WO2007091626A1 - 電池パック - Google Patents

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Shinichiro Kosugi
Nobuo Shibuya
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Kabushiki Kaisha Toshiba
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the battery pack may be required to display the battery life, the charge / discharge amount, the temperature, and other battery states.
  • these displays are performed using an LED or a liquid crystal display, and the process of transmitting display data to an external monitoring device or computer via a communication line is always performed. Power was also required, leading to a reduction in battery life.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems.
  • the protection circuit can be used during periods when the protection circuit is unnecessary.
  • the purpose is to provide a battery pack that can extend the service life by stopping the power supply to.
  • Another object of the present invention is to use the remaining battery level obtained based on the battery voltage before the protection circuit is turned on as an initial value when the remaining battery level is obtained after the power switch is turned on. Accordingly, an object of the present invention is to provide a battery pack that can easily determine the remaining battery level that is reset when the power switch of the protection circuit is turned on / off.
  • a protection circuit connected to the cell and monitoring its voltage to prevent overcharge and Z or overdischarge;
  • the protection circuit is powered on and off in conjunction with the power switch for turning on and shutting off the power for driving the protection circuit, and the protection circuit power switch provided in the power output circuit including the protection circuit for the unit cell. And an output control switch.
  • an inert gas such as nitrogen gas or argon gas may be sealed in a gap between the outer case and each unit cell, or a foam material such as urethane foam or styrene foam may be sealed.
  • the power switch of the protection circuit may be configured to simultaneously turn on / off the power of the battery remaining amount detection unit.
  • the present invention may further include a communication unit that communicates a battery remaining amount value obtained by the battery remaining amount detecting unit to the outside.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of the first embodiment shown in FIG.
  • the gap between the metal case 2 and each unit cell 1 is filled with a force for filling an inert gas S such as nitrogen gas or argon gas, or with a foam material such as urethane foam or polystyrene. Yes.
  • an inert gas S such as nitrogen gas or argon gas
  • a foam material such as urethane foam or polystyrene.
  • the switch control unit 61 controls the output control switch 8 provided on the output lead 5 of the unit cell to be turned on and off in synchronization with the turning on / off of the protection circuit power supply switch 7.
  • the voltage monitoring unit 62 is connected to the voltage extraction wire 9 extending from each unit cell 1, monitors the voltage of each unit cell 1, and stops the charging or discharging operation before reaching the overcharge or overdischarge state.
  • SA ⁇ 3 ⁇ 4 It's a round.
  • the protection circuit power supply 63 is connected to the power supply switch 7, and enables the supply of power to the protection circuit 6 to be stopped by operating the power supply switch 7 such as the metal case 2 external force.
  • the protection circuit power supply 63 can use a dedicated dry battery or the like.
  • the output lead 5 side force of the unit cell is also configured to take power.
  • the protection circuit power 63 is not turned on unless the power switch 7 provided on the metal case 2 is turned on. Even when the power supply of the protection circuit that does not enter the degree of non-use of the battery pack is taken out from the single battery constituting the battery pack, the power of the single battery is not wasted for the protection circuit in the standby state of the battery. .
  • the protection circuit 6 can monitor the voltage of each individual battery, so that when the charge degree of a specific battery reaches 100%, the entire battery pack By stopping charging, it is possible to prevent overcharging of the unit cell.
  • the unit cell 1 since the unit cell 1 is housed in the rigid metal case 2, the unit cell 1 can be safely ignited even if the unit cell ruptures inside the metal case.
  • the use of a rigid metal case improves the protection function of the unit cell against the impact of external force, and the composite sheet. It is also advantageous in that the metal case can be easily manufactured as compared with the above.
  • the power switch 10 of the protection circuit 6 is directly attached to the metal case 2 in the first embodiment, whereas the power supply wire 10 is drawn from the metal case 2 to the outside.
  • the connector 11 provided at the tip of the power line 10 is connected to the power switch 7 provided in the external device 12 such as a control panel or a personal computer.
  • a communication control unit 64 is provided in the protection circuit 6, the communication line 13 is drawn out of the metal case 2 from the communication control unit 64, and provided at the tip of the communication line 13. Connect the connector 14 to the communication circuit 15 provided in the external device 12! /
  • the communication control unit 64 receives the voltage information of each single battery from the voltage monitoring unit 62 provided in the protection circuit 6 and the charge / discharge prohibition permission information determined based on the voltage information.
  • the data is transmitted to the communication circuit 15 of the external device 12 via the communication line 13, and the external device 12
  • the information obtained from 15 is displayed on a display or the like, and the charging / discharging operation for each unit cell is performed based on this information.
  • the output control switch 8 provided in the first embodiment is not provided in the metal case 2, but this is included in the charging / discharging prohibition permission information obtained by the communication means power. This is because the charge / discharge operation is performed in the external device 12 based on the above.
  • the output control switch 8 can be provided inside the metal case 2 to provide a double safety measure.
  • a battery remaining amount detection unit having current detection means 20 provided on the output circuit from the unit cell 1 and having a current integrator for integrating the current value detected by the current detection means 20. 21 is provided. Further, the battery remaining amount value obtained by the battery remaining amount detecting unit 21 is transmitted to the communication circuit 15 of the external device 12 via the communication control unit 64 and the communication line 13 as in the above-described embodiment. Has been.
  • the power switch 7 of the protection circuit 6 is adapted to turn on / off the power of the battery remaining amount detecting unit 21 at the same time.

Abstract

　複数の単電池の－側と＋側の端子を接続部材によって接続した状態で金属ケース内に収納する。金属ケースには＋側と－側の外部端子を設け、外部端子と単電池の端子とをリードによって接続する。金属ケース内には、各単電池の過放電や過充電を防止するための保護回路と、この保護回路の電源スイッチと連動する電池出力制御スイッチを設ける。保護回路の電源スイッチは金属ケース外部に設け、金属ケース外部からその投入・遮断操作を可能とする。

Description

電池パック
技術分野
[0001] 本発明は、複数個の単電池をケース内に収納して成る電池パックに関し、特に、電 池の電圧を監視して過充電や過放電を防止するための保護回路を操作するスィッチ を設けたことを特徴とするものである。
背景技術
[0002] 複数個の単電池をケース内に収納して成る電池パックに電圧監視用の制御回路を 設けたり、過放電や過充電を防止するための保護回路を設ける技術としては、例え ば、特許文献 1から特許文献 3に記載のものが知られている。
[0003] 特許文献 1 (特開 2004— 111132号公報）に記載の技術は、電気自動車等のモー タ駆動用電池として保護回路を設けるにあたり、電池をグループィ匕することで保護回 路数を減らしたものである。特許文献 2 (特開 2003— 217534号公報）に記載の技 術は、複数の単電池の初期状態や電池性能が異なっていても、各単電池が最適な 状態に充電されるように複数のスィッチ回路を有する保護回路を設けたものである。 また、特許文献 3特開（11— 341693号公報）に記載の技術は、複数の単電池から なる電池モジュールを複数接続した場合に、各電池モジュールの過充電時に充電 電流を迂回する保護回路を設けたものである。
[0004] し力しながら、前記各特許文献で提案されているような従来の電池パックにおいて は、電池の使用あるいは不使用状態にかかわらず、常時保護回路を作動させておく ために保護回路駆動用の電源が必要であった。
[0005] この電源は、電池パックが充電用電源と接続されて!ヽる場合以外は、電池パックを 構成する単電池から取ることになるので、単電池の放電時間の短縮を招くという問題 があった。特に、大型の電源装置では多数の電池パックが使用されることから、個々 の電池パックにおける保護回路の消費電力は小さくとも、電源装置全体としてみると かなりの無駄になっていた。
[0006] また、充放電が頻繁に繰り返される電池パックにおいては、保護装置で費やされる 電力は直ちに次の充電時に補填されることから大きな問題になることはないが、例え ば、送配電用の継電器等の電源装置のように、一度充電すると、次の充電時まで長 期間放置されるような電池パックの場合には、定期点検や充電時などだけ保護装置 が必要であるにもかかわらず、保護装置を使用する必要のない長期間にわたって継 続して保護装置に電源を供給することは電源装置の運用寿命の短縮に繋がるもので めつに。
[0007] 更に、電池パックには、前記のような保護回路に加えて、電池寿命ゃ充放電量、温 度その他の電池の状態を示す表示を行うことも要求される場合がある。そのような場 合、従来技術では、これらの表示を LEDや液晶ディスプレイにより行ったり、表示用 のデータを通信線を介して外部の監視装置やコンピュータ等に送信する処理を常時 行っていたため、そのための電力も必要で、電池寿命の低下を招いていた。
[0008] 発明の開示
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、電池パックの保護回 路を電池パック外部力 操作することのできる電源スィッチを設けることにより、保護 回路が不要な期間中は保護回路に対する電源供給を停止することにより、寿命の向 上を可能とした電池パックを提供することを目的とする。
[0009] 本発明の他の目的は、前記保護回路の電源スィッチと連動して、電池状態の表示 やデータの送信処理などにつ 、てもオン ·オフすることにより、より電池寿命の向上を 可能とした電池パックを提供することにある。
[0010] 本発明の他の目的は、保護回路の電源を投入前における電池電圧に基づいて得 られた電池残量を、電源スィッチ投入後にお ヽて電池残量を求める場合の初期値と することにより、保護回路の電源スィッチのオン'オフに伴ってリセットされてしまう電 池残量を、電源投入後に容易に判定可能とした電池パックを提供することにある。
[0011] 前記の目的を達成するために提供される本発明の電池パックは、
外側ケースと、
前記ケース内に直列接続して収納された複数の単電池と、
前記単電池に接続され、その電圧を監視して、過充電および Zまたは過放電を防 ぐための保護回路と、 前記保護回路に、保護回路駆動用の電源を投入 '遮断する電源スィッチと、 前記単電池の保護回路を含む電力出力回路に設けられた前記保護回路の電源ス イッチと連動して投入'遮断される出力制御スィッチと、を備えたことを特徴とする。
[0012] 上記電池パックの好適な実施例において、前記保護回路は、出力制御スィッチを 保護回路電源スィッチの投入'遮断と同期してオン'オフ制御すスィッチ制御部と、各 単電池から伸びる電圧取出用電線接続され、各単電池の電圧を監視する電圧監視 部と、前記電源スィッチと接続され、前記ケース外部からの電源スィッチの操作により 、保護回路に対する電源の供給停止をする保護回路電源と、を備えていることを特 徴とし得る。
[0013] また、前記外側ケースと各単電池との空隙部に窒素ガスやアルゴンガスなどの不活 性ガスを封入してもよぐまた、発泡ウレタンや発泡スチロールなどの発泡材を封入す ることちでさる。
[0014] また、前記電池パックが、電池外部に充放電が可能な状態であるかを外部に伝え る通信手段を備え、この通信手段が、前記保護回路の電源スィッチと連動して充放 電禁止許可状態信号を出力することを特徴とし得る。
[0015] また、本発明の上記目的は、
直列に接続した複数の単電池と、
前記単電池の電圧を監視して、過充電および Zまたは過放電を防ぐための保護回 路と、
この保護回路に、保護回路駆動用の電源を投入'遮断する電源スィッチと、 電池外部に充放電が可能な状態である力を外部に伝える通信手段と、を備え、 前記通信手段が、前記保護回路の電源スィッチと連動して充放電禁止許可状態信 号を出力するようにしたことを特徴とする電池パックを提供することによつても達成で きる。
[0016] また、前記出力回路を流れる電流を積算する電流積算計を用いた電池残量検出 部を備え、この電池残量検出部が、前記保護回路の電源スィッチの投入時に、電池 電圧を測定し、電流が流れていない状態での電圧カゝら電池の残量値を計算し、この 残量値を残量計算の初期値とし、前記電流積算計による電流積算値とこの初期値と 力 電池残量を検出するものであり、前記出力制御スィッチが、前記電池残量検出 部による初期値の算定後に投入されるものであることを特徴としてもよい。
[0017] また、前記保護回路の電源スィッチが、前記電池残量検出部の電源も同時に投入 •遮断するものであることを特徴としてもよい。
[0018] 前記電池残量検出部によって得られた電池残量値を外部に伝える通信手段を備 、ることを特徴としてもよ 、。
[0019] 上述の特徴を有する本発明によれば、保護回路の電源スィッチを投入すると出力 制御スィッチが閉じ、逆に保護回路の電源スィッチが遮断されると出力制御スィッチ が開く。このことにより、保護回路に電源が供給されない場合には電池は使えないの で、保護回路に支障が生じても電池の安全性は確保される。一方、保護回路の電源 スィッチが遮断されている場合には保護回路に電流が流れないので、電池を無駄に 消耗することがなぐ電池を有効に使うことができる。
図面の簡単な説明
[0020] [図 1]本発明による電池パックの第 1実施形態を示す断面図。
[図 2]図 1に示す第 1実施形態の回路図。
[図 3]本発明による電池パックの第 2実施形態を示す回路図。
[図 4]本発明による電池パックの第 3実施形態を示す回路図。
発明を実施するための最良の形態
[0021] 以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
[0022] (1)第 1実施形態
図 1に示す第 1実施形態は、本発明の基本的な構成を示すものであって、単電池 1 として、その上下端部に +端子と—端子を備えた柱状のものを使用したものである。 これら複数の単電池 1は、鉄やアルミのプレス成型品ゃ铸造品から成る気密'水密性 の金属ケース 2内に収納されている。
[0023] 前記単電池 1は、金属ケース 2内において交互に上下の向きを変えて収納されて おり、その 側と +側の端子を接続部材 3によって接続することで、電気的には直列 に接続されている。金属ケース 2には、 +側と 側の外部端子 4が設けられ、これら外 部端子 4と単電池 1の端子とがリード 5によって接続されている。 [0024] 金属ケース 2内には、各単電池の過放電や過充電を防止するための保護回路 6と、 この保護回路 6の電源スィッチ 7と連動する電池出力制御スィッチ 8が設けられている
。保護回路 6の電源スィッチ 7は金属ケース 2外部に設け、金属ケース 2外部からその 投入'遮断操作が可能になっている。
[0025] 前記保護回路 6には、直列接続された複数個の単電池の出力リード 5上に配置さ れているものであって、この保護回路 6には各単電池 1の +側と 側力 伸びる電圧 取出用電線 9が接続されて 、る。
[0026] 前記金属ケース 2と各単電池 1との空隙部には、窒素ガスやアルゴンガスなどの不 活性ガス Sが封入される力、あるいは、発泡ウレタンや発泡スチロールなどの発泡材 が充填されている。
[0027] 前記のような構成を有する第 1実施形態の電気回路の構成を図 2に示す。図 2に示 すように、保護回路 6は、スィッチ制御部 61、電圧監視部 62および保護回路電源 63 とを備えている。
[0028] スィッチ制御部 61は、単電池の出力リード 5上に設けられた出力制御スィッチ 8を、 保護回路電源スィッチ 7の投入'遮断と同期してオン'オフ制御するものである。電圧 監視部 62は、各単電池 1から伸びる電圧取出用電線 9と接続され、各単電池 1の電 圧を監視し、その過充電あるいは過放電状態に至る前に充電あるいは放電操作を停 止さ ·¾：るちのである。
[0029] 保護回路電源 63は、前記電源スィッチ 7と接続され、金属ケース 2外部力ゝらの電源 スィッチ 7の操作により、保護回路 6に対する電源の供給停止を可能とするものである 。この場合、保護回路電源 63としては、専用の乾電池などを使用することも可能であ る力 本実施形態では、単電池の出力リード 5側力も電源を取るように構成している。
[0030] このような構成を有する第 1実施形態においては、金属ケース 2に設けた電源スイツ チ 7を投入しない限り、保護回路電源 63が投入されることがないので、保護回路 6の 電源が電池パックの不使用度に入ることがなぐ保護回路の電源を電池パックを構成 する単電池から取り出す構成でも、電池の待機状態に単電池の電力が保護回路用 として無駄に費やされることがな 、。
[0031] また、電源スィッチ 7と出力制御スィッチ 8との投入'遮断が連動しているので、電源 スィッチ 7を投入しない限り、出力制御スィッチ 8が投入されることがない。その結果、 保護回路 6が動作しない状態で単電池の充放電がなされることがなぐ単電池の過 放電や過充電が確実に防止できる。
[0032] 更に、本実施形態では、保護回路 6によって個々の単電池の電圧を監視することが 可能になるので、ある特定の単電池の充電度が 100%に達した時点で電池パック全 体の充電を停止することで、その単電池に対する過充電を防止することが可能にな る。
[0033] また、単電池 1を剛性のある金属ケース 2内部に収納しているため、金属ケース内 部で単電池が破裂するようなことがあっても発火することがなぐ安全性が高まる。特 に、特許文献 3のように、複合シートによって水分の浸入を防止する技術に比較して 、剛性の高い金属ケースの使用により外部力 の衝撃に対する単電池の保護機能が 向上すると共に、複合シートに比較して容易に金属ケースを製作できる点でも有利で ある。
[0034] なお、前記のように前記金属ケース 2と各単電池 1との空隙部に不活性ガスを封入 した場合には、耐発火性能が向上する。また、発泡ウレタンや発泡スチロールなどの 発泡材を充填した場合には、金属ケース 2内での単電池の振動を防止したり、石油 系溶剤の漏出防止や外部からの水分浸入防止などの効果がある。
[0035] (2)第 2実施形態
図 3に示す第 2実施形態は、前記第 1実施形態が保護回路 6の電源スィッチ 7を金 属ケース 2に直接取り付けていたのに対して、金属ケース 2から外部に電源線 10を引 き出し、この電源線 10の先端に設けたコネクタ 11を制御盤やパソコン等の外部装置 12に設けた電源スィッチ 7に接続したものである。
[0036] また、この第 2実施形態では、保護回路 6内に通信制御部 64を設けて、この通信制 御部 64から金属ケース 2外部に通信線 13を引き出し、この通信線 13先端に設けた コネクタ 14を外部装置 12に設けた通信回路 15に接続して！/、る。
[0037] この場合、通信制御部 64は、保護回路 6に設けられた電圧監視部 62からの各単電 池の電圧情報や、電圧情報に基づいて判定された充放電の禁止許可情報を、通信 線 13を介して外部装置 12の通信回路 15に送信し、外部装置 12ではこの通信回路 15から得られた情報をディスプレイ等に表示したり、この情報に基づいて各単電池に 対する充放電操作を行う。
[0038] なお、第 2実施形態においては、前記第 1実施形態に設けた出力制御スィッチ 8を 金属ケース 2に設けていないが、これは、通信手段力 得られた充放電の禁止許可 情報に基づいて外部装置 12において充放電操作を行うためである。しかし、この第 2 実施形態においても、出力制御スィッチ 8を金属ケース 2内部に設けて、二重の安全 策とすることも可能である。
[0039] (3)第 3実施形態
図 4に示す第 3実施形態は、単電池 1からの出力回路上に電流検出手段 20を設け 、この電流検出手段 20で検出された電流値を積算する電流積算計を有する電池残 量検出部 21を設けたものである。また、電池残量検出部 21によって得られた電池残 量値は、前記第に実施形態と同様に、通信制御部 64、通信線 13を介して外部装置 12の通信回路 15に伝えるように構成されている。また、前記保護回路 6の電源スイツ チ 7が、この電池残量検出部 21の電源も同時に投入'遮断するようになっている。
[0040] また、前記電池残量検出部 21が、前記保護回路 6の電源スィッチ 7の投入時に、 電池電圧を測定し、電流が流れて！/、な ヽ状態での電圧から電池の残量値を計算し、 この残量値を残量計算の初期値とし、前記電流積算計による電流積算値とこの初期 値とから電池残量を検出するように構成されている。更に、前記出力制御スィッチ 8は 、前記電池残量検出部 21による初期値の算定後に投入されるものである。
[0041] このような構成を有する第 3実施形態においては、電池の残量を知りたい場合に、 電流積算計により電流検出手段 20によって得られた電流値の積算を行い、電池残 量検出部 21によりこの積算値力 電池の残量を予測する。この場合、第 3実施形態 では、保護回路 6に電源スィッチ 7を設け、電池残量検出部 21もこの保護回路 6の電 源スィッチ 7と連動して電源を入り切りし、電池停止中は電流積算も行わな 、ようにす ることで電池残量算定の精度が上がる効果がある。
[0042] さらに、スィッチが入れられた時に電池に直列に接続された出力制御スィッチ 8を入 れずに電圧を測定し、この電圧力 容量を予測し、電流積算の初期値としている。す なわち、電池は使用状態では電圧からの残量の予測は困難である力 電流が流れて いない状態ではその電圧値力 正確に予測することができる。そのため、使用状態 の電圧から残量を予測する従来技術では電流積算には必ず誤差がつきまとうため、 長期間には残量予測値が実際の残量とずれていってしまうが、第 3実施形態によれ ば、電源スィッチの投入時ごとに初期値を得ることが可能となるので、電流積算に伴 うずれを電池を使うたびごとに修正できるので、電池残量の予測がより正確となる利 点がある。

Claims

請求の範囲
[1] 外側ケースと、
前記ケース内に直列接続して収納された複数の単電池と、
前記単電池に接続され、その電圧を監視して、過充電および Zまたは過放電を防 ぐための保護回路と、
前記保護回路に、保護回路駆動用の電源を投入 '遮断する電源スィッチと、 前記単電池の保護回路を含む電力出力回路に設けられた前記保護回路の電源ス イッチと連動して投入'遮断される出力制御スィッチと、を備えたことを特徴とする電 池パック。
[2] 前記保護回路は、出力制御スィッチを保護回路電源スィッチの投入'遮断と同期し てオン'オフ制御すスィッチ制御部と、各単電池から伸びる電圧取出用電線接続され 、各単電池の電圧を監視する電圧監視部と、前記電源スィッチと接続され、前記ケー ス外部からの電源スィッチの操作により、保護回路に対する電源の供給停止をする 保護回路電源と、を備えて 、ることを特徴とする請求項 1に記載の電池パック。
[3] 前記外側ケースと各単電池との空隙部に窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガ スを封入したことを特徴とする請求項 1に記載の電池パック。
[4] 前記外側ケースと各単電池との空隙部に発泡ウレタンや発泡スチロールなどの発 泡材を封入したことを特徴とする請求項 1に記載の電池パック。
[5] 前記電池パックが、電池外部に充放電が可能な状態であるかを外部に伝える通信 手段を備え、この通信手段が、前記保護回路の電源スィッチと連動して充放電禁止 許可状態信号を出力することを特徴とする請求項 1に記載の電池パック。
[6] 直列に接続した複数の単電池と、
前記単電池の電圧を監視して、過充電および Zまたは過放電を防ぐための保護回 路と、
この保護回路に、保護回路駆動用の電源を投入'遮断する電源スィッチと、 電池外部に充放電が可能な状態である力を外部に伝える通信手段と、を備え、 前記通信手段が、前記保護回路の電源スィッチと連動して充放電禁止許可状態信 号を出力するようにしたことを特徴とする電池パック。
[7] 前記出力回路を流れる電流を積算する電流積算計を用いた電池残量検出部を備 え、この電池残量検出部が、前記保護回路の電源スィッチの投入時に、電池電圧を 測定し、電流が流れていない状態での電圧力 電池の残量値を計算し、この残量値 を残量計算の初期値とし、前記電流積算計による電流積算値とこの初期値とから電 池残量を検出するものであり、前記出力制御スィッチが、前記電池残量検出部による 初期値の算定後に投入されるものであることを特徴とする請求項 1または請求項 6に 記載の電池パック。
[8] 前記保護回路の電源スィッチが、前記電池残量検出部の電源も同時に投入'遮断 するものであることを特徴とする請求項 7に記載の電池パック。
[9] 前記電池残量検出部によって得られた電池残量値を外部に伝える通信手段を備 えていることを特徴とする請求項 7に記載の電池パック。
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