JP5084647B2 - 電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池パックを並列接続して構成される電池装置であって、特に電池性能が劣化した電池パックの個数を簡易に判定することのできる機能を備えた電池装置に関する。

例えば商用電源が利用できない環境で用いられる電子機器の電源装置や、停電時のバックアップ電源として用いられる無停電電源装置としては、専ら、その電源容量に見合うように複数の電池パックを並列接続した電池装置が用いられる。しかしこの種の電池装置においては、複数の電池パックの劣化が個々にばらつくことが否めず、安定した電源供給を実現するには各電池パックの劣化を監視することが重要となる。そこで従来においては、例えば１つの電池パックをマスタとし、このマスタの管理の下で他の電池パックとの間でデータ通信しながら各電池パックの性能（劣化状態）をそれぞれ監視するようにしている［例えば特許文献１,２を参照］。
特開２０００−２９４２９８号公報 特開２０００−７８７５９号公報

しかしながら複数の電池パック間でデータ通信しながら各電池パックの性能を監視する場合、その通信仕様が複雑になるだけでなく個々の電池パック自体の構成も複雑化し、想到大掛かりなシステム構成となることが否めず、装置コストも高くなる。
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、並列接続した複数の電池パックの性能劣化を簡易に、しかも確実に検出することのできる簡易な構成の電池装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る電池装置は、複数の電池パックを並列接続したものであって、
前記各電池パックに、電池セルの劣化を判定する自己診断機能と、常時は所定の電圧にてプルアップされると共に、前記自己診断機能により前記電池セルの劣化が検出されたときにプルダウンされるモニタ端子とをそれぞれ設け、更にこれらの各電池パックのモニタ端子を並列接続して外部出力する信号ラインを設けたことを特徴としている。

ちなみに前記モニタ端子は、例えば並列接続された複数の電池パックの出力電圧により第１の抵抗を介してプルアップされると共に、前記電池セルの劣化検出時に導通されるスイッチ素子と第２の抵抗とを直列に介して接地電位にプルダウンされるものからなる。具体的には前記モニタ端子は、電池パックの電圧出力端子［＋］に第１の抵抗（プルアップ抵抗）を介して接続すると共に、該電池パックの接地端子［−］にスイッチ素子と第２の抵抗（プルダウン抵抗）とを直列に介して接続して設けられる。

また本発明に係る電池装置は、更に前記信号ラインに生じる電圧から、電池セルが劣化した電池パックの個数を検出する監視装置を備えることを特徴としている。即ち、並列接続された複数の電池パックとは独立して、前記信号ラインに生じる電圧を監視する監視装置を備えることを特徴としている。
尚、前記各電池パック自体に、前記信号ラインに生じる電圧から電池セルが劣化した電池パックの個数を検出する監視機能と、電池セルが劣化した電池パックの個数が予め設定した個数を超えるとき、当該電池パックの前記電池セルからの放電を停止させる出力制御機能とをそれぞれ設けるようにしても良い。

このような構成の電池装置によれば、並列接続された複数の電池パックが個々に常時はプルアップされると共に、電池セルの劣化時にはプルダウンされるモニタ端子を備え、これらのモニタ端子が信号ラインに並列接続されるので、該信号ラインに生じる電圧を監視することでプルダウンされているモニタ端子の数を、つまり電池セルが劣化した電池パックの個数を簡易に、しかも確実に検出することが可能となる。従って従来のように複数の電池パック間でデータ通信しなくても、電池装置の全体的な状況を簡易に把握することが可能となる。

また信号ラインに生じる電圧の監視機能を個々の電池パックに持たせておけば、例えば自己の電池セルが正常であっても他の電池パックが劣化しているような場合、その放電を停止することで電池装置から負荷に対して徒に（無駄に）電力供給するような不具合を未然に防ぐことができる等の効果が奏せられる。

以下、図面を参照して本発明に係る電池装置の実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る電池装置の概略構成図である。この電池装置は、複数の電池パック１（１ａ,１ｂ〜１ｎ）を並列接続して構成されるものであって、具体的には各電池パック１（１ａ,１ｂ〜１ｎ）の正極端子［＋］を電源ライン（プラスライン）２に、またその負極端子［−］を接地ライン（マイナスライン）３にそれぞれ接続して構成される。

ちなみに各電池パック１（１ａ,１ｂ〜１ｎ）は、前記正極端子［＋］および負極端子［−］の間に接続された電池セル１１を備えたものであり、特に各電池パック１（１ａ,１ｂ〜１ｎ）には上記電池セル１１の劣化を判定する自己診断機能を有するマイクロコンピュータ（以下、マイコンと称する）１２が組み込まれている。また各電池パック１（１ａ,１ｂ〜１ｎ）には、前記正極端子［＋］に第１の抵抗（プルアップ抵抗）１３を介して接続されて、前記正極端子［＋］に加わる電圧によりプルアップされるモニタ端子１４が設けられている。またこのモニタ端子１４は、スイッチ素子１５と第２の抵抗（プルダウン抵抗）１６とを直列に介して前記負極端子［−］に接続されており、前記スイッチ素子１５の導通時には接地電位にプルダウンされるようになっている。

尚、前記スイッチ素子１５は、前記マイコン１２によって前記電池セル１１の劣化が検出されたときに該マイコン１２によって導通駆動されるものである。従って前記モニタ端子１４は、電池セル１１が正常状態である場合には前記正極端子［＋］に加わる電圧、具体的には前記電源ライン（プラスライン）２に加えられた電圧によりプルアップされ、また前記マイコン１２の自己診断機能により前記電池セル１１の劣化が検出されたときには前記スイッチ素子１５を介して前記接地ライン（マイナスライン）３の電圧（接地電位）にプルダウンされるものとなっている。

そしてこの電池装置においては、前記各電池パック１（１ａ,１ｂ〜１ｎ）のモニタ端子１４を信号ライン５にそれぞれ接続することで並列接続すると共に、この信号ライン５の電圧を監視して、後述するように電池セル１１が劣化した電池パック１の個数を検出する監視装置６が設けられている。尚、監視装置６、例えばマイコンによって実現され、劣化した電池パック１が所定個数を越える場合には、当該電池装置からの電源供給が不能となった旨の警報を発する機能を備える。

このように構成された電池装置における前記監視装置６での監視機能について説明すると、図２にその等価回路を示すように前述した複数の電池パック１（１ａ,１ｂ〜１ｎ）における前記第１の抵抗１３は、前記電源ライン（プラスライン）２と信号ライン５の間にそれぞれ並列に接続される。また前記電池パック１（１ａ,１ｂ〜１ｎ）における前記スイッチ素子１５および第２の抵抗１６は、接地ライン（マイナスライン）３と信号ライン５との間にそれぞれ並列的に設けられており、前記スイッチ素子１５の導通時にのみ前記第２の抵抗１６が前記接地ライン（マイナスライン）３と信号ライン５との間に接続される。換言すれば前記電源ライン２と信号ライン５との間には、並列接続された複数の第１の抵抗１３が介挿され、また信号ライン５と接地ライン３との間には電池セル１１の劣化に伴ってスイッチ素子１５が導通された電池パック１の第２の抵抗１６が並列に介挿されることになる。

すると全ての電池パック１の電池セル１１が正常である場合には、各電池パック１のスイッチ素子１５が非導通（オフ）であるので、信号ライン５には第１の抵抗１３によってプルアップされた電源ライン２の電圧がそのまま加わる。しかし或る電池パック１の電池セル１１が劣化し、その電池パック１のスイッチ素子１５が導通（オン）すると、これに伴って第２の抵抗１６介する電流路が形成される。

すると信号ライン５には、前述した如く並列接続された第１の抵抗１３と、スイッチ素子１５の導通によって前記第１の抵抗１６３に直列に接続された第２の抵抗１６とによって、前記電源ライン２と接地ライン３との間の電圧を分圧した電圧が加わることになる。ちなみに並列接続された第１の抵抗１３側の合成抵抗値は一定であるが、スイッチ素子１５の導通に伴って介挿される第２の抵抗１６側の合成抵抗値は、その接続個数によって変化する。従って信号ライン５に生じる電圧はスイッチ素子１５が導通した電池パック１の個数、つまり電池セル１１が劣化した電池パック１の個数に応じて変化することになる。前述した監視装置６は、このような信号ライン５の電圧を監視することで、電池セル１１が劣化した電池パック１の個数を検出し、例えばその不良状態を示す警報を発するものとなっている。

より具体的に説明すると、例えばセル電圧が［１０Ｖ］の５個の電池パック１を並列接続した電源装置において、前記第１の抵抗１３が［１００ｋΩ］、第２の抵抗１６が［１ｋΩ］として与えられるものとすると、全ての電池パック１が正常である場合には、信号ライン５の電圧は第１の抵抗１３によりプルアップされているだけであるので、電源ライン２の電圧と等しい［１０Ｖ］となる。

これに対して或る１つの電池パック１の電池セル１１が劣化すると、これに伴って前記信号ライン５と接地ライン３との間に第２の抵抗１６が１個介挿されることになるので、信号ライン５の電圧は前記第１の抵抗１３側の合成抵抗値［２０ｋΩ］と第２の抵抗１６の抵抗値［１ｋΩ］とにより前記電源電圧［１０Ｖ］を分圧した電圧
１０Ｖ×［１ｋΩ／（２０ｋΩ＋１ｋΩ）］＝０.４７６Ｖ
となる。同様に２つの電池パック１が劣化した場合には、信号ライン５の電圧は［０.２４４Ｖ］、更に３つの電池パック１が劣化した場合には前記信号ライン５の電圧は［０.１６７Ｖ］、４つの電池パック１が劣化した場合には前記信号ライン５の電圧は［０.１２３Ｖ］となる。そして５つの全ての電池パック１が劣化した場合には前記信号ライン５の電圧は［０.０９９Ｖ］となり、図３に示すように信号ライン５の電圧は、電池パック１の不良個数に応じて変化することになる。従って電源装置を前述した如く構成することで、信号ライン５の電圧から並列接続された複数の電池パック１中の、電池セル１１が劣化した電池パック１の不良個数を簡易に検出することが可能となる。

尚、上述した説明においては、複数の電池パック１とは独立して前記信号ライン５の電圧を監視する監視装置６を設けたが、この電池装置が電源供給する電子機器（図示せず）に上記監視装置６の機能を委ねることも可能である。この場合には、予め上記電子機器に準備した電圧検出端子に前記信号ライン５を接続するようにすれば良い。また上記監視装置６の機能を、前述した複数の電池パック１にそれぞれ持たせることも可能である。

図４は信号ライン５の電圧監視機能を持たせた電池パック１の構成例を示している。この場合には、前述したマイコン１２にモニタ端子１４の電圧を検出し、その電圧を判定する監視機能を組み込むようにすれば良い。またこの場合には、例えば電池セル１１の正極ラインに電池セル１１の放電を停止制御する制御スイッチ１７（ＦＥＴ）を介挿し、前記マイコン１２の管理の下で制御スイッチ１７（ＦＥＴ）をオン／オフ制御することも好ましい。

この場合には、例えば図５に示す処理手順に従って不良パック数を検出し、またその放電を制御すれば良い。具体的には先ずモニタ端子１４（信号ライン２）の電圧を読み取り〈ステップＳ１〉、その電圧値が正常であるか否かを判定する〈ステップＳ２〉。モニタ端子１４（信号ライン２）の電圧が正常であるならば前記制御スイッチ１７をオン（導通）として電池セル１１からの電圧出力（放電）を継続させる〈ステップＳ３〉。そしてこの処理をタイマー管理の下で、所定時間毎に繰り返し実行する〈ステップＳ４〉。

これに対して前記モニタ端子１４（信号ライン２）の電圧が正常でない場合には、その電圧値から電池セル１１が劣化している電池パック１の個数を求める〈ステップＳ５〉。この際、検出した電池パック１の異常個数が、該電池装置からその負荷（電子機器）に対して電源供給する余裕があるか否かを判定する。そして異常個数が少なく、該電池装置からその負荷（電子機器）に対して電源供給し得る動作限界に達していない場合には、つまり電源供給能力に余裕がある場合には、前記制御スイッチ１７をオン（導通）として電池セル１１からの電圧出力（放電）をそのまま継続させる〈ステップＳ６〉。そしてこの場合にも前述したタイマー管理の下で、ステップＳ１からの処理を所定時間毎に繰り返し実行する〈ステップＳ４〉。

また検出した電池パック１の異常個数が多く、該電池装置からその負荷（電子機器）に対して電源供給し得る動作限界に達している場合には、つまり電源供給能力に余裕がなくなった場合には、前記制御スイッチ１７をオフ（遮断）して電池セル１１からの電圧出力（放電）を停止させる〈ステップＳ７〉。そしてこの場合にも前述したタイマー管理の下で、ステップＳ１からの処理を所定時間毎に繰り返し実行することになるが〈ステップＳ４〉、制御スイッチ１７のオンによる電池セル１１からの放電再開は、劣化した電池パック１の電池セル１１を交換する等の対策が講じられた後となる。

かくして上述した如く構成された電池装置によれば、複数の電池パック１が個々に劣化した電池パック１の個数を簡易に求めることができる。従って複数の電池パック間でデータ通信しなくても、電池装置としての全体的な状況を個々の電池パック１においてそれぞれ的確に把握することができる。そして各電池パック１においては、自己の電池セル１１が正常であったとしても、電池装置全体して負荷に対する電源供給能力が不足するような場合には、自らその放電を停止することになる。従って負荷を正常に作動させ得ることない電力を徒に（無駄に）出力するような不具合を未然に防ぐことが可能となる。

ここで前述したマイコン１２による電池セル１１の劣化判定機能について簡単に説明する。電池セル１１の性能劣化については、例えば電池セルがリチウムイオン電池のような二次電池である場合、その電流積算値に基づいて使用可能容量（学習容量）を求め、この使用可能容量（学習容量）が所定の閾値よりも低下したとき、これを電池性能劣化として判定するようにすれば良い。具体的には電池装置を停電時のバックアップ電源として用いるような場合には、電池セル１１を定期的に、例えば２０％程度放電させて使用可能容量（学習容量）を求めるようにすれば良い。また実用的には、定期的に電池セル１１の内部抵抗を測定し。内部抵抗の変化から電池性能の劣化を判定するようにすれば良い。また電池パック１を電源ライン２から定期的に切り離しながらそのときの電池セル１１の開放端子電圧を求める等して電池性能の劣化を判定するようにしても良い。要は従来より種々提唱されている電池性能の劣化判定の手法を適宜採用可能である。

以上説明したように本発明に係る電池装置は、並列接続された複数の電池パックに、常時は所定の電圧にてプルアップされると共に、自己診断機能により電池セルの劣化が検出されたときにプルダウンされるモニタ端子をそれぞれ設け、これらの各電池パックのモニタ端子を信号ラインに並列接続してその電圧の変化を監視するので、簡易にして効果的に性能が劣化した電池パックの個数を検出することができる。しかも複数の電池パック間でデータ通信する必要がないのでその構成を簡素化し、その製造コストの低減を図ることも可能となる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば並列接続する電池パックの個数や、各電池パックの出力電圧・電池容量等は仕様に応じて定めれば良いものである。またここでは電池セルとしてリチウムイオン電池等の二次電池を想定して説明したが、他の二次電池を用いる場合にも同様に適用することができる。また接地電位を基準として負の電圧を供給する電池装置にも同様に適用可能なことは言うまでもない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。

本発明の一実施形態に係る電池装置の概略構成図。 本発明における電池パックの不良個数の検出原理を説明する為の等価回路図。 電池パックの不良個数と信号ラインの電圧変化の関係を示す図。 本発明の別の実施形態を示す電池パックの構成例を示す図。 図４に示す実施形態における電池パックの不良個数検出と放電制御の手順の一例を示す図。

符号の説明

１ 電池パック
２ 電源ライン
３ 接地ライン
５ 信号ライン
６ 監視装置
１１ 電池セル
１２ マイコン（自己診断機能）
１３ 第１の抵抗（プルアップ抵抗）
１４ モニタ端子
１５ スイッチ素子
１６ 第２の抵抗（プルダウン抵抗）

Claims (4)

1. 複数の電池パックを並列接続した電池装置であって、
   前記各電池パックは、電池セルと、この電池セルの劣化を判定する自己診断機能と、常時は所定の電圧にてプルアップされると共に、前記自己診断機能により前記電池セルの劣化が検出されたときにプルダウンされるモニタ端子とをそれぞれ具備し、
   前記各電池パックのモニタ端子を並列接続して外部出力する信号ラインを備えることを特徴とする電池装置。
2. 前記モニタ端子は、並列接続された複数の電池パックの出力電圧により第１の抵抗を介してプルアップされると共に、前記電池セルの劣化検出時に導通されるスイッチ素子と第２の抵抗とを介して接地電位にプルダウンされるものである請求項１に記載の電池装置。
3. 請求項１または２に記載の電池装置において、
   更に前記信号ラインに生じる電圧から、電池セルが劣化した電池パックの個数を検出する監視装置を備えたことを特徴とする電池装置。
4. 前記各電池パックは、前記信号ラインに生じる電圧から電池セルが劣化した電池パックの個数を検出する監視機能と、電池セルが劣化した電池パックの個数が予め設定した個数を超えるとき、当該電池パックの前記電池セルからの放電を停止させる出力制御機能とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電池装置。

Images