JP2010080141A

JP2010080141A - 多直列多並列電池パック

Info

Publication number: JP2010080141A
Application number: JP2008245065A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Nagase; 和久永瀬
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2010-04-08
Also published as: TWI404296B; CN102165626B; TW201021366A; CN102165626A; WO2010035431A1; US20110169455A1

Abstract

【課題】保護
動作を適切なタイミングで行なうことが可能であり、また、各２次電池からの電圧測定用の引出し線がショートした場合でも２次電池や引出し線に損傷を生じることのない多直列多並列電池パックを提供すること。
【解決手段】直列に接続された複数のユニットと、各ユニットからの充電停止信号、放電停止信号により制御を行なう制御回路とを有し、各ユニットは直列に接続された複数の２次電池１０−１〜８と、その個々の電圧を検出する機能と、その検出結果に基づいて充電停止信号１３、放電停止信号１４を出力する機能とを有する電圧検知回路１５と、制御回路または外部の回路に２次電池の電圧を伝達するための引出し線１１を有し、引出し線の途中の部分１２には、直列に抵抗が挿入されているか、または、差動増幅器が接続されその出力が外部に伝達される。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子機器等に電力を供給する２次電池パックに関し、特に２次電池を多直列、多並列に接続して構成される多直列多並列電池パックに関する。

リチウムイオン電池等の２次電池は、通常、電気機器の電源として使用される場合、２次電池の電圧や電流などを検知してスイッチにより電源ラインを開閉して充放電制御などを行なう保護回路を一体化した２次電池パックとして使用されており、近年、２次電池パックはユーザーからの要求により高電圧化、高容量化が進んでいる。このような要求に対応するため、多数の２次電池を直列、並列に組み合わせることによって高電圧・高容量の電源が実現されている。

図４は、このような従来の２次電池パックの構成の一例を示す回路構成図である。図４において、直列に接続された複数の２次電池を一つのユニットとし、直列に接続された４つのユニット２０−１、２０−２、２０−３、２０−４と、電源ラインの開閉を行なうスイッチ素子２２と、２次電池の情報に基づいてスイッチ素子２２の制御により充放電の制御などを行なう制御回路２３とにより構成されている。

図５は、従来の一ユニットの構成の一例を示す回路構成図である。図５においては、８個の２次電池３０−１〜８が直列に接続されて一つのユニットを構成している。この場合、制御回路２３で制御を行なうために各２次電池からの電圧測定用の引出し線３１により各２次電池の電圧を制御回路２３に伝達している。制御回路２３ではこれらの電圧により判断してスイッチ素子２２の制御などの保護動作を行なう。この引出し線の配線方法の一例が特許文献１に示されている。

特開２００１−６６４４号公報

図４、図５に示した従来の２次電池パックでは、さらに高電圧、高容量の電源を得るためにユニット数が増え２次電池パック内で接続される２次電池の数が増えた場合、保護動作を行う制御回路２３で全ての２次電池の電圧を監視しなければならず、制御回路２３の制御処理に時間がかかってしまい、過充電、もしくは過放電の検知とそれに対応する保護処理を適切なタイミングで行えなくなる可能性がある。

また、２次電池に直接接続されユニットの外部に電圧を伝達するための引出し線３１が互いにショートした場合、２次電池にダメージを与えたり、引出し線自体が発熱し損傷を受ける可能性も考えられる。例えば、２次電池がリチウムイオン電池の場合、充電電圧が４．２Ｖ程度なので、仮に２次電池の電圧を５Ｖとし、２次電池の内部抵抗値を１０ｍΩ、引出し線等の配線部の抵抗値を５ｍΩとすると、引出し線がショートした場合に流れる電流Ｉは単純計算では、Ｉ＝５Ｖ÷（１０ｍΩ＋５ｍΩ＋５ｍΩ）＝２５０Ａ、となってしまう。

そこで、本発明の課題は、多数の２次電池が接続されていても保護動作を適切なタイミングで行なうことが可能であり、また、各２次電池から電圧測定用に引出された引出し線がショートした場合でも２次電池や引出し線に損傷を生じることのない多直列多並列電池パックを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の多直列多並列電池パックは、直列または並列に接続された複数のユニットと、該ユニットからの制御出力信号により充電または放電の制御を行なう制御回路とを有する２次電池パックにおいて、前記ユニットは直列または並列に接続された複数の２次電池と、該２次電池の個々の電圧を検出する機能と、該電圧の検出結果に基づいて前記制御出力信号を出力する機能と、前記制御回路または外部の回路に前記２次電池の個々の電圧を伝達するための引出し線を有することを特徴とする。

ここで、上記ユニットは前記２次電池に接続された電線路の遮断または切り換えを行なうスイッチ素子を有さなくてもよい。

また、前記引出し線には直列に抵抗が挿入されているか、または、前記引出し線には差動増幅器が接続されその出力が前記制御回路または外部の回路に伝達されることが望ましい。

本発明では、上記のように、各ユニット内部に各２次電池の電圧を検知する機能、すなわち検知回路等と、その検知結果より充電、放電の停止の必要性を判断する回路と、その判断結果による制御出力信号を出力する機能を有し、ユニットの外部の制御回路で前記制御出力信号に基づいてＦＥＴ等のスイッチ素子を制御する事により保護動作を実現する。さらに制御回路や、２次電池パックの外部にあるユーザー側の回路でも２次電池の電圧の測定ができるように引出し線を有しているので、制御回路や外部の回路で電池の残量管理や劣化判定が可能なシステムを構築できる。その際に、各引出し線がショートした場合にも大電流が流れないように、高抵抗を引出し線に直列に挿入するか、もしくは差動増幅器が接続されその出力が前記制御回路または外部の回路に伝達されている。

本発明は、制御回路では各ユニットから出力される制御出力信号に基づいてＦＥＴ等のスイッチ素子の制御を行えばよいため、保護動作の制御処理が簡略化される。なお、各２次電池からの電圧測定用の引出し線を使って保護動作に関わらない残量管理などを行うためには、全ての２次電池の電圧を測定する時間は保護動作と比較して遅くても問題が無いため、多数の２次電池が直列、並列に接続されても支障はない。

よって、本発明により、多数の２次電池が接続されていても保護動作を適切なタイミングで行なうことが可能であり、また、各２次電池から電圧測定用に引出された引出し線がショートした場合でも２次電池や引出し線に損傷を生じることのない多直列多並列電池パックが得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明による多直列多並列電池パックの一実施の形態の電池パックを示す回路構成図であり、図２は、本実施の形態に使用するユニットの一例を示す回路構成図である。図１において、本電池パックは直列に接続された４つのユニット１−１、１−２、１−３、１−４と、各ユニットからの制御出力信号である充電停止信号、放電停止信号によりそれぞれ充電または放電の制御を行なう制御回路３とを有している。また、図２において、各ユニットは直列に接続された８個の２次電池１０−１〜８と、各２次電池の個々の電圧を検出する機能と、その電圧の検出結果に基づいて充電停止信号１３、放電停止信号１４を出力する機能とを有する電圧検知回路１５と、制御回路３または外部の回路に２次電池の個々の電圧を伝達するための引出し線１１を有している。

ここで、各ユニットの引出し線の途中の部分１２には、直列に抵抗が挿入されているか、または、差動増幅器が接続されその出力が制御回路３または外部の回路に伝達されている。図３は、本発明の引出し線の回路構成図で、図３（ａ）は引出し線の途中の部分１２に抵抗が挿入された場合の回路構成図であり、図３（ｂ）は引出し線の途中の部分１２に差動増幅器が接続された場合の回路構成図である。

ここで、図３（ｂ）に示されるように、差動増幅器は、オペアンプ等を使用し、２次電池と１対１で構成され、２次電池１０−１〜８の両端の電圧をそれぞれ入力端子に接続しその差の電圧を出力端子から出力させる回路とする。差動増幅器を使用することにより、２次電池１０−１〜８のそれぞれの両端の電圧がオペアンプのグランドレベルを基準とした電圧に変換して出力されるため、制御回路３で電圧を測定する際にＡＤ変換回路に直接入力することができ、制御回路３の回路が簡略化できるというメリットもある。

また、図３（ａ）のように引出し線１１に抵抗を挿入する場合、引出し線１１に挿入する抵抗値を２５０〜１ｋΩ程度とすることにより、２次電池１０−１〜８が電池電圧が５Ｖのリチウムイオン電池で引出し線１１の隣同士がショートしたとしても、各引出し線に抵抗が入っているので抵抗を２個通過することになるため、流れる電流は２．５〜１０ｍＡと小さな値となる。また、図２のユニットのように８直列の場合、電圧測定用の引出し線１１の間の電圧の差は最大５Ｖ×８直列で４０Ｖとなるが、その引出し線間がショートした場合でも引出し線には２０〜８０ｍＡの電流しか流れないため、２次電池１０−１〜８には損傷を与えることはなく、また、引出し線１１の発熱、損傷は生じない。

また、図３（ｂ）のように電圧測定用の引出し線の途中の部分１２に抵抗ではなく差動増幅器を入れた場合でも、２次電池のエネルギーが直接出力されないため、差動増幅器より先の部分でショートが発生しても２次電池１０−１〜８に損傷を与えることはなく、また、引出し線１１の発熱、損傷も生じない。

図２のユニットでは２次電池１０−１〜８の８個が直列に接続されているが、直列に接続される２次電池の数および並列接続の有無およびその数は目的に合わせて任意に設定できる。電圧検知回路１５はリチウムイオン電池用の過充電や過放電を検知する検出ＩＣで構成してもよく、また、マイコン等でＡＤ変換器により電圧を測定して過充電や過放電を検知する機能を持たせた回路とマイコン等のプログラムで構成してもよい。

本実施の形態の電地パックは、図２のように制御回路３でスイッチ素子２を制御し、充電と放電の保護動作を行っている。ユニット１−１〜４と制御回路３は各２次電池電圧の測定用の引出し線１１−１〜４と充電停止信号線１３−１〜４、放電停止信号線１４−１〜４で接続され、制御回路３で各ユニットから出力される充電停止信号、放電停止信号をＯＲ処理しスイッチ素子２の制御を行う。また、引出し線により各２次電池電圧を測定することで電池パックの詳細な状態を管理したり、電流を測定することによる過電流検出や、２次電池電圧と電流により容量算出を行うことも可能である。

従来の電池パックでは、２次電池電圧は制御回路上のマイコン等でＡＤ変換器により処理されて測定されるが、ユニット数が多くなると全ての２次電池電圧を把握するのに時間がかかってしまう。しかし、本実施の形態においては保護動作に関わる判定はユニット１−１〜４が出力する充電停止信号および放電停止信号により判断可能であるので処理時間は短い。また、引出し線による２次電池電圧は残量管理や電池パックが接続されたシステム本体への状態通知に使用することができる。

本実施の形態の電池パックでは４個のユニットが直列に接続されているが、直列に接続されるユニットの数および並列接続の有無およびその数は目的に合わせて任意に設定できる。

本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではないことはいうまでもなく、ユーザーの要求に対応した必要な機能、例えば、２次電池やユニットの直列、並列それらの組み合わせの接続および接続数や、電池パックの他の保護回路機能や管理可能な電池情報の種類などを備えるように目的に合わせて設計が可能である。

本発明による多直列多並列電池パックの一実施の形態の電池パックを示す回路構成図。本実施の形態に使用するユニットの一例を示す回路構成図。本発明の引出し線の回路構成図。図３（ａ）は引出し線の途中の部分に抵抗が挿入された場合の回路構成図、図３（ｂ）は引出し線の途中の部分に差動増幅器が接続された場合の回路構成図。従来の２次電池パックの構成の一例を示す回路構成図。従来の一ユニットの構成の一例を示す回路構成図。

符号の説明

１−１〜４、２０−１〜４ユニット
２、２２スイッチ素子
３、２３制御回路
１０−１〜８、２０−１〜８２次電池
１１、１１−１〜４、３１、３１−１〜４引出し線
１２引出し線の途中の部分
１３充電停止信号
１３−１〜４充電停止信号線
１４放電停止信号
１４−１〜４放電停止信号線
１５電圧検知回路

Claims

直列または並列に接続された複数のユニットと、該ユニットからの制御出力信号により充電または放電の制御を行なう制御回路とを有する２次電池パックにおいて、前記ユニットは直列または並列に接続された複数の２次電池と、該２次電池の個々の電圧を検出する機能と、該電圧の検出結果に基づいて前記制御出力信号を出力する機能と、前記制御回路または外部の回路に前記２次電池の個々の電圧を伝達するための引出し線を有することを特徴とする多直列多並列電池パック。
上記ユニットは前記２次電池に接続された電線路の遮断または切り換えを行なうスイッチ素子を有さないことを特徴とする請求項１に記載の多直列多並列電池パック。
前記引出し線には直列に抵抗が挿入されていることを特徴とする請求項１または２に記載の多直列多並列電池パック。
前記引出し線には差動増幅器が接続され、その出力が前記制御回路または外部の回路に伝達されることを特徴とする請求項１または２に記載の多直列多並列電池パック。