JP5958640B2 - パック電池、及び、充電方法 - Google Patents

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Description

本発明は、充電制御を行う制御部がシャットダウンされることがあるパック電池、及び、充電方法に関するもので、特に、制御部がシャットダウン後の起動時に満充電付近では充電を禁止するものである。
従来の特許文献1に記載される充電方法において、リチウムイオン電池などの二次電池が満充電になった後、パック電池は電池残容量が所定の残容量(例えば、95%以下)になるまで、充電を禁止する指示情報を、パーソナルコンピュータ(PC)等の電子機器、充電器側に出力している。これにより、パック電池は、満充電付近で充電が繰り返されることを止め、二次電池のサイクル劣化等を防止している。
特開2005−351870号公報
電池内蔵型のパーソナルコンピュータ(PC)等の電子機器においては、電子機器の安全性を高める等の理由から、電子機器内のパック電池の制御を行うマイコンを、シャットダウンさせるボタンを備えるものがある。このようなボタンは、ユーザーが、操作するものである。
パック電池はシャットダウンされて再起動されると、シャットダウン前が充電中、或いは、放電中に関わらず、満充電でない場合は再充電を行うこととなる。そのため、満充電からの放電を開始してすぐにシャットダウンされた場合、パック電池は再起動後満充電付近での再充電を行ってしまう。
本発明は、この問題を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、電子機器内のパック電池の制御を行うマイコンを、シャットダウンさせることができるパック電池において、満充電付近の充電禁止容量領域でのシャットダウン後の起動時に再充電を禁止し、二次電池のサイクル劣化等を防止するパック電池、及び、充電方法を提供することにある。
本発明のパック電池は、電子機器に電力を供給する二次電池と、前記二次電池の充電制御を行う制御部と、前記二次電池の電池容量が満充電になると充電不可状態であることを記憶し、前記二次電池の電池容量が充電設定容量より小さくなると充電可能状態であることを記憶する記憶部とを備え、前記制御部は、シャットダウンして再起動したとき、前記記憶部が充電不可状態であることを記憶していると前記二次電池の充電を行わないことを特徴とする。
本構成によって、満充電付近の充電禁止容量領域でのシャットダウン後の起動時に再充電を禁止することとなる。
また、本発明の充電方法は、電子機器に電力を供給する二次電池と、前記二次電池の充電制御を行う制御部と、前記二次電池の電池容量が満充電になると充電不可状態であることを記憶し、前記二次電池の電池容量が充電設定容量より小さくなると充電可能状態であることを記憶する記憶部とを備えたパック電池の充電方法であって、前記制御部は、シャットダウンして再起動したとき、前記記憶部が充電不可状態であることを記憶していると前記二次電池の充電を行わないことを特徴とする。
制御部がシャットダウンされて再起動するとき、満充電検出した後、充電設定容量まで低下していないときは、充電をすることはない。よって、二次電池のサイクル劣化等を防止することができる。
本発明の一実施例にかかるパック電池の概略構成図である。 本発明の一実施例にかかるパック電池の充電のフローチャートである。 本発明の一実施例にかかるパック電池の二次電池の残容量を表す図である。 従来のパック電池の二次電池の残容量を表す図である。 本発明の他の実施例にかかるパック電池の概略構成図である。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施例にかかるパック電池の概略構成図である。図1に示すパック電池10は、パック電池10を充電する電源を備える電子機器20に脱着できるようにセットされる。例えば、電子機器20はノート型のような携帯型パーソナルコンピュータである。または、パック電池10は、外ケースがなく、電子機器20に内蔵されるタイプでも良い。電子機器20は、コンセントからの交流商用電力を直流電力に変換する電源アダプタ(図示せず)を接続している。電源アダプタは、直流電力を電子機器20に供給する。電子機器20は、供給される直流電力を制御するマイコン内蔵の制御・電源部21を備えている。制御・電源部21は、パック電池10に直流電力を出力し、また、電子機器20の負荷22に電力を供給する。電源アダプタから交流商用電力が供給されない場合は、パック電池10より電子機器20に直流電力が供給される。
図1に示すパック電池10は、複数の二次電池1を並列に接続して並列ユニット2としている。さらに複数の並列ユニット2が直列に接続されて電池群3としている。さらにパック電池10は、電池群3に流れる充放電の電流と、各々の並列ユニット2の電圧を検出する電流・電圧検出部4と、電流・電圧検出部4で検出される電流と電圧から並列ユニット2の異常を判定する制御・演算部5とを備える。
並列ユニット2の二次電池1は、リチウムイオン二次電池である。ただし、二次電池1は、ニッケル水素電池、またはニッケルカドミウム電池などの充電できる他の電池とすることもできる。図1のパック電池は、並列ユニット2として3個の二次電池1を並列に接続している。ただし、本発明のパック電池10は、並列ユニットに2個の二次電池1を並列に接続し、あるいは4個以上の二次電池1を並列に接続することもできる。並列ユニット2は、金属板あるいはリード線である接続タブ7を介して並列に接続される。
電流・電圧検出部4は、電池群3の電流を検出する電流検出部8と、入力される電流信号と、電圧信号を所定のサンプリング周期で切り換えて出力するマルチプレクサ6と、このマルチプレクサ6から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して、制御・演算部5に出力するA/Dコンバータ9とを備える。
電流検出部8は、図示しないが、電池群3と直列に接続している電流検出抵抗と、この電流検出抵抗の両端の電圧を増幅するアンプとを備える。アンプの出力電圧は、電池群3に流れる電流に比例する。したがって、アンプの出力電圧から電池群3からの電流値を検出することができる。また、電池群3の充電電流と放電電流は流れる方向が逆になるので、充電電流と放電電流ではアンプの出力電圧の極性、すなわち正負が逆になる。アンプが、放電電流を正の出力電圧とすれば、充電電流は負の出力電圧となる。したがって、アンプから出力される信号の正負で充電電流と放電電流を識別できる。
さらに、図1のパック電池10は、二次電池1の温度を検出する温度検出部11を備えている。この温度検出部11は、二次電池1に密接して配設されるサーミスタ等の温度センサ12を備える。また、温度検出部11は、温度センサ12の電気抵抗の変化を電圧の変化に変換する温度−電圧変換回路も内蔵している。この温度−電圧変換回路から出力される信号から二次電池1の温度を検出する。
マルチプレクサ6は、電流検出部8から出力される電流信号と、各々の並列ユニット2の電圧信号を順番に切り換えて、A/Dコンバータ9に出力する。図1のパック電池10は、3組の並列ユニット2を直列に接続している。したがって、マルチプレクサ6は、電流検出部8の電流信号、3組の並列ユニット2の電圧信号を、所定のサンプリング周期で順番に切り換えて、A/Dコンバータ9に出力する。図1のマルチプレクサ6は、1チャンネルの電流信号と、3チャンネルの電圧信号を切り換えるので、4チャンネル以上の入力を順番に切り換えられるものが使用される。ただ、温度検出部11から出力される温度信号もA/Dコンバータでデジタル信号に変換するパック電池10は、5チャンネルのマルチプレクサを使用する。
マルチプレクサ6は、複数チャンネルの入力を、16(msec)のサンプリング周期で切り換えて、A/Dコンバータ9に出力する。ただし、マルチプレクサ6のサンプリング周期は、1〜500(msec)とすることもできる。サンプリング周期を短くして、電池群3の電流、温度、電圧の変化を速やかに検出できる。したがって、マルチプレクサ6のサンプリング周期は、部品コストと電流や電圧が変化する状態を考慮して前述の範囲に設定される。
A/Dコンバータ9は、マルチプレクサ6から入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。A/Dコンバータ9は、マルチプレクサ6が入力を切り換えるタイミングに同期して、入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する。したがって、A/Dコンバータ9は、マルチプレクサ6が入力を切り換える毎に入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。すなわち、マルチプレクサ6が入力を切り換えた後、A/Dコンバータ9が入力信号をデジタル信号に変換し、その後、マルチプレクサ6が入力を切り換える動作を繰り返して、入力信号をデジタル信号に変換する。
A/Dコンバータ9の出力は、制御・演算部5に入力される。A/Dコンバータ9から制御・演算部5に入力されるデジタル信号は、電池群3に流れる充放電の電流値を示す電流信号、並列ユニット2のプラス側の電圧である電圧信号である。温度信号を検出するパック電池10は、この電圧信号に加えて、二次電池1の温度を示す温度信号も出力される。これらの信号は、マルチプレクサ6とA/Dコンバータ9のサンプリング周期、すなわち50(msec)周期で制御・演算部5に入力される。制御・演算部5は、入力される信号を演算し、各々の並列ユニット2の異常を判定する。
さらに、マイコンを含む制御・演算部5は、電池群3の充放電電流を積算して残容量を演算処理し、充電電流や電池電圧から電池の満充電を検出し、また異常電流、異常温度、異常電圧等を検出して、充放電を制御する。スイッチングトランジスタ等からなる制御素子13は、制御・演算部5でオンオフ制御され、異常電流、異常温度、異常電圧の検出時に、オフに切り換えられて電流を遮断する。
制御・演算部5は、A/Dコンバータ9によって変換された充放電電流に、サンプリング周期(例えば、50msec)を掛け算した値を積算し、放電時においては満充電から積算量を引き算し、あるいは、充電時においては充電開始時の残容量に積算量を加算する。このような演算により、電池群3の残容量を算出している。
また、制御・演算部5は、メモリとして、不揮発性メモリであるEEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)又はFlash Memoryを備えている。これらのEEPROM又はFlash Memoryには、制御・演算部5にシャットダウンが発生しても保存が必要なデータ(例えば、学習容量、サイクル数、測定された温度の最大値、最小値、異常時のデータ(例えば、過充電時の温度、電圧、電流等)等)などをシャットダウンより前に記憶するとともに、これらを随時書き換えることが可能となっている。更に、後述するように、本実施例においては、満充電検出フラグ(1又は0)の情報を、制御・演算部5は、不揮発性メモリに保存する。また、制御・演算部5がメモリを内部に備えていなくてもよく、制御・演算部5からの指示に基づいて、書き換えられるように設けられたメモリであってもよい。
また、制御・演算部5は、電池群3の電圧を検出して満充電を検出する。ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池の場合は、ピーク電圧を検出し、あるいは電池電圧のピーク電圧からの−ΔV(=電圧低下)を検出して、満充電を検出できる。このパック電池10は、直列に接続している電池群3の電池電圧から電池の満充電を検出できる。ただし、並列ユニット2の電池電圧を検出して、各々の並列ユニット2の満充電を検出するとしてもよい。
二次電池1をリチウムイオン電池とするパック電池10は、電流、電圧を規制した定電流充電(最大充電電流:0.5〜1C程度)・定電圧充電(最大充電電圧:4.2V×並列ユニット2の個数程度)を利用し、電池群3の電池電圧が所定値以上、充電電流が所定値以下の条件のとき、満充電と判定する。制御・演算部5は、電池群3の満充電を検出すると、充電用の制御素子13である充電用FET13Aをオフに切り換えて充電を停止すると共に、残容量を100%とする情報を通信処理部14から出力する。満充電の情報は、通信ライン15を介して、電子機器20に送信される。
図1のパック電池10は、電池群3と直列に、制御素子13として、Pチャンネル型FETである充電用FET13Aと放電用FET13Bを接続している。Pチャンネル型のFETは、”High”電圧を入力してオフに切り換えられる。このパック電池10は、二次電池1をリチウムイオン二次電池とする場合、いずれかの並列ユニット2の電圧が、リチウムイオン二次電池の過充電電圧である、例えば、4.2(V)以上になると、充電用FET13Aをオフに制御する。したがって、この状態になると、制御・演算部5は、充電用FET13Aのゲートにオフ信号の”High”電圧を入力する。オフ状態にある充電用FET13Aは、寄生ダイオードによって放電電流を流すことができる。したがって、充電用FET13Aがオフの状態で電池は放電できる。この状態で、電子機器20に電池群3から放電されて電池群3の電池電圧が低下すると、充電用FET13Aはオンに切り換えられる。
また、パック電池10は、いずれかの並列ユニット2の電池電圧が、リチウムイオン二次電池の過放電電圧である、例えば、2.7V以下になると、放電用FET13Bをオフ制御する。したがって、この状態になると、制御・演算部5は、放電用FET13Bのゲートに、オフ信号である”High”電圧を入力する。オフ状態にある放電用FET13Bは、寄生ダイオードによって充電電流を流すことができる。したがって、放電用FET13Bがオフの状態で電池は充電できる。この状態で、電子機器20から電池群3が充電されて電池群3の電池電圧が上昇すると、放電用FET13Bはオンに切り換えられる。なお、pチャネル型FETに代わって、チャージポンプを利用してnチャネル型FETの充電用FET素子、放電用FET素子を利用することも可能である。
更に、制御・演算部5においては、以下の機能を備えている。リチウムイオン電池等の二次電池1は、満充電電圧付近で充電を繰り返すと、二次電池1のサイクル劣化が促進されることにより、悪影響が発生する。このような問題を回避するために、本実施例においては、制御・演算部5において、満充電検出後、所定の残容量(例えば95%以下)或いはこれに対応する所定の電圧(例えば4V/cell)に低下するまでは(満充電付近の充電禁止容量領域)、充電を禁止する指示情報を、通信処理部14を介して、電子機器20、充電器側に出力している。
本実施例においては、電子機器20の安全性を高める等の理由から、電子機器20内のパック電池の制御を行う制御・演算部5を、シャットダウンさせることができるシャットダウンスイッチ30を備えている。
シャットダウンスイッチ30は、二次電池1の高電位側の供給ラインから分岐されて接続されたレギュレータ35からの電圧を、抵抗Rを介して、接続点で接続され、シャットダウンスイッチ30に接続され、この後、マイナス側ラインに接続される。
シャットダウンスイッチ30は、ユーザーが操作するスイッチであり、電子機器20の外ケースに設置され、通常は、ノーマルクローズ状態である。従って、抵抗Rのシャットダウンスイッチ30側に接続された信号ライン31は、通常、マイナス側ラインの電位となることより、制御・演算部5には、低電圧の信号が入力される。
ユーザーが、シャットダウンスイッチ30を、動作させ、一時的にオフ状態(オープン状態)、例えば、ボタンを所定時間以上押すと、信号ライン31には、レギュレータ35からの高電位が印加され、制御・演算部5には、高電圧の信号が入力される。この高電圧の信号により、マイコンを含む制御・演算部5はシャットダウンされる。この後、電源アダプタからの電圧印加により、制御・演算部5は再起動される。シャットダウンスイッチ30は、ノーマルクローズ状態であるが、パック電池10を、電子機器20に着脱式にするとき、装着時に、信号ライン31は低電圧の信号が入力されて、装着を検出することができる。
電子機器20である携帯型PCに脱着できるようにセットされるパック電池10においては、パック電池10の外ケースの一部を、電子機器20の外側に表れるようにして、このパック電池10の外部に現れた部分に、シャットダウンスイッチ30を配置しても良い。
この例を、図5に示す。図5は、本発明の他の実施例にかかるパック電池の概略構成図である。図5においては、二次電池1の高電位側の供給ラインから分岐されて接続されたレギュレータ35からの電圧を、抵抗Rを介して、シャットダウンスイッチ30bを接続し、そして、シャットダウンスイッチ30bの他方をマイナス側ラインに接続している。シャットダウンスイッチ30bは、ユーザーが操作するスイッチであり、携帯型PCの外側に表れるパック電池10の外ケースの一部に設けられる。通常は、ノーマルオープン状態である。従って、抵抗Rのシャットダウンスイッチ30b側に接続された信号ライン31は、通常、レギュレータ35からの電位となることより、制御・演算部5には、高電圧の信号が入力される。
ユーザーが、シャットダウンスイッチ30bを、動作させ、一時的にオン状態(クローズ状態)、例えば、ボタンを所定時間以上押すと、信号ライン31には、マイナス側ラインからの低電位が印加され、制御・演算部5には、低電圧の信号が入力される。この低電圧の信号により、マイコンを含む制御・演算部5はシャットダウンされる。この後、電源アダプタからの電圧印加により、制御・演算部5は再起動される。シャットダウンスイッチ30bは、ノーマルオープン状態であるので、消費電力を低減することができる。
次に、本実施例のフローについて説明する。図2は、本発明の実施例にかかるパック電池の充電のフローチャートである。本実施例は、図2のフローチャートの手順にて、パック電池10の電池群3の充電が行われる。
ステップ1にて、電池群3の充電処理が進められ、ステップ2にて、電池群3が満充電状態であるかどうか検出され、満充電検出フラグが1(満充電状態になった)か0(満充電状態から再充電設定容量より小さくなった)か、(換言するなら、制御・演算部5の不揮発性メモリに満充電検出フラグが保存されているかどうか)を判定し、0(又は、満充電検出フラグなし)であるなら、ステップ3に進んで電池群3の充電を継続する。ステップ2にて、満充電検出フラグが1(または、満充電検出フラグあり)であるなら、後述するように、ステップ6に進む。
ステップ4においては、電池群3の満充電を検出したかどうかを判定する。電池群3の満充電を検出していない場合は、ステップ3に戻って、電池群3の充電を継続する。また、電池群3の満充電を検出したとき、ステップ5にて、満充電検出フラグを1(又は、満充電検出フラグを立てる)とする。
その後、ステップ6において、電池群3の電池残容量が、再充電設定容量未満かどうかを判定する。電池群3の電池残容量が、再充電設定容量未満であるなら、ステップ7にて、満充電検出フラグを0(又は、満充電検出フラグをクリアする)とし、制御・演算部5が通信処理部14を介して、充電許可の信号を、電子機器20、充電器側に出力する。また、ステップ6において、電池群3の電池残容量が、再充電設定容量以上であるなら、ステップ6に戻り、ステップ6を継続する。
そして、本実施例においては、満充電検出フラグ(1又は0)の情報を、制御・演算部5は、不揮発性メモリに保存している。
ここで、ステップ6において、電池群3の電池残容量が、再充電設定容量以上であって、ステップ6を継続するとき、ユーザーによりシャットダウンスイッチ30が動作させられ、制御・演算部5がシャットダウンされる。その後、電源アダプタからの電圧印加により、制御・演算部5が再起動される。このとき、本実施例においては、制御・演算部5が起動して動作するとき、電池群3の電池電圧の回路開放電圧(OCV)を検出して、回路開放電圧と電池残容量の関係より、電池残容量(%)を得る。
このとき、電池残容量が再充電設定容量以上のとき、制御・演算部5は、不揮発性メモリに保存された満充電検出フラグ(=1)の情報を読み取ることより、図3の矢印に示すように、満充電検出した後、再充電設定容量(95%)まで低下していないとして、充電は行わない。よって、満充電付近での再充電を行わないので、二次電池のサイクル劣化を防止することができる。ここで、起動時の電池残容量(%)を電池電圧より得ているが、これに代わって、不揮発性メモリに保存されるシャットダウン直前の電池残容量(%)であっても良い。
一方、比較例として、図4に示すように、従来のパック電池では、電池群の満充電を検出したかどうかを示す満充電検出フラグをメモリに保存しない場合は、以下の動作となる。電池残容量が、再充電設定容量以上であって、ステップ6をループするとき、ユーザーによりシャットダウンスイッチ30が動作させられ、制御・演算部5がシャットダウンされる。その後、電源アダプタからの電圧印加により、制御・演算部が再起動される。このとき、比較例においては、制御・演算部が起動して動作するとき、電池電圧の回路開放電圧を検出して、回路開放電圧と電池残容量の関係より、電池残容量(%)を得る。このとき、電池残容量が再充電設定容量以上のときであっても、満充電でないので、充電を開始する。図4に示すように、電池残容量(%)が再充電設定容量以上であるとき、シャットダウンスイッチ30が繰り返し動作されるとき、満充電状態100%以下と、再充電設定容量95%以上の間で、充電が繰り返されることより、二次電池のサイクル劣化が発生する。
かかる構成によれば、制御・演算部5の揮発性メモリに満充電検出フラグが立っているときに、制御・演算部5がシャットダウンされたとしても、電池群3の電池残容量が再充電設定容量以上であると再充電を行わないので、二次電池1のサイクル劣化を防止することができる。
なお、本実施例において、電子機器20又はパック電池10にシャットダウンスイッチ30、30bを備えるとしたが、シャットダウンスイッチを備えない場合でも同様の効果を得ることができる。例えば、電子機器20又はパック電池10の不具合などにより、制御・演算部5がシャットダウンされたとき、満充電検出フラグを保存していることにより、シャットダウンの再起動後に満充電検出フラグが1のとき充電を行わないので、満充電付近の充電禁止容量領域での再充電を禁止することができる。
なお、本実施例において、制御・演算部5の揮発性メモリに満充電検出フラグを1(満充電状態になった)、又は、0(満充電状態から再充電設定容量未満になった)と保存するとしたが、制御・演算部5の揮発性メモリに充電可否フラグを1(充電不可状態)、又は、0(充電可能状態)と保存するとしてもよい。この場合、図2と同じ条件でフローを進め、満充電状態になった後から再充電設定容量以上の期間を充電可否フラグ=1とし、再充電設定容量未満になった時を充電可否フラグ=0としている。
本発明にかかるパック電池、及び、充電方法は、満充電付近の充電禁止容量領域でのシャットダウン後の起動時に再充電を禁止し、二次電池のサイクル劣化等を防止することができるので、制御部をシャットダウンさせる電子機器用のパック電池等として有用である。
1…二次電池
2…並列ユニット
3…電池群
4…電流・電圧検出部
5…制御・演算部
6…マルチプレクサ
7…接続タブ
8…電流検出部
9…A/Dコンバータ
10…パック電池
11…温度検出部
12…温度センサ
13…制御素子
13A…充電用FET
13B…放電用FET
14…通信処理部
15…通信ライン
20…電子機器
21…制御・電源部
22…負荷
30…シャットダウンスイッチ
30b…シャットダウンスイッチ

Claims (6)

  1. 電子機器に電力を供給する二次電池と、
    前記二次電池の充電制御を行う制御部と、
    前記二次電池の電池容量が満充電になると充電不可状態であることを記憶し、前記二次電池の電池容量が充電設定容量より小さくなると充電可能状態であることを記憶する記憶部とを備え、
    前記制御部は、シャットダウンして再起動したとき、前記記憶部が充電不可状態であることを記憶していると前記二次電池の充電を行わないことを特徴とするパック電池。
  2. 前記制御部は、シャットダウンして再起動したとき、前記記憶部が充電可能状態であることを記憶していると前記二次電池の充電を行うことを特徴とする請求項1に記載のパック電池。
  3. 前記制御部は、前記電子機器、又は、当該パック電池に備えられたスイッチからシャットダウン信号を受信してシャットダウンすることを特徴とする請求項1又は2に記載のパック電池。
  4. 電子機器に電力を供給する二次電池と、
    前記二次電池の充電制御を行う制御部と、
    前記二次電池の電池容量が満充電になると充電不可状態であることを記憶し、前記二次電池の電池容量が充電設定容量より小さくなると充電可能状態であることを記憶する記憶部とを備えたパック電池の充電方法であって、
    前記制御部がシャットダウンして再起動したとき、前記記憶部が充電不可状態であることを記憶していると前記二次電池の充電を行わないことを特徴とする充電方法。
  5. 前記制御部がシャットダウンして再起動したとき、前記記憶部が充電可能状態であることを記憶していると前記二次電池の充電を行うことを特徴とする請求項4に記載の充電方法。
  6. 前記制御部が前記電子機器、又は、当該パック電池に備えられたスイッチからシャットダウン信号を受信してシャットダウンすることを特徴とする請求項4又は5に記載の充電方法。
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