JP2005192371A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 異常電池を含むパック電池を安全に充電しながら、寄生ダイオードの発熱によるＦＥＴの故障を有効に防止する。
【解決手段】電源装置は、直列に接続された複数の二次電池３を内蔵するパック電池１と、このパック電池１を充電する充電回路９とを備える。パック電池１は、放電電流を遮断する放電電流遮断ＦＥＴ４と、いずれかの電池電圧が最低電圧よりも低くなると放電電流遮断ＦＥＴ４をオンからオフに切り換える最低電圧検出部６とを備える。充電回路９は、パック電池１の出力電圧を検出して、出力電圧が設定電圧よりも高いときに主充電し、設定電圧よりも低いときに主充電よりも小さい電流で予備充電するように充電電流を切り換える充電電流切換部１０を備える。充電電流切換部１０は、放電電流遮断ＦＥＴ４のオフ状態を示すオフ信号が入力される状態においては、パック電池１の出力電圧が設定電圧よりも高い状態においても予備充電する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の二次電池を直列に接続しているパック電池と、このパック電池を充電する充電回路とを備える電源装置に関する。

図１は、直列接続している複数の電池２３を内蔵するパック電池２１の回路図を示す。このパック電池２１は、各々の電池２３の過放電を防止する過放電保護回路２６を内蔵する。過放電保護回路２６は、各々の電池２３の電圧を検出し、いずれかの電池電圧が最低電圧よりも低くなると、放電電流遮断ＦＥＴ２４をオフに切り換える。オフに切り換えられた放電電流遮断ＦＥＴ２４は、放電電流を遮断するので、放電が停止される。このパック電池２１は、充電器２２に接続して充電される。充電電流は、放電電流遮断ＦＥＴ２４の寄生ダイオード２５を通過して電池２３に流れる。放電電流遮断ＦＥＴ２４は、逆方向に寄生ダイオード２５を並列に接続する等価回路となるので、順方向の電流を遮断できても、逆方向の電流を遮断できない。したがって、放電電流遮断ＦＥＴ２４は、オフ状態で放電を禁止する状態においても、充電電流を通過できる状態となり、パック電池２１を充電できる状態とする。

ただ、寄生ダイオードは、オン状態のＦＥＴに順方向に電流を流す状態に比較して、電力損失が相当に大きい欠点がある。寄生ダイオードは、順方向に電流を流す状態で、比較的大きな電圧降下が発生する。寄生ダイオードの電力損失は、電圧降下と電流の積に比例して大きくなるが、寄生ダイオードの電圧降下は、オン状態の放電電流遮断ＦＥＴに比較して大きく、寄生ダイオードの電力損失が大きくなる。したがって、オフ状態にあるＦＥＴに寄生ダイオードを介して充電電流を流してパック電池を充電すると、ＦＥＴの発熱量が著しく多くなる。このため、パック電池を充電するときの充電電流で放電電流遮断ＦＥＴが熱破壊され、あるいは劣化する等の弊害が発生する。

ところで、充電器として、充電する前にパック電池の出力電圧を検出し、出力電圧の高低で充電電流をコントロールするものが開発されている。この充電器は、出力電圧が設定電圧よりも低いパック電池を、急速充電しないで小さい電流で予備充電し、予備充電して出力電圧が設定電圧よりも高くなると、急速充電に切り換えて大電流で充電する。この充電器は、出力電圧が低くて故障した可能性のあるパック電池を大電流で急速充電しないので、安全にパック電池を充電できる特徴がある。

しかしながら、この充電器でもって、図１に示すように、各々の電池電圧で放電電流遮断ＦＥＴ２４をオンオフに切り換えるパック電池２１を充電すると、放電電流遮断ＦＥＴ２４がオフの状態で急速充電を開始することがある。通常は、十分にＦＥＴがオンしてから急速充電に移行できるように電圧を設定している。しかし、セルバランスが崩れてくると問題が生じてくる。たとえば、いずれかの電池電圧が最低電圧よりも低くなって放電電流遮断ＦＥＴがオフ状態にあるが、出力電圧は急速充電を開始する設定電圧よりも高くなるパック電池は、最初から急速充電されることになる。いずれかの電池電圧が最低電圧よりも低くなったパック電池は、出力電圧が設定電圧よりも低くなる可能性は高くなる。ただ、パック電池は、直列に接続している二次電池の個数が多くなるにしたがって、ひとつの電池の電圧が出力電圧に与える影響は少なくなる。このため、いずれかひとつの電池電圧が最低電圧よりも低くなっても、パック電池全体の出力電圧は、急速充電を開始する設定電圧よりも高くなることがある。この状態にあるパック電池が急速充電されると、オフ状態にある放電電流遮断ＦＥＴは、寄生ダイオードを充電電流が流れることになる。寄生ダイオードに急速充電する大電流が流れると、前述したように放電電流遮断ＦＥＴの発熱が大きくなって熱暴走して故障の原因となる。

放電電流遮断ＦＥＴの寄生ダイオードに大電流が流れて発熱する弊害を解消するために、オフ状態の放電電流遮断ＦＥＴをオンに切り換えて急速充電する装置が開発されている。（特許文献１参照）
特開２００１−５７７４３号公報

この公報に記載される装置は、放電電流遮断ＦＥＴをオフ状態とするパック電池を充電するときに、放電電流遮断ＦＥＴをオフからオンに切り換えて急速充電する。この状態で急速充電されるパック電池は、寄生ダイオードでなくて、オン状態の放電電流遮断ＦＥＴを介して通電されるので、寄生ダイオードによる発熱を解消できる。寄生ダイオードと並列に接続されるオン状態の放電電流遮断ＦＥＴは、寄生ダイオードに比較して電圧降下が相当に小さいので、電力消費が少なくなるからである。

しかしながら、この装置は、オフ状態にある放電電流遮断ＦＥＴを強制的にオンに切り換えて大電流で急速充電するので、ＦＥＴの発熱は防止できても、全てのパック電池を安全には充電できない。それは、いずれかの電池の電圧が最低電圧よりも低く下がっているパック電池を大電流で急速充電するからである。電池電圧が最低電圧よりも低くなっている電池は、異常電池であるか、あるいは深く放電された電池かのいずれかである。異常電池でなくて、単に深く放電された電池は、小さい電流で予備充電すると電池電圧が最低電圧よりも高くなる。電池自体に異常のある電池は予備充電しても電池電圧が最低電圧から高くならない。したがって、いずれかの電池電圧が最低電圧よりも低くなった電池は、最初に小さい電流で予備充電し、全ての電池電圧が最低電圧よりも高くなったことを確認した後、いいかえると異常電池でないことを確認した後に急速充電するのがよい。ところが、充電するときに放電電流遮断ＦＥＴをオフからオンに強制的に切り換えて急速充電する装置は、異常電池を含むパック電池をも急速充電するので安全に充電できない欠点がある。

本発明は、さらにこの欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、異常電池あるいは他電池と比べて電池電圧が低い電池を含むパック電池を安全に充電しながら、寄生ダイオードの発熱によるＦＥＴの故障を有効に防止できるパック電池と充電回路からなる電源装置を提供することにある。

本発明の電源装置は、直列に接続された複数の二次電池３を内蔵するパック電池１と、このパック電池１を充電する充電回路９とを備える。パック電池１は、二次電池３と直列に接続されて放電電流を遮断する放電電流遮断ＦＥＴ４と、各々の電池電圧を最低電圧に比較して、いずれかの電池電圧が最低電圧よりも低くなると放電電流遮断ＦＥＴ４をオンからオフに切り換えて放電電流を遮断する最低電圧検出部６とを備える。充電回路９は、パック電池１の出力電圧を検出して、出力電圧が設定電圧よりも高いときに主充電し、設定電圧よりも低いときに主充電よりも小さい電流で予備充電するように充電電流を切り換える充電電流切換部１０を備える。さらに、パック電池１と充電回路９は、放電電流遮断ＦＥＴ４のオフ状態を示すオフ信号を充電電流切換部１０に伝送する信号線１１で接続されると共に、充電電流切換部１０は、信号線１１からオフ信号が入力される状態においては、パック電池１の出力電圧が設定電圧よりも高い状態においても予備充電する。

充電電流切換部１０は、パック電池１の出力電圧が設定電圧よりも高い状態であって、しかも信号線１１からオフ信号が入力されない状態で、パック電池１の充電状態を主充電とすることができる。

充電回路２は、主充電における充電電流を０．５Ｃ〜４Ｃとして、予備充電の充電電流を主充電の充電電流未満とすることができる。

パック電池１は、互いに直列に接続されてなるリチウムイオン電池を備えることができる。さらに、パック電池１は、自転車のモーターの駆動用、あるいは電動工具用とすることができる。

本発明の電源装置は、異常電池あるいは他電池と比べて電池電圧が低い電池を含むパック電池を安全に充電しながら、寄生ダイオードの発熱によるＦＥＴの故障を有効に防止できる特長がある。それは、本発明の電源装置が、パック電池の出力電圧を検出して、出力電圧が設定電圧よりも高いときには主充電し、設定電圧よりも低いときには主充電よりも小さい電流で予備充電するように充電回路の充電電流切換部で充電電流を切り換えており、この充電電流切換部は、パック電池のいずれかの電池電圧が最低電圧よりも低くなる状態では、パック電池の出力電圧が設定電圧よりも高い状態であっても予備充電するからである。この構造の電源装置は、パック電池の出力電圧が設定電圧よりも高い状態であっても、いずれかの電池電圧が最低電圧よりも低くなる状態、すなわち放電電流遮断ＦＥＴがオフの状態では主充電することなく主充電よりも小さい電流で予備充電する。このため、オフ状態の放電電流遮断ＦＥＴに大きな充電電流が流れるのを防止して、主充電における放電電流遮断ＦＥＴの熱破壊を有効に防止できる。

さらに、本発明の電源装置は、放電電流遮断ＦＥＴがオフの状態では、従来のパック電池のように放電電流遮断ＦＥＴをオフからオンに切り換えて大きな充電電流で主充電するのではなく、主充電よりも小さい電流で予備充電する。したがって、いずれかの電池電圧が最低電圧よりも低くなった電池を最初に小さい電流で予備充電し、全ての電池電圧が最低電圧よりも高くなったことを確認した後、いいかえると異常電池でないことを確認した後に充電できる。このため、本発明の電源装置は、異常電池を含むパック電池を最初から大きな充電電流で充電することなく、安全に充電できる特長がある。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電源装置を例示するものであって、本発明は電源装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図２に示す電源装置は、パック電池１と、このパック電池１を充電する充電器２とを備える。パック電池１は、二次電池３と直列に接続されて放電電流を遮断する放電電流遮断ＦＥＴ４と、各々の電池電圧を最低電圧に比較して、いずれかの電池電圧が最低電圧よりも低くなると放電電流遮断ＦＥＴ４をオンからオフに切り換えて放電電流を遮断する過放電検出部である最低電圧検出部６とを備えている。パック電池１は、充電器２から外されて、別途用意される電気機器（図示せず）の電源として使用される。

二次電池３は、互いに直列に接続しているリチウムイオン電池である。図のパック電池１は４個のリチウムイオン電池を直列に接続している。パック電池１は、直列に接続する二次電池３の個数が多くなると出力電圧が高くなる。このため、出力電圧に対するひとつの電池電圧が小さくなる。たとえば２個の電池を直列に接続するパック電池は、ひとつの電池電圧が出力電圧の５０％をしめるが、４個の電池を直列に接続しているパック電池は、ひとつの電池電圧が出力電圧の２５％となる。したがって、いずれかの電池電圧が最低電圧よりも低いにもかかわらず、パック電池の出力電圧が設定電圧よりも高くなる確率は、電池の直列接続個数が多くなるにしたがって多くなる。本発明は、この状態で寄生ダイオード５の異常発熱を防止するものであるから、電池の直列接続個数が多いパック電池において特に有効である。したがって、本発明は、たとえば３個以上、好ましくは４個以上、さらに好ましくは５個以上の電池を直列に接続しているものである。

電池をリチウムイオン電池とするパック電池は、各々の電池電圧を検出して過充放電を制御する保護回路を内蔵している。したがって、本発明は、電池をリチウムイオン電池とするパック電池にとくに有効である。ただし、電池は、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池とすることもできるのは言うまでもない。

放電電流遮断ＦＥＴ４は、オフ状態では放電電流を遮断して、オン状態では放電可能な状態とするＦＥＴである。放電電流遮断ＦＥＴ４は、放電電流を遮断できるが、充電電流を遮断できない。逆方向に寄生ダイオード５を並列接続する等価回路となっているからである。放電電流遮断ＦＥＴ４は、逆向きに寄生ダイオード５が並列に接続されているＦＥＴ、たとえばＭＯＳＦＥＴである。図のパック電池１は、放電電流を遮断する放電電流遮断ＦＥＴ４のみを二次電池３と直列に接続しているが、充電電流を遮断する充電電流遮断ＦＥＴを二次電池と直列に接続することもできる。充電電流遮断ＦＥＴは、いずれかの電池が充電禁止電圧まで上昇し、あるいはパック電池の出力電圧が充電禁止電圧まで上昇すると、オフ状態に切り換えられてパック電池の充電電流を遮断する。充電電流遮断ＦＥＴも寄生ダイオードを並列に接続してなるＭＯＳＦＥＴである。したがって、充電電流遮断ＦＥＴがオフ状態となって、充電電流が遮断される状態で、寄生ダイオードを介して放電できる状態となる。

最低電圧検出部６は、各々の電池電圧を検出して、最低電圧に比較する比較器７と、いずれかの比較器７からオフ信号が出力されるとオフ信号を出力するＡＮＤ回路８とを備える。

比較器７はコンパレータで、マイナス側の入力端子に最低電圧に等しい電圧値の基準電圧を入力して、プラス側の入力端子に電池電圧を入力している。各々の二次電池３は、マイナス側を基準電圧のマイナス側に、プラス側を比較器７の入力端子に接続している。この比較器７は、電池電圧が基準電圧よりも高いときに、”Ｈｉｇｈ”をオン信号として出力し、電池電圧が基準電圧よりも低くなると、”Ｌｏｗ”をオフ信号として出力する。

ＡＮＤ回路８は、いずれかの比較器７からオフ信号である”Ｌｏｗ”が出力されると出力端子に、放電電流遮断ＦＥＴ４をオフにするオフ信号を出力する。したがって、いずれかの電池電圧が最低電圧よりも低くなって、比較器７がオフ信号を出力すると、ＡＮＤ回路８がオフ信号を出力して放電電流遮断ＦＥＴ４をオフに切り換える。この状態で、放電電流遮断ＦＥＴ４は放電電流を遮断して、パック電池１を放電できなくする。ＡＮＤ回路８は、全ての入力端子にオン信号である”Ｈｉｇｈ”が入力されるときにかぎって、放電電流遮断ＦＥＴ４をオンにするオン信号を出力する。したがって、すべての電池電圧が最低電圧よりも高く、全比較器７がオン信号を出力する状態で、ＡＮＤ回路８はオン信号を出力して、放電電流遮断ＦＥＴ４をオン状態とし、パック電池１を放電できる状態とする。

充電回路９は、パック電池１の出力電圧で充電電流をコントロールする充電電流切換部１０を備える。パック電池１が、充電器２に取り付けられたとき、充電電流切換部１０は、パック電池１の出力電圧を検出し、出力電圧が設定電圧よりも高いときに大電流で主充電して急速充電し、設定電圧よりも低いときは、主充電よりも小さい電流で予備充電するように充電電流を切り換える。充電器２は、主充電でパック電池１を急速充電する。したがって、主充電におけるパック電池１の充電電流は、たとえば０．５Ｃ〜４Ｃ、好ましくは０．５Ｃ〜２Ｃとする。主充電の充電電流は、完全に放電された電池を満充電するのに要する時間から特定される。主充電の充電電流を１Ｃとすれば、完全放電から満充電までの時間は１時間となる。したがって、主充電の充電電流を前述の範囲として、完全に放電されたパック電池１を、２時間〜１５分または３０分で満充電できる。予備充電の充電電流は、異常電池を充電することを考慮して、主充電の充電電流未満とし、たとえば０．１〜０．５Ｃとする。

パック電池１と充電回路９は、放電電流遮断ＦＥＴ４のオフ状態を示すオフ信号をパック電池１から充電器２に伝送する信号線１１で接続している。信号線１１は、パック電池１の最低電圧検出部６から充電器２の充電電流切換部１０にオフ信号を伝送する。信号線１１は、放電電流遮断ＦＥＴ４がオフ状態にあることを示すオフ信号をパック電池１の充電電流切換部１０に伝送するものであるから、放電電流遮断ＦＥＴ４のオフ信号を充電電流切換部１０に伝送できる全ての接続状態と、たとえば、放電電流遮断ＦＥＴの入力側のオフ信号が充電器の充電電流切換部に入力される接続状態とすることもできる。図２の電源装置は、最低電圧検出部６を放電電流遮断ＦＥＴ４の入力側に接続しているので、最低電圧検出部６と放電電流遮断ＦＥＴ４の両方を充電器２の充電電流切換部１０に接続している。

信号線１１は、図２に示すように、最低電圧検出部６の出力側を充電電流切換部１０にリード線で接続して、オフ信号を充電電流切換部１０に伝送し、あるいは図示しないが、リード線の途中にフォトカップラー等を設けて光を介してオフ信号を充電電流切換部に伝送することもできる。信号線１１によって、パック電池１の放電電流遮断ＦＥＴ４がオフ状態にあることが、充電器２の充電電流切換部１０に伝送されると、充電器２の充電電流切換部１０は、パック電池１の出力電圧が設定電圧よりも高い状態にあっても、主充電することなく予備充電する。すなわち、充電電流切換部１０は、以下のふたつの条件(1)と(2)を満足するときにかぎって、パック電池１を主充電する。
(1) パック電池１の出力電圧が設定電圧よりも高いこと。
(2) 放電電流遮断ＦＥＴ４がオフ状態でないこと、いいかえると放電電流遮断ＦＥＴ４がオン状態であること。

充電器２の充電電流切換部１０は、パック電池１の出力電圧が設定電圧よりも高くても、信号線１１を介して放電電流遮断ＦＥＴ４のオフ信号が入力されるときには、主充電することなく予備充電する。パック電池１が予備充電されて、全ての電池電圧が最低電圧検出部６よりも高くなると、放電電流遮断ＦＥＴ４はオフからオンに切り換えられる。したがって、信号線１１は、パック電池１から充電器２にオフ信号を伝送しなくなる。この状態になると、充電電流切換部１０は、パック電池１の出力電圧が設定電圧よりも高く、かつ放電電流遮断ＦＥＴ４がオフ状態でなくてオン状態にあることを確認し、予備充電を主充電に切り換えて、パック電池１を大電流で急速充電する。

この状態で主充電して急速充電されるパック電池１は、放電電流遮断ＦＥＴ４の発熱が少なくなる。オン状態にある放電電流遮断ＦＥＴ４の実質的な内部抵抗が、寄生ダイオード５の内部抵抗に比較して相当に小さくなるからである。このため、パック電池１を急速充電する大電流は、ほとんどが低抵抗な放電電流遮断ＦＥＴ４を通過し、放電電流遮断ＦＥＴ４の発熱量は少なくなる。放電電流遮断ＦＥＴ４の発熱量は、放電電流遮断ＦＥＴ４の両端に発生する電圧降下と電流の積に比例する。電圧降下は内部抵抗と電流の積に比例する。内部抵抗が小さい放電電流遮断ＦＥＴ４は電圧降下が少なくなる。したがって、この状態における放電電流遮断ＦＥＴ４の発熱は少なく、大きな充電電流の主充電における熱破壊は有効に防止される。

さらに、充電器２は、図示しないが、パック電池の充電を制御する制御回路を内蔵している。制御回路は図３に示す以下のステップでパック電池を充電する。
［ｎ＝１のステップ］
充電器２の制御回路は、パック電池１が接続されたかどうかを判定し、パック電池１が接続されると次のステップに進み、パック電池１が接続さないと、充電をオフの状態としてｎ＝１と２のステップをループする。
［ｎ＝３〜５のステップ］
パック電池１が接続されると、信号線１１からオフ状態が入力されるかどうかで、放電電流遮断ＦＥＴ４がオフ状態にあるか、オン状態にあるか判定する。放電電流遮断ＦＥＴ４がオフ状態にあると、ｎ＝４のステップで予備充電する。放電電流遮断ＦＥＴ４がオン状態にあると、次のｎ＝５のステップで、パック電池１の出力電圧が設定電圧よりも高いかどうかを判定し、出力電圧が設定電圧よりも高いと主充電して急速充電し、出力電圧が設定電圧よりも低いと予備充電する。その後、ｎ＝１〜６のステップをループして、パック電池１を満充電する。また、本実施例においては、パック電池は着脱式であるが、パック電池と充電器を一体化してもよい。この場合、放電時には、パック電池と充電器とを電気的に切り離して、放電出力を取り出す。

従来の複数の電池を内蔵するパック電池の回路図である。 本発明の一実施例にかかる電源装置の回路図である。 本発明の一実施例にかかる電源装置がパック電池を充電するフローチャートである。

符号の説明

１…パック電池
２…充電器
３…二次電池
４…放電電流遮断ＦＥＴ
５…寄生ダイオード
６…最低電圧検出部
７…比較器
８…ＡＮＤ回路
９…充電回路
１０…充電電流切換部
１１…信号線
２１…パック電池
２２…充電器
２３…電池
２４…放電電流遮断ＦＥＴ
２５…寄生ダイオード
２６…過放電保護回路

Claims (5)

1. 直列に接続された複数の二次電池(3)を内蔵するパック電池(1)と、このパック電池(1)を充電する充電回路(9)とを備える電源装置であって、
   パック電池(1)は、二次電池(3)と直列に接続されて放電電流を遮断する放電電流遮断ＦＥＴ(4)と、各々の電池電圧を最低電圧に比較して、いずれかの電池電圧が最低電圧よりも低くなると放電電流遮断ＦＥＴ(4)をオンからオフに切り換えて放電電流を遮断する最低電圧検出部(6)とを備えており、
   充電回路(9)は、パック電池(1)の出力電圧を検出して、出力電圧が設定電圧よりも高いときに主充電し、設定電圧よりも低いときに主充電よりも小さい電流で予備充電するように充電電流を切り換える充電電流切換部(10)を備えており、
   さらに、パック電池(1)と充電回路(9)は、放電電流遮断ＦＥＴ(4)のオフ状態を示すオフ信号を充電電流切換部(10)に伝送する信号線(11)で接続されると共に、充電電流切換部(10)は、信号線(11)からオフ信号が入力される状態においては、パック電池(1)の出力電圧が設定電圧よりも高い状態においても、予備充電するようにしてなる電源装置。
2. 充電電流切換部(10)は、パック電池(1)の出力電圧が設定電圧よりも高い状態であって、しかも信号線(11)からオフ信号が入力されない状態で、パック電池(1)の充電状態を主充電する請求項１に記載される電源装置。
3. 主充電の充電電流が０．５Ｃ〜４Ｃで、予備充電の充電電流が主充電の充電電流未満である請求項１に記載される電源装置。
4. パック電池(1)が、互いに直列に接続されてなるリチウムイオン電池を備える請求項１に記載される電源装置。
5. パック電池(1)が、自転車のモーターの駆動用、あるいは電動工具用である請求項１に記載される電源装置。
   

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