JP4299309B2 - 蓄電池の充電システムおよび充電方法 - Google Patents

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Description

本発明は、携帯型電子機器において使用される蓄電池を充電するシステムに関し、さらには、プロセッサを備えた電池パックに対する充電器の構造を簡素化した充電システムに関する。
携帯型電子機器の中でも代表的な存在であるノート型パーソナル・コンピュータ(以後ノートPCという。)で使用される蓄電池は、CPUの動作周波数の高速化、モバイル環境での長時間動作や小型軽量化などが要求されることから、近年はエネルギー密度の高いリチウム・イオン蓄電池やニッケル水素蓄電池などが主流になってきている。これらの蓄電池を充電放電するときには、充放電電流および充放電電圧を精密に制御する必要がある。このため、ケース内に蓄電池のみを装備していた従来の電池パックではなく、電池パック自体がマイクロ・コンピュータを備えてノートPC本体との通信によって情報を交換しつつ充電および放電を制御するスマート・バッテリと呼ばれるバッテリ装置の仕組みが一般的なものになっている。
スマート・バッテリは、米国インテル社および米国デュラセル社によって提唱されたスマート・バッテリ・システム(SBS:Smart Battery System)と呼ばれる規格に準拠したバッテリ装置である。SBS規格は、1995年にバージョン0.9が初めて公開され、現在のバージョン1.1に至る。それまではノートPCのメーカーが各々独自に開発していた充放電の管理、残量の測定、およびノートPCとの通信方法などを一本化し、電池パックが自らの化学組成に適した充放電の制御を行うことにより、ノートPCの設計者を充放電制御から開放することが主な目的であった。同規格に準拠した電池パックは、インテリジェント電池とも呼ばれる。
インテリジェント電池は、充放電が行われる蓄電池の本体である蓄電池に、CPU、電流測定回路、電圧測定回路および各種センサなどを基板に実装した電気回路部が組み合わされており、データ回線を介してノートPC本体のエンベデッド・コントローラと通信を行っている。インテリジェント電池とノートPC本体との連携によって、たとえば充電容量の残量に応じてノートPCの消費電力モードを変更したり、残量が少なくなった場合や電池に何らかの異常が生じた場合にディスプレイ上に警告を表示した上でノートPCの動作を終了したりということが可能になる。
非特許文献1のSBSの充電装置に関する規格書の「4.2. Smart Battery Charger Types」の項目によると、インテリジェント電池の充電装置にはLevel2およびLevel3の2種類が定義されているが、Level2の充電装置においてはインテリジェント電池がマスター・デバイスであり、充電装置が同電池に従属するスレーブ・デバイスであると位置づけられている。この場合、インテリジェント電池側が充電に必要な電流および電圧についての情報をデータ回線によって充電装置側に送信し、充電装置はその情報に基づいて電流および電圧を出力する。Level3の充電装置では、Level2と同様の動作モードの他に、充電装置がマスター・デバイスであり、インテリジェント電池が同装置に従属するスレーブ・デバイスである動作モードも存在する。この場合、充電装置側がインテリジェント電池に、充電に必要な電流および電圧について問い合わせ、その返信に基づいて電流および電圧を出力する。
なお、特許文献1はインテリジェント電池の容量を大きく、かつ寿命を長くすることのできる充電制御方法を開示している。特許文献2はCPUを有する電池と充電器との間の通信によって充電を適正に管理する技術を開示している。
特開2001−309568号公報 特開平11−215727号公報 Smart Battery Charger Specification, version 1.1(SBS Forum, December 11, 1998 , http://www.sbs-forum.org/specs/sbc110.pdf)
電池パックが装着されたノートPCに対して商用電源から電力を供給していれば、ノートPC内部の充電器で同時に電池パックの充電も行われ、その後モバイル環境で使用することもできる。長時間モバイル環境で多数のノートPCを使用するユーザの場合は、予備の電池パックをあらかじめ充電して用意しておく必要がある。そのためには、多数の外部充電器が必要となりそのコスト負担が大きくなる。
図7は、従来の充電システムの基本構成について示す図である。図7(A)は従来の電池パック10’が商用電源から電力の供給を受けているノートPC本体100に取り付けられた状態である。ACアダプタ123は、商用電源にACコード125で接続され、AC電圧を所定のDC電圧に変換し、DCケーブル127を通じてノートPC本体100に電力を供給する。ノートPC本体100に供給された電力は、ノートPC本体100のシステム負荷と電池パック10’の充電に使用される。図7(B)は電池パック10’が外部充電器50’に取り付けられて充電されている状態を示している。充電器50’には、ノートPC本体100に接続されるものと同一のACアダプタ123が接続される。
図8は、図7(A)に示した従来の電池パック10’がノートPC本体100に取り付けられた状態をより詳しく示す図である。電池パック10’はSBS規格に準拠している。電池パック10’には、蓄電池11の他に、MPU21、D−FET17、C−FET19、電圧調整器23、サーミスタ35、電流測定回路13、および電圧測定回路15などの電子部品が設けられている。電池パック10’とノートPC本体100との間は、+端子37、C端子39、D端子41、T端子43、および−端子45の5つの端子で接続されている。電池パック10’の内部で蓄電池11から出力された電力は、+端子37および−端子45を通じて、ノートPC本体100に出力される。C端子39とD端子41はそれぞれMPU21のクロック端子およびデータ端子に接続され、T端子はサーミスタ35に接続される。
MPU21は、電圧調整器23を介して得られた定電圧によって動作し、8〜16ビット程度のCPUの他に、RAM、ROM、アナログ入出力、タイマ、デジタル入出力などを1個のパッケージの中に備えた集積回路であり、電池パック10’の制御に関わるプログラムを単独で実行することが可能である。MPU21は、電流測定回路13および電圧測定回路15によって、蓄電池11から出力される電流および電圧を常時監視し、蓄電池11の放電に関してD−FET17を制御し充電に関してC−FET19を制御する。MPU21からはクロック・ラインとデータ・ラインが、それぞれC端子39およびD端子41を介してノートPC本体100側のエンベデッド・コントローラ115に通じ、MPU21とエンベデッド・コントローラ115との間での通信が可能になっている。
また、蓄電池11の近傍に配置されたサーミスタ35は温度に応じて抵抗値が変わる素子であり、ノートPC本体100側のプルアップ抵抗121を介して電圧源Vccに接続されることによって測温回路として機能する。このサーミスタ35からの出力が、T端子43を通ってエンベデッド・コントローラ115に入力される。サーミスタ35は、蓄電池の温度の測定と同時に、ノートPC本体100に対して正当な電池パック10’が接続されたことをエンベデッド・コントローラ115が認識するためにも使用される。
ノートPC本体100の電源管理機能は、エンベデッド・コントローラ115を中心として充電器117、コントロール・ライン119、DC−DCコンバータ122、ACアダプタ123などで構成される。エンベデッド・コントローラ115は、電源以外にもノートPC本体100を構成する多くのハードウェア要素を制御する集積回路である。エンベデッド・コントローラ115は、蓄電池11の現在の電流値および電圧値についての情報をMPU21からの通信によって得て、この情報に基づいてコントロール・ライン119を介してノートPC本体100に内蔵された充電器117を制御し、電池パック10’の充電を制御する。
ACアダプタ123および電池パック10’から供給される電力は、DC−DCコンバータ122を経由してノートPC内の各部へ供給される。さらにエンベデッド・コントローラ115は、ISAバス113に接続されており、そこからPCI−ISAブリッジ111、PCIバス109、CPUブリッジ107、FSバス103などを介して、CPU101、メインメモリ105、およびノートPC100を構成するその他のハードウェア要素と相互接続され、通信することが可能である。なお、ディスプレイ、磁気ディスク、光学ディスク、キーボードなど、ノートPC100を構成するハードウェア要素の多くは公知であるので、図8では記載を省略している。
図9は、図7(B)に示した電池パック10’が外部充電器50’に取り付けられた状態をより詳しく示す図である。電池パック10’内部は図8に示したノートPC本体100に接続されたものと同一である。充電器50’はMPU116、スイッチ(SW)129、電圧調整器51、電流調整器53などで構成される。MPU116は、電池パック10’の充電でノートPC本体100におけるエンベデッド・コントローラ115に相当する役割を果たす。MPU116は、蓄電池11の現在の電流および電圧などの充電情報をMPU21からの通信によって得て、この情報に基づいてスイッチ(SW)129、および電圧調整器51、電流調整器53を制御することによって、ノートPC本体100と同様の充電の制御を行っている。
従来の外部充電器50’は、電池パック10’の充電の制御をノートPC本体100に内蔵された充電器117と同様に行うことが可能である。しかし、このような外部充電器50’はMPU116を使用しているためコストが高いので、その構造を簡素化してコストを低減することが求められていた。
本発明の目的は、外部充電器の構造を簡素化して安価に製造が可能である、電池パックおよび外部充電器からなる充電システムを提供することにある。本発明の目的はさらに、そのような充電システムを構成する電池パックおよび外部充電器、そしてそのような充電方法を提供することにある。
本発明の原理は、電池パックと外部充電器からなる充電システムにおいて、それぞれに重複して搭載されていたプロセッサのうち、外部充電器のプロセッサを排除して構成を簡素化した点にある。従来外部充電器が担っていた機能を電池パックのプロセッサに移すことで従来と同様に精密な充電制御が可能となる。電池パックがノートPCなどの電子機器本体に接続される場合に従来の電池パックと全く同じ動作をするようにしておけば、ノートPCの改造をする必要がないので都合がよい。このため、外部充電器に識別回路を備えることによって、電池パックが外部充電器と電子機器本体のいずれに接続されたかを識別可能にする。電池パックが外部充電器に接続された場合には、電池パック側のプロセッサが充電の制御を行うようにする。
多くの場合、電池パックの充電は定電圧定電流制御方式で行われるので、充電の制御で充電器に必要となるパラメータは充電電圧値および充電電流値である。このため、外部充電器は充電調整器として電圧調整器および電流調整器を備え、電池パックで設定された充電電圧値および充電電流値を受け取り、当該電圧値および電流値を電池パックに供給することによって充電を行う。
電池パックが電子機器本体に接続された場合に、電池パック側のプロセッサと電子機器本体側のエンベデッド・コントローラとの間で行われる充電情報の通信のためのデータ・ラインおよびクロック・ラインが電池パックに備えられており、これらのラインは従来の外部充電器との間での充電情報の通信にも使用されている。電池パックのプロセッサが外部充電器の電圧調整器および電流調整器にパラメータを送って動作を制御するようにすると、データ・ラインおよびクロック・ラインを充電情報の転送に使用する必要がなくなる。よって、これらのラインを、充電パラメータを外部充電器に転送するために利用することで電池パックの改造を少なくすることができる。
また、電池パック内部の温度を電子機器本体側のエンベデッド・コントローラや外部充電器のMPUが把握できるよう、電池パック内部にはサーミスタを利用した測温回路が備えられている。本発明にかかる充電システムでは、この測温回路を利用した識別回路を形成する。
電子機器本体の測温回路を接続する端子には、電圧源に接続されたプルアップ抵抗が備えられている。従って、外部充電器にも同じように電圧源に接続されたプルアップ抵抗を電池パックの測温回路に接続するようにし、かつ当該プルアップ抵抗の抵抗値を電子機器本体とは異なる値とすることにより、電池パックが外部充電器と電子機器本体のいずれに接続されたかを、MPUに入力された電圧値の違いで識別できる。
電池パック内部には、充電電圧値および充電電流値を設定するパラメータ設定手段があり、さらに前述のデータ・ラインおよびクロック・ラインと、パラメータ設定手段からの信号とを切り替え可能な切り替えスイッチを備えている。これにより、電池パックが電子機器本体に接続された場合はプロセッサからの充電情報を電子機器本体に送り、電池パックが外部充電器に接続された場合は充電パラメータの設定に関する信号を外部充電器に送るようにすることが可能である。
従来の電池パックでは、充電容量が減少した場合、および内部で異常が発生した場合などを除き、電力の入出力を制御する充電スイッチは常時オン状態であった。充電スイッチが常時オンであっても、電池パックが接続されたときに外部充電器が電池パックの充電電圧値および充電電流値を正しく設定した後にその出力をオンにすることができたので、異常な充電電圧が電池パックに印加されるおそれはなかった。本発明にかかる外部充電器は、構造が簡素化されているため充電スイッチがオンに設定された電池パックが接続されると、異常な充電電圧が電池パックに印加されるおそれがある。これを防ぐために、本発明では電池パックが外部充電器と電子機器本体のいずれにも接続されていないことをMPUが識別した場合には、電池パックの充電スイッチをオフにして外部から蓄電池に対する電圧の印加ができないようにする。電池パックが外部充電器に接続されたときは、先に充電パラメータを電池パックから外部充電器に送り、充電パラメータが正しく設定されてから充電スイッチをオンにして充電を開始する。充電が完了した場合には、同スイッチをオフにして充電を終了させることができる。これによって、外部充電器側に同じようなスイッチを設ける必要がなくなり、外部充電器の構造の簡素化に貢献する。
電池パックはSBS規格に準拠したものを利用できるが、必ずしも同規格に準拠したものに限定されない。また外部充電器は、交流電源に接続されたトランスを含むことによって、ACアダプタを別個に用意しなくても直接商用電源に接続して使用することが可能なものとすることができる。
本発明は、上記のような特徴を持った充電システム、あるいは充電システムを構成する電池パックおよび外部充電器、さらに充電方法として捉えることができる。
本発明によって、外部充電器の構造を簡素化して安価に製造が可能である、電池パックおよび外部充電器からなる充電システムを提供することができた。そして、充電システムを構成する電池パックおよび外部充電器、さらに充電方法を提供することができた。
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。図1は、本実施の形態が適用される充電システムの構成について示す図である。図1(A)は電池パック10が商用電源から電力の供給を受けているノートPC本体100に取り付けられた状態である。ノートPC本体100は、ACアダプタ123からDC電圧の供給を受けて動作し、同時に電池パック10を充電する。ACアダプタ123は、ACコード125を介して受けた商用電源からのAC電圧を所定のDC電圧に変換し、DCケーブル127を通じてノートPC本体100に供給する。電池パック10は、SBS規格に準拠したインテリジェント電池である。図1(B)は電池パック10がACコード125を介して商用電源から電力の供給を受けている外部充電器50に取り付けられた状態である。充電器50はACアダプタと一体化した構成であり、ACコード125から直接AC電力の供給を受けて動作する。
図2は、図1(A)に示した電池パック10がノートPC本体100に取り付けられた状態をより詳しく示す図である。ノートPC本体100は、図8に示した従来のノートPC本体100と同一であるので、以後の説明を省略する。また、電池パック10は図8に示した従来の電池パック10’と類似しているので、本発明の特徴部分のみを説明する。
電池パック10は、従来の電池パック10’に、第1の切り替えスイッチ(SW1)27および第2の切り替えスイッチ(SW2)29、電圧設定部(Vset)31および電流設定部(Iset)33などが付加されている。また、サーミスタ35の電圧がMPU21のアナログ入力A/D#3に入力されるように回路が変更されている。電池パック10内部のMPU21は、第1の切り替えスイッチ(SW1)27および第2の切り替えスイッチ(SW2)29を操作することができる。第1の切り替えスイッチ(SW1)27は、MPU21のCLOCK端子の出力および電圧設定部(Vset)31の出力のうちいずれかを、C端子39に接続する。第2の切り替えスイッチ(SW2)29は、MPU21のDATA端子の出力および電流設定部(Iset)33の出力のうちいずれかを、D端子41に接続する。なお、電圧設定部(Vset)31の出力がD端子41に、電流設定部(Iset)33の出力がC端子39にそれぞれ接続される形でもよい。電圧設定部(Vset)31および電流設定部(Iset)33については後述する。
電池パック10がノートPC本体100に接続されている時、MPU21は第1の切り替えスイッチ(SW1)27および第2の切り替えスイッチ(SW2)29を操作して、MPU21のCLOCK端子およびDATA端子の出力をC端子39およびD端子41に接続する。これによって、MPU21からクロック・ラインおよびデータ・ラインが、C端子39およびD端子41を介してノートPC本体100側のエンベデッド・コントローラ115に通じ、MPU21とエンベデッド・コントローラ115との間での通信が可能になる。なお、電池パック10がノートPC本体100および外部充電器50のいずれに接続されたかを識別する方法については後述する。
図3は、図1(B)に示した電池パック10が外部充電器50に取り付けられた状態をより詳しく示す図である。電池パック10の内部は図2に示したノートPC本体100に接続されたものと同一である。一方外部充電器50は電圧調整器51、電流調整器53、変圧器57、およびT端子43を通ってサーミスタ35に接続されるプルアップ抵抗121’などで構成される。本実施の形態の外部充電器50は、従来の外部充電器が必要としていたMPUおよびスイッチを持たない。さらに本実施の形態の外部充電器50は、従来の外部充電器では別に用意する必要があったACアダプタの機能を内蔵している。本実施の形態の外部充電器50は、ACコード125を介して得た商用電源からのAC電圧を、変圧器57を通してDC電圧に変換し、電圧調整器51および電流調整器53によって電圧値および充電電流値を調整することが可能である。また、プルアップ抵抗121’は、ノートPC本体100と等しい電圧値の電圧源Vccに接続されるが、ノートPC本体100のプルアップ抵抗121と異なる抵抗値を持つ。
定電圧定電流制御方式(CVCC)で電池パック10を充電する場合、充電の制御で必要となるパラメータは充電電圧値および充電電流値である。充電電圧値および充電電流値は、充電の対象となる蓄電池11の種類および物理的特性によって一意的に決定される。そのため、電圧設定部(Vset)31は、電池パック10自身を充電するために供給されるべき充電電圧値を外部充電器50に供給するための信号を生成する。電流設定部(Iset)33も同様に、電池パック10自身を充電するために供給されるべき充電電流値を外部充電器50に供給するための信号を生成する。
電池パック10が外部充電器50に接続されている時、MPU21は第1の切り替えスイッチ(SW1)27および第2の切り替えスイッチ(SW2)29を操作して、電圧設定部(Vset)31および電流設定部(Iset)33の出力をC端子39およびD端子41に接続する。電圧調整器51および電流調整器53は、電圧設定部(Vset)31および電流設定部(Iset)33で設定された充電電圧値および充電電流値に関する信号をC端子39およびD端子41を介して受けとり、充電電圧値および充電電流値を設定された値に調整して充電を行う。なお、より具体的に充電電圧値および充電電流値を決定する方法については後述する。
MPU21は電流測定回路13および電圧測定回路15で測定された充電電流および充電電圧によって、充電が完了した否かを判断する。充電が完了したと判断した場合、MPU21はD−FET17およびC−FET19をオフにして、電池パック10の充電を停止する。外部充電器50側は構造が簡素化されており、特にその出力電圧をオフにするようなスイッチを設けない。
MPU21のアナログ入力A/D#3には、T端子43を通って外部充電器50側のプルアップ抵抗121’を介して電圧源Vccに接続されたサーミスタ35の電圧値が入力される。なお、同入力は十分にハイインピーダンスであるため、サーミスタ35が同入力に接続されたままであっても、電池パック10がノートPC本体100に接続された時のエンベデッド・コントローラによる測温に支障を与えることはない。そして、外部充電器50のプルアップ抵抗121’と、ノートPC本体100のプルアップ抵抗121とでは、抵抗値が異なっているため、電圧源Vccの電圧値がプルアップ抵抗とサーミスタ35の抵抗とで分圧されてMPU21のアナログ入力A/D#3に入力される電圧値は、外部充電器50に接続された場合と、ノートPC本体100に接続された場合とで異なる。このことを利用すれば、A/D#3に入力される電圧値の違いによって、電池パック10がノートPC本体100および外部充電器50のいずれに接続されたかを識別できる。さらに、電池パック10が外部充電器50とノートPC本体100のいずれにも接続されていない状態も、A/D#3に入力される電圧値によって容易に識別できる。その場合、前述のD−FET17およびC−FET19によって、電力の入出力はオフにされる。
なお、ノートPC本体100に接続された場合と外部充電器50に接続された場合とでA/D#3に入力される電圧値が異なっていれば、MPU21はいずれに接続されたかを識別可能であるから、前述のようなプルアップ抵抗の抵抗値が外部充電器50とノートPC本体100とで異なり、かつ電圧源の電圧値が外部充電器50とノートPC本体100とで等しい例以外にも、実施の形態が考えられる。たとえばプルアップ抵抗の抵抗値を外部充電器50とノートPC本体100とで等しく、かつ電圧源の電圧値を外部充電器50とノートPC本体100とで異なる値にしてもよい。またプルアップ抵抗の抵抗値および電圧源の電圧値を両方とも外部充電器50とノートPC本体100とで異なる値にしてもよい。
以上で述べた電池パック10の構成は、従来の電池パック10’と比べて数個の素子を追加し、MPU21内部のファームウェアに後述の図5に示す動作をさせるように変更を加えるという程度で済むため、電池パック10の改造の程度は小さくてよい。それに対して外部充電器50はMPUを省略することができるため、構造を大幅に簡素化して安価に製造することが可能となる。また、電池パック10と外部充電器50との間の接続には、インテリジェント電池をノートPC本体に接続するための端子をそのまま使用するため、電池パック10に新たな端子などを設ける必要はなく、ノートPC本体100のソフトウェアおよびハードウェアも一切変更する必要はない。
なお、図1〜3は本実施の形態を説明するために、主要なハードウェアの構成および接続関係を簡素化して記載したに過ぎないものである。電池パック10、外部充電器50、およびノートPC本体100を構成するためには、これら以外にも多くの電気回路および装置が使われるが、それらは当業者には周知であるので詳しく言及しない。もちろん、図1〜3で記載した複数のブロックを1個の集積回路としたり、逆に1個のブロックを複数の集積回路に分割して構成したりすることも、当業者が任意に選択することができる範囲においては本発明の範囲に含まれる。
図4は、本実施の形態が適用される外部充電器50において、充電電圧値および充電電流値を決定および制御する方法を説明する図である。前述のように、外部充電器50はACアダプタの機能を内蔵し、ACコード125から直接AC電圧の供給を受けて動作する。ACコード125から入力されたAC電圧は、まず1次側の整流ブリッジ・ダイオード71によって全波整流され、キャパシタ69によって平滑化され、トランス57の1次側巻線に供給される。また、1次側には、整流し平滑化された電圧に対してスイッチング動作を行うスイッチング・トランジスタ67、スイッチング・トランジスタ67のスイッチング動作を制御し、所定の動作周波数を提供するパルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)IC65、2次側のフォト・ダイオード(PD1)61から出力フィードバックを受けて出力電圧の高低によってPWMの周期を制御するフォト・トランジスタ(TR1)63などを備えている。
一方、2次側としては、電圧調整器51および電流調整器53の他に、電圧調整器51および電流調整器53からの出力を1次側に対してフィードバックするためのフォト・ダイオード(PD1)61などを備えている。安全性の観点から1次側と2次側の回路を電気的に切り離す必要があるため、2次側のフォト・ダイオード(PD1)61と1次側のフォト・トランジスタ(TR1)63とでフォト・カプラを構成している。
電池パック10内部に装備された抵抗R13は、充電電圧値Vchgを設定する電圧設定部(Vset)31として機能する。電池パック10が外部充電器50に接続されている時、第1の切り替えスイッチ(SW1)27によって抵抗R13がC端子39に接続される。設定された充電電圧値Vchgと、実際に外部充電器50から電池パック10に出力される充電電圧との差は、外部充電器50内部の電圧調整器51で基準電圧Vref2と入力電圧の差として、演算増幅器AMP11から出力される。この時、電圧調整器51の中で以下の式(1)が成立する。
そこから、以下の式(2)が導かれ、これによって充電電圧値Vchgを設定することが可能である。
電池パック10内部に装備された抵抗R3は、充電電流値Ichgを設定する電流設定部(Iset)33として機能する。電池パック10が外部充電器50に接続されている時、第2の切り替えスイッチ(SW2)29によってR3がD端子41に接続される。設定された充電電流値Ichgと、実際に外部充電器50から電池パック10に出力される充電電流値との差は、外部充電器50内部の電流調整器53で基準電圧Vref1と入力電圧の差として、演算増幅器AMP1から出力される。この時、電流調整器53の中で以下の式(3)が成立する。
そこから、以下の式(4)が導かれ、これによって充電電圧値Ichgを設定することが可能である。
以上で述べたように、電池パック10内部の電圧設定部(Vset)31および電流設定部(Iset)33は、実際には抵抗値R3およびR13を設定するだけで上記の式(2)および(4)に基づいて充電電圧値および充電電流値を設定できるので、極めて安価に構成することができる。
過電圧または過電流が発生している場合、AMP1から出力された過電流に対応する出力およびAMP11から出力された過電圧に対応する出力とが合成され、フォト・ダイオード(PD1)61に出力される。フォト・ダイオード(PD1)61からの出力は、共にフォト・カプラを構成するフォト・トランジスタ(TR1)63を介して1次側のパルス幅変調IC65にフィードバックされる。フォト・トランジスタ(TR1)63に過電圧または過電流に対応したフィードバックがされた場合、パルス幅変調IC65はスイッチング・トランジスタ67を介してパルス幅を小さくし、トランジスタのオン期間を短くする。これによって充電電圧値および充電電流値を一定に制御する。ノートPCのACアダプタ等に使われるスイッチング・レギュレータ方式の電源装置で、パルス幅変調による電圧値および電流値の制御方法は、たとえば特開2002−247847号公報などにも記載されているように公知である。本実施の形態の外部充電器50は、当該電源装置に電圧調整器51および電流調整器53を付加し、AMP1およびAMP11からの出力をフォト・ダイオード(PD1)61に入力するようにすれば、容易に構成できる。
図5は、以上で述べた電池パック10がノートPC本体100または外部充電器50に接続された場合に、MPU21が実行するプログラムの動作を示すフローチャートである。このプログラムは、MPU21内に書き込まれたファームウェアとして提供される。なお、前述のように、電池パック10は外部充電器50およびノートPC本体100のいずれにも接続されていない時にはD−FET17およびC−FET19をオフにする。このため、図5のプログラムが起動される時には、必ずD−FET17およびC−FET19はオフの状態であるという点に注意されたい。
まずMPU21のアナログ入力A/D#3に電圧が入力されると、ノートPC本体100または外部充電器50に接続された可能性があるとみなされて当該プログラムが起動される(ブロック301)。次に、電池パック10がノートPC本体100および外部充電器50のいずれに接続されたかを判定する(ブロック303〜305)。より具体的には、アナログ入力A/D#3への入力電圧が外部充電器50のプルアップ抵抗121’の抵抗値に対応した値であれば、外部充電器50に接続されたと判断される。また、入力電圧がノートPC本体100のプルアップ抵抗121の抵抗値に対応した値であれば、ノートPC本体100に接続されたと判断される。入力電圧がそれら以外の値であれば、ノートPC本体100および外部充電器50のいずれにも接続されていないと判断し、そのまま処理を終了する(ブロック339)。
もし電池パック10がノートPC本体100に接続されたと判断された場合、第1の切り替えスイッチ(SW1)27および第2の切り替えスイッチ(SW2)29を切り替えて、MPU21のCLOCK端子およびDATA端子の出力をC端子39およびD端子41に接続する(ブロック311)。次にD−FET17およびC−FET19をオンにする(ブロック313)。これによってMPU21とエンベデッド・コントローラ115との間での通信が開始され(ブロック315)、電池パック10はインテリジェント電池としての動作を開始し(ブロック317)、当該プログラムの動作を終了する(ブロック339)。以後、MPU21とエンベデッド・コントローラ115との間での通信によって、電池パック10の現在の電流値および電圧値などがノートPC本体100に送られる。電池パック10に充電が必要である場合は、ノートPC本体100上の充電器117から充電電力が供給される。
もし電池パック10が外部充電器50に接続されたと判断された場合、まず電流測定回路13および電圧測定回路15によって測定された電流値および電圧値から、当該電池パック10の充電の要不要を判定する(ブロック321〜323)。もし充電が不要であれば、そのままプログラムの動作を終了する(ブロック339)。もし充電が必要であれば、第1の切り替えスイッチ(SW1)27および第2の切り替えスイッチ(SW2)29を切り替えて、電圧設定部(Vset)31および電流設定部(Iset)33の出力をC端子39およびD端子41に接続し(ブロック325)、出力される充電電圧値および充電電流値を設定する。充電電圧値および充電電流値の設定が完了してから、D−FET17およびC−FET19をオンにし(ブロック327)、これによって設定された充電電圧値および充電電流値が電池パック10に供給され、充電が開始される(ブロック329)。充電が完了したら(ブロック331)、D−FET17およびC−FET19をオフにして充電を終了し(ブロック333)、プログラムの動作を終了する(ブロック339)。
図6は、電池パック10を充電する際の充電電圧および充電電流について示す図である。図6(A)は充電中の蓄電池11周辺から見たブロック図であり、図6(B)は外部充電器50から出力される電圧Voutおよび電流Ioutの変化について示す図である。蓄電池11がリチウム・イオン蓄電池である場合、充電は定電圧定電流制御方式で行われる。以後、Vchgを電圧設定部(Vset)31によって設定された充電電圧値、Ichgを電流設定部(Iset)33によって設定された充電電流値、Vcellを蓄電池両端の電圧、Rpkを蓄電池の直流抵抗(電池パック10の直流抵抗を除く)とする。定電流期間201は、電流値を一定にして充電する時間帯である。図6(B)の曲線209に示すように、定電流期間201の間、電流Ioutは設定された電流値Ichgに等しい値で一定となる。また曲線205および207に示すように、電圧VoutおよびVcellは徐々に上昇する。式(5)が成立するまで電圧Vcellが上昇すれば、電圧Voutは設定された電圧値Vchgに等しくなり、以後は定電圧期間203に入る。
定電圧期間203の間、電圧Voutは設定された電圧値Vchgで一定となり、電圧VcellはVchgに徐々に近づき、電流Ioutは徐々に低下する。そして、電圧VoutおよびVcellがほぼ等しくなり、電流Ioutが設定された充電終了電流211に等しくなった時に、電池パック10の充電は終了する。MPU21は、電池パック10内部の電圧測定回路15および電流測定回路17によってVcellおよびIoutの値を常時把握し、充電が終了した状態になった時にD−FET17およびC−FET19をオフにし、充電を完了させる。
電池パックの充電に適した電圧値および電流値は、各々の電池パックの構造および物理的特性などによって異なる。従来は電池パックのMPUが、外部充電器側のMPUとの通信によって、設定すべき充電電圧値および充電電流値を外部充電器に伝えていた。しかし本発明では、MPUを有しない安価で簡単な構造の外部充電器に対しても、電圧設定部および電流設定部内部の抵抗値を設定することによって、各々の電池パックが自らの充電に適した電圧値および電流値に関する情報を自ら保有することができる。このことによって、電池パックの種類ごとに違った外部充電器を用意する必要はなくなり、一つの外部充電器で多くの種類の電池パックの充電に対応できるようになる。
また、本実施の形態では、充電電圧値および充電電流値を電圧設定部および電流設定部内部の抵抗値だけで容易に設定できる。このため、一つの電池パックで充電電圧値および充電電流値のセットを複数個必要とする場合も、電圧設定部および電流設定部内部に複数個の抵抗値を用意して、切り替えスイッチによって抵抗値を切り替えるだけでよい。電池パック内でスイッチおよび抵抗を少々増やすだけでよいので、電池パックの製造コストが大きく増すことはなく、また外部充電器は前述の形態と同一の物でよい。
さらに、電圧設定部および電流設定部として、抵抗値ではなく、充電電圧値および充電電流値に対応した電圧をMPUのアナログ出力から直接電圧調整器および電流調整器に出力する実施の形態もある。この場合も、MPU内のファームウェアおよび電池パック内のスイッチなどを僅かに変更する程度で実現可能である。
これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることはいうまでもないことである。
内部にプロセッサを有する電池パックと外部充電器からなる充電システムに適用可能である。
本実施の形態が適用される充電システムの構成について示す図である。 本実施の形態が適用される電池パックがノートPC本体に取り付けられた状態を示す図である。 本実施の形態が適用される電池パックが外部充電器に取り付けられた状態を示す図である。 本実施の形態が適用される外部充電器において、充電電圧値および充電電流値を決定および制御する方法について示す図である。 本実施の形態が適用される電池パックにおいて、MPUが実行するプログラムの動作を示すフローチャートである。 本実施の形態が適用される電池パックを充電する際の充電電圧および充電電流について示す図である。 従来の充電システムの構成について示す図である。 従来の電池パックがノートPC本体取り付けられた状態を示す図である。 従来の電池パックが外部充電器に取り付けられた状態を示す図である。
符号の説明
10 電池パック
11 蓄電池
13 電流測定回路
15 電圧測定回路
17 D−FET
19 C−FET
21 MPU
23 電圧調整器
25 サイリスタ
27 第1の切り替えスイッチ(SW1)
29 第2の切り替えスイッチ(SW2)
31 電圧設定部(Vset)
33 電流設定部(Iset)
35 サーミスタ
37 +端子
39 C端子
41 D端子
43 T端子
45 −端子
50 外部充電器
51 電圧調整器
53 電流調整器
57 トランス
61 フォトダイオード(PD1)
63 フォトトランジスタ(TR1)
65 パルス幅変調IC
100 ノートPC本体
115 エンベデッド・コントローラ
116 MPU
117 充電器
119 コントロール出力
121 プルアップ抵抗
123 ACアダプタ
125 ACコード
127 DCケーブル

Claims (16)

  1. 電子機器に装着が可能で外部充電器による充電が可能な電池パックの充電システムであって、
    第1の識別回路と充電器と該充電器を制御するコントローラとを含む電子機器と、
    第2の識別回路と充電パラメータ値に応じて充電特性が制御される充電調整器とを含む外部充電器と、
    前記第1の識別回路と前記第2の識別回路を認識することが可能なプロセッサと蓄電池とを含む電池パックとを有し、
    前記プロセッサは、前記第1の識別回路を認識したときは前記蓄電池が前記電子機器の充電器で充電されるように前記蓄電池の充電情報を前記コントローラに送り、前記第2の識別回路を認識したときは前記蓄電池が前記外部充電器で充電されるように前記充電パラメータ値を前記充電調整器に送る充電システム。
  2. 前記充電調整器が定電圧定電流制御方式を実現する電圧調整器と電流調整器とで構成され、前記充電パラメータ値が充電電圧値と充電電流値とで構成される請求項1記載の充電システム。
  3. 前記充電パラメータ値は前記プロセッサに対するデータ・ラインとクロック・ラインを通じて前記外部充電器に送られる請求項1記載の充電システム。
  4. 前記電池パックがサーミスタを含む測温回路を備え、前記第1の識別回路および前記第2の識別回路がそれぞれ前記測温回路に接続可能なプルアップ抵抗を備える請求項1記載の充電システム。
  5. 前記充電調整器が演算増幅器で構成されている請求項1記載の充電システム。
  6. 前記充電パラメータ値は前記演算増幅器に入力される請求項5に記載の充電システム。
  7. 第1の識別回路と充電器と該充電器を制御するコントローラとを含む電子機器に装着可能で、第2の識別回路と充電調整器とを含む外部充電器で充電可能な電池パックであって、
    蓄電池と、
    前記電子機器および前記外部充電器に接続可能な外部端子と、
    前記電池パックが前記電子機器または前記外部充電器に接続されたときに、前記第1の識別回路を認識したときには前記電子機器の充電器で充電されるように前記蓄電池の充電情報を前記コントローラに送り、前記第2の識別回路を認識したときには前記外部充電器で充電されるように前記蓄電池の充電パラメータ値を前記充電調整器に送るプロセッサと
    を有する電池パック。
  8. 前記充電パラメータ値は前記プロセッサのデータ端子およびクロック端子にそれぞれ接続されたデータ・ラインおよびクロック・ラインを通じて前記外部充電器に送られる請求項記載の電池パック。
  9. パラメータ設定手段と、前記外部端子と前記データ端子と前記クロック端子と前記パラメータ設定手段とに接続された切り替えスイッチとを有し、前記プロセッサは前記第2の識別回路を認識したときに前記パラメータ設定手段と前記外部端子とを接続し、前記第1の識別回路を認識したときに前記データ端子および前記クロック端子と前記外部端子とを接続するように前記切り替えスイッチを制御する請求項記載の電池パック。
  10. 前記電池パックが前記蓄電池に対する充電電流を制御する充電スイッチを備え、前記プロセッサは前記第1の識別回路および前記第2の識別回路のいずれも認識しないときに前記充電スイッチをオフにする請求項記載の電池パック。
  11. 前記プロセッサは、前記電池パックが前記外部充電器に接続されたとき前記充電スイッチをオンにする前に前記蓄電池の充電パラメータ値を前記充電調整器に送る請求項10記載の電池パック。
  12. 前記電池パックがサーミスタを備え、前記プロセッサは前記サーミスタの両端に発生する電圧により前記電子機器または前記外部充電器を認識する請求項記載の電池パック。
  13. 前記電池パックがスマート・バッテリィ・システム規格に準拠している請求項記載の電池パック。
  14. 前記充電調整器が演算増幅器で構成されている請求項7記載の電池パック。
  15. 前記充電パラメータ値は前記演算増幅器に入力される請求項14に記載の電池パック。
  16. 電池パックを装着することが可能で前記電池パックから電力の供給を受けて動作するノート型パーソナル・コンピュータであって、前記電池パックが請求項7〜請求項15のいずれかに記載の電池パックであるノート型パーソナル・コンピュータ。
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