JP2009060734A - 充電回路、及びこれを備えた電池パック、充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の充電中に、充電を中断することなく速やかにスイッチング素子の故障を検出することができる充電回路、電池パック、及び充電システムを提供する。
【解決手段】二次電池１４の充電電流をオン、オフするスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、二次電池１４の充電電流を検出する電流検出部１６と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオンさせる工程とスイッチング素子Ｑ１のみをオンさせる工程とスイッチング素子Ｑ２のみをオンさせる工程とを繰り返すことにより、二次電池１４へパルス状に充電電流を供給する充電制御部２１２と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のうちいずれか一方のみがオンされている期間に、電流検出部１６によって充電電流が検出された場合、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のうち少なくとも一方に故障が生じていると判定する故障判定部２１３とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の充電に用いられる充電回路、及びこれを備えた電池パック、充電システムに関する。

従来より、二次電池を充電するための充電回路を備えた電子機器がある。このような充電回路では、二次電池の過充電を防止するために充電経路にスイッチング素子を設けることが一般的である。このような充電回路では、充電中はスイッチング素子を導通状態にし、電池電圧あるいは充電電流を監視する。そして、電池電圧あるいは充電電流に基づき、二次電池の満充電を検知した場合に、前述のスイッチング素子を非導通状態にし、以後の充電を停止することで、過充電による二次電池の劣化・漏液・発煙・発火等を防止するようになっている。

一方、前述のスイッチング素子が故障して導通状態に固定された場合、電池電圧あるいは充電電流から二次電池が満充電であることを検知しても充電を停止することができない。そのため、過充電が生じて二次電池の劣化・漏液・発煙・発火などが生じるおそれがある。そこで、スイッチング素子の故障を検出する故障診断機能を備えた充電回路が知られている。

例えば特許文献１には、二次電池の充電を行う定電圧電源回路と定電流回路とを直列に接続し、当該定電圧電源回路と定電流回路とから一定の電流を二次電池に供給した場合の電池電圧と、一定期間この定電流回路のスイッチング素子をオフして二次電池への電流供給を停止させた場合の電池電圧との差が正常か否かを判断することによって、定電流回路のスイッチング素子の故障を検出する技術が記載されている。そして、定電流回路のスイッチング素子の故障を検出すると、定電流回路の上流にある定電圧電源回路のスイッチング素子をオフして二次電池の充電を停止させ、二次電池が過充電されることを防止している。
特開平６−１８９４５９

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、スイッチング素子の故障診断は、充電開始前と、充電完了後であって充電動作以外のいかなる機能動作も行われていないときに実行されるようになっているため、充電中にスイッチング素子が故障した場合には、充電完了後まで故障を検出することができないという不都合があった。また、もし仮に充電中に故障診断を実行すると、特許文献１に記載の技術では、故障検出のために定電流回路のスイッチング素子をオフしなければならないので、充電が中断されてしまうという不都合があった。

本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、二次電池の充電中に、充電を中断することなく速やかにスイッチング素子の故障を検出することができる充電回路、電池パック、及び充電システムを提供することを目的とする。

本発明に係る充電回路は、二次電池に接続するための電池接続端子と、前記二次電池の充電用の電流を出力する電源部から、前記電流を受電するための電源接続端子と、前記電源接続端子と前記電池接続端子との間に直列に接続され、前記電源接続端子から前記電池接続端子へ流れる電流をオン、オフする第１及び第２のスイッチング素子と、前記電源接続端子から前記電池接続端子へ流れる電流を検出する電流検出部と、前記第１及び第２のスイッチング素子をオンさせる工程と、前記第１のスイッチング素子をオンさせると共に前記第２のスイッチング素子をオフさせる工程と、前記第１のスイッチング素子をオフさせると共に前記第２のスイッチング素子をオンさせる工程とを繰り返すことにより、前記電池接続端子へパルス状に充電電流を供給する充電制御部と、前記充電制御部によって前記第１及び第２のスイッチング素子のうちいずれか一方のみがオンされている期間に、前記電流検出部によって検出される電流が、前記電池接続端子へ流れる電流の有無を判定するべく設定された電流閾値を超える場合、前記第１及び第２のスイッチング素子のうち少なくとも一方に故障が生じていると判定する故障判定部とを備える。

この構成によれば、二次電池の充電電流の経路に、第１及び第２のスイッチング素子が介設されている。そして、充電制御部によって、第１及び第２のスイッチング素子をオンさせて電池接続端子に接続される二次電池に充電電流を供給する工程と、第１のスイッチング素子をオンさせると共に第２のスイッチング素子をオフさせることで、第２のスイッチング素子のみによって充電電流を遮断する工程と、第１のスイッチング素子をオフさせると共に第２のスイッチング素子をオンさせることで、第１のスイッチング素子のみによって充電電流を遮断する工程とが繰り返される。これにより、電池接続端子に接続される二次電池へパルス状に繰り返し充電電流が供給されて、二次電池の充電が行われる。そして、充電制御部により第１及び第２のスイッチング素子のうちいずれか一方のみがオンされている期間に、電流検出部により検出される電流が、電池接続端子へ流れる電流の有無を判定するべく設定された電流閾値を超える場合、故障判定部によって、第１及び第２のスイッチング素子のうち少なくとも一方に故障が生じていると判定される。

この場合、二次電池へパルス状に繰り返し充電電流を供給することによって二次電池の充電を行っている充電中に、繰り返しパルスによる電流供給を継続しつつ故障発生の有無を判定することができるので、充電を中断することなく速やかにスイッチング素子の故障を検出することができる。

また、前記故障判定部は、前記充電制御部によって前記第１のスイッチング素子がオンされると共に前記第２のスイッチング素子がオフされる工程において、前記電流検出部によって検出される電流が前記電流閾値を超える場合、前記第２のスイッチング素子にショート故障が生じていると判定し、前記充電制御部によって前記第１のスイッチング素子がオフされると共に前記第２のスイッチング素子がオンされる工程において、前記電流検出部によって検出される電流が前記電流閾値を超える場合、前記第１のスイッチング素子にショート故障が生じていると判定することが好ましい。

この構成によれば、充電制御部によって第１のスイッチング素子がオンされると共に第２のスイッチング素子がオフされる工程において、電流検出部によって検出される電流が電流閾値を超える場合、故障判定部によって、第２のスイッチング素子にショート故障が生じていると判定される。また、充電制御部によって第１のスイッチング素子がオフされると共に第２のスイッチング素子がオンされる工程において、電流検出部によって検出される電流が電流閾値を超える場合、故障判定部によって、第１のスイッチング素子にショート故障が生じていると判定される。これにより、第１及び第２のスイッチング素子のうち、いずれが故障したのかを判定することができる。

また、前記故障判定部は、前記充電制御部によって前記第１及び第２のスイッチング素子がオンされる工程において、前記電流検出部によって検出される電流が前記電流閾値に満たない場合、前記第１及び第２のスイッチング素子のうち少なくとも一方にオープン故障が生じていると判定することが好ましい。

この構成によれば、充電制御部によって第１及び第２のスイッチング素子がオンされる工程において、電流検出部によって検出される電流が電流閾値に満たない場合、故障判定部によって、第１及び第２のスイッチング素子のうち少なくとも一方にオープン故障が生じていると判定される。この場合、第１及び第２のスイッチング素子のオープン故障を検出することができる。

また、前記故障判定部によって、故障が生じていると判定された場合、前記第１及び第２のスイッチング素子をオフさせる保護制御部をさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、故障判定部によって故障が生じていると判定された場合、保護制御部によって、第１及び第２のスイッチング素子がオフされるので、第１及び第２のスイッチング素子のうちいずれか一方が故障した場合であっても、他方のスイッチング素子がオフされることで、二次電池の充電電流が遮断される結果、二次電池が過充電されるおそれが低減し、安全性が向上する。

また、前記故障判定部によって前記第１のスイッチング素子に故障が生じていると判定された場合、前記第２のスイッチング素子をオフさせ、前記故障判定部によって前記第２のスイッチング素子に故障が生じていると判定された場合、前記第１のスイッチング素子をオフさせる保護制御部をさらに備えるようにしてもよい。

この構成によれば、故障判定部によって第１のスイッチング素子に故障が生じていると判定された場合、保護制御部によって第２のスイッチング素子がオフされる。また、故障判定部によって第２のスイッチング素子に故障が生じていると判定された場合、保護制御部によって第１のスイッチング素子がオフされる。これにより、第１及び第２のスイッチング素子のうちいずれか一方が故障した場合であっても、故障していない他方のスイッチング素子がオフされることで、二次電池の充電電流が遮断される結果、二次電池が過充電されるおそれが低減し、安全性が向上する。

また、前記故障判定部によって故障が生じていると判定された場合、故障の発生を報知する報知部をさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、故障判定部によって故障が生じていると判定された場合、報知部によって故障の発生が報知されるので、ユーザが故障の発生を知ることができる。

また、本発明に係る電池パックは、上述の充電回路と、前記二次電池とを備える。この構成によれば、電池パックにおいて、二次電池へパルス状に繰り返し充電電流を供給することによって二次電池の充電を行うことができると共に、当該充電中に、繰り返しパルスによる電流供給を継続しつつ故障発生の有無を判定することができるので、充電を中断することなく速やかにスイッチング素子の故障を検出することができる。

また、本発明に係る充電システムは、上述の充電回路と、前記二次電池と、前記電源部とを備える。この構成によれば、電源部の出力電流を、充電回路においてパルス状の充電電流として二次電池へ供給することで、充電が行われる。そして、二次電池へパルス状に繰り返し充電電流を供給することによって二次電池の充電を行っている充電中に、繰り返しパルスによる電流供給を継続しつつ故障発生の有無を判定することができるので、充電を中断することなく速やかにスイッチング素子の故障を検出することができる。

このような構成の充電回路は、二次電池へパルス状に繰り返し充電電流を供給することによって二次電池の充電を行っている充電中に、繰り返しパルスによる電流供給を継続しつつ故障発生の有無を判定することができるので、充電を中断することなく速やかにスイッチング素子の故障を検出することができる。

また、このような構成の電池パックは、電池パックにおいて、二次電池へパルス状に繰り返し充電電流を供給することによって二次電池の充電を行うことができると共に、当該充電中に、繰り返しパルスによる電流供給を継続しつつ故障発生の有無を判定することができるので、充電を中断することなく速やかにスイッチング素子の故障を検出することができる。

また、このような構成の充電システムは、電源部の出力電流を、充電回路においてパルス状の充電電流として二次電池へ供給することで、充電が行われる。そして、二次電池へパルス状に繰り返し充電電流を供給することによって二次電池の充電を行っている充電中に、繰り返しパルスによる電流供給を継続しつつ故障発生の有無を判定することができるので、充電を中断することなく速やかにスイッチング素子の故障を検出することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る充電回路を備えた電池パック、及びこの電池パックを備えた充電システムの構成の一例を示すブロック図である。図１に示す充電システム１は、電池パック２と充電用電源３（電源部）とが接続されて構成されている。なお、この充電システム１は、電池パック２から給電が行われる図示しない負荷装置をさらに含む電子機器システムとして構成されてもよい。その場合、電池パック２は、図１では充電用電源３から充電が行われるけれども、該電池パック２が前記負荷装置に装着されて、負荷装置を通して充電が行われてもよい。

充電用電源３は、電池パック２へ二次電池の充電用の電流を出力する電源回路で、例えば定電圧電源装置が用いられる。なお、充電用電源３は、定電圧電源装置に限られず、例えば定電流定電圧（ＣＣＣＶ）充電等、種々の充電方式により充電を行う充電装置であってもよい。

電池パック２は、接続端子１１，１２（電源接続端子）、接続端子２１，２２（電池接続端子）、電圧検出回路１５、電流検出部１６、温度センサ１７、制御ＩＣ１８、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）１９，２０（報知部）、及びスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３からなる充電回路と、二次電池１４とを備えている。また、制御ＩＣ１８は、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器２０１と、制御部２０２とを備えている。

接続端子１１，１２は、充電用電源３と電池パック２とを接続する接続端子である。接続端子１１，１２は、充電用電源３と電池パック２とを電気的に接続するものであればよく、例えば電極やコネクタ、端子台等であってもよく、ランドやパッド等の配線パターンであってもよい。

接続端子２１，２２は、充電回路と二次電池１４とを接続する接続端子である。接続端子２１，２２は、充電回路と二次電池１４とを電気的に接続するものであればよく、例えば電極やコネクタ、端子台等であってもよく、ランドやパッド等の配線パターンであってもよい。

接続端子１１は、放電用のスイッチング素子Ｑ３、充電用のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２（第１及び第２のスイッチング素子）、及び接続端子２１を介して二次電池１４の正極に接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３としては、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor）が用いられる。スイッチング素子Ｑ３は、例えばｐチャネルのＦＥＴであり、寄生ダイオードのカソードが二次電池１４の方向にされている。また、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、例えばｎチャネルのＦＥＴであり、寄生ダイオードのカソードが接続端子１１の方向にされている。

ＦＥＴのオン抵抗は非常に小さいため、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３として、ＦＥＴを用いることで、充電および放電時の熱損失を低減することができる。なお、スイッチング素子の種類は特に限定されないが、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いてもよい。ＩＧＢＴは、耐圧が非常に大きいため、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３としてＩＧＢＴを用いることで、高電圧による充電および放電が可能となる。

また、接続端子１２は、電流検出部１６と接続端子２２とを介して二次電池１４の負極に接続されており、接続端子１１からスイッチング素子Ｑ３，Ｑ１，Ｑ２、接続端子２１、二次電池１４、接続端子２２、及び電流検出部１６を介して接続端子１２に至る充放電経路が構成されている。そして、二次電池１４の負極は、回路グラウンドになっている。

電流検出部１６は、例えば電流検出用のシャント抵抗やホール素子によって構成されている。そして、電流検出部１６は、二次電池１４の充電電流および放電電流を電圧値に変換してアナログデジタル変換器２０１へ出力する。

二次電池１４は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等の二次電池である。なお、二次電池１４は、単電池に限られず、例えば複数の二次電池が直列接続された組電池であってもよく、例えば複数の二次電池が並列接続された組電池であってもよく、直列と並列とが組み合わされて接続された組電池であってもよい。

温度センサ１７は、二次電池１４の温度を検出する温度センサである。そして、温度センサ１７によって検出された二次電池１４の温度は、アナログデジタル変換器２０１に入力される。また、二次電池１４の端子電圧Ｖｔは、電圧検出回路１５によって検出され、アナログデジタル変換器２０１に入力される。さらにまた、電流検出部１６によって検出された充電電流Ｉｃの電流値も、アナログデジタル変換器２０１に入力される。アナログデジタル変換器２０１は、各入力値をデジタル値に変換して、制御部２０２へ出力する。

制御部２０２は、例えば所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、これらの周辺回路等とを備えて構成されている。そして、制御部２０２は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、保護制御部２１１、充電制御部２１２、及び故障判定部２１３として機能する。

充電制御部２１２は、充電用電源３から出力される充電電圧をパルス状にオン、オフすることにより、二次電池１４に流れる電流を調節し、二次電池１４をパルス充電によって充電する。具体的には、充電制御部２１２は、例えばスイッチング素子Ｑ１のみをオンさせる工程と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオンさせる工程と、スイッチング素子Ｑ２のみをオンさせる工程とを繰り返すことにより、接続端子２１，２２に接続された二次電池１４へパルス状に充電電流を供給し、いわゆるパルス充電方式によって、二次電池１４を充電する。

故障判定部２１３は、充電制御部２１２によってスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のうちいずれか一方のみがオンされている期間に、電流検出部１６によって検出された電流が、電流の有無を判定するために予め設定された電流閾値Ｉｔｈを超えた場合、すなわち充電電流が有ると検知された場合、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のうち少なくとも一方にショート故障が生じていると判定する。電流閾値Ｉｔｈは、例えば、電流検出部１６及びアナログデジタル変換器２０１による電流検出精度や、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の漏れ電流等より僅かに大きな電流値が設定されている。

具体的には、故障判定部２１３は、充電制御部２１２によってスイッチング素子Ｑ１のみがオンされている期間に、電流検出部１６によって検出された電流が電流閾値Ｉｔｈを超えた場合、スイッチング素子Ｑ２にショート故障が生じていると判定し、ＬＥＤ２０を点灯させる。また、故障判定部２１３は、充電制御部２１２によってスイッチング素子Ｑ２のみがオンされている期間に、電流検出部１６によって検出された電流が電流閾値Ｉｔｈを超えた場合、スイッチング素子Ｑ１にショート故障が生じていると判定し、ＬＥＤ１９を点灯させる。

また、故障判定部２１３は、充電制御部２１２によってスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が共にオンされている期間に、電流検出部１６によって検出された電流が電流閾値Ｉｔｈ以下の場合、すなわち充電電流が無いことが検知された場合、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のうち少なくとも一方にオープン故障が生じていると判定し、ＬＥＤ１９，２０を点灯させる。

なお、報知部は、ＬＥＤ１９，２０に限られず、例えば液晶表示器等を用いて故障を報知するメッセージを表示するようにしてもよく、警報ブザー等のように音で故障の発生を報知してもよく、あるいは通信回路を用いて、電池パック２によって駆動される負荷機器や充電装置へ故障の発生を報知するものであってもよい。

保護制御部２１１は、アナログデジタル変換器２０１からの各入力値から、接続端子１１，１２間の短絡や、接続端子１１，１２に接続される図略の負荷機器本体からの異常電流等、電池パック２の外部における異常や、二次電池１４の異常な温度上昇及び二次電池１４の過充電等の異常を検出する。具体的には、保護制御部２１１は、例えば、電流検出部１６によって検出された電流値が予め設定された異常電流判定閾値を超えると、接続端子１１，１２間の短絡や図略の負荷機器本体からの異常電流に基づく異常が生じたと判定する。

また、保護制御部２１１は、例えば温度センサ１７によって検出された二次電池１４の温度が予め設定された異常温度判定閾値を超えると、二次電池１４の異常が生じたと判定する。そして、保護制御部２１１は、このような異常を検出した場合、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３をオフさせて、過電流や過熱等の異常から、二次電池１４を保護する保護動作を行う。

また、保護制御部２１１は、電圧検出回路１５によって検出された端子電圧Ｖｔが、予め設定された過充電検出電圧を超えると、過充電が生じたと判定し、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフさせて、過充電から二次電池１４を保護する保護動作を行う。

また、保護制御部２１１は、例えば電圧検出回路１５により検出された二次電池１４の端子電圧Ｖｔが、二次電池の過放電を防止するために予め設定された放電禁止電圧以下になった場合、スイッチング素子Ｑ３をオフさせて、過放電による二次電池１４の劣化を防止するようになっている。

また、保護制御部２１１は、故障判定部２１３によって、スイッチング素子Ｑ１にショート故障が生じていると判定された場合、スイッチング素子Ｑ２をオフして二次電池１４の充電を停止させる。また、保護制御部２１１は、故障判定部２１３によって、スイッチング素子Ｑ２にショート故障が生じていると判定された場合、スイッチング素子Ｑ１をオフして二次電池１４の充電を停止させる。なお、保護制御部２１１は、故障判定部２１３によって、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のいずれかにショート故障が生じていると判定された場合、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフするようにしてもよい。

また、保護制御部２１１は、故障判定部２１３によって、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のいずれかにオープン故障が生じていると判定された場合、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフする。

次に、上述のように構成された充電システム１の動作について説明する。図２、図３、図４は、図１に示す充電システム１における充電時の動作を説明するための説明図であり、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオン、オフさせる制御信号Ｓ１，Ｓ２と、二次電池１４に流れる充電電流Ｉｃと、二次電池１４の端子電圧Ｖｔとの関係を示している。

まず、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のいずれも故障していない場合の故障診断について説明する。図２は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が正常な場合における充電システム１の動作の一例を示している。まず、充電時において、充電制御部２１２によって、スイッチング素子Ｑ３はオンされている。スイッチング素子Ｑ３は放電制御用のスイッチング素子であるが、オンされることによりオン抵抗が減少する。

次に、図２におけるタイミングＴ１において、充電制御部２１２からの制御信号Ｓ１，Ｓ２がハイレベル（Ｈ）にされて、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオンされる。そうすると、充電用電源３から供給された充電電流Ｉｃが、接続端子１１、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ１，Ｑ２、接続端子２１、二次電池１４、及び電流検出部１６を介して接続端子１２へ流れ、電流検出部１６によって、充電電流Ｉｃが検出される。以下の説明において、同一の動作を行うタイミングには、同一のタイミング符号を付して、その説明を省略する。

そして、故障判定部２１３によって、電流検出部１６により検出された充電電流Ｉｃが電流閾値Ｉｔｈと比較され、充電電流Ｉｃが電流閾値Ｉｔｈを超える結果、故障判定部２１３によって、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオープン故障していないと判定される。

次に、図２におけるタイミングＴ２において、充電制御部２１２によって、制御信号Ｓ１がハイレベル、制御信号Ｓ２がローレベルにされ、スイッチング素子Ｑ１がオン、Ｑ２がオフされる。そうすると、充電用電源３から供給された充電電流Ｉｃがスイッチング素子Ｑ２によって遮断され、電流検出部１６により検出される充電電流Ｉｃがゼロとなる。そして、故障判定部２１３によって、電流検出部１６により検出された充電電流Ｉｃが電流閾値Ｉｔｈと比較され、充電電流Ｉｃが電流閾値Ｉｔｈに満たない結果、故障判定部２１３によって、スイッチング素子Ｑ２がショート故障していないと判定される。

次に、図２におけるタイミングＴ３において、充電制御部２１２によって、制御信号Ｓ１がローレベル、制御信号Ｓ２がハイレベルにされ、スイッチング素子Ｑ１がオフ、Ｑ２がオンされる。そうすると、充電用電源３から供給された充電電流Ｉｃが、スイッチング素子Ｑ１によって遮断され、電流検出部１６により検出される充電電流Ｉｃがゼロとなる。そして、故障判定部２１３によって、電流検出部１６により検出された充電電流Ｉｃが電流閾値Ｉｔｈと比較され、充電電流Ｉｃが電流閾値Ｉｔｈにみたない結果、故障判定部２１３によって、スイッチング素子Ｑ１がショート故障していないと判定される。

このように、タイミングＴ１〜Ｔ３の動作を繰り返すことにより、二次電池１４のパルス充電による充電中に、充電を中断することなく速やかにスイッチング素子の故障判定を行うことができる。

そして、以下、タイミングＴ１〜Ｔ３の動作が繰り返されることにより、タイミングＴ１〜Ｔ２の期間においてパルス状に二次電池１４へ充電電流Ｉｃが供給されて、二次電池１４がパルス充電される。この場合、タイミングＴ１〜Ｔ２，Ｔ２〜Ｔ３，Ｔ３〜Ｔ１の間隔は、充電制御部２１２によって適宜調節される結果、二次電池１４へ供給される充電電流が制御される。

タイミングＴ１〜Ｔ２までの期間、二次電池１４の端子電圧Ｖｔは、（充電電流Ｉｃ）×（二次電池１４の内部抵抗）＋（二次電池１４の開放電圧）となって、二次電池１４の開放電圧よりも、（充電電流Ｉｃ）×（二次電池１４の内部抵抗）だけ電圧が上昇する。また、タイミングＴ２〜Ｔ３〜Ｔ１までの期間、二次電池１４の端子電圧Ｖｔは、二次電池１４の開放電圧となる。

そして、充電制御部２１２は、例えばタイミングＴ１〜Ｔ２における端子電圧Ｖｔと、タイミングＴ２〜Ｔ３〜Ｔ１における二次電池１４の端子電圧Ｖｔとが略等しくなり、すなわち二次電池１４の開放電圧が充電用電源３の出力電圧と略等しくなった場合、二次電池１４が満充電になったものと判定し、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３をオフして充電を終了する。

次に、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のいずれか一方、例えばスイッチング素子Ｑ２がショート故障した場合について説明する。図３は、スイッチング素子Ｑ２が、タイミングＴ４においてショート故障した場合における充電システム１の動作の一例を示している。まず、充電時において、充電制御部２１２によって、スイッチング素子Ｑ３はオンされている。

次に、図２の場合と同様、タイミングＴ１〜Ｔ３の動作が行われる。そして、タイミングＴ１において、充電制御部２１２によって、制御信号Ｓ１，Ｓ２がハイレベルにされ、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオンされた後、例えばタイミングＴ４においてスイッチング素子Ｑ２がショート故障したものとする。

そして、タイミングＴ５において、充電制御部２１２によって、制御信号Ｓ１がハイレベル、制御信号Ｓ２がローレベルにされる。このとき、スイッチング素子Ｑ１はオンするが、スイッチング素子Ｑ２はショート故障しているのでオフしない。そうすると、充電用電源３から供給された充電電流Ｉｃが、接続端子１１、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ１，Ｑ２、接続端子２１、二次電池１４、及び電流検出部１６を介して接続端子１２へ流れ、電流検出部１６によって、充電電流Ｉｃが検出される。

また、二次電池１４の端子電圧Ｖｔは、（充電電流Ｉｃ）×（二次電池１４の内部抵抗）＋（二次電池１４の開放電圧）のまま、開放電圧に低下しない。

そして、故障判定部２１３によって、電流検出部１６により検出された充電電流Ｉｃが電流閾値Ｉｔｈと比較され、充電電流Ｉｃが電流閾値Ｉｔｈを超える結果、故障判定部２１３によって、スイッチング素子Ｑ２がショート故障していると判定され、ＬＥＤ２０が点灯されて、スイッチング素子Ｑ２のショート故障が報知される。

また、故障判定部２１３によってスイッチング素子Ｑ２がショート故障していると判定されると、充電制御部２１２によって、制御信号Ｓ１，Ｓ２がローレベルにされて少なくとも故障していないスイッチング素子Ｑ１がオフされて、充電電流Ｉｃが遮断され、充電を終了する。

以上、タイミングＴ１〜Ｔ５に示すように、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のうちいずれかがショート故障した場合であっても、二次電池１４のパルス充電による充電中に、充電を中断することなく速やかにスイッチング素子の故障を検出することができる。そして、充電用のスイッチング素子が二つ直列に設けられているので、スイッチング素子の一方がショート故障した場合であっても他方をオフすることで、充電電流を遮断することができる結果、安全性を向上させることができる。さらに、ショート故障したスイッチング素子を示すＬＥＤが点灯するので、ユーザが故障内容を知ることができ、スイッチング素子の交換修理が容易となる。

次に、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のうち少なくとも一つがオープン故障した場合について説明する。図４は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のうち少なくとも一つが、タイミングＴ７においてオープン故障した場合における充電システム１の動作の一例を示している。まず、充電時において、充電制御部２１２によって、スイッチング素子Ｑ３はオンされている。

次に、図２の場合と同様、タイミングＴ１〜Ｔ３の動作が行われる。そして、図４におけるタイミングＴ３において、充電制御部２１２によって、制御信号Ｓ１がローレベル、制御信号Ｓ２がハイレベルにされ、スイッチング素子Ｑ１がオフ、Ｑ２がオンされた後、例えばタイミングＴ７においてスイッチング素子Ｑ１がショート故障したものとする。

そして、タイミングＴ８において、充電制御部２１２によって、制御信号Ｓ１，Ｓ２がハイレベルにされる。このとき、スイッチング素子Ｑ２はオンするが、スイッチング素子Ｑ１はオープン故障しているのでオンしない。そうすると、充電用電源３から供給された充電電流Ｉｃが、スイッチング素子Ｑ１によって遮断され、電流検出部１６により検出される充電電流Ｉｃがゼロとなる。この場合、二次電池１４の端子電圧Ｖｔは、開放電圧のまま維持され、（充電電流Ｉｃ）×（二次電池１４の内部抵抗）＋（二次電池１４の開放電圧）の電圧に上昇しない。

そして、故障判定部２１３によって、電流検出部１６により検出された充電電流Ｉｃが電流閾値Ｉｔｈと比較され、充電電流Ｉｃが電流閾値Ｉｔｈに満たない結果、故障判定部２１３によって、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のうちすくなくとも一つがオープン故障していると判定され、ＬＥＤ１９，２０が点灯されて、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のうちすくなくとも一つがオープン故障していることが報知される。

また、故障判定部２１３によりスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のうちすくなくとも一つがオープン故障していると判定されると、充電制御部２１２によって、制御信号Ｓ１，Ｓ２がローレベルにされて、充電を終了する。

以上、タイミングＴ１〜Ｔ９に示すように、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のうちいずれか一つがオープン故障した場合であっても、二次電池１４のパルス充電による充電中に、充電を中断することなく速やかにスイッチング素子の故障を検出し、充電を終了することができる。さらに、スイッチング素子のオープン故障が発生した旨、ＬＥＤ１９，２０の点灯によって報知することができるので、ユーザが故障内容を知ることができ、スイッチング素子の交換修理が容易となる。

本発明は、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、携帯電話機等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、等の電池搭載装置として使用される充電システム、これら電池搭載装置の電源として用いられる二次電池の充電回路、電池パック、及び充電システムとして好適に利用することができる。

本発明の一実施形態に係る充電回路を備えた電池パック、及びこの電池パックを備えた充電システムの構成の一例を示すブロック図である。 図１に示す充電システムにおける充電時の動作を説明するための説明図である。 図１に示す充電システムにおいて、スイッチング素子がショート故障した場合の動作を説明するための説明図である。 図１に示す充電システムにおいて、スイッチング素子がオープン故障した場合の動作を説明するための説明図である。

符号の説明

１ 充電システム
２ 電池パック
３ 充電用電源
１１，１２，２１，２２ 接続端子
１４ 二次電池
１５ 電圧検出回路
１６ 電流検出部
１７ 温度センサ
１９，２０ ＬＥＤ
２０１ アナログデジタル変換器
２０２ 制御部
２１１ 保護制御部
２１２ 充電制御部
２１３ 故障判定部
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３ スイッチング素子
Ｉｃ 充電電流
Ｖｔ 端子電圧

Claims (8)

1. 二次電池に接続するための電池接続端子と、
   前記二次電池の充電用の電流を出力する電源部から、前記電流を受電するための電源接続端子と、
   前記電源接続端子と前記電池接続端子との間に直列に接続され、前記電源接続端子から前記電池接続端子へ流れる電流をオン、オフする第１及び第２のスイッチング素子と、
   前記電源接続端子から前記電池接続端子へ流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記第１及び第２のスイッチング素子をオンさせる工程と、前記第１のスイッチング素子をオンさせると共に前記第２のスイッチング素子をオフさせる工程と、前記第１のスイッチング素子をオフさせると共に前記第２のスイッチング素子をオンさせる工程とを繰り返すことにより、前記電池接続端子へパルス状に充電電流を供給する充電制御部と、
   前記充電制御部によって前記第１及び第２のスイッチング素子のうちいずれか一方のみがオンされている期間に、前記電流検出部によって検出される電流が、前記電池接続端子へ流れる電流の有無を判定するべく設定された電流閾値を超える場合、前記第１及び第２のスイッチング素子のうち少なくとも一方に故障が生じていると判定する故障判定部と
   を備えることを特徴とする充電回路。
2. 前記故障判定部は、
   前記充電制御部によって前記第１のスイッチング素子がオンされると共に前記第２のスイッチング素子がオフされる工程において、前記電流検出部によって検出される電流が前記電流閾値を超える場合、前記第２のスイッチング素子にショート故障が生じていると判定し、
   前記充電制御部によって前記第１のスイッチング素子がオフされると共に前記第２のスイッチング素子がオンされる工程において、前記電流検出部によって検出される電流が前記電流閾値を超える場合、前記第１のスイッチング素子にショート故障が生じていると判定すること
   を特徴とする請求項１記載の充電回路。
3. 前記故障判定部は、
   前記充電制御部によって前記第１及び第２のスイッチング素子がオンされる工程において、前記電流検出部によって検出される電流が前記電流閾値に満たない場合、前記第１及び第２のスイッチング素子のうち少なくとも一方にオープン故障が生じていると判定すること
   を特徴とする請求項１又は２記載の充電回路。
4. 前記故障判定部によって、故障が生じていると判定された場合、前記第１及び第２のスイッチング素子をオフさせる保護制御部をさらに備えること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の充電回路。
5. 前記故障判定部によって前記第１のスイッチング素子に故障が生じていると判定された場合、前記第２のスイッチング素子をオフさせ、
   前記故障判定部によって前記第２のスイッチング素子に故障が生じていると判定された場合、前記第１のスイッチング素子をオフさせる保護制御部をさらに備えること
   を特徴とする請求項２記載の充電回路。
6. 前記故障判定部によって故障が生じていると判定された場合、故障の発生を報知する報知部をさらに備えること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の充電回路。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の充電回路と、
   前記二次電池と
   を備えることを特徴とする電池パック。
8. 請求項１〜６のいずれかに記載の充電回路と、
   前記二次電池と、
   前記電源部と
   を備えることを特徴とする充電システム。

Images