JP2010011698A

JP2010011698A - 二次電池パック

Info

Publication number: JP2010011698A
Application number: JP2008170747A
Authority: JP
Inventors: Akira Fukushima; 朗福島
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2010-01-14

Abstract

【課題】安価な構成で過電圧充電を防止する。
【解決手段】二次電池パック１の制御回路１ｄは、充電器２に対してセル１ａ、１ｂの電圧を伝達するための端子、及び通信機能を付加すること無く、セル１ａ、セル１ｂ間の電位差が一定値（０．２Ｖ）を超えた場合に、充電器２とのセルとの間の充電回路（充電電流の流入ライン）を遮断する。充電器２は、セル１ａ，セル１ｂの温度に応じた適正な最大充電電圧を超えないように充電電圧Ｖｃを制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の電池セル（以下、セルと略称する）が直列に接続された二次電池パックに関するものである。

二次電池を充電する充電器では、一般に、過充電を防止するための保護回路を内蔵している。また、この種の保護回路において、二次電池パックのセルに規定電圧以上の充電電圧が印加されないようにして、充放電容量の低減化等を回避する保護機能も実現されている（特許文献１参照）。
特開２００２−１７０４０号公報

しかしながら、複数のセルを直列に接続した二次電池パックの場合、各セルの充電電圧を充電器に伝達する手段を持っていないため、充電器は、セル単位において適正電圧で充電されているのかを知ることができない。また、各セルの自己放電、劣化の違いがおこることにより、充電前、或いは充電中に電位差が生じる場合がある。

このため、充電器が二次電池パックに対し適正電圧で充電を行うように制御したとしても、各セルの電圧差が生じ、充電電圧の高いセルにおいて、その充電電圧が規定電圧を超えてしまう場合がある。

この問題に対処するため、セル間の中点の電圧を測定するための中点端子を二次電池パックの外表部に設けることが考えられる。しかしながら、この場合は、中点端子から電流が漏れて或るセルだけ電池容量が低下し、二次電池パック全体として、その低下に係る電池容量しか使用できなくなってしまう。

また、各セルの電圧を充電器に伝達する方法として、二次電池パック内でセル電圧を測定し、その電圧情報を通信信号に変換して充電器に伝える手法も考えられるが、この場合は、マイコン等の通信機能を持つデバイスを新たに追加する必要があり、コスト高となってしまう。

本発明は、このような技術的な背景の下になされたもので、その目的は、安価な構成で過電圧充電を防止できるようにすることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、複数のセルが直列接続される二次電池パックであって、前記複数のセルのいずれかと接続端子との間を接続した状態と遮断した状態とに切り換える切換手段と、複数のセルの電圧をそれぞれ測定する測定手段と、前記測定手段によって測定された前記複数のセルの電圧から、前記複数のセル間の電位差を算出する算出手段と、前記測定手段によって測定された前記複数のセルの電圧の少なくともいずれか１つが最大充電電圧を超えているかどうかを判断する第１の判断手段と、前記測定手段によって測定された前記複数のセルの電圧のすべてが第１の所定電圧以下になっているかどうかを判断する第２の判断手段と、前記算出手段にて算出した前記セル間の電位差が第２の所定電圧を越えているかどうかを判断する第３の判断手段と、前記第１の判断手段によって前記複数のセルの電圧の少なくともいずれか１つが最大充電電圧を超えていると判断される場合には、前記第３の判断手段による判断結果に関わらず、前記複数のセルのいずれかと接続端子との間が遮断した状態となるように前記切換手段を制御し、前記第１の判断手段によって前記複数のセルの電圧の少なくともいずれか１つが最大充電電圧を超えていないと判断され、かつ前記第２の判断手段によって前記複数のセルの電圧のすべてが第１の所定電圧以下ではないと判断される場合には、前記第３の判断手段によって前記セル間の電位差が第２の所定電圧を越えていると判断されるときに、前記複数のセルのいずれかと接続端子との間が遮断した状態となるように前記切換手段を制御するとともに、前記第３の判断手段によって前記セル間の電位差が第２の所定電圧を越えていないと判断されるときに、前記複数のセルのいずれかと接続端子との間が接続した状態となるように前記切換手段を制御し、前記第２の判断手段によって前記複数のセルの電圧のすべてが第１の所定電圧以下ではあると判断される場合には、前記第３の判断手段による判断結果に関わらず、前記複数のセルのいずれかと接続端子との間を接続した状態となるように前記切換手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、セルの電圧を充電器に伝達するための端子や、通信機能を用いることなく回路遮断動作が行われる。

従って、充電器側では、セルの電圧がセルの適正電圧（最大充電電圧）を超えないように充電電圧を制御するだけで過充電が防止され、安価な構成で過電圧充電を防止することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る過充電保護機能を搭載した二次電池パックの概略構成を示す構成図である。図１に示したように、二次電池パック１は、セル１ａとセル１ｂを有している。これらセル１ａとセル１ｂは直列接続され、セル１ａは接続端子である＋端子１ｇに接続され、セル１ｂは接続端子である−端子１ｉに接続されている。これらセル１ａ，１ｂは、リチウムイオン電池に係るセルであり、二次電池パック１は、リチウムイオン二次電池として構成されている。

セル１ａとセル１ｂとの間には、中点端子１ｃが設けられている。この中点端子１ｃは、過充電保護装置として機能する制御回路１ｄに接続されている。なお、中点端子１ｃは、二次電池パック１の外部機器としての充電器２に接続するための外部端子ではなく、二次電池パック１の内部回路である制御回路１ｄに接続するための内部端子である。

制御回路１ｄは、集積回路（ＩＣ）として構成され、＋端子１ｇと−端子１ｉに接続されている。制御回路１ｄは、中点端子１ｃの電圧を測定することにより、セル１ａ、セル１ｂの電圧をそれぞれ測定することができる測定手段として機能している。そして、制御回路１ｄは、測定されたセル１ａ、セル１ｂの電圧から、セル１ａとセル１ｂとの間の電位差を算出する算出手段として機能する。さらに、制御回路１ｄは、セル１ａ，セル１ｂが過充電となることから保護する機能を有している。

すなわち、制御回路１ｄには、ＦＥＴ１ｅが接続されている。制御回路１ｄは、セル１ａ、セル１ｂが過充電状態、すなわちセル電圧Ｖｃｅｌｌが４．２５Ｖを超えた場合には、ＦＥＴ１ｅを制御することにより、充電器２からセル１ａ、セル１ｂを電気的に遮断することにより保護する。すなわち、ＦＥＴ１ｅはセル１ｂと−端子１ｉとの間を接続した状態と遮断した状態とに切り換える切換手段として機能する。

二次電池パック１は、サーミスタ１ｆを有している。このサーミスタ１ｆは、温度端子１ｈと−端子１ｉに接続されている。このサーミスタ１ｆは、セル１ａ、セル１ｂの温度を測定する温度測定手段として機能する。すなわち、充電器２は、温度端子１ｈの電圧に基づいてセル１ａ、セル１ｂの温度Ｔを判定し、この温度の範囲に応じた電圧・電流で二次電池パック１を充電する。この際、充電器２は、規定値（最大充電電圧Ｖｍａｘ：４．２５Ｖ）を超えない範囲の定電圧・定電流で二次電池パック１を充電する。

このように、充電器２は、規定値である４．２５Ｖを超えない電圧で充電を行うように制御しているので、通常は、上記の回路遮断による保護機能は作動しない。しかし、充電器２の充電制御が不能状態となり、セル１ａ、セル１ｂの少なくとも一方に規定電圧（４．２５Ｖ）を超える電圧が加えられた場合には、二次電池パック１側で回路を遮断して過充電状態から保護する。

なお、充電器２は、二次電池パック１の各端子（外部端子）１ｇ、１ｈ、１ｉに対応する外部端子として、２ｇ、２ｈ、２ｉを有している。

次に、二次電池パック１の制御回路１ｄによる充電回路の接続／遮断動作を、図２〜図５に基づいて詳細に説明する。

制御回路１ｄは、セル１ａ、セル１ｂの少なくとも一方の電圧が最大充電電圧Ｖｍａｘ以上になっている場合は（ステップＳ１）、ＦＥＴ１ｅを動作させることにより、二次電池パック１の充電回路を充電器２から遮断する（ステップＳ４）。この充電回路の遮断により、充電器２からの充電電流がセル１ａ、セル１ｂに流れなくなる。ステップＳ１は複数のセルの電圧の少なくともいずれか１つが最大充電電圧を超えているかどうかを判断する第１の判断手段として機能している。

一方、セル１ａ、セル１ｂの電圧が双方とも最大充電電圧Ｖｍａｘ以下であれば、制御回路１ｄは、セル１ａ、セル１ｂの容量が双方とも所定の閾値以下になっているか否かを判別する。この容量判別処理は、具体的には、セル１ａ、セル１ｂの電圧が、共に、容量減少判定電圧Ｖｓである３．７Ｖ以下であるか否かを判別することによって行う（ステップ２）。ステップＳ２は複数のセルの電圧のすべてが第１の所定電圧以下になっているかどうかを判断する第２の判断手段として機能している。

セル１ａ、セル１ｂの電圧が、双方共に３．７Ｖ（Ｖｓ）以下の電圧であり容量が小さい場合は、制御回路１ｄは、二次電池パック１の回路を充電器２に接続した状態を維持する（ステップＳ５）。

一方、セル１ａ、セル１ｂの少なくとも一方の電圧が容量減少判定電圧Ｖｓ（３．７Ｖ）を超えており、容量が大きい場合は、制御回路１ｄは、セル１ａとセル１ｂの電位差（電圧差）Ｖｒが０．２Ｖを超えているか否かを判別する（ステップＳ３）。ステップＳ３はセル間の電位差が第２の所定電圧を越えているかどうかを判断する第３の判断手段として機能している。

その結果、電位差Ｖｒが０．２Ｖを超えている場合は、制御回路１ｄは、ＦＥＴ１ｅを動作させることにより、二次電池パック１の充電回路を充電器２から遮断する（ステップＳ４）。一方、電位差Ｖｒが０．２Ｖを超えていない場合は、制御回路１ｄは、二次電池パック１の回路を充電器２に接続した状態を維持する（ステップＳ５）。

なお、上記の最大充電電圧Ｖｍａｘの４．２５Ｖは、リチウムイオン二次電池に係るセルを安全に充電できる最大の電圧であり、他のニッケル水素二次電池等に係るセルの場合には、異なる値を用いることができる。また、容量減少判定電圧Ｖｓの３．７Ｖという値は、この電圧以下では容量減少により急激に電圧降下を起こす可能性がある電圧を示している。また、セルの電圧差（電位差）Ｖｒにより充電回路の遮断／接続を判定するための電位差０．２Ｖは、正常に充電動作を行うことが可能な最大の電圧差を示している。

上記の説明から明らかなように、本実施の形態では、セル１ａ、セル１ｂの容量が双方共に容量が小さい場合は、セル間の電位差が第２の所定電圧を越えているかどうかを判断する第３の判断手段の判断結果に関わらず回路接続を行う。したがって、セル電位差に基づく充電回路の遮断、すなわちセル電位差保護動作は実行されないこととなる。

この意義は、次のような点にある。すなわち、セル１ａ、セル１ｂは、放電されて容量が殆ど無くなってしまう容量末期になると、電圧降下率が徐々に大きくなっていく。セル間に僅かな容量差があると、容量末期には、容量が最も小さいセルの方から電圧降下の増大化が始まる。

そのため、各セルの電圧が放電を中止すべき電圧に達する前に、セル間の電位差が所定値（０．２Ｖ）を超えている可能性がある。電位差保護機能をセルの電圧に関わらず動作させてしまうと、このような状態の二次電池パックを充電しようとしても、電位差保護機能が働いて回路を遮断し、充電を行えなくなってしまう。この状態を回避するために、本実施の形態では、セル電圧Ｖｃｅｌｌが或る電圧（本実施の形態では３．７Ｖ）以下になっている場合には、電位差保護機能が働かないようにしている。

なお、電位差保護機能を放電末期の状態の二次電池パックには実行しないようにしたとしても、その放電末期の状態では、元々、セル電圧Ｖｃｅｌｌが低いので、過充電（過電圧充電）になることはない。

上記の図２の処理における最大充電電圧Ｖｍａｘ及びセル電位差Ｖｒと、充電回路の遮断／接続の関係を纏めると図３のようになる。

なお、本実施の形態では、最大充電電圧Ｖｍａｘは、図４に示したように、制御回路１ｄによってセル温度Ｔにより変更している。これは、過充電とならない範囲の最大の電圧である最大充電電圧Ｖｍａｘは、セル温度Ｔにより異なっており、その過充電とならない範囲で可級的に効率的に充電できるようにすることを意図したものである。

なお、図４のセル温度Ｔと最大充電電圧Ｖｍａｘの関係を満足させるために、充電器２は、図５に示したように、セル１ａ，１ｂの温度Ｔに応じて充電電圧Ｖｃを変化させている。二次電池パック１は電位差保護機能を有しているので、図５に示した充電電圧Ｖｃで二次電池パック１を充電すれば、そのセル１ａ、セル１ｂの充電電圧が最大充電電圧Ｖｍａｘを超えることはなくなる。

以上説明したように、本実施の形態では、二次電池パック１の制御回路１ｄは、充電器２に対してセル１ａ、セル１ｂ間の電圧を伝達するための端子、及び通信機能を付加すること無く、セル間の電位差Ｖｒが一定値（０．２Ｖ）を超えた場合に充電回路を遮断している。一方、充電器２は、セル１ａ，セル１ｂの温度Ｔに応じた適正な最大充電電圧Ｖｍａｘを超えないように充電電圧Ｖｃを制御する。これにより、安価な構成で過電圧充電を防止することが可能となる。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌではなく二次電池パック全体の電圧が所定電圧以下となった場合に、セル間の電位差保護機能を実行しないようにしてもよい。また、各セル電圧Ｖｃｅｌｌの中で最大のセル電圧Ｖｃｅｌｌが所定電圧以下となった場合に、セル間の電位差保護機能を実行しないように構成することも可能である。

さらに、本発明は、３直以上の多直セルの電池パックに適用することも可能である。この場合の充電電圧は、下記の数式で表すことができる。すなわち、充電電圧をＶｃ、温度に応じた適正電圧（最大充電電圧）をＶｔ、電位差保護機能による充電回路遮断を判定するためのセル間の電位差をＶｒ、セル数をｎとすると、充電電圧Ｖｃは、

［数１］
Ｖｃ＝Ｖｔ＋（ｎ−１）（Ｖｔ−Ｖｒ）
として求めることができる。

本発明の実施の形態に係る過充電保護装置を搭載した二次電池パックの概略構成を示す構成図である。上記の過充電保護装置による充電回路の接続／遮断動作を示すフローチャートである。図３の接続／遮断動作における最大充電電圧Ｖｍａｘ及び電位差Ｖｒと、充電回路の遮断／接続の関係を纏めた図である。セル温度Ｔと最大充電電圧Ｖｍａｘとの関係を示す図である。図４のセル温度Ｔと最大充電電圧Ｖｍａｘの関係を満足させるための充電電圧Ｖｃを示す図である。

符号の説明

１…二次電池パック
１ａ，１ｂ…セル
１ｃ…中点端子
１ｄ…制御回路
１ｅ…ＦＥＴ
１ｆ…サーミスタ
２…充電器

Claims

複数のセルが直列接続される二次電池パックであって、
前記複数のセルのいずれかと接続端子との間を接続した状態と遮断した状態とに切り換える切換手段と、
複数のセルの電圧をそれぞれ測定する測定手段と、
前記測定手段によって測定された前記複数のセルの電圧から、前記複数のセル間の電位差を算出する算出手段と、
前記測定手段によって測定された前記複数のセルの電圧の少なくともいずれか１つが最大充電電圧を超えているかどうかを判断する第１の判断手段と、
前記測定手段によって測定された前記複数のセルの電圧のすべてが第１の所定電圧以下になっているかどうかを判断する第２の判断手段と、
前記算出手段にて算出した前記セル間の電位差が第２の所定電圧を越えているかどうかを判断する第３の判断手段と、
前記第１の判断手段によって前記複数のセルの電圧の少なくともいずれか１つが最大充電電圧を超えていると判断される場合には、前記第３の判断手段による判断結果に関わらず、前記複数のセルのいずれかと接続端子との間が遮断した状態となるように前記切換手段を制御し、
前記第１の判断手段によって前記複数のセルの電圧の少なくともいずれか１つが最大充電電圧を超えていないと判断され、かつ前記第２の判断手段によって前記複数のセルの電圧のすべてが第１の所定電圧以下ではないと判断される場合には、前記第３の判断手段によって前記セル間の電位差が第２の所定電圧を越えていると判断されるときに、前記複数のセルのいずれかと接続端子との間が遮断した状態となるように前記切換手段を制御するとともに、前記第３の判断手段によって前記セル間の電位差が第２の所定電圧を越えていないと判断されるときに、前記複数のセルのいずれかと接続端子との間が接続した状態となるように前記切換手段を制御し、
前記第２の判断手段によって前記複数のセルの電圧のすべてが第１の所定電圧以下ではあると判断される場合には、前記第３の判断手段による判断結果に関わらず、前記複数のセルのいずれかと接続端子との間を接続した状態となるように前記切換手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする二次電池パック。
前記測定手段は、前記複数のセルの間の電圧を測定することにより、前記複数のセルの電圧をそれぞれ測定することを特徴とする請求項１に記載の二次電池パック。
前記二次電池パックは温度測定手段を有し、前記制御手段は前記温度測定手段によって測定された温度によって、前記最大充電電圧を変更することを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池パック。