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発明の名称 二次電池の保護装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−20399(P2007−20399A)
公開日 平成19年1月25日(2007.1.25)
出願番号 特願2006−231748(P2006−231748)
出願日 平成18年8月29日(2006.8.29)
代理人 【識別番号】100097445
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄
発明者 仲辻 俊之 / 紺野 哲秀 / 長谷川 広和
要約 課題
直列に接続された電池セルブロックの電圧検出異常時や電池異常時にも安全性を確保できる過充電保護機能を有する二次電池の保護装置を提供する。

解決手段
複数の電池セルブロックが直列に接続され、充放電経路に充放電制御手段にてオンオフ制御可能な充電用と放電用のスイッチング素子が配置された二次電池の電池パックにおいて、充放電時に前記各電池セルブロックの電圧を検出する電圧検出手段と、前記各電池セルブロックの検出電圧の合計値を算出し前記合計値と前記充放電制御手段が動作可能な最低電圧とを比較し、前記合計値が前記動作可能な最低電圧よりも小さいとき、前記電圧検出手段の異常と判断して充電を禁止するように前記充電用のスイッチング素子を制御する充放電スイッチ制御部を設けた。
特許請求の範囲
【請求項1】
複数の電池セルブロックが直列に接続され、充放電経路に充放電制御手段にてオンオフ制御可能な充電用と放電用のスイッチング素子が配置された二次電池の保護装置であって、充放電時に前記各電池セルブロックの電圧を検出する電圧検出手段とを有し、前記充放電制御手段は、前記各電池セルブロックの検出電圧の合計値を算出し前記合計値と前記充放電制御手段が動作可能な最低電圧とを比較し、前記合計値が前記動作可能な最低電圧よりも小さいとき、前記電圧検出手段の異常と判断して充電を禁止するように前記充電用のスイッチング素子を制御することを特徴とする二次電池の保護装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、二次電池の保護装置、特にリチウムイオン二次電池において有用な二次電池の保護装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
各種携帯機器や情報機器等の電源として用いられる二次電池には、その電池自身の有する特性に応じた適切な充電および放電条件が定められている。しかし、前記条件を越えての充放電、所謂、過充電や過放電を行った際に、電解液の分解に伴うガス発生や、電池内部での短絡に起因する加熱等の問題を生じてしまう。
【0003】
このような問題に対して、従来から過充電、過放電を防止するための手段を講じた二次電池の保護装置が種々提案されている。例えば、特許文献1には、寄生ダイオード付きMOS−FET等から成る過充電保護用と過放電保護用のスイッチング手段を二次電池の充放電経路に電池と直列接続されるように配置し、制御回路にて検出された二次電池の電圧によって前記スイッチング手段のオン、オフ状態を制御する構成が開示されている。
【0004】
また、特許文献2には、直列に接続された二次電池の各セルの正負極間の電圧を検出する電圧検出手段と、充電端子間に電池と直列に設けられたスイッチ手段とを有し、充電時に各セルの正負極間電圧が所定値を越えたとき、電圧検出手段の出力に基づいてスイッチ手段をオフ状態とし、充電電流を遮断する旨が示されている。
【0005】
従来の二次電池の保護装置の回路図を図6に、電圧検出器の回路図を図7に示す。11は正極端子、12は負極端子、13A、13Bは複数の素電池を並列接続したセルブロックを示す。セルブロック13Aおよび13Bが直列接続された電池13の正極端は正極端子11に接続され、負極端は充放電電流遮断用のスイッチ手段14を介して負極端子12に接続されている。WH、WMおよびWGはセルブッロクの電圧を検出するための接続線である。
【0006】
また、65は電池13の正負極間の電圧を検出する電圧検出部、66は電圧検出部65からの信号によりスイッチ手段を制御するスイッチ制御部である。
【0007】
図6(a)は、電池13の両端間の電圧を検出するように電圧検出器65を配置した構成を示しており、図6(b)は、直列接続された各セルブロック毎の電圧を検出する為に電圧検出器65A、65Bを各セルブロック毎に配置された構成である。いずれの場合も、各電圧検出器の出力VOVRがスイッチ制御部66に入力され、スイッチ制御部66は充放電用のスイッチ手段14を制御する。
【0008】
次に電圧検出器65の構成を図7に示す。電圧検出器65は図7(a)に示すように、出力端t1、+側電源端子t2および−側電源端子t3を有し、さらに+側電源端子t2と−側電源端子t3との間に、抵抗R1、R2を接続した比較器71からなり、マイナス入力端に基準電圧E1を印加すると共に、抵抗R1及びR2の接続中点をプラス入力端に印加するように構成されている。
【0009】
図6(a)に示した構成では、過充電状態の検出を各セルブッロクを直列接続した電池全体としての電池電圧が基準電圧E1を越えているか否かを判断している。このため、直列に接続された各セルブロック毎の電圧にばらつきが生じた際に、各々のセルブロックから判断すれば的確に過充電保護がなされないことがある。
【0010】
例えば、直列数が2の構成に対して、各セルブロックの過充電電圧を4.3Vに設定し、全体の電池電圧が8.6Vを越えた際に、電圧検出器65の出力VOVRがHighとなり、充放電用スイッチ手段をオフする。しかし、各セルブッロク電圧VB1、VB2がバランスをくずし、VB1が4.35V、VB2が4.2VであってもVOVRはHighとならず過充電制御が働かない。電池13Aは過充電状態となり、好ましくない状態におかれることになる。
【0011】
そこで、図6(b)のような各セルブロック毎に電圧検出器が配置され、各々のセルブッロクの電圧を正しく検出する方法が提案された。図7(a)に示した構成では、あるセルブロックが過充電電圧に達した場合、比較器71の出力がHighになり充電を禁止する。充電を禁止することですぐに電池電圧が下がり、比較器71の出力がLowになり充電可能となる。そこで再び過充電電圧に達して充電が禁止される。従って、スイッチ手段14のオン、オフ状態が頻繁に繰り返されることになる。
【0012】
そこで、この問題点を解決するため特許文献3には、上記比較器の出力にヒステリシスを設ける手段が開示されている。
【0013】
図7(b)にヒステリシスを持つ電圧検出器の構成図を示す。比較器71の出力がHighになるとSW1ではP1とP3間の接続をP1とP2間に切り替える。また、比較器71の出力がLowになるとSW1ではP1とP2間の接続をP1とP2間に切り替える。
【0014】
図8に従来例における通常時の過充電保護動作の説明図を示す。通常の過充電保護時の各電池電圧の変化と電圧検出器の出力VOVR及びスイッチ制御部の出力状態、充電電流ICHGの変化の様子を示している。
【0015】
充電時には、図8に示すように、何れか一方、図示例ではセルブロック13Aの検出電圧VB1が第1の電圧値V1(例えば、4.30V)以上になると、電圧検出器65Aの出力VOVRがHighとなり、スイッチ手段14をオフして充電電流Ichgを遮断する。また、前記電圧VB1が第2の電圧値V2(例えば、4.00V)以下になると、スイッチ手段をオンして充電禁止機能を解除する。
【特許文献1】特開平4−75430号公報
【特許文献2】特開平4−331425号公報
【特許文献3】特開平5−49181号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
ところで、このような構成の二次電池の保護装置では、セルブロック部分と制御回路を接続するには、構造上何等かの接続線が必要である。前記接続線のはずれ、断線が発生した場合(以下、タップはずれと略称する)、該当する電池ブロックのセル電圧が正しく検出できなくなる。
【0017】
図9にタップはずれが生じた際、すなわち異常時の過充電保護機能の様子を示す。この図9において接続線WMに断線が生じた場合を実線で、接続線WHに断線が生じた場合を波線で示す。
【0018】
接続線WMに中間セルのタップがはずれた場合には、図7に示すように抵抗分割により電圧検出するので、全体の電池電圧が(前記第1の電圧値×直列数)以上になった時点で、例えば、2直列の場合全体の電池電圧が8.6Vで過充電保護機能が働き、充電電流が
遮断される。
【0019】
電池が充放電を繰り返す過程において、個々の電池の個体差により電池の容量バランスが崩れた場合には、図9において実線で示したAのポイント、例えばセルブロック13Aの電池電圧が4.4V、セルブロック13Bの電池電圧が4.2Vで過充電保護が働き充電電流が遮断される。即ちセルブロック13Aの電池電圧VB1が前記第1の電圧値4.3Vをはるかに越えた電圧値で充電禁止となる。これは、個々の電池セルブロックでみれば過充電状態でも保護機能が働かない状況が発生していることになる。
【0020】
また、図6の接続線WHや接続線WGのタップはずれ等による電圧検出異常が発生してしまった場合、従来の装置では、タップはずれ等による電圧検出異常があっても、電池電圧そのものがスイッチ制御回路(例えばマイコン)が動作可能な最低電圧(例えば5V)より大きいときは、電圧検出に異常があるにもかかわらず、スイッチ制御回路は動作し、充電が続いてもタップはずれの該当電池セルブロックの検出電圧VB1が前記第1の電圧値4.30V以上にならないので、図9の破線で示すようにBのポイント、即ち他のセルブロック(電池13B)の過充電制御が働くまで、前記該当セルブロック(電池13A)が過充電状態となっていても充電が止められない。また、ショ−ト等による電池異常に対しても同様のことが発生する。
【0021】
このように、従来の保護装置では、タップはずれ等による異常状態を認識できず、過充電保護が働かない状況に陥り、前述の如く電池が好ましくない状態となる問題点を有していた。
【0022】
そこで、前記問題点に対する保護機能を前記従来装置の過充放電防止機能に併用して設け、二次電池の安全性を確保することが望まれる。
【0023】
本発明は上記課題を解決するもので、従来の過充放電保護機能に加えてタップはずれ等の電池電圧検出の異常やショ−ト等の電池異常を認識し、過充電保護用のスイッチング手段をオフ制御することで、二次電池の安全性をより高める保護装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0024】
本発明の二次電池の保護装置は、複数の電池セルブロックが直列に接続され、充放電経路に充放電制御手段にてオンオフ制御可能な充電用と放電用のスイッチング素子が配置された二次電池の保護装置であって、充放電時に前記各電池セルブロックの電圧を検出する電圧検出手段とを有し、前記充放電制御手段は、前記各電池セルブロックの検出電圧の合計値を算出し前記合計値と前記充放電制御手段が動作可能な最低電圧とを比較し、前記合計値が前記動作可能な最低電圧よりも小さいとき、前記電圧検出手段の異常と判断して充電を禁止するように前記充電用のスイッチング素子を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【0025】
本発明の二次電池の保護装置によれば、各電池セルブロックの検出電圧から算出した合計値が前記充放電制御手段(例えばマイコン)が動作可能な最低電圧(例えば5V)よりも小さいとき、各電圧を正しく検出できていないと認識でき、充電を禁止することで、過充電の未然防止を図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0026】
以下、本発明の実施の形態について、図1〜図5を参照して説明する。
【0027】
図1は本発明の二次電池の保護装置の構成図を示す。図1において、複数の素電池、例
えばリチウムイオン電池が並列接続されたセルブロック13A、13B、13Cが正極端子11と負極端子12間に直列に接続され、かつ前記セルブロック13A、13B、13Cに対して直列に過充電保護用のFET14Cと過放電保護用のFET14Dとが配置されている。また、前記セルブロック13A、13B、13Cの各電圧を検出する電圧検出部15が設けられ、前記電圧検出部15には電圧検出用コンデンサC1が接続される。また、前記FET14C、14Dをオン・オフする充放電スイッチ制御部16が設けられ、前記充放電スイッチ制御部16は、電圧検出部15に対するセレクト信号S1、S2,INHを出力し、前記電圧検出用コンデンサC1に充電された電圧値を読み込み、前記充放電保護用FETを制御する構成になっている。
【0028】
図2に、前記電圧検出部の構成を示す。入力信号S1、S2、INHの状態により、8個のスイッチをオン・オフする。図3に、各セル電圧の検出タイミングチャートを示す。
【0029】
以下に、電圧検出の動作を具体的に説明する。充放電スイッチ制御部16から出力されるセレクト信号S1、S2、INHによって、各セル電圧が電圧検出用コンデンサC1に充電される。例えば、S1=Low、S2=Highの時、図2よりX2とX、Y2とYが接続され、電池13Cのセル電圧が前記コンデンサC1に充電される。その直後、充放電スイッチ制御部16は、S1=High、S2=Highとし、コンデンサC1に充電された電圧値をAN0ポ−トで読み込む。読み込んだ直後に、次の電池セル13Bの電圧値VB2を正しく検出するために、AN1ポ−トにより抵抗R1を介してコンデンサC1の電位を放電する。この動作を図3のタイミングチャートに示すように、各セル順番に繰り返す。
【0030】
図4に充放電スイッチ制御部16の過充電制御動作のみをフローチャートで示す。まず、前記電圧検出部15から読み込んだ各セル電圧値が、ある規定値V3(例として0.1V)以下であるかどうかを判定する。いずれかのセル電圧値が0.1V以下であれば、タップはずれか電池異常の可能性があるので充電FET14Cをオフする。0.1Vを越えていれば、通常の過充電保護動作のシーケンスに移行する。
【0031】
次に、いずれかのセル電圧値が第2の規定値V2(例として4.0V)以下であるかを判断する。該当する電池があれば、該当する電池の過充電禁止ステータスSOVRをリセットする。次に、いずれかのセル電圧値が第1の規定値V1(例として4.3V)以上であるかを判断する。該当する電池があれば、該当する電池の過充電禁止ステータスSOVRをセットする。いずれかの過充電禁止ステ−タスがセットされていれば、充電用FET14Cをオフする。また、全ての過充電禁止ステータスがリセットされていれば、充電FET14Cをオンする。
【0032】
過放電制御については従来装置同様に、いずれかのセル電圧値が規定値(例えば2.6V)以下であれば、放電用FET14Dをオフし、該当するセルの電圧値が規定値(例えば3.2V)以上になれば、放電FET14Dをオンにする。
【0033】
次に、図5に正常な場合とタップはずれが発生した場合の過充電制御動作を示す。まず、正常な場合の過充電保護動作を図5のt1〜t3を参照し説明する。
【0034】
図5(a)に示すように、充放電スイッチ制御部16では、何れかの検出電圧、図示例では電池セルブロック13Aの検出電圧VB1が第1の規定値V1(例えば、4.3V)以上になると、ポイントAに示すように前記充電FET14Cをオフして充電電流Ichgを遮断する。また前記VB1が第2の電圧値V2(例えば、4.0V)以下になると、ポイントBに示すように前記充電FET14Cをオンして過充電禁止機能を解除する動作を行う。
【0035】
次に、異常時に対する本発明の過充電保護機能に関して、図1〜図5を参照して説明する。図5のt3以降に示すように、中間タップはずれが発生した場合、図示例では接続線WMが断線した場合、電池セルブロック13Aの電圧検出に対し、前記コンデンサC1に充電されず、充放電スイッチ制御部16は検出電圧VB1=0Vとして認識する。同様に電池セルブロック13Bの電圧検出でも、前記コンデンサC1に充電されず、充放電スイッチ制御部16は検出電圧VB2=0Vとして認識する。電池セルブロック13Cの電圧検出に対しては、前記断線の影響は受けずに前記コンデンサC1に充電され、マイコンはA/Dポ−トを介してその電圧VB3を検出する。
【0036】
マイコンによる異常認識による動作の流れを説明する。前記接続線WMの断線の場合、マイコンに入力された電圧VB1、VB2が第3の規定値V3(例えば、0.1V)以下になったことを認識し、前記充電FET14Cをオフして充電電流Ichgを遮断している。
【0037】
0.1V以下になった電圧VB1、VB2に対しては、従来装置同様に充放電スイッチ制御部16にて過放電保護が働き、前記放電FET14Dもオフされる。
【0038】
また、全体の電池電圧がマイコンが動作しない電圧まで低下した場合には、つまりマイコンが動作しない場合には充電用スイッチ14Cをオンするようにしておく。それによって全体の電池電圧が正常に0V付近まで低下した場合には、充電可能となる。
【0039】
このように、本発明の実施例では従来の過充放電保護機能に加えて、セルバランスがくずれても、各電池セルの電圧値を確実に検出できると共に、何れかの電池セル電圧が規定値以下の場合を検出することにより、電池ショ−トや中間タップはずれ等の原因による異常状態を確実に認識でき、それに基づいて充電を禁止することで過充電の未然防止を図ることができる。
【0040】
また、この例では3つの電池セルブロックが直列に接続された場合であるが、個の電池セルや2個以上の直列に接続された電池ブロックの構成にも適用できるものである。
【0041】
また、充放電スイッチ制御部16にマイコンを使用した場合、読み込んだ前記各セルブロックの検出電圧より合計値(VB1+VB2+VB3)を算出し、その合計値が前記マイコンの動作可能な最低電圧値(例えば、5V)より小さいかを判断する。前記条件が満たされた場合には、つまりマイコンが動作しているにもかかわらず電池の合計電圧が5Vより小さいことを示しており矛盾が生じていることが認識でき、充電FET14Cをオフし、充電禁止とする。
【0042】
この方法でも、接続線WMの断線のような中間タップはずれの場合VB1=VB2=0となる。従って、合計値(VB1+VB2+VB3)=VB3、VB3は5Vより小さく前記条件が満たされ、中間タップはずれ等の異常状態を認識でき、過充電保護ができる。
【産業上の利用可能性】
【0043】
本発明にかかる二次電池の保護装置は、二次電池、特にリチウムイオン二次電池の過充電の未然防止を図ることにより、二次電池の安全性の向上を図ることができるので、二次電池の保護装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】本発明の二次電池の保護装置の構成図
【図2】同電圧検出部の構成図
【図3】同各セル電圧検出動作の説明図
【図4】同過充電スイッチ制御部の動作のフローチャート
【図5】同過充電保護動作の説明図
【図6】従来の二次電池の保護装置の回路図
【図7】従来例における電圧検出器の回路図
【図8】従来例における通常時の過充電保護動作の説明図
【図9】従来例における異常時の過充電保護動作の説明図
【符号の説明】
【0045】
11 正極端子
12 負極端子
13A 電池セルブロック
13B 電池セルブロック
13C 電池セルブロック
14C 充電用FET
14D 放電用FET
15 電圧検出部
16 充放電スイッチ制御部
C1 電圧検出用コンデンサ




 

 


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