JP2007215309A

JP2007215309A - パック電池の制御方法

Info

Publication number: JP2007215309A
Application number: JP2006031684A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Hamaguchi; 仁志浜口; Toru Nishikawa; 透西川
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-02-08
Filing date: 2006-02-08
Publication date: 2007-08-23
Also published as: TWI390815B; US20070188141A1; TW200746582A; US7923967B2

Abstract

【課題】より適切、正確に、充電制御スイッチの異常を判定するパック電池の制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】二次電池１と、該電池の充電を制御する制御手段５と、該制御手段５により充電電流を制御する充電用制御素子７１とを備えるパック電池の制御方法であって、制御手段５が充電用制御素子７１をオフとする制御をしているにもかかわらず、充電電流が検出される場合であって、第1電流値以上の電流を、第1検出時間の間、検出するとき、異常と判定し、第1電流値未満の電流を、第1検出時間より長い第2検出時間の間、検出するとき、異常と判定することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、パック電池の制御方法に関する。

下記特許文献１には、種々の電池異常の検出について開示され、二次電池が劣化したり、各電池の特性が大きくばらついたり、またはいずれかの電池が短絡している等、正常に使用できない状態となっていることを検出して充電（及び放電）を禁止するものである。具体的には、充電されている二次電池の電池電圧を検出する工程と、検出された電池電圧と予め設定された設定電圧とを比較する工程と、検出された電池電圧が所定時間を越えて前記設定電圧以上であると、二次電池の充電を禁止する工程を備えたものである。また、段落００２０に開示があるように、充電制御スイッチ及び放電制御スイッチの遮断が、正常に行われているかどうかも確認されている。
特開平９−２６１８８３号

このような充電制御スイッチの遮断の確認には、遮断制御されているとき、所定値以上の電流値が検出されるかどうかで確認される。しかしながら、このような遮断制御されたときでも、パック電池及びこれを利用した電子機器において、ノイズ影響があるとき、このような電流値が検出されることがある。これにより、充電制御スイッチが異常と、誤判定されることがある。特に、このようなノイズの影響は、パック電池及びこれを利用した電子機器の近くで、携帯電話等の電波を発生する電子機器を使用するときに、発生し易い。また、このようなノイズ影響による誤判定を低減するために、電流値を判定する上述の所定値を大きい値にすることもできるが、所定値を大きい値にすると、微小電流が流れて異常であるにも関わらず、検出できないという問題がある。

本発明は、このような問題点を解決するために成されたものであり、より適切、正確に、充電制御スイッチの異常を判定するパック電池の制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、二次電池と、該電池の充電を制御する制御手段と、該制御手段により充電電流を制御する充電用制御素子とを備えるパック電池の制御方法であって、前記制御手段が前記充電用制御素子をオフとする制御をしているにもかかわらず、充電電流が検出される場合であって、第1電流値以上の電流を、第1検出時間の間、検出するとき、異常と判定し、前記第1電流値未満の電流を、前記第1検出時間より長い第2検出時間の間、検出するとき、異常と判定することを特徴とする。

本発明においては、第1電流値以上の電流を、第1検出時間の間、検出するとき、異常と判定することより、例えば、第1電流値以上である大きな電流が流れるとき、第２検出時間より短い第１検出時間の間、検出して異常と判定することにより、大きな電流が流れるときは短い時間で検出して異常と判定でき、電池への悪影響を低減できる。即ち、異常状態のパック電池の充電を素早く止めることができ、危険な異常状態の電池への充電を素早く停止できる。

前記第1電流値未満の電流を、前記第1検出時間より長い第2検出時間の間、検出するとき、異常と判定することにより、例えば、第1電流値未満である小さな電流が流れるとき、第１検出時間よりも長い第２検出時間の間、検出して異常と判定することにより、一時的なノイズ影響等を排除して、適切に異常を判定することができる。

また、上述の課題で説明したように、ノイズ影響による誤判定を低減するために、電流値を判定する上述の所定値を大きい値にすることもできるが、所定値を大きい値にすると、微小電流が流れて異常であるにも関わらず、検出できないという問題があったが、本発明においては、上述の構成、即ち、第1電流値未満の電流を、第２検出時間の間、検出するとき、異常と判定することより、小さな電流でも検出することが可能である。

本発明の実施例を、図を用いて詳細に説明する。図１に示すように、本実施例においては、パック電池Ａと、これを充電する電源を備える電子機器である携帯機器ＰＣとを備えている。携帯機器ＰＣは、ノート型のような携帯型パーソナルコンピュータである。パック電池Ａは、通常、携帯機器ＰＣに着脱自在に装着される構造である。携帯機器ＰＣには、コンセントからの交流商用電力を直流電力に変換するアダプター（図示せず）から出力される直流電力が供給され、この電力を制御し、供給するマイコンを内蔵する制御・電源手段Ｓを備えている。制御・電源手段Ｓからの電力出力は、パック電池Ａを充電するのに利用されたり、携帯機器ＰＣの負荷Ｌに電力供給される。また、商用電力より電力供給がない場合は、パック電池Ａより電力が供給され、電源回路Ｓ及び負荷Ｌを駆動させる。

パック電池Ａにおいては、リチウムイオン電池又はニッケル水素電池等の二次電池１と、電池１の充放電時の電流を検出する抵抗等からなる電流検出部２と、電池１の充放電を監視、制御するマイクロプロセッサーユニット(以下、ＭＰＵと記す）とを備えている。また、パック電池Ａ内には、電池１に密接して配置されたサーミスタを含む温度検出部３が設けられている。電池１が、リチウムイオン２次電池の場合は、携帯機器ＰＣに電力供給するとき、約2000mAh/セル程度の電池セルを、３〜４セル直列にして利用される。また、セルを並列にも接続して、電池容量を増加させても良い。

ＭＰＵにおいては、電池電圧(測定箇所ｄ)、電流検出部２からの出力、温度検出部３からの出力のアナログ電圧が入力され、デジタル変換し、実電圧［mV］や実電流値［mA］等に換算するＡ／Ｄ変換部４が設けられている。そして、Ａ／Ｄ変換部４からの出力が、制御手段としての充放電制御・演算部５に入力されて、演算、比較、判定等が行われて、この制御・演算部５からの信号で、スイッチングトランジスタ等からなる制御素子７をオンオフ制御する。

つまり、制御・演算部５においては、充放電電流を積算して残容量を演算処理したり、電池１の満充電を検出したり、異常電流、異常温度、異常電圧の検出時等に、充放電を制御する。そして、スイッチングトランジスタ等からなる制御素子７は、オンオフ制御され、異常電流、異常温度、異常電圧の検出時に、制御・演算部５からの制御信号で電流を遮断する。周知技術を利用して、制御・演算部５においては、A/D変換部４によって変換された充放電電流に測定単位時間（例えば、２５０ｍsec）を掛け算した値を積算し、放電時においては満充電から積算量を引き算し、或いは、充電時においては充電開始時の残容量より積算量を加算する。このような演算により、電池１の残容量(Ah)を算出している。このような電流積算の残容量に代わって、測定時点での電圧と、電流と、測定単位時間とを掛け算した値を積算した電力の積算量（Ｗｈ）を、残容量としても良い。

また、制御・演算部５においては、各種データをメモリーに記録している。ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む制御・演算部５は、種々のメモリーを備えている。パック電池Ａの動作を制御するプログラムを保存するプログラムメモリを備え、プログラムメモリは、不揮発性の記憶媒体である。ＲＯＭ（Read Only Memory）には、プログラムの実行時に必要なデータなどがあらかじめ記憶される。ＲＡＭ（Random Access Memory）は、プログラムの一部や、各種データを一時的に記憶する。この他に、不揮発性メモリとしてＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ＲＯＭ）又はFlashMemoryを備えており、ＥＥＰＲＯＭ又はFlashMemoryには、ＣＰＵに実行させるソフトウェアや設定データや、ＭＰＵのシャットダウンが発生しても保存が必要なデータ（例えば、学習容量、サイクル数、異常時のデータ等）などをシャットダウンより前に記憶するとともに、これらを随時書き換えることが可能となっている。

更には、制御・演算部５においては、各種のタイマー、カウンターを備えており、時間計測、回数の計測等に利用される。

また、制御・演算部５において、満充電の検出については、電池１がニッケル水素電池等の場合は、ピーク電圧を検出したり、電池電圧の−ΔＶ（＝電圧低下）を検出したり、演算された残容量を利用したり等の周知の方法にて検出している。電池１がリチウムイオン電池の場合は、電流、電圧を規制した定電流(MAX電流0.5〜1C程度)・定電圧(MAX4.2V/セル程度)充電を利用し、電圧が所定値以上、電流が所定値以下の条件のとき、満充電とする。満充電を検出したとき、制御・演算部５は残容量を100%とする情報を出力する。満充電の情報は、通信ラインを介して、電子機器に送信されることもできる。

ここで、制御・演算部５は、充電電流、放電電流を遮断するために、制御素子７であって、充電用制御素子としてｐチャネル型FETである充電用FET素子７１、放電用制御素子としてｐチャネル型FETである放電用FET素子７２に対して、オンオフ制御する信号を発する。なお、ｐチャネル型FETに代わって、チャージポンプを利用してｎチャネル型FETの充電用FET素子、放電用FET素子を利用することも可能であり、このときは、後述する予備充電用FET素子７４はｐチャネル型FETを利用する。

制御・演算部５においては、リチウムイオンであるとき電池１の電圧が、過充電電圧以上（例えば、４．２Ｖ以上）になると、充電用FET素子７１をオフ制御するために、オフ信号（素子９１がｐチャネル型FETのゲートに印加するため、オフ信号の電圧は、High電圧の信号に相当する）を、ポートＣＨより発する。また、電池１の電圧が、過放電電圧以下（例えば、２．７Ｖ／Cell以下）になると、放電用FET素子７２をオフ制御するために、オフ信号（素子９２がｐチャネル型FETのゲートに印加するため、オフ信号の電圧は、High電圧の信号に相当する）を、ポートＤＳＣより発する。なお、上述のように、素子７１、７２のｐチャネル型FETのゲートに印加するため、オフ信号の電圧は、High電圧の信号に相当し、オン信号の電圧は、Low電圧の信号に相当する。また、過充電状態においては、制御・演算部５よりポートＣＨにオフ信号が発せられることより、充電は停止される。このときは、携帯機器ＰＣが放電すると、ＤＳＣはオン信号であるので、放電用FET素子７２がオン状態で、オフ状態の充電用FET素子７１の寄生ダイオード７１Ｂを介して、放電できる。また、過放電状態においては、制御部５よりポートＤＳＣにオフ信号が発せられることより、放電は停止される。このときは、携帯機器ＰＣが充電すると、ＣＨはオン信号であるので、充電用FET素子７１がオン状態で、オフ状態の放電用FET素子７２の寄生ダイオード７２Ｂを介して、充電できる。

また、MPUにおいては、電池電圧、残容量、充放電電流値等の各種の電池情報、各種指令の情報を、携帯機器ＰＣの制御・電源手段Ｓに伝送する通信部９を備えている。パック電池Ａと携帯機器ＰＣとの通信処理は、以下のように、通信部９にて行われる。通信部９は、電池電圧、残容量、充放電電流値等の各種の電池情報を携帯機器ＰＣが受信できる信号データに作成する通信データ作成部と、実際に通信を行うためのドライバ部と備え、残容量を算出するための各種パラメータの記憶や諸々のデータを記憶する為の制御・演算部５内メモリを利用する。また、電子機器からバッテリパックの各種情報の送信要求をドライバ部にて受け、通信データ作成部にて作成されたデータをドライバ部から電子機器に送信する。通信方式としては、周知技術であるＳＭＢｕｓ方式等が利用でき、２つの通信ラインであるデータラインＳＤＡ、クロックラインＳＣＬを介して、データ信号等を送信、受信する機能を備えている。

パック電池Ａは、携帯時等の商用電力を利用できないときに利用されるので、通常、電池１は満充電に近い状態で保管される。また、停電の発生は、通常、非常に少ないので、電池１の残容量の低下は、電池の自己放電及びパック電池Ａ内の電力消費より発生する。充放電制御・演算部５で、電池１の残容量が、自己放電、回路の電力消費等により、再充電容量に到達したら再充電を開始する。そして、再充電容量は、満充電容量から所定時間あたりの電流値の積算を減算して求めても良く、また、再充電容量に対応した電池電圧より求めても良い。また、再充電容量は、再充電容量を９０％としている。

本実施例においては、制御手段としての充放電制御・演算部５は、以下のようにして、充電用制御素子の異常の判定を行う。制御・演算部５が充電用制御素子である充電用FET素子７１をオフとする制御をしているにもかかわらず、電流検出部２より充電電流が検出される場合であって、次の場合に、異常と判定する。第1電流値以上の電流を、第２検出時間より短い第１検出時間の間、検出するとき、異常と判定する。また、所定の電流範囲、即ち、第1電流値未満、第２電流値以上の電流を、第1検出時間より長い第2検出時間の間、検出するとき、異常と判定する。

次に、本実施例の制御方法について、図２〜図４のフローチャートを用いて、工程毎に説明する。ステップＳ１においては、制御手段としての充放電制御・演算部５において、充電用FET素子７１に対してオフ制御をしているかどうかが、判定される。ＮＯであるなら、即ち、充電用FET素子７１に対してオン制御をしているなら、ステップ２に進んで、時間のタイマーであるカウンター１、カウンター２を、ゼロとする。

ステップＳ１において、ＹＥＳであるなら、即ち、充電用FET素子７１に対してオフ制御をしているなら、ステップＳ１０の充電ＦＥＴ異常(前段)検出処理（＝大電流の短時間検出）、ステップＳ２０の充電ＦＥＴ異常(後段)検出処理（＝小電流の長時間検出）に進み、図２のフローを、一定周期(例えば、250mS)で繰り返すことになる。

ステップＳ１０の詳細は、図３のフローチャートに示される。ステップＳ１１において、制御手段としての充放電制御・演算部５において、充電電流が第1電流値（例えば、１００ｍＡ）以上であるかどうかが、判定される。ステップＳ１１において、ＮＯであるなら（＝充電電流が第1電流値未満であるなら）、ステップＳ１２に進んで、カウンター１をゼロとする。

ステップＳ１１において、ＹＥＳであるなら（＝充電電流が第1電流値以上であるなら）、ステップＳ１３に進んで、カウンター１をインクリメントして時間計測を開始する。次に、ステップＳ１４において、カウンター１を基に第１検出時間として２０秒が経過したかどうかが、判定される。ＮＯとして、２０秒が経過していないのであれば、図２のフローを一定周期で繰り返すことになる。ステップＳ１４において、ＹＥＳとして、２０秒が経過したのであれば、ステップＳ１５において、充電電流が第1電流値以上で、第１検出時間の間、検出されたとして、充放電制御・演算部５は異常と判定する。

ステップＳ２０の詳細は、図４のフローチャートに示される。ステップＳ２１において、制御手段としての充放電制御・演算部５において、充電電流が第1電流値（例えば、１００ｍＡ）未満、第２電流値（例えば、２０ｍＡ）以上であるかどうかが、判定される。ステップＳ２１において、ＮＯであるなら（＝充電電流が第1電流値以上、または、第２電流値未満であるなら）、ステップＳ２２に進んで、カウンター２をゼロとする。ここで、第２電流値は、第１電流値未満であり、検出限界電流値よりも大きい１ｍＡ以上が利用できる。図４のフローチャートでは、定常的に発生するノイズよりも大きい値である２０ｍＡ以上を、利用している。

ステップＳ２１において、ＹＥＳであるなら（＝充電電流が、第1電流値（例えば、１００ｍＡ）未満、第２電流値（例えば、２０ｍＡ）以上であるなら）、ステップＳ２３において、カウンター２をインクリメントして時間計測を開始する。次に、ステップＳ２４において、カウンター２を基に第1検出時間より長い第2検出時間として９０秒が経過したかどうかが、判定される。ＮＯとして、９０秒が経過していないのであれば、図２のフローを一定周期で繰り返すことになる。ステップＳ２４において、ＹＥＳとして、９０秒が経過したのであれば、ステップＳ２５において、充電電流が、第1電流値（例えば、１００ｍＡ）未満、第２電流値（例えば、２０ｍＡ）以上で、第1検出時間より長い第2検出時間の間、検出されたとして、充放電制御・演算部５は異常と判定する。なお、ステップＳ２１において、充電電流が、第1電流値（例えば、１００ｍＡ）未満、第２電流値（例えば、２０ｍＡ）以上を判定しているが、これに代わって、第２電流値（例えば、２０ｍＡ）以上だけを判定しても良い。この場合、充電電流が１００ｍＡ以上のときは、ステップＳ２３にて、カウンター２にて時間計測を開始するが、図２に示すフローを一定周期で繰り返すことより、ステップＳ１０の充電ＦＥＴ異常(前段)検出処理（＝大電流の短時間検出）のスッテップＳ１３、Ｓ１４にて、カウンター１にて短い時間での検出が行われ異常を判定できる。

そして、異常と判定したときは、充放電制御・演算部５は、この異常を、通信処理部９を介して、携帯機器ＰＣ側に通信する。この異常の通信により、携帯機器ＰＣにおいて、充電電流の供給を遮断する。また、パック電池Ａの使用の中止する等の措置を取る。更には、上述の従来例である本出願人による特開平９−２６１８８３号（図４）、本出願人による特開２０００−２４０２６７号（図１）に開示があるように、電池１と直列にヒューズＨを設け、斯るヒューズＨを遮断するために、以下の回路構成とする。ヒューズＨに熱的に結合された遮断抵抗Ｒｓとこれに直列接続されたＦＥＴ等のスイッチング素子とからなる遮断回路を、二次電池Ｂ１の正極側と負極端子Ｔ２との間に接続し、充放電制御・演算部５が該スイッチング素子のゲート信号を制御する構成である。充放電制御・演算部５がスイッチング素子をオン状態とすると、電池１又は携帯機器ＰＣから遮断抵抗Ｒｓに電流が流れる。よって、遮断抵抗Ｒｓが発熱し、ヒューズＨが溶断する。これにより、これ以後、パック電池Ａの使用をできなくすることもできる。

以上の実施例においては、充電ＦＥＴ異常検出処理を、ステップＳ１０の大電流の短時間検出、ステップＳ２０の小電流の長時間検出との２段階にして、行っているが、更に、電流値の範囲をこれより多くして、電流値の範囲が大きな電流値になるに従って、検出時間を小さくするようにしても良い。

本発明の一実施例のパック電池の回路ブロック図である。本発明の一実施例のフローチャートである。本発明の図２のステップＳ１０の詳細を示すフローチャートである。本発明の図２のステップＳ２０の詳細を示すフローチャートである。

符号の説明

Ａ電池パック
ＰＣ携帯機器（＝電子機器）
Ｓ制御・電源手段
Ｌ負荷
ＭＰＵマイクロプロセッサユニット
１電池
２抵抗（電流検出部）
３温度検出部
４Ａ／Ｄ変換部
５制御・演算部
７制御素子７１充電用FET素子７２放電用FET素子
９通信部

Claims

二次電池と、該電池の充電を制御する制御手段と、該制御手段により充電電流を制御する充電用制御素子とを備えるパック電池の制御方法であって、
前記制御手段が前記充電用制御素子をオフとする制御をしているにもかかわらず、充電電流が検出される場合であって、
第1電流値以上の電流を、第1検出時間の間、検出するとき、異常と判定し、
前記第1電流値未満の電流を、前記第1検出時間より長い第2検出時間の間、検出するとき、異常と判定することを特徴とするパック電池の制御方法。