JP2001251779A

JP2001251779A - 充電電池および充電電池パック

Info

Publication number: JP2001251779A
Application number: JP2000062392A
Authority: JP
Inventors: Jo Uchida; 丈内田; Koichi Horisaki; 浩一堀崎; Masahito Suzuki; 雅人鈴木; Mitsunori Tsuchiya; 光典土屋; Shinji Tanaka; 伸児田中
Original assignee: Hitachi ULSI Systems Co Ltd; Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd; Hitachi Solutions Technology Ltd
Priority date: 2000-03-07
Filing date: 2000-03-07
Publication date: 2001-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】電力効率を向上させて発熱を抑えてコントロー
ラの動作電圧を高効率に得ることができる充電電池およ
び充電電池パックを提供することにある。【解決手段】電池本体と、充電器に接続される充電電源
ラインと、２端子の一方が充電電源ラインに他方が電池
本体の正極端子に接続されて制御端子に加えられる信号
により２端子間のインピーダンスが変化しかつ２端子を
実質的に所定のインピーダンスでＯＮ接続するＯＮ状態
に設定可能な少なくとも３端子の能動素子と、制御端子
に接続されインピーダンスを制御することで充電電源ラ
インを電池本体の満充電電圧以下の所定の電圧に安定化
制御をする安定化制御回路と、電池本体が実質的に所定
の電圧か、それ以上になったときに能動素子をＯＮ状態
に設定するＯＮ設定制御回路とを備えていて、所定の電
圧は、安定化制御回路とＯＮ設定制御回路とが動作する
電圧以上であり、２端子が初期状態では実質的にＯＦＦ
状態あるいは高インピーダンスになっているものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、充電電池および
充電電池パックに関し、詳しくは、充電コントローラを
有するリチウム・イオン二次蓄電池（以下リチウム電
池）あるいはその充電電池パックにおいて、電力効率を
向上させて発熱を抑えてコントローラの動作電圧を高効
率に得ることができるような充電電池および充電電池パ
ックに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、リチウム電池等の充電は、蓄電池
が放電後の状態にあものとすれば、最初は定電流での充
電が行われ、次にかなり充電されてほぼ満充電に近い状
態になったときに定電圧での充電形態に切り換わり、こ
の定電圧充電の下で、充電電流が所定値以下になっった
とき、あるいは充電電圧が所定値以上になったとき、十
分に充電が行われたものとしてスイッチをＯＦＦして充
電を終了させる制御が行われる。そして、リチウムイオ
ン電池あるいはその充電電池パック側には、過充電を防
止するために充電制御のコントローラ（またはその一部
の回路）が内蔵されあるいは一体化されている。

【０００３】しかし、コントローラが内蔵されあるいは
一体化された場合に、蓄電池が放電後の状態から充電が
開始される関係でコントローラの電源電圧が電池側の電
圧に引っ張られて低下して誤動作が発生し、あるいは充
電初期においては電池内充電制御回路の主要部であるコ
ントローラや電池内回路として必要な各種の関係回路が
動作電源電圧を下回るために動作しないという問題があ
る。そこで、従来は、充電電源からの電流を電池に流す
までのパスに固定抵抗を挿入することによって固定抵抗
の両端子間に電圧を発生させ、そこからコントローラと
各種の充電に関係する回路の電源電圧を得ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図７は、従来のマイク
ロコントローラ充電制御回路と一体化された充電電池９
の回路図である。これは、主スイッチ回路のほかに副ス
イツチ回路を設けて、副スイッチ回路のパス（経路上）
に固定抵抗器を挿入した一例である。図７において、１
は、リチウム電池セルあるいはリチウム素電池（以下こ
れらを電池本体）であり、２、３は、スイッチ素子とし
てのＰチャンネルＭＯＳトランジスタ、４は、例えば１
００Ωの抵抗、５は、電池外充電器として電流値Ｉの定
電流源、６は、充電制御をするマイクロプロセッサ、７
は、電池本体１の正極、負極両端子に接続された端子電
圧検出回路である。ここで、トランジスタ２は、定電流
源５の出力側と電池本体１の正極側との間に挿入されて
いる。また、トランジスタ３は、抵抗４を介して電池本
体１の正極側に接続され、定電流源５の出力側と電池本
体１との間に挿入されている。トランジスタ２，３のバ
ックゲートはソースに接続され、ソースを介して充電電
源ライン＋Ｖccに接続されている。マイクロプロセッサ
６は、充電電源ライン＋ＶccとグランドラインＧＮＤと
の間に接続され、充電電源ライン＋Ｖccから電力を受け
て動作する。なお、トランジスタ２あるいはトランジス
タ３は、電池として電池本体１が電力供給をするために
放電動作をするときには逆方向に電流を流すことができ
るバイディレクショナル）な素子（双方向に電流を流せ
る素子である。

【０００５】なお、ここで、電池外充電器を定電流源５
としているが、先に説明したように、電池本体１は、満
充電に近くなったときには定電圧充電になる。この場合
には、電池側の電圧と充電器側の電圧がほぼ等しくな
り、電池の内部インピーダンスが高くなるからであり、
通常、定電圧充電の下で、充電電流が所定値以下になっ
ったとき、あるいは充電電圧が所定値以上になったとき
には電池外の充電器側で充電を終了させる。充電器は、
満充電に近くまでは実質的に定電流源となり、この定電
流充電のときの動作が問題となるので、以下ではこの電
池外充電器を便宜上、定電流源５として説明する。

【０００６】その動作を説明すると、充電が開始される
初期状態のときには、あるいは電池本体１の端子電圧
（正極側の電圧）が低いときには、マイクロプロセッサ
６が端子電圧検出回路７の検出信号の状態に応じてトラ
ンジスタ３をＯＮにし、トランジスタ２をＯＦＦにして
抵抗４を介して電池本体１の充電制御をする。このこと
で充電電源ライン＋Ｖccの電圧をマイクロプロセッサ６
が動作できる電圧にして電池本体１の充電をする。ま
た、電池本体１の端子電圧が高くなったときには、トラ
ンジスタ３をＯＦＦにし、トランジスタ２をＯＮにして
抵抗４を介すことなく電池本体１の充電をする。なお、
図では、リチウム電池の充電制御として必要な温度監視
等の回路あるいはその他の回路は説明を簡単にするため
に省略してある。また、８ａ、８ｂは、充電電池９の外
部端子であり、外部端子８ａは、電池本体１の正極側に
対応するものとして充電電源ライン＋Ｖccに接続され、
８ｂはグランドラインＧＮＤを介して電池本体１の負極
側に接続されている。定電流源５の出力側は、外部端子
８ａに、そしてその接地側は、外部端子８ｂにそれぞれ
接続されている。

【０００７】このような電池内充電制御回路を内蔵する
電池あるいは充電電池パックでは、内部回路を動作させ
るために直列に抵抗回路が必要となる。この抵抗が高温
を発するので放熱性等を考慮しなければならず、スペー
スファクタが悪くなり、また電力効率が低下する難点が
ある。この発明の目的は、このような従来技術の問題点
を解決するものであって、電力効率を向上させて発熱を
抑えてコントローラの動作電圧を高効率に得ることがで
きる充電電池および充電電池パックを提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るためのこの発明の充電電池および充電電池パックの構
成は、電池本体と、充電器に接続される充電電源ライン
と、２端子の一方が充電電源ラインに他方が電池本体の
正極端子に接続され制御端子に加えられる信号により２
端子間のインピーダンスが変化しかつ２端子を実質的に
所定のインピーダンスでＯＮ接続するＯＮ状態に設定可
能な少なくとも３端子の能動素子と、制御端子に接続さ
れインピーダンスを制御することで充電電源ラインを電
池本体の満充電電圧以下の所定の電圧に安定化制御をす
る安定化制御回路と、電池本体が実質的に所定の電圧
か、それ以上になったときに能動素子をＯＮ状態に設定
するＯＮ設定制御回路とを備えていて、所定の電圧は、
安定化制御回路とＯＮ設定制御回路とが動作する電圧以
上であり、２端子が初期状態では実質的にＯＦＦ状態あ
るいは高インピーダンスになっているものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】このように、制御端子を有する３
端子の能動素子、例えば、トランジスタを電池と充電電
源ラインとの間に直列接続してそのインピーダンスを制
御することで入力側となる充電電源ラインの電源電圧を
一定電圧に安定化し、電池本体の正極端子の電圧がＯＮ
設定制御回路や安定化制御回路が動作する電圧以上のあ
る電圧になったときに、ＯＮ設定制御回路により能動素
子をＯＮ状態にして充電器側の電圧に追従して定電流充
電ができるようにする。これにより、電池本体の正極端
子の電圧が内部回路が動作する所定電圧よりも低い電圧
においても、充電器が接続される入力側の電圧は、ＯＮ
設定制御回路や安定化制御回路が動作する状態の電圧に
維持される。この場合、電池本体に対して直列抵抗を介
することなく充電が行われるので、直列抵抗による発熱
がなくなり、スペースファクタの問題も解消する。ま
た、無駄な消費電力も抑制でき、効率的に動作電圧を得
ることができる。

【００１０】

【実施例】図１は、この発明の充電電池を適用した一実
施例のリチウム電池の内部回路図であり、図２は、その
動作説明のためのグラフ図、図３は、その、他の実施例
のリチウム電池の内部回路図、図４は、その動作説明の
ためのグラフ図、図５は、さらに他の実施例のリチウム
電池の内部回路図、そして図６は、直列に接続された複
数のリチウム電池を内蔵する、さらに他の実施例の充電
電池の内部回路図である。なお、図７と同一の構成要素
は同一の符号で示し、その説明を割愛する。図１は、電
池本体の正極端子の電圧が内部回路が動作する所定電圧
よりも低いときにツエナーダイオードにより簡易の入力
電圧の安定化を図った実施例である。いわゆる直列型の
トランジスタ定電圧回路においてその定電圧制御をツエ
ナーダイオードにより行い入力側の電圧の安定化を図っ
たものである。図１において、１０は、電池内充電制御
回路を有する充電電池であって、１１は、電池本体１の
正極側の電圧が所定以上の電圧になったことを検出する
電圧検出回路であり、図７の端子電圧検出回路７に換え
て設けられている。１２は、図７のマイクロプロセッサ
に換えて設けられたコントローラであり、マイクロプロ
セッサが用いられてもよい。ここでは抵抗４は削除され
ている。そして、スイッチ素子としてＰチャンネルＭＯ
Ｓトランジスタ１３と、ＮチャンネルＭＯＳトランジス
タ１４，１５とツエナーダイオードＤz、１００ｋΩ〜
数ＭΩ程度のバイアス抵抗Ｒ1とが設けられ、さらにプ
ルダウン抵抗Ｒ2，Ｒ3が設けられている。なお、ツエナ
ーダイオードＤzの定電圧値Ｖｚは、２．０Ｖとする。

【００１１】ここで、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタ
２のドレインは、電池本体１の正極側に接続され、ソー
スは、充電電源ライン＋Ｖccに接続され、ゲートは、定
電圧Ｖz（＝２．０Ｖ）のツエナーダイオードＤz，トラ
ンジスタ１５のドレイン、ソースを介してグランドライ
ンＧＮＤに接続されている。トランジスタ１５のゲート
は、グランドラインＧＮＤに抵抗Ｒ3を介して接続され
プルダウンされている。また、充電電源ライン＋Ｖccと
グランドラインＧＮＤとの間には、ＰチャンネルＭＯＳ
トランジスタ１３とＮチャンネルＭＯＳトランジスタ１
４とが順次相補型に接続されている。抵抗Ｒ1は、トラ
ンジスタ１３のドレインとトランジスタ１４のドレイン
の接続点Ｎとトランジスタ２のゲートとの間に接続され
ている。トランジスタ１３のゲートとトランジスタ１４
のゲートとは共通に接続点Ｍに接続され、グランドライ
ンＧＮＤに抵抗Ｒ2を介して接続されプルダウンされて
いる。なお、トランジスタ２は、双方向に電流が流せる
ものであり、電池本体から電力を供給するための放電電
流は、トランジスタ２のドレイン−ソースを経て流すこ
とができる。このような半導体素子としては、例えば、
シリコントランジスタＳi４４２７等を挙げることがで
きる。また、このようなＰチャネルＭＯＳトランジスタ
２のドレイン−ソース間に順方向に寄生する寄生ダイオ
ード（ボディダイオード）等を介して放電電流を流して
もよい。電池本体１の満充電電圧は、通常、４．２Ｖ程
度であり、コントローラ１２の動作電圧が３．０Ｖであ
るので、電圧検出回路１１は、この間の電圧として、電
池本体１の電圧が例えば３．５Ｖ以上のときにその検出
信号ＤｔとしてＨＩＧＨレベル（以下“Ｈ”）の信号を
発生する。この検出信号は、電池本体１の正極側端子電
圧が３．５Ｖ未満のときにはＬＯＷレベル（以下
“Ｌ”）となっている。さらに、４．２Ｖを越えた所定
値（例えば４．３Ｖ）以上になったときにその検出信号
Ｄｓとして“Ｈ”の信号を発生する。この検出信号は、
電池本体１の正極側端子電圧が４．２Ｖを越えた所定値
未満のときには“Ｌ”となっている。ただし、４．２Ｖ
を越えた所定値は、電池本体１が破壊、発煙しない電圧
である。

【００１２】コントローラ１２は、充電電源ライン＋Ｖ
ccから電力を受けて動作して、電圧検出回路１１から検
出信号Ｄｔ、Ｄｓを受けてこれら検出信号に応じて、端
子１２ａ、１２ｂに“Ｈ”あるいは“Ｌ”の２つの制御
信号ＣＯＮＴ1、ＣＯＮＴ2をそれぞれに発生する。制御
信号ＣＯＮＴ1は、トランジスタ１３とトランジスタ１
４のゲートの共通の接続点Ｍに供給され、それぞれのゲ
ートに加えられる。また、制御信号ＣＯＮＴ2は、トラ
ンジスタ１５のゲートに供給される。

【００１３】充電電池１０の電池内充電制御回路の全体
的な動作を説明すると、充電がされていないか、充電が
十分でない初期状態、言い換えれば、電池本体１の電圧
がコントローラ１２が動作する電圧より低い状態（コン
トローラ１２が動作していない状態）では各トランジス
タ１３，１４，１５は、それぞれプルダウン抵抗Ｒ2、
Ｒ3により“Ｌ”に設定されている。そこで、トランジ
スタ１３はＯＮ状態になり、トランジスタ１４，１５が
ＯＦＦとなり、トランジスタ２はＯＦＦ状態となってい
る。そのため、充電器としての電流源５による充電開始
時点では電流値Ｉを流すために電流源５は、外部端子８
ａ，８ｂの端子電圧（以下充電電圧）を上昇させてい
く。そして、充電電圧がコントローラ１２が動作する電
圧、例えば、３．０Ｖ以上になると、コントローラ１２
が動作を開始する。その動作は、電圧検出回路１１の検
出信号に応じて行われる。

【００１４】まず、電池本体１の端子電圧が３．５Ｖ未
満では、電圧検出回路１１の検出信号Ｄｔが“Ｌ”とな
り、検出信号Ｄｓは“Ｌ”であり、これら信号を受けて
コントローラ１２は、制御信号ＣＯＮＴ1に“Ｌ”、Ｃ
ＯＮＴ2に“Ｈ”を発生する。これによりトランジスタ
１３はＯＮのままとなり、トランジスタ１４はＯＦＦの
ままとなり、トランジスタ１５はＯＮになる。トランジ
スタ２のゲートは、トランジスタ１３がＯＮしているこ
とにより抵抗Ｒ1を介してトランジスタ２とツエナーダ
イオードＤzとがこのときバイアスされる。そこで、定
電流源５の電圧、すなわち電源ライン＋Ｖccが３．０Ｖ
以上になったときに、ツエナーダイオードＤzがＯＮし
て実質的に電源ライン＋Ｖccをほぼ３．０Ｖに安定化す
る動作が開始される。すなわち、ツエナーダイオードＤ
zがＯＮすると、トランジスタ２のゲートは、トランジ
スタ１５のＯＮ時のドレイン−ソース間電圧（≒０．２
Ｖ〜０．３Ｖ）＋定電圧Ｖz（＝ツエナーダイオードＤz
の電圧２．０Ｖ）に設定される。その結果、充電電源ラ
イン＋Ｖccの電圧は、トランジスタ２のＯＮ時のゲート
−ソース間電圧、通常、０．７Ｖ以上となるので、ほぼ
３．０Ｖとなる。そこで、電源ライン＋Ｖccがほぼ３．
０Ｖに安定化され、コントローラ１２は、この電圧によ
りその動作が維持される。

【００１５】また、このとき、トランジスタ１３のＯＮ
のゲート−ソース間電圧と抵抗Ｒ1とで決まる所定のバ
イアス条件でトランジスタ２のゲート電流が制御され
て、トランジスタ２の内部インピーダンスが設定され、
電池本体１へ充電電流Ｉが流れる。このような充電にお
いて、電池本体１の現在の正極側の電圧と抵抗Ｒ1のバ
イアス条件に応じてトランジスタ２は、内部インピーダ
ンスが変化し、そのアクティブ領域において充電電源ラ
イン＋Ｖccが３．０Ｖがほぼ維持される条件で充電動作
が行われていく。その動作が図２の充電電圧特性Ａにお
いて横這い状態のグラフ特性となる。なお、Ａは、充電
電源ライン＋Ｖccの電圧特性である。そして、電池本体
１の正極側の電圧が３．０Ｖ付近まで近づくと、抵抗Ｒ
1のバイアスによりトランジスタ２がＯＮ飽和領域に近
づため、定電流源５は、定電流Ｉを流そうとして充電電
圧をさらに上昇させていく。その結果、図２の一点鎖線
で示す特性線Ｂに沿うように上昇する形で充電電源ライ
ン＋Ｖccの電圧が変化して充電が行われる。その結果、
充電電圧特性のグラフＡは、特性線Ｂを漸近線としてそ
れに沿って上昇していく。グラフＣの変化は、これらの
ときのトランジスタ２のゲート電圧である。このよう
に、充電電源ライン＋Ｖccの電圧は、充電初期状態から
３．０Ｖ以上に維持されるので、電池本体１の電圧がた
とえ低い状態あるいは初期状態であってもコントローラ
１２は正常な動作をすることができる。もちろん、これ
に付随する充電電池１０内の内部回路も同様に動作可能
になる。

【００１６】電池本体１の端子電圧が３．５Ｖ以上で
４．２Ｖを越えた所定値未満のときには、電圧検出回路
１１の検出信号Ｄｔが“Ｈ”となり、検出信号Ｄｔの
“Ｈ”に応じてコントローラ１２は、制御信号ＣＯＮＴ
1に“Ｈ”、ＣＯＮＴ2に“Ｌ”を発生する。なお、検出
信号Ｄｓは“Ｌ”である。これによりトランジスタ１３
はＯＦＦし、トランジスタ１４はＯＮし、そしてトラン
ジスタ１５はＯＦＦになる。そこで、ツエナーダイオー
ドＤzはＯＦＦになって、トランジスタ２のゲートは、
抵抗Ｒ1、トランジスタ１４を介してグランドラインＧ
ＮＤに接続される。その結果、トランジスタ１４のゲー
トは、最初のときよりも低い電圧に設定されて完全にＯ
Ｎになる。その結果、図２に示すように、充電電圧特性
Ａは、一旦、低下して、その後は、定電流源５の電圧に
追従して特性Ｂに沿って上昇することになる。一方、電
池本体１の端子電圧が３．５Ｖになると、図２のグラフ
Ｃに示すように、トランジスタ２のゲート電圧は“０”
になる。

【００１７】以後、定電流源５から電池本体１へと流れ
る充電電流Ｉは、トランジスタ２が完全にＯＮ状態にお
いて電池本体１へ供給され、電池本体１の充電が行われ
る。このときには、トランジスタ２の内部インピーダン
スは無視できる程度に小さくなっている。すなわち、従
来行われている定電流充電の状態となる。そこで、外部
充電器としての定電流源５も電池とこの電池内充電制御
回路全体を１つの電池として扱うことができる。そし
て、定電圧充電の下で、充電電流が所定値以下になっっ
たとき、あるいは充電電圧が所定値以上になったときに
は電池外の充電器側で充電が終了されることになるが、
これとは別に電池本体１の端子電圧が４．２Ｖを越えた
値になったときにはトランジスタ２がＯＦＦ状態に設定
される。すなわち、電池本体１の端子電圧が４．２Ｖを
越えた所定値（＝４．３Ｖ）以上のときには、検出信号
Ｄｓが“Ｈ”となり、この検出信号Ｄｓの“Ｈ”に応じ
てコントローラ１２は、制御信号ＣＯＮＴ1に“Ｌ”、
ＣＯＮＴ2に“Ｌ”を発生する。なお、このときには検
出信号Ｄｔも“Ｈ”となる。これによりトランジスタ１
３はＯＮし、トランジスタ１４はＯＦＦし、そしてトラ
ンジスタ１５はＯＦＦになる。ツエナーダイオードＤz
はＯＦＦ状態のままであり、トランジスタ２のゲート
は、抵抗Ｒ1、トランジスタ１３を介して電源＋Ｖccラ
インにプルアップ接続される。これにより、トランジス
タ２がＯＦＦになり、定電流源５からの充電電流を遮断
することができる。その結果、定電流源５からの充電電
流を遮断することができ、過電圧充電を防止することが
できる。もちろん、充電が終了した時点では、電池本体
１の電圧は、通常の４．２Ｖ程度に落ちるので検出信号
Ｄｓが“Ｌ”となり、トランジスタ２がＯＮ状態にな
る。そこで、両方向に電流が流せるトランジスタ２のＯ
Ｎにより充電電池１０として電力供給をする放電動作に
は問題が生じない。このとき、コントローラ１２は、電
池本体１からの電流により電力供給されて動作すること
になる。ところで、前記の充電動作の説明では、電池本
体１が全く充電されていない空充電のときから説明して
いる。しかし、リチウム電池の場合には最初にある程度
充電された電池が電池本体として使用されることが多い
ので、その動作としては、例えば、前記において電池本
体１の端子電圧が３．５Ｖ以上で４．２Ｖを越えた所定
値未満のときの条件から充電が開始されることもある。

【００１８】図３は、他の実施例であり、電池本体の正
極端子の電圧が内部回路が動作する所定電圧よりも低い
ときに誤差増幅器と定電流ダイオードを用いて、より高
い精度で入力電圧の安定化を図った実施例である。ま
た、この例では、比較増幅を行う誤差増幅器が検出回路
１１の一部の検出機能を持つ。そこで、検出回路１１
は、ここでは、検出信号Ｄｓを発生するのみである。さ
らに、図３におけるコントローラ１２は、制御信号ＣＯ
ＮＴ1の信号のみを発生する。図３では、図１のトラン
ジスタ１３とトランジスタ１５はなく、抵抗Ｒ4、Ｒ5の
分圧回路１８が充電電源ライン＋Ｖccとグランドライン
ＧＮＤとの間に挿入されている。グランドラインＧＮＤ
側の抵抗Ｒ5に並列にトランジスタ１４が接続され、こ
のトランジスタ１４が制御信号ＣＯＮＴ1を受ける。こ
こで、分圧回路１８は、直列型トランジスタ定電圧回路
における電圧検出部となっていて、これにより入力側の
電圧検出が行われる。また、ツエナーダイオードＤz
は、０．５ｍＡ程度の定電流ダイオード１７が上流側に
順方向に挿入され、これを介して充電電源ライン＋Ｖcc
に接続されている。このツエナーダイオードＤzの定電
圧は、ここでは２．７Ｖとする。この回路は、直列型ト
ランジスタ定電圧回路の基準電圧発生部となっている。

【００１９】充電電源ライン＋Ｖccから電力供給を受け
て動作する誤差増幅器１９は、−入力がツエナーダイオ
ードＤzの電圧端子である接続点ａに接続され、＋入力
が抵抗Ｒ4、Ｒ5の分圧点である接続点ｂに接続され、分
圧電圧を受ける。ここでの誤差増幅器１９は、直列型ト
ランジスタ定電圧回路の比較増幅部を構成していて、そ
の出力は、Ｎチャネルトランジスタ１９ａのゲートに供
給される。トランジスタ１９ａは、ドレイン側が抵抗Ｒ
1（＝１０ＭΩ）を介して充電電源ライン＋Ｖccに接続
され、ソースは、グランドラインＧＮＤに接続されてい
る。このトランジスタ１９ａは、誤差増幅器１９の出力
を増幅するとともに、一定以上の制御電圧を誤差増幅器
１９から受けたときにトランジスタ２をＯＮ状態に設定
するＯＮ制御回路の役割を果たしている。なお、抵抗Ｒ
4、抵抗Ｒ5は、例えば、抵抗Ｒ4＝１ＭΩ、抵抗Ｒ5＝
４．３ＭΩであり、その分圧比は、１：４程度で、その
それぞれの抵抗値は、メガオーダのものとする。また、
ここでは、誤差増幅器１９は、＋入力が３．３Ｖになっ
たときにトランジスタ１９ａを完全にＯＮにさせる出力
電圧を発生するようにバイアス設定されている。すなわ
ち、トランジスタ１９ａは、基準電圧２．７Ｖに対して
誤差増幅器の＋入力が３．３Ｖを超えてその安定化制御
範囲である入力側の電圧差が０．６Ｖを超えると完全に
ＯＮ飽和になり、０．６Ｖ以下の差ではトランジスタ１
９ａのアクティブ領域において＋入力が３．３Ｖに維持
する安定化動作をする。

【００２０】そのアクティブ領域の動作は、トランジス
タ１９ａが誤差増幅器１９の＋入力側と−入力側の差分
の電圧に対応する電圧で駆動され、誤差増幅器１９の＋
入力側と−入力側とを一致させるように、駆動電流がト
ランジスタ１９ａのゲートに流れ、トランジスタ１９ａ
のドレイン−ソース、抵抗Ｒ1に増幅された電流が流れ
て、トランジスタ２を駆動して、このトランジスタ２を
介して接続点ｂの電圧がツエナーダイオードＤzの電圧
２．７Ｖに一致するように制御する。この制御は、通常
の安定化電源回路の出力側の安定化を入力側の電圧安定
化に置き換えた制御に対応している。このような安定化
制御により充電電源ライン＋Ｖccが分圧回路１８に分圧
比に対応して、例えば、３．３Ｖ（≒２．７×４．３／
５．３）に設定され、抵抗Ｒ1の端子電圧によりバイア
スされてトランジスタ２が図１の実施例と同様にアクテ
ィブ領域で動作する。したがって、コントローラ１２
は、電池本体１の正極側の電圧が３．３Ｖ以下の低い値
であっても安定した動作をする。

【００２１】そして、充電により電池本体１の電圧が上
昇して、その端子電圧が３．３Ｖに近づくと、定電流Ｉ
を流すために定電流源５の出力電圧が増加して誤差増幅
器１９の出力電圧が増加して抵抗Ｒ1にはさらに大きな
電流が流れ、それに応じてトランジスタ２のゲート電圧
は低下していく。これによりトランジスタ２の内部イン
ピーダンスを低下させる。その結果、図４に示すような
特性となる。なお、図４の各符号は図２に対応してい
る。そして、電池本体１の正極側の電圧が３．３Ｖにな
ったときには、トランジスタ１９ａは、完全にＯＮ状態
に移行してトランジスタ２のゲート電圧は“Ｌ”に設定
される。このときには入力側の安定化動作はなくなり、
充電側の定電流源５が発生する充電電圧に従って特性グ
ラフＡに示すように充電電圧（端子８ａ、８ｂの電圧）
は、グラフＢに沿って上昇する。電池本体１の端子電圧
が４．２Ｖを越えた所定値（＝４．３Ｖ）以上のときに
は、検出信号Ｄｓが“Ｈ”となる。この検出信号Ｄｓの
“Ｈ”に応じてコントローラ１２は、初期状態と同じよ
うに制御信号ＣＯＮＴ1に“Ｈ”を発生する。これによ
りトランジスタ１４はＯＮになる。その結果、誤差増幅
器１９の＋入力が０Ｖ近くにまで落ちて、基準電圧２．
７Ｖより大きく低下し、トランジスタ１９ａがＯＦＦと
なり、抵抗Ｒ1によりトランジスタ２のゲートが電源ラ
イン＋ＶccにプルアップされてがＯＦＦになる。これに
より定電流源５からの充電電流を遮断することができ、
過電圧充電を防止することができる。もちろん、前記し
たように、充電が終了した時点では、電池本体１の電圧
は、通常の４．２Ｖ程度に落ちるのでトランジスタ２が
ＯＮ状態になる。そこで、電力を供給する放電動作は、
図１と同様である。なお、この例では、初期状態で端子
１２ａは、電源ライン＋Ｖcc側にプルアップされている
ものである。

【００２２】図５は、他の実施例であり、電池本体の正
極端子の電圧が内部回路が動作する所定電圧よりも低い
ときにフィルタを用い、トランジスタをスイッチング動
作をさせて入力電圧安定化を図った実施例である。図５
の実施例では、図１のツエナーダイオードＤzとトラン
ジスタ１５と抵抗Ｒ1とを削除して、トランジスタ１３
とトランジスタ１４の接続点Ｎをトランジスタ２のゲー
トに直接接続し、トランジスタ２の手前において充電電
源ライン＋Ｖccにπ型のフィルタ２０を挿入したもので
ある。コントローラ１２は、フィルタ２０の電流源５側
となる充電器側の充電電源ライン＋Ｖccから電力供給を
受けて動作する。コントローラ１２は、図１の制御信号
ＣＯＮＴ1に換えて端子１２ｃに制御信号ＣＯＮＴ3とし
て、“Ｈ”、“Ｌ”のほかに４４０ｋＨｚの周波数で
“Ｈ”と“Ｌ”が切り替わり、“Ｈ”と“Ｌ”のデュー
ティ比が電源ライン＋Ｖccが３．０Ｖとなるように変化
する発振出力を発生し、トランジスタ１３とトランジス
タ１４のゲートを駆動する。これによりトランジスタ１
３とトランジスタ１４をスイッチング動作をさせて、ト
ランジスタ２をスイッチングする。このとき、トランジ
スタ１３とトランジスタ１４とはトランジスタ２のスイ
ッチング制御回路になっている。なお、制御信号ＣＯＮ
Ｔ1とＣＯＮＴ2は発生しない。なお、“Ｈ”と“Ｌ”の
デューティ比が電源ライン＋Ｖccが３．０Ｖとなるよう
に変化する発振出力を得るためには、例えば、三角波発
生回路等を設けて電源ライン＋Ｖccの現在の電圧を検出
してこの電圧を三角波発生回路の三角波に対する閾値と
してデューティ比を変化させるようなパルス波をコンパ
レータ等から得るようにすることができる。

【００２３】π型のフィルタ２０は、チョークコイル２
１の両側にコンデンサＣ1，Ｃ2を有するものであり、コ
ンデンサＣ1，Ｃ2の他端がグランドラインＧＮＤに接続
されている。ここでの電圧検出回路１１は、電池本体１
の端子電圧が３．０Ｖ以上で“Ｈ”の検出信号Ｄｔを発
生する。コントローラ１２は、電池本体１の端子電圧が
３．０Ｖ未満では、電圧検出回路１１から“Ｌ”となっ
た検出信号Ｄｔを受けて前記の４４０ｋＨｚの周波数で
“Ｈ”と“Ｌ”を発生する。これによりトランジスタ２
が４４０ｋＨｚでスイッチングされる。その結果、コン
トローラ１２は、充電電源ライン＋Ｖccからそのときの
定電流源５の出力電圧３．０Ｖの電圧を平滑電圧として
得ることができる。これにより動作する。なお、初期状
態では、コントローラ１２の端子１２ｃの出力は、端子
１２ｃが内部でプルダウンされていて“Ｌ”となってい
る。そこで、トランジスタ１３側がＯＮとなり、トラン
ジスタ２のゲートがソース側にプルアップされてトラン
ジスタ２はＯＦＦ状態に設定される。これにより充電電
源ライン＋Ｖccは、電池本体１の電圧とは切り離されて
いる。

【００２４】一方、電池本体１の端子電圧が３．０Ｖ以
上で４．２Ｖを越えた所定値未満のときには、電圧検出
回路１１の検出信号Ｄｔが“Ｈ”となる。このとき検出
信号Ｄｓは“Ｌ”となっている。そこで、検出信号Ｄｔ
の“Ｈ”に応じてコントローラ１２は、制御信号ＣＯＮ
Ｔ3に“Ｈ”を発生する。これによりトランジスタ１２
はＯＦＦし、トランジスタ１３はＯＮとなり、トランジ
スタ２のゲートがグランドＧＮＤ側にプルダウンされて
トランジスタ２が完全にＯＮ状態に維持される。そこ
で、通常の充電がフィルタ２０を介して行われる。な
お、チョークコイル２１の直流抵抗値は小さい。

【００２５】さらに、電池本体１の端子電圧が４．２Ｖ
を越えた所定値（＝４．３Ｖ）以上のときには、検出信
号Ｄｓが“Ｈ”となり、検出信号Ｄｔも“Ｈ”である。
この検出信号Ｄｓの“Ｈ”に応じてコントローラ１２
は、初期状態と同じように制御信号ＣＯＮＴ3に“Ｌ”
を発生する。これによりトランジスタ１３はＯＮし、ト
ランジスタ１４はＯＦＦになる。その結果、トランジス
タ２がＯＦＦになる。これにより定電流源５からの充電
電流を遮断することができ、過電圧充電を防止すること
ができる。前記したように、充電が終了した時点では、
電池本体１の電圧は、通常の４．２Ｖ程度に落ちるので
トランジスタ２がＯＮ状態になる。これも電力を供給す
る放電動作は、図１と同様である。

【００２６】図６は、さらに他の実施例であり、電池本
体１ａ〜１ｎの直列回路を有する充電電池に対して充電
を行う実施例である。図６の実施例では、図１の電圧検
出回路１１に換えて各電池本体１ａ，１ｂ，〜１ｎのそ
れぞれの端子電圧を電圧検出回路１１ａ，１１ｂ〜１１
ｎのｍ個（ｍは２以上の整数）を直列に設け、それぞれ
の検出信号Ｄｔ、Ｄｓをオアゲート１００、１０１を介
してコントローラ１２に入力するようにしたものであ
る。なお、オアゲート１００、１０１は、電源ライン＋
Ｖccから電力供給を受けるがその電源ラインと接地ライ
ンとは省略してある。これにより、いずれか１つの電池
本体１ａ，１ｂ〜１ｎが３．５Ｖの１／ｍ（＝３．５Ｖ
／ｍ）以上になると、検出信号Ｄｔが“Ｈ”となり、ま
た、いずれか１つの電池本体１ａ〜１ｎが４．２Ｖを越
えた所定値以上になると、検出信号Ｄｓが“Ｈ”とな
る。これに応じて、電池本体１ａ〜１ｎのうちのいずれ
か１つの電池本体の電圧によりコントローラ１２が図１
に示すような動作をする。すなわち、ここでは、検出信
号Ｄｔを発生する各電圧検出回路１１ａ，１１ｂ〜１１
ｎは、３．５Ｖ／ｍ以上の電圧を検出するものである。
これにより直接接続された電池本体１ａ〜１ｎの合計電
圧が実質的に３．５Ｖとなる。ここでは、電圧検出回路
１１ａ，１１ｂ〜１１ｎを図１の実施例のように電圧検
出回路１１を１個設けて電池本体１ａの正極端子とグラ
ンドラインＧＮＤとの間の端子電圧（電池本体１ａ，１
ｂ，〜１ｎの直列接続での全体の電圧）を検出するよう
にすれば、その検出電圧は、３．５Ｖとなり、検出信号
Ｄｔの論理和を採るオアゲート１００は不要になる。こ
の場合には、検出信号Ｄｓの論理和を採るオアゲート１
０１側もなるなるが、検出信号Ｄｓの論理和を採るオア
ゲート１０１を電圧検出回路１１に内蔵するか、あるい
は、電圧検出回路１１が４．２Ｖを越えた所定値の電圧
の１／ｍの電圧をそれぞれに検出してその論理席条件あ
るいは論理和条件で検出信号Ｄｓを発生するようにすれ
ばよい。なお、電池本体１からの放電については前記の
各実施例と同様である。

【００２７】以上説明したきたが、実施例では、リチウ
ム電池を中心に説明しているが、この発明は、電池とし
て利用可能な電気二重層のコンデンサ、いわゆるスーパ
キャパシタに対しても同様に適用でき、リチウム電池以
外の定電流充電を行う二次電池にも適用できる。したが
って、ここでの電池本体の概念には、前記キャパシタも
含むものとする。また、実施例では、充電初期状態とし
て能動素子がＯＦＦ状態となっているが、これは、高イ
ンピーダンス状態であって同様に充電動作可能であるこ
とはもちろんである。また、実施例では、充電電源ライ
ンと電池本体との間に挿入されるインピーダンス能動素
子としてＭＯＳトランジスタの例を挙げているが、これ
は、バイポーラトランジスタであってもよく、これらト
ランジスタと同等の動作をするアクティブ素子（能動素
子）一般、あるいは能動デバイスであればよい。さら
に、実施例では充電電池として電池本体と充電コントロ
ーラを含む回路を一体化した充電電池について説明して
いるが、この発明は、いわゆる充電電池パックとして充
電回路と電池とがあらかじめ個別化されたものを一体化
して形成した充電電池パックにもそのまま適用できるこ
とはもちろんである。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明のとおり、この発明にあって
は、制御端子を有する３端子の能動素子、例えば、トラ
ンジスタを電池と充電電源ラインとの間に直列接続して
そのインピーダンスを制御することで入力側となる充電
電源ラインの電源電圧を一定電圧に安定化し、電池本体
の正極端子の電圧がＯＮ設定制御回路や安定化制御回路
が動作する電圧以上のある電圧になったときに、ＯＮ設
定制御回路により能動素子をＯＮ状態にして充電器側の
電圧に追従して定電流充電ができるようにする。これに
より、電池本体の正極端子の電圧が内部回路が動作する
所定電圧よりも低い電圧においても、充電器が接続され
る入力側の電圧は、ＯＮ設定制御回路や安定化制御回路
が動作する状態の電圧に維持される。この場合、電池本
体に対して直列抵抗を介することなく充電が行われるの
で、直列抵抗による発熱がなくなり、スペースファクタ
の問題も解消する。また、無駄な消費電力も抑制でき、
効率的に動作電圧を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明の充電電池を適用した一実施
例のリチウム電池の内部回路図である。

【図２】図２は、その動作説明のためのグラフ図であ
る。

【図３】図３は、その他の実施例のリチウム電池の内部
回路図である。

【図４】図４は、さらに他の実施例のリチウム電池の内
部回路図である。

【図５】図５は、その動作説明のためのグラフ図であ
る。

【図６】図６は、この発明の充電電池を適用した一実施
例の直列に接続された複数のリチウム電池を内蔵する充
電電池の内部回路図である。

【図７】図７は、従来のリチウム電池の内部回路の一例
の説明図である。

【符号の説明】

１…リチウム電池本体（電池本体）、２，３，１３…Ｐ
チャンネルＭＯＳトランジスタ，４…抵抗、５…定電流
源、６…マイクロプロセッサ、７…端子電圧検出回路、
８ａ｀、８ｂ…入力端子、９，１０…充電電池、１１…
電圧検出回路、１２…コントローラ、１４，１５，１９
ａ…ＮチャンネルＭＯＳトランジスタ、１７…定電流ダ
イオード、１８…分圧回路、１９…誤差増幅器、Ｒ1〜
Ｒ6…抵抗、Ｄz…ツエナーダイオード。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀崎浩一大阪府茨木市丑寅一丁目１番88号日立マクセル株式会社内 (72)発明者鈴木雅人大阪府茨木市丑寅一丁目１番88号日立マクセル株式会社内 (72)発明者土屋光典東京都小平市上水本町５−22−１株式会社日立超エル・エス・アイ・システムズ内 (72)発明者田中伸児東京都小平市上水本町５−22−１株式会社日立超エル・エス・アイ・システムズ内Ｆターム(参考） 5G003 AA01 BA01 BA03 CA03 CA11 CA12 CC07 GA01 5H030 AA01 AS20 BB01 BB26 DD02 DD08 FF41 FF43

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】充電電池において、電池本体と、充電器に
接続される充電電源ラインと、２端子の一方が前記充電
電源ラインに他方が前記電池本体の正極端子に接続され
制御端子に加えられる信号により前記２端子間のインピ
ーダンスが変化しかつ前記２端子を実質的に所定のイン
ピーダンスでＯＮ接続するＯＮ状態に設定可能な少なく
とも３端子の能動素子と、前記制御端子に接続され前記
インピーダンスを制御することで前記充電電源ラインを
前記電池本体の満充電電圧以下の所定の電圧に安定化制
御をする安定化制御回路と、前記電池本体が実質的に前
記所定の電圧か、それ以上になったときに前記能動素子
を前記ＯＮ状態に設定するＯＮ設定制御回路とを備え、
前記所定の電圧は、前記安定化制御回路と前記ＯＮ設定
制御回路とが動作する電圧以上であり、前記２端子は初
期状態では実質的にＯＦＦ状態あるいは高インピーダン
スになっていることを特徴とする充電電池。
【請求項２】さらに、前記電池本体の正極端子の電圧が
前記所定の電圧以上で前記満充電電圧以下のある電圧値
以上になったことを検出する電圧検出回路を有し、前記
安定化制御回路は、前記制御端子とグランドラインとの
間に挿入された定電圧ダイオードであり、前記能動素子
は、前記２端子間のインピーダンスが制御できる状態に
おいて前記制御端子と前記充電電源ラインとの間の電圧
を実質的に一定電圧にする特性を有し、前記ＯＮ設定制
御回路は、前記電圧検出回路の検出信号を受けて前記能
動素子を前記ＯＮ状態に設定する請求項１記載の充電電
池。
【請求項３】前記安定化制御回路は、充電電源ラインの
電圧を検出する検出回路と、基準電圧発生回路と、前記
検出回路による電圧と前記基準電圧発生回路による電圧
とを比較して増幅する比較増幅回路とを有し、前記ＯＮ
設定制御回路は、前記比較増幅回路の出力を受けて前記
安定化制御回路に換わって前記制御端子に制御信号を加
えて前記インピーダンスを制御するとともに前記比較増
幅回路の出力が所定値以上になったときに前記制御素子
を前記ＯＮ状態に設定するトランジスタである請求項１
記載の充電電池。
【請求項４】さらに、前記電池本体の正極端子の電圧が
前記所定の電圧以上で前記満充電電圧以下のある電圧値
を検出する電圧検出回路を有し、前記安定化制御回路
は、制御信号を受けて前記能動素子をＯＮ／ＯＦＦする
スイッチング回路と、前記充電電源ラインに挿入された
フィルタとからなり、前記ＯＮ設定制御回路は、前記制
御信号を発生するとともに前記電圧検出回路の検出信号
を受けて前記スイッチング回路により前記能動素子を前
記ＯＮ状態に設定する制御をする請求項１記載の充電電
池。
【請求項５】前記電池本体はキャパシタである請求項２
乃至４記載の充電電池。
【請求項６】前記能動素子は、能動デバイスである請求
項２乃至４記載の充電電池。
【請求項７】前記電池本体は、複数個が直列接続された
ものであり、複数の前記電池本体の各端子電圧を検出す
る複数の検出回路を有し、前記検出回路の検出信号がそ
れぞれ論理和回路を介して前記ＯＮ設定制御回路に送出
される請求項２または４記載の充電電池。
【請求項８】充電電池パックにおいて、電池本体と、充
電器に接続される充電電源ラインと、２端子の一方が前
記充電電源ラインに他方が前記電池本体の正極端子に接
続され制御端子に加えられる信号により前記２端子間の
インピーダンスが変化しかつ前記２端子を実質的に所定
のインピーダンスでＯＮ接続するＯＮ状態に設定可能な
少なくとも３端子の能動素子と、前記制御端子に接続さ
れ前記インピーダンスを制御することで前記充電電源ラ
インを前記電池本体の満充電電圧以下の所定の電圧に安
定化制御をする安定化制御回路と、前記電池本体が実質
的に前記所定の電圧か、それ以上になったときに前記能
動素子を前記ＯＮ状態に設定するＯＮ設定制御回路とを
備え、前記所定の電圧は、前記安定化制御回路と前記Ｏ
Ｎ設定制御回路とが動作する電圧以上であり、前記２端
子は初期状態では実質的にＯＦＦ状態あるいは高インピ
ーダンスになっていることを特徴とする充電電池パッ
ク。
【請求項９】さらに、前記電池本体の正極端子の電圧が
前記所定の電圧以上で前記満充電電圧以下のある電圧値
以上になったことを検出する電圧検出回路を有し、前記
安定化制御回路は、前記制御端子とグランドラインとの
間に挿入された定電圧ダイオードであり、前記能動素子
は、前記２端子間のインピーダンスが制御できる状態に
おいて前記制御端子と前記充電電源ラインとの間の電圧
を実質的に一定電圧にする特性を有し、前記ＯＮ設定制
御回路は、前記電圧検出回路の検出信号を受けて前記能
動素子を前記ＯＮ状態に設定する請求項８記載の充電電
池パック。
【請求項１０】前記安定化制御回路は、充電電源ライン
の電圧を検出する検出回路と、基準電圧発生回路と、前
記検出回路による電圧と前記基準電圧発生回路による電
圧とを比較して増幅する比較増幅回路とを有し、前記Ｏ
Ｎ設定制御回路は、前記比較増幅回路の出力を受けて前
記安定化制御回路に換わって前記制御端子に制御信号を
加えて前記インピーダンスを制御するとともに前記比較
増幅回路の出力が所定値以上になったときに前記制御素
子を前記ＯＮ状態に設定するトランジスタである請求項
８記載の充電電池パック。
【請求項１１】さらに、前記電池本体の正極端子の電圧
が前記所定の電圧以上で前記満充電電圧以下のある電圧
値を検出する電圧検出回路を有し、前記安定化制御回路
は、制御信号を受けて前記能動素子をＯＮ／ＯＦＦする
スイッチング回路と、前記充電電源ラインに挿入された
フィルタとからなり、前記ＯＮ設定制御回路は、前記制
御信号を発生するとともに前記電圧検出回路の検出信号
を受けて前記スイッチング回路により前記能動素子を前
記ＯＮ状態に設定する制御をする請求項８記載の充電電
池パック。
【請求項１２】前記電池本体はキャパシタである請求項
９乃至１１記載の充電電池パック。
【請求項１３】前記能動素子は、能動デバイスである請
求項９乃至１１記載の充電電池。
【請求項１４】前記電池本体は、複数個が直列接続され
たものであり、複数の前記電池本体の各端子電圧を検出
する複数の検出回路を有し、前記検出回路の検出信号が
それぞれ論理和回路を介して前記ＯＮ設定制御回路に送
出される請求項９または１１記載の充電電池パック。