JP2005134154A - 電池電圧測定装置及び電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】 電池パックの全体の電圧にかかわらず、回路のいずれの部分にも所定の電圧より高い電圧が印加されることがない、汎用性のある安価な電池電圧測定装置を提供する。
【解決手段】 本発明の電池電圧測定装置は、第１の電源電圧を入力する第１の電源電圧端子と、それより低い第２の電源電圧端子と、電池の両端子電圧を入力する第１の電池電圧入力端子と、外部からの電流を入力する外部電流入力端子と、第１の電源電圧と第２の電源電圧とにより動作し、電池の両端子電圧を電流に変換する電圧−電流変換回路と、外部からの制御信号に応じて電圧−電流変換回路が電流を制御する制御部と、外部電流入力端子から入力した電流を導通し、且つ外部電流入力端子の電位を第１の電源電位より所定電圧以上低くない電位に保持する電流導通制御回路と、電圧−電流変換回路の出力電流と電流導通制御回路の出力電流とを合わせた電流を出力する電流出力端子と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池電圧測定装置及び電池パックに関する。

現在携帯用電子・電気機器においては、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の二次電池が電源装置として使用されている。リチウムイオン電池の単位重量当たりのエネルギー密度は、ニッケル水素電池の単位重量当たりのエネルギー密度の約２倍に達する。このため、最近の携帯電話、携帯用パーソナルコンピュータのバッテリはリチウムイオン電池が主流になりつつある。

セイコーインスツルメンツ株式会社は、リチウムイオン電池の１〜４セル直列用バッテリ保護集積回路を販売している。図３は、従来例の電池電圧測定用集積回路を有する電池パックのブロック図である。図３において、１０１〜１０４は電池、２０１は電池電圧測定用集積回路である。４個の電池１０１〜１０４は直列に接続されている。電池電圧測定用集積回路２０１は、電池電圧入力端子２１１〜２１５、比較器２１６〜２１９、制御回路２２０、出力端子２２１、基準電圧２３１〜２３４、出力バッファインバータ２２２を有する。基準電圧２３１〜２３４は、それぞれ電圧Ｅ０を出力する。電池電圧入力端子２１５はグラウンド端子を兼ねる。抵抗Ｒ３はコンデンサＣ１〜Ｃ４の保護抵抗である。

電池１０１の両端子の電圧Ｖ１、Ｖ２（Ｖ１＞Ｖ２）は、それぞれ電池電圧測定用集積回路２０１の電池電圧入力端子２１１、２１２から入力される。比較器２１６の反転入力端子は、電圧Ｖ１、Ｖ２を２つの抵抗で分圧した電圧Ｖ２＋｛（Ｖ１−Ｖ２）・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）｝を入力する。比較器２１６の非反転入力端子は、電圧Ｖ２＋Ｅ０を入力する。比較器２１６は、｛（Ｖ１−Ｖ２）・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）｝＞Ｅ０の時ハイレベルを出力し、｛（Ｖ１−Ｖ２）・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）｝＜Ｅ０の時ロウレベルを出力する。（Ｖ１−Ｖ２）＝Ｅ０・（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２が、過充電の判断のための電池１０１〜１０４の両端子電圧の閾値である。

電池１０２〜１０４の両端子の電圧Ｖ_ｋ、Ｖ_ｋ＋１（Ｖ_ｋ＞Ｖ_ｋ＋１）も、それぞれ２つの抵抗で分圧され、比較器２１７〜２１９に入力される。比較器２１７〜２１９は、この分圧値を基準電圧２３２〜２３４と比較する。比較器２１７〜２１９は、｛（Ｖ_ｋ−Ｖ_ｋ＋１）・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）｝＞Ｅ０の時ハイレベルを出力し、｛（Ｖ_ｋ−Ｖ_ｋ＋１）・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）｝＜Ｅ０の時ロウレベルを出力する。
制御回路２２０は、比較器２１６〜２１９の検出結果に基づき、４個の電池１０１〜１０４のいずれかが過充電の場合、出力端子２２１からハイレベル信号を出力する。これに基づき、電池１０２〜１０４の充電経路を遮断する。
このようにして、従来例のリチウムイオン電池の１〜４セル直列用バッテリ保護集積回路は、リチウムイオン電池が過充電されることを防止する。

特開２０００−３５４３３５号公報

リチウムイオン電池１本（以下「セル」と呼ぶ。）の公称電圧は３．６〜３．７Ｖである。例えば携帯用パーソナルコンピュータは１０〜１５Ｖ程度の電源電圧で駆動されるため、セルを３、４本直列に接続した電池パックをその電源に使用する。これに対して、例えば電動工具は、２４Ｖ程度の電圧で駆動されるため、セルを８本直列に接続した電池パックをその電源に使用する。
汎用の半導体製造プロセスで製造された集積回路の定格電源電圧の上限値は、約２０Ｖである。８本のセルを直列につないだ電池パックの両端電圧は約２４Ｖであるため、この電池パックの電池電圧測定装置として、汎用の半導体製造プロセスで製造された安価な集積回路（例えば上記の従来例のリチウムイオン電池の１〜４セル直列用バッテリ保護集積回路）を使用することができないという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、電池パックの全体の電圧にかかわらず、回路のいずれの部分にも所定の電圧より高い電圧が印加されることがない、汎用性のある安価な電池電圧測定装置及びそれを内蔵する電池パックを提供することを目的とする。
本発明は、主要部が汎用の半導体製造プロセスで製造された集積回路で構成される安価な電池電圧測定装置及びそれを内蔵する電池パックを提供することを目的とする。
本発明は、汎用の半導体製造プロセスで製造された集積回路の定格電源電圧の上限値を上回る電圧を出力する電池パック（例えば電動工具用のリチウムイオン電池セルを８個以上直列に接続した電池パック）、及びそのための直列接続された１つ１つの電池電圧測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。請求項１に記載の発明は、第１の電源電圧を入力する第１の電源電圧端子と、前記第１の電源電圧より低い電圧である第２の電源電圧を入力する第２の電源電圧端子と、電池の両端子電圧を入力する第１の電池電圧入力端子と、外部からの電流を入力する外部電流入力端子と、前記第１の電源電圧と前記第２の電源電圧とにより動作し、前記電池の両端子電圧を電流に変換する電圧−電流変換回路と、外部から制御信号を入力し、前記制御信号に応じて前記電圧−電流変換回路が電流を出力するか否かを制御する制御部と、前記外部電流入力端子から入力した電流を導通し、且つ前記外部電流入力端子の電位を前記第１の電源電位より所定電圧以上低くない電位に保持する電流導通制御回路と、前記電圧−電流変換回路の出力電流と、前記電流導通制御回路の出力電流と、のいずれかの電流又は両方を合わせた電流を出力する電流出力端子と、を有する電池電圧測定装置である。

本発明の電池電圧測定装置を複数個用いて、実施の形態に示す構成により、単体の電池電圧測定装置の定格電源電圧を超える電池パックの各セルの電圧を測定することが出来る。例えばそれぞれ４個のセルの電圧を測定できる２個の電池電圧測定装置（第１の電池電圧測定装置及び第２の電池電圧測定装置）を用いて８個のセルを直列接続した電池パック（例えばリチウムイオン電池）の各電圧を測定できる。第１の電池電圧測定装置の第１の電源電圧端子を電池パックの一番電圧が高い端子に接続し、その第２の電源電圧端子（典型的にはグラウンド端子）を電池パックの電圧が高い方から４番目のセルと５番目のセルとの接続点の端子及び第２の電池電圧測定装置の第１の電源電圧端子に接続する。第２の電池電圧測定装置の第２の電源電圧端子（グラウンド端子）を電池パックの一番電圧が低い端子に接続する。

第１の電池電圧測定装置の電流出力端子を第２の電池電圧測定装置の外部電流入力端子と接続する。第２の電池電圧測定装置の電流出力端子をＡ／Ｄ変換器に入力する。Ａ／Ｄ変換器の出力を制御装置に入力する。制御装置は、入力した情報に基づいて電池パックの充電及び／又は放電を制御する。
本発明の電池電圧測定装置を用いて、各電池電圧測定装置に定格電源電圧以上の電圧がかかることなく、任意の最大電圧及び任意の数のセルを有する電池パックの各セルの電圧を測定できる。
本発明の電池電圧測定装置の主要部を構成する集積回路を、汎用の半導体製造プロセスを用いて安価に製造することが出来る。

請求項２に記載の発明は、直列に接続した複数の電池の各端子の電圧を入力する複数の第２の電池電圧入力端子と、前記複数の第２の電池電圧入力端子から入力された電圧の中から、前記制御信号に応じて選択された電池の両端子電圧を前記第１の電池電圧入力端子対に出力するスイッチ部と、を更に有し、前記制御部は、前記制御信号に応じて前記スイッチ部を制御することを特徴とする請求項１に記載の電池電圧測定装置である。
各電池電圧測定装置に複数のセルの電圧測定機能を設けることにより、簡単な構成で、多数のセルを直列接続した電池パックの各セルの電圧を測定する電池電圧測定装置を実現できる。

請求項３に記載の発明は、前記第２の電池電圧入力端子に入力された電圧の中から、前記第１の電池電圧入力端子対に出力する電池の両端子電圧を選択するための外部アドレス信号を入力するアドレス入力端子と、前記外部アドレス信号を入力し、前記第１の電池電圧入力端子対に出力する電池の両端子電圧を選択する選択信号を出力するアドレスデコーダと、を更に有することを特徴とする請求項２に記載の電池電圧測定装置である。
本発明により、電池パックの制御装置は、アドレスバス（例えばｋビット）を通じて多くのセル（典型的には２^ｋ個）の電圧を管理できる。

請求項４に記載の発明は、前記電圧−電流変換回路は、電池の両端子電圧に応じた電圧を出力する増幅器と、第１の基準抵抗と、前記増幅器の出力電圧に応じて前記第１の基準抵抗に流れる電流を制御し、その電流を出力する定電流回路と、を有することを特徴とする請求項１に記載の電池電圧測定装置である。
例えば、基準抵抗として高精度で温度安定性の高い抵抗（例えば金属被膜抵抗）を用い、それ以外の回路素子を集積回路に集積することにより、高精度で温度安定性が高く、部品点数が少ない小型の電池電圧測定装置を実現できる。

請求項５に記載の発明は、少なくとも前記電圧−電流変換回路及び前記電流導通制御回路の能動素子が集積回路に集積されていることを特徴とする請求項１に記載の電池電圧測定装置である。集積回路は、汎用の半導体製造プロセスを用いて安価に製造できる。本発明により、高精度で温度安定性が高く、部品点数が少ない小型の電池電圧測定装置を実現できる。本発明の集積回路を複数個用いて、単体の電池電圧測定装置の定格電源電圧を超える電池パックの各セルの電圧を測定することが出来る。

請求項６に記載の発明は、前記電池が、リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかの請求項に記載の電池電圧測定装置である。リチウムイオン電池を過充電すると爆発等の危険がある故、リチウムイオン電池を用いた電池パックにおいては、各セルの電圧が絶対に過充電されないように制御する必要がある。リチウムイオン電池は単位重量当たりのエネルギー密度が非常に高く、電池パックを小型軽量化できる。セル電圧は３．６〜３．７Ｖと高く、所定の電圧を得るために直列接続するセル数を削減できる故、電池パックの構造が簡単になり、セルの接続点での電力ロスを減らすことが出来る。例えば電動工具用の電池パックは、２４Ｖ程度の高出力電圧と大電力容量を求められる。それ故、リチウムイオン電池が非常に適している。リチウムイオン電池においては、各セルが過充電されないように制御する必要がある。しかし、汎用の半導体製造半導体製造プロセスで製造された集積回路の定格電源電圧は２０Ｖ程度であり、２４Ｖの電池パックの電池電圧測定装置を構成することが出来なかった。本発明の集積回路を複数個用いて、単体の電池電圧測定装置の定格電源電圧を超える電池パックの各セルの電圧を測定することが出来る。

請求項７に記載の発明は、第１の電池電圧測定装置と、第２の電池電圧測定装置とを含む複数の請求項１又は請求項２に記載の電池電圧測定装置と、前記第２の電池電圧測定装置の前記電流出力端子と前記第２の電源電圧端子との間に接続された第２の抵抗と、を有し、前記第１の電池電圧測定装置の前記第２の電源電圧端子は、前記第２の電池電圧測定装置の前記第１の電源電圧端子と接続され、前記第１の電池電圧測定装置の前記電流出力端子は、前記第２の電池電圧測定装置の前記外部電流入力端子と接続され、前記第２の電池電圧測定装置の前記電流出力端子は、その電圧−電流変換回路の出力電流と、前記第１の電池電圧測定装置が前記電流出力端子から出力する電流と、のいずれかの電流又は両方を合わせた電流を出力し、前記第２の抵抗は、その電流に応じた電圧を発生することを特徴とする電池電圧測定装置である。本発明は、単体の電池電圧測定装置の定格電源電圧を超える電池パックの各セルの電圧を測定する電池電圧測定装置を実現出来る。好ましくは、第２の抵抗として高精度で温度安定性の高い抵抗（例えば金属被膜抵抗）を用いる。これにより、各電池セルの電圧を高い精度で測定することが出来る。

請求項８に記載の発明は、前記第１の電池電圧測定装置と前記第２の電池電圧測定装置は、請求項４に記載の電池電圧測定装置であり、それぞれの前記第１の基準抵抗は同一抵抗値を有することを特徴とする請求項７に記載の電池電圧測定装置である。
第１の電池電圧測定装置及び第２の電池電圧測定装置が有する第１の基準抵抗を同一抵抗値とすることにより、各電池電圧測定装置の電流−電圧変換特性は同一になる。各電池セルの電圧を高精度で測定する電池電圧測定装置を実現出来る。好ましくは、第１の基準抵抗として高精度で温度安定性の高い抵抗（例えば金属被膜抵抗）を用いる。これにより、各電池セルの電圧を更に高い精度で測定することが出来る。

請求項９に記載の発明は、直列に接続した複数の電池と、前記制御信号に従って、各電池の両端子電圧に応じた電流を出力する請求項７又は請求項８に記載の電池電圧測定装置と、前記第２の抵抗の発生電圧を入力し、その電圧に応じたデジタル値を出力するアナログ／デジタル変換器と、前記デジタル値を入力し、前記電池電圧測定装置に両端子電圧を測定する電池を指定する前記制御信号を送り、いずれかの電池の両端子間電圧が所定の閾値以上になった場合に、警告信号を出力し若しくは前記電池への充電を禁止し、又はいずれかの電池の両端子間電圧が他の所定の閾値以下になった場合に、警告信号を出力し若しくは前記電池からの放電を禁止する前記制御装置と、を有する電池パックである。本発明は、各セルが過充電及び／又は過放電されないように制御する電池パック（典型的には高出力電圧の電池パックであって、例えばリチウムイオン電池のセルを多数直列接続した電池パックである。）を実現出来る。

本発明によれば、回路のいずれの部分にも所定の電圧より高い電圧が印加されることがない、汎用性のある安価な電池電圧測定装置及びそれを内蔵する電池パックを実現できるという有利な効果が得られる。
本発明によれば、主要部が汎用の半導体製造プロセスで製造された集積回路で構成される安価な電池電圧測定装置及びそれを内蔵する電池パックを実現できるという有利な効果が得られる。
本発明によれば、汎用の半導体製造プロセスで製造された集積回路の定格電源電圧の上限値を上回る電圧を出力する電池パック、及びそのための電池電圧測定装置を実現できるという有利な効果が得られる。
本発明によれば、直列接続されたセルの数に応じて装置の規模を簡単に増減する電池電圧測定装置及びそれを内蔵する電池パックを実現できるという有利な効果が得られる。

以下本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施の形態について、図面とともに記載する。

《実施の形態》
図１及び図２を用いて、実施の形態の電池電圧測定用集積回路及び電池パックについて説明する。図２は、本発明の実施の形態の電池電圧測定装置を有する電池パックの構成を示すブロック図である。図１は、本発明の実施の形態の電池パックの電池電圧測定装置の構成を詳細に記載したブロック図である。図１及び２において、１０１〜１０８は電池、１０９、１１０は電池電圧測定用集積回路、１１１はＣＰＵ、１６２は制御電圧変換回路、１６４は過放電警告ランプ、１６６は過充電警告ランプ、１６８は過放電保護用スイッチング素子、１７０は過充電保護用スイッチング素子、１７１、１７２は電池パックの出力端子である。図１と図２において、同一の接続線（又はバスライン）及びブロックには同一の符号を付している。

８個の電池セル１０１〜１０８は直列に接続されている。電池セル１０１〜１０８はリチウムイオン電池である。各電池セルは、満充電時に３．６〜３．７Ｖを出力する。８個の電池セル１０１〜１０８の全体では、２８．８Ｖ〜２９．６Ｖを出力する。この電圧は、電池電圧測定用集積回路１０９及び１１０の最大定格電源電圧２０Ｖを上回る。

電池電圧測定用集積回路１０９及び１１０は、電池電圧測定装置を構成する。１個の電池電圧測定用集積回路は、それぞれ４個の電池の電圧を測定している。電池電圧測定用集積回路１０９は、電池電圧入力端子１２１〜１２５、スイッチ部１２６、差動増幅器１２７、電圧−電流変換回路１２８、外部電流入力端子１３０、電流出力端子１３１、電流導通制御回路１３２、設定端子１３３、１３４、選択用入力端子１３５〜１３８（１３５及び１３６はアドレス端子、１３７及び１３８はチップセレクト端子）を有する。

４個の電池セル１０１〜１０４の両端及び各電池セルの接続点は、電池電圧入力端子１２１〜１２５に接続される。電池電圧入力端子１２１は第１の電源電圧を入力する第１の電源電圧端子を兼ねる。電池電圧入力端子１２５は第１の電源電圧より低い電圧である第２の電源電圧を入力する第２の電源電圧端子を兼ねる。電池電圧測定用集積回路１０９は、第１の電源電圧端子と第２の電源電圧端子とに供給される電力で動作する。設定端子１３３、１３４の電位は、電池電圧測定用集積回路１０９が動作するチップセレクト信号（チップセレクト端子１３７及び１３８に入力される。）を定める。電池電圧測定用集積回路１０９がチップセレクト信号に応じて動作している時、その電圧−電流変換回路１２８は、そのスイッチ部１２６が選択して電圧−電流変換回路１２８に伝えた電池セルの両端子の電圧に応じた電流を出力する。電池電圧測定用集積回路１０９がチップセレクト信号に応じて動作していない時、電圧−電流変換回路１２８は電流を出力しない。

電池電圧測定用集積回路１０９がチップセレクト信号に応じて動作しているか否かにかかわらず、その電流導通制御回路１３２は、外部電流入力端子１３０から入力した電流を電流出力端子１３１から出力する（実施の形態においては外部電流入力端子１３０は開放されている故、電流値は０である。）。電池電圧測定用集積回路１０９は、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴで構成され、そのゲート端子は第１の電源電圧端子１２１に接続され、ソース端子は外部電流入力端子１３０に接続され、ドレイン端子は電流出力端子１３１に接続される。

電流出力端子１３１は、電池電圧測定用集積回路１０９がチップセレクト信号に応じて動作している時、電圧−電流変換回路１２８が出力する電流と、外部電流入力端子１３０が入力する電流とを合わせた電流を出力する。電流出力端子１３１は、電池電圧測定用集積回路１０９がチップセレクト信号に応じて動作していない時、外部電流入力端子１３０が入力する電流のみを出力する。通常、ＣＰＵ１１１は、チップセレクト信号及びアドレス信号を出力して、電流出力端子１３１が、電圧−電流変換回路１２８が出力する電流、又は外部電流入力端子１３０が入力する電流のいずれかを出力するように制御する。ＣＰＵ１１１は、電流出力端子１３１が、電圧−電流変換回路１２８が出力する電流、及び外部電流入力端子１３０が入力する電流を合わせた電流を出力するように制御しても良い。

スイッチ部１２６は、アドレス端子１３５及び１３６が入力したアドレス信号に応じて４個の電池セル１０１〜１０４の中から１つの電池セルを選択し、その両端子電圧を差動増幅器１２７を経由して電圧−電流変換回路１２８に伝える。電池電圧測定用集積回路１０９が内蔵するアドレスデコーダは、アドレス信号を入力し、差動増幅器１２７の入力端子対（第１の電池電圧入力端子対）に出力する電池の両端子電圧を選択する選択信号を出力する。
電圧−電流変換回路１２８は、選択された電池セルの両端子電圧に応じた電流を出力する。電圧−電流変換回路１２８は、外部抵抗１２９（基準抵抗）を有する。電圧−電流変換回路１２８は、差動増幅器１２７の出力電圧と外部抵抗１２９の１端子の電位とが同一になるように内蔵ＦＥＴを制御する（外部抵抗１２９に流れる電流が、差動増幅器１２７の出力電圧に応じた電流値になるように制御する。）。内蔵ＦＥＴは、外部抵抗１２９を流れる電流を出力する。

電池電圧測定用集積回路１１０は、電池電圧測定用集積回路１０９と同一の構成を有する。電池電圧測定用集積回路１１０は、電池電圧入力端子１４１〜１４５、スイッチ部１４６、差動増幅器１４７、電圧−電流変換回路１４８、外部電流入力端子１５０、電流出力端子１５１、電流導通制御回路１５２、設定端子１５３、１５４、選択用入力端子１５５〜１５８（１５５及び１５６はアドレス端子、１５７及び１５８はチップセレクト端子）を有する。電池電圧測定用集積回路１０９及び１１０に接続された外部抵抗１２９及び１４９は、同一抵抗値を有し誤差の少ない金属被膜抵抗である。

４個の電池セル１０５〜１０８の両端及び各電池セルの接続点は、電池電圧入力端子１４１〜１４５に接続される。電池電圧入力端子１４１は第１の電源電圧を入力する第１の電源電圧端子を兼ねる。電池電圧入力端子１４５は第１の電源電圧より低い電圧である第２の電源電圧（グラウンド電圧）を入力する第２の電源電圧端子（グラウンド端子）を兼ねる。電池電圧測定用集積回路１１０は、第１の電源電圧端子と第２の電源電圧端子とに供給される電力で動作する。電池電圧測定用集積回路１０９の第２の電源電圧端子１２５（電池電圧測定用集積回路１０９の第２の電源電圧）は、電池電圧測定用集積回路１１０の第１の電源電圧端子（電池電圧測定用集積回路１１０の第１の電源電圧）１４１と接続される。

設定端子１５３、１５４の電位は、電池電圧測定用集積回路１１０が動作するチップセレクト信号（チップセレクト端子１５７及び１５８に入力される。）を定める。電池電圧測定用集積回路１１０がチップセレクト信号に応じて動作している時、その電圧−電流変換回路１４８は、そのスイッチ部１４６が選択して電圧−電流変換回路１４８に伝えた電池セルの両端子の電圧に応じた電流を出力する。電池電圧測定用集積回路１１０がチップセレクト信号に応じて動作していない時、電圧−電流変換回路１４８は電流を出力しない。

電池電圧測定用集積回路１１０がチップセレクト信号に応じて動作しているか否かにかかわらず、その電流導通制御回路１５２は、外部電流入力端子１５０から入力した電流（電池電圧測定用集積回路１０９が電流出力端子１３１から出力した電流）を電流出力端子１５１から出力する。電流導通制御回路１５２は、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴで構成され、そのゲート端子は第１の電源電圧端子１４１に接続され、ソース端子は外部電流入力端子１５０に接続され、ドレイン端子は電流出力端子１５１に接続される。Ｐ型ＭＯＳＦＥＴは、ソース端子（外部電流入力端子１５０）がゲート端子（第１の電源電圧端子１４１）より所定電圧ＶＧＳだけ高く維持する。電池電圧測定用集積回路１０９の電流出力端子１３１（電池電圧測定用集積回路１１０の外部電流入力端子１５０と接続されている。）は、その第２の電源電圧端子１２５（電池電圧測定用集積回路１１０の第１の電源電圧端子１４１と接続されている。）より所定電圧だけ高く維持される。電池電圧測定用集積回路１０９の各端子電圧は、その第２の電源電圧端子１２５の電圧より低くなることがなく、常に正常にバイアスされ動作する。電池電圧測定用集積回路１１０の各端子電圧は、その第１の電源電圧端子１４１の電圧より所定値以上高くなることはなく、常に正常に動作する。

電池電圧測定用集積回路１１０において、第１の電源電圧端子１４１と第２の電源電圧端子１２５との間に２つの抵抗を直列に接続し、２つの抵抗の接続点と、電流導通制御回路１５２を構成するＰ型ＭＯＳＦＥＴのゲート端子と、を接続しても良い。ゲート端子には、第１の電源電圧端子１４１の電圧ＶＤＤより低い一定電圧ＶＧが印加される。電池電圧測定用集積回路１１０の電流導通制御回路１５２（Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ）は、その外部電流入力端子１５０（電池電圧測定用集積回路１０９の電流出力端子１３１と接続されている。）を第１の電源電圧端子１４１の電位より所定電圧以上低くない電位ＶＳ（＝ＶＧ＋ＶＧＳ）に維持する。電池電圧測定用集積回路１０９の各端子電圧は、その第２の電源電圧端子１２５の電圧より所定値以上低くなることがなく、常に正常にバイアスされ動作する。電池電圧測定用集積回路１１０の各端子電圧は、その第１の電源電圧端子１４１の電圧より所定値以上高くなることはなく、常に正常に動作する。

電池電圧測定用集積回路１０９、１１０の電源電圧は、それぞれ電池パックの全電圧の半分の値である１４．４Ｖ〜１４．８Ｖとなる。電池電圧測定用集積回路１０９、１１０の電源電圧は、その最大定格電源電圧２０Ｖを超えない。

電池電圧測定用集積回路１１０の電流出力端子１５１とグラウンド端子との間に抵抗１７３が接続される。この抵抗１７３は誤差の少ない金属被膜抵抗である。抵抗１７３は、電流出力端子１５１が出力した電流に応じた電圧を生成し、ＣＰＵ１１１（制御装置）の内蔵アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１６１に入力する。ＡＤＣ１６１は、電流値（被測定電池セルの電圧に比例した電流値）に応じたデジタル値を出力する。ＣＰＵ１１１は、デジタル値を入力し、電池パックを制御する。

ＣＰＵ１１１は、所定期間をサイクルタイムとして、各電池セルの両端子間の電圧の測定を繰り返す。
制御電圧変換回路１６２は、高耐圧バッファ１８１、抵抗１８２、ダイオード１８３を有する。制御電圧変換回路１６２は、ＣＰＵ１１１が出力したチップセレクト信号及びアドレス信号を入力し、各電池電圧測定用集積回路１０９、１１０の第１及び第２の電源電圧に応じた電圧の信号に変換し、出力する。

外部充電器を用いて電池パックを充電している時、ＣＰＵ１１１は、各電池セルが過充電になっているか否かを監視する。いずれかの電池セルが所定の電圧以上になると、ＣＰＵ１１１は、過充電保護用スイッチング素子１７０をＯＦＦにし、過充電警告ランプ１６６を点灯させる。
電池パックが外部負荷（例えば電動工具）に電力を供給している時、ＣＰＵ１１１は、各電池セルが過放電になっているか否かを監視する。いずれかの電池セルが所定の電圧以下になると、ＣＰＵ１１１は、過放電保護用スイッチング素子１６８をＯＦＦにし、過放電警告ランプ１６４を点灯させる。

正常状態において、過充電保護用スイッチング素子１７０及び過放電保護用スイッチング素子１６８はＯＮ状態であり、過充電警告ランプ１６６及び過放電警告ランプ１６４は消灯している。
ＣＰＵ１１１は、各電池セルのＳＯＣの情報を通信線を介して外部に出力しても良く、又は各電池セルのＳＯＣに応じて外部充電器を制御しても良い。

電池セル１０１の電圧を測定する場合について説明する。電池セル１０１の電圧は、電池電圧入力端子１２１、１２２から電池電圧測定用集積回路１０９に入力される。スイッチ部１２６により電池セル１０１が選択され、差動増幅器１２７は電池セル１０１の両端子の電圧を増幅する。電圧−電流変換回路１２８は、電池セル１０１の電圧を電流に変換する。変換された電流は、電池電圧測定用集積回路１０９の電流出力端子１３１より出力される。出力された電流は、外部電流入力端子１５０から電池電圧測定用集積回路１１０に入力される。電流導通制御回路１５２は、外部電流入力端子１５０の電圧が第１の電源電圧端子１４１の電位より下がらないように制御する。外部電流入力端子１５０から入力された電流は、電池電圧測定用集積回路１１０の電流出力端子１５１より出力される。出力された電流は、ＣＰＵ１１１のＡＤＣ１６１に入力される。ＣＰＵ１１１は、ＡＤＣ１６１が出力したデジタル値を入力し、電池パックを制御する。

本発明は、各電池電圧を電流に変換して出力することにより、安価な回路構成で、直列に接続された複数の電池セルの各電圧を監視しながら電池パックの充電及び／又は放電を制御する電池電圧測定装置及びそれを内蔵する電池パックを実現する。
電圧測定の精度を決定する抵抗を外付けにすることにより、機器に合わせて容易に電圧−電流変換係数を設定でき、高精度で電圧−電流変換をすることができる。

実施の形態において、２つの電池電圧測定用集積回路１０９、１１０を用いて、８個の電池セル１０１〜１０８の各電池セルの両端子の電圧を測定した。実施の形態の接続方法に従って、３つ以上の電池電圧測定用集積回路を接続し、更に多くの電池セルの電池セルが直列に接続された電池パックの各電池セルの電圧を測定し、電池パックを制御することも出来る。電池電圧測定用集積回路が、複数の電池セルの直列接続体を単位として、その両端子の電圧を測定しても良い。
実施の形態において、１２７、１４７は差動増幅器であり、電圧−電流変換器１２８、１４８は、差動増幅器１２７、１４７の出力電圧に応じた電流を出力した。これに代えて、１２７、１４７を比較器とし、電圧−電流変換器１２８、１４８が、比較器１２７、１４７の出力電圧に応じた電流（２値）を出力しても良い。好ましくは、１２７、１４７は差動増幅器である。

本発明の電池電圧測定装置及び電池パックは、例えば電動工具等の様々な機器の電池電圧測定装置及び電池パックとして有用である。

本発明の実施の形態の電池パックの電池電圧測定装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態の電池パックの構成を示すブロック図 従来例の電池電圧測定装置及び電池パックの構成を示すブロック図

符号の説明

１０１〜１０８ 電池セル
１０９、１１０ 電池電圧測定用集積回路
１１１ ＣＰＵ
１２１〜１２５、１４１〜１４５ 電池電圧入力端子
１２６、１４６ スイッチ部
１２７、１４７ 差動増幅器
１２８、１４８ 電圧−電流変換回路
１２９、１４９ 外部抵抗
１３０、１５０ 外部電流入力端子
１３１、１５１ 電流出力端子
１３２、１５２ 電流導通制御回路
１３３、１３４、１５３、１５４ 設定端子
１３５〜１３８、１５５〜１５８ 選択用入力端子
１６１ Ａ／Ｄコンバータ
１６２ 制御電圧変換回路
１６４ 過放電警告ランプ
１６６ 過充電警告ランプ
１６８ 過放電保護用スイッチング素子
１７０ 過充電保護用スイッチング素子
１７１、１７２ 出力端子
１７３ 抵抗

Claims (9)

1. 第１の電源電圧を入力する第１の電源電圧端子と、
   前記第１の電源電圧より低い電圧である第２の電源電圧を入力する第２の電源電圧端子と、
   電池の両端子電圧を入力する第１の電池電圧入力端子と、
   外部からの電流を入力する外部電流入力端子と、
   前記第１の電源電圧と前記第２の電源電圧とにより動作し、前記電池の両端子電圧を電流に変換する電圧−電流変換回路と、
   外部から制御信号を入力し、前記制御信号に応じて前記電圧−電流変換回路が電流を出力するか否かを制御する制御部と、
   前記外部電流入力端子から入力した電流を導通し、且つ前記外部電流入力端子の電位を前記第１の電源電位より所定電圧以上低くない電位に保持する電流導通制御回路と、
   前記電圧−電流変換回路の出力電流と、前記電流導通制御回路の出力電流と、のいずれかの電流又は両方を合わせた電流を出力する電流出力端子と、
   を有する電池電圧測定装置。
2. 直列に接続した複数の電池の各端子の電圧を入力する複数の第２の電池電圧入力端子と、
   前記複数の第２の電池電圧入力端子から入力された電圧の中から、前記制御信号に応じて選択された電池の両端子電圧を前記第１の電池電圧入力端子対に出力するスイッチ部と、
   を更に有し、
   前記制御部は、前記制御信号に応じて前記スイッチ部を制御することを特徴とする請求項１に記載の電池電圧測定装置。
3. 前記第２の電池電圧入力端子に入力された電圧の中から、前記第１の電池電圧入力端子対に出力する電池の両端子電圧を選択するための外部アドレス信号を入力するアドレス入力端子と、
   前記外部アドレス信号を入力し、前記第１の電池電圧入力端子対に出力する電池の両端子電圧を選択する選択信号を出力するアドレスデコーダと、
   を更に有することを特徴とする請求項２に記載の電池電圧測定装置。
4. 前記電圧−電流変換回路は、
   電池の両端子電圧に応じた電圧を出力する増幅器と、
   第１の基準抵抗と、
   前記増幅器の出力電圧に応じて前記第１の基準抵抗に流れる電流を制御し、その電流を出力する定電流回路と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の電池電圧測定装置。
5. 少なくとも前記電圧−電流変換回路及び前記電流導通制御回路の能動素子が集積回路に集積されていることを特徴とする請求項１に記載の電池電圧測定装置。
6. 前記電池が、リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかの請求項に記載の電池電圧測定装置。
7. 第１の電池電圧測定装置と、第２の電池電圧測定装置とを含む複数の請求項１又は請求項２に記載の電池電圧測定装置と、
   前記第２の電池電圧測定装置の前記電流出力端子と前記第２の電源電圧端子との間に接続された第２の抵抗と、
   を有し、
   前記第１の電池電圧測定装置の前記第２の電源電圧端子は、前記第２の電池電圧測定装置の前記第１の電源電圧端子と接続され、
   前記第１の電池電圧測定装置の前記電流出力端子は、前記第２の電池電圧測定装置の前記外部電流入力端子と接続され、
   前記第２の電池電圧測定装置の前記電流出力端子は、その電圧−電流変換回路の出力電流と、前記第１の電池電圧測定装置が前記電流出力端子から出力する電流と、のいずれかの電流又は両方を合わせた電流を出力し、
   前記第２の抵抗は、その電流に応じた電圧を発生することを特徴とする電池電圧測定装置。
8. 前記第１の電池電圧測定装置と前記第２の電池電圧測定装置は、請求項４に記載の電池電圧測定装置であり、
   それぞれの前記第１の基準抵抗は同一抵抗値を有することを特徴とする請求項７に記載の電池電圧測定装置。
9. 直列に接続した複数の電池と、
   前記制御信号に従って、各電池の両端子電圧に応じた電流を出力する請求項７又は請求項８に記載の電池電圧測定装置と、
   前記第２の抵抗の発生電圧を入力し、その電圧に応じたデジタル値を出力するアナログ／デジタル変換器と、
   前記デジタル値を入力し、前記電池電圧測定装置に両端子電圧を測定する電池を指定する前記制御信号を送り、いずれかの電池の両端子間電圧が所定の閾値以上になった場合に、警告信号を出力し若しくは前記電池への充電を禁止し、又はいずれかの電池の両端子間電圧が他の所定の閾値以下になった場合に、警告信号を出力し若しくは前記電池からの放電を禁止する前記制御装置と、
   を有する電池パック。

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