电池组、电池系统及放电方法与流程

本发明涉及电池组及由多个电池组构成的电池系统，特别涉及能够从电池组内部适当地进行剩余电流的释放的电池组、电池系统及放电方法。本申请以在日本于2014年5月13日申请的日本专利申请号特愿2014－099714为基础主张优先权，这些申请通过参考引用至本申请。

背景技术：

经充电能够反复利用二次电池大部分被加工成电池组而提供给用户。特别是重量能量密度高的锂离子二次电池中，为了确保用户及电子设备的安全，一般在电池组内置过充电保护、过放电保护等几个保护电路，具有在既定的情况下截断电池组的输出的功能。

在这种保护元件中，有通过利用内置于电池组的FET（场效应晶体管：Field Effect Transistor）开关进行输出的导通/截止（ON/OFF）而进行电池组的过充电保护或过放电保护动作的元件。然而，在因一些原因而FET开关短路破坏的情况下，被施加雷涌等，从而流过瞬间大电流的情况下，或者因电池单元的寿命而输出电压异常下降或反而输出过大异常电压的情况下，也需要保护电池组或电子设备，以免发生起火等事故。因此，为了在能够这样假设的任何异常状态中，也安全地截断电池单元的输出，采用由熔丝元件构成的保护元件，该熔丝元件具有用来自外部的信号截断电流路径的功能。

作为面向这样的锂离子二次电池等的保护电路的保护元件，如专利文献1中记载的那样，有这样的元件：遍及电流路径上的第一电极、与发热体相连的导体层、第二电极间连接可熔导体而形成电流路径的一部分，通过利用过电流进行的自发热，或者设在保护元件内部的发热体来熔断该电流路径上的可熔导体。在这样的保护元件中，通过将熔化的液体状的可熔导体聚集到与发热体相连的导体层上来截断电流路径。

另外，提出了这样的结构：在LED照明装置中，对串联连接的各个LED（Light Emitting Diode，发光二极管）元件并联连接短路元件，当LED出现异常时以既定电压使短路元件短路，从而使正常的LED发光（专利文献2）。在专利文献2中记载的短路元件，串联连接多个用金属夹着既定膜厚的绝缘势垒层而构成的元件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005－206220号公报

专利文献2：日本特开2007－012381号公报。

技术实现要素：

发明要解决的课题

近年来，使用电池和马达的EV（电动汽车：Electric Vehicle）、HEV（混合电动汽车：Hybrid Electric Vehicle）得到迅速普及。作为HEV、EV的动力源，出于能量密度和输出特性开始使用锂离子二次电池。作为汽车用途，需要高电压、大电流。因此，开发出能够承受高电压、大电流的专用单元，但是因为制造成本上的问题而多数情况下，通过串联、并联连接多个电池单元，从而使用通用单元来确保所需要的电压电流。

另外，将串联连接多个电池单元的模块设为电池组，将多个该电池组并联配置，从而形成电池系统，能够以电池组单位进行部件交换，从而谋求提高维护性。

然而，上述的电池系统中，在一个电池组出现故障的情况下，因为电池组被并联配置，所以虽然不会出现输出电压的下降，但输出电流会下降。即便能够因输出电流的下降而探测到电池的故障，也不能分辨哪一个电池组出现故障，会成为阻碍维护性的提高的因素。

本发明用于解决上述课题，目的在于提供利用电池组的保护电路报知电池组的异常，从而确保电池系统的安全并且提高维护性的电池组、电池系统及放电方法。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本发明所涉及的电池组，具备：二次电池；主电路，与二次电池串联连接，成为二次电池的充放电路径；保护电路，与二次电池并联连接，在既定条件下消耗二次电池的电力；切换单元，在既定条件下，截断二次电池和主电路，并且连接二次电池和保护电路；以及错误信号输出单元，将向保护电路的输出电流作为错误信号而向外部输出。

另外，本发明所涉及的电池系统，具备多个电池组和控制单元，所述电池组具有：二次电池；主电路，与二次电池串联连接，成为电源供给电路；保护电路，与二次电池并联连接，在既定条件下消耗内部电力；以及切换单元，截断二次电池和所述主电路，并且连接二次电池和保护电路，所述控制单元与各电池组的主电路及保护电路分别连接，控制来自各电池组的输入输出，控制单元在检测到从各电池组的哪一个的保护电路输出的电流时，判断电池组的错误。

另外，本发明所涉及的放电方法，是电池组的放电方法，截断与二次电池串联连接并成为电源供给电路的主电路和二次电池，连接与二次电池并联连接并在既定条件下消耗内部电力的保护电路和二次电池，通过保护电路进行内部放电并且将向保护电路的输出电流的至少一部分作为错误信号向电池组外输出。

发明效果

依据本发明，能够在检测到电池组的异常的情况下切换到保护电路并且将流过电池组的保护电路的电流作为错误信号而输出，通过该错误信号报知电池组及电池系统的错误并且容易确定输出错误信号的电池组，从而能够提高电池组的维护性。

附图说明

图1是说明电池系统的框图。

图2是说明电池组的结构的框图。

图3是说明电池组的结构的框图。

图4是说明切换元件的动作的电路图。

图5是说明电池组的动作的电路图。

图6是说明电池组的动作的电路图。

图7是说明电池组的动作的电路图。

具体实施方式

以下，参照附图，对适用本发明的电池组、电池系统及放电方法进行详细说明。此外，本发明并不仅仅限定于以下的实施方式，在不脱离本发明的要点的范围内显然能够进行各种变更。另外，附图是示意性的，各尺寸的比例等有不同于现实的情况。具体尺寸等应该参考以下的说明进行判断。另外，显然附图相互之间也包含彼此尺寸关系或比例不同的部分。

[电池系统]

以下，以用于EV等的并联配置多个锂离子电池的模块的电池系统为例进行说明。

如图1所示，电池系统100由以下部分构成：多个电池组200；与这些电池组200连接并控制对各电池组200的充放电等的控制单元300；以及示出输出后述的错误信号的电池组200而进行报知的报知部400。

关于各电池组200，细节后述，但是将锂离子电池和保护电路进行了模块化，构成为当电池异常时能够将错误信号向控制单元300输出并且消耗内部电流。

控制单元300由IC电路等构成，控制对各电池组200的充电或来自各电池组200的供电，从而进行向EV内部的例如马达、各种电装备部件供给电流的控制。另外，控制单元300基于后述的来自电池组200的错误信号，探测发出错误信号的电池组200的异常，利用报知部400来报知电池组200的异常。

报知部400与控制单元300连接，由发光单元或音响单元构成，通过发光或音响来报知电池组200的异常。关于报知部400的具体结构，由于与后述的设于电池组200内部的报知单元大致相同，所以省略说明。

[电池组]

如图2所示，电池组200具有：作为输入输出端子的负端子11及正端子12；第一FET（Field Effect Transistor，场效应晶体管）13及第二FET 14；控制第一FET 13及第二FET 14的第一IC（Integrated Circuit，集成电路）15；锂离子电池16；切换主电路和保护电路的切换元件17；控制切换元件17的第二IC 18；外部输出端子19；LED（Light Emitting Diode，发光二极管）20；以及发热电阻器21。

负端子11及正端子12与电池系统100的控制单元300连接，形成对锂离子电池16进行充放电的主电路（第一电路）。另外，负端子11及正端子12与外部输出端子19一起成为通过连接器等来与控制单元300连接的接口。

第一FET 13及第二FET 14是在主电路上与锂离子电池16串联配置的晶体管元件。第一IC 15与第一FET 13及第二FET 14连接，通过第一FET 13及第二FET 14和第一IC 15形成第一保护电路。

第一保护电路中，第一IC 15与未图示的过热探测传感器等连接并且判断电池组200的内部的温度是否为既定值以上，在判断为既定值以上的情况下，因为处于过热状态而保护锂离子电池16，所以驱动第一FET 13或第二FET 14而截断主电路。

另外，第一保护电路中，第一IC 15与未图示的电流监视器等连接并且判断主电路的电流值是否为既定值以上，在判断为既定值以上的情况下，处于过电流状态，为了保护锂离子电池16，驱动第一FET 13或第二FET 14而截断主电路。

锂离子电池16构成为以多级式串联配置多个单元而成为期望的电压值。在此，与铅酸电池或镍氢电池相比，锂离子电池16因为能量密度高且电动势也高，所以在EV等的用途上是优选的。

切换元件17在主电路上与锂离子电池16串联配置，第二IC 18与切换元件17连接。在此，切换元件17构成切换主电路和第二保护电路的切换单元。

在此，第二保护电路与锂离子电池16并联配置，是将一端连接到切换元件17并且将另一端连接到第二FET 14与锂离子电池16之间的旁路路径。第二保护电路中，外部输出端子19、LED（Light Emitting Diode，发光二极管）20和发热电阻器21分别依次串联配置。此外，这些配置顺序无特别限定，但是外部输出端子19要配置在切换元件17的附近。

外部输出端子19是与电池组200的外部连接的端子，将输出到第二保护电路上的电流的至少一部分作为错误信号向外部输出。具体而言，外部输出端子19与电池系统100的控制单元300连接，作为对电池系统100报知电池组200的错误的报知单元之一发挥功能。

LED 20设置在电池组200的未图示的外装备部，作为电流流过第二保护电路时发光的发光单元发挥功能。具体而言，LED 20作为向外部报知电池组200的异常的报知单元发挥功能。此外，作为发光单元，除此之外还可以使用各种灯，但是特别优选以低功率动作，且与其他发光单元相比低成本的LED。

另外，LED 20在第二保护电路中还作为放电单元的一部分而发挥功能。即，因发光而消耗电力，因此能够消耗电池组200的内部电流，消耗电池组200内的剩余电力，能够保护锂离子电池16。

发热电阻器21作为通过发热来消耗流过第二保护电路的电流的放电单元的一部分而发挥功能。发热电阻器21能够消耗电池组200的内部电流，消耗电池组200内的剩余电力，能够保护锂离子电池16。

在此，外部输出端子19、LED 20、发热电阻器21在与锂离子电池16并联的第二保护电路上分别串联配置，但是这些顺序也可以适当更换，在第二保护电路上分别并联配置也可，显然在能够维持报知电池组200的错误的报知功能和消耗电池组200内的剩余电力的放电功能的范围内能够适当变更配置。

接着，对利用第二IC 18进行的电路的切换进行说明。如图3所示，电池组200与过热探测传感器22和冲击传感器23连接。第二IC 18与这些过热探测传感器22和冲击传感器23分别连接。

过热探测传感器22能够使用例如PTC（正温度系数：Positive Temperature Coefficient）热敏电阻等。此外，过热探测传感器22由于探测电池组200内的过热，所以优选内置于各电池组200，但是以在电池组200的外部而成为电池系统100所具有的结构进行说明。

冲击传感器23能够使用例如加速度传感器等。在使用加速度传感器的情况下，如果电池组200的加速度成为既定值以上时能够探测出EV遭到碰撞等意外事件的情况。此外，冲击传感器23由于探测电池组200内的冲击，所以优选内置于电池组200，但是也可为在电池组200的外部而成为电池系统100所具有的结构。

另外，也可以装入EV整体的一部分，例如也可以使控制单元300能够从未图示的ECU（发动机控制单元：Engine Control Unit）等中央控制装备部作为CAN（控制器区域网：Controller Area Network）信号得到，通过使控制单元300输出针对各电池组200作为CAN信号而得到的加速度信息，作为EV整体能够减少传感器的数量。

第二IC 18通过过热探测传感器22判断电池组200的内部的温度是否为既定值以上，在判断为既定值以上的情况下，处于过热状态，为了保护锂离子电池16，以截断主电路、切换到第二保护电路的方式控制切换元件17。

另外，第二IC 18通过冲击传感器23判断对电池组200施加既定冲击的情况，例如在判断加速度为既定值以上的情况下，处于发生事故等意外事件的状态，为了保护锂离子电池16，以截断主电路、切换到第二保护电路的方式控制切换元件17。

此外，上述说明中，记载了第二IC 18与加热探测传感器22及冲击传感器23连接，从而能够从这些传感器得到信息，但是也可以与其他传感器等连接而输入电池组200的保护所需要的信息。对于第二IC 18输入至少一个传感器信息。此外，第二IC 18是通过定时器逻辑来限时控制切换元件17这样的结构也无妨。

另外，虽然将第一IC 15和第二IC 18记载为不同个体，但是也可以由一个IC构成。在用一个IC构成的情况下，能够减少部件件数。另一方面，在将各个IC设为不同个体的情况下，能够使第一保护电路和第二保护电路独立地动作，能够使保护功能具有冗余性，成为更加安全地进行照料的电池组。

[切换元件]

对切换元件17进行具体说明。如图2及图4所示，切换元件17是由第一端子a、第二端子b、第三端子c和第四端子d构成的四端子元件。切换元件17具有：平面安装在未图示的绝缘基板上的发热电阻器31、可熔导体32和开关33。

切换元件17的第一端子a与锂离子电池16的正极连接，第二端子b与电池组200的正端子12连接，第三端子c与第二IC 18连接，第四端子d与保护电路连接。

切换元件17在内部，对第一端子a连接有发热电阻器31的一端、可熔导体32的一端和开关33的一端，对第二端子b连接有可熔导体32的另一端。另外，切换元件17在第三端子c连接有发热电阻器31的另一端，在第四端子d连接有开关33的另一端。

[切换元件电路]

切换元件17具有如图4（A）、图4（B）所示的电路结构。即，切换元件17正常时连接第一端子a和第二端子b，即，第一端子a和第三端子d在正常时绝缘。

切换元件17构成当可熔导体32因发热电阻器31的发热而熔化时，通过该熔化导体而短路的开关33（图4（B））。而且，第一端子a和第四端子d构成开关33的两端子。另外，可熔导体32与第二电极b连接。

而且，如上所述，切换元件17通过装入电池组200中，使开关33的两侧的第一端子a及第四端子d与该电池组200的主电路并联连接，在该电池组200发生异常的情况下，使开关20短路，形成对该电池组200进行旁路的旁路电流路径（第二保护电路）。

具体而言，切换元件17在并联连接的锂离子电池16或其他电子部件产生异常时，从发热电阻器31的第三端子c侧供给电力，发热电阻器31通电而发热。如果因该热而可熔导体32熔化，则如图4（B）所示，熔化导体凝聚到开关33上。由此，第一电极a和第四电极d短路。即，切换元件17中，开关33的两端子间短路（图4（B））。

此外，对发热电阻器31的通电因为可熔导体32熔断而主电路被截断，从而电流向第二保护电路流动，因此优选探测此情况而停止来自第三端子c的电流的供给。此外，本控制能够通过第二IC 18来进行控制。

通过切换元件17向第二保护电路输出的电流，作为后述的错误信号向电池组200的外部输出，用作报知电池组200的异常的触发。

此外，切换元件17并不限于上述构造，能够适当地采用选择性地切换主电路和第二保护电路这样的结构。例如，也可以采用以第一保护电路说明的使用两个FET的方法。

[电池组的电路构成]

接着，对装入有切换元件17的电池组200的电路结构进行说明。如图5所示，内置锂离子电池16的电池组200的电路结构具备：锂离子电池16；控制第一FET 13及第二FET 14的动作的第一IC 15；短路元件17；控制短路元件17的动作的电流控制元件41及第二IC 18；保护电路上的LED 20及发热电阻器21，经由电池组200的正端子11、负端子12、地端子51、控制端子52、53及外部端子19而与控制单元300连接。

在此，电池组200具备：控制锂离子电池16的充放电的第一保护电路61；检测锂离子电池16的电压并且向控制切换元件17的动作的电流控制元件41输出异常信号的检测电路；以及通过切换元件17与锂离子电池16连接的第二保护电路62。

第一保护电路61由在从控制单元300流到锂离子电池16的电流路径串联连接的第一FET 13及第二FET 14、和控制这些第一FET 13及第二FET 14的动作的第一IC 15构成。

电池组200中，切换元件17与锂离子电池16串联连接，切换元件17的第二端子b与锂离子电池16的充放电路径连接，第一端子a与锂离子电池16的正极连接，从而形成主电路。另外，电池组200中，切换元件17的发热电阻器31经由第三端子c与电流控制元件41连接。

第一保护电路61中，第一IC 15经由第二IC 18而与锂离子电池16连接，检测各电池单元的电压值，当锂离子电池16处于过充电电压或过放电电压时，第一IC 15向第一FET 13及第二FET 14输出异常信号。此外，第一IC 15也能采用直接检测锂离子电池16的电压值这样的电路结构。

电流控制元件41例如为FET，是当利用从第二IC 18输出的检测信号而锂离子电池16的电压值成为超过既定过放电或过充电状态的电压时，以使电流向发热电阻器31流动的方式进行动作的开关元件。电流控制元件41通过使电流向发热电阻器31流动而熔断可熔导体32，以使开关33导通的方式使切换元件17动作，截断锂离子电池16和主电路并连接第二保护电路。

电流控制元件41通过来自第二IC 18的控制，能够这样进行控制：与第一FET 13及第二FET 14的开关动作无关地截断锂离子电池16的充放电电流路径，并且使切换元件17的开关33短路，将主电路进行旁路而形成第二保护电路62。

如图5所示，这样的电池组200在正常时，切换元件17的开关33没有短路，因此电流经由可熔导体32向锂离子电池16侧流过。

若探测到锂离子电池16的电压异常等，则有异常信号从第二IC 18向电流控制元件41输出，切换元件17的第三端子c与地连接。由此，如图6所示，会有电流流过切换元件17的发热电阻器31，从而发热电阻器31发热。

而且，如图7所示，切换元件17通过发热电阻器31来加热、熔化可熔导体32，从而截断第一端子a与第二端子b之间。由此，如图7所示，能够从作为主电路的充放电电流路径上截断具有异常电池单元的该锂离子电池16。此外，在可熔导体32熔断后，通过第二IC 18的控制使电流控制元件41动作，使电流不流动，从而停止对发热电阻器31的供电。

接着，电池组200连接切换元件17的开关33，使得锂离子电池16的电流向第二保护电路62流动。由此，点亮第二保护电路62的LED 20，从而能够报知电池组200的异常，另外，能够通过发热电阻器21进行内部电流的放电。

在此，电池组200在第二保护电路62连接有外部端子19，使得流过第二保护电路62的电流的至少一部分作为错误信号向控制单元300输出。控制单元300以停止对接收错误信号的电池组200的充电的方式进行控制，并且通过报知部400报知电池组200的异常。

此外，控制单元300既可以用电流值监视错误信号，也可以用电压值进行监视。即，既可以监视从外部端子19输出的电流的电流值，也可以监视负端子11与外部端子19之间的电压值。如果监视的电流值或电压值为既定值以上，则控制单元300判断为接收了错误信号。此外，既定值优先适当地设定为排除噪声等的程度的值。

具备多个这样的电池组200的电池系统100，在一个电池组200出现异常的情况下，也能通过停止对该电池组200的充放电而通过剩下的正常的电池组200维持功能。

如以上那样，在依据本发明的例子的电池系统100中，当电池组200满足既定条件时释放内部电流并且向外部发出错误信号，从而能够报知错误，因此能够个别地探测到各电池组200的异常，从而提高电池组200的故障更换等维护性。

另外，在依据本发明的例子的电池系统100中，出现故障的电池组200通过LED 20的发光而能够被视觉辨认，而且从各个电池组200还输出错误信号，因此能够容易确定故障部位。由此，在如EV等那样搭载多个电池组200且要求电池组200的更换的装置中，能够得到特别显著的效果。

标号说明

11 负端子；12 正端子；13 第一FET；14 第二FET；15 第一IC；16 锂离子电池；17 切换元件；18 第二IC；19 外部端子；20 LED；21 发热电阻器；22 过热探测传感器；23 冲击传感器；31 发热电阻器；32 可熔导体；33 开关；41 电流控制元件；51 地端子；52 控制端子；53 控制端子；61 第一保护电路；62 第二保护电路；100 电池系统；200 电池组；300 控制单元；400 报知部。