JP2013219964A - Battery pack with charge/discharge control switch - Google Patents
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Abstract
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、二次電池の充放電制御のためのスイッチ回路が設けられた電池パックに関する。 The present invention relates to a battery pack in which a secondary battery such as a lithium ion battery is accommodated, and particularly to a battery pack provided with a switch circuit for charge / discharge control of the secondary battery.
電池パックは、正負極の外部端子間で通電可能な状態で提供されることにより、通常の充放電による使用が可能である。これに対して、過充電あるいは過放電等の異常状態から二次電池を保護するために、異常状態が発生したときには充放電を停止する制御が可能なように構成される。 The battery pack can be used by normal charging / discharging by being provided in a state where electricity can be passed between the positive and negative external terminals. On the other hand, in order to protect the secondary battery from an abnormal state such as overcharge or overdischarge, it is configured to be able to control charging / discharging when an abnormal state occurs.
すなわち、外部端子と二次電池との間にスイッチ回路を介在させて、過充電あるいは過放電を検出したときに、保護回路がスイッチ回路を遮断する制御を行うように構成される。対処すべき異常状態は過充電あるいは過放電だけでなく、電池パック内の異常な温度上昇等にも対応が必要である。そのため保護回路は、電池パック内の温度を監視し、温度異常を検出した場合にもスイッチ回路を遮断する制御を行う等、種々の異常に対処するための充放電制御も行われる。 In other words, a switch circuit is interposed between the external terminal and the secondary battery, and when the overcharge or overdischarge is detected, the protection circuit performs control to shut off the switch circuit. The abnormal condition to be dealt with is not only overcharge or overdischarge, but it is also necessary to cope with an abnormal temperature rise in the battery pack. For this reason, the protection circuit monitors the temperature in the battery pack and performs charge / discharge control for coping with various abnormalities, such as control for shutting off the switch circuit even when a temperature abnormality is detected.
特許文献1には、そのような、保護回路によりスイッチ回路を遮断する制御を行う構成を有する電池パックの例が開示されている。図3に、特許文献1に開示された電池パック20の回路図を示す。この電池パック20は、電池21の負極と充放電端子22との間に挿入されたスイッチング素子23を有する。スイッチング素子23は、互いに直列に接続された二つのFET23a、23bからなる。
Patent Document 1 discloses an example of a battery pack having such a configuration that performs control to shut off a switch circuit by a protection circuit. FIG. 3 shows a circuit diagram of the
スイッチング素子23の制御入力端子には、制御回路24が接続されている。制御回路24は、各FET23a、23bのゲートに接続された二つのアンド回路25a、25bを有する。電池21の+側とアンド回路25a、25bの一方の入力端子とは、検出スイッチ26を介して接続されている。アンド回路25a、25bの他方の入力端子には、過充電過放電防止回路27(保護回路に相当)が接続されている。
A
検出スイッチ26は、電池パック20を電気機器から取り外した状態では放電不能とするために設けられている。すなわち、放電が可能な状態の電池パックでは、インピーダンスが低い負荷に接続する場合、接続直前のギャップにおいて、空気の絶縁破壊によるスパークが発生することがある。特に、電池パックは複数の電池を直列に接続して出力電圧を高くしている場合が多いので、スパークが発生し易い。これは、人が電池パックを操作する場合には、操作する人が感電する惧れに繋がる。
The
そのため、この電池パック20では、電気機器28に装着されたとき、その電源端子29に対して充放電端子22が接続されるとともに、検出スイッチ26のプッシュ片26aが電気機器28に設けられた押圧部30により押し込まれる。それにより、検出スイッチ26は、電池パック20を電気機器28に装着したときにオン、電池パック20を電気機器29から取り外したときにオフとなる。検出スイッチ26がオンのときは、電池21の+側がアンド回路25a、25bの一方の入力端子に接続されて、“H”レベルの信号が入力された状態になる。これに対して、検出スイッチ26がオフのときは、アンド回路25a、25bの一方の入力端子は、“L”レベルとなる。これにより、電池パック20を電気機器28から外した状態での、スパークの発生が防止される。
Therefore, in the
過充電過放電防止回路27は、電池パック20の正常な状態においては、アンド回路25a、25bの入力端子にHレベルの信号を出力する。従って、電池パック20が電気機器28に装着され、過充電または過放電が検出されていなければ、アンド回路25a、25bはオンとなり、スイッチング素子23の両FET23a、23bがオンに制御されて、電池21から電気機器28に電力が供給される。
The overcharge /
一方、電池21に対する過充電または過放電を検出したときには、過充電過放電防止回路27はアンド回路25a、25bの入力端子にLレベルの信号を出力する。そのため、アンド回路25がオフとなり、スイッチング素子23はオフに制御される。これにより、電池21は過充電あるいは過放電から保護される。
On the other hand, when overcharge or overdischarge is detected for the
以上のように、過充電過放電防止回路27により電池21の過充電・過放電を防止するとともに、電気機器から外した状態での電池21からの放電を遮断するために、スイッチング素子23が用いられている。
As described above, the overcharge /
上述のとおり、電池パックには、二次電池の充放電を制御するスイッチング素子を設けることが望ましいが、その場合、スイッチング素子による電力の消費を十分に抑制することが望ましい。 As described above, it is desirable to provide the battery pack with a switching element that controls charging and discharging of the secondary battery. In that case, it is desirable to sufficiently suppress power consumption by the switching element.
スイッチング素子としては、リレーなどの物理的スイッチを用いるか、あるいは上記従来例のように、MOS−FETなどの半導体スイッチが用いられる。物理的スイッチは、機械的な接点の開閉によって導通が制御されるので、ON抵抗が小さく、大電流が流れた場合の接点部における消費電力は小さい。 As the switching element, a physical switch such as a relay is used, or a semiconductor switch such as a MOS-FET is used as in the conventional example. Since the physical switch is controlled in conduction by opening and closing the mechanical contact, the ON resistance is small, and the power consumption in the contact portion when a large current flows is small.
しかし、通常、物理的スイッチをON状態(接続)に維持するための制御用電力の消費は、常に数W(ワット)を必要とする。これに対して、スイッチング素子23としてMOS−FETなどの半導体スイッチを用いた場合、ON状態を維持するための制御用電力の消費は、数μW(マイクロワット)である。
However, normally, the consumption of control power for maintaining the physical switch in the ON state (connected) always requires several W (watts). On the other hand, when a semiconductor switch such as a MOS-FET is used as the
すなわち、半導体スイッチは物理的スイッチに比べて、非常に少ない電力でON状態を維持することができるので、長期間に亘って使用が無い場合でも電力の消費は少ない。これに対して、物理的スイッチの場合は、接点部に大きな電流が流れていない状態でも常に電力を消費するので、長期間に亘って使用が無い場合では、ON状態を継続することで無駄に電力を消費する。 In other words, the semiconductor switch can maintain the ON state with very little power compared to the physical switch, so that power consumption is low even when the switch is not used for a long period of time. On the other hand, in the case of a physical switch, power is always consumed even when a large current does not flow through the contact portion. Therefore, when the switch is not used for a long period of time, it is wasted by continuing the ON state. Consume power.
一方、半導体スイッチはON抵抗が大きいため、スイッチに大電流が流れた場合、発熱量も大きくなり、物理的スイッチと比べて、通電のために無駄な電力を消費する。 On the other hand, since a semiconductor switch has a large ON resistance, when a large current flows through the switch, the amount of heat generated is also large, and wasteful power is consumed for energization compared to a physical switch.
以上のとおり、充放電制御用のスイッチング素子として、物理的スイッチを用いた構成ではON状態での長期保存が難しく、半導体スイッチを用いた構成では大電流での通電に際しての電力損失が大きい。 As described above, the configuration using a physical switch as the switching element for charge / discharge control is difficult to store for a long time in the ON state, and the configuration using a semiconductor switch has a large power loss when energized with a large current.
従って、本発明は、二次電池を保護するための充放電制御用のスイッチ回路が、保存時または低負荷(低電流)時でも、高負荷(大電流)時のいずれの場合でも、消費電力を抑制可能に構成された電池パックを提供することを目的とする。 Therefore, according to the present invention, the charge / discharge control switch circuit for protecting the secondary battery consumes power regardless of whether it is stored, at low load (low current), or at high load (large current). It aims at providing the battery pack comprised so that suppression was possible.
本発明の充放電制御スイッチ回路付き電池パックは、単数または複数の二次電池が接続された電池セルと、前記電池セルと外部端子の間に直列に接続されたスイッチ回路と、前記二次電池の電圧を検出する電圧検出部及び前記電池セルと前記外部端子間を流れる電流を検出する電流検出部を有し前記電圧検出部及び前記電流検出部の検出信号に基づい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、前記検出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導通状態に制御し、前記検出信号が異常状態を示しているときは前記スイッチ回路を非導通状態に制御するように構成され、前記スイッチ回路は、前記二次電池と外部端子の間に直列に接続された、物理的スイッチ及び半導体スイッチの並列回路により構成されていることを特徴とする。 The battery pack with a charge / discharge control switch circuit according to the present invention includes a battery cell to which one or more secondary batteries are connected, a switch circuit connected in series between the battery cell and an external terminal, and the secondary battery. A voltage detection unit for detecting the voltage of the battery and a current detection unit for detecting a current flowing between the battery cell and the external terminal, and controlling the switch circuit based on detection signals of the voltage detection unit and the current detection unit. A protection circuit, wherein the protection circuit controls the switch circuit to a conductive state when the detection signal indicates a normal state, and disables the switch circuit when the detection signal indicates an abnormal state. The switch circuit is configured to be controlled in a conductive state, and the switch circuit is configured by a parallel circuit of a physical switch and a semiconductor switch connected in series between the secondary battery and an external terminal. And wherein the are.
本発明によれば、保存時または低負荷(低電流)時、及び高負荷(大電流)時のいずれかの状態に応じて、物理的スイッチ及び半導体スイッチの導通状態を選択することにより充放電を制御することが可能である。それにより、両スイッチの特性に適合させていずれの場合でも消費電力を抑制するように制御し、電池の電力を電池パック内で無駄に消費することなく、有効的に使用することができる。 According to the present invention, charging / discharging is performed by selecting a continuity state of a physical switch and a semiconductor switch according to a storage state, a low load (low current), or a high load (large current). Can be controlled. Thereby, it is controlled so as to suppress the power consumption in any case according to the characteristics of both switches, and the battery power can be effectively used without being wasted in the battery pack.
本発明の充放電制御スイッチ回路付き電池パックは、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。 The battery pack with a charge / discharge control switch circuit of the present invention can take the following aspects based on the above configuration.
すなわち、前記スイッチ回路は、前記半導体スイッチ及び前記物理的スイッチの開閉を制御するスイッチ開閉回路を備え、前記保護回路は、前記検出部が検出する電流値が基準値Ir未満の場合には、前記半導体スイッチをON状態とするとともに前記物理的スイッチをOFF状態とするように前記スイッチ開閉回路を制御し、前記電流値が前記基準値Ir以上の場合には、前記物理的スイッチをON状態とするように前記スイッチ開閉回路を制御するように構成することができる。 That is, the switch circuit includes a switch opening / closing circuit that controls the opening / closing of the semiconductor switch and the physical switch, and the protection circuit, when the current value detected by the detection unit is less than a reference value Ir, The switch open / close circuit is controlled so that the semiconductor switch is turned on and the physical switch is turned off. When the current value is equal to or greater than the reference value Ir, the physical switch is turned on. In this way, the switch open / close circuit can be controlled.
また、前記保護回路は、前記電流値が前記基準値Ir以上の場合に、前記物理的スイッチをON状態とするとともに前記半導体スイッチをOFF状態とするように前記スイッチ開閉回路を制御するように構成することができる。 The protection circuit is configured to control the switch open / close circuit to turn on the physical switch and turn off the semiconductor switch when the current value is equal to or greater than the reference value Ir. can do.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
<実施の形態>
図1は、本発明の一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を内蔵している。電池セル2の両電極端子は充放電端子T1、T2と接続され、充放電端子T1、T2を介して、外部の負荷への電力供給のための放電、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。
<Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of a battery pack 1 according to an embodiment of the present invention. The battery pack 1 incorporates, for example, a battery cell 2 configured by connecting one or more secondary batteries such as lithium ion batteries in series. Both electrode terminals of the battery cell 2 are connected to the charging / discharging terminals T1, T2, and discharging for supplying power to an external load or charging to the battery cell 2 from the outside is performed via the charging / discharging terminals T1, T2. Done.
また、一般的な構成と同様、正極側の充放電経路にスイッチ回路3が挿入され、保護回路4によりスイッチ回路3が開閉されて、電池セル2による充放電動作が制御される。保護回路4は、スイッチ回路制御部5、電圧検出部6、電流検出部7、及び温度検出部8を有する。保護回路4としては通常、保護ICとして標準化されたものが用いられる。但し、この保護回路4の構成は一例であり、スイッチ回路3を制御する保護回路が他の構成であっても、本発明を同様に適用可能である。
Similarly to the general configuration, the
電圧検出部6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場合に、所定の検出信号を生成する。電流検出部7は、負極側の充放電経路に挿入された抵抗Rを介して、電池セル2に流れる電流を監視し、過電流を検出した場合に、所定の検出信号を生成する。温度検出部8は、電池パック1内の温度を監視し、温度異常を検出した場合に、所定の検出信号を生成する。電圧検出部6、電流検出部7、及び温度検出部8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、これらの構成に限られるものではない。 The voltage detector 6 monitors the charge / discharge voltage of the battery cell 2 and generates a predetermined detection signal when overdischarge or overcharge voltage is detected. The current detector 7 monitors the current flowing through the battery cell 2 via the resistor R inserted in the charge / discharge path on the negative electrode side, and generates a predetermined detection signal when an overcurrent is detected. The temperature detection unit 8 monitors the temperature in the battery pack 1 and generates a predetermined detection signal when a temperature abnormality is detected. The voltage detection unit 6, the current detection unit 7, and the temperature detection unit 8 are examples of an abnormality detection unit for detecting an abnormality in the state of the battery cell 2 or its surroundings, and are not limited to these configurations.
電圧検出部6、電流検出部7、及び温度検出部8が生成する検出信号はスイッチ回路制御部5に供給され、スイッチ回路制御部5はその検出信号に基づいてスイッチ回路3の導通(ON状態)または非導通(OFF状態)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。
Detection signals generated by the voltage detection unit 6, the current detection unit 7, and the temperature detection unit 8 are supplied to the switch
温度検出部8には、温度センサとして通常、保護回路4の外に配置されたサーミスタ(図示せず)が接続される。サーミスタにより電池パック1内部の温度を監視し、温度検出情報として電圧値が温度検出部8に供給される。温度検出部8は、サーミスタ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5に検出信号が供給され、スイッチ回路3を非導通状態にして電池パック1の充放電が禁止される。
A thermistor (not shown) arranged outside the
以上のように、保護回路4は、各種の異常状態の発生を検出したときに、スイッチ回路制御部5によりスイッチ回路3を非導通状態に制御して充放電を停止し、電池セル2を保護するように構成されている。
As described above, when the
図2は、上述の電池パック1に含まれる充放電制御用のスイッチ回路3の構成を詳細に示す回路図である。但し、図2では説明を簡略化するために、ESD保護回路、対ノイズ回路、チャタリング防止回路などの、コンデンサ、ダイオード、抵抗等を省略した構成が示されている。このスイッチ回路3は、電池パックの非使用保存時、負荷に接続され正常状態で通電が行われる時、及び負荷に接続され異常状態に対処した制御が行われる時のいずれにおいても、スイッチ回路3が挿入されたことに起因する消費電力を抑制するように制御可能である。
FIG. 2 is a circuit diagram showing in detail the configuration of the
スイッチ回路3は、2種類のスイッチング素子、すなわち物理的スイッチ及び半導体スイッチとして、リレー10及びMOS−FET11を用いて構成されている。リレー10及びMOS−FET11は、二次電池2と外部端子T1の間に直列に接続されるとともに(図1参照)、互いに並列に接続されている。リレー10の制御端子にはリレー開閉回路12が接続され、MOS−FET11のゲートにはMOS−FET開閉回路13が接続されている。
The
リレー開閉回路12及びMOS−FET開閉回路13は、保護回路4からの制御により、それぞれ、リレー10及びMOS−FET11をON状態またはOFF状態に制御するように動作する。保護回路4による制御は、具体的には以下のように行われる。
The
電流検出部7が検出する電流値が基準値Ir未満の場合には、MOS−FET11をON状態とするとともにリレー10をOFF状態とするように、リレー開閉回路12及びMOS−FET開閉回路13を制御する。基準値Irは、MOS−FET11のON抵抗に起因する消費電力が実用上問題にならない程度の値に設定される。また、MOS−FET11をON状態に維持するための制御電力は非常に少ないので、この制御状態におけるMOS−FET11に起因する電力消費は少ない。従って、電池パックの保存時、または低負荷(低電流)時には、スイッチ回路3での消費電力を十分に低く抑制することができる。
When the current value detected by the current detector 7 is less than the reference value Ir, the
一方、電流値が基準値Ir以上の場合には、リレー10をON状態とするようにリレー開閉回路12を制御する。この場合、同時に、MOS−FET11をOFF状態とするようにMOS−FET開閉回路13を制御する構成としてもよい。リレー10をON状態とすることにより、ON抵抗が大きいMOS−FET11における電力消費を回避し、大電流が流れた場合であっても、MOS−FET11を単独で用いた場合に比べて、スイッチ回路3での消費電力を十分に低く抑制することができる。
On the other hand, when the current value is equal to or greater than the reference value Ir, the
また、リレー10がON状態に制御されているときに、電流値が変化して基準値Ir未満になった場合には、MOS−FET11をON状態とするとともにリレー10をOFF状態とするように制御が行われる。
Further, when the current value changes and becomes less than the reference value Ir while the
以上のとおり、本実施の形態によれば、半導体スイッチを介した通電によりON状態での長期保存を可能とし、また低電流での電力損失を抑制する。一方、物理的スイッチを介した通電により、大電流での使用に際しての電力損失を抑制することができる。 As described above, according to the present embodiment, long-term storage in the ON state is enabled by energization through the semiconductor switch, and power loss at a low current is suppressed. On the other hand, power loss during use at a large current can be suppressed by energization through a physical switch.
また、リレー10がOFF状態のときにMOS−FET11がON状態になっていることにより、リレー10をON状態に切り替える際のチャタリングを防止することができる。
Further, since the MOS-
さらに、MOS−FET11が、リレー10のプリチャージのために機能するので、プリチャージのための要素を別途設けることが不要になる。また、プリチャージのためにMOS−FET11を使用すると、プリチャージの際のMOS−FET11の駆動をPWMのようなフィードバック制御により行うことで、プリチャージ抵抗を設けることが不要となる。
Furthermore, since the MOS-
本発明の電池パックによれば、電池の電力を電池パック内で無駄に消費することなく、有効的に使用することができ、電動バイク等の電池パックとして有用である。 According to the battery pack of the present invention, the battery power can be effectively used without wasting it in the battery pack, and is useful as a battery pack for an electric motorcycle or the like.
1、20 電池パック
2 電池セル
3 スイッチ回路
4 保護回路
5 スイッチ回路制御部
6 電圧検出部
7 電流検出部
8 温度検出部
10 リレー
11 MOS−FET
12 リレー開閉回路
13 MOS−FET開閉回路
DESCRIPTION OF
12
Claims (3)
前記電池セルと外部端子の間に直列に接続されたスイッチ回路と、
前記二次電池の電圧を検出する電圧検出部、及び前記電池セルと前記外部端子間を流れる電流を検出する電流検出部を有し、前記電圧検出部及び前記電流検出部の検出信号に基づい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、前記検出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導通状態に制御し、前記検出信号が異常状態を示しているときは前記スイッチ回路を非導通状態に制御するように構成された電池パックにおいて、
前記スイッチ回路は、前記二次電池と外部端子の間に直列に接続された、物理的スイッチ及び半導体スイッチの並列回路により構成されていることを特徴とする充放電制御スイッチ回路付き電池パック。 A battery cell to which one or more secondary batteries are connected;
A switch circuit connected in series between the battery cell and an external terminal;
A voltage detection unit that detects a voltage of the secondary battery; and a current detection unit that detects a current flowing between the battery cell and the external terminal, and based on detection signals of the voltage detection unit and the current detection unit. A protection circuit for controlling the switch circuit,
The protection circuit controls the switch circuit to a conductive state when the detection signal indicates a normal state, and controls the switch circuit to a non-conductive state when the detection signal indicates an abnormal state. In the battery pack configured in
The battery pack with a charge / discharge control switch circuit, wherein the switch circuit includes a parallel circuit of a physical switch and a semiconductor switch connected in series between the secondary battery and an external terminal.
前記保護回路は、
前記検出部が検出する電流値が基準値Ir未満の場合には、前記半導体スイッチをON状態とするとともに前記物理的スイッチをOFF状態とするように前記スイッチ開閉回路を制御し、
前記電流値が前記基準値Ir以上の場合には、前記物理的スイッチをON状態とするように前記スイッチ開閉回路を制御するように構成された請求項1に記載の充放電制御スイッチ回路付き電池パック。 The switch circuit includes a switch opening / closing circuit that controls opening / closing of the semiconductor switch and the physical switch,
The protection circuit is
When the current value detected by the detection unit is less than the reference value Ir, the switch open / close circuit is controlled so that the semiconductor switch is turned on and the physical switch is turned off,
2. The battery with a charge / discharge control switch circuit according to claim 1, wherein when the current value is equal to or greater than the reference value Ir, the switch open / close circuit is controlled to turn on the physical switch. 3. pack.
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