(57)【要約】【課題】複数の電池セルを直列接続した二次電池を、上記各電池セルの特性バラツキに左右されることなく簡易に、しかも確実に充電することのできるパック電池を提供する。【解決手段】二次電池の充電路に選択的に介挿されて該二次電池に対する充電電流を制限する電流制限抵抗と、この電流制限抵抗をバイパスするバイパス用スイッチ素子とを備え、二次電池の充電時にはバイパス用スイッチ素子を導通させておき、充電時に複数の電池セルの中のいずれかの端子電圧が予め設定された過充電保護電圧に達したときには前記バイパス用スイッチ素子を遮断して前記二次電池の充電を継続させ、前記バイパス用スイッチ素子が遮断した状態において前記電池セルの中のいずれかの端子電圧が予め設定された過充電保護電圧に達したときには充電禁止用スイッチ素子を遮断して該二次電池の充電を禁止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セルを直列に接続した二次電池と、
この二次電池の充電路に介挿されて該充電路を遮断して前記二次電池の充電を禁止する充電禁止用スイッチ素子と、
前記二次電池の充電路に選択的に介挿されて該二次電池に対する充電電流を制限する電流制限抵抗と、
この電流制限抵抗に並列接続されて該電流制限抵抗をバイパスするバイパス用スイッチ素子と、
前記各電池セルの端子電圧をそれぞれ検出する電圧検出手段と、
この電圧検出手段にて検出された端子電圧に従って前記充電禁止用スイッチ素子および前記バイパス用スイッチ素子をそれぞれ駆動する充電制御部とを具備し、
前記充電制御部は、前記二次電池の充電時には前記充電禁止用スイッチ素子および前記バイパス用スイッチ素子をそれぞれ導通させると共に、前記バイパス用スイッチ素子が導通した状態において前記電池セルの中のいずれかの端子電圧が予め設定された過充電保護電圧に達したときには前記バイパス用スイッチ素子を遮断して前記二次電池の充電を継続させ、前記バイパス用スイッチ素子が遮断した状態において前記電池セルの中のいずれかの端子電圧が予め設定された過充電保護電圧に達したときには前記充電禁止用スイッチ素子を遮断して該二次電池の充電を禁止する
ことを特徴とするパック電池。
【請求項２】
前記二次電池を構成する複数の電池セルは、リチウムイオン電池である請求項１に記載のパック電池。
【請求項３】
前記充電制御部は、前記複数の電池セルの中のいずれかの端子電圧が前記過充電保護電圧を越えたときには、前記バイパス用スイッチ素子の導通・遮断状態に拘わることなく前記充電禁止用スイッチ素子を強制的に遮断して該二次電池の充電を禁止するものである請求項１に記載のパック電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のパック電池において、
更に前記二次電池の充電電流を検出する電流検出手段を備え、
前記充電制御部は、前記電流検出手段にて検出される充電電流が予め設定した電流値よりも低下したとき、充電器に対して前記二次電池が満充電状態に達した旨の充電完了信号を出力する満充電検出手段を備えることを特徴とするパック電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電池セルを直列接続した二次電池とその充電制御部とを備えたパック電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池を備えたパック電池を充電器に接続して充電する場合、二次電池を満充電状態まで効率的に充電することは勿論のこと、安全に充電することが重要である。特に二次電池としてリチウムイオン電池を用いる場合、充電の安全性を十分に保証することが要求される。これ故、二次電池の充電は、専ら、その最大充電電圧を制限すると共に、最大充電電流を制限して行われる（例えば特許文献１を参照）。
【０００３】
ちなみにパック電池は、一般的には複数の電池セルを直並列に接続した二次電池と、この二次電池の充電路に直列に介挿されて該充電路を遮断して前記二次電池の充電を禁止する充電禁止用スイッチ素子と、前記二次電池の端子電圧（セル電圧）を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段にて検出された前記二次電池の端子電圧（セル電圧）が過充電保護電圧（最大充電電圧）に達したとき、前記充電禁止用スイッチ素子を遮断して前記二次電池に対する充電を禁止（停止）する充電制御部とを具備して構成される。
【０００４】
具体的には前記充電制御部は、例えば図４に示すように二次電池におけるセル電圧が過充電保護電圧を越えるか否かを判定しながら＜ステップＳ１＞、所定の充電停止条件に達するまで二次電池を充電する＜ステップＳ２＞。そして前記セル電圧が過充電保護電圧を越えたとき＜ステップＳ１＞、充電禁止用スイッチ素子を遮断して二次電池に対する充電を禁止（停止）する＜ステップＳ３＞。その後、二次電池の開放端子電圧を判定することで＜ステップＳ４＞、二次電池が満充電まで正常に充電されたか、或いは満充電に至る前に充電が異常終了したかを判断するものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−４４９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで二次電池を構成する複数の電池セルについては、専ら、特性の揃ったものが用いられると雖も、厳密には個々の電池セル毎にその電池特性にバラツキがあることが否めない。この為、二次電池の充電時には、個々の電池セルの端子電圧（セル電圧）にも多少のバラツキが生じる。すると２個の電池セルを直列に接続した二次電池を充電する場合、例えば図５に示すように、その充電時に一方の電池セルの端子電圧（セル電圧）Ｖ１が前述した最大充電電圧に達した時点で、前述した充電制御部は前記充電禁止用スイッチ素子を遮断して前記二次電池に対する充電を禁止（停止）するので、他方の電池セルにおいては充電が不十分な状態のまま、つまりセル電圧Ｖ２が十分に高くなる前に充電が停止されることになる。この結果、前記２つの電池セルの各充電電圧Ｖ１,Ｖ２を加算した前記二次電池の端子電圧の、充電完了後における開放電圧ＯＣＶが、予め設定されたエラー識別用の電圧閾値を満たさなくなり、これを充電異常として判定してしまうことになる。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、複数の電池セルを直列接続した二次電池を、上記各電池セルの特性バラツキに左右されることなく簡易に、しかも確実に充電することができるように構成したパック電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するべく本発明に係るパック電池は、複数の電池セル（例えばリチウムイオン電池）を直列に接続した二次電池と、この二次電池の充電路に介挿されて該充電路を遮断して前記二次電池の充電を禁止する充電禁止用スイッチ素子と、前記二次電池の充電路に選択的に介挿されて該二次電池に対する充電電流を制限する電流制限抵抗と、この電流制限抵抗に並列接続されて該電流制限抵抗をバイパスするバイパス用スイッチ素子と、前記各電池セルの端子電圧をそれぞれ検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段にて検出された端子電圧に従って前記充電禁止用スイッチ素子および前記バイパス用スイッチ素子をそれぞれ駆動する充電制御部とを具備し、
特に前記充電制御部は、前記二次電池の充電時には前記充電禁止用スイッチ素子および前記バイパス用スイッチ素子をそれぞれ導通させると共に、前記バイパス用スイッチ素子が導通した状態において前記電池セルの中のいずれかの端子電圧が予め設定された過充電保護電圧に達したときには前記バイパス用スイッチ素子を遮断して前記二次電池の充電を継続させ、前記バイパス用スイッチ素子が遮断した状態において前記電池セルの中のいずれかの端子電圧が予め設定された過充電保護電圧に達したときには前記充電禁止用スイッチ素子を遮断して該二次電池の充電を禁止することを特徴としている。
【０００９】
尚、前記充電制御部は、前記複数の電池セルの中のいずれかの端子電圧が前記過充電保護電圧を越えたときには、前記バイパス用スイッチ素子の導通・遮断状態に拘わることなく前記充電禁止用スイッチ素子を強制的に遮断して該二次電池の充電を禁止するように構成することが望ましい。
【００１０】
また上述したパック電池は、好ましくは更に前記二次電池の充電電流を検出する電流検出手段を備え、前記充電制御部においては、前記電流検出手段にて検出される充電電流が予め設定した電流値よりも低下したとき、充電器に対して前記二次電池が満充電状態に達した旨の充電完了信号を出力する満充電検出手段を備えることが望ましい。
【発明の効果】
【００１１】
上述した構成のパック電池によれば、その充電時には前記電流制限抵抗をバイパスした状態で二次電池に対する充電が実行され、その充電過程において前記二次電池を構成する複数の電池セル中の１つの端子電圧（セル電圧）が予め設定された過充電保護電圧に達したとき、バイパス用スイッチ素子が遮断されて前記二次電池の充電路に電流制限用抵抗が直列に介挿される。この結果、二次電池に対する充電電流が低減するので、各電池セルの端子電圧（セル電圧）がそれぞれ低下し、この状態で二次電池に対する充電が継続する。そして前記バイパス用スイッチ素子の遮断に伴う充電電流制限下での充電過程において前記複数の電池セル中の１つの端子電圧（セル電圧）が予め設定された過充電保護電圧に達したときにだけ、前記充電禁止用のスイッチ素子を遮断するので、二次電池を満充電状態まで確実に充電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るパック電池の概略構成図。
【図２】図１に示すパック電池における充電制御の手順の例を示す図。
【図３】図１に示すパック電池における二次電池および電池セルに対する充電の様子を示す図。
【図４】従来のパック電池における充電制御の手順の例を示す図。
【図５】従来のパック電池における二次電池および電池セルに対する充電の様子を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るパック電池について説明する。
図１は本発明に係るパック電池の要部概略構成を示しており、１は複数の電池セル２を直列に接続して構成される二次電池である。電池セル２は、例えばリチウムイオン電池からなる。尚、図１においては２つの電池セル２を直列に接続した二次電池１を示すが、一般的にはパック電池に要求される電池仕様（出力電圧と電流容量）とに応じて、複数の電池セル２を直並列に接続して二次電池１が構成される。具体的にはリチウムイオン電池のセル電圧は公称３.７Ｖであることから、いわゆる１２Ｖ仕様の二次電池１においては、リチウムイオン電池を３段または４段直列に接続して二次電池１が構成される。
【００１４】
パック電池は、上述した二次電池１の充放電路に、基本的には過充電防止用（充電禁止用）のスイッチ素子（例えばＦＥＴ）３と、過放電防止用（放電禁止用）のスイッチ素子（例えばＦＥＴ）４とを直列に介装すると共に、前記二次電池１における各電池セル２の端子電圧（セル電圧）をそれぞれ検出して前記スイッチ素子３,４を遮断駆動し、これによって前記二次電池１を過充電および過放電から保護する制御手段５を備える。この制御手段５は、例えば前記セル電圧を検出する電圧検出手段５ａを備えたマイコンや専用の保護ＩＣ等からなる。
【００１５】
尚、図１においては特に示さないが、このパック電池には前記二次電池１の充放電電流を検出する電流検出手段が組み込まれ、また前記制御手段５には前記二次電池１の充電電流から該二次電池１の満充電を検出する満充電検出手段が設けられる。更には前記制御手段５には、二次電池１の満充電を検出したとき、その旨を図示しない充電器側に通知する通信手段や制御信号出力手段等が設けられる。
【００１６】
このような基本的な機能を加えてこの発明に係るパック電池は、更に前記二次電池１の充放電路（充電路）に直列に介挿されて該二次電池１に対する充電電流を制限する電流制限抵抗６を備えると共に、この電流制限抵抗６に並列接続されて該電流制限抵抗６を前記充放電路からバイパスするバイパス用のスイッチ素子（例えばＦＥＴ）７を備える。このバイパス用のスイッチ素子（例えばＦＥＴ）７は、常時は導通して前記電流制限抵抗６をバイパスし、後述するように前記複数の電池セル２の中の１つの端子電圧（セル電圧）が前述した過充電保護電圧に達したとき、前記制御手段５の制御を受けて遮断されるものである。
【００１７】
即ち、この発明に係るパック電池においては、前記制御手段５はその電圧検出手段５ａにて前記二次電池１を構成する複数の電池セル２の各セル電圧（端子電圧）を個々に検出している。そして前記バイパス用スイッチ素子７を導通させ、これによって前記電流制限抵抗６をバイパスした状態で前記二次電池１に対する充電が開始される。尚、二次電池１がリチウムイオン電池である場合には、電流および電圧を規制した定電流（最大０.５〜１.０Ｃ程度）・定電圧（最大４.２Ｖ／セル程度）充電を利用する。そして二次電池１（電池セル２）の端子電圧が所定の設定値以上、若しくはその充電電流が所定の設定値以下となったとき、これを満充電として判定する。
【００１８】
このようにして充電を開始すると、前記制御手段５は、例えば図２にその概略的な処理手順を示すように、先ず前記各電池セル２のセル電圧が予め設定された過充電保護電圧に達したか否か、具体的にはリチウムイオン電池の場合には４.２５Ｖに達したか否かを判定している＜ステップＳ１１＞。そして各電池セル２の端子電圧が過充電保護電圧（４.２５Ｖ）に達していない場合には、予め設定された充電停止条件を満たすか否かを判定し＜ステップＳ１２＞、該充電停止条件が満たされるまで前記電池セル２のセル電圧を判定しながら、二次電池１に対する充電を継続する。
【００１９】
尚、前記充電停止条件は、例えば二次電池１が満充電状態となることによって該二次電池の充電電流が低下することに着目し、その充電電流が予め設定された電流値まで低下したときとして設定される。このような充電電流の低下を検出してその充電を停止する機能は、パック電池を充電する充電器が備えることも可能である。
【００２０】
そしてその充電過程において前記複数の電池セル２の中の１つセル電圧が前記過充電保護電圧を越えた場合＜ステップＳ１１＞、前記制御手段５は前記バイパス用スイッチ素子７が遮断状態であるか否かを判定する＜ステップＳ１３＞。つまり前記二次電池１の充電路に前記電流制限抵抗６が介挿されて充電電流を制限している状態であるか否かを判定する。そして前記バイパス用スイッチ素子７が導通状態であり、前記電流制限抵抗６による充電電流の制限が行われていない場合には、例えば図３に示すように前述した複数の電池セル２の中の１つが、電池セル間の特性のバラツキに起因して他の電池セルよりもいち早く充電されてそのセル電圧が上昇したと看做して前記バイパス用スイッチ素子７を遮断し＜ステップＳ１４＞、前記二次電池１に対する充電電流を制限する。
【００２１】
このようにして二次電池１に対する充電電流を制限することで、各電池セル２の端子電圧（セル電圧）はその内部抵抗に起因して低下し、前述した過充電保護電圧を下回ることになる。この結果、二次電池１の各電池セル２は、制限された電流の下で緩やかに充電される。そしてその充電電流が前述した充電停止条件まで低下したか否かの判定が行われる＜ステップＳ１２＞。
【００２２】
尚、前記複数の電池セル２の中の１つセル電圧が前記過充電保護電圧を越えた際、前記バイパス用スイッチ素子７が遮断状態である場合には＜ステップＳ１３＞、前記制御手段５は、二次電池１に対する充電電流を制限しているにも拘わらず前記電池セル２の端子電圧が前記過充電保護電圧を越え、その安全な充電条件が満たされなくなったとして判断する。そしてこの場合には前記制御手段５は、前述した充電禁止用（過充電防止用）のスイッチ素子３を遮断し、前記二次電池１に対する充電を強制的に停止させる＜ステップＳ１５＞。
【００２３】
制御手段５は、以上のようにして二次電池１に対する充電を制御し、該二次電池１に対する充電停止条件が満たされたならば、次に充電停止後の前記二次電池１の開放端子電圧を検出し、その開放端子電圧ＯＣＶが予め設定されたエラー識別の電圧閾値を越えているか否か、つまり二次電池１が十分に充電されているか否かを判定する＜ステップＳ１６＞。そして二次電池１の開放端子電圧ＯＣＶが十分に高い場合には、その充電が正常に終了したとして判断し、また前記開放端子電圧ＯＣＶが前記エラー識別の電圧閾値よりも低い場合には、二次電池１の異常に起因して該二次電池１が十分に充電されていないとして判断する。つまり二次電池１の充電が、異常のまま終了したと判断する。
【００２４】
かくして上述した如く構成されたパック電池によれば、二次電池１を構成する複数の電池セル１の中の１つの端子電圧（セル電圧）に達しても、この状態において直ぐに二次電池１に対する充電を停止させずに、その充電電流を制限して充電を継続するので、複数の電池セル２の特性にバラツキがあっても、これらの電池セル２をそれぞれ十分に充電することができる。特に二次電池１に対する充電停止条件が満たされるまで、電流制限した充電電流にて各電池セル２を緩やかに充電することができる。従って二次電池１を構成する複数の電池セル２間に、その特性の多少のバラツキがあっても、これらの電池セル２の特性を十分に活かした充電容量まで二次電池１を確実に、しかも容易に充電することができ。またその充電安全性も十分に確保することができる。
【００２５】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば二次電池１を構成する電池セル２の数や、その直列接続段数は前述したようにパック電池に要求される仕様に応じて定めれば良いものである。また図１に示す実施形態においては、二次電池１のプラス側のラインにスイッチ素子３,４,７を介挿したが、前記二次電池１のマイナス側のラインに介挿しても良いことは言うまでもない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【符号の説明】
【００２６】
１  二次電池
２  電池セル
３  過充電防止用スイッチ素子（ＦＥＴ）
４  過放電防止用スイッチ素子（ＦＥＴ）
５  制御手段（マイコンまたは保護ＩＣ）
５ａ  電圧検出手段
７  バイパス用スイッチ素子（ＦＥＴ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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