(57)【要約】【課題】従来のリチウムイオン蓄電池の充放電装置は、新たにシステムを構築する場合、充電電源及びその負荷に対応した新規設計が必要であり統一性と汎用性に欠ける問題点があつた。【解決手段】充電電源電圧の統一化を図る手段として、複数個直列に接続されたリチウムイオン蓄電池（２９）をそれぞれ単独に分解し、充電時にはそれらを並列に接続変更可能な第一スイッチ素子（５０）を設ける事により、充電電源電圧は単一電源での充電が可能と成り充電電源電圧の統一化が図れる。又、色々な負荷の仕様に対応する手段として各モジュール間での縦続接続可能な第二のスイッチ素子（４１）を設けその接続に多様性を持たせる事により汎用性の高い充放電装置の製作が可能と成る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単体のリチウムイオン蓄電池（２９）の充放電に関して、充電制御回路（２）、充放電保護回路（３）、スイッチ切替回路（４）を具備し、一体構造としてモジュール化を図り、モジュール（１）単体での蓄電池の充放電と複数個のモジュール（１）を並列接続として充電、縦続接続として放電を行う充放電装置。
【請求項２】
スイッチ切替回路（４）は複数個のモジュール（１）で構成される充放電ユニットに於いて、モジュール（１）内蓄電池（２９）のマイナス極から蓄電池の充放電保護回路（３）を経由し、外部充電電源のマイナス側に電流経路を形成するＭOSFETから成る第一のスイッチ素子（５０）と抵抗体（５１）から成る第一の制御部を備え、充電時に於いて外部充電電源が印加されると充放電ユニット内蓄電池（２９a〜２９d）を並列に接続する働きを有し、構成されるモジュール（１）の数に依存されない単一充電電源電圧での並列充電を行う請求項１に記載の充放電装置。
【請求項３】
スイッチ切替回路（４）は充放電ユニットに於いて、先頭モジュール（１a）内蓄電池（２９a）のマイナス極から下段に配置されたモジュール（１b）内蓄電池（２９b）のプラス極への電流経路を形成するDual MOSFETから成る第二のスイッチ素子（４１）と、自己発電能力を持つLEDとフォト・ダイオードアレーで構成された複合素子（４４）と抵抗体（４３）から成る第二の制御部（５２）を備え、放電時にはユニット内蓄電池（２９a〜２９d）を縦続接続として放電を行うと同時に、モジュール（１）内蓄電池（２９）の内部短絡事故、長年の使用による劣化で蓄電池の電圧が異常に低下した場合、負荷への電流経路を遮断するか、異常の発生したモジュール（１）をパスし、放電を継続可能とする請求項１に記載の充放電装置。
【請求項４】
スイッチ切替回路（４）は複数のモジュール（１）で構成される充放電ユニットの先頭モジュール（１a）内蓄電池（２９a）のプラス極から負荷への電流経路を形成するMOSFETから成る第三のスイッチ素子４０aと、MOSFET（４５a、４８a）と抵抗体（４２a、４６a、４９a）から成る第三の制御部（５３）を備え、外部充電電源が遮断され、充電動作が停止する時ロード スイッチとして負荷に電源供給を行う請求項１に記載の充放電装置。
【請求項５】
モジュール（１）内蓄電池（２９）のプラス極と外部充電電源プラス側との間にショットキー・バリア・ダイオード（２０）を備え、蓄電池（２９）への電流の流れを一方向のみ、とする請求項１〜４のいずれかに記載の充放電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電池の充放電方式の簡素化と出力の汎用性を図った充放電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の蓄電池の充放電装置に関する回路構成は、その負荷の電圧仕様に対応した複数個の蓄電池で構成され、そのシステム固有の蓄電池の充放電装置として提供される。
【０００３】
一般的に蓄電池の充放電に関する回路構成は、取り付けが義務付け、されている充放電保護回路を含んだ蓄電池単体との樹脂成型の一体構造又は、熱収縮チューブで同一内に封入された構造で、充電回路とは別々の回路構成を取る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４―６３５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
それぞれの負荷に対応した蓄電池の充放電システムを構築する場合、負荷電圧の違いによる、蓄電池の個数及び充放電制御回路の変更が必要であり、充放電装置の標準化を図る上での障害と成る。
【０００６】
直列接続された複数個の蓄電池の充電を一まとめにして行う一括充電は個々の蓄電池の内部インピーダンスの違い、配置場所による温度分布の偏りによる不均衡が蓄電池に生じ、或る蓄電池は満充電であっても、他方は満充電に達していなかったり、負荷に電力を供給する場合に於いても、完全に容量を使い切る物と、容量の残る物が発生し、システム全体に不均衡が生ずる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
単体のリチウムイオン蓄電池２９の充放電に関して、充電制御回路２、充放電保護回路３、スイッチ切替回路４を具備し、一体構造としてモジュール化を図り、モジュール１単体での蓄電池の充放電と複数個のモジュール１を並列接続として充電、縦続接続として放電を行う。
【０００８】
スイッチ切替回路４は複数個のモジュール１で構成される充放電ユニットに於いて、モジュール１内蓄電池２９のマイナス極から蓄電池の充放電保護回路３を経由し、外部充電電源のマイナス側に電流経路を形成するＭOSFETから成る第一のスイッチ素５０と抵抗体５１から成る第一の制御部を備え、充電時に於いて外部充電電源が印加されると充放電ユニット内蓄電池２９a〜２９dを並列に接続する働きを有し、構成されるモジュール１の数に依存されない単一充電電源電圧での並列充電を行う。
【０００９】
スイッチ切替回路４は充放電ユニットに於いて、先頭モジュール１a内蓄電池２９aのマイナス極から下段に配置されたモジュール１b内蓄電池２９bのプラス極への電流経路を形成するDual MOSFETから成る第二のスイッチ素子４１と、自己発電能力を持つLEDとフォト・ダイオードアレーで構成された複合素子４４と抵抗体４３から成る第二の制御部５２を備え、放電時にはユニット内蓄電池２９a〜２９dを縦続接続として放電を行うと同時に、モジュール１内蓄電池２９の内部短絡事故、長年の使用による劣化で蓄電池の電圧が異常に低下した場合、負荷への電流経路を遮断するか、異常の発生したモジュール）をパスし、放電を継続可能とする。
【００１０】
スイッチ切替回路４は複数のモジュール１で構成される充放電ユニットの先頭モジュール１a内蓄電池２９aのプラス極から負荷への電流経路を形成するMOSFETから成る第三のスイッチ素子４０aと、MOSFET４５a、４８aと抵抗体４２a、４６a、４９aから成る第三の制御部５３を備え、外部充電電源が遮断され、充電動作が停止する時ロード スイッチとして負荷に電源供給を行う。
【００１１】
モジュール１内蓄電池２９のプラス極と外部充電電源プラス側との間にショットキー・バリア・ダイオード２０を備え、蓄電池２９への電流の流れを一方向に制限する。
【発明の効果】
【００１２】
充放電ユニットに於いて、構成要素である全てのモジュールを充電電源に対し並列に接続する機能を備え、単一充電電源電圧での充電が可能と成り、蓄電池の個数に依存しない充電電源電圧の統一化が図れ、又その放電時に於いても直列数の接続を自由に設定出来、如何なる負荷システムにも対応可能な蓄電池の充放電装置が実現出来、その機能は全ての充放電システムの統一化、制御部の簡素化、及びコストダウンが図れる。
尚、モジュール数を決定する要因は、負荷電圧を蓄電池電圧で除した整数値(割り切れない場合は切り上げ)で決定され、充電電源を意識する事無く、電圧が大きればマイナス−１、少なければプラス＋１の様に非常に簡単にモジュール数変更のみで、システムに対応可能な充放電ユニットを構築することが可能と成る。
【００１３】
充放電ユニットに於けるモジュール内蓄電池に対し、充電制御回路、充放電保護回路を備え持つ事で、充電に於ける個々蓄電池に対する均等性と充放電に於ける安全性を兼ね備えた充放電ユニットの構築が可能と成る。
【００１４】
単一電源での充電が可能という事は蓄電池複数個をDC-DCコンバータ等の昇圧回路を使用せずにパソコンのUSBポートから直接充電が可能であり、多用途及び多方面に渡る商品開発の可能性が出てくる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１はモジュール化した蓄電池の充放電装置接続図である。
【図２】図２は充電時、並列接続に於ける各モジュールの電流経路と各スイッチ素子の動作概念図である。
【図３】図３は放電時、縦続接続に於ける各モジュールの電流経路と各スイッチ素子の動作概念図である。
【図４】図４は並列接続された各モジュールの充電時に於ける電流経路図である。
【図５】図５は縦続接続された各モジュールの放電時に於ける電流経路図である。
【図６】図６は１ユニット構成時に於ける各モジュール間接続図である。
【図７】図７はモジュール６個並列、縦続接続時に於ける各スイッチ素子の動作概念図である。
【図８】図８は出力の多様性と汎用性に関する接続形態と出力機能の一例を示す図である。
【図９】図９は出力の多様性と汎用性に関する接続形態と出力機能の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図９基づいて説明する。
【実施例】
【００１７】
図１に示す、充電制御回路２、充電保護回路３、スイッチ切替回路４、以上３つの機能を持つ回路を同一基板上に具備し、それらに蓄電池単体２９を含め、それら一体で構成された充放電装置１を提供する。
前述の一体で構成された充放電装置１を以下モジュール、モジュール複数個の集
合体を充放電ユニットと呼ぶ。
【００１８】
図２、図４、図７(A)は充放電ユニット内、複数個の蓄電池を単一充電電源にて並列充電を行う為のスイッチ切替概念でありスイッチ素子としての切替機能を備える。
【００１９】
図３、図５、図７(B)は充放電ユニット内、複数個の蓄電池を縦続接続にて負荷に電源供給を行う為のスイッチ切替概念でありスイッチ素子としての切替機能を備える。
【００２０】
図６は複数個のモジュールで構成される充放電ユニット内での接続図であり各モジュールは、他のモジュールへの接続機能を備える。
【００２１】
図８、図９は出力の多様性と汎用性を持たせる為のスイッチ切替の概念図でありモジュール内に於けるスイッチ素子の切替機能として提供される。
【００２２】
前記モジュール内に、他のモジュールとの直並列可能なスイッチ素子を設け充電時に於ける機能として、単一充電電源電圧でモジュールの並列充電が可能な機能を持たせ又、放電時には縦続接続可能と成るスイッチ機能を持ちその接続に汎用性を持たせ、その切替は外部充電電源の有無によって決定される。
又、一つの充放電ユニットに於ける機能として、充電中は負荷への給電を阻止し、外部充電電源遮断時に負荷に電源供給を行うスイッチ素子を備える。
【００２３】
以下、前記スイッチ切替回路４内に設置されているスイッチ素子と制御回路の充放電時に於ける動作と機能説明を行う。
図１に於いてCN10(7)番ピンに外部充電電源の＋5Vが接続され、それらはモジュール内のショットキー バリア ダイオード20を経由しVccラインを通りスイッチ切替回路４内のスイッチ素子MOSFET48のゲート（G）,MOSFET50のゲート（G）及び充電制御回路２のVccへと供給される経路を持つ。
【００２４】
MOSFET48とMOSFET50はそのゲート（G）に与えられた＋5Vによりターン・オンし、そのソース（S）、ドレイン（D）間抵抗Rdsonは低抵抗となり、MOSFET48のドレイ（D）はGNDレベル迄引き込まれ、またMOSFET50のドレイ（D）はPGNDレベル迄引き込まれる。
【００２５】
MOSFET48のドレイン（D）がGNDレベル迄引き込まれるとMOSFET45のゲート(G)も同じくGNDレベル迄引き込まれ、MOSFET45はターン・オンしRdsonは低抵抗と成り抵抗46の両端にはBATT29(＋)極への充電電圧VpとGND間の電圧が生ずる。
この電圧はMOSFET40のゲート（G）を＋電位としMOSFET40をターン・オフ状態に保ち充電時にはBATT29から負荷への電源供給を阻止する機能を有する。
【００２６】
同様に前述のMOSFET50のドレイン(D)がPGND迄引き込まれる動作はユニット内に於いて個々モジュールのCN10(7)番ピンを外部充電電源の＋極＋5Vに、CN１０(2)番ピンが外部充電電源の−極0Vに接続されておれば、充電時に於いては個々のモジュールが並列接続された構成と成り単一充電電源での充電が出来、モジュール数に依存しない単一充電電源での充電が可能な機能を持つ事が出来る。
【００２７】
MOSFET40の機能は、充電時にはOFF放電時にはONに切り替わるスイッチ素子で、そのON/OFF動作はMOSFET45とMOSFET48の二つのMOSFETと抵抗体４２，４６，４９で制御され、充電時には外部充電電源の＋側＋5VがCN10(7)番ピンからショットキー バリア ダイオード20を通り図１のVccラインに供給されそのVccはMOSFET48のゲート(G)に加わりゲート(G)-ソース(S)間電圧VgsのレベルはMOSFET48をターン・オンするレベルでありMOSFET48のドレイン(D)を図１のGNDレベル迄引き込みMOSFET45のゲート(G)も同じく図１のGNDレベル迄引き込みMOSFET45のVgsはターン・オンレベルに達しPMOS45はターン・オンし、そのRdsonは低抵抗と成り抵抗器４６とMOSFET40のゲート(G)の接続点にBATT29の充電電圧Vpが加わりMOSFET40のVgsはターン・オンレベル迄達せずOFF状態を維持する。
【００２８】
放電時には外部充電電源の＋側がCN10(7)番ピンからショットキー・バリア・ダイオード２０を通り図１のVccラインへの供給が遮断されMOSFET48のゲート(G)に加わるVgsのレベルはプルダウン抵抗４９により図１のGNDレベルとなりOFF状態を維持しMOSFET48のRdsoffは高抵抗と成りNMOS48のドレイン(D)とPMOS45のゲート(G)の接続点はプルアップ抵抗４２によりBATT29の充電電Vpが加わりMOSFET45のVgsはターン・オンレベル迄達せずOFF状態を維持しMOSFET45のRdsoffは高抵抗と成り抵抗器４６とMOSFET40のゲート(G)の接続点はGNDレベル迄近付きPMOS40のVgsはターン・オンレベルに達しターン・オンしたRdsonは低抵抗と成りBATT29の（＋）極からMOSFET40のソース(S),ドレイン(D)を通りコネクタＣＮ１０(10)番ピンを通り外部システムへ電源を供給するスイッチとしての機能を持つ。
【００２９】
図４に示す個々のモジュールに縦続接続可能と成るスイッチ素子Dual MOSFET41を設け、如何なる負荷の電圧仕様にも対応可能な接続機能を提供する。
縦続接続された、個々のモジュールに外部充電電源が遮断されるとその先頭モジ
ュール1a（以下Masterと呼ぶ）のMOSFET40aがオンとなり自身のBATT29a（＋）極からCN10(10)番ピン、同じく接続されたCN10(9)番ピンを通り同モジュール内のDual MOSFET41aをドライブする為のLEDとフォト ダイオードから成る複合素子44aに入力され、その出力はDual MOSFET41aのゲート(G)とソース（S）間に加えられMOSFET41aをターン・オンさせRdsonは低抵抗と成り等価的にBATT29a(−)極がGNDラインCN10(8)番ピンに接続された事に成り、同じく接続された次段のモジュール（以下Slaveと呼ぶ）のCN10(10)番ピンからSlave内のBATT29b(＋)極へと直列接続される。
【００３０】
MasterのBATT29a(−)と次段のSlaveのBATT29b(＋)、が接続された事と同様
に以下次々段のモジュールと縦続接続されたBATT29の(−)極、(＋)極が次々と接続され、その出力電圧は充放電ユニット内のモジュール個数を乗じた電圧を出力する機能を持つ。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
蓄電池の現状に於ける充電方式は、その蓄電池の個数に依存した専用の充電コントローラと個数に対応した充電電源が必要である。
このモジュールの使用に関し、蓄電池に対し充電に於ける均一性と安全性に対する担保を備え、個数を意識する事無く単一充電電源での充電が可能であり又、出
力も色々な負荷の仕様に対応した汎用性の高い接続機能を持つ構成であり、その
事により使用部品の統一化、製造工程の簡略化が図れ、商品のコストダウンに寄
与する事が出来る。
【符号の説明】
【００３２】
１     蓄電池充放電装置(モジュール)
２     充電制御回路
３     充放電保護回路
４     スイッチ切替回路
１０   コネクタ
２０   ショットキー バリア ダイオード(SBD)
２１   ジャンパー
２２、２４、２６、２７、    ３１、３５、４２、４３、４６、４９チップ抵抗
２３   充電制御IC
５１  チップ抵抗（第一制御部）
２５   充放電保護IC
２８、３０、３２、   チップコンデンサー
２９   リチウムイオン蓄電池(BATT)
３３   チップサーミスター(TH)
３４  Dual MOSFET
４０   MOSFET（第三スイッチ素子）
４１  Dual MOSFET（第二スイッチ素子）
４５、４８  MOSFET
５０  MOSFET（第一スイッチ素子）
４４   複合素子
５２  第二制御部
５３  第三制御部
【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】
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