JP4932975B2 - 過電流検知回路、及び電池パック - Google Patents

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。

特開平６−２２５４５１号公報 特開２００１−１４０４２号公報

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。

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。 本発明の第２実施形態に係る電池パックの構成の一例を示すブロック図である。 図２に示す過電流保護回路の動作の一例を示すフローチャートである。 図１に示す電池パックの変形例を示すブロック図である。

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。

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。

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。

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。

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。

Images