JP2008011597A - Protection circuit of secondary battery and battery pack - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To secure high safety by determining the damage of a battery element from the AC impedance of the battery element. <P>SOLUTION: This protection circuit is constituted of: a detection block 10 for detecting over-discharging, overcharging and an overcurrent; a self-impedance measuring block 20; a control part 11; and a regulator 12. The detection block 10 for detecting the over-discharging, the overcharging and the overcurrent prevents the generation of the over-discharging, the overcharging and the overcurrent. An abnormality of the AC impedance is determined by an impedance conversion part 22 and an impedance determination part 23 from a measured voltage by measuring a voltage between cells when a sine wave voltage is applied to the cell from a sine wave oscillation part 21. When the abnormality of the AC impedance is determined, the protection circuit is brought into a power-down state by the control part 11, and both switches 5, 6 are turned off, to cause a discharge/charge-unable state. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、例えばリチウムイオン２次電池の保護回路、並びに電池素子と保護回路が一体化された電池パックに関する。   The present invention relates to, for example, a protection circuit for a lithium ion secondary battery, and a battery pack in which a battery element and a protection circuit are integrated.

近年、携帯電話、ノートブック型パソコンなどをはじめとする電子機器のコードレス化、ポータブル化が進み、薄型、小型、軽量の携帯電子機器が次々と開発されている。また、機器や機能の多様化によって電力使用量が増加しており、それら電子機器のエネルギー源である電池の高容量化・軽量化に対する要求が高まっている。   In recent years, electronic devices such as mobile phones and notebook computers have become cordless and portable, and thin, small, and lightweight portable electronic devices have been developed one after another. In addition, the amount of power used is increasing due to diversification of devices and functions, and there is an increasing demand for higher capacity and lighter batteries as energy sources for these electronic devices.

そこで、この要求に応える２次電池として、リチウムイオンのドープ・脱ドープを利用したリチウムイオン２次電池（以下、リチウムイオン電池と適宜称する）が提案されている。   Therefore, as a secondary battery that meets this requirement, a lithium ion secondary battery (hereinafter, appropriately referred to as a lithium ion battery) using lithium ion doping / dedoping has been proposed.

リチウムイオン電池は例えば、ＬｉＣｏＯ2 やＬｉＮｉＯ2 等のリチウム複合酸化物を用いた正極活物質層が正極集電体上に形成された正極と、リチウムをドープ・脱ドープ可能な例えばグラファイトや難黒鉛化性炭素材料等の炭素系材料を用いた負極活物質層が負極集電体上に形成された負極とを有している。この正極および負極はセパレータを介して積層され、屈曲または巻回されて発電素子とされる。この発電素子は、リチウム塩を非プロトン性有機溶媒に溶解させてなる非水電解液とともに、例えば金属缶やラミネートフィルムに収容されて電池素子（以下、セルと適宜称する）が構成されている。 Lithium ion batteries include, for example, a positive electrode in which a positive electrode active material layer using a lithium composite oxide such as LiCoO 2 or LiNiO 2 is formed on a positive electrode current collector, and can be doped / undoped with lithium, such as graphite or non-graphite A negative electrode active material layer using a carbon-based material such as a carbonizable carbon material has a negative electrode formed on a negative electrode current collector. The positive electrode and the negative electrode are laminated via a separator and bent or wound to form a power generation element. This power generation element is housed in, for example, a metal can or a laminate film together with a non-aqueous electrolyte solution obtained by dissolving a lithium salt in an aprotic organic solvent, thereby constituting a battery element (hereinafter appropriately referred to as a cell).

例えば円筒形リチウムイオン電池の場合では、発電要素が円筒状の電池容器の内部に収納されている。発電要素は、帯状の正極と負極とがセパレータを介してセンターピンを中心として巻回され、セパレータに液状の電解質である電解液が含浸されたものである。正極は、例えばアルミニウム箔等からなる正極集電体の両面（または片面）に正極活物質としてリチウム（Ｌｉ）をドープおよび脱ドープが可能な正極材料を含む正極合剤層が設けられた構造を有している。正極集電体には、アルミニウム等からなる正極リードが取り付けられ、発電要素の外部に導出されている。   For example, in the case of a cylindrical lithium ion battery, the power generation element is housed inside a cylindrical battery container. In the power generation element, a belt-like positive electrode and a negative electrode are wound around a center pin through a separator, and the separator is impregnated with an electrolytic solution that is a liquid electrolyte. The positive electrode has a structure in which, for example, a positive electrode mixture layer including a positive electrode material capable of doping and dedoping lithium (Li) as a positive electrode active material is provided on both surfaces (or one surface) of a positive electrode current collector made of aluminum foil or the like. Have. A positive electrode lead made of aluminum or the like is attached to the positive electrode current collector, and is led out of the power generation element.

負極は、例えば銅箔からなる負極集電体の両面（または片面）に負極活物質としてリチウムをドープおよび脱ドープが可能な負極材料を含む負極合剤層が設けられた構造を有している。負極集電体には、銅からなる負極リードが取り付けられ、発電要素の外部に導出されている。   The negative electrode has a structure in which, for example, a negative electrode mixture layer including a negative electrode material capable of doping and dedoping lithium as a negative electrode active material is provided on both surfaces (or one surface) of a negative electrode current collector made of copper foil. . A negative electrode lead made of copper is attached to the negative electrode current collector and led out of the power generation element.

電池容器は、例えばニッケル（Ｎｉ）のめっきがされた鉄（Ｆｅ）あるいはステンレス鋼から構成され、一端面（負極）側が閉塞され、他端面（正極）側が開放されている。電池容器は、負極と接続されており、負極端子として機能するようになされている。また、電池容器の開放端面部には、安全機構と電池蓋とがガスケットを介してかしめられることによって取り付けられており、電池容器の内部が密閉されている。安全機構を構成する安全弁に対して正極リードが溶接されている。   The battery container is made of, for example, iron (Fe) or stainless steel plated with nickel (Ni), one end surface (negative electrode) side is closed, and the other end surface (positive electrode) side is opened. The battery container is connected to the negative electrode and functions as a negative electrode terminal. In addition, a safety mechanism and a battery lid are attached to the open end surface portion of the battery container by caulking through a gasket, and the inside of the battery container is sealed. A positive electrode lead is welded to a safety valve constituting the safety mechanism.

リチウムイオン電池は、通常の使用条件下において十分な安全性を確保する電池設計がなされている。例えば、電池内部の温度上昇時に電流を制限する熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient：ＰＴＣ素子）や、内部電圧上昇時に電池内部で電気的接続を切断する安全弁などが設けられている。   Lithium ion batteries are designed to ensure sufficient safety under normal use conditions. For example, a thermal resistance element (Positive Temperature Coefficient: PTC element) that limits current when the temperature inside the battery rises, a safety valve that disconnects electrical connection inside the battery when the internal voltage rises, and the like are provided.

また、リチウムイオン電池は、過充電や過放電に弱いことから、セルと、保護回路とが一体化された電池パックの構成とされるのが普通である。保護回路の機能は、過充電保護、過放電保護および過電流保護の３つの機能がある。簡単にこれらの保護機能について説明する。   In addition, since lithium ion batteries are vulnerable to overcharge and overdischarge, it is common to have a battery pack configuration in which cells and protection circuits are integrated. There are three functions of the protection circuit: overcharge protection, overdischarge protection, and overcurrent protection. These protection functions will be briefly described.

過充電保護機能について説明する。リチウムイオン電池を充電していくと、満充電を過ぎても電池電圧が上昇を続ける。この過充電状態になると危険な状態となる可能性が生じる。したがって、充電は、定電流定電圧で行い、充電制御電圧が電池の定格（例えば４．２Ｖ）以下が行う必要がある。しかしながら、充電器の故障や、異機種用充電器の使用によって、過充電の危険性がある。過充電され、電池電圧がある電圧値（例えば４．３２５Ｖ）以上になった場合、保護回路が充電制御スイッチ素子例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor ）をオフし、充電電流を遮断する。この機能が過充電保護機能である。   The overcharge protection function will be described. When a lithium ion battery is charged, the battery voltage continues to rise even after full charge. If this overcharge state occurs, there is a possibility that a dangerous state will occur. Therefore, charging must be performed at a constant current and a constant voltage, and the charging control voltage must be lower than the battery rating (for example, 4.2 V). However, there is a risk of overcharging due to the failure of the charger or the use of a different model charger. When the battery voltage is overcharged and becomes a certain voltage value (for example, 4.325 V) or more, the protection circuit turns off the charge control switch element, for example, FET (Field Effect Transistor), and cuts off the charging current. This function is an overcharge protection function.

過放電保護機能について説明する。定格放電終止電圧以下まで放電し、電池電圧が例えば２Ｖ〜１．５Ｖ以下の過放電状態になった場合は、電池が故障する場合がある。放電され、電池電圧がある電圧値（例えば２．７Ｖ）以下になった場合、保護回路は、放電制御スイッチ素子例えばＦＥＴをオフし、放電電流を遮断する。この機能が過放電機能である。   The overdischarge protection function will be described. When the battery is discharged to a rated discharge end voltage or lower and the battery voltage is in an overdischarged state of, for example, 2 V to 1.5 V or lower, the battery may fail. When discharged and the battery voltage falls below a certain voltage value (eg, 2.7 V), the protection circuit turns off the discharge control switch element, eg, FET, and cuts off the discharge current. This function is an overdischarge function.

過電流保護機能について説明する。電池の＋−端子間が短絡された場合には、大電流がながれてしまい、異常発熱する危険性がある。放電電流がある電流値以上流れた場合には、保護回路は、放電制御ＦＥＴをオフし、放電電流を遮断する。この機能が過電流保護機能である。放電電流を遮断する点において、過放電保護機能と過電流保護機能とが同様の機能といえる。   The overcurrent protection function will be described. When the + and-terminals of the battery are short-circuited, a large current flows and there is a risk of abnormal heat generation. When the discharge current flows over a certain current value, the protection circuit turns off the discharge control FET and cuts off the discharge current. This function is an overcurrent protection function. In terms of cutting off the discharge current, the overdischarge protection function and the overcurrent protection function are similar functions.

これらの保護機能は、正常なセルへのダメージを未然に防止する機能であるが、電池の電圧および放電電流が正常なレベルであっても、セルの内部状態が正常であるとは限らない。例えば電動工具の電源として電池パックを使用すると、電池パックに強い振動が加わり、セル内部のリード部分が損傷して断線寸前となる場合がある。特に、正極リードは、アルミニウムからなり、機械的強度が負極リード（ニッケル）に比して弱い。このようにリードが断線しかかったセルを充電、放電することは、非常に危険である。このようなセルに加わったダメージの有無を判断するには、電池電圧や放電電流値のみで判断することができなかった。   These protective functions are functions for preventing damage to a normal cell, but even if the voltage and discharge current of the battery are at normal levels, the internal state of the cell is not always normal. For example, when a battery pack is used as a power source for an electric tool, strong vibration is applied to the battery pack, leading to damage to the lead portion inside the cell, which may be on the verge of disconnection. In particular, the positive electrode lead is made of aluminum, and its mechanical strength is weaker than that of the negative electrode lead (nickel). It is very dangerous to charge and discharge a cell whose lead has been disconnected in this way. In order to determine the presence or absence of damage applied to such a cell, it was not possible to determine only by the battery voltage or the discharge current value.

以下の特許文献１に、電池の内部インピーダンスを算出し、内部インピーダンスから電池の寿命を判断することが記載されている。   Patent Document 1 below describes that the internal impedance of a battery is calculated and the life of the battery is determined from the internal impedance.

特開２００２−３３０５４７号公報JP 2002-330547 A

しかしながら、電池の寿命を判断するために内部インピーダンスを算出することが記載されていても、上述したようなセルのダメージを判断し、高い安全性を確保するために、ＡＣ（交流）インピーダンスを測定することは、提案されていなかった。また、ＡＣインピーダンスを電池パックのユーザが測定することは、実際には不可能であった。   However, even if it is described that the internal impedance is calculated to determine the battery life, the AC (alternating current) impedance is measured to determine the cell damage as described above and to ensure high safety. It was not proposed to do. In addition, it is actually impossible for the battery pack user to measure the AC impedance.

したがって、この発明の目的は、電池パック自体が備える保護機能に対してＡＣインピーダンス測定機能を追加することによって、高い安全性を確保することができる２次電池の保護回路および電池パックを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a secondary battery protection circuit and a battery pack that can ensure high safety by adding an AC impedance measurement function to the protection function of the battery pack itself. It is in.

上述した課題を解決するために、この発明は、２次電池の電池素子の端子電圧および放電電流をそれぞれ測定して、過充電および過放電を防止する機能を有する２次電池の保護回路において、
電池素子の正極および負極間に印加する交流電圧を発生する交流信号発生手段と、
電池素子の正極および負極間の出力電圧のレベルを測定することによって電池素子の異常を検出する判定手段と、
判定手段によって電池素子の異常が検出された場合に、電池素子の放電および充電を不可能とする制御手段と
を有する２次電池の保護回路である。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a protection circuit for a secondary battery having a function of preventing overcharge and overdischarge by measuring a terminal voltage and a discharge current of a battery element of the secondary battery, respectively.
AC signal generating means for generating an AC voltage applied between the positive electrode and the negative electrode of the battery element;
Determination means for detecting an abnormality of the battery element by measuring the level of the output voltage between the positive electrode and the negative electrode of the battery element;
And a control means for making the battery element impossible to discharge and charge when an abnormality of the battery element is detected by the judging means.

また、この発明は、２次電池の電池素子と、電池素子の端子電圧および放電電流をそれぞれ測定して、過充電および過放電を防止する機能を有する保護回路とが共通のケースによって一体化された電池パックにおいて、
電池素子の正極および負極間に印加する交流電圧を発生する交流信号発生手段と、
電池素子の正極および負極間の出力電圧のレベルを測定することによって電池素子の異常を検出する判定手段と、
判定手段によって電池素子の異常が検出された場合に、電池素子の放電および充電を不可能とする制御手段と
をケース内に設けた電池パックである。 Further, according to the present invention, the battery element of the secondary battery and the protection circuit having a function of preventing overcharge and overdischarge by measuring the terminal voltage and the discharge current of the battery element are integrated in a common case. Battery pack
AC signal generating means for generating an AC voltage applied between the positive electrode and the negative electrode of the battery element;
Determination means for detecting an abnormality of the battery element by measuring the level of the output voltage between the positive electrode and the negative electrode of the battery element;
The battery pack is provided with a control means for disabling and discharging the battery element in the case when an abnormality of the battery element is detected by the judging means.

この発明によれば、セルのＡＣインピーダンスを測定し、測定されたインピーダンスの値が正常な範囲にない場合には、充電および放電を制限するので、従来では、判定できなかったセルダメージ例えば電池パックへの熱影響、機械的な振動衝撃の影響等を判定することができる。これらのセルダメージは、従来の保護機能の電池電圧または放電電流の判定によっては検出することが不可能である。この発明によれば、従来の保護回路より非常に高い安全性が得られる。   According to the present invention, the AC impedance of the cell is measured, and when the measured impedance value is not within a normal range, charging and discharging are limited. It is possible to determine the influence of heat on the surface, the influence of mechanical vibration shock, and the like. These cell damages cannot be detected by determining the battery voltage or discharge current of the conventional protection function. According to the present invention, safety much higher than that of the conventional protection circuit can be obtained.

以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、保護機能を主として示す電池パックのブロック図である。保護機能は、保護回路、保護ＩＣ、マイクロコンピュータ等で構成される。電池パックは、直列に接続された例えば円筒型電池の構成のセル１ａ、１ｂ、１ｃを有している。セル１ａの正極側から＋端子２が導出され、セル１ｃの負極がヒューズ、ＰＴＣ等の保護素子４、放電制御スイッチ（ＦＥＴ）５、充電制御スイッチ（ＦＥＴ）６を介して−端子３が導出される。充電時には、＋端子２および−端子３に対してＡＣアダプタ等の充電装置が接続されて充電が行われる。また、電気機器使用時には、＋端子２と−端子３が機器の＋端子、−端子に接続され、放電が行われる。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of a battery pack mainly showing a protection function. The protection function includes a protection circuit, a protection IC, a microcomputer, and the like. The battery pack includes cells 1a, 1b, and 1c having a configuration of, for example, a cylindrical battery connected in series. The positive terminal 2 is derived from the positive side of the cell 1a, and the negative terminal of the cell 1c is derived from the protective element 4 such as a fuse, PTC, the discharge control switch (FET) 5, and the charge control switch (FET) 6 through the negative terminal 3. Is done. During charging, charging is performed by connecting a charging device such as an AC adapter to the + terminal 2 and the − terminal 3. Further, when the electric device is used, the + terminal 2 and the − terminal 3 are connected to the + terminal and the − terminal of the device, and discharge is performed.

保護回路は、過放電、過充電、過電流検出ブロック１０と、セルインピーダンス測定ブロック２０と、コントロール部１１と、レギュレータ１２とから構成されている。過放電、過充電、過電流検出ブロック１０は、過放電・過充電検出部１３および過電流検出部１４を有する。過放電・過充電検出部１３は、セル１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれの端子電圧を測定し、測定した電圧値をコントロール部１１に供給する。過電流検出部１４は、−端子３の電圧降下から放電電流を測定し、測定した電流値をコントロール部１１に供給する。コントロール部１１は、例えばマイクロコンピュータで構成される。   The protection circuit includes an overdischarge / overcharge / overcurrent detection block 10, a cell impedance measurement block 20, a control unit 11, and a regulator 12. The overdischarge / overcharge / overcurrent detection block 10 includes an overdischarge / overcharge detection unit 13 and an overcurrent detection unit 14. The overdischarge / overcharge detection unit 13 measures the terminal voltages of the cells 1 a, 1 b, and 1 c and supplies the measured voltage values to the control unit 11. The overcurrent detection unit 14 measures the discharge current from the voltage drop at the negative terminal 3 and supplies the measured current value to the control unit 11. The control unit 11 is configured by a microcomputer, for example.

通常の充電状態並びに通常の放電状態では、スイッチ５および６が共にオンしている。コントロール部１１は、何れかのセルの端子電圧が所定電圧以上となることを検出すると、充電制御スイッチ６をオフとする制御信号を発生し、スイッチ６のオフによって過充電が防止される。何れかのセルの端子電圧が所定電圧以下となることを検出すると、コントロール部１１は、放電制御スイッチ５をオフとする制御信号を発生し、スイッチ５のオフによって過放電が防止される。さらに、コントロール部１１は、過電流を検出すると、放電制御スイッチ５をオフとする制御信号を発生し、過電流防止がなされる。これらの保護機能は、従来の電池パックが備えるものと同様である。   In the normal charging state and the normal discharging state, both the switches 5 and 6 are on. When the control unit 11 detects that the terminal voltage of any cell becomes equal to or higher than a predetermined voltage, the control unit 11 generates a control signal for turning off the charging control switch 6, and overcharging is prevented by turning off the switch 6. When it is detected that the terminal voltage of any cell is equal to or lower than the predetermined voltage, the control unit 11 generates a control signal for turning off the discharge control switch 5, and overdischarge is prevented by turning off the switch 5. Further, when the control unit 11 detects an overcurrent, it generates a control signal for turning off the discharge control switch 5 to prevent overcurrent. These protection functions are the same as those provided in the conventional battery pack.

従来の保護機能に対して追加されたセルインピーダンス測定ブロック２０は、正弦波発振部２１、インピーダンス変換部２２およびインピーダンス判定部２３から構成される。正弦波発振部２１は、セル１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれのＡＣインピーダンスを測定するために必要な振幅および周波数の正弦波電圧を発生する。インピーダンス変換部２２は、セル１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに対して抵抗を介して正弦波電圧を加えた時のセル間の電圧を測定し、測定電圧をインピーダンスへ変換する回路である。インピーダンス判定部２３は、インピーダンス変換部２２からのインピーダンスの値を判定してコントロール部１１に対して充電、放電の可否の情報を送る回路である。   The cell impedance measurement block 20 added to the conventional protection function includes a sine wave oscillating unit 21, an impedance converting unit 22, and an impedance determining unit 23. The sine wave oscillating unit 21 generates a sine wave voltage having an amplitude and a frequency necessary for measuring the AC impedance of each of the cells 1a, 1b, and 1c. The impedance converter 22 is a circuit that measures a voltage between cells when a sine wave voltage is applied to each of the cells 1a, 1b, and 1c via a resistor, and converts the measured voltage into an impedance. The impedance determination unit 23 is a circuit that determines the value of the impedance from the impedance conversion unit 22 and sends information indicating whether charging or discharging is possible to the control unit 11.

上述した各回路に対する電源電圧がレギュレータ１２によって形成される。レギュレータ１２は、例えばシリーズレギュレータである。各回路の接地側がセル１ｃの負極と共通に接続されている。各回路は、パワーダウン状態以外は常に動作しているものとする。パワーダウン状態またはパワーオフ状態は、コントロール部１１の制御の下で、シリーズレギュレータ１２によって生じさせるようになされている。   The power supply voltage for each circuit described above is formed by the regulator 12. The regulator 12 is, for example, a series regulator. The ground side of each circuit is connected in common with the negative electrode of the cell 1c. Each circuit is always operating except in the power-down state. The power down state or the power off state is generated by the series regulator 12 under the control of the control unit 11.

コントロール部１１の制御によってなされる、この発明の一実施の形態による保護動作を図２に示す。正常状態Ｓ１において、放電電流センシングＳ２、セル電圧センシングＳ３およびセルインピーダンスセンシングＳ４がなされている。放電電流センシングＳ２において測定された放電電流が放電電流判定ステップＳ５において、所定値と比較され、正常（図では、ＯＫと表記する）か否かが判定される。正常の場合には、正常状態Ｓ６に移る。大電流放電異常と判定された場合には、放電不可・充電可能状態Ｓ７に移る。   FIG. 2 shows the protection operation according to the embodiment of the present invention, which is performed under the control of the control unit 11. In the normal state S1, discharge current sensing S2, cell voltage sensing S3, and cell impedance sensing S4 are performed. In the discharge current determination step S5, the discharge current measured in the discharge current sensing S2 is compared with a predetermined value to determine whether it is normal (indicated as OK in the figure). If normal, the process proceeds to a normal state S6. When it is determined that the large current discharge is abnormal, the process proceeds to a discharge impossible / chargeable state S7.

正常状態Ｓ６は、放電制御スイッチ５および充電制御スイッチ６が共にオンし、放電および充電の両方が可能な状態である。放電不可・充電可能状態Ｓ７は、放電制御スイッチ５がオフし、充電制御スイッチ６がオンする状態である。放電可能・充電不可状態Ｓ８は、放電制御スイッチ５がオンし、充電制御スイッチ６がオフする状態である。正常状態Ｓ６から最初の正常状態Ｓ１に状態が戻る。放電電流判定ステップＳ５において大電流放電異常と判定された場合には、放電不可・充電可能状態Ｓ７に移り、放電が不可能とされ、セル１ａ，１ｂ，１ｃの保護がなされる。   The normal state S6 is a state where both the discharge control switch 5 and the charge control switch 6 are turned on and both discharge and charge are possible. Discharge disabled / chargeable state S7 is a state in which the discharge control switch 5 is turned off and the charge control switch 6 is turned on. The dischargeable / unchargeable state S8 is a state in which the discharge control switch 5 is turned on and the charge control switch 6 is turned off. The state returns from the normal state S6 to the first normal state S1. If it is determined in the discharge current determination step S5 that there is a large current discharge abnormality, the process shifts to the undischargeable / chargeable state S7, the discharge is disabled, and the cells 1a, 1b, 1c are protected.

状態Ｓ７（過電流防止状態）において、負荷解放判定ステップＳ９において負荷が解放されたか否かが判定される。負荷の解放は、例えば＋端子２および−端子３間の電圧から検出される。負荷が外されたこと（負荷解放）が検出されると、正常状態Ｓ１に戻る。   In the state S7 (overcurrent prevention state), it is determined whether or not the load is released in the load release determination step S9. The release of the load is detected from the voltage between the + terminal 2 and the −terminal 3, for example. When it is detected that the load is removed (load release), the process returns to the normal state S1.

セル電圧センシングＳ３において測定されたセル端子電圧がセル電圧判定ステップＳ１０において、所定値と比較され、正常（図では、ＯＫと表記する）か否かが判定される。正常の場合には、正常状態Ｓ６に移る。セル１ａ，１ｂ，１ｃの何れかの端子電圧が所定値以上の過充電異常と判定された場合には、放電可能・充電不可状態Ｓ８に移り、充電が不可能とされ、セル１ａ，１ｂ，１ｃの保護がなされる。セル１ａ，１ｂ，１ｃの何れかの端子電圧が所定値以下の過放電異常と判定された場合には、放電不可・充電可能状態Ｓ７に移り、放電が不可能とされ、セル１ａ，１ｂ，１ｃの保護がなされる。   In the cell voltage determination step S10, the cell terminal voltage measured in the cell voltage sensing S3 is compared with a predetermined value to determine whether it is normal (indicated as OK in the figure). If normal, the process proceeds to a normal state S6. When it is determined that an overcharge abnormality of any one of the cells 1a, 1b, and 1c is equal to or higher than a predetermined value, the cell 1a, 1b, and the cell 1a, 1b, 1c is protected. When it is determined that an overdischarge abnormality in which any of the terminal voltages of the cells 1a, 1b, and 1c is equal to or lower than a predetermined value, the cell 1a, 1b, 1c is protected.

状態Ｓ８（過充電防止状態）において、過充電復帰電圧判定ステップＳ１１においてセル電圧が過充電復帰電圧以下か否かが判定される。セル電圧が復帰電圧以下と判定されると、正常状態Ｓ１に戻る。状態Ｓ７（過放電防止状態）において、過放電復帰電圧判定ステップＳ１２においてセル電圧が過放電復帰電圧以上か否かが判定される。セル電圧が復帰電圧以上と判定されると、正常状態Ｓ１に戻る。   In the state S8 (overcharge prevention state), it is determined in the overcharge return voltage determination step S11 whether or not the cell voltage is equal to or lower than the overcharge return voltage. When the cell voltage is determined to be equal to or lower than the return voltage, the normal state S1 is restored. In the state S7 (overdischarge prevention state), it is determined in the overdischarge return voltage determination step S12 whether or not the cell voltage is equal to or higher than the overdischarge return voltage. When the cell voltage is determined to be equal to or higher than the return voltage, the normal state S1 is restored.

正弦波信号をセル１ａ，１ｂ，１ｃにそれぞれ与え、各セルのＡＣインピーダンスがセルインピーダンスセンシングＳ４において測定され、測定されたＡＣインピーダンスがセルインピーダンス判定ステップＳ１３において、正常な範囲内の値かどうかが判定される。正常な範囲は、予め各セルについて調べられている。   A sinusoidal signal is applied to each of the cells 1a, 1b, and 1c, the AC impedance of each cell is measured in the cell impedance sensing S4, and whether or not the measured AC impedance is a value within a normal range in the cell impedance determination step S13. Determined. The normal range is examined in advance for each cell.

セルインピーダンス判定ステップＳ１３において、セル１ａ，１ｂ，１ｃの何れかのＡＣインピーダンスが異常であると判定されると、保護回路パワーダウン状態Ｓ１４とされる。パワーダウン状態Ｓ１４は、コントロール部１１およびレギュレータ１２以外の回路が電源の供給を断たれた非動作状態である。インピーダンス異常となったセルに負担をかけないために、保護回路をパワーダウンモードに移行させて保護回路自体で消費する電流もシャットダウンさせて、インピーダンス異常をきたしたセルにダメージを与えないようにしている。   In the cell impedance determination step S13, when it is determined that the AC impedance of any of the cells 1a, 1b, and 1c is abnormal, the protection circuit power down state S14 is set. The power-down state S14 is a non-operating state in which circuits other than the control unit 11 and the regulator 12 are cut off from power supply. In order not to put a burden on the cell with an abnormal impedance, the protection circuit is switched to the power down mode and the current consumed by the protection circuit itself is shut down to prevent damage to the cell with the abnormal impedance. Yes.

異常なセルインピーダンスが検出された場合では、放電制御スイッチ５および充電制御スイッチ６の両方がオフとされ、放電不可・充電不可状態Ｓ１５となる。放電不可・充電不可状態Ｓ１５と関連して復帰するための判定処理が設けられていない。その理由は、セルのインピーダンスが一旦異常になると、正常なインピーダンスの値へ復帰することが殆どないことと、仮にセルインピーダンスの値が正常に戻ったとしても、セルの内部の状態が正常に戻ったと判断できないためである。したがって、インピーダンス異常が一度でも起こった場合、安全性を最も優先させ放電不可・充電不可状態Ｓ１５とし、また、復帰処理を行わない。   When an abnormal cell impedance is detected, both the discharge control switch 5 and the charge control switch 6 are turned off, and a discharge disabled / charge disabled state S15 is entered. A determination process for returning in association with the undischargeable / unchargeable state S15 is not provided. The reason is that once the cell impedance becomes abnormal, it rarely returns to the normal impedance value, and even if the cell impedance value returns to normal, the internal state of the cell returns to normal. This is because it cannot be determined. Therefore, when an impedance abnormality occurs even once, safety is given the highest priority and the discharge disabled / charge disabled state S15 is set, and the return process is not performed.

図３は、セルインピーダンス測定ブロック２０の回路例を示す。セル１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれに対してインピーダンス測定ブロックが設けられている。これらのインピーダンス測定ブロックは、レギュレータ１２から電源電圧Ｖｃｃが供給される。また、これらのインピーダンス測定ブロックは、互いに同一構成であるので、セル１ａに関連して設けられたインピーダンス測定ブロックについて説明する。   FIG. 3 shows a circuit example of the cell impedance measurement block 20. An impedance measurement block is provided for each of the cells 1a, 1b, and 1c. These impedance measurement blocks are supplied with the power supply voltage Vcc from the regulator 12. Since these impedance measurement blocks have the same configuration, the impedance measurement block provided in association with the cell 1a will be described.

正弦波発振部２１ａは、演算増幅器を使用した正弦波発振器３１と、その出力を増幅するトランジスタアンプ３２とから構成されている。トランジスタアンプ３２のエミッタから出力される正弦波電圧が逆流防止用ダイオードを介してセル１ａに印加される。過充電保護が働かないようにするために、実際の正弦波電圧の上限値はリチウムイオン電池保護回路の過充電検出電圧レベル以下に設定する。例えば過充電検出電圧が４．３２５Ｖの場合では、正弦波電圧の最大値が４．３００Ｖに設定される。   The sine wave oscillating unit 21a includes a sine wave oscillator 31 using an operational amplifier and a transistor amplifier 32 that amplifies the output thereof. A sine wave voltage output from the emitter of the transistor amplifier 32 is applied to the cell 1a via a backflow prevention diode. In order to prevent overcharge protection from working, the upper limit value of the actual sine wave voltage is set below the overcharge detection voltage level of the lithium ion battery protection circuit. For example, when the overcharge detection voltage is 4.325V, the maximum value of the sine wave voltage is set to 4.300V.

インピーダンス変換部２２ａは、ツェナーダイオードとツェナー電圧を抵抗分圧する抵抗分圧部とからなる基準電圧部３３および３４と、セルに正弦波電圧を印加した場合の測定電圧Ｖｉを取り出すための測定電圧部３５と、ウィンドコンパレータ３６と、判定部２３ａ（ＡＮＤゲート）とからなる。基準電圧部３３は、ウィンドコンパレータ３６の上限の基準電圧Ｖｕを発生し、基準電圧部３４は、ウィンドコンパレータ３６の下限の基準電圧Ｖｌを発生する。ウィンドコンパレータ３６の２つのコンパレータＯＰ１およびＯＰ２において、これらの基準電圧と測定電圧Ｖｉとがレベル比較される。２つのコンパレータＯＰ１およびＯＰ２の出力が判定部２３ａに供給される。   The impedance conversion unit 22a includes reference voltage units 33 and 34 each including a Zener diode and a resistance voltage dividing unit that resistively divides the Zener voltage, and a measurement voltage unit for extracting a measurement voltage Vi when a sine wave voltage is applied to the cell. 35, a window comparator 36, and a determination unit 23a (AND gate). The reference voltage unit 33 generates an upper limit reference voltage Vu of the window comparator 36, and the reference voltage unit 34 generates a lower limit reference voltage Vl of the window comparator 36. The two comparators OP1 and OP2 of the window comparator 36 compare the levels of these reference voltages with the measured voltage Vi. The outputs of the two comparators OP1 and OP2 are supplied to the determination unit 23a.

測定電圧部３５は、セルに印加した電圧を抵抗分圧した測定電圧Ｖｉをウィンドコンパレータに対して入力する部分である。この測定電圧Ｖｉがセルのインピーダンスに応じた電圧となるので、測定電圧Ｖｉをインピーダンス判定に利用する。例えばセルがショートモードで故障した場合、この測定電圧Ｖｉが下限基準電圧Ｖｌ以下となり、セルが故障したと判断できる。またセルがオープンモードで故障した場合、測定電圧Ｖｉが上限基準電圧Ｖｕ以上となり、セルが故障したと判定できる。   The measurement voltage unit 35 is a part that inputs a measurement voltage Vi obtained by resistance-dividing the voltage applied to the cell to the window comparator. Since the measurement voltage Vi becomes a voltage corresponding to the impedance of the cell, the measurement voltage Vi is used for impedance determination. For example, when the cell fails in the short mode, the measured voltage Vi becomes equal to or lower than the lower limit reference voltage Vl, and it can be determined that the cell has failed. When the cell fails in the open mode, the measurement voltage Vi becomes equal to or higher than the upper limit reference voltage Vu, and it can be determined that the cell has failed.

ウィンドコンパレータ３６のコンパレータＯＰ１は、Ｖｉ≦Ｖｕの場合でＨｉ（ハイレベル）、Ｖｉ＞Ｖｕの場合でＬow（ローレベル）の出力を発生する。ウィンドコンパレータ３６のコンパレータＯＰ２は、Ｖｉ≧Ｖｌの場合でＨｉ、Ｖｉ＜Ｖｌの場合でＬowの出力を発生する。基準電圧ＶｌおよびＶｕを予めセルの特性に合わせて適切に設定することによって、セルのインピーダンスが正常な範囲内の値を持ち、測定電圧Ｖｉが（Ｖｌ≦Ｖｉ≦Ｖｕ）の範囲にある場合には、二つのコンパレータＯＰ１およびＯＰ２の出力が共にＨｉとなり、判定部２３ａの出力もＨｉとなる。若し、セルのインピーダンスが異常で測定電圧が正常な範囲を越えると、コンパレータＯＰ１およびＯＰ２の出力の一方がＬowとなり、判定部２３ａの出力もＬowとなり、インピーダンス異常を検出できる。   The comparator OP1 of the window comparator 36 outputs Hi (high level) when Vi ≦ Vu, and Low (low level) when Vi> Vu. The comparator OP2 of the window comparator 36 outputs Hi when Vi ≧ Vl and Low when Vi <Vl. By appropriately setting the reference voltages Vl and Vu in advance according to the characteristics of the cell, the cell impedance has a value within the normal range, and the measured voltage Vi is in the range of (Vl ≦ Vi ≦ Vu). The outputs of the two comparators OP1 and OP2 are both Hi, and the output of the determination unit 23a is also Hi. If the cell impedance is abnormal and the measured voltage exceeds the normal range, one of the outputs of the comparators OP1 and OP2 becomes Low, and the output of the determination unit 23a also becomes Low, so that the impedance abnormality can be detected.

他のセル１ｂ，１ｃのそれぞれに対しても上述したセル１ａに関連して設けられたのと同様の構成のインピーダンス測定ブロックが設けられている。３個のセル１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれのインピーダンス測定ブロックの判定部の出力がインピーダンス判定部（ＡＮＤゲート）２３に入力される。したがって、インピーダンス判定部２３の出力は、セル１ａ，１ｂ，１ｃの何れか１つのインピーダンスが異常となった場合に、Ｌowとなる。このセル全体の判定結果がコントロール部１１（図１参照）に供給される。   For each of the other cells 1b and 1c, an impedance measurement block having the same configuration as that provided in relation to the cell 1a described above is provided. The outputs of the determination units of the impedance measurement blocks of the three cells 1a, 1b, and 1c are input to the impedance determination unit (AND gate) 23. Accordingly, the output of the impedance determination unit 23 becomes Low when any one of the cells 1a, 1b, and 1c becomes abnormal. The determination result of the entire cell is supplied to the control unit 11 (see FIG. 1).

インピーダンス判定部２３の出力は、図２におけるセルインピーダンス判定ステップＳ１３の判定結果に対応する。インピーダンス判定部２３の出力がＬowとなる場合には、前述したように、放電不可・充電不可状態Ｓ１５に制御される。   The output of the impedance determination unit 23 corresponds to the determination result of the cell impedance determination step S13 in FIG. When the output of the impedance determination unit 23 becomes Low, as described above, the state is controlled to the undischargeable / unchargeable state S15.

セルインピーダンスの測定のためには、正弦波電圧をセルに印加する必要があるので、電池パックが充電、または放電している際にセルインピーダンスを測定できない。セルインピーダンスは、セルの静特性が取れる状態で判定を行なう。例えば電池パックを充電器に取り付けた瞬間（充電開始前）、充電終了時等のタイミングでセルインピーダンスを測定するようになされる。このようなセルインピーダンスの測定タイミングの制御は、インピーダンス測定ブロックに対する電源電圧Ｖｃｃの供給のオン／オフによって行うことができる。   In order to measure the cell impedance, it is necessary to apply a sine wave voltage to the cell. Therefore, the cell impedance cannot be measured when the battery pack is being charged or discharged. The cell impedance is determined in a state where the static characteristics of the cell can be obtained. For example, the cell impedance is measured at a timing such as when the battery pack is attached to the charger (before charging is started) or when charging is completed. Such control of the measurement timing of the cell impedance can be performed by turning on / off the supply of the power supply voltage Vcc to the impedance measurement block.

以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えばセルのＡＣインピーダンスを測定するのに使用する交流信号の波形は、正弦波以外の波形が可能である。また、測定電圧が正常な範囲にあるか否かを検出する回路としては、ウィンドコンパレータ以外の回路構成が可能である。   The embodiment of the present invention has been specifically described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. For example, the waveform of the AC signal used to measure the AC impedance of the cell can be a waveform other than a sine wave. Further, as a circuit for detecting whether or not the measurement voltage is in a normal range, a circuit configuration other than the window comparator can be used.

この発明の一実施の形態の電池パックの保護機能を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the protection function of the battery pack of one embodiment of this invention. この発明の一実施の形態の動作説明に使用する状態遷移図である。It is a state transition diagram used for operation | movement description of one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態におけるセルインピーダンス測定ブロックの一例の接続図である。It is a connection diagram of an example of a cell impedance measurement block in one embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１ａ，１ｂ，１ｃ・・・電池素子
２・・・電池パックの＋端子
３・・・電池パックの−端子
５・・・放電制御スイッチ
６・・・充電制御スイッチ
１０・・・過放電、過充電、過電流検出ブロック
２０・・・セルインピーダンス測定ブロック
２１，２１ａ・・・正弦波発振部
２２，２２ａ・・・インピーダンス変換部
２３，２３ａ・・・インピーダンス判定部

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a, 1b, 1c ... Battery element 2 ... + terminal of battery pack 3 ... Negative terminal of battery pack 5 ... Discharge control switch 6 ... Charge control switch 10 ... Overdischarge, overcharge Charge, overcurrent detection block 20 ... cell impedance measurement block 21, 21a ... sine wave oscillation unit 22, 22a ... impedance conversion unit 23, 23a ... impedance determination unit

Claims (6)

２次電池の電池素子の端子電圧および放電電流をそれぞれ測定して、過充電および過放電を防止する機能を有する２次電池の保護回路において、
電池素子の正極および負極間に印加する交流電圧を発生する交流信号発生手段と、
上記電池素子の正極および負極間の出力電圧のレベルを測定することによって上記電池素子の異常を検出する判定手段と、
上記判定手段によって上記電池素子の異常が検出された場合に、上記電池素子の放電および充電を不可能とする制御手段と
を有する２次電池の保護回路。 In the secondary battery protection circuit having a function of preventing overcharge and overdischarge by measuring the terminal voltage and discharge current of the battery element of the secondary battery, respectively.
AC signal generating means for generating an AC voltage applied between the positive electrode and the negative electrode of the battery element;
Determination means for detecting an abnormality of the battery element by measuring a level of an output voltage between the positive electrode and the negative electrode of the battery element;
A secondary battery protection circuit comprising: control means for disabling discharging and charging of the battery element when abnormality of the battery element is detected by the determination means. ２次電池の電池素子と、電池素子の端子電圧および放電電流をそれぞれ測定して、過充電および過放電を防止する機能を有する保護回路とが共通のケースによって一体化された電池パックにおいて、
電池素子の正極および負極間に印加する交流電圧を発生する交流信号発生手段と、
上記電池素子の正極および負極間の出力電圧のレベルを測定することによって上記電池素子の異常を検出する判定手段と、
上記判定手段によって上記電池素子の異常が検出された場合に、上記電池素子の放電および充電を不可能とする制御手段と
を上記ケース内に設けた電池パック。 In a battery pack in which a battery element of a secondary battery and a protection circuit having a function of preventing overcharge and overdischarge by measuring a terminal voltage and a discharge current of the battery element are integrated by a common case,
AC signal generating means for generating an AC voltage applied between the positive electrode and the negative electrode of the battery element;
Determination means for detecting an abnormality of the battery element by measuring a level of an output voltage between the positive electrode and the negative electrode of the battery element;
A battery pack provided with control means for disabling discharging and charging of the battery element in the case when an abnormality of the battery element is detected by the determination means. 上記交流信号発生手段が発生する上記交流電圧の振幅は、過充電検出電圧レベル以下に設定される請求項１記載の保護回路または請求項２記載の電池パック。   The protection circuit according to claim 1 or the battery pack according to claim 2, wherein the amplitude of the AC voltage generated by the AC signal generating means is set to an overcharge detection voltage level or less. 上記交流信号発生手段および上記判定手段は、上記電池素子の静特性が得られる状態で動作するように制御される請求項１記載の保護回路または請求項２記載の電池パック。   The protection circuit according to claim 1 or the battery pack according to claim 2, wherein the AC signal generation means and the determination means are controlled so as to operate in a state in which the static characteristics of the battery element are obtained. 上記判定手段は、上限基準値と下限基準値との間に上記出力電圧のレベルが存在する場合に正常と判定し、上記上限基準値と下限基準値との間に上記出力電圧のレベルが存在しない場合に異常と判定する請求項１記載の保護回路または請求項２記載の電池パック。   The determination means determines that the output voltage level is normal between the upper limit reference value and the lower limit reference value, and the output voltage level exists between the upper limit reference value and the lower limit reference value. The protection circuit according to claim 1, or the battery pack according to claim 2, which is determined to be abnormal when not. 上記電池素子の複数個が直列接続され、複数個の上記電池素子の何れか一つの異常が検出された場合に、上記電池素子の放電および充電を不可能とする請求項１記載の保護回路または請求項２記載の電池パック。
The protection circuit according to claim 1, wherein a plurality of the battery elements are connected in series, and the battery element cannot be discharged and charged when an abnormality is detected in any one of the plurality of battery elements. The battery pack according to claim 2.
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