JP4811181B2 - 二次電池保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン電池などの二次電池を保護する二次電池保護装置、特に二次電池の充放電電流を制御する半導体デバイスの熱破壊を防止する二次電池保護装置に関する。

リチウムイオン電池などの二次電池を収納した電池パックには、二次電池を過放電及び過充電から保護する保護回路が集積化されて収容されている。図７はこのような電池パックに収容された従来の二次電池保護装置の回路構成を示すブロック図であり、電池パック１が充電器２に接続された状態を示している。

電池パック１には、二次電池１０の放電制御用の半導体デバイスである放電ＦＥＴＱ１及び充電制御用の半導体デバイスである充電ＦＥＴＱ２のオン（ＯＮ）、オフ（ＯＦＦ）をそれぞれ制御する放電制御回路１０１及び充電制御回路１０２と、二次電池１０の過放電を検出する過放電検出回路１０３及び二次電池の過充電を検出する過充電検出回路１０４と、通常状態での二次電池１０の放電過電流を検出する放電過電流検出回路１０５が設けられている。Ｄｐ１，Ｄｐ２は放電ＦＥＴＱ１、充電ＦＥＴＱ２の寄生ダイオードであり、Ｓ１，Ｓ２はソース、Ｄ１，Ｄ２はドレイン、Ｇ１，Ｇ２はゲートである。

また、電池パック１には、二次電池１０のプラス（＋）側とマイナス（−）側の出力端子が設けられており、これらの出力端子は、二次電池１０の充電時には充電器２の充電回路２０からの充電電流が入力される入力端子となる。

次に、上記構成の二次電池保護装置の動作について説明する。ここでは、過充電検出電圧を４．３Ｖ、過充電解除電圧を４．０Ｖ、また過放電検出電圧を２．５Ｖ、過放電解除電圧を２．８Ｖとして説明する。

電池パック１に充電器２が接続されると、充電器２は二次電池１０の電池電圧を判断し、所定の電圧より低下している場合には、二次電池１０に対し図６に示すように定電流充電及び定電圧充電を行う。図６は二次電池１０の充電制御動作を示す図であり、二次電池１０の電池電圧と充電電流を時刻の経過とともに示している。そして、同図に示すように、正常な充電器２により４．２Ｖで定電圧充電される場合は、二次電池１０は過充電状態にはならない。しかし、故障した充電器などが接続された場合に、４．２Ｖを超えた電圧で充電し続けられると、４．３Ｖの過充電電圧が検出されて過充電保護動作が実行される。

図８は従来の二次電池保護装置の過充電保護動作を示すタイムチャートである。ここでは、放電ＦＥＴＱ１のゲート電圧、充電ＦＥＴＱ２のゲート電圧、過充電検出信号（過充電検出電圧）、放電ＦＥＴＱ１と充電ＦＥＴＱ２のＳ１−Ｓ２電圧（ソース間電圧）、及び電池電圧を示している。

充電時、電池パック１の過充電検出回路１０４は、二次電池１０が過充電されないように電池電圧を監視している。検出電圧が予め設定された過充電設定電圧より低い場合、過充電検出回路１０４は通常状態であることを出力信号をＬ（ＬＯＷ）レベルにして充電制御回路１０２に通知する。通常状態では、充電制御回路１０２は充電ＦＥＴＱ２のゲートＧ２をＨ（ＨＩＧＨ）レベルにし、充電ＦＥＴＱ２をオンにして充電電流を通電させる。過充電検出回路１０４が過充電検出電圧より高い電池電圧を検出した場合、過充電検出回路１０４は過充電状態であることを出力信号をＨレベルにして充電制御回路１０２に通知する。過充電状態では、充電制御回路１０２は充電ＦＥＴＱ２のゲートＧ２をＬレベルにし、充電ＦＥＴＱ２をオフにして充電電流を切断させる。これにより、過充電保護状態となる。

その後、故障した充電器などが外されて放電電流が流れ、過充電検出回路１０４が過充電解除電圧より低い電池電圧を検出すると、過充電検出回路１０４は過充電状態が解除されたことを出力信号をＬレベルにして充電制御回路１０２に通知する。これを受けて、充電制御回路１０２は充電ＦＥＴＱ２をオンにする。これにより、通常状態に復帰する。

ここで、図８のタイムチャートにおいて、Ｓ１−Ｓ２電圧は、（Ｓ２の電位）−（Ｓ１の電位）＝（Ｓ２の電位）−ＧＮＤ（０Ｖ）＝（Ｓ２の電位）であり、最初は少しマイナスで、充電ＦＥＴＱ２がオフになった直後に（電池電圧）−（充電電圧）となる。

図９は従来の二次電池保護装置の過放電保護動作を示すタイムチャートである。ここでは、放電ＦＥＴＱ１のゲート電圧、充電ＦＥＴＱ２のゲート電圧、過放電検出信号（過放電検出電圧）、放電ＦＥＴＱ１と充電ＦＥＴＱ２のＳ１−Ｓ２電圧（ソース間電圧）、及び電池電圧を示している。

電池パック１に図示しない負荷装置が接続されると、二次電池１０は負荷へ電力を供給すべく放電状態となり、過放電検出回路１０３は、二次電池１０が過放電にならないように電池電圧を監視する。検出電圧が予め設定された過放電検出電圧より高い場合、過放電検出回路１０３は通常状態であることを出力信号をＬレベルにして放電制御回路１０１に通知する。通常状態では、放電制御回路１０１は放電ＦＥＴＱ１のゲートＧ１をＨレベルにし、放電ＦＥＴＱ１をオンにして放電電流を通電させる。過放電検出回路１０３が過放電検出電圧より低い電池電圧を検出した場合は、過放電検出回路１０３は過放電状態であることを出力信号をＨレベルにして放電制御回路１０１に通知する。過放電状態では、放電制御回路１０１は放電ＦＥＴＱ１のゲートＧ１をＬレベルにし、放電ＦＥＴＱ１をオフにして放電電流を切断させる。これにより、過放電保護状態となる。

その後、充電器２が接続されて充電電流が流れ、過放電検出回路１０３が過放電解除電圧より高い電池電圧を検出すると、過放電検出回路１０３は過放電状態が解除されたことを出力信号をＬレベルにして放電制御回路１０１に通知する。これを受けて、放電制御回路１０１は放電ＦＥＴＱ１をオンにする。これにより、通常状態に復帰する。

また、放電時、二次電池１０を異常負荷あるいは負荷短絡による過電流から保護するため、放電過電流検出回路１０５は、放電ＦＥＴＱ１と充電ＦＥＴＱ２に流れる電流を電圧値に変換して監視している。検出電圧が予め設定された過電流検出電圧より低い場合、放電過電流検出回路１０５は通常状態であることを放電制御回路１０１に通知する。通常状態では、放電制御回路１０１は放電ＦＥＴＱ１をオンにして放電電流を通電させる。放電過電流検出回路１０５が過電流検出電圧より高い電圧を検出した場合は、放電過電流検出回路１０５は過電流状態であることを放電制御回路１０１に通知する。過電流状態では、放電制御回路１０１は放電ＦＥＴＱ１をオフにして放電電流を切断させる。これにより、過電流保護状態となる。

ここで、図９のタイムチャートにおいて、Ｓ１−Ｓ２電圧は、上述のように（Ｓ２の電位）であり、最初は少しプラスで、放電ＦＥＴＱ１がオフになった直後に電池電圧となる。

図１０は上述の従来の二次電池保護装置の充放電制御動作を示す図である。また、図１１は二次電池保護装置の充放電制御動作における電流経路を示す図であり、放電ＦＥＴＱ１と充電ＦＥＴＱ２に流れる電流の経路を示している。同図の（Ａ）は通常時の充放電電流経路、（Ｂ）は過充電保護時の放電電流経路、（Ｃ）は過放電保護時の充電電流経路をそれぞれ示している。

過充電保護状態からの放電において、放電電流は充電ＦＥＴＱ２の寄生ダイオードＤｐ２を経由して流れ、放電する。このため、寄生ダイオードＤｐ２の順方向電圧による損失が発生して熱となり、半導体（ＩＣ）を過熱させる。大電流で放電した場合には、半導体が熱破壊することがある。

また、過放電保護状態からの充電において、充電電流は放電ＦＥＴＱ１の寄生ダイオードＤｐ１を経由して流れ、充電する。このため、同様に寄生ダイオードＤｐ１の順方向電圧による損失が発生して熱となり、半導体を過熱させる。そして、大電流で充電した場合には、同様に半導体が熱破壊することがある。

そこで、規定値以上の充放電電流が所定時間以上連続して流れた場合に、放電ＦＥＴＱ１、充電ＦＥＴＱ２をオンさせることで、寄生ダイオードＤｐ１，Ｄｐ２に流れる電流を抑えて半導体の熱破壊を防止することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この保護装置では、直列接続された放電ＦＥＴと充電ＦＥＴの電流経路に抵抗を接続して充放電電流を検出している。

また、過充電で充電ＦＥＴをオフにしているときに放電を検知すると充電ＦＥＴをオンにし、過放電で放電ＦＥＴをオフにしているときに充電を検知すると放電ＦＥＴをオンにすることで、同様に半導体の熱破壊を防止することも提案されている（例えば、特許文献２参照）。この場合、放電を検知するのはオンしている放電ＦＥＴの放電電流による電圧ドロップからであり、充電を検知するのはオンしている充電ＦＥＴの充電電流による電圧ドロップからである。
特開２００２−２０４５３４号公報 特開平１０−２９０５３０号公報

上記のように構成された従来の二次電池保護装置では、過充電保護状態での放電動作時及び過放電保護状態での充電動作時に半導体ＦＥＴの寄生ダイオードによる電力損失のために過熱して半導体が熱破壊するのを防止する必要があるが、充放電電流を検出する手段として抵抗を挿入し、この抵抗の両端電圧を検出しているので、回路損失が大きいという問題点がある。

また、充放電ＦＥＴの充放電電流の電圧ドロップを検出する場合には、電圧ドロップの量が小さいので検出が難しいとともに、接地電位ではない２点間（ＦＥＴのソース電位とドレイン間）の電位差を測定するので、回路構成が複雑になるという問題点がある。すなわち、ＦＥＴをオンさせた状態で電流を検出する必要があり、通常ＦＥＴのオン抵抗は数ｍΩ〜数十ｍΩで、１Ａの電流で数ｍＶ〜数十ｍＶの電圧しか発生しないので、電流方向の検出も非常に難しくなる。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、回路損失の小さい簡易な構成で半導体が熱破壊するのを防止でき、また充放電電流の検出及び電流方向の検出が容易な二次電池保護装置を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、二次電池の充放電電流経路に互いに直列に介装されて前記二次電池の放電電流を制御する放電制御用の半導体デバイス及び前記二次電池の充電電流を制御する充電制御用の半導体デバイスと、前記放電制御用の半導体デバイス及び前記充電制御用の半導体デバイスのオン、オフを制御する制御回路と、前記二次電池の過放電状態を検出する過放電検出回路及び前記二次電池の過充電状態を検出する過充電検出回路と、前記過充電検出回路が前記二次電池の過充電を検出して過充電保護状態にあるときに前記充電制御用の半導体デバイスの寄生ダイオードによる電圧ドロップにより放電電流を検出する過充電時放電電流検出手段と、を有し、前記制御回路は、前記過放電検出回路及び前記過充電検出回路が過放電及び過充電を検出していない通常状態で前記放電制御用の半導体デバイス及び前記充電制御用の半導体デバイスをオンにし、前記過充電保護状態にあるとき前記充電制御用の半導体デバイスをオフにするとともに前記過充電時放電電流検出手段が放電電流を検出したときには前記充電制御用の半導体デバイスを所定期間オンにすることを特徴とする二次電池保護装置が提供される。

このような二次電池保護装置によれば、過充電時放電電流検出手段により、充放電電流経路に互いに直列に介装された放電制御用の半導体デバイスと充電制御用の半導体デバイスに流れる電流を検出してオフになっていた方の半導体デバイスを所定期間オン制御するため、回路損失の小さい簡易な構成で半導体が熱破壊するのを防止でき、また放電電流の検出及び電流方向の検出が容易になる。

本発明の二次電池保護装置は、過充電時放電電流検出手段により、充放電電流経路に互いに直列に介装された放電制御用の半導体デバイスと充電制御用の半導体デバイスに流れる電流を検出してそれらの半導体デバイスのオン、オフを制御するため、回路損失の小さい簡易な構成で半導体が熱破壊するのを防止でき、また放電電流の検出及び電流方向の検出が容易になるという利点がある。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１及び図２は本発明の実施の形態の二次電池保護装置の回路構成を示すブロック図である。図１は電池パック１が充電器２に接続された状態を示し、図２は電池パック１が負荷装置３に接続された状態を示している。

電池パック１には、二次電池１０と、二次電池１０の放電電流を制御する放電制御用の半導体デバイスである放電ＦＥＴＱ１及び二次電池１０の充電電流を制御する充電制御用の半導体デバイスである充電ＦＥＴＱ２と、放電ＦＥＴＱ１のオン、オフを制御する放電制御回路１１及び充電ＦＥＴＱ２のオン、オフを制御する充電制御回路１２と、二次電池１０の過放電状態を検出する過放電検出回路１３及び二次電池１０の過充電状態を検出する過充電検出回路１４と、通常状態での放電過電流を検出する放電過電流検出回路１５及び充電過電流を検出する充電過電流検出回路１６が設けられている。

また、放電過電流検出回路１５及び充電過電流検出回路１６により、二次電池１０が過放電状態にあるときに放電ＦＥＴＱ１による電圧ドロップにより充電電流を検出する過放電時充電電流検出手段及び二次電池１０が過充電状態にあるときに充電ＦＥＴＱ２による電圧ドロップにより放電電流を検出する過充電時放電電流検出手段が構成されており、これらの過放電時充電電流検出手段及び過充電時放電電流検出手段は、充放電電流の電流経路に互いに直列に介装された放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２のソース間電圧を検出することで、電流方向を検出する。そして、放電制御回路１１及び充電制御回路１２は、その検出結果に応じて放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２のオン、オフを制御する。

Ｄｐ１，Ｄｐ２は放電ＦＥＴＱ１、充電ＦＥＴＱ２の寄生ダイオードであり、Ｓ１，Ｓ２はソース、Ｄ１，Ｄ２はドレイン、Ｇ１，Ｇ２はゲートである。
また、電池パック１には、二次電池１０のプラス（＋）側とマイナス（−）側の出力端子が設けられており、これらの出力端子は、二次電池１０の充電時には充電器２の充電回路２０からの充電電流が入力される入力端子となる。

過放電検出回路１３は、二次電池１０の電池電圧が電池特性から決められた過放電電圧以下に低下すると、過放電状態であることを放電制御回路１１に通知する。過充電検出回路１４は、二次電池１０の電池電圧が電池特性から決められた過充電電圧以上に高くなると、過充電状態であることを充電制御回路１２に通知する。

放電過電流検出回路１５は、放電時に異常負荷あるいは負荷短絡による放電過電流から二次電池１０及び回路素子を保護するため、放電ＦＥＴＱ１と充電ＦＥＴＱ２を流れる電流を監視する。このとき、放電ＦＥＴＱ１と充電ＦＥＴＱ２を流れる電流は、前述のＳ１−Ｓ２電圧として検出する。そして、放電過電流検出電圧より高い電圧を検出すると、放電過電流状態であることを放電制御回路１１に通知する。

放電制御回路１１は、過放電検出回路１３と放電過電流検出回路１５の出力に基づいて放電ＦＥＴＱ１のゲート電圧をＨレベルあるいはＬレベルに変化させ、ドレインＤ１とソースＳ１間を通電状態あるいは切断状態に制御する。但し、充電ＦＥＴＱ２がオフしている過充電保護状態では、放電電流が充電ＦＥＴＱ２の寄生ダイオードＤｐ２を経由して流れるので放電過電流を正確に検出できないため、放電過電流検出回路１５の出力は放電電流検出信号として扱う。

充電過電流検出回路１６は、充電時に異常な充電器などによる充電過電流から二次電池１０及び回路素子を保護するため、放電ＦＥＴＱ１と充電ＦＥＴＱ２を流れる電流を監視する。このとき、放電ＦＥＴＱ１と充電ＦＥＴＱ２を流れる電流は、同様にＳ１−Ｓ２電圧として検出する。そして、充電過電流検出電圧（負電圧）より低い電圧を検出すると、充電過電流状態であることを充電制御回路１２に通知する。

充電制御回路１２は、過充電検出回路１４と充電過電流検出回路１６の出力に基づいて充電ＦＥＴＱ２のゲート電圧をＨレベルあるいはＬレベルに変化させ、ドレインＤ２とソースＳ２間を通電状態あるいは切断状態に制御する。但し、放電ＦＥＴＱ１がオフしている過放電保護状態では、充電電流が放電ＦＥＴＱ１の寄生ダイオードＤｐ１を経由して流れるので充電過電流を正確に検出できないため、充電過電流検出回路１６の出力は充電電流検出信号として扱う。

次に、上記構成の二次電池保護装置の充放電制御動作について説明する。ここでは、過充電検出電圧を４．３Ｖ、過充電解除電圧を４．０Ｖ、過放電検出電圧を２．５Ｖ、過放電解除電圧を２．８Ｖ、また放電過電流検出電圧を０．１５Ｖ、充電過電流検出電圧を−０．１５Ｖとし、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の各オン時の抵抗を２５ｍΩとして説明する。

まず、過充電検出及び復帰動作について説明する。図３は実施の形態の二次電池保護装置の過充電保護動作を示すタイムチャートである。ここでは、放電ＦＥＴＱ１のゲート電圧、充電ＦＥＴＱ２のゲート電圧、放電過電流検出信号、過充電検出信号（過充電検出電圧）、放電ＦＥＴＱ１と充電ＦＥＴＱ２のＳ１−Ｓ２電圧、及び電池電圧を示している。

通常状態では、充電電流が１Ａ、充電電圧が４．２Ｖの正常な充電器２が電池パック１に接続された場合、図６に示すように、二次電池１０に対して時刻ｔ１まで１Ａの定電流充電が行われ、その後４．２ｖの定電圧充電が行われる。このとき、充電器２は正常であるので、過充電電圧は検出されない。

故障した充電器などが接続された場合に、二次電池１０の電池電圧が４．２Ｖを超えても過剰な充電電流が通電し続けた状態が継続し、電池電圧が４．３Ｖの過充電検出電圧より高くなると、過充電検出回路１４は過充電になったことを出力信号をＨレベルにして充電制御回路１２に通知する。充電制御回路１２は、その信号を受けると充電ＦＥＴＱ２をオフにし、これ以上充電されないように充電電流を遮断する。これにより、過充電保護状態となる。

故障した充電器などが取り外され、負荷装置３が接続されると二次電池１０から負荷３０に放電電流が流れるが、最初は充電ＦＥＴＱ２の寄生ダイオードＤｐ２を通して放電するため、少しの放電電流に対しても、放電ＦＥＴＱ１のソースＳ１に対し充電ＦＥＴＱ２のソースＳ２の電圧が充電ＦＥＴＱ２の寄生ダイオードＤｐ２の順方向電圧降下により＋０．６Ｖまで高くなる。放電過電流検出回路１５は、この電圧が＋０．１５Ｖの放電過電流検出電圧より高い電圧であるので、その電圧を検出すると出力信号をＨレベルにして充電制御回路１２に通知する。充電制御回路１２は、その信号を受けると充電ＦＥＴＱ２をオンにする。これにより、充電ＦＥＴＱ２は２５ｍΩの低抵抗状態となる。なお、放電制御回路１１は、過充電検出回路１４の出力信号がＨレベルであるときに放電過電流検出回路１５の出力信号がＨレベルになっても、寄生ダイオードＤｐ２の順方向電圧降下によるものと判断して、放電ＦＥＴＱ１をオフにはしない。

充電制御回路１２は、設定期間Ｔ１ｍｓの間充電ＦＥＴＱ２をオンにする。充電ＦＥＴＱ２がオンのとき、低抵抗状態となるため、充電ＦＥＴＱ２のソースＳ２の電圧は＋０．１５Ｖより低くなり、放電過電流検出回路１５の出力信号はＬレベルとなる。充電制御回路１２は、設定期間Ｔ１ｍｓの経過後、充電ＦＥＴＱ２をオフにする。このオフ期間の時に放電状態が継続している場合は、放電過電流検出回路１５の出力信号が再びＨレベルになるので、充電制御回路１２は再び設定期間Ｔ１ｍｓの間充電ＦＥＴＱ２をオンにし、設定期間Ｔ１ｍｓの経過後に充電ＦＥＴＱ２をオフにする。また、このオフ期間の時に放電過電流検出回路１５の出力信号がＬレベルになる場合は、充電ＦＥＴＱ２のソースＳ２の電圧は＋０．１５Ｖより低くなり、負荷装置３が外されたかもしくは充電されていることを示しているので、充電制御回路１２は充電ＦＥＴＱ２をオフにしたままにする。そして、放電過電流検出回路１５は負荷装置３の接続を監視し続け、負荷装置３が接続されて放電過電流検出回路１５の出力信号が再びＨレベルになると、充電制御回路１２は再び設定期間Ｔ１ｍｓの間充電ＦＥＴＱ２をオンにし、設定期間Ｔ１ｍｓの経過後、充電ＦＥＴＱ２をオフにする。

上述の動作を繰り返して放電が継続され、二次電池１０の電池電圧が４．０Ｖの過充電解除電圧より低くなると、過充電検出回路１４は二次電池１０が過充電状態から通常状態に復帰したことを出力信号をＬレベルにして充電制御回路１２に通知する。充電制御回路１２は、その信号を受けると充電ＦＥＴＱ２をオンに固定し、充電電流を通電させる。これにより、通常動作状態となる。

以上の動作により、例えば２Ａの放電で充電ＦＥＴＱ２側の損失は、オン期間で２５［ｍＶ］×２²［Ａ²］＝１００ｍＷ、オフ期間で０．６［Ｖ］×２０００［ｍＡ］＝１２００ｍＷとなる。したがって、オン期間とオフ期間の比を４：１として動作させた場合の充電ＦＥＴＱ２の損失は、（１００×４＋１２００×１）÷５＝３２０ｍＷとなる。これは、充電ＦＥＴＱ２の寄生ダイオードＤｐ２のみを使ったときの損失１２００ｍＷと比較して約１／４の損失となる。

ここで、図３のタイムチャートにおいて、Ｓ１−Ｓ２電圧は、（Ｓ２の電位）−（Ｓ１の電位）＝（Ｓ２の電位）−ＧＮＤ（０Ｖ）＝（Ｓ２の電位）であり、最初は少しマイナスで、充電ＦＥＴＱ２がオフになった直後に（電池電圧）−（充電電圧）となる。

次に、過放電検出及び復帰動作について説明する。図４は実施の形態の二次電池保護装置の過放電保護動作を示すタイムチャートである。ここでは、放電ＦＥＴＱ１のゲート電圧、充電ＦＥＴＱ２のゲート電圧、充電過電流検出信号、過放電検出信号（過放電検出電圧）、放電ＦＥＴＱ１と充電ＦＥＴＱ２のＳ１−Ｓ２電圧、及び電池電圧を示している。

過放電検出回路１３は、二次電池１０が過放電にならないように電池電圧を監視している。２．５Ｖの過放電検出電圧より高い電池電圧のときは、二次電池１０が通常状態であることを出力信号をＬレベルにして放電制御回路１１に通知する。通常状態では、放電制御回路１１は放電ＦＥＴＱ１をオンにして放電電流を通電させる。

通常の使用状態では、負荷装置３は二次電池１０が過放電状態となる前に装置自身で放電を中止するため、過放電は検出されない。負荷装置３の故障などにより過放電状態なっても放電し続けようとした場合は、電池電圧が２．５Ｖの過放電検出電圧より低くなったときに、過放電検出回路１３は過放電状態であることを出力信号をＨレベルにして放電制御回路１１に通知する。放電制御回路１１は、その信号を受けると放電ＦＥＴＱ１をオフにし、二次電池１０の放電が進まないように放電電流を遮断させる。これにより、過放電保護状態となる。

故障した負荷装置３などが取り外され、充電器２が接続されると二次電池１０に充電電流が流れるが、最初は放電ＦＥＴＱ１の寄生ダイオードＤｐ１を通して充電するため、少しの充電電流に対しても、放電ＦＥＴＱ１のソースＳ１に対し充電ＦＥＴＱ２のソースＳ２の電圧が放電ＦＥＴＱ１の寄生ダイオードＤｐ１の順方向電圧降下により−０．６Ｖまで低くなる。充電過電流検出回路１６は、この電圧が−０．１５Ｖの充電過電流検出電圧より低い電圧であるので、その電圧を検出すると出力信号をＨレベルにして放電制御回路１１に通知する。放電制御回路１１は、その信号を受けると放電ＦＥＴＱ１をオンにする。これにより、放電ＦＥＴＱ１は２５ｍΩの低抵抗状態となる。なお、充電制御回路１２は、過放電検出回路１３の出力信号がＨレベルであるときに充電過電流検出回路１６の出力信号がＨレベルになっても、寄生ダイオードＤｐ１の順方向電圧降下によるものと判断して、充電ＦＥＴＱ２をオフにはしない。

放電制御回路１１は、設定期間Ｔ２ｍｓの間放電ＦＥＴＱ１をオンにする。放電ＦＥＴＱ１がオンのとき、低抵抗状態となるため、充電ＦＥＴＱ２のソースＳ２の電圧は−０．１５Ｖより高くなり、充電過電流検出回路１６の出力信号はＬレベルとなる。放電制御回路１１は、設定期間Ｔ２ｍｓの経過後、放電ＦＥＴＱ１をオフにする。このオフ期間の間、充電状態が継続している場合は、充電過電流検出回路１６の出力信号が再びＨレベルになるので、放電制御回路１１は再び設定期間Ｔ２ｍｓの間放電ＦＥＴＱ１をオンにし、設定期間Ｔ２ｍｓの経過後に放電ＦＥＴＱ１をオフにする。このオフ期間の時に充電過電流検出回路１６の出力信号がＬレベルの場合は、充電ＦＥＴＱ２のソースＳ２の電圧は−０．１５Ｖより高くなり、充電器２が外されたかもしくは充電されていないこと、または負荷が接続されたことを示しているので、放電制御回路１１は放電ＦＥＴＱ１をオフにしたままにする。そして、充電過電流検出回路１６は充電器２の接続を監視し続け、充電器２が接続されて充電過電流検出回路１６の出力信号が再びＨレベルになると、放電制御回路１１は再び設定期間Ｔ２ｍｓの間放電ＦＥＴＱ１をオンにし、設定期間Ｔ２ｍｓの経過後、放電ＦＥＴＱ１をオフにする。

上述の動作を繰り返して充電が継続され、二次電池１０の電池電圧が２．８Ｖの過放電解除電圧より高くなると、過放電検出回路１３は二次電池１０が過放電状態から通常状態に復帰したことを出力信号をＬレベルにして放電制御回路１１に通知する。放電制御回路１１は、その信号を受けると放電ＦＥＴＱ１をオンに固定し、放電電流を通電させる。これにより、通常状態に復帰する。

以上の動作により、例えば１Ａの充電で放電ＦＥＴＱ１側の損失は、オン期間で２５［ｍＶ］×１²［Ａ²］＝２５ｍＷ、オフ期間で０．６［Ｖ］×１０００［ｍＡ］＝６００ｍＷとなる。したがって、オン期間とオフ期間の比を４：１として動作させた場合の放電ＦＥＴＱ１の損失は、（２５×４＋６００×１）÷５＝１４０ｍＷとなる。これは、放電ＦＥＴＱ１の寄生ダイオードＤｐ１のみを使ったときの損失６００ｍＷと比較して約１／４の損失となる。

ここで、図４のタイムチャートにおいて、Ｓ１−Ｓ２電圧は、上述のように（Ｓ２の電位）であり、最初は少しプラスで、放電ＦＥＴＱ１がオフになった直後に電池電圧となる。

次に、図１及び図２の構成における各回路間の結線について説明する。過充電保護状態では、放電ＦＥＴＱ１を常にオンにしておくが、放電制御回路１１は過充電検出回路１４の出力情報が必要である。すなわち、過充電状態→充電ＦＥＴオフ→少しの放電電流でも＋０．６Ｖを検出→放電過電流と勘違い→放電ＦＥＴオフという不具合を防止するために、過充電状態で充電ＦＥＴＱ２がオフしていることの情報が必要である。過放電保護状態では、充電ＦＥＴＱ２を常にオンにしておくが、充電制御回路１２は過放電検出回路１３の出力情報が必要である。すなわち、過放電状態→放電ＦＥＴオフ→少しの充電電流でも−０．６Ｖを検出→充電過電流と勘違い→充電ＦＥＴオフという不具合を防止するために、過放電状態で放電ＦＥＴＱ１がオフしていることの情報が必要である。

また、過充電状態において放電電流の存在を知るために、充電制御回路１２は放電過電流検出回路１５の出力情報が必要であり、過放電状態において充電電流の存在を知るために、放電制御回路１１は充電過電流検出回路１６の出力情報が必要である。

図５は上述の実施の形態の二次電池保護装置の充放電制御動作を示す図である。実施の形態では、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２の寄生ダイオードＤｐ１，Ｄｐ２の順方向の電圧ドロップを使うので、０．６Ｖと比較的大きな信号が得られ、検出が容易である。また、寄生ダイオードＤｐ１，Ｄｐ２のソース間電圧（Ｓ１−Ｓ２電圧）の検出はソースＳ２の電位のみでよいので、回路構成が簡単であり、安価なものとなる。すなわち、回路損失の小さい簡易な構成で半導体が熱破壊するのを防止でき、また充放電電流の検出及び電流方向の検出が容易になる。

本発明の実施の形態の二次電池保護装置の回路構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態の二次電池保護装置の回路構成を示すブロック図である。 実施の形態の二次電池保護装置の過充電保護動作を示すタイムチャートである。 実施の形態の二次電池保護装置の過放電保護動作を示すタイムチャートである。 実施の形態の二次電池保護装置の充放電制御動作を示す図である。 二次電池の充電制御動作を示す図である。 従来の二次電池保護装置の回路構成を示すブロック図である。 従来の二次電池保護装置の過充電保護動作を示すタイムチャートである。 従来の二次電池保護装置の過放電保護動作を示すタイムチャートである。 従来の二次電池保護装置の充放電制御動作を示す図である。 二次電池保護装置の充放電制御動作における電流経路を示す図である。

符号の説明

１ 電池パック
２ 充電器
３ 負荷装置
１０ 二次電池
１１ 放電制御回路
１２ 充電制御回路
１３ 過放電検出回路
１４ 過充電検出回路
１５ 放電過電流検出回路
１６ 充電過電流検出回路
２０ 充電回路
３０ 負荷
Ｑ１ 放電ＦＥＴ
Ｑ２ 充電ＦＥＴ

Claims (4)

1. 二次電池の充放電電流経路に互いに直列に介装されて前記二次電池の放電電流を制御する放電制御用の半導体デバイス及び前記二次電池の充電電流を制御する充電制御用の半導体デバイスと、
   前記放電制御用の半導体デバイス及び前記充電制御用の半導体デバイスのオン、オフを制御する制御回路と、
   前記二次電池の過放電状態を検出する過放電検出回路及び前記二次電池の過充電状態を検出する過充電検出回路と、
   前記過充電検出回路が前記二次電池の過充電を検出して過充電保護状態にあるときに前記充電制御用の半導体デバイスの寄生ダイオードによる電圧ドロップにより放電電流を検出する過充電時放電電流検出手段と、
   を有し、
   前記制御回路は、前記過放電検出回路及び前記過充電検出回路が過放電及び過充電を検出していない通常状態で前記放電制御用の半導体デバイス及び前記充電制御用の半導体デバイスをオンにし、前記過充電保護状態にあるとき前記充電制御用の半導体デバイスをオフにするとともに前記過充電時放電電流検出手段が放電電流を検出したときには前記充電制御用の半導体デバイスを所定期間オンにすることを特徴とする二次電池保護装置。
2. 前記過充電時放電電流検出手段は、通常状態における前記二次電池の充電過電流を検出する充電過電流検出回路からなることを特徴とする請求項１記載の二次電池保護装置。
3. 前記充電過電流検出回路は、互いに直列に介装された前記放電制御用の半導体デバイスと前記充電制御用の半導体デバイスとからなる直列回路の両端電圧により充電電流を検出することを特徴とする請求項２記載の二次電池保護装置。
4. 前記直列回路の一端を基準電位に接続し、他端の電位のみを検出することを特徴とする請求項３記載の二次電池保護装置。

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