JP2010200485A

JP2010200485A - パック電池の保護システム

Info

Publication number: JP2010200485A
Application number: JP2009042292A
Authority: JP
Inventors: Masao Yamaguchi; 昌男山口; Mikitaka Tamai; 幹隆玉井
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2010-09-09

Abstract

【課題】パック電池の構成の簡素化を図りながら、パック電池における二次電池を確実に保護することのできるパック電池の保護システムを提供する。
【解決手段】パック電池に組み込まれたマイクロコンピュータに、二次電池の異常を検出すると共に、二次電池の充電制御に用いる情報（電池電圧）を充電器に定期的に通知する通信手段を設ける。一方、パック電池が接続されて前記二次電池を充電する充電器には、マイクロコンピュータから通知された情報（電池電圧）に従って該マイクロコンピュータとは独立に前記二次電池の異常を判定し、その判定結果に従って前記二次電池に対する充電を制御する充電制御手段を設ける。更には前記マイクロコンピュータからの通信が途絶えたときには二次電池の充電を停止する充電制御手段を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池および該二次電池の保護回路を形成したマイクロコンピュータを内蔵したパック電池の簡素化を図りながら、前記二次電池を確実に保護することのできるパック電池の保護システムに関する。

二次電池を主体として構成されるパック電池には、通常、二次電池の保護回路が組み込まれる。この保護回路は、一般的には専用の集積回路（ＩＣ）により構成され、例えば二次電池の電池電圧を検出してその過充電を防ぐ等の役割を担う。また最近では二次電池の残容量を監視する為のマイクロコンピュータをパック電池に組み込むことも多く、このマイクロコンピュータを用いて二次電池の保護回路を形成することも試みられている（例えば特許文献１を参照）。

特開２００７-１４１５７２号公報

しかしながら残容量検出用のマイクロコンピュータ（マイコン）は、一般的には保護回路用の専用ＩＣ（保護ＩＣ）に比べて耐静電気等に弱く、保護動作に対する信頼性に乏しい上、二次電池の異常時等に暴走して動作不安定になり易い等の不具合がある。これ故、特許文献１にも示されるように、例えば図４にパック電池の概略構成を示すように、実用的には二次電池１の保護回路を形成するマイコン２に加えて、専用の保護ＩＣ３を併設しており、パック電池の構成が大掛かりで複雑化する要因となっている。

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、パック電池の構成の簡素化を図りながら、パック電池における二次電池を確実に保護することのできるパック電池の保護システム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パック電池の保護システムは、二次電池および該二次電池の保護回路を形成したマイクロコンピュータを備えたパック電池と、このパック電池に接続されて前記二次電池を充電する充電器とにより構築されるものであって、
前記パック電池に組み込まれた前記マイクロコンピュータに、前記二次電池の充電制御に用いる情報を定期的に検出すると共に、検出した情報に基づいて生成前記二次電池の異常を検出する検出手段、およびこの検出手段にて検出した情報を前記充電器に通知する通信手段を設け、
一方、前記充電器は、前記マイクロコンピュータから通知された情報に従って前記二次電池の異常を判定し、その判定結果に従って前記二次電池に対する充電を制御する充電制御手段を備えることを特徴としている。

即ち、本発明に係るパック電池の保護システムは、パック電池に接続されて該パック電池の二次電池を充電する充電器が、通常、パック電池のマイクロコンピュータから通知された制御情報に従って二次電池に対する充電を制御する機能を備えていることから、
この充電器に、更に前記マイクロコンピュータから定期的に通知される情報、例えば二次電池の電池電圧に従って前記二次電池の異常を判定し、その判定結果に従って前記二次電池に対する充電を制御する充電制御手段を設けたことを特徴としている。

ちなみに前記通信手段にて前記マイクロコンピュータから前記充電器に通知する情報は、前記二次電池の充電停止を指示する充電停止信号および前記二次電池の電池電圧を示す情報を含む。そして前記充電器の充電制御手段は、前記マイクロコンピュータから通知された前記二次電池の電池電圧に基づいて前記二次電池の過充電を判定し、過充電が検出されたときには前記二次電池の充電を停止する機能を含む。更には前記充電器の充電制御手段は、前記前記マイクロコンピュータから通知された前記二次電池の電池電圧と、前記充電器において検出した前記パック電池に対する出力電圧とを比較し、その電圧差が大きいときに前記パック電池において異常が発生したとして検出する機能を含む。

また好ましくは前記充電器の充電制御手段は、前記マイクロコンピュータからの定期的に通知される前記二次電池の充電制御に用いる情報が途絶えた場合には前記二次電池の充電を停止する手段を含む。具体的には、例えば前記マイクロコンピュータは、前記二次電池の充電制御に用いる情報を定期的に検出する毎にカウンタ値をインクリメントする手段と、前記二次電池の充電制御に用いる情報に上記カウンタ値を付加する機能とを備え、前記充電器の充電制御手段は、前記マイクロコンピュータから通知される情報の中の前記カウンタ値をモニタして前記マイクロコンピュータからの前記二次電池の充電制御に用いる情報の途絶えを検出する。

上記構成のパック電池の保護システムによれば、パック電池が内蔵するマイクロコンピュータによる二次電池の異常検出とその保護動作が不安定であっても、パック電池が接続された充電器側において前記マイクロコンピュータから通信される情報、例えば二次電池の電池電圧に応じて前記マイクロコンピュータとは独立して二次電池の異常を判定し、異常検出時には前記二次電池に対する充電を禁止するので、更には前記マイクロコンピュータからの通信が途絶えたとき、或いは前記マイクロコンピュータから通信される情報の中の前記カウンタ値が更新されていない場合には前記二次電池に対する充電を禁止するので、二次電池を確実に保護することができる。

換言すればパック電池に専用の保護ＩＣを組み込まなくても、充電器側において二次電池を確実に保護することができる。従ってパック電池に専用の保護ＩＣを組み込む必要がない分、該パック電池の構成の簡素化と、そのコスト低減を図ることができる。更にはパック電池との通信が途絶えたときにも二次電池に対する充電を停止するので、パック電池を使用するに際しての安全性を十分に確保することができ、また保護動作の信頼性を十分に高めることができる等の効果が奏せられる。また必要に応じて専用の保護ＩＣを併用すれば、より安全性を高めることができる。

本発明の一実施形態に係るパック電池の保護システムの概略的な構成例を示す図。図１に示す保護システムにおける充電器での保護動作手順の一例を示す図。図１に示す保護システムにおける通信データの例を示す図。従来のパック電池の概略的な構成例を示す図。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るパック電池の保護システムについて説明する。
図１は実施形態に係る保護システムを構築するパック電池１０、およびこのパック電池１０が接続される充電器２０の概略構成を示している。パック電池１０は、リチウムイオン電池等の二次電池１１と、この二次電池１１の充放電に伴う残容量を検出すると共に、該二次電池１１の保護回路を形成するマイクロコンピュータ（マイコン）１２を主体として構築される。

ちなみに前記パック電池１０は、基本的には前記二次電池１１の充放電路に直列に介挿された充電禁止用のスイッチ素子（第１のＦＥＴ）１３、放電禁止用のスイッチ素子（第２のＦＥＴ）１４、および充放電電流検出用のシャント抵抗１５を備える。更に前記パック電池１０は、前記二次電池１１の電池電圧（セル電圧）を検出し、Ａ／Ｄ変換して前記マイコン１２に与える電圧検出回路１６と、前記二次電池１１に蓄えられた電力エネルギからから前記マイコン１２の駆動電圧を生成するレギュレータ１７とを備える。尚、図中１８はパック電池１１の温度、ひいては二次電池１１の温度を検出するサーミスタ等の温度センサである。

そして前記マイコン１２は、前記シャント抵抗１５を介して検出される二次電池１１の充放電電流を積算することで該二次電池１１の残容量を算出する機能を備える。更に前記マイコン１２は、前記電圧検出回路１６を介して検出される前記二次電池１１の電池電圧（セル電圧）に基づいて該二次電池１１の過充電等の異常を検出すると共に、前記充放電電流に基づいて短絡や過電流を検出し、前述したスイッチ素子（第１のＦＥＴ）１３およびスイッチ素子（第２のＦＥＴ）１４をそれぞれ遮断制御することで前記二次電池１１を保護する役割を担う。

このような基本的な機能に加えて本保護システムにおけるパック電池１０は、前記マイコン１２がその通信機能１２ａを用いて、前記二次電池１１の充電制御に用いる情報、具体的には前記電圧検出回路１６を介して検出された前記二次電池１１の電池電圧（セル電圧）や前記シャント抵抗１５を介して検出された充放電電流を前記充電器２０に通知する機能を備える。尚、前記二次電池１１の電池電圧（セル電圧）や充放電電流は、予め定められた周期で定期的に検出される。そしてこれらの電池電圧や充放電電流等の情報は、前記マイコン１２による二次電池１１の異常検出時や満充電検出時等に前記充電器２０に対して通知される充電停止信号とは独立して、定期的に前記充電器２０に通知される。この際、前記マイコン１２は、後述するように前記二次電池１１の電池電圧（セル電圧）や充放電電流を検出する都度インクリメントされるカウンタ情報を通信データに付加して前記電池電圧等の二次電池１１の動作状態（充電状態）を示す情報を充電器２０に通知する。

即ち、パック電池１０のマイコン１２は、前記二次電池１１の異常を検出した際、前述したスイッチ素子（第１のＦＥＴ）１３およびスイッチ素子（第２のＦＥＴ）１４をそれぞれ遮断制御すると共に、前記充電器２０に対して充電の禁止を指示する充電停止信号を通知する機能に加えて、前記二次電池１１の異常検出に用いられる二次電池１１の電池電圧（セル電圧）や充放電電流、更には二次電他１１の電池温度等の情報を、所定の周期で検出し、前述したカウンタ値と共に充電器２０に通知する機能を備えたことを特徴としている。

一方、前述したパック電池１０が接続されて該パック電池１０の二次電池１１を充電する充電器２０は、基本的には商用電源から前記二次電池１１を充電する為の所定の直流電圧を生成する充電電源２１と、この充電電源２１から前記パック電池１０（二次電池１１）に給電される充電電流を制御する電流制御部２２と、この電流制御部２２の作動を制御する充電制御部２３とを備える。この充電制御部２３は、基本的には前記パック電池１０のマイコン１２から与えられる充電停止信号を受けて前記電流制御部２２を介する二次電池１１の充電電流を遮断し、これによって二次電池１１の充電を停止する役割を担う。

このような基本機能に加えて本保護システムにおける充電器２０の充電制御部２３は、更に前記パック電池１０のマイコン１２から定期的に通知される情報（電池電圧や充放電電流や電池温度）に従って前記二次電池１１の異常を検出する異常検出手段を備える。この異常検出手段は、例えば前記マイコン１２との間の通信が定期的に正常に行われているか否かを判定する通信判定手段２４と、前記マイコン１２から通知された前記二次電池１１の電池電圧に基づいて該二次電池１１の異常を、前述したマイコン１２とは別個に（独立して）検出する電圧判定手段２５とからなる。そして二次電池１１の異常が検出されたとき、前記充電制御部２３は前記マイコン１２から前述した充電停止信号が通知されたか否かに拘わらず前記電流制御部２２を介する二次電池１１の充電電流を遮断し、これによって二次電池１１の充電を停止する機能を備えたことを特徴としている。

換言すれば充電器２０における充電制御部２３は、前述したマイコン１２とは独立して前記二次電池１１の異常を判定し、異常検出時には前記電流制御部２２の作動を制御してパック電池１０（二次電池１１）に対する充電電流の供給を停止し、これによって該二次電池１１を保護することで、前述したマイコン１１２が担う二次電池１１の保護機能を補助する二次的な保護機能を果たすことになる。

この充電制御部２３が担う保護機能について今少し詳しく説明する。この充電制御部２３は、例えば図２に示す手順に従って二次電池１１の異常判定を行い、異常が検出されたときに前記二次電池１１に対する充電を停止する。具体的には先ずパック電池１０のマイコン１２から定期的に電池電圧等の情報が通知されるか否かを判定し［ステップＳ１］、通知された情報として、定期的な情報の通知ではない旨が示された場合、具体的には前述したカウンタ値が前回と同じで得るような場合にはパック電池１０において何等かの異常が発生したと看做して二次電池１１に対する充電を停止させる［ステップＳ７］。

また上述した情報が定期的に通知される場合には、前記パック電池１０のマイコン１２側から充電停止指令が与えられるか否かを判定し［ステップＳ２］、充電停止指令が与えられた場合には前記二次電池１１に対する充電を即時停止させる［ステップＳ７］。尚、上記充電停止指令は、二次電池１１の異常時に発せられる停止指令のみならず、マイコン１２において二次電池１１の満充電を検出して該二次電池１１に対する充電を停止させる満充電検出信号を含む。

これに加えて前記充電制御部２３においては、前記マイコン１２から定期的に通知される二次電池１１の電池電圧等に従い、マイコン１２とは独立に二次電池の異常を判定する［ステップＳ３］。この異常判定は、マイコン１２にのよる異常判定と同じアルゴリズに基づいて行われるものであっても良く、またマイコン１２とは別の手法による異常判定するものであっても良い。そして二次電池１１の異常が検出された場合には、パック電池１０での保護動作状態に拘わることなく、前記電流制御部２２の作動を制御して前記二次電池１１に対する充電を強制的に停止させる［ステップＳ７］。

また更に充電制御部２３においては、前述したようにマイコン１２から定期的に通知される情報、具体的には電池電圧（セル電圧）に従ってその電圧が正常範囲にあるか否かを判定する［ステップＳ４］。この電圧範囲の判定は、前記二次電池１１が複数の電池セルにより構成される場合には、各電池セル毎の電池電圧（セル電圧）が該二次電池（電池セル）１１の過充電保護電圧である４.２５Ｖ（一般的には４.２２〜４.３５Ｖ）を越えるか否かを判定することによって行われる。更には直列に接続された複数の電池セルからなる二次電池１１の電池電圧（トータル電圧）と、充電器２０による前記パック電池１０の充電電圧（出力電圧）とを比較し、その差が所定の閾値を越えるか否かを判定する［ステップＳ５］。そして電池電圧が正常範囲から外れる場合、および二次電池１１の電池電圧（トータル電圧）と、充電器２０の出力電圧（充電電圧）とが大きく異なる場合にも、同様にして前記二次電池１１に対する充電を強制的に停止させる［ステップＳ７］。

尚、上記二次電池１１の電池電圧（トータル電圧）と、充電器２０の出力電圧（充電電圧）との電圧差の判定については、パック電池１０側および充電器２０側のそれぞれにおける電圧検出公差を見込んで設定すれば良い。具体的には出力電圧が０〜４.５Ｖの電池セルを２段直列に配列して構成される二次電池１１の場合、例えば０.２５Ｖ以上の電圧差が存在したとき、パック電池１０側において何等かの異常があるとして判定すれば良い。

更には上述した二次電池１１の異常判定に加えて、マイコン１２から通信される情報（データ）に含まれる前述したカウンタ情報をモニタし、その通信が正常に行われているか否かを判定する［ステップＳ６］。ちなみに上記カウンタ情報は、例えば図３に示すようにその通信データが電池電圧等の周期的な検出毎に毎回更新されたものであるか否かを確認する為のもので、マイコン１２におけるメインルーチンにカウンタ値ＣＮＴをインクリメントする処理を設けておけば良い。このようにして、通信毎にインクリメントされるカウンタ値ＣＮＴを電池電圧等の情報と共に通信するようにしておけば、例えば前記マイコン１２の暴走時に、通信処理を実行するタイマー割り込み処理だけを繰り返し実行するループが形成され、この結果、同じ情報が繰り返し通信されると言う不具合が発生した場合でも、上記カウンタ値ＣＮＴが更新されないことからその通信異常を検出することが可能となる。従ってこの場合には、マイコン１２から通知された電池電圧等の情報が信頼できないので、前記二次電池１１に対する充電を強制的に停止させる［ステップＳ７］。

かくして上述した機能を備えて構築されるパック電池の保護システムによれば、パック電池１０に組み込まれたマイコン１２が、専用の保護ＩＣに比較して耐静電気等に弱く、保護動作に対する信頼性に乏しいと雖も、充電器２０側において二次電池１１に対する保護動作を効果的にバックアップすることができる。従って電池パック１０に高価な保護ＩＣを組み込まなくても、マイコン１２が形成した保護回路を機能させながら、マイコン１２が有する弱点を充電器２０側において効果的にバックアップして二次電池１１を確実に保護することができる。従ってパック電池１０に高価な保護ＩＣを組み込まない分、二次電池１１の特性劣化に伴って廃棄されるパック電池１０の構成を簡素化し、同時に構成部品点数を減らしてその低価格化を図ることが可能となる。

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。例えばパック電池１０側から通信される電池電圧や充放電電流、更には電池温度に応じて充電器２０側において前記二次電池１１および前記マイコン１２の前述した異常以外の異常を検出して該二次電池１１の充電を禁止することも勿論可能である。具体的には充電器２０側において二次電池１１の内部短絡を検出したり、二次電池１１の寿命を判定することも可能である。また充電器２０においてパック電池１０側の異常を検出した場合、警告ランプ（表示器）を点滅させる等してその異常を報知することも有用である。

更にはパック電池１０において前述したスイッチ素子（第１および第２のＦＥＴ）１３,１４を遮断制御した際、その異常検出信号を受けて充電器２０側においても該充電器２０とパック電池１０との接続を切り離すような制御を行えば、二次電池１１に対する異常対策処理をより確実に行うことができ、パック電池１０を使用する上での安全性を十分に高め得る。また保護ＩＣを組み込んだ場合には、更にその安全性を高めることができる。その他、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。

１０パック電池
１１二次電池
１２マイクロコンピュータ（マイコン）
１２ａ通信機能
１６電圧検出回路
２０充電器
２１充電電源
２２電流制御部
２３充電制御部
２４通信判定手段
２５電圧判定手段

Claims

二次電池および該二次電池の保護回路を形成したマイクロコンピュータを備えたパック電池と、このパック電池に接続されて前記二次電池を充電する充電器とからなり、
前記パック電池に組み込まれた前記マイクロコンピュータは、前記二次電池の充電制御に用いる情報を定期的に検出すると共に、検出した情報に基づいて生成前記二次電池の異常を検出する検出手段、およびこの検出手段にて検出した情報を前記充電器に通知する通信手段を備え、
前記充電器は、前記マイクロコンピュータから通知された情報に従って前記二次電池の異常を判定し、その判定結果に従って前記二次電池に対する充電を制御する充電制御手段を備えることを特徴とするパック電池の保護システム。
前記通信手段にて前記マイクロコンピュータから前記充電器に通知する情報は、前記二次電池の充電停止を指示する充電停止信号および前記二次電池の電池電圧を示す情報を含むものである請求項１に記載のパック電池の保護システム。
前記充電器の充電制御手段は、前記マイクロコンピュータから通知された前記二次電池の電池電圧に基づいて前記二次電池の過充電を判定し、過充電が検出されたときには前記二次電池の充電を停止する機能を含む請求項１に記載のパック電池の保護システム。
前記充電器の充電制御手段は、前記前記マイクロコンピュータから通知された前記二次電池の電池電圧と、前記充電器において検出した前記パック電池に対する出力電圧とを比較し、その電圧差が大きいときに前記パック電池において異常が発生したとして検出する機能を含む請求項１に記載のパック電池の保護システム。
前記充電器の充電制御手段は、前記マイクロコンピュータからの定期的に通知される前記二次電池の充電制御に用いる情報が途絶えた場合には前記二次電池の充電を停止する手段を含む請求項１に記載のパック電池の保護システム。
前記マイクロコンピュータは、前記二次電池の充電制御に用いる情報を定期的に検出する毎にカウンタ値をインクリメントする手段と、前記二次電池の充電制御に用いる情報に上記カウンタ値を付加する機能とを備え、
前記充電器の充電制御手段は、前記マイクロコンピュータから通知される情報の中の前記カウンタ値をモニタして前記マイクロコンピュータからの前記二次電池の充電制御に用いる情報の途絶えを検出するものである請求項１に記載のパック電池の保護システム。