFET71のみがオンしており、二次電池1は充電が可能な状態となっている。
電動自転車9は、図示しない後輪を回転駆動するモータ91と、直流電圧を交流電圧に変換してモータ91に供給するインバータ92とを備える。本実施の形態1におけるインバータ92は、端子93,94から見たインピーダンスの容量成分が約2200μFである。電動自転車9にパック電池10が装着された場合、パック電池10のプラス端子83,マイナス端子84,装着検出端子85の夫々に、端子93,94,95が接続される。端子94,95間には、抵抗器96が接続されている。
図示しない充電器及び通信部6の間では、充電器をマスタにし、通信部6を含む制御部5をスレーブにして、例えばSMBus(System Management Bus )方式による通信が行われる。充電器からの定周期のポーリングにより、二次電池1の残容量及び相対残容量のデータが、通信部6を介して充電器に受け渡されて、充電制御及び残容量の表示に利用される。電動自転車9が通信部6と通信可能に接続される場合は、電動自転車9がパック電池10から残容量及び相対残容量のデータを取得して表示等に利用してもよい。
上述した構成において、パック電池10が電動自転車9に装着されていない場合、抵抗器57によってプルアップされているMOSFET56のゲート電極にはH(ハイ)レベルのオフ信号が与えられる。このため、MOSFET56のドレイン電極がハイインピーダンスとなり、I/Oポート55にL(ロウ)レベルの信号が与えられる。
次に、パック電池10が電動自転車9に装着された場合、端子25と装着検出端子85とが接続される。これにより、MOSFET56はゲート電極に電源電圧(Vcc)より低い電圧が印加されてドレイン電極及びソース電極間が導通するため、MOSFET56のドレイン電極に接続されたI/Oポート55の入力端子にはH(ハイ)レベルの信号が与えられる。MOSFET56のドレイン電極からI/Oポート55に与えられる信号を装着信号という。装着信号のオン/オフは、H/Lレベルに対応している。このようにパック電池10の脱/着によってオフ/オンに変化する装着信号が、I/Oポート55からCPU51に取り込まれた場合、パック電池10の電動自転車9に対する脱着をCPU51で判定することが可能となる。
次に、パック電池10を電動自転車9に装着した場合におけるパック電池10の動作について説明する。
図2は、パック電池10における主要部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。図2に示す4つのタイミング図では、何れも同一の時間軸を横軸としてあり、図の上から装着信号、第2の放電FET73、プラス端子83、及び放電FET72について、オン/オフ状態又は電圧を縦軸に示してある。
図2は、パック電池10における主要部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。図2に示す4つのタイミング図では、何れも同一の時間軸を横軸としてあり、図の上から装着信号、第2の放電FET73、プラス端子83、及び放電FET72について、オン/オフ状態又は電圧を縦軸に示してある。
時刻t1で装着信号がオフからオンに変化したことを検知した場合、CPU51がその変化を検出して第2の放電FETをオンする。このとき、二次電池1から第2の放電FET73、抵抗器74、MOSFET71、及びプラス端子83を介して、端子93,94から見たインピーダンスの容量成分に対する充電が開始されるため、プラス端子83の電圧が上昇し始める。電池ブロック11,12,・・23夫々の公称電圧は3.7Vであり、二次電池1の公称電圧は48Vである。従って、二次電池1の電圧が公称電圧の場合、プラス端子83の電圧は、時刻t1を起点にして0Vから48Vに向けて上に凸の曲線を描いて上昇する。但し、抵抗器74に代えて定電流回路を用いた場合、プラス端子83の電圧は、0Vから48Vに向けて直線的に上昇する。
さて、二次電池1の電圧をV0とし、端子93,94から見たインバータ92のインピーダンスの容量成分及び抵抗器74による時定数を時定数τとするとき、時刻tにおけるプラス端子83の電圧V(t)は、一般的に以下の式(1)で表される。
V(t)=V0×(1−e-(t-t1)/τ )・・・・・・・・・・・・(1)
但し、eは自然対数の底であり、t≧t1とする。
但し、eは自然対数の底であり、t≧t1とする。
例えば、時刻t1から時定数τに相当する時間が経過した時刻t2(=t1+τ)における電圧V(t)をV1とすると、V1は以下の式(2)で表される値となる。
V1=V(t)t=t1+τ =V0×(1−1/2.71828)
=V0×0.63・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
=V0×0.63・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
従って、V0が二次電池1の公称電圧の48Vである場合、V1は約30Vとなる。ここで、電池ブロック11,12,・・23夫々の放電終止電圧を2.5Vとするとき、二次電池1の放電終止電圧は、2.5Vの13倍の32.5Vとなる。つまり、二次電池1が放電終止状態となる直前であっても、パック電池10を電動自転車9に装着した場合は、一定の時間内にプラス端子83の電圧がV1(30V)を超えることが担保される。
本実施の形態1では、V0が二次電池1の公称電圧であることを想定して、プラス端子83の電圧がV1(30V)に達した頃を見計らって放電FET72をオンする。つまり、時刻t1から時定数τに相当する時間が経過した時刻t2にて放電FET72をオンする。これにより、時刻t2以降では、二次電池1が本来の低いインピーダンスにてインバータ92に接続されるようになる。
なお、上述したように、端子93,94から見たインピーダンスの容量成分が2200μFであり、抵抗器74の抵抗値が2kΩであるから時定数τは4.4秒である。従って、本実施の形態1では、パック電池10を電動自転車9に装着してから4.4秒が経過した後に、モータ91によるアシストが可能となる。
以下では、上述したパック電池10の制御部5の動作を、それを示すフローチャートを用いて説明する。以下に示す処理は、ROM52に予め格納された制御プログラムに従ってCPU51により実行される。
図3は、本発明の実施の形態1に係るパック電池10で電動自転車9への装着を検出して第2の放電FET73及び放電FET72を順次オンするCPU51の処理手順を示すフローチャートである。図3の処理は、例えば充電器による充電が終了した場合、又は充電器から取り出されたことが検出された場合に起動される。この場合、放電FET72及び第2の放電FET73はオフされている。
図3は、本発明の実施の形態1に係るパック電池10で電動自転車9への装着を検出して第2の放電FET73及び放電FET72を順次オンするCPU51の処理手順を示すフローチャートである。図3の処理は、例えば充電器による充電が終了した場合、又は充電器から取り出されたことが検出された場合に起動される。この場合、放電FET72及び第2の放電FET73はオフされている。
図3の処理が起動された場合、CPU51は、MOSFET56のドレイン電極から与えられる装着信号を、I/Oポート55を介して取り込み(S10)、取り込んだ装着信号がHレベルであるか否かによって、パック電池10が電動自転車9に装着されたか否かを判定する(S11)。装着されていない場合(S11:NO)、CPU51は、処理をステップS10に戻す。一方、装着された場合(S11:YES)、CPU51は、第2のFET73をオンする(S12)が、このステップS12の実行を省略してもよい。ステップS12の実行を省略した場合は、後述するステップS16で少なくとも数百ms間待機することにより、プラス端子83,マイナス端子84夫々と、端子93,94との接触によるチャタリングを回避する。
次いで、CPU51は、タイマ54を用いて計時を開始した(S13)後、時間T1が経過したか否かを判定して(S16)、時間T1が経過するまで待機する(S16:NO)。ここでの時間T1は、上述したように、時定数τに対応する時間(4.4秒)である。計時を開始してから時間T1が経過した場合(S16:YES)、CPU51は、放電FET72をオンして(S17)図3の処理を終了する。
以上のように本実施の形態1によれば、パック電池が電動自転車(電気機器)に装着される前は、二次電池の放電電流を遮断する放電FETをオフしておき、電動自転車への装着を検出した場合に、放電FETをオンする。
これにより、パック電池が電動自転車に装着されて、電動自転車とパック電池とを電気的に接続する端子同士が接触した後に、二次電池からの電圧が電動自転車に印加される。
従って、電気機器に装着した場合に端子部に発生するスパークを防止することが可能となる。更に、端子部(プラス端子及びマイナス端子)に触れた使用者が感電するのを防止することが可能となる。
これにより、パック電池が電動自転車に装着されて、電動自転車とパック電池とを電気的に接続する端子同士が接触した後に、二次電池からの電圧が電動自転車に印加される。
従って、電気機器に装着した場合に端子部に発生するスパークを防止することが可能となる。更に、端子部(プラス端子及びマイナス端子)に触れた使用者が感電するのを防止することが可能となる。
また、放電FETに対して、第2の放電FET及び2kΩの抵抗器が直列接続されたスイッチ回路を並列に接続してある。そして、電動自転車への装着を検出した場合は、放電FETをオンする前に、第2の放電FETをオンする。
従って、パック電池から見た電動自転車の負荷インピーダンスの容量成分が2200μFと大きい場合であっても、二次電池から2kΩの抵抗器を介して前記容量成分に充電電流が流入することによって前記容量成分が予め充電されるため、放電FETをオンしたときの突入電流を低減することが可能となる。
従って、パック電池から見た電動自転車の負荷インピーダンスの容量成分が2200μFと大きい場合であっても、二次電池から2kΩの抵抗器を介して前記容量成分に充電電流が流入することによって前記容量成分が予め充電されるため、放電FETをオンしたときの突入電流を低減することが可能となる。
(実施の形態2)
実施の形態1が、第2の放電FET73をオンしてから時間T1後に放電FET72をオンする形態であるのに対し、実施の形態2は、第2の放電FET73をオンした後にプラス端子83の電圧がV1より高くなったときに放電FET72をオンする形態である。ここでのV1は、二次電池1の電圧が公称電圧の場合に、第2のFET73をオンした時から、時定数τに対応する時間T1が経過した時のプラス端子83の電圧(30V)である。上述したように時定数τが4.4秒であるから、本実施の形態2では、二次電池1の電圧が公称電圧の場合、パック電池10を電動自転車9に装着してから4.4秒が経過した後に、モータ91によるアシストが可能となる。
実施の形態1が、第2の放電FET73をオンしてから時間T1後に放電FET72をオンする形態であるのに対し、実施の形態2は、第2の放電FET73をオンした後にプラス端子83の電圧がV1より高くなったときに放電FET72をオンする形態である。ここでのV1は、二次電池1の電圧が公称電圧の場合に、第2のFET73をオンした時から、時定数τに対応する時間T1が経過した時のプラス端子83の電圧(30V)である。上述したように時定数τが4.4秒であるから、本実施の形態2では、二次電池1の電圧が公称電圧の場合、パック電池10を電動自転車9に装着してから4.4秒が経過した後に、モータ91によるアシストが可能となる。
図4は、本発明の実施の形態2に係るパック電池10で電動自転車9への装着を検出して第2の放電FET73及び放電FET72を順次オンするCPU51の処理手順を示すフローチャートである。図4におけるステップS20からステップS23までの処理は、実施の形態1の図3におけるステップS10からS13までの処理と同様であるため、その説明を省略する。
ステップS23で、タイマ54を用いて計時を開始した後、CPU51は、A/D変換部4を介してプラス端子83の電圧を取り込み(S24:請求項3に記載の、電圧を検出する手段)、取り込んだプラス端子83の電圧が、例えば図2に示すV1より高いか否かを判定する(S26:請求項3に記載の、判定する手段)。プラス端子83の電圧がV1より高い場合(S26:YES)、CPU51は、放電FET72をオンして(S27)図4の処理を終了する。
プラス端子83の電圧がV1より高くない場合(S26:NO)、CPU51は、計時を開始してから時間T2(例えば5秒)が経過したか否かを判定し(S28)、経過していない場合(S28:NO)、再びプラス端子83の電圧に係る判定を行うためにステップS24に処理を移す。時間T2が経過した場合(S28:YES)、CPU51は、図示しない表示部等によってアラームを報知した(S29)後、図4の処理を終了する。
その他、実施の形態1に対応する箇所には同様の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
以上のように本実施の形態2によれば、電動自転車への装着を検出した場合、放電FETをオンする前に、第2の放電FETをオンし、更に、二次電池から第2の放電FET及び2kΩの抵抗器を介して電動自転車に印加する電圧がV1(30V)より高い場合に、放電FETをオンする。
従って、二次電池から2kΩの抵抗器を介して前記容量成分に流入する充電電流によって、電動自転車に印加される電圧がV1より高くなった後に放電FETがオンされるため、放電FETをオンしたときの突入電流を確実に低減することが可能となる。また、受電部が内部短絡している電動自転車への放電を防止することが可能となる。
従って、二次電池から2kΩの抵抗器を介して前記容量成分に流入する充電電流によって、電動自転車に印加される電圧がV1より高くなった後に放電FETがオンされるため、放電FETをオンしたときの突入電流を確実に低減することが可能となる。また、受電部が内部短絡している電動自転車への放電を防止することが可能となる。
なお、実施の形態1及び2にあっては、V0が二次電池1の公称電圧(48V)の場合、パック電池10を電動自転車9に装着してから4.4秒が経過した後に、モータ91によるアシストが可能となるが、この時間を短縮してもよい。例えば、実施の形態1では、時刻t2より前に放電FET72をオンし、実施の形態2では、プラス端子83の電圧がV1より低い所定電圧に達したときに放電FET72をオンすればよいが、その場合は、放電FET72をオンした際の突入電流が大きくなるというトレードオフの関係があることに留意する。
(実施の形態3)
実施の形態2が、プラス端子83の電圧がV1より高くなったときに放電FET72をオンする形態であるのに対し、実施の形態3は、プラス端子83の電圧及び二次電池1の電圧の電圧差が「V0−V1」より小さくなったときに放電FET72をオンする形態である。
実施の形態2が、プラス端子83の電圧がV1より高くなったときに放電FET72をオンする形態であるのに対し、実施の形態3は、プラス端子83の電圧及び二次電池1の電圧の電圧差が「V0−V1」より小さくなったときに放電FET72をオンする形態である。
図5は、本発明の実施の形態3に係るパック電池10で電動自転車9への装着を検出して第2の放電FET73及び放電FET72を順次オンするCPU51の処理手順を示すフローチャートである。図5におけるステップS30からステップS34までの処理、及びステップS37からステップS39までの処理は、実施の形態2の図4におけるステップS20からS24までの処理、及びステップS27からS29までの処理と同様であるため、その説明の大部分を省略する。但し、ステップS38における時間T3は、ステップS28における時間T2と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
ステップS34(請求項4に記載の、電圧を検出する手段)で、A/D変換部4を介してプラス端子83の電圧を取り込んだ後、CPU51は、取り込んだプラス端子83の電圧と、RAM53に記憶している二次電池1の電圧との電圧差を算出する(S35:請求項4に記載の、電圧差を算出する手段)。その後、CPU51は、算出した電圧差が、例えば図2に示すV0及びV1の差分電圧(V0−V1)より小さいか否かを判定し(S36:請求項4に記載の、判定する手段)、小さい場合(S36:YES)、放電FET72をオンする(S37)。
ここでの差分電圧(V0−V1)は、図2の例では18V(48V−30V)であるが、ステップS36では、これよりも小さな電圧(例えば1V、2V等)と比較判定することにより、放電FET72をオンしたときの突入電流を、より小さくするようにしてもよい。
以上のように本実施の形態3によれば、電動自転車への装着を検出した場合、放電FETをオンする前に、第2の放電FETをオンし、更に、二次電池から第2の放電FET及び2kΩの抵抗器を介して電動自転車に印加する電圧と、二次電池の電圧との電圧差が「V0−V1」より小さい場合に、放電FETをオンする。
従って、二次電池から2kΩの抵抗器を介して前記容量成分に流入する充電電流によって、電動自転車に印加される電圧が上昇し、該電圧と二次電池の電圧との電圧差が「V0−V1」より小さくなった後に放電FETがオンされるため、放電FETをオンしたときの突入電流を確実に低減することが可能となる。また、受電部が内部短絡している電動自転車への放電を防止することが可能となる。
従って、二次電池から2kΩの抵抗器を介して前記容量成分に流入する充電電流によって、電動自転車に印加される電圧が上昇し、該電圧と二次電池の電圧との電圧差が「V0−V1」より小さくなった後に放電FETがオンされるため、放電FETをオンしたときの突入電流を確実に低減することが可能となる。また、受電部が内部短絡している電動自転車への放電を防止することが可能となる。
なお、実施の形態2,3にあっては、ステップS26,36の夫々で比較判定に用いるV1,(V0−V1)が一定の値であったが、これに限定されるものではない。電動自転車9への装着時に二次電池1の電圧が高/低に変動することを考慮して、ステップS26,S36の夫々におけるV1,(V0−V1)を、装着の都度大/小に変化させてもよい。より具体的には、そのときの二次電池1の電圧をV0とし、式(2)にこのV0を適用してV1を算出する。式(2)では、時刻t2とは異なる時刻におけるV1を算出してもよい。そして、ステップS26では、算出したV1を比較判定に用い、ステップS36では、そのときのV0と算出したV1との差分電圧(V0−V1)を比較判定に用いる。
今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
1 二次電池
10 パック電池
5 制御部
51 CPU
52 ROM
53 RAM
54 タイマ
55 I/Oポート
56、72、73 MOSFET
83 プラス端子
84 マイナス端子
85 装着検出端子
9 電動自転車
91 モータ
92 インバータ
10 パック電池
5 制御部
51 CPU
52 ROM
53 RAM
54 タイマ
55 I/Oポート
56、72、73 MOSFET
83 プラス端子
84 マイナス端子
85 装着検出端子
9 電動自転車
91 モータ
92 インバータ
Claims (6)
- 二次電池と、該二次電池の放電電流を遮断するスイッチング素子と、所定の電気機器に装着されたことを検出する装着検出部とを備えるパック電池において、
前記装着検出部が検出した場合、前記スイッチング素子をオンするようにしてあること
を特徴とするパック電池。 - 第2のスイッチング素子及び電流制限回路を直列的に接続してなるスイッチ回路を前記スイッチング素子に並列的に接続してあり、
前記検出手段が検出した場合、前記スイッチング素子をオンする前に前記第2のスイッチング素子をオンするようにしてあること
を特徴とする請求項1に記載のパック電池。 - 前記電気機器に印加されるべき電圧を検出する手段と、
該手段が検出した電圧が所定の電圧より高いか否かを判定する手段とを備え、
該手段が高いと判定した場合、前記スイッチング素子をオンするようにしてあること
を特徴とする請求項2に記載のパック電池。 - 前記電気機器に印加されるべき電圧を検出する手段と、
該手段が検出した電圧及び前記二次電池の電圧の電圧差を算出する手段と、
該手段が算出した電圧差が所定の電圧差より小さいか否かを判定する手段とを備え、
該手段が小さいと判定した場合、前記スイッチング素子をオンするようにしてあること
を特徴とする請求項2に記載のパック電池。 - 二次電池と、該二次電池の放電電流を遮断するスイッチング素子と、所定の電気機器に装着されたことを検出する装着検出部とを備えるパック電池で前記二次電池の放電を制限する方法において、
第2のスイッチング素子及び電流制限回路を直列的に接続してなるスイッチ回路を前記スイッチング素子に並列的に接続しておき、
前記装着検出部が検出した場合、前記第2のスイッチング素子をオンし、
前記電気機器に印加されるべき電圧を検出し、
検出した電圧が所定の電圧より高いか否かを判定し、
高い場合、前記スイッチング素子をオンすること
を特徴とするパック電池の放電制限方法。 - 二次電池と、該二次電池の放電電流を遮断するスイッチング素子と、所定の電気機器に装着されたことを検出する装着検出部とを備えるパック電池で前記二次電池の放電を制限する方法において、
第2のスイッチング素子及び電流制限回路を直列的に接続してなるスイッチ回路を前記スイッチング素子に並列的に接続しておき、
前記装着検出部が検出した場合、前記第2のスイッチング素子をオンし、
前記電気機器に印加されるべき電圧を検出し、
検出した電圧及び前記二次電池の電圧の電圧差を算出し、
算出した電圧差が所定の電圧差より小さいか否かを判定し、
小さい場合、前記スイッチング素子をオンすること
を特徴とするパック電池の放電制限方法。
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