JP2018085867A - 電池パック及び充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池温度検出信号用の信号端子と過充電検出信号用の信号端子とを一つの信号端子で兼用し、かつ、それぞれの信号を検出できるようにする。【解決手段】電池の温度を検出し、第一の検出信号を出力する電池温度検出手段と、前記電池が過充電であるか否かを判定し、第二の検出信号を出力する過充電検出手段と、前記第一の検出信号と前記第二の検出信号は同一の信号端子を介して充電装置（２０）と接続可能な電池パック（１０）であって、前記過充電検出手段により前記電池が過充電でないと判定された場合、前記信号端子の電圧は、前記電池温度検出手段の検出結果に応じて第一の電圧範囲をとり、前記過充電検出手段により前記電池が過充電であると判定された場合、前記信号端子の電圧は、前記電池温度検出手段の検出結果に応じて前記第一の電圧範囲とは異なる第二の電圧範囲をとる。【選択図】図１

Description

本発明は、電池パック及びその充電装置に関するものである。

リチウムイオン電池などの再充電が可能な二次電池は、電池パック内にサーミスタ等の温度検出用素子を搭載して信号端子を設けることで、電池セルの温度を検出できるようにしている。これは、充電中に電池が発熱した場合に、充電を停止させることで充電の安定性を確保するためである。また、電池によっては温度により特性が変化するため、特性に合わせた充放電制御を実現したりするために活用されている。

一方、電池セルが過充電になった場合に充電されるのを防ぐため、過充電検出用の信号端子を設けている電池パックも存在する。このように、二次電池を搭載した電池パックでは、電源のプラス端子及びマイナス端子以外にも信号端子を設けているのが一般的である。一方、コンシューマ機器においては、電池パックの大容量化、小型化が求められており、前述した信号端子が削減できれば大きなメリットになると考えられる。

特許文献１では、電池温度検出信号用の信号端子と電池残存容量信号用の信号端子を一つの信号端子で兼用するシステムが提案されている。特許文献２では、電池温度検出信号用の信号端子と過充電検出信号用の信号端子とを一つの信号端子で兼用するシステムが提案されている。

特開平６−２３３４７１号公報 特開２００８−６７５２２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、電池温度検出信号はアナログ信号方式で、電池残存容量信号はデジタル信号方式で通知している。このため、電池パック、充電装置ともにデジタル信号とアナログ信号を送受可能な回路が必要となり、回路が複雑化することが課題となる。また、特許文献２に開示された技術では、電池が過充電状態になると、信号端子の電圧が電池温度によらず一定になるため、電池温度を検出できないシステムとなっている。このため、過充電時においては電池温度に基づいた制御ができないことが課題となる。

そこで、本発明は、電池温度検出信号用の信号端子と過充電検出信号用の信号端子とを一つの信号端子で兼用し、かつ、それぞれの信号を検出できるようにすることを目的とする。

本発明に係る電池パックは、電池の温度を検出し、第一の検出信号を出力する電池温度検出手段と、前記電池が過充電であるか否かを判定し、第二の検出信号を出力する過充電検出手段と、前記第一の検出信号と前記第二の検出信号は同一の信号端子を介して充電装置と接続可能な電池パックであって、前記過充電検出手段により前記電池が過充電でないと判定された場合、前記信号端子の電圧は、前記電池温度検出手段の検出結果に応じて第一の電圧範囲をとり、前記過充電検出手段により前記電池が過充電であると判定された場合、前記信号端子の電圧は、前記電池温度検出手段の検出結果に応じて前記第一の電圧範囲とは異なる第二の電圧範囲をとることを特徴とする。

本発明に係る充電装置は、電池の温度を検出し、第一の検出信号を出力する電池温度検出手段と、前記電池が過充電であるか否かを判定し、第二の検出信号を出力する過充電検出手段とを有し、前記第一の検出信号と前記第二の検出信号を同一の信号端子を介して出力する電池パックと接続可能な充電装置であって、前記信号端子の電圧を検出する信号電圧検出手段と、前記信号電圧検出手段による検出電圧と所定閾値を比較して、前記電池パックが過充電であるか否かを判定する過充電判定手段とを有し、前記過充電判定手段により前記電池パックが過充電でないと判定された場合は、第一のアルゴリズムを用いて、前記検出電圧から温度を計算し、前記過充電判定手段により前記電池パックが過充電であると判定された場合は、第二のアルゴリズムを用いて、前記検出電圧から温度を計算することを特徴とする。

本発明によれば、電池温度検出信号用の信号端子と過充電検出信号用の信号端子とを一つの信号端子で兼用し、かつ、それぞれの信号を検出することができる。

実施形態１における充電システムの構成の一例を説明するための図である。 ＮＴＰサーミスタＴＨ１１の温度−抵抗値特性の一例を示す図である。 充電装置２０の動作状態とＬＥＤ２４の表示状態との対応の一例を示す図である。 検出信号を生成する回路の等価回路の一例を示す図である。 検出信号の温度−電圧特性の一例を示す図である。 電池パック１０の動作の一例を説明するためのフローチャートである。 充電装置２０の動作の一例を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

［実施形態１］
以下、図１を参照して、実施形態１における充電システムの構成の一例を説明する。図１に示す充電システムは、電池パック１０と充電装置２０とを有する。電池パック１０と充電装置２０とは、接続端子１０１〜１０３及び接続端子２０１〜２０３を介して接続される。接続端子１０１と接続端子２０１は電源＋端子、接続端子１０２と接続端子２０２は電源−端子、接続端子１０３と接続端子２０３は信号端子であり、それぞれ金属接片等で構成される。

電池パック１０は接続端子１０１を介して供給される電力により電池セル１２及び１３の充電が行われる。電池セル１２及び１３はそれぞれリチウムイオン電池である。各電池の最大充電電圧は４．２［Ｖ］である。制御回路１１は電池パック１０を制御する回路である。電池セル１２及び１３の正極と負極は制御回路１１に接続され、それぞれのセル電圧をモニタできる構成となっている。

制御回路１１は電池セル１２及び１３の電圧をモニタした結果、４．３５［Ｖ］未満の場合は過充電ではないと判定し、ＣＭＯＳ出力ポートである制御ポート１１ａをローレベル出力に制御する。電圧をモニタした結果が４．３５［Ｖ］以上の場合は過充電であると判定し、制御ポート１１ａをハイレベル出力に制御する。サーミスタＴＨ１１はＮＴＣサーミスタであり、温度Ｔに応じて抵抗値ＲＴＨ１１が可変する素子である。抵抗値ＲＴＨ１１と温度Ｔの関係は、式１及び式２で表される。

図２は、サーミスタＴＨ１１の温度−抵抗値特性の一例を示す図である。温度２５℃では抵抗値ＲＴＨ１１は１０ｋΩであり、温度が低くなると抵抗値が大きくなり、−３０℃では抵抗値ＲＴＨ１１は１００ｋΩとなる。温度が高くなると抵抗値は減少し、１００℃では１ｋΩとなる。抵抗素子Ｒ１１の抵抗値ＲＲ１１は１０ｋΩであり、サーミスタＴＨ１１に直列に接続される。また、抵抗素子Ｒ１１には並列にＮＰＮトランジスタＱ１１のコレクタ端子とエミッタ端子が接続される構成となっている。

抵抗素子Ｒ１２の抵抗値ＲＲ１２は１０ｋΩであり、ＮＰＮトランジスタＱ１２のエミッタ端子に接続される構成となっている。ＮＰＮトランジスタＱ１２のコレクタ端子は端部１０３及びサーミスタＴＨ１１に接続される。ＮＰＮトランジスタＱ１１とＮＰＮトランジスタＱ１２のベース端子は、ベース電流制限用抵抗Ｒ１３及びＲ１４を介して、制御回路１１の制御ポート１１ａに接続されており、制御ポート１１ａの出力に応じてＮＰＮトランジスタＱ１１とＮＰＮトランジスタＱ１２はオン、オフ制御される。充電装置２０は接続端子２１１を介して交流電源に接続することで電力が供給される。

ＡＣ／ＤＣ変換回路２１は供給された交流電源を直流電源に変換する回路である。変換された直流電源は充電装置２０内の各部に供給される。制御回路２３は充電装置２０を制御する回路である。制御回路２３の入力ポート２３ａはＡＤ入力端子であり、接続端子１０３及び接続端子２０３を介して、電池パック１０から出力される検出信号が接続される。検出信号の電圧値をモニタすることで、電池パック１０の温度情報、過充電情報を判定することが可能となっている。

充電回路２２は制御回路２３により制御され、接続端子１０１と接続端子２０１及び、接続端子１０２と接続端子２０２を介して電池パック１０を充電するための電力を供給する回路である。また、充電回路２２は接続端子２０１の電圧、すなわち電池パック１０の出力電圧を測定可能であり、測定した電圧値は充電制御回路２３に通知される。充電制御回路２３は充電回路２２より通知された電池パック１０の電圧値と入力ポート２３ａに入力された信号の電圧レベルに応じて、所定の充電電流が流れるように充電回路２２を制御し、電池パック１０の充電を行う。

ＬＥＤ２４は制御回路２３により制御され、ユーザに充電装置２０の動作状況を報知する表示器であり、外装部に配置される。図３は、充電装置２０の動作状態とＬＥＤ２４の表示状態との対応を示す図である。

電池パック１０が装着されていない状態では充電装置２０はスタンバイ動作となりＬＥＤ２４は消灯状態に制御される。電池パック１０が装着され、電池パック１０に対して充電を行っている状態ではＬＥＤ２４は１Ｈｚ周期で点滅制御される。充電が完了するとＬＥＤ２４は点灯制御される。異常状態を検知するとＬＥＤ２４は４Ｈｚ周期で点滅制御され、ユーザに異常状態を通知することができる。抵抗素子Ｒ２１の抵抗値ＲＲ２１は１０ｋΩであり、充電装置２０内で生成される定電圧３．０Ｖ電源Ｖｐｕに接続される。

入力ポート２３ａに入力される電圧は、定電圧３．０Ｖ電源Ｖｐｕを、抵抗素子Ｒ２１と電池パック１０内で接続される素子との分圧により決定される。制御ポート１１ａがローレベルの場合、ＮＰＮトランジスタＱ１１とＮＰＮトランジスタＱ１２はオフとなる。この場合の入力ポート２３ａに接続される等価回路を図４の（ａ）に示す。入力ポート２３ａに接続する信号電圧Ｖｓｉｇは、式３で表すことができる。

式３をグラフにしたものが図５の実線であり、Ｖｓｉｇは任意の温度において１．５［Ｖ］以上の値となる。例えば、温度２５℃では２．０［Ｖ］、−３０℃では２．７６［Ｖ］、１００℃では１．５７［Ｖ］となる。制御ポート１１ａがハイレベルの場合、ＮＰＮトランジスタＱ１１とＮＰＮトランジスタＱ１２はオンとなる。この場合の入力ポート２３ａに接続される等価回路を図４の（ｂ）に示す。入力ポート２３ａに接続する信号電圧Ｖｓｉｇは、式４で表すことができる。

式４をグラフにしたものが図５の点線であり、Ｖｓｉｇは任意の温度において１．５［Ｖ］以下の値となる。例えば、温度２５℃では１．０［Ｖ］、−３０℃では１．１３［Ｖ］、１００℃では０．２５［Ｖ］となる。

上記のように、実施形態１の構成とすれば、制御ポート１１ａの出力レベルに応じて、入力ポート２３ａに入力される信号レベルを分けることが可能になる。

図６は、電池パック１０の動作の一例を説明するためのフローチャートである。図７は、充電装置２０の動作の一例を説明するためのフローチャートである。図６を参照し、電池パック１０の動作の一例を説明する。制御回路１１は電池セル１２の電圧値ＶＣＥＬＬ１２を取得し（Ｓ１０１）、電圧値ＶＣＥＬＬ１２が過充電閾値４．３５［Ｖ］未満であるかを判定する（Ｓ１０２）。電圧値ＶＣＥＬＬ１２が過充電閾値４．３５［Ｖ］未満であると判定されると、Ｓ１０３に移行する。電圧値ＶＣＥＬＬ１２が過充電閾値４．３５［Ｖ］以上であると判定されると、Ｓ１０６に移行する。

Ｓ１０３では、制御回路１１は電池セル１３の電圧値ＶＣＥＬＬ１３を取得し（Ｓ１０３）、電圧値ＶＣＥＬＬ１３が過充電閾値４．３５［Ｖ］未満であるかを判定する（Ｓ１０４）。電圧値ＶＣＥＬＬ１３が４．３５［Ｖ］未満であると判定されると、Ｓ１０５に移行する。電圧値ＶＣＥＬＬ１３が４．３５［Ｖ］以上であると判定されると、Ｓ１０６に移行する。

Ｓ１０５では、制御回路１１は制御ポート１１ａをローレベル出力に制御し、ＮＰＮトランジスタＱ１２及びＮＰＮトランジスタＱ１３をオフする。Ｓ１０６では、制御回路１１は制御ポート１１ａをハイレベル出力に制御し、ＮＰＮトランジスタＱ１２及びＮＰＮトランジスタＱ１３をオンする。電池パック１０は上記フローを周期的に実行し、電池セル１２及び電池セル１３の電圧値取得結果に応じて、制御ポート１１ａの制御を行う。

次に、図７を参照し、充電装置２０の動作の一例を説明する。制御回路２３は充電回路２２を介して電池電圧ＶＢａｔｔを取得する（Ｓ２０１）。そして、充電制御回路２３は電池電圧ＶＢａｔｔが０［Ｖ］でないかを判定することで電池パック２０の装着有無を判定する（Ｓ２０２）。

電池電圧ＶＢａｔｔが０［Ｖ］でない場合は、電池パック２０が装着されたと判定し、Ｓ２０３に移行する。電池電圧ＶＢａｔｔが０［Ｖ］である場合は、電池パック２０が未装着であると判定し、Ｓ２０１に戻り、電池装着判定を再度行う。Ｓ２０３では、制御回路２３は電池電圧ＶＢａｔｔが充電完了電圧である４．２［Ｖ］以下であるかを判定する（Ｓ２０３）。電池電圧ＶＢａｔｔが４．２［Ｖ］未満である場合は、充電が必要と判定し、Ｓ２０４に移行する。電池電圧ＶＢａｔｔが４．２［Ｖ］以上である場合は、充電が不要と判定し、Ｓ２１６に移行する。

制御回路２３は入力ポート２３ａに入力される信号電圧値Ｖｓｉｇを取得し（Ｓ２０４）、取得した信号電圧値Ｖｓｉｇが１．５［Ｖ］より大きいかを判定する（Ｓ２０５）。信号電圧値Ｖｓｉｇが１．５［Ｖ］より大きい場合は、電池パック１０内の電池セル１２と電池セル１３が過充電ではないと判定し、Ｓ２０６に移行する。信号電圧値Ｖｓｉｇが１．５［Ｖ］以下の場合は、電池パック１０内の電池セル１２又は電池セル１３のいずれかが過充電であると判定し、Ｓ２１３に移行する。Ｓ２０６では、制御回路２３は取得した信号電圧値ＶｓｉｇからサーミスタＴＨ１１の抵抗値ＲＴＨ１１を式５を用いて計算する。なお、式５は式３を変形して求められた式である。

次に、制御回路２３は式５で求められたサーミスタＴＨ１１の抵抗値ＲＴＨ１１と式２から、温度Ｔを計算する（Ｓ２０７）。充電制御回路２３は、計算された温度Ｔが所定温度未満であるか判定する（Ｓ２０８）。温度Ｔが所定温度未満の場合、充電制御回路２３は正常温度状態であり充電可能であると判定し、Ｓ２０９に移行する。温度Ｔが所定温度以上の場合、充電制御回路２３は電池パック１０が異常温度状態であると認識するとともに、充電不可能であると判定し、Ｓ２１２に移行する。

Ｓ２０９では充電制御回路２３はＬＥＤ２４を１Ｈｚ周期の点滅制御を行い、充電回路２２を制御して電池パック１０への充電制御を開始する（Ｓ２１０）。ユーザはＬＥＤ２４を視認することで、充電動作中であることを確認することが可能である。充電動作後は再び電池電圧ＶＢａｔｔを取得し（Ｓ２１１）、Ｓ２０３に戻ることで充電動作を継続的に実行する。

一方、Ｓ２１２では充電制御回路２３はＬＥＤ２４を４Ｈｚ周期の点滅制御を行い、充電回路２２を制御して電池パック１０への充電制御を停止させる（Ｓ２１７）。ユーザはＬＥＤ２４を視認することで、充電動作に異常があったことを確認することが可能である。Ｓ２１３では制御回路２３は取得した信号電圧値ＶｓｉｇからサーミスタＴＨ１１の抵抗値ＲＴＨ１１を式６を用いて計算する。なお、式６は式４を変形して求められた式である。

次に、制御回路２３は式６で求められたサーミスタＴＨ１１の抵抗値Ｒ_ＴＨ１１と式２から、温度Ｔを計算する（Ｓ２１４）。充電制御回路２３は、計算された温度Ｔが所定温度未満であるか判定する（Ｓ２１５）。温度Ｔが所定温度未満の場合、充電制御回路２３は正常温度状態であると判定し、Ｓ２１６に移行する。温度Ｔが所定温度以上の場合、充電制御回路２３は電池パック１０が異常温度状態であると判定し、Ｓ２１２に移行する。

Ｓ２１６では充電制御回路２３はＬＥＤ２４を点灯状態に制御し、充電回路２２を制御して電池パック１０への充電制御を停止する（Ｓ２１７）。ユーザはＬＥＤ２４を視認することで、充電動作が完了していることを確認することが可能である。

上記のように、実施形態１における電池パック１０及び充電装置２０によれば、電池セルが過充電状態であっても、電池パックの温度を検出することが可能となるため、電池パックの温度に合わせた制御を行うことが可能となる。

以上、本発明は上述の実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。

１０ 電池パック
１１ 制御回路
１１ａ 制御ポート
１２、１３ 電池セル
ＴＨ１１ サーミスタ
Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４ 抵抗素子
Ｑ１１、Ｑ１２ ＮＴＮトランジスタ素子
２０ 充電装置
２１ ＡＣ／ＤＣ変換回路
２２ 充電回路
２３ 制御回路
２３ａ 入力ポート
２４ ＬＥＤ
Ｒ２１ 抵抗素子
１０１、１０２、１０３、２０１、２０２、２０３ 接続端子

Claims (4)

1. 電池の温度を検出し、第一の検出信号を出力する電池温度検出手段と、前記電池が過充電であるか否かを判定し、第二の検出信号を出力する過充電検出手段と、前記第一の検出信号と前記第二の検出信号は同一の信号端子を介して充電装置と接続可能な電池パックであって、
   前記過充電検出手段により前記電池が過充電でないと判定された場合、前記信号端子の電圧は、前記電池温度検出手段の検出結果に応じて第一の電圧範囲をとり、
   前記過充電検出手段により前記電池が過充電であると判定された場合、前記信号端子の電圧は、前記電池温度検出手段の検出結果に応じて前記第一の電圧範囲とは異なる第二の電圧範囲をとることを特徴とする電池パック。
2. 前記電池温度検出手段は、サーミスタであることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
3. 前記過充電検出手段により前記電池が過充電でないと判定された場合は、前記サーミスタと第一の抵抗素子が直列に接続され、
   前記過充電検出手段により前記電池が過充電であると判定された場合は、前記サーミスタと第二の抵抗素子が並列に接続されることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
4. 電池の温度を検出し、第一の検出信号を出力する電池温度検出手段と、前記電池が過充電であるか否かを判定し、第二の検出信号を出力する過充電検出手段とを有し、前記第一の検出信号と前記第二の検出信号を同一の信号端子を介して出力する電池パックと接続可能な充電装置であって、
   前記信号端子の電圧を検出する信号電圧検出手段と、
   前記信号電圧検出手段による検出電圧と所定閾値を比較して、前記電池パックが過充電であるか否かを判定する過充電判定手段と
   を有し、
   前記過充電判定手段により前記電池パックが過充電でないと判定された場合は、第一のアルゴリズムを用いて、前記検出電圧から温度を計算し、
   前記過充電判定手段により前記電池パックが過充電であると判定された場合は、第二のアルゴリズムを用いて、前記検出電圧から温度を計算することを特徴とする充電装置。