JP4626369B2

JP4626369B2 - バッテリユニット

Info

Publication number: JP4626369B2
Application number: JP2005109451A
Authority: JP
Inventors: 勝司浅野; 康夫長澤
Original assignee: Ｔｄｋラムダ株式会社
Priority date: 2005-04-06
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2025-04-06
Also published as: JP2006296003A

Description

充放電可能な二次電池と、例えば保護回路などの周辺回路とを備えたバッテリユニットに関する。

リチウムイオン二次電池などの二次電池は過充電，過放電，過熱等によって、最悪の場合には異常発熱して破裂する虞があるため、二次電池等からエネルギー供給を得る電源装置においては、その安全性を確保するための保護回路が二次電池に接続されている。例えば特許文献１には、過放電保護回路と過充電保護回路の両者を備えた二次電池パックが開示されている。

図５は、前記電源装置等に装着される例えばリチウムイオン二次電池やその保護回路を内蔵したバッテリユニットの概略回路構成を示す回路図である。バッテリユニット１は、例えばＵＰＳ（無停電電源装置）などの二次電池等からエネルギー供給を得る電源装置の本体２に接続されている。なお、図中、本体２及びバッテリユニット１のＧＮＤラインについては省略している。

バッテリユニット１内には、二次電池としてのバッテリ３の他、その周辺回路として制御回路10，保護回路11，補助電源12などが備えられている。本体２に接続された接続端子４とバッテリ３の正極との間には、例えばトランジスタなどからなるドロッパー用制御素子５とダイオード６と充電スイッチ13と放電スイッチ７との直列回路が接続されており、この直列回路が充電回路として作用する。すなわち、バッテリ３を充電する際に、図示しない制御手段がドロッパー用制御素子５の抵抗成分を変化させることにより、本体２から接続端子４を通じて供給される充電電力に対して定電圧・定電流制御しながらバッテリ３が充電される。当該充電時には接続端子４からバッテリ３方向へ電流が流れるため、ダイオード６はドロッパー用制御素子５ひいては接続端子４側がアノード、充電スイッチ13，放電スイッチ７ひいてはバッテリ３側がカソードとなるよう接続されている。ドロッパー用制御素子５とダイオード６との直列回路には、これらをバイパスするダイオード８が並列接続されており、このダイオード８と充電スイッチ13と放電スイッチ７との直列回路が放電回路として作用する。すなわち、バッテリ３が放電するに際し、ダイオード８がターンオンし、バッテリ３に充電されているバッテリ電力が接続端子４を介して本体２へ供給される。当該放電時にはバッテリ３から接続端子４方向へ電流が流れるため、ダイオード８は充電スイッチ13，放電スイッチ７ひいてはバッテリ３側がアノード、接続端子４側がカソードとなるよう接続されている。

充電スイッチ13及び放電スイッチ７のオン・オフ動作は制御回路10により制御されており、バッテリ３の充電又は放電を可能とするため、バッテリ３が正常であれば充電スイッチ13，放電スイッチ７は常にオンしている。バッテリ３の状態は保護回路11により判断され、その判断結果に応じて制御回路10が充電スイッチ13，放電スイッチ７をオン・オフさせる。具体的には、保護回路11が、充電スイッチ13と放電スイッチ７との接続点から読み込んだ前記充電電力又は前記バッテリ電力の電力情報や、バッテリユニット１内に設けられた図示しない温度センサの温度情報などからバッテリ３ひいてはバッテリユニット１内の異常（バッテリ３への過充電，バッテリ３からの過放電，バッテリユニット１内の過熱等）を判断し、バッテリユニット１内で異常が発生した場合には、制御回路10が充電スイッチ13及び放電スイッチ７をオフする。一方、入力より正常な電圧が印加されている場合には、充電スイッチ13及び放電スイッチ７をオンする。なお、補助電源12は、制御回路10及び保護回路11へ電力供給を行うものである。
特許第２８６１８７９号公報

しかし、従来のバッテリーユニット１では、バッテリユニット１が本体２より取り外された状態や、本体２とは接続されているが本体２が動作していない（停止している）状態など、バッテリユニット１が機能していない状態である保存状態において、バッテリ３の自己放電の他、その周辺回路へのリーク電流（回路電流）が多くなり、保存期間が短い等の問題があった。前述のように、放電スイッチ７のオン・オフ動作は制御回路10により制御されており、バッテリ３が正常であれば放電スイッチ７は常にオンしている。そのため、バッテリユニット１の保存時には、自己放電電流Ｉａの以外にも、放電スイッチ７を経由して、保存時に動作を必要としていない制御回路10，保護回路11，及び補助電源12などの周辺回路にリーク電流Ｉｂ，Ｉｃが流れてしまう。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、保存状態における二次電池からのリーク電流を低減させるバッテリユニットを提供することを目的とする。

本発明における請求項１のバッテリユニットでは、充放電可能な二次電池と、前記二次電池に接続された周辺回路とを備え、接続端子を通じて供給される充電電力を前記二次電池に充電するために、前記接続端子と前記二次電池の間に、ドロッパー用制御素子と第１のダイオードと充電スイッチと放電スイッチとの直列回路を接続し、前記二次電池の電力を前記接続端子に供給するために、前記ドロッパー用制御素子と前記第１のダイオードとの直列回路に第２のダイオードを並列接続し、前記第１のダイオードは前記接続端子側がアノード、前記二次電池側がカソードとなるよう接続され、前記第２のダイオードは前記二次電池側がアノード、前記接続端子側がカソードとなるよう接続された、バッテリユニットにおいて、前記接続端子と、前記ドロッパー用制御素子と前記第２のダイオードのカソードの接続部との接続ラインに発生する第１検出電圧Ｖａと、前記放電スイッチと前記充電スイッチとの接続ラインに発生する第２検出電圧Ｖｂとをその入力とする充電検出部と、同様に前記第１検出電圧Ｖａと前記第２検出電圧Ｖｂとをその入力とする放電検出部と、前記二次電池を前記周辺回路から切り離す開閉手段と、を備え、前記第２のダイオードの順方向降下電圧をＶｆとした時、前記充電検出部はＶａ≦Ｖｂの場合に、前記二次電池が充電状態ではないことを検出し、前記放電検出部はＶａ≧Ｖｂ−Ｖｆの場合に、前記二次電池が放電状態ではないないことを検出し、前記開閉手段は、前記充電検出部と前記放電検出とによる検出結果が充電状態ではないかつ放電状態ではない場合を前記保存状態として、前記二次電池を前記周辺回路から切り離すものである。

このようにすると、バッテリユニットが機能しない保存状態では、開閉手段により二次電池が周辺回路から切り離されるため、二次電池から周辺回路へリーク電流が流れることがない。

また、保存状態では、バッテリユニット内のバッテリが充電も放電もしていないことに着目し、バッテリユニットの接続対象に関する接続状況や動作状況にかかわらず、バッテリの充放電状態から容易に保存状態を判断することができる。

本発明の請求項１によると、保存状態において必要としない周辺回路からバッテリを切り離すことでリーク電流を少なくすることができ、ひいてはバッテリの保存期間を延ばすこともできる。

また、接続対象の状態を直接検出しなくても、バッテリユニット側の充放電状態から容易に保存状態を判断することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明におけるバッテリユニットの好ましい各実施例を説明する。なお、従来例と同一箇所には同一符号を付し、共通する部分の説明は重複するため極力省略する。

図１は、本第１実施例におけるバッテリユニットの回路構成概略を示す回路図である。バッテリユニット１は、例えばＵＰＳなどの本体２に接続されており、内部の基本構成は従来例と略同様である。すなわち、バッテリユニット１はバッテリ３，制御回路10，保護回路11，補助電源12などを備え、接続端子４とバッテリ３の正極との間は、ドロッパー用制御素子５とダイオード６と充電スイッチ13と放電スイッチ７との直列回路が接続され、ドロッパー用制御素子５とダイオード６との直列回路には、ダイオード８が並列接続されている。なお、20は、回路上等価的に存在する充電スイッチ13のオン抵抗である。

充電スイッチ13と放電スイッチ７のオン・オフ動作は制御回路10により制御されるが、本第１実施例では保護回路11がバッテリユニット１の異常を判断した場合のみならず、充電状態でもなく放電状態でもない保存（保管）状態を検出し、放電スイッチ７をオフするように構成されている。バッテリ３の充電状態は充電検出器21により検出される。充電検出器21は、接続端子４とドロッパー用制御素子５（又はダイオード８のカソード）との接続ラインに発生する第１検出電圧Ｖａと、放電スイッチ７と充電スイッチ13との接続ラインに発生する第２検出電圧Ｖｂとをその入力としている。一方、バッテリ３の放電状態は放電検出器22により検出される。放電検出器22は、充電検出器21と同様となる、第１検出電圧Ｖａと、第２検出電圧Ｖｂとをその入力としている。つまり、充電検出器21と放電検出器22とは、同じ入力を用いて、後述する検出条件に従い充電状態又は放電状態を判別する。充電検出器21は充電状態ではないことを検出するとＨレベルを出力する一方、放電検出器22は放電状態ではないことを検出するとＨレベルを出力する。充電検出器21と放電検出器22の出力はＡＮＤ回路23に入力されており、充電検出器21と放電検出器22の出力が共にＨレベルの時、すなわち充電状態でも放電状態でもない時に、制御回路10へ保存状態検出信号を出力する。もちろん、これらの出力レベルを逆極性に構成してもよい。

バッテリユニット１の保存状態は、前述したように、バッテリユニット１が本体２より取り外された状態や、本体２とは接続されているが本体２が動作していない状態であるため、バッテリユニット１内のバッテリ３は充電も放電もしていない。本第１実施例では、この充電も放電もしていない状態を保存状態とみなして、本体２に関する接続状況や動作状況にかかわらず、バッテリ３の充放電状態から保存状態を判断している。従って、本体２の状態を直接検出しなくても、バッテリユニット１側の充放電状態から容易に保存状態を判断することができる。

次に、充電検出器21及び放電検出器22での状態検出について、バッテリ３の充放電動作と共に説明する。

バッテリ３の充電動作時には、本体２からバッテリユニット１へ電力供給が行われるため、ダイオード８がターンオフし、ドロッパー用制御素子５とダイオード６と充電スイッチ13のオン抵抗20とからなる直列回路を電流が流れる。このとき、ドロッパー用制御素子５とダイオード６と充電スイッチ13のオン抵抗20とによる電圧降下から、第１検出電圧Ｖａと第２検出電圧Ｖｂとの間にはＶａ＞Ｖｂという関係が成立する。この関係を用いて、充電検出器21は、第１検出電圧Ｖａと第２検出電圧Ｖｂとを逐次比較して、充電条件Ｖａ＞Ｖｂが成立した場合には充電状態としてＬレベルを出力し、当該充電条件が成立しない場合（Ｖａ≦Ｖｂ）には充電状態ではないとしてＨレベルを出力する。

一方、バッテリ３の放電時には、バッテリユニット１から本体２へ電力供給が行われるため、ダイオード６がターンオフし、ダイオード８からなる直列回路を電流が流れる。このとき、充電スイッチ13のオン抵抗20とダイオード８による電圧降下から、ダイオード８の順方向降下電圧をＶｆ、充電スイッチ13のオン抵抗20の抵抗値をＲとすると、Ｖａ＝Ｖｂ−（Ｖｆ＋Ｉｏ＊Ｒ）となる。これに対し保存時の放電電流Ｉｏ（リーク電流Ｉｃ）は、放電時に対し無視できる電流値のため、Ｖａ＝Ｖｂ−Ｖｆになる。放電状態ではＶａ＝Ｖｂ−（Ｖｆ＋Ｉｏ＊Ｒ）＜Ｖｂ−Ｖｆであり、保存状態ではＶａ＝Ｖｂ−Ｖｆとなり、充電状態ではＶａ＞Ｖｂ＞Ｖｂ−Ｖｆとなることから、Ｖａ＜Ｖｂ−Ｖｆが放電条件となる。この関係を用いて、放電検出器22は、第１検出電圧Ｖａと第２検出電圧Ｖｂとを逐次比較して、放電条件Ｖａ＜Ｖｂ−Ｖｆが成立した場合には放電状態としてＬレベルを出力し、当該充電条件が成立しない場合（Ｖａ≧Ｖｂ−Ｖｆ）には放電状態ではないとしてＨレベルを出力する。

このようにして、充電検出器21において充電状態ではないことを検出し、放電検出器22で放電状態ではないことを検出し、ＡＮＤ回路23により充電検出器21と放電検出器22の出力のＡＮＤ（論理積）を取り、制御回路10へ保存状態検出信号を出力する。そして、制御回路10が、充電状態でもなく放電状態でもない状態である保存状態となっている間、放電スイッチ７をオフする。この保存状態に放電スイッチ７をオフすることにより、保存状態において必要としない保護回路11等の周辺回路からバッテリ３を電気的に切り離すことでリーク電流を少なくすることができ、ひいてはバッテリ３の保存期間を延ばすこともできる。バッテリ３の保存期間が長くなることで、再補充電等の作業間隔も長くなり、またその回数も減ることとなる。

以上のように本実施例では、充放電可能な二次電池としてのバッテリ３と、バッテリ３に接続された周辺回路に相当する保護回路11，補助電源12等とを備えたバッテリユニット１において、バッテリ３が保存状態である時に、バッテリ３を保護回路11，補助電源12等から切り離す開閉手段に相当する放電スイッチ７（制御回路10）を設けている。

このようにすると、バッテリユニット１が機能しない保存状態では、放電スイッチ７によりバッテリ３が保護回路11，補助電源12等から切り離されるため、バッテリ３から保護回路11，補助電源12等へリーク電流が流れることがない。従って、保存状態において必要としない周辺回路からバッテリを切り離すことでリーク電流を少なくすることができ、ひいてはバッテリの保存期間を延ばすこともできる。

また本実施例のバッテリユニット１では、バッテリ３の充電状態を検出する充電検出部としての充電検出器21と、バッテリ３の放電状態を検出する放電検出部としての放電検出器22とを備え、放電スイッチ７は、充電検出器21と放電検出器22とによる検出結果が充電状態ではないかつ放電状態ではない場合を前記保存状態として、バッテリ３を保護回路11，補助電源12等から切り離すものである。

保存状態では、バッテリユニット１内のバッテリ３が充電も放電もしていないことに着目し、バッテリユニット１の接続対象となる本体２に関する接続状況や動作状況にかかわらず、バッテリ３の充放電状態から容易に保存状態を判断することができる。従って、本体２の状態を直接検出しなくても、バッテリユニット１側の充放電状態から容易に保存状態を判断することができる。

図２は、本第２実施例におけるバッテリユニットの回路構成概略を示す回路図である。バッテリユニット１は、例えばＵＰＳなどの本体２に接続されており、内部の基本構成は従来例と略同様である。すなわち、バッテリユニット１はバッテリ３，制御回路10，保護回路11，補助電源12などを備え、接続端子４とバッテリ３の正極との間は、ドロッパー用制御素子５とダイオード６と充電スイッチ13と放電スイッチ７との直列回路が接続され、ドロッパー用制御素子５とダイオード６との直列回路には、ダイオード８が並列接続されている。

充電スイッチ13及び放電スイッチ７のオン・オフ動作は制御回路10により制御されるが、本第２実施例では保護回路11がバッテリユニット１の異常を判断した場合のみならず、バッテリユニット１の入力と連動してオン・オフ動作が行われるように構成されている。具体的には、補助電源12に、本体２からの入力と連動する信号或いはこれに連動する出力電圧を得ることで補助電源12が起動するように設定された入力連動手段12ａを設け、一方、制御回路10には、補助電源12と連動して放電スイッチ７を動作させる電源連動手段10ａを設けている。そうすることで、当該入力と放電スイッチ７を連動させることができる。入力の検出は、本体２からバッテリユニット１へ送信されるようにしてもよいし、バッテリユニット１側で入力の電圧レベルを監視するようにしてもよい。保存状態時は、当該入力がないため、放電スイッチ７も連動してオフする。従って、保存時においては、補助電源12，保護回路11等からバッテリ３が電気的に切り離され、バッテリ３からこれらへ流れる回路電流（リーク電流）を遮断することができる。

以上のように本実施例のバッテリユニット１では、放電スイッチ７は、入力の有無に連動し、当該入力がない場合を前記保存状態として、バッテリ３を保護回路11，補助電源12等から切り離すものである。

このようにすると、バッテリユニット１の接続対象となる本体２がバッテリユニット１を作動させるための入力の有無から容易に保存状態を判断することができる。従って、バッテリユニット１側の入力の有無から容易に保存状態を判断することができる。

図３は、本第３実施例におけるバッテリユニットの回路構成概略を示す回路図である。バッテリユニット１は、例えばＵＰＳなどの本体２に接続されており、内部の基本構成は従来例と略同様である。すなわち、バッテリユニット１はバッテリ３，制御回路10，保護回路11，補助電源12などを備え、接続端子４とバッテリ３の正極との間は、ドロッパー用制御素子５とダイオード６と充電スイッチ13と放電スイッチ７との直列回路が接続され、ドロッパー用制御素子５とダイオード６との直列回路には、ダイオード８が並列接続されている。

充電スイッチ13と放電スイッチ７のオン・オフ動作は制御回路10により制御されるが、本第３実施例では保護回路11がバッテリユニット１の異常を判断した場合のみならず、バッテリユニット１の入力断状態（バッテリ３の放電状態）が所定時間よりも長く継続した場合に、放電スイッチ７をオフするように構成されている。本体２側で例えば停電などが発生すると、バッテリユニット１の動作が充電から放電に切換えられるため、本体２からの入力（充電電力の供給）が遮断され、バッテリユニット１は入力断状態となる。そして、バッテリユニット１の放電動作が開始されるが、当該放電時間は、バッテリ３の容量に応じて決まる最大放電時間に制限される。この最大放電時間が経過した後は、負荷に必要な電圧が得られないレベルまでバッテリ３の放電能力が低下しているため、このときに放電スイッチ７をオフさせても動作上何ら問題ない。そこで、本第３実施例のバッテリユニット１は、バッテリ３の放電状態を入力断状態として検出し、この放電状態が所定の最大放電時間よりも長く継続した場合には、放電スイッチ７をオフさせ、バッテリ３の無駄な電力消費を防止する低消費モードに移行するよう構成されている。もちろん、本体２から入力断信号を受け取ることにより、入力断状態を直接検出して、この入力断状態が所定の最大放電時間よりも長く継続した場合に、放電スイッチ７をオフさせるよう構成してもよい。

具体的には、バッテリ３の放電状態を検出する放電検出器25と、当該放電状態の継続を計時するタイマ手段10ｂとを設けている。放電検出器25は、接続端子４とドロッパー用制御素子５（又はダイオード８のカソード）との接続ラインに発生する第１検出電圧Ｖａと、放電スイッチ７と充電スイッチ13との接続ラインに発生する第２検出電圧Ｖｂとをその入力とし、放電状態を検出するとＨレベル（又はＬレベル）を出力する。もちろん、出力レベルを逆極性に構成してもよい。バッテリ３の放電動作時には、前述したように、第１検出電圧Ｖａと第２検出電圧Ｖｂとの間にはＶａ＜Ｖｂという関係が成立する。この関係を用いて、放電検出器25は、第１検出電圧Ｖａと第２検出電圧Ｖｂとを逐次比較して、放電条件Ｖａ＜Ｖｂが成立した場合には放電状態としてＨレベルを出力し、当該放電条件が成立しない場合（Ｖａ≧Ｖｂ）には放電状態ではないとしてＬレベルを出力する。一方、制御回路10に設けられたタイマ手段10ｂは、放電検出器25の検出信号を受けて、放電状態の継続時間を計時する。

次にバッテリユニット１が低消費モードへの移行動作について、図４を参照しながら説明する。

本体２に停電が発生し、バッテリユニット１が入力断となると、バッテリ３の放電が開始する。当該放電により、放電条件Ｖａ＜Ｖｂが満たされ、放電検出器25がＨレベルの検出信号を出力する。タイマ手段10ｂは、放電検出器25の検出信号の立上がりエッジをトリガとして、放電状態の継続時間を計時する。タイマ手段10ｂには、最大放電時間ｔｂよりも長いタイムアップ時間ｔｕが設定されており、タイムアップ時間ｔｕまで計時すると、当該計時時間をリセットすると共に、放電スイッチ７をオフさせ、低消費モードに移行する。なお、このタイマ手段10ｂの計時時間は、放電スイッチ７のオフ前に、入力が復電した場合には、リセットされる。

以上のように本実施例のバッテリユニット１では、放電スイッチ７は、入力断状態としてのバッテリ３の放電状態が所定時間としての最大放電時間ｔｂよりも長く継続した場合に、バッテリ３を前記周辺回路から切り離すものである。

このようにすると、長時間の放電によるバッテリ３の放電能力低下後において、バッテリ３の無駄な電力消費を防止することができる。

なお、本発明は、上記各実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。バッテリユニット１を本体２から取り外した際に、バッテリ３が周辺回路から機構的に切り離されるようにしてもよい。上記各実施例では、放電スイッチ７等の素子をバッテリ３の正極側ラインに接続しているが、負極側ラインに接続してもよいことは言うまでもない。

本発明の第１実施例におけるバッテリユニットの内部構成概略を示す回路図である。本発明の第２実施例におけるバッテリユニットの内部構成概略を示す回路図である。本発明の第３実施例におけるバッテリユニットの内部構成概略を示す回路図である。同上、バッテリユニット各部の動作を示すタイミング図である。従来例におけるバッテリユニットの内部構成概略を示す回路図である。

１バッテリユニット
３バッテリ（二次電池）
４接続端子
５ドロッパー用制御素子
６ダイオード（第１のダイオード）
７放電スイッチ（開閉手段）
８ダイオード（第２のダイオード）
10 制御回路（開閉手段）
11 保護回路（周辺回路）
12 補助電源（周辺回路）
13 充電スイッチ（開閉手段）
21 充電検出器（充電検出部）
22 放電検出器（放電検出部）

Claims

充放電可能な二次電池と、前記二次電池に接続された周辺回路とを備え、
接続端子を通じて供給される充電電力を前記二次電池に充電するために、前記接続端子と前記二次電池の間に、ドロッパー用制御素子と第１のダイオードと充電スイッチと放電スイッチとの直列回路を接続し、
前記二次電池の電力を前記接続端子に供給するために、前記ドロッパー用制御素子と前記第１のダイオードとの直列回路に第２のダイオードを並列接続し、
前記第１のダイオードは前記接続端子側がアノード、前記二次電池側がカソードとなるよう接続され、前記第２のダイオードは前記二次電池側がアノード、前記接続端子側がカソードとなるよう接続された、バッテリユニットにおいて、
前記接続端子と、前記ドロッパー用制御素子と前記第２のダイオードのカソードの接続部との接続ラインに発生する第１検出電圧Ｖａと、前記放電スイッチと前記充電スイッチとの接続ラインに発生する第２検出電圧Ｖｂとをその入力とする充電検出部と、同様に前記第１検出電圧Ｖａと前記第２検出電圧Ｖｂとをその入力とする放電検出部と、前記二次電池を前記周辺回路から切り離す開閉手段と、を備え、
前記第２のダイオードの順方向降下電圧をＶｆとした時、
前記充電検出部はＶａ≦Ｖｂの場合に、前記二次電池が充電状態ではないことを検出し、前記放電検出部はＶａ≧Ｖｂ−Ｖｆの場合に、前記二次電池が放電状態ではないないことを検出し、前記開閉手段は、前記充電検出部と前記放電検出とによる検出結果が充電状態ではないかつ放電状態ではない場合を前記保存状態として、前記二次電池を前記周辺回路から切り離すものであることを特徴とするバッテリユニット。