JP2010009796A

JP2010009796A - 二次電池パック

Info

Publication number: JP2010009796A
Application number: JP2008165171A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Yoshida; 忠大吉田
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2010-01-14

Abstract

【課題】複数の二次電池間を直列接続または並列接続に切り替える機能と、その切り替えを本体側で制御可能な制御端子を有し、かつ、通常の直列接続用の保護回路が使用可能な二次電池パックを提供すること。
【解決手段】２個の二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２の間に直列に挿入されＯＮ状態となることにより２個の二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２を直列に接続する直列接続切り替えスイッチＱ３と、２個の二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２に並列に接続されＯＮ状態となることにより２個の二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２を並列に接続する並列接続切り替えスイッチ１２と、直列接続切り替えスイッチＱ３および並列接続切り替えスイッチ１２を制御する一対のセル接続制御端子Ｔ１５、Ｔ１６を備え、並列接続切り替えスイッチ１２は光ＭＯＳ−ＦＥＴからなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数個の二次電池と保護回路により構成される二次電池パックに関し、特に複数の二次電池間の接続を直列接続または並列接続に切り替える機能を備えた二次電池パックに関する。

ビデオカメラや携帯用プリンターなどの電子機器を駆動させるには、高い電圧が必要である。そのため、それらの電源として用いられる二次電池パックでは、出力電圧を上昇させることを目的として複数個の二次電池が直列に接続されている。

図３は、直列に接続された２個の二次電池と保護回路から構成された従来の二次電池パックの一例を示す回路ブロック図であり、リチウムイオン二次電池やリチウムイオンポリマー二次電池からなる二次電池Ｂａｔ１およびＢａｔ２と、保護回路１１と、放電制御スイッチＱ１、充電制御スイッチＱ２とから構成されている。このような二次電池パックにおいて、使用環境や使用回数により、構成する二次電池間の充電状態のバランスが崩れた場合、たとえ両方の二次電池が良品であったとしても、その性能を十分に発揮できなくなる。例えば、二次電池Ｂａｔ１の充電状態が定格容量の８０％で、二次電池Ｂａｔ２の充電状態が定格容量の６０％である場合、これらを直列に接続したまま充電すると、二次電池Ｂａｔ１が定格容量の１００％充電されても、二次電池Ｂａｔ２は定格容量の８０％までしか充電されない。よってこの状態の二次電池パックを使用した場合、定格容量の８０％までしか放電できず、機器の使用可能時間が低下してしまう。

そこで、このような問題を解決する為に、特許文献１において示されている切り替え回路を有する二次電池パックが考えられる。図４は、特許文献１の二次電池パックの回路ブロック図である。特許文献１においては、充電時には二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２を直列接続とし、使用時すなわち放電時には切り替えスイッチＱ３１およびＱ３２を切り替えて並列接続に切り替えている。このような切り替え回路を使用すれば、直列接続状態のときに電圧のバランス崩れが起こっても、並列接続に切り替えることで二次電池間の電圧バランスが改善される。

特開２００２−１１２４６３号公報

図３に代表される従来の一般的な二次電池パックでは、上述のように構成する二次電池間の充電状態のバランスが崩れた場合、両方の二次電池が良品であっても、性能を十分に発揮できなくなるという問題があった。

図４のような切り替えスイッチによる回路を使用すれば、直列接続状態のときに電圧のバランス崩れが起こっても、並列接続に切り替えることで改善できる。一方、二次電池の保護回路には二次電池の劣化や発熱などの危険状態を防止する為、過充電、過放電、過電流を防止し保護する機能が求められており、直列接続された二次電池を保護するためには、充電時、放電時のどちらの状態でも、すべての二次電池の電圧を監視する必要がある。しかし、図４に示す特許文献１の構成の場合、直列接続時、つまり充電時には端子Ｔ２１、Ｔ２２で二次電池Ｂａｔ１の電圧を監視し、端子Ｔ２２、Ｔ２３で二次電池Ｂａｔ２の電圧を監視しているが、並列接続時つまり放電時には、端子Ｔ２１と端子Ｔ２２が同電位となってしまうため、通常の直列接続用の保護回路を使用した場合には二次電池Ｂａｔ１が０Ｖつまり過放電状態と認識されるので放電ができなくなってしまう。そのため、直列、並列接続の両方に対応した高度な機能を持つ保護回路３１が必要となり、大型かつ高価になってしまうという問題があった。

そこで、本発明の課題は、複数の二次電池間を直列接続または並列接続に切り替える機能と、その切り替えを本体側で制御可能な制御端子を有し、かつ、小型で安価な、通常の直列接続用の保護回路が使用可能な二次電池パックを提供することある。

上記課題を達成するため、本発明による二次電池パックは、複数の二次電池または複数の二次電池により構成される複数の二次電池ブロックと保護回路とからなる二次電池パックにおいて、前記複数の二次電池または前記複数の二次電池ブロックの間に直列に挿入されＯＮ状態となることにより該複数の二次電池または複数の二次電池ブロックを直列に接続する直列接続切り替えスイッチと、前記複数の二次電池または前記複数の二次電池ブロックに並列に接続されＯＮ状態となることにより該複数の二次電池または複数の二次電池ブロックを並列に接続する並列接続切り替えスイッチと、前記直列接続切り替えスイッチおよび並列接続切り替えスイッチを制御する一対のセル接続制御端子とを備え、前記並列接続切り替えスイッチは光ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）からなることを特徴とする。

ここで、前記セル接続制御端子の開放時に前記並列接続切り替えスイッチをＯＦＦにして前記直列接続切り替えスイッチをＯＮにし、前記セル接続制御端子の短絡時に前記並列接続切り替えスイッチをＯＮにして前記直列接続切り替えスイッチをＯＦＦにする回路を構成してもよい。

また、前記セル接続制御端子の開放時に充放電を許可する機能を備えてもよい。

このとき、前記セル接続制御端子の短絡時に放電を禁止する機能を備えてもよく、さらに、前記セル接続制御端子の短絡時に充電を禁止する機能を備えてもよい。

上述のように、本発明は、直列接続された複数個の二次電池や二次電池ブロックを二次電池または二次電池ブロック毎の容量ばらつきの改善を目的として切り替えスイッチにより並列接続に切り替える機能を有するものであるが、このとき従来の回路と異なり、直列接続切り替えスイッチと光ＭＯＳ−ＦＥＴよりなる並列接続切り替えスイッチを用い、その制御を行なう一対のセル接続制御端子を出力端子の1つとして備えることにより、本体側での接続切り替えの制御が可能となり、小型で安価な通常の保護回路が使用可能となる。

すなわち、本発明により、複数の二次電池間を直列接続または並列接続に切り替える機能と、その切り替えを本体側で制御可能な制御端子を有し、かつ、通常の直列接続用の保護回路が使用可能な二次電池パックが得られる。さらに、並列接続により複数の二次電池の電圧バランスを整えつつ、直列接続に切り替えることで、すべての二次電池の電圧を監視することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明による二次電池パックの第一の実施の形態の構成を示す回路ブロック図である。図１において、２個の二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２と保護回路１１とからなる二次電池パックにおいて、２個の二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２の間に直列に挿入されＯＮ状態となることにより２個の二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２を直列に接続する直列接続切り替えスイッチＱ３と、２個の二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２に並列に接続されＯＮ状態となることにより２個の二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２を並列に接続する並列接続切り替えスイッチ１２と、直列接続切り替えスイッチＱ３および並列接続切り替えスイッチ１２を制御する一対のセル接続制御端子Ｔ１５、Ｔ１６および放電制御スイッチＱ１、充電制御スイッチＱ２とを備え、並列接続切り替えスイッチ１２は光ＭＯＳ−ＦＥＴからなっている。

ここで、直列接続切り替えスイッチＱ３は制御信号がＨｉｇｈの場合、Ｏｎ状態となり、制御信号がＬｏｗの場合、Ｏｆｆ状態となるように設定されている。セル接続制御端子Ｔ１５は並列接続切り替えスイッチ１２の光ＭＯＳ−ＦＥＴの内部ＬＥＤの出力側に接続され、かつ、直列接続切り替えスイッチＱ３の制御端子に接続されており、セル接続制御端子Ｔ１６は二次電池パックの負側の出力端子Ｏｕｔ−に接続されている。また、Ｔ１１、Ｔ１２は二次電池Ｂａｔ１と回路との接点となる端子であり、Ｔ１３、Ｔ１４は二次電池Ｂａｔ２と回路との接点となる端子である。

図１において、セル接続制御端子Ｔ１５とＴ１６を開放状態とした場合、Ｔ１５の電位はＨｉｇｈとなるため、直列接続切り替えスイッチＱ３はＯｎ状態となり、並列接続切り替えスイッチ１２の光ＭＯＳ−ＦＥＴの内部ＬＥＤには電流が供給されていないため、光ＭＯＳ−ＦＥＴはＯｆｆ状態となる。すなわち、二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２は直列接続された状態となり、このとき保護回路１１は出力端子Ｏｕｔ＋とＯｕｔ−間で通常の直列の電圧値を検出するので、充放電が可能と判断し、二次電池パックとして充放電が可能となる。

一方、セル接続制御端子Ｔ１５とＴ１６を短絡させると、並列接続切り替えスイッチ１２の光ＭＯＳ−ＦＥＴ１２の内部ＬＥＤに電流が供給され発光する為、内部ＦＥＴがＯｎ状態となる。また、セル接続制御端子Ｔ１５の電位はＬｏｗとなる為、スイッチＱ３がＯｆｆ状態になり、直列に接続されていた二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２は並列接続に切り替わる。

並列接続状態はセル接続制御端子Ｔ１５とＴ１６を短絡させている間持続し、その間は、電圧が高い二次電池から低い二次電池へとエネルギーの移動が起こり、二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２間の電圧バランスが整えられる。

また、並列状態となっている間は、端子Ｔ１１とＴ１３が同電位となる為、保護回路１１はＢａｔ１の電圧を０Ｖつまり過放電状態であると認識するため、放電ができなくなる。また、保護回路１１として電池電圧が０Ｖのとき充電ができない保護回路を採用することにより充電もできなくなるようにすることが可能であり、このような保護回路の採用により並列接続状態になっている間は、二次電池パックの充放電を禁止できる。

セル接続制御端子Ｔ１５とＴ１６の短絡を解除し再び開放すると、並列接続切り替えスイッチ１２の光ＭＯＳ−ＦＥＴの内部ＬＥＤへの電流供給が停止する為、内部ＦＥＴがＯｆｆ状態となり、二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２の並列状態接続は解除され、直列接続状態に戻る。

図２は、本発明による二次電池パックの第二の実施の形態の構成を示す回路ブロック図である。図２の二次電池パックは３個の二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２、Ｂａｔ３と保護回路３１とからなり、二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２の間に直列接続切り替えスイッチＱ１３が、二次電池Ｂａｔ２、Ｂａｔ３の間に直列接続切り替えスイッチＱ１４がそれぞれ挿入され、二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２、Ｂａｔ３に並列に光ＭＯＳ−ＦＥＴからなる並列接続切り替えスイッチ４２および４３が接続されており、直列接続切り替えスイッチＱ１３、１４はＯＮ状態となることにより３個の二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２、Ｂａｔ３を直列に接続し、並列接続切り替えスイッチ４２、４３はＯＮ状態となることにより、３個の二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２、Ｂａｔ３を並列に接続する。さらに、直列接続切り替えスイッチＱ１３、１４および並列接続切り替えスイッチ４２、４３を制御する一対のセル接続制御端子Ｔ２５、Ｔ２６と、放電制御スイッチＱ１、充電制御スイッチＱ２とを備えている。

本実施の形態の二次電池パックにおいても、基本的な動作は第一の実施の形態の二次電池パックと同様である。すなわち、セル接続制御端子Ｔ２５とＴ２６を開放状態とした場合、Ｔ２５の電位はＨｉｇｈとなるため、直列接続切り替えスイッチＱ１３、Ｑ１４はＯｎ状態となり、並列接続切り替えスイッチ４２、４３の光ＭＯＳ−ＦＥＴの内部ＬＥＤには電流が供給されていないためＯｆｆ状態となる。すなわち、二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２、Ｂａｔ３は直列接続された状態となる。

一方、セル接続制御端子Ｔ２５とＴ２６を短絡させると、並列接続切り替えスイッチ４２、４３の内部ＦＥＴがＯｎ状態となる。また、セル接続制御端子Ｔ２５の電位はＬｏｗとなる為、直列接続切り替えスイッチＱ１３、１４がＯｆｆ状態になり、二次電池Ｂａｔ１、Ｂａｔ２、Ｂａｔ３は並列接続に切り替わる。

以上のように、本発明により、複数の二次電池間を直列接続または並列接続に切り替える機能と、その切り替えを本体側で制御可能な制御端子を有し、かつ、通常の直列接続用の保護回路が使用可能な二次電池パックが得られる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、二次電池の個数は４個以上であってもよく、また、図１および図２に示した二次電池が複数の二次電池から構成された二次電池ブロックであってもよい。また、直列接続と並列接続の二次電池を組み合わせて構成した二次電池パックの一部に本発明の構成を適用することも可能であり、他の保護回路を有していても良い。

本発明による二次電池パックの第一の実施の形態の構成を示す回路ブロック図。本発明による二次電池パックの第二の実施の形態の構成を示す回路ブロック図。直列に接続された２個の二次電池と保護回路から構成された従来の二次電池パックの一例を示す回路ブロック図。従来の切り替え回路を有する二次電池パックの回路ブロック図。

符号の説明

１１、３１、４１保護回路
１２、４２、４３並列接続切り替えスイッチ
Ｂａｔ１、Ｂａｔ２、Ｂａｔ３二次電池
Ｏｕｔ＋、Ｏｕｔ− 出力端子
Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４、Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３端子
Ｔ１５、Ｔ１６、Ｔ２５、Ｔ２６セル接続制御端子
Ｑ１放電制御スイッチ
Ｑ２充電制御スイッチ
Ｑ３、Ｑ１３、Ｑ１４直列接続切り替えスイッチ
Ｑ３１、Ｑ３２切り替えスイッチ

Claims

複数の二次電池または複数の二次電池により構成される複数の二次電池ブロックと保護回路とからなる二次電池パックにおいて、前記複数の二次電池または前記複数の二次電池ブロックの間に直列に挿入されＯＮ状態となることにより該複数の二次電池または複数の二次電池ブロックを直列に接続する直列接続切り替えスイッチと、前記複数の二次電池または前記複数の二次電池ブロックに並列に接続されＯＮ状態となることにより該複数の二次電池または複数の二次電池ブロックを並列に接続する並列接続切り替えスイッチと、前記直列接続切り替えスイッチおよび並列接続切り替えスイッチを制御する一対のセル接続制御端子とを備え、前記並列接続切り替えスイッチは光ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）からなることを特徴とする二次電池パック。
前記セル接続制御端子の開放時に前記並列接続切り替えスイッチをＯＦＦにして前記直列接続切り替えスイッチをＯＮにし、前記セル接続制御端子の短絡時に前記並列接続切り替えスイッチをＯＮにして前記直列接続切り替えスイッチをＯＦＦにする回路を構成したことを特徴とする請求項１に記載の二次電池パック。
前記セル接続制御端子の開放時に充放電を許可する機能を備えたことを特徴とする請求項２に記載の二次電池パック。
前記セル接続制御端子の短絡時に放電を禁止する機能を備えたことを特徴とする請求項２または３に記載の二次電池パック。
前記セル接続制御端子の短絡時に充電を禁止する機能を備えたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の二次電池パック。