JP2006320048A - 保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡素な回路で二次電池を過剰な充電や過大な放電電流から保護することができる保護回路を提供する。
【解決手段】 コンパレータＣＭＰ１は二次電池６の充電電圧Ｖｃを基準電圧Ｖｒｅｆ１と比較して過充電を検出する。トランジスタＱ１は、コンパレータＣＭＰ１により過充電が検出された場合、オンされ、ヒータＲ２をオンする。ＰＴＣ素子ＳＷ１は、ヒータにより加熱され所定の動作温度Ｔｓｗ１に達するとオフし、充電電流を遮断する。一方、ＰＴＣ素子ＳＷ１は、二次電池からの放電電流が過大になると、その放電電流により自己発熱して動作温度Ｔｓｗ１に達するとオフし、放電電流を遮断する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、二次電池を過剰な充電や過大な放電電流から保護する保護回路に関する。

図６は、背景技術に係る電池パックの構成を示す回路図である。図６に示す電池パック１０１は、保護回路１０２と、二次電池１０３とを備えている。二次電池１０３は、例えばリチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、ニッケル水素二次電池、あるいはニッケルカドミウム二次電池等の充電可能な二次電池である。このような二次電池は、過剰に充電されたり放電電流が過大になったりすると、サイクル寿命等の特性が劣化したり、電池の膨張や変形等を招いたりする場合がある。そこで、電池パック１０１は、二次電池１０３を過剰な充電や、過大な放電電流から保護する保護回路１０２を備えている（例えば、特許文献１参照。）。

保護回路１０２は、外部接続端子１０４，１０５と、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）１０６，１０７と、基準電圧源１０８，１０９と、コンパレータ１１０，１１１と、抵抗１１２と、論理回路１１３とを備えている。

外部接続端子１０４，１０５は、二次電池１０３を充電するための充電装置を接続したり、二次電池１０３からの放電電流により駆動される携帯電話機やデジタルカメラ等のモバイル機器、電動工具、ロボット、電動自転車等の駆動用電源を接続したりするための接続端子である。そして、外部接続端子１０４と、二次電池１０３と、ＦＥＴ１０６と、ＦＥＴ１０７と、外部接続端子１０５とが直列に接続されている。

ＦＥＴ１０６は、寄生ダイオードのアノードが二次電池１０３側になる方向にされており、ＦＥＴ１０７は、寄生ダイオードのアノードが外部接続端子１０５側になる方向にされている。そして、ＦＥＴ１０６は、二次電池１０３の放電電流が過大になった場合に放電電流を遮断する過放電保護用のスイッチとして用いられ、ＦＥＴ１０７は、二次電池１０３が過充電になった場合に充電電流を遮断する過充電保護用のスイッチとして用いられる。

また、二次電池１０３の正極端子がコンパレータ１１０の＋端子に印加され、基準電圧源１０８から出力された基準電圧Ｖｒｅｆ１がコンパレータ１１０の−端子に印加され、コンパレータ１１０の出力端子が論理回路１１３に接続されている。基準電圧Ｖｒｅｆ１としては、二次電池１０３の過充電を検出するための電圧が設定されている。そして、コンパレータ１１０は、外部接続端子１０４，１０５に接続された図略の充電装置によって二次電池１０３が充電され、二次電池１０３の端子電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ１を超えると、過充電を示す検知信号を論理回路１１３へ出力するようになっている。

また、ＦＥＴ１０６とＦＥＴ１０７との接続点が、抵抗１１２を介してコンパレータ１１１の−端子に接続され、基準電圧源１０９から出力された基準電圧Ｖｒｅｆ２がコンパレータ１１１の＋端子に印加されている。これにより、二次電池１０３からの放電電流がＦＥＴ１０６を流れ、ＦＥＴ１０６のオン抵抗により生じた電圧降下が抵抗１１２を介してコンパレータ１１１の−端子へ印加される。また、基準電圧Ｖｒｅｆ２は、例えば二次電池１０３の特性劣化を招かない範囲での最大の放電電流がＦＥＴ１０６を流れた場合にＦＥＴ１０６のオン抵抗で生じる電圧降下に相当する電圧が設定されている。

そして、コンパレータ１１１は、例えば外部接続端子１０４，１０５が、金属片に接触したり、外部接続端子１０４，１０５に接続された負荷機器が故障したりすること等によって短絡し、二次電池１０３から過大な放電電流が流れると、ＦＥＴ１０６における電圧降下の上昇を検知して、過電流の放電を示す検知信号を論理回路１１３へ出力するようになっている。

論理回路１１３は、コンパレータ１１０から過充電を示す検知信号が出力されると、二次電池１０３の充電を停止させるべくＦＥＴ１０７をオフさせ、コンパレータ１１１から過電流の放電を示す検知信号が出力されると、二次電池１０３の放電を停止させるべくＦＥＴ１０６をオフさせる。これにより、保護回路１０２は、二次電池１０３を、過剰な充電や過電流の放電から保護するようになっている。

また、このように二次電池を過剰な充電や、過電流の放電から保護する保護回路としては、図７に示す電池パック１２１のように、二次電池１２２とＰＴＣ素子１２３とを直列に接続し、例えば外部接続端子１２４，１２５に接続された充電装置１２６が故障した場合等、充電が過剰となって二次電池１２２が発熱したりＰＴＣ素子１２３が自己発熱したりすることによって、ＰＴＣ素子１２３が加熱されると、ＰＴＣ素子１２３がオフして充電電流を遮断し、二次電池１２２を保護するようにしたものが知られている。

また、図８に示す電池パック１３１のように、所定の温度を超えた場合にオフするサーミスタであるＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子であるＰＴＣ素子１３２を用いて、二次電池１３３とＰＴＣ素子１３２とを直列に接続し、例えば外部接続端子１３４，１３５に接続された充電装置１３６が故障した場合等、充電が過剰となって二次電池１３３が発熱したりＰＴＣ素子１３２が自己発熱したりすることによって、ＰＴＣ素子１３２が加熱されると、ＰＴＣ素子１３２がオフして充電電流を遮断し、二次電池１３３を保護するようにしたものが知られている。
特開平４−７５４３０号公報

しかしながら、図６に示す保護回路１０２は、ＦＥＴには寄生ダイオードが有るために、電流の流れる方向が異なる放電電流と充電電流とを一つのＦＥＴで遮断することができず、放電電流を遮断するＦＥＴ１０６と、充電電流を遮断するＦＥＴ１０７とを備える必要があった。また、過充電を検出するために基準電圧源１０８とコンパレータ１１０とを必要とし、過大な放電電流を検出するために基準電圧源１０９とコンパレータ１１１と抵抗１１２とを必要とし、コンパレータ１１０，１１１の出力信号に基づき２つのＦＥＴ１０６，１０７をオン・オフさせる論理回路１１３を必要とするため、保護回路１０２の回路規模が増大するという不都合があった。

更に、図７や図８に示すように、ＰＴＣ素子等の温度によって動作する温度スイッチを二次電池と直列に接続することで二次電池を過充電から保護する構成では、過充電を検出する精度が低いため、例えば充電電圧の制御精度の低い粗悪な充電装置によって電池パックの充電が行われた場合のように、温度が急激に上昇しない程度の充電電流で二次電池の充電が継続されると、温度スイッチが動作しないまま二次電池が過充電され、二次電池の特性が劣化したり、電池の膨張や変形等を招いたりするおそれがあるという不都合があった。

本発明は、このような問題に鑑みて為された発明であり、簡素な回路で二次電池を過剰な充電や過大な放電電流から保護することができる保護回路を提供することを目的とする。

本発明による保護回路は、二次電池を充電する充電装置及び／又は前記二次電池からの放電電流により駆動される負荷機器を接続するための第１及び第２の接続端子と、二次電池の両極に接続される第３及び第４の接続端子と、前記第１及び第３の接続端子間に設けられ、所定の温度を超えた場合にオフするＰＴＣ素子と、前記ＰＴＣ素子を加熱するヒータと、前記二次電池の電圧が、予め設定された基準電圧を超えた場合に前記ヒータを発熱させて前記ＰＴＣ素子をオフさせる過充電保護制御部とを備えることを特徴とする。

また、上記構成において、前記ヒータは、一端が前記第１の接続端子に接続され、他端が前記過充電保護制御部の出力端子に接続されていることが好ましい。

また、上記構成において、前記ヒータは、一端が前記第３の接続端子に接続され、他端が前記過充電保護制御部の出力端子に接続されていることが好ましい。

また、上記構成において、前記過充電保護制御部は、前記二次電池の電圧が、前記基準電圧を超えたか否かを検出する過充電検知部と、前記過充電検知部の出力端子と前記ヒータとの間に接続されたスイッチング素子とを備え、前記過充電検知部は、前記二次電池の電圧が前記基準電圧を超えた場合、前記スイッチング素子をオンさせ、前記二次電池の電圧が前記基準電圧以下の場合、前記スイッチング素子をオフさせることが好ましい。

また、上記構成において、前記過充電検知部は集積回路であり、前記スイッチング素子は、前記過充電検知部の出力端子がゲートに接続された電界効果型トランジスタであることが好ましい。

また、上記構成において、前記過充電検知部は、出力端子が前記スイッチング素子に接続されたコンパレータと、前記コンパレータの一方の入力端子に前記基準電圧を印加する基準電圧源と、前記コンパレータの他方の入力端子と前記第３の接続端子との間に接続された抵抗とを備えることが好ましい。

本発明による保護回路は、二次電池を充電する充電装置及び／又は前記二次電池からの放電電流により駆動される負荷機器を接続するための第１及び第２の接続端子と、二次電池の両極に接続される第３及び第４の接続端子と、前記第１及び第３の接続端子間に設けられ、所定の温度を超えた場合にオフするＰＴＣ素子と、前記ＰＴＣ素子と前記第１の接続端子との間に接続された過充電防止トランジスタと、前記二次電池の電圧が、所定の基準電圧を超えたか否かを検出し、前記二次電池の電圧が、前記基準電圧を超えた場合、前記過充電防止トランジスタをオフする過充電検知部とを備えることを特徴とする。

また、上記構成において、前記過充電検知部により、二次電池の過充電が検出されたとき、前記過充電防止トランジスタをオフするスイッチングトランジスタを更に備え、前記スイッチングトランジスタと前記過充電検知部とを集積回路にしたことが好ましい。

請求項１記載の発明によれば、二次電池からの放電電流が所定の電流値を超えた場合にＰＴＣ素子が自己発熱によりオフして放電電流を遮断するので、二次電池を過大な放電電流から保護することができる。そのため、図６示すような過放電防止用のＦＥＴ１０６、基準電圧源１０９、及び過大な放電電流を検出するためのコンパレータ１１１が不要となり、回路の簡素化を図ることができる。また、充電電圧が予め設定された基準電圧を超えた場合に、過充電保護制御部によってヒータが発熱され、ヒータによりＰＴＣ素子が加熱されることによってＰＴＣ素子がオフして充電電流を遮断するので、二次電池を過充電から保護することができる。また、放電電流と充電電流とを一つのＰＴＣ素子により遮断することができるため、回路を簡素化することができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同様の作用効果を奏することができる。

請求項３記載の発明によれば、ヒータは一端が第３の接続端子に接続されているため、ＰＴＣ素子のオフ状態に流れる微弱な充電電流が、ヒータを介して過充電保護制御部側に流れることにより、この微弱な電流が二次電池側へ流れることが防止され、二次電池の過充電をより確実に防止することができる。

請求項４記載の発明によれば、ヒータのオン・オフをスイッチング素子を用いて行なっているため、二次電池の過充電をより正確に防止することができる。

請求項５記載の発明によれば、過充電検知部を集積回路化すると共に、スイッチング素子として、電界効果型のトランジスタを用いたため、回路の小型化を図ることができる。

請求項６記載の発明によれば、コンパレータが基準電圧と二次電池の電圧とを比較してスイッチング素子のオン・オフを制御するため、二次電池の過充電をより正確に検知することができる。

請求項７記載の発明によれば、二次電池からの放電電流が所定の電流値を超えた場合にＰＴＣ素子が自己発熱によりオフして放電電流を遮断するので、二次電池を過大な放電電流から保護することができる。そのため、図６示すような過放電防止用のＦＥＴ１０６、基準電圧源１０９、及び過大な放電電流を検出するためのコンパレータ１１１が不要となり、回路の簡素化を図ることができる。また、充電電圧が予め設定された基準電圧を超えた場合に、過充電保護制御部によって過充電防止トランジスタがオフされるため、二次電池への充電電流が遮断され、二次電池を過充電から保護することができる。

請求項８記載の発明によれば、過充電防止トランジスタをスイッチトランジスタによりオン・オフさせるため、電流定格の大きな過充電防止トランジスタのオン・オフ制御を精度よく行なうことができると共に、スイッチングトランジスタは、電流定格の小さなトランジスタを採用することができるため、過電流検出回路と併せて集積回路にすることが可能となり、回路規模を小さくすることができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る電池パックの一例を示す分解斜視図である。図１に示す電池パック１は、有底の容器２と、外部接続端子ユニット３と、容器２と外部接続端子ユニット３との間に挿入される板状のスペーサ４とを備えている。容器２には、二次電池６が収容され、かしめ封口されており、二次電池６に凸状に設けられた正極端子６１が容器２の開口端から突出するようにされている。また、容器２は、ニッケルメッキを表面に施した鋼板から構成されており、二次電池６の負極が容器２の内部で容器２と接続されている。

外部接続端子ユニット３は、例えば樹脂成形されたケース３１を備えて構成され、充電装置や負荷機器を接続するための接続端子Ｔ１，Ｔ２がケース３１の表面に露出して設けられている。また、接続端子Ｔ２と接続された、例えば板状の金属により構成された接続端子Ｔ４が、容器２と接続される方向に突出して設けられている。

図２は、図１に示す電池パック１の電気的構成の一例を示す回路図である。図１に示す電池パック１は、保護回路５と、二次電池６とを備えている。二次電池６は、例えばリチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、ニッケル水素二次電池、あるいはニッケルカドミウム二次電池等の充電可能な二次電池である。保護回路５は、二次電池６を過剰な充電や、過大な放電電流から保護する保護回路である。

保護回路５は、外部接続端子ユニット３の内部に配設されており、接続端子Ｔ１（第１の接続端子）、接続端子Ｔ２（第２の接続端子）、接続端子Ｔ３（第３の接続端子）、接続端子Ｔ４（第４の接続端子）、ＰＴＣ素子ＳＷ１、コンパレータＣＭＰ１、基準電圧源Ｅ１、抵抗Ｒ１、トランジスタＱ１、及びヒータＲ２を備えている。接続端子Ｔ３及び接続端子Ｔ４は、二次電池６の両極に、それぞれ接続される接続端子である。

接続端子Ｔ１及び接続端子Ｔ２は、二次電池６を充電する図略の充電装置及び／又は二次電池６からの放電電流により駆動される負荷機器を接続するための接続端子である。負荷機器は、例えば携帯電話機、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯型パーソナルコンピュータ、電動工具等、電池で駆動される種々の電気機器である。

ＰＴＣ素子ＳＷ１は、ポリマ系のＰＴＣサーミスタ（ＰＴＣ：Positive Temperature Coefficient＝正の温度係数を持つサーミスタ）で、素子温度がある温度より上昇すると急減に抵抗値が変化する復帰型の感熱スイッチである。

図３は、ＰＴＣ素子の温度特性を示したグラフであり、縦軸は抵抗の値を示し横軸は温度を示している。図３に示すように、温度が１２５℃より低い領域では、ＰＴＣ素子の抵抗の上昇はなだらかに変化しているが、１２５℃を超えたあたりから抵抗の値が急激に上昇していることが分かる。

ここで、グラフの傾きが急峻となる変曲点の温度を動作温度Ｔｓｗ１と呼ぶことにする。従って、ＰＴＣ素子ＳＷ１は、過電流により内部の温度が動作温度Ｔｓｗ１を超える、又は、外部加熱により内部の温度が動作温度Ｔｓｗ１を超えるとオフすることになる。動作温度Ｔｓｗ１としては、例えば二次電池６の特性を劣化させない温度範囲における最高温度が設定されているものとする。

ヒータＲ２は、例えば正の温度特性、すなわち温度の増減に応じて抵抗値が増減するＰＴＣサーミスタが用いられる。これにより、ヒータＲ２に電圧を印加すると、ヒータＲ２の自己発熱によってヒータＲ２の抵抗値が増大し、ヒータＲ２を流れる電流が減少する結果、ヒータＲ２の温度は最終的に、最終到達温度Ｔｈで一定となる。最終到達温度Ｔｈは、ＰＴＣ素子ＳＷ１の動作温度Ｔｓｗ１を超える温度であって、二次電池６や保護回路５を損傷しない程度の温度が設定されている。これにより、ヒータＲ２の発熱によって二次電池６や保護回路５を損傷したりすることを抑制することができる。

接続端子Ｔ３は、二次電池６の正極に接続され、二次電池６の負極は接続端子Ｔ４に接続されている。また、接続端子Ｔ１は、ＰＴＣ素子ＳＷ１を介してコンパレータＣＭＰ１の電源供給端子に接続され、接続端子Ｔ２はコンパレータＣＭＰ１のグラウンド端子に接続されて、二次電池６からコンパレータＣＭＰ１の動作用電源電圧が供給される。

トランジスタＱ１は、ｎチャネル電界効果型トランジスタであり、ゲートがコンパレータＣＭＰ１の出力端子に接続され、ドレインがヒータＲ２に接続され、ソースが接続端子Ｔ２に接続されている。

基準電圧源Ｅ１は、二次電池６の過充電を検出するための判断基準となる基準電圧Ｖｒｅｆ１を出力する電圧発生回路である。これにより、コンパレータＣＭＰ１の反転入力端子（−端子）に基準電圧Ｖｒｅｆ１が印加され、接続端子Ｔ３，Ｔ４間の端子電圧、すなわち二次電池６の充電電圧Ｖｃが基準電圧Ｖｒｅｆ１を超えるとコンパレータＣＭＰ１によってトランジスタＱ１のゲート電圧がハイレベルにされ、トランジスタＱ１がオンされて、ヒータＲ２が発熱する。

また、コンパレータＣＭＰ１は、充電電圧Ｖｃが基準電圧Ｖｒｅｆ１付近となった場合におけるノイズの影響を低減するために、入力電圧にヒステリシスを有するコンパレータが用いられている。コンパレータＣＭＰ１の非反転入力端子（＋端子）には、抵抗Ｒ１を介してＰＴＣ素子ＳＷ１が接続されている。

なお、コンパレータＣＭＰ１、抵抗Ｒ１、及び基準電圧源Ｅ１は、例えば集積化されて構成され、集積回路ＩＣ１とされている。この場合、集積回路ＩＣ１及びトランジスタＱ１は、過充電保護制御部の一例に相当している。また、コンパレータＣＭＰ１、抵抗Ｒ１、及び基準電圧源Ｅ１は、過充電検知部の一例に相当している。

次に、上述のように構成された保護回路５の動作について説明する。まず、保護回路５による過充電の保護動作について説明する。ＰＴＣ素子ＳＷ１がオンしている状態で接続端子Ｔ１，Ｔ２に図略の充電装置が接続され、充電装置から充電電圧Ｖｃが接続端子Ｔ１，Ｔ２間に印加されると、ＰＴＣ素子ＳＷ１、及び接続端子Ｔ３を介して二次電池６へ充電電圧Ｖｃによる充電が行われる。

充電電圧Ｖｃは、正常時は例えば最大４．２Ｖであり、基準電圧源Ｅ１は、基準電圧Ｖｒｅｆ１として例えば４．３Ｖが設定されている。

従って、充電装置が故障する或いは充電装置の出力電圧精度が低い等の理由によって充電電圧ＶｃがＶｒｅｆ１を超えると、コンパレータＣＭＰ１によってトランジスタＱ１がオンされ、接続端子Ｔ１からヒータＲ２に電流が流れ、ＰＴＣ素子ＳＷ１が加熱される。そして、ＰＴＣ素子ＳＷ１の温度が動作温度Ｔｓｗ１に達すると、ＰＴＣ素子ＳＷ１がオフして充電電流が遮断され、二次電池６が過充電から保護される。

次に、ＰＴＣ素子ＳＷ１がオフして充電電流が遮断されることによって、接続端子Ｔ３の電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ１以下になると、コンパレータＣＭＰ１によってトランジスタＱ１がオフされ、ヒータＲ２に流れる電流がゼロとなる。そして、自然冷却によりＰＴＣ素子ＳＷ１の温度が動作温度Ｔｓｗ１を下回ると、ＰＴＣ素子ＳＷ１がオンして過充電保護状態から通常状態に復帰する。

この場合、コンパレータＣＭＰ１によって過充電が検出され、ヒータＲ２によりＰＴＣ素子ＳＷ１を加熱することによってＰＴＣ素子ＳＷ１をオフさせるので、例えば図７や図８に示すように二次電池と直列に接続された温度スイッチのみによって過充電保護を行う場合よりも過充電を検出する精度を向上させることができ、過充電保護動作が行われないまま二次電池６が過充電されたり、二次電池６の特性が劣化したり、二次電池６の膨張や変形等を招いたりするおそれを低減することができる。

次に、二次電池６からの放電電流が過大になった場合の保護回路５による保護動作について説明する。まず、ＰＴＣ素子ＳＷ１がオンしている状態で、例えば接続端子Ｔ１，Ｔ２に金属片が接触したり、接続端子Ｔ１，Ｔ２に接続された図略の携帯電話機等の負荷機器が故障したりすることによって、接続端子Ｔ１，Ｔ２が短絡、又は接続端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値が低抵抗になると、二次電池６からＰＴＣ素子ＳＷ１とを介して放電される電流が増大し、ＰＴＣ素子ＳＷ１が加熱される。

そして、ＰＴＣ素子ＳＷ１の温度が動作温度Ｔｓｗ１に達すると、ＰＴＣ素子ＳＷ１がオフして二次電池６の放電電流が遮断され、二次電池６が過大な放電電流から保護される。

次に、充電中に集積回路ＩＣ１が故障した場合について、説明する。充電中に集積回路ＩＣ１が故障し、充電器の電圧制御も働かなくなると、二次電池６は、満充電を通り超して過充電状態となる。

しかしながら、二次電池６が過充電されると、二次電池６自身の温度が上昇し、二次電池６とＰＴＣ素子ＳＷ１とが熱結合されているため、この温度によってＰＴＣ素子ＳＷ１は加熱され、動作温度Ｔｓｗ１に達するとオフ状態となって、充電器からの充電電流が遮断される。このようにして、保護回路５は、過充電保護動作を行う。

このように第１実施形態の保護回路５によれば、二次電池からの放電電流が所定の電流値を超えた場合に自己発熱によりＰＴＣ素子がオフして放電電流を遮断するので、二次電池を過大な放電電流から保護することができる。また、充電電圧が予め設定された基準電圧を超えた場合に、過充電保護制御部によってヒータが発熱され、ヒータによりＰＴＣ素子が加熱されることによってＰＴＣ素子がオフして充電電流を遮断するので、二次電池を過剰な充電から保護することができる。また、放電電流と充電電流とを一つのＰＴＣ素子により遮断することができるので、回路を簡素化することができる。更に、ＰＴＣ素子ＳＷ１は二次電池６により加熱され、動作温度Ｔｓｗ１に達すると、充電器からの充電電流を遮断するため、充電中に集積回路ＩＣ１が故障しても、二次電池６を過充電から保護することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る保護回路を備えた電池パックについて説明する。本発明の第２の実施形態に係る電池パック１ａの外観は、図１に示す電池パック１と同様である。図４は、本発明の第２実施形態に係る電池パック１ａの電気的構成の一例を示す回路図である。図４に示す電池パック１ａは、図２に示す電池パック１とは、保護回路５の構成が異なる。すなわち、第１実施形態にかかる保護回路５では、ＰＴＣ素子の接続端子Ｔ１側の端子にヒータＲ２を接続していたが、第２実施形態にかかる保護回路５ａでは、ＰＴＣ素子ＳＷ１の二次電池６側の端子にヒータＲ２を接続したことを特徴としている。

次に、第２実施形態の保護回路５ａの動作について説明する。まず、保護回路５ａによる過充電の保護動作について説明する。ＰＴＣ素子ＳＷ１がオンしている状態で接続端子Ｔ１，Ｔ２に図略の充電装置が接続され、充電装置から充電電圧Ｖｃが接続端子Ｔ１，Ｔ２間に印加されると、ＰＴＣ素子ＳＷ１、及び接続端子Ｔ３を介して二次電池６へ充電電圧Ｖｃによる充電が行われる。

そして、例えば図略の充電装置が故障する或いは充電装置の出力電圧精度が低い等の理由により充電電圧ＶｃがＶｒｅｆ１を超えると、コンパレータＣＭＰ１によってトランジスタＱ１がオンされ、接続端子Ｔ１からＰＴＣ素子ＳＷ１を介してヒータＲ２に電流が流れ、ＰＴＣ素子ＳＷ１が加熱される。そして、ＰＴＣ素子ＳＷ１の温度が動作温度Ｔｓｗ１に達すると、ＰＴＣ素子ＳＷ１がオフして充電電流が遮断され、二次電池６が過充電から保護される過充電保護状態となる。

ＰＴＣ素子ＳＷ１は、オフ状態において僅かではあるが電流が流れる。しかしながら、第２実施形態では、ヒータＲ２は、ＰＴＣ素子ＳＷ１の二次電池６側の端子に接続されているため、過充電保護状態においてＰＴＣ素子ＳＷ１に流れる微弱な電流は、オンしているトランジスタＱ１側へと流れる。その結果、二次電池６の過充電をより確実に防止することができる。

次に、ＰＴＣ素子ＳＷ１がオフして充電電流が遮断されることによって、接続端子Ｔ３の電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ１以下になると、コンパレータＣＭＰ１によってトランジスタＱ１がオフされ、ヒータＲ２に流れる電流がゼロにされる。そして、自然冷却によりＰＴＣ素子ＳＷ１の温度が動作温度Ｔｓｗ１を下回ると、ＰＴＣ素子ＳＷ１がオンして過充電保護状態から通常状態に復帰する。

次に、二次電池６からの放電電流が過大になった場合の保護回路５ａによる保護動作について説明する。まず、ＰＴＣ素子ＳＷ１がオンしている状態で、例えば接続端子Ｔ１，Ｔ２に金属片が接触したり、接続端子Ｔ１，Ｔ２に接続された図略の携帯電話機等の負荷機器が故障したりすることによって、接続端子Ｔ１，Ｔ２が短絡、又は接続端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値が低抵抗になると、二次電池６からの放電電流が増大し、ＰＴＣ素子ＳＷ１が加熱される。

そして、ＰＴＣ素子ＳＷ１の温度が動作温度Ｔｓｗ１に達すると、ＰＴＣ素子ＳＷ１がオフして二次電池６の放電電流が遮断され、二次電池６が過大な放電電流から保護される。

以上説明したように第２実施形態による保護回路５ａによれば、ヒータＲ２をＰＴＣ素子ＳＷ１の二次電池６側の端子に接続したため、第１実施形態の効果に加えて、二次電池６の過充電をより確実に防止することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る保護回路を備えた電池パックについて説明する。本発明の第３実施形態に係る電池パック１ｂの外観は、図１に示す電池パック１と同様である。図５は、本発明の第３実施形態に係る電池パック１ｂの電気的構成の一例を示す回路図である。図５に示す電池パック１ｂは、図２に示す電池パック１とは、保護回路５ｂの構成が異なる。すなわち、図５に示す保護回路５ｂは、保護回路５に対して、ヒータＲ２を削除し、ＰＴＣ素子ＳＷ１に過充電防止トランジスタＦＥＴ１を接続し、トランジスタ（スイッチングトランジスタ）Ｑ１を集積回路ＩＣ１に含ませていることを特徴としている。なお、第１実施形態と同一のものは同一の符号を付し、説明を省く。

過充電防止トランジスタＦＥＴ１は、ｐチャネル電界効果型トランジスタであり、ゲートがトランジスタＱ１のドレインに接続され、ドレインがＰＴＣ素子ＳＷ１に接続され、ソースが接続端子Ｔ１に接続されている。コンパレータＣＭＰ１の＋端子には基準電圧源Ｅ１が接続され、−端子には抵抗Ｒ１を介してＰＴＣ素子ＳＷ１が接続されている。

次に、第３実施形態の保護回路５ｂの動作について説明する。正常状態において、充電電圧Ｖｃは基準電圧Ｖｒｅｆ１以下であるため、コンパレータＣＭＰ１はトランジスタＱ１のゲート端子をハイレベルにし、トランジスタＱ１をオンにする。このとき、過充電防止トランジスタＦＥＴ１はオンするため、二次電池６は充電電圧Ｖｃが印加され充電される。

そして、例えば図略の充電装置が故障する、或いは充電装置の出力電圧精度が低い等の理由により充電電圧ＶｃがＶｒｅｆ１を超えると、コンパレータＣＭＰ１はトランジスタＱ１のゲート電圧をローレベルにし、トランジスタＱ１がオフする。これにより過充電防止トランジスタＦＥＴ１はオフされて充電電流が遮断され、二次電池６が過充電から保護される。

再び、二次電池６の充電電圧Ｖｃが基準電圧Ｖｒｅｆ１以下になると、コンパレータＣＭＰ１によってトランジスタＱ１及び過充電防止トランジスタＦＥＴ１はオンされ、過充電保護状態から通常状態に復帰する。

次に、二次電池６からの放電電流が過大になった場合の保護回路５ｂによる保護動作について説明する。まず、ＰＴＣ素子ＳＷ１がオンしている状態で、例えば接続端子Ｔ１，Ｔ２に金属片が接触したり、接続端子Ｔ１，Ｔ２に接続された図略の携帯電話機等の負荷機器が故障したりすることによって、接続端子Ｔ１，Ｔ２が短絡、又は接続端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値が低抵抗になると、二次電池６からの放電電流が増大し、ＰＴＣ素子ＳＷ１は自己加熱する。

そして、ＰＴＣ素子ＳＷ１の温度が動作温度Ｔｓｗ１に達すると、ＰＴＣ素子ＳＷ１がオフして二次電池６の放電電流が遮断され、二次電池６が過大な放電電流から保護される。

次に、充電中に集積回路ＩＣ１、過充電防止トランジスタＦＥＴ１が故障した場合について、説明する。充電中に集積回路ＩＣ１が故障し、充電器の電圧制御も働かなくなると、二次電池６は、満充電を通り超して過充電状態となる。

しかしながら、二次電池６が過充電されると、二次電池６自身の温度が上昇し、この温度によってＰＴＣ素子ＳＷ１が加熱され、動作温度Ｔｓｗ１に達すると、ＰＴＣ素子ＳＷ１はオフし、充電器からの充電電流を遮断する。このようにして、保護回路５ｂは、過充電保護動作を行う。

このように第３実施形態による保護回路５ｂによれば、充電電圧Ｖｃが基準電圧Ｖｒｅｆ１を超えると、トランジスタＱ１及び過充電防止トランジスタＦＥＴ１がオフされるため、二次電池６の過充電を防止することができる。また、放電電流が過大となって、ＰＴＣ素子ＳＷ１の温度が動作温度Ｔｓｗ１に達すると、放電電流が遮断されるため、二次電池６に過大な放電電流が流れることを防止することができる。更に、ＰＴＣ素子ＳＷ１は二次電池６により加熱され、動作温度Ｔｓｗ１に達すると、充電器からの充電電流を遮断するため、充電中に集積回路ＩＣ１が故障しても、二次電池６を過充電から保護することができる。

なお、第３実施形態では、トランジスタＱ１を設けたが、これに限定されず、トランジスタＱ１を省き、コンパレータＣＭＰ１が直接過充電防止トランジスタＦＥＴ１をオン・オフしてもよい。

本発明の保護回路及び電池パックは、簡素な回路で二次電池を過剰な充電や過大な放電電流から保護することができる保護回路及び電池パックを実現することができ、モバイル機器や駆動用電源として有用である。

本発明の一実施形態に係る電池パックの一例を示す分解斜視図である。 図１に示す電池パック１の電気的構成の一例を示す回路図である。 ＰＴＣ素子の温度特性を示したグラフであり、縦軸は素子抵抗を示し、横軸は素子温度を示している。 本発明の第２実施形態に係る電池パック１ａの電気的構成の一例を示す回路図である。 本発明の第３実施形態に係る電池パック１ｂの電気的構成の一例を示す回路図である。 背景技術に係る電池パックの構成を示す回路図である。 背景技術に係る電池パックの構成を示す回路図である。 背景技術に係る電池パックの構成を示す回路図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ 電池パック
２ 容器
３ 外部端子接続ユニット
４ スペーサ
５，５ａ，５ｂ 保護回路
６ 二次電池
３１ ケース
ＣＭＰ１ コンパレータ
Ｅ１ 基準電圧源
ＩＣ１ 集積回路
Ｑ１ トランジスタ
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ ヒータ
ＳＷ１ ＰＴＣ素子
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４ 接続端子

Claims (8)

1. 二次電池を充電する充電装置及び／又は前記二次電池からの放電電流により駆動される負荷機器を接続するための第１及び第２の接続端子と、
   二次電池の両極に接続される第３及び第４の接続端子と、
   前記第１及び第３の接続端子間に設けられ、所定の温度を超えた場合にオフするＰＴＣ素子と、
   前記ＰＴＣ素子を加熱するヒータと、
   前記二次電池の電圧が、予め設定された基準電圧を超えた場合に前記ヒータを発熱させて前記ＰＴＣ素子をオフさせる過充電保護制御部とを備えることを特徴とする保護回路。
2. 前記ヒータは、一端が前記第１の接続端子に接続され、他端が前記過充電保護制御部の出力端子に接続されていることを特徴とする請求項１記載の保護回路。
3. 前記ヒータは、一端が前記第３の接続端子に接続され、他端が前記過充電保護制御部の出力端子に接続されていることを特徴とする請求項１記載の保護回路。
4. 前記過充電保護制御部は、
   前記二次電池の電圧が、前記基準電圧を超えたか否かを検出する過充電検知部と、
   前記過充電検知部の出力端子と前記ヒータとの間に接続されたスイッチング素子とを備え、
   前記過充電検知部は、前記二次電池の電圧が前記基準電圧を超えた場合、前記スイッチング素子をオンさせ、前記二次電池の電圧が前記基準電圧以下の場合、前記スイッチング素子をオフさせることを特徴とする請求項２又は３記載の保護回路。
5. 前記過充電検知部は集積回路であり、
   前記スイッチング素子は、前記過充電検知部の出力端子がゲートに接続された電界効果型トランジスタであることを特徴とする請求項４記載の保護回路。
6. 前記過充電検知部は、
   出力端子が前記スイッチング素子に接続されたコンパレータと、
   前記コンパレータの一方の入力端子に前記基準電圧を印加する基準電圧源と、
   前記コンパレータの他方の入力端子と前記第３の接続端子との間に接続された抵抗とを備えることを特徴とする請求項４又は５記載の保護回路。
7. 二次電池を充電する充電装置及び／又は前記二次電池からの放電電流により駆動される負荷機器を接続するための第１及び第２の接続端子と、
   二次電池の両極に接続される第３及び第４の接続端子と、
   前記第１及び第３の接続端子間に設けられ、所定の温度を超えた場合にオフするＰＴＣ素子と、
   前記ＰＴＣ素子と前記第１の接続端子との間に接続された過充電防止トランジスタと、
   前記二次電池の電圧が、所定の基準電圧を超えたか否かを検出し、前記二次電池の電圧が、前記基準電圧を超えた場合、前記過充電防止トランジスタをオフする過充電検知部とを備えることを特徴とする保護回路。
8. 前記過充電検知部により、二次電池の過充電が検出されたとき、前記過充電防止トランジスタをオフするスイッチングトランジスタを更に備え、
   前記スイッチングトランジスタと前記過充電検知部とを集積回路にしたことを特徴とする請求項７記載の保護回路。

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