JP4626578B2 - 電池パック - Google Patents

Description

この発明は、電池素子と保護回路が一体化された電池パックに関する。

近年、携帯電話、ノートブック型パソコンなどをはじめとする電子機器のコードレス化、ポータブル化が進み、薄型、小型、軽量の携帯電子機器が次々と開発されている。また、機器や機能の多様化によって電力使用量が増加しており、それら電子機器のエネルギー源である電池の高容量化・軽量化に対する要求が高まっている。

そこで、この要求に応える２次電池として、リチウムイオンのドープ・脱ドープを利用したリチウムイオン２次電池（以下、リチウムイオン電池と適宜称する）が提案されている。

リチウムイオン電池は例えば、ＬｉＣｏＯ₂ やＬｉＮｉＯ₂ 等のリチウム複合酸化物を用いた正極活物質層が正極集電体上に形成された正極と、リチウムをドープ・脱ドープ可能な例えばグラファイトや難黒鉛化性炭素材料等の炭素系材料を用いた負極活物質層が負極集電体上に形成された負極とを有している。この正極および負極はセパレータを介して積層され、屈曲または巻回されて発電素子とされる。この発電素子は、リチウム塩を非プロトン性有機溶媒に溶解させてなる非水電解液とともに、例えば金属缶やラミネートフィルムに収容されて電池素子（以下、セルと適宜称する）が構成されている。

例えば円筒形リチウムイオン電池の場合では、発電要素が円筒状の電池容器の内部に収納されている。発電要素は、帯状の正極と負極とがセパレータを介してセンターピンを中心として巻回され、セパレータに液状の電解質である電解液が含浸されたものである。正極は、例えばアルミニウム箔等からなる正極集電体の両面（または片面）に正極活物質としてリチウム（Ｌｉ）をドープおよび脱ドープが可能な正極材料を含む正極合剤層が設けられた構造を有している。正極集電体には、アルミニウム等からなる正極リードが取り付けられ、発電要素の外部に導出されている。

負極は、例えば銅箔からなる負極集電体の両面（または片面）に負極活物質としてリチウムをドープおよび脱ドープが可能な負極材料を含む負極合剤層が設けられた構造を有している。負極集電体には、銅からなる負極リードが取り付けられ、発電要素の外部に導出されている。

電池容器は、例えばニッケル（Ｎｉ）のめっきがされた鉄（Ｆｅ）あるいはステンレス鋼から構成され、一端面（負極）側が閉塞され、他端面（正極）側が開放されている。電池容器は、負極と接続されており、負極端子として機能するようになされている。また、電池容器の開放端面部には、安全機構と電池蓋とがガスケットを介してかしめられることによって取り付けられており、電池容器の内部が密閉されている。安全機構を構成する安全弁に対して正極リードが溶接されている。

リチウムイオン電池は、通常の使用条件下において十分な安全性を確保する電池設計がなされている。例えば、電池内部の温度上昇時に電流を制限する熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient：ＰＴＣ素子）や、内部電圧上昇時に電池内部で電気的接続を切断する安全弁などが設けられている。

また、リチウムイオン電池は、過充電や過放電に弱いことから、セルと、保護回路とが一体化された電池パックの構成とされるのが普通である。保護回路の機能は、過充電保護、過放電保護および過電流保護の３つの機能がある。簡単にこれらの保護機能について説明する。

過充電保護機能について説明する。リチウムイオン電池を充電していくと、満充電を過ぎても電池電圧が上昇を続ける。この過充電状態になると危険な状態となる可能性が生じる。したがって、充電は、定電流定電圧で行い、充電制御電圧が電池の定格（例えば４．２Ｖ）以下が行う必要がある。しかしながら、充電器の故障や、異機種用充電器の使用によって、過充電の危険性がある。過充電され、電池電圧がある電圧値（例えば４．３２５Ｖ）以上になった場合、保護回路が充電制御スイッチ素子例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor ）をオフし、充電電流を遮断する。この機能が過充電保護機能である。

過放電保護機能について説明する。定格放電終止電圧以下まで放電し、電池電圧が例えば２Ｖ〜１．５Ｖ以下の過放電状態になった場合は、電池が故障する場合がある。放電され、電池電圧がある電圧値（例えば２．７Ｖ）以下になった場合、保護回路は、放電制御スイッチ素子例えばＦＥＴをオフし、放電電流を遮断する。この機能が過放電機能である。

過電流保護機能について説明する。電池の＋−端子間が短絡された場合には、大電流がながれてしまい、異常発熱する危険性がある。放電電流がある電流値以上流れた場合には、保護回路は、放電制御ＦＥＴをオフし、放電電流を遮断する。この機能が過電流保護機能である。放電電流を遮断する点において、過放電保護機能と過電流保護機能とが同様の機能といえる。

これらの保護機能は、正常なセルへのダメージを未然に防止する機能であるが、電池の電圧および放電電流が正常なレベルであっても、セルの内部状態が正常であるとは限らない。例えば電動工具の電源として電池パックを使用すると、電池パックに強い振動が加わり、セル内部のリード部分が損傷して断線寸前となる場合がある。特に、正極リードは、アルミニウムからなり、機械的強度が負極リード（ニッケル）に比して弱い。このようにリードが断線しかかったセルを充電、放電することは、非常に危険である。このようなセルに加わったダメージの有無を判断するには、電池電圧や放電電流値のみで判断することができなかった。

以下の特許文献１に、電池の内部インピーダンスを算出し、内部インピーダンスから電池の寿命を判断することが記載されている。

特開２００２−３３０５４７号公報

しかしながら、電池の寿命を判断するために内部インピーダンスを算出することが記載されていても、上述したようなセルのダメージを判断し、高い安全性を確保するために、ＡＣ（交流）インピーダンスを測定することは、提案されていなかった。また、ＡＣインピーダンスを電池パックのユーザが測定することは、実際には不可能であった。

したがって、この発明の目的は、電池パック自体が備える保護機能に対してＡＣインピーダンス測定機能を追加することによって、高い安全性を確保することができる電池パックを提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明は、２次電池の電池素子と、電池素子の端子電圧および放電電流をそれぞれ測定して、過充電、過放電および過電流を防止する機能を有する保護回路とが共通のケースによって一体化された電池パックにおいて、
電池素子の正極および負極間に印加する交流電圧を発生する交流信号発生手段と、
電池素子の静特性が得られる状態で交流信号発生手段により発生した交流電圧を電池素子に印加し、電池素子の正極および負極間の出力電圧のレベルを測定することによって電池素子の異常を検出する判定手段と、
判定手段によって電池素子の異常が検出された場合に、電池素子の放電および充電を不可能とする制御手段と
をケース内に設けた電池パックである。

この発明によれば、セルのＡＣインピーダンスを測定し、測定されたインピーダンスの値が正常な範囲にない場合には、充電および放電を制限するので、従来では、判定できなかったセルダメージ例えば電池パックへの熱影響、機械的な振動衝撃の影響等を判定することができる。これらのセルダメージは、従来の保護機能の電池電圧または放電電流の判定によっては検出することが不可能である。この発明によれば、従来の保護回路より非常に高い安全性が得られる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、保護機能を主として示す電池パックのブロック図である。保護機能は、保護回路、保護ＩＣ、マイクロコンピュータ等で構成される。電池パックは、直列に接続された例えば円筒型電池の構成のセル１ａ、１ｂ、１ｃを有している。セル１ａの正極側から＋端子２が導出され、セル１ｃの負極がヒューズ、ＰＴＣ等の保護素子４、放電制御スイッチ（ＦＥＴ）５、充電制御スイッチ（ＦＥＴ）６を介して−端子３が導出される。充電時には、＋端子２および−端子３に対してＡＣアダプタ等の充電装置が接続されて充電が行われる。また、電気機器使用時には、＋端子２と−端子３が機器の＋端子、−端子に接続され、放電が行われる。

保護回路は、過放電、過充電、過電流検出ブロック１０と、セルインピーダンス測定ブロック２０と、コントロール部１１と、レギュレータ１２とから構成されている。過放電、過充電、過電流検出ブロック１０は、過放電・過充電検出部１３および過電流検出部１４を有する。過放電・過充電検出部１３は、セル１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれの端子電圧を測定し、測定した電圧値をコントロール部１１に供給する。過電流検出部１４は、−端子３の電圧降下から放電電流を測定し、測定した電流値をコントロール部１１に供給する。コントロール部１１は、例えばマイクロコンピュータで構成される。

通常の充電状態並びに通常の放電状態では、スイッチ５および６が共にオンしている。コントロール部１１は、何れかのセルの端子電圧が所定電圧以上となることを検出すると、充電制御スイッチ６をオフとする制御信号を発生し、スイッチ６のオフによって過充電が防止される。何れかのセルの端子電圧が所定電圧以下となることを検出すると、コントロール部１１は、放電制御スイッチ５をオフとする制御信号を発生し、スイッチ５のオフによって過放電が防止される。さらに、コントロール部１１は、過電流を検出すると、放電制御スイッチ５をオフとする制御信号を発生し、過電流防止がなされる。これらの保護機能は、従来の電池パックが備えるものと同様である。

従来の保護機能に対して追加されたセルインピーダンス測定ブロック２０は、正弦波発振部２１、インピーダンス変換部２２およびインピーダンス判定部２３から構成される。正弦波発振部２１は、セル１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれのＡＣインピーダンスを測定するために必要な振幅および周波数の正弦波電圧を発生する。インピーダンス変換部２２は、セル１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに対して抵抗を介して正弦波電圧を加えた時のセル間の電圧を測定し、測定電圧をインピーダンスへ変換する回路である。インピーダンス判定部２３は、インピーダンス変換部２２からのインピーダンスの値を判定してコントロール部１１に対して充電、放電の可否の情報を送る回路である。

上述した各回路に対する電源電圧がレギュレータ１２によって形成される。レギュレータ１２は、例えばシリーズレギュレータである。各回路の接地側がセル１ｃの負極と共通に接続されている。各回路は、パワーダウン状態以外は常に動作しているものとする。パワーダウン状態またはパワーオフ状態は、コントロール部１１の制御の下で、シリーズレギュレータ１２によって生じさせるようになされている。

コントロール部１１の制御によってなされる、この発明の一実施の形態による保護動作を図２に示す。正常状態Ｓ１において、放電電流センシングＳ２、セル電圧センシングＳ３およびセルインピーダンスセンシングＳ４がなされている。放電電流センシングＳ２において測定された放電電流が放電電流判定ステップＳ５において、所定値と比較され、正常（図では、ＯＫと表記する）か否かが判定される。正常の場合には、正常状態Ｓ６に移る。大電流放電異常と判定された場合には、放電不可・充電可能状態Ｓ７に移る。

正常状態Ｓ６は、放電制御スイッチ５および充電制御スイッチ６が共にオンし、放電および充電の両方が可能な状態である。放電不可・充電可能状態Ｓ７は、放電制御スイッチ５がオフし、充電制御スイッチ６がオンする状態である。放電可能・充電不可状態Ｓ８は、放電制御スイッチ５がオンし、充電制御スイッチ６がオフする状態である。正常状態Ｓ６から最初の正常状態Ｓ１に状態が戻る。放電電流判定ステップＳ５において大電流放電異常と判定された場合には、放電不可・充電可能状態Ｓ７に移り、放電が不可能とされ、セル１ａ，１ｂ，１ｃの保護がなされる。

状態Ｓ７（過電流防止状態）において、負荷解放判定ステップＳ９において負荷が解放されたか否かが判定される。負荷の解放は、例えば＋端子２および−端子３間の電圧から検出される。負荷が外されたこと（負荷解放）が検出されると、正常状態Ｓ１に戻る。

セル電圧センシングＳ３において測定されたセル端子電圧がセル電圧判定ステップＳ１０において、所定値と比較され、正常（図では、ＯＫと表記する）か否かが判定される。正常の場合には、正常状態Ｓ６に移る。セル１ａ，１ｂ，１ｃの何れかの端子電圧が所定値以上の過充電異常と判定された場合には、放電可能・充電不可状態Ｓ８に移り、充電が不可能とされ、セル１ａ，１ｂ，１ｃの保護がなされる。セル１ａ，１ｂ，１ｃの何れかの端子電圧が所定値以下の過放電異常と判定された場合には、放電不可・充電可能状態Ｓ７に移り、放電が不可能とされ、セル１ａ，１ｂ，１ｃの保護がなされる。

状態Ｓ８（過充電防止状態）において、過充電復帰電圧判定ステップＳ１１においてセル電圧が過充電復帰電圧以下か否かが判定される。セル電圧が復帰電圧以下と判定されると、正常状態Ｓ１に戻る。状態Ｓ７（過放電防止状態）において、過放電復帰電圧判定ステップＳ１２においてセル電圧が過放電復帰電圧以上か否かが判定される。セル電圧が復帰電圧以上と判定されると、正常状態Ｓ１に戻る。

正弦波信号をセル１ａ，１ｂ，１ｃにそれぞれ与え、各セルのＡＣインピーダンスがセルインピーダンスセンシングＳ４において測定され、測定されたＡＣインピーダンスがセルインピーダンス判定ステップＳ１３において、正常な範囲内の値かどうかが判定される。正常な範囲は、予め各セルについて調べられている。

セルインピーダンス判定ステップＳ１３において、セル１ａ，１ｂ，１ｃの何れかのＡＣインピーダンスが異常であると判定されると、保護回路パワーダウン状態Ｓ１４とされる。パワーダウン状態Ｓ１４は、コントロール部１１およびレギュレータ１２以外の回路が電源の供給を断たれた非動作状態である。インピーダンス異常となったセルに負担をかけないために、保護回路をパワーダウンモードに移行させて保護回路自体で消費する電流もシャットダウンさせて、インピーダンス異常をきたしたセルにダメージを与えないようにしている。

異常なセルインピーダンスが検出された場合では、放電制御スイッチ５および充電制御スイッチ６の両方がオフとされ、放電不可・充電不可状態Ｓ１５となる。放電不可・充電不可状態Ｓ１５と関連して復帰するための判定処理が設けられていない。その理由は、セルのインピーダンスが一旦異常になると、正常なインピーダンスの値へ復帰することが殆どないことと、仮にセルインピーダンスの値が正常に戻ったとしても、セルの内部の状態が正常に戻ったと判断できないためである。したがって、インピーダンス異常が一度でも起こった場合、安全性を最も優先させ放電不可・充電不可状態Ｓ１５とし、また、復帰処理を行わない。

図３は、セルインピーダンス測定ブロック２０の回路例を示す。セル１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに対してインピーダンス測定ブロックが設けられている。これらのインピーダンス測定ブロックは、レギュレータ１２から電源電圧Ｖｃｃが供給される。また、これらのインピーダンス測定ブロックは、互いに同一構成であるので、セル１ａに関連して設けられたインピーダンス測定ブロックについて説明する。

正弦波発振部２１ａは、演算増幅器を使用した正弦波発振器３１と、その出力を増幅するトランジスタアンプ３２とから構成されている。トランジスタアンプ３２のエミッタから出力される正弦波電圧が逆流防止用ダイオードを介してセル１ａに印加される。過充電保護が働かないようにするために、実際の正弦波電圧の上限値はリチウムイオン電池保護回路の過充電検出電圧レベル以下に設定する。例えば過充電検出電圧が４．３２５Ｖの場合では、正弦波電圧の最大値が４．３００Ｖに設定される。

インピーダンス変換部２２ａは、ツェナーダイオードとツェナー電圧を抵抗分圧する抵抗分圧部とからなる基準電圧部３３および３４と、セルに正弦波電圧を印加した場合の測定電圧Ｖｉを取り出すための測定電圧部３５と、ウィンドコンパレータ３６と、判定部２３ａ（ＡＮＤゲート）とからなる。基準電圧部３３は、ウィンドコンパレータ３６の上限の基準電圧Ｖｕを発生し、基準電圧部３４は、ウィンドコンパレータ３６の下限の基準電圧Ｖｌを発生する。ウィンドコンパレータ３６の２つのコンパレータＯＰ１およびＯＰ２において、これらの基準電圧と測定電圧Ｖｉとがレベル比較される。２つのコンパレータＯＰ１およびＯＰ２の出力が判定部２３ａに供給される。

測定電圧部３５は、セルに印加した電圧を抵抗分圧した測定電圧Ｖｉをウィンドコンパレータに対して入力する部分である。この測定電圧Ｖｉがセルのインピーダンスに応じた電圧となるので、測定電圧Ｖｉをインピーダンス判定に利用する。例えばセルがショートモードで故障した場合、この測定電圧Ｖｉが下限基準電圧Ｖｌ以下となり、セルが故障したと判断できる。またセルがオープンモードで故障した場合、測定電圧Ｖｉが上限基準電圧Ｖｕ以上となり、セルが故障したと判定できる。

ウィンドコンパレータ３６のコンパレータＯＰ１は、Ｖｉ≦Ｖｕの場合でＨｉ（ハイレベル）、Ｖｉ＞Ｖｕの場合でＬow（ローレベル）の出力を発生する。ウィンドコンパレータ３６のコンパレータＯＰ２は、Ｖｉ≧Ｖｌの場合でＨｉ、Ｖｉ＜Ｖｌの場合でＬowの出力を発生する。基準電圧ＶｌおよびＶｕを予めセルの特性に合わせて適切に設定することによって、セルのインピーダンスが正常な範囲内の値を持ち、測定電圧Ｖｉが（Ｖｌ≦Ｖｉ≦Ｖｕ）の範囲にある場合には、二つのコンパレータＯＰ１およびＯＰ２の出力が共にＨｉとなり、判定部２３ａの出力もＨｉとなる。若し、セルのインピーダンスが異常で測定電圧が正常な範囲を越えると、コンパレータＯＰ１およびＯＰ２の出力の一方がＬowとなり、判定部２３ａの出力もＬowとなり、インピーダンス異常を検出できる。

他のセル１ｂ，１ｃのそれぞれに対しても上述したセル１ａに関連して設けられたのと同様の構成のインピーダンス測定ブロックが設けられている。３個のセル１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれのインピーダンス測定ブロックの判定部の出力がインピーダンス判定部（ＡＮＤゲート）２３に入力される。したがって、インピーダンス判定部２３の出力は、セル１ａ，１ｂ，１ｃの何れか１つのインピーダンスが異常となった場合に、Ｌowとなる。このセル全体の判定結果がコントロール部１１（図１参照）に供給される。

インピーダンス判定部２３の出力は、図２におけるセルインピーダンス判定ステップＳ１３の判定結果に対応する。インピーダンス判定部２３の出力がＬowとなる場合には、前述したように、放電不可・充電不可状態Ｓ１５に制御される。

セルインピーダンスの測定のためには、正弦波電圧をセルに印加する必要があるので、電池パックが充電、または放電している際にセルインピーダンスを測定できない。セルインピーダンスは、セルの静特性が取れる状態で判定を行なう。例えば電池パックを充電器に取り付けた瞬間（充電開始前）、充電終了時等のタイミングでセルインピーダンスを測定するようになされる。このようなセルインピーダンスの測定タイミングの制御は、インピーダンス測定ブロックに対する電源電圧Ｖｃｃの供給のオン／オフによって行うことができる。

以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えばセルのＡＣインピーダンスを測定するのに使用する交流信号の波形は、正弦波以外の波形が可能である。また、測定電圧が正常な範囲にあるか否かを検出する回路としては、ウィンドコンパレータ以外の回路構成が可能である。

この発明の一実施の形態の電池パックの保護機能を示すブロック図である。 この発明の一実施の形態の動作説明に使用する状態遷移図である。 この発明の一実施形態におけるセルインピーダンス測定ブロックの一例の接続図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１ｃ・・・電池素子
２・・・電池パックの＋端子
３・・・電池パックの−端子
５・・・放電制御スイッチ
６・・・充電制御スイッチ
１０・・・過放電、過充電、過電流検出ブロック
２０・・・セルインピーダンス測定ブロック
２１，２１ａ・・・正弦波発振部
２２，２２ａ・・・インピーダンス変換部
２３，２３ａ・・・インピーダンス判定部

Claims (4)

1. ２次電池の電池素子と、電池素子の端子電圧および放電電流をそれぞれ測定して、過充電、過放電および過電流を防止する機能を有する保護回路とが共通のケースによって一体化された電池パックにおいて、
   電池素子の正極および負極間に印加する交流電圧を発生する交流信号発生手段と、
   上記電池素子の静特性が得られる状態で上記交流信号発生手段により発生した交流電圧を上記電池素子に印加し、上記電池素子の正極および負極間の出力電圧のレベルを測定することによって上記電池素子の異常を検出する判定手段と、
   上記判定手段によって上記電池素子の異常が検出された場合に、上記電池素子の放電および充電を不可能とする制御手段と
   を上記ケース内に設けた電池パック。
2. 上記交流信号発生手段が発生する上記交流電圧の振幅は、過充電検出電圧レベル以下に設定される請求項１記載の電池パック。
3. 上記判定手段は、上限基準値と下限基準値との間に上記出力電圧のレベルが存在する場合に正常と判定し、上記上限基準値と下限基準値との間に上記出力電圧のレベルが存在しない場合に異常と判定する請求項１記載の電池パック。
4. 上記電池素子の複数個が直列接続され、複数個の上記電池素子の何れか一つの異常が検出された場合に、上記電池素子の放電および充電を不可能とする請求項１記載の電池パック。

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