JP4812419B2

JP4812419B2 - 電池パック及び電池パックの充放電方法

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Publication number: JP4812419B2
Application number: JP2005356699A
Authority: JP
Inventors: 司高橋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2025-12-09
Also published as: JP2007166715A

Description

本発明は、比較的大容量の電池パック及び電池パックの充放電方法に関する。

一般に、比較的大容量の電池パックを得るのに、複数の２次電池が直列接続された直列接続電池ブロックを複数個並列接続する構成が取られている。この複数の２次電池が直列接続された直列接続電池ブロックを複数個並列接続する場合、この複数個の直列接続電池ブロック間に電位差があるときには、電位の高い直列接続電池ブロックから電位の低い直列接続電池ブロックに突入電流が流れ込む。

この突入電流が流れ込んだときは、この電流は直列接続電池ブロックの内部インピーダンスに制限されるのみで、電位の低い直列接続電池ブロックは、この突入電流によりダメージを与えられる。

そこで、従来の電池パックは図４に示す如き構成を取っていた。図４において、１、２及び３は夫々複数個例えば４個の２次電池が直列接続された直列接続電池ブロックを示し、この直列接続電池ブロック１、２及び３の夫々の正極端子を逆流防止用のダイオード４ａ、５ａ及び６ａの夫々のカソードに接続し、この逆流防止用のダイオード４ａ、５ａ及び６ａの夫々のアノードを充電時に正の直流電圧が供給される充電正極端子７に接続する。

また、この直列接続電池ブロック１、２及び３の夫々の正極端子を逆流防止用のダイオード４ｂ、５ｂ及び６ｂの夫々のアノードに接続し、この逆流防止用のダイオード４ｂ、５ｂ及び６ｂの夫々のカソードを放電時に正の直流電圧を放電する放電正極端子８に接続する。

この直列接続電池ブロック１、２及び３の夫々の負極端子を充電時及び放電時に負極端子となる充放電負極端子９に夫々接続する。

この図４の従来例においては、充電時は、充電正極端子７よりの充電電流によりダイオード４ａ、５ａ及び６ａを介して直列接続電池ブロック１、２及び３が充電され、放電時は、直列接続電池ブロック１、２及び３からの夫々の放電電流は、ダイオード４ｂ、５ｂ及び６ｂを介し、放電正極端子８を介して負荷に放電される。

この図４例では、直列接続電池ブロック１、２及び３間に電位差があっても、逆流防止用のダイオード４ａ、５ａ、６ａ及び４ｂ、５ｂ、６ｂがあるので、直列接続電池ブロック１、２及び３間に電流が流れることがなく、突入電流が流れることがなく、各直列接続電池ブロック１、２、３にダメージを与えることがない。

また、特許文献１には、直並列に接続された複数個の２次電池に対して、個々に電池電圧を検出する手段と、２次電池の直列回路によって構成される並列回路毎の充電電流を検知する手段を設け、これら検出された電池電圧あるいは充電電圧に基づいて、個々の電池毎に充電電流を制御する手段と並列回路毎に充電出力を制御する手段を設けており、定電流定電圧充電したときは、２次電池毎の電池電圧の変化を検出し、２次電池毎の充電電流を制御し、並列回路毎の充電電流の変化を検出し、並列回路毎の充電出力を制御するようにしたものが開示されている。

この特許文献１に開示されたものは、過充電、過放電を防止するようにしたもので、複数個の直列接続電池ブロック間に電位差があり、この電位の低い直列接続電池ブロックへの突入電流を阻止するようにしたものではない。
特開平１０−３０４５８６号公報

然しながら、図４従来例においては、放電時の放電電流により逆流防止用のダイオード４ｂ、５ｂ及び６ｂにおいて、電力損失を生じる。即ち、逆流防止用のダイオード４ｂ、５ｂ及び６ｂの放電電流をＩとし、このダイオード４ｂ、５ｂ及び６ｂのスレッシュホールド電圧をＶfとしたとき、Ｉ×Ｖfの電力損失が発生する。

この電力損失は、このダイオード４ｂ、５ｂ及び６ｂのスレッシュホールド電圧Ｖfが例えば０．６Ｖと比較的大きく、放電電流Ｉが大きくなれば成る程大きくなり、大容量の電池パックでは無視できない程大きくなる不都合があった。

また、直列接続電池ブロック１、２及び３はダイオード４ａ、５ａ、６ａ及び４ｂ、５ｂ、６ｂで分離されているため接続時の容量バランスのバラツキは改善されることがなく、この直列接続電池ブロック１、２及び３の容量バランスが崩れた状態で充放電が行われることは、放電時に過放電防止回路があるときには、容量の低い直列接続電池ブロックに放電時間が左右されることにのり、放電時間が短くなる等の不都合があった。

本発明は、斯かる点に鑑み、放電時の電力損失を改善すると共に複数個の直列接続電池ブロック間の電位差による突入電流によりダメージを受けないようにし、更に放電時間を延長できるようにすることを目的とする。

本発明電池パックは、負極端子が充放電負極端子に接続されている第１の２次電池および第２の２次電池と、互いのドレイン端子又はソース端子が接続される２つの電界効果トランジスタを有し、該２つの電界効果トランジスタを同時にオン／オフすることで第１の２次電池の正極端子と充放電正極端子との接続をオン／オフする第１の充放電制御スイッチング素子と、互いのドレイン端子又はソース端子が接続される２つの電界効果トランジスタを有し、該２つの電界効果トランジスタを同時にオン／オフすることで第２の２次電池の正極端子と前記充放電正極端子との接続をオン／オフする第２の充放電制御スイッチング素子と、充放電正極端子および前記充放電負極端子を介した第１および第２の２次電池の充電時において、該第１および第２の２次電池の電圧をそれぞれ検出するとともに、第１および第２の２次電池の電圧を比較し、電圧の低い方の２次電池を先に充電し、第１および第２の２次電池の電圧が等しくなったときに同時に充電するように第１および第２の充放電制御スイッチング素子を制御するマイクロコンピュータとを備える。そして、マイクロコンピュータは、第１および第２の２次電池の電圧が等しくなるまで、電圧の低い方の２次電池に接続された充放電制御スイッチング素子の２つの電界効果トランジスタをオフして行う電圧の低い方の２次電池の電圧の検出と、電圧の低い方の２次電池に接続された充放電制御スイッチング素子の２つの電界効果トランジスタをオンして行う電圧の低い方の２次電池に対する充電とを周期的に切り換え、第１および第２の２次電池の電池残量が同じになった状態で充放電正極端子および充放電負極端子の間に負荷が接続されると、第１および第２の充放電制御スイッチング素子の電界効果トランジスタを全てオンとし、第１および第２の２次電池より直流電圧を充放電正極端子および充放電負極端子を介して負荷に供給するものである。

また、本発明電池パックの充電方法は、充放電正極端子および充放電負極端子を介した、負極端子が前記充放電負極端子に接続されている第１の２次電池および第２の２次電池の充電時において、第１および第２の２次電池の電圧をそれぞれ検出するとともに、第１および第２の２次電池の電圧を比較し、電圧の低い方の２次電池を先に充電し、電圧が等しくなったときに同時に充電するように、互いのドレイン端子又はソース端子が接続される２つの電界効果トランジスタを有し、該２つの電界効果トランジスタを同時にオン／オフすることで第１の２次電池の正極端子と充放電正極端子との接続をオン／オフする第１の充放電制御スイッチング素子と、互いのドレイン端子又はソース端子が接続される２つの電界効果トランジスタを有し、該２つの電界効果トランジスタを同時にオン／オフすることで第２の２次電池の正極端子と充放電正極端子との接続をオン／オフする第２の充放電制御スイッチング素子と、を制御する制御ステップを備える。そして、制御ステップでは、第１および第２の２次電池の電圧が等しくなるまで、電圧の低い方の２次電池に接続された充放電制御スイッチング素子の電界効果トランジスタをオフして行う電圧の低い方の２次電池の電圧の検出と、電圧の低い方の２次電池に接続された充放電制御スイッチング素子の電界効果トランジスタをオンして行う電圧の低い方の２次電池に対する充電とを周期的に切り換え、第１および第２の２次電池の電池残量が同じになった状態で充放電正極端子および充放電負極端子の間に負荷が接続されると、第１および第２の充放電制御スイッチング素子の電界効果トランジスタを全てオンとし、第１および第２の２次電池より直流電圧を充放電正極端子および充放電負極端子を介して負荷に供給するものである。

本発明によれば、この第１および第２の２次電池が互いに並列に接続されるときはこの第１および第２の２次電池間の電位差をなくすことができる。これにより、この第１および第２の２次電池間には電流を流さないようにすることができ、突入電流によりダメージを受けない安全性の高い大容量の電池パックを得ることができる。

また、本発明によれば、充電時に各直列接続電池ブロック間の電位差をなくすことができるので、各直列接続電池ブロック間の容量バランスを改善でき放電時間の延長を図ることができる。

以下、図１、図２及び図３を参照して本発明電池パック及び電池パックの充電方法を実施するための最良の形態の例につき説明する。図１、図２、図３につき説明するに、図１において、図４に対応する部分には同一符号を付して示す。

図１例において、１、２及び３は夫々複数個例えば４個の２次電池が直列接続された直列接続電池ブロックを示し、この直列接続電池ブロック１、２及び３の夫々の正極端子を放電制御用のｐチャンネルの電界効果トランジスタ１０ａ、１１ａ及び１２ａの夫々のドレイン端子に接続する。

この電界効果トランジスタ１０ａ、１１ａ及び１２ａの夫々のソース端子を夫々充電制御用のｐチャンネルの電界効果トランジスタ１０ｂ、１１ｂ及び１２ｂの夫々のソース端子に接続し、この電界効果トランジスタ１０ｂ、１１ｂ及び１２ｂの夫々のドレイン端子を充電時及び放電時に正極端子となる充放電正極端子１３に夫々接続する。

また、この電界効果トランジスタ１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ及び１２ｂの夫々のゲート端子を後述の如く制御する制御マイクロコンピュータ１４の夫々の制御端子に夫々接続する。

この直列接続電池ブロック１、２及び３の夫々の負極端子を充電時及び放電時に負極端子となる充放電負極端子９に夫々接続する。また、この直列接続電池ブロック１、２及び３の夫々の正極端子及び負極端子を制御マイクロコンピュータ１４の夫々の電圧を読み取る読み取り端子に接続し、この制御マイクロコンピュータ１４で、この夫々の直列接続電池ブロック１、２及び３の電圧を読み取る如くする。

本例においては、図１に示す如く、各直列接続電池ブロック１、２及び３を接続した時点では、制御マイクロコンピュータ１４は電界効果トランジスタ１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ及び１２ｂを全てオフ状態とし、充電も放電も不可能な状態とする。

充電時においては、充放電正極端子１３及び充放電負極端子９間に充電電圧が供給され、このとき制御マイクロコンピュータ１４は夫々の直列接続電池ブロック１、２及び３の夫々の電圧を読み取る。この場合直列接続電池ブロック１、２及び３の夫々の電圧をＶ１、Ｖ２及びＶ３としたとき、充電開始時に、この電圧が、図３に示す如く例えばＶ１＜Ｖ２＜Ｖ３であつたとする。

このときは、制御マイクロコンピュータ１４は、図２Ａ及び図２Ｂに示す如く、電界効果トランジスタ１０ａ及び１０ｂを周期的にオン、オフし、この周期的なオン時に、この直列接続電池ブロック１を充電し、この周期的なオフ時に、この直列接続電池ブロック１の開放電圧Ｖ１を読み取り、この開放電圧Ｖ１と直列接続電池ブロック２の電圧Ｖ２とを比較する。

この開放電圧Ｖ１と直列接続電池ブロック２の電圧Ｖ２とがＶ１＜Ｖ２のときは上述を繰り返し、この開放電圧Ｖ１と直列接続電池ブロック２の電圧Ｖ２とが等しく，Ｖ１＝Ｖ２となったときに、図２Ｃ及び図２Ｄに示す如く、電界効果トランジスタ１１ａ及び１１ｂも電界効果トランジスタ１０ａ及び１０ｂと同様に周期的にオン、オフし、この周期的なオン時に、この直列接続電池ブロック１及び２を図３の充電カーブに示す如く同時に充電し、この周期的なオフ時に、この直列接続電池ブロック１及び２の開放電圧Ｖ１＝Ｖ２を読み取り、この開放電圧Ｖ１＝Ｖ２と直列接続電池ブロック３の電圧Ｖ３とを比較する。

この開放電圧Ｖ１＝Ｖ２と直列接続電池ブロック３の電圧Ｖ３とがＶ１＝Ｖ２＜Ｖ３のときは上述を繰り返し、この開放電圧Ｖ１＝Ｖ２と直列接続電池ブロック３の電圧Ｖ３とが等しく，Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ３となったときは、図２Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ及びＦに示す如く、電界効果トランジスタ１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ及び１２ｂを全てオンとし、直列接続電池ブロック１、２及び３を図３の充電カーブに示す如く同時に充電終了まで充電する。図２Ｅ及びＦは電界効果トランジスタ１２ａ及び１２ｂのオン、オフを示す。

また、放電時は、制御マイクロコンピュータ１４は、電界効果トランジスタ１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ及び１２ｂを全てオン状態とし、直列接続電池ブロック１、２及び３よりの直流電圧を充放電正極端子１３及び充放電負極端子９を介して負荷に供給する。この場合、直列接続電池ブロック１、２及び３の電圧は等しいので、直列接続電池ブロック１、２及び３間に突入電流はながれない。

本例によれば、放電時は、電界効果トランジスタ１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ及び１２ｂを全てオン状態として行うので、この電界効果トランジスタ１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ及び１２ｂはオン時の電圧降下が極めて小さく、この電界効果トランジスタ１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ及び１２ｂによる電力損失は極めて小さいと共に充電時は、直列接続電池ブロック１,２及び３の電圧を比較し、電圧の低い直列接続電池ブロックから順番に充電し、直列接続電池ブロック１,２及び３の電圧が等しくＶ１＝Ｖ２、またＶ１＝Ｖ２＝Ｖ３となったときに同時に充電するようにしたので、この直列接続電池ブロック１、２及び３が互いに並列に接続されるときはこの直列接続電池ブロック１、２、３間の電位差は０Ｖであり、この直列接続電池ブロック１、２、３間には電流は流れず突入電流によりダメージを受けない安全性の高い大容量の電池パックを得ることができる。

また、本例によれば、充電時に各直列接続電池ブロック１、２、３間の電位差をなくすことができるので、各直列接続電池ブロック１、２、３間の容量バランスを改善でき放電時間の延長を図ることができる。

尚、上述例では、直列接続電池ブロックを３個並列に接続した例につき述べたが、この並列接続する直列接続電池ブロックの個数を必要に応じ２個又は４個以上としても良いことは勿論である。このときは、上述同様にして構成できることは、容易に理解できよう。

また、本発明は上述例に限ることなく、本発明の要旨を逸脱することなく、その他種々の構成が採り得ることは勿論である。

本発明電池パックを実施するための最良の形態の例を示す構成図である。本発明の説明に供する線図である。本発明の説明に供する線図である。従来の電池パックの例を示す構成図である。

符号の説明

１、２、３…直列接続電池ブロック、９…充放電負極端子、１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ…電界効果トランジスタ、１３…充放電正極端子、１４…制御マイクロコンピュータ

Claims

負極端子が充放電負極端子に接続されている第１の２次電池および第２の２次電池と、
互いのドレイン端子又はソース端子が接続される２つの電界効果トランジスタを有し、該２つの電界効果トランジスタを同時にオン／オフすることで前記第１の２次電池の正極端子と充放電正極端子との接続をオン／オフする第１の充放電制御スイッチング素子と、
互いのドレイン端子又はソース端子が接続される２つの電界効果トランジスタを有し、該２つの電界効果トランジスタを同時にオン／オフすることで前記第２の２次電池の正極端子と前記充放電正極端子との接続をオン／オフする第２の充放電制御スイッチング素子と、
前記充放電正極端子および前記充放電負極端子を介した前記第１および第２の２次電池の充電時において、該第１および第２の２次電池の電圧をそれぞれ検出するとともに、前記第１および第２の２次電池の電圧を比較し、電圧の低い方の２次電池を先に充電し、前記第１および第２の２次電池の電圧が等しくなったときに同時に充電するように前記第１および第２の充放電制御スイッチング素子を制御するマイクロコンピュータとを備え、
前記マイクロコンピュータは、前記第１および第２の２次電池の電圧が等しくなるまで、前記電圧の低い方の２次電池に接続された充放電制御スイッチング素子の２つの電界効果トランジスタをオフして行う前記電圧の低い方の２次電池の電圧の検出と、前記電圧の低い方の２次電池に接続された充放電制御スイッチング素子の２つの電界効果トランジスタをオンして行う前記電圧の低い方の２次電池に対する充電とを周期的に切り換え、
前記第１および第２の２次電池の電池残量が同じになった状態で前記充放電正極端子および前記充放電負極端子の間に負荷が接続されると、前記第１および第２の充放電制御スイッチング素子の電界効果トランジスタを全てオンとし、前記第１および第２の２次電池より直流電圧を前記充放電正極端子および前記充放電負極端子を介して前記負荷に供給する
ことを特徴とする電池パック。
充放電正極端子および充放電負極端子を介した、負極端子が前記充放電負極端子に接続されている第１の２次電池および第２の２次電池の充電時において、前記第１および第２の２次電池の電圧をそれぞれ検出するとともに、前記第１および第２の２次電池の電圧を比較し、電圧の低い方の２次電池を先に充電し、電圧が等しくなったときに同時に充電するように、互いのドレイン端子又はソース端子が接続される２つの電界効果トランジスタを有し、該２つの電界効果トランジスタを同時にオン／オフすることで前記第１の２次電池の正極端子と充放電正極端子との接続をオン／オフする第１の充放電制御スイッチング素子と、互いのドレイン端子又はソース端子が接続される２つの電界効果トランジスタを有し、該２つの電界効果トランジスタを同時にオン／オフすることで前記第２の２次電池の正極端子と前記充放電正極端子との接続をオン／オフする第２の充放電制御スイッチング素子と、を制御する制御ステップを備え、
前記制御ステップでは、前記第１および第２の２次電池の電圧が等しくなるまで、前記電圧の低い方の２次電池に接続された充放電制御スイッチング素子の電界効果トランジスタをオフして行う前記電圧の低い方の２次電池の電圧の検出と、前記電圧の低い方の２次電池に接続された充放電制御スイッチング素子の電界効果トランジスタをオンして行う前記電圧の低い方の２次電池に対する充電とを周期的に切り換え、
前記第１および第２の２次電池の電池残量が同じになった状態で前記充放電正極端子および前記充放電負極端子の間に負荷が接続されると、前記第１および第２の充放電制御スイッチング素子の電界効果トランジスタを全てオンとし、前記第１および第２の２次電池より直流電圧を前記充放電正極端子および前記充放電負極端子を介して前記負荷に供給する
ことを特徴とする電池パックの充放電方法。