JP5075372B2

JP5075372B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP5075372B2
Application number: JP2006201496A
Authority: JP
Inventors: 俊之仲辻
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-07-25
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2026-07-25
Also published as: JP2008027826A

Description

本発明は、リチウム二次電池などを用いた電池パックに関する。

上記リチウム二次電池を用いた電池パックは、蓄積できる電荷量が多く、パーソナルコンピュータや携帯電話など、消費電力が大きな機器に好適である。しかしながら、それらの機器では、消費電力が大きなアプリケーションの登場や高機能化などに伴い、放電電流を増大することが望まれている。また、充電時間を短縮するために、充電電流の増大の要望が常にある。

そこで、そのような大電流の充放電を行うにあたって、前記大電流に対する温度保護を行う従来技術として、たとえば特許文献１では、電池パックの温度上昇率が規定値以上であると出力制御スイッチをＯＦＦすることで、電池パック側の保護回路を大幅に削減するようにした充電器が提案されている。

また、特許文献２では、充放電経路に介在されたスイッチ素子のうち、放電を制御するスイッチ素子のゲート−ソース間にダイオードを設け、そのダイオードの温度が高くなると逆電流が増加する逆方向特性を利用して温度を検出し、前記スイッチ素子が高温になると、ドライブ回路がそのスイッチ素子をＯＦＦして保護動作を行うことで、ＰＴＣ素子（Positive Temperature Coefficient素子：大電流が流れると抵抗値が急速に大きくなり電流を阻止する素子）等を削減し、安価に温度保護を行うようにした電池パックが提案されている。
特開２００２−３１５２１５号公報特開２００２−４４８７３号公報

しかしながら、いずれの従来技術においても、一定の閾値温度で保護動作を行っているので、ＦＥＴなどの充放電の電流を制御するスイッチ素子の特性をぎりぎりまで活かし切れているとは言えない。すなわち、前記ＦＥＴは、図３において参照符号α１で示すように、その時の素子の温度に対して通過電流の許容電流値が変化する。したがって、大きな電流で充放電を行えるように前記閾値温度を高目に設定すると、前記ＰＴＣ素子などの保護素子の保護動作が先に働いてしまい、電池パックが使えなくなってしまう。このため、あらゆる条件でも保護動作を実現するためには前記閾値温度を低目に設定しなければならず、大電流化の要望には充分に答えられないという問題がある。

本発明の目的は、復旧可能な温度保護動作を行うにあたって、充放電電流の増大の要望に応えることができる電池パックを提供することである。

本発明の電池パックは、内蔵電池のセル内またはセルブロック内に、保護素子としてＰＴＣ素子を備える電池パックにおいて、前記内蔵電池のセル温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度が所定の閾値温度以上となると、内蔵電池への給電経路を復旧可能に遮断する保護手段と、前記給電経路を流れる電流値を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の検出結果に応答し、検出された電流値に適応した前記閾値温度を前記保護手段に設定する設定手段とを含み、前記設定手段は、前記ＰＴＣ素子の温度に対する電流値の特性に応じて前記閾値温度を設定することを特徴とする。

上記の構成によれば、サーミスタなどの温度検出手段によって、セル温度などのパック内の温度を検出し、その検出結果が所定の閾値温度以上となると、保護手段が、内蔵電池への給電経路に介在されるＦＥＴをＯＦＦして充放電電流を遮断する等の保護動作を復旧可能に行うようにした電池パックにおいて、本発明では前記閾値温度を可変にし、設定手段が、電流検出手段によって検出されたその時の充放電の電流値に応じて最適な閾値温度を前記保護手段に設定する。前記閾値温度は、内蔵電池のセル内またはセルブロック内に、復帰型保護素子として設けられるＰＴＣ素子の温度に対する電流値の特性に応じて設定される。

前記復帰型保護素子としては、バイメタル素子、ＰＴＣ素子を挙げることができるが、温度に対する電流値の特性に応じて前記閾値温度を容易に設定できるＰＴＣ素子が好適である。そして、本来、外部短絡や異常電流や異常温度に対してはこのＰＴＣ素子が作動してパック内が保護されるべきところ、前記設定手段が指数関数的に変化するこのＰＴＣ素子の温度に対する電流値の特性に応じて、現在の電流値に適した可能な限り高い閾値温度を調整し、前記ＰＴＣ素子による保護動作が掛からない範囲で、保護手段が復旧可能に保護動作を行うことで、前記ＰＴＣ素子による保護動作が掛からない範囲で、可能な限りの電流を流すことができ、異常電流や異常温度で電池パックが使用不能になってしまうことを未然に防止することができる。

また、本発明の電池パックでは、前記保護手段および設定手段は、前記内蔵電池への充放電を制御する制御回路に搭載されて保護動作を行い、前記給電経路には温度ヒューズが介在されるとともに、前記制御回路は、前記保護手段を使用した保護動作の失効に対して、異常時の二重保護用に前記温度ヒューズを溶断させることで保護動作を行うことを特徴とする。

上記の構成によれば、制御回路の前記保護手段による復旧可能な保護動作に対して、それが失効したときのために、前記給電経路に温度ヒューズが設けられるとともに、そのような異常時の二重保護用に、前記制御回路は、より高い閾値で前記温度ヒューズを溶断させる場合、前記保護手段および設定手段は、その二重保護回路が保護動作を行い、復旧不能になるぎりぎりのレベルまで電流を流すことができ、充放電電流の増大の要望に応えることができる。

本発明の電池パックは、以上のように、サーミスタなどの温度検出手段によって、セル温度を検出し、その検出結果が所定の閾値温度以上となると、保護手段が、内蔵電池への給電経路に介在されるＦＥＴをＯＦＦして充放電電流を遮断する等の保護動作を復旧可能に行うようにした電池パックにおいて、前記閾値温度を可変にし、設定手段が、電流検出手段によって検出されたその時の充放電の電流値に応じて、ＰＴＣ素子の温度に対する電流値の特性に応じた最適な閾値温度を前記保護手段に設定する。

それゆえ、ＰＴＣ素子による保護動作が掛からない範囲で、可能な限りの電流を流すようにすることができ、充放電電流の増大の要望に応えることができる。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の一形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。この充電システムは、電池パック１に、それを充電する充電器２を備えて構成されるが、電池パック１から給電が行われる図示しない負荷機器をさらに含めて電子機器システムが構成されてもよい。その場合、電池パック１は、図１では充電器２から充電が行われるけれども、該電池パック１が前記負荷機器に装着されて、負荷機器を通して充電が行われてもよい。電池パック１および充電器２は、給電を行う直流ハイ側の端子Ｔ１１，Ｔ２１と、通信信号の端子Ｔ１２，Ｔ２２と、給電および通信信号のためのＧＮＤ端子Ｔ１３，Ｔ２３とによって相互に接続される。前記負荷機器が設けられる場合も、同様の端子が設けられる。

前記電池パック１内で、前記の端子Ｔ１１から延びる直流ハイ側の充放電経路１１には、ヒューズ２４，２５が介在されるとともに、充電用と放電用とで相互に導電形式が異なるＦＥＴ１２，１３が介在されており、その充放電経路１１が組電池１４のハイ側端子に接続される。前記組電池１４のロー側端子は、直流ロー側の充放電経路１５を介して前記ＧＮＤ端子Ｔ１３に接続され、この充放電経路１５には、充電電流および放電電流を電圧値に変換する電流検出抵抗１６が介在されている。

前記組電池１４は、複数の二次電池のセルが直並列に接続されて成り、各セルの端子間電圧は電圧検出回路２０によって読取られ、マイコン１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。また、前記電流検出抵抗１６によって検出された電流値も、前記マイコン１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。前記アナログ／デジタル変換器１９は、各入力値をデジタル値に変換して、制御部２１へ出力する。

制御部２１は、マイクロプロセッサおよびその周辺回路などを備えて成り、その充放電制御部２１ａは、前記アナログ／デジタル変換器１９からの各入力値に応答して、充電器２に対して、出力を要求する充電電流の電圧値および電流値を演算し、通信部２２から端子Ｔ１２，Ｔ２２；Ｔ１３，Ｔ２３を介して充電器２へ送信する。

また、前記制御部２１の安全保護制御部２１ｂは、前記アナログ／デジタル変換器１９からの各入力値から、端子Ｔ１１，Ｔ１３間の短絡や充電器２からの異常電流などの電池パック１の外部における異常や、組電池１４の異常な温度上昇などに対して、前記ＦＥＴ１２，１３を遮断するなどの保護動作を行う。さらにまた、前記安全保護制御部２１ｂは、セルの異常な過電圧などの深刻な異常時には、前記充放電経路１１に直列に介在され、非復帰型保護素子であるヒューズ２４，２５を溶断する。こうして、セルの過電圧状態に対して、二重の保護系統が設けられていることになる。前記ヒューズ２４，２５の接続点は、発熱抵抗２６およびＦＥＴ２７を介して接地されており、前記安全保護制御部２１ｂがＦＥＴ２７をＯＮすることで、発熱抵抗２６が発生した熱で前記ヒューズ２４，２５が溶断する。

なお、前記電圧検出回路２０の検出結果を取込む二重保護ＩＣを設け、前記電圧検出回路２０の検出結果が予め定める閾値電圧以上となると、前記ＦＥＴ２７をＯＮして前記ヒューズ２４，２５を溶断する別回路を設けることにより、前記制御ＩＣ１８が故障しても、該制御ＩＣ１８と別途に設けられるこの二重保護ＩＣによって、セルの過電圧状態に対する信頼性を、より向上させることができる。

前記安全保護制御部２１ｂがＦＥＴ１２，１３を遮断する通常の充放電時における過電圧の閾値電圧は、たとえばセル当り４．３５Ｖであり、安全保護制御部２１ｂがヒューズ２４，２５を溶断する閾値電圧は、たとえばセル当り４．４５Ｖであり、通常使用時の過電圧では復旧可能であり、異常時の過電圧では、電池パック１は再使用不能となって安全性の向上が図られている。

そして、前記安全保護制御部２１ｂによってＦＥＴ２７がＯＮされると、発熱抵抗２６で発生された熱で、２つのヒューズ２４，２５は溶断するが、この時、充電状態では、先に組電池１４側のヒューズ２５が溶断しても、充電器２から充電電流が供給されることで、充電器２側のヒューズ２４も後に溶断し、先に充電器２側のヒューズ２４が溶断しても、組電池１４が前記マイコン１８にＦＥＴ２７を駆動する電流を供給できれば組電池１４側のヒューズ２５も溶断することができ、組電池１４が電流を供給できなければ、該組電池１４側のヒューズ２５は溶断しないままとなるが、前記接続点よりも組電池１４側を電池パック１の外部から確実に切り離すことができる。

これに対して、電池パック１が充電器２にセットされていない放電状態で、組電池１４が前記マイコン１８にＦＥＴ２７を駆動する電流を供給できれば、先に充電器２側のヒューズ２４が溶断しても、後に組電池１４側のヒューズ２５も溶断し、先に組電池１４側のヒューズ２５が溶断した場合には充電器２側のヒューズ２４は溶断しないままとなるが、前記接続点よりも組電池１４側を電池パック１の外部から確実に切り離すことができる。

こうして、相互に直列のヒューズ２４，２５を用いて、その接続点を発熱抵抗２６およびＦＥＴ２７によって接地することで、電池パック１が充電器２にセットされているか否かに拘わらず、前記接続点よりも組電池１４側を電池パック１の外部から確実に切り離すことができるようになっている。

一方、充電器２では、充放電制御部２１ａからの前記の要求を制御ＩＣ３０の通信部３２で受信し、充電制御部３１が充電電流供給回路３３を制御して、前記の電圧値および電流値で、充電電流を供給させる。充電電流供給回路３３は、ＡＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＤＣコンバータなどから成り、入力電圧を、前記充電制御部３１で指示された電圧値、電流値、およびパルス幅に変換して、端子Ｔ２１，Ｔ１１；Ｔ２３，Ｔ１３を介して、充放電経路１１，１６へ供給する。

上述のように構成される充電システムにおいて、注目すべきは、本実施の形態では、前記ＦＥＴ１２，１３に近接して温度センサ１７が設けられており、その検出結果が前記マイコン１８内のアナログ／デジタル変換器１９から安全保護制御部２１ｂに入力されて該安全保護制御部２１ｂが温度保護動作を行うにあたって、その第１の閾値温度が、設定部２１ｃによって、電流検出抵抗１６の検出結果に適応して変化されることである。そして、安全保護制御部２１ｂは、その第１の閾値温度を超えてＦＥＴ１２，１３をＯＦＦ駆動しても、該ＦＥＴ１２，１３のＯＮ故障などで充放電電流が流れ続ける場合には、前記ヒューズ２４，２５を溶断する。前記ＦＥＴ１２，１３を流れる電流の電流値と、ＦＥＴ１２，１３をＯＦＦ駆動する第１の閾値温度との関係は、たとえば表１で示すようであり、前記ヒューズ２４，２５を溶断する第２の閾値温度は、たとえば前記表１から読取られた温度から５℃高い温度とされる。

図２は、上述のような安全保護制御部２１ｂの動作を説明するためのフローチャートである。この動作は、たとえば２秒毎に行われる。通常の温度保護動作では、ステップＳ１で、安全保護制御部２１ｂはアナログ／デジタル変換器１９の出力から、ＦＥＴ１２，１３を流れる電流の電流値および温度を読込み、ステップＳ２で、その電流値に対応した第１の閾値温度が前記設定部２１ｃによって設定される。ステップＳ３では、温度センサ１７による検出結果が前記第１の閾値温度と比較され、該第１の閾値温度以下であるときにはステップＳ４で前記ＦＥＴ１２，１３のＯＮ状態が継続されて処理を終了する。

一方、前記ステップＳ３で、ＦＥＴ１２，１３の温度が前記第１の閾値温度を超えていると判断されるとステップＳ５に移り、前記安全保護制御部２１ｂはＦＥＴ１２，１３をＯＦＦ駆動する。このとき、ＦＥＴ１２，１３に対して温度センサ１７が個別に設けられている場合には、各ＦＥＴ１２，１３が個別にＯＦＦ駆動されてもよい。そして、そのステップＳ５での保護動作の後、ステップＳ６ではＦＥＴ１２，１３の温度が前記第２の閾値温度と比較され、該第２の閾値温度以上となっている、すなわちＦＥＴ１２，１３をＯＦＦ駆動する通常の温度保護動作で異常が解消しなかった場合には、前記安全保護制御部２１ｂは、ステップＳ７でヒューズ２４，２５を溶断する二重保護動作を行った後、処理を終了する。これに対して、ステップＳ６でＦＥＴ１２，１３の温度が前記第２の閾値温度未満である場合には、そのまま処理を終了する。

なお、前記ステップＳ５で第１の閾値温度を超えたために復帰可能な保護動作が行われたこと、およびステップＳ７で第２の閾値温度以上のために復帰不能な二重保護動作が行われたことを、充電時には充電器２へ、放電時には負荷機器３へ、通信部２２を介して通知することで、ユーザは、何故電池パック１が使用不能になったのかを認識することができる。

このように構成することで、温度センサ１７によってパック内の温度を検出し、安全保護制御部２１ｂがその検出結果に基づいてＦＥＴ１２，１３をＯＦＦ駆動する温度保護動作を行うにあたって、設定部２１ｃによって前記ＦＥＴ１２，１３を流れる電流の許容電流値特性に応じて前記第１の閾値温度を設定するので、前記図３において参照符号α１で示すように、その時の素子の温度に対して指数関数的に通過電流の許容電流値が変化しても、前記第１の閾値温度を、参照符号α２で示すように適切に追従して設定することができる。これによって、ＦＥＴ１２，１３が復旧可能に保護動作を行える範囲で、可能な限りの電流を流すようにすることができ、充放電電流の増大の要望に応えることができる。

また、安全保護制御部２１ｂおよび設定部２１ｃを、組電池１４への充放電を制御する充放電制御部２１ａと共にマイコン１８に搭載し、前記第１の閾値温度による温度保護動作を行わせる一方、前記マイコン１８による前記ＦＥＴ１２，１３を使用した保護動作の失効に対して、異常時の二重保護用に前記充放電経路１１にヒューズ２４，２５を設け、前記第１の閾値温度よりも高い第２の閾値温度で保護動作を行い、復旧不能になってしまうぎりぎりのレベルまで電流を流すことで、充放電電流の増大の要望に応えることができる。

前記第１の閾値温度は、指数関数的に変化する前記ＦＥＴの温度に対する許容電流値の特性に応じて、前記参照符号α２で示すように段階的に変化されてもよく、テーブルデータや近似演算などの負担が問題にならなければ、前記参照符号α１で示す指数関数の曲線に沿って連続的に変化されてもよい。すなわち、図３において、これら参照符号α１，α２で示す線間の斜線を施して示す領域が、誤動作防止のための不感帯となり、これら参照符号α１，α２で示す線の最近接点が近い程、誤動作の可能性が高くなり、斜線の面積が狭くなる程、多くの電流を流すことができる。したがって、斜線の面積が狭くなるように、かつ最近接点の間隔を離すためには、参照符号α２で示す第１の閾値温度を、参照符号α１で示す許容電流値の特性と平行にすることが望ましい。

また、第１の閾値温度を変化する際には、前回の変化方向と同じ（順）方向の変化に対して、逆（戻る）方向の変化がし難くなるヒステリシスを設定することが望ましい。これによって、前記第１の閾値温度の不所望なハンチングを防止することができる。

［実施の形態２］
図４は、本発明の実施の他の形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。この充電システムは、前述の図１で示す充電システムに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。充電器２は、前述の充電システムと同一である。前述の電池パック１では、温度センサ１７はＦＥＴ１２，１３に近接して設けられており、設定部２１ｃがＦＥＴ１２，１３の許容電流値の特性に応じて前記第１の閾値温度を設定していたのに対して、注目すべきは、本実施の形態の電池パック１’では、前記温度センサ１７を組電池１４に近接して設け、マイコン１８’の制御部２１’では、設定部２１ｃ’における前記第１の閾値温度を、セル内のＰＴＣ特性に応じて設定することである。ＰＴＣ素子は、組電池１４のセル内またはセルブロック内に設けられる復帰可能な保護素子で、高温で動作すると高抵抗になり、電流を抑え、電流が下がることで温度が低下してくれば、再度低抵抗状態になり、復帰する。但し、瞬時に復帰しないものもある。

この場合にＦＥＴ１２，１３をＯＦＦ駆動する第１の閾値温度と、セルを流れる充放電電流との関係は、たとえば表２で示すようであり、前記ヒューズ２４，２５を溶断する第２の閾値温度は、たとえば８５℃に設定される。

このように構成することで、本来、異常電流や異常温度に対してはこのＰＴＣ素子が作動してパック内が保護されるべきところ、温度センサ１７によってパック内の温度を検出し、安全保護制御部２１ｂ’がその検出結果に基づいてＦＥＴ１２，１３をＯＦＦ駆動することで、ＰＴＣ素子が作動する前の段階で復旧可能な温度保護動作を行うことができる。また、設定部２１ｃ’によってセル内のＰＴＣ素子の温度に対する電流値の特性に応じて前記第１の閾値温度を設定するので、図５において参照符号β１で示すように、その時のセルの温度に対して指数関数的に電流が絞られても、前記第１の閾値温度を、参照符号β２で示すように適切に追従して設定することができる。これによって、前記ＰＴＣ素子による保護動作が掛からない範囲で、可能な限りの電流を流すことができ、前記異常電流や異常温度で電池パックが使用不能になってしまうことを未然に防止することができる。

本発明の電池パックは、サーミスタなどの温度センサ１７によって、セル温度などのパック内の温度を検出し、その検出結果が所定の閾値温度以上となると、マイコン１８内の安全保護制御部２１ｂが、組電池１４への充放電経路１１に介在されるＦＥＴ１２，１３をＯＦＦして充放電電流を遮断する等の保護動作を復旧可能に行うようにした電池パックにおいて、前記閾値温度を可変にし、設定部２１ｃが、電流検出抵抗１６によって検出されたその時の充放電の電流値に応じて最適な閾値温度を前記安全保護制御部２１ｂに設定するので、ＦＥＴ１２，１３が復旧可能に保護動作を行える範囲で、可能な限りの電流を流すようにすることができ、近年の大きな充放電電流の要求される電池パックに好適である。

本発明の実施の一形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。上記の充電システムにおける電池パック内の安全保護制御部の動作を説明するためのフローチャートである。図１で示す充電システムにおける充放電電流を制御するＦＥＴの許容電流値の温度に対する変化およびそれに適応した異常検出の閾値温度の変化を説明するためのグラフである。本発明の実施の他の形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。図４で示す充電システムにおけるＰＴＣ特性とそれに適応した異常検出の閾値温度の変化を説明するためのグラフである。

１，１’ 電池パック
２充電器
１１，１５充放電経路（給電経路）
１２，１３ＦＥＴ（保護手段）
１４組電池（内蔵電池）
１６電流検出抵抗（電流検出手段）
１７温度センサ（温度検出手段）
１８，１８’ マイコン（制御回路）
１９アナログ／デジタル変換器
２０電圧検出回路
２１，２１’ 制御部
２１ａ充放電制御部
２１ｂ，２１ｂ’ 安全保護制御部（保護手段）
２１ｃ，２１ｃ’ 設定部（設定手段）
２２，３２通信部
２４，２５ヒューズ
２６発熱抵抗
２７ＦＥＴ
３０制御ＩＣ
３１充電制御部
３３充電電流供給回路
Ｔ１１，Ｔ２１；Ｔ１２，Ｔ２２；Ｔ１３，Ｔ２３；Ｔ１４，Ｔ２４端子

Claims

内蔵電池のセル内またはセルブロック内に、保護素子としてＰＴＣ素子を備える電池パックにおいて、
前記内蔵電池のセル温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された温度が所定の閾値温度以上となると、内蔵電池への給電経路を復旧可能に遮断する保護手段と、
前記給電経路を流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段の検出結果に応答し、検出された電流値に適応した前記閾値温度を前記保護手段に設定する設定手段とを含み、
前記設定手段は、前記ＰＴＣ素子の温度に対する電流値の特性に応じて前記閾値温度を設定することを特徴とする電池パック。
前記保護手段および設定手段は、前記内蔵電池への充放電を制御する制御回路に搭載されて保護動作を行い、
前記給電経路には温度ヒューズが介在されるとともに、前記制御回路は、前記保護手段を使用した保護動作の失効に対して、異常時の二重保護用に前記温度ヒューズを溶断させることで保護動作を行うことを特徴とする請求項１記載の電池パック。