JP2010115070A - 二次電池の過充電保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の電池パックの保護回路において、非復帰の過充電保護を実現するための発熱素子・温度ヒューズの代わりに、充電制御ＦＥＴの入力にチップヒューズを実装することで、非復帰型の過充電保護が困難であった実装面積の少ない保護基板を用いている電池パックでも非復帰型の過充電保護を実現することを目的とする。
【解決手段】電池電圧を検出し、電池電圧が設定値以上になるとオン信号を出す電圧検出回路と、前記電圧検出回路からのオン信号を受信することによりオンする２つスイッチＳＷ１、ＳＷ２と、前記ＳＷ１、ＳＷ２がオンすることにより電流が流れ、溶断されるチップヒューズと、前記チップヒューズが溶断されることによりオフされる充電制御用ＳＷ３からなる二次電池の過充電保護回路を備えることで、課題を解決できる電池パックを提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の過充電を防止するための過充電保護回路に関するものである。

近年、モバイル機器の主電源として需要が高まっているリチウム二次電池は、過充電や過放電により性能が著しく低下することから、リチウム二次電池を用いる電源装置には過充電および過放電を防止するための保護回路が設けてある。リチウム二次電池の過充電を防止する保護回路としてはノートＰＣなどに用いる電池パックにおいて復帰型や非復帰型のものが提案されている。

ノートＰＣなどに用いる電池パックの非復帰型過充電保護動作では、電池電圧が異常な高電圧であった場合、電池電圧により発熱素子が発熱する。この発熱により、温度ヒューズを溶断する。温度ヒューズが溶断した後は一切充電ができない（非復帰）ため、安全性の高い二次電池の過充電保護回路を提供することが可能となる。

図５はそのような非復帰の保護回路を示している。この保護回路は電池ブロック３６の個々のセルブロックに接続されて、セルブロックの電圧を検知する電圧検出回路３８、電池ブロック３６を充電する充電器３９、電池ブロック３６と充電器３９との間に挿入された温度ヒューズ３７、電圧検出回路３８からの信号によりオンするスイッチＳＷ、および温度ヒューズ３７に熱的に結合された発熱抵抗素子Ｒからなり、スイッチＳＷと発熱抵抗素子Ｒとの直列回路は電池ブロックに並列に接続されている。この回路は次のように動作する。まず、電池ブロック３６の個々のセルブロックのいずれかが所定の電圧を超えると、電圧検回路３８が電圧を検知してオン信号を出力することでスイッチＳＷがオンする。これにより発熱抵抗素子Ｒに電流が流れ、発熱抵抗素子Ｒが発熱する。この発熱により温度ヒューズ３７が過熱され、溶断されることで充電器３９と電池ブロック３６との接続が断たれる。しかし、この回路の問題点として、スイッチＳＷがオンとなっているため、発熱抵抗素子Ｒは電池ブロック３６に直列接続された状態である。そのため、電池ブロック３６の放電電流が発熱抵抗素子Ｒを過熱し、電池が危険な状態となってしまう。

この課題を解決した保護回路を図６に示す。この保護回路は、電池電圧を検出し、電池電圧が設定の電圧値以上になるとオン信号を出す電圧検出回路５３、電池と充電器との間に直列接続した２個の温度ヒューズ１、温度ヒューズ２、並びに、前記２個の温度ヒューズに熱的に結合された発熱素子５４とが直列に接続され、かつ、前記電池と１個の温度ヒューズとの直列回路および充電器５５と他方の温度ヒューズとの直列回路に並列に接続された回路を具備し、前記電池電圧が設定値以上になると、電圧検出回路５３がオン信号を出力して前記スイッチＳＷをオン操作させ、発熱素子５４を発熱させて前記両温度ヒューズを溶断する。よって前記２個の温度ヒューズ溶断後は充放電が不可となり、発熱素子５４が発熱することがない。

しかし、この場合の問題点として、過充電となった電池がそのまま放置されることが挙げられる。また、図５、図６の保護回路は温度ヒューズと発熱抵抗素子が熱的に結合された部品（ヒュージングレジスタ）を用いているが、温度ヒューズの溶断の際に大きな発熱を伴うこと、さらには、発熱抵抗素子が大きな発熱に耐えられず、温度ヒューズを溶断する前に発熱抵抗素子がオープン破壊する可能性がある。また、一般的にヒュージングレジスタは部品サイズが大きく、自動実装できないという問題点がある。このため、セル数が少ないモバイルＡＶ機器や、携帯電話の電池パックの場合、保護回路の部品実装面積が少ないことから、前記図５、図６の回路構成が実現できなくなる。
特開平１０−５６７４２号公報

これまで、ノートＰＣなど比較的実装面積が大きな保護回路使用している電池パックでは、非復帰型の過充電保護の方法として、図５・図６を用いたものが使用されてきた。しかし、温度ヒューズ溶断の際に大きな発熱を伴い、場合によっては発熱抵抗素子が温度ヒューズ溶断前にオープン破壊してしまう可能性があること、温度ヒューズ溶断後の発熱抵抗素子の発熱を抑えるための回路構成（図６）では、ヒューズ溶断後に電池の放電ができないという課題が挙げられる。

また、実装面積の問題から、前記の回路構成は基板の部品実装面積が小さな保護回路が用いられるＡＶ機器や携帯電話などの電池パックでは実現できないという問題があった。

本発明は、前記の課題を解決するもので、従来のＡＶ機器で用いられている電池パックの保護回路に、ヒュージングレジスタの代わりに新たにチップヒューズを使用することで、より安全性を向上させ、さらには従来と比較して実装面積を縮小させ、非復帰型の保護回路を実現することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、従来の非復帰の過充電保護を備える保護回路において、ヒュージングレジスタの代わりに充電制御用スイッチの入力に非復帰型保護素子を接続し、さらに電池電圧が設定値以上になるとオン信号を出力する電圧検出回路を設ける。さらに電池電圧が高電圧時に、非復帰型保護素子に電流を流すためにスイッチを２つ設ける。電池パックの通常使用時にはスイッチはオフしているが、電圧検出回路が電池の過充電を検知すると、電圧検出回路のオン信号によりスイッチがオンする。スイッチがオンすることにより、非復帰型保護素子に電流が流れ、非復帰型保護素子を溶断することにより非復帰型の過充電保護を行うことを特徴とする。

本発明では、チップヒューズを充電制御用スイッチの入力に接続することにより、部品サイズの大きなヒュージングレジスタなどが不要となるため、部品実装面積が小さなＡＶ機器や携帯電話用の電池パックで使用されている保護回路でも、非復帰の過充電保護を実現することが可能となる。

本発明により、温度ヒューズ、発熱素子を使用せずに非復帰型の過充電保護を実現できるため、過充電保護稼動時に大きな発熱を伴うことがない。

本発明の回路構成では、過充電保護が動作後もセルの放電が可能である。過充電保護動作後の発熱抵抗素子の発熱を抑える従来の回路構成では、過充電保護動作後は充放電が不可能である。このため、セルが高電圧のまま、不安全な状態で放置されることになってしまう。

本発明によって、過充電保護部品として一般的にコストが高いとされている発熱素子や電流ヒューズを使用する必要がなくなるため、コストメリットが出ることが期待される。

（実施の形態１）
以下本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態では、各々の過充電保護動作について説明する。図１に本実施の形態の回路構成を示す。

電池パック１は電池ブロック２と保護回路３から構成される。保護回路３は非復帰の過充電保護を実現するためのチップヒューズ４と充電電流を制御するためのＳＷ３、チップヒューズ４へ電流を流すためのＳＷ１、ＳＷ２を保有し、ＳＷ１、ＳＷ２を制御するための保護ＩＣ８から構成される。保護ＩＣ８は電池電圧が設定値以上になるとＳＷ１へオン信号を出す電圧検出回路９を保有する。電池パック１は、充電器１０に接続されることにより、電池ブロック２を充電する。過充電保護検出時には、ＳＷ１、ＳＷ２がオンされることにより電流が過充電検出時の電流ルート（ＳＷ１→チップヒューズ→ＳＷ２）を流れ、チップヒューズ４を溶断する。

抵抗１２、抵抗１３については、分圧比を考慮し、保護回路の通常動作時にＳＷ２がオンすることがないような抵抗値である。

また、従来の非復帰型過充電保護回路では、過充電保護が働くと充放電が不可能になるため、電池電圧が高電圧のまま放置される可能性がある。しかし、本発明の回路においては過充電保護か稼動しても放電が可能であるため、高電圧のまま電池が放置されることがない。過充電保護が稼動した直後、チップヒューズ４、充電制御用スイッチＳＷ３がオープンになるため、下記の３つの電流ルートが形成される。
電流ルート１：電池ブロック＋ → 抵抗１１ → 保護ＩＣ → 電池ブロック−
電流ルート２：電池ブロック＋ → ＳＷ１ → 抵抗１２ → 保護ＩＣ → 電池ブロック−
電流ルート３：電池ブロック＋ → ＳＷ１ → 抵抗１３ → 電池ブロック−
このため電池電圧が過充電解除電圧を下回るまではこれらの電流ルートにより、電池の放電が可能となる。

電池電圧が過充電解除電圧を下回るとＳＷ１〜ＳＷ３、チップヒューズがオープンとなるため、電流ルート（電池ブロック＋ → 抵抗１２ → 抵抗１３ → 電池ブロック−）が形成される。この電流ルートにより、電池の放電が可能となる。

本発明の過充電保護動作フローチャートを図２に示す。

（Ｓ０１）充電を開始し、（Ｓ０２）電圧検出回路により電池の電圧を検出する。（Ｓ０３）電圧検出回路により検出された電圧が、過充電保護検出電圧以上であるかを判断する。検出電圧が過充電検出電圧より小さい場合、引き続き充電を行うが、検出電圧が過充電検出電圧以上であった場合、（ＳＯ４）電圧検出回路からのオン信号によりＳＷ１（図１参照）をオンする。（ＳＯ５）ＳＷ１がオンされると、ＳＷ２（図１参照）のゲート部分に電池電圧が入力されるため、ＳＷ２がオンする。（ＳＯ６）ＳＷ１、ＳＷ２がオンされることにより、電流ルートが完成する。この電流ルートに電流が流れることによりチップヒューズが溶断され、（ＳＯ７）非復帰の過充電保護が動作する。（ＳＯ８）その後、過充電電圧となっているセルを放電する。

（実施の形態２）
実施の形態２として、図３に回路構成を示す。電池パック１４は電池ブロック１５と保護回路１６から構成される。保護回路１６は非復帰の過充電保護を実現するためのチップヒューズ１７と充電電流を制御するためのスイッチであるＳＷ３、チップヒューズ１７へ電流を流すためのスイッチＳＷ１、ＳＷ２を保有し、ＳＷ１、ＳＷ２を制御するための保護ＩＣ２４から構成される。保護ＩＣ２４は電池電圧が設定値以上になるＳＷ１へオン信号を出す電圧検出回路２５を保有する。電池パック１４は、充電器２６に接続されることにより、電池ブロック１５を充電する。過充電保護検出時には、ＳＷ１、ＳＷ２がオンされることにより電流が過充電検出時の電流ルート（抵抗２２ → チップヒューズ１７ → ＳＷ２）を流れ、チップヒューズ１７を溶断する。

過充電保護が稼動した直後、チップヒューズ１７、ＳＷ１〜ＳＷ３がオープンになるため、電流ルート（電池ブロック＋ → ＳＷ１ → 抵抗２３ → 電池ブロック−）が形成される。この電流ルートにより放電可能となる。

（実施の形態３）
実施の形態３として、図４に回路構成を示す。電池パック２６は電池ブロック２７と保護回路２８から構成される。保護回路２８は非復帰の過充電保護を実現するためのチップヒューズ２９と充電電流を制御するためのＳＷ３、チップヒューズ２９へ電流を流すためのＳＷ１、ＳＷ２を保有し、ＳＷ１、ＳＷ２を制御するための保護ＩＣ３３から構成される。保護ＩＣ３３は電池電圧が設定値以上になるとＳＷ１へオン信号を出す電圧検出回路３４を保有する。電池パック２６は、充電器３５に接続されることにより、電池ブロック２７を充電する。過充電保護検出時には、ＳＷ１、ＳＷ２がオンされることにより電流が過充電検出時の電流ルート（電池ブロック＋ → チップヒューズ２９ → ＳＷ２ →電池ブロック−）を流れ、チップヒューズ２９溶断する。

過充電保護が稼動した直後、チップヒューズ、各ＳＷがオープンになるため、電流ルート（電池ブロック＋→抵抗４６→抵抗４７→抵抗４８）が形成される。この電流ルートにより放電可能となる。

近年、ＰＣなどの多直列のリチウム二次電池を用いた電池パックにおいては、より安全性を高めるために電池の過充電を検出した場合、電池電圧により発熱素子を発熱させ、温度ヒューズを溶断することで非復帰の過充電保護機能を保持している。一方で、ＡＶ機器などに用いられている実装面積の少ない保護基板を用いている電池パックにおいては、部品実装面積の不足などから、発熱抵抗素子や温度ヒューズを用いた非復帰の過充電保護機能を保持することが困難であった。

しかし、リチウム二次電池の安全性が求められる中、ＡＶ機器や携帯電話で用いられているような部品実装面積が少ない保護回路を用いた電池パックでも非復帰の過充電保護機能を保持していることが求められている。本発明では、部品実装面積が少ない保護回路を用いた電池パックで実現が困難であった非復帰の過充電保護を実現できるため有効であると考えられる。

本発明の実施の形態１に示す電池パックの構成図 本発明の実施の形態１に示す過充電保護動作のフローチャート 本発明の実施の形態２に示す電池パックの構成図 本発明の実施の形態３に示す電池パックの構成図 従来の非復帰型過充電保護回路１の構成図 従来の非復帰型過充電保護回路２の構成図

符号の説明

１、１４、２６ 電池パック
２、１５、２７、３６、５０ 電池ブロック
３、１６、２８ 保護回路
４、１７、２９ チップヒューズ
６、１９、３１ ＳＷ１
７、２０、３２ ＳＷ２
５、１８、３０ ＳＷ３
８、２４、３３ 保護ＩＣ
９、２５、３４、３８、５３ 電圧検出回路
１０、２６、３５、３９、５５ 充電器
３７、５１、５２ 温度ヒューズ
５４ 発熱抵抗素子
１１、１２、１３、２２、２３、４６、４７、４８ 抵抗
Ｓ０１ 充電
Ｓ０２ 電圧測定
Ｓ０３ 過充電検出条件
Ｓ０４ ＳＷ１をオン
Ｓ０５ ＳＷ２をオン
Ｓ０６ ヒューズ溶断
Ｓ０７ 過充電保護動作
Ｓ０８ 電池放電

Claims (4)

1. 電池電圧を検出し、電池電圧が設定値以上になるとオン信号を出す電圧検出回路と、
   前記電圧検出回路からのオン信号により電流が流れ溶断されるチップヒューズと、
   前記チップヒューズが溶断されることによりオフされる充電制御用スイッチＳＷ３からなる二次電池の過充電保護回路。
2. 前記チップヒューズが、前記充電制御用スイッチＳＷ３の入力に接続されていることを特徴とする請求項１記載の二次電池の過充電保護回路。
3. 前記チップヒューズが溶断した後は、高電圧となった電池を放電することを特徴とする請求項１記載の二次電池の過充電保護回路。
4. 前記チップヒューズに電流を流すために、前記電圧検出回路から出力されるオン信号を受けることによりオンする２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２を備えたことを特徴とする請求項１記載の二次電池の過充電保護回路。

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