JP5319224B2

JP5319224B2 - 組電池システム

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Publication number: JP5319224B2
Application number: JP2008246447A
Authority: JP
Inventors: 義直舘林; 哲朗板倉; 信男渋谷; 則雄高見
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2028-09-25
Also published as: US20100072950A1; US8593111B2; JP2010081721A

Description

本発明は、複数の二次電池を有する組電池システムに係り、特に内部短絡など一部の二次電池に異常があった場合の安全性を改善した組電池システムに関するものである。

最近、携帯電話やノートＰＣ（パーソナルコンピュータ）など、小型情報機器用の電源として、高エネルギー密度を有する二次電池が開発され、利用されている。このような二次電池は、それぞれ適用される機器に必要な電圧及び電流に応じて複数の二次電池を直列または並列に接続した組電池として利用されることがある。これまでの小型情報機器では、二次電池の直列接続数又は並列接続数ともにせいぜい１〜３個程度がほとんどであった。

しかし、近年になって、二次電池の用途は情報機器に止まらず、家電、パワーツール、アシスト自転車、ハイブリッド自動車など、高出力化、高電圧化の方向へさらに急速な広がりを見せており、これに伴い、組電池全体として要求されるエネルギー量も増大している。

このような要求に対し、二次電池を用いた組電池の電池容量は、基本的に任意に設計可能であることから、例えば要求される電圧の増加に対しては二次電池の直列数を増加して対応し、また、要求される容量の増加に対しては二次電池自身の電池容量の増大で対応することが可能である。しかし、二次電池の電池容量を増大させるには限界があり、二次電池を多数並列接続する必要がある場合や並列接続した方が好ましい場合がある。前者は電力貯蔵のように必要な容量が巨大で、１個の単電池では実現が困難な場合である。また後者は、量の大きな単電池では安全性の担保が難しい場合である。

一般に、電池は容量が大きいほど、放熱されにくくなって温度上昇しやすく、また内部短絡など一部分に電池のエネルギーが集中するような故障が発生した場合に安全性が低下することが知られている。そこで、必要な安全性が確保された単電池を複数直列接続したり複数並列接続したり、或いは複数個ずつ直並列させて必要な容量を得るのが望ましいとされている。

ここで、上記のように、並列接続と直列接続とを両方含む組電池においては、基本的に２種類の接続方法がある。一方は、先に複数の単電池を並列接続してブロックとし、このブロックを複数直列接続して組電池を構成する並・直列接続構成と、他方は先に複数の単電池を直列接続してブロックとし、このブロックを複数並列接続して組電池を構成する直・並列接続構成である。さらに、直・並・直・・などのように、更に何段階にも組み合わせる場合もありうるが、その場合は一部分に注目すれば前記の２種類のいずれか、あるいは両方を含むことになる。

そして、前者の並・直列接続の場合、並列接続されたブロックは電池電圧という観点では一体とみなすことができるため、直列数分だけの電池電圧を測定すればよく、保護回路の構成が比較的簡単にできるという長所がある。反面、並列のブロックを構成する単電池の一つで内部短絡などの事故が発生した場合、短絡部にその単電池のエネルギーのみならず、同じ並列ブロック内の他の単電池のエネルギーも集中し、発熱が増大し、発火や破裂に至る可能性が高くなる。つまり、並列数ぶんに相当する、より大きな単電池を用いる場合と類似した状態となる。一方、後者の直・並列の場合には、直列ブロックのうち一つの単電池で内部短絡などの事故が発生した場合でも、直列ブロックの外側から供給される電流は、事故電池と同じ直列ブロックの他の電池を充電しながら事故電池に供給されるため、並・直列よりもエネルギーの集中度合いは少なく、安全性が高い。しかし、組電池を構成する単電池すべてが独立した電圧をとり得るため、単電池電圧ばらつきによる過充電や過放電を防止するためには全ての単電池の電圧を監視する必要があり、保護回路の構成が非常に複雑になるという問題がある。また、電圧測定線の本数の増加は、組電池全体の信頼性という観点からも好ましくない。

このような両者の問題を回避する方法として、特許文献１に開示される二次電池の保護装置としてヒューズを用いる方法がある。このようなヒューズを用いる場合、上述した前者の並・直列接続のパターンのものは、各単電池に直列にヒューズを挿入してから並列ブロックを構成し、さらにそれを直列接続して組電池を構成するという方法がある。この方法によれば、並列のブロックを構成する単電池の１つで内部短絡などの事故が発生した場合であっても、短絡部に同じ並列ブロック内の他の単電池から短絡電流が流れた時点でヒューズが遮断されるので、短絡電池自体は単独の内部短絡に近い安全性が確保される。
特開２００１−３５２６６６号公報

このようにしてヒューズが遮断された場合、組電池全体に関して、組電池が並列接続のみから構成されていれば、短絡電池が隔離されても組電池容量が減少するだけで重大な問題にはならない場合もある。

しかし、並列ブロックを更に直列に接続したような組電池の場合は、ヒューズが遮断されて容量の大きく減少した並列ブロックが過充電や過放電状態になりやすく、危険な状態となりやすい。したがって、このような構成の組電池においては、ヒューズの遮断を検出し、ヒューズが遮断された場合に組電池の充放電を停止するか、もしくは制限することが重要である。しかし、ヒューズによって短絡電池が組電池から隔離されても、組電池を制御している保護回路はその短絡電池を含む並列ブロックの他の正常な単電池の電圧を測定しているため、ヒューズが遮断されたという異常を検出するのが困難になるという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、一部の単電池に異常があった場合も高い安全性を確保できる組電池システムを提供することを目的とする。

本発明にかかる組電池システムは、
単電池とヒューズを直列接続してなる単電池ブロックを複数並列接続して構成される並列ブロックをさらに複数直列接続した組電池と、
前記単電池ブロックごとのヒューズに接続され、該ヒューズの遮断により動作の状態を変化するヒューズ監視用素子と、
前記ヒューズ監視用素子の動作の状態変化を監視し前記ヒューズの遮断を検出するヒューズ監視手段と、
前記組電池に接続された充放電制御手段と、
前記ヒューズ監視手段の検出出力により前記充放電制御手段に指示を与えることにより前記組電池の充放電を制御する制御手段と、
を具備したことを特徴としている。

本発明によれば、一部の単電池に異常があった場合も高い安全性を確保できる組電池システムを提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明にかかる組電池システムの概略構成を示している。

図１において、実線で囲んだ１−１１、１−１２、…１−１ｎは、単電池ブロックを示している。ここで、ｎは並列ブロックを構成する単電池数である。これら複数の単電池ブロック１−１１、１−１２、…１−１ｎは、並列接続され、並列ブロック２−１を構成している。単電池ブロック１−１１は、単電池３−１１の正極側にヒューズ４−１１を直列接続した構成になっている。この場合、単電池３−１１には、リチウムイオン電池などの二次電池が用いられ、また、ヒューズ４−１１には、所定の電流で溶断される電流ヒューズが用いられる。

他の単電池ブロック１−１２、…１−１ｎについても同様で、単電池ブロック１−１２は、単電池３−１２とヒューズ４−１２を直列接続した構成からなり、単電池ブロック１−１ｎは、単電池３−１ｎとヒューズ４−１ｎを直列接続した構成からなっている。

そして、このような並列ブロック２−１には、複数の並列ブロック２−２…、２−ｍが直列に接続され、組電池５を構成している。ここで、ｍは、組電池を構成する並列ブロック数である。これら並列ブロック２−２、…２−ｍについても並列ブロック２−１と同様に構成されている。この場合、並列ブロック２−２は、符号１に添え字２１、…２ｎを付した単電池ブロックを有し、これら単電池ブロック１−２１、…１−２ｎは、符号３に添え字２１、…２ｎを付した単電池、符号４に添え字２１、…２ｎを付したヒューズを有している。さらに、並列ブロック２−ｍについても、符号１に添え字ｍ１、…ｍｎを付した単電池ブロックを有し、これら単電池ブロック１−ｍ１、…１−ｍｎは、符号３に添え字ｍ１、…ｍｎを付した単電池、符号４に添え字ｍ１、…ｍｎを付したヒューズを有している。

並列ブロック２−１を構成する単電池ブロック１−１１〜１−１ｎのそれぞれのヒューズ４−１１〜４−１ｎには、ヒューズ監視用素子としてＮチャンネルのＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−１ｎが各別に接続されている。これらＮチャンネルのＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−１ｎは、ヒューズ遮断によりオン動作して動作の状態を変化するものである。この場合、ＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１は、ソースがヒューズ４−１１の電池側Ｑ（単電池３−１１の正極側）に、ゲートがヒューズ４−１１の負荷側Ｐ（単電池３−１１と反対側）にそれぞれ接続されている。他のＭＯＳ−ＦＥＴ６−１２〜６−１ｎについても同様である。そして、これらＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−１ｎのドレインは共通接続され、この接続点よりヒューズ監視線７−１が導出され、保護回路９のヒューズ監視手段１０に接続される。ヒューズ監視手段１０については後述する。

他の並列ブロック２−２〜２−ｍについても並列ブロック２−１と同様で、並列ブロック２−２を構成する単電池ブロック１−２１〜１−２ｎのそれぞれのヒューズ４−２１〜４−２ｎには、ヒューズ監視用素子としてＮチャンネルのＭＯＳ−ＦＥＴ６−２１〜６−２ｎが各別に接続され、並列ブロック２−ｍを構成する単電池ブロック１−ｍ１〜１−ｍｎのそれぞれのヒューズ４−ｍ１〜４−ｍｎにも、ＮチャンネルのＭＯＳ−ＦＥＴ６−ｍ１〜６−ｍｎが各別に接続されている。

また、ＭＯＳ−ＦＥＴ６−２１〜６−２ｎのドレインは共通接続され、この接続点よりヒューズ監視線７−２が導出され、さらにＭＯＳ−ＦＥＴ６−ｍ１〜６−ｍｎのドレインも共通接続され、この接続点よりヒューズ監視線７−ｍが導出され、これらヒューズ監視線７−２〜７−ｍも、それぞれ保護回路９のヒューズ監視手段１０に接続される。

また、並列ブロック２−１〜２−ｍのそれぞれの両端には、単電池電圧測定線８−０、８−１〜８−ｍが接続され、これら単電池電圧測定線８−０、８−１〜８−ｍは、保護回路９の単電池電圧測定手段１１に接続される。この単電池電圧測定手段１１についても後述する。

一方、保護回路９は、ヒューズ監視手段１０、単電池電圧測定手段１１、電流測定手段１２、制御手段１３、充放電制御手段としての充放電制御スイッチ１４、電流検出抵抗１５を有している。

ヒューズ監視手段１０は、ＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−ｍｎの状態変化を監視し、ヒューズ４−１１〜４−ｍｎの遮断を検出する。この場合、ヒューズ監視手段１０には、各並列ブロック２−１〜２−ｍから導出されるヒューズ監視線７−１〜７−ｍが接続され、これらヒューズ監視線７−１〜７−ｍを通して並列ブロック２−１〜２−ｍごとにヒューズ遮断を監視し、ヒューズ遮断を検知すると、その旨の情報を制御手段１３に伝達する。つまり、ヒューズ監視手段１０は、ヒューズ４−１１〜４−ｍｎのいずれかの遮断により、遮断したヒューズ４−１１〜４−ｍｎに対応するＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−ｍｎのオン動作にともなう状態変化を、ヒューズ監視線７−１〜７−ｍに流れる電流により検出し、ヒューズ遮断を検知する。

単電池電圧測定手段１１は、各並列ブロック２−１〜２−ｍに対応する単電池電圧測定線８−０〜８−ｍが接続され、各並列ブロック２−１〜２−ｍの端子電圧、つまり単電池電圧を測定し、これらの測定結果を制御手段１３に伝達する。電流測定手段１２は、組電池５に直列に接続される電流検出抵抗１５に流れる電流、つまり組電池５全体に流れる電流を測定し、その測定結果を制御手段１３に伝達する。

充放電制御スイッチ１４は、組電池５に直列に接続され、制御手段１３の指示に従ってオンオフされる。この場合、充放電制御スイッチ１４には、負荷１６及び充電電源１７が接続され、制御手段１３の指示により組電池５より負荷１６に対する放電及び充電電源１７による組電池５に対する充電の許可又は禁止を制御する。

制御手段１３は、図２に示すように、入力部１３−１、出力部１３−２、記憶部１３−３、処理演算部１３−４、電源部１３−５を有する。処理演算部１３−４には中央演算装置（ＣＰＵ）、記憶部１３−３には汎用のメモリー等を用いることができる。制御手段１３は、ヒューズ監視手段１０、単電池電圧測定手段１１、電流測定手段１２から入力部１３−１に入力される情報、及び記憶部１３−３に予め格納された情報に基づいて処理演算部１３−４において情報の加工等を行い、この結果に基づいて、出力部１３−２から充放電制御手段である充放電制御スイッチ１４に指示を与えることにより、充放電制御スイッチ１４のオンオフを制御する。この場合、制御手段１３は、ヒューズ監視手段１０からヒューズ遮断の検知情報を受取ると、充放電制御スイッチ１４を強制的にオフにして組電池５より負荷１６に対する放電及び充電電源１７による組電池５に対する充電の全てを禁止する。また、制御手段１３は、単電池電圧測定手段１１の測定結果から並列ブロック２−１〜２−ｎの一部が過充電電圧あるいは過放電電圧に達したことを検出した場合及び電流測定手段１２の測定結果から電流検出抵抗１５に流れる過電流を検出した場合も、充放電制御スイッチ１４を強制的にオフにして組電池５より負荷１６に対する放電及び充電電源１７による組電池５に対する充電の全てを禁止することができる。例えば、このような制御の方法は予め記憶部１３−３に記憶され、処理演算部１３−４で適宜参照されることにより、実行することが可能である。

次に、このように構成された実施の形態の作用を説明する。

いま、組電池５全体が正常に動作している場合、各並列ブロック２−１〜２−ｍの全てのヒューズ４−１１〜４−ｍｎは、正常で導通状態にある。この場合、組電池５が充放電される時でも全てのヒューズ４−１１〜４−ｍｎの両端に発生する電圧は微小であり、これらヒューズ４−１１〜４−ｍｎに接続された全てのＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−ｍｎは、ゲート・ソース間電圧が微小であるために、ドレイン・ソース間はオフ状態である。

この状態で、組電池５を構成する単電池３−１１〜３−ｍｎのうちの一つで内部短絡が発生したような場合、例えば、単電池３−１１に内部短絡が発生した場合、短絡電流が十分に微小であれば、ヒューズ４−１１が遮断されない。この場合は、単電池３−１１が発熱したり熱暴走するなどの危険な現象が起こる可能性は少ない。しかし、単電池３−１１の内部短絡によってセパレータなどの電池内部の絶縁部材がダメージを負い、さらに短絡電流が増大すると、単電池３−１１の端子電圧は低下し、同じ並列ブロック２−１を構成する他の単電池３−１２〜３−１ｎとの電圧差が大きくなり、これらの単電池３−１２〜３−１ｎが内部短絡状態の単電池３−１１を介して大電流で放電される。これにより、単電池３−１１に直列接続されているヒューズ４−１１に定格電流を超える大きな電流が流れ、ヒューズ４−１１が遮断される。

なお、内部短絡以外でも、組電池システム内に侵入した金属異物などが単電池の端子やその周辺の接続配線などに触れたり、こすれたりすることによって部分短絡が発生する場合なども同様で、その短絡部分の単電池に接続されたヒューズが遮断されることになる。

上述したように単電池３−１１に内部短絡が発生し、ヒューズ４−１１が遮断した場合、ヒューズ４−１１の電池側（単電池３−１１の正極側）の端子電位は、ほぼ並列ブロック２−１の負極側電位に等しくなり、一方、ヒューズ４−１１の負荷側（単電池３−１１と反対側）の端子電位は、ほぼ並列ブロック２−１の正極間電位に等しくなる。これにより、ＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１のゲート・ソース電圧は、並列ブロック２−１の正負極間の電圧に等しくなり、ドレイン・ソース間はオンされる。すると、ＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１がオンになることによりヒューズ監視手段１０からヒューズ監視線７−１を通って電流が流れる。ヒューズ監視手段１０は、このときヒューズ監視線７−１に流れる電流を検出してヒューズ４−１１の遮断を検知し、その旨を制御手段１３に伝達する。

制御手段１３は、ヒューズ監視手段１０からのヒューズ遮断の検知情報を受取ると、充放電制御スイッチ１４を強制的にオフにする。これにより、組電池５と、負荷１６及び充電電源１７との接続が断たれ、組電池５より負荷１６に対する放電及び充電電源１７による組電池５に対する充電の全てが禁止される。つまり、単電池３−１１〜３−ｍｎに対応して設けられるヒューズ４−１１〜４−ｍｎのうちで少なくとも１つが遮断されたと判断した場合、組電池５に対する充放電を全て禁止し、組電池システム全体の動作を停止させることにより、システムとして高い安全性が確保される。

なお、上述した動作は、以下の条件を満足させることで、さらに安定したものにできる。つまり、上述したように組電池システムが正常な場合、各ＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−ｍｎのゲート・ソース間には、それぞれ対応するヒューズ４−１１〜４−ｍｎの両端電圧が印加される。このとき、これらヒューズ４−１１〜４−ｍｎが正常な状態でも、ＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−ｍｎがオフ状態を維持するには、ＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−ｍｎがオンになるゲート・ソース間電圧が、ヒューズ４−１１〜４−ｍｎの両端抵抗に定格電流を乗じて算出されるヒューズ端子間電圧よりも高いことが望ましい。また、ヒューズ４−１１〜４−ｍｎの遮断時にＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−ｍｎのゲート・ソース電圧は、ほぼ並列ブロック２−１〜２−ｎの正極間電位に等しくなるため、組電池５の充電状態によらず確実にＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−ｍｎがオン状態になるためには、ＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−ｍｎがオンになるゲート・ソース間電圧が、単電池３−１１〜３−ｍｎに対し予め定められている放電終止電圧よりも小さいことが望ましい。

ここで、放電終止電圧とは、組電池システムが放電を許容するための並列ブロックの電圧下限値をいい、並列ブロックを構成する単電池の劣化が少ない範囲あるいは単電池が不安全にならない範囲で任意に決定することができる。組電池を構成する並列ブロックのうち少なくとも1つの並列ブロックの電圧が放電終止電圧以下になった場合、制御手段は充放電制御スイッチをオフにして放電を停止するため、組電池システムの動作中はすべての並列ブロックは放電終止電圧以上の電圧に維持される。

単電池３−１１（３−１２〜３−ｍｎ）とヒューズ４−１１（４−１２〜４−ｍｎ）を直列接続してなる単電池ブロックを複数並列接続して構成される複数の並列ブロックを直列接続した組電池５において、各単電池ブロックごとにヒューズ４−１１（４−１２〜４−ｍｎ）の両端子にゲート及びソースが接続されるとともに、ドレインを同一の並列ブロック内において共通接続されるＮチャンネルのＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−ｍｎを設け、これら共通接続された各並列ブロックごとのＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−ｍｎのドレインよりヒューズ監視線７−１〜７−ｍを介してＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−ｍｎのオン動作にともなう状態変化をヒューズ監視手段１０で監視し、ヒューズ監視手段１０がヒューズ遮断を検出すると、制御手段１３により充放電制御スイッチ１４をオフさせ組電池５の充放電を停止させるようにした。これにより、単電池３−１１〜３−ｍｎに対応して設けられるヒューズ４−１１〜４−ｍｎのうちで少なくとも１つが遮断された場合、組電池５に対する充放電を全て禁止し、組電池システム全体の動作を停止させることができるので、一部の単電池に異常があった場合においてもシステムとして高い安全性を確保することができる。つまり、単電池ブロックを複数並列接続した並列ブロックを更に直列接続したような組電池の場合、単電池ごとに設けられるヒューズが遮断されて並列ブロックの容量が大きく減少すると、この並列ブロックが過充電や過放電状態になって著しく危険な状態を招くことがあったが、このような場合、組電池５に対する充放電を全て禁止し、組電池システム全体の動作を停止させることができるので、組電池システムとして高い安全性を確保することができる。

また、ＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−ｍｎのオン動作にともなう状態変化の監視は、並列ブロック２−１〜２−ｍごとにヒューズ監視線７−１〜７−ｍを介して行うようにしたので、ヒューズ監視線の本数を最小限にできるとともに、組電池５と保護回路９間の配線を簡単にでき、これにより誤配線もなくなり組み立て作業も簡単にできる。

（変形例）
上述した第１の実施の形態の組電池システムの場合、ヒューズ監視線７−１〜７−ｍまでのｍ本、単電池電圧測定線８−０〜８−ｍまでのｍ＋１本で組電池システム全体を監視するようにしているが、仮に、ＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−ｍｎがヒューズ４−１１〜４−ｍｎと離れた場所、たとえば保護回路９側に配置されるような場合は、各ヒューズ４−１１〜４−ｍｎとの間にｍ×ｎ×２本の膨大なヒューズ監視用の配線が別に必要になり配線の引き回しなどが複雑になって誤配線を招き易く、組み立て作業が面倒になることがある。

したがって、ＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−ｍｎ及びヒューズ４−１１〜４−ｍｎは、いずれも単電池３−１１〜３−ｍｎの直近に配置することが好ましい。より好ましくは、例えば、図３に示すようにヒューズ４−１１とＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１を同一の基板１８−１１上に載置し、ヒューズ４−１１とＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１のソースの接続点（電池側Ｑ）を第１の電流端子１９ａ−１１に接続し、ヒューズ４−１１とＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１のゲートの接続点（負荷側Ｐ）を第２の電流端子１９ｂ−１１に接続し、さらに、ＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１のドレインを保護端子１９ｃ−１１に接続して保護ユニット２０−１１として構成し、かかる保護ユニット２０−１１を、図４に示すように、対応する単電池３−１１表面などに直接固定配置する。

この場合、他のＭＯＳ−ＦＥＴ６−１２〜６−ｍｎ及びヒューズ４−１２〜４−ｍｎについても同様に保護ユニット２０−１２〜２０−ｍｎを構成して、対応する単電池３−１２〜３−ｍｎ表面などに直接固定配置する。

このような構成とし、図４に示すように単電池３−１１は、保護ユニット２０−１１を、単電池３−１１表面に固定配置し、第１の電流端子１９ａ−１１を単電池３−１１の正極側端子に接続する。また、第２の電流端子１９ｂ−１１を、同一の並列ブロック２−１の次の単電池３−１２の保護ユニット２０−１２の第２の電流端子１９ｂ−１２に接続し、以下、同様に単電池３−１ｎの第２の電流端子１９ｂ−１ｎまで共通接続して並列ブロック２−１の正極側電流端子とし、単電池電圧測定線８−１に接続する。さらに、保護端子１９ｃ−１１についても同一並列ブロック２−１の次の単電池３−１２の保護ユニット２０−１２の保護端子１９ｃ−１２に接続し、以下同様に単電池３−１ｎの保護端子１９ｃ−１ｎまで共通接続してヒューズ監視線７−１に接続する。他の並列ブロック２−２〜２−ｍについても同様である。

これにより、各単電池３−１１〜３−ｍｎと保護ユニット２０−１１〜２０−ｍｎ間の配線の引き回しを簡単にできるとともに、ヒューズ監視線７−１〜７−ｍ及び単電池電圧測定線８―０〜８−ｍの本数も最小限にできるので、誤配線などがなくなり、組電池システムの信頼性が向上するとともに、組み立て作業も簡単にできる。

（第２の実施の形態）
上述した第１の実施の形態では、単電池３−１１〜３−ｍｎに対応して設けられるヒューズ４−１１〜４−ｍｎのうちで少なくとも１つが遮断されたと判断した場合、組電池５に対する充放電を全て禁止するようにした。

しかし、単電池３−１１〜３−ｍｎのうち異常があったものが、対応するヒューズ４−１１〜４−ｍｎの遮断により組電池５から切り離されても、全ての並列ブロック２−１〜２−ｍが充放電可能な正常な電圧を維持しているような場合は、組電池５に対する充放電動作自体は可能と考えられる。例えば、組電池システムが電気自動車に搭載されている場合などのように、単電池３−１１〜３−ｍｎのうち一つが異常であっても車両を動かすことが可能であるということが、より乗員の安全につながる場合もある。例えば、電気自動車が走行中の場合は、安全に停止できるまで組電池システムが電気自動車に電気を供給する場合が想定される。

図５は、第２の実施の形態の概略構成を示すもので、図１と同一部分には、同符号を付して説明を省略する。

この場合、充放電制御手段として、上述した充放電制御スイッチ１４に代わって充放電制御部２１が設けられている。この充放電制御部２１は、充電電流制御手段２１１及び放電電流制御手段２１２を有している。充電電流制御手段２１１は、制御手段１３の指示により充電電源１７による組電池５に対する充電電流を制御する。放電電流制御手段２１２は、制御手段１３の指示により組電池５より負荷１６に対する放電電流を制御する。

このような構成において、いま、単電池３−１１〜３−ｍｎに対応するヒューズ４−１１〜４−ｍｎのうちで少なくとも１つが遮断し、ヒューズ監視手段１０の検知情報が制御手段１３に与えられると、制御手段１３の指示により充放電制御部２１は、充電電流制御手段２１１により充電電源１７より組電池５に供給される充電電流を遮断して組電池５全体に対する充電を停止し、放電電流制御手段２１２により組電池５より負荷１６に供給される放電電流のみ許可する。

このようにすれば、組電池５を繰り返し充電して使用することを禁止し、組電池５の残容量分だけ負荷１６に放電電流を供給することができるので、上述した電気自動車に搭載されているような場合、単電池３−１１〜３−ｍｎのうち一つが異常であっても車両を動かし続けることが可能となり、乗員の安全性を確保することができる。

［実施例］
以下に具体例を挙げ、本発明をさらに詳しく説明する。ここでも本発明の主旨を超えない限り本発明が以下に掲載される実施例に限定されるものでない。

（実施例１）
放電容量３Ａｈの角型非水電解質二次電池の正極端子にヒューズ端子の一方を溶接して単電池ブロックとし、単電池の面積が広い側面を向かい合わせて５個並べ、ヒューズを介して並列にしたものを並列ブロックとした。ヒューズは、定格電流３０Ａ、定格電流時の直流抵抗は５ｍΩのものを使用した。各ヒューズの両端子には、図１で述べたと同様にヒューズ監視用素子としてＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴのゲートとソースを接続して単電池と一体に配置した。また、５個のＭＯＳ−ＦＥＴのドレインは、各単電池ブロックをわたる１本の配線で接続した。単電池は、満充電電圧４.２Ｖ、放電終止電圧３.０Ｖのもので、ＭＯＳ−ＦＥＴは、ゲート・ソース間電圧が２.５Ｖでオン状態となるものを使用した。そして、このような並列ブロックを４個直列に接続して組電池とした。また、組電池全体の正極及び負極、並列ブロック間の接続点の合計５箇所から単電池電圧測定線を図１で述べた保護回路９に接続した。また、４本のヒューズ監視線を保護回路９に接続した。組電池全体の正極及び負極も保護回路９に接続し、さらに保護回路９内の電流検出抵抗１５及び充放電制御スイッチ１４を介して負荷１６及び充電電源１７に接続した。保護回路９内のヒューズ監視手段１０は、ヒューズ両端電圧が２.５Ｖを超えると、ＭＯＳ−ＦＥＴに電流が流れることを検知し、そのとき制御手段１３は充放電制御スイッチを開放（オフ）するように設定した。

（実施例２）
この場合も、実施例１と同様に単電池ブロック、並列ブロックと順次接続し、並列ブロックを４個直列に接続して組電池とした。組電池全体の正極及び負極、並列ブロック間の接続点の合計５箇所から単電池電圧測定線を図５で述べた保護回路９に接続した。また、４本のヒューズ監視線を保護回路９に接続した。組電池全体の正極及び負極も保護回路９に接続し、さらに保護回路９内の電流検出抵抗１５を介して負荷１６及び充電電源１７の負極側に接続し、充放電制御部２１の充電電流制御手段２１１を介して充電電源１７の正極側、放電電流制御手段２１２を介して負荷１６の正極側にそれぞれ接続した。保護回路９内のヒューズ監視手段１０は、ヒューズ両端電圧が２.５Ｖを超えると、ＭＯＳ−ＦＥＴに電流が流れることを検知し、そのとき制御手段１３は充放電制御部２１の充電電流制御手段２１１によって充電電流を遮断し、放電電流制御手段２１２は放電を許可したままとなるように設定した。

（比較例１）
実施例１と同様に組電池を作製し、この場合は、ヒューズ監視用素子としてＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴを接続しない状態とした。

このようにして作製した実施例１，２及び比較例１の組電池は、２５℃環境下で、１Ｃ充放電時の放電容量を測定し、ＳＯＣ５０％状態とした。その後、単電池内の内部短絡を模擬して、単電池３−２１（図１、図５参照）を短絡し、１時間後、再度１Ｃ充電・放電を行った。そして、短絡前の放電容量、充電時の並列ブロック電圧の最大値と最小値、放電時の並列ブロック電圧の最大値と最小値、短絡時のヒューズの状態、短絡後の放電容量、充電時の並列ブロック電圧の最大値と最小値、放電時の並列ブロック電圧の最大値と最小値を下記の表１にまとめた。

かかる表１によれば、実施例１，２、比較例の組電池のいずれも、短絡時には対応するヒューズ４-２１が遮断し、短絡電池は組電池から隔離された。実施例１の組電池システムにおいては、短絡後は充放電制御スイッチ１４が開いていて充放電が禁止され、安全が確保された。また、実施例２の組電池システムについては、短絡後は充電のみが禁止されたため、過充電させる並列ブロックは発生せず、続いて行われた放電では短絡時の残容量である７.５Ａｈよりは少ないが６.５Ａｈの容量を放電することができた。一方、比較例においては充放電ができたが、容量は定格容量から隔離電池ぶんの容量を差し引いたよりも更に小さな値となった。また、並列ブロック間のＳＯＣがずれたため、充電末期及び放電末期の並列ブロック間の電圧ばらつきが拡大し、過充電される並列ブロックが発生した。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、上述した実施の形態では、単電池３−１１〜３−１ｎの正極側にヒューズ４−１１〜４−ｍｎを接続した例を示したが、単電池３−１１〜３−１ｎの負極側に接続してもよい。この場合、ＭＯＳ−ＦＥＴ６−１１〜６−ｍｎは、図１と同じ向きで、そのままヒューズ４−１１〜４−ｍｎに各別に接続される。また、ヒューズ監視用素子としてのＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴに代えてＰチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴを用いることも可能である。この場合は、ゲート・ソースを図１と逆向きに接続すればよい。さらに上述では、ヒューズ監視用素子として、ＭＯＳ−ＦＥＴを用いる例を述べたが、これ以外でもヒューズ遮断により動作の状態を変化するものであればよく、例えば、スイッチ機能を有する３端子素子を用いることも可能である。具体的には、ＰチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴに代えてＮＰＮ型トランジスタを用いることも可能で、その場合にはゲートをベース、ドレインをコレクタ、ソースをエミッタにそれぞれ変えて接続すればよい。ただし、ヒューズ遮断時には遮断したヒューズに接続されたトランジスタのベース・エミッタ間及び遮断しなかったヒューズのベース・コレクタ間に大電流が流れないよう、ベース抵抗を適宜挿入する必要がある。その他、ヒューズ監視用素子は、ヒューズ遮断により動作の状態を変化させるものとして、例えばヒューズ遮断により動作時のインピーダンスを変化するようなものを用いることもできる。

さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

本発明の第１の実施の形態にかかる組電池システムの概略構成を示す図。第１の実施の形態に用いられる制御手段の概略構成を示す図。第１の実施の形態に用いられる保護ユニットの概略構成を示す図。第１の実施の形態に用いられる保護ユニットの並列ブロック内での接続方法を説明する図。本発明の第２の実施の形態にかかる組電池システムの概略構成を示す図。

符号の説明

１−１１〜ｍ−ｍｎ…単電池ブロック、２−１〜２−ｍ…並列ブロック
３−１１〜３−ｍｎ…単電池、４−１１〜４−ｍｎ…ヒューズ
５…組電池、６−１１〜６−ｍｎ…ＭＯＳ−ＦＥＴ
７…ヒューズ監視線、８…単電池電圧測定線
９…保護回路、１０…ヒューズ監視手段
１１…単電池電圧測定手段、１２…電流測定手段
１３…制御手段、１４…充放電制御スイッチ
１５…電流検出抵抗、１６…負荷
１７…充電電源、１８…基板、２０…保護ユニット
２１…充放電制御部、２１１…充電電流制御手段
２１２…放電電流制御手段

Claims

単電池とヒューズを直列接続してなる単電池ブロックを複数並列接続して構成される並列ブロックをさらに複数直列接続した組電池と、
前記単電池ブロックごとのヒューズに接続され、該ヒューズの遮断により動作の状態が変化するヒューズ監視用素子であって、前記単電池ブロックごとに前記ヒューズの両端子にゲート及びソースが夫々接続されるとともに、ドレインが同一の並列ブロック内において共通接続されているＭＯＳ−ＦＥＴからなるヒューズ監視素子と、
前記組電池の並列ブロックごとに前記ヒューズ監視用素子の動作状態の変化を監視し、前記ヒューズの遮断を検出するヒューズ監視手段であって、前記同一並列ブロック内において共通接続された前記ＭＯＳ−ＦＥＴのドレインを介して前記ＭＯＳ−ＦＥＴのオン動作にともなう状態変化を監視し、前記ヒューズの遮断を検出するヒューズ監視手段と、
前記組電池に接続された充放電制御手段と、
前記ヒューズ監視手段の検出出力により前記充放電制御手段に指示を与えることにより前記組電池の充放電を制御する制御手段と、
を具備したことを特徴とする組電池システム。
前記ＭＯＳ−ＦＥＴがオンになるゲート・ソース間電圧が、前記単電池の放電終止電圧よりも低く、前記ヒューズの定格電流に定格電流時の抵抗を乗じて算出されるヒューズ端子間電圧よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の組電池システム。
前記ヒューズ及びＭＯＳ−ＦＥＴを載置した基板と、前記ヒューズの一方の接続点と前記ＭＯＳ−ＦＥＴのソース及びゲートから選択される一方の接続点に接続されるとともに、これらヒューズ及びＭＯＳ−ＦＥＴに対応する単電池の一方の極端子が接続される第１の電流端子と、前記ヒューズの他方の接続点と前記ＭＯＳ−ＦＥＴのソース及びゲートから選択される他方の接続点に接続されるとともに、前記並列ブロック内において共通接続される第２の電流端子と、
前記ＭＯＳ−ＦＥＴのドレインに接続されるとともに、前記並列ブロック内において共通接続される監視端子と、
を備えた保護ユニットをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の組電池システム。
前記ヒューズ及びＭＯＳ−ＦＥＴを有する保護ユニットは、前記単電池の表面に固定配置されることを特徴とする請求項３に記載の組電池システム。
前記充放電制御手段は、前記ヒューズ監視手段が少なくとも１つの前記ヒューズの遮断を検出した場合に、前記組電池の充放電を停止させる充放電制御スイッチを有することを特徴とした請求項１乃至４のいずれか一記載の組電池システム。
前記充放電制御手段は充電電流制御手段と放電電流制御手段を有し、前記ヒューズ監視手段が少なくとも１つの前記ヒューズの遮断を検出した場合に、前記充電電流制御手段により前記組電池に対する充電を停止させるとともに、前記放電電流制御手段により前記組電池の放電のみ許可させることを特徴とした請求項１乃至４のいずれか一記載の組電池システム。