JP4738730B2 - 組電池及び電池パック - Google Patents

Description

本発明は、異なる種類の電池群を直列に接続した組電池に関する。

異なる種類の電池群を直列に接続した組電池としては、特許文献１に開示されたものが知られている。
特許文献１に開示された組電池は、４本の非水系二次電池（リチウムイオン二次電池）と、１２本の水溶液系二次電池（ニッケル−水素二次電池）とが直列に接続されている。非水系二次電池群の出力電圧は水溶液系二次電池群の出力電圧と同一電圧とされ、また、水溶液系二次電池群を構成する１本の電池の容量は非水系二次電池群を構成する１本の電池の容量より小さくされている。かかる組電池を充電する際は、水溶液系二次電池群を構成する特定の二次電池から充電状態を検知して、その検知した充電状態に基づいて充電制御を行う。
特開９−１８０７６８号公報

ところで、電動工具等の機器に用いられる電池パック（電池を収容したもの）は、ユーザによって持ち運びされることから小型軽量化の要求が強い。しかしながら、上述した従来の組電池は、各電池を効果的に充電することを主目的として検討されたものであり、必ずしも小型軽量化の観点から検討されたものではなかった。
本発明は、上述した実情に鑑みなされたものであり、小型軽量化が可能となる組電池及び組電池を収容する電池パックを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願に係る組電池は、異なる種類の電池群が直列に接続された組電池であって、組電池を構成する電池群のうち、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の高い電池により構成される電池群の電圧ほど、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の低い電池により構成される電池群の電圧より高くなっていることを特徴とする。また、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の高い電池により構成される電池群の個々の電池の容量ほど、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の低い電池により構成される電池群の個々の電池の容量より小さくなっていることを特徴とする。

この組電池では、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の高い電池により構成される電池群の電圧ほどエネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の低い電池により構成される電池群の電圧より高くなっている。このため、より小さい重量又は体積で高いエネルギが蓄積され、小型軽量化が可能となる。また、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の高い電池により構成される電池群の個々の電池の容量ほど、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の低い電池により構成される電池群の個々の電池の容量より小さくなる。このため、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の高い電池により構成される電池群にあわせて充電を行っても、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の低い電池により構成される電池群が過充電となることを防止することができる。

なお、組電池を構成する電池群の種類やその数は任意であり、２種類の電池群を組合せてもよいし、あるいは、２種類を越える種類（例えば、３種類）の電池群を組合せてもよい。例えば、リチウムイオン電池とニッケル−水素電池を組合せて組電池としてもよいし、リチウムイオン電池とニッケル−水素電池とニッケル−カドミウム電池を組合せて組電池としてもよい。
また、電池群を構成する電池の数は、組電池の出力電圧（すなわち、組電池が用いられる機器の作動電圧）に応じて適宜決定することができる。従って、１本の電池で１の種類の電池群を構成してもよいし、２本以上の電池で１の種類の電池群を構成してもよい。

また、本願に係る電池パックは、上記の組電池を備えた電池パックであって、組電池の充電特性データを記憶するメモリを備え、その充電特性データは、組電池への充電電流を制御するための充電制御プログラムであり、その充電制御プログラムは、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の最も高い電池により構成される電池群の充電特性から決まる充電制御方式によって充電電流を決定することを特徴とする。
この電池パックは、組電池への充電電流を制御するための充電制御プログラムを記憶するメモリを有する。従って、電池パックが充電器に接続されたとき等に、充電器の制御装置は電池パックのメモリから充電制御プログラムを読取ることが可能となり、この読取った充電制御プログラムに基づいて組電池に充電を行うことができる。この際、メモリに記憶された充電制御プログラムは、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の最も高い電池により構成される電池群の充電特性から決まる充電制御方式によって充電電流を決定するものであるため、これらの電池群に重みをおいた充電が行われる。
ここで、電池パックに装備されるメモリとしては、不揮発性のメモリやＥＥＰＲＯＭ、あるいは、ＩＣチップ等を用いることができる。

上記の電池パックにおいて、前記充電制御プログラムは、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の低い電池群の温度が設定温度を超えるか、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の低い電池群の電圧が設定電圧を超えると、組電池への充電を停止することことが好ましい。このような構成によると、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の高い電池により構成される電池群に重みをおいた充電を行いながら、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の低い電池により構成される電池群の安全性が確保される。このため、電池パック（すなわち、組電池）に対してより最適な充電を行うことができる。

上述した請求項に記載の組電池又は電池パックは、下記の形態で好適に実施することができる。
（形態１） 手段１に記載の組電池は、リチウムイオン電池により構成される第１電池群と、ニッケル−水素電池により構成される第２電池群とを有する。第１電池群の出力電圧は第２電池群の出力電圧より高い。
（形態２） 形態１に記載の組電池では、第１電池群を構成するリチウムイオン電池の容量が第２電池群を構成するニッケル−水素電池の容量より小さい。
（形態３） 手段１又は手段２に記載の組電池を収容する電池パックには、電池群毎にその電池群を充電するための一対の充電端子が設けられる。この電池パックを充電する充電装置には、電池パックに設けられた電池群毎の充電端子に対応して接続端子が設けられ、これら接続端子には電源回路が接続される。電源回路は、電池群毎に充電電流又は充電電圧を制御可能となっている。なお、一の電池群に設けられる１の充電端子（接続端子）は、他の電池群に設けられる１の充電端子（接続端子）と共通化されている。
（形態４） 手段１又は手段２に記載の組電池を収容する電池パックには、電池群毎にその電池群の温度を検出する温度検出素子と、これら温度検出素子からの信号が入力する温度比較回路を備える。温度比較回路は、各温度検出素子から出力される信号に基づいて充電制御を行うための制御信号（例えば、高い方の温度に応じた信号、低い方の温度に応じた信号、両者の差に応じた信号、等）を出力する。充電装置は、電池パックの温度比較回路から出力される制御信号に基づいて充電制御を行う制御部を備える。
（形態５） 手段１又は手段２に記載の組電池を収容する電池パックには、各電池群の電池毎にその電池の電圧を示す信号が入力する電圧変換回路を備える。電圧変換回路は、入力する各電池の電圧に基づいて充電制御を行うための制御信号（例えば、各電池電圧のうち最大の電池電圧等）を出力する。充電装置は、電池パックの電圧変換回路から出力される信号に基づいて充電制御を行う制御部を備える。
（形態６） 手段１又は手段２に記載の組電池を収容する電池パックには、各電池群の電圧と、電池群の少なくとも一方の温度を検出する電圧・温度検出回路を備える。電圧・温度検出回路は、入力する各電池群の電圧及び温度に基づいて充電制御を行うための制御信号を出力する。充電装置は、電池パックの電圧・温度検出回路から出力される制御信号に基づいて充電制御を行う制御部を備える。

以下、本発明の第１実施例に係る電池パックについて図面を参照して説明する。図１は電池パックと該電池パックを充電する充電器１０の構成を併せて示すブロック図である。
図１に示すように電池パック２０は、ニッケル−水素電池群２４と、ニッケル−水素電池群２４に直列に接続されたリチウムイオン電池群２６を備える。ニッケル−水素電池群２４は、１又は２本以上のニッケル水素−電池によって構成される。１本のニッケル−水素電池の重量は約６０ｇであり、また、その出力電圧は約１．２Ｖで、その容量は約３．３Ａｈとなっている。一方、リチウムイオン電池群２６も、１又は２本以上のリチウムイオン電池によって構成される。１本のリチウムイオン電池の重量は約８０ｇであり、また、その出力電圧は約３．６Ｖで、その容量は約３．０Ａｈとなっている。したがって、リチウムイオン電池のほうがニッケル−水素電池と比較して、エネルギ重量密度が高く、また、その容量は小さくなっている。

ここで、リチウムイオン電池の数とニッケル−水素電池の数は、リチウムイオン電池群２６の出力電圧がニッケル−水素電池群２４の出力電圧より高くなるように決められている。例えば、電池パック２０の出力電圧を１２Ｖとした場合、３本のリチウムイオン電池によりリチウムイオン電池群２６を構成し、１本のニッケル−水素電池によりニッケル−水素電池群２４を構成することができる。この場合、リチウムイオン電池群２６によって約１０．８Ｖを出力し、ニッケル−水素電池群２４によって約１．２Ｖを出力する。このとき、リチウムイオン電池群２６の重量は約２４０ｇとなり、ニッケル−水素電池群２４の重量は約６０ｇとなり、その総重量は約３００ｇとなる。
あるいは、２本のリチウムイオン電池によりリチウムイオン電池群２６を構成し、４本のニッケル−水素電池によりニッケル−水素電池群２４を構成することもできる。この場合、リチウムイオン電池群２６によって約７．２Ｖを出力し、ニッケル−水素電池群２４によって約４．８Ｖを出力する。このとき、リチウムイオン電池群２６の重量は約１６０ｇとなり、ニッケル−水素電池群２４の重量は２４０ｇとなり、その総重量は約４００ｇとなる。
なお、１２Ｖの電池パック２０をニッケル−水素電池のみで構成した場合は、ニッケル−水素電池は１０本となり、その重量は約６００ｇとなる。したがって、リチウムイオン電池とニッケル−水素電池を組合せることで、従来の単種類の電池（例えば、ニッケル−水素電池，ニッケル−カドミウム電池）により構成される電池パックと比較して、その重量を軽くすることができる。また、リチウムイオン電池とニッケル−水素電池を組合せる場合、リチウムイオン電池の数を多くするほどその総重量を小さくすることができる。

上述したニッケル−水素電池群２４のプラス極は端子Ｔ１に接続される。また、ニッケル−水素電池群２４のマイナス極とリチウムイオン電池群２６のプラス極との接続点は端子Ｔ２に接続される。さらに、リチウムイオン電池群２６のマイナス極は端子Ｔ３に接続される。電池パック２０が充電器１０に装着されると、これらの端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は充電器１０側の端子ｔ１，ｔ２，ｔ３にそれぞれ接続されるようになっている。なお、電池パック２０が電動工具に装着されると、端子Ｔ１，Ｔ３が電動工具の対応する端子に接続され、電池群２４，２６から電動工具の駆動源（例えば、モータ）に電力が供給されるようになっている。

また、リチウムイオン電池群２６のマイナス極にはサーミスタ２２の一端が接続され、サーミスタ２２の他端は端子Ｔ４に接続されている。サーミスタ２２はニッケル−水素電池群２４の近傍に配置され、ニッケル−水素電池群２４の温度が上昇すると、サーミスタ２２のインピーダンスが低下するようになっている。後述する充電器１０の制御部１６は、サーミスタ２２（すなわち、端子Ｔ４）から出力される信号の電圧によってニッケル−水素電池群２４の温度を検出するようになっている。
さらに、電池パック２０は、端子Ｔ５に接続されたＥＥＰＲＯＭ２８を備える。ＥＥＰＲＯＭ２８には、電池パック２０の型式や電池群２４，２６を充電するための充電制御プログラムが格納されている。この充電制御プログラムは、リチウムイオン電池の充電特性に基づいて作成されている。

次に、電池パック２０を充電するための充電器１０について説明する。充電器１０は、電源回路１２と、電源回路１２を制御するための充電電流・電圧制御部１４及び制御部１６を備える。
電源回路１２の入力側には図示省略した外部交流電源が接続可能とされ、その出力側には端子ｔ１，ｔ３が接続されている。電池パック２０が充電器１０に装着されると、電源回路１２がニッケル−水素電池群２４及びリチウムイオン電池群２６に接続されるようになっている。電源回路１２は、入力する外部交流電源を変換して、充電電流（直流電流）をニッケル−水素電池群２４及びリチウムイオン電池群２６に供給する。

制御部１６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等によって構成される。制御部１６には端子ｔ４，ｔ５（電池パック２０の端子Ｔ４，Ｔ５と接続される）が接続されている。このため、充電器１０に電池パック２０が装着されると、制御部１６にはサーミスタ２２から出力される信号（すなわち、ニッケル−水素電池群２４の温度に応じて電圧が変化する信号）が入力し、また、制御部１６はＥＥＰＲＯＭ２８と通信可能となる。
さらに、制御部１６には、電源回路１２から出力される充電電圧に基づく端子ｔ１（すなわち、電池パック２０の端子Ｔ１）からの信号と、端子ｔ２（すなわち、電池パック２０の端子Ｔ２）からの信号と、端子ｔ３（すなわち、電池パック２０の端子Ｔ３）からの信号が入力するようになっている。これによって、制御部１６は、ニッケル−水素電池群２４の電圧と、リチウムイオン電池群２６の電圧を独立して計測する。また、制御部１６は、端子ｔ３から入力する信号の電圧から抵抗Ｒ（すなわち、電源回路１２と端子ｔ３との間に配された抵抗Ｒ）による電圧降下量を測定し、これによって、電源回路１２から電池群２４，２６に供給している充電電流の電流値を計測している。さらに、制御部１６には記憶部１８が接続されている。記憶部１８には、充電器１０の型式や充電電流値を決定するための情報等が記憶されている。
この制御部１６は、ＥＥＰＲＯＭ２８から読取った充電制御プログラムに従って充電電流値を決定し、決定した充電電流値を充電電流・電圧制御部１４に出力する処理を行う。制御部１６で行われる処理については後で詳述する。

充電電流・電圧制御部１４は、制御部１６から出力される充電電流値に従って電源回路１２から電池群２４，２６に供給される充電電流を制御する。例えば、電源回路１２から電池群２４，２６に出力される充電電流が一定となるように充電電流を制御したり、リチウムイオン電池群２６の電圧が一定の値となるように充電電流を制御する。

次に、電池パック２０（すなわち、電池群２４，２６）を充電する際の充電器１０の動作を説明する。なお、充電器１０の充電動作は、電池パック２０が充電器１０に装着され、充電器１０の制御部１６が電池パック２０のＥＥＰＲＯＭ２８から充電制御プログラムを読取ることによって開始される。以下、電池パック２０のＥＥＰＲＯＭ２８から読取った充電制御プログラムに従って制御部１６が行う充電処理について説明する。

図２は制御部１６で行われる充電処理のフローチャートを示している。図２に示すように、制御部１６は、まず、電池群２４，２６に供給される充電電流が一定の電流値となるように充電を開始する（Ｓ１０）。具体的には、制御部１６は、充電制御プログラムにより指定された充電開始時の充電電流値を充電電流・電圧制御部１４に出力する。充電電流・電圧制御部１４は、指示された充電電流値となるように電源回路１２を制御する。これによって、ニッケル−水素電池群２４を構成する各電池とリチウムイオン電池群２６を構成する各電池に対し充電が開始される。
次いで、制御部１６はリチウムイオン電池群２６の電圧が設定電圧以上となったか否かを判定する（Ｓ１２）。すなわち、制御部１６は、端子ｔ２と端子ｔ３からそれぞれ入力する信号の電位からリチウムイオン電池群２６の電圧を求め、その電圧と設定電圧とを比較する。
リチウムイオン電池群２６の電圧が設定電圧以上の場合〔ステップＳ１２でＹＥＳ〕はステップＳ１４に進み、リチウムイオン電池群２６の電圧が設定電圧未満の場合〔ステップＳ１２でＮＯ〕はステップＳ１０に戻って一定電流で充電が継続される。したがって、リチウムイオン電池群２６の電圧が設定電圧となるまで、一定電流で電池群２４，２６が充電されていくこととなる。

ステップＳ１４に進むと、制御部１６はリチウムイオン電池群２６の電圧が一定の電圧値（すなわち、ステップＳ１２の設定電圧）となるように電池群２４，２６に供給する充電電流を制御する。すなわち、制御部１６は、リチウムイオン電池群２６の電圧が一定となるように充電電流値を決定し、その決定した充電電流値を充電電流・電圧制御部１４に出力する。
次いで、制御部１６は、サーミスタ２２で計測される電池温度（すなわち、ニッケル−水素電池群２４の温度）が設定温度以下となっているか否かを判定する（Ｓ１６）。ニッケル−水素電池群２４の温度が設定温度を越える場合〔ステップＳ１６でＮＯ〕は、ニッケル−水素電池群２４を構成する電池が劣化する危険性があるためステップＳ２０に進んで充電を停止する。一方、ニッケル−水素電池群２４の温度が設定温度以下の場合〔ステップＳ１６でＹＥＳ〕は、ニッケル−水素電池群２４の電圧が設定電圧（ただし、ステップＳ１２の設定電圧とは異なる）以下となるか否かを判定する（Ｓ１７）。具体的には、制御部１６は、端子ｔ１と端子ｔ２からの信号の電位からニッケル−水素電池群２４の電圧を求め、その電圧とステップＳ１７の設定電圧とを比較する。
ニッケル−水素電池群２４の電圧が設定電圧を越える場合〔ステップＳ１７でＮＯ〕は、ニッケル−水素電池群２４を構成する電池が破損する危険性があるためステップＳ２０に進んで充電を停止する。一方、ニッケル−水素電池群２４の電圧が設定電圧以下の場合〔ステップＳ１７でＹＥＳ〕は、電池群２４，２６に供給する充電電流の電流値が設定電流値以下となったか否かを判定する（Ｓ１８）。
充電電流値が設定電流値以下となる場合〔ステップＳ１８でＹＥＳ〕は、リチウムイオン電池群２６を構成する電池への充電が完了したとして充電を停止する（Ｓ２０）。逆に、充電電流値が設定電流値を越える場合〔ステップＳ１８でＮＯ〕は、充電が完了していないとしてステップＳ１４に戻って、ステップＳ１４からの処理を繰り返す。したがって、電池群２４，２６に供給される充電電流は時間の経過に伴って徐々に減少し、充電電流が設定電流となると充電が停止されることとなる。

上述したことから明らかなように、電池パック２０は、まず、リチウムイオン電池群２６の電圧が設定電圧となるまで一定電流で充電され、次いで、リチウムイオン電池群２６の電圧が一定の電圧（設定電圧）で維持され、充電電流値が設定電流値に低下すると充電が停止される。したがって、出力電圧が高いリチウムイオン電池群２６の充電特性に基づいて充電が行われるため、電池パック２０を効率的に充電することができる。
また、電池パック２０への充電中はニッケル−水素電池群２４の電池温度や電池電圧を計測し、計測した電池温度や電池電圧によって充電を停止するか否かを決定する。このため、リチウムイオン電池群２６の充電特性に基づいて電池パック２０を充電しても、ニッケル−水素電池群の劣化やその破損を防止することができる。
さらに、ニッケル−水素電池群２４を構成する電池の容量は、リチウムイオン電池群２６を構成する電池の容量より大きい。このため、リチウムイオン電池群２６を構成する電池を満充電となるまで充電を行っても、ニッケル−水素電池群２４を構成する電池が過充電となってしまうことが防止される。

次に、本発明の第２実施例について図面を参照して説明する。図３は第２実施例の電池パック２０ａと充電器１０ａの構成を併せて示すブロック図である。図３に示すように、第２実施例の電池パック２０ａ，充電器１０ａは、それぞれ第１実施例の電池パック２０，充電器１０と略同一の構成を有する。ただし、第２実施例では、電池パック２０ａのニッケル−水素電池群２４ａ，リチウムイオン電池群２６ａのそれぞれを個別に充電できる点で異なっている。以下、第１実施例と同一構成の部分については簡単に説明し、第１実施例と異なる点について詳細に説明する。

電池パック２０ａは、ニッケル−水素電池群２４ａと、ニッケル−水素電池群２４ａに直列に接続されたリチウムイオン電池群２６ａを備える。ニッケル−水素電池群２４ａを構成するニッケル−水素電池の本数及び容量、並びに、リチウムイオン電池群２６ａを構成するリチウムイオン電池の本数及び容量は、第１実施例のそれと同様となっている。なお、以下の第３〜５実施例においても、特にことわらない限り、各電池群の本数及び容量等は第１実施例と変わらないものとする。
ニッケル−水素電池群２４ａのプラス極は端子Ｔ１に、ニッケル−水素電池群２４ａのマイナス極とリチウムイオン電池群２６ａのプラス極は端子Ｔ２に、リチウムイオン電池群２６ａのマイナス極は端子Ｔ３にそれぞれ接続されている。また、リチウムイオン電池群２６ａのマイナス極には、ニッケル−水素電池群２４ａの温度を検出するためのサーミスタ２２の一端が接続され、サーミスタ２２の他端は端子Ｔ４に接続されている。

電池パック２０ａのＥＥＰＲＯＭ２８ａは端子Ｔ５に接続されている。ＥＥＰＲＯＭ２８ａには、ニッケル−水素電池群２４ａを充電するためのデータ（例えば、型式，充電制御プログラム等）と、リチウムイオン電池群２６ａを充電するためのデータ（例えば、型式、充電制御プログラム等）が格納されている。
ここで、ニッケル−水素電池群２４ａを充電するための充電制御方式としては、ニッケル−水素電池を充電するための公知の種々の制御方式を用いることができる。本実施例では、サーミスタ２２ａによって検出されるニッケル−水素電池群２４ａの温度が所定の温度上昇パターンとなるように充電電流を決定する制御方式を採用している。一方、リチウムイオン電池群２６ａを充電するための充電制御方式としては、上述した第１実施例と同様の定電流−定電圧制御方式（充電初期は定電流充電を行い、電池群の電圧が所定値を超えると定電圧充電を行う方式）を用いている。ただし、リチウムイオン電池群２６ａを充電するための充電制御方式としては、リチウムイオン電池群２６ａの電圧が所定の電圧上昇パターンとなるように充電電流を決定する制御方式を用いることもできる。

充電器１０ａは、電源回路１２ａと、電源回路１２ａを制御するための充電電流・電圧制御部１４ａ及び制御部１６ａを備える。電源回路１２ａの入力側には図示省略した外部交流電源が接続可能とされ、その出力側にはスイッチ１９ａを介して端子ｔ１，ｔ２，ｔ３が接続されている。スイッチ１９ａは、制御部１６ａによって制御され、電源回路１２ａが接続される端子を切換える。すなわち、電源回路１２ａを端子ｔ１，ｔ２に接続する場合と、電源回路１２ａを端子ｔ２，ｔ３に接続する場合に切換える。電源回路１２ａが端子ｔ１，ｔ２に接続されると、電源回路１２ａとニッケル−水素電池群２４ａが接続され、ニッケル−水素電池群２４ａを充電可能な状態となる。一方、電源回路１２ａが端子ｔ２，ｔ３に接続されると、電源回路１２ａとリチウムイオン電池群２６ａが接続され、リチウムイオン電池群２６ａを充電可能な状態となる。

制御部１６ａには、端子ｔ１〜ｔ３のうちスイッチ１９ａによって電源回路１２ａに接続された２つの端子と、端子ｔ４，ｔ５が接続されている。したがって、端子ｔ１〜ｔ３のうちスイッチ１９ａによって選択された２つの端子から入力する信号によって、制御部１６ａは電池群２４ａ又は電池群２６ａの電池電圧を検出する。また、端子ｔ４から入力する信号によって、制御部１６ａはニッケル−水素電池群２４の温度を特定する。さらに、制御部１６ａは端子ｔ５を介してＥＥＰＲＯＭ２８ａと通信可能となる。制御部１６ａと接続された記憶部１８ａには、充電器１０ａの型式や充電電流値を決定するためのデータ等が記憶されている。
制御部１６ａは、スイッチ１９ａを操作することで電源回路１２ａが接続される電池群（２４ａ又は２６ａ）を選択する。そして、選択した電池群に応じた充電制御プログラムをＥＥＰＲＯＭ２８ａから読取り、その充電制御プログラムに従って充電電流値又は充電電圧値を決定し、決定した充電電流値又は充電電圧値を充電電流・電圧制御部１４ａに出力する処理を行う。充電電流・電圧制御部１４ａは、制御部１６ａから出力される充電電流値又は充電電圧値に従って、電源回路１２ａから電池群２４ａ又は電池群２６ａに供給する充電電流を制御する。すなわち、ニッケル−水素電池群２４ａに対しては、ニッケル−水素電池群２４ａの電池温度が所定の温度上昇パターンとなるように充電電流を制御し、リチウムイオン電池群２６ａに対しては、充電初期には一定の充電電流が流れるようにし、リチウムイオン電池群２６ａの電圧が設定値を超えるとリチウムイオン電池群２６ａの電圧が一定となるようにする。

上述の説明から明らかなように、第２実施例では、電池パック２０ａの電池群２４ａ，２６ａを個別に充電できるため、電池群２４ａ，２６ａ毎に異なる充電制御方式（満充電検出方式を含む）を採用することができる。このため、各電池群２４ａ，２６ａを、電池群２４ａ，２６ａの充電特性に応じて充電を行うことができ、これによって、各電池群２４ａ，２６ａを短時間で、かつ、確実に満充電とすることができる。

次に、本発明の第３実施例について図面を参照して説明する。図４は第３実施例の電池パック２０ｂと充電器１０ｂの構成を併せて示すブロック図である。図４に示すように第３実施例では、電池パック２０ｂ内に収容された電池群２４ｂ，２６ｂの温度をそれぞれ検出し、それら検出された温度の一方を用いて電池群２４ｂ，２６ｂを充電する点で、既に説明した第１，２実施例と異なる。以下、第１，２実施例と異なる点について詳細に説明する。

電池パック２０ｂも、ニッケル−水素電池群２４ｂと、このニッケル−水素電池群２４ｂに直列に接続されたリチウムイオン電池群２６ｂを備える。ニッケル−水素電池群２４ｂの近傍には当該ニッケル−水素電池群２４ｂの温度を検出するサーミスタ２２ｂが、リチウムイオン電池群２６ｂの近傍には当該リチウムイオン電池群２６ｂの温度を検出するサーミスタ２５ｂが設けられる。サーミスタ２２ｂ，２５ｂは一端が端子Ｔ４（充電器１０ｂの端子ｔ４）を介して接地され、その他端は温度比較回路２１ｂに接続されている。

温度比較回路２１ｂは、端子Ｔ３及び端子Ｔ４を介して充電器１０ｂに設けられた第２電源回路１３ｂに接続され、第２電源回路１３ｂから供給される電力によって動作するようになっている。温度比較回路２１ｂは、サーミスタ２２ｂ，２５ｂから出力される信号のうち、検出した温度が高い方のサーミスタの信号を出力する。例えば、サーミスタ２２ｂで検出した温度がサーミスタ２５ｂで検出した温度より高い場合は、サーミスタ２２ｂから出力される信号（すなわち、サーミスタ２２ｂで検出された温度に応じた信号）を出力する。温度比較回路２１ｂから出力された信号は、充電器１０ｂの制御部１６ｂに入力するようになっている。

充電器１０ｂは、第１電源回路１１ｂと、電池パック２０ｂの温度比較回路２１ｂに電力を供給する第２電源回路１３ｂと、第１電源回路１１ｂを制御するための充電電流制御部１４ｂ及び制御部１６ｂ等を備える。第１電源回路１１ｂは、入力する外部交流電源を直流電源に変換し、電池群２４ｂ，２６ｂに充電電流を供給する。
制御部１６ｂは、電池群２４ｂ及び２６ｂに供給する充電電流の電流値を決定する。具体的には、制御部１６ｂは、電池群２４ｂ，２６ｂの電圧を測定し、その測定される電圧が所定の電圧パターンとなるよう充電電流値を決定する。決定された充電電流値は、充電電流制御部１４ｂに出力され、その出力された充電電流値に基づいて充電電流制御部１４ｂは第１電源回路１１ｂを制御する。また、制御部１６ｂは、温度比較回路２１ｂから出力される信号をモニターし、その信号によって電池群２４ｂと２６ｂのいずれか一方が設定温度以上となったと判定すると、電池群２４ｂ，２６ｂの充電を停止する。これによって、電池群２４ｂ又は２６ｂが高温となることによる損傷等を未然に防止することができる。

ここで、上述した温度比較回路２１ｂについて説明する。温度比較回路２１ｂの回路図の一例を図５に示す。図５中、４２はニッケル−水素電池群２４ｂの温度を検出する第１温度検出回路であり、４４はリチウムイオン電池群２６ｂの温度を検出する第２温度検出回路であり、これらの回路４２，４４は温度比較回路２１ｂに接続されている。

第１温度検出回路４２は感温素子であるサーミスタ２２ｂを備える。サーミスタ２２ｂの一端は接地され、他端はコンデンサＣ１及び固定抵抗Ｒ１の一端に接続される。コンデンサＣ１の他端及び固定抵抗Ｒ１の他端は共に電源線（第２電源回路１３ｂの電源線）に接続される。サーミスタ２２ｂと固定抵抗Ｒ１の接続端であるＡ点には、温度比較回路２１ｂが接続される。サーミスタ２２ｂは、感知した温度が高くなるに応じて抵抗値が小さくなる。したがって、サーミスタ２２ｂで感知する温度が高くなるに応じて、第１温度検出回路４２から温度比較回路２１ｂへ出力される信号の電圧Ｖ１は低くなる。
第２温度検出回路４４も第１温度検出回路４２と同一の構成を有する。したがって、サーミスタ２５ｂで感知する温度が高くなるに応じてその抵抗値が小さくなり、第２温度検出回路４４から温度比較回路２１ｂへ出力される信号の電圧Ｖ２も低下する。
本実施例では、サーミスタ２２ｂ，２５ｂ、固定抵抗Ｒ１，Ｒ２並びにコンデンサＣ１，Ｃ２は、同一の電気的特性を有するように調整されている。このため、第１温度検出回路４２から出力される信号の電圧Ｖ１と第２温度検出回路４４から出力される信号の電圧Ｖ２を単純に比較することで、サーミスタ２２ｂで感知した温度が高いのかサーミスタ２５ｂで感知した温度が高いのかを判別することができる。

温度比較回路２１ｂはダイオードＤ１，Ｄ２および固定抵抗Ｒ３で構成されている。ダイオードＤ１のカソード側は、第１温度検出回路４２のＡ点に接続される。ダイオードＤ２のカソード側は、第２温度検出回路４４のＢ点に接続される。ダイオードＤ１のアノード側及びダイオードＤ２のアノード側は共にＣ点で接続されている。Ｃ点には一端を電源線（第２電源回路１３ｂの電源線）に接続された固定抵抗Ｒ３の他端が接続される。上記Ｃ点は、端子Ｔ５（端子ｔ５）を介して充電器１０ｂの制御部１６ｂに接続されている。なお、ダイオードＤ１，Ｄ２の特性（オフセット電圧等）は、同一特性となるように調整されている。

かかる構成においては、第１温度検出回路４２のＡ点の電圧Ｖ１が第２温度検出回路４４のＢ点の電圧Ｖ２より大きい場合（すなわち、第２温度検出回路４４で検出される温度Ｔ_２＞第１温度検出回路４２で検出される温度Ｔ_１となる場合）、Ｃ点からＢ点に向って電流は流れ、Ｃ点からＡ点に向って電流は流れない。このとき、Ｃ点の電圧ＶＣはＢ点の電圧Ｖ２にＶo（ダイオードＤ２の順方向電圧等により決まる電圧降下量）を加えたものとなる。逆に、第１温度検出回路４２のＡ点の電圧Ｖ１が第２温度検出回路４４のＢ点の電圧Ｖ２より小さい場合（すなわち、第１温度検出回路４２で検出される温度Ｔ_１＞第２温度検出回路４４で検出される温度Ｔ_２となる場合）、Ｃ点からＡ点に向って電流は流れ、Ｃ点からＢ点に向って電流は流れない。このとき、Ｃ点の電圧ＶＣはＡ点の電圧Ｖ１にＶo（ダイオードＤ１の順方向電圧等により決まる電圧降下量）を加えたものとなる。

上述したことから明らかなように温度比較回路２１ｂは、サーミスタ２２ｂの電圧Ｖ１とサーミスタ２５ｂの電圧Ｖ２のうち、電圧値が低いほうの信号（サーミスタで感知された温度が高い方）のみを充電器１０ｂの制御部１６ｂに出力する。したがって、制御部１６ｂは、電池群２４ｂ，２６ｂの温度を個別に監視する必要はなく一方を監視するだけでよく、また、電池パック２０ｂと充電器１０ｂとを接続する接続端子数を少なくすることができる。

なお、上述の例では、各サーミスタ２２ｂ，２５ｂで検出された温度のうち高い方の温度に係る信号を制御部１６ｂに出力した。しかしながら、電池パック２０ｂ（温度比較回路２１ｂ）から制御部１６ｂに出力する信号は、サーミスタ２２ｂ，２５ｂで検出された温度のうち低い方の信号であってもよい。また、サーミスタ２２ｂ，２５ｂのいずれかで検出された信号の変化率（温度変化率）を出力するようにしてもよい。さらには、サーミスタ２２ｂ，２５ｂで測定された２つの温度の差を出力するようにしてもよいし、サーミスタ２２ｂ，２５ｂで測定された２つの温度の変化率の差を出力するようにしてもよい。要は、電池パックに収容される各電池群の充電特性に応じて決まる充電制御方式に併せて、適切な制御パラメータ（温度変化率等）を電池パックから充電器に向かって出力することができる。

次に、本発明の第４実施例について図面を参照して説明する。図６は第４実施例の電池パック２０ｃと充電器１０ｃの構成を併せて示すブロック図である。図６に示すように、電池パック２０ｃでは、ニッケル‐水素電池群２４ｃを構成する各電池（セル）と、リチウムイオン電池群２６ｃを構成する各電池（セル）の電圧がそれぞれ検出される。検出された各電圧は、バッテリ電圧変換回路２７ｃ（以下、ＶＴ変換回路という）に入力する。

ＶＴ変換回路２７ｃは、充電器１０ｃに設けられた第２電源回路１３ｃに接続され、第２電源回路１３ｃから供給される電力によって動作する。このＶＴ変換回路２７ｃは、電池群２４ｃ，２６ｃを構成する各電池の電圧のうち最大となっているものに基づいて、充電制御用の制御信号を生成し出力する。例えば、電池群２４ｃ，２６ｃのうち電池群２６ｃを構成する一のリチウムイオン電池の電圧が最大となっているときは、そのリチウムイオン電池の電圧を充電制御用の信号に変換して出力する。ＶＴ変換回路２７ｃから出力された信号は、充電器１０ｃの制御部１６ｃに入力する。制御部１６ｃは、入力する制御信号から電池群２４ｃ，２６ｃ（詳しくは、電池電圧が最大となっている電池）の電池電圧の上昇率を求め、この電池電圧の上昇率から電池群２４ｃ，２６ｃの電圧上昇パターンが予め設定された電圧上昇パターンとなるように充電電流値を決定する。充電電流制御部１４ｃは、制御部１６ｃで決定された充電電流値に基づいて第１電源回路１１ｄを駆動し、これによって、充電器１０ｃから電池パック２０ｃに制御部１６ｃで決定された充電電流が供給される。

したがって、第４実施例によると、同一種類の電池間において充電特性のバラツキがあるような場合（すなわち、充放電時に電池間で電圧や充電容量に差が生じる場合）であっても、電池毎に電圧をモニターしているため、１の電池電圧が上昇しすぎることが防止される（ひいては、個々の電池間の特性のバラツキによる電池の過充電または過放電が防止することができる）。例えば、リチウムイオン電池群２６ｃの各電池の電池電圧にバラツキが生じている場合でも、最も電圧が高くなる電池に基づいて充電電流が決定されることとなるため、電圧上昇によるリチウムイオン電池の破損等が防止される。

なお、ＶＴ変換回路２７ｃにより行われる信号の変換処理は、充電器１０ｃの充電制御プログラムと電池群２４ｃ，２６ｃに対して実際に行う充電制御によって決まる。例えば、充電器１０ｃの充電制御プログラムが電池温度に基づくものであり、電池群２４ｃ，２６ｃに対して行う充電制御方式が電池電圧に基づくものである場合は、検出した電池電圧に基づいて電池パック２０ｃの充電制御方式から決まる充電電流値を、制御部１６ｃが電池温度に基づく充電制御プログラムから決定できるように、電池パック２０ｃで検出した電池電圧を所定の温度を示す信号（制御信号）に変換する。あるいは、充電器１０ｃの充電制御プログラムが電池温度の変化率に基づくものであり、電池群２４ｃ，２６ｃに対して行う充電制御方式が電池電圧に基づくものである場合は、検出した電池電圧に基づいて電池パック２０ｃの充電制御方式から決まる充電電流値を、制御部１６ｃが電池温度の変化率に基づく充電制御プログラムから決定できるように、電池パック２０ｃで検出した電池電圧を所定の温度変化率を示す信号に変換する。このようにＶＴ変換回路により行われる、検出信号から制御信号への変換処理は、充電器側の充電制御方式と電池パック側の充電制御方式の相違により、種々に変形・応用することができる。なお、ＶＴ変換回路の具体的な回路構成等については、特開２００２−１９１１３５号公報に詳しく開示されている。

次に、本発明の第５実施例について図面を参照して説明する。図７は第５実施例の電池パック２０ｄと充電器１０ｄの構成を併せて示すブロック図である。図７に示すように、電池パック２０ｄでは、ニッケル‐水素電池群２４ｄの電圧とリチウムイオン電池群２６ｄの電圧をそれぞれ検出し、さらに、ニッケル‐水素電池群２４ｄの温度をサーミスタ２２ｄによって検出する。検出された各電圧及び温度は、電圧・温度検出回路２９ｄに入力する。

電圧・温度検出回路２９ｄは、充電器１０ｄに設けられた第２電源回路１３ｄに接続され、第２電源回路１３ｄから供給される電力によって動作する。この電圧・温度検出回路２９ｄは、検出された各電池群２４ｄ，２６ｄの電池電圧と、ニッケル‐水素電池群２４ｄの温度に基づいて、充電制御用の制御信号を生成して出力する。本実施例では、ニッケル‐水素電池群２４ｄの電圧が設定電圧以下で、かつ、ニッケル‐水素電池群２４ｄの温度が設定温度以下の場合は、リチウムイオン電池群２６ｄの電圧を制御信号として出力する。一方、ニッケル‐水素電池群２４ｄの電圧が設定電圧を越えるか、あるいは、ニッケル‐水素電池群２４ｄの温度が設定温度を越えると、充電を停止するための信号（充電停止信号）を出力するようになっている。したがって、電圧・温度検出回路２９ｄからの信号が入力する制御部１６ｃは、リチウムイオン電池群２６ｄの電圧が制御信号として入力する間は定電流‐定電圧充電制御方式（第１実施例参照）で充電を行い、満充電となるか、電圧・温度検出回路２９ｄから充電停止信号が入力すると、充電器１０ｄによる充電を停止する。

上述したことから明らかなように、第５実施例によると、電池パック２０ｄ側で電池群２４ｄ，２６ｄの電池電圧の検出及び電池群２４ｄの温度検出を行い、充電制御に必要な制御信号のみを出力する。このため、充電器１０ｄの制御部１６ｄは、１種類の制御信号のみを扱えばよい。

上述した第３〜５実施例の説明から明らかなように、これらの実施例では電池パック側で充電制御に必要な制御信号（制御パラメータ）を生成するため、充電器側のハード構成が同一となっている。したがって、異なる充電制御方式となる電池パックであっても、その電池パックを充電するための充電制御プログラムを充電器側にインストールすることで、同一の充電器によって全ての電池パックを充電することができる。例えば、電池パック側に充電制御プログラムを記憶しておき、電池パックが充電器に接続されたときに電池パック側の充電制御プログラムを充電器にインストールするようにしてもよい。あるいは、充電器側に複数の充電制御プログラムを格納し、電池パックに応じて充電制御プログラムを選択するようにしてもよい。例えば、電池パックが充電器に接続されたときに、その電池パックの型式等をＥＥＰＲＯＭから読取り、その読取った型式等から実行する充電制御プログラムを選択すればよい。

また、第１実施例と第２実施例の説明から明らかなように、これらの実施例では電池パックのハード構成が同一で充電器側の構成のみが異なっている。かかる場合においては、充電器側に充電制御プログラムを格納することで、同一の電池パックを異なる電池パックで充電することが可能となっている。

以上、本発明のいくつかの実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上記各実施例は、リチウムイオン電池で構成される電池群と、ニッケル−水素電池で構成される電池群を直列に接続した例であったが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、リチウムイオン電池で構成される電池群とニッケル−カドミウム電池から構成される電池群（又はニッケル−亜鉛電池で構成される電池群等）を組合せることもできる。

また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

本発明の第１実施例に係る電池パックと、その電池パックを充電する充電器とを併せて示すブロック図である。 充電器の制御部において行われる処理のフローチャートである。 本発明の第２実施例に係る電池パックと、その電池パックを充電する充電器とを併せて示すブロック図である。 本発明の第３実施例に係る電池パックと、その電池パックを充電する充電器とを併せて示すブロック図である。 温度比較回路の回路構成の一例を示す回路図である。 本発明の第４実施例に係る電池パックと、その電池パックを充電する充電器とを併せて示すブロック図である。 本発明の第５実施例に係る電池パックと、その電池パックを充電する充電器とを併せて示すブロック図である。

符号の説明

１０：充電器
１２：電源回路
１４：充電電流・電圧制御部
１６：制御部
２０：電池パック
２２：サーミスタ
２４：ニッケル−水素電池群
２６：リチウムイオン電池群
２８：ＥＥＰＲＯＭ

Claims (3)

1. 異なる種類の電池群が直列に接続された組電池であって、組電池を構成する電池群のうち、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の高い電池により構成される電池群の電圧ほど、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の低い電池により構成される電池群の電圧より高くなっており、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の高い電池により構成される電池群の個々の電池の容量ほど、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の低い電池により構成される電池群の個々の電池の容量より小さくなっていることを特徴とする組電池。
2. 請求項１に記載の組電池を備えた電池パックであって、組電池の充電特性データを記憶するメモリを備え、その充電特性データは、組電池への充電電流を制御するための充電制御プログラムであり、その充電制御プログラムは、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の最も高い電池により構成される電池群の充電特性から決まる充電制御方式によって充電電流を決定することを特徴とする電池パック。
3. 前記充電制御プログラムは、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の低い電池群の温度が設定温度を超えるか、エネルギ重量密度又はエネルギ体積密度の低い電池群の電圧が設定電圧を超えると、組電池への充電を停止することを特徴とする請求項２に記載の電池パック。

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