JP2005045967A - 電池充電制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 充電制御回路において、充電電流をバイパスする可変抵抗素子として動作するＭＯＳトランジスタがショートした場合に過電流が流れ安全上に問題がある。
【解決手段】 可変抵抗素子として動作するＭＯＳトランジスタを２個直列に接続し、電池１の電圧が所定の電圧に到達すると、電池１の充電電流がＰチャネルＭＯＳトランジスタ３５とＮチャネルＭＯＳトランジスタ３６側に切り替わりバイパスされる。この時、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ３５とＮチャネルＭＯＳトランジスタ３６とは、電池１の電圧を１/２ずず分担する。この状態で何れか一方のＭＯＳトランジスタがショートを起こした場合、他方のＭＯＳトランジスタに全電圧が加わるが、全体の動作に支障なくそのまま動作を継続することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は電池充電制御回路に関し、特に複数の電池を直列に接続し、接続されたその両端に電源装置から所定の電圧を加え、各電池を同時に充電する場合の電池充電制御回路に関する。

一般に電池は、同一仕様の製品であっても、ある放電量における端子電圧，放電／充電可能最大容量などの特性にばらつきがある。また、残存容量にばらつきがある場合もある。直列に接続された電池を充電する場合、この特性或いは残存容量のばらつきにより充電容量の大きい電池が満充電状態に達する前に容量の小さい電池が過充電状態に達してしまうおそれがある。一般にリチュームイオン電池以外の電池であれば多少の過充電は問題ないので、さらに充電を続けて容量の大きい電池も満充電状態にすることができ、直列に接続された電池すべてを満充電状態まで充電することができる。

リチウムイオン電池は、充電が可能な二次電池であり、その容量に対して重量が小さい（重量効率が高い）ことと、電池１個の端子間電圧が約４Ｖで他の種類
の電池（約１．５Ｖ）よりも高いため限られた用途であれば直列に接続することなく電子回路を動作することができることなどにより、小型軽量化を必要とする機器の電源として使用されている。ただし、充電には注意が必要で、満充電状態
をすぎてさらに充電し過充電状態になると爆発する場合があるという欠点があるリチウムイオン電池の重量効率が高いことは、電源電圧として約４Ｖ以上を必要とする電子回路をもつ機器にとっても小型軽量化を実現するために魅力的なことであるが、前述の過充電の問題があるためリチウムイオン電池の直列接続は注意が必要であり、これを解決するものとして以下に述べる従来技術が開示されている。

即ち、複数の電池を直列に接続しこの複数の電池を同時に充電する場合に、各電池の充電完了時の所定電圧を揃えるために各電池の電圧を個別に監視し、その電圧が充電完了時の所定電圧に達した時に、充電電流をバイパスさせる可変抵抗素子を有する電池充電制御回路である。

図４は、この種、電池直列接続による充電制御方式の全体を示すブロック図、図５は、図４におけるリチュームイオン電池の充電特性を示す（ａ）電圧―電流特性図、（ｂ）充電時間―電圧特性図、図６は、図４における電池充電制御回路の従来例を示す回路図である。

図４において、３個のリチウムイオン電池１．１，１．２，１．３とが直列接続されており、これ等の３個の直列電池に対して１個の充電電源２が直接接続され設けられている。更に、各電池の充電電流を制御する電池充電制御回路６．１、６．２，６．３が、夫々電池１．１、１．２，１．３に対応して設けられている。尚、ここでは説明上、電池１と対応する電池充電制御回路６はそれぞれ３個の場合を示したが、これ以上多くても良い。

これ等、各充電制御回路６は対応電池１の充電電流を制御するものであり、そのために、図６を用いて詳述するが、電池の端子電圧を検出して、この検出電圧に応じて電池の充電電流をバイパス制御する機能を有するものである。尚、図６は、各充電制御回路が同一構成であるので一回路分を示すものである。

図６において、先ず構成について説明する。電池１の端子電圧を検出すべく、抵抗６１及び６２の分圧回路が設けられており、この分圧出力がＮＰＮトランジスタ６２のベース入力となっている。このトランジスタのコレクタ抵抗６４によるコレクタ出力は、可変抵抗素子として動作する、４Ｖ駆動タイプのＰチャネルＭＯＳトランジスタ６５のゲート制御入力となっている。このＭＯＳトランジスタ６５は電池１に並列に接続されることにより、電池１の充電電流１１をバイパスするものであり、このトランジスタ６５のインピ−ダンス状態により、そのバイパス電流（シャント電流）１２の値が制御される。

次に図５を参照して動作を説明する。図５（ａ）はリチウムイオン電池の電圧と電流との変化を示したものであり、図５（ｂ）はリチウムイオン電池の電圧の時間変化を示したものである。いま、直列リチウムイオン電池を充電していくと、電池の電圧は上昇していく。電圧が上昇して抵抗４，５により定まる所定電圧に達すると、トランジスタ６３がオンとなり、その結果ＭＯＳトランジスタ６５がオンする。よって、電池充電電流１１はバイパスされてシャント（分流）電流１２が流れる。よって充電電流を低減する様に動作する。これにより。リチウムイオン電池の上限電圧は図５（ａ）に示す上限電圧以下に制限されることになる。

この場合のシャント電流１２はＭＯＳトランジスタ６５のオン時の抵抗値により定まるものであり、電池電圧が上昇するにつれて、抵抗値が小となり、よってシャント電流１２は大きくなり、電池電圧が上限電圧に達すると、充電電流は零となり、シャント電流１２は一定となる。結果として、充電末期の電池の電圧上昇は抑制されることになるのである。

以上の動作により、図４において、リチウムイオン電池の特性のばらつきによって早く電圧が上昇した場合には、その充電電流はシャントされ、逆に電圧上昇が遅い場合には、充電電流はシャントされずに維持されて充電が続けられ、結果的に直列リチウムイオン電池全体が満充電状態となる。（例えば、特許文献１参照。）

特願１１−０３７９８４号公報（第４−５頁）

上述した従来例においては、可変インピーダンス素子として動作するＰチャネルＭＯＳトランジスタが単体構成であるために、これが故障した場合、特に短絡障害が発生した場合に対応する電池からの短絡電流、また他電池の過充電といったことから火災に至る危険な状態になることが想定され、安全上に問題がある。また、このような故障時にアラーム表示手段がないので、保守者が気がつかず大きな事故になるという問題もある。

本発明の目的は、可変インピーダンス素子として動作するトランジスタが故障しても安全上の問題が発生せず、かつ、動作を継続することができる電池充電制御回路を提供することにある。

本発明の電池充電制御回路は、複数の電池を直列に接続し接続されたその両端に電源装置からの電圧を加え各前記電池を同時に充電する場合に、各前記電池の充電完了時の所定電圧を揃えるために各前記電池の電圧を個別に監視しその電圧が充電完了時の所定電圧に達した時に充電電流をバイパスさせる可変抵抗素子を有する電池充電制御回路において、前記可変抵抗素子は同時に動作する２個のトランジスタを直列に接続して構成する。

或いは、複数の電池を直列に接続し接続されたその両端に電源装置からの電圧を加え各前記電池を同時に充電する場合に、各前記電池の充電完了時の所定電圧を揃えるために各前記電池の電圧を個別に監視しその電圧が充電完了時の所定電圧に達した時に充電電流をバイパスさせる可変抵抗素子を有する電池充電制御回路において、前記可変抵抗素子は同時に動作する２個のトランジシタを並列に接続したトランジスタ組みを２組み直列に接続した４個のトランジスタから構成される。

また、前記可変抵抗素子は、直列に接続される前記トランジスタの一方にＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴを他方にＰチャネル型ＭＯＳＦＥＴを用いるようにしても良い。

また、前記可変抵抗素子を構成する各前記トランジスタの出力電圧を監視し、被監視トランジスタが短絡障害を起こした時にアラームを発生する監視回路を備えるようにしても良い。

そして、前記監視回路は、ツェナーダイオードと発光ダイオードと抵抗器とを直列に接続して構成しても良い。

或いは、前記監視回路は、ツェナーダイオードとホトカプラと抵抗器とを直列に接続して構成しても良い。
可変インピーダンス素子として動作するトランジスタが故障しても安全上の問題が発生せず、かつ、動作を継続することができる電池充電制御回路を提供することにある。

本発明の電池充電制御回路は、可変インピーダンス素子として動作するトランジスタを２個直列に接続するか、或いは並列接続のトランジスタを２組直列に接続しているので、１個のトランジスタが故障しても安全上の問題が発生せず、かつ、動作を継続することができるという効果がある。

また、トランジスタが故障したときはアラームが表示されるので、故障と直ちに分かる効果もある。

次に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。尚、本発明の実施の形態例は先に説明した全体の構成を示す図４における各電池充電制御回路に関するものである。

図１は、本発明の第１の実施の形態例を示す回路図、図２は、本発明の第２の実施の形態例を示す回路図、図３本発明の第３の実施の形態例を示す回路図である。

先ず、図１を参照して第１の実施の形態例について説明する。本図の電池充電制御回路３は、図４における電池充電制御回路６に相当する。電池１の電圧を分圧する抵抗３１，３２と、分圧された抵抗３２の電圧を検出するトランジスタ３３と抵抗３４と、抵抗３４の電圧を検出するトランジスタ３７と抵抗３８，３９，４０と、トランジスタ３３とトランジスタ３７とが検出した出力を、それぞれゲートに入力して可変抵抗素子として動作するＰチャネルＭＯＳトランジスタ３５とＮチャネルＭＯＳトランジスタ３６とで構成される。

次に動作を説明する。動作は先の図６で説明した従来例と同様であるが、可変抵抗素子であるのＭＯＳトランジスタが２個構成になって動作する点が相違する。即ち、電池１の電圧が上昇し、トランジスタ３３とトランジスタ３７との検出出力が発生するとＰチャネルＭＯＳトランジスタ３５とＮチャネルＭＯＳトランジスタ３６とは共にｏｎとなり抵抗値が低下して電池１の充電電流を分流する。そして電池１の電圧が所定の電圧に到達すると、電池１の充電電流はＰチャネルＭＯＳトランジスタ３５とＮチャネルＭＯＳトランジスタ３６側に完全に切り替わりバイパスされる。この時、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ３５とＮチャネルＭＯＳトランジスタ３６とは、電池１の電圧を１／２ずず分担する。

この状態で何れか一方のＭＯＳトランジスタがショート障害を起こした場合、他方のＭＯＳトランジスタに全電圧が加わるが、全体の動作に支障なくそのまま動作を継続することができる。

次に、図２を参照して第２の実施の形態例について説明する。図１との相違は、可変抵抗素子として動作するＰチャネルＭＯＳトランジスタ３５とＮチャネルＭＯＳトランジスタ３６とにそれぞれＰチャネルＭＯＳトランジスタ４１とＮチャネルＭＯＳトランジスタ４２とを並列に接続した点である。動作も図１の場合と同様であるが、各ＭＯＳトランジスタが並列構成であるので、何れか１個のＭＯＳトランジスタがショート障害を起こした場合だけでなく、オープン障害を起こした場合も全体の動作に支障なくそのまま動作を継続することができる特徴がある。

次に、図３を参照して第３の実施の形態例について説明する。図１との相違は、可変抵抗素子として動作するＰチャネルＭＯＳトランジスタ３５とＮチャネルＭＯＳトランジスタ３６との出力側にそれぞれツェナーダイオード４３，４６とホトダイオード４４，４７と抵抗４５，４８とからなる監視回路を付加した点である。

この監視回路は、ＭＯＳトランジスタが正常であれば動作しないが、何れか１個のＭＯＳトランジスタがショート障害を起こした場合、他方のＭＯＳトランジスタに全電圧が加わるので、ツェナーダイオードに電流が流れホトダイオードが発光してアラームを表示する。この場合、監視側のＭＯＳトランジスタの障害でなく、他方のＭＯＳトランジスタの障害であるのでアラーム表示はそのようにする。

また、図示はしないがホトダイオードの代わりにホトカプラを用いてもよく、このようにすればホトカプラの出力からアラーム信号が得られ、リモート監視が可能となる。

リチュームイオン電池以外の二次電池一般に利用可能である。

本発明の実施の第１の形態例を示す回路図である。 本発明の実施の第２の形態例を示す回路図である。 本発明の実施の第３の形態例を示す回路図である。 電池直列接続による充電制御方式の全体を示すブロック図である。 図４におけるリチュームイオン電池の充電特性を示す（ａ）電圧―電流特性図、（ｂ）充電時間―電圧特性図である。 従来例を示す回路図である。

符号の説明

１ 電池
２ 充電電源
３、４、５、６ 電池充電制御回路
６、１、６、２,６、３ 電池充電制御回路
３１、３２、３５、３７、３８、３９、４０、４５、４８ 抵抗
３３、３７ トランジスタ
３５、４１ ＰチャネルＭＯＳトランジスタ
３６、４２ ＮチャネルＭＯＳトランジスタ
４４、４７ ホトダイオード
４３、４６ ホトカプラ

Claims (6)

1. 複数の電池を直列に接続し接続されたその両端に電源装置からの電圧を加え各前記電池を同時に充電する場合に、各前記電池の充電完了時の所定電圧を揃えるために各前記電池の電圧を個別に監視しその電圧が充電完了時の所定電圧に達した時に充電電流をバイパスさせる可変抵抗素子を有する電池充電制御回路において、前記可変抵抗素子は同時に動作する２個のトランジスタを直列に接続して成ることを特徴とする電池充電制御回路。
2. 複数の電池を直列に接続し接続されたその両端に電源装置からの電圧を加え各前記電池を同時に充電する場合に、各前記電池の充電完了時の所定電圧を揃えるために各前記電池の電圧を個別に監視しその電圧が充電完了時の所定電圧に達した時に充電電流をバイパスさせる可変抵抗素子を有する電池充電制御回路において、前記可変抵抗素子は同時に動作する２個のトランジシタを並列に接続したトランジスタ組みを２組み直列に接続した４個のトランジスタから成ることを特徴とする電池充電制御回路。
3. 前記可変抵抗素子は、直列に接続される前記トランジスタの一方にＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴを他方にＰチャネル型ＭＯＳＦＥＴを用いることを特徴とする請求項１或いは２記載の電池充電制御回路。
4. 前記可変抵抗素子を構成する各前記トランジスタの出力電圧を監視し、被監視トランジスタが短絡障害を起こした時にアラームを発生する監視回路を備えることを特徴とする請求項１、２或いは３記載の電池充電制御回路。
5. 前記監視回路は、ツェナーダイオードと発光ダイオードと抵抗器とを直列に接続して成ることを特徴とする請求項４記載の電池充電制御回路。
6. 前記監視回路は、ツェナーダイオードとホトカプラと抵抗器とを直列に接続して成ることを特徴とする請求項４記載の電池充電制御回路。
   

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