JP5397985B2

JP5397985B2 - 二次電池パック

Info

Publication number: JP5397985B2
Application number: JP2008300304A
Authority: JP
Inventors: 太志塩谷
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2028-11-26
Also published as: JP2010130738A

Description

本発明は、二次電池を多直列接続した電池ブロックを多並列接続して構成される二次電池パックに関し、特に全ての電池ブロックが異常状態に陥った場合に、二次電池パックに接続されている負荷装置がシャットダウンしてからその負荷装置への給電を停止することが可能な二次電池パックに関する。

リチウムイオン電池等の二次電池は、近年、電動機器や蓄電等の分野における用途が拡大してきており、これに伴って高電圧対応や高容量対応のための多直多並列化の要求が増えると共に高い信頼性も求められている。電池パックを多直多並列で構成する際、信頼性、安全性、寿命の観点からは、各構成電池が寿命に至るまで、充放電動作や保存において均一に電圧が推移し性能が劣化することが望まれるが、現実的には各構成電池の性能や劣化特性のバラツキ等のため、各構成電池間の電圧バランスが崩れる場合がある。このような電圧バランスの崩れが急激に進行したり、二次電池単体レベルで水没や短絡などの異常が発生すると、他の正常な二次電池までもが過充電状態に陥るなどの障害が生じ、二次電池パックや接続された負荷装置の損傷が発生することも懸念される。

通常の二次電池パックでは、異常な状態となった二次電池を検出した場合には、充放電スイッチを切るなどして二次電池パックの出力を停止させるのが一般的であるが、多直多並列構成の二次電池パックにおいては、この対策として、特許文献１に記載されているように、異常を検出した二次電池を含む電池ブロックごとに二次電池パックから電気的に切り離すことで、異常な電池ブロックへの充放電を行わないようにし、他の正常な電池ブロックにより負荷装置の駆動を継続するといった手法を用いることができる。

図３は、一般的な従来の多直多並列接続による二次電池パックの構成の一例および負荷装置への接続状態を示すブロック図である。図３において、二次電池１が複数個直列に接続され、直列電池ブロック２ａ及び２ｂが構成される。直列電池ブロック２ａ及び２ｂは直列電池ブロック分離ＳＷ群３ａ及び３ｂを介しセル電圧異常検出部４および負荷装置６への給電線９に接続されている。すなわち、直列電池ブロック分離ＳＷ群３ａ及び３ｂのうちのそれぞれ一つが、図３に示すように給電線９への接続を遮断するスイッチとなっている。直列電池ブロック２ａ及び２ｂを構成する二次電池１の電圧は、セル電圧異常検出部４により監視され、セル電圧異常検出部４は二次電池１の電圧の異常検出時に制御部５に異常信号を出力する。制御部５はセル電圧異常検出部４からの異常信号により、異常が検出された直列電池ブロック２ａまたは２ｂが接続されている直列電池ブロック分離ＳＷ群３ａまたは３ｂをすべてＯＦＦとし、直列電池ブロック２ａまたは２ｂをセル電圧異常検出部４および給電線９から電気的に切り離すように制御する。これにより、二次電池パックの容量が半減するものの、負荷装置６への電源供給を継続可能とするものである。なお、図３においては、制御部５は過放電、過充電からそれぞれ保護するための放電スイッチ７、充電スイッチ８も制御する機能も有している。

特開２００６−２３８６１９号公報

しかしながら、上述のような従来の二次電池パックにおいては、異常を検出した直列電池ブロックを電気的に分離するように制御するため、最終的に全ての直列電池ブロックで異常が検出された場合、負荷装置への電源供給が突然停止する可能性があり、負荷装置に対して重大な損傷を与える可能性がある。

また、これを回避して負荷装置に対して電源を供給し続けるためには、最低限一組の直列電池ブロックを残しておく必要があるため、異常な直列電池ブロックでの動作継続を余儀なくされ、このような異常な状態のまま充放電が繰り返されると、二次電池パックのさらなる損傷が発生しそれが拡大する恐れがある。

そこで、本発明の課題は、多直列電池ブロックの多並列接続で構成される二次電池パックにおいて、負荷装置に接続されている全ての直列電池ブロックが異常となった時、負荷装置がシャットダウンするのを待ってから負荷装置への電源供給を停止し、負荷装置を安全にシャットダウンすることが可能な二次電池パックを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の二次電池パックは、外部の負荷装置に接続される二次電池パックであって、複数の二次電池を直列に接続して構成される直列電池ブロックを複数個並列に接続して構成され、前記直列電池ブロックを構成する二次電池の電圧または温度を監視し、該二次電池の少なくとも一つの電圧または温度が予め規定した範囲外となったとき、該二次電池を含む直列電池ブロックを前記外部の負荷装置への給電線から切り離すよう構成された二次電池パックにおいて、前記切り離しにより前記負荷装置への給電線に接続される直列電池ブロックが０個となってしまう場合、該切り離しの前に前記負荷装置にアラーム信号を送出するアラーム送信機能を有し、該アラーム信号を受けてシャットダウンした前記負荷装置からのシャットダウン信号を受信した後に前記直列電池ブロックを切り離すように制御することを特徴とする。

また、本発明の二次電池パックは、上記の構成の二次電池パックにおいて、前記切り離しにより前記負荷装置への給電線に接続される直列電池ブロックが０個となってしまう場合、該切り離しの前に前記負荷装置にアラーム信号を送出するアラーム送信機能を有し、該アラーム信号を受けて前記負荷装置がシャットダウンするのに必要な一定の時間を経過した後に前記直列電池ブロックを切り離すように制御してもよい。

以上のように、本発明は、直列電池ブロック内で発生した異常な二次電池を検出し、直列電池ブロック単位で負荷装置への給電線から切り離すように構成された二次電池パックにおいて、最後に接続されている直列電池ブロックで異常を検出した場合に負荷装置にアラーム信号を送出し、負荷装置のシャットダウンを待ってからその直列電池ブロックを切り離すように制御するものである。これにより本発明では、多直列電池ブロックの多並列接続で構成される二次電池パックにおいて、負荷装置に接続されている全ての直列電池ブロックが異常となった時、負荷装置がシャットダウンするのを待ってから負荷装置への電源供給を停止し、負荷装置を安全にシャットダウンすることが可能な二次電池パックが得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照し説明する。

図１は、本発明による二次電池パックの第一の実施の形態の構成およびその負荷装置への接続状態を示すブロック図である。図１において、本実施の形態の二次電池パックは、複数の二次電池１１を直列に接続して構成される直列電池ブロック１２ａ及び１２ｂとを並列に接続して構成され、直列電池ブロック１２ａ及び１２ｂを構成する二次電池１１の各々の電圧を監視するセル電圧異常検出部１４と、異常検出時に直列電池ブロック１２ａ及び１２ｂを電気的に切り離すための直列電池ブロック分離ＳＷ群１３ａ及び１３ｂと、直列電池ブロック分離ＳＷ群１３ａ及び１３ｂを制御する制御部１５と、負荷装置からのシャットダウン完了信号を受ける負荷シャットダウン検出部１９とを備える。

本実施の形態の二次電池パックにおいて、セル電圧異常検出部１４が異常を検出したとき、すなわち二次電池１１の少なくとも一つの電圧が予め規定した範囲外となったとき、セル電圧異常検出部１４は制御部１５に異常信号を出力し、制御部１５は制御信号によりその二次電池を含む直列電池ブロックを負荷装置への給電線２０から切り離すよう制御する。ここで、制御部１５は切り離しにより給電線２０に接続される直列電池ブロックが０個となってしまう場合、切り離しの前に負荷装置１６にアラーム信号を送出すると同時に負荷シャットダウン検出部１９を待機状態とし、負荷シャットダウン検出部１９はアラーム信号を受けてシャットダウンした負荷装置１６からのシャットダウン完了信号を受信した後に制御部１５からの制御信号を出力する。上記以外の場合には、負荷シャットダウン検出部１９は制御部１５からの制御信号をそのまま出力する。

二次電池１１の電圧がすべて正常な通常時は、直列電池ブロック分離ＳＷ群１３ａ及び１３ｂをＯＮ状態とする。直列電池ブロック１２ａもしくは１２ｂのどちらか一方で電圧異常が発生した場合は、セル電圧異常検出部１４からの異常信号を受けた制御部１５はその異常検出された直列電池ブロックが接続されている直列ブロック分離ＳＷ群だけがＯＦＦ状態となるよう制御し、異常検出された直列電池ブロックのみを電気的に切り離し、もう一方が異常検出されない限り、二次電池パックとして動作を継続する。

このような状態において、残るもう一方の直列電池ブロックで電圧異常が発生した場合、もしくは、正常状態であった直列電池ブロック１２ａ及び１２ｂで同時に電圧異常が発生した場合、セル電圧異常検出部１４からの異常信号を受けた制御部１５は、負荷装置１６に対してアラーム信号としてシャットダウン要求信号を出力すると同時に、負荷シャットダウン検出部１９が待機状態となるように制御する。この時、負荷シャットダウン検出部１９は負荷装置１６からのシャットダウン完了信号を受けるまで待機状態を維持するように制御され、制御部１５からの制御信号は出力されないので、負荷装置１６への電源供給が維持される。負荷シャットダウン検出部１９は、待機中に負荷装置１６からのシャットダウン完了信号を検出すると、制御信号を出力して直列ブロック分離ＳＷ群１３ａ及び１３ｂをＯＦＦ状態とし、これにより直列電池ブロック１２ａ及び１２ｂが切り離されて二次電池パックとして完全に動作を停止する。

このように、全ての直列電池ブロックで異常が発生した場合、負荷装置のシャットダウンを待ってから直列電池ブロックを切り離すよう制御することにより、突然の負荷装置への給電停止がなくなり、安全に負荷装置をシャットダウンさせることが可能な二次電池パックを実現することができる。

図２は、本発明による二次電池パックの第二の実施の形態の構成およびその負荷装置への接続状態を示すブロック図である。本実施の形態の二次電池パックは、図１の実施の形態の二次電池パックにおける負荷シャットダウン検出部１９の代わりにタイマー部２９を設けたもので、それ以外の基本構成は第一の実施の形態と同じである。

図２においては、直列電池ブロック１２ａ及び１２ｂのうち一つが異常状態となり、残っている正常状態の直列電池ブロックでさらに電圧異常が発生した場合、もしくは、正常状態であった直列電池ブロック１２ａ及び１２ｂで同時に電圧異常が発生した場合、セル電圧異常検出部２４からの異常信号を受けた制御部２５は、負荷装置２６に対してアラーム信号としてシャットダウン要求信号を出力すると同時に、タイマー部２９が起動するよう制御する。タイマー部２９には予め負荷装置２６がシャットダウン要求信号を受けてからシャットダウンするために必要な時間がセットされており、シャットダウン要求信号の出力と同時にカウントを開始する。タイマー部２９が設定時間に達するとタイマー部は制御部２５からの制御信号を出力して直列ブロック分離ＳＷ群１３ａ及び１３ｂをＯＦＦ状態とする。これにより直列電池ブロック１２ａ及び１２ｂは切り離され、二次電池パックとして完全に動作を停止する。なお、タイマー部２９は、上記以外の場合には、制御部２５からの制御信号をそのまま出力する。

ここで、タイマーの設定時間は、例えば、接続されている負荷装置がシステムシャットダウンに１０秒、データ保存に２０秒必要である場合、概ね３０秒〜４０秒とするのが良い。しかしながら、タイマーの適切な設定時間は、構成されるシステムに大きく依存し、シャットダウンに要する時間が異なるので、接続されている負荷装置が必要とする時間に合わせてタイマーを設定するのが好ましい。

なお、本発明は上記の実施の形態に制限されるものではないことはいうまでもなく、目的とする二次電池パックの電圧や容量、負荷装置の機能や性能などに応じて設計変更可能である。例えば、上記の実施の形態では、二並列接続の例を挙げて説明したが、三並列接続以上の構成に適用しても良い。また、二次電池の温度を監視してその値が規定範囲外となった時に異常と判定して制御しても良い。

本発明による二次電池パックの第一の実施の形態の構成およびその負荷装置への接続状態を示すブロック図。本発明による二次電池パックの第二の実施の形態の構成およびその負荷装置への接続状態を示すブロック図。従来の多直多並列接続による二次電池パックの構成の一例および負荷装置への接続状態を示すブロック図。

符号の説明

１，１１二次電池
２ａ，２ｂ，１２ａ，１２ｂ直列電池ブロック
３ａ，３ｂ，１３ａ，１３ｂ直列電池ブロック分離ＳＷ群
４，１４，２４セル電圧異常検出部
５，１５，２５制御部
６，１６，２６負荷装置
７，１７放電スイッチ
８，１８充電スイッチ
９，２０給電線
１９負荷シャットダウン検出部
２９タイマー部

Claims

外部の負荷装置に接続される二次電池パックであって、複数の二次電池を直列に接続して構成される直列電池ブロックを複数個並列に接続して構成され、前記直列電池ブロックを構成する二次電池の電圧または温度を監視し、該二次電池の少なくとも一つの電圧または温度が予め規定した範囲外となったとき、該二次電池を含む直列電池ブロックを前記外部の負荷装置への給電線から切り離すよう構成された二次電池パックにおいて、
前記切り離しにより前記負荷装置への給電線に接続される直列電池ブロックが０個となってしまう場合、該切り離しの前に前記負荷装置にアラーム信号を送出するアラーム送信機能を有し、該アラーム信号を受けてシャットダウンした前記負荷装置からのシャットダウン信号を受信した後に前記直列電池ブロックを切り離すように制御し、
上記以外の場合、前記切り離しの前に前記負荷装置にアラーム信号を送出する処理から前記シャットダウン信号を受信する処理までを行うことなく、前記直列電池ブロックを切り離すように制御することを特徴とする二次電池パック。
外部の負荷装置に接続される二次電池パックであって、複数の二次電池を直列に接続して構成される直列電池ブロックを複数個並列に接続して構成され、前記直列電池ブロックを構成する二次電池の電圧または温度を監視し、該二次電池の少なくとも一つの電圧または温度が予め規定した範囲外となったとき、該二次電池を含む直列電池ブロックを前記外部の負荷装置への給電線から切り離すよう構成された二次電池パックにおいて、
前記切り離しにより前記負荷装置への給電線に接続される直列電池ブロックが０個となってしまう場合、該切り離しの前に前記負荷装置にアラーム信号を送出するアラーム送信機能を有し、該アラーム信号を受けて前記負荷装置がシャットダウンするのに必要な一定の時間を経過した後に前記直列電池ブロックを切り離すように制御し、
上記以外の場合、前記切り離しの前に前記負荷装置にアラーム信号を送出する処理から前記一定の時間が経過するのを待つ処理までを行うことなく、前記直列電池ブロックを切り離すように制御することを特徴とする二次電池パック。