JP3827137B2

JP3827137B2 - 二次電池制御回路、該二次電池制御回路を内蔵したバッテリーパック、および該バッテリーパックを用いた携帯機器

Info

Publication number: JP3827137B2
Application number: JP2000142884A
Authority: JP
Inventors: 達也福西
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2020-05-16
Also published as: US6920341B2; JP2001327088A; US20020006814A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話，ノートパソコン，携帯用カメラ一体型ビデオテープレコーダーなどの携帯機器に使用されるリチウムイオンやリチウムポリマーなどを用いた二次電池または二次電池を含むバッテリーパックの充放電制御技術に係り、特に、ＳＢＭ（Ｓmart Ｂattery Ｍanagement）に代表される残量表示用ＩＣや予め決められた電源電圧になった場合にシステムをリセットするリセット用ＩＣなどを有するバッテリーマネージメントシステムに適用した場合に好適な二次電池制御回路、該二次電池制御回路を内蔵したバッテリーパック、および該バッテリーパックを用いた携帯機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウムイオンやリチウムポリマーなどの二次電池は、携帯電話，ノートパソコン，携帯用カメラ一体型ビデオテープレコーダー等の携帯機器に使用され広く普及している。
【０００３】
二次電池は、二次電池の残量を表示するための残量表示用ＩＣや、システムの電源電圧を監視し、予め決められた電圧になるとシステムのリセット信号を出力するリセット用ＩＣなどを組み合わせたバッテリーシステムとして実用化されることが多い。
【０００４】
図５は、上述したバッテリーシステムの従来例を示す図である。
同図において、２０１は二次電池、２０２は二次電池の充電や放電を制御するとともに過充電による破壊などから二次電池を保護するための保護回路、２０３は充電器や上述した残量表示用ＩＣやリセット用ＩＣなどの負荷回路を含めたシステム側端子、２０４および２０４’は、それぞれ過放電時および過充電時に二次電池とシステム側（充電器や各種負荷回路ならなる）の間の充放電経路をオフする遮断用スイッチ（ＦＥＴ）を示している。
【０００５】
二次電池制御回路は、二次電池の内のどれか１つが充電、放電いずれかの動作中、それらの動作における異常状態検出設定値（過充電、過放電、過電流）を検出した場合に、遮断用スイッチをオフにして充電器からの充電動作を解除したり、あるいは、二次電池からシステム側への電圧や負荷電流（以下、電源と呼ぶ）の供給を解除する機能を有し、これにより二次電池やシステム側回路の破壊を防止し安全性を確保している。
【０００６】
一方、システム側としては二次電池から電源供給が遮断された場合、動作を停止させるべき部品を遮断原因別に選択する必要があり、これらの部品に選択的に電源を供給するための回路を別途外付け部品により構成し、システム側で対応するようにしていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、次のような問題点を有している。
（問題点１）
バッテリーシステムに塔載される各種部品のうち、残量表示用ＩＣやリセット用ＩＣなどは、その役目上、二次電池の電池残量がそれ以外の部品の最低動作電圧を下回るまでは動作し続けることが必要である。
【０００８】
従来の技術においては、電池残量が上記部品の最低動作電圧を超える場合であっても過充電，過放電，過電流のいずれかを検出した段階で二次電池からの電源供給が残量表示用ＩＣやリセット用ＩＣを含めた全ての回路に対して一律に遮断されてしまうため残量表示用ＩＣやリセット用ＩＣの機能を果たすことができなかった。従来は、その対策として、外付け部品を用いてシステム側でこれらの部品に選択的に電源が供給されるような対策を施していた。近年、二次電池を用いる携帯機器は、小型，薄型化，低価格化が主流となっており、このような外付け部品を用いる従来技術では実装面積の増大やコスト増加が避けられないという問題があった。
【０００９】
（問題点２）
上述したように、従来の技術ではシステム側への電源供給は、過充電，過放電，過電流を問わずいずれかの状態が検出されると一律に遮断されてしまう。リチウムイオンやリチウムポリマーなどの二次電池を用いたバッテリーシステムの特徴として、バッテリーパックの特性上、過充電や過放電などの二次電池の電圧状態の監視に関して細かな制御が要求されるが、過電流検出時のような電流状態の監視においてはその限りではなくむしろ残量表示用ＩＣやリセット用ＩＣなどは動作を継続させることが要求される。
【００１０】
従来技術では、このようなシステム側の要求を満たすため、前記（問題点１）で述べたように外付け部品を用いて対策を施しているが、この方法によると、外付け部品点数が増大し、システムの信頼性が低下してしまうという問題がある。また、外付け部品での対応となるため、内蔵する場合に比較して残量表示用ＩＣやリセット用ＩＣへの電源遮断設定に関して設定値精度を向上させることが難しく、また自由度も低いという問題がある。
【００１１】
本発明の目的は、上記問題点を解消することにある。
さらに詳細には、請求項１〜５記載の発明の目的は、従来外付け部品にて対応していた回路を制御回路内に取り込むことにより、実装面積の縮小，コストの低減、保護回路と一体化することによる信頼性の向上と設定値の高精度化を図り、また、従来のシステム側への電源供給経路とは別の電源供給経路を設けることにより、設定値のさらなる高精度化と自由度の向上を図ることが可能な二次電池制御回路を提供することにあり、請求項６記載の発明の目的は、前記別の電源供給経路を必要とする具体的な構成を提供することである。
【００１２】
また、請求項７および請求項８記載の発明の目的は、実装面積の縮小，コストの低減、保護回路と一体化することによる信頼性の向上と設定値の高精度化と自由度の向上を図ることが可能なバッテリーパックおよび携帯機器を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、次のような構成を有している。すなわち、
請求項１記載の発明は、二次電池（１）から第１の遮断用スイッチ（５）を含む第１の経路を介してシステム側へ負荷電流を供給し、二次電池（１）の電池電圧が所定の電圧値を下回る、または、負荷電流が所定の電流値を上回った場合に第１の遮断用スイッチ（５）をオフにしてシステム側への負荷電流供給を遮断するようにした二次電池制御回路において、二次電池からシステム側へ負荷電流の供給する第２の経路を、第１の経路から分岐させて設けたものである。また、請求項２記載の発明は、該第２の経路に、第１の遮断用スイッチ（５）と独立して制御される第２の遮断用スイッチ（６）を設けたものである。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、さらに、第１の遮断スイッチ（５）が二次電池（１）の電池電圧が所定の電圧値を超えるあるいは下回った場合にオフされるようにしたものであり、請求項４記載の発明は、さらに、過放電検出用の基準電圧発生回路と二次電池の電圧を検出する二次電圧検出回路の出力を比較する第１の比較回路（過放電側検出器１０４）と、放電時の過電流検出用の基準電圧発生回路（１０７）と放電時の電流を検出する電流検出回路（１０８）の出力を比較する第２の比較回路とを有し、第１の遮断用スイッチ（５）は、該第１の比較回路と第２の比較回路の出力に基づいて制御されるようにしたことを特徴としている。
【００１５】
また、請求項５記載の発明は、さらに、過充電検出用の基準電圧発生回路と二次電池の電圧を検出する二次電圧検出回路の出力を比較する第３の比較回路（過充電側検出器１０３）と、充電時の過電流検出用の基準電圧発生回路と充電時の電流を検出する電流検出回路の出力を比較する第４の比較回路とを有し、第１の遮断用スイッチ（５）は該第３の比較回路と第４の比較回路の出力によっても制御可能としたものである。
【００１６】
また、請求項６記載の発明は、第２の経路を介して負荷電流が供給されるシステムが、二次電池の残容量を表示するための残量表示用ＩＣ（９）またはシステムをリセットするためのリセット用ＩＣ（１０）のいずれかを含むものにしたものである。
【００１７】
さらに、請求項７記載の発明は、上記二次電池制御回路を内蔵したバッテリーパックであり、請求項８記載の発明は、このバッテリーパックを用いた携帯機器である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る二次電池制御回路の概要を説明するための図である。
同図において、１は二次電池、２は保護回路、３はシステム側端子ａ、４はシステム側端子ｂ、５はシステム側端子ａへの経路を遮断する第１の遮断用スイッチ（ＦＥＴ５１，５２）、６はシステム側端子ｂへの経路を遮断する第２の遮断用スイッチ（ＦＥＴ６１）である。
【００１９】
本実施例において、二次電池１は、リチウムイオンあるいはリチウムポリマー電池を直列または並列、あるいは直列／並列混在で接続されているものとする（図は直列に接続されている場合を示す）。二次電池１の最上位電位端子とシステム側端子ａとの間に第１の遮断用スイッチ５１，５２を２個直列で接続する。同じく二次電池の最上位電位端子とシステム側端子ｂとの間に第２の遮断用スイッチ６１を接続する。本実施例では、第１の遮断用スイッチ５１、５２および第２の遮断用スイッチ６１としてＦＥＴ（電界効果トランジスタ）が用いられている。
【００２０】
ここで、システム側端子ａに接続される部品は、過充電，過放電，過電流を問わずいずれかの状態が検出されたとき電源供給が遮断されてもよい回路部品（充電器を含む）であり、システム側端子ｂに接続される部品は、二次電池１の電池残量がシステム側端子ａに接続された部品の最低動作電圧を下回っても動作し続ける必要がある部品、例えば、残量表示用ＩＣやリセット用ＩＣなどの回路部品である。
【００２１】
次に、本実施例における充電時および放電時の動作を、図面を用いて詳細に説明する。
図２は充電時の動作を説明するための図であり、図３は放電時の動作を説明するための図である。また、図４は、図１〜図３における保護回路２の概要を示す図である。
【００２２】
図４に示すように、保護回路２は、第１の遮断用スイッチ５の遮断電圧を規定するための過充電・過放電検出用基準電圧発生回路１０１、過充電・過放電検出用センス電圧発生回路１０２、過充電側検出器１０３、過放電側検出器１０４、第２の遮断用スイッチ６の遮断電圧を規定するためのシステム側端子ｂ過放電検出用基準電圧発生回路１０５、システム側端子ｂ過放電検出用センス電圧発生回路１０６、第１の遮断用スイッチ５の遮断電圧を規定するための充放電過電流用基準電圧発生回路１０７、充放電過電流用センス電圧発生回路１０８、論理ゲート（論理和ゲート）１０９，１１０，１１５，１１６、論理回路１１１，１１２，１１３，１１４，１１７、遅延回路Ｄ１〜Ｄ５を有している。
【００２３】
システム側端子ａに接続される第１の遮断用スイッチ５（５１，５２）の遮断電圧は過充電・過放電検出用基準電圧発生回路１０１および充放電過電流用基準電圧発生回路１０７により規定され、システム側端子ｂに接続される第２の遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）の遮断電圧はシステム側端子ｂ過放電検出用基準電圧発生回路１０５により規定される。
【００２４】
以下、図２〜４を用いて各動作を説明する。
充電動作時においては、図２に示すように、充電器７をシステム側端子ａとＧＮＤとの間に接続する。一方、放電動作時においては、図３に示すように、残量表示用ＩＣ９やリセット用ＩＣ１０をシステム側端子ｂとＧＮＤ間に接続し、その他の負荷回路８はシステム側端子ａとＧＮＤ間に接続する。
【００２５】
（１）まず、充電時の動作について説明する。
図２に示すように、システム側端子ａに充電器７を接続すると、第１の遮断用スイッチ５（ＦＥＴ５１，ＦＥＴ５２）を介して充電器７から二次電池１に充電電流が流れ充電が開始される。このとき、二次電池１の電圧が十分高く「二次電池電圧＞（第２の遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）の遮断電圧）」の場合は、充電器７がシステム側端子ａに接続される以前からシステム側端子ｂに接続されているリセット用ＩＣや残量表示用ＩＣは動作を継続し続ける。
【００２６】
また、二次電池電圧が低く「二次電池電圧＜（第２の遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）の遮断電圧）」の場合は第２の遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）はオフであるが、二次電池１の充電が進み二次電池電圧が遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）の遮断電圧を超えると、すなわち、システム側端子ｂ過放電検出用基準電圧発生回路１０５からの基準電圧よりシステム側端子ｂ過放電検出用センス電圧発生回路１０６で検出されたシステム側端子ｂの検出電圧の方が高いことが比較器によって検出されると、その旨の信号が遅延回路Ｄ５および論理回路１１７を介して第２の遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）に送られ、第２の遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）がオンする。これにより二次電池１からの電圧が遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）およびシステム側端子ｂを介してリセット用ＩＣや残量表示用ＩＣに供給され、これらが動作を開始する。これによって、システムの立ち上げ処理、二次電池電圧の容量の計測表示処理などが行われる。
【００２７】
さらに充電を続行し、二次電池１の電圧が過充電検出状態になると、すなわち、過充電・過放電検出用センス電圧発生回路１０２で検出された二次電池１の検出電圧が過充電・過放電検出用基準電圧発生回路１０１からの基準電圧より高くなったことが過充電側検出器１０３で検出されると、その旨の信号が、論理ゲート１０９，遅延回路Ｄ１，論理回路１１１，論理ゲート１１６を介して第１の遮断用スイッチ５（ＦＥＴ５２）に加わえられ該第１の遮断用スイッチ５（ＦＥＴ５２）をオフにする。第１の遮断用スイッチ５（ＦＥＴ５２）がオフになったことにより、二次電池１とシステム側端子ａとの間の電源供給路は遮断されるが、システム側端子ｂに接続されているリセット用ＩＣや残量表示用ＩＣにはこの遮断されたスイッチとは独立の第２の遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）を介して二次電池１からの電源供給がそのまま継続され、二次電池電圧の容量の計測表示処理などが正常に行われる。なお、このときＦＥＴ５１はオンを継続していることは言うまでもない。
【００２８】
（２）次に、放電時の動作について説明する。
放電時における第１の遮断用スイッチ５（ＦＥＴ５１）の遮断電圧と第２の遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）の遮断電圧の関係を「第２の遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）の遮断電圧＜第１の遮断用スイッチ５（ＦＥＴ５１）の遮断電圧」とし、システム側端子ａに負荷回路８が接続されて放電が開始し、ある時間経過後の二次電池電圧が低下し、「二次電池電圧＜第１の遮断用スイッチ５（ＦＥＴ５１）の遮断電圧」になると、すなわち、過充電・過放電検出用センス電圧発生回路１０２で検出された二次電池１の検出電圧が過充電・過放電検出用基準電圧発生回路１０１からの基準電圧より低くなったことが過放電側検出器１０４で検出されると、その旨の信号が、論理ゲート１１０，遅延回路Ｄ２，論理回路１１２，論理ゲート１１５を介して第１の遮断用スイッチ５（ＦＥＴ５１）に加わり該第１の遮断用スイッチ５（ＦＥＴ５１）をオフにする。遮断用スイッチ５（ＦＥＴ５１）がオフになったことにより、二次電池１から負荷回路８などの負荷への電源供給が停止する。
【００２９】
しかしながら、このとき、前述の関係「第２の遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）の遮断電圧＜第１の遮断用スイッチ５（ＦＥＴ５１）の遮断電圧」により第２の遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）はまだオンを継続しているため、システム側端子ｂに接続されているリセット用ＩＣや残量表示用ＩＣは動作を継続し、二次電池電圧の容量の計測表示処理などを行う。
【００３０】
その後、放電がさらに進んで二次電池電圧が第２の遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）の遮断電圧を下回った時点で該第２の遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）はオフになり、システム側端子ａを介してこの第２の遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）に接続されるリセット用ＩＣや残量表示用ＩＣは二次電池１からの電源電圧を供給されなくなって動作を停止する。なお、このときＦＥＴ５２はオンを継続していることは言うまでもない。
【００３１】
（３）次に、過電流検出時の動作について説明する。
保護回路２の内部で予め設定されている充電・放電過電流設定値を上回る電流値が二次電池側または第１の遮断用スイッチ５に流れると、すなわち、充放電過電流用基準電圧発生回路１０７からの電圧と充放電過電流用センス電圧発生回路１０８で検出された電圧を比較し、充電時に過電流が流れた場合には、その旨の信号を遅延回路Ｄ３，論理回路１１３，論理ゲート１１６を介して第１の遮断用スイッチ５（ＦＥＴ５２）に加え、該第１の遮断用スイッチ５（ＦＥＴ５２）とオフにし、放電時に過電流が流れた場合には、その旨の信号を遅延回路Ｄ４，論理回路１１４，論理ゲート１１５を介して第１の遮断用スイッチ５（ＦＥＴ５１）に加え、該第１の遮断用スイッチ５（ＦＥＴ５１）をオフにする。
【００３２】
つまり、充電時に過電流が流れた場合は第１の遮断用スイッチ５のうちＦＥＴ５２をオフにして二次電池１と充電器７の間の経路を遮断し、放電時に過電流が流れた場合は第１の遮断用スイッチ５のうちＦＥＴ５１をオフにして二次電池１と負荷回路８の間の経路を遮断し、過電流に起因してシステムが破壊されるのを防止するようにしている。
【００３３】
しかし、システム側端子ｂにおいては、過電流検出時であっても「二次電池電圧＞第２の遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）の遮断電圧」である間は、第２の遮断用スイッチ６（ＦＥＴ６１）はオフせず、二次電池１からシステム側端子ｂへの電源供給が停止しないため、該システム側端子ｂに接続されているリセット用ＩＣや残量表示用ＩＣは正常な動作を継続する。
【００３４】
上述した過充電・過放電検出用基準電圧発生回路１０１，過充電・過放電検出用センス電圧発生回路１０２，過充電側検出器１０３，および過放電側検出器１０４は、複数個の二次電池で構成されている場合は、各二次電池ごとに上記の機能を実現するような構成を有している。例えば二次電池１が複数個直列に接続されている場合は、図４に示す如く、過充電・過放電検出用センス電圧発生回路１０２で検出された各二次電池ごとの検出電圧と過充電・過放電検出用基準電圧発生回路１０１からの各二次電池ごとの基準電圧とを過充電側検出器１０３または過放電側検出器１０４で比較し、過充電または過放電の二次電池が一つでもあれば、論理ゲート（論理和）１０９および１１０を介して第１の遮断用スイッチ５のＦＥＴ５２またはＦＥＴ５１をオフするようにしている。
【００３５】
また、図４では、図を簡略化するために、過充電・過放電検出用基準電圧発生回路１０１と過充電・過放電検出用センス電圧発生回路１０２の組，充放電過電流用基準電圧発生回路１０７と充放電過電流用センス電圧発生回路１０８の組をそれぞれ一組だけ示してあるが、実際は同様の回路の組を二組設け、一方を過充電検出用または充電時の過電流検出用に、他方を過放電検出用または放電時の過電流検出用に用いるものとする。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、次のような効果を有する。すなわち、
ａ）請求項１〜５記載の発明によれば、従来外付け部品にて対応していた回路を制御回路内に取り込むことにより、実装面積の縮小，コストの低減、保護回路と一体化することによる信頼性の向上と設定値の高精度化が図られ、また、従来のシステム側への電源供給経路とは別の電源供給経路を設けることにより、設定値のさらなる高精度化と自由度の向上を図ることが可能な二次電池制御回路を実現することができる。また請求項６記載の発明によれば、過充電，充放電過電流検出の場合でもシステムをリセットしたり二次電池の電圧容量を表示することが可能になる。
【００３７】
また、請求項７および請求項８記載の発明によれば、実装面積の縮小，コストの低減、保護回路と一体化することによる信頼性の向上と設定値の高精度化と自由度の向上を図ることが可能なバッテリーパックおよび携帯機器が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る二次電池制御回路の概要を説明するための図である。
【図２】充電時の動作を説明するための図である。
【図３】放電時の動作を説明するための図である。
【図４】図１〜図３における保護回路２の概要を示す図である。
【図５】バッテリーシステムの従来例を示す図である。
【符号の説明】
１：二次電池、
２：保護回路、
３：システム側端子ａ、
４：システム側端子ｂ、
５：第１の遮断用スイッチ（ＦＥＴ５１，５２からなる）、
６：第２の遮断用スイッチ（ＦＥＴ６１からなる）、
７：充電器、
８：その他の負荷回路、
９：残量表示用ＩＣ、
１０：リセット用ＩＣ、
１０１：過充電・過放電検出用基準電圧発生回路、
１０２：過充電・過放電検出用センス電圧発生回路、
１０３：過充電側検出器、
１０４：過放電側検出器、
１０５：システム側端子ｂ過放電検出用基準電圧発生回路、
１０６：システム側端子ｂ過放電検出用センス電圧発生回路、
１０７：充放電過電流用基準電圧発生回路、
１０８：充放電過電流用センス電圧発生回路、
１０９，１１０，１１５，１１６：論理ゲート（論理和ゲート）、
１１１，１１２，１１３，１１４，１１７：論理回路、
Ｄ１〜Ｄ５：遅延回路、
２０１：二次電池、
２０２：保護回路、
２０３：システム側端子、
２０４，２０４’：遮断用スイッチ。

Claims

１つ以上の直列または並列に接続された二次電池から第１の遮断用スイッチを含む第１の経路を介してシステム側へ負荷電流を供給し、前記二次電池の電池電圧が所定の電圧値を下回る、または、負荷電流が所定の電流値を上回った場合に前記第１の遮断用スイッチをオフにしてシステム側への負荷電流供給を遮断するようにした二次電池制御回路において、
前記二次電池からシステム側へ負荷電流を供給する第２の経路を、前記第１の経路から分岐させて設けたことを特徴とする二次電池制御回路。
請求項１記載の二次電池制御回路において、前記第２の経路は、前記第１の遮断用スイッチと独立して制御される第２の遮断用スイッチを含むことを特徴とする二次電池制御回路。
請求項２記載の二次電池制御回路において、前記第２の遮断スイッチは、さらに、前記二次電池の電池電圧が所定の電圧値を超えるあるいは下回った場合にオフされることを特徴とする二次電池制御回路。
請求項２または３記載の二次電池制御回路において、さらに、過放電検出用の基準電圧発生回路と前記二次電池の電圧を検出する二次電圧検出回路の出力を比較する第１の比較回路と、放電時の過電流検出用の基準電圧発生回路と放電時の電流を検出する電流検出回路の出力を比較する第２の比較回路とを有し、第１の遮断用スイッチは、該第１の比較回路と第２の比較回路の出力に基づいて制御されることを特徴とする二次電池制御回路。
請求項４記載の二次電池制御回路において、さらに、過充電検出用の基準電圧発生回路と前記二次電池の電圧を検出する二次電圧検出回路の出力を比較する第３の比較回路と、充電時の過電流検出用の基準電圧発生回路と充電時の電流を検出する電流検出回路の出力を比較する第４の比較回路とを有し、前記第１の遮断用スイッチは該第３の比較回路と第４の比較回路の出力によっても制御可能としたことを特徴とする二次電池制御回路。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の二次電池制御回路において、前記第２の経路を介して負荷電流が供給されるシステムは、二次電池の残容量を表示するための残量表示用ＩＣまたはシステムをリセットするためのリセット用ＩＣのいずれかを含むことを特徴とする二次電池制御回路。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の二次電池制御回路を内蔵したことを特徴とするバッテリーパック。
請求項７記載のバッテリーパックを用いた携帯機器。