JP2010080197A - 電池パック、電池パック及び充電器の構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】電池パック内のセルの接続状態を変更することで，出力電圧や出力電流を容易に調整できる。
【解決手段】複数のスイッチング回路を制御することで、複数の前記セル若しくは複数の前記電池モジュールを直列回路として接続した状態、任意の数の前記セル若しくは任意の数の前記電池モジュールを直列回路から分離し残りを直列接続した状態にする。前記スイッチング回路は、管理装置により制御される。そしてこの電池パックの出力電圧を変化させるためには、任意の前記セル若しくは前記電池モジュールを直列状態から切り離し、直列状態にある残りの前記セル若しくは前記電池モジュールの数に応じた電圧を出力できるようにしている。
【選択図】 図１

Description

この発明は電池パック、電池パック及び充電器の構造体に関する。この発明はたとえばハイブリッド自動車や電動アシスト自転車の走行電源などに使用される２次電池パックとその充電器からなるシステムに有効であり，特に電池パックの出力電圧と出力電流の調節及び電池パック内のセルの充電容量の均一化、さらには充電器の制御方式に関する技術である。

従来の電池パックでは，電池パック内のセルの充電容量を均一化するために，各セルがそれぞれ最大電圧に到達するまで充電を継続させたり，充電後に各セルを個別に放電させたりすることで充電容量を調整していた。リチウムイオン電池では，一般にセルを放電させることで充電容量を均一化させる方式を採用しているが，この方式では均一化に時間が掛かることや充電容量が放電によって減少してしまうという課題があった。

たとえば特許文献１では、短時間で容量調整を実行できる方式を提案している。しかしながら、この方法でも電池と並列に接続された容量調整用バイパス抵抗を使用して容量を調整する方法であり、充電による容量調整方法ではない。また，特許文献２も同様の方法である。
特開２００７−２８７４１６ 二次電池の容量調整方法及び装置 特開２００３−２８４２５３ 二次電池の容量調整方式

この発明の目的は、電池パック内のセルの接続状態を変更することで，出力電圧や出力電流を容易に調整できるようにすることにある。また電池パックと充電器間のインターフェース（I/F）を工夫して充電器の出力電圧や出力電流を変更することで電池パック内のセルの充電容量を効率良く均一化させることができる電池パック、電池パック及び充電器の構造体を提供することにある。

上記課題を解決するために、セル若しくは複数のセルから構成される電池モジュールと、複数の前記セル若しくは複数の前記電池モジュールを直列回路（若しくは並列回路）として接続した状態、任意の数の前記セル若しくは任意の数の前記電池モジュールを直列回路（若しくは並列回路）から分離し残りを直列接続（並列接続）した状態にするための複数のスイッチング回路と、前記スイッチング回路を制御するとともに直列接続（若しくは並列接続）された前記セル若しくは前記電池モジュールの状態を検出して充電及び放電を管理する管理装置とを有する電池パックであって、前記電池パックの出力電圧を変化させるために，任意の前記セルまたは前記電池モジュールを直列状態（若しくは並列状態）から切り離し、直列状態（若しくは並列状態）にある残りの前記セルまたは前記電池モジュールの数に応じた電圧を出力できるようにしたことを特徴とする。

上記の手段によると、電池パック内のセルを任意に直列状態（若しくは並列状態）から分離でき、出力電圧も任意の値に設定可能である。また充電電圧を最適に制御することで効率良くセルの充電容量を均一化することができる。

以下図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。

（実施例１）図１は、本発明の一実施例の構成を示す。１００は充電器であり、２００は電池パックである。充電器１００は、電源１０１、電源１０１の出力電流を制御する電流制御回路１０２、電流制御回路１０２に制御信号を与えるマイクロプロセシングユニット（ＭＰＵ）１０３を有する。

電池パック２００は、前記充電器１００に接続される充電端子Ｔ１，Ｔ２を有する。端子Ｔ１は、充電制御回路２０１の入力端子に接続されている。充電制御回路２０１の出力端子は、セルＣＥＬ-１のプラス端子に接続されるとともに、放電制御回路２２０の入力端子に接続されている。セルＣＥＬ-１のマイナス端子は、スイッチング回路ＳＷ１の一方の入力端子に接続されている。このスイッチング回路ＳＷ１の他方の入力端子にはセルＣＥＬ−１のプラス端子が接続されている（図２、図３参照）。

スイッチング回路ＳＷ１の出力端子は、管理装置２０２からの制御信号に応答していずれか一方の入力端子に選択接続される。スイッチング回路ＳＷ１の出力端子は、次のセルＣＥＬ−２のプラス端子に接続される。セルＣＥＬ-２のマイナス端子は、スイッチング回路ＳＷ２の一方の入力端子に接続されている。このスイッチング回路ＳＷ２の他方の入力端子にはセルＣＥＬ−２のプラス端子が接続されている。

以下同様にセルとスイッチング回路の組み合わせ回路が直列に接続されている。ここで、各セルＣＥＬ−１，ＣＥＬ−２，・・・・・，ＣＥＬ−ｎのプラス端子は、負荷抵抗を介して電圧検出回路２０３に接続されている。これにより電圧検出回路２０３は、各セルＣＥＬ−１乃至ＣＥＬ−ｎのプラスマイナス端子間電圧を計測することができる。但しセルＣＥＬ−１乃至ＣＥＬ−ｎが短絡状態に無い場合である。

セルのプラスマイナス端子間電圧の検出情報は、管理装置２０２に送信される。管理装置２０２は、検出情報に応じて、充電制御回路２０１を制御することができる。電圧検出回路２０３は、独立して図示しているが、実際には管理装置２０２内部に含まれている。

上記の電池パック２００が充電完了状態になり、電源として使用されるときは、出力端子Ｔ１１，Ｔ１２に負荷が接続される。管理装置２０２は、放電制御回路２２０を制御し、出力端子Ｔ１１への出力電流又は電圧を制御することができる。

上記したように本実施例は，複数のセルを直列接続した状態、１又は複数のセルに対して電流バイパスさせたりするためのスイッチング回路と，セルの電池電圧を検出する電圧検出回路と，充電電流の制御や放電電流の制御を実施する管理装置とから構成される電池パックと、前記電池パックに充電を行う充電器から構成されている。

スイッチング回路１の例を図２と図３に示す。図２はリレー回路で実現した例であり，セルの上段からの電流を，セルを介して流したり，セルをバイパスして流したりできるように構成されている。リレー回路は，図示していないが，管理装置２０２により制御される。図３は電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）で実現した例であり，各ＦＥＴは，図示していないが，管理装置により制御可能である。

このように構成することで電池パックの中の任意セルを直列状態にできるので，出力電圧をセル電圧の単位で調整することが可能である。上記の説明は各セルを複数のセルで構成された電池モジュールと置き換えても成立する。また充電を行うにも好都合である。なお出力電圧を調整する場合、外部から管理装置２０２に対してスイッチング回路を制御するための制御信号を与えられるようにことで容易に実施可能である。

（実施例２）第４図を参照して本発明に係る電池パックの第２の実施例を説明する。なお第１の実施例と同一の構成部分には同一の符号を付し，重複する説明は省略する。

図４では図１に示した構成に対して、充電器１００と電池パック２００との間に相互通信機能が追加されている。即ち、電池パック２００に端子Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５が設けられている。端子Ｔ３を介して、電池パック２００内の通信Ｉ／Ｆ２１１と、充電器１００内の通信Ｉ／Ｆ１０５が接続可能である。また端子Ｔ４を介して、電池パック２００内の入力ポート２１２と、充電器１００内の出力ポート１０６が接続可能である。またまた端子Ｔ５を介して、電池パック２００内の出力ポート２１３と、充電器１００内の入力ポート１０７が接続可能である。

充電器１００はＭＰＵ１０３の制御のもとで、通信Ｉ／Ｆ１０５，２１１を介した通信によって，管理装置２０２からの指示で出力電圧を変更できるように構成されている。入力ポート１０７と出力ポート２１３、出力ポート１０７と入力ポート２１２は、ＭＰＵ１０３と管理装置２０２間で、動作状態情報をやりとりすることで，充電開始可能かどうかを判定するためのハンドシェークに使用される。ここでの充電の動作は次のようになる。

（１）管理装置２０２から充電器１００に対して全セルを充電するのに対応した電圧を出力するように指示する。

（２）充電中，管理装置２０２は各セルの充電容量を監視する。

（３）充電容量の上限に到達したセルがある場合，もし一定電流で充電している場合には，管理装置２０２は，そのセルに対応しているスイッチング回路を制御し，充電電流がそのセルをバイパスする状態にする。もし，一定電圧で充電している場合には，管理装置２０２は，充電器１００に対して充電電圧を全体からセル１個分の充電電圧を少なくした電圧で充電するように指示した後で，スイッチング回路を制御してそのセルをバイパスさせるようにする。

（４）管理装置２０２はその後も充電中の各セルの充電容量を監視し，充電容量の上限に到達したセルに充電電流が流れないように当該セルに対応したスイッチング回路を制御する。

（５）管理装置２０２は、上記した制御を最後のセルが充電容量の上限に到達するまで実施し，最後のセルが充電容量の上限に到達した場合には，充電器１００に充電停止を指示する。

上記のように動作させることで，どのようなセルの組合せでも各セルの充電容量を均一にすることが可能である。なお，上記の説明は，セルを電池モジュールと置き換えても成立する。

（実施例３）次に，本発明に係る電池パックの第３の実施例を，図５を用いて説明する。なお第２の実施例と同一の構成には同一の符号を付し，重複する説明は省略する。図５では図１、図４では管理装置に内蔵されているとした電圧検出回路を分離して図示している。

本発明の電池パックでは，図５に示すように，直列接続されたセルＣＥＬ−１，ＣＥＬ−２，・・・・ＣＥＬ−ｎが更に並列接続されるによう構成されており，スイッチング回路ＳＷ−Ｖ１，ＳＷ−Ｖ２によって直列接続されたセルが並列接続にされたり，放電制御回路２２０から分離されたりするように構成されている。

つまり図５では、スイッチング回路ＳＷ１，ＳＷ２・・・・ＳＷｎとセルＣＥＬ−１，ＣＥＬ−２，・・・・ＣＥＬ−ｎの回路が２つ用意されている。そして２つの回路は、充電制御回路２０１の出力端子（＝放電制御回路２２０の入力端子）と端子Ｔ１−Ｔ１２間のラインとの間に並列接続されている。それぞれのセルの電圧は電圧検出回路２０３で検出され管理装置２０２で管理される。また上記２つの回路は、スイッチング回路ＳＷ−Ｖ１，ＳＷ−Ｖ２により並列接続状態となることができるし、また任意に切り離された状態にされる。図では２組を示しているが、さらに多くの回路が並列接続状態に構成されてもよいことは勿論である。スイッチング回路２の実現例を図６と図７に示す。図６は，リレー回路を使用した例であり，図７は，ＦＥＴを使用した例である。

このように構成することで電池パックの中の直列状態の各セル群を任意に並列状態にできるので，出力電流をセル群の単位で調整することが可能である。上記の説明は各セルを複数のセルで構成された電池モジュールと置き換えても成立する。

（実施例４）次に，図８を参照して本発明に係る電池パックの第４の実施例である。なお実施例１〜３と同一の構成には同一の符号を付し，重複する説明は省略する。

図８では図５に示した回路に対して充電器１００との相互通信を行うために通信I/F２１１や入力ポート２１２及び出力ポート２１３が追加されている。ここで，充電器１００は通信I/F２１１を介した通信によって，管理装置２０２からの指示で出力電流を変更できるように構成されている。入力ポート２１２と出力ポート２１３は電池パック２００と充電器１００間で動作状態をやりとりすることで，充電開始可能かどうかを判定するためのハンドシェークに使用される。ここでの充電の動作は次のようになる。

（１）管理装置２０２から充電器１００に対して全セルを充電するのに対応した電流を出力するように指示する。

（２）充電中，管理装置２０２は各セル群の充電状態を監視する。

（３）充電容量の上限に到達したセルがある場合，もし一定電流で充電している場合には，管理装置２０２は，充電器１００に対して充電電流を全体からセル群１個分の充電電流を少なくするように指示した後で，スイッチング回路ＳＷ−Ｖ１又はＳＷ−Ｖ２を制御して充電電流がそのセル群を流れないようにする。

（４）管理装置２０２はその後も充電中の各セル群の充電容量を監視し，充電容量の上限に到達したセル群に充電電流が流れないようにスイッチング回路を制御する。

（５）上記を最後のセル群が充電容量の上限に到達するまで実施し，最後のセル群が充電容量の上限に到達した場合には，充電器１００に充電停止を指示する。

上記のように動作させることで，どのようなセルの組合せでも充電容量を一定にすることが可能である。

なお，第２の実施例と第４の実施例を組み合わせた構成にすることで，多直多並構成のセル群の各セルの充電容量を均一にできることは，自明である。

（実施例５）次に，本発明に係る電池パックの第５の実施例５を，図４を用いて説明する。本発明の電池パック２００では，セルまたは電池モジュールに故障が発生した場合に，スイッチング回路ＳＷ１−ＳＷｎを制御してそのセルまたは電池モジュールだけを直列状態から分離することで，残りのセルまたは電池モジュールだけで充放電することが可能である。またその場合には，残りのセルの個数に応じた充電電圧で充電できるように充電器１００を制御することが可能である。

（実施例６）次に，本発明に係る電池パックの第６の実施例を，図８を用いて説明する。本発明の電池パックでは，セルまたは電池モジュールに故障が発生した場合に，スイッチング回路ＳＷ−Ｖ１，ＳＷ−Ｖ２を制御してそのセル群または電池モジュール群だけを並列状態から分離することで，残りのセル群または電池モジュール群だけで充放電することが可能である。またその場合には，残りのセル群または電池モジュール群の個数に応じた充電電流で充電できるように充電器を制御することが可能である。

（実施例７）次に，本発明に係る電池パックの第７の実施例を，図１を用いて説明する。図１において充電器の充電電圧が１個以上のセルを充電するには十分であるが，全体のセルを充電するには不十分な電圧である場合を想定する。この場合に管理装置はスイッチング回路１を全て開放することで，そのセルも充電器に接続していない状態にすることができるので，充電器の充電電圧を測定可能である。その後，この充電電圧で充電可能なセル数を算出してスイッチング回路１を制御して最適な数のセルだけが充電器に接続されるようにすることで，充電電圧を制御不可能な充電器を使用しても電池パックを充電することが可能となる。また，充電されるセルを一定周期で切り換えることで，全体のセルを均一に充電することが可能となる。

（実施例８）次に，本発明に係る電池パックの第８の実施例を，図５を用いて説明する。図５において充電器１００の充電電流が１個以上のセル群を充電するには十分であるが，全体のセル群を充電するには不十分な電流である場合を想定する。この場合に管理装置２０２はスイッチング回路ＳＷ−Ｖ１，ＳＷ−Ｖ２を全て閉じることで，全セル群を充電器１００に接続している状態にすることができるので，充電器１００の全充電電流を測定可能である。その後，この充電電流で充電可能なセル群の数を算出し，スイッチング回路ＳＷ−Ｖ１，ＳＷ−Ｖ２を制御して最適な数のセル群だけが充電器１００に接続されるようにすることで，充電電流を制御不可能な充電器１００を使用しても電池パック２００を最適な電流値で充電することが可能となる。また，充電されるセル群を一定周期で切り換えることで，全体のセル群を均一に充電することが可能となる。

上記した各実施形態は、管理装置２０２、ＭＰＵ１０３の相互通信によるシステム制御方法としての特徴も有することは勿論である。即ち、各セル若しくは各電池モジュールの充電容量を均一にするために，任意の前記セル若しくは前記電池モジュールを直列状態（若しくは並列状態）から切り離し、直列状態（若しくは並列状態）にある前記セル若しくは前記電池モジュールの数に応じた充電電圧を前記充電器から出力させる方法である。これよって前記各セル若しくは前記各電池モジュールを最適な電圧（または電流）で充電できる。

また、セル若しくは電池モジュールに異常が発生した際に，異常なセルまたは電池モジュールだけを直列接続状態（若しくは並列状態）から切り離し，残りのセルまたは電池モジュールだけで充放電が可能にする方法としての特徴も備える。

さらにまた電池パックから充電電圧が制御できない充電器が接続された際に，直列（若しくは並列）に接続されているセルまたは電池モジュールの数を調整することで，与えられた充電電圧に対して最適な個数のセルまたは電池モジュールを充電できるようにする方法としての特徴も備える。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明による第１の実施例の構成例を示す図である。 図１のスイッチング回路ＳＷ１−ＳＷｎをリレー回路で実現した例を示す図である。 図１のスイッチング回路ＳＷ１−ＳＷｎをＦＥＴ回路で実現した例を示す図である。 本発明の第２の実施形態の構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態の構成例を示す図である。 図５に示したスイッチング回路ＳＷ−Ｖ１，ＳＷ−Ｖ２をリレー回路で実現した例を示す図である。 図５に示したスイッチング回路ＳＷ−Ｖ１，ＳＷ−Ｖ２をＦＥＴ回路で実現した例を示す図である。 本発明の第４の実施形態の構成例を示す図である。

符号の説明

１００・・・充電器、１０１・・・電源、１０２・・・電流制御回路、１０３・・・マイクロプロセシングユニット、１０５・・・通信Ｉ／Ｆ、１０６・・・出力ポート、１０７・・・入力ポート、２００・・・電池パック、２０１・・・充電制御回路、２０２・・・放電制御回路、２０３・・・電圧検出回路、２１１・・・通信Ｉ／Ｆ，２１２・・・入力ポート、２１３・・・出力ポート、２２０・・・管理装置。

Claims (8)

1. セル若しくは複数のセルから構成される電池モジュールと、
   複数の前記セル若しくは複数の前記電池モジュールを直列回路として接続した状態、任意の数の前記セル若しくは任意の数の前記電池モジュールを直列回路から分離し残りを直列接続した状態にするための複数のスイッチング回路と、
   前記スイッチング回路を制御するとともに直列接続された前記セル若しくは前記電池モジュールの状態を検出して充電及び放電を管理する管理装置とを有する電池パックであって、
   前記電池パックの出力電圧を変化させるために，任意の前記セル若しくは前記電池モジュールを直列状態から切り離し、直列状態にある残りの前記セル若しくは前記電池モジュールの数に応じた電圧を出力できるようにしたことを特徴とする電池パック。
2. 請求項１に記載の電池パックと、前記電池パックにおける充電電圧を制御可能な充電器からなる電池パック及び充電器の構造体であって、
   前記管理装置は前記充電器の制御部との相互通信機能部を有し、
   前記各セル若しくは前記各電池モジュールの充電容量を均一にするために，任意の前記セル若しくは前記電池モジュールを直列状態から切り離すと共に、直列状態にある前記セル若しくは前記電池モジュールの数に応じた充電電圧を前記充電器から出力させることによって前記各セル若しくは前記各電池モジュールを最適な電圧で充電できるようにしたことを特徴とする電池パック及び充電器の構造体。
3. セル若しくは複数のセルから構成される電池モジュールと、
   前記セル若しくは前記電池モジュールの複数個を並列回路として並列接続した状態、任意の数の前記セル若しくは任意の数の前記電池モジュールを前記並列回路から分離し残りを並列接続した状態にするための複数のスイッチング回路と、
   前記スイッチング回路を制御するとともに並列接続された前記セル若しくは前記電池モジュールの状態を検出して充電及び放電を管理する管理装置からなる電池パックであって、
   前記電池パックの出力電流を変化させるために，任意の前記セル若しくは任意の前記電池モジュールを並列接続状態から切り離し，並列状態にある残りのセル若しくは電池モジュールの数に応じた電流を出力できるようにしたことを特徴とする電池パック。
4. 請求項３に記載の電池パックと前記電池パックにおける充電電流を制御可能な充電器からなる電池パック及び充電器の構造体であって、
   前記セル若しくは前記電池モジュールの充電容量を均一にするために、任意の前記セル若しくは前記電池モジュールを前記並列接続状態から切り離すと共に、並列接続状態にある残りのセルまたは電池モジュールの数に応じた充電電流を前記充電器から出力させることによって個々のセルまたは電池モジュールを最適な電流で充電できるようにしたことを特徴とする電池パック及び充電器の構造体。
5. 請求項２に記載の電池パック及び充電器の構造体であって、前記セル若しくは前記電池モジュールに異常が発生した際に，異常なセルまたは電池モジュールだけを直列接続状態から切り離し，残りのセルまたは電池モジュールだけで充放電が可能にしたことを特徴とする電池パック及び充電器の構造体。
6. 請求項４に記載の電池パック及び充電器の構造体であって、前記セル若しくは電池モジュールに異常が発生した際に，異常なセルまたは電池モジュールだけを並列状態から切り離し，残りのセルまたは電池モジュールだけで充放電が可能にしたことを特徴とする電池パック及び充電器の構造体。
7. 請求項２に記載の電池パックと充電器の構造体であって，前記電池パックから充電電圧が制御できない充電器が接続された際に，直列に接続されているセルまたは電池モジュールの数を調整することで，与えられた充電電圧に対して最適な個数のセルまたは電池モジュールを充電できるようにしたことを特徴とする電池パック及び充電器の構造体。
8. 請求項４に記載の電池パックと充電器の構造体であって，前記電池パックから充電電流が制御できない充電器が接続された際に，並列に接続されているセルまたは電池モジュールの数を調整することで，与えられた充電電流に対して最適な個数のセルまたは電池モジュールを充電できるようにしたことを特徴とする電池パック及び充電器の構造体。

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