JP5028003B2 - 電池パック、充電器、充電システムおよび充電異常検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池パック、充電器、充電システムおよび充電異常検出方法に関し、特に安全性の要求されるリチウム二次電池の充電のために好適に実施されるものに関する。

前記リチウム二次電池の充電システムとして、たとえばパーソナルコンピュータのＳＢＳ（Smart Battery System）では、電池パック側の通信部から充電器側の通信部へ、要求する充電電圧、充電電流、および二次電池の温度などの二次電池を充電するにあたって必要となる情報を通信するようになっている。また、このＳＢＳでは、電池パック、充電器および電源供給を行っている負荷機器の不具合を、通信によって相手側が認識できるようになっている。

一方、特許文献１では、電池パック側で残容量や寿命などを計算して、負荷機器や充電器へ通信を行うようにした電池パックが提案されている。

さらにまた、特許文献２では、電池パック側のマイコンで該電池パック内の充電用ＦＥＴが故障したか否かを判断し、故障していると、充電器側のマイコンへ通信し、充電器内の充電経路に介在したＦＥＴを遮断することで、電池パックの安全性を向上するようにした充電システムが提案されている。
特許第３４２８０１５号公報 特開平９−３１２１７２号公報

しかしながら、上述の従来技術は、異常に対する対応は、何れも充電器側で取られている。一方、地域によっては、正規品ではない不適正な充電器が安価に出回っており、そのような充電器でも電池パックと端子が合えば、電池パックへの充電が可能になってしまうことがある。また、たとえば充電器の電圧変換回路に異常が生じ、規定の電圧よりも高い電圧が出力されていても、充電が可能になってしまうことがある。勿論、高い安全性の要求されるリチウム二次電池の電池パックなどでは、過充電や過電流に対して、電池パック側の充電用ＦＥＴがＯＦＦすることで電池パック側でも安全は確保されているが、充電器が故障して過大な電圧が加わったり、過大な電流が流れ込もうとするときに、現状では電池パック側で対応することができず、二次電池に大きなストレスが加わり、寿命を縮めてしまうという問題がある。

そこで、充電器が電池パックのＩＤを認証して充電を行うことで、不適正品を排除することはできるけれども、煩雑な処理が必要になってしまうという問題がある。また、電池パックがＩＤを備えていて対応可能であっても、充電器が認証の機能を備えていない不適正品であれば、対応することができない。

本発明の目的は、簡易な構成で、過大な電圧や電流による充電を防止して安全性を向上することができるとともに、正常な電池パックの寿命を著しく縮めてしまうような不具合を無くすことができる電池パック、充電器、充電システムおよび充電異常検出方法を提供することである。

本発明の電池パックは、充電制御手段が充電器からの充電電流を制御して二次電池を充電するようにした電池パックにおいて、前記充電器側の送信手段から送信されてくる予め定める信号を受信する受信手段を有し、前記充電制御手段は、前記受信手段で、前記予め定める信号が受信されると充電器からの充電電流を二次電池へ供給し、前記予め定める信号が受信されないと前記充電電流を抑制し、前記予め定める信号は、予め定める時間毎または予め定める時間以内毎に送信され、該電池パックの状態を示すエラー情報、或いは容量、電圧、温度のデータのうちの少なくとも１つの送信要求であることを特徴とする。

また、本発明の充電器は、充電制御手段が充電電流を制御して電池パック内の二次電池の充電を行うようにした充電器において、予め定める信号を送信し、前記電池パック側の受信手段で前記信号が受信されるか否かから、該充電器が正常動作しているか否かを認識させる送信手段を備え、前記予め定める信号は、予め定める時間毎または予め定める時間以内毎に送信され、前記電池パックの状態を示すエラー情報、或いは容量、電圧、温度のデータのうちの少なくとも１つの送信要求であることを特徴とする。

上記の構成によれば、充電器側から予め定める信号を送信するようにし、その信号が受信できたか否かから、電池パック側の充電制御手段は、充電器に異常が発生したり、不適正の（正規でない）充電器でないかを判定し、その判定結果に応じて前記充電器から二次電池への充電電流を供給したり、抑制したりする。すなわち、電池パック側からも充電器を監視し、異常状態での充電や不正な充電を阻止する。前記充電電流の抑制は、充電経路に介在されるＦＥＴをＯＦＦして充電電流を遮断したり、ゲート電圧を小さくして充電電流を小さくしてもよい。

したがって、予め定める信号を送受信するだけの簡易な構成で、過大な電圧や電流による充電を防止して安全性を向上することができるとともに、正常な電池パックの寿命を著しく縮めてしまうような不具合を無くすことができる。また、信頼度の低い非正規品の充電器を排除することができる。

そして、前記予め定める信号は、前記充電器側の送信手段から予め定める時間毎または予め定める時間以内毎に送信され、電池パックの状態を示すエラー情報、或いは容量、電圧、温度のデータのうちの少なくとも１つの送信要求であるので、いわゆるウォッチ・ドッグ・タイマのような動作で、定期的に充電器を監視することができる。

また、本発明の電池パックは、前記少なくとも１つのデータを送信するための送信手段を有し、前記充電制御手段は、前記充電電流の抑制に連動して、前記送信手段から充電器側へ、充電電流を抑制させる信号を送信することを特徴とする。

上記の構成によれば、上述のような電池パック側での充電電流の抑制動作とともに、さらに充電器側にも充電電流の抑制動作を行わせるので、電池パック側で前記ＦＥＴの短絡故障などの異常が生じていて、充電電流を抑制できない場合にも、充電電流を抑制することができる。

さらにまた、本発明の電池パックでは、前記送信手段は、充電器側へ要求する充電電圧、充電電流、前記電池パックの状態、充電制御情報の１種以上を送信する送信手段であることを特徴とする。

上記の構成によれば、電池パックから充電器へ、二次電池を充電するにあたって必要となる情報を通信するための既存の構成を用いて、充電器側に充電電流の抑制動作を行わせることができる。

また、本発明の充電システムは、電池パック側の通信手段と充電器側の通信手段との間で、二次電池の充電のための情報を通信しつつ、前記二次電池の充電を行うようにした充電システムにおいて、前記充電器側の通信手段は、少なくとも充電期間は、予め定める時間毎または予め定める時間以内毎に予め定める信号を送信し、前記電池パックには、前記少なくとも充電期間内で、前記通信手段で前記予め定める信号が予め定めた時間以内で受信されなくなると、前記充電器から二次電池への充電電流を抑制する充電制御手段を備え、前記予め定める信号は、前記電池パックの状態を示すエラー情報、或いは容量、電圧、温度のデータのうちの少なくとも１つの送信要求であることを特徴とする。

さらにまた、本発明の充電異常検出方法は、充電器で電池パック内の二次電池を充電する際に、異常を検出するための方法において、少なくとも充電期間は、前記充電器が予め定める時間毎または予め定める時間以内毎に予め定める信号を送信するようにし、電池パック側で、前記予め定める信号が受信されなくなると、前記充電器に異常が発生し、もしくは充電器が不適正であると判定し、前記予め定める信号は、前記電池パックの状態を示すエラー情報、或いは容量、電圧、温度のデータのうちの少なくとも１つの送信要求であることを特徴とする。

上記の構成によれば、電池パック側の通信手段から充電器側の通信手段へ、要求する充電電圧や充電電流などの情報を送信する等、電池パック側の通信手段と充電器側の通信手段との間で、二次電池の充電のための情報を通信しつつ、前記二次電池の充電を行うようにした充電システムおよび充電異常検出方法において、双方向の通信の内、従来、正規で正常な充電器の場合には、充電器側からデータの送信要求を逐次送信するが、送信異常や不正規な充電器であった場合には、送信がなくでも充電は継続して行われてしまう。

これに対して、本発明では、前記送信要求が予め定める時間以内に受信されない場合に、電池パック側の充電制御手段は、充電器に異常が発生したり、不適正の（正規でない）充電器であると判定し、前記充電器から二次電池への充電電流を抑制する。すなわち、いわゆるウォッチ・ドッグ・タイマのような動作で、電池パック側からも充電器を監視し、異常状態での充電や不正な充電を阻止する。前記充電電流の抑制は、充電経路に介在されるＦＥＴをＯＦＦして充電電流を遮断したり、ゲート電圧を小さくして充電電流を小さくしてもよい。

したがって、充電器と電池パックとが元々有している通信機能を利用した簡易な構成で、過大な電圧や電流による充電を防止して安全性を向上することができるとともに、正常な電池パックの寿命を著しく縮めてしまうような不具合を無くすことができる。また、信頼度の低い非正規品の充電器を排除することができる。

本発明の電池パックおよび充電器は、以上のように、充電器側から予め定める信号を送信するようにし、その信号が受信できたか否かから、電池パック側の充電制御手段が、充電器に異常が発生したり、不適正の（正規でない）充電器でないかを判定し、その判定結果に応じて前記充電器から二次電池への充電電流を供給したり、抑制したりする。

それゆえ、予め定める信号を送受信するだけの簡易な構成で、過大な電圧や電流による充電を防止して安全性を向上することができるとともに、正常な電池パックの寿命を著しく縮めてしまうような不具合を無くすことができる。また、信頼度の低い非正規品の充電器を排除することができる。

また、本発明の充電システムおよび充電異常検出方法は、以上のように、電池パック側の通信手段から充電器側の通信手段へ、要求する充電電圧や充電電流などの情報を送信する等、電池パック側の通信手段と充電器側の通信手段との間で、二次電池の充電のための情報を通信しつつ、前記二次電池の充電を行うようにした充電システムにおいて有効であり、充電器側からのデータの送信要求が受信できなくなると、電池パック側の充電制御手段は、充電器に異常が発生したり、不適正の充電器であると判定し、前記充電器から二次電池への充電経路に介在されるＦＥＴをＯＦＦするなどして、充電電流を抑制する。

それゆえ、充電器と電池パックとが元々有している通信機能を利用した簡易な構成で、過大な電圧や電流による充電を防止して安全性を向上することができるとともに、正常な電池パックの寿命を著しく縮めてしまうような不具合を無くすことができる。また、信頼度の低い非正規品の充電器を排除することができる。

図１は、本発明の実施の一形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。この充電システムは、電池パック１に、それを充電する充電器２を備えて構成されるが、電池パック１から給電が行われる図示しない負荷機器をさらに含めて電子機器システムが構成されてもよい。その場合、電池パック１は、図１では充電器２から充電が行われるけれども、該電池パック１が前記負荷機器に装着されて、負荷機器を通して充電が行われてもよい。電池パック１および充電器２は、給電を行う直流ハイ側の端子Ｔ１１，Ｔ２１と、通信信号の端子Ｔ１２，Ｔ２２と、給電および通信信号のためのＧＮＤ端子Ｔ１３，Ｔ２３とによって相互に接続される。前記負荷機器が設けられる場合も、同様の端子が設けられる。

前記電池パック１内で、前記の端子Ｔ１１から延びる直流ハイ側の充電経路１１には、充電用と放電用とで、相互に導電形式が異なるＦＥＴ１２，１３が介在されており、その充電経路１１が組電池１４のハイ側端子に接続される。前記組電池１４のロー側端子は、直流ロー側の充電経路１５を介して前記ＧＮＤ端子Ｔ１３に接続され、この充電経路１５には、充電電流および放電電流を電圧値に変換する電流検出抵抗１６が介在されている。

前記組電池１４は、複数の二次電池のセルが直並列に接続されて成り、そのセルの温度は温度センサ１７によって検出され、制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。また、前記各セルの端子間電圧は電圧検出回路２０によって読取られ、前記制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。さらにまた、前記電流検出抵抗１６によって検出された電流値も、前記制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。前記アナログ／デジタル変換器１９は、各入力値をデジタル値に変換して、充電制御判定部２１へ出力する。

充電制御判定部２１は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路などを備えて成り、前記アナログ／デジタル変換器１９からの各入力値に応答して、充電器２に対して、出力を要求する充電電流の電圧値、電流値、およびパルス幅（デューティ）を演算し、通信部２２から端子Ｔ１２，Ｔ２２；Ｔ１３，Ｔ２３を介して充電器２へ送信する。充電制御判定部２１は、前記ＦＥＴ１２，１３と共に充電制御手段を構成し、正常に充放電が行われているときには、前記ＦＥＴ１２，１３をＯＮして充放電を可能にし、後述するようにして異常が検出されるとＯＦＦして充放電を不可とする。

充電器２では、前記の要求を制御 ＩＣ３０の通信部３２で受信し、充電制御部３１が充電電流供給回路３３を制御して、前記の電圧値、電流値、およびパルス幅で、充電電流を供給させる。充電電流供給回路３３は、ＡＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＤＣコンバータなどから成り、入力電圧を、前記充電制御部３１で指示された電圧値、電流値、およびパルス幅に変換して、端子Ｔ２１，Ｔ１１；Ｔ２３，Ｔ１３を介して、充電経路１１，１５へ供給する。前記充電制御部３１および充電電流供給回路３３は、充電制御手段を構成する。

上述のように構成される充電システムにおいて、通常充電時には、充電器２からは、エラー情報、容量、電圧、温度などの電池パックの状態を示すデータの送信要求を逐次行い、電池パック１側からは、要求されたデータを返すと共に、充電のための充電電圧値、充電電流値、などを逐次送信する。そして、従来では、そのような通信が異常な状態になっても、充電制御上は関与していなかったのに対して、本実施の形態では、異常と認識して充電を制御するところに特徴を有する。

本実施の形態では、上述のような送信要求を異常検出のための予め定める信号である生存信号として使用するとともに、異常検出に適切なタイミングで送信要求が発生しない場合、充電器２側が必要なくても、充電制御部３１は、送信手段であり、通信手段である通信部３２から、予め定める時間毎または予め定める時間以内毎に、ダミーで前記生存信号を送信する。これに対して、電池パック１側では、受信手段であり通信手段である通信部２２で、その生存信号が受信できなくなると、充電制御判定部２１は、充電器２に異常が発生したり、不適正の（正規でない）充電器であると判定し、前記ＦＥＴ１２，１３をＯＦＦする。

このため、制御ＩＣ３０では、充電制御部３１が、前記電池パック１から、予め定める時間、たとえば２秒毎に送信されてくる充電電流の電圧値および電流値などを通信部３２で受信させ、前記充電電流供給回路３３から対応した充電電流を供給するメイン処理を行いながら、タイマ３４によって予め定める時間以内、たとえば３０秒〜１分毎の周期的に、またはその時間以内で非周期的に割込みが発生し、前記生存信号を通信部３２から送信させる。

一方、電池パック１の制御ＩＣ１８では、充電制御判定部２１は、タイマ２３の第１のカウント値に応答して、前記２秒毎に、図２で示すように、前記アナログ／デジタル変換器１９からの各入力値を取込んで（Ｓ１）、メイン処理を行う。前記メイン処理では、前記各入力値から、過電圧、過電流、過熱などの異常状態が発生していないかを判定し、異常状態であると（Ｓ２でＹＥＳ）、前記ＦＥＴ１２，１３をＯＦＦする（Ｓ３）とともに、充電器２へ充電電流を停止させる信号を送信する（Ｓ４）。前記充電電流を停止させる信号は、たとえば要求する充電電圧および充電電流を０とするものであり、これに応答して充電制御部３１は、充電電流供給回路３３に、充電電流の供給を停止させる。

これに対して、前記各入力値が正常であると（Ｓ２でＮＯ）、充電制御判定部２１は、後述の生存信号が受信されているか否かの判定を行った後に（Ｓ５でＮＯ）、前記各入力値に対応した充電電流の電圧値および電流値を演算して通信部２２に送信させる（Ｓ６）。

前記充電制御判定部２１は、このようなメイン処理を行いつつ、該電池パック１側が正常状態であれば、通信部２２で前記生存信号を受信させ、受信されると、図３で示すような割込みを発生して、前記タイマ２３の第２のカウント値をリセットして再起動させる（Ｓ１１）。

したがって、前記ステップＳ５で、その第２のカウント値が予め定める時間、たとえば１分が経過しなかったとき、すなわち１分以内の周期で前記生存信号が受信されているときには、充電器２は、適正品で、かつ正常動作していると判定して、要求する充電電流の電圧値、電流値、およびパルス幅を送信する（前記Ｓ６）。これに対して、前記ステップＳ５で、前記第２のカウント値が前記１分を経過したとき、すなわち１分間に亘って前記生存信号が受信されない状態で充電が継続されたときには、前記のように充電器２に異常が発生したり、不適正な充電器であると判定して、前記ＦＥＴ１２，１３をＯＦＦする（前記Ｓ３）。すなわち、充電制御判定部２１は、いわゆるウォッチ・ドッグ・タイマのような動作で、電池パック１側から充電器２を監視し、該電池パック１と充電器２との間で異常が発生している状態での充電や、不適正な（正規でない）充電器による充電を阻止する。

したがって、充電器２と電池パック１とが元々有している双方向の通信機能を利用した簡易な構成で、過大な電圧や電流による充電を防止して安全性を向上することができるとともに、正常な電池パックの寿命を著しく縮めてしまうような不具合を無くすことができる。また、信頼度の低い非正規品の充電器を排除することができる。

また、前記充電制御判定部２１は、前記ＦＥＴ１２，１３のＯＦＦ動作（Ｓ３）に連動して、通信部２２から充電器２側の通信部３２へ、前記の充電電流を停止させる信号を送信する（Ｓ４）。したがって、ＦＥＴ１２，１３のＯＦＦによる電池パック１側での充電電流の遮断動作とともに、さらに充電器２側にも充電電流の遮断動作を行わせるので、電池パック１側で前記ＦＥＴ１２，１３の短絡故障などの異常が生じていて、充電経路１１を遮断できない場合にも、充電電流を遮断することができる。

なお、本発明では、充電電流を抑制できればよく、ＦＥＴ１２，１３のゲート電圧を小さくするなどして充電電流を小さくしてもよいが、上述のようにＦＥＴ１２，１３をＯＦＦして充電電流を遮断する方が制御が容易である。

また、電池パック１側の充電制御判定部２１が、各セルの端子間電圧、充電電流およびセルの温度などから、出力を要求する充電電流の電圧値、電流値、およびパルス幅を演算し、二次電池の充電のための情報として充電器２へ送信しているけれども、前記の各測定値を充電器２にそのまま送信し、充電制御部３１において充電電流の電圧値および電流値を演算するようにしてもよい。

さらに、正規で正常な充電器に置き換わった場合、正常に充電できる必要があり、図示しない検出手段によって電池パック１を充電器２に脱着や挿入したことが検出されると、或いは通信の再開が検出されると、前記充電制御判定部２１はリセットされ、正常に充電することができる。

さらにまた、前記生存信号は、予め定める期間アクティブになる信号、予め定める形態のパルス、上述のようなデータ送信要求信号など、充電器２側と電池パック１側とで、生存信号であることが認識可能な信号であれば任意の信号が用いられてもよい。また、前記生存信号が受信されなくなる状態とは、通信線のハイまたはローレベルへの張付きや、オープン状態になることで、信号自体が検出できなくなる状態に、ランダムなパルスなど、何らかの信号は受信できても、その内容を認識できない状態との両方を表すものとする。

本発明は、電池パック側の通信部と充電器側の通信部との間で、二次電池の充電のための情報を通信しつつ、前記二次電池の充電を行うようにした充電システムにおいて、充電器が予め定める時間毎または予め定める時間以内毎にダミーで生存信号を送信するようにし、その生存信号が受信できなくなると、電池パック側の充電制御部は、充電器に異常が発生したり、不適正の充電器であると判定し、充電経路を遮断するので、簡易な構成で、そのような状況での充電を防止することができる。

本発明の実施の一形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。 前記充電システムを構成する電池パックのメイン処理動作を示すフローチャートである。 前記電池パックの割込み処理動作を示すフローチャートである。

１ 電池パック
２ 充電器
１１，１５ 充電経路
１２，１３ ＦＥＴ
１４ 組電池
１６ 電流検出抵抗
１７ 温度センサ
１８，３０ 制御ＩＣ
１９ アナログ／デジタル変換器
２０ 電圧検出回路
２１ 充電制御判定部
２２，３２ 通信部
２３，３４ タイマ
３１ 充電制御部
３３ 充電電流供給回路
Ｔ１１，Ｔ２１；Ｔ１２，Ｔ２２；Ｔ１３，Ｔ２３ 端子

Claims (6)

1. 充電制御手段が充電器からの充電電流を制御して二次電池を充電するようにした電池パックにおいて、
   前記充電器側の送信手段から送信されてくる予め定める信号を受信する受信手段を有し、
   前記充電制御手段は、前記受信手段で、前記予め定める信号が受信されると充電器からの充電電流を二次電池へ供給し、前記予め定める信号が受信されないと前記充電電流を抑制し、
   前記予め定める信号は、予め定める時間毎または予め定める時間以内毎に送信され、該電池パックの状態を示すエラー情報、或いは容量、電圧、温度のデータのうちの少なくとも１つの送信要求であることを特徴とする電池パック。
2. 前記少なくとも１つのデータを送信するための送信手段を有し、前記充電制御手段は、前記充電電流の抑制に連動して、前記送信手段から充電器側へ、充電電流を抑制させる信号を送信することを特徴とする請求項１記載の電池パック。
3. 前記送信手段は、充電器側へ要求する充電電圧、充電電流、前記電池パックの状態、充電制御情報の１種以上を送信する送信手段であることを特徴とする請求項２記載の電池パック。
4. 充電制御手段が充電電流を制御して電池パック内の二次電池の充電を行うようにした充電器において、
   予め定める信号を送信し、前記電池パック側の受信手段で前記信号が受信されるか否かから、該充電器が正常動作しているか否かを認識させる送信手段を備え、
   前記予め定める信号は、予め定める時間毎または予め定める時間以内毎に送信され、前記電池パックの状態を示すエラー情報、或いは容量、電圧、温度のデータのうちの少なくとも１つの送信要求であることを特徴とする充電器。
5. 電池パック側の通信手段と充電器側の通信手段との間で、二次電池の充電のための情報を通信しつつ、前記二次電池の充電を行うようにした充電システムにおいて、
   前記充電器側の通信手段は、少なくとも充電期間は、予め定める時間毎または予め定める時間以内毎に予め定める信号を送信し、
   前記電池パックには、前記少なくとも充電期間内で、前記通信手段で前記予め定める信号が予め定めた時間以内で受信されなくなると、前記充電器から二次電池への充電電流を抑制する充電制御手段を備え、
   前記予め定める信号は、前記電池パックの状態を示すエラー情報、或いは容量、電圧、温度のデータのうちの少なくとも１つの送信要求であることを特徴とする充電システム。
6. 充電器で電池パック内の二次電池を充電する際に、異常を検出するための方法において、
   少なくとも充電期間は、前記充電器が予め定める時間毎または予め定める時間以内毎に予め定める信号を送信するようにし、
   電池パック側で、前記予め定める信号が受信されなくなると、前記充電器に異常が発生し、もしくは充電器が不適正であると判定し、
   前記予め定める信号は、前記電池パックの状態を示すエラー情報、或いは容量、電圧、温度のデータのうちの少なくとも１つの送信要求であることを特徴とする充電異常検出方法。

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