JP6818156B2 - バッテリパック、及びバッテリパックの充電制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリパック、及びバッテリパックの充電制御方法に関する。

携帯用電子機器、例えば、携帯電話、デジタルカメラ、ノート型パソコンなどが汎用されることにより、それら携帯用電子機器を動作させるための電源を供給するバッテリの開発が活発になされている。バッテリは、バッテリの充電及び放電を制御する保護回路と共に、バッテリパック形態で提供され、バッテリを効率的に充電するための充電方法及び充電装置に対する多様な研究がなされている。

充電器は、既設定の電圧である緩衝電圧までバッテリを充電させる。前記緩衝電圧は、バッテリの電圧による劣化程度を考慮して設定され、バッテリが緩衝電圧まで充電された状態で長期間放置される場合の劣化程度を考慮して設定されるものではない。しかし、バッテリが緩衝電圧まで充電された状態で長期間放置される場合、バッテリに含まれた活物質及び添加物のような製造物質が不安定になり、劣化が急速に進んでしまう。そのような点を考慮せず、前記緩衝電圧が設定されたが、バッテリを前記緩衝電圧まで充電させて放置すれば、バッテリの寿命が急激に低下してしまうという問題点がある。

本発明が解決しようとする課題は、バッテリパックは、ダイオードを利用した充電で、既存充電器がバッテリの満充電と判断される所定の電圧未満の電圧で充電が完了するように制御し、前記所定電圧のバッテリが長期間放置され、寿命が低下されることを最小化させることができるバッテリパック、及びバッテリパックの充電制御方法を提供することである。

本発明の一側面によるバッテリパックは、少なくとも１つのバッテリセルを含み、第１バッテリ端子及び第２バッテリ端子を有するバッテリ；充電器と連結される第１パック端子及び第２パック端子を含む端子部；前記第１パック端子及び第１バッテリ端子の間に連結される第１スイッチ、及び前記第１スイッチと並列に連結され、前記バッテリの充電電流が流れる方向が順方向であるダイオードを含む放電スイッチ；及び前記第１スイッチに流れる充電電流で、前記バッテリを充電させる第１充電モードと、前記ダイオードに流れる充電電流で、前記バッテリを充電させる第２充電モードとのうちいずれか一つを充電モードと決定するバッテリ管理部；を含み、前記バッテリ管理部は、前記第１充電モードで、前記バッテリの充電を始めた後、前記第２充電モードに充電モードを転換することを特徴とする。

バッテリパックの一例によれば、前記バッテリ管理部は、前記第１充電モードから前記第２充電モードに転換し、前記第１モードで充電が完了する電圧より、既設定の電圧ほど低い電圧で、前記バッテリの充電を完了させる。

バッテリパックの他の例によれば、前記バッテリ管理部は、前記バッテリを充電させる前記充電器の充電電流の大きさが既設定の基準電流以下になれば、充電モードを、前記第１充電モードから前記第２充電モードに転換する。

バッテリパックの他の例によれば、前記バッテリ管理部は、前記バッテリを充電させる前記充電器の充電電圧が一定に維持されれば、前記充電モードを、前記第１充電モードから前記第２充電モードに転換する。

バッテリパックの他の例によれば、前記バッテリ管理部は、前記バッテリが第１基準電圧まで充電されれば、前記第１充電モードから前記第２充電モードに転換する。

バッテリパックの他の例によれば、前記バッテリ管理部は、前記バッテリの充電状態を検出し、前記バッテリの充電状態が既設定の充電状態以上であるならば、前記第１充電モードから前記第２充電モードに転換する。

バッテリパックの他の例によれば、前記バッテリ管理部は、前記第２モードで、前記第１パック端子及び前記第２パック端子の間に充電器の連結が感知されなければ、前記第１スイッチをターンオンさせる。
バッテリパックの他の例によれば、前記第２バッテリ端子は、負極端子であり、前記第１スイッチは、ＮタイプＦＥＴスイッチを含むことを特徴とする。

本発明の一側面によるバッテリの充電制御方法は、バッテリを充電させる充電器の連結を感知する段階、前記バッテリの充電電流及び放電電流が流れる大電流経路上に配置された第１スイッチに流れる充電電流である第１充電電流で、前記バッテリを充電させる段階、前記第１スイッチをターンオフさせる段階、及び前記第１スイッチと並列に連結されたダイオードに流れる充電電流である第２充電電流で、前記バッテリを充電させる段階を含む。

バッテリの充電制御方法の一例によれば、前記第１スイッチをターンオフさせる段階は、前記充電器が印加する充電電流を測定する段階、及び前記感知された充電電流が既設定の基準電流未満になれば、前記第１スイッチをターンオフさせる段階をさらに含む。

バッテリの充電制御方法の他の例によれば、前記第１スイッチをターンオフさせる段階は、前記バッテリの電圧を測定する段階、及び前記感知された充電電圧の大きさが既設定の基準電圧以上になれば、前記第１スイッチをターンオフさせる段階をさらに含む。
バッテリの充電制御方法の他の例によれば、前記充電器との電気的連結が感知されていない場合、前記第１スイッチをターンオンさせる段階をさらに含む。

多様な実施形態によるバッテリパック、及びバッテリパックの充電制御方法は、バッテリパックは、ダイオードを利用した充電で、既存充電器がバッテリの満充電と判断される所定の電圧未満の電圧で、充電が完了するように制御し、前記所定電圧のバッテリが長期間放置され、寿命が低下されることを最小化させることができ、バッテリの長寿命を図ることができる。

また、該バッテリパックは、バッテリの充電状態及び電圧に基づいた適切なタイミングで、第１充電モードから第２充電モードに充電モードが転換され、バッテリの充電速度の遅延を最小化させながら、第１ダイオードの発熱を最小化させることができる。

本発明の一実施形態によるバッテリパックの内部構成を概略的に図示する図面である。 ダイオードの構造、及びダイオードの特性曲線を概略的に図示するグラフである。 バッテリが緩衝され、一定時間待機する回数による劣化程度を示したグラフである。 本発明の一実施形態による第１充電モードにおける充電電流フローを図示する図面である。 本発明の一実施形態による第２充電モードにおける充電電流フローを図示する図面である。 本発明の一実施形態によるバッテリパックの充電制御方法を示すフローチャートである。

本発明の一側面によるバッテリパックは、少なくとも１つのバッテリセルを含み、第１バッテリ端子及び第２バッテリ端子を有するバッテリ、充電器と連結される第１パック端子及び第２パック端子を含む端子部、前記第１パック端子及び第１バッテリ端子の間に連結される第１スイッチ、及び前記第１スイッチと並列に連結され、前記バッテリの充電電流が流れる方向が順方向であるダイオードを含む放電スイッチ、及び前記第１スイッチに流れる充電電流で、前記バッテリを充電させる第１充電モードと、前記ダイオードに流れる充電電流で、前記バッテリを充電させる第２充電モードとのうちいずれか一つを充電モードと決定するバッテリ管理部を含み、前記バッテリ管理部は、前記第１充電モードで、前記バッテリの充電を始めた後、前記第２充電モードに充電モードを転換することを特徴とする。

本発明の利点、特徴、及びそれらを達成する方法は、添付される図面と共に詳細に説明される実施形態を参照すれば、明確になるであろう。しかし、本発明は、以下で提示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態にも具現され、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変換、均等物ないし代替物を含むものであると理解されなければならない。以下に提示される実施形態は、本発明の開示を完全なものにし、本発明が属する技術分野において当業者に、発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。本発明の説明において、関連公知技術に係わる具体的な説明が、本発明の要旨を不明確にすると判断される場合、その詳細な説明を省略する。

本出願で使用した用語は、単に特定実施形態についての説明に使用されたものであり、本発明を限定する意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本出願において、「含む」または「有する」というような用語は、明細書上に記載された特徴、数、段階、動作、構成要素、部品、またはそれらの組み合わせが存在することを指定するものであり、１またはそれ以上の他の特徴、数、段階、動作、構成要素、部品、またはそれらの組み合わせの存在または付加の可能性をあらかじめ排除するものではないと理解されなければならない。第１、第２のような用語は、多様な構成要素についての説明に使用されるが、構成要素は、前記用語によって限定されるものではない。前記用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみに使用される。

以下、本発明による実施形態について添付された図面を参照して詳細に説明するが、添付図面を参照しての説明において、同一であるか、あるいは対応する構成要素は、同一図面番号を付し、それに係わる重複説明は、省略する。

図１は、本発明の一実施形態によるバッテリパックの内部構成を概略的に図示する。

図１を参照すれば、バッテリパック１００は、バッテリ１１０、第１バッテリ端子１１１、第２バッテリ端子１１３、バッテリ管理部１２０、充電スイッチ１４０、放電スイッチ１３０、第１パック端子１５１及び第２パック端子１５３を含む。放電スイッチ１３０は、第１スイッチ１３１と第１ダイオード１３３とを含み、充電スイッチ１４０は、第２スイッチ１４１と第２ダイオード１４３とを含む。

バッテリ１１０は、電力を保存する部分であり、少なくとも１つのバッテリセル１１５を含む。バッテリ１１０に、１つのバッテリセル１１５が含まれるか、あるいはバッテリ１１０には、複数のバッテリセル１１５が含まれ、バッテリセル１１５は、直列に連結されてもよく、並列に連結されてもよく、あるいは直列と並列との組み合わせで連結されてもよい。バッテリ１１０に含まれるバッテリセル１１５の個数及び連結方式は、要求される出力電圧及び電力保存容量によって決定される。

バッテリセル１１５は、充電が可能な鉛蓄電池を除いた二次電池を含んでもよい。例えば、バッテリセル１１５は、ニッケル・カドミウム電池（nickel-cadmium battery）ニッケル・水素電池（ＮｉＭＨ：nickel metal hydride battery）、リチウム・イオン電池（lithium ion battery）、リチウムポリマー電池（lithium polymer battery）を含んでもよい。

第１バッテリ端子１１１と第２バッテリ端子１１３は、バッテリ１１０の負極（−）及び正極（＋）とそれぞれ連結される。第１バッテリ端子１１１と第２バッテリ端子１１３は、電極やコネクタ、端子対、ランドやパッドなどの配線パターンでもある。一方、第２バッテリ端子１１３は、バッテリ１１０の負極及び正極のうちいずれか一つと連結され、図１に図示されているように、第２バッテリ端子１１３がバッテリ１１０の負極と連結されたもののみに本発明の思想が限定されるものではない。例えば、第２バッテリ端子１１３がバッテリ１１０の負極と連結されれば、第１バッテリ端子１１１は、バッテリ１１０の正極と連結され、第２バッテリの端子１１３がバッテリ１１０の正極と連結されれば、第１バッテリの端子１１１は、バッテリ１１０の負極と連結される。

第１パック端子１５１と第２パック端子１５３は、外部装置（図示せず）と電気的に連結されるようにも構成される。第１パック端子１５１及び第２パック端子１５３は、電極やコネクタ、端子対、ランドやパッドなどの配線パターンでもある。第１パック端子１５１は、第１バッテリ端子１１１と電気的に連結され、第２パック端子１５３は、第２バッテリ端子１１３と電気的に連結される。従って、第１バッテリ端子１１１がバッテリ１１０の正極（＋）と連結された場合、第１パック端子１５１は、正極パック端子であり、その場合、第２バッテリ端子１１３がバッテリ１１０の負極と連結されるので、第２パック端子１５３は、負極パック端子になる。

バッテリパック１００は、第１パック端子１５１及び第２パック端子１５３を介して、前記外部装置と連結される。前記外部装置は、バッテリ１１０の電力を供給されて消費する負荷や、電源を供給し、バッテリ１１０を充電させる充電器１０などを含む。

放電スイッチ１３０は、第２バッテリ端子１１３と第２パック端子１５３との間に配置される。放電スイッチ１３０は、バッテリ１１０の充電電流及び放電電流が流れる大電流経路上に配置され、バッテリ１１０の放電電流フローを取り仕切ることができる。第１ダイオード１３３は、バッテリに充電電流が流れる方向を順方向にし、放電電流が流れる方向が逆方向に、放電電流フローを遮断させることができる。第１スイッチ１３１及び第１ダイオード１３３は、垂直拡散されたＭＯＳ（vertical diffused ＭＯＳ）構造を有する電力ＭＯＳＦＥＴ素子によっても具現される。

充電スイッチ１４０は、放電スイッチ１３０と第２パック端子１５３との間に配置される。充電スイッチ１４０は、放電スイッチ１３０と同様に、大電流経路上に配置され、バッテリ１１０の充電電流フローを取り仕切ることができる。充電スイッチ１４０は、第２スイッチ１４１と第２ダイオード１４３とを含み、第２ダイオード１４３は、放電電流が流れる方向が順方向であり、充電電流が流れる方向が逆方向に、充電電流フローを遮断させることができる。第２スイッチ１４１及び第２ダイオード１４３は、垂直拡散されＭＯＳ構造を有する電力ＭＯＳＦＥＴ素子によっても具現される。

バッテリ管理部１２０は、バッテリ１１０の電流、電圧、温度を感知し、前記感知された情報に基づいて、残余電力量、寿命、充電状態（ＳＯＣ：state of charge）などを得ることができる。例えば、バッテリ管理部１２０は、センサを利用し、バッテリセル１１５のセル電圧及び温度を測定することができる。また、バッテリ管理部１２０は、第１パック端子１５１と第２パック端子１５３との電圧をモニタリングし、充電器１０の連結いかんを感知することができる。

バッテリ管理部１２０は、バッテリ１１０が危険に露出される心配があれば、充電スイッチ１４０及び放電スイッチ１３０のうち少なくとも１つのスイッチをターンオフさせることができる。バッテリ管理部１２０は、バッテリ１１０の過放電・過充電、バッテリ１１０への過電流流入、過電圧印加、過熱などの心配がある場合、充電スイッチ１４０及び放電スイッチ１３０を制御し、バッテリ１１０を保護することができる。

バッテリ管理部１２０は、所定電圧以下のバッテリ１１０の電圧が感知されれば、バッテリ１１０の過放電を防止するために、放電スイッチ１３０の第１スイッチ１３１をターンオフする。第１スイッチ１３１がターンオフされれば、バッテリ１１０の放電が遮断されるが、第１ダイオード１３３を介して、充電電流がバッテリ１１０に伝達されもする。

同様に、バッテリ管理部１２０は、バッテリ１１０の過充電を防止するために、充電スイッチ１４０の第２スイッチ１４１をターンオフする。第２スイッチ１４１がターンオフされれば、バッテリ１１０の充電は遮断されるが、第２ダイオード１４３を介して、放電電流は、流れることができる。一方、バッテリ管理部１２０は、バッテリ１１０の過熱または過電流流入などにより、バッテリ１１０が危険に露出された場合、第１スイッチ１３１及び第２スイッチ１４１をいずれも開放し、バッテリ１１０の充電電流及び放電電流流れを遮断することができる。

一実施形態によれば、バッテリ管理部１２０は、バッテリ１１０の充電モードを、第１充電モード及び第２充電モードのうちいずれか一つに決定することができる。第１充電モードは、充電電流が第１スイッチ１３１を介して、バッテリ１１０に流れるように、第１スイッチ１３１をターンオンさせた状態で、バッテリ１１０を充電させるモードである。第２充電モードは、充電電流が、第１ダイオード１３３を経由して流れるように、第１スイッチ１３１をターンオフさせた状態で、バッテリ１１０を充電させるモードである。

第１パック端子１５１と第２パック端子１５３とに、充電器１０が連結されれば、バッテリ１１０は、第１充電モードで、第１パック端子１５１及び第２パック端子１５３に印加される電圧と相応する電圧まで充電される。バッテリ１１０は、第２充電モードで、第１パック端子１５１及び第２パック端子１５３に印加される電圧より、既設定の電圧ほど低い電圧で、ある目標電圧まで充電される。前記既設定電圧は、第１ダイオード１３３によって降下された電圧であり、ダイオード特性によって決定される電圧である。前記既設定電圧についての詳細な内容は、図２を参照して後述する。

図２は、ダイオードの構造、及びダイオードの特性曲線を概略的に図示する。

図２を参照すれば、ダイオードは、Ｐ型半導体とＮ型半導体とが接合されて形成される。該ダイオードは、Ｐ型半導体からＮ型半導体に電流が流れるようにし、その逆方向の電流フローは遮断する。

該ダイオードは、接合境界面において、自由電子と正孔との数が減り、絶縁領域が形成されるが、具体的には、接合境界面において、自由電子と正孔との密度差により、自由電子がＰ型半導体に、正孔は、Ｎ型半導体に拡散され、互いに再結合し、それにより、空乏層が形成される。前記ダイオードは、前記空乏層に電場（electric field）が形成され、前記電場に空乏層がさらに拡散されることが防止される。それにより、該ダイオードは、前記電場により、空乏層両端に電位差が発生し、前記電位差を拡散電圧Ｖｂという。拡散電圧Ｖｂは、ゲルマニウム半導体において、約０．３Ｖ、シリコンにおいては、０、７Ｖになる。

図２のグラフを参照すれば、ダイオードに順方向電圧が印加されれば、例えば、Ｐ型半導体側に＋電源が連結され、Ｎ型半導体側に−電源が連結された場合、該ダイオードは、空乏層の自由電子及び正孔が、本来の位置に移動することになる。該ダイオードは、前記順方向電圧が、前記拡散電圧Ｖｂ以上になれば、空乏層に、電子と正孔とが自由に移動することができるようになり、電流が流れるようになる。その場合、ダイオード両端において、前記拡散電圧Ｖｂほど電圧降下が発生する。前記拡散電圧Ｖｂは、図１を参照して説明した既設定の電圧である。前記既設定電圧は、ダイオードを介して流れる電流の大きさ変化に影響を受けず、一定に維持される。例えば、ダイオードの拡散電圧Ｖｂが０．７Ｖであれば、ダイオードに流れる電圧が１Ａや２Ａである場合にも、０．７Ｖに維持される。すなわち、ダイオードに順方向電圧が流れれば、ダイオード両端は、電流の大きさに影響を受けずに、０．７Ｖの電圧降下が一定に維持される。

それとは異なり、該ダイオードは、逆方向電圧が印加されれば、例えば、Ｐ型半導体側に、−電源が連結され、Ｎ型半導体側に、＋電源が連結された場合、空乏層は、さらに大きくなり、自由電子及び正孔がダイオードの両端に集結することになる。その場合、ダイオードに含まれた自由電子及び正孔は、空乏層を越えることができず、電流が流れることができない。一方、ダイオード両端に、降伏電圧Ｖａ以上の電圧が印加されれば、ダイオードは、破壊され、逆方向電流が流れることになる。

一実施形態によれば、バッテリ１１０は、第２充電モードにおいて、第１パック端子１５１及び第２パック端子１５３に連結された充電器１０が印加する電圧より、前記既設定電圧ほど低い電圧である目標電圧まで充電される。バッテリ１１０は、第２充電モードにおいて、第１ダイオード１３３及び第２スイッチ１４１を介して流れる充電電流で充電される。バッテリ１１０は、第１ダイオード１３３において、既設定の電圧ほど電圧降下された電圧が印加される。一方、第１ダイオード１３３に流れる電流の大きさの一定範囲内においては、前記拡散電圧大きさは、変化がない。例えば、充電器１０が、２９．４Ｖの定電圧でバッテリパック１００を充電させる場合、バッテリ１１０は、０．７Ｖ降下された２８．７Ｖまで充電される。すなわち、バッテリ１１０は、充電器１０が印加する電圧より、ダイオードで降下された電圧ほど低い電圧までしか充電されない。

それとは異なり、バッテリ１１０は、第１充電モードにおいては、充電器１０が印加する電圧に相応する電圧まで充電される。第１充電モードにおいて、該充電電流は、第１スイッチ１３１及び第２スイッチ１４１を介して流れる。第１スイッチ１３１及び第２スイッチ１４１における電圧降下は、無視することができるほどに低いが、バッテリ１１０は、充電器１０が印加する電圧に相応する電圧まで充電される。例えば、充電器１０が、２９．４Ｖの定電圧でバッテリパック１００を充電させる場合、バッテリ１１０は、２９．４Ｖまで充電される。

一方、充電器１０によって充電が進められるほど、バッテリ１１０に流れる充電電流の大きさは低減され、充電器１０は、既設定の所定電流未満の充電電流の感知で、バッテリ１１０の充電完了を感知する。以下では、説明の便宜のために、充電器１０がバッテリ１１０の充電完了を感知する場合を、バッテリ１１０が緩衝された状態であると説明する。

図３は、バッテリが緩衝され、一定時間待機する回数による劣化程度を示したグラフである。

図３を参照すれば、縦は、バッテリ１１０の容量を示し、横は、バッテリ１１０の充電回数を示す。

充電器１０は、一定充電電流をバッテリパック１００に印加する定電流充電モードと、一定充電電圧をバッテリパック１００に印加する定電圧充電モードとで、バッテリ１１０を充電する。充電器１０は、バッテリ１１０の充電を始めれば、定電流充電モードで充電し、バッテリ１１０が所定電圧に逹するか、あるいはバッテリ１１０が所定充電状態に逹したと判断されれば、定電流モードから定電圧モードに充電方式を変更する。一方、充電器１０は、多様な矩形波形態の充電電流を,バッテリパック１００に印加することもでき、その場合も、定電流充電モードに含まれるが、本発明の思想は、定電流充電方式によって制限されるものではない。

充電器１０は、バッテリ１１０が寿命短縮されたり破損されたりしないほどの電圧である緩衝電圧まで、バッテリ１１０を充電させるように事前に設定されている。そのために、充電器１０は、定電圧充電を行うとき、前記緩衝電圧をバッテリパック１００に印加する。例えば、直列に連結された７個のバッテリセル１１５を充電させる場合、バッテリセル１１５に対し、安全に充電を完了するための電圧が４．２Ｖであるならば、前記緩衝電圧は、２９．４Ｖに設定される。

しかし、バッテリ１１０は、前記緩衝電圧まで充電された後、一定時間、使用されずにも放置される。例えば、バッテリパック１００は、電気自転車及び電気自動車にも含まれる。電気自転車及び電気自動車に含まれたバッテリパック１００は、ユーザの就寝のように、長期間使用されていない時間台で、長期間緩衝状態で待機する。そのような長期間の放置が毎日反復され、バッテリ１１０は、バッテリセル１１５に含まれた活物質や添加物などの不安定な状態が長期間持続することが反復され、劣化が急激に進んでしまう。それは、図３に図示された第１曲線Ｌ１及び第２曲線Ｌ２を介して知ることができる。

すなわち、充電器１０は、バッテリ１１０が、緩衝状態で一定時間放置されるときの寿命低下は考慮せず、充電電圧対比でバッテリ１１０の劣化程度だけを考慮した緩衝電圧が設定されている。

第１曲線Ｌ１及び第２曲線Ｌ２は、同一バッテリセル１１５を、前記電圧を異にし、一定時間放置した後で使用される場合、バッテリ１１０の寿命低下程度を示すグラフである。第１曲線Ｌ１は、既存充電器１０に設定された緩衝電圧までバッテリ１１０が充電された後、一定時間放置した場合の寿命低下程度を示し、第２曲線Ｌ２は、既存充電器１０に設定された緩衝電圧より、図２を参照して説明した既設定の電圧ほど低い電圧（以下、目標電圧）まで充電された後、一定時間放置された場合の寿命低下程度を示す。前述のように、前記既設定電圧は、第１ダイオード１３３で降下された電圧を言い、該目標電圧は、前記緩衝電圧から前記既設定電圧を差し引いた電圧の大きさになる。一方、前記一定時間は、バッテリ１１０が、既存充電器１０によって充電が完了し、充電器１０に連結された状態で放置された時間であり、４時間以上でもある。

充電器１０と連結された状態で、充電を完了したバッテリ１１０が、前記一定時間放置されるとき、バッテリ１１０の劣化程度、寿命低下程度を結合寿命（combine cycle life）という。すなわち、第１曲線Ｌ１は、バッテリ１１０が充電器１０に設定された緩衝電圧まで充電された場合の結合寿命を示し、第２曲線Ｌ２は、前記目標電圧まで充電された場合の結合寿命を示す。

例えば、バッテリセル１１５が充電器１０に設定された緩衝電圧まで充電されれば、４．２Ｖになる場合、第１曲線Ｌ１は、バッテリセル１１５が４．２Ｖで充電が完了した状態で、バッテリセル１１５の結合寿命であり、第２曲線Ｌ２は、バッテリセル１１５が、４．１Ｖで充電が完了した状態で、バッテリセル１１５の結合寿命である。

第１曲線Ｌ１及び第２曲線Ｌ２を比較すれば、バッテリ１１０の劣化程度は、既存充電器１０に設定された緩衝電圧より低い電圧まで充電するとき、さらに遅く進む。そのような点から考慮し、バッテリ１１０の長寿命を図るために、既存充電器１０に設定された緩衝電圧を低く再調整する必要があるが、その場合、充電器１０の再設計によるコスト上昇、及び以前充電器１０を交替するのにかかるコスト面で容易ではない。本発明の一実施形態によるバッテリパック１００は、既存充電器１０が連結されても、放電スイッチ１３０に含まれた第１ダイオード１３３及び第１スイッチ１３１を利用し、既存充電器１０に設定された緩衝電圧より低い電圧で、バッテリ１１０の充電を完了することができ、結合寿命まで考慮し、バッテリ１１０の長寿命を図ることができる。

一実施形態によれば、バッテリパック１００は、第２充電モードで、放電スイッチ１３０に含まれた第１ダイオード１３３及び第１スイッチ１３１を利用し、既存充電器１０に設定された緩衝電圧より低い電圧である目標電圧まで充電させることができる。図２を参照して説明したように、バッテリパック１００は、第２充電モードにおいて、第１スイッチ１３１をターンオフし、充電電流が第１ダイオード１３３に流れるようにし、既存充電器１０が印加した緩衝電圧より低い電圧がバッテリに印加されるようにする。その場合、バッテリ１１０は、第１曲線Ｌ１ではない第２曲線Ｌ２による結合寿命を有するが、第２モードで充電が完了するバッテリ１１０は、第１充電モードで充電が完了するバッテリ１１０より寿命低下を相当なレベルに低くすることができる。

すなわち、既存の充電器１０が、バッテリ１１０の結合寿命を考慮していない電圧を緩衝電圧に設定された場合にも、バッテリパック１００は、第１ダイオード１３３を利用し、既存充電器１０に設定された緩衝電圧より低い電圧である目標電圧まで、バッテリ１１０が充電されるようにし、バッテリ１１０が緩衝された状態で長期間放置されるとき、劣化が急速に進むことを防止することができる。

例えば、既存充電器１０が、直列に連結された７個のバッテリセル１１５を含むバッテリ１１０を２９．４Ｖまで充電させるように設計された場合、バッテリ１１０は、第１充電モードで、２９．４Ｖまで充電され、バッテリセル１１５のそれぞれは、４．２Ｖまで充電される。第２充電モードで、バッテリ１１０は、第１ダイオード１３３による降下された電圧である目標電圧までに充電されるので、第１ダイオード１３３による降下程度が０．７Ｖであるならば、２８．７Ｖまで充電され、バッテリセル１１５それぞれは、４．１Ｖまで充電される。第２充電モードで充電を完了する場合、第２曲線Ｌ２による寿命低下になるので、第１充電モードにより、第１曲線Ｌ１に沿って寿命低下される場合より長寿命を図ることができる。

それにより、一実施形態によるバッテリパック１００は、第１ダイオード１３３を利用し、既存充電器１０の交換なしに、バッテリ１１０の充電が完了する緩衝状態で、電圧を低くすることができ、バッテリ１１０の長寿命を図ることができる。

図４は、本発明の一実施形態による第１充電モードにおいて、バッテリパック内部の充電電流フローを図示し、図５は、本発明の一実施形態による第２充電モードにおいて、バッテリパック内部の充電電流フローを図示する。

図４を参照すれば、第１充電モードにおいて、充電電流Ｉｃは、第１パック端子１５１、バッテリ１１０、第１スイッチ１３１、第２スイッチ１４１及び第２パック端子１５３を経由して流れる。

第１スイッチ１３１、第２スイッチ１４１及び導線において、電圧降下は、無視されるほどに非常に小さいが、第１パック端子１５１及び第２パック端子１５３で感知される電圧は、バッテリ１１０の第１バッテリ端子１１１及び第２バッテリ端子１１３間の電圧と相応した値を有する。例えば、第１パック端子１５１及び第２パック端子１５３間に印加される電圧が２９Ｖである場合、第１バッテリ端子１１１及び第２バッテリ端子１１３間に印加される電圧も、２９Ｖになる。

その場合、充電器１０は、図３を参照して説明した緩衝電圧までバッテリ１１０を充電させ、第１バッテリ端子１１１と第２バッテリ端子１１３間の電圧は、第１パック端子１５１及び第２パック端子１５３の電圧と相応するが、バッテリ１１０は、充電器１０が印加する緩衝電圧と相応する電圧まで充電される。

図５を参照すれば、第２充電モードにおいて、第１スイッチ１３１をターンオフさせるので、充電電流Ｉｃ’は、第１パック端子１５１、バッテリ１１０、第１ダイオード１３３、第２スイッチ１４１及び第２パック端子１５３を経由して流れる。

第１ダイオード１３３は、順方向電流である充電電流Ｉｃ’が流れれば、内部特性による拡散電圧ほど電圧降下が発生する。例えば、第１ダイオード１３３がシリコンを含む場合、前記拡散電圧は、０．７Ｖになり、第１バッテリ端子１１１及び第２バッテリ端子１１３間の電圧は、第１パック端子１５１及び第２パック端子１５３間の電圧より０．７Ｖ低い値を有する。一方、第１ダイオード１３３に流れる電流の大きさが変わっても、前記拡散電圧大きさは、一定に維持される。

一実施形態によれば、第１スイッチ１３１及び第１ダイオード１３３は、バッテリ１１０の負極端子（−）である第２バッテリ端子１１３と第２パック端子１５３との間に位置する。その場合、第１スイッチ１３１は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを含む。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴは、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴより低いコストで作製され、バッテリ１１０の正極（＋）端子である第１バッテリ端子１１１と、第１パック端子１５１との間に第１スイッチ１３１及び第１ダイオード１３３が配置されるにより、逆起電力の発生憂慮を除去することができる。

一実施形態によれば、バッテリ１１０は、第２充電モードで、前記緩衝電圧より第１ダイオード１３３によって降下された電圧ほど低い電圧である目標電圧まで充電されて緩衝状態にある。その場合、バッテリ１１０が、前記目標電圧近辺まで充電されれば、バッテリ１１０に流れる充電電流は、前記所定の電流より低い電流が流れることになり、充電器１０は、前記バッテリ１１０が緩衝されたと判断することができる。

一実施形態によれば、バッテリ管理部１２０は、第１充電モードで、バッテリ１１０の充電を始め、バッテリ１１０の充電中、所定の条件を満足すれば、第２充電モードに転換される。持続的に、第２充電モードでバッテリ１１０を充電させる場合、第１ダイオード１３３の電圧降下によるバッテリ１１０の充電速度低減、及び第１ダイオード１３３の発熱が発生してしまう。バッテリ管理部１２０は、バッテリ１１０の充電速度低減、及び第１ダイオード１３３の発熱最小化させるために、バッテリ１１０の電圧、またはバッテリ１１０の充電電流が所定条件を満足すれば、バッテリ１１０の充電モードを、第１充電モードから第２充電モードに転換することができる。

前記所定条件は、充電器１０が定電流充電から定電圧充電に転換される時点及び特徴を考慮しても設定される。例えば、充電器１０は、バッテリ１１０に含まれたバッテリセル１１５の電圧が、４Ｖないし４．０５Ｖ範囲内、またはバッテリ１１０の充電状態（ＳＯＣ：state of charge）が８０％ないし９０％内において、定電流充電から定電圧充電に転換される。その場合、バッテリ管理部１２０は、バッテリ１１０の電圧が、４Ｖないし４．０５Ｖ中のある電圧に逹するか、あるいはバッテリ１１０の充電状態（ＳＯＣ）が８０％ないし９０％中のある充電状態（ＳＯＣ）を有する場合、前記所定の条件を満足すると判断することができる。

また、定電圧充電で、充電器１０は、一定電圧をバッテリパック１００に印加するので、バッテリ管理部１２０は、一定電圧が印加されることを感知すれば、前記所定条件を満足すると判断することができる。

さらに、充電器１０は、定電流充電から定電圧充電に転換される過程で出力する充電電流の大きさが一定していて、徐々に低減されるが、バッテリ管理部１２０は、充電器１０が出力する充電電流の大きさが、一定状態から徐々に低減されることを感知すれば、第１充電モードから第２充電モードに転換することができる。

また、バッテリ管理部は、バッテリ１１０の電圧及び充電電流の変化を参照し、バッテリが、すぐに前記目標電圧に逹すると判断される場合、前記所定条件を満足したと判断することができる。

一実施形態よれば、バッテリ管理部１２０は、バッテリセル１１５の電圧に基づいて、バッテリ１１０の充電モードを、第１充電モードから第２充電モードに転換することができる。バッテリ管理部１２０は、少なくとも１つのバッテリセル１１５の電圧を測定し、バッテリセル１１５の電圧、及びバッテリ１１０に含まれたバッテリセル１１５の個数に基づいて、バッテリ１１０が、既設定の基準電圧に逹するか否かということを測定する。例えば、バッテリ管理部１２０は、いずれか１つのバッテリセル１１５が、４．０５Ｖであり、バッテリ１１０に含まれたバッテリセル１１５が７個含まれた場合、バッテリ１１０の電圧を２８．３５Ｖと検出し、前記既設定基準電圧以上の電圧になるか否かということを判断することができる。

一方、前記既設定基準電圧は、第１ダイオード１３３の特性、及び充電器１０の緩衝電圧を参照しても設定される。例えば、第１ダイオード１３３の電圧降下が０．７Ｖであり、充電器１０の前記緩衝電圧が２９Ｖである場合、前記既設定基準電圧は、２６Ｖないし２８Ｖ間の電圧にも設定される。その場合、バッテリ管理部１２０は、前記目標電圧である２８．３Ｖに逹する前、バッテリ１１０の充電モードを、第１充電モードから第２充電モードに転換させることができる。

一実施形態によれば、バッテリ管理部１２０は、既設定の基準電流より低い電流が感知されれば、第１充電モードから第２充電モードに転換することができる。前記既設定基準電流は、前記目標電圧と前記緩衝電圧との差を考慮しても設定される。バッテリ１１０が充電されるほど、第１バッテリ端子１１１及び第２バッテリ端子１１３間の電圧と、充電器１０が印加する第１パック端子１５１及び第２パック端子１５３間の電圧との差が低減し、充電器１０が出力する充電電流も徐々に低減されるので、バッテリ管理部１２０は、充電電流の変化に基づいて、バッテリが、前記目標電圧にすぐに逹することを感知することができる。例えば、前記緩衝電圧が２０Ｖであり、前記目標電圧が１９Ｖである場合、バッテリ１１０の電圧が１９Ｖ近辺にあるとき、充電電流が５００ｍＡである場合、前記既設定基準電流は、５００ｍＡないし７００ｍＡ間の値にも設定される。

その場合、バッテリパック１００は、充電器１０の定電流・定電圧充電に影響を及ぼさず、バッテリ１１０を、前記緩衝電圧より低い前記目標電圧まで充電させることができる。すなわち、バッテリ管理部１２０は、第１スイッチ１３１をターンオフした状態で、第１ダイオード１３３を介した電圧降下で、バッテリ１１０が充電器が印加する電圧より低い電圧で充電させるだけである。従って、強制的にバッテリ１１０と充電器１０との連結を切るものではなく、充電器１０は、第１スイッチ１３１がターンオフされても、相変らず定電圧充電でバッテリ１１０を充電させることができる。

一実施形態によれば、バッテリ管理部１２０は、第１パック端子１５１及び第２パック端子１５３に、充電器１０が連結されない場合、第１スイッチ１３１をターンオンすることができる。バッテリ管理部１２０は、第１パック端子１５１及び第２パック端子１５３間に充電器１０が連結されなければ、第１スイッチ１３１をターンオンさせ、バッテリ１１０を放電させる。

図６は、本発明の一実施形態によるバッテリパック１００の充電制御方法を示すフローチャートである。

図６に図示されたフローチャートは、図１に図示されたバッテリパック１００において、時系列的に処理される段階で構成される。従って、以下で省略された内容であるとしても、図１で図示された構成について、以上で記述された内容は、図６に図示されたフローチャートにも適用されるということが分かる。

図６を参照すれば、バッテリパック１００は、バッテリ１１０を充電させる充電器１０が連結されたか否かということを感知することができる。バッテリパック１００は、充電器１０が連結されれば、充電を始める（Ｓ１０１）。

バッテリパック１００は、充電器１０が連結されれば、第１スイッチ１３１を介して流れる充電電流が、バッテリ１１０に向かうか、あるいは第２パック端子１５３に向かって流れ、バッテリ１１０を充電させる（Ｓ１０３）。

バッテリパック１００は、所定の条件を満足するか否かということを感知することができる。図５を参照して説明したように、前記所定条件は、定電流充電から定電圧充電に転換される時点でのバッテリ１１０の充電状態や、バッテリ１１０の電圧を考慮して設定されるか、あるいは充電器１０が出力する充電電流の大きさの変化を考慮して設定される。また、前記所定条件の満足いかんは、バッテリの電圧が目標電圧にすぐに逹することができるということが分かる所定電圧または所定電流の大きさで判断することができる（Ｓ１０５）。

バッテリパック１００は、前記所定条件を満足すれば、第１スイッチ１３１をターンオフさせ、第１ダイオード１３３を介して、充電電流が流れるように制御する。すなわち、バッテリパック１００は、第１スイッチ１３１をターンオフさせ、第１ダイオード１３３を介して流れる充電電流で、バッテリ１１０を充電させる第２充電モードを、バッテリ１１０の充電モードと決定する。バッテリ１１０は、充電器１０が印加した前記緩衝電圧がそのまま印加されず、第１ダイオード１３３を介して、降下された電圧が印加される。その場合、バッテリ１１０は、第１ダイオード１３３を介して、降下された電圧まで充電されて緩衝状態になる（Ｓ１０７）。
バッテリパック１００は、第２充電モードにおいて、充電器１０の電気的連結が切られるか否かということを感知する（Ｓ１０９）。

バッテリパック１００は、充電器１０との電気的連結が感知されなければ、第１スイッチ１３１をターンオンさせる。それは、第１スイッチ１３１がターンオフされた状態で、バッテリパック１００は、放電を行うことができないが、充電器１０が分離され、バッテリ１１０が放電する必要がある場合、バッテリパック１００は、第１スイッチ１３１をターンオンさせ、放電を準備することができる（Ｓ１１１）。

それにより、バッテリパック１００は、第１ダイオード１３３を利用した充電で、既存充電器１０をそのまま利用しながら、前記緩衝電圧より低い電圧である前記目標電圧まで充電させることができ、バッテリの劣化進行程度を最小化させることができる。

また、バッテリパック１００は、バッテリ１１０の充電状態及び電圧に基づいた適切なタイミングで、第１充電モードから第２充電モードに充電モードが転換され、バッテリ１１０の充電速度の遅延を最小化させながら、第１ダイオード１３３の発熱を最小化させることができる。

本発明の思想は、前述の実施形態に限って決められるものではなく、特許請求の範囲だけではなく、該特許請求の範囲と均等、またはそれらから等価的に変更された全ての範囲は、本発明の思想の範疇に属するものとするのである。

１００ バッテリパック
１１０ バッテリ
１１１ 第１バッテリ端子
１１３ 第２バッテリ端子
１１５ バッテリセル
１２０ バッテリ管理部
１３０ 放電スイッチ
１３１ 第１スイッチ
１３３ 第１ダイオード
１４０ 充電スイッチ
１４１ 第２スイッチ
１４３ 第２ダイオード
１５１ 第１パック端子
１５３ 第２パック端子

Claims (11)

1. 少なくとも１つのバッテリセルを含み、第１バッテリ端子及び第２バッテリ端子を有するバッテリと、
   充電器と連結される第１パック端子及び第２パック端子と、
   前記第２パック端子及び第２バッテリ端子間に連結される第１スイッチ、及び前記第１スイッチと並列に連結され、前記バッテリの充電電流が流れる方向が順方向であるダイオードを含む放電スイッチと、
   前記第１スイッチに流れる充電電流で、前記バッテリを充電させる第１充電モードと、前記ダイオードに流れる充電電流で、前記バッテリを充電させる第２充電モードとのうちいずれか一つを充電モードと決定するバッテリ管理部と、を含み、
   前記バッテリ管理部は、前記第１充電モードで、前記バッテリの充電を始めた後、前記バッテリを充電させる前記充電器の充電電流の大きさが、既設定の基準電流以下になれば、前記第１充電モードから前記第２充電モードに充電モードを転換することを特徴とするバッテリパック。
2. 前記バッテリ管理部は、前記第１充電モードから前記第２充電モードに転換し、前記第１充電モードで充電が完了する電圧より、既設定の電圧ほど低い電圧で、前記バッテリの充電を完了させることを特徴とする請求項１に記載のバッテリパック。
3. 前記バッテリ管理部は、前記バッテリを充電させる前記充電器の充電電圧が一定に維持されれば、前記充電モードを、前記第１充電モードから前記第２充電モードに転換することを特徴とする請求項１に記載のバッテリパック。
4. 前記バッテリ管理部は、前記バッテリが既設定の基準電圧まで充電されれば、前記第１充電モードから前記第２充電モードに転換することを特徴とする請求項１に記載のバッテリパック。
5. 前記バッテリ管理部は、前記バッテリの充電状態を検出し、前記バッテリの充電状態が既設定の充電状態以上であるならば、前記第１充電モードから前記第２充電モードに転換することを特徴とする請求項１に記載のバッテリパック。
6. 前記バッテリ管理部は、前記第２充電モードで、前記第１パック端子及び前記第２パック端子間に充電器の連結が感知されなければ、前記第１スイッチをターンオンさせることを特徴とする請求項１に記載のバッテリパック。
7. 前記第２バッテリ端子は、前記バッテリの負極端子であり、前記第１スイッチは、ＮタイプＦＥＴ（field effect transistor）スイッチを含むことを特徴とする請求項１に記載のバッテリパック。
8. バッテリを充電させる充電器の連結を感知する段階と、
   前記バッテリの充電電流及び放電電流が流れる大電流経路上に配置された第１スイッチに流れる充電電流である第１充電電流で、前記バッテリを充電させる段階と、
   前記充電器が印加する充電電流を測定する段階と、
   前記感知された充電電流が既設定の基準電流未満になれば、前記第１スイッチをターンオフさせる段階と、
   前記第１スイッチと並列に連結されたダイオードに流れる充電電流である第２充電電流で、前記バッテリを充電させる段階と、を含むバッテリの充電制御方法。
9. 前記第１スイッチをターンオフさせる段階は、
   前記バッテリの電圧を測定する段階と、
   前記感知された充電電圧の大きさが既設定の基準電圧以上になれば、前記第１スイッチをターンオフさせる段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のバッテリの充電制御方法。
10. 前記感知された充電電圧に基づいて、バッテリの充電状態を検出する段階と、
    前記検出されたバッテリの充電状態が既設定の充電状態以上になれば、前記第１スイッチをターンオフさせる段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載のバッテリの充電制御方法。
11. 前記充電器と電気的連結が感知されていない場合、前記第１スイッチをターンオンさせる段階をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のバッテリの充電制御方法。

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