JPH09285018A - 電池パック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ニッケルカドミウム電池の電池パックと、充
電時にも互換性のあるリチウムイオン電池の電池パック
を提供する。 【解決手段】 充電時、制御回路３５によりスイッチ回
路３２をオンにするとともに、スイッチ回路３６をオフ
に制御する。検出回路３４がリチウムイオン電池３１の
満充電を検出したとき、制御回路３５により、スイッチ
回路３２を所定の周期でオン・オフ制御するとともに、
スイッチ回路３６を第１のスイッチ回路３２とは逆にオ
ン・オフ制御し、かつ、スイッチ回路３２のオン・オフ
の周期のうち、そのオンの期間の割り合いを長くして１
対の充放電端子Ｔ31、Ｔ32の間の電圧を次第に低下させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、リチウムイオン
電池の電池パックに関する。

【０００２】

【従来の技術】充電式電池（２次電池）としてニッケル
カドミウム電池があるが、その充電特性は図３Ａに示す
とおりである。すなわち、空のニッケルカドミウム電池
を一定の大きさの直流電流で充電していくと、充電につ
れて端子電圧は次第に上昇していく。そして、満充電に
なると、端子電圧は極大値を示し、以後、次第に低下し
ていく。なお、この端子電圧の低下の速度（割り合い）
は、充電電流が１Ｃの大きさのとき、10〜20mＶ／分程
度である。

【０００３】したがって、ニッケルカドミウム電池を充
電する場合、充電をしながら端子電圧のチェックを行
い、端子電圧が低下するようになったら、充電を停止す
れば、満充電を行うことができ、しかも、過充電を防止
することができる。

【０００４】図４は、そのような方法により充電を行う
ようにした充電装置の一例を示し、符号１０はその充電
装置、符号２０はニッケルカドミウム電池の電池パック
である。

【０００５】そして、電源プラグ１１からの例えば100
Ｖの商用交流電圧が、電源回路（ＡＣ−ＤＣコンバー
タ）１２に供給されて所定の直流電圧が取り出され、こ
の直流電圧が定電流回路１３に供給されて例えば１Ｃの
大きさの充電用の定電流Ｉ13が形成される。そして、こ
の定電流Ｉ13が、充電制御用のスイッチ回路１４を通
じ、さらに、逆流防止用のダイオードＤ11を通じて＋側
の充電端子Ｔ11に出力される。なお、符号Ｔ12は−側の
充電端子である。

【０００６】また、充電制御用としてマイクロコンピュ
ータ１５が設けられ、これに電源回路１２から動作電圧
が供給される。さらに、スイッチ回路１４の出力側と、
接地との間に得られる電圧が、抵抗器Ｒ11、Ｒ12により
分圧され、その分圧電圧Ｖ11が、マイクロコンピュータ
１５のアナログ入力ポート（Ａ／Ｄコンバータ）A/Dに
供給される。また、マイクロコンピュータ１５の出力ポ
ートＱ15の出力が、スイッチ回路１４にその制御信号と
して供給される。なお、符号Ｃ11は、電圧Ｖ11に含まれ
るノイズ成分やリップル成分などを除去するためのコン
デンサである。

【０００７】一方、電池パック２０は、この例において
は、３個のニッケルカドミウム電池２１Ａ〜２１Ｃが直
列接続され、したがって、定格出力電圧は3.6Ｖとされ
ている。また、容量は例えば1000mＡｈとされている。

【０００８】そして、電池２１Ａの＋極が＋側の充放電
端子Ｔ21に接続され、電池２１Ｃの−極が電流検出用の
小さい値の抵抗器Ｒ21および保護用のスイッチ回路２２
を通じて−側の充放電端子Ｔ22に接続される。なお、充
電時には、電池パック２０の端子Ｔ21、Ｔ22が、充電装
置１０の端子Ｔ11、Ｔ12にそれぞれ接続される。

【０００９】さらに、電池パック２０には、検出回路２
３が設けられ、電池２１Ａ〜２１Ｃの端子電圧が検出入
力として入力されるとともに、抵抗器Ｒ21に生じる降下
電圧が検出入力として供給され、その検出出力がスイッ
チ回路２２に制御信号として供給される。

【００１０】このような構成において、充電装置１０に
電池パック２０が接続されると、定電流回路１３からの
定電流Ｉ13が、スイッチ回路１４→ダイオードＤ11→端
子Ｔ11→端子Ｔ21→電池２１Ａ〜２１Ｃ→抵抗器Ｒ21→
スイッチ回路２２→端子Ｔ22→端子Ｔ12→接地のライン
を流れ、電池２１Ａ〜２１Ｃは、１Ｃの大きさの定電流
Ｉ13により充電されていく。

【００１１】そして、この充電につれて、上述のように
（図３Ａに示すように）、電池２１Ａ〜２１Ｃの端子電
圧が上昇していく。また、このとき、この電池２１Ａ〜
２１Ｃの端子電圧が、抵抗器Ｒ11、Ｒ12により分圧さ
れ、この分圧電圧Ｖ11がマイクロコンピュータ１５に供
給されて電池２１Ａ〜２１Ｃの端子電圧がモニタされて
いる。

【００１２】そして、満充電になると、電池２１Ａ〜２
１Ｃの端子電圧は極大となり、以後、低下していくが、
これが電圧Ｖ11を通じてマイクロコンピュータ１５によ
り検出され、マイクロコンピュータ１５によりスイッチ
回路１４がオフとされ、充電が終了する。したがって、
電池２１Ａ〜２１Ｃが満充電されるとともに、過充電さ
れることがない。

【００１３】なお、充電時に、なんらかのトラブルによ
り電池２１Ａ〜２１Ｃに供給される電圧が異常に高くな
った場合、あるいは電池２１Ａ〜２１Ｃの充電電流や放
電電流（負荷電流）が異常に大きくなった場合、これが
検出回路２３により検出され、その検出出力によりスイ
ッチ回路２２がオフとされて電池２１Ａ〜２１Ｃは過大
電圧や過大電流から保護される。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、業務用のポ
ータブル電子機器、例えば取材用ＶＴＲには、電源とし
て充電式電池の電池パックが広く使用されているが、そ
の電池パックは一般に上述のようなニッケルカドミウム
電池の電池パックとされている。

【００１５】これに対し、近年、充電式電池としてリチ
ウムイオン電池が開発され、実用化されている。このリ
チウムイオン電池は、容量のわりに軽いので、取材用Ｖ
ＴＲなどの電源としてきわめて有効である。

【００１６】すなわち、リチウムイオン電池はニッケル
カドミウム電池に比べ、１個あたりの出力電圧が高いと
ともに、取材用のＶＴＲなどでは、電池の電圧を内蔵の
ＤＣ−ＤＣコンバータで変圧して使用しているので、使
用可能な時間が50％〜100％も長くなる。また、例えば
ＶＴＲ取材の場合には、電源が確実に得られるようにす
るため、上記のような電池パックを５〜10個携帯する
が、リチウムイオン電池の場合には、その数を30％〜40
％減らすことができる。

【００１７】したがって、リチウムイオン電池を用いた
電池パックは、業務用としてきわめて有効である。

【００１８】ところが、リチウムイオン電池の充電特性
は図３Ｂに示すとおりである。すなわち、この特性図
は、リチウムイオン電池を、充電量が50％になるまでは
定電流で充電し、以後、定電圧で充電した場合である
が、この特性図にも示すように、リチウムイオン電池の
場合、満充電になっても端子電圧は低下しない。

【００１９】このため、上述したニッケルカドミウム電
池の電池パック２０を充電する充電装置１０を使用して
リチウムイオン電池の電池パックの充電を行うと、満充
電を検出できず、過充電になってしまう。

【００２０】この発明は、このような問題点を解決し、
ニッケルカドミウム電池の電池パック２０を充電する充
電装置１０により、適切に充電をすることのできるリチ
ウムイオン電池の電池パックを提供しようとするもので
ある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】この発明においては、１
対の充放電端子と、リチウムイオン電池と、このリチウ
ムイオン電池の一方の電極と、上記１対の充放電端子の
一方との間に直列接続された第１のスイッチ回路と、上
記リチウムイオン電池の満充電を検出する検出回路と、
上記１対の充放電端子の間に直列接続された抵抗器およ
び第２のスイッチ回路と、上記検出回路の検出出力にし
たがって、上記第１のスイッチ回路および上記第２のス
イッチ回路を制御する制御回路とを有し、充電時、上記
制御回路により上記第１のスイッチ回路をオンにすると
ともに、上記第２のスイッチ回路をオフに制御し、上記
検出回路が上記リチウムイオン電池の満充電を検出した
とき、上記制御回路により、上記第１のスイッチ回路を
所定の周期でオン・オフ制御するとともに、上記第２の
スイッチ回路を上記第１のスイッチ回路とは逆にオン・
オフ制御し、かつ、上記第１のスイッチ回路のオン・オ
フの周期のうち、そのオンの期間の割り合いを長くして
上記１対の充放電端子の間の電圧を次第に低下させるよ
うにした電池パックとするものである。

【００２２】この結果、充電時にもニッケルカドミウム
電池の電池パックとの互換性が確保される。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１において、符号３０は、この
発明による電池パックを示し、この例においては、図４
において説明した充電装置１０により充電できるように
構成した場合であり、このため、１個のリチウムイオン
電池３１を有する。そして、この電池３１の＋極が＋側
の充放電端子Ｔ31に接続され、その−極が、電流検出用
の小さい値の抵抗器Ｒ31および電池保護用のスイッチ回
路３２を通じて−側の充放電端子Ｔ32に接続される。

【００２４】また、過電圧および過電流の検出回路３３
が設けられ、電池３１の端子電圧が検出回路３３に供給
されるとともに、抵抗器Ｒ31に生じる降下電圧が検出回
路３３に供給される。

【００２５】さらに、電池３１の端子電圧を検出する検
出回路３４が設けられる。この検出回路３４は、電池３
１を定電流で充電したときの端子電圧の上昇から満充電
を検出するものであり、この例においては、端子電圧が
4.3Ｖに達したとき、これを検出するものである。そし
て、検出回路３３、３４の検出出力が制御回路３５に供
給され、この制御回路３５の出力信号Ｓ35がスイッチ回
路３２にその制御信号として供給される。なお、スイッ
チ回路３２は、制御信号Ｓ35が“０”のときオン、
“１”のときオフになるものとする。

【００２６】また、端子Ｔ31と端子Ｔ32との間に、スイ
ッチ回路３６と抵抗器Ｒ32とが直列接続されるととも
に、電池３１に、抵抗器Ｒ33とスイッチ回路３７との直
列回路が並列接続される。そして、制御回路３５の出力
信号Ｓ35がインバータ回路３８に供給されてレベルの反
転した信号とされ、この反転信号がスイッチ回路３６、
３７にそれらの制御信号が供給される。

【００２７】この場合、抵抗器Ｒ32は後述する動作に対
応した値に設定され、抵抗器Ｒ33は、スイッチ回路３７
がオンのとき、電池３１が例えば0.1Ｃ〜0.2Ｃ程度の放
電電流を流すような値とされる。また、スイッチ回路３
６、３７は、制御信号Ｓ35が“０”のときオフ、“１”
のときオンになるものとする。

【００２８】さらに、電池パック３０は、図４において
説明した充電装置１０により充電されるが、充電装置１
０の無負荷時の出力電圧は、図４のニッケルカドミウム
電池の電池パック２０の定格出力電圧3.6Ｖの２倍の7.2
Ｖであるとする。

【００２９】また、図４の充電装置１０においては、端
子Ｔ11と端子Ｔ12との間の電圧は、電池パック２０が接
続されていないときには、上記の無負荷時の電圧7.2Ｖ
となり、電池パック２０が接続されているときには、無
負荷時の電圧よりも低くなるが、この電圧の違いが、分
圧電圧Ｖ11によりマイクロコンピュータ１５に通知さ
れ、マイクロコンピュータ１５は、端子Ｔ11、Ｔ12が無
負荷であるかどうかを検出するようになっているものと
する。

【００３０】このような構成において、定常時には、図
２Ａの時点ｔ1以前に示すように、制御信号Ｓ35は
“０”であり、これにより図２Ｂに示すように、スイッ
チ回路３２はオンであるとともに、図２Ｃに示すよう
に、スイッチ回路３６、３７はオフである。

【００３１】したがって、充電装置１０に電池パック３
０が接続されると、定電流回路１３からの定電流Ｉ13
が、スイッチ回路１４→ダイオードＤ11→端子Ｔ11→端
子Ｔ31→電池３１→抵抗器Ｒ31→スイッチ回路３２→端
子Ｔ32→端子Ｔ12→接地のラインを流れ、電池３は、１
Ｃの大きさの定電流Ｉ13により充電されていく。

【００３２】そして、この充電につれて、図３Ｂに示す
ように、電池３１の端子電圧が上昇していくとともに、
これに対応して図２Ｄに実線で示すように、端子Ｔ31と
端子Ｔ32との間の電圧Ｖ30も上昇していく。なお、以下
の説明においては、簡単のため、正常に動作している場
合の抵抗器Ｒ31における電圧降下は小さいので無視し、
電池３１の端子電圧と電圧Ｖ30とは等しいものとする。

【００３３】そして、時点ｔ1に電池３１が満充電にな
ると、すなわち、図２Ｄに実線で示すように、電池３１
の端子電圧が規定値4.3Ｖに達すると、これが検出回路
３４により検出されて制御回路３５に通知される。

【００３４】すると、図２Ａに示すように、時点ｔ1か
ら信号Ｓ35は周期τが例えば20m秒のパルスとされると
ともに、そのデューティーレシオ（“１”の期間の割り
合い）が例えば90％から始まって15分後に10％になるよ
うに、10％ずつ小さくされていく。

【００３５】そして、周期τのうち、Ｓ35＝“１”の期
間には、スイッチ回路３２がオフとなるとともに、スイ
ッチ回路３６、３７がオンとなるので、電池３１は充電
されなくなるととともに、充電装置１０からの充電電流
（定電流）Ｉ13は、抵抗器Ｒ32を流れるようになる。こ
の結果、抵抗器Ｒ32の値をあらかじめ設定しておくこと
により、電圧Ｖ30は、図２Ｄに実線で示すように、例え
ば５Ｖとなる。

【００３６】また、周期τのうち、Ｓ35＝“０”の期間
には、スイッチ回路３２がオンとなるとともに、スイッ
チ回路３６、３７がオフとなるので、端子Ｔ31、Ｔ32の
電圧Ｖ30は、図２Ｄに実線で示すように、電池３１の端
子電圧、すなわち、規定値4.3Ｖになる。

【００３７】したがって、端子Ｔ31、Ｔ32の電圧Ｖ30
は、図２Ｄに実線で示すように、時点ｔ1から信号Ｓ35
に対応してパルス状に変化するとともに、信号Ｓ35のデ
ューティーレシオに対応して電圧Ｖ30の高い期間の割り
合いは次第に小さくなっていく。

【００３８】なお、期間τのうち、Ｓ35＝“０”の期間
に、スイッチ回路３２がオンとなるとともに、スイッチ
回路３６、３７がオフとなるので、電池３１は満充電後
も充電されることになるが、続くＳ35＝“１”の期間
に、スイッチ回路３７がオンとなって電池３１は抵抗器
Ｒ33を通じて例えば0.1Ｃ〜0.2Ｃの大きさで放電される
ので、電池３１が過充電となることはない。

【００３９】そして、電圧Ｖ30が、時点ｔ1から図２Ｄ
に実線で示すように変化すると、その平均電圧は図２Ｄ
に破線で示すように、次第に低下していることになる。

【００４０】そして、このように電圧Ｖ30の平均値が低
下していくと、これは、充電装置１０のマイクロコンピ
ュータ１５から見て図３Ａにおける満充電後の端子電圧
の低下と等価なので、マイクロコンピュータ１５は電池
パック３０が満充電されたと判断し、スイッチ回路１４
をオフにする。

【００４１】したがって、電池パック３０の充電を終了
したことになるとともに、このとき、電池３１は満充電
されていることになる。

【００４２】なお、充電時に、なんらかのトラブルによ
り電池３１に供給される電圧が異常に高くなった場合、
あるいは電池３１の充電電流や放電電流（負荷電流）が
異常に大きくなった場合、これが検出回路３３により検
出されて制御回路３５に通知され、信号Ｓ35によりスイ
ッチ回路３２がオフとされて電池３１は過大電圧や過大
電流から保護される。

【００４３】以上のように、図１の電池パック３０によ
れば、満充電後の端子電圧の低下を疑似的に発生させて
いるので、電池パック３０がリチウムイオン電池の電池
パックであっても、ニッケルカドミウム電池パックを充
電する充電装置１０で、満充電を行うことができるとと
もに、過充電となることがない。

【００４４】実験によれば、上記の数値条件で、１Ｃ＝
1000mＡのとき、時点ｔ1後における電圧Ｖ30の平均値の
低下は、37.3mＶ／分であり、約２分後に充電を終了さ
せることができた。

【００４５】なお、長時間充電しないで放置しておいた
ニッケルカドミウム電池を充電すると、その充電の開始
時に端子電圧が低下するので、充電開始時から例えば５
分間は、端子電圧の低下を無視するようにした充電装置
もある。したがって、電池パック３０においても、充電
開始時から５分間、すなわち、端子電圧の低下を無視す
る期間を経過したら、時点ｔ1以後の処理を許可するよ
うにしてもよい。

【００４６】また、充電時と放電時とでは、抵抗器Ｒ31
を流れる電流の方向が逆になり、抵抗器Ｒ31に生じる降
下電圧の極性が逆になるので、これを利用して検出回路
３３が過電圧を検出するときの電圧レベルを変更するこ
ともできる。

【００４７】さらに、充電時、抵抗器Ｒ31および電池３
１の内部抵抗における降下電圧を考慮して検出回路３４
が満充電を検出するときの電圧レベルを設定すれば、よ
り確実な充電を行うことができる。

【００４８】

【発明の効果】この発明のリチウムイオン電池の電池パ
ックによれば、充電時にもニッケルカドミウム電池との
互換性があり、ニッケルカドミウム電池の電池パックを
充電する充電装置であっても、過不足なく充電を行うこ
とができる。また、このことによりリチウムイオン電池
の電池パックのために新たに充電装置を購入しなくても
よい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一形態を示す接続図である。

【図２】図１の回路の動作を示す波形図である。

【図３】充電式電池の充電特性を示す図である。

【図４】充電装置および充電式電池パックの一例を示す
接続図である。

【符号の説明】

３０＝電池パック、３１＝リチウムイオン電池、３２＝
スイッチ回路、３３＝検出回路、３４＝検出回路、３５
＝制御回路、３６＝スイッチ回路、３７＝スイッチ回
路、３８＝インバータ回路、Ｔ31＝＋側充放電端子、Ｔ
32＝−側充放電端子

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１対の充放電端子と、 リチウムイオン電池と、 このリチウムイオン電池の一方の電極と、上記１対の充
   放電端子の一方との間に直列接続された第１のスイッチ
   回路と、 上記リチウムイオン電池の満充電を検出する検出回路
   と、 上記１対の充放電端子の間に直列接続された抵抗器およ
   び第２のスイッチ回路と、 上記検出回路の検出出力にしたがって、上記第１のスイ
   ッチ回路および上記第２のスイッチ回路を制御する制御
   回路とを有し、 充電時、上記制御回路により上記第１のスイッチ回路を
   オンにするとともに、上記第２のスイッチ回路をオフに
   制御し、 上記検出回路が上記リチウムイオン電池の満充電を検出
   したとき、上記制御回路により、上記第１のスイッチ回
   路を所定の周期でオン・オフ制御するとともに、上記第
   ２のスイッチ回路を上記第１のスイッチ回路とは逆にオ
   ン・オフ制御し、かつ、 上記第１のスイッチ回路のオン・オフの周期のうち、そ
   のオンの期間の割り合いを長くして上記１対の充放電端
   子の間の電圧を次第に低下させるようにした電池パッ
   ク。
2. 【請求項２】請求項１に記載の電池パックにおいて、 上記第１のスイッチ回路がオフで上記第２のスイッチ回
   路がオンの期間、上記１対の充放電端子の間の電圧が、
   上記検出回路により検出される上記満充電時の電圧レベ
   ルよりも高く設定されるようにした電池パック。
3. 【請求項３】請求項２に記載の電池パックにおいて、 上記リチウムイオン電池に、別の抵抗器と第３のスイッ
   チ回路との直列回路を並列接続し、上記第２のスイッチ
   回路のオン・オフと同時にオン・オフするようにした電
   池パック。
4. 【請求項４】請求項２に記載の電池パックにおいて、 充電開始時から所定の期間、上記制御回路の処理を実行
   しないようにした電池パック。
5. 【請求項５】請求項２に記載の電池パックにおいて、 上記リチウムイオン電池の内部抵抗に生じる降下電圧を
   補正して上記検出回路の検出レベルを設定するようにし
   た電池パック。