JP2008148387A - 電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】電池パックを構成する二次電池の直列数の制限をなくし、充電器の回路規模を小規模化する。
【解決手段】Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２３，Ｑ３１〜Ｑ３４は、二次電池Ｅ１〜Ｅ４の各々に接続され、充電時において二次電池Ｅ１〜Ｅ４を並列に接続し、放電時において二次電池Ｅ１〜Ｅ４を直列に接続し、駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４は、接続されているＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２３，Ｑ３１〜Ｑ３４を各々駆動し、駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４の各々は、当該駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４が駆動するＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２３，Ｑ３１〜Ｑ３４が接続された二次電池Ｅ１〜Ｅ４を駆動用電源として用いる。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数の二次電池を直列又は並列に接続する電池パックに関するものである。

二次電池を複数個組み合わせて使用する場合、放電時は直列接続とし充電時は並列接続とする方法がいくつか提案されている。この二次電池を直列あるいは並列に切替える構成は、放電時は高電圧による大出力を取り出すことができ、充電時は低電圧を用いつつ複数の二次電池を均等に充電できる利点を持つ。

例えば、特許文献１に記載の発明は、複数のスイッチング素子とＮ個の絶縁型充電用電源からなるＭ個の直列接続された二次電池を、充電時はＮ組の並列接続に組み直し、そしてＮ組の並列組電池を直列に接続し、その並列組電池に対してそれぞれ１つの絶縁型充電器を用いて充電する。
特開２００１−１８６６６８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、スイッチ回路を構成する半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路の電源電圧が、最大で電池パックの全二次電池の直列電圧となる。二次電池の直列接続・並列接続を切替えるためのスイッチ回路を構成する場合、高電位側の駆動回路は高耐圧性を有する必要があるが、駆動回路を構成する部品の高耐圧性には限界があり、二次電池を直列接続する数には制限が生じてしまう。そのため、従来の電池パックは、駆動回路を構成する部品の最大定格電圧を超えて二次電池を直列接続することが困難であるという課題を有している。また、従来の電池パックは、充電時の組電池の構成が直列接続の部分を残すため、充電器は複数個必要であり、かつ絶縁型とならざるを得ず、充電器の回路規模が大型化するという課題を有していた。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、電池パックを構成する二次電池の直列数の制限をなくすことができ、充電器の回路規模を小規模化することができる電池パックを提供することを目的とするものである。

本発明に係る電池パックは、複数の二次電池と、前記複数の二次電池の各々に接続され、充電時において前記複数の二次電池を並列に接続し、放電時において前記複数の二次電池を直列に接続する複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子の各々に接続され、接続されている前記スイッチング素子を各々駆動する複数の駆動回路とを備え、前記複数の駆動回路の各々は、当該駆動回路が駆動する前記スイッチング素子が接続された前記二次電池を駆動用電源として用いる。

この構成によれば、複数の二次電池の各々に接続された複数のスイッチング素子によって、充電時において複数の二次電池が並列に接続され、放電時において複数の二次電池が直列に接続され、複数のスイッチング素子の各々に接続された複数の駆動回路によって、接続されているスイッチング素子が各々駆動される。そして、複数の駆動回路の各々において、駆動回路が駆動するスイッチング素子が接続された二次電池が駆動用電源として用いられる。

したがって、スイッチング素子を駆動する駆動回路の電源電圧が二次電池１個分の電圧になるので、駆動回路を構成する部品の最大定格電圧を低く抑えることができ、電池パックを構成する二次電池の直列数の制限をなくすことができる。また、複数の二次電池を直列接続することなく、複数の二次電池を並列接続して充電することが可能となるので、複数の二次電池を均等に充電でき、さらには充電器の回路構成を、絶縁型・非絶縁型を問わない非常に簡素なものとすることができ、充電器の回路規模を小規模化することができる。

また、上記の電池パックにおいて、前記スイッチング素子は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴを含むことが好ましい。この構成によれば、スイッチング素子には、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴが含まれるので、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを流れる電流の向きが、放電時に回路内を流れる電流の向きとは逆方向になる。そのため、スイッチオフ時には電流放電経路が形成されず、電池パックの放電端子に電圧が発生せず、消費電流を減らすことができる。

また、上記の電池パックにおいて、前記駆動回路は、前記二次電池の電圧を増幅して前記スイッチング素子の駆動電圧を生成するチャージポンプ型昇圧回路を含むことが好ましい。

この構成によれば、駆動回路には、二次電池の電圧を増幅してスイッチング素子の駆動電圧を生成するチャージポンプ型昇圧回路が含まれるので、１つの二次電池であっても、スイッチング素子を駆動するのに十分な駆動電圧を得ることができる。

また、上記の電池パックにおいて、前記複数の二次電池の正極を充電器に接続するための正極入力端子と、前記複数の二次電池の負極を充電器に接続するための負極入力端子と、前記複数の二次電池の正極を負荷に接続するための正極出力端子と、前記複数の二次電池の負極を負荷に接続するための負極出力端子とをさらに備え、前記複数のスイッチング素子は、各二次電池の負極と正極との間及び前記負極出力端子と二次電池の負極との間に設けられる複数の第１のスイッチング素子と、各二次電池の正極と前記正極入力端子との間に設けられる複数の第２のスイッチング素子と、各二次電池の負極と前記負極入力端子との間に設けられる複数の第３のスイッチング素子とを含み、放電時において、前記複数の第１のスイッチング素子がオンされ、前記複数の第２のスイッチング素子及び前記複数の第３のスイッチング素子がオフされ、充電時において、前記複数の第１のスイッチング素子がオフされ、前記複数の第２のスイッチング素子及び前記複数の第３のスイッチング素子がオンされることが好ましい。

この構成によれば、正極入力端子によって、複数の二次電池の正極が充電器に接続され、負極入力端子によって、複数の二次電池の負極が充電器に接続される。正極出力端子によって、複数の二次電池の正極が負荷に接続され、負極出力端子によって、複数の二次電池の負極が負荷に接続される。また、複数の第１のスイッチング素子が、各二次電池の負極と正極との間及び負極出力端子と二次電池の負極との間に設けられており、複数の第２のスイッチング素子が、各二次電池の正極と正極入力端子との間に設けられており、複数の第３のスイッチング素子が、各二次電池の負極と負極入力端子との間に設けられている。そして、放電時において、複数の第１のスイッチング素子がオンされ、複数の第２のスイッチング素子及び複数の第３のスイッチング素子がオフされ、充電時において、複数の第１のスイッチング素子がオフされ、複数の第２のスイッチング素子及び複数の第３のスイッチング素子がオンされる。

したがって、放電時において、複数の第１のスイッチング素子がオンされ、複数の第２のスイッチング素子及び複数の第３のスイッチング素子がオフされるので、複数の二次電池を直列に接続することができ、高電圧を出力することができる。また、充電時において、複数の第１のスイッチング素子がオフされ、複数の第２のスイッチング素子及び複数の第３のスイッチング素子がオンされるので、複数の二次電池をそれぞれ並列に接続することができ、低電圧を用いて複数の二次電池を均等に充電することができる。

また、上記の電池パックにおいて、前記二次電池は、所定数の二次電池を直列に接続した二次電池群を含むことが好ましい。この構成によれば、二次電池には、所定数の二次電池を直列に接続した二次電池群が含まれるので、この二次電池群を１単位として複数備え、複数の二次電池群の各々に接続された複数のスイッチング素子によって、充電時において複数の二次電池群が並列に接続され、放電時において複数の二次電池群が直列に接続され、複数のスイッチング素子の各々に接続された複数の駆動回路によって、接続されているスイッチング素子が各々駆動される。そして、複数の駆動回路の各々において、駆動回路が駆動するスイッチング素子が接続された二次電池群が駆動用電源として用いられる。

したがって、所定数の二次電池を直列に接続した二次電池群を１つの単位とし、この二次電池群を複数備える電池パックにおいても、本発明を適用することができる。すなわち、スイッチング素子を駆動する駆動回路の電源電圧が二次電池群１組分の電圧になるので、駆動回路を構成する部品の最大定格電圧を低く抑えることができ、電池パックを構成する二次電池群の直列数の制限をなくすことができる。また、複数の二次電池群を直列接続することなく、複数の二次電池群を並列接続して充電することが可能となるので、複数の二次電池群を均等に充電でき、さらには充電器の回路構成を、絶縁型・非絶縁型を問わない非常に簡素なものとすることができ、充電器の回路規模を小規模化することができる。

本発明によれば、スイッチング素子を駆動する駆動回路の電源電圧が二次電池１個分の電圧になるので、駆動回路を構成する部品の最大定格電圧を低く抑えることができ、電池パックを構成する二次電池の直列数の制限をなくすことができる。また、複数の二次電池を直列接続することなく、複数の二次電池を並列接続して充電することが可能となるので、複数の二次電池を均等に充電でき、さらには充電器の回路構成を、絶縁型・非絶縁型を問わない非常に簡素なものとすることができ、充電器の回路規模を小規模化することができる。

以下、本発明の一実施の形態に係る電池パックついて、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態における電池パックの構成を示す回路図である。電池パック１は、複数の二次電池Ｅ１〜Ｅ４、複数のスイッチ回路Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２３，Ｓ３１〜Ｓ３４、複数のダイオードＤ１０，Ｄ２０、正極入力端子１１、負極入力端子１２、正極出力端子１３及び負極出力端子１４を備える。正極入力端子１１は、充電用のプラス入力であり、電池パック１内の二次電池Ｅ１〜Ｅ４を充電するための充電器２の正極端子に接続される。負極入力端子１２は、充電用のマイナス入力であり、充電器２の負極端子に接続される。正極出力端子１３は、電池パック１のプラス出力であり、電子機器等の電池パック１を電源とする負荷３の正極端子が接続される。負極出力端子１４は、電池パックのマイナス出力であり、負荷３の負極端子が接続される。

スイッチ回路Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４は、二次電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４を直列接続させるためのスイッチ回路である。二次電池Ｅ１の負極は、スイッチ回路Ｓ１１を介して二次電池Ｅ２の正極と接続され、二次電池Ｅ２の負極は、スイッチ回路Ｓ１２を介して二次電池Ｅ３の正極と接続され、二次電池Ｅ３の負極は、スイッチ回路Ｓ１３を介して二次電池Ｅ４の正極と接続され、二次電池Ｅ４の負極は、スイッチ回路Ｓ１４を介して負極出力端子１４と接続される。二次電池Ｅ１の正極は、ダイオードＤ１０のアノードに接続され、ダイオードＤ１０のカソードは、正極出力端子１３に接続される。

なお、本実施の形態における電池パック１は、４つの二次電池Ｅ１〜Ｅ４を備えているが、本発明は特にこれに限定されず、５つ以上の二次電池を備えてもよく、少なくとも２つの二次電池を備えればよい。

スイッチ回路Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３は、二次電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の各正極を正極入力端子１１と接続して、二次電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４を並列接続させるためのスイッチ回路である。二次電池Ｅ１の正極は、スイッチ回路Ｓ２１を介して二次電池Ｅ２の正極と接続され、二次電池Ｅ１の正極は、スイッチ回路Ｓ２２を介して二次電池Ｅ３の正極と接続され、二次電池Ｅ１の正極は、スイッチ回路Ｓ２３を介して二次電池Ｅ４の正極と接続される。

スイッチ回路Ｓ３１，Ｓ３２，Ｓ３３，Ｓ３４は、二次電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の各負極を負極入力端子１２と接続して、二次電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４を並列接続させるためのスイッチ回路である。二次電池Ｅ１の負極は、スイッチ回路Ｓ３１を介して負極入力端子１２と接続され、二次電池Ｅ２の負極は、スイッチ回路Ｓ３２を介して負極入力端子１２と接続され、二次電池Ｅ３の負極は、スイッチ回路Ｓ３３を介して負極入力端子１２と接続され、二次電池Ｅ４の負極は、スイッチ回路Ｓ３４を介して負極入力端子１２と接続される。

正極入力端子１１は、ダイオードＤ２０のアノードに接続され、このダイオードＤ２０のカソードは、ダイオードＤ１０のアノードに接続される。

電池パック１の放電時において、二次電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が直列接続になるように、スイッチ回路Ｓ１１〜Ｓ１４がオンとなり、それ以外のスイッチ回路Ｓ２１〜Ｓ２３，Ｓ３１〜Ｓ３４がオフとなる。図２は、本実施形態における電池パックの放電時の構成を示す回路図である。図２に示すように、放電時には、全ての二次電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が直列接続の状態となっている。これにより、高電圧を電池パック１から出力することが可能である。

すなわち、二次電池Ｅ１〜Ｅ４が直列に接続されるため、二次電池Ｅ１〜Ｅ４の電圧値をそれぞれＥとすると、電池パック１の正極出力端子１３と負極出力端子１４との間の電圧ｖは、１つの二次電池の電圧値Ｅの４倍となる。

電池パック１の充電時において、二次電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が並列接続になるように、スイッチ回路Ｓ１１〜Ｓ１４がオフとなり、それ以外のスイッチ回路Ｓ２１〜Ｓ２３，Ｓ３１〜Ｓ３４がオンとなる。図３は、本実施形態における電池パックの充電時の構成を示す回路図である。図３に示すように、充電時には、全ての二次電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が並列接続の状態となっている。これにより充電器２の出力電圧を、直列接続した複数の二次電池を充電するのに必要な電圧まで高くすることなく、１個の二次電池を充電するのに必要な電圧に抑えることができて、かつ、均等な充電が可能である。

すなわち、二次電池Ｅ１〜Ｅ４が並列に接続されるため、二次電池Ｅ１〜Ｅ４の電圧値をそれぞれＥとすると、電池パック１の正極入力端子１１と負極入力端子１２との間の電圧ｖは、１つの二次電池の電圧値Ｅのみとなる。

図４は、スイッチ回路を構成するスイッチング素子にＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴを用いた場合の電池パックの構成を示す回路図である。スイッチ回路Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２３，Ｓ３１〜Ｓ３４は、スイッチング素子であるＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２３，Ｑ３１〜Ｑ３４と、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２３，Ｑ３１〜Ｑ３４をそれぞれ駆動する駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４とで構成される。

駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４はそれぞれ二次電池Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４を電源とした構成である。スイッチ回路Ｓ１１，Ｓ２１，Ｓ３１の駆動回路Ｍ１１，Ｍ２１，Ｍ３１は、二次電池Ｅ１を電源とし、スイッチ回路Ｓ１２，Ｓ２２，Ｓ３２の駆動回路Ｍ１２，Ｍ２２，Ｍ３２は、二次電池Ｅ２を電源とし、スイッチ回路Ｓ１３，Ｓ２３，Ｓ３３の駆動回路Ｍ１３，Ｍ２３，Ｍ３３は、二次電池Ｅ３を電源とし、スイッチ回路Ｓ１４，Ｓ３４の駆動回路Ｍ１４，Ｍ３４は、二次電池Ｅ４を電源としている。なお、駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４の詳細については、図５、図６及び図７を用いて説明する。

正極入力端子１１及び負極入力端子１２は、制御回路２１を備える充電器２に接続される。充電時において、制御回路２１は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２３，Ｑ３１〜Ｑ３４のオン・オフを制御するための制御信号を駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４へ出力する。具体的には、充電時において、制御回路２１は、クロックパルス信号を駆動回路Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４のみへ出力する。これにより、クロックパルス信号が入力されない駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４をオフし、クロックパルス信号が入力された駆動回路Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ２１〜Ｑ２３，Ｑ３１〜Ｑ３４をオンする。

正極出力端子１３及び負極出力端子１４は、制御回路３１を備える負荷３に接続される。放電時において、制御回路３１は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２３，Ｑ３１〜Ｑ３４のオン・オフを制御するための制御信号を駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４へ出力する。具体的には、放電時において、制御回路３１は、クロックパルス信号を駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４のみへ出力する。これにより、クロックパルス信号が入力された駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４をオンし、クロックパルス信号が入力されない駆動回路Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ２１〜Ｑ２３，Ｑ３１〜Ｑ３４をオフする。

なお、本実施形態では、充電器２及び負荷３のそれぞれに制御回路２１，３１を設けているが、本発明は特にこれに限定されず、充電器２が負荷３に内蔵されている場合、充電器２には制御回路２１を設けず、負荷３のみに制御回路３１を設けてもよい。この場合、充電時及び放電時のいずれの場合にも制御回路３１が制御信号を出力する。

図５は、二次電池がリチウムイオン電池である場合のスイッチ回路の構成を示す回路図である。図５では、スイッチ回路Ｓ１１の構成のみを示している。なお、他のスイッチ回路Ｓ１２〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２３，Ｓ３１〜Ｓ３４の構成については、スイッチ回路Ｓ１１の構成と同一であるので説明を省略する。同様に、駆動回路のＭ１２〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４の構成についても、駆動回路Ｍ１１の構成と同一であるので説明を省略する。

図５において、スイッチ回路Ｓ１１は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１及び駆動回路Ｍ１１を備える。Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１は、スイッチング素子の一例であり、二次電池Ｅ１と二次電池Ｅ２との接続をオン・オフする。駆動回路Ｍ１１は、チャージポンプ型昇圧回路であり、フォトカプラＰ１、ＮＰＮ型トランジスタＱ２，Ｑ３、ダイオードＤ１〜Ｄ５、コンデンサＣ１〜Ｃ５、インバータＧ１、プルダウン抵抗Ｒ１及び突入電流防止抵抗Ｒ２を備える。フォトカプラＰ１は、絶縁素子の一例である。ＮＰＮ型トランジスタＱ２，Ｑ３は、スイッチング素子の一例である。インバータＧ１は、反転素子の一例である。駆動回路Ｍ１１を構成するこれらの部品は、二次電池Ｅ１を電源とする４逓倍昇圧回路を構成する。

Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１のソースは、二次電池Ｅ１の負極に接続され、ドレインは二次電池Ｅ２の正極に接続される。二次電池Ｅ１の正極は、ダイオードＤ１のアノードとＮＰＮ型トランジスタＱ２のコレクタとに接続される。ダイオードＤ１のカソードはダイオードＤ２のアノードに接続され、ダイオードＤ２のカソードはダイオードＤ３のアノードに接続され、ダイオードＤ３のカソードはダイオードＤ４のアノードに接続され、ダイオードＤ４のカソードはダイオードＤ５のアノードに接続される。すなわち、ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５は直列に接続される。

ＮＰＮ型トランジスタＱ２のエミッタは、ＮＰＮ型トランジスタＱ３のコレクタに接続され、ＮＰＮ型トランジスタＱ３のエミッタは、二次電池Ｅ１の負極に接続される。ＮＰＮ型トランジスタＱ２のベースは、ＮＰＮ型トランジスタＱ３のベースに接続されて、さらにはフォトカプラＰ１のコレクタに接続される。フォトカプラＰ１のエミッタは、二次電池Ｅ１の負極に接続される。フォトカプラＰ１の入力端子は、制御回路２１，３１に接続される。

コンデンサＣ５の一端はダイオードＤ５のカソードに接続され、他端は二次電池Ｅ１の負極に接続される。コンデンサＣ１，Ｃ３の一端は、それぞれダイオードＤ１，Ｄ３のカソードに接続され、他端は、ともにＮＰＮ型トランジスタＱ２のエミッタに接続される。なお、このＮＰＮ型トランジスタＱ２のエミッタはインバータＧ１の入力端子にも接続される。コンデンサＣ２，Ｃ４の一端は、それぞれダイオードＤ２，Ｄ４のカソードに接続され、他端は、ともにインバータＧ１の出力端子に接続される。プルダウン抵抗Ｒ１は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１のソースとゲートとの間に接続され、突入電流防止抵抗Ｒ２は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１のゲートとダイオードＤ５のカソードとの間に接続される。

このように、駆動回路Ｍ１１には、二次電池Ｅ１の電圧を増幅してＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１の駆動電圧を生成するチャージポンプ型昇圧回路が含まれるので、１つの二次電池Ｅ１であっても、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１を駆動するのに十分な駆動電圧を得ることができる。

ここで、スイッチ回路Ｓ１１の動作について説明する。Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１をオンする場合には、まず、制御回路３１からフォトカプラＰ１にクロックパルス信号（制御信号）が入力される。フォトカプラＰ１の出力は、ＮＰＮ型トランジスタＱ２，Ｑ３のベースにそれぞれ入力され、その出力は二次電池Ｅ１を電源電圧とするクロックパルス信号に変換される。このクロックパルス信号が入力されると昇圧回路が動作する。二次電池Ｅ１の電圧をＥ、ダイオードＤ１〜Ｄ５の順方向電圧降下をＶｆとすると、４Ｅ−５Ｖｆの電圧がコンデンサＣ５の両端に出力される。突入電流防止抵抗Ｒ２の抵抗値は１０Ω程度であり、プルダウン抵抗Ｒ１の抵抗値は１００ｋΩ程度である。突入電流防止抵抗Ｒ２の抵抗値は、プルダウン抵抗Ｒ１の抵抗値よりもかなり低いため、コンデンサＣ５の両端電圧がほぼそのままＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１のゲートとソースとの間に印加される。したがって、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１はオン状態となる。

一方、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１をオフする場合には、フォトカプラＰ１にクロックパルス信号が入力されず、昇圧回路が動作しない。そのため、プルダウン抵抗Ｒ１により、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１のゲートとソースとの間の電位差がなくなり、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１はオフ状態となる。Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１がオフ状態である場合、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１の寄生ダイオードを流れる電流の向きは、電池パック放電時に回路内を流れる電流の向きとは逆方向になる。そのため、スイッチオフ時には電流放電経路が形成されず、電池パック１の正極出力端子１３及び負極出力端子１４間に電圧が発生せず、消費電流を減らすことができる。

二次電池がリチウムイオン電池で構成される電池パックは、大抵の場合、単電池毎に電池監視機能を設けることが多く、スイッチング素子を駆動する駆動回路も単電池毎に設けられる。このとき、駆動回路は、リチウムイオン電池電圧を電源とした時のスイッチング素子の駆動電圧に適した４逓倍昇圧回路となっている。

このように、複数の二次電池Ｅ１〜Ｅ４の各々に接続された複数のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２３，Ｑ３１〜Ｑ３４によって、充電時において複数の二次電池Ｅ１〜Ｅ４が並列に接続され、放電時において複数の二次電池Ｅ１〜Ｅ４が直列に接続される。また、複数のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２３，Ｑ３１〜Ｑ３４の各々に接続された複数の駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４によって、接続されているＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２３，Ｑ３１〜Ｑ３４が各々駆動される。そして、複数の駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４の各々において、駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４が駆動するＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２３，Ｑ３１〜Ｑ３４が接続された二次電池Ｅ１〜Ｅ４が駆動用電源として用いられる。

したがって、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２３，Ｑ３１〜Ｑ３４を駆動する駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４の電源電圧が二次電池１個分の電圧になるので、駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４を構成する部品の最大定格電圧を低く抑えることができ、電池パック１を構成する二次電池Ｅ１〜Ｅ４の直列数の制限をなくすことができる。また、複数の二次電池Ｅ１〜Ｅ４を直列接続することなく、複数の二次電池Ｅ１〜Ｅ４を並列接続して充電することが可能となるので、複数の二次電池Ｅ１〜Ｅ４を均等に充電でき、さらには充電器２の回路構成を、絶縁型・非絶縁型を問わない非常に簡素なものとすることができ、充電器２の回路規模を小規模化することができる。

また、正極入力端子１１によって、複数の二次電池Ｅ１〜Ｅ４の正極が充電器２に接続され、負極入力端子１２によって、複数の二次電池Ｅ１〜Ｅ４の負極が充電器２に接続される。正極出力端子１３によって、複数の二次電池Ｅ１〜Ｅ４の正極が負荷３に接続され、負極出力端子１４によって、複数の二次電池Ｅ１〜Ｅ４の負極が負荷３に接続される。また、複数のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４が、各二次電池の負極と正極との間及び負極出力端子１４と二次電池の負極との間に設けられており、複数のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ２１〜Ｑ２３が、各二次電池の正極と正極入力端子１１との間に設けられており、複数のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ３１〜Ｑ３４が、各二次電池の負極と負極入力端子１２との間に設けられている。そして、放電時において、複数のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４がオンされ、複数のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ２１〜Ｑ２３及び複数のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ３１〜Ｑ３４がオフされ、充電時において、複数のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４がオフされ、複数のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ２１〜Ｑ２３及び複数のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ３１〜Ｑ３４がオンされる。

したがって、放電時において、複数のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４がオンされ、複数のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ２１〜Ｑ２３及び複数のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ３１〜Ｑ３４がオフされるので、複数の二次電池Ｅ１〜Ｅ４を直列に接続することができ、高電圧を出力することができる。また、充電時において、複数のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４がオフされ、複数のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ２１〜Ｑ２３及び複数のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ３１〜Ｑ３４がオンされるので、複数の二次電池Ｅ１〜Ｅ４をそれぞれ並列に接続することができ、低電圧を用いて複数の二次電池Ｅ１〜Ｅ４を均等に充電することができる。

本実施形態では、二次電池がリチウムイオン電池である場合について説明しているが、本発明は特にこれに限定されず、二次電池は他の化学電池であってもよい。以下、二次電池がニッケル水素電池である場合の駆動回路の構成について説明する。

図６は、本実施形態の第１の変形例に係るスイッチ回路の構成を示す回路図である。二次電池Ｅ１〜Ｅ６は、ニッケル水素電池である。二次電池がニッケル水素電池で構成される電池パックは、大抵の場合、数個の単電池を直列にして電池監視機能を設けることが多く、スイッチング素子を駆動する駆動回路もその単位電池毎に設けられる。図６に示す第１の変形例の場合は、３個のニッケル水素電池を単位電池としている。駆動回路Ｍ１１’は、この単位電池電圧を電源とした時に適した４逓倍昇圧回路となっている。

図６において、スイッチ回路Ｓ１１’は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１及び駆動回路Ｍ１１’を備える。なお、駆動回路Ｍ１１’の構成は、図５に示す駆動回路Ｍ１１の構成と同じであるので説明を省略する。また、駆動回路Ｍ１１’の動作も、図５に示す駆動回路Ｍ１１の動作と同じであるので説明を省略する。

図７は、本実施形態の第２の変形例に係るスイッチ回路の構成を示す回路図である。二次電池Ｅ１〜Ｅ１２は、ニッケル水素電池である。図７に示す第２の変形例の場合も、図６と同様に数個の単電池を直列に接続して電池監視機能を設けているが、この場合は６個のニッケル水素電池を単位電池としている。この時の駆動回路Ｍ１１”は、この単位電池電圧を電源とした時に適した３逓倍昇圧回路となっている。

図７において、スイッチ回路Ｓ１１”は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１及び駆動回路Ｍ１１”を備える。駆動回路Ｍ１１”の構成は、図５に示す駆動回路Ｍ１１の構成からダイオードＤ５及びコンデンサＣ４を取り去った構成と同じであるので説明を省略する。また、駆動回路Ｍ１１”の動作も、図５に示す駆動回路Ｍ１１の動作と同じであるので説明を省略する。

このように、所定数の二次電池を直列に接続した二次電池群を１つの単位とし、この二次電池群を複数備える電池パック１においても、本実施形態を適用することができる。すなわち、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２３，Ｑ３１〜Ｑ３４を駆動する駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４の電源電圧が二次電池群１組分の電圧になるので、駆動回路Ｍ１１〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４を構成する部品の最大定格電圧を低く抑えることができ、電池パック１を構成する二次電池群の直列数の制限をなくすことができる。また、複数の二次電池群を直列接続することなく、複数の二次電池群を並列接続して充電することが可能となるので、複数の二次電池群を均等に充電でき、さらには充電器２の回路構成を、絶縁型・非絶縁型を問わない非常に簡素なものとすることができ、充電器２の回路規模を小規模化することができる。

本発明に係る電池パックは、複数の二次電池を収納し、電池パックを構成する二次電池の直列数の制限をなくすことができ、充電器の回路規模を小規模化することができる電池パック等に有用である。

本実施形態における電池パックの構成を示す回路図である。 本実施形態における電池パックの放電時の構成を示す回路図である。 本実施形態における電池パックの充電時の構成を示す回路図である。 スイッチング素子としてＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴを用いた場合の電池パックの構成を示す回路図である。 二次電池がリチウムイオン電池である場合の駆動回路の構成を示す図である。 本実施形態の第１の変形例に係るスイッチ回路の構成を示す図である。 本実施形態の第２の変形例に係るスイッチ回路の構成を示す図である。

符号の説明

１ 電池パック
２ 充電器
３ 負荷
１１ 正極入力端子
１２ 負極入力端子
１３ 正極出力端子
１４ 負極出力端子
２１，３１ 制御回路
Ｃ１〜Ｃ５ コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ５，Ｄ１０，Ｄ２０ ダイオード
Ｅ１〜Ｅ４ 二次電池
Ｇ１ インバータ
Ｍ１１〜Ｍ１４，Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３４ 駆動回路
Ｐ１ フォトカプラ
Ｑ２，Ｑ３ ＮＰＮ型トランジスタ
Ｑ１１〜Ｑ１４，Ｑ２１〜Ｑ２３，Ｑ３１〜Ｑ３４ Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ
Ｒ１ プルダウン抵抗
Ｒ２ 突入電流防止抵抗
Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２３，Ｓ３１〜Ｓ３４ スイッチ回路

Claims (5)

1. 複数の二次電池と、
   前記複数の二次電池の各々に接続され、充電時において前記複数の二次電池を並列に接続し、放電時において前記複数の二次電池を直列に接続する複数のスイッチング素子と、
   前記複数のスイッチング素子の各々に接続され、接続されている前記スイッチング素子を各々駆動する複数の駆動回路とを備え、
   前記複数の駆動回路の各々は、当該駆動回路が駆動する前記スイッチング素子が接続された前記二次電池を駆動用電源として用いることを特徴とする電池パック。
2. 前記スイッチング素子は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴを含むことを特徴とする請求項１記載の電池パック。
3. 前記駆動回路は、前記二次電池の電圧を増幅して前記スイッチング素子の駆動電圧を生成するチャージポンプ型昇圧回路を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の電池パック。
4. 前記複数の二次電池の正極を充電器に接続するための正極入力端子と、
   前記複数の二次電池の負極を充電器に接続するための負極入力端子と、
   前記複数の二次電池の正極を負荷に接続するための正極出力端子と、
   前記複数の二次電池の負極を負荷に接続するための負極出力端子とをさらに備え、
   前記複数のスイッチング素子は、各二次電池の負極と正極との間及び前記負極出力端子と二次電池の負極との間に設けられる複数の第１のスイッチング素子と、各二次電池の正極と前記正極入力端子との間に設けられる複数の第２のスイッチング素子と、各二次電池の負極と前記負極入力端子との間に設けられる複数の第３のスイッチング素子とを含み、
   放電時において、前記複数の第１のスイッチング素子がオンされ、前記複数の第２のスイッチング素子及び前記複数の第３のスイッチング素子がオフされ、
   充電時において、前記複数の第１のスイッチング素子がオフされ、前記複数の第２のスイッチング素子及び前記複数の第３のスイッチング素子がオンされることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電池パック。
5. 前記二次電池は、所定数の二次電池を直列に接続した二次電池群を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電池パック。

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