JP2012009339A - 電池パック及び連結電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電池パックを連結した場合に、異常が発生した電池パックが出力を停止したときでも、電池セルの出力を制御するスイッチ回路等に対して、複数連結に起因する過大な電圧等がかかることを防止する。
【解決手段】電池セル２から外部への充放電経路に挿入されたスイッチ回路５と、過充放電、温度の異常等を検出する異常検出部８、９、１０を有し、スイッチ回路を制御する保護回路６とを備える。保護回路は、異常検出部に入力される信号に応じてスイッチ回路を通電状態または非通電状態に制御する。保護回路に接続され、電池パックの外部に信号を出力する信号出力回路１４と、異常検出部のいずれかに接続され、電池パックの外部からの信号が入力される信号入力回路１６とを備え、信号入力回路に外部から異常を示す信号が入力された場合、保護回路は、スイッチ回路を非通電状態に制御するとともに、信号出力回路から異常を示す信号を外部へ出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン電池などの二次電池が収納された電池パックに関し、特に、異常が検出されたときに二次電池からの出力を停止する機能を備えた電池パック、及びそのような電池パックを複数個接続した連結電池パックに関する。

電池パックは、例えばリチウムイオン電池などの二次電池が筺体内に収容された形態で提供され、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラなどの種々の携帯型電子機器の電源として広く適用されている。

一方、特許文献１には、携帯型電子機器の電源に比べて電圧の高い電池パックを提供する際の問題を解決する技術が開示されている。携帯型電子機器の場合は、それほど高い電源電圧を必要としないので、精々４個の二次電池の直列型までであった。このようなタイプの電池パックを、例えば電動補助自転車の電源に採用しようとすると、４直では電圧が低いので、例えば７直等の多直型が必要になる。

ところで、従来の電池パックは４直までを標準的なタイプとしていたために、電池パックに内蔵されている保護ＩＣは、４直までに対応できる小中電圧用であった。そのため、より電圧の高い電池パックの需要に対応するには、複数個の電池を複数のブロックに分割し、各ブロック毎に設けられた小中電圧用保護ＩＣを４直単位で連結して使用しなければならなくなる。

ところが、外部との通信を行い電池パックの管理、制御を行う制御用マイコンでは、複数の小中電圧用保護ＩＣからの信号を処理する場合、それぞれの保護ＩＣの電圧基準が違うため、演算や通信を行うのに支障が生じるという問題がある。特許文献１に開示された技術は、そのような複数の保護ＩＣ間の電圧基準の相違を解消するため、複数の保護ＩＣの検出信号の電圧基準を一律化するレベル変換回路を設けるものである。

特開２００３−１１１２９４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、保護ＩＣを内蔵した電池パックを複数個、多直列、多並列、あるいは多直並列にして使用する場合の、下記のような問題に対処できるものではない。

図３は、２個の電池パック、すなわち第１電池パック２０ａ及び第２電池パック２０ｂが直列で使用される状態を示す。第１及び第２電池パック２０ａ、２０ｂは同一構造であり、例えば第１電池パック２０ａは、複数の二次電池を含む電池セル２１ａを内蔵する。電池セル２１ａの両電極に対応する充放電端子２２ａ、２３ａを介して外部の負荷２４に対する電力の供給、あるいは外部からの電池セル２１ａに対する充電が行われる。

また、正極側の充放電経路にスイッチ回路２５が挿入され、保護回路２６によりスイッチ回路２５が開閉されることにより、電池セル２１ａからの外部に対する出力が制御される。保護回路２６は、過充電や過放電から二次電池を保護するために、電池パックには一般的に設けられている。

保護回路２６は、電池セル２１ａの充放電電圧を監視し、負極側の充放電経路に挿入された抵抗２７を介して電流を監視し、サーミスタ２８を介して電池パック内の温度を監視する等、異常の発生を検出して、その検出信号に応じてスイッチ回路２５の開閉を制御する機能を有する。スイッチ回路２５は、放電中に通常時はＯＮに制御され、異常が検出されたときはＯＦＦに制御される。

各々上述のような構成を有する電池パックを用い、第２電池パック２０ｂの正極側の充放電端子２２ｂに第１電池パック２０ａの負極側の充放電端子２３ａを接続することで、２個直列で使用される。第１電池パック２０ａの電池セル２１ａの電圧をＶ１とし、第２電池パック２０ｂの電池セル２１ｂの電圧をＶ２とする。説明を簡単にするために各スイッチ回路２５や他の回路での電圧降下を無視すると、負荷２４の正極に接続された第１電池パック２０ａの正極側の充放電端子２２ａと、負荷２４の負極に接続された第２電池パック２０ｂの負極側の充放電端子２３ｂの間の電圧はＶ１＋Ｖ２となり、負荷に供給可能な電圧を高くすることができる。

このように電池パックが連結されているとき、例えば、電位が高い側の第１電池パック２０ａ中で、過電流や過充電電圧や過放電電圧や温度などの異常が発生した場合、以下のような事態が発生する。先ず、第１電池パック２０ａのスイッチ回路２５がＯＦＦとなり、負荷２４への電力の供給は停止される。これにより、電位が低い側の第２電池パック２０ｂの負極の電位を０Ｖとすると、第１電池パック２０ａの正極側の充放電端子２２ａは同電位の０Ｖとなる。

このとき、第２電池パック２０ｂでは異常が検出されていない場合は、第２電池パック２０ｂのスイッチ回路２５はＯＮのままである。従って、第２電池パック２０ｂの正極側の充放電端子２２ｂの電位はＶ２、また、第１電池パック２０ａの負極側の充放電端子２３ａの電位もＶ２となる。第１電池パック２０ａの電池セル２１ａの電圧はＶ１の為、ＯＦＦとなった第１電池パック２０ａのスイッチ回路２５の両端にかかる電圧はＶ１＋Ｖ２となる。このため、スイッチ回路２５にかかる電圧が定格を超えないように、接続できる電池パックの個数が制限されてしまう。

また、このとき、電位が高い側の第１電池パック２０ａの保護回路２６の電源もしくは信号線が第１電池パック２０ａの正極に接続されている場合、−Ｖ２の電圧がかかることになり、逆電圧が発生し、保護回路２６が破壊される可能性がある。

従って本発明は、複数の電池パックを連結して使用する場合に、異常が発生した電池パックが出力を停止したときでも、電池セルの出力を制御するスイッチ回路等に対して、複数連結に起因する過大な電圧等がかかることを防止可能な電池パックを提供することを目的とする。

本発明の電池パックは、単数または複数の二次電池が接続された電池セルと、前記電池セルから外部端子に至る充放電経路に挿入されたスイッチ回路と、前記電池セルあるいはその周辺の状態の異常を検出する少なくとも一種の異常検出部を有し、前記異常検出部に入力される信号に応じて前記スイッチ回路を制御する保護回路とを備え、前記保護回路は、前記異常検出部に入力される信号が正常状態を示しているときは前記スイッチ回路を通電状態に制御し、異常状態を示しているときは前記スイッチ回路を非通電状態に制御する。

上記課題を解決するために、本発明の電池パックは、前記保護回路に接続され、前記電池パックの外部に信号を出力する信号出力回路と、前記異常検出部のいずれかに接続され、前記電池パックの外部からの信号が入力される信号入力回路とを備え、前記信号入力回路に前記電池パックの外部から、異常を示す信号が入力された場合、前記保護回路は、前記スイッチ回路を非通電状態に制御するとともに、前記信号出力回路から異常を示す信号を前記電池パックの外部へ出力することを特徴とする。

上記構成によれば、複数の電池パックを連結するときに、全ての電池パックの異常信号出力端子の出力と異常信号出力端子への入力をループ状に接続することができる。それにより、いずれかの電池パックで異常の発生によりスイッチ回路がＯＦＦに制御されたときに、他の全ての電池パックのスイッチ回路がＯＦＦに制御される。これにより、スイッチ回路にかかる電圧が、電池パックを単独で使用した場合よりも大きくなることは回避され、接続できる電池パックの個数の制限は不要となる。この結果、電池パックを多直列や、多並列、多直並列に使用する場合に、安全に、使用することができる。

本発明の実施の形態１における電池パックの構成を示すブロック図 同電池パックを２個直列に接続して使用する場合の接続状態を示すブロック図 電池パックを２個直列に接続して使用する場合の状態を示すブロック図

本発明の電池パックは、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

すなわち、前記保護回路は、前記信号入力回路を介して供給される信号が所定の基準電圧を下回るかもしくは上回る場合に、前記スイッチ回路を非通電状態に制御するとともに、前記信号出力回路から異常を示す信号を前記電池パックの外部へ出力する構成とすることができる。

また、前記異常検出部の一種として温度検出部を備え、前記保護回路は、前記信号入力回路を介して供給される前記異常を示す信号に基づき、前記温度検出部が温度異常を検出したものとして、前記スイッチ回路を非通電状態に制御するとともに、前記信号出力回路から異常を示す信号を前記電池パックの外部へ出力する構成とすることができる。

また、前記保護回路の外に配置され、検出信号の電圧が負の温度特性を有する温度センサを備え、前記温度検出部は、前記温度センサの検出信号が基準電圧を下回った場合に温度異常を検出した状態になるように設定することができる。

また、前記温度センサとして負特性サーミスタが用いられ、前記負特性サーミスタは一端が接地電位に接続され、他端には電圧分割用抵抗を介して所定の電圧が印加され、前記負特性サーミスタと前記電圧分割用抵抗の接続点に前記信号入力回路が接続された構成とすることができる。

また、上記いずれかの構成の電池パックを複数個含み、前記電池セルの各々が連結された放電電圧を出力するように前記電池パックの各々の充放電端子が接続されるとともに、前記電池パックの各々の前記信号出力回路は、端子を介して他の電池パックの信号入力回路と接続さ連結電池パックを構成することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における電池パック１の基本構成を示すブロック図である。電池パック１は、例えば、リチウムイオン電池等の二次電池を単数もしくは複数個直列に接続して構成された電池セル２を内蔵する。電池セル２の両電極に接続された充放電端子３、４を介して外部の負荷に対する電力の供給、あるいは外部からの電池セル２に対する充電が行われる。

また、正極側の充放電経路にスイッチ回路５が挿入され、保護回路６によりスイッチ回路５が開閉されて、電池セル２から外部に対する出力が制御される。保護回路６は、スイッチ回路制御部７、過充電・過放電電圧検出部８、過電流検出部９、及び温度検出部１０からなる。保護回路６としては、標準化された保護ＩＣを用いることができる。

過充電・過放電電圧検出部８は、電池セル２の充放電電圧を監視し、過放電あるいは過充電電圧を検出したときに、所定の制御信号を生成する。過電流検出部９は、負極側の充放電経路に挿入された電流検出用抵抗１１を介して、電池セル２に流れる電流を監視し、過電流を検出したときに、所定の制御信号を生成する。温度検出部１０は、電池パック１内の温度を監視し、温度異常を検出したときに、所定の制御信号を生成する。過充電・過放電電圧検出部８、過電流検出部９、及び温度検出部１０は、電池セル２あるいはその周辺の状態の異常を検出するための異常検出部の例であり、異常検出部はこれらに限られるものではない。

過充電・過放電電圧検出部８、過電流検出部９、及び温度検出部１０が生成する制御信号はスイッチ回路制御部７に供給され、スイッチ回路制御部７はその制御信号に基づいてスイッチ回路５の通電または非通電（遮断）を制御する。これにより、過充電あるいは過放電等の異常発生時に充放電経路を遮断して、電池セル２の保護、あるいは事故発生が防止される。

温度検出部１０には、温度センサとして、保護回路６の外に配置されたサーミスタ１２が接続される。サーミスタ１２により電池パック１内部の温度を監視し、温度検出信号として電圧値が温度検出部１０に供給される。温度検出部１０は、サーミスタ１２から得られる電圧値を設定された基準電圧と比較し、その結果、温度異常と判断したとき、スイッチ回路制御部７に制御信号が供給され、スイッチ回路５を非通電状態にして電池パック１の充放電が禁止される。

サーミスタ１２の温度に応じた抵抗値変化を検出するために、サーミスタ１２に直列に電圧分割用抵抗１３が接続され、サーミスタ１２と電圧分割用抵抗１３の間の電圧が温度検出部１０に入力される。温度検出部１０から印加される電圧は、電圧分割用抵抗１３とサーミスタ１２により抵抗分割され、サーミスタ１２と接地間の電圧が温度検出信号となる。この回路では、温度検出部１０は、温度検出信号の電圧が基準電圧を下回った場合に温度異常と検出するように設定されている。そのため、サーミスタ１２としては、抵抗値が負の温度特性を有するものが用いられる。

スイッチ回路制御部７からスイッチ回路５に出力される制御信号は、同時に異常信号出力回路１４にも供給される。異常信号出力回路１４は、この制御信号から異常信号を生成して異常信号出力端子１５から外部に出力する。一方、異常信号入力端子１６が設けられ、外部から異常信号を入力することができる。入力される異常信号は、スイッチ回路５を制御する信号を保護回路６が生成可能な機能を持った信号である。

異常信号入力端子１６は、サーミスタ１２と電圧分割用抵抗１３の間に接続されている。この構成では、異常信号出力回路１４は異常信号として接地電位の信号を生成するので、異常信号入力端子１６を介して入力される異常信号により、温度検出信号は接地電位になる。従って、温度検出信号が基準電圧より低いことになり、温度検出部１０により、温度異常であることが検出される。その結果、スイッチ回路制御部７によりスイッチ回路５が非導通状態に制御される。

以上のように、電池パック１の充放電中に、電池セル２の電圧や電池パック１の電流、温度などで異常が発生した場合に、保護回路６からスイッチ回路５をＯＦＦに制御するために出力される信号に基づき、他の電池パック１の保護回路６が異常を検出した状態に設定される異常信号が、異常信号出力端子１５から外部に出力されることになる。また、他の電池パック１から出力される異常信号が異常信号入力端子１６を介して、保護回路６に入力され、この異常信号に応じてスイッチ回路５がＯＦＦに制御される。

本実施の形態では、異常信号入力端子１６から入力される異常信号が、温度検出部１０に対して温度検出信号と同等な信号として入力される構成を有する。従って、保護回路６に新たに異常信号処理の入力端子を設けることなく、外部の異常信号を温度異常として保護回路６に認識させることで、保護機能を働かせるものである。これにより、電池パック１としては最小限の簡素な構成要素を追加し、保護回路６に標準仕様の保護ＩＣを使用することで、有用な新機能を得ることができる。

なお、スイッチ回路５としては、例えばＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチや、リレーなどの物理的スイッチなど、保護回路６から制御することができるどのようなものでも使用することができる。

また、異常信号出力回路１４に入力する信号は、スイッチ回路５を制御する信号を保護回路６が生成可能な機能を持った信号であれば、どのような特性あるいは形態であってもよい。但し、入力される異常信号は、異常信号出力回路１４が出力する異常信号と同一特性を持ったものであることが望ましい。

以上のような本実施形態の電池パックを複数個連結して使用する一例として、電池パックを２個直列に使用する場合について、図２を参照して説明する。図２は、図１に示した構成を有する２個の電池パック、すなわち、第１電池パック１ａ及び第２電池パック１ｂが直列に接続されて、負荷１７に対する放電が行なわれる状態を示す。

第１及び第２電池パック１ａ、１ｂの内部構成については、図１と同一の要素については同一の参照符号を付して説明の繰り返しを省略する。但し、説明の便宜上、充放電端子３ａ、４ａ、３ｂ、４ｂ、スイッチ回路５ａ、５ｂ、異常信号出力端子１５ａ、１５ｂ、及び異常信号入力端子１６ａ、１６ｂについては、第１及び第２電池パック１ａ、１ｂに対応させて区別した参照符号を付して説明する。

第２電池パック１ｂの正極側の充放電端子３ｂと第１電池パック１ａの負極側の充放電端子４ａが接続されて、負荷１７の正極に第１電池パック１ａの正極側の充放電端子３ａが、負荷１７の負極に第２電池パック１ｂの負極側の充放電端子４ｂが接続される。第１電池パック１ａの電池セル２の電圧をＶ１、第２電池パック１ｂの電池セル２の電圧をＶ２とすると、負荷１７の正極に接続された第１電池パック１ａの正極側の充放電端子３ａと、負荷１７の負極に接続された第２電池パック１ｂの負極側の充放電端子４ｂの間の電圧は、Ｖ１＋Ｖ２となる。

第１電池パック１ａの異常信号出力端子１５ａは、第２電池パック１ｂの異常信号出力端子１６ｂに接続される。一方、第２電池パック１ｂの異常信号出力端子１５ｂは、第１電池パック１ａの異常信号出力端子１６ａに接続される。

図２に示したように電池パックが連結されているときに、例えば、第１電池パック１ａにおいて、過電流や過充電電圧や過放電電圧や温度などの、異常が発生した場合、第１電池パック１ａのスイッチ回路５ａがＯＦＦとなり、負荷１７への電力の供給は停止される。このとき、スイッチ回路５ａをＯＦＦに制御する保護回路６からの出力信号に基づき、異常信号出力回路１４から異常信号が出力される。

異常信号出力回路１４からの異常信号は、異常信号出力端子１５ａ、及び第２電池パック１ｂの異常信号出力端子１６ｂを経由して、第２電池パック１ｂの保護回路６に入力される。これにより、第２電池パック１ｂでは異常が検出されていない場合であっても、第２電池パック１ｂのスイッチ回路５ｂはＯＦＦに制御される。

以上の結果、第２電池パック１ｂの負極の電位を０Ｖとすると、第１電池パック１ａの正極側の充放電端子３ａは同電位の０Ｖとなる。また、第２電池パック１ｂのスイッチ回路５ｂがＯＦＦとなるため、正極側の充放電端子３ｂは電池セル２と遮断され、第１電池パック１ａの負極側の充放電端子４ａの電位は０Ｖとなる。従って、ＯＦＦとなった第１電池パック１ａのスイッチ回路５ａの両端にかかる電圧はＶ１となる。従って、従来例について説明したような、スイッチ回路５ａにかかる電圧が、電池パックを単独で使用した場合よりも大きくなることは回避され、接続できる電池パックの個数が制限されることはない。

また、このとき、第１電池パック１ａの保護回路６の電源もしくは信号線が第１電池パック１ａの正極に接続されている場合であっても、第２電池パック１ｂのスイッチ回路５ｂがＯＦＦとなるため、逆電圧の発生により保護回路６が破壊される可能性は解消される。

本実施の形態の電池パックは、上述のような２個直列に限らず、より多数の電池パックを連結する場合にも、同様の効果を得ることができる。すなわち、すべての電池パックの異常信号出力端子の出力と、異常信号出力端子への入力をループでつなぐことで、いずれかの電池パックに異常が発生し、その異常が発生した電池パックが出力を停止したときに、その異常信号の出力を他の電池パックが温度の異常と受けることで、他の電池パックも出力を停止する。

すべての電池パックが出力を停止することで、電池を多直列に組み合わせて使用した場合に発生する、スイッチ回路や、保護回路への過電圧や、逆電圧が防止されて、安全に使用することができる。また、並列や、直並列で使用する場合も同様である。

本発明の電池パックによれば、複数の電池パックを連結して使用する場合に、異常発生時に、充放電制御用スイッチ回路等の要素に対して、複数連結に起因する過大な電圧等がかかることが防止され、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラなどの種々の携帯型電子機器や、電動補助自転車等の電源として有用である。

１ 電池パック
１ａ 第１電池パック
１ｂ 第２電池パック
２ 電池セル
３、３ａ、３ｂ、４、４ａ、４ｂ 充放電端子
５、５ａ、５ｂ スイッチ回路
６ 保護回路
７ スイッチ回路制御部
８ 過充電・過放電電圧検出部
９ 過電流検出部
１０ 温度検出部
１１ 電流検出用抵抗
１２ サーミスタ
１３ 電圧分割用抵抗
１４ 異常信号出力回路
１５、１５ａ、１５ｂ 異常信号出力端子
１６、１６ａ、１６ｂ 異常信号入力端子
１７ 負荷

Claims (6)

1. 単数または複数の二次電池が接続された電池セルと、
   前記電池セルから外部端子に至る充放電経路に挿入されたスイッチ回路と、
   前記電池セルあるいはその周辺の状態の異常を検出する少なくとも一種の異常検出部を有し、前記異常検出部に入力される信号に応じて前記スイッチ回路を制御する保護回路とを備え、
   前記保護回路は、前記異常検出部に入力される信号が正常状態を示しているときは前記スイッチ回路を通電状態に制御し、異常状態を示しているときは前記スイッチ回路を非通電状態に制御する電池パックにおいて、
   前記保護回路に接続され、前記電池パックの外部に信号を出力する信号出力回路と、
   前記異常検出部のいずれかに接続され、前記電池パックの外部からの信号が入力される信号入力回路とを備え、
   前記信号入力回路に前記電池パックの外部から、異常を示す信号が入力された場合、前記保護回路は、前記スイッチ回路を非通電状態に制御するとともに、前記信号出力回路から異常を示す信号を前記電池パックの外部へ出力することを特徴とする電池パック。
2. 前記保護回路は、前記信号入力回路を介して供給される信号が所定の基準電圧を下回るかもしくは上回る場合に、前記スイッチ回路を非通電状態に制御するとともに、前記信号出力回路から異常を示す信号を前記電池パックの外部へ出力することを特徴とする請求項１記載の電池パック。
3. 前記異常検出部の一種として温度検出部を備え、
   前記保護回路は、前記信号入力回路を介して供給される前記異常を示す信号に基づき、前記温度検出部が温度異常を検出したものとして、前記スイッチ回路を非通電状態に制御するとともに、前記信号出力回路から異常を示す信号を前記電池パックの外部へ出力することを特徴とする請求項１または２に記載の電池パック。
4. 前記保護回路の外に配置され、検出信号の電圧が負の温度特性を有する温度センサを備え、
   前記温度検出部は、前記温度センサの検出信号が基準電圧を下回った場合に温度異常を検出した状態になるように設定された請求項３に記載の電池パック。
5. 前記温度センサとして負特性サーミスタが用いられ、
   前記負特性サーミスタは一端が接地電位に接続され、他端には電圧分割用抵抗を介して所定の電圧が印加され、
   前記負特性サーミスタと前記電圧分割用抵抗の接続点に前記信号入力回路が接続された請求項４に記載の電池パック。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の電池パックを複数個含み、
   前記電池セルの各々が連結された放電電圧を出力するように前記電池パックの各々の充放電端子が接続されるとともに、
   前記電池パックの各々の前記信号出力回路は、端子を介して他の電池パックの信号入力回路と接続されることにより、全ての前記電池パックの間で、ループを形成するように接続されている連結電池パック。

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