JP4687743B2 - 電池パックおよび制御方法 - Google Patents

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Description

この発明は、異常を検出する電池パックおよびその制御方法に関する。
近年、ノート型PC(Personal Computer)や携帯電話、PDA(Personal Digital Assistants)等の携帯型電子機器が普及し、その電源として高電圧、高エネルギー密度、軽量といった利点を有するリチウムイオン二次電池が広く使用されている。
二次電池の電池パックには、通常、二次電池が過充電や過電流となった場合の保護素子として、ケミカルヒューズと呼ばれるヒューズが実装されている。ケミカルヒューズは、ヒューズおよびヒータ抵抗で構成されており、ヒータ抵抗に電流が流れることによって発生する熱により、ヒューズを溶断するものである。
このような電池パックは、過充電や過電流などの異常な状態となった場合に、ケミカルヒューズのヒータ抵抗に電流を流すことによってヒューズを溶断し、二次電池に対する充放電を停止するようにされている。
ここで、従来の電池パック100の一例の構成について、図4を参照して説明する。電池パック100は、正極端子111および負極端子112がそれぞれ外部の電子機器や充電器の正極端子および負極端子に接続され、充放電が行われる。二次電池102は、例えば、リチウムイオン電池の二次電池であり、1または複数の電池セル115,115,・・・が直列および/または並列に接続されたものである。
AFE(Analog Front End)103は、二次電池2の各電池セル115の電圧や、電流検出抵抗107を使用して電流の大きさおよび向きを測定し、MPU(Micro Processing Unit)104に測定値を供給する。また、AFE103は、後述するMPU104からの命令に基づきスイッチ回路105に対して制御信号を送ることにより、過充電、過放電を防止する。
スイッチ回路105は、充電制御FET(Field Effect Transistor)116aおよび放電制御FET117aとから構成されている。電池電圧が過充電検出電圧となったときは、充電制御FET116aをOFFとし、充電電流が流れないように制御される。なお、充電制御FET116aのOFF後は、寄生ダイオード116bを介することによって放電のみが可能となる。
また、電池電圧が過放電検出電圧となったときは、放電制御FET117aをOFFとし、放電電流が流れないように制御される。なお、放電制御FET117aのOFF後は、寄生ダイオード117bを介することによって充電のみが可能となる。
ケミカルヒューズ106は、ヒューズ118およびヒータ抵抗119で構成され、二次電池102に対して直列的に接続されて設けられている。例えば、二次電池102に対する過電流が検出された場合には、ヒューズ118に対して過電流が直接流れ、ヒューズ118が発熱することにより溶断する。
また、例えば、二次電池102に対する過充電が検出された場合には、後述するMPU104の制御に基づきFET108がON状態となり、二次電池102からヒューズ118およびヒータ抵抗119を介してFET108に電流が流れる経路が形成される。このとき、ヒータ抵抗119に電流が流れることによってヒータ抵抗119が発熱し、このヒータ抵抗119からの熱によりヒューズ118が溶断する。
MPU104は、AFE103から供給された二次電池102の電圧値および電流値に基づき、二次電池102のいずれかの電池セル115の電圧が過充電検出電圧になった場合や、電池セル115の電圧が過放電検出電圧以下になった場合に、AFE103に対してスイッチ回路105を制御するための命令を供給する。また、MPU104は、異常を検出した場合に、FET108のゲート信号を制御してFET108をON状態とし、ケミカルヒューズ106に対する溶断処理を行う。
また、MPU4は、カウンタ110を内蔵し、FET108をON状態とすることによる溶断処理の開始からの時間をカウントする。カウンタ110には、カウントの終了時間であるタイムアウト時間が予め設定され、設定されたタイムアウト時間に達した時点でカウントを終了する。
MPU104は、ヒューズ118が溶断した場合に、ヒューズ118を溶断したことを示す溶断アラームを、通信端子113および114を介して電池パック100に接続された電子機器に対して送信する。
次に、従来の電池パック100において、二次電池102の異常を検出した際の処理の流れについて、図5に示すフローチャートを参照して説明する。以下の処理は、MPU104の制御の下で行われるものとする。また、以下の処理は、所定時間毎、例えば1秒毎に巡回的に行われるものとする。
ステップS101において、二次電池102が過充電や過電流などのヒューズ118を溶断させる必要があるような異常を検出した場合など、ヒューズ118の溶断条件が成立したか、または、溶断アラームがセットされているか否かが判断される。なお、最初の段階においては、溶断アラームはリセットされている。溶断条件が成立した、または、溶断アラームがセットされている場合には、二次電池102の異常が検出されたと判断し、処理がステップS102に移行する。ステップS102では、MPU104の命令に基づくAFE103からの制御信号により、充電制御FET116aおよび放電制御FET117aがOFF状態とされる。
ステップS103において、溶断アラームがセットされているか否かが判断される。溶断アラームがセットされていると判断された場合には、処理がステップS104に移行し、カウンタ110のカウントアップを行う。
また、ステップS103において、溶断アラームがセットされていないと判断された場合には、処理がステップS105に移行する。ステップS105では、ヒューズ溶断処理が開始され、FET108をON状態としてケミカルヒューズ106のヒータ抵抗119に対して電流を流すとともに、カウンタ110のカウント値が初期化され、カウントが開始される。また、溶断アラームがセットされ、電池パック100が接続された電子機器に対して、溶断アラームが通信端子113および114を介して送信される。
ステップS106において、カウンタ110のカウント値が予め設定されたタイムアウト時間に達したか否かが判断される。カウント値がタイムアウト時間に達した場合には、処理がステップS107に移行し、ヒューズ溶断処理が終了されるとともに、カウンタ110によるカウントが終了される。ステップS106において、カウント値がタイムアウト時間に達していない場合には、処理がステップS101に戻る。
一方、ステップS1において、溶断条件が成立せず、且つ、溶断アラームがセットされていない場合には、二次電池2の状態が正常であると判断し、処理がステップS101に戻る。
このように、従来の電池パックでは、異常を検出した場合に、ヒューズを溶断させることにより二次電池に対する充放電電流を遮断することができ、危険な状態を防止することができるようにされている。
しかしながら、このような電池パックにおいて、二次電池の電池電圧が低い場合や、容量が小さい場合には、ヒータ抵抗に対して十分な電流を流すことができない。その結果、ヒータ抵抗の発熱による温度がヒューズの溶断温度まで到達せず、ヒューズを溶断することができない場合が発生する。
一方、このような場合において、ヒューズと電池パックのケースとの空間距離が小さい場合には、電池パックのケースを溶解させてしまうという危険性がある。一般に、電池パックのケースの材料として用いられる樹脂などの耐熱温度は、80℃程度であり、ヒューズの溶断温度である130℃程度よりも低い。そのため、ヒューズの温度が電池パックのケースの耐熱温度よりも高く、ヒューズの溶断温度よりも低い状態が継続されることにより、このような危険な状態が生じてしまうという問題点があった。
そこで、このような問題を解決するため、例えば下記の特許文献1には、二次電池の電池電圧が低い場合や、電池容量が小さい場合に充電を行い、ヒータ抵抗に対して十分な電流を流すことができるようにする電池パックの制御方法が記載されている。
特開2007−215310号公報
しかしながら、上述の特許文献1に記載の制御方法では、二次電池が異常な状態であるにもかかわらず充電を行うことになるため、二次電池に対して負担がかかり、非常に危険であるという問題点があった。
したがって、この発明の目的は、ヒューズの溶断状態を検出し、危険な状態を未然に防止する電池パックおよびその制御方法を提供することにある。
上述した課題を解決するために、第1の発明は、1または複数の二次電池と、
二次電池に対する異常が検出された際に、二次電池の充放電電流を遮断するヒューズと、
二次電池に対する異常を検出し、検出結果に応じてヒューズを溶断させる溶断処理を行う制御部と
を有し、
制御部は、
異常を検出した際に、溶断処理を開始し、溶断処理を開始してから所定期間、上記ヒューズの後段の電位である第1の電位および上記二次電池の電位である第2の電位を測定することによりヒューズの溶断状態を判断し、
所定期間経過後、上記測定の結果、上記第1の電位および上記第2の電位が等しい場合に、上記溶断処理によって上記ヒューズが溶断されていないと判断し、上記溶断処理を停止する電池パックである。
また、第2の発明は、二次電池に対する異常を検出し、検出結果に応じて、1または複数の二次電池に対する充放電電流を遮断するヒューズを溶断させる溶断処理を行い、
異常を検出した際に、溶断処理を開始し、溶断処理を開始してから所定期間、ヒューズの後段の電位である第1の電位および二次電池の電位である第2の電位を測定することによりヒューズの溶断状態を判断し、
所定期間経過後、測定の結果、第1の電位および上記第2の電位が等しい場合に、溶断処理によってヒューズが溶断されていないと判断し、溶断処理を停止する電池パックの制御方法である。
上述したように、第1および第2の発明では、二次電池に対する異常を検出し、検出結果に応じて、1または複数の二次電池に対する充放電電流を遮断するヒューズを溶断させる溶断処理を行い、異常を検出した際に、ヒューズの後段の電位である第1の電位および二次電池の電位である第2の電位を測定し、測定の結果、第1の電位および第2の電位が等しい場合に、溶断処理によってヒューズが溶断されていないと判断するようにしているため、ヒューズの溶断状態を確実に検出することができる。
この発明は、二次電池に対する異常を検出し、充放電電流を遮断するヒューズを溶断させる溶断処理を行うとともに、ヒューズの後段の電位である第1の電位および二次電池の電位である第2の電位を測定する。そして、測定の結果、第1の電位および第2の電位が等しい場合に、溶断処理によってヒューズが溶断されていないと判断し、溶断処理を停止するようにしている。そのため、ヒューズの溶断状態を確実に検出し、電池パックのケースを溶解させてしまうような危険な状態を防止することができるという効果がある。
以下に、この発明の実施の一形態について、図面を参照しながら説明する。この発明の実施の一形態では、二次電池が異常である場合に、電池パックに設けられた保護素子であるヒューズの溶断処理を行う。そして、ヒューズが確実に溶断されたか否かを検出し、ヒューズが溶断されていない場合には、溶断されていないことを示す情報を、この電池パックが接続された外部の電子機器側に送信し、電池パックの使用を不可とするようにしている。
図1は、この発明の実施の一形態に適用可能な電池パック1の一例の構成を示す。電池パック1は、電子機器使用時には正極端子11および負極端子12がそれぞれ外部の電子機器の正極端子および負極端子に接続され、放電が行われる。また、充電時には充電器に装着され、電気機器使用時と同様に、正極端子11および負極端子12がそれぞれ充電器の正極端子および負極端子に接続され、充電が行われる。
電池パック1は主に、二次電池2、AFE(Analog Front End)3、制御部としてのMPU(Micro Processing Unit)4、スイッチ回路5、ケミカルヒューズ6、電流検出抵抗7、FET(Field Effect Transistor)8、通信端子13および14で構成されている。二次電池2は、例えば、リチウムイオン電池の二次電池であり、1または複数の電池セル15,15,・・・が直列および/または並列に接続されたものである。この例では、3個の電池セル15が直列に接続されている場合を示す。
AFE3は、二次電池2の各電池セル15の電圧を測定し、後述するMPU4に測定値を供給する。また、AFE3は、電流検出抵抗7を使用して電流の大きさおよび向きを測定し、MPU4に測定値を供給する。これら各種の測定は、所定時間毎に定期的に行われる。
AFE3は、後述するMPU4からの命令に基づきスイッチ回路5に対して制御信号を送ることにより、過充電、過放電を防止する。ここで、二次電池2がリチウムイオン電池の場合、過充電検出電圧が例えば4.25V±0.05Vと定められ、過放電検出電圧が2.5V±0.1Vと定められる。
また、AFE3は、レギュレータを備え、二次電池2から供給された電力を、MPU4を動作させるのに適した電力に変換し、MPU4に供給する。
スイッチ回路5は、充電制御FET16aおよび放電制御FET17aとから構成されている。電池電圧が過充電検出電圧となったときは、AFE3からの制御信号に基づき充電制御FET16aをOFFとし、充電電流が流れないように制御される。なお、充電制御FET16aのOFF後は、寄生ダイオード16bを介することによって放電のみが可能となる。
また、電池電圧が過放電検出電圧となったときは、AFE3からの制御信号に基づき放電制御FET17aをOFFとし、放電電流が流れないように制御される。なお、放電制御FET17aのOFF後は、寄生ダイオード17bを介することによって充電のみが可能となる。
ケミカルヒューズ6は、ヒューズ18およびヒータ抵抗19で構成され、二次電池2に対して直列的に接続されて設けられている。例えば、二次電池2に対する過電流が検出された場合には、ヒューズ18に対して過電流が直接流れる。この電流によってヒューズ18が発熱することにより、ヒューズ18が溶断し、二次電池2に対する充放電経路を遮断する。
また、例えば、二次電池2に対する過充電が検出された場合には、後述するMPU4の制御に基づきFET8がON状態となり、二次電池2からヒューズ18およびヒータ抵抗19を介してFET8に電流が流れる経路が形成される。このとき、ヒータ抵抗19に電流が流れることによってヒータ抵抗19が発熱する。そして、このヒータ抵抗19からの熱によりヒューズ18の温度が上昇し、溶断温度に到達するとヒューズ18が溶断し、二次電池2に対する充放電経路を遮断する。
MPU4は、AFE3から供給された二次電池2の電圧値および電流値に基づき二次電池2の異常検出を行う。MPU4は、AFE3から供給される電圧値および電流値に基づき、二次電池2のいずれかの電池セル15の電圧が過充電検出電圧になった場合や、電池セル15の電圧が過放電検出電圧以下になった場合に、AFE3に対してスイッチ回路5を制御するための命令を供給する。
また、MPU4は、異常を検出した場合に、FET8のゲート信号を制御してFET8をON状態とし、ケミカルヒューズ6に対する溶断処理を行う。MPU4は、ケミカルヒューズ6に対する溶断処理中に、スイッチ回路5およびケミカルヒューズ6の間の電位(図1に示すA点の電位)を測定する。そして、測定されたこのA点の電位と、AFE3によって測定された二次電池2の電位(図1に示すB点の電位)とに基づき、ヒューズ18の溶断状態を判断する。
なお、A点における電圧が直接MPU4に供給されると、MPU4が故障するおそれがある。そのため、A点の電圧が抵抗20aおよび20bによって分圧されるとともに、抵抗21によって電流が制限された状態でMPU4に供給される。
MPU4は、カウンタ10を内蔵し、FET8をON状態とすることによる溶断処理の開始からの時間をカウントする。カウンタ10には、カウントの終了時間であるタイムアウト時間が予め設定され、設定されたタイムアウト時間に達した時点でカウントを終了する。このタイムアウト時間としては、例えば、ヒューズ18を溶断するのに必要な時間が設定される。
MPU4は、ヒューズ18が溶断した場合に、ヒューズ18を溶断したことを示す溶断アラームを、通信端子13および14を介して電池パック1に接続された電子機器に対して送信する。また、ヒューズ18が溶断できなかったと場合に、ヒューズ18を溶断できなかったことを示す溶断不能アラームを電子機器に対して送信する。
通信端子13および14は、PC等の電子機器に装着された際に、所定の通信規格に基づき電池パック1の異常を示す情報等の各種情報を電子機器に送信する。通信規格としては、例えば、主に電源管理用に用いられるSMBus(System Management Bus)の規格を用いることができる。
なお、上述した構成では、AFE3およびMPU4は、それぞれ独立したように説明したが、これはこの例に限られない。例えば、AFE3およびMPU4が一体化とされた構成としてもよい。
次に、二次電池2の異常を検出した際の処理の流れについて、図2に示すフローチャートを参照して説明する。なお、特別な記載がない限り、以下の処理は、MPU4の制御の下で行われるものとする。また、以下の処理は、所定時間毎、例えば1秒毎に巡回的に行われるものとする。
ステップS1において、二次電池2に対する過充電や過電流などのヒューズ18を溶断させる必要があるような異常を検出した場合など、ヒューズ18の溶断条件が成立したか、または、溶断アラームがセットされているか否かが判断される。なお、最初の段階においては、溶断アラームはリセットされている。溶断条件が成立した、または、溶断アラームがセットされている場合には、二次電池2の異常が検出されたと判断し、処理がステップS2に移行する。ステップS2では、MPU4の命令に基づくAFE3からの制御信号により、充電制御FET16aおよび放電制御FET17aがOFF状態とされる。
ステップS3において、溶断不能アラームがセットされているか否かが判断される。なお、最初の段階においては、溶断不能アラームはリセットされている。溶断不能アラームがセットされていないと判断された場合には、処理がステップS4に移行する。溶断不能アラームがセットされている場合は、処理がステップS1に戻る。
ステップS4において、溶断アラームがセットされているか否かが判断される。溶断アラームがセットされていると判断された場合には、処理がステップS5に移行し、カウンタ10のカウントアップを行う。
また、ステップS4において、溶断アラームがセットされていないと判断された場合には、処理がステップS6に移行する。ステップS6では、ヒューズ溶断処理が開始され、FET8をON状態としてケミカルヒューズ6のヒータ抵抗19に対して電流を流すとともに、カウンタ10のカウント値が初期化され、カウントが開始される。また、溶断アラームがセットされ、電池パック1が接続された電子機器に対して、溶断アラームが通信端子13および14を介して送信される。
ステップS7では、スイッチ回路5およびケミカルヒューズ6の間の電位(図1に示すA点の電位)が測定される。そして、測定されたA点の電位および二次電池2の電位(図1に示すB点の電位)に基づき、ヒューズ18が溶断できたか否かが判断される。A点の電位およびB点の電位が等しい場合には、ヒューズ18が溶断されていないと判断し、処理がステップS8に移行する。一方、A点の電位がB点の電位と異なる場合には、ヒューズ18が溶断されたと判断し、処理がステップS10に移行する。
ステップS8において、カウンタ10のカウント値が予め設定されたタイムアウト時間に達したか否かが判断される。カウント値がタイムアウト時間に達した場合には、処理がステップS9に移行し、溶断不能アラームがセットされ、電池パック1が接続された電子機器に対して、溶断不能アラームが通信端子13および14を介して送信される。また、カウント値がタイムアウト時間に達していない場合には、処理がステップS1に戻る。
ステップS10では、ヒューズ溶断処理が終了される。また、カウンタ10によるカウントが終了される。
一方、ステップS1において、溶断条件が成立せず、且つ、溶断アラームがセットされていない場合には、二次電池2の状態が正常であると判断し、処理がステップS1に戻る。
このように、この発明の実施の一形態では、二次電池の異常を検出し、ヒューズを溶断させる際に、二次電池の電位とヒューズの後段の電位とを比較することによってヒューズが溶断されたか否かを判断するようにしている。そして、ヒューズが溶断されなかった場合には、この電池パックを使用する電子機器に対してヒューズが溶断できなかったことを示す溶断不能アラームを送信し、電池パックが危険な状態であることを通知するようにしている。そのため、電池パックに対する危険な状態を未然に防止することができる。
なお、この例では、外部に対してヒューズ18の溶断状態を通知する方法として、電池パックを使用する電子機器に対してアラームを送信するようにしたが、これに限られず、別の方法を用いてヒューズ18の溶断状態を通知するようにしてもよい。例えば、電池パック1に対してLEDなどを設け、ヒューズ18の溶断状態に応じてLEDを自動的に点灯または点滅させるような表示を行うようにしてもよい。
具体的には、例えば、図3に示すように、電池パック1に対してLED(Light Emitting Diode)などの発光素子で構成される表示部30およびスイッチ31を設ける。表示部30は、AFE3からMPU4に対する電源ラインと接続されるとともに、スイッチ31を介して二次電池2の負極側のラインに接続されている。表示部30は、スイッチ31がON状態となった場合に、LEDが点灯または点滅する。
MPU4は、スイッチ31を制御し、ヒューズ18が溶断されたと判断した場合には、スイッチ31をON状態とするように制御する。スイッチ31がON状態となることにより、表示部30と二次電池2の負極側のラインとが導通し、LEDが点灯する。また、ヒューズ18が溶断されなかったと判断した場合には、スイッチ31のON/OFF状態が所定時間毎に繰り返されるように、スイッチ31を制御する。スイッチ31のON/OFF状態が繰り返されることにより、LEDが点滅する。
このように、表示部30を自動的に点灯または点滅させることにより、電池パック1を使用するユーザに対して、電池パック1に対する異常を容易に通知することができる。
以上、この発明の実施の一形態について説明したが、この発明は、上述したこの発明の実施の一形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。例えば、リチウムイオン二次電池に限られず、ニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム二次電池等にも適用可能である。ただし、異常状態となった場合の危険の度合いを考慮すると、リチウムイオン二次電池に対して適用するのが最も好適である。
この発明の実施の一形態に適用可能な電池パックの一例の構成を示すブロック図である。 二次電池の異常を検出した際の処理の流れについて説明するためのフローチャートである。 二次電池の異常を検出した際の表示について説明するためのブロック図である。 従来の電池パックの一例の構成を示すブロック図である。 従来の電池パックにおいて、異常を検出した際の処理の流れについて説明するためのフローチャートである。
符号の説明
1 電池パック
2 二次電池
3 AFE
4 MPU
5 スイッチ回路
6 ケミカルヒューズ
7 電流検出抵抗
8 FET
10 カウンタ
11 正極端子
12 負極端子
13、14 通信端子
15 電池セル
18 ヒューズ
19 ヒータ抵抗
30 表示部

Claims (5)

  1. 1または複数の二次電池と、
    上記二次電池に対する異常が検出された際に、上記二次電池の充放電電流を遮断するヒューズと、
    上記二次電池に対する異常を検出し、検出結果に応じて上記ヒューズを溶断させる溶断処理を行う制御部と
    を有し、
    上記制御部は、
    上記異常を検出した際に、上記溶断処理を開始し、上記溶断処理を開始してから所定期間、上記ヒューズの後段の電位である第1の電位および上記二次電池の電位である第2の電位を測定することにより上記ヒューズの溶断状態を判断し、
    上記所定期間経過後、上記測定の結果、上記第1の電位および上記第2の電位が等しい場合に、上記溶断処理によって上記ヒューズが溶断されていないと判断し、上記溶断処理を停止する電池パック。
  2. 外部の電子機器と通信を行う通信端子をさらに有し、
    上記制御部は、
    上記所定時間経過後、上記ヒューズが溶断されなかった場合に、上記通信端子を介して上記ヒューズが溶断されなかったことを示す情報を上記外部の電子機器に対して送信する請求項1に記載の電池パック。
  3. 上記ヒューズの溶断状態を表示する表示部をさらに有し、
    上記制御部は、
    上記ヒューズが溶断された場合に、該ヒューズが溶断されたことを示す表示を表示させ、上記所定時間経過後、上記ヒューズが溶断されなかった場合に、該ヒューズが溶断されなかったことを示す表示を表示させるように上記表示部を制御する請求項1に記載の電池パック。
  4. 上記表示部は、発光素子からなり、
    上記発光素子を点灯させることで上記溶断されたことを示す表示を行い、上記発光素子を点滅させることで上記溶断されなかったこと示す表示を行う請求項3に記載の電池パック。
  5. 上記二次電池に対する異常を検出し、検出結果に応じて、1または複数の二次電池に対する充放電電流を遮断するヒューズを溶断させる溶断処理を行い、
    上記異常を検出した際に、上記溶断処理を開始し、上記溶断処理を開始してから所定期間、上記ヒューズの後段の電位である第1の電位および上記二次電池の電位である第2の電位を測定することにより上記ヒューズの溶断状態を判断し、
    上記所定期間経過後、上記測定の結果、上記第1の電位および上記第2の電位が等しい場合に、上記溶断処理によって上記ヒューズが溶断されていないと判断し、上記溶断処理を停止する電池パックの制御方法。
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