JP5281843B2

JP5281843B2 - バッテリパック及びその充電方法

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Publication number: JP5281843B2
Application number: JP2008195839A
Authority: JP
Inventors: 世燮沈; 進 ▲セ▼川; 鍾雲梁
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2028-07-30
Also published as: KR20090081202A; US20090184685A1; EP2083495B1; KR100998304B1; CN101494306A; JP2009178017A; EP2083495A3; EP2083495A2

Description

本発明は、バッテリパック及びその充電方法（ＢａｔｔｅｒｙＰａｃｋａｎｄＣｈａｒｇｉｎｇＭｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｓａｍｅ）に関する。

最近、携帯電話機、ノートパソコン、カムコーダなどのコンパクトかつ軽量化された携帯用の電子／電気器機が活発に開発及び生産されている。このような携帯用の電子／電気機器は、電源供給のない場所でも動作できるようにバッテリパックを内装している。バッテリパックは、経済的側面からニッケルカドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）電池、ニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ；ＮｉｃｋｅｌＭｅｔａｌ−Ｈｙｄｒｉｄｅ）電池及びリチウム（Ｌｉ）電池を代表とし、充放電が可能な二次電池として一般的に用いられている。

その中でも、リチウム（Ｌｉ）二次電池は、ニッケルカドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）電池又はニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池と比較して動作電圧が３倍ほど高く、単位重量当たりのエネルギー密度が高い。そのため、リチウム（Ｌｉ）二次電池を用いるバッテリパックが携帯用の電子／電気機器に広く用いられている。ここで、リチウム二次電池は、使用する電解質の種類によって液体電解質を用いるリチウムイオン電池と高分子電解質を用いるリチウムポリマー電池とで区分されるか、又は、製造形状によって円筒状、角状及びパウチ状で区分される。

このようなリチウム二次電池は、充放電時に前記リチウム二次電池の過充放電を防止するための保護回路基板と電気的に接続されてバッテリパックを構成し、この際に前記リチウム二次電池はベアセルの形態として前記保護回路基板と電気的に接続されてバッテリパックを構成することもできる。

一般に、このようなリチウム二次電池を用いたバッテリパックの充電方式は、定電流定電圧（ＣＣ／ＣＶ）方式が用いられている。この定電流定電圧（ＣＣ／ＣＶ）方式は、所定電圧を充電電圧として設定し、バッテリパックの電圧が設定された充電電圧に到達するまでは前記バッテリパックに所定電流を印加し、前記バッテリパックの電圧が設定された充電電圧に到達した後は前記バッテリパックに印加される電圧を前記充電電圧に維持する。このように制御することで、前記バッテリパックに印加する電流が減少されるようにすることができる。こうしたバッテリパックの充電方式については、例えば、下記の特許文献１〜４が参考になる。

前記の定電流定電圧（ＣＣ／ＣＶ）方式において、前記バッテリパックに所定電流が印加される区間を定電流（ＣＣ）区間とし、所定電圧が印加される区間を定電圧（ＣＶ）区間とする。また、前記定電圧区間において、前記バッテリパックに印加される電流が減少してＣ／２０に到達した場合は前記バッテリパックが満充電したと判断して充電を終了する。ここで、１Ｃとは、リチウム二次電池の定格容量の電流で充電することを意味し、例えば、リチウム二次電池容量が１０００ｍＡｈの場合、充電のために印加する電流量が１０００ｍＡｈの場合を１Ｃ充電といい、印加する電流量が２０００ｍＡｈの場合を２Ｃ充電という。

大韓民国出願公開第２００５−００４１０６３号明細書大韓民国出願公開第２００７−００６５６２３号明細書大韓民国出願公開第２００７−００７９７８３号明細書大韓民国特許公報第１０−０６１１０５９号明細書

上述のようなバッテリパックは、充電のために印加された充電電圧が最大許容充電電圧である場合、前記バッテリパックは定電圧区間で充電電流がＣ／２０になる前に満充電状態となるので、上記のように、前記バッテリパックの充電終了時点を判断する場合には前記バッテリパックは過充電となり、これによって前記バッテリパックの安全性は低下し、寿命が減少するという問題点がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、バッテリパックの安全性低下及び寿命減少を防止することが可能な、新規かつ改良されたバッテリパック及びその充電方法を提供することにある。

以下に示す手段は、無負荷電圧ＯＣＶを介してバッテリパックの充電を制御するという点で共通の技術的特徴を有している。このような技術的特徴により、無負荷電圧ＯＣＶを用いてバッテリパックの終了時点が判断されるため、バッテリパックに印加される充電電圧とは関係なく、過充電が防止される。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、一つ又は複数の二次電池を有するバッテリパックの充電方法が提供される。この方法は、前記二次電池の充電電圧が第１設定電圧に達するまで前記二次電池に所定電流を印加する定電流区間と、前記定電流区間に続けて前記二次電池に所定電圧が印加される定電圧区間とで、前記二次電池を充電するバッテリパックの充電方法において、前記定電圧区間と、充電電圧を遮断してから所定時間内に前記バッテリパックの無負荷電圧ＯＣＶを測定する充電中止区間と、が繰り返され、前記測定された無負荷電圧ＯＣＶが第２設定電圧以上の場合に、前記バッテリパック内の保護回路を制御して前記バッテリパックの充電を終了することを特徴とするものである。

また、上記の方法は、前記測定した無負荷電圧ＯＣＶが第２設定電圧未満の場合に、前記二次電池に前記第１設定電圧と等しい電圧によって充電されるように構成されていてもよい。

また、第２の時間だけ前記バッテリパックの充電を停止し、前記第２の時間は、５〜１０秒であってもよい。

また、前記第１設定電圧は、前記定電流定電圧方式において、定電流区間から定電圧区間に転換される際の充電電圧であってもよい。

また、前記バッテリパックの無負荷電圧ＯＣＶは、前記第２の時間の時間範囲の間で測定されるように構成されていてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、一つ又は複数のベアセル及び前記ベアセルの充放電を制御する電池管理システムを有するバッテリパックの充電方法が提供される。この方法は、前記電池管理システムを介して前記ベアセルに印加される充電電圧が測定され、前記測定された充電電圧が第１設定電圧以上の場合に、第１の時間の周期で充電が中止され、前記充電が中止されてから第２の時間以後に前記バッテリパックの無負荷電圧ＯＣＶが測定され、前記バッテリパックの無負荷電圧ＯＣＶが第２設定電圧以上の場合に、前記バッテリパックの充電が終了されることを特徴とするものである。

また、前記充電電圧は、定電流定電圧方式で印加されるように構成されていてもよい。

また、前記第１設定電圧は、前記定電流区間から定電圧区間に転換される際の電圧であってもよい。

また、前記第１の時間は、前記第２の時間よりも長く設定されていてもよい。

また、前記第１の時間は、１〜２分であってもよい。

また、前記第２の時間は、５〜１０秒であってもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、一つ又は複数の単位電池を有する電池組立体と、前記電池組立体の充放電を制御し、前記電池組立体の無負荷電圧に応じて前記電池組立体の充電を制御する電池管理システムと、を含み、前記電池管理システムは、前記電池組立体の充電電圧を測定する電圧測定部と、前記電池組立体の無負荷電圧ＯＣＶを測定するＯＣＶ測定部と、前記電池組立体の充電電圧及び無負荷電圧と設定電圧を比較するための電圧比較部と、前記電圧比較部から信号を印加して電池組立体の満充電を判断する満充電検出部と、を有することを特徴とするバッテリパックが提供される。

また、前記電圧比較部は、前記電池組立体の充電電圧と第１設定電圧とを比較する第１電圧比較部、及び前記電池組立体の無負荷電圧と第２設定電圧とを比較する第２電圧比較部を含むように構成されていてもよい。

また、前記電池管理システムは、前記電池組立体の充電状態に応じて前記電池組立体の充放電を制御する保護回路をさらに含むように構成されていてもよい。

また、前記電池管理システムは、前記電池組立体と外部端子との間に電気的に接続され、前記満充電検出部及び前記保護回路から信号を印加して前記電池組立体と外部端子との間の電気的接続を制御するための充放電制御部を含むように構成されていてもよい。

また、前記充放電制御部は、充電ＦＥＴ素子及び放電ＦＥＴ素子を含むように構成されていてもよい。

より詳細に述べると、本発明に係る技術は、バッテリパックの無負荷電圧ＯＣＶ（ＯｐｅｎＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ）を用いて前記バッテリパックの充電終了時点を判断することで、前記バッテリパックに印加される充電電圧とは関係なく、過充電されることを防止するバッテリパック及びその充電方法を提供するというものである。つまり、バッテリパックの充電終了時点を判断する基準を変更して前記バッテリパックが過充電することを防止することで、前記バッテリパックの安全性低下及び寿命減少を防止できるバッテリパック及びその充電方法に関する。

上記のバッテリパックは、定電圧区間において第１の時間周期で充電を中止し、前記充電が中止されて第２の時間の時間範囲の間又は前記第２の時間経過後に前記バッテリパックの無負荷電圧ＯＣＶを測定して第１設定電圧との比較することで前記バッテリパックの充電終了時点を判断し、前記バッテリパックの充電のために印加される充電電圧とは関係なく、前記バッテリパックが過充電されることを防止することができるのである。

以上説明したように本発明によれば、バッテリパックの安全性低下及び寿命減少を防止することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本実施形態の目的、技術的構成及びその作用効果は添付する図面を参照して以下の詳細な説明によってより明確に理解することができる。図面において、層及び領域の厚みは明確性をあたえるために誇張して図示されたものである。また、全体にわたって同じ参照番号が付されている場合は、上記の通り、同様の構成要素を示すものであり、ある部分が他部分と「接続」しているとした場合、これは「直接的に接続」した場合のみでなく、その中間に他の素子を置いて「電気的に接続」されている場合も含むものとする。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係るバッテリパックの模式図である。

図１を参照すると、本発明の一実施形態に係るバッテリパックは、充放電の可能な一つ又は複数のベアセル又は二次電池を有する電池組立体１１０、電池管理システム１２０、及び前記の電池組立体１１０と外部電源装置又は負荷を電気的に接続するための外部端子Ｐ^＋、Ｐ⁻を含む。

前記電池管理システム１２０は、前記電池組立体１１０の充電状態に応じて前記電池組立体１１０の充放電を制御する制御部１３０、及び前記制御部１３０から信号を印加するための前記電池組立体１１０と外部端子Ｐ^＋、Ｐ⁻との間の電気的接続を制御する充放電制御部１５０を含む。

前記電池管理システム１２０は、前記制御部１３０又は充放電制御部１５０の誤作動によって前記電池組立体１１０に過電流が流れることを防止するために、前記電池組立体１１０の大電流経路上に位置し、前記電池組立体１１０と外部端子Ｐ^＋、Ｐ⁻との間の電気的接続を遮断するヒューズ（Ｆｕｓｅ）、及びセルフコントロールプロテクタＳＣＰ（Ｓｅｌｆ−ＣｏｎｔｒｏｌＰｒｏｔｅｃｔｏｒ）及びＰＴＣサーミスタ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）などの二次保護素子１４０をさらに含むことができる。

前記制御部１３０は、前記電池組立体１１０の充電電圧を測定する電圧測定部１３２、前記電池組立体１１０の無負荷電圧ＯＣＶを測定するＯＣＶ測定部１３４、前記電池組立体１１０の充電電圧及び無負荷電圧と設定電圧とを比較するための電圧比較部１３６、前記電圧比較部１３６から信号を印加して電池組立体の満充電を判断する満充電検出部１３８、及び前記電池組立体１１０の充電状態によって前記電池組立体１１０の充放電を制御する保護回路１３５を含む。

ここでは図示してないが、前記電圧比較部１３６は、前記電池組立体１１０の充電電圧と所定の第１設定電圧とを比較する第１電圧比較部（図示せず）、及び前記電池組立体１１０の無負荷電圧ＯＣＶと所定の第２設定電圧とを比較する第２電圧比較部（図示せず）を含んでいてもよい。

前記充放電制御部１５０は、充電ＦＥＴ素子１５１及び放電ＦＥＴ素子１５２を含み、前記保護回路１３５及び満充電検出部１３８の制御によって前記充電ＦＥＴ素子１５１又は放電ＦＥＴ素子１５２のうちのいずれか一つが駆動するように構成し、前記電池組立体１１０の充放電を制御する。

前記外部端子Ｐ^＋、Ｐ⁻は、前記電池組立体１１０と並列に接続されて正極Ｐ^＋及び陰極Ｐ⁻で構成される。前記外部端子Ｐ^＋、Ｐ⁻は、前記電池組立体１１０を外部電源装置又は負荷に電気的に接続させて前記電池組立体１１０が充電又は放電を行うようにする。さらに詳しくは、前記外部端子Ｐ^＋、Ｐ⁻に外部電源装置が接続されると前記電池組立体１１０は充電を行い、前記外部端子Ｐ^＋、Ｐ⁻に負荷が接続されると前記電池組立体１１０は放電を行うように構成される。

図２は、本実施形態に係るバッテリパックに印加される充電電圧の波形図である。図３は、本実施形態に係るバッテリパックの充電方法を示すフローチャートである。

図２、及び図３を参照しながら、本実施形態に係るバッテリパックの充電方法を説明する。

本実施形態に係るバッテリパックは、外部端子Ｐ^＋、Ｐ⁻に外部電源装置が接続されて充電が始まると、まず、定電流定電圧方式（ＣＣ／ＣＶ方式）と同様に前記電池組立体１１０に印加される充電電圧が第１設定電圧Ｖ０に到達する定電流区間Ａ（図２を参照）にある場合に、前記電池組立体１１０に印加された充電電圧を段階的に増加させて前記電池組立体１１０に所定電流が印加されるようにする（Ｓ０１）。

ここで、前記第１設定電圧Ｖ_０は、一般的な定電流定電圧方式において、定電流区間から定電圧区間に転換する充電電圧とすることができる。

続いて、前記電池組立体１１０に印加される電圧が第１設定電圧Ｖ_０以上であるか否かを判断し（Ｓ０２）、第１設定電圧Ｖ_０以上であれば定電流定電圧方式（ＣＣ／ＣＶ方式）の定電圧区間と同様に前記電池組立体１１０に印加される充電電圧を前記第１設定電圧Ｖ_０に相当する電圧に維持する（Ｓ０３）。第１設定電圧Ｖ_０未満であればステップＳ０１の処理に戻る。

続いて、前記電池組立体１１０に印加される充電電圧を前記第１設定電圧Ｖ０に相当する電圧で第１の時間（ｔ１−ｔ０）の範囲の間を維持する定電圧区間Ｂ以後、前記電池組立体１１０に印加される充電電圧を遮断する（Ｓ０４）。なお、図２に示すように、第１の時間は、充電電圧が第１設定電圧Ｖ０で維持される時間の長さを示すものである。

ここで、本実施形態においては、前記電池組立体１１０に印加される充電電圧が第１設定電圧Ｖ_０に到達し、第１の時間（ｔ_１−ｔ_０）経過後、前記電池組立体１１０に印加される充電電圧を遮断している。しかし、前記電池組立体１１０に印加される充電電圧が第１設定電圧Ｖ_０に到達した直後に、前記電池組立体１１０に印加される充電電圧を遮断することもできる。

また、前記定電圧区間Ｂがあまり長すぎると、従来の充電方法と同じような問題が発生してしまう。逆に、あまり短すぎると前記バッテリパックの充電所要時間が増加するので、前記定電圧区間Ｂの第１時間（ｔ_１−ｔ_０）は１〜２分程度であることが好ましい。

次に、充電電圧を遮断する充電中止区間Ｃの第２の時間（ｔ_２−ｔ_１）の時間範囲の間に前記電池組立体１１０の無負荷電圧ＯＣＶを測定する（Ｓ０５）。なお、図２に示すように、第２の時間は、充電電圧を遮断している時間の長さを示すものである。

ここで、本実施形態においては前記電池組立体１１０の無負荷電圧ＯＣＶを前記充電中止区間Ｃの間で測定するものとして説明しているが、前記電池組立体１１０の無負荷電圧ＯＣＶは前記充電中止区間Ｃの第２時間（ｔ_２−ｔ_１）経過後に測定することもできる。

次に、前記電池組立体１１０の無負荷電圧ＯＣＶが第２設定電圧以上であるか否かを確認し（Ｓ０６）、前記無負荷電圧ＯＣＶが第２設定電圧以上である場合は前記電池組立体１１０の充電を終了する（Ｓ０７）。

ここで、前記充電中止区間Ｃがあまり長すぎると前記電池組立体１１０の電圧が大きく低下する問題があり、あまり短すぎると前記電池組立体１１０の無負荷電圧ＯＣＶの測定が不安定となり、前記充電中止区間Ｃの第２の時間（ｔ_２−ｔ_１）は前記定電圧区間Ｂの第１の時間（ｔ_１−ｔ_０）よりも短いことが好ましく、５〜１０秒であることが特に好ましい。

ステップＳ０６において、前記電池組立体１１０の無負荷電圧ＯＣＶが第２設定電圧未満の場合は前記電池組立体１１０に前記第１設定電圧Ｖ０に相当する電圧を印加して定電圧充電（Ｓ０３）を行う。ここで、前記電池組立体１１０の充電のために印加される充電電圧として前記第１設定電圧Ｖ０が印加されるので、充電中止区間Ｃによって前記電池組立体１１０の電圧が所定レベルＶ１に低下しても前記電池組立体１１０の充電電圧が前記第１設定電圧Ｖ０以上になる場合は発生しない。

したがって、前記電池組立体１１０の無負荷電圧ＯＣＶが第２設定電圧未満である前記電池組立体１１０は、前記第１設定電圧Ｖ_０に相当する電圧によって充電される定電圧区間Ｂ、充電電圧が遮断されて無負荷電圧ＯＣＶが測定される充電中止区間Ｃ及び前記電池組立体１１０の無負荷電圧ＯＣＶと第２設定電圧との比較を繰り返すことになる。

結果的に、本実施形態によるバッテリパックは、定電圧区間において第１の時間周期で充電を中止し、前記充電が中止されてから第２の時間以後に前記バッテリパックの無負荷電圧ＯＣＶを測定し、第２設定電圧と比較して充電終了時点を判断する。このようにすることで、前記バッテリパックの充電のために最大許容充電電圧が印加された場合でも前記バッテリパックが過充電されることを防止することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の一実施形態に係るバッテリパックの機能構成を示す説明図である。同実施形態に係るバッテリパックに印加される充電電圧の波形図である。同実施形態に係るバッテリパックの充電方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１１０電池組立体
１２０電池管理システム
１３０制御部
１３２電圧測定部
１３４ＯＣＶ測定部
１３６電圧比較部
１３８満充電検出部
１４０二次保護素子
１５０充放電制御部
１５１充電ＦＥＴ素子
１５２放電ＦＥＴ素子

Claims

一つ又は複数の二次電池を有するバッテリパックであって、前記二次電池の充電電圧が第１設定電圧に達するまで前記二次電池に所定電流を印加する定電流区間と、前記定電流区間に続けて前記二次電池に所定電圧が印加される定電圧区間とで、前記二次電池を充電するバッテリパックの充電方法において、
前記定電圧区間と、充電電圧を遮断してから所定時間内に前記バッテリパックの無負荷電圧ＯＣＶを測定する充電中止区間と、が繰り返され、
前記測定された無負荷電圧ＯＣＶが第２設定電圧以上の場合に、前記バッテリパック内の保護回路を制御して前記バッテリパックの充電を終了することを特徴とする、
バッテリパックの充電方法。
前記測定した無負荷電圧ＯＣＶが第２設定電圧未満の場合に、前記二次電池に前記第１設定電圧と等しい電圧によって充電することを特徴とする、
請求項１に記載のバッテリパックの充電方法。
第２の時間だけ前記バッテリパックの充電を停止し、
前記第２の時間は、５〜１０秒であることを特徴とする、
請求項１又は２に記載のバッテリパックの充電方法。
前記第１設定電圧は、前記定電流区間から前記定電圧区間に転換される際の電圧であることを特徴とする、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリパックの充電方法。
前記バッテリパックの無負荷電圧ＯＣＶは、前記第２の時間の時間範囲の間で測定されることを特徴とする、
請求項３に記載のバッテリパックの充電方法。
一つ又は複数のベアセル及び前記ベアセルの充放電を制御する電池管理システムを有するバッテリパックであって、前記ベアセルの充電電圧が第１設定電圧に達するまで前記ベアセルに所定電流を印加する定電流区間と、前記定電流区間に続けて前記ベアセルに所定電圧が印加される定電圧区間とで、前記ベアセルを充電するバッテリパックの充電方法において、
前記定電圧区間と、充電電圧を遮断してから所定時間内に前記バッテリパックの無負荷電圧ＯＣＶを測定する充電中止区間と、が繰り返され、
前記測定された無負荷電圧ＯＣＶが第２設定電圧以上の場合に、前記バッテリパック内の保護回路を制御して前記バッテリパックの充電を終了することを特徴とする、
バッテリパックの充電方法。
前記第１設定電圧は、前記定電流区間から前記定電圧区間に転換される際の電圧であることを特徴とする、
請求項６に記載のバッテリパックの充電方法。
第２の時間だけ前記バッテリパックの充電を停止し、
前記第２の時間は、５〜１０秒であることを特徴とする、
請求項６又は７に記載のバッテリパックの充電方法。
前記バッテリパックの無負荷電圧ＯＣＶは、前記第２の時間の時間範囲の間で測定されることを特徴とする、
請求項８に記載のバッテリパックの充電方法。