JP5088737B2

JP5088737B2 - 二次電池パック

Info

Publication number: JP5088737B2
Application number: JP2007339230A
Authority: JP
Inventors: 伸鈴木; 敬章上野
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2027-12-28
Also published as: JP2009165205A

Description

本発明は二次電池に関わり、特に複数の二次電池を直列に接続して構成される二次電池ブロックと電池電圧の監視や充放電の制御等を行う制御回路とを備えた二次電池パックに関する。

リチウムイオン電池等の二次電池では、近年、電動機器や蓄電等の分野に用途が拡大してきており、高電圧対応のための多直化の要求が増えている。また、同時に長期信頼性、安全性の確保や長寿命化などへの高い要求がある。電池パックを単電池を複数個直列に接続して構成する際、信頼性、安全性、寿命の観点からも、理想的にはすべての構成電池が寿命に至るまで、充放電動作や保存において均一に電圧が推移し、均一に性能が劣化することが望まれるが、現実的には電池単体の性能や劣化のバラツキ等があるため、電圧のバランスが崩れる場合がある。この対策の一つとして、特許文献１に示されるように、一般的には構成電池の電圧をモニターして、充電中の過充電等の異常時の保護や電圧バランス制御などを行う対策がとられている。通常、電池を多直化して二次電池ブロックを構成する場合、二次電池を数個の電池毎の単位ブロックに分割してそれぞれに電池調整部を設置し、さらにそれらの電池調整部からの情報が充放電スイッチなどを制御する制御回路に伝達されて二次電池パックの制御が行われる。

特開２００２−１５２９８２号公報

しかし、これらの単位ブロック毎に電池調整部の情報の伝達回路などを配置する場合、各単位ブロック間の電位差が大きくなるので、制御回路への信号伝達系では高電圧が印加される場合が生じ、そこに接続される回路部品や検出素子に高耐圧部品が必要とされるか、または信号伝送系の特殊な絶縁対策が必要となる。

図３は上述の電池を多直化して二次電池ブロックを構成した電池パックの一例を示す回路図であり、絶縁対策を行って構成した場合を示す。図３において、数個の二次電池１からなる単位ブロック２を直列接続して二次電池ブロック３を構成し、単位ブロック２毎に電池調整部２５を有し、電池調整部２５は二次電池１の電圧を監視する機能および二次電池１間の電圧のバランスを調整する機能を有している。また、数個の単位ブロック２をまとめて複合ブロック４とし、複合ブロック４毎に単位ブロック２の電圧を監視しそれらの間の電圧バランスを調整するスレーブ制御部１２を有し、マスター制御部１４は各複合ブロックのスレーブ制御部１２からの情報および二次電池ブロック３の充放電経路に挿入された電流検出部６の情報に基づいてスレーブ制御部および充放電経路に挿入された充電スイッチ８および放電スイッチ９を制御する。なお、二次電池ブロック３の温度をモニターする温度検出部１０を備え、その出力はマスター制御部に入力される。

ここで、図３においては、スレーブ制御部１２から出力される電圧値などの詳細情報はデジタル信号化されて各スレーブ制御部とは絶縁されて設置された絶縁通信部１５にフォトカップラや無線通信などの信号伝送手段により伝送され、絶縁通信部１５からマスター制御部１４にそれらの情報が伝送される。

図４は図３の構成をさらに簡易化した二次電池パックの構成の一例を示す回路図である。図４において、図３と同様に数個の二次電池１からなる単位ブロック２を直列接続して二次電池ブロック３を構成し、単位ブロック２毎に電池調整部３５を有し、電池調整部３５は二次電池１の電圧を監視する機能および二次電池１間の電圧のバランスを調整する機能を有している。また、二次電池ブロック３の充放電電流をモニターする電流検出部２６と、電池調整部３５および電流検出部２６からの情報に基づいて電池調整部３５の制御を行う制御部２４により構成される。また、二次電池ブロック３の温度をモニターする温度検出部１０と、制御部２４の制御により充放電経路の接続遮断を行う充電スイッチ８と放電スイッチ９を備えている。

ここで、図４の二次電池パックにおいては、電池調整部３５の情報は高耐圧のレベル変換回路かまたはフォトカップラなどの絶縁通信手段を設けた伝達部２７に送られてそこを介して制御部２４に伝送される。なお、充放電経路に最も近い単位ブロックに配置された電池調整部３９は制御部２４と基準電位が同じであるため、その出力は伝達部２７を介さないで直接に制御部２４に入力される。

以上のように、図３に示した二次電池パックにおいては、電池調整部やスレーブ制御部とは絶縁された絶縁通信部を設けることにより、図４の二次電池パックにおいては高耐圧のレベル変換回路か絶縁通信手段を設けることにより上述の高電圧の問題に対処している。

しかし、一般的に、高耐圧部品を使用する高電圧対策には耐圧に制限が有ることが問題となる。すなわち、多直化に伴いレベル変換を伴った制御ＩＣのカスケード連結が必要となり、このレベル変換を伴う制御ＩＣのカスケード接続には、耐圧制限があるので、連結数が制限されるという問題点があった。一方、絶縁による方式では、一般的に高消費電力で、高コストになるという問題点がある。また、絶縁による方式では大きなリーク等により定常消費電力がさらに増大する傾向があるので、電池のエネルギーを電池パックの内部で損失してしまうという問題があった。

本発明は上述の問題点を解決すべくなされたものであり、本発明の課題は、複数の二次電池を直列に接続して構成される二次電池ブロックを複数個の単位ブロックに分割して単位ブロック毎に電池調整部を設け、その情報により制御する二次電池パックにおいて、耐圧制限がなく、低消費電力で動作する情報伝達および制御系を備えた二次電池パックを提供することである。

上記課題を達成するため、本発明の二次電池パックは、複数の二次電池を直列に接続して構成された単位ブロックを複数個直列に接続してなる二次電池ブロックと、前記単位ブロック毎に配置され該単位ブロック内の各々の二次電池に接続され該二次電池の電圧を監視する機能を有する電池調整部と、前記二次電池ブロックの充放電経路に挿入された充電経路を遮断する充電スイッチ、放電経路を遮断する放電スイッチと、前記二次電池ブロックの充放電電流を監視する電流検出部を有する二次電池パックにおいて、前記単位ブロック毎に配置され前記電池調整部とそれぞれ接続され該電池調整部からの情報が入力される伝達部を有し、該伝達部は前段または後段の単位ブロックに配置された伝達部と互いに接続され、前段の伝達部から入力される情報と前記電池調整部から入力される情報の少なくとも一方を後段の伝達部に出力するように設定され、該電流検出部の出力は前記充放電経路に最も近い単位ブロックに配置された電池調整部に入力され、該電池調整部または該電池調整部に接続された伝達部は前記電流検出部の出力が異常状態にあるか否かを判定する手段を有することを特徴とする。

また、本発明の二次電池パックは、複数の二次電池を直列に接続して構成された単位ブロックを複数個直列に接続してなる複合ブロックを複数個直列に接続してなる二次電池ブロックと、前記単位ブロック毎に配置され該単位ブロック内の各々の二次電池に接続され該二次電池の電圧を監視する機能を有する電池調整部と、前記複合ブロック毎に配置され該複合ブロック内の各々の単位ブロックの電圧を監視する機能を有するスレーブ制御部と前記二次電池ブロックの充放電経路に挿入された充電経路を遮断する充電スイッチおよび放電経路を遮断する放電スイッチと、前記二次電池ブロックの充放電電流を監視する電流検出部を有する二次電池パックにおいて、前記複合ブロック毎に配置され前記スレーブ制御部とそれぞれ接続され該スレーブ制御部からの情報が入力される伝達部を有し、該伝達部は前段または後段の複合ブロックに配置された伝達部と互いに接続され、前段の伝達部
から入力される情報と前記スレーブ制御部から入力される情報の少なくとも一方を後段の伝達部に出力するように設定され、該電流検出部の出力は前記充放電経路に最も近い単位ブロックまたは複合ブロックに配置された電池調整部またはスレーブ制御部に入力され、該電池調整部またはスレーブ制御部、またはスレーブ制御部に接続された伝達部は前記前記電流検出部の出力が異常状態にあるか否かを判定する手段を有することを特徴とする。

また、本発明の二次電池パックは、前記伝達部は所定の電流による通信を行う電流送信部と前記電流を検出する電流検出部とを備え、前記電流により前記充電スイッチおよび前記放電スイッチは直接駆動可能に設定されていることを特徴とする。

また、本発明の二次電池パックは、前記伝達部は、当該伝達部に入力される検出情報がある場合に検出情報を出力するＯＲ機能部を備えることを特徴とする。

また、本発明の二次電池パックは、前記充電スイッチまたは放電スイッチの少なくとも一方は、前記充放電経路に最も近い単位ブロックまたは複合ブロックに配置された伝達部からの出力により制御されることを特徴とする。

上述のように、本発明においては、各単位ブロックの電池調整部または各複合ブロックのスレーブ制御部の情報を伝達部に入力し、伝達部ではその情報を次段の伝達部に伝達し、さらに後段の伝達部を順次介することにより各単位ブロックの電池調整部の情報または各複合ブロックのスレーブ制御部の情報が制御部または充放電スイッチまで伝達されることになる。

伝達部の出力を微小電流による定電流で出力し、それを高抵抗体による電流検出部で受信する構成とすることにより、電圧レベルの異なる入力情報を一定値の電流で伝達することもできる。

また、定電流出力にしてその出力を順次伝達し、その電流出力値を充放電スイッチを駆動できるように設定することにより、各段に配置された電池調整部またはスレーブ制御部のいずれの情報に基づいても充放電スイッチの直接駆動ができるようになり、情報の伝達と同時にドライブ機能を行うことが可能になる。

以上のように、本発明により、複数の二次電池を直列に接続して構成される二次電池ブロックを複数個の単位ブロックに分割して単位ブロック毎に電池調整部を設け、その情報により制御する二次電池パックにおいて、耐圧制限がなく、低消費電力で動作する情報伝達および制御系を備えた二次電池パックが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明による二次電池パックの一実施の形態を示す回路図である。図１において、複数の二次電池１を直列に接続して構成された単位ブロック２を複数個直列に接続してなる二次電池ブロック３と、単位ブロック２毎に配置され単位ブロック２内の各々の二次電池に接続され二次電池の電圧を監視する機能および二次電池間の電圧のバランスを調整する機能を有する電池調整部５と、二次電池ブロック３の充放電経路に挿入された充電経路を遮断する充電スイッチ８および放電経路を遮断する放電スイッチ９とを有する二次電池パックにおいて、単位ブロック２毎に配置され電池調整部５とそれぞれ接続され電池調整部５からの情報が入力される伝達部１７を有し、該伝達部は前段または後段の単位ブロックに配置された伝達部と互いに接続され、前段の伝達部から入力される情報と電池調整部５から入力される情報の少なくとも一方を後段の伝達部に出力するように設定されている。

また、伝達部１７は一定の電流値による送信を行う定電流送信部とその一定の電流値を検出することができる電流検出部とを備えている。

さらに、充電スイッチ８および放電スイッチ９は、充放電経路に最も近い単位ブロックである単位ブロック１９に配置され単位ブロック１９の電池調整部２０に接続された伝達部２１からの出力により直接的に制御されるように設定されている。

また、本実施の形態は二次電池ブロック３の充放電電流を監視する電流検出部６を有し、電流検出部６の出力は充放電経路に最も近い単位ブロック１９に配置された電池調整部２０に入力され、電池調整部２０は電流検出部６の出力が異常状態にあるか否かを判定する手段を有しており、その情報を単位ブロック１９の情報とともに伝達部２１に送出する。

ここで、本実施の形態において、すべての電池調整部は、そこに接続された単位ブロック内の二次電池の電圧を監視し、それらの電圧値のバランス調整を行い、さらに当該単位ブロックおよび当該単位ブロック内の二次電池の過充電、過放電などの異常状態を判断し、それに接続された伝達部にその異常情報を検出情報として出力する機能を有している。

図２は伝達部１７の具体的な回路構成の一例を示す図である。図２において、前段の伝達部からの異常情報がある場合、その情報は前段の伝達部の定電流送信回路から定電流となって送出されて高抵抗回路４１に入力される。高抵抗回路４１の両端の電圧が電圧検出回路４２により検出され、その情報はＯＲ回路４３に入力される。ここでＯＲ回路４３には電池調整部５からの異常情報も入力され、電池調整部からの異常情報かまたは前段の伝達部から異常情報か少なくとも一方がある場合にＯＲ回路４３は異常情報を出力する。この異常情報は定電流送信回路４４に入力され、次段の伝達部に定電流として送出される。

以上のように、異常情報は伝達部１７を介して次々と伝達され、また電池調整部５からの異常情報がある場合はその情報も伝達され、最終段の伝達部２１に入力され、充電スイッチ８および放電スイッチ９が制御される。

このように、定電流による情報の伝達により伝達部が順次接続されることにより各単位ブロックに配置された伝達部間の境界での電位差はゼロになるので、コストの大きい高耐圧部品や高消費電力を必要とする絶縁方式を使用せずに情報伝達できるようになり、二次電池や単位ブロックの直列段数が大きくなっても従来のような問題を生ずることなく情報の伝達が可能となる。

以上に示したように、本発明により、耐圧制限がなく、低消費電力で動作する情報伝達および制御系を備えた二次電池パックが得られる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではないことは言うまでもなく、用途や目的に応じて設計変更が可能である。例えば、伝達部を電池調整部に直接接続して設けるのではなく、図３のような数個の単位ブロックの電池調整部をまとめて複合ブロック毎に調整制御するスレーブ制御部を設け、各スレーブ制御部に接続した伝達部を設けてそれらのスレーブ制御部の情報を伝達するようにしてもよい。また、異常情報などの伝達部から出力される信号は定電流でなくても微小電流値の信号であれば本発明の目的が得られる。また、伝達部間に伝達される信号は１つである必要はなく、複数の接続配線などにより複数個の情報を伝達することも可能である。また、充電スイッチや放電スイッチの駆動は最終段の伝達部による直接駆動でなくても、最終段の伝達部に駆動制御部を接続してその駆動制御部により駆動することも可能である。また、二次電池ブロックを構成する単位ブロックに配置されたすべての伝達部を介して情報を伝達するのでなく、数個の単位ブロックから構成される複合ブロック毎にその中で情報を伝達して制御情報を出力することも可能である。また、電池調整部やスレーブ制御部においては電圧監視機能は不可欠であるが、電圧バランス調整機能を有さない場合があり、本発明はそのような場合にも適用可能である。

本発明による二次電池パックの一実施の形態を示す回路図。本実施の形態の伝達部の具体的な回路構成の一例を示す図。電池を多直化して二次電池ブロックを構成した電池パックの一例を示す回路図。構成を簡易化した二次電池パックの構成の一例を示す回路図。

符号の説明

１二次電池
２、１９単位ブロック
３二次電池ブロック
４複合ブロック
５、２０、２５、３９電池調整部
６電流検出部
８充電スイッチ
９放電スイッチ
１０温度検出部
１２スレーブ制御部
１４マスター制御部
１５絶縁通信部
１７、２１、２７伝達部
２４制御部
４１高抵抗回路
４２電圧検出回路
４３ＯＲ回路
４４定電流送信回路

Claims

複数の二次電池を直列に接続して構成された単位ブロックを複数個直列に接続してなる二次電池ブロックと、前記単位ブロック毎に配置され該単位ブロック内の各々の二次電池に接続され該二次電池の電圧を監視する機能を有する電池調整部と、前記二次電池ブロックの充放電経路に挿入された充電経路を遮断する充電スイッチ、放電経路を遮断する放電スイッチと、前記二次電池ブロックの充放電電流を監視する電流検出部を有する二次電池パックにおいて、
前記単位ブロック毎に配置され前記電池調整部とそれぞれ接続され該電池調整部からの情報が入力される伝達部を有し、該伝達部は前段または後段の単位ブロックに配置された伝達部と互いに接続され、前段の伝達部から入力される情報と前記電池調整部から入力される情報の少なくとも一方を後段の伝達部に出力するように設定され、該電流検出部の出力は前記充放電経路に最も近い単位ブロックに配置された電池調整部に入力され、該電池調整部または該電池調整部に接続された伝達部は前記電流検出部の出力が異常状態にあるか否かを判定する手段を有することを特徴とする二次電池パック。
複数の二次電池を直列に接続して構成された単位ブロックを複数個直列に接続してなる複合ブロックを複数個直列に接続してなる二次電池ブロックと、前記単位ブロック毎に配置され該単位ブロック内の各々の二次電池に接続され該二次電池の電圧を監視する機能を有する電池調整部と、前記複合ブロック毎に配置され該複合ブロック内の各々の単位ブロックの電圧を監視する機能を有するスレーブ制御部と前記二次電池ブロックの充放電経路に挿入された充電経路を遮断する充電スイッチおよび放電経路を遮断する放電スイッチと、前記二次電池ブロックの充放電電流を監視する電流検出部を有する二次電池パックにおいて、
前記複合ブロック毎に配置され前記スレーブ制御部とそれぞれ接続され該スレーブ制御部からの情報が入力される伝達部を有し、該伝達部は前段または後段の複合ブロックに配置された伝達部と互いに接続され、前段の伝達部から入力される情報と前記スレーブ制御部から入力される情報の少なくとも一方を後段の伝達部に出力するように設定され、該電流検出部の出力は前記充放電経路に最も近い単位ブロックまたは複合ブロックに配置された電池調整部またはスレーブ制御部に入力され、該電池調整部またはスレーブ制御部、またはスレーブ制御部に接続された伝達部は前記前記電流検出部の出力が異常状態にあるか否
かを判定する手段を有することを特徴とする二次電池パック。
前記伝達部は所定の電流による通信を行う電流送信部と前記電流を検出する電流検出部とを備え、前記電流により前記充電スイッチおよび前記放電スイッチは直接駆動可能に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池パック。
前記伝達部は、当該伝達部に入力される検出情報がある場合に検出情報を出力するＯＲ機能部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の二次電池パック。
前記充電スイッチまたは放電スイッチの少なくとも一方は、前記充放電経路に最も近い単位ブロックまたは複合ブロックに配置された伝達部からの出力により制御されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池パック。