JP4353050B2 - バッテリーパック - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン電池やリチウムポリマー電池などの二次電池を多直列接続したバッテリーパックに関し、特に、充放電時における電池の保護技術に関する。

従来、リチウムイオン電池やリチウムポリマー電池などの二次電池を多直列接続したバッテリーパックとして、図３に示すものがある。図３に示したバッテリーパック１は、比較的高い電圧が必要な電子機器に装着されるバッテリーパックであり、正極側端子２４と負極側端子２５との間に、複数個のセルグループ１０ａ，１０ｂ，‥‥，１０ｎを直列に接続して構成される。第１のセルグループ１０ａと正極側端子２４との間には、充放電制御スイッチ２３が接続してある。充放電制御スイッチ２３は、例えば電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴ：Field Effect Transistorという）で構成され、後述する異常判断ユニット２２によりオン・オフが制御される。各セルグループ１０ａ，１０ｂ，‥‥，１０ｎは、ここでは３個のセル１１，１２，１３を直列接続してある。従って、このバッテリーパック１は、［セルグループの数×３］の個数のセルが直列に接続されている。各セル１１，１２，１３は、例えばリチウムイオン電池で構成される二次電池である。

各セルグループ１０ａ，１０ｂ，‥‥，１０ｎには、それぞれ個別に異常検出ユニット２１ａ，２１ｂ，‥‥，２１ｎが接続してある。異常検出ユニット２１ａ，２１ｂ，‥‥，２１ｎは、それぞれが集積回路化されて構成される。第１のセルグループ１０ａで異常検出する構成について説明すると、第１のセルグループ１０ａ内に直列接続された３個のセル１１，１２，１３は、１個のセルごとに個別に端子間電圧を異常検出ユニット２１ａで検出する。異常検出ユニット２１ａでは、３個のセル１１，１２，１３の内の少なくとも１個の端子間電圧が過放電又は過充電状態であることを検出した場合に、異常判断ユニット２２に異常検出信号を供給する。第２のセルグループ１０ｂから第ｎのセルグループ１０ｎまでについても、それぞれ接続された異常検出ユニット２１ｂ〜２１ｎで、同様に各セル１１，１２，１３の充電異常又は放電異常を検出した場合に、異常判断ユニット２２に異常検出信号を供給する。

異常判断ユニット２２は、異常検出ユニット２１ａ〜２１ｎの内のいずれか１つから異常検出信号が供給された場合に、充放電制御スイッチ２３をオフ状態として、充電又は放電を停止させる。

図３に示した構成とすることで、多数のセルを直列に接続したバッテリーパックが得られ、正極側端子２４、負極側端子２５間の電圧が比較的高電圧のバッテリーパックが得られる。

この図３に示した構成において、直列に接続されたセルを、３個ずつのセルグループ１０ａ〜１０ｎに分けて、セルグループ毎に異常検出する構成としてあるのは、既存の集積回路化された異常検出ユニットが、３個ないし４個程度の限られた数のセルの端子電圧しか監視できない構成となっているためである。

特許文献１には、直列に多数接続されたセルの充電時の監視を、セルごとに個別に行うことについての記載がある。
特開平８−１９１５４７号公報（図１）

ところで、図３に示したバッテリーパックは、異常検出ユニットの構成が複雑である問題があった。即ち、３個などの決められた数のセル毎に、異常検出ユニットが必要であるとともに、その複数個の異常検出ユニットからの信号に基づいて、充放電制御スイッチを制御する異常判断ユニットが必要であり、セル保護のための構成が複雑である問題があった。

本発明はこのような状況に鑑みて成されたものであり、過充放電によるバッテリーパックの破壊を防止するための構成を簡素化することを目的とする。

本発明は、一方の極端子及び他方の極端子の間に複数個直列接続された二次電池を備えたバッテリーパックにおいて、複数個直列接続された二次電池を、所定個ずつ第１段〜第ｎ段のグループに分割し、そのグループ毎に、そのグループ内の二次電池の電圧を個別に検出し、検出されたグループ内の二次電池の電圧を基準電圧と比較し、グループ内の二次電池の電圧異常を検出する複数の検出手段と、それぞれの検出手段で検出された電圧が基準電圧の範囲外である場合に、二次電池への充電電流又は二次電池からの放電電流を遮断する制御を行う、複数の検出手段毎に個別に設けられ、複数の検出手段毎にグループ内の二次電池に接続される複数のスイッチ素子と、スイッチ素子及びグループ内の二次電池に接続され、スイッチ素子又はグループ内の二次電池に印加される電圧が所定電圧以上である場合に、スイッチ素子又はグループ内の二次電池に印加される電圧を制限する、グループ毎に設けられた複数の電圧制限素子と、を備え、一方の極端子と第１段のグループの間に、第１段のグループの検出手段に設けられたスイッチ素子が接続され、第２段〜第ｎ段のグループについては、前段及び後段のグループの間に、後段のグループの検出手段に設けられたスイッチ素子が接続される。

このようにしたことで、それぞれのグループにおいて、グループ内の二次電池の電圧を個別に検出して、異常電圧を検出した場合には、スイッチ素子を制御し、グループ毎に過剰な充電電流又は放電電流を遮断することができ、更に、それぞれのグループのスイッチ素子に設けた電圧制限素子により、スイッチ素子に対する所定電圧以上の異常電圧を制限することが可能となる。

本発明によれば、充電時または放電時において、グループ毎に個別に二次電池に対する電圧異常を検出して、グループ毎に個別に充電電流または放電電流を遮断するので、二次電池をグループ毎に簡単に保護できると共に、グループ毎に設けられたスイッチ素子に印加される電圧が所定電圧以上である場合に、この印加電圧を所定電圧に制限する電圧制限素子を設けたので、例えば複数設けた検出手段の１つに何らかの異常があって、検出手段が短絡するような事故があっても、スイッチ素子の破壊を防止することができる。

この場合、スイッチ素子は電界効果トランジスタであり、電界効果トランジスタのゲート端子に、検出手段から制御信号が供給され、ゲート端子とソース端子に電圧制限素子が接続されることで、スイッチ素子として使用した電界効果トランジスタの異常電圧による破壊を効果的に防止できるという効果がある。

以下、本発明の第１の実施の形態を、図１を参照して説明する。

図１は、本実施の形態によるバッテリーパック１００の構成例を示した図である。図１に示したバッテリーパック１００は、比較的高い電圧が必要な電子機器に装着されるバッテリーパックであり、正極側端子２４と負極側端子２５との間に、複数個のセルグループ１０ａ，１０ｂ，‥‥，１０ｎを直列に接続して構成される。各セルグループ１０ａ〜１０ｎには、ここでは３個のセル１１，１２，１３を直列接続してある。従って、このバッテリーパック１００は、［セルグループの数×３］の個数のセルが直列に接続されている。各セル１１，１２，１３は例えばリチウムイオン電池で構成される二次電池である。

そして本例の場合には、それぞれのセルグループ１０ａ〜１０ｎ毎に、充電制御ＦＥＴ及び放電制御ＦＥＴで構成される充放電制御スイッチが接続してある。即ち、正極側端子２４と第1のセルグループ１０ａとの間に、第1のセルグループ１０ａ用の充放電制御スイッチとして機能する充電制御ＦＥＴ１１１ａと放電制御ＦＥＴ１１２ａとが接続してある。また、第1のセルグループ１０ａと第２のセルグループ１０ｂとの間に、第２のセルグループ１０ｂ用の充放電制御スイッチとして機能する充電制御ＦＥＴ１１１ｂと放電制御ＦＥＴ１１２ｂとが接続してある。以下同様に、前段のセルグループとの間に、後段のセルグループ用の充放電制御スイッチとして機能する充電制御ＦＥＴと放電制御ＦＥＴとが接続してあり、最終段のセルグループ１０ｎ用の充放電制御スイッチとして機能する充電制御ＦＥＴ１１１ｎと放電制御ＦＥＴ１１２ｎとがセルグループ１０ｎの直前に接続してある。

各充電制御ＦＥＴ１１１ａ〜１１１ｎと放電制御ＦＥＴ１１２ａ〜１１２ｎは、それぞれのセルグループ１０ａ〜１０ｎ毎に個別に設けた異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂ，‥‥，１０１ｎからゲートに供給される信号でオン・オフが制御される。異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂ，‥‥，１０１ｎは、それぞれが集積回路化されて構成されており、各セルグループ１０ａ，１０ｂ，‥‥，１０ｎ内のセル１１，１２，１３の電圧を１個のセルごとに個別に端子間電圧を検出可能な構成としてある。異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂ，‥‥，１０１ｎは、それぞれのセルグループ毎に個別に検出したセル電圧と異常制御ユニットで保持している基準電圧とを比較し、万一、基準電圧の範囲外のセル電圧などを検知した場合や、過電流を検出した場合に、その異常制御ユニットに接続された充電制御ＦＥＴ又は放電制御ＦＥＴに対してオフさせる信号を供給することで充電又は放電を停止させることができる。

充電制御ＦＥＴ１１１ａ，１１１ｂ，‥‥，１１１ｎと、放電制御ＦＥＴ１１２ａ，１１２ｂ，‥‥，１１２ｎは、それぞれ別の異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂ，‥‥，１０１ｎからの信号でオン・オフが制御される電界効果トランジスタである。

充電制御ＦＥＴ１１１ａ，１１１ｂ，‥‥，１１１ｎは、オン状態のときに、各セルグループ内のセル１１，１２，１３に正極側端子２４から充電電流が流れるように接続してあり、その充電電流の流れとは逆方向である放電方向に電流が流れるように、各充電制御ＦＥＴ１１１ａ，１１１ｂ，‥‥，１１１ｎにダイオード１０２ａ，１０２ｂ，‥‥，１０２ｎが、並列に接続してある。

放電制御ＦＥＴ１１２ａ，１１２ｂ，‥‥，１１２ｎは、オン状態のときに、各セルグループ内のセル１１，１２，１３から正極側端子２４に放電電流が流れるように接続してあり、その放電電流の流れとは逆方向である充電方向に電流が流れるように、各放電制御ＦＥＴ１１２ａ，１１２ｂ，‥‥，１１２ｎにダイオード１０３ａ，１０３ｂ，‥‥，１０３ｎが、並列に接続してある。

これらの充電制御ＦＥＴ１１１ａ〜１１１ｎと放電制御ＦＥＴ１１２ａ〜１１２ｎは、通常時は異常制御ユニット１０１ａ〜１０１ｎがオン状態とする制御を行い、充電又は放電の異常を検出した場合にオフ状態とする制御を行う。

次に、本例のバッテリーパック１００の充電時の動作を説明する。

充電時には、バッテリーパック１００の正極側端子２４と負極側端子２５に、図示しない充電装置を接続し、正極側端子２４から充電電流を供給する。通常時には充電制御ＦＥＴ１１１ａ，１１１ｂ，‥‥，１１１ｎはオン状態であるので、充電装置から供給される充電電流は正極側端子２４から充電制御ＦＥＴ１１１ａを経て、ダイオード１０３ａを通過後、第１のセルグループ１０ａに到る。同様に、第２のセルグループ１０ｂから第ｎのセルグループ１０ｎまで充電電流が流れ、直列に接続された全てのセルグループ内のセル１１，１２，１３が充電される。基本的に充電の開始や終了は充電装置側で制御される。

充電中は、異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂ，‥‥，１０１ｎがそれぞれのセルグループ１０ａ，１０ｂ，‥‥，１０ｎ内のセル１１，１２，１３の電圧を個別に監視し、電圧値が基準値の範囲内であれば充電は継続して行われる。ここで、あるセルグループ内のセルについて、電圧値が基準値の範囲を超過した場合や、過電流を検出した場合に、それぞれのセルグループ単位に異常制御ユニットが充電制御ＦＥＴをオフさせる。こうして、電圧異常を検知したセルグループの充電制御ＦＥＴをオフ状態にすることで、充電を停止してセルを保護することができる。

次に放電時の動作を説明する。放電時には、バッテリーパック１００の正極側端子２４と負極側端子２５に、図示しない負荷装置を接続し、正極側端子２４から負荷装置に放電電流を供給する。通常時には放電制御ＦＥＴ１１２ａ，１１２ｂ，‥‥，１１２ｎはオン状態であるので、直列に接続されたセルからの放電電流は、各セルグループと直列に接続された放電制御ＦＥＴ１１２ａ〜１１２ｎとダイオード１０２ａ〜１０２ｎを通過して、バッテリーパック１００の正極側端子２４から負荷装置に供給される。

放電中も、異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂ，‥‥，１０１ｎがそれぞれのセルグループ１０ａ，１０ｂ，‥‥，１０ｎ内のセル１１，１２，１３の電圧を個別に監視し、電圧値が基準値の範囲内であれば放電は継続して行われる。ここで、電圧値が基準値の範囲に満たない場合や、過電流を検出した場合に、それぞれのセルグループ単位に異常制御ユニットから放電制御ＦＥＴをオフさせる。こうして、電圧異常を検知したセルグループの放電制御ＦＥＴをオフ状態にすることで、放電を停止してセルを保護することができる。

このように本例のバッテリーパック１００によると、バッテリーパック１００内に多数のセルが直列接続された構成としてあるが、その直列接続された全てのセル電圧を、異常制御ユニット１０１ａ〜１０１ｎで個別に監視して、充電時及び放電時の保護動作を行うので、安全性が高い保護動作を行うことができる。この場合、個々の異常制御ユニット１０１ａ〜１０１ｎでは、３個などの限られた数のセル電圧を監視するだけでよく、既存の３個程度のセル監視を行う構成の保護ＩＣがそのまま適用できる。

そして本例においては、保護回路である異常制御ユニット１０１ａ〜１０１ｎ毎に、個別に充放電を制御するスイッチとしての充電制御ＦＥＴ及び放電制御ＦＥＴを設ける構成としたので、複数設けた異常制御ユニット１０１ａ〜１０１ｎでの監視状態を統括する制御手段（図３に示した従来構成での異常判断ユニット２２に相当）が必要なく、制御構成が簡単になる。

次に、本発明の第２の実施の形態を、図２を参照して説明する。図２において、既に説明した第1の実施の形態で説明した図１に対応する部分には同一符号を付す。

図２は、本実施の形態によるバッテリーパック１００′の構成例を示した図である。図２に示したバッテリーパック１００′は、比較的高い電圧が必要な電子機器に装着されるバッテリーパックであり、正極側端子２４と負極側端子２５との間に、２個のセルグループ１０ａ，１０ｂを直列に接続して構成される。各セルグループ１０ａ，１０ｂには、ここでは３個のセル１１，１２，１３を直列接続してある。従って、このバッテリーパック１００′は６個のセルが直列に接続されている。各セル１１，１２，１３は例えばリチウムイオン電池で構成される二次電池である。

そして、それぞれのセルグループ１０ａ，１０ｂ毎に、充電制御ＦＥＴ及び放電制御ＦＥＴで構成される充放電制御スイッチが接続してある。即ち、正極側端子２４と第1のセルグループ１０ａとの間に、第1のセルグループ１０ａ用の充放電制御スイッチとして機能する充電制御ＦＥＴ１１１ａと放電制御ＦＥＴ１１２ａとが接続してある。また、第1のセルグループ１０ａと第２のセルグループ１０ｂとの間に、第２のセルグループ１０ｂ用の充放電制御スイッチとして機能する充電制御ＦＥＴ１１１ｂと放電制御ＦＥＴ１１２ｂとが接続してある。

各充電制御ＦＥＴ１１１ａ，１１１ｂと放電制御ＦＥＴ１１２ａ，１１２ｂは、それぞれのセルグループ１０ａ，１０ｂ毎に個別に設けた異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂからゲートに供給される信号でオン・オフが制御される。異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂは、それぞれが集積回路化されて構成されており、各セルグループ１０ａ，１０ｂ内のセル１１，１２，１３の電圧を１個のセルごとに個別に端子間電圧を検出可能な構成としてある。異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂは、それぞれのセルグループ毎に個別に検出したセル電圧と異常制御ユニットで保持している基準電圧とを比較し、万一、基準電圧の範囲外のセル電圧などを検知した場合、その異常制御ユニットに接続された充電制御ＦＥＴ又は放電制御ＦＥＴに対してオフさせる信号を供給することで充電又は放電を停止させることができる。

充電制御ＦＥＴ１１１ａ，１１１ｂと、放電制御ＦＥＴ１１２ａ，１１２ｂは、それぞれ別の異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂからの信号でオン・オフが制御される電界効果トランジスタである。

充電制御ＦＥＴ１１１ａ，１１１ｂは、オン状態のときに、各セルグループ内のセル１１，１２，１３に端子２４に充電電流が流れるように接続してあり、その充電電流の流れとは逆方向である放電方向に電流が流れるように、各充電制御ＦＥＴ１１１ａ，１１１ｂにダイオード１０２ａ，１０２ｂが、並列に接続してある。

放電制御ＦＥＴ１１２ａ，１１２ｂは、オン状態のときに、各セルグループ内のセル１１，１２，１３から端子２４から放電電流が流れるように接続してあり、その放電電流の流れとは逆方向である充電方向に電流が流れるように、各放電制御ＦＥＴ１１２ａ，１１２ｂにダイオード１０３ａ，１０３ｂが、並列に接続してある。

これらの充電制御ＦＥＴ１１１ａ，１１１ｂと放電制御ＦＥＴ１１２ａ，１１２ｂは、通常時は異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂがオン状態とする制御を行い、充電又は放電の異常を検出した場合にオフ状態とする制御を行う。

そして本例の場合には、それぞれの回路で発生する異常電圧に対して、一定の基準電圧に定電圧化する機能を有する電圧制限素子が接続してある。この電圧制限素子は、複数用意された異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂの内のいずれかの回路に異常が発生し、短絡状態となった場合、正常な回路に耐電圧を超過した異常電圧が印加されることで、回路が破壊されることを防ぐために設置するものである。電圧制限素子を設置することで、異常電圧が定電圧化され、他の回路への影響を回避することが可能となる。

具体的には、電圧制限素子１０４ａ，１０４ｂが、充電制御ＦＥＴ１１１ａ，１１１ｂのソース−ゲート間に接続してある。同様に、電圧制限素子１０５ａ，１０５ｂが、放電制御ＦＥＴ１１２ａ，１１２ｂのソース−ゲート間に接続してある。また、電圧制限素子１０６ａ，１０６ｂが、セルグループ１０ａ，１０ｂのセル１１の正極側とセル１３の負極側との間に接続してある。このように各セルグループのセル１１の正極側とセル１３の負極側との間に電圧制限素子１０５ａ又は１０５ｂが接続してあることで、各異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂの正極側の電源端子と負極側の電源端子との間に、電圧制限素子が接続されていることになる。

それぞれの電圧制限素子に対しては、抵抗器が接続してある。即ち、それぞれの電圧制限素子１０４ａ，１０４ｂのゲート側接続端子と異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂの充電制御端子との間に、抵抗器１０７ａ，１０７ｂが接続してある。また、抵抗１０８ａ，１０８ｂは、それぞれの電圧制限素子１０５ａ，１０５ｂのゲート側接続端子と異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂの放電制御端子との間に、抵抗器１０８ａ，１０８ｂが接続設置してある。さらに、それぞれの電圧制限素子１０６ａ，１０６ｂの一端と、セル１３の負極との間に、抵抗器１０９ａ，１０９ｂが接続設置してある。

この電圧制限素子には、規定電圧以上の電圧を定電圧化する機能を有する素子が使用され、例えば、ツェナーダイオード、バリスタ等を用いる。

次に、本例のバッテリーパック１００′の充電時の動作を説明する。

充電時には、バッテリーパック１００′の正極側端子２４と負極側端子２５に、図示しない充電装置を接続し、正極側端子２４から充電電流を供給する。通常時には充電制御ＦＥＴ１１１ａ，１１１ｂはオン状態であるので、充電装置から供給される充電電流は正極側端子２４から充電制御ＦＥＴ１１１ａを経て、ダイオード１０３ａを通過後、第１のセルグループ１０ａに到る。同様に、第２のセルグループ１０ｂまで充電電流が流れ、直列に接続された全てのセルグループ内のセル１１，１２，１３が充電される。

充電中は、異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂがそれぞれのセルグループ１０ａ，１０ｂ内のセル１１，１２，１３の電圧を個別に監視し、電圧値が基準値の範囲内であれば充電は継続して行われる。ここで、あるセルグループ内のセルについて、電圧値が基準値の範囲を超過した場合、それぞれのセルグループ単位に異常制御ユニットが充電制御ＦＥＴをオフさせる。こうして、電圧異常を検知したセルグループの充電制御ＦＥＴをオフ状態にすることで、充電を停止してセルを保護することができる。

ここで、充電時における具体的な動作を、電圧値の例を示して説明する。例えば図２に示したバッテリーパック１００′内の各セル１１，１２，１３として、２．３Ｖ〜４．２Ｖまでの範囲で使用されるリチウムイオン電池を使用し、充電時には充電装置から１セル当たり４．２Ｖの充電電圧を印加するものとする。従って、６セル構成であるので、４．２Ｖ×６の２５．２Ｖの充電電圧をバッテリーパック１００′に印加する。このような場合には、異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂでは、各セル電圧が、２．３Ｖ〜４．２Ｖの範囲を検出している状態であれば、正常状態であるとみなし、充電を続ける。

そして、バッテリーパック１００′内の６個のセルの内の１つでも、セル電圧が４．２Ｖ以上となった場合には、そのセルに接続された異常制御ユニットが充電制御ＦＥＴをオフさせる。こうして、電圧異常を検知したセルグループの充電制御ＦＥＴをオフ状態にすることで、充電を停止してセルを保護することができる。

次に放電時の動作を説明する。放電時には、バッテリーパック１００′の正極側端子２４と負極側端子２５に、図示しない負荷装置を接続し、正極側端子２４から負荷装置に放電電流を供給する。通常時には放電制御ＦＥＴ１１２ａ，１１２ｂはオン状態であるので、直列に接続されたセルからの放電電流は、各セルグループと直列に接続された放電制御ＦＥＴ１１２ａ，１１２ｂとダイオード１０２ａ，１０２ｂを通過して、バッテリーパック１００の正極側端子２４から負荷装置に供給される。

放電中も、異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂがそれぞれのセルグループ１０ａ，１０ｂ内のセル１１，１２，１３の電圧を個別に監視し、電圧値が基準値の範囲内であれば放電は継続して行われる。ここで、電圧値が基準値の範囲に満たない場合、それぞれのセルグループ単位に異常制御ユニットから放電制御ＦＥＴをオフさせる。こうして、電圧異常を検知したセルグループの放電制御ＦＥＴをオフ状態にすることで、放電を停止してセルを保護することができる。この充電時の動作と放電時の動作は、第１の実施の形態で説明した動作と同じである。

ここで、放電時における具体的な動作を、電圧値の例を示して説明する。各セル１１，１２，１３として、２．３Ｖ〜４．２Ｖまでの範囲で使用されるリチウムイオン電池を使用したとすると、各セル電圧が２．３Ｖ〜４．２Ｖの範囲であれば、正常状態であるとみなし、放電を続ける。

そして、バッテリーパック１００′内の６個のセルの内の１つでもセル電圧が２．３Ｖ以下となった場合には、そのセルに接続された異常制御ユニットが放電制御ＦＥＴをオフさせる。こうして、電圧異常を検知したセルグループの放電制御ＦＥＴをオフ状態にすることで、放電を停止してセルを保護することができる。

そして本例においては、何らかの要因で、２つ用意された異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂの内の一方が短絡状態となった場合でも、正常な異常制御ユニットや各ＦＥＴの破壊を防止することができる。即ち、例えば図２に示した構成において、充電中に一方の異常制御ユニット１０１ｂが短絡状態となった場合を想定する。このときには、他方の異常制御ユニット１０１ａに一気に充電電圧がかかることになるが、各ＦＥＴのゲート−ソース間には電圧制限素子が接続されているために、ゲート−ソース間電圧が定電圧化されて、各ＦＥＴのゲート−ソース間電圧の耐圧を越えるような電圧がかかることはなくなる。また、各セルグループ１０ａ，１０ｂのセル１１の正極側とセル１３の負極側との間にも電圧制限素子１０６ａ，１０６ｂが接続してあるので、セル１１〜１３にも耐圧を越えるような電圧がかかることはなくなる。従って、過電圧による充放電制御ＦＥＴの破壊を防止できるとともに、セルについても保護される。

この電圧制限素子を用いた具体的な動作を、電圧値の例を示して説明すると、例えば図２に示した構成で、各ＦＥＴのゲート−ソース間の最大電圧は、２０Ｖであり、各電圧制限素子では１８Ｖに定電圧化するものとする。また、充電時には１セル当たり４．２Ｖの電圧を印加するものとし、６セルが直列接続された構成であるので、充電装置から２５．２Ｖを印加して充電するものとする。ここで、例えば、充電中に一方の異常制御ユニット１０１ｂが短絡状態となった場合を想定する。このときには、他方の異常制御ユニット１０１ａ、電池６セル直列分の充電電圧である２５．２Ｖが印加されることになる。この時、電圧制限素子が無い場合は、ＦＥＴのゲート−ソース間電圧の耐圧である２０Ｖを越えてしまうために、ＦＥＴが破壊されてしまう。しかしながら本例の場合には、各ＦＥＴのゲート−ソース間には電圧制限素子が接続されているために、ゲート−ソース間電圧が２０Ｖ以下に定電圧化されて、各ＦＥＴのゲート−ソース間電圧の耐圧を越えるような電圧がかかることはなくなる。

以上説明したように、本例のバッテリーパック１００′によると、セルグループ毎に用意した異常制御ユニット１０１ａ，１０１ｂで個別にセルを監視して、充電時及び放電時の保護動作を行うので、第１の実施の形態の場合と同様に、既存の限られた数のセル電圧を監視する構成の保護ＩＣをそのまま適用して、多数のセルが直列接続されたバッテリーパック内の保護動作を良好に行うことが出来る。

そして、保護回路である異常制御ユニット１０１ａ〜１０１ｎ毎に、個別に充放電を制御するスイッチとしての充電制御ＦＥＴ及び放電制御ＦＥＴを設ける構成としたので、複数設けた異常制御ユニット１０１ａ〜１０１ｎでの監視状態を統括する制御手段（図３に示した従来構成での異常判断ユニット２２に相当）が必要なく、制御構成が簡単になる。

そして、本実施の形態の場合には、バッテリーパック内の各ＦＥＴやセルに、電圧制限素子を接続するようにしたので、バッテリーパック内の１つの保護回路（異常制御ユニット）が短絡するような異常があった場合でも、その短絡によって異常な電圧がＦＥＴやセルに印加されないので、より確実に保護動作を行うことができる。

なお、この第２の実施の形態では、電圧制限素子を、バッテリーパック内の全ての充電又は放電制御スイッチであるＦＥＴと、各保護回路（異常制御ユニット）に接続する構成としたが、一部の電圧制限素子を省略するようにしてもよい。例えば、ＦＥＴへの電圧制限素子の接続として、放電制御ＦＥＴについては電圧制限素子を接続せず、放電制御ＦＥＴにだけ電圧制限素子を接続する構成として、充電時の異常に対してセルを保護できる構成としてもよい。

また、電圧制限素子として、ツェナーダイオードやバリスタを使用する例を示したが、同様の電圧制限機能を有する他の素子を使用してもよい。例えば、抵抗器又はポジスタ（商標）を接続してもよい。また、電圧制限素子と並列にコンデンサを接続するようにしてもよい。

また、第２の実施の形態では、セルグループを２つ直列接続した構成であり、合計６個のセルを直列接続したバッテリーパックとしたが、３つ或いはそれ以上の複数個のセルグループを直列接続した多直列接続のバッテリーパックとする構成でもよく、１つのセルグループ内でセルを直列接続する個数についても、上述した３個に限定されない。

また、上述した各実施の形態では、バッテリーパック内のセルとして、リチウムイオン電池を使用した例としたが、リチウムポリマー電池などのその他のリチウム系の二次電池が多直列接続されたバッテリーパックとしてもよい。さらに、リチウム系の電池以外の二次電池が多直列接続されたバッテリーパックとしてもよい。上述した電池電圧や充電電圧についても一例を示したものであり、使用するセルに適合した電圧値を選定すればよい。

本発明の第１の実施の形態によるバッテリーパックの例を示す回路図である。 本発明の第２の実施の形態によるバッテリーパックの例を示す回路図である。 従来のバッテリーパックの一例を示す回路図である。

符号の説明

１…従来型バッテリーパック、１０ａ〜１０ｎ…セルグループ、１１…セル、１２…セル、１３…セル、２１ａ〜２１ｎ…異常制御ユニット、２２…異常判断ユニット、２３…充放電制御スイッチ、２４…正極側端子、２５…負極側端子、１００…多直列接続バッテリーパック、１００′…６直列接続バッテリーパック、１０１ａ〜１０１ｎ…異常制御ユニット、１０２ａ〜１０２ｎ…ダイオード、１０３ａ〜１０３ｎ…ダイオード、１０４ａ，１０４ｂ…電圧制限素子、１０５ａ，１０５ｂ…電圧制限素子、１０６ａ，１０６ｂ…電圧制限素子、１０７ａ，１０７ｂ…抵抗器、１０８ａ，１０８ｂ…抵抗器、１０９ａ，１０９ｂ…抵抗器、１１１ａ〜１１１ｎ…充電制御ＦＥＴ、１１２ａ〜１１２ｎ…放電制御ＦＥＴ

Claims (2)

1. 一方の極端子及び他方の極端子の間に複数個直列接続された二次電池と、
   前記複数個直列接続された二次電池を、所定個ずつ第１段〜第ｎ段のグループに分割して構成されるグループ毎に、そのグループ内の二次電池の電圧を個別に検出し、検出された前記グループ内の二次電池の電圧を基準電圧と比較し、前記グループ内の二次電池の電圧異常を検出する複数の検出手段と、
   前記それぞれの検出手段で検出された電圧が前記基準電圧の範囲外である場合に、前記二次電池への充電電流又は前記二次電池からの放電電流を遮断する制御を行う、前記複数の検出手段毎に個別に設けられた複数のスイッチ素子と、
   前記スイッチ素子及び前記グループ内の二次電池に接続され、前記スイッチ素子又は前記グループ内の二次電池に印加される電圧が所定電圧以上である場合に、前記スイッチ素子又は前記グループ内の二次電池に印加される電圧を制限する、前記グループ毎に設けられた複数の電圧制限素子と、を備え、
   前記一方の極端子と前記第１段のグループの間に、前記第１段のグループの前記検出手段に設けられた前記スイッチ素子が接続され、前記第２段〜第ｎ段のグループについては、前段及び後段のグループの間に、前記後段のグループの前記検出手段に設けられた前記スイッチ素子が接続される
   バッテリーパック。
2. 請求項１記載のバッテリーパックにおいて、
   前記スイッチ素子は電界効果トランジスタであり、
   前記電界効果トランジスタのゲート端子に、前記検出手段から制御信号が供給され、ゲート端子とソース端子に前記電圧制限素子が接続される
   バッテリーパック。

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