WO2019187692A1 - 電池パック及びその充電制御方法 - Google Patents

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桂太郎 谷口
良二 渡邊
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三洋電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack and a charge control method thereof.
  • Battery packs with increased output and capacity by connecting multiple secondary battery cells in series or in parallel are used as power sources for electric wheelchairs and assist bicycles.
  • a plurality of secondary battery cells are connected in series or in parallel to increase capacity and voltage. It can also be connected to a charger and reused as being rechargeable.
  • the protection circuit works and the charging is completed before it is fully charged, and the capacity is relatively reduced compared to the initial stage. Resulting in. For example, in the original battery pack, almost 100% of the capacity can be charged and used, but the remaining capacity can be charged only about 90% due to deterioration over time.
  • the present invention has been made in view of such a background, and an object of the present invention is to provide a battery pack and a charging control method thereof that can flexibly control charging.
  • a battery block in which a plurality of secondary battery cells are connected in series and / or in parallel, a charging path for charging the battery block, and the charging
  • a charging current detecting unit for detecting a charging current flowing through the path, a charging voltage detecting unit for detecting a charging voltage applied to the charging path, and being arranged in series on the charging path,
  • a charging first transistor for controlling a flowing charging current; a charging second transistor for controlling an operation of the charging first transistor; and a controller unit for controlling operations of the charging first transistor and the charging second transistor;
  • the controller unit includes a charging current detected by the charging current detection unit, and a charging power detected by the charging voltage detection unit.
  • a second ON resistance that is an ON resistance of the charging second transistor is controlled in the linear region of the charging second transistor, and the second ON resistance is used to control the second ON resistance in the linear region of the charging first transistor.
  • the charging current for charging the battery block can be adjusted.
  • the charge first transistor is not directly controlled by the controller unit, but is changed through the charge second transistor and by changing the second ON resistance of the charge second transistor in a linear region.
  • the low-pass circuit connected further to the gate side of the said charge 2nd transistor can be provided.
  • a third resistor connected in parallel with the source and drain of the charging second transistor, and the third resistor And a charging third transistor connected in series with the device.
  • the controller unit performs constant power control on the charging first transistor to adjust the charging current of the battery block. Can be controlled.
  • the loss of the first charging transistor can be suppressed to a constant level, and the amount of generated heat can be suppressed.
  • a charging current that is arranged in series with the first charging transistor on the charging path and that flows through the charging path is further reduced.
  • a charging semiconductor element for controlling can be provided.
  • the first charging transistor and / or the second charging transistor can be configured by an FET.
  • a battery block in which a plurality of secondary battery cells are connected in series and / or in parallel, and charging for charging the battery block A path, a charging current detection unit for detecting a charging current flowing through the charging path, a charging voltage detection unit for detecting a charging voltage applied to the charging path, and the charging path are arranged in series on the charging path.
  • a charging control method for a battery pack comprising a controller unit for detecting a charging current for charging the battery block by the charging current detection unit.
  • a charging voltage for charging the battery block is detected by the charging voltage detection unit, and based on the detected charging current and charging voltage, the controller unit performs the charging in the linear region of the charging second transistor.
  • the second ON resistance that is the ON resistance of the second transistor is controlled, and the first ON resistance that is the ON resistance of the charging first transistor is controlled in the linear region of the charging first transistor by using the second ON resistance. Then, the process of adjusting the charging current which charges the said battery block can be included.
  • the second ON resistance of the charge second transistor is set via the charge second transistor.
  • 1 is a circuit diagram illustrating a battery pack according to Example 1.
  • each element constituting the present invention may be configured such that a plurality of elements are constituted by the same member and the plurality of elements are shared by one member, and conversely, the function of one member is constituted by a plurality of members. It can also be realized by sharing.
  • a battery pack 100 shown in the circuit diagram of FIG. 1 includes a battery block 10 in which a plurality of chargeable / dischargeable secondary battery cells 1 are connected in series, and an input connected in series to the output side of the battery block 10.
  • An output switch 2 and a controller unit 3 that detects the voltage of each secondary battery cell 1 constituting the battery block 10 and controls the input / output switch 2 to be turned on / off are provided.
  • the battery pack 100 includes a fuse 5 that is connected in series with the battery block 10 and that is blown when the secondary battery cell 1 is abnormal and interrupts the current of the battery block 10.
  • the battery pack 100 serves as a charging current detection unit that detects a charging current flowing through the charging path CL, and as a charging voltage detection unit that detects a charging voltage applied to the current detection resistor 16 and the battery block 10 or the like.
  • a voltage detection resistor 18 is provided. (Secondary battery cell 1)
  • the secondary battery cell 1 is a secondary battery that can be charged and discharged.
  • the battery pack 100 uses a lithium ion secondary battery as the secondary battery cell 1.
  • Lithium ion secondary batteries have a large charge / discharge capacity with respect to capacity and weight, can reduce the outer shape of the battery pack, and can be lightened to increase the charge / discharge capacity.
  • the battery pack of the present invention can use all other secondary batteries that can be charged and discharged in place of the lithium ion secondary battery. (Battery block 10)
  • the battery pack 100 includes a plurality of secondary battery cells 1, and these secondary battery cells 1 are connected in series to form a battery block 10.
  • a battery pack 100 shown in FIG. 1 has three secondary battery cells 1 connected in series.
  • the number of secondary battery cells connected in series with each other is not limited to three, and may be two or four or more. (Input / output switch 2)
  • the input / output switch 2 is a switch that is switched on / off to prevent overcharging of the secondary battery cell 1 being charged and overdischarge of the secondary battery cell 1 being discharged.
  • a semiconductor switching element such as is used.
  • the input / output switch 2 is a charge / discharge switch that controls the charge / discharge current of the secondary battery cell 1, and the charge switch 11 that cuts off the charge current and prevents the secondary battery cell 1 from being overcharged, and cuts off the discharge current.
  • a discharge switch 12 for preventing the secondary battery cell 1 from being overdischarged.
  • semiconductor switching elements such as FETs and bipolar transistors are used.
  • the input / output switch 2 shown in FIG. 1 has two sets of FETs connected in series, one FET as a charging semiconductor element 11 and the other FET as a discharging semiconductor element 12.
  • the charging semiconductor element 11 is turned off in a state where the charging of the secondary battery cell 1 is stopped, and the discharging semiconductor element 12 is switched off in a state where the discharging of the secondary battery cell 1 is stopped. In the state where the secondary battery cell 1 is charged and discharged, the discharging semiconductor element 11 and the charging semiconductor element 12 are held in the ON state.
  • Each FET is connected in parallel with a diode that is energized in the reverse direction in the OFF state.
  • the controller unit 3 is a protection circuit that switches the input / output switch 2 to the ON state while the battery pack can be used normally.
  • the controller unit 3 includes a detection unit 13 that detects the voltage, current, temperature, and the like of the secondary battery cell 1, and a control unit 14 that controls the input / output switch 2 to be turned ON / OFF based on battery information detected by the detection unit 13. And a communication unit 15 that transmits battery information to the main device side.
  • the detection unit 13 detects the voltage of the current detection resistor 16 connected in series with the battery block 10 to detect the charge / discharge current.
  • the detection part 13 detects the temperature of the secondary battery cell 1 from the signal input from the temperature sensor 17 arrange
  • the control unit 14 determines the state of the secondary battery cell 1 from the voltage or temperature of the secondary battery cell 1 detected by the detection unit 13, and enters the secondary battery cell 1 in a state where the secondary battery cell 1 can be charged / discharged normally.
  • the output switch 2 is switched to the ON state, and the input / output switch 2 is switched to the OFF state in a state where the secondary battery cell 1 cannot be used normally.
  • the control unit 14 compares the detected value such as the voltage and temperature of the secondary battery cell 1 detected by the detection unit 13 and the remaining capacity calculated from the detected current and voltage with a preset setting range. When the detected value exceeds the set range, the input / output switch 2 is switched to the OFF state. Further, the control unit 14 communicates battery information detected by the detection unit 13 to the main device side via the communication unit 15.
  • the battery pack 100 for controlling the charging semiconductor element 11 and the discharging semiconductor element 12 connected in series to each other to be turned ON / OFF by the controller unit 3 is charged when the secondary battery cell 1 is charged.
  • the charging semiconductor element 11 is switched to the OFF state to cut off the charging current.
  • the discharge semiconductor element 12 is switched to the OFF state and discharged. Cut off current.
  • the temperature of the secondary battery cell 1 is higher than the maximum temperature or lower than the minimum temperature, the charging semiconductor element 11 and the discharging semiconductor element 12 are switched to the OFF state, and charging / discharging is stopped. (Fuse 5)
  • the fuse 5 is connected in series with the battery block 10 and protects an excessive current from flowing through the secondary battery cell 1.
  • the fuse 5 is a molten metal that is heated by Joule heat and blown when an overcurrent flows. (Charging current limiting unit 20)
  • the battery pack further includes a charging current limiting unit 20 that limits the charging current.
  • the charging current limiting unit 20 is arranged in series on the charging path CL, and a charging first transistor for controlling the charging current flowing through the charging path CL, and a charging second transistor for controlling the operation of the charging first transistor. Has a transistor.
  • the operation of the charging second transistor is controlled by the controller unit 3.
  • the operation of the charging first transistor is controlled through the charging second transistor controlled by the controller unit 3.
  • the controller unit 3 limits the charging current based on the charging current detected by the charging current detection unit and the charging voltage detected by the charging voltage detection unit.
  • the second ON resistance that is the ON resistance of the charging second transistor is controlled in the linear region of the charging second transistor.
  • the relationship between the gate-source voltage V GS of the FET and the drain-source ON resistance R DS when the FET is used as the first charging transistor and the second charging transistor is shown in the graph of FIG.
  • the drain-source ON resistance R DS has a gradient called a linear region.
  • the charging first transistor is controlled by controlling the second ON resistance.
  • the first ON resistance that is the ON resistance of the first FET 21 can be similarly changed, so that the value of the current flowing through the first FET 21, that is, the battery block 10.
  • the charging current for charging can be limited.
  • the charging first transistor is changed through the charging second transistor and by changing the second ON resistance of the charging second transistor in a linear region. Since the charge current is controlled by changing the first ON resistance of one transistor in the same linear region, fine charge control with a variable resistance value is possible as compared with the conventional control by ON / OFF of the transistor.
  • the load on the circuit side can be reduced as compared with the configuration in which the controller unit directly drives the FET. That is, when the FET is directly PWM-controlled, the charging current is pulsed and the average value of the pulse current is controlled by changing the duty ratio, so that the peak current value becomes large. For this reason, in the deteriorated state, for example, at the end of charging of the secondary battery cell, the allowable voltage value may be exceeded, which is not preferable.
  • the charging current can be limited by adjusting the ON resistance, the peak current value can be suppressed, the load on the secondary battery cell can be reduced, and the safety can be enhanced. (Constant current / constant voltage charging control)
  • Control of charging of the battery pack is generally performed on the side of the charger that charges the battery pack.
  • An ideal charging method is shown in the graph of FIG. As shown in the figure, initially, constant current charging (CC) is performed, and switching to constant voltage charging (CV) is performed to continue charging.
  • CC constant current charging
  • CV constant voltage charging
  • FIG. 5 is a circuit diagram in which only the charging circuit portion of the battery pack 100 is extracted, and FIG. 6 shows a charging current waveform using this charging circuit.
  • the charging circuit of the battery pack includes a charging FET 11 that is a charging semiconductor element, a first FET 21 that is a charging first transistor, a second FET 22 that is a charging second transistor, And a controller unit 3.
  • the controller unit 3 When using this charging circuit to limit the charging current, the controller unit 3 performs PWM control of the second FET 22 to control the resistance value of the second FET 22. That is, the drive voltage of the first FET 21 is controlled, and the effective current value is reduced by controlling the resistance value of the first FET 21. As a result, the battery block 10 can be charged while limiting the charging current as shown in FIG. (Relaxation circuit 25)
  • the battery pack can be provided with a relaxation circuit 25 that further suppresses the ripple of the charging current.
  • a relaxation circuit 25 that further suppresses the ripple of the charging current.
  • FIG. An example of a charging circuit to which such a relaxation circuit 25 is added is shown in FIG.
  • a mitigation circuit 25 for mitigating the amount of change in the ON resistance of the second FET 22 is added.
  • a third resistor 24 is connected between the drain and source of the second FET 22 in parallel to reduce fluctuations in the ON resistance of the second FET 22.
  • the linear region of the second FET 22 in FIG. 2 can be gradually changed from a steep slope as shown by a broken line. As a result, the linear region is relatively enlarged, and fluctuations in the charging current can be further suppressed.
  • the mitigation circuit 25 is operated during charging.
  • a switch can be provided in series with the third resistor 24.
  • the relaxation circuit 25 includes a third resistor 24 and a third FET 23, and the third resistor 24 is connected to the drain side of the third FET 23.
  • a low-pass circuit 26 can be added to the charging circuit.
  • a resistor 26 a and a capacitor 26 b are provided in parallel between the gate and the source of the second FET 22 as the low-pass circuit 26.
  • constant power charging control can also be performed.
  • CP constant power charge
  • constant current charging is interposed between constant current charge and constant voltage charge as compared with the charge control method of FIGS.
  • charging can be continued by switching from constant current charging to constant power charging control as shown in FIG. 9, and further switching from constant power charging to constant voltage charging to supply more charging current to the battery block and The charge capacity can be increased quickly.
  • FIG. 2 When the example of FIG. 2 is an ideal charge, that is, when the charge capacity is 100% (5 A charge, charge is completed at 200 mA), the constant current charge of FIG. 4 is 92.3% (5 A charge, 5 A (4.1 V)). 99.9% (5 A charging, charging completed at 200 mA) can be performed by combining the constant power charging shown in FIG. Even in a state where the charging completion voltage is lowered in this way, almost 100% charging is possible by combining constant power charging. In this example, when a test is performed on a new battery pack that has not deteriorated, it is expected that the difference in charge capacity will be more remarkable in a battery pack that has deteriorated.
  • FIG. 10 shows a specific circuit example of the battery pack according to the first embodiment.
  • the battery pack 100 shown in this figure includes a charging current limiting unit 20 that can adjust the charging current according to the voltage of the battery block 10.
  • the battery pack 100 includes a battery block 10, a charging FET 11 that is a charging semiconductor element, a discharging FET 12 that is a discharging semiconductor element, a first FET 21, a second FET 22, and a third FET 23.
  • the controller unit 3 is composed of an MPU or the like.
  • This battery pack controls the second ON resistance of the charging terminal T22 by connecting the charging terminals C + and C- to a charger.
  • the gate voltage of the first FET 21 connected to the drain side of the second FET 22 can be controlled, thereby controlling the first ON resistance of the first FET 21.
  • the first ON resistance of the first FET 21 is monitored by measuring the current value with the current detection resistor 16 disposed on the charging path CL.
  • the controller unit 3 performs constant current charging by performing feedback control so that the charging current becomes a desired value.
  • the controller unit 3 controls the second ON resistance of the second FET 22 by PWM-controlling the gate voltage of the second FET 22. As a result, the gate voltage of the first FET 21 connected to the drain side of the second FET 22 can be controlled, thereby controlling the first ON resistance of the first FET 21.
  • the first ON resistance of the first FET 21 is monitored by measuring the current value with the current detection resistor 16 disposed on the charging path CL.
  • the controller unit 3 performs constant current charging by performing feedback control so that the charging current becomes a desired value.
  • a low-pass circuit 26 is provided on the gate side of the second FET 22.
  • This low-pass circuit 26 reduces the influence of fluctuations in ripple voltage due to PWM control from the controller unit 3.
  • the low-pass circuit 26 can be composed of a low-pass filter such as a CR circuit. (Expansion of the second ON resistance linear region)
  • the relationship between the gate-source voltage V GS of the FET and the drain-source ON resistance R DS is shown in the graph of FIG.
  • the drain-source ON resistance R DS has a steep slope called a linear region.
  • the third resistor 24 is connected in parallel with the drain-source of the first FET 21 in the circuit diagram of FIG. It is arranged.
  • the third resistor 24 is connected between the gate side of the first FET 21 and the drain side of the third FET 23.
  • the third resistor 24 is required when the second FET 22 is PWM-controlled, but is not required when the second FET 22 is completely turned on or off. For this reason, the third FET 23 is provided so that the third resistor 24 functions as necessary. (Thermal control)
  • the charging current can be limited by causing the first FET 21 to function as a resistor.
  • the first FET 21 when the first FET 21 generates heat, it can be considered that an intended charging current cannot be passed.
  • the voltage of the first FET 21 increases and heat is generated. Therefore, in the example of FIG. 10, by performing constant power charging that makes the loss in the first FET 21 constant, it is possible to maximize the capability of the first FET 21 even in such a case.
  • the loss P of the first FET 21 can be calculated by multiplying the difference between the voltage V in output from the charger and the voltage V bat of the secondary battery cell by the charging current I ch .
  • Each value can be measured by the voltmeter side using the voltage detection resistor 18, voltage measurement by the voltage dividing resistor, and current detection by the current detection resistor 16.
  • the charging current, the secondary battery voltage, and the charging power supply voltage are measured and feedback control is performed, so that the charging can be controlled to an arbitrary charging current in an arbitrary state.
  • the ability of the charge FET responsible for current limiting can be utilized to the maximum.
  • a battery pack and a charge control method thereof according to the present invention are used for a battery-powered device such as a notebook computer, a mobile phone, a portable DVD player, a portable car navigation system, a portable music player, a power tool, and an assist bicycle. It can be suitably used as a dischargeable battery pack.
  • SYMBOLS 100 Battery pack 1 ... Battery 2 ... Input / output switch 3 ... Controller part 5 ... Fuse 10 ... Battery block 11 ... Charge switch (FET for charge) 12 ... Discharge switch (FET for discharge) DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 ... Detection part 14 ... Control part 15 ... Communication part 16 ... Current detection resistance 17 ... Temperature sensor 18 ... Voltage detection resistor 20 ... Charging current limiting part 21 ... First FET 22 ... Second FET 23 ... Third FET 24 ... Third resistor 25 ... Mitigation circuit 26 ... Low-pass circuit 26a ... Resistor 26b ... Capacitor CL ... Charging path

Abstract

充電の制御を柔軟に行えるようにした電池パック等を提供する。 充電経路に印加される充電電圧を検出するための充電電圧検出部(18)と、充電経路上に直列に配置され、充電経路に流れる充電電流を制御するための充電第一トランジスタ(21)と、充電第一トランジスタの動作を制御する充電第二トランジスタ(22)と、充電第一トランジスタ及び充電第二トランジスタの動作を制御するためのコントローラ部(3)とを備える電池パックであって、コントローラ部が、充電電流検出部(16)で検出された充電電流、及び充電電圧検出部で検出された充電電圧に基づいて、充電第二トランジスタの線形領域において充電第二トランジスタのON抵抗である第二ON抵抗を制御し、第二ON抵抗を用いて、充電第一トランジスタの線形領域において充電第一トランジスタのON抵抗である第一ON抵抗を制御することで、電池ブロックを充電する充電電流を調整可能としている。

Description

電池パック及びその充電制御方法
 本発明は、電池パック及びその充電制御方法に関する。
 複数の二次電池セルを直列や並列に接続して出力や容量を高めた電池パックが、電動車椅子やアシスト自転車などの動力源として利用されている。このような電池パックは、複数本の二次電池セルを直列や並列に接続して、容量や電圧を増やしている。また充電器に接続して、充電可能として再利用することができる。
 しかしながら、電池パックが使用により経年劣化してくると、充電器に接続しても、保護回路が働いて満充電となる前に充電が完了してしまい、初期に比べて容量が相対的に低下してしまう。例えば、当初の電池パックでは容量のほぼ100%が充電できて使用可能であったところ、経年劣化によって残容量が90%程度しか充電できないといった状態となる。
特開2009-296873号公報
 本発明はこのような背景に鑑みてなされたものであり、その目的の一は、充電の制御を柔軟に行えるようにした電池パック及びその充電制御方法を提供することにある。
 本発明の第一の形態に係る電池パックによれば、複数の二次電池セルを互いに直列及び/又は並列に接続している電池ブロックと、前記電池ブロックに充電を行う充電経路と、前記充電経路に流れる充電電流を検出するための充電電流検出部と、前記充電経路に印加される充電電圧を検出するための充電電圧検出部と、前記充電経路上に直列に配置され、該充電経路に流れる充電電流を制御するための充電第一トランジスタと、前記充電第一トランジスタの動作を制御する充電第二トランジスタと、前記充電第一トランジスタ及び充電第二トランジスタの動作を制御するためのコントローラ部とを備える電池パックであって、前記コントローラ部が、前記充電電流検出部で検出された充電電流、及び前記充電電圧検出部で検出された充電電圧に基づいて、前記充電第二トランジスタの線形領域において当該充電第二トランジスタのON抵抗である第二ON抵抗を制御し、該第二ON抵抗を用いて、前記充電第一トランジスタの線形領域において当該充電第一トランジスタのON抵抗である第一ON抵抗を制御することで、前記電池ブロックを充電する充電電流を調整可能とできる。上記構成により、コントローラ部で直接、充電第一トランジスタを制御するのでなく、充電第二トランジスタを介して、かつこの充電第二トランジスタの第二ON抵抗を線形領域で変化させることにより、充電第一トランジスタの第一ON抵抗を同じく線形領域で変化させて充電電流を制御したことで、従来のトランジスタのON/OFFによる制御よりも負荷を軽減した微細な充電制御が可能となる。
 また、第2の形態に係る電池パックによれば、上記構成に加えて、さらに前記充電第二トランジスタのゲート側に接続された低域通過回路を備えることができる。上記構成により、コントローラ部からのPWM制御によるリップル電圧の変動の影響を、低域通過回路でもって低減することが可能となる。
 さらに、第3の形態に係る電池パックによれば、上記何れかの構成に加えて、さらに前記充電第二トランジスタのソース-ドレイン間と並列に接続された第三抵抗器と、前記第三抵抗器と直列に接続された充電第三トランジスタとを備えることができる。上記構成により、充電第二トランジスタの第二ON抵抗の線形領域を拡張することで、充電電流のリップル変動を抑制できる利点が得られる。
 さらにまた、第4の形態に係る電池パックによれば、上記何れかの構成に加えて、前記コントローラ部が、前記充電第一トランジスタを定電力制御して、前記電池ブロックの充電電流を調整するよう制御できる。上記構成により、充電第一トランジスタの損失を一定に抑制して、発熱量を抑えることが可能となる。
 さらにまた、第5の形態に係る電池パックによれば、上記何れかの構成に加えて、さらに、前記充電経路上で前記充電第一トランジスタと直列に配置され、該充電経路に流れる充電電流を制御するための充電用半導体素子を備えることができる。
 さらにまた、第6の形態に係る電池パックによれば、上記何れかの構成に加えて、前記充電第一トランジスタ及び/又は充電第二トランジスタを、FETで構成することができる。
 さらにまた、第7の形態に係る電池パックの充放電制御方法によれば、複数の二次電池セルを互いに直列及び/又は並列に接続している電池ブロックと、前記電池ブロックに充電を行う充電経路と、前記充電経路に流れる充電電流を検出するための充電電流検出部と、前記充電経路に印加される充電電圧を検出するための充電電圧検出部と、前記充電経路上に直列に配置され、該充電経路に流れる充電電流を制御するための充電第一トランジスタと、前記充電第一トランジスタの動作を制御する充電第二トランジスタと、前記充電第一トランジスタ及び充電第二トランジスタの動作を制御するためのコントローラ部とを備える電池パックの充電制御方法であって、前記電池ブロックを充電する充電電流を、前記充電電流検出部で検出すると共に、前記電池ブロックを充電する充電電圧を、前記充電電圧検出部で検出し、該検出された充電電流及び充電電圧に基づいて、前記コントローラ部が、前記充電第二トランジスタの線形領域において当該充電第二トランジスタのON抵抗である第二ON抵抗を制御し、該第二ON抵抗を用いて、前記充電第一トランジスタの線形領域において当該充電第一トランジスタのON抵抗である第一ON抵抗を制御することで、前記電池ブロックを充電する充電電流を調整する工程とを含むことができる。
 本発明に係る電池パック及びその充電制御方法によれば、コントローラ部で直接、充電第一トランジスタを制御するのでなく、充電第二トランジスタを介して、かつこの充電第二トランジスタの第二ON抵抗を線形領域で変化させることにより、充電第一トランジスタの第一ON抵抗を同じく線形領域で変化させて充電電流を制御したことで、従来のトランジスタのON/OFFによる制御よりも負荷を軽減した微細な充電制御が可能となる。
本発明の実施形態1に係る電池パックのブロック図である。 FETのゲート-ソース間電圧とドレイン-ソース間ON抵抗の関係を示すグラフである。 定電流充電及び定電圧充電で電池パックを充電する理想状態を示すグラフである。 定電流充電の領域を省略した充電方法による電流、電圧の時間変化を示すグラフである。 充電回路の一例を示す回路図である。 図5の充電回路を用いた充電電流波形を示すグラフである。 緩和回路を付加した充電回路の一例を示す回路図である。 図7の充電回路を用いた充電電流波形を示すグラフである。 定電力充電制御で電池パックを充電する様子を示すグラフである。 実施例1に係る電池パックを示す回路図である。
 以下、本発明の実施形態乃至実施例を図面に基づいて説明する。ただ、以下に示す実施形態乃至実施例は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明は以下のものに特定されない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一若しくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
[実施形態1]
 以下、本発明の一実施形態として、複数の充放電可能な二次電池セルを直列に接続してなる電池ブロックを備える電池パックについて詳述する。図1の回路図に示す電池パック100は、複数の充放電可能な二次電池セル1を直列に接続してなる電池ブロック10と、この電池ブロック10の出力側に直列に接続してなる入出力スイッチ2と、電池ブロック10を構成してなる各二次電池セル1の電圧を検出して入出力スイッチ2をON/OFFに制御するコントローラ部3とを備えている。さらに、電池パック100は、電池ブロック10と直列に接続されて、二次電池セル1の異常時に溶断されて電池ブロック10の電流を遮断するヒューズ5を備えている。さらにまた、電池パック100は、充電経路CLに流れる充電電流を検出する充電電流検出部として、電流検出抵抗器16と、電池ブロック10等に印加される充電電圧を検出する充電電圧検出部として、電圧検出抵抗器18を備えている。
(二次電池セル1)
 二次電池セル1は、充放電できる二次電池である。電池パック100は、二次電池セル1としてリチウムイオン二次電池を使用している。リチウムイオン二次電池は、容量と重量に対する充放電容量が大きく、電池パックの外形を小さく、また軽量にして充放電容量を大きくできる。ただし、本発明の電池パックは、リチウムイオン二次電池に代わって、他の充放電できる全ての二次電池も使用できる。
(電池ブロック10)
 電池パック100は、複数の二次電池セル1を備えており、これらの二次電池セル1を直列に接続して電池ブロック10としている。図1に示す電池パック100は、3個の二次電池セル1を直列に接続している。ただ、本発明は、互いに直列に接続する二次電池セルの個数を3個には限定せず、2個とすることも、4個以上とすることもできる。
(入出力スイッチ2)
 入出力スイッチ2は、充電している二次電池セル1の過充電と、放電している二次電池セル1の過放電とを防止するためにON/OFFに切り換えられるスイッチで、FETやトランジスタ等の半導体スイッチング素子が使用される。この入出力スイッチ2は、二次電池セル1の充放電電流を制御する充放電スイッチで、充電電流を遮断して二次電池セル1の過充電を防止する充電スイッチ11と、放電電流を遮断して二次電池セル1の過放電を防止する放電スイッチ12とで構成されている。これらの充電スイッチ11及び放電スイッチ12には、FETやバイポーラトランジスタ等の半導体スイッチング素子が使用される。
 図1に示す入出力スイッチ2は、2組のFETを直列に接続して、一方のFETを充電用半導体素子11として、他方のFETを放電用半導体素子12としている。充電用半導体素子11は二次電池セル1の充電を停止する状態でOFF、放電用半導体素子12は二次電池セル1の放電を停止する状態でOFFに切り換えられる。二次電池セル1を充放電する状態では、放電用半導体素子11と充電用半導体素子12はON状態に保持される。各FETは、OFF状態で逆方向に通電するダイオードを並列に接続している。したがって、残容量が最大容量となって充電用半導体素子11をOFF状態として充電できない状態で放電電流を流すことができ、放電用半導体素子12のOFF状態、すなわち残容量が最低容量となって充電を停止する状態においても充電電流を流すことができる。放電用半導体素子12と充電用半導体素子11は、コントローラ部3でON/OFFに制御される。
(コントローラ部3)
 コントローラ部3は、電池パックを正常に使用できる状態で入出力スイッチ2をON状態に切り換える保護回路である。このコントローラ部3は、二次電池セル1の電圧、電流、温度等を検出する検出部13と、この検出部13で検出する電池情報で入出力スイッチ2をON/OFFに制御する制御部14と、本体機器側に電池情報を伝送する通信部15とを備える。検出部13は、電池ブロック10と直列に接続している電流検出抵抗器16の電圧を検出して充放電の電流を検出する。また、検出部13は、二次電池セル1に熱結合状態に配置している温度センサ17から入力される信号から二次電池セル1の温度を検出する。
 制御部14は、検出部13で検出される二次電池セル1の電圧や温度などから二次電池セル1の状態を判定して、二次電池セル1を正常に充放電できる状態で、入出力スイッチ2をON状態に切り換え、二次電池セル1を正常に使用できない状態で入出力スイッチ2をOFF状態に切り換える。たとえば、制御部14は、検出部13で検出される二次電池セル1の電圧や温度等の検出値、さらに検出電流や電圧から演算する残容量を、あらかじめ設定している設定範囲に比較し、検出値が設定範囲を越えると入出力スイッチ2をOFF状態に切り換える。また、制御部14は、検出部13で検出される電池情報を、通信部15を介して本体機器側に通信する。
 互いに直列に接続している充電用半導体素子11と放電用半導体素子12とをコントローラ部3でON/OFFに制御する電池パック100は、二次電池セル1の充電状態において、充電している二次電池セル1の電圧があらかじめ設定された第1過充電検出電圧よりも高くなると、あるいは残容量が最大容量よりも大きくなると、充電用半導体素子11をOFF状態に切り換えて充電電流を遮断する。また、二次電池セル1の放電状態において、二次電池セル1の電圧が最低電圧よりも低くなると、あるいは残容量が最低容量よりも小さくなると、放電用半導体素子12をOFF状態に切り換えて放電電流を遮断する。また、二次電池セル1の温度が最高温度よりも高く、あるいは最低温度よりも低くなると、充電用半導体素子11と放電用半導体素子12をOFF状態に切り換えて、充放電を停止する。
(ヒューズ5)
 ヒューズ5は、電池ブロック10に直列に接続されて、二次電池セル1に過大な電流が流れるのを保護する。ヒューズ5は、過電流が流れるとジュール熱で発熱して溶断される溶融金属である。
(充電電流制限部20)
 さらに電池パックは、充電電流を制限する充電電流制限部20を備えている。充電電流制限部20は、充電経路CL上に直列に配置されて、この充電経路CLに流れる充電電流を制御するための充電第一トランジスタと、この充電第一トランジスタの動作を制御する充電第二トランジスタを有する。充電第二トランジスタの動作は、コントローラ部3で制御される。またコントローラ部3で制御された充電第二トランジスタを介して、充電第一トランジスタの動作が制御される。コントローラ部3は、充電電流検出部で検出された充電電流、及び充電電圧検出部で検出された充電電圧に基づいて、充電電流を制限する。
 具体的には、充電第二トランジスタの線形領域において、この充電第二トランジスタのON抵抗である第二ON抵抗を制御する。ここで、充電第一トランジスタ及び充電第二トランジスタとしてFETを用いた場合の、FETのゲート-ソース間電圧VGSとドレイン-ソース間ON抵抗RDSの関係を図2のグラフに示す。この図に示すように、ドレイン-ソース間ON抵抗RDSは、線形領域と呼ばれる勾配を有している。この線形領域を利用することで、充電第二トランジスタである第二FET22の第二ON抵抗値を可変でき、単なるON/OFFのスイッチング、すなわち0か1でない中間値での制御が可能となる。
 そして、この第二ON抵抗を制御することで、充電第一トランジスタを制御する。具体的には、充電第一トランジスタである第一FET21の線形領域において、同様に第一FET21のON抵抗である第一ON抵抗を可変できるので、第一FET21を流れる電流値、すなわち電池ブロック10を充電する充電電流を制限できる。このように、コントローラ部3で直接、充電第一トランジスタを制御するのでなく、充電第二トランジスタを介して、かつこの充電第二トランジスタの第二ON抵抗を線形領域で変化させることにより、充電第一トランジスタの第一ON抵抗を同じく線形領域で変化させて充電電流を制御したことで、従来のトランジスタのON/OFFによる制御よりも、抵抗値を可変とした微細な充電制御が可能となる。
 また、コントローラ部で直接FETを駆動する構成と比べて、回路側への負荷も軽減できる。すなわち、FETを直接PWM制御する場合は、充電電流がパルス状となり、デューティー比の変更によりパルス電流の平均値を制御することとなるため、ピーク電流値が大きくなる。このため、例えば二次電池セルの充電末期など、劣化した状態においては、許容される電圧値を越えてしまう可能性があり、好ましくない。これに対して、本実施形態によればON抵抗の調整によって充電電流を制限できるため、ピーク電流値を抑制して、二次電池セルへの負荷を低減して安全性を高めることができる。
(定電流・定電圧充電制御)
 ここで、従来の充電制御方法との対比で本実施形態を説明する。電池パックの充電の制御は、一般に電池パックを充電する充電器側で行われる。理想的な充電方法を図3のグラフに示す。この図に示すように、当初は定電流充電(CC)を行い、定電圧充電(CV)に切り替えて充電を継続する。
 しかしながら、この充電制御方法では、二次電池セルの容量が100%近くになるまで充電することができなくなる場合があった。例えば、二次電池セルが経年劣化等によって何らかの異常や状態の変化が生じた場合に、二次電池セルの充電完了電圧を下げる必要が生じた場合を考える。このような場合において、従来の充放電方法では充電電圧が固定値であるため、二次電池セルに許容された最大電圧で充電を継続しようとするが、それが不可能であるため充電FETをOFFして充電が停止されてしまう。この結果、図4に示すように満充電前に定電流充電が中止されてしまい、充電された電池容量が少なくなってしまうという問題があった。
 これに対して本実施形態によれば、上述の通り充電電流を制限できるため、充電の途中で充電制御が中止される事態を避けてより多くの電池容量まで充電することが可能となる。この様子を、図5~図6に基づいて説明する。これらの図において、図5は電池パック100の内、充電回路の部分のみを抽出した回路図、図6はこの充電回路を用いた充電電流波形を、それぞれ示している。図5の回路図に示すように、電池パックの充電回路は、充電用半導体素子である充電用FET11と、充電第一トランジスタである第一FET21と、充電第二トランジスタである第二FET22と、コントローラ部3とを備える。この充電回路を用いて、充電電流を制限する場合は、コントローラ部3でもって第二FET22をPWM制御し第二FET22の抵抗値を制御する。すなわち、第一FET21の駆動電圧を制御することとなり、第一FET21の抵抗値を制御することで、実効電流値を低減させる。この結果、図6に示すように充電電流を制限しながら電池ブロック10を充電できる。
(緩和回路25)
 さらに電池パックは、より充電電流のリップルを抑制する緩和回路25を付加することもできる。このような緩和回路25を付加した充電回路の例を、図7に示す。この図に示す電池パックの充電回路は、第二FET22のON抵抗の変化量を緩和する緩和回路25を付加している。ここでは、第二FET22のドレイン-ソース間に並列に、第二FET22のON抵抗の変動を緩和させる第三抵抗器24を接続している。第三抵抗器24を負荷したことで、図2において第二FET22の線形領域を、破線で示すように急峻な勾配から緩やかに変化させることができる。この結果、線形領域が相対的に拡大されて、さらに充電電流の変動を抑制することが可能となる。充電電流の時間変化を示す図8のグラフから明らかなとおり、充電制限電流の変動する幅が図6のグラフよりもさらに抑制されていることが確認できる。このように、充電電流の微小な変動がさらに抑制された、ばたつきの小さい波形とでき、これによってFETの電力損失を抑制して発熱量も更に抑えることが可能となる。
 また緩和回路25は、充電時に動作させることが好ましい。例えば第三抵抗器24と直列にスイッチを設けることができる。図7の回路例では、緩和回路25は、第三抵抗器24と、第三FET23で構成されており、第三抵抗器24は、第三FET23のドレイン側に接続されている。これによって、充電時に第三FET23をコントローラ部3でONさせて、第三抵抗器24を機能させつつ、充電時以外には第三FET23をOFFさせることで、緩和回路25を切り離すことが可能となる。
 なお、充電第二トランジスタとしてFETに代えてバイポーラトランジスタを用いる場合は、緩和回路を不要とすることもできる。
(低域通過回路26)
 さらに、充電回路に低域通過回路26を付加することもできる。図7の充電回路の例では、低域通過回路26として、抵抗器26aとコンデンサ26bを第二FET22のゲート-ソース間にそれぞれ並列に設けている。このような低域通過回路26を付加したことで、コントローラ部3からのPWM制御によるリップル電圧の変動の影響を低減することが可能となる。
(定電力充電制御)
 また本実施形態に係る電池パックによれば、定電力充電制御を行うこともできる。ここで、図7の充電回路を用いて定電力充電制御を行う様子を、図9のグラフに基づいて説明する。この充電制御方法では、図3や図4の充電制御方法と比べて、定電流充電と定電圧充電の間に、定電力充電(CP)を介在させている。例えば電池ブロックの経年劣化等により充電完了電圧を下げる必要が生じた場合、図4に示すように満充電に至る前に定電流充電が中止されてしまう。一方、図9に示すように定電流充電から定電力充電制御に切り替えることで、充電を継続でき、さらに定電力充電から定電圧充電に切り替えて、より多くの充電電流を電池ブロックに供給しかつ早く充電容量を高めることができる。図2の例を理想充電、すなわち充電容量100%(5A充電、200mAで充電終了)とした場合、図4の定電流充電では充電容量92.3%(5A充電、5A(4.1V)で充電終了)に対し、図9の定電力充電を組み合わせることで99.9%(5A充電、200mAで充電終了)の充電が可能となった。このように充電完了電圧を下げた状態においても、定電力充電を組み合わせることでほぼ100%の充電が可能となる。なお、この例では未劣化の新しい電池パックに対して試験を行っているところ、劣化の進んだ電池パックでは、さらに充電容量の差が顕著になると予想される。
 実施形態1に係る電池パックの具体的な回路例を図10に示す。この図に示す電池パック100は、電池ブロック10の電圧に応じて充電電流を調整可能な充電電流制限部20を備えている。具体的には、電池パック100は、電池ブロック10と、充電用半導体素子である充電用FET11と、放電用半導体素子である放電用FET12と、第一FET21と、第二FET22と、第三FET23と、第三抵抗器24と、コントローラ部3と、低域通過回路26と、充放電経路上に配置された電流検出抵抗器16と、充電電圧検出部である電圧検出抵抗器18を備えている。コントローラ部3は、MPUなどで構成される。
 この電池パックは、充電端子C+、C-を充電器と接続することで、この充電端
T22の第二ON抵抗を制御する。これにより、第二FET22のドレイン側と接続された第一FET21のゲート電圧を制御することができ、もって第一FET21の第一ON抵抗を制御する。また、この第一FET21の第一ON抵抗は、充電経路CL上に配置された電流検出抵抗器16によって電流値を計測することで監視される。コントローラ部3は、充電電流が所望の値となるようにフィードバック制御することで、定電流充電が実現される。
 コントローラ部3は、第二FET22のゲート電圧をPWM制御することで、第二FET22の第二ON抵抗を制御する。これにより、第二FET22のドレイン側と接続された第一FET21のゲート電圧を制御することができ、もって第一FET21の第一ON抵抗を制御する。また、この第一FET21の第一ON抵抗は、充電経路CL上に配置された電流検出抵抗器16によって電流値を計測することで監視される。コントローラ部3は、充電電流が所望の値となるようにフィードバック制御することで、定電流充電が実現される。
 一方、第二FET22のゲート側には、低域通過回路26が設けられる。この低域通過回路26により、コントローラ部3からのPWM制御によるリップル電圧の変動による影響が軽減される。低域通過回路26は、CR回路等のローパスフィルタで構成できる。
(第二ON抵抗の線形領域の拡張)
 FETのゲート-ソース間電圧VGSとドレイン-ソース間ON抵抗RDSの関係を図2のグラフに示す。この図に示すように、ドレイン-ソース間ON抵抗RDSは、線形領域と呼ばれる急峻な勾配を有している。この線形領域を破線で示すように拡張するために、いいかえると勾配が緩やかとなるように、図10の回路図において第一FET21のドレインーソース間に対して並列に、第三抵抗器24を配置している。この第三抵抗器24は、第一FET21のゲート側と第三FET23のドレイン側との間に接続されている。これにより、第二FET22の第二ON抵抗の線形領域を広げて、充電電流のリップル変動を小さくできる。なお、この第三抵抗器24は、第二FET22をPWM制御する際に必要となる一方で、第二FET22を完全にON又はOFFさせた際には不要となる。このため、第三抵抗器24を必要に応じて機能させるように、第三FET23を設けている。
(熱制御)
 このように第一FET21を抵抗体として機能させることで、充電電流制限を行うことができる。その一方で、第一FET21が発熱した場合に、所期の充電電流を流せないことが考えられる。例えば二次電池セルが寿命に近付き、その電圧値が充電電圧に対して相
当低い場合に、第一FET21の電圧が高くなって発熱することが考えられる。そこで、図10の例においては、第一FET21での損失を一定にする定電力充電を行うことで、このような場合でも第一FET21の能力を最大限に引き出すことが可能となる。
 ここで第一FET21の損失Pは、充電器が出力する電圧Vinと二次電池セルの電圧Vbatとの差に、充電電流Ichを乗じることで算出できる。それぞれの値は、電圧検出抵抗器18を用いた電圧計側、分圧抵抗器による電圧計測、電流検出抵抗器16による電流検出によって測定できる。
 以上のように本実施形態に係る電池パックでは、充電電流と二次電池電圧と充電電源電圧を計測しフィードバック制御を行うことで、任意の状態で、任意の充電電流に制御することができる。また、電流制限を担う充電FETの能力を最大限に利用することができる。
 本発明に係る電池パック及びその充電制御方法は、ノート型パソコン、携帯電話、携帯型DVDプレーヤ、携帯型カーナビ、携帯音楽プレーヤ、電動工具、アシスト自転車等の電池で駆動される機器用の、充放電可能な電池パックとして好適に利用できる。
 
100…電池パック
1…電池
2…入出力スイッチ
3…コントローラ部
5…ヒューズ
10…電池ブロック
11…充電スイッチ(充電用FET)
12…放電スイッチ(放電用FET)
13…検出部
14…制御部
15…通信部
16…電流検出抵抗
17…温度センサ
18…電圧検出抵抗器
20…充電電流制限部
21…第一FET
22…第二FET
23…第三FET
24…第三抵抗器
25…緩和回路
26…低域通過回路
26a…抵抗器
26b…コンデンサ
CL…充電経路
 

Claims (7)

  1.  複数の二次電池セルを互いに直列及び/又は並列に接続している電池ブロックと、
     前記電池ブロックに充電を行う充電経路と、
     前記充電経路に流れる充電電流を検出するための充電電流検出部と、
     前記充電経路に印加される充電電圧を検出するための充電電圧検出部と、
     前記充電経路上に直列に配置され、該充電経路に流れる充電電流を制御するための充電第一トランジスタと、
     前記充電第一トランジスタの動作を制御する充電第二トランジスタと、
     前記充電第一トランジスタ及び充電第二トランジスタの動作を制御するためのコントローラ部と
    を備える電池パックであって、
     前記コントローラ部が、前記充電電流検出部で検出された充電電流、及び前記充電電圧検出部で検出された充電電圧に基づいて、前記充電第二トランジスタの線形領域において当該充電第二トランジスタのON抵抗である第二ON抵抗を制御し、該第二ON抵抗を用いて、前記充電第一トランジスタの線形領域において当該充電第一トランジスタのON抵抗である第一ON抵抗を制御することで、前記電池ブロックを充電する充電電流を調整可能としてなる電池パック。
  2.  請求項1に記載の電池パックであって、さらに、
     前記充電第二トランジスタのゲート側に接続された低域通過回路を備えてなる電池パック。
  3.  請求項1又は2に記載の電池パックであって、さらに、
     前記充電第二トランジスタのソース-ドレイン間と並列に接続された第三抵抗器と、
     前記第三抵抗器と直列に接続された充電第三トランジスタと
    を備えてなる電池パック。
  4.  請求項1~3のいずれか一項に記載の電池パックであって、
     前記コントローラ部が、前記充電第一トランジスタを定電力制御して、前記電池ブロックの充電電流を調整するよう制御してなる電池パック。
  5.  請求項1~4のいずれか一項に記載の電池パックであって、さらに、
     前記充電経路上で前記充電第一トランジスタと直列に配置され、該充電経路に流れる充電電流を制御するための充電用半導体素子と、
    を備える電池パック。
  6.  請求項1~5のいずれか一項に記載の電池パックであって、
     前記充電第一トランジスタ及び/又は充電第二トランジスタが、FETで構成されてなる電池パック。
  7.  複数の二次電池セルを互いに直列及び/又は並列に接続している電池ブロックと、
     前記電池ブロックに充電を行う充電経路と、
     前記充電経路に流れる充電電流を検出するための充電電流検出部と、
     前記充電経路に印加される充電電圧を検出するための充電電圧検出部と、
     前記充電経路上に直列に配置され、該充電経路に流れる充電電流を制御するための充電第一トランジスタと、
     前記充電第一トランジスタの動作を制御する充電第二トランジスタと、
     前記充電第一トランジスタ及び充電第二トランジスタの動作を制御するためのコントローラ部と
    を備える電池パックの充電制御方法であって、
     前記電池ブロックを充電する充電電流を、前記充電電流検出部で検出すると共に、前記電池ブロックを充電する充電電圧を、前記充電電圧検出部で検出し、
     該検出された充電電流及び充電電圧に基づいて、前記コントローラ部が、前記充電第二トランジスタの線形領域において当該充電第二トランジスタのON抵抗である第二ON抵抗を制御し、該第二ON抵抗を用いて、前記充電第一トランジスタの線形領域において当該充電第一トランジスタのON抵抗である第一ON抵抗を制御することで、前記電池ブロックを充電する充電電流を調整する工程とを含む電池パックの充電制御方法。
     
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