JP2004296165A - 充電制御機能付き電池パック - Google Patents
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Abstract
【課題】充電制御ＩＣ及び充電保護ＩＣを電池パック側のみで制御すること。
【解決手段】充電制御機能付き電池パック（１００）は、二次電池（７０）から負荷へ流す放電電流を放電制御スイッチ（４０）のオン／オフにより制御すると共に充電器（５００）から前記二次電池（７０）へ流す充電電流を充電制御スイッチ（３０）のオン／オフにより制御する充電保護回路（２００）と、異常電圧が入力されたとき、前記充電制御スイッチ（３０）のオン／オフにより前記充電器（５００）による前記二次電池（７０）に対する充電を停止する機能を持つ充電制御回路（６００）を有する。
【選択図】 図１
【解決手段】充電制御機能付き電池パック（１００）は、二次電池（７０）から負荷へ流す放電電流を放電制御スイッチ（４０）のオン／オフにより制御すると共に充電器（５００）から前記二次電池（７０）へ流す充電電流を充電制御スイッチ（３０）のオン／オフにより制御する充電保護回路（２００）と、異常電圧が入力されたとき、前記充電制御スイッチ（３０）のオン／オフにより前記充電器（５００）による前記二次電池（７０）に対する充電を停止する機能を持つ充電制御回路（６００）を有する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電池パックに関し、特に、充電制御機能及び充電保護機能を電池パック内に有する充電制御機能付き電池パックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
充電可能な電池（二次電池）のうち、特にリチウムイオン電池は、過放電、過充電に弱いため、過放電状態、過充電状態を検出して、過放電状態及び過充電状態から二次電池を保護するための保護回路（充電保護ＩＣ）が不可欠である。すなわち、保護回路（充電保護ＩＣ）は、過放電防止機構と過充電防止機構とを備えている。尚、この保護回路（充電保護ＩＣ）には、二次電池の放電中における過電流状態をも検出して、過電流状態から二次電池を保護しているものもある。この場合、保護回路（充電保護ＩＣ）は、過放電防止機構と過充電防止機構と過電流防止機構とを備えることになる。但し、以下では、過放電防止機構と過充電防止機構とを備えた、二次電池の保護回路（充電保護ＩＣ）について説明する。
【０００３】
このような保護回路（充電保護ＩＣ）を備えた電池ユニットは「電池パック」と呼ばれる。一方、二次電池が過放電状態になると、その放電を中止し、「充電器」を使用して二次電池を充電することが必要となる。充電器は、アダプタと充電制御回路（充電制御ＩＣ）とを備えている。すなわち、従来においては、電池パックは保護回路（充電保護ＩＣ）のみを内蔵し、充電器は充電制御回路（充電制御ＩＣ）を備えている。
【０００４】
図２に、充電保護ＩＣ２００及び充電制御ＩＣ６００を内蔵した、従来の電池モジュール８００’を示す。
【０００５】
図示の電池モジュール８００’は、放電用正極端子８０１と、負極端子８０２と、充電用正極端子８０３とを持つ。放電用正極端子８０１と負極端子８０２との間には負荷４００が接続され、充電用正極端子８０３と負極端子８０２との間には、市販の充電器であるアダプタ７００が接続される。尚、負極端子８０２はＧＮＤ端子と呼ばれる。
【０００６】
電池モジュール８００’は、二次電池３００と、充電保護ＩＣ２００と、充電制御ＩＣ６００と、その周辺回路（パワートランジスタＴｒ、ダイオードＤ、および電流検出抵抗Ｒ）と、放電制御スイッチとして動作する第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１と、充電制御スイッチとして動作する第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２とを有する。
【０００７】
充電保護ＩＣ２００は、放電用正極端子８０１と二次電池３００の陰極（−極）との間に接続されている。充電制御ＩＣ６００とその周辺回路は、充電用正極端子８０３と二次電池３００の陰極（−極）との間に接続されている。
【０００８】
このような構成によれば、充電器としてアダプタ７００のみからなるものを使用できる筈である。
【０００９】
以下、図３及び図４を参照して、従来の電池パック１００’および従来の充電器５００’について説明する。図３は従来の電池パックとそれに備えられる保護回路（充電保護ＩＣ）の構成を示すブロック図であり、図４は従来の充電器とそれに備えられる充電制御回路（充電制御ＩＣ）の構成を示すブロック図である。
【００１０】
最初に図３を参照して、従来の電池パック１００’について説明する。尚、このような電池パックは、例えば、以下の特許文献１に「充電式の電源回路」として開示されている。以下では、この特許文献１の記載に基づいて、従来の電池パック１００’について説明する。尚、この特許文献１では、制御手段についての具体的な構成について図示はしていないが、以下の説明では、その明細書の記載に基づいて制御手段の構成を類推し、図示して説明する。
【００１１】
図３に示されるように、電池パック１００’は、正極端子１０１と負極端子１０２とを持つ。正極端子１０１及び負極端子１０２は外部接続端子とも呼ばれる。正極端子１０１と負極端子１０２との間には、負荷４００または充電器５００’（後述する）が接続される。
【００１２】
図示の電池パック１００’は、少なくとも１個のリチウムイオン電池（単位電池）３０１を含む二次電池３００を有する。二次電池３００はバッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）を発生している。この二次電池３００には保護回路（充電保護ＩＣ）２００が並列に接続されている。保護回路（充電保護ＩＣ）２００の主な機能は、過放電保護機能と過充電保護機能である。保護回路（充電保護ＩＣ）２００は、過放電保護機能を司る過放電制御回路２１０と、過充電保護機能を司る過充電制御回路２２０とを有する。
【００１３】
過放電制御回路２１０には、過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）が設定されている。すなわち、過放電制御回路２１０は、バッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）と過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）とを比較し、バッテリ電圧Ｖｃｃが過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）よりも低くなると過放電と判定して、論理ローレベルの過放電検出信号を出力する。図示はしないが、過放電制御回路２１０は、過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）に対応する過放電検出用基準電圧を発生するためのツェナーダイオードと、バッテリ電圧Ｖｃｃを分圧する直列接続されたブリーダ抵抗から成る過放電用抵抗分圧回路と、この過放電用抵抗分圧回路から発生された過放電用分圧電圧と過放電検出用基準電圧とを比較する過放電検出コンパレータと、この過放電検出コンパレータの出力端子と非反転入力端子との間に接続された過放電用ヒステリシス回路とを有する。
【００１４】
過放電用分圧電圧が過放電検出用基準電圧よりも低くなる（すなわち、バッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）が過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）よりも低くなる）と、過放電検出コンパレータは論理ローレベルの過放電検出信号を出力する。一方、バッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）が、過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）に過放電用ヒステリシス回路によって規定された過放電用ヒステリシス電圧Ｖｈｙ（ｏｄ）を加えて得られる過放電復帰電圧（Ｖｔｈ（ｏｄ）＋Ｖｈｙ（ｏｄ））よりも高くなると、過放電検出コンパレータは論理ハイレベルの過放電保護解除信号を出力する。
【００１５】
同様に、過充電制御回路２２０には、過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）が設定されている。すなわち、過充電制御回路２２０は、バッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）と過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）とを比較し、バッテリ電圧Ｖｃｃが過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）よりも高くなると過充電と判定して、論理ローレベルの過充電検出信号を出力する。図示はしないが、過充電制御回路２２０は、過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）に対応する過充電検出用基準電圧を発生するためのツェナーダイオードと、バッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）を分圧する直列接続されたブリーダ抵抗から成る過充電用抵抗分圧回路と、過充電用抵抗分圧回路から発生された過充電用分圧電圧と過充電検出用基準電圧とを比較する過充電検出コンパレータ、この過充電検出用コンパレータの出力端子と反転入力端子との間に接続された過充電用ヒステリシス回路とを有する。
【００１６】
過充電用分圧電圧が過充電検出用基準電圧よりも高くなる（すなわち、バッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）が過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）よりも高くなる）と、過充電検出コンパレータは論理ローレベルの過充電検出信号を出力する。一方、バッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）が、過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）から過充電用ヒステリシス回路で規定された過充電用ヒステリシス電圧Ｖｈｙ（ｏｃ）を引いて得られる過充電復帰電圧（Ｖｔｈ（ｏｃ）−Ｖｈｙ（ｏｃ））よりも低くなると、過充電検出コンパレータは論理ハイレベルの過充電保護解除信号を出力する。
【００１７】
尚、二次電池３００の陰極（−極）と負極端子１０２との間には、第１及び第２の電界効果トランジスタＦＥＴ１及びＦＥＴ２が直列接続されている。第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１は放電制御スイッチとして動作し、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２は充電制御スイッチとして動作する。
【００１８】
第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１のゲートに過放電制御回路２１０から論理ローレベルの過放電検出信号が供給されると、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１はオフする。一方、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１のゲートに過放電制御回路２１０から論理ハイレベルの過放電保護解除信号が供給されると、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１はオンする。同様に、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２のゲートに過充電制御回路２２０から論理ローレベルの過充電検出信号が供給されると、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２はオフする。第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２のゲートに過充電制御回路２２０から論理ハイレベルの過充電保護解除信号が供給されると、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２はオンする。
【００１９】
上記特許文献１に記載されているように、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１は寄生ダイオードＤｐ１を持ち、その順方向が二次電池３００の充電方向になるように接続されている。また、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２は、寄生ダイオードＤｐ２を持ち、その順方向が二次電池３００の放電方向になるように接続されている。従って、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１がオフ状態となっても、その寄生ダイオードＤｐ１により充電は可能である。また、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２がオフ状態となっても、その寄生ダイオードＤｐ２により放電は可能である。
【００２０】
次に、図４を参照して、充電器５００’について説明する。充電器５００’は、正極端子５０１と負極端子５０２とを持つ。充電器５００’の正極端子５０１及び負極端子５０２は、それぞれ、電池パック１００’の正極端子１０１及び負極端子１０２に接続される。
【００２１】
図示の充電器５００’は、アダプタ７００を含む。このアダプタ７００は、アダプタ電圧Ｖｃｃ（ａｄ）を発生している。このアダプタ７００には充電制御回路（充電制御ＩＣ）６００が、パワートランジスタＴｒ、ダイオードＤ、および電流検出抵抗Ｒを介して、並列に接続されている。この充電制御回路（充電制御ＩＣ）６００の主な機能は、定電流充電機能、定電圧充電機能、および一次側過電圧検出機能である。充電制御回路（充電制御ＩＣ）６００は、定電流充電機能を司る定電流制御回路６１０と、定電圧充電機能を司る定電圧制御回路６２０と、一次側過電圧検出機能を司る一次側過電圧検出回路６３０とを有する。
【００２２】
定電流制御回路６１０は、電流検出抵抗Ｒの両端の電位差を一定に保つ様に、パワートランジスタＴｒを制御し、電池パック１００’を定電流で充電するための回路である。定電圧制御回路６２０は、二次電池３００のバッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）を検出して、このバッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）が一定電圧以上とならない様に、パワートランジスタＴｒを制御し、電池パック１００’を充電するための回路である。一次側過電圧検出回路６３０は、一次側（アダプタ）電圧Ｖｃｃ（ａｄ）を検出して、この一次側電圧Ｖｃｃ（ａｄ）が過電圧以上であった場合に、パワートランジスタＴｒをオフにして、充電停止するための回路である。
【００２３】
尚、パワートランジスタＴｒとダイオードＤと電流検出抵抗Ｒとは、アダプタ７００の正極（＋極）と正極端子５０１との間に、この順序で直列に接続されている。
【００２４】
このように、従来の電池パック１００’は充電保護ＩＣ２００のみを内蔵し、従来の充電器５００’は充電制御ＩＣ６００を内蔵するものであった。すなわち、従来の充電器５００’は、電池パック１００’を専用に充電するものである。換言すれば、充電器５００’として市販のものを使用することができない。そこで、充電器として市販のものを使用可能にするため、すなわち、充電器としてアダプタ７００のみからなるものを使用可能とするため、充電制御ＩＣ６００およびその周辺回路を、電池パック側に内蔵させることが考えられる。
【００２５】
【特許文献１】
特許第２８７２３６５号明細書
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、従来の電池保護は、過充電時に電池の発火を防いだり、電池の劣化を防いだりする機能、あるいは放電時による電池の劣化及び発熱を抑える機能を有していたが、電池セル単体でも、安全性を追求し、発火に至るケースはほぼ無くなっている。しかしながら、電池劣化を抑えるという要望は未だ多いのが現実である。
【００２７】
ところで、上記した従来の電池モジュール８００’は充電を制御する素子、すなわち図３のパワートランジスタＴｒと充電制御スイッチとして動作する第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２の２素子必要であった。ここで、パワートランジスタＴｒ及び第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２はそれぞれ、充電器及び電池パック内に内蔵されているため、製造コストがかかっていた。また、充電制御及び充電保護を充電器側と電池パック側の両方で制御していたため、電池保護機能（充電制御機能及び充電保護機能）の制御も複雑であった。
【００２８】
又、前記２素子から生ずる発熱により上記した制御も難しかった。
【００２９】
したがって、本発明の課題は、上記した問題点を解消することができる簡易かつ低コストで電池保護機能を発揮させることができる２次電池充電制御回路を提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、二次電池（７０）から負荷へ流す放電電流を放電制御スイッチ（４０）のオン／オフにより制御すると共に充電器（５００）から前記二次電池（７０）へ流す充電電流を充電制御スイッチ（３０）のオン／オフにより制御する充電保護回路（２００）と、異常電圧が入力されたとき、前記充電制御スイッチ（３０）のオン／オフにより前記充電器（５００）による前記二次電池（７０）に対する充電を停止する機能を持つ充電制御回路（６００）を有することを特徴とする充電制御機能付き電池パック（１００）が得られる。
【００３１】
さらに、本発明によれば、前記放電制御スイッチは、制御端子としてゲートを持つ放電制御電界効果トランジスタ（４０）であり、前記充電制御スイッチは、制御端子としてゲートを持つ充電制御電界効果トランジスタ（３０）であることを特徴とする充電制御機能付き電池パック（１００）が得られる。
【００３２】
さらに、本発明によれば、前記放電制御電界効果トランジスタ（３０）は前記充電保護回路（２００）の過放電制御回路（２１０）を制御し、前記充電制御電界効果トランジスタ（３０）は前記充電保護回路（２００）の過充電制御回路（２２０）を制御すると共に前記充電制御回路（６００）を制御することを特徴とする充電制御機能付き電池パックが得られる。
【００３３】
さらに、本発明によれば、前記充電制御電界効果トランジスタ（３０）の特性は、当該一つの充電制御電界効果トランジスタ（３０）によって充電制御及び過充電制御の両制御を行うことができるように、ゲート電圧の制御によってドレイン電流が調整されていることを特徴とする充電制御機能付き電池パック（１００）が得られる。
【００３４】
さらに、本発明によれば、充電保護回路（２００）には温度検出装置（５０）が含まれていることを特徴とする充電制御機能付き電池パック（１００）が得られる。
【００３５】
さらに、本発明によれば、温度検出装置（５０）は、前記放電制御スイッチ（４０）による放電制御における温度検出と、前記充電制御スイッチ（３０）による充電制御における温度検出を行うことを特徴とする充電制御機能付き電池パック（１００）が得られる。
【００３６】
上記括弧内の符号は、本発明の理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、これらに限定されないのは勿論である。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図１を参照して、本発明の一実施の形態に係る二次電池充電制御回路について説明する。尚、図示の電池パック１００内の充電制御ＩＣ６００と充電保護ＩＣ２００は、図３に示した従来の充電制御ＩＣ６００と充電保護ＩＣ２００と同様の構成を有する。したがって、図３に示したものと同様の機能を有するものには同一の参照符号を付して、説明の簡略化のためにそれらの説明については省略する。又、本実施の形態では、上記した従来技術で説明した第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１に、順方向が二次電池の充電方向になるように接続されている寄生ダイオードＤｐ１と、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２にその順方向が二次電池の放電方向になるように接続されている寄生ダイオードＤｐ２も図面から省略することとする。
【００３８】
図１に示すように、電池パック１００は、充電制御ＩＣ６００、充電保護ＩＣ２００、及び温度検出装置５０を含む電池保護ＩＣ２０と、二次電池（Ｌｉ−ｉｏｎセル）７０と、二次電池７０の陰極（−極）と充電器５００の負極端子との間に直列接続されている充電制御トランジスタＦＥＴ３０及び放電制御トランジスタＦＥＴ４０とを有する。
【００３９】
ここで、充電保護ＩＣ２００の主な機能は、過放電保護機能と過充電保護機能である。充電保護ＩＣ２００は、図３に示すように過放電保護機能を司る過放電制御回路２１０と、過充電保護機能を司る過充電制御回路２２０とを有する。充電保護ＩＣ２００の機能については上記した従来の技術で詳細に説明したのでここでは本発明との関連するところだけを説明し、それ以外の部分の説明は省略する。
【００４０】
充電制御ＩＣ６００は図４に示すように定電流充電機能を司る定電流制御回路６１０と、定電圧充電機能を司る定電圧制御回路６２０と、一次側過電圧検出機能を司る一次側過電圧検出回路６３０とを有する。
【００４１】
放電制御トランジスタＦＥＴ４０は放電制御スイッチとしてのみ動作し、充電制御トランジスタＦＥＴ３０は充電制御スイッチとして動作する以外に以下の機能を有する。
【００４２】
充電制御トランジスタＦＥＴ３０は、定電流制御回路６１０によって、電流検出抵抗Ｒの両端の電位差を一定に保つ様に制御され、定電圧制御回路６２０によって、二次電池７０のバッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）を検出して、このバッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）が一定電圧以上とならない様に制御されている。
【００４３】
この場合、定電流制御回路６２０から出力される制御信号を受け、充電制御トランジスタＦＥＴ３０は電流制御されるが、所望の定電流制御を行えるように、充電制御トランジスタＦＥＴ３０のトランジスタ特性を決定することを要する。例えば定電流制御を行う時は充電制御トランジスタＦＥＴ３０のドレイン電流が予め定められた値となるように定電流制御回路６２０から出力される制御信号電圧を設定するのである。定電圧制御についても同様である。
【００４４】
又、一次側電圧Ｖｃｃ（ａｄ）が過電圧以上であった場合には、一次側過電圧検出回路６３０によって一次側（アダプタ）電圧Ｖｃｃ（ａｄ）が検出され、充電制御トランジスタＦＥＴ３０がオフとなり、充電が停止する。この充電停止制御においても前記定電流制御及び前記過充電制御と共に上記した動作を正確に行うようにトランジスタ特性を設定すると同時に過電圧検出回路からの制御信号電圧の設定も行うことが必要である。
【００４５】
一方、過充電制御においては、充電制御トランジスタＦＥＴ３０のゲートに過充電制御回路２２０から論理ローレベルの過充電検出信号が供給された場合、充電制御トランジスタＦＥＴ３０がオフするように充電制御トランジスタＦＥＴ３０の特性を決めることも必要である。つまり定電流制御及び過充電制御の双方において、充電制御トランジスタＦＥＴ３０が上記した動作を正確に行うようなトランジスタ特性を設定すると同時に制御信号電圧の設定も行うことが必要である。
【００４６】
ここで、図４の充電器５００’に含まれるパワートランジスタＴｒに相当するのが充電制御トランジスタＦＥＴ３０である。すなわち、本発明は充電制御トランジスタＦＥＴ３０に過充電制御回路２１０を制御する機能と、充電制御ＩＣ６００によって充電器５００へ流れる電流を遮断する機能を持たせることを最大の特徴としている。つまり、本発明は上記した構成にすることにより、充電制御素子である充電制御トランジスタＦＥＴ３０一つで充電制御及び過充電制御の２つを行うことができる。
【００４７】
尚、充電制御トランジスタＦＥＴ及び放電制御トランジスタＦＥＴをＩＣに内蔵する形態、例えばマルチチップＩＣとすれば、更に温度検出レベルも上がり、安全性もより高めることができる。この構成によれば充電制御の温度検出を行うだけでなく、放電制御の温度検出も行って制御することが可能となる。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、充電制御トランジスタＦＥＴに過充電制御回路を制御する機能と、充電制御ＩＣの定電流制御及び定電圧制御を実行する機能の２つの機能を持たせることを最大の特徴としている。つまり、本発明は上記した構成にすることにより、充電制御素子である充電制御トランジスタＦＥＴ３０一つで充電制御及び過充電制御の２つを行うことができるので、簡易な構成となり、製造コストを抑えることができる。
【００４９】
又温度検出機能を有するサーミスタを電池パック内に内蔵することにより従来必要であったサーミスタの外付けを行う必要がなくなった。
【００５０】
又、発熱する素子も１素子となったことにより、従来の外付けの２素子が発熱することによる制御への悪影響を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による充電制御機能付き電池パックの構成を示すブロック図である。
【図２】従来の電池モジュールの構成を示すブロック図である。
【図３】従来の電池パックとそれに備えられる保護回路（充電保護ＩＣ）の構成を示すブロック図である。
【図４】従来の充電器とそれに備えられる充電制御回路（充電制御ＩＣ）の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
２０ 電池保護ＩＣ
３０ 充電制御トランジスタＦＥＴ
４０ 放電制御トランジスタＦＥＴ
５０ 温度検出装置
７０ 二次電池（Ｌｉ−ｉｏｎセル）
１００ 電池パック
２００ 充電保護ＩＣ
２１０ 過放電制御回路
２２０ 過充電制御回路
３００ 二次電池
４００ 負荷
５００ 充電器
６００ 充電制御回路（充電制御ＩＣ）
７００ アダプタ
８００’ 電池モジュール
８０１ 放電用正極端子
８０２ 負極端子（ＧＮＤ端子）
８０３ 充電用正極端子
Ｔｒ パワートランジスタ
Ｄ ダイオード
Ｒ 電流検出抵抗
【発明の属する技術分野】
本発明は電池パックに関し、特に、充電制御機能及び充電保護機能を電池パック内に有する充電制御機能付き電池パックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
充電可能な電池（二次電池）のうち、特にリチウムイオン電池は、過放電、過充電に弱いため、過放電状態、過充電状態を検出して、過放電状態及び過充電状態から二次電池を保護するための保護回路（充電保護ＩＣ）が不可欠である。すなわち、保護回路（充電保護ＩＣ）は、過放電防止機構と過充電防止機構とを備えている。尚、この保護回路（充電保護ＩＣ）には、二次電池の放電中における過電流状態をも検出して、過電流状態から二次電池を保護しているものもある。この場合、保護回路（充電保護ＩＣ）は、過放電防止機構と過充電防止機構と過電流防止機構とを備えることになる。但し、以下では、過放電防止機構と過充電防止機構とを備えた、二次電池の保護回路（充電保護ＩＣ）について説明する。
【０００３】
このような保護回路（充電保護ＩＣ）を備えた電池ユニットは「電池パック」と呼ばれる。一方、二次電池が過放電状態になると、その放電を中止し、「充電器」を使用して二次電池を充電することが必要となる。充電器は、アダプタと充電制御回路（充電制御ＩＣ）とを備えている。すなわち、従来においては、電池パックは保護回路（充電保護ＩＣ）のみを内蔵し、充電器は充電制御回路（充電制御ＩＣ）を備えている。
【０００４】
図２に、充電保護ＩＣ２００及び充電制御ＩＣ６００を内蔵した、従来の電池モジュール８００’を示す。
【０００５】
図示の電池モジュール８００’は、放電用正極端子８０１と、負極端子８０２と、充電用正極端子８０３とを持つ。放電用正極端子８０１と負極端子８０２との間には負荷４００が接続され、充電用正極端子８０３と負極端子８０２との間には、市販の充電器であるアダプタ７００が接続される。尚、負極端子８０２はＧＮＤ端子と呼ばれる。
【０００６】
電池モジュール８００’は、二次電池３００と、充電保護ＩＣ２００と、充電制御ＩＣ６００と、その周辺回路（パワートランジスタＴｒ、ダイオードＤ、および電流検出抵抗Ｒ）と、放電制御スイッチとして動作する第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１と、充電制御スイッチとして動作する第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２とを有する。
【０００７】
充電保護ＩＣ２００は、放電用正極端子８０１と二次電池３００の陰極（−極）との間に接続されている。充電制御ＩＣ６００とその周辺回路は、充電用正極端子８０３と二次電池３００の陰極（−極）との間に接続されている。
【０００８】
このような構成によれば、充電器としてアダプタ７００のみからなるものを使用できる筈である。
【０００９】
以下、図３及び図４を参照して、従来の電池パック１００’および従来の充電器５００’について説明する。図３は従来の電池パックとそれに備えられる保護回路（充電保護ＩＣ）の構成を示すブロック図であり、図４は従来の充電器とそれに備えられる充電制御回路（充電制御ＩＣ）の構成を示すブロック図である。
【００１０】
最初に図３を参照して、従来の電池パック１００’について説明する。尚、このような電池パックは、例えば、以下の特許文献１に「充電式の電源回路」として開示されている。以下では、この特許文献１の記載に基づいて、従来の電池パック１００’について説明する。尚、この特許文献１では、制御手段についての具体的な構成について図示はしていないが、以下の説明では、その明細書の記載に基づいて制御手段の構成を類推し、図示して説明する。
【００１１】
図３に示されるように、電池パック１００’は、正極端子１０１と負極端子１０２とを持つ。正極端子１０１及び負極端子１０２は外部接続端子とも呼ばれる。正極端子１０１と負極端子１０２との間には、負荷４００または充電器５００’（後述する）が接続される。
【００１２】
図示の電池パック１００’は、少なくとも１個のリチウムイオン電池（単位電池）３０１を含む二次電池３００を有する。二次電池３００はバッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）を発生している。この二次電池３００には保護回路（充電保護ＩＣ）２００が並列に接続されている。保護回路（充電保護ＩＣ）２００の主な機能は、過放電保護機能と過充電保護機能である。保護回路（充電保護ＩＣ）２００は、過放電保護機能を司る過放電制御回路２１０と、過充電保護機能を司る過充電制御回路２２０とを有する。
【００１３】
過放電制御回路２１０には、過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）が設定されている。すなわち、過放電制御回路２１０は、バッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）と過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）とを比較し、バッテリ電圧Ｖｃｃが過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）よりも低くなると過放電と判定して、論理ローレベルの過放電検出信号を出力する。図示はしないが、過放電制御回路２１０は、過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）に対応する過放電検出用基準電圧を発生するためのツェナーダイオードと、バッテリ電圧Ｖｃｃを分圧する直列接続されたブリーダ抵抗から成る過放電用抵抗分圧回路と、この過放電用抵抗分圧回路から発生された過放電用分圧電圧と過放電検出用基準電圧とを比較する過放電検出コンパレータと、この過放電検出コンパレータの出力端子と非反転入力端子との間に接続された過放電用ヒステリシス回路とを有する。
【００１４】
過放電用分圧電圧が過放電検出用基準電圧よりも低くなる（すなわち、バッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）が過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）よりも低くなる）と、過放電検出コンパレータは論理ローレベルの過放電検出信号を出力する。一方、バッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）が、過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）に過放電用ヒステリシス回路によって規定された過放電用ヒステリシス電圧Ｖｈｙ（ｏｄ）を加えて得られる過放電復帰電圧（Ｖｔｈ（ｏｄ）＋Ｖｈｙ（ｏｄ））よりも高くなると、過放電検出コンパレータは論理ハイレベルの過放電保護解除信号を出力する。
【００１５】
同様に、過充電制御回路２２０には、過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）が設定されている。すなわち、過充電制御回路２２０は、バッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）と過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）とを比較し、バッテリ電圧Ｖｃｃが過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）よりも高くなると過充電と判定して、論理ローレベルの過充電検出信号を出力する。図示はしないが、過充電制御回路２２０は、過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）に対応する過充電検出用基準電圧を発生するためのツェナーダイオードと、バッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）を分圧する直列接続されたブリーダ抵抗から成る過充電用抵抗分圧回路と、過充電用抵抗分圧回路から発生された過充電用分圧電圧と過充電検出用基準電圧とを比較する過充電検出コンパレータ、この過充電検出用コンパレータの出力端子と反転入力端子との間に接続された過充電用ヒステリシス回路とを有する。
【００１６】
過充電用分圧電圧が過充電検出用基準電圧よりも高くなる（すなわち、バッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）が過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）よりも高くなる）と、過充電検出コンパレータは論理ローレベルの過充電検出信号を出力する。一方、バッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）が、過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）から過充電用ヒステリシス回路で規定された過充電用ヒステリシス電圧Ｖｈｙ（ｏｃ）を引いて得られる過充電復帰電圧（Ｖｔｈ（ｏｃ）−Ｖｈｙ（ｏｃ））よりも低くなると、過充電検出コンパレータは論理ハイレベルの過充電保護解除信号を出力する。
【００１７】
尚、二次電池３００の陰極（−極）と負極端子１０２との間には、第１及び第２の電界効果トランジスタＦＥＴ１及びＦＥＴ２が直列接続されている。第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１は放電制御スイッチとして動作し、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２は充電制御スイッチとして動作する。
【００１８】
第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１のゲートに過放電制御回路２１０から論理ローレベルの過放電検出信号が供給されると、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１はオフする。一方、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１のゲートに過放電制御回路２１０から論理ハイレベルの過放電保護解除信号が供給されると、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１はオンする。同様に、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２のゲートに過充電制御回路２２０から論理ローレベルの過充電検出信号が供給されると、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２はオフする。第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２のゲートに過充電制御回路２２０から論理ハイレベルの過充電保護解除信号が供給されると、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２はオンする。
【００１９】
上記特許文献１に記載されているように、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１は寄生ダイオードＤｐ１を持ち、その順方向が二次電池３００の充電方向になるように接続されている。また、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２は、寄生ダイオードＤｐ２を持ち、その順方向が二次電池３００の放電方向になるように接続されている。従って、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１がオフ状態となっても、その寄生ダイオードＤｐ１により充電は可能である。また、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２がオフ状態となっても、その寄生ダイオードＤｐ２により放電は可能である。
【００２０】
次に、図４を参照して、充電器５００’について説明する。充電器５００’は、正極端子５０１と負極端子５０２とを持つ。充電器５００’の正極端子５０１及び負極端子５０２は、それぞれ、電池パック１００’の正極端子１０１及び負極端子１０２に接続される。
【００２１】
図示の充電器５００’は、アダプタ７００を含む。このアダプタ７００は、アダプタ電圧Ｖｃｃ（ａｄ）を発生している。このアダプタ７００には充電制御回路（充電制御ＩＣ）６００が、パワートランジスタＴｒ、ダイオードＤ、および電流検出抵抗Ｒを介して、並列に接続されている。この充電制御回路（充電制御ＩＣ）６００の主な機能は、定電流充電機能、定電圧充電機能、および一次側過電圧検出機能である。充電制御回路（充電制御ＩＣ）６００は、定電流充電機能を司る定電流制御回路６１０と、定電圧充電機能を司る定電圧制御回路６２０と、一次側過電圧検出機能を司る一次側過電圧検出回路６３０とを有する。
【００２２】
定電流制御回路６１０は、電流検出抵抗Ｒの両端の電位差を一定に保つ様に、パワートランジスタＴｒを制御し、電池パック１００’を定電流で充電するための回路である。定電圧制御回路６２０は、二次電池３００のバッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）を検出して、このバッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）が一定電圧以上とならない様に、パワートランジスタＴｒを制御し、電池パック１００’を充電するための回路である。一次側過電圧検出回路６３０は、一次側（アダプタ）電圧Ｖｃｃ（ａｄ）を検出して、この一次側電圧Ｖｃｃ（ａｄ）が過電圧以上であった場合に、パワートランジスタＴｒをオフにして、充電停止するための回路である。
【００２３】
尚、パワートランジスタＴｒとダイオードＤと電流検出抵抗Ｒとは、アダプタ７００の正極（＋極）と正極端子５０１との間に、この順序で直列に接続されている。
【００２４】
このように、従来の電池パック１００’は充電保護ＩＣ２００のみを内蔵し、従来の充電器５００’は充電制御ＩＣ６００を内蔵するものであった。すなわち、従来の充電器５００’は、電池パック１００’を専用に充電するものである。換言すれば、充電器５００’として市販のものを使用することができない。そこで、充電器として市販のものを使用可能にするため、すなわち、充電器としてアダプタ７００のみからなるものを使用可能とするため、充電制御ＩＣ６００およびその周辺回路を、電池パック側に内蔵させることが考えられる。
【００２５】
【特許文献１】
特許第２８７２３６５号明細書
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、従来の電池保護は、過充電時に電池の発火を防いだり、電池の劣化を防いだりする機能、あるいは放電時による電池の劣化及び発熱を抑える機能を有していたが、電池セル単体でも、安全性を追求し、発火に至るケースはほぼ無くなっている。しかしながら、電池劣化を抑えるという要望は未だ多いのが現実である。
【００２７】
ところで、上記した従来の電池モジュール８００’は充電を制御する素子、すなわち図３のパワートランジスタＴｒと充電制御スイッチとして動作する第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２の２素子必要であった。ここで、パワートランジスタＴｒ及び第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２はそれぞれ、充電器及び電池パック内に内蔵されているため、製造コストがかかっていた。また、充電制御及び充電保護を充電器側と電池パック側の両方で制御していたため、電池保護機能（充電制御機能及び充電保護機能）の制御も複雑であった。
【００２８】
又、前記２素子から生ずる発熱により上記した制御も難しかった。
【００２９】
したがって、本発明の課題は、上記した問題点を解消することができる簡易かつ低コストで電池保護機能を発揮させることができる２次電池充電制御回路を提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、二次電池（７０）から負荷へ流す放電電流を放電制御スイッチ（４０）のオン／オフにより制御すると共に充電器（５００）から前記二次電池（７０）へ流す充電電流を充電制御スイッチ（３０）のオン／オフにより制御する充電保護回路（２００）と、異常電圧が入力されたとき、前記充電制御スイッチ（３０）のオン／オフにより前記充電器（５００）による前記二次電池（７０）に対する充電を停止する機能を持つ充電制御回路（６００）を有することを特徴とする充電制御機能付き電池パック（１００）が得られる。
【００３１】
さらに、本発明によれば、前記放電制御スイッチは、制御端子としてゲートを持つ放電制御電界効果トランジスタ（４０）であり、前記充電制御スイッチは、制御端子としてゲートを持つ充電制御電界効果トランジスタ（３０）であることを特徴とする充電制御機能付き電池パック（１００）が得られる。
【００３２】
さらに、本発明によれば、前記放電制御電界効果トランジスタ（３０）は前記充電保護回路（２００）の過放電制御回路（２１０）を制御し、前記充電制御電界効果トランジスタ（３０）は前記充電保護回路（２００）の過充電制御回路（２２０）を制御すると共に前記充電制御回路（６００）を制御することを特徴とする充電制御機能付き電池パックが得られる。
【００３３】
さらに、本発明によれば、前記充電制御電界効果トランジスタ（３０）の特性は、当該一つの充電制御電界効果トランジスタ（３０）によって充電制御及び過充電制御の両制御を行うことができるように、ゲート電圧の制御によってドレイン電流が調整されていることを特徴とする充電制御機能付き電池パック（１００）が得られる。
【００３４】
さらに、本発明によれば、充電保護回路（２００）には温度検出装置（５０）が含まれていることを特徴とする充電制御機能付き電池パック（１００）が得られる。
【００３５】
さらに、本発明によれば、温度検出装置（５０）は、前記放電制御スイッチ（４０）による放電制御における温度検出と、前記充電制御スイッチ（３０）による充電制御における温度検出を行うことを特徴とする充電制御機能付き電池パック（１００）が得られる。
【００３６】
上記括弧内の符号は、本発明の理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、これらに限定されないのは勿論である。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図１を参照して、本発明の一実施の形態に係る二次電池充電制御回路について説明する。尚、図示の電池パック１００内の充電制御ＩＣ６００と充電保護ＩＣ２００は、図３に示した従来の充電制御ＩＣ６００と充電保護ＩＣ２００と同様の構成を有する。したがって、図３に示したものと同様の機能を有するものには同一の参照符号を付して、説明の簡略化のためにそれらの説明については省略する。又、本実施の形態では、上記した従来技術で説明した第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１に、順方向が二次電池の充電方向になるように接続されている寄生ダイオードＤｐ１と、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２にその順方向が二次電池の放電方向になるように接続されている寄生ダイオードＤｐ２も図面から省略することとする。
【００３８】
図１に示すように、電池パック１００は、充電制御ＩＣ６００、充電保護ＩＣ２００、及び温度検出装置５０を含む電池保護ＩＣ２０と、二次電池（Ｌｉ−ｉｏｎセル）７０と、二次電池７０の陰極（−極）と充電器５００の負極端子との間に直列接続されている充電制御トランジスタＦＥＴ３０及び放電制御トランジスタＦＥＴ４０とを有する。
【００３９】
ここで、充電保護ＩＣ２００の主な機能は、過放電保護機能と過充電保護機能である。充電保護ＩＣ２００は、図３に示すように過放電保護機能を司る過放電制御回路２１０と、過充電保護機能を司る過充電制御回路２２０とを有する。充電保護ＩＣ２００の機能については上記した従来の技術で詳細に説明したのでここでは本発明との関連するところだけを説明し、それ以外の部分の説明は省略する。
【００４０】
充電制御ＩＣ６００は図４に示すように定電流充電機能を司る定電流制御回路６１０と、定電圧充電機能を司る定電圧制御回路６２０と、一次側過電圧検出機能を司る一次側過電圧検出回路６３０とを有する。
【００４１】
放電制御トランジスタＦＥＴ４０は放電制御スイッチとしてのみ動作し、充電制御トランジスタＦＥＴ３０は充電制御スイッチとして動作する以外に以下の機能を有する。
【００４２】
充電制御トランジスタＦＥＴ３０は、定電流制御回路６１０によって、電流検出抵抗Ｒの両端の電位差を一定に保つ様に制御され、定電圧制御回路６２０によって、二次電池７０のバッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）を検出して、このバッテリ電圧Ｖｃｃ（ｂａ）が一定電圧以上とならない様に制御されている。
【００４３】
この場合、定電流制御回路６２０から出力される制御信号を受け、充電制御トランジスタＦＥＴ３０は電流制御されるが、所望の定電流制御を行えるように、充電制御トランジスタＦＥＴ３０のトランジスタ特性を決定することを要する。例えば定電流制御を行う時は充電制御トランジスタＦＥＴ３０のドレイン電流が予め定められた値となるように定電流制御回路６２０から出力される制御信号電圧を設定するのである。定電圧制御についても同様である。
【００４４】
又、一次側電圧Ｖｃｃ（ａｄ）が過電圧以上であった場合には、一次側過電圧検出回路６３０によって一次側（アダプタ）電圧Ｖｃｃ（ａｄ）が検出され、充電制御トランジスタＦＥＴ３０がオフとなり、充電が停止する。この充電停止制御においても前記定電流制御及び前記過充電制御と共に上記した動作を正確に行うようにトランジスタ特性を設定すると同時に過電圧検出回路からの制御信号電圧の設定も行うことが必要である。
【００４５】
一方、過充電制御においては、充電制御トランジスタＦＥＴ３０のゲートに過充電制御回路２２０から論理ローレベルの過充電検出信号が供給された場合、充電制御トランジスタＦＥＴ３０がオフするように充電制御トランジスタＦＥＴ３０の特性を決めることも必要である。つまり定電流制御及び過充電制御の双方において、充電制御トランジスタＦＥＴ３０が上記した動作を正確に行うようなトランジスタ特性を設定すると同時に制御信号電圧の設定も行うことが必要である。
【００４６】
ここで、図４の充電器５００’に含まれるパワートランジスタＴｒに相当するのが充電制御トランジスタＦＥＴ３０である。すなわち、本発明は充電制御トランジスタＦＥＴ３０に過充電制御回路２１０を制御する機能と、充電制御ＩＣ６００によって充電器５００へ流れる電流を遮断する機能を持たせることを最大の特徴としている。つまり、本発明は上記した構成にすることにより、充電制御素子である充電制御トランジスタＦＥＴ３０一つで充電制御及び過充電制御の２つを行うことができる。
【００４７】
尚、充電制御トランジスタＦＥＴ及び放電制御トランジスタＦＥＴをＩＣに内蔵する形態、例えばマルチチップＩＣとすれば、更に温度検出レベルも上がり、安全性もより高めることができる。この構成によれば充電制御の温度検出を行うだけでなく、放電制御の温度検出も行って制御することが可能となる。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、充電制御トランジスタＦＥＴに過充電制御回路を制御する機能と、充電制御ＩＣの定電流制御及び定電圧制御を実行する機能の２つの機能を持たせることを最大の特徴としている。つまり、本発明は上記した構成にすることにより、充電制御素子である充電制御トランジスタＦＥＴ３０一つで充電制御及び過充電制御の２つを行うことができるので、簡易な構成となり、製造コストを抑えることができる。
【００４９】
又温度検出機能を有するサーミスタを電池パック内に内蔵することにより従来必要であったサーミスタの外付けを行う必要がなくなった。
【００５０】
又、発熱する素子も１素子となったことにより、従来の外付けの２素子が発熱することによる制御への悪影響を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による充電制御機能付き電池パックの構成を示すブロック図である。
【図２】従来の電池モジュールの構成を示すブロック図である。
【図３】従来の電池パックとそれに備えられる保護回路（充電保護ＩＣ）の構成を示すブロック図である。
【図４】従来の充電器とそれに備えられる充電制御回路（充電制御ＩＣ）の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
２０ 電池保護ＩＣ
３０ 充電制御トランジスタＦＥＴ
４０ 放電制御トランジスタＦＥＴ
５０ 温度検出装置
７０ 二次電池（Ｌｉ−ｉｏｎセル）
１００ 電池パック
２００ 充電保護ＩＣ
２１０ 過放電制御回路
２２０ 過充電制御回路
３００ 二次電池
４００ 負荷
５００ 充電器
６００ 充電制御回路（充電制御ＩＣ）
７００ アダプタ
８００’ 電池モジュール
８０１ 放電用正極端子
８０２ 負極端子（ＧＮＤ端子）
８０３ 充電用正極端子
Ｔｒ パワートランジスタ
Ｄ ダイオード
Ｒ 電流検出抵抗
Claims (7)
- 二次電池から負荷へ流す放電電流を放電制御スイッチのオン／オフにより制御すると共に充電器から前記二次電池へ流す充電電流を充電制御スイッチのオン／オフにより制御する充電保護回路と、
異常電圧が入力されたとき、前記充電制御スイッチのオン／オフにより前記充電器による前記二次電池に対する充電を停止する機能を持つ充電制御回路を
有することを特徴とする充電制御機能付き電池パック。 - 前記放電制御スイッチは、制御端子としてゲートを持つ放電制御電界効果トランジスタであり、前記充電制御スイッチは、制御端子としてゲートを持つ充電制御電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１記載の充電制御機能付き電池パック。
- 前記放電制御電界効果トランジスタは前記充電保護回路の過放電制御回路を制御し、前記充電制御電界効果トランジスタは前記充電保護回路の過充電制御回路を制御すると共に前記充電制御回路を制御することを特徴とする請求項２記載の充電制御機能付き電池パック。
- 前記充電制御電界効果トランジスタの特性は、当該一つの充電制御電界効果トランジスタによって充電制御及び過充電制御の両制御を行うことができるように、ゲート電圧の制御によってドレイン電流が調整されていることを特徴とする請求項３記載の充電制御機能付き電池パック。
- 充電保護回路には温度検出装置が含まれていることを特徴とする請求項１記載の充電制御機能付き電池パック。
- 前記温度検出装置は、前記放電制御スイッチによる放電制御における温度検出と、前記充電制御スイッチによる充電制御における温度検出を行うことを特徴とする請求項５記載の充電制御機能付き電池パック。
- 前記温度検出装置はサーミスタであることを特徴とする請求項６記載の充電制御機能付き電池パック。
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