JP2021027678A - 二次電池ユニットの保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 二次電池ユニットの運用上の安全性を更に向上させる二次電池ユニットの保護回路を提供する。【解決手段】 ヒューズ６はヒューズエレメント６ａとヒーター抵抗６ｂとから構成されている。ＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎは、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎの充電電圧が上限電圧より高い所定の閾値電圧を超えると、制御信号ｓ２を発生する。制御信号ｓ２が発生されると、ＦＥＴ１０のゲートに溶断信号ｓ３が印加されてヒーター抵抗６ｂに電流ｉが流れ、ヒューズエレメント６ａが加熱されて溶断する。制御信号ｓ２の持続時間は、判定部１２を構成するカウンタ７とコンパレータ８とによって判定される。ラッチ回路９は信号出力保持部を構成し、制御信号ｓ２の持続時間が所定時間を超えると判定部１２によって判定される場合に、ヒューズエレメント６ａを溶断しきる時間にわたって溶断信号ｓ３をＦＥＴ１０へ出力する。【選択図】 図１

Description

本発明は、二次電池ユニットの運用上の安全性を更に向上させる二次電池ユニットの保護回路に関する。

リチウムイオン二次電池は、ノート型パーソナルコンピュータ、スマートフォン等において利用されている。複数のリチウムイオン二次電池モジュールの管理においては、バッテリマネジメントシステム（Battery Management System: ＢＭＳ）が採用される場合がある。

このＢＭＳは、二次電池ユニットの充電時において、二次電池が直列に接続された各二次電池モジュールの充電電圧を監視し、いずれかの二次電池モジュールの充電電圧が所定の上限電圧値まで上昇したときに、例えば自身と充電器との間に配置されるスイッチ等に指示して充電を停止させる。また、いずれかの二次電池モジュールの充電電圧が所定の復帰電圧値まで下降したときに、スイッチに指示して再度充電を開始させる。

従来、このようなＢＭＳを備えた電源装置として、例えば、特許文献１に開示されたポータブル電源装置がある。

特開２０１４−３８４６号公報

ＢＭＳ及びスイッチのいずれかに不具合が生じた場合に対処するため、リチウムイオン二次電池モジュールを過電圧と過電流から保護するＳＣプロテクタ（Self-Control Protector）による二次保護回路が採用される場合がある。

このＳＣプロテクタによる二次保護回路の構成においては、例えば複数のリチウムイオン二次電池モジュールからなる二次電池ユニットとスイッチとの間にヒューズが配置される。また、複数の各リチウムイオン二次電池モジュールの充電電圧等を測定するバッテリマネジメントユニット（Battery Management Unit: ＢＭＵ）が各リチウムイオン二次電池モジュール毎に設けられる。ＢＭＵは、ＢＭＳ及びスイッチのいずれかに不具合が生じた場合、いずれかのリチウムイオン二次電池モジュールの充電電圧が上限電圧より高い閾値電圧になるのを検出する。このとき、ＢＭＵは制御信号を出力し、ヒューズのヒューズエレメントを溶断させる制御を行う。

しかし、この制御信号の発生によってヒューズエレメントが溶断している最中に、リチウムイオン二次電池モジュールの充電電圧が閾値電圧よりも低下したことがＢＭＵで検出された場合には、ＢＭＵからの制御信号の出力は停止され、ヒューズエレメントの溶断が不完全なものとなる。

例えば、リチウムイオン二次電池モジュールが過充電状態になって、その充電電圧が上限電圧より高い閾値電圧になると、リチウムイオン二次電池モジュールの内部が故障して、その充電電圧が閾値電圧から急速に低下する場合がある。また、リチウムイオン二次電池モジュールを充電する充電器が、リチウムイオン二次電池モジュールの過充電状態を検知する構成の場合には、充電器がリチウムイオン二次電池モジュールの過充電状態を検知すると、その充電出力が停止されてリチウムイオン二次電池モジュールの充電電圧は閾値電圧から急速に低下する。

このような場合、ヒューズエレメントが完全に溶断する前に、ＢＭＵから出力される制御信号が停止されて、ヒューズエレメントの溶断が不完全なものとなる。また、ＢＭＵの出力にパルスノイズが重畳して、そのパルスノイズが制御信号となってヒューズエレメントを不完全な状態に溶断することもある。その結果、ヒューズの発熱やヒューズの容量の低下等が生じる可能性がある。

例えば、ヒューズエレメントが半田により形成されている場合、ＢＭＵから制御信号が出力されて、ヒューズ内部のヒーター抵抗に電流が流れることで半田が溶け、ヒューズの電気的接続が切断される。このような構成をしたヒューズにおいてヒューズエレメントの溶断が不完全な場合、半田が部分的に溶けて、電気的接続に寄与する面積が正常時よりも減少するため、ヒューズの容量の低下が生じる可能性がある。例えば１００[Ａ]のヒューズエレメントの容量が９０[Ａ]に低下すると、１００[Ａ]の電流が流れたときには本来は溶断されないヒューズエレメントが溶断されてしまう。

また、不完全な溶断により半田の盛り上がりが形成されるため、ヒューズ外装部と接触する半田部分が生じたり、また、ヒューズ外装部との間の空隙が狭くなった半田部分が生じる。これらの半田部分にヒーター抵抗の熱が伝わることで、ヒューズ外装部が発熱したり、更にはヒューズ外装部が熱で溶ける可能性がある。

本発明は、以上の点を鑑みてなされたもので、二次電池ユニットの運用上の安全性を更に向上させる二次電池ユニットの保護回路を提供することを目的とする。

このために本発明は、複数の二次電池モジュールから構成される二次電池ユニットへの充電を断続する制御を行うための上限電圧であって、複数の二次電池モジュールのいずれかの充電電圧が上限電圧よりも高い閾値電圧を超えるときに発生される制御信号の持続時間を判定する判定部と、判定部によって判定される持続時間が所定時間を超えるときに、制御信号に応答して二次電池ユニットへの充電電流を遮断するヒューズのヒューズエレメントを溶断しきる時間にわたりヒューズエレメントを溶断させる溶断信号を出力し続ける信号出力保持部と、を備えて二次電池ユニットの保護回路を構成した。

また、他の観点で、複数の二次電池モジュールから構成される二次電池ユニットへの充電を断続するスイッチと、二次電池モジュールのいずれかの充電電圧が上限電圧に達すると前記スイッチを断つ制御をするスイッチ制御部と、複数の二次電池モジュールのいずれかの充電電圧が上限電圧よりも高い閾値電圧を超えると制御信号を発生するヒューズ制御部と、ヒューズ制御部によって制御信号が発生されると二次電池ユニットへの充電電流を遮断するヒューズと、を更に備えて二次電池ユニットの保護回路を構成した。

本構成によれば、スイッチ制御部またはスイッチに不具合が生じて、二次電池モジュールのいずれかの充電電圧が上限電圧に達してもスイッチが切れないと、二次電池モジュールのいずれかの充電電圧が上限電圧よりも高い閾値電圧を超え、ヒューズ制御部が制御信号を発生する。判定部は、ヒューズ制御部が発生する制御信号の持続時間を判定し、持続時間が所定時間を超えるとき、信号出力保持部は、ヒューズのヒューズエレメントを溶断しきる時間にわたってヒューズエレメントを溶断させる溶断信号を出力し続ける。

したがって、二次電池モジュールが過充電状態になってその充電電圧が上限電圧より高い閾値電圧になることで、二次電池モジュールの内部が故障して、また、充電器が充電出力を停止して、二次電池モジュールの充電電圧が閾値電圧から急速に低下しても、判定部によって判定される制御信号の持続時間が所定時間を超えるときには、信号出力保持部により、ヒューズエレメントを溶断しきる時間にわたってヒューズエレメントを溶断させる溶断信号が出力し続けられる。このため、制御信号の持続時間判定の基準となる所定時間を、二次電池モジュールの内部故障や充電器の充電出力の停止によって二次電池モジュールの充電電圧が閾値電圧から急速に低下しても、信号出力保持部を動作させ得る適切な時間に設定することで、過充電に起因して二次電池モジュールの内部故障や充電器の充電出力の停止が生じた場合にも、ヒューズエレメントを確実に完全に溶断させることができる。

また、ヒューズ制御部の出力にパルスノイズが重畳して、そのパルスノイズが制御信号となってしまう場合には、制御信号の持続時間判定の基準となる所定時間を、パルスノイズがヒューズ制御部の出力に重畳する時間よりも長くなる適切な時間に設定することで、ヒューズ制御部の出力にパルスノイズが重畳した場合に、そのパルスノイズを制御信号と誤認して、ヒューズエレメントを不完全に溶断させることを防止できる。

よって、ヒューズエレメントが不完全に溶断することで、従来のように、ヒューズの遮断電流値が低下したり、ヒューズ外装部が発熱したり、更にはヒューズ外装部が熱で溶けるような不具合を生じなくなる。

この結果、本発明によれば、二次保護回路に更なる三次保護機能を設けることにより、二次電池ユニットの運用上の安全性を更に向上させる二次電池ユニットの保護回路を提供することができる。

本発明の第１の実施形態による二次電池ユニットの保護回路を示すブロック構成図である。 本発明の第２の実施形態による二次電池ユニットの保護回路を構成する判定部及び信号出力保持部を示す回路図である。 二次電池モジュールのいずれかの充電電圧が上限電圧よりも高い閾値電圧を超えていずれかのバッテリマネジメントユニットが制御信号を発生したときにおける図２に示す回路各部の電圧変化を示すタイミングチャートである。 パルスノイズが制御信号として重畳するときにおける図２に示す回路各部の電圧変化を示すタイミングチャートである。

次に、本発明の一実施の形態による二次電池ユニットの保護回路について説明する。

図１は、第１の実施形態による二次電池ユニット１の保護回路を示すブロック構成図である。

二次電池ユニット１は、複数の二次電池モジュール（Battery Module: ＢＭ）２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎを含む二次電池モジュール群２、複数のバッテリマネジメントユニット（Battery Management Unit: ＢＭＵ）３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎを含むバッテリマネジメントユニット群３、及びバッテリマネジメントシステム（Battery Management System: ＢＭＳ）４を有する。各ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎは、本実施形態では複数のリチウムイオン二次電池が直列に接続されて構成されている。各ＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎは、各ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎに対応して設けられており、各ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎの充電電圧、充放電電流及び温度をそれぞれ測定する電池管理ユニットである。また、ＢＭＳ４は、各ＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎで測定される各ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎの充電電圧、充放電電流及び温度を入力し、二次電池ユニット１の全体の動作を制御する電池管理システムである。

二次電池ユニット１の保護回路は、リレースイッチ５と、ヒューズ６と、カウンタ７と、コンパレータ８と、ラッチ回路９と、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１０と、スイッチ制御部を構成するＢＭＳ４と、ヒューズ制御部を構成するＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎとから、構成される。

各ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎは、二次電池ユニット１の端子１ａ，１ｂ間に接続される充電器１１によって充電され、充電された電力を負荷（図示せず）に供給する。リレースイッチ５は、二次電池ユニット１の一方の端子１ａと二次電池ユニット１とを接続する配線に設けられており、ＢＭＳ４の出力する制御信号ｓ１に応じて開閉状態が制御されて、二次電池ユニット１への充電器１１による充電を断続する。

ＢＭＳ４は、ＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎのそれぞれから出力される充電電圧、充放電電流及び温度に基づいて、各ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎの充放電レート、充放電サイクル及び温度等を管理している。そして、ＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎで測定されるＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎのいずれかの充電電圧が所定の上限電圧に達すると、ＢＭＳ４はリレースイッチ５へ出力する制御信号ｓ１を“Ｈ”レベルにして、リレースイッチ５を断って開状態にするオフ制御をする。また、ＢＭＳ４は、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎのいずれかの充電電圧が復帰電圧に下降すると、制御信号ｓ１を“Ｌ”レベルにして、リレースイッチ５を閉状態にするオン制御をする。ＢＭＳ４のリレースイッチ５に対するこの開閉制御により、各ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎの充電電圧は、負荷へ電力供給を行うのに適正な電圧範囲に維持される。

また、二次電池ユニット１の一方の端子１ａと二次電池ユニット１とを接続する配線には、リレースイッチ５に直列にヒューズ６が設けられている。ヒューズ６はヒューズエレメント６ａとヒーター抵抗６ｂとから構成されている。ヒューズエレメント６ａには、充電器１１から二次電池ユニット１へ供給される充電電流が流れる。ヒューズエレメント６ａは半田から形成され、充電器１１から二次電池ユニット１へ供給される充電電流が所定の遮断電流値を超えると溶断して、充電器１１から二次電池ユニット１への充電電流の供給を断つ。この電流遮断により、二次電池ユニット１への過大な電流供給が防がれ、過大な電流供給からＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎが守られる。

また、ヒーター抵抗６ｂには、ＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎによってスイッチングされるＦＥＴ１０が接続されている。ＦＥＴ１０は、ｎチャネル型金属酸化膜半導体（Metal Oxide Semiconductor：ＭＯＳ）からなり、ゲートに“Ｈ”レベルの信号電圧が印加されると、ドレイン・ソース間が導通してヒーター抵抗６ｂに電流ｉが流れる。ＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎは、測定するＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎの充電電圧が上限電圧より高い所定の閾値電圧を超えると、制御信号ｓ２の電圧レベルを“Ｈ”レベルにして、制御信号ｓ２を発生する。ＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎによって“Ｈ”レベルの制御信号ｓ２が発生されると、後述するように、ＦＥＴ１０のゲートに“Ｈ”レベルの溶断信号ｓ３が印加されてヒーター抵抗６ｂに電流ｉが流れ、ヒューズエレメント６ａが加熱されて溶断する。したがって、二次電池ユニット１への充電電流は、ヒューズ６によって遮断されることになる。ヒューズ６はＳＣプロテクタであり、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎに対する二次保護回路を構成する。

本実施形態では、ＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎが発生する制御信号ｓ２の持続時間が、判定部１２を構成するカウンタ７とコンパレータ８とによって判定される。すなわち、カウンタ７は、入力する制御信号ｓ２の“Ｈ”レベルの持続時間を測定する。コンパレータ８は、カウンタ７によって測定された制御信号ｓ２の“Ｈ”レベルの持続時間と、予め設定された所定の基準時間（ＲＥＦ）とを比較する。ラッチ回路９は信号出力保持部を構成し、制御信号ｓ２の“Ｈ”レベルの持続時間が予め設定された所定の基準時間を超えると判定部１２によって判定される場合に、ヒューズエレメント６ａを溶断させる溶断信号ｓ３をＦＥＴ１０へ出力する。この溶断信号ｓ３は、ラッチ回路９により、ヒューズエレメント６ａを溶断しきる時間にわたって出力し続けられる。このようなカウンタ７、コンパレータ８及びラッチ回路９は、デジタル電子回路や、マイクロコンピュータを使ったプログラム制御によって構成することができる。

このような本実施形態による二次電池ユニット１の保護回路によれば、ＢＭＳ４またはリレースイッチ５に不具合が生じて、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎのいずれかの充電電圧が上限電圧に達してもリレースイッチ５が切れないと、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎのいずれかの充電電圧が上限電圧よりも高い閾値電圧を超え、いずれかのＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎが制御信号ｓ２を発生する。判定部１２は、ＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎが発生する制御信号ｓ２の持続時間を判定し、持続時間が所定の基準時間を超えるとき、ラッチ回路９は、ヒューズ６のヒューズエレメント６ａを溶断しきる時間にわたってヒューズエレメント６ａを溶断させる溶断信号ｓ３を出力し続ける。

したがって、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎが過充電状態になってその充電電圧が上限電圧より高い閾値電圧になることで、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎの内部が故障して、また、充電器１１が充電出力を停止して、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎの充電電圧が閾値電圧から急速に低下しても、判定部１２によって判定される制御信号ｓ２の持続時間が所定の基準時間を超えるときには、ラッチ回路９により、ヒューズエレメント６ａを溶断しきる時間にわたってヒューズエレメント６ａを溶断させる溶断信号ｓ３が出力し続けられる。このため、制御信号ｓ２の持続時間判定の基準となる所定の基準時間を、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎの内部故障や充電器１１の充電出力の停止によってＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎの充電電圧が閾値電圧から急速に低下しても、ラッチ回路９を動作させ得る時間に設定することで、過充電に起因してＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎの内部故障や充電器１１の充電出力の停止が生じた場合にも、ヒューズエレメント６ａを確実に完全に溶断させることができる。

また、ＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎの出力にパルスノイズが重畳して、そのパルスノイズが制御信号ｓ２となってしまう場合には、制御信号ｓ２の持続時間判定の基準となる所定の基準時間を、パルスノイズがＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎの出力に重畳する時間よりも長くなる適切な時間に設定することで、ＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎの出力にパルスノイズが重畳した場合に、そのパルスノイズを制御信号ｓ２と誤認して、ヒューズエレメント６ａを不完全に溶断させることを防止できる。

よって、本実施形態による二次電池ユニット１の保護回路によれば、従来のように、ヒューズエレメント６ａが不完全に溶断することで、ヒューズ６の遮断電流値が低下したり、ヒューズ外装部が発熱したり、更にはヒューズ外装部が熱で溶けるような不具合を生じなくなる。

本実施形態では、ＢＭＳ４とリレースイッチ５による１次保護回路において、特にＢＭＳ４に不具合が生じた場合を考慮して、保護回路は、ＢＭＳ４からの制御信号ｓ１ではなく、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎの充電電圧や充放電電流を測定しているＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎから、上記のように制御信号ｓ２を直接入力する。これにより、ヒューズ６による二次保護回路としての信頼性をさらに高めることができる。この結果、本実施形態による二次電池ユニット１の保護回路によれば、二次電池ユニット１の運用上の安全性を更に向上させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態による二次電池ユニット１の保護回路について、説明する。

第２の実施形態による二次電池ユニット１の保護回路は、ＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎが発生する制御信号ｓ２の持続時間を判定する判定部の構成と、判定部によって判定される持続時間が所定時間を超えるときにヒューズ６のヒューズエレメント６ａを溶断しきる時間にわたってヒューズエレメント６ａを溶断させる溶断信号ｓ３を出力し続ける信号出力保持部の構成だけが、上述した第１の実施形態による二次電池ユニット１の保護回路と相違する。その他の構成は第１の実施形態による二次電池ユニット１の保護回路と同様である。

図２は、第２の実施形態による二次電池ユニット１の保護回路における判定部２１と信号出力保持部２２の構成を表す回路図である。第１の実施形態による二次電池ユニット１の保護回路では、判定部１２を構成するカウンタ７及びコンパレータ８、並びに信号出力保持部を構成するラッチ回路９は、デジタル電子回路またはマイクロコンピュータの機能によって実現された。第２の実施形態による二次電池ユニット１の保護回路では、判定部２１と信号出力保持部２２とはアナログ電子回路によって実現される。

判定部２１は、抵抗Ｒ１，Ｒ２及びＲ３、ｎｐｎトランジスタＴ１，Ｔ２、コンデンサＣ１並びにダイオードＤ１を有して構成される。１００[ＫΩ]の抵抗Ｒ１，Ｒ２のそれぞれの一端には、いずれかのＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎが発生する制御信号ｓ２が入力される。抵抗Ｒ１の他端は、ｎｐｎトランジスタＴ１のベースに接続され、抵抗Ｒ２の他端は、ｎｐｎトランジスタＴ２のベース、及び２２[μＦ]のコンデンサＣ１の一端に接続される。なお、各抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値、コンデンサＣ１の容量値は一例であり、以下の説明においても抵抗値及び容量値は同様に一例である。

ｎｐｎトランジスタＴ１のコレクタは定電圧源Ｖｃｃに接続され、ｎｐｎトランジスタＴ１のエミッタはｎｐｎトランジスタＴ２のコレクタに接続される。ｎｐｎトランジスタＴ２のエミッタは、１０[ＫΩ]の抵抗Ｒ３の一端及びダイオードＤ１のアノードに接続される。

抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ１は制御信号ｓ２が入力される積分回路を構成し、後述する所定の時定数を持つ。ｎｐｎトランジスタＴ２は、積分回路で積分された制御信号ｓ２の積分電圧によって動作する第１トランジスタを構成する。

信号出力保持部２２は、抵抗Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８及びＲ９、ｐｎｐトランジスタＴ３、ｎｐｎトランジスタＴ４並びにコンデンサＣ２を有するラッチ回路から構成される。１０[ＫΩ]の抵抗Ｒ４の一端は、ダイオードＤ１のカソードに接続され、抵抗Ｒ４の他端は、１００[ｐＦ]のコンデンサＣ２、４．７[ＫΩ]の抵抗Ｒ５及び１００[ＫΩ]の抵抗Ｒ６の各一端、並びにｎｐｎトランジスタＴ４のベースに接続される。

ｐｎｐトランジスタＴ３のエミッタは、１００[ＫΩ]の抵抗Ｒ７の一端及び定電圧源Ｖｃｃに接続され、ｐｎｐトランジスタＴ３のコレクタは抵抗Ｒ５の他端に接続される。抵抗Ｒ７の他端は、ｐｎｐトランジスタＴ３のベース及び１[ＫΩ]の抵抗Ｒ８の一端に接続される。抵抗Ｒ８の他端はｎｐｎトランジスタＴ４のコレクタに接続され、ｎｐｎトランジスタＴ４のエミッタは、６２０[Ω]の抵抗Ｒ９の一端に接続される。

判定部２１を構成するコンデンサＣ１及び抵抗Ｒ３の各他端、並びに、信号出力保持部２２を構成するコンデンサＣ２、抵抗Ｒ６及びＲ９の各他端は接地される。ｎｐｎトランジスタＴ４のエミッタはｎチャネルＭＯＳＦＥＴ１０（図１参照）のゲートに接続され、ｎｐｎトランジスタＴ４のエミッタからは溶断信号ｓ３が出力される。

ｎｐｎトランジスタＴ４は、第１トランジスタを構成するｎｐｎトランジスタＴ２が動作することで動作する第２トランジスタを構成する。ｐｎｐトランジスタＴ３は、第２トランジスタを構成するｎｐｎトランジスタＴ４が動作することで動作して、第２トランジスタを構成するｎｐｎトランジスタＴ４を駆動させ続ける第３トランジスタを構成する。ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ１０は、第２トランジスタを構成するｎｐｎトランジスタＴ４が動作して出力される溶断信号ｓ３を入力することで動作する第４トランジスタを構成する。ヒューズ６は、第４トランジスタを構成するｎチャネルＭＯＳＦＥＴ１０によってヒューズエレメント６ｂを加熱する電流ｉが流れる。

このような構成において、判定部２１に制御信号ｓ２が入力されたときにおける判定部２１および信号出力保持部２２の動作について説明する。

図３は、ＢＭＳ４またはリレースイッチ５に不具合が生じて、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎのいずれかの充電電圧が上限電圧に達してもリレースイッチ５が切れず、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎのいずれかの充電電圧が上限電圧よりも高い閾値電圧を超えて、いずれかのＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎが制御信号ｓ２を発生したときにおける回路各部ａ〜ｉの電圧変化を示すタイミングチャートである。

同図（ａ）は、定電圧源Ｖｃｃの出力が現れるａ点の電圧を示し、ａ点の電圧は一定の“Ｈ”レベルの電圧に維持されている。この電圧がトランジスタＴ１，Ｔ２及び抵抗Ｒ３の直列回路に印加されている。この状態で、制御信号ｓ２がタイミングＴ１に抵抗Ｒ１，Ｒ２の各一端のｂ点に入力されると、ｂ点の電圧は、同図（ｂ）に示すようにタイミングＴ１に“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルの電圧に変化する。同時に、抵抗Ｒ１の他端のｃ点の電圧、すなわち、トランジスタＴ１のベース電圧も、タイミングＴ１に“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルの電圧に変化し、トランジスタＴ１はオンする。しかし、抵抗Ｒ２の他端のｄ点の電圧、すなわち、トランジスタＴ２のベース電圧は、抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ１から構成される積分回路によって積分され、同図（ｄ）に示すように、徐々に電圧が上昇する。この電圧の上昇に伴ってトランジスタＴ２のエミッタのｅ点の電圧も同図（ｅ）に示すように徐々に上昇する。

その後、タイミングＴ２になると、ｄ点とｅ点との間の電位差、すなわち、トランジスタＴ２のベース・エミッタ間の電位差が降伏電圧の０．７[Ｖ]を超え、トランジスタＴ２がオンする。タイミングＴ１とタイミングＴ２との間の時間Δｔ１は、制御信号ｓ２の持続時間判定の基準となる所定の基準時間に相当する。抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ１から構成される積分回路の時定数τは、この時間Δｔ１が、トランジスタＴ２のベース・エミッタ間の電位差が降伏電圧の０．７[Ｖ]を超える時間以上になる、適切な時間に設定されている。

タイミングＴ２にトランジスタＴ２がオンすると、抵抗Ｒ４の他端のｆ点の電圧、すなわち、トランジスタＴ４のベースのｇ点の電圧は、同図（ｆ）及び（ｇ）に示すように、タイミングＴ２に“Ｈ”レベルの電圧に変化する。したがって、トランジスタＴ４がオンする。トランジスタＴ４がオンすると、抵抗Ｒ７，Ｒ８，トランジスタＴ４及び抵抗Ｒ９から構成される直列回路に電流が流れ、トランジスタＴ３のベースのｈ点の電圧が、同図（ｈ）に示すように、抵抗Ｒ７の電圧降下分だけ低下する。このため、トランジスタＴ３のエミッタ・ベース間に降伏電圧の０．７[Ｖ]が印加され、トランジスタＴ３がオンする。

トランジスタＴ３がオンすると、トランジスタＴ３，抵抗Ｒ５及び抵抗Ｒ６から構成される直列回路に電流が流れ、トランジスタＴ４のベースにトランジスタＴ４をオンさせる電圧が抵抗Ｒ５及び抵抗Ｒ６によって印加され続けて、ｆ点及びｇ点の電圧は“Ｈ”レベルを保ち、トランジスタＴ４のオン状態が維持される。このため、タイミングＴ３で制御信号ｓ２の入力がなくなってｂ点及びｃ点の電圧が“Ｌ”レベルに低下し、ｄ点及びｅ点の電圧が下降し始めても、ｆ点及びｇ点の電圧は“Ｈ”レベルを保ち、トランジスタＴ４のエミッタのｉ点からは、同図（ｉ）に示すように、“Ｈ”レベルの電圧、すなわち、溶断信号ｓ３が出力され続ける。

このため、この第２の実施形態による二次電池ユニット１の保護回路によっても、ＢＭＳ４またはリレースイッチ５に不具合が生じて、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎのいずれかの充電電圧が上限電圧よりも高い閾値電圧を超え、いずれかのＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎが制御信号ｓ２を発生した場合、判定部２１は、制御信号ｓ２の持続時間を抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ１から構成される積分回路によって判定し、持続時間が所定の基準時間である時間Δｔ1を超えるとき、信号出力保持部２２は、ヒューズ６のヒューズエレメント６ａを溶断しきる時間にわたってヒューズエレメント６ａを溶断させる溶断信号ｓ３を出力し続ける。

したがって、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎが過充電状態になってその充電電圧が上限電圧より高い閾値電圧になることで、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎの内部が故障して、また、充電器１１が充電出力を停止して、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎの充電電圧が閾値電圧から急速に低下しても、判定部１２によって判定される制御信号ｓ２の持続時間が時間Δｔ１を超えるときには、信号出力保持部２２により、ヒューズエレメント６ａを溶断しきる時間にわたってヒューズエレメント６ａを溶断させる溶断信号ｓ３が出力し続けられる。このため、抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ１から構成される積分回路の時定数τを調整して、制御信号ｓ２の持続時間判定の基準となる時間Δｔ１を、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎの内部故障や充電器１１の充電出力の停止によってＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎの充電電圧が閾値電圧から急速に低下しても、信号出力保持部２２を動作させ得る適切な時間、すなわち、制御信号ｓ２の入力によってトランジスタＴ２のベース・エミッタ間の電位差が降伏電圧の０．７[Ｖ]を超える時間に設定することで、過充電に起因してＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎの内部故障や充電器１１の充電出力の停止が生じた場合にも、ヒューズエレメント６ａを確実に完全に溶断させることができる。

図４は、第２の実施形態による二次電池ユニット１の保護回路において、ＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎの出力にパルスノイズが重畳して、そのパルスノイズが制御信号ｓ２となってしまうときにおける回路各部ａ〜ｉの電圧変化を示すタイミングチャートである。

この場合にも、同図（ａ）に示す定電圧源Ｖｃｃの出力が現れるａ点の電圧は“Ｈ”レベルを維持し、抵抗Ｒ１，Ｒ２の各一端のｂ点の電圧及び抵抗Ｒ１の他端のｃ点の電圧は、同図（ｂ）及び（ｃ）に示すように、タイミングＴ１で“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルの電圧に変化する。同時に、抵抗Ｒ２の他端のｄ点の電圧、すなわち、トランジスタＴ２のベース電圧は、抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ１から構成される積分回路によって積分され、同図（ｄ）に示すように、徐々に電圧が上昇する。この電圧の上昇に伴ってトランジスタＴ２のエミッタのｅ点の電圧も同図（ｅ）に示すように徐々に上昇する。

しかし、制御信号ｓ２はパルスノイズであるため、タイミングＴ１から時間Δｔ１よりも短い時間Δｔ２が経過するタイミングＴ４において、同図（ｂ）に示すようにｂ点の電圧は“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに変化する。このため、ｃ点の電圧も同図（ｃ）に示すようにタイミングＴ４に“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに変化し、トランジスタＴ１はオフする。また、ｄ点の電圧、すなわち、トランジスタＴ２のベース電圧は、タイミングＴ４に、ｂ点の電圧の“Ｌ”レベルへの変化に伴って下降し始め、ｅ点の電圧も同図（ｅ）に示すように同様に下降し始める。すなわち、抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ１から構成される積分回路による制御信号ｓ２の積分は、トランジスタＴ２のベース電圧がそのベース・エミッタ間を降伏させる電位差０．７[Ｖ]まで上昇させるのに足りる時間Δｔ１に満たない時間Δｔ２しか行われず、トランジスタＴ２がオンすることはない。

したがって、ｆ点及びｇ点の電圧は、同図（ｆ）及び（ｇ）に示すように、トランジスタＴ４をオンさせることができる“Ｈ”レベルにはならず、ｈ点の電圧も、同図（ｈ）に示すように、トランジスタＴ３をオンさせる電圧レベルにまで低下しない。このため、ｉ点の電圧も同図（ｉ）に示すように“Ｌ”レベルのままに維持され、ＦＥＴ１０をオンさせる溶断信号ｓ３は出力されず、ヒューズ６のヒューズエレメント６ｂを加熱する電流ｉは流れない。

このようにＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎの出力にパルスノイズが重畳して、そのパルスノイズが制御信号ｓ２となってしまう場合には、抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ１から構成される積分回路の時定数τを調整して、制御信号ｓ２の持続時間判定の基準となる所定の基準時間Δｔ１を、パルスノイズがＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎの出力に重畳する時間Δｔ２よりも長くなる適切な時間に設定することで、ＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎの出力にパルスノイズが重畳した場合に、そのパルスノイズを制御信号ｓ２と誤認して、ヒューズエレメント６ａを不完全に溶断させることを防止できる。

このため、第２の実施形態による二次電池ユニット１の保護回路によっても、従来のように、ヒューズエレメント６ａが不完全に溶断することで、ヒューズ６の遮断電流値が低下したり、ヒューズ外装部が発熱したり、更にはヒューズ外装部が熱で溶けるような不具合を生じなくなる。この結果、第２の実施形態による二次電池ユニット１の保護回路によっても、二次電池ユニット１の運用上の安全性を更に向上させることができる。

なお、上記の第２の実施形態では、信号出力保持部２２が、トランジスタＴ２が動作することで動作するトランジスタＴ４と、トランジスタＴ４が動作することで動作してトランジスタＴ４を駆動させ続けるトランジスタｔ３とを備えるラッチ回路から構成される場合について、説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、信号出力保持部２２は、制御信号ｓ２の持続時間が所定の基準時間Δｔ１を超えると判定部２１が判定したときに一定時間のパルス信号を出力する単安定マルチバイブレーターによって構成してもよい。

また、上記の各実施形態では、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎがリチウムイオン二次電池モジュールである場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、ニッケル−水素二次電池モジュール等といった他の二次電池モジュールであってもよい。

また、上記の各実施形態では、判定部１２及びラッチ回路９、並びに、判定部２１及び信号出力保持部２２は、ＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎとは別に１組設けられている場合について説明したが、個々のＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎの内部にそれぞれ設ける構成としてもよい。また、ＦＥＴ１０についても、これに併せて個々のＢＭＵ３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎの内部にそれぞれ設ける構成としてもよい。

上記の各実施形態による二次電池ユニット１の保護回路は、ＳＣプロテクタであるヒューズ６により構成される、ＢＭ２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎに対する二次保護回路を、判定部１２及びラッチ回路９、または、判定部２１及び信号出力保持部２２によって確実に動作させる三次保護的機能をさらに備えるため、確実な保護を必要とする二次電池ユニットに適用すると、好適である。また、上記の各実施形態による二次電池ユニット１の保護回路は、上述のようにノイズパルスなどの雑音によって誤動作し難いため、ノイズパルスなどの雑音が多く発生する車両に用いられる二次電池ユニットに適用しても、好適である。

１：二次電池ユニット
１ａ，１ｂ：端子
２：二次電池モジュール群
２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎ：二次電池モジュール（ＢＭ）
３：バッテリマネジメントユニット群
３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｎ：バッテリマネジメントユニット（ＢＭＵ）
４：バッテリマネジメントシステム（ＢＭＳ）
５：リレースイッチ
６：ヒューズ
６ａ：ヒューズエレメント
６ｂ：ヒーター抵抗
７：カウンタ
８：コンパレータ
９：ラッチ回路（信号出力保持部）
１０：ＦＥＴ（第４トランジスタ）
１１：充電器
２１：判定部
２２：信号出力保持部
Ｒ１〜Ｒ９：抵抗
Ｃ１，Ｃ２：コンデンサ
Ｔ１〜Ｔ４：トランジスタ（Ｔ２：第１トランジスタ、Ｔ４：第２トランジスタ、Ｔ３：第３トランジスタ）
ｓ１，ｓ２：制御信号
ｓ３：溶断信号

Claims (4)

1. 複数の二次電池モジュールから構成される二次電池ユニットへの充電を断続する制御を行うための上限電圧であって、前記複数の二次電池モジュールのいずれかの充電電圧が前記上限電圧よりも高い閾値電圧を超えるときに発生される制御信号の持続時間を判定する判定部と、
   前記判定部によって判定される持続時間が所定時間を超えるときに、前記制御信号に応答して前記二次電池ユニットへの充電電流を遮断するヒューズのヒューズエレメントを溶断しきる時間にわたり前記ヒューズエレメントを溶断させる溶断信号を出力し続ける信号出力保持部と、
   を備えて構成される二次電池ユニットの保護回路。
2. 前記複数の二次電池モジュールから構成される前記二次電池ユニットへの充電を断続するスイッチと、
   前記二次電池モジュールのいずれかの充電電圧が前記上限電圧に達すると前記スイッチを断つ制御をするスイッチ制御部と、
   前記複数の二次電池モジュールのいずれかの充電電圧が前記上限電圧よりも高い閾値電圧を超えると前記制御信号を発生するヒューズ制御部と、
   前記ヒューズ制御部によって前記制御信号が発生されると前記二次電池ユニットへの充電電流を遮断するヒューズと、
   を更に備えて構成される請求項１記載の二次電池ユニットの保護回路。
3. 前記判定部は、抵抗及びコンデンサから構成されて所定の時定数を持つ前記制御信号が入力される積分回路と、前記積分回路で積分された前記制御信号の積分電圧によって動作する第１トランジスタとから構成され、
   前記信号出力保持部は、前記第１トランジスタが動作することで動作する第２トランジスタと、前記第２トランジスタが動作することで動作して前記第２トランジスタを駆動させ続ける第３トランジスタとを備えるラッチ回路から構成され、
   前記ヒューズは、前記第２トランジスタが動作して出力される前記溶断信号を入力することで動作する第４トランジスタによって前記ヒューズエレメントを加熱する電流が流れる
   ことを特徴とする請求項２に記載の二次電池ユニットの保護回路。
4. 前記ヒューズ制御部は、各前記二次電池モジュールに対応して設けられ、各前記二次電池モジュールの充電電圧、充放電電流及び温度を測定する複数の電池管理ユニットから構成され、
   前記スイッチ制御部は、各前記電池管理ユニットで測定される各前記二次電池モジュールの充電電圧、充放電電流及び温度を入力し、前記二次電池ユニット全体の動作を制御する電池管理システムから構成される
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の二次電池ユニットの保護回路。

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