JP4966822B2 - 充電システム、及び電池パック - Google Patents

Description

本発明は、二次電池を充電する充電システム、及び電池パックに関する。

従来より、二次電池、例えばリチウムイオン二次電池を備えた電池パック充電する充電方法として、充電の初期には一定の電流を電池パックに供給することにより電池パックを充電する定電流（ＣＣ）充電を行い、電池パックの端子電圧が予め定める終止電圧に達すると、電池パックの満充電時の端子電圧に等しい一定の充電電圧を電池パックに印加することにより電池パックを充電する定電圧（ＣＶ）充電を行うようにした定電流定電圧（ＣＣＣＶ）充電が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

ＣＣＣＶ充電では、電池パックの出力電圧が低い充電初期には、定電流（ＣＣ）充電を行うことによって、過大な充電電流が二次電池に流入して二次電池が劣化することを防止しつつ、充電が進んで二次電池の出力電圧が予め設定された終止電圧に達した後は、定電圧（ＣＶ）充電を行うことで、二次電池の充電に伴う出力電圧の増大に従って徐々に充電電流が低減するので、過充電を回避することが容易である。このようなＣＣＣＶ充電では、充電電流が所定の判定値以下に減少すると二次電池が満充電になったものと判定して充電を終了するようになっている。
特開平６−７８４７１号公報

ところで、二次電池の充電電圧は、過電圧になると安全性の低下を招くため、上限電圧が厳しく規定されている。特に、近年エネルギー密度の向上が著しいリチウムイオン二次電池については、社団法人電池工業会（ＢＡＪ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｊａｐａｎ）によって、充電電圧の最大値が４．２５Ｖ以下（活物質にコバルト酸リチウムを用いた場合）にすることが推奨されており、高精度の電圧制御が必要となる。

一方、二次電池を充電する充電装置は、一般に、充電電圧が例えば４．２Ｖ（活物質にコバルト酸リチウムを用いた場合）に設定されているが、充電装置における充電電圧の制御精度やバラツキを考慮すると、充電電圧の最大値が規定値を超えないようにすることが困難であるという不都合があった。

本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、二次電池の充電電圧の最大値が規定値を超えるおそれを低減することができる充電システム、及び電池パックを提供することを目的とする。

本発明に係る充電システムは、二次電池と、前記二次電池へ充電用の電圧を供給する充電部と、前記充電部から前記二次電池への前記充電用の電圧の供給経路を開閉するスイッチング素子と、前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部によって検出される端子電圧に応じて、前記スイッチング素子の動作を制御する制御信号を出力する端子電圧制御部とを備え、前記スイッチング素子は、前記端子電圧制御部から出力された制御信号に応じて、非飽和領域において流れる電流を制限するものであり、前記端子電圧制御部は、前記スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、前記電圧検出部により検出される端子電圧が予め設定された上限電圧を超えないように、前記二次電池の充電電流を制限し、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧以上になった場合、前記スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧より低い電圧に設定された下側電圧になるまで前記充電電流を減少させる下側電圧制御処理を実行し、当該減少された充電電流値を、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧に達するまで維持させる。

この構成によれば、充電部によって、二次電池の充電用の電圧が供給される。また、スイッチング素子によって、充電部から二次電池への充電用の電圧の供給経路が開閉される。そして、電圧検出部によって、二次電池の端子電圧が検出される。さらに、端子電圧制御部によって、電圧検出部によって検出される端子電圧に応じて、スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、電圧検出部により検出される端子電圧が予め設定された上限電圧を超えないように、二次電池の充電電流が制限される。これにより、充電装置における充電電圧の制御精度やバラツキのために、充電部から供給される充電用の電圧が規定電圧を超える場合であっても、スイッチング素子が非飽和領域で動作することによって二次電池へ供給される充電電流が制限されて、二次電池の端子電圧が上限電圧を超えないようにされるので、二次電池の充電電圧の最大値が規定値を超えるおそれを低減することができる。

この構成によれば、電圧検出部により検出される端子電圧が上限電圧以上になった場合、端子電圧制御部によって、スイッチング素子が非飽和領域で動作されることによって、電圧検出部により検出される端子電圧が下側電圧になるまで充電電流が減少される。そして、当該減少された充電電流値が、二次電池の充電が進んで電圧検出部により検出される端子電圧が上限電圧に達するまで維持されるので、二次電池の端子電圧が上限電圧を超えないようにすることができる。

また、本発明に係る充電システムは、二次電池と、前記二次電池へ充電用の電圧を供給する充電部と、前記充電部から前記二次電池への前記充電用の電圧の供給経路を開閉するスイッチング素子と、前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部によって検出される端子電圧に応じて、前記スイッチング素子の動作を制御する制御信号を出力する端子電圧制御部とを備え、前記スイッチング素子は、前記端子電圧制御部から出力された制御信号に応じて、非飽和領域において流れる電流を制限するものであり、前記端子電圧制御部は、前記スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、前記電圧検出部により検出される端子電圧が予め設定された上限電圧を超えないように、前記二次電池の充電電流を制限し、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧以上になった場合、前記スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、前記充電電流を、所定の設定電流値まで減少させる電流減少処理を実行した後、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧より低い電圧に設定された下側電圧になるまで前記充電電流を増大させる下側電圧制御処理を実行し、当該増大された充電電流値を、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧に達するまで維持させるようにしてもよい。

この構成によれば、電圧検出部により検出される端子電圧が上限電圧以上になった場合、端子電圧制御部によって、スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、充電電流が所定の設定電流値まで減少される。そうすると、二次電池の端子電圧が速やかに低下するので、充電電流を徐々に減少させる場合のように、二次電池の端子電圧の上昇に充電電流の減少処理が間に合わなくなって二次電池の端子電圧が上限電圧を超えるおそれが低減される。

また、前記端子電圧制御部は、前記電流減少処理を実行する都度、前記設定電流値を減少させることが好ましい。

この構成によれば、端子電圧制御部によって、電流減少処理が実行される都度、設定電流値が減少されて、充電電流が前回よりも少なくなるように、電流減少処理が実行される。二次電池を定電圧で充電すると、充電が進むにつれて、充電電流が減少する。そのため、設定電流値が一定の電流値で固定されていると、充電が進むにつれて、充電電流を設定電流値まで減少させても端子電圧を充分低下させることができなくなる。そこで、電流減少処理を実行する都度、設定電流値を減少させることで、充電が進んでも、端子電圧を速やかに低下させることが可能となる。

また、前記端子電圧制御部は、前記電流減少処理を実行するときに、前記充電電流を前記設定電流値にするべく予め設定された制御信号を前記スイッチング素子へ出力することが好ましい。

この構成によれば、電流減少処理において、端子電圧制御部によって、充電電流を設定電流値にするべく予め設定された制御信号が、スイッチング素子へ出力される。この構成によれば、充電電流値を監視しながらフィードバック制御を行うことなく、簡素な処理で、充電電流を速やかに略設定電流値にすることができる。

また、前記端子電圧制御部は、前記下側電圧制御処理において、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記下側電圧になったときの前記制御信号の出力を、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧に達するまで維持することが好ましい。

この構成によれば、端子電圧が下側電圧になってから、充電が進んで端子電圧が上限電圧に達するまでの間、充電電流を増加させることなく維持するので、端子電圧が急激に上昇して上限電圧を超えてしまうおそれが低減される。

また、前記端子電圧制御部は、前記制御信号のデューティ比を調節することにより、前記スイッチング素子を流れる充電電流を調節することが好ましい。

この構成によれば、スイッチング素子の動作を制御するための制御信号のデューティ比を調節することにより、スイッチング素子を非飽和領域で動作させて二次電池へ制限電流を供給することができるので、スイッチング素子の出力電流を調節する制御信号としてアナログ電圧を生成する必要がなく、アナログ電圧を生成して非飽和領域におけるスイッチング素子の動作を制御する場合と比べてコストを低減することができる。

また、前記充電電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部によって検出される電流値が、予め設定された満充電検出電流値に満たない場合、前記二次電池の充電を終了させる充電終了制御部とをさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、電流検出部で検出された電流値が満充電検出電流値に満たない場合、充電終了制御部によって、二次電池の充電が終了される。

また、本発明に係る電池パックは、二次電池と、前記二次電池を充電するための充電用の電圧を受電する接続端子と、前記接続端子から前記二次電池への前記充電用の電圧の供給経路を開閉するスイッチング素子と、前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部によって検出される端子電圧に応じて、前記スイッチング素子の動作を制御する制御信号を出力する端子電圧制御部とを備え、前記スイッチング素子は、前記端子電圧制御部から出力された制御信号に応じて、非飽和領域において流れる電流を制限するものであり、前記端子電圧制御部は、前記電圧検出部により検出される端子電圧が予め設定された上限電圧を超えないように、前記スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、前記二次電池の充電電流を制限させ、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧以上になった場合、前記スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧より低い電圧に設定された下側電圧になるまで前記充電電流を減少させる下側電圧制御処理を実行し、当該減少された充電電流値を、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧に達するまで維持させる。
また、本発明に係る電池パックは、二次電池と、前記二次電池を充電するための充電用の電圧を受電する接続端子と、前記接続端子から前記二次電池への前記充電用の電圧の供給経路を開閉するスイッチング素子と、前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部によって検出される端子電圧に応じて、前記スイッチング素子の動作を制御する制御信号を出力する端子電圧制御部とを備え、前記スイッチング素子は、前記端子電圧制御部から出力された制御信号に応じて、非飽和領域において流れる電流を制限するものであり、前記端子電圧制御部は、前記電圧検出部により検出される端子電圧が予め設定された上限電圧を超えないように、前記スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、前記二次電池の充電電流を制限させ、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧以上になった場合、前記スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、前記充電電流を、所定の設定電流値まで減少させる電流減少処理を実行した後、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧より低い電圧に設定された下側電圧になるまで前記充電電流を増大させる下側電圧制御処理を実行し、当該増大された充電電流値を、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧に達するまで維持させる。

この構成によれば、接続端子によって、二次電池の充電用の電圧が受電される。また、スイッチング素子によって、接続端子から二次電池への充電用の電圧の供給経路が開閉される。そして、電圧検出部によって、二次電池の端子電圧が検出される。さらに、端子電圧制御部によって、電圧検出部によって検出される端子電圧に応じて、スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、電圧検出部により検出される端子電圧が予め設定された上限電圧を超えないように、二次電池の充電電流が制限される。これにより、充電装置における充電電圧の制御精度やバラツキのために、充電部から供給される充電用の電圧が規定電圧を超える場合であっても、スイッチング素子が非飽和領域で動作することによって二次電池へ供給される充電電流が制限されて、二次電池の端子電圧が上限電圧を超えないようにされるので、二次電池の充電電圧の最大値が規定値を超えるおそれを低減することができる。

このような構成の充電システム、及び電池パックは、端子電圧制御部によって、電圧検出部によって検出される端子電圧に応じて、スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、電圧検出部により検出される端子電圧が予め設定された上限電圧を超えないように、二次電池の充電電流が制限される。これにより、充電装置における充電電圧の制御精度やバラツキのために、充電部から供給される充電用の電圧が規定電圧を超える場合であっても、スイッチング素子が非飽和領域で動作することによって二次電池へ供給される充電電流が制限されて、二次電池の端子電圧が上限電圧を超えないようにされるので、二次電池の充電電圧の最大値が規定値を超えるおそれを低減することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る充電システム、及び電池パックの構成の一例を示すブロック図である。図１に示す充電システム１は、電池パック２と、電池パック２を充電する充電装置３とを備えている。なお、充電装置３は、例えば携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ等種々の電子機器に内蔵されるものであってもよい。

電池パック２は、組電池２１、制御部２２、アナログデジタル（ＡＤ）変換器２３（電圧検出部）、電流検出部２４、スイッチング素子２５、抵抗２６、通信部２７、及び接続端子１１，１２，１３を備えている。充電装置３は、接続端子３１，３２，３３、制御ＩＣ３４、及び充電電流供給部３５（充電部）を備えている。制御ＩＣ３４は、通信部３６と制御部３７とを備えている。充電電流供給部３５は、制御部３７からの制御信号に応じた電流を、接続端子３１，３２を介して電池パック２へ供給する電源回路である。制御部３７は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成された制御回路である。

電池パック２及び充電装置３は、給電を行う直流ハイ側の接続端子１１，３１と、通信信号用の接続端子１３，３３と、給電および通信信号のための接続端子１２，３２とによって相互に接続される。

充電装置３では、制御部２２からの要求を、制御ＩＣ３４において、通信部３６で受信し、制御部３７が充電電流供給部３５を制御して、充電制御部２２１からの要求に応じた電圧値、及び電流値で、充電電流を供給させる。充電電流供給部３５は、ＡＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＤＣコンバータなどの電源回路から成り、例えば商用交流電源電圧から、制御部３７で指示された充電電圧及び充電電流を生成し、接続端子３１，１１；３２，１２を介して電池パック２へ供給する。

電池パック２では、接続端子１１は、スイッチング素子２５、組電池２１、及び電流検出部２４を介して接続端子１２と接続されている。組電池２１は、複数の二次電池２１１，２１２，２１３が直列接続されて構成されている。二次電池２１１，２１２，２１３は、例えばリチウムイオン二次電池である。

なお、二次電池２１１，２１２，２１３は、ニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム二次電池等、種々の二次電池を用いることができる。また、電池パック２は、組電池を備える例に限られず、単電池のみを含んで構成されていてもよい。また、組電池２１は、複数の二次電池が並列に接続されていてもよく、直列と並列とが組み合わされていてもよい。

二次電池２１１，２１２，２１３の各端子電圧は、アナログデジタル変換器２３によってデジタル信号に変換されて制御部２２へ出力される。電流検出部２４は、組電池２１に流れる電流Ｉｃを検出する。電流検出部２４としては、例えばシャント抵抗やホール素子等の電流センサが用いられる。

スイッチング素子２５は、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor）が用いられる。そして、スイッチング素子２５のゲート端子は、抵抗２６を介して制御部２２の信号出力端子に接続されている。図２は、ＦＥＴのゲート−ソース間電圧Ｖｇｓと、ＦＥＴのオン抵抗Ｒｏｎとの関係の一例を示したグラフである。横軸がゲート−ソース間電圧Ｖｇｓ、縦軸がＦＥＴのオン抵抗Ｒｏｎを示している。

図２に示すように、ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが一定の電圧、例えば７Ｖを超えると、オン抵抗Ｒｏｎが非常に小さくなってＦＥＴがオン状態となると共に、これ以上ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが増大してもオン抵抗Ｒｏｎが小さくならない飽和領域となる。一方、ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが一定の電圧、例えば２．５Ｖ以下になると、オン抵抗Ｒｏｎが非常に大きくなってＦＥＴがオフ状態となると共に、これ以上ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが低下してもオン抵抗Ｒｏｎが大きくならない飽和領域となる。

そして、ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが２．５Ｖを超えて７Ｖに満たない範囲では、ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが大きくなるほどオン抵抗Ｒｏｎが小さくなる非飽和領域となる。従って、スイッチング素子２５のゲート電圧を非飽和領域で制御することにより、スイッチング素子２５のオン抵抗Ｒｏｎを調節することができる。

なお、スイッチング素子２５は、ＦＥＴに限られず、例えばバイボーラトランジスタやアナログスイッチ等、非飽和領域で動作する半導体スイッチング素子を用いることができる。

制御部２２は、例えば所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、タイマ回路やこれらの周辺回路等を備えて構成され、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、充電制御部２２１（充電終了制御部）、端子電圧制御部２２２、ＰＷＭ制御部２２３、及び電圧最大値取得部２２４として機能する。

なお、制御部２２は、電池パック２に設けられている例に限られず、充電装置３が備える構成であってもよく、電池パック２と充電装置３とで制御部２２が分担して備えられる構成であってもよい。

電圧最大値取得部２２４は、アナログデジタル変換器２３から出力された二次電池２１１，２１２，２１３の各端子電圧のうち、最大の電圧を最大電圧Ｖｍａｘとして充電制御部２２１、及び端子電圧制御部２２２へ出力する。なお、二次電池が一つだけの場合、あるいは複数の二次電池が並列接続され、直列接続されていない場合には、電圧最大値取得部２２４は不要である。

充電制御部２２１は、電圧最大値取得部２２４から出力された最大電圧Ｖｍａｘ及び電流検出部２４で検出された電流Ｉｃに基づいて、充電装置３に対して、出力を要求する充電電流の電圧値、電流値を演算し、通信部２７から接続端子１３，３２を介して充電装置３へ送信することで、例えばＣＣＣＶ（定電流定電圧）充電を行う。

具体的には、充電制御部２２１は、例えば、充電装置３から、電流値Ｉｃｃの充電電流Ｉｃを供給させることにより定電流充電を実行する。そして、充電制御部２２１は、例えば、最大電圧Ｖｍａｘが予め設定された上限電圧値Ｖｔｈに達すると、セル毎に上限電圧値Ｖｔｈを充電電圧として印加することで組電池２１を充電する定電圧充電に切り替える。そして、充電制御部２２１は、組電池２１に流れる充電電流Ｉｃが充電終止電流値Ｉａ以下になると、組電池２１が満充電になったものと判定して充電を終了する。

上限電圧値Ｖｔｈは、二次電池２１１，２１２，２１３がリチウムイオン二次電池の場合、例えば、二次電池２１１，２１２，２１３の負極電位が実質的に０Ｖになったときの、正極電位と負極電位との電位差すなわち二次電池２１１，２１２，２１３の端子電圧を基準電圧Ｖｅとしたとき、この基準電圧Ｖｅが上限電圧値Ｖｔｈとして用いられる。基準電圧Ｖｅは、リチウムイオン二次電池の場合、正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いたときに約４．２Ｖ、正極活物質としてマンガン酸リチウムを用いたときに約４．３Ｖとなる。例えば基準電圧Ｖｅが約４．２Ｖであれば、上限電圧値Ｖｔｈとして、例えば４．２Ｖが予め設定されている。

この場合、上限電圧値Ｖｔｈは、ＢＡＪにより活物質にコバルト酸リチウムを用いた場合に推奨されている充電電圧の最大値（４．２５Ｖ）より低い電圧値に設定される。

なお、「負極電位が実質的に０Ｖ」とは、二次電池２１１，２１２，２１３の温度等の環境条件や、製造上の特性バラツキ、測定誤差等によるバラツキの範囲を０Ｖに含む意であり、例えば負極電位が０Ｖ±０．１Ｖの範囲となることを示すものとする。そして、二次電池２１１，２１２，２１３の開路電圧（ＯＣＶ）が基準電圧Ｖｅになったとき、二次電池２１１，２１２，２１３が満充電状態、すなわち充電深度（ＳＯＣ）が１００％となる。

また、充電制御部２２１の充電方法はＣＣＣＶ充電に限られず、パルス状に充電電流を供給するパルス充電を行うものや、定電流充電の後に微少電流により充電を行うトリクル充電等を行うもの等、種々の充電方式を用いることができる。また、図略の負荷回路へ負荷電流を供給しながら組電池２１を充電する構成であってもよい。

端子電圧制御部２２２は、電圧最大値取得部２２４から出力される最大電圧Ｖｍａｘに応じて、スイッチング素子２５を非飽和領域で動作させることによって、最大電圧Ｖｍａｘが予め設定された上限電圧値Ｖｔｈを超えないように、組電池２１に流れる充電電流を制限する。

ＰＷＭ制御部２２３は、端子電圧制御部２２２からの指示に応じたデューティ比を有する制御信号Ｓ１を、抵抗２６を介してスイッチング素子２５のゲートへ出力する。そうすると、ＰＷＭ制御部２２３から出力された制御信号Ｓ１は、抵抗２６とスイッチング素子２５のゲート容量とで平滑されるので、スイッチング素子２５のゲートには、制御信号Ｓ１のデューティ比に応じた電圧が印加される。

これにより、端子電圧制御部２２２は、ＰＷＭ制御部２２３によって、制御信号Ｓ１のデューティ比を調節させることにより、図２に示すＦＥＴの非飽和領域においてスイッチング素子２５のオン抵抗Ｒｏｎを調節することで、組電池２１に流れる充電電流を調節することが可能となる。

この場合、例えばＰＷＭ制御部２２３の代わりにデジタルアナログ変換器を用いてスイッチング素子２５のオン抵抗Ｒｏｎを調節するようにしてもよく、ＰＷＭ制御部２２３及びスイッチング素子２５の代わりに定電流回路を用いて充電電流を調節するようにしてもよいが、ＰＷＭ制御部２２３及びスイッチング素子２５を用いて充電電流を調節することにより、簡素な回路で組電池２１の充電電流を調節することが可能となる。

次に、上述のように構成された充電システム１及び電池パック２の動作について説明する。図３は、図１に示す充電システム１及び電池パック２の動作の一例を説明するための説明図である。図３は、組電池２１を充電する際における最大電圧Ｖｍａｘと、組電池２１の充電電流Ｉｃとの変化を示している。

まず、タイミングＴ１では、充電制御部２２１からの指示に応じて、充電装置３から電流値Ｉｃｃの充電電流Ｉｃが組電池２１へ供給されて、二次電池２１１，２１２，２１３が充電されている（タイミングＴ１）。そうすると、充電が進むにつれて、二次電池２１１，２１２，２１３の各端子電圧が上昇し、電圧最大値取得部２２４で取得される最大電圧Ｖｍａｘが上昇する。

そして、最大電圧Ｖｍａｘが上限電圧値Ｖｔｈに達すると、充電制御部２２１によって、定電流充電を終了して定電圧充電に移行すべく、充電装置３へ、セルあたり上限電圧値Ｖｔｈの出力を要求する要求指示が出力されて、定電圧充電に移行する（タイミングＴ２）。具体的には、組電池２１は、三個の二次電池２１１，２１２，２１３が直列接続されているから、充電制御部２２１は、充電装置３へ、上限電圧値Ｖｔｈに直列セル数の３を乗じた電圧の出力を要求する。

このとき、充電電流供給部３５における電圧制御精度や特性バラツキ、あるいは二次電池２１１，２１２，２１３相互間における端子電圧のバラツキ等により、そのままでは最大電圧Ｖｍａｘが、上限電圧値Ｖｔｈを超えてしまうおそれがある。

そこで、端子電圧制御部２２２は、最大電圧Ｖｍａｘが上限電圧値Ｖｔｈに達すると、ＰＷＭ制御部２２３によって、制御信号Ｓ１のデューティ比を変化させることでオン抵抗Ｒｏｎを増大させて、スイッチング素子２５を非飽和領域で動作させることによって、電圧最大値取得部２２４により検出される最大電圧Ｖｍａｘが、上限電圧値Ｖｔｈより低い電圧に設定された下側電圧値Ｖｔｕになるまで充電電流Ｉｃを減少させる下側電圧制御処理を実行する（タイミングＴ２〜Ｔ３）。下側電圧値Ｖｔｕとしては、端子電圧制御部２２２、ＰＷＭ制御部２２３、及びスイッチング素子２５による制御応答性能が許す限り、上限電圧値Ｖｔｈとの差が小さい値が設定されており、例えば４．１５Ｖが設定されている。

そして、最大電圧Ｖｍａｘが、下側電圧値Ｖｔｕに達すると、端子電圧制御部２２２は、ＰＷＭ制御部２２３によって、そのときの制御信号Ｓ１のデューティ比を維持させる。そうすると、充電電流Ｉｃは、最大電圧Ｖｍａｘが下側電圧値Ｖｔｕになったときの充電電流値Ｉ１に維持される。この場合、制御信号Ｓ１のデューティ比を維持しても、厳密には二次電池２１１，２１２，２１３の充電が進むにつれて徐々に充電電流Ｉｃは減少するものの、充電電流Ｉｃをほぼ一定に維持することができる。

この場合、電流検出部２４によって検出された充電電流Ｉｃに基づいて、フィードバック制御を行うことで、充電電流Ｉｃを、最大電圧Ｖｍａｘが下側電圧値Ｖｔｕになったときの充電電流値Ｉ１に維持するようにしてもよいが、制御信号Ｓ１のデューティ比を維持して充電電流Ｉｃをほぼ一定に維持することで、充電電流Ｉｃを監視する必要がないので、処理を簡素化することができる。

そして、充電電流値Ｉ１により組電池２１が充電されるに従って、最大電圧Ｖｍａｘが徐々に上昇し、再び最大電圧Ｖｍａｘが上限電圧値Ｖｔｈに達する（タイミングＴ４）。以降、タイミングＴ８まで、タイミングＴ２〜Ｔ４と同様の動作が繰り返されることで、最大電圧Ｖｍａｘが、上限電圧値Ｖｔｈと下側電圧値Ｖｔｕとの間に維持される。

これにより、充電電流供給部３５における電圧制御精度や特性バラツキ、あるいは二次電池２１１，２１２，２１３相互間における端子電圧のバラツキ等があっても、さらに端子電圧制御部２２２、ＰＷＭ制御部２２３、及びスイッチング素子２５によって、簡素な構成により、二次電池２１１，２１２，２１３の端子電圧が上限電圧値Ｖｔｈを超えないように、制御することができる。これにより、二次電池２１１，２１２，２１３の端子電圧が、ＢＡＪにより推奨されている規定電圧を超えるおそれが低減される。

そして、組電池２１の充電が進んで電流検出部２４によって検出された電流Ｉｃが、充電終止電流値Ｉａを下回った場合（タイミングＴ７）、充電制御部２２１によって、電流Ｉｃが充電終止電流値Ｉａを下回っている時間が、例えば図略のタイマ回路を用いて計時される。そして、電流Ｉｃが充電終止電流値Ｉａを下回っている時間が、予め設定された設定時間ｔｓ（例えば６０秒）を超えると、充電制御部２２１によって、充電電圧の出力を停止すべき旨の指示が、充電装置３へ出力されて、組電池２１の充電を終了する（タイミングＴ９）。

なお、充電制御部２２１は、タイミングＴ９において、スイッチング素子２５をオフさせることにより、組電池２１の充電を終了するようにしてもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る充電システム、及び電池パックについて説明する。本発明の第２実施形態に係る充電システム１ａ、及び電池パック２ａの構成は、第１実施形態と同様、図１で示される。第２実施形態に係る充電システム１ａ、及び電池パック２ａと、第１実施形態に係る充電システム１、及び電池パック２とでは、端子電圧制御部２２２ａの動作が後述するように異なる。

その他の構成は第１実施形態に係る充電システム１、及び電池パック２と同様であるのでその説明を省略し、以下、図１に示す充電システム１ａ、及び電池パック２ａの動作について説明する。

図４は、図１に示す充電システム１ａ及び電池パック２ａの動作の一例を説明するための説明図である。図４は、組電池２１を充電する際における最大電圧Ｖｍａｘと、組電池２１の充電電流Ｉｃとの変化を示している。

まず、タイミングＴ１１では、充電制御部２２１からの指示に応じて、充電装置３から電流値Ｉｃｃの充電電流Ｉｃが組電池２１へ供給されて、二次電池２１１，２１２，２１３が充電されている（タイミングＴ１１）。そうすると、充電が進むにつれて、二次電池２１１，２１２，２１３の各端子電圧が上昇し、電圧最大値取得部２２４で取得される最大電圧Ｖｍａｘが上昇する。

そして、最大電圧Ｖｍａｘが上限電圧値Ｖｔｈに達すると、充電制御部２２１によって、定電流充電を終了して定電圧充電に移行すべく、充電装置３へ、セルあたり上限電圧値Ｖｔｈの出力を要求する要求指示が出力されて、定電圧充電に移行する（タイミングＴ１２）。具体的には、組電池２１は、三個の二次電池２１１，２１２，２１３が直列接続されているから、充電制御部２２１は、充電装置３へ、上限電圧値Ｖｔｈに直列セル数の３を乗じた電圧の出力を要求する。

このとき、充電電流供給部３５における電圧制御精度や特性バラツキ、あるいは二次電池２１１，２１２，２１３相互間における端子電圧のバラツキ等により、そのままでは最大電圧Ｖｍａｘが、上限電圧値Ｖｔｈを超えてしまうおそれがある。また、図３に示すタイミングＴ２〜Ｔ３のように、スイッチング素子２５のオン抵抗Ｒｏｎを徐々に増大させて、電流Ｉｃを徐々に減少させる場合、電流Ｉｃの減少速度が充電に伴う最大電圧Ｖｍａｘの増大に間に合わず、最大電圧Ｖｍａｘが上限電圧値ＶｔｈやＢＡＪの規定電圧を超えてしまうおそれがある。

そこで、端子電圧制御部２２２ａは、最大電圧Ｖｍａｘが上限電圧値Ｖｔｈに達すると（タイミングＴ１２）、ＰＷＭ制御部２２３によって、電流Ｉｃが、電流値Ｉｃｃより充分に小さく確実に最大電圧Ｖｍａｘを下側電圧値Ｖｔｕ以下に低下させることができる電流値として予め設定された設定電流値Ｉ１１になるように、速やかに制御信号Ｓ１のデューティ比を変化させて、瞬時に最大電圧Ｖｍａｘを下側電圧値Ｖｔｕ以下に低下させる電流減少処理を実行する。

具体的には、端子電圧制御部２２２ａは、タイミングＴ１２において、電流Ｉｃを設定電流値Ｉ１１まで低下させることができる制御信号Ｓ１のデューティ比として予め設定されたデューティ比Ｄ１を、ＰＷＭ制御部２２３に指示することにより、ＰＷＭ制御部２２３からデューティ比Ｄ１の制御信号Ｓ１を出力させることで、瞬時に最大電圧Ｖｍａｘを下側電圧値Ｖｔｕ以下に低下させる。

これにより、電流Ｉｃの減少速度が充電に伴う最大電圧Ｖｍａｘの増大に間に合わないために最大電圧Ｖｍａｘが上限電圧値ＶｔｈやＢＡＪの規定電圧を超えてしまうおそれが低減される。

次に、電圧最大値取得部２２４によって取得された最大電圧Ｖｍａｘが設定電流値Ｉ１１に達すると（タイミングＴ１３）、端子電圧制御部２２２ａは、ＰＷＭ制御部２２３によって、制御信号Ｓ１のデューティ比を変化させることにより、オン抵抗Ｒｏｎを徐々に減少させて電流Ｉｃ及び最大電圧Ｖｍａｘを徐々に増大させる。

次に、最大電圧Ｖｍａｘが、下側電圧値Ｖｔｕに達すると（タイミングＴ１４）、端子電圧制御部２２２は、ＰＷＭ制御部２２３によって、そのときの制御信号Ｓ１のデューティ比を維持させる。そうすると、充電電流Ｉｃは、最大電圧Ｖｍａｘが下側電圧値Ｖｔｕになったときの充電電流値に維持される。この場合、制御信号Ｓ１のデューティ比を維持しても、厳密には二次電池２１１，２１２，２１３の充電が進むにつれて徐々に充電電流Ｉｃは減少するものの、充電電流Ｉｃをほぼ一定に維持することができる。

この場合、電流検出部２４によって検出された充電電流Ｉｃに基づいて、フィードバック制御を行うことで、充電電流Ｉｃを、最大電圧Ｖｍａｘが下側電圧値Ｖｔｕになったときの充電電流値に維持するようにしてもよいが、制御信号Ｓ１のデューティ比を維持して充電電流Ｉｃをほぼ一定に維持することで、充電電流Ｉｃを監視する必要がないので、処理を簡素化することができる。

そして、組電池２１が充電されるに従って、最大電圧Ｖｍａｘが徐々に上昇し、再び最大電圧Ｖｍａｘが上限電圧値Ｖｔｈに達する（タイミングＴ１５）。そうすると、端子電圧制御部２２２ａは、ＰＷＭ制御部２２３によって、電流Ｉｃが、設定電流値Ｉ１１より小さい電流値として予め設定された設定電流値Ｉ１２になるように、速やかに制御信号Ｓ１のデューティ比を変化させて、瞬時に最大電圧Ｖｍａｘを下側電圧値Ｖｔｕ以下に低下させる電流減少処理を実行する。

具体的には、端子電圧制御部２２２ａは、タイミングＴ１５において、電流Ｉｃを設定電流値Ｉ１２まで低下させることができる制御信号Ｓ１のデューティ比として予め設定されたデューティ比Ｄ２を、ＰＷＭ制御部２２３に指示することにより、ＰＷＭ制御部２２３からデューティ比Ｄ２の制御信号Ｓ１を出力させることで、瞬時に最大電圧Ｖｍａｘを下側電圧値Ｖｔｕ以下に低下させる。

このように、端子電圧制御部２２２ａは、電流減少処理を実行する都度、設定電流値を減少させることによって、組電池２１が充電されるに従い充電電流Ｉｃが減少しても、最大電圧Ｖｍａｘが上限電圧値Ｖｔｈに達した際に速やかに最大電圧Ｖｍａｘを下側電圧値Ｖｔｕ以下に低下させることができるようになっている。

そして、電圧最大値取得部２２４によって取得された最大電圧Ｖｍａｘが設定電流値Ｉ１２に達すると（タイミングＴ１６）、端子電圧制御部２２２ａは、ＰＷＭ制御部２２３によって、制御信号Ｓ１のデューティ比を変化させることにより、オン抵抗Ｒｏｎを徐々に減少させて電流Ｉｃ及び最大電圧Ｖｍａｘを徐々に増大させる。

以降、タイミングＴ１３〜Ｔ１６と同様の動作が繰り返されることで、最大電圧Ｖｍａｘが、上限電圧値Ｖｔｈを超えないように、制御される。

これにより、充電電流供給部３５における電圧制御精度や特性バラツキ、あるいは二次電池２１１，２１２，２１３相互間における端子電圧のバラツキ等があっても、さらに端子電圧制御部２２２、ＰＷＭ制御部２２３、及びスイッチング素子２５によって、簡素な構成により、二次電池２１１，２１２，２１３の端子電圧が上限電圧値Ｖｔｈを超えないように、制御することができる。そして、二次電池２１１，２１２，２１３の端子電圧が、ＢＡＪにより推奨されている規定電圧を超えるおそれが低減される。

また、もし仮に、スイッチング素子２５を飽和領域でオフ状態からオンした場合、図５に示す電流Ｉｘ１のように、二次電池への突入電流によって急激に充電電流が増加して、二次電池の端子電圧Ｖｘ１が、規定電圧を超えてしまうおそれがある。しかしながら、充電システム１，１ａ、及び電池パック２，２ａにおいては、スイッチング素子２５の非飽和状態において電流を制御することで、図５に示す電流Ｉｘ２のように、二次電池への突入電流を緩やかに増大させることができる結果、二次電池の端子電圧Ｖｘ２が、規定電圧を超えてしまうおそれが低減される。

そして、組電池２１の充電が進んで電流検出部２４によって検出された電流Ｉｃが、充電終止電流値Ｉａを下回った場合（タイミングＴ１９）、充電制御部２２１によって、電流Ｉｃが充電終止電流値Ｉａを下回っている時間が、例えば図略のタイマ回路を用いて計時される。そして、電流Ｉｃが充電終止電流値Ｉａを下回っている時間が、予め設定された設定時間ｔｓ（例えば６０秒）を超えると、充電制御部２２１によって、充電電圧の出力を停止すべき旨の指示が、充電装置３へ出力されて、組電池２１の充電を終了する（タイミングＴ２１）。

なお、充電制御部２２１は、タイミングＴ２１において、スイッチング素子２５をオフさせることにより、組電池２１の充電を終了するようにしてもよい。

本発明は、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、等の電池搭載装置の電源として用いられる電池パック、及びこのような電池パックを充電する充電システムに利用することができる。

本発明の一実施形態に係る充電システム、及び電池パックの構成の一例を示すブロック図である。 ＦＥＴのゲート−ソース間電圧Ｖｇｓと、ＦＥＴのオン抵抗Ｒｏｎとの関係の一例を示したグラフである。 第１実施形態に係る充電システム及び電池パックの動作の一例を説明するための説明図である。 第２実施形態に係る充電システム及び電池パックの動作の一例を説明するための説明図である。 スイッチング素子を飽和領域でオンさせた場合の電流、電圧波形と、スイッチング素子を非飽和領域でオンさせた場合の電流、電圧波形とを示す説明図である。

符号の説明

１，１ａ 充電システム
２，２ａ 電池パック
３ 充電装置
１１，１２，１３，３１，３２，３３ 接続端子
２１，３７ 組電池
２２ 制御部
２３ アナログデジタル変換器
２４ 電流検出部
２５ スイッチング素子
２６ 抵抗
２７，３６ 通信部
３５ 充電電流供給部
２１１，２１２，２１３ 二次電池
２２１ 充電制御部
２２２，２２２ａ 端子電圧制御部
２２３ ＰＷＭ制御部
２２４ 電圧最大値取得部
Ｉ１１，Ｉ１２ 設定電流値
Ｉａ 充電終止電流値
Ｓ１ 制御信号
Ｖｔｈ 上限電圧値
Ｖｔｕ 下側電圧値
ｔｓ 設定時間

Claims (9)

1. 二次電池と、
   前記二次電池へ充電用の電圧を供給する充電部と、
   前記充電部から前記二次電池への前記充電用の電圧の供給経路を開閉するスイッチング素子と、
   前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部によって検出される端子電圧に応じて、前記スイッチング素子の動作を制御する制御信号を出力する端子電圧制御部とを備え、
   前記スイッチング素子は、前記端子電圧制御部から出力された制御信号に応じて、非飽和領域において流れる電流を制限するものであり、
   前記端子電圧制御部は、
   前記スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、前記電圧検出部により検出される端子電圧が予め設定された上限電圧を超えないように、前記二次電池の充電電流を制限し、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧以上になった場合、前記スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧より低い電圧に設定された下側電圧になるまで前記充電電流を減少させる下側電圧制御処理を実行し、当該減少された充電電流値を、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧に達するまで維持させること
   を特徴とする充電システム。
2. 二次電池と、
   前記二次電池へ充電用の電圧を供給する充電部と、
   前記充電部から前記二次電池への前記充電用の電圧の供給経路を開閉するスイッチング素子と、
   前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部によって検出される端子電圧に応じて、前記スイッチング素子の動作を制御する制御信号を出力する端子電圧制御部とを備え、
   前記スイッチング素子は、前記端子電圧制御部から出力された制御信号に応じて、非飽和領域において流れる電流を制限するものであり、
   前記端子電圧制御部は、
   前記スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、前記電圧検出部により検出される端子電圧が予め設定された上限電圧を超えないように、前記二次電池の充電電流を制限し、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧以上になった場合、前記スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、前記充電電流を、所定の設定電流値まで減少させる電流減少処理を実行した後、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧より低い電圧に設定された下側電圧になるまで前記充電電流を増大させる下側電圧制御処理を実行し、当該増大された充電電流値を、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧に達するまで維持させること
   を特徴とする充電システム。
3. 前記端子電圧制御部は、前記電流減少処理を実行する都度、前記設定電流値を減少させること
   を特徴とする請求項２記載の充電システム。
4. 前記端子電圧制御部は、
   前記電流減少処理を実行するときに、前記充電電流を前記設定電流値にするべく予め設定された制御信号を前記スイッチング素子へ出力すること
   を特徴とする請求項２又は３記載の充電システム。
5. 前記端子電圧制御部は、
   前記下側電圧制御処理において、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記下側電圧になったときの前記制御信号の出力を、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧に達するまで維持すること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の充電システム。
6. 前記端子電圧制御部は、
   前記制御信号のデューティ比を調節することにより、前記スイッチング素子を流れる充電電流を調節すること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の充電システム。
7. 前記充電電流を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部によって検出される電流値が、予め設定された満充電検出電流値に満たない場合、前記二次電池の充電を終了させる充電終了制御部とをさらに備えること
   を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の充電システム。
8. 二次電池と、
   前記二次電池を充電するための充電用の電圧を受電する接続端子と、
   前記接続端子から前記二次電池への前記充電用の電圧の供給経路を開閉するスイッチング素子と、
   前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部によって検出される端子電圧に応じて、前記スイッチング素子の動作を制御する制御信号を出力する端子電圧制御部とを備え、
   前記スイッチング素子は、前記端子電圧制御部から出力された制御信号に応じて、非飽和領域において流れる電流を制限するものであり、
   前記端子電圧制御部は、
   前記電圧検出部により検出される端子電圧が予め設定された上限電圧を超えないように、前記スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、前記二次電池の充電電流を制限させ、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧以上になった場合、前記スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧より低い電圧に設定された下側電圧になるまで前記充電電流を減少させる下側電圧制御処理を実行し、当該減少された充電電流値を、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧に達するまで維持させること
   を特徴とする電池パック。
9. 二次電池と、
   前記二次電池を充電するための充電用の電圧を受電する接続端子と、
   前記接続端子から前記二次電池への前記充電用の電圧の供給経路を開閉するスイッチング素子と、
   前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部によって検出される端子電圧に応じて、前記スイッチング素子の動作を制御する制御信号を出力する端子電圧制御部とを備え、
   前記スイッチング素子は、前記端子電圧制御部から出力された制御信号に応じて、非飽和領域において流れる電流を制限するものであり、
   前記端子電圧制御部は、
   前記電圧検出部により検出される端子電圧が予め設定された上限電圧を超えないように、前記スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、前記二次電池の充電電流を制限させ、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧以上になった場合、前記スイッチング素子を非飽和領域で動作させることによって、前記充電電流を、所定の設定電流値まで減少させる電流減少処理を実行した後、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧より低い電圧に設定された下側電圧になるまで前記充電電流を増大させる下側電圧制御処理を実行し、当該増大された充電電流値を、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記上限電圧に達するまで維持させること
   を特徴とする電池パック。

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