TWI404296B - Multi-series multi-parallel battery pack - Google Patents

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Description

多串聯多並聯電池組
本發明係有關於對電子機器等供給電力之2次電池組，特別有關於將2次電池多串聯、多並聯連接所構成之多串聯多並聯電池組。
鋰離子電池等之2次電池通常在被使用作為用電機器之電源之情況時，被使用作為與保護電路形成一體化之2次電池組，該保護電路檢測2次電池之電壓或電流等，並利用開關使電源線開閉，而進行充放電控制等，近年來2次電池組因使用者之要求而高電壓化、高容量化地進步。為著因應此種要求，經由串聯、並聯地組合多數之2次電池而實現高電壓‧高容量之電源。
圖4是電路構造圖，用來表示此種先前技術之2次電池組之構造之一實例。在圖4中其構成包含有：串聯連接之4個之單元20-1、20-2、20-3、20-4，以串聯連接之複數之2次電池作為一個之單元；開關元件22，用來進行電源線之開閉；和控制電路23，根據2次電池之資訊而利用開關元件22之控制以進行充放電之控制等。
圖5是電路構造圖，用來表示先前技術之一單元之構造之一實例。在圖5中，使8個之2次電池30-1~8串聯連接而構成一個之單元。此種情況時，為著利用控制電路23進行控制，利用來自各個2次電池之電壓測定用引出線31，將各個2次電池之電壓傳達到控制電路23。在控制電路23依照該等之電壓進行判斷，並進行開關元件22之控制等之保護動作。該引出線之佈線方法之一實例被揭示在專利文獻1。
專利文獻1：日本專利特開2001-6644號公報
在圖4、圖5所示之先前技術之2次電池組中，當為著要獲得更高電壓、高容量之電源，而使單元數目增加導致使在2次電池組內所連接之2次電池之數目增加之情況時，必需利用進行保護動作之控制電路23監視全部之2次電池之電壓，因此會造成控制電路23之控制處理需要長時間，會有可能不以適當之時序進行過充電或過放電之檢測，和與其對應之保護處理。
另外，當用來將電壓傳達到直接連接在2次電池之單元外部之引出線31，發生互相短路之情況時，考慮有可能對2次電池造成損害，和引出線本身發熱而受損傷。例如，在2次電池為鋰離子電池之情況時，因為充電電壓為4.2V程度，所以假如使2次電池之電壓成為5V，2次電池之內部電阻值成為10mΩ，引出線等佈線部之電阻值成為5mΩ時，則當引出線短路之情況時所流動之電流I，以單純之計算將成為I=5V÷(10mΩ+5mΩ+5mΩ)=250A。
因此，本發明之課題是提供多串聯多並聯電池組，即使連接有多數之2次電池亦可以以適當之時序進行保護動作，另外，即使在從各個2次電池引出之電壓測定用之引出線有短路之情況時，亦不會在2次電池或引出線產生損傷。
為著解決上述之問題，本發明之多串聯多並聯電池組，係具有串聯或並聯連接之複數單元，和利用來自該單元之控制輸出信號進行充電或放電控制之控制電路之2次電池組，其特徵在於使上述單元具有：串聯或並聯連接之複數個2次電池；檢測該2次電池之各個之電壓之功能；根據該電壓檢測結果而輸出上述控制輸出信號之功能；和引出線，用來將上述2次電池之各個之電壓傳達到上述控制電路或外部電路。
在此處亦可以使上述單元未具有用來對連接到上述2次電池之電性線路進行遮斷或切換的開關元件。
另外，最好的是在上述引出線串聯地插入有電阻，或在上述引出線連接有差動放大器，使其輸出傳達到上述控制電路或外部電路。
在本發明中，如上述之方式，在各個單元內部具有檢測各個2次電池電壓之功能、亦即檢測電路等，依照其檢測結果判斷充電、放電之停止之必要性之電路，和依照其判斷結果輸出控制輸出信號之功能，在單元之外部之控制電路根據上述控制輸出信號，經由控制FET等之開關元件而實現保護動作。另外，因為在控制電路或2次電池組外部之使用者側電路，亦具有可以測定2次電池之電壓之引出線，所以在控制電路或外部電路構建成為可以進行電池之剩餘量管理或劣化判定之系統。這時，以各個引出線即使有短路之情況時亦不會有大電流流動之方式，將高電阻串聯插入在引出線，或連接差動放大器使其輸出傳達到上述控制電路或外部電路。
本發明因為在控制電路可以根據從各個單元輸出之控制輸出信號進行FET等之開關元件之控制，所以保護動作之控制處理被簡化。另外，要使用來自各個2次電池之電壓測定用引出線，進行與保護動作無關之剩餘量管理等時，測定全部之2次電池電壓之時間，當與保護動作比較，即使變慢亦不會有問題，所以即使將多數之2次電池串聯、並聯連接亦不會有障礙。
因此，利用本發明可以獲得多串聯多並聯電池組，即使連接多數之2次電池亦可以以適當之時序進行保護動作，此外，從各個2次電池引出之電壓測定用之引出線，即使有短路之情況時亦不會在2次電池或引出線產生損傷。
以下參照圖式用來說明本發明之實施形態。
圖1是電路構造圖，用來表示本發明之多串聯多並聯電池組之一實施形態之電池組，圖2是電路構造圖，用來表示本實施形態所使用之單元之一實例。在圖1中，本電池組具有：4個之單元1-1、1-2、1-3、1-4，形成串聯連接；和控制電路3，利用來自各個單元之成為控制輸出信號之充電停止信號、放電停止信號，分別進行充電或放電之控制。另外，在圖2中，各個單元具有：8個2次電池10-1~8，形成串聯連接；電壓檢測電路15，具有檢測各個2次電池之各個電壓之功能，和根據其電壓檢測結果輸出充電停止信號13、放電停止信號14之功能；和引出線11，用來將2次電池之各個電壓傳達到控制電路3或外部電路。
在此處於各個單元之引出線途中之部分12，串聯地插入電阻，或連接差動放大器而使其輸出傳達到控制電路3或外部電路。圖3是本發明之引出線之電路構造圖，圖3(a)是在引出線途中之部分12插入電阻之情況時之電路構造圖，圖3(b)是在引出線途中之部分12連接差動放大器之情況時之電路構造圖。
在此處如圖3(b)所示，差動放大器使用運算放大器等，與2次電池構成1對1，而成為將2次電池10-1~8之兩端電壓分別連接到輸入端子，並使其差之電壓從輸出端子輸出之電路。經由使用差動放大器，因為分別將2次電池10-1~8之兩端電壓變換成為以運算放大器之地線位準作為基準之電壓並進行輸出，所以在利用控制電路3測定電壓時，可以直接輸入到AD變換電路，而具有可以使控制電路3之電路簡化之優點。
另外，如圖3(a)所示，當在引出線11插入電阻之情況時，經由使插入在引出線11之電阻值成為250~1kΩ程度，2次電池10-1~8使用電池電壓為5V之鋰離子電池，即使引出線11之相鄰者間發生短路，因為在各個引出線插入有電阻，所以通過2個電阻，因此流動之電流成為2.5~10mA之較小值。另外，如圖2之單元之方式，在8個串聯之情況時，電壓測定用之引出線11間之電壓差成為最大5V×8串聯之40V，但是在其引出線間即使發生短路之情況時，因為在引出線只有20~80mA之電流流動，所以不會對2次電池10-1~8造成損傷，而且不會產生引出線11之發熱，損傷。
另外，如圖3(b)所示，當在電壓測定用之引出線途中之部分12不是插入電阻而是插入差動放大器之情況時，因為2次電池之能量不是直接輸出，所以在差動放大器前之部分即使發生短路，亦不會對2次電池10-1~8造成損傷，而且不會產生引出線11之發熱，損傷。
在圖2之單元是2次電池10-1~8之8個串聯連接，但是串聯連接之2次電池之數目、及並聯連接之有無和其數目可以依照目的任意地設定。電壓檢測電路15可以由檢測IC構成，用來檢測鋰離子電池用之過充電或過放電，另外，亦可以由微電腦等之具有利用AD變換器測定電壓而檢測過充電或過放電功能之電路和微電腦等之程式構成。
本實施形態之電池組如圖2所示，利用控制電路3控制開關元件2，而進行充電和放電之保護動作。單元1-1~4和控制電路3利用各個2次電池電壓之測定用之引出線11-1~4和充電停止信號線13-1~4、放電停止信號線14-1~4連接，利用控制電路3對從各個單元輸出之充電停止信號、放電停止信號進行OR處理，而進行開關元件2之控制。另外，利用以引出線測定2次電池電壓，可以用來管理電池組之詳細狀態，經由測定電流可以用來進行過電流檢測，或可以利用2次電池電壓和電流進行容量算出。
在先前技術之電池組中，2次電池電壓係利用控制電路上之微電腦等之AD變換器進行處理和測定，但是當單元數目變多時會造成要把握全部之2次電池電壓需要長時間。但是，在本實施形態中，關於保護動作之判定，因為可以利用單元1-1~4所輸出之充電停止信號和放電停止信號判斷，所以處理時間變短。另外，利用引出線之2次電池電壓可以使用在剩餘量管理或對電池組所連接之系統本體之狀態通知。
在本實施形態之電池組中是串聯連接4個單元，但是串聯連接之單元數目、及並聯連接之有無和其數目可以依照目的任意地設定。
本發明並不只限於上述之實施形態者，亦可以依照目的而設計成為具備有因應使用者要求之必要功能，例如，具備2次電池或單元之串聯、並聯之該等組合之連接和連接數目，或電池組之其他之保護電路功能，或可管理之電池資訊之種類等。
 (產業上之可利用性)
近年來鋰離子電池等之2次電池，其用途擴大到電動機器或用電機器之電源等之領域。此種之2次電池被使用作為與保護電路形成一體之2次電池組，該保護電路檢測2次電池之電壓或電流等，使電源線開閉而進行充放電控制等。2次電池組被要求成為更高電壓化、更高容量化，因此經由使多數之2次電池串聯、並聯組合而可以實現更高電壓、高容量之電源。
當使在2次電池組內連接之2次電池數目增加之情況時，必需利用進行保護動作之控制電路監視全部之2次電池之電壓，而會造成控制電路之控制處理需要長時間，會有可能不以適當之時序進行過充電或過放電之檢測、和與其對應之保護處理。另外，要考慮當用來將電壓傳達到直接連接在2次電池之單元外部之引出線，發生互相短路之情況時，有可能對2次電池造成損害，和引出線本身發熱而受損傷。
在本發明中可以提供多串聯多並聯電池組，即使連接有多數之2次電池亦可以以適當之時序進行保護動作，另外，即使在從各個2次電池引出之電壓測定用之引出線有短路之情況時，亦不會在2次電池或引出線產生損傷，產業上之可利用性非常大。
1-1~4、20-1~4．．．單元
2、22．．．開關元件
3、23．．．控制電路
10-1~8、30-1~8．．．2次電池
11、11-1~4、31、31-1~4．．．引出線
12．．．引出線途中之部分
13．．．充電停止信號
13-1~4．．．充電停止信號線
14．．．放電停止信號
14-1~4．．．放電停止信號線
15．．．電壓檢測電路
圖1是電路構造圖，用來表示本發明之多串聯多並聯電池組之一實施形態之電池組。
圖2是電路構造圖，用來表示本實施形態所使用之單元之一實例。
圖3是本發明之引出線之電路構造圖，圖3(a)是在引出線途中之部分插入電阻之情況時之電路構造圖，圖3(b)是在引出線途中之部分連接差動放大器之情況時之電路構造圖。
圖4是電路構造圖，用來表示先前技術之2次電池組之構造之一實例。
圖5是電路構造圖，用來表示先前技術之一單元之構造之一實例。
10-1~8．．．2次電池
11．．．引出線
12．．．引出線途中之部分
13．．．充電停止信號
14．．．放電停止信號
15．．．電壓檢測電路

Claims (2)

  1. 一種多串聯多並聯電池組，係具有串聯或並聯連接之複數單元、輸入有由上述單元所輸出之充電停止信號及放電停止信號之控制電路、及藉由上述控制電路來控制而進行充電或放電之開關元件之2次電池組，其特徵在於，上述單元具有：串聯或並聯連接之複數個單位2次電池；檢測上述單位電池之各個電壓，並根據電壓檢測結果而輸出上述充電停止信號及放電停止信號之電壓檢測電路；及在將上述單位2次電池之各個電壓直接傳達到上述電壓檢測電路之同時，亦藉由電阻傳達到上述控制電路之引出線。
  2. 一種多串聯多並聯電池組，係具有串聯或並聯連接之複數單元、輸入有由上述單元所輸出之充電停止信號及放電停止信號之控制電路、及藉由上述控制電路來控制而進行充電或放電之開關元件之2次電池組，其特徵在於，上述單元具有：串聯或並聯連接之複數個單位2次電池；檢測上述單位電池之各個電壓，並根據電壓檢測結果而輸出上述充電停止信號及放電停止信號之電壓檢測電路；及在將上述單位2次電池之各個電壓直接傳達到上述電壓檢測電路之同時，亦藉由差動放大器傳達到上述控制電路之引出線。
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