JP4432981B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は、電子機器に用いられる二次電池の電池パックに関する。

近年、携帯性や作業性を考慮して電動工具の電源には二次電池の電池パックが搭載されている。二次電池としては、一般にニッカド電池やニッケル水素電池が使用されてきたが、最近ではエネルギー密度が高いリチウムイオン電池が軽量化の観点から注目されてきている。但し、このリチウムイオン電池は過充電や過放電に弱いため、信頼性や安全性の点から各セル電圧を監視する保護ＩＣを設け、セル電圧による充放電制御が行われるのが一般的である。

ところで、電動工具においては、高出力化のために電池パック電圧を高くして用いる用途があり、二次電池を５セル以上直列接続したものが必要となる。ところが、各セル電圧監視用の保護ＩＣとしては４セル直列に対応したものが一般に用いられており、５セル直列以上に対応したものはほとんど製品化されていない。そこで、二次電池を５セル以上直列接続した電池パックにおいては、例えば特許文献１に開示されているように、４セルまで対応した保護ＩＣを多段に接続するものが提案されている。この従来例では、保護ＩＣから各セル電圧をアナログ出力し、各保護ＩＣ間の電圧レベルの違いをオペアンプによりレベル変換して、電圧基準を一律化した後に制御マイコンに入力して充放電制御するようにしている。
特開２００３−１１１２９４号公報

しかしながら、上記従来例では、回路が複雑になる上に、回路消費電流が多くなるという問題があった。また、セル電圧を変換後マイコンに入力するため、電圧検出精度が悪くなるという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、二次電池を５セル以上直列接続した場合においても高精度な充放電制御を行うことができ、且つ回路消費電流を低減することのできる電池パックを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、複数の二次電池を直列接続して成る組電池を複数段直列に接続した組電池群と、充電器又は負荷本体に着脱自在に装着されて充電器又は負荷本体と電気的に接続される端子部とを有する電池パックであって、各組電池に各々接続されて少なくとも何れか１つの二次電池の電圧値が第一の所定値より高くなると充電器に充電を制御するように指示する充電制御信号を出力する複数の充電制御電圧検出回路と、各充電制御電圧検出回路に各々接続されて充電制御信号を所定の信号に変換して出力する複数の充電制御信号変換回路と、各充電制御信号変換回路の出力の論理和をとるとともに充電器装着時に充電器から端子部を介して印加される起動信号の電圧を論理和に応じて変換した信号を充電器に出力する充電制御信号論理和回路と、起動信号により起動する電源起動回路と、該電源起動回路に各々接続されて電源起動回路が起動すると各充電制御信号変換回路及び充電制御信号論理和回路に各組電池の電圧を供給する複数の電源供給回路と、組電池群の高圧側の第一の電源端子と充電器又は負荷本体と接続される第二の電源端子との間に設けられて動作すると第一の電源端子及び第二の電源端子の間を遮断する保護素子と、各組電池に各々接続されて少なくとも何れか１つの二次電池の電圧値が第一の所定値よりも高い第二の所定値より高くなると過充電制御信号を出力する複数の過充電電圧検出回路と、最も高圧側の組電池の電圧が供給される過充電電圧検出回路に接続されて過充電制御信号が入力されると最も高圧側の組電池の電圧で保護素子を動作させる第一の駆動回路と、前記最も高圧側の組電池以外の組電池の電圧が供給される過充電電圧検出回路に接続されて過充電制御信号を最も高圧側の組電池の電圧に変換するとともに該電圧で保護素子を動作させる一乃至複数の第二の駆動回路とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、保護素子は非復帰であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、過充電制御信号の遅延時間を前記充電制御信号の遅延時間よりも長くしたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れか１項の発明において、組電池群の直列に接続された二次電池のうち、一つ置きの二次電池と並列に抵抗を接続したことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、各組電池毎に充電制御電圧検出回路及び充電制御信号変換回路を設けたので、充電電圧を高精度で検出することができ、また充電器装着時に充電器から端子部を介して印加される起動信号の電圧によって起動する電源起動回路と、電源起動回路が起動すると各組電池の電圧を充電制御信号変換回路及び充電制御信号論理和回路に供給する第一の電源供給回路とを設けたので、充電器が装着されていない状態での各回路における消費電流を低減することができる。また、過充電電圧検出回路から出力される過充電制御信号に応じて駆動する第一の駆動回路及び第二の駆動回路の何れもが最も高圧側の組電池の電圧で保護素子を動作させるので、過充電状態を検出した際に保護素子を確実に動作させることができる。

請求項３の発明によれば、過充電制御信号の遅延時間を充電制御信号の遅延時間よりも長くしたので、室温の低下或いは電池セルの劣化により電池セルの内部抵抗が上昇して最初の充電電流で第二の所定値を超えた場合でも、保護素子が溶断することなく、充電制御が先に働いて充電電流を下げるため、保護素子を無意味に溶断する誤動作を防ぐことができる。

請求項４の発明によれば、一つ置きの二次電池と並列に抵抗を接続したので、二次電池における短絡や、二次電池と充放電制御電圧検出回路及び過充電電圧検出回路との間の接続線の断線などの場合に、検出される電池電圧が異常値を示すことで充電制御の停止又は保護素子による電路遮断を行うことができ、過充電を防ぐことができる。

以下、本発明に係る電池パックの実施形態を図面に基づいて説明する。尚、本実施形態は、二次電池の電池セルを４セル直列に接続した組電池を直列に２個接続した８セル直列の電池パックであるが、複数の二次電池を直列接続した組電池を複数段直列に接続したものであれば良く、上記の構成に限定されるものではない。

本実施形態は、図１に示すように、電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ４を直列に接続した組電池１−１及び電池セルＢＡＴ５〜ＢＡＴ８を直列に接続した組電池１−２を直列に接続した組電池群１と、組電池群１のプラス電極と接続される端子Ｓ１及び組電池群１のマイナス電極と接続される端子Ｓ２及び組電池群１のプラス電極と保護素子１０を介して接続される端子Ｓ３から成り、電動工具等の負荷本体（図示せず）又は充電器（図示せず）に設けられた端子部（図示せず）に着脱自在に装着される電源端子部と、負荷本体又は充電器の端子部に着脱自在に装着されて負荷本体又は充電器との間で信号の入出力を行う信号端子部２とを備える。ここで、保護素子１０は、ヒータ抵抗に電流を流すことによりヒューズを切断して電路を遮断する非復帰型の素子である。また、端子Ｓ２は電源用のグラウンドと接続されている。

電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ４各々のプラス電極と接続される端子Ｖ１〜Ｖ４は、それぞれ充放電制御電圧検出回路３−１、過充電電圧検出回路１１−１に接続されている。充放電制御電圧検出回路３−１は、各電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧を検出するための４セル対応の汎用ＩＣであり、電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ４のセル電圧の少なくとも何れか１つが第１の所定値（本実施形態では、４．２Ｖ）より高くなると充電制御信号（オープンドレイン出力のアクティブハイ）を後述する充電制御信号変換回路４−１に出力し、電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ４のセル電圧の少なくとも何れか１つが第１の所定値より低い第２の所定値（本実施形態では、２Ｖ）より低くなると放電制御信号（Ｃ−ＭＯＳ出力のアクティブハイ）を後述する放電制御信号変換回路５−１に出力する。充放電制御電圧検出制回路３−１は、電源側端子ＶＤＤが端子Ｖ４と接続されるとともに接地側端子ＶＳＳが端子Ｓ２と接続されることで、組電池１−１から電源が供給されるようになっている。また、充放電制御電圧検出回路３−１と端子Ｓ２との間には、それぞれ充電制御信号と放電制御信号の遅延時間を設定するためのコンデンサＣ１，Ｃ２が設けられている。

過充電電圧検出回路１１−１は、過充電電圧を検出するための４セル対応の汎用ＩＣであり、電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ４のセル電圧の少なくとも何れか１つが第１の所定値より高い第３の所定値（本実施形態では、４．５Ｖ）より高くなると過充電制御信号（Ｃ−ＭＯＳ出力のアクティブハイ）を後述する電圧変換回路１３に出力する。過充電電圧検出回路１１−１は、電源側端子ＶＤＤが端子Ｖ４と接続されるとともに接地側端子ＶＳＳが端子Ｓ２と接続されることで、組電池１−１から電源が供給されるようになっている。また、過充電電圧検出回路１１−１と端子Ｓ２との間には、過充電制御信号の遅延時間を設定するためのコンデンサＣ５が設けられている。

電池セルＢＡＴ５〜ＢＡＴ８各々のプラス電極と接続される端子Ｖ５〜Ｖ７、及びＶＢは、それぞれ充放電制御電圧検出回路３−２、過充電電圧検出回路１１−２に接続されている。充放電制御電圧検出回路３−２は、各電池セルＢＡＴ５〜ＢＡＴ８の電圧を検出するための４セル対応の汎用ＩＣであり、電池セルＢＡＴ５〜ＢＡＴ８のセル電圧の少なくとも何れか１つが第１の所定値より高くなると充電制御信号を後述する充電制御信号変換回路４−２に出力し、電池セルＢＡＴ５〜ＢＡＴ８のセル電圧の少なくとも何れか１つが第２の所定値より低くなると放電制御信号を後述する放電制御信号変換回路５−１に出力する。充放電制御電圧検出制回路３−２は、電源側端子ＶＤＤが端子ＶＢと接続されるとともに接地側端子ＶＳＳが端子Ｖ４と接続されることで、組電池１−２から電源が供給されるようになっている。また、充放電制御電圧検出回路３−２と端子Ｖ４との間には、それぞれ充電制御信号と放電制御信号の遅延時間を設定するためのコンデンサＣ３，Ｃ４が設けられている。

過充電電圧検出回路１１−２は、過充電電圧を検出するための４セル対応の汎用ＩＣであり、電池セルＢＡＴ５〜ＢＡＴ８のセル電圧の少なくとも何れか１つが第３の所定値より高くなると過充電制御信号を後述する駆動回路１２に出力する。過充電電圧検出回路１１−２は、電源側端子ＶＤＤが端子ＶＢと接続されるとともに接地側端子ＶＳＳが端子Ｖ４と接続されることで、組電池１−２から電源が供給されるようになっている。また、過充電電圧検出回路１１−２と端子Ｖ４との間には、過充電制御信号の遅延時間を設定するためのコンデンサＣ６が設けられている。

尚、電池セルＢＡＴ１，ＢＡＴ３，ＢＡＴ５，ＢＡＴ７には、それぞれ並列に抵抗Ｒａ〜Ｒｄ（例えば、１ＭΩ以上）が接続されている。このため、電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ８における短絡や、電池セルＢＡＴ１〜８と充放電制御電圧検出回路３−１，３−２及び過充電電圧検出回路１１−１，１１−２との間の接続線の断線などの場合に、検出されるセル電圧が異常値を示すことで充電制御の停止又は保護素子１０による電路遮断を行うことができ、過充電を防ぐことができる。

充電制御信号変換回路４−１，４−２は、それぞれ充放電制御電圧検出回路３−１，３−２と接続され、図２に示すように、ゲートに抵抗Ｒ１を介して充電制御信号が供給されるＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１と、ＮＰＮ型トランジスタＱ２，Ｑ３と、オープンコレクタ出力のＰＮＰ型トランジスタＱ４とを備えている。また、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレインとトランジスタＱ２のベースとの間、トランジスタＱ２のコレクタと後述する電源供給回路９−１，９−２の出力との間、トランジスタＱ３のコレクタとトランジスタＱ４のベースとの間には、それぞれ抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が設けられている。而して、入力の充電制御信号がハイレベルの場合、ＭＯＳトランジスタＱ１、トランジスタＱ２がオフになり、トランジスタＱ３、トランジスタＱ４がオンになることで、出力信号がハイレベル、即ち電源供給回路９−１，９−２の出力電圧になるような信号変換が行われる。

放電制御信号変換回路５−１，５−２は、それぞれ充放電制御電圧検出回路３−１，３−２と接続され、図３に示すように、ゲートに抵抗Ｒ５を介して放電制御信号が供給されるＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱ５と、ＮＰＮ型トランジスタＱ６，Ｑ７と、オープンコレクタ出力のＰＮＰ型トランジスタＱ８とを備えている。また、ＭＯＳトランジスタＱ５のドレインとトランジスタＱ６のベースとの間、トランジスタＱ６のコレクタと後述する電源供給回路９−１，９−２の出力との間、トランジスタＱ７のコレクタとトランジスタＱ８のベースとの間には、それぞれ抵抗Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８が設けられている。而して、入力の放電制御信号がハイレベルの場合、ＭＯＳトランジスタＱ５、トランジスタＱ６がオフになり、トランジスタＱ７、トランジスタＱ８がオンになることで、出力信号がハイレベル、即ち電源供給回路９−１，９−２の出力電圧になるような信号変換が行われる。

充電制御信号論理和回路６は、エミッタが端子Ｓ２に接続されたＮＰＮ型トランジスタＱ９を備え、ベースに充電制御信号変換回路４−１，４−２の出力信号がそれぞれ抵抗Ｒ９−１，９−２を介して入力される。トランジスタＱ９のコレクタには、後述する起動信号ＶＴが抵抗Ｒ１０を介して入力されるようになっており、該コレクタ出力が後述する充電制御信号遅延回路１４に入力されるようになっている。充電制御信号遅延回路１４は、充電制御信号論理和回路６からの入力信号を遅延させるもので、電源側端子に起動信号ＶＴが供給されるようになっている。また、出力は後述する信号端子部２の端子２ｇに接続される。而して、充電制御信号変換回路４−１，４−２の出力信号が何れもローレベルであれば、トランジスタＱ９がオフとなり起動信号ＶＴが充電制御信号遅延回路１４に入力され、充電制御信号変換回路４−１，４−２の出力信号の少なくとも何れか１つがハイレベルになると、トランジスタＱ９がオンとなって充電制御信号遅延回路１４にローレベルの信号が入力される。

放電制御信号論理和回路７は、エミッタが端子Ｓ２に接続されたＮＰＮ型トランジスタＱ１０を備え、ベースに放電制御信号変換回路５−１，５−２の出力信号がそれぞれ抵抗Ｒ１１−１，１１−２を介して入力される。トランジスタＱ１０のコレクタには、起動信号ＶＴが抵抗Ｒ１２を介して入力されるようになっており、該コレクタ出力が後述する放電制御信号遅延回路１５に入力されるようになっている。放電制御信号遅延回路１５は、放電制御信号論理和回路７からの入力信号を遅延させるもので、電源側端子に起動信号ＶＴが供給されるようになっている。また、出力は後述する信号端子部２の端子２ｃに接続される。而して、放電制御信号変換回路５−１，５−２の出力信号が何れもローレベルであれば、トランジスタＱ１０がオフとなり起動信号ＶＴが放電制御信号遅延回路１５に入力され、放電制御信号変換回路５−１，５−２の出力信号の少なくとも何れか１つがハイレベルになると、トランジスタＱ１０がオンとなって放電制御信号遅延回路１４にローレベルの信号が入力される。

電源供給回路９−１は、エミッタが端子Ｖ４と接続されるとともにコレクタが充電制御信号変換回路４−１及び放電制御信号変換回路５−１の電源側端子にそれぞれ接続されるＰＮＰ型トランジスタＱ１２−１を備え、該トランジスタＱ１２−１のベースは、抵抗Ｒ１４−１及びダイオードＤ１−１を介して後述する電源起動回路８に接続される。電源供給回路９−２は、エミッタが端子ＶＢと接続されるとともにコレクタが充電制御信号変換回路４−２及び放電制御信号変換回路５−２の電源側端子にそれぞれ接続されるＰＮＰ型トランジスタＱ１２−２を備え、該トランジスタＱ１２−２のベースは、抵抗Ｒ１４−２及びダイオードＤ１−２を介して電源起動回路８に接続される。

電源起動回路８は、エミッタが後述する信号端子部２の端子２ｈに接続されたＮＰＮ型トランジスタＱ１１を備え、ベースが信号端子部２の端子２ｂに抵抗Ｒ１３を介して接続されることで負荷本体及び充電器で生成された起動信号ＶＴが供給されるようになっている。また、トランジスタＱ１１のコレクタは、前述のように電源供給回路９−１，９−２に接続される。而して、電源起動回路８のトランジスタＱ１１のベースに起動信号ＶＴが供給されると、トランジスタＱ１１，Ｑ１２−１，Ｑ１２−２がそれぞれオンになり、電源供給回路９−１から充電制御信号変換回路４−１及び放電制御信号変換回路５−１に組電池１−１の電池電圧が供給されるとともに、電源供給回路９−２から充電制御信号変換回路４−２及び放電制御信号変換回路５−２に組電池１−２の電池電圧が供給される。

電圧変換回路１３は、ソースが端子Ｓ２に接続されたＮチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１４と、ソースが端子ＶＢに接続されたＰチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１５とを備え、ＭＯＳトランジスタＱ１４のドレインとＭＯＳトランジスタＱ１５のゲートとが抵抗１７を介して接続されている。ＭＯＳトランジスタＱ１４のゲートは、抵抗Ｒ１６を介して過充電電圧検出回路１１−１の出力と接続されており、ＭＯＳトランジスタＱ１５のドレインは、端子Ｖ４に接続されるとともに後述する駆動回路１２の入力と接続されている。

駆動回路１２は、ソースが端子Ｖ４に接続されたＮチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１３−１，Ｑ１３−２を備え、各ドレインが保護素子１０と接続されている。ＭＯＳトランジスタＱ１３−１のゲートは、抵抗Ｒ１５−１を介して電圧変換回路１３のＭＯＳトランジスタＱ１５のドレインと接続されており、ＭＯＳトランジスタＱ１３−２のゲートは、抵抗Ｒ１５−２を介して過充電電圧検出回路１１−２の出力と接続されている。

而して、過充電電圧検出回路１１−１の過充電制御信号がハイレベルになると、電圧変換回路１３のＭＯＳトランジスタＱ１４，Ｑ１５がオンとなり、駆動回路１２のＭＯＳトランジスタＱ１３−１をオンさせる。すると、保護素子１０のヒータ抵抗に組電池１−２の電池電圧、若しくは充電器装着時であれば端子Ｓ３を介して充電電圧が印加され、その発熱で瞬時にヒューズを溶断し、端子Ｓ３と組電池群１のプラス電極との間の電路を遮断する。同様に、過充電電圧検出回路１１−２の過充電制御信号がハイレベルになると、駆動回路１２のＭＯＳトランジスタＱ１３−２がオンとなり、保護素子１０に組電池１−２の電池電圧若しくは充電電圧が印加されて端子Ｓ３と組電池群１のプラス電極との間の電路を遮断する。

信号端子部２は、負荷本体又は充電器に設けられた端子部と接続される８つの端子２ａ〜２ｈから成り、端子２ｈは信号用のグラウンドに接続されている。端子２ａと端子２ｈとの間には、組電池群１の情報（セル数、構成、電圧、容量など）に対応した抵抗値を有する識別用の抵抗１６が接続されている。端子２ｂは、充電制御信号論理和回路６、放電制御信号論理和回路７、電源起動回路８、充電制御信号遅延回路１４、放電制御信号遅延回路１５に接続され、負荷本体又は充電器装着時に負荷本体又は充電器で生成される起動信号ＶＴをそれぞれの回路に供給する。端子２ｃ，２ｇには、それぞれ放電制御信号遅延回路１５の出力信号と充電制御信号遅延回路１４の出力信号が入力される。端子２ｄと端子２ｈとの間には、組電池群１の温度を検出する温度センサ（サーミスタ）１８が接続されている。端子２ｅと端子２ｆとの間には、負荷本体又は充電器からの制御の履歴等を記録する不揮発性メモリから成る記憶部１７が接続されており、端子２ｂから供給される起動信号ＶＴによって起動する。

尚、組電池群１のマイナス電極に接続される端子Ｓ２と端子２ｈとは直接接続されず、互いに分離された構成となっている。このため、端子Ｓ２が導通不良になった場合に、端子２ｈを介して充放電の大電流が流れ、発火等の不具合が生じるのを防止することができる。

而して、充電器が装着された場合は、電源端子部の端子Ｓ３，Ｓ２及び信号端子部２を介して充電制御を行う。また、負荷本体が装着された場合は、負荷本体に設けられたトリガスイッチ（図示せず）を操作することで、電源端子部の端子Ｓ１，Ｓ２及び信号端子部２を介して負荷制御を行う。尚、負荷本体及び充電器が装着された状態では、端子Ｓ２と端子２ｈとが内部で接続されており、電源用グラウンドと信号用グラウンドが共通接地となっている。

以下、本実施形態が充電器に装着された場合の動作について説明する。充電器が装着されると、端子２ａ及び端子２ｄを介して温度センサ１８及び識別用の抵抗１６の情報を検出することで、本実施形態が装着されたことを自動検出し、充電動作に入る。先ず、端子２ｂに起動信号ＶＴを印加するとともに、端子２ｄにより検出される組電池群１の温度が所定の温度範囲内（本実施形態では７０℃以下）であり、端子２ｇに入力される信号がハイレベル、即ち各電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ８の電池電圧が何れも第１の所定値（４．２Ｖ）以下であれば、端子Ｓ３，Ｓ２を介して定電流充電を開始する。端子２ｇに入力される信号がローレベル、即ち各電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ８の少なくとも何れか１つの電池電圧が第１の所定値（４．２Ｖ）以上になると、順次、充電電流を下げていく定電圧充電に移行し、充電電流が一定以下になると充電を完了し、端子２ｂの起動信号ＶＴの印加を停止することで消費電流を抑える。尚、充電器が外されたことは、端子２ａ及び端子２ｂの電圧を検出することで判断する。

ここで、温度センサ１８により検出される組電池群１の温度が所定の温度（７０℃）を超えた場合、及び端子Ｓ３，Ｓ２に印加される充電電圧が所定値（本実施形態では、３５Ｖ）を超えた場合には充電を停止するようになっている。更に、過充電電圧検出回路１１−１，１１−２において、各電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ８の少なくとも何れか１つの電池電圧が第３の所定値（４．５Ｖ）を超えると、駆動回路１２を起動させて保護素子１０を溶断することで充電できないようにしている。このため、充電時における高度な安全性を確保することができる。

次に、本実施形態が負荷本体に装着された場合の動作について説明する。負荷本体が装着され、起動のためのトリガスイッチが操作されると、負荷本体の制御回路が起動し、端子２ｂに起動信号ＶＴを印加するとともに、端子２ｄ及び端子２ｃを介して組電池群１の温度及び過放電か否かの情報を得て、正常な場合は端子Ｓ１，Ｓ２を介して負荷本体を起動する。トリガスイッチが離された場合、或いは端子２ｄ，２ｃで異常が検出された場合は、放電を停止し、信号端子VT への起動信号の印加を停止することで消費電流を抑える。

一般に、リチウムイオン電池は、過放電することにより信頼性が低下し、寿命が短くなる。具体的には、Ｆｅの析出電圧（１．０Ｖ）、Ｃｕの析出電圧（０．５Ｖ）を下回ると容量低下の原因となる。そこで、負荷本体の制御回路で端子Ｓ１，Ｓ２間の電圧を監視し、所定電圧（本実施形態では、２０Ｖ）以下となると負荷を止めて放電を停止するようになっている。また、端子２ｃに入力される信号がローレベル、即ち各電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ８の少なくとも何れか１つの電池電圧が第２の所定値（２．０Ｖ）以下になると負荷を停止するようになっている。更に、温度センサ１８により検出される組電池群１の温度が所定値（７０℃）を超えた場合、負荷を停止し放電を停止するようにしている。このため、放電による信頼性の低下を防止することができる。

次に、本実施形態が負荷本体及び充電器の何れにも装着されずに放置されている場合の動作について説明する。充放電制御電圧検出回路３−１，３−２及び過充電電圧検出回路１１−１，１１−２は、何れも放置時においても組電池１−１，１−２から電源が供給され駆動し続ける。従って、消費電流が極めて低い回路とする必要があり、充放電制御電圧検出回路３−１，３−２では、放置時においては検出動作が不要なため、端子２ｂから起動信号ＶＴが入力されない時は待機モードになり、充電制御信号変換回路４−１，４−２及び放電制御信号変換回路５−１，５−２に対する出力信号がハイレベルとなるようにしている。また、電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ８の少なくとも何れか１つの電池電圧が第２の所定値（２．０Ｖ）以下になると、自動的に低消費電力モードに移行するようにしている。このモードでは、充電制御信号変換回路４−１，４−２及び放電制御信号変換回路５−１，５−２に対する出力信号がハイレベルとなり、回路停止状態（消費電流が０．１μＡ以下）となる。

ところで、充電制御信号変換回路４−１，４−２及び放電制御信号変換回路５−１，５−２以降の回路は、低消費電流設計をしてもかなりの電流（１ｍＡ程度）が消費される。そこで、端子２ｂからの起動信号ＶＴによって起動する電源起動回路８及び電源供給回路９−１，９−２を設け、端子２ｂから起動信号ＶＴが入力されない場合、及び放置時には電源供給回路９−１，９−２からの電圧供給を停止することにより、回路を停止して消費電流を押さえている。このとき、充放電制御電圧検出回路３−１，３−２は、待機モード又は低消費電力モードとなり、前記端子が何れもハイレベルとなるため、充電制御信号変換回路４−１，４−２及び放電制御信号変換回路５−１，５−２の入力段のトランジスタがオフすることで電流が流れないようになっている。而して、消費電流を極めて低い値（３μＡ程度）に抑えられるため、長期間放置されても過放電による劣化を防ぐことができる。

以下、本実施形態の回路の動作について詳細に述べる。先ず、負荷本体又は充電器が装着されていて、端子２ｂから起動信号ＶＴが印加されている場合について述べる。ここで、組電池群１の全ての電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ８の電池電圧が第１の所定値（４．２Ｖ）以下の場合は、充放電制御電圧検出回路３−１，３−２からそれぞれ出力される充電制御信号は何れもローレベルである。このため、充電制御信号変換回路４−１，４−２においては、ＭＯＳトランジスタＱ１、トランジスタＱ２がオンし、トランジスタＱ３，Ｑ４がオフとなるので、充電制御信号変換回路４−１，４−２から出力される信号は何れもローレベルとなる。したがって、充電制御信号論理和回路６のトランジスタＱ９はオフとなり、充電制御信号遅延回路１４には起動信号ＶＴ（例えば、５Ｖ）が入力され、充電制御信号遅延回路１４で遅延された起動信号ＶＴが端子２ｇに入力される。

組電池群１の各電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ８の少なくとも何れか１つの電池電圧が第１の所定値（４．２Ｖ）を超えた場合、電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ４であれば充放電制御電圧検出回路３−１の充電制御信号が、電池セルＢＡＴ５〜ＢＡＴ８であれば充放電制御電圧検出回路３−２の充電制御信号がハイレベルとなる。充電制御信号がハイレベルになると、充電制御信号変換回路４−１，４−２においては、ＭＯＳトランジスタＱ１、トランジスタＱ２がオフし、トランジスタＱ３，Ｑ４がオンとなるので、ハイレベルの充電制御信号が入力された充電制御信号変換回路４−１，４−２から出力される信号はハイレベルとなる。したがって、充電制御信号論理和回路６のトランジスタＱ９はオンとなり、充電制御信号遅延回路１４にはローレベルの信号が入力され、充電制御信号遅延回路１４で遅延されたローレベルの信号が端子２ｇに入力される。

ここで、充電制御信号の遅延時間について図４を用いて説明する。充電器による充電電流は商用電源の周波数に応じた変動があり、電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ８の内部抵抗により、電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ８の電池電圧には電圧リプルが発生する（図４（ａ），（ｂ）では端子Ｖ１における電圧信号を示す）。例えば、充電制御信号の解除遅延時間、即ち充電制御信号遅延回路１４に入力されるハイレベルの信号の遅延時間を商用電源の周波数の半周期より長くすると、図４（ｂ）に示すように、充電電流を下げても充電制御信号はハイレベルにならず、充電器においては連続して充電電流を下げていくことになり、電圧信号のリプル上端が充電制御電圧レベル（４．２Ｖ）を下回って初めてハイレベルとなり、ハイレベルとなった時点の充電電流によって充電が行われる。このため、充電電流の変化幅が荒くなることで充電効率が悪くなり、充電時間が長くなるという不具合が発生する。また、充電制御信号の検出遅延時間、即ち充電制御信号遅延回路に入力されるローレベルの信号の遅延時間を商用電源の周期よりも短くすると、商用電源のリプルに同期して充電制御信号がハイレベルとローレベルとで交互に切り替えられるので、単発ノイズが発生した場合に誤動作の原因となる。

そこで、遅延特性として充電制御信号の検出遅延時間を商用電源の周波数の周期よりも長くし、充電制御信号の解除遅延時間を商用電源の周波数の半周期より短くした場合を図４（ａ）に示す。このような遅延特性にした場合、電圧信号のリプル下端が充電制御レベルを商用電源の周波数の周期より長く超えると、端子２ｇにローレベルの信号が入力される。これを受けて、充電器が充電電流を下げることで電圧信号が低下し（図４（ａ）における電流制御）、充電制御電圧レベルを下回ると端子２ｇにハイレベルの信号が入力されて再び電圧信号が上昇する。このようにして、充電電流を徐々に下げながら定電圧充電を効率よく行うことができ、また、単発ノイズによる誤動作を防止することができる。尚、充電制御における遅延特性は、充放電電圧検出回路３−１，３−２のコンデンサＣ１，Ｃ３と充電制御信号遅延回路１４の２箇所で設定できる。

次に、組電池群１の全ての電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ８の電池電圧が第２の所定値（２Ｖ）以上の場合は、充放電制御電圧検出回路３−１，３−２の放電制御信号はローレベルである。このため、放電制御信号変換回路５−１，５−２においては、ＭＯＳトランジスタＱ５、トランジスタＱ６がオンし、トランジスタＱ７，Ｑ８がオフとなるので、放電制御信号変換回路５−１，５−２から出力される信号は何れもローレベルとなる。したがって、放電制御信号論理和回路７のトランジスタＱ１０はオフとなり、放電制御信号遅延回路１４には起動信号ＶＴが入力され、放電制御信号遅延回路１５で遅延された起動信号ＶＴが端子２ｃに入力される。

その後、負荷本体の駆動が行われ、組電池群１の電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ８の少なくとも何れか１つの電池電圧が第２の所定値（２．０Ｖ）以下となった場合、電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ４であれば充放電制御電圧検出回路３−１の放電制御信号が、電池セルＢＡＴ５〜ＢＡＴ８であれば充放電制御電圧検出回路３−２の放電制御信号がハイレベルとなる。放電制御信号がハイレベルになると、放電制御信号変換回路５−１，５−２においては、ＭＯＳトランジスタＱ５、トランジスタＱ６がオフし、トランジスタＱ７，Ｑ８がオンとなるので、ハイレベルの放電制御信号が入力された放電制御信号変換回路５−１，５−２から出力される信号はハイレベルとなる。したがって、放電制御信号論理和回路７のトランジスタＱ１０はオンとなり、放電制御信号遅延回路１５にはローレベルの信号が入力され、放電制御信号遅延回路１５で遅延されたローレベルの信号が端子２ｃに入力される。尚、負荷本体がパルス駆動時に発生するノイズによる誤動作防止が必要となるため、放電制御信号の遅延特性は、検出遅延時間（約１秒）を解除遅延時間よりも長くするのが効果的である。

次に、組電池群１の全ての電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ８が第３の所定値（４．５Ｖ）以下の場合は、過充電電圧検出回路１１−１，１１−２の過充電制御信号はローレベルである。このため、過充電電圧検出回路１１−１からの過充電制御信号を受けて電圧変換回路１３のＭＯＳトランジスタＱ１４，Ｑ１５はオフとなり、組電池１−１の電池電圧を駆動回路１２に出力する。一方、過充電電圧検出回路１１−２については、組電池１−１の電池電圧を駆動回路１２に出力する。この場合、駆動回路１２のＭＯＳトランジスタＱ１３−１，Ｑ１３−２は何れもオフのままであり、保護素子１０は溶断することがないので、端子Ｓ３，Ｓ２を介して充電電流が組電池群１に供給される。

その後、充電等により電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ８の電池電圧が上昇し、電池セルＢＡＴ１〜４の少なくとも何れか１つの電池電圧が第３の所定値（４．５Ｖ）を超えると、過充電電圧検出回路１１−１の過充電制御信号はハイレベルとなる。このため、電圧変換回路１３のＭＯＳトランジスタＱ１４，Ｑ１５はオンとなり、組電池群１の電池電圧を駆動回路１２に出力する。この電圧変換回路１３の出力を受けて駆動回路１２のＭＯＳトランジスタＱ１３−１がオンし、保護素子１０のヒータ抵抗に組電池１−２の電池電圧が印加され、この発熱により保護素子１０が溶断されることで端子Ｓ３からの電源供給が遮断され、過充電を防止する。同様に、電池セルＢＡＴ５〜ＢＡＴ８の少なくとも何れか１つの電池電圧が第３の所定値（４．５Ｖ）を超えると、過充電電圧検出回路１１−２の過充電制御信号出力はハイレベルとなって駆動回路１２に組電池群１の電池電圧を出力する。この過充電電圧検出回路１１−２の出力を受けて駆動回路１２のＭＯＳトランジスタＱ１３−２がオンし、保護素子１０のヒータ抵抗に組電池１−２の印加電圧が供給され、この発熱により保護素子１０が溶断されることで端子Ｓ３からの電源供給が遮断され、過充電を防止する。

ここで、過充電電圧検出回路１１−１，１１−２の何れが作動した場合においても組電池１−２の電池電圧が保護素子１０に印加されるようにしているので、４セル用の汎用の保護素子１０を使用することができるとともに、どの電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ８が過充電電圧を超えた場合でも、安定な動作を実現することができる。

尚、過充電制御信号の遅延特性は、過充電電圧検出回路１１−１，１１−２のコンデンサＣ５，Ｃ６で設定できるが、速い動作を必要としないため、ノイズや電圧変動による誤動作を防止するため、長めの遅延時間（約１秒以上）が設定されることが望ましい。また、室温の低下或いは電池セルの劣化により電池セルの内部抵抗が上昇して最初の充電電流で第３の所定値（４．５Ｖ）を超えた場合でも、遅延時間を前述の充電制御信号の検出遅延時間よりも長く設定することにより、保護素子１０が溶断することなく、充電制御が先に働いて充電電流を下げるため、保護素子１０を無意味に溶断する誤動作を防ぐことができる。

次に、負荷本体及び充電器が接続されていて起動信号ＶＴが供給されていない場合、或いは本実施形態が負荷本体及び充電器の何れにも装着されずに放置されている場合について述べる。先ず、通常状態（２．０〜４．２Ｖ）では、充放電電圧検出回路３−１，３−２の充電制御信号及び放電制御信号は何れもハイレベルとなる。この場合、充電制御信号変換回路４−１，４−２の入力はオープンとなり、電源供給回路９−１，９−２から電源が供給されないため、回路で電流が消費されることもない。充電制御信号論理和回路６も入力がオープンとなり、端子２ｂからの起動信号ＶＴも供給されないために回路で電流が消費されることはない。充電制御信号遅延回路１４等の端子２ｂからの起動信号ＶＴで駆動される回路においても電流が消費されることはない。また、放電制御信号変換回路５−１，５−２の入力はそれぞれ端子Ｖ４，ＶＢの電位となり、ＭＯＳトランジスタＱ５はオフするとともに、電源供給回路９−１，９−２から電源が供給されないため、回路で電流が消費されることもない。また、過充電電圧検出回路１１−１，１１−２の過充電制御信号はローレベルとなるため、電圧変換回路１３及び駆動回路１２のトランジスタはすべてオフであり、回路で電流が消費されることはない。したがって、消費電流としては充放電電圧検出回路３−１，３−２の消費電流（約10μＡ）、過充電電電圧検出回路１１−１，１１−２（約１μＡ）の消費電流のみとなる。また、過放電状態（２．０Ｖ以下）では、充放電制御電圧検出回路３−１，３−２が低消費電力モード（０．１μＡ以下）となり、消費電流はさらに小さくなる。

ところで、本実施形態では、充電制御信号論理和回路６及び放電制御信号論理和回路７、電源供給回路９−１，９−２で電圧変換を行なっているため、これらの回路において組電池１−１，１−２の間で消費電流のバラツキが発生する。そのため、本実施形態では以下の工夫をして、組電池１−１，１−２の間の消費電流のバラツキを解消した。

一例として、充電制御信号について述べると、充電制御信号論理和回路６の抵抗Ｒ９−１，Ｒ９−２の抵抗値は、トランジスタＱ９の駆動を安定させるために同一電流が流れるように設定されている。具体的には、抵抗Ｒ９−１には組電池１−１から電圧が供給され、抵抗Ｒ９−２には組電池１−１，１−２から電圧が供給されるので、抵抗Ｒ９−２の抵抗値は抵抗Ｒ９−１の抵抗値の２倍に設定されている。この時、充電制御信号論理和回路６において、組電池１−１は組電池１−２に比べて倍の電流を消費することになる（即ち、組電池１−１はＶ４／Ｒ９−１だけ多く流れる）。

そこで、この差分を組電池１−２で駆動される回路で多めに流すようにする必要がある。例えば、充電制御信号変換回路４−１の抵抗Ｒ２（以下、「抵抗Ｒ２−１」と呼ぶ）の抵抗値を充電制御信号変換回路４−２の抵抗Ｒ２（以下、「抵抗Ｒ２−２」と呼ぶ）の抵抗値よりも小さくし、充電制御信号変換回路４−２において消費電流を多く流すようにする。具体的には、充電制御信号変換回路４−１の抵抗Ｒ２−１を抵抗Ｒ９−１と同じ抵抗値にし、充電制御信号変換回路４−２の抵抗Ｒ２−２を充電制御信号変換回路４−１の抵抗Ｒ２の抵抗値の半分にすれば、充電制御信号変換回路４−２の消費電流は充電制御信号変換回路４−１に比べて、充電制御信号論理和回路６の抵抗Ｒ９−１での消費電流分だけ多く流れ、全体として組電池１−１，１−２の間での消費電流を略等しくすることができる。

具体的には、各抵抗値をＲ９−１＝（Ｒ９−２）／２＝ｒ、Ｒ２−１＝２・（Ｒ２−２）＝ｒとし、各電池セルＢＡＴ１〜ＢＡＴ８の電池電圧をｖとすると、組電池１−１での消費電流は、４ｖ／ｒ＋８ｖ／２ｒ＋４ｖ／ｒ＝１２ｖ／ｒとなり、組電池１−２での消費電流は、８ｖ／２ｒ＋４ｖ／（ｒ／２）＝１２ｖ／ｒとなるので、組電池１−１，１−２それぞれの消費電流は同じとなる。他の回路についても上記と同様に抵抗値を調整することで組電池１−１，１−２の間の消費電流を略等しくすることができる。

このように、抵抗値のみで電流調整をしたことにより、組電池１−１，１−２の間で他の要因（初期電池容量、電池の容量劣化等）によって電池容量、電圧がばらついた場合でも、容量、電圧の高い組電池では他よりも多くの電流が流れることになり、消費電流のバラツキを少なくするように働かせることができる。尚、ここでは通常状態（２．０〜４．２Ｖ）について述べたが、充電制御状態（４．２Ｖ以上）についても同様の考え方で消費電流のバラツキを解消することができる（この場合、抵抗Ｒ３，Ｒ４を調整する。）また、過放電状態（２．０Ｖ以下）についても同じ考え方で消費電流のバラツキを解消することができる。

更に、通常状態（２．０〜４．２Ｖ）での消費電流に比べて、充電制御状態（４．２Ｖ以上）での消費電流（主に充電制御信号変換回路４−１，４−２での消費電流）を大きく、過放電状態（２．０Ｖ以下）での消費電流（主に放電制御信号変換回路５−１，５−２での消費電流）を小さくすることにより、組電池の間での電池容量、電圧のバラツキを平準化できる。即ち、充電制御状態に早く到達した組電池は電池の容量電圧が他に比べて大きいため、電流を多く消費するように設定されていると他の組電池と同じように自動的に調整されることになる。また、放電制御状態に早く到達した組電池は、電池の容量電圧が他に比べて小さいため、電流を少なく消費するように設定されていると他の組電池と同じように自動的に調整されることになる。

本発明の実施形態の電池パックを示す回路図である。 同上の充電制御信号変換回路の回路図である。 同上の放電制御信号変換回路の回路図である。 同上の端子Ｖ１における電圧信号及び充電制御信号の波形図で、（ａ）は検出遅延時間を商用電源の周波数の周期よりも長くするとともに充電制御信号を解除する解除遅延時間を商用電源の周波数の半周期よりも短くした場合を示す図で、（ｂ）は解除遅延時間を商用電源の周波数の半周期よりも長くした場合を示す図である。

符号の説明

１ 組電池群
１−１，１−２ 組電池
２ 信号端子部
３−１，３−２ 充放電制御電圧検出回路
４−１，４−２ 充電制御信号変換回路
６ 充電制御信号論理和回路
ＢＡＴ１〜ＢＡＴ８ 電池セル（二次電池）
Ｓ１〜Ｓ３ 電源端子部

Claims (4)

1. 複数の二次電池を直列接続して成る組電池を複数段直列に接続した組電池群と、充電器又は負荷本体に着脱自在に装着されて充電器又は負荷本体と電気的に接続される端子部とを有する電池パックであって、各組電池に各々接続されて少なくとも何れか１つの二次電池の電圧値が第一の所定値より高くなると充電器に充電を制御するように指示する充電制御信号を出力する複数の充電制御電圧検出回路と、各充電制御電圧検出回路に各々接続されて充電制御信号を所定の信号に変換して出力する複数の充電制御信号変換回路と、各充電制御信号変換回路の出力の論理和をとるとともに充電器装着時に充電器から端子部を介して印加される起動信号の電圧を論理和に応じて変換した信号を充電器に出力する充電制御信号論理和回路と、起動信号により起動する電源起動回路と、該電源起動回路に各々接続されて電源起動回路が起動すると各充電制御信号変換回路及び充電制御信号論理和回路に各組電池の電圧を供給する複数の電源供給回路と、組電池群の高圧側の第一の電源端子と充電器又は負荷本体と接続される第二の電源端子との間に設けられて動作すると第一の電源端子及び第二の電源端子の間を遮断する保護素子と、各組電池に各々接続されて少なくとも何れか１つの二次電池の電圧値が第一の所定値よりも高い第二の所定値より高くなると過充電制御信号を出力する複数の過充電電圧検出回路と、最も高圧側の組電池の電圧が供給される過充電電圧検出回路に接続されて過充電制御信号が入力されると最も高圧側の組電池の電圧で保護素子を動作させる第一の駆動回路と、前記最も高圧側の組電池以外の組電池の電圧が供給される過充電電圧検出回路に接続されて過充電制御信号を最も高圧側の組電池の電圧に変換するとともに該電圧で保護素子を動作させる一乃至複数の第二の駆動回路とを備えたことを特徴とする電池パック。
2. 前記保護素子は非復帰であることを特徴とする請求項１記載の電池パック。
3. 前記過充電制御信号の遅延時間を前記充電制御信号の遅延時間よりも長くしたことを特徴とする請求項１又は２記載の電池パック。
4. 前記組電池群の直列に接続された二次電池のうち、一つ置きの二次電池と並列に抵抗を接続したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電池パック。

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