JP2005312140A - 充放電制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 電池パックに保護機能と充電機能とを一体化した形で搭載することにより、部品数を削減する。
【解決手段】 二次電池１を収容する電池パック１０には、二次電池１の過放電、過電流からの保護機能を実現するための回路として、充電ＦＥＴＮ１、放電ＦＥＴＮ２、過放電検出回路３、過電流検出回路４、電流検出抵抗Ｒ１、充電制御回路５、放電制御回路６を備え、これらに加えて、二次電池１に対する充電機能を実現するための回路として、電圧計測回路７、電流計測回路８、ＤＣ電源検出回路９を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電池パック内に収容され、充電器と接続可能な二次電池の充放電を制御する充放電制御回路に関し、特に、保護機能と充電機能とが一体化した回路として電池パック内に搭載可能な充放電制御回路に関する。

二次電池を用いた電子機器では、特にリチウムイオン電池のように、過放電、過充電に弱いものがあって、二次電池の過放電状態、過充電状態を検出する検出装置が不可欠である。また、この検出装置は、二次電池の放電中における過電流状態をも検出している。すなわち、検出装置は、過放電検出回路と過充電検出回路と過電流検出回路とを備えているものが多い。

図６は、従来の二次電池の充放電制御回路を示すブロック図である。
電池パック１０は、二次電池１と、二次電池１を過充電、過放電、過電流から保護するための保護回路とから構成されている。この保護回路は、過充電検出回路２、過放電検出回路３、過電流検出回路４、電流検出抵抗Ｒ１、Ｎチャネル型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなる充電ＦＥＴＮ１、放電ＦＥＴＮ２、充電制御回路５、および放電制御回路６を含んでいる。この電池パック１０は、外部端子Ｔ１，Ｔ２を介して電子機器の本体装置１１と接続される。

電池パック１０を電源とする電子機器の本体装置１１は、負荷２０と２つのダイオードＤ１，Ｄ２、および二次電池１を充電するための充電回路によって構成されている。この充電回路は、電圧計測回路２１、電流計測回路２２、充電ＦＥＴＰ１、充電制御回路２３、および電流検出抵抗Ｒ２を含んでいる。本体装置１１では、電流検出抵抗Ｒ２、充電ＦＥＴＰ１、およびダイオードＤ１の直列回路とダイオードＤ２を介して、負荷２０の一端が外部端子Ｔ３と接続され、負荷２０の他端は外部端子Ｔ４と直接に接続されている。そして、電池パック１０の外部端子Ｔ１に、充電ＦＥＴＰ１とダイオードＤ１との接続点が接続され、電池パック１０の外部端子Ｔ２に外部端子Ｔ４が接続され、さらに本体装置１１の外部端子Ｔ３，Ｔ４にＤＣ電源１２などの充電器が接続されることによって、電池パックに収容された二次電池１を充電することができる。

図７は、電池パックに収容された二次電池の充電特性を示す図である。
本体装置１１に外部端子Ｔ３，Ｔ４を介してＤＣ電源１２が接続され、電圧計測回路２１により電池パック１０の電池電圧が低下していると判断されると、充電制御回路２３では充電ＦＥＴＰ１のゲート電圧をリニアに制御することによって、二次電池１に対して定電流充電と、定電圧充電とを行うことになる。

図８は、充放電制御時における充電ＦＥＴＮ１と放電ＦＥＴＮ２の動作状態を示す図である。
電池パック１０の過充電検出回路２では、充電時に二次電池１が過充電とならないように、過充電検出回路２により電池電圧を監視している。すなわち、二次電池１の電池電圧が過充電検出電圧（４．３Ｖ）より低い場合には、過充電検出回路２は充電制御回路５に対して通常状態である旨を通知する。

この通常状態では、充電制御回路５は充電ＦＥＴＮ１のゲートをハイ（ＨＩＧＨ）レベルに設定して、外部端子Ｔ１からＴ２に充電電流Ｉｃを通電させ、二次電池１に対して定電流充電が行われる。すなわち、時刻ｔ１で電池電圧が所定値（４．２Ｖ）になるまでは、電流検出抵抗Ｒ２に流れる充電電流Ｉｃを電流計測回路２２で計測し、充電制御回路２３から充電ＦＥＴＰ１のゲート電圧を制御する。

時刻ｔ１の後、時刻ｔ２までは電圧計測回路２１によって外部端子Ｔ１における電圧を計測しながら二次電池１に対する定電圧充電が行われる。充電回路の故障などが発生し、過充電検出電圧より高い電池電圧が過充電検出回路２により検出されたとき、充電制御回路５に対して過充電状態である旨を通知する。この過充電状態では、充電制御回路５は充電ＦＥＴＮ１のゲートをロウ（ＬＯＷ）レベルに設定し、充電ＦＥＴＮ１をオフにすることにより二次電池１の充電電流Ｉｃを遮断（切断）する。

本体装置１１にＤＣ電源１２が未接続の場合、二次電池１は放電状態となる。そこで電池パック１０の保護回路である過放電検出回路３は、二次電池１が過放電とならないように二次電池１の電池電圧を監視する。すなわち、二次電池１の電池電圧が過放電検出電圧より高い場合には、過放電検出回路３は放電制御回路６に対して通常状態である旨を通知する。

この通常状態では、放電制御回路６は放電ＦＥＴＮ２のゲートをハイレベルに設定して、外部端子Ｔ２からＴ１に放電電流Ｉｄを通電させる。その後、過放電検出回路３が過放電検出電圧より低い電池電圧を検出したとき、過放電検出回路３から放電制御回路６に対して過放電状態である旨を通知する。この過放電状態では、放電制御回路６は放電ＦＥＴＮ２のゲートをロウレベルに設定し、放電ＦＥＴＮ２をオフにすることにより放電電流Ｉｄを遮断する。

放電時に、異常負荷や負荷短絡が生じたときには、二次電池１を過電流から保護する必要がある。そこで、電池パック１０の保護回路である過電流検出回路４は、電流検出抵抗Ｒ１を流れる電流を電圧に変換し、その電圧値を監視している。すなわち、過電流検出電圧より低い電圧を検出した場合、過電流検出回路４は放電制御回路６に対して通常状態である旨を通知する。

この通常状態では、放電制御回路６は放電ＦＥＴＮ２のゲートをハイレベルに設定して、外部端子Ｔ２からＴ１に放電電流Ｉｄを通電させているが、過電流検出回路４で過電流検出電圧より高い電圧を検出したとき、放電制御回路６に過電流状態である旨を通知する。放電制御回路６では放電ＦＥＴＮ２のゲートをロウレベルに設定し、放電ＦＥＴＮ２をオフにすることにより放電電流Ｉｄを遮断することができる。

このように、従来の二次電池の充放電制御回路は、電池パック１０に搭載される保護回路と、本体装置１１側の充電回路とがそれぞれ別々に設けられ、各個別に機能するように構成されていた。

そこで、特許文献１には、電池パックに内蔵されていた保護回路の過放電保護、過電流保護、過充電保護のための回路機能を、電池パック外部の充電制御回路に取り込み、電池パックの小型化、製品全体の小型化、コストの削減、回路設計時間の短縮を図るようにした充電制御回路の発明が記載されている。

また、特許文献２には、特許文献１の発明とは反対に、充電回路と保護回路をいずれも電池パック側に集約して、電池容量の異なる二次電池に対しても同一の充電器によって充電できるようにした充電制御回路の発明が記載されている。
特開２００２−９３４６６号公報 特開平９−２８５０３３号公報

上述した特許文献１において提案されているような充電制御回路では、二次電池の種類が変わると、電池容量などが変わるため、最適な充電電流を設定しなおさなければならないという問題があった。また、二次電池の材料変更によって、過充電、過放電検出電圧や、充電電圧などが変わるため、適用可能な電池パックの仕様に制約が課されることになる。さらに、電池パックを単独で取り扱う場合には、外部端子間のショートによる二次電池の過電流からの保護ができなくなる。

また、特許文献２の充電制御回路では、デューティ係数を設定し、設定したデューティ係数を持つクロック信号を充電制御信号として充電制御スイッチへ供給しなければならず、また電池パック外部のＤＣ電源（充電器）の電圧と二次電池の電圧とは、それぞれに測定されていないため、電池パック側でＤＣ電源の接続／未接続を判断することができない。したがって、充電ＦＥＴのゲート電圧を制御して、通常の充電時に定電圧・定電流制御を行い、かつＤＣ電源が未接続であって、負荷に電流を供給している時に、充電ＦＥＴのゲート電圧を制御して低抵抗状態に切り換えるためには、定電圧・定電流制御機能を外部の充電器に持たせなければならないという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、電池パックに保護機能と充電機能とを一体化した形で搭載することにより、部品数を削減するとともに、充電回路機能と保護回路機能との不整合をなくして、本体装置側で電池パックの充電仕様を考慮しなくてよい充放電制御回路を提供することを目的としている。

本発明では上記課題を解決するために、電池パック内に収容され、充電器と接続可能な二次電池の充放電を制御する充放電制御回路が提供される。
この充放電制御回路は、前記二次電池の充電電流を制御する第１の半導体デバイスと、前記第１の半導体デバイスと直列に接続され、前記二次電池の放電電流を制御する第２の半導体デバイスと、前記二次電池の過電流状態と過放電状態とを検出して前記第２の半導体デバイスの通電／遮断を制御する放電制御回路と、前記二次電池の電池電圧と充電電流とを帰還して前記第１の半導体デバイスの導通状態をリニアに制御する充電制御回路と、を備えたことを特徴とする。

本発明の充放電制御回路では、電池パックに保護回路と充電回路を一体化した形で搭載するように構成した。これにより、本体装置との間で充電ＦＥＴ、電流検出抵抗などの重複する部品を削減することにより、コストダウンが可能となる。また、充電機能と保護機能との不整合がなくなり、本体側で電池パックの充電仕様を考慮しなくてよくなるため、各種の電池パックに柔軟に適応できる。さらに、電池パックを単独で取り扱う場合であっても、外部端子の短絡事故による過電流から二次電池を確実に保護できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明に係る二次電池の充放電制御回路を示すブロック図である。図１において、従来回路（図６）の各回路ブロックと対応する部分には同一符号を付けている。

二次電池１を収容する電池パック１０には、二次電池１の過放電、過電流からの保護機能を実現するための回路として、充電ＦＥＴＮ１、放電ＦＥＴＮ２、過放電検出回路３、過電流検出回路４、電流検出抵抗Ｒ１、充電制御回路５、放電制御回路６を備え、これらに加えて、二次電池１に対する充電機能を実現するための回路として、電圧計測回路７、電流計測回路８、ＤＣ電源検出回路９を備えている。

過放電検出回路３は、二次電池１が過放電とならないように二次電池１の電池電圧を監視するものであって、二次電池１の電池電圧が電池パック１０の電池特性から決められた過放電検出電圧以下に低下したとき、放電制御回路６に対して過放電状態である旨を通知する。

過電流検出回路４は、放電時の過電流や、異常負荷、負荷短絡などによる過電流から二次電池１を含む各回路素子を保護するため、電流検出抵抗Ｒ１を流れる電流を電圧に変換し、その電圧値を監視するものである。過電流検出回路４では、過電流検出電圧より高い電圧を検出したとき、放電制御回路６に過電流状態である旨を通知している。

放電制御回路６は、過放電検出回路３と過電流検出回路４の出力条件応じて放電ＦＥＴＮ２のゲート電圧をハイレベル、ロウレベルに切り換えることにより、ドレインとソースの間を通電／遮断状態に制御するものである。

電圧計測回路７では、二次電池１の電池電圧を計測して、計測電圧値を充電制御回路５に出力している。また、電流計測回路８では、電流検出抵抗Ｒ１を流れる電流を電圧に変換し、その電圧値を計測することによって、充電電流Ｉｃの大きさを充電制御回路５に出力している。これら電圧計測回路７、電流計測回路８は、従来回路（図６）に示す本体装置１１側の電圧計測回路２１、電流計測回路２２に対応するものである。

充電制御回路５は、図６に示す充電特性に示すように、電圧計測回路７の計測電圧出力と、電流計測回路８の計測電流出力に応じて、時刻ｔ１以前には定電流制御を行い、時刻ｔ１以降には定電圧制御となるように、充電ＦＥＴＮ１のゲート電圧をリニアに制御している。

ＤＣ電源検出回路９は、外部端子Ｔ１，Ｔ２に接続されるとともに、二次電池１と電流検出抵抗Ｒ１との接続点に接続されている。このＤＣ電源検出回路９では、二次電池１の電池電圧と電池パック１０の端子電圧とを同時に監視しており、電池電圧より電池パック１０の端子電圧のほうが高い場合に、本体装置１１にＤＣ電源１２が接続されている旨を充電制御回路５に通知する。また、電池電圧より電池パック１０の端子電圧のほうが低い場合は、本体装置１１にはＤＣ電源１２が未接続状態である旨を充電制御回路５に通知する。

なお、放電時の放電電流Ｉｄと充電時の充電電流Ｉｃとは二次電池１に対して反対方向に流れるため、放電ＦＥＴＮ２と充電ＦＥＴＮ１との電圧ドロップの方向は逆になる。
つぎに、充電制御回路５と放電制御回路６の具体的な回路例について説明する。図２は、充電制御回路と放電制御回路の具体的な回路構成を示す図である。

同図（ａ）には、定電圧制御回路５１、定電流制御回路５２、および電池電圧に応じて制御態様を切り換える制御切換回路５３とから構成された充電制御回路５を示している。この充電制御回路５では、充電時に定電圧制御回路５１が電圧計測回路７の計測電圧出力に基づいて、また、定電流制御回路５２が電流計測回路８の計測電流出力に基づいて、充電ＦＥＴＮ１のゲート電圧をリニアに制御することで、それぞれ定電圧制御、定電流制御が実行される。また、二次電池１の電池電圧と電池パック１０の外部端子間電圧とを比較するコンパレータ５４と、このコンパレータ５４によってオン固定に切換可能なＦＥＴスイッチ５５を設けて、放電時において充電ＦＥＴＮ１を継続してオン状態にする。こうしたバッテリチャージャにおいて定電圧、定電流制御を行うための具体的な回路には、市販のリチウムイオン電池充電制御用ＩＣを使用することができる。

図２（ｂ）には、２つの遅延回路６１，６２と論理回路６３とから構成された放電制御回路６を示している。この放電制御回路６は、過電流検出回路４からの出力と過放電検出回路３からの出力を、それぞれ遅延回路６１，６２を介して論理回路６３で受けるように構成し、過電流検出と過放電検出での誤動作を防止している。論理回路６３では、その論理和（ＯＲ）条件で放電ＦＥＴＮ２をオフ状態にする。具体的な回路としては、市販のリチウムイオン／リチウムポリマ電池保護回路用ＩＣなどを使用することができる。

つぎに、上記充放電制御回路における充放電制御動作について説明する。
図３は、充電ＦＥＴＮ１，放電ＦＥＴＮ２の充放電制御時での動作状態を示している。ここでは、過充電検出電圧を４．３Ｖ、過放電検出電圧を２．５Ｖ、過電流検出電圧を０．２５Ｖ（＝過電流５Ａ×電流検出抵抗５０ｍΩ）、充電電流を１Ａ、充電電圧を４．２Ｖ、充電終止電流を０．１Ａとしている。

いま、ＤＣ電源１２が５Ｖ、電池電圧が３Ｖであるとすると、本体装置１１にＤＣ電源１２が接続されている場合、電池電圧より電池パック１０の外部端子Ｔ１，Ｔ２間の端子電圧のほうが高くなる。そこで、ＤＣ電源検出回路９からは、ＤＣ電源１２が接続状態である旨を充電制御回路５に通知する。したがって、充電制御回路５は充電ＦＥＴＮ１のゲート電圧をリニアに制御して、図６に示すように、二次電池１に対して１Ａの定電流充電を行った後、電池電圧が４．２Ｖになってからは定電圧充電が行われる。

そして、二次電池１の電圧が４．２Ｖの定電圧充電状態で充電電流が充電終止電流（０．１Ａ）以下に減少した場合、充電制御回路５は充電ＦＥＴＮ１のゲートをロウレベルに設定することにより、充電動作を終了させる。また、充電制御回路５は電圧計測回路７により電池電圧を監視し、電池電圧が過充電検出電圧（４．３Ｖ）より高くなると充電ＦＥＴＮ１のゲート電圧をロウレベルに設定して、充電動作が中断される。

その後、充電制御回路５では電圧計測回路７の計測電圧値に基づいて電池電圧を監視しているから、二次電池１の電池電圧が４Ｖより低くなったとき、繰り返し充電動作が実行される。

つぎに、本体装置１１からＤＣ電源１２（５Ｖ）が外された場合について説明する。
ＤＣ電源検出回路９は、電池パック１０の端子電圧が二次電池１の電池電圧（４．２Ｖ）より下がることによって、充電制御回路５に対してＤＣ電源１２が未接続状態となった旨を通知する。充電制御回路５では、充電ＦＥＴＮ１のゲートをハイレベルに設定して、充電ＦＥＴＮ１のドレイン、ソース間を低抵抗の通電状態にする。

ＤＣ電源１２が接続されていない場合には、二次電池１は放電状態となる。そこで、二次電池１が過放電とならないように、過放電検出回路３により電池電圧を監視することになる。この過放電検出回路３では、二次電池１の電池電圧が過放電検出電圧（２．５Ｖ）より高い場合、放電制御回路６に対して通常状態である旨を通知する。この通常状態では放電制御回路６は放電ＦＥＴＮ２のゲートをハイレベルに設定して、放電電流Ｉｄを通電させる。また、過放電検出電圧（２．５Ｖ）より低い電池電圧を検出すると、過放電検出回路３では放電制御回路６に過放電状態である旨を通知する。過放電状態になると、放電制御回路６では放電ＦＥＴＮ２のゲートをロウレベルに設定することによって、放電電流Ｉｄを遮断する。

放電時に、異常負荷や負荷短絡による過電流から電池を保護するため、電流検出抵抗Ｒ１（５０ｍΩ）を流れる電流を電圧に変換しその電圧を過電流検出回路４により監視する。過電流検出回路４が過電流検出電圧（０．２５Ｖ）より低い電圧を検出した場合、放電制御回路６に通常状態である旨を通知する。放電制御回路６は放電ＦＥＴＮ２のゲートをハイレベルに設定することにより、放電電流Ｉｄを通電させる。過電流検出回路４が過電流検出電圧（０．２５Ｖ）より高い電圧を検出した場合は、放電制御回路６に対して過電流状態である旨を通知する。放電制御回路６では、放電ＦＥＴＮ２のゲートをロウレベルに設定することによって、放電電流Ｉｄを遮断する。

以上、この実施の形態１の充放電制御回路は、二次電池１の充電電流を制御する充電ＦＥＴＮ１と、充電ＦＥＴＮ１と直列に接続され、二次電池１の放電電流を制御する放電ＦＥＴＮ２と、二次電池１の過電流状態と過放電状態とを検出して放電ＦＥＴＮ２の通電／遮断を制御する放電制御回路６と、二次電池１の電池電圧と充電電流とを帰還して充電ＦＥＴＮ１の導通状態をリニアに制御する充電制御回路５とを備えたので、電池パックに保護機能と充電機能とを一体化した形で搭載することによって、部品数を削減するとともに、充電回路機能と保護回路機能との不整合をなくすことができる。

また、ＤＣ電源検出回路９において電池パック１０の外部端子Ｔ１，Ｔ２間における電圧値と二次電池１の電圧値とを比較して、電池パック１０とＤＣ電源１２との接続／末接続を検出するようにしたので、本体装置１１側で電池パック１０の充電仕様を考慮しなくてもよく、しかも電池パック１０を単独で取り扱う場合であっても、外部端子Ｔ１，Ｔ２の短絡事故による過電流から二次電池１を確実に保護できる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の別の実施形態を示すブロック図である。
この実施形態の充放電制御回路では、実施の形態１に示す充電制御回路５に温度計測回路２４を接続して、さらに充電ＦＥＴＮ１の近くに、その温度を計測する温度センサ２５を設けている。この温度センサ２５と温度計測回路２４とによって、二次電池１に充電する時に、充電電流が通電される充電ＦＥＴＮ１の温度を測定している。

いま、たとえば充電ＦＥＴＮ１が任意の設定温度（１２０℃）以上の温度となった場合に、充電制御回路５から供給されている充電ＦＥＴＮ１のゲート電圧を下げることによって、通電している充電電流Ｉｃを制限するようにしている。これにより、充電ＦＥＴＮ１の温度を下げることができる。また、充電ＦＥＴＮ１の温度が６０℃以下に下がると、充電ＦＥＴＮ１のゲート電圧を上げて、その充電電流Ｉｃを増加させる。このようなゲート電圧の制御によって、充電ＦＥＴＮ１の過熱を防止して、充放電制御回路を熱破壊、熱暴走から保護することができる。

（実施の形態３）
図５は、さらに別の実施形態を示すブロック図である。
この充放電制御回路では、図１の充電ＦＥＴＮ１、放電ＦＥＴＮ２に代えて、Ｐチャネル型のＦＥＴからなる充電ＦＥＴＰ１、放電ＦＥＴＰ２を用いて、二次電池１の充放電制御を行うようにしている。図５において、図１の充放電制御回路の各回路ブロックと対応する部分には同一符号を付けて、それらの説明を省略する。

本発明の充放電制御回路は上述した３つの実施形態には限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更、変形が可能である。例えば、二次電池１についてはリチウムイオン電池に限らず、過電流からの保護を必要とする二次電池全般に適用可能である。

本発明に係る二次電池の充放電制御回路を示すブロック図である。 充電制御回路と放電制御回路の具体的な回路構成を示す図である。 図１の充放電制御回路における充電ＦＥＴ、放電ＦＥＴの動作状態を示す図である。 本発明の別の実施形態を示すブロック図である。 本発明のさらに別の実施形態を示すブロック図である。 従来の二次電池の充放電制御回路を示すブロック図である。 電池パックに収容された二次電池の充電特性を示す図である。 充放電制御時における充電ＦＥＴ、放電ＦＥＴの動作状態を示す図である。

符号の説明

１ 二次電池
３ 過放電検出回路
４ 過電流検出回路
５ 充電制御回路
６ 放電制御回路
７ 電圧計測回路
８ 電流計測回路
９ ＤＣ電源検出回路
１０ 電池パック
１１ 本体装置
１２ ＤＣ電源
２０ 負荷
Ｒ１ 電流検出抵抗
Ｎ１ 充電ＦＥＴ
Ｎ２ 放電ＦＥＴ

Claims (5)

1. 電池パック内に収容され、充電器と接続可能な二次電池の充放電を制御する充放電制御回路において、
   前記二次電池の充電電流を制御する第１の半導体デバイスと、
   前記第１の半導体デバイスと直列に接続され、前記二次電池の放電電流を制御する第２の半導体デバイスと、
   前記二次電池の過電流状態と過放電状態とを検出して前記第２の半導体デバイスの通電／遮断を制御する放電制御回路と、
   前記二次電池の電池電圧と充電電流とを帰還して前記第１の半導体デバイスの導通状態をリニアに制御する充電制御回路と、
   を備えたことを特徴とする充放電制御回路。
2. 前記電池パックの外部端子間における電圧値と前記二次電池の電圧値とを比較して、前記電池パックと前記充電器との接続／末接続を検出するＤＣ電源検出回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の充放電制御回路。
3. 前記充電制御回路は、前記第１の半導体デバイスの温度を計測するセンサを備え、
   前記第１の半導体デバイスの導通状態を前記センサによって計測した温度に応じて制御することを特徴とする請求項１記載の充放電制御回路。
4. 前記第１、第２の半導体デバイス、前記充電制御回路、および前記放電制御回路は、いずれも前記二次電池を収容する前記電池パック内に一体に搭載されていることを特徴とする請求項１記載の充放電制御回路。
5. 前記第１、第２の半導体デバイスは、電界効果トランジスタによって構成されていることを特徴とする請求項１記載の充放電制御回路。
   
   

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