JP2021151023A - 電池パック、充電システム、及び電池パックを充電する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 充電器による満充電の判断を通信ラインを用いずに電池パック自身が認識可能な電池パックを提供する。【解決手段】 電池パック２０は、二次電池２１と、二次電池を充電する充電電流を計測する電流計測手段２２と、電流計測手段の出力が入力される制御回路２４と、を備える。制御回路２４は、充電電流の単位時間における減少率が所定値を超えたときに、二次電池が満充電されたと判断する。【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池を含む電池パックと、電池パックを充電する方法とに関する。

従来、充電器は、電池パックと専用のセットで開発し販売していたので、電池パックとの間に通信手段を設けて、充電器の情報を電池パックに容易に提供することができた。

近年、複数種類の電池パックを充電可能とする汎用の充電器が出現し、かかる充電器は、充電器側から電池パックの電池電圧及び電池温度を計測して、電池パックの充電を制御している。汎用の充電器を使用して電池パックを充電するとき、電池パック側で電池容量の表示が可能な場合、電池パック側で電池容量を判定している。従って、充電器が電池パックを充電するとき、電池パック側の容量表示を充電器の容量表示に整合させる必要があった。通常、充電器は、「充電中」と「充電完了」との２つのうちのいずれかを表示するので、電池パックは、充電器の充電完了の表示に合わせる必要がある。そこで、電池パックは、電池の充電ラインとは別に充電器の制御部と通信可能な通信ラインを備えて、充電器側の充電完了を把握し、「充電完了」の表示を充電器と合わせていた。

特開２００４−１８４１３５号公報

しかし、充電器と電池パックとの間に、充電ラインとは別に通信ラインを設けることは、充電器及び電池パックの双方にケース表面の端子の数を増やし、充電器及び電池パックの各々の制御回路から延びる信号線の配線を複雑にしていた。

本発明は、上記課題に鑑みて、その目的は、充電器と電池パックとの間に通信ラインを設けることなく充電器と整合した充電完了を判断できる電池パックを提供することにある。

＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、二次電池と、前記二次電池を充電する充電電流を計測する電流計測手段と、前記電流計測手段の出力が入力される制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記充電電流の単位時間における減少率が所定値を超えたときに、前記二次電池が満充電されたと判断する、ことを特徴とする電池パックである。

上記構成により、電流計測手段が、二次電池を充電する充電電流を計測しているので、制御回路は、その計測値に基づき充電電流の単位時間における減少率が所定値を超えたときに、二次電池が満充電されたと判断する。このように、電池パックは、電池パックを充電する充電器から、電池パックが満充電されたことを知らせる信号を受け取らなくても、充電電流の単位時間当たりの減少率から電池パック自身の満充電を判断することができる。

＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記充電電流は、前記二次電池の電池容量を増やすための急速充電電流と、前記二次電池の満充電を維持するための補充電電流とを含み、前記充電電流の単位時間における減少率は、前記充電電流が前記急速充電電流から前記補充電電流に切替えられたときの前記充電電流の変化率に相当する。

急速充電電流は、二次電池の電池容量を増やすために電流量が多く、補充電電流は、二次電池の満充電を維持するために電流量は急速充電電流の電流量に比べてかなり少ない。従って、充電電流が、急速充電電流から補充電電流に切替えられたときに、制御回路は、二次電池が満充電になったと判断できる。

＜本発明の第３の態様＞
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記急速充電電流は、第１デューティ比のパルス電流からなり、前記補充電電流は、前記第１デューティ比よりも短い第２デューティ比のパルス電流からなり、前記充電電流のデューティ比が、第１のデューティ比から第２のデューティ比に切り替わったときに、前記制御回路は、前記電池パックが満充電されたと判断する。

急速充電電流は、二次電池の電池容量を増やすためにパルス電流のデューティ比が大きく、補充電電流は、二次電池の満充電を維持できればいいのでパルス電流のデューティ比が小さい。従って、充電電流がパルス電流のとき、デューティ比が小さくなったときに、制御回路は、二次電池が満充電になったと判断できる。

＜本発明の第４の態様＞
本発明の第４の態様は、上記第１から第３の態様のいずれか一の態様において、前記二次電池の充電状態を表示する表示手段をさらに備え、前記二次電池が満充電されたと判断されたときに、前記制御回路は、前記二次電池の満充電状態を前記表示手段に表示させる。

＜本発明の第５の態様＞
本発明の第５の態様は、充電器と、前記充電器によって充電され、二次電池、前記二次電池を充電する充電電流を計測する電流計測手段、及び前記電流計測手段の出力が入力される制御回路を備える電池パックと、を有する充電システムにおいて、前記充電器は、前記電池パックの電池容量を増やすための急速充電電流と、前記電池パックの満充電を維持するための補充電電流とを、選択的に前記電池パックに供給し、前記充電電流が、前記急速充電電流から前記補充電電流に切り替わったときに、前記電池パックの前記制御回路は、前記二次電池が満充電されたと判断する、ことを特徴とする充電システム。

上記構成により、電池パックでは、電流計測手段が充電電流を計測しているので、制御回路は、電池パックが満充電になったことの通知を充電器から受け取らなくても、電流計測手段の出力に基づき、充電電流の単位時間における減少率が所定値を超えたときに、二次電池が満充電されたと判断できる。従って、充電器は、電池パックが満充電になったことを電池パックに通知する通信ラインを不要にできる。よって、充電器を簡単に構成して構成部品の総数を減らすことができる。

＜本発明の第６の態様＞
本発明の第６の態様は、二次電池と、前記二次電池を充電する充電電流を計測する電流計測手段と、前記電流計測手段の出力が入力される制御回路とを備える電池パックを充電する方法であって、前記制御回路は、前記充電電流の単位時間における減少率が所定値を超えたときに、前記二次電池が満充電されたと判断する、ことを特徴とする方法。

上記によれば、電流計測手段が、二次電池を充電する充電電流を計測しているので、制御回路は、その計測値に基づき充電電流の単位時間における減少率が所定値を超えたときに、二次電池が満充電されたと判断する。従って、電池パックは、電池パックを充電する充電器から、電池パック自身が満充電されたことを知らせる信号を受け取らなくても、電池パック自身の満充電を判断することができる。

＜本発明の第７の態様＞
本発明の第７の態様は、上記第６の態様において、前記電池パックは、前記二次電池の充電状態を表示する表示手段をさらに備え、前記二次電池が満充電されたと判断されたときに、前記制御回路は、前記二次電池の満充電状態を前記表示手段に表示させる。

本発明によれば、電池パックの制御回路は、満充電状態になったことを判断することができる。

一実施形態に係る充電器の回路ブロック図を示す。 一実施形態に係る電池パックの満充電を判断するフローチャートを示す。 一実施形態に係る電池パックの充電電圧と充電電流とのタイムチャートを示す。 他の実施形態に係る電池パックの充電電圧と充電電流とのタイムチャートを示す。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に示す充電システム１は、充電器１０と、充電器１０によって充電される電池パック２０とを有する。

充電器１０は、充電する電池パック２０を限定しないトリクル充電用の汎用タイプであり、電池パック２０の電池容量を増やすための急速充電と、電池パック２０の満充電状態を維持するための補充電とを行うことができる。充電器１０は、充電電流を出力する高電位側の正極端子１１と低電位側の負極端子１２とを有する。充電器１０は、接続される電池パック２０の電池温度の信号が入力される電池温度端子１３を有する。充電器１０は、電池パック２０の充電を制御する制御回路１４と、電池パック２０の充電状態を表示する表示部１５と、電池パック２０の電池電圧を検出する電圧検出部（不図示）とを有する。

制御回路１４は、電池パック２０の接続を検出して、接続される電池パック２０の種類を判別し、電池パック２０に適した充電電流を出力する。制御回路１４は、電池パック２０の充電中、電池電圧及び電池電流を検出し、検出された電池電圧及び電池温度に基づいて、充電電圧及び充電電流を調整して電池パック２０の充電を制御する。より詳しくは、制御回路１４は、電池パック２０の電池電圧に応じて、急速充電と補充電とを切り替える。従って、充電器１０は、急速充電を行うときは急速充電電流を電池パック２０に流し、補充電を行うときは補充電電流を電池パック２０に流す。なお、本実施形態では、充電電圧は、充電器１０の正極端子１１と負極端子１２との間の電圧であり、電池パック２０の電池電圧に等しい。

表示部１５は、ＬＥＤからなり、電池パック２０の電池容量を増やす急速充電を行っている場合は「充電中」として点灯し、急速充電が終了すると「充電終了」を示すために消灯する。

電池パック２０は、蓄電池２１と、蓄電池２１を流れる電池電流を検出する電流検出部２２と、電池温度を検出するサーミスタ２３と、蓄電池２１の充放電を制御する制御回路２４と、電池パック２０の充放電を表示する表示部２５とを備える。電池パック２０は、放電時には定格電圧Ｖ０の電力を出力する。

蓄電池２１は、ニッケル水素などの二次電池セルの複数が直列に接続されている。蓄電池２１は、正極側が充電用正極端子２６に接続され、負極側が充電用負極端子２７に接続されている。さらに、蓄電池２１は、正極側がスイッチＳを介して放電用正極端子２９に接続され、負極側が放電用負極端子３０に接続される。放電用正極端子２９及び放電用負極端子３０には、電池パック２０が給電する負荷装置が接続される。蓄電池２１は二次電池の一例である。

電流検出部２２は、抵抗器からなり、蓄電池２１の負極側と充電用負極端子２７との間に接続されている。電流検出部２２は電流計測手段の一例である。サーミスタ２３は、蓄電池２１の温度を検出し、その出力は、制御回路２４に出力されると共に、電池温度端子３１を介して充電器１０にも出力される。

制御回路２４は、マイコンからなり、充電用正極端子２６と充電用負極端子２７との間に接続された電源ＩＣ２８を介して給電される。制御回路２４は、電池電圧を検出し、サーミスタ２３から電池温度が入力され、電流検出部２２から電池電流が入力される。制御回路２４は、電池電圧及び電池電流に基づいて蓄電池２１の充電状態を判断する。また、制御回路２４は、放電用正極端子２９及び放電用負極端子３０に負荷装置が接続されると、スイッチＳを閉じて負荷装置に給電する。

表示部２５は、５個のＬＥＤからなり、制御回路２４に接続され、制御回路２４からの信号に基づいて、蓄電池２１の充電状態を表示する。表示部２５は、充電器１０によって電池パック２０の電池容量を増やす急速充電が行われている場合は「充電中」として赤色のＬＥＤを点灯し、急速充電の終了後は「充電終了」となって、蓄電池２１の実際の電池容量に応じて他の色のＬＥＤを点灯する。

次に、充電器１０による電池パック２０の充電を図２および図３を参照しながら説明する。

充電器１０に電池パック２０が接続されると（ステップＳ１１、ステップＳ２１）、時刻Ｔ０で、充電器１０は、正極端子１１及び負極端子１２間の電圧の低下、または、電池温度端子１３での電圧低下により、電池パック２０の接続を検出する。

正極端子１１及び負極端子１２間の電圧は、電池パック２０の電池電圧に等しいことから、充電器１０の制御回路１４は、電池パック２０は電池容量を増加させる急速充電が必要であると判定し、例えば１．６５Ａの急速充電電流を出力して電池パック２０の急速充電を開始し（ステップＳ１２）、電池パック２０の電池電圧を間欠的に、または連続して検出する（ステップＳ１３）。充電器１０の急速充電開始により、表示部１５は、「充電中」を表示するためにＬＥＤが点灯する。充電器１０が電池パック２０の急速充電を開始すると、蓄電池２１の電池電圧は徐々に上昇する。

このとき、電池パック２０では、蓄電池２１への充電が開始される。電流検出部２２は充電電流を検出し、制御回路２４は、検出された充電電流を充電電流値として読み込む（ステップＳ２２）。制御回路２４は、充電電流値から充電電流は急速充電電流であり、充電は急速充電であることを認識する（ステップＳ２３）。従って、制御回路２４は、表示部２５のＬＥＤのうち、電池パック２０が「充電中」であることを示す赤色ＬＥＤを点灯させ、充電電流の監視を開始する（ステップＳ２４）。

充電器１０は、電池パック２０の急速充電を継続する。充電器１０は、上昇傾向にある電池パック２０の電池電圧が、時刻Ｔ１でピーク値に達し、その後降下に転じて時刻Ｔ２でピーク値からの電圧降下（−ΔＶ）を検出したときに、電池パック２０の満充電を検出し（ステップＳ１４）、急速充電を終了する。同時に、充電器１０は、電池パック２０の充電を、時刻Ｔ２以降、満充電を維持するための補充電に切替える（ステップＳ１５）。補充電では、充電器１０は、０．０７Ａの補充電電流を電池パック２０に流し、表示部１５のＬＥＤを消灯する（ステップＳ１６）。

一方、電池パック２０では、制御回路２４は、時刻Ｔ２にて、電流検出部２２からの出力により充電電流量の所定割合を上回る減少を検知し、充電電流が、急速充電電流から補充電電流に切り替わったことを検出する（ステップＳ２５）。これにより、電池パック２０の制御回路２４は、充電器１０の制御回路１４が電池パック２０が満充電されたと判断していることを認識する（ステップＳ２６）。

このように、電池パック２０は、充電電流の所定割合を上回る減少により、充電器１０が電池パック２０自身の満充電を検出していることを認識できるので（ステップＳ２６）、充電器１０の補充電への切替えに伴い、表示部２５の「充電中」の表示を終了する（ステップＳ２７）。そして、電池パック２０は、電池容量を算出して表示する。すなわち、単位時間当たりの充電電流の所定割合以上の減少を利用して、充電器１０による満充電の判断を、電池パック２０の制御回路２４に伝達して、両者の充電完了の表示をそろえることができる。充電器１０の表示部１５における「充電中」から「充電終了」への表示の切り替えタイミングと、電池パック２０の表示部２５における「充電中」から「充電終了」への表示の切り替えタイミングとを、通信手段を介さずに一致させることができる。

従って、上記実施形態では、充電器１０と電池パック２０との間の通信手段を不要にできる。これにより、充電器１０及び電池パック２０のいずれにおいても端子数を減らすことができ、充電器１０及び電池パック２０のそれぞれを簡単に構成することができる。より詳しくは、充電器の端子の個数を従来の４端子、すなわち、２つの充電用出力端子、電池温度端子及び通信端子の４つから、３端子、すなわち、２つの充電用出力端子及び電池温度端子の３つに減らすことができる。

次に、充電器１０による電池パック２０の充電の変形例を、図４を参照して説明する。

本実施の形態において、充電器１０及び電池パック２０の構成は、上記実施の形態と同じである。充電器１０による電池パック２０の充電を図４を参照しながら説明する。

充電器１０に電池パック２０を接続すると、時刻Ｔ０で、充電器１０は、正極端子１１及び負極端子１２間の電圧の低下、または、電池温度端子１３での電圧低下により、電池パック２０の接続を検出する。

充電器１０の制御回路１４は、電池パック２０の電池電圧から、電池パック２０は電池容量を増加させる急速充電が必要であると判定し、連続するパルス電流からなる急速充電電流を出力して電池パック２０の充電を開始する。急速充電電流は、１サイクル５００ｍｓ、デューティ比９０％、最大値１．８３Ａのパルス電流であり、平均電流は１．６５Ａである。充電器１０の充電開始により、表示部１５は、「充電中」を表示するためにＬＥＤが点灯する。充電器１０が急速充電を開始すると、蓄電池２１の電池電圧は徐々に上昇する。

このとき、電池パック２０では、蓄電池２１への充電が開始される。電流検出部２２は充電電流を検出し、制御回路２４は、検出された充電電流を充電電流値として読み込む。制御回路２４は、充電電流値から充電電流は急速充電電流であり、充電は急速充電であることを認識する。従って、制御回路２４は、表示部２５のＬＥＤのうち、電池パック２０が「充電中」であることを示す赤色ＬＥＤを点灯させる。そして、制御回路２４は、充電電流の監視を開始する。

充電器１０は、電池パック２０の急速充電を継続する。そして、充電器１０は、上昇傾向にある電池パック２０の電池電圧が、時刻Ｔ１でピーク値に達し、その後降下に転じて時刻Ｔ２でピーク値からの電圧降下（−ΔＶ）を検出したときに、電池パック２０の満充電を検出し、急速充電を終了する。同時に、充電器１０は、電池パック２０の充電を、時刻Ｔ２以降、満充電を維持するための補充電に切替え、補充電電流を電池パック２０に流す。補充電では、補充電電流は、１サイクル５００ｍｓ、デューティ比４％、最大値１．８３Ａのパルス電流であり、平均電流は０．０７Ａである。補充電電流と急速充電電流との比率は約４．４％である。そして、充電器１０は表示部１５のＬＥＤを消灯する。

このとき、電池パック２０では、制御回路２４は、時刻Ｔ２にて、電流検出部２２からの出力により充電電流量の所定割合、例えば９５％以上の減少率を上回る減少を検知し、充電電流が、急速充電電流から補充電電流に切り替わったことを検出する。これにより、電池パック２０の制御回路２４は、充電器１０の制御回路１４が電池パック２０が満充電されたと判断していることを認識する。

上記実施形態では、充電器１０から流れる充電電流量の減少を電池パック２０が検出することにより、充電器１０が電池パック２０の満充電を判断したことを電池パック２０の制御回路２４が認識できる。充電電流量の減少は、単位時間当たりの電流量の減少の他に、パルス電流のパルスデューティ比の変化からも検出することができる。

上記実施形態では、前述の実施形態と同様に、充電器１０の表示部１５における「充電中」から「充電終了」への表示の切り替えタイミングと、電池パック２０の表示部２５における「充電中」から「充電終了」への表示の切り替えタイミングとを、通信手段を介さずに一致させることができる。従って、充電器１０と電池パック２０との間の通信手段を不要にできる。これにより、充電器１０及び電池パック２０のいずれにおいても端子数を減らすことができ、充電器１０及び電池パック２０のそれぞれを簡単に構成することができる。

なお、上記実施の形態では、充電器と電池パックとの「充電中」から「充電終了」への表示切替のタイミングを、電池パックの満充電を検出したときの急速充電から補充電への充電電流量の減少の検出を利用した。しかしながら、充電器が補充電を行わないタイプの場合は、充電電流の供給停止を利用して、充電器と電池パックとの「充電中」から「充電終了」への表示切替のタイミングを同時にすることができる。

また、急速充電電流に対する補充電電流の割合は、充電器１０が充電する電池パック２０の種類に応じて、適宜変更することができる。

１ 充電システム
１０ 充電器
２０ 電池パック
２１ 蓄電池
２２ 電流検出部
２４ 制御回路

Claims (7)

1. 二次電池と、
   前記二次電池を充電する充電電流を計測する電流計測手段と、
   前記電流計測手段の出力が入力される制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記充電電流の単位時間における減少率が所定値を超えたときに、前記二次電池が満充電されたと判断する、ことを特徴とする電池パック。
2. 前記充電電流は、前記二次電池の電池容量を増やすための急速充電電流と、前記二次電池の満充電を維持するための補充電電流とを含み、
   前記充電電流の単位時間における減少率は、前記充電電流が前記急速充電電流から前記補充電電流に切替えられたときの前記充電電流の変化率に相当する、請求項１記載の電池パック。
3. 前記急速充電電流は、第１デューティ比のパルス電流からなり、
   前記補充電電流は、前記第１デューティ比よりも短い第２デューティ比のパルス電流からなり、
   前記充電電流のデューティ比が、第１のデューティ比から第２のデューティ比に切り替わったときに、前記制御回路は、前記電池パックが満充電されたと判断する、請求項２記載の電池パック。
4. 前記二次電池の充電状態を表示する表示手段をさらに備え、
   前記二次電池が満充電されたと判断されたときに、前記制御回路は、前記二次電池の満充電状態を前記表示手段に表示させる、請求項１から３のいずれか一に記載の電池パック。
5. 充電器と、前記充電器によって充電され、二次電池、前記二次電池を充電する充電電流を計測する電流計測手段、及び前記電流計測手段の出力が入力される制御回路を備える電池パックと、を有する充電システムにおいて、
   前記充電器は、前記電池パックの電池容量を増やすための急速充電電流と、前記電池パックの満充電を維持するための補充電電流とを、選択的に前記電池パックに供給し、
   前記充電電流が、前記急速充電電流から前記補充電電流に切り替わったときに、前記電池パックの前記制御回路は、前記二次電池が満充電されたと判断する、ことを特徴とする充電システム。
6. 二次電池と、前記二次電池を充電する充電電流を計測する電流計測手段と、前記電流計測手段の出力が入力される制御回路とを備える電池パックを充電する方法であって、
   前記制御回路は、前記充電電流の単位時間における減少率が所定値を超えたときに、前記二次電池が満充電されたと判断する、ことを特徴とする方法。
7. 前記電池パックは、前記二次電池の充電状態を表示する表示手段をさらに備え、前記二次電池が満充電されたと判断されたときに、前記制御回路は、前記二次電池の満充電状態を前記表示手段に表示させる、請求項６に記載の方法。

Images