JP2000195559A

JP2000195559A - 電池パック

Info

Publication number: JP2000195559A
Application number: JP10374098A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Ikuma; 克己生熊
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2000-07-14

Abstract

(57)【要約】【課題】充電式電池の適正な充電完了を指示して、過
充電を防止できる電池パックを提供する。【解決手段】充電式電池２３の残容量を含む電池情報
を記憶し該記憶情報に基づいて該充電式電池の充放電を
制御する充放電制御手段１００としてのＣＰＵ２９を備
えた電池パック１８において、上記充電式電池を外部の
充電装置に接続する充電経路に充電電流の供給, 停止を
行なう充電用スイッチング素子２６を設け、上記ＣＰＵ
２９により上記記憶した充電式電池の残容量に基づいて
上記充電用スイッチング素子２６を制御することにより
充電量，充電時間等の充電管理を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば電動自転車，電
動車椅子，電動スクータ等にエネルギー源として使用さ
れるＮｉ−Ｃｄ，Ｎｉ−ＭＨ，リチウムイオン等の充電
式電池を備えた電池パックに関し、詳細には上記充電式
電池の残容量を含む電池情報を記憶し、該記憶情報に基
づいて上記充電式電池の充電を制御する充電制御手段を
備えた電池パックに関する。

【０００２】

【従来の技術】充電式電池は充電装置で充電を繰り返し
て使用されるものであるが、従来の充電装置は、充電式
電池のエネルギー状態を監視して充電完了を判断してい
るわけではなく、充電式電池をある条件で充電し続け、
その時の該電池の物理状態（電圧, 電流, 温度等の変
化, 時間経過等）から該電池が満充電に至ったと推定す
るのが一般的である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の電池
の物理状態を検出する方法では、電池に対し、過充電を
毎回の充電終了直前に生じる場合がある。このような過
充電は、電池内部に不要な温度上昇, 及びそれに伴なう
内部構成材への熱ストレスによる材料劣化, 電解液蒸発
を引き起こす。こうしたことが充電式電池の充放電サイ
クルによる電池性能劣化の要因ともなり、電池寿命低下
の一因となっている。

【０００４】また従来は、充電しようとする電池に対応
した充電装置を準備する必要があり、例えば異なる仕様
の充電式電池に１つの充電装置を共用することはできな
い等、使用可能の充電装置が制約されるといった問題も
ある。

【０００５】本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされ
たもので、充電式電池の適正な充電完了を指示して過充
電を防止でき、また使用可能の充電装置の制約を低減で
きる電池パックを提供することを課題としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】図７に示すように、本発
明は、充電式電池２３の残容量を含む電池情報を記憶
し、該記憶情報に基づいて該充電式電池２３の充電を制
御する充電制御手段１００を備えた電池パック１８にお
いて、上記充電式電池を外部の充電装置に接続する充電
経路に、該充電装置からの充電電流の供給, 停止を行な
う充電用スイッチング素子２６を設け、上記充電制御手
段１００を、上記記憶された電池情報のうち少なくとも
残容量に基づいて上記スイッチング素子２６を制御する
ことにより充電量，充電時間等の充電管理を行なうよう
構成したことを特徴としている。

【０００７】

【発明の作用効果】本発明に係る電池パック１８によれ
ば、充電式電池の充電経路に、該電池への充電電流の供
給, 停止を行なう充電用スイッチング素子２６を設けた
ので、充電電流の供給, 停止を電池パック側で行なうこ
とができ、充電装置の容量等にあまり左右されることな
く充電することが可能となり、使用可能の充電装置の制
約を低減できる。

【０００８】また、充電式電池２３の記憶されている電
池情報のうち少なくとも残容量に基づいてスイッチング
素子２６を制御することにより充電量，充電時間等を管
理するようにしたので、充電式電池の残容量，換言すれ
ば放電容量に見合った容量だげ充電することができ、電
池温度等の物理状態で充電管理を行なった場合のような
過充電を回避でき、電池に無理が掛からず、電池寿命を
延長できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面に基づいて説明する。図１ないし図６は、本発明の一
実施形態による電池パックを説明するための図であり、
図１は上記電池パックが着脱自在に搭載された電動補助
自転車の側面図、図２は主に上記電池パックの構成を説
明するための図、図３は上記電池パックの構成を説明す
るための図、図４は上記電池パック内のシャント抵抗挿
入部を示す図、図５は上記電池パックにおける時間経過
に伴なう放電電圧, 電池残容量,放電容量の変化を示す
特性図、図６はＣＰＵの機能説明図である。

【００１０】図において、１は非車載の充電装置１７に
より充電される電池パック１８が着脱自在に搭載された
電動補助自転車であり、該電動補助自転車１の車体フレ
ーム２はヘッドパイプ３と、該ヘッドパイプ３から車体
後方斜め下方に延びるダウンチューブ４と、該ダウンチ
ューブ４の後端から上方に略起立して延びるシートチュ
ーブ５と、上記ダウンチューブ４の後端から後方に略水
平に延びる左, 右一対のチェーンステー６と、該両チェ
ーンステー６の後端部と上記シートチューブ５の上端部
とを結合する左, 右一対のシートステー７と、上記ヘッ
ドパイプ３とシートチューブ５とを接続するトップチュ
ーブ１１とを備えている。

【００１１】上記ヘッドパイプ３にはフロントフォーク
８が左右に回動可能に枢支されている。該フロントフォ
ーク８の下端には前輪９が軸支されており、上端には操
向ハンドル１０が固着されている。また上記シートチュ
ーブ５の上端にはサドル１２が装着されている。さらに
上記チェーンステー６の後端には後輪１３が軸支されて
いる。なお、図示していないが、上記操向ハンドル１０
の中央には速度メータ等を備えた計器パネル（不図示）
が設けられている。

【００１２】上記車体フレーム２の下端部には、クラン
ク軸１６の両端突出部に取り付けられたクランクアーム
１６ａを介してペダル１６ｂに入力されたペダル踏力
（人力）と、内蔵する電動モータ（不図示）からの人力
の大きさに比例した補助動力との合力を出力するパワー
ユニット１５が搭載されている。すなわちペダル踏力の
大きさがモータ駆動指令となる。このパワーユニット１
５からの出力はチェーン５０を介して上記後輪１３に伝
達される。

【００１３】なお、本実施形態自転車１は外部からモー
タ駆動指令を入力するための自走レバー１４をも備えて
おり、該自走レバー１４を操作することにより、ペダル
１６ｂに入力することなく電動モータからの動力のみで
走行することも可能となっている。

【００１４】また上記電動モータ等の電源となる電池パ
ック１８は上記シートチューブ５の後面に沿うように、
かつ左，右のシートステー７，７に挟まれるように車体
に対して着脱自在に搭載されている。そして上記電池パ
ック１８に設けられた充電口１８ａに上記充電装置１７
の充電プラグ１９が差し込み自在となっており、該充電
口１８ａ内に配設されたコネクタ２２ａ，２２ｂに上記
充電プラグ１９内のコネクタ２１ａ, ２１ｂが接続され
る。なお、２０はコンセント（図示せず）に接続される
プラグである。

【００１５】また、上記電池パック１８内には、複数の
単電池（セル電池）２３ａ〜２３ｇを直列に接続してな
る充電式電池２３が収納されており、該充電式電池２３
にはセル電池の温度を検出するサーミスタ２４と、電池
温度が異常上昇したときには充電停止を行なう温度ヒュ
ーズ２５とが装着されている。

【００１６】そして上記電池パック１８内には、上記充
電式電池２３に上記充電装置１７を接続するための充電
経路、具体的には図２に二点鎖線で示すように上記充電
口１８ａ内のコネクタ２２ａから充電式電池２３を経て
コネクタ２２ｂに至る経路が設けられており、該充電経
路の途中には、上記充電装置１７からの充電電流の上記
充電式電池２３への供給, 停止を行なう充電用スイッチ
ング素子としての充電ＦＥＴ２６と、整流ダイオード２
７とが設けられている。上記ＦＥＴ２６の駆動は、ＣＰ
Ｕ２９により制御される出力ドライバ２８で行われる。

【００１７】また、上記充電経路には、上記電池パック
１８に上記充電装置１７が接続されたことを検出し、上
記ＣＰＵ２９に伝達する充電アダプタ接続電圧信号入力
回路３０と、充電電流が過大のとき充電式電池２３への
電流供給を停止する充電ヒューズ３１とが設けられてい
る。

【００１８】上記ＣＰＵ２９には、該ＣＰＵ２９による
処理周期を設定する水晶発信子３２と、上記充電式電池
２３の残容量を表示するＬＥＤ（残容量表示部）３３
と、該残容量の表示を外部操作により指示する残量表示
スイッチ３４とが接続されている。なお、Ｇは電池パッ
ク内制御回路の基準グランドである。

【００１９】上記充電式電池２３の正極と上記電池パッ
ク１８の出力コネクタ３５ａとの間には、上記電池２３
からの放電電流値が過大のとき放電を停止する放電ヒュ
ーズ３６が設けられている。なお、電池パック１８の出
力コネクタ３５ａ, ３５ｂには、上記電動モータを備え
るパワーユニット１５の電源入力コネクタ（不図示）が
接続される。

【００２０】また、上記出力コネクタ３５ｂと、上記複
数のセル電池２３ａ〜２３ｇの最下位のセル電池２３ｇ
の負極との間には、出力電流値を求めるためのシャント
抵抗３７が挿入接続されている。該シャント抵抗３７と
セル電池２３ｇとの接続点が、後述する上記各セル電池
２３ａ〜２３ｇの電圧監視の基準グランドＧに設定され
ている。

【００２１】また、上記出力コネクタ３５ａ, ３５ｂの
間にはシリアル通信コネクタ３８が設けられており、該
コネクタ３８は上記ＣＰＵ２９に接続されている。そし
て、上記ＣＰＵ２９は、上記シリアル通信コネクタ３８
を介して、上記出力コネクタ３５ａ, ３５ｂに接続され
るパワーユニット１５に所定の指示信号を出力すること
で、充電式電池２３からの出力電流値を該パワーユニッ
ト１５に制御させる放電制御手段として機能している。

【００２２】そして上記充電式電池２３とセル中間電圧
入力切替制御回路部３９との間には、上記セル電池２３
ａ〜２３ｇの各電圧（分圧）を計測するセル分圧計測回
路５１が設けられている。このセル分圧計測回路５１
は、図３に示すように、各セル電池２３ａ〜２３ｇ間と
上記基準グランドＧとの間に、スイッチング素子５２ａ
〜５２ｇと、第１分圧抵抗５３ａ〜５３ｇ，及び第２分
圧抵抗５４ａ〜５４ｇとを介設したものであり、該各第
１，第２分圧抵抗間の電圧（分圧）Ｅａ〜Ｅｇが上記セ
ル中間電圧入力切替制御回路部３９に入力される。

【００２３】上記各スイッチング素子５２ａ〜５２ｇに
は、上記ＣＰＵ（スイッチング素子制御手段）２９によ
りオンオフ制御されるＦＥＴが採用されており、上記分
圧を計測する間のみ、順次オンする。例えば、まずスイ
ッチング素子５２ａのみをオンして全セル電池２３ａ〜
２３ｇ全体の電圧Ｅａを計測し、次にスイッチング素子
５２ｂのみをオンしてセル電池２３ｂ〜２３ｇの電圧Ｅ
ｂを計測し、以下順次スイッチング素子５２ｃのみ，５
２ｄのみ・・・をオンし、最後にスイッチング素子５２
ｇのみをオンしてセル電池２３ｇ１個の電圧Ｅｇを計測
する。

【００２４】また上記セル電池毎入力切替制御回路部３
９は、上記基準グランドＧと上記各セル電池２３ａ〜２
３ｇの正極との間に介設された第１，第２分圧抵抗間の
検出電圧Ｅａ〜Ｅｇが入力され、その中の所定の１つの
データ（電圧値）を選択して上記ＣＰＵ２９に出力する
ように構成されてアナログマルチプレクサ素子として機
能しており、該検出電圧に基づいて上記ＣＰＵ２９によ
り選択された各セル電池毎の電圧が求められる。

【００２５】また上記シャント抵抗３７の両端には、該
抵抗の両端電圧を検出するシャント抵抗電圧検出回路４
０が接続されており、該検出されたシャント抵抗３７の
両端電圧はＣＰＵ２９に入力され、該ＣＰＵ２９により
上記両端電圧の変化に基づいて出力電流値が求められ
る。

【００２６】また上記電池パック１８内には、上記サー
ミスタ２４からの温度情報が入力されて、上記ＣＰＵ２
９に向けて電池温度を出力する温度入力回路４１と、上
記セル中間電圧入力切替制御回路部３９, シャント抵抗
電圧検出回路４０，温度入力回路４１の各電源を制御す
る入力信号回路電源制御部４２, ４３とが設けられてい
る。

【００２７】上記セル電池２３ａの正側からの電源電流
が整流素子４４を介して、またセル電池２３ｅ，２３ｄ
間からの電源電流が電源保持回路４６，整流素子４７を
介して電源安定化回路４５を通り、上記入力信号回路電
源制御部４２, ４３、及び上記ＣＰＵ２９に入力されて
いる。また、上記電源電流は、システムリセット回路部
４８を通り、上記ＣＰＵ２９にリセット信号の出力時に
入力される。なお、該リセット信号は論理回路４９を介
して、上記電源保持回路４７にも入力される。

【００２８】上記入力信号回路電源制御部４２，４３は
上記ＣＰＵ２９内のマルチプレクサ電源制御素子制御手
段１１１により制御されてスイッチング素子として機能
し、上記セル中間電圧入力切替制御回路部３９, シャン
ト抵抗電圧検出回路４０，温度入力回路４１を、演算処
理を行う時点のみ間欠的にオンするようになっている。

【００２９】ここで上記シャント抵抗３７には、図４に
示すように、充電時には放電時とは逆向きの電圧が発生
する。本実施形態では、シャント抵抗電圧計測回路４０
を構成する半導体の逆方向耐圧に対して充分許容できる
よう使用電流範囲に合わせたシャント抵抗を選定する必
要があり１０ｍΩに設定されている。

【００３０】一方、上記電池パック１８を上記電動補助
自転車１に搭載して走行に使用する際には、上記充電式
電池２３の電池種別や上記充電装置１７のメーカ名, 充
電容量（４〜９. ４Ａｈ）等が該電池パック１８のＣＰ
Ｕ２９に入力される。また、放電時には、残量警告時間
とその判定時間、最終放電電圧とその判定時間、アンバ
ランス電圧、放電過電流、自己放電量等が監視される。
さらにまた、充電時には、充電開始可能最低電圧、最低
充電時間、充電可能温度範囲、アンバランス電圧、充電
過電流とその判定時間、充電終了容量等が監視される。

【００３１】上記充電装置１７を用いて充電する際に
は、まずＤＣ電源の立ち上がりが充電アダプタ接続電圧
信号入力回路３０により検出されると上記充電装置１７
が接続されたと判定される。そして、充電の開始条件を
充足している否かの判定が行われ、電池温度ｔａが、適
正範囲であれば、充電が開始される。また、有効な充電
が行なわれているかどうかの判別として、所定の電流値
Ｉｃｈ０が、適正範囲であれば有効充電としてＬＥＤ３
３により残容量表示が行なわれる。また、充電計測とし
て、学習容量が有効容量に達するまで残量レジスタの残
容量が＋１される。なお、充電回数カウンタは＋１５０
０以上はカウントされないようになっている。そして、
残量レジスタの残存容量が学習容量の有効容量に達する
と充電は停止される。

【００３２】また、上記充電式電池２３の放電が開始さ
れ出力電流が流れると、放電レジスタが＋１され、残量
レジスタが−１され、残量レジスタ＝学習容量の時は放
電レジスタがリセットされる。なお、上記放電レジスタ
は残量レジスタ＝０でも＋１される。

【００３３】最終放電電圧，アンバランス電圧が検出さ
れた時は放電抑制データが用いられ、ＬＥＤ３３が表示
されず、温度を参照して放電レートが調整される。ま
た、時間の経過にともない上記放電レートに応じて残量
レジスタが−１され、放電レジスタが＋１される。ま
た、上記ＬＥＤ３３が、放電終止電圧の検出で点滅さ
れ、最終放電電圧検出で消灯される。

【００３４】次に、図５に基づいて、本実施形態の電池
パック１８における電池の残容量計測、即ち充電時にお
ける満充電までに供給すべき充電容量の学習動作を説明
する。

【００３５】充電（１）が開始されると、残容量特性線
ｂに示すように、電池残容量が増加し、時刻ｔ１で初期
容量に達すると満充電となり、記憶されていた放電容量
がリセットされ、上記充電（１）が完了とされる。

【００３６】そして、時間ｔ３で電池パック１８が使用
開始されて放電（１）が開始されると、残容量特性線ｂ
に示すように電池残容量が初期容量から減少し始め、放
電容量特性線ｃに示すように、放電容量が増加し始め
る。時刻ｔ４で、電圧特性線ａに示すように電池電圧が
放電終止電圧まで低下すると、上記時刻ｔ１における満
充電時からこの放電終止電圧検出時まで放電容量Ａの学
習が行われる。

【００３７】次に、時刻ｔ５で充電（２）が開始される
と、電圧特性線ａに示すように電池電圧が上昇し、残容
量特性線ｂに示すように電池残容量が増加し、また放電
容量特性線ｃに示すように、記憶されていた放電容量値
が０にリセットされ、上記放電（１）における放電容量
Ａにより充電（２）における満充電容量値がＡ´に更新
される。

【００３８】時刻ｔ６で電池残容量が上記Ａ´に達する
と、上記充電（２）が停止される。このように時刻ｔ６
における満充電時の電池残容量として上記時刻ｔ５にお
ける学習残容量の更新により設定された電池残容量Ａ´
が用いられる。

【００３９】なお、電池パック１８を走行に使用してい
ない場合にも、上記充電式電池２３は自己放電（１）
し、電圧特性線ａに示すように電圧が低下し、残容量特
性線ｂに示すように電池残容量が減少し、放電容量特性
線ｃに示すように放電容量が増加する。

【００４０】このように、上記時間ｔ５において、記憶
していた残容量値をリセットするとともに、放電（１）
の処理において放電終止電圧まで放電した後に学習容量
を更新して、特性線ｃに示す放電（１）の処理における
放電容量Ａを、特性線ｂに示す次回の充電（２）の処理
における満充電までの充電容量Ａ´としたので、適正な
充電容量を設定することができ、過充電を防止すること
ができる。

【００４１】そして上記充電においては、充電装置１７
からの充電電流の充電式電池２３への供給，停止を電池
パック１８内に配設されたスイッチング素子２６で行う
ようにしたので、充電装置の容量等に充電の可否が左右
されることがなく、使用可能の充電装置の制約を低減で
きる。

【００４２】また、ＣＰＵ２９により記憶されている充
電式電池２３の残容量、換言すれば放電容量に基づいて
スイッチング素子２６を制御することにより充電量，充
電時間等を管理するようにしたので、放電容量に見合っ
た充電を行なうことができ、電池温度や電圧等の物理状
態の変化で充電管理を行なった場合のような過充電を回
避でき、電池に無理が掛からず、電池寿命を延長でき
る。

【００４３】また本実施形態では、複数の充電式電池２
３ａ〜２３ｇ毎に第１分圧抵抗５３ａ〜５３ｇ，及び第
２分圧抵抗５４ａ〜５４ｇを設け、該各抵抗５３ａ〜５
３ｇ, ５４ａ〜５４ｇ毎にスイッチング素子５２ａ〜５
２ｇを設けて、当該セル電池の分圧を計測する間だけ当
該セル電池用のスイッチング素子をオンするようにした
ので、上記分圧計測部５１による電池の消耗を低減する
ことができる。

【００４４】また、上記計測されたセル分圧を中間電圧
入力切替制御回路部３９により時分割処理により出力す
るようにしたので、１つの回路部３９で多数のセル分圧
計測をすることができる。

【００４５】また、上記中間電圧入力切替制御回路部３
９を、入力信号回路電源制御部（１）４２により、分圧
計測時のみＯＮするようにしたので、消費電力をより一
層低減することができる。

【００４６】また本実施形態では、最下位電池２３ｇの
マイナス側にシャント抵抗３７を挿入して、この挿入点
を電圧監視の基準グランドＧとしたので、図２, ３に示
すように、放電電流値は、上記基準グランドＧからみる
とプラス側に計測されることとなるため、上記セル電圧
計測回路５１におけるセル電圧の計測精度を向上でき
る。

【００４７】即ち、放電電流値を求めるためのシャント
抵抗３７のプラス側を基準グラントとした場合、シャン
ト抵抗３７の両端電圧の分だけ常に変動誤差が生じセル
電圧計測精度が低下する。特に大電流を出力している場
合ほどセル電池の負荷が大きくなるから電圧計測を正確
に行うことが望まれるが、むしろ上記両端電圧の分誤差
が大きくなる。本実施形態では、大きな放電電流値はセ
ル電圧の計測と切り離した構成で計測されることとな
り、セル電圧の計測にはまったく影響を与えないので、
セル電圧の計測精度を向上できる。

【００４８】また、上記シャント抵抗３７の電流値がシ
ャント電圧測定回路５１の逆方向耐圧以下となるよう
に、上記シャント抵抗値を設定したので、上記シャント
電圧測定回路５１を保護することができる。

【００４９】また、上記シャント抵抗電圧検出回路４０
を、上記シャント電圧測定時のみ間欠的にオンするよう
にしたので、その分消費電力を減少できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電池パックを車載した電動補助自転車
の側面図である。

【図２】上記電池パックの構成を説明するための図であ
る。

【図３】上記電池パックの構成を説明するための図であ
る。

【図４】上記電池パック内のシャント抵抗挿入部を示す
図である。

【図５】上記電池パックにおける充放電による時間経過
に伴なう電池電圧, 電池残容量, 放電容量の変化を示す
特性図である。

【図６】上記電池パックにおけるＣＰＵの機能を示す図
である。

【図７】本発明のクレーム構成図である。

【符号の説明】

１８電池パック２３充電式電池２６充電用スイッチング素子２９ＣＰＵ（充放電制御手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｈ０１Ｍ 2/10 Ｈ０１Ｍ 2/10 ＥＦターム(参考） 2G016 CA00 CB12 CB13 CB21 CB22 CB31 CB32 CC06 CC12 CC14 CC15 CC23 CC27 CC28 CD06 CD14 CE02 5G003 AA01 BA03 CA04 CA14 CB01 CC02 DA07 DA12 EA05 GA01 GC05 5H020 AS06 AS09 DD07 DD13 5H030 AA03 AS08 AS18 BB01 FF41

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】充電式電池の残容量を含む電池情報を記
憶し、該記憶情報に基づいて該充電式電池の充放電を制
御する充放電制御手段を備えた電池パックにおいて、上
記充電式電池を外部の充電装置に接続する充電経路に、
該充電装置からの充電電流の供給, 停止を行なう充電用
スイッチング素子を設け、上記充放電制御手段を、上記
記憶された電池情報のうち少なくとも残容量に基づいて
上記充電用スイッチング素子を制御することにより充電
量，充電時間等の充電管理を行なうように構成したこと
を特徴とする電池パック。