JP2017221027A - リチウムイオン電池、及び電動アシスト自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】端子の数の増大を抑えながら、最大許容電流の異なる２つのヒューズを利用できるリチウムイオン電池を提供することにある。【解決手段】電池１０は少なくとも１つの電池セル１１ａと第１端子１２ａとを接続し、且つヒューズ１３Ａが設けられている放電ラインＬｐ１と、少なくとも１つの電池セル１１ａと第１端子１２ａとを接続し、且つヒューズ１３Ｂが設けられている充電ラインＬｐ２とを有している。さらに、電池１０は放電ラインＬｐ１の導通と充電ラインＬｐ２の導通とを制御する少なくとも１つのスイッチ素子１４Ａ、１４Ｂと、スイッチ素子１４Ａ、１４Ｂを操作する制御装置１５とを有している。【選択図】 図１

Description

本発明はリチウムイオン電池、及びリチウムイオン電池を備えている電動アシスト自転車に関する。

特許文献１の図５で例示されるように、従来、充電と放電とに共通の端子を使用するリチウムイオン電池がある。特許文献１の電池は、充電時には充電装置の端子と接続され、放電時には電気装置（負荷回路）の端子と接続される端子（特許文献１において「共用端子」と称されている）を有している。このようなリチウムイオン電池によると、端子の数を減らすことができるので、電池のコストを低減したり、端子が設けられているコネクタ部のサイズを小さくできる。

また、特許文献１の電池では、スイッチング素子が電流経路に設けられている。充電電流や放電電流が閾値を超えたときにはスイッチング素子が保護ＩＣによってオフされる。さらに、特許文献１の電池は、電池セルと端子とを繋ぐ電流経路にヒューズを有している。このように、特許文献１では、保護ＩＣとスイッチング素子とによる保護機能とヒューズとによって十分な安全性が確保されている。

特開２００５−１６８２１５号公報

一般的に、リチウムイオン電池に入力される充電電流はリチウムイオン電池から出力される放電電流よりも小さい。したがって、最大許容電流（定格電流）が相対的に小さいヒューズを充電時に使用し、最大許容電流が相対的に大きいヒューズを放電時に使用すれば、さらに好ましい電池を実現できる。

本発明の目的は、端子の数の増大を抑えながら、最大許容電流の異なる２つのヒューズを利用できるリチウムイオン電池及び電動アシスト自転車を提供することにある。

（１）本発明に係るリチウムイオン電池は、少なくとも１つの電池セルと、第１の端子と、前記少なくとも１つの電池セルと前記第１の端子とを接続し、且つ第１のヒューズが設けられている放電ラインと、前記少なくとも１つの電池セルと前記第１の端子とを接続し、且つ第２のヒューズが設けられている充電ラインと、前記放電ラインの導通と前記充電ラインの導通とを制御する少なくとも１つのスイッチ素子と、前記少なくとも１つのスイッチ素子を操作する制御装置と、を有している。

本発明によれば、放電ラインと充電ラインの双方が第１の端子に接続しているので、端子の数の増大を抑えることができる。また、２つのラインのそれぞれにヒューズが設けられている。そのため、それらの最大許容電流を異ならせることができ、より好ましい電池を実現できる。

本発明に係る電動アシスト自転車は前記リチウムイオン電池を備える。

（２）（１）の電池は第２の端子をさらに有してもよい。そして、前記第１の端子は前記放電ラインと前記充電ラインとを通して、前記少なくとも１つの電池セルの正極と負極のうちの一方の電極に接続され、前記第２の端子は、前記少なくとも１つの電池セルの正極と負極のうちの他方の電極に接続されてもよい。

（３）（１）又は（２）の電池において、前記少なくとも１つのスイッチ素子は、前記放電ラインに設けられている第１のスイッチ素子と、前記充電ラインに設けられている第２のスイッチ素子とを含んでもよい。これによれば、放電ラインと充電ラインのそれぞれの導通を制御できる。

（４）（１）乃至（３）のいずれかの電池において、前記第２のヒューズが許容する最大電流は前記第１のヒューズが許容する最大電流よりも小さくてもよい。これによれば、充電時の電流が必要以上に大きくなることを、より効果的に防ぐことができる。

（５）（１）乃至（４）のいずれかの電池は信号端子を含んでもよい。そして、前記制御装置は、前記信号端子に入力される信号に基づいて、前記第１の端子に充電装置が接続されているか否か、及び前記リチウムイオン電池が電力を供給すべき負荷装置が前記第１の端子に接続されているか否かを判断し、その判断結果に基づいて、前記少なくとも１つのスイッチ素子を操作してもよい。

（６）（１）乃至（５）のいずれかの電池は充電電流と前記放電電流の双方が流れる共通ラインをさらに備えてもよい。そして、前記共通ラインに電流計が設けられてもよい。これによれば、電流計の数は１つで足りるので、部品数の増大を抑えることができる。

本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池の構成を示すブロック図である。 リチウムイオン電池の変形例を示すブロック図である。 電動アシスト自転車の一例を示す側面図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施形態の一例であるリチウムイオン電池１０の構成を示すブロック図である。リチウムイオン電池１０は、後述するように例えば電動アシスト自転車で利用される電池であるが、それ以外の電気装置で利用されてもよい。

図１に示すように、リチウムイオン電池１０は複数の電池セル１１ａで構成されるセル集積体１１を有している。電池セル１１ａは正極と負極との間の電気伝導をリチウムイオンが担うよう構成されている。例えば、各電池セル１１ａはリチウム酸化物（例えばコバルト酸リチウム）で構成される正極と、炭素で構成される負極とを有する。セル集積体１１では、複数の電池セル１１ａは直列に接続されている。セル集積体１１は並列に接続される電池セルを有してもよい。また、電池セル１１ａの数は１つでもよい。

電池１０は充放電口１２を有している。充放電口１２には第１端子１２ａと第２端子１２ｂとが設けられている。また、電池１０は並列に配置される放電ラインＬｐ１と充電ラインＬｐ２とを有している。第１端子１２ａは、放電ラインＬｐ１と充電ラインＬｐ２とを通して、セル集積体１１に接続されている。言い換えれば、第１端子１２ａとセル集積体１１とを繋ぐラインは、その途中で放電ラインＬｐ１と充電ラインＬｐ２とに分岐している。電池１０の例では、第１端子１２ａはセル集積体１１の正極に接続され、電池１０の正極端子として機能する。第２端子１２ｂはラインＬｐ３を通してセル集積体１１の負極に接続され、電池１０の負極端子として機能する。電池１０の例に替えて、第１端子１２ａは放電ラインＬｐ１と充電ラインＬｐ２とを通してセル集積体１１の負極に接続され、第２端子１２ｂはラインＬｐ３を通してセル集積体１１の正極に接続されてもよい。セル集積体１１や後述する制御装置１５などの構成部品は電池１０のハウジング（不図示）に収容されている。充放電口１２はハウジングから露出可能に設けられている。

図１に示すように、放電ラインＬｐ１には放電制御ヒューズ１３Ａが設けられている。充電ラインＬｐ２には充電制御ヒューズ１３Ｂが設けられている。電池１０の充電時に外部の充電装置から供給される電流は、電池１０の放電時に外部の負荷装置（例えば、電動アシスト自転車が備える電動モータ）に供給する電流よりも小さい。そこで、放電制御ヒューズ１３Ａの最大許容電流（定格電流）よりも小さな最大許容電流を有するヒューズが、充電制御ヒューズ１３Ｂとして利用されている。最大許容電流とはヒューズを流れることが可能な最大電流である。電池１０はこのような放電制御ヒューズ１３Ａと充電制御ヒューズ１３Ｂとを有しているので、放電時の過電流と充電時の過電流をより一層適切に防ぐことができる。また、放電ラインＬｐ１と充電ラインＬｐ２が共通の端子（すなわち、第１端子１２ａ）に接続しているので、端子の数の増大が抑えられている。

電池１０の例では、放電ラインＬｐ１と充電ラインＬｐ２とにスイッチ素子１４Ａ、１４Ｂがそれぞれ設けられている。すなわち、放電ラインＬｐ１には、放電ラインＬｐ１の導通を制御するための放電制御スイッチ素子１４Ａが設けられ、充電ラインＬｐ２には、充電ラインＬｐ２の導通を制御するための充電制御スイッチ素子１４Ｂが設けられている。電池１０の例では、上述した放電制御ヒューズ１３Ａは放電制御スイッチ素子１４Ａと第１端子１２ａとの間に設けられ、上述した充電制御ヒューズ１３Ｂは充電制御スイッチ素子１４Ｂと第１端子１２ａとの間に設けられている。電池１０の例とは逆に、放電制御スイッチ素子１４Ａは放電制御ヒューズ１３Ａよりも第１端子１２ａ寄りに設けられてもよい。また、充電制御スイッチ素子１４Ｂは充電制御ヒューズ１３Ｂよりも第１端子１２ａ寄りに設けられてもよい。

電池１０は、スイッチ素子１４Ａ、１４Ｂのオン／オフを操作する制御装置１５を有している。制御装置１５は、例えばマイクロプロセッサやマイクロプロセッサで実行されるプログラムが格納されたメモリとして機能する集積回路を有している。電池１０の充電時に、制御装置１５は充電制御スイッチ素子１４Ｂをオン状態に設定し、充電ラインＬｐ２の導通を許容する一方、放電制御スイッチ素子１４Ａをオフ状態に設定し、放電ラインＬｐ１の導通を遮断する。また、充電中に異常が発生した場合、例えば充電中の電流が予め設定された充電閾値電流を超えた場合、制御装置１５は充電制御スイッチ素子１４Ｂをオフ状態に設定し、充電ラインＬｐ２の導通を遮断する。電池１０の放電時には、制御装置１５は放電制御スイッチ素子１４Ａをオン状態に設定し、放電ラインＬｐ１の導通を許容する一方、充電制御スイッチ素子１４Ｂをオフ状態に設定し、充電ラインＬｐ２の導通を遮断する。また、放電中に異常が発生した場合、例えば放電中の電流が予め設定された放電閾値電流を超えた場合、放電制御スイッチ素子１４Ａをオフ状態に設定し、放電ラインＬｐ１の導通を遮断する。

スイッチ素子１４Ａ、１４Ｂはトランジスタであり、そのゲート端子(Ｇ)に制御装置１５からの信号が入力される。電池１０の例では、スイッチ素子１４Ａ、１４Ｂのそれぞれは２つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）で構成される公知のものである。２つのＦＥＴのソース端子(Ｓ)は互いに接続されている。２つのＦＥＴのうちの一方のＦＥＴのドレイン端子(Ｄ)はセル集積体１１に接続され、他方のＦＥＴのドレイン端子(Ｄ)はヒューズ１３Ａ又はヒューズ１３Ｂを通して第１端子１２ａに接続している。なお、２つのＦＥＴの並べ方はこれに限らず、２つのＦＥＴのドレイン端子が互いに接続されてもよい。また、図１のＦＥＴはｎチャンネルタイプだが、ｐチャンネルタイプでもよい。スイッチ素子１４Ａ、１４ＢはＦＥＴではなく、リレーでもよい。

図１に示すように、充放電口１２にはさらに信号端子１２ｃ、１２ｄが設けられている。制御装置１５は信号端子１２ｃ、１２ｄから入力される信号（情報）に基づいて、充電装置が充放電口１２に接続されているか、或いは電池１０から電力を供給すべき負荷装置（例えば、電動アシスト自転車が備える電動モータ）が充放電口１２に接続されているかを判断する。そして、制御装置１５は、その判断結果に基づいて、上述したスイッチ素子１４Ａ、１４Ｂを操作する。

図１に示す例では、充放電口１２に２つの信号端子１２ｃ、１２ｄが設けられている。制御装置１５は、例えば信号端子１２ｃに予め規定された電圧が加えられたときに、充電装置が充放電口１２に接続されたと判断する。このとき、制御装置１５は充電制御スイッチ素子１４Ｂをオン状態に設定し、放電制御スイッチ素子１４Ａをオフ状態に設定する。電池１０の例では、制御装置１５は信号端子１２ｄを通して、外部の負荷装置を制御する制御装置（例えば、電動アシスト自転車が備える制御装置）と通信可能に構成される。この場合、制御装置１５は信号端子１２ｄを通して予め規定された信号が入力されたときに、負荷装置が充放電口１２に接続されたと判断する。このとき、制御装置１５は放電制御スイッチ素子１４Ａをオン状態に設定し、充電制御スイッチ素子１４Ｂをオフ状態に設定する。

充放電口１２に設けられる信号端子は、電池１０の例に限られない。例えば、充放電口１２には、さらに、充電装置と通信するための信号端子や、充電装置との間で充電電圧に係る情報を送受信するための信号端子を有してもよい。また、充放電口１２には必ずしも２つの信号端子１２ｃ、１２ｄが設けられていなくてもよい。すなわち、信号端子の数は１つでもよい。

電池１０は電流計１６を有している。電流計１６はヒューズ１３Ａ、１３Ｂやスイッチ素子１４Ａ、１４Ｂとは異なり、充電電流と放電電流の双方が流れるラインに設けられている。電池１０の例では、電流計１６は第２端子１２ｂとセル集積体１１とを繋ぐラインＬｐ３に設けられている。こうすることにより、電池１０の部品数を低減できる。電流計１６のレイアウトは電池１０の例に限られない。例えば、充電ラインＬｐ２と放電ラインＬｐ１のそれぞれに電流計が設けられてもよい。なお、電流計１６としては、種々のタイプのものを利用できる。電流計１６の一例としては、シャント抵抗を有し、シャント抵抗による電圧降下から電流を測定する電流計や、ラインの周囲に形成される磁界に基づいて電流を測定する電流計がある。電流計１６の出力信号は制御装置１５に入力される。

電池１０は、電池セル１１ａの電圧を検知するための電圧計（不図示）や、電池セル１１ａの温度を検知するための温度センサ（例えば、サーミスタ）を有してもよい。電圧計の出力信号と温度センサの出力信号も制御装置１５に入力される。電圧計は好ましくは各電池セル１１ａの電圧が検知できるように配置される。制御装置１５は電流計１６、電圧計、及び温度センサの信号に基づいて、電池セル１１ａの異常を判定する。

本発明は以上説明したリチウムイオン電池１０に限られず、種々の変更が可能である。

図２はリチウムイオン電池１０の変形例を示す図である。この図では、変形例としてリチウムイオン電池１１０が示されている。以下では、リチウムイオン電池１０との相違を中心に説明する。説明の無い事項はリチウムイオン電池１０の例と同様である。

リチウムイオン電池１１０は、セル集積体１１から第１端子１２ａに電流が流れることを許容するダイオード１１７Ａを放電ラインＬｐ１に有している。また、電池１１０は、第１端子１２ａからセル集積体１１に電流が流れることを許容するダイオード１１７Ｂを充電ラインＬｐ２に有している。さらに、電池１１０は充電電流と放電電流の双方が流れるラインＬｐ４、すなわち放電ラインＬｐ１と充電ラインＬｐ２とが接続されているラインＬｐ４に、スイッチ素子１１４を有している。スイッチ素子１１４は、例えばスイッチ素子１４Ａ、１４Ｂと同様に、ＦＥＴで構成される。スイッチ素子１１４はリレーでもよい。電池１１０の例では、放電ラインＬｐ１と充電ラインＬｐ２とには上述したスイッチ素子１４Ａ、１４Ｂは設けられていない。

リチウムイオン電池１１０の例では、制御装置１５は、信号端子１２ｃから入力される信号を通して充放電口１２に充電装置が接続されたことを検知したとき、及び信号端子１２ｄから入力される信号を通して充放電口１２に負荷装置が接続されたことを検知したとき、スイッチ素子１１４をオン状態に設定する。ダイオード１１７Ａ、１１７ＢがラインＬｐ１、Ｌｐ２に設けられているので、充電装置から供給される充電電流は充電ラインＬｐ２を流れ、セル集積体１１から供給される放電電流は放電ラインＬｐ１を流れる。リチウムイオン電池１１０の例でも、放電ラインＬｐ１と充電ラインＬｐ２とに、上述したヒューズ１３Ａ、１３Ｂがそれぞれ設けられている。以上がリチウムイオン電池１１０の説明である。

図３はリチウムイオン電池１０、１１０が搭載された電動アシスト自転車１の例を示す図である。

図３に示すように、電動アシスト自転車１はクランク軸２を有している。クランク軸２の両端にはペダル２ａが取り付けられている。クランク軸２はシートパイプ３３の下端で支持されている。シートパイプ３３の上端にはシート３２が固定されている。電動アシスト自転車１の前部には、ハンドルポスト８と、ハンドルポスト８の上部に固定されているハンドル７と、ハンドルポスト８の下部に固定されているフロントフォーク３４と、フロントフォーク３４の下端で支持されている前輪９とが設けられている。ハンドルポスト８はフレーム３１の前端に設けられているヘッドパイプ３１ａで支持されている。

電動アシスト自転車１は、運転者によるペダル２ａの駆動を補助するための電動モータや、減速機等で構成されるドライブユニット２０を有している。電動モータは、上述したリチウムイオン電池１０、１１０から供給される電力で駆動する。自転車１は電動モータを制御する制御装置（不図示）を有している。電動モータは運転者がペダル２ａに加えた力（踏力）に応じたトルクを電動モータが出力するように、制御される。ペダル２ａを通してクランク軸２に加えられた動力（トルク）と、電動モータが出力するトルクは合成されて、後輪６に伝えられる。電動アシスト自転車１に設けられている制御装置は電池１０、１１０の制御装置１５と通信可能に構成される。

電動アシスト自転車１の例では、電池１０、１１０はシートパイプ３３の後側に取り付けられ、ドライブユニット２０はクランク軸２の後側に配置されている。電動アシスト自転車１は、充放電口１２に対応する位置に接続口（不図示）を有している。接続口には、上述した端子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄにそれぞれ接続する複数の端子が設けられている。電池１０、１１０は電動アシスト自転車１の車体から取り外し可能である。電池１０、１１０は車体から取り外して、図示していない充電装置で充電可能である。電池１０、１１０とドライブユニット２０のレイアウトは電動アシスト自転車１の例に限られず、適宜変更されてよい。

１ 電動アシスト自転車、１０，１１０ リチウムイオン電池、１１ａ 電池セル、１２ 充放電口、１２ａ 第１端子、１２ｂ 第２端子、１２ｃ，１２ｄ 信号端子、１３Ａ 放電制御ヒューズ、１３Ｂ 充電制御ヒューズ、１４Ａ 放電制御スイッチそし、１４Ｂ 充電制御スイッチ素子、１５ 制御装置、１６ 電流計、２０ ドライブユニット、１１４ スイッチ素子、１１７Ａ ダイオード、１１７Ｂ ダイオード、Ｌｐ１ 放電ライン、Ｌｐ２ 充電ライン。

Claims (7)

1. 少なくとも１つの電池セルと、
   第１の端子と、
   前記少なくとも１つの電池セルと前記第１の端子とを接続し、且つ第１のヒューズが設けられている放電ラインと、
   前記少なくとも１つの電池セルと前記第１の端子とを接続し、且つ第２のヒューズが設けられている充電ラインと、
   前記放電ラインの導通と前記充電ラインの導通とを制御する少なくとも１つのスイッチ素子と、
   前記少なくとも１つのスイッチ素子を操作する制御装置と、を有している
   ことを特徴とするリチウムイオン電池。
2. 第２の端子をさらに有し、
   前記第１の端子は前記放電ラインと前記充電ラインとを通して、前記少なくとも１つの電池セルの正極と負極のうちの一方の電極に接続され、
   前記第２の端子は、前記少なくとも１つの電池セルの正極と負極のうちの他方の電極に接続される
   ことを特徴とする請求項１に記載されるリチウムイオン電池。
3. 前記少なくとも１つのスイッチ素子は、前記放電ラインに設けられている第１のスイッチ素子と、前記充電ラインに設けられている第２のスイッチ素子とを含んでいる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載されるリチウムイオン電池。
4. 前記第２のヒューズが許容する最大電流は前記第１のヒューズが許容する最大電流よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載されるリチウムイオン電池。
5. 信号端子をさらに含み、
   前記制御装置は、前記信号端子に入力される信号に基づいて、前記第１の端子に充電装置が接続されているか否か、及び前記リチウムイオン電池が電力を供給すべき負荷装置が前記第１の端子に接続されているか否かを判断し、その判断結果に基づいて、前記少なくとも１つのスイッチ素子を操作する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載されるリチウムイオン電池。
6. 充電電流と前記放電電流の双方が流れるラインをさらに備え、
   前記ラインに電流計が設けられている
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載されるリチウムイオン電池。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載されるリチウムイオン電池を有している電動アシスト自転車。

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