JP4046106B2 - Battery pack protection circuit and battery pack - Google Patents

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Description

この発明は電子機器に用いられる電池パックの保護回路およびそれを備えた電池パックに関するものである。   The present invention relates to a protection circuit for a battery pack used in an electronic device and a battery pack including the protection circuit.

従来,携帯電話などの電源として用いられる電池パックにおいては、過電流や過熱などに対する保護手段を二重化することが求められている。一般的な方法として、特許文献1にその構成が示されている。   Conventionally, a battery pack used as a power source for a mobile phone or the like has been required to have double protection means against overcurrent, overheating, and the like. As a general method, Patent Document 1 discloses the configuration.

この特許文献1の電池パック保護回路の例を図6に示す。図6において電池セル1には、その充放電経路に第1・第2のスイッチ素子4a,4bを設け、それらを制御する保護制御回路3を設けている。また、電池セル1の近傍に、その充放電経路に対して直列に正特性サーミスタからなる保護素子2を接続している。仮にスイッチ素子4a,4bが異常過熱し、熱暴走または故障に至った場合に、保護制御回路3で異常を検知しても、スイッチ素子4a,4bを遮断できないため保護機能が働かなくなるおそれがあるが、そのような場合でも、上記保護素子2の作用によって過電流や電池セルの過熱に対する保護機能が確保できる。   An example of the battery pack protection circuit of Patent Document 1 is shown in FIG. In FIG. 6, the battery cell 1 is provided with first and second switch elements 4a and 4b in its charge / discharge path, and a protection control circuit 3 for controlling them. Further, a protective element 2 composed of a positive temperature coefficient thermistor is connected in series with the charge / discharge path in the vicinity of the battery cell 1. If the switch elements 4a and 4b are abnormally overheated, resulting in thermal runaway or failure, even if an abnormality is detected by the protection control circuit 3, the switch elements 4a and 4b cannot be shut off, so that the protection function may not work. However, even in such a case, a protective function against overcurrent and overheating of the battery cell can be secured by the action of the protective element 2.

なお、上記保護素子2を構成する正特性サーミスタとしてポリマーPTC素子を用いる事が特許文献2に示されている。
特開2000‐152516公報 特開2002−8608公報
Patent Document 2 discloses that a polymer PTC element is used as a positive temperature coefficient thermistor constituting the protection element 2.
JP 2000-152516 A JP 2002-8608 A

ところが、前記保護素子2として用いるポリマーPTC素子は全体の重量が重く、体積も大きく、且つリードタイプであるため、これを電池パックに組みこむ際に手作業によるハンダ付けや溶接作業が必要となり、製造コストが嵩むという問題があった。また、保護素子2として温度ヒューズを用いても、ポリマーPTC素子の場合と同様に、全体の重量が重く、体積も大きく、且つ素子がリードタイプであるため製造コストが嵩む。しかも、異常温度により断線した後は再使用できないという問題があった。さらに、過充電に対しては、電池セルが過熱し、保護素子が作用するまで、保護機能が働かないため、スイッチ素子4a,4bの異常過熱自体を保護できない、という問題もあった。そのため、異常過熱による電池パックの外装樹脂ケースの変形や溶融などのおそれがあった。   However, since the polymer PTC element used as the protective element 2 is heavy in weight, large in volume, and lead type, when it is assembled into a battery pack, manual soldering or welding work is required. There was a problem that the manufacturing cost increased. Even if a thermal fuse is used as the protective element 2, as in the case of the polymer PTC element, the overall weight is heavy, the volume is large, and the element is a lead type, so that the manufacturing cost increases. Moreover, there is a problem that it cannot be reused after being disconnected due to abnormal temperature. Further, there is a problem that the overcharging can not protect the abnormal overheating of the switch elements 4a and 4b because the protection function does not work until the battery cell is overheated and the protection element is activated. For this reason, there is a risk of deformation or melting of the outer resin case of the battery pack due to abnormal overheating.

特許文献1にはこの問題を解消するため、上記保護素子2の代わりにFETによる第3のスイッチ素子を設け、電池パック内に設けた負特性サーミスタまたは正特性サーミスタの温度に対する抵抗値変化を利用して上記第3のスイッチ素子を制御するものが提案されている。これにより、保護制御回路3が機能しなくなったような場合でも充放電時の過電流から電池パックを保護することができる。   In order to solve this problem in Patent Document 1, a third switching element using an FET is provided instead of the protection element 2, and a change in resistance value with respect to the temperature of the negative characteristic thermistor or the positive characteristic thermistor provided in the battery pack is used. Thus, a device for controlling the third switch element has been proposed. Thereby, even when the protection control circuit 3 stops functioning, the battery pack can be protected from overcurrent during charging and discharging.

ところが、上記第3のスイッチ素子は電池セルの充放電電流経路に対して直列に挿入するものであるため、すなわち高価なパワーFETを必要とするためコスト上昇を招くという問題があった。また、この第3のスイッチ素子を設けることにより、異常過熱による熱暴走や故障の要因が増えるという問題があった。   However, since the third switch element is inserted in series with respect to the charge / discharge current path of the battery cell, that is, an expensive power FET is required, there is a problem that the cost increases. In addition, there is a problem that the provision of the third switch element increases the factors of thermal runaway and failure due to abnormal overheating.

そこで、この発明の目的は、ポリマーPTC素子などの保護素子を電池セルの充放電経路に直列に設けることなく、さらに正特性または負特性のサーミスタで制御される第3のスイッチ素子を設けることなく、過電流や過熱に対する保護手段を二重化した電池パックの保護回路およびそれを備えた電池パックを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a protective element such as a polymer PTC element in series with the charging / discharging path of the battery cell, and without providing a third switching element controlled by a thermistor having a positive characteristic or a negative characteristic. An object of the present invention is to provide a protection circuit for a battery pack in which protection means against overcurrent and overheat is duplicated, and a battery pack including the protection circuit.

前記課題を解決するために、この発明の電池パックの保護回路および電池パックは次のように構成する。   In order to solve the above problems, a battery pack protection circuit and a battery pack according to the present invention are configured as follows.

(1)この発明の電池パックの保護回路は、電池セルから流れる放電電流を遮断する第1のスイッチ素子と、電池セルに流れる充電電流を遮断する第2のスイッチ素子と、電池セルの電圧、電流、または周囲温度の異常状態を検出するとともに第1・第2のスイッチ素子を制御して前記異常状態から電池セルを保護する保護制御回路とを備えた電池パックの保護回路において、第1のスイッチ素子、第2のスイッチ素子、および電池セルの少なくとも1つと熱的に結合し、第1および第2のスイッチ素子の少なくとも一方の制御信号経路に挿入された、1つ以上の正特性サーミスタを含むスイッチ素子制御回路を設けて、第1のスイッチ素子、第2のスイッチ素子、または電池セルの過熱時の正特性サーミスタの抵抗値増加により、制御信号経路にスイッチ素子制御回路が挿入された第1または第2のスイッチ素子を遮断するように構成する。 (1) A battery pack protection circuit according to the present invention includes a first switch element that cuts off a discharge current flowing from a battery cell, a second switch element that cuts off a charge current flowing through the battery cell, a voltage of the battery cell, A protection circuit for a battery pack, comprising: a protection control circuit that detects an abnormal state of current or ambient temperature and controls the first and second switch elements to protect the battery cell from the abnormal state. One or more positive temperature coefficient thermistors thermally coupled to at least one of the switch element, the second switch element, and the battery cell, and inserted into a control signal path of at least one of the first and second switch elements; A switching element control circuit including a control signal by increasing a resistance value of the first characteristic switching element, the second switching element, or the positive temperature coefficient thermistor when the battery cell is overheated. Switching element control circuit is configured to block the first or second switching element inserted road.

(2)前記スイッチ素子制御回路には、直列接続した複数の正特性サーミスタを設け、該複数の正特性サーミスタを、第1のスイッチ素子、第2のスイッチ素子および電池セルのうち少なくとも2つとそれぞれ熱的に結合させる。 (2) The switch element control circuit is provided with a plurality of positive characteristic thermistors connected in series, and the plurality of positive characteristic thermistors are connected to at least two of the first switch element, the second switch element, and the battery cell, respectively. Combine thermally.

(3)前記スイッチ素子制御回路は第2のスイッチ素子の制御信号経路にのみ挿入したものとする。 (3) The switch element control circuit is inserted only in the control signal path of the second switch element.

(4)前記第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子はFETとし、前記保護制御回路をFETのゲートを制御するゲート制御端子を備えた集積回路とする。 (4) The first switch element and the second switch element are FETs, and the protection control circuit is an integrated circuit having a gate control terminal for controlling the gate of the FET.

(5)前記スイッチ素子制御回路は、前記FETのゲート・ソース間を接続した抵抗と、前記保護回路のゲート制御端子と前記FETのゲートとの間に挿入した1つ以上の正特性サーミスタとから構成する。 (5) The switch element control circuit includes a resistor connected between the gate and source of the FET, and one or more positive temperature coefficient thermistors inserted between the gate control terminal of the protection circuit and the gate of the FET. Constitute.

(6)前記スイッチ素子制御回路は、前記FETのゲート・ソース間にドレインおよびソースをそれぞれ接続した制御用FETと、該制御用FETのゲート・ソース間を接続した前記1つ以上の正特性サーミスタとから構成する。 (6) The switch element control circuit includes a control FET in which a drain and a source are connected between the gate and source of the FET, and the one or more positive temperature coefficient thermistors in which the gate and the source of the control FET are connected. And consists of

(7)この発明の電池パックは、上記いずれかの構成を備えた電池パックの保護回路と、それによって保護される電池セルとから構成する。 (7) The battery pack according to the present invention includes a battery pack protection circuit having any one of the above-described configurations and battery cells protected thereby.

(1)スイッチ素子制御回路は、第1および第2のスイッチ素子の少なくとも一方の制御信号経路に挿入されて、正特性サーミスタを含むものであるので、すなわち電池セルの充放電経路に設けるのではないので、微弱電流が流れる極めて小型のチップ素子を用いることができ製造コストが削減できる。また電池セルの充放電電流経路に挿入する第3のスイッチ素子が不要となるので小型低コスト化が図れる。 (1) Since the switch element control circuit is inserted into the control signal path of at least one of the first and second switch elements and includes a positive temperature coefficient thermistor, that is, not provided in the charge / discharge path of the battery cell. In addition, an extremely small chip element in which a weak current flows can be used, and the manufacturing cost can be reduced. Further, since the third switch element inserted into the charge / discharge current path of the battery cell is not required, the size and cost can be reduced.

しかも、第1のスイッチ素子、第2のスイッチ素子、または電池セルの過熱時の前記正特性サーミスタの抵抗値増加により第1または第2のスイッチ素子が遮断されるので、前記保護制御回路が機能しなくなっても、このスイッチ素子制御回路と第1または第2のスイッチ素子および前記正特性サーミスタとによって保護機能を果たすことができ、保護手段の二重化を確保できる。   In addition, since the first switch element, the second switch element, or the resistance value of the positive temperature coefficient thermistor when the battery cell is overheated, the first or second switch element is cut off, so that the protection control circuit functions. Even if it does not happen, the switching element control circuit, the first or second switching element, and the positive temperature coefficient thermistor can fulfill the protection function, and the protection means can be doubled.

(2)スイッチ素子制御回路には、直列接続した複数の正特性サーミスタを設け、該複数の正特性サーミスタを、第1のスイッチ素子、第2のスイッチ素子および電池セルのうち少なくとも2つとそれぞれ熱的に結合させたことにより、正特性サーミスタをスイッチ素子または電池セルにそれぞれ熱的に強く結合させることができ、過熱保護の応答性を高めることができる。しかも複数の正特性サーミスタを直列に接続するだけであるので、回路規模が殆ど増大することもない。 (2) The switch element control circuit is provided with a plurality of positive-characteristics thermistors connected in series, and the plurality of positive-characteristics thermistors are respectively heated with at least two of the first switch element, the second switch element, and the battery cell. Thus, the positive temperature coefficient thermistor can be thermally and strongly coupled to the switch element or the battery cell, respectively, and the responsiveness of overheat protection can be improved. In addition, since only a plurality of positive temperature coefficient thermistors are connected in series, the circuit scale is hardly increased.

(3)前記正特性サーミスタを第1のスイッチ素子の制御信号経路にのみ設けたことにより、異常時に特に過電流の流れる傾向の高い充電時の保護を行うことができる。すなわち少ない部品点数で信頼性を大幅に確保できることになる。 (3) By providing the positive temperature coefficient thermistor only in the control signal path of the first switch element, it is possible to protect at the time of charging, in which an overcurrent tends to flow particularly during an abnormality. That is, the reliability can be largely secured with a small number of parts.

(4)第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子をFETとし、保護制御回路をFETのゲートを制御するゲート制御端子を備えた集積回路としたことにより、第1・第2のスイッチ素子での電圧降下が抑えられ、また全体の小型軽量化が図れる。 (4) Since the first switch element and the second switch element are FETs, and the protection control circuit is an integrated circuit having a gate control terminal for controlling the gate of the FET, the first and second switch elements Voltage drop can be suppressed, and the overall size and weight can be reduced.

(5)前記スイッチ素子制御回路を、前記FETのゲート・ソース間を接続した抵抗と、保護回路のゲート制御端子と前記FETのゲートとの間に挿入した1つ以上の正特性サーミスタとから構成したことにより、正特性サーミスタと抵抗のみを追加するだけでスイッチ素子制御回路を構成することができ、全体に小型化・軽量化・低コスト化を図りつつ保護手段を二重化できる。 (5) The switch element control circuit includes a resistor connected between the gate and source of the FET, and one or more positive temperature coefficient thermistors inserted between the gate control terminal of the protection circuit and the gate of the FET. As a result, the switch element control circuit can be configured by adding only the positive temperature coefficient thermistor and the resistor, and the protective means can be doubled while reducing the overall size, weight and cost.

(6)前記スイッチ素子制御回路を、前記FETのゲート・ソース間にドレインおよびソースをそれぞれ接続した制御用FETと、該制御用FETのゲート・ソース間を接続した前記1つ以上の正特性サーミスタとから構成したことにより、異常時に、制御用FETのゲート・ソース間電圧をより低くすることができ、制御用FETの遮断をより確実に行うことができる。 (6) The switch element control circuit includes a control FET in which a drain and a source are connected between the gate and source of the FET, and the one or more positive temperature coefficient thermistors in which the gate and the source of the control FET are connected. In the case of abnormality, the gate-source voltage of the control FET can be further lowered, and the control FET can be more reliably shut off.

(7)このような機能を備えた電池パックの保護回路と電池セルとを備えた事により、小型・軽量・低コストで、且つ信頼性の高い電池パックとして用いることができる。 (7) Since the battery pack protection circuit and the battery cell having such a function are provided, the battery pack can be used as a small, lightweight, low-cost and highly reliable battery pack.

第1の実施形態に係る電池パックの保護回路および電池パックの構成を、図1を基に説明する。
図1は電池パックの保護回路を備えた電池パックの回路図である。電池セル1の充放電経路に対して直列に第1のスイッチ素子4aと第2のスイッチ素子4bを設けている。保護制御回路3は、その接地端子Vssを電池セル1のマイナス極に接続し、Vddを抵抗R2を介して電池セル1のプラス極に接続している。またVddとVssとの間にノイズ信号除去用のコンデンサC1を接続している。また保護制御回路3のV−端子と電池パック10のマイナス(−)端子との間に抵抗R3を接続している。
The battery pack protection circuit and the configuration of the battery pack according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a circuit diagram of a battery pack provided with a battery pack protection circuit. A first switch element 4 a and a second switch element 4 b are provided in series with respect to the charge / discharge path of the battery cell 1. The protection control circuit 3 has its ground terminal Vss connected to the negative electrode of the battery cell 1 and Vdd connected to the positive electrode of the battery cell 1 via the resistor R2. A noise signal removing capacitor C1 is connected between Vdd and Vss. A resistor R3 is connected between the V− terminal of the protection control circuit 3 and the minus (−) terminal of the battery pack 10.

第1・第2のスイッチ素子4a,4bはそれぞれFETからなる。保護制御回路3は半導体集積回路からなり、第1・第2のスイッチ素子4a,4bに対するゲート制御端子Dout,Coutを備えている。Doutは第1のスイッチ素子4aのゲートに接続している。もう一方のゲート制御端子Coutと第2のスイッチ素子4bのゲートとの間には、セラミック正特性サーミスタRcpを直列に接続している。また第2のスイッチ素子4bのゲートとソースとの間に抵抗R1bを接続している。この抵抗R1bとセラミック正特性サーミスタRcpbとによってスイッチ素子制御回路5bを構成している。   The first and second switch elements 4a and 4b are each composed of an FET. The protection control circuit 3 is formed of a semiconductor integrated circuit, and includes gate control terminals Dout and Cout for the first and second switch elements 4a and 4b. Dout is connected to the gate of the first switch element 4a. A ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcp is connected in series between the other gate control terminal Cout and the gate of the second switch element 4b. A resistor R1b is connected between the gate and source of the second switch element 4b. The resistor R1b and the ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcpb constitute a switch element control circuit 5b.

保護制御回路3は、Vdd−Vss間の電圧を電源として動作し、VssとV−端子との間の電位差によって充電電流および放電電流を検出するとともに、充電時の過電流を検知した際、Cout端子をローレベルにして第2のスイッチ素子4bを遮断する。また放電時の過電流を検知した際、Dout端子をローレベルにして第1のスイッチ素子4aを遮断する。   The protection control circuit 3 operates using a voltage between Vdd and Vss as a power source, detects a charging current and a discharging current based on a potential difference between the Vss and the V− terminal, and detects an overcurrent during charging. The terminal is set to the low level to shut off the second switch element 4b. When an overcurrent at the time of discharging is detected, the Dout terminal is set to a low level to shut off the first switch element 4a.

図1に示した回路の動作は次のとおりである。
通常時、保護制御回路3のゲート制御端子Cout,Doutを共にハイレベルとして第1・第2のスイッチ素子4a,4bを共にON状態とする。これにより通常の充放電が可能となる。
The operation of the circuit shown in FIG. 1 is as follows.
During normal operation, both the gate control terminals Cout and Dout of the protection control circuit 3 are set to the high level to turn on both the first and second switch elements 4a and 4b. Thereby, normal charging / discharging becomes possible.

充電電流が大きくなって、保護制御回路3のVssとV−端子との間の電位差が所定のしきい値を超えたなら、保護制御回路3はCout端子をローレベルにする。これにより、スイッチ素子4bが遮断状態となって、その過電流が防止される。また、放電電流が大きくなって、保護制御回路3のVssとV−端子との間の電位差が所定のしきい値を超えたなら、保護制御回路3はDout端子をローレベルにする。これにより、スイッチ素子4aが遮断状態となって、その過電流が防止される。   If the charging current increases and the potential difference between the Vss and V− terminals of the protection control circuit 3 exceeds a predetermined threshold, the protection control circuit 3 sets the Cout terminal to a low level. As a result, the switch element 4b is cut off and its overcurrent is prevented. If the discharge current increases and the potential difference between the Vss and V− terminals of the protection control circuit 3 exceeds a predetermined threshold, the protection control circuit 3 sets the Dout terminal to a low level. As a result, the switch element 4a is cut off and its overcurrent is prevented.

一方、保護制御回路3の動作とは独立して、何らかの異常が発生し、充電電流が過電流状態となって第1のスイッチ素子4aまたは第2のスイッチ素子4bが過熱状態となり、それと熱的に結合しているセラミック正特性サーミスタRcpbがそのキュリー点を超える温度にまで上昇すると、その抵抗値が急激に高くなる。その結果、第2のスイッチ素子4bのゲート・ソース間電圧が低下し、4bが遮断状態となる。これによって電池セル1に流れる電流が遮断されて上記異常状態が回避される。   On the other hand, independent of the operation of the protection control circuit 3, some abnormality occurs, the charging current becomes an overcurrent state, the first switch element 4a or the second switch element 4b becomes overheated, and the thermal When the ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcpb bonded to the temperature rises to a temperature exceeding its Curie point, its resistance value increases rapidly. As a result, the gate-source voltage of the second switch element 4b is lowered, and 4b is cut off. As a result, the current flowing through the battery cell 1 is interrupted and the abnormal state is avoided.

図1において、抵抗R1bを500kΩ、セラミック正特性サーミスタRcpbを、R25(25℃における抵抗値)=47kΩ、キュリー温度100℃、1.0×0.5×0.5mmサイズの面実装型とする。そして、第1・第2のスイッチ素子4a,4bの両方に熱的に結合するように基板上に配置する。   In FIG. 1, the resistance R1b is 500 kΩ, and the ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcpb is a surface mount type R25 (resistance value at 25 ° C.) = 47 kΩ, Curie temperature 100 ° C., 1.0 × 0.5 × 0.5 mm size. . And it arrange | positions on a board | substrate so that it may couple | bond with both 1st and 2nd switch element 4a, 4b thermally.

このようにして第1・第2のスイッチ素子4a,4bが熱暴走や故障に至る温度になる前に、その通電を遮断できるので、電池セル1および第1・第2のスイッチ素子4a,4bを永久的な破壊から保護できる。   Since the first and second switch elements 4a and 4b can be cut off before the temperature of the first and second switch elements 4a and 4b reaches a temperature causing thermal runaway or failure, the battery cell 1 and the first and second switch elements 4a and 4b can be cut off. Can be protected from permanent destruction.

なお、図1に示した例ではセラミック正特性サーミスタRcpbを第1・第2のスイッチ素子4a,4bの両方に熱的結合させたが、これを一方のスイッチ素子にのみ熱的結合させるようにしてもよい。その場合でも第1・第2のスイッチ素子4a,4bは充電時または放電時の過電流により共に発熱するので上述の場合と同様の効果を奏する。   In the example shown in FIG. 1, the ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcpb is thermally coupled to both the first and second switch elements 4a and 4b. However, this is only thermally coupled to one switch element. May be. Even in this case, the first and second switch elements 4a and 4b generate heat due to overcurrent at the time of charging or discharging, so that the same effects as those described above can be obtained.

また、セラミック正特性サーミスタRcpbは、第1・第2のスイッチ素子4a,4bと共に電池セル1とも熱的に結合させてもよい。これにより、充電時または放電時の過電流による電池セル1の発熱を検知して保護できる。   The ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcpb may be thermally coupled to the battery cell 1 together with the first and second switch elements 4a and 4b. Thereby, the heat_generation | fever of the battery cell 1 by the overcurrent at the time of charge or discharge can be detected and protected.

次に、第2の実施形態に係る電池パックの保護回路および電池パックの構成を、図2を基に説明する。
図1に示した例では単一のセラミック正特性サーミスタを用いたが、この第2の実施形態では、異なった部位にそれぞれ熱的に結合する複数のセラミック正特性サーミスタを用いている。すなわち、保護制御回路3のゲート制御端子Coutと第2のスイッチ素子4bのゲートとの間に、電池セル用正特性サーミスタRcp1とスイッチ素子用セラミック正特性サーミスタRcp2の直列回路を挿入している。そして、第2のスイッチ素子4bのゲート・ソース間に抵抗R1bを接続している。この抵抗R1bと2つのセラミック正特性サーミスタRcp1,Rcp2によってスイッチ素子制御回路5bを構成している。その他の構成は図1に示したものと同様である。
Next, the configuration of the battery pack protection circuit and the battery pack according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
In the example shown in FIG. 1, a single ceramic positive temperature coefficient thermistor is used, but in the second embodiment, a plurality of ceramic positive temperature coefficient thermistors that are thermally coupled to different parts are used. That is, a series circuit of a battery cell positive temperature coefficient thermistor Rcp1 and a switch element ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcp2 is inserted between the gate control terminal Cout of the protection control circuit 3 and the gate of the second switch element 4b. A resistor R1b is connected between the gate and source of the second switch element 4b. The resistor R1b and the two ceramic positive characteristic thermistors Rcp1 and Rcp2 constitute a switch element control circuit 5b. Other configurations are the same as those shown in FIG.

図2において、電池セル用セラミック正特性サーミスタRcp1は電池セル1と熱的に結合している。スイッチ素子用セラミック正特性サーミスタRcp2は第1・第2のスイッチ素子4a,4bにそれぞれ熱的に結合している。このように複数のセラミック正特性サーミスタを用いることによって、電池セル1の発熱部と第1・第2のスイッチ素子4a,4bとを位置的に離れた箇所に配置することができ、構造設計上の自由度が増す。また、この第1・第2のスイッチ素子のうち1つでもキュリー点を超えると保護動作するので、保護動作をさせる温度を互いに異ならせて、過熱部の対象と温度に応じた保護動作を最適化することもできる。   In FIG. 2, the battery cell ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcp <b> 1 is thermally coupled to the battery cell 1. The ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcp2 for switch elements is thermally coupled to the first and second switch elements 4a and 4b, respectively. By using a plurality of ceramic positive temperature coefficient thermistors as described above, the heat generating portion of the battery cell 1 and the first and second switch elements 4a and 4b can be disposed at positions that are separated from each other. The degree of freedom increases. Also, even if one of the first and second switch elements exceeds the Curie point, the protection operation is performed. Therefore, the protection operation temperature is different from each other, and the protection operation according to the target of the overheated portion and the temperature is optimal. It can also be converted.

ここで注意すべき点は、個別に熱的結合させた上記2つのサーミスタのそれぞれがセラミック正特性サーミスタであるということである。セラミック正特性サーミスタは、温度上昇に対する抵抗値上昇割合が非常に大きいので、単純に直列接続するだけで回路を構成できる。すなわち、直列接続したセラミック正特性サーミスタのいずれか1つでもキュリー点を超えたときに保護動作する、というOR(論理和)条件を満足することができる。このような保護動作を行う回路を、負特性サーミスタを用いて構成しようとしても、それは不可能である。負特性サーミスタでは、温度変化に対する抵抗値変化率がセラミック正特性サーミスタに比べて非常に小さいため、仮に2つの負特性サーミスタを直列接続したとしても、その2つの負特性サーミスタの温度変化が、2つの負特性サーミスタの合成抵抗値の変化として現れるだけであり、この合成抵抗値の変化から、2点の熱検出を同時に行って、一方の温度が所定の上限を超えたときに保護動作を行う、といったことは全く不可能である。   It should be noted here that each of the two thermistors that are individually thermally coupled is a ceramic positive temperature coefficient thermistor. Since the ceramic positive temperature coefficient thermistor has a very large resistance value increase ratio with respect to the temperature increase, a circuit can be configured by simply connecting in series. That is, it is possible to satisfy an OR (logical sum) condition that any one of the ceramic positive characteristic thermistors connected in series performs a protective operation when the Curie point is exceeded. It is impossible to construct a circuit that performs such a protection operation using a negative characteristic thermistor. In the negative characteristic thermistor, the resistance value change rate with respect to the temperature change is very small compared to the ceramic positive characteristic thermistor. Therefore, even if two negative characteristic thermistors are connected in series, the temperature change of the two negative thermistors is 2 It only appears as a change in the combined resistance value of two negative characteristic thermistors, and from this change in the combined resistance value, two points of heat detection are performed simultaneously, and a protective operation is performed when one temperature exceeds a predetermined upper limit. It ’s impossible to do that.

次に、第3の実施形態に係る電池パックの保護回路および電池パックの構成を、図3を基に説明する。
図1や図2に示した例では第2のスイッチ素子4bの制御信号経路にスイッチ素子制御回路5bを設けたが、この第3の実施形態では、第1のスイッチ素子4aの制御信号経路にもスイッチ素子制御回路5aを設けている。すなわち、第1のスイッチ素子4aのゲートと保護制御回路3のゲート制御端子Doutとの間に、第1のスイッチ素子4aと熱的に結合するセラミック正特性サーミスタRcpaを挿入し、またスイッチ素子4aのゲートとソースとの間に抵抗R1aを接続している。この抵抗R1aとセラミック正特性サーミスタRcpaとによってスイッチ素子制御回路5aを構成している。その他の構成は図2に示したものと同様である。
Next, the configuration of the battery pack protection circuit and the battery pack according to the third embodiment will be described with reference to FIG.
In the example shown in FIGS. 1 and 2, the switch element control circuit 5b is provided in the control signal path of the second switch element 4b. In the third embodiment, the control signal path of the first switch element 4a is provided in the control signal path. The switch element control circuit 5a is also provided. That is, a ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcpa that is thermally coupled to the first switch element 4a is inserted between the gate of the first switch element 4a and the gate control terminal Dout of the protection control circuit 3, and the switch element 4a A resistor R1a is connected between the gate and the source. The resistor R1a and the ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcpa constitute a switch element control circuit 5a. Other configurations are the same as those shown in FIG.

この構成によれば、放電時の過電流による第1のスイッチ素子4aの過熱によってセラミック正特性サーミスタRcpaの抵抗値が上昇する。このことによって第1のスイッチ素子4aを遮断状態とし、上記過電流から保護することができる。充電時の保護動作については第2の実施形態の場合と同様である。   According to this configuration, the resistance value of the ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcpa increases due to overheating of the first switch element 4a due to overcurrent during discharge. As a result, the first switch element 4a can be cut off and protected from the overcurrent. The protection operation during charging is the same as that in the second embodiment.

次に、第4の実施形態に係る電池パックの保護回路および電池パックの構成を、図4を基に説明する。
第1〜第3の実施形態では、セラミック正特性サーミスタと抵抗とでスイッチ素子制御回路を構成したが、この第4の実施形態では、第1・第2のスイッチ素子4a,4bの両方の制御信号経路にスイッチ素子制御回路5a,5bを設けている。スイッチ素子制御回路内には更に別のスイッチ素子6a,6bを設けている。スイッチ素子6a,6bは、スイッチ素子4a,4bをそれぞれ制御するための制御用FETである。
Next, the configuration of the battery pack protection circuit and the battery pack according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG.
In the first to third embodiments, the switch element control circuit is configured by the ceramic positive temperature coefficient thermistor and the resistor. However, in the fourth embodiment, both the first and second switch elements 4a and 4b are controlled. Switch element control circuits 5a and 5b are provided in the signal path. Further switch elements 6a and 6b are provided in the switch element control circuit. The switch elements 6a and 6b are control FETs for controlling the switch elements 4a and 4b, respectively.

スイッチ素子制御回路5bは、スイッチ素子4bのゲート・ソース間にスイッチ素子6bのドレイン・ソースを接続し、スイッチ素子4bのゲートと保護制御回路3のゲート制御端子Coutとの間に抵抗R5bを接続し、ゲート制御端子Coutとスイッチ素子6bのゲートとの間に抵抗R4bを接続し、スイッチ素子6bのゲート・ソース間にセラミック正特性サーミスタRcpbを接続している。   The switch element control circuit 5b connects the drain and source of the switch element 6b between the gate and source of the switch element 4b, and connects a resistor R5b between the gate of the switch element 4b and the gate control terminal Cout of the protection control circuit 3. A resistor R4b is connected between the gate control terminal Cout and the gate of the switch element 6b, and a ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcpb is connected between the gate and source of the switch element 6b.

同様に、スイッチ素子制御回路5aは、スイッチ素子4aのゲート・ソース間にスイッチ素子6aのドレイン・ソースを接続し、スイッチ素子4aのゲートと保護制御回路3のゲート制御端子Doutとの間に抵抗R5aを接続し、ゲート制御端子Doutとスイッチ素子6aのゲートとの間に抵抗R4aを接続し、スイッチ素子6aのゲート・ソース間にセラミック正特性サーミスタRcpaを接続している。   Similarly, the switch element control circuit 5 a connects the drain and source of the switch element 6 a between the gate and source of the switch element 4 a, and a resistance is provided between the gate of the switch element 4 a and the gate control terminal Dout of the protection control circuit 3. R5a is connected, a resistor R4a is connected between the gate control terminal Dout and the gate of the switch element 6a, and a ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcpa is connected between the gate and source of the switch element 6a.

セラミック正特性サーミスタRcpaはスイッチ素子4aと熱的に結合している。また、セラミック正特性サーミスタRcpbはスイッチ素子4bと熱的に結合している。   The ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcpa is thermally coupled to the switch element 4a. The ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcpb is thermally coupled to the switch element 4b.

図4に示した回路の動作は次のとおりである。
通常時、保護制御回路3のゲート制御端子Cout,Doutを共にハイレベルとして第1・第2のスイッチ素子4a,4bを共にON状態とする。これにより通常の充放電が可能となる。
The operation of the circuit shown in FIG. 4 is as follows.
During normal operation, both the gate control terminals Cout and Dout of the protection control circuit 3 are set to the high level to turn on both the first and second switch elements 4a and 4b. Thereby, normal charging / discharging becomes possible.

充電電流が大きくなって、保護制御回路3のVssとV−端子との間の電位差が所定のしきい値を超えたなら、保護制御回路3はCout端子をローレベルにする。これにより、スイッチ素子4bが遮断状態となって、その過電流が防止される。また、放電電流が大きくなって、保護制御回路3のVssとV−端子との間の電位差が所定のしきい値を超えたなら、保護制御回路3はDout端子をローレベルにする。これにより、スイッチ素子4aが遮断状態となって、その過電流が防止される。   If the charging current increases and the potential difference between the Vss and V− terminals of the protection control circuit 3 exceeds a predetermined threshold, the protection control circuit 3 sets the Cout terminal to a low level. As a result, the switch element 4b is cut off and its overcurrent is prevented. If the discharge current increases and the potential difference between the Vss and V− terminals of the protection control circuit 3 exceeds a predetermined threshold, the protection control circuit 3 sets the Dout terminal to a low level. As a result, the switch element 4a is cut off and its overcurrent is prevented.

一方、保護制御回路3の動作とは独立して、何らかの異常が発生し、充電電流が過電流状態となって第2のスイッチ素子4bが過熱状態となって、それと熱的に結合したセラミック正特性サーミスタRcpbがそのキュリー点を超える温度にまで上昇すると、その抵抗値が急激に高くなる。これによりスイッチ素子6bのゲート・ソース間電圧が上昇してONする。その結果、スイッチ素子4bのゲート・ソース間電圧が低下し、スイッチ素子4bは遮断状態となる。これによって電池セル1に流れる電流が遮断されて上記異常状態が回避される。   On the other hand, independently of the operation of the protection control circuit 3, some abnormality occurs, the charging current becomes an overcurrent state, the second switch element 4b becomes overheated, and the ceramic positive electrode that is thermally coupled thereto. When characteristic thermistor Rcpb rises to a temperature exceeding its Curie point, its resistance value increases rapidly. As a result, the gate-source voltage of the switch element 6b rises and turns on. As a result, the gate-source voltage of the switch element 4b is lowered, and the switch element 4b is cut off. As a result, the current flowing through the battery cell 1 is interrupted and the abnormal state is avoided.

同様に、放電電流が過電流状態となって第1のスイッチ素子4aが過熱状態となって、それと熱的に結合したセラミック正特性サーミスタRcpaがそのキュリー点を超える温度にまで上昇すると、その抵抗値が急激に高くなる。これによりスイッチ素子6aのゲート・ソース間電圧が上昇してONする。その結果、スイッチ素子4aのゲート・ソース間電圧が低下し、スイッチ素子4aは遮断状態となる。これによって電池セル1から流れる電流が遮断されて上記異常状態が回避される。   Similarly, when the discharge current becomes an overcurrent state, the first switch element 4a becomes overheated, and the ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcpa thermally coupled thereto rises to a temperature exceeding its Curie point, its resistance The value increases rapidly. As a result, the gate-source voltage of the switch element 6a rises and turns on. As a result, the gate-source voltage of the switch element 4a is lowered, and the switch element 4a is cut off. As a result, the current flowing from the battery cell 1 is cut off, and the abnormal state is avoided.

なお、このように、スイッチ素子制御回路に制御用FETであるスイッチ素子6a,6bを設けたことにより、異常時に4a,4bのゲート・ソース間電圧をより低くでき、4a,4bの遮断をより確実に行える。   In this way, by providing the switch elements 6a and 6b, which are control FETs, in the switch element control circuit, the voltage between the gate and the source of 4a and 4b can be lowered at the time of abnormality, and the blocking of 4a and 4b can be further reduced. It can be done reliably.

次に、第5の実施形態に係る電池パックの保護回路および電池パックの構成を、図5を基に説明する。
図4に示した例と異なるのは、セラミック正特性サーミスタ部分を2つのセラミック正特性サーミスタの直列回路で構成し、そのうちの一方を第1・第2のスイッチ素子4a・4bに熱的に結合させ、他方を電池セル1に熱的に結合させている点である。
Next, the configuration of the battery pack protection circuit and the battery pack according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG.
The difference from the example shown in FIG. 4 is that the ceramic positive temperature coefficient thermistor portion is composed of a series circuit of two ceramic positive temperature coefficient thermistors, and one of them is thermally coupled to the first and second switch elements 4a and 4b. The other is thermally coupled to the battery cell 1.

このような構成であるため、電池セル1が過熱状態となって、セラミック正特性サーミスタRcp1aがキュリー点を超える温度に達すると、スイッチ素子6aがONし、スイッチ素子4aが遮断状態となって電池セル1が過熱から保護される。同様に、セラミック正特性サーミスタRcp1bがキュリー点を超える温度に達すると、スイッチ素子6bがONし、スイッチ素子4bが遮断状態となって電池セル1が過熱から保護される。したがって、スイッチ素子4a,4bと電池セル1のどちらが先に過熱状態になっても保護動作が機能する。その他の動作は第4の実施形態の場合と同様である。   With such a configuration, when the battery cell 1 is overheated and the ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcp1a reaches a temperature exceeding the Curie point, the switch element 6a is turned on, and the switch element 4a is turned off and the battery Cell 1 is protected from overheating. Similarly, when the ceramic positive temperature coefficient thermistor Rcp1b reaches a temperature exceeding the Curie point, the switch element 6b is turned on, the switch element 4b is cut off, and the battery cell 1 is protected from overheating. Accordingly, the protection operation functions regardless of which of the switch elements 4a and 4b and the battery cell 1 is overheated first. Other operations are the same as those in the fourth embodiment.

このようにセラミック正特性サーミスタを、第1および第2のスイッチ素子4a,4bの少なくとも一方と熱的に結合するスイッチ素子用セラミック正特性サーミスタRcp2a,Rcp2bと、電池セル1と熱的に結合する電池セル用セラミック正特性サーミスタRcp1a,Rcp1bとに分けるとともに、その2つのセラミック正特性サーミスタを電気的に直列接続したことにより、スイッチ素子用セラミック正特性サーミスタRcp2a,Rcp2bがスイッチ素子4a,4bに、電池セル用セラミック正特性サーミスタRcp1a,Rcp1bが電池セル1に、それぞれ熱的に強く結合して過熱保護の応答性を高めることができる。しかも回路的には、上記2つのセラミック正特性サーミスタを直列に接続するだけであるので、回路規模が殆ど増大することもない。   In this way, the ceramic positive temperature coefficient thermistors Rcp2a and Rcp2b for thermally coupling the ceramic positive temperature coefficient thermistor to at least one of the first and second switch elements 4a and 4b and the battery cell 1 are thermally coupled. The ceramic positive characteristic thermistors Rcp1a and Rcp1b for battery cells are divided into two ceramic positive characteristic thermistors Rcp1a and Rcp1b, and the ceramic positive characteristic thermistors Rcp2a and Rcp2b for switch elements are connected to the switch elements 4a and 4b by electrically connecting them in series. The battery positive ceramic thermistors Rcp1a and Rcp1b for the battery cells can be thermally and strongly coupled to the battery cell 1 to enhance the overheat protection response. Moreover, in terms of the circuit, since the two ceramic positive temperature coefficient thermistors are simply connected in series, the circuit scale is hardly increased.

第1の実施形態に係る電池パックの保護回路および電池パックの構成を示す回路図The circuit diagram which shows the protection circuit of the battery pack which concerns on 1st Embodiment, and the structure of a battery pack 第2の実施形態に係る電池パックの保護回路および電池パックの構成を示す回路図The circuit diagram which shows the protection circuit of the battery pack which concerns on 2nd Embodiment, and the structure of a battery pack 第3の実施形態に係る電池パックの保護回路および電池パックの構成を示す回路図The circuit diagram which shows the protection circuit of the battery pack which concerns on 3rd Embodiment, and the structure of a battery pack 第4の実施形態に係る電池パックの保護回路および電池パックの構成を示す回路図The circuit diagram which shows the protection circuit of the battery pack which concerns on 4th Embodiment, and the structure of a battery pack 第5の実施形態に係る電池パックの保護回路および電池パックの構成を示す回路図The circuit diagram which shows the protection circuit of the battery pack which concerns on 5th Embodiment, and the structure of a battery pack 従来の電池パックの保護回路の構成を示す回路図Circuit diagram showing configuration of protection circuit of conventional battery pack

符号の説明Explanation of symbols

1−電池セル
3−保護制御回路
4a−第1のスイッチ素子
4b−第2のスイッチ素子
5−スイッチ素子制御回路
6−スイッチ素子
10−電池パック
Rcp−セラミック正特性サーミスタ
Cout,Dout−ゲート制御端子
1-battery cell 3-protection control circuit 4a-first switch element 4b-second switch element 5-switch element control circuit 6-switch element 10-battery pack Rcp-ceramic positive temperature coefficient thermistor Cout, Dout-gate control terminal

Claims (6)

電池セルから流れる放電電流を遮断する第1のスイッチ素子と、前記電池セルに流れる充電電流を遮断する第2のスイッチ素子と、前記電池セルの電圧、電流、または周囲温度の異常状態を検出するとともに前記第1・第2のスイッチ素子を制御して前記異常状態から前記電池セルを保護する保護制御回路とを備えた電池パックの保護回路において、
前記第1のスイッチ素子、第2のスイッチ素子、および前記電池セルの少なくとも1つと熱的に結合し、前記第1および第2のスイッチ素子の少なくとも一方の制御信号経路に挿入され、前記第1のスイッチ素子、第2のスイッチ素子および前記電池セルのうち少なくとも2つとそれぞれ熱的に結合する複数の正特性サーミスタを含むスイッチ素子制御回路を設けて、前記第1のスイッチ素子、第2のスイッチ素子、または前記電池セルの過熱時の前記正特性サーミスタの抵抗値増加により、前記制御信号経路に前記スイッチ素子制御回路が挿入された第1または第2のスイッチ素子を遮断するようにした電池パックの保護回路。
A first switch element that cuts off a discharge current flowing from the battery cell, a second switch element that cuts off a charging current flowing through the battery cell, and an abnormal state of the voltage, current, or ambient temperature of the battery cell are detected. And a protection control circuit for protecting the battery cell from the abnormal state by controlling the first and second switch elements, and a protection circuit for a battery pack,
Said first switching element, second switching element, and said at least one thermally coupled to the battery cell is inserted into at least one control signal path of the first and second switching element, the first A switch element control circuit including a plurality of positive temperature coefficient thermistors that are thermally coupled to at least two of the switch elements, the second switch elements, and the battery cells, and the first switch elements and the second switches A battery pack configured to shut off the first or second switch element in which the switch element control circuit is inserted in the control signal path due to an increase in the resistance value of the positive temperature coefficient thermistor when the element or the battery cell is overheated Protection circuit.
前記スイッチ素子制御回路が前記第2のスイッチ素子の制御信号経路にのみ挿入された、請求項1に記載の電池パックの保護回路。 The battery pack protection circuit according to claim 1 , wherein the switch element control circuit is inserted only in a control signal path of the second switch element. 前記第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子はFETであり、前記保護制御回路は前記FETのゲートを制御するゲート制御端子を備えた集積回路である、請求項1または2に記載の電池パックの保護回路。 3. The battery pack according to claim 1, wherein the first switch element and the second switch element are FETs, and the protection control circuit is an integrated circuit including a gate control terminal that controls a gate of the FET. Protection circuit. 前記スイッチ素子制御回路は、前記FETのゲート・ソース間を接続した抵抗と、前記保護回路のゲート制御端子と前記FETのゲートとの間に挿入した前記1つ以上の正特性サーミスタとからなる、請求項3に記載の電池パックの保護回路。 The switch element control circuit comprises a resistor connected between the gate and source of the FET, and the one or more positive temperature coefficient thermistors inserted between the gate control terminal of the protection circuit and the gate of the FET. The battery pack protection circuit according to claim 3 . 前記スイッチ素子制御回路は、前記FETのゲート・ソース間にドレインおよびソースをそれぞれ接続した制御用FETと、該制御用FETのゲート・ソース間を接続した前記1つ以上の正特性サーミスタとからなる、請求項3に記載の電池パックの保護回路。 The switch element control circuit includes a control FET in which a drain and a source are connected between the gate and source of the FET, and the one or more positive temperature coefficient thermistors in which the gate and the source of the control FET are connected. The battery pack protection circuit according to claim 3 . 請求項1〜5のいずれかに記載の電池パックの保護回路と、前記電池セルとを備えた電池パック。 The battery pack provided with the protection circuit of the battery pack in any one of Claims 1-5 , and the said battery cell.
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