JPH11346443A - 蓄電装置用組電池制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】２次電池を複数個直列接続した組電池で電池異
常が生じたときに、安全性が高く、大きな発熱を伴わな
い蓄電装置用組電池制御装置を提供することにある。 【解決手段】組電池を構成する各単電池に保護装置を設
けて、係る保護装置で異常検出時に異常電池を切り放し
て当該電池の外部端子間を短絡し、その保護装置の動作
を検知して組電池全体を遮断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２次電池を複数個
直列接続した組電池を使用した蓄電装置に関し、電池異
常時に異常電池本体を切り放すとともに、組電池全体を
電気的に遮断できるようにした蓄電装置用組電池制御装
置に係り、特に中・大形のリチウムイオン２次電池を多
数個直列接続した組電池に適した制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の多直列２次電池よりなる組電池の
保護手段として、特開平8−172727 号公報に記載された
ものがある。この従来例では何れかの電池が過放電にな
った後も所定期間組電池の放電を継続できるようにする
ために、電池が過放電になった後も電解液の分解電圧程
度までは当該電池の逆充電を許容して継続使用するもの
である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような手
段でリチウムイオン２次電池を使用する場合には、通常
負極の電極母材として使用される銅が逆充電時に電解液
中に溶融し、電池の特性劣化を促進する恐れがあった。
また、大形の電池の場合に、過充電時にバイパス用のツ
ェナーダイオードに大きな電流が流れ、例えば過充電の
制限電圧が４.２Ｖでそのときの充電電流が１０Ａとす
ると、バイパス用のツェナーダイオード１個当たりで４
２Ｗの電力が消費されることになって発熱が増大し、放
熱が困難であるという課題があった。

【０００４】同様にバイパス用のダイオードでも接合部
での発熱が大きくなり放熱が困難になるという課題があ
り、電池の異常時にも安全性が高く、発熱が少なくて放
熱が容易な２次電池を用いた組電池用制御回路の提供が
課題であった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】係る課題を解決するた
め、本発明では下記に記載するように構成している。

【０００６】即ち、第１の発明では、２次電池よりなる
単電池の異常検出時に、当該単電池を電気的に開路した
後に当該単電池に接続されていた外部端子間を電気的に
短絡する保護装置を、２次電池よりなる各単電池毎に内
蔵若しくは単電池の外部に設けて構成した単電池モジュ
ールを複数個直列接続して組電池を構成し、前記保護装
置の単電池を電気的に切り放す動作を検知する動作検出
手段を設け、該動作検出手段で何れか１個以上の単電池
モジュールの保護装置の動作を検出すると組電池全体を
遮断する様に構成したものである。

【０００７】また、第２の発明は、第１の発明におい
て、保護装置の動作を検出したときに電池異常を表示す
る表示手段及び（または）電池異常を蓄電装置の外部に
通知する通信手段を具備し、保護装置の動作を検出した
後に表示手段による電池異常表示及び（または）通信手
段による電池異常通知を行うと共に、異常単電池モジュ
ール以外の単電池モジュールにより１回以上の所定回数
の放電又は充放電を行い、而る後に組電池全体を遮断す
るように構成したものである。

【０００８】また、第３の発明は、第１の発明又は第２
の発明に記載の蓄電装置用組電池制御装置において、単
電池モジュールの各々と並列に端子間電圧検出手段を接
続し、保護装置の動作を単電池モジュールの端子間電圧
の変化により検知するように構成したものである。

【０００９】また、第４の発明は、第３の発明に記載の
蓄電装置用組電池制御装置において、単電池モジュール
の各々と並列にコンデンサーと抵抗との直列回路及び端
子間電圧検出手段を接続するとともに、各単電池モジュ
ールに並列にダイオードまたはツェナーダイオードを、
アノードを単電池モジュールの負極側に、カソードを正
極側にそれぞれ接続した構成としたものである。

【００１０】また、第５の発明は、各単電池モジュール
に並列接続したコンデンサーと抵抗よりなる直列回路に
おいて、該抵抗と並列にダイオードをアノードが２次電
池の正極側にカソードが２次電池の負極側になるように
接続した構成としたものである。

【００１１】また、第６の発明は、単電池として２次電
池を２個以上並列接続した２次電池モジュールを用いた
ものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例を用いて説
明する。なお、以下に示す実施例は本発明の技術思想を
具体化する方法を例示するものであって、本発明の請求
内容を制限するものではない。また、以下の実施例はリ
チウムイオン２次電池を用いた場合について述べるが、
２次電池の種類をこれに限定するものではない。

【００１３】図１は本発明の１実施例の構成図である。
１ａ，１ｂ，１ｃはリチウムイオン２次電池による単電
池であり、２ａ，２ｂ，２ｃはトランスファー接点を有
する保護装置であり、単電池１ａ，１ｂ，１ｃと保護装
置２ａ，２ｂ，２ｃとはそれぞれ単電池１ａ，１ｂ，１
ｃの正極側と保護装置２ａ，２ｂ，２ｃの常閉側固定接
点とを接続すると共に、単電池１ａ，１ｂ，１ｃの負極
側と保護装置２ａ，２ｂ，２ｃの常開側固定接点とを接
続してあり、単電池１ａ，１ｂ，１ｃと保護装置２ａ，
２ｂ，２ｃとでそれぞれ単電池モジュール３ａ，３ｂ，
３ｃを形成し、単電池モジュール３ａ，３ｂ，３ｃを直
列接続して組電池４を構成している。

【００１４】前記保護装置２ａ，２ｂ，２ｃは単電池１
ａ，１ｂ，１ｃの異常を検出して異常な単電池を組み電
池から切り放す機能を有し、検出対象の異常として過電
流，異常高温，異常高内圧，過充電，過放電の何れか１
つ以上を対象としており、本実施例では図示しないが、
過電流に対してはＰＴＣ素子，バイメタル，電磁ラッチ
等の検出手段があり、異常高温についてはＰＴＣ素子，
バイメタル，温度ヒューズ，サーミスタ等による検出手
段があり、異常高内圧に対しては圧力ベント機構，圧力
センサ等の検出手段があり、過充電及び過放電に対して
はコンパレータやオペアンプによる端子間電圧の判定基
準電圧超過の検出によりそれぞれ検出することができ
る。

【００１５】各単電池モジュール３ａ，３ｂ，３ｃには
それぞれ並列にダイオード５ａ，５ｂ，５ｃがアノード
が単電池１ａ，１ｂ，１ｃの負極側、カソードが単電池
１ａ，１ｂ，１ｃの正極側にして接続してあり、また各
単電池モジュール３ａ，３ｂ，３ｃに並列にコンデンサ
ー６ａ，６ｂ，６ｃと抵抗７ａ，７ｂ，７ｃとをそれぞ
れ直列接続した直列回路９ａ，９ｂ，９ｃをそれぞれ接
続してあり、各抵抗７ａ，７ｂ，７ｃにはそれぞれ並列
にダイオードをアノードが単電池１ａ，１ｂ，１ｃの正
極側になるように接続してある。

【００１６】また、各単電池モジュールの両端子は端子
間電圧を検知して各単電池の充放電状況を監視すると共
に保護装置２ａ，２ｂ，２ｃの動作を単電池モジュール
３ａ，３ｂ，３ｃの端子間電圧の変化により検出する動
作検出手段兼端子間電圧検出手段１０に接続してある。
また、組電池４の正極側は充放電を制御する充放電制御
部１１に接続してあり、該充放電制御部１１と動作検出
手段兼端子間電圧検出手段１０は全体制御部１２に接続
してあって、該全体制御部１２で各単電池モジュール３
ａ，３ｂ，３ｃの端子間電圧の管理，データ処理を行
い、充放電制御部１１の動作管理をしている。

【００１７】全体制御部１２には異常時の表示を行う表
示手段１３と外部に異常情報等を伝達する通信手段１４
及び、充電時に外部からの入力電圧の所定の充電用直流
電圧への変換と放電時に放電電圧を所定の外部出力電圧
に変換する電圧変換部１６とが接続してある。なお、本
実施例では表示手段１３としてＬＥＤによる視覚的手段
を用いているが、ブザーや音声による聴覚的手段通信手
段や振動による触覚的手段でもよく、またこれらを併用
してもよく、手段を限定するものではない。

【００１８】１４には外部接続用端子台１５が接続して
あり、電圧変換部１６には外部入出力接続用端子台１７
が接続してある。なお、本実施例では通信手段１４とし
て有線による手段を用いているが、光や電波を用いた無
線による手段でもよく、手段を限定するものではない。
このように構成した蓄電装置用組電池制御装置の単電池
異常時の動作を図２の放電時の異常単電池モジュールの
端子間電圧特性曲線と図３の充電時の異常単電池モジュ
ールの端子間電圧特性曲線を参照して説明する。

【００１９】単電池１ａ，１ｂ，１ｃの内の例えば単電
池１ｂが放電途中で異常となり保護装置２ｂが動作した
場合には、放電開始点１８より充放電制御部１１を放電
出力状態にし、正常放電曲線１９のように単電池モジュ
ール３ｂの端子間電圧は徐々に低下していき、単電池１
ｂが異常となって異常検出点２０で保護装置２ｂが異常
を検知して動作を開始し、単電池１ｂに接続されている
常閉接点側にあった可動接点が常開接点側に移動を開始
して、保護装置２ｂの可動接点は常閉接点と常開接点の
何れにも接触していないトランスファー状態になる。

【００２０】係るトランスファー状態のときの単電池モ
ジュール３ｂの端子間電圧は２１のトランスファー電圧
となって急激に低下する。なお、このときに端子間電圧
が過大電圧にならないのは放電電流が単電池モジュール
３ｂに並列接続されたダイオード５ｂ及び直列回路９ｂ
を介して流れるためである。

【００２１】端子間電圧はダイオード５ｂの順方向電圧
降下をＶｆとしたとき−Ｖｆまで降下し、保護装置動作
完了点２３で保護装置２ｂの可動接点が常開接点側に接
触安定したら端子間電圧はほぼゼロになる。電圧検出部
１０はこの端子間電圧の急低下とほぼゼロボルトでの安
定とを検出し、全体制御部１２に電圧検出情報を伝達
し、全体制御部１２は係る情報により単電池モジュール
３ｂの異常を認知して表示手段１３で係る異常情報を表
示すると共に、通信手段１４で外部に異常情報を送出す
る。また同時に全体制御部に内蔵した記憶手段（図示せ
ず）に予め設定してある電池異常時の充放電許容回数の
設定値を１だけ減少させ、以後１放電毎に電池異常時の
充放電許容回数を１ずつ減少させ、充放電許容回数がゼ
ロになったら充放電制御部１１に異常停止信号を出して
充放電を停止させる。

【００２２】次に充電途中で単電池１ｂが異常になって
保護装置２ｂが動作した場合について説明する。単電池
１ｂが放電終了点２４で放電を完了すると単電池モジュ
ール３ｂの端子間電圧は放電待機状態２５となって一定
電圧になる。充電開始点２６で充電を開始すると、最初
に単電池モジュール３ｂの内部抵抗による電圧降下の分
だけ端子間電圧が急増した後、正常時の充電曲線２７に
より徐々に端子間電圧が上昇する。

【００２３】単電池１ｂが異常になり保護装置２ｂが異
常を検知し、異常検出点２８で保護装置２ｂが動作を開
始して単電池１ｂに接続されている常閉接点側にあった
可動接点が常開接点側に移動を開始して保護装置２ｂの
可動接点が常閉接点と常開接点の何れにも接触していな
いトランスファー状態になる。係るトランスファー状態
のときの単電池モジュール３ｂの端子間電圧は２９のト
ランスファー電圧となって急激に上昇する。

【００２４】このときに端子間電圧がいきなり過大電圧
になったりゼロになったりしないのは、充電電流が単電
池モジュール３ｂに並列に接続してある直列回路９ｂを
流れてコンデンサー６ｂを充電するためであり、保護装
置３ｂの保護装置動作完了点３０で保護装置２ｂの可動
接点が常開接点側に接触安定したら端子間電圧はほぼゼ
ロになる。電圧検出部１０はこの端子間電圧の急上昇と
ほぼゼロボルトでの安定とを検出し、全体制御部１２に
電圧検出情報を伝達し、全体制御部１２は係る情報によ
り単電池モジュール３ｂの異常を認知して表示手段１３
で係る異常情報を表示すると共に、通信手段１４で外部
に異常情報を送出する。

【００２５】また同時に全体制御部に内蔵した記憶手段
（図示せず）に予め設定してある電池異常時の充放電許
容回数を１だけ減少させる処理を有効にして、次の放電
時に電池異常時の充放電許容回数の設定値を１だけ減少
させ、以後１放電毎に電池異常時の充放電許容回数を１
ずつ減少させ、充放電許容回数がゼロになったら充放電
制御部１１に異常停止信号を出して充放電を停止させ
る。

【００２６】これらの電池異常時の保護装置２ｂの可動
接点のトランスファー状態のときに直列回路９ｂを流れ
る電流はコンデンサー６ｂの充放電電流であるが、コン
デンサー６ｂの充電電流は抵抗７ｂとダイオード８ｂと
を分流し、抵抗７ｂの両端の電位差はダイオード８ｂの
順方向電圧降下と等しくなるので、コンデンサー６ｂの
充電時の等価抵抗は小さくなり、速やかに充電される。

【００２７】一方コンデンサー６ｂの放電時には放電電
流がダイオード８ｂを流れずに抵抗７ｂのみを流れるの
で、コンデンサー６ｂの放電時の等価抵抗は大きくな
り、直流回路９ｂの両端を保護装置２ｂで短絡しても過
大な電流は流れない。また、異常な電池が１ａまたは１
ｃの場合でも本実施例の蓄電装置用組電池制御装置の動
作は同じである。

【００２８】なお、蓄電装置が待機状態である場合には
組電池４は放電中若しくは放電待ち若しくは充電待ちの
状態にあるが、組電池４が放電待ちの状態の場合の電池
異常時の蓄電装置用組電池制御装置の動作は放電中の電
池異常時と同じであり、組電池４が充電待ちの状態の場
合の電池異常時の蓄電装置用組電池制御装置の動作は充
電中の電池異常時と同じであることはいうまでもない。

【００２９】また、図４に単電池１ａの代わりに３個の
２次電池１ａ１，１ａ２，１ａ３を並列接続した２次電
池モジュール３３ａを用いた実施例を示す。本実施例で
は、単電池としての容量が３分割されるので、２次電池
１ａ１，１ａ２，１ａ３の何れか１つの容量が経時変化
等で減少しても単電池モジュール３３ａ全体の容量とし
ては容量の減少は少なくなる。保護装置２ａが何れの２
次電池１ａ１，１ａ２，１ａ３の異常に対しても動作す
るようにすることにより、２次電池１ａ１，１ａ２，１
ａ３の何れの異常時にも異常検知後の蓄電装置用組電池
制御装置としての動作は単電池１ａを用いた場合の異常
対応動作と同じである。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、２次電
池を複数個直列接続した組電池が充電中または放電中に
電池の異常を検出したときに速やかに異常電池を切り放
した上で外部端子間を短絡するので係る部分での発熱を
大幅に低減でき、組み電池全体を遮断して他の電池への
充放電を停止するので、異常が正常な電池に拡大するこ
とを未然に防止できるとともに安全性を向上できる。

【００３１】また、第２の発明によれば、電池の異常を
表示及び（または）蓄電装置以外に通知できるので、蓄
電装置の利用者若しくは管理者に異常を速やかに伝達す
ることができ、また異常電池を切り放して残りの正常電
池を用いて１回以上の所定回数の放電若しくは充放電を
できるので、非常用電源等で蓄電装置が万全な状態でな
くとも所定期間安全に使用できることが望ましい用途
や、移動体用等で充電手段が無い場所で停止しては困る
用途に好適な蓄電装置を提供できる。

【００３２】また、第３の発明によれば、保護装置の動
作を検知する手段と各単電池の過充電，過放電，充電完
了，放電完了等の検出を共通の手段により行うことがで
き、蓄電装置用組電池制御装置を安価にできる。

【００３３】また、第４の発明によれば、異常電池を組
電池の回路から電気的に切り放すときに異常電池を含む
単電池モジュールの両端に過大電圧が発生するのを防止
すると共に、保護装置内の回路切換部にアークが発生す
ることを防止若しくは低減でき、特に単電池を多数個直
列接続して使用する用途に好適な蓄電装置用組電池制御
装置を提供でき、更に、電池異常時に異常電池を含む単
電池モジュールに並列接続したダイオード及び直列回路
に大きな電流が流れる期間を異常電池切り放しの期間の
みにできるので、各部品の定格を小さくできると共に各
部品の発熱を少なくできる。また、第５の発明によれ
ば、充電中の電池異常時に保護装置が動作したときに、
単電池モジュールの端子電圧上昇を低くできるので、保
護装置内の回路切換部にアークが発生することを防止若
しくは低減できるとともに単電池の端子間電圧を検出す
る電圧検出手段の耐電圧を低くできる。また、第６の発
明によれば、各電池間の容量や内部抵抗のばらつきが生
じても組電池の性能への影響を低減でき、蓄電装置を安
定して使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１である蓄電制御装置の構成図
である。

【図２】放電途中で異常を検出した場合の単電池モジュ
ールの端子間電圧特性曲線である。

【図３】充電途中で異常を検出した場合の単電池モジュ
ールの端子間電圧特性曲線である。

【図４】本発明の実施例２の単電池として３個の２次電
池を並列接続した２次電池モジュールを用いた単電池モ
ジュールの構成図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ…単電池、１ａ１，１ａ２，１ａ３…
２次電池、２ａ，２ｂ，２ｃ…保護装置、３ａ，３ｂ，
３ｃ…単電池モジュール、４…組電池、５ａ，５ｂ，５
ｃ…ダイオード、６ａ，６ｂ，６ｃ…コンデンサー、７
ａ，７ｂ，７ｃ…抵抗、８ａ，８ｂ，８ｃ…ダイオー
ド、９ａ，９ｂ，９ｃ…直列回路、１０…動作検出手段
兼端子間電圧検出手段、１１…充放電制御部、１２…全
体制御部、１３…表示手段、１４…通信手段、１５…外
部接続用端子台、１６…電圧変換部、１７…外部入出力
接続用端子台、３３ａ…２次電池モジュール。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２次電池よりなる単電池の異常検出時に、
   当該単電池を電気的に開路した後に当該単電池に接続さ
   れていた外部端子間を電気的に短絡する保護装置を、２
   次電池よりなる各単電池毎に内蔵若しくは単電池の外部
   に設けて構成した単電池モジュールを複数個直列接続し
   て組電池を構成し、前記保護装置の単電池を電気的に切
   り放す動作を検知する動作検出手段を設け、該動作検出
   手段で何れか１個以上の単電池モジュールの保護装置の
   動作を検出すると組電池全体を遮断することを特徴とす
   る蓄電装置用組電池制御装置。