JP3747647B2 - 二次電池保護回路 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池保護回路に係り、特に、二次電池が放電尽くした場合でも、充電を可能とした二次電池保護回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
二次電池の一つであるリチウムイオン電池は、ニカド電池やニッケル水素蓄電池と比較し、約3倍の作動電圧であり、重量エネルギー密度で約2倍のエネルギー密度を有し、体積エネルギー密度も大きい。従って、同一のエネルギーを有する他の電池と比較して、小型でしかも軽い電池である。この軽いということから、ビデオカメラ、携帯電話、PHS、ノート型パソコン等の携帯用電気機器に多く使用されている。
【0003】
このように、リチウムイオン電池は、携帯用電気機器に多く用いられ、かつ出力エネルギーも大きいことから、安全性を確保し、性能を十分に引き出すために、保護回路が使用されている。
図3に従来のリチウム電池保護回路における、充電制御回路を駆動する回路を示す。端子▲1▼及び端子▲2▼間に、充電されるリチウムイオン電池1が接続される。また、端子▲3▼及び端子▲5▼間には、リチウムイオン電池1を充電する充電器2が接続され、リチウムイオン電池1を充電する。実際のリチウムイオン電池1の充電は、充電制御回路9の制御のもとに行われる。
【0004】
充電制御回路9を駆動する回路は、リチウムイオン電池1と充電器を結ぶ電源線7に並列に接続された充電制御駆動用のトランジスタ3を設け、該トランジスタ3のエミッタと電源線7を接続し、該トランジスタ3のベースは抵抗5を介して電源線7に接続し、トランジスタ3のベースと抵抗5との接続点にトランジスタ4のコレクタを接続し、トランジスタ4のエミッタは接地するとともに、トランジスタ4のベースには、コントローラ(充電器2の負の電位を、正の電位として、トランジスタ4のベースに印加する)6が接続され、該コントローラ6には、充電端子▲5▼が接続されている。
【0005】
充電の動作を説明する。充電器2の負の電位が、コントローラ6を介して、正の電位として、トランジスタ4のベースに印加される。その結果、トランジスタ4が導通すると電流I0 が流れる。抵抗5の両端に電流I0 による電圧降下が発生し、トランジスタ3のベースを順方向にバイアスし、トランジスタ3を導通させる。トランジスタ3が導通すると、トランジスタ3のコレクタ端子から正のゲート信号が出力される。
【0006】
このゲート信号が充電制御回路9に印加され、充電制御回路9を駆動し、リチウムイオン電池1の充電が開始される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図3の従来の回路では、充電制御回路9の駆動には、トランジスタ3の導通が必要で、更にこのトランジスタ3の導通には、トランジスタ4の導通が必要で、更にこのトランジスタ4の導通には、トランジスタ4のコレクタ・エミッタ間に導通に必要なコレクタ・エミッタ電圧を印加させる必要がある。
【0008】
そのためには、トランジスタ4の導通に必要なコレクタ・エミッタ電圧が、リチウムイオン電池1に残っていることが必要である。ところが、リチウムイオン電池1が、放電し尽くして、ほとんど電圧がなくなると、リチウムイオン電池1の残存電圧では、トランジスタ4を導通することができなくなる場合が生じる。この場合は、トランジスタ4が導通せず、その結果、トランジスタ3も導通せず、該トランジスタ3のコレクタ端子から、充電制御回路9に駆動信号を出力することができない。
【0009】
また、充電されるリチウムイオン電池1の残存電圧が0Vであっても、充電を可能とするには、図4のような回路構成とすることが考えられる。図4の回路で有れば、リチウム電池1の残存電圧に関係なく、充電器2を端子▲3▼及び端子▲5▼間に接続すれば、電流I1 が流れ、抵抗5における電圧降下により、トランジスタ3が導通し、トランジスタ3のコレクタ端子から正の駆動信号を得て、充電制御回路9に駆動信号を印加することができる。
【0010】
しかし、この回路では、充電器を端子▲3▼及び端子▲5▼間に接続している間中、電流I1 が、抵抗5及び抵抗8を流れ、この電流I1 により、
1 2 (R5 +R8 ) ・・・・・・(1)
但し、R5 :抵抗5の抵抗値
8 :抵抗8の抵抗値
という電力を消費するという問題がある。
【0011】
なお、図4において、抵抗5を削除しても動作するが、抵抗8によって、同じように電力消費の問題は残る。
さらに、保護回路に、論理回路を外付することにより、充電されるリチウムイオン電池1の残存電圧が0Vであっても、トランジスタ3のコレクタ端子から正の駆動信号を得るようにすることも考えられるが、回路規模が大きくなるという問題がある。
【0012】
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、少ない素子数で、消費電力を削減したリチウム電池等の二次電池の保護回路であって、充電される二次電池の残存電圧が0Vであっても、充電を可能とする二次電池保護回路を提供することを目的とするものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載された発明は、二次電池(例えば、リチウムイオン電池1)と充電器2を結ぶ電源線7に、並列にエミッタ又はコレクタが接続されたトランジスタ3であって、前記電源線に抵抗又はリーク吸収回路を介してベースが接続された充電制御駆動用の第1のトランジスタ3と、該第1のトランジスタのベースと前記抵抗との接続点に、コレクタ又はエミッタが接続された第2のトランジスタとを有する二次電池保護回路において、前記第2のトランジスタのエミッタ又はコレクタに、定常時グランドレベル又はグランドレベル以上にクランプするクランプ回路14を接続し、充電される二次電池の残存電圧が0ボルト近辺のときであって、前記クランプ回路が動作しない間、前記第2のトランジスタと前記第1のトランジスタを導通させて、充電制御駆動を行うことを特徴とする二次電池保護回路である。
【0014】
請求項1記載の発明によれば、第1のトランジスタ3と、該第1のトランジスタのベースと前記抵抗との接続点に、コレクタ又はエミッタが接続された第2のトランジスタとを有する二次電池保護回路において、前記第2のトランジスタのエミッタ又はコレクタに、定常時グランドレベル又はグランドレベル以上にクランプするクランプ回路14を接続したことにより、少ない素子数で、消費電力を削減した二次電池保護回路であって、充電される二次電池の残存電圧が0Vであっても、充電を可能とする二次電池保護回路を提供することができる。
【0015】
請求項2に記載された発明は、請求項1記載の二次電池保護回路において、前記第1のトランジスタのベースと前記抵抗との接続点の電位に基づいて、過充電保護回路15を制御することを特徴とする。
請求項2記載の発明によれば、第1のトランジスタのベースと前記抵抗との接続点の電位に基づいて、過充電保護回路15を制御することにより、過充電時に、充電を中止することができる。
【0016】
請求項3に記載された発明は、請求項1記載の二次電池保護回路において、前記クランプ回路は、充電される二次電池の電位が所定電位以上のときに、動作を開始することを特徴とする。
請求項3記載の発明によれば、クランプ回路は、充電される二次電池の電位が所定電位以上のときに、動作を開始することにより、第2のトランジスタは、充電される二次電池の残存電圧が0ボルト近辺のときであって、前記クランプ回路が動作しない間、導通するだけであるから、電力消費が極めて少なくて済む。
【0017】
請求項4に記載された発明は、二次電池(例えば、リチウムイオン電池1)と充電器2を結ぶ電源線7に並列に接続された充電制御駆動用の第1のトランジスタ3を設け、該第1のトランジスタのエミッタ又はコレクタを前記電源線に接続し、前記第1のトランジスタのベースは第1の抵抗5を介して前記電源線に接続し、該第1のトランジスタのベースと前記第1の抵抗との接続点に第2のトランジスタ10のコレクタ又はエミッタを接続し、該第2のトランジスタのベースは第2の抵抗12を介して接地するとともに、該第2のトランジスタのエミッタ又はコレクタは、定常時グランドレベル又はグランドレベル以上にクランプするクランプ回路14に接続し、該第2のトランジスタのエミッタ又はコレクタとクランプ回路の接続点は、第3の抵抗11を介して前記充電器に接続し、充電される二次電池の残存電圧が0ボルト近辺のときであって、前記クランプ回路が動作しない間、前記第2のトランジスタと前記第1のトランジスタを導通させて、充電制御駆動を行うことを特徴とする二次電池保護回路である。
【0018】
請求項4記載の発明は、請求項1記載の発明をより具体化したものである。
【0019】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。図1は、本発明のリチウム電池等の二次電池の保護回路における、充電制御回路を駆動する回路を示す。以下の例では、二次電池として、リチウムイオン電池の場合について説明するが、リチウムイオン電池以外の二次電池にも本発明は適用できる。
【0020】
端子▲1▼及び端子▲2▼間に、リチウムイオン電池1が接続される。端子▲3▼及び端子▲5▼に充電器2が接続され、リチウムイオン電池1を充電する。
充電制御回路を駆動する回路は、リチウムイオン電池1と充電器2を結ぶ電源線7に並列に接続された充電制御駆動用のトランジスタ3を設け、該トランジスタ3のエミッタと電源線7を接続し、該トランジスタ3のベースは抵抗(この抵抗はリーク吸収回路であってもよい)5を介して電源線7に接続し、トランジスタ3のベースと抵抗5の接続点にトランジスタ10のコレクタを接続し、トランジスタ10のエミッタはクランプ回路14に接続し、トランジスタ10のエミッタとクランプ回路14の接続点は、抵抗11を介して端子5に接続されている。また、トランジスタ10のベースは抵抗12を介して接地されている。さらに、トランジスタ10のコレクタは、過充電保護回路15に接続されている。
【0021】
トランジスタ10のエミッタEは、クランプ回路14により、定常時は、グランド電位以上に保持されている。従って、トランジスタ10は、クランプ回路14が機能すると、遮断されることとなる。
次に、リチウムイオン電池1及び充電器2を保護回路に接続したときの、図1の動作を説明する。A.リチウムイオン電池1の残存電圧が有る程度以上の電圧(例えば、トランジスタの導通に必要な電圧以上の電圧)を有するときと、B.リチウムイオン電池1の充電電圧が0ボルト近辺のときに分けて説明する。
【0022】
A:リチウムイオン電池1の残存電圧が有る程度以上の電位を有するとき
▲1▼リチウムイオン電池1自体の電源により、電池保護回路は活性化される。従って、クランプ回路14が機能しトランジスタ10は遮断される。
▲2▼トランジスタ3のベースは、抵抗5を介して、リチウムイオン電池の電源によって、順方向にバイアスされ、トランジスタ3が導通し、トランジスタ3のコレクタ端子から正の駆動信号が出力される。その結果、充電制御回路9が駆動され、リチウムイオン電池の充電が行われる。
【0023】
B:リチウムイオン電池1の充電電圧が0ボルト近辺のとき
▲1▼トランジスタ10を除いて、電池保護回路の各回路は、不活性である。
▲2▼トランジスタ10には、抵抗5、抵抗11を介して、充電器2の電圧(トランジスタ10のコレクタに正の電圧が、またエミッタには負の電圧)が印加され、トランジスタ10は導通する。
【0024】
▲3▼その結果、抵抗5に電流I2 が流れる。抵抗5の両端に電流I2 による電圧降下が発生し、トランジスタ3のベースを順方向にバイアスし、トランジスタ3が導通する。トランジスタ3が導通すると、トランジスタ3のコレクタ端子から正の駆動信号が出力される。その結果、充電制御回路9が駆動され、リチウムイオン電池1の充電が開始される。
【0025】
▲4▼その後、充電が進むと、クランプ回路14が活性化する。その結果、トランジスタ10のエミッタEは、グランドレベル又はグランドレベル以上に引き上げられ、トランジスタ10は遮断される。
▲5▼トランジスタ10が、遮断しても、トランジスタ3のベースは、過充電保護回路15を介して、充電中のリチウムイオン電池の電源によって、順方向にバイアスされるので、トランジスタ3の導通は維持される。その結果、トランジスタ3のコレクタ端子から正の駆動信号が継続して、充電制御回路9に印加される。充電制御回路9は、充電制御を継続する。
【0026】
▲6▼過充電保護回路15は、リチウムイオン電池の両端の電位差により、充電の状態を検出し、過充電になれば、充電を中止するように制御を行う。
トランジスタ10は、充電されるリチウム電池の残存電圧が0ボルト近辺のときであって、前記クランプ回路が動作しない間、導通するだけであるから、電力消費が極めて少なくて済む。
【0027】
なお、図1において、電源線をリチウムイオン電池1と充電器2の正側に設けたが、負側に設けてもよい。
更に、トランジスタ3として、PNP型トランジスタを用いて説明したが、NPN型のトランジスタでもよい。同じく、トランジスタ4として、NPN型トランジスタを用いて説明したが、PNP型のトランジスタでもよい。
【0028】
図2に本発明に用いられるクランプ回路の例を3通り示す。
図2(A)は、演算増幅器21とトランジスタ22から構成されている。X点は、接地電位で、Y点の電位がクランプ回路の出力としてAを介して、出力される。
Y点の電位がX点の電位より高いと、演算増幅器からの負の出力により、トランジスタ22は、遮断される。従って、Y点の電位がそのまま、クランプ回路の出力として出力される。
【0029】
ところで、Y点の電位がX点の電位より低いと、演算増幅器からの正の出力により、トランジスタ22は、導通される。従って、Y点の電位は、トランジスタ22のコレクタに印加された電源の電位となる。この電源電位が、クランプ回路の出力として出力される。
従って、クランプ回路の出力は、接地電位以上の電位が出力される。
【0030】
図2(B)は、二つのカレントミラー回路と初期バイアス回路から構成されている。トランジスタ31とトランジスタ32が、第1のカレントミラーを構成し、トランジスタ33とトランジスタ34が、第2のカレントミラーを構成している。初期バイアス回路40は、トランジスタ35、ダイオード36及び抵抗37により構成される。電源投入時にカレントミラーのトランジスタ32に電流を流すように機能する。電源投入時にダイオード36の両端電位をトランジスタ35のベース・エミッタ間電圧として、トランジスタ35を導通させ、トランジスタ32に電流を流す。
【0031】
X点とY点とは、対称な点であり、Y点の電位はX点の電位となる。従って、Y点の電位は接地電位とほぼ同じとなり、この接地電位が、クランプ回路の出力として出力される。
図2(C)は、図2(B)の第2のカレントミラー回路の二つのトランジスタのエミッタにトランジスタ38とトランジスタ39を接続したものである。トランジスタ38、39は、コレクタとベースが直接接続され、ダイオードとしての機能を呈する。動作は、図2(B)と同じで、図2(B)の回路に比して、クランプ回路の耐圧が高くなっている。
【0032】
X点とY点とは、対称な点であり、Y点の電位はX点の電位となる。従って、Y点の電位は接地電位とほぼ同じとなり、この接地電位が、クランプ回路の出力として出力される。
なお、上記実施の形態は、リチウムイオン電池について説明したが、本発明は、リチウムイオン電池限らず、他の2次電池の充放電制御に対しても有効である。
【0033】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、次に述べる種々の効果を実現することができる。
請求項1及び4記載の発明によれば、第1のトランジスタ3と、該第1のトランジスタのベースと前記抵抗との接続点に、コレクタ又はエミッタが接続された第2のトランジスタとを有する二次電池保護回路において、前記第2のトランジスタのエミッタ又はコレクタに、定常時グランドレベル又はグランドレベル以上にクランプするクランプ回路14を接続したことにより、少ない素子数で、消費電力を削減した二次電池保護回路であって、充電される二次電池の残存電圧が0Vであっても、充電を可能とする二次電池保護回路を提供することができる。
【0034】
請求項2記載の発明によれば、第1のトランジスタのベースと前記抵抗との接続点の電位に基づいて、過充電保護回路15を制御することにより、過充電時に、充電を中止することができる。
請求項3記載の発明によれば、クランプ回路は、充電される二次電池の電位が所定電位以上のときに、動作を開始することにより、第2のトランジスタは、充電される二次電池の残存電圧が0ボルト近辺のときであって、前記クランプ回路が動作しない間、導通するだけであるから、電力消費が極めて少なくて済む。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を説明するための図である。
【図2】本発明に用いられるクランプ回路を説明するための図である。
【図3】従来のリチウム電池保護回路における、充電制御回路を駆動する回路を説明するための図(その1)である。
【図4】従来のリチウム電池保護回路における、充電制御回路を駆動する回路を説明するための図(その2)である。
【符号の説明】
1 リチウムイオン電池(二次電池)
2 充電器
3 充電制御駆動用のトランジスタ
4、10、31〜35、38、39 トランジスタ
5、8、11、12、37 抵抗
7 リチウムイオン電池(二次電池)1と充電器2を結ぶ電源線
9 充電制御回路
14 クランプ回路
15 過充電保護回路
36 ダイオード
E トランジスタ10のエミッタとクランプ回路14の接続点

Claims (4)

  1. 二次電池と充電器を結ぶ電源線に、並列にエミッタ又はコレクタが接続されたトランジスタであって、前記電源線に抵抗又はリーク吸収回路を介してベースが接続された充電制御駆動用の第1のトランジスタと、該第1のトランジスタのベースと前記抵抗との接続点に、コレクタ又はエミッタが接続された第2のトランジスタとを有する二次電池保護回路において、
    前記第2のトランジスタのエミッタ又はコレクタに、定常時グランドレベル又はグランドレベル以上にクランプするクランプ回路を接続し、
    充電される二次電池の残存電圧が0ボルト近辺のときであって、前記クランプ回路が動作しない間、前記第2のトランジスタと前記第1のトランジスタを導通させて、充電制御駆動を行うことを特徴とする二次電池保護回路。
  2. 前記第1のトランジスタのベースと前記抵抗との接続点の電位に基づいて、過充電保護回路を制御することを特徴とする請求項1記載の二次電池保護回路。
  3. 前記クランプ回路は、充電される二次電池の電位が所定電位以上のときに、動作を開始することを特徴とする請求項1記載の二次電池保護回路。
  4. 二次電池と充電器を結ぶ電源線に並列に接続された充電制御駆動用の第1のトランジスタを設け、
    該第1のトランジスタのエミッタ又はコレクタを前記電源線に接続し、前記第1のトランジスタのベースは第1の抵抗又はリーク吸収回路を介して前記電源線に接続し、
    該第1のトランジスタのベースと前記第1の抵抗又はリーク吸収回路との接続点に第2のトランジスタのコレクタ又はエミッタを接続し、
    該第2のトランジスタのベースは第2の抵抗を介して接地するとともに、
    該第2のトランジスタのエミッタ又はコレクタは、定常時グランドレベル又はグランドレベル以上にクランプするクランプ回路に接続し、該第2のトランジスタのエミッタ又はコレクタとクランプ回路の接続点は、第3の抵抗を介して前記充電器に接続し、
    充電される二次電池の残存電圧が0ボルト近辺のときであって、前記クランプ回路が動作しない間、前記第2のトランジスタと前記第1のトランジスタを導通させて、充電制御駆動を行うことを特徴とする二次電池保護回路。
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