JP3812145B2 - 過充電保護回路を有する組み電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組み電池に関し、特にその過充電保護回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえばＬｉイオン電池のような電気自動車の走行エネルギ−供給用電池などでは、配線抵抗損失、インバータ回路やモータの小型化などの観点から組み電池を多数（通常、数百個）の単電池（電池セル）を直列接続して構成しているが、充電時において各単電池の容量や充電特性にばらつきがあるので、各単電池ごとに充電管理特に過充電保護を有する組み電池を行っている。
【０００３】
更に、具体的に説明すると、単電池の開放電圧とその充電容量とは相関関係をもつので、充電時において検出した端子電圧と電流から上記開放電圧を推定し、これにより過充電検出を検出し、過充電を検出した場合に組み電池への充電電流を遮断している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の車両用組み電池では電池モジュール数が多いので検出した多数の端子電圧をそれぞれＡ／Ｄコンバータを含む信号処理回路で処理せねばならず、組み電池各部の端子電圧が高いので各単電池の端子電圧を低圧のコントローラへ伝送するためにいちいち電気絶縁回路を介在させねばならず、更に上述の過充電検出には多数の端子電圧をそれぞれそられと同時に検出された電流とセットで処理せねばならないのでコントローラに高速動作するものを必要とするなど、過充電保護回路の規模が大きくなり、コスト負担も重いという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、構成が簡素で実用性に優れた過充電保護回路を有する組み電池を提供することをその目的としている。
また、一個の単電池が過充電状態となると、組み電池を構成する他の単電池の容量状態にかかわらず組み電池への充電を遮断してしまい、充電が十分に行われないという不具合もあった。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、構成が簡素で実用性に優れ、更に、回路規模の増大を抑止しつつ満充電した一部の単電池に支障なくその後も他の単電池を充電することができる過充電保護回路を有する組み電池を提供することをその目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した本発明の過充電保護回路を有する組み電池によれば、１乃至順次直列接続された複数の単電池からなる電池モジュールを複数直列接続してなる組み電池において、各電池モジュールそれぞれに、電池モジュールの過充電時に充電電流を迂回させる定電圧保護回路を並列接続した。
【０００８】
このようにすれば、どれかの電池モジュールの単電池が過充電となってその端子電圧が上昇すると、それによりこの定電圧保護回路が導通して充電電流をバイパスさせるので、上記過充電状態の単電池の更なる過充電の進行を抑止することができる。
更に、この定電圧保護回路を迂回した充電電流は単電池がまだ過充電状態となっていない他の電池モジュールでは正常な充電電流として作用するので、まだ満充電に達していない他の回路規模の増大を抑止しつつ満充電した一部の単電池に支障なくその後も他の単電池を充電することができ、組み電池の充放電容量を向上することができる。
また更に、過充電保護回路は、電池モジュールの過充電電圧により発熱する過充電発熱回路と、前記電池モジュールから回路的に絶縁された状態で前記過充電発熱回路の温度上昇を検出する温度センサとを有し、前記温度センサが感知した温度上昇に基づいて過充電を判定することを特徴としている。このようにすれば、高価な電気絶縁回路を採用することなく過充電の発生を検出することができる。
【０００９】
請求項２記載の構成によれば請求項１記載の過充電保護回路を有する組み電池において更に、電池モジュールの過充電電圧により導通するダイオードと電流制限用の抵抗素子とを直列接続して電池モジュールに並列接続し、これらダイオード又は抵抗素子の温度を温度センサで検出して過充電時による温度上昇時に組み電池の充電電流を規制する。
【００１０】
このようにすれば、高価な電気絶縁回路を採用することなく過充電の発生により充電を停止することができる。
請求項３記載の構成によれば請求項２記載の過充電保護回路を有する組み電池において更に、温度センサで単電池の温度も検出するので、回路規模の増大を抑止しつつたとえば放電時などにおける電池異常発生時にそれを検出することができる。
【００１１】
請求項４記載の構成によれば請求項２記載の過充電保護回路を有する組み電池において更に、各温度センサの出力端子を直列または並列接続して合成信号を出力するので、必要機能としての過充電検出機能に支障をきたすことなく回路規模を簡素化することができる。
請求項５記載の構成によれば請求項１記載の過充電保護回路を有する組み電池において更に、電池モジュールの過充電電圧により発光ダイオードを導通させ、その発光を検出して過充電を検出して組み電池の充電電流を規制する。
【００１２】
すなわち、この構成によれば、発光ダイオード自体が過充電電圧検出機能と従来の電気絶縁回路の機能とを有するので、新たに電気絶縁回路（フォトカプラなど）を増設することなく過充電検出、保護を行うことができ、回路構成を簡素化することができる。
請求項６記載の構成によれば請求項５記載の過充電保護回路を有する組み電池において更に、複数の発光ダイオードの発光を共通の光伝送経路（たとえば光ファイバ）などを通じて単一の受光ダイオードに送る。このようにすれば、過充電検出回路系を従来より格段に簡素化することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の過充電保護回路を有する組み電池の好適な態様を以下の実施例により具体的に説明する。
【００１４】
【実施例１】
実施例１の過充電保護回路を有する組み電池を図１を参照して説明する。図１はこの過充電保護回路を有する組み電池を示すブロック図を示す。
１は、組み電池であり多数の電池モジュール２を直列に接続して構成されている。なお、この実施例では、各電池モジュール２は一個の単電池で構成されている。
【００１５】
３は、充電制御回路であって、入力電圧を組み電池１の充電に最適な電圧に変換して組み電池１に印加する。
４は、各電池モジュール（すなわち各単電池）２毎にそれぞれ並列接続された定電圧保護回路である。定電圧保護回路４は、並列接続された電池モジュール２の過充電電圧により導通する定電圧ダイオード５と電流制限用の抵抗素子６とを直列接続してなる過充電発熱回路７と、定電圧ダイオード５および抵抗素子６の温度上昇を検出する温度センサ８とからなる。温度センサ８は、図２に示すように各単電池２の外周面に密着されており、更に、温度センサ８に過充電発熱回路７が密着されている。これにより、温度センサ８は単電池２と過充電発熱回路７の両方の発熱を検出することができる。
【００１６】
温度センサ８としては、通常のサーミスタでもよいが、ＰＴＣのように所定の温度以上で電気抵抗が急変する形式の温度ー電気抵抗変換素子としてもよい。所定の温度を超えると電気抵抗が急増する形式の温度ー電気抵抗変換素子は図１に示す温度センサ８のように直列接続して用いられることが好ましく、所定の温度を超えると電気抵抗が急減する形式の温度ー電気抵抗変換素子は並列接続して用いられることが好ましい。
【００１７】
９は、マイコンを内蔵するコントローラであって、図示しない低電圧電源により駆動されている。総電圧検出部９１、温度検出部９２、電流検出部９３、判定部９４をもち、総電圧検出部９１は入力される組み電池１の総電圧を検出し、温度検出部９２は各温度センサ８の合計電気抵抗（電流）を検出し、電流検出部９３は電流センサ１０から組み電池１の充電電流を検出し、判定部９４の過充電に関する判定結果に基づいて充電制御回路３に充電動作停止を指令する。
【００１８】
この装置の動作を以下に説明する。
なお、定電圧ダイオード５のしきい値電圧は単電池（電池モジュール）２の所定の過充電電圧に等しく設定されている。また、単電池２の満充電以後の過充電状態進行時の単電池２の端子電圧の増加はそれほど大きくないので、温度センサ８による発熱検出感度を向上するため、電流制限用の抵抗素子６の抵抗値は十分小さく設定されている。 この実施例における図４に、この過充電発熱回路７すなわち定電圧ダイオード５と抵抗素子６との直列抵抗による電圧ー電流特性を図４に実線で、単電池２の端子電圧ー電流特性を破線で示す。すなわち、この実施例では、過充電が更に進行すると、単電池２が充電電流を吸収して過充電発熱回路７への電流が過剰となるのを防止している。
【００１９】
充電時において、すべての単電池（電池モジュール）２が満充電に達していない場合には、定電圧ダイオード５が遮断状態となって過充電発熱回路７に充電電流が迂回することがなく、温度センサ８はすべて低抵抗状態となって、コントローラ９は過充電発生なしと判定する。
充電時において、どれかの単電池（電池モジュール）２が過充電となってその端子電圧が定電圧ダイオード５のしきい値電圧を超えると、過充電発熱回路７に充電電流が迂回すると、その温度上昇を感知した温度センサ８が高抵抗となって、コントローラ９は過充電発生と判定し、警報や充電制御回路３への充電中止指令を出力したりする。
【００２０】
なお、総電圧がそれほど増大しない範囲で温度センサ８により過充電を検出した場合には、充電制御回路３へ充電中止指令を出力するのではなく、定電圧ダイオード５が許容する電流容量の範囲で、充電を続行することが好ましい。このようにすれば、まだ満充電に達していない他の電池モジュール２を所定の定電流で充電することができる。その後、多数の電池モジュール２が満充電となると、組み電池１の総電圧が所定のしきい値を超えるので、それにより組み電池１の充電は完了と判断して充電制御回路３に充電の停止を指令すればよい。その他、電流センサ１０で算出した過去の累積充放電量に基づいて充電制御回路３に充電の停止を指令することも可能である。
【００２１】
放電時において、すべての単電池（電池モジュール）２が過放電していない場合には、定電圧ダイオード５が遮断状態となって過充電発熱回路７に放電電流が迂回することがなく、温度センサ８はすべて低抵抗状態となって、コントローラ９は過放電発生なしと判定する。
放電時において、どれかの単電池（電池モジュール）２が過放電となって過充電発熱回路７に放電電流が迂回すると、その温度上昇を感知した温度センサ８が高抵抗となって、コントローラ９は過放電発生と判定し、警報を発生したり、図示しない負荷を遮断したりする。
【００２２】
図３に、上記動作のフローチャートを示す。なお、図３において、ＶｔｈＬは一部の単電池２が過充電となった状態における組み電池１の総電圧に等しいしきい値電圧であり、ＶｔｈＨは大部分の単電池２が過充電となった状態における組み電池１の総電圧に等しいしきい値電圧である。
【００２３】
【実施例２】
本発明の他の実施例を図５に示すブロック図を参照して説明する。
２個の単電池を直列接続してなる電池モジュール２の両端に、過充電発光回路７ａが並列接続されている。
この過充電発光回路７ａは、図１に示す過充電発熱回路７に発光ダイオード１１を直列接続しただけであり、発光ダイオード１１の順方向導通電圧と、定電圧ダイオード５の降伏電圧の合計は電池モジュール２の過充電電圧に等しく設定されている。
なお、定電圧ダイオード５のしきい値電圧の一部または全部として安価なＰＮ接合ダイオードの順方向電圧降下を利用したり、発光ダイオードの順方向電圧降下を利用したりしてもよいことはもちろんである。
【００２４】
過充電が生じて発光ダイオード１１に通電が生じると、その発光は、近接配置される光ファイバー１２の屈曲部からその内部に入射し、光ファイバー１２の内部を全反射しつつ、末端から受光ダイオード１３に放射される。
この過充電発光回路７ａは、各電池モジュール２ごとに設けられており、共通の光ファイバー１２により一個の受光ダイオード１３に送られる。このようにすれば、実施例１の過充電保護回路よりも一層速やかに過充電を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１の過充電保護回路を有する組み電池のブロック図である。
【図２】 図１に示す過充電発熱回路５を示すものであり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。
【図３】 図１に示すコントローラ９の動作を示すフローチャートである。
【図４】 図１に示す過充電発熱回路５の電圧ー電流特性図である。
【図５】 実施例２の過充電保護回路を有する組み電池の要部を示す回路図である。
【符号の説明】
１は組み電池、２は単電池（電池モジュール）、４は定電圧保護回路（過充電保護回路の一部）、５は定電圧ダイオード、６は抵抗素子、７は過充電発熱回路、８は温度センサ、９はコントローラ（過充電保護回路の残部、電流規制手段）、７ａは過充電発光回路、１３は受光ダイオード

Claims (5)

1. １乃至順次直列接続された複数の単電池からなる電池モジュールを複数直列接続してなる組み電池と、前記各電池モジュールの過充電を防止する過充電保護回路とを備える過充電保護回路を有する組み電池において、
   前記過充電保護回路は、前記電池モジュールの過充電電圧により発熱する過充電発熱回路と、前記電池モジュールから回路的に絶縁された状態で前記過充電発熱回路の温度上昇を検出する温度センサとを有し、前記温度センサが感知した温度上昇に基づいて過充電を判定することを特徴とする過充電保護回路を有する組み電池。
2. 請求項１記載の過充電保護回路を有する組み電池において、
   前記過充電発熱回路は、前記電池モジュールの過充電電圧により導通するダイオードと電流制限用の抵抗素子とを直列接続してなる過充電発熱回路を有し、前記温度センサは、前記ダイオード又は電流制限用の抵抗素子の温度上昇を検出する過充電検出回路を備え、前記温度センサの出力信号により前記組み電池の充電電流を規制する電流規制手段を有することを特徴とする過充電保護回路を有する組み電池。
3. 請求項２記載の過充電保護回路を有する組み電池において、
   前記温度センサは、前記単電池の温度も検出することを特徴とする過充電保護回路を有する組み電池。
4. 請求項２記載の過充電保護回路を有する組み電池において、
   各前記電池モジュールごとに設けられた複数の前記温度センサの出力端子は、相互に直列または並列接続されて前記電流規制手段に出力されることを特徴とする過充電保護回路を有する組み電池。
5. 請求項１記載の過充電保護回路を有する組み電池において、
   前記温度センサは、前記過充電保護回路に密着されている過充電保護回路を有する組み電池。

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