JP4598815B2 - 二次電池用充電回路 - Google Patents

Description

本発明は、直列接続された二次電池を充電する回路に係り、個々の電池からのリーク電流を抑制し、適格に当該個々の電池の電圧を検出可能な二次電池用充電回路に関する。

近年、携帯電話機、デジタルカメラなどの携帯電子機器には、電源として充電可能な二次電池が搭載されている。この二次電池には、リチウムイオン電池などを使用する場合が多く、当該リチウムイオン電池の複数の電池セルを直列あるいは並列に接続した充電回路が汎用的である。なお、この二次電池は、充電容量の大容量化や高密度化が切望されている。

このような二次電池を充電する充電回路には、電力を供給するために充電器が接続されるが、充電器から二次電池に過電圧や過電流が加わることにより当該二次電池が過充電状態に陥ることがある。例えば、リチウムイオン電池においては、過充電状態になると規格外の電圧や電流が印加され、当該電池が発熱することにより変形し、場合によっては破裂や発火する可能性もある。

そのため、上記の問題を解決するために、直列接続されたリチウムイオン電池に対して充電を行う場合には、当該リチウムイオン電池の合計電圧をモニターし、合計電圧が所定電圧を超える場合に過充電状態と判断し、充電を停止する過充電保護回路が開発されている。

しかしながら、このような直列接続されたリチウムイオン電池の合計電圧から過充電状態にあるか否かを判断する過充電保護回路では、個々の電池の電圧にバラツキがあると、正確に電池毎の過充電を判断することができないでいた。例えば、各電池の満充電状態の正常値が４．２Ｖのリチウムイオン電池を３個直列接続した充電回路において、各電池のいずれかが４．４Ｖ以上となる場合に充電を停止させたいケースを想定する。

このケースでは、３個の電池電圧がそれぞれ満充電状態を超過した４．４Ｖで等しい場合には、電池の合計電圧が１３．２Ｖとなり、過充電状態にあると判断することで特に問題とならないが、電池の劣化や電圧のバラツキなどにより、各電池の電圧が異なる場合には、個々の電池に対して過充電状態を正確に検出することはできない。つまり、３個の電池の電圧がそれぞれ４．２Ｖ、４．３Ｖ、４．５Ｖである場合には、電池の合計電圧は１３．０Ｖとなり過充電状態の基準となる１３．２Ｖ以下であるため異常は検出されないが、電圧が４．５Ｖの電池は満充電状態の正常値を超え、過充電状態となっている。

そこで、各電池の過充電状態を検出するためには、個々の電池の電圧をモニターし、過充電状態か否かを判断する必要がある。例えば、図４には、リチウムイオン電池が複数接続された場合の個々のリチウムイオン電池の電圧を、各電池に対応する過電圧検出部により直接検出し、過充電状態にあるかを判断する充電回路が示されている。

この図４に示す充電回路では、直列に接続された３個のリチウムイオン電池１〜３（電池１〜３をバッテリと称する）に対して、各電池１〜３の電圧をそれぞれ検出する過電圧検出部４〜６が並列に接続されている。そして、この過電圧検出部４〜６により検出された電圧に基づいて各電池１〜３が過充電状態にあるかを判断し、充電スイッチ部８のＯＮ・ＯＦＦ制御を行う充電コントロール部７が設けられている。

また、バッテリの＋側電極が充電スイッチ部８を解して入力端子Ａ１に接続され、−側電極が入力端子Ａ２に接続されている。この入力端子Ａ１、Ａ２は、充電器等が接続されることで、バッテリである電池１〜３を充電する、すなわち当該電池１〜３に電荷を供給するために使用される。なお、各電池１〜３に対して並列に接続された当該電池１〜３の電圧を検出する過電圧検出部４〜６は、図４の通り、２個の直列に接続された抵抗と、その抵抗の接続点にシャントレギュレータのレファレンスが接続されることにより構成され、検出した電池電圧が予め設定された基準電圧を超過するかが判断されている。

ここで、図４の充電回路における過充電状態の判断処理例を簡単に示すと、まずバッテリに電圧を充電する場合には、充電スイッチ部８がＯＮされ、入力端子Ａ１、Ａ２を通じて各電池１〜３に電荷が供給される。そして、過電圧検出部４〜６は、検出した各電池１〜３の電圧のうちいずれかが過充電状態を示す基準電圧を超えるか否かを判断し、当該基準電圧を超えると判断する場合に過電圧信号を充電コントロール部７に送信する。

充電コントロール部７は、過電圧検出部４〜６のいずれかから過電圧信号を受け取ると、充電スイッチ部８をＯＦＦするよう制御し、各電池１〜３への電荷の供給を遮断することで充電を停止する。なお、過電圧検出部４〜６により検出される各電池１〜３の電圧が過充電状態を示す基準電圧を超えない場合は、充電スイッチ部８はＯＮされたままである。

このような構成を有する図４の回路に限らず、個々の電池の電圧をそれぞれモニターし、当該電池の電圧を直接電圧比較器で検出し過充電状態を判断する従来技術としては、他に特許文献１のような充電回路も開発されている。
特開２００７−１４０９１号公報

ところで、上記の図４や特許文献１のような個々の電池をモニターすることで過充電状態を判断する充電回路では、電池の電圧を直接検出し判断しているので、電池の劣化等により個々の電池の電圧が異なると、過電圧を検出し過充電状態にあるかを判定する回路部からの消費電流が各電池に流出するといった現象が生じてしまう。これにより、この回路部からの消費電流が個々の電池を充放電させることになり、過充電状態を判断する回路部自身で電池の電圧バランスを損なわせる。

例えば、図４のような、３個直列に接続されたリチウムイオン電池１〜３に対し、各電池１〜３の電圧を検出する過電圧検出部４〜６が直接接続された充電回路を想定する。この場合、電池１に対応する過電圧検出部４を流れる電流のＩ１ａ、電池２に対応する過電圧検出部５を流れる電流Ｉ２ａとＩ２ｂ、電池３に対応する過電圧検出部６を流れる電流Ｉ３ａとＩ３ｂ、との関係において、下記の［数１］が成立する場合は、各電池に対し、Ｉ１、Ｉ２の充放電電流は流れない。

［数１］
Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ＝Ｉ１ａ
Ｉ３ａ＋Ｉ３ｂ＝Ｉ２ａ

しかしながら、電池の劣化や各電池の電圧のバラツキ等により、各電池１〜３の電圧が等しくならない場合や、充電コントロール部７からの電流値によって上記［数１］が成立しない場合には、Ｉ１、Ｉ２の充放電電流が電池１、２に流出することで当該電池１、２を充放電させてしまうといった問題が生じていた。

本発明は、上記のような課題を解消するために提案されたものであって、その目的は、直列接続する各二次電池の中点をモニターする回路であって、その中点にオペアンプを接続することで、当該中点へ流れる充放電電流及び中点から各電池へ流れる入出力電流を抑制することが可能な二次電池用充電回路を提供することにある。さらに、オペアンプとＮＰＮトランジスタによりボルテージフォロワを構成し、このボルテージフォロワからの出力を電池電圧を検出し比較する回路のグランドとすることにより、複雑な演算をすることなく精度の高い個々の電池の過電圧検出を可能とすることも目的とする。

前記の目的を達成するために、請求項１の発明は、直列に接続された複数の二次電池を過充電から保護する二次電池用過充電保護回路において、前記二次電池の電圧を検出し、当該電圧が過充電状態を示す基準電圧以上であるかを判断する当該二次電池毎に設けられた過電圧検出手段と、いずれかの前記過電圧検出手段により検出された電圧が前記基準電圧以上であると判断された場合に前記複数の二次電池の充電をすべて遮断制御する充電制御手段と、入力インピーダンスの高いオペアンプと当該オペアンプの出力端子がベースに接続されるＮＰＮトランジスタを含むボルテージフォロワと、を備え、直列に接続された各二次電池の中点が前記オペアンプの反転入力端子に接続され、かつ、前記ＮＰＮトランジスタのコレクタが前記オペアンプの非反転入力端子に接続され、前記二次電池の中点の電圧が前記ボルテージフォロアのオペアンプの反転入力端子に入力され、当該ボルテージフォロワの出力電圧が前記過電圧検出手段に供給されるよう構成されたことを特徴とする。

以上のような態様では、直列接続する各二次電池の中点の電圧をオペアンプにより検出しインピーダンス変換することで、当該中点へ流れる電流及び中点から流れ出す電流を抑制することができ、電池の中点から各電池へ流れる入出力電流を抑えることが可能となる。これにより、多くの受動部品を組み合わせた充電回路において、電流を吸ってしまうことにより生じる回路特性の劣化を防止することができる。ここで、ボルテージフォロワとは、「入力インピーダンスが高く、利得が１」であるものとして定義している。

また、オペアンプの出力電圧は電源電圧の約７０％までしか出力されないので、トランジスタを一石、オペアンプの出力端子に接続することでボルテージフォロワを構成することにより、その損失を補填することができる。そのため、最上位の電池電圧や電池の中に短絡電池（０Ｖ電池）があった場合であっても、正確にインピーダンス変換し、個々の電池電圧を検出できるよう構成されている。

請求項２の発明は、請求項１に記載の二次電池用充電回路において、両端がプラス端子とマイナス端子とからなり直列に接続された前記複数の二次電池のうち、前記マイナス端子から数えて２個目以上の各二次電池の電圧を検出する前記過電圧検出手段のグランドは、前記ボルテージフォロワの出力電圧であることを特徴とする。

以上のような態様では、二次電池の過充電状態を判断するに当たり、過電圧か否かを検出する過電圧検出部のグランドを、オペアンプとトランジスタにより構成したボルテージフォロワの出力とすることで、複雑な演算をすることなく精度の高い個々の電池の過電圧を検出することが可能となる。

請求項３の発明は、請求項１に記載の二次電池用充電回路において、一端が外部から充電電流が供給される端子に接続され、他端が前記マイナス端子に接続された前記充電電流を検出する充電電流検出抵抗を備え、前記充電電流検出抵抗の前記一端側には、前記トランジスタのエミッタが接続されることを特徴とする。

以上のような態様では、接続された電池のうち短絡電池（０Ｖ電池）があった場合に生じるトランジスタのコレクタ−エミッタ間の飽和電圧を解消することが可能となる。具体的には、充電器等から電力が供給される電流検出抵抗の入力端子側の電圧は、電池に流れる充電電流をｉとするとｉ×電流検出抵抗分、マイナス端子（以下、−側電極とする）の電圧より低くなっているため、トランジスタのエミッタ端子を、この電流検出抵抗の入力端子側に接続することで、当該トランジスタのコレクタを−側電極と同じ電圧までコントロールし、飽和電圧による誤差の解消を可能としている。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の二次電池用充電回路において、前記二次電池の充電をＯＮ・ＯＦＦする充電スイッチ部を備え、前記充電制御手段は、前記過電圧検出手段により検出した二次電池の電圧が前記基準電圧以上であると判断された場合に、前記充電スイッチ部をＯＦＦするよう制御することで、充電を遮断することを特徴とする。

以上のような態様では、過電圧検出手段により実際の電池電圧が過電圧であると判断された場合に、充電制御手段が、例えば、ＰＭＯＳトランジスタ等から構成された充電スイッチ部を、ＯＮとするよう制御することにより簡易に二次電池へ供給される充電電流を遮断することが可能となる。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池用充電回路において、前記二次電池からの放電をＯＮ・ＯＦＦする放電スイッチ部と、前記二次電池の電圧が過放電状態を示す基準電圧以下であるかを検出する過放電検出手段を備え、前記過放電検出手段は、前記二次電池の電圧が当該基準電圧以下であると判断した場合に、前記放電スイッチ部をＯＦＦするよう制御することを特徴とする。

以上のような態様では、各二次電池の過電圧を検出することで過充電保護を行うだけでなく、過充電状態と判断される場合に放電される電圧量に基づいて過放電状態を検出し、当該過放電状態から二次電池を保護することを可能とする。

ここで、放電状態とは、充電制御手段により充電スイッチ部がＯＦＦされると同時に放電スイッチ部がＯＮされることで二次電池から電力が放電されている状態を示している。そのため、二次電池の放電中において検出した実際の二次電池の電圧が、過放電状態を示す基準電圧以下まで減少している場合には、過放電検出手段により放電スイッチをＯＦＦするよう制御することで当該放電を停止している。

以上のような本発明によれば、直列接続する各二次電池の中点の電圧をオペアンプにより検出しインピーダンス変換することで、当該中点へ流れる電流及び中点から流れ出す電流を抑制することができ、電池の中点から各電池へ流れる入出力電流を抑えることが可能となる。これにより、多くの受動部品を組み合わせた充電回路において、電流を吸ってしまうことにより生じる回路特性の劣化を防止することができる。

また、二次電池の過充電状態を判断するに当たり、過電圧か否かを検出する過電圧検出部のグランドを、オペアンプとＮＰＮトランジスタにより構成したボルテージフォロワの出力とすることで、複雑な演算をすることなく精度の高い個々の電池の過電圧を検出することが可能となる。

さらに、オペアンプの出力電圧は電源電圧の約７０％までしか出力されないので、ＮＰＮトランジスタを１個、オペアンプの出力端子に接続することでボルテージフォロワを構成することにより、その損失を補填することができる。そのため、最上位の電池電圧や電池の中に短絡電池（０Ｖ電池）があった場合であっても、正確にインピーダンス変換し、個々の電池電圧を検出できるよう構成されている。

なお、接続された電池のなかに短絡電池（０Ｖ電池）がある場合には、ＮＰＮトランジスタのコレクタ−エミッタ間に特性上解消が困難である飽和電圧が生じる。つまり、短絡電池を有すると、当該トランジスタが完全にＯＮ状態である場合であってもコレクタ−エミッタ間の飽和電圧により、ＮＰＮトランジスタのコレクタはエミッタより数十ｍＶ程度電圧が高くなる。

しかし、電流検出抵抗の入力端子側の電圧は、電池に流れる充電電流をｉとするとｉ×電流検出抵抗分、−側電極の電圧より低くなっているため、ＮＰＮトランジスタのエミッタをこの電流検出抵抗の入力端子側に接続することで、当該トランジスタのコレクタを−側電極と同じ電圧までコントロールし、飽和電圧による誤差の解消を可能としている。

［１．本実施形態］
［１．１．基本構成］
次に、本実施形態に係る充電回路の基本的な構成について、図１を参照して以下に説明する。なお、本実施形態に係る充電回路の構成は、従来技術で示した図４の充電回路に新たな構成要素を加えたものであるため、従来技術で示した図４の充電回路と同一の構成については同じ符号を付し、説明は省略する。

図１の通り、従来技術で示した図４と同様に、３個のリチウムイオン電池１〜３が直列に接続された回路であって、各電池１〜３の電圧が過電圧か否かを検出する過電圧検出部４〜６と、過電圧検出部４〜６により検出された電圧に基づいて各電池の過充電状態を判定し、充電スイッチ部８のＯＮ・ＯＦＦを制御する充電コントロール部７が配設されている。ここで、本実施形態では、リチウムイオン電池１〜３に直接過電圧検出部４〜６を接続するのではなく、直列に接続された当該電池１〜３の中点、すなわち電池１と電池２の中間点と電池２と電池３の中間点に対して、オペアンプとＮＰＮトランジスタ等から構成されたボルテージフォロワを接続し、このボルテージフォロワの出力を過電圧検出部５、６のグランドとするよう構成されている。

ボルテージフォロワを電池１〜３と過電圧検出部４〜６の間に構成することにより、上記中間点からの電圧（電池１と電池２の中点の電圧をＶ１、電池２と電池３の中点の電圧をＶ２とする）を高入力インピーダンス素子であるオペアンプで受け、電池１と電池２の中点及び電池２と電池３の中点に図４で示したＩ１、Ｉ２のような充放電電流を流れなくしている。なお、本実施形態おいてボルテージフォロワは、上述した通り、「入力インピーダンスが高く利得が１」という特性を有するものと定義している。

［１．２．具体的な構成］
次に、本実施形態に係る充電回路の具体的な構成について、図１を参照して以下に詳述する。なお、従来技術で示した図４の充電回路と同一の構成については同じ符号を付し、説明は省略する。

本実施形態では、図１のように、直列に接続された電池１と電池２の中点の電圧であるＶ１は、ボルテージフォロワを構成するオペアンプＩＣ１の反転入力端子（−入力端子）に接続され、このオペアンプＩＣ１の出力端子が抵抗Ｒ１を介してＮＰＮトランジスタＱ１のベースに接続される。また、コレクタからの出力Ｖ１outは、オペアンプＩＣ１の非反転入力端子（＋入力端子）に接続される。

なお、このＮＰＮトランジスタＱ１には、比較的大容量のコンデンサＣ２と抵抗Ｒ２が接続され、当該ＮＰＮトランジスタＱ１の応答速度をダウンさせることで、コレクタからの出力電圧Ｖ１outをＶ１としている。

直列に接続された電池２と電池３の中点に対しても同様に、当該中点の電圧Ｖ２は、ボルテージフォロワを構成するオペアンプＩＣ２の反転入力端子（−入力端子）に接続され、このオペアンプＩＣ２の出力端子が抵抗Ｒ３を介してＮＰＮトランジスタＱ２のベースに接続される。また、ＮＰＮトランジスタＱ２のコレクタの出力Ｖ２outは、オペアンプＩＣ２の非反転入力端子（＋入力端子）に接続される。

なお、このＮＰＮトランジスタＱ２には、比較的大容量のコンデンサＣ１と抵抗Ｒ４が接続され、当該ＮＰＮトランジスタＱ２の応答速度をダウンさせることで、コレクタからの出力電圧Ｖ２outをＶ２としている。

また、入力端子Ａ１に接続された抵抗Ｒ１２、Ｒ１１は、それぞれＮＰＮトランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタに接続されており、入力端子Ａ１を通じて供給される電源からプルアップすることにより、ＮＰＮトランジスタＱ１、Ｑ２の吸い込み電流を補充し、各トランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタからの出力Ｖ１out、Ｖ２outを安定させている。ＮＰＮトランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタ端子に入力端子Ａ１から電荷が流れるＲ１２、Ｒ１１が接続されているということは、入力端子Ａ１から供給される電圧はオペアンプＩＣ１、ＩＣ２の非反転入力端子（＋入力端子）に入力されることになる。

そして、抵抗とシャントレギュレータから構成される３個直列に接続された過電圧検出部４〜６は、図１の通り、過電圧検出部４のグランドをバッテリの−側電極に、過電圧検出部５のグランドをボルテージフォロワの出力Ｖ１outに、過電圧検出部６のグランドをボルテージフォロワの出力Ｖ２outに、するよう配設されている。そのため、過電圧検出部４〜６では、個々の電池１〜３の電圧を演算回路を使用することなく検出することが可能となる。

この過電圧検出部４は、二つの抵抗Ｒ５、６とシャントレギュレータＩＣ３からなり、直列に接続された抵抗Ｒ５、６の接続点にシャントレギュレータＩＣ３のリファレンスが接続され、カソードが充電コントロール部７に、アノードが当該過電圧検出部４のグランドに接続された構成を有する。なお、抵抗Ｒ５のＲ６側とは逆の端子は、ボルテージフォロワの出力Ｖ１outに接続されている。

ここで、シャントレギュレータＩＣ３は、抵抗Ｒ５、Ｒ６により電池１の電圧であるＶ１outを分圧し、抵抗Ｒ５とＲ６の接続点の電位が予めシャントレギュレータＩＣ３に設定された基準電圧以上にある場合に、カソードが電流を吸い込むことで充電コントロール部７に過電圧信号を送っている。

過電圧検出部５も過電圧検出部４と同様に、抵抗Ｒ７、Ｒ８とシャントレギュレータＩＣ４からなり、直列に接続された抵抗Ｒ７、Ｒ８の接続点にシャントレギュレータＩＣ４のリファレンスが接続され、カソードが充電コントロール部７に、アノードが当該過電圧検出部５のグランド、すなわちＶ１outに接続された構成を有する。なお、抵抗Ｒ７のＲ８側とは逆の端子は、オペアンプＩＣ２とＮＰＮトランジスタＱ２から構成されるボルテージフォロワの出力Ｖ２outに接続されている。

ここで、シャントレギュレータＩＣ４は、抵抗Ｒ７、Ｒ８により電池２の電圧であるＶ２out−Ｖ１outを分圧し、抵抗Ｒ７とＲ８の接続点の電位が予めシャントレギュレータＩＣ４に設定された基準電圧以上にある場合に、カソードが電流を吸い込むことで充電コントロール部７に過電圧信号を送っている。

過電圧検出部６も過電圧検出部４、５と同様に、抵抗Ｒ９、１０とシャントレギュレータＩＣ５からなり、直列に接続された抵抗Ｒ９、１０の接続点にシャントレギュレータＩＣ５のリファレンスが接続され、カソードが充電コントロール部７に、アノードが当該過電圧検出部６のグランド、すなわちＶ２outに接続された構成を有する。なお、抵抗Ｒ９のＲ１０側とは逆の端子は、バッテリの＋側電極に接続されている。

ここで、シャントレギュレータＩＣ５は、抵抗Ｒ９、Ｒ１０により電池３の電圧である＋側電極電圧−Ｖ２outを分圧し、抵抗Ｒ９とＲ１０の接続点の電位が予めシャントレギュレータＩＣ５に設定された基準電圧以上にある場合に、カソードが電流を吸い込むことで充電コントロール部７に過電圧信号を送っている。

なお、電池１〜３であるバッテリの＋側電極は、充電スイッチ部８を介して入力端子Ａ１に接続されるが、この充電スイッチ部８と＋側電極の間には逆流防止用のダイオードＤ１が配設されている。また、−側電極は、電流検出抵抗Ｒisを介して、電力を供給する充電器等が繋がれる入力端子Ａ２に接続されている。なお、充電スイッチ部８は、ダイオードとＰＭＯＳトランジスタから構成されている。

ここで、上述したＮＰＮトランジスタＱ１、Ｑ２のエミッタは、電流検出抵抗Ｒisの入力端子Ａ２側に接続されることにより、電池１〜３のうち短絡電池（０Ｖ電池）がある場合に生じる、ＮＰＮトランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタ−エミッタ間の飽和電圧Ｖsatによる誤差を解消している。

具体的には、ＮＰＮトランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタは、当該トランジスタＱ１、Ｑ２が完全にＯＮ状態である場合でも、ＮＰＮトランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタ−エミッタ間の飽和電圧Ｖsatにより、数十ｍＶ程度エミッタより電圧が高くなる。つまり、ボルテージフォロワを構成するオペアンプＩＣ１、２によりいくら出力をコントロールしようとも、この電圧分の誤差は 特性上解消できない。

ここで、電池１〜３に充電電流 i が流れている場合、バッテリの−側電極の電圧よりもｉ×Ｒis分、電流検出抵抗Ｒisの入力端子Ａ２側の方が電圧が低くなっている。そのため、−側電極の電圧よりも低いＲisの入力端子Ａ２側に、ＮＰＮトランジスタＱ１、Ｑ２のエミッタ端子を接続することで、当該トランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタを−側電極と同じ電圧までコントロールできるよう構成されている。その際の条件として下記の［数２］を満たす必要がある。

［数２］
Ｖsat≦Ｒis×ｉ

［１．３．作用効果］
次に、本実施形態に係る上記構成に基づいた充電回路の過充電判定保護処理手順を、以下に説明する。なお、電池１〜３が充電状態にある場合とは、充電スイッチ部８がＯＮとなるよう充電コントロール部７を通じて制御され、充電スイッチ部８がＯＮすることで、入力端子Ａ１、Ａ２を介した充電器からの電力が電池１〜３に充電される状態を想定している。

この状態において、電池１と電池２の中点の電圧Ｖ１は、オペアンプＩＣ１の反転入力端子（−入力端子）に入力され、オペアンプＩＣ１の非反転入力端子（＋入力端子）には、入力端子Ａ１から流れる充電器からの電荷が抵抗Ｒ１２を介して入力される。また、電池２と電池３の中点の電圧Ｖ２は、オペアンプＩＣ２の反転入力端子（−入力端子）に入力され、オペアンプＩＣ２の非反転入力端子（＋入力端子）には、入力端子Ａ１から流れる充電器からの電荷が抵抗Ｒ１１を介して入力される。

そして、オペアンプＩＣ１、ＩＣ２は、反転入力端子（−入力端子）の入力に対し、非反転入力端子（＋入力端子）からの入力が大きければＨＩ信号を出力することで、ＮＰＮトランジスタＱ１、Ｑ２をＯＮとするよう制御し、非反転入力端子（＋入力端子）からの入力が小さければＬＯ信号を出力することで、ＮＰＮトランジスタＱ１、Ｑ２をＯＦＦとするよう制御する。なお、充電状態であれば、非反転入力端子（＋入力端子）の入力が反転入力端子（−入力端子）の入力よりも大きいため、オペアンプＩＣ１、ＩＣ２からは通常ＨＩ信号が出力されている。

オペアンプＩＣ１、ＩＣ２からＨＩ信号が出力されることで、ＮＰＮトランジスタＱ１、Ｑ２がＯＮされると、過電圧検出部４〜６は、電池１〜３の電圧を検出し、当該電圧が過電圧検出部４〜６内のシャントレギュレータＩＣ３〜５に予め設定された過電圧状態を示す基準電圧を超過するか否かを判断する。そして、電池１〜３に対応した３個の過電圧検出部４〜６のうち、いずれかにおいて電池電圧が過電圧を示す基準電圧を超えると判断する場合には、その過電圧検出部内のシャントレギュレータのカソードが電流を吸い込むことで過電圧信号が充電コントロール部７に送られる。

一方、電池１〜３に対応した３個の過電圧検出部４〜６すべてにおいて、電池電圧が過電圧を示す基準電圧を超えないと判断される場合には、過電圧信号は充電コントロール部７に送られず、充電されたままである。

充電コントロール部７では、過電圧検出部４〜６のいずれかから過電圧信号が送られると、電池が過充電状態にあると判断し、ＯＮとしていた充電スイッチ部８をＯＦＦとするよう制御する。これにより、電池１〜３のいずれかが過充電状態にある場合には、入力端子Ａ１、Ａ２から供給される電荷を断絶し、充電を停止する。充電スイッチ部８がＯＦＦすることにより充電が停止されると、当該スイッチ部８を構成するダイオードを介して放電電流が流れる。

以上のような本実施形態によれば、直列接続する各二次電池の中点の電圧をオペアンプにより検出しインピーダンス変換することで、当該中点へ流れる電流及び中点から流れ出す電流を抑制することができ、電池の中点から各電池へ流れる入出力電流を抑えることが可能となる。これにより、多くの受動部品を組み合わせた充電回路において、電流を吸ってしまうことにより生じる回路特性の劣化等を防止することができる。

また、二次電池の過充電状態を判断するに当たり、過電圧か否かを検出する上記過電圧検出部のグランドを、オペアンプとＮＰＮトランジスタにより構成したボルテージフォロワの出力とすることで、複雑な演算をすることなく精度の高い個々の電池の過電圧を検出することが可能となる。

さらに、オペアンプの出力電圧は電源電圧の約７０％までしか出力されないので、ＮＰＮトランジスタを一石、オペアンプの出力端子に接続することでボルテージフォロワを構成することにより、その損失を補填することができる。そのため、最上位の電池電圧や電池の中に短絡電池（０Ｖ電池）があった場合であっても、正確にインピーダンス変換し、個々の電池電圧を検出できるように構成されている。

なお、接続された電池のなかに短絡電池（０Ｖ電池）がある場合には、ＮＰＮトランジスタのコレクタ−エミッタ間に特性上解消が困難である飽和電圧Ｖsatが生じる。つまり、短絡電池を有すると、当該トランジスタが完全にＯＮ状態である場合であってもコレクタ−エミッタ間の飽和電圧Ｖsatにより、ＮＰＮトランジスタのコレクタはエミッタより数十ｍＶ程度電圧が高くなる。

しかし、電流検出抵抗Ｒisの入力端子Ａ２側の電圧は、電池に流れる充電電流をｉとすると、ｉ×Ｒis分−側電極の電圧より低くなっているため、ＮＰＮトランジスタのエミッタ端子を、この電流検出抵抗Ｒisの入力端子側に接続することで、当該トランジスタのコレクタを−側電極と同じ電圧までコントロールし、飽和電圧Ｖsatによる誤差の解消することが可能となる。

［２．他の実施形態］
なお、本発明は、図１に示した上記実施形態の通り、各電池の中点に対してオペアンプとＮＰＮトランジスタを用いることでボルテージフォロワを構成しているが、これに限定するものではなく、オペアンプの反転入力端子（−入力端子）を直接出力端子に接続することで形成したボルテージフォロワを使用する実施形態も包含する。

具体的には、図２の通り、図１と同様に３個のリチウムイオン電池の中点に対してボルテージフォロワが構成されるが、各中点からの電圧Ｖ１、Ｖ２は、オペアンプＩＣ１１、ＩＣ１２の非反転入力端子（＋入力端子）に入力され、この入力電圧Ｖ１、Ｖ２が過電圧検出部５、６のグランドとなるよう構成されている。つまり、図２の実施形態では、図１のようなＮＰＮトランジスタを使用していないため、オペアンプＩＣ１１、１２の動作範囲を考慮していないが、中点の電圧Ｖ１、Ｖ２をそのまま過電圧検出部４〜６に出力するという特性を有する一般的なボルテージフォロワを使用する構成も本発明は包含している。

また、本発明は、上記実施形態のような、各電池の過電圧を検出することで過充電保護を行う充電回路に限定するものではなく、過充電状態と判断される場合に放電される電圧量の過放電状態を検出する放電回路を有する実施形態も包含する。具体的には、図３のように、上記実施形態ではスイッチング素子として充電スイッチ部８を設けていたが、これに加え、逆流防止用ダイオードＤ１の代わりに過放電保護用の放電スイッチ部９を配設し、さらには、充電コントロール部７内に過電圧検出部により検出された電圧から過放電を検出する過放電検出部１０を設けている。

実際に電池から放電する場合の動作は、上記実施形態において充電スイッチ部８がＯＦＦされると同時に放電スイッチ部９がＯＮされ、放電電流がＯＦＦされた充電スイッチ部８のダイオードを介して入力端子Ａ１側へ流れる。ここで、充電コントロール部７内の過放電検出部１０は、過電圧検出部４〜６で検出された電池１〜３のいずれかの電圧信号から、電池電圧が過放電状態を示す基準電圧以下まで変化しているかを判断する。この過放電検出部１０は、当該電圧が基準電圧以下まで変化していると判断する場合には過放電状態にあると判定し、放電スイッチ部９をＯＦＦするよう制御する。なお、これと同時に充電スイッチ部８がＯＮするよう制御される。

また、本発明は、上記実施形態において二次電池としてリチウムイオン電池を使用しているが、これに限定するものではなく、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池等を用いた実施形態も包含する。

なお、本発明は、充電を行うことにより電池１から３のいずれかの電圧が過電圧となった場合に過充電状態と判断し、充電スイッチ部８をＯＦＦすることにより充電を遮断しているが、これに限定するものではなく、液晶ディスプレイ等の表示部を設け、過充電状態になった旨を伝達する実施形態も包含する。つまり、このような構成とすることにより、充電スイッチ部８をＯＦＦするよう制御し、かつ表示部でその旨を伝達することも、充電スイッチ部８をＯＦＦさせずに表示部で過充電状態である旨を伝達することも可能となる。このような表示部を利用したメッセージ情報の表示は、上記放電スイッチ部９をＯＮ・ＯＦＦ制御する場合にも同様に使用可能である。

本発明の実施形態に係る充電回路例を示すブロック回路図。 本発明の他の実施形態に係る充電回路例を示すブロック回路図。 本発明の他の実施形態に係る過放電保護可能な充電回路例を示すブロック回路図。 従来技術の充電回路例を示すブロック回路図。

符号の説明

１〜３・・・リチウムイオン電池
４〜６・・・過電圧検出部
６・・・過電圧検出部
７・・・充電コントロール部
８・・・充電スイッチ部
９・・・放電スイッチ部
１０・・・過放電検出部

Claims (5)

1. 直列に接続された複数の二次電池を過充電から保護する二次電池用過充電保護回路において、
   前記二次電池の電圧を検出し、当該電圧が過充電状態を示す基準電圧以上であるかを判断する当該二次電池毎に設けられた過電圧検出手段と、
   いずれかの前記過電圧検出手段により検出された電圧が前記基準電圧以上であると判断された場合に前記複数の二次電池の充電をすべて遮断制御する充電制御手段と、
   入力インピーダンスの高いオペアンプと当該オペアンプの出力端子がベースに接続されるＮＰＮトランジスタを含むボルテージフォロワと、を備え、
   直列に接続された各二次電池の中点が前記オペアンプの反転入力端子に接続され、かつ、前記ＮＰＮトランジスタのコレクタが前記オペアンプの非反転入力端子に接続され、
   前記二次電池の中点の電圧が前記ボルテージフォロアのオペアンプの反転入力端子に入力され、当該ボルテージフォロワの出力電圧が前記過電圧検出手段に供給されるよう構成されたことを特徴とする二次電池用過充電保護回路。
2. 両端がプラス端子とマイナス端子とからなり直列に接続された前記複数の二次電池のうち、前記マイナス端子から数えて２個目以上の各二次電池の電圧を検出する前記過電圧検出手段のグランドは、前記ボルテージフォロワの出力電圧であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池用過充電保護回路。
3. 一端が外部から充電電流が供給される端子に接続され、他端が前記マイナス端子に接続された前記充電電流を検出する充電電流検出抵抗を備え、
   前記充電電流検出抵抗の前記一端側には、前記ＮＰＮトランジスタのエミッタが接続されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池用過充電保護回路。
4. 前記二次電池の充電をＯＮ・ＯＦＦする充電スイッチ部を備え、
   前記充電制御手段は、前記過電圧検出手段により検出した二次電池の電圧が前記基準電圧以上であると判断された場合に、前記充電スイッチ部をＯＦＦするよう制御することで、充電を遮断することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の二次電池用過充電保護回路。
5. 前記二次電池からの放電をＯＮ・ＯＦＦする放電スイッチ部と、
   前記二次電池の電圧が過放電状態を示す基準電圧以下であるかを検出する過放電検出手段を備え、
   前記過放電検出手段は、前記二次電池の電圧が当該基準電圧以下であると判断した場合に、前記放電スイッチ部をＯＦＦするよう制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池用過充電保護回路。

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