JP4932975B2 - 過電流検知回路、及び電池パック - Google Patents
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Description
本発明は、電池に流れる過電流を検知する過電流検知回路、及び、この過電流検知回路を備えた電池パックに関する。
電池が短絡されると、電池に過電流が流れる。そして、電池に過電流が流れると、電池の劣化を招くおそれがある。そこで、電池に流れる電流が所定の判定値を超えた場合に、過電流が流れたことを検出し、電流を遮断することで電池を保護するようにした過電流保護回路が知られている(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。
特許文献1に記載の過電流保護回路は、電池と直列にシャント抵抗と電池保護用のスイッチ素子とを接続している。そして、このシャント抵抗の両端電圧から、電池に流れる電流を検出することで、過電流を検出できるようになっている。
また、特許文献2に記載の過電流保護回路は、電池と直列に電池保護用のFET(Field Effect Transistor)を接続している。そして、このFETをオンさせたときにオン抵抗が生じることを利用して、FETの両端電圧から電池に流れる電流を検出することで、過電流を検出できるようになっている。
しかしながら、特許文献1に記載の過電流保護回路では、過電流を検出するためにシャント抵抗が必要となり、部品数が増加する。また、シャント抵抗に電流が流れると、シャント抵抗で電力損失が生じるという不都合があった。
また、特許文献2に記載の過電流保護回路では、流れる電流に応じた電圧をFETの両端間に生じさせる必要があるため、オン抵抗が、ある程度大きなFETを、意図的に用いる必要があった。そのため、過電流を検知するためにFETのオン抵抗を利用しない場合と比べて、FETのオン抵抗が大きくなり、FETでの電力損失が増大するという不都合があった。
本発明の目的は、シャント抵抗やFETのオン抵抗を用いることなく電池の過電流を検知することができる過電流検知回路、及びこの過電流検知回路を備えた電池パックを提供することである。
本発明の一局面に従う過電流検知回路は、電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部によって検出された端子電圧に基づいて、予め設定された基準時間内の前記端子電圧の変化量を検出する変化量検出部と、前記変化量検出部によって検出された変化量が、予め設定された基準閾値を超えた場合、前記電池に過電流が流れたと判定する過電流判定部とを備える。
また、本発明の一局面に従う電池パックは、上述の過電流検知回路と、前記電池とを備える。
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る過電流検知回路を用いた電池パックの構成の一例を示すブロック図である。図1に示す電池パック100は、電池1と、過電流保護回路102と、接続端子12,13とを備えて構成されている。過電流保護回路102は、過電流検知回路101、電圧監視部10、充放電制御部11、充電制御FET(Field Effect Transistor)14、及び放電制御FET15を備えて構成されている。
図1は、本発明の第1実施形態に係る過電流検知回路を用いた電池パックの構成の一例を示すブロック図である。図1に示す電池パック100は、電池1と、過電流保護回路102と、接続端子12,13とを備えて構成されている。過電流保護回路102は、過電流検知回路101、電圧監視部10、充放電制御部11、充電制御FET(Field Effect Transistor)14、及び放電制御FET15を備えて構成されている。
電池1は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等の二次電池である。電池1は、単一のセルに限られず、複数のセルが組み合わされた組電池であってもよい。また、電池1は、一次電池であってもよい。
電池1は、例えば図1に示すように、概念的に、起電力Eの電圧源と抵抗値rの内部抵抗との直列回路として表すことができる。そのため、電池1に流れる電流Icを、充電方向をプラス、放電方向をマイナスの極性で表すと、電池1の端子電圧Vtは、下記の式(1)で表される。
Vt=E+r×Ic ・・・(1)
式(1)で示すように、電池1の端子電圧Vtは、充電方向(プラス)の電流Icが流れると増大し、放電方向(マイナス)の電流Icが流れると減少する。また、端子電圧Vtの変化量は、電流Icの変化量が大きくなるほど大きくなる。
式(1)で示すように、電池1の端子電圧Vtは、充電方向(プラス)の電流Icが流れると増大し、放電方向(マイナス)の電流Icが流れると減少する。また、端子電圧Vtの変化量は、電流Icの変化量が大きくなるほど大きくなる。
電池1の正極は、接続端子12に接続されている。電池1の負極は、放電制御FET15と充電制御FET14とを介して接続端子13に接続されている。
充電制御FET14及び放電制御FET15は、それぞれ寄生ダイオードを有している。そして、充電制御FET14の寄生ダイオードは、電池1の放電電流の流れる方向(接続端子13から電池1の負極へ向かう方向)が、当該寄生ダイオードの順方向になる向きに、配置されている。これにより、充電制御FET14は、オフすると電池1の充電方向(電池1の負極から接続端子13へ向かう方向)の電流のみを遮断するようになっている。充電制御FET14の寄生ダイオードは、第1ダイオードの一例に相当している。
また、放電制御FET15の寄生ダイオードは、電池1の充電電流の流れる方向が、当該寄生ダイオードの順方向になる向きに、配置されている。これにより、放電制御FET15は、オフすると電池1の放電方向の電流のみを遮断するようになっている。放電制御FET15の寄生ダイオードは、第2ダイオードの一例に相当している。
電圧監視部10は、例えばコンパレータ等を用いて構成されている。そして、電圧監視部10は、電池1の端子電圧Vtを、例えば過電圧を判定するために予め設定された判定電圧Vovと比較し、端子電圧Vtが判定電圧Vovを超えたとき、過電圧が生じたことを示す過電圧信号を、充放電制御部11へ出力する。
過電流検知回路101は、分圧抵抗2、ローパスフィルタ3、バッファ4,5、差動増幅回路6、コンパレータ7、及び基準電圧源8を備えている。また、分圧抵抗2は、抵抗20,21が直列に接続されて構成されている。分圧抵抗2は、電池1と並列に接続されており、端子電圧Vtを抵抗20,21で分圧するようになっている。
この場合、分圧抵抗2やバッファ4が電圧検出部の一例に相当し、ローパスフィルタ3が遅延部の一例である一次遅れ回路に相当し、差動増幅回路6が差分部の一例に相当し、コンパレータ7が過電流判定部の一例に相当し、充電制御FET14が充電用スイッチング素子の一例に相当し、放電制御FET15が放電用スイッチング素子の一例に相当している。
なお、充電制御FET14と放電制御FET15とが直列接続されてスイッチング部が構成される例を示したが、双方向に電流を遮断する単一のスイッチング素子をスイッチング部として用いてもよい。この場合、充電制御FET14又は放電制御FET15をオフする代わりに、当該単一のスイッチング素子をオフするようにしてもよい。
バッファ4,5は、例えば増幅率が1の非反転型のオペアンプである。バッファ4の入力端子は、抵抗20,21の接続点Pに接続されている。そして、バッファ4は、抵抗20,21で分圧されて得られた分圧電圧Vdを、電圧V1として差動増幅回路6へ出力する。分圧電圧Vdは、端子電圧Vtと比例するから、端子電圧Vtを示す信号として用いられる。
ローパスフィルタ3は、抵抗22とコンデンサ23とを用いた一次遅れ回路となっている。コンデンサ23は、バッファ5の入力端子と電池1の負極との間に接続されている。抵抗22は、バッファ5の入力端子と接続点Pとの間に接続されている。これにより、分圧電圧Vdの変化、すなわち端子電圧Vtの変化がローパスフィルタ3によって遅延され、バッファ5によって遅延電圧V2として差動増幅回路6へ出力される。
ローパスフィルタ3による遅延電圧V2の遅延時間が、予め設定された基準時間となるように、抵抗22の抵抗値とコンデンサ23の静電容量とが設定されている。
そうすると、遅延電圧V2は、電圧V1よりも、遅延時間(基準時間)前の端子電圧Vtを表すことになる。従って、端子電圧Vtが低下すると、遅延電圧V2は電圧V1よりも高くなり、端子電圧Vtが上昇すると、遅延電圧V2は電圧V1よりも低くなる。
差動増幅回路6は、例えば、オペアンプ61と、抵抗62,63,64,65とを備えている。抵抗62は、オペアンプ61の出力端子と反転入力端子との間に接続されている。オペアンプ61の非反転入力端子は、抵抗65を介して回路グラウンドに接続されている。また、オペアンプ61の反転入力端子は抵抗63を介してバッファ4の出力端子に接続され、オペアンプ61の非反転入力端子は抵抗64を介してバッファ5の出力端子に接続されている。
差動増幅回路6は、遅延電圧V2と電圧V1との差、すなわちV2−V1を増幅して差分電圧Vsとしてコンパレータ7へ出力する。なお、差動増幅回路6の増幅率が高いと、回路内のノイズを増幅してしまうおそれがある。従って、差動増幅回路6は、ノイズの増幅が問題にならない程度の増幅率、例えば1倍程度の増幅率にされていることが望ましい。
ここで、電圧V1は、電池1の端子電圧Vtを表しており、遅延電圧V2は、電圧V1に遅延を生じさせたものである。従って、差分電圧Vsが大きくなるほど端子電圧Vtの単位時間当たりの変化量(低下量)が大きいこと、すなわち端子電圧Vtの変化(低下)が急激であることを示している。
基準電圧源8は、基準閾値の一例に相当する基準電圧Vrefをコンパレータ7へ出力する定電圧回路である。
コンパレータ7は、基準電圧源8から出力された基準電圧Vrefと、差分電圧Vsとを比較し、その比較結果を示す信号を充放電制御部11へ出力する。ここで、例えば接続端子12,13間が短絡したり、電池パック100内部において短絡故障が生じたりして電池1の正極、負極間が短絡された場合、電池1に過電流が流れる。このように、電池1が短絡されて過電流が流れた場合、急激に電池1の放電電流が増加する。すなわち電流Icがマイナスの極性となり、かつその絶対値が急激に増大する。
そうすると、上述の式(1)に示すように、端子電圧Vtが急激に低下することとなる。そして、端子電圧Vtが急激に低下すると、差分電圧Vsが増大する。すなわち、差分電圧Vsは、端子電圧Vtが低下する方向の変化量を示している。
基準電圧Vrefとしては、このような、電池1の短絡による端子電圧Vtの急激な低下が生じたときに生じる差分電圧Vsより小さく、かつ電池パック100に接続される負荷回路における通常の負荷電流変動によって生じる差分電圧Vsより大きい電圧が、適宜設定されている。
あるいは、例えば、過電流として検出したい電流値をIxとすれば、電池1の内部抵抗値rと電流値Ixとの積を表す電圧値を、基準電圧Vrefとして設定するようにしてもよい。
また、ローパスフィルタ3での遅延時間(基準時間)が大きいほど、すなわちローパスフィルタ3の時定数が大きいほど、端子電圧Vtの変化に対して得られる差分電圧Vsが大きくなる。従って、端子電圧Vtの単位時間当たりの変化量が大きくなければ短絡などの過電流の異常が検出されないようにするためには、ローパスフィルタ3の時定数を小さくすればよい。一方、端子電圧Vtの単位時間当たりの変化量が小さく、電流値の変化が緩やかな過電流の異常を検出するためには、時定数を大きな値に設定すればよい。このように、ローパスフィルタ3の遅延時間、すなわちローパスフィルタ3の時定数と、基準電圧Vrefとは、過電流の異常として検出しようとする端子電圧Vtの単位時間当たりの変化量に応じて、適宜設定すればよい。
これにより、コンパレータ7による比較の結果、差分電圧Vsが基準電圧Vrefを超えたと判定されたときは、短絡による過電流が電池1に流れたと判定できる。
充放電制御部11は、例えば論理回路を用いて構成されている。そして、充放電制御部11は、例えば、電圧監視部10から過電圧が生じたことを示す過電圧信号が出力されたとき、充電制御FET14をオフさせて、電池1に過電圧が印加されたり過充電が生じたりすることを防止するようになっている。
また、充放電制御部11は、例えば、コンパレータ7から差分電圧Vsが基準電圧Vrefを超えたことを示す信号が出力されたときは、短絡による過電流が流れたと考えられるから、放電制御FET15をオフさせる。このように、放電制御FET15がオフされることで、電池1に流れる放電電流が遮断される結果、過電流による電池1の劣化を防止することが可能となる。
なお、差分電圧Vsの絶対値を示す電圧がコンパレータ7に入力されるように構成してもよい。この場合、充放電制御部11は、コンパレータ7から差分電圧Vsが基準電圧Vrefを超えたことを示す信号が出力されたときは、放電制御FET15と共に充電制御FET14も遮断することで、例えば充電器の故障等により、充電電流が急激に増大した場合においても、電池1を過電流から保護することが可能となる。
また、図4に示す過電流検知回路101bのように、電圧V1が抵抗64を介してオペアンプ61の非反転入力端子に入力され、遅延電圧V2が抵抗63を介してオペアンプ61の反転入力端子に入力されるようにしてもよい。この場合、差分電圧Vsは、V1−V2が、差動増幅回路6の増幅率によって増幅された電圧となる。従って、過電流検知回路101bにおいては、差分電圧Vsは、端子電圧Vtが上昇する方向の変化量を示すことになる。
そして、過電流保護回路102bにおいて、コンパレータ7から差分電圧Vsが基準電圧Vrefを超えたことを示す信号が出力されたときは、例えば充電器の故障等により充電電流が急激に増大したと考えられるから、充放電制御部11は、充電制御FET14をオフさせる。このように、充電制御FET14がオフされることで、電池1に流れる充電電流が遮断される結果、過電流による電池1の劣化を防止することが可能となる。
また、充放電制御部11を用いず、コンパレータ7の出力信号を直接放電制御FET15や充電制御FET14のゲートに接続することで、コンパレータ7から差分電圧Vsが基準電圧Vrefを超えたことを示す信号が出力されたとき、放電制御FET15や充電制御FET14がオフされるようにしてもよい。
以上のように、図1に示す電池パック100及び図4に示す電池パック100bによれば、シャント抵抗やFETのオン抵抗を用いることなく、短絡により生じた電池1の過電流を検知し、当該過電流を遮断して電池1を保護することができる。この場合、シャント抵抗による発熱や不要な損失が生じない。また、充電制御FET14、及び放電制御FET15としては、可能な限りオン抵抗が小さいものを用いることができる。従って、充電制御FET14及び放電制御FET15における発熱や電力損失を低減することができ、また電池1の出力電流値を増大させることも容易となる。
また、背景技術のように、シャント抵抗やFETのオン抵抗を用いて過電流を検出する場合、シャント抵抗やFETよりも、電池に近い側の配線で短絡故障が生じた場合には、シャント抵抗やFETには短絡電流が流れないため、過電流が流れても検出することができなかった。
しかしながら、図1に示す過電流検知回路101は、電池1の端子電圧Vtに基づき短絡による過電流を検出するので、電池パック100内で生じた短絡故障による過電流を検出できる確実性が増大する。
図1及び図4に示す過電流検知回路101,101b、過電流保護回路102,102bは、電池パックの安全回路基板上に実装するようにしてもよい。また、過電流検知回路101,101b又は過電流保護回路102,102bの全部又は一部を、集積回路化してもよい。
なお、充放電制御部11は、コンパレータ7から差分電圧Vsが基準電圧Vrefを超えたことを示す信号が出力されたとき、必ずしも放電制御FET15をオフするものに限らない。また、充電制御FET14や放電制御FET15を備えていなくてもよい。
例えば、充放電制御部11は、コンパレータ7から差分電圧Vsが基準電圧Vrefを超えたことを示す信号が出力されたとき、短絡による過電流が生じたことを示すLEDを点灯させたり、短絡による過電流が生じたことを示す通信信号を電池パック100の外部へ通知したりしてもよい。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に係る過電流検知回路101aを備えた電池パック100aについて説明する。図2は、本発明の第2実施形態に係る電池パック100aの構成の一例を示すブロック図である。図2に示す電池パック100aと図1に示す電池パック100とでは、下記の点で異なる。
次に、本発明の第2実施形態に係る過電流検知回路101aを備えた電池パック100aについて説明する。図2は、本発明の第2実施形態に係る電池パック100aの構成の一例を示すブロック図である。図2に示す電池パック100aと図1に示す電池パック100とでは、下記の点で異なる。
すなわち、図2に示す電池パック100aは、過電流保護回路102の代わりに過電流保護回路102aを備える。過電流保護回路102aは、過電流検知回路101aと充電制御FET14と、放電制御FET15とを備えて構成されている。過電流検知回路101aは、制御部11aと、電圧検出部16とを備えて構成されている。その他の構成は図1に示す電池パック100と同様であるのでその説明を省略し、以下本実施形態の特徴的な点について説明する。
電圧検出部16は、例えばアナログデジタルコンバータ等を用いて構成されている。そして、電圧検出部16は、電池1の端子電圧Vtを検出し、端子電圧Vtを示すデータを制御部11aへ出力する。
制御部11aは、例えば所定の論理演算を行うCPU(Central Processing Unit)、所定の制御プログラムを記憶するROM(Read Only Memory)、データを一時的に記憶するRAM(Random Access Memory)、タイマ回路、及びこれらの周辺回路等を備えて構成されている。そして、制御部11aは、例えばROMに記憶された制御プログラムを実行することにより、サンプリング部111、差分部112、過電流判定部113、及び過電圧判定部114として機能する。
過電圧判定部114は、電圧検出部16によって検出された端子電圧Vtを、判定電圧Vovと比較し、端子電圧Vtが判定電圧Vovを超えたとき、過電圧が生じたものと判定して充電制御FET14をオフさせる。これにより、過電圧判定部114は、電池1に過電圧が印加されたり過充電が生じたりすることを防止するようになっている。
サンプリング部111は、電圧検出部16によって検出される端子電圧Vtを、予め設定された時間間隔tsで周期的にサンプリングする。
差分部112は、サンプリング部111によって前回サンプリングされた端子電圧Vtと今回サンプリングされた端子電圧Vtとの差を、変化量Vvとして算出する。具体的には、前回サンプリングされた端子電圧Vtを端子電圧Vtpとし、今回サンプリングされた端子電圧Vtを端子電圧Vtnとすると、差分部112は、下記の式(2)に基づき変化量Vvを算出する。端子電圧Vtnは、端子電圧Vtpがサンプリングされてから時間間隔tsが経過した後にサンプリングされた端子電圧であるから、端子電圧Vtpは第1電圧に相当し、端子電圧Vtnは第2電圧に相当している。
Vv=Vtp−Vtn ・・・(2)
過電流判定部113は、差分部112によって算出される変化量Vvが、基準電圧Vrefを超える場合、短絡故障により電池1に過電流が流れたものと判定して放電制御FET15をオフさせる。これにより、電池1に流れる電流が遮断される結果、過電流による電池1の劣化を防止することが可能となる。
過電流判定部113は、差分部112によって算出される変化量Vvが、基準電圧Vrefを超える場合、短絡故障により電池1に過電流が流れたものと判定して放電制御FET15をオフさせる。これにより、電池1に流れる電流が遮断される結果、過電流による電池1の劣化を防止することが可能となる。
なお、過電流判定部113は、差分部112によって算出される変化量Vvがマイナスの値となり、かつ変化量Vvの絶対値が基準電圧Vrefを超える場合、充電器の故障等により電池1に過電流が流れたものと判定して充電制御FET14をオフさせるようにしてもよい。これにより、電池1に流れる充電電流が遮断される結果、過電流による電池1の劣化を防止することが可能となる。
また、差分部112は、下記の式(3)に基づき、サンプリング部111によって前回サンプリングされた端子電圧Vtpと今回サンプリングされた端子電圧Vtnとの差の絶対値を、変化量Vvとして算出するようにしてもよい。
Vv=|Vtp−Vtn| ・・・(3)
この場合、過電流判定部113は、差分部112によって算出される変化量Vvが、基準電圧Vrefを超える場合、短絡故障や充電器の故障等により電池1に過電流が流れたものと判定して充電制御FET14及び放電制御FET15をオフさせる。これにより、電池1に流れる電流が遮断される結果、過電流による電池1の劣化を防止することが可能となる。
この場合、過電流判定部113は、差分部112によって算出される変化量Vvが、基準電圧Vrefを超える場合、短絡故障や充電器の故障等により電池1に過電流が流れたものと判定して充電制御FET14及び放電制御FET15をオフさせる。これにより、電池1に流れる電流が遮断される結果、過電流による電池1の劣化を防止することが可能となる。
ここで、時間間隔tsが長くなるほど、緩やかな端子電圧Vtの変化に対して得られる変化量Vvが大きくなる。また、基準電圧Vrefが大きいほど、過電流が流れたと判定される変化量Vvの値が大きくなる。
従って、端子電圧Vtの単位時間当たりの変化量が、より大きな値のときに、過電流の異常を検出したい場合は、時間間隔tsを短い時間に設定するか、あるいは基準電圧Vrefを高い電圧に設定すればよい。また、端子電圧Vtの単位時間当たりの変化量が小さく、電流値の変化が緩やかな過電流の異常を検出したい場合は、時間間隔tsを長い時間に設定するか、あるいは基準電圧Vrefを低い電圧に設定すればよい。
このように、時間間隔tsと基準電圧Vrefとは、過電流の異常として検出したい端子電圧Vtの単位時間当たりの変化量に応じて、適宜設定すればよい。例えば、時間間隔tsとしては、10msec〜100msec程度の時間を好適に用いることができ、特に10msec程度が望ましい。
図3は、図2に示す過電流保護回路102aの動作の一例を示すフローチャートである。まず、充電制御FET14、及び放電制御FET15は、正常時は、通常オンされている。そして、サンプリング部111は、タイマ回路を用いて経過時間を監視する(ステップS1)。そしてサンプリング部111は、時間間隔tsが経過する毎に(ステップS1でYES)、時間間隔tsでのサンプリングを実行するべくステップS2へ移行する。そして、電圧検出部16によって検出された端子電圧Vtが、サンプリング部111によって、今回の端子電圧Vtn(第2電圧)としてサンプリングされる(ステップS2)。
そして、差分部112によって、前回の端子電圧Vtpから端子電圧Vtnが減算されて、変化量Vvが算出される(ステップS3)。なお、初めてステップS3が実行されるときは、まだ端子電圧Vtpが設定されていないので、ステップS3を実行することなくステップS4を実行して端子電圧Vtp(第1電圧)を設定し、再びステップS1へ戻る。
次に、サンプリング部111によって、今回の端子電圧Vtnが、前回の端子電圧Vtp(第1電圧)として設定される(ステップS4)。
次に、過電流判定部113によって、変化量Vvがゼロより小さいか否か、すなわちマイナスの値であるか否かが確認される(ステップS5)。そして、変化量Vvがマイナスの値でなければ(ステップS5でNO)、変化量Vvは放電方向の電流が増大し、端子電圧Vtが低下することによって生じていることになるから、過電流判定部113は、放電による過電流が生じているか否かを確認するべくステップS6へ移行する。
ステップS6において、過電流判定部113によって、変化量Vvが基準電圧Vrefと比較される(ステップS6)。そして、変化量Vvが基準電圧Vrefを超えなければ(ステップS6でNO)、過電流判定部113は、短絡などによる急激な電流増加による過電流は生じていないと判断し、再びステップS1へ移行する。
一方、変化量Vvが基準電圧Vrefを超えていれば(ステップS6でYES)、過電流判定部113は、短絡などによる急激な電流増加による過電流が生じたと判断し、ステップS7へ移行する。そして、過電流判定部113は、放電制御FET15をオフし(ステップS7)、処理を終了する。これによって、電池1の放電電流が遮断され、電池1が過電流から保護される。
この場合、充電制御FET14はオンされたままなので、電池1の放電電流が遮断された後も、電池パック100aが例えば電力調整用に用いられている場合などに過剰電力を電池1へ充電することが可能となる。
他方、ステップS5において、変化量Vvがマイナスの値であれば(ステップS5でYES)、変化量Vvは充電方向の電流が増大し、端子電圧Vtが上昇することによって生じていることになるから、充電による過電流が生じているか否かを確認するべくステップS8へ移行する。
ステップS8において、過電流判定部113によって、変化量Vvの絶対値が基準電圧Vrefと比較される(ステップS8)。そして、変化量Vvの絶対値が基準電圧Vrefを超えなければ(ステップS8でNO)、過電流判定部113は、充電器の故障などによる急激な充電電流増加による過電流は生じていないと判断し、再びステップS1へ移行する。
一方、変化量Vvの絶対値が基準電圧Vrefを超えていれば(ステップS8でYES)、過電流判定部113は、充電器の故障などによる急激な充電電流増加による過電流が生じたと判断し、ステップS9へ移行する。そして、過電流判定部113は、充電制御FET14をオフし(ステップS9)、処理を終了する。これによって、電池1に流れる充電電流が遮断され、電池1が過電流から保護される。
本発明の一局面に従う過電流検知回路は、電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部によって検出された端子電圧に基づいて、予め設定された基準時間内の前記端子電圧の変化量を検出する変化量検出部と、前記変化量検出部によって検出された変化量が、予め設定された基準閾値を超えた場合、前記電池に過電流が流れたと判定する過電流判定部とを備える。
短絡故障が生じたことによる電池の急激な放電電流の増加や、充電器が故障したことによる急激な充電電流の増加による過電流が生じると、電池の端子電圧が急激に変化する。そこで、この構成によれば、変化量検出部によって基準時間内の電池の端子電圧の変化量が検出される。そして、上述したような急激な放電電流又は充電電流の変化が生じると、変化量検出部によって検出される変化量が基準閾値を超える結果、過電流判定部によって、電池に過電流が流れたと判定され、すなわち過電流が検知される。
この場合、電池の端子電圧の変化量に基づき過電流が検知されるので、シャント抵抗やFETのオン抵抗を用いることなく電池の過電流を検知することができる。
また、前記変化量検出部は、前記電池の端子電圧の変化を前記基準時間遅延させた電圧である遅延電圧を生成する遅延部と、前記遅延部によって生成された遅延電圧と前記電圧検出部によって検出された端子電圧との差を、前記変化量として検出する差分部とを含むことが好ましい。
この構成によれば、遅延部によって、電池の端子電圧の変化が遅延された遅延電圧が生成される。そして、差分部によって、当該遅延電圧と当該端子電圧との差が変化量として検出される。ここで、電池の端子電圧が変化した場合、当該変化が急峻であるほど、すなわち基準時間内の当該端子電圧の変化量が大きいほど、当該端子電圧と当該遅延電圧との差が増大するから、差分部によって検出される変化量は、基準時間内の当該端子電圧の変化量を表すことになる。従って、変化量検出部を、遅延部と差分部とを用いた簡素な構成で構成することができる。
また、前記遅延部は、抵抗とキャパシタとを用いた一次遅れ回路であることが好ましい。
この構成によれば、遅延部を、抵抗とキャパシタとから構成することができるので、遅延部を簡素化することができる。
また、前記変化量検出部は、前記電圧検出部によって検出された端子電圧を第1電圧としてサンプリングし、前記第1電圧がサンプリングされてから予め設定された時間間隔が経過したときに前記電圧検出部によって検出された端子電圧を第2電圧としてサンプリングするサンプリング部と、前記第1電圧と前記第2電圧との差を、前記変化量として検出する差分部とを含んでもよい。
この構成によれば、差分部によって、予め設定された時間間隔の時間内における電池の端子電圧の変化量が直接的に検出されるので、当該変化量の検出精度が向上する。
また、前記電池に流れる電流を遮断するスイッチング部をさらに備え、前記過電流判定部は、前記変化量検出部によって検出された変化量が前記基準閾値を超えた場合、前記スイッチング部によって、前記電池に流れる電流を遮断させることが好ましい。
この構成によれば、変化量検出部によって検出される変化量が基準閾値を超えたときは、過電流判定部によって電池に過電流が流れたと判定されて、スイッチング部により電池に流れる電流が遮断される。これにより、電池が過電流によって劣化するおそれが低減される。
また、前記スイッチング部は、前記二次電池を充電する方向の電流のみを遮断する充電用スイッチング素子と、前記充電用スイッチング素子と直列に接続され、前記二次電池が放電する方向の電流のみを遮断する放電用スイッチング素子とを含み、前記過電流判定部は、前記変化量検出部によって検出された変化量は前記端子電圧が低下する方向の変化量であって、かつ前記変化量が前記基準閾値を超える場合、前記放電用スイッチング素子をオフさせることにより前記電流を遮断させ、前記変化量検出部によって検出された変化量は前記端子電圧が上昇する方向の変化量であって、かつ前記変化量が前記基準閾値を超える場合、前記充電用スイッチング素子をオフさせることにより前記電流を遮断させることが好ましい。
電池は、放電方向の電流が流れると端子電圧が低下し、充電方向の電流が流れると端子電圧が上昇する。そうすると、変化量検出部によって検出される変化量が、端子電圧が低下する方向の変化量であって、かつ当該変化量が基準閾値を超えるときは、放電電流の増加による過電流が生じたものと考えられる。そこで、過電流判定部は、放電用スイッチング素子をオフさせることにより電池に流れる電流を遮断させる。この場合、充電用スイッチング素子はオフされていないから、電池を充電可能な状態に維持したまま、放電方向の過電流から電池を保護できる。
一方、変化量検出部によって検出される変化量が、端子電圧が上昇する方向の変化量であって、かつ当該変化量が基準閾値を超えるときは、充電電流の増加による過電流が生じたものと考えられる。そこで、過電流判定部は、充電用スイッチング素子をオフさせることにより電池に流れる電流を遮断させる。この場合、放電用スイッチング素子はオフされていないから、電池を放電可能な状態に維持したまま、充電方向の過電流から電池を保護できる。
また、前記充電用スイッチング素子と並列に接続された第1ダイオードと、前記放電用スイッチング素子と並列に接続された第2ダイオードとを更に備え、前記第1ダイオードは、前記二次電池を放電する方向の電流に対して順方向となる向きに配設され、前記第2ダイオードは、前記二次電池を充電する方向の電流に対して順方向となる向きに配設されていることが好ましい。
この構成によれば、二次電池の放電電流は、第1ダイオードを介して充電用スイッチング素子を迂回して流れるから、充電用スイッチング素子は、二次電池の充電電流のみを遮断できる。二次電池の充電電流は、第2ダイオードを介して放電用スイッチング素子を迂回して流れるから、放電用スイッチング素子は、二次電池の放電電流のみを遮断できる。
また、本発明の一局面に従う電池パックは、上述の過電流検知回路と、前記電池とを備える。
この構成によれば、電池パックにおいて、電池の端子電圧の変化量に基づき過電流が検知されるので、シャント抵抗やFETのオン抵抗を用いることなく電池の過電流を検知することができる。
このような構成の過電流検知回路及び電池パックは、電池の端子電圧の変化量に基づき過電流が検知されるので、シャント抵抗やFETのオン抵抗を用いることなく電池の過電流を検知することができる。
この出願は、2010年5月25日に出願された日本国特許出願特願2010−119129号を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。
なお、発明を実施するための形態の項においてなされた具体的な実施態様又は実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求事項との範囲内で、種々変更して実施することができるものである。
本発明に係る過電流検出回路、及び電池パックは、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話機等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、太陽電池や発電装置と二次電池とを組み合わされた電源システム、無停電電源装置等の電池搭載装置及びシステムにおいて、好適に利用することができる。
Claims (8)
- 電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部によって検出された端子電圧に基づいて、予め設定された基準時間内の前記端子電圧の変化量を検出する変化量検出部と、
前記変化量検出部によって検出された変化量が、予め設定された基準閾値を超えた場合、前記電池に過電流が流れたと判定する過電流判定部と
を備える過電流検知回路。 - 前記変化量検出部は、
前記電池の端子電圧の変化を前記基準時間遅延させた電圧である遅延電圧を生成する遅延部と、
前記遅延部によって生成された遅延電圧と前記電圧検出部によって検出された端子電圧との差を、前記変化量として検出する差分部とを含む請求項1記載の過電流検知回路。 - 前記遅延部は、
抵抗とキャパシタとを用いた一次遅れ回路である請求項2記載の過電流検知回路。 - 前記変化量検出部は、
前記電圧検出部によって検出された端子電圧を第1電圧としてサンプリングし、前記第1電圧がサンプリングされてから予め設定された時間間隔が経過したときに前記電圧検出部によって検出された端子電圧を第2電圧としてサンプリングするサンプリング部と、
前記第1電圧と前記第2電圧との差を、前記変化量として検出する差分部とを含む請求項1記載の過電流検知回路。 - 前記電池に流れる電流を遮断するスイッチング部をさらに備え、
前記過電流判定部は、
前記変化量検出部によって検出された変化量が前記基準閾値を超えた場合、前記スイッチング部によって、前記電池に流れる電流を遮断させる請求項1〜4のいずれか1項に記載の過電流検知回路。 - 前記スイッチング部は、
前記二次電池を充電する方向の電流のみを遮断する充電用スイッチング素子と、
前記充電用スイッチング素子と直列に接続され、前記二次電池が放電する方向の電流のみを遮断する放電用スイッチング素子とを含み、
前記過電流判定部は、
前記変化量検出部によって検出された変化量は前記端子電圧が低下する方向の変化量であって、かつ前記変化量が前記基準閾値を超える場合、前記放電用スイッチング素子をオフさせることにより前記電流を遮断させ、
前記変化量検出部によって検出された変化量は前記端子電圧が上昇する方向の変化量であって、かつ前記変化量が前記基準閾値を超える場合、前記充電用スイッチング素子をオフさせることにより前記電流を遮断させる請求項5記載の過電流検知回路。 - 前記充電用スイッチング素子と並列に接続された第1ダイオードと、
前記放電用スイッチング素子と並列に接続された第2ダイオードとを更に備え、
前記第1ダイオードは、
前記二次電池を放電する方向の電流に対して順方向となる向きに配設され、
前記第2ダイオードは、
前記二次電池を充電する方向の電流に対して順方向となる向きに配設されている請求項6記載の過電流検知回路。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の過電流検知回路と、
前記電池と
を備える電池パック。
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