(57)【要約】【課題】小型軽量な組電池システムと、これに適した充電器を提供する。【解決手段】複数の単電池から構成される組電池を備える組電池システム１０の充電器１５は、組電池システム１０内の組電池の充電を行う充電部１６と、組電池内の単電池それぞれと並列に接続され、当該単電池の電圧を調整する電圧調整部４０ａ〜４０ｎと、電圧調整部４０ａ〜４０ｎに接続され、この電圧調整部４０ａ〜４０ｎを制御する制御ユニット２０とを備える。制御ユニット２０は、予め設定された一定値、もしくは、充電器１５の出力電圧を、組電池を構成する単電池の数で除した値にするよう電圧調整部４０ａ〜４０ｎへ指示する。【選択図】図１
2008125297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単電池から構成される組電池を備える組電池システムの充電器であって、
前記組電池システム内の組電池の充電を行う充電部と、
前記組電池内の単電池それぞれと並列に接続され、当該単電池の電圧を調整する電圧調整部と、
前記電圧調整部に接続され、前記電圧調整部を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする充電器。
【請求項２】
前記電圧調整部は、接続されている単電池電圧が前記制御部から指示される電圧値以下になるよう電圧調整することを特徴とする請求項１に記載の充電器。
【請求項３】
前記制御部が前記電圧調整部へ指示する電圧値は、予め設定された一定値、もしくは、充電器の出力電圧を、前記組電池を構成する単電池数で除した値であることを特徴とする請求項２に記載の充電器。
【請求項４】
前記制御部は、前記組電池の温度計測値、もしくは電圧計測値が、予め設定された一定値に到達した場合、前記組電池システム内に設けられ、前記組電池の充放電配線内に配置された充放電回路開放スイッチの開放信号を送出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの項に記載の充電器。
【請求項５】
前記組電池システムと接続するコネクタを備えることを特徴とする請求項１に記載の充電器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の充電器により充電される組電池システムであって、
前記充電器内の複数の電圧調整部それぞれと接続される複数の単電池からなり、前記充電器の充電部により充電される組電池と、
前記組電池の充放電配線内に配置され、前記充電器からの信号を受けて動作する充放電回路開放スイッチと、
を備えることを特徴とする組電池システム。
【請求項７】
前記組電池の電池電圧が予め設定された値まで低下したことが観測された場合、あるいは、前記組電池の温度が予め設定された値まで上昇したことが観測された場合に、前記充放電回路開放スイッチを開放するスイッチ開放信号を送出する電池管理制御部をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の組電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池を内蔵する機器において使用される充電器であって、二次電池、特にリチウムイオン電池の充電を安全に行う装置に関する。
充電器は前記機器に内蔵でよく、また、機器から二次電池が取り外し可能な場合、二次電池と直接接続しても使用可能な装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種携帯機器では従来、小型軽量化の要求が強く、また、エネルギー密度の高い二次電池が求められてきた。これに応える二次電池がリチウムイオン電池であり、これまでの二次電池の主流であった鉛蓄電池の３倍以上の高いエネルギー密度が実現さるため、携帯電話やノートパソコン、ゲーム機等の各種携帯機器の電源に使用され、機器の小型軽量化に貢献してきた。これらの電子機器において、このリチウムイオン電池は、携帯電話を除き、複数の単電池を直列に接続した組電池として使用される。
【０００３】
このように、このリチウムイオン電池は機器の小型軽量化に寄与するが、使用に当たっては、電池の保護管理が必要であり、特に、過充電、過放電については厳密に管理することが望まれている。過充電とは、適正使用のために設定された上限電圧値以上の電圧値での充電を意味しており、このような一定電圧以上での過充電状態に置かれると、有機物から構成される電解液の分解や、負極の膨張が発生する。このような電解液の分解は内圧上昇による電槽破損や電解液が分解して生成したガスの電池外への排出等のトラブルにつながる。一方、負極が膨張すると、正極との間にあるセパレータを通過した負極構成物質が正極へ到達し短絡等を引き起こす恐れがあり、やはり電池の安全な使用において問題となる。
【０００４】
そこで、このような電池のトラブルを防止するため、リチウムイオン電池の組電池には各種の電池管理上の対策がとられる。例えば、図１５に示すような、電池保護用ＩＣが使用される（例えば、非特許文献１参照）。このＩＣは、組電池の過放電、過充電、過電流が検出されると回路の導通を停止させて電池の保護をおこなう。このような電池の管理・保護は、電池一個の単電池状態で使用される場合でも同様に必要である。ただし、単電池の場合、充電時には充電器と一対一で接続されるため、過充電保護装置の設置の必要性はない。ただし、使用時には、過放電防止・過電流防止機能が必要である。
【０００５】
このＩＣは、組電池の両端と各単電池の正負極端子に接続され、充電時と放電時の電圧監視を行い、それぞれ任意の電池の電圧が所定の閾値を超えた場合、ＦＥＴ素子を動作させて充電と放電を停止させ、電池の保護を行っている。また、過電流に対する保護機能もあり、所定の電流以上の値が検出された場合、半導体素子（ＦＥＴ）を抵抗として動作させ電流の調整を行う。この従来のリチウムイオン電池組電池用制御ＩＣにおける保護動作における通常状態を図１６に、過充電保護動作時の状態を図１７に、過充電保護動作時の状態を図１８に、過電流保護動作時の状態を図１９に示す。
【０００６】
これは、小型であることから、ノートパソコンのような小型の電子機器の本体内に組電池と一体となって収納する場合には効果的である。しかしながら、組電池内の各単電池の電圧を所定の値にそろえる機能は有していない。したがって、充電時、ＩＣによって設定された電圧範囲内では、電池電圧にバラツキが生じやすくなり、電圧が高い状態が保たれた電池では劣化が進行するなど、電池特性に影響が生じる恐れがある。
【０００７】
そこで、組電池内に、電池管理装置を配置し、上記の様な過充電防止対策として各単電池の電圧調整を行う方式も提案されている（特許文献１）。この装置では、基準となる電圧と単電池電圧との比較を行い、充電中に電圧上昇が生じた場合、その電圧上昇をもたらす過剰な充電電流を電池からバイパスさせることによって充電時の電池電圧の上昇が抑制される。
このようなマネジメント装置は、組電池が移動されないバックアップ用途等での組電池への適用において有効である。これは、バックアップ用途の組電池では、充電器と電池がセットになって使用され、使用期間を通して両者が分離することはない。このような状況では、電池の過充電や過放電の防止機能を備えた管理装置は、組電池内にセットで設置され、例えば組電池の増設の際には、管理装置と電池のセットを追加で設置すればよい。また、この組電池のセットの状態で移設も可能である。しかし、組電池と一体となった構造のため、この方式のまま、小型化が期待される携帯型の電子機器に直接適用することは困難である。同様の状況は、軽量化が期待される電気自動車用組電池においても同じである。図２０は、電気自動車における、管理装置と一体となった組電池の運用を示す図である（非特許文献２）。本技術では、組電池と管理装置が一体化されているため、電源部全体の重量・大きさが増している。
一方、携帯機器や移動式の機器では、電池は放電のみに使用され、使用後の充電時に充電器が接続される。これらの機器で、過充電防止機能は、充電器に接続されて充電される際に動作するものであり、機器の動作時（すなわち、電池が放電する状態）には不要である。むしろ、付属していることで機器の重量・容量の増加を招く。このため、機器外に設置することが望まれている。
【特許文献１】特開２０００−３５４３３５号公報
【非特許文献１】セイコーインスツルメンツ  森  雅一、「リチウムイオン二次電池保護用ＩＣ」、「電子技術」、日刊工業新聞社、ｐ．３１，１９９７年９月
【非特許文献２】「電気自動車用リチウムイオン電池の開発」、ＧＳニューステクニカルレポート（GS News Technical Report）、第５９巻、第２号、ｐ．２３、２０００年１２月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来技術においては、過充電監視、過放電監視、過電流監視、温度上昇監視等の管理を行う電池管理装置が組電池内に一体となって設置されており、充電時には、充電器の出力が組電池の充電端子に接続され充電が行われる。このような使用形態は、電池の充電時の管理機能と放電時の管理機能が一体となって組電池内に設置されるためである。しかし、これは、組電池の重量・大きさが大きくなり、携帯機器や電動車等で求められる小型軽量な組電池の実現の妨げになっていた。そのため、小型の機器では、管理用ＩＣが適用されているが、このＩＣでは電池の容量確保に必要な機能が必ずしも備わっていなかった。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、小型軽量な組電池システムと、これに適した充電器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明は、複数の単電池から構成される組電池を備える組電池システムの充電器であって、前記組電池システム内の組電池の充電を行う充電部と、前記組電池内の単電池それぞれと並列に接続され、当該単電池の電圧を調整する電圧調整部と、前記電圧調整部に接続され、前記電圧調整部を制御する制御部と、を備えることを特徴とする充電器である。
【００１１】
また、本発明は、上述する充電器において、前記電圧調整部は、接続されている単電池電圧が前記制御部から指示される電圧値以下になるよう電圧調整することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上述する充電器において、前記制御部が前記電圧調整部へ指示する電圧値は、予め設定された一定値、もしくは、充電器の出力電圧を、前記組電池を構成する単電池数で除した値であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、上述する充電器において、前記制御部は、前記組電池の温度計測値、もしくは電圧計測値が、予め設定された一定値に到達した場合、前記組電池システム内に設けられ、前記組電池の充放電配線内に配置された充放電回路開放スイッチの開放信号を送出することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、上述する充電器において、前記組電池システムと接続するコネクタを備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、上述した充電器により充電される組電池システムであって、前記充電器内の複数の電圧調整部それぞれと接続される複数の単電池からなり、前記充電器の充電部により充電される組電池と、前記組電池の充放電配線内に配置され、前記充電器からの信号を受けて動作する充放電回路開放スイッチと、
を備えることを特徴とする組電池システムである。
【００１６】
また、本発明は、上述する組電池システムにおいて、前記組電池の電池電圧が予め設定された値まで低下したことが観測された場合、あるいは、前記組電池の温度が予め設定された値まで上昇したことが観測された場合に、前記充放電回路開放スイッチを開放するスイッチ開放信号を送出する電池管理制御部をさらに備えることを特徴とする。
【００１７】
上述した課題を解決するため、本発明は、組電池と独立して外部に設置され必要の都度組電池と接続して使用される独立型充電器内に充電部と組電池内の各単電池の電圧を調整する電圧調整部を有している。そして、組電池とは、コネクタで接続するようにしている。また、組電池には、最小の機能として放電時の過放電を防止する機能を組み込んでいる。
上記のように、本願では、組電池内の単電池の電圧調整機能や過充電防止機能は充電器側に付属させ、組電池には過放電防止機能のみを付属させたものとしている。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、この発明によれば、外部の単独充電器内に充電部と、組電池システムの組電池内の各単電池の電圧を調整する電圧調整部を有し、充電時に組電池システムとコネクタで接続するようにし、組電池システムには放電時の過放電を防止する機能を組み込んでいる。
したがって、組電池システムを内蔵し通常使用時には内蔵電池で動作する、パソコン・電動車等の組電池部の小型化が図られる。組電池の充電時には、本実施の形態による充電器で組電池内の各単電池の電圧上昇を起こすことなく充電を行うことが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態による充電器について図面を参照して説明する。
図１は、この発明の一実施形態による充電器を示したものである。充電器１５は、組電池システム１０内の組電池の充電を行う充電部１６と、制御部１７とから構成される。制御部１７には、制御ユニット２０と、制御ユニット２０に接続される電圧調整部４０ａ〜４０ｎ（以下、総称して「電圧調整部４０」と記載）とが内蔵される。さらに制御ユニット２０には、組電池システム１０内の組電池に接続される電池温度計測センサと計測線１１から電池温度の計測値が入力され、出力としては、組電池回路開放信号がある。また、制御ユニット２０には、充電電圧検出部１８から充電部１６おける出力電圧の入力が行われる。各電圧調整部４０の出力は単電池コネクタ１２を介して、組電池システム１０内の組電池を構成する各二次電池（単電池）の正負極端子に接続される。充電部１６は、商用電源などの電源５０と接続されており、充電部１６の出力はコネクタ１３を介して組電池２に接続される。
【００２０】
制御部１７は、「セル電圧調整」機能、「過充電検出制御」機能を有する。一方、「過放電検出制御」機能は、組電池システム１０内に設置した装置で実現する。この目的から、組電池２と制御部１７の間には、組電池２内の各単電池１のセル電圧を監視するためのセル間配線が取り付けられている。なお、制御部１７は、電池の安全性確保の観点から各セルの電圧が規定値を越えて過充電状態になった場合には、組電池回路開放信号送出線１４を介して組電池システム１０内の組電池回路開放スイッチ４（図３参照）に開放信号を送出する。また、制御部１７は、「電池温度検出」機能を有している。そして、電池温度計測センサと計測線１１から組電池システム１０内の組電池２の電池温度計測値の入力を受け、入力された電池温度計測値が所定の値まで上昇した場合、組電池回路開放信号送出線１４を介して組電池システム１０内の組電池回路開放スイッチ４（図３参照）に組電池回路開放信号を送出する。
【００２１】
図２は、本実施形態による制御部１７の具体的な構成を示す回路図である。制御部１７は、制御ユニット２０と、電圧調整部４０とからなる。制御ユニット２０は、組電池システム１０内の組電池２（図３参照）を構成する二次電池である単電池１ａ〜１ｎ（以下、総称して「単電池１」と記載）それぞれに対応した電圧コントローラ２１ａ〜２１ｎ（以下、総称して「電圧コントローラ２１」と記載）、電圧計測部２２（電圧計測手段）、電圧演算部２３（目標電圧算出手段）、スイッチ制御部２４、二次電池数記憶部２５を有する。
電圧計測部２２は、充電電圧検出部１８が計測した、充電部１６から組電池システム１０に供給される電圧を取得し、その電圧Ｖａを電圧演算部２３に出力する。
【００２２】
電圧演算部２３は、電圧計測部２２が出力する電圧Ｖａと、二次電池数記憶部２５が記憶する二次電池（単電池１）の数Ｎとに基づいて、各二次電池の充電電圧の上限である目標電圧Ｖｐを算出する。より具体的には、電圧演算部２３は、電圧計測部２２が計測する電圧Ｖａを、二次電池数記憶部２５が記憶する二次電池の数Ｎで除算することにより、目標電圧Ｖｐ（＝Ｖａ／Ｎ）を算出する。電圧演算部２３は、算出した目標電圧Ｖｐを、各電圧コントローラ２１ａ〜２１ｎに出力する。
ただし、電圧計測部２２（電圧計測手段）、電圧演算部２３（目標電圧算出手段）、二次電池数記憶部２５を使用せず、設定電圧は定数とし、この値を制御ユニット２０内の記憶部にあらかじめ記憶させておくことも可能である。
【００２３】
電圧コントローラ２１は、電圧演算部２３から目標電圧Ｖｐを取得し、電圧調整部４０に出力することにより、自身に対応した単電池１（二次電池）の電池電圧が目標電圧Ｖｐ以下となるように、充電器１５から組電池システム１０内の組電池２に供給される電流を、当該単電池１に供給する。また、電圧コントローラ２１は、単電池１の電池電圧や、後述するバイパス電流値を電圧調整部４０から取得し、スイッチ制御部２４に出力する。
スイッチ制御部２４は、各セル（単電池１）の電圧が規定値を越えて過充電状態になった場合、あるいは、電池温度計測センサと計測線１１から入力された電池温度計測値が所定の値に達した場合に、組電池回路開放信号送出線１４を介して組電池システム１０内の組電池回路開放スイッチ４（図３参照）に組電池回路開放信号を送出する。
【００２４】
次に、図２の電圧調整部４０について説明する。
電圧調整部４０は、バイパス電流制御素子４１、バイパス電流制限素子４２、バイパス電流測定素子４３、電池電圧誤差増幅器４４、電池電圧測定用誤差増幅器４５を有している。以下、ある電圧調整部４０ｋ（電圧調整部４０ａ〜４０ｎのいずれか）を例に説明するが、他の電圧調整部４０についても同様の構成である。図２は、ｋ＝ｎ−１のときの構成を示している。
バイパス電流制御素子４１、バイパス電流制限素子４２、バイパス電流測定素子４３は、直列に接続されており、バイパス回路（バイパス手段）を構成している。このバイパス回路は、対応する単電池１ｋと並列に接続されている。
【００２５】
バイパス電流制御素子４１は、トランジスタなどの素子であり、電池電圧誤差増幅器４４から制御信号を受信した場合に、充電電流のうち単電池１ｋの充電に使用しない電流であるバイパス電流をバイパス回路に流れるように制御する。
バイパス電流制限素子４２は、ヒューズなどの素子であり、バイパス回路にバイパス可能な電流の最大値である許容バイパス電流値よりも大きな電流が流れた場合に、バイパス電流制御素子４１とバイパス電流測定素子４３との間を流れる電流を遮断する。
バイパス電流測定素子４３は、バイパス回路を流れるバイパス電流の電流値を測定し、バイパス電流測定値として電圧コントローラ２１ｋに出力する。
【００２６】
電池電圧誤差増幅器４４は、電圧コントローラ２１ｋから出力される目標電圧Ｖｐ（例えば、４．０６（Ｖ））と、電池電圧測定用誤差増幅器４５から出力される単電池１ｋの電池電圧Ｖｂとを比較し、電池電圧Ｖｂが目標電圧Ｖｐよりも大きい場合には、バイパス電流制御素子４１にバイパス電流を流すことを指示する制御信号を、バイパス電流制御素子４１に出力する。
電池電圧測定用誤差増幅器４５は、単電池１ｋの正極及び負極の電圧値の差から、単電池１ｋの電池電圧を算出し、その電池電圧Ｖｂを制御ユニット２０と電池電圧誤差増幅器４４とに出力する。
【００２７】
電圧コントローラ２１ｋから出力される目標電圧Ｖｐと、単電池（二次電池）１ｋの電圧の測定値を、電池電圧誤差増幅器４４に入力することでバイパス回路のバイパス電流制御素子４１の制御が行われる。バイパス電流制御素子４１が完全にオンしていればバイパス電流としては許容可能な最大電流が流れる。また完全にオフしていればバイパス電流は流れない。さらに、バイパス電流制御素子４１を増幅領域（不飽和領域）で使用することで可変抵抗と同じ状態とすることができ、バイパスさせるバイパス電流の電流値を連続的に調整することができる。
【００２８】
このように、このバイパス回路では、バイパス電流制御素子４１が可変抵抗と同様に使用できるので、電池電圧Ｖｂが設定された目標電圧Ｖｐに近づき、充電電流が微小な値になっても、このような微小な充電電流もバイパスさせることができる。このような制御により電池電圧値に応じて充電電流をバイパス回路で連続的にバイパスさせることで、各単電池（二次電池）１が指定された目標電圧Ｖｐ以上にならないように制御することができる。
【００２９】
本実施形態では、電圧調整部４０が各単電池１（二次電池）に並列に接続されているので、組電池２内で各単電池１の電池電圧に応じて、電池電圧が高い単電池１では充電電流のバイパスが進行し、また、電池電圧が低い単電池１では充電電流の流入による充電が進行するため、組電池２内では全ての単電池１の電池電圧が目標電圧Ｖｐになるよう制御される。
これによって、組電池２を構成する各単電池１の電池電圧が目標電圧Ｖｐとなるように調整されるため、各単電池１の電池電圧のばらつきが少なくなるように充電し、設定された電圧値以上に電池電圧が上昇することが防止される。
【００３０】
次に、本願で適用する組電池システム１０の構成について述べる。図３は、組電池システム１０の構成について述べたもので、組電池システム１０内には放電時の過放電を防止する機能を搭載している。すなわち、組電池システム１０には、組電池２、電池管理制御部３、組電池回路開放スイッチ４、組電池回路開放スイッチ４を開放させるための開放信号の送出用配線である組電池信号回路開放信号送出線５が設けられている。そして、電池管理制御部３は、放電が開始されると、放電中は各電池の電圧の監視を行い、任意の単電池１において、規定の電圧以下の値が観測されると、組電池２の充放電配線内に直列に配置された組電池回路開放スイッチ４に対して開放信号の送出を行う。また、電池管理制御部３は、「電池温度検出」機能を有し、組電池２の温度計測値の入力を受け、この電池温度計測値が所定の値に達した場合に、組電池回路開放スイッチ４へ組電池回路開放信号を送出する。
【００３１】
以下、本願の組電池システム１０が有する「過放電検出制御機能」について述べる。図４は、本実施形態による組電池システム１０内の電池管理制御部３に使用される、「過放電検出制御回路」を示す図である。具体的には、単電池電圧の監視により、規定値以下の電圧が検出された場合、組電池回路開放スイッチ４の開閉信号を送出するものである。この規定値は、リチウムイオン電池の場合、３〜２．５（Ｖ／単電池）が指定される。
【００３２】
図４（ａ）は、単電池電圧を検出し、過放電電圧まで低下しているか否かを検出する過放電検出回路の構成を示す図である。単電池電圧が過放電電圧以下になったとき、過放電検出回路からの制御信号を受けて、電池に設けられている放電用配線開放スイッチを切り離す。
【００３３】
同図において、Ｃ１およびＣ２は、単電池電圧検出器、Ｅ１は、過放電電圧の基準電圧、Ｄ１は、単電池電圧と基準電圧を比較するための比較器である。単電池電圧検出器Ｃ１及びＣ２により検出された単電池電圧は、比較器Ｄ１の＋入力端子に、基準電圧Ｅ１は比較器Ｄ１の−入力端子に接続されている。また、比較器Ｄ１の駆動電源は、前記の単電池電圧検出器Ｃ１及びＣ２が接続されている単電池から得ている。単電池電圧が基準電圧Ｅ１よりも高いと比較器Ｄ１の出力である制御信号は電圧有り（信号Ｈ）を出力する。
一方、単電池１が過放電になり、単電池電圧が基準電圧Ｅ１よりも低くなると比較器Ｄ１の出力である制御信号は電圧無し（信号Ｌ）となる。そして、放電用配線開放スイッチは、制御信号の電圧無し（信号Ｌ）を受けた時には動作して開放し、制御信号の電圧有り（信号Ｈ）を受けた時には動作せず閉じた状態を保つ。
なお、万一、過放電が進み、単電池電圧が比較器Ｄ１の動作電圧以下になると、比較器Ｄ１は動作を停止し、比較器Ｄ１の出力である制御信号は電圧無し（信号Ｌ）となる。従って、このような状態では、放電用配線開放スイッチは開放して電池の放電を停止させる。このように、単電池電圧が基準電圧以上の時のみ、放電用配線開放スイッチの制御信号は電圧有り（信号Ｈ）となり、放電回路の配線が確保される。ここで、放電用配線開放スイッチ、組電池回路開放スイッチ４にはＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチを用いる。
【００３４】
本実施の形態では、複数の単電池１が直列に接続された組電池２が使用されるため、電池管理制御部３内で、図４（ｂ）に示すような組電池用の過放電検出回路の構成で対応する。すなわち、単電池電圧判定部として先の図４（ａ）に示した回路をそれぞれ各単電池１に接続した後、各回路からの制御信号をＡＮＤ回路Ｆ１に集約する。そして、ＡＮＤ回路Ｆ１の出力を、組電池回路開放スイッチ４に接続する。この様な構成になっているので、ＡＮＤ回路Ｆ１は、各単電池１に接続されている比較器Ｄ１からの出力信号のすべてが電圧有り（信号Ｈ）である時にのみ信号Ｈを出力し、これ以外で任意の単電池１に接続された比較器からの信号にＬが含まれている場合、Ｌ信号を送出する。これによって、直列に接続された単電池１のいずれか１つでも過放電電圧に達したとき、組電池回路開放スイッチ４に送出される信号は電圧無し（信号Ｌ）となり、組電池２は負荷への放電線から切り離される。
【００３５】
図５は、充電器１５の制御部１７に用いられ、単電池電圧の上昇から、組電池システム１０内の組電池２を保護するための「過充電防止制御機能」を実現する過充電検出回路の基本構成図である。同図において、単電池電圧を過充電検出回路に入力し、過充電検出回路で過電圧を検出すると、組電池２内に設けられた組電池回路開放スイッチ４に制御信号を送り、スイッチを開放する。
【００３６】
図５（ａ）は、単電池電圧を検出し、過充電電圧まで上昇しているか否かを検出する過充電検出回路の構成を示す図である。この回路において、単電池電圧検出器Ｃ１及びＣ２により検出された単電池の電圧を比較器Ｄ１の−入力端子に、過充電の基準電圧Ｅ２を比較器Ｄ１の＋入力端子に接続する。これにより、単電池電圧が過充電の基準電圧Ｅ２を超えるまでは比較器Ｄ１の出力は信号Ｈを保ち、基準電圧Ｅ１を超えると信号Ｌになる。よって、過充電検出回路からの制御信号が信号Ｌになったら回路開放スイッチに制御信号が送られ、スイッチが開放される。過充電の基準電圧はあらかじめ制御ユニット内に設定される。
【００３７】
本実施の形態では、複数の単電池１が直列に接続された組電池２が使用されるため、電池管理制御部３内で、図５（ｂ）に示すような組電池用の過充電検出回路の構成で対応する。すなわち、複数の単電池１が直列に接続された組電池２では、先の図５（ａ）に示した回路をそれぞれ各単電池１に接続した後、この各々の単電池１に接続された比較器Ｄ１の出力をＡＮＤ回路Ｆ１に入力する。これによって、単電池１の比較器Ｄ１の出力がすべて電圧有り（信号Ｈ）、すなわち、すべての単電池１が過充電の基準電圧以下の時、ＡＮＤ回路の出力が電圧有り（信号Ｈ）となる。そして、いずれかの単電池１が過充電のときＡＮＤ回路の出力が電圧無し（信号Ｌ）となる。よって、ＡＮＤ回路の出力が電圧無し（信号Ｌ）のとき組電池回路開放スイッチ４に制御信号を送り、スイッチを開放し過充電を防止する。
【００３８】
図６は、本実施形態による充電器を電子機器に適用した際の状況を説明した図面である。本図において、組電池システム１０は機器内に内蔵された状態であり、単電池コネクタ１２及びコネクタ１３を介して充電器１５と接続される。
この状態で充電を開始すると、充電器１５からは単電池１の適正充電電圧に、組電池２内の単電池１の数を乗じた電圧による充電が行われる。例えば、１つの単電池１あたりの適正充電電圧が、４．１Ｖ／セルであり、１０個の単電池１から構成される組電池２の充電を行う場合、充電器１５の出力電圧設定値は、４．１×１０＝４１Ｖとなる。
この充電の進行中、各単電池１では電圧のモニタと電圧調整（制御）が行われ、充電が進行する。この時、機器本体側の負荷は、動作中でも休止中でも充電の進行には支障はない。すなわち、充電が進みつつ、負荷への電力供給が行われることになる。そして、万一、充電中に電池の状態が悪化し電圧が上昇しても、過充電防止機能の動作によって組電池回路が開放されるので安全性を保つことができる。
【００３９】
電池の電圧上昇は、放電後の充電過程において発生するので、このような過充電防止は充電器１５を接続して充電した際に動作すればよい。このように、本実施の形態では、過充電を防止する部分である制御部１７は、外付けの充電器１５に内蔵されるため、機器本体内への設置が不要であり、機器の重量増加等を防止することができる。なお、充電器１５を取り外した状態は、機器を組電池システム１０で動作させる状況であるので、過充電検出ではなく放電時の過放電防止機能が動作すればよい。そして、この過放電防止機能は組電池システム１０に内蔵させているので、機器動作時の過放電は組電池システム１０内の過放電防止機能によって防止することができる。
【００４０】
なお、組電池システム１０を機器から取り外し、充電器１５と単独で結線して充電することもできる。図７は、本実施の形態による充電器１５と組電池システム１０の接続状況を説明する図面である。この状態で、組電池システム１０内の組電池２の充電が図６と同様のプロセスで進行する。ただし、この場合、機器が接続されていないので組電池２の充電が単独で進行する。
【００４１】
また、図８は、本実施の形態による充電器を電子機器と接続した場合の例を示す図である。ノート型ＰＣ（パーソナルコンピュータ）などの可搬の電子機器には、電子機器内の負荷に電力を供給する組電池システム１０が内蔵されており、単電池コネクタ１２及びコネクタ１３を介して充電器１５と接続される。この場合、電子機器を使用しながら、組電池システム１０内の組電池２への充電を行うことができる。
【００４２】
次にこのように構成された本実施の形態の充電器１５によって組電池システム１０内の組電池２を充電した際の動作の一例を説明する。
図９は、充電器１５における充電プロセスを具体的に示した制御フロー図である。充電の開始にあたり、充電器１５と組電池システム１０とが接続されると（ステップＳ１０）、充電器１５は、組電池システム１０内の組電池回路開放スイッチ４の状況を確認する（ステップＳ１１）。過放電によって開放している場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、組電池回路開放スイッチ４を閉止し（ステップＳ１２）、充電を開始する（ステップＳ１３）。そして、充電操作の停止が行われない限り、電池電圧、電池温度の計測を行い、保護機能が動作する検出値が測定されない限り充電操作が継続する（ステップＳ１４：ＹＥＳ、ステップＳ１５；ＹＥＳ、ステップＳ１６：ＮＯ）。なお、充電停止操作がおこなわれた場合は（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、充電を停止する（ステップＳ１７）。また、充電開始後に、電圧低下による電池電圧の異常が検出された場合（ステップＳ１４：ＮＯ）、あるいは、温度上昇による電池温度の異常を検出した場合は（ステップＳ１５：ＮＯ）、組電池回路開放スイッチ４を開放する（ステップＳ１８、Ｓ１９）。
【００４３】
図１０に示すように、上述したプロセスにおいて、本実施の形態の充電器１５による充電は、リチウムイオン電池の充電に適した定電流定電圧充電方式で行われる。この時、単電池一個当たりの充電完了電圧を４．１（Ｖ）とすると、最初、ｎ個直列接続された組電池２の充電完了電圧はｎ×４．１（Ｖ）に設定されて定電流充電が行われる。ここでは、定電流充電においては、組電池２に流れる充電電流の最大値Ｉmaxにより定電流モードでの充電が行われる。定電流定電圧制御による充電であるので、組電池２の総電圧がｎ×４．１（Ｖ）に達すると、定電圧モードとなり、充電部１６の出力電流は低減されていく。この充電の進行過程で、次第に組電池２の総電圧がｎ×４．１（Ｖ）に接近していくと電池の特性バラツキによって、早めに充電完了電圧に到達する単電池が出てくる。例えば、図１０における時刻ｔ１では、単電池１ｎの電圧Ｖ１ｎは充電完了電圧に到達しているが、単電池１ａの電圧Ｖ１ａ及び単電池１ｂの電圧Ｖ１ｂは充電完了電圧に到達していない。時刻ｔ１の後、時刻ｔ２では、さらに、単電池１ａの電圧Ｖ１ａが充電完了電圧に到達するが、単電池１ｂの電圧Ｖ１ｂは充電完了電圧に到達していない。そして、時刻ｔ２の後、時刻ｔ３において、単電池１ｂの電圧Ｖ１ｂが充電完了電圧に到達する。時刻ｔ１においては、単電池１ｎの電圧調整回路のバイパス動作が、時刻ｔ２においては、単電池１ａの電圧調整回路のバイパス動作が、時刻ｔ３においては、単電池１ｂの電圧調整回路のバイパス動作がスタートしている。
【００４４】
この時の各単電池電圧のバラツキを模式的に図１１に示した。図１１（ａ）の例は、時刻ｔ１において、単電池１ｎの電圧が４．１（Ｖ）に達した状態を示している。他の単電池１は、まだ電圧４．１（Ｖ）に達していない。さらに充電が進行し、充電によって、いずれか一つの電池が充電完了電圧に到達すると、その電池の電圧調整部４０を動作させ、内部のバイパス回路に充電電流をバイパスさせる。この時の時刻ｔ２における各単電池１の電圧の分布を模式的に示した図が図１１（ｂ）であり、時刻ｔ３における各単電池１の電圧の分布を模式的に示した図が図１１（ｃ）である。図１１（ｂ）に示すように、時刻ｔ２においては、単電池１ａ及び１ｎの電圧が４．１（Ｖ）に達しているが、他の単電池１は、まだ電圧４．１（Ｖ）に達していない。また、図１１（ｃ）に示すように、時刻ｔ３においては、単電池１ａ、１ｂ及び１ｎの電圧が４．１（Ｖ）に達しているが、他の単電池１は、まだ電圧４．１（Ｖ）に達していない。
【００４５】
そして各電池の電圧上昇に対応し、各時刻において、図１２（ａ）〜（ｃ）に示すようにバイパス電流が流れる。このように各単電池１が充電完了電圧に到達すると、その都度その単電池１の電圧調整部４０を動作させることで充電電流をバイパスさせて単電池電圧の上昇を抑え、単電池間の電圧のアンバランスが解消されて充電が進む。すなわち、図１２（ａ）に示すように、時刻ｔ１において、最初に充電電流に達した単電池１ｎの電圧調整部４０ｎが動作し、単電池１ｎの充電電流は組電池２に流れる充電電流最大値のＩmaxに抑えられる。次に、図１２（ｂ）に示すように、時刻ｔ２において、次に充電電流に達した単電池１ａの電圧調整部４０ａが動作し、充電電流に達した単電池１ａ及び１ｎの充電電流は、組電池２に流れる充電電流最大値Ｉmaxより小さい充電電流Ｉt2に抑えられる。さらに、図１２（ｃ）に示すように、時刻ｔ３において、次に充電電流に達した単電池１ｂの電圧調整部４０ｂが動作し、充電電流に達した単電池１ａ、１ｂ及び１ｎの充電電流は、時刻ｔ２における充電電流Ｉt2より小さい充電電流Ｉt3に抑えられる。
このような動作の繰り返しにより、充電完了電圧４．１（Ｖ）に達した電池は、充電完了電圧４．１（Ｖ）に保たれ、その他の充電完了電圧４．１（Ｖ）に到達していない電池については、充電に必要な電流をそのまま流すことができ、組電池２全体の充電の進行に全く影響することなしに、各電池の電圧を充電完了電圧４．１（Ｖ）に到達させることができる。
【００４６】
本実施の形態による組電池システム１０における放電プロセスの制御フローを図１３に示す。組電池２の放電が開始されると、組電池システム１０において、電池電圧と電池温度の計測が行われ、測定値が組電池回路開放スイッチ４の開放を行う値に到達しない限り（ステップＳ２０：ＹＥＳ、ステップＳ２１：ＹＥＳ）、放電停止行動がとられるまで放電が進行する（ステップＳ２２）。そして、任意の単電池の電圧が過放電の検出電圧まで低下した場合（ステップＳ２０：ＮＯ）、あるいは、電池温度の異常を検出すると（ステップＳ２１：ＮＯ）、組電池回路開放スイッチ４が開放され放電が停止される（ステップＳ２３、Ｓ２４）。
【００４７】
本実施の形態による組電池システム１０における、過放電検出時の状態を図１４に示す。組電池２内の各単電池１の電圧がモニタされ、同図の例では、単電池１ｇの電圧が過放電の検出電圧まで低下している。従って、単電池１ｇの電圧が過放電の検出電圧（例えば、３．０Ｖ）まで低下したこの状態で、組電池回路開放スイッチ４が開放され放電が停止される。
同時に組電池２全体の電圧もモニタされ、上記の過放電の検出電圧に組電池２内の単電池１の数が乗じられた電圧まで低下したら、同様に組電池回路開放スイッチ４が開放されて、放電が停止される。例えば、１０個の単電池１からなる組電池２の場合、３×１０＝３０Ｖまで組電池２全体の電圧が低下した場合、組電池回路開放スイッチ４が開放される。また、組電池システム１０の電池管理制御部３は、組電池２の温度計測値の入力を受けているので、この電池温度計測値が所定の値に達した場合に、組電池回路開放スイッチ４へ組電池回路開放信号を送出する。
過放電の検出機能によって組電池回路開放スイッチ４が開放されて放電が停止された場合、充電操作によって充電電圧が加えられるとスイッチはリセットされて閉止し、充電操作に移行する。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態によれば、外部の単独充電器１５内に充電部１６と、組電池システム１０の組電池２内の各単電池１の電圧を調整する電圧調整部４０を有し、充電時に組電池システム１０とコネクタで接続するようにし、組電池システム１０には放電時の過放電を防止する機能を組み込んでいる。
したがって、組電池システム１０を内蔵し通常使用時には内蔵電池で動作する、パソコン・電動車等の組電池部の小型化が図られる。組電池２の充電時には、本実施の形態による充電器１５で組電池２内の各単電池１の電圧上昇を起こすことなく充電を行うことが出来る。
【００４９】
以上、この発明の実施形態について、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
例えば、充電開始後の充電時間の計測と設定された経過時間が終了した後の充電の停止、もしくは、組電池システム１０内の組電池２の電圧の監視により定電圧充電モードに移行したことを認識し、この時間経過後の自動充電の停止等が含まれる。さらに、負荷装置に複数の組電池システムが配置され、これらがコネクタを介して一台の充電器に接続される場合も含まれる。この場合、組電池システムはコネクタ接続であるので、電池容量の増減に併せて適宜数量を調整することも可能である。
【００５０】
なお、充電器１５の制御ユニット２０は専用のハードウェアで実現することでもよく、充電器１５の制御ユニット２０の電圧コントローラ２１、電圧計測部２２、電圧演算部２３、スイッチ制御部２４の動作の過程を、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶しておき、このプログラムをコンピュータシステムが読み出して実行することによって、上記処理を行うことも可能である。ここでいうコンピュータシステムとは、ＣＰＵ及び各種メモリやＯＳ、周辺機器等のハードウェアを含むものである。
【００５１】
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施形態による充電器の構成を示す図。
【図２】同実施形態による充電器における制御部の機能ブロック図。
【図３】同実施形態による組電池システムの構成を示す図。
【図４】同実施形態による組電池システムに組み込まれる過放電検出回路を示す図。
【図５】同実施形態による充電器の制御部における過充電防止制御回路の構成例を示す図。
【図６】同実施形態による充電器を適用した機器について説明するための図。
【図７】同実施形態による充電器と組電池システムの接続状況を説明するための図。
【図８】ノートＰＣ等の機器における、同実施形態による充電器と組電池システムの接続状況を説明するための図。
【図９】同実施形態による充電器の充電制御フローを示す図。
【図１０】同実施形態による充電器を適用したときの組電池における充電状態を説明するための図。
【図１１】同実施形態による充電器を適用したときの組電池内の各単電池における電圧調整状況を説明する図。
【図１２】同実施形態による充電器を適用したときの組電池内の各単電池の電圧調整を行っている際、電圧調整回路に流れるバイパス電流を説明する図。
【図１３】同実施形態による組電池システムの放電制御フローを示す図。
【図１４】同実施の携帯による組電池における過放電検出時の状態を説明する図。
【図１５】従来のリチウムイオン電池組電池用制御ＩＣと組電池との接続状態を示す図。
【図１６】従来のリチウムイオン電池組電池用制御ＩＣにおける保護動作を示す図。
【図１７】従来のリチウムイオン電池組電池用制御ＩＣにおける保護動作を示す図。
【図１８】従来のリチウムイオン電池組電池用制御ＩＣにおける保護動作を示す図。
【図１９】従来のリチウムイオン電池組電池用制御ＩＣにおける保護動作を示す図。
【図２０】従来の自動車用組電池に使用されていた電池管理装置の状態を示す図。
【符号の説明】
【００５３】
１、１ａ〜１ｎ…単電池
２…組電池
３…電池管理制御部
４…組電池回路開放スイッチ
５、１４…組電池信号回路開放信号送出線
１０…組電池システム
１１…電池温度計測センサと計測線
１２…単電池コネクタ
１３…コネクタ
１５…充電器
１６…充電部
１７…制御部
１８…充電電圧検出部
２０…制御ユニット
２１、２１ａ〜２１ｎ…電圧コントローラ
２２…電圧計測部
２３…電圧演算部
２４…スイッチ制御部
２５…二次電池数記憶部
４０ａ〜４０ｎ…電圧調整部
４１…バイパス電流制御素子
４２…バイパス電流制限素子
４３…バイパス電流測定素子
４４…電池電圧誤差増幅器
４５…電池電圧測定用誤差増幅器
【図１】
2008125297.tif 000003
【図２】
2008125297.tif 000004
【図３】
2008125297.tif 000005
【図４】
2008125297.tif 000006
【図５】
2008125297.tif 000007
【図６】
2008125297.tif 000008
【図７】
2008125297.tif 000009
【図８】
2008125297.tif 000010
【図９】
2008125297.tif 000011
【図１０】
2008125297.tif 000012
【図１１】
2008125297.tif 000013
【図１２】
2008125297.tif 000014
【図１３】
2008125297.tif 000015
【図１４】
2008125297.tif 000016
【図１５】
2008125297.tif 000017
【図１６】
2008125297.tif 000018
【図１７】
2008125297.tif 000019
【図１８】
2008125297.tif 000020
【図１９】
2008125297.tif 000021
【図２０】
2008125297.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成19年1月22日(2007.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単電池から構成される組電池を備える組電池システムと、前記組電池システムと分離可能な、当該組電池システムの充電器とからなる充電器・組電池システムであって、
前記充電器は、
前記組電池システムへ着脱可能に接続するコネクタと、
前記組電池システム内の組電池の充電を行う充電部と、
前記組電池内の単電池それぞれと並列に接続され、当該単電池の電圧を調整する電圧調整部と、
前記電圧調整部に接続され、前記電圧調整部を制御するとともに、前記組電池の温度計測値、もしくは電圧計測値が、予め設定された一定値に到達した場合、前記組電池システム内に設けられた充放電回路開放スイッチの開放信号を送出する制御部とを備え、
前記組電池システムは、
前記充電器内の複数の電圧調整部それぞれと接続される複数の単電池からなり、前記充電器の充電部により充電される組電池と、
前記組電池の充放電配線内に配置され、前記充電器からの信号を受けて動作する充放電回路開放スイッチと、
前記組電池の電池電圧が予め設定された値まで低下したことが観測された場合、あるいは、前記組電池の温度が予め設定された値まで上昇したことが観測された場合に、前記充放電回路開放スイッチを開放するスイッチ開放信号を送出する電池管理制御部とを備える、
ことを特徴とする充電器・組電池システム。
【請求項２】
前記電圧調整部は、接続されている単電池電圧が前記制御部から指示される電圧値以下になるよう電圧調整することを特徴とする請求項１に記載の充電器・組電池システム。
【請求項３】
前記制御部が前記電圧調整部へ指示する電圧値は、予め設定された一定値、もしくは、充電器の出力電圧を、前記組電池を構成する単電池数で除した値であることを特徴とする請求項２に記載の充電器・組電池システム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明は、複数の単電池から構成される組電池を備える組電池システムと、前記組電池システムと分離可能な、当該組電池システムの充電器とからなる充電器・組電池システムであって、前記充電器は、前記組電池システムへ着脱可能に接続するコネクタと、前記組電池システム内の組電池の充電を行う充電部と、前記組電池内の単電池それぞれと並列に接続され、当該単電池の電圧を調整する電圧調整部と、前記電圧調整部に接続され、前記電圧調整部を制御するとともに、前記組電池の温度計測値、もしくは電圧計測値が、予め設定された一定値に到達した場合、前記組電池システム内に設けられた充放電回路開放スイッチの開放信号を送出する制御部とを備え、前記組電池システムは、前記充電器内の複数の電圧調整部それぞれと接続される複数の単電池からなり、前記充電器の充電部により充電される組電池と、前記組電池の充放電配線内に配置され、前記充電器からの信号を受けて動作する充放電回路開放スイッチと、前記組電池の電池電圧が予め設定された値まで低下したことが観測された場合、あるいは、前記組電池の温度が予め設定された値まで上昇したことが観測された場合に、前記充放電回路開放スイッチを開放するスイッチ開放信号を送出する電池管理制御部とを備える、ことを特徴とする充電器・組電池システムである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、本発明は、上述する充電器・組電池システムにおいて、前記電圧調整部は、接続されている単電池電圧が前記制御部から指示される電圧値以下になるよう電圧調整することを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
また、本発明は、上述する充電器・組電池システムにおいて、前記制御部が前記電圧調整部へ指示する電圧値は、予め設定された一定値、もしくは、充電器の出力電圧を、前記組電池を構成する単電池数で除した値であることを特徴とする。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】削除
【補正の内容】