JP2007299696A - 二次電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の異常な過充電および過放電を防止すると共に、半導体スイッチ素子の故障時における不本意な継続使用を禁止してその安全性を確保することのできる簡易な構成の二次電池装置を提供する。
【解決手段】二次電池に対する充電路と放電路とを互いに独立に設けると共に、上記二次電池に対する保護回路として、充電路に直列に介挿されて溶断により該充電路を遮断する非復帰スイッチ（例えば内部ヒータ付き温度ヒューズ）と、放電路に直列に介挿されて電気的に該放電路を導通または遮断する半導体スイッチ（例えばＭＯＳ−ＦＥＴ）と、二次電池の過放電を検出したときに前記半導体スイッチ素子を遮断制御すると共に、前記二次電池の過充電および前記半導体スイッチ素子の異常の一方を検出したときに前記非復帰スイッチを溶断するスイッチ制御回路とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池に対する過充電・過放電保護機能を有し、その安全性を確保した簡易な構成の二次電池装置に関する。

リチウム・イオン電池やニッケル水素電池等の二次電池は、その過充電により電池特性が劣化すると共に、その安全性が損なわれる虞がある。また二次電池の放電電流がその定格を超えた場合にも、二次電池の異常発熱を伴ってその安全性が損なわれる虞がある。
そこで従来においては、例えば二次電池の充放電路に該充放電路を電気的に導通たは遮断する半導体スイッチ素子（例えばＭＯＳ−ＦＥＴ）を直列に介挿している。そして二次電池の充電電圧が過充電保護電圧を超えたときや、その放電電流が定格を超えたときに上記半導体スイッチ素子を遮断制御し、その充放電を阻止（禁止）するようにしている。また半導体スイッチ素子が故障した場合の対策として、更に前記充放電路に温度ヒューズ（非復帰スイッチ）を直列に介挿し、前記半導体スイッチ素子の故障時に上記温度ヒューズを溶断させることで前記充放電路を遮断することも行われている（例えば特許文献１,２を参照）。
特開２００１−１２６７７２号公報 特開２００１−１７６５６１号公報

しかし二次電池の過充電を検出して一旦前述した充放電路に介挿された温度ヒューズを作動させると、折角、二次電池に蓄えた電気エネルギを上記充放電路を介して取り出すことができなくなると言う不具合がある。また二次電池に対する充電路と放電路とを互いに独立に設け、これらの充電路および放電路毎に前述した半導体スイッチ素子と温度ヒューズとそれぞれを設けるしても、電動工具や電動アシスト自転車等の定格電流の大きい負荷に供給すべき放電電流に適合する温度ヒューズ（非復帰スイッチ）が開発されていないのが実情である。

この点、従来においては、二次電池の充電電圧および充放電電流を検出すると共に、半導体スイッチ素子の温度を監視し、これらの監視情報から二次電池や半導体スイッチ素子の異常が検出されたとき、通信手段を介してその異常検出信号を充電器等を備えた負荷側に伝達することで前記二次電池の充放電を禁止する等の対策が講じられている。しかしこのような対策を講じた場合、二次電池装置の構成が徒に複雑化し、高価なものとなることが否めない。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、二次電池の異常な過充電および過放電を防止すると共に、半導体スイッチ素子の故障時における不本意な継続使用を禁止してその安全性を確保することのできる簡易な構成の二次電池装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る二次電池装置は、リチウム・イオン電池等の二次電池と、この二次電池を過充電および過放電からそれぞれ保護する保護回路とを備えたものであって、特に
<ａ> 前記二次電池に対する充電路と放電路とを互いに独立に設けると共に、
<ｂ> 前記保護回路として、
<ｂ１> 前記充電路に直列に介挿されて溶断により該充電路を遮断する非復帰スイッチ（例えば内部ヒータ付き温度ヒューズ）と、
<ｂ２> 前記放電路に直列に介挿されて電気的に該放電路を導通または遮断する半導体スイッチ（例えばＭＯＳ−ＦＥＴ）と、
<ｂ３> 前記二次電池の過放電を検出したときに前記半導体スイッチ素子を遮断制御すると共に、前記二次電池装置の異常を検出したときに前記非復帰スイッチを溶断するスイッチ制御回路と
を設けたことを特徴としている。

ちなみに前記二次電池装置の異常は、前記半導体スイッチ素子の異常であって、前記半導体スイッチ素子に設けた温度センサを用いて求められる該半導体スイッチ素子の発熱温度を判定することで検出される。また上述した構成の二次電池装置は、例えばその外部接続端子として、前記二次電池の一方の電極に前記充電路を介して接続された充電端子、前記二次電池の上記一方の電極に前記放電路に介して接続されて上記充電端子とは独立に設けられた放電端子、および前記二次電池の他方の電極に接続されて前記充電端子および放電端子とそれぞれ対をなす共通端子を備えた、３端子構成の電池パックに適用するに好適である。

上記構成の二次電池装置によれば、その異常時、例えば二次電池の過充電が検出されたとき、或いは二次電池を過放電から保護する半導体スイッチ素子が故障したとき、二次電池の充電路に直列に介挿した非復帰スイッチ（例えば内部ヒータ付き温度ヒューズ）を溶断するので、その後の上記二次電池の充電を確実に阻止することができる。しかし上記充電路とは独立に二次電池の放電路が設けられているので、二次電池に充電した電気エネルギについては上記放電路を介して取り出し、所定の負荷に供給することができる。従ってその充電エネルギを無駄にすることがなく、また二次電池を充電したまま廃棄するような不具合を未然に防ぐことができる。

つまり過充電によって特性の劣化した二次電池、或いは放電路に介挿された半導体スイッチ素子が故障した状態のまま、二次電池を繰り返し再充電して使用するような不具合を未然に防ぎ、その安全性を確保することができる。しかも装置の異常時、例えば二次電池の放電路に介挿した半導体スイッチ素子の故障が検出されたとき、上記二次電池の充電路に介挿されている非復帰スイッチを溶断すると言う簡易な制御・構成だけで、二次電池装置の不本意な使用（再充電）を防ぐことができ、またその安全性を十分に確保することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る二次電池装置について説明する。
この二次電池装置は、例えばノート型パーソナルコンピュータ等の電子機器に装着されて使用されるものであって、リチウム・イオン電池やニッケル水素電池等の二次電池を主体として構成される。特にこの二次電池装置は、上記電子機器に内蔵された電源装置により上記二次電池を充電し、二次電池に蓄積した電力エネルギを上記電源装置を介して前記電子機器におけるＣＰＵやメモリ等の電力負荷に対して供給するように構成される。

図１はこのような二次電池装置の概略構成を示しており、１は二次電池である。この二次電池１は、例えば複数の電池セル２を直・並列に接続することで、前述した電力負荷の仕様に応じた所要の電池電圧と電池容量を確保した電池群として構築される。そしてこの二次電池１の負極は、充電路を形成する第１の負側電源線３を介して充電用端子４に接続されると共に、放電路を形成する第２の負側電源線５を介して放電用端子６に接続されており、該二次電池１の正極は充電および放電に共用される正側電源線７を介して共通端子８に接続されている。

即ち、この二次電池装置は、二次電池１に対する充電路を前記充電端子４と前記共通端子８との間に形成した電源ラインとして、またその放電路を前記放電端子６と前記共通端子８との間に形成した電源ラインとしてそれぞれ形成することで、その充電路と放電路とを互いに独立させて設けている。尚、ここでは負極側の電源ラインを充電用と放電用とに分けてたものについて説明するが、正極側の電源ラインを充電用と放電用とに分けることで、その充電路と放電路とを独立させることも勿論可能である。

さて上述したように二次電池１に対する充電路と放電路とを互いに独立に設けた二次電池装置は、前記二次電池１の保護回路として、該二次電池１を過充電から保護する非復帰スイッチ１１を上記充電路３に直列に介挿すると共に、前記二次電池１を過放電から保護する半導体スイッチ素子１２を前記放電路４に直列に介挿して構成される。上記非復帰スイッチ１１は、例えば内部ヒータを備えた温度ヒューズからなり、溶断によって前記充電路３を遮断する機能を呈する。従って非復帰スイッチ１１を作動させることによって前記充電路３が再導通（復帰）不可能に遮断される。

また前記半導体スイッチ素子１２は、例えば電力スイッチング用のＭＯＳ−ＦＥＴからなり、そのゲートに印加される制御信号によりソース・ドレイン間をオン・オフさせることで前記放電路５を選択的に導通・遮断制御する機能を呈する。従って制御信号により上記半導体スイッチ素子１２の作動を選択制御することで前記放電路５が導通または遮断される。尚、この半導体スイッチ素子１２には、該半導体スイッチ素子１２と熱的結合させて温度センサ１３が設けられており、後述する温度検出部１４にて上記温度センサ１３の出力（温度情報）から上記半導体スイッチ素子１２の熱的破壊（損傷）が検出されるようになっている。つまり温度検出部１４は半導体スイッチ素子１２の熱的破壊（損傷）の異常検出手段として機能している。

これらの非復帰スイッチ（温度ヒューズ）１１および半導体スイッチ素子（ＭＯＳ−ＦＥＴ）１２は、前記二次電池１の過放電、前記二次電池１の過充電、および前記半導体スイッチ素子１１の異常をそれぞれ検出するスイッチ制御回路によって溶断または遮断制御される。具体的には上記スイッチ制御回路は、前記二次電池１の端子電圧Ｖbatおよびこの二次電池１を構築する複数の電池セル２の電池電圧Ｖcellをそれぞれ検出する電圧検出部１５を備え、この電圧検出部１５にて前記二次電池１の過充電および過放電をそれぞれ検出している。つまり電圧検出部１５は、過充電・過放電等の異常検出手段として機能している。

ちなみに電圧検出部１５における二次電池１の過充電の検出は、例えば二次電池１の端子電圧Ｖbatが規定の充電電圧を超えていないか、更には直列に接続された複数段の電池セル２の各端子電圧Ｖcellがそれぞれ規定のセル電圧を超えていないかを調べることによって行われる。そして上記二次電池１の端子電圧Ｖbat、または各電池セル２の端子電圧Ｖcellがその規定電圧を超えているとき、二次電池１が過充電状態であると判定した異常信号として過充電検出信号が出力される。

このような過充電検出信号が、後述するオア回路１６を介してスイッチ素子１７に印加され、スイッチ素子１７を介して前記非復帰スイッチ１１の内部ヒータが通電されて該非復帰スイッチ１７が溶断される。そしてこの非復帰スイッチ１７の溶断により充電路３が遮断され、二次電池１に対するそれ以上の充電が恒久的に阻止される。尚、上記スイッチ素子１７は、前記非復帰スイッチ１７の溶断に必要な電流を流し得る半導体スイッチやリレー等の機械式スイッチからなる。

また前記電圧検出部１５における二次電池１の過電流の検出は、例えば前記放電路５に直列に介挿されたシャント抵抗１８の両端に生じる電圧から前記二次電池１の放電電流Ｉを検出することによって行われる。そしてその放電電流Ｉが規定の定格電流を超えるとき、前記電圧検出部１５はこの状態を二次電池１が過電流であると判定して過放電検出信号を出力する。尚、電圧検出部１５は、前記二次電池１の端子電圧Ｖbatおよび複数の電池セル２の各電池電圧Ｖcellが、二次電池１（電池セル２）を再充電し得る電圧まで低下したか否かを判定している。そして電圧検出部１５は、上記端子電圧Ｖbat,Ｖcellがその最低保証電圧まで低下したとき、その深放電を防止するべく過放電検出信号を出力している。このような過放電検出信号を前記半導体スイッチ素子１２のゲートに印加し、該半導体スイッチ素子１２をオフ（遮断）駆動することにより放電路５を遮断して二次電池１のそれ以上の放電が禁止される。

尚、前述した温度検出部１４は、前記温度センサ１３の出力から前記半導体スイッチ素子１２の異常発熱を検出し、例えばＦＥＴの動作保証温度である１５０℃よりも若干低い１３０℃までＦＥＴの温度が上昇したとき、これを動作異常であると判定している。そして温度検出部１４は半導体スイッチ素子１１の異常を検出したとき、異常検出信号を前述したオア回路１６を介して出力することで前記スイッチ素子１７を導通させ、これによって前述した非復帰スイッチ１１を溶断している。換言すれば非復帰スイッチ１１は、二次電池１の過充電が検出されたとき、または半導体スイッチ素子１２の異常が検出されたときに溶断されて二次電池１の充電路を遮断するものとなっている。

二次電池装置の異常時としては、上述の異常以外には、各電池セル２の電圧をモニターし、少なくとも一つの電池セル２が基準の過充電電圧に至ったとき等があるが、これら以外の異常であっても良い。また、異常検出手段としては、二次電池１の電圧、電流、温度等の情報をマイコンに取り込み異常を判定してもよい。異常を判定したときは、上述と同様に異常信号を発生して、スイッチ素子１７をオンすることにより、前記非復帰スイッチ１１の内部ヒータが通電されて該非復帰スイッチ１７が溶断される。

かくして上述した如く構成された二次電池装置によれば、二次電池の装置の異常時、例えば二次電池１が過充電となったときに非復帰スイッチ１１を溶断してその充電路３を遮断するので、それ以上の二次電池１の充電を確実に阻止してその安全性を確保することができる。しかし充電路とは独立に放電路５が設けられているので、二次電池１に充電した電気エネルギを取り出して負荷に供給することができるので、上記エネルギを有効に活用することができる。しかも二次電池１の過充電は、専ら、その電池性能の劣化（寿命）に起因しており、過充電が生じた二次電池１については廃棄することになる。この際、上述したようにその充電路３とは独立した放電路５を介して二次電池１の充電エネルギを放電させることができるので、その廃棄時の安全性を確保することができる等の二次的な効果も奏せられる。

また本装置によれば、半導体スイッチ素子１２が故障した際にも、前述したように非復帰スイッチ１１を溶断するので、半導体スイッチ素子１２が故障したまま二次電池１を再充電して使用することを未然に防ぐことができる。従って、例えば放電定格電流が１５Ａ程度と大きい電子機器に用いる二次電池装置であって、上記放電定格電流に見合う非復帰スイッチ１１がなく、これ故、その放電路５に非復帰スイッチ１１を設けることができないような場合であっても、充電路３に設けた非復帰スイッチ１１の溶断によって該二次電池装置の再使用を確実に阻止することが可能となる。

また上述した構成の二次電池装置によれば、通信手段等を介して充電器側に異常信号等を伝達し、上記充電器側にて二次電池に対する充放電を制御しなくても、二次電池装置が備える上述した機能により自らその異常に対処することができる。しかも上述したような簡易な構成にて二次電池１の異常に対処することができるので、二次電池装置をディスポーザブル型の電池パックとして実現する上で、例えばその価格を低減し得る等、非常に好適である。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば直・並列に接続されて二次電池１を構成する複数の電池セル２の数は、負荷の電力仕様に応じて定めれば良いものであり、電圧検出部１５については従来より種々提唱されているものを適宜用いれば良い。要は本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係る二次電池装置の概略構成図。

符号の説明

１ 二次電池
２ 電池セル
３ 充電路
４ 充電端子
５ 放電路
６ 放電端子
８ 共通端子
１１ 非復帰スイッチ
１２ 半導体スイッチ素子
１３ 温度センサ
１４ 温度検出部（スイッチ制御回路）
１５ 電圧検出部（スイッチ制御回路）
１６ オア回路（スイッチ制御回路）
１７ スイッチ素子
１８ シャント抵抗

Claims (3)

1. 二次電池と、この二次電池を過充電および過放電からそれぞれ保護する保護回路とを備えた二次電池装置であって、
   該二次電池装置は、前記二次電池に対する充電路と放電路とを互いに独立に備え、
   前記保護回路は、前記充電路に直列に介挿されて溶断により該充電路を遮断する非復帰スイッチと、前記放電路に直列に介挿されて電気的に該放電路を導通または遮断する半導体スイッチと、前記二次電池の過放電を検出したときに前記半導体スイッチ素子を遮断制御すると共に、前記二次電池装置の異常を検出したときに前記非復帰スイッチを溶断するスイッチ制御回路とを具備したことを特徴とする二次電池装置。
2. 前記二次電池装置の異常は、前記半導体スイッチ素子の異常であって、前記半導体スイッチ素子に設けた温度センサを用いて求められる該半導体スイッチ素子の発熱温度を判定して検出されるものである請求項１に記載の二次電池装置。
3. 請求項１または２に記載の二次電池装置であって、その外部接続端子として
   前記二次電池の一方の電極に前記充電路を介して接続された充電端子、前記二次電池の上記一方の電極に前記放電路に介して接続されて上記充電端子とは独立に設けられた放電端子、および前記二次電池の他方の電極に接続されて前記充電端子および放電端子とそれぞれ対をなす共通端子だけを備えたことを特徴とする二次電池装置。

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