JP2013150521A - 電池保護回路及び電池保護装置、並びに電池パック - Google Patents

電池保護回路及び電池保護装置、並びに電池パック Download PDF

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Abstract

【課題】直列に接続された二次電池間の容量バランスが崩れにくい、電池保護回路を提供すること。
【解決手段】二次電池70を構成する直列に接続された組電池50,60を保護する電池保護回路であって、組電池50の電池電圧V1で動作する電池保護IC10と、組電池60の電池電圧V2で動作する電池保護IC20と、二次電池70の最大電圧Vin(電池電圧V1と電池電圧V2との和)が入力され、電池保護IC10の出力端子14から供給される制御信号Vcによって、定電圧Vrgを出力する定電圧出力回路30とを備える、電池保護回路。
【選択図】図4

Description

本発明は、直列に接続された複数の二次電池を保護する電池保護回路及び電池保護装置に関する。また、該電池保護装置を備える電池パックに関する。
図1は、二次電池170の電圧で動作する電池保護IC110を示した図である。電池保護IC110は、電池保護IC110外部の負荷140に電力を供給可能なレギュレータ118を内蔵している。したがって、二次電池170から供給される電力は、電池保護IC110、レギュレータ118及び負荷140で消費される。
なお、レギュレータを内蔵する電池保護ICに関する先行技術文献として、例えば特許文献1が知られている。
特開2005−151696号公報
ところが、複数の二次電池が直列に接続された構成では、レギュレータ内蔵の電池保護ICを二次電池毎に備えると、レギュレータの入出力の接続形態によっては、二次電池間の容量バランスが崩れやすくなる場合がある。
例えば図2の構成の場合、二次電池150の放電電流は負荷140を経由するのに対し、二次電池160の放電電流は負荷140を経由しないため、二次電池150の電圧は、二次電池160に比べて低下しやすい。その結果、二次電池150と160との間の容量バランスが崩れやすくなる。
なお、VDD−VSS間の電圧で動作する電池保護ICに内蔵されるレギュレータの入出力間の電圧は、VDD−VSS間の電圧以下にする必要がある。そのため、例えば図3のような構成では、下段のレギュレータ118の入力電圧は、VDD電圧を超えるため、レギュレータ118内のトランジスタ等の寄生素子が動作するおそれがある。
そこで、本発明は、直列に接続された二次電池間の容量バランスが崩れにくい、電池保護回路及び電池保護装置、並びに電池パックの提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、
直列に接続された複数の二次電池のうち対応する二次電池の電圧で動作する電池保護ICを前記複数の二次電池毎に備える、電池保護回路であって、
前記複数の二次電池の最大電圧が入力され、前記電池保護ICの出力端子から供給される制御信号によって、定電圧を出力する定電圧出力部を備える、電池保護回路及び電池保護装置、並びに電池パックを提供するものである。
本発明によれば、直列に接続された二次電池間の容量バランスが崩れにくい。
電池保護ICの一使用例を示した図である。 電池保護ICの一使用例を示した図である。 電池保護ICの一使用例を示した図である。 本発明の一実施形態である電池パックの構成図である。 電池パックの構成の第1の具体例である。 電池パックの構成の第2の具体例である。
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。
図4は、本発明の一実施形態である電池パック100の構成図である。電池パック100は、負荷接続端子5,6に接続される外部負荷90に電力を供給可能な二次電池70と、二次電池70を保護する保護モジュール80とを内蔵する。電池パック100は、外部負荷90に内蔵されてもよいし、外付けされてもよい。外部負荷90の具体例として、電動工具、電動アシスト自転車、電動バイクなどの機器が挙げられる。
二次電池70は、負荷接続端子5,6に接続される不図示の充電器によって充電可能である。二次電池70の具体例として、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などが挙げられる。二次電池70は、直列に接続された複数の組電池(図4には、2つの組電池50,60を例示)から構成されている。
組電池50は、複数のセル51〜55の直列回路から構成され、組電池60は、複数のセル61〜65の直列回路から構成されている。組電池50の正極は、セル51の正極に接続され、組電池50の負極は、セル55の負極に接続され、組電池60の正極は、セル61の正極に接続され、組電池60の負極は、セル65の負極に接続されている。
保護モジュール80は、負荷接続端子5と、負荷接続端子6と、セル接続端子3,4,7とを備える電池保護装置である。セル接続端子3は、負荷接続端子5に電源経路9aを介して繋がり、セル接続端子4は、負荷接続端子6に電源経路9bを介して繋がる。セル接続端子7は、電源経路9cを介して、後述の電池保護IC10の端子15及び電池保護IC20の端子23に繋がる。セル接続端子3は、組電池60の正極に接続され、セル接続端子4は、組電池50の負極に接続される。セル接続端子7は、組電池60の負極及び組電池50の正極に接続される。
保護モジュール80は、トランジスタ1,2を備える。トランジスタ1は、組電池50及び60の充電経路を遮断する充電経路遮断部であり、トランジスタ2は、組電池50及び60の放電経路を遮断する放電経路遮断部である。図4の場合、トランジスタ1は、組電池50及び60の充電電流が流れる電源経路9bを遮断し、トランジスタ2は、組電池50及び60の放電電流が流れる電源経路9bを遮断する。トランジスタ1,2は、電源経路9bの導通/遮断を切り替えるスイッチング素子であり、電源経路9bに直列に挿入されている。
トランジスタ1,2は、例えば、MOSFETである。トランジスタ1は、トランジスタ1の寄生ダイオードの順方向が組電池50及び60の放電方向になるように電源経路9bに挿入され、トランジスタ2は、トランジスタ2の寄生ダイオードの順方向が組電池50及び60の充電方向になるように電源経路9bに挿入される。なお、トランジスタ1,2は、IGBTやバイポーラトランジスタなどの他の半導体素子でもよい。また、トランジスタ1,2のドレイン−ソース間(又は、コレクタ−エミッタ間)にダイオードが追加されてもよい。
保護モジュール80は、組電池50,60と同じ個数の電池保護IC(以下、「保護IC」という)10,20を備える。保護IC10,20のいずれも、組電池50及び60の保護動作を行う。保護IC10は、組電池50に並列に接続され、組電池50の正極と負極との間の電池電圧V1で動作する集積回路であり、保護IC20は、組電池60に並列に接続され、組電池60の正極と負極との間の電池電圧V2で動作する集積回路である。保護IC10と20は、別々のチップで構成され、同じ回路で構成されている。
保護IC10の充放電制御部19は、保護IC10の端子15(VDD端子)と端子13(VSS端子)との間の電圧を検出することによって、組電池50の電池電圧V1を監視している。同様に、保護IC20の充放電制御部29は、保護IC20の端子25(VDD端子)と端子23(VSS端子)との間の電圧を検出することによって、組電池60の電池電圧V2を監視している。端子13,15は、保護IC10用の電源端子であり、端子23,25端子は、保護IC20用の電源端子である。
端子15は、電源経路9cに接続される正側電源端子であり、端子13は、電源経路9bに接続される負側電源端子である。端子25は、電源経路9aに接続される正側電源端子であり、端子23は、電源経路9cに接続される負側電源端子である。
保護モジュール80は、保護IC10の端子11から、トランジスタ1をオンさせるハイレベルの信号を出力し、トランジスタ1をオフさせるローレベルの信号を出力する。保護IC10は、トランジスタ1をオンさせることによって、組電池50及び60を充電する方向の電流が電源経路9bに流れることを許可し、トランジスタ1をオフさせることによって、組電池50及び60を充電する方向の電流が電源経路9bに流れることを禁止する。
また、保護モジュール80は、保護IC10の端子12から、トランジスタ2をオンさせるハイレベルの信号を出力し、トランジスタ2をオフさせるローレベルの信号を出力する。保護IC10は、トランジスタ2をオンさせることによって、組電池50及び60を放電する方向の電流が電源経路9bに流れることを許可し、トランジスタ2をオフさせることによって、組電池50及び60を放電する方向の電流が電源経路9bに流れることを禁止する。
同様に、保護モジュール80は、保護IC20の端子21から、トランジスタ1をオンさせるハイレベルの信号を出力し、トランジスタ1をオフさせるローレベルの信号を出力する。図4の場合、端子21から出力される信号は保護IC10の端子17に入力され、保護IC20は、保護IC10を介して、トランジスタ1をオン/オフさせる。保護IC20は、トランジスタ1をオンさせることによって、組電池50及び60を充電する方向の電流が電源経路9bに流れることを許可し、トランジスタ1をオフさせることによって、組電池50及び60を充電する方向の電流が電源経路9bに流れることを禁止する。
また、保護モジュール80は、保護IC20の端子22から、トランジスタ2をオンさせるハイレベルの信号を出力し、トランジスタ2をオフさせるローレベルの信号を出力する。図4の場合、端子22から出力される信号は保護IC10の端子16に入力され、保護IC20は、保護IC10を介して、トランジスタ2をオン/オフさせる。保護IC20は、トランジスタ2をオンさせることによって、組電池50及び60を放電する方向の電流が電源経路9bに流れることを許可し、トランジスタ2をオフさせることによって、組電池50及び60を放電する方向の電流が電源経路9bに流れることを禁止する。
充放電制御部19は、所定の第1の過充電検出閾値以上の電池電圧を組電池50について検知することにより、組電池50の過充電が検出されたとして、充電異常検出信号を出力する過充電検出回路を有する。充放電制御部19は、組電池50についての充電異常検出信号が出力されたとき、トランジスタ1をオフさせるローレベルの信号を端子11から出力する。
一方、充放電制御部29は、所定の第2の過充電検出閾値以上の電池電圧を組電池60について検知することにより、組電池60の過充電が検出されたとして、充電異常検出信号を出力する過充電検出回路を有する。充放電制御部29は、組電池60についての充電異常検出信号が出力されたとき、トランジスタ1をオフさせるローレベルの信号を端子21から出力する。端子21から出力される信号は、端子17を介して、充放電制御部19に供給される。
したがって、充放電制御部19は、充放電制御部19と充放電制御部29のうち少なくとも一つの制御部から充電異常検出信号が出力されたとき、保護IC10の端子11からローレベルの信号を出力することによって、トランジスタ1をオフする。これにより、トランジスタ2のオン状態/オフ状態にかかわらず、組電池50及び60を過充電から保護できる。また、組電池50と60のうち一つの組電池のみに充電異常が発生しても、組電池50と60の両方の充電を禁止できる。その結果、充電異常が検出された組電池の充電を禁止できるだけでなく、正常な組電池の充電も禁止できる。
また、充放電制御部19は、所定の第1の過放電検出閾値以下の電池電圧を組電池50について検知することにより、組電池50の過放電が検出されたとして、放電異常検出信号を出力する過放電検出回路を有する。充放電制御部19は、組電池50についての放電異常検出信号が出力されたとき、トランジスタ2をオフさせるローレベルの信号を端子12から出力する。
一方、充放電制御部29は、所定の第2の過放電検出閾値以下の電池電圧を組電池60について検知することにより、組電池60の過放電が検出されたとして、放電異常検出信号を出力する過放電検出回路を有する。充放電制御部29は、組電池60についての放電異常検出信号が出力されたとき、トランジスタ2をオフさせるローレベルの信号を端子22から出力する。端子22から出力される信号は、端子16を介して、充放電制御部19に供給される。
したがって、充放電制御部19は、充放電制御部19と充放電制御部29のうち少なくとも一つの制御部から放電異常検出信号が出力されたとき、保護IC10の端子12からローレベルの信号を出力することによって、トランジスタ2をオフする。これにより、トランジスタ1のオン状態/オフ状態にかかわらず、組電池50及び60を過放電から保護できる。また、組電池50と60のうち一つの組電池のみに放電異常が発生しても、組電池50と60の両方の放電を禁止できる。その結果、放電異常が検出された組電池の放電を禁止できるだけでなく、正常な組電池の放電も禁止できる。
なお、充放電制御部19及び29は、充電過電流検出回路を有してもよい。充電過電流検出回路は、所定の充電過電流検出閾値以下の負側端子間電圧を検知することにより、組電池50及び60を充電する方向の過電流(充電過電流)が検出されたとして、充電異常検出信号を出力する。負側端子間電圧とは、負荷接続端子6とセル接続端子4との間の電圧である。充放電制御部19は、充放電制御部19及び充放電制御部29のうち少なくとも一つの充電過電流検出回路から充電異常検出信号が出力されたとき、保護IC10の端子11からローレベルの信号を出力することによって、トランジスタ1をオフする。これにより、トランジスタ2のオン状態/オフ状態にかかわらず、組電池50及び60を充電過電流からも保護できる。
また、充放電制御部19及び29は、放電過電流検出回路を有してもよい。放電過電流検出回路は、所定の放電過電流検出閾値以上の負側端子間電圧を検知することにより、組電池50及び60を放電する方向の過電流(放電過電流)が検出されたとして、放電異常検出信号を出力する。充放電制御部19は、充放電制御部19及び充放電制御部29のうち少なくとも一つの放電過電流検出回路から放電異常検出信号が出力されたとき、保護IC10の端子12からローレベルの信号を出力することによって、トランジスタ2をオフする。これにより、トランジスタ1のオン状態/オフ状態にかかわらず、組電池50及び60を放電過電流からも保護できる。
また、保護IC10は、電圧制御部18を有している。電圧制御部18は、保護IC10の端子14を介して、定電圧出力回路30の動作を制御する制御信号Vcを出力する。端子14は、保護IC10が保護IC10の外部に設けられた定電圧出力回路30に対して制御信号Vcを供給するための外部出力端子である。一方、保護IC20も同様に、電圧制御部28を有している。ただし、電圧制御部28は、保護IC20の端子24を介して、定電圧出力回路30に接続されていない。
保護モジュール80は、保護IC10の端子14から供給される制御信号Vcによって定電圧Vrgを出力する定電圧出力部として、定電圧出力回路30を備えている。定電圧出力回路30は、二次電池70の最大電圧Vin(すなわち、電池電圧V1と電池電圧V2の和)が入力される。すなわち、定電圧出力回路30は、二次電池70を構成する組電池50,60のうち、最も高電位の組電池60の正極から電力の供給を受けている。定電圧出力回路30は、組電池60の正極に接続される電源経路9aを介して入力される最大電圧Vinを降圧変換することによって、最大電圧Vinよりも電圧値が低い定電圧Vrgを生成する。
定電圧出力回路30から出力される定電圧Vrgは、保護モジュール80に実装される負荷40に供給される。負荷40は、二次電池70を構成する組電池50,60のうち、最も低電位の組電池50の負極に接続される電源経路9bに接続されている。
このように、図4の構成の場合、保護IC10は、組電池50の電池電圧V1で動作し、保護IC20は、組電池20の電池電圧V2で動作し、定電圧出力回路30は、組電池50の電池電圧V1と組電池60の電池電圧V2の和である二次電池70の全体の電池電圧Vinで動作している。つまり、定電圧出力回路30は、二次電池70を構成する組電池50,60のうち一部の組電池の電池電圧で動作する回路ではない。これにより、一部の組電池に蓄えられた容量が偏って減ることを抑えることができるため、組電池50と組電池60との間の容量バランスが崩れにくい。容量バランスが崩れにくいため、電池パック100として利用可能な総容量が低下して充放電効率が低下することを抑えることができる。
図5は、図4の電池パック100を更に具体的に示した第1の構成例である。
温度検出IC41は、定電圧出力回路30から供給される定電圧Vrgで動作する負荷である。温度検出IC41は、集積回路化された温度検出部であって、電池パック100内の二次電池70の温度を検出するものである。
保護IC10,20は、温度検出IC41によって検出された温度を用いて、二次電池70を構成する組電池50,60の保護動作を行う。例えば、保護IC10,20の上述の充放電制御部は、温度検出IC41によって検出された温度が所定の温度閾値以上のとき、充電異常検出信号又は放電異常検出信号を出力する。充電異常検出信号の出力によりトランジスタ1がオフされることによって、組電池50及び60が高温時に充電されることを防止できる。また、放電異常検出信号の出力によりトランジスタ2がオフされることによって、組電池50及び60が高温時に放電されることを防止できる。
定電圧出力回路30は、保護IC10の出力端子14aから供給される制御信号Vcに従って定電圧Vrgを生成する定電圧生成部として、抵抗35とトランジスタ31の直列回路から構成されるシリーズレギュレータを有している。制御信号Vcは、トランジスタ31の制御電極(例えば、ゲート又はベース)に入力される。抵抗35の一方の端部は、電源経路9aに接続され、抵抗35のもう一方の端部は、トランジスタ31の第1の主電極(例えば、ドレイン又はコレクタ)に接続される。トランジスタ31の第2の主電極(例えば、ソース又はエミッタ)は、定電圧Vrgが出力される端子であって、温度検出IC41の電源端子及び保護IC10の入力端子14bに接続される。トランジスタ31の具体例として、MOSFETやバイポーラトランジスタなどの半導体素子が挙げられる。
保護IC10は、入力端子14bを介してフィードバックされた定電圧Vrgが所定の一定電圧になるように、定電圧出力回路30のトランジスタ31を制御するための制御信号Vcを生成する電圧制御部18を有している。
電圧制御部18は、抵抗18a,18bと、アンプ18cと、基準電圧源18dとを有している。アンプ18cは、抵抗18a,18bによって検出された定電圧Vrgに応じた検出電圧と、基準電圧源18dの基準電圧との誤差を増幅し、増幅した電圧を、制御信号Vcとして出力する。
定電圧出力回路30は、定電圧Vrgが所定値を超えたことを検出した電圧制御部18から供給される制御信号Vcによって、定電圧Vrgの出力を停止する。これにより、例えば温度検出IC41が短絡故障することによって、過電流が流れることを防止できる。
図6は、図4の電池パック100を更に具体的に示した第2の構成例である。図5と同様の構成についての説明は省略する。
図6の定電圧出力回路30は、保護ICの出力端子から供給される制御信号に従って定電圧を生成する定電圧生成部を制御信号毎に有している。すなわち、図6の定電圧出力回路30は、保護IC10の出力端子14aから供給される制御信号Vc1に従って定電圧Vrg1を生成する定電圧生成部として、トランジスタ31を有し、保護IC20の出力端子24aから供給される制御信号Vc2に従って定電圧Vrg2を生成する定電圧生成部として、トランジスタ32を有している。
制御信号Vc1は、トランジスタ31の制御電極(例えば、ゲート又はベース)に入力され、制御信号Vc2は、トランジスタ32の制御電極(例えば、ゲート又はベース)に入力される。トランジスタ32の第1の主電極は、電源経路9aに接続される。トランジスタ32の第2の主電極は、定電圧Vrg2が出力される端子であって、トランジスタ31の第1の主電極及び保護IC20の入力端子24bに接続される。トランジスタ31の第2の主電極は、定電圧Vrg1が出力される端子であって、温度検出IC41の電源端子及び保護IC10の入力端子14bに接続される。トランジスタ31,32の具体例として、MOSFETやバイポーラトランジスタなどの半導体素子が挙げられる。
保護IC10は、入力端子14bを介してフィードバックされた定電圧Vrg1が所定の一定電圧になるように、定電圧出力回路30のトランジスタ31を制御するための制御信号Vc1を生成する電圧制御部18を有している。また、保護IC20は、入力端子24bを介してフィードバックされた定電圧Vrg2が所定の一定電圧になるように、定電圧出力回路30のトランジスタ32を制御するための制御信号Vc2を生成する電圧制御部28を有している。電圧制御部18,28の構成は、図5で示した構成と同様である。
図6の構成によれば、最大電圧Vinから定電圧Vrg1を引いた差電圧がトランジスタ31と32で分圧されるので、トランジスタ31,32に耐圧の低い素子を使用できる。また、トランジスタ31が短絡故障しても、保護IC20が、制御信号Vc2によってトランジスタ32をオフさせることにより過電流が流れることを防止でき、トランジスタ32が短絡故障しても、保護IC10が、制御信号Vc1によってトランジスタ31をオフさせることにより過電流が流れることを防止できる。これにより、トランジスタ31,32の短絡故障に対する安全性が向上する。
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形、改良、置換及び組み合わせを行うことができる。
例えば、二次電池70を構成する組電池の直列数が2つの場合を例示したが、3つ以上の場合も同様に考えることができる。また、トランジスタ1とトランジスタ2は、図示の配置位置を互いに置換してもよい。
また、上述の実施例は、充電制御用トランジスタ1及び放電制御用トランジスタ2が負側の電源経路9bに挿入された形態であった。しかしながら、充電制御用トランジスタ1及び放電制御用トランジスタ2が正側の電源経路9aに挿入された形態でもよい。
また、上述の定電圧出力回路30は、定電圧を出力する降圧回路であったが、定電圧を出力する昇圧回路でもよい。
また、上述の負荷40は、温度検出ICに限らず、他の負荷でもよい。例えば、二次電池70の残容量を監視する残量ICでもよいし、個々の電池パックを識別するための認証ICでもよい。
1 充電制御用トランジスタ
2 放電制御用トランジスタ
3,4,7 セル接続端子
5,6 負荷接続端子
10,20,110,120 電池保護IC
11〜17,21〜27 外部端子
30 定電圧出力回路
40,140 負荷
50,60 組電池
70,150,160,170 二次電池
80 保護モジュール
90 外部負荷
100 電池パック

Claims (9)

  1. 直列に接続された複数の二次電池のうち対応する二次電池の電圧で動作する電池保護ICを前記複数の二次電池毎に備える、電池保護回路であって、
    前記複数の二次電池の最大電圧が入力され、前記電池保護ICの出力端子から供給される制御信号によって、定電圧を出力する定電圧出力部を備える、電池保護回路。
  2. 前記定電圧出力部は、前記定電圧を前記制御信号に従って生成する定電圧生成部を有する、請求項1に記載の電池保護回路。
  3. 前記定電圧出力部は、前記定電圧生成部を前記制御信号毎に有する、請求項2に記載の電池保護回路。
  4. 前記定電圧出力部は、前記定電圧が所定値を超えると、前記定電圧の出力を停止する、請求項1から3のいずれか一項に記載の電池保護回路。
  5. 前記定電圧で動作する負荷を備える、請求項1から4のいずれか一項に記載の電池保護回路。
  6. 前記負荷は、温度検出部を含む、請求項5に記載の電池保護回路。
  7. 前記電池保護ICは、前記温度検出部によって検出された温度を用いて、前記複数の二次電池を保護する、請求項6に記載の電池保護回路。
  8. 請求項1から7のいずれか一項に記載の電池保護回路と、
    前記複数の二次電池に流れる電流を該電池保護回路の制御出力に従って遮断する遮断部とを備える、電池保護装置。
  9. 請求項8に記載の電池保護装置と、前記複数の二次電池とを備える、電池パック。
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