(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の二次電池を接続し、各二次電池の電圧を検出して、過充電、過放電の異常状態に対応する電池電圧が検出されたとき、入出力回路を遮断する電池保護装置が設けられてなる電池パックであって、
電池容量が同等の複数の二次電池を満充電後に放電終了電圧に達するまで放電させて得た電池容量が所定の範囲内にあり、部分充電として所定の充電量を充電した後に測定した開路電圧の電圧差が０．１Ｖの範囲内にある複数の二次電池を直列接続する構成にしたことを特徴とする電池パック。
【請求項２】
所定の充電量に部分充電された複数のリチウム二次電池を接続し、各リチウム二次電池の電圧を検出して、過充電、過放電の異常状態に対応する電池電圧が検出されたとき、入出力回路を遮断する電池保護装置が設けられてなる電池パックであって、
電池容量が同等の複数の二次電池を満充電後に放電終了電圧に達するまで放電させて得た電池容量が所定の範囲内にあり、部分充電する充電量Ｃの範囲が２０％〜４０％未満での部分充電後の開路電圧Ｅを３．６（Ｖ）＋Ｃ（％）×０．００３３〜３．７（Ｖ）＋Ｃ（％）×０．００３３未満の範囲内の複数のリチウム二次電池を直列接続する構成にしたことを特徴とする電池パック。
【請求項３】
所定の充電量に部分充電された複数の二次電池を直列接続し、各二次電池毎にそれぞれ抵抗器を通じて制御回路の各二次電池毎の電圧検出用電極に接続することによって各二次電池毎の電池電圧を検出し、過充電、過放電の異常状態に対応する電池電圧が検出されたとき、入出力回路に直列接続されたスイッチング素子をＯＦＦに制御して各二次電池を保護する電池保護装置を備え、前記各電圧検出用電極からそれぞれ各二次電池毎の検査端子に接続し、各検査端子に前記異常状態に対応する電圧を印加したとき、正極入出力回路の遮断動作がなされることを検査して構成される電池パックにおいて、この電池パックの正極入出力端子と直列接続された正極端の二次電池に対応する検査端子との間に接続することにより、正極端の二次電池に対応する抵抗器の両端電圧を検出し、抵抗器の既知の抵抗値と検出された両端電圧とから、各二次電池から制御回路に流れる電流値を算出する電流値算出部と、前記正極端の二次電池を除く他の二次電池それぞれに対応する各検査端子にそれぞれ接続して、前記他の二次電池それぞれから制御回路に流れる電流を打ち消す方向に前記電流値算出手段によって算出された電流値の電流を流す補償電流印加部と、前記正極入出力端子、前記他の二次電池に対応する各検査端子及び負極入出力端子に接続して、各二次電池それぞれの電圧を測定する電圧測定部と、前記電圧測定部によって測定された各二次電池それぞれの電圧が、予め設定された最大電圧と最小電圧との範囲内にあるか否かを判定する電圧バランス判定部と、を具備してなることを特徴とする電池パックの電圧バランス測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン二次電池等の複数の二次電池を直列接続してなる電池パックと、この電池パックを構成する各二次電池それぞれの電圧を測定して複数の二次電池の電圧バランスを判定する電圧バランス測定装置とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池を電源として駆動される機器が高い動作電圧を必要とする場合には、複数の二次電池を直列接続して出力電圧を高くした電池パックが構成される。このような電池パックの充電は、直列接続された二次電池の両端に所定の充電電圧を印加して、複数の二次電池のうちのいずれかが充電停止電圧に達したとき、充電完了と見做して充電を停止する。
【０００３】
しかしながら、複数の二次電池個々の電池電圧に差があると、その中の最も高い電池電圧にある二次電池は最も早く充電停止電圧に達して充電が停止されるので、他の二次電池は満充電に達しない状態のままで充電が停止されてしまうことになる。これでは直列接続された複数の二次電池による電池容量の利用率は低下し、電池パックとしての充分な能力を取り出すことができない。
【０００４】
このような直列接続された複数の二次電池の充電量が不揃いになる問題点を解決するために、特開平６−１６５３９９号公報では、直列接続された複数の二次電池の１つが満充電になったときには、この二次電池の充電を停止し、満充電に達していない他の二次電池の充電を継続させる構成が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述の直列接続された複数の二次電池の充電量が不揃いになる要因は、電池パックとして組み合わせたときの個々の二次電池の電池電圧の不揃いにある。二次電池は製造後に満充電した後、放電終止電圧に達するまで放電させたときの放電持続時間によって電池容量を算出し、所定の電池容量のものについて所定充電量に部分充電して出荷される。この部分充電時の充電量のばらつきや、充電時の環境温度の変化による電池特性の変化に伴う充電量の差により、電池パックとして組み合わせた複数の二次電池の電池電圧に不揃いが生じる。
【０００６】
この部分充電された状態の二次電池を複数個用いて電池パックを形成するが、この電池パックの形成時に複数の二次電池をその電池電圧が均等なものに揃えると、従来例に示したような複雑な充電制御手段を用いることなく複数の二次電池の充電量を均等にすることができる。
【０００７】
本発明の目的とするところは、複数の二次電池を直列接続して構成する電池パックの電池容量利用率の低下を抑制する構成と、電池パックとして構成された複数の二次電池の電圧バランスを測定する電圧バランス測定装置とを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本願の第１発明は、複数の二次電池を接続し、各二次電池の電圧を検出して、過充電、過放電の異常状態に対応する電池電圧が検出されたとき、入出力回路を遮断する電池保護装置が設けられてなる電池パックであって、
電池容量が同等の複数の二次電池を満充電後に放電終了電圧に達するまで放電させて得た電池容量が所定の範囲内にあり、部分充電として所定の充電量を充電した後に測定した開路電圧の電圧差が０．１Ｖの範囲内にある複数の二次電池を直列接続する構成にしたことを特徴とする。
【０００９】
上記構成における開路電圧は二次電池の充電量に対応しているので、開路電圧の電圧差が少ない二次電池を接続すると、電池パックを充電停止電圧に至るまで充電したときの各二次電池の充電量の差は少なくなり、電池容量の利用率の低下が抑制される。前記部分充電量はそのばらつきや温度により変化するので、開路電圧を測定して、その電圧差が０．１Ｖの範囲にある二次電池を選別して電池パックを構成することにより、充電停止電圧まで充電したときの各二次電池の充電量の差は少なく電池利用率のよい電池パックを構成することができる。
【００１０】
また、本願の第２発明は、所定の充電量に部分充電された複数のリチウム二次電池を接続し、各リチウム二次電池の電圧を検出して、過充電、過放電の異常状態に対応する電池電圧が検出されたとき、入出力回路を遮断する電池保護装置が設けられてなる電池パックであって、電池容量が同等の複数の二次電池を満充電後に放電終了電圧に達するまで放電させて得た電池容量が所定の範囲内にあり、部分充電する充電量Ｃの範囲が２０％〜４０％未満での部分充電後の開路電圧Ｅを３．６（Ｖ）＋Ｃ（％）×０．００３３〜３．７（Ｖ）＋Ｃ（％）×０．００３３未満の範囲内の複数のリチウム二次電池を直列接続する構成にしたことを特徴とする電池パックである。
【００１１】
上記構成によれば、リチウム二次電池の場合においては、同一充電量Ｃで部分充電されたリチウム二次電池の開路電圧を測定して、関係式で示される範囲内の開路電圧の二次電池を選別し、これを用いて電池パックを構成すると、各二次電池の電圧差の少ない電池パックを構成することができ、充電停止電圧まで充電したときの各二次電池の充電量の差は少なく電池容量利用率の高い電池パックを構成することができる。
【００１２】
また、本願の第３発明は、所定の充電量に部分充電された複数の二次電池を直列接続し、各二次電池毎にそれぞれ抵抗器を通じて制御回路の各二次電池毎の電圧検出用電極に接続することによって各二次電池毎の電池電圧を検出し、過充電、過放電の異常状態に対応する電池電圧が検出されたとき、入出力回路に直列接続されたスイッチング素子をＯＦＦに制御して各二次電池を保護する電池保護装置を備え、前記各電圧検出用電極からそれぞれ各二次電池毎の検査端子に接続し、各検査端子に前記異常状態に対応する電圧を印加したとき、正極入出力回路の遮断動作がなされることを検査して構成される電池パックにおいて、この電池パックの正極入出力端子と直列接続された正極端の二次電池に対応する検査端子との間に接続することにより、正極端の二次電池に対応する抵抗器の両端電圧を検出し、抵抗器の既知の抵抗値と検出された両端電圧とから、各二次電池から制御回路に流れる電流値を算出する電流値算出部と、前記正極端の二次電池を除く他の二次電池それぞれに対応する各検査端子にそれぞれ接続して、前記他の二次電池それぞれから制御回路に流れる電流を打ち消す方向に前記電流値算出手段によって算出された電流値の電流を流す補償電流印加部と、前記正極入出力端子、前記他の二次電池に対応する各検査端子及び負極入出力端子に接続して、各二次電池それぞれの電圧を測定する電圧測定部と、前記電圧測定部によって測定された各二次電池それぞれの電圧が、予め設定された最大電圧と最小電圧との範囲内にあるか否かを判定する電圧バランス判定部と、を具備してなることを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、電池パックを構成する複数の二次電池それぞれの電圧は、電池パックの電池保護動作を検査する検査端子と正負の入出力端子とを利用して測定することができる。複数の二次電池を直列接続して電池パックを構成するとき、各二次電池の充電量が均等な状態にする必要があり、各二次電池の充電量はそれぞれの電圧から判定できるので、各二次電池の電圧バランスを測定することによって充電量のばらつきが検出できる。各二次電池の電圧はそれぞれの正負両極間から検出できるが、電池パックとして完成された状態ではパックケース内にある二次電池に電圧測定手段を触針させることはできない。そこで、本発明では保護回路を備えた電池パックに設けられる検査端子を利用して各二次電池の電圧を測定することができるので、電圧バランスの判定のために各二次電池の正負両極から電圧バランス判定用の端子を設けることによるスペース占拠の無駄やコストアップを伴うことなく電圧バランスを判定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１５】
図１は、リチウムイオン二次電池を用いた電池パックの実施形態を示すもので、電池パック１は、直列接続された３個のリチウムイオン二次電池（以下、二次電池）５ａ、５ｂ、５ｃと、各二次電池５ａ〜５ｃを過充電、過放電等から保護する電池保護装置とを備え、この電池保護装置は、制御回路ＩＣ４により各二次電池５ａ〜５ｃの電圧を検出して、電池電圧が過充電、過放電等の異常状態に至る電圧になったとき、ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子２１、２２、２３を制御して正極入出力回路を遮断するように構成されている。
【００１６】
この電池パック１には、直列接続された正極端の二次電池５ａの正極からスイッチング素子２１、２２を通じて接続された正極入出力端子２と、負極端の二次電池５ｃの負極に接続された負極入出力端子３と、検査端子８ａ、８ｂ、８ｃとが外部に露出する端子として設けられている。前記検査端子８ａ、８ｂ、８ｃは、この電池パック１の動作テスト用の端子であって、この端子から各二次電池５ａ、５ｂ、５ｃが過充電や過放電になった異常状態に相当する電圧を制御回路ＩＣ４の各電圧検出電極４ａ、４ｂ、４ｃに印加して、電池保護装置が正常に動作するか否かを検査するためのものである。
【００１７】
上記構成において、各二次電池５ａ、５ｂ、５ｃそれぞれの正極は、それぞれ抵抗器７ａ、７ｂ、７ｃを通じて制御回路ＩＣ４の各電圧検出電極４ａ、４ｂ、４ｃに接続されているので、制御回路ＩＣ４は各二次電池５ａ、５ｂ、５ｃそれぞれの電圧を検出することができる。制御回路ＩＣ４は各二次電池５ａ、５ｂ、５ｃの電圧を監視して、電池パック１の充電時には、設定された過充電状態に対応する電圧（充電停止電圧）が各二次電池５ａ、５ｂ、５ｃのいずれかから検出されたときには、スイッチング素子２１を０ＦＦに制御して正極入出力回路を遮断し、二次電池５ａ〜５ｃが過充電状態となることを防止する。また、電池パック１の放電時には、設定された過放電状態に対応する電圧（放電終止電圧）が各二次電池５ａ、５ｂ、５ｃのいずれかから検出されたときには、スイッチング素子２３を介してスイッチング素子２２をＯＦＦに制御して正極入出力回路を遮断し、二次電池５ａ〜５ｃが過放電状態となることを防止する。リチウムイオン二次電池は過充電や過放電により劣化をまねき、サイクル寿命を著しく低下させるので、この電池保護装置の構成により安全な使用が可能となる。
【００１８】
この電池パック１のように複数の二次電池５ａ〜５ｃを直列接続して構成した場合、制御回路ＩＣ４の過充電防止の機能により、各二次電池５ａ、５ｂ、５ｃのいずれかから充電停止電圧が検出されたとき充電は停止される。従って、各二次電池５ａ〜５ｃそれぞれの初期状態の電池電圧に差があると、充電停止電圧となった電池以外の電池は満充電になる以前に充電が停止されてしまうことになる。このような各二次電池５ａ〜５ｃの電池電圧のばらつきは、放電時には電池電圧の小さい電池が最も早く放電終止電圧に達し、過放電防止の機能により他の電池に放電可能な電池容量があっても放電停止となってしまう。この電池電圧のばらつきは、電池パック１としての電池容量の利用率を低下させることになる。
【００１９】
二次電池５ａ〜５ｃは、その製造工程において電池として組み立てられた後、満充電し、これを放電終止電圧に達するまで放電させたときの放電持続時間から電池容量が算出され、所定の電池容量を有するものだけが選別される。この後、所定の充電量で部分充電されて出荷状態に完成される。この部分充電された二次電池５ａ〜５ｃを用いて電池パック１が構成されるので、各二次電池５ａ〜５ｃは同一の部分充電量のものが採用される。しかしながら、充電電気量や電池性能のばらつき、あるいは充電時の環境温度によって電池性能が変化することから、電池パック１として構成した複数の二次電池５ａ〜５ｃが同一の電池電圧となっているとは限らない。もし、電池電圧の差が大きい二次電池５ａ〜５ｃの組み合わせに構成されたときには、前述のような電池容量の利用率の低い電池パック１が形成されてしまうことになる。
【００２０】
そこで、電池電圧が均等な二次電池５ａ〜５ｃを用いて電池パック１を構成するために、本実施形態では以下に示す第１及び第２の実施形態による電池パック１の構成を提供する。
（１）電池容量の利用率を低下させない許容範囲の電池電圧によって選別された二次電池５ａ〜５ｃにより電池パック１を構成する。
（２）電池パック１に構成された複数の二次電池５ａ〜５ｃが電池容量の利用率を低下させない状態にあるか否かを各二次電池５ａ〜５ｃの電圧測定から選別して電池パック１を構成する。
【００２１】
まず、第１の実施形態による電池パック１は、図２に示すように選別された二次電池を用いて組み立てられる。製造された二次電池について、前述したように満充電し（Ｓ１）、これを放電終止電圧に達するまで放電させたとき（Ｓ２）、その放電持続時間から電池容量を算出する（Ｓ３）。算出された電池容量が所定範囲内にある二次電池を選別した後（Ｓ４）、所定の充電量に部分充電する（Ｓ５）。この部分充電された二次電池について開路電圧を測定する（Ｓ６）。測定された開路電圧の電圧差が０．１Ｖの範囲内にある二次電池を選別し（Ｓ７）、選別された二次電池を用いて電池パック１を組み立てる（Ｓ８）。
【００２２】
前記開路電圧は、図３に充電量（横軸％）と電圧（縦軸Ｖ）との関係を示すグラフのように、充電量に対応しているので、開路電圧を測定すると、その二次電池の充電量を検知することができる。しかし、同一の充電量であっても電池性能や充電電気量のばらつき、あるいは温度条件等によって開路電圧に差が生じる。そこで、開路電圧を測定して電圧差が０．１Ｖの範囲内にある二次電池を選別し、この選別された二次電池を用いて電池パック１を構成することにより、電池容量の利用率の低下を抑制した電池パック１を構成することができる。
【００２３】
これをリチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池等のリチウム二次電池に限定したときには、充電量Ｃ（％）で部分充電された二次電池の開路電圧Ｅを測定し、その電圧が下式（１）に示す範囲内にあるものを選別して電池パック１に組み立てると、電池容量の利用率の低下を抑制することができる。
【００２４】
３．６（Ｖ）＋Ｃ（％）×ｋ≦Ｅ＜３．７（Ｖ）＋Ｃ（％）×ｋ……（１）
但し、充電量Ｃは２０％≦Ｃ＜４０％、係数ｋ＝０．００３３とする。
【００２５】
以上の説明のように、二次電池の開路電圧を測定して、開路電圧が所定範囲にあるものを組み合わせて電池パック１を構成すると、直列接続された各二次電池の電圧バランス、即ち充電量が均等化されているので、複数の二次電池が同等に充電及び放電するようになり、電池容量の利用率の高い電池パック１を構成することができる。
【００２６】
逆に、電池パック１として組み立てた状態から各二次電池の電圧バランスを検出することもできるが、そのためには、電池パック１のパックケースを開放し、収容されている各二次電池の正負両極に検針プローブを当てることを要し、パックケースは一般に接合封止されているため、この作業は困難となる。そこで、各二次電池の正負両極から電圧バランス検出用の端子にリード接続することが考えられるが、小型化、薄型化された電池パック１では、端子を設けるスペースを確保することは容易でなく、一時使用のためにこれを設けることはコスト的にも得策とはいえない。
【００２７】
そこで、第２の実施形態では、電池パック１に構成された各二次電池の電圧バランスを既設の端子を用いて測定することを可能にした電圧バランス測定装置について説明する。
【００２８】
図４は、電圧バランス測定装置１０の構成と、電池パック１に接続して二次電池５ａ、５ｂ、５ｃの電圧バランスを測定する状態とを示すものである。電圧バランス測定装置１０は、電池パック１の正極入出力端子２と、検査端子８ａとに接続して、直列接続された正極端の二次電池５ａの正極と制御回路ＩＣ４の電圧検出電極４ａとの間に接続された抵抗器７ａの両端電圧を測定して、この両端電圧から補償電流の値を算出する電流値算出部１１と、電池パック１の検査端子８ｂ、８ｃに接続して、抵抗器７ｂ、７ｃに前記補償電流を印加する補償電流印加部１２と、電池パック１の正極入出力端子２、負極入出力端子３及び検査端子８ｂ、８ｃに接続して各二次電池５ａ、５ｂ、５ｃそれぞれの電圧を測定する電圧測定部１３と、この電圧測定部１３によって測定された各二次電池５ａ、５ｂ、５ｃそれぞれの電圧から電圧バランスを判定する電圧バランス判定部１４とを備えて構成されている。これら各部の動作について以下に説明する。
【００２９】
まず、電流値算出部１１は、正極入出力端子２と検査端子８ａとに接続される。正極入出力端子２はスイッチング素子２２、２１を通じて二次電池５ａの正極に接続され、検査端子８ａは制御回路ＩＣ４の電圧検出電極４ａに接続されているので、電流値算出部１１は抵抗器７ａの両端に接続された状態となる。即ち、スイッチング素子２１、２２として用いたＭＯＳＦＥＴのソース−ドレイン間は正常状態においては制御回路ＩＣ４によって導通状態に制御されているので、ソース−ドレイン間の無視できる低抵抗により正極入出力端子２は二次電池５ａの正極に接続され、検査端子８ａの接続によって電流値算出部１１は抵抗器７ａの両端に接続される。制御回路ＩＣ４の電圧検出電極４ａには制御回路ＩＣ４内に構成された電圧比較のためのコンパレータ回路が接続されており、二次電池５ａから電圧検出電極４ａに向けて微小電流が流れ、これが抵抗器７ａを流れるので、電流値算出部１１により抵抗器７ａの両端電圧を測定すると、抵抗器７ａの既知の抵抗値と両端電圧とから前記微小電流の電流値が算出できる。
【００３０】
二次電池５ａから電圧検出電極４ａに向けて流れる微小電流は、二次電池５ｂから電圧検出電極４ｂに、二次電池５ｃから電圧検出電極４ｃに流れる微小電流と同一条件にあるので、抵抗器７ａについて電流値を求めることによって、二次電池５ｂに対応する抵抗器７ｂ、二次電池５ｃに対応する抵抗器７ｃを流れる電流値も得ることができる。算出された微小電流の電流値は電流値算出部１１から補償電流印加部１２に入力される。
【００３１】
補償電流印加部１２は、入力された電流値と同一値の補償電流を発生させて、これを検査端子８ｂ、８ｃからそれぞれ抵抗器７ｂ、７ｃを通じて、それぞれ二次電池５ｂ、５ｃに向けて流れるように印加する。この補償電流は、二次電池５ｂ、５ｃから電圧検出電極４ｂ、４ｃに向けて流れる微小電流と同一値であり、電流方向が逆方向となるので、それぞれ二次電池５ｂ、５ｃから電圧検出電極４ｂ、４ｃに向けて流れる微小電流は打ち消された状態となる。即ち、電流の打ち消しにより抵抗器７ｂ、７ｃの両端電圧は同一となり、検査端子８ｂ、８ｃからそれぞれ二次電池５ｂ、５ｃが測定できる状態となる。
【００３２】
電圧測定部１３は、正極入出力端子２、負極入出力端子３及び検査端子８ｂ、８ｃに接続しているので、前記補償電流が印加された状態で各二次電池５ａ、５ｂ、５ｃそれぞれの電圧を測定することができる。測定された各二次電池５ａ、５ｂ、５ｃそれぞれの電圧は電圧バランス判定部１４に入力される。
【００３３】
電圧バランス判定部１４は、各二次電池５ａ、５ｂ、５ｃの電圧差が所定の範囲内にあるか否かから、電圧バランスを判定して判定結果を出力する。この判定部１４によって電圧バランスが所定範囲内であった電池パック１のみを検査合格とすることにより、電池容量の利用率を低下させない電池パック１を構成することができる。
【００３４】
以上説明した実施形態においては、３個の二次電池５ａ、５ｂ、５ｃを用いた電池パック１の例を示したが、使用する電池数が増減しても同様に構成することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、複数の二次電池を直列接続して構成された電池パックの各二次電池それぞれの電池電圧を所定の範囲内にして構成することができるので、充電停止電圧の検出による充電完了時に各二次電池の充電量に大きな差が生じることがなく、放電終止電圧まで放電させたときにも充電量を大きく残した状態の二次電池が発生しない。従って、複数の二次電池はそれぞれの電池容量の利用率が高い状態で使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る電池パックの構成を示す回路図。
【図２】第１の実施形態に係る二次電池の選別による電池パックの組み立てに至る工程を示すフローチャート。
【図３】リチウムイオン二次電池の充電量と電圧との関係を示すグラフ。
【図４】第２の実施形態に係る電圧バランス測定装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１  電池パック
２  正極入出力端子
３  負極入出力端子
４  制御回路ＩＣ
４ａ、４ｂ、４ｃ  電圧検出電極
５ａ、５ｂ、５ｃ  二次電池
７ａ、７ｂ、７ｃ  抵抗器
８ａ、８ｂ、８ｃ  検査端子
１０  電圧バランス測定装置
１１  電流値算出部
１２  補償電流印加部
１３  電圧測定部
１４  電圧バランス判定部
２１、２２  スイッチング素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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