(57)【要約】【課題】バッテリパックにおいて、より安全性の高いバッテリ保護動作を実行できるようにする。【解決手段】バッテリセルの正極と負極との間の電圧検出結果に基づく過充電状態および過放電状態と、バッテリセルの充放電電流の検出結果に基づき、それぞれ充電電流および放電電流が過多であることを示す過電流充電状態および過電流放電状態とを少なくとも含む複数の異常状態の有無を随時判別して、各異常状態の判別結果をフラグとして示した異常判定フラグを保持する。また、バッテリセルの放電電流を選択的に遮断する放電電流遮断回路と、バッテリセルの充電電流を選択的に遮断する充電電流遮断回路の各動作状態の組み合わせに応じた制御状態Ａ〜Ｄを定義しておき、異常判定フラグの値に基づいて、どの制御状態に遷移するかを決定する。【選択図】図５
2007236033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の異常発生に対する保護処理を実行する処理回路が前記二次電池と一体に収容されたバッテリパックにおいて、
前記二次電池の放電電流を選択的に遮断する放電電流遮断回路と、
前記二次電池の充電電流を選択的に遮断する充電電流遮断回路と、
前記二次電池の正極と負極との間の電圧を検出する電圧検出部と、
前記二次電池の充放電電流の大きさを検出する電流検出部と、
前記電圧検出部の検出結果に基づく過充電状態および過放電状態と、前記電流検出部の検出結果に基づき、それぞれ充電電流および放電電流が過多であることを示す過電流充電状態および過電流放電状態とを少なくとも含む複数の異常状態の有無を随時判別し、その現在の判別結果を示す判別情報を保持する異常状態判別部と、
前記判別情報に基づいて前記放電電流遮断回路および前記充電電流遮断回路の各動作を制御する保護処理部と、
を有することを特徴とするバッテリパック。
【請求項２】
前記保護処理部は、前記放電電流遮断回路および前記充電電流遮断回路のそれぞれの遮断／導通状態の組み合わせに応じた４つの制御状態を持ち、前記判別情報に基づいて前記各制御状態を遷移させることを特徴とする請求項１記載のバッテリパック。
【請求項３】
前記異常状態判別部は、前記複数の異常状態の有無の判別結果をそれぞれフラグとして保持し、
前記保護処理部は、前記フラグの値の組み合わせに応じて、前記放電電流遮断回路および前記充電電流遮断回路の各動作を制御することを特徴とする請求項１記載のバッテリパック。
【請求項４】
前記保護処理部は、前記判別情報に基づき、前記過充電状態または前記過電流充電状態であると判別され、かつ、前記過放電状態および前記過電流放電状態のいずれでもないと判別されたとき、前記充電電流遮断回路のみを遮断状態とし、前記過放電状態または前記過電流放電状態であると判別され、かつ、前記過充電状態および前記過電流充電状態のいずれでもないと判別されたとき、前記放電電流遮断回路のみを遮断状態とすることを特徴とする請求項１記載のバッテリパック。
【請求項５】
前記保護処理部は、前記判別情報に基づき、前記過充電状態または前記過電流充電状態であると判別され、かつ、前記過放電状態または前記過電流充電状態でもあると判別されたとき、前記放電電流遮断回路および前記充電電流遮断回路をともに遮断状態とすることを特徴とする請求項４記載のバッテリパック。
【請求項６】
外部の充電器に接続するための充電端子間の電圧に基づいて充電開始を検出する充電検出手段をさらに有し、
前記異常状態判別部は、前記過電流放電状態であると判別して前記判別情報を更新した後、前記充電検出手段により充電開始が検出されたとき、または、前記電流検出部により所定値以上の充電電流が検出されたときに、前記過電流放電状態が解除されたと判別して前記判別情報を更新する、
ことを特徴とする請求項１記載のバッテリパック。
【請求項７】
前記異常状態判別部は、前記電流検出部により第１の基準値以上の充電電流が検出されたとき、前記過電流充電状態と判別して前記判別情報を更新し、その後、第２の基準値以上の放電電流が検出されたときに、前記過電流充電状態が解除されたと判別して前記判別情報を更新することを特徴とする請求項１記載のバッテリパック。
【請求項８】
前記二次電池の内部の温度を検出する温度検出部をさらに有し、
前記異常状態判別部は、前記温度検出部による検出結果に基づいて、異常な高温および異常な低温であることをそれぞれ示す異常高温状態および異常低温状態を判別して、その判別結果を前記判別情報により保持し、
前記保護処理部は、前記判別情報に基づき、前記異常高温状態または前記異常低温状態であると判別されたときには、前記判別情報内の他の判別結果に関係なく、前記放電電流遮断回路および前記充電電流遮断回路をともに遮断状態とする、
ことを特徴とする請求項１記載のバッテリパック。
【請求項９】
前記二次電池に対する充電が開始されたか否かを検出する充電検出部をさらに有し、
前記異常状態判別部は、前記電流検出部により検出された放電電流が第１の基準値より小さいときに前記過電流放電状態であると判別するとともに、放電電流が前記第１の基準値より低い第２の放電電流より小さいときには、前記二次電池の正極と負極とが短絡された短絡状態と判別して、前記判別情報において前記過電流放電状態とともに前記短絡状態の有無も管理し、前記短絡状態と判別した後、前記充電検出部により充電開始が検出されると、前記短絡状態が解除されたと判別して前記判別情報を更新する、
ことを特徴とする請求項１記載のバッテリパック。
【請求項１０】
同一の前記バッテリパック中に前記二次電池を複数備え、
前記電圧検出部は、前記二次電池ごとに正極と負極の間の電圧を検出し、
前記異常状態判別部は、前記二次電池ごとの前記異常状態の判別結果を個別の前記判別情報として保持し、
前記保護処理部は、前記各判別情報における前記異常状態の判別結果の組み合わせに応じて、前記放電電流遮断回路および前記充電電流遮断回路の各動作を制御する、
ことを特徴とする請求項１記載のバッテリパック。
【請求項１１】
前記保護処理部は、一の前記判別情報において異常があることが示され、それ以外の前記判別情報において異常がないことが示されている場合には、異常ありと示された前記判別情報に基づいて前記放電電流遮断回路および前記充電電流遮断回路の各動作を制御することを特徴とする請求項１０記載のバッテリパック。
【請求項１２】
前記保護処理部は、一の前記判別情報において前記過充電状態または前記過電流充電状態であることが示され、他の前記判別情報において前記過放電状態または前記過電流放電状態であることが示されている場合には、前記放電電流遮断回路および前記充電電流遮断回路をともに遮断状態とすることを特徴とする請求項１０記載のバッテリパック。
【請求項１３】
前記保護処理部は、前記放電電流遮断回路および前記充電電流遮断回路のそれぞれの遮断／導通状態の組み合わせに応じた４つの制御状態を持ち、前記各判別情報に基づいて前記制御状態の遷移先を仮判定した後、仮判定された前記制御状態の組み合わせに応じて、最終的な前記制御状態の遷移先を決定することを特徴とする請求項１０記載のバッテリパック。
【請求項１４】
前記保護処理部は、
前記各判別情報に基づいて仮判定された前記制御状態がすべて同一の場合には、最終的な遷移先を当該制御状態に決定し、
仮判定された前記制御状態のうち少なくとも１つが、前記放電電流遮断回路および前記充電電流遮断回路の少なくとも１つを遮断状態とするものであり、当該制御状態を除いた残りの前記制御状態が前記放電電流遮断回路および前記充電電流遮断回路の両方を導通状態とするものである場合には、最終的な遷移先を遮断状態を含む前記制御状態に決定し、
仮判定された前記制御状態のうち少なくとも１つが、前記放電電流遮断回路および前記充電電流遮断回路のうちの一方を遮断状態とするものであり、残りの前記制御状態のうち少なくとも１つが、前記放電電流遮断回路および前記充電電流遮断回路のうちの他方を遮断状態とするものである場合、および、仮判定された前記制御状態のうち少なくとも１つが、前記放電電流遮断回路および前記充電電流遮断回路の両方を遮断状態とするものである場合には、最終的な遷移先を、前記放電電流遮断回路および前記充電電流遮断回路の両方を遮断状態とする前記制御状態に決定する、
ことを特徴とする請求項１３記載のバッテリパック。
【請求項１５】
異常発生時に二次電池を保護するためのバッテリ保護方法において、
電圧検出部による前記二次電池の正極と負極との間の電圧検出結果に基づく過充電状態および過放電状態と、電流検出部による前記二次電池の充放電電流の検出結果に基づき、それぞれ充電電流および放電電流が過多であることを示す過電流充電状態および過電流放電状態とを少なくとも含む複数の異常状態の有無を、異常状態判別部が随時判別して、その現在の判別結果を示す判別情報を保持し、
前記二次電池の放電電流を選択的に遮断する放電電流遮断回路と、前記二次電池の充電電流を選択的に遮断する充電電流遮断回路の各動作を、保護処理部が前記判別情報に基づいて制御する、
ことを特徴とするバッテリ保護方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の異常発生に対する保護処理を実行する処理回路が二次電池と一体に収容されたバッテリパック、およびその二次電池を保護するためのバッテリ保護方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えばデジタルビデオカメラなどの携帯型の電子機器が急増しており、これらの電子機器に搭載される二次電池の性能が重要視されている。このような二次電池の１つとして、リチウムイオン型といわれるものがある。
【０００３】
また、二次電池を電源として用いる上記のような携帯型の電子機器では、バッテリ残量表示機能を搭載するものが多い。特に、リチウムイオン二次電池では、放電の開始直後および終了直前を除くと、バッテリセル電圧が緩やかで直線的に低下していくという性質を持っていることから、バッテリ残量を比較的正確に予測し、表示することができる。また、より正確な残量予測のためには、バッテリセルの電圧の検出に加えて、充放電電流の積算値やバッテリセルの温度などを検出すればよい。そこで、このような検出や演算を行うマイクロコントローラなどの回路を、リチウムイオン型のバッテリセルと同一パッケージに収容したバッテリパックが市販されており、このバッテリパックの検出・演算情報を読み出すことで、正確な残量表示機能が実現されている。
【０００４】
一方、リチウムイオン二次電池では、特に過充電となった場合にリチウムイオンが金属リチウムとなって負極に析出し、最悪の場合には電池から発煙、発火が生じたり、破裂することが知られている。また、過放電となった場合には、電極内部の微少ショートや容量劣化が発生し、正極、負極をショートさせた場合には過電流が流れることにより異常発熱が発生することも知られている。このため、リチウムイオン二次電池では通常、過充電、過放電、ショート（過電流）を防止するために、これらの異常状態を監視する保護機能と、異常状態を回避するためのスイッチとが設けられている。
【０００５】
具体的には、このスイッチは例えば、バッテリセルの充電および放電の可否をそれぞれ制御できる２つのＦＥＴ（Field Effect Transistor）として実現され、これらのＦＥＴの動作は、バッテリセルの両端電圧や電流などの検出値に応じてマイクロコントローラなどの制御回路により制御される。そして、このような保護動作の制御回路やＦＥＴなども、上述したバッテリパック内にバッテリセルとともに収容されている。
【０００６】
このような機能を備えた従来のバッテリパックとしては、バッテリセルの保護機能を、専用の電圧比較器（コンパレータ）を主な構成要素とした回路により実現したものがあった（例えば、特許文献１参照）。また、このような保護機能を主にソフトウェア制御により実現できるように、バッテリセルの充電状態や放電状態を示す複数の制御状態をあらかじめ定義し、バッテリセルの両端電圧および放電電流の検出値に基づいてこれらの制御状態を判別して、制御状態ごとに保護用ＦＥＴの動作を制御するようにしたものもあった（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
図９は、従来のバッテリパックにおける制御状態の遷移例を示す図である。
上記の特許文献２に開示されたバッテリパックでは、図９に示すように、過充電状態、通常状態、過放電状態、深放電状態、過電流状態の５つの制御状態が定義されており、これらの制御状態ごとに充電制御用ＦＥＴおよび放電制御用ＦＥＴ（図ではそれぞれ充電ＦＥＴ、放電ＦＥＴと表記）の動作が決められている。なお、充電制御用ＦＥＴおよび放電制御用ＦＥＴは、オフにすることでそれぞれ充電電流、放電電流が遮断されるように構成されている。
【０００８】
過充電状態、通常状態、過放電状態、および深放電状態の遷移は、バッテリセル電圧の検出結果に基づいて制御される。通常状態では、充電制御用、放電制御用の各ＦＥＴはともにオンされ、充電器からの充電も、放電すなわち機器への電源供給も可能となっている。この通常状態から、バッテリセル電圧が一定値以上（ここでは４．２０Ｖ以上）になると、過充電状態に遷移し、充電制御用ＦＥＴがオフされて、過充電による異常が発生するのが回避される。また、その後にバッテリセル電圧が一定値未満（ここでは４．１０Ｖ未満）に下がると、通常状態に復帰する。
【０００９】
また、通常状態から、バッテリセル電圧がさらに一定値未満（ここでは２．５０Ｖ未満）に下がると、過放電状態に遷移し、放電制御用ＦＥＴがオフされて、機器への電源供給が不可能になる。この過放電状態では、バッテリセル電圧が一定値以上（ここでは２．５２Ｖ以上）に上がると、通常状態に復帰し、電源供給が再び可能になる。しかし、過放電状態から、バッテリセル電圧がさらに一定値未満（ここでは２．２０Ｖ未満）に下がると、深放電状態に遷移する。深放電状態では、電圧低下により保護動作の制御回路が動作できなくなり、制御回路がシャットダウンされる。そして、その後に充電が開始されて、バッテリセル電圧が一定値以上（ここでは２．５０Ｖ以上）に上がると、制御回路の動作が開始されて、過放電状態に遷移する。
【００１０】
また、従来のバッテリパックでは、バッテリセル電圧に加えて、バッテリセルの放電電流が検出されており、これにより正負端子間のショートなどにより過大な電流が流れ、発熱などの異常が発生することが防止されていた。図９において、放電制御用ＦＥＴがオンである通常状態および過充電状態において、放電電流が一定値以上（ここでは３．０Ａ以上）になると、過電流状態に遷移し、放電制御用ＦＥＴがオフされる。この状態では、充電制御用ＦＥＴがオンされ、充電端子における電圧検出などにより充電開始が検出されると、通常状態に遷移する。
【００１１】
なお、過電流状態では、放電負荷が開放されたことを検出して復帰する手法も考えられるが、この場合、鍵などの金属と電極との接触・離反が繰り返されて、過電流状態と通常状態とが繰り返される事態が発生する場合があり得るため、この事態を防止するために充電検出により復帰するようにしている。
【００１２】
以上のように、バッテリセル電圧および放電電流の検出値に応じて制御状態を遷移させることで、主に過充電や過電流が発生した場合に、バッテリセルに異常が発生することが防止されていた。
【特許文献１】特許第３１３６６７７号公報（段落番号〔００１１〕〜〔００１６〕、図１）
【特許文献２】特開２００５−１５１６９６号公報（段落番号〔００８４〕〜〔０１０１〕、図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、最近では、バッテリセル電圧や電流などに応じたより多くの事態を想定して、一層安全性の高いバッテリ保護処理を行うようにすることが望まれている。しかし、上述した従来のバッテリセル保護手法では、想定される多くの異常状態のすべてに的確に対処するには不十分な点があった。
【００１４】
例えば、従来のバッテリセルの保護手法では、複数の異常が発生した場合などに、必ずしも適切な制御処理を実行できないという問題があった。例として、通常状態から過充電および過電流の異常が同時に発生した場合には、過充電状態あるいは過電流状態のいずれの制御状態に遷移すべきかを判断できず、適切なＦＥＴのオン／オフ動作を行うことができなくなって、充電電圧あるいは放電電流のいずれかが過大になることを防止できなくなる可能性があった。また、このような事態を回避するために、バッテリセル電圧や放電電流に応じた制御状態や状態遷移条件をより細かく明確に定義しておくことが望まれるが、これらを細かくするほど制御処理が複雑になるという問題があった。
【００１５】
また、過電流状態に遷移したとき、それが通常状態からの遷移なのか、あるいは過充電状態からの遷移なのかを判断できないことが問題となることもある。例えば、どちらの状態からの遷移なのかにより、過電流状態からの復帰時のバッテリセル電圧が異なる場合もあるので、過電流状態から一意に通常状態に復帰するようにすると、そのときのバッテリセル電圧に応じて再び制御状態を変える必要があるなど、制御が不自然になる場合が考えられた。また、どの状態から過電流状態に遷移したのかを即座に知ることができないので、異常発生の解析が容易でないことも問題となっていた。
【００１６】
さらに、放電電流のみならず、充電電流が過大になることも検出し、それに応じた保護動作を実行できるようにすることが望まれているが、そのためには制御状態や状態遷移条件を一層細かく定義する必要があり、制御処理が複雑になるという問題もあった。
【００１７】
また、２つ以上のバッテリセルが収容されたバッテリパックでは、バッテリセルごとに異なる異常が発生する場合が考えられるが、そのような場合を考慮した状態遷移は考えられておらず、適切な保護動作を必ずしも実行できないという問題もあった。
【００１８】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、より安全性の高いバッテリ保護動作を実行できるようにしたバッテリパックを提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、より安全性の高いバッテリ保護動作を実行できるようにしたバッテリ保護方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明では上記課題を解決するために、二次電池の異常発生に対する保護処理を実行する処理回路が前記二次電池と一体に収容されたバッテリパックにおいて、前記二次電池の放電電流を選択的に遮断する放電電流遮断回路と、前記二次電池の充電電流を選択的に遮断する充電電流遮断回路と、前記二次電池の正極と負極との間の電圧を検出する電圧検出部と、前記二次電池の充放電電流の大きさを検出する電流検出部と、前記電圧検出部の検出結果に基づく過充電状態および過放電状態と、前記電流検出部の検出結果に基づき、それぞれ充電電流および放電電流が過多であることを示す過電流充電状態および過電流放電状態とを少なくとも含む複数の異常状態の有無を随時判別し、その現在の判別結果を示す判別情報を保持する異常状態判別部と、前記判別情報に基づいて前記放電電流遮断回路および前記充電電流遮断回路の各動作を制御する保護処理部とを有することを特徴とするバッテリパックが提供される。
【００２０】
このようなバッテリパックでは、電圧検出部により、二次電池の正極と負極との間の電圧が検出され、電流検出部により、二次電池の充放電電流の大きさが検出される。異常状態判別部では、電圧検出部の検出結果に基づく過充電状態および過放電状態と、電流検出手段の検出結果に基づき、それぞれ充電電流および放電電流が過多であることを示す過電流充電状態および過電流放電状態とを少なくとも含む複数の異常状態の有無が、随時判別されるとともに、これらの異常状態の現在の判別結果を示す判別情報が保持される。これにより、過充電状態、過放電状態、過電流充電状態、および過電流放電状態を含む複数の異常状態の有無が独立して管理される。そして、保護処理部では、判別情報に基づいて放電電流遮断回路および充電電流遮断回路のそれぞれの遮断／導通動作が制御されるので、上記の各異常状態の有無に応じた適切な各遮断回路の制御が実行できるようになる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のバッテリパックによれば、異常状態判別部が保持する判別情報により、過充電状態、過放電状態、過電流充電状態、および過電流放電状態を含む複数の異常状態の有無が独立して管理されることにより、放電電流遮断回路および充電電流遮断回路を制御する保護処理部において、この判別情報に基づいて上記の各異常状態の有無に応じた適切な制御を確実に実行できる。特に、二次電池の電圧に依存する異常状態と充電電流および放電電流にそれぞれ依存する異常状態とが判別情報により個別に管理されることにより、保護処理部では、これらの異常状態を認識した上で各遮断回路を適切に制御できるようになる。従って、より安全性の高い二次電池の保護動作を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るバッテリパックの全体構成を示す図である。
図１に示すバッテリパック１は、二次電池からなるバッテリセル２と、このバッテリセル２の異常状態に対する保護機能を実現するバッテリ保護回路３とを、一体のパッケージ内に収容したものである。バッテリセル２のプラス端子２１およびマイナス端子２２は、バッテリ保護回路３のセル側プラス端子３１およびセル側マイナス端子３２と、例えば溶接などによりそれぞれ接続されている。また、バッテリ保護回路３の外部プラス端子３３および外部マイナス端子３４は、例えばデジタルカメラなどの放電負荷となる機器に対して電力を供給する給電端子とされるとともに、外部の充電器からの給電を受ける端子も兼ねている。
【００２３】
さらに、バッテリ保護回路３には、放電負荷となる機器との間で通信するためのコントロール端子３５も設けられている。そして、このコントロール端子３５を通じて、異常検証のためのバッテリ保護機能の現在の動作状態などを出力できるようになっている。
【００２４】
なお、バッテリ保護回路３には、上記のようなバッテリセル２の保護機能の他に、このバッテリセル２の残量を表示するための処理機能も備えている。例えば、このような処理機能として、バッテリセル２の電流積算値や充電回数などを演算する機能を備えている。そして、これらの演算結果を、コントロール端子３５を通じて機器に送信し、機器側でこれらの受信情報を基にバッテリセル２の残量を正確に演算することが可能になっている。
【００２５】
また、バッテリセル２としては、例えばリチウムイオン型などの二次電池を用いることができる。リチウムイオン二次電池のように、放電電圧が比較的緩やかでかつ直線的に低下する放電特性を有する二次電池を用いることにより、機器側でバッテリ残容量を高精度に検出して、例えば使用可能な残り時間としてバッテリ残量を表示することが可能となる。
【００２６】
図２は、バッテリ保護回路の内部構成を示す図である。
図２に示すように、バッテリ保護回路３は、マイクロコントローラ１１０、充電制御用ＦＥＴ１２１および放電制御用ＦＥＴ１２２（以下、充電ＦＥＴ１２１および放電ＦＥＴ１２２と呼ぶ）、電流検出用の抵抗Ｒ１を備える。マイクロコントローラ１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１１、ドライバ１１２、通信インタフェース回路１１３、Ａ／Ｄ変換回路１１４、および温度検出回路１１５を備えている。
【００２７】
ＣＰＵ１１１は、図示しない不揮発性のメモリに記憶されたプログラムを実行することにより、上述したバッテリセル２の保護機能や、バッテリ残量演算用の処理機能を実現するための各種演算や制御を行う。ドライバ１１２は、ＣＰＵ１１１による制御の下で、充電ＦＥＴ１２１および放電ＦＥＴ１２２のゲート電圧を出力して、各ＦＥＴを駆動する。通信インタフェース回路１１３は、例えばシリアル通信を行うインタフェースであり、コントロール端子３５を通じて外部の機器と接続し、この機器とＣＰＵ１１１との間で所定のフォーマットに従って通信できるようにする。
【００２８】
Ａ／Ｄ変換回路１１４は、セル側プラス端子３１と充電ＦＥＴ１２１との間に挿入された抵抗Ｒ１の両端の電圧、および外部プラス端子３３における電圧とを検出し、デジタル信号に変換してＣＰＵ１１１に供給する。また、温度検出回路１１５による検出値をデジタル信号に変換して、ＣＰＵ１１１に供給する。温度検出回路１１５は、バッテリセル２の温度を検出する。この温度検出回路１１５としては、例えば、ダイオードおよび抵抗を直列に接続した回路を設け、ダイオードの温度特性に応じた抵抗間電圧の変化を基に、温度を検出する手法などを採ることができる。
【００２９】
充電ＦＥＴ１２１および放電ＦＥＴ１２２は、ソースとドレインとの間にダイオードが等価的に内蔵されたＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor FET）からなり、マイクロコントローラ１１０の制御の下で、それぞれバッテリセル２の充電時、放電時の保護スイッチとして機能する。すなわち、充電ＦＥＴ１２１は、バッテリセル２に対する充電電流を選択的に遮断し、導通時には充電器からのバッテリセル２に対する充電を行うことが可能となる。また、放電ＦＥＴ１２２は、バッテリセル２の放電電流を選択的に遮断し、導通時にはバッテリセル２の放電が可能となって、機器に対する電源供給ができるようになる。
【００３０】
このバッテリ保護回路３において、マイクロコントローラ１１０のＣＰＵ１１１は、バッテリセル２の異常状態を管理するための“異常判定フラグ”を、図示しないメモリ内に記憶しておく。そして、バッテリセル２の両端の電圧（以下、セル電圧と呼ぶ）や、抵抗Ｒ１の両端電圧に基づくバッテリセル２の充電電流および放電電流、外部プラス端子３３における電圧検出値に基づく充電器開始検出情報、温度検出回路１１５により検出された温度などの情報を基に異常判定フラグを更新し、この異常判定フラグに基づいて、充電ＦＥＴ１２１および放電ＦＥＴ１２２の動作を制御することで、バッテリセル２の保護動作を行う。また、異常判定フラグに基づく異常検出情報をコントロール端子３５を通じて外部機器側に出力することができる。さらに、ＣＰＵ１１１は、充放電電流の積算やその積算値に対する温度補正などの演算を行って、それらの演算結果をコントロール端子３５を通じて外部機器側に出力することもできる。
【００３１】
次に、このバッテリ保護回路３におけるバッテリ保護機能の動作について、詳しく説明する。まず、図３は、マイクロコントローラによる充電・放電動作の制御状態の遷移を示す図である。
【００３２】
マイクロコントローラ１１０のＣＰＵ１１１は、バッテリ保護のための充電・放電動作の制御にあたって、図３のような互いに遷移可能な４つの制御状態を採る。制御状態Ａでは、充電ＦＥＴ１２１および放電ＦＥＴ１２２をともにオンにし、バッテリセル２の充電および放電の両方を可能にする。制御状態Ｂでは、充電ＦＥＴ１２１をオフにし、放電ＦＥＴ１２２をオンにして、放電のみ可能にする。制御状態Ｃでは、充電ＦＥＴ１２１をオンにし、放電ＦＥＴ１２２をオフにして、充電のみ可能にする。制御状態Ｄでは、充電ＦＥＴ１２１および放電ＦＥＴ１２２をともにオフにし、充電も放電も不可能な状態にする。
【００３３】
このように、ＣＰＵ１１１は、充電ＦＥＴ１２１および放電ＦＥＴ１２２の駆動状態の異なる４つの制御状態に遷移可能とされ、次に説明する異常判定フラグの値に応じて、どの制御状態に遷移するかを判定することで、異常判定フラグにより判定される異常状態に応じた適切なバッテリ保護動作を行う。
【００３４】
図４は、異常判定フラグの構成を示す図である。
本実施の形態で用いる異常判定フラグは、図４に示すような８ビットのフラグで構成され、各ビットには異なる種類の異常状態が定義されており、それぞれの異常発生の有無の情報を個別に保持できるようになっている。そして、ＣＰＵ１１１は、Ａ／Ｄ変換回路１１４を通じて入力される各種の検出情報に基づいて、異常判定フラグの各ビットの値を以下のような条件で随時判定し、設定する。なお、以下で示す電圧、電流、温度などの数値条件はあくまで一例であり、バッテリセルの仕様に応じて適宜変更することができる。
【００３５】
〔第０ビット〕このビットは、バッテリセル２が異常な高温状態であるか否かを示す。ＣＰＵ１１１は、温度検出回路１１５からの検出情報に基づき、温度が６０度以上になったときに第０ビットに“１”を設定し、その後に５５度以下になったときに“０”を設定する。
【００３６】
〔第１ビット〕このビットは、バッテリセル２が異常な低温状態であるか否かを示す。ＣＰＵ１１１は、温度検出回路１１５からの検出情報に基づき、温度が−５０度以下になったときに第１ビットに“１”を設定し、その後に−４５度以上になったときに“０”を設定する。
【００３７】
〔第２ビット〕このビットは、バッテリパック１の外部への給電端子（すなわちバッテリ保護回路３の外部プラス端子３３および外部マイナス端子３４）がショートすることなどにより、著しく大きい放電電流が流れたか否かを示す。ＣＰＵ１１１は、抵抗Ｒ１の両端電圧に基づいて検出された放電電流が１０Ａ以上になったときに第２ビットに“１”を設定し、その後に充電器からの充電が開始されたと判断したときに“０”を設定する。なお、充電開始の判断条件については後述する。
【００３８】
〔第３ビット〕このビットは、バッテリセル２の放電電流が過大な「過電流放電状態」であるか否かを示す。ＣＰＵ１１１は、放電電流が３Ａ以上になったときに第３ビットに“１”を設定し、その後に充電器からの充電が開始されたと判断したときに“０”を設定する。
【００３９】
〔第４ビット〕このビットは、セル電圧が外部への給電が不可能なほど低い「過放電状態」であるか否かを示す。ＣＰＵ１１１は、セル電圧が２．５Ｖ以下になったときに第４ビットに“１”を設定し、その後に２．５２Ｖ以上になったときに“０”を設定する。
【００４０】
〔第５ビット〕このビットは、セル電圧がさらに低い「深放電状態」であるか否かを示す。ＣＰＵ１１１は、セル電圧が２．０Ｖ以下になったときに第５ビットに“１”を設定し、その後に２．５２Ｖ以上になったときに“０”を設定する。なお、深放電状態では、セル電圧が低いためにマイクロコントローラ１１０の動作が不可能になるため、実際にはビット“５”が立ったとき、マイクロコントローラ１１０はシャットダウンされる。
【００４１】
〔第６ビット〕このビットは、バッテリセル２の充電電流が過大な「過電流充電状態」であるか否かを示す。ＣＰＵ１１１は、充電電流が３Ａ以上になったときに第６ビットに“１”を設定し、その後に放電負荷が接続されるなどして放電が開始されたと判断したときに“０”を設定する。なお、放電の開始は、抵抗Ｒ１の両端電圧に基づいて算出した放電電流が１５０ｍＡ以上になったときに検出される。
【００４２】
〔第７ビット〕このビットは、セル電圧が高すぎて危険な状態である「過充電状態」であるか否かを示す。ＣＰＵ１１１は、セル電圧が４．２Ｖ以上になったときに第７ビットに“１”を設定し、その後にセル電圧が４．１Ｖ以下になったときに“０”を設定する。
【００４３】
以上のように、異常判定フラグにおいては、第０ビットおよび第１ビットにより温度に関係する異常状態の有無が記憶され、第２ビット〜第５ビットにより放電に伴う異常状態の有無が記憶され、第６ビットおよび第７ビットにより充電に伴う異常状態の有無が記憶される。また、放電および充電に伴う異常状態については、電圧に起因する異常状態の有無と、電流に起因する異常状態の有無とを、それぞれ個別に記憶しておくことができる。従って、現在発生している異常の種類をきめ細かく、かつ正確に識別でき、しかも、異なる種類の異常が発生した場合についても容易に識別できる。従って、異常判定フラグを参照するだけで、それらの識別結果に応じた最適な保護動作制御を実行できるようになる。
【００４４】
なお、第２ビットおよび第３ビットの判断において、充電の開始は、次の２つの条件の少なくとも一方が満たされたときに検出される。第１の条件は、外部プラス端子３３の電圧が３．０Ｖ以上になった場合である。第２の条件は、抵抗Ｒ１の両端電圧に基づいて検出された充電電流が１５０ｍＡ以上になった場合である。
【００４５】
ここで、従来は、充電の開始を外部プラス端子３３の電圧のみを基に判断していた。しかし、放電ＦＥＴ１２２がオンになっていてセル電圧が低下している場合に、バッテリパック１に充電器が接続されると、充電器の電圧がセル電圧に引っ張られて低下することがあり、この場合には充電開始を検出できないことがあった。そこで、本実施の形態では、外部プラス端子３３の電圧だけでなく、充電電流の検出値に基づいて、充電開始を検出できるようにしている。上記のように充電器の電圧が低下した場合でも充電電流は流れるので、この充電電流を検出することで充電開始をより確実に検出できる。従って、過電流放電状態やバッテリパック１の給電端子がショートした場合でも、充電が開始されたときに確実に動作を復帰できる。
【００４６】
次に、異常判定フラグに応じた制御状態の遷移条件について説明する。図５は、異常判定フラグの値と制御状態との対応を示す図である。
まず、異常判定フラグのすべてのビットが“０”である場合には、ＣＰＵ１１１は制御状態Ａに遷移し、充電ＦＥＴ１２１および放電ＦＥＴ１２２をともにオンにする。すなわち、このときには何の異常も検出されていないので、バッテリセル２は充電も放電も可能な状態とされる。
【００４７】
第０ビット〜第５ビットがすべて“０”で、第６ビットまたは第７ビットの少なくとも一方が“１”である場合には、ＣＰＵ１１１は制御状態Ｂに遷移し、放電ＦＥＴ１２２のみをオンにする。すなわち、このときには充電電圧が過大であるか、あるいは過大な充電電流が流れているので、バッテリセル２への充電が不可能な状態とされる。
【００４８】
第０ビット、第１ビット、第６ビット、および第７ビットのすべてが“０”で、第２ビット〜第５ビットの少なくとも１つが“１”である場合には、ＣＰＵ１１１は制御状態Ｃに遷移し、充電ＦＥＴ１２１のみをオンにする。すなわち、このときには、放電の状態に対して何らかの異常が検出されているので、バッテリセル２の放電が不可能な状態、すなわち機器への電源供給ができない状態とされる。
【００４９】
第２ビット〜第５ビットの少なくとも１つが“１”であり、かつ、第６ビットまたは第７ビットの少なくとも一方が“１”である場合には、ＣＰＵ１１１は制御状態Ｄに遷移し、充電ＦＥＴ１２１および放電ＦＥＴ１２２をともにオフにする。すなわち、このときには、充電の状態と放電の状態の両方に異常が検出されており、正常な動作は不可能と考えられるので、バッテリセル２の充電も放電も不可能な状態とされる。
【００５０】
第０ビットまたは第１ビットの少なくとも一方が“１”である場合には、ＣＰＵ１１１は、第２ビット〜第７ビットの値に関係なく、制御状態Ｄに遷移して、充電ＦＥＴ１２１および放電ＦＥＴ１２２をともにオフにする。すなわち、このときには、バッテリセル２が高温になって危険な状態、あるいは、低温になってセル電圧が低下するなど正常な動作が不可能な状態と判断できるので、充電や放電の状態に関係なく、強制的にバッテリセル２の使用が不可能な状態とされる。
【００５１】
以上のように、異常判定フラグの値と制御状態と明確に対応付けておくことにより、異常状態の発生状況に応じた最適な保護動作制御を常に実行できるようになる。特に、多くの種類の異常状態を識別できながらも、それらの識別結果に応じた適切な制御状態の遷移先を、簡単な処理で判断することができるようになる。さらに、いずれの種類の異常状態についても、その異常状態が正常な状態に戻った場合には、常に適切な制御状態に遷移できる。
【００５２】
例えば、充電に伴う異常状態については、従来では充電電圧の検出値に基づく過充電状態のみ判別していたが、本実施の形態ではこれに加えて、充電電流の検出値に基づく過電流充電状態も判別できるようにしている。また、この過電流充電状態からは、過充電状態とは異なり、充電電流に基づく放電検出により復帰するべきであるが、このような正しい復帰条件を適用して異常判定フラグを更新するだけで、適切な復帰動作を実行できる。さらに、電圧、電流の検出値に基づく異常状態だけでなく、温度の検出値に基づく異常状態も判別できるようになっている。
【００５３】
このように異常状態の検出種類が増加しても、その種類に対応するビットを異常判定フラグに設け、フラグの組み合わせと制御状態との対応を規定しておくだけで、制御状態の遷移先を判別して常に適切な保護動作を実行することが可能になる。また、複数種類の異常がいかなる組み合わせで検出されたとしても、遷移すべき制御状態を判定できるので、より多くの異常状態に対して正確に対応できるとともに、その状態からの動作の復帰動作を適切に実行できる。従って、常に確実な保護動作を実行でき、安全性を高めることができる。
【００５４】
また、現在の各種の異常状態が異常判定フラグに常に記憶されているので、この異常判定フラグをコントロール端子３５を通じて外部から読み出せるようにしておくことで、現在の異常状態を即座に知ることができるようになり、不良解析を効率的にできるようになる。例えば、出荷前の試験において、充電動作や放電動作が停止するなど、何らかの動作の変化が起きたときに、異常判定フラグを読み出すことで、バッテリパック１内で発生した異常の発生原因について、試験担当者が即座に正確に解析できるようになる。また、異常発生の履歴を記憶しておかなくても、どの種類の異常発生によって動作変化が起きたのかがわかるので、不良解析の効率化とともに、バッテリ保護回路３内のメモリ領域の削減や処理の効率化といったメリットも得られる。
【００５５】
次に、図６は、本発明の第２の実施の形態に係るバッテリパックの構成を示す図である。なお、この図６では、図２に対応する機能については同じ符号を付して示し、その説明を省略する。
【００５６】
図６に示すバッテリパックは、２つのバッテリセル２ａおよび２ｂを備えている。バッテリセル２ａのマイナス端子２２ａとバッテリセル２ｂのプラス端子２１ｂとは、バッテリ保護回路３ａのセル側端子３２ａおよび３１ｂを介して接続され、これによりバッテリセル２ａおよび２ｂは直列に接続されている。また、バッテリ保護回路３ａのセル側プラス端子３１ａとセル側マイナス端子３２ｂは、バッテリセル２ａのプラス端子２１ａ、バッテリセル２ｂのマイナス端子２２ｂとそれぞれ接続されている。
【００５７】
バッテリ保護回路３ａのＣＰＵ１１１では、セル側プラス端子３１ａとセル側マイナス端子３２ｂとの間の電圧、すなわち直列接続された２つのバッテリセル２ａおよび２ｂによる電圧と、その充放電電流とを、Ａ／Ｄ変換回路１１４を通じて検出できるようになっている。これに加えて、セル側端子３２ａおよび３１ｂもＡ／Ｄ変換回路１１４に接続され、これによりバッテリセル２ａおよび２ｂのそれぞれの電圧も検出できるようになっている。そして、ＣＰＵ１１１は、これらの電圧、電流と、温度検出回路１１５により検出されるバッテリセル２ａおよび２ｂのそれぞれの温度などに応じて、バッテリセル２ａおよび２ｂのそれぞれについての異常判定フラグを設定する。
【００５８】
図７は、各バッテリセルに対応する異常判定フラグを示す図である。
図７に示すように、２つのバッテリセル２ａおよび２ｂのそれぞれに対応する異常判定フラグに記憶される異常状態の種類は、１つのバッテリセルを用いた第１の実施の形態と同じである。また、各ビットについての値の設定条件も同じである。ただし、これらのうち、温度についての異常状態は、バッテリセル２ａおよび２ｂのそれぞれにおける温度検出値を基に判別され、過放電状態、深放電状態、過充電状態は、バッテリセル２ａおよび２ｂのそれぞれの電圧検出値を基に判別される。
【００５９】
ＣＰＵ１１１は、上記の各異常判定フラグに基づき、バッテリセル２ａおよび２ｂのそれぞれについて、上述した制御状態Ａ〜Ｄのいずれに遷移すべきかを仮判定する。そして、次の図８で説明するように、各セルについて仮判定された制御状態の組み合わせに応じて、最終的な制御状態の遷移先を決定して、充電ＦＥＴ１２１および放電ＦＥＴ１２２の動作を制御する。
【００６０】
図８は、各バッテリセルの異常状態に応じた制御状態の遷移条件を示す図である。
この図８に示すように、バッテリセル２ａおよび２ｂのそれぞれに対応する異常判定フラグから仮判定された制御状態が同じ場合には、ＣＰＵ１１１はその制御状態に遷移させる。また、一方の異常判定フラグから異常が検出されておらず、遷移先を制御状態Ａとするように仮判定された場合、他方の異常判定フラグから何らかの異常が検出されていれば、その他方の異常判定フラグに基づく制御状態に遷移させる。
【００６１】
さらに、双方の異常判定フラグから何らかの異常が検出されており、各異常判定フラグから仮判定された制御状態が異なる場合には、制御状態Ｄに遷移させる。すなわち、この場合には、バッテリセル２ａおよび２ｂのうち、一方では充電についての異常が発生し、他方では放電についての異常が発生しているため、充電と放電の双方を停止させることにより、各バッテリセル２ａおよび２ｂの安全性を確保できる。また、例えば一方のバッテリセルにおける異常が先に解消された場合には、他方の異常に対応するような制御状態に遷移することになる。このように、各バッテリセルで異なる種類の異常が発生しても、またそれらの異常が解消されたときでも、常に適切な保護動作を確実に実行できるようになる。
【００６２】
なお、この第２の実施の形態のように、２つのバッテリセルだけでなく、さらに多くのバッテリセルを直列に接続した場合でも、各バッテリセルに対応する異常判定フラグを設定し、それらから仮判定される制御状態の組み合わせに応じて最終的な制御状態を決めることで、常に適切な保護動作を実行できる。すなわち、複数の異常判定フラグから異常が検出されているとき、それらから仮判定される制御状態が同じであれば、その制御状態に遷移し、仮判定された制御状態が異なる場合には、制御状態Ｄに遷移するようにする。また、仮判定された制御状態の少なくとも１つが制御状態Ｄである場合も、制御状態Ｄに遷移するようにする。さらに、複数のバッテリセルを並列に接続した場合でも、同様の処理により適切な保護動作を実行できる。このように、各バッテリセルに対応する異常判定フラグを設け、それらの異常判定フラグに基づいて制御状態を決める手法は、様々な形態のバッテリパックの保護動作に対して、その基本的な制御手順を変えることなく容易に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るバッテリパックの全体構成を示す図である。
【図２】バッテリ保護回路の内部構成を示す図である。
【図３】マイクロコントローラによる充電・放電動作の制御状態の遷移を示す図である。
【図４】異常判定フラグの構成を示す図である。
【図５】異常判定フラグの値と制御状態との対応を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るバッテリパックの構成を示す図である。
【図７】各バッテリセルに対応する異常判定フラグを示す図である。
【図８】各バッテリセルの異常状態に応じた制御状態の遷移条件を示す図である。
【図９】従来のバッテリパックにおける制御状態の遷移例を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１……バッテリパック、２……バッテリセル、３……バッテリ保護回路、２１……プラス端子、２２……マイナス端子、３１……セル側プラス端子、３２……セル側マイナス端子、３３……外部プラス端子、３４……外部マイナス端子、３５……コントロール端子、１１０……マイクロコントローラ、１１１……ＣＰＵ、１１２……ドライバ、１１３……通信インタフェース回路、１１４……Ａ／Ｄ変換回路、１１５……温度検出回路、１２１……充電制御用ＦＥＴ、１２２……放電制御用ＦＥＴ、Ｒ１……抵抗
【図１】
2007236033.tif 000003
【図２】
2007236033.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007236033.tif 000006
【図５】
2007236033.tif 000007
【図６】
2007236033.tif 000008
【図７】
2007236033.tif 000009
【図８】
2007236033.tif 000010
【図９】
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