JP4852300B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は、電池パックに関し、特に安全性の要求されるリチウム二次電池を用いるものに好適に実施されるものに関する。

周知のように、前記リチウム二次電池には、特に高い安全性が要求され、過充電などに対する保護対策が種々提案されている。たとえば特許文献１では、充放電を制御する制御ＩＣの外部に、温度検出手段および端子間を短絡するスイッチ手段から成る別の保護系統を設け、前記制御ＩＣで前記過充電や過放電を検出できなくても、前記温度検出手段がそれによる過熱状態を検出すると、前記スイッチ手段が電池パックの端子間を短絡することで、前記制御ＩＣにそのような異常を検知させる二重保護機能を有する。

しかしながら、この従来技術では、別の保護系統で異常を検出して保護動作を行っても、実際に充電経路に介在されるＦＥＴをＯＦＦするなどの保護動作を行うのは制御ＩＣであり、この制御ＩＣが故障してしまうと保護動作ができなくなる。このため、他の従来技術として、前記制御ＩＣに、二重保護用に別途制御ＩＣを設け、それぞれが個別に保護動作を行うものが提案されている。
特開２０００−１９５５６０号公報

上述のように充放電の制御用の制御ＩＣとは別途に、二重保護用に制御ＩＣを設けることで、保護動作が確実に行われるようになるけれども、充電器側は、二重保護動作が機能したことを認識することはできないという問題がある。すなわち、制御ＩＣは、要求する充電電流の電圧値および電流値などを充電器に送信を行うなど、充電器と通信を行いつつ動作を行うので、該制御ＩＣが保護動作を行ったことは充電器側で認識することが可能であるかもしれないが、前記制御ＩＣとは別途に設けられた二重保護用の制御ＩＣは、充電器とは通信を行うことはなく、通信手段や端子など、通信に必要な手段は設けられていない。

このため、充電器は、前記制御ＩＣへのセンサ入力が切れてしまうなど、該制御ＩＣによる保護動作が失効し、二重保護用の制御ＩＣによる保護動作が行われても、そのことを認識できず、充電電流を供給し続けてしまうような不具合が発生する。

本発明の目的は、二重保護動作が機能したことを充電器側に認識させることができる電池パックを提供することである。

本発明の電池パックは、充電制御回路が充電器からの充電電流を制御して二次電池を充電するとともに、異常時の二重保護用に前記充電制御回路とは別途に保護回路を設けるようにした電池パックにおいて、通信手段を有し、前記保護回路は、保護動作の実行時に、前記通信手段を介して、充電器へ前記保護動作の実行を表す信号を送信することを特徴とする。

上記の構成によれば、充電制御回路が過充電や過電圧等に対して、充電経路に介在されるＦＥＴをＯＦＦして充電電流を遮断する等の保護動作を行うなど、充電器からの充電電流を制御して二次電池を充電するとともに、前記充電制御回路による前記保護動作の失効などに対して、異常時の二重保護用に前記充電制御回路とは別途に保護回路を設けるようにした電池パックにおいて、前記保護回路は、保護動作の実行時に、通信手段を介して、充電器へ前記保護動作の実行を表す信号を送信する。

したがって、充電器側も二重保護動作が機能したことを認識することができ、前記充電制御回路による保護動作が失効し、充電電流を供給し続けていても、それを遮断するなど、安全性を向上することができる。

また、本発明の電池パックでは、前記通信手段は、前記充電制御回路における通信部であることを特徴とする。

上記の構成によれば、充電制御回路が、その通信部から充電器へ、要求する充電電流の電圧値および電流値を送信するなど、該充電制御回路が充電器と通信を行いつつ、充電電流を制御する構成において、前記保護回路は、前記保護動作の実行を表す信号を、この通信部から充電器へ送信する。

したがって、保護回路が充電器に保護動作の実行を表す信号を送信するために、新たに通信部を設ける必要はない。また、一般に、充電制御回路による保護動作よりも、別途に設けた保護回路による二重保護動作の方が、たとえば過充電の判定電圧が高い等、動作の閾値が高く、また保護動作としても、前記充電制御回路による保護動作は、前記ＦＥＴをＯＦＦする等、回復可能であることもあるのに対して、保護回路による保護動作は、ヒューズを溶断する等、電池パックにとってよりダメージの大きいものになるので、充電制御回路がその二重保護動作が機能したことを認識することで、充電器や負荷機器へ電池パックが使用不能であることを通信する等、より適切な対応を取ることができる。

さらにまた、本発明の電池パックでは、前記通信手段は、前記二次電池の温度を前記充電制御回路に通知する温度検出手段に関連して設けられ、前記保護動作の実行時に、前記温度検出手段の端子間を短絡し、充電器へ疑似の高温信号を出力するスイッチング素子であることを特徴とする。

上記の構成によれば、サーミスタなどの温度検出手段が前記二次電池の温度を検出して前記充電器へその検出結果を出力することで、過充電や過電流などによる過熱状態を充電器に認識させ、充電電流を遮断させる等の保護動作を行わせるようにした構成において、前記保護回路は、前記保護動作の実行を表す信号を、前記サーミスタの端子間をスイッチング素子で短絡して、温度検出手段から充電器へ疑似の高温信号の形態で出力させる。

したがって、充電制御回路の異常や、その通信部の故障などによって、充電制御回路が充電器に異常を報知できない場合にも、前記保護回路は、温度検出手段に関する構成を利用して、充電器に異常を報知することができる。また、充電制御回路の通信部を使用して充電器へ報知する場合のように、充電制御回路には変更の必要が生じず、既存の構成を用いることができる。

また、本発明の電池パックは、前記充電器から二次電池への充電経路に、相互に直列に接続されたヒューズを介在するとともに、前記ヒューズの接続点をその溶断用の発熱抵抗およびスイッチング素子を介して接地し、前記充電制御回路または保護回路の少なくとも一方による保護動作は、前記スイッチング素子のＯＮ駆動であることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記充電器から二次電池への充電経路に設けられ、前記充電制御回路によってＯＮ／ＯＦＦ制御される充電用のＦＥＴおよび放電用のＦＥＴのＯＮ故障などに対する保護用に、前記充電経路に直列に２分割したヒューズを設けるとともに、その中点を接地する抵抗およびスイッチング素子を設ける。そして、前記充電制御回路または保護回路の少なくとも一方が前記スイッチング素子をＯＮ駆動して保護動作を行うことで、電池パックが充電器にセットされているか否かに拘わらず、前記接続点よりも二次電池側を電池パックの外部から確実に切り離すことができる。

具体的には、保護動作によってスイッチング素子がＯＮされると、発熱抵抗で発生された熱で、２つのヒューズは溶断する。この時、充電状態では、先に二次電池側のヒューズが溶断しても、充電器から充電電流が供給されることで、充電器側のヒューズも後に溶断し、先に充電器側のヒューズが溶断しても、二次電池が前記充電制御回路または保護回路の少なくとも一方に前記スイッチング素子を駆動する電流を供給できれば二次電池側のヒューズも溶断することができ、二次電池が電流を供給できなければ、該二次電池側のヒューズは溶断しないままとなるが、前記接続点よりも二次電池側を電池パックの外部から確実に切り離すことができる。

これに対して、電池パックが充電器にセットされていない放電状態で、二次電池が前記充電制御回路または保護回路の少なくとも一方に前記スイッチング素子を駆動する電流を供給できれば、先に充電器側のヒューズが溶断しても、後に二次電池側のヒューズも溶断し、先に二次電池側のヒューズが溶断した場合には充電器側のヒューズは溶断しないままとなるが、前記接続点よりも二次電池側を電池パックの外部から確実に切り離すことができる。こうして、前述のように電池パックが充電器にセットされているか否かに拘わらず、前記接続点よりも二次電池側を電池パックの外部から確実に切り離すことができる。

さらにまた、本発明の電池パックでは、前記充電器から二次電池への充電経路に、前記充電制御回路によってＯＮ／ＯＦＦ制御される充電用のスイッチング素子および放電用のスイッチング素子が直列に介在され、前記充電制御回路は、これら充電用および放電用のスイッチング素子を制御することで充放電の制御および保護動作を行うとともに、前記ヒューズ溶断用のスイッチング素子をＯＮ駆動してヒューズを溶断させることで異常時の保護動作を行い、前記保護回路は、前記ヒューズ溶断用のスイッチング素子をＯＮ駆動してヒューズを溶断させることで、二重の保護動作を行うことを特徴とする。

上記の構成によれば、充電制御回路が過充電や過電圧等に対して、充電経路に介在されるスイッチング素子をＯＦＦして充電電流を遮断する保護動作を行い、それらのＯＮ故障などで保護動作が失効しても、該充電制御回路がヒューズを溶断することで、そのような異常時の保護動作を行うことができる。そして、充電制御回路の異常などで充電制御回路がヒューズを溶断する保護動作が失効しても、保護回路がヒューズを溶断する。こうして、確実な二重保護動作を実現することができる。

本発明の電池パックは、以上のように、充電制御回路が充電経路に介在されるＦＥＴをＯＦＦして充電電流を遮断する等の保護動作を行うなど、充電器からの充電電流を制御して二次電池を充電するとともに、前記充電制御回路による前記保護動作の失効などに対して、異常時の二重保護用に前記充電制御回路とは別途に保護回路を設けるようにした電池パックにおいて、前記保護回路は、保護動作の実行時に、通信手段を介して、充電器へ前記保護動作の実行を表す信号を送信する。

それゆえ、充電器側も二重保護動作が機能したことを認識することができ、前記充電制御回路による保護動作が失効し、充電電流を供給し続けていても、それを遮断するなど、安全性を向上することができる。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の一形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。この充電システムは、電池パック１に、それを充電する充電器２を備えて構成されるが、電池パック１から給電が行われる図示しない負荷機器をさらに含めて電子機器システムが構成されてもよい。その場合、電池パック１は、図１では充電器２から充電が行われるけれども、該電池パック１が前記負荷機器に装着されて、負荷機器を通して充電が行われてもよい。電池パック１および充電器２は、給電を行う直流ハイ側の端子Ｔ１１，Ｔ２１と、通信信号の端子Ｔ１２，Ｔ２２と、給電および通信信号のためのＧＮＤ端子Ｔ１３，Ｔ２３とによって相互に接続される。前記負荷機器が設けられる場合も、同様の端子が設けられる。

前記電池パック１内で、前記の端子Ｔ１１から延びる直流ハイ側の充電経路１１には、ヒューズ２４，２５が介在されるとともに、充電用と放電用とで相互に導電形式が異なるＦＥＴ１２，１３が介在されており、その充電経路１１が組電池１４のハイ側端子に接続される。前記組電池１４のロー側端子は、直流ロー側の充電経路１５を介して前記ＧＮＤ端子Ｔ１３に接続され、この充電経路１５には、充電電流および放電電流を電圧値に変換する電流検出抵抗１６が介在されている。

前記組電池１４は、複数の二次電池のセルが直並列に接続されて成り、そのセルの温度は温度センサ１７によって検出され、制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。また、前記各セルの端子間電圧は電圧検出回路２０によって読取られ、前記制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。さらにまた、前記電流検出抵抗１６によって検出された電流値も、前記制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。前記アナログ／デジタル変換器１９は、各入力値をデジタル値に変換して、安全保護制御部２１へ出力する。

安全保護制御部２１は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路などを備えて成り、前記アナログ／デジタル変換器１９からの各入力値に応答して、充電器２に対して、出力を要求する充電電流の電圧値および電流値を演算し、通信部２２から端子Ｔ１２，Ｔ２２；Ｔ１３，Ｔ２３を介して充電器２へ送信する。また、前記安全保護制御部２１は、前記アナログ／デジタル変換器１９からの各入力値から、端子Ｔ１１，Ｔ１３間の短絡や充電器２からの異常電流などの電池パック１の外部における異常や、組電池１４の異常な温度上昇などに対して、前記ＦＥＴ１２，１３を遮断するなどの保護動作を行う。

また、安全保護制御部２１は、セルの異常な過電圧などの深刻な異常時には、前記充電経路１１に直列に介在された前記ヒューズ２４，２５を溶断する。前記ヒューズ２４，２５の接続点は、発熱抵抗２６およびスイッチング素子であるＦＥＴ２７を介して接地されており、前記安全保護制御部２１がスイッチング素子であるＦＥＴ２７をＯＮすることで、発熱抵抗２６が発生した熱で前記ヒューズ２４，２５が溶断する。

一方、前記電圧検出回路２０の検出結果を取込む二重保護ＩＣ２３が設けられており、この二重保護ＩＣは、前記電圧検出回路２０の検出結果が予め定める閾値電圧以上となると、前記ＦＥＴ２７をＯＮして前記ヒューズ２４，２５を溶断する。したがって、ヒューズ２４，２５に関しては、充電制御回路である前記制御ＩＣ１８と共に、該制御ＩＣ１８と別途に設けられる保護回路であるこの二重保護ＩＣ２３とによって、セルの過電圧状態に対して、二重の保護系統が設けられていることになる。

前記安全保護制御部２１が、スイッチング素子であるＦＥＴ１２，１３を遮断する通常の充放電時における過電圧の閾値電圧は、たとえばセル当り４．３５Ｖであり、安全保護制御部２１および二重保護ＩＣ２３がヒューズ２４，２５を溶断する閾値電圧は、たとえばセル当り４．４Ｖであり、通常使用時の過電圧では復旧可能であり、異常時の過電圧では、電池パック１は再使用不能となって安全性の向上が図られている。

そして、前記安全保護制御部２１および二重保護ＩＣ２３の少なくとも一方によってＦＥＴ２７がＯＮされると、発熱抵抗２６で発生された熱で、２つのヒューズ２４，２５は溶断するが、この時、充電状態では、先に組電池１４側のヒューズ２５が溶断しても、充電器２から充電電流が供給されることで、充電器２側のヒューズ２４も後に溶断し、先に充電器２側のヒューズ２４が溶断しても、組電池１４が前記制御ＩＣまたは二重保護ＩＣ２３の少なくとも一方にＦＥＴ２７を駆動する電流を供給できれば組電池１４側のヒューズ２５も溶断することができ、組電池１４が電流を供給できなければ、該組電池１４側のヒューズ２５は溶断しないままとなるが、前記接続点よりも組電池１４側を電池パック１の外部から確実に切り離すことができる。

これに対して、電池パック１が充電器２にセットされていない放電状態で、組電池１４が前記制御ＩＣ１８または二重保護ＩＣ２３の少なくとも一方にＦＥＴ２７を駆動する電流を供給できれば、先に充電器２側のヒューズ２４が溶断しても、後に組電池１４側のヒューズ２５も溶断し、先に組電池１４側のヒューズ２５が溶断した場合には充電器２側のヒューズ２４は溶断しないままとなるが、前記接続点よりも組電池１４側を電池パック１の外部から確実に切り離すことができる。

こうして、相互に直列のヒューズ２４，２５を用いて、その接続点を発熱抵抗２６およびＦＥＴ２７によって接地することで、電池パック１が充電器２にセットされているか否かに拘わらず、前記接続点よりも組電池１４側を電池パック１の外部から確実に切り離すことができるようになっている。

一方、充電器２では、前記の要求を制御ＩＣ３０の通信部３２で受信し、充電制御部３１が充電電流供給回路３３を制御して、前記の電圧値および電流値で、充電電流を供給させる。充電電流供給回路３３は、ＡＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＤＣコンバータなどから成り、入力電圧を、前記充電制御部３１で指示された電圧値、電流値、およびパルス幅に変換して、端子Ｔ２１，Ｔ１１；Ｔ２３，Ｔ１３を介して、充電経路１１，１６へ供給する。

上述のように構成される充電システムにおいて、注目すべきは、本実施の形態では、前記二重保護ＩＣ２３が前記ＦＥＴ２７をＯＮ駆動する保護動作を行うと、そのＯＮ駆動する信号が制御ＩＣ１８の安全保護制御部２１にも入力され、該安全保護制御部２１は、通信手段である通信部２２から前記充電器２へ前記二重保護動作の実行を表す信号を送信することである。

したがって、充電器２側も二重保護ＩＣ２３が動作したことを認識することができ、たとえば電圧検出回路２０からアナログ／デジタル変換器１９への入力が遮断されたり、アナログ／デジタル変換器１９が故障したりするなどして、前記安全保護制御回路２１による保護動作が失効し、充電電流を供給し続けていても、それを遮断するなど、安全性を向上することができる。また、一般に、上述のように安全保護制御回路２１による通常の保護動作よりも、別途に設けた二重保護ＩＣによる二重保護動作の方が動作の閾値が高く、また保護動作としても、前記安全保護制御部２１による通常時の保護動作は、前記ＦＥＴ１２，１３をＯＦＦする等、回復可能であることもあるのに対して、二重保護ＩＣ２３による保護動作は、ヒューズ２４，２５を溶断する該電池パック１にとってよりダメージの大きいものになるので、前記安全保護制御部２１がその二重保護動作が機能したことを認識することで、充電器２や負荷機器へ該電池パック１が使用不能であることを通信する等、より適切な対応を取ることができる。

［実施の形態２］
図２は、本発明の実施の他の形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。この充電システムは、前述の充電システムに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態では、電池パック１ａには、組電池１４の温度を検出するもう１つの温度センサ２９が設けられるとともに、その温度センサ２９の検出結果を、前記ＧＮＤ端子Ｔ１３とともに、充電器２ａ側へ出力する端子Ｔ１４が設けられていることである。これに対応して、充電器２ａ側でも、端子Ｔ２４が設けられるとともに、制御ＩＣ３０ａには、アナログ／デジタル変換器３４が設けられ、充電制御部３１ａは、温度センサ２９の検出結果が異常であるときにも、充電電流供給回路３３に充電電流の供給を停止させる。

そして、前記温度センサ２９と並列に、通信手段であり、スイッチング素子であるＦＥＴ２８が設けられており、このＦＥＴ２８は前記ＦＥＴ２７と共に、前記二重保護ＩＣ２３によって制御される。前記温度センサ２９は、サーミスタなどから成り、低温で高抵抗値を呈し、高温で低抵抗値を呈する。したがって、異常な過電圧で二重保護ＩＣ２３がＦＥＴ２７をＯＮしてヒューズ２４，２５を溶断する二重保護動作の実行時に、ＦＥＴ２８もＯＮして温度センサ２９の端子間を短絡し、充電器２ａに疑似の高温信号が出力されることになる。これに応答して、充電制御部３１ａは、充電電流供給回路３３に充電電流の供給を停止させる。

このように構成してもまた、充電器２ａ側も二重保護ＩＣ２３が動作したことを認識することができ、前記安全保護制御回路２１による保護動作が失効し、充電電流を供給し続けていても、それを遮断するなど、安全性を向上することができる。また、このように温度センサ２９による信号経路で充電器２ａに二重保護ＩＣ２３が動作したことを認識させることで、制御ＩＣ１８ａには二重保護の通信機能を備えていない既存の素子を用いることができる。

本発明は、制御ＩＣが、充電器と通信を行いつつ、充電器からの充電電流を制御して二次電池を充電するとともに、該制御ＩＣによる保護動作の失効などに対して、異常時の二重保護用に別途に二重保護ＩＣを設けるようにした電池パックにおいて、前記二重保護ＩＣは、保護動作の実行時に、前記制御ＩＣを介して、充電器へ保護動作の実行を表す信号を送信するので、充電器側も二重保護動作が機能したことを認識することができ、充電電流を遮断するなど、安全性を向上することができる。

本発明の実施の一形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。 本発明の実施の他の形態に係る充電システムの電気的構成を示すブロック図である。

符号の説明

１，１ａ 電池パック
２，２ａ 充電器
１１，１５ 充電経路
１２，１３，２７，２８ ＦＥＴ
１４ 組電池
１６ 電流検出抵抗
１７，２９ 温度センサ
１８，１８ａ，３０，３０ａ 制御ＩＣ
１９，３４ アナログ／デジタル変換器
２０ 電圧検出回路
２１ 安全保護制御部
２２，３２ 通信部
２３ 二重保護ＩＣ
２４，２５ ヒューズ
２６ 発熱抵抗
３１ 充電制御部
３３ 充電電流供給回路
Ｔ１１，Ｔ２１；Ｔ１２，Ｔ２２；Ｔ１３，Ｔ２３；Ｔ１４，Ｔ２４ 端子

Claims (5)

1. 充電制御回路が充電器からの充電電流を制御して二次電池を充電するとともに、異常時の二重保護用に前記充電制御回路とは別途に保護回路を設けるようにした電池パックにおいて、
   通信手段を有し、前記保護回路は、保護動作の実行時に、前記通信手段を介して、充電器へ前記保護動作の実行を表す信号を送信することを特徴とする電池パック。
2. 前記通信手段は、前記充電制御回路における通信部であることを特徴とする請求項１記載の電池パック。
3. 前記通信手段は、前記二次電池の温度を前記充電制御回路に通知する温度検出手段に関連して設けられ、前記保護動作の実行時に、前記温度検出手段の端子間を短絡し、充電器へ疑似の高温信号を出力するスイッチング素子であることを特徴とする請求項１記載の電池パック。
4. 前記充電器から二次電池への充電経路に、相互に直列に接続されたヒューズを介在するとともに、前記ヒューズの接続点をその溶断用の発熱抵抗およびスイッチング素子を介して接地し、
   前記充電制御回路または保護回路の少なくとも一方による保護動作は、前記スイッチング素子のＯＮ駆動であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池パック。
5. 前記充電器から二次電池への充電経路に、前記充電制御回路によってＯＮ／ＯＦＦ制御される充電用のスイッチング素子および放電用のスイッチング素子が直列に介在され、前記充電制御回路は、これら充電用および放電用のスイッチング素子を制御することで充放電の制御および保護動作を行うとともに、前記ヒューズ溶断用のスイッチング素子をＯＮ駆動してヒューズを溶断させることで異常時の保護動作を行い、前記保護回路は、前記ヒューズ溶断用のスイッチング素子をＯＮ駆動してヒューズを溶断させることで、二重の保護動作を行うことを特徴とする請求項４記載の電池パック。

Images