JP2007165324A - リチウム電池の保護方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リチウム電池の保護方法およびその装置を提供する。
【解決手段】外部回路８は充電電池４の充電・放電を制御し、充電電池４が過度に充電したり、放電したりするのを防ぐ。異常検知回路２、光結合回路３、識別回路８および平衡回路９を備える。異常検知回路２は、充電電池４の電圧を測定し、検査信号を送信し、検査信号が正常な場合は、充電または放電を持続し、検査信号が異常な場合は、放電または充電を切断する。平衡回路９は検査信号に基づき、充電過度かどうか判断し、充電電池を放電させる。これと同時に、光結合回路３は検査信号電圧に応じて発光ダイオードが発光し、フォトトランジスタ３２の抵抗変化により光結合回路３の抵抗を調整し、充電電池と外部回路との接続を切断したり、識別回路８が電池の位置を信号として送信する。
【選択図】図８

Description

本発明は、電池の直並列制御回路に関し、特にリチウム電池の保護方法およびその装置に関する。

従来市販されていた充電タイプの電池は、ニッケル・カドミウム電池（Ni−Cd）およびニッケル水素電池（Ni−MH）の２種類に分けられるが、ニッケル・カドミウム電池は一世代前のものであり、今ではあまり見かけなくなった。ニッケル・カドミウム電池の致命的な欠点は、メモリー効果が顕著で、寿命が短いことで、カドミウムは重金属で、環境を汚染してしまうことが多かった。ニッケル水素電池は、ニッケル・カドミウム電池の欠点を解決するために開発された。ニッケル・カドミウム電池が有したメモリー効果を減少させ、より多くの電気容量を持ち、過度の充電および放電に強く、繰り返し使用可能な寿命を伸ばし、充電時間も比較的短いなどの特徴を持つ。もちろん、ニッケル水素電池も、完璧な電池ではない。摂氏45度以上、摂氏０度以下の環境では使用することができず、環境適応力において劣るので、極熱および極寒の地では電気製品に電力を供給することができない。また、充電後、一定期間使用せず放置したままにすると、放電し、再充電しなければならないなどの欠点がある。

これに対し、近年開発されて実用化が進められているリチウム電池は、充電時において、充電電圧が過度に高いと、電池が爆発してしまう恐れがある。これとは逆に、リチウム電池は、放電時において、放電電圧が過度に低く、基本電圧より低い場合、リチウム電池の寿命に影響を与えてしまう。ゆえに、リチウム電池は、使用（充電または放電）において、図１に示すような保護装置を備えることが望ましい。

図1は、従来のリチウム電池の保護装置の回路を示す図である。以下、直列した４個のリチウム電池を例として説明する。保護装置１００は、保護IC１０１および回路スイッチ１０３を備える。この基本構成において、電池１０２の直列個数の多寡により、適切な保護IC１０１を選択する。保護IC１０１は、充電または放電時において、電池１０２の電圧を測定し、電池１０２の電圧が異常であると探知した場合、保護IC１０１は回路スイッチ１０３に信号を送信し、回路スイッチ１０３をオフし、充電または放電の電流を切断する。直列した電池１０２の個数が異なると、新たな保護装置１００が必要になる。今のところ、市販されている保護IC１０１で、４個の直列電池を有するものが最も多く、電池１０２の個数が多くなれば、保護IC１０１の回路設計がより複雑になる。また、配線の複雑さ、および電池間の消耗の不均一による不均等の問題の未解決により、５個以上の直列したリチウム電池を有する保護回路に製造は非常に困難であった。
特開２００６−２９２５１６号公報

本発明の第１の目的は、電池に異常があった場合、信号をシステムに送信し、該当する電池の位置を知らせたり、回路のスイッチをオフし、充電または放電電流を切断することができるリチウム電池の保護方法およびその装置を提供することにある。
本発明の第２の目的は、電池に異常があった場合、並列した回路板が過度の充電かどうか判断し、充電過度の電池を放電させ、各電池の平衡を調整することができるリチウム電池の保護方法およびその装置を提供することにある。
本発明の第３の目的は、直列に電池を使用する際、簡単に直列電池の数を増加させたり、減少させたりすることができ、新たに回路板を製作する必要がないリチウム電池の保護方法およびその装置を提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明は、リチウム電池の保護装置を提供する。本発明のリチウム電池の保護方法およびその装置は、外部回路が充電電池に充電させたり、放電させたりするのを制御し、電池が過度に充電したり、放電したりするのを防ぐことを特徴とするリチウム電池の保護装置である。リチウム電池の保護装置は異常検知回路、光結合回路、識別回路および平衡回路を備える。異常検知回路は充電電池の電圧を測定し、検査信号を送信し、検査信号が正常な場合は、充電または放電を持続し、検査信号が異常な場合は、放電または充電を切断する。平衡回路は検査信号に基づき、充電過度かどうか判断し、充電電池を放電させる。これと同時に、光結合回路は検査信号に基づき、光結合回路の抵抗を調整し、充電電池と外部回路との接続を切断したり、識別回路が電池の位置を信号として送信したりする。

上述の目的を達成するために、本発明は、リチウム電池の保護方法を提供する。本発明のリチウム電池の保護方法は、外部回路が電池に充電させたり、放電させたりするのを制御し、電池が過度に充電したり、放電したりするのを防ぐことを特徴とするリチウム電池の保護方法である。 まず、電池が充電または放電のどちらの状態にあるか判断し、電池が充電時にあると判断されると、電池の平均電圧が電池１個の最高充電電圧より高いか、低いかを測定し、平均電圧が電池１個の最高充電電圧より高かった場合、充電回路がオンになり、充電されない。平均電圧が電池１個の最高充電電圧より低かった場合、リチウム電池保護装置の送信信号が正常化かどうかを検査し、信号が異常な場合、低電流で充電を行ない、信号が正常な場合は、通常の充電を行なう。

電池が放電過程にあると判断された場合、電池が放電過程にあると判断された場合、電池の平均電圧を測定し、平均電圧が電池１個の最低放電電圧より低かった場合、放電回路がオンになり、放電されない。平均電圧が電池１個の最低放電電圧より高かった場合、数秒間放電して、リチウム電池保護装置の送信信号が正常化かどうかを検査し、信号が正常な場合、放電を継続し、信号が異常な場合は、放電を停止する。

本発明のリチウム電池の保護方法およびその装置は、従来技術では困難だった５個以上の直列したリチウム電池を使用することができ、過度に充電しても爆発するなどの危険性がなくなり、安全性にを高めることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図２は、本発明の一実施形態によるリチウム電池保護装置の並列モジュールの回路を示す図である。図３は、本発明の一実施形態によるリチウム電池保護装置の並列モジュールおよび電池並列の回路を示す図である。保護装置１は、異常検知回路２および光結合回路３を備える。異常検知回路２は、電池４の電圧を測定し、検査信号を光結合回路３に送信する。光結合回路３は検査信号に基づき、光結合回路３の抵抗を調整し、保護装置１をオンまたはオフにすることにより、電池を外部の回路に接続させたり、放電または充電させたりする。

光結合回路３は、発光ダイオード３１およびトランジスタ３２を有する。発光ダイオード３１は異常検知回路２に電気的に接続され、電池４の電圧により、発光するかどうかが決められる。トランジスタ３２は、外部回路に電気的に接続され、発光ダイオード３１が発光するかどうかにより、トランジスタ３２の抵抗が決められ、外部回路に接続されたり、切断されたりする。

本実施形態において、電池４が正常な場合、異常検知回路２は電池４の電圧検査信号を光結合回路３の発光ダイオード３１に送信し、発光ダイオード３１は検査信号を受信すると発光し、側のフォトトランジスタ３２を照射し、トランジスタ３２の両端の抵抗を低くする。電池４が異常な場合は、異常検知回路２は電池４の電圧検査信号を発光ダイオード３１に送信するのを止め、発光ダイオード３１の発光を止める。側のトランジスタ３２は光線の照射を受けないため、トランジスタ３２の両端の抵抗は高くなり、ほぼ切断された状態になる。

光結合回路３の両端は、光線の照射により連絡するため、いかなる電気的接触の必要はないので、両端の間は高い絶縁強度を有する。図４は、本発明の一実施形態によるリチウム電池保護装置の多数のリチウム電池の直列回路を示す図である。この特性を利用して、図４に示すように、直列された多くの電池４は、各モジュールのトランジスタ３２の両端にそれぞれ直列しており、直列されたトランジスタ３２の両端と電池４との間は完全に電気的に隔離されている。

図４に示す構成において、電池４のいずれかに異常が生じた場合、上記したように、そのモジュールの異常検知回路２は、発光ダイオード３１が発光を止める検査信号を発信して、そのモジュールの側のトランジスタ３２が光線の照射を受け取れないようにし、トランジスタ３２の両端の抵抗を高くすることにより、ほぼ切断された状態にする。トランジスタ３２はそれぞれ直列されている。つまりトランジスタ３２全体の両端は抵抗が高く、ほぼ切断された状態になるのである。これとは反対に、すべての電池４が正常な場合には、トランジスタ３２全体の両端の抵抗、つまりＡ、Ｂ両端の抵抗が低くなる。いずれかの電池４に異常が生じた場合、Ａ、Ｂ両端の抵抗が高くなり、ほぼ切断された状態になる。

図５は、本発明の一実施形態によるもう一つのリチウム電池保護装置の多数のリチウム電池の直列回路を示す図である。これはＡ、Ｂ両端のトランジスタ３２の抵抗の変化を利用して設計されたものである。この実施形態では、保護装置は回路スイッチ５およびスイッチ制御回路６をさらに有する。スイッチ制御回路６は、光結合回路３に電気的に接続され、光結合回路３の抵抗に基づき制御信号を発信する。回路スイッチ５はスイッチ制御回路６に電気的に接続され、制御信号に基づき充電電流または放電電流を切断するかどうかを決定する。それで、Ａ、Ｂ両端の抵抗が低いと、回路スイッチ５に電流を流し、これとは反対に、Ａ、Ｂ両端の抵抗が高いと、回路スイッチ５を切断し、充電電流または放電電流を切断する。

図６は、本発明の一実施形態によるリチウム電池保護装置の多数のリチウム電池の直列回路および外部回路を示す図である。Ａ、Ｂ両端は、外部回路７に電気的に接続される。外部回路７は例えば、システムや充電器などであるが、これらに限られるものではない。図６に示すように、異常検知回路２はＡ、Ｂ両端の抵抗の変化により外部回路７に連絡する。外部回路７は、Ａ、Ｂ両端の抵抗が低いと、正常に作動し、Ａ、Ｂ両端の抵抗が高いと、作動を停止し、充電電流または放電電流を切断する。

図７は、本発明の一実施形態によるもう一つのリチウム電池保護装置を示す図である。保護装置１の光結合回路３は、識別回路８に電気的に接続され、識別回路８は抵抗値Rｘを有する。光結合回路３は、検査信号に基づき光結合回路３の抵抗を調整することにより、電池４と外部回路との接続を切断する。これと同時に識別回路８は、信号（抵抗値）を外部回路に送信し、どの電池４に異常があるかを外部回路に伝える。図４を例にして説明すると、各保護装置１の光結合回路３はそれぞれ識別回路８に電気的に接続して、各識別回路８は抵抗値が５K、１０K、１５Kまたは２０Kなどに設定されていて、第２の保護装置１の光結合回路３が切断された場合、外部回路は抵抗値１０Kを受信し、第２の電池に異常があることを探知する。

図８は、本発明の一実施形態による第３のリチウム電池保護装置を示す図である。保護装置１の光結合回路３が識別回路８に電気的に接続される以外に、異常検知回路２も平衡回路９に電気的に接続されている。電池４が過度に充電された場合、異常検知回路２は検査信号を平衡回路９に送信し、平衡回路９が電池４を制御し放電を行なわせることにより、電池４が過度に充電され破損するのを防ぐ。

図９は、本発明の一実施形態によるリチウム電池充放電保護装置を示すフロー図である。工程１０において、まず電池４が充電または放電のどちらの状態にあるか判断する。電池４が充電時にあると判断されると、工程１０aに入り、電池４の平均電圧が最高電圧（Vhigh,電池１個の最高充電電圧で、4.2ボルト）より高いか、低いかを測定する。最高電圧より高かった場合、工程１０bに入り、充電回路がオンになり、充電されない。最高電圧より低かった場合は、工程１０cに入り、リチウム電池保護装置の送信信号が正常化かどうかを検査する。信号が異常な場合、工程１０dに入り、低電流（ilow）で充電を行ない、信号が正常な場合は、工程１０eに入り、通常の充電を行なう。

電池４が放電過程にあると判断された場合、工程１０fに入り、電池４の平均電圧を測定する。最低電圧（Vlow,電池１個の最低放電電圧）より低かった場合、工程１０gに入り、放電回路がオンになり、放電されない。最低電圧より高かった場合は、工程１０hに入り、数秒間放電して、工程１０iに入り、リチウム電池保護装置の送信信号が正常化かどうかを検査する。信号が正常な場合、工程１０jに入り、放電を継続し、信号が異常な場合は、工程１０kに入り、放電を停止する。

本発明では好適な実施形態を前述の通りに開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当該技術を熟知する者は誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の保護の範囲は、実用新案登録請求の範囲で指定した内容を基準とする。

従来のリチウム電池の保護装置の回路を示す図である。 本発明の一実施形態によるリチウム電池保護装置の並列モジュールの回路を示す図である。 本発明の一実施形態によるリチウム電池保護装置の並列モジュールおよび電池並列の回路を示す斜視図である。 本発明の一実施形態によるリチウム電池保護装置の多数のリチウム電池の直列回路を示す図である。 本発明の一実施形態によるもう一つのリチウム電池保護装置の多数のリチウム電池の直列回路を示す図である。 本発明の一実施形態による第３のリチウム電池保護装置の多数のリチウム電池の直列回路および外部回路を示す図である。 本発明の一実施形態によるもう一つのリチウム電池保護装置を示す図である。 本発明の一実施形態による第３のリチウム電池保護装置を示す図である。 本発明の一実施形態によるリチウム電池充放電保護装置を示すフロー図である。

符号の説明

１ 保護装置
１０〜１０K 工程
１００ 保護装置
１０１ 保護IC
１０２ 電池
１０３ 回路スイッチ
２ 異常検知回路
３ 光結合回路
３１ 発光ダイオード
３２ トランジスタ
４ 電池
５ 回路スイッチ
６ スイッチ制御回路
７ 外部回路
８ 識別回路
９ 平衡回路

Claims (11)

1. 異常検知回路および光結合回路を備えるリチウム電池の保護装置であって、
   前記異常検知回路は、電池の電圧を測定し、検査信号を送信し、
   前記光結合回路は、前記異常検知回路に電気的に接続され、前記検査信号に基づいて前記光結合回路の抵抗を調整することにより、前記電池を外部回路に接続させたり、放電または充電させて、
   外部回路が前記電池に充電させたり、放電させたりするのを制御し、前記電池が過度に充電したり、放電したりするのを防ぐことを特徴とするリチウム電池の保護装置。
2. 上記光結合回路は、発光ダイオードおよびトランジスタを組合せて構成され、
   該発光ダイオードは、電気的に接続された上記異常検知回路からの電圧検査信号に応じて発光し、
   該トランジスタは、該発光ダイオードの発光を受けて抵抗値を変化することにより、上記外部回路との接続、遮断を行なうことを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池の保護装置。
3. 前記電池の電圧が正常な場合は、前記発光ダイオードが発光することを特徴とする請求項２に記載のリチウム電池の保護装置。
4. 前記発光ダイオードの発光時には、前記トランジスタの前記抵抗は低抵抗状態で、前記発光ダイオードと前記外部回路の接続が維持されることを特徴とする請求項３に記載のリチウム電池の保護装置。
5. 前記電池の電圧が異常な場合は、前記発光ダイオードが発光を停止することを特徴とする請求項２に記載のリチウム電池の保護装置。
6. 前記発光ダイオードが発光を停止した時には、前記トランジスタの前記抵抗は高抵抗状態で、前記外部回路との接続を切断することを特徴とする請求項５に記載のリチウム電池の保護装置。
7. 前記保護装置は、スイッチ制御回路およびスイッチをさらに有し、前記スイッチ制御回路は前記光結合回路に電気的に接続され、前記光結合回路の前記抵抗に基づき制御信号を発信し、また前記スイッチは前記スイッチ制御回路に電気的に接続され、前記制御信号に基づき充電電流または放電電流を切断するかどうかを決定することを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池の保護装置。
8. 前記保護装置は、識別回路をさらに有し、前記識別回路は前記光結合回路に電気的に接続され、前記光結合回路が切断状態にある時、前記識別回路は信号を前記外部回路に送信し、前記外部回路が前記信号により、どの前記電池に異常があるかを判断することを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池の保護装置。
9. 前記識別回路は、抵抗であることを特徴とする請求項８に記載のリチウム電池の保護装置。
10. 前記保護装置は、平衡回路をさらに有し、前記平衡回路は前記異常検知回路および前記電池に電気的に接続され、前記電池が過度に充電された場合、前記異常検知回路は前記検査信号を前記平衡回路に送信し、前記平衡回路が前記電池に放電を行なわせることを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池の保護装置。
11. a、b、cおよびdの工程からなるリチウム電池の保護方法であって、
    前記工程aは、前記電池が充電または放電中において、まず前記電池が充電または放電のどちらの状態にあるか判断し、前記電池が充電時にあると判断されると、前記電池の平均電圧が電池１個の最高充電電圧より高いか、低いかを測定し、
    前記平均電圧が電池１個の最高充電電圧より高かった場合、充電回路をオンとして充電を停止し、
    前記工程b は、工程aにおいて、前記平均電圧が電池１個の最高充電電圧より低かった場合、
    前記リチウム電池の電圧を測定するリチウム電池保護装置の送信信号が正常かどうかを検査し、異常な場合、低電流で充電を行ない、正常な場合は、通常の充電を行ない、
    前記工程cは、前記電池が放電過程にあると判断された場合、前記電池の前記平均電圧を測定し、前記平均電圧が電池１個の最低放電電圧より低かった場合、放電回路をオンとして放電を停止し、
    前記工程dは、工程ｃにおいて、前記平均電圧が電池１個の最低放電電圧より高かった場合、
    数秒間放電して、前記リチウム電池の電圧を測定するリチウム電池保護装置の送信信号が正常かどうかを検査し、信号が正常な場合、放電を継続し、
    信号が異常な場合は、放電を停止し、
    以上の工程により、外部回路が前記電池に充電させたり、放電させたりするのを制御し、前記電池が過度に充電したり、放電したりするのを防ぐことを特徴とするリチウム電池の保護方法。

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