JPH04125035A - 充電式電池装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は急速充電可能な充電式電池装置に関し、特に、
内部に充電制御機能を有する充電式電池装置に関する。

［従来の技術］ ポータプル機器の発達に伴い、ラジオ、ラジオ付きカセ
ットテープレコーダ、ポータプルＶＴＲ。

ポータプルコンピュータ等の電子機器、携帯電話等の通
信機器、ポータプル電動工具等の動力機器等の電源に、
−次電池、および二次電池が広く使われるようになって
いる。特に、近年、二次電池の使用が著しく増加してい
る。

特に、ポータプル機器においては急速充電できる軽量、
小型、高容量の充電式電池装置の需要が大きくなってい
るが、ポータプル機器に使用する脱着可能な充電式電池
装置では、専用充電装置以外の充電装置で充電される可
能性もあり、電池装置が高容量化するに伴って、適正な
充電条件を越えて過充電がなされた場合、安全上重大な
トラブルに至らないように、充電式電池装置内部に過充
電に対する保護機能を付加していた。しかしながら、こ
の様な安全装置が働いた場合には、通常、適正な充電条
件を越えて過剰に充電が進行しており、安全上重大なト
ラブルは回避されたとしても、電池装置の性能が劣化す
るばかりではなく、その後の使用が不可能になることが
あった。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般に電池においては、適正な充電条件を越えて過充電
を行うと電解液の分解に伴ってガスが発生する。開放型
または排出型の電池においては、発生したガスを逃がす
ことができるが、その結果電極は多少損傷を受ける。

一方、密閉型の電池では、ガス圧が内部で高まり、爆発
事故を起こす。なお、密閉型電池においては過充電に対
しては、安全弁を設けることによりガス圧の上昇に配慮
しているものがあるが、これらの安全弁を設けた電池に
あってはガス抜きを確実に行えない場合も生じ、信頼性
の面で問題がある。しかも、安全弁の作動により腐食性
の高いガスが放出されるため、電池が組み込まれた機器
を腐食させるという欠点がある。また、さらに酷い場合
には、電池の内部で短絡を引き起こし、電池が破裂に至
る場合があった。それ故、電池が正常な充電条件を越え
て、充電を継続されるのを防止する装置が必要である。

一般に市販されている二次電池では、サーモスタットも
しくは温度フェーズ等を電池に直列に接続し、適切な充
電条件を越えて過充電されたときの該電池の発熱を検知
し、充電回路を遮断することにより以上のような問題を
解決しようとしている。

しかしながら、サーモスタットもしくは温度フユーズの
ように過充電の際の発熱を検知し、充電回路を遮断する
ような装置では、該電池は既に適正な充電条件を越えて
過充電が進行しており、性能の劣化のみならず、該電池
は漏液、破裂等の異常状態を発生するおそれがあった。

本発明の目的は以上のような問題を解消し、充電式電池
装置が専用充電装置以外の充電装置等で充電されたよう
な誤使用時においても、当該充電式電池装置の内部の二
次電池の充電を当該充電式電池装置自体で適正に制御し
、内部の二次電池を過充電から保護し、内部の二次電池
を過充電によって安全でない状態に至らしめることがな
く、繰り返し使用が可能で、急速充電可能な充電式電池
装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため本発明は、外部の充電装置に
よって充電可能な二次電池と、内部に寄生ダイオードを
有し、前記二次電池の放充電回路に直列に挿入したスイ
ッチ手段と、前記二次電池の端子間電圧を検知する電圧
検知手段と、該電圧検知手段の検知結果に基づいて、前
記外部の充電装置による充電開始時の前記二次電池の端
子間電圧が第１のオフ電圧よりも低いときは、前記スイ
ッチ手段をオンして前記外部の充電装置の制御に基づい
て前記二次電池を充電し、前記二次電池の端子間電圧が
前記第１のオフ電圧に到達した後は、前記スイッチ手段
を繰返しオン・オフして前記外部の充電装置からの充電
電流を断続することによって前記二次電池をパルス充電
し、当該パルス充電のオフ時の前記二次電池の端子間電
圧が前記第１のオフ電圧より高い第２のオフ電圧を越え
たときに当該パルス充電を終了する充電制御手段とを有
することを特徴とする。

すなわち、本発明は、二次電池の充放電回路に直列に挿
入したスイッチ手段のオン・オフで外部の充電装置から
の充電電流のオン・オフを制御し、充電量の検知として
は、充電電流のオフ時の二次電池の端子間電圧を検知す
ることが好ましいが、充電量の粗い検知には、充電電流
のオン時の二次電池の端子間電圧を検知することでも差
し支えなく、そこで、まず外部の充電装置の制御に基づ
いて二次電池を充電し、充電中の二次電池の端子間電圧
を測定することによってパルス充電に移行するタイミン
グを判定し、パルス充電を終了するタイミングは、充電
電流のオフ時の二次電池の端子間電圧の測定結果に基づ
いて判定することによって、適正な充電量の制御を可能
とした。特に、本発明は脱着式の充電式電池装置であっ
て、充電制御手段を内蔵した小型の充電式電池装置を可
能にした。

本発明においては、充電電流の制御パターンとしては、
外部の充電装置による充電開始時の二次電池の端子間電
圧が第１のオフ電圧（Ｖ−ｃｒ）よりも小さい場合には
、充放電回路に直列に挿入したスイッチ手段をオンし、
外部の充電装置の制御に基づく充電を行い、二次電池の
端子間電圧が第１のオフ電圧（Ｖ−ｆｒ）に到達した後
は、スイッチ手段を繰返しオン・オフ制御して充電電流
を断続することによってパルス充電を行い、パルス充電
のオフ時の二次電池の端子間電圧が第２のオフ電圧（ｖ
Ｐｃ、ｔｔ）以上になると、パルス充電を終了する。

さらに本発明においては、二次電池の端子間電圧がパル
ス充電開始のための第２のオン電圧（ｖｉｅ、。）以下
になるとパルス充電を再開するという機能を付加しても
差し支えない。この場合、パルス充電のオフ時の二次電
池の端子間電圧が第２のオフ電圧（■Ｐｃｏｆｆ）以上
になると再びパルス充電を中断する。さらに、本発明に
おいてはパルス充電の中断および再開をｎ回繰り返した
ら、パルス充電を停止するという機能を付加しても良い
。スイッチ手段のオン時間（１，、、）は１μｓｅｃ以
上　かつ１　ｓｅｃ以下に固定することが望ましいが、
パルス電流中断時間、すなわちオフ時間（ｔｏｒｅ）は
必ずしも固定する必要性はない、パルス電流中断中の二
次電池の端子間電圧の測定およびスイッチ手段のスイッ
チングができれば良いが、パルス電流中断時間（ｔ−ｒ
ｅ）は、通常、１μｓｅｃ以上必要である。さらに、デ
ユーティ比（Ｑ＝ｔ、、／（ｔ、ゎ＋ｔ、ｔｒ））は０
＜Ｑ＜１であり、充電時間を短縮するためには、できる
限り、１に近い値に設定するのが好ましいが、二次電池
の特性に応じて適切な範囲がある。しかしながら、デユ
ーティ比（Ｑ）は必ずしも、一定に保つ必要はなく、デ
ユーティ比（Ｑ）を最適値に一定に保つ場合よりは充電
時間の短縮の効果は劣るが、デユーティ比（Ｑ）を一定
に保たなくとも、充分に効率の良い充電の制御が可能で
ある。

外部の充電装置で制御された二次電池の充電に引き続い
て、外部の充電装置からの充電電流の断続におけるデユ
ーティ比（Ｑ）が変化する充電制御を二次電池に行う場
合には、パルス発生回路は不要であり、簡便に充電量の
制御が可能であり、特に、充電式電池装置の内部に充電
制御手段を実装する場合には小型化ができ有利である。

すなわち、外部の充電装置による充電開始時の二次電池
の端子間電圧が第１のオフ電圧（■。１．）よりも低い
場合には、充放電回路に直列に挿入したスイッチ手段を
オンして外部の充電装置で制御された放電を二次電池に
行い、二次電池の端子間電圧が第１のオフ電圧（ｖ、ｒ
ｔ）以上になると、充電制御手段によって、スイッチ手
段のオン・オフを制御し、外部の充電装置からある一定
のオン時間（１，。）以上充電電流を流した後に充電電
流を遮断し、再び、第１のオフ電圧（■。ｆｆ）よりも
低い第１のオン電圧（Ｖ、、）以下になると、充電電流
を流し、二次電池の端子間電圧が第１のオフ電圧（Ｖｏ
ｗｔ）以上になると、一定のオン時間（１，、）以上充
電電流を流した後に充電電流を遮断することを繰り返し
継続することによって、オフ時間（ｔ、ｆ、）が充電量
に応じて変化するパルス充電を実現でき、適正な充電量
の制御が可能である。この場合、二次電池の充電が充分
ではなく、充電電流が遮断されると二次電池の充電過電
圧による二次電池の端子間電圧の低下によって、直ちに
二次電池の端子間電圧が第１のオン電圧（■。＋１）以
下になり、適正な充電量まで放電が急速に進行するよう
に、第１のオフ電圧とオン電圧の差（Ｖ、ｔｅ−Ｖ。、
ｌ）は、０．１Ｖ以下であることが好ましく、充電電流
が遮断され二次電池の充電過電圧による二次電池の端子
間電圧が低下しても、直ちに二次電池の端子間電圧が第
１のオン電圧（■。０）以下にならないような充電状態
まで充電が進行すると、オフ時間（ｔａｒｔ）はパルス
充電開始時の値に比べ急激に大きくなり、充電が停止さ
れる。

特に、本発明による充電装置は、電極材料として、充電
の進行に伴って、電極の電位が単調に変化するカルコゲ
ナイド、炭素質材料等の素材を使用する二次電池を内蔵
する場合には、該電池の充電量を過不足なく一定にでき
る。すなわち、正極または負極のいずれか一方、もしく
は正極および負極の両方に陽イオンを分子構造の隙間に
インターカレーションすることのできる素材を使用した
非水系の二次電池は、電極の表面の化学反応によって放
充電が行われる多くの水系の電池とは異なり、電極の電
位の温度変化が小さく、充電量に応じて電極の電位が単
調に変化するので電池の端子間開放電圧を測定すること
によって精度良く電池の充電量を検知することができ、
オン時間に比べて非常に短いオフ時間の間に電池の端子
間開放電圧を検知することによって充電末期の充電量を
制御する本発明にかかる二次電池として有用である。

さらに、特開昭５５−１３６１３号公報、特開昭６２−
９０８６３号公報、特開昭６３−２９９０５６号公報等
で開示されている非水系の二次電池、すなわち、Ａ、Ｍ
、Ｎ、Ｏ，（Ａはアルカリ金属の少なくとも１種類を表
し、Ｎは非遷移金属の少くとも一種を表わし、ｘ、　ｙ
、　ｚは各々０．０５≦Ｘ≦１．１０．０．８５≦ｙ≦
１．００．　Ｏ≦２≦０．ｌＯの数である。）で表され
る正極活物質を使用し、負極活物質として炭素質材料を
使用した繰り返し充放電可能な非水系の二次電池は、本
発明にかかる二次電池として、特に有用である。

なお該正極主活物質として用いる一般式Ａ、Ｍ、Ｎ、Ｏ
，で示される複合酸化物において、Ｍは遷移金属の少（
とも一種を表わし、Ｎは非遷移金属の少くとも一種を表
わす０Ｍは特に限定されるものではないがその一例を示
せば、Ｃｏ、　Ｎｉ、　Ｆｅ、　Ｍｎ、　Ｖ。

Ｍｏ等が挙げられ、同じ（Ｎも特に限定されるものでは
けないがＡＩ２．Ｉｎ、Ｓｎ等が挙げられる。

なお、本発明でいうスイッチ手段としては、電力損失が
小さく、かつ、通常の使用状態での消費電力を小さくす
るために電圧駆動型のスイッチであることが好ましい、
この条件を満足するデバイスとして、電界効果型のトラ
ンジスター（ＦＥＴ）が好ましい条件を備えているが、
その中でも、デバイスの内部に寄生ダイオードを有する
ＭＯＳ　ＦＥＴを使用すると回路を著しく簡略化、およ
び、小型化できることを見出した。すなわち、該ＭＯＳ
　ＦＥＴの内部の寄生ダイオードを二次電池の放電回路
の一部として使用することで、充電式電池装置内の放電
回路を省略でき、しかも、従来の充電式電池装置と同じ
ように２端子の部品として使用でき、該電池装置内の充
電制御装置のコントロールのための第３端子等は必ずし
も必要としない。

そこで、スイッチ手段として使用するＭＯＳ　ＦＥＴを
検討した結果、ＭＯＳ　ＦＥＴとしては、ドレイン・ソ
ース間オン抵抗（Ｒｏｓ＋。、））が小さいものほど好
ましく、ドレイン・ソース間オン抵抗（Ｒｏ、。。、）
は二次電池の内部抵抗と同程度、もしくは、それよりも
小さいことが必要であることがわかった。

もちろん、ＭＯＳ　ＦＥＴは並列に使用しても差し支え
なく、この場合は、ＭＯＳ　ＦＥＴのドレイン・ソース
間オン抵抗（Ｒｏｔ　ｆａｎｌ　）の合成抵抗値が二次
電池の内部抵抗と同程度、もしくは、それよりも小さい
ことが必要である。ＭＯＳ　ＦＥＴのドレイン・ソース
間オン抵抗（Ｒｏ、。。Ｉ）が二次電池の内部抵抗に比
べて大きい場合は、ＭＯＳ　ＦＥＴによる電力損失が大
きくなるばかりではな（、その結果、充電式電池装置内
の温度分布が著しく太き（なり好ましくない。

なお、スイッチ手段としては、内部に寄生ダイオードを
有するデバイスは、内部に寄生ダイオードを有するＭＯ
Ｓ　ＦＥＴと同じように寄生ダイオードを放電回路の一
部として使用することによってＭＯＳ　ＦＥＴと同様に
充電式電池装置内の回路を簡略できる。

ところで、充電制御手段として使用する電子回路は、バ
イポーラＩＣ，ＭＯＳ　ＩＣ，ＣＭＯＳ　ＩＣ，Ｂｉ−
ＭＯＳ　ＩＣ１および、ハイブリッドＩＣ等で構成する
ことができるが、消費電流が小さいほうが好ましく、少
なくとも、二次電池の自己放電電流よりも小さいことが
望ましい。特に、脱着可能な充電式電池装置としては、
充電した状態で二次電池を保存した場合、使用しないで
放置していただけで、充電式電池装置の残存容量が著し
く短期間になくなってしまうのでは使用に堪え難い。

〔作　用〕

本発明によれば、非常に簡単な構成で、専用充電装置以
外の充電装置で充電された場合でも、正常な充電条件で
充電が可能で、繰り返し使用可能な充電式電池装置を提
供することができる。

〔実施例〕

以下、本発明にかかる充電式電池装置の実施例を図面に
より説明する。

第１図に本発明のブロック図を示す。第１図に示すよう
に、充電式電池装置１は、二次電池２、電圧検知部３、
充電制御部４、およびスイッチ手段５から構成される。

第１図に示すように、負荷または充電器６は、充電式電
池装置１に接続される。なお、電池２は単電池もしくは
、直列または並列に接続された組電池からなる。電圧検
知部３および充電制御部４は、コンパレータ、基準電圧
回路、パルス発信回路等から構成することが可能である
。

つづいて、該充電式電池装置内部にパルス発信回路を有
しない場合につき、具体的に図面を用いて説明する。こ
の場合には外部の充電装置により制御される充電に引き
続き、当該外部の充電装置からの充電電流を断続させて
デユーティ比（Ｑ＝ｔ０１１／（ｔ、、＋　ｔｏｆｅ）
）を二次電池の充電量に応じて変化させる。第２図に、
オン時間（ｔａｎ）が一定で、オフ時間（ｔ−ｔｒ）が
充電量に応じて変化するパルス充電を実現できる回路の
１例を示す。第２図に示す充電式電池装置１は、基準電
圧回路７で設定された基準電圧と二次電池２の端子間電
圧とを比較するコンパレータ８でシュミット回路を構成
して、第１のオフ電圧（■。１．）と第１のオン電圧（
Ｖ、、）を設定する。すなわち、コンパレータ８のヒス
テリシスは抵抗器９の値で設定できるが、コンパレータ
８のヒステリシスの幅（■。ｔｔ　　Ｖ。、、）は、０
．１ｖ以下程度に設定することが望ましい。すなわち、
充電が充分に進行しておらず、充電電流が遮断されると
充電過電圧（η＝γ、、ＩＰｃγＩｏ；二次電池２の内
部抵抗　１ｐｃ；パルス充電電流）によって、二次電池
２の端子間電圧が低下して直ちに第１のオン電圧（ｖｏ
。）を下回る場合には、オフ時間（ｔａｒｔ）はパルス
充電開始時の値とほとんど同じ値をとり、デユーティ比
（Ｑ）を固定したパルス充電に近い充電が実現でき、平
均充電電流はほとんど一定である。充電電流が遮断され
ると、充電過電圧（η＝γＩゎ・■ｐｃ、γ、ｏ；二次
電池２の内部抵抗、ＩＰｃ；パルス充電電流）による二
次電池２の端子間電圧が低下しても、直ちに第１のオン
電圧（■。。）を下回らないような状態まで充電が進行
すると、オフ時間（ｔｏｒｒ）はパルス充電開始時の値
に比べ急激に太き（なり、平均充電電流が急激に小さく
なり、充電が終了する。

つぎに、オン時間（ｔ、ｎ）をコンデンサｌＯ１抵抗器
１１、コンパレータ１２および抵抗器１３等を用いて設
定している。すなわち、二次電池２の端子間電圧が第１
のオフ電圧（■。２．）よりも低い場合には、コンパレ
ータ８はオン状態であり、コンデンサ１０を充電する。

同時に、抵抗器１１を介した放電がおこるが、コンデン
サ１０の充電電流に比べて、コンデンサ１０の抵抗器１
１を介する放電電流を充分に小さく設定し、基準電圧に
応じてコンデンサｌＯの容量とコンパレータ１２のヒス
テリシスの大きさを抵抗器１３で設定し、所望のオン時
間（１，０）に調節する。

つぎに、二次電池２として特開昭６２−９０８６３号に
記載の二次電池を使用した場合について具体的に説明す
る。以下、二次電池２を２個直列に組み合わせた場合に
ついて詳述する。

二次電池２の標準的な動作電圧範囲は、１セルあたり２
．７５Ｖ〜４．２■であり、該電池２を２個直列に組み
合わせた場合は、５．５ｖ〜８．４ｖになる。本実施例
ではビデオムービーの電源用として２．０Ａｈの容量を
有する充電式電池装置を試作した。試作した充電式電池
装置は９０ｍｍＸ　４６ｍｍＸ　２６ｍｍの大きさを有
し、０．１５Ω〜０．３０Ωの内部抵抗を持つ。なお、
二次電池２の単セルの内部抵抗は、０．０２Ω〜０．０
８Ωであり、２５℃での自己放電電流は２００μＡ程度
である。ところで、二次電池２の標準充電条件は、１セ
ルの場合電流を２Ａ以下に制限した４、２ｖ定電圧充電
である。したがって、二次電池２を２個直列に組み合わ
せた場合の標準充電条件は電流を２Ａ以下に制限した８
、４■定電圧充電となる。すなわち、二次電池２を２個
直列に接続した組電池と、同様の組電池を有する本実施
例にかかる充電式電池装置とに対して、２．ＯＡの定電
流放電を行った場合で比較をおこなえば、二次電池２を
２個直列に接続した組電池では、端子間の電圧が９．６
■を越えたあたりから異常発熱を始め、ついには破裂に
至る。ところが、第１のオン電圧（Ｖ、わ）を８、４４
５Ｖ、第１（７）オフ電圧（Ｖ、、、Ｊを８．４００Ｖ
、オン時間（ｔａｎ）を約１００ｍ５ｅｃ、パルス充電
移行直後のオフ時間（ｔ、ｒｔ）を約４　ｍ５ｅｃに設
定した本実施例にかかる充電式電池装置ｌでは内部の二
次電池２は適正な充電が約１．５時間で終了した。また
、２Ａ以下に充電電流を制限し、８．４■の定電圧充電
を行った場合には二次電池２を２個直列に接続した組電
池では充電時間が３時間要していたのに比べ、本実施例
にかかる充電式電池装置では著しい充電時間の短縮の効
果も現れた。充電時間短縮の効果は充電電流が大きくな
ると特に著しく、５Ａ程度までは充電電流を上げても特
に問題はない。しかしながら、充電電流が無制限に太き
（なるのは安全上好ましくなく、電流を４Ａ程度以下に
制限するために電流プレイカー等を充放電回路に挿入し
ておいたほうがよい。

ところで、スイッチ手段として、内部寄生ダイオード５
１Ａを有するＭＯＳ　ＦＥＴ５１を用いれば、二次電池
２の充電が完全に終了し、ＭＯＳ　ＦＥＴ５１が遮断状
態になっている場合でも、寄生ダイオード５１Ａを介し
た放電によって二次電池２の両端電圧が第１のオン電圧
（Ｖ、、ｌ）もしくはパルス充電のための第２のオン電
圧（ｙｐｃｏｎ）以下なると、充電制御手段の出力電圧
がオフ状態からオン状態になり、ＭＯＳ　ＦＥＴ５１が
遮断状態から導通状態になり、通常の（低損失の）放電
が行われる。例えば、スイッチ手段として、２３に１２
８６（ＮＥＣ）、２３に１１３６（三菱）、２３に１１
３７（三菱）、２３に１１１４（東芝）等のＭＯＳ　Ｆ
ＥＴを使用すれば、ＭＯＳ　ＦＥＴのドレイン・ソース
間オン抵抗（Ｒｏｔ　ｆｏｎｔ　）は、　０．０４Ω〜
０．１２Ωにすることができる。もちろん、より定格の
大きなＭＯＳ　ＦＥＴを使用すれば、さらに、ＭＯＳ　
ＦＥＴのドレイン・ソース間オン抵抗（Ｒｏ（。□））
を小さくすることが可能である。

ところで、電圧検知部３および充電制御部４はＣＭＯ３
１，Ｃ，等で構成すれば、これらの平均消費電流を、１
００μ八以下に抑えるのは容易である。

このような構成にすれば、９■程度の最大出力電圧を有
する充電器であればどのような充電器であっても適正な
充電ができ、動作電圧域（５，５Ｖ〜８．４Ｖ）では、
単に、二次電池２を２個直列に接続した場合と全く同じ
ように放電することが可能であり、スイッチ手段として
のＭＯＳ　ＦＥＴにおける電力損失は、充電式電池装置
の電力容量の３％以下程度に抑えることができる。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば、専用充電器を使用
しなくとも、正常な充電がなされ、二次電池が危険な状
態まで過充電されるを未然に防止できる、安全で、しか
も通常の二次電池と全く同じように使用できる充電式電
池装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による充電態様を示す図、第２図は本発
明の実施例の回路の１例を示す図である。 ２・・・二次電池、 ３・・・電圧検知部、 ４・・・充電制御部、 ５・・・スイッチ手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）外部の充電装置によって充電可能な二次電池と、内
   部に寄生ダイオードを有し、前記二次電池の放充電回路
   に直列に挿入したスイッチ手段と、前記二次電池の端子
   間電圧を検知する電圧検知手段と、該電圧検知手段の検
   知結果に基づいて、前記外部の充電装置による充電開始
   時の前記二次電池の端子間電圧が第１のオフ電圧よりも
   低いときは、前記スイッチ手段をオンして前記外部の充
   電装置の制御に基づいて前記二次電池を充電し、前記二
   次電池の端子間電圧が前記第１のオフ電圧に到達した後
   は、前記スイッチ手段を繰返しオン・オフして前記外部
   の充電装置からの充電電流を断続することによって前記
   二次電池をパルス充電し、当該パルス充電のオフ時の前
   記二次電池の端子間電圧が前記第１のオフ電圧より高い
   第２のオフ電圧を越えたときに当該パルス充電を終了す
   る充電制御手段とを有することを特徴とする充電式電池
   装置。