JP4967162B2

JP4967162B2 - 二次電池パック

Info

Publication number: JP4967162B2
Application number: JP2007213758A
Authority: JP
Inventors: 滋野澤; 和久永瀬
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2007-08-20
Filing date: 2007-08-20
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2027-08-20
Also published as: JP2009050085A

Description

本発明は、複数の二次電池を直列に接続した二次電池ブロックと制御回路から構成される二次電池パックに関し、特に二次電池のブロック毎の電圧バランス調整機能を有する二次電池パックに関する。

リチウムイオン電池等の二次電池では、近年、電動機器や蓄電等の分野に用途が拡大してきており、高電圧対応のための多直化の要求が増えている。また、同時に長期信頼性、安全性の確保や長寿命化などへの高い要求がある。電池パックを単電池を複数個直列に接続して構成する際、信頼性、安全性、寿命の観点からも、理想的にはすべての各構成電池が寿命に至るまで、充放電動作や保存において均一に電圧が推移し、均一に性能が劣化することが望まれるが、現実的には電池単体の性能や劣化のバラツキ等があるため、電圧のバランスが崩れる場合がある。この対策の一つとして、一般的には各構成電池の電圧をモニタし、充電途中に各構成電池間の電圧バランス調整を行う方法がとられている。また、特許文献１には各電池の電圧を検出して、充電途中あるいは充電完了後に電圧の高い電池だけを放電するバランス放電を行い、電圧の低い電池に他の電池より多い充電電流を供給してバランス充電を行う充電方法が示されている。

しかし、上記電圧バランス調整回路による多直化への対応においては、回路の高集積化や電子部品の定格電圧等の都合により、パソコン用電池パック向け等に開発された一般的なアナログＩＣやカスタム開発された専用ＩＣ等をベースとして複数の電池からなるブロック単位で調整・制御回路が構成される場合があり、この場合、ブロック内の構成電池間の電圧バランス調整がなされても、回路構成部品の消費電流のバラツキにより、ブロック間の電圧バランスが崩れるという問題がある。

特許第３２２９６９６号

図２は、一般的な３〜４直対応のアナログＩＣにより構成された従来の二次電池パックの構成例を示す回路構成図である。図２において、３〜４個の二次電池１を直列に接続して構成された単位ブロック２を複数個直列に接続してなる二次電池ブロック３と、二次電池ブロック３の充放電電流を監視する電流検出部５と、単位ブロック２毎に配置され単位ブロック２内の各々の二次電池１に接続され二次電池１の電圧を監視する機能および二次電池１間の電圧のバランスを調整する機能を有する電池調整部４と、電池調整部４の制御を行う制御部６とにより構成され、制御部６は電池調整部４からの電圧情報と電流検出部５からの電流情報を元に電池調整部４に接続された二次電池１間の電池調整部４による電圧のバランス調整の動作を制御する。また、制御部６の制御によりＯＮ/ＯＦＦ動作を行う充電ＳＷ７および放電ＳＷ８と、二次電池ブロック３の温度を監視する温度検出部９を備える。

このような従来の電池パックにおいては、単位ブロック２毎に接続されたアナログＩＣや周辺回路の消費電流のばらつきにより単位ブロック２間の消費電流のばらつきが生じ、電池調整部４の電圧バランス調整により単位ブロック２内の二次電池１間の電圧バランスがとれていても、単位ブロック２間での消費電流のばらつきに起因してブロック単位で電圧バランスの崩れが生じてしまうという問題があった。

そこで、本発明の課題は、複数の二次電池を直列に接続した単位ブロックを複数個直列に接続して構成される二次電池パックにおいて、各ブロック内の二次電池間のバランス調整を行うと共に、各ブロック毎に電圧を監視して各ブロック間の電圧のバランス調整を行うことを可能とし、二次電池ブロック全体の電圧のバランス調整を可能にした二次電池パックを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の二次電池パックは、複数の二次電池を直列に接続して構成された単位ブロックを複数個直列に接続してなる二次電池ブロックと、該二次電池ブロックの充放電電流を監視する電流検出部と、前記単位ブロック毎に配置され該単位ブロック内の各々の二次電池に接続され該二次電池の電圧を監視する機能および該二次電池間の電圧のバランスを調整する機能を有する電池調整部と、前記単位ブロック毎に配置され該単位ブロック間の電圧のバランスを調整する機能を有する単位ブロックバランス部と、前記電池調整部および前記単位ブロックバランス部を制御するスレーブ制御部と、前記スレーブ制御部を制御して前記二次電池ブロック全体を制御するマスタ制御部とからなり、充電時に前記単位ブロック間の電圧のバランス調整を行い、充電完了後に前記単位ブロック内の二次電池間の電圧のバランス調整を行い、
前記二次電池ブロックは前記単位ブロックの複数個を直列に接続して構成された複合ブロックを複数個直列に接続してなり、前記複合ブロック毎に配置され前記マスタ制御部による制御により前記複合ブロック間の電圧のバランスを調整する機能を有する複合ブロックバランス部を有し、充電時に前記複合ブロック間の電圧のバランス調整及び前記単位ブロック間の電圧のバランス調整を行い、充電完了後に前記単位ブロック内の二次電池間の電圧バランス調整を行うことを特徴とする。

また、前記マスタ制御部の制御により、前記複合ブロックバランス部及びスレーブ制御部は、それぞれ前記複合ブロック間の電圧のバランス調整又は前記単位ブロック間の電圧のバランス調整の同期制御を行ってもよい。

また、規定された電圧モニタ期間に前記二次電池または前記単位ブロックまたは前記複合ブロックの電圧を検知し、規定された電圧調整期間に前記二次電池または前記単位ブロックまたは前記複合ブロックの電圧のバランス調整を行い、該電圧のバランス調整が不要となるまでの間または該電圧のバランス調整が停止されるまでの間、前記電圧調整期間と前記電圧モニタ期間を繰返してもよい。

また、前記マスタ制御部または前記スレーブ制御部は、前記二次電池の温度の監視機能を有し、前記電圧調整期間と前記電圧モニタ期間を前記二次電池の温度により調整し制御してもよい。

また、前記マスタ制御部またはスレーブ制御部は、充電時の単位ブロック間または複合ブロック間の電圧のバランス調整を、当該ブロックの電圧、電流、または積算容量の値のいずれか１つの値、又は複数の値が予め規定された充電状態を示す値に達するまで行うように制御してもよい。

また、前記マスタ制御部は、充電完了後、前記スレーブ制御部から得られた前記二次電池の各々の電圧情報を元に該二次電池間の電圧のバランス調整の制御を行ってもよい。

また、前記マスタ制御部は、充電完了後、前記スレーブ制御部に前記二次電池間の電圧のバランス調整を行う期間の指示のみを行い、前記スレーブ制御部は前記指示されている期間、前記二次電池間の電圧のバランス調整の制御を行ってもよい。

また、前記マスタ制御部またはスレーブ制御部は、前記複合ブロック間または前記単位ブロック間または前記二次電池間の最小電圧と最大電圧との差が規定の電圧値を超えた場合、当該ブロック間または当該二次電池間の電圧のバランス調整を開始し、前記規定の電圧を下回った場合、前記バランス調整を停止する制御を行ってもよい。

また、前記マスタ制御部またはスレーブ制御部は、前記複合ブロック間または前記単位ブロック間または前記二次電池間の最小電圧と最大電圧との差が規定の電圧値を超えた場合、当該ブロックまたは当該二次電池のうち最大電圧を保有するブロックまたは二次電池のみ電圧調整を行うよう制御してもよい。

また、前記マスタ制御部またはスレーブ制御部は、前記複合ブロックまたは前記単位ブロックまたは前記二次電池のうち最小電圧を有するブロックまたは二次電池に対して規定の電圧値を超える電圧差を有するブロックまたは二次電池の全てに対して電圧調整を行うよう制御してもよい。

また、前記複合ブロック間の最小電圧と最大電圧との差を規定する電圧値をＶｆ、前記単位ブロック間の最小電圧と最大電圧との差を規定する電圧値をＶｕ、前記二次電池間の最小電圧と最大電圧との差を規定する電圧値をＶｄとしたとき、Ｖｄ≦Ｖｕ≦Ｖｆの関係で設定してもよい。

以上のように、本発明は、二次電池パックの電圧のバランス調整において、充電中は二次電池のブロック毎に電圧を監視して各ブロック間の電圧のバランス調整を行うことを可能とし、充電完了後は各ブロック内の二次電池間の電圧のバランスを調整することにより、二次電池ブロック全体の電圧のバランス調整を可能にした二次電池パックが得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明による二次電池パックの一つの実施の形態の構成を示す回路構成図である。図１において、複数の二次電池１１を直列に接続して構成された単位ブロック１２を複数個直列に接続してなる二次電池ブロック１４と、二次電池ブロック１４の充放電電流を監視する電流検出部２１と、単位ブロック１２毎に配置され単位ブロック１２内の各々の二次電池１１に接続され二次電池１１の電圧を監視する機能および二次電池１１間の電圧のバランスを調整する機能を有する電池調整部２３と、単位ブロック１２毎に配置され単位ブロック１２間の電圧のバランスを調整する機能を有する単位ブロックバランス部２４と、電池調整部２３および単位ブロックバランス部２４を制御するスレーブ制御部２５と、スレーブ制御部２５を制御して二次電池ブロック１４全体を制御するマスタ制御部２７とからなり、さらに、本実施の形態においては、二次電池ブロック１４は単位ブロック１２の複数個を直列に接続して構成された複合ブロック１３を複数個直列に接続してなり、複合ブロック１３毎に配置されマスタ制御部２７による制御により複合ブロック１３間の電圧のバランスを調整する機能を有する複合ブロックバランス部２６を有している。また、二次電池ブロック１４の温度をモニタする温度検出部２２と、マスタ制御部２７の制御によりＯＮ/ＯＦＦ動作を行う充電ＳＷ３１と放電ＳＷ３２を備える。

本実施の形態において、スレーブ制御部２５は電池調整部２３からの二次電池の電圧情報及びマスタ制御部２７からの制御情報により電圧調整部２３及び単位ブロックバランス部２４の制御を行い、当該複合ブロック内の二次電池１１の電圧情報をマスタ制御部２７に出力する機能を有し、マスタ制御部２７は電流検出部２１、温度検出部２２及びスレーブ制御部２５からの電流、温度、電圧情報を元に複合ブロックバランス部２６及びスレーブ制御部２５を制御する機能を有する。

次に、本実施の形態の二次電池パックにおける動作モードについて説明する。

図１に示される二次電池パックにおいて、まず、第１の動作モードにおいては、充電中に電池調整部２３によりモニタされる電圧情報がスレーブ制御部２５を経由しマスタ制御部２７に伝えられる。マスタ制御部２７は電流検出部２１より伝えられる電流情報を元に充電状態と判定した場合、スレーブ制御部２５からの電圧情報を元に単位ブロック１２間及び複合ブロック１３間の電圧バランス状態を検証し、単位または複合ブロック単位での電圧の最小値と最大値の電圧差が規定の電圧範囲以上となると当該ブロック単位での電圧バランス調整が必要と判断し、該当するスレーブ制御部２５を介して単位ブロックバランス部２４を制御し、又は複合ブロックバランス部２６を制御し、単位ブロック間又は複合ブロック間の電圧バランス調整を開始する。

上記電圧バランス調整はマスタ制御部２７により同期制御が行われる。すなわち、規定された電圧調整期間に電圧バランスを調整し、規定された電圧モニタ期間に電圧を監視する動作を繰り返し、マスタ制御部２７がブロック単位での電圧調整を不要と判断するまで、または、電圧、電流、積算容量のいずれか１つの値、又は複数の値が予め規定された充電状態を示す値に達するまで上記の電圧調整動作を継続する。マスタ制御部２７により判断される上記のブロック単位での電圧バランス調整要否判定の最小値と最大値の電圧差の規定値レベルとしては例えば数十〜数百ｍＶに設定することができる。また、マスタ制御部２７により同期制御が行われる電圧調整期間と電圧モニタ期間の規定値としては例えば数十〜数百ｓｅｃに設定することができる。また、ブロック間電圧バランス調整を停止する判定条件の一つとなる規定の充電状態を示す値としては、例えば満充電到達前で７０％〜９０％の充電量の領域に相当する電圧、電流又は容量の値を設定することができる。

次に、第２の動作モードにおいては、マスタ制御部２７が前記電圧情報や電流情報をもとに満充電と判断し充電ＳＷ３１をＯＦＦし充電動作を停止すると、マスタ制御部２７はスレーブ制御部２５からの電圧情報を元に単位ブロック１２内の二次電池１１間の電圧バランス状態を検証し、二次電池１１間の電圧の最小値と最大値の電圧差が規定の電圧範囲以上となると二次電池１１間の電圧バランス調整が必要と判断し、スレーブ制御部２５へ電圧バランス調整を指示する。スレーブ制御部２５はマスタ制御部２７からの電圧バランス調整指示を受けると電池調整部２３を制御し、該当する二次電池１１の電圧調整を開始する。

スレーブ制御部２５による電圧バランス調整は、規定された電圧調整期間に電圧バランスを調整し、規定された電圧モニタ期間に電圧を監視する動作を繰り返し、マスタ制御部２７が二次電池１１間の電圧調整を不要と判断するまで、または、電流検出部２１からの電流情報により放電状態と判断するまで上記の電圧調整動作を継続する。マスタ制御部２７により判断される二次電池１１間の電圧バランス調整要否判定の電圧差の規定値レベルとしては例えば数十ｍＶに設定することができる。また、スレーブ制御部２５により制御が行われる電圧調整期間と電圧モニタ期間の規定値としては例えば数十〜数百ｓｅｃに設定することができる。

ここで、マスタ制御部２７やスレーブ制御部２５は温度検出部２２からの二次電池ブロック１４の温度情報を元に前記電圧調整期間と電圧モニタ期間を調整制御してもよい。また、マスタ制御部２７とスレーブ制御部２５の制御範囲としては、マスタ制御部２７が全ての判定制御を行う形でも、スレーブ制御部２５がマスタ制御部２７の指示により単位ブロック１２の範囲内での制御を分担した制御形態でもよい。また、電圧バランスの調整の対象となる二次電池は比較対象の最大電圧を保有する二次電池のみを調整する制御でも、規定値を越えたもの全てを対象とする制御でもよい。

また、マスタ制御部２７及びスレーブ制御部２５は、対象ブロック又は二次電池１１間の電圧バランス調整要否の判断を行う電圧差の規定値レベルを、複合ブロック１３間の最小電圧と最大電圧との差を規定する電圧値をＶｆ、単位ブロック１２間の最小電圧と最大電圧との差を規定する電圧値をＶｕ、二次電池１１間の最小電圧と最大電圧との差を規定する電圧値をＶｄ、としたとき、Ｖｄ≦Ｖｕ≦Ｖｆの関係で設定して制御してもよい。

以上のように、充電中に単位ブロックまたは複合ブロック単位での電圧バランス調整を行い、満充電による充電停止後に単位ブロック内の二次電池間の電圧バランス調整を行うことにより、単位ブロックや複合ブロック単位での電圧バランス及び二次電池単位での電圧バランス、および二次電池ブロック全体での電圧バランスが得られる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではないことは言うまでもなく、例えば二次電池ブロックは単位ブロックのみから構成し、複合ブロックを設けなくても良い。

本発明による二次電池パックの一つの実施の形態の構成を示す回路構成図。従来の二次電池パックの構成例を示す回路構成図。

符号の説明

１、１１二次電池
２、１２単位ブロック
１３複合ブロック
３、１４二次電池ブロック
４、２３電池調整部
５、２１電流検出部
６制御部
７、３１充電ＳＷ
８、３２放電ＳＷ
９、２２温度検出部
２４単位ブロックバランス部
２５スレーブ制御部
２６複合ブロックバランス部
２７マスタ制御部

Claims

複数の二次電池を直列に接続して構成された単位ブロックを複数個直列に接続してなる二次電池ブロックと、該二次電池ブロックの充放電電流を監視する電流検出部と、前記単位ブロック毎に配置され該単位ブロック内の各々の二次電池に接続され該二次電池の電圧を監視する機能および該二次電池間の電圧のバランスを調整する機能を有する電池調整部と、前記単位ブロック毎に配置され該単位ブロック間の電圧のバランスを調整する機能を有する単位ブロックバランス部と、前記電池調整部および前記単位ブロックバランス部を制御するスレーブ制御部と、該スレーブ制御部を制御する機能を有し前記二次電池ブロック全体を制御するマスタ制御部とからなり、充電時に前記単位ブロック間の電圧のバランス調整を行い、充電完了後に前記単位ブロック内の二次電池間の電圧のバランス調整を行い、
前記二次電池ブロックは前記単位ブロックの複数個を直列に接続して構成された複合ブロックを複数個直列に接続してなり、前記複合ブロック毎に配置され前記マスタ制御部による制御により前記複合ブロック間の電圧のバランスを調整する機能を有する複合ブロックバランス部を有し、充電時に前記複合ブロック間の電圧のバランス調整及び前記単位ブロック間の電圧のバランス調整を行い、充電完了後に前記単位ブロック内の二次電池間の電圧バランス調整を行うことを特徴とする二次電池パック。
前記マスタ制御部の制御により、前記複合ブロックバランス部及びスレーブ制御部は、それぞれ前記複合ブロック間の電圧のバランス調整または前記単位ブロック間の電圧のバランス調整の同期制御を行うことを特徴とする請求項１記載の二次電池パック。
規定された電圧モニタ期間に前記二次電池または前記単位ブロックまたは前記複合ブロックの電圧を検知し、規定された電圧調整期間に前記二次電池または前記単位ブロックまたは前記複合ブロックの電圧のバランス調整を行い、該電圧のバランス調整が不要となるまでの間または該電圧のバランス調整が停止されるまでの間、前記電圧調整期間と前記電圧モニタ期間を繰返すことを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池パック。
前記マスタ制御部または前記スレーブ制御部は、前記二次電池の温度の監視機能を有し、前記電圧調整期間と前記電圧モニタ期間を前記二次電池の温度により調整し制御することを特徴とする請求項３に記載の二次電池パック。
前記マスタ制御部またはスレーブ制御部は、充電時の単位ブロック間または複合ブロック間の電圧のバランス調整を、当該ブロックの電圧、電流、または積算容量の値のいずれか１つの値、又は複数の値が予め規定された充電状態を示す値に達するまで行うように制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池パック。
前記マスタ制御部は、充電完了後、前記スレーブ制御部から得られた前記二次電池の各々の電圧情報を元に該二次電池間の電圧のバランス調整の制御を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の二次電池パック。
前記マスタ制御部は、充電完了後、前記スレーブ制御部に前記二次電池間の電圧のバランス調整を行う期間の指示のみを行い、前記スレーブ制御部は前記指示されている期間、前記二次電池間の電圧のバランス調整の制御を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の二次電池パック。
前記マスタ制御部またはスレーブ制御部は、前記複合ブロック間または前記単位ブロック間または前記二次電池間の最小電圧と最大電圧との差が規定の電圧値を超えた場合、当該ブロック間または当該二次電池間の電圧のバランス調整を開始し、前記規定の電圧を下回った場合、前記バランス調整を停止する制御を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の二次電池パック。
前記マスタ制御部またはスレーブ制御部は、前記複合ブロック間または前記単位ブロック間または前記二次電池間の最小電圧と最大電圧との差が規定の電圧値を超えた場合、当該ブロックまたは当該二次電池のうち最大電圧を保有するブロックまたは二次電池のみ電圧調整を行うよう制御することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の二次電池パック。
前記マスタ制御部またはスレーブ制御部は、前記複合ブロックまたは前記単位ブロックまたは前記二次電池のうち最小電圧を有するブロックまたは二次電池に対して規定の電圧値を超える電圧差を有するブロックまたは二次電池の全てに対して電圧調整を行うよう制御することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の二次電池パック。
前記複合ブロック間の最小電圧と最大電圧との差を規定する電圧値をＶｆ、前記単位ブロック間の最小電圧と最大電圧との差を規定する電圧値をＶｕ、前記二次電池間の最小電圧と最大電圧との差を規定する電圧値をＶｄとしたとき、Ｖｄ≦Ｖｕ≦Ｖｆの関係で設定したことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の二次電池パック。