JP4196122B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は、充放電を繰り返す二次電池を用いた電池パックに関し、特に、その二次電池の状態を検出するための回路構成を備えた電池パックに関する。

携帯電話機やノートパソコン等の電子機器の電源として用いられる電池パックには、ニッケルカドミウム蓄電池、ニッケル水素蓄電池またはリチウムイオン二次電池が使われる。そして、近年は、その軽量性、高容量性からリチウムイオン二次電池が主流である。

ここで、携帯電話機器等の必要電力が１個のリチウムイオン二次電池の電圧や容量でまかなえる場合は、１個のリチウムイオン二次電池で電池パックが構成される。これに対し、ノートパソコン等の高電圧または大電力が必要な機器には、複数の二次電池セルを用い、それらを直列に接続したモジュールを並列に接続したり、逆に並列に接続したモジュールを直列に接続した組電池で電池パックが構成されている。

以上のような組電池の場合、一個の二次電池セルが、例えば微小内部短絡を起こしたとき、その微小内部短絡を起こした二次電池セルを並列接続すると、並列接続されたセルの容量も、微小内部短絡を起こした二次電池セルの短絡回路を通じて放電されてしまうため、その並列電池の容量が低下し、結果として組電池の容量が低下する。容量の低下が激しい場合は、その並列電池の残容量がゼロ、他の電池が満充電となり、組電池として充放電できなくなる。

このように複数の二次電池セルからなる組電池で構成された電池パックに電池の異常が発生した場合に、それを検出する方法には、従来様々な方法が取られていた。

例えば、複数の二次電池セルを並列に接続した並列モジュールを複数モジュール直列に接続した組電池において、並列接続セルの異常を確実に診断する異常診断装置が提案されている。（特許文献１参照）
また、電池パックでだけでなく、並列モジュールを直列接続した組電池の充電異常を検出する際に、並列モジュールの過充電異常及び充電器の異常の双方を検出可能とする異常検出装置も提案されている。（特許文献２参照）
特開２００４−３１１２０号公報 特開平１１−９８７０２号公報

しかしながら、従来の異常検出装置では、その電池パックの異常は検出できるが、例えひとつの二次電池セルが故障した場合でも電池パック全体が使用できなくなるという課題があった。

本発明の目的は、異常を起こしている二次電池セルを特定し、その特定された二次電池セルを含む直列モジュールを切離すことにより、直列モジュール１個分の容量減のみが発生した状態で使用しつづけることが可能な電池パックを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の電池パックは、複数の二次電池セルを直列に接続した複数の直列モジュールを有し、前記直列モジュールを並列に接続
した組電池回路を有し、さらに、前記直列モジュールを構成する二次電池セル個々を並列接続した回路構成を有する組電池と、電池異常検出回路とからなる電池パックであって、前記組電池回路は、前記並列接続された二次電池セル間を電気的に切離す並列接続切離しスイッチを有し、さらに前記並列接続切離しスイッチによって切離された直列モジュールを、外部回路と繋がっている組電池回路本体から切離すための組電池回路切離しスイッチを有し、前記電池異常検出回路には、前記並列接続切離しスイッチがＯＮ時には、前記並列接続された二次電池セルの電圧を監視し、前記並列接続切離しスイッチがＯＦＦ時には、並列接続が切離された二次電池セル個々の電圧を検出できるよう切り替える検出回路切替えスイッチを有するものであって、前記並列接続切離しスイッチがＯＦＦ時のセル電圧変化にもとづいて、二次電池セルの異常検出を行い、異常二次電池セルが検出された場合には、前記異常二次電池セルを含む直列モジュールを、前記組電池回路切離しスイッチにより前記組電池回路本体から切離すよう制御する機能を持つものである。

本発明の電池パックの組電池回路の接続は、並列接続した二次電池セルをスイッチで切離せるように構成している。さらに、全ての並列接続を切離した状態で、特定の直列モジュールを切離すスイッチを設けている。

通常動作時は、並列二次電池セル間のスイッチを閉じた状態で使用する。そして、定期的に、一定時間（数時間〜数日）並列接続を切離して使用する。その間は、電圧検出回路に設置した「電圧検出切り替えスイッチ」で各セルの電圧を個別に計測する。

組電池の中に、微小内部短絡を起こした二次電池セルが含まれる場合、並列接続時には並列接続された２セル間で揃っていたはずの電圧に差が生じる。これは、微小内部短絡を起こした二次電池セル（微小短絡セル)の電圧のみ低下するためである。この方法で微小短絡セルを検出する。

前述の様に、微小短絡セルを並列接続すると、並列接続されたセルの容量も、微小短絡セルの短絡回路を通じて放電されてしまうため、その並列電池の容量が低下し、組電池の容量が低下する。容量の低下が激しい場合は、その並列電池の残容量がゼロ、他の電池が満充電となり、組電池として充放電できなくなる。そこで、微小短絡が検出された場合、この二次電池セルを含む直列モジュールの並列接続を行わず、正常なモジュールのみで組電池回路を構成する。これにより、１直列モジュール分の容量は低下するが、残りの容量は確実に利用することが出来る。

なお、二次電池セルの異常には、前述の微小内部短絡だけで無く、極端な電池容量の劣化や、安全装置の作動、リード外れなどの異常があるが、それらも同様の電圧挙動の異常から検知することができ、その異常二次電池セルを含む直列モジュールの並列接続を行わず、正常なモジュールのみで組電池回路を構成することができる。

また、電圧検出回路は、各二次電池セルの電圧を測る為にセル数と同数の検出回路を設けるのではなく、増幅器やＡＤ変換器などを共用しながら、各セルの電圧検出回路をスイッチで切り替える方式とすることで、コストアップを防ぎ、回路の縮小を図っている。さらに、各並列セルの電圧は同じ電圧検出器、または増幅器とＡＤ変換器で計測されるので、計測誤差による異常の誤検知も大幅に削減される。

直列モジュールの並列数は２に限らず、それ以上でも同様の効果がある。

次に、本発明の請求項２に記載の電池パックは、請求項１に記載の電池パックにおいて、前記複数の直列モジュールは、２または３個の直列モジュールであり、前記直列モジュールを構成する二次電池セル個々を並列接続した回路構成は、前記並列接続切離しスイッ
チを介して、前記直列モジュールの末尾の二次電池セルを除いた二次電池セル個々を直接接続することにより、前記二次電池セル個々を並列接続した回路構成であるとしたものである。

また、本発明の請求項３に記載の電池パックは、請求項１に記載の電池パックにおいて、前記複数の直列モジュールは、３個以上の直列モジュールであり、前記直列モジュールを構成する二次電池セル個々を並列接続した回路構成は、前記直列モジュールの末尾の二次電池セルを除いた二次電池セル個々にひとつづつ並列接続切離しスイッチを接続させ、前記並列接続切離しスイッチのもう一方を、電気的にひとつに接続することにより、前記二次電池セル個々を並列接続した回路構成であるとしたものである。

本発明の請求項１記載の電池パックは、上記構成を有し、異常を起こしている二次電池セルを特定し、その特定された二次電池セルを含む直列モジュールを切離すことにより、直列モジュール１個分の容量減のみが発生した状態で使用しつづけることができる。

次に、本発明の請求項２記載の電池パックは、上記構成を有し、直列モジュールが２または３個の場合に、並列接続切離しスイッチの数の少ない回路構成を取ることができる。

また、本発明の請求項３記載の電池パックは、上記構成を有し、直列モジュールの数が増えた場合においても、直列モジュール１個あたり１組の並列接続切離しスイッチを増設するだけで組電池回路を構成することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態の電池パックの回路構成を示す模式回路図であり、この場合直列モジュールの並列数は２である。

図１において、１は＋端子であり、２は−端子で外部負荷とつながっている。二次電池セル３が直列に接続して直列モジュール４が構成されている。この直列モジュール４が＋端子１と−端子２の間に並列に接続されて組電池回路を構成している。直列モジュール４を構成する二次電池セルは、並列接続切離しスイッチ５を介して並列接続されている。また直列モジュール４には、それぞれ組電池回路切離しスイッチ６が備えられ、組電池回路本体、つまり＋端子１から切離すことができるようになっている。

通常動作時は、並列接続切離しスイッチ５をＯＮにした状態で使用する。このとき、並列接続された２個の二次電池セル３の電圧は同じになるため、電圧検出切替スイッチ７の位置に関係無く、増幅器８を介してＡＤ変換機能つきマイコン１０で並列接続された２個の二次電池セル３の電圧を検出することができる。このマイコン１０は、必ずしもＡＤ変換機能つきである必要は無く、電圧検出器とマイコンを組み合わせた構成でも構わない。

そして、定期的に、一定時間、例えば数時間から数日、並列接続切離しスイッチ５をＯＦＦにする。その間は、マイコン１０から電圧検出切替信号ライン９からの信号により電圧検出切替スイッチ７を切り替えて二次電池セル３の電圧を個別に計測する。

このとき、直列モジュール４は、並列に接続されたままなので負荷となる電子機器は、使用しつづけることができる。直列モジュール４の中に、例えば微小内部短絡等の異常を起こした二次電池セル（異常二次電池セル)が含まれる場合、直列モジュール４の電圧の総和は変わらないが、個々の二次電池セル３のバランスがくずれて、異常二次電池セルの
電圧が異常値を示す。

異常二次電池セルが検出された直列モジュールの組電池回路切離しスイッチをＯＦＦにして、組電池回路本体、つまり＋端子１と切離す。

このようにして、一直列モジュール分の容量は低下するが、もうひとつの直列モジュールは、確実に使用することができる。
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態の電池パックの回路構成を示す模式回路図であり、この場合直列モジュールの並列数は３である。

ここで先に説明した図１に示した第１の実施の形態と同じ機能を有する部品には同じ番号を付し説明を省略する。通常動作時の電圧監視、および定期的に個々の二次電池セル３の電圧を計測する方法は、第１の実施の形態と同じである。

第１の実施の形態との違いは、その直列モジュール４と並列接続切離しスイッチ５との関係にある。図３は、第２の実施の形態の電池パックの直列モジュールと並列接続切離しスイッチとの関係を模式的に示した説明図である。

図３では、直列モジュール４ａ、４ｂおよび４ｃは、並列接続切離しスイッチ５ａ、５ｂおよび５ｃにより三角形つまりネットワーク状に、並列接続されている。ここで、例えば直列モジュール４ａに異常二次電池セルが検知された時は、並列接続切離しスイッチ５ａおよび５ｂの２組のスイッチをＯＦＦにすることになる。

以上述べたとおり第１の実施の形態や第２の実施の形態のように、並列接続切離しスイッチを介して、二次電池セル個々を直接接続する方法は、直列モジュールが２または３個のときは、回路構成が簡単であるが、直列モジュール数が多くなるとネットワーク状に接続するのが困難になる。
（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態の電池パックの回路構成を示す模式回路図であり、この場合も直列モジュールの並列数は３である。

ここで先に説明した図１に示した第１の実施の形態と同じ機能を有する部品には同じ番号を付し説明を省略する。通常動作時の電圧監視、および定期的に個々の二次電池セル３の電圧を計測する方法は、第１の実施の形態と同じである。

第１の実施の形態および第２の実施の形態との違いは、その直列モジュール４と並列接続切離しスイッチ５との関係にある。本実施の形態では、直列モジュール４の末尾の二次電池セルを除いた二次電池セル個々にひとつづつ並列接続切離しスイッチ５が接続され、そのもう一方は、ひとつの点１１で電気的に接続されている。

図５は、第３の実施の形態の電池パックの直列モジュールと並列接続切離しスイッチとの関係を模式的に示した説明図である。図５では、直列モジュール４ａ、４ｂおよび４ｃは、それぞれ、並列接続切離しスイッチ５ａ、５ｂおよび５ｃが接続され、そのもう一方は、ひとつの点１１で電気的に接続されることにより、並列接続されている。ここで、例えば直列モジュール４ａに異常二次電池セルが検知された時は、並列接続切離しスイッチ５ａの１組のスイッチをＯＦＦにするだけ直列モジュール４ａを切離すことができる。

ここで、例えば直列モジュールの数が増えても、図６に示した様に並列切離しスイッチを１組増やすだけで対応できる。

なお、図６のように電気的なひとつの点１１は、物理的に点である必要は無く、電気的につながっておれば良い。

本発明の電池パックは、ノートパソコン等の電子機器の電源として有用である。

本発明の第１の実施の形態の電池パックの回路構成を示す模式回路図 本発明の第２の実施の形態の電池パックの回路構成を示す模式回路図 第２の実施の形態での直列モジュールと並列接続切離しスイッチとの関係を模式的に示した説明図 本発明の第３の実施の形態の電池パックの回路構成を示す模式回路図 第３の実施の形態での直列モジュールと並列接続切離しスイッチとの関係を模式的に示した説明図 その他の実施の形態での直列モジュールと並列接続切離しスイッチとの関係を模式的に示した説明図

符号の説明

１ ＋端子
２ −端子
３ 二次電池セル
４ 直列モジュール
５ 並列接続切離しスイッチ
６ 組電池回路切離しスイッチ
７ 電圧検出切替スイッチ
８ 増幅器
９ 電圧検出切替ライン
１０ マイコン

Claims (3)

1. 複数の二次電池セルを直列に接続した複数の直列モジュールを有し、前記直列モジュールを並列に接続した組電池回路を有し、さらに、前記直列モジュールを構成する二次電池セル個々を並列接続した回路構成を有する組電池と、電池異常検出回路とからなる電池パックであって、
   前記組電池回路は、前記並列接続された二次電池セル間を電気的に切離す並列接続切離しスイッチを有し、さらに前記並列接続切離しスイッチによって切離された直列モジュールを、外部回路と繋がっている組電池回路本体から切離すための組電池回路切離しスイッチを有し、前記電池異常検出回路には、前記並列接続切離しスイッチがＯＮ時には、前記並列接続された二次電池セルの電圧を監視し、前記並列接続切離しスイッチがＯＦＦ時には、並列接続が切離された二次電池セル個々の電圧を検出できるよう切り替える検出回路切替えスイッチを有するものであって、
   前記並列接続切離しスイッチがＯＦＦ時のセル電圧変化にもとづいて、二次電池セルの異常検出を行い、異常二次電池セルが検出された場合には、前記異常二次電池セルを含む直列モジュールを、前記組電池回路切離しスイッチにより前記組電池回路本体から切離すよう制御する機能を持つ電池パック。
2. 前記複数の直列モジュールは、２または３個の直列モジュールであり、前記直列モジュールを構成する二次電池セル個々を並列接続した回路構成は、前記並列接続切離しスイッチを介して、前記直列モジュールの末尾の二次電池セルを除いた二次電池セル個々を直接接続することにより、前記二次電池セル個々を並列接続した回路構成である請求項１記載の電池パック。
3. 前記複数の直列モジュールは、３個以上の直列モジュールであり、前記直列モジュールを構成する二次電池セル個々を並列接続した回路構成は、前記直列モジュールの末尾の二次電池セルを除いた二次電池セル個々にひとつづつ並列接続切離しスイッチを接続させ、前記並列接続切離しスイッチのもう一方を、電気的にひとつに接続することにより、前記二次電池セル個々を並列接続した回路構成である請求項１記載の電池パック。