JP4601508B2

JP4601508B2 - パック電池

Info

Publication number: JP4601508B2
Application number: JP2005210669A
Authority: JP
Inventors: 克洋鈴木
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2005-07-20
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2025-07-20
Also published as: TW200711251A; JP2007028858A; TWI414120B

Description

本発明は、パック電池に関する。

従来のパック電池について、以下の特許文献に、記載がある。このパック電池内においては、電池と直列に接続されたスイッチ手段と、電池に流れる電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段の検出結果に基づいてスイッチ手段をオンオフ制御する制御手段とを備え、この制御手段は、電池に所定値以上の電流が流れると、前記スイッチ手段をオフ状態として保護し、このオフ時点から所定時間経過後にスイッチ手段を自動的にオン状態に復帰させる（＝保護を解除する）ものである。
特開平6-351156号公報

上記の従来のパック電池においては、パック電池内に、このような保護機能があるものの、以下のような問題点がある。図５には、このような従来のパック電池の保護機能の動作に伴う、時間に対する電流、温度の波形を示している。何らかの原因で過電流閾値以上の電流が、所定の過電流検出時間以上、流れたとき、異常として、スイッチ手段をオフ状態にして、電流を遮断している。そして、オフ時点から、所定時間である過電流解除時間の経過後にスイッチ手段を自動的にオン状態に復帰させている。そして、その過電流の原因が解消されない場合、再度過電流検出し、過電流解除時間の経過後にスイッチ手段を自動的にオン状態とする動作を繰り返すことになる。このような過電流検出と解除の時間は、回数に関係なく固定してある。

過電流検出の時間中に流れる電流により、パック電池内或いはパック電池を電源とする電子機器内にて、異常に発熱させることになり、図４に示すように、パック電池内温度が異常に上昇することになる。最悪の場合、パック電池や電子機器のシステムが熱損する危険性がある。

また、このような繰り返しの過電流検出を防止するために、一度過電流を検出したら、電流を遮断して、電流遮断の状態を継続し、次の条件を満たした場合には、保護を解除することもできる。

ひとつは、例えば、端子電圧をモニターしてその電圧変化を監視して、負荷が取り外されたことを検知（過電流時の電圧と比較して、電圧が上昇したことの検知）して、スイッチ手段をオフからオンにして、保護を解除する方法ある。この場合、過電流の原因となっている状態が解除されたことを検知した時のみ過電流状態を解除するため、非常に安全性が高い保護が行えるが、異常な負荷や電源が接続されている状態を判別するための別機構が必要となるためコストがかかる。

また、更には、一度過電流を検出しても、次の条件を満たした場合には保護を解除することもできる。例えば、抵抗体等を接続したバッテリ着脱端子（端子出力が外れているときはHigh電圧、システムに装着されているときはLoｗ電圧を出力する）等のように電子機器等のシステムとの脱着を検出して、負荷となるシステムからパック電池が外れたことを検知して、スイッチ手段をオフからオンにして、保護を解除する方法ある。この場合、バッテリがシステムや負荷から取り外された状態を検出できるため、電源やシステムの異常で過電流となっている場合には有効な措置であるが、バッテリとシステムとのインターフェース部（コネクタ）のピン数の制限などで実装できないことがある。

本発明は、このような問題点を解決するために成されたものであり、過電流の原因が解消されないときでも、異常に過熱されることがないパック電池を、安価に提供することを目的とする。

本発明は、電池と直列に接続されたスイッチ手段と、前記電池に流れる電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段の検出結果に基づいて前記スイッチ手段をオンオフ制御する制御手段とを備え、この制御手段は、前記電池に所定値以上の電流が流れると過電流検出状態として、前記スイッチ手段をオフ状態とすると共に、このオフ時点から所定時間まで過電流解除状態とし、前記オフ時点から所定時間経過後に前記スイッチ手段を自動的にオン状態に復帰させるものであって、連続して、前記過電流検出状態及び前記過電流解除状態となるとき、連続した前記過電流検出状態又は前記過電流解除状態の回数に応じて、前記所定時間を決定することを特徴とする。前記過電流検出状態又は前記過電流解除状態の回数が増加すると、前記所定時間が長くなるようにする。

また、前記所定時間が、前記回数と正の相関を示して決定されることを特徴とする。

本発明においては、前記所定時間が、前記回数と正の相関を示して決定されている。従って、連続した前記過電流検出状態又は前記過電流解除状態の回数が増えると、前記スイッチ手段をオフ状態とすると共に、オフ状態を維持する過電流解除状態の維持時間である所定時間を大きくしている。

よって、過電流状態の原因が解消されないような場合でも、過電流が流れる間隔が大きくなるので、時間あたりの電流による発熱量も小さくなるので、パック電池内が異常高温となるのを防止することができる。

本発明においては、従来のように、過電流検出してスイッチ手段をオフとし、その後、スイッチ手段をオフからオンにして解除動作をするとき、過電流検出と解除動作が繰り返されても、本発明では、連続した回数が増えると電流解除状態の維持時間である所定時間を長くしているので、異常に過熱されることない。しかも、このような本発明の構成は、特別な機構を設けず（コストがかかる素子や回路の追加を行わず、そのままの回路構成で）に、より安全性を高めることができる。

本発明の実施例を、図を用いて詳細に説明する。

本実施例においては、図１に示すように、時間に対して電流、温度の変化を示す。
何らかの原因で過電流閾値以上の電流が、所定の過電流検出時間、流れたとき、過電流検出状態として、スイッチ手段をオフして保護し、過電流を遮断する。このオフ時点から所定時間（＝過電流解除時間）まで過電流解除状態とし、オフ状態を維持している。所定時間が経過すると、スイッチ手段をオン状態に復帰させ、保護を解除している。
過電流の原因が解消されない場合は、再度、過電流検出状態、過電流解除状態とを繰り返すことになる。

ここで、本実施例においては、保護を解除（＝スイッチ手段をオフからオン状態にするとき）して、直ちに、或いは、規定時間以内に過電流を検出し、過電流検出状態となれば、連続して、過電流検出状態及び過電流解除状態となるとみなしている。

そして、本実施例においては、連続した前記過電流検出状態又は前記過電流解除状態の回数（過電流検出回数という）に応じて、所定時間（＝過電流解除時間）を決定している。このような所定時間（＝過電流解除時間）は、このような過電流検出回数と正の相関をもって決定されている。具体的には、図２に示すように、過電流検出回数をX[回数]とすると、過電流解除時間Ｙ[Ｓ]は、以下のように、決定される。

Ｙ＝ａＸ＋ｂ（ａ、ｂは定数である。ｂは、従来の固定された過電流解除時間ｂ（１０〜２０秒程度、例えば、約１６秒）になる。）
また、これに代わって、Ｙ＝ａＸ²＋ｂとすることもできる。

更には、図２の線Ａに示すように、ＹはＸの１次関数で上昇し、途中でＹが一定となる部分を含むこともできる。また、図２の線Ｂに示すように、ＹがＸの増加に従って、段階的に増加しても良い。

このように決定された過電流解除時間により、図１に示すように、過電流検出回数が増加すると、過電流解除時間が長くなる。原因が解消されない場合は、検出と解除を繰り返す事になるが、
しかし、過電流検出回数に応じて過電流解除時間が長くなることより、図１のパック電池の温度グラフに示すように、時間あたりの電流による発熱量も小さくなるので、パック電池内が異常高温となるのを防止することができる。

図３は本実施例のブロック図を示し、本実施例の電池パックＡにおいては、リチウムイオン等の二次電池１と、電池１の充放電時の電流を検出する抵抗２（電流検出手段として電流検出部に相当する）と、電池１の充放電を監視、制御するマイクロプロセッサーユニット(以下、ＭＰＵと言う）とを備えている。そして、電子機器であるパーソナルコンピューター（以下、ＰＣという）等に、内蔵して電池パックＡが取り付けられたとき、電池１からの出力を、＋端子及びＧＮＤ端子よりＰＣに供給し、ＰＣとの通信は、通信ラインＳＣＬ、ＳＤＡを介して行われる。一方、ＰＣからは、充電器として、充電電力が、最大電流、最大電圧が規制された定電流・定電圧充電方法にて、供給される。

ＭＰＵにおいては、電池電圧（測定点ｄ）や検出抵抗２両端のアナログ電圧をデジタル変換し、実電圧[mV]や実電流値[mA]に換算するＡ／Ｄ変換部３と、充放電電流を積算して残容量を演算処理する残容量処理部４と、電池１の満充電を検出したり、異常電流、別途設けられる感温素子（図示せず）から検出される電池の異常温度、異常電圧の検出時等に、充放電を制御する制御部５を備えている。

ここで、制御手段として、制御部５は、充電電流、放電電流を遮断するために、スイッチ手段である電流遮断デバイスとして、ｐチャネル型FETである充電用FET素子９１、放電用FET素子９２に対して、オンオフ制御する信号を発して、オンオフ制御する。

制御部５においては、電池１の電圧が、過充電電圧以上（例えば、４．２Ｖ以上）になると、充電用FET素子９１をオフ制御するために、オフ信号（素子９１がｐチャネル型FETのゲートに印加するため、オフ信号の電圧は、High電圧の信号に相当する）を、ポートＣＨより発する。また、電池１の電圧が、過放電電圧以下（例えば、２．７Ｖ／Cell以下）になると、放電用FET素子９２をオフ制御するために、オフ信号（素子９２がｐチャネル型FETのゲートに印加するため、オフ信号の電圧は、High電圧の信号に相当する）を、ポートＤＳＧより発する。なお、上述のように、素子９１、９２のｐチャネル型FETのゲートに印加するため、オフ信号の電圧は、High電圧の信号に相当し、オン信号の電圧は、Low電圧の信号に相当する。

また、制御部５は、過電流を遮断する機能を備えている。後述する過電流検出部１６から、解除時間算術演算部１８から入力された信号を元に、電流遮断デバイスの充電用FET素子９１、放電用FET素子９２を、オンオフ制御する。具体的には、過電流検出部１６から過電流検出状態として信号を得ると、放電電流なら、放電用FET素子９２をオフし、充電電流なら、充電用FET素子９１をオフする。また、過電流を検出したら、両方の素子９１、９２をオフ状態しても良い。解除時間算出演算部１８より、保護を解除する信号を受けると、電流遮断デバイスをオフ状態から、オン状態に制御する。

また、MPU内においては、過電流検出部１６を備えている。過電流検出部１６は、A/D変換部３でデジタル換算された電流と、後述するメモリー８に記憶された過電流閾値を比較し、閾値を超えた電流が所定の過電流検出時間（メモリー８に記憶され、タイマー１７にて、カウントされる）検出された場合に過電流検出状態として、制御部５と、後述する解除時間算出演算部１８に信号を送る処理部である。

MPU内においては、解除時間算出演算部１８を備えている。解除時間算出演算部１８は、
過電流検出回数に応じて所定時間（＝過電流解除時間）を決定する演算部と、所定時間（＝過電流解除時間）経過後スイッチング素子をオフからオンにするため保護を解除する信号を制御部５に出力する処理部とを備えている。また、演算部においては、決定する際に、計算式でなく、テーブル等により数値を参照して、所定時間（＝過電流解除時間）を決定できる。

一方、ＭＰＵの残容量処理部４においては、A/D変換部３によって変換された充放電電流に測定単位時間（例えば、２５０ｍsec）を掛け算した値を積算し、放電時においては満充電から積算値を引き算し、或いは、充電時においては充電開始時の残容量より積算値を加算する。このような演算により、電池１の残容量を算出している。

更には、制御部５においては、A/D変換部３により変換された電池電圧と充電電流から満充電（電流、電圧を規制した定電流・定電圧充電においては、電圧が所定値以上、電流が所定値以下の条件のとき、満充電とする）を検出し、残容量を100%とする情報を出力する。

電子機器であるＰＣ（＝パーソナルコンピュータ）、充電器等に対して、電池電圧、残容量、充放電電流値等の各種の電池情報を、電子機器が受信できる信号データに作成する通信データ作成部６と、ＰＣや充電器と実際に通信を行うためのドライバ部７と、残容量を算出するための各種パラメータの記憶や諸々のデータを記憶する為のメモリ８を備えている。また、電子機器からバッテリパックの各種情報の送信要求をドライバ部７にて受け、通信データ作成部６にて作成されたデータをドライバ部から電子機器に送信する。このような通信データ作成部６、ドライブ部７、メモリ８は、電子機器等との通信を行う通信部１１である。

また、メモリー８においては、過電流検出の過電流閾値、各種設定時間、過電流解除時間等の各種データを記憶しており、必要に応じて、取り出されることになる。

本実施例においては、図４に示すように、以下の手順で制御する。まず、利用されるタイマーカウンター、カウンターについて説明する。カウンタAは、所定の過電流検出時間（３〜７秒程度、例えば、５秒）を計測するタイマーカウンタであり、カウンタBは、過電流解除時間（最初は上述のように１６秒）を計測するタイマーカウンタであり、カウンタCは、規定時間（０．５秒程度）を計測するタイマーカウンタであり、このような規定時間の利用については、上述のように、保護を解除（＝スイッチ手段をオフからオン状態にするとき）してから、規定時間以内に過電流を検出し、過電流検出状態となれば、連続して、過電流検出状態及び過電流解除状態となるとみなしている。カウンタDは、連続する過電流検出回数を計測するカウンタである。

図４の大きな流れを簡単に説明すると、フローの左側は過電流解除状態でない状態から始まって過電流を検出する処理部分で、右側が過電流を検出後の過電流解除状態（保護状態）から、保護を解除するまでの時間を監視している処理部分である。特に、本実施例の特徴は、図４の点線矢印で示すように、過電流検出回数により、過電流解除時間を設定、変化させていることである。

図４のフローは、所定周期（例えば、250msec ）にて繰り返されることで、過電流検出と保護（＝過電流解除状態）の処理が、繰り返されることになる。

ステップＳ１においては、過電流解除状態の検出中かどうかが判定される。

検出中でないなら、ステップＳ２において、上述の過電流検出が連続しているかをみるためのカウントCにおいて、規定時間を計測するカウンタCが作動中かどうかが判定される。作動中であるなら、ステップＳ３において、カウンタCをインクリメント（＝増加）させる。次に、ステップＳ４にて、カウンタCがタイムアップしたどうかが判定される。タイムアップしたなら、連続検出ではなくなるので、ステップＳ５において、カウンタCをクリアし、ストップすると共に、過電流検出回数を計測するカウンタDもクリアする。また、ステップＳ２において、カウンタCが未動作であるなら、次のステップＳ６に進む。また、ステップＳ４おいて、カウンタCがタイムアップでないなら、次のステップＳ６に進む。

次に、ステップＳ６では、電流が、過電流閾値以上かどうかが判定され、過電流閾値以上であるなら、ステップＳ７において、所定の過電流検出時間を計測するカウンタAをインクリメントする。そして、ステップＳ８において、カウンタAが所定の設定値以上かどうかが判定され、設定値以上であるなら、ステップＳ９にて、過電流検出回数を計測するカウンタDが動作中、つまり、連続して回数をカウント中かどうかが判定される。カウント中であるなら、カウンタDをインクリメントする。そして、ステップＳ１１にて、カウンタDの回数に応じて、上述のように所定時間（＝過電流解除時間）を決定する。次に、ステップＳ１２にて、制御部５より、オフ信号を発して、スイッチ手段である電流遮断デバイスをオフすると共に、カウンタAをクリアして、過電流解除状態となる。

また、ステップＳ６において、電流が過電流閾値未満であるなら、ステップＳ３１にて、カウンタAをクリアする。また、ステップＳ８において、カウンタAが設定値未満であるなら、図４のフローの最後に行く。更には、ステップＳ９にて、カウンタCが未作動であるなら、ステップＳ１２に進む。

一方、ステップ１にて、過電流解除状態を検出中であるなら、ステップＳ２１にて、過電流解除時間を計測するタイマーカウンタBをインクリメントする。そして、ステップＳ２２にて、カウンタBが、所定の設定値以上であるかが判定される。ここで、過電流解除時間である所定の設定値は、上述のように、過電流検出回数のカウンタDが作動中であれば、直前回のフローのステップ１１で算出された設定値となり、カウンタDが未作動であるなら、連続でないときの設定値となる。カウンタBが、所定の設定値以上のときは、ステップＳ２３にて、過電流解除状態が終了したとして、保護を解除し、スイッチ手段である電流遮断デバイスをオンし、ステップＳ２４にて、カウンタCをスタートさせて、図４のフローの最後に至る。また、ステップＳ２２において、カウンタBが設定値未満のときは、図４のフローの最後に至る。

次に、本実施例のように、過電流の原因が解消しない事例について、以下に説明をする。

従来の技術でも説明したように、過電流状態になる原因が取り除かれない限り、前記過電流検出状態及び前記過電流解除状態を繰り返すことにある。具体例を挙げると、もしパック電池のコネクタ外部で異物による端子短絡が発生した場合、短絡による大電流で過電流保護がかかり電流経路が遮断される。しかし、従来3の方法では、短絡状態が解消されたか否かに関わらず、電流遮断状態である過電流解除状態を設定時間経過した後は、再度パック内部のスイッチング素子をONにするため、また大電流が流れ過電流保護が働く。この状態を電池のエネルギーがなくなるか、短絡状態が解消されるまで繰り返されることになるが、短絡している異物の抵抗値により、電流が流れた時にはその異物が発熱し、解除時間内にその発熱は止まり、温度は低下方向に働くが、低下の勾配が過電流検出時の温度上昇勾配よりゆるい場合には、その時間経過により異物の温度は上昇していくことになる。この場合、最悪異物が燃焼し、他へ延焼する危険性がある。また、過電流の通電によっても、回路、電池自身が発熱し、パック電池の温度が上昇する。

これを回避するための方法として、時間経過で温度が低下するように過電流解除時間を長くとる方法が考えられるが、異物の抵抗値や発熱に至るまでの電力量は異物によりまちまちであり、一概に決定することは非常に難しい面がある。また、過電流保護の解除時間をあまりにも長くすることは、実使用環境でユーザーのクレームになることがある。それは、通常過電流保護は異物というよりユーザーの多様な使用状態により定格容量を越えた場合を想定しており（例えば、PCの場合は外部周辺機器であるHDやDVD-ROMドライブ等、想定以上の機器が接続された場合）、この場合、この負荷が解消されたときは、速やかに過電流保護の状態を解除する必要がある。短絡保護の目的で過電流解除時間を長くした場合、次にユーザーがシステムの電源を入れても、バッテリは過電流保護状態になっているためシステムが起動できないということになる。
そこで、上記のような問題を解決するために、上述の実施例が利用できる。実施例の場合、先に説明したユーザーが過大な負荷を使用した環境では、その負荷を取り除いた場合には、1回の過電流検出状態となるため、過電流解除時間をストレスの感じない時間に設定する。しかし、短絡のように過電流検出と解除を繰り返す場合には、解除時間を回数に応じて長くとることにより、温度上昇を抑える効果が期待でき、最終的には安全性を高めることが可能となる。

本発明の実施例の電流、温度グラフである。本発明の実施例における過電流解除時間と回数の関係を示す図である。本発明の実施例におけるパック電池の回路ブロック図である。本発明の実施例におけるフローを示す図である。従来のパック電池を示す電流、温度グラフである。

符号の説明

Ａ電池パック
ＭＰＵマイクロプロセッサユニット
１電池
２抵抗（電流検出部）
４残容量積算処理部
５制御部（制御手段）
９１、９２素子（スイッチング素子、電流遮断デバイス）
11 通信部

Claims

電池と直列に接続されたスイッチ手段と、前記電池に流れる電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段の検出結果に基づいて前記スイッチ手段をオンオフ制御する制御手段とを備え、
この制御手段は、前記電池に所定値以上の電流が流れると過電流検出状態として、前記スイッチ手段をオフ状態とすると共に、このオフ時点から所定時間まで過電流解除状態とし、前記オフ時点から所定時間経過後に前記スイッチ手段を自動的にオン状態に復帰させるものであって、
連続して、前記過電流検出状態及び前記過電流解除状態となるとき、
連続した前記過電流検出状態又は前記過電流解除状態の回数に応じて、前記所定時間を決定し、
前記過電流検出状態又は前記過電流解除状態の回数が増加すると、前記所定時間が長くなるようにすることを特徴とするパック電池。
前記所定時間が、前記回数と正の相関を示して決定されることを特徴とする請求項１の電池パック。