JP5388183B2

JP5388183B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP5388183B2
Application number: JP2009067640A
Authority: JP
Inventors: 義幸保坂
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: JP2010219009A

Description

本発明は二次電池を持つ電池パックに関するものである。

図２は従来の電池パックの一般的な例を示す図である。リチウムイオン二次電池等の電池パックは、図２に示すように、１個または複数個の充電可能な二次電池からなるメイン電池１と保護制御回路２、充放電制御用ＦＥＴ３から構成されている。保護制御回路２は、電池の電圧および電流を逐次監視していて、異常が発生した場合、充放電制御用ＦＥＴ３を制御し、充放電を禁止して、電池を保護する。保護される異常状態としては、電池の電圧が規定値以上になる過充電状態、電圧が規定値以下になる過放電状態、規定値以上の電流が流れる過電流状態等がある。この充放電制御用ＦＥＴ３の例では、ダイオードが並列に接続された充電制御用のＦＥＴと、同じくダイオードが並列に接続された放電制御用のＦＥＴが、直列に接続されたものが用いられており、各々、過充電状態ではメイン電池１を充電する方向、過放電状態では放電する方向の電流の一方向のみを遮断するように構成されている。

保護制御回路２は、過放電状態になった時に、さらに、回路内で消費される電流により過放電状態が進行するのを防ぐため、消費電流を最小限に抑えるスリープ状態に移行する機能を有している。例えば特許文献１には、保護制御回路２に通常の動作モードとパック内の消費電流が最小となるモードに切替える機能を有する省電力化電池パックが記載されている。

また、特許文献２には、二次電池の過放電を防止するために、メインの二次電池が過放電状態になったときに、補充電を行なうサブ電池をもつ電気機器が記載されている。

特開２００３−１１１２８４号公報特開２００１−３３９８６６号公報

従来の保護回路では、スリープ状態に移行した場合でも、最小限の機能を維持する必要があり、消費電流を最小限に抑えても、消費電流を完全に無くすことは出来ない。したがって、長期間の未使用状態が続くと、過放電が検出された後も、電流が消費され続け、過放電状態が進行してしまい、電池パックの性能に悪影響を及ぼすことがある。

また、過放電状態となった場合には、消費電流が制限されるので、電流を消費するような外部表示機能が使用できず、電池パックが過放電状態に至ったことを、外部に示すことができない。そのため、電池パックが放置され、過放電状態がさらに進行してしまうことがある。

過放電状態に至ったときに、サブ電池による補充電を行う機能を有する電池パックにおいても、サブ電池を一次電池で構成した場合、補充電できる容量に限りがあるため、サブ電池を交換しない限り、過放電状態が繰り返された場合、サブ電池の電池容量が低下し、サブ電池による保護可能期間が短くなり、充分に補充電することが出来ず、過放電状態が進行し電池パックの性能に悪影響を及ぼすことがある。

本発明は、二次電池を持つ電池パックにおいて、１個または複数個の二次電池から構成されて主に外部との間で充放電を行なうメイン電池と、保護制御回路とこの保護制御回路に制御されてメイン電池の充放電をオン／オフするＦＥＴとを有する主にメイン電池の保護を目的とする保護回路とからなる従来と同様の電池パックの構成に加えて、さらに、１個または複数個の二次電池から構成される予備のサブ電池と、サブ電池の動作を制御するサブ電池保護回路と、ＬＥＤ点灯回路やブザー回路で構成される外部へ表示を行なうことが出来る表示装置から構成されるサブ電池を利用した保護機能を備えた電池パックである。

通常使用状態では、従来の電池パックと同様に保護回路により、電池パックの保護がなされ、外部との充放電もメイン電池で行われる。また、メイン電池が過放電状態になったときは、本発明の保護機能により、保護回路への電源供給をサブ電池から行い、サブ電池から電力供給を受けた表示装置により、電池パックが過放電状態になっている事を外部に表示する。

また、通常状態では、サブ電池は、メイン電池から充電することが出来るようになっており、サブ電池保護回路により、メイン電池から充電され、満充電に近い状態になっているように制御される。

本発明によれば、過放電状態になったとき、電池パックの機能維持に必要な電力をサブ電池から供給することにより、メイン電池の消費電流を最小限にすることが出来る。また、過放電状態となったことを、表示装置により示すことができ、充電を促すことが出来る。それにより、電池性能に悪影響を及ぼす過放電状態が進行することを防ぐことが出来る。また、サブ電池を充電できるようにしておくことにより、繰返し使用することが出来、常に、サブ電池の電池容量のほぼ全容量に相当する期間、本発明の保護機能が有効となる。

本発明の電池パックの概略を示す図。従来の電池パックの一例を示す図。本発明の電池パックの詳細ブロック図。

図１は本発明の電池パックの概略を示す図である。図１に示すように、本発明の電池パックは、従来の電池パックと同様に、１個または複数個の二次電池から構成され、主に電池パック外との間で充放電を行なうメイン電池１と、メイン電池１の電圧および電流等を監視して、異常が発生した充放電を禁止して、メイン電池１を保護する保護制御回路２と、保護制御回路２に制御され、メイン電池１の充放電をオン／オフする充放電制御用ＦＥＴ３を備えている。保護制御回路２や充放電制御用ＦＥＴ３は従来の電池パックで用いられているものを用いることができる。

さらに、本発明の電池パックは、上記の従来の電池パックと同様の構成に加えて、予備のサブ電池１０と、サブ電池保護回路２０と、表示装置３０からなるサブ電池を利用した保護機能を備えている。サブ電池１０は１個または複数個の二次電池から構成され、二次電池としては、各種の二次電池が利用できるが、特にサブ電池としてはリチウムイオン二次電池が小型で大容量であるので適している。サブ電池保護回路２０はサブ電池の充放電管理、表示装置３０の動作管理と共に、メイン電池の状態に応じた保護動作を行う。表示装置３０は外部へ警告等の表示を行なうことが可能なもので、ＬＥＤ点灯回路やブザー回路等で構成される。

本発明の電池パックの場合も、通常使用状態では、従来の電池パックと同様に保護制御回路２への電源供給は、メイン電池１から行うように構成する事ができる。この場合は、メイン電池１が過放電状態になった場合には、サブ電池保護回路２０は、保護制御回路２への電源供給をサブ電池１０に切り替えるように構成する。もしくは、通常使用状態時もメイン電池１が過放電状態になった場合も含めて、保護制御回路２への電源供給をサブ電池１０から行うように構成しても良い。この構成により、メイン電池１が過放電状態の場合には、電池パックの機能維持に必要な電力である保護制御回路２への電源供給がサブ電池１０から供給され、メイン電池１からの供給が不要であるため、回路内でのメイン電池１の消費電流をほぼ完全に無くすことができるので、電池性能に悪影響を及ぼすメイン電池１の過放電状態が進行することを防ぐことが出来る。また、過放電状態時には、可能であれば、保護制御回路２を省電力モードに切替えると、サブ電池を使用した保護機能を長期間保つことができる。

また、メイン電池１が過放電状態になった場合には、サブ電池保護回路２０は、表示装置３０に、電池パックが過放電状態になっている事を表示させる。表示装置３０により、外部にメイン電池１の過放電状態を表示する際には、表示装置３０への電源もサブ電池１０から供給するように構成する。このように、外部にメイン電池１が過放電状態であることを表示することにより、使用者や管理者等に、当該電池パックの充電を促すことが出来る。それにより、電池パックの電池性能に悪影響を及ぼすメイン電池の過放電状態が進行することを防ぐことが出来る。また、表示装置の表示も電力を消費するので、過放電状態になっている間、常時表示させるとサブ電池の消耗が大きくなる。従って、表示装置は、必ずしも常時表示する構成とする必要は無く、間欠的に表示する構成、一旦表示後は、表示を中止する構成、別のスイッチ等を設けて、そのスイッチを入れた場合表示する構成等としても良い。

サブ電池１０は、サブ電池保護回路２０により、メイン電池１から充電がなされるように構成され、通常時には満充電に近い状態になっている。サブ電池１０への充電は、メイン電池１が電池パック外部と充放電を行なっていないときに、充電するように制御するのが望ましい。サブ電池の充電が可能な構成となっているので、メイン電池１の過放電状態が繰り返された場合でも、当該電池パックへの充電を行えば、サブ電池の容量切れによるサブ電池の交換を必ずしも要せずに、当該電池パックをサブ電池による保護機能付きで繰返し使用することが出来、常にサブ電池の電池容量のほぼ全容量に相当する期間、本発明の保護機能が有効となる。

本発明を実施するための構成を実施例を用いて説明する。

図３は本発明の電池パックの詳細ブロック図である。図３に示すように本発明の実施例の電池パックは、１個または複数個の二次電池から構成され主に充放電を行なうメイン電池１と、保護制御回路２と、メイン電池の充放電をオン／オフする充放電制御用ＦＥＴ３を備え、さらに、メイン電池の直列数より少ない１個または複数個の二次電池から構成される予備のサブ電池１０と、サブ電池保護回路として、サブ電池の過充電および過放電を検出しサブ電池を保護するサブ電池保護制御回路１１と、サブ電池の動作および表示装置を制御するサブ電池動作制御回路１２と、サブ電池への充電を行なうための充電回路１３と、サブ電池充電切替装置１４と、保護制御回路２およびサブ電池動作制御回路１２への電源供給元を切り替えるための保護制御回路電源切替装置部１５と、表示装置として、ＬＥＤから構成され点灯させる事で外部へ表示を行なうことが出来るＬＥＤ点灯回路１６から構成される。サブ電池保護制御回路１１は、サブ電池保護ＩＣ１１ａとサブ電池充放電制御用ＦＥＴ１１ｂから構成され、サブ電池の過充電および過放電を検知し、充放電を制御し保護を行なう。サブ電池保護ＩＣ１１ａには、過充電および過放電を検出可能な電池保護用ＩＣを用いれば良い。サブ電池動作制御回路１２はマイコンもしくは３個の電圧検出回路１２ａ，１２ｂ，１２ｃから構成され、入力端子の電圧を検出し、入力端子の状態に合わせて出力を制御する。電圧検出回路１２ａ，１２ｂ，１２ｃはボルテージディテクタＩＣとロジックＩＣを組み合わせれば良い。充電回路１３は定電圧・定電流充電制御が可能な二次電池充電用ＩＣを用いれば良い。サブ電池充電切替装置部１４、保護制御回路電源切替装置部１５は、アナログスイッチＩＣやＦＥＴを用いれば良い。

本実施例の電池パックの通常状態の動作を説明する。通常状態では、電池パックの外部への放電はメイン電池１のみから行なわれる。メイン電池１の充電は、電池パックの充放電端子４ａ，４ｂを介して外部の充電器から行なわれる。保護制御回路２およびサブ電池動作制御回路１２への電源供給は、メイン電池１から行なう。サブ電池１０への充電は、メイン電池が充電または放電していないとき、メイン電池１から、充電回路１３を介して、定電圧・定電流制御にて行われる。サブ電池１０への充電は、サブ電池動作制御回路１２により、サブ電池１０が常に満充電に近い状態になっているように、サブ電池１０の電圧が規定値以下で、かつ、メイン電池１の電圧がサブ電池１０の定格充電電圧以上で、メイン電池１が充放電されていないとき、サブ電池充電切替装置部１４を充電する方向に切替るように制御される。メイン電池の充放電の有無は、充放電制御用ＦＥＴ３の端子間電圧を検出することにより判断する。

本実施例の電池パックのメイン電池１が過放電となった場合の動作を説明する。メイン電池１の電圧が規定値より低下した場合、保護制御回路２はメイン電池１が過放電であると判断して、充放電制御用ＦＥＴ３の放電方向をオフ状態にし電池パックの放電を禁止する。また、メイン電池への充電は可能となるように充放電制御用ＦＥＴ３の状態を維持する。さらに、サブ電池動作制御回路１２により、保護制御回路電源切替装置部１５を操作して、保護回路２への電源供給を、メイン電池１からサブ電池１０に切り替える。これにより、メイン電池１からの放電が無くなり、メイン電池１の消費電流が最小限に抑えられ、メイン電池１の過放電状態が進行することを防止できる。

さらに、サブ電池動作制御回路１２により、メイン電池が過放電状態の場合には、サブ電池１０からの電源供給によりＬＥＤ点灯回路１６のＬＥＤを点灯させる。これにより、メイン電池１の電力を消費させずに、電池パックが過放電状態であることを外部に表示することが出来る。

本実施例の電池パックのメイン電池１が、一旦過放電の状態となった後の動作を説明する。通常状態への復帰は、充電によりメイン電池電圧が規定値以上となったとき行なう。同時に、保護制御回路２への電源供給をメイン電池に切り替える。

具体的には、充電器が接続され、メイン電池１が充電されると、メイン電池の電圧が上昇する。メイン電池の電圧が規定値以上になったとき、保護制御回路２は過放電時の電池パックの放電を禁止するための充放電制御用ＦＥＴ３をオフ状態とした動作を解除する。さらに、サブ電池動作制御回路１２は保護回路電源切替装置部１５を操作して、保護制御回路２への電源供給を、サブ電池１０からメイン電池１に切り替える。また、ＬＥＤ点灯回路１６の過放電状態の表示を停止する。復帰後は、通常時の動作をおこなう。

メイン電池が過放電状態となり、さらに充電がなされずに長期間放置されるなどして、サブ電池も放電して電池容量が低下し過放電になった場合、サブ電池保護制御回路１１は過放電を検知して、サブ電池１０からの放電をオフし、充電は可能な状態を維持する。サブ電池からの電源供給がなくなるため、サブ電池動作制御回路１２およびＬＥＤ点灯回路１６はオフされ、保護制御回路電源切替装置部１５はリセットされ、サブ電池動作制御回路１２への電源供給がメイン電池１からなされる状態となる。この場合、各回路の消費電流により過放電状態が進行することは防止できないが、電池パックを再度充電することにより、通常状態へ復帰される。この場合の復帰動作を説明する。まず、充電器が接続され、メイン電池１が充電されると、メイン電池の電圧が上昇する。メイン電池の電圧が規定値以上になったとき、保護制御回路２は過放電時の電池パックの放電を禁止するための充放電制御用ＦＥＴ３をオフ状態とした動作を解除する。さらに、サブ電池１０への充電条件が満たされた場合、サブ電池動作制御回路１２によりサブ電池１０への充電が開始される。サブ電池１０の電圧が規定値以上になったらサブ電池保護制御回路１１は過放電時におけるサブ電池の放電オフ状態を解除し、通常状態に復帰する。

本発明の電池パックの場合は過放電状態になっても、サブ電池とサブ電池保護回路による保護機能を備えているため、メイン電池の過放電状態が進行することを防ぐことができる。これにより、メイン電池の過放電状態が、電池パックの性能に悪影響を及ぼす状態となるのを防止することができ、より安全な電池パックを提供することができる。

１メイン電池
２保護制御回路
３充放電制御用ＦＥＴ
４ａ，４ｂ電池パックの充放電端子
１０サブ電池
１１サブ電池保護制御回路
１１ａサブ電池保護ＩＣ
１１ｂサブ電池充放電制御用ＦＥＴ
１２サブ電池動作制御回路
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ電圧検出回路
１３充電回路
１４サブ電池充電切替装置部
１５保護制御回路電源切替装置部
１６ＬＥＤ点灯回路
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ検出回路
２０サブ電池保護回路
３０表示装置

Claims

二次電池から構成された主に外部負荷への放電を行なうメイン電池と、前記メイン電池を保護する保護回路と、前記メイン電池から充電可能な二次電池から構成されたサブ電池と、前記サブ電池の充放電を制御する前記保護回路とは別のサブ電池保護回路と、前記サブ電池からの電力供給で電池パック外へ表示を行なうことが出来る表示装置から構成され、前記メイン電池が過放電状態に至ったときに、前記電池パックからの放電を禁止した状態で前記サブ電池から前記保護回路の機能を維持する電力を供給し、前記サブ電池保護回路は、前記表示装置により過放電状態を外部に表示することを特徴とする電池パック。
請求項１に記載の電池パックにおいて、前記表示装置がＬＥＤ点灯回路から構成されることを特徴とする電池パック。
請求項１に記載の電池パックにおいて、前記表示装置がブザー回路から構成されることを特徴とする電池パック。