JP2012200113A - 電池パック及び充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】組電池の過充電保護の確認試験に規定される上限充電電圧の規定に対応すると共に、セルをより満充電に近い状態まで充電する事ができる電池パックを提供する。
【解決手段】充放電可能なセルと、セルを含む充電経路に配置され、セルの充電を制御するスイッチ素子と、セルの電圧が予め設定された過充電電圧に達した場合にスイッチ素子をオフ状態とする保護回路と、セルの周囲温度を検出する温度検出回路と、温度検出回路の値を外部出力する温度検出端子を備えた電池パックであって、セルの電圧を検出し、過充電電圧よりも低い電圧に設定された充電制御電圧との比較を行なう充電検出回路と、充電検出回路により制御され、温度検出回路を短絡させる短絡手段を備え、セルの充電電圧が充電制御電圧に達した場合、充電検出回路が短絡手段をオン状態とし、前記温度検出端子よりセルの温度が充電可能な温度範囲外にあることを出力し、充電制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、リチウム二次電池などを用いた電池パック及び電池パックとこれを充電するための充電装置を含む充電システムに関する。

リチウム二次電池を用いた電池パックは、ノート型ＰＣや携帯電話など、消費電力が大きな携帯用電子機器に好適である。しかしながら、これらの機器では、消費電力が大きい機器の普及やスマートフォンに代表される高機能化された機器の急速な市場拡大などに伴い、電池容量の更なる増大が望まれている。また、充電時間の短縮に関する要望も高く、充電電流も増加傾向にある。

一方、電池容量の増加は、その安全性に大きく影響する。日本国内では、携帯電子機器用リチウム二次電池の安全性を向上させるため、２００７年に従来の電気用品安全法にリチウム二次電池が追加され、これに併せて２００８年に電気用品安全法施行規則及び電気用品の技術上の基準を定める省令が公布されている。さらに、省令は、技術基準としてＪＩＳ規格 ＪＩＳ Ｃ ８７１２「密閉型小型二次電池の安全性」及びＪＩＳ Ｃ８７１４「携帯電子機器用リチウムイオン蓄電池の単電池及び組電池の安全性試験」を引用している。これら規格は、主にリチウム二次電池の単電池であるセル、このセルを組合せた組電池を対象とし、設計基準、通常使用及び予見可能な誤使用における安全確保に関する要求事項を規定している。

さらに省令は、２０１１年より試験条件を過酷化し、単電池では４５℃及び１０℃を上下限の各試験温度とし、充電を実施した状態での評価を要求事項に付加している。また、組電池では、過充電の保護機能、機器落下時における組電池の安全性を要求事項に追加している。

過充電の保護機能についての要求事項は、ＪＩＳ Ｃ ８７１４における組電池の過充電保護の確認試験（以下、これを技術基準という）に規定されており、組電池内の単電池が上限充電電圧を越えないことを要求している。

この要求に対応するために、複数のセルが直列に接続された電池パックでは、セル毎の電圧を検出し、これらの電圧値が全て一定値以下となる制御を導入する、或いは電池パック内の各セルが所定の電圧を超えない様に、当該パックに組み合わされる充電装置が充電電圧の制御を行なう構成（例えば、特許文献１に記載）等の方策を採用し、技術基準に適応する必要がある。

リチウム二次電池を用いた電池パックは、従前より、セルの過充電に対する保護機能を有している。さらに複数個のセルを直列接続した電池パックでは、セル毎の電圧値を検出し、その電圧値に対して過充電保護を行う構成が採用されている。図３に二つのセルを直列接続した従来の電池パックの回路構成を示し、その動作について説明する。

電池パック１０は、セル１、セル２、これらセルの充放電状態を制御する保護回路３及びセルの周囲温度を検出するためのサーミスタ素子７を備えており、保護回路３は各セルの電圧を個々に測定可能な構成としている。また、直列接続されたセル１、セル２は電池パック１０の正負極端子に接続されており、正極端子から各セルを通じて負極端子に至る充放電経路には、過充電ＦＥＴ４、及び過放電ＦＥＴ５が配置されている。保護回路３は各セルの電圧を検出しており、さらに少なくとも何れか一方のセルの電圧が過充電、過放電となる閾値を越えた場合、セルが過充電もしくは過充電状態にあると判断し、対応するＦＥＴをオフ状態とする。例えば、セル１の電圧が過充電と看做す閾値（例えば、４．３Ｖ）を超えるまで上昇した場合、保護回路３は過充電ＦＥＴ４を動作させ、充電装置２０からセル１、セル２への電流供給を停止することで、過充電を防止している。また、サーミスタ端子６は、セル１及びセル２の近傍に配置され、セルの周囲温度を検出するサーミスタ素子７に接続されている。サーミスタ素子７は、その抵抗値の変化からセルの周囲温度が充電の実施可能な所定の温度範囲を超えた状態にあることを検出し、サーミスタ端子６を介して充電装置２０に伝えることで、充電装置２０が充電電流を制限、或いは停止する構成としている。

このような構成を有する電池パック１０の充電は、サーミスタ端子６の接続状況から充電装置２０が電池パック１０の装着を検出することにより開始される。充電装置２０の充電制御は、内部にある充電制御回路２１にて電池パック１０の充電電圧を、充電経路に配置された検出抵抗にて充電電流を各々検出し、電池パック１０が満充電となる様、充電制御回路２１が定電圧・定電流の制御を行う。例えば、２つのセルを直列接続した本従来例の場合、充電装置２０は８．４Ｖ・１Ａの定電圧定電流にて電池パック１０の充電を実施する。

特開２０１０−２５９１２８号公報

技術基準における過充電保護の要求について、電池パック単体で当該要求を満たすには、電池パック内の各セルが技術基準の定める上限充電電圧（４．２５Ｖ、本願明細書では、上限充電電圧について技術基準が定める４．２５Ｖとする）を越えない様、電池パックのみで完結する過充電の保護機能が必要となる。そこで、技術基準に対応する方策として、過充電及び過放電の保護回路によるセル毎の電圧を検出する機能を活用し、セルの電圧が上限充電電圧に達した場合に充電を停止する制御方法が想定される。

例えば、図３の従来例において、電池パック１０における保護回路３が過充電と看做す閾値（以下、過充電の検出電圧）を上限充電電圧と同じ、若しくは下回る値に設定し、セル１、セル２の電圧を検出する保護回路３が少なくとも何れか一方のセルが上限充電電圧に達する以前に充電ＦＥＴ４をオフ状態とし、上限充電電圧を超えない様に保護回路３の機能を制御することにより、技術基準が要求する条件については充足することができる。

しかし、上記の制御では、セル１、セル２の何れか一方の充電電圧が上限充電電圧の値以下の状態において過充電保護が機能し、充電装置２０からの充電が継続されている状態にて、電池パック１０は強制的に充電を停止する。この場合、充電装置２０は正常な終了条件と異なる条件での停止、すなわち異常停止と判断することになる。

そこで上記の制御に加え、充電装置２０が上限充電電圧を下回る領域で充電を実施することで、充電装置２０は正常に充電を終了することが可能になる。この際、充電装置２０の充電電圧は、過充電の検出電圧とセルの直列接続数とを乗じた値を下回る値を基準とし、さらに制御及び検出における誤差等を考慮して設定される。この設定に基づく充電電圧は従来の充電電圧に比べて低いことから、セルの充電容量の低下を招き、電池パック１０を使用する機器の駆動時間が従来例に比較して短縮されてしまう不具合を生ずる。

さらに上記構成を採用した電池パックでは、充電中にセル間に電圧のバラツキが生じた場合、最も電圧の高いセルが上限充電電圧に達した時点で充電が終了する。この時、他のセルは上限充電電圧に達しておらず、早期に充電を終了することになるため、充電容量の不足が助長されることになる。

そこで、上述のような不具合の回避と技術基準への対応を両立するために特許文献１の充電装置は、セル毎の電圧を各々測定し、測定した値のうち最も高い電圧と予め定められた電圧値とを比較し、当該電圧値を超えない様に充電装置の定電圧制御電圧を設定し、定電圧充電する構成を提案している。

然し乍、この提案ではセルの電圧を個別に測定し、測定値を充電装置に伝える構成を電池パックに設けると共に、充電装置にセルの電圧値から定電圧制御を行なう電圧を設定し、この電圧にて定電圧制御を実施する構成を追加する必要がある。これにより、電池パック、充電装置の双方について新規の構成を導入する必要が生じ、開発工数の増加、新たな構成要素を付加することによる部品コストの上昇等を招くことになる。特に電池パックと機器とが一体化され、機器が電池パックの充電を実施する構成では、当該技術基準に対応するために機器全体の構成を再構築する必要が生じてしまい、技術基準の厳格化による影響が広範に及ぶことになる。また、技術基準の導入以前に販売された既存の充電装置は上記の構成を採用した電池パックとの互換性を有しておらず、当該電池パックを代替品として購入した場合、その充電が実施不可能な状態に陥ることが想定され、電池パックと充電装置の双方を新規に購入する必要が生じてしまう。

本発明は、技術基準への対応に起因する上述した課題を解決するものであり、技術基準が要求する過充電の保護機能を電池パックの制御にて対応すると共に、セルをより満充電に近い状態まで充電する事ができる電池パック、及びこの電池パックを充電するための充電装置を含む充電システムを提供するものである。

本発明に係る電池パックは、充放電可能なセルと、セルを含む充電経路に配置され、セルの充電を制御するスイッチ素子と、セルの電圧が予め設定された過充電電圧に達した場合にスイッチ素子をオフ状態とする保護回路と、セルの周囲温度を検出する温度検出回路と、温度検出回路の値を外部出力する温度検出端子を備えた電池パックであって、セルの電圧を検出し、過充電電圧よりも低い電圧に設定された充電制御電圧との比較を行なう充電検出回路と、充電検出回路により制御され、温度検出回路を短絡させる短絡手段を備え、セルの充電電圧が充電制御電圧に達した場合、充電検出回路が短絡手段をオン状態とすることを特徴とする。

また、本発明に係る充電システムは、電池パックとこれを充電するための充電装置とを備えた充電システムであり、電池パックは、充放電可能なセル、セルを含む充経路に配置され、電池パックの充電を制御するスイッチ素子、セルの電圧が予め設定された過充電検出電圧に達した場合にスイッチ素子をオフ状態にして過充電保護を行なう保護回路、セルの温度を検出する温度検出回路、温度検出回路の値を充電装置に出力する温度検出端子を備え、さらにセルの電圧を検出し、過充電電圧よりも低い電圧に設定された充電制御電圧との比較を行なう充電検出回路、充電検出回路により制御され、温度検出回路に並列接続された短絡手段を備えてなり、充電装置は、電池パックに供給される充電電流、充電電圧を制御すると共に温度検出端子から入力されるセルの温度検出に基づき、温度が所定の範囲にある場合に充電を実施しており、セルの充電電圧が充電制御電圧に達した場合、充電検出回路が短絡手段をオン状態とし、温度検出端子よりセルの温度が充電可能な温度範囲外にあることを出力し、充電装置は、温度検出端子より出力を受け、電池パックへの充電電流の供給を停止すると共にすることを特徴とする。

本発明の電池パックは、セルの電圧が予め定められた上限充電電圧に到達した時にサーミスタ端子を短絡状態とすることにより、充電装置にセルの温度が所定範囲を超える値にあると認識させ、充電電流の供給を停止させるものであり、電池パック単独で技術基準が要求する上限充電電圧の制御に対応する構成を具現化するものである。

この構成は、上限充電電圧に係るセル電圧の検出と充電制御、及び過充電保護に係るセル電圧の検出と過充電保護を独立させ、過充電保護に係る電圧の閾値を上限充電電圧の制御に係る電圧の閾値よりも高く設定することにより、電池セルは上限充電電圧に達するまでの充電を可能としており、技術基準に対応して上限充電電圧に係る制御を導入した電池パックであっても充電容量を確保できる効果を奏するものである。

また、本発明に係る充電システムは、セルの電圧が予め定められた上限充電電圧に到達した時にサーミスタ端子を短絡状態とすることにより、充電装置からの電流供給を停止し、前記上限充電電圧を下回った時に前記短絡状態を解除することにより、充電を開始もしくは再開する制御を行うものであり、充電装置は、充電上限電圧を超えない様に充電状態の制御を実施し、予め定まれた定電流、定電圧に基づく充電の手順を完了することが可能になる。

さらに、上限充電電圧を上回った場合でも電池パックもしくは充電器が強制的に充電を中止することがないことから、電池パック及び充電装置の使用者が意図しない充電の中断を回避することでき、使用者の利便性を高める効果を奏するものである。

本実施形態に係る電池パックの回路構成を示す図 本実施形態に係る電池パック、及びこれに組み合わされる充電装置における充電手順を示すフローチャート 従来の電池パックの回路構成を示す図 従来の電池パックにおける充電手順を示すフローチャート

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明を具体的に説明するものであって、本発明に係る電池パックを以下の構成に限定するものでない。また、本実施形態は、二つのセルを直列接続した構成としているが、この構成に限定されるものでなく、三つ以上のセルを直列接続した場合、複数のセルを並列接続したブロックを直列接続した構成、或いはこれらの組み合わせでも、セルもしくはブロック毎の電圧を個々に検出する構成により、同様の効果を奏するものである。また、単数セルの場合は、個々に電圧を測定する構成を簡素化することで適用可能である。

図１は本発明に係る電池パックの回路構成を示す図である。図１において、従来の回路構成を示す図３と同一の構成となる部分は同じ番号を付与しており、その詳細な説明は省略する。

電池パック１０は、従来構成と同様にセル１、セル２、これらセルを過充電・過放電から保護する保護回路３、セルの周囲温度を検出するサーミスタ素子７、正負極端子と共に充電装置２０に電気的に接続されるサーミスタ端子６を備えており、さらにセル１、セル２の各充電状態を検出する充電検出回路８、この充電検出回路８により制御され、サーミスタ素子７を短絡させる短絡手段であるスイッチ手段９が付加されている。

サーミスタ素子７は従来と同様にセルの近傍に配置され、セル１、セル２の温度を検出しており、これらセルの周囲温度により抵抗値が変化する。充電制御回路２１は、サーミスタ素子７の抵抗値からセルの周囲温度を推定しており、セルの周囲温度が所定の範囲にある場合のみ、充電を実施し、電池パック１０へ供給する充電電流の制御を行う。

なお、本発明において、サーミスタ素子７がセルの周囲温度を検出するとしたが、温度検出回路の一種としてサーミスタ素子７を用いている。ゆえに、サーミスタ素子７の代わりに、他の温度検出回路を用いても良い。

なお、本発明において、スイッチ手段９にてサーミスタ素子７を短絡させるとしたが、スイッチ手段９とサーミスタ素子７よりも小さな抵抗値をもつ抵抗とを直列に接続した短絡回路としてもよい。サーミスタ素子７から抵抗値が０の短絡回路になることで、サーミスタ端子６からの出力を受信する機器側の充電制御回路２１がデータの急な変化で誤動作を起こす可能性がある。スイッチ回路９と小さな抵抗値の抵抗の短絡回路により、データの急激な変化を緩和することができる。

本実施形態では、技術基準が定める試験条件に対応させるセルの周囲温度を検出する構成としている。一方、技術基準を含むＪＩＳ Ｃ ８７１４は、セル及び組電池を充電する際の温度条件として標準温度域を設定し、セルの表面温度を検出することを要求している。したがって、サーミスタ素子が検出するセルの温度は、技術基準が要求する温度検出の方法に応じ、セルの周囲温度、セルの表面温度を選択するのが好ましい。なお、セルの表面温度を検出するためには、本実施形態のようにセルの近傍にサーミスタ素子を配置し、セルの表面温度を推定する構成に加え、表面温度の検出精度を高めるためにサーミスタ素子７をセルの表面に接触させ、セル表面の温度を直接検出する構成を用いても良い。

充電検出回路８は、保護回路３と同様に各セルの電圧を個々に測定可能な構成としている。また、測定したセルの電圧値から充電状況を判定し、間接的に充電装置２０からの充電電流を制御するためにスイッチ手段９のオンオフ制御を行うものである。この充電検出回路８は、技術基準が定める上限充電電圧を閾値に設定しており、少なくとも何れか一方のセルの電圧が４．２５Ｖ以上の場合には、スイッチ手段９をオン状態にすることで、サーミスタ素子７を短絡状態とする。また、セル１、セル２の電圧が共に４．２５Ｖを下回った場合には、スイッチ手段９をオフ状態にすることで、サーミスタ素子７を短絡状態から復帰させる。

これらにより、充電期間中にセルの充電状態にバラツキが生じ、セル１、セル２の何れか一方の電圧が４．２５Ｖを達した段階で、スイッチ手段９をオン状態とし、双方のセルが共に４．２５Ｖを下回った段階でスイッチ手段９をオフ状態とする。すなわち、充電検出回路８は、充電期間中の各セル電圧を検出し、当該電圧と技術基準にて要求される上限充電電圧を比較することで、各セルの電圧が充電電圧の上限充電電圧を越えない様、制御するものである。

なお、セル１、セル２の周囲温度が充電可能な温度範囲を超える場合は、充電検出回路８からの検出状況に関係なく、サーミスタ素子７は充電装置２０からの電流供給を停止させる抵抗値を示すことなる。

また、充電検出回路８に関しては、セルの電圧検出において検出誤差が生ずることを考慮するのが好ましい。この際、検出誤差としては±０．０３Ｖ程度が想定され、この誤差の最大値での場合でも４．２５Ｖ以上の電圧で充電検出回路８が動作する様に設定される。

一方、充電装置２０の充電制御回路２１は、サーミスタ端子６を介してサーミスタ素子７に接続されており、電池パッックのサーミスタ素子７が短絡状態となったことを検出する。この際、充電制御回路２１は、セル１、セル２の少なくとも何れか一方の温度が充電可能な温度範囲を超える状態にあると判断し、電池パックへ供給する充電電流を停止する様に制御を行う。

充電装置２０からの充電電流が停止されると、電池パック１０のセル１、セル２は各セルの開路電圧を示す状態となり、充電検出回路８はセル毎に開路電圧を検出する状態となる。この際、開路電圧の値が共に上限充電電圧を下回っている場合には、充電検出回路８がスイッチ手段９をオフ状態とすることで、充電装置２０にセル１、セル２の温度が共に充電可能な温度範囲内に復帰した状態にあることを示す。これにより、充電装置２０は電池パック１０への充電電流の供給を再開し、充電を継続するための他の条件が全て充足されている限り、セル１、セル２の充電が継続されることになる。

以上から明らかなように、本実施形態に係る電池パック１０は、セルの少なくとも何れか一方の電圧が上限充電電圧に達した際にサーミスタ素子７を短絡させることで、充電装置２０に前記短絡を検出させ、間接的に充電電流を停止させる構成としたものである。そして、この構成により電池パック単独での制御にて当該上限充電電圧を超えない様に充電電流の制御を可能としている。

上記のような構成に加え、電池パック１０は、従来の構成と同様に各セルの電圧を個々に測定し、過充電・過放電を防止する保護回路３を備えている。この保護回路３は、充放電経路に配置された過充電ＦＥＴ４、及び過放電ＦＥＴ５を制御しており、セルの電圧が過充電、過放電保護を実施する電圧値を越えた場合、セルが過充電もしくは過充電状態にあると判断し、対応するＦＥＴをオフ状態とする。

なお、本発明に係る電池パックでは、過充電保護の電圧は、上限充電電圧を超える値、例えば４．３５Ｖ程度に設定する必要がある。もし、上限充電電圧を下回る値に過充電保護の電圧に設定した場合、充電検出回路８による充電制御に先だち、保護回路３による過充電保護が動作することとなり、これに起因する充電不足が想定される。

なお、本発明において、過充電ＦＥＴ４、及び過放電ＦＥＴ５がセルの過充電もしくは過充電状態をオフ状態とするとしたが、スイッチ素子の一種としてＦＥＴを用いている。ゆえに、ＦＥＴの代わりに、スイッチ素子を用いても良い。

充電装置２０は、充電制御回路２１にて充電の制御を実施する。充電制御回路２１は、セル１、セル２の各電圧を個別に検出するのではなく、電池パック１０の出力電圧、すなわちセル１、セル２の電圧の合計値に基づき制御を実施している。

通常、リチウムイオン電池の充電は、定電流・定電圧制御を用いている。充電制御回路２１は、所定の電圧に達するまで定電流にて充電を実施する。本実施形態では、セル１、セル２を直列接続しており、８．４Ｖに達するまで定電流充電を実施する。そして、所定の電圧値に到達後は、当該電圧を定電圧に維持し、満充電に達するまで充電電流を徐々に減少させながら充電を継続する。この際、充電制御回路２１は、充電装置２０内の充電経路に配置された充電電流検出抵抗によって電流を検出し、制御している。なお、本実施形態では、セル１、セル２の電圧にバラツキが発生しなければ、上限充電電圧に達することなく、前記所定の電圧値に達するものである。

なお、本実施形態では、充電検出回路８と保護回路３を別回路の構成とした。これらの回路は、共にセル毎の電圧を個別に検出する構成で一致しており、電池パックに収容されたセルを個別、もしくは並列接続されたセルブロック毎に電圧を検出する手段を設け、これら手段から充電検出回路８、保護回路３に電圧値を入力する構成、或いは充電検出回路、保護回路を単一のマイコンで構成し、当該マイコンがスイッチ手段と過充電・過放電の各ＦＥＴを制御する構成を採用しても良い。これらの構成では、セルの電圧を検出する部位が集約化されるため、電池パックの部品点数の削減効果が得られるものである。

また、本実施形態では、充電装置２０と電池パック１０が独立した構成要素とされ、これらを組み合わせた状態で充電を実施する充電システムとした。しかし、本発明は本実施形態に限定されるものでなく、電池パック１０を使用する機器に充電装置２０の機能を担わせ、さらに当該機器と電池パックと組み合わせる、或いは電池パック１０を当該機器に収容する構成等でも本発明を適用することができる。

次に、本実施形態における充電の手順について、図２に示すフローチャートに従い、説明する。なお、本フローチャートでは、電池パック１０、及び充電装置２０が組み合わされた状態での充電手順を示しており、各ステップにはＳ０１等の番号を付している。

充電装置２０は、電池パック１０に設けられたサーミスタ端子６が充電装置２０に接続される事により、電池パック１０を装着されたことを検出する。この検出を受け、充電装置２０と電池パック１０は、図２に示す各ステップを含む充電のプロセスを開始する。

充電の開始に先だち、ステップＳ０１において電池パック１０は、充電検出回路８がセル１、セル２の各電圧を検出する。この時点では、セルに充電電流は供給されておらず、前記の各電圧はセルの開路電圧を示すことになる。セルの電圧が共に上限充電電圧を下回る値であれば、ステップＳ０２にて充電検出回路８はスイッチ手段９をオフ状態に維持し、充電装置２０にはサーミスタ素子７の値がサーミスタ端子６を介して入力される。

またステップＳ０１において、上限充電電圧を上回る値であれば、ステップＳ１１にて充電検出回路８はスイッチ手段９をオンとし、サーミスタ素子７を短絡状態とする。これにより、ステップＳ１２の通り、サーミスタ端子６を介して短絡状態の値が充電装置２０に入力される。

次に、充電装置２０が充電開始の可否を判断する。ステップＳ０３にて充電制御回路２１は、サーミスタ端子６から入力された値からセル１、セル２の周囲温度を推定し、この温度が所定範囲（リチウムイオン電池を用いた電池パックでは、１０℃から４５℃の範囲に設定）にあると判断した場合、充電制御回路２１は充電を開始する（ステップＳ０４）。

また、ステップＳ０３において、充電制御回路２１にサーミスタ素子７の短絡した値が入力された場合、ステップＳ３１の通り、充電制御回路２１は、セルの温度が充電可能な範囲外にあると判断し、充電開始を否とする。このため、充電は開始されず、待機状態が維持されることになる。充電制御回路２１が充電開始を否（待機状態）と判断した場合、電池パック１０は再度、セルの各電圧を検出するステップＳ０１に戻る。したがって、上記の各ステップから明らかな様に、セルの各電圧が４．２５Ｖを下回り、且つ充電制御回路２１が充電可能な温度範囲にあると判断するまで、充電装置２０は待機状態を維持し、電池パック１０の充電は開始されない。

ステップＳ０４で、充電装置２０からの充電が開始されると、充電制御回路２１はセル１及びセル２の合計電圧及び充電経路に設けた検出抵抗から充電電流を検出し、電池パック１０に供給される電圧、電流を制御することで、充電を実施する。

次に、ステップＳ０５に示すように、電池パック１０は保護回路３にてセル１、セル２の各電圧が過充電保護の電圧との比較を実施する。充電電流が供給されている状態、すなわち充電の実施中において、何れか一方のセルにて検出された電圧値が、電池パック１０で予め設定された過電圧保護値（４．３Ｖ）に到達した時、ステップＳ５１に従い保護回路３は過充電ＦＥＴ４を動作させ、電池パック１０内の充放電経路を遮断し、充電電流が各セルに供給されるのを停止する。この際、ステップＳ５２に示すように電池パック１０の電圧、すなわち正負極端子間のパック電圧は、充電装置２０から印加される電圧を示すようになる。

一方、ステップＳ０５において、充電の実施中に保護回路３にて各セルの電圧が過充電保護の電圧に達していない場合には、過充電ＦＥＴ４は通常状態を維持し、電池パック１０への充電電流の供給が継続される。この際、ステップＳ０６に示すように電池パック１０の電圧、すなわち正負極端子間の電圧は、セル１、セル２の電圧を合計した値、すなわち各セルの閉路電圧値の合計となる。

次に、充電装置２０は、ステップＳ０７にて電池パック１０の電圧を確認し、電池パックの充電状態を判断する。上述の通り、ステップＳ０５で過充電電圧以上のとき、ステップＳ５１で過充電ＦＥＴ４が作動した状態では、電池パック１０の出力電圧は充電装置２０からの出力電圧と同じとなり、且つ電池パック１０内の充放電回路が遮断されている充電電流が供給されていない状態となる。充電装置２０は、電池パック１０の出力電圧及び充電電流の状況から、電池パック１０において過充電ＦＥＴ４が動作した状態になり、セル１、セル２の少なくとも何れか一方のセルが過充電状態にあると判断する。

この場合、充電が異常で停止したことを充電装置２０、電池パック１０の使用者に知らせるために、ステップ７１にて充電装置２０は充電異常を示す手段を動作させると共に、充電制御回路２１は異常状態による停止を維持する。なお、充電異常を示す手段としては、ＬＥＤによる点滅等を用いることができる。さらに使用者が再度の充電を試みる場合には、充電制御回路２１をリセットすることで、本フローチャートを最初から実施することが可能になる。

一方、ステップＳ０５で過充電電圧に達していない、つまり、過充電ＦＥＴ４が動作していない場合、ステップＳ０７にて電池パック１０の出力電圧はステップＳ０６にて出力される電圧、すなわちセル１、セル２の合計電圧と同じとなり、且つ電池パック１０への充電電流の供給が継続されている状態となる。充電装置２０は、上記と同様に電池パック１０の出力電圧、充電電流の状況から、電池パック１０の充電が正常に進行している状態にあると判断する。

引き続いて充電装置２０は、ステップＳ０８にて電池パック１０の出力電圧及び充電電流から電池パック１０の充電状態を判断する。充電装置２０は、既に説明した通り、定電流・定電圧制御にて電池パック１０の充電を実施する。電池パック１０の出力電圧は、充電の進行に伴い上昇し、定電圧充電に移行する所定の電圧値に達した後、徐々に当該電圧値を維持し、充電電流を低下させ、充電電流が充電の終了条件となる所定の電流値まで低下した段階で電池パック内のセルが満充電状態になると判断する。

このように充電装置２０は、ステップＳ０８において充電電圧と充電電流から充電の終了条件を判定しており、上記の所定値まで充電電流が低下した状態で充電が正常に終了したと判定する。さらにこの判定に基づき、表示手段等により充電の正常終了を通知することで、使用者に充電完了を通知することができる。

逆に、充電の終了条件を満たしていない場合には、充電装置２０はステップＳ０８にて充電の継続を判断して、充電開始後のステップに戻る。これにより、電池パック１０において充電検出回路８が各セルの充電電圧を測定するステップＳ０１から再度、本フローチャートを実施し、充電を継続する。なお、この場合には充電が継続されているため、セル１、セル２の各電圧は閉路電圧の値を示すことになる。

さらに、上述の動作を繰り返することで充電が継続され、電池パック１０の出力電圧が所定の電圧値まで上昇、本実施形態ではセル当たり４．２Ｖとし、電池パックの出力電圧が所定の値（本実施形態では８．４Ｖとする）まで上昇した後は、この所定の電圧値（８．４Ｖ）を維持し、段階的に充電電流を低減させて充電を行なう。充電の終止条件には、通常、充電電流が所定の電流値まで低下した状態、或いは充電された容量が所定の容量値に達した状態が設定されており、これら状態に達するまで充電が継続される。このように本実施形態の電池パックは、各セルの電圧が上限充電電圧を超えない様に制御され、電池の容量を上昇させていく事によって、電池パック１０の充電容量を十分に確保する事が可能となる。

なお、本実施形態では、充電が継続している状態において、電池パック１０の充電検出回路８が上限充電電圧に達した場合、充電を待機状態とし、充電装置２０からの充電電流の供給を停止する方法を採用した。この際、電池パック１０のセル１、セル２の各電圧は、開路電圧の値を示すことになり、充電期間中の電圧、すなわち閉路電圧よりも充電中の内部抵抗による電圧降下分を除いた値となる。このため、充電待機が長時間に維持され、充電時間の増加を招く虞がある。このため、充電が継続している場合には、充電電流を低減させて各セルの電圧値を下げ、充電を継続する構成を採用することで、充電時間の長時間化を回避することも可能である。

なお、前記の構成を採用する場合、電池パック１０から充電装置２０の充電電流を制御するために、充電装置２０にセルの周囲温度が上昇し、充電電流の制限が必要な状態と認識させる必要がある。そこで、充電検出回路８がスイッチ手段９をスイッチングし、サーミスタ素子７の抵抗値が低下した状態とすることで、充電装置２０にセルの周囲温度が上昇した状態にあると認識させ、充電電流を低下させることが可能になる。

以上の説明の通り、本実施形態にかかる電池パックは、充電検出回路８がセルの充電電圧を検出し、充電上限電圧に達した場合にサーミスタ端子６を短絡させ、充電装置２０からの充電電流を制限する点に特徴を有するものである。この特徴を明確にするために、図３に示す従来構成の電池パックにおける充電の手順を図４にて説明し、本実施形態に係る手順と比較する。なお、図４において、本実施形態と同等のステップについては同一の符号（ステップ）を付している。

図４に示す手順では、充電の開始に先だち、ステップＳ０２において充電装置２０が電池パック１０のサーミスタ端子６から入力される値からセル１、セル２の周囲温度を推定し、ステップＳ０３において各セルの周囲温度が所定範囲にある場合、充電を開始する。この際、充電検出回路８による各セルの電圧を測定しておらず、セルの周囲温度のみによって充電の開始を判断する。

以後の手順は、図２に示す本実施形態に係る手順と同じである。充電装置２０が充電継続を判断した場合、充電装置２０は、充電検出回路８を備えておらず、各セルの充電電圧に基づく判断を実施せず、サーミスタ素子７にて検出するセルの周囲温度及び自身の充電制御回路２１にて検出する電池パックの出力電圧、充電電流の各値を参照して充電の継続要否を判断する。したがって、この図３に示す構成を採用し、図４に示す手順にて充電を実施する電池パックでは、技術基準が要求する上限充電電圧を踏まえた制御が実施しておらず、技術基準を満たすことができない状況となる。

そこで、本願の発明が解決しようとする課題の項にて説明した構成と同様に、過充電保護を行なう電圧の値に上限充電電圧を設定し、保護回路３にて充電電圧の制御を行う構成を検討する。

図４において、充電装置２０が充電を開始することにより各セルの電圧が上昇する。ステップＳ０４にて充電が継続され、ステップＳ０５にてセル１、セル２の少なくとも何れか一方の充電電圧が保護回路３に設定された過充電電圧との比較を行なう。この際、過充電電圧、すなわち４．２５Ｖに達すると保護回路３はステップＳ５１に従って過充電ＦＥＴ４をオフ状態とする。これにより、電池パック１０へ充電装置２０からの充電電流の供給が停止し、ステップＳ５２の通り電池パック１０の出力電圧は充電装置２０の充電電圧となる。また、ステップＳ０５にて過充電電圧に達していない場合は、充電を継続し、ステップＳ０６でのパック電圧はセル１、セル２の電圧の合計値となる。

次のステップＳ０７において、充電装置２０は、出力電圧及び充電電流の状況から、電池パック１０の電圧を判断する。ステップＳ０７にて電池パック１０の電圧が充電電圧の場合、過充電ＦＥＴ４が動作し、ステップＳ７１にて少なくとも一方のセルが過充電状態にあると判断する。この判断により、充電が異常で停止し、充電が中断された状態となり、充電不足の状態を招くことになる。さらに、充電装置２０の充電異常を示す手段を備えた構成では、当該手段が動作することから、使用者が電池パック１０の異常による充電停止と認識する虞も生ずる。

さらに、上記のような充電の中断を回避する手段として、充電装置２０にて上限充電電圧よりも低い電圧に充電電圧を設定する構成も想定される。この場合、上述したよう過充電ＦＥＴ４が動作し、充電が中断された状態で終了することは回避される。しかしながら、充電装置２０は、充電電圧が低く設定されることにより、定電流充電の領域が小さくなり、この状態で定電圧充電の制御領域へ移行する。このため、充電時間の増加を招くだけでなく、最終的な充電容量値は、充電電圧が低いため、十分な充電容量を確保できない状況も招くことになる。

本発明の電池パックは、充電検出回路８にて検出される充電上限電圧に達した場合のみ、サーミスタ素子７を短絡させることで見かけ上の異常値を充電装置２０に入力し、充電装置２０を充電待機状態にしており、充電が途中で中断されることはない。また、電池パック１０は、上限充電電圧を超えることなく、所定の電圧値まで充電されることから、電容量を十分に確保する事が可能となる。

本発明にかかる電池パックは、電池パックからの温度情報と出力電圧に基づき充電制御を行う充電装置との組み合わせを前提としたものであり、収容したセルの充電電圧を個々に測定し、充電電圧が所定の上限充電電圧に達した場合に、電池パックに供給される充電電流を停止、もしくは電流値を低下させる制御を行い、当該上限充電電圧を超えることなくセルの充電を継続できる構成を実現するものである。さらに、当該制御を充電期間中に継続する事によって、徐々に電池容量を上昇させ、充電されるセルをより満充電に近い状態まで充電する事ができ、セルの充電容量を十分に確保することが可能となる。

１、２ セル
３ 保護回路
４ 過充電ＦＥＴ
５ 過放電ＦＥＴ
６ サーミスタ端子
７ サーミスタ素子
８ 充電検出回路
９ スイッチ手段
１０ 電池パック
２０ 充電装置
２１ 充電制御回路

Claims (3)

1. 充放電可能なセルと、
   前記セルを含む充電経路に配置され、前記セルの充電を制御するスイッチ素子と、
   前記セルの電圧が予め設定された過充電電圧に達した場合に前記スイッチ素子をオフ状態とする保護回路と、
   前記セルの周囲温度を検出する温度検出回路と、
   前記温度検出回路の値を外部出力する温度検出端子を備えた電池パックであって、
   前記セルの電圧を検出し、前記過充電電圧よりも低い電圧に設定された充電制御電圧との比較を行なう充電検出回路と、
   前記充電検出回路により制御され、前記温度検出回路を短絡させる短絡手段を備え、
   前記セルの充電電圧が前記充電制御電圧に達した場合、前記充電検出回路が前記短絡手段をオン状態とすることを特徴とする電池パック。
2. 前記充電制御電圧の値が、ＪＩＳ Ｃ ４７１４ 組電池の過充電保護の確認試験に規定される上限充電電圧である４．２５Ｖに設定された請求項１に記載の電池パック。
3. 電池パックとこれを充電するための充電装置とを備えた充電システムであり、
   電池パックは、充放電可能なセル、前記セルを含む充経路に配置され、電池パックの充電を制御するスイッチ素子、セルの電圧が予め設定された過充電検出電圧に達した場合に前記スイッチ素子をオフ状態にして過充電保護を行なう保護回路、セルの温度を検出する温度検出回路、前記温度検出回路の値を充電装置に出力する温度検出端子を備え、さらにセルの電圧を検出し、前記過充電電圧よりも低い電圧に設定された充電制御電圧との比較を行なう充電検出回路、前記充電検出回路により制御され、前記温度検出回路に並列接続された短絡手段を備えてなり、
   充電装置は、電池パックに供給される充電電流、充電電圧を制御すると共に温度検出端子から入力されるセルの温度検出に基づき、前記温度が所定の範囲にある場合に充電を実施しており、
   前記セルの充電電圧が充電制御電圧に達した場合、前記充電検出回路が短絡手段をオン状態とし、前記温度検出端子よりセルの温度が充電可能な温度範囲外にあることを出力し、
   前記充電装置は、前記温度検出端子より前記出力を受け、電池パックへの充電電流の供給を停止すると共にすることを特徴とする充電システム。