JP4031530B2 - 不足電圧（ｕｎｄｅｒ−ｖｏｌｔａｇｅ）および過電圧（ｏｖｅｒ−ｖｏｌｔａｇｅ）保護機能付きバッテリパック - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は一般にバッテリに関し、特に接続を断つスイッチを有するバッテリパックに関する。
背景技術
電気製品の携帯化および高機能化が進むにつれ、消費者はそのような電化製品に使う、長寿命かつ品質の良い電源電池を求めるようになってきた。その最も良い解決策として一般に充電式バッテリまたはバッテリパックがある。バッテリパックは何回も充放電を繰り返すため、非常に頑強でなければならない。加えて、電気を貯蓄する装置であるから、安全でなければならない。最近、実用化されている様々な新しいバッテリにおいては特にこれが当てはまる。例えば、リチウムイオンバッテリは、従来のニッケル-カドミウムバッテリに比べ十分に高いエネルギ密度（energy density）を持つ為、頑強かつ安全でなければならない。そして、安全性と信頼性を達成するためには、そのようなバッテリパックの設計者にとって、それが末端使用者の手に渡ったときに起こる（故意のまたは、それ以外の）ある程度の酷使を予想することが必要である。
信頼性の低下やそれに加えて周波数の増加が起こる現象は、バッテリパックの偶発的な重度の過放電である。このようなことは、長期にわたって装置が放置されたとき（使用者が装置を忘れてしまうというようなとき）に起こる。そして、そのバッテリは通常の放電レベルをはるかに越えた放電状態になる。これは、ニッケルメタルハイドライド、リチウムイオン、そしてリチウムポリマのような新しいバッテリシステムにとってはバッテリの故障の原因となる。良くてもバッテリのサイクル寿命が短くなるか、ひどければ充電時に安全性を犯すような危険を生み出し得る。
新しいバッテリシステム、特にリチウムイオンやリチウムポリマに独特な他の問題として、過充電がある。リチウム金属は高反応性（high reactive）であることは良く知られている。そのためリチウムイオンのセルにおいては最初、リチウム金属は全くない。バッテリ電圧がしきい値電圧を越えない限り、何も形成されない。しかし、バッテリがこのしきい値レベルを越える電圧で充電されると、そのバッテリセルは過電圧と呼ばれる状態になる。この過電圧状態によってリチウム金属は、電気化学的めっき処理と同様な反応で溶液から析出する。長期間の充電で、より多くのリチウム金属が析出するにつれ、安全性を犯す危険性は大きくなる。リチウムポリマのセルでも過充電において同様な現象が起きる。
典型的なシステムにおいては、充電器は過電圧状態を避けるように設計されている。しかし、様々な故障モードにおいては、一旦しきい値電圧に達すると充電器が充電し続けてしまう事態を招く。この種の故障は一般に、暴走充電（runaway charger）と呼ばれている。そのような故障から保護するために、ある種のバッテリ接断スイッチ（バッテリと接続を断つスイッチ（battery disconnect switch））が必要とされ、現存する、いかなる過電圧充電からもバッテリセルを保護している。理想的にそのようなスイッチは、一旦起動した後も引き続き、バッテリパックを放電させておくべきである。
都合良くバッテリ接断スイッチは、不足電圧と過電圧の両方の状態に対処するため従来使われてきた。しかし、それらのコストや複雑さは、新しいバッテリシステムによるどんな利点も相殺してしまう。典型的に、従来のシステムよりもはるかに高価である。例えば、リチウムイオンバッテリに使う、バッテリパックが内蔵した低電圧（もっと一般的には不足電圧）スイッチ回路がある。一旦起動するとこれらの回路は、充電器からの特別な信号が必要になる。それはバッテリスイッチ回路を”目覚めさせ”そしてバッテリの使用を許可するための信号である。その充電器の一部にある程度の複雑さが要求される。同様にバッテーパックが内蔵した過電圧スイッチ回路も、たくさんのリチウムイオンバッテリパックに使われてきた。しかし典型的に、そのような過電圧スイッチ回路は、多重コンパレータ（multiple comparators）、精密電圧基準器、そして多くの場合カスタムメイド集積回路を使っている。
したがって、バッテリが通常の放電状態にある間に（深刻な放電状態になる前に）バッテリの接続を負荷から断たせ、しかも充電可能を維持する単純な機構が必要である。同様に、安全性を犯すいかなる危険をも避けるため、過充電状態になる前にバッテリとの接続を断つための単純な機構が必要である。理想的には、それらの必要性はただ１つの機構によって対応できればよい。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に従った不足電圧保護機能付きバッテリシステムのブロック図を示す。
第２図は、本発明による過電圧保護機能を組込んだ第１図と同じバッテリシステムブロック図である。
第３図は本発明に従った回路の概略図である。
好適実施例の詳細な説明
本明細書は新規な本発明の特徴を定義付ける請求項を含む一方、参照符号が付されている図と共に以下に続く記述の考察によって、本発明がより深く理解されると信じている。
第１図を参照すると、本発明に従ったバッテリシステムのブロック図が図示されている。そこには、バッテリパック10および負荷12（例えば、セルラ電話機、携帯用２ウェイ無線機（portable two way radio）、携帯用コンピュータ、あるいは携帯用の電源（portable power source）を必要とするすべての装置）が示されている。負荷12は、バッテリパックから矢印14の方向に放電電流を得ている。バッテリ電圧V1が、正バッテリ端子16および負バッテリ端子18に印加されている。
バッテリパック10は、少なくとも１個のバッテリセル20、不足電圧スイッチ（under-voltage switch）22および第１電圧コントロールスイッチ（voltage controlled switch）24で構成されている。不足電圧スイッチ22は、不足電圧スイッチ22の起動するしないに拘らず、常に矢印23の方向に電流が流れる一方向動作性（one way action）を持つ。不足電圧スイッチ22の動作中は、矢印23と逆方向に流れる電流は阻止されるが、動作していなければ、流れる。
不足電圧スイッチ22のスイッチ状態（ONまたはOFF）は、コントロール入力25によって制御されている。詳細には、不足電圧スイッチ22はスイッチ信号に応答する。そのスイッチ信号は第１電圧コントロールスイッチ24により発生し、ライン26を通りコントロール入力25に伝わる。第１電圧コントロールスイッチ24は電圧V1に応答する。そして、不足電圧スイッチ22をON状態（両方向に導通している状態）に維持するため、第１電圧コントロールスイッチ24は、バッテリ電圧V1が所定不足電圧レベルより下に低下するようなときまで、ライン26を通してスイッチ信号を供給する。バッテリ電圧V1が所定不足電圧レベルより下に低下すると、第１電圧コントロールスイッチ24は、不足電圧スイッチ22をOFFに転換させ、それ以上の放電を防ぐ。それによって、バッテリセル20に起こる放電の深さを制限する。不足電圧スイッチ22がOFFのとき、電圧V1は約0Vまで下がる。それにより、バッテリセル20を横切る電圧が不足電圧レベルより上に上昇したときでも、第１電圧コントロールスイッチ24はOFF状態のままである。不足電圧スイッチ22は一方向閉鎖スイッチ（one way blocking switch）なので、単に充電電流を供給することで、バッテリは充電し得る。この充電電流の供給は、不足電圧スイッチ22の両端の電圧を反転させ、バッテリ電圧V1を所定不足電圧レベルより上に上昇させ、そして第１電圧コントロールスイッチ24をONに転換する。
第２図を参照すると、そこには第１図と同様にバッテリパック10のブロック図が図示され、さらに過電圧スイッチ（over-voltage switch）28および第２電圧コントロールスイッチ（second voltage controlled switch）30を含む。しかしながらこの場合、負荷12は、前述のようにバッテリパック10を放電させるか、あるいは矢印32の方向の充電電流を供給してもよい。過電圧スイッチ28は、作動中のとき充電電流は阻止するが、放電電流は矢印29の方向に通過させる。この意味において、過電圧スイッチ28は、不足電圧スイッチ22のように一方向閉鎖スイッチ（one way blocking switch）として機能する。充電電流がバッテリに流れ込むとき、バッテリ電圧は上がる。一旦バッテリ電圧V1が第２所定レベル（second predetermined level）に達すると、第２電圧コントロールスイッチ30がONに転換し、そしてライン34にスイッチ信号を供給し、過電圧スイッチ28がそれ以上の充電を阻止する。典型的に、バッテリセル20の両端の電圧は少し下がり、それに従ってバッテリ電圧V1も下がるであろう。
しかし、典型的にバッテリ充電器は電流を調節するので、過電圧スイッチ28が開放するとき、電流の調整をしようとして充電器電圧がその充電器の最大レベルまで上がってしまう。その充電器出力がバッテリパック10と並列に接続されているかぎり、充電器出力電圧はバッテリ電圧V1になっており、第２電圧コントロールスイッチ30はライン34上のスイッチ信号を維持し、そして過電圧スイッチ28は充電電流を阻止し続ける。不足電圧スイッチ22は関与していないので、セルは依然として放電することができ、過電圧スイッチ28のみが充電電流をブロックしている。
第３図を参照すると、そこには本発明に従った回路の概略回路図が図示されている。バッテリパック10が、正バッテリ端子16および負バッテリ端子18を通して、充電器または負荷12に接続していることを示している。バッテリ電圧V1は明らかにバッテリパック10の両端の電圧である。さらに、少なくとも１個のバッテリセル20、不足電圧スイッチ22、第１電圧コントロールスイッチ24、過電圧スイッチ28、第２電圧コントロールスイッチ30およびポリスイッチ36が含まれる。ポリスイッチ36は高電流が通過したとき応答する電流中断装置（current interrupt device）である。もし過度のレベルの電流が供給されると、その電流が充電の方向であっても、放電の方向であっても、ポリスイッチ36は、非常に低い電気抵抗から非常に高い電気抵抗まで変化し、スイッチ機能を供給する。このようなポリスイッチの使用は技術的に良く知られている。
不足電圧スイッチ22および過電圧スイッチ28は、ダイオードをスイッチに並列に結合させることによって一方向閉鎖機能（one way blocking operation）を成している。好適実施例の１つとして、N-チャネルMOSFETが使われる。その理由は、これらのデバイスが優れたスイッチ機能を供給し、かつそれらの製造工程の結果として、固有ダイオード（intrinsic diode）を有するからである。不足電圧スイッチ22は、ソース端子38、ドレイン端子40およびゲート端子42を持つ。固有ダイオード43は、ソース端子38に接続する陽極44にてMOSFETと並列につながっている。このダイオードの方向は、不足電圧スイッチ22のスイッチ状態に拘らず、充電電流をバッテリセル20に通過させる向きである。ソース端子38はバッテリセル20に接続し、一方でゲート端子42はコントロール入力である。
過電圧スイッチ28もまた、ソース端子46、ドレイン端子48およびゲート端子50を有する。ドレイン端子48は、不足電圧スイッチ22のドレイン端子40に接続されている。ソース端子46は、負バッテリ端子18に接続され、不足電圧スイッチ22と同様に固有ダイオード49と並列に結合されている。しかし、バッテリパック10を通る充電電流を阻止するため、固有ダイオード49は反対側に方向付けられている。ゲート端子50はコントロール入力として機能し、ライン51からのスイッチ信号を受信する。
第１電圧コントロールスイッチ24は、第１分割抵抗器52、第２分割抵抗器54、バイポーラトランジスタ56、結合抵抗器58およびバイアス抵抗器60より構成される。第１、第２分割抵抗器52,54は、それぞれ直列に正、負バッテリ端子16,18の間に接続され、中間ノード62を形成している。中間ノード62の電圧はバッテリ電圧V1に比例し、分割抵抗器52,54の値に依る。バイポーラトランジスタ56は電圧コントロールスイッチ素子として機能し、そしてエミッタ、コレクタおよびベース端子64,66,68を持つ。バイアス電圧がエミッタ-ベース間ジャンクションに亘って印加されるとき、バイポーラトランジスタ56はエミッタ端子64からコレクタ端子66へ電流を伝導する。
ベース端子68は結合抵抗器58によって中間ノード62に結合される。結合抵抗器58は、バイポーラトランジスタ56のエミッタ-ベース間ジャンクションを流れる電流を制限するよう機能する。バッテリ電圧V1が第１所定レベル（低電圧カットオフレベル）より大きいときは中間ノード62の電圧がバイポーラトランジスタ56の最小バイアス電圧以上になるように、分割抵抗器52,54が選択される。結果としてバイポーラトランジスタ56はバイアス抵抗器60に電流を伝導し、それによってバイアス電圧が発生する。このバイアス電圧は、不足電圧スイッチ22をON状態に維持する。もしバッテリ電圧V1が不足電圧レベルより低くなれば、中間ノードでの電圧がバイポーラトランジスタ56をバイアスするには十分でなく、バイポーラトランジスタはバイアス抵抗器60に電流を伝導しない。これによって不足電圧スイッチ22がOFFする結果となる。バッテリ電圧V1が不足電圧レベルより下に低下すると、バッテリパック10から電流が引き出せなくなり、そして電圧V1は約０ボルトに落ちる。
第２電圧コントロールスイッチ30は同様な方法で作動する。第２電圧コントロールスイッチ30は分割抵抗器70,72から構成され、その分割抵抗器70,72は直列に接続し、中間ノード74を形成する。好適具体例においては、サーミスタ76が含まれ、そしてそのサーミスタは負温度係数型（negative temperature coefficient type）である。もしサーミスタ76が必要とされなければ、分割抵抗器72は負バッテリ端子18に直接に接続される。バイポーラトランジスタ78は、スイッチの要素として機能し、そして結合抵抗器75を亘って中間ノード74に接続されている。ライン51に印加される電圧はバイアス抵抗器80を介して、高いレベルまで引き上げられる。この電圧レベルは、過電圧スイッチ28がONに切り替わるようにコントロール入力50にて、過電圧スイッチ28に供給される。第３、第４分割抵抗器70,72およびサーミスタ76（もし含まれていれば）は、バッテリ電圧V1が過電圧レベル（第２所定レベル）より大きいときにバイポーラトランジスタがONにバイアスされそしてライン51上の電圧が約０ボルトに落ちるように、選択される。ライン51上のこのスイッチ信号により過電圧スイッチ28はOFFに切り替わり、それ以上の充電を防ぐ。
サーミスタ76の目的は、当技術分野で知られた方法でバイポーラトランジスタ78の熱的バイアス電圧エラー（thermal bias voltage error）を補うことである。バイポーラトランジスタが約-2milliVolts/℃の熱的バイアス電圧エラーを持つことは良く知られている。すなわち、バイポーラトランジスタをON状態にバイアスするのに、そのトランジスタの温度が上がるに従いより小さい電圧で済み、そして温度が下がるに従いより大きな電圧が要求される。過電圧のレベルは安全性によって選ばれるため、過電圧スイッチは温度に依らず同じバッテリ電圧レベルで作動することが絶対必要である。ここでは、分割抵抗器70,72と直列に接続されている状況を示しているが、サーミスタは、容易に分割抵抗器72と並列に接続することも、あるいは中間ノード74と負バッテリ端子18との間に接続されている抵抗ネットワーク内に接続することもできる。その全ては、特定の設計および入手可能な素子によって選択される。
本発明のより具体的な例を図示し、述べてきたが、本発明がそれにとどまらないことは明白であろう。請求の範囲に定義付けられるような本発明の真意と範囲から離れることなく、多数の修正、変更、変形、置換、そして均等物は、当業者には明らかであろう。

Claims (10)

1. バッテリ電圧を有するバッテリパックであって:
   正バッテリ端子および負バッテリ端子を有する少なくとも１個のバッテリセルと;
   スイッチ信号に応答し、少なくともＯＮおよびＯＦＦのスイッチ状態を有する一方向閉鎖スイッチ手段であって、前記バッテリパックに供給される充電電流が当該スイッチ手段のスイッチ状態に拘らず当該スイッチ手段を流れ、前記ＯＦＦのスイッチ状態のとき、放電電流を阻止するように、前記少なくとも１個のバッテリセルと直列に結合されている一方向閉鎖スイッチ手段と;
   前記バッテリ電圧に応答して、前記スイッチ信号を発生する電圧コントロールスイッチ手段と;
   を有し、前記電圧コントロールスイッチ手段が、
   エミッタ、コレクタおよびベース端子を有し、前記エミッタ端子は前記バッテリパックの前記正バッテリ端子に接続し、前記コレクタ端子は前記一方向閉鎖スイッチ手段に接続する、バイポーラトランジスタと、
   前記正バッテリ端子と前記負バッテリ端子との問に直列に結合し、中間ノードを形成する第１および第２分割抵抗器と、
   前記バイポーラトランジスタの前記ベース端子と前記第１および第２分割抵抗器の前記中間ノードとの間に接続する第１結合抵抗器と、
   を備えることを特徴とするバッテリパック。
2. 前記電圧コントロールスイッチ手段は、前記バッテリ電圧が所定不足電圧レベルより大きいときに、前記一方向閉鎖スイッチをＯＮ状態に維持することを特徴とする請求項１記載のバッテリパック。
3. 前記少なくとも１個のバッテリセルは、ニッケルカドミウムセル、ニッケルメタル・ハイドライドセル、リチウムイオンセル、リチウムポリマセル、およびそれらの組合せから成るグループから選択されることを特徴とする請求項１記載のバッテリパック。
4. 前記一方向閉鎖スイッチ手段は:
   トランジスタスイッチ;および
   陽極が前記少なくとも１個のバッテリセルに接続され、前記トランジスタスイッチ手段と並列に接続されるダイオード;
   から構成されることを特徴とする請求項１記載のバッテリパック。
5. 前記一方向閉鎖スイッチ手段は、ダイオードを含むMOSFETであることを特徴とする請求項１記載のバッテリパック。
6. 第２スイッチ信号に応答し、少なくともＯＮおよびＯＦＦのスイッチ状態を有する第２一方向閉鎖スイッチ手段であって、前記バッテリパックからの放電電流が当該スイッチ手段のスイッチ状態に拘らず当該スイッチ手段を流れ、前記ＯＦＦのスイッチ状態のとき、充電電流を阻止するように、前記少なくとも１個のバッテリセルと直列に結合されている第２一方向閉鎖スイッチ手段;および
   前記バッテリ電圧に応答して、前記第２スイッチ信号を発生する第２電圧コントロールスイッチ手段;
   からさらに構成されることを特徴とする請求項１記載のバッテリパック。
7. 第２電圧コントロールスイッチ手段は、前記バッテリ電圧が所定過電圧レベルより低いときに、第２一方向閉鎖スイッチ手段をＯＮ状態に維持することを特徴とする請求項６記載のバッテリパック。
8. 前記第２一方向閉鎖スイッチ手段は:
   トランジスタスイッチ;および
   陽極を有するダイオードであって、前記トランジスタスイッチと並列に接続し、前記陽極が前記負バッテリ端子に接続されるように方向付けられているダイオード;
   から構成されることを特徴とする請求項６記載のバッテリパック。
9. 前記第２一方向閉鎖スイッチ手段は固有ダイオードを含むMOSFETであることを特徴とする請求項６記載のバッテリパック。
10. 第２電圧コントロールスイッチ手段は:
    エミッタ、コレクタおよびベース端子を有し、前記エミッタ端子は前記バッテリパックの前記負バッテリ端子に接続し、前記コレクタ端子は前記第２一方向閉鎖スイッチ手段の前記コントロール入力に接続する第２バイポーラトランジスタ;
    前記正バッテリ端子と前記負バッテリ端子との問に直列に結合し、中間ノードを形成する第３および第４分割抵抗器;
    前記第２バイポーラトランジスタの前記ベース端子と前記第３および第４分割抵抗器の前記中間ノードとの問に接続する第２結合抵抗器;および
    前記第２一方向閉鎖スイッチ手段の前記コントロール入力と前記正バッテリ端子との問に接続されている第２バイアス抵抗器;
    から構成されることを特徴とする請求項６記載のバッテリパック。

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