JP2010141987A - バッテリパックの充電方法及び充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、バッテリパックと充電装置との接続端子の数を少なくすることを目的とする。
【解決手段】 この発明は、直列接続した複数の二次電池を有するバッテリパックを充電する充電方法において、電池電圧が所定の電圧以下または最大充電電圧に達した電池が一個以上有る場合には、アラーム信号を出力するように監視し、充電開始時に最大充電電流で充電を行い、前記アラーム信号を検出する度に、所定の時間経過後、充電電流を段階的に減少させ、充電電流が最低充電電流のときに前記アラーム信号を検出した場合に充電を停止する。
【選択図】 図４

Description

この発明は、バッテリパックの充電方法及び充電装置に関し、特にアラーム信号を備えたバッテリパックの充電方法及び充電装置に関する。

従来のリチウムイオン二次電池の充電方法としては、定電流―定電圧充電が一般的である。これは、充電初期に定電流による急速充電を行い、電池電圧が最大充電電圧に達すると、電池に最大充電電圧を印加する定電圧充電に切り換え、充電電流が所定の電流値を下回った場合に充電を完了する方法である。

しかしながら、上記した方法では、定電流―定電圧充電は充電する二次電池の電圧と充電電流を常に検出し、検出結果に応じて充電状態を制御するため、回路が複雑になる。また、リチウムイオン二次電池の充電においては、リチウムイオン二次電池の電圧を最大充電電圧以上に上げてはならないという制約がある。これは、リチウムイオン二次電池に過度の電圧を印加すると負極に金属リチウムが析出し内部短絡を発生する危険があるためである。

このため、複数のリチウムイオン二次電池を同時に充電する場合は、各々の二次電池の電圧を検出し、一つでも最大充電電圧以上にならないように制御しなければならない。

特許文献１には、複数の二次電池セルで構成されたバッテリを充電するための充電装置が開示されている。この充電装置は、いずれかの二次電池セルの電圧が所定電圧になるまでの間は、充電電流を順次段階的に増大させる。そして、いずれかの二次電池セルの電圧が所定電圧になると、充電電流を順次減少するように制御している。
特開２００１−１８６６８６号公報

しかしながら、リチウムイオン二次電池を複数内蔵したバッテリパックを充電する場合は、バッテリパックから各電池の電圧情報を充電装置側に伝える必要があり、バッテリパックと充電装置の接続端子が多くなってしまうという問題がある。

また、バッテリパック内に、電池電圧が０Ｖ近辺まで低下し、充電すると危険な不良電池が混ざっている場合がある。このような場合は、従来の充電装置では不良電池を検出できず、正常な電池が満充電になるまで、不良電池も充電してしまうため非常に危険であった。

この発明は、上述した実情を考慮してなされたものであって、バッテリパックと充電装置との接続端子の数を少なくすることを第１の目的とする。

また、この発明は、簡単な回路構成で電池電圧が最大充電電圧以上に上昇することが防止でき、しかも満充電に近い状態まで充電できるようにすることを第２の目的とする。

さらに、この発明は、不良電池が混ざっていた場合は、充電を行わないか、速やかに充電を停止できるようにすることを第３の目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明の充電方法は、一つまたは直列接続した複数の二次電池を有するバッテリパックを充電する充電方法において、最大充電電圧に達した電池が一個以上有る場合には、アラーム信号を出力するように監視し、充電開始時に最大充電電流で充電を行い、前記アラーム信号を検出する度に、所定の時間経過後、充電電流を段階的に減少させ、充電電流が最低充電電流のときに前記アラーム信号を検出した場合に充電を停止することを特徴とする。

また、この発明の充電方法は、上記の構成に加え、前記充電開始時に、電池電圧が所定の電圧以下の電池が一個以上有る場合には、アラーム信号を出力するように監視し、前記アラーム信号を検出した場合は、充電を禁止するように構成できる。

さらに、この発明の充電方法は、上記の構成に加え、前記充電電流は、アラーム信号を検出する度に直前の充電電流の１／２に減少させるように構成することができる。

この発明の充電装置は、一つまたは直列接続した複数の二次電池を有するバッテリパックを充電するバッテリパックの充電装置において、前記各二次電池の電池電圧を検出して電圧検出結果を出力する電圧検出手段と、前記電圧検出手段の出力に基づき最大充電電圧に達した電池が一個以上有る場合にアラーム信号を出力するアラーム信号出力手段と、前記バッテリパックに充電電流を供給する充電電源と、前記アラーム信号出力手段からの出力に応じて前記充電電源を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記アラーム信号を検出する度に、所定の時間経過後、充電電流を段階的に減少させることを特徴とする。

また、前記制御手段は、充電電流が最低充電電流のときに前記アラーム信号を検出した場合に充電を停止するように構成すればよい。

また、前記アラーム信号出力手段は、前記電圧検出手段の出力に基づき電池電圧が所定の電圧以下の電池が一個以上有る場合にアラーム信号を出力し、前記制御手段は、前記充電開始時に、前記アラーム信号を検出した場合は、充電を禁止するように構成できる。

また、前記制御手段は、アラーム信号を検出する度に直前の充電電流の１／２に前記充電電流を減少させるように構成できる。

この発明によれば、バッテリパック内の二次電池の数にかかわり無く充電装置との接続端子が僅か３つで済むので、端子数を大幅に少なくできる。

また、アラーム信号を検出すると、アラーム信号が出なくなるまで、充電電流を段階的に低下させるようにしたので、二次電池を最大充電電圧以上に充電することなく、しかも満充電近くまで充電することができる。

さらに、不良電池などが混ざっていた場合には充電を停止することができる。

さらに、充電装置は充電電流だけを制御すればよく、電圧検出や電流検出が不要になったので充電装置の構成が大幅に簡素化できるようになった。また、充電電流を１／２ずつ減少させるようにしたため、充電電流の制御回路、または制御方法をより簡単に構成することができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、この発明のバッテリパック１０と充電装置２０のブロック図である。バッテリパック１０は、二次電池Ｂ１、Ｂ２、保護回路１１、放電制御ＮＭＯＳトランジスタＭ１、充電制御ＮＭＯＳトランジスタＭ２で構成されている。

また、バッテリパック１０は、正極端子（Ｔ＋）１２１、負極端子（Ｔ−）１２２、アラーム信号出力端子（ＡＬＭ）１２３を備えている。

一方、充電装置２０は、充電用電源出力端子とアラーム信号入力端子を備え、電源出力端子はバッテリパック１０の正極端子１２１と負極端子１２２に接続され、アラーム信号入力端子はバッテリパック１０のアラーム信号出力端子１２３に接続されている。この充電装置２０は、内蔵するマイクロコンピュータ等で構成される制御回路により,充電電流を制御する。

二次電池Ｂ１、Ｂ２はリチウムイオン二次電池であり、直列接続されている。二次電池Ｂ１とＢ２のプラス端子とマイナス端子は全て、保護回路１１に入力されている。さらに、二次電池Ｂ１のプラス端子は正極端子Ｔ＋に接続され、二次電池Ｂ２のマイナス端子は放電制御ＮＭＯＳトランジスタＭ１の一方の端子に接続されている。

放電制御ＮＭＯＳトランジスタＭ１のゲートは保護回路１１の出力端子Ｄoutに接続されている。放電制御ＮＭＯＳトランジスタＭ１の他方の端子は、充電制御ＮＭＯＳトランジスタＭ２の一方の端子に接続されている。充電制御ＮＭＯＳトランジスタＭ２の他方の端子は負極端子−に接続されている。また、ＮＭＯＳトランジスタＭ２のゲートは保護回路１１の出力端子Ｃoutに接続されている。

保護回路１１のアラーム信号出力はアラーム端子（ＡＬＭ）１２３に接続されている。アラーム信号は、二次電池Ｂ１とＢ２のいずれかが最大充電電圧に達した場合にハイレベルとなる。また、二次電池Ｂ１とＢ２のいずれかが０Ｖに近い所定の電圧以下に低下した場合にもハイレベルとなる。０Ｖに近い所定の電圧とは、二次電池を不良と判定するための電圧で、リチウムイオン二次電池の場合は１.０Ｖ前後に設定している。

図２は、この発明のバッテリパック１０の一例を示すブロック図である。

このバッテリパック１０は、二次電池を異常状態から保護する二次電池保護回路１１を備える。この保護回路１１は、電池保護集積回路としてＩＣ化されており、リチウムイオン二次電池Ｂ１とＢ２とともにバッテリパック１０内に収容されている。

保護回路１１は、二次電池Ｂ１とＢ２の放電制御用の半導体デバイスである放電制御ＮＭＯＳトランジスタＭ１及び充電制御ＮＭＯＳトランジスタＭ２のオン(ＯＮ)、オフ（ＯＦＦ）を制御するマイクロコンピュータで構成される制御回路１１０と、二次電池Ｂ１、Ｂ２の電池電圧を検出し、過充電、過放電をそれぞれ検出する過充電検出回路１１１、過放電検出回路１１２を備える。なお、１１３は放電制御ＮＭＯＳトランジスタＭ１の寄生ダイオード、１１４は充電制御ＮＭＯＳトランジスタＭ２の寄生ダイオードを示している。

充電時、バッテリパック１０の過充電検出回路１１１は二次電池Ｂ１、Ｂ２のそれぞれの電池が過充電されないように電池電圧を監視している。検出電圧が予め設定された過充電設定電圧より低い場合、過充電検出回路１１１は通常状態であることを制御回路１１０に通知する。通常状態では、制御回路１１０は、ＣｏｕｔにＨ（ハイ）レベルの信号を与え、充電制御ＮＭＯＳトランジスタＭ２のゲートをＨ（ハイ）レベルにし、充電制御ＮＭＯＳトランジスタＭ２をオンにして充電電流を通電させる。

過充電検出回路１１１が過充電設定電圧より高い電池電圧を検出した場合、過充電電圧検出回路１１１は過充電状態であることを制御回路１１０に通知する。過充電状態では、制御回路１１０は、ＣｏｕｔにＬ（ロー）レベルの信号を与え、充電制御ＮＭＯＳトランジスタＭ２のゲートをＬ（ロー）レベルにし、充電制御ＮＭＯＳトランジスタＭ２をオフにして充電電流を切断させる。

また、過充電検出回路１１１は、二次電池Ｂ１とＢ２のいずれかが最大充電電圧に達した場合、過充電検出回路１１１は最大充電電圧に達したことを制御回路１１０に通知する。制御回路１１０は、この通知により、アラーム信号をＨ（ハイ）レベルにする。

一方、放電時、バッテリパック１０の過放電検出回路１１２は、二次電池Ｂ１、Ｂ２が過放電とならないように電池電圧を監視している。検出電圧が予め設定された過放電設定電圧、すなわち０Ｖに近い所定の電圧以下になったか否か監視している。０Ｖに近い所定の電圧とは、二次電池を不良と判定するための電圧で、リチウムイオン二次電池の場合は１.０Ｖ前後に設定している。

検出電圧が予め設定された過放電設定電圧より高い場合、過放電検出回路１１２は通常状態であることを制御回路１１０に通知する。通常状態では、制御回路１１０はＤｏｕｔにＨ（ハイ）レベルの信号を与え、放電制御ＮＭＯＳトランジスタＭ１のゲートをＨ（ハイ）レベルにし、放電制御ＮＭＯＳトランジスタ１１３をオンにして放電電流を通電させる。

過放電検出回路１１２が過放電設定電圧より低い電池電圧を検出した場合、過放電検出回路１１２は過放電状態であることを制御回路１１０に通知する。過放電状態では、制御回路１１０はＤｏｕｔにＬ（ロー）レベルの信号を与え、放電制御ＮＭＯＳトランジスタＭ１のゲートをＬ（ロー）レベルにし、放電制御ＮＭＯＳトランジスタ１１３をオフにして放電電流を切断させる。

また、制御回路１１０は、充電開始時においても過放電検出回路１１２から二次電池Ｂ１とＢ２のいずれかが０Ｖに近い所定の電圧以下に低下した場合を検出した場合には、電圧アラーム信号をＨ（ハイ）レベルにする。

上記したように、アラーム信号は、二次電池Ｂ１とＢ２のいずれかが最大充電電圧に達した場合と二次電池Ｂ１とＢ２のいずれかが０Ｖに近い所定の電圧以下に低下した場合にＨ（ハイ）レベルとなる。

次に、この発明の充電方法を図３及び図４を参照してさらに説明する。

図３は、この発明の充電方法を示すフローチャートである。このチャートに基づいて充電方法を説明する。なお、図３において、Ｓｎ(ｎは１から９の整数)は各工程のステップ番号である。

バッテリパック１０が充電装置２０に接続され充電が開始されると、ステップＳ１で充電装置２０は先ずアラーム信号の有無を確認する。もし、アラーム信号が出力されている場合は、ステップＳ８に移動し充電を終了する。すなわち、充電電流を印加する前にアラーム信号が出力されている場合は、既に満充電まで充電されている二次電池があるか、不良の電池が混ざっているので、充電を行うことができないからである。

ステップＳ１でアラーム信号が検出されなかった場合は、ステップＳ２に移行し、最大充電電流で充電を開始する。

充電中は常にステップＳ３でアラーム信号の有無をチェックしている。ステップＳ３でアラーム信号を検出するとステップＳ４に移行する。ステップ４で所定の時間待ちを行いステップＳ５で再度アラーム信号の有無を確認する。ステップＳ５でアラーム信号が確認されない場合は、ステップＳ３で確認されたアラーム信号はノイズなどによる誤信号の可能性があるので、ステップ３に戻り、アラーム信号の確認をやり直す。ステップＳ５でアラーム信号が確認されると、ステップＳ６に移行する。

ステップＳ６では現在の充電電流をチェックして、最低充電電流でなければ、ステップＳ７に移行する。ステップＳ７では充電電流を１段階少ない電流値に設定する。本実施形態では、現状の充電電流の１／２になるように設定している。充電電流を下げると、バッテリパック１０の電圧が低下するので、アラーム信号は消滅する。

ステップＳ７で充電電流を下げた後は、ステップＳ３に戻り、アラーム信号の確認をする。以下、ステップＳ３からステップＳ７までの工程を繰り返す。繰り返しているうちに充電電流が次第に少なくなり最低充電電流になる。ステップＳ６で充電電流が最低充電電流のときは、ステップＳ９に移行し、充電を終了する。

図４は上記フローの動作をタイミングチャートで表したものである。図４(ａ)は充電電流が少なくなる度にアラーム信号が消失する場合で、(ｂ)はアラーム信号が出続けた場合である。

先ず図４(ａ)の場合を説明する。充電初期は最大充電電流で充電を行っている。時刻ｔ１でアラーム信号がハイレベルになったが、所定の時間ｔｄ経過後、ローレベルに戻っているので、充電電流は変わらない。

時刻ｔ２でアラーム信号がハイレベルになり、所定の時間ｔｄ経過後もハイレベルなので、充電電流は最大充電電流の１／２に減少する。充電電流が減少するとバッテリパック１０の電圧が下がるので、アラーム信号はローレベルに戻る。所定の時間ｔｄは、アラーム信号とノイズの区別がつく時間でよいので、数ｍＳから数１０ｍＳに設定される。

時刻ｔ３で再びアラーム信号が出力されると、充電電流はさらに１／２になる。時刻ｔ４でアラーム信号が出ると、さらに１／２減少し、最低充電電流になる。この充電電流で時刻ｔ５にアラーム信号が出ると、所定の時間ｔｄ経過後、充電電流を０にして充電を終了する。

次に、図４(ｂ)の場合を説明する。最大充電電流で充電中にアラーム信号がハイレベルとなり、充電電流を１／２に減らした後も、アラーム信号がローレベルにならないので、さらに所定の時間ｔｄ経過後、充電電流を１／２にする。それでもアラーム信号がローレベルに下がらないので、さらに所定時間ｔｄ経過後、充電電流を１／２に減らす。このようにアラーム信号がローレベルにならない場合は、所定の時間ｔｄ経過する度に充電電流を減少させて、一気に充電終了まで進むので、満充電になった電池を長時間充電して問題を起こすことが無い。また、充電途中でバッテリパック１０内の断線や電池の内部短絡などで電池電圧が０Ｖ付近に低下した場合も充電を急速に終了することができる。

また、タイミングチャートは無いが、バッテリパック１０に最大充電電流を供給する前にアラーム信号がハイレベルになっていた場合は、充電を開始しないので、不用意に満充電のバッテリパックや、不良電池の混じっているバッテリパック１０を充電することも無い。

なお、上記した実施形態では、バッテリパック１０内の二次電池が２つの場合を示したが、二次電池はいくつあっても構わない。いくつあってもアラーム信号出力端子（ＡＬＭ）一つで制御できるため、電池の数が多いほどこの発明の効果は大きくなる。

また、タイミングチャートでは、充電電流のステップを４段階で説明したが、２段階以上であれば何段階でもよい。

以上説明したように、この発明によれば、バッテリパック１０内の二次電池の数にかかわり無く充電装置２０との接続端子が僅か３つで済むので、バッテリパック１０と充電装置２０との接続端子数を大幅に減らすことができるようになった。

また、アラーム信号を検出すると、アラーム信号が出なくなるまで、充電電流を段階的に低下させるようにしたので、二次電池を最大充電電圧以上に充電することなく、しかも満充電近くまで充電することができる。

さらに、不良電池などが混ざっていた場合には充電を速やかに停止することができる。

さらに、充電装置は充電電流だけを制御すればよく、電圧検出や電流検出が不要になったので充電装置２０の構成が大幅に簡素化できるようになった。また、充電電流を１／２ずつ減少させるようにしたため、充電電流の制御回路、または制御方法をより簡単に構成することができる。

この発明のバッテリパック１０と充電装置２０のブロック図である。 この発明のバッテリパック１０の一例を示すブロック図である。 この発明の充電方法を示すフローチャートである。 この発明の充電方法を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１０ バッテリパック、２２ 保護回路、２０ 充電装置、Ｂ１、Ｂ２ リチウムイオン二次電池、Ｍ１ 放電制御用ＮＭＯＳトランジスタ、Ｍ２ 充電制御用ＮＭＯＳトランジスタ。

Claims (7)

1. 一つまたは直列接続した複数の二次電池を有するバッテリパックを充電する充電方法において、
   最大充電電圧に達した電池が一個以上有る場合には、アラーム信号を出力するように監視し、充電開始時に最大充電電流で充電を行い、前記アラーム信号を検出する度に、所定の時間経過後、充電電流を段階的に減少させ、充電電流が最低充電電流のときに前記アラーム信号を検出した場合に充電を停止することを特徴とするバッテリパックの充電方法。
2. 前記充電開始時に、電池電圧が所定の電圧以下の電池が一個以上有る場合には、アラーム信号を出力するように監視し、前記アラーム信号を検出した場合は、充電を禁止することを特徴とする請求項１に記載のバッテリパックの充電方法。
3. 前記充電電流は、アラーム信号を検出する度に直前の充電電流の１／２に減少させることを特徴とする請求項１に記載のバッテリパックの充電方法。
4. 一つまたは直列接続した複数の二次電池を有するバッテリパックを充電するバッテリパックの充電装置において、
   前記各二次電池の電池電圧を検出して電圧検出結果を出力する電圧検出手段と、前記電圧検出手段の出力に基づき最大充電電圧に達した電池が一個以上有る場合にアラーム信号を出力するアラーム信号出力手段と、前記バッテリパックに充電電流を供給する充電電源と、前記アラーム信号出力手段からの出力に応じて前記充電電源を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記アラーム信号を検出する度に、所定の時間経過後、充電電流を段階的に減少させることを特徴とするバッテリパックの充電装置。
5. 前記制御手段は、充電電流が最低充電電流のときに前記アラーム信号を検出した場合に充電を停止することを特徴とする請求項４に記載のバッテリパックの充電装置。
6. 前記アラーム信号出力手段は、前記電圧検出手段の出力に基づき電池電圧が所定の電圧以下の電池が一個以上有る場合にアラーム信号を出力し、前記制御手段は、前記充電開始時に、前記アラーム信号を検出した場合は、充電を禁止することを特徴とする請求項４に記載のバッテリパックの充電装置。
7. 前記制御手段は、アラーム信号を検出する度に直前の充電電流の１／２に前記充電電流を減少させることを特徴とする請求項４または５に記載のバッテリパックの充電装置。

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