JP2008182779A - 電源機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電源機器において、異常時に電池セルの電流遮断機構が働く際、電池セル内へのスパーク引火を回避するために回路遮断部分と電池セル内部とを隔絶するなどの複雑な構造を導入する必要があるが、このような構造的な対策は電池セルの大型化やコストアップを招いてしまうという課題があった。
【解決手段】電池セルの電流遮断機構が作動しても電流遮断部でスパークが発生しないように電池セルを並列に接続した電池セル群を複数個直列に接続して組電池を構成する。この個々の電池セル群の電圧と回路電流から電流遮断機構の作動した電池セルの有無を判断し、作動が判定された場合は電流経路の一部に接続したスイッチング素子を駆動して組電池の充放電を停止させる構成とすることで、安全性の高い電源機器を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池と電池制御部を有する電源機器に関する。

急激な情報化社会の進展に伴い、携帯電話、ノート型パソコンなどの携帯情報機器が広く普及してきている。これらの電源としては、通常二次電池が使用されている。中でも正極にリチウム金属酸化物、負極に炭素を用いたリチウムイオン二次電池は、軽量で小型化が可能なことから、様々な携帯機器で使用されている。

このリチウムイオン二次電池は、小型化や軽量化が可能な反面、過充電や逆充電での安全面に課題があり、鉛蓄電池やアルカリ蓄電池よりも細かな電池制御を必要としている。また、電池セルそのものの安全性を高めるために、過充電や逆充電で電池セル内の電解液が分解されるなどして電池セルの内圧が上昇した際に、圧力による変形を利用して電池セル内の電流経路を遮断する電流遮断機構を有する電池セルも広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。

また、これら電池セルを複数個並列及び直列に組み合わせて組電池を構成することも広く実施されている。この場合、電池セルが内部短絡すると、その電池セルに並列接続された電池セルから内部短絡した電池セルに電流が流れ込んでしまい、結果として組電池として充放電できなくなる。これを防ぐために、並列接続する際に、一旦直列に接続した電池ブロックを構成し、これを並列に接続する組電池構成も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平１０−３０２７４４号公報 特開２００４−１１１１３２号公報

しかしながら、このような電池セル内の電流遮断機構は、いわゆるヒューズと同様の働きをするため、遮断する回路電圧が十分低い場合には安全に回路を遮断することが出来るが、回路電圧が高い場合には、回路遮断時のアーク放電のエネルギーが大きくなり、遮断部分でスパークが発生して、これが電池セル内のガスや電解液などに引火する可能性があるという安全面での課題がある。

これを防ぐためには、電流遮断機構部分に電池セル内へのスパーク引火を回避するために回路遮断部分と電池セル内部とを隔絶するなどの複雑な構造を導入する必要があるが、このような構造的な対策は電池セルの大型化やコストアップを招いてしまう。また、突然電源供給回路が開回路となるため、負荷側の制御装置にサージ電流が流れて制御装置が故障するなどの悪影響が発生する可能性もある。

上記従来の課題を解決するために本発明の電源機器は、電流遮断機構を備えた複数の電池セルを並列に接続した電池セル群と、前記電池セル群を複数個直列に接続して構成した組電池と、前記電池セル群個々の電圧を検出する電圧検出部と、前記組電池に流れる電流を検出する電流検出部と、前記電圧検出部および前記電流検出部によって検出された電圧および電流データを分析するデータ分析部と、前記データ分析部の分析結果から電流遮断機構の作動した電池セルの有無を判断する判定部と、前記判定部が電流遮断機構の作動した電池セル有りと判断した際に、電流経路に設けたスイッチング素子を駆動して前記組電
池の充放電を停止させる電池制御部とを備えた構成としている。

本発明の電源機器の機能を説明する。組電池を構成する電池セルの中に過充電などで内圧が上昇した電池セルが発生すると、この電池セルへのそれ以上の通電を停止させるために電池セルに内蔵された電流遮断機構が作動する。その際、電池セルの電流経路が開回路となるので、それ以上の内圧上昇が回避されるので安全である。この時、組電池としては、電流遮断機構が作動した電池セルと並列に接続された電池セルがあるために開回路とはならず、電流遮断機構が作動した電池セルの両端電圧も並列に接続された電池セル電圧で規制される。このため、内圧上昇した電池セルの電流遮断機構に高電圧が印加される事は無く、アーク放電によるスパークの発生も抑制されるので、安全に電池セルへの通電を停止させることが出来る。

しかしながら、このまま組電池を使用すると、それまで電流遮断機構が作動した電池セルに流れていた電流が、その電池セルと並列に接続されていた電池セルに流れるようになるため、この電池セルの通電電流が増え、今度はこの電池セルが過充電、逆充電となる可能性が増大する。従って、1つの電池セルの電流遮断機構が作動した時点で、この電池セルの電流遮断機構の作動を検知して、組電池としての充放電を停止させる必要がある。

そのために本発明では、電流遮断機構を備えた複数の電池セルを並列に接続した電池セル群と、前記電池セル群を複数個直列に接続して構成した組電池と、前記電池セル群個々の電圧を検出する電圧検出部と、前記組電池に流れる電流を検出する電流検出部と、前記電圧検出部および前記電流検出部によって検出された電圧および電流データを分析するデータ分析部と、前記データ分析部の分析結果から電流遮断機構の作動した電池セルの有無を判断する判定部と、前記判定部が電流遮断機構の作動した電池セル有りと判断した際に、電流経路に設けたスイッチング素子を駆動して前記組電池の充放電を停止させる電池制御部とを備えている。

電流遮断機構が作動した電池セルの有無を判断する手法としては、例えば複数個の電流と電圧のデータを検出して、電流をX軸、電圧をY軸として一次回帰し、その傾きから電池セル群の内部抵抗を算出し、その内部抵抗の値から電流遮断機構の作動した電池セルの有無を検出する方法がある。並列接続された電池セルの中に電流遮断機構の作動した電池セルが存在すると、その電池セル群の内部抵抗値は上昇するので、この内部抵抗の上昇から電流遮断機構の作動した電池セルの有無を判断することが出来る。

また別の手法としては、例えば一定期間の電流を積算して容量変化を算出し、これと同一の一定期間における電池セル群の電圧の変化から電流遮断機構の作動した電池セルの有無を判断する方法がある。並列接続された電池セル群は、電気的には並列接続された電池セルの容量の和に相当する一つの電池セルとして振舞う。この電池セル群の中に電流遮断機構の作動した電池セルが発生すると、この電池セル群の容量が電流遮断機構の作動した電池セルの容量分だけ低下することになる。従って、同じ電気量を充放電した際に電池セル群の容量全体に対する相対的な残容量の変化が大きくなり、電池電圧の変化が他の正常な電池セル群の電圧変化よりも大きくなるので、電流遮断機構の作動した電池セルの有無を判断することが出来る。

上記のような手法を用いて電流遮断機構の作動した電池セルの有無を判断した場合、組電池としての充放電を停止させる手段としては、例えば電流経路にコンタクタや半導体スイッチなどのスイッチング素子を配置し、これを作動させて電流経路を開回路させる方法がある。また、電源機器に接続された負荷がインバータで作動されるような場合、このインバータの出力を停止させるよう制御することで組電池への充放電を停止させることも可
能である。

以上の通り、本発明によれば、電池セルに電流遮断機構の複雑な構造的変更を加えることなく、電池セルの内圧上昇異常時に安全に電池セルの電流遮断機構を作動させることができる電源機器を構成することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明し、発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図１は本発明に係る回路の構成を示すものである。１は組電池を構成する最小単位である電池セル、２は電池セル１の電流遮断機構が作動しても電流遮断部でスパークが発生しないように複数並列に接続した電池セル群である。図1では2セルが並列接続されているが、並列数は３セル以上でもよい。この電池セル１には内圧上昇時に電池セルへの通電回路を遮断する電流遮断機構が内蔵されている。

３はこの電池セル群２を直列接続した組電池を監視、制御する電池制御部である。電池制御部３には電圧検出部４と電流センサ５からの信号を受けて電流を計測する電流検出部６、これらの検出部からのデータを分析するデータ分析部７、データ分析部７の分析結果から電流遮断機構の作動した電池セルの有無を判定する判定部８が含まれる。電池制御部３は、判定部８で電流遮断機構の作動した電池セルの存在が判定されると、スイッチング素子９を制御して組電池を負荷１０から切り離す。なお、この負荷は電力を消費するだけではなく、電力回生などにより組電池に充電することもできる。

次に上記回路の動作を説明する。電池セル群２からなる組電池は、負荷１０により充放電される。この時、組電池に流れる電流は、電流センサ５により計測され、電流検出部６で電流として検出された後、その値がデータ分析部７に送られる。同様に、各電池セル群２の電圧は、電圧検出部４で検出された後、その値がデータ分析部７に送られる。データ分析部7では、電流検出部６から送られた電流の値と電圧検出部４から送られた値を、例えば電流と各電池セル群２電圧のペアのデータとして所定の期間蓄積して、所定時間経過後に電流データをX軸、電圧データをY軸として最小二乗法により一次の近似線を求め、その近似線の傾きを各電池セル群２の内部抵抗として算出するデータ解析を行う。こうして求められた内部抵抗値は、全ての電池セル１が正常に動作している状態では、ほぼ同じ値になる。

ところが、負荷１０から過大な電力回生により組電池に過大な充電が行われた場合、組電池を構成している電池セル１の一部が過充電となることがある。この時、過充電された電池セル１は、内部で電解液の分解などにより内圧が上昇するので、電流遮断機構が作動して電池セル１への電流の流れ込みが停止する。この時、電池セル群２の他の電池セル１は、充放電できる状態にあり、組電池の回路としては閉回路が保たれているので、電流遮断機構の遮断部分にかかる電圧は電池セル電圧以下であり、電流遮断部でスパークが発生することは無く、安全に電池セルへの電流の流れ込みが遮断される。

このように電池セル１の電流遮断機構が作動すると、２セルが並列に接続されている電池セル群２の場合は内部抵抗が２倍に上昇し、３セルが並列に接続されている電池セル群２の場合は内部抵抗が１．５倍に上昇する。従って、判定部８では、データ分析部７から送られた内部抵抗値が、電池セル群２内に電流遮断機構が作動した電池セル１が存在する場合に想定される内部抵抗に変化するのを監視して、電流遮断機構の作動を検出する。電流遮断機構の作動が検出された場合、該電池セル１を含む電池セル群２では残りの電池セ
ル１に電流が集中する。そのため、そのまま充放電を継続すると今度は同じ電池セル群２の残った電池セル１の電流遮断機構が作動する可能性がある。この場合は、最終的に組電池の回路が開回路されることになり、組電池が開回路となる際に電流遮断機構が作動した電池セルの電流遮断部では高電圧によるスパークが発生するので危険である。そこで、検出部８で電池セル１の電流遮断機構が作動したことが検出された際には、スイッチング素子９により強制的に組電池と負荷の回路を遮断することで安全を確保することが出来る。

データ分析部で電流遮断機構の作動を検出する第２の方法を説明する。まずデータ分析部７では、電流検出部６から送られた値を所定の期間積算し充放電された電気量を算出する。同時に、この所定期間での各電池セル群２での電圧の変化量を算出する。全ての電池セル１が正常な場合には、各電池セル群２で充放電された電気量に対する電圧の変化量はほぼ同じであるが、電池セル１の電流遮断機構が作動すると、２セルが並列に接続されている電池セル群２の場合は電池の容量が半分に低下し、３セルが並列に接続されている電池セル群２の場合は電池容量が２／３に低下するので、充放電容量に対する電圧の変化量は大きくなる。判定部では、この所定期間の充放電電気量に対する電池セル群２の電圧変化量の増大を検出して電流遮断機構の作動を検出する。電流遮断機構の作動検出後は、内部抵抗により検出した場合と同様にスイッチング素子９により強制的に組電池を負荷の回路を遮断する。

なお、電池セル群２を構成する電池セル１の電流遮断機構が作動する内圧レベルを異なるレベルに設定しておくと、低い内圧で電流遮断機構が作動する電池セル１で電流遮断機構が作動した後に電池セル群２の残りの電池セル１で電流遮断機構が作動するまでのマージンが十分に取れるので、さらに安全である。

本発明の電源機器は、電池セル内に電流遮断機構を内蔵した電池セルを用いた電源機器として有用である。

本発明にかかる電池パック構成の一例を示す図

符号の説明

１ 電池セル
２ 電池セル群
３ 電池制御部
４ 電圧検出部
５ 電流センサ
６ 電流検出部
７ データ分析部
８ 判定部
９ スイッチング素子
１０ 負荷

Claims (4)

1. 電流遮断機構を備えた複数の電池セルを並列に接続した電池セル群と、
   前記電池セル群を複数個直列に接続して構成した組電池と、
   前記電池セル群個々の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記組電池に流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記電圧検出部および前記電流検出部によって検出された電圧および電流データを分析するデータ分析部と、
   前記データ分析部の分析結果から電流遮断機構の作動した電池セルの有無を判断する判定部と、
   前記判定部が電流遮断機構の作動した電池セル有りと判断した際に、電流経路に設けたスイッチング素子を駆動して前記組電池の充放電を停止させる電池制御部と、
   を有する電源機器。
2. データ分析部は、各電池セル群の内部抵抗を算出分析するものとした請求項１記載の電源機器。
3. データ分析部は、一定期間の電流を積算して容量変化を算出し、これと同一の一定期間における電池セル群の電圧変化を分析するものとした請求項１記載の電源機器。
4. 電池制御部は、電圧検出部、電流検出部、データ分析部および判定部の機能を兼ねるものとした請求項１記載の電源機器。

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