JP2004229391A

JP2004229391A - 電池パック

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Publication number: JP2004229391A
Application number: JP2003013423A
Authority: JP
Inventors: Tamiji Nagai; 民次永井; Kazuo Yamazaki; 和夫山崎; Hitoshi Akiyasu; 均秋保; Kenji Enomoto; 健司榎本
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-01-22
Filing date: 2003-01-22
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】安全性を確保できる電池パックを少なくとも２個以上設け、これらを切り替えて使用する。
【解決手段】電池ブロックＥ１１の正側端子は、スイッチ回路２１を介して端子Ｔ１と接続されると共に、ダイオード２５のアノードと接続される。ダイオード２５のカソードは、スイッチ回路２３を介して端子Ｔ１と接続される。電池ブロックＥ１１の負側端子は端子Ｔ２と接続される。電池ブロックＥ１２の正側端子は、スイッチ回路２２を介して端子Ｔ１と接続されると共に、ダイオード２４のアノードと接続される。ダイオード２４のカソードは、スイッチ回路２３を介して端子Ｔ１と接続される。電池ブロックＥ１２の負側端子は端子Ｔ２と接続される。容量検出回路１１では、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の電池容量が検出され、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の容量差が基準値以上なったときに、制御信号が切替制御回路２６へ供給される。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数の二次電池を直列並列に組み合わせて大容量を構成する電池パックおよび電池パックの保護装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数の二次電池が直列並列に接続された電池パックは、纏めて充放電していた。例えば、図１６に示す電池パックには、４個の二次電池を直列並列にした電池ブロック８１が用いられ、端子８３および８４を介して二次電池の充放電が行われている。この電池ブロック８１の安全性を保つ保護回路としてスイッチ回路８２が電池ブロック８１と端子８２との間に設けられている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−３２２５１２号公報
また、この特許文献１には、複数の単セル電池の電極が互いに非接触状態となるように構成される組電池であって、個々の単セル電池の容量を検出し、個々の単セル電池単位で充電を行うものが記載されております。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、図１７に示す電池パックのように、多数の電池が接続された電池ブロック８８では、例えば１個の電池がショートした場合、その電池に過電流が流れ、安全性の確保が不可能となる問題があった。
【０００５】
よって、安全性を確保するために、直列並列に接続できる二次電池の数が決められていた。それに伴い、電池パックの容量の上限も決められていた。
【０００６】
従って、この発明の目的は、安全性を確保できる電池パックを少なくとも２個以上設け、これらを切り替えて使用するようにしたことを特徴とする電池パックおよび電池パックの保護装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を達成するために請求項１の発明は、複数の二次電池が直列並列に接続された第１および第２の電池ブロックと、第１および第２の電池ブロックの一方の端子が第１および第２のスイッチ手段をそれぞれ介して接続される一方の電池端子と、第１および第２の電池ブロックの他方の端子が接続される他方の電池端子と、充電または放電を行うときに、第１および第２のスイッチ手段を切り替える切替手段と、第１および第２の電池ブロックのそれぞれの電池容量を検出する容量検出手段と、検出された電池容量に応じて切替手段を制御する切替制御手段とを有し、第１および第２のスイッチ手段を切り替えるときに、第１および第２のスイッチ手段の一方がオフとなった所定の時間後、他方がオンとなるようにしたことを特徴とする電池パックである。
【０００８】
このようにそれぞれの電池ブロックの電池容量に応じて第１および第２のスイッチ手段を制御することによって、安全性を確保しながら、所望の出力を得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、この発明が適用された第１の実施形態の概略的構成を示す。２個の二次電池が直列に接続されている電池ブロックＥ１およびＥ２が並列になるように設けられている。電池ブロックＥ１の正側端子は、スイッチ回路１を介して一方の電池端子Ｔ１と接続され、その負側端子は他方の電池端子Ｔ２と接続される。電池ブロックＥ２の正側端子は、スイッチ回路２を介して一方の電池端子Ｔ１と接続され、その負側端子は他方の電池端子Ｔ２と接続される。このように構成することによって、安全性を確保できる電池ブロック毎に放電動作および充電動作を切り替えて使用することができる。
【００１０】
図２を参照して、第１の実施形態を説明する。この図２では、それぞれ４個の二次電池を２直列２並列に接続した電池ブロックＥ１１およびＥ１２が使用されている。電池ブロックＥ１１の正側端子は切替スイッチ回路１２を介して電池端子Ｔ１と接続され、その負側端子は電池端子Ｔ２と接続される。電池ブロックＥ１２の正側端子は切替スイッチ回路１２を介して電池端子Ｔ１と接続され、その負側端子は電池端子Ｔ２と接続される。容量検出回路１１では、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の電池容量が検出される。検出されたそれぞれの電池容量に応じて適宜切替スイッチ回路１２を切り替えるための制御信号が容量検出回路１１から切替スイッチ回路１２へ供給される。
【００１１】
例えば、電池ブロックＥ１１から放電を開始した場合、電池ブロックＥ１２との容量差が基準値以上になったときに、切替スイッチ回路１２を切り替えて電池ブロックＥ１２から放電する。このように、放電している電池ブロックと放電していない電池ブロックとの容量差が基準値以上になったときに、切替スイッチ回路１２を切り替えて放電する電池ブロックを切り替える。これを繰り返して、電池ブロックＥ１１およびＥ１２は放電する。充電の場合も同様に切替スイッチ回路１２を切り替えて、電池ブロックＥ１１およびＥ１２を充電する。
【００１２】
図３を参照して、この発明の第２の実施形態を説明する。電池ブロックＥ１１の正側端子は、スイッチ回路２１を介して電池端子Ｔ１と接続されると共に、ダイオード２５のアノードと接続される。ダイオード２５のカソードは、スイッチ回路２３を介して電池端子Ｔ１と接続される。電池ブロックＥ１１の負側端子は電池端子Ｔ２と接続される。
【００１３】
電池ブロックＥ１２の正側端子は、スイッチ回路２２を介して電池端子Ｔ１と接続されると共に、ダイオード２４のアノードと接続される。ダイオード２４のカソードは、スイッチ回路２３を介して電池端子Ｔ１と接続される。電池ブロックＥ１２の負側端子は電池端子Ｔ２と接続される。
【００１４】
容量検出回路１１では、上述した電池ブロックＥ１１およびＥ１２の電池容量が検出され、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の容量差が基準値以上なったときに、制御信号が切替制御回路２６へ供給される。
【００１５】
放電時の一例として、図４に示すようにスイッチ回路２１、２２、および２３がオンとなるように切替信号が切替制御回路２６から出力される。図４中参照符号２７で示す制御信号がハイレベルのとき、スイッチ回路２１がオンとなり、参照符号２８で示す制御信号がハイレベルのとき、スイッチ回路２２がオンとなり、参照符号２９で示す制御信号がハイレベルのとき、スイッチ回路２３がオンとなる。
【００１６】
このように、スイッチ回路２１および２２が同時にオンとならないように、スイッチ回路２１および２２並びに２３は制御される。これは、電池ブロックＥ１１の電圧と電池ブロックＥ１２の電圧との関係が、例えば
Ｅ１１＜Ｅ１２
となるときに、図５に示すように、スイッチ回路２１および２２が同時にオンになると、電池ブロックＥ１１およびＥ１２が接続される。このとき、電池ブロックＥ１１の内部抵抗が１００ｍΩ程度小さくなるため、電池ブロックＥ１２からＥ１１へ過電流が流れる。
【００１７】
従って、スイッチ回路２１および２２が同時にオンとなると、電池ブロックＥ１１および１２が接続され、電池ブロックＥ１１の安全性が確保できなくなる。そこで、この第１の実施形態では、スイッチ回路２１および２２が同時にオンにならないように制御している。そして、放電時には、放電が途切れることなく、継続して行われるように、スイッチ回路２１および２２のオンとなる期間に重なるようにスイッチ回路２３がオンとなる。
【００１８】
図６を参照して、この発明の第３の実施形態を説明する。容量検出回路１１において、検出される電池ブロックＥ１１およびＥ１２の電池容量が基準値以下であって、且つ同じ容量の場合、スイッチ回路２１および２２がオンとなるように、切替制御回路２６から制御信号が出力され、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の放電または充電を同時に行うようにしても良い。
【００１９】
例えば、図７に示すように、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の電圧が基準線３３となるときには、スイッチ回路２１および２２をオンさせて、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の充電が同時に行われるようにしても良い。また、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の電圧が基準線３４となるときには、スイッチ回路２１および２２をオンさせて、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の放電が同時に行われるようにしても良い。
【００２０】
この図７の特性図には、充電特性が参照符号３１で示され、放電特性が参照符号３２で示され、充電時にスイッチ回路２１および２２をオンさせて、同時に充電するときの基準線が参照符号３３で示され、放電時にスイッチ回路２１および２２をオンさせて、同時に放電するときの基準線が参照符号３４で示される。
【００２１】
また、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の充電または放電を同時に行うときの基準値を電池ブロックＥ１１およびＥ１２の電池容量の半分とするようにしても良い。
【００２２】
さらに、充電時において、略々満充電に近い状態、例えば８０％〜９０％以上になった場合、スイッチ回路２１および２２をオンさせて電池ブロックＥ１１およびＥ１２を基準電圧の定電圧、例えば４．２Ｖで同時に充電するようにしても良い。なお、充電容量は、充電電流または充電停止後の電池電圧を検出することによって判断することができる。
【００２３】
ここで、二次電池の一例の特性を図８に示す。この図８の特性図には、充電電圧特性が参照符号３６で示され、充電電流特性が参照符号３７で示され、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の充電容量の８０％〜８５％前後を示す基準線が参照符号３８で示される。
【００２４】
このような特性の二次電池は、その電池容量の基準線３８の前後の容量までは安全に充電することができる。例えば、充電時において、電池容量が小さい場合、それぞれの電池容量のバランスが崩れていても電池容量の差が小さいから安全性に問題が生じることはない。従って、充電時であれば、複数の二次電池を直列並列に接続して充電しても電池容量の基準線３８の前後の容量までであれば安全である。
【００２５】
また、放電時であれば、複数の二次電池を直列並列に接続して放電しても電池容量の基準線３８の前後の容量までであれば安全である。例えば、放電時において、電池容量が小さい場合、それぞれの電池容量のバランスが崩れていると過放電および過充電などの動作が発生しやすくなるが、電池容量が大きい場合、それぞれの電池容量のバランスが崩れていても過放電および過充電などの動作の発生することが少ない。
【００２６】
そして、この制御を実現する、この発明の第４の実施形態を図９に示すブロック図を参照して説明する。抵抗４１は、上述したように、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の充電容量を検出するために使用される。容量検出回路１１で検出された結果に応じて制御信号が切替制御回路２６に供給される。切替制御回路２６では、供給された制御信号に応じてスイッチ回路２１および２２に切替信号が出力されると共に、制御回路４２に信号が供給される。制御回路４２では、供給された信号から充電時であって、略々満充電に近い状態であると判断されると、定電圧回路４３へ制御信号が供給される。定電圧回路４３では、電池ブロックＥ１１およびＥ１２に対して充電電圧として定電圧が供給される。この充電時には、スイッチ回路２１および２２は図９中に示す通りオンとなる。
【００２７】
次に、図１０を参照して、この発明の第５の実施形態を説明する。この第５の実施形態では、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の保護とそれらの容量の検出とを有する。保護検出／切替検出回路４６では、電池ブロックＥ１１およびＥ１２から直接、または抵抗４１を使用して検出される電流から電池ブロックＥ１１およびＥ１２の電池容量が検出される。これらの検出結果に応じて保護検出／切替検出回路４６では、切替制御回路２６へ制御信号が供給される。切替制御回路２６では、供給された制御信号に応じてスイッチ回路２１および２２を制御する切替信号が供給される。
【００２８】
この第５の実施形態の保護検出／切替検出回路４６では、一例として図１１に示すような制御が行われる。ステップＳ１では、電池ブロックＥ１１およびＥ１２を保護するための判断となるデータが検出される。例えば、過充電電圧の検出、過放電電圧の検出、および／または過電流の検出が行われる。ステップＳ２では、検出結果に基づいて電池ブロックＥ１１および／またはＥ１２を保護する制御が行われる。ステップＳ３では、スイッチ回路２１および／または２２をオフとする切替信号が出力される。
【００２９】
このように保護検出／切替検出回路４６では、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の電圧電流の検出制御と充放電動作と、スイッチ回路２１および２２を切り替えるための検出とを同時に検出することができる。
【００３０】
また、上述した第１〜第４の実施形態の保護制御の一例を説明する。第１の実施形態において、ステップＳ６では、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の電池容量が検出される。ステップＳ７では、それぞれの電池容量の差が基準値以上になった否かが判断される。ステップＳ８では、それぞれの電池容量の差が基準値以上であると判断されたときに、切替スイッチ回路１２を切り替えるための切替信号が出力される。
【００３１】
第２の実施形態において、ステップＳ６では、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の電池容量が検出される。ステップＳ７では、それぞれの電池容量の差が基準値以上になった否かが判断される。ステップＳ８では、それぞれの電池容量の差が基準値以上であると判断されたときに、スイッチ回路２１、２２、および２３を切り替える切替信号が出力される。このとき、上述したように電池ブロックＥ１１およびＥ１２が接続されないように、スイッチ回路２１、２２、および２３のオン／オフが制御される。
【００３２】
第３の実施形態において、ステップＳ６では、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の電池容量が検出される。ステップＳ７では、それぞれの電池容量が基準値以下、且つ略々同一かが判断される。ステップＳ８では、それぞれの電池容量が基準値以下、且つ略々同一と判断されると、スイッチ回路２１および２２をオンとするための切替信号が出力される。
【００３３】
第４の実施形態において、ステップＳ６では、電池ブロックＥ１１およびＥ１２の電池容量が検出される。ステップＳ７では、充電容量が８０％以上になったか否かが判断される。ステップＳ８では、充電容量が８０％以上であると判断されると、スイッチ回路２１および２２をオンとするための切替信号が出力される。
【００３４】
図１２を参照して、この発明の第６の実施形態を説明する。この第６の実施形態は、電磁型スイッチを使用した一例であり、さらにそれぞれ６個の二次電池を２並列３直列に配置した電池ブロックＥ２１およびＥ２２を用いたものを示している。
【００３５】
電池ブロックＥ２１は、二次電池Ｅ２１_１、Ｅ２１_２、Ｅ２１_３、Ｅ２１_４、Ｅ２１_５、およびＥ２１_６から構成される。二次電池Ｅ２１_１、Ｅ２１_２、およびＥ２１_３は、直列に接続される。二次電池Ｅ２１_４、Ｅ２１_５、およびＥ２１_６は、直列に接続される。二次電池Ｅ２１_１およびＥ２１_４は、並列に接続され、二次電池Ｅ２１_２およびＥ２１_５は、並列に接続され、二次電池Ｅ２１_３およびＥ２１_６は、並列に接続される。
【００３６】
電池ブロックＥ２２は、二次電池Ｅ２２_１、Ｅ２２_２、Ｅ２２_３、Ｅ２２_４、Ｅ２２_５、およびＥ２２_６から構成される。二次電池Ｅ２２_１、Ｅ２２_２、およびＥ２２_３は、直列に接続される。二次電池Ｅ２２_４、Ｅ２２_５、およびＥ２２_６は、直列に接続される。二次電池Ｅ２２_１およびＥ２２_４は、並列に接続され、二次電池Ｅ２２_２およびＥ２２_５は、並列に接続され、二次電池Ｅ２２_３およびＥ２２_６は、並列に接続される。
【００３７】
二次電池Ｅ２１_１およびＥ２２_１の正側端子の間に、スイッチＳＷ１_１およびＳＷ２_１が接続される。二次電池Ｅ２１_２およびＥ２２_２の正側端子の間に、スイッチＳＷ１_２およびＳＷ２_２が接続される。二次電池Ｅ２１_３およびＥ２２_３の正側端子の間に、スイッチＳＷ１_３およびＳＷ２_３が接続される。
【００３８】
このスイッチＳＷ１_１、ＳＷ１_２、およびＳＷ１_３は、コイルＬ１によってオン／オフが制御される。スイッチＳＷ２_１、ＳＷ２_２、およびＳＷ２_３は、コイルＬ２によってオン／オフが制御される。このコイルＬ１およびＬ２は、切替制御回路２６と接続される。なお、スイッチＳＷ１_１およびＳＷ２_１の間から電池端子Ｔ１が導出される。
【００３９】
このように、電磁型スイッチを使用すると、１度に多くのスイッチを駆動させることができる。電池ブロックＥ２１およびＥ２２が充電時または放電時に使用したとき、電池の中点の接続は、スイッチＳＷ１およびＳＷ２がオンした場合に接続する。
【００４０】
次に、図１３を参照して、この第６の実施形態において、充電・放電完了または電池ブロックＥ２１およびＥ２２を使用していないときに、電池ブロックＥ２１およびＥ２２の電池容量をバランスさせる一例を説明する。この図１３では、電池ブロックＥ２１およびＥ２２は、電池パック５１に含まれている。
【００４１】
充電放電完了検出回路５２では、保護検出／切替検出回路４６から供給される信号に基づいて、充電および放電が完了したことが検出される。充電および放電が完了したことが検出されると、完了信号が切替制御回路２６へ供給される。
【００４２】
使用有無検出回路５３では、端子Ｔ３を介して、電池パック５１からの電圧・電流が使用されているか否かが検出される。使用されていないと検出されると、使用無信号が切替制御回路２６へ供給される。
【００４３】
切替制御回路２６では、完了信号および使用無信号が供給されると、電池パック５１に含まれる二次電池の電池容量をバランスさせるために、コイルＬ１および／またはＬ２を制御し、スイッチＳＷ１_１、ＳＷ１_２、ＳＷ１_３、および／またはＳＷ２_１、ＳＷ２_２、ＳＷ２_３が制御される。
【００４４】
このときの制御の一例を図１４のフローチャートを参照して説明する。ステップＳ１１では、例えば電子機器などが接続され、電池パック５１が放電される。ステップＳ１２では、充電放電完了検出回路５２において放電完了が検出される。ステップＳ１３では、検出結果に基づいて放電完了が検出されたか否かが判断される。放電完了が検出されたと判断されると、ステップＳ１４へ制御が移り、放電完了が検出されなかったと判断されると、ステップＳ１２へ制御が移る。
【００４５】
ステップＳ２１では、電池パック５１が充電される。ステップＳ２２では、充電放電完了検出回路５２において充電完了が検出される。ステップＳ２３では、検出結果に基づいて充電完了が検出されたか否かが判断される。充電完了が検出されたと判断されると、ステップＳ１４へ制御が移り、充電完了が検出されなかったと判断されると、ステップＳ２２へ制御が移る。
【００４６】
ステップＳ３１では、電池パック５１が充電または放電される。ステップＳ３２では、使用有無検出回路５３において、電池パック５１が充電または放電で使用されているか否かが検出される。ステップＳ３３では、検出結果に基づいて使用の有無が判断される。使用されていないと判断されると、ステップＳ１４へ制御が移り、使用されていると判断されると、ステップＳ３２へ制御が移る。
【００４７】
ステップＳ１４では、充電および放電が完了し、且つ電池パック５１が使用されていないと判断されると、切替制御回路２６によって、コイルＬ１および／またはＬ２Ｌ２が制御され、スイッチＳＷ１_１、ＳＷ１_２、ＳＷ１_３、および／またはＳＷ２_１、ＳＷ２_２、ＳＷ２_３が制御される。
【００４８】
この実施形態では、電池ブロックを２個としているが、これは単なる一例であり、３個以上の電池ブロックに対しても適用することは可能である。
【００４９】
この発明は、上述したこの発明の一実施形態等に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
【００５０】
【発明の効果】
この発明に依れば、スイッチを設けることによって、複数の二次電池を直列並列に接続して、所望の電力を出力することができる。
【００５１】
この発明に依れば、二次電池の電圧電流特性から電池容量の８５％前後の容量までは安全に充電および放電することができるので、複数の二次電池を直列並列に接続して充電および放電しても安全性を保持することができ、さらに充電時間を短くすることができ、放電時も安定した電力を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態の概略的な構成について説明するためのブロック図である。
【図２】この発明の第１の実施形態について説明するためのブロック図である。
【図３】この発明の第２の実施形態について説明するためのブロック図である。
【図４】この発明の第２の実施形態のスイッチ回路の制御について説明するための略線図である。
【図５】この発明の第２の実施形態のスイッチ回路の制御について説明するためのブロック図である。
【図６】この発明の第３の実施形態について説明するためのブロック図である。
【図７】この発明の第３の実施形態のスイッチ回路の制御について説明するための特性図である。
【図８】この発明の第４の実施形態のスイッチ回路の制御について説明するための特性図である。
【図９】この発明の第４の実施形態について説明するためのブロック図である。
【図１０】この発明の第５の実施形態について説明するためのブロック図である。
【図１１】この発明の第１〜第５の実施形態の制御について説明するためのフローチャートである。
【図１２】この発明の第６の実施形態について説明するためのブロック図である。
【図１３】この発明の第６の実施形態の他の例について説明するためのブロック図である。
【図１４】この発明の第６の実施形態の制御にについて説明するためのフローチャートである。
【図１５】従来の構成について説明するためのブロック図である。
【図１６】従来の構成について説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
Ｅ１１、Ｅ１２・・・電池ブロック、Ｔ１、Ｔ２・・・端子、１１・・・容量検出回路、２１、２２、２３・・・スイッチ回路、２４、２５・・・ダイオード、２６・・・切替制御回路

Claims

複数の二次電池が直列並列に接続された第１および第２の電池ブロックと、
上記第１および第２の電池ブロックの一方の端子が第１および第２のスイッチ手段をそれぞれ介して接続される一方の電池端子と、
上記第１および第２の電池ブロックの他方の端子が接続される他方の電池端子と、
充電または放電を行うときに、上記第１および第２のスイッチ手段を切り替える切替手段と、
上記第１および第２の電池ブロックのそれぞれの電池容量を検出する容量検出手段と、
上記検出された電池容量に応じて上記切替手段を制御する切替制御手段とを有し、
上記第１および第２のスイッチ手段を切り替えるときに、上記第１および第２のスイッチ手段の一方がオフとなった所定の時間後、他方がオンとなるようにしたことを特徴とする電池パック。
上記第１および第２の電池ブロックのそれぞれの電池容量の差が所定値以上になったときに、上記第１および第２のスイッチ手段を切り替えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
上記第１および第２の電池ブロックのそれぞれの電池容量が基準値以下であり、且つ略々同じ場合、充電および放電を同時に行うように、上記第１および第２のスイッチ手段を制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電池パック。