JP2007195351A

JP2007195351A - 蓄電池装置

Info

Publication number: JP2007195351A
Application number: JP2006012118A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Ono; 敏明小野
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2007-08-02

Abstract

【課題】温度変動に対しても安定で高精度な充放電電流及び出力電力の検出機能を有し、電力損失が少ない蓄電池装置を提供する。
【解決手段】蓄電池１と、外部の電子機器に接続する蓄電池出力端子９，１０と、充放電制御回路５２と、充電用スイッチ回路３９および放電用スイッチ回路３８からなる蓄電池装置において、それらのスイッチ回路がそれぞれ並列接続されたセンスＦＥＴ２７とパワーＦＥＴ２８およびセンスＦＥＴ２９とパワーＦＥＴ３０から構成され、前記センスＦＥＴ２７および２９のそれぞれドレイン側に直列に電流値検出用のセンス抵抗１９，２０が接続され、該抵抗の両端及びセンスＦＥＴ２７，２９の両端の電圧を測定し、演算回路２５，２６で充電および放電電流を算出し検知する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電池の充放電を制御することができる充放電制御回路を有する蓄電池装置に関するものである。

蓄電池からなる電池パックなどの蓄電池装置では、一般的に特許文献１に示されているように、電池の保護のために常に充電電流と放電電流を検知し、過電流状態となったときは充放電制御回路とそれに接続されたスイッチ回路により電流を制限している。

従来の蓄電池からなる蓄電池装置の回路ブロック図の一例を図２に示す。この蓄電池装置は、図２に示すように、蓄電池出力端子９，１０を持つ蓄電池１と、充放電制御回路２と、蓄電池１と蓄電池出力端子１０の間に挿入され、それぞれ充放電制御回路２に接続された放電電流制御用ＦＥＴ４とダイオード６からなる放電用スイッチ回路４０、充電電流制御用ＦＥＴ５、ダイオード７からなる充電用スイッチ回路４１と、充電用スイッチ回路４１と蓄電池出力端子１０の間に挿入されたセンス抵抗８、電流及び電力監視回路３、サーミスタ３５、電流及び電力監視回路信号出力端子１１、サーミスタ出力端子１２より構成されている。

充放電制御回路２の信号により放電電流制御用ＦＥＴ４、充電電流制御用ＦＥＴ５をＯＮ・ＯＦＦすることで、充放電電流及び出力を制御している。また、サーミスタ３５により蓄電池１の温度を検出可能としている。

図２においては、全体に流れる電流及び電力検出のためのセンス抵抗８は、電流の流れる主回路に挿入され、電流及び電力監視回路３によりセンス抵抗８での電圧降下を測定し、演算処理して電流及び電力を検出し監視を行っていた。この方法では、全電流（Ｉ）の流れる回路にセンス抵抗８を挿入するために、その抵抗値Ｒ１により電力損失（Ｉ²×Ｒ１）が発生していた。

前述の全電流が流れる回路上のセンス抵抗８による電力損失を回避するために、回路に流れる全体の電流を主電流とモニタ用の電流とに分流して、分流されたモニタ電流用回路にセンス抵抗を挿入して電流をモニタする方式がある。例えば、下記の非特許文献１に代表して示されるように、大電流の流れるパワーＦＥＴと小電流を流すセンスＦＥＴが同一チップ上あるいは、同一パッケージ上に集積され、それぞれのソースに接続される２つの入力端子と、それら２つのＦＥＴのドレインとゲートをそれぞれ共通とした端子をもつ４端子（或いは他のモニタ端子を持つものは、４端子以上の端子を持つものもあり）構成の合成ＦＥＴを用いて構成する方法である。

この合成ＦＥＴを用いた蓄電池装置の従来の構成例を図３に示し、その回路ブロック図を図３（ａ）に、その中の充電用及び放電用のスイッチ回路およびセンス抵抗部分の等価回路を図３（ｂ）に示す。

蓄電池１と、パワーＦＥＴ１６、センスＦＥＴ１５、ダイオード６から構成された放電用スイッチ回路１３と、パワーＦＥＴ１８、センス用ＦＥＴ１７、ダイオード７から構成された充電用スイッチ回路１４と、センスＦＥＴ１５のソース側に接続された放電電流監視用の抵抗値Ｒ２のセンス抵抗１９、センスＦＥＴ１７のソース側に接続された充電電流監視用の抵抗値Ｒ３のセンス抵抗２０、充放電制御回路４２、電流及び電力監視回路４３、サーミスタ３５、蓄電池出力端子９，１０、電流及び電力監視回路信号出力端子１１、サーミスタ出力端子１２より構成され、充放電制御回路４２の信号により放電用スイッチ回路１３、充電用スイッチ回路１４をＯＮ・ＯＦＦすることで、充放電電流及び出力を制御している。また、サーミスタ３５により蓄電池１の温度を検出可能としている。

センス抵抗１９，２０の両端での電圧降下量を測定し、電流及び電力監視回路４３で演算処理することにより全体に流れる放電及び充電電流及び電力を検出し、監視を実施している。

本構成での放電用スイッチ回路１３および充電用スイッチ回路１４とセンス抵抗１９，２０は、図３（ｂ）の等価回路で示される。ここで、センスＦＥＴ１５及び１７のスイッチＯＮ時のソース・ドレイン間抵抗値（センスＦＥＴオン抵抗）をＲＤＳ（ｏｎ）２、パワーＦＥＴ１６及び１８のスイッチＯＮ時のソース・ドレイン間抵抗値（パワーＦＥＴオン抵抗）をＲＤＳ（ｏｎ）１としている。

例えば、ＲＤＳ（ｏｎ）２＞＞ＲＤＳ（ｏｎ）１とし、その比を１０００：１等にして電流を分流させ、センスＦＥＴ１５，１７に接続されたセンス抵抗１９，２０の両端の電圧を検出することによりそれらのセンス抵抗に流れる放電及び充電電流を算出し、その結果より全体に流れる電流を見積もり、電流及び電力監視を行っている。

この時のセンス抵抗１９，２０の抵抗値は、分流比の精度を保つためにＲＤＳ（ｏｎ）２に比べて十分小さくしなければならない。しかし、発生する電圧が小さすぎると検出精度が問題になる。特に、使用するＭＯＳＦＥＴのオン抵抗の温度依存性を考慮する必要があり、実際にはセンス抵抗の抵抗値Ｒ２，Ｒ３はＲＤＳ（ｏｎ）２の５％程度に選択するのがよい。

特開平６−２８４５９４号公報フィリップス・アプリケーションノート・AN10322-1（PHILIPS：Application note AN10322_1 (Current Sensing Power MOSFETs： Rev.01.00-09 September 2004))

しかしながら、一般的にＭＯＳＦＥＴのオン抵抗は、図４に示すように、正の温度特性を有しているために、流れる電流による自己発熱及び蓄電装置の発熱、環境温度によりオン抵抗が変動する。このためセンスＦＥＴオン抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）２とパワーＦＥＴオン抵抗ＲＤＳ（ｏｎ）１が変動するが、外部接続されたセンス抵抗１９，２０は一定値を呈しているためにセンスＦＥＴ部とパワーＦＥＴ部の分流比が変化してしまい、回路全体に流れる電流を正確に見積もることができない。

また、上記構成では、センス抵抗１９，２０がセンスＦＥＴ１５，１７のソース側に設置されているため、分流比の変化によりセンス抵抗１９，２０での電圧降下に変動が発生すると、その影響でゲートに印加されるバイアス電圧に変動が発生し、さらにＭＯＳＦＥＴのオン抵抗を変動させるため電流を正確に見積もることができない。また、上記ゲートバイアス電圧の変動はその値が小さくなる方向に変動するためＭＯＳＦＥＴのオン抵抗が大きくなる方向に動き、パワーＦＥＴのオン抵抗に依存した電力損失が増大するという欠点があった。

そこで、本発明の課題は、これらの欠点を除去し、温度変動に対しても安定で高精度な充放電電流及び出力電力の検出機能を有し、電力損失が少ない蓄電池装置を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明の蓄電池装置は、少なくとも１個の蓄電池と、該蓄電池を外部の電子機器に接続する端子と、充放電制御回路と、前記蓄電池と前記端子との間に配置され前記充放電制御回路の制御により前記蓄電池の充電および放電をそれぞれ制御する２つのスイッチ回路からなる蓄電池装置において、前記２つの各々のスイッチ回路が並列接続された複数個のＭＯＳＦＥＴから構成され、前記各々のスイッチ回路において少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴのドレイン側に直列に電流値検出用の抵抗が接続され、該電流値検出用の抵抗の両端及び該電流値検出用の抵抗が接続されたＭＯＳＦＥＴの両端の電圧を測定し、演算処理をすることにより、充電および放電電流を検知する構成である。

また、前記充電および放電を制御する２つのスイッチ回路は、それぞれ同一チップ上あるいは同一パッケージ上に複数のＭＯＳＦＥＴが集積された合成ＭＯＳＦＥＴにより構成されていてもよい。

上記のように、本発明においては、電流検知用に分流したＭＯＳＦＥＴに接続された電流値検出用抵抗の両端の電圧だけでなく、そのＭＯＳＦＥＴの両端の電圧を測定し演算処理をすることによって、また、上記電流値検出用抵抗をＭＯＳＦＥＴのドレイン側に接続することによって、温度変動に対しても安定で高精度な充放電電流及び出力電力の検出を可能にし、かつ電力損失が少ない蓄電池装置が得られる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して説明する。

図１は、本発明による蓄電池装置の一実施例であり、図１（ａ）は回路ブロック図、図１（ｂ）はその中の充電用及び放電用のスイッチ回路およびセンス抵抗部分の等価回路を示す。蓄電池１と、パワーＦＥＴ２８、センスＦＥＴ２７、ダイオード６から構成された放電用スイッチ回路３８と、パワーＦＥＴ３０、センス用ＦＥＴ２９、ダイオード７から構成された充電用スイッチ回路３９と、センスＦＥＴ２７のソース側に接続された放電電流監視用の抵抗値Ｒ２のセンス抵抗１９と、センスＦＥＴ２９のソース側に接続された充電電流監視用の抵抗値Ｒ３のセンス抵抗２０と、充放電制御回路５２、電流及び電力監視回路５３、電流値を算出するための演算回路２５および２６、サーミスタ３５、蓄電池出力端子９，１０、電流及び電力監視回路信号出力端子１１、サーミスタ出力端子１２より構成され、充放電制御回路５２の信号により放電用スイッチ回路３８、充電用スイッチ回路３９をＯＮ・ＯＦＦすることで、充放電電流及び出力を制御している。また、サーミスタ３５により蓄電池１の温度を検出可能としている。

全体の放電電流は、センス抵抗１９の両端の電圧降下とセンスＦＥＴ２７のソース・ドレイン間の電圧降下を検出し、その値を基に演算回路２５により算出し監視している。

すなわち、ＭＯＳＦＥＴの抵抗値が温度特性によって変動があったとしても、センスＦＥＴ２７とパワーＦＥＴ２８のＯＮ抵抗の抵抗変化率は同一であることから、センス抵抗１９の電圧降下をＶ２、センスＦＥＴ２７のＯＮ時のソース・ドレイン間の電圧降下をＶＤＳ（ｏｎ）２Ｄとすると、数１に示すように、全体の放電電流ＩＤを正確に見積もることができる。

また、全体の充電電流ＩＣは、上記の放電電流と同様に、センス抵抗２０およびセンスＦＥＴ２９の電圧降下を検出し、演算回路２６により数２により算出しモニタしている。

上記のように、本構成においては、センス抵抗１９，２０が、それぞれのＦＥＴのドレイン側に配置されているため、それらのセンス抵抗での電圧降下がゲート電圧を変動させることはなく、常に充放電制御回路５２からの信号が直接、放電用スイッチ回路３８、及び充電用スイッチ回路３９のＭＯＳＦＥＴゲートに印加されるためＭＯＳＦＥＴのオン抵抗に影響を与えることがない。

また、本構成では、センス抵抗による損失及びＭＯＳＦＥＴのゲート電圧変動に伴うオン抵抗増大による電力損失を軽減できる。

なお、従来のようにソース側にセンス抵抗が入った場合は、熱だけでなく、センス抵抗の電圧降下分の影響、すなわちゲートバイアスＶ_GSの変化がセンスＦＥＴのみに出て、パワーＦＥＴには生じないため、図４に示すように、センスＦＥＴのオン抵抗のみＶ_GSによって変わり、このためセンスＦＥＴとパワーＦＥＴの抵抗比率が変わってしまい、正確な電流値を見積もれなくなる。

以上のように、本実施例では、センスＦＥＴのドレイン側に接続されたセンス抵抗とセンスＦＥＴでの電圧降下を検出し、演算することで、温度変動に対しても安定で高精度な充放電電流及び出力電力の検出機能を有し、電力損失が少ない蓄電池装置が得られる。

本発明による蓄電池装置の一実施例を示す図、図１（ａ）は回路ブロック図、図１（ｂ）は、充電用及び放電用のスイッチ回路およびセンス抵抗部分の等価回路。従来の蓄電池からなる蓄電池装置の回路ブロック図の一例を示す図。従来の合成ＦＥＴを用いた蓄電池装置の構成例を示す図、図３（ａ）は回路ブロック図、図３（ｂ）は、充電用及び放電用のスイッチ回路およびセンス抵抗部分の等価回路図。ＭＯＳＦＥＴのＯＮ抵抗値の温度特性を示す図。

符号の説明

１蓄電池
２，４２，５２充放電制御回路
３，４３，５３電流及び電力監視回路
４放電電流制御用ＦＥＴ
５充電電流制御用ＦＥＴ
６，７ダイオード
８，１９，２０センス抵抗
９，１０蓄電池出力端子
１１電流及び電力監視回路信号出力端子
１２サーミスタ出力端子
１３，４０，３８放電用スイッチ回路
１４，４１，３９充電用スイッチ回路
１５，１７，２７，２９センスＦＥＴ
１６，１８，２８，３０パワーＦＥＴ
２１，２３，３１，３３センスＦＥＴのオン抵抗
２２，２４，３２，３４パワーＦＥＴのオン抵抗
２５，２６演算回路
３５サーミスタ

Claims

少なくとも１個の蓄電池と、該蓄電池を外部の電子機器に接続する端子と、充放電制御回路と、前記蓄電池と前記端子との間に配置され前記充放電制御回路の制御により前記蓄電池の充電および放電をそれぞれ制御する２つのスイッチ回路からなる蓄電池装置において、前記２つの各々のスイッチ回路が並列接続された複数個のＭＯＳＦＥＴから構成され、前記各々のスイッチ回路において少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴのドレイン側に直列に電流値検出用の抵抗が接続され、該電流値検出用の抵抗の両端及び該電流値検出用の抵抗が接続されたＭＯＳＦＥＴの両端の電圧を測定し、演算処理をすることにより、充電および放電電流を検知する手段を有することを特徴とする蓄電池装置。
前記充電および放電を制御する２つのスイッチ回路は、それぞれ同一チップ上あるいは同一パッケージ上に複数のＭＯＳＦＥＴが集積された合成ＭＯＳＦＥＴにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の蓄電池装置。