JP3939072B2

JP3939072B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP3939072B2
Application number: JP2000094710A
Authority: JP
Inventors: 真一板垣
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JP2001286068A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は過電流保護回路を内蔵する電池パックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池パックに内蔵される過電流保護回路は、設定電流よりも大きな電流が流れるときに電流を遮断する。したがって、過電流保護回路を内蔵する電池パックは、電池を過電流から保護して安全に使用できる。従来の電池パックは、過電流保護回路の設定電流を一定の決まった電流値に設定している。この過電流保護回路は、設定電流を最適値に設定するのが極めて難しい。それは、電池を保護するために設定電流を小さくすると出力できる最大電流が小さくなるからである。反対に、設定電流を大きくすると、電池の保護が難しくなる。さらに、電池パックは、電池の外的環境が種々の異なる状態となるので、過電流保護を一定の電流に設定すると、ある状態ではさらに電流を流すことができ、あるいは、非常に厳しい電流となることもある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
たとえば、リチウムイオン二次電池を充電すると、満充電に近付くにしたがって、イオンの移動度が低下して充電できる最大電流が小さくなる。このため、過電流保護回路を一定の電流値に設定する電池パックでは、イオンの移動度が低下する状態においても過電流が流れないように、この状態で設定電流を特定する必要がある。しかしながら、満状態されない状態ではさらに大きな電流を流すことができる。したがって、設定電流が小さく設定されることになって、流すことができる電流範囲が必要以上に制限されることになる。
【０００４】
さらに、電池パックの過電流保護回路は、ＦＥＴやトランジスター等の半導体スイッチング素子を備える。半導体スイッチング素子は、過電流が流れたときに電流を遮断する素子である。この半導体スイッチング素子も、最大電流が制限される。半導体スイッチング素子が電力を消費して発熱するからである。半導体スイッチング素子の発熱量は消費電力に比例する。消費電力は電流と電圧の積となる。半導体スイッチング素子は、消費電力が許容値を越えると故障することがある。半導体スイッチング素子を内蔵する電池パックは、これが破損しない電流値に設定することも大切である。半導体スイッチング素子に大容量のものを使用して、この弊害は解消できる。ただ、このことは半導体スイッチング素子を大きく高価にするので、常に充分な容量のものが使用できるとは限らない。
【０００５】
さらにまた、電池は、高温に加熱された状態で大電流を流すと、電気特性が低下することがある。設定温度を一定値に特定している従来の過電流保護回路は、電池が高温になっても劣化しない電流値に設定している。このことは、電池温度が低いときには、電池性能を低下させずに流すことができる電流を制限する弊害がある。
【０００６】
さらに、複数の電池を並列接続している電池パックは、全ての電池を全く同じ状態では接続できない。たとえば、図１に示す配列の電池パックは、図２の等価回路に示すように、長いリード線３で接続される電池セルｂが、直列に抵抗Ｒを接続された状態となる。この電池パックを放電して、電池セルａ、ｂの電流を測定すると、図３に示すように、同じ電流にはならない。この図に示すように、最初は、電池セルａの電流値が大きく、最後には電池セルｂの電流が急減に増加して、約２倍にもなる。放電を開始した最初に、電池セルａの電流が大きいのは、電池セルｂの放電電流が抵抗で制限されるからである。放電末期に電池セルｂの放電電流が急激に増加するのは、電池セルａの残容量が電池セルｂよりも少なくなって、電池セルｂのみから放電電流が出力されるようになるからである。放電の末期で放電電流が２倍にもなる電池パックは、たとえば、ひとつの電池に流れる最大電流を２Ａとする場合、ふたつの電池の最大電流を３Ａに制限する必要がある。この電池パックは、放電末期以外ではほぼ均等に電流が流れるので、各々の電池の最大電流を２Ａとする場合、最大電流を４Ａに設定できる。にもかかわらず、最大電流が３Ａに制限されて各々の電池を有効に利用できなくなる。
【０００７】
本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、過電流保護回路の設定電流を常に最適な設定電流として、電池パックを有効に利用できる状態としながら、電池等の内蔵部品を保護できる電池パックを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電池パックは、電池１に流れる電流を検出して、電流が設定電流よりも大きくなると電流を遮断する過電流保護回路２を内蔵している。過電流保護回路２は、電流を遮断する設定電流を一定値に固定することなく、温度、電圧、容量の少なくともいずれかを検出して最適値に変化させる。
【０００９】
過電流保護回路２は、たとえば、電池１の温度を検出して、電池温度が高くなると設定電流を減少させる。また、過電流保護回路２は、電池１の残容量を検出し、残容量が少なくなると設定電流を減少させる。また、過電流保護回路２は、電池１と直列に接続している半導体スイッチング素子４の電圧を検出し、半導体スイッチング素子４の電圧が高くなると設定電流を減少させる。さらに、過電流保護回路２は、電流と時間の積分値で設定電流を変化させる。
【００１０】
さらにまた、本発明の電池パックは、互いに並列に接続している電池１と、並列に接続された電池１に流れるトータルの電流を検出して、電流が設定電流よりも大きくなると電流を遮断する過電流保護回路２を内蔵している。この電池パックは、過電流保護回路２が、電池１の残容量が少なくなると設定電流を小さくする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電池パックを例示するものであって、本発明は電池パックを以下のものに特定しない。
【００１２】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１３】
図４に示す電池パックは、直列に接続している複数の電池１と過電流保護回路２とを備える。電池１は、図４と図５に示すように、２個を並列に接続した３組を直列に接続している。図５に示す電池パックは、図において右上に配設している電池１ｂの＋側に接続しているリード線３が長く、したがって、このリード線３は、抵抗が他のものに比較して大きい。したがって、この電池パックを等価回路で示すと、図４に示すように、電池１ｂと直列にリード線３による抵抗Ｒが接続される。他のリード線の抵抗は０でない。ただ、長いリード線３に比較すると抵抗が小さいので、図４の等価回路には抵抗を図示しない。
【００１４】
電池１は、リチウムイオン二次電池、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池、その他の全ての充電できる二次電池である。図の電池パックは、リチウムイオン二次電池を内蔵している。リチウムイオン二次電池は、各々の電池セルの電圧を監視しながら、充放電を制御する必要があるので、直列に接続している接続点の電圧を監視している。ただ、リチウムイオン二次電池に限らず、他のタイプの二次電池も、各々の電池セルの電圧を監視しながら充放電して、理想的な状態で使用できる。
【００１５】
過電流保護回路２は、電池１に過電流が流れるときに電流を遮断する半導体スイッチング素子４と、電池１に流れる電流を設定電流に比較して、電池１の電流が設定電流よりも大きいときに半導体スイッチング素子４をオンからオフに切り換えてオフ状態に保持する比較保持部５と、この比較保持部５に電流を遮断する設定電流信号を出力する保護電流設定部６と、電池１と直列に接続している電流検出抵抗７と、この電流検出抵抗７の両端に発生する電圧を増幅する差動アンプ８と、差動アンプ８の出力であるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ９とを備える。
【００１６】
半導体スイッチング素子４は、電池１と出力端子１０との間に接続されて、充電電流と放電電流を遮断する。図の半導体スイッチング素子４は、二つのＦＥＴを逆向きに並列に接続して、一方で充電電流を遮断して、他方で放電電流を遮断する。このように、二つの半導体スイッチング素子４を逆向きに並列に接続する電池パックは、充電電流と放電電流の両方の過電流を遮断できる。ただし、本発明の電池パックは、必ずしも充電電流と放電電流の両方の過電流を遮断する必要はなく、たとえば、放電電流のみ、あるいは充電電流のみを過電流から保護することもできる。図の電池パックは、半導体スイッチング素子４にＦＥＴを使用してるが、ＦＥＴに代わってトランジスターも使用できる。
【００１７】
比較保持部５は、Ａ／Ｄコンバータ９から入力される電池１に流れる電池電流と、保護電流設定部６から入力される設定電流とを比較し、電池電流が設定電流よりも大きくなると、半導体スイッチング素子４をオフに切り換え、その後、リセットされるまでは半導体スイッチング素子４をオフに保持する。したがって、比較保持部５は、電池電流が設定電流よりも小さいときに半導体スイッチング素子４をオンにする信号を出力し、電池電流が設定電流よりも大きくなると、半導体スイッチング素子４をオフにする信号を出力する。さらに、この比較保持部５は、半導体スイッチング素子４をオフに保持し、かつ、オフに保持する状態をリセットするリセットスイッチ１１を接続している。
【００１８】
電流検出抵抗７は、電池１に流れる電流に比例する電圧降下を生じる。電流検出抵抗７に発生する電圧降下は差動アンプ８で増幅される。したがって、差動アンプ８の出力電圧は、電池電流に比例する電圧となる。差動アンプ８の出力電圧は、Ａ／Ｄコンバータ９でデジタル信号に変換される。したがって、Ａ／Ｄコンバータ９の出力は、電池電流を示すデジタル信号となる。
【００１９】
本発明の電池パックは、電流を遮断する設定電流を一定に特定しない。したがって、保護電流設定部６から比較保持部５に出力される設定電流値は、温度（Ｔ）、電圧（Ｖ）、容量（Ｃ）、時間（ｔ）、電池の構造（Ｍ）をパラメーターとして最適値に変化させる。保護電流設定部６から比較保持部５に出力される設定電流値（ＩS）は、以下の関数で最適値に変更される。
ＩS＝ｆ（T、V、C、t、M）
【００２０】
保護電流設定部６は、好ましくは、温度（Ｔ）と電圧（Ｖ）と容量（Ｃ）と時間（ｔ）と電池の構造（Ｍ）の全てをパラメーターとして、設定電流値を最適値に変更する。複数のパラメーターで設定電流を変更する保護電流設定部６は、各々のパラメーターで独立して設定電流値を特定し、あるいは、複数のパラメーターの組み合せとして設定電流値を特定する。パラメーターで複数の設定電流値が特定される場合は、最低の電流値を設定電流値とする。ただ、保護電流設定部は、かならずしも、以上の全てをパラメーターとして設定電流値を最適値に変更する必要はなく、いずれかひとつ、あるいは複数のパラメーターで設定電流値を最適値に変更することもできる。
【００２１】
図４の保護電流設定部６は、温度をパラメーターとして設定電流値を変更するために、電池温度を検出する温度センサー１２と、半導体スイッチング素子４の温度を検出する温度センサー１３とを備えている。図６は、電池温度に対する設定電流値を示すグラフである。電池温度に対して設定電流値を変化させる割合は、電池パックに内蔵される電池１のタイプや大きさ等で最適値とする。たとえば、ニッケル−カドミウム電池は高温特性に優れるので、電池温度に対する設定電流値の低下を少なくし、ニッケル−水素電池やリチウムイオン二次電池は、電池温度に対する設定電流値の低下を大きくして、温度による電池性能の低下を有効に防止する。
【００２２】
半導体スイッチング素子４は、温度が高くなるにしたがって許容できる最大損失が小さくなる。したがって、図７に示すように、半導体スイッチング素子４の温度が高くなるにしたがって、設定電流値を小さくする。
【００２３】
さらに、図４の保護電流設定部６は、電池電圧と半導体スイッチング素子４の電圧をパラメーターとして設定電流値を変更するために、電池電圧と、半導体スイッチング素子４の電圧を検出している。図示しないが、保護電流設定部６は、これ等の電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータを内蔵している。
【００２４】
電池１は、放電させると図８に示すように電池電圧が低下し、充電すると図９に示すように電池電圧が上昇する。これ等の図は、電池電圧をパラメーターとして変化する設定電流値も示してる。図８は、電池を放電して、電池の残容量が少なくなって電池電圧が低下すると設定電流値を小さくしている。このように、残容量が少なくなって電池電圧が低下するときに設定電流を小さくする電池パックは、完全放電に近い状態で電池性能の低下を有効に防止できる。さらに、図９は、電池を充電して満充電に近づいて電池電圧が上昇すると設定電流値を小さくしている。このように、満充電に近くなって設定電流値を小さくする電池パックは、リチウムイオン二次電池を内蔵して、満充電するときの電池性能の低下を有効に防止できる。リチウムイオン二次電池は満充電に近くなると、イオンの移動度が低下するので、大電流で充電すると電池性能が低下するが、設定電流値を小さくするとこの弊害が発生しない。
【００２５】
電池１を放電するときに、電池電圧をパラメーターとして設定電流値を変更する保護電流設定部６は、図１０と図１１に示すように、設定電流値を変更することもできる。図１０は、放電の末期のみでなく、放電を開始した最初の電池電圧が高いときにも設定電流値を小さくしている。このように設定電流値を変更する電池パックは、放電を開始して電池の内部温度が低いときに化学反応が充分でない電池の大電流による電池性能の低下を有効に防止できる。さらに、図１１は、放電を開始して電池電圧が高いときの設定電流値を大きくしている。この電池パックは、充分に充電した状態で大出力を取り出すことがてきる。
【００２６】
さらに、電池１を充電するときに、電池電圧をパラメーターとして設定電流値を変更する保護電流設定部６は、図１２に示すように、充電を開始したときに設定電流値小さくして、充電末期の電池電圧が高くなるときに、設定電流を上昇させることもできる。この電池パックは、電池の内部温度が低くて速やかな化学反応ができない状態では設定電流を小さくして、過大な大電流による電池性能の低下を防止しながら、充電の末期になって電池電圧が上昇して電池の内部温度が高くなって化学反応が速やかにできる状態では、設定電流を大きくして速やかに満充電できる。
【００２７】
さらに、保護電流設定部６は、図８ないし図１２の矢印で示すように、電池温度と電池電圧の両方をパラメーターとして、設定電流値を変更することもできる。
【００２８】
保護電流設定部６が、電池１の残容量を算出し、算出した残容量をパラメーターとして設定電流値を変更するグラフを図１３に示す。保護電流設定部６は、充電容量から放電容量を減算して残容量を算出する。充電容量は、Ａ／Ｄコンバータ９から入力される充電電流の積算値で算出される。正確には、充電電流の積算値に充電効率をかけて充電容量を算出する。放電容量は、放電電流の積算値を減算して算出する。図１３は、残容量が０に近付く、いいかえると完全に放電されるにしたがって設定電流値を小さくし、また、残容量が１００％に近付く、いいかえると満充電に近づくにしたがって設定電流値を小さく、中間で大きくしている。ところで、電池は、残容量を５０％とする近傍で充放電されると、最も長寿命に使用できる特性がある。この程度の残容量での使用が最も劣化させないからである。したがって、図１３に示すように、残容量を５０％付近で設定電流値を大きくする電池パックは、長寿命に使用しながら、残容量を５０％近傍とする領域での出力を大きくできる。
【００２９】
保護電流設定部６が、時間をパラメーターとして設定電流値を変更するグラフを図１４に示す。この図は、横軸に過大電流が流れる時間を示し、縦軸に設定電流値を示している。この図に示すように、過大電流が流れる時間が短いときには設定電流値を大きくし、過大電流が流れる時間が長くなるほど設定電流値を小さくする。過大電流が長時間に流れると、電池性能を劣化させるからである。さらに、この図は、時間と温度の両方をパラメーターとして設定電流値を特定している。温度が高くなると、同じ時間でも設定電流値を小さくしている。
【００３０】
さらに、保護電流設定部６は、電池１の構造によっても設定電流値を変更している。電池１を放電させるときに、図３に示すように各々の電池の電流がアンバランスになるとき、最も大きな電流が流れる電池の電流が最大電流を越えないように、設定電流値を特定する。たとえば、図２に示すように、二つの電池１を並列に接続する電池パックを放電すると、各々の電池１に流れる電流は図３に示すように変化する。この電池パックは、残容量がほぼ０％となる付近で、大きな電流が流れる電池に比較して、小さな電流が流れる電池の電流は５０％となる。この電池パックの保護電流設定部は、図１５に示すように、残容量が０％となる領域では設定電流値を７５％まで低下させる。
【００３１】
保護電流設定部６は、二つの電池を並列に接続して、一方の電池電流が他方のＡ％になる場合、Ａ％となる領域での設定電流値を、各々の電池に等しく電流が流れる領域の設定電流値の（１＋Ａ／１００）／２倍とする。
【００３２】
図３の電流特性の電池パックは、残容量が０％に近付くにしたがって、各々の電池のアンバランスが大きくなる。したがって、保護電流設定部６は、図１５に示すように、電池電流のアンバランスが大きくなる領域での設定電流値を小さくしている。したがって、この保護電流設定部６は、電池１の構造と残容量の両方をパラメーターとして設定電流値を変更している。ただし、電池パックは、必ずしも図３に示すように、残容量が変化するにしたがって各々の電池電流が変動するとは限らない。たとえば、２本の電池を並列に接続して、一方の電池に接続しているリード線の抵抗が極めて大きいとき、あるいは、リード線の抵抗に比較して、放電電流が極めて大きいとき、あるいは、電気自動車用の電池パックのように、残容量が０％となる領域までは放電させない用途においては、各々の電池に流れる電流のアンバランスはほぼ一定となる。したがって、この状態で放電される電池パックの保護電流設定部６は、残容量をパラメーターとすることなく、たとえば、電池温度と構造をパラメーターとして、設定電流値を最適値に変更することもできる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の電池パックは、過電流保護回路の設定電流を常に最適な設定電流として、電池パックを有効に利用できる状態としながら、電池等の内蔵部品を保護できる特長がある。それは、本発明の電池パックが、電池に流れる電流を検出して、電流が設定電流よりも大きくなると電流を遮断する過電流保護回路を内蔵しており、過電流保護回路が、電流を遮断する設定電流を一定値に固定することなく、温度、電圧、容量の少なくともいずれかを検出して最適値に変化させているからである。
【００３４】
さらに、本発明の請求項６の電池パックは、互いに並列に接続している電池と、電池に流れるトータルの電流を検出して電流が設定電流よりも大きくなると電流を遮断する過電流保護回路を内蔵しており、この過電流保護回路が、電池の残容量が少なくなると設定電流を小さくしているので、常に最適な設定電流にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】複数の電池を並列接続している電池パックの一例を示す配線図
【図２】図１に示す電池パックの等価回路図
【図３】図２に示す電池パックの電池セルａ、ｂの電流特性を示すグラフ
【図４】本発明の実施例の電池パックの回路構成を示すブロック図
【図５】図４に示す電池パックの電池の接続状態を示す図
【図６】電池温度に対する設定電流値を示すグラフ
【図７】半導体スイッチング素子の温度に対する設定電流値を示すグラフ
【図８】電池を放電させるときの電池特性と設定電流値を示すグラフ
【図９】電池を充電させるときの電池特性と設定電流値を示すグラフ
【図１０】電池を放電させるときの設定電流値の他の一例を示すグラフ
【図１１】電池を放電させるときの設定電流値の他の一例を示すグラフ
【図１２】電池を充電させるときの設定電流値の他の一例を示すグラフ
【図１３】電池の残容量をパラメーターとして設定電流値を変更する状態を示すグラフ
【図１４】時間をパラメーターとして設定電流値を変更する状態を示すグラフ
【図１５】電池の構造によって設定電流値を変更する状態を示すグラフ
【符号の説明】
１…電池
２…過電流保護回路
３…リード線
４…半導体スイッチング素子
５…比較保持部
６…保護電流設定部
７…電流検出抵抗
８…差動アンプ
９…Ａ／Ｄコンバータ
１０…出力端子
１１…リセットスイッチ
１２…温度センター
１３…温度センター

Claims

電池(1)に流れる電流を検出して、電流が設定電流よりも大きくなると電流を遮断する過電流保護回路(2)を内蔵する電池パックにおいて、
過電流保護回路(2)が電流を遮断する設定電流を、温度、電圧、容量の少なくともいずれかを検出して変化させることを特徴とする電池パック。
過電流保護回路(2)が電池(1)の温度を検出し、電池温度が高くなると設定電流を減少させることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
過電流保護回路(2)が電池(1)の残容量を検出し、残容量が少なくなると設定電流を減少させる請求項１の電池パック。
過電流保護回路(2)が、電池(1)と直列に接続している半導体スイッチング素子(4)の電圧を検出し、半導体スイッチング素子(4)の電圧が高くなると設定電流を減少させる請求項１の電池パック。
過電流保護回路(2)が、電流と時間の積分値で設定電流を変化させる請求項１の電池パック。
互いに並列に接続してなる電池(1)と、並列に接続された電池(1)に流れるトータルの電流を検出して、電流が設定電流よりも大きくなると電流を遮断する過電流保護回路(2)を内蔵する電池パックにおいて、
過電流保護回路(2)が、電池(1)の残容量が少なくなると設定電流を小さくすることを特徴とする電池パック。