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公開番号2022001012
公報種別公開特許公報(A)
公開日20220104
出願番号2021092895
出願日20210602
発明の名称保護回路
出願人ショット日本株式会社
代理人
主分類H02H 7/18 20060101AFI20211203BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】バッテリを過充電と過熱から保護するより簡素な保護回路、充放電装置、バッテリパック及び電気機器を提供する。
【解決手段】リチウムイオン電池など二次電池のバッテリパックを過充電と過熱から保護する保護回路10は、1以上の二次電池のセル11が接続されたバッテリ12と、セルまたはバッテリの電圧に応じて制御信号を出力する信号制御部13と、バッテリの外部端子14との間の電流回路に並列接続され、かつ、信号制御部からの信号を受けてオン/オフ制御する第1のスイッチング素子15-1および第2のスイッチング素子15-2と、ヒューズエレメント16-1と発熱抵抗体16-2を内蔵し、ヒューズエレメントが放電回路と並列接続され、かつ、発熱抵抗体が信号制御部に接続された第3のスイッチング素子15-3によって動作制御された保護素子16を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
リチウムイオン電池など二次電池のバッテリパックを過充電と過熱から保護する保護回路であって、
1以上の二次電池のセルが接続されたバッテリと、前記セルまたは前記バッテリの電圧に応じて制御信号を出力する信号制御部と、前記バッテリの外部端子との間の電流回路に並列接続され、かつ前記信号制御部からの信号を受けてオン/オフ制御する第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子と、ヒューズエレメントと発熱抵抗体を内蔵し、前記ヒューズエレメントが放電回路と並列接続され、かつ前記発熱抵抗体が前記信号制御部に接続された第3のスイッチング素子によって動作制御された保護素子とを備えた保護回路。
続きを表示(約 1,600 文字)【請求項2】
前記第1および前記第2のスイッチング素子は、スイッチングトランジスタまたは該スイッチングトランジスタを含む保護回路モジュールから構成された請求項1に記載の保護回路。
【請求項3】
前記第1および前記第2のスイッチング素子は、FETまたは該FETを含む保護回路モジュールから構成された請求項1または請求項2に記載の保護回路。
【請求項4】
前記第1のスイッチング素子は、放電の方向に対して内部ダイオードのバイアス方向が順方向となるようにして放電回路上に接続された1個のスイッチングトランジスタとから構成され、
前記第2のスイッチング素子は、充電の方向に対して内部ダイオードのバイアス方向が順方向となるようにして充電回路上に接続された1個のスイッチングトランジスタとから構成された請求項1ないし請求項3の何れか1つに記載の保護回路。
【請求項5】
前記信号制御部は、その信号回路を分岐させた何れか一方の信号回路にインバータ素子を設けて、前記分岐した信号回路の片側に前記第1のスイッチング素子のゲートを、もう一方の側に前記第2のスイッチング素子のゲートをそれぞれ接続させた請求項1ないし請求項4の何れか1つに記載の保護回路。
【請求項6】
前記保護回路は、さらに抵抗素子およびキャパシタ素子からなる遅延回路を設けた請求項1ないし請求項5の何れか1つに記載の保護回路。
【請求項7】
リチウムイオン電池など二次電池のバッテリパックの充放電装置であって、
1以上の二次電池のセルが接続されたバッテリと、前記セルまたは前記バッテリの電圧に応じて制御信号を出力する信号制御部と、前記バッテリの外部端子との間の電流回路に並列接続され、かつ前記信号制御部からの信号を受けてオン/オフ制御する第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子と、ヒューズエレメントと発熱抵抗体を内蔵し、前記ヒューズエレメントが放電回路と並列接続され、かつ前記発熱抵抗体が前記信号制御部に接続された第3のスイッチング素子によって動作制御された保護素子とを備え、
前記信号制御部は、
充電時に前記第1のスイッチング素子をオフにするとともに前記第2のスイッチング素子をオンにし、
放電時に前記第1のスイッチング素子をオンにするとともに前記第2のスイッチング素子をオフにして、前記充電回路と前記放電回路とをオン/オフ制御することができ、
前記保護素子は、前記第2のスイッチング素子を経由して流れる前記充電回路の電流値が所定の溶断電流値を越えたときに溶断するか、
または、
前記セルまたは前記バッテリの電圧が所定の電圧値を越えたときに、前記発熱抵抗体の通電発熱によって溶断する前記ヒューズエレメントを有する充放電装置。
【請求項8】
前記第1および前記第2のスイッチング素子は、スイッチングトランジスタまたは該スイッチングトランジスタを含む保護回路モジュールから構成された請求項7に記載の充放電装置。
【請求項9】
前記第1および前記第2のスイッチング素子は、FETまたは該FETを含む保護回路モジュールから構成された請求項7または請求項8に記載の充放電装置。
【請求項10】
前記第1のスイッチング素子は、放電の方向に対して内部ダイオードのバイアス方向が順方向となるようにして放電回路上に接続された1個のスイッチングトランジスタとから構成され、
前記第2のスイッチング素子は、充電の方向に対して内部ダイオードのバイアス方向が順方向となるようにして充電回路上に接続された1個のスイッチングトランジスタとから構成された請求項7ないし請求項9の何れか1つに記載の充放電装置。
(【請求項11】以降は省略されています)

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、発熱抵抗体とヒューズエレメントを有する保護素子を備えたバッテリパックの保護装置、保護回路およびバッテリパックに関する。
続きを表示(約 3,000 文字)【背景技術】
【0002】
リチウムイオン電池は携帯電話のように単電池使用でも必ず安全確保のための保護回路(Safety Unit)とセットでケース内に組み込んだバッテリパックの形態で製品化されている。リチウムイオン電池は単電池だけでは実用上の安全性確保が難しいからである。リチウムイオン電池の安全性の特徴は過充電と過熱に弱いことがあげられる。このため、バッテリパックは、電池と安全性確保のための保護回路、保護素子、ヒューズ等をセットにしてプラスチックケース等の外装缶に収納したものとなっており、電圧、電流、温度等を検知しながら充放電制御システム(バッテリマネージメントシステム,BMS)によって電池の充放電は制御されている。
【0003】
リチウムイオン電池の二次電池セルを複数搭載したバッテリパックは、電池が異常な状態で充放電されるのを防止するために、電池と直列に保護素子を接続している。この保護素子は、電池が異常な状態で充放電されるときに電流を遮断する。異常時に電池の電流を遮断するために、保護素子は過電流のジュール熱によって溶断する低融点金属のヒューズエレメントを内蔵する。さらに保護素子は発熱抵抗体が内蔵されており、電池が過充電された異常時には、発熱抵抗体に通電して低融点金属のヒューズエレメントを短時間で加熱溶断させることができる。(特許文献1参照)
上記保護素子はバッテリパックの保護回路に接続されており、各セルの電圧をモニタするプロテクションICとFETなどの制御素子によってヒューズエレメントの動作は制御されている。例えば、特許文献2に記載のバッテリパックの充放電制御回路に利用された保護素子は、バッテリパックの過電流および周囲温度の上昇に感応するか、または所定条件で発熱抵抗体に通電することによって強制的にヒューズを作動させ電気回路を遮断する。すなわち、該保護素子は、機器の安全を図るために、保護回路が機器に生ずる異常を検知すると信号電流により抵抗素子を発熱させ、その発熱で可溶合金からなるヒューズエレメント(ヒューズ素子とも言う)を溶断させて回路を遮断するか、あるいは過電流によってヒューズエレメントを溶断させて回路を遮断できる。
【0004】
従来のバッテリパックでは構成が複雑であった。すなわち、保護回路に保護素子を少なくとも放電系と充電系でそれぞれ別の保護素子が使用され、複数の保護素子が必要とされていた。また、保護回路は、開閉器を構成するFET(スイッチング素子)、ダイオード(整流素子)などを含む半導体素子を、少なくとも放電回路系に2個、充電回路系に2個、保護素子の動作制御に1個用いており、多数の半導体素子が必要であった。切換制御部から第1および第2の開閉器に出力される2つの信号は、互いに常に逆相でなければならない。万一、信号が同相だと2つの開閉器と2つの保護素子間にループが形成されてしまうため、システムダウンにつながるリスクがあるからである。従来の保護回路は信号制御に上述のリスクがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2017−228379号公報
特開2012−231649号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の目的は、バッテリを過充電と過熱から保護する保護回路およびバッテリパックを、より簡素な構成で実現し、もって上述のシステムリスクを軽減するために提案されたものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明によると、リチウムイオン電池など二次電池のバッテリパックを過充電と過熱から保護する保護回路であって、
1以上の二次電池のセルが接続されたバッテリ(組電池)と、セルまたはバッテリの電圧に応じて制御信号を出力する信号制御部と、バッテリの外部端子との間の電流回路に並列接続され、かつ信号制御部からの信号を受けてオン/オフ制御する第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子と、ヒューズエレメントと発熱抵抗体を内蔵し、ヒューズエレメントが放電回路と並列接続され、かつ発熱抵抗体が信号制御部に接続された第3のスイッチング素子によって動作制御された保護素子とを備えた保護回路が提案される。
【0008】
本発明に係るスイッチング素子は、電界効果トランジスタ(FET)、MOSFET、IGBTなどのスイッチングトランジスタまたは該スイッチング素子を含む保護回路モジュールから構成される。
【0009】
本発明に係る保護回路はバッテリパックの充放電装置に適用される。すなわち、リチウムイオン電池など二次電池のバッテリパックの充放電装置であって、1以上の二次電池のセルが接続されたバッテリと、セルまたはバッテリの電圧に応じて制御信号を出力する信号制御部と、バッテリの外部端子との間の電流回路に並列接続され、かつ信号制御部からの信号を受けてオン/オフ制御する第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子と、ヒューズエレメントと発熱抵抗体を内蔵し、ヒューズエレメントが放電回路と並列接続され、かつ発熱抵抗体が信号制御部に接続された第3のスイッチング素子によって動作制御された保護素子とを備え、信号制御部は、充電時に第1のスイッチング素子をオフにするとともに第2のスイッチング素子をオンにし、放電時に第1のスイッチング素子をオンにするとともに第2のスイッチング素子をオフにして、充電回路と放電回路とをオン/オフ制御することができ、保護素子は、第2のスイッチング素子を経由して流れる充電回路の電流値が所定の溶断電流値を越えたときに溶断するか、または、セルまたはバッテリの電圧が所定の電圧値を越えたときに、発熱抵抗体の通電発熱によって溶断するヒューズエレメントを有する充放電装置が提供される。
【0010】
本発明に係る保護回路または充放電装置はバッテリパックに適用される。すなわち、リチウムイオン電池など二次電池のバッテリパックであって、1以上の二次電池のセルが接続されたバッテリと、セルまたはバッテリの電圧に応じて制御信号を出力する信号制御部と、バッテリの外部端子との間の電流回路に並列接続され、かつ信号制御部からの信号を受けてオン/オフ制御する第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子と、ヒューズエレメントと発熱抵抗体を内蔵し、ヒューズエレメントが放電回路と並列接続され、かつ発熱抵抗体が信号制御部に接続された第3のスイッチング素子によって動作制御された保護素子とを備え、信号制御部は、充電時に第1のスイッチング素子をオフにするとともに第2のスイッチング素子をオンにし、放電時に第1のスイッチング素子をオンにするとともに第2のスイッチング素子をオフにして、充電回路と放電回路とをオン/オフ制御し、保護素子は、第2のスイッチング素子を経由して流れる充電回路の電流値が所定の溶断電流値を越えるとヒューズエレメントが溶断して充電回路を遮断し、かつ信号制御部によりセルまたはバッテリが所定の電圧値を越えると発熱抵抗体が発熱してヒューズエレメントが溶断して充電回路を遮断するバッテリパックが提供される。
(【0011】以降は省略されています)

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