(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電できる電池(1)と、この電池(1)と出力端子(5)との間に接続している半導体スイッチング素子(2)と、この半導体スイッチング素子(2)をオンオフに制御する保護回路(3)と、電池(1)の温度を検出する温度センサ(4)と、この温度センサ(4)に接続している温度端子(6)とを備えるパック電池であって、
前記半導体スイッチング素子(2)の温度を検出するサブ温度センサ(7)、(47)、(57)と、前記温度センサ(4)に並列又は直列に接続されて、サブ温度センサ(7)、(47)、(57)の検出温度が設定温度よりも高くなる状態で温度端子(6)のインピーダンスを変更するインピーダンス変換スイッチ(8)、(38)、(48)、(58)とを備えるパック電池。
【請求項２】
前記インピーダンス変換スイッチ(8)が前記温度センサ(4)と並列に接続され、前記サブ温度センサ(7)の検出温度が設定温度よりも高くなる状態では、インピーダンス変換スイッチ(8)がオフからオンに切り換えられて、温度端子(6)のインピーダンスを低く変更するようにしてなる請求項１に記載されるパック電池。
【請求項３】
前記インピーダンス変換スイッチ(38)が前記温度センサ(4)と直列に接続され、前記サブ温度センサ(7)の検出温度が設定温度よりも高くなる状態では、インピーダンス変換スイッチ(38)がオンからオフに切り換えられて、温度端子(6)のインピーダンスを高く変更するようにしてなる請求項１に記載されるパック電池。
【請求項４】
前記インピーダンス変換スイッチ(8)、(38)がＦＥＴとトランジスタのいずれかである請求項１に記載されるパック電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パック電池がセットされる接続機器に、異常な状態を示す信号を出力するパック電池に関し、とくに、接続機器に接続される端子のインピーダンスを変更して異常な状態を接続機器に伝送するパック電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池の異常な状態である過充電や過放電を検出して、接続機器に接続される温度端子のインピーダンスを変更するパック電池は開発されている。（特許文献１参照）
【０００３】
特許文献１のパック電池は、図１に示すように、サーミスタ９４と並列にトランジスタ９８を接続している。このトランジスタ９８は、直列に接続している各々の電池９１の電圧を検出して、電池９１の異常な状態を検出する異常検出部９３でオンオフに制御される。いずれかの電池９１が過充電や過放電になって電圧が異常な状態になると、異常検出部９３はトランジスタ９８をオンに切り換える。オン状態のトランジスタ９８は、サーミスタ９４の両端を短絡して、サーミスタ９４を接続している温度端子９６のインピーダンスを低くする。
【特許文献１】特開平９−２３３７１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１の回路構成のパック電池は、電池９１の過充電や過放電で温度端子９６のインピーダンスを低くする。このため、電池９１の過充電や過放電を検出する保護回路９３が故障しても、パック電池がセットされる接続機器に電池の異常な状態を知らせることができる。しかしながら、この回路構成のパック電池は、保護回路９３で制御されるスイッチング素子９２の故障を速やかに接続機器に知らせることができない。スイッチング素子は、電池に直列に接続されて電池電流が流れることから大きな放電電流が流れて故障することがある。とくに、負荷が短絡する状態では極めて大きな電流が流れて故障することがある。図１のパック電池は、たとえば、放電を制御するスイッチング素子が短絡状態で故障するとき、接続機器に速やかに異常状態を知らせることができない。それは、短絡したスイッチング素子で電池が放電されて、電池の電圧が過放電電圧に低下した後、サーミスタと並列に接続しているトランジスタをオン状態に切り換えて、温度端子のインピーダンスを低下させるからである。
【０００５】
本発明は、極めて簡単な回路構成としながら、従来の以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、電池と直列に接続している半導体スイッチング素子の故障や、電池の異常な状態を速やかに検出して接続機器に異常信号を伝送できるパック電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のパック電池は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
本発明の請求項１のパック電池は、充電できる電池１と、この電池１と出力端子５との間に接続している半導体スイッチング素子２と、この半導体スイッチング素子２をオンオフに制御する保護回路３と、電池１の温度を検出する温度センサ４と、この温度センサ４に接続している温度端子６とを備える。さらに、パック電池は、半導体スイッチング素子２の温度を検出するサブ温度センサ７、４７、５７と、温度センサ４に並列又は直列に接続されて、サブ温度センサ７、４７、５７の検出温度が設定温度よりも高くなる状態で温度端子６のインピーダンスを変更するインピーダンス変換スイッチ８、３８、４８、５８とを備える。
【０００７】
本発明の請求項２のパック電池１は、インピーダンス変換スイッチ８を温度センサ４と並列に接続し、サブ温度センサ７の検出温度が設定温度よりも高くなる状態では、インピーダンス変換スイッチ８をオフからオンに切り換えて、温度端子６のインピーダンスを低く変更している。
【０００８】
本発明の請求項３のパック電池１は、インピーダンス変換スイッチ３８を温度センサ４と直列に接続し、サブ温度センサ７の検出温度が設定温度よりも高くなる状態では、インピーダンス変換スイッチ３８をオンからオフに切り換えて、温度端子６のインピーダンスを高く変更するしている。
【０００９】
本発明の請求項４のパック電池１は、インピーダンス変換スイッチ８、３８を、ＦＥＴとトランジスタのいずれかとしている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の請求項１のパック電池は、電池と直列に接続している半導体スイッチング素子の故障を速やかに検出して接続機器に異常信号を伝送できる特徴がある。それは、本発明のパック電池が、半導体スイッチング素子の温度をサブ温度センサで検出し、このサブ温度センサの検出温度が設定温度よりも高くなると、温度センサと並列又は直列に接続しているインピーダンス変換スイッチを切り換えて、温度端子のインピーダンスを変更するからである。とくに、この構造のパック電池は、温度端子を利用して半導体スイッチング素子の温度異常を接続機器に伝送するので、半導体スイッチング素子の温度異常を伝送するために専用の端子を設けることなく、インピーダンスを変更して確実に伝送できる。また、本発明のパック電池は、半導体スイッチング素子の温度異常を接続機器に伝送するので、この半導体スイッチング素子が加熱されて故障する以前に異常な状態であることを接続機器に伝送して、半導体スイッチング素子の加熱による故障を阻止することも可能で、パック電池の信頼性を相当に向上できる。 
【００１４】
また、本発明の請求項２のパック電池は、インピーダンス変換スイッチを温度センサと並列に接続して、サブ温度センサの検出温度が設定温度よりも高くなる状態では、インピーダンス変換スイッチをオフからオンに切り換えて、温度端子のインピーダンスを低く変更する。このパック電池は、半導体スイッチング素子の温度が異常に高くなると、温度端子のインピーダンスが低くなって、接続機器に半導体スイッチング素子の異常を知らせる。とくに、このパック電池は、温度センサと並列に接続しているインピーダンス変換スイッチをオンに切り換えて、温度端子をアースに短絡するので、温度端子のインピーダンスが極めて低くなり、接続機器側では半導体スイッチング素子の異常を確実に判別できる。
【００１５】
また、本発明の請求項３のパック電池は、インピーダンス変換スイッチを温度センサと直列に接続して、サブ温度センサの検出温度が設定温度よりも高くなる状態では、インピーダンス変換スイッチをオンからオフに切り換えて、温度端子のインピーダンスを高く変更する。このパック電池は、オフ状態の半導体スイッチング素子が温度端子のインピーダンスを極めて大きくするので、接続機器側では温度端子のインピーダンスが大きくなることを検出して、半導体スイッチング素子の異常を検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのパック電池を例示するものであって、本発明はパック電池を以下のものに特定しない。
【００１９】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００２０】
図２ないし図５に示すパック電池は、充電できる電池１と、この電池１と出力端子５との間に接続している半導体スイッチング素子２と、この半導体スイッチング素子２をオンオフに制御する保護回路３と、電池１の温度を検出する温度センサ４と、この温度センサ４に接続している温度端子６とを備える。
【００２１】
図のパック電池は、複数の素電池１、図においては４個の素電池１を直列に接続している。パック電池は、複数の素電池１を直列に接続して出力電圧を高くできる。ただ、本発明は、パック電池の電池を４個には特定しない。電池は、１個とすることができ、また複数の素電池を直列に接続し、あるいは複数の素電池を並列に接続して電流容量を大きくできる。電池１はリチウムイオン電池である。ただ、電池には、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池などの充電できる全ての電池を使用できる。
【００２２】
半導体スイッチング素子２は、保護回路３でオンオフに制御されて、電池１の過充電や過放電を防止する。また、電池１の温度が異常に高く、あるいは低い状態で電池１の充放電を禁止する。図のパック電池は、充電電流を遮断するスイッチング素子２Ａと放電電流を遮断するスイッチング素子２Ｂとを直列に接続している。半導体スイッチング素子２はＦＥＴである。ＦＥＴはオン状態における電圧降下が小さく電力損失を小さくできる。ただ、半導体スイッチング素子にはＦＥＴに代わって、トランジスタも使用できる。
【００２３】
保護回路３は、電池１の電圧や残容量、あるいは電流を検出して、半導体スイッチング素子２をオンオフに制御する。保護回路３は、半導体スイッチング素子２をオンオフに制御することで、電池１を保護しながらパック電池を充放電する。したがって、保護回路３は、電池１の過充電と過放電を防止するように、半導体スイッチング素子２を制御し、また電池１の過電流を防止するように半導体スイッチング素子２を制御する。保護回路３は、電池１の電圧を検出して過充電や過放電を検出し、あるいは電池１に流れる電流を積算して残容量を演算し、演算された残容量から過充電や過放電を防止するように半導体スイッチング素子２を制御する。たとえば、保護回路３は、電池１の電圧が最高電圧まで高くなり、あるいは、充電電流の積算値から残容量が１００％になるまで満充電されると、スイッチング素子２Ａをオフに切り換えて充電電流を遮断する。また、電池１の電圧が最低電圧まで低下し、あるいは放電電流から演算される残容量が０％になると、スイッチング素子２Ｂをオフに切り換えて放電電流を遮断する。また、電池１に流れる電流が電池１に許容される最大電流よりも大きいことを検出して、半導体スイッチング素子２をオフに切り換えて電池１を過大な電流から保護する。
【００２４】
保護回路３で制御される半導体スイッチング素子２は、電流のジュール熱で加熱される。半導体スイッチング素子２の発熱量は、電圧降下と電流の積に比例し、また、内部抵抗と電流の二乗に比例する。したがって、半導体スイッチング素子２は、大きな電流が流れる状態で発熱量が大きくなって温度が高くなる。さらに、半導体スイッチング素子２は、温度が異常に高くなると、内部で溶断される等の故障の原因となる。また、故障した大電流を遮断できなくなっても温度が高くなる。
【００２５】
半導体スイッチング素子２の温度は、熱結合して配設されるサブ温度センサ７、４７、４８で検出される。サブ温度センサ７、４７、４８の検出で、インピーダンス変換スイッチ８、３８、４８、５８が制御される。図２と図３のパック電池は、サブ温度センサ７の検出温度でインピーダンス変換スイッチ８、３８をオンオフに制御する温度検出部９、３９を有する。温度検出部９、３９は、インピーダンス変換スイッチ８、３８をオンオフに切り変える設定温度を記憶している。温度検出部９、３９は、サブ温度センサ７の検出温度を設定温度に比較して、検出温度が設定温度よりも高くなるとインピーダンス変換スイッチ８、３８を切り換える。
【００２６】
インピーダンス変換スイッチ８、３８は、電池１の温度を検出する温度センサ４と直列に又は並列に接続されて、温度端子６のインピーダンスを変更する。インピーダンス変換スイッチ８、３８はＦＥＴである。ただ、このインピーダンス変換スイッチは、ＦＥＴに代わってトランジスタやリレー、さらにヒューズも使用できる。
【００２７】
図２のパック電池は、インピーダンス変換スイッチ８を温度センサ４と並列に接続している。このパック電池は、半導体スイッチング素子２の温度が設定温度よりも低い状態では、インピーダンス変換スイッチ８をオフ状態とする。この状態で、温度センサ４の信号が温度端子６から出力される。半導体スイッチング素子２の温度が設定温度よりも高くなると、温度検出部９がインピーダンス変換スイッチ８をオフからオンに切り換える。オン状態のインピーダンス変換スイッチ８は、温度端子６をアースに接続して温度端子６のインピーダンスを低くする。インピーダンス変換スイッチ８に直列抵抗を接続しないパック電池は、インピーダンス変換スイッチ８をオンに切り換える状態で、温度端子６のインピーダンスは実質的に０Ωとなる。このパック電池がセットされる接続機器は、温度端子６のインピーダンスが低くなることを検出して、半導体スイッチング素子２の温度が異常に高いと判定する。
【００２８】
図３のパック電池は、インピーダンス変換スイッチ３８を温度センサ４と直列に接続している。このパック電池は、半導体スイッチング素子２の温度が設定温度よりも低い状態では、インピーダンス変換スイッチ３８をオン状態とする。この状態で、温度センサ４の信号が温度端子６から出力される。半導体スイッチング素子２の温度が設定温度よりも高くなると、温度検出部３９がインピーダンス変換スイッチ３８をオンからオフに切り換える。オフ状態のインピーダンス変換スイッチ３８は、温度センサ４をアースから切り離して温度端子６のインピーダンスを著しく大きく、絶縁抵抗を無視するとほとんど無限大に近くなる。このパック電池がセットされる接続機器は、温度端子６のインピーダンスが大きくなることを検出して、半導体スイッチング素子２の温度が異常に高いと判定する。
【００２９】
図４と図５のパック電池は、インピーダンス変換スイッチ４８、５８をヒューズとする。ヒューズからなるインピーダンス変換スイッチ４８、５８は、半導体スイッチング素子２の温度を検出するサブ温度センサ４７、５７に併用される。ヒューズは、半導体スイッチング素子２に熱結合して配設され、設定温度よりも高温に加熱された半導体スイッチング素子２で溶断される。
【００３０】
図４のパック電池は、ヒューズからなるインピーダンス変換スイッチ４８を、温度センサ４と並列に接続している。ヒューズは電気抵抗を有するものが使用される。ヒューズは温度センサ４と並列に接続される。このパック電池は、半導体スイッチング素子２の温度が設定温度よりも低い状態では、ヒューズが溶断されない。この状態で、温度端子６のインピーダンスは、ヒューズと温度センサ４の並列合成抵抗となって、この並列合成抵抗が電池１の温度信号として温度端子６から出力される。ヒューズの電気抵抗はあらかじめ特定されているので、接続機器側では、温度端子６の並列合成抵抗から温度センサ４の電気抵抗を演算し、この電気抵抗から電池１の温度を判定できる。半導体スイッチング素子２の温度が設定温度よりも高くなると、インピーダンス変換スイッチ４８であるヒューズが溶断される。インピーダンス変換スイッチ４８であるヒューズが溶断されると、温度端子６のインピーダンスは温度センサ４の電気抵抗となって、ヒューズと温度センサ４の並列合成抵抗よりも大きくなる。このパック電池がセットされる接続機器は、温度端子６のインピーダンスが大きくなることを検出して、半導体スイッチング素子２の温度が異常に高いと判定する。
【００３１】
図５のパック電池は、ヒューズからなるインピーダンス変換スイッチ５８を温度センサ４と直列に接続している。このヒューズからなるインピーダンス変換スイッチ５８は、電気抵抗の小さいものを使用する。このパック電池は、半導体スイッチング素子２の温度が設定温度よりも低い状態では、ヒューズが溶断されず、温度センサ４の信号が温度端子６から出力される。半導体スイッチング素子２の温度が設定温度よりも高くなると、インピーダンス変換スイッチ５８のヒューズが溶断される。溶断されたインピーダンス変換スイッチ５８のヒューズは、温度センサ４をアースから切り離して温度端子６のインピーダンスを著しく大きく、絶縁抵抗を無視するとほとんど無限大に近くなる。このパック電池がセットされる接続機器は、温度端子６のインピーダンスが大きくなることを検出して、半導体スイッチング素子２の温度が異常に高いと判定する。
【００３２】
さらに、図６のパック電池は、充電できる電池１と、この電池１と出力端子５との間に接続している半導体スイッチング素子２と、この半導体スイッチング素子２をオンオフに制御する保護回路１３に加えて、電池１の状態を検出して電池情報を接続機器に伝送する通信端子１０を備え、この通信端子１０にインピーダンス変換スイッチ１８を接続している。このパック電池は、インピーダンス変換スイッチ１８を通信端子１０とアースとの間に接続している。インピーダンス変換スイッチ１８は、異常検出部１１を内蔵する通信部１２に制御される。通信部１２はマイコンで、半導体スイッチング素子２の温度が異常な温度であるかどうかを判定し、また電池１の状態が異常であるかどうかを判定する異常検出部１１を備える。異常検出部１１は、半導体スイッチング素子２に熱結合しているサブ温度センサ７で半導体スイッチング素子２の温度を検出する。この検出温度から半導体スイッチング素子２の温度が異常温度まで上昇したかどうかを判定する。したがって、異常検出部１１は、半導体スイッチング素子２が異常温度かどうかを判定する設定温度を記憶している。記憶する設定温度が半導体スイッチング素子２の検出温度に比較されて、検出温度が設定温度よりも高いと、半導体スイッチング素子２が異常温度と判定して、インピーダンス変換スイッチ１８をオフからオンに切り換える。
【００３３】
したがって、図６のパック電池は、半導体スイッチング素子２の温度が設定温度よりも低い状態では、異常検出部１１がインピーダンス変換スイッチ１８をオフ状態に保持する。この状態で、通信部１２の信号は通信端子１０を介して接続機器に出力され、あるいは接続機器から通信部１２に信号が入力される。半導体スイッチング素子２の温度が設定温度よりも高くなると、異常検出部１１がインピーダンス変換スイッチ１８をオフからオンに切り換える。オン状態のインピーダンス変換スイッチ１８は、通信端子１０をアースに接続して通信端子１０のインピーダンスを低くする。このパック電池がセットされる接続機器は、通信端子１０のインピーダンスが低くなることを検出して、半導体スイッチング素子２の温度が異常に高いと判定する。
【００３４】
さらに、異常検出部１１は、電池１の状態、たとえば電池１の過充電、過放電、異常温度、過大電流を検出して、インピーダンス変換スイッチ１８を切り換える。このパック電池は、電池１の状態が正常であると、異常検出部１１がインピーダンス変換スイッチ１８をオフ状態に保持する。この状態で、通信部１２の信号は通信端子１０を介して接続機器に出力され、あるいは接続機器から通信部１２に信号が入力される。電池１が異常な状態になると、異常検出部１１がインピーダンス変換スイッチ１８をオフからオンに切り換える。オン状態のインピーダンス変換スイッチ１８は、通信端子１０をアースに接続して通信端子１０のインピーダンスを低くする。このパック電池がセットされる接続機器は、通信端子１０のインピーダンスが低くなることを検出して、電池１の状態が異常であることを判定する。このパック電池は、通常の状態で電池１の状態が通信端子１０から正常に接続機器に伝送されるが、この状態に加えて、さらに電池１の状態が異常になると、通信端子１０を短絡してこのことを接続機器に確実に伝送する。
なお、図６のパック電池においては、異常検出部１１からの信号で動作するインピーダンス変換スイッチ１８を通信端子１０に接続しているが、参考例として、これに代わって、温度端子６に接続して、温度端子６にて、同様に、異常を検出することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来のパック電池の回路図である。
【図２】本発明の一実施例にかかるパック電池の回路図である。
【図３】本発明の他の実施例にかかるパック電池の回路図である。
【図４】本発明の他の実施例にかかるパック電池の回路図である。
【図５】本発明の他の実施例にかかるパック電池の回路図である。
【図６】本発明の他の実施例にかかるパック電池の回路図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…電池
２…半導体スイッチング素子      ２Ａ…スイッチング素子
２Ｂ…スイッチング素子
３…保護回路
４…温度センサ
５…出力端子
６…温度端子
７…サブ温度センサ
８…インピーダンス変換スイッチ
９…温度検出部
１０…通信端子
１１…異常検出部
１２…通信部
１３…保護回路
１８…インピーダンス変換スイッチ
３８…インピーダンス変換スイッチ
３９…温度検出部
４７…サブ温度センサ
４８…インピーダンス変換スイッチ
５７…サブ温度センサ
５８…インピーダンス変換スイッチ
９１…電池
９２…スイッチング素子
９３…保護回路
９４…サーミスタ
９６…温度端子
９８…トランジスタ
９９…異常検出部
【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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【図６】
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