JP2015061404A - 二次電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】異常発生時に充電電流を遮断するスイッチ手段の短絡モード故障を簡便かつ低コストで検出することができる二次電池システムを提供する。
【解決手段】二次電池システム１００は、二次電池１１と、二次電池１１に一定電流を供給する定電流電源２１と、定電流電源２１の出力電圧Ｖｏを測定する電圧センサ２２と、二次電池１１と定電流電源２１の間に接続されるＦＥＴリレー１４と、定電流電源２１およびＦＥＴリレー１４を制御する制御回路２３とを備えている。制御回路２３は、定電流電源２１から二次電池１１に一定電流を供給すると共に充電用ＦＥＴ１２が非導通状態となるように制御した際に、電圧センサ２２によって測定される定電流電源２１の出力電圧Ｖｏが所定の閾値Ｖｔを超えない場合に、充電用ＦＥＴ１２が短絡モード故障していると判定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、二次電池システムに係り、特に異常発生時に電流を遮断する保護機能を備えた二次電池システムに関する。

近年、リチウムイオン電池等による二次電池システムが普及している。一般的な二次電池システムは、二次電池を内部に格納する電池パックと二次電池に充電電流を供給する充電器とから構成されており、異常発生時に電流を遮断するための保護機能を備えているものも多い。

特許文献１には、保護機能としてＦＥＴリレーを備えた二次電池システムが記載されている。ＦＥＴリレーは充電用ＦＥＴと放電用ＦＥＴから構成され、充電用ＦＥＴは充電電流を遮断するスイッチ手段として機能し、放電用ＦＥＴは放電電流を遮断するスイッチ手段として機能する。通常の充電時には充電用ＦＥＴが導通状態であると共に放電用ＦＥＴが非導通状態であるが、充電時に何らかの異常が発生した場合には、充電用ＦＥＴが非導通状態となり、二次電池に供給される充電電流が遮断される。

特開２０１２−１００４３８号公報

上記ＦＥＴリレーを構成するＦＥＴは、故障時に常に導通状態（短絡状態）となって非導通状態に切り替えられなくなる場合があり、これは「短絡モード故障」と呼ばれる。特に充電用ＦＥＴが短絡モード故障すると、異常発生時に充電電流を遮断することができないため、二次電池が過充電状態となって破損してしまうおそれがある。

特許文献１には、充電器から所定の充電電圧を印加した状態において充電用ＦＥＴを非導通状態にしてそのドレイン−ソース間電圧を測定し、測定された電圧と充電電圧との比較に基づいて充電用ＦＥＴの短絡モード故障を検出する事項が記載されている。しかしながら、特許文献１に記載の方法では、充電用ＦＥＴのドレイン−ソース間電圧を測定するために既存のＦＥＴリレーに配線を追加する必要があり、構成が複雑化すると共にコストが増大してしまう。

この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、異常発生時に充電電流を遮断するスイッチ手段の短絡モード故障を簡便かつ低コストで検出することができる二次電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る二次電池システムは、二次電池と、二次電池に一定電流を供給する定電流電源と、定電流電源の出力電圧を測定する電圧測定手段と、二次電池と定電流電源の間に接続されるスイッチ手段と、定電流電源およびスイッチ手段を制御する制御手段とを備え、制御手段は、定電流電源から二次電池に一定電流を供給すると共にスイッチ手段が非導通状態となるように制御した際に、電圧測定手段によって測定される定電流電源の出力電圧が所定の閾値を超えない場合に、スイッチ手段が短絡モード故障していると判定する。

好適には、所定の閾値は、二次電池の満充電状態における閉回路電圧よりも高くかつ定電流電源の所定の過電圧保護電圧よりも低い値に設定される。

二次電池およびスイッチ手段を含む電池パックと、定電流電源および制御手段を含む充電器とをさらに備え、電圧測定手段は充電器に含まれてもよい。

二次電池およびスイッチ手段を含む電池パックと、定電流電源および制御手段を含む充電器とをさらに備え、電圧測定手段は電池パックに含まれてもよい。

この発明に係る二次電池システムによれば、異常発生時に充電電流を遮断するスイッチ手段の短絡モード故障を簡便かつ低コストで検出することができる

この発明の実施の形態に係る二次電池システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態に係る二次電池システムにおける充電用ＦＥＴの短絡モード故障の検出方法を示す図である。 この発明の実施の形態に係る二次電池システムの変形例の構成を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態．
この発明の実施の形態に係る二次電池システム１００の構成を図１に示す。二次電池システム１００は、電池パック１０とその入力端子Ａ−Ａ’に接続される充電器２０とから構成されており、電池パック１０の出力端子Ｂ−Ｂ’には任意の負荷３０が接続される。

電池パック１０は、リチウムイオン電池等の二次電池１１と、二次電池１１に直列に接続されて２つのＮチャネル型ＦＥＴ１２，１３から構成されるＦＥＴリレー１４と、二次電池１１の端子電圧（閉回路電圧）を測定する電圧センサ１５と、二次電池１１の充放電電流を測定する電流センサ１６と、電圧センサ１５および電流センサ１６の各測定値を監視してＦＥＴ１２，１３のスイッチング動作を制御する監視回路１７とを備えている。後述するように、ＦＥＴ１２は二次電池１１の充電電流を遮断するスイッチ手段として機能し、ＦＥＴ１３は二次電池１１の放電電流を遮断するスイッチ手段として機能する。これ以降、ＦＥＴ１２を「充電用ＦＥＴ」、ＦＥＴ１３を「放電用ＦＥＴ」と呼ぶ。

充電器２０は、商用電源４０から供給される交流電力を直流電力に変換して一定の直流電流を出力する定電流電源２１と、定電流電源２１の出力電圧Ｖｏを測定する電圧センサ２２と、電圧センサ２２の測定値を受信すると共に定電流電源２１の動作を制御する制御回路２３とを備えている。また、制御回路２３は、制御信号線５０を介して電池パック１０の監視回路１７に向けて制御信号を送信することによって、充電用ＦＥＴ１２と放電用ＦＥＴ１３のスイッチング動作を間接的に制御することもできる。

充電器２０から電池パック１０への充電を行う際には、充電器２０の出力端子Ｘ−Ｘ’が電池パック１０の入力端子Ａ−Ａ’に接続され、また充電器２０の制御回路２３と電池パック１０の監視回路１７とが制御信号線５０によって接続される。充電器２０の制御回路２３は、定電流電源２１から一定の直流電流を出力させ、電池パック１０の監視回路１７は、充電用ＦＥＴ１２のゲート信号をオンにして充電用ＦＥＴ１２のドレイン−ソース間を導通状態にすると共に、放電用ＦＥＴ１３のゲート信号をオフにして放電用ＦＥＴ１３のドレイン−ソース間を非導通状態にする。その結果、定電流電源２１から二次電池１１、電流センサ１６、充電用ＦＥＴ１２のドレイン−ソース間、放電用ＦＥＴ１３の寄生ダイオードを通って定電流電源２１に戻る閉回路が形成され、定電流電源２１から供給される一定電流によって二次電池１１への充電が行われる。

電池パック１０の監視回路１７は、電圧センサ１５によって測定される二次電池１１の閉回路電圧と電流センサ１６によって測定される二次電池１１の充電電流を取得し、これら閉回路電圧と充電電流が所定の安全範囲内にあるか否かを監視する。そして、監視回路１７は、充電中に何らかの異常が発生して二次電池１１の閉回路電圧や充電電流が所定の安全範囲から外れた場合には、充電用ＦＥＴ１２のゲート信号をオフにして充電用ＦＥＴ１２を非導通状態にする。これにより、定電流電源２１と２次電池１１とを接続していた上記閉回路が遮断され、電池パック１０への充電が中止される。

一方、電池パック１０から負荷３０への放電を行う際には、負荷３０が電池パック１０の出力端子Ｂ−Ｂ’に接続され、電池パック１０の監視回路１７は、充電用ＦＥＴ１２のゲート信号をオフにして充電用ＦＥＴ１２を非導通状態にすると共に、放電用ＦＥＴ１３のゲート信号をオンにして放電用ＦＥＴ１３を導通状態にする。その結果、二次電池１１から負荷３０、放電用ＦＥＴ１３のドレイン−ソース間、充電用ＦＥＴ１２の寄生ダイオードを通って二次電池１１に戻る閉回路が形成され、二次電池１１から負荷３０への放電が行われる。

電池パック１０の監視回路１７は、電圧センサ１５によって測定される二次電池１１の閉回路電圧と電流センサ１６によって測定される二次電池１１の放電電流を取得し、これら閉回路電圧と放電電流が所定の安全範囲内にあるか否かを監視する。そして、監視回路１７は、放電中に何らかの異常が発生して二次電池１１の閉回路電圧や放電電流が所定の安全範囲から外れた場合には、放電用ＦＥＴ１３のゲート信号をオフにして放電用ＦＥＴ１３を非導通状態にする。これにより、２次電池１１と負荷３０とを接続していた上記閉回路が遮断され、負荷３０への放電が中止される。

次に、この実施の形態に係る二次電池システム１００における充電用ＦＥＴ１２の短絡モード故障の検出方法について説明する。充電用ＦＥＴ１２の短絡モード故障を検出する際には、充電器２０の制御回路２３は、通常の充電時と同様に定電流電源２１から一定の直流電流を出力させると共に、電池パック１０の監視回路１７に向けて制御信号を送信し、充電用ＦＥＴ１２を導通状態にすると共に放電用ＦＥＴ１３を非導通状態にする。

その結果、定電流電源２１から二次電池１１、電流センサ１６、充電用ＦＥＴ１２のドレイン−ソース間、放電用ＦＥＴ１３の寄生ダイオードを通って定電流電源２１に戻る閉回路が形成され、定電流電源２１から供給される一定電流によって二次電池１１への充電が行われる。この際、図２に示されるように、電圧センサ２２によって測定される定電流電源２１の出力電圧Ｖｏは、電圧センサ１５によって測定される二次電池１１の閉回路電圧とほぼ等しくなる。そして、図２の時刻ｔ＜ｔ’の区間に示されるように、定電流電源２１の出力電圧Ｖｏは、二次電池１１の充電量が増加してその端子電圧が上昇するのに伴って穏やかに上昇する。

次に、時刻ｔ＝ｔ’において、充電器２０の制御回路２３は、定電流電源２１が一定電流を出力している状態で監視回路１７に対して制御信号を送信し、充電用ＦＥＴ１２が非導通状態となるように制御する。この際、充電用ＦＥＴ１２が正常に機能して非導通状態となる場合には、定電流電源２１から二次電池１１、電流センサ１６、充電用ＦＥＴ１２、放電用ＦＥＴ１３を通って定電流電源２１に戻る上記閉回路が遮断されるため、定電流電源２１は一定電流を出力し続けることができなくなり、それに抗して電流を出力しようとして出力電圧Ｖｏが上昇する。

詳細には、図２の時刻ｔ≧ｔ’の区間に実線で示されるように、定電流電源２１の出力電圧Ｖｏは、時刻ｔ＝ｔ’において急激に上昇して所定の過電圧保護電圧Ｖｐで飽和する。制御回路２３は、電圧センサ２２によって測定される定電流電源２１の出力電圧Ｖｏが所定の閾値Ｖｔを超える場合には、充電用ＦＥＴ１２が正常に機能しており短絡モード故障していないと判定する。ここで、所定の閾値Ｖｔは、二次電池１１の満充電状態における閉回路電圧Ｖｍａｘよりも高く定電流電源２１の過電圧保護電圧Ｖｐよりも低い値に設定されている。

一方、充電用ＦＥＴ１２が短絡モード故障している場合には、時刻ｔ＝ｔ’において充電用ＦＥＴ１２が非導通状態となるように制御しても上記閉回路が遮断されず、定電流電源２１は一定電流を出力し続けることができる。そのため、定電流電源２１の出力電圧Ｖｏと二次電池１１の閉回路電圧がほぼ等しい状態が維持され、図２のｔ≧ｔ’の区間に点線で示されるように、定電流電源２１の出力電圧Ｖｏは二次電池１１の充電量の増加に伴って穏やかに上昇していく。制御回路２３は、電圧センサ２２によって測定される定電流電源２１の出力電圧Ｖｏが上記所定の閾値Ｖｔを超えない場合には、充電用ＦＥＴ１２が短絡モード故障していると判定する。

以上説明したように、この実施の形態に係る二次電池システム１００では、定電流電源２１から二次電池１１に一定電流を供給すると共に充電用ＦＥＴ１２が非導通状態となるように制御した際に、電圧センサ２２によって測定される定電流電源２１の出力電圧Ｖｏが所定の閾値Ｖｔを超えない場合に、充電用ＦＥＴ１２が短絡モード故障していると判定する。これにより、特許文献１に記載の方法のように既存のＦＥＴリレー１４に配線を追加する必要がないため、充電用ＦＥＴ１２の短絡モード故障を簡便かつ低コストで検出することができる。

その他の実施の形態．
上記の実施の形態では、定電流電源２１の出力電圧Ｖｏを測定する電圧センサ２２は充電器２０の内部に含まれていたが、図３の変形例に示されるように電池パック２１０側に電圧センサ２２２を設けてもよい。

１００，２００ 二次電池システム、１０，２１０ 電池パック、１１ 二次電池、１２ 充電用ＦＥＴ（スイッチ手段）、２０，２２０ 充電器、２１ 定電流電源、２２，２２２ 電圧センサ（電圧測定手段）、２３ 制御回路（制御手段）、Ｖｏ 定電流電源の出力電圧、Ｖｔ 所定の閾値、Ｖｍａｘ 二次電池の満充電状態における閉回路電圧、Ｖｐ 定電流電源の過電圧保護電圧。

Claims (4)

1. 二次電池と、
   前記二次電池に一定電流を供給する定電流電源と、
   前記定電流電源の出力電圧を測定する電圧測定手段と、
   前記二次電池と前記定電流電源の間に接続されるスイッチ手段と、
   前記定電流電源および前記スイッチ手段を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記定電流電源から前記二次電池に一定電流を供給すると共に前記スイッチ手段が非導通状態となるように制御した際に、前記電圧測定手段によって測定される前記定電流電源の出力電圧が所定の閾値を超えない場合に、前記スイッチ手段が短絡モード故障していると判定する、二次電池システム。
2. 前記所定の閾値は、前記二次電池の満充電状態における閉回路電圧よりも高くかつ前記定電流電源の所定の過電圧保護電圧よりも低い値に設定される、請求項１に記載の二次電池システム。
3. 前記二次電池および前記スイッチ手段を含む電池パックと、
   前記定電流電源および前記制御手段を含む充電器と
   をさらに備え、
   前記電圧測定手段は前記充電器に含まれる、請求項１または２に記載の二次電池システム。
4. 前記二次電池および前記スイッチ手段を含む電池パックと、
   前記定電流電源および前記制御手段を含む充電器と
   をさらに備え、
   前記電圧測定手段は前記電池パックに含まれる、請求項１または２に記載の二次電池システム。

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