(57)【要約】【課題】安価な鉛電池用の充電電源等を使用して、ニッカド電池やニッケル水素電池の充放電が可能なパック電池、二次電池充電装置および二次電池充電方法を提供する。【解決手段】パック電池は、二次電池１と、これを充電または外部接続機器に電力を供給するための充電電源２を接続する充電電源端子３と、接続機器に電力を送出するための放電端子４と、充電電源端子３から入力される電圧を二次電池１を充電するために必要な充電電圧に昇圧するための昇圧部５と、充電電源２の入力電圧と、二次電池１の電池電圧を監視し、昇圧部５を制御することにより、二次電池１の充放電および充電電源２からの放電を実行するための制御部６とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電可能な二次電池（１）と、
前記二次電池（１）を充電する、または外部接続機器に電力を供給するための充電電源（２）を接続する充電電源端子（３）と、
外部の接続機器に接続されて、前記充電電源端子（３）を介して入力される充電電源（２）の電力または前記二次電池（１）の電力を外部接続機器に送出するための放電端子（４）と、
前記充電電源端子（３）から入力される電圧を、前記二次電池（１）を充電するために必要な充電電圧に昇圧するための昇圧部（５）と、
前記充電電源（２）の入力電圧と、前記二次電池（１）の電池電圧を監視し、前記昇圧部（５）を制御することにより、前記二次電池（１）の充放電を実行するための制御部（６）と、を備えることを特徴とするパック電池。
【請求項２】
充放電可能な二次電池（１）と、
前記二次電池（１）を充電する、または外部接続機器に電力を供給するための充電電源（２）を接続する充電電源端子（３）と、
外部の接続機器に接続されて、前記充電電源端子（３）を介して入力される充電電源（２）の電力または前記二次電池（１）の電力を外部接続機器に送出するための放電端子（４）と、
前記充電電源端子（３）から入力される電圧を、前記二次電池（１）を充電するために必要な充電電圧に昇圧するための昇圧部（５）と、
前記二次電池（１）と前記放電端子（４）との間に接続され、前記二次電池（１）の放電を制御するための電池放電制御スイッチ（７）と、
前記二次電池（１）と前記昇圧部（５）との間に接続され、前記二次電池（１）の充電を制御するための電池充電制御スイッチ（８）と、
前記充電電源端子（３）と前記放電端子（４）との間に接続され、前記充電電源（２）の放電を制御するための充電電源放電制御スイッチ（９）と、
前記充電電源（２）の入力電圧と、前記二次電池（１）の電池電圧を監視し、前記昇圧部（５）、電池放電制御スイッチ（７）、電池充電制御スイッチ（８）、充電電源放電制御スイッチ（９）を制御することにより、前記二次電池（１）の充放電および前記充電電源（２）からの放電を実行するための制御部（６）と、を備えることを特徴とするパック電池。
【請求項３】
請求項２に記載されるパック電池であって、さらに、
前記充電電源（２）に接続されて、充電電流を検出するための電流検出抵抗（１０）を備えることを特徴とするパック電池。
【請求項４】
請求項２または３に記載されるパック電池であって、
前記二次電池（１）はニッカド電池またはニッケル水素電池であり、
前記充電端子に接続される充電電源（２）は、鉛電池を充電するための鉛電池用充電電源（２Ａ）であることを特徴とするパック電池。
【請求項５】
充放電可能な二次電池（１）と、
前記二次電池（１）を充電するための充電電源（２）と、
外部の接続機器に接続されて、前記充電電源（２）の電力または前記二次電池（１）の電力を外部接続機器に送出するための放電端子（４）と、
前記充電電源（２）から入力される電圧を、前記二次電池（１）を充電するために必要な充電電圧に昇圧するための昇圧部（５）と、
前記充電電源（２）の入力電圧と、前記二次電池（１）の電池電圧を監視し、前記昇圧部（５）を制御することにより、前記二次電池（１）の充放電を実行するための制御部（６）と、を備えることを特徴とするパック電池。
【請求項６】
二次電池を装着して充電するための二次電池充電装置であって、
二次電池（１）を装着するための二次電池端子（１１）と、
二次電池（１）を充電または外部接続機器に電力を供給するための充電電源（２）を接続する充電電源端子（３）と、
外部の接続機器に接続されて、前記充電電源端子（３）を介して入力される充電電源（２）の電力または二次電池（１）の電力を外部接続機器に送出するための放電端子（４）と、
前記充電電源端子（３）から入力される電圧を、二次電池（１）を充電するために必要な充電電圧に昇圧するための昇圧部（５）と、
前記二次電池端子（１１）と前記放電端子（４）との間に接続され、二次電池（１）の放電を制御するための電池放電制御スイッチ（７）と、
前記二次電池端子（１１）と前記昇圧部（５）との間に接続され、二次電池（１）の充電を制御するための電池充電制御スイッチ（８）と、
前記充電電源端子（３）と前記放電端子（４）との間に接続され、前記充電電源（２）の放電を制御するための充電電源放電制御スイッチ（９）と、
前記充電電源（２）の入力電圧と、二次電池（１）の電池電圧を監視し、前記昇圧部（５）、電池放電制御スイッチ（７）、電池充電制御スイッチ（８）、充電電源放電制御スイッチ（９）を制御することにより、二次電池（１）の充放電および前記充電電源（２）からの放電を実行するための制御部（６）と、
を備えることを特徴とする二次電池充電装置。
【請求項７】
二次電池の充電方法であって、
充電電源（２）からの入力電圧を制御部（６）で測定するステップと、
充電される二次電池（１）の特性に応じて充電電圧を前記制御部（６）で演算するステップと、
前記制御部（６）で演算された充電電圧と入力電圧との差を演算し、この差に応じて昇圧部（５）を動作させ、入力電圧を昇圧するステップと、
を備えることを特徴とする二次電池充電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バックアップ電源等に利用可能なパック電池、二次電池充電装置および二次電池充電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
停電時用のバックアップ電源等の非常用電源には、主に鉛電池が利用されている。例えば商用電源と接続機器との間に非常用電源を接続し、平常時はこの商用電源を充電用の電源として、非常用電源に内蔵された鉛電池を充電しておき、非常時には鉛電池を接続機器と接続するように切り替えて使用している。鉛電池は価格が安く入手し易い反面、容量が小さく電池サイズが大型化し、かつ重くなるという問題がある。そこで、鉛電池に代わって電池サイズ当たりの容量の大きいニッカド電池やニッケル水素電池を利用することが考えられる。これらの電池は、電気的には鉛電池との互換性を有している。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３５０３８４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ニッカド電池やニッケル水素電池は、これらの電池を充電する際の電圧が鉛電池と異なる。ニッカド電池やニッケル水素電池を充電するための電源は、鉛電池用の充電電源よりも最大電圧値の大きいものが必要となるため、そのままニッカド電池やニッケル水素電池を鉛電池に置き換えて使用することができないという問題がある。例えば、１２Ｖ系のパック電池の場合、鉛電池は６個の鉛電池セルを、ニッカド電池やニッケル水素電池では１０個の電池セルを直列に接続している。この鉛電池を充電するには、各電池セルにつき２．２３Ｖ、６本で計１３．３８Ｖの定電圧充電が必要となる。一方、ニッカド電池やニッケル水素電池の充電には、各電池セルにつき２．００Ｖ、１０本で計２０．００Ｖの定電流充電が必要となる。このため、ニッカド電池やニッケル水素電池の充電には、鉛電池用の充電電源を利用できず、これらの電池用の充電電源を別途用意する必要があった。さらにニッカド電池やニッケル水素電池の満充電を検出するための機構を用意する必要もあり、非常用電源等に使用する鉛電池をニッカド電池やニッケル水素電池に置き換えることは容易でなかった。
【０００５】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、鉛電池用の充電電源を使用してニッカド電池やニッケル水素電池等を充電可能なパック電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るパック電池は、充放電可能な二次電池１と、前記二次電池１を充電する、または外部接続機器に電力を供給するための充電電源２を接続する充電電源端子３と、外部の接続機器に接続されて、前記充電電源端子３を介して入力される充電電源２の電力または前記二次電池１の電力を外部接続機器に送出するための放電端子４と、前記充電電源端子３から入力される電圧を、前記二次電池１を充電するために必要な充電電圧に昇圧するための昇圧部５と、前記充電電源２の入力電圧と、前記二次電池１の電池電圧を監視し、前記昇圧部５を制御することにより、前記二次電池１の充放電を実行するための制御部６とを備えることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２のパック電池は、充放電可能な二次電池１と、前記二次電池１を充電する、または外部接続機器に電力を供給するための充電電源２を接続する充電電源端子３と、外部の接続機器に接続されて、前記充電電源端子３を介して入力される充電電源２の電力または前記二次電池１の電力を外部接続機器に送出するための放電端子４と、前記充電電源端子３から入力される電圧を、前記二次電池１を充電するために必要な充電電圧に昇圧するための昇圧部５と、前記二次電池１と前記放電端子４との間に接続され、前記二次電池１の放電を制御するための電池放電制御スイッチ７と、前記二次電池１と前記昇圧部５との間に接続され、前記二次電池１の充電を制御するための電池充電制御スイッチ８と、前記充電電源端子３と前記放電端子４との間に接続され、前記充電電源２の放電を制御するための充電電源放電制御スイッチ９と、前記充電電源２の入力電圧と、前記二次電池１の電池電圧を監視し、前記昇圧部５、電池放電制御スイッチ７、電池充電制御スイッチ８、充電電源放電制御スイッチ９を制御することにより、前記二次電池１の充放電および前記充電電源２からの放電を実行するための制御部６とを備えることを特徴とする。
【０００８】
さらに、請求項３のパック電池は、請求項２に加えて、さらに前記充電電源２に接続されて、充電電流を検出するための電流検出抵抗１０を備えることを特徴とする。
【０００９】
さらにまた、請求項４のパック電池は、請求項２または３に加えて、前記二次電池１はニッカド電池またはニッケル水素電池であり、前記充電端子に接続される充電電源２は、鉛電池を充電するための鉛電池用充電電源２Ａであることを特徴とする。
【００１０】
さらにまた、請求項５のパック電池は、充放電可能な二次電池１と、前記二次電池１を充電するための充電電源２と、外部の接続機器に接続されて、前記充電電源２の電力または前記二次電池１の電力を外部接続機器に送出するための放電端子４と、前記充電電源２から入力される電圧を、前記二次電池１を充電するために必要な充電電圧に昇圧するための昇圧部５と、前記充電電源２の入力電圧と、前記二次電池１の電池電圧を監視し、前記昇圧部５を制御することにより、前記二次電池１の充放電を実行するための制御部６とを備えることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項６の二次電池充電装置は、二次電池１を装着して充電するための二次電池充電装置であって、二次電池１を装着するための二次電池端子１１と、二次電池１を充電または外部接続機器に電力を供給するための充電電源２を接続する充電電源端子３と、外部の接続機器に接続されて、前記充電電源端子３を介して入力される充電電源２の電力または二次電池１の電力を外部接続機器に送出するための放電端子４と、前記充電電源端子３から入力される電圧を、二次電池１を充電するために必要な充電電圧に昇圧するための昇圧部５と、前記二次電池端子１１と前記放電端子４との間に接続され、二次電池１の放電を制御するための電池放電制御スイッチ７と、前記二次電池端子１１と前記昇圧部５との間に接続され、二次電池１の充電を制御するための電池充電制御スイッチ８と、前記充電電源端子３と前記放電端子４との間に接続され、前記充電電源２の放電を制御するための充電電源放電制御スイッチ９と、前記充電電源２の入力電圧と、二次電池１の電池電圧を監視し、前記昇圧部５、電池放電制御スイッチ７、電池充電制御スイッチ８、充電電源放電制御スイッチ９を制御することにより、二次電池１の充放電および前記充電電源２からの放電を実行するための制御部６とを備えることを特徴とする。
【００１２】
さらに、請求項７の二次電池充電方法は、充電電源２からの入力電圧を制御部６で測定するステップと、充電される二次電池１の特性に応じて充電電圧を前記制御部６で演算するステップと、前記制御部６で演算された充電電圧と入力電圧との差を演算し、この差に応じて昇圧部５を動作させ、入力電圧を昇圧するステップとを備えることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのパック電池、二次電池充電装置および二次電池充電方法を例示するものであって、本発明のパック電池、二次電池充電装置および二次電池充電方法を以下のものに特定するものではない。また、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。なお各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよい。
【００１４】
図１に、本発明の一実施の形態に係るパック電池の回路構成例を示す。このパック電池は充放電可能な二次電池１を内蔵しており、外部接続機器と商用電源等の電源との間に接続されて、バックアップ電源や非常用電源、無停電電源等の充放電システムとして利用できる。すなわち、平常時は電源によって外部接続機器に電力を供給すると共にパック電池内部の二次電池１を充電しておき、停電時は二次電池１を放電させて外部接続機器への電力供給を継続する。さらにこの図に示すパック電池は、外部接続される充電電源２に鉛電池用充電電源２Ａを使用して、ニッカド電池やニッケル水素電池等の二次電池１を充電できる。
【００１５】
図１のパック電池は、二次電池１と、昇圧部５と、充電電源端子３と、放電端子４と、電池放電制御スイッチ７と、電池充電制御スイッチ８と、充電電源放電制御スイッチ９と、これらを制御する制御部６とを備える。
【００１６】
電池放電制御スイッチ７は、二次電池１の放電を制御するためスイッチである。図１に示す電池放電制御スイッチ７は、二次電池１と放電端子４との間に接続されている。また電池充電制御スイッチ８と、二次電池１の充電を制御するためのスイッチであり、図１の例では二次電池１と昇圧部５との間に接続されている。さらに充電電源放電制御スイッチ９は、充電電源２の放電、すなわち充電電源２で外部機器を駆動するためのスイッチであり、図１の例では充電電源端子３と放電端子４との間に接続されている。
【００１７】
二次電池１は、ニッカド電池（Ｎｉ−Ｃｄ）やニッケル水素電池（Ｎｉ−ＭＨ）等であり、これらは複数の電池セルが直列に接続されている。
【００１８】
充電電源端子３は、外部の充電電源２と接続して電力を入力するための端子である。充電電源２は、二次電池１を充電する電力、および電池パックに接続される外部接続機器に供給する電力を、充電電源端子３を介して入力する。充電電源２は、１００Ｖの交流商用電源等が利用できる。あるいは、鉛電池の充電用に最適化された直流電源を利用してもよい。鉛電池用の充電電源は普及しているので、安価で入手も容易である。鉛電池用充電電源は、１００Ｖ等の交流商用電源を入力して、鉛電池を定電圧するための直流定格電圧に変換する。なお、充電電源をパック電池に内蔵してもよい。
【００１９】
充電電源２から入力された入力電圧は、電流検出抵抗１０を経て整流される。図１のパック電池は、ダイオードＤ１、Ｄ２と大容量コンデンサＣからなる整流回路を備えている。整流された入力電圧は昇圧部５に入力される。
【００２０】
昇圧部５は、充電電源端子３から入力される入力電圧を、二次電池１の充電に必要な充電電圧に昇圧する。昇圧部５は、入力電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータや、既存の昇圧機構が適宜利用できる。
【００２１】
昇圧部５は、制御部６によって制御される。制御部６はシステムＬＳＩ等のＩＣで構成され、二次電池１の充放電、および充電電源２の放電を行うため、昇圧部５、電池放電制御スイッチ７、電池充電制御スイッチ８、充電電源放電制御スイッチ９をそれぞれ制御する。
【００２２】
制御部６は充電電源２の入力電圧を検知して、停電か停電でないかを判断する。例えば、商用電源である充電電源２、あるいは充電電源２に接続された商用電源が停電していないとき、すなわち平常動作時においては、制御部６は充電電源放電制御スイッチ９をＯＮとし、かつ電池放電制御スイッチ７をＯＦＦとして、充電電源２から外部接続機器に電力を供給する。さらに一方では電池充電制御スイッチ８をＯＮとして、二次電池１の充電を行う。二次電池１の充電が完了すると、満充電を回避するため電池充電制御スイッチ８をＯＦＦとする。
【００２３】
また、商用電源の停電や充電電源２の異常等が生じて充電電源２からの入力電圧が低下すると、制御部６はこれを検出して充電電源放電制御スイッチ９をＯＦＦとし、さらに電池放電制御スイッチ７をＯＮとして、二次電池１から外部接続機器に電力が供給される。制御部６は二次電池１の電池電圧も検出しており、二次電池１が過放電になる状態が検出されると、制御部６は電池放電制御スイッチ７をＯＦＦにして外部接続機器への電力供給を停止する。
【００２４】
この制御部６は、以下のようにして二次電池１を充電する。なお充電の際は、上述の通り電池放電制御スイッチ７をＯＦＦ、電池充電制御スイッチ８をＯＮとする。
【００２５】
（１）まず、充電電源２からの入力電圧を測定する。そして、接続される二次電池１の種類、数、特性等に応じて必要な充電電圧を判断する。二次電池１の種類、数は、予め設定しておく他、接続された電池を制御部側で検出して自動的に判別可能に構成してもよい。電池の判別には機械的な検出機構や電気的検出機構等、既存の方式が適宜利用できる。例えば、パック電池に装着された二次電池１がニッカド電池またはニッケル水素電池を１０個直列に接続している場合、これを定電流充電するためには最大で２．００Ｖ×１０本＝２０．００Ｖの電圧が必要となる。なお、このパック電池は鉛電池を接続することも可能である。鉛電池６本の直列接続の場合は、これを定電圧充電するために、最大で２．２３Ｖ×６本＝１３．３８Ｖの電圧が必要となる。
【００２６】
（２）次に、入力電圧と充電に必要な最大電圧とを比較し、入力電圧が不足する場合は、昇圧部５を動作させて入力電圧を所望の電圧まで昇圧して充電する。入力電圧の方が高い場合は、昇圧部５を動作させることなく二次電池１を充電する。二次電池１がニッカド電池またはニッケル水素電池の場合は、定電流充電となるため、制御部６は電池電圧や電流を監視しながら最適な充電電圧に調整する。制御部６は、充電の期間中入力電圧と充電電圧を常時、あるいは一定周期で監視して、最適な充電が行われるよう制御している。さらに制御部６は二次電池１の満充電検出機能を備えており、満充電を検出すると充電を終了する。満充電の検出には二次電池１の電圧変化や温度変化が利用でき、これによって二次電池１を効率よく満充電できる。このような二次電池の充電方法および充電のための機構は、既知の手法や設備が適宜利用できるので、詳細説明は割愛する。
【００２７】
一方、二次電池１が鉛電池の場合は定電圧充電となるため、一定の電圧値とする。図１のパック電池は、鉛電池用の充電電源２Ａおよび充電回路を利用しているため、鉛電池の充電においては昇圧部５を動作させることなく充電を実行できる。
【００２８】
なお、昇圧部５は二次電池１の充電が正確に行えるように充電電圧や充電電流を最適値に調整するためのものである。したがって、電圧を昇圧することに限られるものでなく、接続される二次電池の種類、数、接続形態に応じて電圧の降圧や電流の増減等を行うものとしてもよい。本明細書において昇圧部とは、その名称に拘わらず、電圧、電流の増減を行うコンバータを意味し、またこれを実現するための昇圧にも降圧あるいは電流値の増減を含む意味で使用するものである。
【００２９】
以上の構成によって、鉛電池用の充放電システムを利用して、鉛電池の代わりにニッカド電池やニッケル水素電池を使用しても、昇圧部で充電電圧の差を調整することにより充電が可能となる。このため、別途ニッカド電池用、ニッケル水素電池用の電池用の充電電源を用意する必要がない。したがって、鉛電池からニッカド電池やニッケル水素電池への移行がスムーズに行えるという利点がある。
【００３０】
また、上記のパック電池では二次電池を組み込み式としているが、二次電池を脱着可能に構成してもよい。二次電池１は二次電池端子１１を介してパック電池に装着される。これによってパック電池は、その名称に拘わらず二次電池の充電器としても利用できる。また充電電源によって充電中にも外部接続機器の動作が可能な充放電システムが実現される。
【００３１】
鉛電池用の充放電システムにおいては、鉛電池は一般にサイズが大型化する傾向にある。これに比してニッカド電池やニッケル水素電池はサイズ的に同等もしくは小さいため、鉛電池用の充放電システム、すなわちパック電池への収納、装着がスペース的に可能となる。ニッカド電池やニッケル水素電池、あるいはこれらを収納したパック電池が、鉛電池と同等の大きさであればそのまま利用できるし、小さい場合は適宜スペーサ等を追加して、鉛電池用のスペースと合致させることができる。
【００３２】
以上の構成によって、従来、鉛電池用の充放電システムをニッカド電池用、ニッケル水素電池に利用するには装置の大幅な設計変更が必要であったところ、そのような設計変更の必要の殆どない、鉛電池との互換性が実現される。特に、昇圧部によって二次電池の充電に適切な充電電圧に昇圧できるので、パック電池に接続される充電電源が二次電池の充電に最適化されていなくても、これを昇圧部で最適な値に調整して二次電池を適切に充電できる。これによって、既存のシステムを流用しやすくなり、充電機構を安価に構成することができるというメリットが得られる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のパック電池、二次電池充電装置および二次電池充電方法は、安価な構成で二次電池の充放電が可能となる。それは、昇圧部によって充電電源の電圧値を、二次電池の充電に必要な充電電圧に昇圧可能としているからである。これによって、充電電源に専用の充電機器を使用せずとも適切な充電が可能なパック電池、二次電池充電装置および二次電池充電方法を低コストで提供できるという優れた特長が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るパック電池の概略回路図である。
【符号の説明】
１・・・二次電池
２・・・充電電源
２Ａ・・・鉛電池用充電電源
３・・・充電電源端子
４・・・放電端子
５・・・昇圧部
６・・・制御部
７・・・電池放電制御スイッチ
８・・・電池充電制御スイッチ
９・・・充電電源放電制御スイッチ
１０・・・電流検出抵抗
１１・・・二次電池端子
【図１】
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