JP2014200164A - 充放電制御回路、充放電制御装置およびバッテリ装置 - Google Patents

充放電制御回路、充放電制御装置およびバッテリ装置 Download PDF

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文彦 前谷
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Abstract

【課題】過電流検出電流値の精度が高く、安全性の高いバッテリ装置を提供する。
【解決手段】過電流検出回路の基準電圧回路を、二次電池の両端に接続した、定電流回路と抵抗と二次電池の電圧によって抵抗値が変化するトランジスタと、で構成し、定電流回路の電流が抵抗とトランジスタに流れることで発生する電圧を基準電圧として出力することを特徴とする充放電制御回路。
【選択図】図1

Description

本発明は、二次電池の充放電を制御する充放電制御回路、充放電制御装置およびバッテリ装置に関し、特にバッテリやバッテリ装置に接続した機器に過度な電流が流れることを防止する技術に関する。
図4に、従来のバッテリ装置の回路図を示す。
従来のバッテリ装置は、二次電池11と、Nch放電制御電界効果トランジスタ12と、Nch充電制御電界効果トランジスタ13と、充放電制御回路14と、抵抗22、31と、容量32と、外部端子20、21で構成されている。充放電制御回路14は、制御回路15と、過電流検出回路16と、過電流検出端子19と、充電制御信号出力端子41と、放電制御信号出力端子42と、正極電源端子44と、負極電源端子43で構成されている。過電流検出回路16は、比較回路18と、基準電圧回路17で構成されている。
次に、従来のバッテリ装置の動作について説明する。
外部端子20、21の間に負荷が接続され、電流が流れると二次電池11の負極と外部端子21間に電位差が発生する。この電位差は、外部端子20、21間に流れた電流量I1、Nch放電制御電界効果トランジスタ12の抵抗値R12、Nch充電制御電界効果トランジスタ13の抵抗値R13によって決定され、I1×(R12+R13)で表される。過電流検出端子19の電圧は外部端子21の電圧と等しい。比較回路18は、基準電圧回路17の電圧と過電流検出端子19の電圧を比較し、過電流検出端子19の電圧が高ければ、Nch放電制御電界効果トランジスタ12をオフし、過電流保護をかける。
過電流検出電流値の設定値をIDOP、基準電圧回路17の電圧をV17、Nch放電制御電界効果トランジスタ12の抵抗値をR12、Nch充電制御電界効果トランジスタ13の抵抗値をR13とする。比較回路18が検出信号を出力する閾値電圧となる時の外部端子21の電圧はV17である。この時、外部端子20、21間に流れた電流は、外部端子21の電圧をNch放電制御電界効果トランジスタ12とNch充電制御電界効果トランジスタ13の抵抗値の合計で割ったものとなり、IDOP=V17/(R12+R13)と表される。
比較回路18が検出信号を出力する時の充放電制御回路の過電流検出端子の電圧を過電流検出電圧と呼ぶ。
特開2004−104956号公報
しかしながら従来の技術では、充放電制御回路の過電流検出電圧は二次電池電圧や温度が変化しても一定の値であるのに対し、Nch充放電制御電界効果トランジスタの抵抗値が二次電池電圧や温度の変化に伴って変化するため、過電流検出電流値が変動してしまう。このため、過電流検出電流値の精度が悪くバッテリ装置の安全性が低いという課題があった。
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、過電流検出電流値の精度を向上させ、安全性の高いバッテリ装置を提供する。
従来の課題を解決するために、本発明の充放電制御回路は以下のような構成とした。
過電流検出回路の基準電圧回路を、二次電池の両端に接続した、定電流回路と抵抗と二次電池の電圧によって抵抗値が変化するトランジスタと、で構成した。
本発明のバッテリ装置によれば、充放電制御回路の過電流検出電圧の二次電池電圧依存性と温度依存性を充放電制御スイッチの抵抗値の二次電池電圧依存性と温度依存性に一致させることが可能となり、過電流検出電流値の精度を向上させ、安全性の高いバッテリ装置の提供が可能となる。
第一の実施形態の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装置の回路図である。 第三の実施形態のバッテリ装置の回路図である。 従来のバッテリ装置の回路図である。 第四の実施形態のバッテリ装置の回路図である。
以下、本実施形態について図面を参照して説明する。
<実施形態1>
図1は、第一の実施形態のバッテリ装置の回路図である。
第一の実施形態のバッテリ装置は、二次電池11と、Nch放電制御電界効果トランジスタ12と、Nch充電制御電界効果トランジスタ13と、バッテリ状態監視回路14と、抵抗22、31と、容量32と、外部端子20、21で構成されている。Nch放電制御電界効果トランジスタ12と、Nch充電制御電界効果トランジスタ13と、バッテリ状態監視回路14と、で充放電制御装置を構成する。
バッテリ状態監視回路14は、制御回路15と、過電流検出回路16と、過電流検出端子19と、充電制御信号出力端子41と、放電制御信号出力端子42と、正極電源端子44と、負極電源端子43で構成されている。過電流検出回路16は、比較回路18と、定電流回路23と、抵抗24と、NMOSトランジスタ25で構成されている。定電流回路23と、抵抗24と、NMOSトランジスタ25で基準電圧回路17を構成する。
二次電池11は、正極は外部端子20と抵抗31に接続され、負極は容量32と負極電源端子43とNch放電制御電界効果トランジスタ12のソース及びバックゲートに接続される。正極電源端子44は、抵抗31と容量32の接続点に接続される。Nch放電制御電界効果トランジスタ12は、ゲートは放電制御信号出力端子42に接続され、ドレインはNch充電制御電界効果トランジスタ13のドレインに接続される。Nch充電制御電界効果トランジスタ13は、ゲートは充電制御信号出力端子41に接続され、ソース及びバックゲートは外部端子21および抵抗22に接続される。抵抗22のもう一方の端子は過電流検出端子19に接続される。比較回路18は、反転入力端子は過電流検出端子19に接続され、非反転入力端子は定電流回路23と抵抗24の接続点に接続され、出力端子は制御回路15に接続される。NMOSトランジスタ25は、ゲートは正極電源端子44に接続され、ドレインは抵抗24のもう一方の端子に接続され、ソースは負極電源端子43に接続される。定電流回路23のもう一方の端子は正極電源端子44に接続される。制御回路15は、第一の入力は正極電源端子44に接続され、第二の入力は負極電源端子43に接続され、第一の出力は充電制御信号出力端子41に接続され、第二の出力は放電制御信号出力端子42に接続される。
次に、第一の実施形態のバッテリ装置の動作について説明する。
二次電池11が過充電検出電圧以下かつ過放電検出電圧以上である時、Nch放電制御電界効果トランジスタ12、Nch充電制御電界効果トランジスタ13はオンするように制御される。この状態で外部端子20、21の間に負荷が接続され、放電電流が流れると二次電池11の負極と外部端子21間に電位差が発生する。この電位差は、外部端子20、21間に流れた電流量I1、Nch放電制御電界効果トランジスタ12の抵抗値R12、Nch充電制御電界効果トランジスタ13の抵抗値R13によって決定され、I1×(R12+R13)で表される。
定電流回路23は抵抗24、NMOSトランジスタ25に電流を流し、電圧を発生させる。その電圧を基準電圧回路17の出力電圧として出力する。比較回路18は、基準電圧回路17の電圧と過電流検出端子19の電圧を比較し、過電流検出端子19の電圧が高ければ検出信号を制御回路15に出力してNch放電制御電界効果トランジスタ12をオフさせ過電流保護をかける。
過電流検出電流値の設定値をIDOP、基準電圧回路17の電圧をV17、Nch放電制御電界効果トランジスタ12の抵抗値をR12、Nch充電制御電界効果トランジスタ13の抵抗値をR13とする。比較回路18が検出信号を出力する閾値電圧となる時の外部端子21の電圧はV17である。この時、外部端子20、21間に流れた電流は、外部端子21の電圧をNch放電制御電界効果トランジスタ12とNch充電制御電界効果トランジスタ13の抵抗値の合計で割ったものとなり、IDOP=V17/(R12+R13)と表される。
ここで、Nch電界効果トランジスタの抵抗値がゲート・ソース間電圧依存性と温度依存性を持つことはいうまでもない。実施形態1のNch充放電制御電界効果トランジスタのソース電位は二次電池の負極電位であり、ゲート電位は二次電池の正極電位である。よって実施形態1のNch充放電制御電界効果トランジスタの抵抗値(R12+R13)は、二次電池電圧依存性と温度依存性を持つ。
NMOSトランジスタ25はソースを負極電源端子43、ゲートを正極電源端子44に接続することでNch充放電制御電界効果トランジスタとゲート・ソース間電圧が同じ状態を作り出している。このNMOSトランジスタ25のW長とL長と、流入する電流量を定電流回路23で変化させると、二次電池電圧依存性は調節可能となる。また、過電流検出電流値IDOPを調節するためには、IDOP=V17/(R12+R13)で表されるため、基準電圧回路V17の出力電圧の絶対値の合わせ込みも必要となる。V17がIDOP×(R12+R13)になるように定電流回路23の電流値に応じて抵抗24の値を最適化することで、過電流検出電流の狙い値を調節する。また、抵抗24の温度特性は、素子の作り方で調節可能である。V17の絶対値の合わせ込みを行った時に、V17の温度特性がNch充放電制御トランジスタの温度特性と一致するように、抵抗24の温度特性を最適化しておく。
こうして、基準電圧回路17の電圧V17の値の二次電池電圧依存性と温度依存性を調節可能にし、Nch充放電制御電界効果トランジスタの抵抗値の二次電池電圧依存性、温度依存性と一致させることで、過電流検出電流値の設定値IDOPが二次電池電圧や温度が変化しても一定の値となるようにすることができる。
なお、NMOSトランジスタ25のゲートは、充放電制御回路14の正極電源端子42としたが、二次電池電圧を感知して抵抗値が変化すれば良いため、二次電池電圧依存性を持つ回路の出力に接続し、定電流値を調節すれば第一の実施形態と同じ効果を発揮させることが可能である。また、Nch放電制御電界効果トランジスタ12、Nch充電制御電界効果トランジスタ13、NMOSトランジスタ25を用いて説明したが、この構成に限らず、Pch電界効果トランジスタを用いNMOSトランジスタ25をPMOSトランジスタに、定電流回路23の正極電源端子44の接続を負極電源端子43に変更しても同様の動作をさせることができるということはいうまでもない。また、バッテリの放電電流のみの制御を行う場合、充電電流のみの制御を行う場合にも本発明を利用できることは自明のことである。
以上により、第一の実施形態のバッテリ装置は充放電制御回路の過電流検出電圧とNch充放電制御電界効果トランジスタの二次電池電圧依存性、温度依存性を一致させることで、バッテリ装置の過電流検出電流値の精度を向上させ、バッテリ装置の安全性を高めることができる。
<実施形態2>
図2は、第二の実施形態のバッテリ装置の回路図である。第一の実施形態のバッテリ装置との違いはスイッチ回路203、比較回路202、基準電圧回路201を追加した点である。
第二の実施形態のバッテリ装置の接続について説明する。
比較回路202は、反転入力端子は基準電圧回路201に接続され、非反転入力端子は過電流検出端子19に接続され、出力端子はスイッチ回路203に接続されてスイッチ回路203のオンオフを制御する。基準電圧回路201のもう一方の端子は負極電源端子43に接続される。スイッチ回路203は一方の端子は定電流回路23に接続され、もう一方の端子は抵抗24に接続される。他は第一の実施形態と同様の接続である。
次に、第二の実施形態のバッテリ装置の動作について説明する。
外部端子20、21の間に負荷が接続されず放電電流が流れていないときは、比較回路202がスイッチ回路203をオフするように制御し定電流回路23から流れる電流を遮断する。こうして、放電電流が流れていないときは定電流回路23からの電流を遮断し消費電力を低減することができる。
外部端子20、21の間に負荷が接続され、放電電流が流れると二次電池11の負極と外部端子21間に電位差が発生する。この電位差は、外部端子20、21間に流れた電流量I1、Nch放電制御電界効果トランジスタ12の抵抗値R12、Nch充電制御電界効果トランジスタ13の抵抗値R13によって決定され、I1×(R12+R13)で表される。二次電池11の負極と外部端子21間の電位差が上昇し、基準電圧回路201の電圧より高くなると比較回路202は出力端子からスイッチ回路203をオンさせる信号を出力する。スイッチ回路203がオンした後の動作に関しては第一の実施形態と同様である。
こうして、基準電圧回路17の電圧V17の値の二次電池電圧依存性と温度依存性を調節可能にし、Nch充放電制御電界効果トランジスタの抵抗値の二次電池電圧依存性、温度依存性と一致させることで、過電流検出電流値の設定値IDOPが二次電池電圧や温度が変化しても一定の値となるようにすることができる。
なお、NMOSトランジスタ25のゲートは、充放電制御回路14の正極電源端子42としたが、二次電池電圧を感知して抵抗値が変化すれば良いため、二次電池電圧依存性を持つ回路の出力に接続し、定電流値を調節すれば第一の実施形態と同じ効果を発揮させることが可能である。また、Nch放電制御電界効果トランジスタ12、Nch充電制御電界効果トランジスタ13、NMOSトランジスタ25を用いて説明したが、この構成に限らず、Pch電界効果トランジスタを用いNMOSトランジスタ25をPMOSトランジスタに、定電流回路23の正極電源端子44の接続を負極電源端子43に変更しても同様の動作をさせることができるということはいうまでもない。また、バッテリの放電電流のみの制御を行う場合、充電電流のみの制御を行う場合にも本発明を利用できることは自明のことである。
以上により、第二の実施形態のバッテリ装置は放電電流が流れていないときは定電流回路23の電流を遮断し消費電力を低減することができる。また、充放電制御回路の過電流検出電圧とNch充放電制御電界効果トランジスタの二次電池電圧依存性、温度依存性を一致させることで、バッテリ装置の過電流検出電流値の精度を向上させ、バッテリ装置の安全性を高めることができる。
<実施形態3>
図3は、第三の実施形態の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装置との違いはスイッチ301、302を追加し、スイッチ回路203を削除した点である。
第三の実施形態のバッテリ装置の接続について説明する。
比較回路202は、反転入力端子は基準電圧回路201に接続され、非反転入力端子は過電流検出端子19に接続され、出力端子はスイッチ回路301、302に接続されてスイッチ回路301、302のオンオフを制御する。基準電圧回路201のもう一方の端子は負極電源端子43に接続される。スイッチ回路301は一方の端子は正極電源端子44に接続され、もう一方の端子はNMOSトランジスタ25のゲートに接続される。スイッチ回路302は一方の端子は負極電源端子43に接続され、もう一方の端子はNMOSトランジスタ25のゲートに接続される。定電流回路23は一方の端子は正極電源端子44に接続され、もう一方の端子は抵抗24に接続される。他は第二の実施形態と同様の接続である。
次に、第三の実施形態のバッテリ装置の動作について説明する。
外部端子20、21の間に負荷が接続されず放電電流が流れていないときは、比較回路202がスイッチ回路301をオフ、スイッチ回路302をオンするように制御し、NMOSトランジスタ25をオフさせ、定電流回路23から流れる電流を遮断する。こうして、放電電流が流れていないときは定電流回路23からの電流を遮断し消費電力を低減することができる。
外部端子20、21の間に負荷が接続され、放電電流が流れると二次電池11の負極と外部端子21間に電位差が発生する。この電位差は、外部端子20、21間に流れた電流量I1、Nch放電制御電界効果トランジスタ12の抵抗値R12、Nch充電制御電界効果トランジスタ13の抵抗値R13によって決定され、I1×(R12+R13)で表される。二次電池11の負極と外部端子21間の電位差が上昇し、基準電圧回路201の電圧より高くなると比較回路202はスイッチ回路301をオン、スイッチ回路302をオフするように制御し、NMOSトランジスタ25をオンさせる。NMOSトランジスタ25がオンした後の動作に関しては第一の実施形態と同様である。
こうして、基準電圧回路17の電圧V17の値の二次電池電圧依存性と温度依存性を調節可能にし、Nch充放電制御電界効果トランジスタの抵抗値の二次電池電圧依存性、温度依存性と一致させることで、過電流検出電流値の設定値IDOPが二次電池電圧や温度が変化しても一定の値となるようにすることができる。
なお、Nch放電制御電界効果トランジスタ12、Nch充電制御電界効果トランジスタ13、NMOSトランジスタ25を用いて説明したが、この構成に限らず、Pch電界効果トランジスタを用いNMOSトランジスタ25をPMOSトランジスタに、定電流回路23の正極電源端子44の接続を負極電源端子43に変更しても同様の動作をさせることができるということはいうまでもない。また、バッテリの放電電流のみの制御を行う場合、充電電流のみの制御を行う場合にも本発明を利用できることは自明のことである。
以上により、第三の実施形態のバッテリ装置は放電電流が流れていないときは定電流回路23の電流を遮断し消費電力を低減することができる。
また、充放電制御回路の過電流検出電圧とNch充放電制御電界効果トランジスタの二次電池電圧依存性、温度依存性を一致させることで、バッテリ装置の過電流検出電流値の精度を向上させ、バッテリ装置の安全性を高めることができる。
<実施形態4>
図5は、第四の実施形態のバッテリ装置の回路図である。第一の実施形態のバッテリ装置との違いは二次電池11の負極と負極電源端子43の接続点とNch放電制御電界効果トランジスタ12のソースとの間に抵抗33を追加した点である。他はすべて第一の実施形態と同様である。
Nch放電制御電界効果トランジスタ12のオン抵抗R12と、Nch充電制御電界効果トランジスタ13のオン抵抗R13は製造工程でのばらつきが大きく精度が悪い。そこで、Nch電界効果トランジスタよりも抵抗値のばらつきの少ない抵抗33を直列に設けることで、過電流検出電流値のばらつきを小さくすることができる。
過電流検出電流値IDOPはIDOP=V17/(R12+R13+R33)で表されるため、(R12+R13+R33)に対するR33の割合が大きいほど、R12とR13のばらつきの影響を小さくすることができ、過電流検出電流の精度が向上することができる。
前述のとおり、Nch充放電制御電界効果トランジスタ12、13の抵抗値の合計(R12+R13)は、精度が悪く二次電池電圧依存性と温度依存性を持つ。抵抗33の抵抗値を加算しても変わらず抵抗値(R12+R13+R33)には二次電池電圧依存性と温度依存性が存在する。これを補正するために、定電流回路23の定電流量、抵抗24の抵抗値、NMOSトランジスタ25のW長とL長を最適化し、基準電圧回路17の電圧V17の値の二次電池電圧依存性と温度依存性を抵抗値(R12+R13+R33)の二次電池電圧依存性と温度依存性と一致させる。こうして、過電流検出電流値の設定値IDOPが二次電池電圧や温度が変化しても一定の値となるようにすることができる。
なお、抵抗33の位置は図5の位置に限定されず、二次電池11の負極と負極電源端子43の接続点と外部端子21と抵抗22の接続点の間であればどこに設けてもよい。また、抵抗33は意図的に設けた抵抗でなくとも良く、回路を構成する際の寄生抵抗で構わない。また、二次電池11の負極と負極電源端子43の接続点と外部端子21と抵抗22の接続点の間の抵抗値を(R12+R13+R33)とし、基準電圧回路17の電圧V17の値の二次電池電圧依存性と温度依存性を、抵抗値(R12+R13+R33)の二次電池電圧依存性と温度依存性と一致させることで過電流検出電流値の設定値IDOPが二次電池電圧や温度が変化しても一定の値となるようにすることができる。
なお、NMOSトランジスタ25のゲートは、充放電制御回路14の正極電源端子42としたが、二次電池電圧を感知して抵抗値が変化すれば良いため、二次電池電圧依存性を持つ回路の出力に接続し、定電流値を調節すれば第一の実施形態と同じ効果を発揮させることが可能である。また、Nch放電制御電界効果トランジスタ12、Nch充電制御電界効果トランジスタ13、NMOSトランジスタ25を用いて説明したが、この構成に限らず、Pch電界効果トランジスタを用いNMOSトランジスタ25をPMOSトランジスタに、定電流回路23の正極電源端子44の接続を負極電源端子43に変更しても同様の動作をさせることができるということはいうまでもない。また、バッテリの放電電流のみの制御を行う場合、充電電流のみの制御を行う場合にも本発明を利用できることは自明のことである。
以上により、第四の実施形態のバッテリ装置はNch充放電制御電界効果トランジスタにNch充放電制御電界効果トランジスタより抵抗値の高い抵抗を接続することで過電流検出電流の精度を向上させることができる。また、充放電制御回路の過電流検出電圧とNch充放電制御電界効果トランジスタの二次電池電圧依存性、温度依存性を一致させることで、バッテリ装置の過電流検出電流値の精度を向上させ、バッテリ装置の安全性を高めることができる。
11 二次電池
14 バッテリ状態監視回路
15 制御回路
16 過電流検出回路
18、202、 比較回路
19 過電流検出端子
20、21 外部端子
23 定電流回路
41 充電制御信号出力端子
42 放電制御信号出力端子
43 負極電源端子
44 正極電源端子
33 抵抗
203、301、302 スイッチ回路
201 基準電圧回路

Claims (6)

  1. 二次電池の電圧や異常を検知する制御回路と、過電流検出端子の電圧で過電流を検出する過電流検出回路と、を有する充放電制御回路であって、
    前記過電流検出回路は、
    定電流回路と第一の抵抗と前記二次電池の電圧によって抵抗値が変化するトランジスタで構成され、前記定電流回路の電流が前記抵抗と前記トランジスタに流れることで発生する電圧を出力する基準電圧回路を備えたことを特徴とする充放電制御回路。
  2. 前記過電流検出回路は、
    前記基準電圧回路と、
    前記過電流検出端子の電圧と前記基準電圧回路の電圧を比較する比較回路と、
    を備えたことを特徴とする請求項1に記載の充放電制御回路。
  3. 前記基準電圧回路は、
    前記過電流検出端子の電圧が所定の電圧以下の状態で動作を停止する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の充放電制御回路。
  4. 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制御する請求項1に記載の充放電制御回路と、
    を備えたことを特徴とする充放電制御装置。
  5. 二次電池と、
    請求項4に記載の充放電制御装置と、を備えたことを特徴とするバッテリ装置。
  6. 更に、前記二次電池の充放電経路に、前記充放電制御スイッチに接続されて設けられる第二の抵抗を備えたことを特徴とする請求項5に記載のバッテリ装置。
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