JP2009131020A - 過電流保護回路およびバッテリパック - Google Patents

Abstract

【課題】過電流保護機能を有するバッテリパックにおいて、電池電圧や温度の変動にかかわらず、高精度に過電流を検出して二次電池を過電流から保護するようにした過電流保護回路を提供する。
【解決手段】放電過電流検出回路１０は、定電流を発生する基準電流回路１７と、充電ＦＥＴＱ１、放電ＦＥＴＱ２とそれぞれ同じ温度特性、およびソース・ゲート電圧特性を有する第１、第２の基準ＦＥＴＱ３，Ｑ４と、過電圧検出用コンパレータ１８とから構成されている。ここで、充電用ＦＥＴＱ１、放電用ＦＥＴＱ２のオン抵抗Ｒｏｎ１，Ｒｏｎ２、第１、第２の基準ＦＥＴＱ３，Ｑ４のオン抵抗Ｒｏｎ３，Ｒｏｎ４の関係が、（Ｒｏｎ３＋Ｒｏｎ４）÷（Ｒｏｎ１＋Ｒｏｎ２）＝Ｋ（定数）となるから、電池２の電圧変化による特性変動を確実に補償して、過電圧検出用コンパレータ１８によって過電流状態を精度よく検出できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリの過電流状態を検知したとき、バッテリから外部回路への電流をオフするようにした過電流保護回路およびバッテリパックに関し、とくに電子機器の電源として充放電可能な二次電池を用いたバッテリパックを過電流から保護する過電流保護回路に関する。

図３は、従来の二次電池の充放電制御回路を示す図である。
このバッテリパック１には、二次電池（以下、単に電池という。）２としてリチウムイオン電池などが使用されるものであって、ここには、電池２をその過充電、過放電、および過電流から保護するための保護回路が組み込まれている。この保護回路は、充電時の電池電圧を監視してその過充電状態を検出する過充電検出回路１１、放電時の電池電圧を監視してその過放電状態を検出する過放電検出回路１２、充電制御用スイッチとしての充電ＦＥＴＱ１、放電制御用スイッチとしての放電ＦＥＴＱ２、充電ＦＥＴＱ１をオンオフする充電制御回路１３、放電ＦＥＴＱ２をオンオフする放電制御回路１４、および放電過電流検出回路１００から構成される。

バッテリパック１は外部端子Ｔ１，Ｔ２を備え、これらの外部端子Ｔ１，Ｔ２に負荷装置３が接続された場合には電池２は放電状態になる。放電時の電池電圧を過放電検出回路１２により監視することで、バッテリパック１が過放電状態にならないように保護機能が働く。

通常の放電状態では、放電制御回路１４は放電ＦＥＴＱ２のゲート電圧をハイレベルに制御して、放電ＦＥＴＱ２をオンさせることにより、負荷装置３に放電電流を通電させている。過放電検出回路１２で設定されている過放電検出電圧より低い電池電圧を検出した場合、放電制御回路１４は放電ＦＥＴＱ２のゲート電圧をロウレベルに制御して、放電ＦＥＴＱ２をオフさせることにより、負荷装置３への放電電流を切断して過放電保護状態となる。

放電過電流検出回路１００は、過電流検出基準となる定電圧Ｖｏｃを生成する定電圧回路１５、およびコンパレータ１６から構成されている。ここでは、放電時に異常な負荷装置３が接続され、あるいは負荷装置３が短絡状態となったとき、過電流から電池２を保護するためのものであって、充電ＦＥＴＱ１および放電ＦＥＴＱ２を流れる電流を電圧に換算して、充電ＦＥＴＱ１と放電ＦＥＴＱ２のソース端子間の電圧（Ｓ１−Ｓ２端子間電圧）を監視するようにしている。

すなわち、放電過電流検出回路１００のコンパレータ１６では、Ｓ２端子基準のＳ１−Ｓ２端子間電圧が定電圧Ｖｃｏより高い電圧を検出した場合に過電流状態であるとして、その旨を放電制御回路１４に通知する。これを受けた放電制御回路１４が放電ＦＥＴＱ２をオフすることにより、電池２の放電電流を切断して過電流保護状態となる。ここでは、定電圧回路１５からは、温度や電池電圧の変化によらない一定の過電流検出電圧Ｖｏｃが出力されるものとする。

いま、充電ＦＥＴＱ１、放電ＦＥＴＱ２に許容される最大電流をＩｏｃとし、充電ＦＥＴＱ１と放電ＦＥＴＱ２のオン抵抗をそれぞれＲｏｎ１，Ｒｏｎ２とした場合、充電ＦＥＴＱ１と放電ＦＥＴＱ２に最大電流Ｉｏｃが流れたときの充電ＦＥＴＱ１と放電ＦＥＴＱ２のＳ１−Ｓ２端子間電圧が過電流検出電圧Ｖｏｃ＝（Ｒｏｎ１＋Ｒｏｎ２）×Ｉｏｃとなる。

そこで、放電状態で放電電流Ｉが充電ＦＥＴＱ１、放電ＦＥＴＱ２に流れたとすると、それらのＳ１−Ｓ２端子間電圧Ｖｓ２１は、
Ｖｓ２１＝（Ｒｏｎ１＋Ｒｏｎ２）×Ｉ
となる。これを上記した過電流検出電圧Ｖｏｃとを比較して、Ｖｓ２１＞Ｖｏｃとなった場合に、放電過電流検出回路１００が過電流状態であることを放電制御回路１４に通知し、放電ＦＥＴＱ２を遮断させる。

通常のＦＥＴでは、そのオン抵抗Ｒｏｎが温度に比例して変化する。図４はＦＥＴのオン抵抗の温度特性を示す特性曲線図であって、ここには−４０℃から＋１２５℃の範囲におけるＦＥＴのオン抵抗Ｒｏｎの変動を示している。ここに示すように、温度が２５℃でオン抵抗Ｒｏｎが２５ｍΩであっても、ＦＥＴの温度が上昇するとオン抵抗Ｒｏｎは大きくなり、温度が低下するとオン抵抗Ｒｏｎは小さくなる。

すなわち、上述した放電過電流検出回路１００では、その定電圧回路１５から過電流検出電圧Ｖｏｃを一定の大きさで出力しても、ＦＥＴのオン抵抗Ｒｏｎが例えば図４に示すように１５〜４０ｍΩの範囲で変動すると、充電ＦＥＴＱ１、放電ＦＥＴＱ２の温度が上昇することによって検出電流のレベルは低下し、反対に充電ＦＥＴＱ１、放電ＦＥＴＱ２の温度が低下することによって検出電流のレベルは上昇するという不都合が生じる。

そこで、スイッチング素子のオン抵抗により過電流を検出して放電電流を遮断する過電流保護回路については、温度特性を補償するための感温抵抗器などを用いて、スイッチング素子の検出精度を維持する技術が開示されている（たとえば特許文献１参照）。
特開２００１−３３９８６９号公報（段落番号［００１４］〜［００３２］、図１）

ところが、このようなＦＥＴをスイッチング素子とする従来の過電流保護方式では、その駆動電圧が変化した場合に過電流検出特性の変動を十分に補償することができなかった。

図５には、ＦＥＴのゲート・ソース間電圧Ｖｇｓが１．５ボルトから５ボルトの範囲で変化した場合の、オン抵抗Ｒｏｎの変動を示している。
このＦＥＴの電圧特性のグラフに示すように、ゲート・ソース間電圧Ｖｇｓが３．７ボルトでオン抵抗Ｒｏｎが２５ｍΩであっても、電池電圧が低下してゲート・ソース間電圧Ｖｇｓが低下するとオン抵抗Ｒｏｎは大きくなり、反対にゲート・ソース間電圧Ｖｇｓが高い状態ではオン抵抗Ｒｏｎは小さくなる。このようにＦＥＴの温度変動とは別に、電池電圧の変動によってもゲート・ソース間電圧が変化するから、過電流を検出する際にＦＥＴのオン抵抗が変動してしまう。

すなわち、温度が上昇して充電ＦＥＴＱ１、放電ＦＥＴＱ２のオン抵抗Ｒｏｎ１，Ｒｏｎ２が大きくなると、過電流検出電圧Ｖｏｃが一定であっても過電流検出値Ｉｏｃ（＝Ｖｏｃ÷（Ｒｏｎ１＋Ｒｏｎ２））は低くなる。また、特許文献１のように温度特性を補償したとしても、電池電圧とともに充電ＦＥＴＱ１、放電ＦＥＴＱ２のゲート・ソース間電圧Ｖｇｓが高くなってオン抵抗Ｒｏｎ１，Ｒｏｎ２が小さくなると、過電流検出値Ｉｏｃは高くなる。

このように、充電ＦＥＴＱ１、放電ＦＥＴＱ２のオン抵抗がゲート駆動電圧と温度に依存し、こうした条件変化によって電圧特性と温度特性が変動するため、従来の過電流保護回路では過電流の検出精度が低下するという問題を解決できなかった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、過電流保護機能を有するバッテリパックにおいて、電池電圧や温度の変動にかかわらず、高精度に過電流を検出して二次電池を過電流から保護するようにした過電流保護回路を提供することを目的とする。

また、本発明は高精度に過電流を検出できる過電流保護回路を備えたバッテリパックを提供することを目的にしている。

本発明では、上記問題を解決するために、バッテリの過電流状態を検知して前記バッテリから外部回路への電流をオフするようにした過電流保護回路において、前記バッテリと直列に配置された放電制御用スイッチと、前記放電制御用スイッチと等価な温度特性および電圧特性を有する基準スイッチと、一定電流を生成して前記基準スイッチに供給する基準電流回路と、前記一定電流を前記基準スイッチに流したときに生じる基準電圧値と前記放電制御用スイッチにおける電圧降下を比較する比較回路と、を備え、前記放電制御用スイッチにおける電圧降下が前記基準電圧値を超えたとき、前記放電制御用スイッチをオフにすることを特徴とする過電流保護回路が提供される。

なお、２つのスイッチが等価な温度特性および電圧特性を有するとは、温度をＴ，スイッチに対する制御電圧をｖ，２つのスイッチに流れる電流をそれぞれＩｓｗ１（ｖ，Ｔ），Ｉｓｗ２（ｖ，Ｔ）とすると、Ｉｓｗ１（ｖ，Ｔ）＝Ｃ１・Ｉｓｗ２（ｖ，Ｔ）が成り立つということを意味する（Ｃ１は定数）。もしくは、２つのスイッチのオン抵抗をそれぞれＲ１（ｖ，Ｔ），Ｒ２（ｖ，Ｔ）とすると、Ｒ１（ｖ，Ｔ）＝Ｃ２・Ｒ２（ｖ，Ｔ）が成り立つということを意味する（Ｃ２は定数）。

本発明の過電流保護回路では、放電制御用スイッチにおける電圧降下が一定電流を基準スイッチに流したときの基準電圧値を超えたとき、放電制御用スイッチをオフにするようにして、バッテリを過電流から保護している。

また、本発明によれば、過電流状態を検知して外部回路への電流をオフするようにした過電流保護回路を備えたバッテリパックにおいて、バッテリと直列に配置された放電制御用スイッチと、前記放電制御用スイッチと等価な温度特性および電圧特性を有する基準スイッチと、一定電流を生成して前記基準スイッチに供給する基準電流回路と、前記一定電流を前記基準スイッチに流したときに生じる基準電圧値と前記放電制御用スイッチにおける電圧降下を比較する比較回路と、を備え、前記放電制御用スイッチにおける電圧降下が前記基準電圧値を超えたとき、前記放電制御用スイッチをオフにすることを特徴とするバッテリパックを提供できる。

本発明によれば、温度変動だけでなくバッテリ電圧の変化による特性変動を確実に補償
して、高精度で過電流を検出することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態に係るバッテリパックの構成を示す回路図である。
本発明による放電過電流検出回路１０は、定電流を発生する基準電流回路１７と、充電ＦＥＴＱ１、放電ＦＥＴＱ２とそれぞれ同じ温度特性、およびソース・ゲート電圧特性を有する第１、第２の基準ＦＥＴＱ３，Ｑ４と、過電圧検出用コンパレータ１８とから構成されている。ここで、２つのＦＥＴが等価な温度特性およびソース・ゲート電圧特性を有するとは、温度をＴ，ソース・ゲート電圧をｖ，２つのＦＥＴに流れる電流をそれぞれＩ１（ｖ，Ｔ），Ｉ２（ｖ，Ｔ）とすると、Ｉ１（ｖ，Ｔ）＝Ｃ１・Ｉ２（ｖ，Ｔ）が成り立つということを意味する（Ｃ１は定数）。もしくは、これは、２つのＦＥＴのオン抵抗をＲ１（ｖ，Ｔ），Ｒ２（ｖ，Ｔ）とすると、Ｒ１（ｖ，Ｔ）＝Ｃ２・Ｒ２（ｖ，Ｔ）が成り立つということを意味する（Ｃ２は定数）。これらの特性を実現するには、２つのＦＥＴを同一半導体集積回路（同一半導体チップ）に構成し、両者の（ゲート幅／ゲート長）以外のパラメータを同じにすればよい。

本実施の形態では、その他の電池２、過充電検出回路１１、過放電検出回路１２、充電制御回路１３、放電制御回路１４、充電制御用スイッチとしての充電ＦＥＴＱ１、放電制御用スイッチとしての放電ＦＥＴＱ２などは、図３に示す従来回路と同じ構成であって、それらの構成、および動作の説明については省略する。

基準電流回路１７は一定の大きさの基準電流Ｉｒｅｆを出力し、直列に接続された第１、第２の基準ＦＥＴＱ３，Ｑ４に基準電流Ｉｒｅｆが流れる。第２の基準ＦＥＴＱ４のソース端子Ｓ４は、放電ＦＥＴＱ２のソース端子Ｓ２に接続されると同時に、電池２のマイナス端子にも接続される。

第１の基準ＦＥＴＱ３のゲート端子Ｇ３は、充電ＦＥＴＱ１のゲート端子Ｇ１に接続され、第２の基準ＦＥＴＱ４のゲート端子Ｇ４は、放電ＦＥＴＱ２のゲート端子Ｇ２に接続される。

過電圧検出用コンパレータ１８の入力には、充電ＦＥＴＱ１のソース端子Ｓ１と第１の基準ＦＥＴＱ３のソース端子Ｓ３が接続され、充電ＦＥＴＱ１と放電ＦＥＴＱ２の各ソース端子Ｓ１−Ｓ２端子間電圧と、基準ＦＥＴＱ３，Ｑ４の各ソースＳ３−Ｓ４端子間電圧とを比較する。過電圧検出用コンパレータ１８では、Ｓ１−Ｓ２端子間電圧がＳ３−Ｓ４端子間電圧より大きくなった場合に、過電流状態として放電制御回路１４にその旨を通知して、放電ＦＥＴＱ２をオフさせる。

つぎに、放電過電流検出回路１０による過電流検出動作について説明する。
過電流検出電流をＩｏｃ、第１、第２の基準ＦＥＴＱ３，Ｑ４のオン抵抗をＲｏｎ３，Ｒｏｎ４、充電用ＦＥＴＱ１と放電用ＦＥＴＱ２のオン抵抗をＲｏｎ１，Ｒｏｎ２とした場合、基準電流回路１７から発生する定電流Ｉｒｅｆを以下のように設定する。

Ｉｒｅｆ＝Ｉｏｃ×（Ｒｏｎ１＋Ｒｏｎ２）÷（Ｒｏｎ３＋Ｒｏｎ４）
ここで、基準ＦＥＴＱ３，Ｑ４は充電ＦＥＴＱ１、放電ＦＥＴＱ２とそれぞれ同じ温度特性、およびソース・ゲート電圧特性を有するものであれば、
（Ｒｏｎ３＋Ｒｏｎ４）÷（Ｒｏｎ１＋Ｒｏｎ２）＝Ｋ（定数）
となるから、基準電流回路１７から一定の基準電流Ｉｒｅｆが供給されていれば、過電流検出電流Ｉｏｃも一定の大きさに設定できる。

なお、上述のように、これらのＦＥＴＱ１〜Ｑ４を同一半導体集積回路内に構成して、各ＦＥＴＱ１とＱ３、およびＱ２とＱ４の（ゲート幅／ゲート長）以外のパラメータを同じにすれば、上記条件は満たされる。

また、放電過電流検出回路１０での消費電流とサイズを考慮して、定数Ｋを１以上（Ｋ＞１）として基準電流Ｉｒｅｆの大きさを小さくし、さらに第１、第２の基準ＦＥＴＱ３，Ｑ４のサイズをそれぞれ充電ＦＥＴＱ１、放電ＦＥＴＱ２より十分に小さいものにする。このとき基準電流Ｉｒｅｆは、上式よりＩｒｅｆ＝Ｉｏｃ÷Ｋとなる。

たとえば、過電流検出値を５Ａ、充電ＦＥＴＱ１と放電ＦＥＴＱ２の各オン抵抗Ｒ１，Ｒ２をいずれも２５ｍΩとした場合、充電ＦＥＴＱ１と放電ＦＥＴＱ２のソース端子Ｓ２−Ｓ１間電圧Ｖｓ２１は、
Ｖｓ２１＝（２５ｍΩ＋２５ｍΩ）×５Ａ＝２５０ｍＶ
となる。そこで、第１、第２の基準ＦＥＴＱ３，Ｑ４のオン抵抗Ｒｏｎ３，Ｒｏｎ４が、充電ＦＥＴＱ１と放電ＦＥＴＱ２の各オン抵抗Ｒ１，Ｒ２の１００万倍となる２５ｋΩに設計されたＦＥＴであれば、基準電流回路１７の基準電流Ｉｒｅｆの大きさを、
Ｉｒｅｆ＝２５０ｍＶ÷２５ｋΩ＝１０μＡ
となるように設計する。

充電ＦＥＴＱ１および放電ＦＥＴＱ２は、いずれも大きな電流を流すために大きなゲート幅を有しているから、第１、第２の基準ＦＥＴＱ３，Ｑ４のゲート幅をそれぞれ充電ＦＥＴＱ１、放電ＦＥＴＱ２のゲート幅の１００万分の１とすれば、オン抵抗１００万倍を実現することができる。また、これにより第１、第２の基準ＦＥＴＱ３，Ｑ４のサイズを充電ＦＥＴＱ１、放電ＦＥＴＱ２より十分小さくすることができる。

以上に説明したように、本発明では充電ＦＥＴＱ１、放電ＦＥＴＱ２、および第１、第２の基準ＦＥＴＱ３，Ｑ４に、それぞれのオン抵抗Ｒｏｎ１，Ｒｏｎ２およびＲｏｎ３，Ｒｏｎ４の温度特性およびゲート駆動電圧特性が等価なものを用いることによって、温度変化および電池電圧の変化による特性変動を確実に補償して、過電圧検出用コンパレータ１８によって過電流状態を精度よく検出することができる。

図２は、別の実施の形態に係るバッテリパックの構成を示す回路図である。
図１の実施例と比較して、第１、第２の基準ＦＥＴＱ３，Ｑ４のゲート端子に電池電圧が直接印加されている点で異なる。しかしながら、通常、充電ＦＥＴＱ１と放電ＦＥＴＱ２をオン状態にするときは、充電ＦＥＴＱ１と放電ＦＥＴＱ２のゲートにも充電制御回路１３と放電制御回路１４により電池電圧と同じ電圧が印加される。そのため、電池電圧を第１、第２の基準ＦＥＴＱ３，Ｑ４に直接印加した場合でも、充電ＦＥＴＱ１と放電ＦＥＴＱ２のゲート駆動電圧特性を補償することができる。

なお、上述した実施の形態の過電流保護回路では、充電制御用スイッチ、放電制御用スイッチのいずれも電界効果型トランジスタによって構成された充電ＦＥＴＱ１、放電ＦＥＴＱ２を用いており、したがって基準スイッチを基準ＦＥＴＱ３，Ｑ４によって構成している。しかし、電界効果型半導体スイッチ以外のスイッチを用いて構成してもよいことはいうまでもない。

また、バッテリパック１が放電制御用スイッチだけを備えていて、過充電制御機能を有していないものである場合には、放電過電流検出回路１０（または２０）に基準スイッチとして１つの基準ＦＥＴＱ４だけを設けておけばよい。その場合、放電制御用スイッチに許容される最大電流をＩｏｃ、放電制御用スイッチのオン抵抗をＲａ、基準ＦＥＴＱ４（基準スイッチ）のオン抵抗をＲｂとしたとき、基準電流回路１７で生成される一定電流Ｉｒｅｆの大きさは、
Ｉｒｅｆ＝Ｉｏｃ×Ｒａ÷Ｒｂ
に設定すればよい。

本発明の実施の形態に係るバッテリパックの構成を示す回路図である。 別の実施の形態に係るバッテリパックの構成を示す回路図である。 従来の二次電池の充放電制御回路を示す図である。 ＦＥＴのオン抵抗の温度特性を示す特性曲線図である。 ＦＥＴのオン抵抗のゲート駆動電圧特性を示す特性曲線図である。

符号の説明

１０ 放電過電流検出回路
１１ 過充電検出回路
１２ 過放電検出回路
１３ 充電制御回路
１４ 放電制御回路
１７ 基準電流回路
１８ 過電圧検出用コンパレータ
Ｑ１ 充電ＦＥＴ
Ｑ２ 放電ＦＥＴ
Ｑ３，Ｑ４ 第１、第２の基準ＦＥＴ

Claims (6)

1. バッテリの過電流状態を検知して前記バッテリから外部回路への電流をオフするようにした過電流保護回路において、
   前記バッテリと直列に配置された放電制御用スイッチと、
   前記放電制御用スイッチと等価な温度特性および電圧特性を有する基準スイッチと、
   一定電流を生成して前記基準スイッチに供給する基準電流回路と、
   前記一定電流を前記基準スイッチに流したときに生じる基準電圧値と前記放電制御用スイッチにおける電圧降下を比較する比較回路と、
   を備え、前記放電制御用スイッチにおける電圧降下が前記基準電圧値を超えたとき、前記放電制御用スイッチをオフにすることを特徴とする過電流保護回路。
2. 前記放電制御用スイッチに許容される最大電流をＩｏｃ、前記放電制御用スイッチのオン抵抗をＲａ、前記基準スイッチのオン抵抗をＲｂとした場合、前記基準電流回路で生成される一定電流Ｉｒｅｆの大きさを、
   Ｉｒｅｆ＝Ｉｏｃ×Ｒａ÷Ｒｂ
   に設定したことを特徴とする請求項１記載の過電流保護回路。
3. 前記放電制御用スイッチおよび前記基準スイッチは、それぞれ等価な温度特性および電圧特性を有する電界効果型半導体スイッチであることを特徴とする請求項１記載の過電流保護回路。
4. 前記放電制御用スイッチと直列に充電制御用スイッチを備え、
   前記基準スイッチとして、それぞれ前記放電制御用スイッチおよび前記充電制御用スイッチと等価な温度特性および電圧特性を有する一対の電界効果型半導体スイッチを直列接続したことを特徴とする請求項３記載の過電流保護回路。
5. 前記充電制御用スイッチおよび前記放電制御用スイッチのオン抵抗をそれぞれＲｏｎ１，Ｒｏｎ２、前記一対の電界効果型半導体スイッチのオン抵抗をそれぞれＲｏｎ３，Ｒｏｎ４とした場合、
   （Ｒｏｎ３＋Ｒｏｎ４）÷（Ｒｏｎ１＋Ｒｏｎ２）＝Ｋ（Ｋは１以上の定数）
   に設定したことを特徴とする請求項４記載の過電流保護回路。
6. 過電流状態を検知して外部回路への電流をオフするようにした過電流保護回路を備えたバッテリパックにおいて、
   バッテリと直列に配置された放電制御用スイッチと、
   前記放電制御用スイッチと等価な温度特性および電圧特性を有する基準スイッチと、
   一定電流を生成して前記基準スイッチに供給する基準電流回路と、
   前記一定電流を前記基準スイッチに流したときに生じる基準電圧値と前記放電制御用スイッチにおける電圧降下を比較する比較回路と、
   を備え、前記放電制御用スイッチにおける電圧降下が前記基準電圧値を超えたとき、前記放電制御用スイッチをオフにすることを特徴とするバッテリパック。

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