JP4522384B2 - 保護回路を有する組電池 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の過充電と過放電を防止する保護回路を備える組電池に関し、とくにひとつのＭＯＳＦＥＴで充電電流と放電電流の両方をコントロールする組電池に関する
。

図１は、保護回路５２を有する従来の組電池の回路図を示す。この組電池は、二次電池５１と直列にスイッチング素子５３を接続している。スイッチング素子５３は、制御回路５４でオンオフに制御される。スイッチング素子５３は、放電電流と充電電流の両方を制御する。したがって、スイッチング素子５３は、過放電阻止スイッチング素子５３Ａと過充電阻止スイッチング素子５３Ｂを直列に接続している。制御回路５４は、電池電圧を検出し、検出した電圧が最高設定電圧よりも高いときに過充電阻止スイッチング素子５３Ｂをオフに切り換えて、二次電池５１の過充電を阻止する。また、検出した電圧が最低設定電圧よりも低いときに過放電阻止スイッチング素子５３Ａをオフに切り換えて、二次電池５１の過放電を阻止する。

過放電阻止スイッチング素子５３Ａと過充電阻止スイッチング素子５３Ｂは、ＭＯＳＦＥＴが使用される。オン状態における内部抵抗が小さく、電力損失と電圧降下を小さくできるからである。ＭＯＳＦＥＴは寄生ダイオード５６Ａ、５６Ｂを有する。このため、ＭＯＳＦＥＴは逆向きに流れる電流をオン状態に保持する。

寄生ダイオード５６Ｂは、電池電圧が最高設定電圧より高くなって、過充電阻止スイッチング素子５３ＢのＭＯＳＦＥＴがオフになった状態で、二次電池５１の放電を可能とする。すなわち、満充電された二次電池５１の充電を停止して放電できる状態とする。また、寄生ダイオード５６Ａは、電池電圧が最低設定電圧よりも低くなり、過放電阻止スイッチング素子５３ＡのＭＯＳＦＥＴがオフになった状態で、二次電池５１の充電を可能とする。したがって、完全に放電された二次電池５１の放電電流を遮断して、充電できる状態とする。

図１の組電池は、制御回路５４とスイッチング素子５３からなる保護回路５２に以上の動作をさせて、二次電池５１の過充電および過放電を阻止する（特許文献１参照）。
特開平１０−１２２８２号公報（第７項、第１図）

以上の組電池は、保護回路にふたつのスイッチング素子を使用する必要がある。すなわち、過充電を阻止するための過充電阻止スイッチング素子と、過放電を阻止するための過放電阻止スイッチング素子とを備える必要がある。ふたつのスイッチング素子は、二次電池と直列に接続されて、二次電池の充放電電流を流す状態でオンオフにスイッチングされる。このため、両方のＭＯＳＦＥＴには大電流を制御するパワーＭＯＳＦＥＴを使用する必要があって、製造コストの低減を難しくし、また小型化をも難しくしている。

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、ひとつのＭＯＳＦＥＴで充電電流と放電電流の両方をコントロールできる保護回路を備える組電池を提供することにある。

本発明の保護回路を有する組電池は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
組電池は、二次電池１１、３１と、この二次電池１１、３１の充放電をコントロールする保護回路１２、３２とを備える。保護回路１２、３２は、二次電池１１、３１と直列に接続しているスイッチング素子１３、３３と、スイッチング素子１３、３３を制御する制御回路１４、３４とを備える。保護回路１２、３２のスイッチング素子１３、３３は、バックゲートコンタクト２１、４１を有するＭＯＳＦＥＴである。この組電池は、制御回路１４、３４でもって、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧とバックゲートコンタクト２１、４１の電圧の両方を制御して、充電電流と放電電流を制御する。

制御回路１４、３４は、二次電池１１、３１の電圧が設定範囲にある状態では、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をオン電圧として、電池を充放電させる状態とし、さらに、充電している二次電池１１、３１の電圧が最高設定電圧よりも高くなると、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をカットオフ電圧にすると共に、バックゲートコンタクト２１、４１の電圧を、充電電流を順方向とする寄生ダイオード２６、４６を電流遮断状態として充電電流を遮断する電圧とし、さらにまた、放電している二次電池１１、３１の電圧が最低設定電圧よりも低くなると、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をカットオフ電圧にすると共に、バックゲートコンタクト２１、４１の電圧を、放電電流を順方向とする寄生ダイオード２６、４６を電流遮断状態として放電電流を遮断する電圧とすることができる。

制御回路１４、３４は、充電電流の過電流を検出すると、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をカットオフ電圧にすると共に、バックゲートコンタクト２１、４１の電圧を、充電電流を順方向とする寄生ダイオード２６、４６を電流遮断状態として充電電流を遮断する電圧とし、さらに、放電電流の過電流を検出すると、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をカットオフ電圧にすると共に、バックゲートコンタクト２６、４１の電圧を、放電電流を順方向とする寄生ダイオード２６、４６を電流遮断状態として放電電流を遮断する電圧とすることができる。

本発明の組電池は、スイッチング素子１３を、ｎチャンネルのＭＯＳＦＥＴとすることができる。この組電池は、スイッチング素子１３を二次電池１１のマイナス側に接続すると共に、ＭＯＳＦＥＴのソースを二次電池１１のマイナス側に接続することができる。

本発明の組電池は、スイッチング素子３３を、ｐチャンネルのＭＯＳＦＥＴとすることができる。この組電池は、スイッチング素子３３を二次電池３１のマイナス側に接続すると共に、ＭＯＳＦＥＴのドレインを二次電池３１のマイナス側に接続することができる。
また、バックゲートコンタクト21、41と、ソース、ドレインのいずかの間に、抵抗部材を配置したことを特徴とする。

本発明の組電池は、ひとつのＭＯＳＦＥＴで充電電流と放電電流の両方をコントロールでき、部品コストを低減して小型化できる特徴がある。それは、本発明の組電池が、保護回路のスイッチング素子に、バックゲートコンタクトを有するＭＯＳＦＥＴを使用し、このＭＯＳＦＥＴのゲート電圧と、バックゲートコンタクトの電圧を制御して、充電電流と放電電流を制御するからである。

さらに、本発明の組電池は、保護回路のスイッチング素子に使用するＭＯＳＦＥＴの構造を簡単にできる特徴もある。それは、ＭＯＳＦＥＴのバックゲートにバックゲートコンタクトを設け、このバックゲートコンタクトの電圧をコントロールして、寄生ダイオードの方向を逆転して、充電電流と放電電流を制御するからである。
また、抵抗部材を配置することにより、ゲートをカットオフ電圧とした状態で、ソース−ドレイン間の抵抗が小さくなり、ソース−ドレイン間に電圧が印加されると電流が流れる。これは、抵抗部材を流れる電流によりバックゲートコンタクトの電位が上昇することで、ソース−ドレイン間の抵抗が小さいなったと考えられる。

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組電池を例示するものであって、本発明は組電池を以下のものに特定しない。

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」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。

図２と図３に示す組電池は、二次電池１１、３１と、この二次電池１１、３１の充放電をコントロールする保護回路１２、３２とを備える。保護回路１２、３２は、二次電池１１、３１と直列に接続しているスイッチング素子１３、３３と、スイッチング素子１３、３３を制御する制御回路１４、３４とを備える。
図２は、本発明の一実施例であり、スイッチング素子１３が、ｎチャンネルのＭＯＳＦＥＴの場合を示している。図３は、他の実施例であり、スイッチング素子３３が、ｐチャンネルのＭＯＳＦＥＴの場合を示している。

制御回路１４、３４は、二次電池１１、３１の電圧を検出してスイッチング素子１３、３３をオンオフにスイッチングする。二次電池１１、３１の電圧は、充電すると次第に上昇する。充電している二次電池１１、３１の電圧（電池電圧は、制御回路１４、３４のＶdd端子にて測定する。）が最高設定電圧よりも高くなると、制御回路１４、３４はスイッチング素子１３、３３をオフに切り換えて充電電流を遮断して、二次電池１１、３１の過充電を防止する。また、二次電池１１、３１の電圧は放電すると次第に低下する。放電している二次電池１１、３１の電圧が最低設定電圧よりも低くなると、制御回路１４、３４はスイッチング素子１３、３３をオフに切り換えて放電電流を遮断して、二次電池１１、３１の過放電を防止する。

スイッチング素子１３、３３は、バックゲートコンタクト２１、４１を有するＭＯＳＦＥＴである。ＭＯＳＦＥＴは、制御回路１４、３４によって、ゲート電圧とバックゲートコンタクト２１、４１の電圧の両方が制御されて、充電電流と放電電流を制御する。
制御回路１４、３４は、その内部に、切換スイッチＳＷを有し、この切換スイッチＳＷを、スイッチング素子１３、３３のドレイン、ソースと同電位となる制御回路１４、３４の端子ＶSS、Ｖm1側に切り換えることで、バックゲートコンタクト２１、４１の電位（＝制御回路１４、３４の端子ＢＧの電位）を、ドレイン、ソースと同電位としている。
また、制御回路１４、３４は、図示しないが、内部に端子ＶSS、Ｖm1間、すなわち、スイッチング素子１３、３３のドレイン、ソース間電圧（＝素子両端電圧）を測定する電圧測定回路を内蔵している。そして、この素子両端電圧が、所定値（所定過電流値に相当）以上になると、異常な過電流の検出として、制御回路１４、３４はスイッチング素子１３、３３をオフに切り換えて、充電電流又は放電電流を遮断する。素子両端電圧に発生する電圧の方向を、電圧測定回路にて検出して、放電電流か、充電電流かを判定することもできる。

図２の回路図の組電池は、スイッチング素子１３をｎチャンネルのＭＯＳＦＥＴとする。この組電池は、スイッチング素子１３を二次電池１１のマイナス側に接続すると共に、ＭＯＳＦＥＴのソースを二次電池１１に接続している。

図３の回路図の組電池は、スイッチング素子３３をｐチャンネルのＭＯＳＦＥＴとする。この組電池は、スイッチング素子３３を二次電池３１のマイナス側に接続すると共に、ＭＯＳＦＥＴのドレインを二次電池３１に接続している。

図４と図５は、組電池のスイッチング素子１３、３３に使用される、バックゲートコンタクト２１、４１を有するＭＯＳＦＥＴの概略原理図を示す。図４はｎチャンネルのＭＯＳＦＥＴを示し、図５はｐチャンネルのＭＯＳＦＥＴを示している。本実施例においては、後述するように、ソース、ドレインは同様な構造を備えており、単に、呼び方（＝名称）をソース、ドレインとしているだけなので、ソース、ドレインの名称を入れ替えたり、別の名称とすることもできる。

図４のＭＯＳＦＥＴは、バックゲート２５のｐ（又はｐ−）型Ｓｉに、ドレイン２２とソース２３のｎ（又はｎ＋）型Ｓｉを設けて、寄生ダイオード２６を形成している。さらに、バックゲート２５にはｐ（又はｐ＋）型Ｓｉのバックゲートコンタクト２１を設けている。さらにまた、ドレイン２２とソース２３の間であって、バックゲート２５に接近してゲート２４を配設している。

図５のＭＯＳＦＥＴは、バックゲート４５のｎ（又はｎ−）型Ｓｉに、ドレイン４２とソース４３のｐ（又はｐ＋）型Ｓｉを設けて、寄生ダイオード４６を形成している。さらに、バックゲート４５にはｎ（又はｎ＋）型Ｓｉのバックゲートコンタクト４１を設けている。さらにまた、ドレイン４２とソース４３の間であって、バックゲート４５に接近してゲート４４を配設している。

これ等の図に示すＭＯＳＦＥＴは、ゲート電圧を制御して、ドレイン２２、４２とソース２３、４３間の電流をコントロールできる。また、このＭＯＳＦＥＴは、バックゲート２５、４５の電圧を制御して、一対の寄生ダイオード２６、４６の導通を制御できる。

図４において、通常のｎチャンネルのＭＯＳＦＥＴは、図の破線（＝点線）で示すように、バックゲート２５とソース２２を接続して、同一電極、同電位とする。このＭＯＳＦＥＴは、バックゲート２５とソース２３間のダイオード２６Ｂはなくなり、バックゲート２５（ソース２３）からドレイン２２に電流を流すダイオード２６Ａが寄生ダイオード２６となる。等価回路で示すなら、破線（＝点線）のダイオード２６Ａとなる。

図４に示すように、ソース２３から分離してバックゲートコンタクト２１を設けているｎチャンネルのＭＯＳＦＥＴは、バックゲートコンタクト２１の電圧をソース電位として、通常のｎチャンネルのＭＯＳＦＥＴと同じように使用できる。すなわち、バックゲート２５（ソース２３）からドレイン２２に電流を流すダイオード２６Ａである寄生ダイオード２６のある状態で使用できる。等価回路で示すなら、破線（＝点線）で示すダイオード２６Ａとなる。また、このＭＯＳＦＥＴは、図の一点鎖線で示すように、バックゲートコンタクト２１の電圧をドレイン２２と同電位とすると、ドレイン２２とバックゲート２５との間のダイオード２６Ａはなくなって、バックゲート２５（ドレイン２２）からソース２３に電流を流すダイオード２６Ｂが寄生ダイオード２６として残る。等価回路で示すなら、一点鎖線のダイオード２６Ｂとなる。すなわち、バックゲートコンタクト２１の電圧を、ソース電位とするか、あるいはドレイン電位とするかで、互いに逆方向に直列接続される一対のダイオード２６Ａ、２６Ｂの片方をなくし、ドレイン２２とソース２３の間に残る寄生ダイオード２６の方向を逆方向にできる。
次に、ｎチャンネルのＭＯＳＦＥＴの図４を変形した図６について、説明する。図４と同等な構成については、説明を省略する。バックゲートコンタクト２１とドレイン２２との間に抵抗部材Ｒbg（約１〜１０KΩ、例えば、４．３KΩ）を配置する。また、このとき、図７に示す回路での動作を確認した。図７に示すように、図６で説明したようにスイッチング素子１３‘のバックゲートコンタクトとドレインＤとの間に抵抗部材Ｒbgを設けている。そして、ゲートGとドレインDを結線してゲートをカットオフ電圧としている。そして、ソースＳ−ドレインＤ間に電圧を印加している。そして、このソース−ドレイン間電圧を変化したときのドレイン−ソース間に流れる電流ＩDS、抵抗部材Ｒｂｇに流れる電流ＩＲbgの変化を、図８に示す。図に示すように、バックゲートを流れる電流ＩＲbg(単位μA)は小さく、ほとんどが、ソース−ドレイン間に電流ＩDS(単位ｍA)として流れている。このように、スイッチング素子１３のゲートがカットオフ電圧でも、ソース−ドレイン間に電圧が印加されると電流が流れる。
なお、図６において、バックゲートコンタクト２１とドレイン２２との間の抵抗部材Ｒbgに代わって、バックゲートコンタクト２１とソース２３との間に抵抗部材を配置しても同様である。このような抵抗部材は、ディスクリートな抵抗素子でも良いし、半導体基板に形成された薄膜状のものでも良い。

図５に示すように、ソース４３から分離してバックゲートコンタ クト４１を設けているｐチャンネルのＭＯＳＦＥＴは、図の破線（＝点線）で 示すように、バックゲートコンタクト４１の電圧をソース電位として、通常の ｐチャンネルのＭＯＳＦＥＴと同じように使用できる。すなわち、ドレイン４ ２からバックゲート４５（ソース４３）に電流を流すダイオード４６Ａである 寄生ダイオード２６のある状態で使用できる。等価回路で示すなら、破線（＝ 点線）のダイオード４６Ａとなる。また、このＭＯＳＦＥＴは、図の一点鎖線 で示すように、バックゲートコンタクト４１の電圧をドレイン４２と同電位と すると、ドレイン４２とバックゲート４５との間のダイオード４６Ａはなくな って、ソース４３からバックゲート４５（ドレイン４２）に電流を流すダイオ ード４６Ｂが寄生ダイオード４６として残る。等価回路で示すなら、一点鎖線 のダイオード４６Ｂとなる。すなわち、このＭＯＳＦＥＴも、バックゲートコ ンタクト４１の電圧を、ソース電位とするか、あるいはドレイン電位とするか で、互いに逆方向に直列接続される一対のダイオード４６Ａ、４６Ｂの片方を なくし、ドレイン４２とソース４３の間に残る寄生ダイオード４６の方向を逆 方向にできる。
なお、ｎチャンネルのＭＯＳＦＥＴにおいて、バックゲートコンタクト２１ と、ソース、ドレインのいずかの間に、抵抗部材を配置した図６のように、ｐ チャンネルのＭＯＳＦＥＴにバックゲートコンタクト４１と、ソース、ドレイ ンのいずかの間に、抵抗部材を配置しても、上述と同様な効果がある。

したがって、以上のＭＯＳＦＥＴは、ゲート電圧でもって、ド レイン２２、４２とソース２３、４３間に流れる電流を制御し、さらにバック ゲートコンタクト２１、４１の電圧で、寄生ダイオード２６、４６の方向をコ ントロールできる。

図２に示す組電池の制御回路１４は、以下のようにｎチャンネルのＭＯＳＦ ＥＴのス イッチング素子１３を制御して、二次電池１１の過充電と過放電を 防止する。
なお、図６で示す抵抗部材を配置したス イッチング素子１３‘を採用して も基本的に動作は同じとなる。ス イッチング素子１３‘の特徴的動作については、説明の途中で説明を行う。

［二次電池１１の充電状態］
電池電圧が最高設定電圧よりも低い二次電池１１が充電器１５に接続される とき、制御回路１４は、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をＭＯＳＦＥＴのオン電圧 とする。このとき、図２に示すように、バックゲートコンタクト２１の電位は ドレイン電位とする。したがって、バックゲート−ドレイン間のダイオード２６Ａがなくなり、バックゲート−ソース間のダイオード２６Ｂが寄生ダイオー ド２６として残る。この寄生ダイオード２６は、ドレインからソースに電流を 流す方向に接続される。したがって、放電電流を流すが充電電流を遮断する方 向にある。

充電される二次電池１１は電圧が上昇する。二次電池１１の電圧が最高設定 電圧よりも高くなると、制御回路１４はＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をカットオ フ電圧とする。したがって、ＭＯＳＦＥＴは充電電流を遮断する。この状態で 寄生ダイオード２６は接続されるが、この寄生ダイオード２６は充電電流を遮断し、放電電流を流す方向に接続される。このため、二次電池１１が負荷１６に接続されるとき、寄生ダイオード２６を介して放電電流を流すことができる 。

また、充電中に、制御回路１４に内蔵する電圧測定回路にて、素子両端電圧 を測定し、過電流を検出したとき、充電電流の過電流の検出として、制御回路１４が、上述と同様に、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をカットオフ電圧とする。 したがって、ＭＯＳＦＥＴは充電電流を遮断することができる。この状態で寄 生ダイオード２６は接続されるが、この寄生ダイオード２６は充電電流を遮断し、放電電流を流す方向に接続される。

［二次電池１１の放電状態］
満充電されて二次電池１１の電圧が最高設定電圧よりも高くなって、ＭＯＳ ＦＥＴをオフ状態とする組電池は、充電器１５から外されると電池電圧が低下 する。また、負荷１６に接続されても電池電圧は低下する。
電池電圧が最高設定電圧よりも低くなると、制御回路１４はＭＯＳＦＥＴの ゲート２４をカットオフ電圧からオン電圧に切り換える。ＭＯＳＦＥＴがオン 状態に切り換えられるまでは、寄生ダイオード２６が負荷１６に電流を流す。ＭＯＳＦＥＴがオン状態に切り換えられると、二次電池１１はオン状態のＭＯＳＦＥＴを介して負荷１６に電流を供給する。
また、図６で示す抵抗部材を配置したＭＯＳＦＥＴのス イッチング素子１ ３‘を採用したときは、充電器１５から外されたり、負荷１６に接続されて等 により、電池電圧が最高設定電圧（約４．３V／セル 電池はリチウムイオン 二次電池）から、低下して、約４．３〜４．１V／セルの間のとき、ＭＯＳＦＥＴがオフ状態を維持する。つまり、制御回路１４は、ス イッチング素子１３‘のゲートをカットオフ電圧とした状態とする。この状態においては、上述のように、ソース−ドレイン間に電圧が印加され、負荷１６に電流を供給する ことができる。このようなス イッチング素子１３‘の利点について以下に説 明する。なお、約４．１V／セル以下となったとき、制御回路１４は、ＭＯＳ ＦＥＴのゲート２４をカットオフ電圧からオン電圧に切り換える。
図４のスイッチング素子１３と制御回路１４においては、上述のように、負荷１６に接続されると電池電圧が最高設定電圧よりも低くなると、制御回路１４はＭＯＳＦＥＴのゲート２４をカットオフ電圧からオン電圧に切り換える。 そのすぐ後、負荷１６を外し、充電器１５に再度接続するなら、制御回路１４ はＭＯＳＦＥＴのゲート２４をオン電圧のままとするので、電池１１が再度充電されて過充電となってしまう。
一方、図６で示す抵抗部材を配置したＭＯＳＦＥＴのス イッチング素子１３‘を採用した制御回路１４は、上述のように、電池電圧が最高設定電圧よりも 低くなり、約４．３〜４．１V／セルの間、ＭＯＳＦＥＴがオフ状態を維持す るも、ソース−ドレイン間に電圧が印加され、負荷１６に電流を供給すること ができる。そのすぐ後、負荷１６を外し、充電器１５に再度接続するなら、ＭＯＳＦＥＴがオフ状態であり、寄生ダイオード２６Bにより、電池が再度充電され過充電となることがない。

二次電池１１の放電が進んで、電池電圧が最低設定電圧よりも低くなると、 制御回路１４は、再びＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をカットオフ電圧とする。また、制御回路１４は、バックゲートコンタクト２１の電圧をドレイン電位からソース電位に切り換える。バックゲートがソース電位となったＭＯＳＦＥＴは、バックゲート−ソース間のダイオード２６Ｂがなくなり、ソースからドレインに電流を流すバックゲート−ドレイン間のダイオード２６Ａが寄生ダイオード２６として残る状態となる。この寄生ダイオード２６は、充電電流を流して、放電電流を遮断する方向に接続される。ＭＯＳＦＥＴが電流を遮断し、さらに寄生ダイオード２６も放電電流を遮断する状態となって、二次電池１１の放電電流は遮断される。ただ、寄生ダイオード２６が二次電池１１の充電電流を順方向とするので、組電池が充電器１５に接続されると、二次電池１１を充電することができる。

また、放電中に、制御回路１４に内蔵する電圧測定回路にて、素子両端電圧を測定し、過電流を検出したとき、放電電流の過電流の検出として、制御 回路１４が、上述と同様に、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をカットオフ電圧とし、バックゲートコンタクト２１の電圧をドレイン電位からソース電位に切り換える。したがって、ＭＯＳＦＥＴは放電電流を遮断することができる。ＭＯＳＦＥＴが電流を遮断し、さらに寄生ダイオード２６も放電電流を遮断する状態となって、二次電池１１の放電電流は遮断される。このとき、寄生ダイオード２６は、充電電流を流して、放電電流を遮断する方向に接続され る。

電池電圧が最低設定電圧まで低下して、ＭＯＳＦＥＴが電流を遮断する状態となった組電池は、充電器１５に接続されると電池電圧が上昇する。電池電圧が最低設定電圧よりも高くなると、制御回路１４はＭＯＳＦＥＴをオフからオンに切り換える。ただ、制御回路は、組電池が充電器に接続されことを検出して、ＭＯＳＦＥＴをオフからオンに切り換えることもできる。制御回路は、たとえば、通信端子（図示せず）からの情報で、充電器が接続されたことを検出することができる。さらに、バックゲートコンタクト２１の電 圧をドレイン電位として、寄生ダイオード２６の順方向を、充電電流の方向から放電電流の方向とする。
また、図６で示す抵抗部材を配置したＭＯＳＦＥＴのス イッチング素子１３ ‘を採用したときは、
充電器１５に接続されて、電池電圧が最低設定電圧（約２．３V／セル電池はリチウムイオン二次電池）から、上昇して、約２．３〜２．４V／セルの 間のとき、ＭＯＳＦＥＴがオフ状態を維持する。つまり、制御回路１４は、スイッチング素子１３‘のゲートをカットオフ電圧とした状態とする。この状 態においては、上述のように、ソース−ドレイン間に電圧が印加され、充 電電流を供給することができる。このようなス イッチング素子１３‘の 利点について以下に説明する。なお、約２．４V／セル以上となったとき、制 御回路１４は、ＭＯＳＦＥＴのゲート２４をカットオフ電圧からオン電圧に切 り換える。
図４のスイッチング素子１３と制御回路１４においては、上述のように、充電器１５に接続されると電池電圧が最低設定電圧よりも高くなると、制御回路１４はＭＯＳＦＥＴのゲート２４をカットオフ電圧からオン電圧に切り換える 。そのすぐ後、充電器１５を外し、負荷１６に再度接続するなら、制御回路１４はＭＯＳＦＥＴのゲート２４をオン電圧のままとするので、電池１１が再度 放電されて過放電となってしまう。
一方、図６で示す抵抗部材を配置したＭＯＳＦＥＴのス イッチング素子１３ ‘を採用した制御回路１４は、上述のように、最低設定電圧（約２．３V／セ ル 電池はリチウムイオン二次電池）から、上昇して、約２．３〜２．４V／ セルの間のとき、ＭＯＳＦＥＴがオフ状態を維持するも、ソース−ドレイン間 に電圧が印加され、充電器１６により充電電流を供給することができる。その すぐ後、充電器１５を外し、負荷１６に再度接続するなら、ＭＯＳＦＥＴがオ フ状態であり、寄生ダイオード２６Aにより、電池が再度放電され過放電とな ることがない。

図３に示す組電池の制御回路３４は、以下のようにｐチャンネルのＭＯＳＦＥＴのスイッチング素子３３を制御して、二次電池３１の過充電と過放電を防止する。

［二次電池３１の充電状態］
電池電圧が最高設定電圧よりも低い二次電池３１が充電器３５に接続されるとき、制御回路３４は、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をＭＯＳＦＥＴのオン電圧とする。このとき、図３に示すように、バックゲートコンタクト４１の電位はドレイン電位とする。したがって、バックゲート−ドレイン間のダイオード４６Ａがなくなり、バックゲート−ソース間のダイオード４６Ｂが寄 生ダイオード４６として残る。この寄生ダイオード４６は、ソースからドレインに電流を流す方向に接続される。したがって、放電電流を流すが充電電流を遮断する方向にある。

充電される二次電池３１は電圧が上昇する。二次電池３１の電圧が最高設 定電圧よりも高くなると、制御回路３４はＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をカットオフ電圧とする。したがって、ＭＯＳＦＥＴは充電電流を遮断する。この状態で寄生ダイオード４６は接続されるが、この寄生ダイオード４６は充電電流を遮断し、放電電流を流す方向に接続される。このため、二次電池３１が負荷３６に接続されるとき、寄生ダイオード４６を介して放電電流を流すことができる。

また、充電中に、制御回路３４に内蔵する電圧測定回路にて、素子両端電圧を測定し、過電流を検出したとき、充電電流の過電流の検出として、制御回路３４が、上述と同様に、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をカットオフ電圧とする。したがって、ＭＯＳＦＥＴは充電電流を遮断することができる。この状態で寄生ダイオード４６は接続されるが、この寄生ダイオード４６は充電電流を遮断し、放電電流を流す方向に接続される。

［二次電池３１の放電状態］
満充電されて二次電池３１の電圧が最高設定電圧よりも高くなって、ＭＯＳＦＥＴをオフ状態とする組電池は、充電器３５から外されると電池電圧が低下する。また、負荷３６に接続されても電池電圧は低下する。電池電圧が最高設定電圧よりも低くなると、制御回路３４はＭＯＳＦＥＴのゲート４４をカットオフ電圧からオン電圧に切り換える。ＭＯＳＦＥＴがオン状態に切り換えられるまでは、寄生ダイオード４６が負荷３６に電流を流す。ＭＯＳＦＥＴがオン状態に切り換えられると、二次電池３１はオン状態のＭＯＳＦＥＴを介して負荷３６に電流を供給する。

二次電池３１の放電が進んで、電池電圧が最低設定電圧よりも低くなると、制御回路３４は、再びＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をカットオフ電圧とする。また、制御回路３４は、バックゲートコンタクト４１の電圧をドレイン電位からソース電位に切り換える。バックゲートがソース電位となったＭＯＳＦＥＴは、バックゲート−ソース間のダイオード４６Ｂがなくなり、ドレインからソースに電流を流すバックゲート−ドレイン間のダイオード４６Ａが寄生ダイオード４６として残る状態となる。この寄生ダイオード４６は、充電電流を流して、放電電流を遮断する方向に接続される。ＭＯＳＦＥＴが電流を遮断し、さらに寄生ダイオード４６も放電電流を遮断する状態となって、二次電池３１の放電電流は遮断される。ただ、寄生ダイオード４６が二次電池３１の充電電流を順方向とするので、組電池が充電器３５に接続されると、二次電池３１を充電することができる。

また、放電中に、制御回路３４に内蔵する電圧測定回路にて、素子両端電圧を測定し過電流を検出したとき、放電電流の過電流の検出として、制御回路３４が、上述と同様に、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をカットオフ電圧とし、バックゲートコンタクト４１の電圧をドレイン電位からソース電位に切り換える。したがって、ＭＯＳＦＥＴは放電電流を遮断することができる。ＭＯＳＦＥＴが電流を遮断し、さらに寄生ダイオード４６も放電電流を遮断する状態となって、二次電池３１の放電電流は遮断される。このとき、寄生ダイオード４６は、充電電流を流して、放電電流を遮断する方向に接続される。

電池電圧が最低設定電圧まで低下して、ＭＯＳＦＥＴが電流を遮断する状態となった組電池は、充電器３５に接続されると電池電圧が上昇する。電池電圧が最低設定電圧よりも高くなると、制御回路３４はＭＯＳＦＥＴをオフからオンに切り換える。ただ、制御回路は、組電池が充電器に接続されことを検出して、ＭＯＳＦＥＴをオフからオンに切り換えることもできる。制御回路は、たとえば、通信端子（図示せず）からの情報で、充電器が接続されたことを検出することができる。さらに、バックゲートコンタクト４１の電圧をドレイン電位として、寄生ダイオード４６の順方向を、充電電流の方向から放電電流の方向とする。

従来の保護回路を有する組電池の回路図である。 本発明の一実施例にかかる保護回路を有する組電池の回路図である。 本発明の他の実施例にかかる保護回路を有する組電池の回路図である。 図２に示す組電池のスイッチング素子に使用されるＭＯＳＦＥＴの概略原理図を示す図である。 図３に示す組電池のスイッチング素子に使用されるＭＯＳＦＥＴの概略原理図を示す図である。 図２に示す組電池のスイッチング素子に使用される他のＭＯＳＦＥＴの概略原理図を示す図である。 図６のスイッチング素子の動作を確認する回路図である。 図７の回路図において、ソース−ドレイン間電圧を変化したときのドレイン−ソース間に流れる電流ＩDS、抵抗部材Ｒｂｇに流れる電流ＩＲbgの変化を示すグラフである。

符号の説明

１１、３１…二次電池
１２、３２…保護回路
１３、３３…スイッチング素子
１４、３４…制御回路
１５、３５…充電器
１６、３６…負荷
２１、４１…バックゲートコンタクト
２２、４２…ドレイン
２３、４３…ソース
２４、４４…ゲート
２５、４５…バックゲート
２６、４６…寄生ダイオード
２６Ａ、４６Ａ…ダイオード
２６Ｂ、４６Ｂ…ダイオード
５１…二次電池
５２…保護回路
５３…スイッチング素子
５３Ａ…過放電阻止スイッチング素子
５３Ｂ…過充電阻止スイッチング素子
５４…制御回路
５６Ａ…寄生ダイオード
５６Ｂ…寄生ダイオード
Ｒbg 抵抗部材

Claims (7)

1. 二次電池(11)、(31)と、この二次電池(11)、(31)の充放電をコントロールする保護回路(12)、(32)とを備え、保護回路(12)、(32)は、二次電池(11)、(31)と直列に接続しているスイッチング素子(13)、(33)と、スイッチング素子(13)、(33)を制御する制御回路(14)、(34)とを備え、
   保護回路(12)、(32)のスイッチング素子(13)、(33)が、バックゲートコンタクト(21)、(41)を有するＭＯＳＦＥＴで、制御回路(14)、(34)でもって、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧とバックゲートコンタクト(21)、(41)の電圧の両方を制御して、充電電流と放電電流を制御するようにし、
   制御回路(14)、(34)は、充電電流の過電流を検出すると、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をカットオフ電圧にすると共に、バックゲートコンタクト(21)、(41)の電圧を、充電電流を順方向とする寄生ダイオード(26)、(46)を電流遮断状態として充電電流を遮断する電圧とし、
   さらに制御回路(14)、(34)は、放電電流の過電流を検出すると、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をカットオフ電圧にすると共に、バックゲートコンタクト(21)、(41)の電圧を、放電電流を順方向とする寄生ダイオード(26)、(46)を電流遮断状態として放電電流を遮断する電圧とする保護回路を有する組電池。
2. 制御回路(14)、(34)は、二次電池(11)、(31)の電圧が設定範囲にある状態では、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をオン電圧として、電池を充放電させる状態とし、
   さらに制御回路(14)、(34)は、充電している二次電池(11)、(31)の電圧が最高設定電圧よりも高くなると、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をカットオフ電圧にすると共に、バックゲートコンタクト(21)、(41)の電圧を、充電電流を順方向とする寄生ダイオード(26)、(46)を電流遮断状態として充電電流を遮断する電圧とし、
   さらに制御回路(14)、(34)は、放電している二次電池(11)、(31)の電圧が最低設定電圧よりも低くなると、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をカットオフ電圧にすると共に、バックゲートコンタクト(21)、(41)の電圧を、放電電流を順方向とする寄生ダイオード(26)、(46)を電流遮断状態として放電電流を遮断する電圧とする請求項１に記載される保護回路を有する組電池。
3. スイッチング素子(13)が、ｎチャンネルのＭＯＳＦＥＴである請求項１に記載される保護回路を有する組電池。
4. スイッチング素子(13)が二次電池(11)のマイナス側に接続されると共に、ＭＯＳＦＥＴは、ソースを二次電池(11)のマイナス側に接続している請求項３に記載される保護回路を有する組電池。
5. スイッチング素子(33)が、ｐチャンネルのＭＯＳＦＥＴである請求項１に記載される保護回路を有する組電池。
6. スイッチング素子(33)が二次電池(31)のマイナス側に接続されると共に、ＭＯＳＦＥＴは、ドレインを二次電池(31)のマイナス側に接続している請求項５に記載される保護回路を有する組電池。
7. バックゲートコンタクト(21)、(41)と、ソース、ドレインのいずかの間に、抵抗部材を配置したことを特徴とする請求項１の保護回路を有する組電池。