JP2002095157A - 過充電防止回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二次電池を過充電から確実に防止できる過充
電防止回路を提供する。 【解決手段】 充電電源７が接続されるプラス充電端子
４とマイナス充電端子５との間に二次電池１に直列に第
１の過電流保護素子である電流ヒューズ２を配設すると
ともに、二次電池１と電流ヒューズ２との直列回路に半
導体スイッチング素子であるサイリスタ３を並列に接続
する。二次電池１が過充電状態となる電圧でサイリスタ
３がブレークオーバーし、二次電池１が電荷を放出する
ので、電流ヒューズは短時間で溶断して充電回路を遮断
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二次電池の過充電
を防止する過充電防止回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】二次電池は適正な充電条件を越える過充
電が継続されると、電解液の分解に伴ってガスが発生
し、密閉型の二次電池ではガス圧が高まって破裂、発火
等の危険な状態を呈する。携帯機器などに用いられる小
型の二次電池は殆どが密閉型であり、特にリチウムイオ
ン二次電池のようにエネルギー密度の高い二次電池では
過充電を防止する電池保護回路を設けることが必須条件
であり、電池保護回路はこれを形成した回路基板を二次
電池と共にパックケース内に収容した二次電池パックの
形態に構成される。

【０００３】しかし、過充電に対しては高度の安全性が
市場の要求であり、前記電池保護回路に併せて別の過充
電防止の機能を設けて、過充電から二次電池を二重に保
護することが求められている。一方、リチウムポリマ二
次電池のように電池自身の安全性が高いものにあって
は、優れた過充電防止の機能があれば、敢えて二重保護
にこだわる必要もない。

【０００４】電池保護回路とは別に二次電池を過充電か
ら保護する目的で創案されたと考えられる過充電防止回
路として、特許第２７２０９８８号として開示されたも
のが知られている。

【０００５】この過充電防止回路は、図１１に示すよう
に、二次電池５１に並列に接続されたツェナーダイオー
ド５２と、二次電池５１に直列に接続された温度ヒュー
ズ５３とを熱結合させて構成されている。ツエナー電圧
が過充電状態に対応する電圧であるツェナーダイオード
５２を使用することにより、過充電状態の電圧となった
とき、ツェナーダイオード５２に電流が流れ、その発熱
により熱結合された温度ヒューズ５３を溶断させるの
で、二次電池５１の充電回路が遮断され、二次電池５１
を過充電から防止することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術の構成では、温度ヒューズ５３の応答時間が遅い
ことや、ツェナーダイオード５２との確実な熱結合が安
定して得難いことなどの不安定要素があり、溶断するま
で二次電池５１は短絡状態に曝される時間が大きくなる
問題がある。また、二次電池５１の容量が大きなもので
ある場合にツェナーダイオード５２が温度ヒューズ５３
を溶断させる以前に破損してしまう可能性が高い。開示
された２００ｍＷ〜５００ｍＷのものでは、電池容量が
大きい場合にツェナーダイオードは瞬時に発煙したり破
裂に至る危険性がある。これを解決するためには、熱容
量定格の大きいツェナーダイオードを用いる必要がある
が、大型であり、価格も高くなる。

【０００７】本発明が目的とするところは、二次電池を
安定して過充電から防止できる過充電防止回路を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本願の発明に係る過充電防止回路は、二次電池に過電
流によって作動し電流を制限あるいは遮断する第１の過
電流保護素子が直列に接続された直列回路の両端がそれ
ぞれプラス充電端子とマイナス充電端子とに接続され、
前記直列回路と並列に所定電圧以下で阻止状態に所定電
圧以上で導通状態になる半導体スイッチング素子が接続
されてなることを特徴とするものである。

【０００９】この過充電防止回路によれば、半導体スイ
ッチング素子が導通状態となる所定電圧を二次電池が過
充電状態となる電圧として設定しておくことにより、二
次電池が過充電状態になると半導体スイッチング素子は
導通状態となり、二次電池は過電流によって作動し電流
を制限あるいは遮断する第１の過電流保護素子を通じて
短絡状態になるので、二次電池からの電流により第１の
過電流保護素子が作動し電流制限をうけたあるいは遮断
された状態になり、二次電池は充電回路から遮断され過
充電を防止できる。

【００１０】上記構成において、二次電池は、複数の二
次電池を直列接続もしくは並列接続もしくは直並列接続
されている場合にも同様に過充電防止を図ることができ
る。

【００１１】また、直列接続された複数の二次電池それ
ぞれに第１の過電流保護素子が直列に接続され、各二次
電池の第１の過電流保護素子との直列回路と並列に半導
体スイッチング素子を接続して構成することにより、各
二次電池の充電容量対電池電圧特性の差によって充電電
圧が過大に印加された二次電池が生じたときにも過充電
防止の機能を動作させることができ、各二次電池毎に過
充電防止を行うことができる。

【００１２】また、二次電池からプラス充電端子もしく
はマイナス充電端子への回路に、過電流によって作動し
て電流を制限あるいは遮断する第２の過電流保護素子を
直列に接続して構成することにより、プラス充電端子と
マイナス充電端子との間が短絡されたような一時的な事
態で二次電池に直列接続した第１の過電流保護素子を電
流制限あるいは電流遮断させてしまうことがないように
設定でき、本来の過充電防止以外の事態での作動を防止
することができる、あるいは、半導体スイッチング素子
が導通状態になり充電電源の負荷が短絡した際に充電電
源から負荷への回路を電流制限あるいは電流遮断して、
回路に悪影響を及ぼすことのないようにも設定できる。

【００１３】また、二次電池の電圧を測定して所定電圧
が検出されたとき充放電回路を遮断する電池保護回路を
併せて設けることにより、電池保護回路は過充電や過放
電等に対応する電圧の検出により充放電回路を遮断する
動作がなされ、この動作に異常が生じたときには過充電
防止回路により回路遮断がなされるので、過充電に対し
て二重の保護がなされる。

【００１４】また、半導体スイッチング素子はサイリス
タや電界効果型トランジスタやバイポーラ型トランジス
タが好適である。電界効果型トランジスタやバイポーラ
型トランジスタはその制御端子に制御回路が接続され
る。２端子型のサイリスタを用いる場合には、回路を簡
易に構成することができる。

【００１５】また、第１の過電流保護素子は電流ヒュー
ズやＰＴＣ素子や過電流による自己発熱で変形すること
により電流経路を遮断する機能を有するバイメタルある
いは形状記憶合金のエレメントが好適である。

【００１６】また、第１の過電流保護素子及び半導体ス
イッチング素子で構成することができるので、これらを
二次電池の外装ケース内に配設して、二次電池自体に過
充電防止の機能を設けることもできる。

【００１７】また、二次電池と各構成要素とをパックケ
ース内に収容した二次電池パックに構成することによ
り、回路構成の自由度が高く、適用する機器に適合させ
た二次電池パックに構成することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。
尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であ
って、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

【００１９】図１は、本発明の第１の実施形態に係る過
充電防止回路の構成を示すもので、プラス充電端子４と
マイナス充電端子５との間に接続された二次電池１に、
第１の過電流保護素子として電流ヒューズ２が直列に接
続され、この二次電池１と電流ヒューズ２との直列回路
と並列に半導体スイッチング素子としてサイリスタ３が
接続されている。尚、電流ヒューズ２は二次電池１の正
極側に接続されているが、負極側にあっても二次電池１
と直列接続されてあれば同様に機能する。

【００２０】前記サイリスタ３は、ＳＣＲ、サイダック
（商品名）、ダイアック（商品名）などを含む半導体ス
イッチング素子の総称で、ｐｎｐｎ４層あるいはそれ以
上の多層構造からなり、導通状態及び遮断状態の２つの
モードをもった半導体スイッチング素子と定義されたも
のである。導通の方向性や端子数で分類され、様々の種
類のものが開発されているが、本実施形態においてサイ
リスタ３として適用するものは２端子型のもので、シリ
コン２方向性２端子型サイリスタと呼ばれているもので
ある。例えば、前記サイダック（新電元工業株式会社
製）がそれに該当する。尚、サイリスタ３は２方向性で
ある必要はないが、シリコン基板への拡散構造上２方向
性とする方が合理的であり、製造されているものも一般
に２方向性のものが多く適用するに好適である。

【００２１】上記構成において、プラス充電端子４とマ
イナス充電端子５とに充電電源７を接続して二次電池１
に対する充電が開始されると、二次電池１の電圧は充電
の進行に伴って徐々に上昇し、それに追随してサイリス
タ３の両端電圧も上昇する。このとき、二次電池１の電
圧と、サイリスタ３の電圧とには、厳密には電流ヒュー
ズ２の抵抗値による電圧降下分の差が生じるが、電流ヒ
ューズ２の抵抗値は僅かで問題とはならない。例えば、
電流ヒューズ２の抵抗値は１５ｍΩ程度であり、充電電
流が７００ｍＡ程度とすると、電圧降下は１０ｍＶ程度
であり、無視できる状態である。

【００２２】前記充電電源７は充電制御され、二次電池
１が所定の充電量に充電されたとき、充電が停止される
ように構成される。しかし、充電電源７の故障や間違っ
て異なる機種のものが接続されたような場合に、二次電
池１は満充電になった以降も充電が継続され、二次電池
１の電圧は上昇し、同時にサイリスタ３の両端電圧も上
昇する。サイリスタ３をそのブレークオーバー電圧が二
次電池１の過充電状態となる電圧のものに選択すること
により二次電池１が過充電状態に陥ることが防止でき
る。

【００２３】図２は、サイリスタ３の電圧対電流特性を
示すもので、両端電圧がＶＢＯ１を越えるとブレークオ
ーバーしてアバランシェ降伏を起こし、領域から領域
に、更に領域へと状態が遷移する。即ち、実効的な
インピーダンスが小さい状態となり、サイリスタ３は導
通状態となるため、二次電池１に蓄えられている電荷が
正極側から電流ヒューズ２、サイリスタ３を通って負極
側に流れる。この電流値は３０Ａ以上となり、電流ヒュ
ーズ２は１０ミリ秒前後で溶断する。電流ヒューズ２が
溶断すれば、充電電源７から二次電池１への充電回路は
遮断されるので、二次電池１は過充電から解放される。
こうして二次電池１が過充電状態に陥ることが防止でき
る。

【００２４】尚、二次電池１は電流ヒューズ２が溶断す
るまでサイリスタ３によって短絡に近い状態となるが、
その時間は前述のように１０ミリ秒程度であり、全く問
題とはならない。また、充電電源７もサイリスタ３が導
通状態にある間、短絡に近い状態となるが、充電電源７
には短絡保護機能があり、その出力端が短絡されると自
らの出力を遮断するように構成される。

【００２５】以上説明した過充電保護回路は、二次電池
１の数が１個で所謂１並列１直列の構成である。この電
池構成は、携帯電話機のように比較的高い電圧が要求さ
れず、比較的大きな電池容量が要求されない機器に適用
する電池電源として用いられる。図１に破線で示すよう
に二次電池パック６として構成するとき、電流ヒューズ
２やサイリスタ３は回路基板上に取り付けることも容易
で配線処理を簡単に構成できる。また、構成がコンパク
トなので、破線内の構成を二次電池１の外装ケース内に
収めることもでき、二次電池１自体に過充電防止の機能
を設けることができる。

【００２６】次に、第２の実施形態について説明する。
先の第１の実施形態では、サイリスタ３として２端子型
のものを使用した例を示したが、ゲート電極を備えた３
端子型サイリスタ１０を用いて過充電防止回路を構成す
ることもできる。

【００２７】図３において、二次電池１に電流ヒューズ
２を直列に接続した直列回路と並列に３端子型サイリス
タ１０が接続され、ツェナーダイオード１１と抵抗器１
２とにより３端子型サイリスタ１０のゲートトリガ回路
が構成されている。

【００２８】上記構成において、プラス充電端子４とマ
イナス充電端子５とに充電電源７を接続して二次電池１
に対する充電が開始されると、二次電池１の電圧は充電
の進行に伴って徐々に上昇する。ツェナーダイオード１
１として、その降伏現象を生じる電圧が二次電池１の過
充電状態となる電圧となるように選択しておくことによ
り、二次電池１の電圧が過充電状態となる所定電圧にな
ったときツェナーダイオード１１は降伏現象により導通
状態となり、抵抗器１２に電流が流れて、その両端電圧
が高くなるため、３端子型サイリスタ１０にゲートトリ
ガが加わり、３端子型サイリスタ１０は導通状態とな
る。これにより二次電池１に蓄えられている電荷が正極
から電流ヒューズ２、３端子型サイリスタ１０を通って
負極に流れるので電流ヒューズ２は溶断し、電流ヒュー
ズ２が溶断すれば、充電電源７から二次電池１への充電
回路は遮断されるので、二次電池１は過充電から解放さ
れる。こうして二次電池１が過充電状態に陥ることを防
止できる。

【００２９】以上説明した構成は、二次電池１を１個用
いた場合であるが、比較的大容量が要求される場合に
は、図４に示す第３の実施形態に係る構成のように、２
個以上の二次電池１ａ、１ｂを並列接続して二次電池パ
ック９を構成することもできる。また、比較的高い出力
電圧が要求される場合には、図５に示す第４の実施形態
に係る構成のように、２個以上の二次電池１ａ、１ｂを
直列接続して二次電池パック１３を構成することにも、
同様に適用することができる。また、複数個の二次電池
１を直並列に接続した場合でも同様に構成することがで
きる。

【００３０】図４に示す第３の実施形態の構成は、２個
の二次電池１ａ、１ｂを並列接続した二次電池パック９
に過充電防止回路を適用した第３の実施形態を示すもの
で、その動作は第１の実施形態の構成の場合と同様であ
り、その説明は省略する。尚、図示構成では２個の二次
電池１ａ、１ｂを並列接続して１個の電流ヒューズ２を
接続しているが、個々の二次電池１ａ、１ｂにそれぞれ
電流ヒューズ２を直列に接続し、それらを並列に接続し
てもよい。また、過充電防止回路は、図３に示したよう
に３端子型サイリスタ１０を用いて構成することもでき
る。

【００３１】また、図５に示す第４の実施形態の構成
は、２個の二次電池１ａ、１ｂを直列接続した二次電池
パック１３に過充電防止回路を適用した第４の実施形態
を示すものである。この構成の場合には、出力電圧が大
きくなるため、充電電源１５の充電電圧も大きくなり、
サイリスタ１４もそれに適合するブレークオーバー電圧
のものを適用する。また、過充電防止回路は、図３に示
したように３端子型サイリスタ１０を用いて構成するこ
ともできる。

【００３２】次に、本発明の第５の実施形態について、
図６を参照して説明する。本実施形態の構成は、第４の
実施形態と同様に２個の二次電池１ａ、１ｂを直列接続
したものであるが、各二次電池１ａ、１ｂ毎に過充電防
止回路Ｃ、Ｄを構成したことを特徴としている。

【００３３】図６に示すように、直列接続された一方の
二次電池１ａには電流ヒューズ２ａが直列接続され、こ
の直列回路と並列にサイリスタ３ａを接続して過充電防
止回路Ｃが構成され、直列接続された他方の二次電池１
ｂには電流ヒューズ２ｂが直列接続され、この直列回路
と並列にサイリスタ３ｂを接続して過充電防止回路Ｄが
構成されている。更に２つの過充電防止回路Ｃ、Ｄは直
列に接続され、その両端がプラス充電端子４とマイナス
充電端子５とにそれぞれ接続されている。

【００３４】前記プラス充電端子４とマイナス充電端子
５との間に充電電源１５を接続して各二次電池１ａ、１
ｂに対する充電が開始されると、各二次電池１ａ、１ｂ
それぞれの両端電圧は、充電の進行に伴って各二次電池
１ａ、１ｂそれぞれの充電容量対電池電圧特性に応じて
上昇する。充電電源１５から印加される充電電圧は直列
接続された各サイリスタ３ａ、３ｂのインピーダンス比
によって分割される以前に、各サイリスタ３ａ、３ｂそ
れぞれに並列接続された二次電池１ａ、１ｂのインピー
ダンスの方がはるかに低いので、充電電圧は各二次電池
１ａ、１ｂの充電容量対電池電圧特性で決まる電圧分割
比で支配される。

【００３５】いま、サイリスタ３ａの両端電圧がブレー
クオーバー電圧を越えたとすると、サイリスタ３ａは導
通状態となって二次電池１ａの両端を短絡した状態とな
るので、二次電池１ａに蓄えられている電荷が正極側か
ら電流ヒューズ２ａ、サイリスタ３ａを通じて負極側に
流れて電流ヒューズ２ａを溶断させる。このとき、サイ
リスタ３ａは依然導通状態にあるので、充電電源１５か
らの電圧は低インピーダンス状態のサイリスタ３ａを介
して他方の過充電防止回路Ｄに印加される。即ち、充電
電源１５からの電圧はサイリスタ３ｂに印加された状態
となってブレークオーバーする。サイリスタ３ｂのブレ
ークオーバーにより二次電池１ｂも短絡状態となるの
で、電流ヒューズ２ｂが溶断して二次電池１ｂの充放電
回路を遮断する。尚、二次電池１ｂには充電電源１５の
高い電圧が印加される時間帯が生じるが、その時間は１
０ミリ秒程度であり問題とはならない。

【００３６】各二次電池１ａ、１ｂそれぞれは、充電容
量対電池電圧特性に差があり、直列接続された二次電池
１ａ、１ｂの一方に充電電圧が偏って過大に印加される
可能性があるが、上記構成により各二次電池１ａ、１ｂ
個々に過充電を防止することが可能となる。この構成で
は、各二次電池１ａ、１ｂ毎に過充電防止回路Ｃ、Ｄを
設けているので、部品点数の増加に伴って部品実装スペ
ースが増加しコストアップすることになるが、各二次電
池１ａ、１ｂ毎に過充電防止を厳密に行いたい場合に好
適なものとなる。

【００３７】尚、本実施形態では、２個の二次電池１
ａ、１ｂを直列接続した場合の例を示したが、３個以上
を直列接続した場合にも同様に構成することができる。

【００３８】次いで、第６の実施形態の構成について、
図７を参照して説明する。本実施形態は第１の実施形態
で説明した過充電防止回路Ｂと電池保護回路Ａと併用し
て過充電防止の機能を二重に構成し、電池保護回路Ａの
過充電防止の機能が正常に動作しなかったとき、過充電
防止回路Ｂにより最終的な過充電防止の動作を行うこと
ができるように構成したものである。

【００３９】図７において、プラス充電端子４とマイナ
ス充電端子５との間に、二次電池１に電流ヒューズ２を
直列に接続した直列回路と、この直列回路に並列にサイ
リスタ３を接続した過充電防止回路Ｂを構成すると共
に、充放電回路に半導体スイッチ（ＦＥＴ）１８、１９
を直列に接続し、これを制御部１７によってオン／オフ
制御する電池保護回路Ａとを備えて構成されている。

【００４０】前記電池保護回路Ａは、制御部１７によっ
て二次電池１の電圧を検出して、この電圧が予め設定さ
れた過充電状態となる電圧になったとき半導体スイッチ
１８をオフに制御して充電回路を遮断し、二次電池１を
過充電状態から解放する。この電池保護回路Ａは、過放
電制御などの機能と共に１チップのモノリシックＩＣに
構成されたものが一般に使用されている。この電池保護
回路Ａにより過充電防止は可能であるが、この回路が正
常に機能しなかったときに二次電池１の破損につながる
ので、高度な安全性の要求には過充電防止回路Ｂと合わ
せた二重保護の構成で対応することが好適である。

【００４１】充電電源７に何らかの異常が発生したと
き、あるいは指定外の充電電源が接続され、二次電池１
の電圧が過充電状態となる電圧以上に上昇したとき、こ
れは前記制御部１７によって検出され、半導体スイッチ
１８をオフに制御するので、充電回路は遮断される。こ
の電池保護回路Ａを構成するＩＣが大きな静電気の印加
によって破壊されるなど、故障の発生を皆無にすること
はできない。このような電池保護回路Ａに異常が生じた
ときにも、二次電池１の破損を防止することがリチウム
イオン二次電池のようにエネルギー密度の高い二次電池
の安全性を保つ上で重要である。

【００４２】電池保護回路Ａが正常に機能せず、充電回
路の遮断がなされなかったときには、過充電状態が進行
して二次電池１の電圧が上昇し続けるので、その電圧が
サイリスタ３のブレークオーバー電圧以上になったと
き、第１の実施形態の構成と同様にサイリスタ３がブレ
ークオーバーして導通状態となり、電流ヒューズ２を溶
断させて充電回路を遮断し、二次電池１を過充電状態か
ら解放する。この過充電から二次電池１を二重に保護す
る構成では、制御部１７が検出する電圧よりサイリスタ
３がブレークオーバーする電圧のほうが少し高くなるよ
うに設定する。

【００４３】また、前記電池保護回路Ａは、過充電及び
過放電の防止機能の他に過電流防止の機能が備えて構成
されるのが一般的で、プラス充電端子４とマイナス充電
端子５との間が短絡されたような場合に、二次電池１に
蓄えられた電荷が放電される過大電流を制御部１７によ
って検出して半導体スイッチ１８をオフに制御して充放
電回路を遮断する。この応答時間は５ミリ秒程度の高速
動作するので、電流ヒューズ２が溶断する以前に過電流
阻止動作を行うことができる。

【００４４】引き続き、本発明の第７の実施形態につい
て、図８を参照して説明する。本実施形態の構成は、第
１の実施形態に示した構成に、過電流保護及び電流制限
の機能を加えて構成したものである。

【００４５】図８において、二次電池１に電流ヒューズ
２を直列接続した直列回路と並列にサイリスタ３を接続
した過充電防止回路Ｅの正極側はプラス充電端子４に接
続され、負極側は第２の過電流保護素子２２及び電流制
限素子２３を直列接続してマイナス充電端子５に接続さ
れている。前記第２の過電流保護素子２２は、正の温度
係数をもつサーミスタであるポリマーＰＴＣ（Ｐｏｓｉ
ｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｉｃｉｅ
ｎｔ）が好適で、素子温度がある温度以上になると急激
に抵抗値が増加するので、過電流により温度上昇して抵
抗値の増加により過大電流を阻止することができる。具
体的な商品としてレイケム社のポリスイッチ（商品名）
を適用することができる。また、電流制限素子２３は、
巻線形や金属酸化物皮膜抵抗器などを適用することがで
きる。

【００４６】前記プラス充電端子４とマイナス充電端子
５との間が短絡されたとき、二次電池１に蓄えられた電
荷が電流ヒューズ２、プラス充電端子４、電流制限素子
２３、第２の過電流保護素子２２を通じて流れる。この
短絡電流により電流ヒューズ２が溶断する以前に過電流
保護素子２２が温度上昇して抵抗値を急増させるので、
短絡による過大電流は阻止される。また、電流制限素子
２３は電流量を制限するので、プラス充電端子４とマイ
ナス充電端子５との間の短絡のような一時的な事故で電
流ヒューズ２が溶断し、二次電池１の使用が不可能にな
ることが防止できる。

【００４７】二次電池１に過充電防止回路Ｅを設けて二
次電池パック２１として構成した場合に、この二次電池
パック２１単体が、例えばハンドバックに入れて持ち歩
かれたような場合に、ハンドバック内にあるネックレス
のような金属物がプラス充電端子４とマイナス充電端子
５との間を短絡するような事態が予想されるが、図８に
示すように第２の過電流保護素子２２や電流制限素子２
３が設けられていることにより、短絡事故から二次電池
パック２１が使用不可能に陥ってしまうことが防止でき
ることになる。

【００４８】具体例として、電流ヒューズ２としてエス
・オー・シー社のＭＭＣＴ８Ａ定格品を、過電流保護素
子２２としてレイケム社のＶＴＰ１７０を、電流制限素
子２３として２２０ｍΩの金属酸化物皮膜抵抗器を適用
すると、プラス充電端子４とマイナス充電端子５との間
が短絡されたときの電流値は１５Ａ程度となるが、この
電流値で電流ヒューズ２が溶断するまでの時間は３０秒
程度であるのに対して、第２の過電流保護素子２２は約
２００ミリ秒で動作して電流値を約１０ｍＡに抑制す
る。従って、電流ヒューズ２が溶断する以前に過大電流
を阻止することができる。

【００４９】尚、常時使用する電流が小さいために電流
容量の小さなポリマーＰＴＣを過電流保護素子２２に用
いたときは、それ自身の抵抗値が大きいために機能的に
電流制限素子を兼ねられることもあり、そのような場合
は電流制限素子２３を省略することもできる。

【００５０】また、過電流保護素子には前述のポリマー
ＰＴＣ以外に、過電流による自己発熱でバイメタルある
いは形状記憶合金のエレメントが変形することにより電
流経路を遮断する機能を有する保護素子などのような復
帰式の保護素子を用いることもできる。

【００５１】本発明の第８の実施形態について、図９を
参照して説明する。本実施形態の構成は、半導体スイッ
チング素子として電界効果型トランジスタ２４を用い、
これに制御回路２５を接続したものである。プラス充電
端子４とマイナス充電端子５との間に接続された二次電
池１に、第１の過電流保護素子として電流ヒューズ２が
直列に接続され、この二次電池１と電流ヒューズ２との
直列回路と並列に半導体スイッチング素子として電界効
果型トランジスタ２４が接続されている。さらにこの電
界効果型トランジスタ２４の制御端子には制御回路２５
が接続され、制御回路２５は二次電池１と電流ヒューズ
２との直列回路の両端にも接続されている。この制御回
路２５は電圧検出回路２６と遅延回路２７とから構成さ
れている。電圧検出回路２６は基準電圧源と検出電圧を
抵抗分割する回路とコンパレータを組み合わせた構成と
なっており、二次電池１と電流ヒューズ２との直列回路
の両端電圧を監視していて、あらかじめ設定された電圧
よりも高い電圧を検出するとアクティブ出力を遅延回路
２７に送るよう動作する。遅延回路２７は図示していな
いタイマー回路、ダイオード、抵抗とコンデンサを組み
合わせた構成となっており、タイマー回路の働きによっ
て電圧検出回路２６からの信号があらかじめ設定された
時間継続されないと出力を出さないようになっていると
ともに、いったん出力を出すと、コンデンサに蓄えてい
た電荷を一定時間のあいだ放電し続けることにより、そ
の状態を所定時間維持するよう動作する。通常状態で
は、制御回路２５は電界効果型トランジスタ２４をＯＦ
Ｆ状態にする信号を遅延回路２７を介して電界効果型ト
ランジスタ２４の制御端子に出力しているが、所定の値
以上の電圧を検出すると電界効果型トランジスタ２４を
ＯＮ状態にする信号を電界効果型トランジスタ２４の制
御端子に出力するよう構成されている。また、二次電池
１と電流ヒューズ２の直列回路とマイナス充電端子５の
間に第２の過電流保護素子１２２が直列に接続されてい
る。前記第２の過電流保護素子１２２は、正の温度係数
をもつサーミスタであるポリマーＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉ
ｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｉｃｉｅｎ
ｔ）が好適で、素子温度がある温度以上になると急激に
抵抗値が増加するので、過電流により温度上昇して抵抗
値の増加により過大電流を阻止することができる。具体
的な商品としてレイケム社のポリスイッチ（商品名）を
適用することができる。

【００５２】上記構成において、プラス充電端子４とマ
イナス充電端子５とに充電電源７を接続して二次電池１
に対する充電が開始されると、二次電池１の電圧は充電
の進行に伴って徐々に上昇し、それに追随して二次電池
１と電流ヒューズ２との直列回路の両端電圧も上昇す
る。このとき、二次電池１の電圧と、二次電池１と電流
ヒューズ２との直列回路の両端電圧とには、厳密には電
流ヒューズ２の抵抗値による電圧降下分の差が生じる
が、電流ヒューズ２の抵抗値は僅かで問題とはならな
い。例えば、電流ヒューズ２の抵抗値は１５ｍΩ程度で
あり、充電電流が７００ｍＡ程度とすると、電圧降下は
１０ｍＶ程度であり、無視できる状態である。

【００５３】前記充電電源７は充電制御され、二次電池
１が所定の充電量に充電されたとき、充電が停止される
ように構成される。しかし、充電電源７の故障や間違っ
て異なる機種のものが接続されたような場合に、二次電
池１は満充電になった以降も充電が継続され、二次電池
１の電圧は上昇し、同時に二次電池１と電流ヒューズ２
との直列回路の両端電圧も上昇する。制御回路２５から
電界効果型トランジスタ２４の制御端子に出力する信号
がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り換わる電圧の所定値が
二次電池１の過充電状態となる電圧になるように制御回
路２５を設定しておくことにより、二次電池１の過充電
状態となる電圧になりこの状態を所定時間持続されると
電界効果型トランジスタ２４がＯＮ状態になる。これに
より、電界効果型トランジスタ２４は導通状態となるた
め、二次電池１に蓄えられている電荷が正極側から電界
効果型トランジスタ２４、電流ヒューズ２を通って負極
側に流れる。この電流値は３０Ａ以上となり、電流ヒュ
ーズ２は１０ミリ秒前後で溶断する。電流ヒューズ２が
溶断すれば、充電電源７から二次電池１への充電回路は
遮断されるので、二次電池１は過充電から解放される。
こうして二次電池１が過充電状態に陥ることを防止でき
る。また、電界効果型トランジスタ２４は導通状態とな
るため、充電電源７からの電流により第２の過電流保護
素子１２２が作動する。

【００５４】本発明の第９の実施形態について、図１０
を参照して説明する。本実施形態の構成は、半導体スイ
ッチング素子としてバイポーラ型トランジスタ２９を用
い、これに制御回路３１を接続したものである。プラス
充電端子４とマイナス充電端子５との間に接続された二
次電池１に、第１の過電流保護素子として電流ヒューズ
２が直列に接続され、この二次電池１と電流ヒューズ２
との直列回路と並列に半導体スイッチング素子としてバ
イポーラ型トランジスタ２９が接続されている。さらに
このバイポーラ型トランジスタ２９の制御端子には制御
回路３１が接続され、制御回路３１は二次電池１と電流
ヒューズ２との直列回路の両端にも接続されている。こ
の制御回路３１は電圧検出回路２６と遅延回路２７と増
幅回路３０から構成されている。電圧検出回路２６は図
示していない基準電圧源と検出電圧を抵抗分割する回路
とコンパレータを組み合わせた構成となっており、二次
電池１と電流ヒューズ２との直列回路の両端電圧を監視
していて、あらかじめ設定された電圧よりも高い電圧を
検出するとアクティブ出力を遅延回路２７に送るよう動
作する。遅延回路２７は図示していないタイマー回路、
ダイオード、抵抗とコンデンサを組み合わせた構成とな
っており、タイマー回路の働きによって電圧検出回路２
６からの信号があらかじめ設定された時間継続されない
と出力を出さないようになっているとともに、いったん
出力を出すとコンデンサに蓄えていた電荷を一定時間の
あいだ放電し続けることにより、その状態を所定時間維
持するよう動作する。遅延回路２７からの電圧出力は増
幅回路３０を介して電流出力としてバイポーラ型トラン
ジスタ２９の制御端子に送られる。また、二次電池１と
電流ヒューズ２の直列回路とマイナス充電端子５の間に
第２の過電流保護素子１２２が直列に接続されている。
前記第２の過電流保護素子１２２は、正の温度係数をも
つサーミスタであるポリマーＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ
Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔ）が
好適で、素子温度がある温度以上になると急激に抵抗値
が増加するので、過電流により温度上昇して抵抗値の増
加により過大電流を阻止することができる。具体的な商
品としてレイケム社のポリスイッチ（商品名）を適用す
ることができる。

【００５５】上記構成において、プラス充電端子４とマ
イナス充電端子５とに充電電源７を接続して二次電池１
に対する充電が開始されると、二次電池１の電圧は充電
の進行に伴って徐々に上昇し、それに追随して二次電池
１と電流ヒューズ２との直列回路の両端電圧も上昇す
る。このとき、二次電池１の電圧と、二次電池１と電流
ヒューズ２との直列回路の両端電圧とには、厳密には電
流ヒューズ２の抵抗値による電圧降下分の差が生じる
が、電流ヒューズ２の抵抗値は僅かで問題とはならな
い。例えば、電流ヒューズ２の抵抗値は１５ｍΩ程度で
あり、充電電流が７００ｍＡ程度とすると、電圧降下は
１０ｍＶ程度であり、無視できる状態である。

【００５６】前記充電電源７は充電制御され、二次電池
１が所定の充電量に充電されたとき、充電が停止される
ように構成される。しかし、充電電源７の故障や間違っ
て異なる機種のものが接続されたような場合に、二次電
池１は満充電になった以降も充電が継続され、二次電池
１の電圧は上昇し、同時に二次電池１と電流ヒューズ２
との直列回路の両端電圧も上昇する。制御回路３１から
バイポーラ型トランジスタ２９の制御端子に出力する信
号がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り換わる電圧の所定値
が二次電池１の過充電状態となる電圧になるように制御
回路３１を設定しておくことにより、二次電池１の過充
電状態となる電圧になりこの状態を所定時間持続される
とバイポーラ型トランジスタ２９がＯＮ状態になる。バ
イポーラ型トランジスタ２９は導通状態となるため、二
次電池１に蓄えられている電荷が正極側からバイポーラ
型トランジスタ２９、電流ヒューズ２を通って負極側に
流れる。この電流値は３０Ａ以上となり、電流ヒューズ
２は１０ミリ秒前後で溶断する。電流ヒューズ２が溶断
すれば、充電電源７から二次電池１への充電回路は遮断
されるので、二次電池１は過充電から解放される。こう
して二次電池１が過充電状態に陥ることを防止できる。
また、バイポーラ型トランジスタ２９は導通状態となる
ため、充電電源７から電流により第２の過電流保護素子
１２２が作動する。

【００５７】なお、第６の実施形態における第２の過電
流保護素子２２と第８および第９の実施形態における第
２の過電流保護素子１２２は、いずれも充電電源と過充
電防止回路との電流回路を制限あるいは遮断する動作は
同じであるが、動作するタイミングがやや異なる。第６
の実施形態では半導体スイッチング素子３が作動する前
に第２の過電流保護素子２２が作動し、第８および第９
の実施形態では半導体スイッチング素子２４あるいは２
９が作動して第１の過電流保護素子２が作動した後に第
２の過電流保護素子１２２が作動する。

【００５８】以上説明した各実施形態では、第１の過電
流保護素子として電流ヒューズを例として説明したが、
ＰＴＣ素子や過電流による自己発熱で変形することによ
り電流経路を遮断する機能を有するバイメタルあるいは
形状記憶合金のエレメントを用いても同様の動作を行わ
せることができる。また、各実施形態では、電流経路を
遮断した後も充電電源７が接続されている間は、半導体
スイッチング素子が所定電圧以上を検出して、ＯＮし続
けることがあり得るが、第８、第９の実施形態において
は、電流ヒューズ２切断時の電圧降下を検出した際に
は、半導体スイッチング素子２４あるいは２９をＯＦＦ
として、その状態を維持するように制御回路２５あるい
は３１により制御しても良い。これにより、過電流保護
素子１２２をなくすことも可能となる。

【００５９】また以上説明した各実施形態の構成は、組
み合わせて構成することも可能で、適用する機器に対応
する過充電防止を図ることができる。例えば、図６に示
した過充電防止回路Ｃ、Ｄに、図７に示した構成の電池
保護回路Ａを組み合わせて二重の過充電防止の機能を備
えた構成とすることができる。

【００６０】また、各実施形態の構成は、二次電池パッ
ク６、８、９、１３、１６、２０、２１、２８、３２と
して構成することも、図１に示したような部品点数の少
ない構成は、二次電池１の外装ケース内に配設して、二
次電池１自体に過充電防止の機能を設けることも可能と
なる。

【００６１】

【発明の効果】以上の説明の通り本発明によれば、少な
い構成要素により低価格で確実に動作する過充電防止回
路を構成することができる。また、一般に過充電防止に
用いられる電池保護回路と併用することにより、二重に
過充電防止の機能が構成され、二次電池の安全使用を図
ることができる。また、第２の過電流保護素子や電流制
限素子との併用によりプラス充電端子とマイナス充電端
子との間の短絡のような一時的な事故により電流ヒュー
ズが溶断して二次電池の使用が不可能になってしまうよ
うな事態は防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る過充電防止回路の構成を
示す回路図である。

【図２】サイリスタの電圧対電流特性を示すグラフであ
る。

【図３】第２の実施形態に係る過充電防止回路の構成を
示す回路図である。

【図４】第３の実施形態に係る過充電防止回路の構成を
示す回路図である。

【図５】第４の実施形態に係る過充電防止回路の構成を
示す回路図である。

【図６】第５の実施形態に係る過充電防止回路の構成を
示す回路図である。

【図７】第６の実施形態に係る過充電防止回路の構成を
示す回路図である。

【図８】第７の実施形態に係る過充電防止回路の構成を
示す回路図である。

【図９】第８の実施形態に係る過充電防止回路の構成を
示す回路図である。

【図１０】第９の実施形態に係る過充電防止回路の構成
を示す回路図である。

【図１１】従来技術による過充電防止回路の構成を示す
回路図である。

【符号の説明】 １、１ａ、１ｂ 二次電池 ２、２ａ、２ｂ 電流ヒューズ ３、３ａ、３ｂ、１４ サイリスタ（半導体スイッチン
グ素子） ４ プラス充電端子 ５ マイナス充電端子 ９、１３、１６、２０、２１、２８、３２ 二次電池パ
ック １０ ３端子型サイリスタ（半導体スイッチング素子） ２４ 電界効果型トランジスタ ２５、３１ 制御回路 ２９ バイポーラ型トランジスタ Ａ 電池保護回路 Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、 過充電防止回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5G003 AA01 BA01 FA04 GA02 GA07 5G053 AA16 BA04 CA03 EC05 5H030 AA03 AS18 AS20 BB01 DD05 DD08 FF43 5H040 AA40 AS25 AY04 DD08 NN05

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二次電池に過電流によって作動し電流を
   制限あるいは遮断する第１の過電流保護素子が直列に接
   続された直列回路の両端がそれぞれプラス充電端子とマ
   イナス充電端子とに接続され、前記直列回路と並列に所
   定電圧以下で阻止状態に所定電圧以上で導通状態になる
   半導体スイッチング素子が接続されてなることを特徴と
   する過充電防止回路。
2. 【請求項２】 二次電池は、複数の二次電池を直列接続
   もしくは並列接続もしくは直並列接続されてなる請求項
   １記載の過充電防止回路。
3. 【請求項３】 直列接続された複数の二次電池それぞれ
   に第１の過電流保護素子が直列に接続され、各二次電池
   の第１の過電流保護素子との直列回路と並列に半導体ス
   イッチング素子が接続されてなる請求項１または２記載
   の過充電防止回路。
4. 【請求項４】 二次電池からプラス充電端子もしくはマ
   イナス充電端子への回路に、過電流によって作動し電流
   を制限あるいは遮断する第２の過電流保護素子が直列に
   接続されてなる請求項１〜３いずれか一項に記載の過充
   電防止回路。
5. 【請求項５】 二次電池の電圧を測定して所定電圧が検
   出されたとき充放電回路を遮断する電池保護回路が併せ
   て設けられてなる請求項１〜３いずれか一項に記載の過
   充電防止回路。
6. 【請求項６】 第１の過電流保護素子が電流ヒューズで
   ある請求項１〜５いずれか一項に記載の過充電防止回
   路。
7. 【請求項７】 第１の過電流保護素子がＰＴＣ素子であ
   る請求項１〜５いずれか一項に記載の過充電防止回路。
8. 【請求項８】 第１の過電流保護素子が過電流による自
   己発熱で変形することにより電流経路を遮断する機能を
   有するバイメタルあるいは形状記憶合金のエレメントで
   ある請求項１〜５いずれか一項に記載の過充電防止回
   路。
9. 【請求項９】 半導体スイッチング素子が、サイリスタ
   である請求項１〜５いずれか一項に記載の過充電防止回
   路。
10. 【請求項１０】 サイリスタが、２端子型である請求項
    ９記載の過充電防止回路。
11. 【請求項１１】 半導体スイッチング素子が、電界効果
    型トランジスタであり、前記電界効果型トランジスタの
    制御端子に二次電池と第１の過電流保護素子との直列回
    路の両端の電圧を検知して前記電界効果型トランジスタ
    のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路を接続してなる請求
    項１〜５いずれか一項に記載の過充電防止回路。
12. 【請求項１２】 半導体スイッチング素子が、バイポー
    ラ型トランジスタであり、前記バイポーラ型トランジス
    タの制御端子に二次電池と第１の過電流保護素子との直
    列回路の両端の電圧を検知して前記バイポーラ型トラン
    ジスタのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路を接続してな
    る請求項１〜５いずれか一項に記載の過充電防止回路。
13. 【請求項１３】 第１の過電流保護素子及び半導体スイ
    ッチング素子が二次電池の外装ケース内に収容されてな
    る請求項１〜１２いずれか一項に記載の過充電防止回
    路。
14. 【請求項１４】 二次電池と各構成要素とをパックケー
    ス内に収容した電池パックに構成されてなる請求項１〜
    １３いずれか一項に記載の過充電防止回路。