JP4367266B2

JP4367266B2 - 電池パックの保護回路

Info

Publication number: JP4367266B2
Application number: JP2004206244A
Authority: JP
Inventors: 豊池田; 和人宮川
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-07-13
Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2024-07-13
Also published as: JP2006032015A

Description

本発明は、二次電池を有する電池パックを過電流や異常過熱から保護する保護回路に関し、より詳細には、ＰＴＣサーミスタ及びスイッチング素子を用いた電池パックの保護回路に関する。

従来、携帯電子機器において、電源として二次電池を有する電池パックが広く用いられている。この種の電池パックでは、充電時及び放電時、特に充電時の過電流による電池や制御用ＦＥＴの異常発熱を防止する必要があった。異常発熱を防止する方法としては、電流経路を遮断する方法が用いられている。この種の電流遮断方法を採用した保護回路の一例が、下記の特許文献１に開示されている。

図６は、特許文献１に記載されている電池パックの回路図である。図６に示すように、電池１４１を保護するために、図示の保護回路が構成されている。電池１４１の正極に保護用ＩＣ１４５の一方入力端が接続されている。また、ＦＥＴユニット１４６を構成している第１，第２のＦＥＴ１４７，１４８のゲート電極が保護用ＩＣ１４５に接続されている。ＦＥＴ１４７のソース電極が、ＰＴＣサーミスタ１５１を介して電池１４１の負極に接続されている。ＦＥＴ１４８のドレイン電極は電池パックの端子１５０に接続されている。ＦＥＴ１４７のドレイン電極とＦＥＴ１４８のソース電極とが接続されている。ＰＴＣサーミスタ１５１は、ＦＥＴユニット１４６に熱結合されている。

この保護回路では、電流経路にＰＴＣサーミスタ１５１が直列に挿入されており、かつ該ＰＴＣサーミスタ１５１がＦＥＴユニット１４６に熱結合されている。従って、過電流によりＦＥＴ１４７もしくはＦＥＴ１４８が発熱した際に、ＰＴＣサーミスタ１５１の抵抗が急激に上昇し、電流経路が遮断される。すなわち、図６に示す電池パックの保護回路では、ＰＴＣサーミスタ１５１により、電流経路が遮断される。

他方、下記の特許文献２には、保護用ＩＣに、第１，第２の信号入力端子が設けられており、第１または第２の信号入力端子に所定の信号が印加された際にＦＥＴを制御し、電流経路を遮断する方法が開示されている。ここでは、第１の信号入力端子に異常電流が流れたことを示す信号が入力されたときにＦＥＴが制御されて電流経路が遮断される。加えて、上記所定の信号として、電池パック全体の温度を示す信号が第２の信号入力端子に入力されたときにも電流経路が遮断される。すなわち、特許文献２に記載の電池パックの保護回路では、電池パック全体の温度上昇を検出し、保護用ＩＣの保護機能を用いて、異常温度時に、電流経路を遮断する構成が開示されている。
特開２００２−８６０８号公報特開２００４−１２０８４９号公報

上記のように、特許文献１に記載の電池パックの保護回路では、電流経路に直列にＰＴＣサーミスタ１５１が挿入されていたため、抵抗損失が大きいという問題があった。すなわち、ＰＴＣサーミスタ１５１は、常温では抵抗値が小さいとしても、抵抗成分が電流経路に直列に挿入されることになるため、ＰＴＣサーミスタ１５１の挿入により損失が増加するという欠点があった。

他方、特許文献２に記載の電池パックの保護回路では、電流経路に直列に抵抗成分は挿入されていない。しかしながら、特許文献２に記載の保護回路では、電池パック全体の温度上昇を検出し、異常温度になった際に、保護用ＩＣによりＦＥＴを制御して、電流経路を遮断していた。従って、電池パック内の局所的な温度上昇を検出することはできなかった。現実には、過電流により最初に高温状態となるのはＦＥＴである。従って、ＦＥＴのみが過熱状態となったとしても、電池パック全体としては未だ保護機能を作用させる程の高温状態に至っていないことがある。このような場合、ＦＥＴが熱暴走することとなる。そのため、ＦＥＴの熱暴走後に、電池パック全体の温度が高温となって、保護用ＩＣによりＦＥＴを制御しようとしても、制御できなくなる可能性があった。すなわち、特許文献２に記載の保護回路では、局部的な過熱を検出して回路を保護することができないため、保護機能が十分ではなかった。また、逆に保護開始温度を低く設定すれば、実際には問題のない程度の過熱でも保護動作が働いてしまう可能性があった。

本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、電流経路に直列に抵抗成分を挿入することなく、従って損失の増大を招くことなく、しかも局部的な異常過熱が生じた場合であっても、電池パックを確実に保護することを可能とする保護回路を提供することにある。

本発明によれば、制御端子を有し、電池の正極または負極に直列に接続されており、異常時にオフ状態とされることにより充放電時の電流経路を遮断する少なくとも１つのスイッチング素子と、前記電流経路に異常電流が流れた際に、前記少なくとも１つのスイッチング素子をオフ状態とすることを可能とするように前記少なくとも１つのスイッチング素子の前記制御端子に接続された保護用ＩＣとを備え、前記保護用ＩＣが前記異常電流以外の異常状態であることを示す信号が入力される信号入力端子を有し、該信号入力端子に前記異常電流以外の異常状態を示す信号が入力された際に、前記少なくとも１つのスイッチング素子をオフ状態とするように構成されている電池パックの保護回路において、前記少なくとも１つのスイッチング素子に熱結合された第１のＰＴＣサーミスタをさらに備え、該第１のＰＴＣサーミスタが熱結合されたスイッチング素子の異常過熱による前記第１のＰＴＣサーミスタの抵抗値変化に応じた信号が前記異常状態を示す信号として前記信号入力端子に入力されるように構成されており、前記電流経路を遮断するスイッチング素子が複数設けられており、各スイッチング素子に前記第１のＰＴＣサーミスタが熱結合されており、該第１のＰＴＣサーミスタが電気的に直列に接続されていることを特徴とする、電池パックの保護回路が提供される。

本発明の電池パックの保護回路の他の特定の局面では、前記少なくとも１つのスイッチング素子以外の発熱部分に熱結合された少なくとも１つの第２のＰＴＣサーミスタがさらに備えられており、前記スイッチング素子に熱結合された第１のＰＴＣサーミスタと、前記少なくとも１つの第２のＰＴＣサーミスタとが直列に接続されている。

本発明に係る電池パックの保護回路のさらに別の特定の局面では、前記発熱部分が電池であり、該電池に前記第２のＰＴＣサーミスタが熱結合されている。

本発明に係る電池パックの保護回路のさらに別の特定の局面では、前記スイッチング素子に熱結合された第１のＰＴＣサーミスタの抵抗温度特性と、前記発熱部分に熱結合された第２のＰＴＣサーミスタの抵抗温度特性とが異なっている。

本発明に係る電池パックの保護回路では、異常電流時にオフ状態とされることにより、電流経路を遮断する少なくとも１つのスイッチング素子と、異常電流が流れた際に少なくとも１つのスイッチング素子をオフ状態とすることを可能とするようにスイッチング素子に接続された保護用ＩＣとを備えるため、異常電流時には、保護用ＩＣにより少なくとも１つのスイッチング素子が電流経路を遮断するように動作する。そして、保護用ＩＣには、異常電流以外の異常状態であることを示す信号が入力される信号入力端子が設けられおり、該信号入力端子に異常電流以外の異常状態を示す信号が入力された際に、少なくとも１つのスイッチング素子がオフ状態とされて、やはり電流経路が遮断される。

そして、少なくとも１つのスイッチング素子に第１のＰＴＣサーミスタが熱結合されており、該スイッチング素子が過熱状態となった場合に、第１のＰＴＣサーミスタの抵抗値変化に応じた信号が上記信号入力端子に入力される。すなわち、上記異常電流が流れた場合だけでなく、少なくとも１つのスイッチング素子が異常過熱状態になった場合でも、スイッチング素子が保護用ＩＣより制御されて、電流経路が遮断される。

従って、スイッチング素子自体の過熱が検出されて、保護用ＩＣによりスイッチング素子が制御されて電流経路が遮断される。よって、電池パック全体の過熱に至る前に、速やかに電池パックを保護することができる。

さらに、本発明では、上記第１のＰＴＣサーミスタは、少なくとも１つのスイッチング素子に熱結合されているが、該第１のＰＴＣサーミスタは電池の充放電に際しての電流経路に挿入されていないため、ＰＴＣサーミスタを用いたことによる損失の増大も招き難い。

よって、本発明によれば、低損失であり、かつ保護性能に優れた電池パックの保護回路を提供することが可能となる。

さらに、スイッチング素子が複数設けられており、各スイッチング素子に第１のＰＴＣサーミスタが熱結合されており、複数の第１のＰＴＣサーミスタが電気的に直列に接続されているので、ＰＴＣサーミスタでは抵抗−温度特性が急峻であるため、直列接続した複数のＰＴＣサーミスタのどれか１つでも異常温度を検知して抵抗が高くなれば、この直列接続されたＰＴＣサーミスタからなる回路全体の抵抗値は大きく増加する。そのため、この直列回路の抵抗の変化を検知するだけで、複数のスイッチング素子のいずれにおいても異常過熱が生じた場合でも、確実に電池パックを保護することができる。

なお、ＮＴＣサーミスタを利用するという考え方も可能だが、ＮＴＣサーミスタの場合には温度変化に対する抵抗値の変化が緩やかであるために、これを直列接続した回路を想定しても直列抵抗値の変化が小さく、異常過熱の検知が困難である。そのため、例えば各ＮＴＣサーミスタの抵抗値の変化をそれぞれコンパレータで所定の値と比較し、さらに各コンパレータの論理和をとって保護ＩＣに入力するような回路を設ける必要がある。従って、回路構成が複雑になり、小型化が困難になるという問題がある。

少なくとも１つスイッチング素子以外の発熱部分に熱結合された少なくとも１つの第２のＰＴＣサーミスタがさらに備えられており、スイッチング素子に熱結合された第１のＰＴＣサーミスタと、少なくとも１つの第２のＰＴＣサーミスタとが直列に接続されている場合には、スイッチング素子における異常過熱を検出して電池パックを保護し得るだけでなく、第２のＰＴＣサーミスタが熱結合されている発熱部分の異常過熱時にも、電池パックを保護することが可能となる。

上記発熱部分が電池であり、該電池に第２のＰＴＣサーミスタが熱結合されている場合には、電池自体の異常過熱時に、電池パックを保護することができる。

スイッチング素子に熱結合された第１のＰＴＣサーミスタの抵抗温度特性と、発熱部分に熱結合された第２のＰＴＣサーミスタの抵抗温度特性とが異なっている場合には、スイッチング素子における異常時の発熱量及び他の発熱部分における異常時の発熱量に応じて、第１のＰＴＣサーミスタ及び第２のＰＴＣサーミスタの抵抗温度特性を選択することができる。従って、異常過熱時の保護動作をより確実にかつより速やかに行わせることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る電池パックの保護回路を説明するための回路図である。電池パック１は、電池２と、電池２を保護するための図示の保護回路を有する。

電池２の正極は第１の端子３に、負極は第２の端子４に接続されている。電池２と、端子３，４とを接続している経路が充放電に際して電流が流れる電流経路を構成している。

本実施形態の保護回路では、上記電流経路に、異常時に電流経路を遮断するように動作される少なくとも１つのスイッチング素子として、第１，第２のＦＥＴ５，６が設けられている。すなわち、電池２の負極と端子４との間に直列に、第１のＦＥＴ５及び第２のＦＥＴ６が接続されている。より具体的には、ＦＥＴ５のソース電極が電池２の負極に接続されており、ＦＥＴ５のドレイン電極とＦＥＴ６のドレイン電極とが接続されており、ＦＥＴ６のソース電極が端子４に接続されている。

他方、ＦＥＴ５，６のゲート電極は、それぞれ、保護用ＩＣ７に接続されている。保護用ＩＣ７は、ＦＥＴ５，６をオン状態またはオフ状態とする信号をＦＥＴ５，６のゲート電極に印加し、ＦＥＴ５，６による電流経路遮断動作を実現する。

また、保護用ＩＣは、第１，第２の入力端子７ａ，７ｂを有する。第１の入力端子７ａは、電池２の正極と端子３との間の接続点８と接続されており、接続点８と入力端子７ａとの間に抵抗９が接続されている。また、保護用ＩＣ７の第２の信号入力端子７ｂには、ＰＴＣサーミスタ１０の一端が接続されている。このＰＴＣサーミスタ１０が、本発明の第１のＰＴＣサーミスタである。ＰＴＣサーミスタ１０の他端は、第２のＦＥＴ６のソース電極と端子４の間の接続点１１に接続されている。すなわち、ＰＴＣサーミスタ１０は、信号入力端子７ｂとＦＥＴ６のソース電極との間に接続されており、言い換えれば、ＰＴＣサーミスタ１０は電池２の充放電時の電流経路には直列には挿入されていない。なお、ＰＴＣサーミスタ１０は、第２のＦＥＴ６に熱結合されている。

ＰＴＣサーミスタ１０の信号入力端子７ｂに接続されている側の端部には、直列に抵抗１２が接続されている。抵抗１２の他端は、電池２の正極と端子３との間の接続点１３に接続されている。

従って、抵抗１２及びＰＴＣサーミスタ１０は互いに直列に接続されており、電池２の正極及び負極間に並列に接続されている。

なお、保護用ＩＣ７の端子７ｃが電池２の負極に接続点１６を介して接続されている。また、保護用ＩＣ７の端子７ｄが端子４に抵抗１７を介して接続されている。

本実施形態の電池パックの保護回路では、電池２の充放電時に、異常電流が流れた際には、保護用ＩＣ７は、ＦＥＴ５，６の少なくとも一方をオフ状態とする。その結果、電流経路が遮断され、電池パック１の保護が果たされる。

また、本実施形態では、例えばＦＥＴ６が先行して異常過熱し、高温状態となった場合であって、電池パック１全体が過熱状態に至っていない場合であっても、ＰＴＣサーミスタ１０がＦＥＴ６に熱結合されているため、ＰＴＣサーミスタ１０の抵抗値が急激に上昇する。すなわち、図２（ａ）に示すように、ＰＴＣサーミスタでは温度が上昇すると、抵抗値は急激に上昇する。従って、ＰＴＣサーミスタ１０と抵抗１２との間の接続点Ｐにおける電圧Ｖ_pは、図２（ｂ）に示すように、温度上昇に伴って急激に上昇することとなる。よって、保護用ＩＣ７の信号入力端子７ｂに加わる電圧が急激に上昇し、保護用ＩＣ７は、ＦＥＴ５，６をオフ状態とする電気信号を与える。

すなわち、本実施形態では、電流経路に異常電流が流れた場合だけでなく、ＦＥＴ６が異常過熱した場合にも、電池パック１を保護することができる。よって、電池パック全体が異常過熱に達する前に、ＦＥＴ６の異常過熱を検知し、保護することができる。従って、高負荷状態が続いた場合などにおいて、ＦＥＴ６が熱暴走したり、故障に至ったりする前に、ＦＥＴ６をオフ状態とすることができる。加えて、ＰＴＣサーミスタが電流経路に挿入されていないので、損失も増大し難い。

図３は、上記実施形態の電池パックの保護回路の変形例を示す回路図である。図１に示した電池パック１では、１つのＰＴＣサーミスタ１０が１つのＦＥＴ６に熱結合されていたが、図３に示すように、ＰＴＣサーミスタ１０を、第１，第２のＦＥＴ５，６の双方に熱結合してもよい。この場合には、複数のＦＥＴ５，６の内、いずれか一方においてのみ、異常過熱状態が生じた場合においても、あるいは双方のＦＥＴ５，６において異常過熱状態が生じた場合においても、電池パックを確実に保護することができる。

図４は、上記実施形態の電池パックの保護回路のさらに他の変形例を示す回路図である。図４に示す電池パックの保護回路では、第１のサーミスタとしての２個のＰＴＣサーミスタ１０，１０Ａが互いに直列に接続されている。そして、一方のＰＴＣサーミスタ１０ＡがＦＥＴ５に熱結合されており、他方のＰＴＣサーミスタ１０が第１の実施形態と同様にＦＥＴ６に熱結合されている。

図４に示した保護回路では、ＦＥＴ６が異常過熱した場合にはＰＴＣサーミスタ１０の抵抗値が急激に上昇し、保護が図られる。そして、ＦＥＴ５が異常過熱した場合には、ＰＴＣサーミスタ１０Ａの抵抗値が急激に上昇し、やはり保護が図られることになる。このように、複数のスイッチング素子のそれぞれに、熱結合された複数のＰＴＣサーミスタを配置し、該複数のＰＴＣサーミスタを直列に接続してもよい。この場合には、ＰＣＴサーミスタでは抵抗−温度特性が急峻であるため、直列接続した複数のＰＴＣサーミスタのどれか１つでも異常温度を検知して抵抗が高くなれば、この直列接続されたＰＴＣサーミスタからなる回路全体の抵抗値は大きく増加する。そのため、この直列回路の抵抗の変化を検知するだけで、複数のスイッチング素子のいずれにおいても異常過熱が生じた場合でも、確実に電池パックを保護することができる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る電池パックの回路構成を示す回路図である。第２の実施形態の電池パック２１においても、第１の実施形態の場合と同様に、ＦＥＴ６にＰＴＣサーミスタ１０が熱結合されている。もっとも、本実施形態においては、ＰＴＣサーミスタ１０に直列に、第２のＰＴＣサーミスタ２２が接続されている。そして、第２のＰＴＣサーミスタ２２は、電池２に熱結合されている。その他の点については、第２の実施形態の保護回路は、第１の実施形態の保護回路と同様であるため、同一部分については、同一の参照番号を付することにより、その詳細な説明を省略する。

図５に示した保護回路では、第２のＰＴＣサーミスタ２２が電池２に熱結合されている。従って、電池２自体が異常過熱した場合にも、ＰＴＣサーミスタ２２の抵抗値が急激に上昇し、電圧Ｖ_pが急激に上昇する。よって、保護用ＩＣ７は、電池２が異常過熱した場合にも、ＦＥＴ５，６をオフ状態とし、電流経路を遮断し、保護を図る。

このように、本発明に係る電池パックの保護回路では、少なくとも１つのスイッチング素子に熱結合された第１のＰＴＣサーミスタだけでなく、電池２などの他の発熱部分に熱結合された第２のＰＴＣサーミスタ２２をさらに備え、それらを直列に接続していてもよい。その場合には、第２のＰＴＣサーミスタに熱結合された発熱部分の異常過熱を検出して、電池パックの保護を図ることが可能となる。

また、第１のＰＴＣサーミスタ１０と、第２のＰＴＣサーミスタ２２とを併用する場合、両者の抵抗温度特性は同一であってもよく、異なっていてもよい。もっとも、スイッチング素子の過熱状態と、他の発熱部分の過熱状態とが異なるため、好ましくは、スイッチング素子や各発熱部分に応じた抵抗温度特性を有するように、ＰＴＣサーミスタ１０，２２の抵抗温度特性を選択することが望ましい。よって、好ましくは、第１のＰＴＣサーミスタ１０の抵抗温度特性と、第２のＰＴＣサーミスタ２２の抵抗温度特性は異なっている。

なお、上述してきた第１，第２の実施形態及び変形例では、スイッチング素子として、２個のＦＥＴ５，６が用いられていたが、電流経路を遮断して保護を図る素子としてのスイッチング素子は、ＦＥＴに限定されるものではない。また、１つのスイッチング素子のみが用いられてもよく、３個以上のスイッチング素子が用いられてもよい。

本発明の第１の実施形態の電池パックの保護回路を説明するための回路図。（ａ）は、第１の実施形態で用いられているＰＴＣサーミスタの抵抗温度特性を示す図であり、（ｂ）は、図１の接続点Ｐにおける電圧Ｖ_pの温度による変化を示す図。第１の実施形態の電池パックの保護回路の変形例を示す回路図。第１の実施形態の電池パックの保護回路の他の変形例を示す回路図。本発明の第２の実施形態に係る電池パックの保護回路を説明するための回路図。従来の電池パックの保護回路を説明するための回路図。

符号の説明

１…電池パック
２…電池
３，４…端子
５…ＦＥＴ（スイッチング素子）
６…ＦＥＴ（スイッチング素子）
７…保護用ＩＣ
７ａ…第１の信号入力端子
７ｂ…第２の信号入力端子
７ｃ，７ｄ…端子
８…接続点
９…抵抗
１０…ＰＴＣサーミスタ
１０Ａ…ＰＴＣサーミスタ
１１…接続点
１２…抵抗
１３…接続点
１６…接続点
１７…抵抗
２１…電池パック
２２…ＰＴＣサーミスタ

Claims

制御端子を有し、電池の正極または負極に直列に接続されており、異常時にオフ状態とされることにより充放電時の電流経路を遮断する少なくとも１つのスイッチング素子と、
前記電流経路に異常電流が流れた際に、前記少なくとも１つのスイッチング素子をオフ状態とすることを可能とするように前記少なくとも１つのスイッチング素子の前記制御端子に接続された保護用ＩＣとを備え、前記保護用ＩＣが前記異常電流以外の異常状態であることを示す信号が入力される信号入力端子を有し、該信号入力端子に前記異常電流以外の異常状態を示す信号が入力された際に、前記少なくとも１つのスイッチング素子をオフ状態とするように構成されている電池パックの保護回路において、
前記少なくとも１つのスイッチング素子に熱結合された第１のＰＴＣサーミスタをさらに備え、該第１のＰＴＣサーミスタが熱結合されたスイッチング素子の異常過熱による前記第１のＰＴＣサーミスタの抵抗値変化に応じた信号が前記異常状態を示す信号として前記信号入力端子に入力されるように構成されており、前記電流経路を遮断するスイッチング素子が複数設けられており、各スイッチング素子に前記第１のＰＴＣサーミスタが熱結合されており、該第１のＰＴＣサーミスタが電気的に直列に接続されていることを特徴とする、電池パックの保護回路。
前記少なくとも１つのスイッチング素子以外の発熱部分に熱結合された少なくとも１つの第２のＰＴＣサーミスタをさらに備え、前記スイッチング素子に熱結合された第１のＰＴＣサーミスタと、前記少なくとも１つの第２のＰＴＣサーミスタとが直列に接続されている、請求項１に記載の電池パックの保護回路。
前記発熱部分が電池であり、該電池に前記第２のＰＴＣサーミスタが熱結合されている、請求項２に記載の電池パックの保護回路。
前記スイッチング素子に熱結合された第１のＰＴＣサーミスタの抵抗温度特性と、前記発熱部分に熱結合された第２のＰＴＣサーミスタの抵抗温度特性とが異なっている、請求項２または３に記載の電池パックの保護回路。