JP2013031303A - 電池パックの無接点充電方法及び電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】電池パックを発熱から保護しつつも、充電時間を短縮化する。
【解決手段】二次電池セル２の温度が、所定の第一閾値温度ＴＰ１より低い場合は充電を行わず、該第一閾値温度ＴＰ１以上の場合に、充電電流の最大値である所定の第一充電流値で前記二次電池セル２への充電を開始し、前記二次電池セル２の温度が、前記第一閾値温度ＴＰ１より高い所定の第二閾値温度ＴＰ２までの間は充電を継続しつつ、該第二閾値温度ＴＰ２における充電電流を、前記第一充電電流値よりも低い所定の第二充電電流値とし、前記二次電池セル２の温度が、前記第二閾値温度ＴＰ２より高い所定の第三閾値温度ＴＰ３までの間は充電を継続しつつ、該第三閾値温度ＴＰ３における充電電流を、前記第二充電電流値よりも低い所定の第三充電電流値とし、前記二次電池セル２の温度が、前記第三閾値温度ＴＰ３より高い場合に、充電電流を停止する。
【選択図】図６

Description

本発明は、充電台に載せられた電池パックの受電コイルと、充電台の送電コイルとを電磁結合し、送電コイルから受電コイルに磁気誘導作用で電力搬送して、電池パックの内蔵電池を充電する無接点充電方法及び電池パックに関する。

携帯電話や携帯音楽プレーヤ等のモバイル機器に代表される電池駆動機器は、携帯に便利なように、充電できる電池により駆動されるものが多い。このような電池駆動機器は、電池を素電池の状態で、あるいは電池パックの状態で収納している。電池駆動機器は、電池を収納する状態で充電器に接点を接続して充電される。一方で、このように接点を接続することなく、電磁誘導の作用を利用して充電台に内蔵された送電コイルから、受電コイルに対して電力を搬送して、電池を充電する充電台が開発されている（特許文献１参照）。

図１２に示す特許文献１は、充電台９１０に、交流電源で励磁される送電コイル９１１を内蔵し、この送電コイル９１１に電磁結合される受電コイル９２１を電池パック９３０に設けて、受電コイル９２１に誘導される電力で電池パック９３０の電池９３１を充電する。電池駆動機器９２０に収納された電池パック９３０は、受電コイル９２１に誘導される交流を整流し、これを電池９３１に供給して充電する充電回路を内蔵している。この構造によると、充電台９１０の上に電池駆動機器９２０に収納された電池パック９３０を載せて、接点を接続することなく無接点な状態で電池９３１を充電できる。

電池パックへの充電時には、二次電池セルや電池パックに組み込まれた充電回路等の電子部品が発熱する。熱によって二次電池セルや回路が劣化することを防ぐには、充電電流を小さくする必要がある。しかしながら、充電電流が小さいと、電池パックを満充電するまでに要する充電時間が長くなってしまうという問題があった。ユーザにおいては、充電の待ち時間を極力短くしたいという要望が強くあり、電池パックの保護との観点から、このような相反する要求を両立させることが困難であった。

特開２００８−１４１９４０号公報

本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、電池パックを発熱から保護しつつも、充電時間を短縮化することが可能な電池パックの無接点充電方法及び電池パックを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の目的を達成するため、本発明の第１の側面に係る電池パックの無接点充電方法は、充電台１１０に電池パック９０を載せ、前記充電台１１０から前記電池パック９０に電力を送出して、前記電池パック９０に内蔵している受電コイル１を、前記充電台１１０の送電コイル１１３と電磁結合させて、内蔵される前記電池パック９０の二次電池セル２を充電する無接点充電方法であって、前記検出された前記二次電池セル２の温度が、所定の第一閾値温度ＴＰ１より低い場合は充電を行わず、該第一閾値温度ＴＰ１以上の場合に、充電電流の最大値である所定の第一充電流値で前記二次電池セル２への充電を開始し、前記二次電池セル２の温度が、前記第一閾値温度ＴＰ１より高い所定の第二閾値温度ＴＰ２までの間は充電を継続しつつ、該第二閾値温度ＴＰ２における充電電流を、前記第一充電電流値よりも低い所定の第二充電電流値とし、前記二次電池セル２の温度が、前記第二閾値温度ＴＰ２より高い所定の第三閾値温度ＴＰ３までの間は充電を継続しつつ、該第三閾値温度ＴＰ３における充電電流を、前記第二充電電流値よりも低い所定の第三充電電流値とし、前記二次電池セル２の温度が、前記第三閾値温度ＴＰ３より高い場合に、充電電流を停止する。これにより、二次電池セルの温度が低い状態では、通常よりも大電流で通電して充電量を大きくし、充電時間の短縮化を図ることができ、さらに二次電池セルの温度が上昇すると充電量を小さく切り替えて、二次電池セルの保護を図ることが可能となる。さらに、第二充電電流が第一充電電流と略等しい状態とすることで、電池パックの二次電池セルの温度上昇を抑えることもでき、第三閾値温度以上に達した時は、充電電流を停止させ安全性を確保することができる。

また第２の側面に係る電池パックの無接点充電方法によれば、前記第一充電電流値が、前記電池パック９０をＡＣアダプタに接続した際に充電を行う電流値と略等しくすることができる。これにより、無接点充電とＡＣアダプタによる充電とが可能な電池パックの充電において、無接点充電時の充電電流の初期値を、ＡＣアダプタによる充電時とほぼ等しくして、充電時間の長時間化を抑制し、無接点充電の充電電流を増加させつつ、ＡＣアダプタによる充電時の充電電流と一致させることで充電回路を共通化できる。

さらにまた第３の側面に係る電池パックの無接点充電方法によれば、前記二次電池セル２の温度と充電電流との相互関係を充電プロファイルとし、前記充電電流を前記二次電池セル２の温度に応じて低下させる充電プロファイルが、階段状に構成されてなる。これにより、電池パックは、第一閾値温度から第三閾値温度との間で、閾値設定温度を複数設けられるため、各閾値温度での上昇下降温度に対して充電電流を階段状に変更でき、安定した二次電池セルの温度コントロールを行うことができ、二次電池セルを保護することができる。

さらにまた第４の側面に係る電池パックの無接点充電方法によれば、前記充電電流を前記二次電池セル２の温度に応じて低下させる充電プロファイルが、連続的に低下されてなる。これにより、二次電池セルの温度を連続的にフィードバックし、温度に反比例した充電プロファイルとすることもできるし、さらには二次曲線的に電流を低下する充電プロファイルとすることもできる。フィードバックされた電池情報は、応答速度を保ち連続的な二次電池セルの温度コントロールにより、急速充電を可能とすることができる。

さらにまた第５の側面に係る電池パックの無接点充電方法によれば、該電池パック９０を接続して駆動する電池駆動機器１００に接続された状態か、電池パック９０単体のいずれかを認識する工程を含んでいる。これにより、電池パック単体の温度は、電池駆動機器内での二次電池セルの温度と比較した場合に、熱が籠もりにくいため、更に急速充電を可能とすることができる。

さらにまた第６の側面に係る電池パックの無接点充電方法によれば、前記認識結果に基づいて、二次電池セル２充電時の第一閾値温度ＴＰ１を変更する工程を含んでいる。これにより、電池駆動機器で使用される場合と、電池パックとして使用する場合とで、電池パック内の温度上昇が異なるため、第一閾値温度からの充電開始を変更することができる。

さらにまた第７の側面に係る電池パックの無接点充電方法によれば、前記認識結果に基づいて、充電プロファイルを変更する工程を含んでいる。これにより、電池パックは、無接点充電時で電池駆動機器への内蔵であるか、電池パック単体であるかの判断認識により、充電プロファイル方法を変更することができ、環境条件にあった充電プロファイルを選択することができる。

さらにまた第８の側面に係る電池パックによれば、二次電池セル２と、前記二次電池セル２の電圧を検出する電圧検出部と、前記二次電池セル２の充放電に伴う電流を検出する電流検出部と、前記二次電池セル２の温度を検出する温度検出部と、受電コイル１と、前記受電コイル１で受電した電力を、前記二次電池セル２を充電可能な充電電流に変換する充電回路と、を備え、電池パックを充電する充電台に載置された状態で、充電台に内蔵される送電コイルと前記受電コイル１とを電磁結合して、充電台から前記電池パック９０に電力を送出して、前記二次電池セル２を充電する電池パック９０であって、前記電池パック９０はさらに、該電池パックが充電台に載置された状態で、電池パック９０が駆動対象の電池駆動機器に接続された状態か、電池パック９０単体のいずれであるかを認識する接続判別手段を備えており、前記充電回路は、前記温度検出部で検出された二次電池セル２の温度が、所定の第一閾値温度ＴＰ１より低い場合は充電を行わず、該第一閾値温度ＴＰ１以上の場合に、充電電流の最大値である所定の第一充電電流値で前記二次電池セル２への充電を開始し、前記二次電池セル２の温度が、前記第一閾値温度ＴＰ１より高い所定の第二閾値温度ＴＰ２までの間は充電を継続しつつ、該第二閾値温度ＴＰ２における充電電流を、前記第一充電電流値よりも低い所定の第二充電電流値とし、前記二次電池セル２の温度が、前記第二閾値温度ＴＰ２より高い所定の第三閾値温度ＴＰ３までの間は充電を継続しつつ、該第三閾値温度ＴＰ３における充電電流を、前記第二充電電流値よりも低い所定の第三充電電流値とし、前記二次電池セル２の温度が、前記第三閾値温度ＴＰ３よりも高い場合には、充電電流を停止するよう構成している。これにより、二次電池セルの温度が低い状態では、通常よりも大電流で通電して充電量を大きくし、充電時間の短縮化を図ることができ、さらに電池温度が上昇すると充電量を小さく切り替えて、二次電池セルの保護を図ることが可能となる。

電池パックを内蔵する電池駆動機器を無接点の充電台にセットする状態を示す斜視図である。 図１に示す充電台に電池駆動機器をセットして電池パックを充電する状態を示す垂直断面図である。 図２に示す充電台に電池パックをセットして充電する状態を示す垂直断面図である。 リチウムイオン二次電池の充電電流及び充電電圧を示すグラフである。 本発明による実施例１の無接点充電における二次電池セルの温度と二次電池セルへの充電電流との対比を示すグラフである。 本発明による実施例２の無接点充電における二次電池セルの温度と二次電池セルへの充電電流との対比を示すグラフである。 図６の変形例１で無接点充電における二次電池セルの温度と二次電池セルへの充電電流との対比を示すグラフである。 図６の変形例２で無接点充電における二次電池セルの温度と二次電池セルへの充電電流との対比を示すグラフである。 図６の変形例３で無接点充電における二次電池セルの温度と二次電池セルへの充電電流との対比を示すグラフである。 図１および図２における電気回路のブロック図である。 図３における電気回路のブロック図である。 従来の無接点充電にて電池駆動機器を充電台にセットした状態を示す垂直断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電池パックの無接点充電方法及び電池パックを例示するものであって、本発明は電池パックの無接点充電方法及び電池パックを以下のものに特定しない。さらに、本明細書においては、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、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。

以下、実施例として無接点充電における電池パックの実施形態を、図１から図３にて説明する。図１は電池パックを内蔵する電池駆動機器を無接点の充電台にセットする状態を示す斜視図、図２は充電台に電池駆動機器をセットして電池パックを充電する状態を示す垂直断面図、図３は充電台に電池パックをセットして充電する状態を示す垂直断面図をそれぞれ示している。

まず図１から図３に示す充電台１１０は、電池パック９０の受電コイル１に電磁結合される送電コイル１１３と、この送電コイル１１３に高周波電力を供給する高周波電源制御回路１１４を備えている。さらにこの高周波電源制御回路１１４は、ＡＣ／ＤＣアダプタ（図示せず）からの接続プラグ１４１、ＵＳＢケーブル１４２、または充電台用二次電池１１２のいずれかから直流電力が供給される。無接点の充電台１１０は、ＡＣ／ＤＣアダプタからの接続プラグ１４１を接続するＤＣ接続端子１１７Ａと、ＵＳＢケーブル１４２を接続するＵＳＢ端子１１７Ｂからなる直流入力端子１１７を外装ケース１１１に設けている。この直流入力端子１１７は、充電台用二次電池１１２への充電および直接高周波電源制御回路１１４へ供給される。また直流入力端子１１７への電力の供給がない場合には、充電台用二次電池１１２から高周波電源制御回路１１４への直流電力を供給することができる。これにより、この充電台１１０は、持ち運びが可能で、直流入力端子１１７への電力供給が無くても、充電台用二次電池１１２の直流電力を供給することで高周波電源制御回路１１４により高周波電力を発生させることができる。

さらに充電台１１０の送電コイル１１３は、電力の送電と共に、電池パック９０内二次電池セル２の、電圧、電流及び温度情報や接続判別等を無接点充電トランスミッターとして受電コイル１を利用しフィードバック情報を受けることができる。このフィードバック情報は、充電台１１０内部の送電制御基板１１５により処理され、高周波電源制御回路１１４へ伝達し、変更した高周波電力を送電コイル１１３へ供給することができる。これにより、充電台１１０は、電池パック９０の電圧、電流及び温度情報や接続判別等を監視することができ、その情報源に基づいて送電コイル１１３への高周波電力を変更することができる。
（二次電池セル２）

ここで電池パック９０に内蔵される二次電池セル２は、各面を一体成型した外装缶を形成し、金属ケースとすることができる。たとえば、金属ケースは、アルミニウム等とすることができ、外因性の衝撃から保護することができ、さらに放熱性にも優れた効果を得ることができる。

この実施例での二次電池セルは、体積エネルギー密度の大きいリチウムイオン二次電池又はリチウムポリマー電池を使用することで、全体を軽く、薄く、小さくして利便性を良く携帯駆動機器に利用できる特徴がある。ただこれに限るものではなく、二次電池セルは、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池等の充電できる全ての二次電池とすることもできる。
（充電プロファイル）

ここで図４に、リチウムイオン二次電池の温度と充電電流及び充電電圧との関係の一例を示す。この図において、単電池温度の温度領域に関しては、温度閾値Ｔ１〜Ｔ２が低温度域、温度閾値Ｔ２〜Ｔ３が標準温度域、温度閾値Ｔ３〜Ｔ４が高温度域および温度閾値Ｔ５〜Ｔ６が推奨温度域である。さらに充電電圧は、温度閾値Ｔ２から温度閾値Ｔ３の間にある温度閾値Ｔ５から温度閾値Ｔ６間を安全領域（電圧）としている。充電においては、上限充電電圧を超えないことが重要となる。このため本願発明の電池パック９０では、常に電池パック９０内にて二次電池セル２の電圧を監視している。この電池パック９０は、上限充電電圧を超えた場合には、二次電池セル２への充電電流を停止させる回路を備えており、充電台１１０からの電磁供給を停止することで、安全性を高めている。また、温度閾値Ｔ１〜Ｔ２の低温度域、温度閾値Ｔ３〜Ｔ４の高温度域においては、充電電流、充電電圧の一方または両方を満足することが望ましい。

さらに、単電池温度と充電電流は、温度閾値Ｔ１は下限充電温度を示しており、また、温度閾値Ｔ４が上限充電温度を示している。さらに、温度閾値Ｔ２から温度閾値Ｔ３間が安全領域（電流）としている。ここで図５から図９では、無接点充電における二次電池セルの温度と二次電池セルへの充電電流との対比を示すグラフを示している。これに対する、電池パック９０は、内蔵されている二次電池セル２の電池温度情報により、制御信号を充電台１１０へ送り、送電コイル１１３より適切な受電を受けている。このとき、二次電池セル２の温度が、所定の第一閾値温度ＴＰ１より低い場合は充電を行わず、第一閾値温度ＴＰ１以上の場合に、充電電流の最大値である所定の第一充電電流値で二次電池セル２への充電を開始しする。さらに、二次電池セル２の温度が、第一閾値温度ＴＰ１より高い所定の第二閾値温度ＴＰ２までの間は充電を継続しつつ、第二閾値温度ＴＰ２における充電電流を、第一充電電流値よりも低い所定の第二充電電流値としている。さらにまた、二次電池セル２の温度が、第二閾値温度ＴＰ２より高い所定の第三閾値温度ＴＰ３までの間は充電を継続しつつ、第三閾値温度ＴＰ３における充電電流を、第二充電電流値よりも低い所定の第三充電電流値としている。それ以上二次電池セル２の温度が、前記第三閾値温度ＴＰ３よりも高い場合には、充電電流を停止する。なお、「・・・までの間は充電を継続しつつ、」とは、充電電流を一定とする場合のみならず、変化させながら充電を継続することができることを示している。

これを踏まえた形で、まず図５は、実施例１の無接点充電における二次電池セルの温度と二次電池セルへの充電電流とのグラフを示している。このフィードバックされた温度情報により充電台１１０の送電コイル１１３には、制御された高周波電力が供給される。その高周波電力は、送電コイル１１３と電磁結合した受電コイル１により受電される。さらに、受電コイル１が受電した誘導起電力は、後述する整流充電制御部９６により整流し平滑された直流電流に変換される。変換された直流電流は、二次電池セル２へ第一閾値温度ＴＰ１を０度と、第二閾値温度ＴＰ２を４０度と、さらに第三閾値温度ＴＰ３を４５度としたグラフに示すような充電プロファイルを示している。ここで、第一閾値温度ＴＰ１は、電池工業会（ＢＡＪ）が提唱する温度閾値Ｔ２に相当する。さらに第二閾値温度ＴＰ２は、温度閾値Ｔ３に相当する。さらにまた、第三閾値温度ＴＰ３は、上限充電温度の温度閾値Ｔ４に相当する。

この図５に示す実施例１では、第一閾値温度ＴＰ１の０度時点より充電を開始し、第一閾値温度ＴＰ１の０度から第二閾値温度ＴＰ２の４０度までを一定電流の約４００ｍＡとしている。この電流値は、ＢＡＪでの定格充電電流に相当する。さらに、第二閾値温度ＴＰ２の４０度から第三閾値温度ＴＰ３の４５度で約１５０ｍＡまで温度に反比例して低下させている。さらにまた、第三閾値温度ＴＰ３の４５度を超えた場合には、充電電流を停止するように、送電電流を停止させている。この実施例１での充電プロファイルは、第一閾値温度ＴＰ１から第三閾値温度ＴＰ３の充電電流変化を、充電プロファイル１としている。

この充電プロファイル１により充電される電池パック９０は、温度が上限充電温度を超えた場合に、熱暴走の可能性の回避のため、上限充電温度である第三閾値温度ＴＰ３で充電電流を自動的に停止させている。これにより、二次電池セル２への熱による熱暴走を回避し、破損の可能性を低減させることができる。ここで、第一閾値温度ＴＰ１、第二閾値温度ＴＰ２、第三閾値温度ＴＰ３並びに上限充電温度は、二次電池セルの仕様により異なるため、各温度の閾値設定を変更することができる。さらに同様に、各閾値温度での充電電流の値自体も異なる設定に変更することができる。

実施例１における充電プロファイル１では、電池パック９０の安全性を重視した無接点充電が可能であるが、充電時間を要する。これを短縮するため実施例２では、図６に示すように、第一閾値温度ＴＰ１の０度と第二閾値温度ＴＰ２の４０度との中間温度で中間閾値を設け、第一閾値温度ＴＰ１の０度時点で、ＡＣアダプタによる充電と同等で上限充電電流に近い約７００ｍＡとし、中間閾値の温度まで温度に反比例して充電電流を減少させ約５００ｍＡとしている。これにより、第一閾値温度ＴＰ１と中間閾値との間で安定温度となった場合には、二次電池セル２への供給電力を増加させることができ、二次電池セル２の充電量を増加させることができる。さらに中間温度を超える温度での充電電流は、中間閾値の温度から第二閾値温度ＴＰ２である４０度までの間で、温度に反比例して約４００ｍＡまで減少させている。さらにまた実施例１と同様に第二閾値温度ＴＰ２から第三閾値温度ＴＰ３までは、温度に反比例して約１５０ｍＡまで減少させ、第三閾値温度ＴＰ３を超えた時点で充電電流を停止している。この実施例２での充電プロファイルは、第一閾値温度ＴＰ１から第三閾値温度ＴＰ３の充電電流変化を、充電プロファイル２としている。これにより、充電プロファイル２により充電されるこの電池パック９０は、低温時に充電電流を最大充電電流に近い値で充電でき、この間での急速充電を可能とし充電時間を短縮することができ、その後温度が上昇する毎に充電電流を低下させることで、電池パック９０の安全性を向上させている。さらに、上限充電温度である第三閾値温度ＴＰ３の４５度で充電電流を停止させることで、二次電池セルの熱による熱暴走等の悪影響を回避することができる。

これらの電池パック９０の温度上昇は、使用環境に大きく影響される。たとえば、図１及び図２の電池駆動機器１００に内蔵された電池パック９０は、電池パック単体の場合に比べて熱が電池駆動機器内で籠もり易くなり、温度が上昇する傾向にある。このような状況に応じて、充電プロファイル１か充電プロファイル２かを適切に選択する。例えば、夏場等の暑い時期は、電池駆動機器１００も外気温に影響され、高温となるため、この時点では充電プロファイル１を選択することで、内部の電池パック９０を保護できる。逆に、冬場では外気温が下がっているため、電池駆動機器１００も低温となり、充電方法を充電プロファイル２に変更することにより、急速充電が可能となり充電時間の短縮を図ることができる。ここでは、充電時間の短縮化を図るため、充電プロファイル２を選択している。

なお電池パック９０は、内部の二次電池セル２の電圧、電流及び電池温度を監視し、その情報に基づいて送電コイル１１３への高周波電力を変更することもできる。これにより、無接点充電開始時の電池温度が、中間閾値の温度より低い場合には充電プロファイル２とし、中間閾値の温度より高い場合には充電プロファイル１へと、自動で選択させることもできる。

また図３に示す電池パック９０単体は、電池パック自体が外気に接触しているため、温度上昇が押さえられるため、充電電流を充電プロファイル２の方式で実施することで、急速充電が可能である。

さらに、電池パックは、電池駆動機器１００に内蔵される電池パック９０か、単体の電池パック９０であるか接続判別手段として後述する経路切替スイッチ９３を有しているため、第一閾値温度ＴＰ１を変更することができる。たとえば、電池パック９０は、電池駆動機器１００内部に内蔵されるため、熱が籠もりやすく第一閾値温度ＴＰ１を上記０度とすることで、安全性を高めることができる。これに対し、単体で充電される電池パック９０は、充電プロファイル２の第一閾値温度ＴＰ１を０度以上に変更することができ、たとえば約１０度とすることもできる。これは、電池パック９０は、外気に直接触れているため冷却効果が高く、第一閾値温度を約１０度とした場合、充電電流を最大充電電流に近い状態で充電が可能で、急速充電を効率よく実施することができる。

これらの充電プロファイル１及び充電プロファイル２は、充電開始から一定時間が経過後、電池セル１が第三閾値温度ＴＰ３以内で安定温度なった場合、その時点での電流値が維持され、二次電池セル２へ電流供給を続け満充電まで充電を行ことができる。これにより電池パック９０は、安全で確実に満充電とすることができる。さらに、充電プロファイル２では、一定温度となる温度が低ければ低いほど、充電電流を高く設定され、急速充電が可能となり充電時間の短縮を図ることができる。

さらに、図７から図９に、充電プロファイル２の変形例として、無接点充電における二次電池セル２の温度と二次電池セル２への充電電流とのグラフを示している。まず実施例２の充電プロファイル２で、第一閾値温度ＴＰ１から中間閾値温度までを温度に反比例して充電電流を低下させていたが、図７に示す変形例１では、階段状に充電電流を低下させている。この充電電流は、第一閾値温度ＴＰ１の０度時点で約７００ｍＡとし、５度上昇毎に１０％減少させ、二次電池セル２の温度が約２５度に達した時点からは、第二閾値温度ＴＰ２まで一定電流としている。さらに、充電電流は、第二閾値温度ＴＰ２から第三閾値温度ＴＰ３までは、実施例１同様温度に反比例して約１５０ｍＡまで低下させ、第三閾値温度ＴＰ３を超えた時点で停止させている。これにより、二次電池セル２の温度が、約２５度以下の低温域で安定した場合には、急速充電が可能となり、さらに安定温度が約２５度を超えた場合は、約４００ｍＡ程度の一定電流で充電となり、充電による温度上昇を抑制することができる。

さらにまた、変形例１では、二次電池セル２の温度が５度上昇時に、１０％充電電流を減少させているが、これに限るものではなく、亜熱帯地域や寒冷地等の環境状況により、変更することは可能である。たとえば、亜熱帯地域などで使用される場合には、二次電池セル２の温度が２度上昇毎に、１０％充電電流を減少させ充電電流を急激に下げ、早期に二次電池セル２を安定温度で動作させることも可能である。

さらにまた、寒冷地等での利用の場合には、二次電池セル２へ外気温の低い影響を受けるため、実施例２の充電プロファイル２の変形例２として、図８に示すような充電プロファイルとすることもできる。この充電プロファイルは、第一閾値温度ＴＰ１から第二閾値温度ＴＰ２までを温度上昇に反比例して低下させている。これにより、二次電池セル２は、第二閾値温度ＴＰ２以下での安定温度の場合、充電電流を定格充電電流値より高い状態で維持することができ、充電時間が短くなる急速充電を可能としている。

次に、図９に示す実施例２の充電プロファイル２の変形例３は、第一閾値温度ＴＰ１から第二閾値温度ＴＰ２まで、二次曲線的に充電電流を減少させる充電プロファイルとしている。これにより、変形例３の充電プロファイルは、第一閾値温度ＴＰ１の０度時点での充電電流を約７００ｍＡとし、温度上昇と共に放物曲線的に充電電流が減少し、第二閾値温度ＴＰ２で約４００ｍＡに到達する。さらに、第二閾値温度ＴＰ２から第三閾値温度ＴＰ３までは、実施例１同様温度に反比例して約１５０ｍＡまで低下させ、第三閾値温度ＴＰ３を超えた時点で充電電流を停止させている。これにより、充電電流による二次電池セル２の温度上昇が急激な場合に、即座に充電電流を減少させることができ、二次電池セル２を熱暴走による破損から回避させることができる。さらに、この充電プロファイルの二次曲線は、仕様要件により充電電流の降下曲線を変更することもできる。

ここで、実施例１，２および変形例１〜３の第二閾値温度ＴＰ２から第三閾値温度ＴＰ３の充電電流の低下を、温度に対して反比例としているが、これに限るものではなく、二次曲線的に急激に充電電流値を下げることもできる。また、第三閾値温度ＴＰ３での充電電流は、約１５０ｍＡとしているが、これに限るものではなく、約１５０ｍＡ以下の電流値とすることができ、約０ｍＡとすることもできる。
（充電台１１０）

ここで、充電プロファイルを行うための回路の概略構成として、図１０および図１１に示している。ここで、図１０では、図１及び図２に示す充電台１１０により、電池駆動機器１００を充電するブロック図を示している。ここでは、充電台１１０と電池駆動機器１００内部の電池パック９０とを電磁結合させている。充電台１１０には、送電コイル１１３を有している。さらに、電池パック９０には、受電コイル１を有している。電磁結合は、充電台１１０の送電コイル１１３に高周波電流を流すことにより、磁束が発生し、その磁束により受電コイル１に誘導起電力を発生させることができる。これにより、電池パック９０の二次電池セル２は、受電コイル１からの誘導起電力を無接点充電回路９５内の整流充電制御部９６で整流し平滑された直流電力が送電されることで、充電することができる。

さらに、充電台１１０内の高周波電源制御回路１１４は、ＡＣ／ＤＣアダプタからのＤＣ接続端子１１７ＡとＵＳＢ端子１１７Ｂとを有する直流入力端子１１７から、直流電力の供給を受けることができる。この直流電力は、充電台１１０の充電台用二次電池１１２への充電と共に、高周波電源制御回路１１４へ直流電力を供給し、直流電力を高周波電力に変換し送電コイル１１３へ供給することができる。ここで、高周波電源制御回路１１４には、受電可能な機器の有無を判別する機器検出回路１１９、および送信出力電力を制御する高周波制御回路１２０を有している。さらに、直流入力端子１１７への直流電力が供給されない場合は、充電台１１０の充電台用二次電池１１２より、高周波電源制御回路１１４へ直流電力を供給することができる。これにより、無接点充電を行う送信コイル１１３は、受電機器側にある受電コイル１と磁束により電磁結合ができ、受電コイル１に誘導起電力を供給することができる。

さらにまた、高周波電源制御回路１１４への電力供給は、直流電力制御回路１２１により制御され、直流入力端子１１７および充電台用二次電池１１２の切り替えをスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３及びＳＷ４のＯＮ／ＯＦＦにて行われている。ここで充電台用二次電池１１２への充電は、直流入力端子１１７から直流電力が入力されたことを、直流電力制御回路１２１にて認識し、スイッチＳＷ１またはＳＷ２及びＳＷ３がＯＮになり通電される。ここで通電された直流電力は、内部充電回路１１８にて、充電台用二次電池１１２が満充電か否かを検出し、充電可能であれば充電を開始し、満充電時は電力供給しないようにする。これにより、充電台１１０は、持ち運びが可能で、交流電源が無い場所又は、ＵＳＢ電源を得ることができない場所でも、内部電池１１２により高周波電源制御回路１１４への電力供給が可能である。

機器検出回路１１９は、送電コイル１１３と電磁結合される受電コイル１が認識できる範囲にあるか否かを判断し、受電範囲内であれば電力を供給し、受電範囲外であれば電力供給を停止する。これにより、充電台１１０は、無駄な送電エネルギーを供給することなく、必要時のみ送電することで省エネ効果を得ることができる。

高周波制御回路１２０は、送電コイル１１３へ供給する高周波電力の制御を行う。さらに、充電台１１０には、受電する電池パック９０内部の電圧、電流及び温度情報や接続判別等の情報を受ける送電制御基板１１５を有している。この送電制御基板１１５には、電池パック９０の情報を受けるために、高周波電源制御回路１１４で発生させた高周波を除去するための同相信号除去回路１１６を有している。電池パック９０の情報を受けた送電制御基板１１５は、コントロール信号を高周波制御回路１２０へ伝達し、その情報に従って送電コイル１１３への高周波電力を調整する。これにより、電池パック９０の情報を正確に送電制御基板１１５へ伝達することができ、さらに電池パック９０への電磁結合による誘導起電力をコントロールすることができる。

ここで、充電台１１０においては、受電する電池パック９０内部の電圧、電流及び温度情報や接続判別等の情報を受ける送電制御基板１１５により、二次電池セル２に対して最大の電流値、最大の電圧値を規制した定電流・定電圧充電が行えるように、充電台１１０の出力を制御する。これにより、出力を制御された充電台１１０は、電池パック９０の二次電池セル２を確実に定電流又は定電圧による充電を実現することができる。具体的には、電圧、電流等の電池情報により、例えば、二次電池セルを最大４．２Ｖに充電する場合４．２Ｖ以下のときは、最大の所定の定電流充電となるように充電台１１０の出力調整を行う。さらに、二次電池セルの電圧が４．２Ｖに達した場合は、最大の定電圧充電で４．２Ｖを維持できるように、充電台１１０の出力調整を行う。さらにまた、本実施例での充電プロファイルは、電池パック９０内のパック制御部９１に保存しており、電池温度情報に基づいて所定の定電流となるように、充電台１１０の出力調整を制御することができる。
（電池パック９０）

つぎに、電池パック９０の受電回路は、受電コイル１、二次電池セル２、無接点充電回路９５、ＦＥＴ等のスイッチとしての充電スイッチ９８、無接点電流検出抵抗９９、保護回路９２、経路切替スイッチ９３、温度検出部９４およびパック制御部９１等を有する。さらに無接点充電回路９５には、受電コイル１からの誘導起電力を整流し平滑するための整流充電制御部９６を有する。さらに、無接点充電回路９５には、二次電池セル２の電圧、電流及び温度情報や接続判別等の情報を無接点充電トランスミッターとして受電コイル１を利用しフィードバック情報を、充電台１１０へ伝達する情報変調制御部９７をも有する。

受電コイル１は、充電台１１０の送信コイル１１３からの磁束を受け、誘導起電力に変換され、整流充電制御部９６により、交流電力を整流し平滑を行い直流電力とし、二次電池セル２を充電可能とする。これにより、電池駆動機器１００の電池パック９０は、無接点充電が可能となり、接点充電時に起こる接触不良等のトラブルを避けることができる。

ここで、パック制御部９１は、二次電池セル２の電圧、電流及び温度情報や接続判別等の電池情報を収集し、無接点充電回路９５内の情報変調制御部９７へ伝達する。この伝達された情報を情報変調制御部９７は、伝送する伝送タイミングと、伝送しない非伝送タイミングとを所定の周期で繰り返し、電池情報を受電コイル１を経由し、充電台１１０へ伝達する。この周期は、たとえば０．１ｓｅｃ〜５ｓｅｃ、好ましくは０．１ｓｅｃ〜１ｓｅｃに設定される。無接点充電している二次電池セル２は、残容量、電圧、電流、温度などが変化するので、これらの電池情報は、前述の周期で繰り返し伝送する。また、充電している電池の満充電の電池情報は、充電している電池が満充電となったタイミングにおいて伝送される。

情報変調制御部９７から受電コイル１への情報伝達方法としては、電池情報を示すデジタル信号で情報変調制御部９７に内部構成されるスイッチング素子（図示せず）をＯＮ／ＯＦＦに切り換えて、すなわち周波数変調して電池情報を伝送する。たとえば、情報変調制御部９７は、１０００ｂｐｓのスピードでスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御して、電池情報を伝送する。ただし、情報変調制御部９７は、５００ｂｐｓ〜５０００ｂｐｓで電池情報を伝送することもできる。伝送タイミングにおいて１０００ｂｐｓで電池情報を伝送した後、非伝送タイミングにおいては電池情報の伝送を停止して二次電池セルを正常な状態で充電する。伝送タイミングにおいては、スイッチング素子がＯＮ／ＯＦＦに切り換えられる。これにより、電池情報は、充電台１１０側にある送電制御基板１１５に変調周波数として伝達され、高周波制御回路１２０にて制御され、高周波電源制御回路１１４の出力電力をコントロールすることができる。

さらに、二次電池セル２は、整流された直流電力を充電スイッチ９８により電圧を監視され、充電可能状態時に充電される。この電池降下変化素子９８で監視された情報は、パック制御部９１を経由し、情報変調制御部９７へ伝達される。この実施例での充電スイッチ９８は、図ではＦＥＴとしているが、電流通過制御可能なトランジスタ等の半導体素子での実現も可能である。好ましくは、電流通過時に電力損失が少ない半導体素子を選択されることで、省エネを実現することができる。

ここで検出された二次電池セル２の電圧情報は、上限充電電圧に到達した場合にパック制御部９１より停止制御を行い電池降下変化素子９８をオープン状態にすると共に、充電台１１０の高周波電源制御回路１１４の出力電流を停止することができる。これにより、充電台１１０の送電エネルギーを削減でき、さらに二次電池セル２の安全性を向上させることができる。

さらに無接点充電電流制御に関しては、無接点電流検出抵抗９９間に生じる電圧降下をパック制御部９１にて検出し、電池降下変化素子９８にて制御すると共に、情報変調制御部９７へ伝達され、充電台１１０の出力を制御することも可能である。さらに、保護回路９２は、充電電流および放電電流における二次電池セル２の保護を行っている。これにより、電池パック９０は、充電電流に関してフェールセーフ設計となり、より安全性を高めることができる。

さらにまた、この二次電池セル２は、温度検出部９４により温度を監視され、その情報をパック制御部９１に送られ、無接点充電回路９５内の情報変調制御部９７にて、充電台１１０の供給電力を制御される。ここで用いられる温度検出部は、ＮＴＣサーミスタ、ＰＴＣサーミスタや温度ヒューズ等とすることができる。

ここで検出された二次電池セル２の温度情報は、電池パック９０内のパック制御部９１にプログラムされている充電プロファイルに従い、高周波制御回路１２０に指示を伝達し、高周波電源制御回路１１４の出力電流を制御することによりコントロールできる。この充電プロファイルは、複数プログラムすることが可能で、使用環境や使用状況に合わせて選択することができる。これにより、寒冷地では、上記記載の実施例２、変形例１，変形例２および変形例３などが選択でき、電池温度が第一閾値温度ＴＰ１であれば、最大充電電流に近い約７００ｍＡでの充電が可能で、温度上昇と共に各充電プロファイルの条件下で、高周波電源制御回路１１４の出力電流を下げることができ、短時間で充電することができる。さらに、二次電池セル２の温度が第一閾値温度ＴＰ１より低い場合および第三閾値温度ＴＰ３より高い場合には、高周波電源制御回路１１４の出力電流を停止させることができ、電池パック９０の安全性を高めることができる。

さらに、亜熱帯地域等で利用される電池駆動機器１００は、この実施例でプログラムされている充電プロファイル１を選択することにより、二次電池セル２が第二閾値温度ＴＰ２以下の場合には常に定格充電電流である約４００ｍＡとしている。これにより、充電における受電コイル１および二次電池セル２の発熱を抑え、二次電池セル２の熱暴走を回避することができる。

このように二次電池セル２の電圧、電流及び温度の電池情報は、いずれかのパラメータで二次電池セル２の異常を検出した場合、充電電流を停止するように動作することができ、電池パック９０の保護を行っている。

さらに、無接点充電時においては、この電池パック９０は、駆動機器本体１０１と接続されていいるか否かを、無接点充電回路９５の出力電圧を印加されたパック制御部９１にて監視している。この実施例では、経路切替スイッチ９３は、通常時オープン状態となっている。このため、電池パック９０が駆動機器本体１０１と接続されている場合のパック制御部９１には、二次電池セル２の電圧が印加される。これに対し電池パック９０単体の場合のパック制御部９１には、無接点充電回路９５の整流後電圧が印加されることになる。例えば、電池パック９０が駆動機器本体１０１に接続されている場合のパック制御部９１には、二次電池セル２の電圧である約４．２Ｖ以下が印加される。これに対し、電池パック９０単体の場合のパック制御部９１には、無接点充電回路９５の整流後電圧である約５Ｖが印加される。これにより、この電圧差をパック制御部９１にて検出し、電池パック９０と駆動機器本体１０１との接続判定を行っている。ただ、この経路切替スイッチ９３は、電池パック９０単体にて、上記の接続判定後、パック制御部９１の制御により、無接点の充電器１１０に載置された場合クローズ状態になり、二次電池セル２への充電を開始することができる。これにより、電池パック９０単体で充電台１１０に載置されてない場合には、経路切替スイッチ９３がオープン状態であるため、保管時等による自然放電を減少させることができる。
（駆動機器本体１０１）

ここで駆動機器本体１０１の回路構成の一例として、この実施例では、ＤＣ入力コネクタ１５２、アダプタ判定回路１５１、アダプタ充電回路１５３、システム電源１５４、残容量演算部１５５（ＦＧ−ＩＣ）および機器制御部１５０等を有している。ここで駆動機器本体１０１は、ＤＣ入力コネクタ１５２に直流電源が接続されている場合には、アダプタ判定回路１５１およびアダプタ充電回路１５３により検出される。ＤＣ入力コネクタ１５２からの直流電力を検出した場合にアダプタ充電回路１５３は、電池パック９０の電池降下変化素子９８をオープン状態にし、無接点充電ができない状態とする。さらに、アダプタ充電回路１５３は、システム電源１５４および電池パック９０へ電力を供給するように動作する。これにより、電池パック９０の二次電池セル２は、駆動機器本体１０１のＤＣ入力コネクタ１５２からの直流電力により充電される。この時点で、電池パック９０は、パック制御部９１の情報により、充電台１１０へ電力供給停止命令を伝送している。

無接点充電時の動作としては、駆動機器本体１０１からのＤＣ入力コネクタ１５２の未接続情報により、電池パック９０の充電スイッチ９８がクローズ状態され、受電コイル１からの誘導起電力を整流充電制御部９６にて整流し平滑された直流電力が二次電池セル２を充電する。

つぎに図１１のブロック図は、充電台１１０で無接点充電する単体の電池パック９０を示している。充電台１１０は、上記記載の動作するものである。さらに、電池パック９０は、充電台１１０に載置されたことを、無接点充電回路９５にて検出し、その情報によりパック制御部９１より経路切替スイッチ９３をクローズ状態させ二次電池セル２の充電を行う。この二次電池セル２は、外気による冷却効果が高いため、充電プロファイルを急速充電が可能な充電プロファイル２を選択し、低温時には充電電流を増加させ急速充電することができる。なお、電池パック９０が単体であっても、該電池パック９０を接続して駆動する電池駆動機器１００に接続された状態であっても、充電プロファイル２によって、急速に充電可能である。

さらに、単体で無接点充電される電池パック９０は、第一閾値温度ＴＰ１を上昇させることができ、たとえば第一閾値温度ＴＰ１を約１０度とすることにより、さらに充電電流を高くすることができ、電池パック９０の充電時間を短縮することができる。これは、電池パック９０内の二次電池セル２が、外気温度の影響を受け、低温で二次電池セル２の温度が安定温度となることにより、充電電流が高い状態で維持され、急速充電を行うことができる。

本発明に係る電池パックの無接点充電方法及び電池パックは、携帯電話、携帯型音楽プレーヤ用およびＰＤＡ等の電池パックとして、好適に利用できる。

１…受電コイル
２…二次電池セル
９０…電池パック
９１…パック制御部
９２…保護回路
９３…経路切替スイッチ
９４…温度検出部
９５…無接点充電回路
９６…整流充電制御部
９７…情報変調制御部
９８…充電スイッチ
９９…無接点電流検出抵抗
１００…電池駆動機器
１０１…駆動機器本体
１１０…充電台
１１１…外装ケース
１１２…充電台用二次電池
１１３…送電コイル
１１４…高周波電源制御回路
１１５…送電制御基板
１１６…同相信号除去回路
１１７…直流入力端子
１１７Ａ…ＤＣ接続端子
１１７Ｂ…ＵＳＢ端子
１１８…内部充電回路
１１９…機器検出回路
１２０…高周波制御回路
１２１…直流電力制御回路
１４１…接続プラグ
１４２…ＵＳＢケーブル
１５０…機器制御部
１５１…アダプタ判定回路
１５２…ＤＣ入力コネクタ
１５３…アダプタ充電回路
１５４…システム電源
１５５…残容量演算部
９１０…充電台
９１１…送電コイル
９２０…電池駆動機器
９２１…受電コイル
９３０…電池パック
９３１…電池
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４…スイッチ
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６…温度閾値
ＴＰ１…第一閾値温度
ＴＰ２…第二閾値温度
ＴＰ３…第三閾値温度

Claims (8)

1. 充電台(110)に電池パック(90)を載せ、前記充電台(110)から前記電池パック(90)に電力を送出して、前記電池パック(90)に内蔵している受電コイル(1)を、前記充電台(110)の送電コイル(113)と電磁結合させて、内蔵される前記電池パック(90)の二次電池セル(2)を充電する無接点充電方法であって、
   前記二次電池セル(2)の温度を検出し、
   前記検出された前記二次電池セル(2)の温度が、所定の第一閾値温度(TP1)より低い場合は充電を行わず、該第一閾値温度(TP1)以上の場合に、充電電流の最大値である所定の第一充電流値で前記二次電池セル(2)への充電を開始し、
   前記二次電池セル(2)の温度が、前記第一閾値温度(TP1)より高い所定の第二閾値温度(TP2)までの間は充電を継続しつつ、該第二閾値温度(TP2)における充電電流を、前記第一充電電流値よりも低い所定の第二充電電流値とし、
   前記二次電池セル(2)の温度が、前記第二閾値温度(TP2)より高い所定の第三閾値温度(TP3)までの間は充電を継続しつつ、該第三閾値温度(TP3)における充電電流を、前記第二充電電流値よりも低い所定の第三充電電流値とし、
   前記二次電池セル(2)の温度が、前記第三閾値温度(TP3)より高い場合に、充電電流を停止する
   ことを特徴とする電池パックの無接点充電方法。
2. 請求項１に記載の電池パックの無接点充電方法であって、
   前記第一充電電流値が、前記電池パック(90)をＡＣアダプタに接続した際に充電を行う電流値と略等しいことを特徴とする電池パックの無接点充電方法。
3. 請求項１又は２に記載の電池パックの無接点充電方法であって、
   前記二次電池セル(2)の温度と充電電流との相互関係を充電プロファイルとし、
   前記充電電流を前記二次電池セル(2)の温度に応じて低下させる充電プロファイルが、階段状に構成されてなることを特徴とする電池パックの無接点充電方法。
4. 請求項１又は２に記載の電池パックの無接点充電方法であって、
   前記充電電流を前記二次電池セル(2)の温度に応じて低下させる充電プロファイルが、連続的に低下されてなることを特徴とする電池パックの無接点充電方法。
5. 請求項１から４のいずれか一に記載の電池パックの無接点充電方法であって、さらに、
   該電池パック(90)を接続して駆動する電池駆動機器(100)に接続された状態か、電池パック(90)単体のいずれかを認識する工程を含むことを特徴とする電池パックの無接点充電方法。
6. 請求項５に記載の電池パックの無接点充電方法であって、さらに、
   前記認識結果に基づいて、二次電池セル(2)充電時の第一閾値温度(TP1)を変更する工程を含むことを特徴とする電池パックの無接点充電方法。
7. 請求項５または６に記載の電池パックの無接点充電方法であって、さらに、
   前記認識結果に基づいて、充電プロファイルを変更する工程を含むことを特徴とする電池パックの無接点充電方法。
8. 二次電池セル(2)と、
   前記二次電池セル(2)の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記二次電池セル(2)の充放電に伴う電流を検出する電流検出部と、
   前記二次電池セル(2)の温度を検出する温度検出部と、
   受電コイル(1)と、
   前記受電コイル(1)で受電した電力を、前記二次電池セル(2)を充電可能な充電電流に変換する充電回路と、
   を備え、
   電池パックを充電する充電台に載置された状態で、充電台に内蔵される送電コイルと前記受電コイル(1)とを電磁結合して、充電台から前記電池パック(90)に電力を送出して、前記二次電池セル(2)を充電する電池パック(90)であって、
   前記電池パック(90)はさらに、
   該電池パックが充電台に載置された状態で、電池パック(90)が駆動対象の電池駆動機器に接続された状態か、電池パック(90)単体のいずれであるかを認識する接続判別手段を備えており、
   前記充電回路は、
   前記温度検出部で検出された二次電池セル(2)の温度が、所定の第一閾値温度(TP1)より低い場合は充電を行わず、該第一閾値温度(TP1)以上の場合に、充電電流の最大値である所定の第一充電電流値で前記二次電池セル(2)への充電を開始し、
   前記二次電池セル(2)の温度が、前記第一閾値温度(TP1)より高い所定の第二閾値温度(TP2)までの間は充電を継続しつつ、該第二閾値温度(TP2)における充電電流を、前記第一充電電流値よりも低い所定の第二充電電流値とし、
   前記二次電池セル(2)の温度が、前記第二閾値温度(TP2)より高い所定の第三閾値温度(TP3)までの間は充電を継続しつつ、該第三閾値温度(TP3)における充電電流を、前記第二充電電流値よりも低い所定の第三充電電流値とし、
   前記二次電池セル(2)の温度が、前記第三閾値温度(TP3)よりも高い場合には、充電電流を停止する
   よう構成してなることを特徴とする電池パック。

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