JP4183004B2 - 電池パック - Google Patents

Description

この発明は、例えばリチウムイオン二次電池を備えた電池パックに関する。

現在、電池を用いて使用される機器の多くは充電可能な二次電池を装着して使用されており、放電および充電を繰り返して用いられている。これらの電池パックは、充放電を繰り返すにつれて二次電池の劣化が進み、満充電にしても新品のものより放電できる容量は減少していく。

図１は、リチウムイオン二次電池を４．１Ｖまたは４．２Ｖでそれぞれ充電後、この高電圧状態で所定の時間放置した後に３．０Ｖまで放電させるような充放電を繰り返したサイクル試験結果である。図１に示すように、４．１Ｖで放置されたリチウムイオン二次電池では３００サイクルを超えても放電容量の低下がそれほど認められないのに対し、４．２Ｖで放置されたリチウムイオン二次電池では２００サイクルを超えると放電容量が減少し始め、２５０サイクルを超えると放電容量が急激に低下していく。このように、二次電池として特にリチウムイオン二次電池を用いた電池パックについては、電池電圧が高い状態で長時間放置されると電池の劣化が急激に進行してしまう場合がある。

リチウムイオン二次電池の充電は、一般的に定電流充電と定電圧充電とを組合せた方法で行われる。これは、リチウムイオン二次電池を充電していくと、満充電を過ぎても電池電圧が上昇を続けて過充電状態となり、電池が発熱・発火等の危険な状態となる可能性が生じるためである。定電流定電圧充電とは、まず、電池電圧が所定の電圧（例えばＶｂ＝４．１Ｖ）以下の領域では、所定の電流（例えばＩｂ＝５００ｍＡ）によって定電流充電を行う。電池電圧が４．１Ｖより大きくなると、電源部が定電圧制御の動作を行い、次第に充電電流Ｉｂが減少する。そして、電池電圧Ｖｂが充電電源部の所定の出力電圧（例えばＶｏ＝４．２Ｖ）に向かって上昇し、充電を完了させる。

ここで、二次電池の充電状態の検出方法について説明する。充電状態の検出方法としては、電流検出方式とΔＶ検出方式が知られている。電流検出方式は、充電末期の定電圧制御時に充電電流Ｉｂが減少することを利用し、充電電流Ｉｂを抵抗により電圧Ｅｘへ変換し、その電圧Ｅｘを検知電圧Ｅｉと比較することで充電状態の判別を行う。電圧Ｅｘが検知電圧Ｅｉと等しくなると、満充電状態と検出される。抵抗には、充電電流Ｉｂによる損失が発生するため比較的、充電電流Ｉｂが小さい装置に対し有効である。ΔＶ検出方式は、充電電源部の出力電圧Ｖｏと二次電池の電池電圧Ｖｂとを測定し、その差ΔＶが所定の電圧値（数ｍＶ）になると、満充電状態と判別する。ΔＶ方式は電圧測定により充電状態を判別するためＩｂの大きな装置に対し有効である。

これらの検出方法によって満充電状態が検出されると、充電が停止される。この明細書において満充電電圧とは、電池パックを対応する充電器で充電したときに、上述したように、満充電に至ったものとして充電を終了するように設定された電圧を意味する。

電池パックには通常、充放電制御ＦＥＴ（Field Effect Transistor ）や二次電池の監視と充放電制御ＦＥＴの制御を行うＩＣ（Integrated Circuit）を含む保護回路が設けられている。この保護回路の機能の一つとして、過充電保護機能がある。

保護回路の過充電保護機能について説明する。上述のようにリチウムイオン二次電池の充電は定電流定電圧で行われ、充電制御電圧が電池の定格（例えば４．２Ｖ）以下で行われることによりリチウムイオン二次電池の安全性が保たれる。しかしながら、充電器の故障や、異機種用充電器の使用によって、過充電の危険性がある。過充電され、電池電圧が過充電検出電圧値（例えば４．３２５Ｖ）以上になったことが検出された場合、保護回路が充電制御スイッチ素子例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor ）をオフし、充電電流を遮断する。この機能が過充電保護機能である。過充電検出電圧とは、このように、保護回路が充電電流を遮断して働くように設定された電圧のことである。

以下の特許文献１には、電池パックの保護機能制御手段が二次電池の端子電圧を監視し、過充電を検知したときに警告を表示することにより自己消費電流を流し、二次電池の電圧を早期に安全な電圧領域まで下げることが記載されている。

特開２００３−１２５５４０号公報

電池パックでは、保護回路が過充電保護として働く過充電検出電圧の値は、二次電池の満充電電圧値よりも単一の二次電池（以下、単セルと称する）当たり０．１Ｖ程度高い値に設定されているため、電圧値が満充電電圧値を超えても過充電検出電圧値以上にならないと、保護回路は機能しない。したがって、二次電池の電圧が満充電電圧以上で過充電検出電圧値以下の電圧まで充電されることがあり、また、このような高電圧の状態で放置された場合には、図１を参照して説明したように、二次電池の劣化が進行してしまう問題があった。

したがって、この発明の目的は、高電圧状態で放置されることを防止して二次電池の劣化を抑制することができる電池パックを提供することにある。

上述の課題を解決するために、この発明は、二次電池と、
二次電池の端子電圧および電流をそれぞれ測定する測定部と、
測定部によって測定された端子電圧が過充電検出電圧以上の場合に、過充電を防止する保護部と、
測定部によって測定された端子電圧および電流が入力され、第１の動作状態と第１の動作状態に比して消費電流が小なる第２の動作状態を有する制御部とを備え、
二次電池の満充電電圧以上で過充電検出電圧未満の電圧値が電圧しきい値として設定され、
測定部によって測定された電流が電流しきい値より小の無負荷状態で、且つ測定された端子電圧が電圧しきい値以下である状態が所定時間経過する遷移条件が満たされる場合に、制御部が第１の状態から第２の状態に遷移する電池パックである。

この発明によれば、二次電池の端子電圧が満充電電圧以上で過充電検出電圧未満の電圧しきい値以下になるように制御することができる。したがって、電池パックが電圧しきい値を超える状態で放置された場合でも、電池パックは自動的に電圧を電圧しきい値以下まで下げることにより高電圧状態で保持されることを回避でき、電池パックの急激な劣化の進行を防止することができる。

以下、この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２は、この発明を適用することが可能な電池パックの構成の一例を示すブロック図である。電池パックは主に、二次電池７、マイクロコンピュータ１０、測定回路１１、保護回路１２、スイッチ回路４、クロック端子３ａ、データ端子３ｂで構成される。この電池パックは、充電時には電子機器本体、ＡＣアダプタ等に装着され、＋端子１と−端子２がそれぞれ充電装置の＋端子、−端子に接続され、充電が行われる。また、電子機器使用時には充電時と同様に、＋端子１と−端子２が電子機器の＋端子、−端子に接続され、放電が行われる。

二次電池７は、リチウムイオン電池の単セルを４個直列に接続したものである。単セル当たりの満充電電圧が４．２Ｖのリチウムイオン電池を用いた場合、この一実施形態の電池パックの満充電電圧は１６．８Ｖとなる。

測定回路１１は、例えばＩＣ（Integrated Circuit）回路で構成され、二次電池７の各単セルの端子電圧を測定し、マイクロコンピュータ１０および保護回路１２に測定値を供給する。また、電流検出抵抗９を使用して電流の大きさおよび向きを測定し、マイクロコンピュータ１０および保護回路１２に測定結果を供給する。

電圧および電流の測定は所定の頻度で自動的に行われ、例えば後述するノーマルモードにおいては１秒に１回測定動作がなされ、スリープモードにおいては１０秒に１回測定動作がなされるように設定される。さらに、測定回路１１は、二次電池７の電圧を安定化して電源電圧を発生するレギュレータとしての機能も有する。

温度検出素子８は例えばサーミスタで構成され、二次電池７の温度を監視する。電池温度の測定結果は保護回路１２に供給され、二次電池７が高温となった場合は充放電を停止するよう制御される。

＋端子１と二次電池７の正極とを結ぶ正側の電源ライン中にスイッチ回路４としてのＰチャンネル型電界効果型トランジスタ（以下、ＦＥＴと略す）５および６が直列に挿入される。ＦＥＴ５およびＦＥＴ６のそれぞれのドレイン・ソース間には、寄生ダイオード５ａおよび６ａが存在する。寄生ダイオード５ａは、＋端子１から電池７の方向に流れる充電電流に対して逆方向で、放電電流に対して順方向の極性を有し、寄生ダイオード６ａは、充電電流に対して順方向で、放電電流に対して逆方向の極性を有する。

ＦＥＴ５は、充電制御用のスイッチ素子であり、ＦＥＴ６は、放電制御用のスイッチ素子である。ＦＥＴ５のゲートに対して保護回路１２から充電制御信号が供給され、ＦＥＴ６のゲートに対して保護回路１２から放電制御信号が供給される。ＦＥＴ５およびＦＥＴ６は、Ｐチャンネル型であるので、ソース電位より所定値以上低いゲート電位によってＯＮする。

保護回路１２には、測定回路で検出された電圧、電流の測定結果、および温度検出素子８で検出された測定結果が供給され、これらの測定結果に基づいてＦＥＴ５およびＦＥＴ６のＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、二次電池７に対する充電および放電を制御する。保護回路１２の機能の一つとして、過充電、過放電、または過電流から二次電池７を保護する保護機能がある。

まず、保護回路１２の過充電保護動作について説明する。保護回路１２により二次電池７のいずれかの単セルの端子電圧が過充電検出電圧以上であることが検出されると、ＦＥＴ５をＯＦＦする充電制御信号がＦＥＴ５のゲートに供給され、充電電流が遮断される。一方、ＦＥＴ６はＯＮのままである。したがって、放電電流がＦＥＴ６および寄生ダイオード６ａを通じて流れることが可能である。この保護動作によって過充電状態を回避できる。過充電検出電圧は満充電電圧の値より単セル当たり＋０．１Ｖ程度に設定され、例えば単セル当たりの端子電圧が４．２９０Ｖで過充電保護機能が働くように設定される。

また、負荷が接続されて二次電池７が過放電状態になった場合は、電池が故障する場合がある。保護回路１２は、電池電圧が過放電検出電圧以下になったことを検出し、放電制御信号によってＦＥＴ６をＯＦＦし、放電電流を遮断する。一方、ＦＥＴ５はＯＮのままであるため、充電電流は流れることが可能である。過放電検出電圧は、例えば単セル当たりの端子電圧が２．４Ｖで過放電保護動作が働くように設定される。

さらに、二次電池７の＋−端子間が短絡された場合には、大電流がながれてしまい、異常発熱する危険性がある。放電電流がある電流値以上流れた場合には、保護回路１２は、放電制御ＦＥＴ６をＯＦＦし、放電電流を遮断する。

図示はしないが、正側の電源ラインに対してＦＥＴ５を接続し、負側の電源ラインに対してＦＥＴ６を接続するようにしても良い。ＦＥＴ６は、そのソースが二次電池７の負極と接続され、そのドレインが電源部の−端子２と接続される。寄生ダイオード６ａが放電電流に対して逆方向の極性とされる。ＦＥＴ６としては、ソースに対して所定値以上高いゲート電圧でＯＮするＮチャンネル型が使用される。さらに、ＦＥＴ５および６の両者を負側の電源ラインに挿入することも可能である。

通信用のクロック端子３ａおよびデータ端子３ｂは、外部の電子機器、例えばカムコーダ（Camcorder: Camera and recorderの略）に装着された際、外部の電子機器内のマイクロコンピュータからのコマンドを受信したり、二次電池７の電池容量の情報を機器に送信したりするためのものである。この情報を受け取った電子機器側では、液晶等の表示部に充電容量や、充電率を表示する。

マイクロコンピュータ１０は、測定回路１１から供給された電圧値を使用して、不揮発性メモリＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory ）１３に保存された残容量を算出するためのテーブルを参照することにより、二次電池７の残量を算出する。測定回路１１から入力された電流値や、マイクロコンピュータ１０に接続された温度検出素子１４により検出された二次電池７の温度などの要素を加えて電池残量を算出してもよい。算出された電池残量のデータはマイクロコンピュータ内のＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリ（図示せず）に格納され、電子機器からの信号に応じてメモリから読み出され、クロック端子３ａおよびデータ端子３ｂを介して電子機器に送出される。また、マイクロコンピュータ１０はクロック発振器１５を備える。このクロック発振器１５は水晶発振子１６を備え、マイクロコンピュータ１０全体の動作のタイミングの基準となるクロックを発生する。

マイクロコンピュータ１０は、ノーマルモードおよびスリープモードの２つの動作状態を有しており、後述する遷移条件に応じて動作状態が遷移される。クロック発振器１５は、マイクロコンピュータ１０がノーマルモードの状態で動作し、スリープモードの状態で停止する。したがって、ノーマルモードはスリープモードよりも消費電流が大きくなる。例えばノーマルモードの平均的な消費電流が１．５ｍＡであるのに対して、スリープモードの平均的な消費電流が０．５５ｍＡである。なお、クロック発振器１５の動作／停止以外に、マイクロコンピュータの全体または一部回路に対する電源のＯＮ／ＯＦＦによって二つのモードを実現するようにしても良い。

以下、マイクロコンピュータ１０のノーマルモード、スリープモード、およびこれらの遷移条件について、図３を参照して説明する。ノーマルモードでは、上述したようにクロック発振器１５が動作状態となる。また、測定回路１１で測定された電圧値より電池７の残量が算出され、メモリに格納される。ノーマルモードでの電圧値、電流値の測定および電池残量の算出処理は、例えば１秒に１回等の所定の頻度で行われる。さらに、端子３ａおよび３ｂを介してマイクロコンピュータ１０が電子機器のマイクロコンピュータと通信動作を行い、例えば電子機器からのコマンドに応じて電池残量の情報を電子機器に送信する。

スリープモードでは、上述したようにクロック発振器１５が停止され、マイクロコンピュータ１０の一部の機能が停止状態となる。スリープモード中は、例えば１０秒に１回等の所定の頻度でノーマルモードに移行し、測定回路１１において電流および電圧が検出され、二次電池７の残量が算出される。検出された電流が電流しきい値（例えば２００ｍＡ）未満の無負荷の場合は再びスリープモードに移行する。すなわち、スリープモードにおいては所定の頻度で間欠的にノーマルモードに移行するため、ノーマルモードとスリープモードとの移行が繰り返される。検出された電流が電流しきい値以上の場合は後述する遷移条件Ｓ２が成立するため、スリープモードからノーマルモードに遷移される。

遷移条件Ｓ１が成立した場合、マイクロコンピュータ１０はノーマルモードからスリープモードに遷移する。遷移条件Ｓ１とは、次の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の条件を全て満たした状態が所定時間例えば１０秒間継続した場合である。ノーマルモードからスリープモードに遷移することにより、消費電流を抑えることかできる。

（Ａ）測定された充放電電流が電流しきい値（例えば±２００ｍＡ）未満（無負荷状態）である、（Ｂ）二次電池７の電圧が電圧しきい値（例えば単セル当たりの端子電圧４．２Ｖ、電池パックの出力電圧１６．８Ｖ）以下である、（Ｃ）端子３ａおよび３ｂを介してコマンドを受信しない。条件（Ａ）（Ｃ）は、電池残容量を算出する動作を行わない場合に電池を無駄に消費しないために必要とされ、条件（Ｂ）が高電圧状態で放置されることを防止するために必要とされる。

ここで、二次電池７の単セル当たりの端子電圧が満充電電圧以上で、過充電検出電圧未満の電圧値が電圧しきい値として設定される。二次電池７の電圧が電圧しきい値以上の状態では、マイクロコンピュータ１０がスリープモードに比して消費電流の大きいノーマルモードで動作することによって電圧を下げることが可能となる。なお、電圧が過充電電圧（例えば単セル当たりの端子電圧４．２９Ｖ）以上となる場合は、保護回路１２の過充電保護機能が働いて充電が禁止される。

遷移条件Ｓ２が成立した場合、マイクロコンピュータ１０はスリープモードからノーマルモードに遷移する。遷移条件Ｓ２とは、（ａ）電流しきい値（±２００ｍＡ）以上の充放電電流が検出される、並びに（ｂ）端子３ａおよび３ｂを介してコマンドを受信する、のいずれかに該当する場合である。

上述のように、遷移条件Ｓ１、Ｓ２に従ってノーマルモードとスリープモードとを遷移させることにより、以下のような効果を得ることができる。電池パックは高電圧の状態で放置されると二次電池７の劣化が激しくなるが、この発明では、二次電池７の満充電電圧以上で過充電検出電圧未満の電圧値を電圧しきい値とし、測定された二次電池７の電圧値が電圧しきい値を超える場合にはマイクロコンピュータ１０を消費電流の大きいノーマルモードで動作させることにより、無負荷状態においても電池パックの電圧値を早期に低下させることができる。これにより、電池パックの電圧が高電圧の状態で長時間保持されることを回避でき、電池７の劣化を抑制することができる。なお、上述した一実施の形態では電圧しきい値が満充電電圧と等しいものに設定されているが、電圧しきい値は満充電電圧以上、過充電検出電圧未満の範囲内であればよい。

また、スリープモードではノーマルモードよりも消費電量が減るため、二次電池７の消耗を抑えることができる。

以下、図４のフローチャートを参照して、上述したこの発明の一実施形態の動作の流れを説明する。

まず、ステップＳ１０でマイクロコンピュータ１０および測定回路１１の初期化処理が行われる。次に、測定回路１１で電池パックの電流値および電圧値が検出される（ステップ１１）。

ステップ１１で検出された電流値および電圧値はマイクロコンピュータ１０に送出され、この検出結果を使用してＥＥＰＲＯＭ１３に格納されている電池残量を算出するためのテーブルを参照することにより電池残量が算出される（ステップ１２）。算出された電池残量のデータは、マイクロコンピュータ内のメモリに格納され、例えば電子機器からのコマンドに応じて電子機器に対してデータが送出される（ステップ１３）。

次に、マイクロコンピュータ１０はこのようなノーマルモードの状態において、上述した遷移条件Ｓ１が成立しているか否かが判定され、成立している場合はマイクロコンピュータ１０はスリープモードに遷移し（ステップＳ１５）、成立していない場合はノーマルモードが持続されて再び電流・電圧を検出する処理が行われる（ステップＳ１１）。スリープモードではクロック発振器１５の動作が停止してマイクロコンピュータ１０の一部の機能が停止し、ノーマルモードに比べて消費電流が減少する（ステップＳ１５）。

次に、ステップＳ１６において、マイクロコンピュータ１０はスリープモードに遷移してから１０秒経過したか否かが判定され、１０秒経過していないと判定される場合は引き続きスリープモードの状態が継続され、１０秒経過したと判定される場合はスリープモードからノーマルモードに移行し、再び電流・電圧を検出する処理（ステップＳ１１）が行われる。

スリープモードにおいては１０秒毎にノーマルモードに移行し、電流および電圧の検出処理が行われる。検出された電流が電流しきい値未満の場合は再びスリープモードに戻る。検出された電流が電流しきい値以上の場合は遷移条件Ｓ２が成立すると判断され、ノーマルモードへと遷移する。なお、図示はしないがスリープモードにおいて、外部の電子機器からコマンドを受信した場合も遷移条件Ｓ２に該当するので、マイクロコンピュータ１０がノーマルモードへと遷移する。

以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の一実施形態において挙げた電圧値等の数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。

また、この発明はリチウムイオン電池の他、Ｎｉ−Ｃｄ（ニッカド）電池、Ｎｉ−ＭＨ（ニッケル水素）電池など、種々の電池に適用可能である。

また、電池パックを構成するマイクロコンピュータが保護回路の機能を持つようにしてもよい。

また、上述したような二次電池の端子電圧に関する制御をマイクロコンピュータ以外の回路構成で行うよにしても良い。但し、マイクロコンピュータを使用した場合には、ノーマルモードでマイクロコンピュータが動作することにより電圧を下げることができるので、特別な放電回路を設ける必要がない利点がある。

この発明が解決しようとする問題を説明するためのグラフである。 この発明による電池パックの一実施形態のブロック図である。 この発明の一実施形態における状態の遷移を示す略線図である。 この発明の一実施形態の処理の流れを表すフローチャートである。

符号の説明

４・・・スイッチ回路
５・・・充電制御ＦＥＴ
６・・・放電制御ＦＥＴ
５ａ、６ａ・・・寄生ダイオード
７・・・電池セル
８・・・温度検出素子
９・・・電流検出抵抗
１４・・・温度検出素子
１５・・クロック発振器

Claims (6)

1. 二次電池と、
   上記二次電池の端子電圧および電流をそれぞれ測定する測定部と、
   上記測定部によって測定された上記端子電圧が過充電検出電圧以上の場合に、過充電を防止する保護部と、
   上記測定部によって測定された上記端子電圧および上記電流が入力され、第１の動作状態と上記第１の動作状態に比して消費電流が小なる第２の動作状態を有する制御部とを備え、
   上記二次電池の満充電電圧以上で上記過充電検出電圧未満の電圧値が電圧しきい値として設定され、
   上記測定部によって測定された上記電流が電流しきい値より小の無負荷状態で、且つ上記測定された端子電圧が上記電圧しきい値以下である状態が所定時間経過する遷移条件が満たされる場合に、上記制御部が上記第１の状態から上記第２の状態に遷移する電池パック。
2. 上記第２の動作状態において、間欠的に上記第１の動作状態に移行して上記測定部によって上記電流を測定し、
   測定された上記電流が上記電流しきい値以上の遷移条件が満たされる場合に上記第２の動作状態から上記第１の動作状態へ遷移する請求項１記載の電池パック。
3. 上記第１の動作状態において、上記制御部が上記二次電池の残容量の算出動作を行う請求項１記載の電池パック。
4. 上記制御部がマイクロコンピュータであり、
   上記第２の動作状態が上記マイクロコンピュータのクロック発振器の動作を停止させることで実現される請求項１記載の電池パック。
5. 上記制御部がマイクロコンピュータであり、
   上記マイクロコンピュータが外部の機器との通信が可能とされ、
   上記第１の動作状態から上記第２の動作状態への遷移のための上記遷移条件が上記マイクロコンピュータが外部からコマンドを受信しないことを含む請求項１記載の電池パック。
6. 上記制御部がマイクロコンピュータであり、
   上記マイクロコンピュータが外部の機器との通信が可能とされ、
   上記マイクロコンピュータが外部からコマンドを受信する場合に、上記第２の動作状態から上記第１の動作状態へ遷移する請求項２記載の電池パック。

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