JP5177843B2

JP5177843B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP5177843B2
Application number: JP2007273273A
Authority: JP
Inventors: 充史梅山
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2027-10-22
Also published as: JP2009104821A

Description

本発明は、電池セルからの電解液の漏洩、電池パックの水没、結露等によって保護回路基板上に漏洩電流が発生する場合に充放電を停止し、漏電による故障を排除した信頼性が高い電池パックに関する。

リチウムイオン電池等の充放電容量密度が大きな二次電池は、一般に、電池保護回路基板等の内蔵部品とともに合成樹脂製の筺体等に収納された電池パックとして電池使用機器に装着して用いられており、上記電池保護回路基板は電池の端子が短絡された場合等のように過大な電流が流れた場合や電池が過充電あるいは過放電された場合に通電を遮断して電池を保護する充放電保護回路等を備えている。

電池パックに使用される二次電池は、電池の電解液が電池外装缶、あるいは可撓性外装材の封口部等から外部に漏れないように充分な対策が施されているが、過充電の繰り返し、電池温度の上昇、電池封口部の不具合等の原因により、まれに電解液が電池外装缶から漏れて漏液が起こることがあった。

また、リチウムイオン電池等は携帯電話等の携帯型機器用の電源として用いられているために、日常生活のなかでは携帯電話が誤って水に浸かること等により電池パック内に浸水したり、あるいは電池パック内部に結露を生ずることがあった。このような場合に電池パック内の電気回路基板に付着した水や電解液は、通電するには充分な電気導電度を有しているので、電池パック内の電圧が印加された部分の間に通電回路が形成されて漏洩電流が生じたり、あるいは機器内部での異常な通電回路の形成によって電気回路の故障等を生じることがあった。

そこで、このような問題点を解決するために、下記特許文献１〜４には上記のような漏洩電流を検出して充放電を停止させる手段が示されている。

特許第３４０２９３３号公報特開２００３−１３２８６２号公報特開２００６−１２０３５３号公報特開２０００−０３０７５９号公報

特許文献１には、有機電解液に対する漏液検出電極を回路基板上に設け、その漏液検出電極が接続された漏洩電流検出手段の出力によって通電を遮断する有機電解液の漏液検出装置が提案されているが、従来の保護回路とは別に通電遮断手段を設けるものであり、漏洩電流検出手段、その出力手段、さらには通電遮断手段などの付加的な部材が必要であった。

また、特許文献２には、電流漏洩検出電極に漏洩電流検出半導体スイッチを接続して漏洩電流を検出し、その出力により充電用半導体スイッチ制御回路、および放電用半導体スイッチ制御回路を制御して保護回路の充電用スイッチや放電用スイッチを動作させる電池パックが提案されているが、漏洩検出用の漏洩電流検出半導体スイッチとともに、充電用半導体スイッチ制御回路、および放電用半導体スイッチ制御回路等を従来の保護回路とは別に設ける必要があった。

また、特許文献３には、漏洩電流検出電極と出力端子間が導通した際に漏洩検出信号を出力する漏洩検出回路を有し、その出力によって保護回路の電圧監視回路の入力を短絡させ、電圧監視回路入力を所定の電圧以下にする、もしくは放電用スイッチの入力を短絡することで放電用スイッチを遮断する漏洩検出装置が提案されている。しかしこれは放電を遮断するものであり、充電時の漏洩電流に対しては検出回路を別に設ける必要があった。

また、特許文献４には、液体検出電極と共に充電用スイッチの入力側にラッチ回路の出力を接続し、充電を遮断する機能を備えた電池パックが提案されているが、漏洩電流検出電極以外にもラッチ回路などの付加的な部材が必要であった。

以上のように、従来の電池パックでは漏洩電流に対する保護を得るためには、通常の保護回路に対して付加すべき部品が多くなり、回路構成も複雑となるため小型化に対する要求や信頼性の点で十分とはいえないものであった。

そこで、本発明の課題は、リチウムイオン電池等の二次電池を備えた電池パックにおいて、その電気回路基板への電解液、水分等の付着、結露等によって漏洩電流が生じた場合に入出力を遮断することで、故障や性能の劣化、さらにはそれに接続された機器の破損等が生じることを未然に防止し、かつ、漏電状態の解消の後には、再度、充放電を可能とする機能を、多くの付加的な部品を必要とせず、簡単な回路構成で実現可能な電池パックを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の電池パックは、二次電池と、充電用スイッチとして動作する充電制御用ＦＥＴと放電用スイッチとして動作する放電制御用ＦＥＴとを備えた電池保護回路基板とを有する電池パックにおいて、対向した２つの電極からなる漏洩電流検出電極を前記電池保護回路基板上の前記充電制御用ＦＥＴのゲートとソース間に設け、前記漏洩電流検出電極が導通した際に前記充電用スイッチを遮断することによって充放電を停止することを特徴とする。

また、前記電池保護回路基板は外部機器および充電装置との接続用の正極側および負極側外部接続端子を備え、前記漏洩電流検出電極を構成する一方の電極は前記負極側外部接続端子であってもよい。

本発明では、漏洩電流検出電極を充電制御用ＦＥＴのゲートとソース間に設け、電解液や水分等によって漏洩電流検出電極間が短絡した際には充電用スイッチがオフとなり、充電による電池セルへのエネルギー供給を遮断できる。また放電時においては、前記充電用スイッチがオフされていることで、放電は前記充電制御用ＦＥＴ内の寄生ダイオードを介して行なわれるが、瞬時に過電流保護が働くことで放電用スイッチがオフとなり放電も停止することによって保護が図られる。

本発明は、漏洩電流検出電極のみを設けて、それを保護回路基板上の最適な個所に接続することによって、従来の漏洩検出制御回路のように漏洩電流を検出し制御するための他の特別な回路構成部品を付加することなく、安定した動作が可能な電池パックが得られることを見いだしたことに基づくものである。

すなわち、本発明の電池パックにおいては、従来のように充放電制御手段等の付加回路を設けておらず、漏洩電流検出電極を回路基板上に設けるだけの構成であるため、回路構成が簡単で部品点数を増やすことなく、従来の電池パックと同等の機能を実現したものである。また、本発明の電池パックにあっては、浸入した水分や結露した水分が蒸発して、漏洩電流検出電極における導電度が低下した場合には、再度、電池パックを使用可能とするものである。

以上のように、本発明の電池パックは、漏洩電流検出電極を回路基板上に設けるだけの構成であるため、電気回路基板への電解液、水分等の付着、結露等によって漏洩電流が生じた場合に入出力を遮断することで、故障や性能の劣化、さらにはそれに接続された機器の破損等が生じることを未然に防止し、かつ、漏電状態の解消の後には、再度、充放電を可能とする機能を、多くの付加的な部品を必要とせず、簡単な回路構成で実現可能な電池パックが得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明による電池パックの実施の形態１の回路構成図である。図１において、本実施の形態の電池パック１は二次電池２と保護回路４とを有し、二次電池２の温度が高くなった場合に電流を遮断するＰＴＣ素子３が二次電池２と直列に挿入されている。二次電池２のＰＴＣ素子３を通した出力は保護回路４の電池接続端子５ａ、５ｂに接続されている。また保護回路４は外部機器への電流の供給および充電装置との接続用の外部接続端子６ａ、６ｂを有している。

保護回路４には、二次電池２の過充電状態となることを防止するために充電電流を遮断し充電用スイッチとして動作する充電制御用ＦＥＴ７、および電池が過放電状態となることを防止するために放電を遮断し放電用スイッチとして動作する放電制御用ＦＥＴ８、それらのスイッチを制御する電圧監視回路９が設けられており、充電制御用ＦＥＴ７および放電制御用ＦＥＴ８のそれぞれの制御信号入力端子は電圧監視回路９の出力に接続されている。

さらに本実施の形態においては、保護回路４と同一の回路基板上には互いに対向する２つの電極から構成される漏洩電流検出電極１２が設置され、その一方の電極１０は充電制御用ＦＥＴ７のゲートに接続され、また他方の電極１１は充電制御用ＦＥＴ７のソースに接続されている。

電圧監視回路９の入力は、電池接続端子５ａ、５ｂならびに正極側の外部接続端子６ａに接続されており、電池電圧が所定の大きさ以上となった場合には、過充電状態と判断して充電制御用ＦＥＴ７に対して充電遮断信号を出力して充電を停止して過充電状態となることを防止している。また、電池電圧が所定の大きさ以下となった場合には、過放電状態と判断して放電制御用ＦＥＴ８に対して放電遮断信号を出力して放電を停止して過放電状態となることを防止している。また、放電電流が所定の大きさ以上となった場合には、電池接続端子５ｂならびに外部接続端子６ｂ間の電圧が所定の値よりも大きくなるため、電圧監視回路９が過電流もしくは短絡状態と判断して放電制御用ＦＥＴ８に対して放電遮断信号を出力して過電流状態となることを防止している。

本実施の形態において、漏液等によって漏洩電流検出電極１２の電極１０と１１が導通すると充電制御用ＦＥＴ７のゲートとソース間が短絡し、充電制御用ＦＥＴ７が遮断動作をして電池の充電を停止する。

また、漏洩電流検出電極１２の電極１０と１１が導通している場合、放電時においては、充電制御用ＦＥＴ７が遮断動作をしていることにより放電電流は充電制御用ＦＥＴ７内部の寄生ダイオードを介して流れることとなり、その内部ダイオードの順電圧が発生することによって電池接続端子５ｂならびに外部接続端子６ｂ間の電圧が所定の値よりも大きくなるため、電圧監視回路９が過電流もしくは短絡状態と判断して、瞬時に放電制御用ＦＥＴ８に対して放電遮断信号を出力して放電することを防止している。

一方、結露や水分の浸入原因が解消され、漏洩電流検出電極１２の２つの電極１０と１１の間の水分が蒸発して、漏洩電流検出電極１２の導電度が低下した場合には、充電制御用ＦＥＴ７の遮断動作は終了し、再度充放電が可能となる。

図２は、本発明による電池パックの実施の形態２の回路構成図である。図２において、本実施の形態の電池パック２１は実施の形態１の電池パック１と同様に、二次電池２と保護回路４およびＰＴＣ素子３とを有し、保護回路４は電池接続端子５ａ、５ｂおよび外部接続端子６ａ、６ｂを有している。保護回路４の充電制御用ＦＥＴ７、放電制御用ＦＥＴ８、電圧監視回路９の動作も実施の形態１と同じである。

本実施の形態においても、保護回路４と同一の回路基板上には互いに対向する２つの電極から構成される漏洩電流検出電極２２が設置され、その一方の電極２０は充電制御用ＦＥＴ７のゲートに接続されているが、他方の電極としては負極側の外部接続端子６ｂを用いている。すなわち、負極側の外部接続端子６ｂは充電制御用ＦＥＴ７のソースに接続されているので、電極２０と負極側の外部接続端子６ｂが水分などにより導通すると充電制御用ＦＥＴ７のゲートとソース間が短絡し、充電制御用ＦＥＴ７が遮断動作をして電池の充電を停止する。

以上のように、本発明においては、電池パック内への水分の浸入等によって漏洩電流検出電極間に電流が流れた場合に、充電制御用ＦＥＴの動作によって充電を停止させ、かつ充電制御ＦＥＴの寄生ダイオードを介した放電となることで、電圧監視回路の過電流監視入力端子の電圧が上昇し、電圧監視回路が放電制御用ＦＥＴの入力端子電圧を所定の値以下に低下させて放電を停止させることによって、充放電を停止させることができる。これにより、部品点数が少なく簡単な回路構成で信頼性が大きな電池パックが得られる。

本発明による電池パックの実施の形態１の回路構成図。本発明による電池パックの実施の形態２の回路構成図。

符号の説明

１，２１電池パック
２二次電池
３ＰＴＣ素子
４保護回路
５ａ，５ｂ電池接続端子
６ａ，６ｂ外部接続端子
７充電制御用ＦＥＴ
８放電制御用ＦＥＴ
９電圧監視回路
１０，１１，２０電極
１２，２２漏洩電流検出電極

Claims

二次電池と、充電用スイッチとして動作する充電制御用ＦＥＴと放電用スイッチとして動作する放電制御用ＦＥＴとを備えた電池保護回路基板と、を有する電池パックであって、
前記電池保護回路基板は、電池接続端子と、外部機器および充電装置との接続用の正極側および負極側外部接続端子と、を備え、前記負極側外部接続端子と前記電池接続端子との間に、前記負極側外部接続端子側から前記充電制御用ＦＥＴと前記放電制御用ＦＥＴを直列に接続し、
対向した２つの電極からなる漏洩電流検出電極を前記電池保護回路基板上の前記充電制御用ＦＥＴのゲートとソース間に設け、前記漏洩電流検出電極が導通することで前記充電制御用ＦＥＴが遮断されて充電が停止され、放電時においては前記遮断された前記充電制御用ＦＥＴの寄生ダイオードを介して流れる放電電流によって発生する順電圧に基づいて前記放電制御用ＦＥＴを停止することで放電を停止することを特徴とする電池パック。
前記漏洩電流検出電極を構成する一方の電極は前記負極側外部接続端子であることを特徴とする請求項１記載の電池パック。