JP2011028854A - 電池パック及び保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電池ブロックに接続している保護素子の異常発熱を防止することができる電池パック及びこれに用いる保護回路を提供する。
【解決手段】複数の電池が直列接続されている電池ブロック３、４を複数備え、複数の電池ブロック３、４が並列接続されている電池パック１であって、複数の各電池ブロック３、４は、保護素子１０、１１に接続されており、電池パック１に保護回路２０が接続されており、保護回路２０は、少なくとも１つの電池ブロック３が無通電状態になったときに、通電状態にある電池ブロック３に接続された保護素子１１の通電を遮断させて、電池パック１による電源供給を停止させるための回路である。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数の電池が直列接続されている電池ブロックを複数備え、これらの複数の電池ブロックが並列接続されている電池パック及びこれに用いる保護回路に関する。

ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の複数個の単電池を直列接続して電池ブロックを形成し、この電池ブロックの複数個を並列接続した電池パックが知られている（例えば特許文献１参照）。このような電池パックは、複数個の単電池の直列接続により出力電圧を高くでき、複数の電池ブロックの並列接続により容量を大きくすることができる。

このため、この種の電池パックは、情報処理装置のバックアップ電源として用いられたり、電動アシスト自転車やハイブリッドカーのモータ駆動用の電源として用いられたりする。

前記のような電池パックにおいては、電池ブロック毎に保護素子であるヒューズが取り付けられている。この場合、正常時においては各電池ブロックには、ヒューズの定格電流より小さい電流が流れていることになる。

特開２００４−１５８４２５号公報

しかしながら、前記のよう電池パックの構成においては、電池ブロックは並列接続されているので、一部のヒューズが溶断しても、溶断していないヒューズに対応した電池ブロックからの電源供給は維持され続ける場合がある。

この場合、他の溶断してないヒューズには、電池パックの正常時に流れる電流よりも大きな電流が流れ続けることになる。このような状態が長時間続くと、ヒューズが異常発熱し、例えばヒューズを保持している固定リブが溶融し、さらには外装ケースが焼損する可能性があるという問題があった。

本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、電池ブロックに接続している保護素子の異常発熱を防止することができる電池パック及びこれに用いる保護回路を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の電池パックは、複数の電池が直列接続されている電池ブロックを複数備え、前記複数の電池ブロックが並列接続されている電池パックであって、前記複数の各電池ブロックは、保護素子に接続されており、前記電池パックに保護回路が接続されており、前記保護回路は、少なくとも１つの前記電池ブロックが無通電状態になったときに、通電状態にある前記電池ブロックに接続された保護素子の通電を遮断させて、前記電池パックによる電源供給を停止させるための回路であることを特徴とする。

本発明の保護回路は、電池パックに用いる保護回路であって、前記電池パックは、複数の電池が直列接続されている電池ブロックを複数備え、前記複数の電池ブロックが並列接続されており、前記複数の各電池ブロックは、保護素子に接続されており、前記保護回路は、少なくとも１つの前記電池ブロックが無通電状態になったときに、通電状態にある前記電池ブロックに接続された保護素子の通電を遮断させて、前記電池パックによる電源供給を停止させるための回路であることを特徴とする。

本発明によれば、電池ブロックに接続している保護素子の異常発熱を防止することができる。

本発明の一実施の形態に係る電池パックの内部を示す平面図。 比較例に係る電池パックの回路図。 図２において、電池ブロック３が無通電状態になった状態を模式的に示した回路図。 本発明の一実施の形態に係る電池パックの回路図。 図４において、電池ブロック３が無通電状態になった状態を模式的に示した回路図。

本発明の電池パック及び保護回路によれば、複数の電池ブロックのうちの一部の電池ブロックが無通電状態になったときに、他の電池ブロックに接続した保護素子の通電が遮断されるので、保護素子の異常発熱を防止することができる。

前記本発明の電池パック及び保護回路においては、前記保護回路は、前記各電池ブロックの無通電状態を検出する検出回路と、スイッチ素子を含む放電回路とを備えており、前記放電回路の通電により、通電状態にある前記電池ブロックに流れる電流が増大することが好ましい。この構成によれば、電池ブロックの無通電状態の検出、及び保護素子の通電の遮断が可能になる。

また、前記保護回路は、さらに制御回路を備えており、前記制御回路は、前記検出回路の出力電圧により、無通電状態にある前記電池ブロックの個数を検出し、前記個数があらかじめ設定した個数に達したときに、前記スイッチ素子をＯＮ状態にして前記放電回路に通電させることが好ましい。この構成によれば、無通電状態にある電池ブロックの個数があらかじめ設定した個数に達したときに、通電状態にある電池ブロックに流れる電流が増大し、この電池ブロックに接続された保護素子の通電が遮断され、電池パックによる電源供給が停止することになる。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る電池パック１の内部を示す平面図である。電池パック１は、完成品状態では、全面がカバーで覆われる。図１では内部を示すために、カバーを取り外した状態を図示している。

ケース２上に、電池ブロック３、４が配置されている。電池ブロック３、４は、いずれも複数の単電池を直列に接続したものである。電池ブロック３、４は、それぞれ一列７個の単電池の列が４列あり、合計２８個の単電池で構成されている。

例えば電池ブロック３において、単電池Ａ１からＡ７の第１列Ｂ１について見ると、単電池Ａ１の正極端子と単電池Ａ２の負極端子とが接続板（図示せず）で接続されている。単電池Ａ３と単電池Ａ４との間、及び単電池Ａ５と単電池Ａ６との間についても同様である。さらに、単電池Ａ２の正極端子と単電池Ａ３の負極端子とが接続板（図示せず）で接続されている。単電池Ａ４と単電池Ａ５との間、及び単電池Ａ６と単電池Ａ７との間についても同様である。このことにより、単電池Ａ１から単電池Ａ７までの第１列Ｂ１が直列に接続されている。

同様にして、単電池Ａ８から単電池Ａ１４までの第２列Ｂ２、単電池Ａ１５から単電池Ａ２１までの第３列Ｂ３、単電池Ａ２２から単電池Ａ２８までの第４列Ｂ４についても、直列に接続されている。

また、第１列Ｂ１の単電池Ａ７と第２列Ｂ２の単電池Ａ８との間、第２列Ｂ２の単電池Ａ１４と第３列Ｂ３のＡ１５との間、第３列Ｂ３の単電池Ａ２１と第４列Ｂ４のＡ２２との間については、それぞれ接続板６で接続されている。この構成により、単電池Ａ１からＡ２８までが直列に接続されている。このことは、電池ブロック４についても同様であり、電池ブロック４についても２８個の単電池が直列に接続されていることになる。

電池ブロック３において、負極側の出力端子７には出力配線８が接続され、正極側の出力端子９には、保護素子であるヒューズ１０の一端が接続されている。ヒューズ１０の他端には、出力配線１２が接続されている。電池ブロック４において、負極側の出力端子７には出力配線１３が接続され、正極側の出力端子９には、保護素子であるヒューズ１１の一端が接続されている。ヒューズ１１の他端には、出力配線１４が接続されている。本実施の形態では、ヒューズ１０、１１は、筒形の電流ヒューズとしている。また、ヒューズ１０、１１は、固定用リブ１６によりケース２に取り付けられている。

各出力配線は、ケース２の外部に引き出され、ケース２の外部において結線されている。具体的には、電池ブロック３の負極側の出力配線８と、電池ブロック４の負極側の出力配線１３とが結線されている。さらに、電池ブロック３の正極側の出力配線１２と、電池ブロック４の負極側の出力配線１４とが結線されている。

このことにより、電池ブロック３と電池ブロック４とを並列に接続している。結線された負極側の出力配線８、１３に負荷の一端が接続され、結線された正極側の出力配線１２、１４に負荷の他端が接続されることになる。

また、ケース２内の温度検知のために、電池ブロック３、４上には複数のサーミスタ１５が配置されている。

なお、図１の電池パックは一例であり、電池ブロックにおける列数、各列における単電池の個数、単電池同士の接続構造、出力配線の接続構造等は、各種構成が考えられる。

図２は、比較例に係る電池パックの回路図である。本実施の形態の理解を容易にするために、本実施の形態の説明の前に比較例について説明する。詳細は後に説明するように、本実施の形態では、保護回路２０（図４）が接続されている。図２に示した比較例に係る電池パック１００は、この保護回路２０を外した例である。図２において、図１に示した電池パック１と同一構成の部分には、同一番号を付して、詳細な説明は省略する。

電池ブロック３、４は、図１に示した電池ブロック３、４と同一構成である。すなわち、電池ブロック３、４は複数の単電池を直列接続したものであり、電池ブロック３と電池ブロック４とは、電池パック１００の外部で並列に接続されている。電池ブロック３にヒューズ１０が取り付けられ、電池ブロック４にヒューズ１１が取り付けられている点も、図１に示した電池パック１と同様である。

出力配線１７及び１８には、負荷１９が接続されている。出力配線１７及び１８を流れる電流をＩとし、ヒューズ１０、１１を流れる電流をＩａとすると、電流Ｉは下記の式（１）で表わされ、式（１）より電流Ｉａは式（２）で表わされる。

式（１）Ｉ＝Ｉａ＋Ｉａ＝２Ｉａ
式（２）Ｉａ＝Ｉ／２
図３は、図２において、電池ブロック３が無通電状態になった状態を模式的に示した回路図である。電池パック１００が無通電状態になる原因として、ヒューズ１０の溶断、電池パック１００内部の配線の断線、電池パック１００内部の単電池の故障、電池パック１００の外部における並列構成不足、電池パック１００の外部における並列結線ミスが挙げられる。

図３は前記のような原因の少なくとも一つにより、電池ブロック３、４のうち電池ブロック３が無通電状態になった状態を示している。図３では無通電部分を破線で示している。

電池ブロック３には、電池ブロック３と同電圧Ｖの電池ブロック４が並列に接続されているので、電池ブロック３が無通電状態になっても、出力配線１７及び１８に電流Ｉが流れる状態が維持されることになる。

これに対して、ヒューズ１１を流れる電流は、前記式（２）のＩａから下記式（３）のＩｂに変化する。

式（３）Ｉｂ＝Ｉ
式（１）により、式（３）は下記式（４）に変形できる。

式（４）Ｉｂ＝２Ｉａ
ここで、図２において、ヒューズ１０、１１は、ヒューズ１０、１１を流れる電流Ｉａより大きい定格電流のヒューズが設定されていることになる。すなわち、電流Ｉａは、ヒューズ１０、１１の定格電流より小さいことになる。例えば、電流Ｉａはヒューズ１０、１１の定格電流の７０−８０％程度である。

ヒューズ１０、１１の定格電流をＩｃとし、電流Ｉａが定格電流Ｉｃの７０％であるとすると、電流Ｉａは下記の式（５）のようになる。

式（５）Ｉａ＝０．７Ｉｃ
次に、図３のように、電池ブロック３が無通電状態にあるときの、ヒューズ９を流れる電流Ｉｂは前記式（４）の通りである。式（４）を式（５）により変形すると、下記式（７）になる。

式（６）Ｉｂ＝１．４Ｉｃ
すなわち、図３においてヒューズ１１には、定格電流Ｉｃの１．４倍の電流Ｉｂが流れていることになる。定格電流Ｉｃの１．４倍程度では、ヒューズ１１は溶断しない可能性が高く、溶断するとしても、溶断までに時間を要する可能性が高くなる。

一方、ヒューズ１１に定格電流Ｉｃを越える電流が流れ続けると、ヒューズ１１が異常発熱し、ヒューズを保持している固定用リブ１６（図１）が溶融し、さらにはケース２（図１）が焼損する可能性がある。

このため、以下の図４に示した本実施の形態に係る電池パック１では、保護回路２０を追加して、複数の電池ブロック３、４の一部のみが無通電状態になった場合でも、他の電池ブロックに接続されたヒューズの通電を遮断させて、電池パック１による電源供給を停止させるようにしている。

図４は、本発明の一実施の形態に係る電池パックの回路図である。本図に示した電池パック１は、図２に示した比較例に係る電池パックに比べ、保護回路２０を追加している点が異なっている。

保護回路２０は、検出回路２１、放電回路２２及び制御回路２３で構成されている。検出回路２１は、電池ブロック３に接続した抵抗２４、電池ブロック４に接続した抵抗２５を備えており、抵抗２４及び抵抗２５の両端の電位差を検出することができる。例えば、抵抗２４の両端の電位差が０Ｖであれば、電池ブロック３は無通電状態であることになる。

放電回路２２は、スイッチ素子２６及び抵抗２７を含んでいる。スイッチ素子２６は、例えば電解効果型トランジスタ（ＦＥＴ）である。電池パック１の正常時は、スイッチ素子２６はＯＦＦ状態であり、放電回路２２には電流は流れない。電池ブロック３又は４のいずれかが無通電状態になったときに、スイッチ素子２６はＯＮ状態になり、放電回路２２に電流が流れることになる。この場合、詳細は後に説明するように、ヒューズ１０又は１１に流れる電流が増大することになる。

制御回路２３は、検出回路２１の出力電圧により、無通電状態にある電池ブロックの個数を検出する。具体的には、抵抗２４又は２５のいずれかの両端の電位差が０Ｖであれば、無通電状態にある電池ブロックの個数は１となる。制御回路２３は、無通電状態にある電池ブロックの個数が１になると、スイッチ素子２６をＯＮ状態にして、放電回路２２を通電させることになる。このような一連の動作は、制御回路２３に備えられた制御用ＩＣを介してなされることになる。

出力配線１７及び１８を流れる電流をＩとし、ヒューズ１０、１１を流れる電流をＩａとすると、電流Ｉは下記の式（７）で表わされ、式（７）より電流Ｉａは式（８）で表わされる。

式（７）Ｉ＝Ｉａ＋Ｉａ＝２Ｉａ
式（８）Ｉａ＝Ｉ／２
式（８）は、式（２）と同じである。すなわち、比較例と、本実施の形態とでは、正常時においては、出力電流Ｉと、ヒューズ１０、１１を流れる電流をＩａとの関係は同じである。

図５は、図４において、電池ブロック３が無通電状態になった状態を模式的に示した回路図である。無通電部分を破線で示している。図５において、スイッチ素子２６がＯＦＦ状態であれば、電流の流れは、図３の比較例と同様になる。この場合、ヒューズ１１を流れる電流をＩｂ′とすると、前記式（４）を援用して、電流Ｉｂ′は、下記式（９）のようになる。

式（９）Ｉｂ′＝２Ｉａ
また、比較例と同様に、電流Ｉａがヒューズ１０、１１の定格電流Ｉｃの７０％であるとすると、前記式（６）を援用して、電流Ｉｂ′は、下記式（１０）のようになる。

式（１０）Ｉｂ′＝１．４Ｉｃ
すなわち、本実施の形態においても、スイッチ素子２６がＯＦＦ状態であれば、ヒューズ１１には、定格電流Ｉｃの１．４倍の電流Ｉｂ′が流れることになる。この場合、前記の通り、ヒューズ１１に定格電流Ｉｃを越える電流が流れ続け、ヒューズの異常発熱の可能性が高くなるという問題がある。

本実施の形態では、保護回路２０の追加により、図５のように電池ブロック３が無通電状態になったときは、電池ブロック４に接続されているヒューズ１１を溶断させて、電池パック１による電源供給を停止させるようにしている。

具体的には、電池ブロック３が無通電状態になると、抵抗２４の両端の電位差が０Ｖになり、検出回路２１のうち出力配線３０からの出力電圧はゼロになる。制御回路２３は、出力配線３０、３１のうち一方の出力配線からの出力電圧がゼロになったときに、放電回路２２のスイッチ素子２６をＯＮ状態にするように設定されている。このため、図５のように、電池ブロック３が無通電状態になると、スイッチ素子２６はＯＮ状態になる。

このとき、抵抗２７には、電池ブロック４の電圧により電位差が生じ、電流Ｉｄが流れ、電流Ｉｄは電池ブロック４側すなわちヒューズ１１側に流れることになる。この場合、ヒューズ１１を流れる電流Ｉｂは、下記式（１１）のようになる。

式（１１）Ｉｂ＝Ｉｂ′＋Ｉｄ
式（１０）により式（１１）は下記式（１２）のように変形できる。

式（１２）Ｉｂ＝１．４Ｉｃ＋Ｉｄ
したがって、本実施の形態ではヒューズ１１を流れる電流は、比較例と比べると、電流Ｉｄ分の電流が増加していることになる。すなわち、ヒューズ１１には、定格電流Ｉｃの１．４倍より大きな電流が流れることになる。

放電回路２２を流れる電流Ｉｄは抵抗２７の設定により調整でき、Ｉｂをヒューズ１１の定格電流Ｉｃの２倍以上にすることができる。この程度の電流が流れると、ヒューズ１１は直ぐ溶断し、電池ブロック４が無通電状態になるとともに、電池パック１による電源供給が停止することになる。すなわち、本実施の形態によれば、電池ブロックの１つが無通電状態になったときに、他の電池ブロックに接続したヒューズに定格電流を越える電流が流れ続けることを防止でき、ヒューズの異常発熱を防止することができる。

なお、本実施の形態では、電池ブロックが２個の例で説明したが、３個以上であってもよい。電池ブロックの個数が多くなるにつれて、電池ブロック１個分の無通電状態における他の電池ブロックへの電流増加量は小さくなる。このため、電池ブロックが３個以上の場合は、制御回路がスイッチ素子をＯＮ状態にするときの、無通電状態にある電池ブロックの個数を２個以上としてもよい。

また、図４に示した保護回路２０は、図１のケース２内に内蔵してもよいが、ケース２の外側において、保護回路２０の全部又は一部を、ケース２から引き出した配線に接続するようにしてもよい。例えば、保護回路２０のうち、検出回路２１と放電回路２２とをケース２内に内蔵し、制御回路２３をケース２の外側で接続した構成でもよい。図１のように、出力配線をケース２の外部に引き出すようにすれば、保護回路２０の全部又は一部をケース２の外部で接続することが可能になる。

また、電池パックは、保護回路のすべてが、予め接続されている仕様に限るものではなく、保護回路の一部は後に接続する仕様であってもよい。例えば、電池パックには、検出回路及び放電回路が予め接続されており、制御回路は外部機器側に備えていてもよい。この仕様では、電池パックの外部機器への取り付け時に初めて、電池パックに制御回路が接続されることになる。

また、保護回路の全部又は一部が、電池パックから独立した回路であってもよい。この場合は、電池パックの外部機器への取り付け時までに、電池パックに保護回路の全部が接続されることになる。

また、本実施の形態では、各電池ブロックに接続した保護素子として、筒形の電流ヒューズの例で説明したが、過電流により回路を遮断できる保護素子であればよい。

以上のように、本発明によれば、電池ブロックに接続している保護素子の異常発熱を防止することができるので、本発明は、例えば情報処理装置のバックアップ電源や、電動アシスト自転車やハイブリッドカーのモータ駆動用の電源として用いられる電池パック及びこれに用いる保護回路として有用である。

１ 電池パック
２ 素電池
３，４ 電池ブロック
１０，１１ ヒューズ
２０ 保護回路
２１ 検出回路
２２ 放電回路
２３ 制御回路
２６ スイッチ素子

Claims (6)

1. 複数の電池が直列接続されている電池ブロックを複数備え、前記複数の電池ブロックが並列接続されている電池パックであって、
   前記複数の各電池ブロックは、保護素子に接続されており、
   前記電池パックに保護回路が接続されており、
   前記保護回路は、少なくとも１つの前記電池ブロックが無通電状態になったときに、通電状態にある前記電池ブロックに接続された保護素子の通電を遮断させて、前記電池パックによる電源供給を停止させるための回路であることを特徴とする電池パック。
2. 前記保護回路は、前記各電池ブロックの無通電状態を検出する検出回路と、スイッチ素子を含む放電回路とを備えており、前記放電回路の通電により、通電状態にある前記電池ブロックに流れる電流が増大する請求項１に記載の電池パック。
3. 前記保護回路は、さらに制御回路を備えており、前記制御回路は、前記検出回路の出力電圧により、無通電状態にある前記電池ブロックの個数を検出し、前記個数があらかじめ設定した個数に達したときに、前記スイッチ素子をＯＮ状態にして前記放電回路に通電させる請求項２に記載の電池パック。
4. 電池パックに用いる保護回路であって、
   前記電池パックは、複数の電池が直列接続されている電池ブロックを複数備え、前記複数の電池ブロックが並列接続されており、
   前記複数の各電池ブロックは、保護素子に接続されており、
   前記保護回路は、少なくとも１つの前記電池ブロックが無通電状態になったときに、通電状態にある前記電池ブロックに接続された保護素子の通電を遮断させて、前記電池パックによる電源供給を停止させるための回路であることを特徴とする保護回路。
5. 前記保護回路は、前記各電池ブロックの無通電状態を検出する検出回路と、スイッチ素子を含む放電回路とを備えており、前記放電回路の通電により、通電状態にある前記電池ブロックに流れる電流が増大する請求項４に記載の保護回路。
6. 前記保護回路は、さらに制御回路を備えており、前記制御回路は、前記検出回路の出力電圧により、無通電状態にある前記電池ブロックの個数を検出し、前記個数があらかじめ設定した個数に達したときに、前記スイッチ素子をＯＮ状態にして前記放電回路に通電させる請求項５に記載の保護回路。

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