特許ウォッチ

公開番号2023013699
公報種別公開特許公報(A)
公開日2023-01-26
出願番号2021118067
出願日2021-07-16
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 20060101AFI20230119BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】比較的簡素な構成で、所定の電圧範囲を有する複数の電圧チャンネルを有し、リチウムイオン電池の過充電乃至過放電からバッテリパックを保護する保護回路、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】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、二次電池のセル11が接続されたバッテリ12と、セル又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15と、セル又はバッテリとその外部端子との間の電流回路に接続されたヒューズエレメント16及びヒューズエレメントに接続した発熱抵抗体17を有する保護素子18と、セル又はバッテリとその外部端子との間の電流回路に接続され、発熱抵抗体と信号制御部に接続した第1のスイッチング素子19と、セル又はバッテリとその外部端子との間の電流回路に接続され、かつ、発熱抵抗体と信号制御部に接続した第2のスイッチング素子200とを備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
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、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、前記セルまたは前記バッテリとその外部端子との間の電流回路に接続されたヒューズエレメントと前記ヒューズエレメントに接続した発熱抵抗体とを有する保護素子と、前記セルまたは前記バッテリとその外部端子との間の電流回路に接続され、かつ前記発熱抵抗体と前記信号制御部とに接続した第１のスイッチング素子と、前記セルまたは前記バッテリとその外部端子との間の電流回路に接続され、かつ前記発熱抵抗体と前記信号制御部とに接続した第２のスイッチング素子とを備え、前記第２のスイッチング素子は、さらに前記発熱抵抗体に接続した抵抗素子を有する保護回路。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
前記信号制御部は、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とを切り替えて前記保護素子の動作を制御する請求項１に記載の保護回路。
【請求項３】
前記信号制御部は、前記セルまたは前記バッテリの電圧値が第一の電圧範囲を外れたときには、前記第１のスイッチング素子を経由して前記発熱抵抗体を通電発熱させて前記保護素子の前記ヒューズエレメントを溶断させ、前記セルまたは前記バッテリの電圧値が第二の電圧範囲を外れたときには、前記第２のスイッチング素子を経由して前記発熱抵抗体を通電発熱させて前記保護素子の前記ヒューズエレメントを溶断させる請求項１または請求項２に記載の保護回路。
【請求項４】
前記発熱抵抗体の内部抵抗値をR1、前記保護素子の定格電圧値をV1、前記セルまたは前記バッテリの電圧をV2とするとき、前記第２のスイッチング素子に付加する前記抵抗素子の電気抵抗値R２は、R２＝｛R1×（V２ーV1）｝／V1となる請求項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】
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、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前記セルまたは前記バッテリの充放電回路と接続され、かつ前記発熱抵抗体が前記信号制御部に接続された第１のスイッチング素子と第２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、前記第２のスイッチング素子は、前記発熱抵抗体との通電経路に接続した抵抗素子を有する充放電装置。
【請求項６】
前記信号制御部は、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とを切り替えて前記保護素子の動作を制御する請求項５に記載の充放電装置。
【請求項７】
前記信号制御部は、前記セルまたは前記バッテリの電圧値が第一の電圧範囲を外れたときには、前記第１のスイッチング素子を経由して前記発熱抵抗体を通電発熱させて前記保護素子の前記ヒューズエレメントを溶断させ、前記セルまたは前記バッテリの電圧値が第二の電圧範囲を外れたときには、前記第２のスイッチング素子を経由して前記発熱抵抗体を通電発熱させて前記保護素子の前記ヒューズエレメントを溶断させる請求項５または請求項６に記載の充放電装置。
【請求項８】
前記発熱抵抗体の内部抵抗値をR1、前記保護素子の定格電圧値をV1、前記セルまたは前記バッテリの電圧をV2とするとき、前記第２のスイッチング素子に付加する前記抵抗素子の電気抵抗値R２は、R２＝｛R1×（V２ーV1）｝／V1となる請求項５ないし請求項７の何れか１つに記載の充放電装置。
【請求項９】
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、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、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充放電回路と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１のスイッチング素子と第２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、前記第２のスイッチング素子は、発熱抵抗体との通電経路に接続した抵抗素子を設けた充放電回路を有するバッテリパック。
【請求項１０】
前記信号制御部は、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とを切り替えて前記保護素子の動作を制御する請求項９に記載のバッテリパック。
（【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（ＳａｆｅｔｙＵｎｉｔ）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】
ノートパソコンなどに搭載されるリチウムイオン電池は、複数の単電池セルを接続して構成されたバッテリパックからなっている。近年、ノートバソコン搭載のリチウムイオン電池の発火事故もあり、過充電に対する二重の保護の必要性からリチウムイオン電池のバッテリパックにはセカンドプロテクションの搭載が一般的（必須）となっている。このセカンドプロテクションの保護方法は、SCP（セルフコントロールプロテクタ）と呼ばれる保護素子（ヒューズ）によって充放電経路を不可逆的に遮断する方法が用いられる。つまり、電池と直列に接続された保護素子をセカンドプロテクションICの制御によって動作させることで、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ようになっている。保護素子には発熱抵抗体が内蔵されており、電池が基準値を超えて過充電されたときは、セカンドプロテクションICにより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。また、保護素子は電池の異常電流によっても動作でき、そのときは過電流のジュール熱によってヒューズエレメントが溶断する。（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セカンドプロテクション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の保護機構は、例えば充電電圧が８．４～１９．１Vの範囲となるように電圧制御し、充電電圧が１９．１Vを超えたときに、セカンドプロテクションＩＣが過充電と判断し、ＦＥＴを経由して保護素子の発熱抵抗体を加熱しヒューズ素子を動作させていた。したがって、従来の方式では比較的狭い電圧レンジからなる単一電圧範囲によって過充電または過放電の保護を行っていた。（特許文献３参照）
【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
特開２０１８－０６０６５９号公報
【発明の概要】
【０００６】
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、セルまたはバッテリとその外部端子との間の電流回路に接続されたヒューズエレメントと同ヒューズエレメントに接続した発熱抵抗体とを有する保護素子と、セルまたはバッテリとその外部端子との間の電流回路に接続され、かつ発熱抵抗体と信号制御部とに接続した第１のスイッチング素子と、セルまたはバッテリとその外部端子との間の電流回路に接続され、かつ発熱抵抗体と信号制御部とに接続した第２のスイッチング素子とを備え、第２のスイッチング素子は、さらに前記発熱抵抗体に接続した抵抗素子を有する保護回路が提案される。
【０００７】
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、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セルまたはバッテリの充放電回路と接続され、かつ発熱抵抗体が信号制御部に接続された第１のスイッチング素子と第２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、第２のスイッチング素子は、発熱抵抗体との通電経路に接続した抵抗素子を有する充放電装置が提供される。
【０００８】
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、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充放電回路と接続されかつ発熱抵抗体が信号制御部に接続された第１のスイッチング素子と第２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、第２のスイッチング素子は、発熱抵抗体との通電経路に接続した抵抗素子を設けた充放電回路を有するバッテリパックが提供される。
【０００９】
本発明に係るバッテリパックはモバイル機器などコードレス電気機器に使用される。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を利用する電気機器であって、１以上の二次電池のセルが接続されたバッテリと、このバッテリの充放電を制御する保護回路または充放電装置を有するバッテリパックと、このバッテリパックと着脱自在に接続されて、バッテリパックを充電またはバッテリパックから電源供給を受けて駆動する機器本体とを有し、バッテリパックは、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、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セルまたはバッテリの充放電回路と接続されかつ発熱抵抗体が信号制御部に接続された第１のスイッチング素子と第２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、第２のスイッチング素子は、発熱抵抗体との通電経路に接続した抵抗素子を有する電気機器が提供される。
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、比較的簡素な構成で、所定の電圧範囲を有する複数の電圧チャンネルを有し、リチウムイオン電池の過充電ないし過放電からバッテリパックを保護するセカンドプロテクション回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

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