JP2016114611A - 二次電池監視装置および電池パック - Google Patents
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Abstract
Description
《電池パックの全体構成および動作》
図1は、本発明の実施の形態1による電池パックにおいて、その主要部の構成例を示す概略図である。図1に示す電池パックは、二次電池(バッテリ)BATと、フューズFSと、BATの充電制御又は放電制御を行う二次電池監視装置BATCTLを備える。BATは、代表的にはリチウムイオン二次電池である。フューズFSは、BATに大電流が流れた際に当該電流経路を遮断することでBATの保護を図る。BATCTLは、BATを接続するための正極端子BPおよび負極端子BNと、BATに充電を行う充電器CGRやBATによって駆動される負荷回路LDを接続するための正極端子PPおよび負極端子PNを備える。BPにはBATによる電源電圧VCCが供給され、BNにはBATによる接地電源電圧GNDが供給される。PP,PN間にCGR又はLDが接続された場合、このBPとPPの間、ならびにBNとPNの間にそれぞれ電流経路が形成される。
図2(a)および図2(b)は、図1のスイッチ制御部において、その電圧補正回路の概略的な構成例および動作例を示す説明図である。図18(a)で述べたように、過電流を検出する際には、過電流判定電流Iovが、放電制御用スイッチFETdおよび充電制御用スイッチFETcのオン抵抗(Ron)で生じる電源電圧VCC(=ゲート−ソース間電圧VGS)依存性に応じて変化することが問題となる。一方、図2(a)に示すように、比較回路CMPdの正極ノード(+)の電圧を補正後電圧VP、負極ノード(−)の電圧を補正後電圧VNとした場合、Iovは、「Iov=VN/Ron」によって定まる。したがって、IovをVCCに依らず一定とするためには、「VN=Iov(一定)×Ron」(なお、Iov(一定)×Ron=Vidt)の条件を満たすようにVNを制御すればよい。これを実現するため、図2(a)では、電圧補正回路VCTL1が、過電流判定電圧Vref1(一定)に対してVCCに依存する所定の過電流補正電圧Viovを付加することでVNを電流検出電圧Vidtに一致させる制御を行っている。
図5(a)は、図1のスイッチ制御部において、その電圧補正回路の詳細な構成例を示す回路図であり、図5(b)は、図5(a)における過電流補正電圧の特性例を示す説明図である。図6(a)〜図6(c)は、図5(a)の電圧補正回路の動作例を示す説明図である。図5(a)に示す電圧補正回路VCTL2aは、前述した図2(b)の電圧補正回路VCTL2に図3の直線近似(一次近似)を適用した構成例となっている。VCTL2aは、電源電圧VCCと接地電源電圧GNDの間を抵抗分圧する抵抗R1,R2と、その抵抗分圧ノードと電流検出端子IDTの間を抵抗分圧する抵抗R3,R4を備える。R1,R2の抵抗分圧ノードには電圧VCCRが生成され、R3,R4の抵抗分圧ノードには、過電流補正電圧Viovが生成され、当該抵抗分圧ノード(Viov)が比較回路CMPdの正極ノード(+)に結合される。CMPdの負極ノード(−)には固定値となる過電流判定電圧Vref1が印加される。
Viov=(VCCR−Vidt)×(R4/(R3+R4))+Vidt (2)
《電圧補正回路の詳細(変形例[1])》
図7は、本発明の実施の形態2による二次電池監視装置において、その電圧補正回路の詳細な構成例を示す回路図である。図8(a)〜図8(c)は、図7の電圧補正回路の動作例を示す説明図である。図7に示す電圧補正回路VCTL1aは、前述した図2(a)の電圧補正回路VCTL1に図3の直線近似(一次近似)を適用した構成例となっている。VCTL1aは、電源電圧VCCと接地電源電圧GNDの間を抵抗分圧する抵抗R1,R2と、その抵抗分圧ノードと比較回路CMPdの負極ノード(−)の間を抵抗分圧する抵抗R3,R4と、アンプ回路AMP1を備える。
I1=(VCCR−Vref1)/R3 (5)
Viov=Vref1−(I1×R4) (6)
《電池パックの全体構成および動作(変形例)》
図9は、本発明の実施の形態3による電池パックにおいて、その主要部の構成例を示す概略図である。図9に示す電池パックは、図1の電池パックと比較してスイッチ制御部SWCTL2内に電源電圧生成回路VGENが加わっている点が異なっている。これ以外の構成に関しては、図1の場合と同様であるため、詳細な説明は省略する。電源電圧生成回路VGENは、二次電池(バッテリ)BATからの電源電圧VCCを受けて、それを降圧した電源電圧VDDを生成する。VDDは、代表的には、ツェナーダイオードや降圧レギュレータ回路等である。当該VDDは、ドライバ回路DRVc,DRVdに電源電圧として供給される。
図11は、図9のスイッチ制御部において、その電圧補正回路およびドライバ回路周りの詳細な構成例を示す回路図である。図12(a)〜図12(d)は、図11の電圧補正回路の動作例を示す説明図である。図11には、図9で述べた電源電圧生成回路VGENおよびドライバ回路DRVd,DRVcに、図5(a)に示した電圧補正回路VCTL2aを組み合わせた構成例が示されている。VGENからの電源電圧VDDは、DRVd,DRVcに対して電源電圧として供給されると共に、VCTL2a内の抵抗R1の一端に対しても図5(a)に示した電源電圧VCCの代わりとして供給される。
図13は、図9のスイッチ制御部において、その電圧補正回路およびドライバ回路周りの他の詳細な構成例を示す回路図である。図14(a)〜図14(d)は、図13の電圧補正回路の動作例を示す説明図である。図13には、図9で述べた電源電圧生成回路VGENおよびドライバ回路DRVd,DRVcに、図7に示した電圧補正回路VCTL1aを組み合わせた構成例が示されている。VGENからの電源電圧VDDは、DRVd,DRVcに対して電源電圧として供給されると共に、VCTL1a内の抵抗R1の一端に対しても図7に示した電源電圧VCCの代わりとして供給される。また、ここでは、VGENが抵抗R0とツェナーダイオードDzの直列回路からなるクランプ回路で構成され、R0とDzの接続ノード(Dzのカソード)から電源電圧VDDが生成される。
図15は、本発明の実施の形態4による二次電池監視装置において、その電圧補正回路の詳細な構成例を示す回路図である。図15に示す電圧補正回路VCTL2bは、前述した図2(b)の電圧補正回路VCTL2に対応し、比較回路CMPdの負極ノード(−)に過電流判定電圧Vref1'が印加され、正極ノード(+)に過電流補正電圧Viovを付加する構成例となっている。図15のVCTL2bは、電源電圧VCCを抵抗分圧する抵抗R1,R2と、当該抵抗分圧ノードの電圧をゲート・ソース間電圧VGS1として動作するNMOSトランジスタMN1と、MN1のソース・ドレイン間電流(Ids)を転写するカレントミラー回路CMと、抵抗R3を備える。R3は、一端が電流検出端子IDTに結合され、他端からCMによって転写された電流(Iidt)が供給される。このR3の他端は、CMPdの正極ノード(+)に結合されると共にViovの生成ノードとなる。
Viov=Iidt×R3+Vidt (11)
AMPR 反転アンプ回路
BAT 二次電池
BATCTL,BATCTL' 二次電池監視装置
BN,PN 負極端子
BP,PP 正極端子
CGR 充電器
CHG 充電制御端子
CM カレントミラー回路
CMP 比較回路
D ダイオード
DCH 放電制御端子
DRV ドライバ回路
FET スイッチ
FS フューズ
GND 接地電源電圧
IDT 電流検出端子
IJGEBK,IJGEBK' 過電流判定ブロック
Iov 過電流判定電流
LD 負荷回路
LOG 制御論理回路
MN NMOSトランジスタ
R 抵抗
SWCTL,SWCTL' スイッチ制御部
VCC 電源電圧
VCTL 電圧補正回路
VDD 電源電圧
VGEN 電源電圧生成回路
VN,VP 補正後電圧
VRGEN 基準電圧生成回路
Vidt 電流検出電圧
Vref 過電流判定電圧
Claims (11)
- 二次電池が接続される第1および第2電池接続端子と、
負荷又は充電器が接続される第1および第2外部端子と、
前記第1電池接続端子と前記第1外部端子との間を接続する第1電流経路と、
前記第2電池接続端子と前記第2外部端子との間を接続する第2電流経路と、
放電電流の流れと充電電流の流れをそれぞれ制御する一対のFETを含み前記二次電池に流れる充放電電流を制御するように前記第2電流経路に挿入されたスイッチ回路と、
スイッチ制御部と、を備え、
前記スイッチ制御部は、
前記第2電池接続端子と前記スイッチ回路の一端を接続する前記第2電流経路に接続された第2電源端子と、
前記第2電源端子を基準として前記第1電流経路を介して前記二次電池からの第1電源電圧が供給される第1電源端子と、
一対の制御端子と、
前記制御端子を介して対応するFETのゲートに前記第1電源電圧の増大に伴って増大する制御電圧を供給するドライバ回路と、
前記スイッチ回路の他端と前記第2外部端子を接続する前記第2電流経路に接続された検出端子と、
前記検出端子で検出される検出電圧に基づいて前記第2電流経路に流れる充電電流又は放電電流を監視し前記検出電圧が所定値に至ったとき検出信号を出力する検出回路と、
前記検出信号に応答して対応する前記ドライバ回路を介して制御電圧を供給し対応する前記FETを遮断する制御を行う制御回路と、を備え、
前記FETのオン抵抗は、前記第1電源電圧が大きくなるほど低下し、
前記検出回路は、
一方の入力ノードの電圧を基準として他方の入力ノードの電圧の大小判定を行い、当該判定結果に基づいて前記検出信号を出力する比較回路と、
前記第1電源電圧の増大に伴い変化する特性を持つ補正電圧を生成する手段と、前記検出電圧に生ずる電圧変化の傾きを打ち消す極性で前記検出電圧に前記補正電圧を付加して補正検出電圧を生成する手段または前記検出電圧に生ずる電圧変化の傾きを打ち消す極性で基準電源電圧に前記補正電圧を付加して補正基準電圧を生成する手段とを含む電圧補正回路とを有し、
前記比較回路は、前記一方の入力ノードに前記基準電源電圧が印加され前記他方の入力ノードに前記補正検出電圧が印加され、または、前記一方の入力ノードに前記補正基準電圧が印加され前記他方の入力ノードに前記検出電圧が印加される、二次電池監視装置。 - 請求項1記載の二次電池監視装置において、
前記補正電圧は、一次特性の正の傾きを持ち、
前記一次特性の正の傾きは、前記スイッチ回路の前記FETのオン抵抗値に生じる前記第1電源電圧の依存性の傾きを一次近似した傾きを反映して予め定められる二次電池監視装置。 - 請求項2記載の二次電池監視装置において、
前記電圧補正回路は、
前記第1電源電圧を第1抵抗比で抵抗分圧する第1抵抗分圧回路と、
前記第1抵抗分圧回路で分圧された電圧を前記検出電圧を基準として第2抵抗比で分圧する第2抵抗分圧回路とを備え、
前記第2抵抗分圧回路で分圧された電圧によって前記補正検出電圧を生成する二次電池監視装置。 - 請求項2記載の二次電池監視装置において、
さらに、前記第1電源電圧の値が第1値までの第1範囲では前記第1電源電圧の増大に比例して増大する値を持つ第2電源電圧を生成し、前記第1電源電圧の値が前記第1値を超える第2範囲では固定値となる前記第2電源電圧を生成する電源電圧生成回路を備え、
前記ドライバ回路は、前記第2電源電圧で動作し、
前記電圧補正回路は、前記第1範囲では前記第1電源電圧の増大に伴い正の傾きで増大する前記補正電圧を生成し、前記第2範囲では固定値となる前記補正電圧を生成する二次電池監視装置。 - 請求項4記載の二次電池監視装置において、
前記電圧補正回路は、
前記第2電源電圧を第3抵抗比で抵抗分圧する第3抵抗分圧回路と、
前記第3抵抗分圧回路で分圧された電圧を前記検出電圧を基準として第4抵抗比で分圧する第4抵抗分圧回路とを備え、
前記第4抵抗分圧回路で分圧された電圧によって前記補正検出電圧を生成する二次電池監視装置。 - 請求項1記載の二次電池監視装置において、
前記補正電圧は、一次特性の負の傾きを持ち、
前記一次特性の負の傾きは、前記スイッチ回路の前記FETのオン抵抗値に生じる前記第1電源電圧の依存性の傾きを一次近似した傾きを反映して予め定められる二次電池監視装置。 - 請求項6記載の二次電池監視装置において、
前記電圧補正回路は、
前記第1電源電圧を第1抵抗比で抵抗分圧する第1抵抗分圧回路と、
正極入力ノードに前記基準電源電圧が印加されるアンプ回路と、
前記第1抵抗分圧回路の分圧ノードと前記アンプ回路の負極入力ノードの間に結合される第1抵抗と、
前記アンプ回路の負極入力ノードと前記アンプ回路の出力ノードの間に結合される第2抵抗とを備え、
前記アンプ回路の出力ノードで得られる電圧を前記補正基準電圧とする二次電池監視装置。 - 請求項6記載の二次電池監視装置において、
さらに、前記第1電源電圧の値が第1値までの第1範囲では前記第1電源電圧の増大に比例して増大する値を持つ第2電源電圧を生成し、前記第1電源電圧の値が前記第1値を超える第2範囲では固定値となる前記第2電源電圧を生成する電源電圧生成回路を備え、
前記ドライバ回路は、前記第2電源電圧で動作し、
前記電圧補正回路は、前記第1範囲では前記第1電源電圧の増大に伴い負の傾きで減少する前記補正電圧を生成し、前記第2範囲では固定値となる前記補正電圧を生成する二次電池監視装置。 - 請求項8記載の二次電池監視装置において、
前記電圧補正回路は、
前記第2電源電圧を第2抵抗比で抵抗分圧する第2抵抗分圧回路と、
正極入力ノードに前記基準電源電圧が印加されるアンプ回路と、
前記第2抵抗分圧回路の分圧ノードと前記アンプ回路の負極入力ノードの間に結合される第3抵抗と、
前記アンプ回路の負極入力ノードと前記アンプ回路の出力ノードの間に結合される第4抵抗とを備え、
前記アンプ回路の出力ノードで得られる電圧を前記補正基準電圧とする二次電池監視装置。 - 請求項1記載の二次電池監視装置において、
前記電圧補正回路における前記補正電圧を生成する手段は、前記第1電源電圧の値が第1値までの第1範囲では前記第1電源電圧の変動に伴い変動する前記補正電圧を生成し、前記第1電源電圧の値が前記第1値を超える第2範囲では固定値となる前記補正電圧を生成するものである二次電池監視装置。 - 二次電池と、
前記二次電池が結合された第1および第2電池接続ノードと、
負荷又は充電器が結合される第1および第2外部端子と、
前記第1電池接続ノードと前記第1外部端子との間を結合する第1電流経路と、
前記第2電池接続ノードと前記第2外部端子との間を結合する第2電流経路と、
前記二次電池に流れる充放電電流を制御するように前記第2電流経路に挿入され、放電電流の流れを制御する第1FETと充電電流の流れを制御する第2FETで構成されるスイッチ回路と、
前記スイッチ回路のオン・オフを制御するスイッチ制御回路とを備え、
前記スイッチ制御回路は、
前記第2電池接続ノードと前記スイッチ回路の一端を結合する前記第2電流経路に接続された第1電源ノードと、
前記第1電流経路に結合され、前記第1電源ノードを基準として前記第1電池接続ノードを介して前記二次電池からの第1電源電圧が供給される第2電源ノードと、
第1制御ノードと、
第2制御ノードと、
前記第1制御ノードを介して前記第1FETのゲートに前記第1電源電圧の増大に伴って増大する制御電圧を供給する第1ドライバ回路と、
前記第2制御ノードを介して前記第2FETのゲートに前記第1電源電圧の増大に伴って増大する制御電圧を供給する第2ドライバ回路と、
前記第2外部端子と前記スイッチ回路の他端を結合する前記第2電流経路に接続された検出ノードと、
前記検出ノードで検出される検出電圧に基づいて前記二次電池に流れる充電電流又は放電電流を監視し、当該電流が所定の電流を超えた際に検出信号を出力する検出回路と、
前記検出信号が出力された際に、対応する前記ドライバ回路を介して制御電圧を供給し対応する前記FETを遮断することで前記二次電池に流れる充電電流又は放電電流の一方を遮断する制御回路と、
を備え、
前記FETのオン抵抗は、前記第1電源電圧が大きくなるほど低下し、
前記検出回路は、
一方の入力ノードの電圧を基準として他方の入力ノードの電圧の大小判定を行い、当該判定結果に基づいて前記検出信号を出力する比較回路と、
前記第1電源電圧の増大に伴い変化する特性を持つ補正電圧を生成する手段と、前記検出電圧に生ずる電圧変化の傾きを打ち消す極性で前記検出電圧に前記補正電圧を付加して補正検出電圧を生成する手段または前記検出電圧に生ずる電圧変化の傾きを打ち消す極性で基準電源電圧に前記補正電圧を付加して補正基準電圧を生成する手段とを含む電圧補正回路とを有し、
前記比較回路は、前記一方の入力ノードに前記基準電源電圧が印加され前記他方の入力ノードに前記補正検出電圧が印加され、または、前記一方の入力ノードに前記補正基準電圧が印加され前記他方の入力ノードに前記検出電圧が印加される、電池パック。
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