JP2007240234A - 複数の二次電池を直列・並列に接続しているパック電池 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の二次電池を直列と並列に接続しながら、異常電池を確実に判定する。
【解決手段】パック電池は、複数の二次電池１を並列に接続している並列ユニット２を直列接続してなる電池群３と、この電池群３に流れる充放電の電流と、各並列ユニット２の電圧をマルチプレクサ６で切り換えて時分割に検出する電流・電圧検出部４と、電流・電圧検出部４で検出される各々の並列ユニット２の電圧変化から並列ユニット２の異常を判定する制御・演算部５とを備える。制御・演算部５は、電流・電圧検出部４で検出される電流の変化量を設定値に比較し、電流の変化量が設定値以下となる状態において、並列ユニット２の電圧変化から並列ユニット２の異常を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の二次電池を直列・並列に接続しているパック電池であって、いずれかの二次電池の異常を正確に判定できるパック電池に関し、とくに、ラップトップ型のマイコンの電源に最適なパック電池に関する。

パック電池は、複数の二次電池を直列に接続して出力電圧を高くできる。また、複数の二次電池を並列に接続して放電容量を大きくできる。したがって、複数の二次電池を並列に接続し、さらにこれを直列に接続して、放電容量を大きくしながら出力電圧を調整できる。複数の二次電池を直列に接続しているパック電池は、電池を均等にバランスよく充放電すること、すなわち電池のセルバランスが大切である。いずれかの電池が劣化してセルバランスが崩れると、劣化した電池が過充電され、または過放電されて安全に使用できなくなるからである。この弊害を防止するために、電池のセルバランスを検出するパック電池は開発されている。（特許文献１参照）
特開２００２−１９９５１０号公報

特許文献１に記載するパック電池は、直列に接続している各々の電池の電圧を検出する。検出した電池の電圧差が設定電圧よりも大きくなると、電圧差の大きくなった電池は異常電池と判定される。各々の電池の電圧を検出する検出回路は、複数の電池の電圧を順番に切り換えて検出するために、入力側にマルチプレクサを設けている。マルチプレクサは、電圧を検出する電池を順番に切り換える。マルチプレクサは、所定のサンプリング周期で、検出する電池を切り換えて電圧を検出する。たとえば、サンプリング周期を５０ｍｓｅｃとする検出回路は、５０ｍｓｅｃ間隔で順番に電池電圧を検出する。この回路は、全ての電池の電圧を同時には検出できない。隣の電池電圧を検出するタイミングは、５０ｍｓｅｃずれる。この回路構成で電池の電圧を検出して、電池の電圧から異常電池を判定するパック電池は、異常電池を正確に検出できない欠点がある。それは、電池の電圧を検出するタイミングがずれると、電池に流れる電流も変化することがあるからである。電池は電流によって電池電圧が変動する。電池は電気特性が変化して電圧が変化し、また流れる電流が変化しても電圧が変動するので、電池の電圧を検出するときに電流が変動すると検出誤差の原因となる。

本発明は、この欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、複数の二次電池を直列と並列に接続しながら、異常電池を確実に判定できるパック電池を提供することにある。

本発明のパック電池は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
パック電池は、複数の二次電池１を並列に接続している並列ユニット２を直列接続してなる電池群３と、この電池群３に流れる充放電の電流と、各並列ユニット２の電圧をマルチプレクサ６で切り換えて時分割に検出する電流・電圧検出部４と、電流・電圧検出部４で検出される各々の並列ユニット２の電圧変化から並列ユニット２の異常を判定する制御・演算部５とを備える。制御・演算部５は、電流・電圧検出部４で検出される電流の変化量を設定値に比較し、電流の変化量が設定値以下となる状態において、並列ユニット２の電圧変化から並列ユニット２の異常を判定する。

本発明のパック電池は、制御・演算部５が、各々の並列ユニット２に並列接続している二次電池１の内部ショートを検出することができる。

本発明のパック電池は、接続タブ７を介して複数の二次電池１を並列に接続して並列ユニット２とし、制御・演算部５で各々の二次電池１に接続している接続タブ７の接続不良を検出することができる。

本発明のパック電池は、複数の二次電池を直列と並列に接続しながら、異常電池を確実に判定できる特徴がある。それは本発明のパック電池が、電池に流れる電流と、各々の並列ユニットの電圧を所定のサンプリング周期で順番に検出し、検出された電流と電圧から制御・演算部で並列ユニットの異常を判定し、さらに、この制御・演算部は、検出される電流の変化量を設定値に比較し、電流の変化量が設定値以下となる状態において、並列ユニットの電圧変化から並列ユニットの異常を判定するからである。本発明のパック電池は、電池に流れる電流の変化が小さいときに限って、並列ユニットの電圧変化から異常を判定するので、電流変化に起因する並列ユニットの電圧変化の影響を少なく、あるいは皆無にして、並列ユニットの異常を正確に判定する。

とくに、本発明の請求項２のパック電池は、制御・演算部でもって、各々の並列ユニットに並列接続している二次電池の内部ショートを正確に検出できる特徴がある。また、本発明の請求項３のパック電池は、各々の二次電池を接続して並列ユニットとしている接続タブの接続不良を正確に検出できる特徴がある。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのパック電池を例示するものであって、本発明はパック電池を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、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、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図１に示すパック電池１０は、これを充電する電源を備える電子機器である携帯機器２０、たとえば、携帯型ＰＣに脱着できるようにセットされる。携帯型ＰＣは、ノート型のような携帯型パーソナルコンピュータである。携帯機器２０は、コンセントからの交流商用電力を直流電力に変換する電源アダプター（図示せず）を接続している。電源アダプターは、直流電力を携帯機器２０に供給する。携帯機器２０は、供給される電力を制御するマイコン内蔵の制御・電源部２１を備えている。制御・電源部２１は、パック電池１０に電力を出力し、また、携帯機器２０の負荷２２に電力を供給する。電源アダプターから電力供給されない場合は、パック電池１０より携帯機器２０に電力が供給される。

図１に示すパック電池１０は、複数の二次電池１を並列に接続して並列ユニット２としている。さらに複数の並列ユニット２が直列に接続されて電池群３としている。さらにパック電池は、電池群３に流れる充放電の電流と、各並列ユニット２の電圧を検出する電流・電圧検出部４と、電流・電圧検出部４で検出される電流と電圧から並列ユニット２の異常を判定する制御・演算部５とを備える。

並列ユニット２の二次電池１は、リチウムイオン二次電池である。ただし、二次電池は、ニッケル水素電池、またはニッケルカドミウム電池などの充電できる他の電池とすることもできる。図のパック電池は、並列ユニット２として３個の二次電池１を並列に接続している。ただし、本発明のパック電池は、並列ユニットに２個の二次電池を並列に接続し、あるいは４個以上の二次電池を並列に接続することもできる。並列ユニット２は、金属板あるいはリード線である接続タブ７を介して並列に接続される。

電流・電圧検出部４は、電池群３の電流を検出する電流検出部８と、入力される電流信号と、電圧信号を所定のサンプリング周期で切り換えて出力するマルチプレクサ６と、このマルチプレクサ６から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して、制御・演算部５に出力するＡ／Ｄコンバータ９とを備える。

電流検出部８は、図示しないが、電池群３と直列に接続している電流検出抵抗と、この電流検出抵抗の両端の電圧を増幅するアンプとを備える。アンプの出力電圧は、電池群３に流れる電流に比例する。したがって、アンプの出力電圧から電池の電流を検出できる。また、電池の充電電流と放電電流は流れる方向が逆になるので、充電電流と放電電流ではアンプの出力電圧の極性、すなわち正負が逆になる。アンプが、放電電流を正の出力電圧とすれば、充電電流は負の出力電圧となる。したがって、アンプから出力される信号の正負で充電電流と放電電流を識別できる。

さらに、図のパック電池は、電池の温度を検出する温度検出部１１を備えている。この温度検出部１１は、電池に密接して配設されるサーミスター等の温度センサー１２を備える。また、温度検出部１１は、温度センサー１２の電気抵抗の変化を電圧の変化に変換する温度−電圧変換回路も内蔵している。この温度−電圧変換回路から出力される信号から電池温度を検出する。

マルチプレクサ６は、電流検出部８から出力される電流信号と、各々の並列ユニット２の電圧信号を順番に切り換えて、Ａ／Ｄコンバータ９に出力する。図のパック電池１０は、３組の並列ユニット２を直列に接続している。したがって、マルチプレクサ６は、電流検出部８の電流信号、３組の並列ユニット２の電圧信号を、所定のサンプリング周期で順番に切り換えて、Ａ／Ｄコンバータ９に出力する。図のマルチプレクサ６は、１チャンネルの電流信号と、３チャンネルの電圧信号を切り換えるので、４チャンネル以上の入力を順番に切り換えられるものが使用される。ただ、温度検出部から出力される温度信号もＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換するパック電池は、５チャンネルのマルチプレクサを使用する。

マルチプレクサ６は、複数チャンネルの入力を、５０ｍｓｅｃのサンプリング周期で切り換えて、Ａ／Ｄコンバータ９に出力する。ただし、マルチプレクサ６のサンプリング周期は、１０ｍｓｅｃないし５００ｍｓｅｃとすることもできる。サンプリング周期を短くして、電池の電流、温度、電圧の変化を速やかに検出できる。反対にサンプリング周期を長くして、部品コストを低減できる。したがって、マルチプレクサ６のサンプリング周期は、部品コストと電流や電圧が変化する状態を考慮して前述の範囲に設定される。

Ａ／Ｄコンバータ９は、マルチプレクサ６から入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。Ａ／Ｄコンバータ９は、マルチプレクサ６が入力を切り換えるタイミングに同期して、入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する。したがって、Ａ／Ｄコンバータ９は、マルチプレクサ６が入力を切り換える毎に入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。すなわち、マルチプレクサ６が入力を切り換えた後、Ａ／Ｄコンバータ９が入力信号をデジタル信号に変換し、その後マルチプレクサ６が入力を切り換える動作を繰り返して、入力信号をデジタル信号に変換する。

Ａ／Ｄコンバータ９の出力は、制御・演算部５に入力される。Ａ／Ｄコンバータ９から制御・演算部５に入力されるデジタル信号は、電池に流れる充放電の電流値を示す電流信号、並列ユニット２のプラス側の電圧である電圧信号である。温度信号を検出するパック電池は、この信号に加えて、電池の温度を示す温度信号も出力される。これ等の信号は、マルチプレクサ６とＡ／Ｄコンバータ９のサンプリング周期で、すなわち５０ｍｓｅｃ周期で制御・演算部５に入力される。制御・演算部５は、入力される信号を演算し、各々の並列ユニット２の異常を判定する。

並列ユニット２の異常は、流れる電流を考慮しながら、並列ユニット２の電圧変化から判定される。並列ユニット２の異常は、いずれかの二次電池１の内部ショートや複数の二次電池１を並列に接続する接続タブ７の接続不良である。制御・演算部５は、各々の並列ユニット２の電圧変化から、二次電池１の内部ショートと接続タブ７の接続不良を判定する。制御・演算部５は、電流・電圧検出部４で検出される電流の変化量を設定値に比較し、電流の変化量を設定値以下とする状態において、並列ユニット２の電圧変化から並列ユニット２の異常を判定する。制御・演算部５は、電池の電流変化が設定値よりも大きいとき、並列ユニット２の異常を判定しない。電流変化が大きいと、電流によって並列ユニット２の電圧が変化するからである。並列ユニット２の異常を判定する電流の変化量を比較する設定値は、たとえば、各々の二次電池１に分流して流れる電流に換算して、０．５Ｃ以下、好ましくは０．３Ｃ以下、さらに好ましくは０．１Ｃ以下とする。図のパック電池は、３個の二次電池１を並列に接続して並列ユニット２としているので、並列ユニット２に流れるトータル電流は、各々の二次電池１に流れる電流の３倍となる。したがって、各々の二次電池１に流れる電流は、パック電池の充放電電流の１／３となる。各々の二次電池１に流れる電流が、以上の設定値よりも小さいときにかぎって、並列ユニット２の異常を判定する。

制御・演算部５は、図２のフローチャートで並列ユニット２の異常を判定する。
［Ｓ＝１のステップ］
このステップにおいてｎ＝１とする。図のパック電池は３個の二次電池１を直列に接続、いいかえると、３組の並列ユニット２を直列に接続しているので、ｎは１、２、３となる。
［Ｓ＝２のステップ］
このステップで、電流Ｉnを検出する。Ｉnは、このタイミングにおけるパック電池の電流である。
［Ｓ＝３のステップ］
このステップで、電圧Ｖnを検出する。Ｖnは直列に接続している各並列ユニット２の電圧である。すなわち、Ｖ1は第１の並列ユニット２の電圧、Ｖ2は第２の並列ユニット２の電圧、Ｖ3は第３の並列ユニット２の電圧である。
［Ｓ＝４のステップ］
このステップで、ｎ＝ｎ＋１とする。
［Ｓ＝５のステップ］
このステップで、ｎが並列ユニット２の個数（図のパック電池は３個）よりも大きいかどうかを判定し、並列ユニット２の個数より小さいと、Ｓ＝２〜４のステップをループして、Ｉ1、Ｖ1、Ｉ2、Ｖ2、Ｉ3、Ｖ3の順番に、所定のサンプリング周期で検出する。
［Ｓ＝６のステップ］
このステップで、Ｉ1〜Ｉ3の最大電流Ｉmaxと最小電流Ｉminを求める。
［Ｓ＝７、８のステップ］
このステップで、最大電流Ｉmaxと最小電流Ｉminの差を検出し、電流差が設定値よりも小さいかどうかを判定する。電流差が設定値よりも小さいときに、検出したＶ1〜Ｖ3から並列ユニット２の異常を判定する。電流差が設定値よりも大きいと、検出したＶ1〜Ｖ3は並列ユニット２の異常判定に使用しない。その後、Ｓ＝１のステップにジャンプして、再び並列ユニット２の異常の判定を繰り返す。

並列ユニット２の異常として、二次電池１を並列に接続している接続タブ７の接続不良と、並列ユニット２の二次電池１の内部ショートとを判定する場合、両者の異常では判定条件が異なる。

接続タブの外れについて以下に説明する。電池群３は、電池１の正極端子、負極端子を金属製の接続タブにより電気接続されて、３直３並列に接続されている。例えば、接続タブ外れの場合は、合計１．５Ａの電流が流れたとき（各セルには０．５Ａ流れる）に、３並列が接続タブの外れで２並列になったとすると、電池１セル当たりの変化の例として０．５Ａから０．７５Ａと電流が大きくなることで、２並列の電流が大きくなり電圧変化も大きくなる。

接続タブ７の接続不良、すなわち接続タブ７の外れを判別するには、パック電池に流れる電流の変化量が設定値よりも小さい状態において、３分経過後における電圧変化が５０ｍＶ以上であって、他の並列ユニットの２倍以上に電圧変化する並列ユニットは、接続タブの接続不良と判定する。また、全ての並列ユニット２の電圧変化の平均値に対して、電圧変化が１．５倍となる並列ユニットも接続タブの接続不良と判定し、さらに、最も電圧変化の少ない並列ユニットに対して２倍以上の電圧変化がある並列ユニットも接続タブの接続不良と判定する。

さらに、並列ユニット２の二次電池１の内部ショートの判定は、パック電池１０に流れる電流の変化が設定値以下であり、さらに、電流の大きさが設定値よりも小さくなる状態において、３０分経過後の並列ユニットの電圧変化が１５ｍＶ以上であって、他の並列ユニットの２倍以上に電圧変化する並列ユニットは、いずれかの二次電池が内部ショートと判定する。また、全ての並列ユニットの電圧変化の平均値に対して、電圧変化が１．５倍となる並列ユニットはいずれかの二次電池が内部ショートと判定し、さらに、最も電圧変化の少ない並列ユニットに対して２倍以上の電圧変化がある並列ユニットはいずれかの二次電池が内部ショートと判定する。

さらに、二次電池１の内部ショートは、パック電池１０の充放電を停止する状態、すなわち、携帯機器２０を使用しない状態、または携帯機器２０を使用する状態であって、パック電池１０からは携帯機器２０に電力を供給せず、商用電源から携帯機器２０に電力を供給する状態で、３０分経過後の並列ユニットの電圧変化が１５ｍＶ以上であって、他の並列ユニットの２倍以上に電圧変化する並列ユニットは、いずれかの二次電池が内部ショートと判定する。また、全ての並列ユニットの電圧変化の平均値に対して、電圧変化が１．５倍となる並列ユニットはいずれかの二次電池が内部ショートと判定し、さらに、最も電圧変化の少ない並列ユニットに対して２倍以上の電圧変化がある並列ユニットはいずれかの二次電池が内部ショートと判定する。

さらに、制御・演算部５は、電池の充放電電流を積算して残容量を演算処理し、充電電流や電圧から電池の満充電を検出し、また異常電流、異常温度、異常電圧等を検出して、充放電を制御する。スイッチングトランジスタ等からなる制御素子１３は、制御・演算部５でオンオフ制御され、異常電流、異常温度、異常電圧の検出時に、オフに切り換えられて電流を遮断する。

制御・演算部５は、Ａ／Ｄコンバータ９によって変換された充放電電流に、サンプリング周期（例えば、５０ｍｓｅｃ）を掛け算した値を積算し、放電時においては満充電から積算量を引き算し、あるいは、充電時においては充電開始時の残容量に積算量を加算する。このような演算により、電池の残容量を算出している。

また、制御・演算部５は、電圧を検出して満充電を検出する。ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池の場合は、ピーク電圧を検出し、あるいは電圧のピーク電圧からの−ΔＶ（＝電圧低下）を検出して、満充電を検出できる。このパック電池は、直列に接続している全電圧から電池の満充電を検出できる。ただし、並列ユニットの電圧を検出して、各々の並列ユニットの満充電を検出することもできる。

二次電池をリチウムイオン電池とするパック電池は、電流、電圧を規制した定電流（ＭＡＸ電流０．５〜１Ｃ程度）・定電圧（ＭＡＸ４．２Ｖ／並列ユニット程度）充電を利用し、並列ユニット２の電圧が所定値以上、充電電流が所定値以下の条件のとき、満充電と判定する。制御・演算部５は、電池の満充電を検出すると、充電用の制御素子１３をオフに切り換えて充電を停止すると共に、残容量を１００％とする情報を通信処理部１４から出力する。満充電の情報は、通信ライン１５を介して、携帯機器２０に送信される。

図のパック電池１０は、電池と直列に、制御素子１３として、Ｐチャンネル型ＦＥＴである充電用ＦＥＴ１３Ａ、と放電用ＦＥＴ１３Ｂを接続している。Ｐチャンネル型のＦＥＴは、”Ｈｉｇｈ”電圧を入力してオフに切り換えられる。このパック電池は、二次電池１をリチウムイオン二次電池とする場合、いずれかの並列ユニット２の電圧が、リチウムイオン二次電池の過充電電圧である、例えば、４．２Ｖ以上になると、充電用ＦＥＴ１７Ａをオフに制御する。したがって、この状態になると、制御・演算部５は、充電用ＦＥＴ１３Ａのゲートにオフ信号の”Ｈｉｇｈ”電圧を入力する。オフ状態にある充電用ＦＥＴ１３Ａは、寄生ダイオードによって放電電流を流すことができる。したがって、充電用ＦＥＴ１３Ａがオフの状態で電池は放電できる。この状態で携帯機器２０で電池が放電されて電圧が低下すると、充電用ＦＥＴ１３Ａはオンに切り換えられる。

また、パック電池１０は、いずれかの並列ユニット２の電池電圧が、リチウムイオン二次電池の過放電電圧である、例えば、２．７Ｖ以下になると、放電用ＦＥＴ素子１３Ｂをオフ制御する。したがって、この状態になると、制御・演算部５は、放電用ＦＥＴ１３Ｂのゲートに、オフ信号である”Ｈｉｇｈ”電圧を入力する。オフ状態にある放電用ＦＥＴ１３Ｂは、寄生ダイオードによって充電電流を流すことができる。したがって、放電用ＦＥＴ１３Ｂがオフの状態で電池は充電できる。この状態で、携帯機器２０から電池が充電されて電圧が上昇すると、放電用ＦＥＴ１３Ｂはオンに切り換えられる。

本発明の一実施例にかかるパック電池の概略構成図である。 本発明の一実施例にかかるパック電池の制御・演算部が並列ユニットの異常を判定するフローチャートである。

符号の説明

１…二次電池
２…並列ユニット
３…電池群
４…電流・電圧検出部
５…制御・演算部
６…マルチプレクサ
７…接続タブ
８…電流検出部
９…Ａ／Ｄコンバータ
１０…パック電池
１１…温度検出部
１２…温度センサー
１３…制御素子 １３Ａ…充電用ＦＥＴ
１３Ｂ…放電用ＦＥＴ
１４…通信処理部
１５…通信ライン
２０…携帯機器
２１…制御・電源部
２２…負荷

Claims (3)

1. 複数の二次電池(1)を並列に接続してなる並列ユニット(2)を直列に接続してなる電池群(3)と、この電池群(3)に流れる充放電の電流と、各並列ユニット(2)の電圧をマルチプレクサ(6)で切り換えて時分割に検出する電流・電圧検出部(4)と、電流・電圧検出部(4)で検出される各々の並列ユニット(2)の電圧変化から並列ユニット(2)の異常を判定する制御・演算部(5)とを備え
   制御・演算部(5)は、電流・電圧検出部(4)で検出される電流の変化量を設定値に比較し、電流の変化量が設定値以下となる状態において、並列ユニット(2)の電圧変化から並列ユニット(2)の異常を判定する複数の二次電池を直列・並列に接続しているパック電池。
2. 制御・演算部(5)が、各々の並列ユニット(2)に並列接続している二次電池(1)の内部ショートを検出する請求項１に記載される複数の二次電池を直列・並列に接続しているパック電池。
3. 各々の並列ユニット(2)が、接続タブ(7)を介して複数の二次電池(1)を並列に接続しており、制御・演算部(5)が各々の二次電池(1)に接続している接続タブ(7)の接続不良を検出する請求項１に記載される複数の二次電池を直列・並列に接続しているパック電池。
   

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