JP2007110877A - 電池パックおよびその充電器ならびに充電方法 - Google Patents

電池パックおよびその充電器ならびに充電方法 Download PDF

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Abstract

【課題】少なくとも充電の初期に、トリクル充電回路に充電器からの充電電流を制限させて2次電池を充電させるトリクル充電を行うことで、過放電電池への充電によるダメージを抑制するようにした電池パックにおいて、2次電池に異常な大電流が流れることを確実に防止する。
【解決手段】充電制御判定部21は、電流検出抵抗16でトリクル充電中の充電電流を監視し、予め定める値以上となると、トリクル充電回路25や充電器2に異常が生じ、或いは正規品ではない不適正な充電器が接続されているものと判断し、前記充電器2から組電池14への充電経路11に介在されるFET13,27をOFFする。したがって、組電池14に異常な大電流が流れることを確実に防止することができる。また、不適正な充電器を排除することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、電池パックおよびその充電器ならびに充電方法に関し、特に過放電電池の充電のために好適なトリクル充電を行うものに関する。
長期間の放置などによって、電池電圧が極度に低下した前記過放電(深放電)電池は、充電の初期から急速充電をしてしまうと、正極から金属が溶出したり、負極で金属が析出したり、セパレータが目詰まりを起こしたり、電解液が分解したりという劣化を生じる。図4にその劣化のメカニズムを模式的に示し、図5に急速充電時の2次電池の端子電圧の変化を示す。これら図4および図5は、リチウムイオン電池を例にしている。
図4(a)は、正常な充放電が行われている状態を示し、Liイオンがセパレータを通過して負極へ挿脱が可能となっている。これに対して、図4(b)は前記過放電電池へ急速充電を開始した劣化の初期の状態を示し、正極表面で電解液の分解が始まるとともに、正極金属Mnが溶出する。また、負極では、金属Liが析出してセパレータの目詰まりが始まる。
図4(c)は、上述のような過放電に急速充電を繰返し、劣化が進行した時の状態を示し、負極被膜上に金属Liが析出してLiイオンの拡散を阻害する。また、負極中のLiから電子を奪いMnの金属が析出するとともに、電解液の分解が進みガスが発生する。
したがって、充電の初期に、通常よりも少ない電流で充電を行う前記トリクル充電が従来から行われている。特許文献1には、充電すべき2次電池の端子電圧を検出し、前記深放電電圧以下であれば、所定期間に亘りトリクル充電を行い、充電後に再び端子電圧を検出して、上昇していれば前記深放電であると判定して急速充電に切換わり、上昇しなければ、端子電圧の低下は深放電以外の原因(故障など)と判断し、充電を停止する充電装置が示されている。
特開平11−262197号公報
しかしながら、上述の従来技術は、2次電池の異常のみに着目している。このため、トリクル充電回路の異常には、対応できないという問題がある。具体的には、充電経路を限流抵抗などを備える前記トリクル充電回路に切換えていても、前記限流抵抗が短絡したり、通常の急速充電の充電経路との切換えを行うFETが短絡したりして、急速充電に近い電流が流れてしまうと、劣化している2次電池であっても、端子電圧が上昇してしまい、正常な電池と誤判定して充電を継続し、パックの破損や漏液などの深刻な事態を招く虞がある。
一方、地域によっては、正規品ではない不適正な充電器が安価に出回っており、そのような充電器でも電池パックと端子が合えば、電池パックへの充電が可能になってしまうことがある。この場合、トリクル充電回路の限流抵抗が正常に機能していても、充電器の充電電流供給回路から異常な高電圧が出力されるなどして、所期のトリクル充電を行うことができないという問題もある。
本発明の目的は、トリクル充電時に異常な充電電流が流れることを防止することができる電池パックおよびその充電器ならびに充電方法を提供することである。
本発明の電池パックは、2次電池、トリクル充電回路および充電制御手段を備え、前記充電制御手段が、前記トリクル充電回路に充電器からの充電電流を制限させて前記2次電池を充電させるトリクル充電を行うことができる電池パックにおいて、前記2次電池に流れる電流を検出する検出手段を有し、前記充電制御手段は、前記トリクル充電中に、前記検出手段で予め定める値以上の充電電流が検出されると、充電器から2次電池への充電経路を遮断することを特徴とする。
また、本発明の充電方法は、電池パックが充電器からの充電電流で内蔵2次電池を充電するための方法において、前記充電器からの充電電流を制限して前記2次電池を充電させるトリクル充電を行い、前記トリクル充電中に、予め定める値以上の充電電流が検出されると、充電器から2次電池への充電経路を遮断することを特徴とする。
上記の構成によれば、充電制御手段が、トリクル充電回路に充電器からの充電電流を制限させて2次電池を充電させるトリクル充電を行うことで、過放電電池への充電によるダメージを抑制するようにした電池パックおよび充電方法において、検出手段でトリクル充電中の充電電流を監視し、予め定める値以上となると、前記充電制御手段は、限流抵抗の短絡などのトリクル充電回路に異常が生じて充電電流が制限できなくなってしまったり、該充電制御手段や電流経路を切換えるスイッチング素子に異常が生じるなどして充電電流をトリクル充電回路に切換えられなかったり、充電器に異常が生じ、或いは正規品ではない不適正な充電器が接続される等で充電電圧が不所望に高くなってしまったりするなどの何らかの異常が発生しているものと判断し、前記充電器から2次電池への充電経路に介在されるFETをOFFするなどして、該充電経路を遮断する。
したがって、電池パック側が自己診断して、トリクル充電の異常が検知されたときには充電を停止するので、2次電池に異常な大電流が流れることを防止することができる。
さらにまた、本発明の電池パックでは、前記充電制御手段は、前記2次電池への充電経路の遮断に連動して、通信手段を介して、充電器側の充電制御手段へ、充電電流を停止させる信号を送信することを特徴とする。
上記の構成によれば、上述のような電池パック側での充電電流の遮断動作とともに、さらに充電器側にも充電電流の遮断動作を行わせるので、電池パック側で前記FETの短絡故障などの異常が生じていて、充電電流を遮断できない場合にも、充電電流を遮断することができる。
また、本発明の電池パックでは、前記充電制御手段は、前記トリクル充電を、少なくとも充電の初期に行わせることを特徴とする。
上記の構成によれば、トリクル充電は補充電の際に行ってもよいが、2次電池が深放電の可能性がある充電の初期に行うことで、本発明による大電流の防止作用は効果的である。
さらにまた、本発明の電池パックでは、前記充電器から2次電池への充電経路には急速充電用のFETおよび放電用のFETが直列に設けられ、前記トリクル充電回路は、トリクル充電用のFETおよび限流抵抗から成り、前記急速充電用のFETと並列に設けられることを特徴とする。
上記の構成によれば、急速充電とトリクル充電とは、それぞれに対応したFETを相反制御することで実現され、限流抵抗を充電経路に直列に介在し、それを急速充電用のFETで短絡する構成よりも、限流抵抗のON故障に対する安全性を高めることができる。
また、本発明の充電器は、充電電流供給回路、トリクル充電回路および充電制御手段を備え、前記充電制御手段が、前記充電電流供給回路からの充電電流を前記トリクル充電回路に制限させて2次電池を充電させるトリクル充電を行うようにした充電器において、前記充電電流を検出する検出手段を有し、前記充電制御手段は、前記トリクル充電中に、前記検出手段で予め定める値以上の充電電流が検出されると、前記トリクル充電回路から2次電池への充電経路を遮断することを特徴とする。
上記の構成によれば、充電制御手段が、トリクル充電回路に充電電流供給回路からの充電電流を制限させて2次電池を充電させるトリクル充電を行うことで、過放電電池への充電によるダメージを抑制するようにした充電器において、検出手段でトリクル充電中の充電器電流を監視し、予め定める値以上となると、前記充電制御手段は、限流抵抗の短絡などのトリクル充電回路に異常が生じて充電電流が制限できなくなってしまったり、該充電制御手段や電流経路を切換えるスイッチング素子に異常が生じるなどして充電電流をトリクル充電回路に切換えられなかったり、充電電流供給回路に異常が生じたりするなどの何らかの異常が発生しているものと判断し、前記トリクル充電回路から2次電池への充電経路に介在されるFETをOFFするなどして、該充電経路を遮断する。
したがって、トリクル充電の異常が検知されたときには充電を停止するので、2次電池に異常な大電流が流れることを防止することができる。
本発明の電池パックおよび充電方法は、以上のように、充電制御手段が、トリクル充電回路に充電器からの充電電流を制限させて2次電池を充電させるトリクル充電を行うことで、過放電電池への充電によるダメージを抑制するようにした電池パックおよび充電方法において、検出手段でトリクル充電中の充電電流を監視し、予め定める値以上となると、前記充電制御手段は、限流抵抗の短絡などのトリクル充電回路に異常が生じて充電電流が制限できなくなってしまったり、該充電制御手段や電流経路を切換えるスイッチング素子に異常が生じるなどして充電電流をトリクル充電回路に切換えられなかったり、充電器に異常が生じ、或いは正規品ではない不適正な充電器が接続される等で充電電圧が不所望に高くなってしまったりするなどの何らかの異常が発生しているものと判断し、前記充電器から2次電池への充電経路に介在されるFETをOFFするなどして、該充電経路を遮断する。
それゆえ、電池パック側が自己診断して、トリクル充電の異常が検知されたときには充電を停止するので、2次電池に異常な大電流が流れることを防止することができる。
また、本発明の充電器は、以上のように、充電制御手段が、トリクル充電回路に充電電流供給回路からの充電電流を制限させて2次電池を充電させるトリクル充電を行うことで、過放電電池への充電によるダメージを抑制するようにした充電器において、検出手段でトリクル充電中の充電器電流を監視し、予め定める値以上となると、前記充電制御手段は、限流抵抗の短絡などのトリクル充電回路に異常が生じて充電電流が制限できなくなってしまったり、該充電制御手段や電流経路を切換えるスイッチング素子に異常が生じるなどして充電電流をトリクル充電回路に切換えられなかったり、充電電流供給回路に異常が生じたりするなどの何らかの異常が発生しているものと判断し、前記トリクル充電回路から2次電池への充電経路に介在されるFETをOFFするなどして、該充電経路を遮断する。
それゆえ、トリクル充電の異常が検知されたときには充電を停止するので、2次電池に異常な大電流が流れることを防止することができる。
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の一形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。この充電システムは、電池パック1に、それを充電する充電器2を備えて構成されるが、電池パック1から給電が行われる図示しない負荷機器をさらに含めて電子機器システムが構成されてもよい。その場合、電池パック1は、図1では充電器2から充電が行われるけれども、該電池パック1が前記負荷機器に装着されて、負荷機器を通して充電が行われてもよい。電池パック1および充電器2は、給電を行う直流ハイ側の端子T11,T21と、通信信号の端子T12,T22と、給電および通信信号のためのGND端子T13,T23とによって相互に接続される。前記負荷機器が設けられる場合も、同様の端子が設けられる。
前記電池パック1内で、前記の端子T11から延びる直流ハイ側の充電経路11には、充電用と放電用とで、相互に導電形式が異なるFET12,13が介在されており、その充電経路11が組電池14のハイ側端子に接続される。前記組電池14のロー側端子は、直流ロー側の充電経路15を介して前記GND端子T13に接続され、この充電経路15には、充電電流および放電電流を電圧値に変換し、検出手段である電流検出抵抗16が介在されている。
前記組電池14は、複数の2次電池のセルが直並列に接続されて成り、そのセルの温度は温度センサ17によって検出され、制御IC18内のアナログ/デジタル変換器19に入力される。また、前記各セルの端子間電圧は電圧検出回路20によって読取られ、前記制御IC18内のアナログ/デジタル変換器19に入力される。さらにまた、前記電流検出抵抗16によって検出された電流値も、前記制御IC18内のアナログ/デジタル変換器19に入力される。前記アナログ/デジタル変換器19は、各入力値をデジタル値に変換して、充電制御判定部21へ出力する。
充電制御判定部21は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路などを備えて成り、前記アナログ/デジタル変換器19からの各入力値に応答して、充電器2に対して、出力を要求する充電電流の電圧値、電流値、およびパルス幅(デューティ)を演算し、通信部22から端子T12,T22;T13,T23を介して充電器2へ送信する。また、前記充電制御判定部21は、前記アナログ/デジタル変換器19からの各入力値から、端子T11,T13間の短絡や充電器2からの異常電流などの電池パック1の外部における異常や、組電池14の異常な温度上昇などに対して、前記FET12,13を遮断するなどの保護動作を行う。
充電制御判定部21は、前記FET12,13と共に充電制御手段を構成し、正常に充放電が行われているときには、前記FET12,13をONして充放電を可能にし、異常が検出されるとOFFして充放電を不可とする。前記充電制御判定部21にはまた、後述するようにして組電池14の異常を検出するためのタイマ23が接続されている。
充電器2では、前記の要求を制御IC30の通信部32で受信し、充電制御部31が充電電流供給回路33を制御して、前記の電圧値、電流値、およびパルス幅で、充電電流を供給させる。充電電流供給回路33は、AC−DCコンバータやDC−DCコンバータなどから成り、入力電圧を、前記充電制御部31で指示された電圧値、電流値、およびパルス幅に変換して、端子T21,T11;T23,T13を介して、充電経路11,15へ供給する。前記充電制御部31および充電電流供給回路33は、充電制御手段を構成する。
そして、電池パック1において、前記直流ハイ側の充電経路11には、通常(急速)充電用のFET12と並列に、トリクル充電回路25が設けられている。このトリクル充電回路25は、限流抵抗26とFET27との直列回路から成り、前記充電制御判定部21は、充電の初期に、および満充電近くで補充電を行う場合は、放電用のFET13をONしたまま、急速充電用のFET12をOFFし、このトリクル充電用のFET27をONしてトリクル充電を行い、通常充電時および放電時には、前記FET13をONしたまま、前記FET12をONし、このFET27をOFFして、通常電流による充放電を行う。前記充電の初期にトリクル充電を行うか否かは、たとえばリチウムイオン電池の場合で、前記電圧検出回路20によって検出される各セルの端子間電圧が、2.5V以下であるか否かから判定され、前記2.5Vを超えている場合には、トリクル充電は行われず、始めから急速充電が行われる。
上述のように構成される電池パック1において、注目すべきは、前記充電制御判定部21は、トリクル充電中に、電流検出抵抗16による充電電流を監視し、予め定める値、たとえば100mA以上となると、限流抵抗26の短絡などのトリクル充電回路25に異常が生じて充電電流が制限できなくなってしまったり、該充電制御判定部21やFET12に異常が生じるなどして充電電流をトリクル充電回路25に切換えられなかったり、充電器2に異常が生じ、或いは正規品ではない不適正な充電器が接続される等で充電電圧が不所望に高くなってしまったりするなどの何らかの異常が発生しているものと判断し、前記充電経路11に介在されるFET13をOFFすることである。
図2は、上述のような充電制御判定部21の動作を説明するためのフローチャートである。通常状態では、ステップS1で示すように急速充電用のFET12および放電用のFET13はONし、トリクル充電用のFET27はOFFして充放電が可能となっており、また該充電制御判定部21が動作可能となっており、電池パック1に充電器2が接続され、或いは接続されている充電器2や負荷機器から給電が開始されると、充電動作を開始し、ステップS2に移る。
前記ステップS2では、前記アナログ/デジタル変換器19からの各入力値を取込み、ステップS3で、その入力値から、前記過電圧、過電流、過熱などの異常状態が発生していないかを判定し、異常状態であると、ステップS4で前記トリクル充電用のFET27はOFFしたまま、前記急速充電用のFET12および放電用のFET13をOFFするとともに、ステップS5で充電器2へ充電電流を停止させる信号を送信して処理を終了する。
前記ステップS3で異常状態でない場合はステップS6に移り、各セルの端子間電圧が前記2.5V以下であるか否かが判定され、前記2.5Vを超えている場合には、過放電していないと判定してトリクル充電は行われず、ステップS7で始めから急速充電が行われ、その後ステップS8で前記各セルの端子間電圧が4.2Vに達すると処理を終了する。
これに対して、前記ステップS6で各セルの端子間電圧が前記2.5V以下であると、過放電していると判定してトリクル充電に移り、ステップS11で前記タイマ23が起動され、ステップS12で放電用のFET13をONしたまま、トリクル充電用のFET27をONするとともに、急速充電用のFET12をOFFする。続いてステップS13では、前記電流検出抵抗16による充電電流が前記100mA以上であるか否かが判断され、100mA以上であるとトリクル充電回路25や充電器2に何らかの異常が発生しているものと判断し、ステップS14で急速充電用のFET12をOFFしたまま、トリクル充電用のFET27および放電用のFET13をOFFした後、前記ステップS5に移る。
一方、前記ステップS13で充電電流が前記100mA未満である場合には、トリクル充電回路25や充電器2には異常は発生していないものと判断し、再びステップS15で各セルの端子間電圧が前記2.5Vに達したか否かが判断され、達している場合には組電池14は正常で、過放電していただけと判定して前記ステップS7の急速充電に切換わり、前記2.5Vに達していなければ、組電池14に異常が発生していると判定してステップS16で、前記タイマ23によって予め定める時間がカウントされるまで前記ステップS13に戻って、充電電流を監視しながら前記予め定める時間が経過するまでトリクル充電を継続し、前記予め定める時間が経過すると、前記ステップS14のトリクル充電の終了動作に移る。
したがって、前記充電制御判定部21は、前記端子T11,T13間の短絡や充電器2からの異常電流などの電池パック1の外部における異常に対する保護動作だけでなく、該電池パック1内のトリクル充電回路25を自己診断して、異常が検知されたときには充電を停止するので、組電池14に異常な大電流が流れることを防止することができるとともに、不適正な(正規でない)充電器による充電を阻止することができる。
また、前記充電制御判定部21は、前記充電経路11の遮断に連動して、通信部22,32を介して、充電器2側の充電制御部31へ、充電電流を停止させる信号を送信する。具体的には、充電器2に対して、出力を要求する充電電流の電圧値および電流値を0とする。これによって、電池パック1側での充電電流の遮断動作とともに、さらに充電器2側にも充電電流の遮断動作を行わせることで、電池パック1側で前記FET12,13,27の短絡故障などの異常が生じていて、充電電流を遮断できない場合にも、充電電流を確実に遮断することができる。
[実施の形態2]
図3は、本発明の実施の他の形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。この充電システムは、図1で示す充電システムに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この充電システムでは、前記トリクル充電回路25が充電器2aに設けられていることである。このため、充電器2aの充電電流供給回路33からハイ側の端子T11までの充電経路34にはFET35が設けられており、このFET35と並列に、前記トリクル充電回路25の限流抵抗26とFET27との直列回路が設けられている。
そして、制御IC30aの充電制御部31aは、充電の初期に、通信によって電池パック1aの制御IC18aの充電制御判定部21aから各セル電圧を読込み、前記2.5V以下であるときにはトリクル充電を行い、その間の充電電流を、ロー側の充電経路36に介在した検出手段である電流検出抵抗37からアナログ/デジタル変換器38を介して読込み、前記100mA以上となると異常と判定して前記FET27をOFFするとともに、通信によって電池パック1a側のFET12,13もOFFさせる。また、トリクル充電を前記タイマ23によってカウントされる予め定める時間だけ行った後、通信によって得られた各セルの端子間電圧が、2.5V以下であるときには、組電池14に異常が発生していると判断し、以降の充電を停止する。
このように構成することで、充電器2a側で、トリクル充電の異常が検知されたときに充電を停止することができる。
上述の説明では、充電経路11,34に設けられる急速充電用のFET12,35と並列に、トリクル充電用のFET27および限流抵抗26から成るトリクル充電回路25が設けられているけれども、トリクル充電回路を限流抵抗のみとして、充電経路11,34に直列に介在し、その限流抵抗をバイパスするように急速充電用のFETを設けるようにしてもよい。しかしながら、限流抵抗26を充電経路11,34から分岐して設け、その充電経路11,34と限流抵抗26とを、専用のFET12,27;27,35で切換える方が、限流抵抗26のON故障に対する安全性を高めることができる。
本発明は、少なくとも充電の初期に、トリクル充電回路に充電器からの充電電流を制限させて2次電池を充電させるトリクル充電を行うことで、過放電電池への充電によるダメージを抑制するようにした電池パックにおいて、電流検出抵抗でトリクル充電中の充電電流を監視し、予め定める値以上となると、前記充電制御判定部は、トリクル充電回路や充電器に異常が生じ、或いは正規品ではない不適正な充電器が接続されているものと判断し、前記充電器から2次電池への充電経路に介在されるFETをOFFするので、2次電池に異常な大電流が流れることを確実に防止することができる。
本発明の実施の一形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。 前記充電システムを構成する電池パックのメイン処理動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の他の形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。 リチウムイオン電池が過放電した状態で急速充電することによる劣化のメカニズムを模式的に示す図である。 図4での端子電圧の変化を示すグラフである。
符号の説明
1,1a 電池パック
2,2a 充電器
11,15 充電経路
12,13,27,35 FET
14 組電池
16,37 電流検出抵抗
17 温度センサ
18,18a,30,30a 制御IC
19,38 アナログ/デジタル変換器
20 電圧検出回路
21,21a 充電制御判定部
22,32 通信部
23 タイマ
25 トリクル充電回路
26 限流抵抗
31,31a 充電制御部
33 充電電流供給回路
T11,T21;T12,T22;T13,T23 端子

Claims (6)

  1. 2次電池、トリクル充電回路および充電制御手段を備え、前記充電制御手段が、前記トリクル充電回路に充電器からの充電電流を制限させて前記2次電池を充電させるトリクル充電を行うことができる電池パックにおいて、
    前記2次電池に流れる電流を検出する検出手段を有し、
    前記充電制御手段は、前記トリクル充電中に、前記検出手段で予め定める値以上の充電電流が検出されると、充電器から2次電池への充電経路を遮断することを特徴とする電池パック。
  2. 前記充電制御手段は、前記2次電池への充電経路の遮断に連動して、通信手段を介して、充電器側の充電制御手段へ、充電電流を停止させる信号を送信することを特徴とする請求項1記載の電池パック。
  3. 前記充電制御手段は、前記トリクル充電を、少なくとも充電の初期に行わせることを特徴とする請求項1または2記載の電池パック。
  4. 前記充電器から2次電池への充電経路には急速充電用のFETおよび放電用のFETが直列に設けられ、前記トリクル充電回路は、トリクル充電用のFETおよび限流抵抗から成り、前記急速充電用のFETと並列に設けられることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電池パック。
  5. 充電電流供給回路、トリクル充電回路および充電制御手段を備え、前記充電制御手段が、前記充電電流供給回路からの充電電流を前記トリクル充電回路に制限させて2次電池を充電させるトリクル充電を行うようにした充電器において、
    前記充電電流を検出する検出手段を有し、
    前記充電制御手段は、前記トリクル充電中に、前記検出手段で予め定める値以上の充電電流が検出されると、前記トリクル充電回路から2次電池への充電経路を遮断することを特徴とする充電器。
  6. 電池パックが充電器からの充電電流で内蔵2次電池を充電するための方法において、
    前記充電器からの充電電流を制限して前記2次電池を充電させるトリクル充電を行い、前記トリクル充電中に、予め定める値以上の充電電流が検出されると、充電器から2次電池への充電経路を遮断することを特徴とする充電方法。
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