JP2011101517A - Battery pack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の電池セルを直列接続した二次電池とその充電制御部とを備えたパック電池に関する。 The present invention relates to a battery pack including a secondary battery in which a plurality of battery cells are connected in series and a charge control unit thereof.
二次電池を備えたパック電池を充電器に接続して充電する場合、二次電池を満充電状態まで効率的に充電することは勿論のこと、安全に充電することが重要である。特に二次電池としてリチウムイオン電池を用いる場合、充電の安全性を十分に保証することが要求される。これ故、二次電池の充電は、専ら、その最大充電電圧を制限すると共に、最大充電電流を制限して行われる(例えば特許文献1を参照)。 When a battery pack including a secondary battery is connected to a charger for charging, it is important to charge the secondary battery safely, as well as to efficiently charge the secondary battery to a fully charged state. In particular, when a lithium ion battery is used as a secondary battery, it is required to sufficiently ensure the safety of charging. Therefore, the secondary battery is charged exclusively by limiting the maximum charging voltage and limiting the maximum charging current (see, for example, Patent Document 1).
ちなみにパック電池は、一般的には複数の電池セルを直並列に接続した二次電池と、この二次電池の充電路に直列に介挿されて該充電路を遮断して前記二次電池の充電を禁止する充電禁止用スイッチ素子と、前記二次電池の端子電圧(セル電圧)を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段にて検出された前記二次電池の端子電圧(セル電圧)が過充電保護電圧(最大充電電圧)に達したとき、前記充電禁止用スイッチ素子を遮断して前記二次電池に対する充電を禁止(停止)する充電制御部とを具備して構成される。 Incidentally, the battery pack generally has a secondary battery in which a plurality of battery cells are connected in series and parallel, and is inserted in series in the charging path of the secondary battery to block the charging path and A charge prohibiting switch element for prohibiting charging; voltage detecting means for detecting a terminal voltage (cell voltage) of the secondary battery; and a terminal voltage (cell voltage) of the secondary battery detected by the voltage detecting means. When the battery reaches the overcharge protection voltage (maximum charging voltage), the charging control unit is configured to block the charging prohibiting switch element and prohibit (stop) charging the secondary battery.
具体的には前記充電制御部は、例えば図4に示すように二次電池におけるセル電圧が過充電保護電圧を越えるか否かを判定しながら<ステップS1>、所定の充電停止条件に達するまで二次電池を充電する<ステップS2>。そして前記セル電圧が過充電保護電圧を越えたとき<ステップS1>、充電禁止用スイッチ素子を遮断して二次電池に対する充電を禁止(停止)する<ステップS3>。その後、二次電池の開放端子電圧を判定することで<ステップS4>、二次電池が満充電まで正常に充電されたか、或いは満充電に至る前に充電が異常終了したかを判断するものとなっている。 Specifically, for example, as shown in FIG. 4, the charge control unit determines whether or not the cell voltage in the secondary battery exceeds the overcharge protection voltage <Step S1> until a predetermined charge stop condition is reached. The secondary battery is charged <Step S2>. When the cell voltage exceeds the overcharge protection voltage <Step S1>, the charging prohibition switch element is cut off to prohibit (stop) charging the secondary battery <Step S3>. Thereafter, by determining the open terminal voltage of the secondary battery <Step S4>, it is determined whether the secondary battery has been normally charged until full charge, or whether charging has ended abnormally before reaching full charge. It has become.
ところで二次電池を構成する複数の電池セルについては、専ら、特性の揃ったものが用いられると雖も、厳密には個々の電池セル毎にその電池特性にバラツキがあることが否めない。この為、二次電池の充電時には、個々の電池セルの端子電圧(セル電圧)にも多少のバラツキが生じる。すると2個の電池セルを直列に接続した二次電池を充電する場合、例えば図5に示すように、その充電時に一方の電池セルの端子電圧(セル電圧)V1が前述した最大充電電圧に達した時点で、前述した充電制御部は前記充電禁止用スイッチ素子を遮断して前記二次電池に対する充電を禁止(停止)するので、他方の電池セルにおいては充電が不十分な状態のまま、つまりセル電圧V2が十分に高くなる前に充電が停止されることになる。この結果、前記2つの電池セルの各充電電圧V1,V2を加算した前記二次電池の端子電圧の、充電完了後における開放電圧OCVが、予め設定されたエラー識別用の電圧閾値を満たさなくなり、これを充電異常として判定してしまうことになる。 By the way, about the several battery cell which comprises a secondary battery, even if what has the uniform characteristic is used exclusively, it cannot be denied that there exists variation in the battery characteristic for every battery cell strictly. For this reason, when the secondary battery is charged, the terminal voltage (cell voltage) of each battery cell also varies somewhat. Then, when charging a secondary battery in which two battery cells are connected in series, for example, as shown in FIG. 5, the terminal voltage (cell voltage) V1 of one battery cell at the time of charging reaches the maximum charging voltage described above. At that time, the charge control unit described above shuts off the charge prohibition switch element and prohibits (stops) charging the secondary battery, so that the other battery cell remains in an insufficiently charged state, that is, Charging is stopped before the cell voltage V2 becomes sufficiently high. As a result, the terminal voltage of the secondary battery obtained by adding the charging voltages V1 and V2 of the two battery cells, the open circuit voltage OCV after completion of charging does not satisfy the preset voltage threshold for error identification, This will be determined as charging abnormality.
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、複数の電池セルを直列接続した二次電池を、上記各電池セルの特性バラツキに左右されることなく簡易に、しかも確実に充電することができるように構成したパック電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and the object thereof is to easily and recharge a secondary battery in which a plurality of battery cells are connected in series without being influenced by the characteristic variation of each battery cell. An object of the present invention is to provide a battery pack configured so that it can be reliably charged.
上述した目的を達成するべく本発明に係るパック電池は、複数の電池セル(例えばリチウムイオン電池)を直列に接続した二次電池と、この二次電池の充電路に介挿されて該充電路を遮断して前記二次電池の充電を禁止する充電禁止用スイッチ素子と、前記二次電池の充電路に選択的に介挿されて該二次電池に対する充電電流を制限する電流制限抵抗と、この電流制限抵抗に並列接続されて該電流制限抵抗をバイパスするバイパス用スイッチ素子と、前記各電池セルの端子電圧をそれぞれ検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段にて検出された端子電圧に従って前記充電禁止用スイッチ素子および前記バイパス用スイッチ素子をそれぞれ駆動する充電制御部とを具備し、
特に前記充電制御部は、前記二次電池の充電時には前記充電禁止用スイッチ素子および前記バイパス用スイッチ素子をそれぞれ導通させると共に、前記バイパス用スイッチ素子が導通した状態において前記電池セルの中のいずれかの端子電圧が予め設定された過充電保護電圧に達したときには前記バイパス用スイッチ素子を遮断して前記二次電池の充電を継続させ、前記バイパス用スイッチ素子が遮断した状態において前記電池セルの中のいずれかの端子電圧が予め設定された過充電保護電圧に達したときには前記充電禁止用スイッチ素子を遮断して該二次電池の充電を禁止することを特徴としている。
In order to achieve the above-described object, the battery pack according to the present invention includes a secondary battery in which a plurality of battery cells (for example, lithium ion batteries) are connected in series, and a charging path of the secondary battery. A charge prohibiting switch element that inhibits charging of the secondary battery by cutting off the current, and a current limiting resistor that is selectively inserted in the charging path of the secondary battery to limit the charging current to the secondary battery, A bypass switch element connected in parallel to the current limiting resistor and bypassing the current limiting resistor, a voltage detecting means for detecting a terminal voltage of each battery cell, and a terminal voltage detected by the voltage detecting means A charge control unit for driving the charge prohibition switch element and the bypass switch element,
In particular, the charge control unit causes the charge prohibition switch element and the bypass switch element to be electrically connected to each other when the secondary battery is charged, and any of the battery cells in the state where the bypass switch element is electrically connected. When the terminal voltage of the battery reaches a preset overcharge protection voltage, the bypass switch element is shut off to continue charging the secondary battery. When any one of the terminal voltages reaches a preset overcharge protection voltage, the charging prohibition switch element is cut off to prohibit charging of the secondary battery.
尚、前記充電制御部は、前記複数の電池セルの中のいずれかの端子電圧が前記過充電保護電圧を越えたときには、前記バイパス用スイッチ素子の導通・遮断状態に拘わることなく前記充電禁止用スイッチ素子を強制的に遮断して該二次電池の充電を禁止するように構成することが望ましい。 The charging control unit is configured to inhibit the charging when the terminal voltage of any of the plurality of battery cells exceeds the overcharge protection voltage regardless of whether the bypass switch element is on or off. It is desirable that the switch element be forcibly cut off to prohibit charging of the secondary battery.
また上述したパック電池は、好ましくは更に前記二次電池の充電電流を検出する電流検出手段を備え、前記充電制御部においては、前記電流検出手段にて検出される充電電流が予め設定した電流値よりも低下したとき、充電器に対して前記二次電池が満充電状態に達した旨の充電完了信号を出力する満充電検出手段を備えることが望ましい。 In addition, the above-described battery pack preferably further includes a current detection unit that detects a charging current of the secondary battery. In the charging control unit, the charging current detected by the current detection unit is a preset current value. It is desirable to provide a full charge detection means for outputting a charge completion signal to the effect that the secondary battery has reached a full charge state to the charger.
上述した構成のパック電池によれば、その充電時には前記電流制限抵抗をバイパスした状態で二次電池に対する充電が実行され、その充電過程において前記二次電池を構成する複数の電池セル中の1つの端子電圧(セル電圧)が予め設定された過充電保護電圧に達したとき、バイパス用スイッチ素子が遮断されて前記二次電池の充電路に電流制限用抵抗が直列に介挿される。この結果、二次電池に対する充電電流が低減するので、各電池セルの端子電圧(セル電圧)がそれぞれ低下し、この状態で二次電池に対する充電が継続する。そして前記バイパス用スイッチ素子の遮断に伴う充電電流制限下での充電過程において前記複数の電池セル中の1つの端子電圧(セル電圧)が予め設定された過充電保護電圧に達したときにだけ、前記充電禁止用のスイッチ素子を遮断するので、二次電池を満充電状態まで確実に充電することができる。 According to the battery pack having the configuration described above, the secondary battery is charged in a state where the current limiting resistor is bypassed at the time of charging, and one of the battery cells constituting the secondary battery is included in the charging process. When the terminal voltage (cell voltage) reaches a preset overcharge protection voltage, the bypass switch element is cut off, and a current limiting resistor is inserted in series in the charging path of the secondary battery. As a result, since the charging current for the secondary battery is reduced, the terminal voltage (cell voltage) of each battery cell is lowered, and charging for the secondary battery is continued in this state. And only when the terminal voltage (cell voltage) in the plurality of battery cells reaches a preset overcharge protection voltage in the charging process under the charging current limit accompanying the interruption of the bypass switch element, Since the switch element for prohibiting charging is cut off, the secondary battery can be reliably charged to a fully charged state.
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について説明する。
図1は本発明に係るパック電池の要部概略構成を示しており、1は複数の電池セル2を直列に接続して構成される二次電池である。電池セル2は、例えばリチウムイオン電池からなる。尚、図1においては2つの電池セル2を直列に接続した二次電池1を示すが、一般的にはパック電池に要求される電池仕様(出力電圧と電流容量)とに応じて、複数の電池セル2を直並列に接続して二次電池1が構成される。具体的にはリチウムイオン電池のセル電圧は公称3.7Vであることから、いわゆる12V仕様の二次電池1においては、リチウムイオン電池を3段または4段直列に接続して二次電池1が構成される。
Hereinafter, a battery pack according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a schematic configuration of a main part of a battery pack according to the present invention, wherein 1 is a secondary battery configured by connecting a plurality of
パック電池は、上述した二次電池1の充放電路に、基本的には過充電防止用(充電禁止用)のスイッチ素子(例えばFET)3と、過放電防止用(放電禁止用)のスイッチ素子(例えばFET)4とを直列に介装すると共に、前記二次電池1における各電池セル2の端子電圧(セル電圧)をそれぞれ検出して前記スイッチ素子3,4を遮断駆動し、これによって前記二次電池1を過充電および過放電から保護する制御手段5を備える。この制御手段5は、例えば前記セル電圧を検出する電圧検出手段5aを備えたマイコンや専用の保護IC等からなる。
The battery pack basically includes a switch element (for example, FET) 3 for preventing overcharge (for prohibiting charging) and a switch for preventing overdischarge (for preventing discharge) in the charge / discharge path of the
尚、図1においては特に示さないが、このパック電池には前記二次電池1の充放電電流を検出する電流検出手段が組み込まれ、また前記制御手段5には前記二次電池1の充電電流から該二次電池1の満充電を検出する満充電検出手段が設けられる。更には前記制御手段5には、二次電池1の満充電を検出したとき、その旨を図示しない充電器側に通知する通信手段や制御信号出力手段等が設けられる。
Although not particularly shown in FIG. 1, the battery pack incorporates current detection means for detecting the charge / discharge current of the
このような基本的な機能を加えてこの発明に係るパック電池は、更に前記二次電池1の充放電路(充電路)に直列に介挿されて該二次電池1に対する充電電流を制限する電流制限抵抗6を備えると共に、この電流制限抵抗6に並列接続されて該電流制限抵抗6を前記充放電路からバイパスするバイパス用のスイッチ素子(例えばFET)7を備える。このバイパス用のスイッチ素子(例えばFET)7は、常時は導通して前記電流制限抵抗6をバイパスし、後述するように前記複数の電池セル2の中の1つの端子電圧(セル電圧)が前述した過充電保護電圧に達したとき、前記制御手段5の制御を受けて遮断されるものである。
In addition to such basic functions, the battery pack according to the present invention is further inserted in series in the charging / discharging path (charging path) of the
即ち、この発明に係るパック電池においては、前記制御手段5はその電圧検出手段5aにて前記二次電池1を構成する複数の電池セル2の各セル電圧(端子電圧)を個々に検出している。そして前記バイパス用スイッチ素子7を導通させ、これによって前記電流制限抵抗6をバイパスした状態で前記二次電池1に対する充電が開始される。尚、二次電池1がリチウムイオン電池である場合には、電流および電圧を規制した定電流(最大0.5〜1.0C程度)・定電圧(最大4.2V/セル程度)充電を利用する。そして二次電池1(電池セル2)の端子電圧が所定の設定値以上、若しくはその充電電流が所定の設定値以下となったとき、これを満充電として判定する。
That is, in the battery pack according to the present invention, the control means 5 individually detects each cell voltage (terminal voltage) of the plurality of
このようにして充電を開始すると、前記制御手段5は、例えば図2にその概略的な処理手順を示すように、先ず前記各電池セル2のセル電圧が予め設定された過充電保護電圧に達したか否か、具体的にはリチウムイオン電池の場合には4.25Vに達したか否かを判定している<ステップS11>。そして各電池セル2の端子電圧が過充電保護電圧(4.25V)に達していない場合には、予め設定された充電停止条件を満たすか否かを判定し<ステップS12>、該充電停止条件が満たされるまで前記電池セル2のセル電圧を判定しながら、二次電池1に対する充電を継続する。
When charging is started in this manner, the control means 5 first reaches the overcharge protection voltage set in advance, for example, as shown in FIG. In the case of a lithium ion battery, it is determined whether it has reached 4.25 V or not (step S11). If the terminal voltage of each
尚、前記充電停止条件は、例えば二次電池1が満充電状態となることによって該二次電池の充電電流が低下することに着目し、その充電電流が予め設定された電流値まで低下したときとして設定される。このような充電電流の低下を検出してその充電を停止する機能は、パック電池を充電する充電器が備えることも可能である。
Note that the charging stop condition is, for example, when the
そしてその充電過程において前記複数の電池セル2の中の1つセル電圧が前記過充電保護電圧を越えた場合<ステップS11>、前記制御手段5は前記バイパス用スイッチ素子7が遮断状態であるか否かを判定する<ステップS13>。つまり前記二次電池1の充電路に前記電流制限抵抗6が介挿されて充電電流を制限している状態であるか否かを判定する。そして前記バイパス用スイッチ素子7が導通状態であり、前記電流制限抵抗6による充電電流の制限が行われていない場合には、例えば図3に示すように前述した複数の電池セル2の中の1つが、電池セル間の特性のバラツキに起因して他の電池セルよりもいち早く充電されてそのセル電圧が上昇したと看做して前記バイパス用スイッチ素子7を遮断し<ステップS14>、前記二次電池1に対する充電電流を制限する。
When one cell voltage among the plurality of
このようにして二次電池1に対する充電電流を制限することで、各電池セル2の端子電圧(セル電圧)はその内部抵抗に起因して低下し、前述した過充電保護電圧を下回ることになる。この結果、二次電池1の各電池セル2は、制限された電流の下で緩やかに充電される。そしてその充電電流が前述した充電停止条件まで低下したか否かの判定が行われる<ステップS12>。
By limiting the charging current for the
尚、前記複数の電池セル2の中の1つセル電圧が前記過充電保護電圧を越えた際、前記バイパス用スイッチ素子7が遮断状態である場合には<ステップS13>、前記制御手段5は、二次電池1に対する充電電流を制限しているにも拘わらず前記電池セル2の端子電圧が前記過充電保護電圧を越え、その安全な充電条件が満たされなくなったとして判断する。そしてこの場合には前記制御手段5は、前述した充電禁止用(過充電防止用)のスイッチ素子3を遮断し、前記二次電池1に対する充電を強制的に停止させる<ステップS15>。
When the cell voltage of one of the plurality of
制御手段5は、以上のようにして二次電池1に対する充電を制御し、該二次電池1に対する充電停止条件が満たされたならば、次に充電停止後の前記二次電池1の開放端子電圧を検出し、その開放端子電圧OCVが予め設定されたエラー識別の電圧閾値を越えているか否か、つまり二次電池1が十分に充電されているか否かを判定する<ステップS16>。そして二次電池1の開放端子電圧OCVが十分に高い場合には、その充電が正常に終了したとして判断し、また前記開放端子電圧OCVが前記エラー識別の電圧閾値よりも低い場合には、二次電池1の異常に起因して該二次電池1が十分に充電されていないとして判断する。つまり二次電池1の充電が、異常のまま終了したと判断する。
The control means 5 controls the charging of the
かくして上述した如く構成されたパック電池によれば、二次電池1を構成する複数の電池セル1の中の1つの端子電圧(セル電圧)に達しても、この状態において直ぐに二次電池1に対する充電を停止させずに、その充電電流を制限して充電を継続するので、複数の電池セル2の特性にバラツキがあっても、これらの電池セル2をそれぞれ十分に充電することができる。特に二次電池1に対する充電停止条件が満たされるまで、電流制限した充電電流にて各電池セル2を緩やかに充電することができる。従って二次電池1を構成する複数の電池セル2間に、その特性の多少のバラツキがあっても、これらの電池セル2の特性を十分に活かした充電容量まで二次電池1を確実に、しかも容易に充電することができ。またその充電安全性も十分に確保することができる。
Thus, according to the battery pack configured as described above, even if one terminal voltage (cell voltage) among the plurality of
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。例えば二次電池1を構成する電池セル2の数や、その直列接続段数は前述したようにパック電池に要求される仕様に応じて定めれば良いものである。また図1に示す実施形態においては、二次電池1のプラス側のラインにスイッチ素子3,4,7を介挿したが、前記二次電池1のマイナス側のラインに介挿しても良いことは言うまでもない。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。
The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, the number of
1 二次電池
2 電池セル
3 過充電防止用スイッチ素子(FET)
4 過放電防止用スイッチ素子(FET)
5 制御手段(マイコンまたは保護IC)
5a 電圧検出手段
7 バイパス用スイッチ素子(FET)
1
4 Overdischarge prevention switch element (FET)
5 Control means (microcomputer or protection IC)
5a Voltage detection means 7 Bypass switch element (FET)
Claims (4)
この二次電池の充電路に介挿されて該充電路を遮断して前記二次電池の充電を禁止する充電禁止用スイッチ素子と、
前記二次電池の充電路に選択的に介挿されて該二次電池に対する充電電流を制限する電流制限抵抗と、
この電流制限抵抗に並列接続されて該電流制限抵抗をバイパスするバイパス用スイッチ素子と、
前記各電池セルの端子電圧をそれぞれ検出する電圧検出手段と、
この電圧検出手段にて検出された端子電圧に従って前記充電禁止用スイッチ素子および前記バイパス用スイッチ素子をそれぞれ駆動する充電制御部とを具備し、
前記充電制御部は、前記二次電池の充電時には前記充電禁止用スイッチ素子および前記バイパス用スイッチ素子をそれぞれ導通させると共に、前記バイパス用スイッチ素子が導通した状態において前記電池セルの中のいずれかの端子電圧が予め設定された過充電保護電圧に達したときには前記バイパス用スイッチ素子を遮断して前記二次電池の充電を継続させ、前記バイパス用スイッチ素子が遮断した状態において前記電池セルの中のいずれかの端子電圧が予め設定された過充電保護電圧に達したときには前記充電禁止用スイッチ素子を遮断して該二次電池の充電を禁止する
ことを特徴とするパック電池。 A secondary battery in which a plurality of battery cells are connected in series;
A charging prohibition switch element that is inserted into the charging path of the secondary battery to block the charging path and prohibit charging of the secondary battery;
A current limiting resistor that is selectively inserted in a charging path of the secondary battery to limit a charging current for the secondary battery;
A bypass switch element connected in parallel to the current limiting resistor and bypassing the current limiting resistor;
Voltage detecting means for detecting the terminal voltage of each battery cell, and
A charge control unit for driving the charge prohibition switch element and the bypass switch element according to the terminal voltage detected by the voltage detection means,
The charging control unit causes the charging prohibition switch element and the bypass switch element to conduct at the time of charging the secondary battery, and in any state of the battery cell in a state where the bypass switch element is conducted. When the terminal voltage reaches a preset overcharge protection voltage, the bypass switch element is shut off to continue charging the secondary battery, and the bypass switch element is shut off in the battery cell. A battery pack characterized in that when any one of the terminal voltages reaches a preset overcharge protection voltage, the charge prohibition switch element is cut off to prohibit charging of the secondary battery.
更に前記二次電池の充電電流を検出する電流検出手段を備え、
前記充電制御部は、前記電流検出手段にて検出される充電電流が予め設定した電流値よりも低下したとき、充電器に対して前記二次電池が満充電状態に達した旨の充電完了信号を出力する満充電検出手段を備えることを特徴とするパック電池。 The battery pack according to any one of claims 1 to 3,
Furthermore, it has a current detection means for detecting the charging current of the secondary battery,
When the charging control unit detects that the charging current detected by the current detecting unit is lower than a preset current value, a charging completion signal indicating that the secondary battery has reached a fully charged state with respect to a charger. A battery pack comprising: a full charge detection means for outputting
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