(57)【要約】【課題】充放電電流を通電制御する半導体素子を用いずに、過充電時に充放電電流の遮断が可能な電池用保護回路を提供する。【解決手段】電池モジュール９は、＋充放電端子、−充放電端子間に充放電電流の短絡を許容する短絡許容回路２０を内蔵している。短絡許容回路２０は、トランジスタ３、４及び抵抗７、８で構成されている。過充電検出回路２の出力端子はトランジスタ３のベースに接続されており、コレクタは最上位単電池の＋端子に接続されている。エミッタは他端が−充放電端子に接続された抵抗８の一端に接続されており、そこから分岐してトランジスタ４のベースに接続されている。トランジスタ４のコレクタは、他端が＋充放電端子に接続された抵抗７の一端に接続されており、エミッタは−充放電端子に接続されている。過充電時に短絡許容回路２０を短絡させヒューズ５を溶断する。【選択図】  図１
2004164982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個以上の単電池を有する電池の＋端子と＋充放電端子との間又は前記電池の−端子と−充放電端子との間に過大電流遮断用ヒューズを挿入した電池用保護回路において、前記＋充放電端子と前記−充放電端子との間に短絡を許容するための短絡許容回路を有し、前記単電池が過充電となった場合に前記短絡許容回路を動作させて前記電池に短絡電流を流し、前記過大電流通電用ヒューズを遮断することを特徴とする電池用保護回路。
【請求項２】
前記短絡許容回路は、半導体素子又はリレーを有して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電池用保護回路。
【請求項３】
前記短絡許容回路は、電流制限用の素子を有して構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電池用保護回路。
【請求項４】
前記短絡許容回路が動作する時間を該短絡許容回路が損傷しない時間に制限したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電池用保護回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電池用保護回路に係り、特に、１個以上の単電池を有する電池の＋端子と＋充放電端子との間又は電池の−端子と−充放電端子との間に過大電流遮断用ヒューズを挿入した電池用保護回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電池用保護回路には、過充電時の過充電電圧を検出して充電電流を遮断する回路が用いられてきた。特に最近実用化されたリチウムイオン電池では、その高エネルギー密度の特性故に過充電時の安全性に問題があり、過充電時に電池内圧が極めて高くなる場合がある。このため、リチウムイオン電池（単電池）を複数個直列又は並列に接続した組電池では、過充電時の安全性を確保するために、全単電池の電圧を検出して、過充電電圧を検出したときに組電池への充電電流を遮断する保護回路が用いられてきた。すなわち、このような保護回路では充放電ラインに半導体素子が挿入されており、正常時（過充電等の電池異常時以外の時）には半導体素子をオン状態として充放電電流の通電を許容し、過充電時（電池異常時）には半導体素子をオフ状態として充放電電流を遮断することで各単電池を保護している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図２はこのような保護回路の一例を示したものである。組電池１を構成する各単電池の電圧は対応する各過充電検出回路２で判定され、過充電検出回路２は正常時にハイレベル信号（Ｈｉ）を出力する。全単電池が正常なときは、過充電出力信号としてＨｉが出力される。過充電出力信号がＨｉで出力されることにより、ＦＥＴ等の半導体素子を含んで構成されるスイッチ１０がオン状態となり、充放電電流の通電が許容される。一方、過充電時には、過充電出力信号がローレベル信号（Ｌｏ）で出力される。これにより、スイッチ１０がオフ状態となり、充放電電流が遮断される。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１８６１７３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の保護回路では、正常時に半導体素子をオン状態としなければ充放電ができないため、想定される充放電電流を連続的に通電可能な半導体素子が必要となる。従って、組電池を大電流で充放電する場合には半導体素子の発熱、容積が大きくなると共に、コスト高となる、という問題がある。特に、最近実用化されている電気自動車用のリチウムイオン二次電池等では、１００Ａオーダの充放電電流が通電されるので、大電流を許容する半導体素子を電池モジュール９側に設けることが発熱、容積及びコストの点で難しく、電池モジュール９側には過充電信号端子のみを具備して充放電電源６側で充電電流を遮断する構成とするものが多い（図２参照）。しかし、この構成では電池モジュール側に充放電電流を遮断する素子を内蔵していないので、例えば、充放電電源側が故障し電池モジュールが過充電された場合に充電電流の遮断が行えず、組電池を構成する各単電池の安全性を損ねる可能性を有している。
【０００６】
本発明は上記事案に鑑み、充放電電流を通電制御する半導体素子を用いずに、過充電時に充放電電流の遮断が可能な電池用保護回路を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、１個以上の単電池を有する電池の＋端子と＋充放電端子との間又は前記電池の−端子と−充放電端子との間に過大電流遮断用ヒューズを挿入した電池用保護回路において、前記＋充放電端子と前記−充放電端子との間に短絡を許容するための短絡許容回路を有し、前記単電池が過充電となった場合に前記短絡許容回路を動作させて前記電池に短絡電流を流し、前記過大電流通電用ヒューズを遮断することを特徴とする。
【０００８】
本発明では、正常時には、充放電電流が過大電流遮断用ヒューズを介して流れることで電池の充放電が行われ、過充電時には、＋充放電端子と−充放電端子と間に設けられた短絡許容回路が動作し、ヒューズに短絡電流が流れヒューズの溶断により充電電流が遮断される。本発明によれば、＋充放電端子と−充放電端子との間に短絡を許容するための短絡許容回路を有するので、過充電時に充放電電流を遮断することができると共に、正常時に大電流での充放電が可能であり、かつ、通常の充放電電流制御用の半導体素子が不要となるので、半導体素子の発熱・容積・コストを抑えた電池用保護回路を得ることができる。
【０００９】
この場合に、短絡許容回路は、半導体素子又はリレーを有して構成するようにしてもよい。また、複数個の単電池で構成される組電池で電圧が高い場合には、短絡電流が大きすぎて半導体素子又はリレー等の接点が瞬時に溶断して過大電流遮断用ヒューズを溶断できない可能性もあるので、短絡許容回路は電流制限用の素子を有して構成することで、確実にヒューズを溶断して過充電電流を遮断することができる。更に、短絡許容回路が動作する時間を該短絡許容回路が損傷しない時間に制限すれば、過充電後、ヒューズを交換することで電池の充放電の復帰が可能となると共に、半導体素子又はリレー等の容量を小さくして、発熱・容積・コストを抑えることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る電池用保護回路を電池モジュールに適用した実施の形態について説明する。
【００１１】
図１に示すように、本実施形態の電池モジュール９は、複数個の単電池を直列接続して構成した組電池１を備えている。単電池１には、例えば、マンガン酸リチウムを正極活物質とした正極と、非晶質炭素を負極活物質とした負極とを、６フッ化リン酸リチウムを有機溶媒に溶解した非水電解液等を介してカップリングしたリチウムイオン二次電池を用いることができる。
【００１２】
組電池１の最上位単電池の＋端子は過大電流遮断用のヒューズ５の一端に接続されており、ヒューズ５の他端は電池モジュール９の＋充放電端子を介して充放電電源６に接続されている。一方、組電池の最下位単電池の−端子は−充放電端子を介して充放電電源６に接続されている。なお、充放電電源６は、電池モジュール９の充電時には充電器として機能し、電池モジュール９の放電時には負荷として機能するものである。
【００１３】
組電池１を構成する各単電池の＋端子及び−端子は、単電池の電圧が、予め定められた電圧（過充電電圧）以上か否かを判定する過充電検出回路２に接続されている。過充電検出回路２は、例えば、ＯＰアンプ及び抵抗で構成することができる。
【００１４】
また、電池モジュール９は、＋充放電端子と−充放電端子との間に充放電電流の短絡を許容する短絡許容回路２０を内蔵している。短絡許容回路２０は、ＮＰＮ型のトランジスタ３、４及びトランジスタ３、４への短絡電流を制限するための抵抗７、８で構成されている。詳述すれば、各過充電検出回路２の出力端子がトランジスタ３のベースに接続されており、トランジスタ３のコレクタは最上位単電池の＋端子に接続されている。トランジスタ３のエミッタは他端が−充放電端子に接続された抵抗８の一端に接続されており、そこから分岐してトランジスタ４のベースに接続されている。トランジスタ４のコレクタは、他端が＋充放電端子に接続された抵抗７の一端に接続されており、エミッタは−充放電端子に接続されている。
【００１５】
次に、本実施形態の電池モジュール９の動作について説明する。
【００１６】
組電池１を構成する各単電池の電圧は各過充電検出回路２で判定され、正常時に過充電検出回路２はＬｏを出力する。これにより、トランジスタ３はオフ状態となり、トランジスタ４もオフ状態となるため、短絡電流はヒューズ５には流れない。過充電時には、過充電検出回路２はＨｉの信号を出力し、トランジスタ３がオン状態となり、トランジスタ４もオン状態となる。これにより、組電池１の最上位単電池の＋端子、ヒューズ５、抵抗７、トランジスタ４、組電池１の最下位単電池の−端子には閉回路が形成され、短絡電流が抵抗７を通じてヒューズ５に流れ、ヒューズ５が溶断し、充電電流を遮断する。ヒューズ５が溶断すると、閉回路は開回路となり、トランジスタ４には短絡電流が流れなくなる。従って、トランジスタ４に短絡電流が流れるのは、ヒューズ５に短絡電流が流れ始めてから溶断するまでの極めて短い時間である。
【００１７】
次に、本実施形態の電池モジュール９の作用等について説明する。
【００１８】
本実施形態の電池モジュール９は、＋充放電端子と−充放電端子との間に充放電電流の短絡を許容する短絡許容回路２０を内蔵しているため、発熱・容積・コストの面で問題となる充放電電流を通電制御する半導体素子（図２のスイッチ１０）を用いずに、過充電時に短絡許容回路２０を動作させヒューズ５を溶断することで充放電電流の遮断を行っている。ヒューズ５を溶断するには大電流が必要であるが、電池モジュール９では、その電力を組電池１から取り出しており、特別な電源は必要なく、かつ、ヒューズ５の溶断時間は短時間で良いため、発熱・容積・コストの小さい比較的小容量の半導体素子（トランジスタ３、４）を用いて短絡許容回路２０を構成することができる。従って、本実施形態の電池モジュール９によれば、従来の電池用保護回路のように、充放電電流の通電を許容する半導体素子は不要となり、過充電時にヒューズ６の溶断電流を短時間流す半導体素子で構成することが可能なため、発熱・容積・コストを抑えることができる。
【００１９】
また、本実施形態の電池モジュール９では、ヒューズ５が溶断した場合に、ヒューズ５を交換するだけで再使用可能であり、かつ、短絡許容回路２０は充放電電源６側ではなく電池モジュール９側に内蔵可能なため、電池モジュール９単体で単電池の過充電保護ができる点、工業的価値極めて大なるものである。
【００２０】
更に、本実施形態の電池モジュール９では、短絡許容回路２０に短絡電流を制限する抵抗７、８を有して構成したので、半導体素子（トランジスタ３、４）が瞬時に溶断してヒューズ５を溶断できないという可能性を排除している。従って、電池モジュール９では、確実に充放電電源６からの過充電電流を遮断することができる。
【００２１】
なお、本実施形態では、短絡許容回路２０を構成する半導体素子にバイポーラ・トランジスタを例示したが、本発明はこれに限定されることなく、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等を用いるようにしてもよい。また、本実施形態では、短絡許容回路２０を半導体素子を有して構成する例を示したが、本発明はこれに制限されず、例えば、トランジスタ４をリレーに代える等、リレーを有して構成するようにしてもよい。このような構成でも、抵抗７はリレーの接点が瞬時に溶断することを防止し、ヒューズ５の溶断を確保する機能を有している。
【００２２】
また、本実施形態では、ヒューズ５を最上位単電池の＋端子と電池モジュール９の＋充放電端子との間に挿入した例を示したが、ヒューズ５は最下位単電池の−端子と電池モジュール９の−充放電端子との間に挿入するようにしてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、＋充放電端子と−充放電端子との間に短絡を許容するための短絡許容回路を有するので、過充電時に充放電電流を遮断することができると共に、正常時に大電流での充放電が可能であり、かつ、通常の充放電電流制御用の半導体素子が不要となるので、半導体素子の発熱・容積・コストを抑えた電池用保護回路を得ることができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施形態の電池モジュールのブロック回路図である。
【図２】従来の電池用保護回路を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
１  組電池（電池）
３、４  トランジスタ（半導体素子）
５  ヒューズ
７、８  抵抗（電流制限用の素子）
９  電池モジュール（電池用保護回路）
２０  短絡許容回路
【図１】
2004164982.tif 000003
【図２】
2004164982.tif 000004