JP4735174B2 - 二次電池の過放電保護回路 - Google Patents

Description

本発明は、負荷側に接続される一対の出力端子の間で二次電池と直列に接続されて二次電池の出力を禁止するオフ状態と許容するオン状態とに切換えられる第１のスイッチング素子と、前記二次電池の出力によって前記二次電池が過放電状態にあるか否かを検出する過放電検出回路とが備えられた二次電池の過放電保護回路に関する。

かかる二次電池の過放電保護回路は、二次電池が過放電状態となると二次電池を劣化させてしまうことから、二次電池が過放電状態で放電を継続してしまうのを阻止するための回路である。
かかる過放電保護回路は、例えば、下記特許文献１に記載のように、二次電池の出力電圧が設定電圧よりも低下して過放電状態になっていることを検出すると、スイッチング素子をオフ状態として二次電池からの放電を禁止する構成が考えられている。
特開２００１−５７７４３号公報

しかしながら、上記従来構成では、二次電池の過放電からの保護が必ずしも十分ではなかった。
すなわち、二次電池は、出力電圧が低下して過放電状態と検出され、一旦放電が禁止されても、負荷側と切断されることによって出力電圧が回復してしまう性質を有する。
この出力電圧の回復にともなって過放電状態ではないと判断されると、二次電池からの放電が再開されてしまい、以降は、放電の禁止と再開と繰り返すことになる。
この放電の禁止と再開とを繰り返してしまうことによって、せっかく過放電からの保護のための回路を備えているにも拘わらず二次電池を劣化させてしまうことになる。
このため、二次電池が一旦放電禁止の状態に移行すると、二次電池の出力電圧が回復しても放電禁止の状態を維持させる回路を備えることも考えられる。
ところが、一旦過放電状態となったときに一律に放電禁止の状態を維持させるようにすると、二次電池からの給電を受けながら電気機器を使用しているときに、ある時突然に二次電池からの放電が停止し、使用中の電気機器がぱたっと停止して使用者を驚かせてしまうことになる。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、二次電池を過放電から保護するべく放電禁止とする際に、使用者に注意を喚起できるようにする点にある。

本出願の第１の発明は、負荷側に接続される一対の出力端子の間で二次電池と直列に接続されて二次電池の出力を禁止するオフ状態と許容するオン状態とに切換えられる第１のスイッチング素子と、前記二次電池の出力によって前記二次電池が過放電状態にあるか否かを検出する過放電検出回路とが備えられた二次電池の過放電保護回路において、前記二次電池の放電の進行の程度に対応する設定条件に基づいて、前記二次電池が過放電状態にあることを前記過放電検出回路が検出して、前記第１のスイッチング素子をオフ状態とした後、前記二次電池の出力電圧が回復したときに前記第１のスイッチング素子をオン状態に戻すことを許容する再放電許容状態と、前記二次電池の出力電圧が回復しても前記第１のスイッチング素子をオン状態に戻すことを禁止する再放電禁止状態とに切換えるための切換え用回路が設けられており、前記第１のスイッチング素子がオン状態ではオン状態となり、且つ、前記切換え用回路と接続されることで前記第１のスイッチング素子がオン状態からオフ状態へ移行するのに遅延してオン状態からオフ状態に移行するように前記第１のスイッチング素子よりも前記出力端子側の電位に基づいて切換えられる第３のスイッチング素子が備えられ、前記第１のスイッチング素子がオフ状態では、前記第３のスイッチング素子がオン状態からオフ状態へ移行するに伴って前記第１のスイッチング素子のオフ状態が維持されるように構成されている

すなわち、過放電検出回路が二次電池が過放電状態にあると検出したときに、直ちに、前記再放電禁止状態、つまり、二次電池の出力電圧が回復しても第１のスイッチング素子をオフ状態に維持した放電禁止を維持する状態に移行させるのではなく、前記再放電許容状態、つまり、一旦放電禁止とした後に二次電池の出力電圧が回復すれば再放電を許容する状態を経てから前記再放電禁止状態へ移行させて、放電禁止の状態を維持する。
過放電検出回路が二次電池が過放電状態にあると検出したときでも、過放電状態の初期の段階であれば、出力電圧の回復に伴う再放電を許容したとしても、実用的には二次電池を劣化させてしまうことはない。
そこで、過放電状態の初期の段階では前記再放電許容状態で動作させて、放電の禁止と再開を繰り返して電気機器に対して間歇的に給電を行うことで、電気機器の使用者に対して過放電状態に入りつつあることについての注意を喚起する。
そして、更に過放電状態が進行すると、前記再放電禁止状態へ移行させて、二次電池の出力電圧が回復しても放電禁止の状態を維持させ、二次電池を過放電による劣化から的確に保護する。
尚、前記再放電許容状態から前記再放電禁止状態へ移行させるタイミングを規定する前記設定条件としては、上述のような過放電状態の程度（換言すれば、二次電池の放電の進行の程度）と対応のつくものであればどのようなパラメータ（例えば、最初に過放電を検出してからの経過時間等）に着目しても良く、具体的な設定条件は、二次電池の性能等に応じてどの程度の過放電までなら再放電を許容できるかという観点から適宜に規定することができる。

すなわち、前記再放電禁止状態を作り出すために、過放電検出回路が例えば二次電池の出力電圧の低下等により過放電状態にあることを検出して、それに伴って、第３のスイッチング素子がオフ状態に移行し、第３のスイッチング素子がオフ状態になると第１のスイッチング素子をオフさせる状態となる。
このように第３のスイッチング素子がオフ状態に移行してしまうと、オフ状態の第３のスイッチング素子が第１のスイッチング素子をオフ状態に維持させて、二次電池の出力電圧が回復しても放電禁止の状態が維持されることになる。
このとき、第１のスイッチング素子がオフ状態へ移行したときに、直ちに第３のスイッチング素子がオフ状態に移行するのではなく、前記第３のスイッチング素子のオフ状態への移行を前記切換え用回路が遅延させている。
第１のスイッチング素子がオフ状態となった後、第３のスイッチング素子がオフ状態へ移行するまでの間は、この間に二次電池の出力電圧が回復すると第１のスイッチング素子がオン状態に復帰することになる。つまり、前記再放電許容状態となっているのである。

これに対して、第１のスイッチング素子がオフ状態となって放電が阻止されている二次電池の出力電圧の回復が遅くなり、第１のスイッチング素子がオン状態に復帰する前に第３のスイッチング素子がオフ状態へ移行すると、オフ状態となった第３のスイッチング素子が第１のスイッチング素子のオン状態への復帰を阻止するので、更にその後に二次電池の出力電圧が回復しても放電禁止の状態が維持され、前記再放電禁止状態へ移行することになる。
放電が阻止されたときの二次電池の出力電圧の回復速度は、その二次電池の放電の進行の程度に依存し、放電が進むほど回復速度が低下する。
従って、第１のスイッチング素子がオフ状態へ移行した後、第３のスイッチング素子がオフ状態へ移行するまでの遅延時間をどの程度に設定するかの条件（前記設定条件）が、放電が阻止されたときの二次電池の出力電圧の回復速度がどの程度に低下するまで再放電（第１のスイッチング素子のオン状態への復帰）を許容するかという条件になっており、これは二次電池の放電の進行の程度に対応しているのである。

又、本出願の第２の発明は、上記第１の発明の構成に加えて、前記過放電検出回路が出力する前記過放電状態の検出信号に基づいて、前記過放電状態にあることを前記過放電検出回路が検出するに伴って前記第１のスイッチング素子をオフ状態とする第２のスイッチング素子が備えられている。
又、本出願の第３の発明は、上記第１又は第２の発明の構成に加えて、前記切換え用回路は、並列接続された抵抗とコンデンサとを、前記第３のスイッチング素子におけるオンオフ制御用の端子間に接続することによって構成されている。
すなわち、並列接続された抵抗とコンデンサとの充放電を利用して、第３のスイッチング素子のオンオフ制御用の端子間電圧を制御することで、極めて簡素な構成でオフ状態への移行を遅延させる回路を構成することができる。

上記第１の発明によれば、過放電状態の初期の段階では前記再放電許容状態で動作させて、放電の禁止と再開を繰り返して電気機器に対して間歇的に給電を行うことで、電気機器の使用者に対して過放電状態に入りつつあることについての注意を喚起し、更に過放電状態が進行すると、前記再放電禁止状態へ移行させて、二次電池の出力電圧が回復しても放電禁止の状態を維持させ、二次電池を過放電による劣化から的確に保護するので、二次電池を過放電から保護するべく放電禁止とする際に、使用者に注意を喚起できるものとなった。
又、上記第２の発明によれば、第３のスイッチング素子がオフ状態へ移行するまでの時間を遅延させるだけの簡単な回路で前記再放電許容状態から前記再放電禁止状態への切換えを行うことができ、回路構成の簡素化を図ることができる。
又、上記第３の発明によれば、並列接続された抵抗とコンデンサとを備えるだけで前記切換え用回路を構成できるので、回路構成を極めて簡素化することができる。

以下、本発明の二次電池の過放電保護回路の実施の形態を図面に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
本第１実施形態の二次電池の過放電保護回路は、図１に示すように、二次電池ＲＢとして３個のリチウムイオン電池の電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３を直列接続して構成した組電池を保護の対象としており、二次電池ＲＢを収納する電池パックＢＰに過放電保護回路ＧＣが内蔵されている。
この電池パックＢＰは、二次電池ＲＢに対する負荷である各種の電気機器に取付けられて、負荷と接続する一対の出力端子Ｔ１，Ｔ２から負荷側へ電力が供給される。

〔電池パックＢＰ側の回路構成〕
過放電保護回路ＧＣは、二次電池ＲＢの各電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３毎に、各電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３が過放電状態にあるか否かを検出する過放電検出回路１と、前記一対の出力端子Ｔ１，Ｔ２の間で二次電池ＲＢと直列に接続されて二次電池ＲＢの出力を禁止するオフ状態と許容するオン状態とに切換えられる第１のスイッチング素子ＦＳと、過放電検出回路１が出力する過放電状態の検出信号に基づいて第１のスイッチング素子ＦＳをオフ状態とする第２のスイッチング素子ＳＳと、第１のスイッチング素子ＦＳが一旦オフ状態となったときに、第１のスイッチング素子ＦＳをそのオフ状態に維持するための第３のスイッチング素子ＴＳとを主要部として構成されている。

各電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３に対応する過放電検出回路１は何れも同一構成であり、本第１実施形態では、各電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の出力電圧が設定電圧（Ｖ_Ｌ）以下となったときに過放電状態に至ったものと検出すると共に、放電停止後、各電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の電圧が設定電圧（Ｖ_Ｈ）以上まで回復したときに過放電状態ではないものと検出している。ここで、「Ｖ_Ｈ」は「Ｖ_Ｌ」よりも若干高い電圧に設定してある。
各過放電検出回路１には、電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の出力電圧を検出する電圧検出回路１１と、電圧検出回路１１によってオン状態とオフ状態とに切換えられるＭＯＳＦＥＴ１２とを主要部として構成されている。電圧検出回路１１は、電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の出力電圧が前記「Ｖ_Ｌ」以下に低下するに伴ってＭＯＳＦＥＴ１２をオン状態へ移行させ、電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の出力電圧が前記「Ｖ_Ｈ」以上に回復するに伴ってＭＯＳＦＥＴ１２をオフ状態へ移行させる。

本第１実施形態では、第２のスイッチング素子ＳＳはバイポーラトランジスタにて構成され、第１のスイッチング素子ＦＳ及び第３のスイッチング素子ＴＳはＭＯＳＦＥＴにて構成されている。
ここで、第２のスイッチング素子ＳＳのみをバイポーラトランジスタにて構成しているのは、この第２のスイッチング素子ＳＳをＭＯＳＦＥＴにて構成したのでは、電気機器側で発生するノイズによって誤動作し、的確な放電禁止動作を行えないからである。
ちなみに、この第２のスイッチング素子ＳＳをＭＯＳＦＥＴにて構成しても、ゲート−ソース間にコンデンサを接続することで、ノイズによる誤動作を防ぐことが可能ではあるが、実用上で十分な応答速度を得ることが困難となってしまう。
各電圧検出回路１１のＭＯＳＦＥＴ１２のドレイン側は、抵抗１３及びダイオード１４を経て一本の信号線にまとめられ、第２のスイッチング素子ＳＳのベースに入力されている。
電池パックＢＰが負荷の電気機器に正常に電圧を供給している状態では各電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の出力電圧は何れも前記「Ｖ_Ｌ」よりも高く、各過放電検出回路１のＭＯＳＦＥＴ１２はオフ状態であるので、第２のスイッチング素子ＳＳもオフ状態となっている。

第３のスイッチング素子ＴＳは、第１のスイッチング素子ＦＳの存在側とは反対側の出力端子（図１の回路では＋側の出力端子Ｔ１）と第１のスイッチング素子ＦＳのオンオフ制御用の入力であるゲートとの間に抵抗１７を介して接続されている。
第３のスイッチング素子のオンオフ制御用の入力であるゲートは、抵抗１５を介して、第１のスイッチング素子ＦＳよりも出力端子側（図１の回路では−の出力端子Ｔ２側）に接続され、更に、第３のスイッチング素子ＴＳのゲートは、並列接続された抵抗１６及びコンデンサ２０を介して二次電池ＲＢの＋側に接続されている。すなわち、この並列接続された抵抗１６及びコンデンサ２０は、第３のスイッチング素子ＴＳのオンオフ制御用の端子間（ゲート−ソース間）に接続されている。

これによって、第３のスイッチング素子ＴＳは、第１のスイッチング素子ＦＳよりも出力端子側（図１の回路では−の出力端子Ｔ２側）の電位に基づいてオン状態とオフ状態とに切換えられ、第１のスイッチング素子ＦＳがオン状態にあるときは、抵抗１６と抵抗１５との比率で決まる電圧が第３のスイッチング素子ＴＳのゲート−ソース間に印加され、第３のスイッチング素子ＴＳはオン状態となり、第１のスイッチング素子ＦＳがオン状態からオフ状態へ移行すると、第１のスイッチング素子ＦＳよりも出力端子側（図１の回路では−の出力端子Ｔ２側）の電位が二次電池ＲＢの−側から切り離されて、第３のスイッチング素子ＴＳはオン状態からオフ状態へ移行する。

但し、上述のように、第３のスイッチング素子ＴＳのゲート−ソース間に、並列接続された抵抗１６及びコンデンサ２０を接続しているので、第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態へ移行した後、第３のスイッチング素子ＴＳは直ちにはオフ状態へ移行しない。
つまり、第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態になった時点ではコンデンサ２０が充電されており、時間の経過と共にコンデンサ２０の電荷が主に抵抗１６を介して放電されていく。
従って、第３のスイッチング素子ＴＳのゲート−ソース間の電圧は、第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態となった時点の電圧から徐々に低下して行き、その電圧が第３のスイッチング素子ＴＳをオフさせる電圧まで低下したときに第３のスイッチング素子ＴＳがオフ状態へ移行する。

第１のスイッチング素子ＦＳのゲートには、第２のスイッチング素子ＳＳのコレクタが抵抗１８を介して接続され、更に、抵抗１９を介して二次電池ＲＢの−側に接続されている。
従って、第１のスイッチング素子ＦＳは、第３のスイッチング素子ＴＳがオン状態のときは、抵抗１７と抵抗１９との比率によって決まる電圧がゲート−ソース間に印加されてオン状態となり、第３のスイッチング素子ＴＳがオフ状態になるとゲート−ソース間に印加される電圧が低下してオフ状態となる。
又、第２のスイッチング素子ＳＳのエミッタは二次電池ＲＢの−側に接続されており、第２のスイッチング素子ＳＳがオン状態となると、抵抗１８及び抵抗１９にかかる電圧では、第１のスイッチング素子ＦＳをオフ状態とするようにこれらの抵抗値が設定されているので、第１のスイッチング素子ＦＳはオフ状態となる。
従って、第１のスイッチング素子ＦＳは、第２のスイッチング素子ＳＳがオン状態となるか、あるいは、第３のスイッチング素子ＴＳがオフ状態となるかの何れか一方によってオフ状態となる。すなわち、第２のスイッチング素子ＳＳあるいは第３のスイッチング素子ＴＳのいずれか一方でも、第１のスイッチング素子ＦＳに対してオフ指令を出力すると第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態となる。

〔放電禁止時の回路の動作〕
次ぎに、図１の回路の過放電保護の動作について説明する。
電圧検出回路１１は、電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の電圧が設定電圧（Ｖ_Ｌ）以下となったとき、ＭＯＳＦＥＴ１２のゲート電圧を低下させてＭＯＳＦＥＴ１２をオフ状態からオン状態へ移行させる。
これに伴って、＋側の出力端子Ｔ１の電圧が抵抗１３及びダイオード１４を経て出力され、第２のスイッチング素子ＳＳがオン状態となる。すなわち、電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の何れか一つでも設定電圧以下になると、第２のスイッチング素子ＳＳがオン状態となる。

これに伴って、上述のように第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態となる。
第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態となると、第３のスイッチング素子ＴＳのゲートが二次電池ＲＢの−側から切り離され、上述の抵抗１６及びコンデンサ２０の作用によってゲート電位が徐々に上昇して行く。
第３のスイッチング素子ＴＳのゲート電位が、第３のスイッチング素子ＴＳをオフさせる電位まで上昇すると、第３のスイッチング素子ＴＳがオフ状態へ移行する。
オフ状態へ移行した第３のスイッチング素子ＴＳは、第１のスイッチング素子ＦＳがオン状態とならない限りオン状態とならず、更に、上述のように、第１のスイッチング素子ＦＳは、第２のスイッチング素子ＳＳ又は第３のスイッチング素子ＴＳのいずれか一方でも第１のスイッチング素子ＦＳに対してオフ指令を出力するときにオフ状態となるので、この後に第２のスイッチング素子ＳＳがオフ状態に戻っても、第１のスイッチング素子ＦＳはオフ状態を維持する。
すなわち、第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態となって放電禁止の状態となり、それによって二次電池ＲＢの出力電圧が回復すると、過放電検出回路１の電圧検出回路１１はＭＯＳＦＥＴ１２のゲート電位を上昇させてオフさせる。
これに伴って、第２のスイッチング素子ＳＳもオフするが、第３のスイッチング素子ＴＳが第１のスイッチング素子ＦＳをオフさせる信号を出力しているので、第１のスイッチング素子ＦＳはオフ状態すなわち放電禁止の状態を維持する。

これに対して、第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態となって第３のスイッチング素子ＴＳのゲート電位が上昇する過程で、そのゲート電位が第３のスイッチング素子ＴＳをオフさせる電位まで上昇する前に、二次電池ＲＢの電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の出力電圧が前記「Ｖ_Ｈ」以上にまで回復して、第２のスイッチング素子ＳＳをオフさせると、第１のスイッチング素子ＦＳはオン状態に復帰する。すなわち、放電禁止の状態が解除される。
これに伴って、コンデンサ２０は再度充電される。

第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態からオン状態へ復帰するのを許容される状態とオフ状態のまま維持される状態との切換えについて、各要素の時間関係を示す図３に基づいて説明する。
図３では、第１のスイッチング素子がオフ状態へ移行してから第３のスイッチング素子ＴＳがオフ状態へ移行するまでの遅延時間を「遅延時間」として最上段に示し、第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態となってから二次電池ＲＢの電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の出力電圧が「Ｖ_Ｈ」にまで回復するのに要する時間を「出力電圧の回復時間」として中段に示し、二次電池ＲＢが放電している状態かあるいは放電禁止の状態か、すなわち、第１のスイッチング素子ＦＳがオン状態にあるかあるいはオフ状態にあるかを「放電状態」として最下段に示している。
最下段の「放電状態」では、第１のスイッチング素子ＦＳがオン状態にある期間を太線の実線にて示し、オフ状態にある期間を細線の実線にて表示している。

最上段において破線で示す、第１のスイッチング素子がオフ状態へ移行してから第３のスイッチング素子ＴＳがオフ状態へ移行するまでの遅延時間ｔｄは、抵抗１６とコンデンサ２０の時定数で決まり、一定の値である。
中段において実線で示す出力電圧の回復時間は、放電の進行する程度に応じて長くなり、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４ となっている。
放電の進行により電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３のうちの何れかの出力電圧が前記「Ｖ_Ｌ」まで低下して過放電検出回路１がそれを検出すると（図３の「Ｄ１」）第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態となる。この後、二次電池ＲＢの出力電圧の回復とコンデンサ２０の放電とが始まるが、ここではｔ１＜ｔｄであるので、第３のスイッチング素子ＴＳがオフ状態に移行する前に時間ｔ１が経過して電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の出力電圧が「Ｖ_Ｈ」にまで回復し、第１のスイッチング素子ＦＳがオン状態に復帰する。

この後、二次電池ＲＢの出力電圧が徐々に低下し、何れかの電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３において過放電検出回路１が過放電状態にあると検出すると、上述の動作を繰り返す。
図３において「Ｄ２」及び「Ｄ３」で示す時点で過放電状態にあると検出したときには、ｔ２＜ｔｄ，ｔ３＜ｔｄであるので、夫々ｔ２，ｔ３が経過すると第１のスイッチング素子ＦＳはオン状態に復帰する。
図３において「Ｄ４」で示す時点で過放電状態であると検出したときは、ｔｄ＜ｔ４となっており、時間ｔ４が経過して出力電圧が「Ｖ_Ｈ」にまで回復する前に第３のスイッチング素子ＴＳがオフ状態に移行し、これ以降は、第１のスイッチング素子ＦＳがオン状態に復帰することはない。

換言すると、第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態となってから二次電池ＲＢの電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の出力電圧が「Ｖ_Ｈ」にまで回復するのに要する時間が、第１のスイッチング素子がオフ状態へ移行してから第３のスイッチング素子ＴＳがオフ状態へ移行するまでの遅延時間よりも短いか否かという設定条件に基づいて、出力電圧の回復に要する時間が前記遅延時間よりも短いときは、第１のスイッチング素子ＦＳをオフ状態とした後、二次電池ＲＢの出力電圧が回復したときに第１のスイッチング素子ＦＳをオン状態に戻すことを許容する再放電許容状態とし、出力電圧の回復に要する時間が前記遅延時間よりも長くなったとき（図３において「Ｄ４」で示す時点から時間ｔｄが経過したとき）は、二次電池ＲＢの出力電圧が回復しても第１のスイッチング素子ＦＳをオン状態に戻すことを禁止する再放電禁止状態に切換えるようにしている。
並列接続された抵抗１６及びコンデンサ２０は、この切換えを行うための切換え用回路ＳＷとして機能し、この切換え用回路ＳＷによって、上述のように再放電許容状態を経た後に再放電禁止状態へと移行させる。
二次電池ＲＢの負荷である電気機器の使用者は、正常に電気機器を使用している状態から前記再放電許容状態へ移行したときに、それに伴う電気機器の挙動の変化から、まもなくすると二次電池ＲＢからの放電が完全に停止することを知ることができる。

〔放電禁止の維持状態を解除するための構成と動作〕
次ぎに、放電禁止の維持状態を解除するための構成とその動作について説明する。
放電禁止の維持状態を解除するには、第３のスイッチング素子ＴＳをオン状態とする必要があるが、このために、第１のスイッチング素子ＦＳをオン状態とするのに相当する状態を作り出す。
このための構成として、電池パックＢＰは、前記一対の出力端子Ｔ１，Ｔ２とは別に、第１のスイッチング素子ＦＳよりも二次電池ＲＢ側（すなわち、本第１実施形態では、二次電池ＲＢの−側）に接続された制御端子Ｔ３を備えている。
この制御端子Ｔ３と、一対の出力端子Ｔ１，Ｔ２のうちの第１のスイッチング素子ＦＳに近い側の出力端子（本第１実施形態では、−側の出力端子Ｔ２）とを外部回路によって電気的に接続することで、第３のスイッチング素子ＴＳのゲートを二次電池ＲＢの−側に接続する。

制御端子Ｔ３と出力端子Ｔ２を接続するための回路は、図２に示すように、電池パックＢＰを充電するための充電器ＣＨに備えられている。
充電器ＣＨには、電気機器から取外した電池パックＢＰの一対の出力端子Ｔ１，Ｔ２に接続する充電端子Ｔ４，Ｔ５と、電池パックＢＰの制御端子Ｔ３に接続する解除用端子Ｔ６とが備えられ、更に、一対の出力端子Ｔ１，Ｔ２のうちの第１のスイッチング素子ＦＳに近い側の出力端子である−側の出力端子Ｔ２に接続する−側の充電端子Ｔ５と解除用端子Ｔ６とを電気的に接続するための接続手段であるスイッチ２１と、スイッチ２１のオンオフを制御する解除回路制御部２２と、一対の充電端子Ｔ４，Ｔ５に充電用電力を供給する充電回路２３とが備えられている。

充電回路２３には、例えば電源プラグ２４を商用電力の供給を受けるためのコンセントに差し込んで通電が開始されたことを検出すること等により充電開始を検出する充電開始検出回路２３ａが備えられており、この充電開始検出回路２３ａが充電の開始を検出すると、その検出信号が解除回路制御部２２へ伝達され、解除回路制御部２２は、スイッチ２１をオン状態とする。
これによって、電池パックＢＰ側では、第３のスイッチング素子ＴＳのゲートが抵抗１５を介して二次電池ＲＢの−側に接続され、第１のスイッチング素子ＦＳがオン状態になったのと同等の状態となって、第３のスイッチング素子がオン状態へ移行する。
この時点では、放電禁止の状態を維持することによって、二次電池ＲＢの出力電圧は多少回復しており、第２のスイッチング素子ＳＳがオフ状態となっているので、第３のスイッチング素子ＴＳがオン状態に移行するに伴って第１のスイッチング素子ＦＳがオン状態に移行して、放電禁止の維持状態が解除される。

二次電池ＲＢへの充電動作自体は、第１のスイッチング素子ＦＳがオン状態とならなくても、第１のスイッチング素子ＦＳの寄生ダイオードを経て充電することが可能であるが、このように第１のスイッチング素子ＦＳを確実にオン状態として充電動作を行うことで、第１のスイッチング素子ＦＳの寄生ダイオードに過度な負荷をかけることなく充電を行うことができる。
しかも、電池パックＢＰと充電器ＣＨとを接続していても、電源プラグ２４をコンセントに差し込んでいないような充電開始前の状態では、二次電池ＲＢの放電禁止の状態が維持されて、二次電池ＲＢをより確実に保護することになっている。

＜第２実施形態＞
本発明の二次電池の過放電保護回路の第２実施形態は、図１に対応する図４に示すように、基本的な考え方は上記第１実施形態と共通であるが、第１のスイッチング素子ＦＳ及び第３のスイッチング素子ＴＳの回路上の配置位置が上記第１実施形態と異なり、それに伴って、第２のスイッチング素子ＳＳ周りの回路構成が若干異なっている。
本第２実施形態においても、二次電池ＲＢとして３個のリチウムイオン電池の電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３を直列接続して構成した組電池を保護の対象とする場合を例示して説明する。二次電池ＲＢを収納する電池パックＢＰに、過放電保護回路ＧＣが内蔵されている点も全く上記第１実施形態と共通である。
第２実施形態を説明する図４及び図５において、上記第１実施形態と共通する構成部分には同一符号を付している。

〔電池パックＢＰ側の回路構成〕
過放電保護回路ＧＣは、上記第１実施形態と同様に、二次電池ＲＢの各電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３毎に、各電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３が過放電状態にあるか否かを検出する過放電検出回路１と、前記一対の出力端子Ｔ１，Ｔ２の間で二次電池ＲＢと直列に接続されて二次電池ＲＢの出力を禁止するオフ状態と許容するオン状態とに切換えられる第１のスイッチング素子ＦＳと、過放電検出回路１が出力する過放電状態の検出信号に基づいて第１のスイッチング素子ＦＳをオフ状態とする第２のスイッチング素子ＳＳと、第１のスイッチング素子ＦＳが一旦オフ状態となったときに、第１のスイッチング素子ＦＳをそのオフ状態に維持するための第３のスイッチング素子ＴＳとを主要部として構成されている。
上記第１実施形態では、第１のスイッチング素子ＦＳが、一対の出力端子Ｔ１，Ｔ２のうちの−側の出力端子Ｔ２に近い側に配置されていたのに対して、本第２実施形態では、＋側の出力端子Ｔ１に近い側に配置されている。

各電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３に対応する過放電検出回路１の構成は上記第１実施形態と全く共通であり、説明を省略する。
本第２実施形態でも、第２のスイッチング素子ＳＳはバイポーラトランジスタにて構成され、第１のスイッチング素子ＦＳ及び第３のスイッチング素子ＴＳはＭＯＳＦＥＴにて構成されている。
各電圧検出回路１１のＭＯＳＦＥＴ１２のドレイン側は、抵抗１３及びダイオード１４を経て一本の信号線にまとめられ、第２のスイッチング素子ＳＳのベースに入力されている点も第１実施形態と同様である。
従って、電池パックＢＰが負荷の電気機器に正常に電圧を供給している状態では、第２のスイッチング素子ＳＳはオフ状態となっている。

第３のスイッチング素子ＴＳは、第１のスイッチング素子ＦＳの存在側とは反対側の出力端子（図４の回路では−側の出力端子Ｔ２）と第１のスイッチング素子ＦＳのオンオフ制御用の入力であるゲートとの間に抵抗３３を介して接続されている。
第３のスイッチング素子のオンオフ制御用の入力であるゲートは、抵抗３１を介して、第１のスイッチング素子ＦＳよりも出力端子側（図４の回路では＋の出力端子Ｔ１側）に接続され、更に、第３のスイッチング素子ＴＳのゲートは、並列接続された抵抗３２及びコンデンサ３５を介して二次電池ＲＢの−側に接続されている。すなわち、この並列接続された抵抗３２及びコンデンサ３５は、第３のスイッチング素子ＴＳのオンオフ制御用の端子間（ゲート−ソース間）に接続されている。
これによって、第３のスイッチング素子ＴＳは、第１のスイッチング素子ＦＳよりも出力端子側（図４の回路では＋の出力端子Ｔ１側）の電位に基づいてオン状態とオフ状態とに切換えられ、第１のスイッチング素子ＦＳがオン状態にあるときは、抵抗３２と抵抗３１との比率で決まる電圧が第３のスイッチング素子ＴＳのゲート−ソース間に印加され、第３のスイッチング素子ＴＳはオン状態となり、第１のスイッチング素子ＦＳがオン状態からオフ状態へ移行すると、第１のスイッチング素子ＦＳよりも出力端子側（図４の回路では＋の出力端子Ｔ１側）の電位が二次電池ＲＢの＋側から切り離されて、第３のスイッチング素子ＴＳはオン状態からオフ状態へ移行する。

但し、上記第１実施形態の並列接続された抵抗１６及びコンデンサ２０と同様に機能する抵抗３２及びコンデンサ３５によって、第３のスイッチング素子ＴＳのゲート−ソース間の電圧は、第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態となった時点の電圧から徐々に低下して行き、その電圧が第３のスイッチング素子ＴＳをオフさせる電圧まで低下したときに第３のスイッチング素子ＴＳがオフ状態へ移行する。

第１のスイッチング素子ＦＳのゲートには、第２のスイッチング素子ＳＳのエミッタが接続され、更に、抵抗３４を介して二次電池ＲＢの＋側に接続されている。
従って、第１のスイッチング素子ＦＳは、第３のスイッチング素子ＴＳがオン状態のときは、抵抗３３と抵抗３４との比率によって決まる電圧がゲート−ソース間に印加されてオン状態となり、第３のスイッチング素子ＴＳがオフ状態になると、ゲート−ソース間の電圧が低下してオフ状態となる。
又、第２のスイッチング素子ＳＳのコレクタは二次電池ＲＢの＋側に接続されており、第２のスイッチング素子ＳＳがオン状態となると、第１のスイッチング素子ＦＳのゲートソース間にかかる電圧が十分に低くなり、第１のスイッチング素子ＦＳはオフ状態となる。
従って、第１のスイッチング素子ＦＳは、第２のスイッチング素子ＳＳがオン状態となるか、あるいは、第３のスイッチング素子ＴＳがオフ状態となるかの何れか一方によってオフ状態となる。すなわち、第２のスイッチング素子ＳＳあるいは第３のスイッチング素子ＴＳのいずれか一方でも、第１のスイッチング素子ＦＳに対してオフ指令を出力すると第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態となる。

〔放電禁止時の回路の動作〕
次ぎに、図４の回路の過放電保護の動作について説明する。
電圧検出回路１１は、電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の電圧が設定電圧（Ｖ_Ｌ）以下となったとき、ＭＯＳＦＥＴ１２のゲート電圧を低下させてＭＯＳＦＥＴ１２をオフ状態からオン状態へ移行させる。
これに伴って、＋側の出力端子Ｔ１の電圧が抵抗１３及びダイオード１４を経て出力され、第２のスイッチング素子ＳＳがオン状態となる。すなわち、電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の何れか一つでも設定電圧以下になると、第２のスイッチング素子ＳＳがオン状態となる。

これに伴って、上述のように第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態となる。
第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態となると、第３のスイッチング素子ＴＳのゲートが二次電池ＲＢの＋側から切り離され、上述の抵抗３２及びコンデンサ３５の作用によってゲート電位が徐々に降下して行く。
第３のスイッチング素子ＴＳのゲート電位が、第３のスイッチング素子ＴＳをオフさせる電位まで降下すると、第３のスイッチング素子ＴＳがオフ状態へ移行する。
オフ状態へ移行した第３のスイッチング素子ＴＳは、第１のスイッチング素子ＦＳがオン状態とならない限りオン状態とならず、更に、上述のように、第１のスイッチング素子ＦＳは、第２のスイッチング素子ＳＳ又は第３のスイッチング素子ＴＳのいずれか一方でも第１のスイッチング素子ＦＳに対してオフ指令を出力するときにオフ状態となるので、この後に第２のスイッチング素子ＳＳがオフ状態に戻っても、第１のスイッチング素子ＦＳはオフ状態を維持する。
すなわち、第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態となって放電禁止の状態となり、それによって二次電池ＲＢの出力電圧が回復すると、過放電検出回路１の電圧検出回路１１はＭＯＳＦＥＴ１２のゲート電位を上昇させてオフさせる。
これに伴って、第２のスイッチング素子ＳＳもオフするが、第３のスイッチング素子ＴＳが第１のスイッチング素子ＦＳをオフさせる信号を出力しているので、第１のスイッチング素子ＦＳはオフ状態すなわち放電禁止の状態を維持する。

これに対して、第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態となって第３のスイッチング素子ＴＳのゲート電位が上昇する過程で、そのゲート電位が第３のスイッチング素子ＴＳをオフさせる電位まで上昇する前に、二次電池ＲＢの電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の出力電圧が前記「Ｖ_Ｈ」以上にまで回復して、第２のスイッチング素子ＳＳをオフさせると、第１のスイッチング素子ＦＳはオン状態に復帰する。すなわち、放電禁止の状態が解除される。
これに伴って、コンデンサ３５は再度充電される。
以上により、本第２実施形態でも、上記第１実施形態で説明した図３の動作と全く同様の動作を行うことになる。
従って、本第２実施形態でも、第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態となってから二次電池ＲＢの電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の出力電圧が「Ｖ_Ｈ」にまで回復するのに要する時間が、第１のスイッチング素子がオフ状態へ移行してから第３のスイッチング素子ＴＳがオフ状態へ移行するまでの遅延時間よりも短いか否かという設定条件に基づいて、出力電圧の回復に要する時間が前記遅延時間よりも短いときは、第１のスイッチング素子ＦＳをオフ状態とした後、二次電池ＲＢの出力電圧が回復したときに第１のスイッチング素子ＦＳをオン状態に戻すことを許容する再放電許容状態とし、出力電圧の回復に要する時間が前記遅延時間よりも長くなったときは、二次電池ＲＢの出力電圧が回復しても第１のスイッチング素子ＦＳをオン状態に戻すことを禁止する再放電禁止状態に切換えるようにしている。
並列接続された抵抗３２及びコンデンサ３５は、この切換えを行うための切換え用回路ＳＷとして機能し、この切換え用回路ＳＷによって、上述のように再放電許容状態を経た後に再放電禁止状態へと移行させる。

〔放電禁止の維持状態を解除するための構成と動作〕
次ぎに、放電禁止の維持状態を解除するための構成とその動作について説明する。
本第２実施形態においても、放電禁止の維持状態を解除するには、第３のスイッチング素子ＴＳをオン状態とする必要があり、このために、第１のスイッチング素子ＦＳをオン状態とするのに相当する状態を作り出す。
このための制御端子Ｔ３は、本第２実施形態では、第１のスイッチング素子ＦＳよりも二次電池ＲＢの＋側に接続されている。
上記第１実施形態と同様に、制御端子Ｔ３と出力端子Ｔ１を接続するための回路は、図５に示すように、電池パックＢＰを充電するための充電器ＣＨに備えられている。
充電器ＣＨの構成は、電池パックＢＰ側の端子構成と対応して、スイッチ２１の設置位置のみが上記第１実施形態と異なり、その他の構成及び全体動作は上記第１実施形態と全く共通である。

＜その他の実施形態＞
以下、本発明のその他の実施形態を列記する。
（１）上記実施の形態では、前記再放電許容状態と前記再放電禁止状態とに切換えるときの基準となる前記設定条件として、第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態となってから二次電池ＲＢの電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の出力電圧が「Ｖ_Ｈ」にまで回復するのに要する時間が、第１のスイッチング素子がオフ状態へ移行してから第３のスイッチング素子ＴＳがオフ状態へ移行するまでの遅延時間よりも短いか否かという条件を設定する場合を例示しているが、例えば、第１のスイッチング素子ＦＳがオフ状態からオン状態に復帰した回数をカウントして、設定回数に到達したときに前記再放電禁止状態に切換えるように構成する等、前記設定条件は種々に変更可能である。
（２）上記第１実施形態及び第２実施形態では、二次電池ＲＢとして電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３を３個直列接続したものを例示して説明しているが、電池セルの個数や接続形態は種々に変更可能である。

（３）上記第１実施形態及び第２実施形態では、過放電検出回路１が各電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３毎に過放電状態か否かを検出する場合を例示しているが、過放電検出回路１が、各電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３毎ではなく、二次電池ＲＢ全体としてまとめて過放電状態か否かを検出するように構成しても良い。
（４）上記第１実施形態及び第２実施形態では、過放電検出回路１は、各電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の出力電圧が設定電圧（Ｖ_Ｌ）以下となったときに過放電状態に至ったものと検出すると共に、放電停止後、各電池セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の電圧が設定電圧（Ｖ_Ｈ）以上まで回復したときに過放電状態ではないものと検出し、「Ｖ_Ｈ」は「Ｖ_Ｌ」よりも若干高い電圧に設定してあるが、Ｖ_Ｈ ＝ Ｖ_Ｌ すなわち単一の電圧値で過放電状態にあるか否かを検出するように構成しても良い。

本発明の第１実施形態にかかる電池パックの回路図 本発明の第１実施形態にかかる充電器のブロック構成図 本発明の実施の形態にかかる再放電許容状態と再放電禁止状態とを説明する図 本発明の第２実施形態にかかる電池パックの回路図 本発明の第２実施形態にかかる充電器のブロック構成図

符号の説明

ＦＳ 第１のスイッチング素子
ＲＢ 二次電池
ＳＳ 第２のスイッチング素子
ＳＷ 切換え用回路
ＴＳ 第３のスイッチング素子
Ｔ１，Ｔ２ 出力端子
１ 過放電検出回路
１６，３２ 抵抗
２０，３５ コンデンサ

Claims (3)

1. 負荷側に接続される一対の出力端子の間で二次電池と直列に接続されて二次電池の出力を禁止するオフ状態と許容するオン状態とに切換えられる第１のスイッチング素子と、前記二次電池の出力によって前記二次電池が過放電状態にあるか否かを検出する過放電検出回路とが備えられた二次電池の過放電保護回路であって、
   前記二次電池の放電の進行の程度に対応する設定条件に基づいて、前記二次電池が過放電状態にあることを前記過放電検出回路が検出して、前記第１のスイッチング素子をオフ状態とした後、前記二次電池の出力電圧が回復したときに前記第１のスイッチング素子をオン状態に戻すことを許容する再放電許容状態と、前記二次電池の出力電圧が回復しても前記第１のスイッチング素子をオン状態に戻すことを禁止する再放電禁止状態とに切換えるための切換え用回路が設けられており、
   前記第１のスイッチング素子がオン状態ではオン状態となり、且つ、前記切換え用回路と接続されることで前記第１のスイッチング素子がオン状態からオフ状態へ移行するのに遅延してオン状態からオフ状態に移行するように前記第１のスイッチング素子よりも前記出力端子側の電位に基づいて切換えられる第３のスイッチング素子が備えられ、
   前記第１のスイッチング素子がオフ状態では、前記第３のスイッチング素子がオン状態からオフ状態へ移行するに伴って前記第１のスイッチング素子のオフ状態が維持されるように構成されている二次電池の過放電保護回路。
2. 前記過放電検出回路が出力する前記過放電状態の検出信号に基づいて、前記過放電状態にあることを前記過放電検出回路が検出するに伴って前記第１のスイッチング素子をオフ状態とする第２のスイッチング素子が備えられた請求項１記載の二次電池の過放電保護回路。
3. 前記切換え用回路は、並列接続された抵抗とコンデンサとを、前記第３のスイッチング素子におけるオンオフ制御用の端子間に接続することによって構成されている請求項１又は２記載の二次電池の過放電保護回路。

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