JP2012034425A - 二次電池の充放電制御回路、電池パック、及び電池電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の温度変化に基づいて、想定される異常内容に応じた充放電制御を行うことができる二次電池の充放電制御回路、電池パック、電池電源システムを提供する。
【解決手段】二次電池４の温度ｔの基準時間ｔＬの間における変化量ｄＴＬに基づき第１変化率ｄＴＬ／ｔＬを算出する第１算出部５０１と、温度ｔの基準時間ｔＬより短い時間である基準時間ｔＳの間における変化量ｄＴＳに基づき第２変化率ｄＴＳ／ｔＳを算出する第２算出部５０２と、第１変化率ｄＴＬ／ｔＬ及び第２変化率ｄＴＳ／ｔＳに応じて、二次電池４の充放電を制御する充放電制御部５０５とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の充放電を制御する二次電池の充放電制御回路、及びこれを用いた、電池パックと電池電源システムとに関する。

二次電池には、種々の種類が存在し、代表的なものとして、非水系二次電池であるリチウムイオン二次電池、水溶液系二次電池であるニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム二次電池がある。これらの二次電池は、種類によって充電特性が異なるため、これらの電池の種類毎に、適した充電方法が用いられるようになっている。

非水系二次電池の代表的な充電方法として、ＣＣＣＶ（Constant Current Constant Voltage）充電がある。ＣＣＣＶ充電は、最初に定電流充電を行って、電池電圧が満充電電圧に達すると、定電圧充電に切り換える。非水系二次電池は、定電圧で充電すると、満充電に近づくに従って、流れる電流が減少する性質がある。そこで、非水系二次電池のＣＣＣＶ充電では、定電圧充電時に流れる電流が、ある基準電流値を下回ったときに、非水系二次電池が満充電になったと判断して充電を終了する。

一方、水溶液系二次電池の場合は、定電圧で充電すると、いわゆるレドックスシャトル反応によって、満充電付近でも電流が流れ続けるため、非水系二次電池のように、電池に流れる電流を充電の終了条件として用いることができない。

その一方、水溶液系二次電池は、充電電流を流し続けると、満充電付近で温度が急激に上昇する特性を有している。そこで、この特性を利用して、水溶液系二次電池を定電流で充電しながらその温度を監視し、温度が急激に上昇したときに満充電になったと判断して充電を終了する充電方法が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。

特開平７−１４２０９６号公報 特開平９−１５４２３９号公報

しかしながら、二次電池の温度が上昇するのは、充電中に満充電になった場合に限らない。例えば、二次電池の内部で短絡故障等の異常が生じた場合も温度の上昇が生じる。特に、非水系二次電池の場合には、充電中に満充電になっても急激な温度上昇が生じない。従って、非水系二次電池の温度が急激に上昇したときは、何らかの異常が生じている可能性が高い。

そして、二次電池に異常が生じたときは、二次電池の劣化を防止する観点や安全性の観点から、異常の内容に応じて二次電池の充放電を制御することが望ましい。

本発明の目的は、二次電池の温度変化に基づいて、想定される異常内容に応じた充放電制御を行うことができる二次電池の充放電制御回路、及びこれを用いた、電池パックと電池電源システムとを提供することである。

本発明に係る二次電池の充放電制御回路は、二次電池の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部により検出された温度の予め設定された第１基準時間の間における変化量を前記第１基準時間で除算した除算値を、第１変化率として算出する第１算出部と、前記温度検出部により検出された温度の前記第１基準時間より短い時間である第２基準時間の間における変化量を前記第２基準時間で除算した除算値を、第２変化率として算出する第２算出部と、前記第１変化率及び前記第２変化率に応じて、前記二次電池の充放電を制御する充放電制御部とを備える。

二次電池に異常が生じたときの温度の上昇の仕方は、異常の内容によって異なり、比較的長い時間温度上昇が継続する異常や、短時間で急激に温度が上昇する異常がある。そこで、この構成によれば、第２基準時間より長い第１基準時間における単位時間当たりの温度の変化量である第１変化率と、第１基準時間より短い第２基準時間における単位時間当たりの温度の変化量である第２変化率とが算出される。

そうすると、比較的長い時間温度上昇が継続する異常が発生した場合には、第１変化率が増大し、短時間で急激に温度が上昇する異常が発生した場合には、第２変化率が増大する。従って、充放電制御部が、第１変化率及び第２変化率に応じて二次電池の充放電を制御することで、二次電池の温度変化に基づいて、想定される異常内容に応じた充放電制御を行うことが可能となる。

また、前記充放電制御部は、前記第１変化率が、予め設定された第１基準値を超える第１条件が成立したとき、前記二次電池の充電を禁止する禁止処理を実行することが好ましい。

第１変化率が増大する異常として、二次電池の過充電が想定される。そこで、この構成によれば、第１変化率が増大して第１基準値を超えたとき、充放電制御部によって二次電池の放電は許容されたまま充電が禁止される。その結果、二次電池の過充電がこれ以上進むことを抑制しつつ、放電による過充電の解消が可能にされる。

また、前記充放電制御部は、前記第１基準時間の間に、前記二次電池に充電された電気量が当該二次電池から放電された電気量より多く、かつ当該第１基準時間の間における前記第１変化率が、予め設定された第１基準値を超える第１条件が成立したとき、前記二次電池の充電を禁止する禁止処理を実行することが好ましい。

もし仮に、第１基準時間の間に二次電池に充電された電気量が二次電池から放電された電気量より少なかった場合には、当該第１基準時間の間は全体として二次電池が放電傾向になっているのであるから、例え第１基準時間の間における第１変化率が増大して第１基準値を超えたとしても、過充電が原因で温度上昇が生じたわけではないと考えられる。

そこで、この構成によれば、第１基準時間の間に二次電池に充電された電気量が当該二次電池から放電された電気量より多く、すなわち当該第１基準時間の間は全体として二次電池が充電傾向になっており、かつ当該第１基準時間の間における前記第１変化率が第１基準値を超えたとき、充放電制御部によって二次電池の充電が禁止されるので、上述と同様、二次電池の過充電がこれ以上進むことを抑制しつつ放電による過充電の解消を可能にすると共に、過充電が生じていないのに誤って充電を禁止してしまうおそれが低減される。

また、前記第１算出部は、前記第１変化率を繰り返し算出し、前記充放電制御部は、予め設定された監視時間内において前記繰り返し算出された第１変化率の予め設定された第１基準値を超えた回数が、予め設定された基準回数を超える第１条件が成立したとき、前記二次電池の充電を禁止する禁止処理を実行することが好ましい。

二次電池の使われ方によっては、過充電されていなくても、一時的に第１変化率が第１基準値を超えてしまうおそれがある。そこで、この構成によれば、予め設定された監視時間内において、第１変化率が第１基準値を超えた回数が基準回数を超える複数回になったときに、充放電制御部が二次電池の充電を禁止する。これにより、上述と同様、二次電池の過充電がこれ以上進むことを抑制しつつ放電による過充電の解消を可能にすると共に、二次電池の使われ方による一時的な温度上昇によって、過充電が生じていないのに誤って充電を禁止してしまうおそれが低減される。

また、前記第１算出部は、前記第１変化率を繰り返し算出し、前記充放電制御部は、予め設定された監視時間内において、前記第１基準時間の間に前記二次電池に充電された電気量が当該二次電池から放電された電気量より多くかつ当該第１基準時間の間における前記第１変化率が予め設定された第１基準値を超えた回数が、予め設定された基準回数を超える第１条件が成立したとき、前記二次電池の充電を禁止する禁止処理を実行することが好ましい。

この構成によれば、上述と同様、二次電池の過充電がこれ以上進むことを抑制しつつ放電による過充電の解消を可能にすると共に、過充電が原因で温度上昇が生じたわけではない場合や、二次電池の使われ方による一時的な温度上昇が生じた場合に、過充電が生じていないのに誤って充電を禁止してしまうおそれが低減される。

また、前記充放電制御部は、前記第１条件が成立したとき、前記二次電池に過充電が生じたと判定することが好ましい。

この構成によれば、前記第１条件が成立したとき、充放電制御部によって、二次電池に過充電が生じたと判定されるので、異常内容を特定することが可能となる。

また、前記充放電制御部は、前記第２変化率が予め設定された第２基準値を超える第２条件が成立したとき、前記二次電池の充放電電流を減少させる方向に制御することが好ましい。

第２変化率が増大する異常として、二次電池の短絡故障が想定される。そこで、この構成によれば、第２変化率が増大して第２基準値を超えたとき、充放電制御部によって、二次電池の充放電電流が減少される方向に制御される。その結果、短絡故障を生じた二次電池をさらに損傷させたり安全性が低下したりするおそれが低減される。また、二次電池の用途によって、例えば二次電池が電気自動車のモータ駆動用電源として用いられている場合や、パーソナルコンピュータの電源として用いられている場合など、二次電池の異常が検出されても即座に放電を停止させてしまうと、不都合が生じる場合がある。そこで、第２変化率が第２基準値を超えた場合、充放電制御部が、二次電池の充放電電流を遮断に至らない程度に減少させる方向に制御することで、例えば電気自動車を路肩に寄せてから停止させたり、パーソナルコンピュータのデータを保存してからシャットダウンさせたりすることが容易となる。

また、前記温度検出部により検出された温度に応じて、前記二次電池に対して許容可能な最大の充放電電力を示す許容電力値を設定する許容電力値設定部をさらに備え、前記充放電制御部は、前記第２変化率が予め設定された第２基準値を超える第２条件が成立したとき、前記許容電力値設定部によって設定された許容電力値を減少させることによって、前記二次電池の充放電電流を減少させる方向に制御するようにしてもよい。

二次電池は、充放電可能な最大の充放電電力が温度によって変化する。そこで、この構成によれば、許容電力値設定部によって、二次電池の温度に応じて、当該二次電池に対して許容可能な最大の充放電電力を示す許容電力値が設定される。そして、第２変化率が増大して第２基準値を超えたとき、充放電制御部は、許容電力値設定部によって設定された許容電力値を減少させる。そうすると、二次電池の充放電電力がこの許容電力値以下の範囲になるように二次電池を用いることで、短絡故障が生じたと考えられるときに、二次電池の充放電電流を温度に応じた上限値からさらに減少させる方向に制御することになる結果、短絡故障を生じた二次電池をさらに損傷させたり安全性が低下したりするおそれが低減される。

また、前記充放電制御部は、前記第２変化率が、前記第２基準値より大きい第３基準値を超える第３条件が成立したとき、前記二次電池の充放電を禁止することが好ましい。

二次電池に重度の短絡故障が生じたときは、即座に充放電を停止させることが望ましい。そこで、この構成によれば、第２変化率が、第２基準値より大きい第３基準値を超えて重度の短絡故障が生じたと考えられるときは、二次電池の充放電が禁止されて、充放電電流がゼロにされる。これにより、重度の短絡故障を生じた二次電池の安全性が低下するおそれが低減される。

また、前記充放電制御部は、前記第２条件が成立したとき、前記二次電池に、所定の抵抗値を有して短絡する不完全な内部短絡が生じたと判定することが好ましい。

この構成によれば、第２条件が成立したとき、充放電制御部によって、所定の抵抗値を有して短絡する不完全な内部短絡、すなわち比較的程度が軽い内部短絡が生じたと判定されるので、異常内容を特定することが可能となる。

また、前記充放電制御部は、前記第３条件が成立したとき、前記二次電池に、所定の抵抗値に満たない完全な内部短絡が生じたと判定することが好ましい。

この構成によれば、第３条件が成立したとき、充放電制御部によって、所定の抵抗値に満たない完全な内部短絡、すなわち比較的程度が重い内部短絡が生じたと判定されるので、異常内容を特定することが可能となる。

また、前記第１基準値は、前記二次電池が過充電された場合に生じる単位時間当たりの温度上昇に基づき設定され、前記第１基準時間は、前記二次電池が過充電された場合に、単位時間当たりの温度上昇が前記第１基準値と実質的に等しい状態が維持される時間に基づき設定されていることが好ましい。

この構成によれば、第１条件に基づく過充電の発生の有無の判定精度が向上する。

また、前記第２基準値は、前記二次電池が所定の抵抗値を有して短絡する不完全な内部短絡が生じた場合に生じる単位時間当たりの温度上昇に基づき設定されていることが好ましい。

この構成によれば、第２条件に基づく不完全な内部短絡の発生の有無の判定精度が向上する。

また、前記二次電池は、リチウムイオン二次電池であることが好ましい。

リチウムイオン二次電池は、水溶液系二次電池のように充電中に満充電付近になったときに急激に温度が上昇することがない。そこで、この構成によれば、前記二次電池としてリチウムイオン二次電池を用いるので、満充電付近で生じる正常な温度上昇を、誤って異常と判断して充放電を制御するおそれが低減される。

また、本発明に係る電池パックは、上述の二次電池の充放電制御回路と、前記二次電池とを備える。

この構成によれば、電池パックにおいて、二次電池の温度変化に基づいて、想定される異常内容に応じた充放電制御を行うことが可能となる。

また、本発明に係る電池電源システムは、上述の二次電池の充放電制御回路と、前記二次電池と、前記二次電池による充放電電力を、前記許容電力値を超えないように制限する電力制御部とを備える。

この構成によれば、電力制御部によって、二次電池による充放電電力が、許容電力値設定部により設定された許容電力値を超えないように制限される。これにより、第２変化率が増大して第２基準値を超えたとき、充放電制御部が許容電力値を減少させることによって、間接的に二次電池の充放電電流を減少させる方向に制御することになる。

このような構成の二次電池の充放電制御回路、電池パック、及び電池電源システムは、二次電池の温度変化に基づいて、想定される異常内容に応じた充放電制御を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る充放電制御回路を備えた、電池パック及び電池電源システムの構成の一例を示すブロック図である。 図１に示すテーブル記憶部に記憶されるルックアップテーブルの一例を示す説明図である。 図１に示す充放電制御回路の動作の一例を示すフローチャートである。 図１に示す充放電制御回路の動作の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る二次電池の充放電制御回路５を備えた、電池パック２及び電池電源システム１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示す電池電源システム１は、電池パック２と、機器本体３とが組み合わされて構成されている。

電池電源システム１は、例えば、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、携帯電話機等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、等の電気機器として構成された、二次電池を電源として用いるシステムである。そして、機器本体３は、例えばこれら電気機器の本体部分であり、負荷回路３４は、これら電気機器において、電池パック２からの電力供給により動作する負荷回路である。

電池パック２は、二次電池４、充放電制御回路５、電流検出抵抗６、温度センサ７、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、及び接続端子１１，１２，１３を備えている。また、充放電制御回路５は、制御部５０、電圧検出部５１、電流検出部５２、温度検出部５３、及び通信部５４を備えている。

なお、電池電源システム１は、必ずしも電池パック２と機器本体３とに分離可能に構成されるものに限られず、電池電源システム１全体で一つの充放電制御回路５が構成されていてもよい。また、充放電制御回路５を、電池パック２と機器本体３とで分担して備えるようにしてもよい。また、二次電池４は、電池パックにされている必要はなく、例えば充放電制御回路５が、車載用のＥＣＵ（Electric Control Unit）として構成されていてもよい。

機器本体３は、接続端子３１，３２，３３、負荷回路３４、充電部３５、通信部３６、制御部３７、及び表示部３８を備えている。充電部３５は、給電用の接続端子３１，３２に接続され、通信部３６は、接続端子３３に接続されている。

また、電池パック２が、機器本体３に取り付けられると、電池パック２の接続端子１１，１２，１３と、機器本体３の接続端子３１，３２，３３とが、それぞれ接続されるようになっている。

通信部５４，３６は、接続端子１３，３３を介して互いにデータ送受信可能に構成された通信インターフェイス回路である。

充電部３５は、制御部３７からの制御信号に応じた電流、電圧を、接続端子３１，３２を介して電池パック２へ供給する電源回路である。充電部３５は、例えば商用電源電圧から電池パック２の充電電流を生成する電源回路であってもよく、例えば太陽光、風力、あるいは水力といった自然エネルギーに基づき発電する発電装置や、内燃機関等の動力によって発電する発電装置等であってもよい。

表示部３８は、例えば液晶表示器やＬＥＤ（Light Emitting Diode）が用いられる。なお、例えば機器本体３が、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ等の電子機器である場合、当該電子機器が備える液晶表示器等の表示装置を表示部３８として用いてもよい。

制御部３７は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成された制御回路である。そして、制御部３７は、例えば電池パック２における制御部５０から通信部５４によって送信された要求指示が、通信部３６によって受信されると、制御部３７は、通信部３６によって受信された要求指示に応じて充電部３５を制御することにより、電池パック２から送信された要求指示に応じた電流や電圧を、充電部３５から接続端子１１，１２へ出力させて、二次電池４を充電させる。

また、制御部３７は、制御部５０から、二次電池４に対して許容可能な最大の充電電力値である充電可能電力値と二次電池４に対して許容可能な最大の放電電力値である放電可能電力値とを、許容電力値として通信部３６を介して受信する。そして、制御部３７は、充電部３５から出力される充電電力が、充電可能電力値を超えないように、充電部３５の出力電圧及び電流を制限する。

また、制御部３７は、例えば負荷回路３４がパーソナルコンピュータにおけるマイクロコンピュータであった場合には、例えば当該マイクロコンピュータの動作周波数を低下させたり省電力モードに切り換えたりすることで、負荷回路３４の消費電力が放電可能電力量を超えないように、制御する。あるいは負荷回路３４が電気自動車における駆動モータであった場合には、制御部３７は、駆動モータの回転数を制限することによって、負荷回路３４の消費電力が放電可能電力量を超えないように、制御する。

また、制御部３７は、制御部５０から、二次電池４で生じた異常内容を示す情報を、通信部３６を介して受信すると、表示部３８によって、当該異常内容を表示させる。

電池パック２では、接続端子１１は、スイッチング素子Ｑ２とスイッチング素子Ｑ１とを介して二次電池４の正極に接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２としては、例えばｐチャネルのＦＥＴ（Field Effect Transistor）が用いられる。

スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、それぞれ寄生ダイオードを有している。そして、スイッチング素子Ｑ２の寄生ダイオードは、二次電池４の放電電流の流れる方向（二次電池４の正極から接続端子１１へ向かう方向）が、順方向になる向きに配置されている。これにより、スイッチング素子Ｑ２は、オフすると二次電池４の充電方向（接続端子１１から二次電池４の正極へ向かう方向）の電流のみを遮断するようになっている。

また、スイッチング素子Ｑ１の寄生ダイオードは、二次電池４の充電電流の流れる方向が、順方向になる向きに配置されている。これにより、スイッチング素子Ｑ１は、オフすると二次電池４の放電方向の電流のみを遮断するようになっている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、通常、オンされており、異常時にオフされて二次電池４を保護するようになっている。

また、接続端子１２は、電流検出抵抗６を介して二次電池４の負極に接続されており、接続端子１１からスイッチング素子Ｑ２、スイッチング素子Ｑ１、二次電池４、及び電流検出抵抗６を介して接続端子１２に至る電流経路が構成されている。

なお、接続端子１１，１２，１３，３１，３２，３３は、電池パック２と機器本体３とを電気的に接続するものであればよく、例えば電極やコネクタ、端子台等であってもよく、ランドやパッド等の配線パターンであってもよい。

電流検出抵抗６は、電流検出用の、いわゆるシャント抵抗であり、二次電池４の充電電流および放電電流を電圧値に変換する。なお、電流検出抵抗６の代わりに、例えば電流変成器やホール素子等の電流検出素子を用いてもよい。

温度センサ７は、例えばサーミスタや熱電対等の感熱素子を用いて構成されており、例えば二次電池４に密着させて、あるいは二次電池４の近傍に配設されている。そして、温度センサ７は、二次電池４の温度Ｔを示す電圧信号を、温度検出部５３へ出力する。

二次電池４は、例えば単電池であってもよく、例えば複数の二次電池が直列接続された組電池であってもよく、例えば複数の二次電池が並列接続された組電池であってもよく、直列と並列とが組み合わされて接続された組電池であってもよい。二次電池４としては、例えばリチウムイオン二次電池が用いられる。なお、二次電池４は、リチウムイオン二次電池に限られず、例えばニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム二次電池等、種々の二次電池を用いることができる。

しかしながら、ニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム二次電池等の水溶液系二次電池の場合には、異常が発生しなくても、充電中に満充電になると温度が急激に上昇し、異常による温度上昇か、正常に満充電になったことによる温度上昇かを判別することが難しい。従って、異常判定の精度を向上させる観点からは、水溶液系二次電池よりもリチウムイオン二次電池の方がより適している。

電圧検出部５１は、例えばアナログデジタルコンバータを用いて構成されており、二次電池４の端子電圧（端子間電圧）を検出し、その端子電圧値Ｖｂを示す信号を制御部５０へ出力する。

電流検出部５２は、例えばアナログデジタルコンバータを用いて構成されており、電流検出抵抗６の両端間の電圧Ｖｒを検出し、その電圧Ｖｒを示す信号を、二次電池４に流れる電流値Ｉｃを示す情報として制御部５０へ出力する。また、電流検出部５２は、電流値Ｉｃを示す情報（電圧Ｖｒ）について、例えば二次電池４を充電する方向をプラスの値で、二次電池４を放電する方向をマイナスの値で表すようになっている。

制御部５０では、この電圧Ｖｒを電流検出抵抗６の抵抗値Ｒで除算することにより、二次電池４に流れる電流値Ｉｃを取得する。電流値Ｉｃは、例えば二次電池４を充電する方向をプラスの値で、二次電池４を放電する方向をマイナスの値で表している。以下、電流検出部５２が電流値Ｉｃを検出するものとして記載する。

温度検出部５３は、例えばアナログデジタルコンバータを用いて構成されており、温度センサ７から出力された電圧信号をデジタル値に変換し、温度Ｔを示す信号として制御部５０へ出力する。

制御部５０は、例えば所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、例えばＲＯＭを用いて構成されたテーブル記憶部５０６と、タイマ回路と、これらの周辺回路等とを備えて構成されている。

そして、制御部５０は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、第１算出部５０１、第２算出部５０２、許容電力値設定部５０３、平均値算出部５０４、及び充放電制御部５０５として機能する。

テーブル記憶部５０６には、二次電池４の温度Ｔと、その温度Ｔにおける充電可能電力値Ｐｉｎと放電可能電力値Ｐｏｕｔとを対応付けるルックアップテーブルＬＵＴが、予め記憶されている。充電可能電力値Ｐｉｎと放電可能電力値Ｐｏｕｔとは、許容電力値の一例に相当している。

図２は、図１に示すテーブル記憶部５０６に記憶されるルックアップテーブルＬＵＴの一例を示す説明図である。図２に示すように、温度Ｔ１〜Ｔｎの各温度と、Ｐｉ１〜Ｐｉｎの充電可能電力値Ｐｉｎと、Ｐｏ１〜Ｐｏｎの放電可能電力値Ｐｏｕｔとが対応付けられて、ルックアップテーブルＬＵＴとしてテーブル記憶部５０６に記憶されている。

図２に示す充電可能電力値Ｐｉｎ及び放電可能電力値Ｐｏｕｔは、二次電池４を温度Ｔ１〜Ｔｎの各温度にしたときに、二次電池４の特性劣化を招くことなく安全に充放電できる充電電力、及び放電電力を、例えば実験的に求めて得られたものである。

第１算出部５０１は、温度検出部５３により検出された温度Ｔの予め設定された基準時間ｔＬ（第１基準時間）の間における変化量ｄＴＬを、基準時間ｔＬで除算することにより、第１変化率ｄＴＬ／ｔＬを算出する。

第２算出部５０２は、温度検出部５３により検出された温度Ｔの予め設定された基準時間ｔＳ（第２基準時間）の間における変化量ｄＴＳを、基準時間ｔＳで除算することにより、第２変化率ｄＴＳ／ｔＳを算出する。

許容電力値設定部５０３は、テーブル記憶部５０６に記憶されているルックアップテーブルＬＵＴによって、温度検出部５３により検出された温度Ｔと対応付けて記憶されている充電可能電力値Ｐｉｎ及び放電可能電力値Ｐｏｕｔを、二次電池４の充電可能電力値Ｐｉｎ及び放電可能電力値Ｐｏｕｔとしてそれぞれ設定する。

平均値算出部５０４は、電流検出部５２によって検出された電流値Ｉｃを、基準時間ｔＬの間、時間平均することで、その平均値Ｉａｖｅを算出する。そうすると、平均値Ｉａｖｅがプラスの値であれば基準時間ｔＬの間に二次電池４に充電された電気量が二次電池４から放電された電気量より多かったことを示すことになる。

充放電制御部５０５は、予め設定された監視時間ｔｍｓ内において、平均値Ｉａｖｅがプラスの値であり、かつ基準時間ｔＬの間に第１変化率ｄＴＬ／ｔＬが予め設定された第１基準値αを超えた回数が、予め設定された基準回数ｎ１、例えば３回を超えたとき、二次電池４に過充電が生じたと判定し、二次電池４の充電を禁止する。

また、充放電制御部５０５は、第２変化率ｄＴＳ／ｔＳが予め設定された第２基準値βを超えたとき、二次電池４に所定の抵抗値を有して短絡する不完全な内部短絡が生じたと判定する。そして、充放電制御部５０５は、許容電力値設定部５０３によって設定された充電可能電力値Ｐｉｎ及び放電可能電力値Ｐｏｕｔに例えば０．５を乗じて減少させた各値を許容電力値として、通信部５４，３６を介して制御部３７へ送信する。

そうすると、制御部３７によって、減少された許容電力値を超えないように、充電部３５の出力電力や負荷回路３４の消費電力が制限されるから、二次電池４の充放電電流が減少する方向に制御される。

また、充放電制御部５０５は、第２変化率ｄＴＳ／ｔＳが、第２基準値βより大きい第３基準値γを超えたとき、二次電池４に、所定の抵抗値に満たない完全な内部短絡が生じたと判定し、二次電池４の充放電を禁止する。

第１基準値αとしては、例えば、二次電池４が過充電された場合に生じる単位時間当たりの温度上昇を例えば実験的に求め、この温度上昇値から測定誤差やばらつきを考慮したマージンを減算した値が設定されている。

基準時間ｔＬとしては、例えば二次電池４が過充電された場合に、単位時間当たりの温度上昇が第１基準値αと実質的に等しい状態が維持される時間を実験的に求め、この時間から測定誤差やばらつきを考慮したマージンを減算した値が設定されている。基準時間ｔＬは、例えば１分〜２分程度の比較的長い時間である。

なお、「実質的に等しい」とは、二次電池４の特性ばらつきや時間、温度の計測精度誤差程度の差異があっても、等しいと見なすことを意味する。

第２基準値βとしては、二次電池４が所定の抵抗値を有して短絡する不完全な内部短絡が生じた場合に生じる単位時間当たりの温度上昇を実験的に求め、この温度上昇から測定誤差やばらつきを考慮したマージンを減算した値が設定されている。

所定の抵抗値を有して短絡する不完全な内部短絡とは、短絡部が抵抗値を有しているために、まだある程度の時間、二次電池４の使用を継続することが可能な、程度の軽い内部短絡を意味している。基準時間ｔＳは、例えば３０秒以下の比較的短い時間である。より具体的には、基準時間ｔＳとして、例えば１秒〜３０秒程度の時間を好適に用いることができる。

第３基準値γとしては、二次電池４の使用を即座に停止する必要のある完全な内部短絡が生じた場合に生じる単位時間当たりの温度上昇を実験的に求め、この温度上昇から測定誤差やばらつきを考慮したマージンを減算した値が設定されている。

次に、図１に示す充放電制御回路５の動作について説明する。図３、図４は、図１に示す充放電制御回路５の動作の一例を示すフローチャートである。まず、充放電制御部５０５は、図略のタイマ回路を用いて時間ｔｍの計時を開始すると共に、変数Ｎに０を代入する（ステップＳ１）。

次に、充放電制御回路５は、時間ｔｍと監視時間ｔｍｓとを比較し（ステップＳ２）、時間ｔｍが監視時間ｔｍｓに満たなければ（ステップＳ２でＹＥＳ）、温度検出部５３によって温度Ｔを検出させ、電流検出部５２によって電流値Ｉｃを検出させる（ステップＳ３）。

監視時間ｔｍｓとしては、二次電池４が過充電を継続されても許容できる程度の時間、例えば１０分程度の時間が設定されている。ステップＳ３における温度Ｔと電流値Ｉｃとの検出は、例えば１００ｍｓｅｃ周期で実行され、温度Ｔと電流値Ｉｃとが常時更新される。

次に、許容電力値設定部５０３によって、ルックアップテーブルＬＵＴが参照されて、ルックアップテーブルＬＵＴによって温度Ｔと対応付けて記憶されている充電可能電力値Ｐｉｎ及び放電可能電力値Ｐｏｕｔが取得されて設定される（ステップＳ４）。

次に、平均値算出部５０４によって、基準時間ｔＬの間における電流値Ｉｃの平均値が平均値Ｉａｖｅとして算出される（ステップＳ５）。平均値算出部５０４は、例えば、タイマ回路によって、任意のタイミングｔ１からの経過時間を計時させる。そして、タイミングｔ１から基準時間ｔＬが経過したタイミングｔ２までの間において、電流検出部５２により検出された電流値Ｉｃの平均値を、平均値Ｉａｖｅとして算出する。

次に、第１算出部５０１は、温度Ｔの基準時間ｔＬの間における変化量ｄＴＬを、基準時間ｔＬで除算することにより、第１変化率ｄＴＬ／ｔＬを算出する（ステップＳ６）。第１算出部５０１は、例えば、平均値算出部５０４によって平均値Ｉａｖｅが算出されたタイミングｔ１，ｔ２と同期して、タイミングｔ２における温度Ｔから、タイミングｔ１における温度Ｔを減算することにより、基準時間ｔＬの間における変化量ｄＴＬを算出する。

次に、第２算出部５０２は、温度Ｔの基準時間ｔＳの間における変化量ｄＴＳを、基準時間ｔＳで除算することにより、第２変化率ｄＴＳ／ｔＳを算出する（ステップＳ７）。第２算出部５０２は、例えば、タイマ回路によって基準時間ｔＳを計時させ、基準時間ｔＳの計時開始時における温度Ｔを、基準時間ｔＳが経過したときの温度Ｔから減算することによって、基準時間ｔＳの間における変化量ｄＴＳを算出する。

次に、充放電制御部５０５は、第１変化率ｄＴＬ／ｔＬと第１基準値αとを比較し（ステップＳ８）、第１変化率ｄＴＬ／ｔＬが第１基準値αより大きいとき（ステップＳ８でＹＥＳ）、ステップＳ９へ移行する。

ステップＳ９において、充放電制御部５０５は、平均値Ｉａｖｅを０と比較し（ステップＳ９）、平均値Ｉａｖｅが０を超えてプラスの値であれば（ステップＳ９でＹＥＳ）、基準時間ｔＬの間に二次電池４に充電された電気量が二次電池４から放電された電気量より多かったことになるから、充放電制御部５０５は、二次電池４が過充電になっている可能性があると判断し、変数Ｎに１を加算する（ステップＳ１０）。

そして、変数Ｎが基準回数ｎ１以下であれば（ステップＳ１１でＮＯ）、再びステップＳ２以降の処理を繰り返す。一方、変数Ｎが基準回数ｎ１を超えていれば（ステップＳ１１でＹＥＳ）、充放電制御部５０５は、例えば充電可能電力量を０Ｗとして制御部３７へ送信する（ステップＳ１２）。そうすると、制御部３７によって、充電部３５から出力される充電電力が０にされ、二次電池４の充電が禁止される。

なお、ステップＳ１２において、充放電制御部５０５は、制御部３７に対して充電の停止を要求する要求指示を送信してもよく、スイッチング素子Ｑ２をオフすることで、充電を禁止するようにしてもよい。

次に、充放電制御部５０５は、二次電池４の過充電を示す情報を、制御部３７へ送信する（ステップＳ１３）。そうすると、制御部３７によって、二次電池４の過充電が生じたことを示すメッセージが表示部３８に表示される。これによって、ユーザに異常内容を報知することが可能となる。

一方、ステップＳ８において、第１変化率ｄＴＬ／ｔＬが第１基準値α以下のときは（ステップＳ８でＮＯ）、過充電による温度上昇は生じていないと考えられるから、充放電制御部５０５は、内部短絡の有無を確認するべくステップＳ２１へ移行する。また、ステップＳ９において、平均値Ｉａｖｅが０以下であれば（ステップＳ９でＮＯ）、二次電池４は充電されていないのであるから過充電は生じないと考えられるので、充放電制御部５０５は、内部短絡の有無を確認するべくステップＳ２１へ移行する。

ステップＳ２１において、充放電制御部５０５によって、第２変化率ｄＴＳ／ｔＳが第２基準値βと比較される（ステップＳ２１）。そして、第２変化率ｄＴＳ／ｔＳが第２基準値βに満たなければ（ステップＳ２１でＹＥＳ）、二次電池４に異常は生じていないと考えられる。そこで、充放電制御部５０５は、許容電力値設定部５０３によって設定された充電可能電力値Ｐｉｎ、及び放電可能電力値Ｐｏｕｔを、許容電力値として制御部３７へ送信し（ステップＳ２２）、ステップＳ２以降の処理を繰り返す。

そうすると、制御部３７によって、充電部３５により出力される充電電力が充電可能電力値Ｐｉｎ以下の範囲で許容され、負荷回路３４の消費電力が放電可能電力値Ｐｏｕｔ以下の範囲で許容される。

一方、ステップＳ２１において、第２変化率ｄＴＳ／ｔＳが第２基準値β以上であれば（ステップＳ２１でＮＯ）、二次電池４に内部短絡が生じていると考えられる。そこで、充放電制御部５０５は、内部短絡の程度を判定するべくステップＳ２３へ移行する。

ステップＳ２３において、充放電制御部５０５によって、第２変化率ｄＴＳ／ｔＳが第３基準値γと比較される（ステップＳ２３）。そして、第２変化率ｄＴＳ／ｔＳが第３基準値γより小さければ（ステップＳ２３でＹＥＳ）、二次電池４で生じている内部短絡は不完全な内部短絡であると考えられる。そこで、充放電制御部５０５は、充電可能電力値Ｐｉｎに０．５を乗じた値と、放電可能電力値Ｐｏｕｔに０．５を乗じた値とを、それぞれ許容電力値である充電可能電力値、放電可能電力値として制御部３７へ送信し（ステップＳ２４）、さらに二次電池４で不完全な内部短絡が生じていることを示す情報を、制御部３７へ送信し（ステップＳ２５）、ステップＳ２以降の処理を繰り返す。

そうすると、制御部３７によって、二次電池４の充放電電力が許容電力値以下に制限される結果、正常時よりも二次電池４の充放電電力が減少されるので、二次電池４が内部短絡により損傷するおそれが低減される。そして、制御部３７によって、二次電池４の不完全な内部短絡が生じたことを示すメッセージが表示部３８に表示される。これによって、ユーザに異常内容を報知することが可能となる。

ここで、不完全な内部短絡が生じた場合に、もし仮に、直ちに二次電池４の充放電を禁止してしまうと、不都合が生じる場合がある。例えば二次電池４が電気自動車のモータ駆動用電力として用いられている場合、車両が急停止することとなって、安全上好ましくない。また、例えば二次電池４がパーソナルコンピュータの電源として用いられているときは、編集中のデータが消失してユーザに損害を与えるおそれがある。

そこで、二次電池４が内部短絡を生じた場合であっても、まだある程度の時間、二次電池４の使用を継続することが可能な、程度の軽い内部短絡である場合には、二次電池４の充放電電力を減少させた上で二次電池４の使用を継続することにより、表示部３８に表示されたメッセージを見たユーザが車両を路肩に寄せて停車させたり、パーソナルコンピュータのデータを保存してからシャットダウンさせたり、といった操作を行うことが可能となる。

次に、ステップＳ２３において、第２変化率ｄＴＳ／ｔＳが第３基準値γ以上であれば（ステップＳ２３でＮＯ）、二次電池４で生じている内部短絡は完全な内部短絡であると考えられる。そうすると、二次電池４の安全を確保するために、速やかに二次電池４の充放電を禁止する必要がある。そこで、充放電制御部５０５は、例えば充電可能電力量及び放電可能電力量を０Ｗとして制御部３７へ送信する（ステップＳ２６）。そうすると、制御部３７によって、充電部３５から出力される充電電力が０にされ、負荷回路３４の消費電力が０にされて、二次電池４の充放電が禁止される（ステップＳ２６）。

なお、ステップＳ２６において、充放電制御部５０５は、制御部３７に対して充放電の停止を要求する要求指示を送信してもよく、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフすることで、充放電を禁止するようにしてもよい。

次に、充放電制御部５０５は、二次電池４の完全な内部短絡を示す情報を、制御部３７へ送信する（ステップＳ２７）。そうすると、制御部３７によって、二次電池４の二次電池４の完全な内部短絡が生じたことを示すメッセージが表示部３８に表示される。これによって、ユーザに異常内容を報知することが可能となる。

そして、図略のタイマ回路によって計時されていた時間ｔｍが監視時間ｔｍｓ以上になると（ステップＳ２でＮＯ）、充放電制御部５０５によって、タイマ回路の時間ｔｍ、及び変数Ｎが、０に初期化され（ステップＳ１４）、再びステップＳ３以降の処理が繰り返される。

これにより、監視時間ｔｍｓの限られた時間内において、充電中に（ステップＳ９でＹＥＳ）、第１変化率ｄＴＬ／ｔＬが第１基準値αを超えて（ステップＳ８でＹＥＳ）急激に温度が上昇することが、基準回数ｎ１を超えて複数回発生したときのみ、過充電と判定されて、二次電池４の充電が禁止されるので、誤って二次電池４の充電が禁止されて使用できなくなってしまうおそれが低減される。

なお、充放電制御部５０５は、ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ１４，Ｓ１０，Ｓ１１を実行せず、ステップＳ８でＹＥＳ、ステップＳ９でＹＥＳとなったときは、速やかに充電を禁止（ステップＳ１２）するようにしてもよい。

また、平均値算出部５０４を備えず、ステップＳ９を実行しない構成としてもよい。また、許容電力値設定部５０３及びテーブル記憶部５０６を備えず、充電可能電力値Ｐｉｎ及び放電可能電力値Ｐｏｕｔが、温度Ｔに関わらず固定値として設定されていてもよい。また、ステップＳ２３、Ｓ２６を実行せず、ステップＳ２１でＮＯのとき、ステップＳ２４へ移行するようにしてもよい。また、ステップＳ１３，Ｓ２５，Ｓ２７のうち一部、又は全部を実行しない構成としてもよい。

本発明に係る二次電池の充放電制御回路、電池パック、及び電池電源システムは、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話機等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、ハイブリッドエレベータ、太陽電池や発電装置と二次電池とを組み合わされた電源システム、無停電源装置等の電池電源システムにおいて、好適に利用することができる。

１ 電池電源システム
２ 電池パック
３ 機器本体
４ 二次電池
５ 充放電制御回路
６ 電流検出抵抗
７ 温度センサ
１１，１２，１３，３１，３２，３３ 接続端子
３４ 負荷回路
３５ 充電部
３６，５４ 通信部
３７，５０ 制御部
３８ 表示部
５１ 電圧検出部
５２ 電流検出部
５３ 温度検出部
５０１ 第１算出部
５０２ 第２算出部
５０３ 許容電力値設定部
５０４ 平均値算出部
５０５ 充放電制御部
５０６ テーブル記憶部
Ｉａｖｅ 平均値
Ｉｃ 電流値
ＬＵＴ ルックアップテーブル
Ｐｉｎ 充電可能電力値
Ｐｏｕｔ 放電可能電力値
Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子
Ｖｂ 端子電圧値
ｄＴＬ，ｄＴＳ 変化量
ｄＴＬ／ｔＬ 第１変化率
ｄＴＳ／ｔＳ 第２変化率
ｎ１ 基準回数
ｔＬ，ｔＳ 基準時間
ｔｍ 時間
ｔｍｓ 監視時間
α 第１基準値
β 第２基準値
γ 第３基準値

Claims (16)

1. 二次電池の温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部により検出された温度の予め設定された第１基準時間の間における変化量を前記第１基準時間で除算した除算値を、第１変化率として算出する第１算出部と、
   前記温度検出部により検出された温度の前記第１基準時間より短い時間である第２基準時間の間における変化量を前記第２基準時間で除算した除算値を、第２変化率として算出する第２算出部と、
   前記第１変化率及び前記第２変化率に応じて、前記二次電池の充放電を制御する充放電制御部と
   を備えることを特徴とする二次電池の充放電制御回路。
2. 前記充放電制御部は、
   前記第１変化率が、予め設定された第１基準値を超える第１条件が成立したとき、前記二次電池の充電を禁止する禁止処理を実行すること
   を特徴とする請求項１記載の二次電池の充放電制御回路。
3. 前記充放電制御部は、
   前記第１基準時間の間に、前記二次電池に充電された電気量が当該二次電池から放電された電気量より多く、かつ当該第１基準時間の間における前記第１変化率が、予め設定された第１基準値を超える第１条件が成立したとき、前記二次電池の充電を禁止する禁止処理を実行すること
   を特徴とする請求項１記載の二次電池の充放電制御回路。
4. 前記第１算出部は、
   前記第１変化率を繰り返し算出し、
   前記充放電制御部は、
   予め設定された監視時間内において前記繰り返し算出された第１変化率の予め設定された第１基準値を超えた回数が、予め設定された基準回数を超える第１条件が成立したとき、前記二次電池の充電を禁止する禁止処理を実行すること
   を特徴とする請求項１記載の二次電池の充放電制御回路。
5. 前記第１算出部は、
   前記第１変化率を繰り返し算出し、
   前記充放電制御部は、
   予め設定された監視時間内において、前記第１基準時間の間に前記二次電池に充電された電気量が当該二次電池から放電された電気量より多くかつ当該第１基準時間の間における前記第１変化率が予め設定された第１基準値を超えた回数が、予め設定された基準回数を超える第１条件が成立したとき、前記二次電池の充電を禁止する禁止処理を実行すること
   を特徴とする請求項１記載の二次電池の充放電制御回路。
6. 前記充放電制御部は、
   前記第１条件が成立したとき、前記二次電池に過充電が生じたと判定すること
   を特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の二次電池の充放電制御回路。
7. 前記充放電制御部は、
   前記第２変化率が予め設定された第２基準値を超える第２条件が成立したとき、前記二次電池の充放電電流を減少させる方向に制御すること
   を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の二次電池の充放電制御回路。
8. 前記温度検出部により検出された温度に応じて、前記二次電池に対して許容可能な最大の充放電電力を示す許容電力値を設定する許容電力値設定部をさらに備え、
   前記充放電制御部は、
   前記第２変化率が予め設定された第２基準値を超える第２条件が成立したとき、前記許容電力値設定部によって設定された許容電力値を減少させることによって、前記二次電池の充放電電流を減少させる方向に制御すること
   を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の二次電池の充放電制御回路。
9. 前記充放電制御部は、
   前記第２変化率が、前記第２基準値より大きい第３基準値を超える第３条件が成立したとき、前記二次電池の充放電を禁止すること
   を特徴とする請求項７又は８記載の二次電池の充放電制御回路。
10. 前記充放電制御部は、
    前記第２条件が成立したとき、前記二次電池に、所定の抵抗値を有して短絡する不完全な内部短絡が生じたと判定すること
    を特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の二次電池の充放電制御回路。
11. 前記充放電制御部は、
    前記第３条件が成立したとき、前記二次電池に、所定の抵抗値に満たない完全な内部短絡が生じたと判定すること
    を特徴とする請求項９記載の二次電池の充放電制御回路。
12. 前記第１基準値は、
    前記二次電池が過充電された場合に生じる単位時間当たりの温度上昇に基づき設定され、
    前記第１基準時間は、
    前記二次電池が過充電された場合に、単位時間当たりの温度上昇が前記第１基準値と実質的に等しい状態が維持される時間に基づき設定されていること
    を特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の二次電池の充放電制御回路。
13. 前記第２基準値は、
    前記二次電池が所定の抵抗値を有して短絡する不完全な内部短絡が生じた場合に生じる単位時間当たりの温度上昇に基づき設定されていること
    を特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の二次電池の充放電制御回路。
14. 前記二次電池は、
    リチウムイオン二次電池であること
    を特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の二次電池の充放電制御回路。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の二次電池の充放電制御回路と、
    前記二次電池と
    を備えることを特徴とする電池パック。
16. 請求項８記載の二次電池の充放電制御回路と、
    前記二次電池と、
    前記二次電池による充放電電力を、前記許容電力値を超えないように制限する電力制御部と
    を備えることを特徴とする電池電源システム。

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