JP2007124775A

JP2007124775A - 二次電池保護装置

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Publication number: JP2007124775A
Application number: JP2005312388A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Sugimoto; 雅俊杉本
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2007-05-17
Anticipated expiration: 2025-10-27
Also published as: JP4449885B2

Abstract

【課題】二次電池を異常過熱状態から保護する二次電池保護装置において、専用の半導体部品及び温度計測素子を設けることなく、充放電制御用の半導体素子を異常過熱から保護することができるとともに、電池パックの小型化が可能になるようにする。
【解決手段】電池保護集積回路１に、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２と、二次電池２の異常検出回路を内蔵するとともに、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の温度を検出する温度センサ１６及び過熱検出回路１５を内蔵する。そして、異常検出回路及び過熱検出回路１５の検出温度に応じて放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２を制御する。
【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を異常過熱状態から保護する二次電池保護装置に関する。

電子機器等で使用されている二次電池は、例えばその電池保護回路とともに電池パック内に収容されて、電子機器等に電力を供給するとともに、充電器により外部から充電が可能になっており、集積化された電池保護回路とその出力端子を有するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、二次電池を異常温度から保護するために専用のＦＥＴと温度計測素子を設けることも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

図７はこのような従来の二次電池を異常状態から保護する二次電池保護装置の構成図である。この二次電池保護装置は、電池保護集積回路１としてＩＣ化されており、二次電池２とともに電池パック３内に収容されている。

電池保護集積回路１は、二次電池２の放電制御用の半導体デバイスである放電ＦＥＴＱ１及び充電制御用の半導体デバイスである充電ＦＥＴＱ２のオン（ＯＮ）、オフ（ＯＦＦ）を制御する制御回路１１と、二次電池２の過充電、過放電及び二次電池２に流れる過電流をそれぞれ検出する過充電検出回路１２、過放電検出回路１３及び過電流検出回路１４と、電池パック３内の温度を検出するための温度計測素子１７を備えている。なお、特許文献１には、リチウムイオン電池の温度を監視する温度検出回路を電池保護集積回路内に設けたものが開示されている。

また、電池パック３には、二次電池２のプラス（＋）側、マイナス（−）側の出力端子Ｔ１，Ｔ２が設けられており、これらの出力端子Ｔ１，Ｔ２は、二次電池２の充電時には充電器からの充電電流が入力される入力端子となる。Ｔ４は温度計測素子１７の出力端子、Ｄ１，Ｄ２は放電ＦＥＴＱ１、充電ＦＥＴＱ２の寄生ダイオードを示している。

充電時、電池パック３の過充電検出回路１２は、二次電池２が過充電されないように電池電圧を監視している。検出電圧が予め設定された過充電設定電圧より低い場合、過充電検出回路１２は通常状態であることを制御回路１１に通知する。通常状態では、制御回路１１は充電ＦＥＴＱ２のゲートをＨ（Ｈｉｇｈ）レベルにし、充電ＦＥＴＱ２をオンにして充電電流を通電させる。過充電検出回路１２が過充電設定電圧より高い電池電圧を検出した場合、過充電検出回路１２は過充電状態であることを制御回路１１に通知する。過充電状態では、制御回路１１は充電ＦＥＴＱ２のゲートをＬ（Ｌｏｗ）レベルにし、充電ＦＥＴＱ２をオフにして充電電流を切断させる。

また、充電時、上記の充電器は、電池パック３内の温度計測素子１７の出力信号により電池パック３の温度を監視しており、異常過熱を検出した場合は充電が停止する。
放電時、電池パック３の過放電検出回路１３は、二次電池２が過放電にならないように電池電圧を監視している。検出電圧が予め設定された過放電設定電圧より高い場合、過放電検出回路１３は通常状態であることを制御回路１１に通知する。通常状態では、制御回路１１は放電ＦＥＴＱ１のゲートをＨレベルにし、放電ＦＥＴＱ１をオンにして放電電流を通電させる。過放電検出回路１３が過放電設定電圧より低い電池電圧を検出した場合、過放電検出回路１３は過放電状態であることを制御回路１１に通知する。過放電状態では、制御回路１１は放電ＦＥＴＱ１のゲートをＬレベルにし、放電ＦＥＴＱ１をオフにして放電電流を切断させる。

また、放電時、電池パック３の過電流検出回路１４は、二次電池２を異常負荷あるいは負荷短絡による過電流から保護するため、放電ＦＥＴＱ１と充電ＦＥＴＱ２に流れる電流を電圧値に変換して監視している。検出電圧が予め設定された過電流設定電圧より低い場合、過電流検出回路１４は通常状態であることを制御回路１１に通知する。通常状態では、制御回路１１は放電ＦＥＴＱ１のゲートをＨレベルにし、放電ＦＥＴＱ１をオンにして放電電流を通電させる。過電流検出回路１４が過電流設定電圧より高い電圧を検出した場合、過電流検出回路１４は過電流状態であることを制御回路１１に通知する。過電流状態では、制御回路１１は放電ＦＥＴＱ１のゲートをＬレベルにし、放電ＦＥＴＱ１をオフにして放電電流を切断させる。
特開２００３−１７３８２５号公報特開２０００−１５２５１６号公報

ところで、上記のような従来の二次電池保護装置においては、充放電制御用の半導体素子は温度を検出していないので、その異常過熱による破損から保護することができないという問題点がある。温度を検出するためには、専用の半導体部品及び温度計測素子が必要で、部品点数が増えるとともに、損失も増えてしまう。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、専用の半導体部品及び温度計測素子を必要とすることなく、充放電制御用の半導体素子を異常過熱から保護することができるとともに、電池パックの小型化が可能な二次電池保護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、集積回路化された二次電池保護装置であって、二次電池の放電電流を制御する放電制御用の半導体デバイスと、前記二次電池の充電電流を制御する充電制御用の半導体デバイスと、前記放電制御用の半導体デバイス及び前記充電制御用の半導体デバイスのオン、オフを制御する制御回路と、前記二次電池の異常状態を検出する異常検出回路と、前記放電制御用の半導体デバイス及び前記充電制御用の半導体デバイスの温度を検出する温度計測素子及び温度検出回路と、を有し、前記制御回路は、前記異常検出回路及び前記温度検出回路の検出結果に応じて前記放電制御用の半導体デバイス及び前記充電制御用の半導体デバイスのオン、オフを制御することを特徴とする二次電池保護装置が提供される。

このような二次電池保護装置によれば、放電制御用の半導体デバイスと充電制御用の半導体デバイスの温度を検出する温度計測素子及び温度検出回路が内蔵されているので、専用の半導体部品及び温度計測素子を必要とすることなく、充放電制御用の半導体素子を異常過熱から保護することができるとともに、電池パックの小型化が可能になる。

本発明の二次電池保護装置は、放電制御用の半導体デバイスと充電制御用の半導体デバイスの温度を検出する温度計測素子及び温度検出回路が内蔵されているので、専用の半導体部品及び温度計測素子を必要とすることなく、充放電制御用の半導体素子を異常過熱から保護することができるとともに、電池パックの小型化が可能になるという利点がある。

また、温度検出回路により検出した温度が第１の所定値に達すると一旦二次電池の過熱を検出したと判断し、その後前記温度検出回路により検出した温度が第２の所定値まで達すると半導体デバイスの過熱を検出したと判断することにより、半導体デバイスの過熱と二次電池の過熱を識別することができる。

以下、本発明の実施の形態の二次電池保護装置を図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態の二次電池保護装置の構成図である。この二次電池保護装置は、集積回路化された電池保護集積回路１として構成され、リチウム電池からなる二次電池２とともに電池パック３内に収容されている。

電池保護集積回路１は、二次電池２の放電電流を制御する放電制御用の半導体デバイスである放電ＦＥＴＱ１及びこの放電ＦＥＴＱ１と直列に接続され二次電池２の充電電流を制御する充電制御用の半導体デバイスである充電ＦＥＴＱ２と、これらの放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２のオン、オフを制御する制御回路１１と、二次電池２の異常状態を検出する異常検出回路として設けられた二次電池２の過充電、過放電及び二次電池２に流れる過電流をそれぞれ検出する過充電検出回路１２、過放電検出回路１３及び過電流検出回路１４と、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の温度を検出する温度センサ（温度計測素子）１６及び過熱検出回路（温度検出回路）１５を有している。

上記温度センサ１６及び過熱検出回路１５は、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の温度を検出する。そして、制御回路１１は、上記の異常検出回路及び過熱検出回路１５の検出結果に応じて放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２のオン、オフを制御する。Ｄ１，Ｄ２は放電ＦＥＴＱ１、充電ＦＥＴＱ２の寄生ダイオードを示している。

また、電池パック３には、二次電池２のプラス側、マイナス側の出力端子Ｔ１，Ｔ２が設けられており、これらの出力端子Ｔ１，Ｔ２は、二次電池２の充電時には充電器からの充電電流が入力される入力端子となる。

次に、上記のように構成された電池保護集積回路１の動作について説明する。過充電検出回路１２、過放電検出回路１３及び過電流検出回路１４の動作は、図７に示す従来例と同様である。

充電時、電池パック３の過充電検出回路１２は、二次電池２が過充電されないように電池電圧を監視している。検出電圧が予め設定された過充電設定電圧より低い場合、過充電検出回路１２は通常状態であることを制御回路１１に通知する。通常状態では、制御回路１１は充電ＦＥＴＱ２のゲートをＨレベルにし、充電ＦＥＴＱ２をオンにして充電電流を通電させる。過充電検出回路１２が過充電設定電圧より高い電池電圧を検出した場合、過充電検出回路１２は過充電状態であることを制御回路１１に通知する。過充電状態では、制御回路１１は充電ＦＥＴＱ２のゲートをＬレベルにし、充電ＦＥＴＱ２をオフにして充電電流を切断させる。

放電時、電池パック３の過放電検出回路１３は、二次電池２が過放電にならないように電池電圧を監視している。検出電圧が予め設定された過放電設定電圧より高い場合、過放電検出回路１３は通常状態であることを制御回路１１に通知する。通常状態では、制御回路１１は放電ＦＥＴＱ１のゲートをＨレベルにし、放電ＦＥＴＱ１をオンにして放電電流を通電させる。過放電検出回路１３が過放電設定電圧より低い電池電圧を検出した場合、過放電検出回路１３は過放電状態であることを制御回路１１に通知する。過放電状態では、制御回路１１は放電ＦＥＴＱ１のゲートをＬレベルにし、放電ＦＥＴＱ１をオフにして放電電流を切断させる。

また、放電時、電池パック３の過電流検出回路１４は、二次電池２を異常負荷あるいは負荷短絡による過電流から保護するため、放電ＦＥＴＱ１と充電ＦＥＴＱ２に流れる電流を電圧値に変換して監視している。検出電圧が予め設定された過電流設定電圧より低い場合、過電流検出回路１４は通常状態であることを制御回路１１に通知する。通常状態では、制御回路１１は放電ＦＥＴＱ１のゲートをＨレベルにし、放電ＦＥＴＱ１をオンにして放電電流を通電させる。過電流検出回路１４が過電流設定電圧より高い電圧を検出した場合、過電流検出回路１４は過電流状態であることを制御回路１１に通知する。過電流状態では、制御回路１１は放電ＦＥＴＱ１のゲートをＬレベルにし、放電ＦＥＴＱ１をオフにして放電電流を切断させる。

ここで、本実施の形態では、放電制御用の放電ＦＥＴＱ１及び充電制御用の充電ＦＥＴＱ２と上述の電池保護用の各検出回路１２〜１４及び制御回路１１が一体となったＩＣ（集積回路）内に、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の温度を検出する温度センサ１６及び過熱検出回路１５が内蔵されている。温度センサ１６は放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の近くに配置することが望ましい。このため、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２が充放電時に過電流で異常過熱状態になると、過熱検出回路１５は制御回路１１に異常状態であることを通知し、制御回路１１は放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２のゲートをＬレベルにして充放電電流を切断させることができる。したがって、専用の半導体部品及び温度計測素子を必要とすることなく、充放電制御用の放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２を異常過熱から保護することができるとともに、電池パック３の小型化が可能になる。

図２は本発明の第２の実施の形態の二次電池保護装置の構成図である。本実施の形態では、過熱検出回路１５により検出した温度が設定値を超えた場合に温度異常信号を出力するための温度異常信号出力端子Ｔ３を有している。その他は図１と同様の構成である。

過熱検出回路１５は、予め設定された異常過熱設定温度より高い温度を検出すると、制御回路１１に放電ＦＥＴＱ１もしくは充電ＦＥＴＱ２が異常過熱状態であることを通知する。このとき制御回路１１は、放電ＦＥＴＱ１もしくは充電ＦＥＴＱ２のゲートをＬレベルにして通電電流を切断させるとともに、温度異常信号を温度異常信号出力端子Ｔ３から外部に出力する。これにより、過熱異常アラームを鳴らしたり、表示することができる。

図３は本発明の第３の実施の形態の二次電池保護装置の構成図である。本実施の形態では、温度センサ１６に、上述の放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の異常過熱設定温度が設定された過熱検出回路１５ａ（過熱検出回路１５に相当）と二次電池２の異常過熱設定温度が設定された過熱検出回路１５ｂを接続している。そして、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２付近に温度センサ１６を設けた電池保護集積回路１を二次電池２の近傍に配置することで、二次電池２の温度が上記の異常過熱設定温度を超えた場合に制御回路１１に異常過熱状態であることを通知し、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２のゲートをＬレベルにして充放電電流を切断させ、二次電池２を保護することができる。

図４は本発明の第４の実施の形態の二次電池保護装置の構成図である。本実施の形態では、図２の実施の形態と同様、過熱検出回路１５ａ，１５ｂにより検出した温度が設定値を超えた場合に温度異常信号を出力するための温度異常信号出力端子Ｔ３を有している。その他は図３と同様の構成である。

過熱検出回路１５ａ，１５ｂは、予め設定された異常過熱設定温度より高い温度を検出すると、制御回路１１に放電ＦＥＴＱ１もしくは充電ＦＥＴＱ２が異常過熱状態、あるいは二次電池２が異常過熱状態であることを通知する。このとき制御回路１１は、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２のゲートをＬレベルにして通電電流を切断させるとともに、温度異常信号を温度異常信号出力端子Ｔ３から外部に出力する。これにより、過熱異常アラームを鳴らしたり、表示することができる。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、実施の形態では、電池パック３内にある一つの温度センサ１６により放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の充放電時の通電電流による温度上昇を測定し、さらに、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の温度のみならず、二次電池２の温度も検出可能にしている。そして、二次電池２や放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２と電池保護集積回路１内の各部が損傷する温度を超えた場合に、過熱検出回路１５，１５ａ，１５ｂは制御回路１１に異常過熱状態を通知する。

ここで、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２と電池保護集積回路１内の各部が損傷する温度は、通常半導体の最大ジャンクション温度未満に設定されるが、このジャンクション温度はトランジスタの接合部の温度をさし、温度が上昇してくると結晶の熱じょう乱が激しくなり、多数の電子・正孔対が発生し、正常な動作が得られなくなり、素子破壊に至ることがある。通常の最大ジャンクション温度はシリコン素子で１５０〜１７５℃であるが、エポキシ樹脂封止の場合は〜１２５℃に制限する。実施の形態の電池保護集積回路１の場合、電池保護集積回路１に内蔵した放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の内部抵抗により過熱し、ジャンクション温度を上昇させる。なお、実施の形態では電池保護集積回路１及び二次電池２の保護を目的としているので、電池保護集積回路１が損傷する温度では正常動作する必要はない。

図５は過熱検出回路１５の具体的構成例を示す図である。温度センサ１６は、ダイオードの温度特性を利用したバンドギャップ電圧方式を用いている。過熱検出回路１５は、定電流源Ｉｓ、基準電圧源Ｖｓ及びコンパレータＱ３からなり、温度センサ１６の電圧と基準電圧をコンパレータＱ３で比較することで、過熱検出出力を得ている。過熱検出回路１５ａ，１５ｂも同様の構成である。

また、電池保護集積回路１の異常、つまり放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の過熱や負荷短絡で放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２に過電流が流れた場合、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２は急激に温度上昇する。これを検出して保護する方法としては、図３の一方の過熱検出回路１５ａの異常過熱設定温度を放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の最大ジャンクション温度未満（１２５〜１５０℃程度）に設定し、異常過熱設定温度を検出した場合は瞬時に放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の通電を切断させる。

また、二次電池２の異常や過充電，過放電により二次電池２が過熱する場合、二次電池２の熱容量が大きいのでゆっくり温度上昇する。これを検出して保護する方法としては、電池温度を検出するもう一方の過熱検出回路１５ｂの異常過熱設定温度を二次電池２の異常過熱温度（通常８０℃程度）に設定し、異常過熱設定温度を検出した場合は数秒遅延時間を持たせて放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の通電を切断させる。これにより、一つの温度センサ１６で電池保護集積回路１の異常と二次電池２の異常を区別して保護することができる。

すなわち、温度センサ１６が二次電池２の異常過熱温度を検知した時点で一旦二次電池２に関する異常と判断し、数秒後に放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の通電を切断させることにする。放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２に過電流が流れていなければ、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の通電が切断されるまでの数秒で温度センサ１６が最大ジャンクション温度を検出するまでに温度が上昇することはなく、数秒後に通電を切断すれば当然その後も温度センサ１６が最大ジャンクション温度を検出することはない。逆に、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２に過電流が流れていれば、温度センサ１６が二次電池２の異常過熱温度を検知してからごく短時間で最大ジャンクション温度を検出することになる。すなわち、過熱検出回路１５ｂが応答した時点では二次電池２に関する異常であるか、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２に過電流が流れているのか判断できないので一旦二次電池に関する異常としての処理を開始するが、その後過熱検出回路１５ａが応答すると放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２に過電流が流れていると判断できるので、その場合は瞬時に放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の通電を切断させるのである。

図６は電池パック３の構造例を示す図である。通常、リチウム電池パックは、二次電池２と電池保護集積回路１が実装されたプリント板４で構成され、電池保護集積回路１は熱が伝わりやすいように熱伝導シート（グリス）５を介して二次電池２に密着固定される。温度センサ１６と放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２は、電池保護集積回路１内に置かれるので、温度センサ１６の温度はＭＯＳ（放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２）の温度とほぼ同じ温度になる。二次電池２と電池保護集積回路１とは距離があるので、二次電池２の温度は電池パッケージ、ＩＣパッケージ、熱伝導シート（グリス）５等の熱抵抗を介して測定することになる。したがって、それらの誤差を考慮して異常過熱設定温度を設定する必要がある。

本発明の第１の実施の形態の二次電池保護装置の構成図である。本発明の第２の実施の形態の二次電池保護装置の構成図である。本発明の第３の実施の形態の二次電池保護装置の構成図である。本発明の第４の実施の形態の二次電池保護装置の構成図である。過熱検出回路の具体的構成例を示す図である。電池パックの構造例を示す図である。従来の二次電池保護装置の構成図である。

符号の説明

１電池保護集積回路
２二次電池
３電池パック
１１制御回路
１２過充電検出回路
１３過放電検出回路
１４過電流検出回路
１５，１５ａ，１５ｂ過熱検出回路
１６温度センサ
Ｑ１放電ＦＥＴ
Ｑ２充電ＦＥＴ
Ｔ１，Ｔ２出力端子
Ｔ３温度異常信号出力端子

Claims

集積回路化された二次電池保護装置であって、
二次電池の放電電流を制御する放電制御用の半導体デバイスと、
前記二次電池の充電電流を制御する充電制御用の半導体デバイスと、
前記放電制御用の半導体デバイス及び前記充電制御用の半導体デバイスのオン、オフを制御する制御回路と、
前記二次電池の異常状態を検出する異常検出回路と、
前記放電制御用の半導体デバイス及び前記充電制御用の半導体デバイスの温度を検出する温度計測素子及び温度検出回路と、を有し、
前記制御回路は、前記異常検出回路及び前記温度検出回路の検出結果に応じて前記放電制御用の半導体デバイス及び前記充電制御用の半導体デバイスのオン、オフを制御することを特徴とする二次電池保護装置。
前記異常検出回路は、前記二次電池の過充電を検出する過充電検出回路と、前記二次電池の過放電を検出する過放電検出回路及び前記二次電池に流れる過電流を検出する過電流検出回路からなることを特徴とする請求項１記載の二次電池保護装置。
前記温度計測素子及び前記温度検出回路により検出した温度が設定値を超えた場合に温度異常信号を出力するための温度異常信号出力端子を有していることを特徴とする請求項１記載の二次電池保護装置。
前記温度計測素子及び前記温度検出回路は、前記放電制御用の半導体デバイス及び前記充電制御用の半導体デバイスの温度とともに前記二次電池を収容した電池パックの温度を検出し、
前記制御回路は、前記温度検出回路の検出温度に応じて前記放電制御用の半導体デバイス及び前記充電制御用の半導体デバイスのオン、オフを制御することを特徴とする請求項１記載の二次電池保護装置。
前記温度検出回路により検出した温度が第１の所定値に達すると前記二次電池の過熱を検出したと判断し、その後前記温度検出回路により検出した温度が第２の所定値に達すると前記半導体デバイスの過熱を検出したと判断することを特徴とする請求項４記載の二次電池保護装置。
前記二次電池の過熱を検出したと判断すると所定時間後に前記半導体デバイスをオフする制御を開始し、前記半導体デバイスの過熱を検出したと判断すると前記半導体デバイスを直ちにオフすることを特徴とする請求項５記載の二次電池保護装置。