(57)【要約】【課題】充放電制御用のスイッチ回路の電力消費を、保存時を含む低電流時及び大電流時のいずれの場合でも抑制可能とする。【解決手段】単数または複数の二次電池が接続された電池セル２と、電池セルと外部端子の間に直列に接続されたスイッチ回路３と、二次電池の電圧を検出する電圧検出部６及び電池セルと外部端子間を流れる電流を検出する電流検出部７を有し電圧検出部及び電流検出部の検出信号に基づいてスイッチ回路を制御する保護回路４とを備えた電池パック。保護回路は、検出信号が正常状態を示しているときはスイッチ回路を導通状態に制御し、検出信号が異常状態を示しているときはスイッチ回路を非導通状態に制御するように構成される。スイッチ回路は、二次電池と外部端子の間に直列に接続された、物理的スイッチ１０及び半導体スイッチ１１の並列回路により構成されている。【選択図】図２
2013219964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単数または複数の二次電池が接続された電池セルと、
前記電池セルと外部端子の間に直列に接続されたスイッチ回路と、
前記二次電池の電圧を検出する電圧検出部、及び前記電池セルと前記外部端子間を流れる電流を検出する電流検出部を有し、前記電圧検出部及び前記電流検出部の検出信号に基づいて前記スイッチ回路を制御する保護回路とを備え、
前記保護回路は、前記検出信号が正常状態を示しているときは前記スイッチ回路を導通状態に制御し、前記検出信号が異常状態を示しているときは前記スイッチ回路を非導通状態に制御するように構成された電池パックにおいて、
前記スイッチ回路は、前記二次電池と外部端子の間に直列に接続された、物理的スイッチ及び半導体スイッチの並列回路により構成されていることを特徴とする充放電制御スイッチ回路付き電池パック。
【請求項２】
前記スイッチ回路は、前記半導体スイッチ及び前記物理的スイッチの開閉を制御するスイッチ開閉回路を備え、
前記保護回路は、
前記検出部が検出する電流値が基準値Ｉｒ未満の場合には、前記半導体スイッチをＯＮ状態とするとともに前記物理的スイッチをＯＦＦ状態とするように前記スイッチ開閉回路を制御し、
前記電流値が前記基準値Ｉｒ以上の場合には、前記物理的スイッチをＯＮ状態とするように前記スイッチ開閉回路を制御するように構成された請求項１に記載の充放電制御スイッチ回路付き電池パック。
【請求項３】
前記保護回路は、前記電流値が前記基準値Ｉｒ以上の場合に、前記物理的スイッチをＯＮ状態とするとともに前記半導体スイッチをＯＦＦ状態とするように前記スイッチ開閉回路を制御するように構成された請求項２に記載の充放電制御スイッチ回路付き電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン電池などの二次電池が収納された電池パックに関し、特に、二次電池の充放電制御のためのスイッチ回路が設けられた電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
電池パックは、正負極の外部端子間で通電可能な状態で提供されることにより、通常の充放電による使用が可能である。これに対して、過充電あるいは過放電等の異常状態から二次電池を保護するために、異常状態が発生したときには充放電を停止する制御が可能なように構成される。
【０００３】
すなわち、外部端子と二次電池との間にスイッチ回路を介在させて、過充電あるいは過放電を検出したときに、保護回路がスイッチ回路を遮断する制御を行うように構成される。対処すべき異常状態は過充電あるいは過放電だけでなく、電池パック内の異常な温度上昇等にも対応が必要である。そのため保護回路は、電池パック内の温度を監視し、温度異常を検出した場合にもスイッチ回路を遮断する制御を行う等、種々の異常に対処するための充放電制御も行われる。
【０００４】
特許文献１には、そのような、保護回路によりスイッチ回路を遮断する制御を行う構成を有する電池パックの例が開示されている。図３に、特許文献１に開示された電池パック２０の回路図を示す。この電池パック２０は、電池２１の負極と充放電端子２２との間に挿入されたスイッチング素子２３を有する。スイッチング素子２３は、互いに直列に接続された二つのＦＥＴ２３ａ、２３ｂからなる。
【０００５】
スイッチング素子２３の制御入力端子には、制御回路２４が接続されている。制御回路２４は、各ＦＥＴ２３ａ、２３ｂのゲートに接続された二つのアンド回路２５ａ、２５ｂを有する。電池２１の＋側とアンド回路２５ａ、２５ｂの一方の入力端子とは、検出スイッチ２６を介して接続されている。アンド回路２５ａ、２５ｂの他方の入力端子には、過充電過放電防止回路２７（保護回路に相当）が接続されている。
【０００６】
検出スイッチ２６は、電池パック２０を電気機器から取り外した状態では放電不能とするために設けられている。すなわち、放電が可能な状態の電池パックでは、インピーダンスが低い負荷に接続する場合、接続直前のギャップにおいて、空気の絶縁破壊によるスパークが発生することがある。特に、電池パックは複数の電池を直列に接続して出力電圧を高くしている場合が多いので、スパークが発生し易い。これは、人が電池パックを操作する場合には、操作する人が感電する惧れに繋がる。
【０００７】
そのため、この電池パック２０では、電気機器２８に装着されたとき、その電源端子２９に対して充放電端子２２が接続されるとともに、検出スイッチ２６のプッシュ片２６ａが電気機器２８に設けられた押圧部３０により押し込まれる。それにより、検出スイッチ２６は、電池パック２０を電気機器２８に装着したときにオン、電池パック２０を電気機器２９から取り外したときにオフとなる。検出スイッチ２６がオンのときは、電池２１の＋側がアンド回路２５ａ、２５ｂの一方の入力端子に接続されて、“Ｈ”レベルの信号が入力された状態になる。これに対して、検出スイッチ２６がオフのときは、アンド回路２５ａ、２５ｂの一方の入力端子は、“Ｌ”レベルとなる。これにより、電池パック２０を電気機器２８から外した状態での、スパークの発生が防止される。
【０００８】
過充電過放電防止回路２７は、電池パック２０の正常な状態においては、アンド回路２５ａ、２５ｂの入力端子にＨレベルの信号を出力する。従って、電池パック２０が電気機器２８に装着され、過充電または過放電が検出されていなければ、アンド回路２５ａ、２５ｂはオンとなり、スイッチング素子２３の両ＦＥＴ２３ａ、２３ｂがオンに制御されて、電池２１から電気機器２８に電力が供給される。
【０００９】
一方、電池２１に対する過充電または過放電を検出したときには、過充電過放電防止回路２７はアンド回路２５ａ、２５ｂの入力端子にＬレベルの信号を出力する。そのため、アンド回路２５がオフとなり、スイッチング素子２３はオフに制御される。これにより、電池２１は過充電あるいは過放電から保護される。
【００１０】
以上のように、過充電過放電防止回路２７により電池２１の過充電・過放電を防止するとともに、電気機器から外した状態での電池２１からの放電を遮断するために、スイッチング素子２３が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平７−２９５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述のとおり、電池パックには、二次電池の充放電を制御するスイッチング素子を設けることが望ましいが、その場合、スイッチング素子による電力の消費を十分に抑制することが望ましい。
【００１３】
スイッチング素子としては、リレーなどの物理的スイッチを用いるか、あるいは上記従来例のように、ＭＯＳ−ＦＥＴなどの半導体スイッチが用いられる。物理的スイッチは、機械的な接点の開閉によって導通が制御されるので、ＯＮ抵抗が小さく、大電流が流れた場合の接点部における消費電力は小さい。
【００１４】
しかし、通常、物理的スイッチをＯＮ状態（接続）に維持するための制御用電力の消費は、常に数Ｗ（ワット）を必要とする。これに対して、スイッチング素子２３としてＭＯＳ−ＦＥＴなどの半導体スイッチを用いた場合、ＯＮ状態を維持するための制御用電力の消費は、数μＷ（マイクロワット）である。
【００１５】
すなわち、半導体スイッチは物理的スイッチに比べて、非常に少ない電力でＯＮ状態を維持することができるので、長期間に亘って使用が無い場合でも電力の消費は少ない。これに対して、物理的スイッチの場合は、接点部に大きな電流が流れていない状態でも常に電力を消費するので、長期間に亘って使用が無い場合では、ＯＮ状態を継続することで無駄に電力を消費する。
【００１６】
一方、半導体スイッチはＯＮ抵抗が大きいため、スイッチに大電流が流れた場合、発熱量も大きくなり、物理的スイッチと比べて、通電のために無駄な電力を消費する。
【００１７】
以上のとおり、充放電制御用のスイッチング素子として、物理的スイッチを用いた構成ではＯＮ状態での長期保存が難しく、半導体スイッチを用いた構成では大電流での通電に際しての電力損失が大きい。
【００１８】
従って、本発明は、二次電池を保護するための充放電制御用のスイッチ回路が、保存時または低負荷（低電流）時でも、高負荷（大電流）時のいずれの場合でも、消費電力を抑制可能に構成された電池パックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の充放電制御スイッチ回路付き電池パックは、単数または複数の二次電池が接続された電池セルと、前記電池セルと外部端子の間に直列に接続されたスイッチ回路と、前記二次電池の電圧を検出する電圧検出部及び前記電池セルと前記外部端子間を流れる電流を検出する電流検出部を有し前記電圧検出部及び前記電流検出部の検出信号に基づいて前記スイッチ回路を制御する保護回路とを備え、前記保護回路は、前記検出信号が正常状態を示しているときは前記スイッチ回路を導通状態に制御し、前記検出信号が異常状態を示しているときは前記スイッチ回路を非導通状態に制御するように構成され、前記スイッチ回路は、前記二次電池と外部端子の間に直列に接続された、物理的スイッチ及び半導体スイッチの並列回路により構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、保存時または低負荷（低電流）時、及び高負荷（大電流）時のいずれかの状態に応じて、物理的スイッチ及び半導体スイッチの導通状態を選択することにより充放電を制御することが可能である。それにより、両スイッチの特性に適合させていずれの場合でも消費電力を抑制するように制御し、電池の電力を電池パック内で無駄に消費することなく、有効的に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施の形態における電池パックの基本構成を示すブロック図
【図２】同電池パックの充放電制御用のスイッチ回路の具体構成例を示す回路図
【図３】従来例の電池パックの回路図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の充放電制御スイッチ回路付き電池パックは、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。
【００２３】
すなわち、前記スイッチ回路は、前記半導体スイッチ及び前記物理的スイッチの開閉を制御するスイッチ開閉回路を備え、前記保護回路は、前記検出部が検出する電流値が基準値Ｉｒ未満の場合には、前記半導体スイッチをＯＮ状態とするとともに前記物理的スイッチをＯＦＦ状態とするように前記スイッチ開閉回路を制御し、前記電流値が前記基準値Ｉｒ以上の場合には、前記物理的スイッチをＯＮ状態とするように前記スイッチ開閉回路を制御するように構成することができる。
【００２４】
また、前記保護回路は、前記電流値が前記基準値Ｉｒ以上の場合に、前記物理的スイッチをＯＮ状態とするとともに前記半導体スイッチをＯＦＦ状態とするように前記スイッチ開閉回路を制御するように構成することができる。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２６】
＜実施の形態＞
図１は、本発明の一実施の形態における電池パック１の基本構成を示すブロック図である。電池パック１は、例えば、リチウムイオン電池等の二次電池を単数もしくは複数個直列に接続して構成された電池セル２を内蔵している。電池セル２の両電極端子は充放電端子Ｔ１、Ｔ２と接続され、充放電端子Ｔ１、Ｔ２を介して、外部の負荷への電力供給のための放電、あるいは外部からの電池セル２に対する充電が行われる。
【００２７】
また、一般的な構成と同様、正極側の充放電経路にスイッチ回路３が挿入され、保護回路４によりスイッチ回路３が開閉されて、電池セル２による充放電動作が制御される。保護回路４は、スイッチ回路制御部５、電圧検出部６、電流検出部７、及び温度検出部８を有する。保護回路４としては通常、保護ＩＣとして標準化されたものが用いられる。但し、この保護回路４の構成は一例であり、スイッチ回路３を制御する保護回路が他の構成であっても、本発明を同様に適用可能である。
【００２８】
電圧検出部６は、電池セル２の充放電電圧を監視し、過放電あるいは過充電電圧を検出した場合に、所定の検出信号を生成する。電流検出部７は、負極側の充放電経路に挿入された抵抗Ｒを介して、電池セル２に流れる電流を監視し、過電流を検出した場合に、所定の検出信号を生成する。温度検出部８は、電池パック１内の温度を監視し、温度異常を検出した場合に、所定の検出信号を生成する。電圧検出部６、電流検出部７、及び温度検出部８は、電池セル２あるいはその周辺の状態の異常を検出するための異常検出部の例であり、これらの構成に限られるものではない。
【００２９】
電圧検出部６、電流検出部７、及び温度検出部８が生成する検出信号はスイッチ回路制御部５に供給され、スイッチ回路制御部５はその検出信号に基づいてスイッチ回路３の導通（ＯＮ状態）または非導通（ＯＦＦ状態）を制御する。これにより、過充電あるいは過放電等の異常発生時に充放電経路を遮断して、電池セル２の保護、あるいは事故発生が防止される。
【００３０】
温度検出部８には、温度センサとして通常、保護回路４の外に配置されたサーミスタ（図示せず）が接続される。サーミスタにより電池パック１内部の温度を監視し、温度検出情報として電圧値が温度検出部８に供給される。温度検出部８は、サーミスタから得られる電圧値を設定された基準電圧と比較し、その結果、温度異常と判断したとき、スイッチ回路制御部５に検出信号が供給され、スイッチ回路３を非導通状態にして電池パック１の充放電が禁止される。
【００３１】
以上のように、保護回路４は、各種の異常状態の発生を検出したときに、スイッチ回路制御部５によりスイッチ回路３を非導通状態に制御して充放電を停止し、電池セル２を保護するように構成されている。
【００３２】
図２は、上述の電池パック１に含まれる充放電制御用のスイッチ回路３の構成を詳細に示す回路図である。但し、図２では説明を簡略化するために、ＥＳＤ保護回路、対ノイズ回路、チャタリング防止回路などの、コンデンサ、ダイオード、抵抗等を省略した構成が示されている。このスイッチ回路３は、電池パックの非使用保存時、負荷に接続され正常状態で通電が行われる時、及び負荷に接続され異常状態に対処した制御が行われる時のいずれにおいても、スイッチ回路３が挿入されたことに起因する消費電力を抑制するように制御可能である。
【００３３】
スイッチ回路３は、２種類のスイッチング素子、すなわち物理的スイッチ及び半導体スイッチとして、リレー１０及びＭＯＳ−ＦＥＴ１１を用いて構成されている。リレー１０及びＭＯＳ−ＦＥＴ１１は、二次電池２と外部端子Ｔ１の間に直列に接続されるとともに（図１参照）、互いに並列に接続されている。リレー１０の制御端子にはリレー開閉回路１２が接続され、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１のゲートにはＭＯＳ−ＦＥＴ開閉回路１３が接続されている。
【００３４】
リレー開閉回路１２及びＭＯＳ−ＦＥＴ開閉回路１３は、保護回路４からの制御により、それぞれ、リレー１０及びＭＯＳ−ＦＥＴ１１をＯＮ状態またはＯＦＦ状態に制御するように動作する。保護回路４による制御は、具体的には以下のように行われる。
【００３５】
電流検出部７が検出する電流値が基準値Ｉｒ未満の場合には、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１をＯＮ状態とするとともにリレー１０をＯＦＦ状態とするように、リレー開閉回路１２及びＭＯＳ−ＦＥＴ開閉回路１３を制御する。基準値Ｉｒは、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１のＯＮ抵抗に起因する消費電力が実用上問題にならない程度の値に設定される。また、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１をＯＮ状態に維持するための制御電力は非常に少ないので、この制御状態におけるＭＯＳ−ＦＥＴ１１に起因する電力消費は少ない。従って、電池パックの保存時、または低負荷（低電流）時には、スイッチ回路３での消費電力を十分に低く抑制することができる。
【００３６】
一方、電流値が基準値Ｉｒ以上の場合には、リレー１０をＯＮ状態とするようにリレー開閉回路１２を制御する。この場合、同時に、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１をＯＦＦ状態とするようにＭＯＳ−ＦＥＴ開閉回路１３を制御する構成としてもよい。リレー１０をＯＮ状態とすることにより、ＯＮ抵抗が大きいＭＯＳ−ＦＥＴ１１における電力消費を回避し、大電流が流れた場合であっても、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１を単独で用いた場合に比べて、スイッチ回路３での消費電力を十分に低く抑制することができる。
【００３７】
また、リレー１０がＯＮ状態に制御されているときに、電流値が変化して基準値Ｉｒ未満になった場合には、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１をＯＮ状態とするとともにリレー１０をＯＦＦ状態とするように制御が行われる。
【００３８】
以上のとおり、本実施の形態によれば、半導体スイッチを介した通電によりＯＮ状態での長期保存を可能とし、また低電流での電力損失を抑制する。一方、物理的スイッチを介した通電により、大電流での使用に際しての電力損失を抑制することができる。
【００３９】
また、リレー１０がＯＦＦ状態のときにＭＯＳ−ＦＥＴ１１がＯＮ状態になっていることにより、リレー１０をＯＮ状態に切り替える際のチャタリングを防止することができる。
【００４０】
さらに、ＭＯＳ−ＦＥＴ１１が、リレー１０のプリチャージのために機能するので、プリチャージのための要素を別途設けることが不要になる。また、プリチャージのためにＭＯＳ−ＦＥＴ１１を使用すると、プリチャージの際のＭＯＳ−ＦＥＴ１１の駆動をＰＷＭのようなフィードバック制御により行うことで、プリチャージ抵抗を設けることが不要となる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の電池パックによれば、電池の電力を電池パック内で無駄に消費することなく、有効的に使用することができ、電動バイク等の電池パックとして有用である。
【符号の説明】
【００４２】
１、２０  電池パック
２  電池セル
３  スイッチ回路
４  保護回路
５  スイッチ回路制御部
６  電圧検出部
７  電流検出部
８  温度検出部
１０  リレー
１１  ＭＯＳ−ＦＥＴ
１２  リレー開閉回路
１３  ＭＯＳ−ＦＥＴ開閉回路
【図１】
2013219964.tif 000003
【図２】
2013219964.tif 000004
【図３】
2013219964.tif 000005