JP3833679B2 - 電池パックおよび充電制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、電池パックと充電装置との間で認証を行い、正規でない充電装置による充電を防止するようにした電池パックおよび充電制御方法に関する。

２次電池例えばリチウムイオン電池は、小型、軽量、高エネルギー密度、高出力等の特徴を有しているために、ディジタルカメラ、携帯電話、可搬型パーソナルコンピュータ等のアプリケーション機器の電源として広く使用されている。かかるリチウムイオン電池は、電池の使用安全性を確保し、また、電池寿命の低下等の問題の発生を防ぐために、正規のメーカーによって製造された充電装置によって充電される必要がある。例えば非正規品の充電装置の場合では、正しい仕様を満たさないものがあり、そのような充電装置によって充電すると、過充電がされるおそれがある。

電池パックとアプリケーション機器との間で認証を行い、正規でない電池パックを排除することが下記の特許文献１に記載されている。

特開２００４−１４７４０８号公報

特許文献１に記載のものは、アプリケーション機器としてカムコーダーに設けられたマイクロコンピュータと電池パックに設けられたマイクロコンピュータとの間で認証を行うもので、認証の結果に応じてカムコーダー内の電源供給ラインをオン／オフする構成を有している。このように、特許文献１に記載のものは、カムコーダーの仕様を満足しない可能性のある模倣電池パックをカムコーダーが使用することを禁止するものであった。すなわち、特許文献１に記載のものは、非正規品の充電装置によって正規な電池パックが充電されることを防止することを意図したものではなかった。

従って、この発明の目的は、非正規品の充電装置によって充電がされることを防止することができる電池パックおよび充電制御方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明は、２次電池と２次電池の充放電を制御する回路とを有する電池パックにおいて、
充電装置に設けられた他のコンピュータと通信を行い、認証を行うコンピュータと、
認証が成立する場合に充電電流を２次電池に供給し、認証が成立しない場合に、充電状態が所定時間経過した後に充電電流を遮断するように、コンピュータによって制御される充電制御手段とを有し、
充電装置から取り外された時に充電電流を遮断した状態が解除されることを特徴とする電池パックである。

また、この発明の第２の態様は、電池パックが２次電池と２次電池の充放電を制御する回路とコンピュータとを有し、該コンピュータの制御の下で実行される充電制御方法において、
充電装置に設けられた他のコンピュータと通信を行い、認証を行う認証ステップと、
認証が成立する場合に充電電流を２次電池に供給し、認証が成立しない場合に、充電状態が所定時間経過した後に充電電流を遮断する充電制御ステップとからなり、
充電装置から電池パックが取り外された時に充電電流を遮断した状態が解除されることを特徴とする充電制御方法である。

この発明は、非正規品の充電装置を使用して充電することを阻止でき、安全性を高めることができる。また、非正規品の充電装置を使用するために、寿命が短くなるような性能の劣化を防止でき、電池パックの信頼性を向上できる。さらに、使用すると危険性のある充電装置の非正規品を市場から排除することができる。この発明では、認証が成立しない場合に、所定時間例えば６０秒間、充電が経過した後に充電を遮断するので、認証に多少の時間を要する場合にも、正確な認証を行うことができる。さらに、充電装置から取り外された時に充電遮断状態が自動的に解除されるので、正規の充電装置を使用すれば、充電を行うことが可能となる。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、この発明による電池パックの一実施形態を示す。参照符号１が２次電池例えばリチウムイオン電池を示す。電池パックには、＋側端子２、−側端子３および通信用端子４が設けられている。

２次電池１の正極と＋側端子２とが接続され、２次電池１の負極が電流制限素子５、電流検出抵抗６、放電制御ＦＥＴ（Field Effect Transistor）７ａのドレイン・ソース間
および充電制御ＦＥＴ８ａのドレイン・ソース間を直列に介してと−端子３と接続されている。電流制限素子５は、例えばＰＴＣ(Positive Temperature Coefficient ：熱抵抗素子）であり、温度が上昇すると抵抗値が上昇して電流を制限するものである。ＦＥＴ７ａおよび８ａのドレイン・ソース間には、それぞれ寄生ダイオード７ｂおよび８ｂが存在している。

放電制御ＦＥＴ７ａおよび充電制御ＦＥＴ８ａのそれぞれのゲートには、保護回路９からの制御信号Ｄ０およびＣ０がそれぞれ供給される。通常の充電および放電動作では、制御信号Ｄ０およびＣ０がハイレベルとされ、ＦＥＴ７ａおよび８ａがオン状態とされる。保護回路９の機能は、過充電保護、過放電保護および過電流保護の３つの機能がある。簡単にこれらの保護機能について説明する。

過充電保護機能について説明する。２次電池１を充電していくと、満充電を過ぎても電池電圧が上昇を続ける。この過充電状態になると危険な状態となる可能性が生じる。したがって、充電は、定電流定電圧で行い、充電制御電圧が電池の定格（例えば４．２Ｖ）以下で行う必要がある。しかしながら、充電器の故障や、非正規品の充電器の使用によって、過充電の危険性がある。過充電され、電池電圧がある電圧値以上になった場合、保護回路９の出力Ｃ０がハイレベルからローレベルとなり、充電制御ＦＥＴ８ａがオフし、充電電流が遮断される。この機能が過充電保護機能である。ＦＥＴ８ａがオフすると、放電制御ＦＥＴ７ａおよび寄生ダイオード８ｂを介して放電のみが可能とされる。

過放電保護機能について説明する。定格放電終止電圧以下まで放電し、電池電圧が例えば２Ｖ〜１．５Ｖ以下の過放電状態になった場合は、電池が故障する場合がある。放電され、電池電圧がある電圧値以下になった場合、保護回路９の出力Ｄ０がハイレベルからローレベルとなり、放電制御ＦＥＴ７ａがオフし、放電電流が遮断される。この機能が過放電機能である。ＦＥＴ７ａがオフすると、充電制御ＦＥＴ８ａおよび寄生ダイオード７ｂを介して充電のみが可能とされる。

過電流保護機能について説明する。電池の＋−端子間が短絡された場合には、大電流がながれてしまい、異常発熱する危険性がある。放電電流がある電流値以上流れた場合には、保護回路９の出力Ｄ０がハイレベルからローレベルとなり、放電制御ＦＥＴ７ａがオフし、放電電流が遮断される。この機能が過電流保護機能である。

参照符号１０は、電池パックに設けられているマイクロコンピュータを示す。マイクロコンピュータ１０に電流検出抵抗６により電流を検出する電流測定部１１、電池電圧を測定する電圧測定部１２、並びに温度測定部１３のそれぞれからの測定値が入力される。温度測定部１３は、サーミスタ等の温度検出素子によって電池温度を測定する。

マイクロコンピュータ１０に対して不揮発性メモリとしてのＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）１４が接続される。マイクロコンピ
ュータ１０とＥＥＰＲＯＭ１４の間に、データ入力線、データ出力線、クロック供給線、チップセレクト供給線が配されている。マイクロコンピュータ１０は、電流測定値、電圧測定値、温度測定値を使用して残容量情報を算出する。測定値、残容量を求めるために必要なデータ例えば電池電圧と残容量との関係を示すテーブル、求められた残容量情報等がＥＥＰＲＯＭ１４に記憶される。不揮発性メモリとして、ＥＥＰＲＯＭ以外にバックアップ電源を有するＲＡＭ（Random Access Memory）等を用いても良い。

二次電池の残容量を検出する方法として、電池電圧を測定することにより二次電池の残容量を検出する電圧法による検出方法と、電圧と電流を測定し、積算することにより、二次電池の残容量を求める積算法による検出方法などが挙げられる。

電圧法による残容量検出は、電池セルの端子電圧を測定し、二次電池の電圧と電池容量（残容量率）の相関性に基づいて残容量を算出するため、例えばリチウムイオン電池の場合は電池電圧が４．２Ｖ／セルで満充電、２．４Ｖ／セルになると過放電状態であると判別でき、測定が容易にできる。

また、積算法による残容量検出は、電流を測定し、一定時間毎に積算する電流積算と、電圧と電流を測定し、これらを掛け合わせることで電力量を算出し、さらに一定時間毎に電力量を積算する電力積算法がある。いずれも、放電電流量または放電電力量を求め、電池のもつ使用可能な電流量または電力量との割合から二次電池の残容量を求めることができるので、電圧の変動に左右されることなく、安定した残容量検出が可能となる。

さらに、積算法と電圧法を併用して電池容量を検出する方法によって、より精度を高める方法もある。例えばあらかじめ設定された電流値より小さいときは電圧法を、大きいときは電流積算法を用いる方法がある。各方法を切り替えて電池容量を計測することにより、電池容量の算出精度を高めることが可能となる。さらに、２次電池の残容量率に応じて、積算法で検出した残容量率と電圧法で検出した残容量率とを重み付け加算し、最終的な残容量率検出を行う方法も提案されている。この発明では、これらの何れの方法も使用することができる。

残容量情報としては、具体的には、残容量（ｍＡｈ）、残容量率（％）および残り使用可能時間(分）が算出される。残容量情報は、マイクロコンピュータ１０から電池パック
が接続されたアプリケーション機器のマイクロコンピュータに対して送信される。アプリケーション機器側では、受け取った残容量情報を液晶等の表示部に表示する。

一実施形態では、マイクロコンピュータ間の通信用に一つの端子４が使用されている。端子４に接続された一つの信号線を介して例えば時分割多重された送信信号および受信信号が伝送される。入出力部１５は、マイクロコンピュータ１０と通信端子４との間に配置され、送信信号Ｔｘおよび受信信号Ｒｘの分離、これらの信号のレベル調整等を行う。なお、送信用および受信用で別々の端子を設けても良い。

さらに、電池パックには、２次電池１の電圧から安定化された所定の電圧例えば２．５Ｖの電圧を生成するレギュレータ１６が設けられている。レギュレータ１６が生成した電圧は、マイクロコンピュータ１０、電流測定部１１、温度測定部１３、ＥＥＰＲＯＭ１４、入出力部１５に対して電源電圧として供給される。

保護回路９から出力される放電制御ＦＥＴ７ａのゲートに供給される制御信号Ｄ０がレギュレータ１６に対してオン／オフ制御信号として供給される。すなわち、過放電のおそれが検出され、放電制御ＦＥＴ７ａをオフとする制御信号によって、レギュレータ１６がオフとされる。レギュレータ１６がオフとされると、レギュレータ１６の出力電圧が０となり、レギュレータ１６の出力電圧を電源電圧とするマイクロコンピュータ１０等の回路が動作を停止し、電池パック内の回路により２次電池１が過放電となることが防止されている。

この発明の一実施形態では、充電遮断トランジスタ１７が設けられている。トランジスタ１７のコレクタと充電制御ＦＥＴ８ｂのゲートとが接続され、そのエミッタとＦＥＴ８ｂのソースとが接続されている。充電遮断トランジスタ１７のベースには、マイクロコンピュータ１０から充電遮断信号Ｐｓが供給される。

マイクロコンピュータ１０は、充電装置のマイクロコンピュータと相互認証を行い、認証の結果に応じて充電遮断信号Ｐｓを生成する。認証が成立しない場合には、充電遮断信号Ｐｓによって充電遮断トランジスタ１７がオンとされ、充電制御ＦＥＴ８ａのゲート・ソース間が短絡される。その結果、充電制御ＦＥＴ８ａがオフし、充電電流が遮断される。

ここで、図２を参照してこの発明による電池パックと充電装置との接続例について説明する。図２Ａは、商用電源を整流して充電電源を生成する充電器３０に対して電池パック２０が接続される構成例である。図２では、簡略化して示されているが、充電器３０は、整流回路、充電回路を有し、電池パック２０は、図１に示す構成を有したものである。この場合では、充電器３０によって電池パック２０の２次電池が充電され、また、充電器３０内のマイクロコンピュータ３１と電池パック２０内マイクロコンピュータ１０とが通信を行い、相互認証を行う。

図２Ｂに示す例は、アプリケーション機器４０に電池パック２０が装着された状態で、ＡＣアダプタ３２によって電池パック２０の２次電池が充電される構成である。図２Ｂの構成では、アプリケーション機器４０がＡＣアダプタ３２と共に充電装置を構成する。ＡＣアダプタ３２は、商用電源を整流した出力をアプリケーション機器４０に供給する。アプリケーション機器４０内のレギュレータ４１によって電池パック２０の２次電池の充電電源が生成される。この構成では、電池パック２０のマイクロコンピュータ１０は、アプリケーション機器４０のマイクロコンピュータ４２と通信を行い、相互認証動作がなされる。図２Ｂに示す構成を変形した構成として、ＡＣアダプタ３２がクレードルと接続され、クレードルに置かれたアプリケーション機器４０内の電池パック２０の２次電池に充電を行う構成も可能である。さらに、図２Ａに示すように、充電器３０によって充電した電池パック２０をアプリケーション機器４０に装着する場合もある。

電池パック２０のマイクロコンピュータ１０と、充電器３０のマイクロコンピュータ３１またはアプリケーション機器４０のマイクロコンピュータ４２との間でなされる相互認証は、例えばチャレンジ・レスポンス方式が使用される。相互認証は、電池パック２０が充電器３０またはアプリケーション機器４０に対して装着されたことを契機として行われる。

電池パック２０が充電器３０またはアプリケーション機器４０に対して装着されたか否かは、マイクロコンピュータ３１が電池パック２０のＥＥＰＲＯＭ１４の内容を読み取るためのコマンドを発生することで行われる。例えば、一定時間内にＥＥＰＲＯＭ１４から所定のデータが戻ってくれば、電池パック２０が装着されたと判断され、一定時間内にデータが戻ってこない場合は、装着されていないと判断される。装着の有無の判断は、この方法以外に、物理的な接続の有無を検出する方法等を使用できる。

チャレンジ・レスポンス方式では、充電装置（マイクロコンピュータ３１または４２、以下同様）および電池パック（マイクロコンピュータ１０、以下同様）間で秘密情報が共有されており、先ず、充電装置から電池パックに対してチャレンジデータが送信される。チャレンジデータは、一時的なデータであり、乱数が使用される。

チャレンジデータを受け取った電池パックは、自分の秘密情報とチャレンジデータからレスポンスデータを生成し、レスポンスデータを充電装置に返す。充電装置側でも同じ生成処理を行い、生成したデータとレスポンスデータとを比較し、両者が一致すれば、電池パックが秘密情報を知っていたものと認証する。すなわち、装着された電池パックが正規品と判定される。そうでない場合には、電池パックが認証されず、非正規品と判定される。認証結果が記憶される。

次に、認証者が充電装置から電池パックに交代し、被認証者が電池パックから充電装置に交代する。電池パックから受け取ったチャレンジデータと秘密情報からレスポンスデータを充電装置が生成し、レスポンスデータを電池パックに返す。電池パック側で同じ生成処理で生成したデータと受け取ったレスポンスデータとを比較し、両者が一致するか否かによって、認証が成立するか否かが判定され、判定結果が記憶される。この場合では、電池パックが充電装置が正規か否かを判定する。

電池パックの認証結果が充電装置に返され、充電装置では、二つの認証結果が共に成立する場合に、相互認証が成立したものと判定し、充電装置が相互認証の結果を保有する。充電装置としてのアプリケーション機器は、認証が成立しない場合には、その電池パックを使用することをできない状態とされる。電池パックは、認証者として被認証者の充電装置についての認証結果を保有する。後述するように、電池パックは、認証が成立しない場合では、充電が禁止される。非正規品の充電装置は、電池パックによって認証されないので、正規の充電装置によってのみ電池パックの充電が可能となる。なお、認証結果によって充電を制御するこの発明においては、電池パックにより充電装置が認証されることが必要であり、相互認証がなされることを必要とするものではない。また、上述したチャレンジ・レスポンス方式の認証方法は、認証方法の一例であり、他の認証方法を使用しても良い。

図３を参照してこの発明の一実施形態において、電池パックのマイクロコンピュータ１０の制御の下でなされる充電制御方法について説明する。図３のフローチャートに示される処理は、所定の周期例えば１秒周期で繰り返される。電池パックを充電装置（アプリケーション機器を含む、以下同様）に対して装着し、充電を開始する。

ステップＳ２１において、電流測定部１１および電圧測定部１２のそれぞれによって電流測定および電圧測定がなされる。測定結果から電圧が所定電圧例えば３Ｖ以上で、且つ充電電流が所定値例えば５０ｍＡ以上か否かがステップＳ２２において判定される。過放電を防止するために、電池電圧が所定電圧以上であることが検出される。充電電流値を検出するのは、充電中であることを確認するためである。ステップＳ２２の判定結果が否定の場合には、処理が終了する。

ステップＳ２２の判定結果が肯定の場合には、ステップＳ２３において、認証が成立しているか否かが判定される。上述した認証処理は、ステップＳ２２の判定結果が肯定の場合になされる。認証処理は、電池パックを充電装置に装着した直後に行うようにしても良い。

認証が成立する場合には、充電遮断動作がなされない。認証が成立しない場合には、ステップＳ２４において、充電状態が所定時間例えば６０秒経過したか否かが判定される。この待ち時間は、認証動作が確実に行われることを保証する。６０秒経過していない場合には、処理が終了する。６０秒経過したと判定されると、ステップＳ２５において、充電遮断動作が実行される。

ここで、充電遮断動作について説明する。最初に、マイクロコンピュータ１０が充電遮断信号Ｐｓをハイレベルとし、充電遮断トランジスタ１７をオフからオンとし、充電制御ＦＥＴ８ａをオンからオフとする。その結果、充電電流が遮断される。

保護回路９は、出力端子３の電圧を検出しており、ＦＥＴ８ａが強制的にオフされると、過電流保護動作と類似の動作を行い、保護回路９の出力信号Ｄ０がハイレベルからローレベルとなる。Ｄ０がローレベルとなると、レギュレータ１６の動作が停止し、その出力電圧が０となる。その結果、レギュレータ１６の出力を電源として使用するマイクロコンピュータ１０がリセット状態となり、充電遮断信号Ｐｓがハイレベルからローレベルとなる。

このように充電遮断動作がなされた場合、電池パックを充電装置から取り外す時に、充電遮断状態が解除される。電池パックが充電装置から取り外されると、保護回路９が正負の端子２および３間を高インピーダンスとして検出する。その結果、保護回路９の出力信号Ｄ０がローレベルからハイレベルとなる。レギュレータ１６が動作をオンし、その出力電圧が発生する。レギュレータ１６の出力電圧を電源としているマイクロコンピュータ１０がリセット状態から復帰する。その結果、ＦＥＴ７ａおよび８ａが共にオンする通常状態となる。

この発明は、種々のアプリケーション機器に対して適用できるが、図４を参照してアプリケーション機器が携帯型ゲーム機の場合について説明する。図４Ａは、携帯型ゲーム機の正面を示し、中央部にワイド液晶表示部５１が配されている。その左右に操作キー５２および５３が配されている。ユーザは、液晶表示部５１の表示を見ながら、操作キー５２および５３を操作してゲームを楽しむことができる。操作キーとしては、アナログパッド５４も設けられている。

図４Ｂは、携帯型ゲーム機の背面を示す。図４Ｃに示すように、背面側に電池パックの収納部５５が設けられ、収納部５５に電池パック５６が収納され、電池蓋５７がスライドして収納部５５を覆うようになされている。本体に突出された突起５８が電池蓋５７に形成された穴５９内に入り込んで、蓋を閉じた状態がロックされる。

図４Ｄに示すように、電池パック５６の上部に突出部６０の先端面に接続用端子６１ａ、６１ｂ、６１ｃが設けられている。これらの接続用端子６１ａ、６１ｂ、６１ｃが図１における端子２、３および４とそれぞれ対応している。

なお、図４に示される携帯型ゲーム機は、光ディスクの記録／再生機能、無線ＬＡＮとの接続機能、ＵＳＢインターフェース機能、メモリカードインターフェース機能等の種々の機能を有し、図示した操作キー以外のキー、接続部等を有しているが、これらの機能は、この発明と特に関係しないので、その説明を省略する。勿論、この発明は、携帯型ゲーム機に限らず、ディジタルビデオカメラ、ディジタルカメラ、ＰＤＡ(Personal Digital
Assistants)、携帯電話機等の種々のアプリケーション機器に対して適用できる。

以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、複数の２次電池を有する構成の電池パック、電池パックの正側に充電制御ＦＥＴおよび放電制御ＦＥＴが制御された構成等を有していても良い。

この発明による電池パックの一実施形態の接続図である。 電池パックと充電装置との間の接続構成間の認証方法を示すブロック図である。 電池パックマイクロコンピュータの制御の下でなされる充電制御方法を説明するためのフローチャートである。 この発明を適用できる携帯型ゲーム機の一例を説明するための略線図である。

符号の説明

１ ２次電池
２ ＋側端子
３ −側端子
４ 通信用端子
７ａ 放電制御ＦＥＴ
８ａ 充電制御ＦＥＴ
９ 保護回路
１０ マイクロコンピュータ
１１ 電流測定部
１２ 電圧測定部
１３ 温度測定部
１４ ＥＥＰＲＯＭ
１６ レギュレータ
１７ 充電遮断トランジスタ

Claims (4)

1. ２次電池と２次電池の充放電を制御する回路とを有する電池パックにおいて、
   充電装置に設けられた他のコンピュータと通信を行い、認証を行うコンピュータと、
   上記認証が成立する場合に充電電流を２次電池に供給し、上記認証が成立しない場合に、充電状態が所定時間経過した後に充電電流を遮断するように、上記コンピュータによって制御される充電制御手段とを有し、
   充電装置から取り外された時に上記充電電流を遮断した状態が解除されることを特徴とする電池パック。
2. 請求項１に記載の電池パックにおいて、
   上記充電装置に対して装着された時に、上記コンピュータによって上記認証がなされることを特徴とする電池パック。
3. 電池パックが２次電池と２次電池の充放電を制御する回路とコンピュータとを有し、該コンピュータの制御の下で実行される充電制御方法において、
   充電装置に設けられた他のコンピュータと通信を行い、認証を行う認証ステップと、
   上記認証が成立する場合に充電電流を２次電池に供給し、上記認証が成立しない場合に、充電状態が所定時間経過した後に充電電流を遮断する充電制御ステップとからなり、
   充電装置から電池パックが取り外された時に上記充電電流を遮断した状態が解除されることを特徴とする充電制御方法。
4. 請求項３に記載の充電制御方法において、
   上記充電装置に対して電池パックが装着された時に、上記認証ステップがなされることを特徴とする充電制御方法。

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