JP2012208120A - 二次電池の保護用半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】各セル電極に接続される接続端子、各セルに対して設けられ各セルの高・低圧側電極に対する接続端子間に接続され各セルの電圧を検出する第1の抵抗、各セルに対して設けられ第1の抵抗からの電圧に基づき各セルの電圧が基準電圧の範囲内にあるか否かを検出するコンパレータ、各セルに対して設けられ接続端子間に接続された第2の抵抗と第1のスイッチ素子の直列回路、各第1のスイッチ素子のオンオフの制御する制御回路、を備え、第1のスイッチ素子はオンのとき第2の抵抗を接続端子間に接続しオフしたときに前記第2の抵抗を接続端子から切り離し、制御回路はセルと接続端子間の断線確認時にて断線確認信号をオンとしつつ複数の第1のスイッチ素子を順次オンしオンされた第1のスイッチ素子に対応するコンパレータの出力によりセルと接続端子の断線を検出する。
【選択図】図1
Description
直列接続された複数の二次電池セルの電圧状態を検出可能な保護用半導体装置であって、
各二次電池セルの電極に接続され得る接続端子と、
各二次電池セルに対応して設けられ、各二次電池セルの高圧側及び低圧側の電極に対応する接続端子間に接続され、各二次電池セルの電圧を検出する第1の抵抗と、
各二次電池セルに対応して設けられ、前記第1の抵抗から得られる電圧に基づき、前記各二次電池セルの電圧が基準電圧の範囲内にあるか否かを検出するコンパレータと、
各二次電池セルに対応して設けられ、前記接続端子間に接続された、第2の抵抗と第1のスイッチ素子の直列回路と、
前記各第1のスイッチ素子のオン、オフを制御する制御回路と
を備え、
前記第1のスイッチ素子は、オンしたときに前記第2の抵抗を前記接続端子間に接続し、オフしたときに前記第2の抵抗を前記接続端子から切り離し、
前記制御回路は、前記二次電池セルと前記接続端子間の断線確認時において、断線確認信号をオン状態としつつ、前記複数の第1のスイッチ素子を順次オンし、
オンされた第1のスイッチ素子に対応するコンパレータの出力信号により、前記二次電池セルと前記接続端子との断線を検出する。
前記各第1の抵抗に対する第3の抵抗と、
個々の前記接続端子と前記第1の抵抗との間における、前記第3の抵抗の接続非接続をスイッチする第2のスイッチ素子と
を更に備え、
前記制御回路は、
前記断線確認信号をオン状態にしている際に、前記第3の抵抗を接続するように前記第2のスイッチ素子を制御する信号を前記第2のスイッチ素子に送ることにより、前記コンパレータの検出基準の基準電圧の値を変更するものであってもよい。
前記二次電池セルの夫々の高圧側及び低圧側の電極の間に、第4の抵抗と、その第4の抵抗の接続非接続をスイッチする第3のスイッチ素子が接続されている場合、
前記制御回路は、前記断線確認信号をオン状態にする際、前記断線信号をオン状態にする時点より所定の期間前から、前記断線確認信号のオン状態が終了するまで、前記第4の抵抗が非接続となるように前記第3のスイッチ素子を制御する信号を前記第3のスイッチ素子に送るものであってもよい。
前記断線確認信号がオフ状態からオン状態になる場合、前記コンパレータにより検出される、前記コンパレータに対応する二次電池セルの電圧が基準電圧の範囲外であるか否かを示す信号を、前記断線確認信号がオン状態になる直前の状態で、前記断線確認信号がオンである間保持する回路を、更に含むものであってもよい。
本発明の第1の実施形態は、複数個の直列接続された二次電池セルを保護する保護用半導体装置に関して、以下の構成を有する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る保護用半導体装置1と、二次電池の結線図である。保護用半導体装置1は、高電圧検出及び断線検出を行う障害検出回路10、内部抵抗変更回路100、制御回路110、及び、判定回路120を内蔵している。なお、障害検出回路10は、低電圧検出回路や過電流検出回路などを含んでいてもよい。図1に示す結線図では、二次電池は4セルであるが、第1の実施形態に係る保護用半導体装置1が対象とする二次電池は4セルに限定されるものではない。
図2は、第1の実施形態に係る保護用半導体装置における制御回路110の制御信号の一例について説明する図である。制御回路110の動作に基づいて、保護用半導体装置の動作を説明する。制御回路110は、二次電池セルと保護用半導体装置の接続確認を一定の間隔twaitで行うよう制御するために、入力されるクロック等から、制御信号VG1〜VG4、及び、断線確認信号LTESTを生成する。
続いて、図3及び図1を用いて、本発明の第1の実施形態に係る保護用半導体装置の高電圧検出動作を説明する。図3は、第1の実施形態に係る保護用半導体装置の高電圧検出時の動作タイムチャートである。タイムチャートには、動作の説明に必要な信号のみ示している。以下、時間軸に沿って説明する。
以上のように、第1の実施形態では、直列接続された二次電池セルにおける、個々の二次電池セルに対して電圧変動を検出するコンパレータを設置してある、二次電池の保護用半導体装置において、個々の二次電池セルのためのコンパレータを構成する抵抗に対して、別の抵抗を、個々の二次電池セルに関して順番に、一時的に並列接続する。その並列接続の際の個々の二次電池セルと保護用半導体装置との接続端子における電位の変動を、前記コンパレータにより検出することで、二次電池セルと保護用半導体装置との断線を検出することを可能としている。
本発明の第1の実施形態に係る保護用半導体装置は、ノイズ対策のためのローパスフィルタを介して、二次電池セルと接続されているという構成である場合、断線確認動作時にローパスフィルタを構成する抵抗の両端に電圧が生じることで、二次電池セルと保護用半導体装置との接続に断線が生じていなくても断線を誤検出することが有り得る、という、不具合を生じることがある。そこで、本発明の第2の実施形態に係る保護用半導体装置は、上記の電圧センス抵抗に、抵抗値が小さい抵抗を一時的に並列に接続する際、同時に、全ての二次電池セルの夫々の電圧センス抵抗に対して、更に別の抵抗を夫々直列接続することにより、電圧センス抵抗と繋がるコンパレータの反転レベルを高くして、コンパレータの誤検出を抑えることを特徴とする。
まず、本発明の第2の実施形態の目的について、説明する。図4は、第1の実施形態のみを適用した(即ち、第2の実施形態が未適用である)保護用半導体装置と、二次電池セルとの、実使用結線図について説明する図である。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る保護用半導体装置1と、二次電池セルの結線図である。第2の実施形態に係る保護用半導体装置は、本発明の第1の実施形態に係る保護用半導体装置と、略同様の構成である。よって、両者の差異を中心に説明する。
図6は、第2の実施形態に係る保護用半導体装置における制御回路110の制御信号の一例について説明する図である。保護用半導体装置の動作の説明の前提として、まず、制御回路110の動作について説明する。制御回路110は、二次電池セルと保護用半導体装置の接続確認を一定の間隔twaitで行うよう制御するために、入力されるクロック等から、制御信号VG1〜VG4、Rsw1〜Rsw4、及び、断線確認信号LTESTを生成する。
図7は、第2の実施形態を適用した保護用半導体装置と二次電池セルの実使用結線図について説明する図である。図7に示す保護用半導体装置1も、図4に示す結線図と同様に、ノイズ対策のためのローパスフィルタ(抵抗Rf1〜Rf4、容量Cf1〜Cf4で構成されている)を介して、二次電池セルと接続されている。
図8及び図5を用いて、本発明の第2の実施形態に係る保護用半導体装置の断線検出動作を説明する。図8は、第2の実施形態に係る保護用半導体装置の断線検出時の動作タイムチャートである。タイムチャートには動作の説明に必要な信号のみ示している。説明を容易にするため、二次電池セルBAT1〜BAT4の電圧VBAT1〜VBAT4、抵抗Rs11〜Rs43の抵抗値は、以下の条件式(cond31〜cond33)を満たすものとする。
以上のように、第2の実施形態では、直列接続された二次電池セルにおける、個々の二次電池セルに対して電圧変動を検出するコンパレータを設置してある、二次電池セルの保護用半導体装置において、個々の二次電池セルのためのコンパレータを構成する抵抗に対して、別の抵抗を、個々の二次電池セルに関して順番に、一時的に並列接続して、その並列接続の際の個々の二次電池セルと保護用半導体装置との接続端子における電位の変動を前記コンパレータにより検出する。その別の抵抗を一時的に並列接続する際に、同時に、全ての二次電池セルの夫々のためのコンパレータを構成する抵抗に対して、更に別の抵抗を夫々直列接続することにより、コンパレータの反転レベルを高くする。このようにすることにより、ローパスフィルタを介して二次電池セルに接続される構成であっても、二次電池セルと電池接続端子との接続の断線を誤検出するという不具合の発生が防止される。
本発明の第2の実施形態に係る保護用半導体装置は、複数の二次電池セルの電圧を同じ程度に揃える機能等を行うための、値の小さい抵抗を含む回路を、個々の二次電池セルに並列接続すると、上述の断線検動作が正常に行えないことがある。そこで、本発明の第3の実施形態に係る保護用半導体装置は、断線検出動作の実施時には、個々の二次電池セルに並列接続される、値の小さい抵抗を無効化することで、断線検出動作を正しく行うことを可能にしている。
図9は、本発明の第3の実施形態に係る保護用半導体装置1と、二次電池セルの結線図である。図10は、第3の実施形態を適用した保護用半導体装置と二次電池セルの実使用結線図について説明する図である。図10に示す保護用半導体装置1も、図7に示す結線図と同様に、ノイズ対策のためのローパスフィルタ(抵抗Rf1〜Rf4、容量Cf1〜Cf4で構成されている)を介して、二次電池セルと接続されている。
図11は、第3の実施形態に係る保護用半導体装置における制御回路210の制御信号の一例について説明する図である。第3の実施形態を示す図9・図10の回路には、断線検出動作の際に接続される電圧センス抵抗より小さい抵抗R11〜R41よりも、更に小さい抵抗Rcb1〜Rcb4が接続されている。
図12及び図9・図10を用いて、本発明の第3の実施形態に係る保護用半導体装置の動作を説明する。図12は、第3の実施形態に係る保護用半導体装置の動作タイムチャートである。タイムチャートには動作の説明に必要な信号のみ示している。断線検出動作は、図8により説明した内容と略同一である。また、図12のタイムチャートにおいても、保護用半導体装置の電池接続端子と二次電池セルとが、最初「接続」しており、途中で「断線」し、その後再び「接続」している例を示している。以下、時間軸に沿って説明する。
以上のように、第3の実施形態では、直列接続された二次電池セルにおける、個々の二次電池セルに対して電圧変動を検出するコンパレータを設置してある、二次電池セルの保護用半導体装置において、個々の二次電池セルのためのコンパレータを構成する抵抗に対して、別の抵抗を、個々の二次電池セルに関して順番に、一時的に並列接続して、その並列接続の際の個々の二次電池セルと保護用半導体装置との接続端子における電位の変動を前記コンパレータにより検出する。その別の抵抗を一時的に並列接続する際に、同時に、全ての二次電池セルの夫々のためのコンパレータを構成する抵抗に対して、更に別の抵抗を夫々直列接続することにより、コンパレータの反転レベルを高くする。その際に、個々の二次電池セルに別途並列接続して繋がる抵抗を無効化する。このようにすることにより、個々の二次電池セルの正極と負極との間に抵抗が繋げられている構成を有する直列接続の二次電池に対しても、個々の二次電池セルと電池接続端子と間の断線検出機能を正しく行うことができる。
本発明の第1乃至第3の実施形態に係る保護用半導体装置は、高電圧の検出と断線の検出とを行う。ここで、保護用半導体装置が高電圧保護検出状態となった場合に、更に断線検出のためのテストを行ってしまうと、高電圧保護検出状態を保持できなくなってしまうため、判定回路120により高電圧保護検出中には断線確認動作を行わないように制御されている。
第4の実施形態についての説明に先立ち、まず、第1乃至第3の実施形態に係る保護用半導体装置の判定回路120の、特に、入力部分と出力部分との一部の回路の構成を説明する。図13は、第1乃至第3の実施形態に係る保護用半導体装置の判定回路120の、入力部分と出力部分との一部の回路の構成を示す図である。
次に、本発明の第4の実施形態に係る保護用半導体装置1を説明する。図14は、本発明の第4の実施形態に係る保護用半導体装置1と、二次電池セルの結線図である。第4の実施形態に係る保護用半導体装置は、本発明の第2の実施形態に係る保護用半導体装置と、略同様の構成である。よって、両者の差異を中心に説明する。
次に、第4の実施形態に係る保護用半導体装置の判定回路320の、特に、入力部分と出力部分との一部の回路の構成を説明する。図15は、第4の実施形態に係る保護用半導体装置の判定回路320の、入力部分と出力部分との一部の回路の構成を示す図である。
以上のように、第1の実施形態では、直列接続された二次電池セルにおける、個々の二次電池セルに対して電圧変動を検出するコンパレータを設置してある、二次電池の保護用半導体装置において、個々の二次電池セルのためのコンパレータを構成する抵抗に対して、別の抵抗を、個々の二次電池セルに関して順番に、一時的に並列接続する。その並列接続の際の個々の二次電池セルと保護用半導体装置との接続端子における電位の変動を、前記コンパレータにより検出する。当該保護用半導体装置は、二次電池セルと保護用半導体装置との断線の確認を行う際、その直前の、いずれかの二次電池が高電圧であるか否かを示す信号の内容を、断線確認動作中、保持する回路を有する。このようにすることにより、保護用半導体装置が高電圧保護検出状態となった場合に断線検出のためのテストを行っても、高電圧保護検出状態は保持される。
Claims (11)
- 直列接続された複数の二次電池セルの電圧状態を検出可能な保護用半導体装置であって、
各二次電池セルの電極に接続され得る接続端子と、
各二次電池セルに対応して設けられ、各二次電池セルの高圧側及び低圧側の電極に対応する接続端子間に接続され、各二次電池セルの電圧を検出する第1の抵抗と、
各二次電池セルに対応して設けられ、前記第1の抵抗から得られる電圧に基づき、前記各二次電池セルの電圧が基準電圧の範囲内にあるか否かを検出するコンパレータと、
各二次電池セルに対応して設けられ、前記接続端子間に接続された、第2の抵抗と第1のスイッチ素子の直列回路と、
前記各第1のスイッチ素子のオン、オフを制御する制御回路と
を備え、
前記第1のスイッチ素子は、オンしたときに前記第2の抵抗を前記接続端子間に接続し、オフしたときに前記第2の抵抗を前記接続端子から切り離し、
前記制御回路は、前記二次電池セルと前記接続端子間の断線確認時において、断線確認信号をオン状態としつつ、前記複数の第1のスイッチ素子を順次オンし、
オンされた第1のスイッチ素子に対応するコンパレータの出力信号により、前記二次電池セルと前記接続端子との断線を検出する
こと特徴とする保護用半導体装置。 - 前記各第1の抵抗に対する第3の抵抗と、
個々の前記接続端子と前記第1の抵抗との間における、前記第3の抵抗の接続非接続をスイッチする第2のスイッチ素子と
を更に備え、
前記制御回路は、
前記断線確認信号をオン状態にしている際に、前記第3の抵抗を接続するように前記第2のスイッチ素子を制御する信号を前記第2のスイッチ素子に送ることにより、前記コンパレータの検出基準の基準電圧の値を変更することを特徴とする請求項1に記載の保護用半導体装置。 - 前記コンパレータが、対応する二次電池セルの電圧が基準電圧より高いか否かを検出するものである請求項2に記載の保護用半導体装置。
- 前記コンパレータが、対応する二次電池セルの電圧が基準電圧より低いか否かを検出するものである請求項2に記載の保護用半導体装置。
- 前記制御回路が前記断線確認信号をオン状態にしている際には、前記二次電池セルと前記接続端子との断線の存否の検出のみを行うことを特徴とする請求項2に記載の保護用半導体装置。
- 前記制御回路が前記断線確認信号をオフ状態にしている際に、前記コンパレータが対応する二次電池セルの電圧が基準電圧の範囲外であることを検出すれば、該検出が継続する限り前記制御回路は前記断線確認信号のオフ状態を維持することを特徴とする請求項2に記載の保護用半導体装置。
- 前記二次電池セルの夫々の高圧側及び低圧側の電極の間に、第4の抵抗と、その第4の抵抗の接続非接続をスイッチする第3のスイッチ素子が接続されている場合、
前記制御回路は、前記断線確認信号をオン状態にする際、前記断線信号をオン状態にする時点より所定の期間前から、前記断線確認信号のオン状態が終了するまで、前記第4の抵抗が非接続となるように前記第3のスイッチ素子を制御する信号を前記第3のスイッチ素子に送ることを特徴とする請求項2に記載の保護用半導体装置。 - 前記断線確認信号がオフ状態からオン状態になる場合、前記コンパレータにより検出される、前記コンパレータに対応する二次電池セルの電圧が基準電圧の範囲外であるか否かを示す信号を、前記断線確認信号がオン状態になる直前の状態で、前記断線確認信号がオンである間保持する回路を、更に含むことを特徴とする請求項1に記載の保護用半導体装置。
- 前記コンパレータが、対応する二次電池セルの電圧が基準電圧より高いか否かを検出するものである請求項8に記載の保護用半導体装置。
- 前記コンパレータが、対応する二次電池セルの電圧が基準電圧より低いか否かを検出するものである請求項8に記載の保護用半導体装置。
- 更に、前記コンパレータにより検出される、前記コンパレータに対応する二次電池セルの電圧が基準電圧の範囲外であるか否かを示す信号に対して、ヒステリシスを形成するヒステリシス回路を備え、
前記断線確認信号がオン状態である際には、ヒステリシス回路の出力をオフ状態に固定することを特徴とする請求項8に記載の保護用半導体装置。
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