JP2007068390A - 保護回路を有する組電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】組電池は、二次電池11、31と、この二次電池11、31の充放電をコン
トロールする保護回路12、32とを備える。保護回路12、32は、二次電池11、3
1と直列に接続しているスイッチング素子13、33と、スイッチング素子13、33を
制御する制御回路14、34とを備える。保護回路12、32のスイッチング素子13、
33は、バックゲートコンタクト21、41を有するMOSFETである。この組電池は
、制御回路14、34でもって、MOSFETのゲート電圧とバックゲートコンタクト2
1、41の電圧の両方を制御して、充電電流と放電電流を制御する。
【選択図】図2
Description
。
組電池は、二次電池11、31と、この二次電池11、31の充放電をコントロールする保護回路12、32とを備える。保護回路12、32は、二次電池11、31と直列に接続しているスイッチング素子13、33と、スイッチング素子13、33を制御する制御回路14、34とを備える。保護回路12、32のスイッチング素子13、33は、バックゲートコンタクト21、41を有するMOSFETである。この組電池は、制御回路14、34でもって、MOSFETのゲート電圧とバックゲートコンタクト21、41の電圧の両方を制御して、充電電流と放電電流を制御する。
また、バックゲートコンタクト21、41と、ソース、ドレインのいずかの間に、抵抗部材を配置したことを特徴とする。
また、抵抗部材を配置することにより、ゲートをカットオフ電圧とした状態で、ソース−ドレイン間の抵抗が小さくなり、ソース−ドレイン間に電圧が印加されると電流が流れる。これは、抵抗部材を流れる電流によりバックゲートコンタクトの電位が上昇することで、ソース−ドレイン間の抵抗が小さいなったと考えられる。
図2は、本発明の一実施例であり、スイッチング素子13が、nチャンネルのMOSFETの場合を示している。図3は、他の実施例であり、スイッチング素子33が、pチャンネルのMOSFETの場合を示している。
制御回路14、34は、その内部に、切換スイッチSWを有し、この切換スイッチSWを、スイッチング素子13、33のドレイン、ソースと同電位となる制御回路14、34の端子VSS、Vm1側に切り換えることで、バックゲートコンタクト21、41の電位(=制御回路14、34の端子BGの電位)を、ドレイン、ソースと同電位としている。
また、制御回路14、34は、図示しないが、内部に端子VSS、Vm1間、すなわち、スイッチング素子13、33のドレイン、ソース間電圧(=素子両端電圧)を測定する電圧測定回路を内蔵している。そして、この素子両端電圧が、所定値(所定過電流値に相当)以上になると、異常な過電流の検出として、制御回路14、34はスイッチング素子13、33をオフに切り換えて、充電電流又は放電電流を遮断する。素子両端電圧に発生する電圧の方向を、電圧測定回路にて検出して、放電電流か、充電電流かを判定することもできる。
次に、nチャンネルのMOSFETの図4を変形した図6について、説明する。図4と同等な構成については、説明を省略する。バックゲートコンタクト21とドレイン22との間に抵抗部材Rbg(約1〜10KΩ、例えば、4.3KΩ)を配置する。また、このとき、図7に示す回路での動作を確認した。図7に示すように、図6で説明したようにスイッチング素子13‘のバックゲートコンタクトとドレインDとの間に抵抗部材Rbgを設けている。そして、ゲートGとドレインDを結線してゲートをカットオフ電圧としている。そして、ソースS−ドレインD間に電圧を印加している。そして、このソース−ドレイン間電圧を変化したときのドレイン−ソース間に流れる電流IDS、抵抗部材Rbgに流れる電流IRbgの変化を、図8に示す。図に示すように、バックゲートを流れる電流IRbg(単位μA)は小さく、ほとんどが、ソース−ドレイン間に電流IDS(単位mA)として流れている。このように、スイッチング素子13のゲートがカットオフ電圧でも、ソース−ドレイン間に電圧が印加されると電流が流れる。
なお、図6において、バックゲートコンタクト21とドレイン22との間の抵抗部材Rbgに代わって、バックゲートコンタクト21とソース23との間に抵抗部材を配置しても同様である。このような抵抗部材は、ディスクリートな抵抗素子でも良いし、半導体基板に形成された薄膜状のものでも良い。
なお、nチャンネルのMOSFETにおいて、バックゲートコンタクト21 と、ソース、ドレインのいずかの間に、抵抗部材を配置した図6のように、p チャンネルのMOSFETにバックゲートコンタクト41と、ソース、ドレイ ンのいずかの間に、抵抗部材を配置しても、上述と同様な効果がある。
なお、図6で示す抵抗部材を配置したス イッチング素子13‘を採用して も基本的に動作は同じとなる。ス イッチング素子13‘の特徴的動作については、説明の途中で説明を行う。
電池電圧が最高設定電圧よりも低い二次電池11が充電器15に接続される とき、制御回路14は、MOSFETのゲート電圧をMOSFETのオン電圧 とする。このとき、図2に示すように、バックゲートコンタクト21の電位は ドレイン電位とする。したがって、バックゲート−ドレイン間のダイオード26Aがなくなり、バックゲート−ソース間のダイオード26Bが寄生ダイオー ド26として残る。この寄生ダイオード26は、ドレインからソースに電流を 流す方向に接続される。したがって、放電電流を流すが充電電流を遮断する方 向にある。
満充電されて二次電池11の電圧が最高設定電圧よりも高くなって、MOS FETをオフ状態とする組電池は、充電器15から外されると電池電圧が低下 する。また、負荷16に接続されても電池電圧は低下する。
電池電圧が最高設定電圧よりも低くなると、制御回路14はMOSFETの ゲート24をカットオフ電圧からオン電圧に切り換える。MOSFETがオン 状態に切り換えられるまでは、寄生ダイオード26が負荷16に電流を流す。MOSFETがオン状態に切り換えられると、二次電池11はオン状態のMOSFETを介して負荷16に電流を供給する。
また、図6で示す抵抗部材を配置したMOSFETのス イッチング素子1 3‘を採用したときは、充電器15から外されたり、負荷16に接続されて等 により、電池電圧が最高設定電圧(約4.3V/セル 電池はリチウムイオン 二次電池)から、低下して、約4.3〜4.1V/セルの間のとき、MOSFETがオフ状態を維持する。つまり、制御回路14は、ス イッチング素子13‘のゲートをカットオフ電圧とした状態とする。この状態においては、上述のように、ソース−ドレイン間に電圧が印加され、負荷16に電流を供給する ことができる。このようなス イッチング素子13‘の利点について以下に説 明する。なお、約4.1V/セル以下となったとき、制御回路14は、MOS FETのゲート24をカットオフ電圧からオン電圧に切り換える。
図4のスイッチング素子13と制御回路14においては、上述のように、負荷16に接続されると電池電圧が最高設定電圧よりも低くなると、制御回路14はMOSFETのゲート24をカットオフ電圧からオン電圧に切り換える。 そのすぐ後、負荷16を外し、充電器15に再度接続するなら、制御回路14 はMOSFETのゲート24をオン電圧のままとするので、電池11が再度充電されて過充電となってしまう。
一方、図6で示す抵抗部材を配置したMOSFETのス イッチング素子13‘を採用した制御回路14は、上述のように、電池電圧が最高設定電圧よりも 低くなり、約4.3〜4.1V/セルの間、MOSFETがオフ状態を維持す るも、ソース−ドレイン間に電圧が印加され、負荷16に電流を供給すること ができる。そのすぐ後、負荷16を外し、充電器15に再度接続するなら、MOSFETがオフ状態であり、寄生ダイオード26Bにより、電池が再度充電され過充電となることがない。
また、図6で示す抵抗部材を配置したMOSFETのス イッチング素子13 ‘を採用したときは、
充電器15に接続されて、電池電圧が最低設定電圧(約2.3V/セル電池はリチウムイオン二次電池)から、上昇して、約2.3〜2.4V/セルの 間のとき、MOSFETがオフ状態を維持する。つまり、制御回路14は、スイッチング素子13‘のゲートをカットオフ電圧とした状態とする。この状 態においては、上述のように、ソース−ドレイン間に電圧が印加され、充 電電流を供給することができる。このようなス イッチング素子13‘の 利点について以下に説明する。なお、約2.4V/セル以上となったとき、制 御回路14は、MOSFETのゲート24をカットオフ電圧からオン電圧に切 り換える。
図4のスイッチング素子13と制御回路14においては、上述のように、充電器15に接続されると電池電圧が最低設定電圧よりも高くなると、制御回路14はMOSFETのゲート24をカットオフ電圧からオン電圧に切り換える 。そのすぐ後、充電器15を外し、負荷16に再度接続するなら、制御回路14はMOSFETのゲート24をオン電圧のままとするので、電池11が再度 放電されて過放電となってしまう。
一方、図6で示す抵抗部材を配置したMOSFETのス イッチング素子13 ‘を採用した制御回路14は、上述のように、最低設定電圧(約2.3V/セ ル 電池はリチウムイオン二次電池)から、上昇して、約2.3〜2.4V/ セルの間のとき、MOSFETがオフ状態を維持するも、ソース−ドレイン間 に電圧が印加され、充電器16により充電電流を供給することができる。その すぐ後、充電器15を外し、負荷16に再度接続するなら、MOSFETがオ フ状態であり、寄生ダイオード26Aにより、電池が再度放電され過放電とな ることがない。
電池電圧が最高設定電圧よりも低い二次電池31が充電器35に接続されるとき、制御回路34は、MOSFETのゲート電圧をMOSFETのオン電圧とする。このとき、図3に示すように、バックゲートコンタクト41の電位はドレイン電位とする。したがって、バックゲート−ドレイン間のダイオード46Aがなくなり、バックゲート−ソース間のダイオード46Bが寄 生ダイオード46として残る。この寄生ダイオード46は、ソースからドレインに電流を流す方向に接続される。したがって、放電電流を流すが充電電流を遮断する方向にある。
満充電されて二次電池31の電圧が最高設定電圧よりも高くなって、MOSFETをオフ状態とする組電池は、充電器35から外されると電池電圧が低下する。また、負荷36に接続されても電池電圧は低下する。電池電圧が最高設定電圧よりも低くなると、制御回路34はMOSFETのゲート44をカットオフ電圧からオン電圧に切り換える。MOSFETがオン状態に切り換えられるまでは、寄生ダイオード46が負荷36に電流を流す。MOSFETがオン状態に切り換えられると、二次電池31はオン状態のMOSFETを介して負荷36に電流を供給する。
12、32…保護回路
13、33…スイッチング素子
14、34…制御回路
15、35…充電器
16、36…負荷
21、41…バックゲートコンタクト
22、42…ドレイン
23、43…ソース
24、44…ゲート
25、45…バックゲート
26、46…寄生ダイオード
26A、46A…ダイオード
26B、46B…ダイオード
51…二次電池
52…保護回路
53…スイッチング素子
53A…過放電阻止スイッチング素子
53B…過充電阻止スイッチング素子
54…制御回路
56A…寄生ダイオード
56B…寄生ダイオード
Rbg 抵抗部材
Claims (8)
- 二次電池(11)、(31)と、この二次電池(11)、(31)の充放電をコントロールする保護回路(12)、(32)とを備え、保護回路(12)、(32)は、二次電池(11)、(31)と直列に接続しているスイッチング素子(13)、(33)と、スイッチング素子(13)、(33)を制御する制御回路(14)、(34)とを備え、
保護回路(12)、(32)のスイッチング素子(13)、(33)が、バックゲートコンタクト(21)、(41)を有するMOSFETで、制御回路(14)、(34)でもって、MOSFETのゲート電圧とバックゲートコンタクト(21)、(41)の電圧の両方を制御して、充電電流と放電電流を制御するようにしてなる保護回路を有する組電池。 - 制御回路(14)、(34)は、二次電池(11)、(31)の電圧が設定範囲にある状態では、MOSFETのゲート電圧をオン電圧として、電池を充放電させる状態とし、
さらに制御回路(14)、(34)は、充電している二次電池(11)、(31)の電圧が最高設定電圧よりも高くなると、MOSFETのゲート電圧をカットオフ電圧にすると共に、バックゲートコンタクト(21)、(41)の電圧を、充電電流を順方向とする寄生ダイオード(26)、(46)を電流遮断状態として充電電流を遮断する電圧とし、
さらに制御回路(14)、(34)は、放電している二次電池(11)、(31)の電圧が最低設定電圧よりも低くなると、MOSFETのゲート電圧をカットオフ電圧にすると共に、バックゲートコンタクト(21)、(41)の電圧を、放電電流を順方向とする寄生ダイオード(26)、(46)を電流遮断状態として放電電流を遮断する電圧とする請求項1に記載される保護回路を有
する組電池。 - 制御回路(14)、(34)は、充電電流の過電流を検出すると、MOSFETのゲート電圧をカットオフ電圧にすると共に、バックゲートコンタクト(21)、(41)の電圧を、充電電流を順方向とする寄生ダイオード(26)、(46)を電流遮断状態として充電電流を遮断する電圧とし、
さらに制御回路(14)、(34)は、放電電流の過電流を検出すると、MOSFETのゲート電圧をカットオフ電圧にすると共に、バックゲートコンタクト(21)、(41)の電圧を、放電電流を順方向とする寄生ダイオード(26)、(46)を電流遮断状態として放電電流を遮断する電圧とする請求項1に記載される保護回路を有する組電池。 - スイッチング素子(13)が、nチャンネルのMOSFETである請求項1に記載される保護回路を有する組電池。
- スイッチング素子(13)が二次電池(11)のマイナス側に接続されると共に、MOSFETは、ソースを二次電池(11)のマイナス側に接続している請求項4に記載される保護回路を有する組電池。
- スイッチング素子(33)が、pチャンネルのMOSFETである請求項1に記載される保護回路を有する組電池。
- スイッチング素子(33)が二次電池(31)のマイナス側に接続されると共に、MOSFETは、ドレインを二次電池(31)のマイナス側に接続している請求項6に記載される保護回路を有する組電池。
- バックゲートコンタクト(21)、(41)と、ソース、ドレインのいずかの間に、抵抗部材を配置したことを特徴とする請求項1の保護回路を有する組電池。
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