JP2011147203A - 充電電池の過充電保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】充電電池の過充電保護装置の提供。
【解決手段】充電電池の過充電保護装置は、ディテクト回路１０、充電制御回路２０、バランス制御回路３０、保護チップ５０を備え、ディテクト回路１０と保護チップ５０の入力端とは、電池とそれぞれ連接し、電池の電圧を探知し、それぞれ異なる探知信号を出力し、充電制御回路２０の入力端と保護チップ５０の出力端とは連接し、対応する探知信号に基づき、スロー充電動作を行い、バランス制御回路３０とディテクト回路１０の出力端とは連接し、対応する探知信号に基づき起動され、バランス充電動作を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は充電電池ユニットの制御回路に関し、特に充電電池の過充電保護装置に関する。

高容量の充電電池として用いられるリチウムイオン電池は、記憶効果がないため、理想の充電電池となっている。リチウムイオン電池を、電子製品、電気製品或いは車両などの動力製品中に応用する時には、動力製品が必要とする電圧を得るため、しばしば多数のリチウムイオン電池直列接続して使用する必要がある。例えば、ノート型コンピューターにおいては、通常は、３〜４個のリチウムイオン電池を直列接続して、11.1Ｖ或いは14.8Ｖの電池システムを形成する。しかし、直列接続電池では、電池単体の電圧、電気特性の差異により、各直列接続電池中の各電池の電圧と容量に差異が出る可能性がある。該種の差異は、何度も充/放電を繰り返すことで、ますます明確となり、直列接続電池システムの寿命と信頼性に重大な影響を及ぼす。特に、現在しばしば採用されている快速充電器を採用して充電を行う時には、この種の影響はより明確となる。大電流による持続充電は、その内のある電池の電圧を過度に高くし、長期にわたり過充電状態に陥らせ、一方、他の電池にはフル充電できなくしてしまう。これでは、直列接続する電池全体の容量を低下させてしまう。しかも、過充電された電池には、老化現象が発生し、その寿命は大きく低下する。

この問題に対応するため、通常は多数の電池直列接続システム中に、バランス制御回路を増設し、各組電池中の単体電池間の電圧バランスをとり、電池システムの使用寿命と信頼性を高める工夫がなされている。

図１に示すように、現在常用されている充電電池の過充電保護装置３は、一般に採用されるバランス制御回路１００を受動式バランス方式として採用している。すなわち、各電池上に１個のレジスターと１個のスイッチを並列接続する。スイッチは、バランス制御回路１００により制御し、バランス制御回路１００は、各電池の電圧に対してモニターを行う。その内の１個電池の電圧異常を感知すると、スイッチに対して制御を行い、こうして、充電制御回路２００の動作を制御する。具体的には、その内の１個電池の電圧が高過ぎることを発見すると、当該電池と並列接続するスイッチを閉鎖する。これにより、一部分の充電電流が通過する対応するレジスターは、パスされてしまう。こうして、当該電池の充電速度を緩慢にすることができる。

この種の受動式バランス方式は、一定のバランス効果を実現することはできるが、余分な電力(電圧が高い電池が溜めた余分な電力)はすべて、バランスレジスターを通過し、熱エネルギーとして消耗されてしまう。これでは、効果は十分でなく、しかもバランスレジシターの過度の発熱を招き易く、電池使用時の温度が高くなり過ぎ、安全性に欠ける。本発明は、従来の充電電池の過充電保護装置の上記した欠点に鑑みてなされたものである。

本発明が解決しようとする課題は、電池の充電において、大電流快速充電から、小電流スロー充電への転換を実現することができ、こうして多数の電池間の電圧及び容量のバランスをとることができ、電池の過充電を防止し、電池の使用寿命を延長し、しかも電池の安全性と信頼性を向上させることができる充電電池の過充電保護装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は下記の充電電池の過充電保護装置を提供する。
充電電池の過充電保護装置は、ディテクト回路、充電制御回路、バランス制御回路、保護チップを備え、
該ディテクト回路と該保護チップの入力端とは、電池とそれぞれ連接し、電池の電圧を探知し、それぞれ異なる探知信号を出力し、
該充電制御回路の入力端と該保護チップの出力端とは連接し、対応する探知信号に基づき、スロー充電動作を行い、
該バランス制御回路と該ディテクト回路の出力端とは連接し、対応する探知信号に基づき起動され、バランス充電動作を行う。

本発明充電電池の過充電保護装置は、充電電池に対して大電流の快速充電を行うことができ、電圧が一定値に達した後は、バランス制御回路が対応する探知信号に基づき起動され、充電制御回路により小電流のスロー充電へと入り、こうして充電方式は大電流充電から小電流充電へと切り替わる。これにより、電池ユニット中の電圧が比較的高い電池は電力消費を持続し、他の電池は小電流充電を行い、電力を継続して増加し、こうして多数の充電電池間の電圧と容量のバランスをとり、電池の過度の飽和充電を防止することができ、さらに電池の使用寿命を延長し、電池の安全性と信頼性を向上させることができる。

従来の充電電池の過充電保護装置の模式図である。 本発明充電電池の過充電保護装置の第一実施例模式図である。 図２に示す充電電池の過充電保護装置の詳細な模式図である。 図３に示す充電電池の過充電保護装置の回路模式図である。 図４に示す充電電池の過充電保護装置の平衡制御回路動作模式図である。 本発明充電電池の過充電保護装置の第二実施例模式図である。 図６に示す充電電池の過充電保護装置の回路模式図である。

以下に図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図２〜４に示すように、本発明第一実施例の充電電池の過充電保護装置１は、ディテクト回路１０、充電制御回路２０、バランス制御回路３０、保護チップ５０を備える。ディテクト回路１０と保護チップ５０は、多数の電池間の電圧状況を探知するために用い、異なる探知信号を出力する。充電制御回路２０と保護チップ５０とは連接し、対応する探知信号に基づき、スロー充電動作を行う。バランス制御回路３０とディテクト回路１０とは連接し、対応する探知信号に基づき起動され、バランス充電動作を行う。

図３に示すように、ディテクト回路１０は、差動拡大回路１１、比較回路１３、基準電圧源１５を備える。本実施例において、基準電圧源１５は、ＴＬ４３１チップを採用し、ディテクト回路１０の比較回路１３に、基準電圧値を提供する。基準電圧値は、人為的に調節することができる。差動拡大回路１１は、複数の差動増幅器を備える。比較回路１３は、複数のコンパレータを備える。差動増幅器とコンパレータの個数は、充電電池の個数に応じて設定する。本実施例中では、充電電池、作動増幅器、コンパレータの個数は４個である。差動増幅器の両方の入力端は、それぞれ２個の電池と連接し、２個の電池間の電圧差を比較する。差動増幅器の出力端とコンパレータの一方の入力端とは連接し、差動増幅器の比較結果をコンパレータへと送る。コンパレータのもう一方の入力端は、基準電圧源１５と接続し、コンパレータは、差動増幅器が出力した結果電圧と基準電圧値とを比較し、異なる探知信号を出力する。具体的には、差動増幅器が出力した結果電圧が、基準電圧値より低い時には、比較回路１３は、バランス制御回路３０を閉鎖する。差動増幅器が出力した結果電圧が、基準電圧値より高い時には、比較回路１３は、バランス制御回路３０を起動する。

充電制御回路２０は、快速充電制御スイッチ２１、スロー充電制御スイッチ２３、制御スイッチ２５を備える。本実施例中で採用する保護チップは、OＺ８９５２チップである。保護チップ５０と電池及び充電制御回路２０とは連接し、回路中に発生する過度の圧力、過度の電流、過度の電圧の状況をモニターし、探知する。保護チップ５０は、各電池の電圧を探知し、その内の１個電池の電圧が基準電圧値より高い時には、保護チップ５０の第一出力端ＣＨＧと第二出力端ＰＦは、探知信号を、快速充電制御スイッチ２１と制御スイッチ２５へそれぞれ出力し、それぞれ異なる動作を行う。以下では、これに関して詳細を説明する。

具体的には、快速充電制御スイッチ２１は、保護チップ５０の第一出力端ＣＨＧ及び電池と連接する。具体的には、快速充電制御スイッチ２１は、Ｐ型フィールドエフェクトトランジスターＱ６及びダイオードを備える。Ｐ型フィールドエフェクトトランジスターＱ６は、保護チップ５０の第一出力端ＣＨＧが出力する探知信号に基づき、伝導する。こうして、快速充電制御スイッチ２１を起動し、電池に対して大電流の快速充電動作を行う。保護チップ５０と快速充電制御スイッチ２１のＰ型フィールドエフェクトトランジスターＱ６のグリッド極とは連接し、Ｐ型フィールドエフェクトトランジスターＱ６の伝導と切断を制御する。

スロー充電制御スイッチ２３は、Ｐ型フィールドエフェクトトランジスターＱ５及びダイオードを備える。充電制御回路２０は、電流制限レジスターＲ１を備え、電流制限レジスターＲ１とスロー充電制御スイッチ２３とは連接する。スロー充電制御スイッチ２３が伝導すると、電流制限レジスターＲ１は、充電電流を制限し、低電流を充電電池に提供する。２個の充電制御スイッチ２１、２３の周辺には、キャパシター、レジスター、ヒューズ、ダイオードなどの部品を備える。

制御スイッチ２５の入力端と保護チップ５０の第二出力端ＰＦとは連接し、制御スイッチ２５の出力端とスロー充電制御スイッチ２３とは連接し、これにより、スロー充電制御スイッチ２３の伝導を制御する。これに関しては、以下に具体的に記述する。

本実施例において、バランス制御回路３０は、複数のバランス制御ユニットを備える。本実施例の充電電池、作動増幅器、コンパレータの個数に対応し、バランス制御ユニットの個数は、４個で、各充電電池の間には、１個のバランス制御ユニットを設置する。各バランス制御ユニットはすべて、Ｐ型フィールドエフェクトトランジスター、ダイオード、放電レジスターＲ２により組成する。各バランス制御ユニットのＰ型フィールドエフェクトトランジスターのグリッド極はすべて、対応する比較回路１３の出力端と連接する。Ｐ型フィールドエフェクトトランジスターの間は、対応するドレイン極とエミッター極を通じて連接する。

具体的には、制御スイッチ２５は、Ｐ型フィールドエフェクトトランジスターＱ７、N型フィールドエフェクトトランジスターＱ８を備える。Ｐ型フィールドエフェクトトランジスターＱ７のエミッター極と基準電圧源１５とは連接し、グリッド極と保護チップ５０の第二出力端ＰＦとは連接し、これにより第二出力端ＰＦの探知信号を受信し、ドレイン極とN型フィールドエフェクトトランジスターＱ８のグリッド極とは連接する。N型フィールドエフェクトトランジスターＱ８のドレイン極とスロー充電制御スイッチ２３のＰ型フィールドエフェクトトランジスターＱ５のグリッド極とは連接し、これにより、スロー充電制御スイッチ２３を起動し、こうして電池は低電流のスロー充電動作へと入る。

保護チップ５０と充電電池とは連接するため、各充電電池の電圧を得ることができる。もし、その内の１個電池の電圧が、基準電圧値より高ければ、保護チップ５０の第一出力端ＣＨＧは探知信号を出力する。これにより、それが連接する快速充電制御スイッチ２１は、切断状態へと入り、すなわち、快速充電ルートは遮断される。また、制御スイッチ２５とスロー充電制御スイッチ２３とは連接し、Ｐ型フィールドエフェクトトランジスターＱ７とN型フィールドエフェクトトランジスターＱ８とは相次いで伝導する。こうして、スロー充電制御スイッチ２３を伝導し、電池はスロー充電状態へと入る。この時、充電方式は、大電流充電から小電流充電へと切り替わる。

本発明バランス制御回路３０の起動時の作動状況を、図４、５を用いて説明する。ディテクト回路１０と保護チップ５０とが、第三電池の電圧が、基準電圧値より高いことをそれぞれ探知したなら、ディテクト回路１０と保護チップ５０とは、それぞれ探知信号を出力する。保護チップ５０が出力した探知信号により、快速充電ルートは切断され、スロー充電ルートは伝導される。この時、充電方式は、大電流充電から小電流充電へと切り替わる。小充電電流は、電池に提供され、ディテクト回路１０が出力した探知信号は、第三電池と第二電池との間に連接するバランス制御ユニットを伝導させ、他のバランス制御ユニットの伝導を遮断する。こうして、小充電電流は、各電池へとそれぞれ流れる。バランス制御ユニットは伝導するため、第三電池は、バランス制御ユニットへと電流を出力する。第三電池が電流をバランス制御ユニットへと出力すると、その電流はバランス制御ユニットの放電レジスターＲ２が消耗する(図５の矢印参照)。よって、第三電池は、放電を継続し、他の電池は、小電流充電を持続して電力を増加し、これにより多数の充電電池の間の電圧と容量はバランスへと向かう。こうして、電池の過度の飽和充電を防止し、電池の使用寿命を延長して、電池の安全性と信頼性を向上させることができる。

図６、７は、本発明第二実施例の充電電池の過充電保護装置２模式図である。本実施例において、充電電池の過充電保護装置２はさらに、光カップリングスイッチ回路７０を備える。光カップリングスイッチ回路７０は、発光ダイオード７１、トランジスター７３を備える。発光ダイオード７１は、バランス制御回路３０の出力端に連接し、バランス制御回路３０の信号に基づき、発光するか否かを決定する。トランジスター７３は、制御スイッチ２５へと連接し、発光ダイオード７１の発光に基づき、トランジスター７３の抵抗を決定し、スイッチ２５の伝導或いは切断を制御する。

具体的には、制御スイッチ２５は、N型フィールドエフェクトトランジスターＱ９で、N型フィールドエフェクトトランジスターＱ９は、それぞれ充電制御回路２０及び保護チップ５０と連接する。具体的には、本実施例において、保護チップ５０は、Ｓ−８２５４チップである。N型フィールドエフェクトトランジスターＱ９のグリッド極と光カップリングスイッチ回路７０の出力端とは連接し、ドレイン極と快速充電制御スイッチ２１とは連接し、エミッター極と保護チップ５０及びスロー充電制御スイッチ２３とは連接する。こうして、充電制御回路を制御し、快速充電状態から、スロー充電状態へと切り替える。

充電開始当初は、快速充電制御スイッチ２１は伝導状態にある。バランス制御回路３０が、比較回路１３が対応する探知信号を受取り、起動されると、その出力信号は、光カップリングスイッチ回路７０に伝送される。光カップリングスイッチ回路７０はこれに随い起動され、制御スイッチ２５を制御し、N型フィールドエフェクトトランジスターＱ９は切断される。この時、N型フィールドエフェクトトランジスターＱ９は、そのドレイン極が接続する快速充電制御スイッチ２１を切断し、そのエミッター極が接続するスロー充電制御スイッチ２３を伝導する。こうして、電池はスロー充電状態へと入る。この時、充電方式は、大電流充電から、小電流充電へと切り替わり、電力が比較的低い電池が充電され、電力が比較的高い電池の放電作業が行われる。こうして各電池の電圧、容量はバランスがとれた状態へと向かい、電池の過度の飽和充電を防止することができ、さらに電池の使用寿命を延長し、電池の安全性と信頼性を向上させることができる。

上記したように、本発明充電電池の過充電保護装置１、２により、充電電池は、大電流の快速充電を行った後、バランス制御回路３０が起動され、充電制御回路２０の快速充電制御スイッチ２１が切断され、スロー充電制御スイッチ２３が伝導され、こうして小電流のスロー充電へと進み、充電方式は、大電流充電から小電流充電へと切り替わり、バランス制御回路３０の起動により、電池ユニット中の電圧が比較的高い電池は電力消費を持続し、他の電池は小電流充電を行い、電力を継続して増加し、こうして多数の充電電池間の電圧と容量のバランスをとり、電池の過度の飽和充電を防止することができ、さらに電池の使用寿命を延長し、電池の安全性と信頼性を向上させることができる。

上記の本発明名称と内容は、本発明技術内容の説明に用いたのみで、本発明を限定するものではない。本発明の精神に基づく等価応用或いは部品（構造）の転換、置換、数量の増減はすべて、本発明の保護範囲に含むものとする。

本発明は特許請求の要件である新規性を備え、従来の同類製品に比べ十分な進歩を有し、実用性が高く、社会のニーズに合致しており、産業上の利用価値は非常に大きい。

１、２ 充電電池の過充電保護装置
１０ ディテクト回路
１１ 差動拡大回路
１３ 比較回路
１５ 基準電圧源
２０ 充電制御回路
２１ 快速充電制御スイッチ
２３ スロー充電制御スイッチ
２５ 制御スイッチ
３０ バランス制御回路
５０ 保護チップ
７０ 光カップリングスイッチ回路
７１ 発光ダイオード
７３ トランジスター
Ｑ５−Ｑ７ Ｐ型フィールドエフェクトトランジスター
Ｑ８、Ｑ９ N型フィールドエフェクトトランジスター
ＣＨＧ 第一出力端
ＰＦ ダイオードに出力端
Ｒ１ 電流制限レジスター
Ｒ２ 放電レジスター

Claims (8)

1. ディテクト回路、充電制御回路、バランス制御回路、保護チップを備え、
   前記ディテクト回路と前記保護チップの入力端とは、電池とそれぞれ連接し、電池の電圧を探知し、それぞれ異なる探知信号を出力し、
   前記充電制御回路の入力端と前記保護チップの出力端とは連接し、対応する探知信号に基づき、スロー充電動作を行い、
   前記バランス制御回路と前記ディテクト回路の出力端とは連接し、対応する探知信号に基づき起動され、バランス充電動作を行うことを特徴とする充電電池の過充電保護装置。
2. 前記ディテクト回路は、差動拡大回路、比較回路、基準電圧源を備え、
   前記差動拡大回路は、電池と連接し、電池間の電圧差を比較し、
   前記比較回路の入力端は、前記差動拡大回路の出力端及び前記基準電圧源と連接し、前記比較回路の出力端は、前記バランス制御回路の入力端と連接することを特徴とする請求項１に記載の充電電池の過充電保護装置。
3. 前記充電制御回路は、快速充電制御スイッチ、スロー充電制御スイッチを備え、
   前記快速充電制御スイッチと前記保護チップの出力端とは、連接することを特徴とする請求項２に記載の充電電池の過充電保護装置。
4. 前記充電制御回路はさらに、制御スイッチを備え、
   前記制御スイッチの入力端と前記保護チップの出力端とは連接し、前記制御スイッチの出力端と前記スロー充電制御スイッチとは連接し、前記スロー充電制御スイッチの伝導動作を制御することを特徴とする請求項３に記載の充電電池の過充電保護装置。
5. 前記制御スイッチと前記保護チップとは連接し、前記制御スイッチの出力端と前記快速充電制御スイッチとは連接し、前記保護チップの探知信号に基づき、前記快速充電制御スイッチの切断動作を制御することを特徴とする請求項４に記載の充電電池の過充電保護装置。
6. 前記充電電池の過充電保護装置はさらに、光カップリングスイッチ回路を備え、
   前記光カップリングスイッチ回路の入力端は、前記バランス制御回路の出力端に接続し、前記光カップリングスイッチ回路の出力端と前記制御スイッチの入力端とは連接することを特徴とする請求項５に記載の充電電池の過充電保護装置。
7. 前記バランス制御回路は、Ｐ型フィールドエフェクトトランジスター、ダイオード、放電レジスターを備えることを特徴とする請求項１に記載の充電電池の過充電保護装置。
8. 前記制御スイッチは、N型フィールドエフェクトトランジスターを備えることを特徴とする請求項４に記載の充電電池の過充電保護装置。

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