JP4133735B2 - 電池パック - Google Patents

Description

この発明は、リチウムイオン電池等の二次電池の電池パックに関する。

電池パックを使用する電子機器は、通常、何種類かの電源電圧を必要とするために、電子機器本体内に複数の電圧変換器を設け、電圧変換器例えばＤＣ−ＤＣコンバータによって昇圧／降圧を行い、必要とする複数の電圧を発生させていた。同様に二次電池パック充電の際、充電器（ＡＣアダプタ）の出力電圧を電子機器本体のＤＣ−ＤＣコンバータを用いて、昇圧／降圧を行っていた。

例えば二次電池と降圧型電圧変換器とを組み合わせて、一定電圧を出力する電池パックが下記の特許文献１に記載されている。

特開平７−７８６４号公報

図４は、従来の電池パックと電子機器本体の関係を示す。参照符号１が電池パックを示し、参照符号１０が電子機器本体を示す。電子機器本体１０には、放電回路１１が含まれている。電池パック１は、二次電池２と、保護回路（ＩＣ回路）３と、放電制御用ＦＥＴ４と充電制御用ＦＥＴ５と、これらのＦＥＴ４および５のそれぞれの寄生ダイオード６および７とが含まれている。

二次電池２は、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケル水素電池、ニッカド電池、リチウム金属電池などである。リチウムイオン電池の場合、例えば角形電池の構成とされ、二次電池２が全体として鉄の電池缶で被覆されている。また、リチウムポリマー電池の場合には、アルミニウムのラミネートフィルムで封止された構成とされている。

リチウムイオン電池は、過充電や過放電に弱いことから、電池セルと、保護回路とが一体化された電池パックの構成とされる。保護回路３の機能は、過充電保護、過放電保護および過電流保護の３つの機能がある。簡単にこれらの保護機能について説明する。

過充電保護機能について説明する。リチウムイオン電池を充電していくと、満充電を過ぎても電池電圧が上昇を続ける。この過充電状態になると危険な状態となる可能性が生じる。したがって、充電は、定電流定電圧で行い、充電制御電圧が電池の定格（例えば４．２Ｖ）以下で行う必要がある。しかしながら、充電器の故障や、異機種用充電器の使用によって、過充電の危険性がある。過充電され、電池電圧がある電圧値以上になった場合、保護回路が充電制御ＦＥＴ５をオフし、充電電流を遮断する。この機能が過充電保護機能である。

過放電保護機能について説明する。定格放電終止電圧以下まで放電し、電池電圧が例えば２Ｖ〜１．５Ｖ以下の過放電状態になった場合は、電池が故障する場合がある。放電され、電池電圧がある電圧値以下になった場合、保護回路は、放電制御ＦＥＴ４をオフし、放電電流を遮断する。この機能が過放電機能である。

過電流保護機能について説明する。電池の＋−端子間が短絡された場合には、大電流がながれてしまい、異常発熱する危険性がある。放電電流がある電流値以上流れた場合には、保護回路は、放電制御ＦＥＴ４をオフし、放電電流を遮断する。この機能が過電流保護機能である。

上述した電池パック１の外部端子に対して電子機器本体１０の放電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１２および充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１３が接続される。放電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、外部端子に取り出された電池電圧を所定の出力電圧に安定化して放電端子１４および接地端子１５を介して放電回路１１に供給する。

充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１３に対しては、充電端子１６および接地端子１５に充電器１７から供給される充電電圧が入力される。充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１３によって定格充電電圧値とされた出力電圧が外部端子を介して電池パック１の二次電池２に供給される。

図５は、従来の電池パックおよび電子機器本体１０の接続関係の他の構成例を示す。図４の構成と比較して相違する点は、充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１２を電池パック１に内蔵したことである。

図６は、従来の電池パックおよび電子機器本体１０の接続関係のさらに他の構成例を示す。図４の構成と比較して相違する点は、放電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１３を電池パック１に内蔵したことである。

上述したように、従来の二次電池電池パックは、充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１２と、放電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１３とを別々に使用しているために、二つのＤＣ−ＤＣコンバータを必要とした。したがって、コストの上昇を招き、部品配置場所を必要とする欠点があった。また、電子機器本体内にＤＣ−ＤＣコンバータを有するために、ＤＣ−ＤＣコンバータで発生するノイズの影響が懸念され、その対策回路等の考慮が必要であった。

従って、この発明の目的は、充電用と放電用の電圧変換器を兼用し、コストの低下と部品配置場所を少なくでき、さらに、電子機器本体がＤＣ−ＤＣコンバータ等の電圧変換回路を持つことを不要とでき、電圧変換回路から発生する輻射ノイズの影響を低減できる電池パックを提供することにある。

上述した課題を達成するために、この発明は、二次電池が内蔵された電池パックにおいて、
充電入力端子と放電出力端子と、
二次電池と共にケース内に収納され、該二次電池の保護回路と同一基板にマウントされた双方向性且つスイッチング方式のＤＣ−ＤＣコンバータと、
ＤＣ−ＤＣコンバータに対する入力を二次電池側と充電入力端子側に切り換える第１のスイッチ手段と、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を放電出力端子側と二次電池側に切り換える第２のスイッチ手段とによって構成され、二次電池に対して充電電圧を供給する充電モードと、二次電池の電圧を変換してなる所定の放電用電圧を出力する放電モードとの何れかに、ＤＣ−ＤＣコンバータを切り換えるための切換手段と、
切換手段を制御する制御信号を発生する制御信号発生手段と有し、
制御信号発生手段は、正規の充電器を識別し、正規の充電器が接続された場合のみ、ＤＣ−ＤＣコンバータを充電モードに切り換えるために切換手段に対する制御信号を発生することを特徴とする電池パックである。

この発明では、一つの電圧変換器が充電用と放電用の機能を持ち、切換手段によってこれらの機能を切り換えるので、充電用と放電用とで別々の電圧変換器を持つのと比較して、コストの低減を図ることができ、また、電子機器本体が電圧変換器を持つことを不要とできる。さらに、電子機器本体または電池パックにおいて、電圧変換器の設置に必要とされるスペースを狭いものとできる。

電圧変換器として、ＤＣ／ＤＣコンバータを使用する場合、１０ｋHz〜２ＭHzの高周波数で、スイッチング制御することにより、輻射ノイズが発生する。この発明では、電圧変換器としてのＤＣ／ＤＣコンバータを電池パック内部に有することにより、電子機器内部回路とＤＣ／ＤＣコンバータとの距離を長くでき、電子機器の内部回路へのノイズの影響を抑制できる。また、電池パックに電圧変換器を内蔵することによって、角形電池における鉄の電池缶、またはリチウム・ポリマー電池におけるアルミニウムのラミネートフィルムによって高周波電磁波ノイズを低減することができる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、この発明の第１の実施形態の接続構成を示す。上述した従来の構成と対応する部分に同一参照符号を付して示す。すなわち、電池パック１が二次電池２および保護回路３を有し、保護回路３の出力によって放電制御ＦＥＴ４および充電制御ＦＥＴ５が制御される。電子機器本体１０には、直流電源を必要とする放電回路１１が含まれている。

放電回路１１は、放電出力端子１４および接地端子１５に対して接続される。外部の充電器１７は、図示しないが、家庭用電源（商用電源）の交流１００Ｖを直流電圧として充電端子１６および接地端子１５間に例えば５Ｖの充電電圧を供給する。

参照符号２１がＤＣ−ＤＣコンバータである。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１以外に複数の放電出力電圧値を得るために、他のＤＣ−ＤＣコンバータを設けても良い。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１が二次電池２および保護回路３と共に、プラスチック等の材料からなる比較的固いケースに内蔵されている。具体的には、例えば基板上にＤＣ−ＤＣコンバータ２１および保護回路３等がマウントされ、基板に隣接して、二次電池２が配置されている。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１を二次電池２の外装ケースの内部に発電素子と共に配しても良い。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、入力電圧（電池電圧）と異なる値の安定化した出力電圧を生成する回路である。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１としては、種々の構成のものを使用できる。すなわち、コンデンサとスイッチ素子を用いたチャージャーポンプ方式、ダイオードとインダクタとコンデンサとスイッチ素子を用いたステップアップコンバータ（ステップダウンコンバータ）、またはトランスとスイッチ素子を用いたスイッチングレギュレータを使用できる。さらに、圧電トランスを用いた圧電インバータ、またはバイポーラトランジスタ素子を用いたシリーズレギュレータを使用しても良い。チャージャーポンプ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ、スイッチングレギュレータとして、４mm角程度の非常に小型のものが開発されており、電池パックに保護回路３と共にＤＣ−ＤＣコンバータ２１を内蔵するのは比較的容易である。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の入力端子がスイッチＳＷ１を介して充電端子１６に接続され、その出力端子がスイッチＳＷ２を介して二次電池２の正極に接続される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の入力端子がスイッチＳＷ１１を介して二次電池２の正極に接続され、その出力端子がスイッチＳＷ１２を介して放電出力端子１４に接続される。スイッチＳＷ１〜ＳＷ１２は、具体的には、半導体スイッチ、リレー接点等で構成される。

参照符号２２は、検出器を示す。検出器２２は、スイッチＳＷ１およびＳＷ２を制御する制御信号Ｃ１と、スイッチＳＷ１１およびＳＷ１２を制御する制御信号Ｃ２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧を切り換える制御信号Ｃ３とを発生する。検出器２２は、充電器１７の識別抵抗（以下、ＩＤ抵抗と適宜称する）の値を読み取ることが可能なＩＤ抵抗認識端子２３に接続されている。ＩＤ抵抗は、抵抗値によって充電器の種類を特定するためのもので、検出器２２は、読み取ったＩＤ抵抗の値から接続された充電器１７が正しいものか否かを判定することができる。検出器２２は、電子回路の構成またはマイクロコンピュータの構成とされる。

正規の充電器１７が接続されていない状態では、放電モードとされ、制御信号Ｃ１，Ｃ２およびＣ３によって、スイッチＳＷ１およびＳＷ２がオフとされ、スイッチＳＷ１１およびＳＷ１２がオンとされ、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧が設定された放電出力電圧値とされる。放電モードでは、例えば２．５Ｖ〜４．２Ｖの電池電圧からＤＣ−ＤＣコンバータ２１が生成した例えば３Ｖの電圧が端子１４および１５に接続された放電回路１１に対して供給される。

正規の充電器１７が接続されたことを検出器２２がＩＤ抵抗に基づいて検出すると、充電モードとされ、制御信号Ｃ１，Ｃ２およびＣ３によって、スイッチＳＷ１およびＳＷ２がオンとされ、スイッチＳＷ１１およびＳＷ１２がオフとされ、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧が設定された充電定格電圧値とされる。充電モードでは、例えば６Ｖの充電電圧からＤＣ−ＤＣコンバータ２１が生成した例えば４．２Ｖの充電電圧によって二次電池２が充電される。

図２は、この発明の第２の実施形態の接続構成を示す。第２の実施形態では、参照符号２４で示すマイクロコンピュータが設けられる。マイクロコンピュータ２４が制御信号Ｃ１、Ｃ２およびＣ３を発生する。

マイクロコンピュータ２４は、通信端子２５を介して充電器１７とディジタル通信を行う。ディジタル通信の方式としては、従来の二線式通信を使用できる。マイクロコンピュータ２４は、ディジタル通信を行うことによって、正規の充電器１７が接続されているか否かを判定する。

正規の充電器１７が接続されていない状態では、放電モードとされる。すなわち、制御信号Ｃ１，Ｃ２およびＣ３によって、スイッチＳＷ１およびＳＷ２がオフ、スイッチＳＷ１１およびＳＷ１２がオン、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧が設定された放電出力電圧値とされる。

正規の充電器１７が接続されたことをマイクロコンピュータ２４がディジタル通信によって判断すると、充電モードとされ、制御信号Ｃ１，Ｃ２およびＣ３によって、スイッチＳＷ１およびＳＷ２がオンとされ、スイッチＳＷ１１およびＳＷ１２がオフとされ、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧が設定された充電定格電圧値とされる。

図３は、この発明の説明の参考の接続構成を示す。この構成では、参照符号２６で示す機械的なスイッチが設けられる。すなわち、充電器７が電子機器本体１０に対して接続されると、機械的な構成によってオン（またはオフ）するスイッチ２６が設けられる。このスイッチ２６によって、制御信号Ｃ０が生成される。

充電器１７が接続されていない状態では、例えばスイッチ２６がオフし、制御信号Ｃ０が例えば"0"（論理的な０を意味する）となり、放電モードとされる。すなわち、制御信
号Ｃ０によって、スイッチＳＷ１およびＳＷ２がオフ、スイッチＳＷ１１およびＳＷ１２がオン、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧が設定された放電出力電圧値とされる。

充電器１７が接続されると、スイッチ２６がオンし、制御信号が"1"（論理的な１を意
味する）となり、充電モードとされ、制御信号Ｃ０によって、スイッチＳＷ１およびＳＷ２がオンとされ、スイッチＳＷ１１およびＳＷ１２がオフとされ、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧が設定された充電定格電圧値とされる。

この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。例えば上述した実施形態では、４個のスイッチを使用しているが、入力側スイッチＳＷ１およびＳＷ１１を二つの入力端子と一つの出力端子とを有するスイッチに置き換え、出力側スイッチＳＷ２およびＳＷ１２を一つの入力端子と二つの出力端子とを有するスイッチに置き換えることで、２個のスイッチを使用する構成が実現できる。また、充電モードにおける出力電圧と、放電モードにおける出力電圧とが等しい電圧値の場合では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１に対して出力電圧切換用の制御信号を供給する必要がない。

さらに、充電器を電子機器本体に接続しないで、電池パックに対して直接的に接続するようにしても良い。よりさらに、ＤＣ−ＤＣコンバータとして、入力から出力の方向が双方向のものを使用しても良い。

この発明の第１の実施形態の接続図である。 この発明の第２の実施形態の接続図である。 この発明の説明の参考の構成の接続図である。 従来の電池パックの一例の接続図である。 従来の電池パックの他の例の接続図である。 従来の電池パックのさらに他の例の接続図である。

符号の説明

１ 電池パック
２ 二次電池
３ 保護回路
９ ケース
１０ 電子機器本体
１１ 放電回路
１４ 放電出力端子
１５ 接地端子
１６ 充電入力端子
１７ 充電器
２２ 検出器
２３ ＩＤ抵抗認識端子
２４ マイクロコンピュータ
２５ 通信端子
２６ 機械的スイッチ

Claims (4)

1. 二次電池が内蔵された電池パックにおいて、
   充電入力端子と放電出力端子と、
   二次電池と共にケース内に収納され、該二次電池の保護回路と同一基板にマウントされた双方向性且つスイッチング方式のＤＣ−ＤＣコンバータと、
   上記ＤＣ−ＤＣコンバータに対する入力を上記二次電池側と上記充電入力端子側に切り換える第１のスイッチ手段と、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を上記放電出力端子側と上記二次電池側に切り換える第２のスイッチ手段とによって構成され、上記二次電池に対して充電電圧を供給する充電モードと、上記二次電池の電圧を変換してなる所定の放電用電圧を出力する放電モードとの何れかに、上記ＤＣ−ＤＣコンバータを切り換えるための切換手段と、
   上記切換手段を制御する制御信号を発生する制御信号発生手段と有し、
   上記制御信号発生手段は、正規の充電器を識別し、正規の充電器が接続された場合のみ、上記ＤＣ−ＤＣコンバータを上記充電モードに切り換えるために上記切換手段に対する制御信号を発生することを特徴とする電池パック。
2. 請求項１において、
   上記検出手段は、上記充電器の識別抵抗を検出するものである電池パック。
3. 請求項１において、
   上記検出手段は、上記充電器とディジタル通信を行うものである電池パック。
4. 請求項１において、
   上記切換手段が上記充電モードと上記放電モードとで、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧の値を切り換えるようにした電池パック。

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