JPH11234916A - リチウムイオン電池パック - Google Patents

リチウムイオン電池パック

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JPH11234916A
JPH11234916A JP10032887A JP3288798A JPH11234916A JP H11234916 A JPH11234916 A JP H11234916A JP 10032887 A JP10032887 A JP 10032887A JP 3288798 A JP3288798 A JP 3288798A JP H11234916 A JPH11234916 A JP H11234916A
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cell
switch element
control circuit
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JP10032887A
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Nobuaki Umeki
伸彰 梅木
Koichi Inoue
晃一 井上
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Rohm Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 直列に接続された電池セルの充電量を速やか
に揃えることが可能なリチウムイオン電池パックを提供
する。 【解決手段】 電池セルの各々に対して、抵抗、トラン
ジスタおよび制御回路からなるセルバランス回路を備
え、抵抗とトランジスタを直列に接続してその両端を電
池セルの両電極に接続し、トランジスタの導通による抵
抗を介しての電池セルの両電極の短絡を制御回路により
制御する。所定の電圧範囲の鋸歯状波を発振してその電
圧を電池セルの陰電極の電圧に加えて出力する発振回路
と、電池セルの陽電極の電圧と発振回路の出力電圧を比
較して、前者が後者以上のときにトランジスタを導通さ
せる制御電圧を出力する比較器で制御回路を構成し、セ
ル電圧が発振回路の発振電圧の範囲内にあるときにトラ
ンジスタの駆動電圧をパルス幅変調する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はリチウムイオン電池
パックに関し、特に、直列に接続された電池セルの充電
量を揃えるためのセルバランスシステムを備えたリチウ
ムイオン電池パックに関する。
【０００２】
【従来の技術】複数のリチウムイオン電池セルを直列に
接続して成るリチウムイオン電池パックは再充電可能で
あり、使用により放電した電池パックは再充電される。
再充電に際しては安全のために電池セルの過充電を防止
する必要があるが、いずれか１つの電池セルが所定の電
圧に達したときには充電は打ち切られる。
【０００３】ところが、使用時の放電量は電池セルごと
にばらつきがあるため、電池セルの電圧が不揃いになる
ことがある。そのような場合、再充電しても、使用時に
最も放電量の少なかった電池セルのみが完全に充電され
て、他の電池セルは十分に充電されないことになる。
【０００４】そこで、過充電を防止しつつ全ての電池セ
ルを均等に充電するために、リチウムイオン電池パック
にはセルバランスシステムが備えられている。従来のリ
チウムイオン電池パックの構成を図６に示す。
【０００５】直列に接続されたｎ個の電池セルＬＣ
（ｋ）（ｋ＝１〜ｎ）の各々の対して、抵抗Ｒｂ
（ｋ）、スイッチ素子であるトランジスタＴｂ（ｋ）、
および制御回路ＣＬＣ（ｋ）から成るセルバランス回路
ＣＬＢ（ｋ）が備えられている。抵抗Ｒｂ（ｋ）とトラ
ンジスタＴｂ（ｋ）の各組は直列に接続されており、電
池セルＬＣ（ｋ）の両電極間に並列に接続されている。
制御回路ＣＬＣ（ｋ）は電池セルＬＣ（ｋ）の両電極間
の電圧を検出して、トランジスタＴｂ（ｋ）の導通動作
を制御する。
【０００６】制御回路ＣＬＣ（ｋ）の構成を図７に示
す。制御回路ＣＬＣ（ｋ）は、基準電圧生成器ＶＧ
（ｋ）、比較器ＣＭＰ（ｋ）、電池セルＬＣ（ｋ）の陽
電極および陰電極にそれぞれ接続された入力端子Ｖｐ
（ｋ）およびＶｎ（ｋ）、ならびにトランジスタＴｂ
（ｋ）のゲートに接続された出力端子Ｖｃ（ｋ）を備え
ている。比較器ＣＭＰ（ｋ）の一方の入力は入力端子Ｖ
ｐ（ｋ）に、他方の入力は基準電圧生成器ＶＧ（ｋ）を
介して入力端子Ｖｎ（ｋ）に、出力は出力端子Ｖｃ
（ｋ）に接続されている。
【０００７】基準電圧生成器ＶＧ（ｋ）は、入力端子Ｖ
ｎ（ｋ）から与えられる電池セルＬＣ（ｋ）の陰電極の
電圧に所定値ＶTH0を加算した基準電圧を出力する。比
較器ＣＭＰ（ｋ）は入力端子Ｖｐ（ｋ）から与えられる
電池セルＬＣ（ｋ）の陽電極の電圧と基準電圧生成回路
ＶＧ（ｋ）が出力する基準電圧を比較して、両電圧の大
小関係に応じて第１または第２の電圧を出力し、電池セ
ルＬＣ（ｋ）の陽電極の電圧が基準電圧以上のときにト
ランジスタＴｂ（ｋ）を導通動作させる。トランジスタ
が導通動作することにより、電池セルＬＣ（ｋ）には抵
抗Ｒｂ（ｋ）を備えたバイパス経路が形成される。
【０００８】充電時における電池セルＬＣ（ｋ）の電圧
とトランジスタＴｂ（ｋ）の動作の関係を図８に示す。
図８において、（ａ）は電池セルＬＣ（ｋ）の両電極間
の電圧（セル電圧）Ｖcellを表しており、（ｂ）はトラ
ンジスタＴｂ（ｋ）の導通（ＯＮ）と非導通（ＯＦＦ）
の状態を表している。横軸は充電開始からの時間であ
る。
【０００９】制御回路ＣＬＣ（ｋ）の上記制御により、
セル電圧Ｖcellが所定値ＶTH0未満のときにはトランジ
スタＴｂ（ｋ）は非導通となり、このとき、その電池セ
ルＬＣ（ｋ）に電流が流れて充電が行われる。一方、セ
ル電圧Ｖcellが所定値ＶTH0以上のときにはトランジス
タＴｂ（ｋ）は導通し、電流は主としてバイパス経路を
流れて、充電の進行は低く抑えられる。
【００１０】したがって、セル電圧が所定値ＶTH0未満
の電池セルが優先して充電されることになる。また、セ
ル電圧が所定値ＶTH0以上となった電池セルの電圧上昇
は低く抑えられ、過充電を防止するために設定されてい
る上限値ＶOCHへの到達が遅くなる。こうして、全ての
電池セルの充電量が略一定に揃えられる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のセル
バランスシステムの制御回路ＣＬＣ（ｋ）は、単一の所
定値ＶTH0を境としてトランジスタＴｂ（ｋ）の動作を
制御しているため、充電完了の間際になって充電量を調
節する動作を開始することになり、全ての電池セルの充
電量を揃えるのに長時間を要していた。また、セル電圧
が所定値ＶTH0に達した電池セルについては、その後は
常に電流がバイパス経路を流れることになり、抵抗Ｒｂ
（ｋ）の発熱量は多い。この発熱による抵抗Ｒｂ（ｋ）
の破壊を防止するためには抵抗値を大きくしてバイパス
経路を流れる電流を小さくする必要があり、このため、
充電量を揃えるのに要する時間はさらに長くなってい
た。
【００１２】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、電池セルの充電量を速やかに揃えることが可能な
リチウムイオン電池パックを提供することを目的とす
る。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、直列に接続された複数の電池セル、複
数の電池セルの各々に対して設けられ、相互に直列に接
続されて一端が電池セルの陽電極に他端が電池セルの陰
電極に接続された抵抗およびスイッチ素子、ならびに複
数の電池セルの各々に対して設けられ、電池セルの両電
極間の電圧すなわちセル電圧が所定値以上のときにスイ
ッチ素子を導通させて電池セルの両電極を抵抗を介して
短絡させる制御回路を備えるリチウムイオン電池パック
において、制御回路は、セル電圧が第１の所定値未満の
ときにスイッチ素子を継続して導通させず、セル電圧が
第１の所定値よりも大きい第２の所定値以上のときにス
イッチ素子を継続して導通させ、セル電圧が第１の所定
値以上かつ第２の所定値未満のときにスイッチ素子を断
続して導通させるものとする。
【００１４】各電池セルは抵抗、スイッチ素子および制
御回路から成るセルバランス回路を備えることになり、
セルバランス回路によって電池セルごとに充電の速度を
調節することができる。ここで、スイッチ素子の動作状
態はセル電圧に応じて、継続的な非導通、断続的な導
通、および継続的な導通の３段階に分けられる。電池セ
ルの充電は、スイッチ素子が継続的な非導通状態にある
ときは速やかに進み、スイッチ素子が断続的な導通状態
にあるときは中程度の速度で進み、スイッチ素子が継続
的な導通状態にあるときは低く抑えられる。
【００１５】充電の進行によりセル電圧が第１の所定値
に達した電池セルは、その後は中程度の速度で充電され
る。さらに充電が進んでセル電圧が第２の所定値に達す
ると、充電速度は低く抑えられる。電池セル間に使用時
の放電量の差があったときでも、より充電の進んだ電池
セルが中程度の速度で充電されている間に、充電の遅れ
ている電池セルは速やかに充電されるため、充電量の差
は急速になくなっていく。このため、１つの電池セルの
セル電圧が第２の所定値に達した時点では電池セル間で
の充電量の差は僅かになり、速やかに全ての電池セルの
充電量を揃えることができる。また、スイッチ素子を断
続的に導通させることにより抵抗の発熱量は少なくなる
から、それだけ抵抗を流れる電流を多くすることが可能
になって、一層速やかに電池セルの充電量を揃えること
ができる。
【００１６】セル電圧が第１の所定値以上かつ第２の所
定値未満のときに、制御回路が、スイッチ素子を導通さ
せる期間をセル電圧と第１の所定値の差に応じて変化さ
せるようにするとよい。セル電圧が第１の所定値に達し
た後の電池セルの充電の速度を充電量に応じて調節する
ことが可能になり、さらに速やかに電池セルの充電量を
揃えることができる。
【００１７】例えば、スイッチ素子を導通させる期間を
セル電圧と第１の所定値の差に略比例させる。このよう
にすると、セル電圧が第１の所定値に達した電池セルの
充電速度を次第に遅くしていくことができて、充電完了
時における電池セル間の充電量のばらつきをきわめて小
さくすることが可能になる。
【００１８】セル電圧が第１の所定値以上かつ第２の所
定値未満のときに、スイッチ素子を導通させる期間をセ
ル電圧と第１の所定値の差に略比例させることは、スイ
ッチ素子を導通させる期間と導通させない期間の和を一
定にして、一定周期でスイッチ素子を導通させることで
実現される。
【００１９】具体的には、制御回路を、最小値が第１の
所定値で最大値が第２の所定値の鋸歯状波の電圧を一定
周期で発振し、この電圧を電池セルの陰電極の電圧に加
えて出力する発振回路と、電池セルの陽電極の電圧と発
振回路の出力電圧とを比較して、電池セルの陽電極の電
圧が発振回路の出力電圧以上のときにスイッチ素子を導
通させる第１の制御電圧を出力し、電池セルの陽電極の
電圧が発振回路の出力電圧未満のときにスイッチ素子を
導通させない第２の制御電圧を出力する比較器で構成す
る。
【００２０】複数の電池セルの各々に対して設けられた
制御回路を全て１つの半導体チップ内に形成し、複数の
電池セルの各々に対して設けられた抵抗およびスイッチ
素子をその半導体チップとは別に形成するとよい。比較
的大きな電流が流れる抵抗やスイッチ素子から制御回路
を分離することで、制御回路の動作を容易に安定させる
ことができる。また、半導体チップに多くの制御回路を
形成しておけば、電池セルの数がより少ない種々の電池
パックに同一規格の半導体チップを共通に用いることも
可能になり、製造効率が向上する。
【００２１】複数の電池セルの一端の電極に保護スイッ
チ素子を介して接続された第１の電極端子、複数の電池
セルの他端の電極に接続された第２の電極端子、および
複数の電池セルの各々のセル電圧を検出し、検出したセ
ル電圧の１つ以上が所定の範囲内にないときに、保護ス
イッチ素子の導通を停止させて、複数の電池セルの充電
または放電を禁止する保護制御回路を備え、この保護制
御回路を上記の制御回路と共に同一の半導体チップ内に
形成してもよい。電池セルの過充電や過放電を防止する
ことができる上、電池セルの充電量の制御に関する全て
の回路をまとめて１チップにすることで、電池パックの
大型化が抑えられる。
【００２２】
【発明の実施の形態】本発明のリチウムイオン電池パッ
クの実施の形態について図面を参照して説明する。図１
に第１の実施形態のリチウムイオン電池パック１の構成
を示す。リチウムイオン電池パック１は、直列に接続さ
れた容量の等しいｎ個のリチウムイオン電池セルＬＣ
（１）〜ＬＣ（ｎ）を備えており、これらの電池セルＬ
Ｃ（１）〜ＬＣ（ｎ）はセル列１０を構成している。
【００２３】以下の説明では、表現を簡潔にするため
に、電池セルＬＣ（１）〜ＬＣ（ｎ）を電池セルＬＣ
（ｋ）と表記する（ｋ＝１〜ｎ）。また、後述するよう
に、リチウムイオン電池パック１にはこれらｎ個の電池
セルＬＣ（ｋ）の各々に対応して、数種の構成要素がｎ
個ずつ備えられているが、これらの構成要素も同様に括
弧内に添字ｋを付した符号を用いて表す。
【００２４】リチウムイオン電池パック１には陽極端子
Ｂ＋および陰極端子Ｂ−が設けられており、陽極端子Ｂ
＋は、保護用のフューズ１１および２つのトランジスタ
１２、１３を介して、セル列１０の一端の陽電極（第１
番目の電池セルＬＣ（１）の陽電極）に接続されてい
る。陰極端子Ｂ−は、セル列１０の他端の陰電極（第ｎ
番目の電池セルＬＣ（ｎ）の陰電極）に直接接続されて
いる。トランジスタ１２、１３の動作は保護制御回路１
４によって制御される。
【００２５】保護制御回路１４は１つの半導体チップＣ
Ｐ１として形成されており、出力端子ＦＥ１、ＦＥ２、
入力端子ＭＯおよび端子ＧＮＤを有している。出力端子
ＦＥ１およびＦＥ２はそれぞれトランジスタ１２および
１３のゲートに接続されており、入力端子ＭＯは抵抗１
５を介してトランジスタ１２と１３の接続点に接続され
ている。端子ＧＮＤはセル列１０の端の陰電極に接続さ
れている。
【００２６】保護制御回路１４には、また、ｎ個の入力
端子Ｖ（ｋ）が設けられており、入力端子Ｖ（ｋ）はそ
れぞれ、抵抗Ｒｆ（ｋ）を介して各電池セルＬＣ（ｋ）
の陽電極に接続され、キャパシタＣｆ（ｋ）を介してセ
ル列１０の端の陰電極に接続されている。抵抗Ｒｆ
（ｋ）およびキャパシタＣｆ（ｋ）の各組は、ローパス
フィルターを構成している。
【００２７】トランジスタ１２は、電池セルＬＣ（ｋ）
の過充電を防止するために設けられたもので、出力端子
ＦＥ１を介して保護制御回路１４より与えられる制御電
圧によって動作を制御される。保護制御回路１４は、通
常はトランジスタ１２を導通させ、充電時に電池セルＬ
Ｃ（ｋ）のいずれかのセル電圧Ｖcellが上限値ＶOCHに
達したときに、トランジスタ１２の導通動作を停止させ
る。電池セルＬＣ（ｋ）のセル電圧Ｖcellは、ｎ個の入
力端子Ｖ（ｋ）および端子ＧＮＤに現れる電圧の差とし
て検出される。
【００２８】トランジスタ１３は、放電時すなわち使用
時の電池セルＬＣ（ｋ）の過放電を防止するとともに、
過大な電流が流れた場合に一時的に電流を止めるために
設けられたもので、出力端子ＦＥ２を介して保護制御回
路１４より与えられる制御電圧によって動作を制御され
る。保護制御回路１４は、通常はトランジスタ１３を導
通させ、放電時に電池セルＬＣ（ｋ）のいずれかのセル
電圧Ｖcellが下限値ＶMIN未満になったときに、トラン
ジスタ１３の導通動作を停止させる。また、トランジス
タ１３を流れる電流を抵抗１５を介して検出し、検出し
た電流が所定値以上のときにもトランジスタ１３の導通
動作を停止させる。
【００２９】トランジスタ１２、１３と保護制御回路１
４は、電池セルＬＣ（ｋ）の全てのセル電圧Ｖcellを常
に下限値ＶMIN以上かつ上限値ＶOCH未満に保って、電池
セルＬＣ（ｋ）を保護する。また、陽極端子Ｂ＋と陰極
端子Ｂ−の短絡等により過大な電流が流れ出す恐れが生
じた場合でも、電流を遮断して危険を防止する。
【００３０】電池セルＬＣ（ｋ）の各々に対して、抵抗
Ｒｂ（ｋ）、スイッチ素子であるトランジスタＴｂ
（ｋ）、およびトランジスタＴｂ（ｋ）の動作を制御す
る制御回路ＣＣ（ｋ）より成るセルバランス回路ＣＢ
（ｋ）が備えられている。これらのセルバランス回路Ｃ
Ｂ（ｋ）により、過充電を防止しつつ全ての電池セルを
均等に充電するためのセルバランスシステム２０が構成
される。抵抗Ｒｂ（ｋ）とトランジスタＴｂ（ｋ）は互
いに直列に接続され、電池セルＬＣ（ｋ）に対して並列
に、その陽電極と陰電極に接続されている。
【００３１】全ての制御回路ＣＣ（ｋ）は単一の半導体
チップＣＰ２として形成されており、半導体チップＣＰ
２には端子ＧＮＤとともにｎ組の入力端子Ｖｐ（ｋ）お
よび出力端子Ｖｃ（ｋ）が設けられている。端子ＧＮＤ
はセル列１０の端の陰電極すなわち第ｎ番目の電池セル
ＬＣ（ｎ）の陰電極に接続されている。入力端子Ｖｐ
（ｋ）は抵抗Ｒｆ（ｋ）を介して電池セルＬＣ（ｋ）の
陽電極に接続されており、出力端子Ｖｃ（ｋ）はトラン
ジスタＴｂ（ｋ）のゲートに接続されている。
【００３２】隣合う２つの入力端子Ｖｐ（ｋ）およびＶ
ｐ（ｋ＋１）に現れる電圧の差は、電池セルＬＣ（ｋ）
のセル電圧Ｖcellを表し、制御回路ＣＣ（ｋ）によって
利用される。入力端子Ｖｐ（ｎ）と端子ＧＮＤの電圧の
差は第ｎ番目の電池セルＬＣ（ｎ）のセル電圧Ｖcellを
表し、制御回路ＣＣ（ｎ）によって利用される。
【００３３】制御回路ＣＣ（ｋ）の構成を図２に示す。
制御回路ＣＣ（ｋ）は、発振回路ＯＳＣ（ｋ）、比較器
ＣＭＰ（ｋ）、上述の入力端子Ｖｐ（ｋ）および出力端
子Ｖｃ（ｋ）、ならびに入力端子Ｖｎ（ｋ）より成る。
ここで、端子Ｖｎ（ｋ）は端子Ｖｐ（ｋ＋１）と同一の
ものである。出力端子Ｖｃ（ｋ）は比較器ＣＭＰ（ｋ）
の出力に接続されており、入力端子Ｖｐ（ｋ）は比較器
ＣＭＰ（ｋ）の一方の入力に接続されている。入力端子
Ｖｎ（ｋ）は発振回路ＯＳＣ（ｋ）の入力に接続されて
おり、発振回路ＯＳＣ（ｋ）の出力は比較器ＣＭＰ
（ｋ）の他方の入力に接続されている。
【００３４】発振回路ＯＳＣ（ｋ）は、最小値が第１の
所定値ＶTH1で最大値が第２の所定値ＶTH2である鋸歯状
の電圧を一定周期で発振し、入力端子Ｖｎ（ｋ）より与
えられる電池セルＬＣ（ｋ）の陰電極の電圧ＶNに発振
した電圧を加えて、基準電圧ＶRとして出力する。発振
回路ＯＳＣ（ｋ）が出力する基準電圧ＶRの波形例を図
３に示す。ここでは、電圧の上昇と下降の傾斜を等しく
しているが、これらの傾斜は異なっていても構わない。
【００３５】比較器ＣＭＰ（ｋ）は、トランジスタＴｂ
（ｋ）の導通動作を制御するための２レベルの制御電圧
を出力端子Ｖｃ（ｋ）に出力する。比較器ＣＭＰ（ｋ）
は、入力端子Ｖｐ（ｋ）より与えられる電池セルＬＣ
（ｋ）の陽電極の電圧ＶPと発振回路ＯＳＣ（ｋ）より
与えられる基準電圧ＶRとを比較し、出力する制御信号
のレベルを比較結果に応じて変える。具体的には、電池
セルＬＣ（ｋ）の陽電極の電圧ＶPが基準電圧ＶR以上の
ときにトランジスタＴｂ（ｋ）を導通させ、電池セルＬ
Ｃ（ｋ）の陽電極の電圧ＶPが基準電圧ＶR未満のときに
トランジスタＴｂ（ｋ）を導通させない。
【００３６】したがって、電池セルＬＣ（ｋ）のセル電
圧Ｖcellが第１の所定値ＶTH1未満のときは、トランジ
スタＴｂ（ｋ）は導通せず、抵抗Ｒｂ（ｋ）に電流は流
れない。一方、電池セルＬＣ（ｋ）のセル電圧Ｖcellが
第２の所定値ＶTH2以上のときは、トランジスタＴｂ
（ｋ）は導通し、抵抗Ｒｂ（ｋ）に電流が流れる。
【００３７】電池セルＬＣ（ｋ）のセル電圧Ｖcellが第
１の所定値ＶTH1以上で第２の所定値ＶTH2未満のとき
は、比較器ＣＭＰ（ｋ）の比較結果は基準電圧ＶRの変
動に応じて一定周期で反転する。このため、トランジス
タＴｂ（ｋ）は断続的に導通し、抵抗Ｒｂ（ｋ）には断
続的に電流が流れることになる。しかも、トランジスタ
Ｔｂ（ｋ）が導通する個々の期間は、セル電圧Ｖcellと
第１の所定値ＶTH1の差に比例し、この差が小さいほど
短く、大きいほど長くなる。
【００３８】結局、制御回路ＣＣ（ｋ）は、セル電圧Ｖ
cellが第１の所定値ＶTH1以上で第２の所定値ＶTH2未満
のときは、トランジスタＴｂ（ｋ）に供給する制御電圧
を、セル電圧Ｖcellと第１の所定値ＶTH1の差に応じ
て、パルス幅変調（ＰＷＭ）することになる。
【００３９】リチウムイオン電池パック１を充電する際
の、電池セルＬＣ（ｋ）のセル電圧Ｖcellとトランジス
タＴｂ（ｋ）の動作の関係を図４に示す。図４におい
て、（ａ）は電池セルＬＣ（ｋ）のセル電圧Ｖcellを表
しており、（ｂ）はトランジスタＴｂ（ｋ）の導通（Ｏ
Ｎ）と非導通（ＯＦＦ）の状態を表している。横軸は充
電開始からの時間である。
【００４０】ここで、第１の所定値ＶTH1から第２の所
定値ＶTH2までのセル電圧に対応する期間Ｔの導通状態
は、図が煩雑になることを避けるために、模式的に表さ
れている。この期間Ｔの実際のトランジスタＴｂ（ｋ）
の導通状態は、発振回路ＯＳＣ（ｋ）の発振周期に等し
い短い周期で変動し、セル電圧Ｖcellが第２の所定値Ｖ
TH2に近づくにつれて、１周期内の導通期間が増大し非
導通期間が減少していく。
【００４１】セル電圧Ｖcellが第１の所定値ＶTH1未満
のとき、抵抗Ｒｂ（ｋ）には電流が流れず、電池セルＬ
Ｃ（ｋ）に充電電流が流れて、電池セルＬＣ（ｋ）は速
やかに充電されていく。セル電圧Ｖcellが第１の所定値
ＶTH1に達すると、抵抗Ｒｂ（ｋ）に電流が断続的に流
れ始め、電池セルＬＣ（ｋ）の充電速度は次第に低下し
ていく。セル電圧Ｖcellが第２の所定値ＶTH2に達する
と、抵抗Ｒｂ（ｋ）に電流が継続して流れるようにな
り、電池セルＬＣ（ｋ）が利用し得る充電電流は僅かに
なって、充電速度はさらに低くなる。充電が継続されセ
ル電圧Ｖcellがあらかじめ定められた上限値ＶOCHに達
すると、トランジスタ１２を介して供給されている充電
電流が保護制御回路１４によって遮断される。
【００４２】使用時の放電量のばらつきにより残存する
充電量に電池セルＬＣ（ｋ）間で差がある場合、充電は
次のように進行する。ｎ個の電池セルＬＣ（ｋ）のうち
残存充電量が最も多いものをセル１、最も少ないものを
セル２で表すと、充電開始後、セル１、セル２の充電は
略等しい速度で速やかに進み、セル１のセル電圧の方が
早く第１の所定値ＶTH1に到達する。セル電圧が第１の
所定値ＶTH1に達したセル１の充電速度は次第に遅くな
り、一方、セル２の充電は引き続き速やかに進む。した
がって、セル２のセル電圧が第１の所定値VTH1に到達し
た時には、当初あったセル１とセル２の充電量の差は大
幅に減少する。
【００４３】セル電圧が第１の所定値ＶTH1に達したセ
ル２の充電速度は遅くなっていくが、より充電が進んで
いるセル１の充電速度はさらに遅くなり、期間Ｔにおい
ても、セル１とセル２の充電量の差は小さくなってい
く。このため、セル１のセル電圧が第２の所定値ＶTH2
に到達した時には、セル１とセル２の充電量の差はほと
んどなくなる。
【００４４】充電開始時の残存充電量がセル１とセル２
の中間であった他の電池セルも、セル２と同様に充電さ
れて、セル１との充電量の差がなくなる。したがって、
セル１のセル電圧が第２の所定値ＶTH2に到達した時点
では、全ての電池セルＬＣ（ｋ）の充電量は略等しくな
る。こうして、全ての電池セルＬＣ（ｋ）の充電量が速
やかに揃えられる。
【００４５】しかも、セル１のセル電圧が第２の所定値
ＶTH2に達した後に、充電を長時間継続する必要がない
から、充電に要する時間をより短縮することができる。
さらに、期間Ｔにおいて抵抗Ｒｂ（ｋ）に流れる電流は
断続的であり、また、第２の所定値ＶTH2到達後の電流
が抵抗Ｒｂ（ｋ）に継続的に流れる期間は短いから、抵
抗Ｒｂ（ｋ）の発熱量は少ない。したがって、供給する
充電電流を多くしても発熱による抵抗Ｒｂ（ｋ）の破壊
を招き難く、それだけ一層速やかに、全ての電池セルＬ
Ｃ（ｋ）の充電量を揃えることができる。
【００４６】第１の所定値ＶTH1と第２の所定値ＶTH2は
任意に設定してよいが、これらの値により充電に要する
時間と充電完了時の電池セル間の充電量の均一度は影響
される。第１の所定値ＶTH1を上限値ＶOCHの５０〜７５
％程度、第２の所定値ＶTH2を上限値ＶOCHの８５〜９５
％程度とすると、良好な結果が得られる。
【００４７】発振回路ＯＳＣ（ｋ）が発振する電圧の波
形を鋸歯状とすることに代えて、他の波形とすることも
できる。例えば、正弦波を全波整流したような波形とし
てもよい。その場合、セル電圧Ｖcellが第１の所定値Ｖ
TH1以上で第２の所定値ＶＴＨ２未満の期間Ｔのトラン
ジスタＴｂ（ｋ）の導通期間は、セル電圧Ｖｃｅｌｌと
第１の所定値ＶTH1との差に比例しなくなるが、発振波
形を鋸歯状とした場合と同様に、セル電圧Ｖcellと第１
の所定値ＶTH1との差に対応して変化し、その差が大き
くなるにつれて長くなる。
【００４８】なお、抵抗Ｒｂ（ｋ）やトランジスタＴｂ
（ｋ）には比較的大きな電流が流れるが、保護制御回路
１４や制御回路ＣＣ（ｋ）は別のチップに形成されてこ
れらから分離されているため、その大きな電流の影響を
受け難く、リチウムイオン電池パック１の動作の信頼性
は高い。電池セルＬＣ（ｋ）の両電極を抵抗Ｒｂ（ｋ）
を介して短絡させるためのスイッチ素子としては、ＦＥ
Ｔ、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ等が適する
が、与えられる制御電圧のレベルに応じて導通と非導通
の状態が切り換わるものであれば、どのような素子を用
いてもよい。
【００４９】また、ここでは電池セルＬＣ（ｋ）と同数
の制御回路ＣＣ（ｋ）を半導体チップＣＰ２に形成する
例を示したが、半導体チップＣＰ２に多くの制御回路を
形成しておき、電池パック製造時に必要な数の制御回路
だけを電池セルに接続して使用するようにしてもよい。
同一規格の半導体チップを電池セルの数が異なる電池パ
ックに利用することができて、製造効率が向上する。
【００５０】セル列１０を成す電池セルＬＣ（ｋ）の数
は２以上であれば任意であり、用途に応じて、必要な電
圧を供給し得る数とすればよい。また、各電池セルＬＣ
（ｋ）に対して並列に別の電池セルを接続する構成とし
てもよい。総容量の大きなリチウムイオン電池パックが
得られる。
【００５１】第２の実施形態のリチウムイオン電池パッ
ク２の構成を図５に示す。第１の実施形態のリチウムイ
オン電池パック１は、過充電と過放電を防止するための
トランジスタ１２、１３を制御する保護制御回路１４を
１つの半導体チップＣＰ１に形成し、セルバランスシス
テム２０を成す制御回路ＣＣ（ｋ）を別の半導体チップ
ＣＰ２に形成したものであったが、本実施形態のリチウ
ムイオン電池パック２では、保護制御回路１４とセルバ
ランスシステム２０の制御回路ＣＣ（ｋ）は同一の半導
体チップＣＰ３に形成されている。回路構成や動作にリ
チウムイオン電池パック１との差異はない。セルバラン
スシステム２０を構成する抵抗Ｒｂ（ｋ）とトランジス
タＴｂ（ｋ）は、半導体チップＣＰ３とは別に設けられ
ている。
【００５２】このように、保護制御回路１４とセルバラ
ンスシステム２０の制御回路ＣＣ（ｋ）を同一の半導体
チップＣＰ３に形成すると、電池セルＬＣ（ｋ）との接
続のための配線が簡素になり、電池パックの製造工程が
簡略化される。また、セルバランスシステム２０を備え
ることによる電池パックの大型化を最小限に抑えること
ができる。
【００５３】
【発明の効果】請求項１のリチウムイオン電池パックに
よるときは、電池セルの充電があまり進行していない時
から電池セル間での充電速度の調節を開始することが可
能であるため、短い時間で全ての電池セルの充電量を揃
えることができる。また、充電速度を調節する際に抵抗
に断続的に電流を流すため、抵抗の発熱量を増大させる
ことなく大きな電流を流すことが可能になり、これによ
り、電池セルの充電量を揃える時間が一層短縮される。
【００５４】請求項２のリチウムイオン電池パックで
は、セル電圧が第１の所定値に達した後の電池セルの充
電の速度を充電量に応じて調節することが可能になっ
て、さらに速やかに電池セルの充電量を揃えることがで
きる。
【００５５】請求項３や請求項４のリチウムイオン電池
パックでは、電池セルの充電量を速やかに揃えることが
可能である上、充電量をより厳密に揃えることができ
る。
【００５６】請求項５のリチウムイオン電池パックは、
簡素な構成でありながら、上記の効果を奏するものであ
る。
【００５７】請求項６のリチウムイオン電池パックは、
動作の信頼性が高い上、製造も容易である。
【００５８】請求項７のリチウムイオン電池パックは、
過充電や過放電の恐れがなく、また、パック全体の大型
化が必要最小限に抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態のリチウムイオン電池パック
の構成を示す図。
【図２】 上記リチウムイオン電池パックのセルバラン
ス回路を成す制御回路の構成を示す図。
【図３】 上記制御回路に備える発振回路の出力波形の
例を示す図。
【図４】 上記リチウムイオン電池パックにおける充電
時の電池セルのセル電圧とセルバランス回路のトランジ
スタの動作の関係を示す図。
【図５】 第２の実施形態のリチウムイオン電池パック
の構成を示す図。
【図６】 従来のリチウムイオン電池パックの構成を示
す図。
【図７】 従来のリチウムイオン電池パックのセルバラ
ンス回路を成す制御回路の構成を示す図。
【図８】 従来のリチウムイオン電池パックにおける充
電時の電池セルのセル電圧とセルバランス回路のトラン
ジスタの動作の関係を示す図。
【符号の説明】
１、２ リチウムイオン電池パック １０ セル列 １２ トランジスタ（保護スイッチ素子） １３ トランジスタ（保護スイッチ素子） １４ 保護制御回路 １５ 抵抗 ２０ セルバランスシステム ＬＣ（ｋ） リチウムイオン電池セル ＣＢ（ｋ） セルバランス回路 Ｒｂ（ｋ） 抵抗 Ｔｂ（ｋ） トランジスタ（スイッチ素子） ＣＣ（ｋ） 制御回路 ＯＳＣ（ｋ） 発振回路 ＣＭＰ（ｋ） 比較器 Ｖｐ（ｋ） 入力端子 Ｖｎ（ｋ） 入力端子 Ｖｃ（ｋ） 出力端子 Ｒｆ（ｋ） 抵抗 Ｃｆ（ｋ） キャパシタ ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３ 半導体チップ Ｂ＋ 陽極端子 Ｂ− 陰極端子

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 直列に接続された複数の電池セル、前記
    複数の電池セルの各々に対して設けられ、相互に直列に
    接続されて一端が前記電池セルの陽電極に他端が前記電
    池セルの陰電極に接続された抵抗およびスイッチ素子、
    ならびに前記複数の電池セルの各々に対して設けられ、
    前記電池セルの両電極間の電圧が所定値以上のときに前
    記スイッチ素子を導通させて前記電池セルの両電極を前
    記抵抗を介して短絡させる制御回路を備えるリチウムイ
    オン電池パックにおいて、 前記制御回路は、前記電圧が第１の所定値未満のときに
    前記スイッチ素子を継続して導通させず、前記電圧が前
    記第１の所定値よりも大きい第２の所定値以上のときに
    前記スイッチ素子を継続して導通させ、前記電圧が前記
    第１の所定値以上かつ前記第２の所定値未満のときに前
    記スイッチ素子を断続して導通させることを特徴とする
    リチウムイオン電池パック。
  2. 【請求項２】 前記制御回路は、前記電圧が前記第１の
    所定値以上かつ前記第２の所定値未満のときに、前記ス
    イッチ素子を導通させる期間を前記電圧と前記第１の所
    定値の差に応じて変化させることを特徴とする請求項１
    に記載のリチウムイオン電池パック。
  3. 【請求項３】 前記制御回路は、前記電圧が前記第１の
    所定値以上かつ前記第２の所定値未満のときに、前記ス
    イッチ素子を導通させる期間を前記電圧と前記第１の所
    定値の差に略比例させることを特徴とする請求項２に記
    載のリチウムイオン電池パック。
  4. 【請求項４】 前記制御回路は、前記電圧が前記第１の
    所定値以上かつ前記第２の所定値未満のときに、前記ス
    イッチ素子を導通させる期間と導通させない期間の和を
    一定にして、一定周期で前記スイッチ素子を導通させる
    ことを特徴とする請求項３に記載のリチウムイオン電池
    パック。
  5. 【請求項５】 前記制御回路は、 最小値が前記第１の所定値で最大値が前記第２の所定値
    の鋸歯状波の電圧を前記一定周期で発振し、該電圧を前
    記電池セルの陰電極の電圧に加えて出力する発振回路、
    および前記電池セルの陽電極の電圧と前記発振回路の出
    力電圧とを比較して、前記電池セルの陽電極の電圧が前
    記発振回路の出力電圧以上のときに前記スイッチ素子を
    導通させる第１の制御電圧を出力し、前記電池セルの陽
    電極の電圧が前記発振回路の出力電圧未満のときに前記
    スイッチ素子を導通させない第２の制御電圧を出力する
    比較器より成ることを特徴とする請求項４に記載のリチ
    ウムイオン電池パック。
  6. 【請求項６】 前記複数の電池セルの各々に対して設け
    られた前記制御回路は全て１つの半導体チップ内に形成
    されており、前記複数の電池セルの各々に対して設けら
    れた前記抵抗および前記スイッチ素子は前記半導体チッ
    プとは別に形成されていることを特徴とする請求項１な
    いし請求項５のいずれか１項に記載のリチウムイオン電
    池パック。
  7. 【請求項７】 前記複数の電池セルの一端の電極に保護
    スイッチ素子を介して接続された第１の電極端子、前記
    複数の電池セルの他端の電極に接続された第２の電極端
    子、および前記複数の電池セルの各々の両電極間の電圧
    を検出し、検出した電圧の１つ以上が所定の範囲内にな
    いときに、前記保護スイッチ素子の導通を停止させて、
    前記複数の電池セルの充電または放電を禁止する保護制
    御回路を備え、 前記保護制御回路は前記半導体チップ内に形成されてい
    ることを特徴とする請求項６に記載のリチウムイオン電
    池パック。
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