JP4993655B2 - 電池パックおよび電池パックの保護回路構成方法 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン電池の異常発生に対し保護処理を実行する回路がこのリチウムイオン電池と一体に収容された電池パック及びこのような電池パックの高電力化に伴う保護回路の構成方法に関する。

近年、電子機器に搭載される二次電池としては小型、軽量というニーズに加え、さらに二次電池の性能も重要視されており、このような二次電池の一つとして、リチウムイオン型といわれるものが注目されている。

リチウムイオン電池では、特に過充電となった場合にリチウムイオンが金属リチウムとなって負極に析出し、最悪の場合には電池から発煙、発火が生じたり、破裂したりすることが知られている。また、過放電となった場合には、電極内部の微少ショートや容量劣化が発生し、正極、負極をショートさせた場合には過電流が流れることにより異常発熱が発生することも知られている。このため、リチウムイオン電池では通常、過充電、過放電、ショート（過電流）を防止するために、これらの異常状態を監視する保護機能と、異常状態を回避するための充放電制御スイッチとから成る保護回路が設けられている。

このような電池として、特許文献１（特開２００３−１１１２９４号）には、直列に接続した複数個の電池と、該複数個の電池と出力端子との間に接続されて充放電の制御を行う充放電制御スイッチと、前記複数個の電池を複数のブロックに分割して少なくとも各電池電圧を検出する複数の保護回路と、該複数の保護回路の各検出信号を含むパック検出信号の演算処理を行う演算処理回路と、前記複数の保護回路と前記演算処理回路との間で前記検出信号の電圧基準を一律化するレベル変換回路とを備え、前記複数の保護回路を前記電池と並列に多段に連結したことを特徴とする多直連結保護型電池パックが開示されている。
特開２００３−１１１２９４号

ところで、このような電池パックを製品として出荷する際には、それぞれの顧客の要求に沿った仕様を満たすように一から電池パックを設計開発しなくてはならなかった。すなわち、顧客によって、出力電圧等の要求も異なるし、保護回路の細部に対する要求も異なっており、そのような要求に逐一対応して、始めから新たに電池パックを設計し直すことが必要であり、電池パックの開発期間が長期化してしまうという問題があった。

そして、このような設計では、保護回路、演算回路、充放電制御スイッチ等が搭載されるメイン基板の設計作業が中心となるが、メイン基板の設計に際しては、例えば、電池をいくつ直列につなぐかに応じて、基板上で絶縁クリアランス等を考慮する必要が出てくるし、また、発熱する回路とＣＰＵとの距離を考慮するなど、種々のことを検討し直す必要があり、非常に煩雑であるという問題があった。また、このような種々のことを検討した上でメイン基板を作成すると、ある程度の基板の面積が必要となってしまい、電池パックを小型化したいというニーズを満たすことができないという問題もあった。

本願発明は上記のような課題を解決するものであって、これらの解決するために、請求項１に係る発明は、素電池と該素電池を保護する保護回路とがケースに収納された電池パックであって、複数の素電池と該複数の素電池の状態を検出する検出回路が搭載された検出回路基板とが一体化された状態に形成され、該複数の素電池の温度を検出する温度センサが含まれた電池ブロックと、該検出回路基板上の検出回路で検出された情報に基づいて該複数の素電池の充放電を制御する保護回路を搭載したメイン基板とを備え、該電池ブロック及び該メイン基板が該ケースに対して互いに独立して脱着可能であることを特徴とするものである。

また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の電池パックにおいて、該検出回路は、該複数の素電池が過充電状態にある場合、又は、過放電状態にある場合にアラーム信号を出力することを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載の電池パックにおいて、該保護回路には、該検出回路から出力されたアラーム信号が入力されることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電池パックにおいて、該保護回路には、該温度センサで得られた温度情報が入力されることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、請求項４に記載の電池パックにおいて、該検出回路は、該複数の素電池が過充電状態にある場合、又は、過放電状態にある場合にアラーム信号を出力すると共に、該保護回路には、該検出回路から出力されたアラーム信号、及び、該温度センサで得られた温度情報が入力され、該保護回路は、入力された該アラーム信号及び該温度情報に基づいて、該複数の素電池の充放電を制御することを特徴とする。

また、請求項６に係る発明は、素電池と該素電池を保護する保護回路とをケースに収納した電池パックの保護回路構成方法であって、複数の素電池と該複数の素電池の状態を検出する検出回路が搭載された検出回路基板とが一体化された状態に形成され、該複数の素電池の温度を検出する温度センサが含まれた電池ブロックを用意する工程と、該検出回路基板上の検出回路で検出された情報に基づいて該複数の素電池の充放電を制御する保護回路を搭載したメイン基板を用意する工程と、該電池ブロック及び該メイン基板を該ケースに収納する工程とから成ることを特徴とする。

また、請求項７に係る発明は、請求項６記載の電池パックの保護回路構成方法において、該検出回路は、該複数の素電池が過充電状態にある場合、又は、過放電状態にある場合にアラーム信号を出力することを特徴とする。

また、請求項８に係る発明は、請求項７に記載の電池パックの保護回路構成方法において、該保護回路には、該検出回路から出力されたアラーム信号が入力されることを特徴とする。

また、請求項９に係る発明は、請求項６乃至請求項８のいずれかに記載の電池パックの保護回路構成方法において、該保護回路には、該温度センサで得られた温度情報が入力されることを特徴とする。

また、請求項１０に係る発明は、請求項６に記載の電池パックの保護回路構成方法において、該検出回路は、該複数の素電池が過充電状態にある場合、又は、過放電状態にある場合にアラーム信号を出力すると共に、該保護回路には、該検出回路から出力されたアラーム信号、及び、該温度センサで得られた温度情報が入力され、該保護回路は、入力された該アラーム信号及び該温度情報に基づいて、該複数の素電池の充放電を制御することを特徴とする。

本発明によれば、複数の素電池と検出回路基板とが一体化された電池ブロックとしてユニット化されているので、電池パック全てを一から設計し直す必要はなく、電池ブロックを除いたメイン基板のみを設計すればよく、電池パックの開発期間が短縮でき、電池パックの開発コストも削減することできる。また、本発明によれば、メイン基板の保護回路には、検出回路から出力されたアラーム信号が入力される構造となっているので、メイン基板で耐電圧を考慮した空間を設ける必要がなく、メイン基板を小型化することでき、ひいては電池パックを小型化することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る電池パックの回路構成を示す図である。電池パックは図１全体の構成により示されるものである。すなわち、電池パックは、安全機能である充放電を制御するスイッチング機能までが含まれている部分までのことを言うのであり、電池パックは電池セル単体のことを指しているわけではない。

図１において、１は電池ブロックであり、本実施の形態における電池パックには、図示の通り電池ブロック１二つが並列に接続され利用される構成が示されている。電池ブロック１において、ＢＴの一つ一つが素電池単体であり、本実施の形態では、一つの電池パック１には、ＢＴ０１〜ＢＴ１２の１２個の素電池が直列に接続されている。２は素電池の状態を検出する検出回路が搭載された検出回路基板であり、検出回路は、図示のように素電池間の電圧をモニタし、素電池それぞれが過充電状態にはないか、或いは過放電状態にはないかを検出し、そのような状態を検出した場合には、アラーム信号を出力するように構成されている。また、同検出回路は、温度センサ３からの温度情報もモニタしている。

図１において、５はメイン基板であり、主に素電池から得られた様々な情報に基づいて、電池パックとしての充放電制御を担う保護回路が設けられているものである。電池の充放電の際、危険な電圧領域まで上がらないか、電池が劣化しやすい電圧領域までに下がり過ぎないか等を監視するために、リチウムイオン電池の場合には必ず保護回路が設けられている。この保護回路は、主にＣＰＵ６、ＩＣ７、放電制御回路８、充電制御回路９等から成っており、これらの素子、回路がメイン基板５に搭載されている。ＣＰＵ６は、電圧モニタ、電流モニタ、温度モニタ、容量積算、アラーム処理（ＡＬＭ）等の処理を行う。

ＣＰＵ６には、素電池BTが過充電状態にある場合、或いは、過放電状態にある場合に検出回路基板２から出力されるアラーム信号が入力される。このようなアラーム信号が入力された場合、ＣＰＵ６は、検出回路基板から入力される温度情報を加味した上で、放電制御回路８で放電を止めたり、充電制御回路９で充電を止めたりする制御を行う。

リチウムイオン電池の場合には、安全上、保護上の問題として温度情報を利用するが、温度センサ３からの情報は検出回路基板２を通じてＣＰＵ６に取り込まれ、例えば、現在の放電電圧に対して、素電池ＢＴが妥当性のある温度領域にあるか等を判定する。温度が所定の領域から外れた場合には、ＣＰＵ ６は充電或いは放電を止める制御を行う。

また、ＣＰＵ ６に取り込まれた温度情報は残量検出機能のために利用される。すなわち、温度によって素電池ＢＴの能力が変わってくるので、ＣＰＵ ６で容量積算を行う際には、補正のためにこのような温度情報が用いられる。

ＩＣ７は、電圧レベルの変換、電流増幅、レギュレータ、ＣＰＵ６へのリセット出力等の機能を有する。ＩＣ７の電圧レベル変換の機能は、素電池ＢＴのそれぞれ一つずつのグランドレベルを、動作範囲が５ＶであるＣＰＵのためにシフトさせるものである。

リチウムイオン電池の場合には、電池パックの安全上、電流値も監視しておく必要がある。また、電池パックの容量積算は、電流値の情報を積み上げることによって行われるので、このような目的のためにも電流値をモニタしておく必要がある。このために、メイン基板５上の電池の充放電路に、数ｍΩの抵抗１３を間挿しておき、そこに発生する電圧をＩＣ７の電流増幅機能で４０倍から２００倍の増幅値で増幅する。この増幅された信号は、ＣＰＵ６に入力され、モニタされ、必要に応じて容量積算の為に利用される。

また、ＩＣ７に入力されたＶＣＣは５Ｖに変換されＣＰＵ６に出力される。また、ＩＣ７には、ＣＰＵ６に対するリセットを出力する機能を有している。ＩＣ７へはレギュレータ１１を介してＶＣＣが入力される。

放電制御回路８では、素電池ＢＴが過放電側の領域に入った旨のアラームがＣＰＵ６から入力された場合には、放電側のＦＥＴをオフさせ、充電制御回路９では過充電側の領域に入った旨のアラームが入力された場合には、充電側のＦＥＴをオフさせる。また、短絡検出１４にて短絡が検出された場合にも、放電制御回路８の放電側のＦＥＴをオフされる。

図１中、１５は種々のデータを保管しておくメモリであり、例えばＥＰＲＯＭが用いられる。また、１６はＬＥＤドライブであり、ＣＰＵ６からの信号に応じて電池パックの表示手段を駆動する。

１７、１８は制御用端子である。電池パックの保護回路での電力消費を低減するために、メイン基板５の保護回路関係への電力供給をカットする制御が行われるが、電力供給がカットされた状態から復帰するためのトリガーを起動回路１０へ入力するために制御用端子１７が利用される。また、図１に示されるような電池パックを複数接続して用いる場合があるが、このような場合に制御用端子１８は、自分以外の電池パックに対して自分の状態情報を出力したり、或いは、他の電池パックの状態情報を入力したりするための端子として用いられる。すなわち、この端子は、他の電池パックの異常情報が入力されたり、或いは自電池パックの異常情報を他電池パックに知らせるために異常情報を出力したり、というように利用される。２０は電池パック自体の正極端子であり、２１は負極端子である。

図２は、本発明に係る電池ブロック１の外観を示す図である。図２に示すように、電池ブロック１は、主に１２個のＢＴ０１〜ＢＴ１２までの素電池と検出回路基板２とが一体化された状態に形成されたものである。すなわち、図１の回路構成において一点鎖線で囲まれた部分が電池ブロック１としてユニット化されている。なお、ヒューズ、温度センサ３、配線等については図２においては図示されていない。また、素電池の個数は特に１２個に限定するわけではなく、本発明では、任意の数の素電池を用いることができる。

図１に示された電池パックを構成するに当たっては、電池ブロック１を２つ及びメイン基板６を用意しておき、これらを不図示のケースに収納し、２つの電池ブロック１及びメイン基板６を図１の通り結線することにより完成する。

このようにユニット化された電池ブロック１を用いるメリットについて説明する。電池パックの仕様は、それぞれの顧客によって、出力電圧等の仕様も異なるし、保護回路の細部に対する仕様も異なっている。本発明によれば、電池ブロック１は、素電池と検出回路基板とが一体化された状態に形成された、言わば、半製品の状態でユニット化されているので、電池パック全てを一から設計し直す必要はなく、電池ブロック１を除いたメイン基板のみを設計すればよい。

図１に示された例では、電池ブロック１が二つ並列に接続された電池パックが示されているが、顧客の要望に応じて、電池ブロック１を一つのみ用いたり、或いは、電池ブロック１を二つ直列に用いたり、自由に組み合わせることができる。設計者は、このように自由に組み合わせた後は、メイン基板５の設計のみに従事すればよい。したがって、電池パックの開発期間を短縮できるし、また開発コストも削減することができる。

本実施の形態では、電池ブロック１に用いられる素電池ＢＴの数が１２個のものを示したが、その他に例えば、６個の素電池ＢＴからなる別の電池ブロックを用意しておくことにより、１２個の素電池ＢＴからなる電池ブロック１と６個の素電池ＢＴからなる別の電池ブロックとを適宜組み合わせることにより、電池パックの出力電圧のバリエーションはさらに広がる。

また、通常メイン基板上に、検出回路を含めた保護回路を一から設計する際には、メイン基板上に複数の素電池からの電圧が直接印加される状態となるので、電池をいくつ直列につなぐかに応じて、メイン基板上で耐電圧を考慮したパターン設計をする必要がある。しかし、本発明によれば、電池ブロック側に検出回路が一体化され、メイン基板には検出回路からのアラーム信号が入力されるのみの構造となっており、メイン基板上に複数の素電池からの電圧が直接印加されるわけではないので、わざわざ耐電圧を考慮したパターン設計をする必要はない。

また、通常メイン基板上に、検出回路を含めた保護回路を一から設計する際には、上記の耐電圧のことに加え、発熱しやすい充電制御回路、放電制御回路とＣＰＵとの熱的なクリアランスのことも考慮しなければならないため、メイン基板の面積は大きなものとなってしまう傾向があった。しかし、本発明によれば、耐電圧の問題が解決されている上で、メイン基板を設計すればよいので、メイン基板の面積を従来のものより大幅に減らすことができるという効果がある。

以上の通り、本発明によれば、電池ブロックをユニット化し、半製品化したので、電池パックの開発期間が短期間ですむ上に、電池パックの小型化にも寄与する。

本発明に係る電池パックの回路構成を示す図である。 本発明に係る電池ブロックの外観を示す図である。

符号の説明

１・・・電池ブロック、２・・・検出回路基板、３・・・温度センサ、５・・・メイン基板、６・・・ＣＰＵ、７・・・ＩＣ、８・・・放電制御回路、９・・・充電制御回路、１０・・・起動回路、１１・・・レギュレータ、１３・・・抵抗、１４・・・短絡検出回路、１５・・・ＥＰＲＯＭ、１６・・・ＬＥＤドライブ、１７・・・制御用端子、１８・・・制御用端子、２０・・・正極端子、２１・・・負極端子

Claims (10)

1. 素電池と該素電池を保護する保護回路とがケースに収納された電池パックであって、
   複数の素電池と該複数の素電池の状態を検出する検出回路が搭載された検出回路基板とが一体化された状態に形成され、該複数の素電池の温度を検出する温度センサが含まれた電池ブロックと、
   該検出回路基板上の検出回路で検出された情報に基づいて該複数の素電池の充放電を制御する保護回路を搭載したメイン基板とを備え、
   該電池ブロック及び該メイン基板が該ケースに対して互いに独立して脱着可能であることを特徴とする電池パック。
2. 該検出回路は、該複数の素電池が過充電状態にある場合、又は、過放電状態にある場合にアラーム信号を出力することを特徴とする請求項１記載の電池パック。
3. 該保護回路には、該検出回路から出力されたアラーム信号が入力されることを特徴とする請求項２に記載の電池パック。
4. 該保護回路には、該温度センサで得られた温度情報が入力されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電池パック。
5. 該検出回路は、該複数の素電池が過充電状態にある場合、又は、過放電状態にある場合にアラーム信号を出力すると共に、該保護回路には、該検出回路から出力されたアラーム信号、及び、該温度センサで得られた温度情報が入力され、該保護回路は、入力された該アラーム信号及び該温度情報に基づいて、該複数の素電池の充放電を制御することを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
6. 素電池と該素電池を保護する保護回路とをケースに収納した電池パックの保護回路構成方法であって、
   複数の素電池と該複数の素電池の状態を検出する検出回路が搭載された検出回路基板とが一体化された状態に形成され、該複数の素電池の温度を検出する温度センサが含まれた電池ブロックを用意する工程と、
   該検出回路基板上の検出回路で検出された情報に基づいて該複数の素電池の充放電を制御する保護回路を搭載したメイン基板を用意する工程と、
   該電池ブロック及び該メイン基板を該ケースに収納する工程とから成ることを特徴とする電池パックの保護回路構成方法。
7. 該検出回路は、該複数の素電池が過充電状態にある場合、又は、過放電状態にある場合にアラーム信号を出力することを特徴とする請求項６記載の電池パックの保護回路構成方法。
8. 該保護回路には、該検出回路から出力されたアラーム信号が入力されることを特徴とする請求項７に記載の電池パックの保護回路構成方法。
9. 該保護回路には、該温度センサで得られた温度情報が入力されることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれかに記載の電池パックの保護回路構成方法。
10. 該検出回路は、該複数の素電池が過充電状態にある場合、又は、過放電状態にある場合にアラーム信号を出力すると共に、該保護回路には、該検出回路から出力されたアラーム信号、及び、該温度センサで得られた温度情報が入力され、該保護回路は、入力された該アラーム信号及び該温度情報に基づいて、該複数の素電池の充放電を制御することを特徴とする請求項６に記載の電池パックの保護回路構成方法。

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