JP3428014B2 - バッテリーパック - Google Patents

バッテリーパック

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JP3428014B2
JP3428014B2 JP50983494A JP50983494A JP3428014B2 JP 3428014 B2 JP3428014 B2 JP 3428014B2 JP 50983494 A JP50983494 A JP 50983494A JP 50983494 A JP50983494 A JP 50983494A JP 3428014 B2 JP3428014 B2 JP 3428014B2
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charging
battery pack
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battery
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民次 永井
賢 平塚
茂樹 村山
安仁 江口
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Original Assignee
Sony Corp
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    • H02J7/0068—Battery or charger load switching, e.g. concurrent charging and load supply
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、携帯用電話機、パーソナルコンピュータ
ー、又はビデオカメラ等の電源として使用されるバッテ
リーパックに関するものである。
背景技術 従来より、リチウムイオン電池、NiCd電池、ニッケル
水素電池等の２次電池で構成されたバッテリーパックは
周知である。この周知のバッテリーパックには保護回路
が必要であり、該保護回路はバッテリーパック内の所定
位置に配説されていた。そして、充電の制御回路はACア
ダプターに代表される充電器側又はバッテリーパックを
使用するパーソナルコンピューター（パソコン）等の外
部機器側に別途設けられ、過放電状態の検出時には適宜
放電をストップさせていた。
しかしながら、バッテリーパックの端子電圧だけでは
各セルの電圧検出ができず、正確に残容量が測定できな
い上、どれか１つのセルが設定された過放電電圧に到達
すると、端子電圧に関係なく放電を停止する。
これは、パーソナルコンピューター（パソコン）等の
ような放電停止以前にデータ保存のための仕事が必要と
される機器には、甚だ不都合である。
また、上記制御回路はバッテリーパックの２次電池の
特性に適合するように独自に設計しなければならず、該
制御回路をバッテリーパック外部に設ける場合には、充
電器と２次電池セルとの互換性の問題があり、安全性、
コストの面で不利である。従って、バッテリーパックに
設けてある２次電池セルの特性に適合した制御ができ、
しかもバッテリーパックを利用する外部機器側の負担を
できる限り減少させ、小型コンパクト化することが必要
とされている。
さらに、外部機器が接続された電源回路からの電力を
用いて充電を行う場合に、外部機器がオン状態とオフ状
態とで充電動作を切り換える必要がある。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであ
り、バッテリーパック側で充放電制御が行え、セルの特
性に適合し、外部機器の状態に応じた適切な充放電制御
が行えるようなバッテリーパックの提供を目的とする。
発明の開示 本発明に係るバッテリーパックは、電源回路及びこの
電源回路に接続される外部機器に接続されるバッテリー
パックにおいて、上記外部機器のオン／オフ状態を検出
し、オン状態では上記電源回路からの全供給電力から上
記外部機器の最大消費電力を差し引いた残りの電力を用
いて充電し、オフ状態では上記電源回路からの供給電力
を用いて充電する制御手段を有することを特徴としてい
る。
これによって、外部機器への電力供給に悪影響を与え
ることなくバッテリーパックの充電が適切に行える。
ここで、上記外部機器のオン状態では、上記電源回路
からの電流をスイッチング制御することにより得られる
低電流にて充電を行ってり、上記電源回路からの電流を
一定の低電流値に制御する定電流制御を行って充電を行
うことが好ましい。
また、上記充電が終了した状態での各セル間の電圧差
を検出し、この電圧差が所定の閾値以上のとき最高電圧
のセルを放電させて各セル間の電圧のバランスをとるこ
とにより、いわゆるセルバランスを保って、ばらつきを
抑えることができる。
さらに、上記充電が終了した後に放電用スイッチをオ
ン状態に制御したり、上記電源回路の電圧状態を検出し
てこの電源状態検出に応じて放電用スイッチをオン／オ
フ制御することにより、外部機器がオン動作中に電源回
路がオフしても、瞬時にバッテリーパックから放電電流
を外部機器に供給することができる。
またさらに、バッテリー装着時に電圧が印加されるバ
ッテリーイン端子を設け、このバッテリーイン端子の電
圧に応じて内部回路の動作／非動作を切換制御すること
により、バッテリーパックの電源端子間を短絡した場合
や他の充電器を使用する場合の保護を有効に行える。
図面の簡単な説明 図１は、本発明に係るバッテリーパックの一実施例の
概略構造を示す一部切欠平面図である。
図２は、本発明に係るバッテリーパックの一実施例の
回路構成及びその周辺回路を概略的に示すブロック回路
図である。
図３は、該実施例の充放電制御動作の全体を概略的に
説明するためのフローチャートである。
図４は、該実施例の充放電制御動作の内のバックグラ
ウンド充電モードを説明するためのフローチャートであ
る。
図５は、該バックグラウンド充電モードにおける電流
及び電圧の時間経過に伴う変化を示す図である。
図６は、該実施例の充放電制御動作の内の急速充電モ
ードを説明するためのフローチャートである。
図７は、該急速充電モードにおける電流及び電圧の時
間経過に伴う変化を示す図である。
図８は、本発明に係るバッテリーパックの他の実施例
の回路構成及びその周辺回路を示すブロック回路図であ
る。
発明を実施するための最良形態 以下、本発明に係るバッテリーパックの実施例につい
て図面を参照しながら説明する。
本発明におけるバッテリーパック１は、図１に示すよ
うに、収納ケース２内に設けた制御・保護回路３と、バ
ッテリー本体４とから構成されている。制御・保護回路
３は、充放電制御機能、通信機能及び保護回路を組み入
れた回路であって、収納ケース２内の適宜位置に配説さ
れている。
バッテリー本体４は、例えば６本のセル５を接続して
構成されている。この６本のセル５は、３本を並列に接
続して１組とし、該組を２組直列に接続した構成になっ
ており、3P2Sと称される。
そして、外部の充電器及び外部機器と接続するマイナ
ス端子６と、プラス端子７と、外部接続端子８とを、収
納ケース２の外部と接続できる適宜位置に設けた構造に
なっている。
このバッテリー本体４のセル５の数は、６本に限定さ
れるものではなく、適宜増減することができ、且つセル
５の接続状態も適宜変更することができるものである。
次に、制御・保護回路３とバッテリー本体４とを備え
たバッテリーパック１は、図２に示すように、外部機器
９及びAC/DCコンバータ等の電源回路10のマイナス側に
マイナス端子６を、プラス側にプラス端子７を接続し、
外部機器９には外部制御端子８が接続され、バッテリー
本体４の充電動作及び放電動作をする構造となってい
る。
制御・保護回路３は、マイクロコンピュータ（マイコ
ン）11と、アナログ回路12と、抵抗R3、R4と、ダイオー
ドD1、D2、D3と、スイッチS1、S2、S3、S4と、オペアン
プOP1とから構成されている。
この制御・保護回路３と、バッテリー本体４との接続
状態について以下説明する。
すなわち、外部機器９と充電器10とのプラス側と接続
するプラス端子７は、抵抗R1の一端と、制御・保護回路
３の一端と、ダイオードD1のカソード側と、バッテリー
本体４のプラス端子とに接続されている。
ここで、抵抗R1の他端は、抵抗R2の一端と、アナログ
回路12の端子とに接続されている。
抵抗R2の他端は、フューズF1を介してマイナス端子６
に接続されている。
抵抗R3の一端は、ダイオードD1のアノード側及びアナ
ログ回路12の入力端子に接続され、その他端はフューズ
F1を介してマイナス端子６に接続されている。
抵抗R4の一端は、スイッチS1と、ダイオードD3のカソ
ード側のコイルL1の他端と、オペアンプOP1の一方の入
力端子に接続され、その他端はオペアンプOP1の他方の
入力端子と、バッテリー本体４のマイナス側端子とに接
続されている。
ダイオードD1は、ツェナーダイオードであって、その
アノード側は抵抗R3の一端と、アナログ回路12の入力端
子とに接続され、そのカソード側はプラス端子７に接続
されている。
ダイオードD2のアノード側は、スイッチS1の一方の端
子と、スイッチS2の他方の端子と、スイッチS4の一方の
端子と、ダイオードD3のアノード側に接続され、そのカ
ソード側はフューズF1を介してマイナス端子６に接続さ
れている。
ダイオードD3のアノード側は、スイッチS1の一方の端
子と、スイッチS2の他方の端子と、スイッチS4の一方の
端子と、ダイオードd2のアノード側とに接続され、その
カソード側には、スイッチS1の他方の端子と、コイルL1
の他方の端子と、オペアンプOP1の一方の入力端子と、
抵抗R4の一方の端子に接続されている。
ダイオードD4のアノード側は、コイルL1の一方の端子
と、スイッチS4の他方の端子とに接続され、そのカソー
ド側はプラス端子７に接続されている。
スイッチS1は、バッテリー本体４の充電動作のときに
オンするスイッチであって、スイッチS1の一方の端子
は、ダイオードD3のアノード側と、スイッチS4の一方の
端子と、ダイオードD2のアノード側と、スイッチS2の他
方の端子とに接続され、その他方の端子は、ダイオード
D3のカソード側と、コイルL1の他方の端子と、オペアン
プOP1の一方の入力端子と、抵抗R4の一方の端子とに接
続され、その制御端子はマイクロコンピュータ（マイコ
ンあるいはCPU）11の出力端子に接続されている。
スイッチS2は、バッテリー本体４の放電動作のときに
オンするスイッチであって、その一方の端子はフューズ
F1を介してマイナス端子６と、ダイオードD2のカソード
側に接続され、その他方の端子は、ダイオードD2のアノ
ード側と、スイッチS4の一方の端子と、ダイオードD3の
アノード側と、スイッチS1の一方の端子とに接続され、
その制御端子はマイクロコンピュータ（マイコン、CP
U）11の出力端子に接続されている。
スイッチS3は、マイクロコンピュータ（マイコン、CP
U）11及びアナログ回路12からの指令に基づいてオン／
オフするスイッチであって、その一方の端子はプラス端
子７に接続され、その他方の端子はマイコン（CPU）11
の入力端子に接続されており、その制御端子はアナログ
回路12の出力端子及びマイコン（CPU）11の出力端子に
接続されている。
スイッチS4は、マイコン11及びアナログ回路12からの
指令に基づいてオン／オフするスイッチであって、その
一方の端子は、スイッチS2の他方の端子と、ダイオード
D2のアノード側と、ダイオードD3のアノード側と、スイ
ッチS1の一方の端子とに接続され、その他方の端子はダ
イオードD4のアノード側と、コイルL1の一方の端子とに
接続され、その制御端子はマイコン11の出力端子とアナ
ログ回路12の出力端子とに接続されている。
オペアンプOP1は、過電流を検出すると同時に方向性
（充電か放電か）を検出するものであり、オペアンプOP
1の一方の入力端子は、スイッチS1ほ他方の端子と、ダ
イオードD3のカソード側と、コイルL1の他方の端子と、
バッテリー本体４のマイナス側とに接続されている。
フューズF1は、マイコン11からの信号に基づいてオン
／オフするフューズであって、その一方の端子はマイナ
ス端子６に接続され、その他方の端子は、抵抗R2の他方
の端子と、抵抗R3の他方の端子と、ダイオードD2のカソ
ード側と、スイッチS2の一方の端子とに接続されてい
る。そして、その制御端子はマイコン11の出力端子に接
続されている。
マイコン11は、バッテリー本体４の充放電及びアナロ
グ回路12を含む保護回路を制御するものであり、複数の
入力端子を備えている。すなわち、スイッチS1〜S4を制
御する端子と、アナログ回路12からの情報を得る端子
と、スイッチS3の他方の端子に接続された端子と、フュ
ーズF1を制御する端子と、外部機器９を制御する外部制
御端子８とを備えた構造である。
アナログ回路12は、バッテリー本体４の制御及び短絡
等の状態に対処する回路群から構成されており、バッテ
リー本体４からの信号を入力する入力端子と、オペアン
プOP1からの信号を入力する端子と、スイッチS3及びス
イッチS4を制御する端子と、マイコン11に情報を送出す
る端子と、異常入出力電圧を検出する端子とから構成さ
れている。
このように構成された制御・保護回路３は、先ずオペ
アンプOP1と抵抗R4とで構成された定電流電圧を検出す
る保護回路が、本来ならば電源回路10や充電器の内部に
設け、かつバッテリーパック１側にも設ける必要があっ
たが、上記構成にすることによって、電源回路10や充電
器等の同一部分をまとめてバッテリーパック１内に１個
だけ設ければよいことになる。
また、保護回路として、ダイオードD1と抵抗R3とから
構成されている入力電圧の異常を検出するものがある。
これは、電源回路10の電圧が異常になった場合や、その
他の電源からの充電を防止する役割を持つ。
さらに、アナログ回路12は、バッテリー本体４の各セ
ル５の状態を監視する。すなわち、各セル５の電圧状態
及び充放電電流状態を検出し、該状態を適宜マイコン11
に送信している。
例えば、バッテリー本体４の充放電動作が完了した場
合は、スイッチS2をオフさせるようにマイコン11に信号
を送信したり、充電動作中及び放電動作中にバッテリー
本体４に異常が生じた場合（例えば、過充電状態又は過
放電状態）は、スイッチS1又はスイッチS2を制御して充
電動作及び放電動作を停止する信号を送信する。
また、AC/DCコンバータ等の電源回路10がバッテリー
パック１へ充電する際に、大幅にずれた値の充電電圧に
よる充電動作であった場合は、抵抗R1R及び抵抗R2で構
成された保護回路からの分電圧値を検出して、直ちに充
電動作をストップさせる信号をマイコン11に送信し、該
信号に基づいてマイコン11はフューズF1を遮断する等の
制御をして、バッテリー本体４の破損を未然に防止でき
るのである。
このように、本来電源回路10に備えるべき種々の保護
回路を、バッテリーパック１内に設けると共に、種々の
制御をする制御回路を組み込むことによって、バッテリ
ーパック１だけでセル５の保護や充放電の制御等を図る
ことができる。
次に、制御・保護回路３の動作は、マイコン11内に格
納されている予め定められたフローチャートによって制
御される。
ここで、図３〜図７を参照しながら、いわゆる3P−2S
（３並列２直列）のバッテリーパックの場合の各種動作
の具体例について説明する。
先ず、図３において、ステップS10でバッテリーパッ
ク装着が行われると、ステップS11でアナログ回路12に
より電圧チェックが行われる。具体的には、抵抗R1及び
抵抗R2で構成された分圧回路からの分電圧値をアナログ
回路12で検出して、正常な電圧範囲に入っているか否か
をチェックしている。正常な電圧であれば、ステップS1
2に進み、バッテリーパック１内のマイコン（CPU）11を
動作開始させる。
次のステップS13では、電源回路10の電源（AC）の状
態、及び外部機器９の一具体例としてのパーソナルコン
ピュータ（PC）の状態、すなわちAC・PCステータスを検
出し、これらのAC状態、PC状態に応じて各種モードに枝
別れしている。
すなわち、AC（電源）オフ・PC（外部機器）オフの状
態S14と判別されたときには、ステップS15に進んで、パ
ワーダウンか否かを判別し、YES（パワーダウン）のと
きには終了し、NOのときにはウェイト（待機）モードS2
0に進んでいる。またステップS13において、AC（電源）
オフ・PC（外部機器）オンの状態S16と判別されたとき
には放電（ディスチャージ）モードS30に進み、ACオン
・PCオンの状態S17と判別されたときにはバックグラウ
ンド充電モードS40に進み、ACオン・PCオフの状態S18と
判別されたときには急速充電（クイックチャージ）モー
ドS50に進んでいる。
これらの各種モードの内、放電（ディスチャージ）モ
ードS30は、パーソナルコンピュータ等の外部機器９を
バッテリー駆動するモードである。このモードでは、ス
テップS31において、上記スイッチS1、S2を共にオン
し、バッテリー本体４内のセル（実際には並列接続され
たセル群）５の電圧を検出する。これは、各セル５が放
電され電圧低下するため、その電圧をチェックし、次の
ステップS32にてそれぞれのセル５の電圧値が、いわゆ
る過放電状態となる所定の閾値、例えば2.75V、より低
くなっているか否かを検査するためである。
もし、それぞれのセル５の電圧状態が上記閾値（2.75
V）より低くなれば、次のステップS33に進んで過放電状
態であることの警告を出し、外部機器９に動作停止する
ことを促す。さらに次のステップS34で、再充電ができ
なくなる電圧、例えば2.50Vより低くなるか否かを判別
する。この電圧に達するまでは上記過放電状態の警告を
出しながらも放電を持続し、例えばパーソナルコンピュ
ータにおけるデータ保護のための処理等を可能にしてい
る。
ステップS34で上記電圧（2.50V）より低いと判別され
たときには、ステップS35に進み、強制的にバッテリー
パック１をパワーダウンとし、上記スイッチS1、S2を共
にオフして、外部機器９への電源供給を停止する。
次に、上記各種モードの内、ウェイトモードS20にお
ける動作は、上記放電モードS30と同様である。ただ
し、外部機器９がオフ状態にあるため、放電電流は極め
て少ない。このウェイトモードS20内の動作ステップのS
21、S22、S23、S24及びS25は、上述した放電モードS30
内の各動作ステップS31、S32、S33、S34及びS35とそれ
ぞれ対応するため、説明を省略する。
次に、上記AC（電源）オン・PC（外部機器）オンの状
態S17と判別されたときのバックグラウンド充電モードS
40について、図４のフローチャート及び図５の充電遷移
図あるいは充電工程図（チャージプロセスダイアグラ
ム）を参照しながら説明する。
このバックグラウンド充電モードは、外部機器９がオ
ンされて、電源回路10から外部機器９に電源供給がなさ
れている間に、バッテリーパック１のバッテリー本体４
に充電を行うモードであり、電源回路10から外部機器９
に供給する残りの小電流（バックグラウンド電流）を使
用して充電動作を行うものである。
このバックグラウンド充電モードS40において、第１
段階の期間（Period）PAは、ステップS41に示す低電流
充電（ローカレントチャージ）を行っている。この低電
流充電は、例えばマイコン（CPU）11でスイッチS4を所
定周波数でスイッチング制御することにより、所定の小
電流（バックグラウンド電流）をバッテリー本体４に流
して充電を行うものである。この小電流（バックグラウ
ンド電流）は、電源回路10の最大供給電流の内から外部
機器９の最大消費電流を差し引いた残りの電流であり、
通常の充電電流の1/5〜1/10、例えば1/8、本実施例では
0.5A程度としている。この小電流値を越えない範囲で充
電を行えば、外部機器９での消費電流が最大となっても
不具合が生じない。
ここで、上記スイッチング周波数は、例えば20KHz程
度とすればよいが、より好ましくは、いわゆるDCチョッ
パ構成を用いて、充電電流を上記小電流値（0.5A）で安
定化させるようにスイッチング周波数やパルス幅を制御
することが挙げられる。
この低電流充電は、ステップS42にてセル電圧が所定
の電圧閾値TV1を超えたと判別されるまで持続される。
この閾値TV1は、例えば3.5V〜4.0V程度に設定されてい
る。
ステップS42でセル電圧が上記閾値TV1を超えたと判別
されると、第２段階の期間PCに移行して、ステップS43
の定電圧充電（コンスタントボルテージチャージ）が行
われる。この定電圧充電は、上記スイッチS4をオン状態
にして、一定電圧、例えば8.2V程度からフルチャージ電
圧8.4V±0.2Vまでの略々一定電圧の下で充電が行われ
る。このときの充電電流は、上記小電流（バックグラウ
ンド電流）を超えないようになっている。これは、上記
期間PAから期間PCへの移行の条件（例えばセル電圧の閾
値TV1等）を、スイッチS4を常時オン状態としても充電
電流が上記小電流以下に抑えられるように予め設定して
おけばよい。
このようにして定電圧充電を行い、ステップS44で充
電電流Ｉが所定の電流値、例えば150mAより小さいと判
別されたとき、ステップS45aに進んで例えば30分タイマ
ーをスタートさせ、ステップS45bで30分経過したか否か
を判別し、30分経過した後、次のステップS46に進む。
この30分の充電はいわゆる押し込み充電と称されるもの
であり、充電電流が150mAより小さくなってもさらに充
電を30分程度持続した後、カットオフするようにしてい
る。
次のステップS46では、上記スイッチS4をオフし、バ
ッテリー本体４内の各セル電圧をチェックし、ステップ
S47に進む。ステップS47では、各セル電圧の間の電圧差
（電圧のばらつき）が0.2V以上あるか否かを判別し、NO
のときにはステップS48に進み、YESのときにはステップ
S49に進む。
ステップS48では、所定時間、例えば12時間だけ待っ
た後、このバックグラウンド充電モードの最初のステッ
プであるステップS41に戻っている。この時間待ち状態
の間が期間PDに対応しており、ステップ41に戻って充電
動作を行っている間がサプリメンタリー（補充）充電期
間PEに対応している。このサプリメンタリー充電とは、
自然放電された分を補充する充電動作である。このよう
に、12時間毎に充電動作を自動的に繰り返すことによ
り、常に最良の充電電圧状態を維持している。
ステップS49では、各セル電圧の間の電圧差が0.2V以
上あることから、最も高い電圧のセルを放電し、同一電
圧となったら、再び上記ステップS41に戻って充電動作
を再開する。このようにして、バッテリー本体４内の各
セル間の電圧バランス（セルバランス）を適正に維持し
ながら満充電とする機能を実現している。
次に、AC（電源）オン・PC（外部機器）オフの状態S1
8と判別されたときの急速充電（クイックチャージ）モ
ードS50について、図６のフローチャート及び図７の充
電遷移図（充電工程図）を参照しながら説明する。
この急速充電モードは、外部機器９がオフされて、電
源回路10から電流が外部機器９に供給がなされていない
間に、バッテリーパック１のバッテリー本体４を充電す
るモードである。
この急速充電モードS50において、第１段階の期間（P
eriod）PAは、ステップS51に示す低電流充電（ローカレ
ントチャージ）を行っている。この低電流充電は、上述
したバックグラウンド充電モードS40のステップS41にお
ける動作と同様であり、例えばマイコン（CPU）11でス
イッチS4を所定周波数でスイッチング制御することによ
り、所定の小電流をバッテリー本体４に流して充電を行
うものである。この小電流は、通常の充電電流の例えば
1/8、本実施例では0.5A程度としており、上記スイッチ
ング周波数は、例えば20KHz程度としている。
この急速充電モードS50のステップS51における低電流
充電（ローカレントチャージ）動作は、バッテリー本体
４の状態、例えばショート、又はオープン等の異常を検
査するものである。このバッテリー本体４の充電状態の
検査は、バッテリー本体４を構成するセル（実際には並
列接続されたセル群）毎に行われ、具体的には、所定時
間（例えば１時間）だけ低電流充電を行う間に、それぞ
れのセル５がフル充電電圧（例えば4.2V）よりも低い所
定電圧（例えば3.0V）程度に達するか否かを判別してい
る。
具体的には、ステップS52で１時間タイマーをスター
トさせ、次のステップS53で各セル電圧が3.0Vよりも大
きいか否かを判別し、NOと判別されたときにはステップ
S54に進んで、１時間経過したか否かを判別している。
ステップS54でNOと判別されたときには、ステップS53に
戻り、YESと判別されたときには、ステップS55に進んで
バッテリー不良であることの警告を出す。このステップ
S55に進むのは、低電流で１時間充電しても上記3.0Vに
到達しないセルが１つでも存在する場合であり、上記バ
ッテリー不良の警告を出した後、必要に応じてこの急速
充電モードを終了する。
ステップS43でYES（各セル電圧が3.0Vよりも大きい）
と判別されたときには、ステップS56に進み、急速充電
モードS50の第２段階として期間PBでの定電流充電（コ
ンスタントカレントチャージ）を行っている。この定電
流充電においては、上記スイッチS1、S2をオンして、バ
ッテリー本体４の各セル（各並列セル群）に対して、所
定電流、例えば約4Aで充電を行っている。このとき、バ
ッテリー本体４の充電電圧は急速に上昇してゆき、フル
充電電圧に近い電圧、例えば約8.2Vになると、次の第３
段階の期間PC（ステップS57）に移行して、定電圧充電
が（コンスタントボルテージチャージ）が行われる。こ
の定電圧充電は、一定電圧、例えば8.2V程度からフルチ
ャージ電圧8.4V±0.2Vまでの略々一定電圧の下で充電が
行われる。
このようにして定電圧充電を行い、ステップS58で充
電電流Ｉが所定の電流値、例えば150mAより小さいと判
別されたとき、ステップS59に進んで例えば30分タイマ
ーをスタートさせ、ステップS60で30分経過したか否か
を判別し、30分経過した後、次のステップS61に進む。
この30分の充電はいわゆる押し込み充電と称されるもの
であり、充電電流が150mAより小さくなってもさらに充
電を30分程度持続した後、カットオフするようにしてい
る。
次のステップS61では、上記スイッチS1、S2をオフ
し、バッテリー本体４内の各セル電圧をチェックし、ス
テップS62に進む。ステップS62では、各セル電圧の間の
電圧差（電圧のばらつき）が0.2V以上あるか否かを判別
し、NOのときにはステップS63に進み、YESのときにはス
テップS64に進む。
ステップS63では、所定時間、例えば12時間だけ待っ
た後、この急速充電モードの最初のステップであるステ
ップS51に戻っている。この時間待ち状態の間が期間PD
に対応しており、ステップ51に戻って充電動作を行って
いる間がサプリメンタリー（補充）充電期間PEに対応し
ている。このサプリメンタリー充電とは、自然放電され
た分を補充する充電動作である。このように、12時間毎
に充電動作を自動的に繰り返すことにより、常に最良の
充電電圧状態を維持している。
ステップS64では、各セル電圧の間の電圧差が0.2V以
上あることから、最も高い電圧のセルを放電し、同一電
圧となったら、再び上記ステップS51に戻って充電動作
を再開する。このようにして、バッテリー本体４内の各
セル間の電圧バランス（セルバランス）を適正に維持し
ながら満充電とする機能を実現している。
さらに、上記バックグラウンド充電や急速充電におい
て、充電が終了した待ち状態期間（図５や図７の期間
PD）においては、放電用のスイッチS2をオン状態にして
いる。これによって、電源回路10が突然遮断状態になっ
ても、スイッチS2、ダイオードD3を介して瞬時に（マイ
コン11での判断を待たずに）放電電流を外部機器９に供
給することができ、データ破壊等の電源瞬断による不具
合を未然に防止できる。
以上説明したような充放電動作（上記ウェイトモード
も含める）中には、マイコン11及びアナログ回路12によ
りバッテリー本体４についての充電動作及び放電動作を
常に監視している。この充放電動作中のバッテリーパッ
ク１内の状態や外部機器９からの問い合わせ等は、外部
制御端子８を介してマイコン11と外部機器９との間で通
信されている。この通信機能について以下説明する。
本実施例のバッテリーパック１の外部制御端子８を介
して行う通信は、非同期全二重方式を採用し、送信する
データはエラーチェック機能を具備し、８ビットを単位
としている。スタートビット及びストップビットはそれ
ぞれ１ビットであり、ハンドシェークとしてＸ−ON/X−
OFF機能が働くようになっている。なお、この通信規格
は適宜変更することができるものである。
パーソナルコンピュータ等の外部機器９からバッテリ
ーパック１内のマイコン11に伝送するデータの具体例と
しては、次の表１に示すようなOP（オペレーショナル）
コードが挙げられる。
この表１に示されたOPコードは、１ワード８ビットの
上位、下位の各４ビットをそれぞれ16進数表現にて示し
ており、通信内容には大別して少なくとも４種類があ
り、それぞれ固有情報質問、状態質問、命令、宣言とな
っている。表１には、さらに再質問・確認のOPコードの
例も示している。
上記固有情報質問の分類内には、例えば、バッテリー
パック固有の型番（Model No.）、バージョン（Versio
n）、セル構成（Cell Conf.）、型（Type）、供給者（V
ender）を問うためのOPコードが含まれている。状態質
問の分類内には、例えば、最大容量（Full Capacit
y）、現在の容量（Get Capacity）、充電回数（Get Cyc
le No.）、現在の電圧（Get Voltage）、現在の電流（G
et Current）を問うOPコードや、各セルの電圧（Get Vo
lt.Cell 1等）を問うOPコードが含まれている。命令の
分類内には、例えば、マイコン11のリスタート（Restar
t）や、上記過放電警告時の各種閾値電圧の設定（Set T
hresh 1等）を行うためのOPコードが含まれている。ま
た宣言の分類内には、外部機器９からバッテリーパック
１の状態を設定すための、例えば、同期（Sync）、非同
期（Async）等が含まれている。
この表１では、８ビットで表現可能な256ワードの内
の、上位４ビットが1h〜4h（ｈは16進数表現であること
を示す）の領域についての上記各OPコードの割り当ての
具体例、及び、例えばFEh及びFFhへの再質問（Repeat）
及び確認（Acknowledge）のOPコードのそれぞれ割り当
ての具体例を示している。また、これら以外の領域にも
任意のOPコードを割り当てるようにしてもよい。具体的
には、表１に示したOPコードはユーザーが外部機器９を
介してバッテリーパック１との間で通信するためのOPコ
ードであるが、この他、メーカー側でバッテリーパック
１の調整や試験を行うためのOPコードを、例えば上位４
ビットが8h〜Ahの領域に割り当てるようにしてもよい。
このような外部からバッテリーパック１に伝送される
OPコードに対して、バッテリーパック１内部のマイコン
11からパーソナルコンピュータ等の外部機器９へ伝送さ
れるデータコードの具体例を表２に示す。
この表２において、00h〜EFh（ｈは16進数表現を示
す）の領域は、対応する10進数の値（０〜239）を表す
ものとし、F0h〜FFhのコードには固定的な通信内容を割
り当てている。例えば、F0hにはマイコンスタート時の
挨拶（Good Morning）、F1h、F2h、F3hには低電圧の３
種の閾値にそれぞれ達したことの通知（Low Battery 0,
Low Battery 1,Low Battery 2）、F4hにはバッテリー不
良の通知（Battery Failure）、F5hにはバッテリーエン
ドの通知（End of Battery）をそれぞれ割り当ててお
り、これらは上記外部機器９からの問い合わせタイミン
グに同期して応答するのが原則であるが、外部機器９か
ら上記非同期宣言OPコード（44h）が送られることによ
ってマイコン11の状態が非同期（Async）とされたとき
には、外部機器９からの問い合わせに関わらず（非同期
で）送ることもできるようになっている。また、F6hに
は再送信要求（Resend）、F7hには送信データが無効あ
るいは規格外であることの通知（Illegal）をそれぞれ
割り当てており、さらにFFhには外部機器９からのデー
タを受け取ったことの確認応答（Acknowledge）を割り
当てている。
上記３種類の電圧閾値については、Low Battery 0が
電源オフすると再起動不能となる電圧、Low Battery 1
が外部機器９のメモリー情報をハードディスク等に転送
開始命令する電圧、Low Battery 2が外部機器９のメモ
リー情報をハードディスク等に転送終了指令する電圧に
それぞれ対応している。
次に、パーソナルコンピュータ等の外部機器９とバッ
テリーパック１内のマイコン11との間の通信の具体例に
ついて説明すると、上記外部機器９（ホスト側）からバ
ッテリーパックの型番を質問する（Model No）OPコード
として10hを送ると、バッテリーパック１のマイコン11
から例えば0Ah（＋進数で10）データコードが返され
る。外部機器９（ホスト側）には予め接続可能なバッテ
リーパック型番が登録されており、上記返されたバッテ
リーパック型番が適合するものであるか否かを判断し
て、適合しない場合にはバッテリー不良表示や充放電動
作停止等の動作に移行する。
この他、外部機器９（ホスト側）からバッテリーパッ
ク１に対して質問や設定等を行い、これに応じたバッテ
リーパック１からの応答を判断して各種制御動作等が行
われる。
次に、図８は、本発明に係るバッテリーパックの他の
（第２の）実施例の回路及びその周辺回路を示すブロッ
ク回路図である。
この図８において、アナログ回路Anaは前述した図２
に示す実施例のアナログ回路12に相当し、FET（電界効
果トランジスタ）Fc、Fdは図２のスイッチS1、S2にそれ
ぞれ対応し、トランジスタTrsは図２のスイッチS4に対
応する。この図８における上記図２の各部と対応する部
分には同じ指令符号を付すことで、説明を省略あるいは
簡略化する。
この図８に示す実施例において、バッテリーパック１
の接続端子には、前述した図２の実施例と同様なマイナ
ス端子６、プラス端子７及び外部制御端子８（図８の出
力端子8S1、入力端子8S2）の他に、バッテリーイン（Ba
tt.IN）端子13と、PCステータス（外部機器状態、PC S
TS）入力端子14と、ACステータス（電源状態、AC ST
S）入力端子15とが設けられている。
バッテリーイン（Batt.IN）端子13は、バッテリーパ
ック１を装着したとき、バッテリーパック１内の回路部
への電源供給をバッテリー本体４の電源ラインとは別に
外部接続機器を介して行うようにするものであり、外部
機器９及び電源回路10の各バッテリーイン（Batt.IN）
端子は、それぞれ外部機器９内部及び電源回路10内部に
おいてプラス側電源ラインに接続されている。この構造
によって、例えばバッテリーパック１のマイナス端子
６、プラス端子７に対して、外部からショート（短絡）
させた場合や規格外の電源端子に接続した場合等に、バ
ッテリーパック１内の回路部が動作しないため、悪影響
を及ぼす虞れがない。
外部機器９内には、外部機器本体（具体例としてパー
ソナルコンピュータ）PCと、この外部機器本体PCがオン
されたときオン状態となるトランジスタTPCとが設けら
れている。また、電源回路10内には、AC/DCコンバータA
DCと、このAC/DCコンバータADCがオンされたときにオン
状態となるトランジスタTACとが設けられている。トラ
ンジスタTPCからのPCステータス（外部機器状態）情報P
C STSがバッテリーパック１のPCステータス端子14を介
し、トランジスタTACからのACステータス（電源状態）
情報AC STSがバッテリーパック１のACステータス端子1
5を介して、それぞれCPU（マイコン）11に送られる。
バッテリーパック１内において、バッテリーイン（Ba
tt.IN）端子13にはレギュレータ（電圧安定化回路）Reg
及びアナログ回路Angがそれぞれ接続されて、これらに
電源供給がなされるようになっている。また、このバッ
テリーイン端子13は、抵抗を介し、スイッチ制御回路16
を介して、上記FET Fc、Fdの各ゲートに接続されてい
る。これによって、バッテリーパック装着が行われたと
きに各FET Fc、Fdが共にオンとなり、電源回路10のAC/
DCコンバータADCがオフ状態でも、バッテリー本体４の
マイナス端子電源をバッテリーパック１のマイナス端子
６に供給可能としている。レギュレータRegからの安定
化電圧出力はCPU11に供給されている。アナログ回路Ana
は、バッテリー本体４の各セル毎に電圧を検出してCPU1
1に送っている。
入力端子14からのPCステータス（外部機器状態、PC
STS）及び入力端子15からのACステータス（電源状態、A
C STS）は、CPU11に送られ、CPU11では前述した図３の
フローチャートのステップS13のようなAC・PCステータ
ス検出が行われる。このAC・PCステータスに応じて、前
述したウェイトモード、放電モード、バックグラウンド
充電モード、及び急速充電モードのいずれかのモードの
動作が実行される。
これらのモードを実行している際に、CPU11は、アナ
ログ回路Anaからのセル電圧値、オペアンプOP1からの充
放電電流値、及び必要に応じて設けられた温度検出素子
からの温度等に基づいて計算を行い、現在の実際の電圧
値から所定電流値のときの換算電圧値を求めたり、残容
量や最大容量等のデータを求め、外部機器９からの質問
に応じて必要とされるデータを送出する。ここで、上記
換算電圧値については、例えば大電流が流れているとき
の電圧値は低く表れることから、この電圧値をそのまま
条件判別に用いると誤判断となることを考慮して、予め
定められた一定電流が流れるときの電圧値に換算して用
いるものである。また、現実の検出電圧値は温度によっ
ても変化するから、温度特性を考慮して補正することも
必要とされる。さらに、電流や温度によって残容量や最
大容量等を補正することも考えられる。
バランス回路Balは、上記図４（又は図６）に示すフ
ローチャート中のステップS47、S49（又はステップS6
2、S64）において説明したように、各セル電圧の差が0.
2V以上となったとき、最高電圧セルを放電することによ
り、各セル電圧が等しくなるようにし、各セル間の電圧
バランス（セルバランス）をとるためのものである。こ
れは、アナログ回路Anaで検出された各セル電圧をCPU11
判別し、電圧差が0.2V以上となるとき、バランス回路Ba
lを制御して、セル毎に設けられた放電スイッチの内の
最高電圧セルのスイッチをオンするような処理を行わせ
ればよい。
次に、充放電制御スイッチであるFET Fc、Fdは、ス
イッチ制御回路16によって各ゲート電圧が制御されてオ
ン／オフ制御されるようになっている。すなわち、FET
FcのゲートにはトランジスタTcのコレクタが接続さ
れ、FET FdのゲートにはトランジスタTdのコレクタが
接続されて、これらのトランジスタTc、TdのベースにCP
U11からの制御信号が供給されている。また、トランジ
スタTdのベースにはトランジスタTASのコレクタが接続
され、このトランジスタTASのベースにはACステータス
入力端子15が接続されている。
さらに上述したように、各FET Fc、Fdの各ゲートに
は、バッテリーイン端子13が抵抗を介してそれぞれ接続
され、バッテリーパック１の装着に応じて、すなわちバ
ッテリーイン端子13の電圧印加に応じて、各FET Fc、F
dをオン制御している。
バッテリーパック１を装着している状態では、トラン
ジスタTc、Tdがオフしていれば各FET Fc、Fdは共にオ
ンであり、CPU11からの制御信号に応じてトランジスタT
c、Tdがオン制御されることにより、オンとされたトラ
ンジスタに接続されているFETがオフ状態となる。トラ
ンジスタTc、Tdが共にオン制御されて各各FET Fc、Fd
が共にオフすることもある。
スイッチ制御回路16内のトランジスタTASは、ACステ
ータス入力端子15の電圧に応じてオン／オフ動作する。
すなわち、電源回路10がオン状態のときには電源回路10
内のトランジスタTACがオンとなるから、端子15の電圧
は“L"（ローレベル）となって、トランジスタTASがオ
フし、トランジスタTdはCPU11からの制御信号に応じて
オン／オフ制御される。これに対して、電源回路10がオ
フしたり、接続が外れたりした場合には、ACステータス
入力端子15の電圧が“H"（ハイレベル）になり、トラン
ジスタTASがオンとなるから、トランジスタTdのベース
が強制的に“L"とされてオフ状態となり、FET Fdがオ
ンされる。
これは、例えば前述したバックグラウンド充電モード
時、すなわちAC（電源）オン・PC（外部機器）オフ時に
おいて、FET FdやトランジスタTrsがオフとなっている
状態で電源回路10のコンセントが外れたりして電源が落
ちた場合に、パーソナルコンピュータ等の外部機器10の
電源が瞬断するとデータ破壊等の不具合が生ずる虞れが
あることを考慮して、CPU11によるACステータスの判断
を待たずに、アナログ的に直接トランジスタTASをオン
制御してFET Fdを瞬時にオンさせるものである。すな
わち、CPU11の判断を介してFET Fdをオン制御するので
は、判別プログラムを実行する分の時間遅れが生じ、バ
ッテリー本体４から外部機器９への電源供給が遅れて短
時間でも電源が遮断される状態が生じる虞れがあるが、
図８の構成によれば、ACステータスの変化と同時に（ト
ランジスタのスイッチング時間のオーダーで）FET Fd
をオンさせて、バッテリー本体４から外部機器９へ瞬時
に電源供給し、データ破壊等の不具合を未然に防止でき
る。
なお、充放電制御用のスイッチであるFET Fc、Fd
は、上記実施例ではマイナス側電源ラインに挿入接続し
ているが、プラス側電源ラインに挿入接続するようにし
てもよい。また、スイッチ制御回路16の具体的構成は図
示の例に限定されず種々の構成とすることができ、ある
いはスイッチ制御回路16を省略してCPU11からの制御信
号により直接各FET Fc、Fdをスイッチ制御するように
してもよい。さらに、CPU11のマイナス端子をバッテリ
ー本体のマイナス端子に接続するようにしてもよい。
以上の説明から明らかなように、本発明に係るバッテ
リーパックによれば、充電器もしくは外部機器で行って
いた制御回路をバッテリーパック内に備えたことによっ
て、充電器もしくは外部機器を簡略化して、小型化、低
価格化を図ることができる。
また、制御回路の動作については、充電遷移図あるい
は充電工程図（チャージプロセスダイアグラム）に基づ
いて充電動作及び放電動作を行わせるようにしたことに
よって、バッテリーパック内に組み込まれている２次電
池の特性に合わせた充電動作及び放電動作をすることが
でき、各セルの充電電圧を常に正常な状態に維持できる
という効果を奏する。
さらに、２次電池を構成する各セル毎の充電及び放電
状態を検出することができるので、各セルの状態を迅速
に検出して、アンバランス状態、過充電状態、及び過放
電状態等の異常状態の検出が迅速容易にできる。
そして、充電器からの入力電圧を検出する機能を備え
たことによって、バッテリーパックの充電電圧以外の電
圧を検出して、バッテリーパックの２次電池を構成する
各セルの破損を未然に防止することができる。
フロントページの続き (72)発明者 江口 安仁 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソ ニー株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−190536（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−145838（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−340332（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 10/42 - 10/42 H02J 7/00 - 7/12 H02J 7/34 - 7/36

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電源回路及びこの電源回路に接続される外
    部機器に接続されるバッテリーパックにおいて、 上記外部機器のオン／オフ状態を検出し、オン状態では
    上記電源回路からの前供給電力から上記外部機器の最大
    消費電力を差し引いた残りの電力を用いて充電し、オフ
    状態では上記電源回路からの供給電力を用いて充電する
    制御を行わせる手段を有することを特徴とするバッテリ
    ーパック。
  2. 【請求項２】上記外部機器のオン状態では、上記電源回
    路からの電流をスイッチング制御することにより得られ
    る低電流にて充電を行うことを特徴とする請求の範囲第
    １項記載のバッテリーパック。
  3. 【請求項３】上記外部機器のオン状態では、上記電源回
    路からの電流を一定の低電流値に制御する定電流制御を
    行って充電を行うことを特徴とする請求の範囲第１項記
    載のバッテリーパック。
  4. 【請求項４】上記充電が終了した状態での各セル間の電
    圧差を検出し、この電圧差が所定の閾値以上のとき最高
    電圧のセルを放電させて各セル間の電圧のバランスをと
    ることを特徴とする請求の範囲第１項記載のバッテリー
    パック。
  5. 【請求項５】上記充電が終了した後に、放電用スイッチ
    をオン状態に制御することを特徴とする請求の範囲第１
    項記載のバッテリーパック。
  6. 【請求項６】上記電源回路の電圧状態を検出し、この電
    源状態検出に応じて放電用スイッチをオン／オフ制御す
    ることを特徴とする請求の範囲第１項記載のバッテリー
    パック。
  7. 【請求項７】バッテリー装着時に電圧が印加されるバッ
    テリーイン端子を設け、このバッテリーイン端子の電圧
    に応じて内部回路の動作／非動作を切換制御することを
    特徴とする請求の範囲第１項記載のバッテリーパック。
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