JP5493616B2

JP5493616B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP5493616B2
Application number: JP2009209857A
Authority: JP
Inventors: 修牛嶌; 卓治内堀; 大助小西; 剛之白石
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2029-09-10
Also published as: JP2011060614A

Description

本発明は、１個の二次電池又は互いに接続された複数個の二次電池で構成された電池部と、前記電池部と直列に接続されて通電を入り切りする遮断器と、前記電池部の電池電圧を検出する電圧検出部と、前記遮断器を開閉制御する遮断器制御部とを備えた電池パックに関する。

かかる電池パックは、１個の二次電池又は互いに接続された複数個の二次電池に、電池の監視機能を備えたものである。
このような電池パックでは、電池電圧の異常等を検知したときに、電池パックに電力を供給する充電器に対して充電の禁止を指示する信号を送り、二次電池の過充電を防止することがよく行われている。

しかしながら、電池パックを充電する際には、電池パック側からの充電禁止信号に対応した正規の充電器が必ず使用されるという保証はなく、電池パック側からの充電禁止信号を受け取れるような構成になっていない充電器で充電すると、二次電池への充電が継続されて二次電池が過充電状態になる畏れがある。
又、上記充電禁止信号に対応した正規の充電器が使用されていても、その充電器に不具合が発生して、電池パックから受け取った充電禁止信号に対して適切な対応をとれない場合は、二次電池が過充電状態になる畏れがある。

このような過充電を防止するものとして、下記特許文献１に記載のように、電池パック内に、電池への充電あるいは電池からの放電を阻止するための遮断手段を備えて、電池が何らかの異常状態となったときに、その遮断手段を閉状態から開状態へと切換える制御を行うものがある。

特開平６−１４１４７９号公報

上記従来構成のような遮断手段を備える構成では、電池パックに対する制御機能を有しない非正規の充電器によって充電されてしまう可能性も考慮すると、電池パック内に上記遮断手段として遮断器、電池電圧の監視装置、および前記電池電圧の監視装置の検出結果に基づいて遮断器を開閉制御する制御装置を配置して、その遮断手段を常時作動させておく必要がある。
すなわち、正規の充電器から電池パック内の遮断手段の起動及び停止を制御するように構成すると、電池パック内の遮断手段は、正規の充電器が接続されて、動作する必要のあるときのみ動作するのであるが、これでは、電池パックの遮断手段が停止している状態で非正規の充電器で充電が開始されたときに遮断手段が起動せず、二次電池の保護のための遮断手段が全く機能しまいまま充電されてしまうことになる。このような事態を回避するためには、遮断手段を常時作動させておく必要があるのである。
しかしながら、充電器が接続されていない状態でも遮断手段、すなわち、電池電圧の監視装置および遮断器を開閉制御する制御装置を常時作動させておく場合、作動させておく電力は電池パック内の二次電池から供給されるものであり、電池パックを長期間保管する場合等においては電池の負荷となって電池を過放電状態としてしまう畏れがある。又、充電器が接続された状態であっても、二次電池への充電電力を確保するためには、消費電力の低減が求められている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、電池パック内に遮断器を備えてその遮断器を開閉制御する場合における消費電力を可及的に低減するものである。

本出願の第１の発明は、互いに接続された複数個の二次電池で構成された電池部と、前記電池部と直列に接続されて通電を入り切りする遮断器と、前記電池部の電池電圧を検出する電圧検出部と、前記遮断器を開閉制御する遮断器制御部とを備えた電池パックにおいて、前記電圧検出部は、前記二次電池夫々の電池電圧を検出するように構成され、前記遮断器制御部は、前記二次電池の何れか１つでも設定電圧を超えると、前記電池部の前記二次電池に過電圧がかかっていると一律に判断するように構成され、前記電池部と前記遮断器制御部との間には前記遮断器制御部を作動させるための電力供給経路が設けられ、前記電力供給経路には前記遮断器制御部への電力供給を入り切りするスイッチ装置が備えられ、前記電圧検出部は前記電池部と常時接続されていると共に、前記電圧検出部で検出された前記電池電圧の検出結果に基づいて、前記二次電池の何れか１つでも設定電圧を超えると前記スイッチ装置を開状態から閉状態へ切り替えるように構成されている。ここで、「前記電池部と直列に接続された遮断器」は、電池部が複数個であって、電池部と他の電池部との間に直列に遮断器が備えられることも含む。

すなわち、前記電池部と直列に接続されている遮断器の開閉に係わる電圧検出部及び遮断器制御部について、電池パック内の二次電池からの電力を受けて常時通電しているのは、電圧検出部のみであり、例えば電池電圧が所定電圧を超えたような場合に電圧検出部が前記スイッチ装置を閉状態として遮断器制御部に電力が供給されるようにする。
これによって、遮断器制御部は電圧検出部の検知電圧に基づいて遮断器を開き操作して電池部へ充電器から充電電流が流れないようにして、二次電池が過充電状態になるのを防止する。
電圧検出部は充電器からの信号に依らず、電池電圧等を常時監視しているので、正規の充電器が使用されない場合や正規の充電器であっても不具合が発生した場合等においても、前記電圧検出部の検出結果に基づいて前記スイッチ装置を閉状態とすることができる。

又、本出願の第２の発明は、上記第１の発明の構成に加えて、前記遮断器は、ノーマリークローズ型遮断器で構成されている。ここで、ノーマリークローズ型遮断器とは、常時は閉状態であり、外部からの制御信号によって開状態となる遮断器である。
すなわち、電池パックを非常用電源（バックアップ電源）として使用する場合、緊急に電力を供給することが要求されるので、確実に電力を供給することが最優先の事項となる。
もしノーマリーオープン型の遮断器を用いた場合、遮断器を閉状態に制御する制御系に故障が発生する可能性があり、確実に電力を供給できない場合もあり得る。そこで、何らかのトラブルが発生しても確実に電力を外部に供給できるという観点から、ノーマリークローズ型の遮断器を用いることが好ましい。
遮断器をノーマリークローズ型とすることは、電池パックの外部配線用の接続端子と電池パック内の電池部が常時接続されていることを意味しており、正規の充電器を用いなくても、単に電圧を印加するだけで電池部の充電ができてしまう。このような場合においても、電池パック内の電圧検出部の検出結果に基づいて遮断器を閉状態から開状態へ切換え操作することで、電池部の二次電池が過充電状態になることを的確に防止することができる。

上記第１の発明によれば、電池パック内の電圧検出部のみに電池部から電力が供給されて電池電圧を監視しており、遮断器制御部への電池部からの電力供給は、電圧検出部の検出結果に基づいておこなわれるので、遮断手段に係る消費電力を可及的に低減することができる。その結果、電池パックを長期間保管したような場合でも二次電池の過放電を防止することができる。

又、上記第２の発明によれば、前記遮断器をノーマリークローズ型とすることで、電池パックを非常用電源として使用する場合に確実に外部に電力を供給することができる。

本発明の実施の形態にかかる回路図本発明の実施の形態にかかる斜視図本発明の実施の形態にかかるブロック構成図

以下、本発明の電池パックの実施の形態を図面に基づいて説明する。
〔電池パックの全体構成〕
本実施の形態の電池パックＢＰは、図３に概略的に示すように、電池パックＢＰの筐体１内に、複数個の二次電池２と、各二次電池２の動作状態の監視のための制御回路３と、制御回路３の制御下で動作する遮断器４とが備えられ、筐体１の壁面には、二次電池２に対する充放電のための配線用部品である主コネクタ５と、外部から制御回路３への信号の授受を行うための配線用部品である補助コネクタ６とが取り付けられている。

本実施の形態では、例えばリチウムイオン電池にて構成される二次電池２が１０個備えられ、これらの二次電池２が直列に接続されていわゆる組電池となる電池部ＢＵを構成している。
電池パックＢＰを、筐体１を透視した状態の斜視図で示す図２のように、各二次電池２は、扁平の直方体形状を有し、隣接する二次電池２の正極と負極とをバスバーと称される板状金属の配線部材７にて一連なりに連結して各二次電池２を直列接続している。
直列接続されている二次電池２の最も高電位側の二次電池２の正極と、最も低電位側の二次電池２の負極とは、電池部ＢＵに対する充電又は放電のための配線用の一対の電極となっている。
最も低電位側の二次電池２（図２において最も手前側に位置する二次電池２）の負極（すなわち電池部ＢＵの負極）は、略Ｌ字形状に形成された金属製の板状配線部材８と略Ｌ字形状に屈曲形成された電線９とを経て主コネクタ５の一方の端子に接続されている。

遮断器４は、電池部ＢＵにおける上記配線用の一対の電極のうちの正極側の電極と主コネクタ５とを結ぶ配線の途中に配置されており、電池部ＢＵの最も高電位側の二次電池２（図２において奥側の列の左端に位置する二次電池２）の正極（すなわち電池部ＢＵの正極）が、略Ｌ字状に形成された金属製の板状配線部材１０を経て遮断器４の主接点の一方に接続されている。更に、遮断器４の主接点の他方の接点は、主コネクタ５における電池部ＢＵの負極が接続されているものとは別の端子に電線１１にて電気的に接続されている。

このように電池部ＢＵの配線用の一対の電極と直列に接続された遮断器４は、電池部ＢＵと主コネクタとの間の配線の通電を入り切りする。
この遮断器４としては、具体的にはコンタクタと称される大電流の開閉に対応したものを使用しており、本実施の形態では、ノーマリークローズ型、すなわち、制御信号が加えられていない状態で接点が閉状態となって、通電を入り状態（通電を許容する状態）とするタイプのものを使用している。
尚、遮断器４には、電池部ＢＵと主コネクタとの間の配線の通電を入り切りする主接点の他に、その主接点の開閉と機械的に連動する副接点が備えられており、主接点の開閉状態を切換えたときに、副接点側で正常に開閉が切換えられているか否かを確認する回路を備えて、主接点が溶着等によって正常に動作しなくなった状態を検出できるようにしても良い。

制御回路３は、図２に示す回路基板３ａ上に実装されている。
尚、図２においては、図面を見易くするために、上記の二次電池２間の配線等と回路基板３ａとを結ぶ配線、及び、回路基板３ａと補助コネクタ６とを結ぶ配線の記載を省略している。

〔制御回路３の構成〕
次ぎに制御回路３について説明する。
制御回路３は、図１の回路図に示すように、電池部ＢＵの各二次電池２の電池電圧を検出する電圧検出部２０と、電圧検出部２０の検出情報に基づいて遮断器４を開閉制御する遮断器制御部３０と、電池部ＢＵの電極（ここでは正極）から遮断器制御部３０へ動作用電力を供給する配線に配置されて遮断器制御部３０への電力供給を入り切りするスイッチ装置４０とが備えられている。

電圧検出部２０は、図１の回路図からもわかるように、電池部ＢＵを構成する各二次電池２毎にその二次電池２の電池電圧を監視しており、各二次電池２毎に同一構成の監視回路を備えている。
電圧検出部２０における各二次電池２に対応する回路部分は、抵抗２１ａ，２１ｂとコンパレータ２２とを主要部として構成され、コンパレータ２２の出力信号をＦＥＴ２３ａ，２３ｂ等にて後段に伝達している。
抵抗２１ａ，２１ｂ及びコンパレータ２２等は各二次電池２の正極と負極とから引き出された配線に接続され、電池部ＢＵに常時接続されて動作用電力の供給を受けている。
又、ＦＥＴ２３ａ，２３ｂ等の図１の回路で使用されているＦＥＴは、スイッチ装置４０も含めて、全てＭＯＳＦＥＴが用いられ、「ＯＦＦ」時に流れる電流は極めて微少で、無視できる程度である。

この抵抗２１ａ，２１ｂ及びコンパレータ２２等にて構成される回路は、二次電池２の電池電圧が設定電圧を超えたか否かを監視しており、前記設定電圧を超えたか否かの２状態で電池電圧を検出出力していることになる。この電池電圧の監視回路の出力は、遮断器制御部３０に向けて出力されると共に、上記スイッチ装置４０の開閉制御にも利用されている。本実施の形態では、前記設定電圧を４．５Ｖに設定しており、二次電池２の電池電圧が４．５Ｖを超えるとコンパレータは「Ｈ」レベルの信号を出力する。換言すると、そのような動作をするように抵抗２１ａ，２１ｂによる分圧比、及び、コンパレータ２２の比較用の基準電圧が設定されている。

具体的な動作としては、二次電池２の電池電圧が前記設定電圧より小さいときは、ＦＥＴ２３ａ，２３ｂ等の各ＦＥＴ、及び、スイッチ装置４０は何れも「ＯＦＦ」状態（すなわち「開状態」）となっている。
電池パックＢＰに充電器（図示を省略）が接続され、二次電池２の電池電圧が上昇し、前記設定電圧を超えると、コンパレータ２２は「Ｈ」レベルの電圧を出力する。
コンパレータ２２が「Ｈ」レベルの電圧を出力すると、抵抗２１ｃの両端に生じた電圧によってＦＥＴ２３ａが「ＯＮ」して、それに伴って抵抗２１ｄの両端に生じた電圧によってＦＥＴ２３ｂが「ＯＮ」する。ＦＥＴ２３ｂが「ＯＮ」すると、抵抗２１ｅの両端電圧が上昇する。抵抗２１ｅの両端電圧が上昇するとＦＥＴ２３ｃが「ＯＮ」し、それに伴って抵抗２１ｆの両端電圧が上昇すると、ＭＯＳＦＥＴにて構成される上記スイッチ装置４０が「ＯＮ」する。すなわち、スイッチ装置４０が開状態から閉状態へ切換えられる。

電池部ＢＵと遮断器制御部３０との間において、電池部ＢＵにおける電極（本実施の形態では電池部ＢＵの正極）から、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を経て、遮断器制御部３０へ至る経路は、遮断器制御部３０を作動させるための電力供給経路の一部を構成しており、その電力供給経路にスイッチ装置４０が備えられている。スイッチ装置４０が「ＯＮ」することによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０への電力供給が開始し、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０にて所定電圧に変換されて遮断器制御部３０へ動作用電力として供給される。

一方、抵抗２１ｅの両端電圧が上昇することで、ＦＥＴ２３ｄも「ＯＮ」となり、上記のようにして起動した遮断器制御部３０に対して、二次電池２の電池電圧が前記設定電圧を超えたことを示す「Ｌ」レベルの信号として入力する。

以上説明した回路構成は、全ての二次電池２に対して同一の回路構成で備えられており、何れか１つでも、二次電池２の電池電圧が前記設定電圧を超えると、遮断器制御部３０へ動作用電力の供給が開始されて、遮断器制御部３０が起動する。
又、各二次電池２に対応するＦＥＴ２３ｄのドレイン側出力は、全て、遮断器制御部３０の入力段のＮＡＮＤゲートへ入力され、遮断器制御部３０は、二次電池２の何れか１つでも、コンパレータ２２への入力電圧が上記基準電圧を超えると、電池部ＢＵの二次電池２に過電圧がかかっていると一律に判断する。

何れかの二次電池２の電池電圧が前記設定電圧を超えて起動した遮断器制御部３０は、各二次電池２に対応するＦＥＴ２３ｄのドレイン側出力の何れかが「Ｌ」レベルとなっていることを検知すると、遮断器４のコイルに通電して、遮断器４を閉状態から開状態へと切換える。これによって、主コネクタ５から電池部ＢＵに印加されている電圧を遮断して、電池部ＢＵの二次電池２を過電圧から保護できる。

以上のように、何れかの二次電池２の電池電圧が前記設定電圧を超えるまでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０や遮断器制御部３０には通電されておらず、電力を消費しているのは実質的に抵抗２１ａ，２１ｂとコンパレータ２２のみと言って良く、消費電力が非常に小さい。さらに、コンパレータ２２は超低消費電力仕様のものが提供されており、それらを使用することで更に消費電力を低減できる。

〔別実施形態〕
以下、本発明の別実施形態を列記する。
（１）上記実施の形態では、何れかの二次電池２の電池電圧が前記設定電圧（４．５Ｖ）を超えると遮断器制御部３０が起動して、直ちに遮断器４を閉状態から開状態へ切換える場合を例示しているが、何れかの二次電池２の電池電圧が上記の４．５Ｖよりも低い第２の設定電圧（例えば、４．２Ｖ等）を超えると遮断器制御部３０が起動して、先ず主コネクタ５に接続している充電器に対して補助コネクタ６から充電禁止信号を出力し、それから更に何れかの二次電池２の電池電圧が前記設定電圧（４．５Ｖ）を超えたときに遮断器４を閉状態から開状態へ切換えるように構成しても良い。
もちろん、これらの設定電圧の具体的な電圧値は適宜に変更可能である。
（２）上記実施の形態では、遮断器４として機械式接点を有するコンタクタを使用する場合を例示しているが、半導体スイッチにて遮断器４を構成しても良い。

ＢＵ電池部
２二次電池
４遮断器
２０電圧検出部
３０遮断器制御部
４０スイッチ装置

Claims

互いに接続された複数個の二次電池で構成された電池部と、前記電池部と直列に接続されて通電を入り切りする遮断器と、前記電池部の電池電圧を検出する電圧検出部と、前記遮断器を開閉制御する遮断器制御部とを備えた電池パックにおいて、
前記電圧検出部は、前記二次電池夫々の電池電圧を検出するように構成され、
前記遮断器制御部は、前記二次電池の何れか１つでも設定電圧を超えると、前記電池部の前記二次電池に過電圧がかかっていると一律に判断するように構成され、
前記電池部と前記遮断器制御部との間には前記遮断器制御部を作動させるための電力供給経路が設けられ、
前記電力供給経路には前記遮断器制御部への電力供給を入り切りするスイッチ装置が備えられ、
前記電圧検出部は前記電池部と常時接続されていると共に、前記電圧検出部で検出された前記電池電圧の検出結果に基づいて、前記二次電池の何れか１つでも設定電圧を超えると前記スイッチ装置を開状態から閉状態へ切り替えるように構成された電池パック。
前記遮断器は、ノーマリークローズ型に構成されている請求項１に記載の電池パック。