JP6137631B2

JP6137631B2 - ２次電池パックおよび認証方法

Info

Publication number: JP6137631B2
Application number: JP2014536626A
Authority: JP
Inventors: 誠向野
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: EP2899842B1; CN104620466A; US20150207185A1; WO2014045659A1; CN107275692B; US9653761B2; CN107275692A; CN104620466B; JPWO2014045659A1; EP2899842A1; EP2899842A4

Description

本発明は、外部装置の認証を行う２次電池パックに関する。

２次電池に対して電力の授受を行う外部装置として非正規の外部装置が使用されると、２次電池の仕様に適合しない電流が２次電池に流れてしまい、２次電池が故障する恐れがある。このため、２次電池を備えた２次電池パックと外部装置との認証を行うことで、２次電池の故障を防止する技術が使用されている。

例えば、特許文献１には、２次電池パックを認証する情報処理装置が記載されている。この情報処理装置は、２次電池パックに記憶された第１の認証ＩＤを用いる第１の認証と、２次電池パックに記憶された第２および第３の認証ＩＤを用いる第２の認証とを行い、それらの認証が両方とも成功した場合に、２次電池パックの充電を実行する。

特開２００９−１９５０１４号公報

特許文献１に記載の技術では、認証ＩＤを用いて認証を行うため、充電器として使用できる外部装置が２次電池パックに対して専用のものになってしまい、２次電池の仕様に適合した汎用の充電器が存在しても、その充電器を使用することができず、コストが高くなってしまうという問題があった。

これに対して認証ＩＤを用いる認証を行う代わりに、２次電池に流れる電流の値に基づいて認証を行うことが考えられる。具体的には、２次電池に流れる電流の値が２次電池の仕様に応じた所定範囲に含まれる場合に、認証を成功とすることで、２次電池の仕様に適合した汎用の充電器を使用可能にすることができる。

しかしながら、２次電池パックが電動アシスト自転車などの外部装置に接続され、その外部装置から回生電流が２次電池パックに供給された場合、回生電流の値は、状況に応じて異なるため、所定の電流範囲に含まれるとは限らない。このため、２次電池に流れる電流の値に基づいた認証では、外部装置が非正規の充電器と判断されてしまい、回生電流による充電が行うことができないことがある。

本発明の目的は、回生電流による充電を可能にしつつ、仕様に適合した汎用の充電器を使用することが可能な２次電池パックおよび認証方法を提供することである。

本発明による２次電池パックは、２次電池部と、前記２次電池部との電力の授受を行う外部装置と接続可能な接続端子と、前記接続端子に接続された外部装置を認証する複数の認証方式に対応し、前記複数の認証方式による認証を順番に実行して、前記認証のいずれかが成功した場合、前記外部装置と前記２次電池部との電力の授受を許可する認証部と、を有する。

本発明による認証方法は、２次電池部と、前記２次電池との電力の授受を行う外部装置と接続可能な接続端子とを有し、前記接続端子に接続された外部装置を認証する複数の認証方式に対応する２次電池パックによる認証方法であって、前記複数の認証方式による認証を順番に実行し、前記認証のいずれかが成功した場合、前記外部装置と前記２次電池との電力の授受を許可する、認証方法。

本発明によれば、回生電流による充電を可能にしつつ、仕様に適合した汎用の充電器を使用することが可能になる。

本発明の第１の実施形態の２次電池パックの構成を示す図である。本発明の第１の実施形態の２次電池パックの動作を説明するためのフローチャートである。本発明の第２の実施形態の２次電池パックの構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。

図１は、本発明の第１の実施形態の２次電池パックの構成を示す図である。図１において、２次電池パック５０は、２次電池部１と、放電ＦＥＴ（Field effect transistor）２と、充電ＦＥＴ３と、センス抵抗４と、保護ＩＣ５と、ＩＤ認証抵抗６〜８と、スイッチ９および１０と、ＭＣＵ(Micro Control Unit)１１と、接地端子ＧＮＤとを有する。

さらに、２次電池パック５０は、外部装置と接続可能な接続端子として、出力端子ＯＵＴと、送信端子ＴＸと、受信端子ＲＸと、認証端子ＩＤと、認証キャンセル端子ＩＤ−Ｃとを有する。出力端子ＯＵＴおよび認証端子ＩＤは、外部装置と電力の授受を行うための端子であり、送信端子ＴＸ、受信端子ＲＸおよび認証キャンセル端子は、外部装置と通信を行うための端子である。

なお、外部装置は、例えば、２次電池パック５０に電力を供給する充電器、または、２次電池パック５０からの電力で動作する負荷装置である。以下では、外部装置は充電器であるとる。また、充電器は、電動アシスト自転車のような回生電流による電力を２次電池パック５０に供給するものを含む。

２次電池部１は、充電可能な２次電池セルで構成される。また、２次電池部１の正極は出力端子ＯＵＴと接続され、負極は認証端子ＩＤおよび接地端子ＧＮＤと接続される。

本実施形態では、２次電池部１は、複数の２次電池セル１Ａのそれぞれが直列に接続された構成を有するものする。しかしながら、２次電池部１は、単一の２次電池セルで構成されてもよいし、複数の２次電池のそれぞれが並列またはマトリックス状に接続された構成でもよい。また、２次電池セル１Ａの種類は特に限定されないが、例えば、リチウムイオン２次電池セルである。

放電ＦＥＴ２は、２次電池部１から出力される放電電流を制御するためのスイッチであり、２次電池部１と出力端子ＯＵＴとの間に設けられる。充電ＦＥＴ３は、２次電池部１に供給される充電電流を制御するためのスイッチであり、２次電池部１と出力端子ＯＵＴとの間に設けられる。本実施形態では、充電ＦＥＴ３は、放電ＦＥＴ２と出力端子ＯＵＴとの間に設けられている。また、放電ＦＥＴ２および充電ＦＥＴ３は、ｐ型のＦＥＴであるとしている。

センス抵抗４は、２次電池部１の充電電流および放電電流を検知するための抵抗であり、２次電池部１と認証端子ＩＤとの間に設けられる。なお、以下では、充電電流および放電電流をまとめて充放電電流と呼ぶこともある。

保護ＩＣ５は、センス抵抗４の両端間の電圧である抵抗電圧を測定し、その抵抗電圧に基づいて２次電池部１に流れる充放電電流を検知する。そして、保護ＩＣ５は、検知した充放電電流の値をＭＣＵ１１に通知する。また、保護ＩＣ５は、各２次電池セル１Ａの両端間の電圧である電池電圧を検知する。

保護ＩＣは、検知した充放電電流および電池電圧に基づいて、２次電池部１に対する過充電、過放電および過電流などの異常が発生したか否かを判断し、異常が発生した場合、放電ＦＥＴ２および充電ＦＥＴ３を用いて、２次電池部１を保護する。

例えば、保護ＩＣ５は、各電池電圧の少なくともいずれか１つが過充電閾値以上になると、２次電池セル１Ａに対する過充電が発生したと判断し、充電ＦＥＴ３をオフにすることで、過充電から２次電池部１を保護する。

また、保護ＩＣ５は、各電池電圧の少なくともいずれか１つが過放電閾値以下になると、２次電池部１に過放電が発生したと判断し、放電ＦＥＴ２をオフにすることで、過放電から２次電池部１を保護する。

さらに、保護ＩＣ５は、充放電電流が過電流閾値以上になると、２次電池部１に対する過電流が発生したと判断し、放電ＦＥＴ２をオフにすることで、過電流から２次電池部１を保護する。

ＩＤ認証抵抗６〜８およびスイッチ９および１０は、認証端子ＩＤから見た抵抗値を変更するための回路である。

ＩＤ認証抵抗６の一端は、認証端子ＩＤと接続され、他端は、ＩＤ認証抵抗７および８とスイッチ９の一端と接続されている。ＩＤ認証抵抗８の他端は、スイッチ１０の一端と接続されている。ＩＤ認証抵抗７とスイッチ９および１０の他端は、センス抵抗４と接続されている。なお、スイッチ９および１０は、本実施形態では、ｎ型のＦＥＴで構成されている。

ＭＣＵ１１は、スイッチ９および１０のオンオフを切り替えることで、認証端子ＩＤから見た抵抗値（具体的には、認証端子ＩＤからセンス抵抗４までの抵抗値）を切り換える。

このとき、ＭＣＵ１１がスイッチ９および１０の両方をオフにした場合、認証端子ＩＤから見た抵抗値は、ＩＤ認証抵抗６および７の直列抵抗値となる。また、ＭＣＵ１１がスイッチ９をオフにし、スイッチ１０をオンにした場合、認証端子ＩＤから見た抵抗値は、ＩＤ認証抵抗６と、ＩＤ認証抵抗７およびＩＤ認証抵抗８の並列抵抗値との直列抵抗値となる。また、ＭＣＵ１１がスイッチ９をオンにした場合、スイッチ１０がオンか否かに関わらず、認証端子ＩＤから見た抵抗値は、ＩＤ認証抵抗６の抵抗値となる。

以上のように本実施形態では、ＭＣＵ１１はスイッチ９および１０のオンオフを切り替えることで、認証端子ＩＤから見た抵抗値を３通りに切り換えることができる。

ＭＣＵ１１は、スイッチ９をオンにした状態を、２次電池部１の充電を停止する充電停止状態に割り当て、スイッチ９をオフにし、かつ、スイッチ１０をオンにした状態を、２次電池部１を通常電流で充電する通常充電状態に割あえて、スイッチ９および１０をオフにした状態を、２次電池部１を通常電流より小さいプリチャージ電流で充電するプリチャージ状態に割り当てて、２次電池部１の充電状態を管理する。なお、ＭＣＵ１１は、充電停止状態では、保護ＩＣ５を介して充電ＦＥＴ３をオフにし、通常充電状態およびプロチャージ状態では、保護ＩＣ５を介して充電ＦＥＴ３をオンにする。

また、ＭＣＵ１１は、接続端子に接続された外部装置を認証する複数の認証方式に対応し、各認証方式による認証を順番に実行し、複数の認証方式のいずれかが成功した場合、外部装置と２次電池部１との電力の授受を許可する認証部として機能する。なお、各認証方式における認証の可否を判断するまでにかかる認証時間はそれぞれ異なるものとし、認証部は、認証時間が短い認証方式から順番に、複数の認証方式を実行するものとする。

次に、ＭＣＵ１１が行う外部装置を認証する認証処理の具体例を説明する。

以下では、認証方式は、外部装置から入力される外部信号に基づいて、外部装置の認証を行う第１の認証方式と、外部装置から２次電池部１へ供給される充電電流の値に基づいて、外部装置の認証を行う第２の認証方式とを含むものとする。また、第１の認証方式の認証時間は、第２の認証方式の認証時間より短く、そのため、ＭＣＵ１１は、第１の認証方式を最初に実行し、２番目に第２の認証方式を実行するものとする。

なお、外部信号は、外部装置の認証を行うための信号である。本実施形態では、外部装置は、外部信号として、第２の認証方式を実行するか否かを示すＩＤキャンセル信号を、ＩＤキャンセル端子ＩＤ−Ｃを介してＭＣＵ１１に入力するものとする。また、ＩＤキャンセル信号は、Ｈレベルの場合、第２の認証方式の実行を示し、Ｌレベルの場合、第２の認証処理の不実行を示すものとする。

先ず、充電停止状態において、２次電池部１の充電を開始するタイミングになると、ＭＣＵ１１は、第１の認証方式による認証として、外部装置から入力される外部信号がＨレベルかＬレベルを判断する。

ＩＤキャンセル信号がＬレベルの場合、ＭＣＵ１１は、第１の認証方式による認証に成功したと判断し、外部装置による２次電池部１への充電を許可する。

一方、ＩＤキャンセル信号がＨレベルの場合、ＭＣＵ１１は、第１の認証方式による認証が失敗したと判断し、第２の認証方式による認証を実行する。

具体的には、ＭＣＵ１１は、スイッチ９および１０をオフにするとともに、保護ＩＣ５を介して充電ＦＥＴ３をオフにして、プリチャージ充電状態に遷移する。そして、ＭＣＵ１１は、第２の認証方式として、保護ＩＣ５から出力された充放電電流の値が所定の電流値範囲である設定値範囲に含まれるか否かを判断する。設定値範囲は、プリチャージ状態における２次電池部１の仕様に適合した電流の値の範囲であり、例えば、０．１ＩｔＡ以下の範囲である。

充放電電流の値が設定値範囲に含まれる場合、ＭＣＵ１１は、第２の認証方式による認証が成功したと判断し、外部装置による２次電池部１への充電を許可する。一方、充放電電流の値が設定値範囲に含まれない場合、ＭＣＵ１１は、第２の認証方式による認証が失敗したと判断し、充電停止状態に遷移して、外部装置による２次電池部１への充電を停止する。

次に、２次電池パック５０の動作について説明する。

図２は、２次電池パック５０の動作の一例を説明するためのフローチャートである。以下の動作では、上述した具体例と同様に、認証方式は、第１の認証方式および第２の認証方式を含むものとする。

２次電池パック５０に外部装置が接続され、外部装置からの充電を開始する充電開始タイミングになると、ＭＣＵ１１は、認証キャンセル端子ＩＤ−Ｃに入力されたＩＤキャンセル信号がＨレベルか否かを判断する（ステップＳ２０１）。

ＩＤキャンセル信号がＨレベルの場合、ＭＣＵ１１は、第１の認証に失敗したと判断して、スイッチ９および１０の両方をオフにするとともに、保護ＩＣ５を介して充電ＦＥＴ３をオンにして、プリチャージ状態に遷移する（ステップＳ２０２）。

プリチャージ状態に遷移すると、ＭＣＵ１１は、保護ＩＣ５から出力された充電電流の値を確認し、その充電電流の値が設定値範囲に含まれるか否かを判断する（ステップＳ２０３）。

ステップＳ２０１でＩＤキャンセル信号がＬレベルの場合、および、ステップＳ２０３で充電電流の値が設定値範囲に含まれる場合、ＭＣＵ１１は、認証に成功したと判断して、スイッチ９をオフにするとともに、スイッチ１０をオンにして、通常充電状態に遷移する（ステップＳ２０４）。このとき、充電ＦＥＴがオフの場合（ステップＳ２０１でＩＤキャンセル信号がＬレベルの場合）、ＭＣＵ１１は、保護ＩＣ５を介して充電ＦＥＴ３をオンにする。

これにより、２次電池部１が充電される。その後、ＭＣＵ１１は、２次電池部１の充電を終了する充電終了タイミングか否かを判断する（ステップＳ２０５）。例えば、保護ＩＣ５は、電池電圧や充放電電流に基づいて、２次電池部１が満充電になったことや、２次電池部１に対する異常を検知すると、その旨の終了信号をＭＣＵ１１に通知する。そして、ＭＣＵ１１は、終了信号を受信すると、充電終了タイミングと判断し、終了信号を受信していないと、充電終了タイミングでないと判断する。

ステップＳ２０３で充電電流の値が設定電流値範囲に含まれない場合、および、ステップＳ２０５で充電終了タイミングが検知された場合、ＭＣＵ１１は、スイッチ９をオンにするとともに、保護ＩＣ５を介して充電ＦＥＴをオフにすることで、充電停止状態に遷移する（ステップＳ２０６）。

その後、ＭＣＵ１１は、充電開始タイミングになったか否かを判断する（ステップＳ２０７）。例えば、保護ＩＣ５は、電池電圧や充放電電流に基づいて、２次電池部１が満充電でなくなったことや、２次電池部１に対する異常が解消されたことを検知すると、その旨の開始信号をＭＣＵ１１に通知する。そして、ＭＣＵ１１は、開始信号を受信すると、充電開始タイミングと判断し、終了信号を受信していないと、充電開始タイミングでないと判断する。

ＭＣＵ１１は、充電開始タイミングになった場合、ステップＳ２０１に戻り、充電開始タイミングになっていない場合、ステップＳ２０６に戻る。

以上説明したように本実施形態によれば、複数の認証方式による認証を順番に実行して、認証のいずれかが成功した場合、外部装置と２次電池部１との電力の授受が許可される。このため、回生電流による充電を可能にする認証と、仕様に適合した汎用の充電器を使用することを可能にする認証とのいずれかが成功した場合、外部装置と２次電池部１との電力の授受が許可されることとなり、回生電流による充電を可能にしつつ、仕様に適合した汎用の充電器を使用することが可能になる。

また、本実施形態では、認証時間が短い認証方式から順番に、認証方式による認証が実行されるので、認証に要する時間を短くすることが可能になる。

また、認証方式として、外部装置から入力される外部信号に基づく第１の認証方式が実行されるので、回生電流を２次電池部１に供給する充電器に外部信号を出力する機能を設けるだけで、回生電流による充電を可能にする認証を簡単に行うことが可能になる。

また、認証方式として、２次電池部１への供給される電流の値に基づいて外部装置の認証を行う第２の認証方式が実行されるので、仕様に適合した汎用の充電器を使用することを可能にする認証を行うことが可能になる。

次に本発明の第２の実施形態について説明する。

第１の実施形態では、ＭＣＵ１１は、複数の認証方式による認証を順番で実行していた。本実施形態では、ＭＣＵ１１は、複数の認証方式のうち選択された認証方式による認証を実行する。そして、実行した認証が成功すると、ＭＣＵ１１は、外部装置と２次電池部１との電力の授受を許可する。なお、本実施形態の認証方式は、例えば、第１の実施形態で挙げた第１および第２の認証方式である。

図３は、本実施形態の２次電池パック５０Ａの構成を示す図である。図３に示す２次電池パック５０Ａは、図１に示した２次電池パック５０の構成に加えて、選択信号端子ＳＥをさらに有する。

選択信号端子ＳＥには、複数の認証方式のいずれかを選択する選択信号が入力される。例えば、２次電池パック５０Ａに複数の認証方式のいずれかを選択するスイッチが設けられ、ユーザがそのスイッチを切り替えると、そのスイッチから選択信号が選択信号端子ＳＥに入力される。

ＭＣＵ１１は、選択信号端子ＳＥに入力された選択信号に応じて、複数の認証方式のいずれかを選択し、その選択した認証方式による認証を実行する。そして、ＭＣＵ１１は、その実行した認証が成功すると、外部装置と２次電池部１との電力の授受を許可する。
なお、認証方式ごとに、２次電池パック５０Ａに外部装置と接続する接続端子を設け、ＭＣＵ１１は、外部装置が接続された接続端子を検知し、その検知した接続端子に応じて、複数の認証方式のいずれかを選択してもよい。

本実施形態によれば、認証方式を選択する必要があるが、第１の実施形態と同様に、回生電流による充電を可能にしつつ、仕様に適合した汎用の充電器を使用することが可能になる。

以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。

例えば、ＩＤキャンセル信号は、Ｌレベルの場合、第２の認証方式の実行を示し、Ｈレベルの場合、第２の認証処理の不実行を示すものでもよい。

この出願は、２０１２年９月１８日に出願された日本出願特願２０１２−２０４１５０号公報を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１２次電池部
１Ａ２次電池セル
２放電ＦＥＴ
３充電ＦＥＴ
４センス抵抗
５保護ＩＣ
６〜８ＩＤ認証抵抗
９，１０スイッチ
１１ＭＣＵ
５０、５０Ａ２次電池パック

Claims

２次電池部と、
前記２次電池部との電力の授受を行う外部装置と接続可能な接続端子と、
前記接続端子に接続された外部装置を認証する複数の認証方式に対応し、前記複数の認証方式による認証を順番に実行して、前記認証のいずれかが成功した場合、前記外部装置と前記２次電池部との電力の授受を許可する認証部と、を有する２次電池パック。
各認証方式における認証の可否を判断するまでにかかる認証時間がそれぞれ異なる、請求項１に記載の２次電池パック。
前記認証部は、前記認証時間が短い認証方式から順番に、前記複数の認証方式を実行する、請求項２に記載の２次電池パック。
前記複数の認証方式のいずれかは、前記外部装置から入力される、当該外部装置の認証を行うための外部信号に基づいて、前記外部装置の認証を行う第１の認証方式である、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の２次電池パック。
前記認証部は、前記第１の認証方式を最初に実行する、請求項４に記載の２次電池パック。
前記第１の認証方式は、前記外部信号がＨレベルかＬレベルかに基づいて、前記外部装置の認証を行う、請求項４または５に記載の２次電池パック。
前記外部装置は、前記２次電池部の充電を行う充電器であり、
前記複数の認証方式のいずれかは、前記外部装置から前記２次電池部へ供給される電流の値に基づいて、前記外部装置の認証を行う第２の認証方式である、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の２次電池パック。
前記外部装置は、前記２次電池部の充電を行う充電器であり、
前記複数の認証方式のいずれかは、前記外部装置から前記２次電池部へ供給される電流の値に基づいて、前記外部装置の認証を行う第２の認証方式であり、
前記認証部は、前記第２の認証方式を２番目に実行する、請求項５に記載の２次電池パック。
前記第２の認証方式は、前記電流の値が所定の電流値範囲に含まれるか否かに基づいて、前記外部装置の認証を行う、請求項７または８に記載の２次電池パック。
２次電池部と、前記２次電池部との電力の授受を行う外部装置と接続可能な接続端子とを有し、前記接続端子に接続された外部装置を認証する複数の認証方式に対応する２次電池パックによる認証方法であって、
前記複数の認証方式による認証を順番に実行し、
前記認証のいずれかが成功した場合、前記外部装置と前記２次電池との電力の授受を許可する、認証方法。