JP4182313B2 - 二次電池の保護方法及び保護回路 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、リチウムイオン電池のような、充電可能な電池(二次電池)を備えた電池ユニットに用いられる二次電池の保護回路に関し、特に、過放電防止機構と過電流防止機構とを備えた二次電池の保護回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
充電可能な電池(二次電池)のうち、特にリチウムイオン電池は、過放電、過充電に弱いため、過放電状態、過充電状態を検出して、過放電状態及び過充電状態から二次電池を保護するための保護回路が不可欠である。すなわち、保護回路は、過放電防止機構と過充電防止機構とを備えている。尚、この保護回路には、二次電池の放電中における過電流状態をも検出して、過電流状態から二次電池を保護しているものもある。この場合、保護回路は、過放電防止機構と過充電防止機構と過電流防止機構とを備えている。以下では、先ず、過放電防止機構と過充電防止機構とを備えた、二次電池の保護回路について説明する。
【0003】
このような二次電池の保護回路は、例えば、特許第2872365号公報(以下、「先行技術文献」と呼ぶ。)に「充電式の電源回路」として開示されている。以下では、この先行技術文献の記載に基づいて、従来の二次電池の保護回路について説明する。
【0004】
図3を参照して、従来の保護回路200’を備えた電池ユニット100’について説明する。電池ユニット100’は電池パックとも呼ばれ、正極端子101と負極端子102とを持つ。正極端子101及び負極端子102は外部接続端子とも呼ばれる。正極端子101と負極端子102との間には、負荷(図示せず)または充電器(図示せす)が接続される。
【0005】
図示の電池ユニット100’は、少なくとも1個のリチウムイオン電池(単位電池)301を含む二次電池300を有する。二次電池300はバッテリ電圧(電池電圧)Vccを発生している。この二次電池300には保護回路200’が並列に接続されている。保護回路200’は、過放電防止機構(後で図面を参照して詳述する)と、過充電防止機構と、過電流防止機構(後で図面を参照して詳述する)とを持つ。
【0006】
保護回路200’の過放電防止機構には、過放電検出しきい値電圧Vth(od)が設定されている。すなわち、過放電防止機構は、放電中に、バッテリ電圧Vccと過放電検出しきい値電圧Vth(od)とを比較し、バッテリ電圧Vccが過放電検出しきい値電圧Vth(od)よりも低くなると「過放電」と判定して、論理ローレベルの過放電検出信号を出力する。一方、放電中に、バッテリ電圧Vccが、過放電検出しきい値電圧Vth(od)に過放電用ヒステリシス電圧Vhy(od)を加えて得られる過放電復帰電圧(Vth(od)+Vhy(od))よりも高くなると、過放電防止機構は論理ハイレベルの過放電保護解除信号を出力する。
【0007】
同様に、保護回路200’の過充電防止機構には、過充電検出しきい値電圧Vth(oc)が設定されている。すなわち、過充電防止機構は、充電中に、バッテリ電圧Vccと過充電検出しきい値電圧Vth(oc)とを比較し、バッテリ電圧Vccが過充電検出しきい値電圧Vth(oc)よりも高くなると過充電と判定して、論理ローレベルの過充電検出信号を出力する。一方、充電中に、バッテリ電圧Vccが、過充電検出しきい値電圧Vth(oc)から過充電用ヒステリシス電圧Vhy(oc)を引いて得られる過充電復帰電圧(Vth(oc)−Vhy(oc))よりも低くなると、過充電防止機構は論理ハイレベルの過充電保護解除信号を出力する。
【0008】
保護回路200’の過電流防止機構については後で図面を参照して詳述する。
【0009】
尚、二次電池300の陰極(−極)と負極端子102との間には、第1及び第2の電界効果トランジスタFET1及びFET2が直列接続されている。第1の電界効果トランジスタFET1は放電制御FETまたは放電制御スイッチと呼ばれ、第2の電界効果トランジスタFET2は充電制御FETまたは充電制御スイッチと呼ばれる。
【0010】
第1の電界効果トランジスタFET1のゲートに過放電防止機構から論理ローレベルの過放電検出信号が供給されると、第1の電界効果トランジスタFET1はオフする。一方、第1の電界効果トランジスタFET1のゲートに過放電防止機構から論理ハイレベルの過放電保護解除信号が供給されると、第1の電界効果トランジスタFET1はオンする。同様に、第2の電界効果トランジスタFET2のゲートに過充電防止機構から論理ローレベルの過充電検出信号が供給されると、第2の電界効果トランジスタFET2はオフする。第2の電界効果トランジスタFET2のゲートに過充電防止機構から論理ハイレベルの過充電保護解除信号が供給されると、第2の電界効果トランジスタFET2はオンする。
【0011】
上記先行技術文献に記載されているように、第1の電界効果トランジスタFET1は寄生ダイオードDp1を持ち、その順方向が二次電池300の充電方向になるように接続されている。また、第2の電界効果トランジスタFET2は、寄生ダイオードDp2を持ち、その順方向が二次電池300の放電方向になるように接続されている。尚、寄生ダイオードDp1およびDp2はボディダイオードとも呼ばれる。
【0012】
次に、図4をも参照して、図3に示した電池ユニット(電池パック)100’の動作について説明する。最初に放電時の動作について説明し、後で充電時の動作について説明する。
【0013】
放電時には、正極端子101と負極端子102との間に負荷(図示せず)が接続される。二次電池300が放電していくと、図4の点線で示すように、そのバッテリ電圧Vccは徐々に低下していく。そして、バッテリ電圧Vccが過放電検出しきい値電圧Vth(od)よりも低くなると、過放電防止機構は論理ローレベルの過放電検出信号を出力する。この過放電検出信号に応答して、第1の電界効果トランジスタFET1はオフし、これにより過放電が防止される。
【0014】
過放電であることが何らかの報知手段によりユーザに知らされると、ユーザは外部接続端子101、102間から負荷を取り外し、その代りに外部接続端子101、102間に充電器(図示せず)を接続する。これにより、二次電池300の充電が開始される。このとき、第1の電界効果トランジスタFET1では、その寄生ダイオードDp1を介して充電電流が流れる。そして、二次電池300のバッテリ電圧Vccが、過放電検出しきい値電圧Vth(od)よりも高くなると、過放電防止機構は、論理ハイレベルの過放電保護解除信号を出力する。この過放電保護解除信号に応答して、第1の電界効果トランジスタFET1はオンする。
【0015】
したがって、充電器が端子101,102間に接続されてから第1の電界効果トランジスタFET1がオンするまでの期間、第1の電界効果トランジスタFET1ではその寄生ダイオードDp1を介して充電電流が流れ続けるので、そこでエネルギーが消費される。
【0016】
さて、このようして二次電池300の充電が続けられると、そのバッテリ電圧Vccは、図4の実線で示すように、徐々に上昇する。そして、バッテリ電圧Vccが過充電検出しきい値電圧Vth(oc)よりも高くなると、過充電防止機構は論理ローレベルの過充電検出信号を出力する。この過充電検出信号に応答して、第2の電界効果トランジスタFET2はオフし、これにより過充電が防止される。
【0017】
過充電であることが何らかの報知手段(図示せず)によりユーザに知らされると、ユーザは充電が完了したと判断する。そして、ユーザは、外部接続端子101、102間から充電器を取り外し、その代りに外部接続端子101、102間に負荷を接続する。これにより、二次電池300から負荷への放電が開始される。このとき、第2の電界効果トランジスタFET2では、その寄生ダイオードDp2を介して放電電流が流れる。そして、二次電池300のバッテリ電圧Vccが、過充電検出しきい値電圧Vth(oc)よりも低くなると、過充電防止機構は論理ハイレベルの過充電保護解除信号を出力する。この過充電保護解除信号に応答して、第2の電界効果トランジスタFET2はオンする。
【0018】
したがって、負荷が端子101,102間に接続されてから第2の電界効果トランジスタFET2がオンするまでの期間、第2の電界効果トランジスタFET2ではその寄生ダイオードDp2を介して放電電流が流れ続けるので、そこでエネルギーが消費される。
【0019】
次に、図5を参照して、過放電防止機構と過電流防止機構とを備えた、従来の二次電池の保護回路について説明する。尚、実際の保護回路は、前述したように、過充電防止機構をも備えているけれども、本発明は過充電防止機構には直接関係しないので、それについての図示および説明を省略する。
【0020】
保護回路200’は、過放電検出部210と、バイアス維持回路220と、放電オフ制御部230と、出力段240’と、過電流検出部250と、充電検出部260とを有する。バイアス維持回路220と放電オフ制御部230と出力段240’との組み合わせは出力制御部と呼ばれる。また、過放電検出部210と出力制御部との組み合わせは放電制御回路と呼ばれる。
【0021】
過放電検出部210は、過放電検出コンパレータCO1と、ヒステリシススイッチとして動作するnpn形トランジスタQ1と、pnp形トランジスタQ2と、電池電圧Vccが供給される電源端子と接地端子との間に直列接続されたブリーダ抵抗R1,R2,R3と、過放電検出電圧を設定するための過放電検出用基準電圧を発生する基準電圧発生回路VR1とを有する。
【0022】
npn形トランジスタQ1のエミッタは接地され、コレクタは抵抗R2とR3との接続点に接続されている。すなわち、抵抗R3の両端に並列にnpn形トランジスタQ1が接続されている。npn形トランジスタQ1のベースはpnp形トランジスタQ2のコレクタに接続されている。pnp形トランジスタQ2のエミッタは電源端子に接続されている。過放電検出コンパレータCO1の−入力端子は基準電圧発生回路VR1に接続され、+入力端子は抵抗R1とR2との接続点に接続されている。
【0023】
過放電検出部210とバイアス維持回路220との間には、npn形トランジスタQ3,Q4と、pnp形トランジスタQ5とが挿入されている。npn形トランジスタQ3のエミッタは接地され、ベースは過放電検出コンパレータCO1の出力端子に接続されている。npn形トランジスタQ4のエミッタは接地され、コレクタはnpn形トランジスタQ3のコレクタに接続されている。すなわち、npn形トランジスタQ3およびQ4は互いに並列に接続されている。pnp形トランジスタQ5のエミッタは電源端子に接続され、ベースとコレクタとは互いに接続され、コレクタはnpn形トランジスタQ3およびQ4のコレクタに接続されている。また、pnp形トランジスタQ5のベースはpnp形トランジスタQ2のベースに接続されている。すなわち、pnp形トランジスタQ5とQ2との組み合わせは、カレントミラー回路を構成している。
【0024】
バイアス維持回路220は、コンパレータCO2と、定電流源IO1と、pnp形トランジスタQ5と、コンデンサC1と、npn形トランジスタQ6と、pnp形トランジスタQ7およびQ8とを有する。
【0025】
npn形トランジスタQ6のエミッタは接地され、ベースは過放電検出コンパレータCO1の出力端子に接続されている。pnp形トランジスタQ7のエミッタは電源端子に接続され、ベースとコレクタは互いに接続され、コレクタはnpn形トランジスタQ6のコレクタに接続されている。pnp形トランジスタQ8のエミッタは電源端子に接続され、ベースはpnp形トランジスタQ7のベースに接続されている。すなわち、pnp形トランジスタQ7およびQ8の組み合わせはカレントミラー回路を構成している。コンパレータCO2の+入力端子は定電流源IO1を介して接地されている。定電流源IO1に並列にコンデンサC1が接続されている。また、コンパレータCO2の+入力端子にはpnp形トランジスタQ8のコレクタが接続されている。コンパレータCO2の出力端子はnpn形トランジスタQ4のベースに接続されている。
【0026】
バイアス維持回路220と放電オフ制御部230との間には、pnp形トランジスタQ9と、ツェナーダイオードZD1と、直列接続されたブリーダ抵抗R4,R5,R6,R7とが、設けられている。直列接続されたブリーダ抵抗R4〜R7は、ツェナーダイオードZD1に並列に接続されている。
【0027】
pnp形トランジスタQ9のエミッタは電源端子に接続され、ベースはpnp形トランジスタQ5のベースに接続されている。すなわち、pnp形トランジスタQ5とQ9の組み合わせはカレントミラー回路を構成している。pnp形トランジスタQ9のコレクタはツェナーダイオードZD1を介して接地されている。ブリーダ抵抗R4〜R7はツェナーダイオードZD1のツェナー電圧を第1乃至第3の分圧電圧V1,V2,V3に分圧する。ここで、V1>V2>V3の関係がある。
【0028】
第1の分圧電圧V1は放電オフ制御部230に供給され、第2の分圧電圧V2はバイアス維持回路220に供給され、第3の分圧電圧V3は過電流検出部250に供給されている。第2の分圧電圧V2はコンパレータCO2の−入力端子に供給される。
【0029】
放電オフ制御部230は、コンパレータCO3とnpn形トランジスタQ10とを有する。コンパレータCO3の−入力端子にはコンデンサC1の充電電圧が供給され、+入力端子には第1の分圧電圧V1が供給されている。コンパレータCO3の出力端子はnpn形トランジスタQ10のベースに接続されている。npn形トランジスタQ10のエミッタは接地されている。
【0030】
出力段240’は、pnp形トランジスタQ11と、npn形トランジスタQ12およびQ13と、pnp形トランジスタQ14およびQ15と、npn形トランジスタQ16およびQ17と、定電流源IO2とを有する。
【0031】
pnp形トランジスタQ11のエミッタは電源端子に接続され、ベースはpnp形トランジスタQ5のベースに接続されている。すなわち、pnp形トランジスタQ5およびQ11の組み合わせはカレントミラー回路として働く。pnp形トランジスタQ11のコレクタはnpn形トランジスタQ12のコレクタに接続されている。npn形トランジスタQ12のコレクタは、自身のベースとnpn形トランジスタQ10のコレクタとに接続され、エミッタは接地されている。すなわち、npn形トランジスタQ12とQ10は並列に接続されている。
【0032】
また、npn形トランジスタQ12のベースにはnpn形トランジスタQ13のベースに接続されている。npn形トランジスタQ13のエミッタは接地されている。すなわち、npn形トランジスタQ12およびQ13の組み合わせはカレントミラー回路として働く。npn形トランジスタQ13のコレクタはpnp形トランジスタQ14のコレクタに接続されている。pnp形トランジスタQ14のエミッタは電源端子に接続され、ベースは自身のコレクタとpnp形トランジスタQ15のベースとに接続されている。npn形トランジスタQ15のエミッタは電源端子に接続されている。すなわち、pnp形トランジスタQ14およびQ15の組み合わせはカレントミラー回路として働く。pnp形トランジスタQ15のコレクタは、npn形トランジスタQ16およびQ17のコレクタに接続されると共に、放電制御FETのゲートに接続されている。npn形トランジスタQ16およびQ17のエミッタは接地されている。npn形トランジスタQ17のベースは定電流源IO2を介して電源端子に接続されている。
【0033】
過電流検出部250はコンパレータCO4を有する。コンパレータCO4の−入力端子には第3の分圧電圧V3が供給され、+入力端子は抵抗R8を介して放電制御FETのドレインに接続されている。また、コンパレータCO4の出力端子はnpn形トランジスタQ16,Q18,およびQ19のベースに接続されている。
【0034】
npn形トランジスタQ18のエミッタは接地され、コレクタは過放電検出コンパレータCO1の出力端子とnpn形トランジスタQ16のベースとに接続されている。npn形トランジスタQ19のエミッタは接地され、コレクタは抵抗R9を介して放電制御FETのドレインに接続されている。
【0035】
充電検出部260はコンパレータCO5と基準電圧発生回路VR2とを有する。コンパレータCO5の+入力端子には基準電圧発生回路VR2からの基準電圧が供給され、−入力端子は抵抗R8を介して放電制御FETのドレインに接続されている。コンパレータCO5の出力端子はnpn形トランジスタQ18のコレクタに接続されている。
【0036】
次に、図5を参照して、従来の保護回路200’における放電制御回路の動作について説明する。
【0037】
過放電検出部210のみ常時動作している。過放電検出コンパレータCO1は、電池電圧Vccが過放電検出電圧より高いとき、論理“H”レベルの信号を出力する。過放電検出コンパレータCO1の出力が論理“H”レベルのとき、npn形トランジスタQ2により過放電検出コンパレータCO1以降の全回路にバイアス電流が流れ動作する。
【0038】
バイアス維持回路220において、コンパレータCO2の+入力端子に接続されたコンデンサC1をpnp形トランジスタQ8により充電する。このコンデンサC1の充電電圧が、コンパレータCO2の−入力端子に供給される第2の分圧電圧以上になると、npn形トランジスタQ4がオン状態になり、前述したバイアス電流はこのループからも動作維持するように働く。
【0039】
また、放電オフ制御部230において、コンパレータCO3の−入力端子の電位が持ち上がるので、コンパレータCO3の出力は論理“L”レベルとなり、npn形トランジスタQ10はオフ状態となる。
【0040】
バイアス電流が流れることで、最終出力段240’のnpn形トランジスタQ12がオン状態にあり、pnp形トランジスタQ15により放電制御FETのゲートを論理“H”レベルにし、放電制御FETはオン状態になる。
【0041】
次に、過放電時の動作について説明する。
【0042】
電池電圧Vccが過放電検出電圧より低くなると、過放電検出コンパレータCO1の出力が論理“L”レベルになり、npn形トランジスタQ3はオフ状態になる。出力制御部は、npn形トランジスタQ4によりバイアス電流が維持されており、動作は継続する。
【0043】
pnp形トランジスタQ8は、過放電検出コンパレータCO1の出力が論理“L”レベルで、オフ状態となるので、コンパレータCO2の+入力端子に接続されたコンデンサC1は定電流源IO1により放電される。
【0044】
放電オフ制御部230において、コンパレータCO3の−入力端子に印加される電圧が上記コンデンサC1の放電により下がり、コンパレータCO3の−入力端子の電位が+入力端子に供給される第1の分圧電圧V1より下がった時点で、npn形トランジスタQ10がオン状態に、pnp形トランジスタQ15がオフ状態になる。npn形トランジスタQ17により放電制御FETのゲート電圧を論理“L”レベルにし、放電制御FETはオフになる。
【0045】
その後、コンパレータCO2の+入力端子の電位が−入力端子に供給される第2の分圧電圧以下になった時点で、npn形トランジスタQ4もオフ状態となる。これにより、放電制御部のバイアスがなくなり、放電制御部全体の回路電流は零になる。
【0046】
一方、放電制御FETのゲートは、npn形トランジスタQ17により論理“L”レベルを維持する。npn形トランジスタQ17のベース電流は微小電流であるので、npn形トランジスタQ17の能力を極力抑え、回路電流の低減を図っている。
【0047】
pnp形トランジスタQ5がオフ状態になると、過放電検出部210のヒステリシススイッチQ1がオフになり、過放電検出部210のしきい値が変る。これにより、過放電検出部210にヒステリシスを持たせている。
【0048】
次に、過電流検出時の動作について説明する。
【0049】
過電流検出部250において、コンパレータCO4の−入力端子には、ツェナーダイオードZD1のツェナー電圧を抵抗分圧した第3の分圧電圧V3が供給され、+入力端子には、放電制御FETのドレイン電圧が入力されている。
【0050】
放電制御FETがオンの時、そのオン抵抗は非常に小さい。このオン抵抗をRonで表すと、上記ドレイン電圧として、[負荷(放電)電流×Ron]が発生している。
【0051】
コンパレータCO4の+入力端子に印加されるドレイン電圧[負荷(放電)電流×Ron]がその−入力端子に供給されている第3の分圧電圧V3より高くなると、npn形トランジスタQ18がオン状態となる。これにより、コンパレータCO2の+入力端子を持ち上げているpnp形トランジスタQ8をオフ状態にさせ、定電流源IO1によりコンデンサC1を放電させる。
【0052】
コンデンサC1の充電電圧が低下し、コンパレータCO3の出力が反転すると、npn形トランジスタQ10がオン状態、npn形トランジスタQ12およびpnp形トランジスタQ15がオフ状態、npn形トランジスタQ16がオンになり、放電制御FETのゲートは論理“L”レベルになる。
【0053】
この時、過放電検出部210では、その過放電検出コンパレータCO1の出力が論理“H”レベルのままであれば、npn形トランジスタQ3はオン状態を維持する。したがって、全体回路のバイアス電流はこの電流により維持され、全体回路の動作を継続することができる。
【0054】
コンパレータCO4の出力により、npn形トランジスタQ19もオン状態になる。これは負荷電流をnpn形トランジスタQ19経由で流すためである。npn形トランジスタQ19の電流能力と負荷電流との関係で放電制御FETのドレイン電圧が決まる。すなわち、負荷電流が小さくなると、ドレイン電圧が低下する。ドレイン電圧がコンパレータCO4の−入力端子に供給される第3の分圧電圧V3以下になると、元の状態に戻る。
【0055】
次に、充電検出時の動作について説明する。
【0056】
充電器が端子101,102間に接続され、充電電流により放電制御FETのドレイン電圧が、コンパレータCO5の+入力端子に印加されている基準電圧以下まで低下したとする。すると、コンパレータCO5の出力が反転し、コンパレータCO2の+入力端子の電位を持ち上げるpnp形トランジスタQ8をオンさせる。これによりコンデンサC1を充電する。コンパレータCO2の+入力端子に印加されるコンデンサC1の充電電圧がその−入力端子に印加される第2の分圧電圧V2以上になると、npn形トランジスタQ4がオン状態になる。これにより、全体回路のバイアス電流が流れ、回路全体が動作状態となる。
【0057】
従って、出力段240’のnpn形トランジスタQ12およびpnp形トランジスタQ15がオン状態になり、放電制御FETのゲートを論理“H”レベルにする。これにより、放電制御FETはオン状態になる。
【0058】
この時、ヒステリシススイッチQ1もオン状態になるので、過放電検出部210の過放電検出コンパレータCO1のしきい値は過放電検出電圧側に移行する。すなわち、ヒステリシスが解除される。
【0059】
また、放電制御FETがオン状態になると、そのドレイン電圧がソース電圧まで上昇する。これにより、充電検出部260のコンパレータCO5の出力は再度切り替わり、pnp形トランジスタQ8はオフ状態となる。定電流源IO1によるコンデンサC1の放電により、コンデンサC1の充電電圧がコンパレータCO2の−入力端子に印加される第2の分圧電圧V2まで下がる期間の間、全体回路のバイアス電流は維持される。
【0060】
電池電圧Vccが過放電検出電圧以下の場合、上述した動作が繰り返し行われる。電池電圧Vccが過放電検出電圧以上になると、過放電検出部210の過放電検出コンパレータCO1の出力が論理“H”レベルになる。これにより、npn形トランジスタQ2によるバイアス維持と、pnp形トランジスタQ5によりコンパレータCO2の+入力端子を論理“H”レベルにすることで、コンパレータCO2の出力は論理“H”レベルを維持する。
【0061】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の保護回路200’では、外部接続端子101,102間に負荷を接続した放電時において、一旦、過放電防止機構によって過放電状態が検出されて第1の電界効果トランジスタFET1がオフすると、その後に、たとえ外部接続端子101、102間に充電器を接続したとしても、前述したように、第1の電界効果トランジスタFET1は直ぐにはオンしない。この第1の電界効果トランジスタFET1がオフしている間、第1の電界効果トランジスタFET1ではその寄生ダイオードDp1を介して充電電流が流れ続ける。この時間の間、第1の電界効果トランジスタFET1ではエネルギーが消費されることになる。その為、この期間が余りに長いと、第1の電界効果トランジスタFET1で熱が発生し、この発生した熱により第1の電界効果トランジスタFET1が破壊する虞がある。
【0062】
また、従来の保護回路200’では、外部接続端子101,102間に充電器を接続した充電時において、充電回路側で二次電池300の正確なバッテリ電圧Vccを測定することができない。すなわち、バッテリ電圧Vccが低いと、充電回路側では、このバッテリ電圧Vccに寄生ダイオードDp1の順方向電圧VFを加算して得られる電圧(Vcc+VF)を測定してしまい、真値に対して高く測定してしまう。例えば、バッテリ電圧Vccが2.4Vで、順方向電圧VFが0.6Vであるとすると、第1の電界効果トランジスタFET1がオフしている間は、充電回路側ではバッテリ電圧が3.0Vであると測定してしまう。そして、第1の電界効果トランジスタFET1がオンしたときに初めて、真のバッテリ電圧Vccに近い電圧を測定できることになる。
【0063】
したがって、本発明の課題は、放電制御スイッチ(放電制御FET)が破壊するのを防止することができる、二次電池の保護方法および保護回路を提供することにある。
【0064】
本発明の他の課題は、充電時において常に真のバッテリ電圧に近い電圧を測定することが可能な、二次電池の保護方法および保護回路を提供することにある。
【0065】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、二次電池(300)から外部接続端子(101,102)間に接続された負荷へ流す放電電流を放電制御スイッチ(FET1)のオン/オフにより制御することにより、前記二次電池(300)を保護する方法において、前記外部接続端子(101,102)間に前記負荷を接続した放電時に、前記二次電池(300)の両端の電圧(Vcc)が所定の過放電検出しきい値電圧(Vth(od))よりも低くなったときに、前記放電制御スイッチ(FET1)の出力インピーダンスを、オンするときより大きくかつオフするときより小さい抵抗値にして過電流動作させ、これにより、前記外部接続端子(101,102)間に充電器を接続した充電時に、過電流検出を解除させることにより、直ちに前記放電制御スイッチ(FET1)をオン状態とさせるようにしたことを特徴とする二次電池の保護方法が得られる。
【0066】
また、本発明によれば、二次電池(300)から外部接続端子(101,102)間に接続された負荷へ流す放電電流を放電制御スイッチ(FET1)のオン/オフにより制御することにより、前記二次電池(300)を保護する回路において、前記外部接続端子(101,102)間に前記負荷を接続した放電時に、前記二次電池(300)の両端の電圧(Vcc)が所定の過放電検出しきい値電圧(Vth(od))よりも低くなったときに、前記放電制御スイッチ(FET1)の出力インピーダンスを、オンするときより大きくかつオフするときより小さい抵抗値にする設定して過電流動作させる手段を備え、これにより、前記外部接続端子(101,102)間に充電器を接続した充電時に、過電流検出を解除させることにより、直ちに前記放電制御スイッチ(FET1)をオン状態とさせるようにしたことを特徴とする二次電池の保護回路が得られる。
【0067】
上記括弧内の符号は、本発明の理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、これらに限定されないのは勿論である。
【0068】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0069】
図1を参照して、本発明の一実施の形態に係る保護回路200について説明する。図示の保護回路200は、以下に述べる点が相違していることを除いて、図5に示した保護回路200’と実質的に同様の構成を有する。
【0070】
相違点の1つ目は、従来の保護回路200’では、npn形トランジスタQ3のベースは、過放電検出部210の過電流検出コンパレータCO1の出力端子に接続されているのに対して、本実施の形態の保護回路200では、npn形トランジスタQ3のベースは、過電流検出部250のコンパレータCO4の出力端子にインバータIVを介して接続されていることである。相違点の2つ目は、従来の保護回路200’では、過電流検出部250のコンパレータCO4の出力端子と放電制御FETのドレインとの間に、npn形トランジスタQ19と抵抗R9とが挿入されているのに対して、本実施の形態の保護回路200では、npn形トランジスタQ19と抵抗R9とを削除したことである。相違点の3つ目は、従来の保護回路200’では、出力段240’において、定電流源IO2とnpn形トランジスタQ17とは直接接続されているのに対して、本実施の形態の保護回路200では、出力段240において、定電流源IO2とnpn形トランジスタQ17のコレクタとの間にクランプダイオードD1を接続すると共に、定電流源IO2とnpn形トランジスタQ17のベースとの間にレベルシフトダイオードD2を接続したことである。
【0071】
次に、保護回路200の動作について説明する。まず、過放電時の動作について説明する。本実施の形態では、過放電検出コンパレータCO1の出力によりpnp形トランジスタQ8のみオン・オフさせ、放電制御部のバイアス電流はバイアス維持回路220とコンパレータCO4の出力で決める様にしている。
【0072】
過放電時、過放電検出コンパレータCO1の出力が論理“L”レベルになると、npn形トランジスタQ6がオフ状態になる。このとき、出力制御部はnpn形トランジスタQ4によりバイアス電流が維持されており、動作は継続する。
【0073】
pnp形トランジスタQ8は、過放電検出コンパレータCO1の出力が論理“L”レベルのとき、オフ状態になるので、コンパレータCO2の+入力端子に接続されたコンデンサC1は、定電流源IO1により放電される。コンパレータCO2の+入力端子の電位(すなわち、コンデンサC1の充電電圧)が放電により下がり、コンパレータCO3の−入力端子の電位(コンデンサC1の充電電圧)がその+入力端子の電位(第1の分圧電圧V1)より下がっ時点で、npn形トランジスタQ10がオン状態、pnp形トランジスタQ15がオフ状態になる。この時、npn形トランジスタQ17で放電制御FETのゲートを論理“L”レベルにしようとするが、この論理“L”レベルを追加したクランプダイオードD1でクランプする。これにより、放電制御FET(第1の電界効果トランジスタFET1)のオン電圧のぎりぎりのところで止める事で、放電制御FETを完全にオフさせない状態とする。
【0074】
換言すれば、放電制御FET(第1の電界効果トランジスタFET1)をオフ状態とするのではなく、オン状態のときよりも高くかつオフ状態のときよりも低くなるように、その出力インピーダンスを上げるようなゲート−ソース間電圧VGSを供給する。
【0075】
詳述すると、図2(a)に示されるように、一般に、電界効果トランジスタFETは、オン状態では20mΩのオン抵抗値を持っており、オフ状態では無限大∞に近い抵抗値を持つ。そして、図2(b)に示されるように、電界効果トランジスタFETのゲート−ソース間電圧VGSが0.7Vよりもより大きいときに、電界効果トランジスタFETはオン状態となり、0.7Vよりもより小さいときに、電界効果トランジスタFETはオフ状態となる。換言すれば、図2(a)および図2(b)の破線楕円で示されるように、ゲート−ソース間電圧VGSが0.7V付近では、電界効果トランジスタFETはオン時の抵抗値より大きく、オフ時の抵抗値よりも小さい抵抗値を持つ。このような抵抗値を持つように、出力制御部は、ゲート−ソース間電圧VGSを決定する。
【0076】
この時、放電制御FET(第1の電界効果トランジスタFET1)のインピーダンスが高くなので、放電電流が流れれば、放電制御FETのドレイン電圧が上昇する。したがって、過電流検出部250(コンパレータCO4)により過電流保護動作が働く。すなわち、コンパレータCO4の出力が論理“L”レベルとなり、npn形トランジスタQ16がオン状態となるので、放電制御FET(第1の電界効果トランジスタFET1)を完全にオフ状態とする。その結果、過放電が防止される。
【0077】
また、コンパレータCO4の出力が反転するので、npn形トランジスタQ3がオフ状態となり、バイアス電流がオフとなる。これにより、回路全体の動作が停止する。
【0078】
過放電(過電流)であることが何らかの報知手段(図示せず)によりユーザに知らされると、ユーザは外部接続端子101、102間から負荷を取り外し、その代りに外部接続端子101、102間に充電器(図示せず)を接続する。これにより、二次電池300の充電が開始される。
【0079】
二次電池300が充電されることにより、充電電流が放電制御FETのボディダイオード経由で電流が流れ、放電制御FETのドレイン電圧はソース電圧以下になる。したがって、充電検出部260のコンパレータCO5の出力が反転し、通常動作に復帰する。また、過電流検出部250のコンパレータCO4の出力が反転するので、過電流検出が解除される。この動作は「充電復帰動作」と呼ばれる。
【0080】
このように、外部接続端子101、102間に充電器を接続すると、第1の電界効果トランジスタFET1(放電制御FET)は直ちにオン状態となる。したがって、第1の電界効果トランジスタFET1(放電制御FET)において無駄なエネルギーが消費されることなく、第1の電界効果トランジスタFET1(放電制御FET)で熱が発生するのを防止することができる。その結果、第1の電界効果トランジスタFET1(放電制御FET)が破壊するのを防止することが可能となる。
【0081】
また、充電時に第1の電界効果トランジスタFET1(放電制御FET)は直ちにオン状態となるので、充電回路側では二次電池300のバッテリ電圧(電池電圧)Vccに近い値を計測することが可能となる。
【0082】
以上、本発明について実施の形態によって説明を例に挙げて説明してきたが、本発明は上述した実施の形態に限定しないのは勿論である。
【0083】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明では、放電時に二次電池のバッテリ電圧が過放電検出しきい値電圧Vth(od)よりも低くなると、放電制御スイッチをオフ状態にするのではなくハイインピーダンス状態にし、過電流動作させるようにしている。従って、放電制御スイッチの復帰を、「再充電」により行うことが可能となり、充電時に従来のように寄生ダイオードDp1を充電電流が流れることはなく、放電制御スイッチが発熱するのを防止することが可能となる。また、充電時には、充電回路側では二次電池のバッテリ電圧を直読することができるので、充電動作を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による二次電池の保護回路の構成を示す回路図である。
【図2】図1に示した保護回路に使用される出力段の動作を説明するための図である。
【図3】従来の二次電池の保護回路を備えた電池パックの構成を示すブロック図である。
【図4】図3に示した電池パックの動作を説明するための図である。
【図5】図3に示した二次電池の保護回路の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
100’ 電池ユニット(電池パック)
101 正極端子
102 負極端子
200 保護回路
210 過放電検出部
220 バイアス維持回路
230 放電オフ制御部
240 出力段
250 過電流検出部
260 充電検出部
FET1 放電制御FET(放電制御スイッチ)
Dp1 寄生ダイオード(ボディダイオード)

Claims (2)

  1. 二次電池から外部接続端子間に接続された負荷へ流す放電電流を放電制御スイッチのオン/オフにより制御することにより、前記二次電池を保護する方法において、
    前記外部接続端子間に前記負荷を接続した放電時に、前記二次電池の両端の電圧が所定の過放電検出しきい値電圧よりも低くなったときに、前記放電制御スイッチの出力インピーダンスを、オンするときより大きくかつオフするときより小さい抵抗値にして過電流動作させ、これにより、前記外部接続端子間に充電器を接続した充電時に、過電流検出を解除させることにより、直ちに前記放電制御スイッチをオン状態とさせるようにしたことを特徴とする二次電池の保護方法。
  2. 二次電池から外部接続端子間に接続された負荷へ流す放電電流を放電制御スイッチのオン/オフにより制御することにより、前記二次電池を保護する回路において、
    前記外部接続端子間に前記負荷を接続した放電時に、前記二次電池の両端の電圧が所定の過放電検出しきい値電圧よりも低くなったときに、前記放電制御スイッチの出力インピーダンスを、オンするときより大きくかつオフするときより小さい抵抗値にする設定して過電流動作させる手段を備え、これにより、前記外部接続端子間に充電器を接続した充電時に、過電流検出を解除させることにより、直ちに前記放電制御スイッチをオン状態とさせるようにしたことを特徴とする二次電池の保護回路。
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