(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次電池、トリクル充電回路および充電制御手段を備え、前記充電制御手段が、前記トリクル充電回路に充電器からの充電電流を制限させて前記２次電池を充電させるトリクル充電を行うことができる電池パックにおいて、
充電器側の充電制御手段と通信を行う通信手段と、
前記２次電池に流れる電流を検出する検出手段とを有し、
前記充電制御手段は、前記トリクル充電を、少なくとも充電の初期に行わせ、そのトリクル充電中に、前記検出手段で予め定める値以上の充電電流が検出されると、充電器から２次電池への充電経路を遮断するとともに、前記通信手段を介して、前記充電器側の充電制御手段へ、充電電流を停止させる信号を送信することを特徴とする電池パック。
【請求項２】
前記充電器から２次電池への充電経路には急速充電用のＦＥＴおよび放電用のＦＥＴが直列に設けられ、前記トリクル充電回路は、トリクル充電用のＦＥＴおよび限流抵抗から成り、前記急速充電用のＦＥＴと並列に設けられることを特徴とする請求項１記載の電池パック。
【請求項３】
電池パックが充電器からの充電電流で内蔵２次電池を充電するための方法において、
前記充電器からの充電電流を制限して前記２次電池を充電するトリクル充電を、少なくとも充電の初期に行い、そのトリクル充電中に、予め定める値以上の充電電流が検出されると、充電器から２次電池への充電経路を遮断するとともに、充電器側へ、充電電流を停止させる信号を送信することを特徴とする充電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池パックおよびその充電方法に関し、特に過放電電池の充電のために好適なトリクル充電を行うものに関する。
【背景技術】
【０００２】
長期間の放置などによって、電池電圧が極度に低下した前記過放電（深放電）電池は、充電の初期から急速充電をしてしまうと、正極から金属が溶出したり、負極で金属が析出したり、セパレータが目詰まりを起こしたり、電解液が分解したりという劣化を生じる。図４にその劣化のメカニズムを模式的に示し、図５に急速充電時の２次電池の端子電圧の変化を示す。これら図４および図５は、リチウムイオン電池を例にしている。
【０００３】
図４（ａ）は、正常な充放電が行われている状態を示し、Ｌｉイオンがセパレータを通過して負極へ挿脱が可能となっている。これに対して、図４（ｂ）は前記過放電電池へ急速充電を開始した劣化の初期の状態を示し、正極表面で電解液の分解が始まるとともに、正極金属Ｍｎが溶出する。また、負極では、金属Ｌｉが析出してセパレータの目詰まりが始まる。
【０００４】
図４（ｃ）は、上述のような過放電に急速充電を繰返し、劣化が進行した時の状態を示し、負極被膜上に金属Ｌｉが析出してＬｉイオンの拡散を阻害する。また、負極中のＬｉから電子を奪いＭｎの金属が析出するとともに、電解液の分解が進みガスが発生する。
【０００５】
したがって、充電の初期に、通常よりも少ない電流で充電を行う前記トリクル充電が従来から行われている。特許文献１には、充電すべき２次電池の端子電圧を検出し、前記深放電電圧以下であれば、所定期間に亘りトリクル充電を行い、充電後に再び端子電圧を検出して、上昇していれば前記深放電であると判定して急速充電に切換わり、上昇しなければ、端子電圧の低下は深放電以外の原因（故障など）と判断し、充電を停止する充電装置が示されている。
【特許文献１】特開平１１−２６２１９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の従来技術は、２次電池の異常のみに着目している。このため、トリクル充電回路の異常には、対応できないという問題がある。具体的には、充電経路を限流抵抗などを備える前記トリクル充電回路に切換えていても、前記限流抵抗が短絡したり、通常の急速充電の充電経路との切換えを行うＦＥＴが短絡したりして、急速充電に近い電流が流れてしまうと、劣化している２次電池であっても、端子電圧が上昇してしまい、正常な電池と誤判定して充電を継続し、パックの破損や漏液などの深刻な事態を招く虞がある。
【０００７】
一方、地域によっては、正規品ではない不適正な充電器が安価に出回っており、そのような充電器でも電池パックと端子が合えば、電池パックへの充電が可能になってしまうことがある。この場合、トリクル充電回路の限流抵抗が正常に機能していても、充電器の充電電流供給回路から異常な高電圧が出力されるなどして、所期のトリクル充電を行うことができないという問題もある。
【０００８】
本発明の目的は、トリクル充電時に異常な充電電流が流れることを防止することができる電池パックおよびその充電方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電池パックは、２次電池、トリクル充電回路および充電制御手段を備え、前記充電制御手段が、前記トリクル充電回路に充電器からの充電電流を制限させて前記２次電池を充電させるトリクル充電を行うことができる電池パックにおいて、充電器側の充電制御手段と通信を行う通信手段と、前記２次電池に流れる電流を検出する検出手段とを有し、前記充電制御手段は、前記トリクル充電を、少なくとも充電の初期に行わせ、そのトリクル充電中に、前記検出手段で予め定める値以上の充電電流が検出されると、充電器から２次電池への充電経路を遮断するとともに、前記通信手段を介して、前記充電器側の充電制御手段へ、充電電流を停止させる信号を送信することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の充電方法は、電池パックが充電器からの充電電流で内蔵２次電池を充電するための方法において、前記充電器からの充電電流を制限して前記２次電池を充電するトリクル充電を、少なくとも充電の初期に行い、そのトリクル充電中に、予め定める値以上の充電電流が検出されると、充電器から２次電池への充電経路を遮断するとともに、充電器側へ、充電電流を停止させる信号を送信することを特徴とする充電方法。
【００１１】
上記の構成によれば、充電制御手段が、トリクル充電回路に充電器からの充電電流を制限させて２次電池を充電させるトリクル充電を少なくとも充電の初期に行うことで、過放電電池への充電によるダメージを抑制するようにした電池パックおよび充電方法であって、検出手段でトリクル充電中の充電電流を監視し、予め定める値以上となると、前記充電制御手段は、限流抵抗の短絡などのトリクル充電回路に異常が生じて充電電流が制限できなくなってしまったり、該充電制御手段や電流経路を切換えるスイッチング素子に異常が生じるなどして充電電流をトリクル充電回路に切換えられなかったり、充電器に異常が生じ、或いは正規品ではない不適正な充電器が接続される等で充電電圧が不所望に高くなってしまったりするなどの何らかの異常が発生しているものと判断し、前記充電器から２次電池への充電経路に介在されるＦＥＴをＯＦＦするなどして、該充電経路を遮断する。
【００１２】
したがって、電池パック側が自己診断して、トリクル充電の異常が検知されたときには充電を停止するので、２次電池に異常な大電流が流れることを防止することができる。また、上述のような電池パック側での充電電流の遮断動作とともに、さらに充電器側にも充電電流の遮断動作を行わせるので、電池パック側で前記ＦＥＴの短絡故障などの異常が生じていて、充電電流を遮断できない場合にも、充電電流を遮断することができる。さらにまた、前記トリクル充電は補充電の際に行ってもよいが、２次電池が深放電の可能性がある充電の初期に行うことで、本発明による大電流の防止作用は効果的である。
【００１３】
さらにまた、本発明の電池パックでは、前記充電器から２次電池への充電経路には急速充電用のＦＥＴおよび放電用のＦＥＴが直列に設けられ、前記トリクル充電回路は、トリクル充電用のＦＥＴおよび限流抵抗から成り、前記急速充電用のＦＥＴと並列に設けられることを特徴とする。
【００１４】
上記の構成によれば、急速充電とトリクル充電とは、それぞれに対応したＦＥＴを相反制御することで実現され、限流抵抗を充電経路に直列に介在し、それを急速充電用のＦＥＴで短絡する構成よりも、限流抵抗のＯＮ故障に対する安全性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の電池パックおよび充電方法は、以上のように、充電制御手段が、トリクル充電回路に充電器からの充電電流を制限させて２次電池を充電させるトリクル充電を少なくとも充電の初期に行うことで、過放電電池への充電によるダメージを抑制するようにした電池パックおよび充電方法であって、検出手段でトリクル充電中の充電電流を監視し、予め定める値以上となると、前記充電制御手段は、限流抵抗の短絡などのトリクル充電回路に異常が生じて充電電流が制限できなくなってしまったり、該充電制御手段や電流経路を切換えるスイッチング素子に異常が生じるなどして充電電流をトリクル充電回路に切換えられなかったり、充電器に異常が生じ、或いは正規品ではない不適正な充電器が接続される等で充電電圧が不所望に高くなってしまったりするなどの何らかの異常が発生しているものと判断し、前記充電器から２次電池への充電経路に介在されるＦＥＴをＯＦＦするなどして、該充電経路を遮断する。
【００１６】
それゆえ、電池パック側が自己診断して、トリクル充電の異常が検知されたときには充電を停止するので、２次電池に異常な大電流が流れることを防止することができる。また、上述のような電池パック側での充電電流の遮断動作とともに、さらに充電器側にも充電電流の遮断動作を行わせるので、電池パック側で前記ＦＥＴの短絡故障などの異常が生じていて、充電電流を遮断できない場合にも、充電電流を遮断することができる。さらにまた、前記トリクル充電は補充電の際に行ってもよいが、２次電池が深放電の可能性がある充電の初期に行うことで、本発明による大電流の防止作用は効果的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の一形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。この充電システムは、電池パック１に、それを充電する充電器２を備えて構成されるが、電池パック１から給電が行われる図示しない負荷機器をさらに含めて電子機器システムが構成されてもよい。その場合、電池パック１は、図１では充電器２から充電が行われるけれども、該電池パック１が前記負荷機器に装着されて、負荷機器を通して充電が行われてもよい。電池パック１および充電器２は、給電を行う直流ハイ側の端子Ｔ１１，Ｔ２１と、通信信号の端子Ｔ１２，Ｔ２２と、給電および通信信号のためのＧＮＤ端子Ｔ１３，Ｔ２３とによって相互に接続される。前記負荷機器が設けられる場合も、同様の端子が設けられる。
【００１８】
前記電池パック１内で、前記の端子Ｔ１１から延びる直流ハイ側の充電経路１１には、充電用と放電用とで、相互に導電形式が異なるＦＥＴ１２，１３が介在されており、その充電経路１１が組電池１４のハイ側端子に接続される。前記組電池１４のロー側端子は、直流ロー側の充電経路１５を介して前記ＧＮＤ端子Ｔ１３に接続され、この充電経路１５には、充電電流および放電電流を電圧値に変換し、検出手段である電流検出抵抗１６が介在されている。
【００１９】
前記組電池１４は、複数の２次電池のセルが直並列に接続されて成り、そのセルの温度は温度センサ１７によって検出され、制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。また、前記各セルの端子間電圧は電圧検出回路２０によって読取られ、前記制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。さらにまた、前記電流検出抵抗１６によって検出された電流値も、前記制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。前記アナログ／デジタル変換器１９は、各入力値をデジタル値に変換して、充電制御判定部２１へ出力する。
【００２０】
充電制御判定部２１は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路などを備えて成り、前記アナログ／デジタル変換器１９からの各入力値に応答して、充電器２に対して、出力を要求する充電電流の電圧値、電流値、およびパルス幅（デューティ）を演算し、通信部２２から端子Ｔ１２，Ｔ２２；Ｔ１３，Ｔ２３を介して充電器２へ送信する。また、前記充電制御判定部２１は、前記アナログ／デジタル変換器１９からの各入力値から、端子Ｔ１１，Ｔ１３間の短絡や充電器２からの異常電流などの電池パック１の外部における異常や、組電池１４の異常な温度上昇などに対して、前記ＦＥＴ１２，１３を遮断するなどの保護動作を行う。
【００２１】
充電制御判定部２１は、前記ＦＥＴ１２，１３と共に充電制御手段を構成し、正常に充放電が行われているときには、前記ＦＥＴ１２，１３をＯＮして充放電を可能にし、異常が検出されるとＯＦＦして充放電を不可とする。前記充電制御判定部２１にはまた、後述するようにして組電池１４の異常を検出するためのタイマ２３が接続されている。
【００２２】
充電器２では、前記の要求を制御ＩＣ３０の通信部３２で受信し、充電制御部３１が充電電流供給回路３３を制御して、前記の電圧値、電流値、およびパルス幅で、充電電流を供給させる。充電電流供給回路３３は、ＡＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＤＣコンバータなどから成り、入力電圧を、前記充電制御部３１で指示された電圧値、電流値、およびパルス幅に変換して、端子Ｔ２１，Ｔ１１；Ｔ２３，Ｔ１３を介して、充電経路１１，１５へ供給する。前記充電制御部３１および充電電流供給回路３３は、充電制御手段を構成する。
【００２３】
そして、電池パック１において、前記直流ハイ側の充電経路１１には、通常（急速）充電用のＦＥＴ１２と並列に、トリクル充電回路２５が設けられている。このトリクル充電回路２５は、限流抵抗２６とＦＥＴ２７との直列回路から成り、前記充電制御判定部２１は、充電の初期に、および満充電近くで補充電を行う場合は、放電用のＦＥＴ１３をＯＮしたまま、急速充電用のＦＥＴ１２をＯＦＦし、このトリクル充電用のＦＥＴ２７をＯＮしてトリクル充電を行い、通常充電時および放電時には、前記ＦＥＴ１３をＯＮしたまま、前記ＦＥＴ１２をＯＮし、このＦＥＴ２７をＯＦＦして、通常電流による充放電を行う。前記充電の初期にトリクル充電を行うか否かは、たとえばリチウムイオン電池の場合で、前記電圧検出回路２０によって検出される各セルの端子間電圧が、２．５Ｖ以下であるか否かから判定され、前記２．５Ｖを超えている場合には、トリクル充電は行われず、始めから急速充電が行われる。
【００２４】
上述のように構成される電池パック１において、注目すべきは、前記充電制御判定部２１は、トリクル充電中に、電流検出抵抗１６による充電電流を監視し、予め定める値、たとえば１００ｍＡ以上となると、限流抵抗２６の短絡などのトリクル充電回路２５に異常が生じて充電電流が制限できなくなってしまったり、該充電制御判定部２１やＦＥＴ１２に異常が生じるなどして充電電流をトリクル充電回路２５に切換えられなかったり、充電器２に異常が生じ、或いは正規品ではない不適正な充電器が接続される等で充電電圧が不所望に高くなってしまったりするなどの何らかの異常が発生しているものと判断し、前記充電経路１１に介在されるＦＥＴ１３をＯＦＦすることである。
【００２５】
図２は、上述のような充電制御判定部２１の動作を説明するためのフローチャートである。通常状態では、ステップＳ１で示すように急速充電用のＦＥＴ１２および放電用のＦＥＴ１３はＯＮし、トリクル充電用のＦＥＴ２７はＯＦＦして充放電が可能となっており、また該充電制御判定部２１が動作可能となっており、電池パック１に充電器２が接続され、或いは接続されている充電器２や負荷機器から給電が開始されると、充電動作を開始し、ステップＳ２に移る。
【００２６】
前記ステップＳ２では、前記アナログ／デジタル変換器１９からの各入力値を取込み、ステップＳ３で、その入力値から、前記過電圧、過電流、過熱などの異常状態が発生していないかを判定し、異常状態であると、ステップＳ４で前記トリクル充電用のＦＥＴ２７はＯＦＦしたまま、前記急速充電用のＦＥＴ１２および放電用のＦＥＴ１３をＯＦＦするとともに、ステップＳ５で充電器２へ充電電流を停止させる信号を送信して処理を終了する。
【００２７】
前記ステップＳ３で異常状態でない場合はステップＳ６に移り、各セルの端子間電圧が前記２．５Ｖ以下であるか否かが判定され、前記２．５Ｖを超えている場合には、過放電していないと判定してトリクル充電は行われず、ステップＳ７で始めから急速充電が行われ、その後ステップＳ８で前記各セルの端子間電圧が４．２Ｖに達すると処理を終了する。
【００２８】
これに対して、前記ステップＳ６で各セルの端子間電圧が前記２．５Ｖ以下であると、過放電していると判定してトリクル充電に移り、ステップＳ１１で前記タイマ２３が起動され、ステップＳ１２で放電用のＦＥＴ１３をＯＮしたまま、トリクル充電用のＦＥＴ２７をＯＮするとともに、急速充電用のＦＥＴ１２をＯＦＦする。続いてステップＳ１３では、前記電流検出抵抗１６による充電電流が前記１００ｍＡ以上であるか否かが判断され、１００ｍＡ以上であるとトリクル充電回路２５や充電器２に何らかの異常が発生しているものと判断し、ステップＳ１４で急速充電用のＦＥＴ１２をＯＦＦしたまま、トリクル充電用のＦＥＴ２７および放電用のＦＥＴ１３をＯＦＦした後、前記ステップＳ５に移る。
【００２９】
一方、前記ステップＳ１３で充電電流が前記１００ｍＡ未満である場合には、トリクル充電回路２５や充電器２には異常は発生していないものと判断し、再びステップＳ１５で各セルの端子間電圧が前記２．５Ｖに達したか否かが判断され、達している場合には組電池１４は正常で、過放電していただけと判定して前記ステップＳ７の急速充電に切換わり、前記２．５Ｖに達していなければ、組電池１４に異常が発生していると判定してステップＳ１６で、前記タイマ２３によって予め定める時間がカウントされるまで前記ステップＳ１３に戻って、充電電流を監視しながら前記予め定める時間が経過するまでトリクル充電を継続し、前記予め定める時間が経過すると、前記ステップＳ１４のトリクル充電の終了動作に移る。
【００３０】
したがって、前記充電制御判定部２１は、前記端子Ｔ１１，Ｔ１３間の短絡や充電器２からの異常電流などの電池パック１の外部における異常に対する保護動作だけでなく、該電池パック１内のトリクル充電回路２５を自己診断して、異常が検知されたときには充電を停止するので、組電池１４に異常な大電流が流れることを防止することができるとともに、不適正な（正規でない）充電器による充電を阻止することができる。
【００３１】
また、前記充電制御判定部２１は、前記充電経路１１の遮断に連動して、通信部２２，３２を介して、充電器２側の充電制御部３１へ、充電電流を停止させる信号を送信する。具体的には、充電器２に対して、出力を要求する充電電流の電圧値および電流値を０とする。これによって、電池パック１側での充電電流の遮断動作とともに、さらに充電器２側にも充電電流の遮断動作を行わせることで、電池パック１側で前記ＦＥＴ１２，１３，２７の短絡故障などの異常が生じていて、充電電流を遮断できない場合にも、充電電流を確実に遮断することができる。
【００３２】
［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の他の形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。この充電システムは、図１で示す充電システムに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この充電システムでは、前記トリクル充電回路２５が充電器２ａに設けられていることである。このため、充電器２ａの充電電流供給回路３３からハイ側の端子Ｔ１１までの充電経路３４にはＦＥＴ３５が設けられており、このＦＥＴ３５と並列に、前記トリクル充電回路２５の限流抵抗２６とＦＥＴ２７との直列回路が設けられている。
【００３３】
そして、制御ＩＣ３０ａの充電制御部３１ａは、充電の初期に、通信によって電池パック１ａの制御ＩＣ１８ａの充電制御判定部２１ａから各セル電圧を読込み、前記２．５Ｖ以下であるときにはトリクル充電を行い、その間の充電電流を、ロー側の充電経路３６に介在した検出手段である電流検出抵抗３７からアナログ／デジタル変換器３８を介して読込み、前記１００ｍＡ以上となると異常と判定して前記ＦＥＴ２７をＯＦＦするとともに、通信によって電池パック１ａ側のＦＥＴ１２，１３もＯＦＦさせる。また、トリクル充電を前記タイマ２３によってカウントされる予め定める時間だけ行った後、通信によって得られた各セルの端子間電圧が、２．５Ｖ以下であるときには、組電池１４に異常が発生していると判断し、以降の充電を停止する。
【００３４】
このように構成することで、充電器２ａ側で、トリクル充電の異常が検知されたときに充電を停止することができる。
【００３５】
上述の説明では、充電経路１１，３４に設けられる急速充電用のＦＥＴ１２，３５と並列に、トリクル充電用のＦＥＴ２７および限流抵抗２６から成るトリクル充電回路２５が設けられているけれども、トリクル充電回路を限流抵抗のみとして、充電経路１１，３４に直列に介在し、その限流抵抗をバイパスするように急速充電用のＦＥＴを設けるようにしてもよい。しかしながら、限流抵抗２６を充電経路１１，３４から分岐して設け、その充電経路１１，３４と限流抵抗２６とを、専用のＦＥＴ１２，２７；２７，３５で切換える方が、限流抵抗２６のＯＮ故障に対する安全性を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、少なくとも充電の初期に、トリクル充電回路に充電器からの充電電流を制限させて２次電池を充電させるトリクル充電を行うことで、過放電電池への充電によるダメージを抑制するようにした電池パックにおいて、電流検出抵抗でトリクル充電中の充電電流を監視し、予め定める値以上となると、前記充電制御判定部は、トリクル充電回路や充電器に異常が生じ、或いは正規品ではない不適正な充電器が接続されているものと判断し、前記充電器から２次電池への充電経路に介在されるＦＥＴをＯＦＦするので、２次電池に異常な大電流が流れることを確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の一形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。
【図２】前記充電システムを構成する電池パックのメイン処理動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の他の形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。
【図４】リチウムイオン電池が過放電した状態で急速充電することによる劣化のメカニズムを模式的に示す図である。
【図５】図４での端子電圧の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１，１ａ    電池パック
２，２ａ    充電器
１１，１５    充電経路
１２，１３，２７，３５    ＦＥＴ
１４    組電池
１６，３７    電流検出抵抗
１７    温度センサ
１８，１８ａ，３０，３０ａ    制御ＩＣ
１９，３８    アナログ／デジタル変換器
２０    電圧検出回路
２１，２１ａ    充電制御判定部
２２，３２    通信部
２３    タイマ
２５    トリクル充電回路
２６    限流抵抗
３１，３１ａ    充電制御部
３３    充電電流供給回路
Ｔ１１，Ｔ２１；Ｔ１２，Ｔ２２；Ｔ１３，Ｔ２３    端子
【図１】
0004579124.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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