JP2009194980A

JP2009194980A - 二次電池装置

Info

Publication number: JP2009194980A
Application number: JP2008031569A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Saito; 浩美齋藤
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2009-08-27

Abstract

【課題】内部の温度変動に対しても、常に安全規格に対して一定の余裕度があり、かつ、二次電池の最大容量を得られるような、信頼性の高い二次電池装置を提供すること。
【解決手段】二次電池２と充放電保護回路３と出力端子１５および１６とから構成され、充放電保護回路３は、過充電状態などを監視し充放電を制御する保護モジュール６と、スイッチ素子４および５と、二次電池の温度を検知するサーミスタ９と、その信号をモニタしその情報を出力するモニタ回路８と、二次電池１の電圧の検出信号と前記モニタ回路からの出力信号を処理して保護モジュール６に信号を出力する充電制御回路７とを備えている。モニタ回路８は温度情報に対応した電圧を有する信号を出力し、充電制御回路７においては、上記のモニタ回路８からの出力電圧を二次電池２の検出電圧に付加電圧として加算した電圧信号を保護モジュール６に出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器に使用される二次電池パックに関し、特に充電制御機能及び充電保護機能を二次電池パック内に有する二次電池装置に関する。

リチウムイオン二次電池は通常、保護回路を内蔵した二次電池パックとして用いられる。例えば、二次電池は過度の温度上昇により、劣化もしくは破壊が起こるために、保護回路を付加して温度上昇を未然に防ぐことが必要である。この目的では、代表的なものとして、高温になると二次電池パックの出力ラインを遮断して充電電流による発熱を停止させる温度ヒューズやＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子が用いられる。また、過充電状態を回避するために、常に二次電池の電圧を監視し、電圧が規定の異常値に達したときに、充電を遮断する保護回路が用いられる。

しかし、温度ヒューズは、一度遮断されると、温度が下がっても再び導通されることはなく、温度ヒューズの交換または二次電池パック自体の交換が必要になる。ＰＴＣ素子は、温度上昇によりトリップが行われ、その抵抗値が急激に増加すると、二次電池パックの内部抵抗が上昇して損失が大きくなり、充放電が制限される。

これら、温度ヒューズやＰＴＣ素子は、一定の温度に達した時のみ、保護機能が動作する素子である。

さらに、その他の方法として、サーミスタなどにより温度を測定し、この温度データをＩＣやマイコンへ入力し、そのＩＣやマイコンにより二次電池の出力ラインに備えたスイッチ回路を制御して出力ラインを遮断する方法が用いられる。このスイッチ回路は、内部抵抗の増加を伴わず過電流や過放電などにより電力ラインを遮断する回路とされるのが一般的である。しかし、この方法においても、ある一定の保護条件を満たしたときに出力を遮断する機能のみしか有していない。

一方、常に二次電池の電圧を監視し、電圧が異常値に達したときに、充電を遮断する保護回路では、初めから異常と判断される基準電圧値は一定の値に設定されている。また、温度、電流、電圧などそれぞれ最大定格で指定されている範囲内で使用する場合には動作を保証されているが、しかし、一般的に、それは、温度、電流、電圧などのそれぞれに対応した単独の項目に関してのみであって、すべての項目が最大定格において使用された場合にまで信頼性は保障されていない。

特許文献１には、二次電池を収納した電池パックとＡＣアダプタを接続した充電装置とから構成された充電制御システムが記載されている。電池パックには、自身の識別情報を出力する通信マイコンと、内部の温度を検出して温度情報を出力するサーミスタが備えられており、充電装置は電池パックの通信マイコンからの識別情報を入力する通信マイコンと、サーミスタにより検出された温度情報を入力する温度監視回路を備える。電池パックと充電装置間でマイコン制御によって情報のやり取りを行うことにより、充電時にサーミスタからの温度情報により電池パックを監視し、異常過熱時には充電装置に温度異常信号を出力して充電を停止することを特徴としている。

特許文献２には、二次電池、電圧電流検出回路、マイコン、ＥＰＲＯＭ、サーミスタから構成される電池パックが記載されている。サーミスタにより二次電池の温度を検出し、電圧電流検出回路でパック内の電流と各二次電池の端子電圧を検出し、それらをデジタル化して算出した本来の電池電圧に基づいて残存容量率を算出することを特徴としている。また、温度変化によって発生するサーミスタの抵抗値の変化をマイコンによって基板温度として検出し、二次電池との温度差を比較することで、充電制御を停止することを特徴としている。

特許文献１、２に記載の電池パックは、電池パックの温度、電圧が、ある一定の条件になったときに、出力を遮断する構成にしかなっておらず、温度により自動的に過充電となる基準電圧を変更できる構成にはなっていない。

特開２００７−１４１２５号公報特開２００５−４９２１６号公報

一般的に、二次電池を劣化や故障等から保護して安全に使うために、安全保護を二重、三重にかけることが行われる。そのためには、保護素子を複数個併用することが一般的である。しかし、従来の保護回路では、上述のように、温度ヒューズ、ＰＴＣ素子、マイコン制御で、ある一定の電圧や温度に達したときに、スイッチ素子をＯＮ／ＯＦＦするだけの機能しか有していない。また、充電電圧をモニタして、一定電圧に達したとき充電を遮断する制御回路も、その遮断の基準となる電圧はある一定値に設定されているのみである。

このような素子や制御回路で構成した二次電池パックの場合、安全のために温度及び充電電圧値に大きな余裕度をもたせると、大きな電池容量を確保できないという問題があり、また、逆に電池容量を最大限に取り出そうとして温度及び充電電圧値を二次電池の安全規格の上限近くに設定した場合、余裕度がなく、二次電池として十分な信頼性が確保できなく故障などを引き起こし易い状態に陥りやすいという問題を有している。

そこで、本発明の課題は、内部の温度変動に対しても、常に安全規格に対して一定の余裕度があり、かつ、二次電池の最大容量を得られるような、信頼性の高い二次電池装置を提供することである。

上記課題を達成するため、本発明の二次電池装置は、二次電池と、該二次電池の電圧と基準電圧閾値との比較により過充電状態を検出する手段と、該手段の検出結果により充放電を制御する制御回路と、該制御回路からの信号により充放電回路を制御するスイッチ素子とを有する二次電池装置において、前記二次電池の温度を測定し、該温度の測定値により前記基準電圧閾値を変化させる手段を有することを特徴とする。

また、前記二次電池の温度を検知する温度測定素子と、該温度測定素子からの信号をモニタしその情報を出力するモニタ回路と、前記二次電池の電圧の検出信号と前記モニタ回路からの出力信号を処理して前記制御回路に信号を出力する充電制御回路とを備えてもよい。

具体的には、前記制御回路は前記充電制御回路からの出力信号の電圧と予め定めた過充電基準電圧との比較により前記スイッチ素子を制御する機能を有し、前記充電制御回路の出力信号は前記二次電池の検出電圧に付加電圧が加算された信号であり、該付加電圧は前記モニタ回路からの出力信号に応じて定められてもよい。

以上のように、本発明においては、二次電池の温度変動に応じて過充電状態と判断する基準電圧閾値を変化させることにより、内部の温度変動に対しても、常に安全規格に対して一定の余裕度があり、かつ、二次電池の最大容量を得られるような、信頼性の高い二次電池装置が得られる。

さらに、二次電池内部の温度変動による温度測定素子からの信号により過充電状態と判断する基準電圧閾値を制御できるため、二次電池装置内部の微細な温度を感知して基準電圧閾値にフィードバックすることにより、より信頼性を高めることができるという利点がある。

また、過充電機能が働いてスイッチ回路を構成するＦＥＴの充電機能が一旦ＯＦＦ状態になり、その後二次電池の電圧が低くなって充電が再開される場合にも、温度に依存して基準電圧閾値を設定することにより、より安全に充電が再開されるという利点がある。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。

図１は、本発明による二次電池装置の一実施例の構成を示すブロック図である。図１において、本実施例の二次電池装置１は二次電池２と、充放電保護回路３と充電機器および外部機器との接続用の出力端子１５および１６とから構成されている。

さらに、充放電保護回路３は、過充電状態、過放電状態、過電流状態を監視し充放電を制御する保護モジュール６と、保護モジュール６からの信号により充放電回路を制御するスイッチ素子４および５と、二次電池の温度を検知する温度測定素子であるサーミスタ９と、サーミスタ９からの信号をモニタしその情報を出力するモニタ回路８と、二次電池の電圧の検出信号と前記モニタ回路からの出力信号を処理して保護モジュール６に信号を出力する充電制御回路７とを備えている。スイッチ素子４および５としては、通常、ＦＥＴなどのトランジスタが用いられる。ここでスイッチ素子４、５はそれぞれ放電制御用、充電制御用のスイッチ素子である。

保護モジュール６は、充電制御回路７からの入力により過充電状態を検出する手段を有し、かつ、その検出結果により充放電を制御する制御回路である。また、一定に設定されたレベルを超える過放電、過電流状態を検出して充放電を制御する機能も有している。通常時は充放電可能な状態であるが、外部からの信号により過充電、過放電、過電流のいずれかを検出すると、スイッチ素子４または５に信号を出力して、充電、放電を制御するものである。

出力端子１５、１６より充電中に二次電池２の電圧が上昇し、充電制御回路７から出力され電圧入力端子１０から入力される電圧が保護モジュール６に設定された過充電基準電圧に達すると、保護モジュール６は過充電状態と判断し、スイッチ素子５に信号を出力して、出力端子１５、１６からの充電を停止させる。このとき、出力端子１５、１６からの放電は可能である。

一方、二次電池２から出力端子１５、１６へ放電中に二次電池２の電圧が低下し、電圧入力端子１０から入力される電圧が保護モジュール６に設定された過放電に対する基準電圧に達すると、保護モジュール６は過放電状態と判断し、スイッチ素子４に信号を出力して、出力端子１５、１６からの放電を停止させる。このとき、出力端子１５、１６からの充電は可能である。

また、保護モジュール６では、二次電池２への充電、或いは、放電中に流れる電流を電流監視端子１１、１２よりスイッチ素子４、５の端子間の電圧を測定することにより検知して、過電流状態を監視しており、保護モジュール６において設定された過電流の基準電圧値に達すると、保護モジュール６は過電流状態と判断し、スイッチ素子４、或いは５に信号を出力して、充電あるいは放電を停止させる。

サーミスタ９は、二次電池２の温度を抵抗値の変化で監視する素子である。モニタ回路８は、サーミスタ９により検出された二次電池２の温度を監視し、その温度情報を信号として充電制御回路７へ出力する。このとき、モニタ回路８からの出力信号は、二次電池２の検出温度（ＴＨ）が、（１）ＴＨ＜４０℃の範囲、（２）４０≦ＴＨ＜５０℃の範囲、（３）５０≦ＴＨ＜６０℃の範囲、（４）６０≦ＴＨ＜７０℃の範囲、（５）７０℃≦ＴＨの範囲、のいずれかであるかに対応した電圧を有する信号である。充電制御回路７においては、上記の検出温度範囲に応じた大きさのモニタ回路８からの出力電圧が二次電池２の検出電圧に付加電圧として加算された電圧信号が保護モジュール６に出力される。

図２は本実施例の二次電池装置の過充電に対する保護回路動作を示すフローチャートであり、図２（ａ）は二次電池の温度検出から充電制御までの全体のフローチャートを示し、図２（ｂ）は充電制御回路への上記の各温度範囲の信号入力から充電制御回路の信号出力までのフローチャートを示す。表１は上記の各温度範囲に対応するモニタ回路の出力信号電圧、充電制御回路からの出力電圧と二次電池が過充電となる基準電圧閾値を示す。

図２（ａ）、図２（ｂ）、及び表１を参照して充電時の保護回路動作を説明する。二次電池装置１の充電中に、サーミスタ９にて温度監視を並行して行っている。モニタ回路８では随時、サーミスタ９より温度情報が入力される。ここで、二次電池装置１の温度変化が生じた場合、モニタ回路８より表１に示す出力信号電圧が充電制御回路７に入力される。充電制御回路７では、図２(ｂ)及び表１に示すように、モニタ回路８から送られた電圧値を二次電池２の検出電圧値に加算する演算処理を行い、その結果を出力電圧として保護モジュール６へ出力する。保護モジュール６において、その出力電圧が予め定めた過充電基準電圧より高い場合は、保護モジュール６は過充電状態と判断し、スイッチ素子４、或いは５に信号を出力して、出力端子１５、１６からの充電を停止させる。過充電基準電圧より低い場合は、再び充電機能へ戻る。

例えば、サーミスタ９で検知される温度が４０℃未満の場合、モニタ回路８から０．００Ｖの出力信号が充電制御回路７へ出力され、充電制御回路７では、二次電池の検出電圧が４．１０Ｖの場合、４．１０Ｖ＋０．００Ｖ＝４．１０Ｖと演算され、その結果を出力電圧として保護モジュール６の入力端子１０へ出力する。保護モジュール６の過充電基準電圧が４．３０Ｖである場合、上記出力電圧はまだ過充電基準電圧に達していないため、充電機能へ戻る。４０℃以下ではモニタ回路８の出力信号は０．００Ｖであるので、過充電基準電圧と基準電圧閾値は等しくなり、二次電池２の検出電圧が過充電基準電圧に達するまでは充電が行われる。

一方、サーミスタ９による検出温度が５０℃以上６０℃未満であった場合、モニタ回路８から出力される信号電圧は０．１０Ｖとなり、充電制御回路７からの出力は、二次電池２の検出電圧に０．１０Ｖ加算されたものとなるので、保護モジュール６の過充電基準電圧が同様に４．３０Ｖである場合、二次電池２の検出電圧が４．２０Ｖに達したとき、保護モジュール６の過充電検出機能が働き、スイッチ素子４、或いは５に信号を出力して、出力端子１５、１６からの充電を停止させる。すなわち、この場合の基準電圧閾値は４．２０Ｖである。同様に、他の温度範囲の時にも表１に示すように基準電圧閾値は温度範囲に対応して変化する。

以上のように、本実施例では二次電池の温度に対応して過充電となって保護が働く閾値の電圧を変化させることにより、常に二次電池の安全限界に対して一定の余裕度をもたせて、二次電池の最大容量を得られるような、信頼性の高い充電制御システム及び二次電池を提供することが可能になる。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、目的や用途に応じて設計変更可能である。例えば、モニタ回路の機能、充電制御回路の機能を上記実施例のようにそれぞれ独立の回路として備えるのではなく、保護モジュール内に一体として設置しても良い。基準電圧閾値を二次電池の温度により変化させる手段は、上記のようにモニタ回路からの出力電圧の値を変えるのではなく、保護モジュールの過充電基準電圧を直接温度の測定値に依存して変化させるような回路構成も可能である。また、二次電池は複数の二次電池より構成される二次電池ブロックであってもよく、二次電池装置は電圧バランス調整機能などの他の保護機能、監視機能を備えていてもよい。過充電となる基準電圧閾値なども二次電池の性能に合わせて設定可能である。また、マイコンを用いた制御システムや、二次電池装置に使用機器側との信号交信機能を持たせて制御することも可能である。本発明は、リチウムイオン二次電池の充電制御のみならず、すべての電池の保護回路システムとして利用可能である。

本発明による二次電池装置の一実施例の構成を示すブロック図。本発明の実施例の二次電池装置の過充電に対する保護回路動作を示すフローチャート、図２（ａ）は二次電池の温度検出から充電制御までの全体のフローチャート、図２（ｂ）は充電制御回路への各温度範囲の信号入力から充電制御回路の信号出力までのフローチャート。

符号の説明

１二次電池装置
２二次電池
３充放電保護回路
４、５スイッチ素子
６保護モジュール
７充電制御回路
８モニタ回路
９サーミスタ
１０電圧入力端子
１１、１２電流監視端子
１５、１６出力端子

Claims

二次電池と、該二次電池の電圧と基準電圧閾値との比較により過充電状態を検出する手段と、該手段の検出結果により充放電を制御する制御回路と、該制御回路からの信号により充放電回路を制御するスイッチ素子とを有する二次電池装置において、前記二次電池の温度を測定し、該温度の測定値により前記基準電圧閾値を変化させる手段を有することを特徴とする二次電池装置。
前記二次電池の温度を検知する温度測定素子と、該温度測定素子からの信号をモニタしその情報を出力するモニタ回路と、前記二次電池の電圧の検出信号と前記モニタ回路からの出力信号を処理して前記制御回路に信号を出力する充電制御回路とを備えることを特徴とする請求項１に記載の二次電池装置。
前記制御回路は前記充電制御回路からの出力信号の電圧と予め定めた過充電基準電圧との比較により前記スイッチ素子を制御する機能を有し、前記充電制御回路の出力信号は前記二次電池の検出電圧に付加電圧が加算された信号であり、該付加電圧は前記モニタ回路からの出力信号に応じて定められることを特徴とする請求項２に記載の二次電池装置。