JP2009017651A - 過電圧保護システム、電池パック、および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】充電器の設定電圧を高くしながら、セル電圧が閾値で制限される値を超えないことを保証する過電圧保護システムを提供する。
【解決手段】電池セット１４は、直列接続された複数の電池セル１１〜１３で構成されている。保護電圧測定部５１は、各電池セルのセル電圧を測定し演算部６５は、セル電圧から電池セットの両端電圧を計算して測定電圧として出力する。過電圧設定部６３は、いずれかの電池セルのセル電圧の値が閾値に到達したときに電池セットに対する充電を停止する。診断電圧測定部７１は、電池セットの両端電圧を測定し診断電圧として出力する。比較回路６７は、測定電圧の値と診断電圧の値とを比較した結果に基づいて電池セットに対する充電を停止する。
【選択図】図３

Description

本発明は、直列接続された複数の電池セルの充電システムに採用される過電圧保護システムに関する。

携帯型電子機器の一例であるノート型パーソナル・コンピュータ（以後ノートＰＣという。）では、ＣＰＵの動作周波数の高速化などに伴う消費電力が増加していく一方で、モバイル環境での長時間動作や小型軽量化などが要求されている。よってノートＰＣに搭載する蓄電池は、エネルギー密度の高いリチウム・イオン蓄電池からなる電池セルを複数用意して、これらを直列接続および並列接続によって組み合わせてハウジングに収納した電池パックの形態をとっている場合が多い。

リチウム・イオン蓄電池を充放電するときには、充放電電流および充放電電圧を精密に制御する必要があり、特に定電圧制御期間の充電電圧の制御は厳密に行う必要がある。このため、リチウム・イオン蓄電池を使用する電池パックでは、電池パックの内部にＭＰＵ（マイクロ・プロセッサ）を設け、ＭＰＵが充電中および放電中に電池パック内部の状態を監視してノートＰＣ本体に情報を送ったり、保護回路を動作させたりするスマート・バッテリと呼ばれる仕組みが一般的に採用されている。スマート・バッテリは、米国インテル社および米国デュラセル社によって提唱されたスマート・バッテリ・システム（Smart Battery System、以下、ＳＢＳという。）と呼ばれる規格に準拠したバッテリ装置である。同規格に準拠した電池パックは、インテリジェント電池とも呼ばれる。

インテリジェント電池は、ＭＰＵ、電流測定回路、電圧測定回路、残容量計算回路および温度センサなどを基板に実装した電気回路部と複数の電池セルが１つのハウジングに収納されており、ＭＰＵはデータ回線を介してノートＰＣ本体のエンベデッド・コントローラと通信を行うことができる。インテリジェント電池には過電圧保護回路も設けられており、使用中に電池セルの電圧が過電圧になった場合には、充電回路に設けた遮断素子を動作させて充電を停止するようになっている。

特許文献１は、リチウム電池の電池パックに第１の保護機能部と第２の保護機能部を搭載し、第１の保護機能部が４．３Ｖのセル電圧を検出したときには、ＦＥＴを動作させて充電を停止し、第２の保護機能部が４．５Ｖのセル電圧を検出したときには、抵抗付き温度ヒューズを溶断して充電を停止させる。このような回路構成により、第１の保護機能部に異常があっても第２の保護機能部がバックアップして電池セルが許容最大電圧を超えないことを保証している。特許文献２は、複数の電池セルの過電圧の検出を閾値の異なる複数の判定回路により多重冗長化した過充電過放電検出回路を開示する。
特開２０００−１６６１０７号公報 特開２００５−３２３４５９号公報

過電圧保護回路は、電池セルの充電中にセル電圧が許容最大電圧を超えないことを保証するために、セル電圧が閾値を超えた場合には確実に充電を停止する必要がある。その一方で、充電器が設定電圧に基づいて正常に動作している場合は誤って動作しない必要がある。充電器の出力電圧には設定電圧に対する誤差があり、さらに、環境温度の変化やドリフトなどによるセル電圧の変化もあるので、充電器の設定電圧と過電圧保護回路の閾値との間には一定のマージンを設ける必要がある。

近年、リチウム・イオン蓄電池の使用については一層の安全性の確保が求められている。そのため、関連業界団体などの間で、リチウム・イオン蓄電池の安全基準をさらに強化する動きがある。具体的には、従来はセル電圧の許容最大電圧を４．４０Ｖ以下にすることを標準としてきたが、この許容最大電圧を４．２５Ｖにまで下げて、充電システムに対して充電中にセル電圧がこの許容最大電圧を超えないようにすることを求めている。

複数のリチウム・イオン蓄電池を３〜４個直列接続して電池セットを構成する場合は、充電器は定電圧制御期間に電池セットの両端に印加する出力電圧が一定になるように動作する。そして電池セットの充電時に、セル電圧が許容最大電圧を超えないことを保証するには、セル電圧が閾値に到達したら充電を停止する過電圧保護回路を設けるとともに、その過電圧保護回路が正常に動作しない場合でも、セル電圧が許容最大電圧を超えないようにバックアップすることが一般的である。

特許文献１に記載のような従来の過電圧保護回路は、セル電圧が許容最大電圧を超えないことを保証するために、過電圧保護回路をともにセル電圧を監視する第１の保護機能部と第２の保護機能部で二重化し、第１の保護機能部は可逆素子であるＦＥＴを動作させ、第２の保護機能部は非可逆素子である温度ヒューズを動作させて充電を停止している。しかも、両者の閾値は可逆的な素子が先に作動するように異なる値に設定している。つまり、第２の保護回路は第１の保護回路と同じ構成にして完全なバックアップ機能を果たすようにしている。

可逆的な素子が非可逆的な素子より先に動作するように設定しているのは、セル電圧が可逆的な素子を動作させる閾値に接近した状態のときに環境温度の急激な変化や過電圧保護回路のドリフトなどに起因して一時的に閾値を超えた場合に可逆的な素子で一旦は充電を停止するが、安全を確認した後は再度充電を継続できるような現象に対応できるようにするためである。非可逆的な素子が後に作動するように設定しているのは、火災に至る可能性のあるような重大な事故を確実に防ぐために充電電圧がその閾値を超えた場合には当該電池パックの使用を完全に停止するためである。

特許文献１のような可逆的な素子と非可逆的な素子で構成される二重化された過電圧保護回路の構成は、ノートＰＣでは一般的に採用されている。このような過電圧保護回路では、正常な充電が行われている間は充電を停止させないために、充電器の設定電圧は可逆的な素子を動作させる低い方の閾値に対してさらにマージンを設けた低い値にする必要がある。しかし、充電器の設定電圧を下げると満充電容量が少なくなったり、満充電容量に到達するまでの時間が長くなったりするので好ましくない。

特許文献２に記載された判定回路は、判定回路を二重化または三重化することで１つの判定回路が不良になっても多数決処理により判定を継続するというものであるが、各判定回路は過充電に対して３．７５Ｖ、４．０Ｖ、４．２５Ｖといった異なる閾値を有している。したがって、充電器の設定電圧は、判定回路の最も低い閾値よりさらに低い値にしないと、判定回路が過充電に対する異常を検出することになる。

従来、電池セルの許容最大電圧が４．４０Ｖのときには、充電システム全体の誤差を考慮しても充電器の設定電圧を電池セル当たり４．２０Ｖにすることができたので、満充電容量に対する問題が生ずることはなかったが、許容最大電圧を４．２５Ｖまで下げるとした場合に、二重化された過電圧保護回路を採用してその差である０．１５Ｖだけ充電器の設定電圧を下げるとすれば、満充電容量の低下という新たな問題に遭遇する。したがって、従来のような二重化または三重化された過電圧保護方式とは異なる新たな方式でセル電圧が許容最大電圧を超えないことを保証する過電圧保護システムが必要となる。

そこで本発明の目的は、充電器の設定電圧を高くしながら、セル電圧が閾値で制限される値を超えないことを保証する過電圧保護システムを提供することにある。さらに本発明の目的は、単一の過電圧保護回路でセル電圧が閾値で制限される値を超えないことを保証する過電圧保護システムを提供することにある。さらに本発明の目的は、そのような過電圧保護システムを実現する電池パックおよび電子機器ならびにそのような過電圧保護システムにおいて実行される過電圧の防止方法を提供することにある。

本発明は、直列接続された複数の電池セルで構成された電池セットを充電器で充電するための過電圧保護システムに関する。保護電圧測定部が各電池セルのセル電圧を測定し、演算部が各電池セルのセル電圧から電池セットの両端電圧を計算して測定電圧として出力する。過電圧設定部はいずれかの電池セルのセル電圧が閾値に到達したときに第１の停止信号を出力して電池セットに対する充電を停止する。したがって、保護電圧測定部と過電圧設定部を含む過電圧保護回路が正常に動作する限り、いずれの電池セルのセル電圧も閾値で制限される値を超えることはない。ここに、閾値で制限される値は、実際のセル電圧に対する過電圧保護回路が動作する値の公差を含めて決定される。

本発明にかかる過電圧保護システムは、保護電圧測定部の動作が不良になったときにも、セル電圧が閾値で制限される値を超えないように構成されている。すなわち、診断電圧測定部は、電池セットの両端電圧を測定し診断電圧として出力し、比較部は、測定電圧の値と診断電圧の値とを比較した結果に基づいて異常があれば第２の停止信号を出力して電池セットに対する充電を停止する。なお、保護電圧測定部は、各電池セルのセル電圧を測定して測定電圧として出力し、診断電圧測定部は各電池セルのセル電圧を測定して診断電圧として出力するようにして、比較部が測定電圧の値と診断電圧の値を比較した結果に基づいて電池セットに対する充電を停止する第２の停止信号を出力するようにしてもよい。

このように本発明にかかる過電圧保護システムでは、システムが動作している間、保護電圧測定部が正常に動作していることを診断電圧測定部と比較部で診断することができるが、診断電圧測定部は、直接的に過電圧保護の機能を果たしていない。したがって、セル電圧が閾値で制限される値を超えないことを保証するために、過電圧設定部と保護電圧測定部を含む単一の過電圧保護回路を設けるだけでよくなり、異なる過電圧保護回路を２つ用意して二重化する必要がなくなる。充電中に何らかの原因で電池セットの両端電圧が充電器の設定電圧を超えて上昇し、いずれかの電池セルの測定電圧が閾値を超えることがある。

その場合、過電圧設定部が第１の停止信号を出力して充電を停止するようになっており、診断電圧の値は充電の停止には使用しないので、過電圧保護回路の閾値は１段で設定することができる。本発明にかかる過電圧保護システムでは、過電圧保護のための閾値を１段に設定することができるため、充電器の設定電圧を過電圧保護回路の公差と充電器の出力電圧の設定電圧に対する公差に必要なマージンを設けて選択した値まで接近させることができるので、二重化する場合よりも設定電圧を高い値に維持することができる。

診断電圧測定部は電池セットの両端電圧を測定して診断電圧として出力する。従来のように過電圧保護回路を二重化する場合はセル電圧も測定することになるが、本発明では両端電圧を測定するだけでよいためセル電圧を測定するよりも簡単に回路を構成することができる。過電圧設定部の閾値を電池セルのセル電圧が許容最大電圧を超えない値に設定することにより、充電器の設定電圧を当該充電システムで許容できる最大の値に設定することができる。ここに、当該充電システムで許容できる最大の値は、実際のセル電圧に対する過電圧保護回路の公差と、充電器の出力電圧の設定電圧に対する公差に必要なマージンを設けて決定される。

第１の停止信号は充電回路に設けられたＦＥＴなどの復帰型遮断素子を動作させ、第２の停止信号は非復帰型遮断素子を動作させることができる。第２の停止信号が出力されるときは、保護電圧測定部または診断電圧測定部のいずれかに異常がある場合なので、確実に充電を停止してセル電圧が閾値で制限される値を超えないことを保証するために、第１の停止信号で動作する復帰型遮断素子とは異なる非復帰型遮断素子を設けて動作させることが望ましい。また、第１の停止信号で復帰型遮断素子を動作させることは、環境温度の変化や充電器のドリフトなどでセル電圧が一時的に閾値で制限される値を超えたような場合に、安全を確認した後に充電を再開することができるので望ましい。

診断電圧測定部は、電池セットに対する充電の開始から終了までの間、測定電圧の値と診断電圧の値とを比較し、その結果に基づいて電池セットに対する充電を停止する第２の停止信号を出力するようにすると、充電初期のセル電圧が低い期間に保護電圧測定部または診断電圧測定部の異常が検出される可能性が高くなり、セル電圧が高い期間に第２の停止信号を出力して充電を停止するよりも一層許容最大電圧の保証に対する安全性が高まる。保護電圧測定部と診断電圧測定部とは相互に独立した半導体装置で構成したり、診断電圧測定部と電池セルとの間の配線と保護電圧測定部と電池セルとの間の配線を別系統にしたりすることで、保護電圧測定部と診断電圧測定部の独立性が高まり、システムの信頼性が一層向上する。

本発明により、充電器の設定電圧を高くしながら、セル電圧が閾値で制限される値を超えないことを保証する過電圧保護システムを提供することができた。さらに本発明により、単一の過電圧保護回路でセル電圧が閾値で制限される値を超えないことを保証する過電圧保護システムを提供することができた。さらに本発明により、そのような過電圧保護システムを実現する電池パックおよび電子機器ならびにそのような過電圧保護システムにおいて実行される過電圧の防止方法を提供することができた。

図１は、本発明の実施形態にかかるＳＢＳ規格に準拠した電池パック１０、およびノートＰＣ１００からなる充電システムを示すブロック図である。電池パック１０は、ハウジング内に３本のリチウム・イオン電池セル１１〜１３が直列に接続された電池セット１４、センス抵抗１５、放電ＦＥＴ１７、充電ＦＥＴ１９、ＡＦＥ（アナログ・フロント・エンド）２１、ＭＰＵ（マイクロ・プロセッシング・ユニット）２３、電圧調整器２５、サーミスタ２７、および診断電圧測定部などの電子部品が設けられている。電池パック１０とノートＰＣ１００との間は、＋端子３１、Ｃ端子３３、Ｄ端子３５、Ｔ端子３７、および−端子３９の５つの端子で接続されている。電池セット１４からの放電電流および電池セット１４に対する充電電流は、＋端子３１および−端子３９を経由した充放電回路を通じてノートＰＣ１００との間を流れる。Ｃ端子３３とＤ端子３５はそれぞれＭＰＵ２３のクロック端子およびデータ端子に接続され、Ｔ端子３７は電池セル１１周辺の温度を測定するサーミスタ２７に接続される。

ＡＦＥ２１およびＭＰＵ２３は、電圧調整器２５から供給される一定電圧によって動作する集積回路である。ＡＦＥ２１とＭＰＵ２３との間は相互にデータ交換が行われる。ＡＦＥ２１は、電池セル１１〜１３のそれぞれの電位差を取得するアナログ入力端子Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、およびセンス抵抗１５の両端の電位差を取得するアナログ入力端子Ｉ１、Ｉ２を備える。ＡＦＥ２１はさらに放電ＦＥＴ１７および充電ＦＥＴ１９をオン・オフ制御する信号を出力するアナログ出力端子Ｄ−ＣＴＬおよびＣ−ＣＴＬを備える。ＡＦＥ２１は、セル電圧を測定してディジタル値に変換してＭＰＵ２３に送る。

ＡＦＥ２１は、センス抵抗１５が検出した電圧から電池セット１４に流れる充電電流および放電電流を測定してディジタル値に変換しＭＰＵ２３に送る。ＭＰＵ２３は、８〜１６ビット程度のＣＰＵの他に、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュ・メモリ、タイマなどを１個のパッケージの中に備えた集積回路である。ＭＰＵ２３は、ＡＦＥ２１から送られた電圧および電流に基づいて充電量や放電量を監視し残容量を計算する。ＭＰＵ２３はまた、過電流保護機能、過電圧保護機能（過充電保護機能ともいう。）、および低電圧保護機能（過放電保護機能ともいう。）を備え、ＡＦＥ２１から受け取った電圧値や電流値から電池パック１０に異常を検出した場合に、放電ＦＥＴ１７および充電ＦＥＴ１９またはそのいずれかを開いて保護する。過電流保護機能、過電圧保護機能、および低電圧保護機能はＭＰＵ２３で実行されるプログラムで構成される。

ＭＰＵ２３からはクロック・ラインとデータ・ラインが、それぞれＣ端子３３とＤ端子３５を介してノートＰＣ１００側のエンベデッド・コントローラ（ＥＣ）１０１に接続され、ＭＰＵ２３とＥＣ１０１との間での通信が可能になっている。ＭＰＵ２３は、ＥＣ１０１に対してデータ・ラインを通じて充電器１０３に設定する設定電流の値および設定電圧の値を送り、ＥＣ１０１は基準電圧源１２３を経由してこの設定値を充電器１０３にセットし、充電器１０３の動作を制御する。ＭＰＵ２３は、充電器に設定する設定電流の値または設定電圧の値をゼロに指定することで、充電器１０３の動作を停止させることができる。診断電圧測定部７１は、電池セット１４の両端の電圧である両端電圧を測定し、ＭＰＵ２３のアナログ入力端子Ｖｉｎに出力する。診断電圧測定部７１を含めた本発明の過電圧保護システムについては後に詳しく説明する。

ノートＰＣ１００の電源管理機能は、ＥＣ１０１を中心として充電器１０３およびＤＣ−ＤＣコンバータ１２１などで構成される。ＥＣ１０１は、電源以外にもノートＰＣ１００を構成する多くのハードウェア要素を制御する集積回路である。ＥＣ１０１は、電池セット１４の残容量、充電器に設定する設定電圧および設定電流などの情報をＭＰＵ２３との通信によって取得することができる。ＥＣ１０１は、充電および放電中にＭＰＵ２３から電池セット１４に流れる電流および両端電圧の情報を受け取る。さらにＥＣ１０１は、電池セル１１〜１３の近辺の温度に応じて変化するサーミスタ２７の抵抗値を検出して、その温度を検出し異常があったときにＭＰＵ２３に通知し、ＭＰＵ２３は放電ＦＥＴ１７および充電ＦＥＴ１９をオフにして充放電を停止する。

充電器１０３は、ＦＥＴ１０５およびＦＥＴ１０７によるスイッチング回路と、インダクタ１０９およびキャパシタ１１１による平滑回路とを備える。充電器１０３は、スイッチング回路を駆動して出力された電流を平滑回路によって脈動を低減して、ＡＣアダプタ１５１から入力された直流電圧を電池セット１４の充電に適した直流電圧に変換して電池パック１０に出力する。充電器１０３は、定電流定電圧方式（ＣＣ−ＣＶ：Constant Current Constant Voltage）で電池セット１４を充電する。充電器１０３の電流設定値入力Ｉｓｅｔおよび電圧設定値入力Ｖｓｅｔには、ノートＰＣ１００の内部で生成された一定電圧を分圧した基準電圧源１２３からの電圧が入力される。

基準電圧源１２３は、ＥＣ１０１からの指示に基づいて電圧設定値入力Ｖｓｅｔには設定電圧を入力し、電流設定値入力Ｉｓｅｔには設定電流を入力する。充電器１０３の電圧フィードバック入力ＦＢ−Ｖおよび電流フィードバック入力ＦＢ−Ｉには、ノートＰＣ側に用意された分圧抵抗１１３、１１５とセンス抵抗１１７からの出力が接続され、充電器の出力電圧および出力電流がそれぞれ入力される。

ＡＣアダプタ１５１は、１次側がＡＣコード１５３で商用電源に接続され、２次側がＤＣケーブル１５５でノートＰＣ１００に接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２１は、ＡＣアダプタ１５１から受け取ったＤＣ電圧または電池セット１４から受け取ったＤＣ電圧を必要な電圧に変換してノートＰＣ１００内のシステム負荷（図示せず）に供給する。

なお、図１は本実施の形態を説明するために、主要なハードウェアの構成および接続関係を簡素化して記載したに過ぎないものである。たとえば磁気ディスク、光学ディスク、キーボードなど、電池パック１０およびノートＰＣ１００を構成するためには多くの電気回路および装置が使われるが、それらは当業者には周知であるので記載を省略し、詳しく言及しない。図で記載した複数のブロックを１個の集積回路としたり、逆に１個のブロックを複数の集積回路に分割して構成したりすることも、当業者が任意に選択することができる範囲においては本発明の範囲に含まれる。

図２は、充電開始後の充電器１０３から出力される出力電圧Ｖｏｔおよび出力電流Ｉｏｔの時間的な変化を説明する図である。充電器１０３は、定電流定電圧充電方式によって電池セット１４を充電している。充電器の電圧設定値入力Ｖｓｅｔには定電圧制御期間の設定電圧Ｖｃｈｇが設定され、電流設定値入力Ｉｓｅｔには定電流制御期間の設定電流Ｉｃｈｇが設定されている。時刻０で充電器１０３が充電を開始すると、充電器１０３は出力電流Ｉｏｔが設定電流ＩｃｈｇになるようにＦＥＴ１０５およびＦＥＴ１０７を動作させて出力電圧Ｖｏｔを制御する。充電器１０３と電池セット１４との間には抵抗があるため、電池セット１４の両端電圧Ｖｃは充電器の出力電圧Ｖｏｔよりも低い値になる。

充電開始から時刻ｔ１までは定電流制御期間で時刻ｔ１から時刻ｔ２までは定電圧制御期間である。充電器１０３にフィードバックされる出力電圧Ｖｏｔが設定電圧に等しくなると、充電器１０３は定電圧制御期間に入り、出力電圧Ｖｏｔが設定電圧Ｖｃｈｇに等しくなるようにＦＥＴ１０５およびＦＥＴ１０７を動作させる。定電圧制御期間に出力電流Ｉｏｔが放電終了電流Ｉｃｈｇ１に到達した時点で充電が終了する。充電が終了する時点では、電池セットの両端電圧Ｖｃは出力電圧Ｖｏｔにほぼ等しくなっている。時刻ｔ０から時刻ｔ２までの間に充電された電気量が電池セル１１〜１３の満充電容量となる。したがって、充電器の設定電圧Ｖｃｈｇを許容される範囲で高く設定した方が満充電容量を大きくすることができ、かつ充電時間を短縮することができる。

充電器１０３は正常に動作している限り、定電圧制御器期間に誤差の範囲で設定電圧Ｖｃｈｇを維持するように出力電圧Ｖｏｔを制御するため、電池セット１４の両端電圧の上限を管理することはできるが、電池セット１４を構成する各電池セル１１〜１３のセル電圧が許容最大値を超えないように管理することができない。

図３は、図１に示した電池パック１０の過電圧保護システムを説明するためのブロック図である。図３には、図１では省略されていたヒューズ６１、アナログ／ディジタル変換器７３、レジスタ７５が示されており、さらに、ＡＦＥ２１の内部構成およびＭＰＵ２３の内部構成が示されている。ヒューズ６１は、充放電回路に設けられておりＭＰＵ２３から供給された動作電流が内部の抵抗に流れることで素子が溶断して回路を遮断する非復帰型の遮断素子である。

ＡＦＥ２１は、保護電圧測定部５１、アナログ／ディジタル変換器５３、レジスタ５５、およびＦＥＴ制御部５７を含む。保護電圧測定部５１は、電池セット１４を構成する直列に接続された電池セル１１〜１３の各電圧を測定する。保護電圧測定部５１は、内部にＭＰＵ２３の指示に基づいて動作するセレクタを含み、測定する電池セルを切り替えて測定したセル電圧の測定値を順番にアナログ／ディジタル変換器５３に送る。アナログ／ディジタル変換器５３は測定値をレジスタ５５に送り、ＭＰＵ２３は定期的にレジスタ５５のデータを読み取る。ＦＥＴ制御部５７は、ＭＰＵ２３からの停止信号に基づいて充電ＦＥＴ１９および放電ＦＥＴ１７を開く。

診断電圧測定部７１は、ＭＰＵ２３から指示されたタイミングで電池セット１４の両端電圧を測定して測定値をアナログ／ディジタル変換器７３に送り、アナログ／ディジタル変換器７３は、測定値をレジスタ７５に送り。ＭＰＵ２３は定期的にレジスタ７５の値を読み取る。ＭＰＵ２３は、過電圧設定部６３、演算部６５、および比較部６７を含む。過電圧設定部６３、演算部６５、および比較部６７は、プロセッサで実行されるプログラムで実現される。ただし、本発明においてはこれらをハードウェアで構成してもよい。過電圧設定部６３には、過電圧保護システムが保証する各電池セル１１〜１３の許容最大電圧を維持するための閾値が設定されている。

この実施例では、保護電圧測定部５１は±０．０３Ｖの公差があるので、過電圧設定部６３は、４．２５Ｖの許容最大電圧に対して設定値を４．２２Ｖにすることでセル電圧が許容最大電圧を超えないことを保証している。過電圧設定部６３は、いずれかの電池セルのセル電圧が閾値を超えたときに停止信号をＦＥＴ制御部５７に送る。演算部６５は、レジスタ５５から定期的に各電池セルのセル電圧を受け取り、その値を合計して電池セット１４の両端電圧を計算し比較部６７に送る。また、各電池セル１１〜１３のセル電圧を定期的に過電圧設定部６３に送る。比較部６７は、レジスタ７５から受け取った電池セットの両端電圧と演算部６５から受け取った両端電圧を比較して、所定値以上の差があると判断した場合にはヒューズ６１に停止信号を送りヒューズ６１を溶断する。

所定値以上の差は、保護電圧測定部５１とアナログ／ディジタル変換器５３によりもたらされる公差と診断電圧測定部７１とアナログ／ディジタル変換器７３によりもたらされる公差を考慮して決める。また所定値以上の差があると判断するのは、複数のデータの比較に基づいて行うようにしてもよい。比較部６７は、ヒューズ６１に停止信号を送るときに、併せてＦＥＴ制御部５７にも停止信号を送って、充電ＦＥＴ１９および放電ＦＥＴ１７を開くようにしてもよく、さらに、ＥＣ１０１に対して充電器１０３の動作を停止するように指示してもよい。

つぎに、図３に示した過電圧保護システムの動作を説明する。ＭＰＵ２３は、ＥＣ１０１に設定電流Ｉｃｈｇと設定電圧Ｖｃｈｇを送る。ＥＣ１０１は、基準電圧源１２３に設定電流Ｉｃｈｇと設定電圧Ｖｃｈｇを設定し、基準電圧源１２３はそれらに対応する電圧値を充電器１０３の電流設定値入力Ｉｓｅｔ、電圧設定値入力Ｖｓｅｔに供給して充電器１０３の動作を開始させる。充電器１０３は、最初定電流制御で電池セット１４を充電する。

保護電圧測定部５１は、ＭＰＵ２３から指示されたタイミングで、電池セル１１〜１３の各セル電圧を測定して、アナログ／ディジタル変換器５３およびレジスタ５５経由で演算部６５に送る。このとき診断電圧測定部７１もＭＰＵ２３から指示されたタイミングで、電池セット１４の両端電圧を測定して、それを診断電圧としてアナログ／ディジタル変換器７３およびレジスタ７５経由で比較部６７に送る。演算部６５は、電池セル１１〜１３の各セル電圧を合計して電池セット１４の両端電圧を計算し測定電圧として比較部６７に送る。比較部６７は、ともに電池セット１４の両端電圧に相当する演算部６５から受け取った測定電圧とレジスタ７５から受け取った診断電圧を所定のタイミングで比較する。

両者の差が公差を考慮しても許容できる範囲である限り、比較部６７は停止信号をヒューズ６１に送らない。過電圧設定部６３は、演算部６５から受け取った電池セル１１〜１３のいずれかのセル電圧が、４．２２Ｖの閾値に到達しない限り停止信号をＦＥＴ制御部５７に送らない。過電圧設定部６３は、演算部６５から受け取った電池セル１１〜１３のいずれかのセル電圧が、４．２２Ｖの閾値に到達したときに停止信号をＦＥＴ制御部５７に送り、ＦＥＴ制御部５７は充電ＦＥＴ１９を開いて充電を停止し、さらに放電ＦＥＴ１７も開いて放電も禁止する。このとき過電圧設定部６３は、さらに、ＥＣ１０１に対して充電器１０３の動作を停止するように指示してもよい。

そして、ＭＰＵ２３は、ＥＣ１０１に設定電流Ｉｃｈｇおよび設定電圧Ｖｃｈｇをゼロにするように指示し、ＥＣ１０１は基準電圧源１２３を経由して電流設定値入力Ｉｓｅｔおよび電圧設定値入力Ｖｓｅｔにゼロを設定する。その結果、充電器１０３は充電を停止する。このような動作状態は定電流制御期間および定電圧制御期間を通じて充電の開始から終了まで連続的に行われる。

保護電圧測定部５１が、所定の公差の範囲でセル電圧を測定している限り、いずれの電池セル１１〜１３も充電中に許容最大電圧を超えることはない。過電圧設定部６３が停止信号をＦＥＴ制御部５７に送ったときに、充電ＦＥＴ１９がＦＥＴ制御部５７からの制御信号で開かない場合は、ＭＰＵ２３はＦＥＴ制御部５７に停止信号を送っても充電電流がゼロにならないことを検知して、ＥＣ１０１に対して充電器１０３を停止するように指示する。ＭＰＵ２３が故障してレジスタ５５のデータを読み取ることができなくなった場合は、ＥＣ１０１はＭＰＵ２３から充電中の電圧および電流が送られてこないことによりＭＰＵ２３の故障を検知して、充電器１０３の動作を停止する。ＭＰＵ２３がＥＣ１０１と通信できなくなった場合も同様にＥＣ１０１は充電器１０３の動作を停止する。

充電器１０３またはＥＣ１０１が故障したときは、ＭＰＵ２３から充電停止の信号をＥＣ１０１に送っても充電器１０１は動作を継続する場合もあるが、過電圧設定部６３がＦＥＴ制御部５７に停止信号を送るので、ＦＥＴ制御部５７が充電ＦＥＴ１９を開くことにより電池セル１１〜１３のいずれも許容最大電圧を超えることはない。しかし、保護電圧測定部５１が故障して、正しいセル電圧を計測できなくなると、たとえ過電圧設定部６３が４．２２Ｖで停止信号を出力しても、そのときのいずれかの電池セルのセル電圧は、４．２５Ｖを超えている可能性がある。

本実施の形態にかかる過電圧保護システムでは、診断電圧測定部７１が測定した診断電圧を利用して、保護電圧測定部５１およびアナログ／ディジタル変換器５３が正常に動作しない場合にもセル電圧が許容最大電圧である４．２５Ｖを超えないようにする。比較部６７は、演算部６５から受け取った電池セット１４の両端電圧である測定電圧とレジスタ７５から受け取った診断電圧を比較して、両者の差が所定の値を超えたときに、ヒューズ６１に停止信号を送る。その結果ヒューズ６１が溶断することで、この電池パック１０は、ヒューズ６１を交換しない限り充電も放電も行うことができなくなる。比較部６７は、ヒューズ６１に併せてＦＥＴ制御部５７にも停止信号を送って、充電ＦＥＴ１９および放電ＦＥＴ１７も開くようにしてもよい。さらに、比較部６７は、ＥＣ１０１に充電器１０３を停止するように指示してもよい。

診断電圧測定部７１は、保護電圧測定部５１およびアナログ／ディジタル変換器５３が正常に動作しないことを検知して、セル電圧が４．２５Ｖを超える可能性を間接的に除去する役割を果たす。比較部６７は、診断電圧測定部７１およびアナログ／ディジタル変換器７３が正常に動作しない場合でも、両者の差が所定の値を超えたときには、ヒューズ６１に充電停止信号を送る。

この過電圧保護システムでは、診断電圧測定部７１は、直接の過電圧保護回路として機能するものではないためセル電圧の過電圧保護の閾値を１段に設定することができ、充電器１０３の設定電圧Ｖｃｈｇは、１段の閾値を超えないようにすればよいため二重化した過電圧保護回路で閾値を２段に設定するよりも高くすることができる。図４（Ａ）は、従来の二重化された過電圧保護回路を採用した場合の充電器の設定電圧Ｖｃｈｇを示し、図４（Ｂ）は本実施の形態にかかる単一の過電圧保護システムを採用した充電器の設定電圧Ｖｃｈｇを示す。充電器の設定電圧Ｖｃｈｇは、電池セットの両端電圧を電池セルの数で除してセル電圧に換算している。いずれも過電圧保護回路の動作電圧には±０．０３Ｖの公差があり、充電器の出力電圧が設定電圧Ｖｃｈｇに対して±０．０３Ｖの公差があるものとする。また、過電圧保護回路間および過電圧保護回路と充電器の出力電圧との間には、０．０１Ｖのマージンを設けるものとする。

充電器の出力電圧が設定電圧Ｖｃｈｇに対して公差の範囲に収まり、かつ、１段目の過電圧保護回路と２段目の過電圧保護回路が同時に動作しないように設定すると、図４（Ａ）では、充電器の設定電圧Ｖｃｈｇが４．０８Ｖになるが、図４（Ｂ）では、設定電圧Ｖｃｈｇが４．１５Ｖになる。したがって、本実施の形態にかかる過電圧保護システムでは、０．０７Ｖだけ充電電圧の値を高くすることができる。これが実現できたのは、従来の方式では、セル電圧が許容最大値を超えないようにするために過電圧保護回路の二重化により対応していたが、本実施の形態では、単一の過電圧保護回路を採用し、診断電圧測定部７１と比較部６７を含む診断回路が過電圧保護回路の異常または自らの異常を検知したときには、安全サイドに移行して充電システムの動作を停止するようしたからである。

診断電圧測定部７１は、電池セット１４の両端電圧を測定すればよいため、保護電圧測定部５１に比べて回路構造を簡単にすることができる。したがって、保護電圧測定部５１を含むＡＦＥ２１を二重化するよりもコストを低く抑えてかつ信頼性も高くすることができる。当然ながら、診断電圧測定部７１がセル電圧を測定し、比較部６７がセル電圧同士を比較して停止信号を出力するようにしてもよい。診断電圧測定部７１は、ＡＦＥ２１と同一の半導体装置として構成してもよいが、安全性を向上させるには別の半導体装置として構成することが望ましい。

図５は、電池パック１０の内部構成を示す平面図である。ハウジング８０には、回路基板８１と６個の電池セル１１ａ〜１３ｂが収納されている。回路基板８１には、図３に示した構成要素のうちで電池セルを除いたものが実装されている。電池セルは、並列に接続された２つの電池セルが３組直列に接続されて電池セットを構成している。電池セルと保護電圧測定部５１との間は、実線で示した４本の配線で接続されている。電池セットの両端電極と診断電圧測定部７１との間は波線で示した２本の配線で接続されている。

電池セル１１ａ、１１ｂとそれぞれの配線との接続は、端子８７および端子８５で行われ、電池セル１３ａ、１３ｂとそれぞれの配線との接続は、端子９１および端子９３で行われている。このように、電池セルから保護電圧測定部５１および診断電圧測定部７１までの配線および端子を相互に独立させることで、両方に電圧が供給されなくなる可能性を低くしている。本実施の形態にかかる過電圧保護システムは、保護電圧測定部または診断電圧測定部のいずれか一方が正常に動作している限り、他方の異常を検知して充電を停止することができるので、このような配線方法により一層安全性を高めることができる。

図１に示した電池パック１０は、ＳＢＳ規格に準拠したものであるが、本発明はＳＢＳ規格に準拠しないダム・バッテリィといわれる電池パックに関する過電圧保護システムに採用することもできる。ダム・バッテリィの一例では、図１に示したＭＰＵ２３をノートＰＣ１００側に設けるものがある。その場合は、ＭＰＵ２３とＥＣ１０１の機能を統合することができる。さらに他のダム・バッテリィでは、ＡＦＥ２１およびＭＰＵ２３をノートＰＣ１００側に設けるものがある。この場合は、診断電圧測定部７１もノートＰＣ側に設けることになる。すなわち、本発明にかかる過電圧保護システムは、ハウジングには電池セット１４が収納されている必要はあるが、その他の素子や半導体装置は電池パックのハウジング内に設けたり、ノートＰＣ１００内に設けたりする充電システムに適用することができる。

これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることは言うまでもないことである。

過電圧保護回路を搭載した電池パックを充電する充電システムにおいて利用可能である。

本発明の実施形態にかかる電池パックおよびノートＰＣで構成された充電システムを示すブロック図である。 充電開始後の充電器から出力される出力電圧および出力電流の時間的な変化を説明する図である。 図１に示した電池パックの過電圧保護システムを説明するブロック図である。 従来の二重化された過電圧保護回路と本実施の形態にかかる過電圧保護システムにおける充電器の設定電圧の比較を説明する図である。 電池パックの配線構造を説明する平面図である。

符号の説明

１０…電池パック
１１、１２、１３…電池セル
１７…放電ＦＥＴ
１９…充電ＦＥＴ
１４…電池セット
２１…ＡＦＥ
２３…ＭＰＵ
１００…ノートＰＣ
１０１…エンベデッド・コントローラ（ＥＣ）
１０３…充電器
１２３…基準電圧源

Claims (13)

1. 直列接続された複数の電池セルで構成された電池セットを充電器で充電するための過電圧保護システムであって、
   各電池セルのセル電圧を測定する保護電圧測定部と、
   各電池セルのセル電圧から前記電池セットの両端電圧を計算して測定電圧として出力する演算部と、
   いずれかの前記電池セルのセル電圧の値が閾値に到達したときに前記電池セットに対する充電を停止する第１の停止信号を出力する過電圧設定部と、
   前記電池セットの両端電圧を測定し診断電圧として出力する診断電圧測定部と、
   前記測定電圧の値と前記診断電圧の値とを比較した結果に基づいて前記電池セットに対する充電を停止する第２の停止信号を出力する比較部と
   を有する過電圧保護システム。
2. 前記閾値は各電池セルのセル電圧が許容最大電圧値を超えない値に設定されている請求項１に記載の過電圧保護システム。
3. さらに充電回路に復帰型遮断素子と非復帰型遮断素子を有し、前記第１の停止信号は前記復帰型遮断素子を動作させ、前記第２の停止信号は前記非復帰型遮断素子を動作させる請求項１または請求項２に記載の過電圧保護システム。
4. 前記比較部は、前記電池セットに対する充電の開始から終了までの間前記測定電圧の値と前記診断電圧の値とを比較し、比較した結果に基づいて前記電池セットに対する充電を停止する第２の停止信号を出力する請求項１〜請求項３のいずれかに記載の過電圧保護システム。
5. 前記保護電圧測定部と前記診断電圧測定部とは相互に独立した半導体装置で構成されている請求項１〜請求項４のいずれかに記載の過電圧保護システム。
6. 前記診断電圧測定部と前記電池セルとの間の配線と前記保護電圧測定部と前記電池セルとの間の配線を別系統にした請求項１〜請求項５のいずれかに記載の過電圧保護システム。
7. 直列接続された複数の電池セルで構成された電池セットを充電器で充電するための過電圧保護システムであって、
   各電池セルのセル電圧を測定し測定電圧として出力する保護電圧測定部と、
   いずれかの前記電池セルの測定電圧の値が閾値に到達したときに前記電池セットに対する充電を停止する第１の停止信号を出力する過電圧設定部と、
   各電池セルのセル電圧を測定し診断電圧として出力する診断電圧測定部と、
   前記測定電圧の値と前記診断電圧の値とを比較した結果に基づいて前記電池セットに対する充電を停止する第２の停止信号を出力する比較部と
   を有する過電圧保護システム。
8. 電子機器と電池パックで構成される過電圧保護システムであって、
   前記電池パックが、
   直列接続された複数の電池セルで構成された電池セットと、
   各電池セルのセル電圧を測定する保護電圧測定部と、
   各電池セルのセル電圧から前記電池セットの両端電圧を計算して測定電圧として出力する演算部と、
   いずれかの前記電池セルのセル電圧の値が閾値に到達したときに前記電池セットに対する充電を停止する第１の停止信号を出力する過電圧設定部と、
   前記電池セットの両端電圧を測定し診断電圧として出力する診断電圧測定部と、
   前記測定電圧の値と前記診断電圧の値とを比較した結果に基づいて前記電池セットに対する充電を停止する第２の停止信号を出力する比較部とを有し、
   前記電子機器が、
   前記電池セットを充電する充電器を有する
   過電圧保護システム。
9. 前記電子機器が前記第２の停止信号を受け取って前記充電器の動作を停止する請求項８に記載の過電圧保護システム。
10. 直列接続された複数の電池セルで構成された電池セットを備える電池パックから電力の供給を受ける電子機器であって、
    各電池セルのセル電圧を測定する保護電圧測定部と、
    各電池セルのセル電圧から前記電池セットの両端電圧を計算して測定電圧として出力する演算部と、
    いずれかの前記電池セルのセル電圧の値が閾値に到達したときに前記電池セットに対する充電を停止する第１の停止信号を出力する過電圧設定部と、
    前記電池セットの両端電圧を測定し診断電圧として出力する診断電圧測定部と、
    前記測定電圧の値と前記診断電圧の値とを比較した結果に基づいて前記電池セットに対する充電を停止する第２の停止信号を出力する比較部と、
    前記電池セットを充電する充電器と
    を有する電子機器。
11. 電子機器に搭載された充電器による充電が可能な電池パックであって、
    複数の電池セルで構成された電池セットと、
    各電池セルのセル電圧を測定する保護電圧測定部と、
    各電池セルのセル電圧から前記電池セットの両端電圧を計算して測定電圧として出力する演算部と、
    いずれかの前記電池セルのセル電圧の値が閾値に到達したときに前記電池セットに対する充電を停止する第１の停止信号を出力する過電圧設定部と、
    前記電池セットの両端電圧を測定し診断電圧として出力する診断電圧測定部と、
    前記測定電圧の値と前記診断電圧の値とを比較した結果に基づいて前記電池セットに対する充電を停止する第２の停止信号を出力する比較部と
    を有する電池パック。
12. 複数の電池セルで構成された電池セットを充電するときに各電池セルの過電圧を防止する方法であって、
    各電池セルのセル電圧を第１の系統で測定するステップと、
    各電池セルのセル電圧から前記電池セットの両端電圧を計算して測定電圧を生成するステップと、
    いずれかの前記電池セルのセル電圧の値が閾値に到達したときに充電を停止するステップと、
    前記電池セットの両端電圧を第２の系統で測定し診断電圧を生成するステップと、
    前記測定電圧の値と前記診断電圧の値とを比較した結果に基づいて充電を停止するステップと
    を有する過電圧の防止方法。
13. 複数の電池セルで構成された電池セットを充電するときに各電池セルの過電圧を防止する方法であって、
    各電池セルのセル電圧を第１の系統で測定し測定電圧を生成するステップと、
    いずれかの前記電池セルの測定電圧の値が閾値に到達したときに充電を停止するステップと、
    前記電池セットの両端電圧を第２の系統で測定し診断電圧を生成するステップと、
    前記測定電圧の値と前記診断電圧の値とを比較した結果に基づいて充電を停止するステップと
    を有する過電圧の防止方法。

Images