JP2006320078A - バッテリ保護装置及びバッテリ保護方法並びにバッテリ保護装置を有する電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 バッテリパック内のバッテリの過放電をモータ駆動側回路側の制御用スイッチング素子により制御し、テ過放電を防止して、寿命を延長させる。
【解決手段】 バッテリ保護装置内の過放電保護用の電界効果ランンジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を電子機器２０内のスピード制御用のモータ駆動用のＭＯＳＦＥＴ１７と兼用するように成したバッテリ保護装置及びその保護方法並びにバッテリ保護装置を有する電子機器を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バッテリパックの過充電及び過放電保護装置及びその保護方法並びにバッテリ保護装置を有する電子機器に係わり、特に、バッテリ保護装置内の過放電保護用の電界効果ランンジスタ（以下ＦＥＴと記す）を電子機器内のスピード制御用のモータ駆動用のＦＥＴと兼用するように成したバッテリ保護装置及びその保護方法並びにバッテリ保護装置を有する電子機器に関する。

従来から、充電装置のバッテリ保護装置のモータ駆動回路側にも保護回路を設け、バッテリを内蔵したバッテリの過放電を有効に防止した電子機器が特許文献１に開示されている。

図３は、特許文献１に開示のバッテリを内蔵した電気かみそりや電動歯ブラシ等の電気機器の回路を示すものである。図３に於いて、電気機器は、バッテリ１と、バッテリ１を電源として動作する負荷（モータ）２と、この負荷２と並列に接続している電池充電制御回路３と、バッテリ１を過充電と過放電から防止する保護回路４とを備える。

バッテリ１はリチウムイオン電池である。リチウムイオン電池は、大きさや重さに対する充電容量が大きく、小型軽量化が可能だが長期間過放電した状態に放置すると不活性になって充電しても充電容量を回復できなくなるが、この図３の構成では、この過放電を防止するためのサブ保護回路を備えている。

電池充電制御回路３は、電池の残容量演算回路、演算した残容量表示回路、バッテリ１の充放電制御回路等である。又、バッテリ１の電圧が低下して、保護回路４で負荷２の電流が遮断された後も、バッテリ１から電力が供給され、バッテリ電圧がさらに低下すると、保護回路４で電力の供給が遮断される。

保護回路４は、主保護回路４Ａとサブ保護回路４Ｂとを備える。主保護回路４Ａは、バッテリ１の電圧を検出してバッテリ電圧が設定電圧よりも低くなると、バッテリ１の放電を停止する。主保護回路４Ａは、第１保護回路４ａと第２保護回路４ｂを備えている。第１保護回路４ａは負荷２に直列に接続されて、バッテリ１の電圧が第１設定電圧以下になると負荷２に流れる電流を遮断する。第２保護回路４ｂはバッテリ１と直列に接続されて、バッテリ１の電圧が第２設定電圧以下に低下すると、バッテリ１から流れる電流を遮断する。

第１保護回路４ａと第２保護回路４ｂは、電流を遮断する設定電圧が異なり、第１設定電圧は第２設定電圧よりも高く、いいかえると、第２設定電圧を第１設定電圧よりも低く設定している。バッテリ１が放電して、第１設定電圧になると第１保護回路４ａが負荷２に流れる電流を遮断する。この状態で、第１保護回路４ａは、電池充電制御回路３に流れる電流を遮断しない。さらにバッテリ１が放電されて、第２設定電圧になると第２保護回路４ｂが、バッテリ１から流れる全ての電流を遮断する。この状態で、負荷２と電池充電制御回路３の両方に流れる電流が遮断される。

第１保護回路４ａと第２保護回路４ｂは、電圧検出回路５Ａ、５Ｂとスイッチング素子６Ａ、６Ｂとを備える。スイッチング素子６Ａ、６Ｂは、ＦＥＴまたはトランジスタ等の半導体スイッチング素子で、オン状態でバッテリ１を放電できる方向に接続されている。第１保護回路４ａのスイッチング素子６Ａは、負荷２と直列に接続されて、負荷２に流れる電流を遮断する。第２保護回路４ｂのスイッチング素子６Ｂは、バッテリ１と直列に接続されて、バッテリ１から流れる電流を遮断する。電圧検出回路５Ｂは、二次電池１の電圧を検出して設定電圧と比較し、バッテリ電圧が設定電圧以下になるとスイッチング素子６Ｂをオフとし、バッテリ電圧が設定電圧よりも高いときに、スイッチング素子６Ｂをオンに制御する。

第２保護回路４ｂは、バッテリ１を内蔵するバッテリパック１０に配設されている。即ち、第２保護回路４ｂを内蔵しているバッテリパック１０を電気機器にセットしているので、バッテリパック１０と並列にバッテリ１及び第２保護回路４ｂと直列接続した回路に対して、並列にサブ保護回路４Ｂを接続している。

サブ保護回路４Ｂはダイオード７とサブ電池８とを備え、ダイオード７を介してサブ電池８をバッテリ１に接続している。サブ保護回路４Ｂは、バッテリ１の電圧が低下すると、ダイオード７を通じて、サブ電池８によりバッテリ１を補充電する。サブ電池８がバッテリ１を補充電できるように、ダイオード７はサブ電池８がバッテリ１を充電できる方向に接続している。さらに、ダイオード７は、バッテリ１を充電するときにサブ電池８に充電電流が流れるのを阻止する。

サブ電池８がバッテリ１を充電するときに、このサブ電池８はバッテリ１を補充電する状態を理想的な電圧値に調整する。サブ電池８は、バッテリ１が過放電になる電圧に低下するまで、バッテリ１を充電する必要がない。仮に、サブ電池８が常にバッテリ１を充電すると、サブ電池８は短期間で放電されてしまい、バッテリ１の過放電を長期間にわたって防止できなくなる。サブ電池８は、バッテリ１の電圧が、過放電される状態になるまで低下するときにかぎって、バッテリ１の充電を開始する。バッテリ１の電圧が過放電になるまで低下すると、サブ電池８がバッテッリ１を充電する。さらに、図のサブ保護回路４Ｂは、サブ電池８がバッテリ１を充電する充電電流を制限するために、ダイオード７と直列に電流制限抵抗９を接続している。サブ電池８は、バッテリ１の容量に比較して容量の小さいリチウム一次電池であるコイン電池が最適である旨の記載がある。

上述の特許文献１に開示されているバッテリを内蔵する電気機器は、電流を遮断するまでバッテリ電圧が低下する状態で長期間放置されても、バッテリの電圧が所定の電圧よりも低下すると、サブ保護回路のサブ電池で補充電されるのでバッテリの過放電を有効に防止して、寿命を延長しようとするものである。

一般的に、バッテリ保護装置を内蔵したバッテリパック１０を介して、モータ等の負荷２を駆動する様にした電子機器２０の構成は図４の様に構成されている。即ち、図４に於いて、１０はリチウムイオン等のバッテリパックであり、複数のリチウムバッテリを直列接続したバッテリ１の陽極と陰極間に並列に充放電制御回路１１が接続され、バッテリ１の陽極とバッテリパック１０の出力端子Ｔ１が接続されると共にバッテリ１の陰極と出力端子Ｔ２間には過放電保護用の例えば、ＮチャンネルＭＯＳ型の電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）１２及び過充電保護用のＭＯＳＦＥＴ１３の夫々のドレインＤを直列に接続し、夫々のソースＳをバッテリ１の陰極及び出力端子Ｔ２に接続する。充放電制御回路１１からの制御信号端子はＭＯＳＦＥＴ１２及びＭＯＳＦＥＴ１３のゲートＧに接続されると共にバッテリパック１０の出力端はＭＯＳＦＥＴ１３のソースＳと出力端子Ｔ４との接続点に接続することで保護回路４を構成する。尚、ＭＯＳＦＥＴ１及び１３並びに後述するＭＯＳＦＥＴ１７のドレインＤとソースＳ間には逆流防止用のダイオード２２，２３，２４が接続されている。

上述のバッテリパック１０と結合される電子機器としては、図４に於いては、負荷としてのモータ２を駆動制御するモータ駆動回路１８を有するディスク記録再生装置、ＶＴＲ等であり、モータ駆動回路１８の入力端子Ｔ３には負荷としてのモータ２が接続され、このモータ２の他端は制御用のＭＯＳＦＥＴ１７のドレインＤに接続され、このＭＯＳＦＥＴ１７のソースＳはモータ制御回路１８の入力端子Ｔ４に接続されている。入力端子Ｔ３には、スイッチ１５の一端が接続され、他端はスピード制御回路１６の入力端に接続されている。スピード制御回路１６の制御信号端子はＭＯＳＦＥＴ１７のゲートに接続されている。

上記した構成の組電池からなるバッテリ１に並列接続された、充放電制御回路１１はＭＯＳＦＥＴ１２及びＭＯＳＦＥＴ１３のゲートにゲート信号を供給することでＭＯＳＦＥＴ１２、１３をオフし、バッテリ１の過放電及び過充電を保護する様に成されている。

モータ駆動回路１８はスイッチ１５をオンすることでバッテリ１からスピード制御回路１６に電力が供給され、スピード制御回路からＭＯＳＦＥＴ１７のゲートＧにゲート信号を供給することでＭＯＳＦＥＴ１７をオンとし、モータ２をＰＷＭ（パルス幅変調）駆動制御する。通常時には充放電制御回路１１によりＭＯＳＦＥＴ１２、１３は共にオンされ、充電及び放電可能状態となる。放電時には、バッテリ１の電圧が過放電電圧を下回った場合には充放電制御回路１１にて、ＭＯＳＦＥＴ１２をオフさせ放電が不可能な状態とし、モータ２の駆動を停止する。充電時にバッテリ１の電圧が過充電電圧を上回った場合には充放電制御回路１１にてＭＯＳＦＥＴ１３をオフさせ充電が不可能な状態とする。この方式では放電の際に大電流の流れるライン２１にＭＯＳＦＥＴが３つ挿入されることになり電力損失が大きくなる。
特開２００１−３３９８６６号公報

本発明は上述の課題を解決するために成されたものであり、放電時大電流の流れるライン上から一つのＭＯＳＦＥＴを削減する事が出来る為、ＭＯＳＦＥＴの損失を軽減する事が可能となり、リチウムイオンバッテリパックの放電時間の延長が可能となる。また、省スペース化とコスト削減化が可能なバッテリ保護装置及びバッテリ保護方法並びにバッテリ保護装置を有する電子機器を提案することを目的とする。

本発明のバッテリ保護装置は、充放電可能なバッテリに並列接続された充放電制御回路と、この充放電制御回路で制御される第１のスイッチング素子とからなるバッテリパック及び、このバッテリパックに結合可能なモータと、このモータのスピードを制御するスピード制御回路と、このスピード制御回路で制御される第２のスイッチング素子とからなるモータ駆動回路とを有するバッテリ保護装置に於いて、バッテリの過放電時に充放電制御回路からスピード制御回路に過放電制御信号を送出し、第２のスイッチング素子を駆動してモータを非駆動状態としてバッテリパックの過放電を保護する様にしたものである。

本発明のバッテリ保護方法は、充放電可能なバッテリに並列接続された充放電制御回路で制御される第１のスイッチング素子を有するバッテリパックに結合可能なモータのスピードを制御するスピード制御回路で制御される第２のスイッチング素子を有するモータ駆動回路のバッテリ保護方法に於いて、バッテリの過放電時に充放電制御回路からスピード制御回路に過放電制御信号を送出し、第２のスイッチング素子を駆動してモータを非駆動状態としてバッテリパックの過放電を保護する様にしたものである。

本発明のバッテリ保護装置を有する電子機器は、充放電可能なバッテリに並列接続された充放電制御回路と、この充放電制御回路で制御される第１のスイッチング素子とからなるバッテリパック及び、このバッテリパックに結合可能なモータと、このモータのスピードを制御するスピード制御回路と、このスピード制御回路で制御される第２のスイッチング素子とからなるモータ駆動回路とを有するバッテリ保護装置を有する電子機器に於いて、バッテリの過放電時に充放電制御回路からスピード制御回路に過放電制御信号を送出し、第２のスイッチング素子を駆動してモータを非駆動状態としてバッテリパックの過放電を保護する様に成したものである。

本発明は上述の課題を解決するために成されたもので、本発明のバッテリ保護装置及びバッテリ保護方法並びにバッテリ保護装置を有する電子機器によると、放電時大電流の流れるライン上から一つのＭＯＳＦＥＴを削減する事が出来る為、ＭＯＳＦＥＴの損失を軽減する事が可能となり、リチウムイオンバッテリパックの放電時間の延長が可能とすることが出来る効果を生ずる。

以下、本発明の１形態例を図１及び図２によって説明する。図１は本発明のバッテリ保護装置を有する電子機器の１形態例を示す系統図、図２は本発明のバッテリ保護方法の１形態例のフローチャートである。

以下、図１によって本発明のバッテリ保護装置を有する電子機器を説明する。
図１はリチウムイオンのバッテリパックとモータ駆動回路を有する電子機器例を示す回路図であり、バッテリパック１０において、複数の充放電可能なリチウムイオンからなる組バッテリ１の陽陰極は充放電制御回路１１に並列接続され、バッテリ１の陽極とバッテリパック１０の出力端子Ｔ１を接続すると共に、バッテリ１の陰極に過充電保護用の例えば、ＮチャンネルＭＯＳ型の電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）１３のドレインＤを接続し、このＭＯＳＦＥＴ１３のソースＳと出力端子Ｔ２間を接続する。充電制御回路１１からの制御信号端子はＭＯＳＦＥＴ１２のゲートＧに接続されると共に、ＭＯＳＦＥＴ１２出力端子はＭＯＳＦＥＴ１３のソースＳと出力端子Ｔ４との接続点及びバッテリパック１０の出力端子Ｔ５に接続されている。
尚、ＭＯＳＦＥＴ１３と後述するＭＯＳＦＥＴ１７のドレインＤとソースＳ間には逆流防止用のダイオード２３，２４が接続されている。この様な構成により充放電制御回路１１は過充電保護用のＭＯＳＦＥＴ１３の制御及び過放電時に制御信号をバッテリパック１０の出力端子Ｔ５とモータ駆動回路１８の入力端子Ｔ６を介して電子機器２０内のスピード制御回路１６に送出する。

上述のバッテリパック１０と結合される電子機器としては、図１に於いては、負荷としてのモータ２を駆動制御するモータ駆動回路１８を有するディスク記録再生装置、ＶＴＲ、電気かみそり等であり、モータ駆動回路１８の入力端子Ｔ３には負荷としてのモータ２が接続され、このモータ２の他端は制御用のＭＯＳＦＥＴ１７のドレインＤに接続され、このＭＯＳＦＥＴ１７のソースＳはモータ駆動回路１８の入力端子Ｔ４に接続されている。入力端子Ｔ３にはスイッチ１５の一端が接続され、このスイッチ１５の他端はスピード制御回路１６の入力端に接続されている。スピード制御回路１６の制御信号端子はＭＯＳＦＥＴ１７のゲートに接続されている。さらにモータ駆動回路１８の入力端子Ｔ６はスピード制御回路１６の入力端子に接続されている。

上述の本発明の動作を図２により説明する。図２に於いて、リチウムイオンのバッテリパック１０は、通常時には充放電制御回路１１により第１ステップＳ１の様にＭＯＳＦＥＴ１３がオンされ充電が可能な状態となっている。次に、モータ駆動回路１８のモータ駆動用のスイッチ１５を第２ステップＳ２の様に「オン」することにより、リチウムイオンのバッテリ１よりスピード制御回路１６に電圧が供給され、スピード制御回路１６によって第３ステップＳ３の様に制御用のＭＯＳＦＥＴ１７を「オン」し、ＰＷＭ制御して第４ステップＳ４の様にモータ２を駆動させる。本発明の場合は、図４で説明した様な過放電保護用のＭＯＳＦＥＴ１２は存在しないため、リチウムイオンのバッテリパック１０は常に放電可能な状態となる。然し、充放電制御回路１１は放電の際にバッテリ１の電圧が過放電電圧を下回ったか否かを第５ステップＳ５の様に検出し、「ＮＯ」では第５ステップＳ５の頭に戻し、過放電電圧を下回った「ＹＥＳ」の際には充放電制御回路１１からスピード制御回路１６にライン２５を介して第６ステップＳ６の様に過放電信号が送られ、スピード制御回路１６により第７ステップＳ７の様にＭＯＳＦＥＴ１７を強制的にオフさせ放電が不可能な状態とし、第８ステップＳ８の様にモータ２の駆動を停止する。本発明によれば、保護回路４は制御用ＭＯＳＦＥＴ１７を過放電制御用野スイッチングトランジスタに兼用しているので、図４に比べ大電流の流れるライン２１に接続するＭＯＳＦＥＴが２つで済むため、ＭＯＳＦＥＴで生ずる損失を軽減する事が可能となる。

又、図１に示すリチウムイオンのバッテリパック１０では、充電及び放電が共通のライン２１で行われているが充電と放電を別ラインとなる様に構成すれば、放電ラインから過充電保護ＭＯＳＦＥＴがなくなるため、更に放電時のＭＯＳＦＥＴの損失の軽減が可能となる。

本発明によれば、放電時大電流の流れるライン上から一つのＭＯＳＦＥＴを削減する事が出来る為、ＭＯＳＦＥＴの損失を軽減する事が可能となり、リチウムイオンバッテリパックの放電時間の延長が可能となる。

本発明のバッテリ保護装置及びその保護方法並びにバッテリ保護装置を有する電子機器の１形態例を示す系統図である。 本発明のバッテリ保護装置及びその保護方法並びにバッテリ保護装置を有する電子機器のフローチャートである。 従来のバッテリ保護装置を有する電気機器の系統図である。 従来のバッテリ保護装置を有する電子機器の他の系統図である。

符号の説明

１・・・バッテリ、２・・・モータ｛負荷｝、１０・・・バッテリパック、１１・・・充放電制御回路、１３・・・充電保護用ＭＯＳＦＥＴ、１５・・・スイッチ、１６・・・スピード制御回路、１７・・・制御用ＭＯＳＦＥＴ、１８・・・モータ制御回路、２０・・・電子機器、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ５・・・出力端子、Ｔ３，Ｔ４，Ｔ６・・・入力端子

Claims (4)

1. 充放電可能なバッテリに並列接続された充放電制御回路と、該充放電制御回路で制御される第１のスイッチング素子とからなるバッテリパック及び、該バッテリパックに結合可能なモータと、該モータのスピードを制御するスピード制御回路と、該スピード制御回路で制御される第２のスイッチング素子とからなるモータ駆動回路とを有するバッテリ保護装置に於いて、
   前記バッテリの過放電時に前記充放電制御回路から前記スピード制御回路に過放電制御信号を送出し、前記第２のスイッチング素子を駆動して前記モータを非駆動状態として前記バッテリパックの過放電を保護する様に成したことを特徴とするバッテリ保護装置。
2. 充放電可能なバッテリに並列接続された充放電制御回路で制御される第１のスイッチング素子を有するバッテリパックに結合可能なモータのスピードを制御するスピード制御回路で制御される第２のスイッチング素子を有するモータ駆動回路のバッテリ保護方法に於いて、
   前記バッテリの過放電時に前記充放電制御回路から前記スピード制御回路に過放電制御信号を送出し、前記第２のスイッチング素子を駆動して前記モータを非駆動状態として前記バッテリパックの過放電を保護する様に成したことを特徴とするバッテリ保護方法。
3. 充放電可能なバッテリに並列接続された充放電制御回路と、該充放電制御回路で制御される第１のスイッチング素子とからなるバッテリパック及び、該バッテリパックに結合可能なモータと、該モータのスピードを制御するスピード制御回路と、該スピード制御回路で制御される第２のスイッチング素子とからなるモータ駆動回路とを有するバッテリ保護装置を有する電子機器に於いて、
   前記バッテリの過放電時に前記充放電制御回路から前記スピード制御回路に過放電制御信号を送出し、前記第２のスイッチング素子を駆動して前記モータを非駆動状態として前記バッテリパックの過放電を保護する様に成したことを特徴とするバッテリ保護装置を有する電子機器。
4. 前記第１及び第２のスイッチング素子が電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１記載のバッテリ保護装置。
   

Images