JP2007018950A - Battery pack, and method of configuring battery pack protective circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン電池の異常発生に対し保護処理を実行する回路がこのリチウムイオン電池と一体に収容された電池パック及びこのような電池パックの高電力化に伴う保護回路の構成方法に関する。 The present invention relates to a battery pack in which a circuit for performing protection processing against the occurrence of an abnormality in a lithium ion battery is housed integrally with the lithium ion battery, and a method of configuring a protection circuit accompanying an increase in power of such a battery pack.
近年、電子機器に搭載される二次電池としては小型、軽量というニーズに加え、さらに二次電池の性能も重要視されており、このような二次電池の一つとして、リチウムイオン型といわれるものが注目されている。 In recent years, secondary batteries mounted on electronic devices have been given importance to the performance of secondary batteries in addition to the need for small size and light weight, and one of such secondary batteries is called a lithium ion type. Things are attracting attention.
リチウムイオン電池では、特に過充電となった場合にリチウムイオンが金属リチウムとなって負極に析出し、最悪の場合には電池から発煙、発火が生じたり、破裂したりすることが知られている。また、過放電となった場合には、電極内部の微少ショートや容量劣化が発生し、正極、負極をショートさせた場合には過電流が流れることにより異常発熱が発生することも知られている。このため、リチウムイオン電池では通常、過充電、過放電、ショート(過電流)を防止するために、これらの異常状態を監視する保護機能と、異常状態を回避するための充放電制御スイッチとから成る保護回路が設けられている。 In lithium ion batteries, it is known that lithium ions become metallic lithium and deposit on the negative electrode, especially in the case of overcharging, and in the worst case, the battery emits smoke, ignites, or ruptures. . It is also known that when an overdischarge occurs, a slight short circuit or capacity deterioration inside the electrode occurs, and when the positive electrode and the negative electrode are short-circuited, an overcurrent flows to cause abnormal heat generation. . For this reason, in order to prevent overcharge, overdischarge, and short-circuit (overcurrent), a lithium ion battery usually includes a protection function for monitoring these abnormal states and a charge / discharge control switch for avoiding the abnormal state. A protection circuit is provided.
このような電池として、特許文献1(特開2003−111294号)には、直列に接続した複数個の電池と、該複数個の電池と出力端子との間に接続されて充放電の制御を行う充放電制御スイッチと、前記複数個の電池を複数のブロックに分割して少なくとも各電池電圧を検出する複数の保護回路と、該複数の保護回路の各検出信号を含むパック検出信号の演算処理を行う演算処理回路と、前記複数の保護回路と前記演算処理回路との間で前記検出信号の電圧基準を一律化するレベル変換回路とを備え、前記複数の保護回路を前記電池と並列に多段に連結したことを特徴とする多直連結保護型電池パックが開示されている。
ところで、このような電池パックを製品として出荷する際には、それぞれの顧客の要求に沿った仕様を満たすように一から電池パックを設計開発しなくてはならなかった。すなわち、顧客によって、出力電圧等の要求も異なるし、保護回路の細部に対する要求も異なっており、そのような要求に逐一対応して、始めから新たに電池パックを設計し直すことが必要であり、電池パックの開発期間が長期化してしまうという問題があった。 By the way, when such a battery pack is shipped as a product, the battery pack must be designed and developed from the beginning so as to satisfy the specifications in accordance with the requirements of each customer. In other words, the requirements for output voltage, etc. vary depending on the customer, and the requirements for the details of the protection circuit also differ, and it is necessary to redesign the battery pack from the beginning in response to such requirements one by one. There is a problem that the development period of the battery pack is prolonged.
そして、このような設計では、保護回路、演算回路、充放電制御スイッチ等が搭載されるメイン基板の設計作業が中心となるが、メイン基板の設計に際しては、例えば、電池をいくつ直列につなぐかに応じて、基板上で絶縁クリアランス等を考慮する必要が出てくるし、また、発熱する回路とCPUとの距離を考慮するなど、種々のことを検討し直す必要があり、非常に煩雑であるという問題があった。また、このような種々のことを検討した上でメイン基板を作成すると、ある程度の基板の面積が必要となってしまい、電池パックを小型化したいというニーズを満たすことができないという問題もあった。 In such a design, the main work is to design a main board on which a protection circuit, an arithmetic circuit, a charge / discharge control switch, and the like are mounted. When designing the main board, for example, how many batteries are connected in series. Depending on the situation, it is necessary to consider the insulation clearance on the substrate, and it is necessary to reexamine various things such as considering the distance between the heat generating circuit and the CPU, which is very complicated. There was a problem. In addition, if the main board is created after considering such various things, there is a problem that a certain area of the board is required and the need to reduce the size of the battery pack cannot be satisfied.
本願発明は上記のような課題を解決するものであって、これらの解決するために、請求項1に係る発明は、素電池と該素電池を保護する保護回路とがケースに収納された電池パックであって、複数の素電池と該複数の素電池の状態を検出する検出回路が搭載された検出回路基板とが一体化された状態に形成された電池ブロックと、該検出回路基板上の検出回路で検出された情報に基づいて該複数の素電池の充放電を制御する保護回路を搭載したメイン基板とを備え、該電池ブロック及び該メイン基板が該ケースに対して互いに独立して脱着可能であることを特徴とするものである。
The present invention solves the above-mentioned problems. To solve these problems, the invention according to
また、請求項2に係る発明は、請求項1記載の電池パックにおいて、該検出回路は、該複数の素電池が過充電状態にある場合、又は、過放電状態にある場合にアラーム信号を出力することを特徴とするものである。
The invention according to
また、請求項3に係る発明は、請求項1又は請求項2に記載の電池パックにおいて、該電池ブロックには、該複数の素電池の温度を検出する温度センサが含まれることを特徴とするものである。
The invention according to claim 3 is the battery pack according to
また、請求項4に係る発明は、請求項2又は請求項3に記載の電池パックにおいて、該保護回路には、該検出回路から出力されたアラーム信号が入力されることを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the battery pack according to the second or third aspect, the alarm signal output from the detection circuit is input to the protection circuit. is there.
また、請求項5に係る発明は、請求項3又は請求項4に記載の電池パックにおいて、該保護回路には、該温度センサで得られた温度情報が入力されることを特徴とするものである。
The invention according to
また、請求項6に係る発明は、請求項5に記載の電池パックにおいて、該保護回路は、入力された該アラーム信号及び該温度情報に基づいて、該複数の素電池の充放電を制御することを特徴とするものである。 According to a sixth aspect of the present invention, in the battery pack according to the fifth aspect, the protection circuit controls charging / discharging of the plurality of unit cells based on the input alarm signal and the temperature information. It is characterized by this.
また、請求項7に係る発明は、素電池と該素電池を保護する保護回路とをケースに収納した電池パックの保護回路構成方法であって、複数の素電池と該複数の素電池の状態を検出する検出回路が搭載された検出回路基板とが一体化された状態に形成された電池ブロックを用意する工程と、
該検出回路基板上の検出回路で検出された情報に基づいて該複数の素電池の充放電を制御する保護回路を搭載したメイン基板を用意する工程と、該電池ブロック及び該メイン基板を該ケースに収納する工程とから成ることを特徴とする。
The invention according to claim 7 is a protection circuit configuration method of a battery pack in which a unit cell and a protection circuit for protecting the unit cell are housed in a case, wherein the plurality of unit cells and the state of the plurality of unit cells A step of preparing a battery block formed in an integrated state with a detection circuit board mounted with a detection circuit for detecting
Preparing a main board on which a protection circuit for controlling charging / discharging of the plurality of unit cells based on information detected by the detection circuit on the detection circuit board is provided; and the battery block and the main board in the case It is characterized by comprising a process of storing in a container.
また、請求項8に係る発明は、請求項7記載の電池パックの保護回路構成方法であって、該検出回路は、該複数の素電池が過充電状態にある場合、又は、過放電状態にある場合にアラーム信号を出力することを特徴とする。
The invention according to
また、請求項9に係る発明は、請求項7又は請求項8に記載の電池パックの保護回路構成方法であって、該電池ブロックには、該複数の素電池の温度を検出する温度センサが含まれることを特徴とする。
The invention according to claim 9 is the battery pack protection circuit configuration method according to claim 7 or
また、請求項10に係る発明は、請求項8又は請求項9に記載の電池パックの保護回路構成方法であって、該保護回路には、該検出回路から出力されたアラーム信号が入力されることを特徴とする。
The invention according to
また、請求項11に係る発明は、請求項9又は請求項10に記載の電池パックの保護回路構成方法であって、該保護回路には、該温度センサで得られた温度情報が入力されることを特徴とする。
The invention according to
また、請求項12に係る発明は、請求項11に記載の電池パックの保護回路構成方法であって、該保護回路は、入力された該アラーム信号及び該温度情報に基づいて、該複数の素電池の充放電を制御することを特徴とする。
The invention according to claim 12 is the battery pack protection circuit configuration method according to
本発明によれば、複数の素電池と検出回路基板とが一体化された電池ブロックとしてユニット化されているので、電池パック全てを一から設計し直す必要はなく、電池ブロックを除いたメイン基板のみを設計すればよく、電池パックの開発期間が短縮でき、電池パックの開発コストも削減することできる。また、本発明によれば、メイン基板の保護回路には、検出回路から出力されたアラーム信号が入力される構造となっているので、メイン基板で耐電圧を考慮した空間を設ける必要がなく、メイン基板を小型化することでき、ひいては電池パックを小型化することができる。
According to the present invention, since the plurality of unit cells and the detection circuit board are unitized as an integrated battery block, it is not necessary to redesign all the battery packs from scratch, and the main board excluding the battery block The development period of the battery pack can be shortened, and the development cost of the battery pack can be reduced. In addition, according to the present invention, since the alarm signal output from the detection circuit is input to the protection circuit of the main board, it is not necessary to provide a space in consideration of withstand voltage on the main board, The main board can be downsized, and the battery pack can be downsized.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図1は本発明に係る電池パックの回路構成を示す図である。電池パックは図1全体の構成により示されるものである。すなわち、電池パックは、安全機能である充放電を制御するスイッチング機能までが含まれている部分までのことを言うのであり、電池パックは電池セル単体のことを指しているわけではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a battery pack according to the present invention. The battery pack is shown by the overall configuration of FIG. That is, the battery pack refers to a portion including a switching function for controlling charge / discharge that is a safety function, and the battery pack does not indicate a single battery cell.
図1において、1は電池ブロックであり、本実施の形態における電池パックには、図示の通り電池ブロック1二つが並列に接続され利用される構成が示されている。電池ブロック1において、BTの一つ一つが素電池単体であり、本実施の形態では、一つの電池パック1には、BT01〜BT12の12個の素電池が直列に接続されている。2は素電池の状態を検出する検出回路が搭載された検出回路基板であり、検出回路は、図示のように素電池間の電圧をモニタし、素電池それぞれが過充電状態にはないか、或いは過放電状態にはないかを検出し、そのような状態を検出した場合には、アラーム信号を出力するように構成されている。また、同検出回路は、温度センサ3からの温度情報もモニタしている。
In FIG. 1, 1 is a battery block, and the battery pack in the present embodiment shows a configuration in which two battery blocks are connected in parallel and used as shown in the figure. In the
図1において、5はメイン基板であり、主に素電池から得られた様々な情報に基づいて、電池パックとしての充放電制御を担う保護回路が設けられているものである。電池の充放電の際、危険な電圧領域まで上がらないか、電池が劣化しやすい電圧領域までに下がり過ぎないか等を監視するために、リチウムイオン電池の場合には必ず保護回路が設けられている。この保護回路は、主にCPU6、IC7、放電制御回路8、充電制御回路9等から成っており、これらの素子、回路がメイン基板5に搭載されている。CPU6は、電圧モニタ、電流モニタ、温度モニタ、容量積算、アラーム処理(ALM)等の処理を行う。
In FIG. 1, 5 is a main board, which is provided with a protection circuit for charge / discharge control as a battery pack based mainly on various information obtained from the unit cells. When charging or discharging a battery, a protection circuit is always provided for a lithium-ion battery to monitor whether it goes up to a dangerous voltage range or whether it goes down to a voltage range where the battery tends to deteriorate. Yes. The protection circuit mainly includes a
CPU6には、素電池BTが過充電状態にある場合、或いは、過放電状態にある場合に検出回路基板2から出力されるアラーム信号が入力される。このようなアラーム信号が入力された場合、CPU6は、検出回路基板から入力される温度情報を加味した上で、放電制御回路8で放電を止めたり、充電制御回路9で充電を止めたりする制御を行う。
The
リチウムイオン電池の場合には、安全上、保護上の問題として温度情報を利用するが、温度センサ3からの情報は検出回路基板2を通じてCPU6に取り込まれ、例えば、現在の放電電圧に対して、素電池BTが妥当性のある温度領域にあるか等を判定する。温度が所定の領域から外れた場合には、CPU 6は充電或いは放電を止める制御を行う。
In the case of a lithium ion battery, temperature information is used as a safety and protection problem, but information from the temperature sensor 3 is taken into the
また、CPU 6に取り込まれた温度情報は残量検出機能のために利用される。すなわち、温度によって素電池BTの能力が変わってくるので、CPU 6で容量積算を行う際には、補正のためにこのような温度情報が用いられる。
Further, the temperature information captured by the
IC7は、電圧レベルの変換、電流増幅、レギュレータ、CPU6へのリセット出力等の機能を有する。IC7の電圧レベル変換の機能は、素電池BTのそれぞれ一つずつのグランドレベルを、動作範囲が5VであるCPUのためにシフトさせるものである。
The IC 7 has functions such as voltage level conversion, current amplification, a regulator, and a reset output to the
リチウムイオン電池の場合には、電池パックの安全上、電流値も監視しておく必要がある。また、電池パックの容量積算は、電流値の情報を積み上げることによって行われるので、このような目的のためにも電流値をモニタしておく必要がある。このために、メイン基板5上の電池の充放電路に、数mΩの抵抗13を間挿しておき、そこに発生する電圧をIC7の電流増幅機能で40倍から200倍の増幅値で増幅する。この増幅された信号は、CPU6に入力され、モニタされ、必要に応じて容量積算の為に利用される。
In the case of a lithium ion battery, it is necessary to monitor the current value for the safety of the battery pack. Further, since the capacity integration of the battery pack is performed by accumulating information on the current value, it is necessary to monitor the current value for this purpose as well. For this purpose, a
また、IC7に入力されたVCCは5Vに変換されCPU6に出力される。また、IC7には、CPU6に対するリセットを出力する機能を有している。IC7へはレギュレータ11を介してVCCが入力される。
Also, VCC input to the IC 7 is converted to 5V and output to the
放電制御回路8では、素電池BTが過放電側の領域に入った旨のアラームがCPU6から入力された場合には、放電側のFETをオフさせ、充電制御回路9では過充電側の領域に入った旨のアラームが入力された場合には、充電側のFETをオフさせる。また、短絡検出14にて短絡が検出された場合にも、放電制御回路8の放電側のFETをオフされる。
In the
図1中、15は種々のデータを保管しておくメモリであり、例えばEPROMが用いられる。また、16はLEDドライブであり、CPU6からの信号に応じて電池パックの表示手段を駆動する。
In FIG. 1,
17、18は制御用端子である。電池パックの保護回路での電力消費を低減するために、メイン基板5の保護回路関係への電力供給をカットする制御が行われるが、電力供給がカットされた状態から復帰するためのトリガーを起動回路10へ入力するために制御用端子17が利用される。また、図1に示されるような電池パックを複数接続して用いる場合があるが、このような場合に制御用端子18は、自分以外の電池パックに対して自分の状態情報を出力したり、或いは、他の電池パックの状態情報を入力したりするための端子として用いられる。すなわち、この端子は、他の電池パックの異常情報が入力されたり、或いは自電池パックの異常情報を他電池パックに知らせるために異常情報を出力したり、というように利用される。20は電池パック自体の正極端子であり、21は負極端子である。
図2は、本発明に係る電池ブロック1の外観を示す図である。図2に示すように、電池ブロック1は、主に12個のBT01〜BT12までの素電池と検出回路基板2とが一体化された状態に形成されたものである。すなわち、図1の回路構成において一点鎖線で囲まれた部分が電池ブロック1としてユニット化されている。なお、ヒューズ、温度センサ3、配線等については図2においては図示されていない。また、素電池の個数は特に12個に限定するわけではなく、本発明では、任意の数の素電池を用いることができる。
FIG. 2 is a view showing an appearance of the
図1に示された電池パックを構成するに当たっては、電池ブロック1を2つ及びメイン基板6を用意しておき、これらを不図示のケースに収納し、2つの電池ブロック1及びメイン基板6を図1の通り結線することにより完成する。
In configuring the battery pack shown in FIG. 1, two
このようにユニット化された電池ブロック1を用いるメリットについて説明する。電池パックの仕様は、それぞれの顧客によって、出力電圧等の仕様も異なるし、保護回路の細部に対する仕様も異なっている。本発明によれば、電池ブロック1は、素電池と検出回路基板とが一体化された状態に形成された、言わば、半製品の状態でユニット化されているので、電池パック全てを一から設計し直す必要はなく、電池ブロック1を除いたメイン基板のみを設計すればよい。
The merit of using the unitized
図1に示された例では、電池ブロック1が二つ並列に接続された電池パックが示されているが、顧客の要望に応じて、電池ブロック1を一つのみ用いたり、或いは、電池ブロック1を二つ直列に用いたり、自由に組み合わせることができる。設計者は、このように自由に組み合わせた後は、メイン基板5の設計のみに従事すればよい。したがって、電池パックの開発期間を短縮できるし、また開発コストも削減することができる。
In the example shown in FIG. 1, a battery pack in which two
本実施の形態では、電池ブロック1に用いられる素電池BTの数が12個のものを示したが、その他に例えば、6個の素電池BTからなる別の電池ブロックを用意しておくことにより、12個の素電池BTからなる電池ブロック1と6個の素電池BTからなる別の電池ブロックとを適宜組み合わせることにより、電池パックの出力電圧のバリエーションはさらに広がる。
In the present embodiment, the number of unit cells BT used for the
また、通常メイン基板上に、検出回路を含めた保護回路を一から設計する際には、メイン基板上に複数の素電池からの電圧が直接印加される状態となるので、電池をいくつ直列につなぐかに応じて、メイン基板上で耐電圧を考慮したパターン設計をする必要がある。しかし、本発明によれば、電池ブロック側に検出回路が一体化され、メイン基板には検出回路からのアラーム信号が入力されるのみの構造となっており、メイン基板上に複数の素電池からの電圧が直接印加されるわけではないので、わざわざ耐電圧を考慮したパターン設計をする必要はない。 Normally, when designing a protection circuit including a detection circuit from scratch on the main board, the voltage from a plurality of unit cells is directly applied to the main board. Depending on the connection, it is necessary to design a pattern in consideration of withstand voltage on the main board. However, according to the present invention, the detection circuit is integrated on the battery block side, the alarm signal from the detection circuit is only input to the main board, and a plurality of unit cells are provided on the main board. Therefore, it is not necessary to design a pattern in consideration of the withstand voltage.
また、通常メイン基板上に、検出回路を含めた保護回路を一から設計する際には、上記の耐電圧のことに加え、発熱しやすい充電制御回路、放電制御回路とCPUとの熱的なクリアランスのことも考慮しなければならないため、メイン基板の面積は大きなものとなってしまう傾向があった。しかし、本発明によれば、耐電圧の問題が解決されている上で、メイン基板を設計すればよいので、メイン基板の面積を従来のものより大幅に減らすことができるという効果がある。 In addition, when designing a protection circuit including a detection circuit from scratch on a main board, in addition to the above withstand voltage, the thermal control of the charge control circuit, discharge control circuit and CPU that easily generate heat is performed. Since the clearance must be taken into account, the area of the main substrate tends to be large. However, according to the present invention, since the problem of withstand voltage is solved and the main board only needs to be designed, there is an effect that the area of the main board can be greatly reduced compared to the conventional one.
以上の通り、本発明によれば、電池ブロックをユニット化し、半製品化したので、電池パックの開発期間が短期間ですむ上に、電池パックの小型化にも寄与する。
As described above, according to the present invention, since the battery block is unitized into a semi-finished product, the development period of the battery pack can be shortened and the battery pack can be reduced in size.
1・・・電池ブロック、2・・・検出回路基板、3・・・温度センサ、5・・・メイン基板、6・・・CPU、7・・・IC、8・・・放電制御回路、9・・・充電制御回路、10・・・起動回路、11・・・レギュレータ、13・・・抵抗、14・・・短絡検出回路、15・・・EPROM、16・・・LEDドライブ、17・・・制御用端子、18・・・制御用端子、20・・・正極端子、21・・・負極端子
DESCRIPTION OF
Claims (12)
複数の素電池と該複数の素電池の状態を検出する検出回路が搭載された検出回路基板とが一体化された状態に形成された電池ブロックと、
該検出回路基板上の検出回路で検出された情報に基づいて該複数の素電池の充放電を制御する保護回路を搭載したメイン基板とを備え、
該電池ブロック及び該メイン基板が該ケースに対して互いに独立して脱着可能であることを特徴とする電池パック。 A battery pack in which a unit cell and a protection circuit for protecting the unit cell are housed in a case,
A battery block formed in an integrated state of a plurality of unit cells and a detection circuit board on which a detection circuit for detecting the state of the plurality of unit cells is mounted;
A main board equipped with a protection circuit that controls charging / discharging of the plurality of unit cells based on information detected by a detection circuit on the detection circuit board;
The battery pack, wherein the battery block and the main board are detachable from the case independently of each other.
複数の素電池と該複数の素電池の状態を検出する検出回路が搭載された検出回路基板とが一体化された状態に形成された電池ブロックを用意する工程と、
該検出回路基板上の検出回路で検出された情報に基づいて該複数の素電池の充放電を制御する保護回路を搭載したメイン基板を用意する工程と、
該電池ブロック及び該メイン基板を該ケースに収納する工程とから成ることを特徴とする電池パックの保護回路構成方法。 A protection circuit configuration method for a battery pack in which a unit cell and a protection circuit for protecting the unit cell are housed in a case,
Preparing a battery block formed in a state in which a plurality of unit cells and a detection circuit board on which a detection circuit for detecting a state of the plurality of unit cells is mounted;
Preparing a main board equipped with a protection circuit that controls charging / discharging of the plurality of unit cells based on information detected by a detection circuit on the detection circuit board;
A battery pack protection circuit construction method comprising: housing the battery block and the main board in the case.
The method for configuring a protection circuit for a battery pack according to claim 11, wherein the protection circuit controls charging / discharging of the plurality of unit cells based on the input alarm signal and the temperature information.
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