JP5267975B2 - ２次電池パックシステム - Google Patents

Description

本発明は、電子機器等に電力を供給する２次電池パックシステムにおいて、電池パックを並列に複数接続可能なシステムに関する。

従来の２次電池パックを並列使用可能なシステムは、電池パックごとにダイオードを使い逆流防止を行って並列接続したり、本体側より制御信号を発効し電池パック１台ずつの放電を行ったりするものであった。

例えば、特許文献１（特開２００４−２２９３９１号公報）には、複数の二次電池が直列並列に接続された第１および第２の電池ブロックと、上記第１および第２の電池ブロックの一方の端子が第１および第２のスイッチ手段をそれぞれ介して接続される一方の電池端子と、上記第１および第２の電池ブロックの他方の端子が接続される他方の電池端子と、充電または放電を行うときに、上記第１および第２のスイッチ手段を切り替える切替手段と、上記第１および第２の電池ブロックのそれぞれの電池容量を検出する容量検出手段と、上記検出された電池容量に応じて上記切替手段を制御する切替制御手段とを有し、上記第１および第２のスイッチ手段を切り替えるときに、上記第１および第２のスイッチ手段の一方がオフとなった所定の時間後、他方がオンとなるようにしたことを特徴とする電池パックが開示されている。
特開２００４−２２９３９１号公報

ダイオードを使って逆流防止を図った並列接続された電池パックでは電圧の高い電池パックから電力を消費していって、最終的には並列接続されている全ての電池パックが同時に過放電となる、そこから電池パックを１つずつシステムから取り外し充電するような使い方の場合、充電のタイミングがわかりづらいという問題があった。

また、並列接続された電池パックを、本体側の制御信号によって制御する場合には、各電池パックの残容量を管理するために、各電池パックの電圧、電流、温度の測定をしたり、これらの測定情報を本体側に送信したり、さらに上記各測定情報に基づいて判断を行い、放電を行う電池パックを決定したりすることが必要となる。すなわち、測定のための素子やセンサ、通信のためのコネクタ、ＩＣチップなどが必要になってしまい、システム構成が複雑化してコストアップにつながる、という問題があった。

本願発明は上記のような課題を解決するものであって、これらの解決するために、請求項１に係る発明は、電子機器に電力を供給する２次電池パックシステムにおいて、制御用コントローラをそれぞれ有する複数の電池パックと、電子機器側に設けられた該複数の電池パックとの本体側接続回路と、該本体側接続回路に設けられる本体側放電制御信号線と、を有し、該本体側放電制御信号線と該複数の電池パックのそれぞれの制御用コントローラとが接続され、該電池パックが電子機器に取り付けられたときに該制御用コントローラの放電制御信号線は、該本体側放電制御信号線と接続され、該制御用コントローラには、該電池パックの接続を認識する電池接続信号が入力され、該本体側放電制御信号線から入力される放電制御信号は、プルアップ抵抗によってプルアップされ、該プルアップされた該放電制御信号は、さらに２方に分岐され、分岐された一方は抵抗を介して、また他方は直接該制御用コントローラに入力されることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、該本体側放電制御信号線は本体側接続回路内では該複数の電池パックの放電制御信号が接続されることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、該放電制御信号線の異なる少なくも３状態の電圧によって該複数の電池パックの放電状態を判断することを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、該本体側放電制御信号線は本体側接続回路内では抵抗でプルアップされており、該電池接続信号は本体側接続回路内ではＧＮＤ端子に接続されていることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、本体側接続回路に電池パックが接続された場合、電池接続信号のレベルが変化することで電池パックが接続されたことを認識し、さらに放電制御信号の電圧を電池パック内の該制御用コントローラで読み取り放電許可するかの判断をすることを特徴とする。

本発明の実施の形態に係る２次電池パックシステムによれば、並列接続された電池パックを、各電池パックの電圧、電流、温度の測定をしたり、これらの測定情報を本体側に送信したり、さらに上記各測定情報に基づいて判断を行い、放電を行う電池パックを決定したりすることなく制御することができるので、測定のための素子やセンサ、通信のためのコネクタ、ＩＣチップなどが不要となり、システム構成が簡易化でき、コストを抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施の形態に係る２次電池パックシステムを構成する電池パック１つの回路構成の概略を示す図である。

図１において、１００は電池パック、１１０は制御用コントローラ、ＣＬは２次電池セル、ＳＷは放電スイッチ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は抵抗、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は接続端子、２００は電子機器をそれぞれ示している。

電池パック１００の２次電池セルＣＬに充電された電力を、制御用コントローラ１１０の制御でオンオフする放電スイッチＳＷを介して電子機器２００に給電を行うものであり、特に本発明においてはこの電池パック１００が複数並列に用いられる２次電池パックシステムを対象としている。

マイコン等により構成される制御用コントローラ１１０は、Ｎ−ｃｈオープンドレイン出力ポート、Ａ／Ｄ変換入力ポート、入力ポートを有しており、これらのポートからの入力などに基づいて、放電スイッチＳＷのオンオフを行い、電子機器２００への給電を制御している。

制御用コントローラ１１０のＮ−ｃｈオープンドレイン出力ポートは、自電池パックの放電（スイッチ）の状態を示す信号を出力する。

また、制御用コントローラ１１０のＡ／Ｄ変換入力ポートは、一定の周期で自電池パックの放電（スイッチ）の状態を示す信号を取り込む機能を有する。

また、制御用コントローラ１１０の入力ポートは、電池パックと本体との接続を確認し、本体と接続していない場合は、放電スイッチをＯｆｆにして、さらにＡ／Ｄ変換入力ポートの信号取り込み周期を遅くする、あるいはコントローラの動作を停止する機能を有する。この機能は、電池パック内部で消費される電力を抑えるためのものである。

電池パック１００には、４つの接続端子Ｔ１乃至Ｔ４が設けられており、これらの端子で電子機器２００と接続されている。

接続端子Ｔ１は給電用の端子（ＢＡＴＴ＋）であり、接続端子Ｔ２は放電制御信号用の端子であり、接続端子Ｔ３は電池接続信号用の端子であり、接続端子Ｔ４はグランド端子（ＧＮＤ）である。

接続端子Ｔ２から入力される放電制御信号は電池パック１００内で抵抗Ｒ２によってプルアップされており、２方に分岐され制御用コントローラ１１０へと入力される。分岐された２方のうち、一方は抵抗Ｒ１を介しＮ−ｃｈオープンドレイン出力ポートに接続され、もう一方は直接、ＡＤ変換ポートに接続される。

放電を行っている電池パック１００の放電制御信号はＮ−ｃｈオープンドレイン出力ポートをＬｏｗ状態にしておき、これによって、他電池パックに自らが放電を行っていることを報知する仕組みとなっている。

電池接続信号は電池パック１００内で抵抗Ｒ３によってプルアップされ、制御用コントローラ１１０の入力ポートに接続されている。

次に、上記のような電池パック１００が２つ並列に接続される２次電池パックシステムについて説明する。図２は本発明の実施の形態に係る２次電池パックシステムの回路構成の概略を示す図である。図２は２次電池パックシステムが２つの電池パックの並列接続によりなる構成を示しており、図２においては、簡便のために１００を電池パック１として、１００’を電池パック２として表記している。それぞれの電池パックは図１に示したものと同様のものである。

電子機器２００の本体側接続回路の本体側放電制御信号線には、電池パック１と電池パック２からの放電制御信号が接続され、抵抗Ｒ４でプルアップされている。

電池パックが電子機器２００の本体側接続回路に接続されると、図示するように電池接続信号用の端子Ｔ３はＧＮＤと接続されようになっており、電池パックと本体側接続回路が接続されると、入力ポートに入力される電池接続信号はＨｉレベルからＬｏｗへレベルが変わり、制御用コントローラが、電池パックが本体に接続されたことが認識できる。

次に、図２に示された２次電池パックシステムの放電制御信号線について説明する。図３は本発明の実施の形態に係る２次電池パックシステムの放電制御信号線を抜き出して示す図である。

より具体的に示すために、図３においては放電制御信号線に関連する抵抗の抵抗値として、Ｒ１＝１０ＫΩ、Ｒ２＝１０ＭΩ、Ｒ４＝１０ｋΩで計算を行っている。

図３（Ａ）は電池パックで全く放電していない状態を示しており、図３（Ｂ）は電池パ
ック１つで放電している状態を示しており、図３（Ｃ）は電池パック２つで放電している状態を示している。

全く放電していない状態である図３（Ａ）の場合には、Ｎ−ｃｈオープンドレイン出力ポートの端子がオープンになっているため、５Ｖでプルアップされている電圧がそのまま見えるために放電制御信号線の電圧は５Ｖとなる。

電池パック１つで放電している状態である図３（Ｂ）の場合にはＮ−ｃｈオープンドレイン出力ポートの端子がＬＯＷレベル、すなわちＧＮＤに接続されている。プルアップ抵抗の合計が９．９８ｋΩとなりプルダウン抵抗が１０ｋΩになるため、放電制御信号の電圧は約２．５Ｖとなる。

電池パック２つで放電している状態である図３（Ｃ）の場合にはプルダウン抵抗の１０ｋΩが２並列となるため、合計５ｋΩとなる。プルアップ抵抗の合計が９．９８ｋΩとなり放電制御信号線の電圧は約１．６６Ｖとなる。

以上の通りに、本発明の構成に依れば、放電状態の電池パックが増えると放電制御信号線の電圧が下がっていくために１個以上の電池パックが放電しているのか、個々の電池パックが放電しているのかを、複雑なシステムを要することなく容易に把握することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る２次電池パックシステムの制御用コントローラ１１０の基本的な動作について説明する。図４は本発明の実施の形態に係る２次電池パックシステムの状態遷移を示す図である。
（１） 電池パック未接続時
電池接続信号：Ｈｉ入力
放電制御信号：Ｎ−ｃｈオープンドレイン出力ポート オープン出力
放電制御信号：Ａ／Ｄ変換入力ポート ５Ｖを検出
電池接続信号がＨｉレベルのため、電池が未接続と判断。電池パックは外部短絡の可能性を考慮して放電スイッチＳＷをｏｆｆとする。
（２）電池パックを本体側接続回路に接続
電池接続信号：Ｌｏｗ入力に変化
放電制御信号：Ｎ−ｃｈオープンドレイン出力ポート オープン出力
放電制御信号：Ａ／Ｄ変換入力ポート ３〜５Ｖを検出
→他電池パックの放電中ではない→放電制御信号 Ｎ−ｃｈオープンドレイン出力ポートはＬＯＷ→放電スイッチＳＷ ＯＮ
放電制御信号：Ａ／Ｄ変換入力ポート ３Ｖ以下を検出
→他電池パックの放電中→放電制御信号 Ｎ−ｃｈオープンドレイン出力ポートはオープン出力→放電スイッチＳＷ ＯＦＦ
（３） 自電池パック放電末期
放電制御信号：Ｎ−ｃｈオープンドレイン出力ポート Ｌｏｗ → オープン出力に変化放電制御信号：Ａ／Ｄ変換入力ポート ３Ｖ以下から５Ｖに変化
（４） 本体側接続回路に接続中で自電池パックが放電制御信号 Ｎ−ｃｈオープンドレイン出力ポートがオープン出力の場合
放電制御信号：Ａ／Ｄ変換入力ポート ３Ｖ以上に変化
→他電池パックの放電が終了→放電スイッチをＯＮ
放電制御信号：Ｎ−ｃｈオープンドレイン出力ポート Ｌｏｗ
放電制御信号：Ａ／Ｄ変換入力ポート ３Ｖ以下を検出
→他電池パックの放電中→放電制御信号 Ｎ−ｃｈオープンドレイン出力ポート オープン出力→放電スイッチＳＷ ＯＦＦ
（５） 自電池パック放電中
一定時間放電スイッチをＯＮのままにして、他の電池パックから放電されていることを確認してから放電スイッチＳＷをＯＦＦにする。
放電制御信号：Ａ／Ｄ変換入力ポート ２Ｖ以下を検出
→他電池パックも放電中→放電制御信号 Ｎ−ｃｈオープンドレイン出力ポート オープン出力→放電スイッチＳＷ ＯＮのまま
なお、対象とする電池パックについては、主として２直列（約８Ｖ）以上の電池パックであるが、１直列の電池パックでもＡ／Ｄ変換入力ポートの検出範囲を変更することで、対応可能となる。

以上の説明の通り、本発明の実施の形態に係る２次電池パックシステムを構成する電池パックでは放電制御信号、および電池接続信号を有しており、それらの信号の状態で自電池パック以外が放電している場合には放電を行わないようにすることにより、電池パックひとつずつ放電され、放電末期においては、放電制御信号をＬｏｗ → オープン出力に変化させることにより、次の電池パックが放電を開始し電力供給を引き継ぐため、放電が終了した電池パックのみをシステムから取り外し充電することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る２次電池パックシステムを構成する電池パック１つの回路構成の概略を示す図である。 本発明の実施の形態に係る２次電池パックシステムの回路構成の概略を示す図である。 本発明の実施の形態に係る２次電池パックシステムの放電制御信号線を抜き出して示す図である。 本発明の実施の形態に係る２次電池パックシステムの状態遷移を示す図である。

符号の説明

１００・・・電池パック、１１０・・・制御用コントローラ、２００・・・電子機器、ＣＬ・・・２次電池セル、ＳＷ・・・放電スイッチ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３・・・抵抗、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４・・・接続端子

Claims (5)

1. 電子機器に電力を供給する２次電池パックシステムにおいて、
   制御用コントローラをそれぞれ有する複数の電池パックと、
   電子機器側に設けられた該複数の電池パックとの本体側接続回路と、
   該本体側接続回路に設けられる本体側放電制御信号線と、を有し、
   該本体側放電制御信号線と該複数の電池パックのそれぞれの制御用コントローラとが接続され、該電池パックが電子機器に取り付けられたときに該制御用コントローラの放電制御信号線は、該本体側放電制御信号線と接続され、該制御用コントローラには、該電池パックの接続を認識する電池接続信号が入力され、該本体側放電制御信号線から入力される放電制御信号は、プルアップ抵抗によってプルアップされ、該プルアップされた該放電制御信号は、さらに２方に分岐され、分岐された一方は抵抗を介して、また他方は直接該制御用コントローラに入力されることを特徴とする２次電池パックシステム。
2. 該本体側放電制御信号線は本体側接続回路内では該複数の電池パックの放電制御信号が接続されることを特徴とする請求項１に記載の２次電池パックシステム。
3. 該放電制御信号線の異なる少なくも３状態の電圧によって該複数の電池パックの放電状態を判断することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の２次電池パックシステム。
4. 該本体側放電制御信号線は本体側接続回路内では抵抗でプルアップされており、該電池接続信号は本体側接続回路内ではＧＮＤ端子に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の２次電池パックシステム。
5. 本体側接続回路に電池パックが接続された場合、電池接続信号のレベルが変化することで電池パックが接続されたことを認識し、さらに放電制御信号の電圧を電池パック内の該制御用コントローラで読み取り放電許可するかの判断をすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の２次電池パックシステム。

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