JP2015062325A

JP2015062325A - 二次電池保護回路、電池パック及び電子機器

Info

Publication number: JP2015062325A
Application number: JP2012007170A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　淳; Atsushi Sato; 佐藤　　淳
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2015-04-02
Also published as: WO2013108336A1

Abstract

【課題】二次電池の充電時間の短縮化を図ることができる二次電池保護回路、電池パック及び電子機器を提供する。【解決手段】二次電池保護回路４１内に、第１の抵抗値を備える第１のスイッチ部４８と並列に、第１の抵抗値より小さい第２の抵抗値を備える第２のスイッチ部４６を接続し、定電流充電時に第２のスイッチ部４６の第３スイッチ５２をオンして、二次電池４２に電流を多く流し、その後、電池電圧が充電電圧に達すると、定電流充電から定電圧充電に切り替えるとともに第２のスイッチ部４６の第３スイッチ５２をオフするようにした。これにより、短時間で充電量を増やすことができ、二次電池４２の充電時間の短縮化が図れる。【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池の過充電制御を行う二次電池保護回路、該二次電池保護回路を有する電池パック及び該電池パックを有する電子機器に関する。

二次電池を充電する二次電池の充電システムの一例が特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載された二次電池の充電システムは、電池パック側で、二次電池の電圧と基準電圧とを比較し、その比較結果を充電器に送り、充電器側で、電池パック側から送られてきた比較結果を基に二次電池の電圧を検知して、二次電池に対する定電流・定電圧充電制御を行うことで、充電パックに内蔵された過充電検出回路や保護スイッチの抵抗値の影響による充電電圧の誤差を無くすようにしたものである。

特開平１１−１８７５８６号公報

近年普及したスマートフォンには、１５００ｍＡｈ程度の大容量の二次電池が用いられている。二次電池は、その容量が大きくなるに従い充電時間が長くなり、これを搭載した電子機器を屋外に持ち出したいときに満充電になっていない状況が想定される。二次電池の充電時間が長くなる原因としては、大容量化以外に、電池パックの内部抵抗の大きさがある。電池パックの内部抵抗が大きいと、充電時に電池電圧の上昇が早くなって、定電流充電から定電圧充電への切り替えが早くなる。充電時間は、定電流充電期間の長さで決まり、定電流充電期間が短いと、充電時間が長くなってしまう。

図４は、従来の電池パックの充電特性を示す図である。同図において、縦軸は電流値及び電圧値を示し、横軸は時間を示している。二次電池に対する充電は、最初は定電流充電（ＣＣ充電）が行われ、電池電圧が充電電圧に達すると、定電圧充電（ＣＶ充電）に切り替わる。この際、電池パックの内部抵抗が高いと、充電時に電池電圧の上昇が早くなり、直ぐに充電電圧に達して定電流充電から定電圧充電に切り替わる。早期に定電流充電から定電圧充電に切り替わることで充電に要する時間が長くなってしまう。

電池パックの内部抵抗を小さくすることで、定電流充電期間が長くなり、結果的に充電時間を短くすることが可能となる。上述した特許文献１に記載された充電システムは、二次電池の電圧検出精度を高めたものであって、充電パックに内蔵された過充電検出回路や保護スイッチの抵抗値が小さくなるようにしたものではないため、この充電システムでは、充電時間の短縮化を図ることはできない。

本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであり、二次電池の充電時間の短縮化を図ることができる二次電池保護回路、電池パック及び電子機器を提供することを目的とする。

本発明の二次電池保護回路は、少なくとも１つの二次電池と直列に接続可能であり、前記二次電池に係る充電電流及び／又は放電電流が流れる二次電池保護回路であって、前記二次電池に直列に接続され、第１の抵抗値を備える第１のスイッチ部と、前記第１のスイッチ部に並列に接続され、前記第１の抵抗値より小さい第２の抵抗値を備える第２のスイッチ部と、を備え、前記二次電池に対して一定電流で充電する場合、少なくとも前記第２のスイッチ部が導通する。

上記構成によれば、二次電池に対して一定電流で充電する場合、第１のスイッチ部より抵抗値の小さい第２のスイッチ部を導通させるので、二次電池保護回路の抵抗値が小さくなって、充電時の電池電圧の上昇が緩やかになる。これにより、一定電流で充電する定電流充電期間が長くなって充電量が増加することから、二次電池の充電時間の短縮化が図れる。

上記構成において、前記二次電池に対して一定電圧で充電する場合、前記第２のスイッチ部が遮断する。

上記構成において、前記二次電池に対して一定電圧で充電する場合、前記第１のスイッチ部が導通する。

上記構成において、前記第１のスイッチ部は、充電電流を遮断又は導通する第１スイッチと、前記第１スイッチと直列に接続され、放電電流を遮断又は導通する第２スイッチと、を有する。

上記構成において、前記第１スイッチは、充電時において前記二次電池の両端の電位差が、第１の電圧値以上の場合、遮断し、前記第２スイッチは、放電時において前記二次電池の両端の電位差が、前記第１の電圧値より小さい第２の電圧値以下の場合、遮断する。

上記構成において、前記第１スイッチの内部抵抗値と、前記第２スイッチの内部抵抗値との和は、前記第１の抵抗値以下である。

本発明の電池パックは、上記した二次電池保護回路と、前記二次電池保護回路に直列に接続された少なくとも１つの二次電池と、前記二次電池の、前記二次電池保護回路側と反対側に接続された第１の接点と、前記二次電池保護回路の、前記二次電池側と反対側に接続された第２の接点と、前記第２のスイッチ部の遮断又は導通を切り換える信号が通過する第３の接点と、を少なくとも有する。

上記構成において、前記二次電池の放電電流及び／又は充電電流は、前記第１の接点及び前記第２の接点を流れる。

本発明の電子機器は、上記した二次電池保護回路と、前記二次電池保護回路に直列に接続された少なくとも１つの二次電池と、を備え、前記二次電池の放電電流を用いて動作する電子機器であって、前記二次電池に対して一定電流で充電する場合、少なくとも前記第２のスイッチ部が導通する。

上記構成において、前記二次電池に対し、定電流充電及び／又は定電圧充電を制御する充電制御部を有し、前記充電制御部が前記二次電池に対して一定電流で充電するように制御する場合、少なくとも前記第２のスイッチ部が導通する。

本発明によれば、二次電池の充電時間の短縮化が図れる。

本発明の一実施の形態に係る電子機器の概略構成を示すブロック図図１の電子機器の電池パックの概略構成を示す図図１の電子機器の電池パックの充電特性を示す図従来の電池パックの充電特性を示す図

以下、本発明を実施するための好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る電子機器の概略構成を示すブロック図である。同図において、本実施の形態に係る電子機器１は、機器本体２と、ＡＣアダプタ３と、電池パック４とを備える。ＡＣアダプタ３は、直流電源を出力する２つの端子３１，３２を有する。機器本体２は、逆流防止用のダイオード２１と、電池パック４に充電用の電力を供給する充電回路２２と、充電回路２２及び電池パック４を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）２３とを備える。ダイオード２１は、アノードが機器本体２の第１の端子２４に接続され、カソードが充電回路２２の電源入力端（図示略）に接続される。機器本体２の第１の端子（＋端子）２４は、ＡＣアダプタ３の２つの端子３１，３２の一方の端子３１に接続される。機器本体２の第２の端子（−端子）２５は、接地されるとともに、ＡＣアダプタ３の他方の端子３２に接続される。

充電回路２２の電源出力端（図示略）が機器本体２の第３の端子（＋端子）２６に接続される。充電回路２２は、電池パック４に内蔵された二次電池（例えば、リチウムイオン電池）４２の電池電圧を検出し、検出結果をＣＰＵ２３に出力する。また、充電回路２２は、電池パック４に内蔵された二次電池４２に対して一定の電流で充電する定電流充電と一定の電圧で充電する定電圧充電を行う。充電回路２２における定電流充電と定電圧充電の切り替えはＣＰＵ２３によって行われる。

ＣＰＵ２３は、制御出力端（図示略）が機器本体２の第４の端子（制御端子）２７に接続される。ＣＰＵ２３の−電圧端（図示略）が機器本体２の第５の端子（−端子）２８に接続される。ＣＰＵ２３は、充電回路２２から出力される直流電圧で動作し、充電回路２２で検出された電池電圧に基づいて定電流充電と定電圧充電の切り替えを行う。ＣＰＵ２３は、二次電池４２の充電時には、最初に定電流充電を行い、電池電圧が充電電圧に達した時点で定電圧充電に切り替える。また、ＣＰＵ２３は、定電流充電を開始するときに、第４の端子２７における出力をＨｉｇｈ出力とする。また、ＣＰＵ２３は、定電流充電から定電圧充電に切り替えるときに、第４の端子２７における出力をＨｉｇｈからＬｏｗに切り替える。

図２は、電池パック４の概略構成を示す図である。同図において、電池パック４は、二次電池保護回路４１と、二次電池保護回路４１に直列に接続された二次電池４２と、二次電池保護回路４１の、二次電池４２側と反対側に、直列に接続されたＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）４３と、二次電池４２の、二次電池保護回路４１側と反対側に接続された第１の接点４４と、ＰＴＣ４３の、二次電池保護回路４１側と反対側に接続された第２の接点４５と、二次電池保護回路４１の第２のスイッチ部４６の遮断又は導通を切り換える信号が通過する第３の接点４７と、を有する。

電池パック４を機器本体２に接続することで、電池パック４の第１の接点４４が機器本体２の第３の端子２６と接続され、電池パック４の第２の接点４５が機器本体２の第５の端子２８と接続され、電池パック４の第３の接点４７が機器本体２の第４の端子２７と接続される。

二次電池保護回路４１は、第１のスイッチ部４８と、保護ＩＣ（Integrated Circuit）４９と、前述した第２のスイッチ部４６と、を有する。第１のスイッチ部４８は、充電電流を遮断又は導通する第１スイッチ５０と、第１スイッチ５０と直列に接続され、放電電流を遮断又は導通する第２スイッチ５１と、を有する。第２のスイッチ部４６は、１つの第３スイッチ５２を有する。第１のスイッチ部４８の第１スイッチ５０及び第２スイッチ５１と、第２のスイッチ部４６の第３スイッチ５２には、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）が用いられる。

保護ＩＣ４９は、充電時において二次電池４２の両端の電位差が第１の電圧値以上の場合、第１スイッチ５０をオフする（遮断状態にする）。即ち、充電時に、過充電状態となった場合、第１スイッチ５０をオフする。また、保護ＩＣ４９は、放電時において二次電池４２の両端の電位差が第１の電圧値より小さい第２の電圧値以下の場合に、第２スイッチ５１をオフする（遮断状態にする）。即ち、放電時に、過放電又は短絡状態となった場合、第２スイッチ５１をオフする。このように、保護ＩＣ４９は、充電時の過充電や放電時の過放電又は短絡に対する保護を行う。

ここで、第２のスイッチ部４６の抵抗値（“第２の抵抗値”とする）は、第１のスイッチ部４８の抵抗値（“第１の抵抗値”とする）より小さくなっている。また、第１のスイッチ部４８は、配線抵抗等の抵抗分を含むので、第１スイッチ５０の内部抵抗値と、第２スイッチ５１の内部抵抗値との和が第１の抵抗値以下となっている。具体的な値として、第１のスイッチ部４８の第１スイッチ５０の内部抵抗値が２５ｍΩ、第２スイッチ５１の内部抵抗値が２５ｍΩであり、第２のスイッチ部４６の第３スイッチ５２の内部抵抗値が５ｍΩである。なお、第１のスイッチ部４８の第１スイッチ５０と第２スイッチ５１それぞれの内部抵抗を合計した抵抗値が第１の抵抗値である。また、第２のスイッチ部４６の第３スイッチ５２の内部抵抗値が第２の抵抗値である。ＰＴＣ４３は、常温での抵抗値が１０ｍΩである。

第２のスイッチ部４６は、機器本体２の第４の端子２７における出力がＨｉｇｈになることでオンする（即ち導通状態になる）。機器本体２のＣＰＵ２３は、定電流充電を行うときに、第４の端子２７における出力をＨｉｇｈ出力とするので、第２のスイッチ部４６の第３スイッチ５２がオンとなる。第２のスイッチ部４６の第３スイッチ５２がオンすることで、第１の接点４４、二次電池４２、第１のスイッチ部４８、第２のスイッチ部４６、ＰＴＣ４３、第２の接点４５の経路で充電電流が流れる。このとき、二次電池保護回路４１では、第１のスイッチ部４８と第２のスイッチ部４６に分岐して流れるが、第２のスイッチ部４６の抵抗値が第１のスイッチ部４８の抵抗値よりも小さいので、第２のスイッチ部４６により多くの電流が流れる。即ち、第２のスイッチ部４６が無い場合と比べてより多くの充電電流が流れる。

なお、定電流充電を行うときは、第１のスイッチ部４８の第１スイッチ５０及び第２スイッチ５１は全く必要無いので、これらをオフするようにしても良い。但し、第１スイッチ５０の内部抵抗値と第２スイッチ５１の内部抵抗値の和が第２のスイッチ部４６の第３スイッチ５２の内部抵抗値より十分大きいので、充電電流の殆どが第２のスイッチ部４６の第３スイッチ５２を流れることになり、第１のスイッチ部４８の第１スイッチ５０及び第２スイッチ５１を共にオフしてもしなくても大きな変化はないと言える。逆に言えば、第２のスイッチ部４６の第３スイッチ５２として、内部抵抗値が十分に小さいものを使用することで、第１のスイッチ部４８の第１スイッチ５０及び第２スイッチ５１を共にオフする必要はない。

一方、ＣＰＵ２３は、定電圧充電を行うときに、第４の端子２７における出力をＬｏｗ出力とするので、第２のスイッチ部４６がオフとなる。このとき、第１のスイッチ部４８はオンとなる。第２のスイッチ部４６がオフすることで、第２のスイッチ部４６には電流は流れなくなる。なお、二次電池４２の放電電流も第１の接点４４及び第２の接点４５を流れる。

このような構成の電子機器１において、ＡＣアダプタ３から電源が供給されると、定電流充電が開始され、同時に第４の端子２７における出力がＨｉｇｈ出力となり、電池パック４内の第２のスイッチ部４６の第３スイッチ５２がオンになる。即ち、バイパス回路が動作状態となる。定電流充電が開始されることで、二次電池４２の電池電圧が上昇して行き、充電電圧に達すると、定電流充電から定電圧充電に切り替わる。同時に第４の端子２７における出力がＬｏｗ出力となり、電池パック４内の第２のスイッチ部４６の第３スイッチ５２がオフになる。即ち、バイパス回路が非動作状態となる。その後、二次電池４２が満充電状態になると、充電が完了する。

図３は、電池パック４の充電特性を示す図である。同図において、縦軸は電流値及び電圧値を示し、横軸は時間を示している。電池パック４に内蔵された二次電池４２に対する充電は、最初は定電流充電（ＣＣ充電）が行われ、電池電圧が充電電圧に達すると、定電圧充電（ＣＶ充電）に切り替わる。定電流充電時には、電池パック４の内部抵抗値が低くなるので、電池電圧の上昇が緩やかになり、充電電圧に達するまでの時間が長くなる（即ち、定電流充電期間が長くなる）。このように、充電量が増加するので、充電時間の短縮化が図れる。

このように本実施の形態に係る電子機器１によれば、二次電池保護回路４１内に、第１の抵抗値を備える第１のスイッチ部４８と並列に、第１の抵抗値より小さい第２の抵抗値を備える第２のスイッチ部４６を接続し、定電流充電時に第２のスイッチ部４６の第３スイッチ５２をオンして、二次電池４２に電流を多く流し、その後、電池電圧が充電電圧に達すると、定電流充電から定電圧充電に切り替えるとともに第２のスイッチ部４６の第３スイッチ５２をオフするようにしたので、短時間で充電量を増やすことができ、二次電池４２の充電時間の短縮化を図ることができる。

なお、本実施の形態に係る電子機器１では、二次電池保護回路４１の第１スイッチ５０，第２スイッチ５１及び第３スイッチ５２にＦＥＴを使用したが、ＦＥＴに限定されるものではなく、例えば通常のトランジスタであっても構わない。

本発明は、二次電池の充電時間の短縮化を図ることができるといった効果を有し、二次電池を使用する全ての電子機器への適用が可能である。

１電子機器
２機器本体
３ＡＣアダプタ
４電池パック
２１ダイオード
２２充電回路
２３ＣＰＵ
４１二次電池保護回路
４２二次電池
４３ＰＴＣ
４４第１の接点
４５第２の接点
４６第２のスイッチ部
４７第３の接点
４８第１のスイッチ部
４９保護ＩＣ
５０第１スイッチ
５１第２スイッチ
５２第３スイッチ

Claims

少なくとも１つの二次電池と直列に接続可能であり、前記二次電池に係る充電電流及び／又は放電電流が流れる二次電池保護回路であって、
前記二次電池に直列に接続され、第１の抵抗値を備える第１のスイッチ部と、
前記第１のスイッチ部に並列に接続され、前記第１の抵抗値より小さい第２の抵抗値を備える第２のスイッチ部と、を備え、
前記二次電池に対して一定電流で充電する場合、少なくとも前記第２のスイッチ部が導通する、
二次電池保護回路。
請求項１に記載の二次電池保護回路であって、
前記二次電池に対して一定電圧で充電する場合、前記第２のスイッチ部が遮断する、
二次電池保護回路。
請求項１又は請求項２に記載の二次電池保護回路であって、
前記二次電池に対して一定電圧で充電する場合、前記第１のスイッチ部が導通する、
二次電池保護回路。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の二次電池保護回路であって、
前記第１のスイッチ部は、
充電電流を遮断又は導通する第１スイッチと、
前記第１スイッチと直列に接続され、放電電流を遮断又は導通する第２スイッチと、を有する、
二次電池保護回路。
請求項４に記載の二次電池保護回路であって、
前記第１スイッチは、充電時において前記二次電池の両端の電位差が、第１の電圧値以上の場合、遮断し、
前記第２スイッチは、放電時において前記二次電池の両端の電位差が、前記第１の電圧値より小さい第２の電圧値以下の場合、遮断する、
二次電池保護回路。
請求項４又は請求項５に記載の二次電池保護回路であって、
前記第１スイッチの内部抵抗値と、前記第２スイッチの内部抵抗値との和は、前記第１の抵抗値以下である、
二次電池保護回路。
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の二次電池保護回路と、
前記二次電池保護回路に直列に接続された少なくとも１つの二次電池と、
前記二次電池の、前記二次電池保護回路側と反対側に接続された第１の接点と、
前記二次電池保護回路の、前記二次電池側と反対側に接続された第２の接点と、
前記第２のスイッチ部の遮断又は導通を切り換える信号が通過する第３の接点と、を少なくとも有する、
電池パック。
請求項７に記載の電池パックであって、
前記二次電池の放電電流及び／又は充電電流は、前記第１の接点及び前記第２の接点を流れる、
電池パック。
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の二次電池保護回路と、
前記二次電池保護回路に直列に接続された少なくとも１つの二次電池と、を備え、
前記二次電池の放電電流を用いて動作する電子機器であって、
前記二次電池に対して一定電流で充電する場合、少なくとも前記第２のスイッチ部が導通する、
電子機器。
請求項９に記載の電子機器であって、
前記二次電池に対し、定電流充電及び／又は定電圧充電を制御する充電制御部を有し、
前記充電制御部が前記二次電池に対して一定電流で充電するように制御する場合、少なくとも前記第２のスイッチ部が導通する、
電子機器。