JP2007097242A

JP2007097242A - 保護回路

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Publication number: JP2007097242A
Application number: JP2005279322A
Authority: JP
Inventors: Juichi Uno; 寿一宇野
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2025-09-27
Also published as: JP4801957B2

Abstract

【課題】安全を確保しつつ高い電圧で２次電池の充電を行えるようにする。
【解決手段】第１の基準電圧を生成する回路１３４、第１の基準電圧に基づいて第１の比較電圧を生成する回路１３３、第１の比較電圧と電池電圧との差分の電圧に応じた第１の比較出力電圧を出力する第１の比較器１３２、第１の比較電圧に応じて充電電圧の供給を制御する第１の制御回路１３１を有する充電器１と、第２の基準電圧に基づいて電池電圧と比較するための第２の比較電圧を生成する回路２３３、第２の比較電圧と電池電圧との差分に応じた第２の比較出力電圧を出力する第２の比較器２３２、及び第２の比較電圧に応じて２次電池２１への充電電圧の供給を制御する第２の制御回路２３１を有する電池パック２を含む回路において、第１の基準電圧を電池パック２に入力し第１の基準電圧を第２の基準電圧として用いるようにする。
【選択図】図１

Description

この発明は、２次電池の充電器や電池パック等に用いられる保護回路に関し、とくに安全を確保しつつ高い電圧で２次電池の充電を行えるようにする技術に関する。

リチウムイオン２次電池の充電器や電池パックには、過充電を防止し充電管理を行うための保護回路が設けられている。リチウムイオン２次電池の充電器１と、リチウムイオン２次電池が内蔵される電池パック２からなる充電システムの一例を図４に示している。同図において、充電器１には、電圧供給回路１１のＤＣ電圧の供給を制御する２つのＰ型のＭＯＳＦＥＴ１２１，１２２、及び、電池パック２の端子間電圧に応じてＭＯＳＦＥＴ１２１，１２２のオンオフを制御する保護回路用ＩＣ１３が設けられている。

保護回路用ＩＣ１３は、プラス側入力端子１３１１、マイナス側入力端子１３１２、及び制御回路１３１に接続される２つのゲート電圧出力端子１３１３，１３１４の４つの端子を有しており、制御回路１３１、比較器１３２、比較電圧生成回路１３３、及び基準電圧生成回路１３４を含んでいる。

比較電圧生成回路１３３は、基準電圧生成回路１３４から供給される基準電圧Ｖ_ＯＣに基づいて比較電圧Ｖ_ＨＣを生成する。比較器１３２の非反転入力には、比較電圧生成回路１３３から出力される比較電圧Ｖ_ＨＣが、また比較器１３２の反転入力には、リチウムイオン２次電池２１の電池電圧Ｖ_ＢＡＴＴが、夫々印加される。なお、比較器１３２の反転入力には、実際には電池電圧Ｖ_ＢＡＴＴそのものの値ではなく、電池電圧Ｖ_ＢＡＴＴからＭＯＳＦＥＴ１２１，１２２等を通過することによって生じる電圧降下分を差し引いた値の電圧が入力される。

比較器１３２の出力電圧は制御回路１３１に入力される。制御回路１３１はこの入力電圧に応じてゲート電圧出力端子１３１３，１３１４への出力電圧を制御する。例えば、電池電圧Ｖ_ＢＡＴＴ＞比較電圧Ｖ_ＨＣである場合には、制御回路１３１はＭＯＳＦＥＴ１２１をオフ、ＭＯＳＦＥＴ１２２をオンとする。これによりリチウムイオン２次電池２１への充電電圧の供給が停止する。なお、この場合でもＭＯＳＦＥＴ１２１の寄生ダイオード１２１１を通じてリチウムイオン２次電池２１は放電可能である。

図４において、電池パック２には、リチウムイオン２次電池２１の充電電圧の供給を制御する２つのＮ型のＭＯＳＦＥＴ２２１，２２２、及びリチウムイオン２次電池２１の電池電圧に応じてＭＯＳＦＥＴ２２１，２２２のオンオフを制御する保護回路用ＩＣ２３が設けられている。保護回路用ＩＣ２３は、プラス側入力端子２３１１、マイナス側入力端子２３１２、及び制御回路２３１に接続する２つのゲート電圧出力端子２３１３，２３１４の４つの端子を有しており、制御回路２３１、比較器２３２、比較電圧生成回路２３３及び基準電圧生成回路２３４を含んでいる。

比較電圧生成回路２３３は、基準電圧生成回路２３４から供給される基準電圧Ｖ_ＯＢに基づいて、比較電圧Ｖ_ＨＢを生成する。比較器２３２の非反転入力には比較電圧Ｖ_ＨＢが、また反転入力にはリチウムイオン２次電池２１の電池電圧Ｖ_ＢＡＴＴが、夫々入力される。なお、比較器２３２の反転入力には、実際には電池電圧Ｖ_ＢＡＴＴそのものの値ではなく、ＭＯＳＦＥＴ２２１，２２２等を通過することによって生じる電圧降下分を差し引いた値の電圧が入力される。

比較器２３２の出力電圧は制御回路２３１に入力され、制御回路２３１はこの入力電圧に応じてゲート電圧出力端子２３１３，２３１４の出力電圧を制御する。例えば、電池電圧Ｖ_ＢＡＴＴ＞比較電圧Ｖ_ＨＢである場合には、制御回路２３１はＭＯＳＦＥＴ２２１をオフ、ＭＯＳＦＥＴ２２２をオンとする。これにより充電電圧のリチウムイオン２次電池２１への供給が停止する。なお、この場合でもＭＯＳＦＥＴ２２１の寄生ダイオード２２１１を通る経路でリチウムイオン２次電池２１は放電可能である。

ところで、以上の構成からなる充電システムにおいて、電池パック２の保護回路用ＩＣ２３が充電器１側の保護回路用ＩＣ１３より先に過充電を検知してしまった場合には、電池パック２側で充電方向の電流経路が遮断されているのに充電器１側からリチウムイオン２次電池２１に充電電圧が供給されてしまうという状況が起こりうる。このため、充電器１側の保護回路用ＩＣ１３が電池パック側の保護回路用ＩＣ２３よりも先に動作させるべく、比較電圧Ｖ_ＨＣ及び比較電圧Ｖ_ＨＢは、比較電圧Ｖ_ＨＣ＜比較電圧Ｖ_ＨＢの関係となるように設定されるのが普通である。
特開２００２−３１５２１５号公報特開２００１−１１２１８２号公報

ところで、よく知られているように、リチウムイオン２次電池２１はより高い電圧で充電する程、蓄電量（エネルギー密度）を増すことができる。このため、比較電圧Ｖ_ＨＣ及び比較電圧Ｖ_ＨＢを過充電となる限界電圧（以下、充電限界電圧Ｖ_Ｌという）にできるだけ近い値に設定することで、リチウムイオン２次電池２１の蓄電量を増やすことができる。

しかしながら、基準電圧生成回路１３４，２３４や比較電圧生成回路１３３，２３３の製造ばらつき、温度特性等を考慮すると、上記の保護回路の構成では、比較電圧Ｖ_ＨＣ及び比較電圧Ｖ_ＨＢを充電限界電圧Ｖ_Ｌに近づけるには限界がある。このことを図５とともに説明する。例えば、充電限界電圧Ｖ_Ｌが４．５Ｖである場合において、基準電圧生成回路１３４，２３４、及び比較電圧生成回路１３３，２３３の夫々のばらつきがいずれも±５０ｍＶであったとする。この場合、比較電圧Ｖ_ＨＣの変域は±１００ｍＶである。また、比較電圧Ｖ_ＨＣ＜比較電圧Ｖ_ＨＢの関係を考慮して比較電圧Ｖ_ＨＣの変域の上限と比較電圧Ｖ_ＨＢの変域の下限との間に安全領域を５０ｍＶだけ確保し、比較電圧Ｖ_ＨＢと充電限界電圧Ｖ_Ｌとの間にも安全領域を５０ｍＶだけ確保するものとする。この場合、図５に示すように、電池パック２側の比較電圧Ｖ_ＨＢは４．３５Ｖ、充電器１側の比較電圧Ｖ_ＨＣは４．１Ｖとなり、比較電圧Ｖ_ＨＣは充電限界電圧Ｖ_Ｌより０．４Ｖも低い値に設定しなければならないことになる。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、安全を確保しつつ高い電圧で充電を行うことを可能とする保護回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明のうちの主たる発明は、保護回路であって、第１の基準電圧を生成する第１の基準電圧生成回路と、前記第１の基準電圧に基づいて充電対象となる２次電池の電池電圧と比較するための第１の比較電圧を生成する第１の比較電圧生成回路と、前記第１の比較電圧と前記電池電圧との大小に応じた電圧である第１の比較出力電圧を出力する第１の比較器と、前記第１の比較出力電圧に応じて前記２次電池への充電電圧の供給を制御する第１の制御回路と、を含んで構成される第１の回路に接続され、前記第１の基準電圧が入力され、前記第１の基準電圧に基づいて前記電池電圧と比較するための第２の比較電圧を生成する第２の比較電圧生成回路と、前記第２の比較電圧と前記電池電圧との大小に応じた電圧に応じた電圧である第２の比較出力電圧を出力する第２の比較器と、前記第２の比較出力電圧に応じて前記２次電池への前記充電電圧の供給を制御する第２の制御回路とを含む第２の回路、を有することとする。

２次電池の充電システムに本発明の保護回路を用いた場合、２次電池の電池電圧を判断するための基準電圧として、充電器側の保護回路（第１の回路）と電池パック側の保護回路（第２の回路）の双方で、共通の電圧を用いることとなる。このため、一つの基準電圧のばらつきのみを考慮して比較電圧を設定することが可能となり、充電器の保護回路における比較電圧、及び、電池パック側の保護回路における比較電圧を従来に比べて充電限界電圧により近い値に設定することが可能になる。このため、本発明の保護回路によれば、安全性を充分に確保しつつリチウムイオン２次電池をより高い電圧で充電することが可能となり、その結果、リチウムイオン２次電池の蓄電量を増やすことができる。

本発明によれば、安全を確保しつつ高い電圧で２次電池の充電を行うことが可能となり、２次電池の蓄電量を増やすことが可能となる。

図１に本発明の一実施形態として説明するリチウムイオン２次電池の充電器１、及びリチウムイオン２次電池２１を内蔵する電池パック２を含んで構成される充電システムの構成を示している。

充電器１には、充電時に電池パック２のプラス端子５が接続されるプラス接続端子３及び電池パック２のマイナス端子６が接続されるマイナス接続端子４が設けられている。また充電器１には、充電時に電池パック２に設けられている電圧入力端子８に接続される電圧出力端子７が、また電池パック２には、充電時に充電器１に設けられている電圧出力端子７に接続される電圧入力端子８が、夫々設けられている。なお、電圧出力端子７には、後述する基準電圧Ｖ_ＯＣ（第１の基準電圧）が出力され、電圧入力端子８を介して電池パック２に基準電圧Ｖ_ＯＣが取り込まれる。

充電器１は、充電電圧の供給経路に直列に接続されるＰ型の２つのＭＯＳＦＥＴ１２１，１２２、及びリチウムイオン２次電池２１の電池電圧を検出し、検出した電池電圧に応じてＭＯＳＦＥＴ１２１，１２２のオンオフを制御する保護回路用ＩＣ１３を有している。保護回路用ＩＣ１３は、基準電圧生成回路１３４（第１の基準電圧生成回路）、比較電圧生成回路１３３（第１の比較電圧生成回路）、比較器１３２（第１の比較器）、制御回路１３１（第１の制御回路）を含み、プラス側入力端子１３１１、マイナス側入力端子１３１２、制御回路１３１に接続する２つのゲート電圧出力端子１３１３，１３１４、及び基準電圧生成回路１３４によって生成された基準電圧Ｖ_ＯＣが出力される基準電圧出力端子１３１５を有している。

保護回路用ＩＣ１３に含まれる回路のうち、比較電圧生成回路１３３（第１の比較電圧生成回路）は、基準電圧生成回路１３４から供給される基準電圧Ｖ_ＯＣに基づいて、比較電圧Ｖ_ＨＣ（第１の比較電圧）を生成する。比較器１３２の非反転入力には、比較電圧生成回路１３３から出力される比較電圧Ｖ_ＨＣが、また反転入力には、プラス側入力端子１３１１から入力されるリチウムイオン２次電池２１の電池電圧Ｖ_ＢＡＴＴが夫々入力される。比較器１３２は、入力される比較電圧Ｖ_ＨＣと電池電圧Ｖ_ＢＡＴＴとの大小に応じた比較出力電圧（第１の比較出力電圧）を出力し、この比較出力電圧は制御回路１３１に入力される。

制御回路１３１は、比較器１３２から入力される比較出力電圧に応じてゲート電圧出力端子１３１３，１３１４の出力電圧を制御し、ＭＯＳＦＥＴ１２１，１２２をオンオフする。例えば、制御回路１３１は、電池電圧Ｖ_ＢＡＴＴ＞比較電圧Ｖ_ＨＣとなっている場合はＭＯＳＦＥＴ１２１をオフとし、ＭＯＳＦＥＴ１２２をオンとし、この場合は充電電圧のリチウムイオン２次電池２１への供給が停止する。

一方、図１において、電池パック２は、充電電圧の供給経路に直列に接続されるＮ型の２つのＭＯＳＦＥＴ２２１，２２２、リチウムイオン２次電池２１の電池電圧を検出し、検出した電池電圧に応じてＭＯＳＦＥＴ２２１，２２２のオンオフを制御する保護回路用ＩＣ２３を有している。

保護回路用ＩＣ２３は、基準電圧生成回路２３４（第２の基準電圧生成回路）、比較電圧生成回路２３３（第２の比較電圧生成回路）、比較器２３２（第２の比較器）、制御回路２３１（第２の制御回路）、及びセレクタ回路２３５を含み、プラス側入力端子２３１１、マイナス側入力端子２３１２、制御回路２３１に接続する２つのゲート電圧出力端子２３１３，２３１４、及び基準電圧入力端子８に接続され、充電器１の基準電圧生成回路１３４によって生成された基準電圧Ｖ_ＯＣが入力される基準電圧入力端子２３１５を有している。

保護回路用ＩＣ２３に含まれる回路のうちセレクタ回路２３５は、電池パック２に充電器１が接続され、基準電圧入力端子２３１５に基準電圧Ｖ_ＯＣが入力されている場合には、比較電圧生成回路２３３に基準電圧Ｖ_ＯＣを出力する。またセレクタ回路２３５は、電池パック２に充電器１が接続されていない場合には、セレクタ回路２３５は比較電圧生成回路２３３に基準電圧生成回路２３４から供給される基準電圧Ｖ_ＯＢ（第２の基準電圧）を出力する。

このような動作を行うセレクタ回路２３５の一例を図２に示している。同図において、トランジスタＴＲ１のゲートには、基準電圧入力端子２３１５が接続され、充電器１からの基準電圧Ｖ_ＯＣ（第１の基準電圧）が印加される。トランジスタＴＲ１のドレインには、トランジスタＴＲ３のドレインが接続している。なお、トランジスタＴＲ２及びトランジスタＴＲ３は、定電流源Ｉｓ及び電源ＶＤＤが接続されるカレントミラー回路を構成している。トランジスタＴＲ１のソースは接地されている。トランジスタＴＲ１のゲートとソースとの間には、抵抗Ｒ１が接続されている。トランスミッションゲートＴＧ１には、基準電生成回路２３４から出力される基準電圧Ｖ_ＯＢが入力され、トランスミッションゲートＴＧ２には、基準電圧Ｖ_ＯＣが入力される。

トランスミッションゲートＴＧ１の一方の制御端子には、トランジスタＴＲ１のドレインの電圧をインバータＩＮＶ１によって反転した電圧が印加されている。またトランスミッションゲートＴＧ１の他方の制御端子には、トランジスタＴＲ１のドレインの電圧が印加されている。トランスミッションゲートＴＧ２の一方の制御端子には、トランジスタＴＲ１のドレインの電圧が印加されている。またトランスミッションゲートＴＧ２の他方の制御端子には、トランジスタＴＲ１のドレインの電位をインバータＩＮＶ１によって反転した電圧が印加されている。トランスミッションゲートＴＲ１及びトランスミッションゲートＴＲ２の出力は、比較電圧生成回路２３３に入力される。なお、トランジスタＴＲ３及びトランジスタＴＲ１としては、これらのサイズの関係がトランジスタＴＲ３＞トランジスタＴＲ１となるものが選択されている。

今、電池パック２に充電器１が接続されており、基準電圧入力端子２３１５に基準電圧Ｖ_ＯＣが印加されているものとする。この場合、トランジスタＴＲ１がオンとなってトランジスタＴＲ１のドレインの電位が接地電位に近づくので、トランスミッションゲートＴＧ１はオフ、トランスミッションゲートＴＧ２はオンとなり、その結果、比較電圧生成回路２３３には充電器１からの基準電圧Ｖ_ＯＣが入力される。

一方、電池パック２に充電器１が接続されていない場合には、トランジスタＴＲ１はオフとなってトランジスタＴＲ１のドレインの電位がＶＤＤに近づくのでトランスミッションゲートＴＧ１はオン、トランスミッションゲートＴＧ２はオフとなり、その結果、比較電圧生成回路２３３には電池パック２の基準電圧生成回路２３４によって生成された基準電圧Ｖ_ＯＢが入力される。

比較電圧生成回路２３３は、セレクタ回路２３５から入力される、基準電圧Ｖ_ＯＣ（第１の基準電圧）又は基準電圧Ｖ_ＯＢに基づいて、比較電圧Ｖ_ＨＢを生成する。すなわち、比較電圧生成回路２３３は、電池パック２に充電器１が接続されている場合には、基準電圧Ｖ_ＯＣに基づいて、また、電池パック２に充電器１が接続されていない場合には、基準電圧Ｖ_ＯＢに基づいて、比較電圧Ｖ_ＨＢを生成する。

比較器２３２（第２の比較器）の非反転入力には、比較電圧Ｖ_ＨＢが、また反転入力には、プラス側入力端子２３１１に入力されるリチウムイオン２次電池２１の電池電圧Ｖ_ＢＡＴＴが、それぞれ印加される。比較器２３２は、比較電圧Ｖ_ＨＢと電池電圧Ｖ_ＢＡＴＴとの大小に応じた電圧を出力する。比較器２３２から出力される比較出力電圧は、制御回路２３１に入力される。

制御回路２３１は、比較器２３２から入力される電圧に応じてゲート電圧出力端子２３１３，２３１４の出力電圧を制御して、ＭＯＳＦＥＴ２２１，２２２をオンオフする。例えば、制御回路２３１は、電池電圧Ｖ_ＢＡＴＴ＞比較電圧Ｖ_ＨＢとなっている場合には、ＭＯＳＦＥＴ２２１をオフとし、ＭＯＳＦＥＴ２２２をオンとし、これにより充電電圧のリチウムイオン２次電池２１への供給が停止する。

以上に説明したように、本実施形態の充電システムにおいては、充電時に共通の基準電圧Ｖ_ＯＣに基づいて、充電器１側の比較電圧Ｖ_ＨＣ及び電池パック２側の比較電圧Ｖ_ＨＢを生成している。このため、本実施形態の充電システムにおいては、１つの基準電圧Ｖ_ＯＣのばらつき（±５０ｍＶ）のみを考慮して比較電圧Ｖ_ＨＢ及び比較電圧Ｖ_ＨＣを設定することが可能である。

図３に比較電圧Ｖ_ＨＢ及び比較電圧Ｖ_ＨＣの設定例を示している。同図に示すように、比較電圧Ｖ_ＨＢについては４．４Ｖ、比較電圧Ｖ_ＨＣについては４．２Ｖと、図５に示した場合に比べて充電限界電圧Ｖ_Ｌにより近い値に比較電圧Ｖ_ＨＣ及び比較電圧Ｖ_ＨＢを設定することができる。

以上の通り、本実施形態の充電システムによれば、安全性を充分に確保しつつ、リチウムイオン２次電池２１をより高い電圧で充電することができる。そして、これによりリチウムイオン２次電池２１の充電に際し、リチウムイオン２次電池２１の蓄電量を増やすことができる。

以上、本発明の一実施形態につき詳細に説明したが、以上の実施形態の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。例えば本発明はリチウムイオン二次電池以外の充電システムにも適用することができる。

本発明の一実施形態として説明する、リチウムイオン二次電池２１の充電システムの構成を示す図である。本発明の一実施形態として説明する、セレクタ回路２３５の一例を示す図である。本発明の一実施形態として説明する、リチウムイオン二次電池２１の充電時における電圧の関係を説明する図である。リチウムイオン二次電池２１の充電システムの一例を示す図である。リチウムイオン二次電池２１の充電時における各種電圧の関係を説明する図である。

符号の説明

１充電器
２電池パック
７電圧出力端子
１３保護回路用ＩＣ
１３１５基準電圧出力端子
２１リチウムイオン２次電池
２３保護回路用ＩＣ
１３１制御回路
１３２比較器
１３３比較電圧生成回路
１３４基準電圧生成回路
２３１制御回路
２３２比較器
２３３比較電圧生成回路
２３４基準電圧生成回路
２３５セレクタ回路
２３１５基準電圧入力端子

Claims

第１の基準電圧を生成する第１の基準電圧生成回路と、前記第１の基準電圧に基づいて充電対象となる２次電池の電池電圧と比較するための第１の比較電圧を生成する第１の比較電圧生成回路と、前記第１の比較電圧と前記電池電圧との大小に応じた電圧である第１の比較出力電圧を出力する第１の比較器と、前記第１の比較出力電圧に応じて前記２次電池への充電電圧の供給を制御する第１の制御回路と、を含んで構成される第１の回路に接続され、
前記第１の基準電圧が入力され、前記第１の基準電圧に基づいて前記電池電圧と比較するための第２の比較電圧を生成する第２の比較電圧生成回路と、前記第２の比較電圧と前記電池電圧との大小に応じた電圧に応じた電圧である第２の比較出力電圧を出力する第２の比較器と、前記第２の比較出力電圧に応じて前記２次電池への前記充電電圧の供給を制御する第２の制御回路とを含む第２の回路、を有すること
を特徴とする保護回路。
請求項１に記載の保護回路であって、
第２の基準電圧を生成する第２の基準電圧生成回路と、
前記第２の比較電圧生成回路に前記充電器から入力される前記第１の基準電圧又は前記第２の基準電圧のうちのいずれかを選択して入力するセレクタ回路と、
を含むこと
を特徴とする保護回路。
請求項１または２に記載の保護回路であって、
前記第２の回路は集積化されており、
前記第２の回路は前記第１の基準電圧が入力される端子を有すること
を特徴とする保護回路。
第１の基準電圧を生成する第１の基準電圧生成回路と、前記第１の基準電圧に基づいて充電対象となる２次電池の電池電圧と比較するための第１の比較電圧を生成する第１の比較電圧生成回路と、前記第１の比較電圧と前記電池電圧との大小に応じた電圧である第１の比較出力電圧を出力する第１の比較器と、前記第１の比較出力電圧に応じて前記２次電池への充電電圧の供給を制御する第１の制御回路と、前記第１の基準電圧を外部に出力する回路と、を有する第１の回路を含み、
前記第１の基準電圧が入力され、前記第１の基準電圧に基づいて前記電池電圧と比較するための第２の比較電圧を生成する第２の比較電圧生成回路と、前記第２の比較電圧と前記電池電圧との大小に応じた電圧に応じた電圧である第２の比較出力電圧を出力する第２の比較器と、前記第２の比較出力電圧に応じて前記２次電池への前記充電電圧の供給を制御する第２の制御回路とを含む第２の回路に接続されること
を特徴とする保護回路。
請求項４に記載の保護回路であって、
前記第１の回路は集積化されており、
前記第１の回路は前記第１の基準電圧が出力される端子を有すること
を特徴とする保護回路。