(57)【要約】  【課題】複数の単電池を有する電池パックにおいて、本体が各単電池の認証を行うことができる。  【解決手段】複数の単電池ＢＸ１〜ＢＸ５が直列接続されて電池パック１５０が構成されている。各単電池には、保護および認証回路が含まれている。電池パック１５０と本体１６０との間がラインＬ＋およびＬ−で接続されている。ラインＬ＋，Ｌ−を介して電池電圧と電池電圧に重畳されたデータが本体１６０に伝送され、本体１６０の通信ブロック１６１によってデータが受信される。電池パック１５０から各単電池のアドレスが先頭に付加されたデータが本体１６０の通信ブロック１６１によって受信される。電池パック１５０の各単電池と個別に通信を行うことができるので、認証も各単電池毎に行うことができる。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単電池が第１および第２のライン間に直列または並列に接続され、
上記単電池は、電池セルと、認証処理を行うための制御回路と、制御回路に接続され、上記電池セルの電池出力に対して直列２進データ列を重畳する通信ブロックと、上記制御回路によって制御されるスイッチング素子とを有し、上記制御回路が自身のアドレスを発生し、
上記単電池のそれぞれの上記制御回路が上記通信ブロックおよび上記第１および第２のラインを介して本体側に上記アドレスを含む直列２進データ列を送信することによって、上記単電池毎に認証を行い、
上記認証が成立する時に、上記スイッチング素子をオンして充電または放電を可能とし、
上記認証が成立しない時に、上記スイッチング素子をオフして充電または放電を禁止するようにした電池パック。
【請求項２】
上記単電池の上記制御回路は、さらに、上記電池セルの過充電および過放電に対する保護機能を制御する請求項１記載の電池パック。
【請求項３】
複数の上記単電池の上記制御回路とそれぞれ通信を行い、上記単電池に含まれる上記電池セルの過充電および過放電に対する保護機能を制御する制御回路が内部に設けられた請求項１記載の電池パック。
【請求項４】
上記単電池は、一端面が閉塞された円筒形であって、発電要素が収納され、上記発電要素の負極側と接続された金属材料からなる容器と、
上記容器の他端面側に配され、上記容器の他端面を閉塞する安全弁装置と、
複数の脚部によって上記安全弁装置の上部に位置するように設けられた金属材料からなる電池蓋とを備え、
上記安全弁装置は、電池内圧の上昇により変形を生じる金属材料からなる板状の安全弁と、上記安全弁の変形によって、上記発電要素の正極側と上記電池蓋との間の電気的接続を遮断する遮断部とを有し、
中心に開口が形成されたプリント配線基板が上記安全弁と上記電池蓋との間に介在され、
上記スイッチング素子が上記プリント配線基板上に、上記安全弁と上記電池蓋との間の電流路をスイッチングするＰチャンネルＦＥＴによって構成され、上記制御回路の接地側が上記容器と接続された請求項１記載の電池パック。
【請求項５】
上記容器の上部エッジの一部が上記制御回路の接地側まで延長された請求項４記載の電池パック。
【請求項６】
上記電池蓋の上記脚部間の開口部の位置に上記ＰチャンネルＦＥＴおよび上記制御回路が上記プリント配線基板の上面に取り付けられた請求項４記載の電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば円筒形リチウムイオン二次電池等の二次電池に適用される電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、ノートブック型パソコンなどをはじめとする電子機器のコードレス化、ポータブル化が進み、薄型、小型、軽量の携帯電子機器が次々と開発されている。また電動工具、車載（電気自動車）などの機器や機能の多様化によって電力使用量が増加しており、それら電子機器のエネルギー源である電池の高容量化・軽量化に対する要求が高まっている。
【０００３】
そこで、この要求に応える二次電池として、リチウムイオンのドープ・脱ドープを利用したリチウムイオン二次電池（以下、リチウムイオン電池と適宜称する）が提案されている。
【０００４】
リチウムイオン電池は例えば、ＬｉＣｏＯ2 やＬｉＮｉＯ2 等のリチウム複合酸化物を用いた正極活物質層が正極集電体上に形成された正極と、リチウムをドープ・脱ドープ可能な例えばグラファイトや難黒鉛化性炭素材料等の炭素系材料を用いた負極活物質層が負極集電体上に形成された負極とを有している。この正極および負極はセパレータを介して積層され、屈曲または巻回されて電池素子とされる。この電池素子は、リチウム塩を非プロトン性有機溶媒に溶解させてなる非水電解液とともに、例えば金属缶やラミネートフィルムに収容されて電池が構成されている。
【０００５】
リチウムイオン電池は、通常の使用条件下において十分な安全性を確保する電池設計がなされている。例えば、電池内部の温度上昇時に電流を制限する熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient：ＰＴＣ素子）や、内部電圧上昇時に電池内部で電気的接続を切断する安全弁などが設けられている。
【０００６】
また、リチウムイオン電池は、過充電や過放電に弱いことから、電池セルと、保護回路とが一体化された電池パックの構成とされるのが普通である。保護回路の機能は、過充電保護、過放電保護および過電流保護の３つの機能がある。簡単にこれらの保護機能について説明する。
【０００７】
過充電保護機能について説明する。リチウムイオン電池を充電していくと、満充電を過ぎても電池電圧が上昇を続ける。この過充電状態になると危険な状態となる可能性が生じる。したがって、充電は、定電流定電圧で行い、充電制御電圧が電池の定格（例えば４．２Ｖ）以下が行う必要がある。しかしながら、充電器の故障や、異機種用充電器の使用によって、過充電の危険性がある。過充電され、電池電圧がある電圧値以上になった場合、保護回路が充電制御ＦＥＴ（Field Effect Transistor ）をオフし、充電電流を遮断する。この機能が過充電保護機能である。
【０００８】
過放電保護機能について説明する。定格放電終止電圧以下まで放電し、電池電圧が例えば２Ｖ〜１．５Ｖ以下の過放電状態になった場合は、電池が故障する場合がある。放電され、電池電圧がある電圧値以下になった場合、保護回路は、放電制御ＦＥＴをオフし、放電電流を遮断する。この機能が過放電機能である。
【０００９】
過電流保護機能について説明する。電池の＋−端子間が短絡された場合には、大電流がながれてしまい、異常発熱する危険性がある。放電電流がある電流値以上流れた場合には、保護回路は、放電制御ＦＥＴをオフし、放電電流を遮断する。この機能が過電流保護機能である。放電電流を遮断する点において、過放電保護機能と過電流保護機能とが同様の機能といえる。
【００１０】
かかるリチウムイオン電池は、電池の使用安全性を確保し、また、電池寿命の低下等の問題の発生を防ぐために、正規のメーカーによって製造された充電装置によって充電される必要がある。例えば非正規品の充電装置の場合では、正しい仕様を満たさないものがあり、そのような充電装置によって充電すると、過充電がされるおそれがある。一方、電池パックを電源として使用する電子機器（アプリケーション機器と称する）が正規の機器で
ない場合、放電電流が過大となるおそれが生じる。したがって、アプリケーション機器が正規であることが望まれる。
【００１１】
電池パックと充電装置との間で相互認証を行い、認証が成立しない場合には、充電電流を遮断する充電制御方法が下記の特許文献１に記載されている。さらに、電池パックと充電装置との間で無線通信を行い、電池パックの情報を充電装置が取得し、取得した情報に基づいて充電を行うことが特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第３８３３６７９号公報
【特許文献２】特開平１１−１６４５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１に記載の充電制御方法は、電池パック内のマイクロコンピュータと充電装置内のマイクロコンピュータとが専用の通信ラインを介して双方向通信を行う構成とされていた。このように電源供給端子とは別の通信端子を設けると、非正規の電池パックまたは充電装置を製造する者にとって、通信端子の存在から認証を行っていることが直ぐに分かる。したがって、通信端子に制御されているマイクロコンピュータを解析することによって、非正規の電池セルに対して複製した認証用の電子回路を付加した電池パックが作成されるおそれが高くなる。さらに、通信端子を設けることによる部品点数の増加、コストの上昇が生じる。
【００１４】
無線通信を行う特許文献２に記載の構成は、無線通信のためにコストが高くなる問題がある。さらに、無線通信のためのユニットが複製されるおそれがある。
【００１５】
さらに、電池パックとして複数の単電池を使用することが比較的多い。複数の単電池のそれぞれが正規品であるか否かの認証を行うことが望ましい。電池パックに対して一つの識別抵抗を接続する構成は、一部の単電池が非正規品に交換されたことに対して対処できない。よりさらに、複数の電池セルを使用する電池パックでは、各電池セルの電池電圧を検出するために、各電池の両端子と検出部との間に配線を設けるために、電池パック内の配線が複雑化する問題があった。
【００１６】
したがって、この発明の目的は、上述したような認証を行う電池パックに関して、認証用の通信端子を不要とし、さらに、複数の電池セルを使用する場合の問題を解決することができる電池パックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述した課題を解決するために、この発明は、複数の単電池が第１および第２のライン間に直列または並列に接続され、
単電池は、電池セルと、認証処理を行うための制御回路と、制御回路に接続され、電池セルの電池出力に対して直列２進データ列を重畳する通信ブロックと、制御回路によって制御されるスイッチング素子とを有し、制御回路が自身のアドレスを発生し、
単電池のそれぞれの制御回路が通信ブロックおよび第１および第２のラインを介して本体側にアドレスを含む直列２進データ列を送信することによって、単電池毎に認証を行い、
認証が成立する時に、スイッチング素子をオンして充電または放電を可能とし、
認証が成立しない時に、スイッチング素子をオフして充電または放電を禁止するようにした電池パックである。
【００１８】
好ましくは、単電池の制御回路は、さらに、電池セルの過充電および過放電に対する保護機能を制御する。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、電池電圧を伝送する２本のラインを介して本体との通信を行うことができるので、別途の通信端子および通信ラインを使用する構成と比較して構成の簡略化とコストの低減を図ることができる。本体が複数の単電池と個別に通信を行うことができ、単電池のそれぞれが正規品か否かを判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明を適用できる円筒形リチウムイオン電池の一例の断面図である。
【図２】この発明を適用できる円筒形リチウムイオン電池における安全装置の構成部品の斜視図である。
【図３】この発明の一実施の形態における円筒形リチウムイオン電池の正極部の断面図である。
【図４】この発明の一実施の形態における円筒形リチウムイオン電池の正極部の平面図である。
【図５】この発明の一実施形態における保護および認証回路の構成を示す接続図である。
【図６】保護および認証回路における通信ブロックの受信動作の説明に用いる接続図である。
【図７】保護および認証回路における通信ブロックの受信動作の説明に用いる波形図である。
【図８】保護および認証回路における通信ブロックの送信動作の説明に用いる接続図である。
【図９】この発明の一実施の形態の制御動作の説明に用いるフローチャートである。
【図１０】この発明の一実施の形態の充電時の制御動作の説明に用いるフローチャートである。
【図１１】この発明の一実施の形態の放電時の制御動作の説明に用いるフローチャートである。
【図１２】この発明の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図１３】この発明の一実施の形態の伝送信号の説明に用いる波形図である。
【図１４】この発明の一実施の形態の変形例の構成を示すブロック図である。
【図１５】この発明の一実施の形態の制御処理を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、この発明の実施の形態について説明する。なお、説明は、以下の順序で行う。
＜１．一般的なリチウムイオン二次電池の構成例＞
＜２．第１の実施の形態＞
＜３．変形例＞
なお、以下に説明する実施の形態は、この発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、この発明の範囲は、以下の説明において、特にこの発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。
【００２２】
＜１．一般的なリチウムイオン二次電池の構成例＞
図１を参照してこの発明における電池セルに対して適用できる一般的な円筒形リチウムイオン電池の一例について説明する。発電要素１０が円筒状の電池容器２０の内部に収納されている。
【００２３】
発電要素１０は、帯状の正極１１と負極１２とがセパレータ１３を介してセンターピン１５を中心として巻回され、セパレータ１３に液状の電解質である電解液が含浸されたものである。正極１１は、例えばアルミニウム箔等からなる正極集電体１１ａの両面（または片面）に正極活物質としてリチウム（Ｌｉ）をドープおよび脱ドープが可能な正極材料を含む正極合剤層１１ｂが設けられた構造を有している。正極集電体１１ａには、アルミニウム等からなる正極リード１４が取り付けられ、発電要素１０の外部に導出されている。
【００２４】
負極１２は、例えば銅箔からなる負極集電体１２ａの両面（または片面）に負極活物質としてリチウムをドープおよび脱ドープが可能な負極材料を含む負極合剤層１２ｂが設けられた構造を有している。負極集電体１２ａには、銅からなる負極リード１６が取り付けられ、発電要素１０の外部に導出されている。
【００２５】
セパレータ１３は、例えば合成樹脂製あるいはセラミック製の多孔質膜から構成されている。電解液は、例えば有機溶剤等の溶媒と、この溶媒に溶解された電解質塩であるリチウム塩とを含んでいる。発電要素１０の巻回周面には、一対の絶縁板３１，３２が配置されている。
【００２６】
電池容器２０は、例えばニッケル（Ｎｉ）のめっきがされた鉄（Ｆｅ）あるいはステンレス鋼から構成され、一端面（負極）側が閉塞され、他端面（正極）側が開放されている。電池容器２０は、負極と接続されており、負極端子として機能するようになされている。また、電池容器２０の開放端面部には、安全機構４０と電池蓋５０とがガスケット６０を介してかしめられることによって取り付けられており、電池容器２０の内部が密閉されている。
【００２７】
安全機構４０の一例を半部の斜視図である図２を参照して説明する。アルミニウム等からなる金属材料からなる安全弁４１と、アルミニウム等の金属材料からなる支持ホルダ４２とが絶縁ホルダ４３を介して嵌合されている。安全弁４１は、底部の中心に発電要素１０側に突出した突出部４１ａを有しており、突出部４１ａが支持ホルダ４２の底部の中心に形成された開口４２ａに挿入される。安全弁４１の外周には、ＰＴＣ４４素子を介在させて電池蓋５０との電気的接続を確保するためのフランジ部４１ｂが設けられ、支持ホルダ４２には、側壁に複数の通気孔としての開口が形成されている。安全弁４１の突出部４１ａに対して正極リード１４が溶接されている。
【００２８】
安全機構４０では、内部短絡あるいは外部などの加熱等によって電池の内圧が上昇して所定値に達すると、支持ホルダ４２の開口４２ｂを通じて上昇した内圧が安全弁４１に伝えられる。安全弁４１は、その内圧により電池蓋５０側に変形する。その結果、電池内圧が緩和されると共に、安全弁４１と正極リード１４との電気的接続が遮断され、電池蓋５０と発電要素１０との電気的接続が断たれる。
【００２９】
電池蓋５０は、電池の正極端子として機能し、例えば電池容器２０と同様にニッケルめっきがされたステンレス鋼により構成され、周囲にフランジ部５１を有し、上部に複数の切欠きを有する。電池蓋５０のフランジ部５１は、安全弁４１のフランジ部４１ｂとＰＴＣ素子４４を介して電気的に接続されている。ＰＴＣ素子４４は、温度が上昇すると抵抗値が増大し、大電流による異常な発熱を防止する。
【００３０】
上述した２次電池は、例えば以下のように製造される。
【００３１】
まず、リチウムをドープおよび脱ドープ可能な正極材料と導電剤と結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤を混合溶媒に分散させて正極合剤スラリーとする。次に、正極合剤スラリーを正極集電体１１ａに塗布して乾燥させた後圧縮成型して正極合剤層１１ｂを形成し、正極１１を作製する。その後、正極集電体１１ａに超音波溶接あるいはスポット溶接等により正極リード１４を接続する。
【００３２】
また、リチウムをドープおよび脱ドープ可能な負極材料と結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤を混合溶媒に分散させて負極合剤スラリーとする。次に、負極合剤スラリーを負極集電体１２ａに塗布して乾燥させた後圧縮成型して負極合剤層１２ｂを形成し、負極１２を作製する。その後、負極集電体１１ａに超音波溶接あるいはスポット溶接等により負極リード１６を接続する。
【００３３】
そして、正極１１と負極１２とをセパレータ１３を介して多数回巻回し、巻回電極体を作製する。その後、巻回電極体を一対の絶縁板３１，３２で挟み、電池容器２０の内部に収納し、正極リード１４を安全機構４０の安全弁４１に溶接すると共に、負極リード１６を電池容器２０に溶接する。
【００３４】
また、溶媒に電解質塩を溶解させて電解液を調製する。その後、電解液を電池容器２０の内部に注入し、セパレータ１３に含浸させる。続いて、電池容器２０の開放部に安全機構４０および電池蓋５０をガスケット６０を介してかしめることによって固定する。このようにしてリチウムイオン電池が完成する。なお、上述した説明では省略したが、実際には、電池蓋５０に対して樹脂製のリングワッシャが装着され、そして、電池全体が樹脂チューブで被覆される。
【００３５】
＜２．第１の実施の形態＞
「正極側の構造」
上述したリチウムイオン二次電池に対してこの発明を適用する場合、図３および図４に示すように、正極側に関連する部分が構成される。発電要素等については、図１を参照して説明した一般的な円筒形リチウムイオン電池と同様である。
【００３６】
安全装置は、アルミニウム等の金属材料からなるディスク１１２、アルミニウム等の金属材料からなる板状の安全弁１１４等から構成されている。安全弁１１４は、開裂弁としての機能を有するように、肉薄部を有している。正極集電体に取り付けられた正極リード１１１がディスク１１２と溶接される。ディスク１１２は、その中心部に遮断部としての突出部１１３が形成されている。また、ディスク１１２には、通気用の複数の開口が形成されている。突出部１１３が上部の安全弁１１４と接触または溶接されている。なお、図示を省略したリング状の絶縁体であるディスクホルダによって、突出部１１３以外では、ディスク１１２と安全弁１１４とが絶縁される。
【００３７】
安全弁１１４と電池蓋１１６との間には、図１の構成では、ＰＴＣ素子４４が配置されているが、図３に示すように、プリント配線基板１１５が配置される。したがって、プリント配線基板１１５の厚みは、ＰＴＣ素子とほぼ等しいことが好ましい。プリント配線基板１１５は、中央に開口を有するリング状のもので、両面に配線パターンが形成可能なものである。
【００３８】
プリント配線基板１１５の下側の面には、安全弁１１４と電気的に接続可能なパターンが形成されている。このパターンには、比較的大きな電流が流れるので、安全弁１１４とある程度大きな面積でもって面接触するものが好ましい。例えばリング状の導電パターンが形成される。この導電パターンとプリント配線基板１１５の上側の面に形成された導電パターンの所定の位置とがスルーホール等を介して電気的に接続されている。
【００３９】
電池容器１２０は、発電要素の負極集電体と接続されており、負極端子として機能する。また、電池容器１２０の開放部では、安全弁１１４、プリント配線基板１１５および電池蓋１１６のフランジ部がガスケット１２１を介してかしめられており、電池容器１２０が密閉されている。
【００４０】
電池蓋１１６は、平坦なフランジ部から中央の平坦な端子面に向かって立ち上がる３本の脚部１１７ａ，１１７ｂおよび１１７ｃとを一体に有している。これらの脚部１１７ａ，１１７ｂおよび１１７ｃは、ほぼ１２０°の角間隔で位置し、互いの脚部の間に開口が形成されている。図示しないが、電池蓋１１６の上には、樹脂製のリングワッシャが嵌合され、さらに、電池全体が樹脂チューブで被覆される。
【００４１】
電池容器１２０内でガスが発生して内圧が増加した場合に、ディスク１１２の開口を通じて安全弁１１４が上側に押し上げられて、内圧を緩和すると共に、突出部１１３と安全弁１１４の溶接部が剥離して発電要素の正極側と電池蓋１１６との間の電気的接続が遮断される。さらに、内圧が増大すると、安全弁１１４自体がその肉薄部で破壊され、プリント配線基板１１５の中央の開口１１８と電池蓋１１６の脚部間の開口を通じて外部にガスを放出するようになされる。
【００４２】
プリント配線基板１１５上には、リチウムイオン電池の保護および認証回路が構成されている。すなわち、発電要素の正極側（安全弁１１４）と電池セルの正極出力端子（電池蓋１１６）との間の電流路をオン／オフする、スイッチング素子としてのＰチャンネル形ＦＥＴ素子１３１がプリント配線基板１１５上にマウントされている。さらに、ＦＥＴ素子１３１に対して制御信号を供給する制御回路ＩＣ(Integrated Circuit)１３２と、上述の電流路と直列に挿入されたヒューズ１３３と、その他の回路素子からなる保護および認証回路がプリント配線基板１１５上にマウントされている。
【００４３】
制御回路ＩＣ１３２は、マイクロコンピュータによって構成され、保護機能および認証機能を有する。プリント配線基板１１５上にマウントされる回路部品の中で、比較的サイズが大きい部品である、ＦＥＴ素子１３１および制御回路ＩＣ１３２は、部品の上部が電池蓋１１６と当たることがないように、電池蓋１１６の脚部同士の間の開口の下側に位置するようになされる（図４参照）。
【００４４】
ヒューズ１３３は、所定値以上の電流が流れると溶断し、または所定値以上の温度まで上昇する溶断するものである。ヒューズ１３３の一端がＦＥＴ素子１３１接続され、その他端が導電パターンを介して電池蓋１１６のフランジ部と接続（例えば溶接）されている。ＦＥＴ素子１３１およびヒューズ１３３を含む導電パターンは、充電電流および放電電流を流すのに必要なサイズ（幅または体積）とされている。
【００４５】
プリント配線基板１１５上に取り付けられた主要な回路部品としてのＦＥＴ素子１３１およびヒューズ１３３の付近をシールするコーティング材（一点鎖線で示す）１３４と、制御回路ＩＣ１３２の付近をシールするコーティング材（一点鎖線で示す）１３５とが設けられる。なお、プリント配線基板１１５の全体をコーティングしても良い。
【００４６】
制御回路ＩＣ１３２の接地側端子と接続された導電パターンに対して、電池容器１２０の一部が突出されて形成されたタブ１２０ａが溶接等によって接続される。制御回路ＩＣ１３２を流れる電流は、充電電流、または放電電流に比して小さいので、タブ１２０ａが小さいものであっても良い。
【００４７】
「保護および認証回路」
図５は、この発明の一実施の形態の保護および認証回路の回路構成を示す。電池セル（発電要素）ＢＴの正極がＰチャンネルＦＥＴＱP１のソースと接続され、ＦＥＴＱP１のドレインとＰチャンネルＦＥＴＱP２のドレインとが接続され、ＦＥＴＱP２のソースがヒューズ１３３を介して正側端子（電池蓋１１６）と接続される。ＦＥＴＱP１が充電制御用
のＦＥＴであり、そのゲートに対して制御回路ＩＣ１３２から充電制御信号Ｓ１が抵抗を介して供給される。ＦＥＴＱP２が放電制御用のＦＥＴであり、そのゲートに対して制御
回路ＩＣ１３２から放電制御信号Ｓ２が抵抗を介して供給される。各ＦＥＴのドレイン・ソース間には、寄生ダイオードｄ１，ｄ２が存在している。
【００４８】
制御回路ＩＣ１３２の電源端子が電池セルＢＴの正極側とＦＥＴＱP２のソースとそれ
ぞれ接続されると共に、その接地端子（ＧＮＤ）が電池セルＢＴの負極側と接続される。この接続は、上述したように、電池容器１２０と一体のタブ１２０ａを介してなされる。
【００４９】
さらに、制御回路ＩＣ１３２に対して通信ブロック１４１が接続される。通信ブロック１４１は、認証のために本体側との双方向通信を行う。本体側としては、充電装置または電池パックを電源として使用するアプリケーション機器であり、本体側にも同様の構成の通信ブロックが設けられている。電池パックと本体側との間は、正負の電源を伝送するための２線で接続されており、２線を介して直列２進データ列の転送がなされる。制御回路ＩＣ１３２が出力し、本体側へ送る情報としては、電池セルＢＴの端子電圧が含まれる。通信方式としては、ＥＩＡ(Electronic industries Alliance)規格によるＲＳ−４２２、ＲＳ−４８５等を使用できる。通信ブロック１４１についての詳細については、後述する。
【００５０】
「保護動作」
上述した保護および認証回路において、電池セルＢＴの電圧が過充電検出電圧になったときや、電池セルＢＴの電圧が過放電検出電圧以下になったとき、制御回路ＩＣ１３２がＦＥＴのゲートに制御信号を送ることにより、過充電、過放電を防止する。ここで、リチウムイオン電池の場合、過充電検出電圧が例えば４．２Ｖ±０．５Ｖと定められ、過放電検出電圧が２．４Ｖ±０．１Ｖと定められる。
【００５１】
電池電圧が過充電検出電圧となったときは、制御回路ＩＣ１３２からの充電制御信号Ｓ１によって充電制御ＦＥＴＱP１がオフされ、充電電流が流れないように制御される。な
お、充電制御ＦＥＴＱP１のオフ後は、寄生ダイオードｄ１および放電制御ＦＥＴＱP２を介することによって放電のみが可能となる。
【００５２】
また、電池電圧が過放電検出電圧となったときは、制御回路ＩＣ１３２からの放電制御信号Ｓ２によって放電制御ＦＥＴＱP２がオフされ、放電電流が流れないように制御され
る。なお、放電制御ＦＥＴＱP２のオフ後は、寄生ダイオードｄ２および充電制御ＦＥＴ
ＱP１を介することによって充電のみが可能となる。さらに、電池の＋−端子間が短絡さ
れたような場合には、大電流が流れてしまい、異常発熱する危険性がある。放電電流がある電流値以上流れた場合には、保護および認証回路は、放電制御ＦＥＴＱP２をオフし、
放電電流を遮断する。さらに、ＦＥＴＱP１またはＱP２が破壊されたりして大電流がながれるような異常が発生した時には、ヒューズ１３３が溶断して安全を確保するようになされる。
【００５３】
上述したように、この発明の一実施の形態では、電池単体が保護および認証回路を含んでいるために、複数の電池の直列接続または並列接続が容易となり、また、電池の外部にリードを引き出して保護および認証回路を接続することが不要となる。ＰチャンネルＦＥＴを使用して正側のラインをオン／オフするので、正側の安全装置の上側のスペースに保護および認証回路を配することができ、また、接続のために長いリードを設けることを不要とできる。さらに、制御回路の接地端子を電池容器の一部を延長したタブに接続することによって、配線パターンの簡略化を達成でき、部品点数の増大を防止することができる。
【００５４】
「通信ブロック」
通信ブロック１４１は、平衡型ディファレンシャル入力をラインから受け取るレシーバ１４２と、平衡型ディファレンシャル出力をラインに送り出すジェネレータ１４５とを備えている。本体側から送信された直列２進データ列が正側端子（＋）および負側端子（−）に供給され、コンデンサ１４３および１４４を介してレシーバ１４２にディファレンシャル入力として入力される。レシーバ１４２から得られた２進直列データ列が制御回路ＩＣ１３２に対して入力される。
【００５５】
ジェネレータ１４５のディファレンシャル出力がコンデンサ１４３および１４４を介して電池パックの正側端子（＋）および負側端子（−）とそれぞれ供給される。ジェネレータ１４５には、制御回路ＩＣ１３２から出力される直列２進データ列が供給される。各出力端子から導出された伝送ライン上にジェネレータ１４５が出力した直列２進データ列が重畳される。なお、図示しないが、レシーバ１４２およびジェネレータ１４５に対して制御回路ＩＣ１３２から逆位相のイネーブル信号が供給され、レシーバ１４２およびジェネレータ１４５のそれぞれの動作（伝送ラインと接続される）／非動作（伝送ラインから切り離される）が切り替えられる。
【００５６】
本体側に設けられている同様の構成の通信ブロックにおける動作／非動作の切替は、電池パックにおける切り替え動作と逆位相とされる。すなわち、本体側から電池パック側へのデータの送信がなされる場合、本体側のジェネレータと、電池パック側のレシーバ１４２とが正側端子および負側端子と接続される。逆に、電池パック側から本体側へデータの送信がなされる場合、電池パック側のジェネレータ１４５と、本体側のレシーバとが正側端子および負側端子と接続される。
【００５７】
図６を参照して、レシーバ１４２が動作状態とされるデータ受信動作について説明する。正側端子（Ｔａ）および負側端子（Ｔｂ）間に、図７Ａに示すように、電池セルＢＴの電圧例えば＋４Ｖをバイアスとし、ｐ−ｐ(peak to peak)が３Ｖの振幅の信号電圧Ｖａｂが供給される。コンデンサ１４３および１４４を介することによって、端子ＴｃおよびＴｄ間の電圧Ｖｃｄは、バイアスがカットされた０Ｖを中心とする信号波形（図７Ｂ）となる。
【００５８】
図７Ｂに示す信号波形がレシーバ１４２に対して入力され、レシーバ１４２は、信号波形の正負に対応して出力端子（Ｔｅ）に直列２進データ列Ｖｅ（図７Ｃ）を出力する。レシーバ１４２の電源電圧が＋３Ｖの場合の直列２進データ列の波形を示す。レシーバ１４２から出力された直列２進データ列Ｖｅが制御回路ＩＣ１３２に対して供給される。
【００５９】
ジェネレータ１４５が動作状態とされるデータ送信動作では、上述したデータ受信動作と逆の処理がなされる。図８においてＴｆで示す入力端子に対して、制御回路ＩＣ１３２からの送信すべき直列２進データ列（図７Ｃと同様の波形）が供給される。ジェネレータ１４５のディファレンシャル出力（図７Ｂと同様のＴｃ−Ｔｄ間に発生する電圧Ｖｃｄ）がコンデンサ１４３および１４４を介して正側端子および負側端子に接続された伝送線に送出される。この電圧は、図７Ａと同様のＴａ−Ｔｂ間に発生する電圧Ｖａｂである。
【００６０】
図７Ｂに示す信号波形がレシーバ１４２に対して入力され、レシーバ１４２は、信号波形の正負に対応して出力端子（Ｔｅ）に２進データ（図７Ｃ）を出力する。レシーバ１４２の電源電圧が＋３Ｖの場合の２進データの波形を示す。
【００６１】
「認証および制御処理」
上述した通信ブロック１４１を使用して電池パックと本体（充電装置またはアプリケーション機器）との間で双方向通信が行われ、認証処理がなされ、認証結果に応じて制御処理がなされる。認証処理は、保護および認証回路内の制御回路ＩＣ１３２によって所定の周期例えば１秒周期で繰り返される。さらに、認証処理は、充電動作および放電動作の何れにおいてもなされる。
【００６２】
認証方式は、相互認証例えばチャレンジ・レスポンス方式が使用される。相互認証は、電池パックが本体に対して装着されたことを契機として行われる。電池パックが本体に対して装着されたか否かは、例えば物理的な接続の有無を検出する方法等を使用できる。チャレンジ・レスポンス方式では、電池パックおよび本体間で秘密情報が共有されており、先ず、本体から電池パックに対してチャレンジデータが送信される。チャレンジデータは、一時的なデータであり、乱数が使用される。
【００６３】
チャレンジデータを受け取った電池パックは、自分の秘密情報とチャレンジデータからレスポンスデータを生成し、レスポンスデータを本体に返す。本体側でも同じ生成処理を行い、生成したデータとレスポンスデータとを比較し、両者が一致すれば、電池パックが秘密情報を知っていたものと認証する。すなわち、装着された電池パックが正規品と判定される。そうでない場合には、電池パックが認証されず、非正規品と判定される。認証結果が記憶される。
【００６４】
次に、認証者が本体から電池パックに交代し、被認証者が電池パックから本体に交代する。電池パックから受け取ったチャレンジデータと秘密情報からレスポンスデータを本体が生成し、レスポンスデータを電池パックに返す。電池パック側で同じ生成処理で生成したデータと受け取ったレスポンスデータとを比較し、両者が一致するか否かによって、認証が成立するか否かが判定され、判定結果が記憶される。この場合では、電池パックが本体が正規か否かを判定する。
【００６５】
電池パックの認証結果が本体に返され、本体では、二つの認証結果が共に成立する場合に、相互認証が成立したものと判定し、本体が相互認証の結果を保有する。本体は、認証が成立しない場合には、その電池パックを使用することをできない状態とされる。電池パックは、認証者として被認証者の本体についての認証結果を保有する。後述するように、電池パックは、認証が成立しない場合では、充電または放電が禁止される。非正規品の本体は、電池パックによって認証されないので、正規の本体によってのみ充電または放電が可能となる。なお、上述したチャレンジ・レスポンス方式の認証方法は、認証方法の一例であり、他の認証方法を使用しても良い。例えば各単電池および本体がそれぞれ固有のＩＤを有しており、本体が各単電池のＩＤを認証し、各単電池が本体のＩＤを認証する方法も使用できる。
【００６６】
図９に示すように、電池パックを本体（充電装置またはアプリケーション機器）に対して装着すると処理が開始する。ステップＳ１において、電圧および電流が測定される。電池セルの両端間の電圧をＢ＋と表記し、正側端子および負側端子間の電圧をＥＢ＋と表記する。これらの電圧差が測定され、電圧差から電流値が算出される。ステップＳ２において、セル電圧が測定される。単セルの場合には、セル電圧とＢ＋とが等しいものとなる。
【００６７】
ステップＳ３において、電流の向きが判定され、電流の向きから充電動作と放電動作との何れであるかが判定される。充電動作と判定される場合では、ステップＳ４（充電時の処理）がなされ、放電動作と判定される場合では、ステップＳ５（放電時の処理）がなされる。
【００６８】
「充電時の処理」
図１０を参照して充電時の処理（図９におけるステップＳ４）について説明する。ステップＳ１１において、ステップＳ２において測定されたセル電圧が２．５Ｖまたは３．０Ｖ以上か否かが判定される。過放電を防止するために、電池電圧が所定電圧以上であることが検出される。ステップＳ１１の判定結果が否定の場合には、処理が終了する。
【００６９】
ステップＳ１１の判定結果が肯定の場合には、ステップＳ１２において、認証が成立しているか否かが判定される。上述した認証処理は、ステップＳ１１の判定結果が肯定の場合になされる。認証処理は、電池パックを充電装置に装着した直後に行うこともできる。
【００７０】
認証が成立する場合には、充電遮断動作がなされない。認証が成立しない場合には、ステップＳ１３において、タイマーがセットされ、ステップＳ１４において、所定時間例えば６０秒経過したか否かが判定される。この待ち時間は、認証動作が確実に行われることを保証する。６０秒経過していない場合には、処理がステップＳ１２に戻る。６０秒経過したと判定されると、ステップＳ１５において、充電遮断動作が実行される。すなわち、充電制御ＦＥＴＦＥＴＱP１がオフされる。
【００７１】
ステップＳ１６において、電圧Ｂ＋およびＥＢ＋が測定される。ステップＳ１７において、これらの電圧が比較される。（Ｂ＋＜ＥＢ＋）の場合には、電池パックが充電装置に対して接続されているものと判定され、処理がステップＳ１６に戻る。（Ｂ＋≧ＥＢ＋）の場合には、電池パックが充電装置から取り外されたものと判定され、処理がステップＳ１９に移る。ステップＳ１９において、充電遮断動作が解除され、充電制御ＦＥＴがオンされる。その結果、充電制御ＦＥＴＱP１および放電制御ＦＥＴＱP２が共にオンする通常状態となる。
【００７２】
「放電時の処理」
図１１を参照して放電時の処理（図９におけるステップＳ５）について説明する。ステップＳ２１において、ステップＳ２において測定されたセル電圧が４．１Ｖまたは４．２Ｖ以下か否かが判定される。過充電を防止するために、電池電圧が所定電圧以下であることが検出される。ステップＳ２１の判定結果が否定の場合には、処理が終了する。
【００７３】
ステップＳ２１の判定結果が肯定の場合には、ステップＳ２２において、認証が成立しているか否かが判定される。上述した認証処理は、ステップＳ２１の判定結果が肯定の場合になされる。認証処理は、電池パックを本体に装着した直後に行うこともできる。
【００７４】
認証が成立する場合には、放電遮断動作がなされない。認証が成立しない場合には、ステップＳ２３において、タイマーがセットされ、ステップＳ２４において、所定時間例えば６０秒経過したか否かが判定される。この待ち時間は、認証動作が確実に行われることを保証する。６０秒経過していない場合には、処理がステップＳ２２に戻る。６０秒経過したと判定されると、ステップＳ２５において、放電遮断動作が実行される。すなわち、放電制御ＦＥＴＦＥＴＱP２がオフされる。
【００７５】
ステップＳ２６において、電圧Ｂ＋およびＥＢ＋が測定される。ステップＳ２７において、これらの電圧が比較される。（Ｂ＋＞ＥＢ＋）または（Ｂ＋≦ＥＢ＋）の場合には、放電電流が遮断されていないと判定され、処理がステップＳ２６に戻る。（Ｂ＋＞＞ＥＢ＋）、すなわち、Ｂ＋がＥＢ＋に対して充分大きい場合には、ステップＳ２８において、放電電流が遮断されたものと認識され、処理がステップＳ２９に移る。
【００７６】
ステップＳ２９において、電圧Ｂ＋およびＥＢ＋が測定される。ステップＳ３０において、これらの電圧が比較される。（Ｂ＋＞＞ＥＢ＋）の場合には、電池パックが本体に対して接続されているものと判定され、処理がステップＳ２９に戻る。（Ｂ＋＝ＥＢ＋）または（Ｂ＋＞ＥＢ＋）の場合には、ステップＳ３１において、電池パックが本体から取り外されたものと判定され、処理がステップＳ３２に移る。ステップＳ３２において、放電遮断動作が解除され、放電制御ＦＥＴがオンされる。その結果、充電制御ＦＥＴＱP１お
よび放電制御ＦＥＴＱP２が共にオンする通常状態となる。
【００７７】
「複数の単電池を有する電池パック」
この発明の第１の実施の形態は、複数個例えば５個の上述した円筒型リチウムイオン二次電池（単電池）が直列接続された電池パックである。各単電池には、図５に示すような保護および認証回路が含まれている。したがって、単電池からそれぞれ電圧および電流を測定するための配線を引き出すことが不要とされ、電池パックの構成が簡単とされている。図１２に示すように、複数の単電池ＢＸ１、ＢＸ２，ＢＸ３，ＢＸ４，ＢＸ５が直列接続されて電池パック１５０が構成されている。電池パック１５０の正側端子および負側端子には、例えば（４．２Ｖ×５＝２１Ｖ）の出力電圧が発生する。
【００７８】
電池パック１５０と本体（充電装置またはアプリケーション機器）１６０との間がラインＬ＋およびＬ−で接続されている。上述したように、ラインＬ＋，Ｌ−を介して電池電圧と電池電圧に重畳された直列２進データ列が本体１６０に伝送される。本体１６０の通信ブロック１６１は、単電池ＢＸ１〜ＢＸ５のそれぞれが有する通信ブロック（図５〜図８参照）と同様の構成である。すなわち、通信ブロック１６１は、電池パック１５０からのデータ列をコンデンサ１６３，１６４を介して受信するレシーバ１６２と、電池パック１５０に対してコンデンサ１６３，１６４を介してデータ列を送出するジェネレータ１６５とを有する。
【００７９】
通信ブロック１６１は、制御回路ＩＣ１６６と接続されている。制御回路ＩＣ１６６は、電池パック１５０との間の通信を制御し、電池パック１５０との間の認証処理を制御する。電池パック１５０の各単電池に対して、アドレスが付与されている。例えば４ビットのアドレスが付与される。アドレスは、各単電池の制御回路ＩＣ１３２内の不揮発性メモリに保持されている。電池パックの組み立て時に、同一電池パック内に収納される単電池同士を識別できるアドレスが各単電池の制御回路ＩＣ１３２内の不揮発性メモリにそれぞれ書き込まれる。
【００８０】
一例として、単電池ＢＸ１に対してアドレス（０００１）が付与され、単電池ＢＸ２，ＢＸ３，ＢＸ４に対してそれぞれアドレス（００１０），（００１１）（０１００）がそれぞれ付与される。このように、アドレスが付与されているので、２線Ｌ＋，Ｌ−を通じた通信において、単電池毎に個別に双方向通信を行うことが可能となる。
【００８１】
例えば制御回路ＩＣ１６６が電池パック１５０に対して単電池ＢＸ１のアドレス（０００１）を指定してデータを送信すると、単電池ＢＸ１のみがデータを生成し、生成したデータを本体１６０の通信ブロック１６１に対して送信する。図１３Ａに示すように、電池パック１５０から各単電池のアドレスが先頭に付加されたデータが本体１６０の通信ブロック１６１によって受信され、制御回路ＩＣ１６６に対して、図１３Ｂに示すような２進データ列が供給される。
【００８２】
このように、電池パック１５０の各単電池と個別に通信を行うことができるので、認証も各単電池毎に行うことができる。したがって、単電池ＢＸ１〜ＢＸ５の内の一つの単電池でも正規でない場合には、充電または放電を遮断することができる。
【００８３】
図１４に示すように、電池パック内に複数の単電池ＢＸ１〜ＢＸ５と共に、通信ブロック１７１、制御回路ＩＣ１７６、充電制御ＦＥＴＱｎ３および放電制御ＦＥＴＱｎ４を設けても良い。各ＦＥＴのドレイン・ソース間には、寄生ダイオードｄ３，ｄ４が存在している。充電制御ＦＥＴＱｎ３および放電制御ＦＥＴＱｎ４は、単電池の外部に設けられるので、Ｎチャンネル型ＦＥＴを使用できる。なお、本体側の構成は、図１２に示す例と同様である。
【００８４】
通信ブロック１７１は、電池パック内で、各単電池と通信を行い、各単電池の個別情報が制御回路ＩＣ１７６に供給される。制御回路ＩＣ１７６は、入力された個別情報から各単電池の過充電または過放電を検出し、過充電の場合には、充電制御ＦＥＴＱｎ３をオフし、過放電の場合には、放電制御ＦＥＴＱｎ４をオフする。図１４に示すように、１並列の構成の場合、各単電池内の充電制御ＦＥＴおよび放電制御ＦＥＴを省略することも可能である。但し、２以上の並列構成の場合、１本が遮断されても、並列の他の１本が充放電されてしまうことがあるので、各電池内の充電制御ＦＥＴおよび放電制御ＦＥＴを省略することができない。
【００８５】
「複数の単電池を有する電池パックに対する認証」
図１５のフローチャートに示すように、複数の単電池ＢＸ１〜ＢＸ５を有する電池パック１５０に対しての認証処理がなされる。ステップＳ４１において、単電池ＢＸ１と本体１６０との認証処理がなされる。認証が成立すれば、処理がステップＳ４２に移り、単電池ＢＸ２と本体１６０との認証処理がなされる。認証が成立しない時は、ステップＳ４６において、単電池ＢＸ１は、充電制御ＦＥＴまたは放電制御ＦＥＴがオフとされる。そして、処理が終了する。ステップＳ４２において、単電池ＢＸ２と本体１６０との認証が成立しない時は、ステップＳ４７において、単電池ＢＸ２において、充電制御ＦＥＴまたは放電制御ＦＥＴがオフとされ、処理が終了する。
【００８６】
以下、単電池ＢＸ３と本体１６０との認証処理の結果の判定（ステップＳ４３）、単電池ＢＸ４と本体１６０との認証処理の結果の判定（ステップＳ４４）、単電池ＢＸ５と本体１６０との認証処理の結果の判定（ステップＳ４５）がなされる。各認証処理の結果の判定において、認証が成立しないと判定されると、対応する単電池における制御ＦＥＴまたは放電制御ＦＥＴがオフとされ（ステップＳ４８、Ｓ４９、Ｓ５０）、処理が終了する。
【００８７】
＜３．変形例＞
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば各単電池の保護および認証回路が認証機能のみを持ち、図１４に示すように、別個の保護回路を設けたり、本体側にスイッチング素子を設けるようにしても良い。例えば電動工具の電源として電池パックを使用する場合、大電流対応のＦＥＴを電池パックに内蔵できないことがある。さらに、複数の単電池は、直列接続以外に並列接続または直並列接続されても良い。
【符号の説明】
【００８８】
１１１・・・正極リード
１１４・・・安全弁
１１５・・・プリント配線基板
１１６・・・電池蓋
１２０・・・電池容器
１３１・・・ＦＥＴ素子
１３２・・・制御回路ＩＣ
１３３・・・ヒューズ
１４１，１６１，１７１・・・通信ブロック
ＱP１・・・充電制御用ＰチャンネルＦＥＴ
ＱP２・・・放電制御用ＰチャンネルＦＥＴ
Ｑn３・・・充電制御用ＮチャンネルＦＥＴ
Ｑn４・・・放電制御用ＮチャンネルＦＥＴ
ＢＸ１〜ＢＸ５・・・単電池
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2011086469.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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