WO2011077814A1 - 二次電池電圧検出システム - Google Patents

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裕基 堀
鈴木　伸
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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery voltage detection system for detecting a voltage of a multi-series lithium ion secondary battery in a battery pack of a plurality of lithium ion secondary batteries.
  • Secondary batteries such as lithium ion secondary batteries input and output energy to and from the outside, so there is a possibility that overcharge or overdischarge may occur depending on the method of use. This phenomenon may adversely affect the secondary battery and may be dangerous. For this reason, it is common to monitor the state of the battery by providing a secondary battery or the like with a protection circuit.
  • Detecting abnormalities such as overcharge and overdischarge of the battery in the protection circuit is performed by an abnormality detection unit composed of a cell protection IC or the like.
  • an abnormality detection unit composed of a cell protection IC or the like.
  • cell protection ICs mounted on the abnormality detection unit.
  • One has a serial communication function, and communicates information such as voltage and current of each cell constituting the battery pack with a CPU equipped with a protection circuit. Based on the result, the operation terminal of the abnormality detection unit
  • This is a cell protection IC of the type that changes the voltage level and shuts off and connects the switches on the charge and discharge circuits.
  • Patent Document 1 there is a technique described in Patent Document 1.
  • the other is that it does not have a serial communication function, and the cell protection IC operates independently depending on whether each cell is abnormal, changes the voltage level of the operation terminal of the abnormality detection unit, and the charge and discharge switches on the circuit.
  • This is a cell protection IC of the type that performs blocking and connection. In both types, the charge and discharge switches on the circuit are cut off and connected by changing the voltage level of the operating terminal. As an example using such a configuration, there is a technique described in Patent Document 2.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an example of a configuration of a lithium ion secondary battery pack having an abnormality detection function without having a serial communication function.
  • the protection circuit 2 detects at least one abnormality among overcharge, overdischarge, overcurrent, and overheat of the lithium ion secondary battery 1, and based on the detection result, It has a protection function for controlling the interruption and connection of the charging and discharging switch 8 by the outputs from the operation terminals 9 to 12 of the abnormality detection units 3 to 6.
  • the abnormality detection method using the abnormality detection units 3 to 6 including the protection IC described above is applied to the lithium ion secondary battery 1 having a large number of series, the number of batteries that can be managed per abnormality detection unit is Depends on the performance of the protection IC. Therefore, in order to apply a general-purpose protection IC to the abnormality detection of the lithium ion secondary battery 1 with the increased number of series, it is also necessary to configure the abnormality detection units 3 to 6 formed of the cell protection IC in series.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a conventional multi-series battery pack abnormality detection system.
  • the voltage levels of the operation terminals 9 to 12 of the abnormality detection units 3 to 6 are greatly different from each other.
  • the voltage at the operation terminals 9 to 12 of the abnormality detection units 3 to 6 exceeds 40 V at the maximum.
  • the charge and discharge switch 8 often uses elements such as FETs, and the drive voltage range is said to be about 5 to 30 V, and the voltage level at which the charge and discharge switch 8 can be driven on the circuit. Will deviate greatly. Therefore, it is difficult to directly drive the charge and discharge switches 8 on the circuit by the outputs of the operation terminals 9 to 12 of the abnormality detection units 3 to 6.
  • the CPU 7 is installed on the circuit, and the voltage levels of the operation terminals 9 to 12 of the abnormality detection units 3 to 6 in the voltage level conversion units A13 to 16, that is, the detections in the abnormality detection units 3 to 6 are detected.
  • the voltage reference of the signal is uniformly converted to a voltage level that can be read by the CPU 7, and then converted to a voltage detection level 17 of the CPU 7.
  • the CPU 7 determines whether or not there is a cell abnormality, and controls the charging and discharging switch 8 on the circuit by a signal 18 from the CPU 7.
  • the voltage level converters A13 to A16 are in an operating state in which current always flows due to the circuit configuration, thereby protecting the current consumption of the voltage level converters A13 to A16.
  • the current consumption of the circuit 2 is greatly increased.
  • a protection IC set to stop discharge from the battery is selected after the abnormal signal indicating overdischarge from the battery is constantly monitored and the abnormal signal is detected.
  • FIG. 3 is a timing chart of signals in the system shown in FIG.
  • the signal (K-3) ⁇ Vb (V) of the GND level of the abnormality detection unit 3 is output from the operation terminal 9 of the abnormality detection unit 3 as a normal signal. Is output.
  • the current value that flows through the voltage level converter A13 and causes the LED to emit light is 3 Vb / R1 (A). Since the reliability and the like of the lithium ion secondary battery are also improved, normally, the voltage of the cell of each lithium ion secondary battery 1 continues normally for a long time. Therefore, if the cell voltage of each lithium ion secondary battery 1 continues to be in a normal state, the current that causes the LED to emit light, which is the main current consumption of the voltage level conversion unit A13, continues to flow.
  • the input voltage supplied to the voltage level converter A13 is also K ⁇ Vb (V)
  • the photocoupler LED does not emit light
  • the phototransistor has no photocurrent. Does not flow.
  • the signal voltage of CPU_Vcc (V) is output as it is to the abnormality detection terminal 17 from the output terminal of the voltage level conversion unit A13, and the CPU 7 determines that an abnormality has occurred in the cell of the lithium ion secondary battery 1, and is charged and discharged.
  • the switch 8 is operated to avoid danger.
  • the current for causing the LED of the voltage level conversion unit A to emit light is required to be in the order of milliamperes, the current consumption is greatly increased.
  • the current consumption of the voltage level conversion unit A has been reduced in order to further reduce the current consumption of the entire protection circuit when extending the operating time of industrial equipment and extending the cruising distance of electric assist bicycles and hybrid cars. Consideration was necessary.
  • An object of the present invention is to provide a secondary battery voltage detection system capable of reducing current consumption.
  • the voltage detection system of the multi-series lithium ion secondary battery of the present invention is A battery group in which a plurality of lithium ion secondary batteries are connected in series, a charge and discharge switch that is connected between the battery group and an output terminal to perform charging and discharging, and a battery in the battery group is divided into a plurality of blocks A plurality of abnormality detection units that divide and detect each battery voltage, a CPU that performs calculation processing of detection signals of each of the plurality of protection elements including the abnormality detection unit, and between the plurality of protection elements and the CPU
  • the secondary battery voltage detection system having a first voltage level conversion unit for uniformizing the voltage reference of the detection signal in A second voltage level converter connected between the plurality of abnormality detectors and the first voltage level converter;
  • the CPU outputs a signal for operating the second voltage level conversion unit at a predetermined time interval, and electrically connects a path between the plurality of abnormality detection units and the first voltage level conversion unit. It is characterized by being cut off or connected.
  • a protection circuit for a lithium ion secondary battery with a large number of series a plurality of abnormality detection units that detect the battery voltage by dividing the batteries of the battery group into a plurality of blocks, and a plurality of abnormality detection units
  • a second voltage level conversion unit is provided in a path between the protection element and the first voltage level conversion unit that unifies the voltage reference of the detection signal between the protection element and the CPU that performs calculation processing of the detection signal of each protection element.
  • a plurality of abnormality detection units that detect the battery voltage by dividing the batteries of the battery group into a plurality of blocks
  • the voltage level conversion unit of 2 is provided so that the path for detecting battery abnormality can be connected and cut off by the signal from the CPU, and the time for outputting the signal for detecting abnormality of the secondary battery is smaller than the time for not outputting
  • FIG. 4 It is a block diagram which shows an example of a structure of the lithium ion secondary battery pack which does not have a serial communication function but has an abnormality detection function. It is a block diagram which shows the abnormality detection system of the conventional multi-series battery pack. 3 is a timing chart of signals in the system shown in FIG. It is a block diagram which shows one Embodiment of the secondary battery voltage detection system of this invention. 5 is a timing chart of signals in the secondary battery voltage detection system shown in FIG. 4.
  • FIG. 4 is a block diagram showing an embodiment of the secondary battery voltage detection system of the present invention.
  • this embodiment is different from that shown in FIG. 2 in that the second voltage level conversion is performed between the abnormality detection units 3 to 6 and the first voltage level conversion units A13 to A16.
  • the parts B20 to B23 it is possible to monitor the state of each cell of the secondary battery at an arbitrary time by the signal of the CPU 7, and to reduce the current consumption that has always occurred in the normal state. .
  • the abnormality detection units 3 to 6 are installed in the protection circuit 2 of the lithium ion lithium ion secondary battery 1 having a large number of series, and the operation terminals 9 to 12 and the voltage level conversion unit A13 of the abnormality detection units 3 to 6 are installed.
  • Voltage level converters B20 to B23 are installed in the path between the lines 16 to 16 to block and connect the path between the abnormality detection units 3 to 6 and the voltage level converters A13 to A16 by the signal 19 from the CPU 7. Yes.
  • the operation terminals 9 to 12 of the abnormality detection units 3 to 6 are located near the protection IC when the protection IC terminal as the protection element becomes the operation terminals 9 to 12 as they are or when the protection IC suction capability is insufficient. In some cases, the operation terminals 9 to 12 exist inside the provided current amplifier circuit.
  • the maximum voltage is determined by the output of the lithium ion secondary battery in which the cells of the lithium ion secondary battery are serially connected in an integral multiple, and the abnormality detection unit 3 side is on the lower voltage side. The voltage is higher than that of the abnormality detection unit 6 side.
  • the voltage level converters B20 to B23 it is preferable to use an element having a level conversion function and a switching function such as a photocoupler or an electromagnetic relay.
  • FIG. 5 is a timing chart of signals in the secondary battery voltage detection system shown in FIG.
  • the voltage signal detected by the abnormality detection unit 3 is also set to be (K-3) ⁇ Vb (V) as in the prior art. To do. As a result, the signal voltage at the operation terminal 9 is also (K ⁇ 3) ⁇ Vb (V).
  • a signal voltage CPU_Vcc (V) which is a signal 19 for operating the voltage level conversion unit B20, is sent from the CPU 7 to the voltage level conversion unit B20 at an arbitrary time width, for example, Z (s) in the detected periodic interval.
  • the LED of the photocoupler of the voltage level converter B20 emits light and is turned on.
  • the state of the voltage of each cell of the lithium ion secondary battery 1 is monitored from the abnormality detection unit 9.
  • the current value that flows through the voltage level converter B20 and causes the LED to emit light is CPU_Vcc / R4 (A).
  • the main consumption current flowing through the voltage level conversion unit A13 is a current value 3Vb / R1 (A) for causing the LED to emit light, and the current value CPU_Vcc / for flowing through the voltage level conversion unit B20 to cause the LED to emit light.
  • R4 (A) the current value
  • the amount of current consumed per unit time increases when an abnormality is detected by the addition of the voltage level converter B20.
  • the voltage level converter B20 operates to electrically connect the path between the operation terminal 9 and the voltage level converter A13. Otherwise, this path As long as the voltage of each cell of the lithium ion secondary battery 1 continues to be normal as in the conventional system described above, the LED emits light. The inefficient operation that keeps the current to flow is eliminated.
  • the operation terminal 9 While the path between the operation terminal 9 and the voltage level conversion unit A13 is electrically cut off, the operation terminal 9 is in an open state, and information detected by the abnormality detection unit 3 is transmitted to the CPU 7. Instead, the abnormality detection terminal 17 detects CPU_Vcc. Therefore, in order to prevent malfunction of the CPU 7, it is preferable to set the abnormality detection terminal 17 insensitive. Then, the signal 19 is output at an arbitrary predetermined time or periodically to electrically connect the path between the operation terminal 9 and the voltage level conversion unit A13. While the path is electrically connected, the information detected by the abnormality detection unit 3 is transmitted to the CPU 7, so the abnormality detection terminal 17 cancels the dead setting.
  • the voltage signal detected by the abnormality detection unit 3 is expressed as K ⁇ Vb (V) as in the conventional system described above. It is set to be. Therefore, the signal voltage at the operation terminal 9 is also K ⁇ Vb (V).
  • the input voltage supplied to the voltage level converter A13 is also K ⁇ Vb (V)
  • the voltage level conversion unit B20 cannot operate, and the voltage level conversion unit A13 does not operate in conjunction therewith, and the signal voltage of the CPU_Vcc (V) is output to the abnormality detection terminal 17 as it is.
  • the CPU 7 determines that an abnormality has occurred in the cell of the lithium ion secondary battery 1, and operates the charging and discharging switch 8 to avoid danger. At this time, no current consumption flows except for the current that causes the LED of the voltage level converter B20 to emit light.
  • the current consumption of the voltage level converters A13 to A16 is X (A) as in the conventional system described above.
  • the time of the period interval to detect is set to Y (s).
  • the voltage level converters B20 to B23 are operated by the signal from the CPU 7 described above to electrically connect the paths between the abnormality detectors 3 to 6 and the voltage level converters A13 to A16, and the voltage level converters A13 to A16 are connected.
  • the method of restricting the operation of is performed, it is consumed when the voltage level conversion units A13 to A16 are operated by Z (s) out of Y (s) and YZ (s) is not operated.
  • the current is Z / Y of X (A).
  • the current consumption in this embodiment is Z / Y of (X + K) (A). From this, the system of this embodiment can obtain a great effect by setting Y >> Z.
  • the present invention is not limited to this, and design changes within a range not departing from the gist of the present invention are also included in the present invention. That is, various changes and modifications that can be naturally made by those skilled in the art are also included in the present invention.

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Abstract

複数のリチウムイオン二次電池が直列に接続された電池群と、電池群と出力端子との間に接続されて充放電を行う充電及び放電スイッチと、電池群の電池を複数のブロックに分割して各電池電圧を検出する複数の異常検出部と、異常検出部を含む複数の保護素子の各々の検出信号の演算処理を行うＣＰＵと、複数の保護素子とＣＰＵとの間で検出信号の電圧基準を一律化する第１の電圧レベル変換部と、複数の異常検出部と第１の電圧レベル変換部との間に接続された第２の電圧レベル変換部を有し、ＣＰＵは、第２の電圧レベル変換部を動作させるための信号を予め定められる時間間隔で出力し、複数の検出部と第一の電圧レベル変換部との経路を、電気的に遮断または接続する。

Description

二次電池電圧検出システム
　本発明は、複数のリチウムイオン二次電池の電池パックにおける、多直列リチウムイオン二次電池の電圧を検出する二次電池電圧検出システムに関する。
　リチウムイオン二次電池等の二次電池は、外部との間でエネルギーの入出力を行うことから、使用方法によっては過充電や過放電等が発生する可能性が有る。この発生現象は、二次電池に悪影響を及ぼすと共に危険を伴う場合がある。そのため、二次電池等に保護回路を装備して電池の状態を監視するのが一般的である。
　保護回路における電池の過充電や過放電等の異常検出は、セル保護ＩＣ等で構成された異常検出部にて行われる。この異常検出部に搭載されるセル保護ＩＣには、大きく分けて２種類ある。
　１つはシリアル通信機能を持ち、電池パックを構成する各セルの電圧や電流等の情報を、保護回路を搭載したＣＰＵとの間で通信し、その結果に基づいて異常検出部の動作端子の電圧レベルを変化させ、充電及び放電回路上にあるスイッチの遮断や接続等を行うタイプのセル保護ＩＣである。なお、シリアル通信機能を持つセル保護ＩＣを用いた例としては、特許文献１に記載の技術がある。
　もう１つは、シリアル通信機能を持たず、各セルの異常の有無によってセル保護ＩＣが単独で動作し、異常検出部の動作端子の電圧レベルを変化させ、回路上にある充電及び放電スイッチの遮断や接続を行うタイプのセル保護ＩＣである。どちらのタイプも動作端子の電圧レベルの変化で、回路上にある充電及び放電スイッチの遮断や接続等を行う。なお、このような構成を用いた例としては、特許文献２に記載の技術がある。
　図１は、シリアル通信機能を持たずに異常検出機能を持つリチウムイオン二次電池パックの構成の一例を示すブロック図である。
　図１に示す二次電池パックにおいては、保護回路２が、リチウムイオン二次電池１の過充電、過放電、過電流、過熱のうち少なくとも１つの異常を検出し、その検出結果に基づいて、異常検出部３～６の動作端子９～１２からの出力により、充電及び放電スイッチ８の遮断や接続等の制御を行う保護機能を持つ。
　上述した保護ＩＣで構成された異常検出部３～６による異常検出方法を、直列数の多いリチウムイオン二次電池１に適用する場合、異常検出部１つあたりで管理できる電池の数は、使用する保護ＩＣの性能に依存する。よって、直列数を増やしたリチウムイオン二次電池１の異常検出に汎用の保護ＩＣを適用するには、セル保護ＩＣで構成された異常検出部３～６も直列に構成する必要がある。
　図２は、従来の多直列電池パックの異常検出システムを示すブロック図である。
　図２に示すように、異常検出部３～６の直列数が増えると、各々の異常検出部３～６の動作端子９～１２の電圧レベルがそれぞれ大きく異なってしまう。例えば、リチウムイオン二次電池１のセルが１０個直列に接続された回路では、異常検出部３～６の動作端子９～１２の電圧が最大で４０Ｖを超えるものになる。一般に、充電及び放電スイッチ８は、ＦＥＴ、等の素子を使用する場合が多く、駆動電圧の範囲としては、５～３０Ｖ程度といわれており、回路上における充電及び放電スイッチ８を駆動できる電圧レベルを大きく逸脱してしまう。そのため、異常検出部３～６の動作端子９～１２の出力により、回路上の充電及び放電スイッチ８を直接駆動させるのは難しい。
　その解決策として、回路上にＣＰＵ７を設置し、電圧レベル変換部Ａ１３～１６において、各々の異常検出部３～６の動作端子９～１２の電圧レベル、すなわち、異常検出部３～６における検出信号の電圧基準をＣＰＵ７が読み込める電圧レベルに一律化して変換してから、ＣＰＵ７の異常検出端子１７に読み込ませる。異常検出端子１７が読み込んだ電圧レベルに基づいてＣＰＵ７がセルの異常の有無を判断して、ＣＰＵ７からの信号１８にて回路上の充電及び放電スイッチ８を制御する。
特開２００８－１３１６７０号公報 特開２００４－１３４３７２号公報
　しかしながら、図２に示したシステムにおいては、下記のような問題点が挙げられる。
　通常、安全性を保つためには電池の劣化を防ぐことが重要である。正常時と異常時における保護ＩＣの論理によっては回路の構成上、電圧レベル変換部Ａ１３～１６は常に電流が流れている動作状態となり、それにより、電圧レベル変換部Ａ１３～１６の消費電流が保護回路２の消費電流を大幅に増加させてしまう。例として、保護ＩＣの動作でこのような動作論理を示すことが多い機能として過放電検出機能がある。電池から過放電を示す異常信号を常に監視し、異常信号を検出した後は電池からの放電を停止させるように設定された保護ＩＣを選定することが多い。
　以下に、図２に示したシステムの動作について具体的に説明する。
　図３は、図２に示したシステムにおける信号のタイミングチャートである。
　ここでは、回路全体ではなく、異常検出部３、動作端子９、電圧レベル変換部Ａ１３の範囲におけるＣＰＵ７と信号のやりとりについて説明する。以下、異常検出部４、動作端子１０、電圧レベル変換部Ａ１４以降の範囲におけるＣＰＵ７と信号のやりとりも同等である。この時、電圧レベル変換部Ａ１３にフォトカプラ等を用いており、リチウムイオン二次電池１のセルの直列数をＫ個（単位セル：Ｖｂ（Ｖ）であるとするとＫ×Ｖｂ（Ｖ））とし、異常検出部３では３つのリチウムイオン二次電池１のセル（単位セル：Ｖｂ（Ｖ）であり３×Ｖｂ（Ｖ））を監視しているものとする。また、ＣＰＵ７が異常と判断する異常検出端子１７での信号電圧はＣＰＵ＿Ｖｃｃ（Ｖ）とし、正常と判断する異常検出端子１７での信号電圧は０（Ｖ）とする。
　まず、各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧が正常な場合について説明する。
　各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧が正常な場合は、異常検出部３の動作端子９から、正常信号として異常検出部３のＧＮＤレベルの信号（Ｋ－３）×Ｖｂ（Ｖ）が出力される。
　すると、電圧レベル変換部Ａ１３のフォトカプラのＬＥＤが発光し、フォトトランジスタにはいわゆる光電流が流れ、それにより、電圧レベル変換部Ａ１３の出力端子の電圧がＣＰＵ＿Ｖｃｃ（Ｖ）からＧＮＤに落ち、信号電圧０（Ｖ）が異常検出端子１７に出力される。これにより、ＣＰＵ７は各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧が正常な状態であると判断する。
　この時、電圧レベル変換部Ａ１３に流れてＬＥＤを発光させる電流値は３Ｖｂ／Ｒ１（Ａ）となる。リチウムイオン二次電池の信頼性等も向上したため、通常では各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧は正常な場合が長く続くことになる。したがって、各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧が正常な状態が続けば、この電圧レベル変換部Ａ１３の主な消費電流となるＬＥＤを発光させる電流は流れ続けることになる。
　続いて、各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧に異常が生じた場合について説明する。
　各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧に異常が生じた場合は、異常検出部３にて異常を検出すると、異常検出部３の動作端子９から、異常信号として異常検出部３の電源レベルの信号Ｋ×Ｖｂ（Ｖ）が出力される。
　この場合、電圧レベル変換部Ａ１３に供給される入力電圧もＫ×Ｖｂ（Ｖ）となるため、電圧レベル変換部Ａ１３における電位差が無くなり、フォトカプラのＬＥＤは発光せず、フォトトランジスタには光電流が流れない。それにより、電圧レベル変換部Ａ１３の出力端子からＣＰＵ＿Ｖｃｃ（Ｖ）の信号電圧がそのまま異常検出端子１７に出力され、ＣＰＵ７はリチウムイオン二次電池１のセルに異常が生じたと判断し、充電及び放電スイッチ８を動作させて危険回避を図ることになる。
　ここで、電圧レベル変換部ＡのＬＥＤを発光させる電流はミリアンペアオーダーのものが要求されるため、消費電流が大きく増大してしまう。近年、産業機器での稼働時間の延長、電気アシスト自転車やハイブリット自動車の航続距離の延伸を図る上で、保護回路全体の消費電流を更に低減するために電圧レベル変換部Ａの消費電流を低減させる検討が必要であった。
　本発明は、消費電流を低減させることができる二次電池電圧検出システムを提供することを目的とする。
　本発明の多直列リチウムイオン二次電池の電圧検出システムは、
　複数のリチウムイオン二次電池が直列に接続された電池群と、前記電池群と出力端子との間に接続されて充放電を行う充電及び放電スイッチと、前記電池群の電池を複数のブロックに分割して各電池電圧を検出する複数の異常検出部と、前記異常検出部を含む複数の保護素子の各々の検出信号の演算処理を行うＣＰＵと、前記複数の保護素子と前記ＣＰＵとの間で前記検出信号の電圧基準を一律化する第１の電圧レベル変換部とを有する二次電池電圧検出システムにおいて、
　前記複数の異常検出部と前記第１の電圧レベル変換部との間に接続された第２の電圧レベル変換部を有し、
　前記ＣＰＵは、前記第２の電圧レベル変換部を動作させるための信号を予め定められる時間間隔で出力し、前記複数の異常検出部と前記第一の電圧レベル変換部との経路を、電気的に遮断または接続することを特徴とする。
　このように、直列数の多いリチウムイオン二次電池の保護回路において、電池群の電池を複数のブロックに分割して各電池電圧を検出する複数の異常検出部と、異常検出部を含む複数の保護素子と保護素子の各々の検出信号の演算処理を行うＣＰＵとの間で検出信号の電圧基準を一律化する第１の電圧レベル変換部との間の経路に、第２の電圧レベル変換部を設け、ＣＰＵからの信号で電池の異常検出を行うための経路を接続、遮断できるようにする。それにより、二次電池の異常検出を行う信号を出力する時間を最適化し、消費電流を低減させることができる。
　以上説明したように本発明においては、直列数の多いリチウムイオン二次電池の保護回路において、電池群の電池を複数のブロックに分割して各電池電圧を検出する複数の異常検出部と、異常検出部を含む複数の保護素子と保護素子の各々の検出信号の演算処理を行うＣＰＵとの間で検出信号の電圧基準を一律化する第１の電圧レベル変換部との間の経路に、第２の電圧レベル変換部を設け、ＣＰＵからの信号で電池の異常検出を行う経路を接続、遮断できるようにし、二次電池の異常検出を行う信号を出力する時間を、出力しない時間よりも小さく設定して最適化することにより、消費電流を低減させることができる。
シリアル通信機能を持たずに異常検出機能を持つリチウムイオン二次電池パックの構成の一例を示すブロック図である。 従来の多直列電池パックの異常検出システムを示すブロック図である。 図２に示したシステムにおける信号のタイミングチャートである。 本発明の二次電池電圧検出システムの実施の一形態を示すブロック図である。 図４に示した二次電池電圧検出システムにおける信号のタイミングチャートである。
　以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
　図４は、本発明の二次電池電圧検出システムの実施の一形態を示すブロック図である。
　本形態は図４に示すように、図２に示したものとの大きな違いは、異常検出部３～６と第１の電圧レベル変換部Ａ１３～１６との間に、第２の電圧レベル変換部Ｂ２０～２３を設けることによって、ＣＰＵ７の信号で任意の時間に二次電池の各セルの状態をモニターさせ、正常状態で常に発生していた消費電流を低減させることが可能になる点である。
　回路構成としては、直列数の多いリチウムイオンリチウムイオン二次電池１の保護回路２に異常検出部３～６を設置し、異常検出部３～６の動作端子９～１２と電圧レベル変換部Ａ１３～１６の間の経路に、ＣＰＵ７からの信号１９によって、異常検出部３～６と電圧レベル変換部Ａ１３～１６との間の経路を遮断、接続する電圧レベル変換部Ｂ２０～２３が設置されている。
　異常検出部３～６の動作端子９～１２は、保護素子となる保護ＩＣの端子がそのまま動作端子９～１２になる場合や、保護ＩＣの吸い込み能力が不足している場合は保護ＩＣ付近に設けた電流増幅回路の内部に動作端子９～１２が存在する場合がある。
　直列数の多いリチウムイオン二次電池１は、リチウムイオン二次電池のセルが整数倍で直列したリチウムイオン二次電池の出力によって最大電圧が決定され、異常検出部３側の方が低電圧側の異常検出部６側よりも高い電圧となる。
　電圧レベル変換部Ｂ２０～２３は、例えば、フォトカプラや電磁リレーのようなレベル変換機能とスイッチ機能を持つ素子を用いるのが好ましい。
　以下に、上記のように構成された二次電池電圧検出システムの動作について説明する。
　図５は、図４に示した二次電池電圧検出システムにおける信号のタイミングチャートである。
　ここでは回路全体ではなく、異常検出部３、動作端子９、電圧レベル変換部Ａ１３、電圧レベル変換部Ｂ２０の範囲におけるＣＰＵ７とのやりとりで説明する。以下、異常検出部４、動作端子１０、電圧レベル変換部Ａ１４以降の範囲におけるＣＰＵ７と信号のやりとりも同等である。二次電池セルの直列数をＫ個（単位セル：Ｖｂ（Ｖ）であるとするとＫ×Ｖｂ（Ｖ））とし、異常検出部３では３つのセル（単位セル：Ｖｂ（Ｖ）であり３×Ｖｂ（Ｖ））を監視しているものとする。また、ＣＰＵ７が異常と判断する異常検出端子１７での信号電圧はＣＰＵ＿Ｖｃｃ（Ｖ）、正常と判断する異常検出端子１７での信号電圧は０（Ｖ）とする。
　はじめに、各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧が正常な場合について説明する。
　各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧が正常な場合は、異常検出部３で検出される電圧信号も従来の技術と同様に（Ｋ－３）×Ｖｂ（Ｖ）となるように設定する。それにより、動作端子９のおける信号電圧も（Ｋ－３）×Ｖｂ（Ｖ）となる。
　まず、検出する周期間隔において任意の時間の幅、例えば、Ｚ（ｓ）で、ＣＰＵ７から電圧レベル変換部Ｂ２０を動作させる信号１９である信号電圧ＣＰＵ＿Ｖｃｃ（Ｖ）を電圧レベル変換部Ｂ２０に送る。これにより、電圧レベル変換部Ｂ２０のフォトカプラのＬＥＤが発光してオン状態になる。この動作により、異常検出部９から各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧の状態がモニターされることになる。この時、電圧レベル変換部Ｂ２０に流れてＬＥＤを発光させる電流値はＣＰＵ＿Ｖｃｃ／Ｒ４（Ａ）となる。
　次に、電圧レベル変換部Ｂ２０に光電流が流れ、それにより、電圧レベル変換部Ａ１３のＬＥＤが発光し光り、それに連動してＣＰＵ＿ＶｃｃがＧＮＤに落ち、信号電圧０（Ｖ）が異常検出端子１７に出力される。これにより、ＣＰＵ７は各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧が正常な状態であると判断する。
　この時、電圧レベル変換部Ａ１３に流れる主な消費電流は、ＬＥＤを発光させるための電流値３Ｖｂ／Ｒ１（Ａ）となり、電圧レベル変換部Ｂ２０に流れてＬＥＤを発光させるための電流値ＣＰＵ＿Ｖｃｃ／Ｒ４（Ａ）となる。
　つまり、本形態においては、電圧レベル変換部Ｂ２０が加わった分、異常検出時は単位時間当たり消費電流が増えることになる。しかし、ＣＰＵ７から信号１９が出力されたときに、電圧レベル変換部Ｂ２０が動作して、動作端子９と電圧レベル変換部Ａ１３との間の経路が電気的に接続され、それ以外においてはこの経路が電気的に遮断されるように構成することが可能となるため、上述した従来のシステムのように、各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧が正常な状態が続く限り、ＬＥＤを発光させるための電流を流し続ける非効率的な動作は解消される。
　なお、動作端子９と電圧レベル変換部Ａ１３との間の経路を電気的に遮断している間は、動作端子９がオープン状態になり、異常検出部３にて検出された情報がＣＰＵ７に伝達されず、異常検出端子１７はＣＰＵ＿Ｖｃｃを検出することになる。したがって、ＣＰＵ７の誤動作を防止するため、異常検出端子１７は不感に設定することが好ましい。そして、予め定められる任意の時間や定期的に信号１９を出力して動作端子９と電圧レベル変換部Ａ１３との間の経路を電気的に接続する。この経路が電気的に接続されている間は、異常検出部３にて検出された情報がＣＰＵ７に伝達されるので、異常検出端子１７は不感設定を解除する。
　次に、各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧に異常が生じている場合について説明する。
　各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧に異常が生じている場合においては、上述した従来のシステムと同様に、異常検出部３にて検出される電圧信号をＫ×Ｖｂ（Ｖ）となるように設定している。よって、動作端子９における信号電圧もＫ×Ｖｂ（Ｖ）となる。
　すると、電圧レベル変換部Ａ１３に供給される入力電圧もＫ×Ｖｂ（Ｖ）となるため、電圧レベル変換部Ａ１３と電圧レベル変換部Ｂ２０との間の電位差が無くなる。これにより、電圧レベル変換部Ｂ２０が動作できなくなり、それに連動して電圧レベル変換部Ａ１３も動作せず、ＣＰＵ＿Ｖｃｃ（Ｖ）の信号電圧がそのまま異常検出端子１７に出力される。そして、ＣＰＵ７はリチウムイオン二次電池１のセルに異常が生じたと判断し、充電及び放電スイッチ８を動作させて危険回避を図ることになる。この時、電圧レベル変換部Ｂ２０のＬＥＤを発光させる電流以外には消費電流は流れない。
　以下に、本形態の二次電池電圧検出システムにおける消費電流の削減効果について説明する。
　上述した従来のシステムのように、電圧レベル変換部Ａ１３～１６の消費電流をＸ（Ａ）とする。そして、検出する周期間隔の時間をＹ（ｓ）とする。上述した、ＣＰＵ７からの信号によって電圧レベル変換部Ｂ２０～２３を動作させて異常検出部３～６と電圧レベル変換部Ａ１３～１６との経路を電気的に接続し、電圧レベル変換部Ａ１３～１６の動作を制限する方法を実施した場合、Ｙ（ｓ）のうち、Ｚ（ｓ）だけ電圧レベル変換部Ａ１３～１６を動作させ、Ｙ－Ｚ（ｓ）は動作させないように設定した場合の消費電流はＸ（Ａ）のＺ／Ｙとなる。
　この時、電圧レベル変換部Ｂ２０～２３に必要な消費電流をＫ（Ａ）とすると、本形態における消費電流は（Ｘ＋Ｋ）（Ａ）のＺ／Ｙとなる。このことより、本形態のシステムは、Ｙ＞＞Ｚとすることで大きな効果を得ることが可能となる。
　以上、本発明の実施の一形態について説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。
　この出願は、２００９年１２月２４日に出願された日本出願特願２００９－２９２８５４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (1)

  1. 　複数のリチウムイオン二次電池が直列に接続された電池群と、前記電池群と出力端子との間に接続されて充放電を行う充電及び放電スイッチと、前記電池群の電池を複数のブロックに分割して各電池電圧を検出する複数の異常検出部と、前記異常検出部を含む複数の保護素子の各々の検出信号の演算処理を行うＣＰＵと、前記複数の保護素子と前記ＣＰＵとの間で前記検出信号の電圧基準を一律化する第１の電圧レベル変換部とを有する二次電池電圧検出システムにおいて、
    　前記複数の異常検出部と前記第１の電圧レベル変換部との間に接続された第２の電圧レベル変換部を有し、
    　前記ＣＰＵは、前記第２の電圧レベル変換部を動作させるための信号を予め定められる時間間隔で出力し、前記複数の異常検出部と前記第１の電圧レベル変換部との経路を、電気的に遮断または接続することを特徴とする二次電池電圧検出システム。
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