JP2009124883A

JP2009124883A - ２次電池保護回路

Info

Publication number: JP2009124883A
Application number: JP2007297094A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kikuchi; 博幸菊地; Fumiki Mikawa; 文樹箕川
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Microelectronics Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Device Solutions Corp
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2009-06-04

Abstract

【課題】コンピュータの異常動作による充電をより確実に停止可能な２次電池保護回路を提供する。
【解決手段】２次電池６１充電のための電源５１に接続されたことを検知し、内蔵されたコンピュータ１３に連動して、２秒間隔でパルスを生成して出力するように設定された主制御回路１１と、約２．１秒間隔の中で、パルスを検知しないときにＨレベル信号を出力し、パルスを検知するときにＬレベル信号を出力するカウンタ回路２１と、Ｈレベル信号を入力し、電源５１から２次電池６１へ通ずる電流路の非接続を促す電流に基づいて電流路を遮断し、または、Ｌレベル信号を入力し、電流路の接続を促す電流に基づいて電流路を接続する充電制御回路３１とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、２次電池の充電を安全に行う２次電池保護回路に関する。

リチウムイオン型等の２次電池は、携帯電話、デジタルスティル／ビデオカメラ、及び携帯オーディオ等の携帯機器、パーソナルコンピュータ、並びに電池駆動自動車及び電池駆動とガソリンエンジン駆動を組み合わせたハイブリッド自動車等に幅広く使用されている。

２次電池は、充電時、放電時等において、状態が監視され、安全が図られている。つまり、例えば、２次電池の温度、電流、電圧等が基準値を超えた場合、異常と判断され、必要な処理に移行するように構成されている。この制御は、コンピュータを有する制御回路により行われることが多い。また、コンピュータの異常動作に対しては、ウォッチドッグタイマを設けて、カウント値が基準を超えた場合、コンピュータを初期状態に戻すリセットがなされることもある。

例えば、制御電圧測定装置から２次電池の電圧を入力するコンピュータと、コンピュータによって制御される出力装置と、出力装置の出力の状態の変化からパルスを生成するパルス発生装置と、パルス発生装置の出力するパルスによって第１の値が設定されるタイマと、タイマの値が第２の値に達したとき充電回路を遮断しパルス発生装置の出力するパルスを入力した時に充電回路を閉じる充電電流の電流制御装置とを有する充電装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

開示された充電装置は、コンピュータによって制御される出力装置を介して、パルス発生回路が動作するので、制御電圧測定装置から出力される２次電池の電圧による監視、及びコンピュータの暴走等の誤動作による２次電池の過充電を防止することが可能であるものの、出力装置がコンピュータによって制御されているので、コンピュータから独立してコンピュータを監視できない、すなわち、コンピュータの動作を監視し切れない場合があるという問題を有している。
特開平１０−９４１７５号公報（第３頁、図１）

本発明は、コンピュータの異常動作による充電をより確実に停止可能な２次電池保護回路を提供する。

本発明の一態様の２次電池保護回路は、２次電池充電のための電源に接続されたことを検知し、内蔵されたコンピュータに連動して、第１の時間間隔のパルスを出力するように設定された主制御回路と、前記第１の時間間隔を超えたほぼ同等の第２の時間間隔の中で、前記パルスを検知しないときに第１の値を出力し、前記第２の時間間隔の中で前記パルスを検知するときに第２の値を出力するカウンタ回路と、前記第１の値を入力し、前記電源と前記２次電池とを結ぶ電流路の非接続を促す電流に基づいて前記電流路を遮断し、または、前記第２の値を入力し、前記電流路の接続を促す電流に基づいて前記電流路を接続する充電制御回路とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、コンピュータの異常動作による充電をより確実に停止可能な２次電池保護回路を提供することができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、図において、同一の構成要素には同一の符号を付す。

本発明の実施例に係る２次電池保護回路について、図１乃至図３を参照して説明する。図１は２次電池保護回路の構成を模式的に示すブロック図である。図２は２次電池保護回路による電流路の遮断を示すフローチャートである。図３は２次電池保護回路における信号の流れを模式的に示す図である。

図１に示すように、２次電池保護回路１は、主制御回路１１、カウンタ回路２１、及び充電制御回路３１を有している。主制御回路１１は、２次電池６１を充電するための電源５１に接続されたことを検知し、内蔵されたコンピュータ１３に連動して、第１の時間間隔である約２．０秒間隔のパルスを出力するように設定されている。カウンタ回路２１は、第１の時間間隔を超えたほぼ同等の第２の時間間隔である約２．１秒間隔の中で、パルスを検知しないときに第１の値、例えば、Ｈ（High）レベルの信号を出力し、前記第２の時間間隔の中でパルスを検知するときに第２の値、例えば、Ｌ（Low）レベルの信号を出力する。充電制御回路３１は、Ｈレベルの信号を入力し、電源５１と２次電池６１とを結ぶ電流路の非接続を促す電流に基づいて電流路を遮断し、または、Ｌレベルの信号を入力し、電流路の接続を促す電流に基づいて電流路を接続する。

２次電池保護回路１は、応用機器に使用される、例えば、リチウムイオン型の２次電池６１に充電する電池充電回路（バッテリチャージャ）の１つの機能として配設されている。図示は省略するが、電池充電回路は、例えば、デジタルオーディオプレーヤ用のプロセッサにおいては、ＲＩＳＣ（Reduced Instruction Set Computer、コンピュータ）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、オーディオ用のＩ／Ｏ、メモリ等を有する主制御回路１１により制御される。電池充電回路、主制御回路１１等は、例えば、１チップＩＣとして構成されている。このＩＣは、更に、タイマ機能を含むクロック発生回路、フラッシュメモリ制御回路、Ｄ／Ａコンバータ、Ａ／Ｄコンバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、その他を備えている。

主制御回路１１は、２次電池保護回路１のためにコンピュータ１３及びパルス発生部１５等を使用する。コンピュータ１３は、動作中に内蔵のパルス発生部１５を動作させ、一定間隔でパルスを発生させる。例えば、正常動作中に２秒間隔でパルスを発生させ、カウンタ回路２１に出力する。

カウンタ回路２１は、カウントアップする機能を有するロジック回路で構成され、パルス発生部１５のパルスによって、カウントアップがクリアになる。コンピュータ１３が正常動作の場合、カウンタが一杯（フル状態）になる前にカウントアップは常にクリアされる。しかし、コンピュータ１３が異常動作の場合、カウンタ回路２１へ出力されるパルスの時間間隔が長くなり、カウントアップはクリアされない場合が発生する。

カウンタ回路２１は、パルス発生部１５から出力される２秒間隔のパルスを確実に受け取るために、２秒より、例えば、５％だけ長い時間間隔を設けてある。例えば、第２の時間間隔を約２．１秒としてパルスを待ち受ける。パルスを受けると、カウンタ回路２１は、例えば、Ｌレベル信号を充電制御回路３１へ出力する。また、パルスを受けると、待ち受け時間はクリアされ、ゼロから再スタートする。もし、約２．１秒の時間間隔の中で、パルスを受けなかった場合、Ｌレベルとは反対のＨレベル信号を充電制御回路３１へ出力する。なお、デジタルオーディオプレーヤ等の充電において、約２秒間隔は２次電池６１の安全及びコンピュータ１３の負担等から適切な時間であるが、パルス発生部１５のパルス発生の時間間隔は２秒に限定されるものではなく、それに伴うカウンタ回路２１のパルスを待ち受ける時間間隔は、約２．１秒に限定されるものではない。

主制御回路１１及びカウンタ回路２１等へは、クロック発生回路４１から、クロック信号等が供給される。クロック発生回路４１は、水晶発振周波数等に基づき、必要な周波数のクロック信号及び必要とされるタイミング信号を供給可能である。なお、時刻を生成するための発振回路は別途備えてもよい。

充電制御回路３１は、カウンタ回路２１のＬレベルまたはＨレベル信号を受けて、充電ＯＮ／ＯＦＦ回路３３により、充電電流の開閉回路３５を駆動するための、すなわちＯＮ／ＯＦＦを促すための電流が生成され、開閉回路３５において、電源５１と２次電池６１を結ぶ電流路が接続／非接続状態に切り替えられ、維持される。

充電ＯＮ／ＯＦＦ回路３３及び開閉回路３５は、例えば、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタを使用したカレントミラー回路（図示略）等を使用して、実現可能である。

電源５１は、ＡＣアダプタ、パーソナルコンピュータ等を経由した電源等である。電源５１は、充電が必要な場合に接続して使用される。電源５１が接続されたことを示す信号は、主制御回路１１に送られ、更に、カウンタ回路２１に送られる。電源５１が接続された信号を受けて、パルス発生部１５及びカウンタ回路２１が起動及び初期化がなされる。

２次電池６１の正端子側に電池電圧測定回路７１が接続されている。電池電圧測定回路７１は、充電時だけでなく、放電時においても稼働可能である。電池電圧測定回路７１の測定値は、主制御回路１１に送られる。

充電時に、２次電池６１の正端子側が、規定の電圧、例えば、４．２０Ｖを超えると、定電流充電が終了して、低電圧充電に移行する。なお、充電電流を適切に設定するために、開閉回路３５のＭＯＳトランジスタのゲート幅または個数等を選択して使用できる状態にしておくことは可能である。また、開閉回路３５には、充電ＯＮ／ＯＦＦ回路３３の信号及び主制御装置１１からの信号が入力されるが、少なくとも一方から充電を遮断する信号が入力すれば、開閉回路３５は非接続となる。

次に、上記の構成を有する２次電池保護回路１を使用し、コンピュータ１３の暴走等の異常動作が起こった場合に、充電電流の電流路を遮断する方法を説明する。

図２に示すように、まず、２次電池６１を充電するための電源５１が接続される（ステップＳ１１）。電源５１が接続された信号が、主制御回路１１に送られ、パルス発生部１５及びカウンタ回路２１が初期化されて、稼働状態となる（ステップＳ１２）。コンピュータ１３は、稼働してない場合、稼働状態へ移行する。

カウンタ回路２１は、一定の時間間隔の間にパルスを検出したかどうかを判定する（ステップＳ１３）。コンピュータ１３が正常に処理を行っているときは、コンピュータ１３から出力される一定の時間間隔の信号に基づいてパルスを生成して、カウンタ回路２１へ出力するが、コンピュータ１３が異常動作を始めると、一定の時間間隔の信号が発生されなくなり、２秒間隔のパルスを生成できず、カウンタ回路２１では、パルス検出ができない。

パルスが検出されない場合、カウンタ回路２１から充電制御回路３１の充電ＯＮ／ＯＦＦ回路３３に、充電をＯＦＦするための信号、例えば、Ｈレベル信号が出力される（ステップＳ１４）。

充電ＯＮ／ＯＦＦ回路３３の充電をＯＦＦするための電流を反映して、充電制御回路３１の開閉回路３５において、電源５１と２次電池６１を結ぶ電流路が非接続状態に切り替えられ、維持される（ステップＳ１５）。つまり、コンピュータ１３が異常動作を起こし、パルス発生部１５では、一定の時間間隔の中でパルスが発生されず、例えば、約２秒以内に電源５１と２次電池６１を結ぶ電流路が遮断されて、充電は中断されて終了となる。

一方、パルスが検出される場合、主制御回路１１は満充電かどうかを判断する（ステップＳ１６）。満充電は、電池電圧測定回路７１で、規定の電圧、例えば、４．２０Ｖを超えたことを検出して、定電流充電から定電圧充電に切り替えて、一定時間、例えば、１時間が経過したかどうかで判断される。

満充電ではない場合、カウンタ回路２１から充電制御回路３１の充電ＯＮ／ＯＦＦ回路３３に、充電をＯＮするための信号、例えば、Ｌレベル信号が出力される（ステップＳ１７）。

充電ＯＮ／ＯＦＦ回路３３の充電をＯＮするための電流を反映して、充電制御回路３１の開閉回路３５において、電源５１と２次電池６１を結ぶ電流路が接続状態に切り替えられ、維持される（ステップＳ１８）。そして、２秒間隔でパルスが検出され、満充電に至るまで、ステップＳ１７、次にステップＳ１８を繰り返す。つまり、電源５１と２次電池６１を結ぶ電流路が接続され続けて、充電は中断されることなく続けられる。そして、コンピュータ１３が正常動作であれば、満充電に達して、開閉回路３５が非接続となって充電が止められる。

次に、図３に示すように、縦軸に電圧、横軸に時間を取って、上記の動作を模式的に説明する。

図３（ａ）に示すように、コンピュータ１３が動作途中で異常となった場合、パルス発生部１５は、２秒間隔で発生していたパルスを、突然、発生しなくなる。図３（ｂ）に示すように、カウンタ回路２１は、パルスが検出されて、Ｌレベル信号を出力していたが、パルスが検出されなくなると、Ｈレベル信号を出力することになる。Ｈレベル信号により、充電制御回路３１で、２次電池６１が満充電となる前に、充電は遮断される。

図３（ｃ）に示すように、コンピュータ１３が正常に動作を続ける場合、パルス発生部１５は、２秒間隔のパルスを発生し続ける。図３（ｄ）に示すように、カウンタ回路２１は、パルスが検出されて、Ｌレベル信号を出力し続ける。上述したように、電池電圧測定回路７１で、規定の電圧、例えば、４．２０Ｖを超えたことを検出した時点で、２次電池６１は、一定の電流での充電を、一定の電圧での充電に切り替えて、一定時間後に充電は遮断される。

上述したように、２次電池保護回路１は、２次電池６１充電のための電源５１に接続されたことを検知し、内蔵されたコンピュータ１３に連動して、２秒間隔でパルスを生成して出力するように設定された主制御回路１１と、約２．１秒間隔の中で、パルスを検知しないときにＨレベル信号を出力し、パルスを検知するときにＬレベル信号を出力するカウンタ回路２１と、Ｈレベル信号を入力し、電源５１から２次電池６１へ通ずる電流路の非接続を促す電流に基づいて電流路を遮断し、または、Ｌレベル信号を入力し、電流路の接続を促す電流に基づいて電流路を接続する充電制御回路３１とを備えている。

この結果、２次電池保護回路１は、コンピュータ１３が暴走等により異常動作をした場合、コンピュータ１３出力に基づいて生成されたパルス間隔が異常に長くなることを利用して、パルス間隔が異常であると検知された後、コンピュータ１３の処理とは独立して、電源５１から２次電池６１へ通ずる電流路を非接続とすることが可能となる。つまり、コンピュータ１３の異常発生からほぼ２秒以内に電流路が遮断される。従って、２次電池保護回路１は、コンピュータの誤動作によって異常充電を起こすことなく、確実に充電を停止することが可能となる。一方、２次電池保護回路１は、コンピュータ１３が正常に動作している場合、電流路を接続状態に保持し続けることになる。

２次電池保護回路１は、コンピュータ１３に内蔵のパルス発生部１５を動作させ、一定間隔でパルスを発生させているので、コンピュータ１３の正常または異常をより確実に検知して、２次電池６１の異常充電を防ぐことが可能となる。

本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々、変形して実施することができる。

例えば、上記実施例では、満充電電圧が約４．２Ｖのリチウムイオン型２次電池の例を示したが、応用機器の必要電圧に合わせて、満充電電圧がより低い場合にも、より高い場合にも、また、リチウムイオン型以外の、例えば、ニッケル水素型、リチウムポリマー型の２次電池等に適用できることはいうまでもない。

本発明は、以下の付記に記載されるような構成が考えられる。
（付記１）２次電池充電のための電源に接続されたことを検知し、内蔵されたコンピュータに連動して、第１の時間間隔のパルスを出力するように設定された主制御回路と、前記第１の時間間隔を超えたほぼ同等の第２の時間間隔の中で、前記パルスを検知しないときに第１の値を出力し、前記第２の時間間隔の中でパルスを検知するときに第２の値を出力するカウンタ回路と、前記第１の値を入力し、前記電源と前記２次電池とを結ぶ電流路の非接続を促す電流に基づいて前記電流路を遮断し、または、前記第２の値を入力し、前記電流路の接続を促す電流に基づいて前記電流路を接続する充電制御回路とを備えている２次電池保護回路。

（付記２）前記カウンタ回路は、カウントアップする機能を有するロジック回路で構成され、クロック信号発生回路により設定された前記第２の時間間隔を使用する付記１に記載の２次電池保護回路。

本発明の実施例に係る２次電池保護回路の構成を模式的に示すブロック図。本発明の実施例に係る２次電池保護回路による電流路の遮断を示すフローチャート。本発明の実施例に係る２次電池保護回路における信号の流れを模式的に示す図。

符号の説明

１２次電池保護回路
１１主制御回路
１３コンピュータ
１５パルス発生部
２１カウンタ回路
３１充電制御回路
３３充電ＯＮ／ＯＦＦ回路
３５開閉回路
４１クロック回路
５１電源
６１２次電池
７１電池電圧測定回路

Claims

２次電池充電のための電源に接続されたことを検知し、内蔵されたコンピュータに連動して、第１の時間間隔のパルスを出力するように設定された主制御回路と、
前記第１の時間間隔を超えたほぼ同等の第２の時間間隔の中で、前記パルスを検知しないときに第１の値を出力し、前記第２の時間間隔の中で前記パルスを検知するときに第２の値を出力するカウンタ回路と、
前記第１の値を入力し、前記電源と前記２次電池とを結ぶ電流路の非接続を促す電流に基づいて前記電流路を遮断し、または、前記第２の値を入力し、前記電流路の接続を促す電流に基づいて前記電流路を接続する充電制御回路と
を備えていることを特徴とする２次電池保護回路。
前記主制御回路は、前記コンピュータに内蔵したパルス発生部を有し、前記パルス発生部は、前記パルスを生成することを特徴とする請求項１に記載の２次電池保護回路。
異常動作を起こした前記コンピュータは、前記一定時間間隔より長い時間間隔で動作し、長い時間間隔の動作に基づくパルスは、前記第１の時間間隔より長くなることを特徴とする請求項１または２に記載の２次電池保護回路。
前記第１の時間間隔は、約２．０秒であり、前記第２の時間間隔は、約２．１秒であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の２次電池保護回路。
前記充電制御回路は、前記カウンタ回路のＨレベルまたはＬレベル信号に基づいて、前記電流路の接続または非接続を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の２次電池保護回路。