JP3988797B2

JP3988797B2 - 二次電池の保護装置

Info

Publication number: JP3988797B2
Application number: JP2006231748A
Authority: JP
Inventors: 俊之仲辻; 哲秀紺野; 広和長谷川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2016-06-07
Also published as: JP2007020399A

Description

本発明は、二次電池の保護装置、特にリチウムイオン二次電池において有用な二次電池の保護装置に関するものである。

各種携帯機器や情報機器等の電源として用いられる二次電池には、その電池自身の有する特性に応じた適切な充電および放電条件が定められている。しかし、前記条件を越えての充放電、所謂、過充電や過放電を行った際に、電解液の分解に伴うガス発生や、電池内部での短絡に起因する加熱等の問題を生じてしまう。

このような問題に対して、従来から過充電、過放電を防止するための手段を講じた二次電池の保護装置が種々提案されている。例えば、特許文献１には、寄生ダイオード付きＭＯＳ−ＦＥＴ等から成る過充電保護用と過放電保護用のスイッチング手段を二次電池の充放電経路に電池と直列接続されるように配置し、制御回路にて検出された二次電池の電圧によって前記スイッチング手段のオン、オフ状態を制御する構成が開示されている。

また、特許文献２には、直列に接続された二次電池の各セルの正負極間の電圧を検出する電圧検出手段と、充電端子間に電池と直列に設けられたスイッチ手段とを有し、充電時に各セルの正負極間電圧が所定値を越えたとき、電圧検出手段の出力に基づいてスイッチ手段をオフ状態とし、充電電流を遮断する旨が示されている。

従来の二次電池の保護装置の回路図を図６に、電圧検出器の回路図を図７に示す。１１は正極端子、１２は負極端子、１３Ａ、１３Ｂは複数の素電池を並列接続したセルブロックを示す。セルブロック１３Ａおよび１３Ｂが直列接続された電池１３の正極端は正極端子１１に接続され、負極端は充放電電流遮断用のスイッチ手段１４を介して負極端子１２に接続されている。ＷＨ、ＷＭおよびＷＧはセルブッロクの電圧を検出するための接続線である。

また、６５は電池１３の正負極間の電圧を検出する電圧検出部、６６は電圧検出部６５からの信号によりスイッチ手段を制御するスイッチ制御部である。

図６(ａ)は、電池１３の両端間の電圧を検出するように電圧検出器６５を配置した構成を示しており、図６(ｂ)は、直列接続された各セルブロック毎の電圧を検出する為に電圧検出器６５Ａ、６５Ｂを各セルブロック毎に配置された構成である。いずれの場合も、各電圧検出器の出力Ｖ_OVRがスイッチ制御部６６に入力され、スイッチ制御部６６は充放電用のスイッチ手段１４を制御する。

次に電圧検出器６５の構成を図７に示す。電圧検出器６５は図７(ａ)に示すように、出力端ｔ１、＋側電源端子ｔ２および−側電源端子ｔ３を有し、さらに＋側電源端子ｔ２と−側電源端子ｔ３との間に、抵抗Ｒ１、Ｒ２を接続した比較器７１からなり、マイナス入力端に基準電圧Ｅ１を印加すると共に、抵抗Ｒ１及びＲ２の接続中点をプラス入力端に印加するように構成されている。

図６(ａ)に示した構成では、過充電状態の検出を各セルブッロクを直列接続した電池全体としての電池電圧が基準電圧Ｅ１を越えているか否かを判断している。このため、直列に接続された各セルブロック毎の電圧にばらつきが生じた際に、各々のセルブロックから判断すれば的確に過充電保護がなされないことがある。

例えば、直列数が２の構成に対して、各セルブロックの過充電電圧を４．３Ｖに設定し、全体の電池電圧が８．６Ｖを越えた際に、電圧検出器６５の出力Ｖ_OVRがＨｉｇｈとなり、充放電用スイッチ手段をオフする。しかし、各セルブッロク電圧ＶＢ１、ＶＢ２がバランスをくずし、ＶＢ１が４．３５Ｖ、ＶＢ２が４．２ＶであってもＶ_OVRはＨｉｇｈとならず過充電制御が働かない。電池１３Ａは過充電状態となり、好ましくない状態におかれることになる。

そこで、図６（ｂ）のような各セルブロック毎に電圧検出器が配置され、各々のセルブッロクの電圧を正しく検出する方法が提案された。図７（ａ）に示した構成では、あるセルブロックが過充電電圧に達した場合、比較器７１の出力がＨｉｇｈになり充電を禁止する。充電を禁止することですぐに電池電圧が下がり、比較器７１の出力がＬｏｗになり充電可能となる。そこで再び過充電電圧に達して充電が禁止される。従って、スイッチ手段１４のオン、オフ状態が頻繁に繰り返されることになる。

そこで、この問題点を解決するため特許文献３には、上記比較器の出力にヒステリシスを設ける手段が開示されている。

図７（ｂ）にヒステリシスを持つ電圧検出器の構成図を示す。比較器７１の出力がＨｉｇｈになるとＳＷ１ではＰ１とＰ３間の接続をＰ１とＰ２間に切り替える。また、比較器７１の出力がＬｏｗになるとＳＷ１ではＰ１とＰ２間の接続をＰ１とＰ２間に切り替える。

図８に従来例における通常時の過充電保護動作の説明図を示す。通常の過充電保護時の各電池電圧の変化と電圧検出器の出力Ｖ_OVR及びスイッチ制御部の出力状態、充電電流Ｉ_CHGの変化の様子を示している。

充電時には、図８に示すように、何れか一方、図示例ではセルブロック１３Ａの検出電圧ＶＢ１が第１の電圧値Ｖ１（例えば、４.３０Ｖ）以上になると、電圧検出器６５Ａの出力Ｖ_OVRがＨｉｇｈとなり、スイッチ手段１４をオフして充電電流Ｉｃｈｇを遮断する。また、前記電圧ＶＢ１が第２の電圧値Ｖ２（例えば、４．００Ｖ）以下になると、スイッチ手段をオンして充電禁止機能を解除する。
特開平４−７５４３０号公報特開平４−３３１４２５号公報特開平５−４９１８１号公報

ところで、このような構成の二次電池の保護装置では、セルブロック部分と制御回路を接続するには、構造上何等かの接続線が必要である。前記接続線のはずれ、断線が発生した場合（以下、タップはずれと略称する）、該当する電池ブロックのセル電圧が正しく検出できなくなる。

図９にタップはずれが生じた際、すなわち異常時の過充電保護機能の様子を示す。この図９において接続線ＷＭに断線が生じた場合を実線で、接続線ＷＨに断線が生じた場合を波線で示す。

接続線ＷＭに中間セルのタップがはずれた場合には、図７に示すように抵抗分割により電圧検出するので、全体の電池電圧が（前記第１の電圧値×直列数）以上になった時点で、例えば、２直列の場合全体の電池電圧が８.６Ｖで過充電保護機能が働き、充電電流が
遮断される。

電池が充放電を繰り返す過程において、個々の電池の個体差により電池の容量バランスが崩れた場合には、図９において実線で示したＡのポイント、例えばセルブロック１３Ａの電池電圧が４.４Ｖ、セルブロック１３Ｂの電池電圧が４.２Ｖで過充電保護が働き充電電流が遮断される。即ちセルブロック１３Ａの電池電圧ＶＢ１が前記第１の電圧値４.３Ｖをはるかに越えた電圧値で充電禁止となる。これは、個々の電池セルブロックでみれば過充電状態でも保護機能が働かない状況が発生していることになる。

また、図６の接続線ＷＨや接続線ＷＧのタップはずれ等による電圧検出異常が発生してしまった場合、従来の装置では、タップはずれ等による電圧検出異常があっても、電池電圧そのものがスイッチ制御回路（例えばマイコン）が動作可能な最低電圧（例えば５Ｖ）より大きいときは、電圧検出に異常があるにもかかわらず、スイッチ制御回路は動作し、充電が続いてもタップはずれの該当電池セルブロックの検出電圧ＶＢ１が前記第１の電圧値４．３０Ｖ以上にならないので、図９の破線で示すようにＢのポイント、即ち他のセルブロック（電池１３Ｂ）の過充電制御が働くまで、前記該当セルブロック（電池１３Ａ）が過充電状態となっていても充電が止められない。また、ショ−ト等による電池異常に対しても同様のことが発生する。

このように、従来の保護装置では、タップはずれ等による異常状態を認識できず、過充電保護が働かない状況に陥り、前述の如く電池が好ましくない状態となる問題点を有していた。

そこで、前記問題点に対する保護機能を前記従来装置の過充放電防止機能に併用して設け、二次電池の安全性を確保することが望まれる。

本発明は上記課題を解決するもので、従来の過充放電保護機能に加えてタップはずれ等の電池電圧検出の異常やショ−ト等の電池異常を認識し、過充電保護用のスイッチング手段をオフ制御することで、二次電池の安全性をより高める保護装置を提供することを目的とする。

本発明の二次電池の保護装置は、複数の電池セルブロックが直列に接続され、充放電経路に充放電制御手段にてオンオフ制御可能な充電用と放電用のスイッチング素子が配置された二次電池の保護装置であって、充放電時に前記各電池セルブロックの電圧を検出する電圧検出手段とを有し、前記充放電制御手段は、前記各電池セルブロックの検出電圧の合計値を算出し前記合計値と前記充放電制御手段が動作可能な最低電圧とを比較し、前記合計値が前記動作可能な最低電圧よりも小さいとき、前記電圧検出手段の異常と判断して充電を禁止するように前記充電用のスイッチング素子を制御することを特徴とする。

本発明の二次電池の保護装置によれば、各電池セルブロックの検出電圧から算出した合計値が前記充放電制御手段（例えばマイコン）が動作可能な最低電圧（例えば５Ｖ）よりも小さいとき、各電圧を正しく検出できていないと認識でき、充電を禁止することで、過充電の未然防止を図れる。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図５を参照して説明する。

図１は本発明の二次電池の保護装置の構成図を示す。図１において、複数の素電池、例
えばリチウムイオン電池が並列接続されたセルブロック１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃが正極端子１１と負極端子１２間に直列に接続され、かつ前記セルブロック１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃに対して直列に過充電保護用のＦＥＴ１４Ｃと過放電保護用のＦＥＴ１４Ｄとが配置されている。また、前記セルブロック１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの各電圧を検出する電圧検出部１５が設けられ、前記電圧検出部１５には電圧検出用コンデンサＣ１が接続される。また、前記ＦＥＴ１４Ｃ、１４Ｄをオン・オフする充放電スイッチ制御部１６が設けられ、前記充放電スイッチ制御部１６は、電圧検出部１５に対するセレクト信号Ｓ１、Ｓ２，ＩＮＨを出力し、前記電圧検出用コンデンサＣ１に充電された電圧値を読み込み、前記充放電保護用ＦＥＴを制御する構成になっている。

図２に、前記電圧検出部の構成を示す。入力信号Ｓ１、Ｓ２、ＩＮＨの状態により、８個のスイッチをオン・オフする。図３に、各セル電圧の検出タイミングチャートを示す。

以下に、電圧検出の動作を具体的に説明する。充放電スイッチ制御部１６から出力されるセレクト信号Ｓ１、Ｓ２、ＩＮＨによって、各セル電圧が電圧検出用コンデンサＣ１に充電される。例えば、Ｓ１＝Ｌｏｗ、Ｓ２＝Ｈｉｇｈの時、図２よりＸ２とＸ、Ｙ２とＹが接続され、電池１３Ｃのセル電圧が前記コンデンサＣ１に充電される。その直後、充放電スイッチ制御部１６は、Ｓ１＝Ｈｉｇｈ、Ｓ２＝Ｈｉｇｈとし、コンデンサＣ１に充電された電圧値をＡＮ０ポ−トで読み込む。読み込んだ直後に、次の電池セル１３Ｂの電圧値ＶＢ２を正しく検出するために、ＡＮ１ポ−トにより抵抗Ｒ１を介してコンデンサＣ１の電位を放電する。この動作を図３のタイミングチャートに示すように、各セル順番に繰り返す。

図４に充放電スイッチ制御部１６の過充電制御動作のみをフローチャートで示す。まず、前記電圧検出部１５から読み込んだ各セル電圧値が、ある規定値Ｖ３（例として０．１Ｖ）以下であるかどうかを判定する。いずれかのセル電圧値が０．１Ｖ以下であれば、タップはずれか電池異常の可能性があるので充電ＦＥＴ１４Ｃをオフする。０．１Ｖを越えていれば、通常の過充電保護動作のシーケンスに移行する。

次に、いずれかのセル電圧値が第２の規定値Ｖ２（例として４．０Ｖ）以下であるかを判断する。該当する電池があれば、該当する電池の過充電禁止ステータスＳ_OVRをリセットする。次に、いずれかのセル電圧値が第１の規定値Ｖ１（例として４．３Ｖ）以上であるかを判断する。該当する電池があれば、該当する電池の過充電禁止ステータスＳ_OVRをセットする。いずれかの過充電禁止ステ−タスがセットされていれば、充電用ＦＥＴ１４Ｃをオフする。また、全ての過充電禁止ステータスがリセットされていれば、充電ＦＥＴ１４Ｃをオンする。

過放電制御については従来装置同様に、いずれかのセル電圧値が規定値（例えば２．６Ｖ）以下であれば、放電用ＦＥＴ１４Ｄをオフし、該当するセルの電圧値が規定値（例えば３．２Ｖ）以上になれば、放電ＦＥＴ１４Ｄをオンにする。

次に、図５に正常な場合とタップはずれが発生した場合の過充電制御動作を示す。まず、正常な場合の過充電保護動作を図５のｔ１〜ｔ３を参照し説明する。

図５（ａ）に示すように、充放電スイッチ制御部１６では、何れかの検出電圧、図示例では電池セルブロック１３Ａの検出電圧ＶＢ１が第１の規定値Ｖ１（例えば、４．３Ｖ）以上になると、ポイントＡに示すように前記充電ＦＥＴ１４Ｃをオフして充電電流Ｉｃｈｇを遮断する。また前記ＶＢ１が第２の電圧値Ｖ２（例えば、４．０Ｖ）以下になると、ポイントＢに示すように前記充電ＦＥＴ１４Ｃをオンして過充電禁止機能を解除する動作を行う。

次に、異常時に対する本発明の過充電保護機能に関して、図１〜図５を参照して説明する。図５のｔ３以降に示すように、中間タップはずれが発生した場合、図示例では接続線ＷＭが断線した場合、電池セルブロック１３Ａの電圧検出に対し、前記コンデンサＣ１に充電されず、充放電スイッチ制御部１６は検出電圧ＶＢ１＝０Ｖとして認識する。同様に電池セルブロック１３Ｂの電圧検出でも、前記コンデンサＣ１に充電されず、充放電スイッチ制御部１６は検出電圧ＶＢ２＝０Ｖとして認識する。電池セルブロック１３Ｃの電圧検出に対しては、前記断線の影響は受けずに前記コンデンサＣ１に充電され、マイコンはＡ／Ｄポ−トを介してその電圧ＶＢ３を検出する。

マイコンによる異常認識による動作の流れを説明する。前記接続線ＷＭの断線の場合、マイコンに入力された電圧ＶＢ１、ＶＢ２が第３の規定値Ｖ３（例えば、０．１Ｖ）以下になったことを認識し、前記充電ＦＥＴ１４Ｃをオフして充電電流Ｉｃｈｇを遮断している。

０．１Ｖ以下になった電圧ＶＢ１、ＶＢ２に対しては、従来装置同様に充放電スイッチ制御部１６にて過放電保護が働き、前記放電ＦＥＴ１４Ｄもオフされる。

また、全体の電池電圧がマイコンが動作しない電圧まで低下した場合には、つまりマイコンが動作しない場合には充電用スイッチ１４Ｃをオンするようにしておく。それによって全体の電池電圧が正常に０Ｖ付近まで低下した場合には、充電可能となる。

このように、本発明の実施例では従来の過充放電保護機能に加えて、セルバランスがくずれても、各電池セルの電圧値を確実に検出できると共に、何れかの電池セル電圧が規定値以下の場合を検出することにより、電池ショ−トや中間タップはずれ等の原因による異常状態を確実に認識でき、それに基づいて充電を禁止することで過充電の未然防止を図ることができる。

また、この例では３つの電池セルブロックが直列に接続された場合であるが、個の電池セルや２個以上の直列に接続された電池ブロックの構成にも適用できるものである。

また、充放電スイッチ制御部１６にマイコンを使用した場合、読み込んだ前記各セルブロックの検出電圧より合計値（ＶＢ１＋ＶＢ２＋ＶＢ３）を算出し、その合計値が前記マイコンの動作可能な最低電圧値（例えば、５Ｖ）より小さいかを判断する。前記条件が満たされた場合には、つまりマイコンが動作しているにもかかわらず電池の合計電圧が５Ｖより小さいことを示しており矛盾が生じていることが認識でき、充電ＦＥＴ１４Ｃをオフし、充電禁止とする。

この方法でも、接続線ＷＭの断線のような中間タップはずれの場合ＶＢ１＝ＶＢ２＝０となる。従って、合計値（ＶＢ１＋ＶＢ２＋ＶＢ３）＝ＶＢ３、ＶＢ３は５Ｖより小さく前記条件が満たされ、中間タップはずれ等の異常状態を認識でき、過充電保護ができる。

本発明にかかる二次電池の保護装置は、二次電池、特にリチウムイオン二次電池の過充電の未然防止を図ることにより、二次電池の安全性の向上を図ることができるので、二次電池の保護装置として有用である。

本発明の二次電池の保護装置の構成図同電圧検出部の構成図同各セル電圧検出動作の説明図同過充電スイッチ制御部の動作のフローチャート同過充電保護動作の説明図従来の二次電池の保護装置の回路図従来例における電圧検出器の回路図従来例における通常時の過充電保護動作の説明図従来例における異常時の過充電保護動作の説明図

符号の説明

１１正極端子
１２負極端子
１３Ａ電池セルブロック
１３Ｂ電池セルブロック
１３Ｃ電池セルブロック
１４Ｃ充電用ＦＥＴ
１４Ｄ放電用ＦＥＴ
１５電圧検出部
１６充放電スイッチ制御部
Ｃ１電圧検出用コンデンサ

Claims

複数の電池セルブロックが直列に接続され、充放電経路に充放電制御手段にてオンオフ制御可能な充電用と放電用のスイッチング素子が配置された二次電池の保護装置であって、充放電時に前記各電池セルブロックの電圧を検出する電圧検出手段とを有し、前記充放電制御手段は、前記各電池セルブロックの検出電圧の合計値を算出し前記合計値と前記充放電制御手段が動作可能な最低電圧とを比較し、前記合計値が前記動作可能な最低電圧よりも小さいとき、前記電圧検出手段の異常と判断して充電を禁止するように前記充電用のスイッチング素子を制御することを特徴とする二次電池の保護装置。