JP2019208319A

JP2019208319A - 二次電池のバッテリーパック

Info

Publication number: JP2019208319A
Application number: JP2018102750A
Authority: JP
Inventors: 基文只腰; Motofumi Tadakoshi
Original assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2019-12-05

Abstract

【課題】二次電池の電圧が低下した場合でもＳＣＰを動作させることにより、異常状態を検出したときには確実に充電もしくは放電を停止させることができるバッテリーパックを提供する。【解決手段】二次電池への充電路もしくは二次電池からの放電路の電気的接続を遮断する少なくとも１つのスイッチング素子を有するバッテリーパックであって、前記スイッチング素子の故障の有無を判定し、該スイッチング素子の故障状態であることを判定したときに、異常信号を生成して出力する制御部と、前記異常信号が入力されたときに、前記電気的接続を切断する切断手段とを備え、前記切断手段は、セルフコントロールプロテクタと、前記セルフコントロールプロテクタを動作させる定電流回路とを備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の過充電及び過放電を防止するバッテリーパックに関する。

従来より、二次電池が過充電もしくは過放電状態（異常状態）になると二次電池への充電路もしくは二次電池からの放電路（以下、二次電池に関する充放電路と記す場合もある。）の電気的接続をスイッチング素子によりオンもしくはオフして電池の劣化を未然に防止することが行われてきている。

上記従来例では、二次電池に関する充放電路の電気的接続を遮断するスイッチング素子が故障した場合には、過充電もしくは過放電状態となった場合でも二次電池に関する充放電路の電気的接続を遮断出来ず、電池の劣化を未然に防止できないという問題があった。

上述した問題を解決するために、二次電池に関する充放電路の電流ライン上にさらにセルフコントロールプロテクタ（ＳＣＰ）（Self Control Protector）を充放電路の電気的接続を切断する切断素子として接続する技術が開発されている（例えば特許文献１参照）。ここでは、二次電池の異常状態が検出されると、ＳＣＰ内の抵抗に流れる電流をオンオフ制御するスイッチング素子をオン状態とすることにより、ＳＣＰ内のヒューズ（fuse）を溶断する。これにより、たとえ二次電池に関する充放電路の電気的接続を遮断するスイッチング素子が故障した場合でも、異常状態時ではＳＣＰを動作させることにより異常状態時での充電もしくは放電を確実に停止させることが可能となる。

特開２０１４−１１７１１５号公報

しかしながら、特許文献１記載のＳＣＰを動作させるスイッチング素子では、二次電池の電圧が使用時間に応じて低下してＳＣＰの動作電圧を下回った場合には、２個のスイッチング素子が故障した場合において異常状態が検出されたにもかかわらずＳＣＰが動作せずに充電もしくは放電を停止させることができないという問題があった。

本発明の目的は上記の問題点を解決し、二次電池の電圧が低下した場合でもＳＣＰを正常に動作させることにより、異常状態を検出したときには充電もしくは放電を確実に停止させることができるバッテリーパックを提供することにある。

本発明に係るバッテリーパックは、二次電池への充電路もしくは二次電池からの放電路の電気的接続を遮断する少なくとも１つのスイッチング素子を有するバッテリーパックであって、
前記スイッチング素子の故障の有無を判定し、該スイッチング素子の故障状態であることを判定したときに、異常信号を生成して出力する制御部と、
前記異常信号が入力されたときに、前記電気的接続を切断する切断手段とを備え、
前記切断手段は、セルフコントロールプロテクタと、前記セルフコントロールプロテクタを動作させる定電流回路とを備えている。

本発明に係るバッテリーパックによれば、セルフコントロールプロテクタ内の抵抗に流れる電流量を定電流回路により調整することが可能となる。従って、二次電池の電圧が使用時間に応じて低下してＳＣＰの動作電圧を下回った場合でも定電流回路を用いてＳＣＰを正常に動作させるのに必要な電流量、すなわちＳＣＰ内のヒューズを溶断するのに最適な電流量に調整することが可能となる。これにより、たとえ充放電路の電気的接続を遮断するＦＥＴ素子が故障した場合でも、異常状態時ではＳＣＰを正常に動作させることにより確実に異常状態時での充電もしくは放電を停止させることが可能となる。

本発明の実施形態に係るバッテリーパック１及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。

実施形態．
図１は、本発明の実施形態に係るバッテリーパック１及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図１のバッテリーパック１は、少なくとも１つ以上のバッテリーセル３ａを含む二次電池３と、二次電池３の負極の一側端子と−Ｖ端子（外部端子）との間に接続され、二次電池３の負極の一側端子と−Ｖ端子との間の充放電路の電気的接続を遮断する放電制御用スイッチ７及び充電制御用スイッチ８と、二次電池３の負極の一側端子と−Ｖ端子との間の充放電路の電気的接続を切断する切断手段１３と、放電制御用スイッチ７、充電制御用スイッチ８、及び切断手段１３をそれぞれ制御する制御部としての監視回路１０とを備えて構成される。なお、図１ではバッテリーパック１の＋Ｖ端子（外部端子）と−Ｖ端子（外部端子）との間に充電器１２が接続された状態が図示されているが、このバッテリーパック１を負荷（例えば、車載ＥＣＵ（Electric Control Unit）など）に接続する場合には充電器１２の位置に負荷が配置される。なお、本実施形態では、二次電池３として、リチウムイオン電池を用いたが、本発明はこれに限らず、鉛畜電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、燃料電池などを用いてもよい。

図１の切断手段１３は、二次電池３の負極の一側端子と−Ｖ端子との間の充放電路の電気的接続を切断する切断素子としてのセルフコントロールプロテクタ１１（Self Control Protector、以下、単に「ＳＣＰ」と記す。）と、該ＳＣＰ１１を動作させる定電流回路２と、定電流回路２とＳＣＰ１１との間に接続され、定電流回路２からＳＣＰ１１に流れる電流の逆流を防止するダイオード９とを備えて構成される。ここで、二次電池３の負極の一側端子と−Ｖ端子との間において、放電制御用スイッチ７と、充電制御用スイッチ８と、ＳＣＰ１１とがそれぞれ直列に接続されている。なお、放電制御用スイッチ７及び充電制御用スイッチ８はそれぞれ二次電池３の負極の一側端子と−Ｖ端子との間の充放電路の電気的接続を遮断するスイッチング素子としての役割を担う。

ＳＣＰ１１は、−Ｖ端子と二次電池３の負極の一側端子との間に相互に直列接続されたヒューズＨ１，Ｈ２と、該ヒューズＨ１，Ｈ２の間に一端が接続され、他端がダイオード９のカソード端子９ａに接続される抵抗Ｒ２とを備えて構成される。ここで、定電流回路２は、監視回路１０からの信号に応じて抵抗Ｒ２に所定の電流量を流し、該ヒューズＨ１，Ｈ２を溶断させる役割を担う。すなわち、定電流回路２は、ＳＣＰ１１内の抵抗Ｒ２に流れる電流量をヒューズＨ１，Ｈ２を溶断するのに最適な電流量となるように調整する機能を有する。

定電流回路２は、トランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ）Ｑ２と、抵抗Ｒ１と、トランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ）Ｑ１とを備えて構成される。ここで、トランジスタＱ２のエミッタ端子は、二次電池３の正極の＋側端子と＋Ｖ端子との間の電流ラインＰＬ及び抵抗Ｒ１の一端に接続され、トランジスタＱ２のベース端子は抵抗Ｒ１の他端及びトランジスタＱ１のソース端子に接続される。また、トランジスタＱ２のコレクタ端子はトランジスタＱ１のゲート端子及び監視回路１０の出力端子であるＥ_ＯＵＴ端子（後述する）に接続され、トランジスタＱ１のドレイン端子はダイオード９のアノード端子９ｂに接続される。ここで、トランジスタＱ２及びトランジスタＱ１はパワートランジスタであって、二次電池３が車載バッテリーとして利用された場合において印加電圧に耐え得るように高耐圧のトランジスタを用いてもよい。なお、トランジスタＱ１のゲート端子には故障判定部１４（後述する）からの異常信号がＥ_ｏｕｔ端子を介して入力される。

図１の監視回路１０は、Ｖ_ＤＤ端子、Ｖ_ＳＳ１端子、Ｖ_ＳＳ２端子、Ｄ_ＯＵＴ端子、Ｃ_ＯＵＴ端子、Ｅ_ＯＵＴ端子の６つの端子を有し、Ｖ_ＤＤ端子とＶ_ＳＳ１端子の間の電圧は二次電池３の電圧に等しい。また、監視回路１０は、二次電池３と並列に接続され、Ｖ_ＤＤ端子により二次電池３の正極の電位を検出し、該検出結果に基づいて放電制御用スイッチ７及び充電制御用スイッチ８のスイッチング動作を制御する。また、監視回路１０は、二次電池３の充電時において、二次電池３に供給される充電電流を検出し、該検出結果に基づいて充電制御用スイッチ８のスイッチング動作を制御する。以下、詳細に説明する。

監視回路１０は、過充電検出部４と、過放電検出部５と、過電流検出部６と、故障判定部１４とを備えて構成される。この監視回路１０は二次電池３が過充電状態、過放電状態、過電流状態であるか否かを判定する機能を有するとともに、放電制御用スイッチ７又は充電制御用スイッチ８のいずれかが故障しているか否かを判定する機能を有する。さらに、監視回路１０は、二次電池３が過充電状態、過放電状態または過電流状態のいずれかであることを判定したとき又は放電制御用スイッチ７及び充電制御用スイッチ８のいずれかもしくは両方が故障していると判定したときに、異常信号を生成し放電制御用スイッチ７、充電制御用スイッチ８、または切断手段１３にＣ_ＯＵＴ端子，Ｄ_ＯＵＴ端子、及びＥ_ＯＵＴ端子のいずれか１つの端子を介して出力する機能を有する。

故障判定部１４は、放電制御用スイッチ７の両端電圧を検出することにより放電制御用スイッチ７の故障判定を行う。すなわち、放電制御用スイッチ７が正常状態にあるときには、オン抵抗は小さく発生電圧は低い。これに対して、放電制御用スイッチ７が故障などの異常状態になれば、オン抵抗が増加し発生電圧が増大する。この発生電圧が極端に大きくなる場合に放電制御スイッチ７が故障状態であると判定される。同様に、充電制御用スイッチ８の両端電圧を検出することにより充電制御用スイッチ８の故障判定を行う。すなわち、充電制御用スイッチ８が正常状態にあるときには、オン抵抗は小さく発生電圧は低い。これに対して、充電制御用スイッチ８が故障などの異常状態になれば、オン抵抗が増加し発生電圧が増大する。この発生電圧が極端に大きくなる場合に充電制御用スイッチ８が故障状態であると判定される。

故障判定部１４は、放電制御用スイッチ７及び充電制御用スイッチ８のいずれかもしくは両方が故障状態であることを判定すると異常信号を生成してＥ_ＯＵＴ端子に供給し、該異常信号がトランジスタＱ１のゲート端子に入力される。これにより、定電流回路２内のトランジスタＱ１がオンされ、定電流回路２内に電流が流れることとなる。

過充電検出部４は、二次電池３の過充電を検出すると異常信号を生成してＣ_ＯＵＴ端子に供給し、それによって充電制御用スイッチ８をオフする。これによって、二次電池３の過充電を防止する。また、過放電検出部５は、二次電池３の過放電を検出すると異常信号を生成してＤ_ＯＵＴ端子に供給し、それによって放電制御用スイッチ７をオフする。これによって、二次電池３の過放電を防止する。

過電流検出部６はＶ_ＳＳ１端子及びＶ_ＳＳ２端子に接続され、二次電池３の放電中に過電流が流れているか否かを検出する。ここで、電流センス素子としての抵抗Ｒ３が二次電池３の負極の一側端子と放電制御用スイッチ７との間の充放電路に電気的に接続されており、抵抗Ｒ３の一端の電位がＶ_ＳＳ１端子に供給され、抵抗Ｒ３の他端の電位がＶ_ＳＳ２端子に供給される。この抵抗Ｒ３の両端の電位差に基づいて過電流検出部６は過電流が流れたか否かを検出する。また、過電流検出部６は、過電流を検出すると、異常信号を生成し、Ｄ_ｏｕｔ端子に供給し、それによって放電制御用スイッチ７をオフする。これによって、二次電池３の過電流を防止する。

次に、ＳＣＰ１１の動作について説明する。

先ず、故障判定部１４が放電制御用スイッチ７及び充電制御用スイッチ８のいずれかもしくは両方が故障していると判定すると、異常信号がＥ_ｏｕｔ端子を介してトランジスタＱ１のゲートに入力されてトランジスタＱ１がオンされる。これにより、トランジスタＱ１のソース−ドレイン間に電流Ｉ１が流れる。

このとき、抵抗Ｒ１にも電流Ｉ１が流れる。Ａ点での電圧は二次電池３の電池電圧ＶＤＤであり、これは使用時間によって低下する値である。また、Ｂ点での電圧は、Ａ点での電圧と比較すると、抵抗Ｒ１による電圧降下分だけ小さくなる。ここで、Ｂ点での電圧が所定の電圧となるとトランジスタＱ２がオンされ、トランジスタＱ２のエミッタ−コレクタ間に電流Ｉ２が流れると同時にトランジスタＱ１のソース−ドレイン間には電流は流れなくなる。

すると、抵抗Ｒ１には電流が流れないので、抵抗Ｒ１による電圧降下がなくなり、Ｂ点での電位は徐々に二次電池３の電池電圧ＶＤＤまで上昇していく。このとき、所定の電圧を超えるとトランジスタＱ２はオフされ抵抗Ｒ１に電流Ｉ１が流れる。これにより、トランジスタＱ１のソース−ドレイン間に電流Ｉ１が流れる。すなわち、定電流回路２からの出力電流は二次電池３の電池電圧ＶＤＤの値に依存せずに所定の電流量となるように調整される。

上述したような動作が繰り返されトランジスタＱ１のドレイン端子からダイオード９を介して所定の電流Ｉ１がＳＣＰ１１内の抵抗Ｒ２に流れる。次に、抵抗Ｒ２に所定の電流Ｉ１が流れると自己発熱によりヒューズＨ１，Ｈ２が溶断され、二次電池３の負極の一側端子と−Ｖ端子との間の充放電路の電気的接続が切断される。このように、定電流回路２はＳＣＰ１１内の抵抗Ｒ２に流れる電流量を調整する。これにより、二次電池の電圧が使用時間に応じて低下してＳＣＰ１１の動作電圧を下回った場合でもＳＣＰ１１を正常に動作させるのに必要な電流量（電流Ｉ１）、すなわちＳＣＰ１１内のヒューズを溶断するのに最適な電流量に調整することが可能となる。

以上の実施形態に係るバッテリーパックによれば、二次電池の正極または負極の一側端子と外部端子との間の電流ライン上にＳＣＰを備え、該ＳＣＰ内の抵抗に流れる電流量を定電流回路により調整することが可能となる。従って、二次電池の電圧が使用時間に応じて低下してＳＣＰの動作電圧を下回った場合でも定電流回路を用いてＳＣＰを正常に動作させるのに必要な電流量、すなわちＳＣＰ内のヒューズを溶断するのに最適な電流量に調整することが可能となる。これにより、たとえ充放電路の電気的接続を遮断するＦＥＴ素子が故障した場合でも、異常状態時ではＳＣＰを正常に動作させることにより確実に異常状態時での充電もしくは放電を停止させることが可能となる。

本実施形態では、二次電池３の負極の一側端子と−Ｖ端子との間の電流ライン上に放電制御用スイッチ７、充電制御用スイッチ８及びＳＣＰ１１を接続したが、本発明はこれに限定されない。例えば、二次電池３の正極の＋側端子と＋Ｖ端子との間の電流ライン上に放電制御用スイッチ７、充電制御用スイッチ８及びＳＣＰ１１を接続してもよい。この場合においても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、本実施形態では、二次電池３の負極の一側端子と−Ｖ端子との間の電流ライン上に１個のＳＣＰのみを接続したが、本発明はこれに限定されない。例えば、二次電池３の負極の一側端子と−Ｖ端子との間に複数のＳＣＰを設けてもよい。この場合において、各ＳＣＰ毎に定電流回路をそれぞれ設けて各ＳＣＰを動作させるように構成されてもよいし、１つの定電流回路を設け、この定電流回路を動作させることにより各ＳＣＰを動作させるように構成されてもよい。この場合においても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

上述の実施形態は例示に過ぎず、この発明の範囲から逸脱することなく種々の変形が可能である。

１バッテリーパック
２定電流回路
３二次電池
４過充電検出部
５過放電検出部
６過電流検出部
７放電制御用スイッチ
８充電制御用スイッチ
９ダイオード
１０監視回路
１１セルフコントロールプロテクタ
１２充電器（負荷）
１３切断手段
１４故障判定部

Claims

二次電池への充電路もしくは二次電池からの放電路の電気的接続を遮断する少なくとも１つのスイッチング素子を有するバッテリーパックであって、
前記スイッチング素子の故障の有無を判定し、該スイッチング素子の故障状態であることを判定したときに異常信号を生成して出力する制御部と、
前記異常信号が入力されたときに、前記電気的接続を切断する切断手段とを備え、
前記切断手段は、セルフコントロールプロテクタと、前記セルフコントロールプロテクタを動作させる定電流回路とを備えたことを特徴とするバッテリーパック。
前記セルフコントロールプロテクタは、
前記電流ライン上に接続された少なくとも１つのヒューズと、
前記ヒューズの一端と前記定電流回路との間に接続された第１抵抗とを備えたことを特徴とする請求項１記載のバッテリーパック。
前記定電流回路は、前記異常信号が入力されると、前記第１抵抗に所定の電流を流して前記ヒューズを溶断させて前記電気的接続を切断することを特徴とする請求項２記載のバッテリーパック。
前記定電流回路は、第１トランジスタと、第２抵抗と、第２トランジスタとを備え、
前記第１トランジスタのエミッタ端子は前記電流ライン及び前記第２抵抗の一端に接続され、前記第１トランジスタのベース端子は前記第２抵抗の他端及び前記第２トランジスタのソース端子に接続され、前記第１トランジスタのコレクタ端子は第２トランジスタのゲート端子及び前記制御部の出力端子に接続され、第２トランジスタのドレイン端子は前記第１抵抗の一端に接続されることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載のバッテリーパック。