JP3642105B2

JP3642105B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP3642105B2
Application number: JP11975096A
Authority: JP
Inventors: 正一中村; 諭小林
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-04-17
Filing date: 1996-04-17
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2016-04-17
Also published as: JPH09285018A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、リチウムイオン電池の電池パックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
充電式電池（２次電池）としてニッケルカドミウム電池があるが、その充電特性は図３Ａに示すとおりである。すなわち、空のニッケルカドミウム電池を一定の大きさの直流電流で充電していくと、充電につれて端子電圧は次第に上昇していく。そして、満充電になると、端子電圧は極大値を示し、以後、次第に低下していく。なお、この端子電圧の低下の速度（割り合い）は、充電電流が１Ｃの大きさのとき、10〜20mＶ／分程度である。
【０００３】
したがって、ニッケルカドミウム電池を充電する場合、充電をしながら端子電圧のチェックを行い、端子電圧が低下するようになったら、充電を停止すれば、満充電を行うことができ、しかも、過充電を防止することができる。
【０００４】
図４は、そのような方法により充電を行うようにした充電装置の一例を示し、符号１０はその充電装置、符号２０はニッケルカドミウム電池の電池パックである。
【０００５】
そして、電源プラグ１１からの例えば100Ｖの商用交流電圧が、電源回路（ＡＣ−ＤＣコンバータ）１２に供給されて所定の直流電圧が取り出され、この直流電圧が定電流回路１３に供給されて例えば１Ｃの大きさの充電用の定電流Ｉ13が形成される。そして、この定電流Ｉ13が、充電制御用のスイッチ回路１４を通じ、さらに、逆流防止用のダイオードＤ11を通じて＋側の充電端子Ｔ11に出力される。なお、符号Ｔ12は−側の充電端子である。
【０００６】
また、充電制御用としてマイクロコンピュータ１５が設けられ、これに電源回路１２から動作電圧が供給される。さらに、スイッチ回路１４の出力側と、接地との間に得られる電圧が、抵抗器Ｒ11、Ｒ12により分圧され、その分圧電圧Ｖ11が、マイクロコンピュータ１５のアナログ入力ポート（Ａ／Ｄコンバータ）A/Dに供給される。また、マイクロコンピュータ１５の出力ポートＱ11の出力が、スイッチ回路１４にその制御信号として供給される。なお、符号Ｃ11は、電圧Ｖ11に含まれるノイズ成分やリップル成分などを除去するためのコンデンサである。
【０００７】
一方、電池パック２０は、この例においては、３個のニッケルカドミウム電池２１Ａ〜２１Ｃが直列接続され、したがって、定格出力電圧は3.6Ｖとされている。また、容量は例えば1000mＡｈとされている。
【０００８】
そして、電池２１Ａの＋極が＋側の充放電端子Ｔ21に接続され、電池２１Ｃの−極が電流検出用の小さい値の抵抗器Ｒ21および保護用のスイッチ回路２２を通じて−側の充放電端子Ｔ22に接続される。なお、充電時には、電池パック２０の端子Ｔ21、Ｔ22が、充電装置１０の端子Ｔ11、Ｔ12にそれぞれ接続される。
【０００９】
さらに、電池パック２０には、検出回路２３が設けられ、電池２１Ａ〜２１Ｃの端子電圧が検出入力として入力されるとともに、抵抗器Ｒ21に生じる降下電圧が検出入力として供給され、その検出出力がスイッチ回路２２に制御信号として供給される。
【００１０】
このような構成において、充電装置１０に電池パック２０が接続されると、定電流回路１３からの定電流Ｉ13が、スイッチ回路１４→ダイオードＤ11→端子Ｔ11→端子Ｔ21→電池２１Ａ〜２１Ｃ→抵抗器Ｒ21→スイッチ回路２２→端子Ｔ22→端子Ｔ12→接地のラインを流れ、電池２１Ａ〜２１Ｃは、１Ｃの大きさの定電流Ｉ13により充電されていく。
【００１１】
そして、この充電につれて、上述のように（図３Ａに示すように）、電池２１Ａ〜２１Ｃの端子電圧が上昇していく。また、このとき、この電池２１Ａ〜２１Ｃの端子電圧が、抵抗器Ｒ11、Ｒ12により分圧され、この分圧電圧Ｖ11がマイクロコンピュータ１５に供給されて電池２１Ａ〜２１Ｃの端子電圧がモニタされている。
【００１２】
そして、満充電になると、電池２１Ａ〜２１Ｃの端子電圧は極大となり、以後、低下していくが、これが電圧Ｖ11を通じてマイクロコンピュータ１５により検出され、マイクロコンピュータ１５によりスイッチ回路１４がオフとされ、充電が終了する。したがって、電池２１Ａ〜２１Ｃが満充電されるとともに、過充電されることがない。
【００１３】
なお、充電時に、なんらかのトラブルにより電池２１Ａ〜２１Ｃに供給される電圧が異常に高くなった場合、あるいは電池２１Ａ〜２１Ｃの充電電流や放電電流（負荷電流）が異常に大きくなった場合、これが検出回路２３により検出され、その検出出力によりスイッチ回路２２がオフとされて電池２１Ａ〜２１Ｃは過大電圧や過大電流から保護される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、業務用のポータブル電子機器、例えば取材用ＶＴＲには、電源として充電式電池の電池パックが広く使用されているが、その電池パックは一般に上述のようなニッケルカドミウム電池の電池パックとされている。
【００１５】
これに対し、近年、充電式電池としてリチウムイオン電池が開発され、実用化されている。このリチウムイオン電池は、容量のわりに軽いので、取材用ＶＴＲなどの電源としてきわめて有効である。
【００１６】
すなわち、リチウムイオン電池はニッケルカドミウム電池に比べ、１個あたりの出力電圧が高いとともに、取材用のＶＴＲなどでは、電池の電圧を内蔵のＤＣ−ＤＣコンバータで変圧して使用しているので、使用可能な時間が50％〜100％も長くなる。また、例えばＶＴＲ取材の場合には、電源が確実に得られるようにするため、上記のような電池パックを５〜10個携帯するが、リチウムイオン電池の場合には、その数を30％〜40％減らすことができる。
【００１７】
したがって、リチウムイオン電池を用いた電池パックは、業務用としてきわめて有効である。
【００１８】
ところが、リチウムイオン電池の充電特性は図３Ｂに示すとおりである。すなわち、この特性図は、リチウムイオン電池を、充電量が50％になるまでは定電流で充電し、以後、定電圧で充電した場合であるが、この特性図にも示すように、リチウムイオン電池の場合、満充電になっても端子電圧は低下しない。
【００１９】
このため、上述したニッケルカドミウム電池の電池パック２０を充電する充電装置１０を使用してリチウムイオン電池の電池パックの充電を行うと、満充電を検出できず、過充電になってしまう。
【００２０】
この発明は、このような問題点を解決し、ニッケルカドミウム電池の電池パック２０を充電する充電装置１０により、適切に充電をすることのできるリチウムイオン電池の電池パックを提供しようとするものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
この発明においては、
１対の充放電端子と、
リチウムイオン電池と、
このリチウムイオン電池の一方の電極と、上記１対の充放電端子の一方との間に直列接続された第１のスイッチ回路と、
上記リチウムイオン電池の満充電を検出する検出回路と、
上記１対の充放電端子の間に直列接続された抵抗器および第２のスイッチ回路と、
上記検出回路の検出出力にしたがって、上記第１のスイッチ回路および上記第２のスイッチ回路を制御する制御回路と
を有し、
充電時、上記制御回路により上記第１のスイッチ回路をオンにするとともに、上記第２のスイッチ回路をオフに制御し、
上記検出回路が上記リチウムイオン電池の満充電を検出したとき、上記制御回路により、上記第１のスイッチ回路を所定の周期でオン・オフ制御するとともに、上記第２のスイッチ回路を上記第１のスイッチ回路とは逆にオン・オフ制御し、かつ、
上記第１のスイッチ回路のオン・オフの周期のうち、そのオンの期間の割り合いを長くして上記１対の充放電端子の間の電圧を次第に低下させる
ようにした電池パック
とするものである。
【００２２】
この結果、充電時にもニッケルカドミウム電池の電池パックとの互換性が確保される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１において、符号３０は、この発明による電池パックを示し、この例においては、図４において説明した充電装置１０により充電できるように構成した場合であり、このため、１個のリチウムイオン電池３１を有する。そして、この電池３１の＋極が＋側の充放電端子Ｔ31に接続され、その−極が、電流検出用の小さい値の抵抗器Ｒ31および電池保護用のスイッチ回路３２を通じて−側の充放電端子Ｔ32に接続される。
【００２４】
また、過電圧および過電流の検出回路３３が設けられ、電池３１の端子電圧が検出回路３３に供給されるとともに、抵抗器Ｒ31に生じる降下電圧が検出回路３３に供給される。
【００２５】
さらに、電池３１の端子電圧を検出する検出回路３４が設けられる。この検出回路３４は、電池３１を定電流で充電したときの端子電圧の上昇から満充電を検出するものであり、この例においては、端子電圧が4.3Ｖに達したとき、これを検出するものである。そして、検出回路３３、３４の検出出力が制御回路３５に供給され、この制御回路３５の出力信号Ｓ35がスイッチ回路３２にその制御信号として供給される。なお、スイッチ回路３２は、制御信号Ｓ35が“０”のときオン、“１”のときオフになるものとする。
【００２６】
また、端子Ｔ31と端子Ｔ32との間に、スイッチ回路３６と抵抗器Ｒ32とが直列接続されるとともに、電池３１に、抵抗器Ｒ33とスイッチ回路３７との直列回路が並列接続される。そして、制御回路３５の出力信号Ｓ35がインバータ回路３８に供給されてレベルの反転した信号とされ、この反転信号がスイッチ回路３６、３７にそれらの制御信号が供給される。
【００２７】
この場合、抵抗器Ｒ32は後述する動作に対応した値に設定され、抵抗器Ｒ33は、スイッチ回路３７がオンのとき、電池３１が例えば0.1Ｃ〜0.2Ｃ程度の放電電流を流すような値とされる。また、スイッチ回路３６、３７は、制御信号Ｓ35が“０”のときオフ、“１”のときオンになるものとする。
【００２８】
さらに、電池パック３０は、図４において説明した充電装置１０により充電されるが、充電装置１０の無負荷時の出力電圧は、図４のニッケルカドミウム電池の電池パック２０の定格出力電圧3.6Ｖの２倍の7.2Ｖであるとする。
【００２９】
また、図４の充電装置１０においては、端子Ｔ11と端子Ｔ12との間の電圧は、電池パック２０が接続されていないときには、上記の無負荷時の電圧7.2Ｖとなり、電池パック２０が接続されているときには、無負荷時の電圧よりも低くなるが、この電圧の違いが、分圧電圧Ｖ11によりマイクロコンピュータ１５に通知され、マイクロコンピュータ１５は、端子Ｔ11、Ｔ12が無負荷であるかどうかを検出するようになっているものとする。
【００３０】
このような構成において、定常時には、図２Ａの時点ｔ1以前に示すように、制御信号Ｓ35は“０”であり、これにより図２Ｂに示すように、スイッチ回路３２はオンであるとともに、図２Ｃに示すように、スイッチ回路３６、３７はオフである。
【００３１】
したがって、充電装置１０に電池パック３０が接続されると、定電流回路１３からの定電流Ｉ13が、スイッチ回路１４→ダイオードＤ11→端子Ｔ11→端子Ｔ31→電池３１→抵抗器Ｒ31→スイッチ回路３２→端子Ｔ32→端子Ｔ12→接地のラインを流れ、電池３は、１Ｃの大きさの定電流Ｉ13により充電されていく。
【００３２】
そして、この充電につれて、図３Ｂに示すように、電池３１の端子電圧が上昇していくとともに、これに対応して図２Ｄに実線で示すように、端子Ｔ31と端子Ｔ32との間の電圧Ｖ30も上昇していく。なお、以下の説明においては、簡単のため、正常に動作している場合の抵抗器Ｒ31における電圧降下は小さいので無視し、電池３１の端子電圧と電圧Ｖ30とは等しいものとする。
【００３３】
そして、時点ｔ1に電池３１が満充電になると、すなわち、図２Ｄに実線で示すように、電池３１の端子電圧が規定値4.3Ｖに達すると、これが検出回路３４により検出されて制御回路３５に通知される。
【００３４】
すると、図２Ａに示すように、時点ｔ1から信号Ｓ35は周期τが例えば20m秒のパルスとされるとともに、そのデューティーレシオ（“１”の期間の割り合い）が例えば90％から始まって15分後に10％になるように、10％ずつ小さくされていく。
【００３５】
そして、周期τのうち、Ｓ35＝“１”の期間には、スイッチ回路３２がオフとなるとともに、スイッチ回路３６、３７がオンとなるので、電池３１は充電されなくなるととともに、充電装置１０からの充電電流（定電流）Ｉ13は、抵抗器Ｒ32を流れるようになる。この結果、抵抗器Ｒ32の値をあらかじめ設定しておくことにより、電圧Ｖ30は、図２Ｄに実線で示すように、例えば５Ｖとなる。
【００３６】
また、周期τのうち、Ｓ35＝“０”の期間には、スイッチ回路３２がオンとなるとともに、スイッチ回路３６、３７がオフとなるので、端子Ｔ31、Ｔ32の電圧Ｖ30は、図２Ｄに実線で示すように、電池３１の端子電圧、すなわち、規定値4.3Ｖになる。
【００３７】
したがって、端子Ｔ31、Ｔ32の電圧Ｖ30は、図２Ｄに実線で示すように、時点ｔ1から信号Ｓ35に対応してパルス状に変化するとともに、信号Ｓ35のデューティーレシオに対応して電圧Ｖ30の高い期間の割り合いは次第に小さくなっていく。
【００３８】
なお、期間τのうち、Ｓ35＝“０”の期間に、スイッチ回路３２がオンとなるとともに、スイッチ回路３６、３７がオフとなるので、電池３１は満充電後も充電されることになるが、続くＳ35＝“１”の期間に、スイッチ回路３７がオンとなって電池３１は抵抗器Ｒ33を通じて例えば0.1Ｃ〜0.2Ｃの大きさで放電されるので、電池３１が過充電となることはない。
【００３９】
そして、電圧Ｖ30が、時点ｔ1から図２Ｄに実線で示すように変化すると、その平均電圧は図２Ｄに破線で示すように、次第に低下していることになる。
【００４０】
そして、このように電圧Ｖ30の平均値が低下していくと、これは、充電装置１０のマイクロコンピュータ１５から見て図３Ａにおける満充電後の端子電圧の低下と等価なので、マイクロコンピュータ１５は電池パック３０が満充電されたと判断し、スイッチ回路１４をオフにする。
【００４１】
したがって、電池パック３０の充電を終了したことになるとともに、このとき、電池３１は満充電されていることになる。
【００４２】
なお、充電時に、なんらかのトラブルにより電池３１に供給される電圧が異常に高くなった場合、あるいは電池３１の充電電流や放電電流（負荷電流）が異常に大きくなった場合、これが検出回路３３により検出されて制御回路３５に通知され、信号Ｓ35によりスイッチ回路３２がオフとされて電池３１は過大電圧や過大電流から保護される。
【００４３】
以上のように、図１の電池パック３０によれば、満充電後の端子電圧の低下を疑似的に発生させているので、電池パック３０がリチウムイオン電池の電池パックであっても、ニッケルカドミウム電池パックを充電する充電装置１０で、満充電を行うことができるとともに、過充電となることがない。
【００４４】
実験によれば、上記の数値条件で、１Ｃ＝1000mＡのとき、時点ｔ1後における電圧Ｖ30の平均値の低下は、37.3mＶ／分であり、約２分後に充電を終了させることができた。
【００４５】
なお、長時間充電しないで放置しておいたニッケルカドミウム電池を充電すると、その充電の開始時に端子電圧が低下するので、充電開始時から例えば５分間は、端子電圧の低下を無視するようにした充電装置もある。したがって、電池パック３０においても、充電開始時から５分間、すなわち、端子電圧の低下を無視する期間を経過したら、時点ｔ1以後の処理を許可するようにしてもよい。
【００４６】
また、充電時と放電時とでは、抵抗器Ｒ31を流れる電流の方向が逆になり、抵抗器Ｒ31に生じる降下電圧の極性が逆になるので、これを利用して検出回路３３が過電圧を検出するときの電圧レベルを変更することもできる。
【００４７】
さらに、充電時、抵抗器Ｒ31および電池３１の内部抵抗における降下電圧を考慮して検出回路３４が満充電を検出するときの電圧レベルを設定すれば、より確実な充電を行うことができる。
【００４８】
【発明の効果】
この発明のリチウムイオン電池の電池パックによれば、充電時にもニッケルカドミウム電池との互換性があり、ニッケルカドミウム電池の電池パックを充電する充電装置であっても、過不足なく充電を行うことができる。また、このことによりリチウムイオン電池の電池パックのために新たに充電装置を購入しなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一形態を示す接続図である。
【図２】図１の回路の動作を示す波形図である。
【図３】充電式電池の充電特性を示す図である。
【図４】充電装置および充電式電池パックの一例を示す接続図である。
【符号の説明】
３０＝電池パック、３１＝リチウムイオン電池、３２＝スイッチ回路、３３＝検出回路、３４＝検出回路、３５＝制御回路、３６＝スイッチ回路、３７＝スイッチ回路、３８＝インバータ回路、Ｔ31＝＋側充放電端子、Ｔ32＝−側充放電端子

Claims

１対の充放電端子と、
リチウムイオン電池と、
このリチウムイオン電池の一方の電極と、上記１対の充放電端子の一方との間に直列接続された第１のスイッチ回路と、
上記リチウムイオン電池の端子電圧が充電により満充電の電圧まで上昇したとき、この満充電の電圧まで上昇したことを検出する検出回路と、
上記１対の充放電端子の間に直列接続された抵抗器および第２のスイッチ回路と、
上記検出回路の検出出力にしたがって、上記第１のスイッチ回路および上記第２のスイッチ回路を制御する制御回路と
を有し、
充電時、上記制御回路により上記第１のスイッチ回路をオンにするとともに、上記第２のスイッチ回路をオフに制御し、
上記検出回路が、上記リチウムイオン電池の端子電圧が上記満充電の電圧まで上昇したことを検出したとき、上記制御回路により、上記第１のスイッチ回路を所定の周期でオン・オフ制御するとともに、上記第２のスイッチ回路を上記第１のスイッチ回路とは逆にオン・オフ制御し、かつ、
上記第１のスイッチ回路のオン・オフの周期のうち、そのオンの期間の割り合いを次第に長くして上記１対の充放電端子の間の平均の電圧を次第に低下させる
ようにした電池パック。
請求項１に記載の電池パックにおいて、
上記第１のスイッチ回路がオフで上記第２のスイッチ回路がオンの期間、上記１対の充放電端子の間の電圧が、上記検出回路により検出される上記満充電の電圧よりも高く設定される
ようにした電池パック。
請求項２に記載の電池パックにおいて、
上記リチウムイオン電池に、別の抵抗器と第３のスイッチ回路との直列回路を並列接続し、
上記第２のスイッチ回路のオン・オフと同時にオン・オフする
ようにした電池パック。
請求項２に記載の電池パックにおいて、
充電開始時から所定の期間、上記制御回路の処理を実行しない
ようにした電池パック。
請求項２に記載の電池パックにおいて、
上記リチウムイオン電池の内部抵抗に生じる降下電圧を補正して上記検出回路の検出レベルを設定する
ようにした電池パック。