JP2020089194A

JP2020089194A - 電池パック

Info

Publication number: JP2020089194A
Application number: JP2018224168A
Authority: JP
Inventors: 寿春湯浅; Toshiharu Yuasa; 寿朗石井; Toshiaki Ishii; 昇海老澤; Noboru Ebisawa; 秀樹庄司; Hideki Shoji
Original assignee: Toyo System Co Ltd
Current assignee: Toyo System Co Ltd
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2038-11-29
Also published as: JP6810475B2

Abstract

【課題】単体状態においてセル部から保護回路部へ流れる漏れ電流の低減を図った電池パックを提供する。【解決手段】電池パック１０は、充放電可能な単一の又は複数の電池を含むセル部１１と、セル部と電気機器４０との電気的接続のための端子３１ａ〜３１ｆと、セル部と電気的に接続されてセル部からの給電によって動作し、端子を介したセル部の放電又は充電を制御する保護回路部２１と、を備える。保護回路部は、端子を介したセル部と電気機器との接続が切断されたか否かを判定する制御部２２と、制御部により端子を介したセル部と電気機器との接続が切断されたと判定されると、セル部と保護回路部との電気的接続を遮断する遮断部２３ａ〜２３ｅと、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電気機器を駆動するための電源としてのリチウムイオン電池等の電池を有し、当該電池を保護する機能を備えた電池パックに関する。

電池パックは、一般的に、携帯電話機、ポータブルＡＶ機器、電気工具等の持ち運び自在な電気機器の例えば、内蔵電源として使用されるものであり、電気機器から取り外しも可能にされている。電池パックは、特許文献１に開示されているように通常、電池自身であるセル部と保護回路部とから構成されている。セル部は複数の充放電可能な電池、例えば、リチウムイオン電池が直列に接続されたものである。保護回路部は基板上に形成された電気回路を含み、セル部の各電池の端子と電気的及び機械的に接続されており、セル部の各電池の充電電流値、放電電流値、温度等のパラメータを監視して過充電及び過放電を防止するものである。また、保護回路部は電池パックが電気機器に取り付けられると、電気機器の電源端子と機械的及び電気的に接続される機器接続端子を有している。

特開２０１１−９０２３号公報

近時、電池パックを手術用ドリル等の医療器具の電源として使用することが考えられている。医療器具の中でも手術室に持ち込むような医療器具は１３５℃の高温で数十分間の滅菌処理を必ず行う必要があるので、そのような医療器具の電源として使用する場合には電池パックも同様に滅菌処理を施すことになる。ところが、高温滅菌処理中の電池が充電や放電を行うと、電池の寿命が短くなってしまったり液漏れ等の不具合を起こして全く使用できない電池になってしまったりすることが実験で分かっている。そのような不具合を起こさないために、電池パックを医療器具本体から取り外して電池パック単体で滅菌処理を行うことになる。

しかしながら、電池パックでは、セル部と保護回路部とが常に接続状態にあるので、電池パック単体でも保護回路部には電流が流れ得る。よって、電池パックではセル部から保護回路部に例えば、数１０μＡ〜数１００μＡ程度の微小電流が漏れ流れ続けることになる。この漏れ電流は通常の温度環境下ではセル部に影響を及ぼすことはないが、滅菌処理の例えば、１３５℃の高温下ではセル部から保護回路部へ流れる漏れ電流量が大きくなり、電池寿命が短くなったり、上記したように液漏れ等の不具合を起こす可能性がある。

また、電池パックを長期保存する場合においても同様にセル部から保護回路部に僅かながら電流が常時流れ込み、蓄電量が徐々に低下して結果的に過放電となり得る。

そこで、本発明の目的は、電気機器から外された単体状態においてセル部から保護回路部へ流れる漏れ電流の低減を図った電池パックを提供することである。

本発明の電池パックは、充放電可能な単一の又は複数の電池を含むセル部と、前記セル部と電気機器との電気的接続のための端子と、前記セル部と電気的に接続されて前記セル部からの給電によって動作し、前記端子を介した前記セル部の放電又は充電を制御する保護回路部と、を備えた電池パックであって、前記保護回路部は、前記端子を介した前記セル部と前記電気機器との接続が切断されたか否かを判定する制御部と、前記制御部により前記端子を介した前記セル部と前記電気機器との接続が切断されたと判定されると、前記セル部と前記保護回路部との電気的接続を遮断する遮断部と、を有することを特徴としている。

本発明の電池パックによれば、電池パックの電気機器からの取り外しが行われると、セル部と電気機器との接続が切断されたか否かが判定され、その接続が切断されたと判定されると、セル部と保護回路部との電気的接続が遮断部により遮断される。この結果、セル部から保護回路部に微小の漏れ電流が流れることが防止される。よって、高温滅菌処理の１３５℃程度の高温下でもセル部から保護回路部へ漏れ電流が流れることが阻止され、電池パックの短寿命化や液漏れ等の不具合を防止することができる。また、電池パックを長期保存する場合にもセル部から保護回路部への電流の流れ込みが阻止され、自己放電のみとなるので、蓄電量の低下を長期に亘って押さえることができ、その結果、過放電となることが防止され得る。

本発明が適用された電池パックの回路構成を示す図である。図１の電池パックの起動時の動作を示すフローチャートである。図１の電池パックと電気機器の手術用ドリルとが接続された状態を示す回路図である。図１の電池パックの取り外し判定ルーチンの動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明を適用した電池パック１０を示している。この電池パック１０は、セル部１１と保護回路部２１とを備えている。セル部１１は４つの電池１２ａ〜１２ｄを有し、電池１２ａ〜１２ｄはその順で直列に接続されている。電池１２ａ〜１２ｄの各々は例えば、リチウムイオン電池である。電池１２ａの正端子に接続した接続点１３ａ、電池１２ａの負端子と電池１２ｂの正端子との接続点１３ｂ、電池１２ｂの負端子と電池１２ｃの正端子との接続点１３ｃ、電池１２ｃの負端子と電池１２ｄの正端子との接続点１３ｄ、及び電池１２ｄの負端子に接続した接続点１３ｅは保護回路部２１に接続されている。本実施例ではセル部１１は複数の電池１２ａ〜１２ｄを備えるが、その電池の数は４つに限らず、例えば、５以上の電池の直列接続でも良い。また、複数の電池ではなくて単一の電池を備えるだけでも良い。

保護回路部２１は、制御デバイス２２、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）２３ａ〜２３ｅ、放電スイッチ２４、充電スイッチ２５、そして電流計測用抵抗２６を備えている。保護回路部２１のこれらの素子は同一の基板３０上に形成されている。

基板３０には外部装置である電気機器４０と接続するための機器接続端子３１ａ〜３１ｆが設けられている。機器接続端子３１ａ〜３１ｆの各々は予め定められた位置に配置されており、本電池パック１０を電源とする電気機器４０と電気的及び機械的に接続可能にされている。電気機器４０には機器接続端子３１ａ〜３１ｆに各々対応した接続端子４１ａ〜４１ｆが設けられており、例えば、電池パック１０と電気機器４０とがコネクタによって接続されるならば、機器接続端子３１ａ〜３１ｆはコネクタのオス側又はメス側として形成される。

機器接続端子３１ａは電池パック１０の放電モードで電気機器４０に放電電流を供給するための正電源側放電用、３１ｂは電気機器４０が充電器の場合の充電モードにおいて充電電流を受け入れるための正電源側充電用、３１ｃは電気機器が接続されたことを検知するための起動用、３１ｄは電気機器と通信するための通信用、３１ｅは通常モードと省エネモードとを選択するためのエネルギーモード選択用、３１ｆは電気機器の負電源側の共通電源用の端子である。機器接続端子３１ｂ〜３１ｆは制御デバイス２２に個別に接続されているが、そのうちの機器接続端子３１ｂ、３１ｃ、３１ｆは制御デバイス２２の電源入力端子ＩＮＡ、ＩＮＢ、ＩＮＣに各々接続されている。

制御デバイス２２は制御部であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）からなる。ＦＥＴ２３ａ〜２３ｅは遮断部のスイッチ素子であり、制御デバイス２２と接続点１３ａ〜１３ｅの各々との間に接続されている。すなわち、ＦＥＴ２３ａのドレインは接続点１３ａに接続され、ＦＥＴ２３ｂのドレインは接続点１３ｂに接続され、ＦＥＴ２３ｃのドレインは接続点１３ｃに接続され、ＦＥＴ２３ｄのドレインは接続点１３ｄに接続され、ＦＥＴ２３ｅのドレインは接続点１３ｅに接続されている。ＦＥＴ２３ａ〜２３ｅのゲートは制御デバイス２２に個別に接続されている。ＦＥＴ２３ａ〜２３ｅのゲートは制御デバイス２２に共通接続されている。ＦＥＴ２３ａ〜２３ｅはノーマリオフである。なお、遮断部のスイッチ素子としては、ＦＥＴのような半導体スイッチに限らず、機械的なスイッチを用いても良いことは勿論である。

放電スイッチ２４は電池パック１０の放電時にオンとなるスイッチ素子であり、充電スイッチ２５は電池パック１０の充電時にオンとなるスイッチ素子である。放電スイッチ２４及び充電スイッチ２５の各々の一端は接続点１３ａに接続ライン１４ａを介して接続されている。放電スイッチ２４の他端は機器接続端子３１ａに接続され、充電スイッチ２５の他端は機器接続端子３１ｂに接続されている。放電スイッチ２４及び充電スイッチ２５の各々制御端は制御デバイス２２に接続されおり、それらのオンオフ制御は制御デバイス２２によって行われる。放電スイッチ２４はノーマリオンであり、充電時にオフに制御され、充電スイッチ２５はノーマリオフであり、充電時にオンに制御される。

電流計測用抵抗２６は電池パック１０の放電モード時の放電電流及び充電モード時の充電電流を計測するための抵抗である。電流計測用抵抗２６の一端は機器接続端子３１ｆに接続され、他端は接続ライン１４ｂを介して接続点１３ｅに接続されている。また、電流計測用抵抗２６の両端は制御デバイス２２に接続され、それにより制御デバイス２２には放電電流又は充電電流に応じた電圧レベルが供給される。

このような構成の本発明による電池パック１０においては、電気機器４０の接続端子４１ａ〜４１ｆが機器接続端子３１ａ〜３１ｆに接続されていない場合には、ＦＥＴ２３ａ〜２３ｅはオフ状態にある。また、制御デバイス２２には電源電圧が供給されず、制御デバイス２２は動作停止中にある。この状態では、セル部１１の各電池１２ａ〜１２ｄから制御デバイス２２への経路は遮断されている。よって、電池１２ａ〜１２ｄから制御デバイス２２への微小電流の流れ込みを防止することができる。

次に、図２を用いて電気機器４０として充電器が機器接続端子３１ａ〜３１ｆに接続された場合の電池パック１０の動作について説明する。充電器が接続されると、充電器の接続端子４１ｂ，４１ｆから機器接続端子３１ｂ，３１ｆ間に電圧が印加される。この印加電圧は更に機器接続端子３１ｂ，３１ｆから制御デバイス２２の電源入力端子ＩＮＡ，ＩＮＣに印加され、制御デバイス２２を起動させることとなる。なお、充電器の場合には接続端子４１ａを設けなくても良い。

制御デバイス２２は起動すると、図２に示すように、先ず、充電モード及び放電モードのいずれであるかを判断する（ステップＳ１０１）。制御デバイス２２は、例えば、機器接続端子３１ｂと接続された電源入力端子ＩＮＡへの正電位の印加であるならば、充電モードと判断することができる。充電モードと判断した場合には、放電スイッチ２４をオフに制御し、充電スイッチ２５をオンに制御し（ステップＳ１０２）、ＦＥＴ２３ａ〜２３ｅをオンに制御する（ステップＳ１０３）。充電スイッチ２５のオンにより機器接続端子３１ｂから充電スイッチ２５を介して電池１２ａ〜１２ｄに充電電流が流れ、また、その充電電流は電流計測用抵抗２６を流れて機器接続端子３１ｆに達する。これにより電池１２ａ〜１２ｄが充電されることになる。ＦＥＴ２３ａ〜２３ｅのオンにより制御デバイス２２は電池１２ａ〜１２ｄ各々の電圧を測定することができ、また、制御デバイス２２は電流計測用抵抗２６の両端電圧を読み取ってその読取電圧から充電電流を計測することができる（ステップＳ１０４）。

次いで、図２及び図３を用いて電気機器４０として例えば、手術用ドリル４０ａが電池パック１０に接続された場合の電池パック１０の動作について説明する。図３に示すように、ドリル４０ａには、機器接続端子３１ａ〜３１ｆに各々対応した接続端子４１ａ〜４１ｆが設けられており、ドリル４０ａに電池パック１０が取り付けられると、機器接続端子３１ａ〜３１ｆと接続端子４１ａ〜４１ｆとが互いに機械的及び電気的に接続される。このように接続されると、セル部１１の正電位が接続点１３ａ、放電スイッチ２４、機器接続端子３１ａを介して接続端子４１ａに印加され、一方、セル部１１の負電位は接続点１３ｅ、接続ライン１４ｂ、電流計測用抵抗２６、機器接続端子３１ｆを介して接続端子４１ｆに印加される。これによりドリル４０ａは接続端子４１ａ，４１ｆ間にセル部１１の蓄電電圧が印加されるので動作可能となる。

また、ドリル４０ａにおいては、接続端子４１ａと４１ｃとを短絡するように結ぶ電流路である接続ライン４２が形成されている。これにより機器接続端子３１ａ〜３１ｆと接続端子４１ａ〜４１ｆとが機械的及び電気的に接続されると、接続端子４１ａに印加された正電位が接続ライン４２、接続端子４１ｃ、機器接続端子３１ｃを介して制御デバイス２２の電源入力端子ＩＮＢに印加される。セル部１１の負電位は接続点１３ｅから接続ライン１４ｂ、電流計測用抵抗２６を介して制御デバイス２２の電源入力端子ＩＮＣに印加される。よって、制御デバイス２２の電源入力端子ＩＮＢ，ＩＮＣ間にはセル部１１の蓄電電圧が印加されるので制御デバイス２２は起動されることとなる。

図２に示すように、制御デバイス２２は起動すると、充電モード及び放電モードのいずれであるかを判断する（ステップＳ１０１）。制御デバイス２２は、例えば、機器接続端子３１ｃと接続された電源入力端子ＩＮＢへの正電位の印加であるならば、放電モードと判断することができる。放電モードと判断した場合には、放電スイッチ２４をオンに制御し、充電スイッチ２５をオフに制御し（ステップＳ１０５）、ＦＥＴ２３ａ〜２３ｅをオンに制御する（ステップＳ１０６）。放電スイッチ２４はオンのままであるのでドリル４０ａには継続的にセル部１１の蓄電電圧が印加される。ＦＥＴ２３ａ〜２３ｅの各々のオンにより制御デバイス２２は電池１２ａ〜１２ｄの各々の電圧を測定することができ、また、制御デバイス２２は電流計測用抵抗２６の両端電圧を読み取ってその読取電圧から放電電流を計測することができる（ステップＳ１０７）。

上記したように電気機器４０と電池パック１０とが接続された状態においては、制御デバイス２２はＦＥＴ２３ａ〜２３ｅのオンによりＦＥＴ２３ａ、２３ｅを介して得られるセル部１１の蓄電電圧を入力するので、その蓄電電圧を電源電圧として継続して動作することができる。

図４に示すように、制御デバイス２２は、電気機器４０と電池パック１０とが接続された状態においては、取り外し判定ルーチンを例えば、予め定められたタイミングで繰り返し実行する。取り外し判定ルーチンでは、電気機器４０から電池パック１０が取り外されたか否かを判別する（ステップＳ１１１）。電池パック１０の取り外しが行われると、充電モードでは電源入力端子ＩＮＡへの正電位の印加がなくなり、放電モードでは電源入力端子ＩＮＢへの正電位の印加がなくなる。よって、電源入力端子ＩＮＡ又はＩＮＢへの正電位の印加がなくなると、電気機器４０から電池パック１０が取り外されたと判別することができる。制御デバイス２２は、電池パック１０が取り外されたと判別すると、放電スイッチ２４及び充電スイッチ２５の制御を停止し（ステップＳ１１２）、ＦＥＴ２３ａ〜２３ｅをオフに制御する（ステップＳ１１３）。

ステップＳ１１２により放電スイッチ２４がオンとなり、充電スイッチ２５がオフとなる。また、ステップＳ１１３によりＦＥＴ２３ａ〜２３ｅがオフとなるので、制御デバイス２２への電源電圧印加がなくなるので制御デバイス２２の動作は停止する。

このように、電池パック１０の電気機器４０からの取り外しが行われると、ＦＥＴ２３ａ〜２３ｅが全てオフとなるので、電池１２ａ〜１２ｄの各々から制御デバイス２２への電流の流れ込みが遮断されることになる。すなわち、セル部１１から保護回路部２１に微小の漏れ電流が流れることが防止される。よって、高温滅菌処理の１３５℃程度の高温下でもセル部１１から保護回路部２１へ漏れ電流が流れることが阻止され、電池パックの短寿命化や液漏れ等の不具合を防止することができる。また、電池パックを長期保存する場合にも、セル部から保護回路部への電流の流れ込みが阻止され、自己放電のみとなるので、蓄電量の低下を長期に亘って押さえることができ、その結果、過放電となることが防止され得る。

また、上記した実施例においては、電気機器４０に電池パック１０が接続されたか否かを機器接続端子３１ｂ又は３１ｃへの正電位の印加の有無から判断しているが、電気機器４０に電池パック１０が接続されたことを機械的に検出しても良い。例えば、上記した電池パック１０が電気機器４０内に取り付けられると、機械的にオンとなるスイッチによって制御デバイス２２に電池パック１０の蓄電電圧が供給され、それにより制御デバイス２２が上記した動作を開始するように構成することができる。また、電気機器４０が充電器であるか否かの判別も、機械的にオンとなるスイッチを充電器とそれ以外の機器とで異なる位置に個別に配置することにより可能である。

また、上記実施例においては、電池パック１０が、手術ドリル等の電気機器に取り付けられて当該電気機器に電力を供給する電池パックである場合を例に説明したが、電池パック１０は、電池パック１０を動力源として動作する電気自動車（ＨＶ（Hybrid Vehicle）、ＰＨＶ（Plug-in Hybrid Vehicle）、ＥＶ（Electric Vehicle））等の移動体または固定装置に用いられてもよい。

例えば、電池パック１０を電気自動車に搭載する場合には、組立後の車両保管時や輸送時に電池パック１０と電気自動車の電力供給用端子とを取り外しておくことで、電池パック１０の蓄電量の低下を長期に亘って押さえることができ、その結果、過放電となることが防止することが可能である。

１０電池パック
１１セル部
１２ａ〜１２ｄ電池
１４ａ，１４ｂ接続ライン
２１保護回路部
２２制御デバイス
２３ａ〜２３ｅＦＥＴ
２４放電スイッチ
２５充電スイッチ
２６電流計測用抵抗
３０基板
３１ａ〜３１ｆ機器接続端子
４０電気機器
４０ａ手術用ドリル
４１ａ〜４１ｆ接続端子
４２接続ライン

Claims

充放電可能な単一の又は複数の電池を含むセル部と、
前記セル部と電気機器との電気的接続のための端子と、
前記セル部と電気的に接続されて前記セル部からの給電によって動作し、前記端子を介した前記セル部の放電又は充電を制御する保護回路部と、を備えた電池パックであって、
前記保護回路部は、
前記端子を介した前記セル部と前記電気機器との接続が切断されたか否かを判定する制御部と、
前記制御部により前記端子を介した前記セル部と前記電気機器との接続が切断されたと判定されると、前記セル部と前記保護回路部との電気的接続を遮断する遮断部と、を有することを特徴とする電池パック。
前記制御部は、前記端子を介した前記セル部と前記電気機器との接続によって前記電気機器から給電を受けて動作を開始し、前記遮断部による前記セル部と前記保護回路部との電気的接続の遮断によって前記動作を停止することを特徴とする請求項１記載の電池パック。
前記制御部が動作を開始すると、前記制御部の指令に応じて前記遮断部は前記セル部と前記保護回路部との電気的接続の遮断を解除することを特徴とすることを請求項２記載の電池パック。
前記複数の電池は直列に接続され、
前記遮断部は、前記複数の電池の一端の正端子と前記制御部との間、前記複数の電池間の接続点と前記制御部との間、及び前記複数の電池の他端の負端子と前記制御部との間の各々にスイッチ素子を含むことを特徴とする請求項１記載の電池パック。
前記スイッチ素子は、ノーマリオフの電界効果トランジスタからなることを特徴とする請求項４記載の電池パック。
前記電気機器が前記セル部から放電電流を受け入れる機器である場合には、前記端子を介した前記セル部と前記電気機器との接続によって前記電気機器内の電流路を介した前記制御部への給電路が形成されることを特徴とする請求項２記載の電池パック。