JP4194420B2 - 過電流保護回路を備えるパック電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池に過電流が流れたときに電流を遮断して、電池を過電流から保護する過電流保護回路を有するパック電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パック電池は、電池を過電流から保護して安全に使用できる。このことを実現するためにパック電池は過電流保護回路を内蔵している。この過電流保護回路は、電池の過電流を検出して電流を遮断する。
【０００３】
電池の過電流は、電池と直列に接続している抵抗素子の両端に発生する電圧で検出できる。抵抗素子の両端に発生する電圧が、抵抗と電流の積に比例して大きくなるからである。抵抗素子の電圧を検出して、電池電流を検出する過電流保護回路は、抵抗素子の両端に発生する検出電圧を基準電圧に比較する。検出電圧が基準電圧よりも大きくなると電流を遮断する。
【０００４】
このことを実現するためには、電池と直列に抵抗素子を接続する必要がある。抵抗素子は、過電流保護回路を実装している基板に固定される。抵抗素子を実装する過電流保護回路は、基板に抵抗素子を半田付け等の方法で実装する必要がある。この抵抗素子を省略して安価にするために、図１に示す回路構成のパック電池は、電池１２と直列に接続しているＦＥＴ１３を抵抗素子に併用して、ＦＥＴ１３に発生する電圧を基準電圧に比較して過電流を検出する。ＦＥＴ１３は、電池１２に過電流が流れたときに電流を遮断するスイッチング素子である。この過電流保護回路１１は、電池１２と直列に接続されるＦＥＴ１３を抵抗素子に併用するので、過電流を検出するための抵抗素子を接続する必要がない。
【０００５】
しかしながら、図１に示す過電流保護回路は、遮断電流を一定に保持するのが難しい。それは、ＦＥＴのオン抵抗が大きく変化するからである。ＦＥＴのオン抵抗は、ゲートに供給されるバイアス電圧によって変化し、バイアス電圧が高くなるとると小さく、バイアス電圧が低下すると大きくなる。ＦＥＴはゲートに印加するバイアス電圧が高いときにオン抵抗は小さく、バイアス電圧を低くするとオン抵抗が大きくなる。ＦＥＴはオン抵抗をできる限り小さくするために、オン状態ではできるかぎり電池電圧に近い高電圧をゲートに印加する。このため、ＦＥＴのゲート電圧はほぼ電池電圧になる。したがって、電池電圧が低下するとゲート電圧も低くなってオン抵抗が高くなる。パック電池のスイッチング素子として使用されるＦＥＴのオン抵抗が、ゲート電圧を３〜４Ｖに変化させるときに、たとえば２５〜６２ｍΩと２倍以上も変化すると、遮断電流も２倍以上に変化してしまう。
【０００６】
この欠点を解消する技術は開発されている。（特許文献１参照）この公報に記載されるパック電池は、基準電圧を電池電圧で変化させる基準電圧制御回路を備えている。基準電圧制御回路は、電池電圧が低くなると基準電圧を高くする。電池電圧が低下すると、ＦＥＴのオン抵抗が大きくなり、規定の遮断電流が流れるときにＦＥＴの両端に発生する検出電圧も高くなる。したがって、電池電圧が低下すると、基準電圧を高く補正して、遮断電流を一定に制御できる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１４０４２号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このことを実現するには、電池電圧で基準電圧を変化させる基準電圧制御回路を必要とし、回路構成が複雑になる。また、基準電圧制御回路は、ＦＥＴのオン抵抗が増加するのと同じ特性で基準電圧を変化させる必要があり、ＦＥＴのオン抵抗が増加する特性と、基準電圧を上昇させる特性に差があると、遮断電流を一定にできない欠点もある。また、半導体であるＦＥＴのオン抵抗は、ゲート電圧のみでなく、温度によっても変化するので、ＦＥＴのオン抵抗が変化するのに正確に一致するように基準電圧を変化させるのは極めて難しい。このため、一定の遮断電流で電池の電流を遮断するのは極めて難しい。
【０００９】
この欠点は、電池と直列に電流検出抵抗を接続して解消できる。電流検出抵抗は、半導体であるＦＥＴのように、電池電圧で抵抗値が変化せず、また温度に対する変化も小さい。ただ、この過電流保護回路を実装する回路基板に電流検出抵抗を設ける必要があって製造コストが高くなる。
【００１０】
本発明は、この欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、抵抗素子を簡単で安価に基板に実装しながら、電池に過電流が流れるときには正確な電流で電池電流を遮断して電池を保護できる過電流保護回路を備えるパック電池を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の過電流保護回路を備えるパック電池は、電池２と直列に接続されて電池２に過電流が流れるときにオンからオフに切り換えられるスイッチング素子３と、電池２に直列に接続されて電池２に流れる電流に比例する電圧を発生させる抵抗素子４と、この抵抗素子４に発生される検出電圧を基準電圧に比較して、検出電圧が基準電圧よりも高くなるとスイッチング素子３をオンからオフに切り換えて、電池２に流れる電流を遮断する保護回路ＩＣ５を備える過電流保護回路１を備える。過電流保護回路１は、スイッチング素子３と保護回路ＩＣ５と抵抗素子４を基板６に実装するチップオンボードで構成しており、チップオンボードにワイヤーボンディングしてなるワイヤーを抵抗素子４としている。
【００１２】
抵抗素子４は、互いに並列接続してなる複数本のワイヤーボンディング用のワイヤーとすることができる。この抵抗素子４は、並列接続するワイヤーの本数で、電気抵抗を変更して、許容電流を最適値に設定できる。抵抗素子４であるワイヤーボンディング用のワイヤーは、封止樹脂に埋設することができる。封止樹脂に埋設される抵抗素子４は、簡単かつ確実に絶縁できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのパック電池を例示するものであって、本発明はパック電池を以下のものに特定しない。
【００１４】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１５】
図２の回路図に示すパック電池は、過電流保護回路１を備える。過電流保護回路１は、電池２に過電流が流れると電流を遮断して電池２を保護する。過電流保護回路１は、電池２と直列に接続されて電池２に過電流が流れるときにオンからオフに切り換えられるスイッチング素子３と、電池２と直列に接続されて電池２に流れる電流に比例する電圧を発生させる抵抗素子４と、この抵抗素子４に発生される検出電圧を基準電圧に比較して、検出電圧が基準電圧よりも高くなるとスイッチング素子３をオンからオフに切り換えて、電流を遮断する保護回路５を備える。
【００１６】
過電流保護回路１は、図３に示すように、スイッチング素子３と保護回路５と抵抗素子４を基板６に実装するチップオンボードで構成されている。抵抗素子４は、チップオンボードにワイヤーボンディングされてなるワイヤーである。チップオンボードでワイヤーボンディングされるワイヤーは、その端部を回路基板６に実装されるスイッチング素子３や保護回路用のＩＣの導電部に接続され、あるいは回路基板６の表面に設けているパターンに接続される。チップオンボードは、抵抗素子４以外の部分もワイヤーボンディングしているので、他の部分をワイヤーボンディングする工程で、ワイヤーボンディングして抵抗素子４を回路基板６に実装する。図３のチップオンボードは、抵抗素子４に加えて、スイッチング素子３であるＦＥＴと抵抗素子４をワイヤーボンディングして接続し、さらに保護回路５とスイッチング素子３のＦＥＴもワイヤーボンディングして接続し、さらにまたスイッチング素子３のＦＥＴと出力端子７ともワイヤーボンディングして接続している。チップオンボードは、ワイヤーボンディングするワイヤーを封止樹脂に埋設するように、基板６の表面に封止樹脂が接着される。
【００１７】
抵抗素子４は、複数のワイヤーをワイヤーボンディングして構成する。この抵抗素子４は、ワイヤーボンディングするワイヤーの太さと長さと本数で抵抗値を特定できる。また、抵抗素子４として並列に接続するワイヤーの本数で、許容電流も最適値に設定できる。たとえば、直径を３０μｍとし、長さを１ｍｍとするワイヤーボンディング用のワイヤーの電気抵抗は、２０本の平均値で約３４ｍΩとなる。正確にこのワイヤーボンディング用の２０本のワイヤーの電気抵抗を測定すると、電気抵抗の最小値は３０．２６ｍΩ、最大値は３９．３１ｍΩ、標準偏差は２．７０ｍΩ、平均値は３４．３１ｍΩとなる。このワイヤー１本からなる抵抗素子４は、３Ａの電流が流れるとその両端には１０３ｍＶの電圧が発生する。このワイヤー２本を並列に接続すると、３Ａの電流が流れて５１．５ｍＶの電圧が発生する。したがって、ワイヤーボンディング用のワイヤーからなる抵抗素子４は、並列に接続するワイヤーの本数を調整して、電気抵抗を変更し、電気抵抗から発生電圧を調整できる。また、ワイヤーの長さや線径で電気抵抗を変更することもできる。図２と図３の過電流保護回路１は、４本のワイヤーを平行に配設して並列に接続しているので、電気抵抗は１本のワイヤーの１／４となる。
【００１８】
ワイヤーボンディング用のワイヤーは、たとえば線径を２０〜５０μｍとし、長さを０．５〜２ｍｍとし、あるいは並列に接続する本数を３本以下、あるいは５本以上とすることもできる。
【００１９】
チップオンボードは、ワイヤーボンディングして電気接続する回路基板６であるから、抵抗素子４をワイヤーボンディング用のワイヤーで構成して、回路基板６に専用の抵抗素子４を固定することなく配線用のワイヤーで構成する。また、チップオンボードはワイヤーボンディングして電気接続するので、ワイヤーボンディングするワイヤーの本数が増加しても、そのためのコストアップは極めて少ない。このため、チップオンボードにワイヤーボンディング用のワイヤーで構成される抵抗素子４は、極めて経済的に回路基板６に設けることができ、しかも電気抵抗を電池２の過電流を検出するために最適な値に設定できる特長がある。
【００２０】
パック電池に内蔵される電池２は、リチウムイオン二次電池である。リチウムイオン二次電池は、放電するにしたがって電池電圧が低下する。本発明の過電流保護回路１は、電池電圧が変動しても正確な電流値で電流を遮断するので、電池２をリチウムイオン二次電池とする回路に最適である。ただ、リチウムイオン二次電池以外の二次電池、たとえば、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池も使用できる。
【００２１】
スイッチング素子３はＦＥＴである。図のパック電池は、充電用と放電用のＦＥＴを備える。充電用のＦＥＴと放電用のＦＥＴは、過電流が流れるときにのみオンオフに制御されるのではなく、充電している電池２が満充電となり、あるいは放電している電池２が完全に放電され、あるいはまた電池温度が異常に高くなる時などにもオンからオフに切り換えられて電池２を保護する。充電用のＦＥＴは充電しているときに過電流が流れるとオンからオフに切り換えられて充電電流を遮断する。放電用のＦＥＴは、放電しているときに過電流が流れるとオンからオフに切り換えられて放電電流を遮断する。過電流保護回路は、放電しているときのみ過電流を検出して、放電状態で過電流が流れると放電用のＦＥＴをオンからオフに切り換えて放電電流を遮断するようにすることができる。また、過電流保護回路は、充電しているときのみ過電流を検出して、充電状態で過電流が流れると充電用のＦＥＴをオンからオフに切り換えて充電電流を遮断するようにすることができる。また、放電しているときと、充電しているときの両方で過電流を検出して、過電流が流れるときには、放電電流または充電電流を遮断することもできる。
【００２２】
ＦＥＴは並列に接続されたダイオードを内蔵する。ダイオードは、ＦＥＴがオフの状態で逆方向に電流を流すことができるように、並列に接続される。したがって、充電用のダイオードがオフの状態において、放電することができ、また放電用のダイオードがオフの状態で充電することができる。
【００２３】
充電用と放電用のＦＥＴを直列に接続しているスイッチング素子３は、過電流が流れることを検出して、一方のＦＥＴをオンからオフに切り換える。たとえば、充電しているときに過電流が流れると、放電用のＦＥＴをオンの状態に保持して、充電用のＦＥＴをオンからオフに切り換えて充電電流を遮断し、放電しているときに過電流が流れると、充電用のＦＥＴをオンに保持して、放電用のＦＥＴをオンからオフに切り換えて放電電流を遮断する。このパック電池は、充電しているときに過電流が流れて充電電流を遮断しても放電はでき、また、放電できるときに過電流が流れて放電電流を遮断しても充電はできる。ただし、充電または放電しているときに、過電流を検出するときに、充電用と放電用のＦＥＴの両方をオンからオフに切り換えることもできる。このパック電池は、過電流が流れると充電と放電の両方を停止するので、安全に使用できる。このパック電池は、保護回路５にリセット回路（図示せず）を設け、過電流を検出した後、電池２を安全に使用できる状態を確認して、リセット回路で充電用と放電用のＦＥＴをオフからオンに切り換えて使用できる状態にできる。
【００２４】
図の過電流保護回路１は、スイッチング素子３を電池２と出力端子７との間に、ワイヤーボンディングして接続している。スイッチング素子３であるＦＥＴは、寄生ダイオードを内蔵するＭＯＳＦＥＴである。充電用と放電用のＦＥＴは、ソースとドレインとが互いに逆向きとなるように直列に接続されて、ゲートをワイヤーボンディングして保護回路５に接続している。スイッチング素子３であるＦＥＴは、保護回路５から入力される電圧でオンオフに切り換えられる。
【００２５】
保護回路５は、負荷電流が流れて抵抗素子４に発生する検出電圧を、基準電圧に比較してスイッチング素子３であるＦＥＴをオンオフに制御する。保護回路５は、検出電圧を基準電圧に比較する差動アンプ（図示せず）を内蔵している。差動アンプは、入力端子を抵抗素子４に接続して、電池２の負荷電流に比例する検出電圧を一方の入力端子に入力する。差動アンプは、他方の入力端子に基準電圧を入力している。
【００２６】
保護回路５は、検出電圧が基準電圧よりも低いときに、スイッチング素子３をオンにし、電池２に過電流が流れて、検出電圧が基準電圧よりも高くなると、スイッチング素子３をオンからオフに切り換える。
【００２７】
放電しているときにのみ過電流を検出し、このときに過電流が流れると電流を遮断する過電流保護回路は、放電しているときに検出電圧を基準電圧に比較し、検出電圧が基準電圧よりも高くなると、過電流と判定して、放電用のＦＥＴをオンからオフに切り換える。このとき、充電用のＦＥＴはオンに保持して、充電できる状態とする。また、充電用のＦＥＴもオンからオフに切り換えて、放電も充電もできないようにすることもできる。
【００２８】
また、充電しているときにのみ過電流を検出し、このときに過電流が流れると電流を遮断する過電流保護回路は、充電しているときに検出電圧を基準電圧に比較し、検出電圧が基準電位よりも高くなると、過電流と判定して、充電用のＦＥＴをオンからオフに切り換える。このときも、放電用のＦＥＴはオンに保持して、放電できる状態とすることができる。また、放電用のＦＥＴもオンからオフに切り換えて、放電も充電もできないようにすることもできる。
【００２９】
保護回路５は、過電流が流れるときにのみスイッチング素子３をオンオフに制御するのではなく、充電している電池２が満充電となり、あるいは放電している電池２が完全に放電され、あるいはまた電池温度が異常に高くなる時などにもスイッチング素子３をオンからオフに切り換えて電池２を保護する保護回路でもある。過電流保護回路１は、この保護回路のスイッチング素子を併用して、過電流が流れるときに電流を遮断する。このパック電池は、過電流を遮断するために専用のスイッチング素子や保護回路を設ける必要はない。保護回路は、過電流を検出する回路に加えて、電池の残容量、満充電、過放電等を検出する回路を内蔵する保護回路ＩＣである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の過電流保護回路を備えるパック電池は、抵抗素子を簡単かつ安価に基板に実装しながら、電池に過電流が流れるときには正確な電流で電池電流を遮断して電池を保護できる特長がある。それは、本発明のパック電池が、過電流保護回路を、電池に過電流が流れるときにオンからオフに切り換えられるスイッチング素子と、電池に流れる電流に比例する電圧を発生させる抵抗素子と、抵抗素子に発生する検出電圧を基準電圧に比較してスイッチング素子をオンからオフに切り換える保護回路とを基板に実装するチップオンボードで構成しており、チップオンボードにワイヤーボンディングするワイヤーを抵抗素子としているからである。この過電流保護回路は、基板に接続する配線用のワイヤーで抵抗素子を構成するので、従来のように、電流検出専用の抵抗素子を固定する必要がない。とくに、チップオンボードは、ワイヤーボンディングで電気接続するので、ワイヤーボンディングするワイヤーの本数が増加しても、そのためのコストアップは極めて少ない。したがって、本発明のパック電池は、簡単かつ経済的に抵抗素子を基板に実装できる特長が実現できる。さらに、ワイヤーで構成される抵抗素子は、ワイヤーの太さと長さで電気抵抗を特定できるので、簡単かつ容易に最適な抵抗値に設定できる。したがって、抵抗素子を最適な抵抗値に設定して、電池に流れる電流を正確に検出して過電流を遮断し、電池を確実に保護できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の過電流保護回路の回路図
【図２】本発明の一実施例にかかる過電流保護回路を備えるパック電池の回路図
【図３】チップオンボードで構成する過電流保護回路を示す概略図
【符号の説明】
１…過電流保護回路
２…電池
３…スイッチング素子
４…抵抗素子
５…保護回路
６…基板
７…出力端子
１１…過電流保護回路
１２…電池
１３…ＦＥＴ

Claims (2)

1. 電池(2)と直列に接続されて電池(2)に過電流が流れるときにオンからオフに切り換えられるスイッチング素子(3)と、電池(2)に直列に接続されて電池(2)に流れる電流に比例する電圧を発生させる抵抗素子(4)と、この抵抗素子(4)に発生される検出電圧を基準電圧に比較して、検出電圧が基準電圧よりも高くなるとスイッチング素子(3)をオンからオフに切り換えて、電池(2)に流れる電流を遮断する保護回路ＩＣ(5)を備える過電流保護回路(1)を備え、
   過電流保護回路(1)が、スイッチング素子(3)と保護回路ＩＣ(5)と抵抗素子(4)を基板(6)に実装するチップオンボードで構成され、抵抗素子(4)が、チップオンボードにワイヤーボンディングされてなるワイヤーであり、抵抗素子 (4) が、互いに並列接続してなる複数本のワイヤーボンディング用のワイヤーである過電流保護回路を備えるパック電池。
2. 抵抗素子(4)のワイヤーボンディング用のワイヤーを封止樹脂に埋設している請求項１に記載される過電流保護回路を備えるパック電池。

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