JP2006197736A - 二次電池の充放電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 部品点数を削減することができ、損失が小さくなって電力効率が向上し、長時間動作が可能となり、コストダウンを図る。
【解決手段】 電池パック１に、二次電池Ｂ１の充電電流を制御するためのＦＥＴＱ１と、二次電池Ｂ１の過充電を検出する過充電検出回路１１と、その検出結果に従ってＦＥＴＱ１のオン／オフを制御する充電制御回路１２と、二次電池Ｂ１の放電電流を制御するためのＦＥＴＱ２と、二次電池Ｂ１の過放電を検出する過放電検出回路１３と、ＦＥＴＱ２のオン／オフのデューティを制御するとともに過放電検出回路１３が過放電を検出したときにＦＥＴＱ２をオフさせる放電制御回路１４と、ＬＣフィルタ回路１６を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子機器等で使用される二次電池の充放電を制御する充放電制御装置に関する。

二次電池の充放電を制御する充放電制御装置として、従来ＤＣ−ＤＣコンバータと組み合わせたもの（例えば特許文献１参照）や、二次電池と充電器との間にスイッチング素子を接続して制御するもの（例えば特許文献２参照）が知られている。

図６、図７に従来の二次電池の充放電制御装置の構成例を示す。また、図８に充電用の制御素子と放電用の制御素子の動作状態を示す。
図６は二次電池Ｂ１１を収納した電池パック１０１が本体装置１０２に接続されている状態を示している。電池パック１０１には、二次電池Ｂ１１と直列に接続された充電電流制御用のＦＥＴＱ１１と放電電流制御用のＦＥＴＱ１２が設けられ、各々のＦＥＴＱ１１、Ｑ１２には寄生ダイオードＤ１１、Ｄ１２が存在する。また、二次電池Ｂ１１の過充電を検出する過充電検出回路１１１、その検出結果に従ってＦＥＴＱ１１を制御する充電制御回路１１２、二次電池Ｂ１１の過放電を検出する過放電検出回路１１３、その検出結果に従ってＦＥＴＱ１２を制御する放電制御回路１１４、二次電池Ｂ１１の過電流を電流検出用の抵抗Ｒ１１を用いて検出する過電流検出回路１１５、及び充電器（図示せず）の接続を検出する充電器検出回路１１６が設けられている。

また、上記の電池パック１０１の二次電池Ｂ１１から電源が供給される本体装置１０２には、負荷となる機能回路１２１の他に、入力された電圧を機能回路１２１で使用する電圧に変換する電源回路１４０が設けられている。この電源回路１４０は、スイッチング電源と平滑回路からなり、平滑用のコンデンサＣ１１を通して電源制御回路１４１によりオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）されるスイッチング用のＦＥＴＱ１３及び転流ダイオードＤ１４が接続され、更に、コイルＬ１１とコンデンサＣ１２からなるＬＣフィルタ回路１４２が接続されている。また、ＦＥＴＱ１３には寄生ダイオードＤ１３が存在し、コイルＬ１１とコンデンサＣ１２の接続点に接続されている出力ラインには電流検出用の抵抗Ｒ１２が設けられている。

図７は電池パック１０１が充電器１０３に接続されている状態を示している。充電器１０３には、充電回路１３１が設けられている。
過充電検出回路１１１は、充電時に二次電池Ｂ１１が過充電されないように二次電池Ｂ１１の端子電圧を監視し、所定の過充電電圧より低い場合は通常状態であることを充電制御回路１１２に通知する。この通常状態では、充電制御回路１１２はＦＥＴＱ１１のゲートをＬ（ＬＯＷ）レベルにし、充電電流を通す。過充電検出回路１１１が上記の過充電電圧より高い端子電圧を検出した場合は、過充電状態であることを充電制御回路１１２に通知する。この過充電状態では、充電制御回路１１２はＦＥＴＱ１１のゲートをＨ（ＨＩＧＨ）レベルにすることにより、充電電流を遮断する。

電池パック１０１が本体装置１０２に接続されているときは、二次電池Ｂ１１は放電状態となり、電池パック１０１の保護機能は二次電池Ｂ１１が過放電にならないように、過放電検出回路１１３により二次電池Ｂ１１の端子電圧を監視する。過放電検出回路１１３は、二次電池Ｂ１１の端子電圧が所定の過放電電圧より高い場合、通常状態であることを放電制御回路１１４に通知する。この状態では、放電制御回路１１４はＦＥＴＱ１２のゲートをＬレベルにして放電電流を通し、本体装置１０２に通電する。過放電検出回路１１３が上記の過放電電圧より低い端子電圧を検出した場合は、過放電状態であることを放電制御回路１１４に通知する。この過放電状態では、放電制御回路１１４はＦＥＴＱ１２のゲートをＨレベルにすることにより、放電電流を遮断する。

また、放電時に負荷の異常あるいは負荷短絡による過電流から二次電池Ｂ１１を保護するため、電流検出用の抵抗Ｒ１１により電流を電圧に変換し、その電圧を過電流検出回路１１５により監視する。過電流検出回路１１５が所定の過電流電圧より低い電圧を検出した場合、通常状態であることを放電制御回路１１４に通知する。この状態では、放電制御回路１１４はＦＥＴＱ１２のゲートをＬレベルにして二次電池Ｂ１１の放電電流を通す。過電流検出回路１１５が上記の過電流電圧より高い電圧を検出した場合は、過電流状態であることを放電制御回路１１４に通知する。この状態では、放電制御回路１１４はＦＥＴＱ１２のゲートをＨレベルにして二次電池Ｂ１１の放電電流を遮断する。

一方、本体装置１０２側では、電池パック１０１から供給された電力を、電源回路１４０により機能回路１２１の使用電圧に合った電圧に変換し、機能回路１２１に供給する。この電源回路１４０は、この例では降圧型のスイッチング電源から構成されている。

図８に上記充電用の制御素子であるＦＥＴＱ１１と放電用の制御素子であるＦＥＴＱ１２の動作状態を示す。充電器接続時と本体装置接続時の各状態における通電と切断（遮断）の動作を示している。
特開平６−２７６７２８号公報（段落番号〔００２１〕、図１６） 特開平９−２８５０３３号公報（段落番号〔０００２〕〜〔０００６〕、図７）

しかしながら、上記のような従来の二次電池の充放電制御装置では、電池パックから二次電池の放電電流がそのまま本体装置側に出力されるため、本体装置側に負荷のための電源回路が必要で、電池パック側の保護回路と本体装置側の電源回路がそれぞれ個別に機能することになり、部品点数が多く、電力効率が低下し、コストダウンを図ることができないという問題点がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、部品点数を削減することができ、損失が小さくなって電力効率が向上し、長時間動作が可能となり、コストダウンを図ることができる二次電池の充放電制御装置を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、二次電池の充電電流を制御するための充電用の制御素子と、前記二次電池の過充電を検出する過充電検出回路と、該過充電検出回路の検出結果に従って前記充電用の制御素子のオン／オフを制御する充電制御回路と、前記充電用の制御素子と直列に接続された前記二次電池の放電電流を制御するための放電用の制御素子と、前記二次電池の過放電を検出する過放電検出回路と、前記放電用の制御素子のオン／オフのデューティを制御するとともに前記過放電検出回路が過放電を検出したときに該放電用の制御素子をオフさせる放電制御回路と、前記二次電池の放電電流を平滑化するフィルタ回路と、を備えたことを特徴とする二次電池の充放電制御装置が提供される。

このような二次電池の充放電制御装置によれば、電池パック側に電源回路が一体化されるので、部品点数を削減することができ、損失が小さくなって電力効率が向上し、長時間動作が可能となり、コストダウンを図ることができる。

本発明の二次電池の充放電制御装置は、二次電池の放電用の制御素子のオン／オフのデューティを制御し、過放電が検出されたときに該放電用の制御素子をオフさせる放電制御回路と、二次電池の放電電流を平滑化するフィルタ回路とを備えたことにより、電池パック側に電源回路が一体化されるので、部品点数を削減することができ、損失が小さくなって電力効率が向上し、長時間動作が可能となり、コストダウンを図ることができるという利点がある。

以下、本発明の実施の形態の二次電池の充放電制御装置を図面を参照して説明する。
図１及び図２は本発明の第１の実施の形態における二次電池の充放電制御装置の回路構成図であり、図１は二次電池Ｂ１を収納した電池パック１が本体装置２に接続されている状態、図２は電池パック１が充電器３に接続されている状態をそれぞれ示している。

電池パック１には、二次電池Ｂ１の充電電流を制御するための半導体デバイスであるＦＥＴ（充電用の制御素子）Ｑ１と、二次電池Ｂ１の過充電を検出する過充電検出回路１１と、過充電検出回路１１の検出結果に従って充電用のＦＥＴＱ１のオン／オフ（通電／切断）を制御する充電制御回路１２と、充電用のＦＥＴＱ１と直列に接続された二次電池Ｂ１の放電電流を制御するための半導体デバイスであるＦＥＴ（放電用の制御素子）Ｑ２と、二次電池Ｂ１の過放電を検出する過放電検出回路１３と、フィードバックされた出力電圧に基き放電用のＦＥＴＱ２のオン／オフのデューティを制御するとともに過放電検出回路１３が過放電を検出したときに放電用のＦＥＴＱ２をオフさせる放電制御回路１４と、二次電池Ｂ１と直列に接続された電流検出用の抵抗Ｒ１の両端電圧から過電流を検出する過電流検出回路１５と、二次電池Ｂ１の放電電流を平滑化するコイルＬ１とコンデンサＣ１からなるＬＣフィルタ回路１６と、充電器３の接続／未接続を検出する充電器検出回路１７とが備えられている。また、充電用のＦＥＴＱ１と放電用のＦＥＴＱ２には寄生ダイオードＤ１、Ｄ２が並列に存在する。放電制御回路１４とＦＥＴＱ２により構成されるスイッチング電源回路には転流ダイオードＤ３が接続されている。

また、本体装置２には電池パック１からの電力が供給される機能回路２１があり、充電器３には充電回路３１がある。
上記放電制御回路１４、ＦＥＴＱ２及び転流ダイオードＤ３により構成されたスイッチング電源回路とＬＣフィルタ回路１６により、本体装置２に所望の定電圧が出力される。すなわち、放電制御回路１４に、二次電池Ｂ１の放電時の出力電圧を変換できるようにＦＥＴＱ２のゲート電圧のＨ／Ｌのデューティを制御する機能を持たせている。

図３は本発明の第２の実施の形態における二次電池の充放電制御装置の回路構成図であり、図１と同一符号は同一構成要素を示している。本実施の形態は、放電用のＦＥＴＱ２にスイッチング素子であるＦＥＴＱ３を接続して同期整流方式のスイッチング電源回路を構成したものである。Ｄ４はＦＥＴＱ３の寄生ダイオードであり、他は図１と同様の構成である。

図４は各実施の形態の二次電池の充放電制御装置の動作を示すタイムチャートであり、図１〜図３のＦＥＴＱ１、Ｑ２の各ゲート電圧、過放電（過電流）検出信号、充電器検出信号、電池パック端子電圧、及び二次電池端子電圧を示している。二次電池の充電は、最初定電流で充電し、充電電圧があるレベルに達したらその後は定電圧で充電する。図５にＦＥＴＱ１、Ｑ２の動作状態を示す。

次に、上記構成の二次電池の充放電制御装置の各部の動作の概要について説明する。
電池パック１の過充電検出回路１１は、充電時は二次電池Ｂ１が過充電されないように二次電池Ｂ１の端子電圧を監視し、端子電圧が所定の過充電電圧より低い場合は、通常状態であることを充電制御回路１２に通知する。

充電制御回路１２は、通常状態では充電用のＦＥＴＱ１のゲートをＬレベルにし、充電電流を通す。過充電検出回路１１が上記の過充電電圧より高い端子電圧を検出した場合は、過充電状態であることを充電制御回路１２に通知する。この過充電状態では、充電制御回路１２は充電用のＦＥＴＱ１のゲートをＨレベルにし、充電電流を遮断する。

過放電検出回路１３は、二次電池Ｂ１の端子電圧が電池特性から決められた過放電電圧以下に低下すると、過放電状態であることを放電制御回路１４に通知する。
また、過電流検出回路１５は、放電時に負荷の異常あるいは負荷短絡による過電流から二次電池Ｂ１及び周辺の回路素子を保護するため、電流検出用の抵抗Ｒ１により電流を電圧に変換して監視する。過電流検出回路１５が所定の過電流電圧より高い電圧を検出した場合は、過電流状態であることを放電制御回路１４に通知する。

放電制御回路１４は、上記の過放電及び過電流の受けていない通常状態のときは、放電用のＦＥＴＱ２のゲートをＰＷＭスイッチング動作させて電圧変換し、定電圧出力となるように制御する。過放電検出回路１３、過電流検出回路１５から過放電状態、過電流状態の通知を受けた場合は、放電用のＦＥＴＱ２のゲートをＨレベルにして放電電流を遮断する。

充電器検出回路１７は、二次電池Ｂ１の端子電圧と電池パック１の出力電圧を監視し、二次電池Ｂ１の端子電圧より電池パック１の出力電圧の方が低い場合、充電器３が未接続の状態あるいは本体装置２が接続の状態であることを充電制御回路１２と放電制御回路１４に通知する。

次に、具体的な充放電の動作について説明する。図４に示すタイムチャートの例では、上記の過充電電圧を４．２Ｖ、過放電電圧を２．５Ｖ、出力電圧を２．２Ｖとしている。
図２に示すように、電池パック１に充電器（４．２Ｖ）３が接続されている場合、充電器検出回路１７は、二次電池Ｂ１の端子電圧（３Ｖ）より電池パック１の出力電圧の方が高いので、充電器３が接続状態であることを充電制御回路１２と放電制御回路１４に通知する。充電制御回路１２は、充電用のＦＥＴＱ１のゲートをＬレベルに制御し、放電制御回路１４は、放電用のＦＥＴＱ２のゲートをＬレベルに制御し、ＦＥＴＱ１、Ｑ２を通電状態（オン）にする。これにより、充電器３は二次電池Ｂ１に対し、定電流充電の後４．２Ｖの定電圧充電を行う。充電器３の異常動作等で二次電池Ｂ１の端子電圧が過充電電圧（４．２Ｖ）より高くなると、過充電検出回路１１は過充電になったことを充電制御回路１２に通知し、充電制御回路１２は充電用のＦＥＴＱ１のゲートをＨレベルにし、充電動作を中断する。

図１及び図３に示すように、電池パック１から充電器３が外されて本体装置２が接続されると、充電器検出回路１７は、二次電池Ｂ１の端子電圧（４．２Ｖ）より電池パック１の出力電圧の方が下がるので、充電器３が未接続状態であることを充電制御回路１２と放電制御回路１４に通知する。充電制御回路１２は、充電用のＦＥＴＱ１のゲートをＬレベルにし、ドレイン−ソース間を低抵抗の通電状態にする。また、二次電池Ｂ１が過放電にならないように過放電検出回路１３により二次電池Ｂ１の端子電圧を監視する。過放電検出回路１３は、過放電電圧（２．５Ｖ）より高い端子電圧を検出すると、通常状態であることを放電制御回路１４に通知する。この通常状態では、放電制御回路１４は放電用のＦＥＴＱ２のゲート電圧のＨ／Ｌのデューティを制御することにより、ＦＥＴＱ２をスイッチングトランジスタとする２．２Ｖ出力の定電圧スイッチング電源制御を行う。過放電検出回路１３が過放電電圧（２．５Ｖ）より低い端子電圧を検出した場合は、過放電状態であることを放電制御回路１４に通知する。この過放電状態では、放電制御回路１４は放電用のＦＥＴＱ２のゲートをＨレベルに固定することにより放電電流を切断（オフ）する。

また、放電時に負荷の異常あるいは負荷短絡による過電流から二次電池Ｂ１を保護するため、電流検出用の抵抗Ｒ１を流れる電流を電圧に変換して監視する。過電流検出回路１５が過電流電圧より低い電圧を検出した場合は、通常状態であることを放電制御回路１４に通知する。放電制御回路１４は、放電用のＦＥＴＱ２のゲートを制御して、２．２Ｖ出力の定電圧スイッチング電源動作を行う。過電流検出回路１５が過電流電圧より高い電圧を検出した場合は、過電流状態であることを放電制御回路１４に通知する。放電制御回路１４は、放電用のＦＥＴＱ２のゲートをＨレベルに固定して放電電流を遮断する。

以上のように、実施の形態では、電池パック１側に保護回路と電源回路を一体化した形で搭載しているので、放電経路のＦＥＴや抵抗などシステム全体の部品点数を削減することができ、損失が小さくなって電力効率が向上し、長時間動作が可能となり、コストダウンを図ることができる。

本発明の第１の実施の形態の二次電池の充放電制御装置の回路構成図である（本体装置接続時）。 本発明の第１の実施の形態の二次電池の充放電制御装置の回路構成図である（充電器接続時）。 本発明の第２の実施の形態の二次電池の充放電制御装置の回路構成図である。 本発明の実施の形態の二次電池の充放電制御装置の動作を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態の二次電池の充放電制御装置の充電用の制御素子と放電用の制御素子の動作状態を示す図である。 従来の二次電池の充放電制御装置の構成例を示す図である（本体装置接続時）。 従来の二次電池の充放電制御装置の構成例を示す図である（充電器接続時）。 従来の二次電池の充放電制御装置の充電用の制御素子と放電用の制御素子の動作状態を示す図である。

符号の説明

１ 電池パック
２ 本体装置
３ 充電器
１１ 過充電検出回路
１２ 充電制御回路
１３ 過放電検出回路
１４ 放電制御回路
１５ 過電流検出回路
１６ ＬＣフィルタ回路
１７ 充電器検出回路
２１ 機能回路
３１ 充電回路
Ｂ１ 二次電池
Ｃ１ コンデンサ
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ４ 寄生ダイオード
Ｄ３ 転流ダイオード
Ｌ１ コイル
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３ ＦＥＴ
Ｒ１ 抵抗

Claims (3)

1. 二次電池の充電電流を制御するための充電用の制御素子と、
   前記二次電池の過充電を検出する過充電検出回路と、
   該過充電検出回路の検出結果に従って前記充電用の制御素子のオン／オフを制御する充電制御回路と、
   前記充電用の制御素子と直列に接続された前記二次電池の放電電流を制御するための放電用の制御素子と、
   前記二次電池の過放電を検出する過放電検出回路と、
   前記放電用の制御素子のオン／オフのデューティを制御するとともに前記過放電検出回路が過放電を検出したときに該放電用の制御素子をオフさせる放電制御回路と、
   前記二次電池の放電電流を平滑化するフィルタ回路と、
   を備えたことを特徴とする二次電池の充放電制御装置。
2. 前記放電用の制御素子にスイッチング素子を接続して同期整流方式のスイッチング電源回路を構成したことを特徴とする請求項１記載の二次電池の充放電制御装置。
3. 前記二次電池の過電流を検出する過電流検出回路を有し、前記放電制御回路は該過電流検出回路が過電流を検出したときに前記放電用の制御素子をオフさせることを特徴とする請求項１記載の二次電池の充放電制御装置。
   

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