(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の電流を電池パックの接続端子へ供給することにより定電流充電を実行し、前記定電流充電により前記接続端子の電圧が所定の基準電圧に達すると、一定の充電電圧を前記接続端子に印加する定電圧充電に切り替える充電装置によって充電される前記電池パックであって、
二次電池と、
前記二次電池を充電するための前記充電電圧を受電する接続端子と、
前記二次電池と前記接続端子との間で前記二次電池と直列に電圧降下を生じさせるための電圧降下部と、
前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、予め設定された閾値電圧以上の場合、前記電圧降下部によって、前記電圧降下を生じさせる電圧降下制御部と、
前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出部とを備え、
前記電圧降下制御部は、
前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、前記閾値電圧以上の場合、前記電流検出部により検出される電流値が減少するまで、前記電圧降下部による電圧降下量を増大させること
を特徴とする電池パック。
【請求項２】
前記二次電池は、複数のセルが直列接続された組電池であり、
前記電圧検出部は、
前記各セルの端子電圧を検出し、
前記電圧降下制御部は、
前記電圧検出部によって検出される各端子電圧のうちいずれかが、前記閾値電圧以上の場合、前記電流検出部により検出される電流値が減少するまで、前記電圧降下部による電圧降下量を増大させること
を特徴とする請求項１記載の電池パック。
【請求項３】
前記閾値電圧は、前記二次電池の満充電状態における開放電圧であること
を特徴とする請求項１又は２記載の電池パック。
【請求項４】
前記電圧降下制御部が、前記電圧降下部によって生じさせる電圧降下量を、前記電圧検出部により得られる前記二次電池の両端電圧と所定の目標電圧との差である差分電圧値に基づき設定する電圧降下量設定部をさらに備え、
前記電圧降下制御部は、
前記電流検出部により検出される電流値が減少し始めた後、前記電圧降下量設定部により設定された電圧降下量の電圧降下を、前記電圧降下部によって生じさせること
を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池パック。
【請求項５】
前記電圧降下量設定部は、前記二次電池の両端電圧をＶｔ、前記目標電圧をＶｔｇとした場合、前記電圧降下量Ｖｃを、下記の式（１）に基づき設定すること
を特徴とする請求項４記載の電池パック。
Ｖｃ＝Ｖｔｇ−Ｖｔ  ・・・（１）
【請求項６】
前記二次電池の温度を検出する温度検出部をさらに備え、
前記電圧降下量設定部は、
前記温度検出部により検出された前記二次電池の温度が、当該二次電池の充電に適さない方向に変化した場合、前記電圧降下量を増大させること
を特徴とする請求項４又は５に記載の電池パック。
【請求項７】
前記接続端子によって受電された充電電圧を検出する充電電圧検出部と、
前記電流検出部により検出される電流値が減少し始めたときに、前記充電電圧検出部によって検出された電圧を、定電圧充電設定電圧として取得すると共に前記目標電圧として
設定する目標電圧設定部とをさらに備えること
を特徴とする請求項４記載の電池パック。
【請求項８】
前記定電圧充電設定電圧が、前記目標電圧よりも、予め設定された判定電圧以上大きい場合、前記二次電池の充電電流を遮断する遮断部をさらに備えること
を特徴とする請求項７記載の電池パック。
【請求項９】
前記電圧降下部は、
前記二次電池と前記接続端子との間の電流経路を開閉する第１スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子と並列に接続された、第２スイッチング素子と抵抗との直列回路と、
前記第１スイッチング素子と並列に接続された、第３スイッチング素子と抵抗との直列回路とを備え、
前記電圧降下制御部は、
前記第１、第２、及び第３スイッチング素子のオン、オフの組み合わせにより得られる電圧降下のうち、前記電圧降下量設定部により設定された電圧降下量以上であってかつ当該電圧降下量に最も近い電圧降下が、前記電圧降下部によって得られるように前記第１、第２、及び第３スイッチング素子のオン、オフを制御すること
を特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の電池パック。
【請求項１０】
前記第２スイッチング素子と直列接続された抵抗と、前記第３スイッチング素子と直列接続された抵抗とは、抵抗値が異なること
を特徴とする請求項９記載の電池パック。
【請求項１１】
前記電圧降下部は、
前記二次電池と前記接続端子との間に介設された電界効果トランジスタであり、
前記電圧降下制御部は、
前記電界効果トランジスタのゲート電圧を制御して当該電界効果トランジスタのオン抵抗を調節することによって、前記電圧降下部における電圧降下量を制御すること
を特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電池パック。
【請求項１２】
前記電圧降下部は、
前記二次電池と前記接続端子との間に介設されたバイポーラトランジスタであり、
前記電圧降下制御部は、
前記バイポーラトランジスタのベース電流を制御して当該バイポーラトランジスタのエミッタコレクタ間電圧を調節することによって、前記電圧降下部における電圧降下量を制御すること
を特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電池パック。
【請求項１３】
前記電圧降下部は、
前記二次電池と前記接続端子との間に介設されたサーミスタと、
前記サーミスタの温度を調節する温度調節部とを備え、
前記電圧降下制御部は、
前記温度調節部によって、前記サーミスタの温度を調節して当該サーミスタの抵+抗値を制御することによって、前記電圧降下部における電圧降下量を制御すること
を特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電池パック。
【請求項１４】
二次電池と、
一定の電流を前記二次電池へ供給することにより定電流充電を実行し、前記定電流充電において供給される電圧が所定の基準電圧に達すると、一定の充電電圧を前記二次電池へ供給する定電圧充電に切り替える充電装置と、
前記二次電池と前記充電装置との間で前記二次電池と直列に電圧降下を生じさせる電圧降下部と、
前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、予め設定された閾値電圧以上の場合、前記電圧降下部によって、前記電圧降下を増大させる電圧降下制御部と、
前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出部とを備え、
前記電圧降下制御部は、
前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、前記閾値電圧以上の場合、前記電流検出部により検出される電流値が減少するまで、前記電圧降下部による電圧降下量を増大させること
を特徴とする充電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池を備えた電池パック、及び二次電池を充電する充電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、二次電池の大容量化が進むにつれて、二次電池に蓄えられるエネルギーが増大している。そして、二次電池に蓄えられるエネルギーが増大するほど、安全性の確保が重要となる。二次電池の安全性を確保する上で、二次電池の過充電の防止が、最も基本的かつ重要である。そのため、ＪＩＳ（Japan  Industrial Standard）やＢＡＪ（Battery Association of Japan）等によって、充電時における二次電池の端子電圧の上限が規格化されつつある。
【０００３】
例えばリチウムイオン二次電池の場合、セルあたりの端子電圧は、従来、４．３５Ｖから４．４０Ｖ程度まで許容されていた。二次電池を充電する場合、例えば４．２Ｖで充電しようとしても、充電回路の電圧制御精度によって、実際には４．２Ｖを超える電圧で充電されてしまう場合がある。
【０００４】
特に、複数のセルが直列接続された組電池を充電する場合には、組電池に４．２Ｖ×セル数の電圧を印加してセルあたり４．２Ｖになるように充電した場合であっても、各セル間の端子電圧のバラツキによって、端子電圧が４．２Ｖを超えるセルが生じてしまうおそれがある。
【０００５】
このように、充電回路の電圧制御精度や組電池における各セル間の端子電圧のバラツキを考慮しても、セルあたりの端子電圧が、４．３５Ｖから４．４０Ｖ程度まで許容されていれば、４．２Ｖで充電すれば、セルあたりの端子電圧を許容電圧範囲内に収めることができた。しかしながら、今後、例えばＢＡＪでは、リチウムイオン二次電池のセルあたりの端子電圧は、４．２５Ｖを超えないように規格化される見込みであり、充電時において二次電池の端子電圧を許容電圧範囲内に収めることが困難となる。
【０００６】
一方、充電回路の電圧制御精度や組電池におけるセルのバラツキを考慮して、予め充電電圧を低下させておいたのでは、充電終了時のＳＯＣ（State Of Charge）が小さくなって、二次電池の性能を充分に引き出すことができない。
【０００７】
そこで、任意のセル電圧が、充電目標セル電圧に達する度に、充電電流を段階的に減少させることで、二次電池の端子電圧が許容電圧範囲を超えないようにする充電方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−３６９３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、二次電池の充電回路としては、一定の電圧で充電する定電圧充電回路や、一定の電流で定電流充電を行った後に定電圧充電に切り替える定電流定電圧（ＣＣＣＶ）充電回路が広く用いられている。しかしながら、特許文献１に記載の充電方法では、充電電流を多段階に変化させる必要がある。そのため、上述のような一定の電圧や電流を供給する定電圧充電回路や定電流定電圧充電回路を用いて、特許文献１に記載の充電方法によって、二次電池の端子電圧が許容電圧範囲を超えないようにすることは困難であるという、不都合があった。
【０００９】
一方で、既に市場に流通している充電装置を用いたり、新たに充電回路を設計し直す設計工数を削減したりしたいというニーズの観点からは、従来広く用いられている定電圧充電回路や定電流定電圧充電回路を流用しつつ、二次電池の端子電圧が許容電圧範囲を超えないようにすることが望ましい。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、定電圧充電回路や定電流定電圧充電回路を流用しつつ、二次電池の端子電圧が許容電圧範囲を超えるおそれを低減することが容易な電池パック、及び充電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る電池パックは、一定の電流を電池パックの接続端子へ供給することにより定電流充電を実行し、前記定電流充電により前記接続端子の電圧が所定の基準電圧に達すると、一定の充電電圧を前記接続端子に印加する定電圧充電に切り替える充電装置によって充電される前記電池パックであって、二次電池と、前記二次電池を充電するための前記充電電圧を受電する接続端子と、前記二次電池と前記接続端子との間で前記二次電池と直列に電圧降下を生じさせるための電圧降下部と、前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、予め設定された閾値電圧以上の場合、前記電圧降下部によって、前記電圧降下を生じさせる電圧降下制御部と、前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出部とを備え、前記電圧降下制御部は、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、前記閾値電圧以上の場合、前記電流検出部により検出される電流値が減少するまで、前記電圧降下部による電圧降下量を増大させる。
【００１２】
この構成によれば、電圧検出部によって検出される端子電圧が予め設定された閾値電圧以上の場合、電圧降下部によって二次電池と直列に電圧降下が生じるので、二次電池に印加される電圧が低下する。従って、二次電池の端子電圧が閾値電圧を超えるおそれを低減することができるので、閾値電圧を適宜設定することにより、二次電池の端子電圧が許容電圧範囲を超えるおそれを低減することができる。また、充電回路から供給される充電電圧を変化させることなく、二次電池に印加される電圧を低下させることができるので、定電圧充電回路や定電流定電圧充電回路をそのまま用いることが容易である。
【００１３】
また、前記閾値電圧は、前記二次電池の満充電状態における開放電圧であることが好ましい。この構成によれば、二次電池の端子電圧が二次電池の満充電状態における開放電圧を超えて、過充電状態になるおそれを低減することができる。
【００１４】
また、前記電圧降下制御部が、前記電圧降下部によって生じさせる電圧降下量を、前記電圧検出部により得られる前記二次電池の両端電圧と所定の目標電圧との差である差分電圧値に基づき設定する電圧降下量設定部をさらに備え、前記電圧降下制御部は、前記電流検出部により検出される電流値が減少し始めた後、前記電圧降下量設定部により設定された電圧降下量の電圧降下を、前記電圧降下部によって生じさせることが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、充電電圧として目標電圧を電池パックに供給すると、二次電池の端子電圧が閾値電圧以上の場合、電圧降下部によって差分電圧値の電圧降下が生じる結果、二次電池の端子電圧がほぼ閾値電圧に維持される。その結果、過度に二次電池の端子電圧を低下させて充電時間が延びてしまうおそれが低減される。
【００１６】
また、前記電圧降下量設定部は、前記二次電池の両端電圧をＶｔ、前記目標電圧をＶｔｇとした場合、前記電圧降下量Ｖｃを、下記の式（１）に基づき設定することが好ましい。
【００１７】
Ｖｃ＝Ｖｔｇ−Ｖｔ  ・・・（１）
この構成によれば、電圧降下部によって生じさせる電圧降下量Ｖｃが、電圧検出部により得られる二次電池の両端電圧と目標電圧との差と等しくなるように設定することができる。
【００１８】
また、前記二次電池の温度を検出する温度検出部をさらに備え、前記電圧降下量設定部は、前記温度検出部により検出された前記二次電池の温度が、当該二次電池の充電に適さない方向に変化した場合、前記電圧降下量を増大させることが好ましい。
【００１９】
この構成によれば、二次電池の温度が、当該二次電池の充電に適さない方向に変化した場合、電圧降下量が増大して二次電池に印加される電圧が低下する結果、安全性が向上する。
【００２０】
また、前記二次電池は、複数のセルが直列接続された組電池であり、前記電圧検出部は、前記各セルの端子電圧を検出し、前記電圧降下制御部は、前記電圧検出部によって検出される各端子電圧のうちいずれかが、前記閾値電圧以上の場合、前記電流検出部により検出される電流値が減少するまで、前記電圧降下部による電圧降下量を増大させることが好ましい。
【００２１】
この構成によれば、最大の端子電圧が閾値電圧以上の場合、電圧降下部によって電圧降下が生じる結果、充電電流が減少して各セルに印加される電圧が制限されるので、各セルの端子電圧が閾値電圧を超えるおそれを低減することができる。
【００２２】
また、前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出部をさらに備え、前記電圧降下制御部は、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、予め設定された閾値電圧以上の場合、前記電流検出部により検出される電流値が減少するまで前記電圧降下部による電圧降下量を徐々に増大させ、前記電流検出部により検出される電流値が減少し始めた後、前記電圧降下量設定部により設定された電圧降下量の電圧降下を、前記電圧降下部によって生じさせることが好ましい。
【００２３】
定電流定電圧充電を行う充電装置によって充電電圧が供給される場合、充電装置側で、定電流充電から定電圧充電に切り替わるときの充電電圧が、電池パック側の目標電圧より高いと、電圧降下量設定部により設定された電圧降下量の電圧降下を電圧降下部で生じても、定電圧充電に切り替わらず、従って一定の充電電流が二次電池に流れ続けるために、二次電池（セル）の端子電圧が閾値電圧を超えるおそれがある。
【００２４】
しかし、この構成によれば、充電装置が定電流充電から定電圧充電に切り替わって電流検出部により検出される電流値が減少し始めるまで、電圧降下部の電圧降下量を徐々に増大する。そうすると、例え充電装置が定電流充電から定電圧充電に切り替わるときの充電電圧が電池パック側の目標電圧より高くても、強制的に定電圧充電に切り替えられて、充電電流が減少させることができる結果、二次電池（セル）の端子電圧が閾値電圧を超えるおそれを低減することができる。
【００２５】
また、前記接続端子によって受電された充電電圧を検出する充電電圧検出部と、前記電流検出部により検出される電流値が減少し始めたときに、前記充電電圧検出部によって検出された電圧を、定電圧充電設定電圧として取得すると共に前記目標電圧として設定する目標電圧設定部とをさらに備えることが好ましい。
【００２６】
この構成によれば、電流検出部により検出される電流値が減少し始めたときに、充電電圧検出部によって検出された電圧、すなわち接続端子に接続された充電装置が定電圧充電において出力する充電電圧を、目標電圧として設定することができるので、充電装置における定電圧充電モードの充電電圧である定電圧充電設定電圧と目標電圧とのずれを補正することができる。
【００２７】
また、前記目標電圧は、前記二次電池における直列セル数と前記閾値電圧とを乗じた電圧であることが好ましい。
【００２８】
この構成によれば、充電電圧として目標電圧を電池パックに供給すると、各セルの端子電圧のうち、最大の端子電圧が閾値電圧以上の場合、電圧降下部によって、組電池の両端電圧と目標電圧との差である差分電圧値の電圧降下が生じる結果、各セルの端子電圧のうち最大の端子電圧がほぼ閾値電圧に維持される。その結果、各セルの端子電圧が閾値電圧を超えるおそれを低減しつつ、過度に二次電池の端子電圧を低下させて充電時間が延びてしまうおそれを低減することができる。
【００２９】
また、前記接続端子には、予め設定された一定の定電圧充電設定電圧を当該接続端子に供給することにより前記二次電池を定電圧充電する充電装置が接続可能にされており、前記接続端子に接続される充電装置における前記定電圧充電設定電圧を検出する設定電圧検出部と、前記設定電圧検出部によって検出された定電圧充電設定電圧を、前記目標電圧として設定する目標電圧設定部とをさらに備えることが好ましい。
【００３０】
この構成によれば、設定電圧検出部によって、実際に検出された充電装置の定電圧充電設定電圧が、目標電圧として設定されるので、充電装置における定電圧充電モードの充電電圧である定電圧充電設定電圧と目標電圧とのずれを補正することができる。
【００３１】
また、前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出部をさらに備え、前記電圧降下制御部は、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、予め設定された閾値電圧以上の場合、前記電流検出部により検出される電流値が減少するまで、前記電圧降下部による電圧降下量を徐々に増大させることが好ましい。
【００３２】
この構成によれば、定電流定電圧充電を行う充電装置によって充電電圧が供給される場合において、充電装置側で、定電流充電から定電圧充電に切り替わるときの充電電圧が、電池パック側の目標電圧より高いときでも、強制的に定電圧充電に切り替えられるので、充電電流を減少させることができる結果、二次電池（セル）の端子電圧が閾値電圧を超えるおそれを低減することができる。
【００３３】
また、前記定電圧充電設定電圧が、前記目標電圧よりも、予め設定された判定電圧以上大きい場合、前記二次電池の充電電流を遮断する遮断部をさらに備えることが好ましい。
【００３４】
充電装置から定電圧充電モードで出力される定電圧充電設定電圧が、目標電圧と比べて過度に高い場合、その電圧の差を電圧降下部で吸収しようとすると、電圧降下部での発熱が増大したり、電圧降下部の電力定格を超えて故障を招いたりするおそれがある。しかし、この構成によれば、定電圧充電設定電圧が、目標電圧よりも判定電圧以上大きい場合、二次電池の充電電流が遮断されて、電圧降下部に流れる電流もゼロになるので、過度の発熱や電圧降下部の故障が生じるおそれが低減される。
【００３５】
また、前記電圧降下部は、前記二次電池と前記接続端子との間の電流経路を開閉する第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子と並列に接続された、第２スイッチング素子と抵抗との直列回路とを備え、前記電圧降下制御部は、前記第１スイッチング素子をオフさせると共に前記第２スイッチング素子をオンさせることにより、前記電圧降下を生じさせることが好ましい。
【００３６】
この構成によれば、電圧降下部は、第２スイッチング素子と直列に接続された抵抗によって、電圧降下を生じるので、電圧降下部を簡素な回路で構成することができる。
【００３７】
また、前記電圧降下部は、前記二次電池と前記接続端子との間の電流経路を開閉する第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子と並列に接続された、第２スイッチング素子と抵抗との直列回路と、前記第１スイッチング素子と並列に接続された、第３スイッチング素子と抵抗との直列回路とを備え、前記電圧降下制御部は、前記第１、第２、及び第３スイッチング素子のオン、オフの組み合わせにより得られる電圧降下のうち、前記電圧降下量設定部により設定された電圧降下量以上であってかつ当該電圧降下量に最も近い電圧降下が、前記電圧降下部によって得られるように前記第１、第２、及び第３スイッチング素子のオン、オフを制御することが好ましい。
【００３８】
この構成によれば、電圧降下量設定部により設定された電圧降下量以上の電圧降下が電圧降下部によって得られるので、二次電池の端子電圧が閾値電圧を超えるおそれを低減することができる。また、第１、第２、及び第３スイッチング素子のオン、オフの組み合わせにより得られる電圧降下のうち、電圧降下量設定部により設定された電圧降下量に最も近い電圧降下が、電圧降下部によって得られるので、過度に二次電池の端子電圧を低下させて充電時間が延びてしまうおそれが低減される。
【００３９】
また、前記第２スイッチング素子と直列接続された抵抗と、前記第３スイッチング素子と直列接続された抵抗とは、抵抗値が異なることが好ましい。
【００４０】
この構成によれば、第２スイッチング素子と直列接続された抵抗と、第３スイッチング素子と直列接続された抵抗との抵抗値を同一にした場合よりも、第１、第２、及び第３スイッチング素子のオン、オフの組み合わせにより得られる電圧降下の数が増えるので、電圧降下部による電圧降下を、電圧降下量設定部によって設定された電圧降下量に、より近づけることが容易となる。
【００４１】
また、前記電圧降下部は、前記二次電池と前記接続端子との間に介設された電界効果トランジスタであり、前記電圧降下制御部は、前記電界効果トランジスタのゲート電圧を制御して当該電界効果トランジスタのオン抵抗を調節することによって、前記電圧降下部における電圧降下量を制御するようにしてもよい。
【００４２】
この構成によれば、電界効果トランジスタのゲート電圧を制御することで電界効果トランジスタのオン抵抗を調節することができるので、当該オン抵抗により電圧降下部における電圧降下量を調節することができる。
【００４３】
また、前記電圧降下部は、前記二次電池と前記接続端子との間に介設されたバイポーラトランジスタであり、前記電圧降下制御部は、前記バイポーラトランジスタのベース電流を制御して当該バイポーラトランジスタのエミッタコレクタ間電圧を調節することによって、前記電圧降下部における電圧降下量を制御するようにしてもよい。
【００４４】
この構成によれば、バイポーラトランジスタのベース電流を制御することにより、当該バイポーラトランジスタのエミッタコレクタ間電圧を調節することができるので、当該エミッタコレクタ間電圧により電圧降下部における電圧降下量を調節することができる。
【００４５】
また、前記電圧降下部は、前記二次電池と前記接続端子との間に介設されたサーミスタと、前記サーミスタの温度を調節する温度調節部とを備え、前記電圧降下制御部は、前記温度調節部によって、前記サーミスタの温度を調節して当該サーミスタの抵抗値を制御することによって、前記電圧降下部における電圧降下量を制御するようにしてもよい。
【００４６】
この構成によれば、温度調節部によってサーミスタの温度を調節することで、サーミスタの抵抗値を制御することができるので、サーミスタの抵抗値を制御して電圧降下部における電圧降下量を調節することができる。
【００４７】
また、本発明に係る充電システムは、二次電池と、一定の電流を前記二次電池へ供給することにより定電流充電を実行し、前記定電流充電において供給される電圧が所定の基準電圧に達すると、一定の充電電圧を前記二次電池へ供給する定電圧充電に切り替える充電装置と、前記二次電池と前記充電装置との間で前記二次電池と直列に電圧降下を生じさせる電圧降下部と、前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、予め設定された閾値電圧以上の場合、前記電圧降下部によって、前記電圧降下を増大させる電圧降下制御部と、前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出部とを備え、前記電圧降下制御部は、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、前記閾値電圧以上の場合、前記電流検出部により検出される電流値が減少するまで、前記電圧降下部による電圧降下量を増大させる。
【００４８】
この構成によれば、電圧検出部によって検出される端子電圧が予め設定された閾値電圧以上の場合、電圧降下部によって二次電池と直列に電圧降下が生じるので、二次電池に印加される電圧が低下する。従って、二次電池の端子電圧が閾値電圧を超えるおそれを低減することができるので、閾値電圧を適宜設定することにより、二次電池の端子電圧が許容電圧範囲を超えるおそれを低減することができる。また、充電回路から供給される充電電圧を変化させることなく、二次電池に印加される電圧を低下させることができるので、定電圧充電回路や定電流定電圧充電回路をそのまま用いることが容易である。
【発明の効果】
【００４９】
このような構成の電池パック、及び充電システムは、電圧検出部によって検出される端子電圧が予め設定された閾値電圧以上の場合、電圧降下部によって二次電池と直列に電圧降下が生じるので、二次電池に印加される電圧が低下する。従って、二次電池の端子電圧が閾値電圧を超えるおそれを低減することができるので、閾値電圧を適宜設定することにより、二次電池の端子電圧が許容電圧範囲を超えるおそれを低減することができる。また、充電回路から供給される充電電圧を変化させることなく、二次電池に印加される電圧を低下させることができるので、定電圧充電回路や定電流定電圧充電回路をそのまま用いることが容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る電池パックを備えた充電システムの構成の一例を示すブロック図である。
【００５１】
図１に示す充電システム１は、電池パック２と充電装置３とが接続されて構成されている。なお、この充電システム１は、電池パック２から給電が行われる図示しない負荷装置をさらに含む電子機器システムとして構成されてもよい。その場合、電池パック２は、図１では充電装置３から充電が行われるけれども、該電池パック２が前記負荷装置に装着されて、負荷装置を通して充電が行われてもよい。また、電池パック２と充電装置３とに別離されている必要はなく、充電システム１全体で、一体の回路として構成されていてもよい。
【００５２】
電池パック２は、接続端子１１，１２、組電池１４、電圧検出回路１５（電圧検出部）、電流検出部１６（電流検出部）、温度センサ１７（温度検出部）、制御ＩＣ１８、スイッチング素子Ｑ１（電圧降下部）、及びスイッチング素子Ｑ４を備えている。また、制御ＩＣ１８は、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器２０１と、制御部２０２とを備えている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４は、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor）を用いて構成されている。
【００５３】
接続端子１１は、充電用のスイッチング素子Ｑ１と放電用のスイッチング素子Ｑ４とを介して組電池１４の正極に接続されている。スイッチング素子Ｑ１は、寄生ダイオードのカソードが接続端子１１の方向にされており、スイッチング素子Ｑ４は、寄生ダイオードのカソードが組電池１４の方向にされている。
【００５４】
また、接続端子１２は、電流検出部１６を介して組電池１４の負極に接続されており、接続端子１１からスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４、組電池１４、及び電流検出部１６を介して接続端子１２に至る充放電経路が構成されている。そして、組電池１４の負極は、回路グラウンドになっている。なお、接続端子１１，１２は、充電装置３と電池パック２とを電気的に接続するものであればよく、例えば電極やコネクタ、端子台等であってもよく、ランドやパッド等の配線パターンであってもよい。
【００５５】
電流検出部１６は、例えばシャント抵抗やホール素子等の電流センサによって構成されており、組電池１４に流れる電流Ｉｃを検出する。そして、電流検出部１６は、組電池１４に流れる電流Ｉｃ（充電電流および放電電流）を電圧値に変換し、アナログデジタル変換器２０１へ出力する。
【００５６】
組電池１４は、複数、例えば三個の二次電池（セル）１４１，１４２，１４３が直列に接続された組電池である。二次電池１４１，１４２，１４３は、例えばリチウムイオン二次電池である。
【００５７】
なお、二次電池１４１，１４２，１４３としては、ニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム二次電池等、種々の二次電池を用いることができる。また、組電池１４は、複数の二次電池が直列接続されたものに限られず、例えば複数の二次電池が並列接続されていてもよく、直列と並列とが組み合わされて接続されていてもよい。また、組電池１４の代わりに単体の二次電池が用いられてもよい。
【００５８】
温度センサ１７は、組電池１４の温度を検出する温度センサである。そして、温度センサ１７によって検出された組電池１４の温度は、アナログデジタル変換器２０１に入力される。
【００５９】
また、組電池１４の端子電圧Ｖｔ、及び二次電池１４１，１４２，１４３の各端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、電圧検出回路１５によってそれぞれ検出され、アナログデジタル変換器２０１に入力される。なお、組電池１４の端子電圧Ｖｔは、電圧検出回路１５によって直接検出される例に限られず、制御部２０２で端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を合計して端子電圧Ｖｔを算出するようにしてもよい。
【００６０】
さらにまた、電流検出部１６によって検出された充放電電流Ｉｃの電流値も、アナログデジタル変換器２０１に入力される。アナログデジタル変換器２０１は、各入力値をデジタル値に変換して、制御部２０２へ出力する。
【００６１】
制御部２０２は、例えば所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、これらの周辺回路等とを備えて構成されている。そして、制御部２０２は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、充放電制御部２１１、電圧降下量設定部２１２、及び電圧降下制御部２１３として機能する。
【００６２】
充放電制御部２１１は、アナログデジタル変換器２０１からの各入力値から、接続端子１１，１２間の短絡や、接続端子１１，１２に接続される図略の負荷機器本体からの異常電流等、電池パック２の外部における異常や、組電池１４の異常な温度上昇及び組電池１４の過充電等の異常を検出する。具体的には、充放電制御部２１１は、例えば、電流検出部１６によって検出された電流値が予め設定された異常電流判定閾値を超えると、接続端子１１，１２間の短絡や図略の負荷機器本体からの異常電流に基づく異常が生じたと判定する。
【００６３】
また、充放電制御部２１１は、例えば温度センサ１７によって検出された組電池１４の温度が予め設定された異常温度判定閾値を超えると、組電池１４の異常が生じたと判定する。そして、充放電制御部２１１は、このような異常を検出した場合、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４をオフさせて、過電流や過熱等の異常から、組電池１４を保護する保護動作を行う。
【００６４】
また、充放電制御部２１１は、電圧検出回路１５によって検出された端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が、予め設定された過充電検出電圧（例えば４．２５Ｖ）を超えると、過充電が生じたと判定し、スイッチング素子Ｑ１をオフさせて、過充電から組電池１４を保護する保護動作を行う。
【００６５】
また、充放電制御部２１１は、例えば電圧検出回路１５により検出された二次電池１４１，１４２，１４３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれかが、二次電池の過放電を防止するために予め設定された放電禁止電圧以下になった場合、スイッチング素子Ｑ４をオフさせて、過放電による二次電池１４１，１４２，１４３の劣化を防止するようになっている。
【００６６】
電圧降下量設定部２１２は、電圧降下部２０によって生じさせるべき電圧降下量Ｖｃを設定する。まず、各二次電池１４１，１４２，１４３のセルあたりの端子電圧（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）の、定電圧充電における充電電圧の目標値として予め設定された閾値電圧Ｖｔｈ（例えば４．２Ｖ）と、組電池１４のセル数である３とを乗じた電圧（例えば１２．６Ｖ）が、予め目標電圧Ｖｔｇとして設定されている。目標電圧Ｖｔｇは、通常、充電装置３が定電圧充電モードで電池パック２を充電する際の、充電装置３の出力電圧に等しい。
【００６７】
閾値電圧Ｖｔｈとしては、例えば二次電池の満充電状態における開放電圧である満充電電圧が設定されている。リチウムイオン二次電池の満充電電圧は、正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いた場合に約４．２Ｖ、正極活物質としてマンガン酸リチウムを用いた場合に約４．３Ｖとなることが知られている。
【００６８】
また、二次電池の充電反応は、温度の影響を大きく受けるため、安全性の見地から、温度によって充電電圧を変化させることが望ましい。例えば、電池工業会（ＢＡＪ）発行の「ノート型ＰＣにおけるリチウムイオン二次電池の安全利用に関する手引書」においては、二次電池の充電電圧および充電電流について、安全性の見地から、標準温度域、高温度域、低温度域のそれぞれの温度域に分けて上限値および最大値が定義されている。そして、安全性の見地から規定された上限充電電圧および最大充電電流に関して、最も高い条件で単電池に充電することができる温度領域が標準温度域とされ、標準温度域より高い温度域が高温度域とされ、標準温度域より低い温度域が低温度域とされている。すなわち、高温度域及び低温度域は、標準温度域と比べて充電に適さない。
【００６９】
そこで、電圧降下量設定部２１２は、温度センサ１７により検出された温度が、例えば、標準温度域であった場合には、上述の目標電圧Ｖｔｇと、組電池１４の端子電圧Ｖｔとから、下記の式（１）に基づき電圧降下量Ｖｃを算出する。
【００７０】
Ｖｃ＝Ｖｔｇ−Ｖｔ  ・・・（１）
ここで、端子電圧Ｖｔは、電圧検出回路１５によって直接検出できるようにしてもよく、電圧検出回路１５によって検出された端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を合計して端子電圧Ｖｔを算出するようにしてもよい。
【００７１】
また、電圧降下量設定部２１２は、温度センサ１７により検出された温度が、例えば高温度域や低温度域であった場合には、下記の式（２）に基づいて、上記式（１）より電圧降下量Ｖｃが大きくなるように、電圧降下量Ｖｃを算出する。ここで、電圧降下量Ｖｃが増大することは、二次電池１４１，１４２，１４３にそれぞれ印加される充電電圧が低下することを意味する。
【００７２】
Ｖｃ＝（Ｖｔｇ−Ｖｔ）＋０．０２×Ｎｓ  ・・・（２）
但し、Ｎｓは、組電池における直列セル数であり、組電池１４においては「３」である。式（２）では、セルあたり０．０２Ｖ充電電圧を低下させる例を示している。
【００７３】
電圧降下制御部２１３は、電圧検出回路１５によって検出される各端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のうちいずれかが閾値電圧Ｖｔｈ以上の場合、すなわち端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のうち最大の端子電圧が閾値電圧Ｖｔｈ以上の場合、スイッチング素子Ｑ１のゲート電圧を制御して、電圧降下部２０における電圧降下が式（１）、あるいは式（２）で得られる電圧降下量Ｖｃとなるように、スイッチング素子Ｑ１のオン抵抗を増大させる。
【００７４】
そうすると、組電池１４に印加される端子電圧Ｖｔは、電圧降下部２０における電圧降下量Ｖｃだけ低下するので、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のうち最大の端子電圧が閾値電圧Ｖｔｈとほぼ等しくされると共に、他の端子電圧もそれぞれ低下する結果、二次電池１４１，１４２，１４３の各端子電圧が閾値電圧Ｖｔｈを超えることが抑制される。この場合、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のうち最大の端子電圧が閾値電圧Ｖｔｈとほぼ等しくなるレベルで維持されるので、組電池１４の充電電圧が過剰に低下されて充電時間が過度に増大するおそれが低減される。
【００７５】
図３は、ＦＥＴのゲート−ソース間電圧Ｖｇｓと、ＦＥＴのオン抵抗Ｒｏｎとの関係の一例を示したグラフである。横軸がゲート−ソース間電圧Ｖｇｓ、縦軸がＦＥＴのオン抵抗Ｒｏｎを示している。
【００７６】
図３に示すように、ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが一定の電圧、例えば７Ｖを超えると、オン抵抗Ｒｏｎが非常に小さくなってＦＥＴがオン状態となると共に、これ以上ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが増大してもオン抵抗Ｒｏｎが小さくならない飽和領域となる。一方、ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが一定の電圧、例えば２．５Ｖ以下になると、オン抵抗Ｒｏｎが非常に大きくなってＦＥＴがオフ状態となると共に、これ以上ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが低下してもオン抵抗Ｒｏｎが大きくならない飽和領域となる。
【００７７】
そして、ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが２．５Ｖを超えて７Ｖに満たない範囲では、ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが大きくなるほどオン抵抗Ｒｏｎが小さくなる非飽和領域となる。従って、スイッチング素子Ｑ１のゲート電圧を非飽和領域で制御することにより、スイッチング素子Ｑ１のオン抵抗Ｒｏｎを調節することができる。
【００７８】
従って、電圧降下制御部２１３は、例えば、電流検出部１６によって検出される電流Ｉｃに基づいて、下記式（３）により、電圧降下量Ｖｃが得られるオン抵抗Ｒｏｎを算出する。
【００７９】
Ｒｏｎ＝Ｖｃ／Ｉｃ  ・・・（３）
そして、例えば図３に示すＦＥＴの特性データを予め特性テーブルとしてＲＯＭに記憶しておき、電圧降下制御部２１３は、当該特性テーブルを参照して、スイッチング素子Ｑ１のオン抵抗Ｒｏｎが式（３）で得られるオン抵抗Ｒｏｎと等しくなるように、スイッチング素子Ｑ１のゲート電圧を調節することで、スイッチング素子Ｑ１によって、電圧降下量Ｖｃを生じさせる。
【００８０】
充電装置３は、接続端子３１，３２を備えている。また、充電装置３に電池パック２が取り付けられると、接続端子３１，３２と接続端子１１，１２とが接続されるようになっている。そして、充電装置３は、接続端子３１，３２と接続端子１１，１２とを介して電池パック２へ、組電池１４を充電するための充電電流、充電電圧を供給することにより、いわゆる定電流定電圧（ＣＣＣＶ）充電を行う。
【００８１】
具体的には、充電装置３は、接続端子３１，３２から、電流値Ｉｃｃの充電電流Ｉｃを電池パック２へ供給することにより定電流充電を実行し、接続端子３１，３２間の電圧Ｖｏｕｔが予め設定された基準電圧Ｖｅ１に達すると、基準電圧Ｖｅ１を充電電圧として接続端子３１，３２間に印加して組電池１４を充電する定電圧充電に切り替える。さらに、充電装置３は、組電池１４に流れる充電電流Ｉｃが充電終止電流値Ｉａ以下になると、組電池１４が満充電になったものと判定して充電を終了する。
【００８２】
図２は、図１に示す充電装置３の構成の一例を示すブロック図である。図２に示す充電装置３は、接続端子３１，３２、直流電源回路３５、ＤＣ−ＤＣコンバータ３６（充電部）、充電制御部３７、誤差増幅器３８，３９，４０、基準電圧源４１，４２，４３、及び電流検出抵抗ＲＳを備えている。基準電圧源４１，４２，４３は、予め設定された基準電圧Ｖｅ１，Ｖｅ２，Ｖｅ３を出力する定電圧回路である。
【００８３】
直流電源回路３５は、例えば商用交流電源電圧を直流電圧に変換して出力する。そして、直流電源回路３５の高電位側出力端子がスイッチング素子３６２、及びコイルＬ１を介して接続端子３１に接続されている。また、直流電源回路３５の低電位側出力端子がグラウンドに接続されると共に、電流検出抵抗ＲＳを介して接続端子３２に接続されている。
【００８４】
ＤＣ−ＤＣコンバータ３６は、例えばＦＥＴのスイッチング素子３６２、コイルＬ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１、及びＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号生成回路３６１を備えて構成されている。スイッチング素子３６２とコイルＬ１との接続点は、ダイオードＤ１のカソードに接続され、ダイオードＤ１のアノードがグラウンドに接続されている。また、ダイオードＤ１とコイルＬ１との直列回路と並列に、コンデンサＣ１が接続されている。
【００８５】
そして、ＰＷＭ信号生成回路３６１は、充電制御部３７からの制御信号に応じてパルス幅を変化させたＰＷＭ制御信号をスイッチング素子３６２のゲートへ出力してスイッチング素子３６２をオン、オフさせる。そうすると、スイッチング素子３６２、ダイオードＤ１、コイルＬ１、及びコンデンサＣ１によって、充電制御部３７からの制御信号に応じた直流電流、直流電圧が生成されて、接続端子３１，３２を介して電池パック２へ供給される。
【００８６】
充電制御部３７は、例えば順序回路や論理回路、発振回路等を用いて構成されている。そして、充電制御部３７は、後述するように、誤差増幅器３９，４０の出力信号に応じてＰＷＭ信号生成回路３６１へ制御信号を出力することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ３６から接続端子３１，３２を介して電池パック２へ出力される充電電圧、及び充電電流を制御して、例えばＣＣＣＶ（定電流定電圧）充電を行う。
【００８７】
誤差増幅器４０は、電流検出抵抗ＲＳの両端電圧と、基準電圧源４２から出力される基準電圧Ｖｅ２とを比較し、電流検出抵抗ＲＳの両端電圧が基準電圧Ｖｅ２以下であればローレベル、電流検出抵抗ＲＳの両端電圧が基準電圧Ｖｅ２を超えればハイレベルの信号を充電制御部３７へ出力する。
【００８８】
基準電圧Ｖｅ２は、定電流充電の充電電流Ｉｃとして予め設定された電流値Ｉｃｃの電流が電流検出抵抗ＲＳを流れることにより、電流検出抵抗ＲＳの両端に生じる電圧が設定されている。
【００８９】
そして、充電制御部３７は、誤差増幅器４０の出力電圧がローレベルであれば、ＰＷＭ信号生成回路３６１へ制御信号を出力してＤＣ−ＤＣコンバータ３６の出力電流を増大させる一方、誤差増幅器４０の出力電圧がハイレベルであれば、ＰＷＭ信号生成回路３６１へ制御信号を出力してＤＣ−ＤＣコンバータ３６の出力電流を低下させることで、電池パック２へ供給する充電電流Ｉｃを電流値Ｉｃｃで一定にして定電流充電を行う。
【００９０】
電流値Ｉｃｃは、例えば二次電池１４１，１４２，１４３の１セルあたりの”１Ｉｔ”（＝１Ｃ＝電池容量（Ａｈ）／１（ｈ））の７０％に、並列セル数Ｎｐを乗算した電流値が設定されている。”１Ｉｔ”は、定電流放電によって、二次電池１４１，１４２，１４３の１セルあたりの公称容量値ＮＣを１時間で放電できる電流レベルである。例えば、ＮＣ＝２０００ｍＡｈ、Ｎｐ＝２であるとき、”１Ｉｔ”は、４０００ｍＡｈの７０％で２８００ｍＡに設定されている。
【００９１】
誤差増幅器３９は、電池パック２へ供給される接続端子３１，３２間の電圧Ｖｏｕｔと、基準電圧源４１から出力される基準電圧Ｖｅ１（定電圧充電設定電圧）とを比較し、電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｅ１未満であればローレベル、電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｅ１以上になればハイレベルの信号を充電制御部３７へ出力する。基準電圧Ｖｅ１は、例えば定電流充電を終了する充電終止電圧（定電圧充電の充電電圧）として予め設定されており、充電電圧の上限値となっている。基準電圧Ｖｅ１は、目標電圧Ｖｔｇ（＝Ｖｔｈ×Ｎｓ）と等しい電圧が、予め設定されている。
【００９２】
そして、充電制御部３７は、定電流充電中に誤差増幅器３９の出力電圧がハイレベルとなれば、定電圧充電に移行する。充電制御部３７は、定電圧充電に移行すると、誤差増幅器３９の出力電圧がローレベルであれば、ＰＷＭ信号生成回路３６１へ制御信号を出力してＤＣ−ＤＣコンバータ３６の出力電流を増大させる。一方、充電制御部３７は、誤差増幅器３９の出力電圧がハイレベルであれば、ＰＷＭ信号生成回路３６１へ制御信号を出力してＤＣ−ＤＣコンバータ３６の出力電流を低下させることで、出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｅ１で一定になるように制御して、定電圧充電を実行する。
【００９３】
誤差増幅器３８は、電流検出抵抗ＲＳの両端電圧と、基準電圧源４３から出力される基準電圧Ｖｅ３とを比較し、電流検出抵抗ＲＳの両端電圧が基準電圧Ｖｅ３以下であればローレベル、電流検出抵抗ＲＳの両端電圧が基準電圧Ｖｅ３を超えればハイレベルの信号を充電制御部３７へ出力する。
【００９４】
基準電圧Ｖｅ３は、電池パック２の充電を終了すべき電流値として予め設定された充電終止電流値Ｉａの電流が電流検出抵抗ＲＳを流れることにより、電流検出抵抗ＲＳの両端に生じる電圧が設定されている。そして、充電制御部３７は、誤差増幅器３９の出力電圧がローレベルになると、組電池１４が満充電になったと判断し、ＰＷＭ信号生成回路３６１へ制御信号を出力してスイッチング素子３６２をオフさせることで、電池パック２の充電を終了する。充電終止電流値Ｉａは、例えば０．０５Ｉｔに設定されている。
【００９５】
なお、充電システム１は、必ずしも電池パック２と充電装置３とに分離可能に構成されるものに限られず、充電システム１全体で一つの回路として構成されていてもよい。また、電池パック２における組電池１４以外の構成要素を充電装置３に含んで充電装置が構成されていてもよく、電池パック２における組電池１４以外の構成要素を電池パックと充電装置とで分担して備える構成であってもよい。また、図略の負荷回路へ負荷電流を供給しながら組電池１４を充電する構成であってもよい。
【００９６】
次に、上述のように構成された充電システム１の動作について説明する。図４は、充電システム１の動作を説明するための説明図である。図４は、充電システム１によって、組電池１４を充電した場合の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３と、充電電流Ｉｃとを示している。
【００９７】
まず、充電装置３によって、電流値Ｉｃｃの充電電流Ｉｃが組電池１４に供給されて、二次電池１４１，１４２，１４３がそれぞれ定電流充電されている（タイミングＴ１）。そうすると、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、充電が進むにつれて、徐々に上昇していく。端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３には、アンバランスが生じており、図４では、端子電圧Ｖ１が端子電圧Ｖ２，Ｖ３より高くなる例を示している。
【００９８】
そして、電圧検出回路１５により検出される端子電圧Ｖ１が閾値電圧Ｖｔｈになると（タイミングＴ２）、電圧降下量設定部２１２によって、式（１）に基づいて（温度センサ１７により検出された温度が高温度域や低温度域であった場合には、式（２）に基づいて）、電圧降下量Ｖｃが算出される。電圧降下量設定部２１２は、電圧検出回路１５により検出される端子電圧Ｖ１を常時監視しており、端子電圧Ｖ１に応じて電圧降下量Ｖｃを更新するようになっている。
【００９９】
さらに、電圧降下制御部２１３によって、スイッチング素子Ｑ１における電圧降下が、電圧降下量設定部２１２により更新されている電圧降下量Ｖｃと等しくなるように、スイッチング素子Ｑ１のゲート電圧が調節される。そうすると、端子電圧Ｖ１は、ほぼ閾値電圧Ｖｔｈと一致したまま維持される。
【０１００】
また、スイッチング素子Ｑ１によって、電圧降下量Ｖｃの電圧降下が生じると、充電装置３からみた接続端子３１，３２の電圧Ｖｏｕｔは、組電池１４の端子電圧Ｖｔに電圧降下量Ｖｃを加算した電圧となり、Ｖｏｕｔ＝Ｖｔ＋Ｖｃとなる。ここで、Ｖｃ＝Ｖｔｇ−Ｖｔであるから、Ｖｏｕｔ＝Ｖｔｇとなる。充電装置３における基準電圧Ｖｅ１は、目標電圧Ｖｔｇに設定されているから、電圧Ｖｏｕｔが目標電圧Ｖｔｇ（＝基準電圧Ｖｅ１）になったことが誤差増幅器３９によって検出されると、充電制御部３７によって、定電流充電から定電圧充電に切り替えられる。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ３６によって、充電制御部３７からの制御信号に応じて一定の目標電圧Ｖｔｇが、接続端子１１，１２間に印加される。
【０１０１】
以降、電圧降下量設定部２１２による電圧降下量Ｖｃの算出と電圧降下制御部２１３によるスイッチング素子Ｑ１のゲート電圧の調節が繰り返されて、端子電圧Ｖ１がほぼ閾値電圧Ｖｔｈに維持されたまま、二次電池１４１，１４２，１４３が充電される。そして、二次電池１４１，１４２，１４３の充電が進むにつれて、組電池１４に流れる電流Ｉｃが徐々に減少する。
【０１０２】
すなわち、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれかが閾値電圧Ｖｔｈ以上になったことを検出する都度、電圧降下量Ｖｃを算出し直したり、あるいは一度端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれかが閾値電圧Ｖｔｈ以上になったことを検出した後は、常に電圧降下量Ｖｃを算出、更新したりすることで、端子電圧の上昇と共にスイッチング素子Ｑ１における電圧降下量を変化（減少）させていくことになる。
【０１０３】
このとき、二次電池１４１，１４２，１４３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３には、それぞれ二次電池１４１，１４２，１４３の開路電圧（ＯＣＶ電圧）と、二次電池１４１，１４２，１４３の内部抵抗に電流Ｉｃが流れることで生じる電圧降下とが含まれている。ここで、スイッチング素子Ｑ１によって、電圧降下量Ｖｃの電圧降下が生じていることによって（スイッチング素子Ｑ１のオン抵抗Ｒｏｎによって）、スイッチング素子Ｑ１が完全にオン状態になっているときよりも電流Ｉｃが減少する。
【０１０４】
電流Ｉｃが減少すると、二次電池１４１，１４２，１４３の内部抵抗で生じる電圧降下の電圧成分が減少するので、充電に寄与しない内部抵抗で生じる電圧降下を減少させて、その分二次電池１４１，１４２，１４３の開路電圧を高く維持することができるので、過度に二次電池１４１，１４２，１４３の充電電圧を低下させて充電時間が増大してしまうおそれを低減することができる。
【０１０５】
そして、タイミングＴ２以降、二次電池１４１，１４２，１４３の充電が進むことによる充電電流の減少に加えて、スイッチング素子Ｑ１のオン抵抗Ｒｏｎによる電流制限によって、徐々に充電電流Ｉｃが減少する。充電電流Ｉｃが減少すると、二次電池１４１，１４２，１４３の内部抵抗のバラツキにより生じていた端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の差が減少するので、端子電圧Ｖ１を閾値電圧Ｖｔｈに維持したまま、端子電圧Ｖ２，Ｖ３を上昇させることができる。
【０１０６】
そして、充電電流Ｉｃが充電終止電流値Ｉａ以下になると（タイミングＴ３）、充電装置３において誤差増幅器３９の出力電圧がローレベルになる。そうすると、充電制御部３７によって、ＤＣ−ＤＣコンバータ３６から出力される充電電流Ｉｃがゼロにされて、充電を終了する。
【０１０７】
以上のように、電圧降下量設定部２１２、電圧降下制御部２１３、及びスイッチング素子Ｑ１によって、充電装置３のような定電圧充電回路や定電流定電圧充電回路を用いつつ、二次電池の端子電圧が許容電圧範囲を超えるおそれを低減することができる。
【０１０８】
なお、電圧降下部としてＦＥＴを用いる例に限らない。例えば、図５に示す電池パック２ａのように、スイッチング素子Ｑ１ａとしてバイポーラトランジスタを用いてもよい。そして、電圧降下制御部２１３ａは、スイッチング素子Ｑ１ａのエミッタコレクタ間電圧が電圧降下量Ｖｃと等しくなるように、スイッチング素子Ｑ１ａのベース電流を制御するようにしてもよい。
【０１０９】
また、例えば図６に示す電池パック２ｂのように、スイッチング素子Ｑ１と直列に接続されたサーミスタＲｔｈと、サーミスタＲｔｈを加熱するヒータＨ１（温度調節部）とをさらに備える構成としてもよい。サーミスタＲｔｈとしては、温度が高くなるほど抵抗値が増大するＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）や、温度が低くなるほど抵抗値が増大するＮＴＣ（negative temperature coefficient）を用いることができる。そして、例えば、電圧降下制御部２１３ｂは、ヒータＨ１の発熱量を調節してサーミスタＲｔｈの温度を制御することにより、サーミスタＲｔｈで電圧降下量Ｖｃの電圧降下を生じるように、サーミスタＲｔｈの抵抗値を制御するようにしてもよい。
【０１１０】
また、例えば図７に示す電池パック２ｃのように、スイッチング素子Ｑ２（第２スイッチング素子）と抵抗Ｒ１との直列回路と、スイッチング素子Ｑ３（第３スイッチング素子）と抵抗Ｒ２との直列回路とを、スイッチング素子Ｑ１（第１スイッチング素子）と並列に接続する構成としてもよい。この場合、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３、及び抵抗Ｒ１，Ｒ２によって、電圧降下部２０が構成されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３としては、例えばＦＥＴが用いられる。
【０１１１】
電圧降下部２０は、制御部２０２からの制御信号に応じてスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３がオン、オフされることで、抵抗値Ｒを生じるようになっている。そうすると、電圧降下部２０は、組電池１４に流れる充電電流Ｉｃが電圧降下部２０を流れることにより、Ｒ×Ｉｃの電圧降下を生じる。抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒ２は、抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒ１より大きな値に設定されている。
【０１１２】
そして、スイッチング素子Ｑ１がオン、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がオフされると電圧降下部２０の抵抗値Ｒは略ゼロとなり、スイッチング素子Ｑ１がオフ、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がオンされると電圧降下部２０の抵抗値Ｒは（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１×Ｒ２）、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３がオフ、スイッチング素子Ｑ２がオンされると電圧降下部２０の抵抗値ＲはＲ１となり、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオフ、スイッチング素子Ｑ３がオンされると電圧降下部２０の抵抗値ＲはＲ２となる。
【０１１３】
このように、電圧降下部２０は、抵抗値Ｒ１と抵抗値Ｒ２とが異なる値に設定されていることにより、二つの抵抗Ｒ１，Ｒ２を用いて３通りの抵抗値を生成することができ、電圧降下部２０で生じさせることのできる電圧降下の段階数が増大されている。なお、電圧降下部２０において、スイッチング素子Ｑ１と並列接続されるスイッチング素子と抵抗との直列回路数は、１つであってもよく、３以上であってもよい。
【０１１４】
電圧降下制御部２１３ｃは、電圧検出回路１５によって検出される各端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のうちいずれかが閾値電圧Ｖｔｈ以上の場合、すなわち端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のうち最大の端子電圧が閾値電圧Ｖｔｈ以上の場合、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のオン、オフを切り替えて、電圧降下部２０の抵抗値Ｒを増大させることで電圧降下部２０における電圧降下を増大させる。そうすると、組電池１４に印加される端子電圧Ｖｔは、電圧降下部２０における電圧降下分だけ低下するので、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３もそれぞれ低下する結果、二次電池１４１，１４２，１４３の各端子電圧が閾値電圧Ｖｔｈを超えることが抑制される。
【０１１５】
例えば、電圧降下制御部２１３ｃは、電流検出部１６によって検出される電流Ｉｃに基づいて、スイッチング素子Ｑ１がオフ、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がオンのときに得られる電圧降下部２０の電圧降下ＶｄをＩｃ×（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１×Ｒ２）として算出し、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３がオフ、スイッチング素子Ｑ２がオンのときに得られる電圧降下部２０の電圧降下ＶｄをＩｃ×Ｒ１として算出し、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオフ、スイッチング素子Ｑ３がオンのときに得られる電圧降下部２０の電圧降下ＶｄをＩｃ×Ｒ２として算出する。
【０１１６】
そして、電圧降下制御部２１３ｃは、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のうちいずれかが閾値電圧Ｖｔｈ以上の場合、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のオン、オフの組み合わせにより得られる電圧降下Ｖｄのうち電圧降下量設定部２１２により設定された電圧降下量Ｖｃ以上であって、かつ電圧降下量Ｖｃに最も近い電圧降下が電圧降下部２０によって得られるように、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のオン、オフを制御する。
【０１１７】
これにより、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の最大値が閾値電圧Ｖｔｈを超えない範囲で、電圧降下部２０による電圧降下Ｖｄが最も小さく、すなわち二次電池１４１，１４２，１４３に印加される充電電圧を最も高くするように、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のオン、オフを設定することができる結果、二次電池１４１，１４２，１４３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を許容電圧範囲内に収めつつ、可能な限り充電電圧を増大させて、充電時間の短縮とＳＯＣの増大とを図ることができる。
【０１１８】
なお、電圧降下制御部２１３ｃは、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のうちいずれかが閾値電圧Ｖｔｈ以上の場合、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の最大値が閾値電圧Ｖｔｈを下回るまで、電圧降下部２０の抵抗値Ｒが段階的に増大するように、順次スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のオン、オフを切り替えるようにしてもよい。
【０１１９】
この場合、電圧降下部２０の抵抗値Ｒは、連続的に変化させることができないので、図１、図５、図６に示す電池パック２，２ａ，２ｂと比べて制御精度は低下するものの、基本的には、電池パック２，２ａ，２ｂと同様に、端子電圧Ｖ１をほぼ閾値電圧Ｖｔｈに維持したまま、端子電圧Ｖ２，Ｖ３を上昇させることができる結果、充電装置３のような定電圧充電回路や定電流定電圧充電回路を用いつつ、二次電池の端子電圧が許容電圧範囲を超えるおそれを低減することができる。
【０１２０】
なお、電圧降下部は、電池パック２，２ａ，２ｂ，２ｃ側に設ける例に限られず、充電装置３において、ＤＣ−ＤＣコンバータ３６と接続端子３１との間、又はＤＣ−ＤＣコンバータ３６と接続端子３２との間に設けることで、ＤＣ−ＤＣコンバータ３６と組電池１４との間で直列に電圧降下を生じさせるようにしてもよい。
【０１２１】
この場合、充電装置そのものは、既存の充電装置をそのまま用いることはできないが、少なくとも電圧降下部や電圧降下部における電圧降下の制御に係る回路以外は、従来の設計をそのまま用いることができるので、設計工数が低減できる。
【０１２２】
ところで、図２に示す充電装置３は、基準電圧源４１から出力される基準電圧Ｖｅ１に基づいて、定電流充電を実行中に電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｅ１になったときに、定電圧充電に移行する。そして、定電圧充電では、基準電圧源４１から出力される基準電圧Ｖｅ１に基づいて、基準電圧Ｖｅ１の電圧を充電電圧として電池パック２へ供給する。
【０１２３】
従って、例えば基準電圧源４１の精度バラツキや故障等によって基準電圧Ｖｅ１が目標電圧Ｖｔｇより大きくなると、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が閾値電圧Ｖｔｈを超えてしまうおそれがある。また、基準電圧Ｖｅ１が目標電圧Ｖｔｇより大きくなると、電圧降下部によって電圧降下を生じても、充電装置３が定電流充電から定電圧充電へ移行せずに定電流充電が継続し、電流値Ｉｃｃの定電流を流し続けるおそれもある。定電流充電が継続する場合も、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が閾値電圧Ｖｔｈを超えてしまうおそれがある。
【０１２４】
そこで、例えば図８に示す電池パック２ｄのように、充電装置３ｄと接続する接続端子１３と、設定電圧検出部１９とをさらに備え、制御部２０２ｄが、目標電圧設定部２１４をさらに備える構成としてもよい。また、図９に示すように、充電装置３ｄが、基準電圧源４１の基準電圧Ｖｅ１を出力する接続端子３３をさらに備えてもよい。
【０１２５】
接続端子１３，３３は、電池パック２ｄと充電装置３ｄとが組み合わされると、互いに接続されるようになっている。そして、接続端子１３と接続端子３３とが接続されると、基準電圧Ｖｅ１が設定電圧検出部１９に印加される。
【０１２６】
設定電圧検出部１９は、例えばアナログデジタル変換器を用いて構成されている。そして、設定電圧検出部１９は、基準電圧Ｖｅ１を検出し、その電圧値を制御部２０２ｄへ出力する。目標電圧設定部２１４は、設定電圧検出部１９によって検出された基準電圧Ｖｅ１を、目標電圧Ｖｔｇとして設定する。
【０１２７】
これにより、基準電圧Ｖｅ１と目標電圧Ｖｔｇとのずれを補正することができる結果、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が閾値電圧Ｖｔｈを超えてしまうおそれを低減することができる。なお、接続端子１３、設定電圧検出部１９及び目標電圧設定部２１４を、電池パック２ａ，２ｂ，２ｃに備えてもよい。
【０１２８】
また、例えば図１０に示す電池パック２ｅのように、接続端子１１，１２間の電圧を検出する設定電圧検出部１９ｅをさらに備え、制御部２０２ｅが、目標電圧設定部２１４ｅをさらに備える構成としてもよい。
【０１２９】
目標電圧設定部２１４ｅは、例えば、スイッチング素子Ｑ１をオフして充電装置３ｄを定電圧充電モードに移行させた後、このとき設定電圧検出部１９ｅによって検出された接続端子１１，１２間の電圧、すなわち基準電圧Ｖｅ１を、目標電圧Ｖｔｇとして設定する。これにより、新たな接続端子１３，３３を設けることなく、設定電圧検出部１９ｅによって、基準電圧Ｖｅ１を検出することができる。
【０１３０】
なお、設定電圧検出部１９ｅ、及び目標電圧設定部２１４ｅを、電池パック２ａ，２ｂ，２ｃに備えてもよい。
【０１３１】
また、図１１に示す電池パック２ｆのように、接続端子１１，１２間の電圧を検出する充電電圧検出部２１をさらに備え、制御部２０２ｆが、目標電圧設定部２１４ｆをさらに備える構成としてもよい。充電電圧検出部２１は、例えばアナログデジタル変換器を用いて構成されている。
【０１３２】
図１２は、図１１に示す充電システム１ｆの動作を説明するための説明図である。図１２は、充電システム１ｆによって、組電池１４を充電した場合の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３と、充電電流Ｉｃとを示している。タイミングＴ１〜Ｔ２の動作は、図４に示す充電システム１の動作と同様であるので、その説明を省略する。
【０１３３】
基準電圧Ｖｅ１が目標電圧Ｖｔｇより高いと、タイミングＴ２において、スイッチング素子Ｑ１で電圧降下量Ｖｃの電圧降下が生じても、充電装置３からみた接続端子３１，３２の電圧Ｖｏｕｔは基準電圧Ｖｅ１に満たないため、充電制御部３７は、定電流充電を維持する。そのため、二次電池１４１，１４２，１４３には電流値Ｉｃｃが流れ続けて端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が上昇し続けることとなる。
【０１３４】
電圧降下制御部２１３ｆは、タイミングＴ２以降、電流検出部１６で検出される電流値が電流値Ｉｃｃより少なくなるまでスイッチング素子Ｑ１のオン抵抗Ｒｏｎを徐々に増大させることによって、スイッチング素子Ｑ１による電圧降下を徐々に増大させる。
【０１３５】
そうすると、電圧Ｖｏｕｔが徐々に増大して基準電圧Ｖｅ１に達し、充電制御部３７によって、定電流充電から定電圧充電に切り替えられる（タイミングＴ４）。そして、充電電流Ｉｃが減少し始める。
【０１３６】
さらに、電流検出部１６で検出される電流値が電流値Ｉｃｃより少なくなると、目標電圧設定部２１４ｆによって、このとき充電電圧検出部２１で検出された電圧が、新たに目標電圧Ｖｔｇとして設定される。この電圧は、充電装置３の定電圧充電モードにおける充電電圧、すなわち基準電圧Ｖｅ１であるから、基準電圧Ｖｅ１と目標電圧Ｖｔｇとのずれを補正することができる。
【０１３７】
そして、基準電圧Ｖｅ１と目標電圧Ｖｔｇとのずれが補正されると、これ以降、電圧降下制御部２１３ｆが、電圧降下量設定部２１２で設定された電圧降下量Ｖｃの電圧降下をスイッチング素子Ｑ１で生じさせることにより、端子電圧Ｖ１をほぼ閾値電圧Ｖｔｈに維持することができる結果、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が閾値電圧Ｖｔｈを超えてしまうおそれを低減することができる。以降、タイミングＴ３までの動作は、図４に示す充電システム１の動作と同様であるので、その説明を省略する。
【０１３８】
なお、充電電圧検出部２１、電圧降下制御部２１３ｆ、及び目標電圧設定部２１４ｆを、電池パック２ａ，２ｂ，２ｃに備えてもよい。
【０１３９】
また、設定電圧検出部１９，１９ｅや充電電圧検出部２１によって検出された基準電圧Ｖｅ１が、目標電圧Ｖｔｇよりも、予め設定された判定電圧以上大きい場合、充放電制御部２１１は、スイッチング素子Ｑ１（遮断部）をオフして組電池１４の充電電流を遮断するようにしてもよい。これにより、電圧降下部の過度の発熱や、電圧降下部が故障するおそれを低減できる。
【産業上の利用可能性】
【０１４０】
本発明は、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、携帯電話機等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、等の電池搭載装置として使用される充電システム、及びこれら電池搭載装置の電源として用いられる電池パックとして好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４１】
【図１】本発明の一実施形態に係る電池パックを備えた充電システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す充電装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図３】ＦＥＴのゲート−ソース間電圧Ｖｇｓと、ＦＥＴのオン抵抗Ｒｏｎとの関係の一例を示したグラフである。
【図４】図１に示す充電システム及び電池パックの動作を説明するための説明図である。
【図５】図１に示す電池パックの変形例を示すブロック図である。
【図６】図１に示す電池パックの変形例を示すブロック図である。
【図７】図１に示す電池パックの変形例を示すブロック図である。
【図８】図１に示す電池パックの変形例を示すブロック図である。
【図９】図１に示す充電装置の変形例を示すブロック図である。
【図１０】図１に示す電池パックの変形例を示すブロック図である。
【図１１】図１に示す電池パックの変形例を示すブロック図である。
【図１２】図１１に示す充電システムの動作を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【０１４２】
１  充電システム
２  電池パック
３  充電装置
１１，１２，３１，３２  接続端子
１４  組電池
１５  電圧検出回路
１６  電流検出部
１７  温度センサ
１９，１９ｅ  設定電圧検出部
２０  電圧降下部
２１  充電電圧検出部
３６  ＤＣ−ＤＣコンバータ
１４１  二次電池
２０１  アナログデジタル変換器
２０２，２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄ，２０２ｅ，２０２ｆ  制御部
２１１  充放電制御部
２１２  電圧降下量設定部
２１３，２１３ａ，２１３ｂ，２１３ｃ  電圧降下制御部
２１４，２１４ｅ，２１４ｆ  目標電圧設定部
Ｈ１  ヒータ
Ｉａ  充電終止電流値
Ｉｃ  電流
Ｉｃｃ  電流値
Ｑ１，Ｑ１ａ，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４  スイッチング素子
Ｒ１，Ｒ２  抵抗
【図１】
0005091634.tif 000002
【図２】
0005091634.tif 000003
【図３】
0005091634.tif 000004
【図４】
0005091634.tif 000005
【図５】
0005091634.tif 000006
【図６】
0005091634.tif 000007
【図７】
0005091634.tif 000008
【図８】
0005091634.tif 000009
【図９】
0005091634.tif 000010
【図１０】
0005091634.tif 000011
【図１１】
0005091634.tif 000012
【図１２】
0005091634.tif 000013