WO2019021728A1 - 電池パック - Google Patents

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佐々木　浩
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Ｎｅｃエナジーデバイス株式会社
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to charging of a secondary battery.
  • Patent document 1 starts discharge of the storage battery from a state where charging of the storage battery is stopped, and by causing discharge current to flow through the diode during the mechanical delay time of the switch contacts, It discloses a technology to prevent power failure.
  • the lifespan of a contact switch includes an electrical life due to an electrical load (energization) and a mechanical life due to a mechanical load (such as opening and closing of a switch).
  • the mechanical life is longer than the electrical life, and the life of the contact switch is substantially limited to the electrical life.
  • Patent Document 1 does not mention the lifetime of the contact switch.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a technology for extending the life of a contact switch used to control charging of a storage battery.
  • the battery pack of the present invention comprises: 1) a battery connected to a load and a charger, 2) a contact type switch provided between the battery and the charger, 3) a control unit for controlling the switch, And d) a sensor that measures the current flowing through the battery or the temperature around the switch.
  • the battery, the charger, and the load are each connected in parallel.
  • the control unit turns off the switch when the value detected by the sensor is less than or equal to a reference value determined based on the specification of the switch.
  • each block in the block diagram represents not a hardware unit configuration but a function unit configuration.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a battery pack 2000 of Embodiment 1 together with its use environment.
  • the battery pack 2000 has a battery 2020.
  • the battery 2020 is a unit cell of an arbitrary secondary battery (for example, a lithium ion battery), or an assembled battery in which a plurality of unit cells of the secondary battery are connected.
  • a unit cell of the secondary battery is also referred to as a battery cell.
  • Battery pack 2000 is connected to charger 10 via power line 30.
  • the charger 10 is a device that supplies a charging current.
  • the battery 2020 is charged by the charging current supplied from the charger 10.
  • the battery pack 2000 is connected to the load 20 via the power line 40.
  • the load 20 is any electrical device driven by the power supplied from the battery pack 2000.
  • the load 20 is an electric device (for example, a server machine) installed in a facility such as a mobile terminal base station or a data center. As shown in FIG. 1, the charger 10, the battery 2020, and the power line 30 are connected in parallel.
  • Battery pack 2000 further includes a contact switch 2040, a control unit 2060, and a sensor 2080.
  • the contact type switch 2040 is a contact type switch provided between the charger 10 and the battery 2020.
  • the contact switch 2040 is, for example, an electromagnetic relay.
  • the control unit 2060 controls the contact switch 2040 based on the result of measurement by the sensor 2080.
  • the sensor 2080 is a current sensor that measures the current flowing to the battery 2020, or a temperature sensor that measures the temperature around the contact switch 2040.
  • the control unit 2060 turns off the contact type switch 2040 when the value detected by the sensor 2080 is equal to or less than the reference value defined based on the specification of the contact type switch 2040.
  • “turning off the contact switch 2040” means that the state of the contact switch 2040 does not flow current through the contact switch 2040.
  • “Turning on the contact switch 2040" can be reworded as "opening the contact switch 2040".
  • to make the state of the contact switch 2040 flow a current through the contact switch 2040 is referred to as "turn on the contact switch 2040" or "close the contact switch 2040".
  • the battery pack 2000 of this embodiment turns off the contact switch 2040. In this way, when the contact switch 2040 is turned off, the electrical load applied to the contact switch 2040 is small. Therefore, deterioration of the contact switch 2040 caused by turning off the contact switch 2040 is reduced, and the life of the contact switch 2040 is extended.
  • One of the purposes of providing the contact switch 2040 is to avoid float charging.
  • secondary batteries there are batteries which are characterized by float charge.
  • float charging is prevented by introducing a switch.
  • the battery pack 2000 of the present embodiment is particularly suitable when the secondary battery not suitable for float charging is used as the battery 2020 in this manner, and the battery 2020 is float-charged by appropriately controlling the contact switch 2040. To prevent the deterioration of the characteristics of the battery 2020 while prolonging the life of the contact switch 2040.
  • the control unit 2060 may be realized by hardware only (eg, hard-wired electronic circuit etc.) or a combination of hardware and software (eg, combination of electronic circuit and program for controlling the same etc.) May be realized by Hereinafter, the case where the control unit 2060 is realized by a combination of hardware and software will be further described.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a computer 1000 for realizing the control unit 2060.
  • the computer 1000 is an integrated circuit such as a SoC (System on Chip).
  • the computer 1000 may be a dedicated computer designed to realize the control unit 2060 or may be a general-purpose computer.
  • the computer 1000 includes a bus 1020, a processor 1040, a memory 1060, a storage device 1080, and an input / output interface 1100.
  • the bus 1020 is a data transmission path for the processor 1040, the memory 1060, the storage device 1080, and the input / output interface 1100 to mutually transmit and receive data.
  • the processor 1040 is a processor such as an MPU (Microprocessor).
  • the memory 1060 is a main storage device implemented using a RAM (Random Access Memory) or the like.
  • the storage device 1080 is an auxiliary storage device realized using a ROM (Read Only Memory), a flash memory, or the like.
  • the input / output interface 1100 is an interface for connecting the computer 1000 to other devices.
  • the computer 1000 is connected to the sensor 2080 via the input / output interface 1100.
  • the storage device 1080 stores program modules for realizing the functions of the control unit 2060.
  • the processor 1040 implements the function of the control unit 2060 by reading the program module into the memory 1060 and executing it.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating the flow of processing executed by the control unit 2060.
  • the control unit 2060 turns on the contact switch 2040 (S102). Thereby, charging of the battery 2020 is started. However, when the contact type switch 2040 is already on when the charger 10 is connected to the battery pack 2000, the control unit 2060 does not need to turn on the contact type switch 2040.
  • the control unit 2060 acquires the measurement result of the sensor 2080 (S104). The control unit 2060 determines whether the value detected by the sensor 2080 is equal to or less than the reference value (S106). If the value detected by the sensor 2080 is not less than or equal to the reference value (S106: NO), the process of FIG. 3 proceeds to S104. If the value detected by the sensor 2080 is less than or equal to the reference value (S106: YES), the control unit 2060 turns off the contact switch 2040 (S108).
  • S104 and S106 are repeatedly performed until the value detected by the sensor 2080 becomes less than or equal to the reference value. These processes are performed, for example, at a predetermined frequency (for example, once a second).
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the time change of the charging voltage of the battery 2020 and the magnitude of the charging current output from the charger 10.
  • the solid line represents the charging voltage of the battery 2020
  • the dotted line represents the magnitude of the charging current output from the charger 10.
  • the charge voltage of the battery 2020 has reached the full charge voltage. That is, charging of the battery 2020 is completed at time t. As a result, after time t, the magnitude of the charging current output from the charger 10 decreases.
  • the control unit 2060 detects that the magnitude of the decreasing charging current has become equal to or less than the reference value, and turns off the contact switch 2040 according to the detection.
  • the sensor 2080 is 1) a current sensor that measures the current flowing to the battery 2020, or 2) a temperature sensor that measures the temperature around the contact switch 2040.
  • control by the control unit 2060 will be specifically exemplified for each of the case where the sensor 2080 is a current sensor and the case where it is a temperature sensor.
  • the control unit 2060 controls the contact-type switch if the value of the current detected by the sensor 2080 is equal to or less than the reference value of the current determined based on the specifications of the contact-type switch 2040. Turn off the 2040.
  • the “reference value of current determined based on the specification of the contact switch 2040” will be referred to as a current reference value.
  • the current reference value is determined based on, for example, the rated current of the contact switch 2040.
  • the current reference value is preferably 10% or less of the rated current of the contact switch 2040.
  • the current reference value is preferably set to 1% or more of the rated current of the contact switch 2040.
  • the control unit 2060 turns off the contact switch 2040 when the temperature detected by the sensor 2080 is equal to or less than a reference value determined based on the specifications of the contact switch 2040. Do.
  • the reference value is determined based on, for example, a specification value of the contact resistance of the contact switch 2040.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a battery pack 2000 having a rectifying element.
  • the rectifying element 2100 allows current to pass only in the discharge direction of the battery 2020. That is, while the rectifying element 2100 passes current in the direction from the battery 2020 toward the load 20, it does not pass current in the direction from the charger 10 to the battery 2020.
  • the rectifying element 2100 in the battery pack 2000 By providing the rectifying element 2100 in the battery pack 2000 in this manner, power can be supplied from the battery 2020 to the load 20 even while the contact switch 2040 is off. Therefore, when the load 20 starts to operate while the contact switch 2040 is turned off, the time until the load 20 starts to operate can be shortened.

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Abstract

蓄電池の充電の制御に用いられる接点式スイッチの寿命を長くする電池パックを提供する。電池パック２０００は、負荷２０および充電器１０に接続された電池２０２０と、電池と充電器との間に設けられた接点式のスイッチ２０４０と、スイッチを制御する制御部２０６０と、電池に流れる電流またはスイッチの周辺の温度を測定するセンサ２０８０と、を有する。電池、充電器、および負荷は、それぞれ並列に接続されている。制御部は、センサによって検出される値が、スイッチの仕様に基づいて定められた基準値以下である場合に、スイッチをオフにする。

Description

電池パック
　本発明は二次電池の充電に関する。
　蓄電池の充電に関し、その充電を制御するための技術が開発されている。特許文献１は、蓄電池の充電が停止されている状態から蓄電池の放電を開始するに当たり、スイッチの接点の機械的遅れ時間の期間中にはダイオードを介して放電電流を流すようにすることで、電源断を生じさせないようにする技術を開示している。
特開２００５－３１２１９５号公報
　接点式スイッチの寿命には、電気的な負荷（通電）に起因する電気的寿命と、機械的な負荷（スイッチの開閉など）に起因する機械的寿命とがある。一般に、機械的寿命は電気的寿命よりも長く、接点式スイッチの寿命は、実質的に電気的寿命に律速される。特許文献１は、接点式スイッチの寿命については言及していない。
　本願発明は以上の課題に鑑みてなされたものであり、蓄電池の充電の制御に用いられる接点式スイッチの寿命を長くする技術を提供することを目的の一つとする。
　本発明の電池パックは、１）負荷及び充電器に接続された電池と、２）電池と充電器との間に設けられた接点式のスイッチと、３）スイッチを制御する制御部と、４）電池に流れる電流又はスイッチの周辺の温度を測定するセンサと、を有する。電池、充電器、及び負荷は、それぞれ並列に接続されている。制御部は、センサによって検出される値が、スイッチの仕様に基づいて定められた基準値以下である場合に、スイッチをオフにする。
　本発明によれば、蓄電池の充電の制御に用いられる接点式スイッチの寿命を長くする技術が提供される。
　上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
実施形態１の電池パックをその利用環境と共に例示する図である。 制御部を実現するための計算機を例示する図である。 制御部によって実行される処理の流れを例示するフローチャートである。 電池の充電電圧及び充電器から出力される充電電流の大きさの時間変化を例示する図である。 整流素子を有する電池パックを例示する図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また、特に説明する場合を除き、ブロック図における各ブロックは、ハードウエア単位の構成ではなく、機能単位の構成を表している。
［実施形態１］
　図１は、実施形態１の電池パック２０００をその利用環境と共に例示する図である。電池パック２０００は、電池２０２０を有する。電池２０２０は、任意の二次電池（例えばリチウムイオン電池）の単位セルであるか、又は二次電池の単位セルが複数接続された組電池である。以下、二次電池の単位セルのことを電池セルとも表記する。電池パック２０００は、電力線３０を介して充電器１０と接続されている。充電器１０は、充電電流を供給する装置である。電池２０２０は、充電器１０から供給される充電電流で充電される。
　また、電池パック２０００は、電力線４０を介して負荷２０と接続されている。負荷２０は、電池パック２０００から供給される電力で駆動する任意の電気機器である。例えば負荷２０は、携帯端末基地局やデータセンタなどの施設に設置されている電機機器（例えばサーバマシン）などである。図１に示す通り、充電器１０、電池２０２０、及び電力線３０は、それぞれ並列に接続されている。
　電池パック２０００は、さらに、接点式スイッチ２０４０、制御部２０６０、及びセンサ２０８０を有する。接点式スイッチ２０４０は、充電器１０と電池２０２０との間に設けられている接点式のスイッチである。接点式スイッチ２０４０は、例えば電磁リレーなどである。
　制御部２０６０は、センサ２０８０による測定の結果に基づいて接点式スイッチ２０４０を制御する。センサ２０８０は、電池２０２０に流れる電流を測定する電流センサであるか、又は接点式スイッチ２０４０の周辺の温度を測定する温度センサである。制御部２０６０は、センサ２０８０によって検出される値が、接点式スイッチ２０４０の仕様に基づいて定められた基準値以下である場合に、接点式スイッチ２０４０をオフにする。ここで、「接点式スイッチ２０４０をオフにする」とは、接点式スイッチ２０４０の状態を、接点式スイッチ２０４０を介して電流が流れない状態にすることを意味する。「接点式スイッチ２０４０をオフにする」は、「接点式スイッチ２０４０を開く」と言い換えることもできる。逆に、接点式スイッチ２０４０の状態を、接点式スイッチ２０４０を介して電流が流れる状態にすることを、「接点式スイッチ２０４０をオンにする」や「接点式スイッチ２０４０を閉じる」と表記する。
＜作用・効果＞
　仮に電池２０２０の充電が完了した直後に接点式スイッチ２０４０をオフにすると、接点式スイッチ２０４０に大きな充電電流が流れている最中に接点式スイッチ２０４０を開くことになり、接点式スイッチ２０４０に大きな電気的負荷がかかる。そのため、接点式スイッチ２０４０をオフにすることによる接点式スイッチ２０４０の劣化が大きく、接点式スイッチ２０４０の寿命が短くなってしまう。
　そこで本実施形態の電池パック２０００は、センサ２０８０によって検出される値が、接点式スイッチ２０４０の仕様に基づいて定められた基準値以下である場合に、接点式スイッチ２０４０をオフになる。こうすることで、接点式スイッチ２０４０をオフにする際、接点式スイッチ２０４０にかかる電気的な負荷が小さい。よって、接点式スイッチ２０４０をオフすることによって生じる接点式スイッチ２０４０の劣化が小さくなり、接点式スイッチ２０４０の寿命が長くなる。
　なお、接点式スイッチ２０４０を設ける目的の１つには、フロート充電の回避がある。二次電池の中にはフロート充電によって特性劣化するものがある。このようにフロート充電に適さない二次電池の充電回路では、スイッチを導入することで、フロート充電が行われないようにする。本実施形態の電池パック２０００は、このようにフロート充電に適さない二次電池を電池２０２０として利用する場合に特に好適であり、接点式スイッチ２０４０を適切に制御することで、電池２０２０がフロート充電されないようにして電池２０２０の特性劣化を防ぎつつ、接点式スイッチ２０４０の寿命を長くする。
＜ハードウエア構成の概要＞
　制御部２０６０は、ハードウエアのみ（例：ハードワイヤードされた電子回路など）で実現されてもよいし、ハードウエアとソフトウエアとの組み合わせ（例：電子回路とそれを制御するプログラムの組み合わせなど）で実現されてもよい。以下、制御部２０６０がハードウエアとソフトウエアとの組み合わせで実現される場合について、さらに説明する。
　図２は、制御部２０６０を実現するための計算機１０００を例示する図である。例えば計算機１０００は、SoC（System on Chip）などの集積回路である。計算機１０００は、制御部２０６０を実現するために設計された専用の計算機であってもよいし、汎用の計算機であってもよい。
　計算機１０００は、バス１０２０、プロセッサ１０４０、メモリ１０６０、ストレージデバイス１０８０、及び入出力インタフェース１１００を有する。バス１０２０は、プロセッサ１０４０、メモリ１０６０、ストレージデバイス１０８０、及び入出力インタフェース１１００が、相互にデータを送受信するためのデータ伝送路である。ただし、プロセッサ１０４０などを互いに接続する方法は、バス接続に限定されない。プロセッサ１０４０は、MPU（Microprocessor）などのプロセッサである。メモリ１０６０は、RAM （Random Access Memory）などを用いて実現される主記憶装置である。ストレージデバイス１０８０は、ROM（Read Only Memory）やフラッシュメモリなどを用いて実現される補助記憶装置である。
　入出力インタフェース１１００は、計算機１０００と他のデバイスとを接続するためのインタフェースである。例えば計算機１０００は、入出力インタフェース１１００を介して、センサ２０８０と接続されている。
　ストレージデバイス１０８０は、制御部２０６０の機能を実現するためのプログラムモジュールを記憶している。プロセッサ１０４０は、このプログラムモジュールをメモリ１０６０に読み出して実行することで、制御部２０６０の機能を実現する。
＜処理の流れ＞
　図３は、制御部２０６０によって実行される処理の流れを例示するフローチャートである。制御部２０６０は、接点式スイッチ２０４０をオンにする（Ｓ１０２）。これにより、電池２０２０の充電が開始される。ただし、充電器１０が電池パック２０００に接続された際、既に接点式スイッチ２０４０がオンになっている場合、制御部２０６０は接点式スイッチ２０４０をオンにする必要はない。
　制御部２０６０は、センサ２０８０の測定結果を取得する（Ｓ１０４）。制御部２０６０は、センサ２０８０によって検出された値が基準値以下であるか否かを判定する（Ｓ１０６）。センサ２０８０によって検出された値が基準値以下でない場合（Ｓ１０６：ＮＯ）、図３の処理はＳ１０４に進む。センサ２０８０によって検出された値が基準値以下である場合（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、制御部２０６０は、接点式スイッチ２０４０をオフにする（Ｓ１０８）。
　上述の流れによれば、センサ２０８０によって検出される値が基準値以下になるまで、Ｓ１０４及びＳ１０６が繰り返し実行される。これらの処理は、例えば所定の頻度（１秒間に１回など）で実行される。
＜制御部２０６０による制御の詳細＞
　前述したように、制御部２０６０は、センサ２０８０によって検出される値が、接点式スイッチ２０４０の仕様に基づいて定められた基準値以下である場合に、接点式スイッチ２０４０をオフにする。図４は、電池２０２０の充電電圧及び充電器１０から出力される充電電流の大きさの時間変化を例示する図である。図４において、実線は電池２０２０の充電電圧を表しており、点線は充電器１０から出力される充電電流の大きさを表している。
　時点ｔにおいて、電池２０２０の充電電圧は満充電電圧に達している。すなわち、電池２０２０の充電は時点ｔで完了している。その結果、時点ｔ以降、充電器１０から出力される充電電流の大きさが減少している。
　制御部２０６０は、このように減少していく充電電流の大きさが基準値以下となったことを検出し、その検出に応じて、接点式スイッチ２０４０をオフにする。
　ここで、センサ２０８０は、１）電池２０２０に流れる電流を測定する電流センサであるか、又は２）接点式スイッチ２０４０の周辺の温度を測定する温度センサである。以下、センサ２０８０が電流センサである場合と温度センサである場合のそれぞれについて、制御部２０６０による制御を具体的に例示する。
＜＜センサ２０８０が電流センサであるケース＞＞
　センサ２０８０が電流センサである場合、制御部２０６０は、センサ２０８０によって検出される電流の値が、接点式スイッチ２０４０の仕様に基づいて定められた電流の基準値以下である場合に、接点式スイッチ２０４０をオフにする。以下、「接点式スイッチ２０４０の仕様に基づいて定められた電流の基準値」を、電流基準値と呼ぶ。
　電流基準値は、例えば、接点式スイッチ２０４０の定格電流に基づいて定められる。例えば電流基準値は、接点式スイッチ２０４０の定格電流の１０％以下の値とすることが好適である。また、電流基準値は、接点式スイッチ２０４０の定格電流の１％以上の値とすることが好適である。
＜＜センサ２０８０が温度センサであるケース＞＞
　センサ２０８０が温度センサである場合、制御部２０６０は、センサ２０８０によって検出される温度が、接点式スイッチ２０４０の仕様に基づいて定められた基準値以下である場合に、接点式スイッチ２０４０をオフにする。この基準値は、例えば、接点式スイッチ２０４０の接触抵抗の仕様値に基づいて定められる。
＜負荷２０への電力の供給について＞
　図１の構成の場合、電池パック２０００から負荷２０に電力を供給するためには、接点式スイッチ２０４０をオンにする必要がある。そのため、例えば電池パック２０００の充電が完了後に接点式スイッチ２０４０をオフにした後、負荷２０が動作するタイミングで、接点式スイッチ２０４０をオンにする。
　ここで、負荷２０が動作するタイミングで接点式スイッチ２０４０をオンにする場合、負荷２０が動作しようとしてから実際に動作できるまでの間にタイムラグが生じる。このタイムラグを小さくするため、電池パック２０００は、電池２０２０に並列させて、整流素子を設けることが好適である。図５は、整流素子を有する電池パック２０００を例示する図である。
　整流素子２１００は、電池２０２０の放電方向についてのみ、電流を通過させる。すなわち、整流素子２１００は、電池２０２０から負荷２０へ向かう方向には電流を通す一方で、充電器１０から電池２０２０へ向かう方向には電流を通さないように構成されている。
　このように整流素子２１００を電池パック２０００に設けることにより、接点式スイッチ２０４０がオフの間も、電池２０２０から負荷２０へ電力を供給することができる。そのため、接点式スイッチ２０４０がオフになっている間に負荷２０が動作を開始する場合において、負荷２０が動作を開始するまでの時間を短くすることができる。
　以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
　この出願は、２０１７年７月２７日に出願された日本出願特願２０１７－１４５１８４号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (6)

  1. 　負荷及び充電器に接続された電池と、
    　前記電池と前記充電器との間に設けられた接点式のスイッチと、
    　前記スイッチを制御する制御部と、
    　前記電池に流れる電流又は前記スイッチの周辺の温度を測定するセンサと、を有し、
    　前記電池、前記充電器、及び前記負荷は、それぞれ並列に接続されており、
    　前記制御部は、前記センサによって検出される値が、前記スイッチの仕様に基づいて定められた基準値以下である場合に、前記スイッチをオフにする、電池パック。
  2. 　前記センサが前記電池に流れる電流を測定する場合、前記基準値は前記電池の定格電流に基づいて定められる、請求項１に記載の電池パック。
  3. 　前記基準値は、前記電池の定格電流の 10% 以下の値である、請求項２に記載の電池パック。
  4. 　前記基準値は、前記電池の定格電流の 1% 以上の値である、請求項２又は３に記載の電池パック。
  5. 　前記センサが前記スイッチの周辺の温度を測定する場合、前記基準値は前記スイッチの接触抵抗の仕様値に基づいて定められる、請求項１に記載の電池パック。
  6. 　前記スイッチに並列に設けられ、前記電池の放電方向にのみ電流を流す素子を有する、請求項１乃至５いずれか一項に記載の電池パック。
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