(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のリチウムイオン二次電池が直列に接続された電池群と、前記電池群と出力端子との間に接続されて充放電を行う充電及び放電スイッチと、前記電池群の電池を複数のブロックに分割して少なくとも各電池電圧を検出する複数の異常検出部と、前記異常検出部を含む複数の保護回路と、前記複数の保護回路の各々の検出信号の演算処理を行うＣＰＵと、前記複数の保護回路と前記ＣＰＵとの間で前記検出信号の電圧基準を一律化する複数の第一の電圧レベル変換部とを備えた、電池情報伝達システムであって、
前記複数の異常検出部と前記複数の第一の電圧レベル変換部との間にそれぞれ接続され、前記ＣＰＵから出力される信号に基づいて動作し、前記複数の異常検出部と前記第一の電圧レベル変換部との経路を、電気的に遮断、または接続する複数の第二の電圧レベル変換部を備え、
前記ＣＰＵは、前記信号を予め定められる時間間隔で出力し、当該信号が前記複数の第二の電圧レベル変換部に一律化して入力される電池情報伝達システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のリチウムイオン二次電池の電池パックにおける、多直列リチウムイオン二次電池情報伝達システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池などの二次電池は、外部とエネルギーの入出力を行うことから、使用方法によっては過充電、過放電等が発生する可能性が有る。この発生現象は二次電池に悪影響を及ぼすと共に危険を伴う場合がある。そのため、二次電池等に保護回路を装備して電池の状態を監視するのが一般的である。
【０００３】
保護回路における電池の過充電、過放電等の異常検出は、セル保護ＩＣ等で構成された異常検出部にて行われる。この異常検出部に搭載されるセル保護ＩＣには、大きく分けて２種類ある。
【０００４】
ひとつはシリアル通信機能を持ち、電池パックを構成する各セルの電圧、電流等の情報を、保護回路搭載のＣＰＵとの間で通信し、その結果をもって異常検出部の動作端子の電圧レベルを変化させ、充電および放電回路上にあるスイッチの遮断や接続などを行うタイプのセル保護ＩＣである。なお、シリアル通信機能を持つセル保護ＩＣを用いた例としては、特許文献１に記載の技術がある。
【０００５】
もうひとつは、シリアル通信機能を持たず、各セルの異常の有無によってセル保護ＩＣが単独で動作し、異常検出部の動作端子の電圧レベルを変化させ、回路上にある充電および放電スイッチの遮断や接続をするタイプのセル保護ＩＣである。どちらのタイプも動作端子の電圧レベルの変化で、回路上にある充電および放電スイッチの遮断や接続などを行う。なお、このような構成を用いた例としては、特許文献２に記載の技術がある。
【０００６】
上記のようなシリアル通信機能を持たない回路の一例を図３に示す。図３は異常検出機能を持つリチウムイオン二次電池パックの構成の一例を示すブロック図である。通常、この保護回路２はリチウムイオン二次電池１の過充電、過放電、過電流、過熱のうち少なくとも一つ以上の異常を検出し、その検出結果に基づいて、異常検出部３、４、５、６の動作端子９、１０、１１、１２の出力により、充電及び放電スイッチ８の遮断や接続などの制御を行う保護機能を持つ。
【０００７】
前述した保護ＩＣで構成された異常検出部３、４、５、６による異常検出方法を、直列数の多いリチウムイオン二次電池１に適用する場合、異常検出部一つあたりで管理できる電池の数は、使用する保護ＩＣの性能に依存する。よって直列数を増やしたリチウムイオン二次電池１の異常検出に汎用の保護ＩＣを適用するには、セル保護ＩＣで構成された異常検出部３、４、５、６も直列に構成する必要がある。
【０００８】
続いて、図４を用いて説明する。図４は従来の技術による多直列電池パックの異常検出システムを示すブロック図である。異常検出部３、４、５、６の直列数が増えると、各々の異常検出部３、４、５、６の動作端子９、１０、１１、１２の電圧レベルがそれぞれ大きく異なってしまう。例えばリチウムイオン二次電池１のセルが１０個直列に接続された回路では異常検出部３、４、５、６の動作端子９、１０、１１、１２の電圧が最大で４０ボルトを超えるものになる。一般に充電および放電スイッチ８はＦＥＴ等の素子を使用する場合が多く、駆動電圧の範囲としては５〜３０（Ｖ）程度といわれており、回路上における充電および放電スイッチ８を駆動できる電圧レベルを大きく逸脱してしまう。そのため、異常検出部３、４、５、６の動作端子９、１０、１１、１２の出力により、直接、回路上の充電および放電スイッチ８を駆動させるのは難しい。
【０００９】
その解決策として、回路上にＣＰＵ７を設置し、各々の異常検出部３、４、５、６の動作端子９、１０、１１、１２の電圧レベルを電圧レベル変換部Ａ１３、１４、１５、１６にて、ＣＰＵ７が読み込める電圧レベルに変換してから、ＣＰＵ７の異常検出端子１７に読み込ませる。異常検出端子１７が読んだ電圧レベルからＣＰＵ７がセルの異常の有無を判断して、ＣＰＵ７からの信号１８にて回路上の充電および放電スイッチ８を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−１３１６７０号公報
【特許文献２】特開２００４−１３４３７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、この方法の問題点として下記が挙げられる。通常、安全性を保つためには電池の劣化を防ぐことが重要である。正常時と異常時における保護ＩＣの論理によっては回路の構成上、電圧レベル変換部Ａ１３、１４、１５、１６は常に電流が流れている動作状態となり、電圧レベル変換部Ａ１３、１４、１５、１６の消費電流が保護回路２の消費電流を大幅に増加させてしまうという問題が生じている。例として、保護ＩＣの動作でこのような動作論理を示すことが多い機能として過放電検出機能がある。電池から過放電を示す異常信号を常に監視し、異常信号を検出した後は電池からの放電を停止させるように設定をした保護ＩＣを選定することが多い。
【００１２】
具体的な従来の技術の状態を図４の回路構成図および図５のタイミングチャートを用いて説明する。図５は従来の技術の回路構成による信号のタイミングチャートを示す図である。
【００１３】
ここでは、回路全体ではなく、異常検出部３、動作端子９、電圧レベル変換部Ａ１３の範囲におけるＣＰＵ７と信号のやりとりで説明する。以下、異常検出部４、動作端子１０、電圧レベル変換部Ａ１４以降の範囲におけるＣＰＵ７と信号のやりとりも同等である。この時、電圧レベル変換部Ａ１３にフォトカプラ等を用いており、リチウムイオン二次電池１のセルの直列数をＫ個（単位セル：Ｖｂ（Ｖ）であるとするとＫ×Ｖｂ（Ｖ））とし、異常検出部３では三つのリチウムイオン二次電池１のセル（単位セル：Ｖｂ（Ｖ）であり３×Ｖｂ（Ｖ））を監視している場合とする。また、ＣＰＵ７が異常と判断する異常検出端子１７での信号電圧はＣＰＵ＿Ｖｃｃ（Ｖ）とし、正常と判断する異常検出端子１７での信号電圧は０（Ｖ）とする。
【００１４】
まず、各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧が正常な場合を説明する。
【００１５】
各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧が正常な場合は異常検出部３より正常信号として異常検出部３の動作端子９より、異常検出部３のＧＮＤレベルの正常信号（Ｋ−３）×Ｖｂ（Ｖ）が出力される。
【００１６】
そうすると電圧レベル変換部Ａ１３のフォトカプラのＬＥＤが発光し、フォトトランジスタにはいわゆる、光電流が流れ、それにより電圧レベル変換部Ａ１３の出力端子がＣＰＵ＿Ｖｃｃ（Ｖ）からＧＮＤに落ち、信号電圧０（Ｖ）が異常検出端子１７に出力される。これによりＣＰＵ７は各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧が正常な状態であると判断する。
【００１７】
この時、電圧レベル変換部Ａ１３に流れるＬＥＤを光らせる電流値は３Ｖｂ／Ｒ１（Ａ）となる。リチウムイオン二次電池の信頼性等も向上したため、通常では各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧は正常な場合が長く続くことになる。したがって、各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧が正常な状態が続けば、この電圧レベル変換部Ａ１３の主な消費電流となるＬＥＤを光らせる電流は流れ続けることになる。
【００１８】
続いて、各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧に異常が生じた場合を説明する。
【００１９】
各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧に異常が生じた場合であるが、異常検出部３で異常を検出すると異常信号として、異常検出部３の動作端子９より、異常検出部３の電源レベルの異常信号Ｋ×Ｖｂ（Ｖ）が出力される。
【００２０】
この場合、電圧レベル変換部Ａ１３に供給される入力電圧もＫ×Ｖｂ（Ｖ）となるため、電圧レベル変換部Ａ１３の間の電位差が無くなり、フォトカプラのＬＥＤは発光せず、フォトトランジスタに流れる光電流が流れない。したがって、電圧レベル変換部Ａ１３の出力端子からＣＰＵ＿Ｖｃｃ（Ｖ）の信号電圧がそのまま異常検出端子１７に出力され、ＣＰＵ７はリチウムイオン二次電池１のセルに異常が生じたと判断し充電および放電スイッチ８を動作させ危険回避を図ることになる。
【００２１】
電圧レベル変換部ＡのＬＥＤを光らせる電流はミリアンペアオーダーの電流を必要とするため、消費が大きく増大してしまう。近年、産業機器での稼働時間の延長、電気アシスト自転車やハイブリット自動車の航続距離の延伸を図る上で保護回路全体の消費電流を更に低減するために電圧レベル変換部Ａの消費電流を低減させる検討が必要であった。
【００２２】
すなわち、本発明の技術的課題は、直列数の多いリチウムイオン二次電池の保護回路における電圧レベル変換部Ａの間の経路に、電圧レベル変換部Ｂを設置し、ＣＰＵからの信号で電池の異常検出を行う為の経路を接続、遮断できるようにするものである。したがって、本発明の目的は、この電池の異常検出を行う信号を出力する時間を最適化することで、消費電流を低減させること可能にしたリチウムイオン二次電池の電圧検出システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の多直列リチウムイオン二次電池の電池情報伝達システムは、複数のリチウムイオン二次電池が直列に接続された電池群と、前記電池群と出力端子との間に接続されて充放電を行う充電及び放電スイッチと、前記電池群の電池を複数のブロックに分割して少なくとも各電池電圧を検出する複数の異常検出部と、前記異常検出部を含む複数の保護回路と、前記複数の保護回路の各々の検出信号の演算処理を行うＣＰＵと、前記複数の保護回路と前記ＣＰＵとの間で前記検出信号の電圧基準を一律化する複数の第一の電圧レベル変換部とを備えた、電池情報伝達システムであって、
前記複数の異常検出部と前記複数の第一の電圧レベル変換部との間にそれぞれ接続され、前記ＣＰＵから出力される信号に基づいて動作し、前記複数の異常検出部と前記第一の電圧レベル変換部との経路を、電気的に遮断、または接続する複数の第二の電圧レベル変換部を備え、
前記ＣＰＵは、前記信号を予め定められる時間間隔で出力し、当該信号が前記複数の第二の電圧レベル変換部に一律化して入力される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の多直列リチウムイオン二次電池情報伝達システムは直列数の多いリチウムイオン二次電池の保護回路における電圧レベル変換部Ａの間の経路に、電圧レベル変換部Ｂを設置し、ＣＰＵからの信号で電池の異常検出を行う経路を接続、遮断できるようにする。したがって、本発明ではこの電池の異常検出を行う信号を出力する時間を、出力しない時間より小さく設定し、最適化することで、消費電流を低減させるリチウムイオン二次電池の電圧検出システムを提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による多直列電池パックの異常検出システムを示すブロック図
【図２】本発明の回路構成による信号のタイミングチャートを示す図。
【図３】異常検出機能を持つリチウムイオン二次電池パックの構成の一例を示すブロック図。
【図４】従来の技術による多直列電池パックの異常検出システムを示すブロック図。
【図５】従来の技術の回路構成による信号のタイミングチャートを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２７】
（実施の形態）
図１は本発明による多直列電池パックの異常検出システムを示すブロック図である。尚、本発明と従来の技術の大きな違いは第二の電圧レベル変換部Ｂ２０、２１、２２、２３を設けることによって、ＣＰＵ７の信号で任意の時間に二次電池の各セルの状態をモニターさせ、正常状態で常に発生していた消費電流を低減させることが可能になる保護回路を得ることである。
【００２８】
回路構成としては直列数の多いリチウムイオンリチウムイオン二次電池１の保護回路２に異常検出部３、４、５、６を設置し、動作端子９、１０、１１、１２と電圧レベル変換部Ａ１３、１４、１５、１６の間の経路に、ＣＰＵ７からの信号１９によって経路を遮断、接続する電圧レベル変換部Ｂ２０、２１、２２、２３を設置している。
【００２９】
異常検出部３、４、５、６の動作端子９、１０、１１、１２は保護ＩＣの端子がそのまま動作端子９、１０、１１、１２になる場合や、保護ＩＣの吸い込み能力が不足している場合は保護ＩＣ付近に設けた電流増幅回路の内部に動作端子９、１０、１１、１２が存在する場合がある。
【００３０】
直列数の多いリチウムイオン二次電池１はリチウムイオン二次電池のセルが整数倍で直列したリチウムイオン二次電池の出力により最大電圧が決定され、異常検出部３側の方が低電圧側の異常検出部６側よりも高い電圧となる。
【００３１】
電圧レベル変換部Ｂ２０、２１、２２、２３は例えば、フォトカプラや電磁リレーのようなレベル変換機能とスイッチ機能を持つ素子を用いるのが好ましい。
【００３２】
具体的な本発明の実施の形態を図１の回路構成図および図２のタイミングチャートを用いて説明する。図２は本発明の回路構成による信号のタイミングチャートを示す図である。
【００３３】
ここでは回路全体ではなく、異常検出部３、動作端子９、電圧レベル変換部Ａ１３、電圧レベル変換部Ｂ２０の範囲におけるＣＰＵ７とのやりとりで説明する。以下、異常検出部４、動作端子１０、電圧レベル変換部Ａ１４以降の範囲におけるＣＰＵ７と信号のやりとりも同等である。二次電池セルの直列数をＫ個（単位セル：Ｖｂ（Ｖ）であるとするとＫ×Ｖｂ（Ｖ））とし、異常検出部３では三つのセル（単位セル：Ｖｂ（Ｖ）であり３×Ｖｂ（Ｖ））を監視している場合とする。また、ＣＰＵが異常と判断する異常検出端子１７での信号電圧はＣＰＵ＿Ｖｃｃ（Ｖ）、正常と判断する異常検出端子１７での信号電圧は０（Ｖ）とする。
【００３４】
はじめに、各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧が正常な場合を説明する。
【００３５】
各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧が正常な場合は異常検出部３で検出される電圧信号も従来の技術と同様に（Ｋ−３）×Ｖｂ（Ｖ）となるように設定する。よって、動作端子９のおける信号電圧も（Ｋ−３）×Ｖｂ（Ｖ）となる。
【００３６】
まず、検出する周期間隔において任意の時間の幅、例えば、Ｚ（ｓ）で、ＣＰＵ７から電圧レベル変換部Ｂ２０を動作させる信号１９である信号電圧ＣＰＵ＿Ｖｃｃ（Ｖ）を電圧レベル変換部Ｂ２０に送る。これにより電圧レベル変換部Ｂ２０のフォトカプラのＬＥＤが光って、オン状態になる。この動作により異常検出部９から各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧の状態がモニターされることになる。この時、電圧レベル変換部Ｂ２０に流れるＬＥＤを光らせる電流値はＣＰＵ＿Ｖｃｃ／Ｒ４（Ａ）となる。
【００３７】
つづいて、電圧レベル変換部Ｂ２０には光電流が流れ、それにより電圧レベル変換部Ａ１３のＬＥＤが光り、連動してＣＰＵ＿ＶｃｃがＧＮＤに落ち信号電圧０（Ｖ）が異常検出端子１７に出力される。これによりＣＰＵ７は各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧が正常な状態であると判断する。
【００３８】
この時、電圧レベル変換部Ａ１３に流れる主な消費電流はＬＥＤを光らせるための電流値３Ｖｂ／Ｒ１（Ａ）となり、電圧レベル変換部Ｂ２０に流れるＬＥＤを光らせるための電流値ＣＰＵ＿Ｖｃｃ／Ｒ４（Ａ）となる。
【００３９】
つまり、本発明では電圧レベル変換部Ｂ２０が加わった分、異常検出時は単位時間当たり消費電流が増えることになる。しかし、ＣＰＵ７から信号１９が出力されたときのみ、電圧レベル変換部Ｂ２０が動作して、動作端子９と電圧レベル変換部Ａ１３の間の経路が接続されるように構成することが可能となるため、従来の技術で説明した、各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧が正常な状態が続く限り、ＬＥＤを光らせるための電流を流し続ける非効率的な動作は解消される。
【００４０】
尚、動作端子９と電圧レベル変換部Ａ１３の間の経路を遮断している間は、動作端子９がオープン状態になり、異常検出部３の検出した情報がＣＰＵ７に伝達されず、異常検出端子１７はＣＰＵ＿Ｖｃｃを検出することになる。したがって、ＣＰＵの誤動作を防止するため、異常検出端子１７は不感に設定することが好ましい。そして、任意の時間、または定期的に信号１９を出力して動作端子９と電圧レベル変換部Ａ１３の間の経路を接続する。接続している間は、異常検出部３の検出した情報がＣＰＵ７に伝達されるので、異常検出端子１７は不感設定を解除する。
【００４１】
次に各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧に異常が生じている場合を説明する。
【００４２】
尚、各々のリチウムイオン二次電池１のセルの電圧に異常が生じている場合であるが、従来の技術と同様に異常検出部３で検出される電圧信号をＫ×Ｖｂ（Ｖ）となるように設定している。よって、動作端子９のおける信号電圧もＫ×Ｖｂ（Ｖ）となる。
【００４３】
電圧レベル変換部Ａ１３に供給される入力電圧もＫ×Ｖｂ（Ｖ）となるため、電圧レベル変換部Ａ１３、電圧レベル変換部Ｂ２０間の電位差が無くなる。これにより電圧レベル変換部Ｂ２０が動作できなくなり、連動して電圧レベル変換部Ａ１３も動作せず、ＣＰＵ＿Ｖｃｃ（Ｖ）の信号電圧がそのまま異常検出端子１７に出力され、ＣＰＵ７はリチウムイオン二次電池１のセルに異常が生じたと判断し充電および放電スイッチ８を動作させ危険回避を図ることになる。この時、電圧レベル変換部Ｂ２０のＬＥＤを光らせる電流以外には消費電流は流れない。
【００４４】
本発明の具体的な消費電流の削減効果を説明する。従来の技術のように電圧レベル変換部Ａ１３、１４、１５、１６の消費電流をＸ（Ａ）とする。そして、検出する周期間隔の時間をＹ（ｓ）とする。前述した、ＣＰＵ７からの信号にて電圧レベル変換部Ｂ２０、２１、２２、２３を接続し、電圧レベル変換部Ａ１３、１４、１５、１６の動作を制限する方法を実施した場合、Ｙ（ｓ）のうち、Ｚ（ｓ）だけ電圧レベル変換部Ａ１３、１４、１５、１６を動作させ、Ｙ−Ｚ（ｓ）は動作させないように設定した場合の消費電流はＸ（Ａ）のＺ／Ｙとなる。
【００４５】
この時、電圧レベル変換部Ｂ２０、２１、２２、２３に必要な消費電流をＫ（Ａ）とすると、本発明における消費電流は（Ｘ＋Ｋ）（Ａ）のＺ／Ｙとなる。このことより、本発明は、Ｙ＞＞Ｚとすることで大きな効果を得ることが可能となる。
【００４６】
以上、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、これらに限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００４７】
１：                    リチウムイオン二次電池
２：                    保護回路
３、４、５、６：        異常検出部
７：                    ＣＰＵ
８：                    充電及び放電スイッチ
９、１０、１１、１２：  動作端子
１３、１４、１５、１６：電圧レベル変換部Ａ
１７：                  異常検出端子
１８：                  充電及び放電スイッチ８を開閉する信号
１９：                  電圧レベル変換部Ｂ２０を動作させる信号
２０、２１、２２、２３：電圧レベル変換部Ｂ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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