(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された複数の電池セル(11)と、
前記複数の電池セル(11)のそれぞれに接続され前記電池セル(11)の電圧を検出する前記電池セル(11)と同数のセル電圧検出回路(13)と、
前記全てのセル電圧検出回路(13)の検出出力に接続され前記全てのセル電圧検出回路(13)において検出される電圧のうちの最大電圧を出力する最大電圧出力回路(14)と、
前記複数の電池セル(11)のそれぞれに接続され前記電池セル(11)の過充電を検出する前記電池セル(11)と同数の過充電検出回路(16)と、
前記全ての過充電検出回路(16)の検出出力に接続された遮断信号出力回路(17)と、
前記複数の電池セル(11)と前記複数のセル電圧検出回路(13)と前記最大電圧出力回路(14)と前記電池セル(11)と同数の過充電検出回路(16)と前記遮断信号出力回路(17)を封入する電池ケース(12)と
を備え、
前記遮断信号出力回路(17)は前記全ての過充電検出回路(16)において検出される電圧のうちのいずれか１つの電池セル(11)の最大電圧が所定の値を超えたときに遮断信号を出力するように構成された
ことを特徴とする二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電装置により充電可能な二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、リチウムイオン電池など非水系の二次電池は定電流・定電圧充電が行われる。この充電方法では、二次電池を充電する際に、充電初期はある設定した電流で定電流充電を行い、二次電池電圧がある設定値に達すると、その設定値電圧で定電圧充電を行い、満充電になるまで充電を行うのが一般的である。
【０００３】
このように、定電圧・定電流充電を行うリチウムイオン電池などの非水系二次電池は、過充電による性能劣化が顕著で破裂などの危険を伴うため、これらの二次電池には従来から過充電保護回路を内蔵することが知られている。図６に示すように、従来の二次電池１は単一の電池セル２と過充電保護回路３を備える。また、二次電池１を充電する充電器４は定電圧充電回路５と定電圧検出回路６と定電流充電回路７とを備える。二次電池１の過充電保護回路３は電池セル電圧検出回路３ａと過充電検出回路３ｂと常閉の過充電保護スイッチ３ｃによって構成される。このような過充電保護回路では、電池セル電圧検出回路３ａが電池セル電圧を監視し、ある値に設定された基準電源３ｄの電圧値と比較しその比較値を出力する。この出力は過充電検出回路３ｂに入力され、保護スイッチ３ｃのオン／オフを制御するように構成される。このため、過充電保護回路３ｂは過充電などによって電池セル電圧があらかじめ設定した過充電検出電圧よりも高くなると保護スイッチ３ｃをオフするようになっている。
【０００４】
しかし、このような二次電池１の正極及び負極端子に充電器４を接続して充電すると、過充電保護回路３の電圧降下の影響により、二次電池１における端子電圧は内蔵された電池セル２における実際の電圧よりやや高い値となる。一方、上述した定電流・定電圧充電における充電器４は、定電圧検出回路６により二次電池１の端子電圧を充電電圧として定電圧充電回路５により定電圧充電制御を行うので、実際の電池セル２に対しては、充電器４で設定されている定電圧充電値よりも低い電圧で充電されることになる。このように充電電圧が適性値より低いと総充電容量が低下する不具合がある。逆に適性値より高い電圧で充電すると、電池の劣化を招き、破壊に至ることもある。したがって安易に充電電圧を高くすることはできない欠点がある。
【０００５】
この点を解消するために、二次電池に内蔵されている電池セル自体における電圧を検出し、その実際に検出された電池セルの電圧に応じて充電器により電池セルの充電を制御する二次電池の充電方法が提案されている（特開平１１−１８７５８６）。この二次電池の充電方法では、実際に検出された電池セルの電圧に応じて二次電池の充電を制御することになり、充電容量を向上し得るとともに、充電時間を短縮することができるものとしている。
一方、近年では、リチウム電池等の二次電池は小型化、軽量化が可能であるため、このような二次電池を大容量化させる試みがなされている。このリチウム二次電池は、複数の電池セルを電池ケースに封入することにより作られ、それら複数の電池セルを直列又は並列に接続することにより大容量化を可能にしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、複数の電池セルを電池ケースに収容した二次電池において、直列に接続されたそれら複数の電池セルの全体における電圧に応じて充電を制御すると、複数の電池セルそれぞれにおける充電容量が異なる場合には、充電容量の小さな電池セルが過充電され、比較的高い発熱によって二次電池の寿命を縮め、二次電池自体の性能を極端に劣化させる不具合がある。
また、上述した特開平１１−１８７５８６号公報における二次電池の充電方法では、依然として過充電保護スイッチが電池ケースに内蔵されており、過充電保護スイッチがＦＥＴ等である場合には、電池ケースに内蔵されたそのＦＥＴの許容電流によって充電電流が制限され、充電時間が延長される不具合もあった。
本発明の目的は、直列に接続された複数の電池セルを有する場合における充電容量を向上させかつその充電時間を短縮し得る二次電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、直列に接続された複数の電池セル１１と、複数の電池セル１１にそれぞれ接続され電池セル１１の電圧を検出する電池セル１１と同数のセル電圧検出回路１３と、全てのセル電圧検出回路１３の検出出力に接続され全てのセル電圧検出回路１３において検出される電圧のうちの最大電圧を出力する最大電圧出力回路１４と、複数の電池セル１１のそれぞれに接続され電池セル１１の過充電を検出する電池セル１１と同数の過充電検出回路１６と、全ての過充電検出回路１６の検出出力に接続された遮断信号出力回路１７と、複数の電池セル１１と複数のセル電圧検出回路１３と最大電圧出力回路１４と電池セル１１と同数の過充電検出回路１６と遮断信号出力回路１７を封入する電池ケース１２とを備え、遮断信号出力回路１７は全ての過充電検出回路１６において検出される電圧のうちのいずれか１つの電池セル１１の最大電圧が所定の値を超えたときに遮断信号を出力するように構成されたことを特徴とする二次電池である。
この請求項１に係る二次電池では、複数の電池セル１１におけるそれぞれの電圧を別々に設けられたセル電圧検出回路１３により検出し、その最大電圧を最大電圧検出回路１４により出力する。
【０００８】
そして、充電器２０は最大電圧出力回路１４からの出力に応じて二次電池１０の充電を制御するように構成すれば、二次電池１０における複数の電池セル１１のそれぞれにおける充電容量が異なる場合には、充電容量の最も小さな電池セル１１におけるセル電圧が最大電圧出力回路１４から出力されるので、充電容量の最も小さな電池セル１１が過充電されることは回避され、過充電に起因する発熱を防止することにより二次電池の性能を向上させることができる。
【０００９】
更に、充電器２０は、遮断信号出力回路１７の出力により直列に接続された複数の電池セル１１の充電を遮断する過充電保護スイッチ２４を備えれば、いずれか１つの電池セル１１が過充電であっても過充電保護スイッチ２４を動作させることができる。また、過充電保護スイッチ２４を充電器２０に設けるので、過充電保護スイッチ２４の発熱による二次電池１０の劣化を防止できるとともに、従来必要とされた過充電保護スイッチ２４の発する熱を別途外部に放散させるための放熱手段が不要になり、部品定数が減少して単純かつ小型の二次電池１０を得ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、この実施形態の二次電池充電装置は、二次電池１０と充電器２０とからなり、二次電池１０は複数の電池セル１１を電池ケース１２に封入することにより作られる。また、複数の電池セル１１の他に電池ケース１２には、複数の電池セル１１のそれぞれに接続され電池セル１１の電圧を検出する電池セル１１と同数のセル電圧検出回路１３と、これら全てのセル電圧検出回路１３の出力に接続され全てのセル電圧検出回路１３において検出される電圧のうちの最大電圧を出力する最大電圧出力回路１４と、複数の電池セル１１のそれぞれに接続され電池セル１１の過充電を検出する電池セル１１と同数の過充電検出回路１６と、全ての過充電検出回路１６の検出出力に接続された遮断信号出力回路１７とが封入される。
【００１１】
電池ケース１２には出力及び入力のための正極端子１２ａ及び負極端子１２ｂとともに、セル電圧出力端子１２ｃと遮断信号出力端子１２ｄが設けられる。複数の電池セル１１は直列に接続され、直列に接続された複数の電池セル１１の両端部が正極端子１２ａ及び負極端子１２ｂに電気的に接続される。また、最大電圧出力回路１４の検出出力はセル電圧検出端子１２ｃに接続され、遮断信号出力回路１８の検出出力は遮断信号出力端子１２ｄに接続される。
【００１２】
図２にこの実施の形態における複数のセル電圧検出回路１３と最大電圧出力回路１４の詳細を示す。先ず、複数のセル電圧検出回路１３はそれぞれ同一構造であり、その内の１つを代表して説明する。セル電圧検出回路１３は、単一の電池セル１１における電圧を電池セル電圧検出抵抗ＲＢ１とＲＢ２によって抵抗分割した電池セル電圧値と、高精度基準電源１８の電圧値を充電電圧検出抵抗ＲＢ３とＲＢ４によって抵抗分割した基準電圧値とを比較する誤差アンプ１３２を有し、その出力は最大電圧出力回路１４を構成するダイオード１４１に接続される。また、この誤差アンプ１３２のゲインはゲイン設定抵抗ＲＢ７によって決まる。電池セル電圧検出抵抗ＲＢ１，ＲＢ２と高精度基準電源１８と充電電圧検出抵抗ＲＢ３，ＲＢ４は、電池セル１１の適切な充電電圧付近で誤差アンプ１８が動作するように設定される。
【００１３】
最大電圧出力回路１４は、複数のセル電圧検出回路１３の出力側にそれぞれ接続されたセル電圧検出回路１３の数と同数のダイオード１４１を有し、全てのダイオード１４１を並列に接続することにより構成される。この最大電圧出力回路１４は、ダイオード１４１を並列に接続するので、全てのセル電圧検出回路１３における検出出力のうちの最大電圧からダイオード１４１の電圧降下分を引いた電圧を出力するように構成される。
【００１４】
図３には、この実施の形態における複数の過充電検出回路１６と遮断信号出力回路１７の詳細を示す。複数の過充電検出回路１６はそれぞれ同一構造であり、代表した１つを説明する。過充電検出回路１６は、抵抗ＲＢ１とＲＢ２によって抵抗分割された電池セル電圧値と、高精度基準電源１８の電圧値を過充電検出抵抗ＲＢ５とＲＢ６によって抵抗分割した基準電圧値とを比較するコンパレータ１６１を有し、それらの出力が遮断信号出力回路１７に接続される。電池セル電圧検出抵抗ＲＢ１，ＲＢ２と高精度基準電源１８と過充電検出抵抗ＲＢ５，ＲＢ６は、電池セル電圧が過充電電圧に達したときにコンパレータ１６１を動作させるように構成される。また、この実施の形態における遮断信号出力回路１７はＯＲゲート回路であって、複数の過電流検出回路１６におけるいずれかのコンパレータ１６１が動作すると遮断信号を出力するように構成される。このように、高精度基準電源１８を含むセル電圧検出回路１３を過充電検出回路１６の一部として共用させることにより回路を簡略化させることができる。
【００１５】
図１に戻って、充電器２０の収容ケース２１には、二次電池１０の正極端子１２ａ並びに負極端子１２ｂに接続される正極充電端子２１ａ並びに負極充電端子２１ｂを有し、更に二次電池１０のセル電圧検出端子１２ｃに接続されるセル電圧入力端子２１ｃ及び遮断信号出力回路１７の出力端子１２ｄに接続される遮断信号端子２１ｄが設けられる。そして、二次電池１０の正極端子１２ａ並びに負極端子１２ｂに充電器の正極充電端子２１ａ並びに負極充電端子２１ｂを接続し、更に二次電池のセル電圧検出端子１２ｃにセル電圧入力端子２１ｃを接続するとともに、遮断信号出力回路１７の出力端子１２ｄに遮断信号端子１２ｄを接続することにより充電器２０と二次電池１０は接続される。
【００１６】
一方、充電器２０には定電圧充電のための低電圧充電回路２２と、定電流充電のための低電流充電回路２３、及び二次電池１０における遮断信号出力回路１７の出力により二次電池１０の充電を遮断する過充電保護スイッチ２４が内蔵される。この定電圧充電回路２２は、セル電圧入力端子２１ｃを通してセル電圧検出端子１２ｃから出力される二次電池１０の最大電圧出力回路１７の出力をフィードバック信号として定電圧充電を行うように構成される。また、この実施の形態における過電流保護スイッチ２４は、図３に詳しく示すように、Ｐ−ｃｈ  ＦＥＴが使用されるものとする。
【００１７】
図２にこの実施の形態における定電圧充電回路２２と定電流充電回路２３の詳細を示す。定電流充電回路２３は、ＮＰＮ形の定電流制御トランジスタＱＣ１を有し、そのベース・エミッタ間に定電流・定電圧制御抵抗ＲＣ１が接続される。ここで、定電流充電回路２３による定電流値はトランジスタＱＣ１のベース・エミッタ間電圧と抵抗ＲＣ１の抵抗値によって決まる。
【００１８】
一方、定電圧充電回路２２は、ＮＰＮ形の定電流・定電圧制御トランジスタＱＣ２と、そのベースを駆動するＮＰＮ形の定電圧制御トランジスタＱＣ３を有し、定電圧・定電流制御トランジスタＱＣ２のコレクタ・ベース間には定電圧・定電流制御トランジスタ駆動抵抗ＲＣ２が、定電圧制御トランジスタＱＣ３のエミッタには定電圧制御抵抗ＲＣ３が接続される。定電圧制御トランジスタＱＣ３のベースは、セル電圧入力端子２１ｃを通して二次電池１０の最大電圧出力回路１７の出力によって駆動され、いずれかの電池セル１１における最大電圧に基づいて設定した充電電圧で一定に保たれるように駆動される。
【００１９】
次に、この充電装置による充電動作について説明する。充電初期、電池セル電圧が低い間は、二次電池内のセル電圧検出回路１３（誤差アンプ１３２）の出力は低く、充電器２０の定電圧充電回路２２は動作せず、定電流充電回路２３により定電流充電が行われる。充電が進み、電池セル電圧があらかじめ設定された充電電圧に達すると、二次電池１０のセル電圧検出回路１３の出力が最大電圧出力回路１４におけるダイオード１４１の電圧降下分を越えることになり、その最大電圧出力回路１４は複数のセル電圧検出回路１３におけるいずれかの最大電圧からダイオード１４１の電圧降下分を引いた電圧を出力する。充電器２０はこの出力に基づいての定電圧充電回路２２のトランジスタＱＣ３とＱＣ２をドライブし、定電圧充電が行われる。
【００２０】
このとき、複数の電池セル１１におけるそれぞれの電圧は、別々に設けられたセル電圧検出回路１３により検出され、その最大電圧を最大電圧検出回路１４により出力されるので、二次電池１０における複数の電池セル１１のそれぞれにおける充電容量が異なる場合には、充電容量の小さな電池セル１１におけるセル電圧が設定された充電電圧より上がると、そのセル電圧検出回路１３の誤差アンプ１３２の出力が上がり、その電池セル１１におけるセル電圧が最大電圧出力回路１７から出力され、充電器２０の定電圧充電回路２２のトランジスタＱＣ３のベース電圧が上がり、コレクタ電流が増える。その結果抵抗ＲＣ２による電圧降下が大きくなりトランジスタＱＣ２のベース電圧を下げ、充電電圧を下げる方向に動作する。この結果、充電容量の小さな電池セル１１が過充電されることは回避され、過充電に起因する発熱を防止することにより二次電池の性能を向上させることができる。逆に電池セル電圧が設定された電圧より下がると、逆の動作により充電電圧を上げる方向に動作する。この一連のフィードバック系により充電電圧は一定に保たれる。低電圧充電時の充電電流は電池の充電状態によって決まり、次第に減少して満充電になると充電電流は流れなくなり、充電は完了する。
【００２１】
また、充電中に充電器２０の故障など何らかの問題により、充電電圧が過充電検出回路１６で設定した過充電電圧より高くなると、コンパレータ１６１が動作する。ＯＲゲート回路である遮断信号出力回路１７は、複数の過電流検出回路１６におけるいずれかのコンパレータ１６１が動作しても遮断信号を出力する。この信号により充電器２０の過充電保護スイッチ２４はオフ状態となって充電経路を遮断し、二次電池１０への充電が強制的に停止される。この結果、いずれか１つの電池セル１１が過充電であっても過充電保護スイッチ２４を動作させることができ、二次電池の過充電を有効に回避することができる。また、過充電保護スイッチ２４を充電器２０に設けるので、過充電保護スイッチ２４の発熱による二次電池１０の劣化を防止できるとともに、従来必要とされた過充電保護スイッチ２４の発する熱を別途外部に放散させるための放熱手段が不要になり、部品定数が減少して単純かつ小型の二次電池１０を得ることができる。
【００２２】
なお、この実施の形態では、過電流保護スイッチ２４として、Ｐ−ｃｈ  ＦＥＴから成るものを使用したが、図４に示すように、過電流保護スイッチ３４はＮ−ｃｈ  ＦＥＴから成るものを使用してもよい。この場合、図４のようにＦＥＴ３４ａの前段にトランジスタ３４ｂを用いて入力を反転させることによりそのＦＥＴ３４ａの駆動電圧とすることができる。
また、この実施の形態では、過電流保護スイッチ２４としてＦＥＴから成るものを使用したが、図５に示すように、過電流保護スイッチ４４はリレー４４ａから成るものを使用してもよい。但し、この場合には、図５のようにリレー４４ａの前段にトランジスタ４４ｂを用いてそのリレー４４ａを駆動するためのスイッチ回路４４ｃを設ける必要がある。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、二次電池が、複数の電池セルと、それらの電池セルにそれぞれ接続された複数のセル電圧検出回路と、それらのセル電圧検出回路におけるいずれかの最大電圧を出力する最大電圧出力回路と、電池セルと、セル電圧検出回路と最大電圧出力回路を封入可能に構成された電池ケースとを備えたので、複数の電池セルにおけるそれぞれの電圧を別々に設けられたセル電圧検出回路により検出し、その最大電圧を最大電圧検出回路により出力することができる。
また、充電装置は、そのような二次電池と、その二次電池を充電する充電器からなり、充電器は最大電圧出力回路からの出力に応じて二次電池の充電を制御するので、二次電池における複数の電池セルのそれぞれにおける充電容量が異なる場合には、充電容量の小さな電池セルにおけるセル電圧が最大電圧出力回路から出力され、その出力に基づいて充電が制御されるので充電容量の小さな電池セルが過充電されることを回避することができる。
【００２４】
ここで、複数の電池セルにそれぞれ接続された複数の過充電検出回路と、複数の過充電検出回路のそれぞれの検出出力が入力された遮断信号出力回路とを電池ケースに内蔵し、遮断信号出力回路の出力により二次電池の充電を遮断する過充電保護スイッチを充電器に設ければ、遮断信号出力回路が複数の過充電検出回路のいずれかの最大電圧が所定の値を超えたときに遮断信号を過充電保護スイッチに出力するように構成することにより、いずれか１つの電池セルが過充電であっても過充電保護スイッチを動作させることができる。また、過充電保護スイッチを充電器に設けるので、過充電保護スイッチの発熱による二次電池の劣化を防止できるとともに、従来必要とされた過充電保護スイッチの発する熱を別途外部に放散させるための放熱手段が不要になり、部品定数が減少して単純かつ小型の二次電池を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の二次電池を含む充電装置を示すブロック図。
【図２】その充電装置における定電圧充電回路の詳細図。
【図３】その充電装置における過充電防止システムの詳細図。
【図４】別の過充電防止スイッチの詳細図。
【図５】更に別の過充電防止スイッチの詳細図。
【図６】従来の充電装置を示す図１に対応するブロック図。
【符号の説明】
１０  二次電池
１１  電池セル
１２  電池ケース
１３  セル電圧検出回路
１４  最大電圧出力回路
１６  過充電検出回路
１７  遮断信号出力回路
２０  充電器
２４  過充電保護スイッチ
【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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