JP2007213987A - 電池パック - Google Patents
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Abstract
【課題】電池パックの保護回路を電池パック外部から操作することのできる電源スイッチを設けることにより、保護回路が不要な期間中は保護回路に対する電源供給を停止することにより、寿命の向上を可能とする。
【解決手段】複数の単電池１の−側と＋側の端子を接続部材３によって接続した状態で金属ケース２内に収納する。金属ケース２には＋側と−側の外部端子４を設け、外部端子４と単電池１の端子とをリード５によって接続する。金属ケース２内には、各単電池の過放電や過充電を防止するための保護回路６と、この保護回路６の電源スイッチ７と連動する電池出力制御スイッチ８を設ける。保護回路６の電源スイッチ７は金属ケース２外部に設け、金属ケース２外部からその投入・遮断操作を可能とする。
【選択図】図１
【解決手段】複数の単電池１の−側と＋側の端子を接続部材３によって接続した状態で金属ケース２内に収納する。金属ケース２には＋側と−側の外部端子４を設け、外部端子４と単電池１の端子とをリード５によって接続する。金属ケース２内には、各単電池の過放電や過充電を防止するための保護回路６と、この保護回路６の電源スイッチ７と連動する電池出力制御スイッチ８を設ける。保護回路６の電源スイッチ７は金属ケース２外部に設け、金属ケース２外部からその投入・遮断操作を可能とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、複数個の単電池をケース内に収納して成る電池パックに関するものであって、特に、電池の電圧を監視して過充電や過放電を防止するための保護回路を操作するスイッチを設けたことを特徴とするものである。
複数個の単電池をケース内に収納して成る電池パックに電圧監視用の制御回路を設けたり、過放電や過充電を防止するための保護回路を設ける技術としては、例えば、特許文献１から特許文献３に記載のものが知られている。
特許文献１に記載の技術は、電気自動車等のモータ駆動用電池として保護回路を設けるにあたり、電池をグループ化することで保護回路数を減らしたものである。特許文献２に記載の技術は、複数の単電池の初期状態や電池性能が異なっていても、各単電池が最適な状態に充電されるように複数のスイッチ回路を有する保護回路を設けたものである。特許文献３に記載の技術は、複数の単電池からなる電池モジュールを複数接続した場合に、各電池モジュールの過充電時に充電電流を迂回する保護回路を設けたものである。
しかしながら、前記のように形成された従来の電池パックには次のような解決すべき課題があった。即ち、前記各特許文献で提案されているような電池パックにおいては、電池の使用あるいは不使用状態にかかわらず、常時保護回路を作動させておくために保護回路駆動用の電源が必要であった。
この電源は、電池パックが充電用電源と接続されている場合以外は、電池パックを構成する単電池から取ることになるので、単電池の放電時間の短縮を招くという問題があった。特に、大型の電源装置では多数の電池パックが使用されることから、個々の電池パックにおける保護回路の消費電力は小さくとも、電源装置全体としてみるとかなりの無駄になっていた。
特に、充放電が頻繁に繰り返される電池パックにおいては、保護装置で費やされる電力は直ちに次の充電時に補填されることから大きな問題になることはないが、例えば、送配電用の継電器等の電源装置のように、一度充電すると、次の充電時まで長期間放置されるような電池パックの場合には、定期点検や充電時などだけ保護装置が必要であるにもかかわらず、保護装置を使用する必要のない長期間にわたって継続して保護装置に電源を供給することは電源装置の運用寿命の短縮に繋がるものであった。
更に、電池パックには、前記のような保護回路に加えて、電池寿命や充放電量、温度その他の電池の状態を示す表示を行うことも要求される場合がある。そのような場合、従来技術では、これらの表示をＬＥＤや液晶ディスプレイにより行ったり、表示用のデータを通信線を介して外部の監視装置やコンピュータ等に送信する処理を常時行っていたため、そのための電力も必要で、電池寿命の低下を招いていた。
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、電池パックの保護回路を電池パック外部から操作することのできる電源スイッチを設けることにより、保護回路が不要な期間中は保護回路に対する電源供給を停止することにより、寿命の向上を可能とした電池パックを提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、前記保護回路の電源スイッチと連動して、電池状態の表示やデータの送信処理などについてもオン・オフすることにより、より電池寿命の向上を可能とすることにある。
本発明の他の目的は、保護回路の電源を投入前における電池電圧に基づいて得られた電池残量を、電源スイッチ投入後において電池残量を求める場合の初期値とすることにより、保護回路の電源スイッチのオン・オフに伴ってリセットされてしまう電池残量を、電源投入後に容易に判定可能とすることにある。
前記の目的を達成するために、本発明は、複数の単電池を収納した電池パックにおいて、単電池の電圧を監視して、過充電および／または過放電を防ぐための保護回路が設けられ、この保護回路に、保護回路駆動用の電源を投入・遮断する電源スイッチが設けられ、前記単電池の電力出力回路には、前記保護回路の電源スイッチと連動して投入・遮断される出力制御スイッチが設けられていることを特徴とする。
また、前記電池パックが、電池外部に充放電が可能な状態であるかを外部に伝える通信手段を備え、この通信手段が、前記保護回路の電源スイッチと連動して充放電禁止許可状態信号を出力することも可能である。
更に、前記電池パックが、前記出力回路を流れる電流を積算する電流積算計を用いた電池残量検出部と、この電池残量検出部によって得られた電池残量値を外部に伝える通信手段を備え、前記保護回路の電源スイッチが、この電池残量検出部の電源も同時に投入・遮断することもできる。
更にまた、前記電池残量検出部が、前記保護回路の電源スイッチの投入時に、電池電圧を測定し、電流が流れていない状態での電圧から電池の残量値を計算し、この残量値を残量計算の初期値とし、前記電流積算計による電流積算値とこの初期値とから電池残量を検出するものであり、前記出力制御スイッチが、前記電池残量検出部による初期値の算定後に投入されるものとすることも可能である。
本発明によれば、保護回路の電源スイッチを投入すると出力制御スイッチが閉じ、逆に保護回路の電源スイッチが遮断されると出力制御スイッチが開く。このことにより、保護回路に電源が供給されない場合には電池は使えないので、保護回路に支障が生じても電池の安全性は確保される。一方、保護回路の電源スイッチが遮断されている場合には保護回路に電流が流れないので、電池を無駄に消耗することがなく、電池を有効に使うことができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
（１）第１実施形態
図１に示す第１実施形態は、本発明の基本的な構成を示すものであって、単電池１として、その上下端部に＋端子と−端子を備えた柱状のものを使用したものである。これら複数の単電池１は、鉄やアルミのプレス成型品や鋳造品から成る気密・水密性の金属ケース２内に収納されている。
（１）第１実施形態
図１に示す第１実施形態は、本発明の基本的な構成を示すものであって、単電池１として、その上下端部に＋端子と−端子を備えた柱状のものを使用したものである。これら複数の単電池１は、鉄やアルミのプレス成型品や鋳造品から成る気密・水密性の金属ケース２内に収納されている。
前記単電池１は、金属ケース２内において交互に上下の向きを変えて収納されており、その−側と＋側の端子を接続部材３によって接続することで、電気的には直列に接続されている。金属ケース２には、＋側と−側の外部端子４が設けられ、これら外部端子４と単電池１の端子とがリード５によって接続されている。
金属ケース２内には、各単電池の過放電や過充電を防止するための保護回路６と、この保護回路６の電源スイッチ７と連動する電池出力制御スイッチ８が設けられている。保護回路６の電源スイッチ７は金属ケース２外部に設け、金属ケース２外部からその投入・遮断操作が可能になっている。
前記保護回路６には、直列接続された複数個の単電池の出力リード５上に配置されているものであって、この保護回路６には各単電池１の＋側と−側から伸びる電圧取出用電線９が接続されている。
前記金属ケース２と各単電池１との空隙部には、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスが封入されるか、あるいは、発泡ウレタンや発泡スチロールなどの発泡材が充填されている（図示せず）。
前記のような構成を有する第１実施形態の電気回路の構成を図２に示す。図２に示すように、保護回路６は、スイッチ制御部６１、電圧監視部６２および保護回路電源６３とを備えている。
スイッチ制御部６１は、単電池の出力リード５上に設けられた出力制御スイッチ８を、保護回路電源スイッチ７の投入・遮断と同期してオン・オフ制御するものである。電圧監視部６２は、各単電池１から伸びる電圧取出用電線９と接続され、各単電池１の電圧を監視し、その過充電あるいは過放電状態に至る前に充電あるいは放電操作を停止させるものである。
スイッチ制御部６１は、単電池の出力リード５上に設けられた出力制御スイッチ８を、保護回路電源スイッチ７の投入・遮断と同期してオン・オフ制御するものである。電圧監視部６２は、各単電池１から伸びる電圧取出用電線９と接続され、各単電池１の電圧を監視し、その過充電あるいは過放電状態に至る前に充電あるいは放電操作を停止させるものである。
保護回路電源６３は、前記電源スイッチ７と接続され、金属ケース２外部からの電源スイッチ７の操作により、保護回路６に対する電源の供給停止を可能とするものである。この場合、保護回路電源６３としては、専用の乾電池などを使用することも可能であるが、本実施形態では、単電池の出力リード５側から電源を取るように構成している。
このような構成を有する第１実施形態においては、金属ケース２に設けた電源スイッチ７を投入しない限り、保護回路電源６３が投入されることがないので、保護回路６の電源が電池パックの不使用度に入ることがなく、保護回路の電源を電池パックを構成する単電池から取り出す構成でも、電池の待機状態に単電池の電力が保護回路用として無駄に費やされることがない。
また、電源スイッチ７と出力制御スイッチ８との投入・遮断が連動しているので、電源スイッチ７を投入しない限り、出力制御スイッチ８が投入されることがない。その結果、保護回路６が動作しない状態で単電池の充放電がなされることがなく、単電池の過放電や過充電が確実に防止できる。
更に、本実施形態では、保護回路６によって個々の単電池の電圧を監視することが可能になるので、ある特定の単電池の充電度が１００％に達した時点で電池パック全体の充電を停止することで、その単電池に対する過充電を防止することが可能になる。
また、単電池１を剛性のある金属ケース２内部に収納しているため、金属ケース内部で単電池が破裂するようなことがあっても発火することがなく、安全性が高まる。特に、特許文献３のように、複合シートによって水分の浸入を防止する技術に比較して、剛性の高い金属ケースの使用により外部からの衝撃に対する単電池の保護機能が向上すると共に、複合シートに比較して容易に金属ケースを製作できる点でも有利である。
なお、前記のように前記金属ケース２と各単電池１との空隙部に不活性ガスを封入した場合には、耐発火性能が向上する。また、発泡ウレタンや発泡スチロールなどの発泡材を充填した場合には、金属ケース２内での単電池の振動を防止したり、石油系溶剤の漏出防止や外部からの水分浸入防止などの効果がある。
（２）第２実施形態
図３に示す第２実施形態は、前記第１実施形態が保護回路６の電源スイッチ７を金属ケース２に直接取り付けていたのに対して、金属ケース２から外部に電源線１０を引き出し、この電源線１０の先端に設けたコネクタ１１を制御盤やパソコン等の外部装置１２に設けた電源スイッチ７に接続したものである。
図３に示す第２実施形態は、前記第１実施形態が保護回路６の電源スイッチ７を金属ケース２に直接取り付けていたのに対して、金属ケース２から外部に電源線１０を引き出し、この電源線１０の先端に設けたコネクタ１１を制御盤やパソコン等の外部装置１２に設けた電源スイッチ７に接続したものである。
また、この第２実施形態では、保護回路６内に通信制御部６４を設けて、この通信制御部６４から金属ケース２外部に通信線１３を引き出し、この通信線１３先端に設けたコネクタ１４を外部装置１２に設けた通信回路１５に接続している。
この場合、通信制御部６４は、保護回路６に設けられた電圧監視部６２からの各単電池の電圧情報や、電圧情報に基づいて判定された充放電の禁止許可情報を、通信線１３を介して外部装置１２の通信回路１５に送信し、外部装置１２ではこの通信回路１５から得られた情報をディスプレイ等に表示したり、この情報に基づいて各単電池に対する充放電操作を行う。
なお、第２実施形態においては、前記第１実施形態に設けた出力制御スイッチ８を金属ケース２に設けていないが、これは、通信手段から得られた充放電の禁止許可情報に基づいて外部装置１２において充放電操作を行うためである。しかし、この第２実施形態においても、出力制御スイッチ８を金属ケース２内部に設けて、二重の安全策とすることも可能である。
（３）第３実施形態
図３に示す第３実施形態は、単電池１からの出力回路上に電流検出手段２０を設け、この電流検出手段２０で検出された電流値を積算する電流積算計を有する電池残量検出部２１を設けたものである。また、電池残量検出部２１によって得られた電池残量値は、前記第に実施形態と同様に、通信制御部６４、通信線１３を介して外部装置１２の通信回路１５に伝えるように構成されている。また、前記保護回路６の電源スイッチ７が、この電池残量検出部２１の電源も同時に投入・遮断するようになっている。
図３に示す第３実施形態は、単電池１からの出力回路上に電流検出手段２０を設け、この電流検出手段２０で検出された電流値を積算する電流積算計を有する電池残量検出部２１を設けたものである。また、電池残量検出部２１によって得られた電池残量値は、前記第に実施形態と同様に、通信制御部６４、通信線１３を介して外部装置１２の通信回路１５に伝えるように構成されている。また、前記保護回路６の電源スイッチ７が、この電池残量検出部２１の電源も同時に投入・遮断するようになっている。
また、前記電池残量検出部２１が、前記保護回路６の電源スイッチ７の投入時に、電池電圧を測定し、電流が流れていない状態での電圧から電池の残量値を計算し、この残量値を残量計算の初期値とし、前記電流積算計による電流積算値とこの初期値とから電池残量を検出するように構成されている。更に、前記出力制御スイッチ８は、前記電池残量検出部２１による初期値の算定後に投入されるものである。
このような構成を有する第３実施形態においては、電池の残量を知りたい場合に、電流積算計により電流検出手段２０によって得られた電流値の積算を行い、電池残量検出部２１によりこの積算値から電池の残量を予測する。この場合、第３実施形態では、保護回路６に電源スイッチ７を設け、電池残量検出部２１もこの保護回路６の電源スイッチ７と連動して電源を入り切りし、電池停止中は電流積算も行わないようにすることで電池残量算定の精度が上がる効果がある。
さらに、スイッチが入れられた時に電池に直列に接続された出力制御スイッチ８を入れずに電圧を測定し、この電圧から容量を予測し、電流積算の初期値としている。すなわち、電池は使用状態では電圧からの残量の予測は困難であるが、電流が流れていない状態ではその電圧値から正確に予測することができる。そのため、使用状態の電圧から残量を予測する従来技術では電流積算には必ず誤差がつきまとうため、長期間には残量予測値が実際の残量とずれていってしまうが、第３実施形態によれば、電源スイッチの投入時ごとに初期値を得ることが可能となるので、電流積算に伴うずれを電池を使うたびごとに修正できるので、電池残量の予測がより正確となる利点がある。
１…単電池
２…金属ケース
３…接続部材
４…外部端子
５…リード
６…保護回路
６１…スイッチ制御部
６２…電圧監視部
６３…保護回路電源
６４…通信制御部
７…電源スイッチ
８…出力制御スイッチ
９…電圧取出用電線
１０…電源線
１１…コネクタ
１２…外部装置
１３…通信線
１４…コネクタ
１５…通信回路
２０…電流検出手段
２１…電池残量検出部
２…金属ケース
３…接続部材
４…外部端子
５…リード
６…保護回路
６１…スイッチ制御部
６２…電圧監視部
６３…保護回路電源
６４…通信制御部
７…電源スイッチ
８…出力制御スイッチ
９…電圧取出用電線
１０…電源線
１１…コネクタ
１２…外部装置
１３…通信線
１４…コネクタ
１５…通信回路
２０…電流検出手段
２１…電池残量検出部
Claims (6)
- 複数の単電池を収納した電池パックにおいて、
単電池の電圧を監視して、過充電および／または過放電を防ぐための保護回路が設けられ、
この保護回路に、保護回路駆動用の電源を投入・遮断する電源スイッチが設けられ、
前記単電池の電力出力回路には、前記保護回路の電源スイッチと連動して投入・遮断される出力制御スイッチが設けられていることを特徴とする電池パック。 - 前記電池パックが、電池外部に充放電が可能な状態であるかを外部に伝える通信手段を備え、この通信手段が、前記保護回路の電源スイッチと連動して充放電禁止許可状態信号を出力するものであることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
- 複数の単電池を収納した電池パックにおいて、
単電池の電圧を監視して、過充電および／または過放電を防ぐための保護回路と、
この保護回路に、保護回路駆動用の電源を投入・遮断する電源スイッチと、
電池外部に充放電が可能な状態であるかを外部に伝える通信手段とを備え、
この通信手段が、前記保護回路の電源スイッチと連動して充放電禁止許可状態信号を出力するものであることを特徴とする電池パック。 - 前記電池パックが、前記出力回路を流れる電流を積算する電流積算計を用いた電池残量検出部を備え、
この電池残量検出部が、前記保護回路の電源スイッチの投入時に、電池電圧を測定し、 電流が流れていない状態での電圧から電池の残量値を計算し、この残量値を残量計算の初期値とし、前記電流積算計による電流積算値とこの初期値とから電池残量を検出するものであり、
前記出力制御スイッチが、前記電池残量検出部による初期値の算定後に投入されるものであることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載の電池パック。 - 前記保護回路の電源スイッチが、前記電池残量検出部の電源も同時に投入・遮断するものであることを特徴とする請求項４に記載の電池パック。
- 前記電池残量検出部によって得られた電池残量値を外部に伝える通信手段を備えていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の電池パック。
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