JP4602471B1 - 電池パックおよび電池パックシステム - Google Patents

Abstract

【課題】電気機器と電池パックとを備えた電池パックシステムであって、電池パック内部に高電圧が高頻度に印加されないとともに、コストアップを抑制しつつ、長期間の電池パックの出力停止状態からのシステム再起動が可能であるものを提供する。
【解決手段】電池パック２００−１内において、複数の電池モジュール１００−１を直列接続し、電池パックについて放電制御を行う負荷制御部３０５の指示に従い、各電池モジュールが出力する電圧を、高電圧と、０ではない低電圧とに切り換える。電気機器３００−１の負荷部３０４は、各電池モジュールが高電圧を出力するときには、電池パックによって作動するが、少なくとも一つの電池モジュールが低電圧を出力するときには、電池パックによって作動しない。負荷制御部は、各電池モジュールが高電圧を出力するか少なくとも一つの電池モジュールが低電圧を出力するかを問わず、電池パックによって作動する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気機器の電源として用いられる電池パックおよびその電池パックと電気機器とを備えた電池パックシステムに関するものであり、特に、リチウムイオン電池等の二次電池である電池セルが複数直列に接続されて成る電池セル群を有する電池パックおよび電池パックシステムに関するものである。

電気機器は、主に、商用電源から得られる交流電圧、または、電池セルから得られる直流電圧を用いて駆動する。電気機器に求められる一つの性能として高出力が挙げられる。電池パックに蓄えられたエネルギーによってその高出力の電気機器を駆動するためには、電池パックの出力を高電圧にする必要がある。そのような電池パックまたは電池パックシステムの一従来例が、特許文献１および特許文献２に開示されている。

特許第４１０４６４８号公報 特許第４２１６８９８号公報

以下に、従来技術として、１０８Ｖリチウムイオン電池パックを用いた電池パックシステムを説明する。

従来、電池パックシステムの１０８Ｖリチウムイオン電池パックは、１セル当たりの電圧が３．６Ｖであるリチウムイオン電池セルを３０個直列接続して構成される。これにより、例えば、リチウムイオン電池セルを５個直列接続して構成する１８Ｖリチウムイオン電池パックと比較して、十分に高い電圧を電気機器に供給できる。したがって、その電気機器は効率よく高出力を実現することができる。

従来の電池パックでは、その電池パック内部の各部位、例えば、異電圧の電池セル間、電圧モニタ線の線間、電圧モニタ線と電池セルとの空間、放電端子の両極間、などに最大１０８Ｖの高電圧が高頻度で印加されることを避けるため、本発明者は、以下の方法を提案した。

図８に示すように、本発明者の提案によれば、電池パック２００は、１０個のリチウムイオン電池セルを直列接続して３６Ｖの電池モジュール１００を構成し、その電池モジュール１００を３個直列接続して電池モジュール群を構成し、その電池モジュール群の直列電圧１０８Ｖを電気機器３００へ出力するための放電出力端子２０１と共にケースに収容される。電気機器３００に収容される放電制御部としての負荷制御部３０５は、電池パック２００内の少なくとも１個の電池セルの電圧、温度および電流のうちの少なくとも１つを検知した結果に基づき、電気機器３００の負荷部３０４の駆動および／または停止を制御する。

特に、負荷制御部３０５は、電気機器３００を停止させる際、各電池モジュール１００の出力を出力状態から停止状態に切り替える。その結果、電池パック２００内の複数の電池セル間が電気的に遮断される。それにより、互いに直列接続されている複数の電池セルの数（１０個）が、電池セル群に属する電池セルの総数（３０個）より減少する。その結果、互いに導通状態にある複数の電池セルの直列接続の全電圧が（最大３６Ｖまで）低下し、それにより、電池パック２００内部に高電圧（１０８Ｖ）が印加されない状態となる。高電圧が印加されないため、電池パック２００内部の絶縁破壊や電池パック２００内部への異物混入等による電池パック２００外部への漏電などを抑制でき、電池パック２００の絶縁信頼性が向上する。

負荷制御部３０５は、前述の停止状態、すなわち、電池パック２００内の複数の電池セル間が電気的に遮断されている状態において、将来において電気機器３００への電力供給を再開できるように備える必要がある。

本発明者は、負荷制御部３０５が、電池セル群の複数の電池セル間が電気的に遮断されていることに起因して、直列接続された電池セル群からの電力供給を受けられず動作不可とならないようにするため、図８に示すように、電気機器３００内に、蓄電部（図示しないが、例えば、小型の二次電池で構成される）を有するバックアップ電源３０９を設けて、その蓄電部から電力供給を受けて負荷制御部３０５が動作を維持することを提案した。

バックアップ電源３０９は、電気機器３００の駆動中、すなわち、電池パック２００内の複数の電池セル間が電気的に通電状態にある時は、電池セル群からの電力供給を受け、蓄電部を充電する。また、電気機器３００の停止中、すなわち、電池パック２００内の複数の電池セル間が電気的に遮断状態にある時は、蓄電部に蓄えられた電気エネルギーを放電する。蓄電部から放電される電気エネルギーは、電気機器３００の停止中に、電池パック２００内の電池セルの状態を検出し、将来において電池セル群の複数の電池セル間を電気的に通電状態に切り替えるための負荷制御部３０５の動作に消費される。

したがって、電気機器３００の停止状態が長期間継続する場合、バックアップ電源３０９の蓄電部の残容量が無くなり、負荷制御部３０５が再起動できない、すなわち、電気機器が使用できない可能性がある。この可能性を軽減するために、蓄電部の容量を大きくする方法を採用した場合、コストアップという問題は避けられない。また、電気機器３００の停止中に、電池パック２００内の特定の少なくとも１個の電池セルから、電池セル群の複数の電池セル間の通電遮断素子を介さず、負荷制御部３０５に直接電力供給する方法を採用した場合、その特定の電池セルの残容量が、電池パック２００内の他の電池セルの残容量に対して相対的に減少し、電池セル間の容量アンバランスが生じる。容量アンバランスは、電池セルの寿命低下や電気機器の使用時間低下などに影響しやすく、特に、電気機器３００の停止期間が長いほど容量アンバランス量は大きくなる。その容量アンバランスを解消するための様々な制御方法は周知であるが、それらの制御方法を適用した場合、コストアップという問題は避けられない。

以上の事情を背景にして、本発明は、放電制御部を有する電池パックまたは電気機器とその電源として用いられる電池パックとその電池パックの放電を制御する放電制御部とを有する電池パックシステムであって、その電池パック内部に高電圧が高頻度に印加されないようにするとともに、コストアップを抑制しつつ、長期間の電池パックの出力停止状態からの放電制御部の再起動が可能であるものを提供することを課題としてなされたものである。

その課題を解決するために、本発明の第１側面によれば、電気機器と、その電気機器の電源として用いられる電池パックとを備えた電池パックシステムであって、
前記電池パックは、
複数の電池モジュールが直列接続された電池モジュール群と、
その電池モジュール群の放電出力を前記電気機器へ供給するための放電出力端子と
を含み、
各電池モジュールは、複数の電池セルが直列接続された電池セル群を含み、
当該電池パックシステムは、さらに、
前記電池モジュール群から前記電気機器への放電出力を制御する放電制御部と、
その放電制御部からの指示に従い、各電池モジュールが出力するモジュール出力電圧を、高電圧と、０ではない低電圧とに切り換える出力電圧切換部と
を含み、
前記電気機器は、負荷部を含み、
その負荷部は、各電池モジュールが前記高電圧を出力するときには、前記電池モジュール群によって作動し、各電池モジュールが前記低電圧を出力するときには、前記電池モジュール群によって作動せず、
前記放電制御部は、各電池モジュールが前記高電圧を出力するか前記低電圧を出力するかを問わず、前記電池モジュール群によって作動する電池パックシステムが提供される。
本発明の第２側面によれば、電気機器の電源として用いられる電池パックであって、
複数の電池モジュールが直列接続された電池モジュール群と、
その電池モジュール群の放電出力を前記電気機器へ供給するための放電出力端子と
を含み、
各電池モジュールは、複数の電池セルが直列接続された電池セル群を含み、
当該電池パックは、さらに、
前記電池モジュール群から前記電気機器への放電出力を制御する放電制御部と、
その放電制御部からの指示に従い、各電池モジュールが出力するモジュール出力電圧を、高電圧と、０ではない低電圧とに切り換える出力電圧切換部と
を含み、
前記高電圧および前記低電圧のそれぞれの高さは、前記電気機器のうちの負荷部が、各電池モジュールが前記高電圧を出力するときには、前記電池モジュール群によって作動し、各電池モジュールが前記低電圧を出力するときには、前記電池モジュール群によって作動しないように設定されており、
前記放電制御部は、各電池モジュールが前記高電圧を出力するか前記低電圧を出力するかを問わず、前記電池モジュール群によって作動する電池パックが提供される。
本発明によって下記の各態様が得られる。各態様は、項に区分し、各項には番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、本発明が採用し得る技術的特徴の一部およびそれの組合せの理解を容易にするためであり、本発明が採用し得る技術的特徴およびそれの組合せが以下の態様に限定されると解釈すべきではない。すなわち、下記の態様には記載されていないが本明細書には記載されている技術的特徴を本発明の技術的特徴として適宜抽出して採用することは妨げられないと解釈すべきなのである。

さらに、各項を他の項の番号を引用する形式で記載することが必ずしも、各項に記載の技術的特徴を他の項に記載の技術的特徴から分離させて独立させることを妨げることを意味するわけではなく、各項に記載の技術的特徴をその性質に応じて適宜独立させることが可能であると解釈すべきである。

（１） 電気機器と、その電気機器の電源として用いられる電池パックとを備えた電池パックシステムであって、
前記電池パックは、
複数の電池モジュールが直列接続された電池モジュール群と、
その電池モジュール群の放電出力を前記電気機器へ供給するための放電出力端子と
を含み、
各電池モジュールは、複数の電池セルが直列接続された電池セル群を含み、
当該電池パックシステムは、さらに、
前記電池モジュール群から前記電気機器への放電出力を制御する放電制御部と、
その放電制御部からの指示に従い、各電池モジュールが出力するモジュール出力電圧を、高電圧と、０ではない低電圧とに切り換える出力電圧切換部と
を含み、
前記電気機器は、負荷部を含み、
その負荷部は、各電池モジュールが前記高電圧を出力するときには、前記電池モジュール群によって作動し、前記複数の電池モジュールのうち、予め定められた条件を満たす少なくとも一つが前記低電圧を出力するときには、前記電池モジュール群によって作動せず、
前記放電制御部は、各電池モジュールが前記高電圧を出力するか前記予め定められた条件を満たす少なくとも一つの電池モジュールが前記低電圧を出力するかを問わず、前記電池モジュール群によって作動する電池パックシステム。

本項において、「出力電圧切換部」は、例えば、前記高電圧および前記低電圧に加えて、それらとは別の高さを有する電圧にも前記モジュール出力電圧を切り換える態様で実施可能である。また、「放電制御部」は、前記電池パック内に設けたり、前記電気機器内に設けたり、両者に跨って設けることが可能である。このことは、「出力電圧切換部」についても同様である。

また、「複数の電池モジュールのうち、予め定められた条件を満たす少なくとも一つ」という用語は、例えば、複数の電池モジュールのうち、それのモジュール出力電圧が前記低電圧であると、前記電池モジュール群によって前記負荷部は作動しないが前記放電制御部は作動するという条件を満たす少なくとも一つの電池モジュールを意味するように定義することが可能である。

また、「放電制御部」の一例は、少なくとも、前記電池パックを前記電気機器に電気的に接続する状態と前記電気機器から電気的に遮断する状態とに切り換える機能を有するように構成される。また、「放電制御部」は、通常、前記電池モジュール群の出力（前記電池パックの出力）が変換されて入力され、その入力電圧によって作動するように構成される。

（２） 前記出力電圧切換部は、
前記電池モジュール群と前記放電出力端子とに電流を流すための電流経路に接続された通電遮断素子であって制御信号に応じて通電状態と遮断状態とに切り換わるものと、
可変のデューティ比を有する前記制御信号を前記通電遮断素子に供給することによってその通電遮断素子の状態をスイッチング制御するとともに、前記デューティ比を、前記モジュール出力電圧を前記高電圧とする場合と前記低電圧とする場合とで互いに異なるように制御するスイッチング制御回路と
を含む（１）項に記載の電池パックシステム。

（３） 前記出力電圧切換部は、
前記電池モジュール群と前記放電出力端子とに電流を流すための電流経路に接続された通電遮断素子であって制御信号に応じて通電状態と遮断状態とに切り換わるものと、
各電池モジュールごとに、前記電池セル群に対して並列に接続され、その電池セル群に属する複数の電池セルの全電圧をそれより低い部分電圧に分圧する分圧回路であって、前記通電遮断素子の通電状態においては、前記全電圧が前記モジュール出力電圧となり、前記通電遮断素子の遮断状態においては、前記部分電圧が前記モジュール出力電圧となることを可能にするものと
を含む（１）項に記載の電池パックシステム。

（４） 前記出力電圧切換部は、前記モジュール出力電圧が前記高電圧と前記低電圧との間において遷移する区間において、前記モジュール出力電圧を時間の経過につれて実質的に連続的に変化させるかまたは段階的に変化させる（１）ないし（３）項のいずれかに記載の電池パックシステム。

（５） 電気機器の電源として用いられる電池パックであって、
複数の電池モジュールが直列接続された電池モジュール群と、
その電池モジュール群の放電出力を前記電気機器へ供給するための放電出力端子と
を含み、
各電池モジュールは、複数の電池セルが直列接続された電池セル群を含み、
当該電池パックは、さらに、
前記電池モジュール群から前記電気機器への放電出力を制御する放電制御部と、
その放電制御部からの指示に従い、各電池モジュールが出力するモジュール出力電圧を、高電圧と、０ではない低電圧とに切り換える出力電圧切換部と
を含み、
前記電気機器は、各電池モジュールが前記高電圧を出力するときには、前記電池モジュール群によって作動し、前記複数の電池モジュールのうち、予め定められた条件を満たす少なくとも一つが前記低電圧を出力するときには、前記電池モジュール群によって作動せず、
前記放電制御部は、各電池モジュールが前記高電圧を出力するか前記予め定められた条件を満たす少なくとも一つの電池モジュールが前記低電圧を出力するかを問わず、前記電池モジュール群によって作動する電池パック。

本発明によれば、電池パックシステムまたは電池パック内の放電制御部が、電池パックから電気機器のうちの負荷部への電力供給を停止する際、互いに直列接続されて導通状態にある電池セル群の実際の出力電圧が、電池パックから電気機器のうちの負荷部への電力供給中における電池セル群の実際の出力電圧より低下する。したがって、電池パックシステムまたは電池パック内部に高電圧が印加される頻度が低減し、電池パック内部の絶縁破壊や電池パック外部からの異物混入等による電池パック外部への漏電などが抑制され、その結果、電池パックシステムまたは電池パックの絶縁信頼性が向上する。

さらに、本発明によれば、電池モジュール群の出力に対して直接的に電圧変換が行われるのではなく、電池モジュール群を構成する複数の電池モジュールのそれぞれについて個々に電圧変換が行われる。したがって、電池モジュール群の出力に対して直接的に電圧変換が行われる場合より、電池パックシステムまたは電池パック内部に高電圧が印加される頻度が低減する。

さらに、本発明によれば、電池パックシステムまたは電池パック内の放電制御部が、電気機器への電力供給を停止している状態において、互いに直列接続される電池セル群の電池セル間を遮断せず導通状態を保持することで、それら電池セル群の直列電圧を直接利用して、放電制御部が将来において電気機器への電力供給を再開できるように備えることができる。すなわち、放電制御部の再起動のために、電池パックシステムまたは電池パック内に、蓄電部を有するバックアップ電源を設ける必要がなく、回路の簡易化、および、コストダウンの効果が得られる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、電池パック内の各部位に高電圧が印加される頻度が最小限に抑えられて絶縁信頼性が向上し、かつ、電池パックの長期間の出力停止時および／または電気機器の長期間停止後におけるシステム再起動の信頼性をコストダウンを図りつつ実現できる。

図１は、本発明の第１実施形態に従う電池パックシステムにおいて互いに直列に接続された複数の電池モジュールのうちの一つを代表的に示す機能ブロック図である。 図２は、図１に示す電池モジュールを備えた前記電池パックシステムを示す機能ブロック図である。 図３は、図２に示す電池パックシステムの放電制御の流れを概念的に表すフローチャートである。 図４（ａ）は、図２に示す電池パックシステムにおける電池モジュール出力電圧の時間変化の一例を示すグラフであり、図４（ｂ）は、その時間変化の別の例を示すグラフである。 図５は、本発明の第２実施形態に従う電池パックシステムにおいて互いに直列に接続された複数の電池モジュールのうちの一つを代表的に示す機能ブロック図である。 図６は、図５に示す電池モジュールを備えた電池パックを示す機能ブロック図である。 前記第２実施形態に従う電池パックシステムの放電制御の流れを概念的に表すフローチャートである。 電池パックシステムの一従来例を示す機能ブロック図である。

以下、図面を参照することにより、本発明のさらに具体的な実施形態のうちのいくつかに従う電池パックシステムを詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に従う電池パックシステムにおいて互いに直列に接続された複数の電池モジュール１００−１のうちの一つを代表的に示す機能ブロック図である。電池パックシステムは、電気機器（例えば、電動工具）と、それの電源として用いられる電池パックとを有する。

図１に示すように、電池モジュール１００−１においては、公称電圧３．６Ｖのリチウムイオン電池である電池セル１０１が１０個直列接続され、１０個の電池セル１０１の直列接続体（以下、「電池セル群」という。）は、充電用ＦＥＴ１０５および放電用ＦＥＴ１０６を介し、端子１０７に接続される。なお、電池セル１０１の具体的な形式は、リチウムイオン電池に限らず、電池パック２００−１に収容されて電圧出力が可能な二次電池を広く包含する。

モジュールコントローラ１１０−１は、電池セル１０１の電圧を検知するための電圧検知部１０２と、電池セル１０１の温度を検知するための温度検知部１０３と、電池セル群に流れる電流を検知するための電流検知部１０４とに接続され、それら検知部１０２，１０３および１０４からの信号に基づき、充電用ＦＥＴ１０５と放電用ＦＥＴ１０６を用いて所定の制御（後に図３を参照して詳述する。）を行う。

モジュールコントローラ１１０−１は、受信部１０８と送信部１０９とを有しており、それら受信部１０８と送信部１０９とを介して、図２に示す電気機器３００−１に設けられた負荷制御部３０５との間で、信号の送受信を行う。電池パック２００−１は、３個の電池モジュール１００−１を互いに直列接続することによって構成されるため、各電池モジュール１００−１の受信部１０８と送信部１０９のグランド電位が、電池モジュール間で互いに異なる。したがって、受信部１０８と送信部１０９には、電気絶縁性を確保しながら電気信号伝達が可能なフォトカプラ（図１参照）等の素子を用いると良い。

なお、受信部１０８と送信部１０９における信号の送受信方法については、その送受信が、モジュールコントローラ１１０−１と負荷制御部３０５の間で、放電制御に関するお互いの制御を関連付けるものである限り、有線方式であるか無線方式であるかを問わないし、さらに、信号の種類は、アナログ信号であるかデジタル信号であるかを問わない。また、信号の送受信のために用いる端子は、図１に示すような送受信だけのために用いられる端子ではなく、他の目的に用いられる端子と兼用することもできる。

モジュールコントローラ１１０−１は、電圧検知部１０２、温度検知部１０３および電流検知部１０４のうちの少なくとも一つの検知結果、および／または、受信部１０８が負荷制御部３０５から受信した信号に基づき、端子１０７より出力される電池モジュール電圧を、第１電圧Ｖ１と、それより低いが０ではない第２電圧Ｖ２（０＜Ｖ２＜Ｖ１）とを含む複数の電圧のうちのいずれかに切り替える。本実施形態においては、第１電圧Ｖ１が前述の高電圧の一例であり、また、第２電圧Ｖ２が前述の低電圧の一例である。

例えば、電池セル群のうちの少なくとも１個の電池セル１０１の電圧、電池セル群のうちの少なくとも１個の電池セル１０１の温度、および電池セル群に流れる電流のうちの少なくとも一つが電気機器３００−１を駆動するために許可できる範囲にない場合、または、受信部１０８より電気機器３００−１の負荷部３０４の駆動を許可できないことを示す不許可信号をモジュールコントローラ１１０−１が受信した場合は、電池モジュール電圧をＶ２とし、そうでない場合は、電池モジュール電圧をＶ１とする。本実施形態においては、負荷制御部３０５が、前述の「放電制御部」の一例を構成し、また、モジュールコントローラ１１０−１が、「放電制御部」の別の例を構成していると考えることが可能である。

また、モジュールコントローラ１１０−１は、電池モジュール電圧をＶ１からＶ２に切り替える際、電池モジュール電圧Ｖ１の出力を許可できないことを示す不許可信号を送信部１０９より負荷制御部３０５に送信する。一方、モジュールコントローラ１１０−１は、電池モジュール電圧Ｖ１の出力を許可できる場合には、それを示す許可信号を送信部１０９より負荷制御部３０５に送信する。

電池モジュール電圧Ｖ１は、電気機器３００−１の負荷制御部３０５および負荷部３０４を駆動するために必要な電圧であり、電池モジュール１００−１に収容される電池セル群の直列電圧とほぼ等しい。また、電池モジュール電圧Ｖ２は、Ｖ１より低く、電気機器３００−１の負荷部３０４は駆動しないか、または、実質的にその負荷部３０４の機能を果たさないが、負荷制御部３０５を駆動するために必要な最低限の電圧であれば良い。

例えば、図４（ａ）に示すように、電池モジュール電圧Ｖ１は、放電用ＦＥＴ１０６をオン状態にして電池セル群の直列電圧３６Ｖとほぼ等しいものとし、これに対し、電池モジュール電圧Ｖ２は、放電用ＦＥＴ１０６をスイッチング制御して５Ｖとほぼ等しいものすると良い。

この例においては、電池モジュール電圧Ｖ１の出力区間Ａにおいては、放電用ＦＥＴ１０６のゲートに入力される制御信号のデューティ比が例えば１００％とされ、これに対し、電池モジュール電圧Ｖ２の出力区間Ｂにおいては、そのデューティ比が、Ｖ１用のデューティ比より低いデューティ比、例えば、約１０−３０％とされる。この例においては、放電用ＦＥＴ１０６（電流経路に接続された通電遮断素子の一例）が、前述の「出力電圧切換部」の一例を構成している。

これに代えて、電池モジュール電圧Ｖ１とＶ２のいずれも、１００％より低いデューティのもとに放電用ＦＥＴ１０６をスイッチング制御して、電気機器３００−１に最適な所定の２種類の電圧としても良い。

また、電池モジュール電圧をＶ１とＶ２に切り替える方法としては、図４（ａ）に示すように、瞬間的に切り替える方法、Ｖ１とＶ２との間にさらに別の少なくとも一つ電圧を設定して段階的に切り替える方法、図４（ｂ）に示すように、Ｖ１とＶ２との間を実質的に無段階に徐々に電圧を変化させる（例えば、前記デューティ比を実質的に連続的に変化させる）方法、などを用いると良い。特に、電池モジュール電圧をＶ１からＶ２および／またはＶ２からＶ１へ徐々に電圧を変化させる方法は、回路内のリアクタンス成分に起因するサージ電圧の発生を抑制し、回路内素子の負担を低減する効果もある。図４（ｂ）に示す例においては、「Ａ」が、電池モジュール電圧Ｖ１の出力区間を示し、「Ｂ」が、電池モジュール電圧Ｖ２の出力区間を示し、「Ｃ」が、電池モジュール電圧の遷移区間を示している。

モジュールコントローラ１１０−１は、電池モジュール電圧Ｖ２の出力中に、電圧検知部１０２により検出した少なくとも１個の電池セル１０１の電圧が所定値より低くなった場合、または、電池モジュール電圧Ｖ２の出力を開始してから、例えば、１日以上というように所定時間が経過した場合、その電池セル１０１が過放電となることを防ぐため、放電用ＦＥＴ１０６をオフ状態にしても良い。

なお、本実施形態においては、モジュールコントローラ１１０−１が、放電用ＦＥＴ１０６を制御する方法としているが、受信部１０８の信号を放電用ＦＥＴ１０６のゲートへ直接入力して、負荷制御部３０５が放電用ＦＥＴ１０６を制御する方法を用いても良い。また、本実施形態においては、放電用ＦＥＴ１０６が電池モジュール１００−１内に設けられているが、それに代えて、放電用ＦＥＴ１０６を、電池パック２００−１のうち、電池モジュール１００−１の外側に位置する部分と電気機器３００−１とのいずれかに設けることが可能である。

図２は、本実施形態に従う電池パックシステムを示す機能ブロック図である。

３個の電池モジュール１００−１は、端子１０７を介して直列接続されて電池モジュール群を成し、その電池モジュール群は、電池パック２００−１に収容される。また、電池モジュール群は、放電出力端子２０１に接続され、その放電出力端子２０１を介して、電気機器３００−１への電力供給が可能である。

３個の電池モジュール１００−１の３個の受信部１０８は互いに並列接続され、電池パック２００−１の受信部２０２を介して電気機器３００−１の送信部３１１に接続される。電気機器３００−１の負荷制御部３０５が送信部３１１を介して電池パック２００−１へ送信した許可信号および不許可信号は、３個の電池モジュール１００−１すべてが同時に受信できる。したがって、電気機器３００−１の負荷制御部３０５が、許可信号および不許可信号を電池パック２００−１へ送信した場合、電池パック２００−１の３個の電池モジュール１００−１すべてが同時に、それぞれの端子１０７から出力される電池モジュール電圧を、Ｖ２からＶ１、または、Ｖ１からＶ２へ切り替える。

また、３個の電池モジュール１００−１の３個の受信部１０９は互いに直列接続され、電池パック２００−１の送信部２０３を介して電気機器３００−１の受信部３１０に接続される。すなわち、電気機器３００−１の負荷制御部３０５は、受信部３１０より、３個の電池モジュール１００−１の少なくとも１個が不許可信号を送信したことを認識できる。したがって、電気機器３００−１の負荷制御部３０５が不許可信号を電池パック２００−１から受信した場合、負荷部３０４を停止するとともに、電池パック２００−１へ不許可信号を送信する。その結果、電池パック２００−１の３個すべての電池モジュール１００−１の電池モジュール電圧はＶ２となる。

電池パック２００−１に接続される電気機器３００−１は、負荷部３０４と、電池パック２００−１から電力供給を受けて負荷部３０４を制御する負荷制御部３０５とを収容する。負荷部３０４は、作業者が任意に開閉操作するスイッチ３０３と、負荷制御部３０５により制御される負荷制御用ＦＥＴ３０２とを介して、電力入力端子３０１より電池パック２００−１の電力を受給する。

負荷制御部３０５は、スイッチ３０３がオンに操作されると、負荷制御用ＦＥＴ３０２を通電状態に切り換え、それにより、電池パック２００−１を負荷部３０４に電気的に接続し、一方、スイッチ３０３がオフに操作されると、負荷制御用ＦＥＴ３０２を遮断状態に切り換え、それにより、電池パック２００−１を負荷部３０４から電気的に遮断する。また、負荷制御部３０５は、電池パック２００−１より入力した電圧（後述のΣＶ１またはΣＶ２)を、負荷制御部３０５自身の駆動を継続的に維持するために必要な電圧、例えば、５Ｖに変換して受給する。

負荷制御部３０５には、電圧検知部３０６、電流検知部３０７、スイッチ検知部３０８、受信部３１０および送信部３１１が接続される。負荷制御部３０５は、例えば、電池パック２００−１の放電出力端子２０１より供給される電圧が許容範囲でない場合、負荷電流が所定値より高い場合、負荷電流が所定値より低い状態が所定時間経過した場合、スイッチ３０３がオフ状態となり所定時間が経過した場合、負荷制御部３０５が制御目標値とする電圧または電流を維持できない場合、および、受信部３１０において電池パック２００−１の少なくとも１個の電池モジュール１００−１の出力が許可できないことを示す不許可信号を受信した場合のうちの少なくとも一つに該当する場合に、負荷部３０４への電力供給を停止した上で、負荷部３０４の駆動を許可できないことを示す不許可信号を送信部３１１から電池パック２００−１へ送信する。

電気機器３００−１の負荷制御部３０５が前記許可信号を送信し、かつ、電池パック２００−１の３個の電池モジュール１００−１すべてが出力許可できる状態にある場合、各電池モジュール１００−１より電池モジュール電圧Ｖ１が出力される。その際、電池パック２００−１の放電出力端子２０１より出力される電圧は、直列接続された複数の電池モジュール１００−１の電池モジュール電圧Ｖ１の総和、すなわち、ΣＶ１となる。例えば、電池モジュール電圧Ｖ１が３６Ｖであれば、ΣＶ１は１０８Ｖであり、その結果、電気機器３００−１は電池パック２００−１より１０８Ｖの電圧を入力し駆動する。

一方、電気機器３００−１の負荷制御部３０５が不許可信号を送信している場合、および／または、電池パック２００−１のうちの少なくとも１個の電池モジュール１００−１が出力許可できない場合、各電池モジュール１００−１より電池モジュール電圧Ｖ２が出力される。その際、電池パック２００−１の放電出力端子２０１より出力される電圧は、直列接続された複数の電池モジュール１００−１の電池モジュール電圧Ｖ２の総和、すなわち、ΣＶ２となる。例えば、電池モジュール電圧Ｖ２が５Ｖであれば、ΣＶ２は１５Ｖであり、その結果、電気機器３００−１は電池パック２００−１より１５Ｖの電圧を入力し、負荷制御部３０５はその１５Ｖによって駆動する。その際、負荷部３０４は、その電圧では駆動することができないため、停止状態にある。

電気機器３００−１の負荷制御部３０５は、負荷部３０４の停止中に、スイッチ検知部３０８によってスイッチ３０３がオン状態に操作されることと、受信部３１０によって電池パック２００−１が出力許可状態であることを検出し、それらが検出されると電気機器３００−１を直ちに再起動させることができるように、待機する必要がある。したがって、負荷制御部３０５は、負荷部３０４の停止中に、自らの駆動状態を維持するための電力を必要とする。

特許第４２１６８９８号公報に開示されている電池パックシステムにおいて、電気機器の負荷部の停止中は、電池パック内の各部位に高電圧が印加されないようにするため、互いに直列接続された複数の電池モジュールのそれぞれを出力停止状態とする。その際、複数の電池モジュールが互いに直列接続されない状態となるため、電気機器の負荷制御部は電池パックからの電力を受給できず、その電気機器内に電池パックからの電力を蓄えられる蓄電部を設ける必要があった。

本実施形態においては、電気機器３００−１の負荷部３０４の停止中は、各電池モジュール１００−１の電池モジュール電圧はＶ２であり、複数の電池モジュール１００−１が互いに直列接続されて成る電池パック２００−１の出力はΣＶ２となる。したがって、電池パック２００−１の各部位に印加される最高電圧はΣＶ２までに抑制され、絶縁信頼性を確保しながら、負荷制御部３０５は電池パックか２００−１らの電圧ΣＶ２を受給し、駆動状態を維持できる。その結果、従来技術では必要とした蓄電部を有するバックアップ電源を設置することが不可欠ではなくなる。

電池モジュール電圧Ｖ２は、ΣＶ２の上限は絶縁信頼性を確保しやすい４２Ｖ、かつ、ΣＶ２の下限は負荷部３０４の停止中に負荷制御部３０５の駆動を維持できる最小限の電圧、となる範囲内で設定すると良い。

なお、各電池モジュール１００−１の電池モジュール電圧Ｖ２は、他の電池モジュール１００−１のそれと同じ電圧であっても異なる電圧であっても良い。例えば、電池モジュール１００−１が電池モジュール電圧Ｖ２を出力する際の放電用ＦＥＴ１０６のスイッチングデューティ比を、すべての電池モジュールについて共通とした場合には、各電池モジュール１００−１の電池セル群の直列電圧に依存した電圧が出力される。すなわち、電池モジュール１００−１毎にＶ２の値は異なり、また、電池モジュール電圧をＶ１とＶ２に交互に切り替える度に、Ｖ２の値は電池セル群の残容量の減少に従い変化する。

ここで、図３のフローチャートを参照することにより、本実施形態に従う電池パックシステムの放電制御の流れを詳細に説明する。

まず、ステップＳ１０１において、電気機器３００−１の負荷制御部３０５が、電気機器３００−１に電池パック２００−１が接続された状態において、電気機器３００−１のスイッチがオンに操作されることを待つ。オンに操作された場合には、ステップＳ１０２に移行するが、そうでない場合には、待機状態を続ける。ステップＳ１０２においては、電気機器３００−１の負荷制御部３０５が、負荷部３０４の駆動を許可することを示す許可信号を電池パック２００−１へ送信する。次に、ステップＳ１０３において、電池パック２００−１の各電池モジュール１００−１が、前記許可信号を受信する。

ステップＳ１０４においては、電池モジュール１００−１ごとに、モジュールコントローラ１１０−１が、電池モジュール１００−１に収容されている電池セル群のうちの少なくとも１個の電池セル１０１の電圧および温度を検知する。続いて、ステップＳ１０５において、電池モジュール１００−１ごとに、モジュールコントローラ１１０−１が、電池セル群のうちの少なくとも１個の電池セル１０１が、その寿命や安全性に影響しないように予め設定された電圧範囲または温度範囲を超える状態、すなわち、放電を許可できない状態を検知した場合には、制御終了処理を行い、そうでない場合には、放電可能な状態であると判定し、ステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０６においては、複数のモジュールコントローラ１１０−１のうち、放電可能な状態であると判定したものがそれぞれ、対応する放電用ＦＥＴ１０６を、例えば前述のデューティ比が１００％である状態で、オンする。その結果、対応する電池モジュール１００−１より出力される電池モジュール電圧はＶ１となる。

続いて、ステップＳ１０７において、今回のモジュールコントローラ１１０−１が、対応する電池モジュール１００−１が出力許可状態であることを示す許可信号を、電気機器３００−１の負荷制御部３０５へ送信する。電池パック２００−１に収容されるすべての電池モジュール１００−１が出力許可状態にあれば、ステップＳ１０８において、電池パック２００−１より電圧ΣＶ１が電気機器３００−１へ出力される。

その後、ステップＳ１０９において、負荷制御部３０５が、上述のステップＳ１０７においてモジュールコントローラ１１０−１から送信された許可信号を受信し、続いて、ステップＳ１１０へ進む。このステップＳ１１０においては、負荷制御部３０５が、電池パック２００−１から電力受給が可能であると判断し、負荷部３０４の駆動を開始する。

なお、図２に示すように、電池パック２００−１に収容される各電池モジュール１００−１の各送信部１０９は直列接続されているので、負荷制御部３０５が前記許可信号を認識するためには、すべての電池モジュール１００−１が前記許可信号を送信する必要がある。

その後、ステップＳ１１１において、負荷制御部３０５が、電池パック２００−１の電圧、電流およびスイッチ３０３の状態を検知する。続いて、ステップＳ１１２において、検知された電圧または電流が電気機器３００−１の駆動を許可できるように予め設定された範囲内にある場合にはステップＳ１１３へ、そうでない場合にはステップＳ１１５へ進む。ステップＳ１１３においては、負荷制御部３０５が、スイッチ３０３がオフに操作されたか否かを判定し、オフ操作が行われたと判定した場合には、ステップＳ１１５へ、そうでない場合にはステップＳ１１４へ進む。

なお、ステップＳ１１３は、スイッチ３０３がオフに操作された後、例えば、短ければ０．１秒、長ければ１日というように所定時間が経過してからステップＳ１１５へ移行しても良い。

ステップＳ１１４においては、負荷制御部３０５が、後述のステップＳ１２２において電池モジュール群のうちの少なくとも一つの電池モジュール１００−１のモジュールコントローラ１１０−１から送信された不許可信号を受信した場合は、ステップＳ１１５へ進み、そうでない場合は、ステップＳ１０８へ帰還し、負荷部３０４の駆動を継続する。

ステップＳ１１５においては、負荷制御部３０５が、負荷部３０４の駆動を停止する。続いて、ステップＳ１１６において、負荷制御部３０５が、すべての電池モジュール１００−１のモジュールコントローラ１１０−１へ、負荷部３０４への電力供給を許可しないことを示す不許可信号を送信する。前記不許可信号は、後述のステップＳ１２０にて処理される。

上述のステップＳ１０８の実行が終了すると、ステップＳ１０９への移行に並行して、ステップＳ１１８にも移行する。このステップＳ１１８においては、すべての電池モジュール１００−１のそれぞれのモジュールコントローラ１１０−１が、電池モジュール１００−１に収容される電池セル群の少なくとも１個の電池セル１０１の電圧、温度および電流を検知する。続いて、ステップＳ１１９において、各モジュールコントローラ１１０−１が、電池セル群のうちの少なくとも１個の電池セル１０１が、その寿命や安全性に影響しないように予め設定された電圧範囲、温度範囲または電流範囲を超える状態、すなわち、放電を許可できない状態にあるか否かを判定し、そのような状態が存在すると判定した場合にはステップＳ１２１へ、そうでない場合にはステップＳ１２０へ進む。

そのステップＳ１２０においては、該当するモジュールコントローラ１１０−１が、負荷制御部３０５から、負荷部３０４への電力供給を許可しないことを示す不許可信号を受信したか否かを判定する。前記不許可信号を受信した場合はステップＳ１２１へ、そうでない場合は、ステップＳ１０８へ帰還し、負荷部３０４の駆動を継続する。

なお、図２に示すように、電池パック２００−１に収容される複数の電池モジュール１００−１の複数の受信部１０８は互いに並列接続されているため、ステップＳ１１６において負荷制御部３０５が前記不許可信号を送信すると、すべての電池モジュール１００−１が前記不許可信号を同時に受信して、それぞれ、ステップＳ１２１を実行する。

このステップＳ１２１においては、各モジュールコントローラ１１０−１が、放電用ＦＥＴ１０６をオンに保持する状態から、オンおよびオフを繰り返すスイッチング制御状態に切り替える。すなわち、電池モジュール１００−１の電池モジュール電圧をＶ１からＶ２へ切り替える。その際、負荷制御部３０５は、ステップＳ１１１およびＳ１１２の順に処理を行い、電池モジュール群の直列電圧で構成される電池パック２００−１の出力電圧が所定値（例えば、作動開始電圧）より低下することを検知して、負荷部３０４の停止処理を行うこともできる。

その後、ステップＳ１２２において、各モジュールコントローラ１１０−１が、電池モジュール１００−１が出力不許可状態であることを示す不許可信号を、電気機器３００−１の負荷制御部３０５へ送信して、ステップＳ１１７へ移行する。前記不許可信号は、ステップＳ１１４にて処理される。

ステップＳ１１７においては、先行して実行されるステップＳ１２１において各電池モジュール１００−１の電池モジュール電圧がＶ１からＶ２へ切り替えられる結果、電池パック２００−１の出力電圧はΣＶ１からΣＶ２へ切り換わる。電気機器３００−１は、電池パック２００−１からΣＶ２の電圧が入力されることで、負荷部３０４は駆動しないが、負荷制御部３０５の駆動は維持でき、ステップＳ１０１からステップＳ１１０の処理に示されるように、負荷部３０４の再起動を必要とする状態を検知するまで待機する。

本実施形態においては、放電用ＦＥＴ１０６が、前記（２）項における「通電遮断素子」の一例を構成し、また、各モジュールコントローラ１１０−２のうち、図３におけるステップＳ１０６およびＳ１２１を実行する部分が、同項における「スイッチング制御回路」の一例を構成している。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に従う電池パックシステムにおいては、電気機器３００−１の負荷部３０４の駆動中は、ステップＳ１０８に示されるように、各電池モジュール１００−１の電池モジュール電圧はＶ１、かつ、電池パック２００−１の出力電圧はΣＶ１となり、一方、負荷部３０４の停止中は、ステップＳ１１７に示されるように、各電池モジュール１００−１の電池モジュール電圧はＶ１よりも低いＶ２、かつ、電池パック２００−１の出力電圧はΣＶ１よりも大幅に低いΣＶ２となる。また、負荷部３０４の駆動中であるか停止中であるかを問わず、負荷制御部３０５には、電池パック２００−１よりΣＶ１またはΣＶ２による電力が供給される。

これによって、電池パックシステム内部の各部位に印加される最高電圧がΣＶ１となる頻度が最小限に抑えられ、一方、電気機器３００−１の不使用中には、電池パックシステム内部の各部位に印加される最高電圧がΣＶ２までに抑制され、絶縁信頼性（例えば、電池パック２００−１に雨水が浸入しても、ユーザーが感電せずに済む性質の強さ）が向上しつつ、蓄電部を有するバックアップ電源を用いず負荷制御部３０５の駆動を維持し、電気機器３００−１の長期間停止後における再起動信頼性の向上をコストダウンと共に実現できる。

本実施形態においては、電気機器３００−１の事情で電気機器３００−１が停止すると、すべての電池モジュール１００−１が前記不許可信号を電気機器３００−１から一斉に受信し、その結果、すべての電池モジュール１００−１の出力電圧が一斉にＶ１からＶ２に低下する。これに対し、電気機器３００−１の駆動中に、一部の電池モジュール１００−１の電圧、電流または温度が異常となると、該当する電池モジュール１００−１の出力電圧は、Ｖ１からＶ２に低下するが、該当しない電池モジュール１００−１の出力電圧はＶ１に維持される過渡期間が存在し得る。しかし、本実施形態においては、電圧が低下した電池モジュール１００−１が前記不許可信号を電気機器３００−１に出力し、その結果、その電気機器３００−１が今度は、自身の事情によることなく、前記不許可信号をすべての電池モジュール１００−１に出力する。その結果、最終的には、この場合も、すべての電池モジュール１００−１の出力電圧がＶ１からＶ２に低下する。したがって、本実施形態によれば、出力電圧の低下時に、複数の電池モジュール１００−１のうちのいずれかはＶ１を出力し続けてしまい、その結果、絶縁信頼性が低下することが回避される。

次に、本発明の第２実施形態に従う電池パックシステムを説明する。ただし、第１実施形態と共通する要素については、同一の符号または名称を使用して引用することにより、重複した説明を省略する。

図４は、本実施形態に従う電池パックシステムの電池モジュール１００−２を示す機能ブロック図である。

本実施形態に従う電池モジュール１００−２の基本的な構成は、第１実施形態に従う電池パックシステムの電池モジュール１００−１と共通する。ただし、本実施形態に従う電池モジュール１００−２は、第１実施形態に従う電池モジュール１００−１に対して、抵抗１１２と抵抗１１３とびダイオード１１４とによって構成される第２出力部１１１が追加されている。特に、第２出力部１１１は、電池セル群と放電用ＦＥＴ１０６との間から、電池セル群の電圧を入力できるように接続すると良い。

図５に示すように、モジュールコントローラ１１０−２は、電圧検知部１０２、温度検知部１０３および電流検知部１０４のうちの少なくとも一つの検知結果、および／または、受信部１０８がメインコントローラ２０９（図６参照）から受信した信号に基づき、電池パック２００−２の端子１０７より出力される電池モジュール電圧を、Ｖ１とＶ２とのいずれかに切り替える。

電池モジュール電圧Ｖ１は、放電用ＦＥＴ１０６をオン状態にして、電池セル群の電圧を端子１０７より出力する。一方、電池モジュール電圧Ｖ２は、放電用ＦＥＴ１０６をオフ状態にして、電池セル群の電圧を抵抗１１２および抵抗１１３で分圧し、ダイオード１１４を介して端子１０７より出力する。本実施形態においては、抵抗１１２および１１３とダイオード１１４とが互いに共同して、前記（３）項における「分圧回路」の一例を構成している。

例えば、電池セル群のうちの少なくとも１個の電池セル１０１の電圧、電池セル群のうちの少なくとも１個の電池セル１０１の温度、および電池セル群の電流のうちの少なくとも一つがインバータ回路２０４（図６参照）を駆動するために許可できるように予め設定された範囲にない場合、および／または、受信部１０８よりインバータ回路２０４の駆動を許可できないことを示す不許可信号を受信した場合には、電池モジュール電圧がＶ２とされ、そうでない場合は、電池モジュール電圧がＶ１とされる。

また、モジュールコントローラ１１０−２は、電池モジュール電圧をＶ１からＶ２に切り替える際、電池モジュール１００−２が電池モジュール電圧Ｖ１を出力許可できないことを示す不許可信号を送信部１０９より送信する。一方、モジュールコントローラ１１０−２は、電池モジュール電圧Ｖ１を出力許可できる場合には、それを示す許可信号を送信部１０９より送信する。

電池モジュール電圧Ｖ１は、インバータ回路２０４およびメインコントローラ２０９を駆動するために必要な電圧であり、電池モジュール１００−２に収容される電池セル群の直列電圧とほぼ等しい。また、電池モジュール電圧Ｖ２はＶ１より低く、インバータ回路２０４は駆動しないか、または実質的に電気機器本来の機能を果たすための出力はできないが、メインコントローラ２０９を駆動するために必要な最低限の電圧となるように抵抗１１２および抵抗１１３の値を調整すると良い。

電池モジュール電圧Ｖ１は、例えば、放電用ＦＥＴ１０６をオン状態にして電池セル群の直列電圧３６Ｖとほぼ等しいものとし、電池モジュール電圧Ｖ２は、例えば、放電用ＦＥＴ１０６をオフ状態にして抵抗１１２および抵抗１１３の分圧により５Ｖとほぼ等しいものすると良い。また、電池モジュール電圧Ｖ１とＶ２のいずれも、放電用ＦＥＴ１０６をスイッチング制御して、電池パックシステムに最適な所定の２種類の電圧としても良い。また、電池モジュール電圧をＶ１とＶ２とを切り替える方法としては、瞬間的に切り替える方法、Ｖ１とＶ２との間にさらに別の少なくとも一つの電圧を設定して段階的に切り替える方法、Ｖ１とＶ２との間を実質的に無段階で徐々に電圧を変化させる方法、などを用いると良い。特に、Ｖ１からＶ２へ徐々に電圧を変化させていく方法は、回路内のリアクタンス成分に起因するサージ電圧の発生を抑制し、回路内素子の負担を低減する効果もある。

また、モジュールコントローラ１１０−２は、電池モジュール電圧Ｖ２の出力中に、電圧検知部１０２により検出された少なくとも１個の電池セル１０１の電圧が所定値より低なった場合、または、電池モジュール電圧Ｖ２の出力を開始してから、例えば、１日以上というように所定時間が経過した場合、その電池セル１０１が過放電となることを防ぐため、第２出力部１１１による消費電流を遮断する手段を設けても良い。

なお、本実施形態においては、モジュールコントローラ１１０−２が、放電用ＦＥＴ１０６を制御する方法としているが、受信部１０８の信号を放電用ＦＥＴ１０６のゲートへ直接入力して、メインコントローラ２０９が放電用ＦＥＴ１０６を制御する方法を用いても良い。また、本実施形態においては、放電用ＦＥＴ１０６および第２出力部１１１が電池モジュール１００−２内に配置されているが、それらを電池パック２００−２のうち、電池モジュール１００−２の外側の部分に配置することができる。

図５は、本実施形態に従う電池パックシステムを示す機能ブロック図である。

図５に示すように、本実施形態においては、５個の電池モジュール１００−２が、端子１０７を介して互いに直列接続されて電池モジュール群を成し、その電池モジュール群は電池パック２００−２に収容される。また、電池モジュール群は、インバータ回路２０４に接続される。インバータ回路２０４は、電池モジュール群の出力電圧を変換することにより、商用電源電圧に相当する出力を行い、出力端子２０６に接続された電気機器への電力供給を可能とする。また、メインコントローラ２０９は、電池モジュール群より入力した電圧（ΣＶ１またはΣＶ２）を、メインコントローラ２０９自身の機能を継続的に維持するために必要な電圧、例えば、５Ｖに変換して受給する。

さらに、電池パック２００−２は、入力端子２０７から商用電源電圧を受給し直流電圧に変換する充電回路２０８を有しており、電池モジュール１００−２が有する電池セル群への充電を可能とする。切替部２０５は、入力端子２０７に商用電源電圧が入力されている場合は、Ａ側に切り替え、出力端子２０６に接続された電気機器へ商用電源電圧を直接供給することができ、一方、入力端子２０７に商用電源電圧が入力されていない場合は、Ｂ側に切り替え、出力端子２０６に接続された電気機器へインバータ回路２０４が出力した電圧を供給することができる。

５個の電池モジュール１００−２の５個の受信部１０８は、受信部２０２および送信部２０３を介してメインコントローラ２０９に接続される。なお、受信部２０２および送信部２０３の配線方法は任意であり、メインコントローラ２０９と各電池モジュール１００−２のモジュールコントローラ１１０−２が双方向で信号の送受信を行えると良い。これにより、メインコントローラ２０９から各電池モジュール１００−２、および、各電池モジュール１００−２からメインコントローラ２０９のそれぞれの方向ごとに、電池モジュール電圧を、Ｖ２からＶ１、または、Ｖ１からＶ２へ切り替えるための指示を行う。本実施形態においては、メインコントローラ２０９が、前述の「放電制御部」の一例（複数の電池モジュールに共通の放電制御部）を構成し、また、各電池モジュール１００−２内のモジュールコントローラ１１０−２が、「放電制御部」の別の例（各電池モジュールごとの放電制御部）を構成している。

また、メインコントローラ２０９には、残容量表示部２１２および出力端子差込検知部２１０が接続される。出力端子差込検知部２１０は、出力端子２０６に電気機器の端子が接続されたことを機械的に検知し電気信号に変換するためのスイッチ２１１を有する。なお、出力端子差込検知部２１０の検知方式は、前述の方法ではなく、電気的に検知する方法、または、出力端子２０６に開閉可能な端子カバーを設け、その動作を間接的に検知する方法を用いても良い。

メインコントローラ２０９は、例えば、出力端子２０６に電気機器の端子が接続されていない場合、インバータ回路２０４が無負荷状態となり所定時間が経過した場合、インバータ回路２０４が制御目標値とする電圧または電流を維持できない場合、および、受信部２０２において電池パック２００−２のうちの少なくとも１個の電池モジュール１００−２の出力が許可できないことを示す不許可信号を受信した場合のうちのの少なくとも一つに該当する場合に、インバータ回路２０４の出力制御を停止した上で、インバータ回路２０４の駆動を許可できないことを示す不許可信号を、送信部２０３を介して５個の電池モジュール１００−２へ送信する。

メインコントローラ２０９が送信部２０３より許可信号を送信し、かつ、５個の電池モジュール１００−２すべてが出力許可できる状態にある場合、各電池モジュール１００−２より電池モジュール電圧Ｖ１が出力される。その際、インバータ回路２０４に入力される電圧は、直列接続された複数の電池モジュール１００−２の電池モジュール電圧Ｖ１の総和、すなわち、ΣＶ１となる。例えば、電池モジュール電圧Ｖ１が３６Ｖであれば、ΣＶ１は１８０Ｖであり、インバータ回路２０４は電池モジュール群より直流１８０Ｖの電圧を入力し交流１００Ｖの電圧に変換および出力する。

一方、メインコントローラ２０９が送信部２０３より不許可信号を送信している場合、および／または、５個の電池モジュール１００−２の少なくとも１個の電池モジュール１００−２が出力許可できない場合、各電池モジュール１００−２より電池モジュール電圧Ｖ２が出力される。その際、インバータ回路２０４に入力される電圧はΣＶ２となる。例えば、電池モジュール電圧Ｖ２が５Ｖであれば、ΣＶ２は２５Ｖであり、メインコントローラ２０９は電池モジュール群より２５Ｖの電圧を入力し駆動する。その際、インバータ回路２０４は、その電圧では交流１００Ｖの電圧を出力することができないため、停止状態にある。

メインコントローラ２０９は、インバータ回路２０４の停止中に、出力端子差込検知部２１０によって出力端子２０６に電気機器の端子が接続され、かつ、受信部２０２によって５個の電池モジュール１００−２のすべてが出力許可状態であることを検出し、その検出に応答してインバータ回路２０４を再起動できるように待機する必要がある。また、必要に応じて残容量表示部２１２を動作させる必要もある。したがって、メインコントローラ２０９は、インバータ回路２０４の停止中に、自らの駆動状態を維持するための電力を必要とする。

特許第４１０４６４８号公報に開示されている電池パックシステムにおいては、電池パックの放電制御部の停止中は、電池パック内の各部位に高電圧が印加されないようにするため、直列接続されたそれぞれの電池モジュールを出力停止状態とする。その際、各電池モジュールが直列接続されない状態となるため、前記放電制御部は電池モジュール群からの電力を受給できず、その電池パック内に電池モジュール群からの電力を蓄えられる蓄電部を設ける必要があった。

本実施形態においては、インバータ回路２０４の停止中は、電池モジュール１００−２の電池モジュール電圧はＶ２であり、各電池モジュール１００−２が直列接続されて成る電池モジュール群の出力はΣＶ２となる。したがって、電池パック２００−２の各部位に印加される最高電圧はΣＶ２までに抑制され、絶縁信頼性を確保しながら、メインコントローラ２０９は電池モジュール群からの電圧ΣＶ２を受給し、駆動状態を維持できる。その結果、従来技術では必要とした蓄電部を有するバックアップ電源を設けることが不可欠ではなくなる。

すべての電池モジュール１００−２より電池モジュール電圧Ｖ２が出力され、それらが直列接続されて電池モジュール群を成し、メインコントローラ２０９へ電力供給をされている状態において、各電池モジュール１００−２の電池セル群から流れる電流は、抵抗１１３を流れる電流とダイオード１１４を流れる電流に分流される。

各電池モジュール１００−２のダイオード１１４に流れる電流はすべて等しく、メインコントローラ２０９が消費する電流とほぼ等しい。一方、抵抗１１３を流れる電流は、それぞれの電池モジュール１００−２が有する電池セル群の電圧に依存する。電池モジュール１００−２の電池セル群の電圧が、他の電池モジュール１００−２の電池セル群の電圧より相対的に高い場合は、その電池モジュール１００−２の抵抗１１３に流れる電流は、他の電池モジュール１００−２の抵抗１１３に流れる電流よりも大きい。

一般的に、複数の電池モジュール１００−２の電池セル群の電圧差は、電池セルの諸特性のばらつきに伴い、使用中に徐々に大きくなるが、本実施形態によれば、前記電圧差、すなわち、電池モジュール１００−２間の容量アンバランスを自律的に解消する効果も有し、電池パックシステムとしての信頼性を向上できる。

電池モジュール電圧Ｖ２は、ΣＶ２の上限は絶縁信頼性を確保しやすい４２Ｖ、かつ、ΣＶ２の下限はインバータ回路２０４の停止中にメインコントローラ２０９の駆動を維持できる最小限の電圧、となる範囲内で設定すると良い。なお、各電池モジュール１００−２の電池モジュール電圧Ｖ２は、各電池モジュール１００−２が有する電池セル群の電圧に依存するため、電池モジュール１００−２毎にＶ２の値は異なり、また、電池モジュール電圧Ｖ１とＶ２を交互に切り替える度に、Ｖ２の値は電池セル群の残容量の減少に従い変化する。

図６は、本実施形態に従う電池パックシステムの放電制御の流れを概念的に表すフローチャートである。

まず、ステップＳ２０１において、メインコントローラ２０９が、出力端子差込検知部２１０を介して、電池パック２００−２の出力端子２０６に電気機器の端子が差し込まれたことを検知するのを待つ。検知した場合は、ステップＳ２０２へ進み、そうでない場合は待機する。ステップＳ２０２においては、メインコントローラ２０９が、インバータ回路２０４の駆動を許可することを示す許可信号を各電池モジュール１００−２へ送信する。続いて、ステップＳ２０３において、各電池モジュール１００−２が、前記許可信号を受信する。

その後、ステップＳ２０４において、各電池モジュール１００−２のモジュールコントローラ１１０−２が、電池モジュール１００−２に収容されている電池セル群のうちの少なくとも１個の電池セル１０１の電圧および温度を検知する。続いて、ステップＳ２０５において、各モジュールコントローラ１１０−２が、電池セル群のうちの少なくとも１個の電池セル１０１が、その寿命や安全性に影響しない電圧範囲または温度範囲を超える状態、すなわち、放電を許可できない状態を検知した場合には、制御終了処理を行い、そうでない場合には、放電可能な状態であると判定し、ステップＳ２０６へ進む。

このステップＳ２０６においては、放電可能な状態であると判定したモジュールコントローラ１１０−２が、放電用ＦＥＴ１０６をオンする。その際、電池モジュール１００−２より出力される電池モジュール電圧はＶ１となる。その後、ステップＳ２０７において、今回のモジュールコントローラ１１０−２が、電池モジュール１００−２が出力許可状態であることを示す許可信号を、メインコントローラ２０９へ送信する。電池パック２００−２に収容されるすべての電池モジュール１００−２が出力許可状態にあれば、ステップＳ２０８において、電池モジュール群より電圧ΣＶ１がインバータ回路２０４へ出力される。

続いて、ステップＳ２０９において、メインコントローラ２０９が、ステップＳ２０７においてモジュールコントローラ１１０−２から送信された許可信号を受信し、ステップＳ２１０へ進む。このステップＳ２１０においては、メインコントローラ２０９が、電池モジュール群からインバータ回路２０４への電力供給が可能であると判断し、インバータ回路２０４の駆動を開始する。なお、インバータ回路２０４を駆動するためには、すべての電池モジュール１００−２が前記許可信号を送信する必要がある。

その後、ステップＳ２１１において、メインコントローラ２０９が、電池モジュール群の電圧および電流、ならびに出力端子２０６への電気機器の端子の差し込み状態を検知する。続いて、ステップＳ２１２において、検知された電圧または電流がインバータ回路２０４の駆動を許可できる範囲内にある場合にはステップＳ２１３へ、そうでない場合にはステップＳ２１５へ進む。ステップＳ２１３においては、出力端子２０６から電気機器の端子が抜き取られた状態を検知した場合にはステップＳ２１５へ、そうでない場合にはステップＳ２１４へ進む。

なお、ステップＳ２１３は、電気機器の端子が抜き取られた後、例えば、短ければ０．１秒、長ければ１日というように所定時間が経過してからステップＳ２１５へ移行しても良い。また、インバータ回路２０４の無負荷状態が所定時間経過したことを検知した場合もステップＳ２１５へ移行しても良い。

ステップＳ２１４においては、メインコントローラ２０９が、ステップＳ２２２において電池モジュール群のうちの少なくとも一つの電池モジュール１００−２のモジュールコントローラ１１０−２から送信された不許可信号を受信した場合は、ステップＳ２１５へ進み、そうでない場合は、ステップＳ２０８へ帰還し、インバータ回路２０４の駆動を継続する。

ステップＳ２１５においては、メインコントローラ２０９が、インバータ回路２０４の駆動を停止する。続いて、ステップＳ２１６において、メインコントローラ２０９が、各電池モジュール１００−２のモジュールコントローラ１１０−２へ、インバータ回路２０４への電力供給を許可しないことを示す不許可信号を送信する。前記不許可信号は、ステップＳ２２０にて処理される。

上述のステップＳ２０８の実行が終了すると、ステップＳ２０９への移行に並行して、ステップＳ２１８にも移行する。このステップＳ２１８においては、各電池モジュール１００−２のモジュールコントローラ１１０−２が、電池モジュール１００−２に収容されている電池セル群の少なくとも１個の電池セル１０１の電圧、温度または電流を検知する。続いて、ステップＳ２１９において、モジュールコントローラ１１０−２が、電池セル群のうちの少なくとも１個の電池セル１０１が、その寿命や安全性に影響しない電圧範囲、温度範囲または電流範囲を超える状態、すなわち、放電を許可できない状態を検知した場合にはステップＳ２２１へ、そうでない場合にはステップＳ２２０へ進む。

ステップＳ２２０においては、モジュールコントローラ１１０−２が、メインコントローラ２０９から、インバータ回路２０４への電力供給を許可しないことを示す不許可信号を受信する。前記不許可信号を受信した場合はステップＳ２２１へ、そうでない場合は、ステップＳ２０８へ帰還し、インバータ回路２０４の駆動を継続する。なお、ステップＳ２１６でメインコントローラ２０９が前記不許可信号を送信すると、すべての電池モジュール１００−２が前記不許可信号を同時に受信して、それぞれステップＳ２２１の処理を行う。

ステップＳ２２１においては、モジュールコントローラ１１０−２が、放電用ＦＥＴ１０６をオン状態からオフ状態に切り替え、電池モジュール１００−２の電池モジュール電圧をＶ１から、抵抗１１２および抵抗１１３の分圧に基づくＶ２へ切り替える。その際、メインコントローラ２０９は、ステップＳ２１１およびＳ２１２の順に処理を行い、電池モジュール群の出力電圧が所定値より低下することを検知して、インバータ回路２０４の停止処理を行うこともできる。

ステップＳ２２２においては、モジュールコントローラ１１０−２が、電池モジュール１００−２が出力不許可状態であることを示す不許可信号を、メインコントローラ２０９へ送信して、ステップＳ２１７へ移行する。前記不許可信号は、ステップＳ２１４にて処理される。

ステップＳ２１７においては、先行して実行されるステップＳ２２１において各電池モジュール１００−２の電池モジュール電圧がＶ１からＶ２へ切り替えられる結果、電池パック２００−２の出力電圧はΣＶ１からΣＶ２へ切り換わる。電池モジュール群からΣＶ２の電圧が入力されることで、インバータ回路２０４は駆動しないが、メインコントローラ２０９の駆動は維持でき、ステップＳ２０１からステップＳ２１０の処理に示されるように、インバータ回路２０４の再起動を必要とする状態を検知するまで待機する。

本実施形態においては、放電用ＦＥＴ１０６が、前記（３）項における「通電遮断素子」の一例を構成し、抵抗１１２および１１３とダイオード１１４とが互いに共同して、同項における「分圧回路」の一例を構成し、それら構成要素と、各モジュールコントローラ１１０−２のうち、図７におけるステップＳ２０６およびＳ２２１を実行する部分とが互いに共同して、同項における「出力電圧切換部」の一例を構成している。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に従う電池パックシステムは、インバータ回路２０４の駆動中は、ステップＳ２０８に示されるように、各電池モジュール１００−２の電池モジュール電圧はＶ１、かつ、電池モジュール群の出力電圧はΣＶ１となり、一方、インバータ回路２０４の停止中は、ステップＳ２１７に示されるように、各電池モジュール１００−２の電池モジュール電圧はＶ１よりも低いＶ２、かつ、電池モジュール群の出力電圧はΣＶ１よりも大幅に低いΣＶ２となる。また、インバータ回路２０４の駆動中であるか停止中であるかを問わず、メインコントローラ２０９には、電池モジュール群よりΣＶ１またはΣＶ２による電力が供給される。

これによって、電池パックシステム内部の各部位に印加される最高電圧がΣＶ１となる頻度を最小限に抑え、一方、出力端子２０６に電気機器が接続されない場合、または電気機器が不使用の場合は、電池パックシステム内部の各部位に印加される最高電圧をΣＶ２までに抑制し、絶縁信頼性（例えば、電池パック２００−２に雨水が浸入しても、ユーザーが感電せずに済む性質の強さ）を向上しながら、蓄電部を有するバックアップ電源を用いず、メインコントローラ２０９の駆動を維持し、長期間の不使用後における再起動信頼性の向上をコストダウンと共に実現できる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、前記［発明の開示］の欄に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。

１００−１：本発明の第１実施形態に従う電池モジュール
１００−２：本発明の第２実施形態に従う電池モジュール
１０１：電池セル
１０２：電圧検知部
１０３：温度検知部
１０４：電流検知部
１０５：充電用ＦＥＴ
１０６：放電用ＦＥＴ
１０７：端子
１０８：受信部
１０９：送信部
１１０−１：本発明の第１実施形態に従うモジュールコントローラ
１１０−２：本発明の第２実施形態に従うモジュールコントローラ
１１１：第２出力部
１１２：抵抗
１１３：抵抗
１１４：ダイオード
２００−１：本発明の第１実施形態に従う電池パック
２００−２：本発明の第２実施形態に従う電池パック
２０１：放電出力端子
２０２：受信部
２０３：送信部
２０４：インバータ回路
２０５：切替部
２０６：出力端子
２０７：入力端子
２０８：充電回路
２０９：メインコントローラ
２１０：出力端子差込検知部
２１１：スイッチ
２１２：残容量表示部
３００−１：本発明の第１実施形態に従う電気機器
３０１：電力入力端子
３０２：負荷制御用ＦＥＴ
３０３：スイッチ
３０４：負荷部
３０５：負荷制御部
３０６：電圧検知部
３０７：電流検知部
３０８：スイッチ検知部
３０９：バックアップ電源
３１０：受信部
３１１：送信部

Claims (5)

1. 電気機器と、その電気機器の電源として用いられる電池パックとを備えた電池パックシステムであって、
   前記電池パックは、
   複数の電池モジュールが直列接続された電池モジュール群と、
   その電池モジュール群の放電出力を前記電気機器へ供給するための放電出力端子と
   を含み、
   各電池モジュールは、複数の電池セルが直列接続された電池セル群を含み、
   当該電池パックシステムは、さらに、
   前記電池モジュール群から前記電気機器への放電出力を制御する放電制御部と、
   その放電制御部からの指示に従い、各電池モジュールが出力するモジュール出力電圧を、高電圧と、０ではない低電圧とに切り換える出力電圧切換部と
   を含み、
   前記電気機器は、負荷部を含み、
   その負荷部は、各電池モジュールが前記高電圧を出力するときには、前記電池モジュール群によって作動し、各電池モジュールが前記低電圧を出力するときには、前記電池モジュール群によって作動せず、
   前記放電制御部は、各電池モジュールが前記高電圧を出力するか前記低電圧を出力するかを問わず、前記電池モジュール群によって作動する電池パックシステム。
2. 前記出力電圧切換部は、
   前記電池モジュール群と前記放電出力端子とに電流を流すための電流経路に接続された通電遮断素子であって制御信号に応じて通電状態と遮断状態とに切り換わるものと、
   可変のデューティ比を有する前記制御信号を前記通電遮断素子に供給することによってその通電遮断素子の状態をスイッチング制御するとともに、前記デューティ比を、前記モジュール出力電圧を前記高電圧とする場合と前記低電圧とする場合とで互いに異なるように制御するスイッチング制御回路と
   を含む請求項１に記載の電池パックシステム。
3. 前記出力電圧切換部は、
   前記電池モジュール群と前記放電出力端子とに電流を流すための電流経路に接続された通電遮断素子であって通電状態と遮断状態とに切り換わるものと、
   各電池モジュールごとに、前記電池セル群に対して並列に接続され、その電池セル群に属する複数の電池セルの全電圧をそれより低い部分電圧に分圧する分圧回路であって、前記通電遮断素子の通電状態においては、前記全電圧が前記モジュール出力電圧となり、前記通電遮断素子の遮断状態においては、前記部分電圧が前記モジュール出力電圧となることを可能にするものと
   を含む請求項１に記載の電池パックシステム。
4. 前記出力電圧切換部は、前記モジュール出力電圧が前記高電圧と前記低電圧との間において遷移する区間において、前記モジュール出力電圧を時間の経過につれて実質的に連続的に変化させるかまたは段階的に変化させる請求項１ないし３のいずれかに記載の電池パックシステム。
5. 電気機器の電源として用いられる電池パックであって、
   複数の電池モジュールが直列接続された電池モジュール群と、
   その電池モジュール群の放電出力を前記電気機器へ供給するための放電出力端子と
   を含み、
   各電池モジュールは、複数の電池セルが直列接続された電池セル群を含み、
   当該電池パックは、さらに、
   前記電池モジュール群から前記電気機器への放電出力を制御する放電制御部と、
   その放電制御部からの指示に従い、各電池モジュールが出力するモジュール出力電圧を、高電圧と、０ではない低電圧とに切り換える出力電圧切換部と
   を含み、
   前記高電圧および前記低電圧のそれぞれの高さは、前記電気機器のうちの負荷部が、各電池モジュールが前記高電圧を出力するときには、前記電池モジュール群によって作動し、各電池モジュールが前記低電圧を出力するときには、前記電池モジュール群によって作動しないように設定されており、
   前記放電制御部は、各電池モジュールが前記高電圧を出力するか前記低電圧を出力するかを問わず、前記電池モジュール群によって作動する電池パック。

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