JP3879494B2 - 電池パック - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯用機器の電源として用いられているニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池及びリチウムイオン電池等の2次電池から構成される電池パックに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年,ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池及びリチウムイオン電池等の2次電池の高容量化及び大電流による充放電特性の改善は目覚ましいものがある。このような性能改善を施した2次電池を接続板等により直列に接続した電池組は高負荷機器のコードレス化を可能とした。この電池の改善は必然的に大電流での充放電が可能となるため、大きな発熱を引き起こし、サイクル寿命特性を低減させる。また、特に、素電池を直列に接続した電池組の場合、電池組内の容量の少ない素電池が過充電・過放電となりやすい。このように容量の少ない素電池が繰り返し過充電・過放電されると、その素電池のみが他の素電池よりも早く寿命となってしまう。
【0003】
上記現象を図5に示した電池組の充電特性を用いて説明する。図に示されているように、電池組の電圧、温度及び内部圧力は充電初期から満充電近くまで緩やかに上昇し、満充電付近から急激に上昇する。電池組の満充電検出は、満充電付近の電圧及び温度の急激な変化を検出することにより行われる。
【0004】
ところが、図6に示すように、電池組内の容量の少ない素電池は、他の素電池より早く満充電となり、電池組の満充電検出時点では過充電となっている。また、この時点では、素電池内の温度上昇及び内部圧力の上昇が大きくなっており、電池の劣化が進行する。このような状態で充放電を繰り返すと、容量の少ない素電池は過放電・過充電を繰り返し、何れは素電池内の電解液が漏れ、内部インピーダンスの増大を引き起こす。これに伴い、容量の少ない素電池の容量が激減し、内部短絡もしくは内部オープン故障に至り、これが原因で電池パックが寿命に至る。
【0005】
図7に電池組のサイクル寿命特性を示す。100%充電・100%放電の場合は、満充電になる前に充電を停止する中途充電(80%充電)、過放電になる前に放電を停止する中途放電(80%放電)で充放電を繰り返した時と比べ極端に寿命が短いのは、先に説明した通りである。
【0006】
そこで、例えば、HEV(ハイブリッドカー)等に使用する電池組は長寿命化を達成させるため、図7に示す中途充電・中途放電というような使い方をして電池組を過充電・過放電させないようにしてしる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる方式は、中途充電・中途放電を可能とするため、電池組の全ての素電池、もしくは電池組の幾つかの素電池群の電池電圧及び電池温度をモニタしなければならず、制御回路が複雑になるという問題がある。そのような複雑な制御回路を付加した電池パックを民生用機器として使用する場合には、コスト面で問題が多い。
【0008】
本発明の目的は,上記従来技術の欠点をなくし,簡素な制御回路を付加することで電池組のサイクル寿命特性を向上させる電池パックを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成させるためになされた請求項1記載の発明は、携帯用機器の電源として使用される電池パックにおいて,複数の素電池を直列接続してなり、複数の素電池の内の少なくとも一つの素電池を他の素電池より定格容量の少ない低容量素電池とした充電器及び携帯用機器に選択的に接続可能な電池組と、低容量素電池の放電時の異常状態を検出する異常状態検出手段と、異常状態検出手段により低容量素電池の異常状態が検出されたときは、携帯用機器の駆動を停止させる駆動停止信号を携帯用機器に出力する制御手段を備えたことを特徴としている。
【0010】
このように構成された本発明では、直列接続された複数の素電池内に他の素電池より定格容量の少ない低容量素電池を組み込んだので、電池パックを携帯用機器の電源として使用すると、低容量素電池以外の素電池に残容量があっても、この低容量素電池の容量が最初に空となり、この状態を越えて放電し続ければ、低容量素電池は過放電状態となる。そこで、このような低容量素電池の異常状態を検出したときには、携帯用機器の駆動を停止して低容量素電池の過放電を防止することで低容量素電池の寿命の短命化を防ぎ、もって電池組のサイクル寿命特性の向上を図っている。
【0011】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の構成において、異常状態検出手段は、低容量素電池の温度を検出する素電池温度検出手段と、低容量素電池の電圧を検出する素電池電圧検出手段とからなり、素電池温度検出手段及び素電池電圧検出手段の少なくともいずれか一方の出力に基づいて低容量素電池の異常状態を判別することを特徴としている。
【0012】
このように構成された本発明では、電池パックを携帯用機器の電源として使用する場合に、他の素電池より定格容量の少ない低容量素電池の電圧と温度の少なくともいずれか一方に着目して、たとえば、低容量素電池が過放電状態にならないように異常状態を検出するようにしている。
【0013】
請求項3記載の発明は、請求項1若しくは2のいずれかに記載の構成に加え、電池組の電圧を検出する電池組電圧検出手段と、電池組電圧検出手段により検出された電池組の電圧に基づいて電池組の放電時の異常状態を検出する放電異常状態検出手段とを更に備え、制御手段は、放電異常状態検出手段により電池組の異常状態が検出されたときは、携帯用機器の駆動を停止させる駆動停止信号を携帯用機器に出力することを特徴としている。
【0014】
他の素電池より定格容量の少ない低容量素電池を組み込んだ電池組は、放電中に異常が発生するとすれば、その原因は低容量素電池にある場合がほとんどであるが、低容量素電池以外の素電池に原因がある場合もないとはいえない。そこで、低容量素電池の放電時の異常だけでなく、電池組自体の異常も検出できるようにしている。たとえば、放電中に電池組の電圧が一定レベル以下に低下したにも拘わらず、携帯用機器の駆動停止機能が働いていない場合には、制御手段は携帯用機器の駆動を停止するようにしている。
【0015】
請求項4記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか一に記載の構成に加え、 低容量素電池の満充電を判別する満充電判別手段を更に備え、制御手段は、満充電判別手段により低容量素電池が満充電であると判別されたときは、電池組の充電を停止させる充電停止信号を充電器に出力することを特徴としている。
【0016】
このように、低容量素電池の放電時の異常状態を検出する異常状態検出手段に加え、低容量素電池の満充電を判別する満充電判別手段を備えた構成では、低容量素電池が満充電であると判別されたときに、電池組の充電を停止することができる。これによって、低容量素電池の過放電のような放電時の異常状態のみならず充電時の過充電も防止することができる。
【0017】
請求項5記載の発明は、請求項1乃至4のいずれか一に記載の構成に加え、電池組が充電中か放電中かを検出する充放電検出手段を更に備えたことを特徴としている。
【0018】
従って、電池組が充電中と判断されたときに、満充電判別手段は低容量素電池が満充電であるかどうかの判別を行い、電池組が放電中と判断されたときに、異常状態検出手段は低容量素電池が異常状態にあるかどうかを検出すればよい。
【0019】
請求項6記載の発明は、請求項1乃至5のいずれか一に記載の構成において、低容量素電池は複数の素電池の中にあって電池組の負極端子から数えて最初の段に配置することを特徴としている。
【0020】
かかる構成により、簡素な回路で低容量素電池の電池電圧を検出することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電池パックの実施の形態を、図1乃至図3を用いて説明する。図1は電池パック1を充電器100に接続した状態を示す図で、図2は電池パック1を携帯用機器200に接続した状態を示す図である。
【0022】
図1において、電池パック1の正極端子2と負極端子3は、充電器100に設けられている正極端子101と負極端子102とそれぞれ接続されている。充電器100には情報伝達端子103が形成されている。この情報伝達端子103には、後述するマイクロコンピュータ60(以下、「マイコン60」という。)の出力ポート66から電池パック1の情報伝達端子4を介して出力される充電停止信号が印加される。また、図2に示されているように、電池パック1を携帯用機器200に接続した場合には、マイコン60の出力ポート66から出力される駆動停止信号は情報伝達端子4を介して携帯用機器200の情報伝達端子203に印加される。なお、図示されていないが、使用時、充電器100は100Vの交流電源に接続される。
【0023】
電池パック1には、素電池11〜18を接続板で直列接続されてなる電池組10が内包されている。このうち素電池11〜17は定格容量Q1Ahであり、素電池18の定格容量はこれより2割少ない0.8×Q1Ahである。定格容量の少ない素電池18(以下、「低容量素電池18」という。)は、8個の素電池の中にあってGNDである負極端子3から数えて最初の段に配置される。
【0024】
図1に示したように、電池パック1と充電器100を接続して電池パック1を充電する場合には、充電器100の正極端子101から電池組10の正極側に、そして電池組10の負極側から充電器100の負極端子102の方向に充電電流が流れる。逆に、図2に示したように、電池パック1と携帯用機器200を接続し、電池パック1を電源として携帯用機器200を駆動する場合には、電池組10の正極端子2から携帯用機器200を介して電池組10の負極端子3の方向に負荷電流が流れる。
【0025】
この電流経路には、素電池電圧検出部20,定電圧電源30,電池組電圧検出部40,素電池温度検出部50,充放電検出部70が接続されており、これら各部は制御手段たるマイコン60に接続されている。
【0026】
マイコン60は、中央処理装置(CPU)61、ROM62、RAM63、タイマ64、A/Dコンバータ65、出力ポート66、リセット入力ポート67から構成され、これらは内部バスにより相互に接続されている。
【0027】
素電池電圧検出部20は抵抗21のみで構成されている。当該抵抗21は素電池17,18を接続する金属板とマイコン60のA/Dコンバータ65の間に接続されており、低容量素電池18の電圧をA/Dコンバータ65に入力するための制限抵抗である。
【0028】
前述した低容量素電池18は、GNDである負極端子から数えて最初に配置するようにしたので、低容量素電池18の電圧検出を抵抗21のみの簡素な回路で実現できる。ここで、低容量素電池18を負極端子から数えて最初の段に配置しないようにした場合、例えば、素電池17と18とを入れ替えた場合、当然のことながら、GNDとの関係上、低容量素電池18のみ電圧を検出するには減算回路等が必要になり、電圧検出の回路構成が複雑になる。
【0029】
定電圧電源30は、3端子レギュレータ(REG.)31、平滑コンデンサ32、33、リセットIC34から構成されており、定電圧電源30から出力される定電圧VCCは、素電池温度検出部50、マイコン60及び電流検出部70の電源となる。リセットIC34はマイコン60のリセット入力ポート67に接続されており、マイコン60を初期状態にするためにリセット信号をリセット入力ポート67に対して出力する。
【0030】
電池組電圧検出部40は、電池組10全体の電池電圧を検出するためのもので、抵抗41〜43からなる。電池組10の正極端子とGND間に直列接続された抵抗41,42の接続点は、抵抗43を介してマイコン60のA/Dコンバータ65に接続されている。A/Dコンバータ65からは、検出した電池電圧に対応するデジタル値が出力され、マイコン60のCPU61は、当該デジタル値とROM62に記憶されている所定電圧とを比較して、電池組10が正常電圧を維持しているかどうかを監視する。
【0031】
素電池温度検出部50は、低容量素電池18の近傍に配置して当該素電池の温度を検出するものであり、感温素子としてのサーミスタ51、抵抗52〜54から構成されている。サーミスタ51は抵抗53を介してマイコン60のA/Dコンバータ65に接続されている。A/Dコンバータ65からは、検出した電池温度に対応するデジタル値が出力され、マイコン60のCPU61は、当該デジタル値と予め設定した所定値とを比較し、低容量素電池18の電池温度が異常高温であるかどうかの判断を行う。
【0032】
充放電検出部70は、電流検出抵抗71及び充放電電流検出回路72から構成され、電池組10が充電中か放電中かを検出する。充放電電流検出回路72は、例えば、反転増幅回路と、非反転増幅回路の両方を備えた構成で、電流検出抵抗71に流れる電流の方向及び大きさによって生じる電位を、反転増幅及び非反転増幅することにより、充電及び放電に対応して反転増幅回路、または非反転増幅回路に出力が生じ、この出力に基づいてマイコン60のA/Dコンバータ65でA/D変換し、CPU61は電池組10が充電中か放電中かを判別する。
【0033】
次に図1及び図2の回路図と図3のフローチャートを参照して動作を説明する。
【0034】
プログラムがスタートすると、マイコン60は素電池電圧検出部20の出力をA/Dコンバータ65でA/D変換し、低容量素電池18の電圧V18を取り込む(ステップ301)。また、素電池温度検出部50の出力を同じくA/Dコンバータ65でA/D変換し、低容量素電池18の温度T18を取り込む(ステップ302)。引き続き、充放電検出部70の出力をA/Dコンバータ65でA/D変換し、電池パック1が充電中か否かを判別する(ステップ303)。電池パック1が充電中と判別したときは(ステップ303:YES)、低容量素電池18の満充電判別を行う(ステップ304)。
【0035】
低容量素電池18の満充電判別は、図6に示した低容量素電池の充電特性に従い、検出した電圧V18及び温度T18の変化に基づいて判別する。前記の満充電判別方式によって低容量素電池18が満充電でない場合は(ステップ304:NO)、ステップ301に戻る。ステップ304において、低容量素電池18が満充電と判別したときは(ステップ304:YES)、マイコン60の出力ポート66から充電器100の充電を停止させる充電停止信号を出力する(ステップ305)。充電停止信号は、電池パック1の情報伝達端子4から充電器100の情報伝達端子103に入力され、充電器100の出力を停止させる。
【0036】
ステップ303において、電池パック1が充電中でない場合は(ステップ303:NO)、充放電検出部70の出力をマイコン60のA/Dコンバータ65でA/D変換し、電池パック1が放電中か否かを判別する(ステップ306)。電池パック1が放電中と判別したときは(ステップ306:YES)、低容量素電池18の電圧V18が所定値以下の電圧まで放電されたか否かの判別を行う(ステップ307)。この判別は、低容量素電池18が過放電とならないようにするためのものであり、よって、電圧V18が所定値以下と判別されたときにも低容量素電池18が過放電状態にないように所定値を選定する必要がある。
【0037】
具体的には、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池の場合は1.0V程度、リチウムイオン電池で、例えば、3.6V系のものであれば、2.5V程度を所定値とする。
【0038】
前記の放電時の電圧判別で低容量素電池18の電圧V18が所定値以下でない場合は(ステップ307:NO)、低容量素電池18の温度T18が所定値以上か否かの判別を行う(ステップ308)。低容量素電池18の放電時の温度判別は、低容量素電池18の温度が異常な温度上昇をひきおこす前に行い、異常な温度上昇をひきおこす前であっても温度T18が所定値を越えた場合には、放電を停止するようにする。前記の放電時の温度判別で低容量素電池18が所定値以上の温度上昇となっていない場合は(ステップ308:NO)、ステップ301に戻る。ステップ308において、低容量素電池18が所定値以上の温度上昇を引き起こしたときは(ステップ308:YES)、マイコン60の出力ポート66から携帯用機器200の駆動を停止させる駆動停止信号を出力する(ステップ309)。
【0039】
駆動停止信号は、電池パック1の情報伝達端子4から携帯用機器200の情報伝達端子203に印加され、例えば、携帯用機器のスイッチをオフさせて携帯用機器200の駆動を停止する。また、ステップ307において低容量素電池18の電圧V18が所定値以下の時は(ステップ307:YES)、ステップ308をスキップし、前述したステップ309の処理を行う。
【0040】
上記の実施の形態において、ステップ304の低容量素電池18の満充電判別は、低容量素電池18が他の素電池11〜17と比較し定格容量を小さくしているので、必然的に低容量素電池18が先に満充電になり、他の素電池11〜17は中途充電状態が確保されるので、低容量素電池18のみに注力して過充電しないようにすれば良い。具体的には図6に示すように、電池内部圧力が急激な上昇を起こす前に満充電判別を行うようにする。これにより中途充電状態が可能となる。同様にステップ307における低容量素電池18の放電時の電圧判別は、充電効率の関係上、低容量素電池18の充電容量が、他の素電池11〜17に比べて少なくなるので、必然的に低容量素電池18が先に空になり、他の素電池11〜17は中途放電状態が確保されるので、低容量素電池18のみに注力して過放電しないようにすれば良い。
【0041】
また低容量素電池18の定格容量は他の素電池11〜17に比べ8割程度の定格容量としたが、これに限るものではなく、素電池の製造上の容量公差を考慮して、必ず低容量素電池18が他の素電池より容量が少なくなるように設定すればよい。
【0042】
次に、図3に示した実施の形態の変形例を図4のフローチャートを参照しながら説明する。
【0043】
プログラムがスタートすると、ステップ401とステップ402において、図3のフローチャートのステップ301とステップ302と同じ処理を行う。すなわち、低容量素電池18の電圧V18と温度T18を取り込む。
【0044】
次に、電池組電圧検出部40の出力をA/Dコンバータ65でA/D変換し、電池組10の電圧を検出する(ステップ403)。引き続き、電池パック1が充電中か否かを判別する(ステップ404)。これは図3のフローチャートにおけるステップ303と同じ処理である。電池パック1が充電中のときは(ステップ404:YES)、低容量素電池18の満充電判別を行う(ステップ405)。
【0045】
ステップ405において、低容量素電池18が満充電と判別されたときと(ステップ405:YES)、低容量素電池18は満充電でないが(ステップ405:NO)、電池組10が満充電と判別されたときは(ステップ406:YES)、マイコン60の出力ポート66から充電器100の充電を停止させる充電停止信号を出力する(ステップ407)。電池組10が満充電でない場合は(ステップ406:NO)、ステップ401に戻る。
【0046】
ステップ404において、電池パック1が充電中でない場合は(ステップ404:NO)、電池パック10が放電中か否かを判別する(ステップ408)。電池パック10が放電中のときは(ステップ408:YES)、低容量素電池18の電圧V18が所定値以下の電圧まで放電されたか否かの判別を行う(ステップ409)。
【0047】
低容量素電池18の電圧V18が所定値以下でない場合は(ステップ409:NO)、電池組10の電圧が所定値以下でないかどうか判別する(ステップ410)。電池組10の電圧が所定値以下でなければ(ステップ410:NO)、低容量素電池18の温度T18が所定値以上か否かの判別を行う(ステップ411)。低容量素電池18が所定値以上の温度上昇となっていない場合は(ステップ411:NO)、ステップ401に戻る。
低容量素電池18の電圧V18が所定値以下の場合(ステップ409:YES)、電池組10の電圧が所定値以下の場合(ステップ410:YES)及び低容量素電池18の温度が所定値以上の場合には(ステップ411:YES)、マイコン60の出力ポート66から携帯用機器200の駆動を停止させる駆動停止信号を出力する(ステップ412)。なお、低容量素電池18の電圧V18と比較する所定値と電池組10の電圧と比較する所定値が異なる値をとることは言うまでもない。
【0048】
上記した変形例では、定格容量の少ない低容量素電池のみならず電池組自体にも着目し、少なくともいずれか一方が満充電に達した場合に充電を停止すると共に、少なくともいずれか一方が過放電直前にあると判断された場合には放電を停止するようにしている。
【0049】
本発明による電池パックは上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、上記実施の形態では、複数の素電池の中に一つ低容量素電池を組み込んだが、電池組を構成する素電池の数に応じて、2若しくはそれ以上の低容量素電池を組み込んでも構わない。また、低容量素電池18の電圧V18が所定値以下であり(ステップ307,409:YES)、かつ、低容量素電池18の温度T18が所定値以上(ステップ308,411:YES)の場合にのみ、放電時における低容量素電池18が過放電直前にあると判断するようにしてもよい。
【0050】
【発明の効果】
請求項1記載の電池パックによれば,複数の素電池から構成される電池組の中に他の素電池より定格容量の少ない低容量素電池を組み込んだので、当該低容量素電池が、たとえば、過放電直前の状態になったような場合には、即座に電池組の更なる放電を禁止することで、当該低容量素電池を含むすべての素電池が過放電となることを防止することができ、電池パックのサイクル寿命を飛躍的に向上させることができる。
【0051】
請求項2記載の電池パックによれば、放電中の低容量素電池の電池温度と電池電池電圧の少なくともいずれか一方に基づいて放電時の異常状態を検出するようにしたので、信頼性の高い異常状態の検出を行うことができる。
【0052】
請求項3記載の電池パックによれば,低容量素電池以外の原因で、たとえば、放電時の電池組の電圧が過放電直前の状態にある場合のように、何らかの異常状態が検出された場合でも、電池組の放電を即座に停止することができる。
【0053】
請求項4記載の電池パックによれば,低容量素電池の放電時の異常状態と、同じく低容量素電池の充電時の満充電状態を検出することができるので、充電時と放電時いずれの場合であっても、電池パックのサイクル寿命を短縮するような要因を除去することができる。
【0054】
請求項5記載の電池パックによれば,充放電検出手段はハードウエア的には簡単な構成で実現することができ、また、充放電検出手段からの出力により制御手段が実行する各種判断をソフトウエア的に簡易に実現することができる。
【0055】
請求項6記載の電池パックによれば,簡素な回路で低容量素電池の電池電圧を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の電池パックと充電器との関係を示す回路図。
【図2】 本発明の電池パックと携帯用機器との関係を示す回路図。
【図3】 本発明の電池パックの動作説明用フローチャート。
【図4】 本発明の変形例による電池パックの動作説明用フローチャート。
【図5】 電池組の充電特性の一例を示すグラフ。
【図6】 容量の少ない素電池の充電特性を示すグラフ。
【図7】 電池組のサイクル寿命特性の一例を示すグラフ。
【符号の説明】
1…電池パック
4…電池パック1の情報伝達端子
10…電池組
11〜18…素電池
20…素電池電圧検出部
40…電池組電圧検出部
50…素電池温度検出部
60…マイクロコンピュータ
70…充放電検出部
100…充電器
103…充電器100の情報伝達端子
200…携帯用機器
203…携帯用機器200の情報伝達端子
Claims (6)
- 携帯用機器の電源として使用される電池パックにおいて,
複数の素電池を直列接続してなり、前記複数の素電池の内の少なくとも一つの素電池を他の素電池より定格容量の少ない低容量素電池とした充電器及び前記携帯用機器に選択的に接続可能な電池組と、
前記低容量素電池の放電時の異常状態を検出する異常状態検出手段と、
前記異常状態検出手段により前記低容量素電池の異常状態が検出されたときは、前記携帯用機器の駆動を停止させる駆動停止信号を前記携帯用機器に出力する制御手段を備えたことを特徴とする電池パック。 - 前記異常状態検出手段は、前記低容量素電池の温度を検出する素電池温度検出手段と、前記低容量素電池の電圧を検出する素電池電圧検出手段とからなり、前記素電池温度検出手段及び前記素電池電圧検出手段の少なくともいずれか一方の出力に基づいて前記低容量素電池の異常状態を判別することを特徴とする請求項1記載の電池パック。
- 前記電池組の電圧を検出する電池組電圧検出手段と、前記電池組電圧検出手段により検出された前記電池組の電圧に基づいて前記電池組の放電時の異常状態を検出する放電異常状態検出手段とを更に備え、前記制御手段は、前記放電異常状態検出手段により前記電池組の異常状態が検出されたときは、前記携帯用機器の駆動を停止させる駆動停止信号を前記携帯用機器に出力することを特徴とする請求項1若しくは2のいずれかに記載の電池パック。
- 前記低容量素電池の満充電を判別する満充電判別手段を更に備え、前記制御手段は、前記満充電判別手段により前記低容量素電池が満充電であると判別されたときは、前記電池組の充電を停止させる充電停止信号を前記充電器に出力することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一に記載の電池パック。
- 前記電池組が充電中か放電中かを検出する充放電検出手段を更に備えたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一に記載の電池パック。
- 前記低容量素電池は前記複数の素電池の中にあって前記電池組の負極端子から数えて最初の段に配置することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一に記載の電池パック。
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