JP2016073022A

JP2016073022A - 二次電池保護回路およびバッテリ装置

Info

Publication number: JP2016073022A
Application number: JP2014197241A
Authority: JP
Inventors: 文彦前谷; Fumihiko Maetani
Original assignee: Ablic Inc
Current assignee: Ablic Inc
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-05-09
Also published as: TW201613220A; KR20160037098A; CN105470925A; US20160094068A1

Abstract

【課題】リチウムイオン二次電池が過充電になる時以外は、過充電検出装置の消費電流を低減させる状態にできる過充電検出装置を実現し、低消費電力で安全な二次電池保護回路およびバッテリ装置を提供する。【解決手段】過充電検出回路の検出電圧閾値と同じかそれより低い検出電圧閾値を有する第２の検出回路を設け、二次電池の電圧が前記第２の検出回路の検出電圧閾値に満たない場合は、過充電検出装置の消費電流を低減させる二次電池二次電池保護回路。【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントを設けた保護素子や制御スイッチを用いて、電池パックの過充電と過電流を防止する二次電池保護回路およびバッテリ装置に関する。

携帯電話やノートパソコン等のモバイル電子機器の普及と共に、リチウムイオン二次電池の市場が拡大してきた。これらのモバイル電子機器では、通常、電源として、リチウムイオン二次電池を１個から複数個直列に接続した電池パックが用いられている。このような電池パックでは、リチウムイオン二次電池が充電時に過充電になると、発火や発煙の可能性があり、これを防止するために二次電池保護回路が設けられている。

この二次電池保護回路は、リチウムイオン二次電池を過電流と過充電の双方から保護する。二次電池保護回路は、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントを設けた保護素子と、過充電を検出する過充電検出装置と、保護素子に電流を流す制御スイッチとで構成されている。この二次電池保護回路は、過電流時にはヒューズエレメントが溶断し、二次電池を過電流から保護する。過充電時には過充電検出装置が二次電池の過充電を検出し、制御スイッチをオンさせる。そして、発熱抵抗体に電流を流し、発生した熱でヒューズエレメントを溶断させ、二次電池を過充電から保護するようにしたものである。

また、二次電池保護回路の充放電制御を複数の制御スイッチで構成する場合もある。二次電池保護回路と充電制御スイッチ、放電制御スイッチに加え、過充電検出装置と充電制御スイッチを用いてリチウムイオン二次電池の保護を行う。

過充電検出装置は、リチウムイオン二次電池の電圧を監視しており過充電検出時のみ動作すれば良い。このため、過充電検出装置内にスタンバイ回路を設け、他の二次電池保護回路が過放電状態や放電過電流状態となった場合に消費電流を低減するようにし、低消費電力でリチウムイオン二次電池の過充電の保護を実現している（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−６５３９２号公報

従来の技術では、過充電検出装置内にスタンバイ回路を設け、過放電状態や放電過電流状態となった場合に消費電流を低減するようにしている。そのため、他の二次電池保護回路が過放電状態や放電過電流状態でないときは、過充電検出回路は動作しており、電力を消費している。過充電検出回路は、リチウムイオン二次電池が過充電になる時に動作すれば良いが、それ以外の通常動作の時に電力を消費してしまう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、リチウムイオン二次電池が過充電になる時以外は、過充電検出装置の消費電流を低減させる状態にできる過充電検出装置を実現し、低消費電力で安全な二次電池保護回路およびバッテリ装置を提供することを目的とする。

従来の課題を解決するために、本発明では過充電検出回路の検出電圧閾値と同じかの近傍でそれより低い検出電圧閾値を有する第２の検出回路を設け、二次電池の電圧が第２の検出回路の検出電圧閾値に満たない場合は、過充電検出回路及びその他の回路が電力を消費しない状態にするようにした。

本発明の二次電池保護回路によれば、リチウムイオン二次電池が過充電になる時以外は、過充電検出装置の消費電流を低減させることができるので、低消費電力で安全な二次電池保護回路およびバッテリ装置を提供することが可能となる。

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。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。
＜第一の実施形態＞
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と二次電池保護回路１２で構成されている。二次電池保護回路１２は、抵抗１３、容量１４、過充電検出装置１５、Ｎｃｈ制御スイッチ１６、保護素子１７、外部端子１８、１９とで構成されている。保護素子１７は、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントが設けられ、発熱抵抗体が通電発熱することによりヒューズエレメントが溶断する。

過充電検出装置１５は、正極電源端子２０、負極電源端子２１、出力端子２２、過充電検出回路２４、第２の検出回路２３、制御回路２５、発振回路２６、出力回路２７、スイッチ２８、２９、３０で構成されている。

二次電池１１の正極は、保護素子１７のヒューズエレメント、抵抗１３の一方の端子に接続され、負極は容量１４の一方の端子、負極電源端子２１、Ｎｃｈ制御スイッチ１６のソース及びバックゲート、外部端子１９に接続される。保護素子１７のヒューズエレメントの他方の端子は外部端子１８に接続される。正極電源端子２０は、抵抗１３と容量１４の他方の端子に接続される。出力端子２２はＮｃｈ制御スイッチ１６のゲートに接続され、Ｎｃｈ制御スイッチ１６のドレインは保護素子１７の発熱抵抗体に接続される。また、過充電検出装置１５の内部は、正極電源端子２０と負極電源端子２１の間に過充電検出回路２４、第２の検出回路２３、制御回路２５、発振回路２６、出力回路２７があるが、過充電検出回路２４、発振回路２６、出力回路２７はそれぞれスイッチを介して正極電源端子２０に接続されている。なお、スイッチは負極電源端子２１側に設けても良い。

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が過充電検出回路２４で設定した過充電検出電圧以下である時、出力回路２７は負極電源端子電位を出力しており、Ｎｃｈ制御スイッチ１６をオフさせている。この場合は、外部端子１８、１９に負荷や充電器が接続されれば、電流を流すことができ、充放電可能な状態である。
第２の検出回路２３の検出電圧は過充電検出電圧以下であって、なるべく高い電圧に設定されている。

二次電池１１の電圧が高く、第２の検出回路２３の検出電圧以上の場合は、スイッチ２８、２９、３０をオンさせ、過充電検出回路２４、発振回路２９、出力回路２７を起動させる。さらに二次電池１１の電圧が上昇し、過充電検出電圧を上回ると、過充電検出回路２４は検出信号を出力し、過充電検出装置１５の出力端子２２から正極電源端子電位が出力され、Ｎｃｈ制御スイッチ１６をオンさせる。そして、保護素子１７の発熱抵抗体に電流を流し、発生した熱で保護素子１７のヒューズエレメントを溶断させ、二次電池１１を過充電から保護する。

第２の検出回路２３が設定電圧を検出していない場合は、制御回路２５はスイッチ２８、２９、３０をオフさせる。この状態の場合は、出力端子２２から負極電源端子電位が出力されるようにしている。このようにすることで二次電池１１が使用されているほとんどの状況にて、過充電検出装置１５の消費電力を低減することが出来る。

以上のように、リチウムイオン二次電池が過充電になる時以外は、過充電検出装置の消費電流を低減させる状態にできる過充電検出装置を実現し、低消費電力で安全な二次電池保護回路およびバッテリ装置を提供することが可能となる。

＜第二の実施形態＞
図２は、第二の実施形態のバッテリ装置の回路図である。
第二の実施形態のバッテリ装置は、二次電池１１と二次電池保護回路１２で構成されている。二次電池保護回路１２は、抵抗１３、容量１４、過充電検出装置３１、Ｐｃｈ制御スイッチ３２、保護素子１７、外部端子１８、１９で構成されている。保護素子１７は、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントが設けられ、発熱抵抗体が通電発熱することによりヒューズエレメントが溶断する。

過充電検出装置３１は、正極電源端子２０、負極電源端子２１、出力端子２２、過充電検出回路２４、第２の検出回路２３、制御回路２５、発振回路２６、出力回路３３、スイッチ２８、２９、３０で構成されている。

二次電池１１の負極は、保護素子１７のヒューズエレメントと抵抗１３の一方の端子に接続され、正極は容量１４の一方の端子、正極電源端子２０、Ｐｃｈ制御スイッチ３２のソース及びバックゲート、外部端子１８に接続される。保護素子１７のヒューズエレメントの他方の端子は外部端子１９に接続される。負極電源端子２１は、抵抗１３と容量１４の他方の端子に接続される。出力端子２２はＰｃｈ制御スイッチ３２のゲートに接続され、Ｐｃｈ制御スイッチ３２のドレインは保護素子１７の発熱抵抗体へ接続される。また、過充電検出装置３１の内部は、正極電源端子２０と、負極電源端子２１の間に過充電検出回路２４、第２の検出回路２３、制御回路２５、発振回路２６、出力回路３３とがあるが、過充電検出回路２４、発振回路２６、出力回路３３はそれぞれスイッチを介して正極電源端子２０に接続されている。なお、スイッチは負極電源端子２１側に設けても良い。

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。
二次電池１１が過充電検出回路２４で設定した過充電検出電圧以下である時、出力回路３３は正極電源端子電位を出力しており、Ｐｃｈ制御スイッチ３２をオフさせている。この場合は、外部端子１８、１９に負荷や充電器が接続されれば、電流を流すことができ、充放電可能な状態である。
第２の検出回路２３の検出電圧は過充電検出電圧以下であって、なるべく高い電圧に設定されている。

二次電池１１の電圧が高く、第２の検出回路２３の検出電圧以上である場合は、スイッチ２８、２９、３０をオンさせ、過充電検出回路２４、発振回路２９、出力回路３３を起動させる。さらに二次電池１１の電圧が上昇し、過充電検出電圧を上回ると、過充電検出回路２４は検出信号を出力し、過充電検出装置３１の出力端子２２から負極電源端子電位が出力され、Ｐｃｈ制御スイッチ３２をオンさせる。そして、保護素子１７の発熱抵抗体に電流を流し、発生した熱で保護素子１７のヒューズエレメントを溶断させ、二次電池１１を過充電から保護する。

第２の検出回路２３が設定電圧を検出していない場合は、制御回路２５はスイッチ２８、２９、３０をオフさせる。この状態の場合は、出力端子２２から正極電源端子電位が出力されるようにしている。このようにすることで二次電池１１が使用されているほとんどの状況にて、過充電検出装置３１の消費電力を低減することが出来る。

＜第三の実施形態＞
図３は、第３の実施形態のバッテリ装置の回路図である。
第３の実施形態のバッテリ装置は、二次電池１１と二次電池保護回路３９で構成されている。二次電池保護回路３９は、抵抗１３、容量１４、過充電検出装置３４、Ｎｃｈ充電制御スイッチ３８、外部端子１８、１９で構成されている。

過充電検出装置３４は、正極電源端子２０、負極電源端子２１、外部端子電圧入力端子３６、出力端子３５、過充電検出回路２４、第２の検出回路２３、制御回路２５、発振回路２６、出力回路３７、スイッチ２８、２９、３０で構成されている。

二次電池１１の正極は抵抗１３の一方の端子、外部端子１８に接続され、負極は容量１４の一方の端子、負極電源端子２１、Ｎｃｈ充電制御スイッチ３８のドレインに接続される。Ｎｃｈ充電制御スイッチ３８のソースおよびバックゲートは、外部端子電圧入力端子３６、外部端子１９に接続される。正極電源端子２０は、抵抗１３、容量１４の接続点に接続され、出力端子３５はＮｃｈ充電制御スイッチ３８のゲートに接続される。また、過充電検出装置３４の内部は、正極電源端子２０と負極電源端子２１の間に過充電検出回路２４、第２の検出回路２３、制御回路２５、発振回路２６がある。出力回路３７は正極電源端子２０と負極電源端子２１の間で動作しており、外部端子電圧入力端子３６とも接続されている。過充電検出回路２４と発振回路２６と出力回路３７の正極電源はそれぞれスイッチを介して正極電源端子２０に接続されている。なお、スイッチは負極電源端子２１側に設けても良い。

次に、第３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が過充電検出回路２４で設定した過充電検出電圧以下である時、出力回路３７は正極電源端子電位を出力しており、Ｎｃｈ充電制御スイッチ３８をオンさせている。この場合は、外部端子１８、１９に負荷や充電器が接続されれば、電流を流すことができ、充放電可能な状態である。
第２の検出回路２３の検出電圧は過充電検出電圧以下であって、なるべく高い電圧に設定されている。

二次電池１１の電圧が高く、第２の検出回路２３の検出電圧以上である場合は、スイッチ２８、２９、３０をオンさせ、過充電検出回路２４、発振回路２９、出力回路３７を起動させる。さらに二次電池１１の電圧が上昇し、過充電検出電圧を上回ると、過充電検出回路２４は検出信号を出力し、過充電検出装置３４の出力端子３５から外部端子電圧入力端子電位が出力され、Ｎｃｈ充電制御スイッチ３８をオフさせる。そして、充電電流経路を遮断し、二次電池１１を過充電から保護する。

第２の検出回路２３が設定電圧を検出していない場合は、制御回路２５はスイッチ２８、２９、３０をオフさせる。この状態の場合は、出力端子３５から正極電源端子電位が出力されるようにしている。このようにすることで二次電池１１が使用されているほとんどの状況にて、過充電検出装置３４の消費電力を低減することが出来る。

以上のように、リチウムイオン二次電池が過充電になる時以外は、過充電検出装置の消費電流を低減させる状態にできる過充電検出装置を実現し、低消費電力で安全な充電制御装置およびバッテリ装置を提供することが可能となる。

＜第四の実施形態＞
図４は、第四の実施形態のバッテリ装置の回路図である。
第４の実施形態のバッテリ装置は、二次電池１１と、二次電池保護回路３９で構成されている。二次電池保護回路３９は、抵抗１３、容量１４、過充電検出装置４０、Ｐｃｈ充電制御スイッチ４４、外部端子１８、１９で構成されている。

過充電検出装置４０は、正極電源端子２０、負極電源端子２１、外部端子電圧入力端子４２、出力端子４１、過充電検出回路２４、第２の検出回路２３、制御回路２５、発振回路２６、出力回路４３、スイッチ２８、２９、３０で構成されている。

二次電池１１の負極は、抵抗１３の一方の端子と外部端子１９に接続され、正極は容量１４の一方の端子、正極電源端子２０、Ｐｃｈ充電制御スイッチ４４のドレインに接続される。Ｐｃｈ充電制御スイッチ４４のソースおよびバックゲートは、外部端子電圧入力端子４２と外部端子１８に接続される。負極電源端子２１は、抵抗１３と容量１４の他方の端子に接続される。出力端子４１はＰｃｈ充電制御スイッチ４４のゲートに接続される。また、過充電検出装置４０の内部は、正極電源端子２０と負極電源端子２１の間に過充電検出回路２４、第２の検出回路２３、制御回路２５、発振回路２６がある。出力回路４３は正極電源端子２０と負極電源端子２１の間で動作しており、外部端子電圧入力端子４２に接続されている。過充電検出回路２４、発振回路２６、出力回路４３の正極電源はそれぞれスイッチを介して正極電源端子２０に接続されている。なお、スイッチは負極電源端子２１側に設けても良い。

次に、第４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が過充電検出回路２４で設定した過充電検出電圧以下である時、出力回路４３は負極電源端子電位を出力しており、Ｐｃｈ充電制御スイッチ４４をオンさせている。この場合は、外部端子１８、１９に負荷や充電器が接続されれば、電流を流すことができ、充放電可能な状態である。
第２の検出回路２３の検出電圧は過充電検出電圧以下であって、なるべく高い電圧に設定されている。

二次電池１１の電圧が高く、第２の検出回路２３の検出電圧以上である場合は、スイッチ２８、２９、３０をオンさせ、過充電検出回路２４、発振回路２９、出力回路４３を起動させる。さらに二次電池１１の電圧が上昇し、過充電検出電圧を上回ると、過充電検出回路２４は検出信号を出力し、過充電検出装置４０の出力端子４１から外部端子電圧入力端子電位が出力され、Ｐｃｈ充電制御スイッチ４４をオフさせる。そして、充電電流経路を遮断し、二次電池１１を過充電から保護する。

第２の検出回路２３が設定電圧を検出していない場合は、制御回路２５はスイッチ２８、２９、３０をオフさせる。この状態の場合は、出力端子４１から負極電源端子電位が出力されるようにしている。このようにすることで二次電池１１が使用されているほとんどの状況にて、過充電検出装置３４の消費電力を低減することが出来る。

１１二次電池
１２、３９二次電池保護回路
１５、３１，３４，４０過充電検出装置
１６、３２制御スイッチ
１７保護素子
２３第２の検出回路
２４過充電検出回路
２５制御回路
２６発振回路
２７、３３，３７，４４出力回路
３８、４４充電制御スイッチ

Claims

過充電検出回路を有し、二次電池の過充電を検知する過充電検出装置と、前記過充電を検知した場合に前記二次電池への充電を遮断する充電遮断素子を有する二次電池保護回路であって、
前記過充電検出装置は、第２の検出回路を備え、
前記第２の検出回路の検出電圧閾値は、前記過充電検出回路の検出電圧閾値と同じかそれ以下の近傍であり、
前記二次電池の電圧が前記第２の検出回路の検出電圧閾値未満の場合は、前記過充電検出装置の消費電流を低減させることを特徴とする二次電池保護回路。
前記充電遮断素子は、ヒューズエレメントと発熱抵抗体と制御スイッチからなり、
前記過充電を検知した場合、前記制御スイッチが前記発熱抵抗体に電流を流すことにより前記ヒューズエレメントを溶断し、前記二次電池への充電を遮断することを特徴とする請求項１に記載の二次電池保護回路。
前記充電遮断素子は、ＦＥＴであり、前記過充電を検知した場合、前記ＦＥＴがオフし、前記二次電池への充電を遮断することを特徴とする請求項１に記載の二次電池保護回路。
二次電池と、
請求項１から請求項３のいずれかに記載の二次電池保護回路を備えたことを特徴とするバッテリ装置。