JP4503636B2 - 電池パックおよび充電方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池パックに収納される充電回路に関し、さらに詳細には電池セルの温度に基づいて充電電流の値を変更しながら安全に充電することが可能な充電回路に関する。

携帯型電子機器の一例であるノート型パーソナル・コンピュータ（以後ノートＰＣという。）には、リチウム・イオン電池を収納した電池パックが使用されている。近年複数の電池パックの発火事故が報告されたこともあって、社団法人電池工業会（Battery Association of Japan）と社団法人電子情報技術産業協会（Japan Electronic and Information Technology Industries Association）の協業によりリチウム・イオン電池を使用するための安全指針が発表されている。安全指針はそれらのインターネット・ホーム・ページから入手することができる。

その安全指針では、リチウム・イオン電池を充電するときは、電池セルの表面温度に応じて充電電流および充電電圧の最大値を制限することを推奨している。図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、同指針に示されている電池セルの表面温度と充電電流および充電電圧の最大値との関係を表している。図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように、電池セルの表面温度に対して、Ｔ１〜Ｔ２の低温度域、Ｔ２〜Ｔ３の標準温度域、およびＴ３〜Ｔ４の高温度域が定義されている。そして、低温度域、標準温度域、および高温度域での最大充電電流値をそれぞれＩｍａｘ２、Ｉｍａｘ１、Ｉｍａｘ２としたときに、Ｉｍａｘ２＜Ｉｍａｘ１にすることを求めている。また、低温度域、標準温度域、および高温度域での最大充電電圧値をそれぞれＶｍａｘ２、Ｖｍａｘ１、およびＶｍａｘ３としたときに、Ｖｍａｘ２＜Ｖｍａｘ１、Ｖｍａｘ３＜Ｖｍａｘ１にすることを求めている。

特許文献１は、電池パック内の過充電制御を兼ねる充電制御用トランジスタを定電流制御してリチウム・イオン電池を充電する技術を開示する。特許文献２は、電池パックの中に設けた定電流回路で電池を充電する技術を開示する。特許文献３は、定電流制御信号により直流電圧から定電流を生成する定電流充電回路を開示する。特許文献４は、電池パックの温度が低いときに加熱するための温度調整装置を設け、電池パックの温度に基づいて充電電流を変更する技術を開示する。特許文献５は、複数の充電レートで充電できる定電流回路を設け、電池の温度により充電レートを切り替えて充電する技術を開示する。
特開２００４−２９６１６５号公報 特開平１１−３１８０３５号公報 特開平８−１０６９２６号公報 特開２００６−２８８１５０号公報 特開平１１−１９１９３２号公報

低温度のリチウム・イオン電池を大きな充電電流で充電すると、有機電解液を経由して正極から負極に移動したリチウム・イオンが負極に吸収されにくくなり、負極の表面にリチウム金属が析出することが判明している。一旦負極の表面に析出したリチウム金属は再びリチウム・イオンとして電解液に戻ることはないため、低温度で大きな充電電流を流すと、析出したリチウム金属が負極に積層して正極と負極の間が短絡する可能性が高まる。したがって、低温度で充電する場合はリチウム金属が負極に析出しないように充電電流を最大充電電流値Ｉｍａｘ２以下にする必要がある。

逆に、高温度のリチウム・イオン電池を充電する場合は、充電電流が大きくなるほど電池セルの温度上昇が大きくなり、さらにこれに電池パック内の環境温度が加わって、電池セルの表面温度が上限値を超えて危険な状態になったり、電池パックの安全回路が働いて充電が制限されたりする。したがって、高温度で充電する場合は電池セルの温度上昇を抑制するために充電電流を最大充電電流値Ｉｍａｘ２以下にする必要がある。

図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）は、直流電流の典型的な波形を示す。図６（Ａ）は、交流分を含まない純粋な直流電流の波形で電流値はＩ１で特定することができる。このような波形の直流電流は、トランジスタの定電流特性を利用して生成したり、電池の出力電流として生成したりすることができる。図６（Ｂ）は、スイッチング制御方式の一般的な充電器が生成する充電電流の波形である。充電器は入力された直流電流を高い周波数でスイッチングまたはチョッピングしさらに平滑回路でオフ期間の電流を平滑化しているため交流成分は小さく、ピーク値と平均値との差は極わずかであるため、電流の大きさを平均値Ｉ２として特定することができる。

図６（Ｃ）は、大きさがＩ３の直流電流を５０％のデューティ比で断続したときの波形で、平均値はＩ４であるがピーク値はＩ３となり、平均値Ｉ４とピーク値Ｉ３との差は大きい。本明細書においては、図６（Ａ）と図６（Ｂ）の波形の直流電流を定電流といい、図６（Ｃ）の波形の直流電流をスイッチング電流ということにする。図６（Ｂ）の定電流も図６（Ｃ）のスイッチング電流も、直流電流を断続して生成するために交流分を含むが、スイッチング電流は平滑化回路を通さないで生成する点で定電流とは異なる。スイッチング電流は、周波数が高くなると回路の誘導成分や容量成分でオフ期間にも電流が多少流れるが、周波数が低くなると、図６（Ｃ）に示したようにスイッチのオフ期間は値がほとんどゼロの断続電流になる。本明細書においては、スイッチング電流の大きさは平均値Ｉ４として示すことにする。

リチウム・イオン電池の電池パックを搭載するノートＰＣは、定電流定電圧方式（ＣＣ−ＣＶ：Constant Current Constant Voltage）の充電器を搭載しており、充電器は定電流制御をするときは設定電流値に一致した定電流を出力するように動作する。これまでリチウム・イオン電池の最大充電電流を電池セルの表面温度に基づいて制限することは行われていなかったため、ノートＰＣに搭載する充電器は単一の設定電流値で動作するようになっていた。しかし、上述の安全指針が発表されたこともあってリチウム・イオン電池の安全管理を一層厳格に行う必要が生じてきたため、すでに出荷したノートＰＣが搭載する電池パックの安全もこれに基づいて確保する必要がある。そのために、出荷済みのノートＰＣに搭載された充電器を複数の設定電流値で動作する新たな充電器に交換することも一案であるが、費用、交換期間、および設計上の問題などから現実的には困難である。

この問題を解決するためには、特許文献１および特許文献２に記載されているように電池パックの中に新たに充電回路を設けて、その充電回路により各温度域に対応する充電電流値で充電する方法が考えられる。しかし、電池パックの中にノートＰＣに搭載されているような定電流定電圧方式の充電回路を設けることは、電池パックが大型化して既存のノートＰＣには装着できなくなるという問題がある。さらに、スイッチング制御で定電流を生成するためには高周波数で直流電圧をスイッチングする必要があるが、高周波数で動作するスイッチング素子を電池パックの中に設けると、電磁波障害が発生してプロセッサが誤動作したり、発熱により温度上昇を招いたりするという問題がある。

また、低温度域および高温度域でも動作が可能な充電回路を電池パックの中に設ける方法を考えてみる。低温度域では、リチウム金属の析出という問題があるので、充電回路は充電電流が最大充電電流値Ｉｍａｘ２を超えないように制御する必要がある。したがって、低温度域での充電をスイッチング電流で行うためには、ピーク値を最大充電電流値Ｉｍａｘ２以下にする必要がある。充電器が供給する充電電流からスイッチング電流を生成しようとすれば、充電器の出力電流（定電流）の値が最大充電電流値Ｉｍａｘ２以下である必要がある。充電器は標準温度域では最大充電電流値Ｉｍａｘ１で許容される範囲のさらに大きな充電電流を供給するため、この場合は充電器が少なくとも２種類の充電電流値を設定ができる必要があり、出荷済みのノートＰＣに対する対応ができない。

さらに、スイッチング電流は平均値とピーク値の差が大きいので、ピーク値を最大充電電流値Ｉｍａｘ２に一致させると、平均値で決まる実際の充電に利用される電力が小さくなるので充電時間が長くなり現実的ではない。また、特許文献１や特許文献２に記載されたように、ＦＥＴやバイポーラ・トランジスタを採用することも考えられる。しかし、ＦＥＴやトランジスタをスイッチング動作でなく連続動作（定電流動作）で定電流制御をすると多量の発熱をするため、厳格な安全管理が求められる電池パックに採用することはできない。

そこで本発明の目的は、電池セルに関連する温度に基づいて充電電流の値を変更することができる充電回路を収納した電池パックを提供することにある。さらに本発明の目的は、低温度域で充電するときに内部の温度を短時間で標準温度域に到達させることができる電池パックを提供することにある。さらに本発明の目的は、電池パックが搭載される機器に変更を加えないで複数の充電電流値で充電することができる充電回路を収納した電池パックを提供することにある。さらに、本発明の目的は、電池パックに収納された二次電池を電池セルに関連する温度に基づいて充電する方法を提供することにある。

本発明にかかる電池パックは、直流電源が供給する充電電流で充電することができる。電池パックは二次電池に関連する温度を測定する温度素子と、第１の充電回路と制御部とを有する。第１の充電回路は、充電電流から定電流を生成する。制御部は、二次電池に関連する温度が低温度域に入っていると判断したときは第１の充電回路が充電電流よりも小さい値の定電流で二次電池を充電し、二次電池に関連する温度が低温度域よりも高い温度範囲である標準温度域に入っていると判断したときは直流電源で二次電池を充電するように電池パックの動作を制御する。二次電池に関連する温度は電池セルの温度を監視するための温度で、電池セルの筐体の表面で測定したり、電池セルの内部で直接測定したり、電池セルから離れた位置で間接的に測定したりすることができる。

直流電源が単一の設定電流で動作する充電器である場合でも、電池パック側の第１の充電回路で電池セルの温度により要求される値の充電電流を生成して充電することができる。第１の充電回路が、半導体素子を連続的に制御して定電流を生成するときには半導体素子からの発熱を伴うが、本発明においてはこの発熱を安全サイドに利用する。具体的には、第１の充電回路を、電池セルの温度が低温度域に入っているときに限って動作させることで、電池セルの温度を短時間で上昇させてリチウム金属の析出を防ぐようにしている。さらに、電池セルの温度が短時間で標準温度域まで上昇したあとは、標準温度域で許容される最大充電電流で充電することができるので充電時間を短縮することができる。

さらに電池パックには第２の充電回路を設けることができる。第２の充電回路は充電電流から充電電流よりも小さい値のスイッチング電流を生成する。この場合、制御部は二次電池に関連する温度が標準温度域よりも高い温度範囲である高温度域に入っていると判断したときは第２の充電回路で二次電池を充電する。スイッチング電流の値は平均値で示され平均値とピーク値との間には比較的大きな差があるが、高温度域では電池の温度上昇だけが問題になるので、温度上昇に基づいて決定した平均値を充足するデューティ比で生成したスイッチング電流で充電することができる。しかも、スイッチング動作の周期は、温度上昇の抑制に必要な範囲まで長くすることができるので、スイッチング動作による発熱や電磁波障害の問題は生じない。

第１の充電回路はバイポーラ・トランジスタのベース電流に対するコレクタ電流または電界効果トランジスタのゲート電流に対するドレイン電流の定電流特性を利用して構成することができる。また第２の充電回路は、電池パックの保護用として二次電池に対する充電を禁止するために標準的に設けられている充電保護スイッチで構成することができる。充電保護スイッチをオン／オフ制御して生成したスイッチング電流のピーク値は直流電源が供給する充電電流の値に等しくなるが、上述のとおり高温度域での充電には支障がない。二次電池がリチウム・イオン電池である場合は、特に電池セルの温度に対する充電電流の制限が厳しいが、本発明によりこれに対応することができる。

また、本発明によれば直流電源が単一の設定電流で動作する充電器の場合でも、電池パック内の構成要素だけで電池セルの温度に応じて要求される充電電流値で二次電池を充電することができる。したがって、単一の設定電流で動作する充電器を搭載する出荷済みの機器であっても、充電器に変更を加えないで電池セルの温度に応じた複数の設定電流値による充電が可能になる。直流電源が定電流定電圧制御方式の充電器である場合には、定電流制御期間だけ第１の充電回路または第２の充電回路で充電し、二次電池の充電が定電圧制御に切り替える状態に到達したときは、充電器により充電することができる。定電圧制御に切り替える状態は、充電電流または充電電圧で判断することができる。定電圧制御には厳密な電圧管理が必要なので、充電器を利用して行うことが望ましい。第１の充電回路または第２の充電回路による充電から充電器による定電圧制御での充電に切り替わっても、充電電流はそれらの温度域で許容される最大充電電流値Ｉｍａｘ２以下まで低下しているので問題がない。

第１の充電回路または第２の充電回路で充電している間に電池セルの温度が標準温度域に入ったときは充電器で充電することで、必要以上に充電電流を制限して充電時間を遅らせることがなくなる。また充電器で充電している間に電池セルの温度が高温度域に入ったときは、充電を停止させないで第２の充電回路で充電を継続することができる。第１の充電回路または第２の充電回路で充電している間に二次電池の電圧が低温度域または高温度域において許容される最大充電電圧に到達したときには充電を停止して安全を確保することができる。

本発明により、電池セルに関連する温度に基づいて充電電流の値を変更することができる充電回路を収納した電池パックを提供することができた。さらに本発明により、低温度域で充電するときに内部の温度を短時間で標準温度域に到達させることができる電池パックを提供することができた。さらに本発明により、電池パックが搭載される機器に変更を加えないでも複数の充電電流値で充電することができる充電回路を収納した電池パックを提供することができた。さらに、本発明により、電池パックに収納された二次電池を電池セルに関連する温度に基づいて充電する方法を提供することができた。

図１は、本実施形態にかかる電池パックと電池パックを搭載するノートＰＣで構成された充電システムの概要を示すブロック図である。充電システムは、ノートＰＣ１０、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１、電池パック１００、１０１で構成されている。電池パック１００は主電池パックとして使用され、電池パック１０１は補助電池パックとして使用される。電池パック１００と電池パック１０１は本発明との関連では同じ構成になっており、電池パック１０１が装着されていない場合でも電池パック１００だけで充電システムを構成することができる。ノートＰＣ１０は、本発明に関連する主要な部分の構成だけを示している。ＡＣ／ＤＣアダプタ１１はノートＰＣ１０の電源端子に接続が可能であり、電池パック１００、１０１はノートＰＣ１０の電池ベイに着脱可能に実装される。ＡＣ／ＤＣアダプタ１１は、交流電圧を直流電圧に変換する。

充電器５１は、定電流定電圧特性を備えており、充電レートは急速充電ができるように０．７Ｃに固定されている。したがって、充電器５１は、複数の充電レートで動作することはできない。充電器５１は、ＦＥＴ２９およびＦＥＴ３１をＰＷＭ方式でオン／オフ制御するスイッチング制御回路と、インダクタ３３およびキャパシタ３４による平滑回路とを備える。充電器５１は、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１から入力された直流電圧を電池パックの充電に適した直流電圧に変換して出力する。充電器５１は、スイッチング制御回路を駆動して生成した直流の充電電流の脈動を平滑回路によって低減して定電流を生成する。充電器５１の電圧フィードバック入力ＦＢ−Ｖおよび電流フィードバック入力ＦＢ−Ｉには、分圧抵抗３７、３９と電流センス抵抗３５からの出力がそれぞれ接続され、充電器５１から出力された出力電圧（充電電圧）および出力電流（充電電流）に対応した電圧がフィードバック制御のために入力される。

充電器５１の電流設定値入力Ｉｓｅｔおよび電圧設定値入力Ｖｓｅｔには、ノートＰＣ１０の内部で生成された一定電圧を分圧した基準電圧源５５からの電圧が入力される。基準電圧源５５は、エンベデッド・コントローラ（ＥＣ）１３からの指示に基づいて電圧設定値入力Ｖｓｅｔには設定電圧Ｖｃｈｇを入力し、電流設定値入力Ｉｓｅｔには設定電流Ｉｃｈｇを入力する。充電器５１は出力電圧または出力電流が設定電圧Ｖｃｈｇまたは設定電流Ｉｃｈｇのいずれかに一致するように動作する。充電器５１は、充電初期には定電流制御で動作するが、充電が進行して充電電流が減少し設定電流Ｉｃｈｇよりも少なくなると、自動的に出力電圧を設定電圧Ｖｃｈｇに一致させるようにして定電圧制御で動作する。逆に、定電圧制御で動作しているときに何らかの原因で充電電圧が低下して設定電圧Ｖｃｈｇよりも下がると、自動的に出力電流を設定電流Ｉｃｈｇに一致させるようにして定電流制御で動作する。

ＥＣ１３は、電源以外にもノートＰＣ１０を構成する多くのハードウェア要素を制御する集積回路である。ＥＣ１３は、電池パック１００、１０１と通信して、電池パック１００、１０１が生成した電池セルの表面温度、電池電圧、充電電流、充電電力、放電電力、残存容量および充電器に設定する設定電圧Ｖｃｈｇおよび設定電流Ｉｃｈｇなどの情報を取得することができる。ＥＣ１３は、電池パック１００、１０１から受け取った指示に基づいて、充電器５１を動作させたり停止させたりするように基準電圧源５５に指示を送る。たとえば、電池パックが設定電圧Ｖｃｈｇおよび設定電流ＩｃｈｇをゼロにするようにＥＣ１３に指示をすると、電圧設定値入力Ｖｓｅｔ、電流設定値入力Ｉｓｅｔにゼロが設定され充電器５１は動作を停止する。充電器５１の動作を開始するときは、電池パック１００、１０１から指示を受けたＥＣ１３が、電圧設定値入力Ｖｓｅｔおよび電流設定値入力Ｉｓｅｔに、設定電圧Ｖｃｈｇおよび設定電流Ｉｃｈｇを設定する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５３は、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１または電池パック１００、１０１から受け取った直流電圧を所定の電圧に変換してノートＰＣ１０内のデバイスに供給する。デバイスには、ＣＰＵ、液晶ディスプレイ、無線モジュール、ハードディスク装置、およびコントローラなどのさまざまなデバイスを含む。ＦＥＴ−ＡおよびＦＥＴ−Ｂは、主電池パック１００に対する充放電を制御するためのスイッチであり、主電池パック１００の充放電回路に接続されている。ＦＥＴ−ＣおよびＦＥＴ−Ｄは、電池パック１０１に対する充放電を制御するためのスイッチであり、電池パック１０１の充放電回路に接続されている。

ＦＥＴ−Ｅは、電池パック１００、１０１とＤＣ／ＤＣコンバータ５３との間に接続され、電池パック１００、１０１からＤＣ／ＤＣコンバータ５３に対する放電回路を形成するためのスイッチである。ＦＥＴ−Ｆは、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１からＤＣ／ＤＣコンバータ５３に電力を供給する回路に接続され、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１からＤＣ／ＤＣコンバータ５３に電力を供給している際、交流電力源からの電力の受け取りを中断して交流電力源のピークを緩和させるいわゆるピーク・シフトを行うために、一時的に電池パック１００、１０１からＤＣ／ＤＣコンバータ５３に電力を供給するためのスイッチである。ＦＥＴ駆動回路１５は、ＥＣ１３からの指示に基づいてＦＥＴ−Ａ〜ＦＥＴ−Ｆを制御する。

図２は、本発明の実施形態にかかるスマート・バッテリィ・システム（ＳＢＳ）規格に準拠した電池パック１００の内部構成を示すブロック図である。電池パック１０１も電池パック１００と同じ構成になっている。電池パック１００は、電源ライン１３１、通信ライン１３３、およびグランド・ライン１３５がそれぞれＰ端子、Ｄ端子、およびＧ端子でノートＰＣ１０に接続される。電源ライン１３１には、それぞれｐ型ＭＯＳ−ＦＥＴで構成された充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂと放電保護スイッチＤ−ＦＥＴｂが直列に接続されている。放電保護スイッチＤ−ＦＥＴｂには、３本のリチウム・イオン電池セル１０３〜１０５で構成された電池セット１０６が直列に接続されている。電池セット１０６からの放電電流および電池セット１０６に対する充電電流は、電源ライン１３１およびグランド・ライン１３５で構成される充放電回路を通じてノートＰＣ１０との間を流れる。

電池セット１０６の各電池セル１０３〜１０５の電圧側の端子はアナログ／インターフェース１０７のアナログ入力Ｖ１〜Ｖ３端子に接続されている。電池セット１０６の表面には、１個〜複数個のサーミスタなどの温度素子１１１が貼り付けられている。温度素子１１１の出力はＭＰＵ１１３のＴ端子に接続されている。電池セル１０５の負端子とＧ端子との間のグランド・ライン１３５には、電流センス抵抗１０９が接続されている。電流センス抵抗１０９の両端は、アナログ／インターフェース１０７のＩ１、Ｉ２端子に接続されている。

アナログ／インターフェース１０７は、電池セル１０３〜１０５のそれぞれのセル電圧を取得するアナログ入力端子Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、および電流センス抵抗１０９の両端の電位差を取得するアナログ入力端子Ｉ１、Ｉ２を備える。アナログ／インターフェース１０７はさらに充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂおよび放電保護スイッチＤ−ＦＥＴｂをオン／オフ制御する信号を出力するアナログ出力端子Ｃ−ＣＴＬおよびＤ−ＣＴＬを備える。アナログ／インターフェース１０７は、電池セット１０６のセル電圧を測定してディジタル値に変換しＭＰＵ１１３に送る。

アナログ／インターフェース１０７は、電流センス抵抗１０９が検出した電圧から電池セット１０６に流れる充電電流および放電電流の値を測定してディジタル値に変換しＭＰＵ１１３に送る。ＭＰＵ１１３は、８〜１６ビット程度のＣＰＵの他に、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュ・メモリ、タイマなどを１個のパッケージの中に備えた集積回路である。ＭＰＵ１１３は、アナログ／インターフェース１０７と通信が可能になっており、アナログ／インターフェース１０７から送られた電圧値および電流値に基づいて充電量や放電量を計算する。ＭＰＵ１１３はまた、過電流保護機能、過電圧保護機能（過充電保護機能ともいう。）、および低電圧保護機能（過放電保護機能ともいう。）を備え、アナログ／インターフェース１０７から受け取った電圧値や電流値から電池セル１０３〜１０５に異常を検出した場合に、アナログ／インターフェース１０７を通じて充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂおよび放電保護スイッチＤ−ＦＥＴｂまたはそのいずれかをオフにする。過電流保護機能、過電圧保護機能、および低電圧保護機能はＭＰＵ１１３で実行されるプログラムで構成される。

ＭＰＵ１１３からはＤ端子を通じて通信ライン１３３がノートＰＣ１０のＥＣ１３に接続され、ＭＰＵ１１３とＥＣ１３との間での通信が可能になっている。通信ライン１３３にはクロック・ラインも含まれている。ＭＰＵ１１３は、ＥＣ１３に対して充電器５１に設定する設定電流Ｉｃｈｇおよび設定電圧Ｖｃｈｇを送り、ＥＣ１３は基準電圧源１２３を経由してこの設定値を充電器５１にセットし、充電器５１の動作を開始させたり停止させたりする。

電源ライン１３１には、直列に接続された放電保護スイッチＤ−ＦＥＴｂと充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂに対して並列にｎｐｎ型のバイポーラ・トランジスタ１１５が接続されている。トランジスタ１１５のコレクタとベースとの間には、抵抗Ｒ１とＦＥＴ１２１が直列に接続されている。ＦＥＴ１２１のゲートとグランド・ライン１３５との間には、ＦＥＴ１１９が接続されており、ＦＥＴ１１９のゲートはＭＰＵ１１３のＣＣ−ＯＮ端子に接続されている。トランジスタ１１５のエミッタには抵抗Ｒｅの一端が接続され、ベースにはダイオードＤ１、Ｄ２が直列に接続されている。抵抗Ｒｅの他端とダイオードＤ２のカソードは電池セル１０３の正端子に接続されている。トランジスタ１１５およびこれを動作させる抵抗、ダイオードおよびＦＥＴは、電池セット１０６を低温度域で充電するための定電流回路１１１を構成する。充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂは、ＭＰＵ１１３が電池パック１００の内部に充電電圧や充電電流の異常を検出したときに充電を停止するために使用するが、本実施の形態においては電池セット１０６を高温度域で充電するためにも使用する。なお、トランジスタ１１５はｐｎｐ型のバイポーラ・トランジスタであってもよい。

つぎに、定電流回路１１１による電池セット１０６に対する充電動作について説明する。トランジスタ１１５は、電池パック１００が、ノートＰＣ１０の充電器５１から充電電流の供給を受けながら動作して定電流を生成する。ＭＰＵ１１３が温度素子１１１が検出した温度により電池セル１０３〜１０５の表面温度が低温度域にあると判断したときに、充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂをオフにし、ＦＥＴ１１９をオンにする。ＦＥＴ１１９がオンになると、ＦＥＴ１２１がオンになりトランジスタ１１５のバイアス回路が動作する。Ｐ端子を通じて充電器５１から供給された充電電流はトランジスタ１１５のコレクタとエミッタを通じて電池セット１０６に供給される。

ダイオードＤ１、Ｄ２はほぼ０．６Ｖの順方向電圧降下を生ずる。トランジスタ１１５のベース−エミッタ間の電圧ＶｂｅはダイオードＤ１の順方向電圧降下とほぼ等しいので、抵抗Ｒｅの抵抗値をＲｅとしたとき、コレクタにはＩ＝０．６／Ｒｅの充電電流が流れる。何らかの原因で充電電流Ｉが増大しようとすると、抵抗Ｒｅによる電圧降下が大きくなり電圧Ｖｂｅが小さくなるためベース電流も低下して充電電流Ｉの増大を抑制するように動作する。充電電流Ｉが何らかの原因で減少しようとするときは、抵抗Ｒｅによる電圧降下が小さくなり、電圧Ｖｂｅが大きくなるためベース電流が増大して充電電流Ｉの減少を抑制するように動作する。このようにしてトランジスタ１１５は、Ｉ＝０．６／Ｒｅの一定の充電電流を流す。この充電電流は図６で説明した定電流であり、その値は最大充電電流値Ｉｍａｘ２である。

このようにトランジスタ１１５をスイッチング制御ではなく連続制御して定電流を生成するときには、０．６Ｗ〜０．７Ｗの発熱を伴う。電池パックの中に収納する素子の発熱量の上限は、電池セルの温度上昇を防ぐために０．３Ｗ〜０．４Ｗにしているので、定電流動作をさせるトランジスタ１１５は電池パックの中に収納する素子としてはこの点で適合しない。しかし、本実施の形態においては、トランジスタ１１５を電池セルの表面温度が低温度域にあるときに限って動作させることにしているので、電池セット１０３の表面温度が上昇して危険な状態になるおそれはない。むしろ、トランジスタ１１５は電池セルの表面温度を短時間で上昇させて、充電中にリチウム金属が析出するのを抑制する効果がある。さらに、表面温度が短時間で標準温度域まで上昇してそこで許容される最大充電電流値Ｉｍａｘ１で充電することができるので充電時間を短縮することもできる。

つづいて、充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂによる電池セット１０６に対する充電動作を説明する。充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂは、電池パック１００が、ノートＰＣ１０の充電器５１から充電電流の供給を受けているときにスイッチング動作をする。ＭＰＵ１１３が温度素子１１１が検出した温度により電池セル１０３〜１０５の表面温度が高温度域にあると判断したときに、ＭＰＵ１１３は放電保護スイッチＤ−ＦＥＴｂをオンにして、充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂを、充電器５１が供給する充電電流の平均値が最大充電電流値Ｉｍａｘ２（図６）になるようにデューティ比を設定してオン／オフ制御する。電池セット１０６に流れるスイッチング電流の平均値は、電流センス抵抗１０９の両端の電圧としてアナログ／インターフェース１０７が測定しＭＰＵ１１３に送る。ＭＰＵ１１３は、その値に基づいて充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂのデューティ比をフィードバック制御する。充電器５１が定電流制御で動作してＩｍａｘ１の値の定電流を出力しているときは、電池セット１０６に流れるスイッチング電流の波形のピーク値は最大充電電流値Ｉｍａｘ１になる。しかし、高温度域では、低温度域とは異なり電流波形のピーク値が最大充電電流値Ｉｍａｘ２を超えても問題がないため、平均値が最大充電電流値Ｉｍａｘ２より小さければ温度上昇を抑制できるため、オン／オフの周期を数分程度まで長くすることができる。

スイッチング動作で定電流を生成しようとする場合は、スイッチング周波数を１００ＫＨｚ程度以上まで高くして、かつ、平滑回路を設ける必要がある。その場合は電池パック内のスペースの問題の他に、電磁波によるＭＰＵ１１３の動作への障害が懸念されるためこれまでは、充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂのスイッチング動作により定電流を生成することは困難であった。しかし、本実施の形態では充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂによる充電は、電池セル１０３〜１０５の表面温度が高温度域にあるときに限ることにしているため、上限温度を超えないようにスイッチング電流を生成すればよいので、スイッチング周波数を十分に低くすることができ、電磁波障害の問題や発熱の問題は生じない。

図３は、電池パック１００を含む図１に示した充電システムによる電池セット１０６を充電する手順を示すフローチャートである。ブロック２０１では、ノートＰＣ１０の電池ベイに電池パック１００が装着される。ＭＰＵ１１３は、電池セル１０３〜１０５の電圧を測定し、充電が必要か否かを判断する。充電が必要であると判断したときは、ブロック２０３ではＭＰＵ１１３は、温度素子１１１が検出した温度により電池セルの表面温度が、図５に示した３つの温度領域のいずれに入るかを判断する。本実施の形態では、低温度域と高温度域のときは充電電流の最大値を０．３Ｃとし標準温度域では充電電流の最大値を０．７Ｃにする。なお、本発明は、温度領域を例示した３つに限定するものではなく、また、各温度域に設定する充電電流の設定値もこれらに限定するものではない。

ブロック２０３で、ＭＰＵ１１３が電池セル１０３〜１０５の表面温度が低温度域に入っていると判断すると、ブロック２０５でＭＰＵ１１３は充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂをオフにし、ＦＥＴ１１９をオンにしてトランジスタ１１５のバイアス回路を動作させる。つづいてブロック２０７でＭＰＵ１１３はＥＣ１３に充電器５１に設定電流Ｉｃｈｇと設定電圧Ｖｃｈｇを設定するように指示して充電要求をする。設定電流Ｉｃｈｇは、０．７Ｃの固定レートとして設定され、充電器５１は定電流制御で動作するときは０．７Ｃの定電流を出力する。電流設定値入力Ｉｓｅｔおよび電圧設定値入力Ｖｓｅｔにそれぞれ設定電流Ｉｃｈｇおよび設定電圧Ｖｃｈｇが設定されると充電器５１は動作を開始する。

ブロック２０９では、トランジスタ１１５が定電流制御されて充電器５１から供給される定電圧から０．３Ｃの定電流を生成し、電池セル１０３〜１０５は０．３Ｃの定電流で充電される。ＭＰＵ１１３は充電中に定期的に電池セル１０３〜１０５の表面温度を監視しており、ブロック２０９で表面温度が標準温度域に到達したと判断したときはブロック２３７に移行してトランジスタ１１５の動作を停止し充電制御スイッチＣ−ＦＥＴｂをオンにして、充電器５１による充電に切り替える。充電器５１による充電は、Ｐ端子、充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂ、放電保護スイッチＤ−ＦＥＴｂ、電池セット１０６、電流センス抵抗１０９、およびＧ端子の経路で行われる。トランジスタ１１５は、発熱素子としての役割も果たすので、電池パック１００は低温度域から標準温度域に到達するまでの時間を短縮してリチウム金属の析出を抑制することができる。更に低温度域から標準温度域に短時間で移行させ、充電器５１による充電電流が０．７Ｃでの充電を可能にして充電時間を短縮する。

ブロック２０９で表面温度が低温度域を維持している場合は、ブロック２１１でＭＰＵ１１３は電流センス抵抗１０９が検出した値に基づいて、充電電流が充電器５１の定電圧制御に移行する程度まで低下したか否かを判断する。充電電流が低下している場合は、ブロック２１７に移行してＦＥＴ１１９をオフにしてトランジスタ１１５の動作を停止し、さらに充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂをオンにして充電器５１による充電に切り替える。ブロック２１１で充電電流が低下していない場合は、ブロック２１３に移行してＭＰＵ１１３は、表面温度が図５（Ｂ）に示した低温度領域での最大充電電圧Ｖｍａｘ２に到達したか否かを判断する。

最大充電電圧Ｖｍａｘ２に到達した場合は、ブロック２１５でトランジスタ１１５の動作を停止してブロック２４５に移行し、充電器５１の動作も停止して充電を中断することによりリチウム金属の析出を防止する。ブロック２１３で最大充電電圧Ｖｍａｘ２に到達していないと判断したときは、ブロック２０９に戻ってトランジスタ１１５による充電を継続する。

ブロック２０３で電池セル１０３〜１０５の表面温度が標準温度域に入っているとＭＰＵ２３５が判断したときは、ブロック２３５でＭＰＵ１１３はＥＣ１３に充電要求をして充電器５１を動作させ、同時にブロック２３７では、トランジスタ１１５を停止し充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂをオンにする。ブロック２３９で充電器５１は０．７Ｃの充電レートによる定電流制御で電池セット１０６を充電する。充電中ＭＰＵ１１３は表面温度を監視しており、ブロック２４１で表面温度が低温度領域に入ったと判断したときはブロック２０５に移行し、標準温度域が継続していると判断したときはブロック２４３に移行し、高温度域に入ったと判断したときはブロック２６５に移行する。ブロック２４３では、充電が進行した結果、充電電流が低下して定電流動作ができなくなると、充電器５１は自動的に定電圧制御に移行して出力電圧を設定電圧Ｖｃｈｇに一致させるように動作する。その後充電電流が所定値まで低下したことを検知するとブロック２４５で充電器は動作を停止して充電が完了する。

ブロック２０３でＭＰＵ１１３が高温度域に入っていると判断すると、ブロック２６５でＭＰＵ１１３は平均値が０．３Ｃになるようにデューティ比を設定して充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂを数秒〜数分程度の周期でオン／オフさせる。つづいてブロック２６７でＭＰＵ１１３はＥＣ１３に充電器５１に設定電流Ｉｃｈｇと設定電圧Ｖｃｈｇを設定するように指示して充電要求をする。設定電流Ｉｃｈｇは、０．７Ｃの固定レートとして設定され、充電器５１は定電流制御で動作して０．７Ｃの定電流を出力する。電流設定値入力Ｉｓｅｔおよび電圧設定値入力Ｖｓｅｔにそれぞれ設定電流Ｉｃｈｇおよび設定電圧Ｖｃｈｇが設定されると充電器５１は動作を開始する。

ブロック２６９では、充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂのスイッチング動作により電池セット１０６は平均値が０．３Ｃでピーク値が０．７Ｃの充電電流（スイッチング電流）で充電される。高温度域では、リチウム金属が析出する問題がないので、ピーク値が最大充電電流値Ｉｍａｘ２を超えても問題がない。ブロック２０９で表面温度が標準温度域まで低下したと判断したときはブロック２３７に移行して充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂのスイッチング動作を停止してオン状態を維持させ、充電器５１による充電に切り替える。充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂのオン／オフ周期は長くすることができるため発熱が少なく電池パック内の温度上昇を抑制することができる。

ブロック２６９で表面温度が高温度域を維持している場合は、ブロック２７１でＭＰＵ１１３は充電電流が充電器５１の定電圧制御に移行する程度まで低下したか否かを判断する。充電電流が低下している場合は、ブロック２７７に移行して充電制御スイッチＣ−ＦＥＴｂのスイッチング動作を停止してオン状態に設定し、充電器５１による充電に切り替える。ブロック２７１で充電電流が低下していない場合は、ブロック２７３に移行してＭＰＵ１１３は、表面温度が図５（Ｂ）に示した高温度領域での最大充電電圧値Ｖｍａｘ３に到達したか否かを判断する。

最大充電電圧値Ｖｍａｘ３に到達した場合は、ブロック２７５で充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂのスイッチング動作を停止してオフ状態にし、ブロック２４５に移行して充電器５１の動作も停止して温度上昇に対する安全性を確保する。ブロック２７３でＭＰＵ１１３が最大充電電圧値Ｖｍａｘ３に到達していないと判断したときは、ブロック２６９に戻って充電保護スイッチＣ−ＦＥＴｂのスイッチング動作による充電を継続する。

ここで説明した手順を実行するプログラムは、ＭＰＵ１１３のＲＯＭに格納されている。また、低温度域または高温度域における充電電流は、電池パック１００の中に収納される定電流回路またはスイッチング回路が生成する。電池パック１００からＥＣ１３に与える情報や指示は、単一の設定電流Ｉｃｈｇで動作する充電器を搭載する従来のノートＰＣ１０に対するものと同じである。したがって、すでに出荷されたノートＰＣ１０に対しても、それに何ら変更を加えることなく、電池パック１００を実装するだけでこの手順を実行することができるようになる。

図４は、低温度域で動作させる定電流回路の他の例を示す電池パックのブロック図である。図４が図２と異なるのは、図２のトランジスタ１１５を中心にした定電流回路１１１に代えて、エンハンスメント型の電界効果トランジスタであるｐチャネルＭＯＳーＦＥＴ１５５を使用した定電流回路１５２を設けた点だけである。ＦＥＴ１５３の一端は電源ライン１３１に接続され、ＦＥＴ１５３の他端はＭＯＳ−ＦＥＴ１５５のドレインに接続され、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５５のソースは電流センス抵抗Ｒｓの一端に接続され、電流センス抵抗Ｒｓの他端は電池セル１０３の正端子に接続されている。ＦＥＴ１５３のゲートとグランド・ライン１３５との間にＦＥＴ１５１が接続されＦＥＴ１５１のゲートがＭＰＵ１１３のＣＣ−ＯＮ端子に接続されている。

オペアンプ１５７の＋端子にはツェナー・ダイオード１５９のカソードが接続され、ツェナー・ダイオード１５９のアノードは電池セル１０３の正端子に接続されている。ツェナー・ダイオード１５９は、オペアンプ１５７に対して基準電圧Ｖｚを与える。オペアンプ１５７の−端子は、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５５のドレインに接続されている。オペアンプ１６１の出力端子は抵抗１６１の一端に接続され、抵抗１６１の他端はＭＯＳ−ＦＥＴ１５５のゲートに接続されている。

図２のトランジスタ１１５で構成した定電流回路と同様に、図４のＭＯＳ−ＦＥＴ１５５で構成した定電流回路１５２も電池セル１０３〜１０５の表面温度が低温度域にあるときにだけ動作させる。ＭＰＵ１１３が、ＦＥＴ１５１をオンにすると、ＦＥＴ１５３がオンになり、定電流回路１５２の動作が開始する。電流センス抵抗Ｒｓの抵抗値をＲｓとし、ＭＯＳ−ＦＥＴ１５５に流れる充電電流をＩとしたとき、ＩＲｓ＝Ｖｚとなるようにセンス抵抗Ｒｓの抵抗値とツェナー・ダイオード１５９の降伏電圧の値を選択すれば、充電電流がこれに応じた一定の値になるようにＭＯＳ−ＦＥＴ１５５のゲート電圧が制御される。なお、ＭＯＳ型のＦＥＴに代えて接合型のＦＥＴを使用することもできる。ＭＯＳ−ＦＥＴ１５５もスイッチング動作ではなく連続的な定電流動作をさせると発熱するが、発熱の利用形態は図２の定電流回路１１１と同じである。

これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることは言うまでもないことである。

電池セルの温度により充電電流を変更する必要がある電池パックに適用でき、特に単一の設定電流で動作する充電器を搭載した出荷済みの機器に使用する電池パックに適用できる。

本実施形態にかかる電池パックと電池パックを搭載するノートＰＣで構成される充電システムの概要を示すブロック図である。 本実施の形態にかかる電池パックのブロック図である。 電池パックを充電する手順を示すフローチャートである。 本実施の形態にかかる電池パックの他のブロック図である。 電池セルの表面温度と充電電圧および充電電流の最大値を説明する図である。 直流電流の波形を説明する図である。

符号の説明

１０６…電池セット
１１１、１５２…定電流回路
１３１…電源ライン
１３３…通信ライン
１３５…グランド・ライン

Claims (15)

1. 直流電源から充電電流の供給を受けて充電することが可能な電池パックであって、
   リチウム・イオン電池と、
   前記リチウム・イオン電池に関連する温度を測定する温度素子と、
   前記充電電流から定電流を生成するために連続的に制御する半導体素子で構成された第１の充電回路と、
   前記リチウム・イオン電池に関連する温度が低温度域に入っていると判断したときは前記第１の充電回路が前記充電電流よりも小さい値の定電流で前記リチウム・イオン電池を充電し、前記リチウム・イオン電池に関連する温度が前記低温度域よりも高い温度範囲である標準温度域に入っている判断したときは前記直流電源が前記リチウム・イオン電池を充電するように前記電池パックの動作を制御する制御部と
   を有する電池パック。
2. 前記第１の充電回路がバイポーラ・トランジスタで構成されている請求項１に記載の電池パック。
3. 前記第１の充電回路が電界効果トランジスタで構成されている請求項１に記載の電池パック。
4. さらに前記充電電流からスイッチング電流を生成する第２の充電回路を有し、前記制御部は、前記リチウム・イオン電池に関連する温度が前記標準温度域よりも高い温度範囲である高温度域に入っていると判断したときは前記第２の充電回路が前記充電電流よりも小さい値のスイッチング電流で前記リチウム・イオン電池を充電するように前記電池パックの動作を制御する請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電池パック。
5. 前記スイッチング電流のピーク値が前記充電電流の値に等しい請求項４に記載の電池パック。
6. 前記第２の充電回路が前記リチウム・イオン電池に対する過電圧充電を防止するために設けられた充電保護スイッチで構成されている請求項４または請求項５に記載の電池パック。
7. 単一の設定電流で動作する定電流定電圧制御方式の充電器を搭載した機器に接続が可能な電池パックであって、
   リチウム・イオン電池と、
   前記リチウム・イオン電池に関連する温度を測定する温度素子と、
   前記充電器が供給する充電電流から定電流を生成するために連続的に制御する半導体素子と、
   前記リチウム・イオン電池に関連する温度が低温度域に入っていると判断したときは前記半導体素子が前記充電電流よりも小さい値の定電流で前記リチウム・イオン電池を充電し、前記リチウム・イオン電池に関連する温度が前記低温度域よりも高い温度範囲である標準温度域に入っていると判断したときは前記充電器が前記リチウム・イオン電池を充電するように前記電池パックの動作を制御する制御部と
   を有する電池パック。
8. 前記充電器が供給する充電電流からスイッチング電流を生成するスイッチを有し、
   前記制御部は、前記リチウム・イオン電池に関連する温度が前記標準温度域よりも高い温度範囲である高温度域に入っていると判断したときは前記スイッチが前記充電電流よりも小さい値のスイッチング電流で前記リチウム・イオン電池を充電するように前記電池パックの動作を制御する請求項７に記載の電池パック。
9. 前記制御部は、前記半導体素子または前記スイッチで前記リチウム・イオン電池を充電している間に前記リチウム・イオン電池に関連する温度が前記標準温度域に入ったと判断したときは、前記半導体素子または前記スイッチの動作を停止して前記充電器で前記リチウム・イオン電池を充電するように前記電池パックの動作を制御する請求項８に記載の電池パック。
10. 前記制御部は、前記半導体素子または前記スイッチで前記リチウム・イオン電池を充電している間に前記リチウム・イオン電池の充電が定電圧制御に切り替える状態に到達したと判断したときは、前記半導体素子または前記スイッチの動作を停止して前記充電器による定電圧制御で前記リチウム・イオン電池を充電するように前記電池パックの動作を制御する請求項８または請求項９に記載の電池パック。
11. 前記制御部は、前記半導体素子または前記スイッチで充電している間に前記リチウム・イオン電池の電圧が前記低温度域で許容される最大充電電圧または前記高温度域で許容される最大充電電圧に到達したと判断したときは、前記リチウム・イオン電池に対する充電を停止するように前記電池パックの動作を制御する請求項８〜請求項１０のいずれかに記載の電池パック。
12. 前記制御部は、前記充電器で定電流制御により前記リチウム・イオン電池を充電している間に前記リチウム・イオン電池に関連する温度が前記高温度域に到達したと判断したときは、前記スイッチで前記リチウム・イオン電池を充電するように前記電池パックの動作を制御する請求項８〜請求項１１のいずれかに記載の電池パック。
13. 単一の設定電流で動作する定電圧定電流制御方式の充電器と、
    前記充電器が出力する充電電流で充電が可能な電池パックと、
    前記電池パックから電力の供給を受けて動作する装置とを有し、
    前記電池パックが請求項７〜請求項１２のいずれかに記載された電池パックである機器。
14. リチウム・イオン電池と、定電流定電圧制御方式の充電器が供給する充電電流から定電流を生成するために連続的に制御する半導体素子で構成された定電流回路と、前記充電電流が流れる充電回路に接続されたスイッチとを搭載する電池パックの充電方法であって、
    前記充電器が前記電池パックに充電電流を供給するステップと、
    前記リチウム・イオン電池に関連する温度が低温度域または該低温度域よりも高い温度範囲である標準温度域のいずれに入っているかを判断するステップと、
    前記リチウム・イオン電池に関連する温度が前記低温度域に入っていると判断したきに、前記定電流回路が前記充電電流から生成した前記充電電流よりも小さい値の定電流で前記リチウム・イオン電池を充電するステップと、
    前記リチウム・イオン電池に関連する温度が前記標準温度域に入っていると判断したときに、前記充電器で前記リチウム・イオン電池を充電するステップと
    を有する充電方法。
15. さらに前記リチウム・イオン電池に関連する温度が前記標準温度域よりも高い温度範囲である高温度域に入っているか否かを判断するステップと、
    前記リチウム・イオン電池に関連する温度が前記高温度域に入っていると判断したときに、前記スイッチが前記充電電流から生成した前記充電電流よりも小さい値のスイッチング電流で前記リチウム・イオン電池を充電するステップを有する請求項１４に記載の充電方法。

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