JP2011125165A - バッテリ状態監視回路及びバッテリ装置 - Google Patents

バッテリ状態監視回路及びバッテリ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】二次電池の電圧が０Ｖ付近まで低下したときにおいても、充電器による充電を確実に制御することのできるバッテリ状態監視回路及びバッテリ装置を提供すること。
【解決手段】バッテリ状態監視回路の最低動作電圧以下であることを検出する最低動作電圧監視回路を備え、バッテリ状態監視回路が最低動作電圧以下のとき、過放電検出回路の出力を過放電検出状態にする構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の電圧や異常を検知するバッテリ状態監視回路及びバッテリ装置に関し、特に、二次電池の電圧が０Ｖ付近まで低下したときに、充電器による充電を制御することのできるバッテリ状態監視回路及びバッテリ装置に関する。
バッテリ装置は、二次電池の電圧が極端に低下して０Ｖ近くになったときに、充電器が接続されると、二次電池へ充電を許可、もしくは禁止するという機能を備えている（例えば、特許文献１参照）。以下、この機能を０Ｖ充電と称する。
図３に、従来のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置の回路図を示す。従来のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置は、二次電池１と、二次電池１の電圧を監視する充放電制御回路２と、二次電池１の充電と放電を制御するスイッチ回路３と、充電器８または負荷９が接続される外部端子４及び５と、充電スイッチ駆動回路７とを備えている。充電スイッチ駆動回路７は、レベルシフタ回路１５と、ＰＭＯＳトランジスタ１６、ＮＭＯＳトランジスタ１７、抵抗１８、インバータ回路２６と、ＮＯＲ回路２５と、ＰＭＯＳトランジスタ２０とＮＭＯＳトランジスタ２１とを備えている。スイッチ回路３は放電スイッチ１０と充電スイッチ１１を備えている。
上述したようなバッテリ装置は、以下のように動作して０Ｖ充電を許可するように機能する。
レベルシフタ回路１５は入力信号がハイレベルの時、出力はハイレベルを出力し、入力信号がローレベルの時、出力はローレベルを出力しＮＯＲ回路２５の入力になる。ＰＭＯＳトランジスタ１６とＮＭＯＳトランジスタ１７および抵抗素子１８で構成された電池電圧検出回路は、二次電池の電圧が低下しＰＭＯＳトランジスタ１６のしきい値電圧よりも低くなった時、ローレベルを出力しインバータ回路２６を介してＮＯＲ回路２５にハイレベルの信号を入力する。ＮＯＲ回路２５の出力は、ＰＭＯＳトランジスタ２０とＮＭＯＳトランジスタ２１で構成された反転出力回路を介して、充電スイッチ１１を駆動させる。
レベルシフタ回路１５の出力がローレベルで、電池電圧検出回路の出力がハイレベルである場合には、インバータ回路２６の出力はローレベルとなり、ＮＯＲ回路２５の入力は両方ともローレベルとなりＮＯＲ回路２５の出力はハイレベルとなる。このため充電スイッチ１１のゲート電圧がローレベルとなり充電が不可能となる。
上記以外の場合は、ＮＯＲ回路２５の出力はローレベルとなるため充電スイッチ１１のゲート電圧がハイレベルとなり充電可能となる。従って、二次電池１の電圧が０Ｖ近くになったときに、充電スイッチ駆動回路７は充電を許可にする。すなわち、バッテリ装置は、０Ｖ充電を許可するように機能する。
特開２０００-３０８２６６号公報
しかしながら従来の技術では、上述の充放電制御回路２は二次電池１の電圧で駆動しており、放電制御出力端子１２は二次電池の電圧が低い時にハイレベルを出力してしまう可能性があるため、以下に述べるような欠点があった。
二次電池１が０Ｖ近くの時に充電器８を接続し、ＮＭＯＳトランジスタ１７がオンすると、充電制御出力端子１３の電圧がハイレベルとなり、充電スイッチ１１はオンする。そして、充電電流が充電器８から二次電池１へと流れる。充放電制御回路２は、二次電池１の電圧で駆動しており、動作可能になるまでは出力信号は不定となり、放電制御出力端子１２からハイレベルが出力されてしまう可能性がある。このため充電スイッチ駆動回路７が充電許可している時に、放電制御出力端子１２がハイレベルを出力すると、充電スイッチ１１はオン、放電スイッチ１０もオンし、二次電池１の負極と外部端子５がほぼ同電位となってしまいＮＭＯＳトランジスタ１７はオフする。ＮＭＯＳトランジスタ１７がオフしてしまうと、充電スイッチ駆動回路１７は充電許可を解除してしまう。そのため充電可能、充電禁止を繰り返し発振してしまうという不具合が発生していた。
本発明は、以上のような課題を解決するために考案されたものであり、二次電池の電圧が０Ｖ付近まで低下したときにおいても、充電器による充電を確実に制御することのできるバッテリ状態監視回路及びバッテリ装置を提供するものである。
従来の課題を解決するために、本発明のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置は以下のような構成とした。
基準電圧回路と、二次電池と基準電圧回路の電圧を比較し二次電池の過放電を検出する過放電検出回路と、過放電検出回路の出力を入力する制御回路と、バッテリ状態監視回路の最低動作電圧を検出する最低動作電圧監視回路とを備え、最低動作電圧監視回路は、二次電池の電圧がバッテリ状態監視回路の最低動作電圧以下であることを検出する第一のトランジスタと、二次電池の電圧がバッテリ状態監視回路の最低動作電圧以下のときに、過放電検出回路の出力を過放電検出状態にする第二のトランジスタと、を備えたことを特徴とするバッテリ状態監視回路。
本発明のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置によれば、充放電制御回路２が動作可能な電圧になるまでは、放電制御出力端子１０がローレベルとなり、充電スイッチ駆動回路７を確実に動作させ、二次電池１を安定的に充電することが出来る。
従って、二次電池１の電圧が０Ｖ付近まで低下したときにおいても、充電器８による充電を安定して行うことが出来るという効果がある。
第一の実施形態のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置の回路図である。 第二の実施形態のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置の回路図である。 従来のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置の回路図である。
以下に、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
図１は、第一の実施形態のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置の回路図である。
本実施形態のバッテリ装置は、二次電池１と、基準電圧回路３７、過充電検出回路３３、過放電検出回路３４と、監視回路の動作を制御する制御回路３２と、二次電池１の充電と放電を制御するスイッチ回路３と、充電器８または負荷９が接続される外部端子４及び５と、充電スイッチ駆動回路７と、最低動作電圧監視回路３１とを備えている。充電スイッチ駆動回路７は、レベルシフタ回路１５と、０Ｖ充電制御回路３５と充電制御端子出力回路３６とを備えている。最低動作電圧監視回路３１は、ＮＭＯＳトランジスタ２７と、ＮＭＯＳトランジスタ３０と、ＰＭＯＳトランジスタ２８と、インバータ回路２９とを備えている。
基準電圧回路３７、過放電検出回路３４、過充電検出回路３３、最低動作電圧監視回路３１は二次電池１を電源として用いている。二次電池１の両端に接続された基準電圧回路３７の出力は、過充電検出回路３３の入力端子と過放電検出回路３４の入力端子と最低動作電圧監視回路３１のＮＭＯＳ３０のゲートに接続される。過充電検出回路３３の出力は制御回路３２の入力端子１１０へ接続される。過放電検出回路３４の出力は制御回路３２の入力端子１１１へ接続される。制御回路３２の入力１１２は、過電流検出端子１４に接続される。制御回路３２の出力１０１は、最低動作電圧監視回路３１のＰＭＯＳトランジスタ２８のゲートに接続される。制御回路３２の出力１０２は、最低動作電圧監視回路３１のインバータ回路２９の入力に接続される。制御回路３２の出力１０３は、放電制御出力端子１２に接続される。制御回路３２の出力１０４は、充電スイッチ駆動回路７のレベルシフタ回路１５に接続される。
充電スイッチ駆動回路７は正極電源を二次電池１の正極に接続し、負極電源を過電流検出端子１４に接続し、過電流検出端子１４をグラウンドとして用いている。０Ｖ充電制御回路３５は、入力は二次電池１の負極に接続され、出力が充電制御端子出力回路３６へ接続される。充電制御端子出力回路３６は、出力が充電制御出力端子１３へ接続される。
スイッチ回路３の放電制御スイッチ１０は、ゲートは放電制御出力端子１２に接続され、ドレインは充電制御スイッチ１１のドレインに接続され、ソースは二次電池１の負極に接続される。放電制御スイッチ１１は、ゲートは充電制御出力端子１３に接続され、ソースは外部端子５に接続される。
外部端子５は過電流検出端子１４に接続され、外部端子４は二次電池１の正極に接続される。
最低動作電圧監視回路３１のＮＭＯＳトランジスタ２７は、ドレインは過放電検出回路３４の出力に接続され、ソースは二次電池１の負極に接続され、ゲートはインバータ回路２９の出力とＰＭＯＳトランジスタ２８のドレインに接続される。ＰＭＯＳトランジスタ２８は、ソースは二次電池１の正極に接続され、ゲートは制御回路３２の出力１０１に接続される。インバータ回路２９は、入力は制御回路３２の出力１０２に接続され、正極電源は二次電池１の正極に接続され、負極電源はＮＭＯＳトランジスタ３０のドレインに接続される。ＮＭＯＳトランジスタ３０は、ゲートは基準電圧回路３７の出力へ接続され、ソースは二次電池１の負極に接続されている。
次に最低動作電圧監視回路３１の動作について説明する。最低動作電圧監視回路３１は、バッテリ状態監視回路の最低動作電圧を検出する。
ＮＭＯＳトランジスタ２７は、制御回路３２の出力１０２の信号で制御され、オンすると過放電検出回路３４の出力を強制的にローレベルにし過放電検出状態にする。二次電池１の電圧が低下し０Ｖに近い電圧である時、基準電圧回路３７の出力は０Ｖ近辺となるためＮＭＯＳトランジスタ３０はオフする。するとインバータ回路２９は、制御回路３２が出力１０２にハイレベルの信号を出力しても、負極電源を切断されるためローレベルを出力できなくなる。ＰＭＯＳトランジスタ２８は、図示はしないが制御回路３２の中のトランジスタとカレントミラーの構成をとっており常に定電流を流している。この定電流は、ＮＭＯＳトランジスタ２７をオンできる程度の電流を流しているので、インバータ回路２９の出力をハイレベルにすることができる。インバータ回路２９の出力がハイレベルのためＮＭＯＳトランジスタ２７がオンし、過放電検出回路３４の出力はローレベルとなり過放電検出状態となる。
過放電検出状態のため制御回路３２の出力１０３は、ローレベルの信号を出力して放電制御スイッチ１０をオフさせる。そして充電器８を接続し充電電流が流れた時、充電電流は放電制御スイッチ１０の寄生ダイオードを流れる。このことにより、外部端子５の電位は、二次電池１の負極の電位から寄生ダイオードのＶｆ分下がったところで安定する。これにより充電スイッチ駆動回路７は充電許可の信号を出力し、二次電池１を安定的に充電させる。このようにして、二次電池１の電圧が低下しバッテリ状態監視回路の最低動作電圧以下になっても過放電検出状態にすることができ、充電を安定的に行うことができる。
ここで、最低動作電圧監視回路３１は、最低動作電圧が一番高い基準電圧回路３７の出力をモニターしている。従って、２次電池１が低下したときに、確実にバッテリ状態監視回路の最低動作電圧を検出することが出来る。
なお、本実施形態のバッテリ監視回路では基準電圧回路３７の最低動作電圧が最も高いためこのような構成とおり、他の要素で基準電圧回路３７よりも最低動作電圧が高い要素があれば、最低動作電圧監視回路３１はその要素の出力をモニターするようにしてもよい。
以上に説明したように、本実施形態のバッテリ装置によれば、二次電池１が０Ｖ近辺の電圧になったとしても過放電検出することができ、充電スイッチ駆動回路７から充電許可の信号を出力させ二次電池１を安定的に充電することが出来る。
図２は、第二の実施形態のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置の回路図である。図１との違いは、最低動作電圧監視回路５１を過放電検出回路３４がハイレベルで検出状態となる場合に対応させた点である。
接続に関しては、最低動作電圧監視回路５１のＰＭＯＳトランジスタ４０は、ドレインは過放電検出回路３４の出力に接続され、ソースは二次電池１の正極に接続され、ゲートはインバータ回路３８の出力とＮＭＯＳトランジスタ３９のドレインに接続される。ＮＭＯＳトランジスタ３９は、ソースは二次電池１の負極に接続され、ゲートは制御回路３２の出力１０５に接続される。インバータ回路３８は、入力はインバータ回路２９の出力に接続される。インバータ回路２９は、入力は制御回路３２の出力１０２に接続され、正極電源は二次電池１の正極に接続され、負極電源はＮＭＯＳトランジスタ３０のドレインに接続される。インバータ回路４１は、入力は過放電検出回路３４の出力に接続され、出力は制御回路３２の入力１１１に接続される。ＮＭＯＳトランジスタ３０は、ゲートは基準電圧回路３７の出力へ接続され、ソースは二次電池１の負極に接続されている。
次に、第二の実施形態の最低動作電圧監視回路５１の動作について説明する。
ＰＭＯＳトランジスタ４０は、制御回路３２の出力１０２の信号で制御され、オンすると過放電検出回路３４の出力を強制的にハイレベルにし検出状態にする。二次電池１の電圧が低下し０Ｖに近い電圧である時、基準電圧回路３７の出力は０Ｖ近辺となるためＮＭＯＳトランジスタ３０はオフする。するとインバータ回路２９は負極電源を切断されるため、ローレベルを出力できなくなる。ＮＭＯＳトランジスタ３０は、図示はしないが制御回路３２の中のトランジスタとカレントミラーの構成をとっており常に定電流を流している。この定電流は、ＰＭＯＳトランジスタ４０をオンできる程度の電流を流しているので、インバータ回路３８の出力をローレベルにすることができる。インバータ回路３８の出力がローレベルのためＰＭＯＳトランジスタ４０がオンし、過放電検出回路３４の出力はハイレベルとなり過放電検出状態となる。
ここで、最低動作電圧監視回路５１は、最低動作電圧が一番高い基準電圧回路３７の出力をモニターしている。従って、２次電池１が低下したときに、確実にバッテリ状態監視回路の最低動作電圧を検出することが出来る。
なお、本実施形態のバッテリ監視回路では基準電圧回路３７の最低動作電圧が最も高いためこのような構成とおり、他の要素で基準電圧回路３７よりも最低動作電圧が高い要素があれば、最低動作電圧監視回路５１はその要素の出力をモニターするようにしてもよい。
以上に説明したように、本実施形態のバッテリ装置によれば、二次電池１が０Ｖ近辺の電圧になったとしても過放電検出することができ、充電スイッチ駆動回路７から充電許可の信号を出力させ二次電池１を安定的に充電することが出来る。
１ 二次電池
２ 充放電制御回路
３ スイッチ回路
４、５ 外部端子
７ 充電スイッチ駆動回路
８ 充電器
９ 負荷
１０ 放電制御スイッチ
１１ 充電制御スイッチ
１２ 放電制御出力端子
１３ 充電制御出力端子
１４ 過電流検出端子
１５ レベルシフタ回路
３１、５１ 最低動作電圧監視回路
３２ 制御回路
３３ 過充電検出回路
３４ 過放電検出回路
３５ ０Ｖ充電制御回路
３６ 充電制御端子出力回路
３７ 基準電圧回路
１１０、１１１、１１２ 制御入力端子

Claims (4)

  1. 二次電池の充放電を制御するバッテリ状態監視回路であって、
    基準電圧回路と、
    前記二次電池と前記基準電圧回路の電圧を比較し、前記二次電池の過放電を検出する過放電検出回路と、
    前記過放電検出回路の出力を入力する制御回路と、
    前記バッテリ状態監視回路の最低動作電圧を検出する最低動作電圧監視回路と、を備え、
    前記最低動作電圧監視回路は、
    前記二次電池の電圧が前記バッテリ状態監視回路の最低動作電圧以下であることを検出する第一のトランジスタと、
    前記二次電池の電圧が前記バッテリ状態監視回路の最低動作電圧以下のときに、前記過放電検出回路の出力を過放電検出状態にする第二のトランジスタと、
    を備えたことを特徴とするバッテリ状態監視回路。
  2. 前記最低動作電圧監視回路は、前記第二のトランジスタのゲートをプルアップもしくはプルダウンする第三のトランジスタを備えたことを特徴とする請求項１に記載のバッテリ状態監視回路。
  3. 前記第一のトランジスタは、前記基準電圧回路の出力がゲートに接続されたことを特徴とする請求項１または２に記載のバッテリ状態監視回路。
  4. 充放電が可能な二次電池と、
    前記二次電池の充放電経路に設けられた充放電制御スイッチと、
    前記二次電池の電圧を監視し、前記充放電制御スイッチを開閉することによって前記二次電池の充放電を制御する請求項１から３のいずれかに記載のバッテリ状態監視回路と、を備えたバッテリ装置。
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