JP5269451B2

JP5269451B2 - 電池保護装置および電池保護方法

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Publication number: JP5269451B2
Application number: JP2008076581A
Authority: JP
Inventors: 貴史堂元
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2008-03-24
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-03-24
Also published as: JP2009232612A

Description

この発明は、電池保護装置および電池保護方法に関し、特に大容量の電池システムの電池保護装置および電池保護法方に関する。

大容量の電池システムとして、例えば、１つ以上の電池を直列に接続した電池列をさらに並列に接続するものが用いられている。このような電池システムの特定の電池列に電流が集中して流れると、特定の電池の温度が上昇したり、内部の溶剤が漏れ出たりし、電池の破損、破裂や発火等の危険が生じることがある。

また、従来、複数個の電池を直列に接続してケース内に収容した電池パックにおいて、リチウムイオン二次電池を使用した場合に、各単電池の電圧をケースの外部から監視して、ある単電池の充電度が１００％に達した時点で電池パック全体の充電を停止する電池パックが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００７−２００７５８号公報

しかし、上記の電池パックのように複数の電池を直列に接続した電池列を、さらに並列に接続した大容量の電池システムの場合、例えば危険を回避するために特定の電池列への電流供給を遮断しても、そのまま充電または放電を続けると、他の電池列に定格値以上の電流が流れ、他の電池列で電池の破損、破裂、発火等の危険が生じる場合があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであって、大容量の電池システムについて、電池に定格値以上の電流が供給されるのを防止し、電池システムを保護する電池保護装置および電池保護方法を提供することを目的とする。

本発明の第一態様による電池保護装置は、少なくとも１つの単位二次電池が直列に接続されたＮ個の単位電池列と、前記単位電池列に直列に接続された遮断素子と、前記単位電池列の各単位二次電池の電池電圧を検出する電池列電圧検出手段と、を備えた複数の電池ユニットを並列に接続した電池システムの電池保護装置であって、前記単位電池列の各単位二次電池の電池電圧を検出する電池列電圧検出手段と、前記Ｎ個の単位電池列の入力出力端子と電源または負荷との間に配置された第１スイッチ手段と、それぞれの前記単位電池列と、電源または負荷との間に配置された複数の第２スイッチ手段と、前記電池列電圧検出手段によって検出された電圧値を演算して第Ｋ番目の電池列の電圧と第（Ｋ＋１）番目の電池列の電圧とを比較しこれら２つの電圧の差が規定値以上であるか否か順次判断し、第Ｎ番目の電池列の電圧と第１番目の電池列の電圧とを比較して、これらの２つの電圧の差が規定値以上であるか否かを判断する検出電圧演算手段と、前記検出電圧演算手段において比較した２つの電圧の差が規定値以上であると判断された場合に、前記第１スイッチ手段をオフする又は前記複数の第２スイッチ手段を全てオフする制御手段と、を備える。

本発明の第二態様による電池保護方法は、少なくとも１つの単位二次電池が直列に接続されたＮ個の単位電池列と、前記単位電池列に直列に接続された遮断素子と、を備えた複数の電池ユニットを並列に接続した電池システムの電池保護方法であって、前記単位電池列の各単位二次電池の電池電圧を検出し、検出された電圧値を演算して第Ｋ番目の電池列の電圧と第（Ｋ＋１）番目の電池列の電圧とを比較して、これらの２つの電圧の差が規定値以上であるか否かを判断し、２つの電圧の差が規定値以上であると判断された場合に、前記Ｎ個の単位電池列と電源又は負荷との電気的接続を切断し、第Ｎ番目の電池列の電圧と第１番目の電池列の電圧とを比較して、２つの電圧の差が規定値以上であると判断された場合に、前記Ｎ個の単位電池列と電源又は負荷との電気的接続を切断する。

この発明によれば、電池に定格値以上の電流が供給されるのを防止し、電池システムを保護する電池保護装置および電池保護方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態に係る電池保護装置について図面を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係る電池保護装置は、少なくとも１つの単位二次電池ＢＴが直列に接続された単位電池列２１〜２Ｎと、単位電池列２１〜２Ｎのそれぞれに直列に接続された遮断素子１１〜１Ｎと、単位電池列２１〜２Ｎの特性を検出する検出手段としての電池列電圧検出部３１〜３Ｎおよび電池列電流検出部４１〜４Ｎ、を備えた電池ユニットＵ１〜ＵＮを並列に接続した電池システムの電池保護装置である。

さらに、本実施形態に係る電池保護装置は、検出手段から得た特性値を演算する演算部を有している。すなわち、電池保護装置は、演算部として電池列電圧検出部３１〜３Ｎから得た電圧値を演算する検出電圧演算部５、および、電池列電流検出部４１〜４Ｎから得た電流値を演算する検出電流演算部６を有している。

本実施形態では、単位二次電池ＢＴとして、例えばリチウムイオン電池を用いている。それぞれの単位電池列２１〜２Ｎは、直列に接続された複数の単位二次電池ＢＴを有している。これらの単位電池列２１〜２Ｎは、充電時には電源７に接続され、放電時には負荷７に接続される。また、これら単位電池列２１〜２Ｎのそれぞれに接続された遮断素子１１〜１Ｎは、例えば、一定以上の電流が流れた際にオープンとなるヒューズを有している。

本実施形態に係る電池保護装置は、電源７（または負荷７）と電池ユニットＵ１〜ＵＮの入出力端子との間に配置されたスイッチＳＷ０を有している。さらに、図１に示すように、電源７（または負荷７）とそれぞれの電池ユニットＵ１〜ＵＮの入出力端子との間には、スイッチＳＷ１〜ＳＷＮが配置されている。例えば、電源７（または負荷７）と電池ユニットＵ１との間にはスイッチＳＷ１が配置されている。

したがって、スイッチＳＷ１〜ＳＷＮ全部あるいはスイッチＳＷ０をオフすることによって、電源７（または負荷７）と全部の電池ユニットＵ１〜ＵＮとの接続を切ることができ、スイッチＳＷ１〜ＳＷＮのいずれかをオフすることによって、電源７（あるいは負荷７）と個々の電池ユニットＵ１〜ＵＮとの接続を切ることができる。

これらスイッチＳＷ０、ＳＷ１〜ＳＷＮは機械的に電源７（または負荷７）と電池ユニットＵ１〜ＵＮとの接続をオンオフするスイッチでも良く、電気的に電源７（または負荷７）と電池ユニットＵ１〜ＵＮとの接続をオンオフするスイッチでも良い。

電池列電圧検出部３１〜３Ｎは、単位電池列２１〜２Ｎの単位二次電池ＢＴそれぞれの電圧値を検出する検出手段である。例えば、電池列電圧検出部３１は単位電池列２１の単位二次電池ＢＴに接続され、単位電池列２１の各単位二次電池ＢＴの電池電圧を検出する。電池列電圧検出部３１〜３Ｎは、検出された電圧値を検出電圧演算部５に供給する。

電池列電流検出部４１〜４Ｎは、単位電池列１１〜１Ｎそれぞれの入出力端に接続され、単位電池列２１〜２Ｎのそれぞれに流れる電流値を検出する検出手段である。例えば、電池列電流検出部４１は単位電池列２１の陽極側に接続されている。電池列電流検出部４１〜４Ｎは、検出された電流値を検出電流演算部６に供給する。

検出電圧演算部５は、後に説明するように、電池列電圧検出部３１〜３Ｎから得た電圧値を演算して、遮断素子１１〜１Ｎのいずれかがオープンとなっているか否かを判断する。検出電流演算部６は、後に説明するように、電池列電流検出部４１〜４Ｎから得た電流値を演算して、遮断素子１１〜１Ｎのいずれかがオープンとなっているか否かを判断する。

これら検出電圧演算部５および検出電流演算部６での演算結果は、スイッチ制御部ＣＴＲに供給される。スイッチ制御部ＣＴＲは、供給された演算結果に基づいて、スイッチＳＷ０またはスイッチＳＷ１〜ＳＷＮのオンオフを制御する。

すなわち、スイッチ制御部ＣＴＲは、検出電圧演算手段において、遮断素子１１〜１Ｎのいずれかがオープンとなっていると判断された場合には、スイッチＳＷ１〜ＳＷＮ全てもしくはスイッチＳＷ０をオフとして、全ての単位電池列２１〜２Ｎの充電または放電を停止させる。

以下に、上記の電池保護装置における、電池保護方法の一例につい図２を参照して説明する。複数の電池ユニットＵ１〜ＵＮの充電または放電が開始され、電池列電圧検出部３１〜３Ｎで検出された電圧値が検出電圧演算部５に供給されると、検出電圧演算部５は、各単位電池列２１〜２Ｎの複数の単位二次電池ＢＴの電圧値を加算して、単位電池列２１〜２Ｎそれぞれの全体電圧を算出する（ステップＳＴＡ１）。そして、Ｋ＝１と設定し（ステップＳＴＡ２）、例えば、第Ｋ番目の単位電池列２Ｋの全体電圧値と第（Ｋ＋１）番目の単位電池列２（Ｋ＋１）の全体電圧値とを比較する（ステップＳＴＡ３）。

そして、比較した２つの全体電圧値に規定値以上の差があるか否かを判断する（ステップＳＴＡ４）。２つの全体電圧値に規定値以上の差がある場合には、遮断素子１Ｋあるいは遮断素子１（Ｋ＋１）のいずれかがオープンとなっていると判断する。

この場合には、検出電圧演算部５は、スイッチ制御部ＣＴＲに、スイッチＳＷ１〜ＳＷＮの全てもしくはスイッチＳＷ０をオフさせるための信号を供給し、スイッチ制御部ＣＴＲは、スイッチＳＷ１〜ＳＷＮの全てもしくはスイッチＳＷ０をオフとして（ステップＳＴＡ９）、終了する。

比較した２つの全体電圧値に規定値以上の差がない場合には、遮断素子１Ｋと遮断素子１（Ｋ＋１）とのいずれもオープンとなっていないと判断する。上記の動作が終了すると、Ｋ＝Ｋ＋１とし（ステップＳＴＡ５）、Ｋ＝Ｎ−１となるまで繰り返す（ステップＳＴＡ６）。

第（Ｎ−１）番目の単位電池列２（Ｎ−１）の全体電圧値と、第Ｎ番目の単位電池列２Ｎの全体電圧値とを比較して、これらの全体電圧値に規定値以上の差がなかった場合には、次に、検出電圧演算部５は、第Ｎ番目の単位電池列２Ｎの全体電圧値と、第１番目の単位電池列２１の全体電圧値とを比較する（ステップＳＴＡ７）。

そして、比較した２つの全体電圧値に規定値以上の差があるか否かを判断する（ステップＳＴＡ８）。２つの電圧値に規定値以上の差がある場合には、遮断素子１１あるいは遮断素子１Ｎのいずれかがオープンとなっていると判断する。

比較した２つの全体電圧値に規定値以上の差がない場合には、遮断素子１Ｋと遮断素子１（Ｋ＋１）とのいずれもオープンとなっていないと判断し、終了する。スイッチＳＷ１〜ＳＷＮの全てあるいはスイッチＳＷ０がオフされない状態で、上記の動作が終了した場合には、上記動作を繰り返して行う。

上記のように、スイッチＳＷ１〜ＳＷＮおよびスイッチＳＷ０のオン／オフを制御することによって、遮断素子１１〜１Ｎのいずれかがオープンとなった場合に、全ての単位電池列２１〜２Ｎの充放電を停止することができるため、特定の単位電池列に電流が集中して供給されることがない。

次に、電池保護方法の他の例について図３を参照して説明する。複数の電池ユニットＵ１〜ＵＮの充電または放電が開始され、電池列電圧検出部３１〜３Ｎで検出されて電圧値が検出電圧演算部５に供給されると、検出電圧演算部５は、各単位電池列２１〜２Ｎの複数の単位二次電池ＢＴの電圧値を加算して、単位電池列２１〜２Ｎそれぞれの全体電圧値を算出する（ステップＳＴＢ１）。

検出電圧演算部５は、算出されたＮ個の全体電圧の最大値と最小値とを抽出し、これらの差を算出する（ステップＳＴＢ２）。そして、検出電圧演算部５は、算出された最大値と最小値との差が規定値よりも大きいか否かを判断する（ステップＳＴＢ３）。

最大値と最小値との差が規定値よりも大きい場合には、検出電圧演算部５は、遮断素子１１〜１Ｎのいずれかがオープンとなったと判断し、スイッチ制御部ＣＴＲに、スイッチＳＷ１〜ＳＷＮの全てもしくはスイッチＳＷ０をオフさせるための信号を供給し、スイッチ制御部ＣＴＲは、スイッチＳＷ１〜ＳＷＮの全てもしくはスイッチＳＷ０をオフとして（ステップＳＴＢ４）、終了する。最大値と最小値との差が規定値以下の場合には、スイッチＳＷ１〜ＳＷＮの全てあるいはスイッチＳＷ０をオフとせずに、終了する。

上記のように、スイッチＳＷ１〜ＳＷＮおよびスイッチＳＷ０のオン／オフを制御することによって、遮断素子１１〜１Ｎのいずれかがオープンとなった場合に、全ての単位電池列の充放電を停止することができるため、特定の電池列に電流が集中して供給されることがない。

次に、電池保護方法の電流値による方法の一例について図４を参照して説明する。複数の電池ユニットＵ１〜ＵＮの充電または放電が開始され、電池列電流検出部４１〜４Ｎで検出された電流値が検出電流演算部６に供給されると（ステップＳＴＣ１）、検出電流演算部６は、Ｎ個の電流値のいずれかが規定値以下であるか否かを判断する（ステップＳＴＣ２）。

いずれかの電流値が規定値よりも小さい場合には、検出電流演算部６は、遮断素子１１〜１Ｎのいずれかがオープンとなったと判断し、スイッチ制御部ＣＴＲに、スイッチＳＷ１〜ＳＷＮの全てもしくはスイッチＳＷ０をオフさせるための信号を供給し、スイッチ制御部ＣＴＲは、スイッチＳＷ１〜ＳＷＮの全てもしくはスイッチＳＷ０をオフとして（ステップＳＴＣ３）、終了する。

いずれの電流値も規定値以上の場合には、スイッチＳＷ１〜ＳＷＮの全てあるいはスイッチＳＷ０をオフとせずに、終了する。

すなわち、本実施形態に係る電池保護装置および電池保護方法によれば、大容量の電池システムについて、電池に定格値以上の電流が供給されるのを防止し、電池システムを保護する電池保護装置および電池保護方法を提供することができる。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。上記の実施形態に係る電池保護装置は、電池列電圧検出部３１〜３Ｎと電池列電流検出部４１〜４Ｎとを有していたが、これらのいずれか一方を有する場合であっても、遮断素子１１〜１Ｎのいずれかがオープンとなった場合に全ての単位電池列２１〜２Ｎの充放電を停止することができる。

したがって、上記の場合であっても、電池に定格値以上の電流が供給されるのを防止し、電池システムを保護する電池保護装置および電池保護方法を提供することができる。

また、上記の実施形態に係る電池保護装置では、遮断素子１１〜１Ｎのいずれかがオープンとなった場合に、スイッチＳＷ１〜ＳＷＮの全部またはスイッチＳＷ０をオフとするよう設計されていたが、スイッチＳＷ１〜ＳＷＮとスイッチＳＷ０とは、どちらか一方が設けられていれば良い。その場合であっても上述の実施形態に係る電池保護装置と同様の効果が得られる。

また、上記の実施形態に係る電池保護方法では、図２および図３に示すように検出された単位二次電池の電圧値を加算して、単位電池列の全体電圧値を算出していたが、例えば、各単位電池列について、含まれる単位二次電池の電圧値の最大値を抽出し、抽出された最大値を順次比較してもよい。

この場合に、各単位電池列に含まれる二次電池の最大電圧値にかぎらず、最小値あるいは平均値を抽出し、抽出した値を順次比較してもよい。これらの場合であっても、上述の実施形態に係る電池保護方法と同様の効果が得られる。

さらに、上記の実施形態に係る電池保護装置および電池保護法方では、単位電池列から検出される電圧値または電流値によって、遮断素子１１〜１Ｎがオープンとなっているか否かを判断しているが、例えば、単位電池列近傍の温度を検出することによって遮断素子１１〜１Ｎがオープンとなっているか否かを判断しても良い。

この場合には、単位電池列の近傍に温度検出手段を配置し、この温度検出手段で検出された温度値を演算する検出温度演算部をさらに備える電池保護装置とし、例えば、検出温度演算部が、充電中または放電中に、特定の単位電池列近傍の温度が、一定時間以上、規定値以下であるまたは規定値以上である場合に、該単位電池列に接続された遮断素子がオープンであると判断する判断手段を有する。

このように、例えば温度等、電圧値または電流値以外の特性値を用いた場合であっても上述の実施形態に係る電池保護装置と同様の効果を得ることができる。

また、上記の電池保護装置および電池保護方法で用いられる規定値とは、あらかじめ設定された値でもよく、充電および放電の条件に応じて所定のパラーメータから算出される値であってもよい。

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の一実施形態に係る電池保護装置の一構成例を概略的に示す図。本発明の一実施形態に係る電池保護方法のうち、単位電池列の電圧値による方法の一例を説明するためのフローチャート。本発明の一実施形態に係る電池保護方法のうち、単位電池列の電圧値による方法の他の例を説明するためのフローチャート。本発明の一実施形態に係る電池保護法方のうち、単位電池列の電流値による方法の一例を説明するためのフローチャート。

符号の説明

ＢＴ…単位二次電池、Ｕ１〜ＵＮ…電池ユニット、ＣＴＲ…スイッチ制御部（制御手段）、ＳＷ１〜ＳＷＮ…スイッチ、５…検出電圧演算部、６…検出電流演算部、７…電源または負荷、１１〜１Ｎ…遮断素子、２１〜２Ｎ…単位電池列、３１〜３Ｎ…電池列電圧検出部、４１〜４Ｎ…電池列電流検出部

Claims

少なくとも１つの単位二次電池が直列に接続されたＮ個の単位電池列と、前記単位電池列に直列に接続された遮断素子と、を備えた複数の電池ユニットを並列に接続した電池システムの電池保護装置であって、
前記単位電池列の各単位二次電池の電池電圧を検出する電池列電圧検出手段と、
前記Ｎ個の単位電池列の入力出力端子と電源または負荷との間に配置された第１スイッチ手段と、
それぞれの前記単位電池列と、電源または負荷との間に配置された複数の第２スイッチ手段と、
前記電池列電圧検出手段によって検出された電圧値を演算して第Ｋ番目の電池列の電圧と第（Ｋ＋１）番目の電池列の電圧とを比較しこれら２つの電圧の差が規定値以上であるか否か順次判断し、第Ｎ番目の電池列の電圧と第１番目の電池列の電圧とを比較して、これらの２つの電圧の差が規定値以上であるか否かを判断する検出電圧演算手段と、
前記検出電圧演算手段において比較した２つの電圧の差が規定値以上であると判断された場合に、前記第１スイッチ手段をオフする又は前記複数の第２スイッチ手段を全てオフする制御手段と、を備えた電池保護装置。
前記単位電池列に流れる電流値を検出する電池列電流検出手段と、
前記電池列電流検出手段によって検出された電流値を演算して前記電池列電流検出手段によって検出された電流値のいずれかが規定値以下か否かを判断する検出電流演算手段と、を更に備え、
前記制御手段は、前記検出電流演算手段において、前記電流値のいずれかが規定値以下であると判断された場合に、前記第１スイッチ手段をオフする又は前記複数の第２スイッチ手段を全てオフする請求項１記載の電池保護装置。
少なくとも１つの単位二次電池が直列に接続されたＮ個の単位電池列と、前記単位電池列に直列に接続された遮断素子と、を備えた複数の電池ユニットを並列に接続した電池システムの電池保護方法であって、
前記単位電池列の各単位二次電池の電池電圧を検出し、
検出された電圧値を演算して第Ｋ番目の電池列の電圧と第（Ｋ＋１）番目の電池列の電圧とを比較して、これらの２つの電圧の差が規定値以上であるか否かを判断し、
２つの電圧の差が規定値以上であると判断された場合に、前記Ｎ個の単位電池列と電源又は負荷との電気的接続を切断し、
第Ｎ番目の電池列の電圧と第１番目の電池列の電圧とを比較して、
２つの電圧の差が規定値以上であると判断された場合に、前記Ｎ個の単位電池列と電源又は負荷との電気的接続を切断する電池保護方法。
前記単位電池列に流れる電流値を検出し、
検出された電流値を演算していずれかが規定値以下か否かを判断し、
前記電流値のいずれかが規定値以下であると判断された場合に、前記Ｎ個の単位電池列と電源又は負荷との電気的接続を切断する請求項３記載の電池保護方法。