JP2013215095A

JP2013215095A - 電池装置

Info

Publication number: JP2013215095A
Application number: JP2013154476A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Saito; 浩美齊藤; Shin Suzuki; 伸鈴木
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2013-10-17
Also published as: JP2010200581A; JP5376641B2

Abstract

【課題】電力損失と発熱を抑制すると共に電位の低い電池ブロックへの大電流流入を瞬時に防止することが可能な逆流防止回路を備えた電池装置を提供する。
【解決手段】逆流防止回路は、電池ブロックの正極端子と二次電池群の正極出力端子との間に挿入された半導体スイッチ素子及び該半導体スイッチ素子に接続されたトランジスタを有する。半導体スイッチ素子の入力端子は抵抗器を介して電池ブロックの負極端子と接続される。トランジスタは、ベースが電池ブロックの正極端子と接続され、エミッタが正極出力端子と接続され、コレクタが半導体スイッチ素子の入力端子と接続され、半導体スイッチ素子に電流が流れてベース−エミッタ間の電位差が一定値以上になると導通し、半導体スイッチ素子をオフさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の二次電池が並列接続されて構成された電池装置において、電位の高い二次電池から電位の低い二次電池へ電流が逆流するのを防止する安全回路を備えた電池装置に関する。

二次電池を電源とする電池装置において、一般に、電池容量を増やす等の目的で、複数個の二次電池を直列接続した電池ブロックを複数個並列接続する構成が取られている。

このような構成では、ある電池ブロックにおいて異物混入などにより二次電池の内部短絡または外部短絡を生じて当該電池ブロックの電位が急激に下がった場合、またはある電池ブロックが放電状態であるのに対し他の電池ブロックが満充電状態だった場合、他の電池ブロックから電位の低い電池ブロックへ大電流が流れ込む。

この電流の大きさは、電池ブロックの内部インピーダンスにより制限されるのみであるので、電位の低い電池ブロックは、この時の突入電流により損傷が与えられる。

この問題を解決するために、一般の電池装置で用いられている逆流防止回路の構成例を図４に示す。図４に示すように複数の二次電池が直列接続されてなる電池ブロック２を複数個並列接続して構成された電池装置において、電池ブロック２の各正極端子と充電用の正極出力端子４１および放電用の正極出力端子４２との間の電流経路にダイオードを直列に挿入することにより、電位の低い電池ブロックへ大電流が流入することを防止している。

この場合、充放電時の充放電電流によりダイオード１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、３ａ及び３ｂにおいて、電力損失を生じる。即ち、ダイオード１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、３ａ及び３ｂを流れる電流をＩとし、これらのダイオードのスレッシュホールド電圧をＶｆとしたとき、各ダイオードにおいてＩ×Ｖｆの電力損失が発生する。

デジタルビデオカメラなどの小型な電子機器の電池装置においては、電力消費が小さいことから上記のダイオードの電力損失は使用に際して無視できるレベルであるが、大電流を必要とする電源システム、制御ロボット、駆動システムなどの機器装置において使用される電池装置では、電力消費が大きいことから、上記の電力損失が無視できない程大きくなるという問題がある。

即ち、電力損失により生じる発熱が周囲の環境へ影響を及ぼす可能性もあり、また、発熱が大きくなると使用部品を大型化して発熱を抑制する必要があるので、実用上、電力損失はできるだけ小さい方が望ましい。

上記の問題を解決するため、特許文献１に示される電池装置では、複数個の二次電池を直列接続した電池ブロックを複数個並列接続した電池装置において、前記電池ブロックの各々に接続した定電流制御回路を設けており、この定電流制御回路は電流制御用ＦＥＴと電流検出用の抵抗器を用いている。定電流制御回路において、抵抗器を流れる電流を検出し、この電流に応じてＦＥＴに供給する電圧を制御して、抵抗器に流れる電流を所定の一定値になるよう制御することを特徴としている。同時に、電位差のある電池ブロックが並列接続された場合、電位の高い電池ブロックから電位の低い電池ブロックへ突入電流が流れ込もうとするが、各電池ブロックにおいては、定電流制御回路により一定の電流値以上は流れないため、電位の低い電池ブロックが損傷を受けることがない。

特開２００６−３４５６６０号公報

しかしながら、特許文献１の電池装置では定電流制御回路の制御回路が必要となり、また電流検出用の抵抗器を充放電経路に接続するため、そこでの電力損失が発生してしまい、電池に蓄えたエネルギーを消費することで放電時間が短くなってしまう等の問題がある。

更に特許文献１の電池装置では、検出機能を持った素子の応答速度により判断に時間を要し、大電流による危険を瞬時に遮断することができないこと、また、逆に判断の高速化を進めるためには内部での電力損失が大きくなってしまうことが実用上の問題となる。

そこで上記の問題を解決するため、本発明の課題は、電力損失と発熱を抑制すると共に、電位の低い電池ブロックへの大電流流入を瞬時に防止することが可能な逆流防止回路を備えた電池装置を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の電池装置は、複数の二次電池が直列接続されてなる電池ブロックを複数個並列接続して構成された二次電池群と逆流防止回路とを備え、前記逆流防止回路は前記電池ブロックの正極端子と前記二次電池群の正極出力端子との間にそれぞれ挿入された複数の半導体スイッチ素子と該半導体スイッチ素子に接続された複数のトランジスタとを有し、
前記半導体スイッチ素子は、
入力端子が抵抗器を介して前記電池ブロックの負極端子と接続され、
前記トランジスタは、
ベースが前記電池ブロックの正極端子と接続され、エミッタが前記正極出力端子と接続され、コレクタが前記半導体スイッチ素子の前記入力端子と接続され、前記半導体スイッチ素子に電流が流れることで前記ベースと前記エミッタ間の電位差が一定の値以上になると導通し、前記半導体スイッチ素子を遮断状態にすることを特徴とする。

本発明によれば、上記のように半導体スイッチ素子とこの半導体スイッチ素子にそれぞれ接続されたトランジスタとを備え、トランジスタが導通することにより半導体スイッチ素子が遮断状態となるように構成された簡単な構成の逆流防止回路が得られ、電力損失と発熱を抑制すると共に、電位の低い電池ブロックへの大電流流入を瞬時に防止することが可能な逆流防止回路を備えた電池装置が得られる。

また、本発明により、電池のエネルギーの内部回路での消費を小さくすることが可能となる。

更に、本発明により、電池ブロックへの大電流流入をその初期の段階で高速に遮断することが可能となるため、半導体スイッチ素子などの遮断部分の温度上昇による破損を抑制し保護することが可能となり、遮断部分の信頼性及び電池装置全体の安全性を向上することが可能となる。

本発明による電池装置の第一の実施の形態の構成を示す回路図。本発明による電池装置の第二の実施の形態の構成を示す回路図。本発明による電池装置の第三の実施の形態の構成を示す回路図。従来の電池装置で用いられている逆流防止回路の構成例を示す図。

以下、本発明による電池装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明による電池装置の第一の実施の形態の構成を示す回路図である。図１において、複数の二次電池が直列接続されてなる電池ブロック２および３を２個並列接続して構成された二次電池群１５と逆流防止回路１と正極出力端子９とを備えている。逆流防止回路１は、電池ブロック２および３のそれぞれの正極端子２１および３１と正極出力端子９との間に挿入された半導体スイッチ素子である電流遮断スイッチＦＥＴ６ａおよび６ｂと、これらにそれぞれ接続されたバイポーラトランジスタ５ａおよび５ｂとを有し、これらのバイポーラトランジスタが導通することによりそこに接続された電流遮断スイッチＦＥＴ６ａまたは６ｂが遮断状態となるように構成されている。ここで電流遮断スイッチＦＥＴ６ａまたは６ｂはｐチャンネル型であり、バイポーラトランジスタ５ａおよび５ｂはｎｐｎ型トランジスタである。

ここでは、バイポーラトランジスタ５ａおよび５ｂのベースが電池ブロック２および３のそれぞれの正極端子２１および３１に接続され、電流遮断スイッチＦＥＴ６ａまたは６ｂの通過電流によりその両端に生ずる電圧降下が一定の値以上となったときバイポーラトランジスタ５ａまたは５ｂが導通し、これにより電流遮断スイッチＦＥＴ６ａまたは６ｂが遮断状態となるように構成されている。

さらに具体的には、逆流防止回路１において、電池ブロック２の正極端子２１に電流遮断スイッチＦＥＴ６ａのドレイン端子を接続し、この電流遮断スイッチＦＥＴ６ａのソース端子を正極出力端子９に接続する。また、電池ブロック３の正極端子３１に電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂのドレイン端子を接続し、この電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂのソース端子を正極出力端子９に接続する。

電流遮断スイッチＦＥＴ６ａを制御するバイポーラトランジスタ５ａのベース端子は電流遮断スイッチＦＥＴ６ａのドレイン端子に、エミッタ端子は正極出力端子９と接続された電流遮断スイッチＦＥＴ６ａのソース端子と接続され、コレクタ端子は電流遮断スイッチＦＥＴ６ａのゲート端子と接続されて、短絡保護用の電流制限抵抗器７を介して電池ブロック２の負極端子２２に接続した負極出力端子１０に接続する。電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂを制御するバイポーラトランジスタ５ｂのベース端子は電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂのドレイン端子に、エミッタ端子は正極出力端子９と接続された電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂのソース端子と接続され、コレクタ端子は電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂのゲート端子と接続されて、短絡保護用の電流制限抵抗器８を介して電池ブロック３の負極端子２２に接続した負極出力端子１０に接続する。

次に本実施の形態の電池装置の動作を説明する。電池ブロック２が短絡などで急激に電位が低下し、他方の電池ブロック３より大電流が流れ込んだ場合、電流遮断スイッチＦＥＴ６ａのドレイン−ソース間に内部インピーダンス分の電圧降下が発生し、バイポーラトランジスタ５ａのベース電位が下がることによりバイポーラトランジスタ５ａがＯＮし、電流遮断スイッチＦＥＴ６ａのゲート端子がハイレベルになることで電流遮断スイッチＦＥＴ６ａがＯＦＦし、電池ブロック３から電池ブロック２へ流れる大電流が遮断される。一方、電池ブロック３が短絡などで急激に電位が低下し、他方の電池ブロック２より大電流が流れ込んだ場合、電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂの内部インピーダンス分の電圧降下が発生し、バイポーラトランジスタ５ｂのベース電位が下がることによりバイポーラトランジスタ５ｂがＯＮし、電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂのゲート端子がハイレベルになることで電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂがＯＦＦし、電池ブロック２から電池ブロック３へ流れる大電流が遮断される。

なお、図１において、電流遮断スイッチＦＥＴ６ａ、６ｂのドレイン−ソース間には、ダイオードが並列に接続されているように描かれているが、このダイオードは、電流遮断スイッチＦＥＴ６ａ、６ｂのドレイン−ソース間に生成される寄生ダイオードであり、実際の部品ではなく、等価回路的にダイオードが生成されるものである。

図２は、本発明による電池装置の第二の実施の形態の構成を示す回路図である。図２において、第一の実施の形態と同様に、複数の二次電池が直列接続されてなる電池ブロック２および３を２個並列接続して構成された二次電池群１５と逆流防止回路１と正極出力端子９とを備えている。逆流防止回路１１は、電池ブロック２および３のそれぞれの正極端子２１および３１と正極出力端子９との間に挿入された電流遮断スイッチＦＥＴ６ａおよび６ｂと、これらにそれぞれ接続されたバイポーラトランジスタ５ａおよび５ｂとを有し、これらのバイポーラトランジスタが導通することによりそこに接続された電流遮断スイッチＦＥＴ６ａまたは６ｂが遮断状態となるように構成されている。

但し、本実施の形態においては、２個の入力端子および出力端子を有する比較器４を有し、比較器４は、出力端子がそれぞれバイポーラトランジスタ５ａおよび５ｂのベースに接続され、入力端子がそれぞれ電池ブロック２および３の正極端子２１および３１に接続されて正極端子２１および３１間の電圧を比較する。さらに比較器４は、その電位差が一定の値以上となったとき、低い電圧の電池ブロックに接続された電流遮断スイッチＦＥＴに接続されたバイポーラトランジスタが導通するように出力を行う。

さらに具体的には、逆流防止回路１１においては、電池ブロック２の正極端子２１に電流遮断スイッチＦＥＴ６ａのドレイン端子を接続し、この電流遮断スイッチＦＥＴ６ａのソース端子を正極出力端子９に接続する。また、電池ブロック３の正極端子に電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂのドレイン端子を接続し、この電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂのソース端子を正極出力端子９に接続する。

電池ブロック２の正極端子２１に比較器４の第１の入力端子を接続し、電池ブロック３の正極端子３１に比較器４の第２の入力端子を接続し、この比較器４の入力部で電流遮断スイッチＦＥＴ６ａまたは６ｂに流れ込む電流によって発生するドレイン−ソース間の電圧降下を検出している。比較器４の第１の出力端子は、電流遮断スイッチＦＥＴ６ａを制御するバイポーラトランジスタ５ａのベース端子に接続し、比較器４の第２の出力端子は、電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂを制御するバイポーラトランジスタ５ｂのベース端子に接続する。バイポーラトランジスタ５ａのエミッタ端子は正極出力端子９と接続された電流遮断スイッチＦＥＴ６ａのソース端子と接続され、コレクタ端子は電流遮断スイッチＦＥＴ６ａのゲート端子と接続されて、短絡保護用の電流制限抵抗器７を介して電池ブロック２の負極端子２２と接続した負極出力端子１０に接続する。また、バイポーラトランジスタ５ｂのエミッタ端子は正極出力端子９と接続された電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂのソース端子と接続され、コレクタ端子は電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂのゲート端子と接続され、短絡保護用の電流制限抵抗器８を介して電池ブロック３の負極端子２２と接続した負極出力端子１０に接続する。

ここで、電池ブロック２の電位が低下し、電位の高い電池ブロック３より大電流が流れ込んだ場合、その流れ込んだ電流によって発生する電池ブロック３と電池ブロック２の正極端子３１と２１間の電圧降下を比較器４の入力部で検出し、その電位差が所定値以上になると、比較器４の第１の出力端子がローレベルを出力し、バイポーラトランジスタ５ａのベース電位が下がるため、バイポーラトランジスタ５ａがＯＮし、電流遮断スイッチＦＥＴ６ａのゲート端子がハイレベルになるので電流遮断スイッチＦＥＴ６ａがＯＦＦし、電池ブロック３から電池ブロック２へ流れる大電流が遮断される。一方、電池ブロック３の電位が低下し、電位の高い電池ブロック２より大電流が流れ込んだ場合、その流れ込んだ電流によって発生する電池ブロック２と電池ブロック３の正極端子２１と３１間の電圧降下を比較器４の入力部で検出し、その電位差が所定値以上になると、比較器４の第２の出力端子がローレベルを出力し、バイポーラトランジスタ５ｂのベース電位が下がるため、バイポーラトランジスタ５ｂがＯＮし、電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂのゲート端子がハイレベルになるので電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂがＯＦＦし、電池ブロック２から電池ブロック３へ流れる大電流が遮断される。

図３は、本発明による電池装置の第三の実施の形態の構成を示す回路図である。図３において、第一の実施の形態と同様に、複数の二次電池が直列接続されてなる電池ブロック２および３を２個並列接続して構成された二次電池群１５と逆流防止回路１２と正極出力端子９とを備えている。逆流防止回路１２は、電池ブロック２および３のそれぞれの正極端子２１および３１と正極出力端子９との間に挿入された電流遮断スイッチＦＥＴ６ａおよび６ｂと、これらにそれぞれ接続されたバイポーラトランジスタ５ａおよび５ｂとを有し、これらのバイポーラトランジスタが導通することによりそこに接続された電流遮断スイッチＦＥＴ６ａまたは６ｂが遮断状態となるように構成されている。

また、本実施の形態においては、第一の実施の形態と同様に、バイポーラトランジスタ５ａおよび５ｂのベースが電池ブロック２および３のそれぞれの正極端子２１および３１に接続され、電流遮断スイッチＦＥＴ６ａまたは６ｂの通過電流によりその両端に生ずる電圧降下が一定の値以上となったときバイポーラトランジスタ５ａまたは５ｂが導通し、これにより電流遮断スイッチＦＥＴ６ａまたは６ｂが遮断状態となるように構成されている。

さらに、本実施の形態においては、第二の実施の形態と同様に、２個の入力端子および出力端子を有する比較器４を有し、比較器４は、出力端子がそれぞれバイポーラトランジスタ５ａおよび５ｂのベースに接続され、入力端子がそれぞれ電池ブロック２および３の正極端子２１および３１に接続されて正極端子２１および３１間の電圧を比較する。さらに比較器４は、その電位差が一定の値以上となったとき、低い電圧の電池ブロックに接続された電流遮断スイッチＦＥＴに接続されたバイポーラトランジスタが導通するように出力を行う。

さらに具体的には、比較器４の第１の出力により制御されるバイポーラトランジスタ５ａのベース端子と、バイポーラトランジスタ５ａに制御される電流遮断スイッチＦＥＴ６ａのドレイン端子を接続する。また、比較器４の第２の出力により制御されるバイポーラトランジスタ５ｂのベース端子と、バイポーラトランジスタ５ｂに制御される電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂのドレイン端子を接続する。

電池ブロック２が短絡などで急激に電位が低下し、他方の電池ブロック３より大電流が流れ込んだ場合、電流遮断スイッチＦＥＴ６ａの内部インピーダンス分の電圧降下が発生し、バイポーラトランジスタ５ａのベース電位が下がることによりバイポーラトランジスタ５ａがＯＮし、電流遮断スイッチＦＥＴ６ａのゲート端子がハイレベルになることで電流遮断スイッチＦＥＴ６ａがＯＦＦし、電池ブロック３から電池ブロック２へ流れる大電流が遮断される。一方、電池ブロック３が短絡などで急激に電位が低下し、他方の電池ブロック２より大電流が流れ込んだ場合、電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂの内部インピーダンス分の電圧降下が発生し、バイポーラトランジスタ５ｂのベース電位が下がることによりバイポーラトランジスタ５ｂがＯＮし、電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂのゲート端子がハイレベルになることで電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂがＯＦＦし、電池ブロック２から電池ブロック３へ流れる大電流が遮断される。

また、電池ブロック２の電位が低下し、電位の高い電池ブロック３より大電流が流れ込んだ場合、その流れ込んだ電流によって発生する電池ブロック３と電池ブロック２の正極端子２１と３１間の電圧降下を比較器４の入力部で検出し、その電位差が所定値以上になると、比較器４の第１の出力端子がローレベルを出力し、バイポーラトランジスタ５ａのベース電位が下がるため、バイポーラトランジスタ５ａがＯＮし、電流遮断スイッチＦＥＴ６ａのゲート端子がハイレベルになるのでＦＥＴがＯＦＦし、電池ブロック３から電池ブロック２へ流れる大電流が遮断される。一方、電池ブロック３の電位が低下し、電位の高い電池ブロック２より大電流が流れ込んだ場合、その流れ込んだ電流によって発生する電池ブロック２と電池ブロック３の正極端子２１と３１間の電圧降下を比較器４の入力部で検出し、前記電位差が所定値以上になると、比較器４の第２の出力側がローレベルを出力し、バイポーラトランジスタ５ｂのベース電位が下がるため、バイポーラトランジスタ５ｂがＯＮし、電流遮断スイッチＦＥＴ６ｂのゲート端子がハイレベルになるのでＦＥＴがＯＦＦし、電池ブロック２から電池ブロック３へ流れる大電流が遮断される。

以上のように、本実施の形態の電池装置では、２種類の電流検出手段によって逆流を防止する機能を備えることにより、より確実に高い電位の電池ブロックから低い電位の電池ブロックへ流れる大電流を遮断できるため、逆流による電池ブロックの損傷をより高い精度で排除することができる。

さらに、上記の実施の形態において、電流遮断スイッチＦＥＴとそれに接続されたバイポーラトランジスタとを近接して配置し、バイポーラトランジスタの温度特性を利用して、電流遮断スイッチＦＥＴが一定の温度以上になったときその発熱をその電流遮断スイッチＦＥＴに接続されたバイポーラトランジスタが感知して導通状態となり、その結果、高温となった電流遮断スイッチＦＥＴが遮断状態となるような温度に対する保護回路機能を持たせることも可能である。

尚、本発明は、上記の実施の形態に限られるものではなく、各種の変形が可能である。例えば、電流遮断スイッチＦＥＴ６ａ、６ｂの部分に用いる半導体スイッチ素子はＦＥＴに限られず、バイポーラトランジスタなどを用いて実現しても良い。更に、半導体スイッチ素子を制御するトランジスタとしてはバイポーラトランジスタに限られず、ＦＥＴを用いても良い。また、比較器は例えば演算増幅器などにより構成できる。

また、上述例では、電池ブロックを２個並列に接続した例につき述べたが、この並列に接続する電池ブロックの個数を必要に応じ３個以上としても良い。

更に、本発明の要旨を逸脱することなく、その他種々の構成が採り得ることは勿論である。

１、１１、１２逆流防止回路
１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｃダイオード
２、３電池ブロック
４比較器
５ａ、５ｂバイポーラトランジスタ
６ａ、６ｂ電流遮断スイッチＦＥＴ
７、８電流制限抵抗器
９、４１、４２正極出力端子
１０、４３負極出力端子
１５二次電池群
２１、３１正極端子
２２負極端子

Claims

複数の二次電池が直列接続されてなる電池ブロックを複数個並列接続して構成された二次電池群と逆流防止回路とを備え、前記逆流防止回路は前記電池ブロックの正極端子と前記二次電池群の正極出力端子との間にそれぞれ挿入された複数の半導体スイッチ素子と該半導体スイッチ素子に接続された複数のトランジスタとを有し、
前記半導体スイッチ素子は、
入力端子が抵抗器を介して前記電池ブロックの負極端子と接続され、
前記トランジスタは、
ベースが前記電池ブロックの正極端子と接続され、エミッタが前記正極出力端子と接続され、コレクタが前記半導体スイッチ素子の前記入力端子と接続され、前記半導体スイッチ素子に電流が流れることで前記ベースと前記エミッタ間の電位差が一定の値以上になると導通し、前記半導体スイッチ素子を遮断状態にすることを特徴とする電池装置。