JP5061935B2 - 電池パック - Google Patents

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Description

本発明は、電池パックに関し、二次電池の過充電、過放電、過電流を検出して前記二次電池と負荷又は充電装置との間の配線に設けられたスイッチ素子をオフする保護回路を備えた電池パックに関する。
近年、二次電池としてリチウムイオン電池がデジタルカメラなど携帯機器に搭載されている。リチウムイオン電池は過充電及び過放電に弱いため、過充電及び過放電の保護回路を備えた電池パックの形態で使用される。
図６及び図７は、従来の電池パックの各例のブロック図を示す。図６において、リチウムイオン電池２と並列に抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の直列回路が接続されている。リチウムイオン電池２の正極は電池パック１の外部端子３に接続され、負極は電流遮断用のｎチャネルＭＯＳ（金属酸化膜半導体）トランジスタＭ１，Ｍ２を介して電池パック１の外部端子４に接続されている。
ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２はドレインを共通接続され、ＭＯＳトランジスタＭ１のソースはリチウムイオン電池２の負極に接続され、ＭＯＳトランジスタＭ２のソースは外部端子４に接続されている。また、ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２それぞれは、ドレイン・ソース間に等価的にボディダイオードＤ１，Ｄ２が接続されている。
保護ＩＣ（集積回路）５は、過充電検出回路、過放電検出回路、過電流検出回路を内蔵している。また、保護ＩＣ５はリチウムイオン電池２の正極から抵抗Ｒ１を通して電源Ｖｄｄを供給されると共にリチウムイオン電池２の負極から電源Ｖｓｓを供給されて動作する。
保護ＩＣ５は過放電検出回路或いは過電流検出回路で過放電或いは過電流を検出したときＤＯＵＴ出力をローレベルとしてＭＯＳトランジスタＭ１を遮断し、過充電検出回路で過充電を検出したときＣＯＵＴ出力をローレベルとしてＭＯＳトランジスタＭ２を遮断する。
図７では、更に、電池パック１内にサーミスタＲ３が設けられている。サーミスタＲ３の一端は電池パック１の端子６に接続され、他端は外部端子４に接続されている。電池パック１の端子６には充電時に充電装置から分圧抵抗を介して所定電圧が印加される。電池パック１の温度によってサーミスタＲ３の抵抗値が変化することで端子６の電圧は変化する。充電装置は、端子６の電圧を検出して電池パック１の温度が所定値を超えると充電を停止するよう制御を行う。
なお、特許文献１には、二次電池に温度保護素子（ＰＴＣ素子）と直列に接続されたダイオード及びこれらと逆方向に並列に接続されたダイオードを二次電池に接続して、通常の放電時には高温になっても温度保護素子（ＰＴＣ素子）が動作しないようにすることが記載されている。
特開２００４−１５２５８０号公報
図６に示す従来例は電池パックの温度に対する保護機能がない。また、図７に示す従来例は電池パックの温度に対する保護機能があるものの、充電装置から分圧抵抗を介して所定電圧が印加されるため、充電装置の所定電圧が変化した場合や充電装置の分圧抵抗の誤差がある場合には、電池パックの温度を正確に検出することができないという問題があった。
本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、充電装置が接続されたときにのみ二次電池の温度保護を高精度に行い放電時の自己加熱を防止できる電池パックを提供することを目的とする。
本発明の一実施態様では、二次電池の過充電、過放電、過電流を検出して前記二次電池（１２）と負荷又は充電装置との間の配線に設けられたスイッチ素子（Ｍ１２）をオフする保護回路（１５）を備えた電池パックにおいて、
前記二次電池（１２）の近傍に配設され前記二次電池と並列接続されたサーミスタ（Ｒ１３）と抵抗（Ｒ１４）の直列回路と、
前記保護回路（１５）内で、前記サーミスタ（Ｒ１３）で検出した前記二次電池の温度が所定温度を超えると前記スイッチ素子（Ｍ１２）をオフし、その後、前記二次電池と負荷又は充電装置との間の配線の電圧がスイッチ素子（Ｍ１２）のボディダイオード（Ｄ１２）の順方向降下電圧の閾値を超えると前記スイッチ素子（Ｍ１２）をオンする温度異常検出手段（３０）を有する。
好ましくは、前記温度異常検出手段（３０）は、
前記サーミスタ（Ｒ１３）と抵抗（Ｒ１４）の接続点の電圧を前記所定温度に対応する基準電圧と比較する第１コンパレータ（３１）と、
前記二次電池（１２）と負荷又は充電装置との間の配線の電圧を前記スイッチ素子（Ｍ１２）のボディダイオード（Ｄ１２）の順方向降下電圧の閾値と比較する第２コンパレータ（３６）と、
前記第１コンパレータ（３１）の出力信号により前記二次電池の温度が前記所定温度を超えたときセットされ、前記第２コンパレータ（３６）の出力信号により前記配線の電圧が前記閾値を超えたときリセットされるフリップフロップ（３３）を有する。
好ましくは、前記サーミスタ（Ｒ１３）は、負の温度係数を持つＮＴＣサーミスタである。
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。
本発明によれば、充電装置が接続されたときにのみ二次電池の温度保護を高精度に行い放電時の自己加熱を防止できる。
＜参考例＞
図１は、本発明の電池パックの参考例のブロック図を示す。同図中、リチウムイオン電池１２と並列に抵抗Ｒ１１とコンデンサＣ１１の直列回路が接続されている。リチウムイオン電池１２の正極は配線により電池パック１０の外部端子１３に接続され、負極は配線により電流遮断用のｎチャネルＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２を介して電池パック１０の外部端子１４に接続されている。
ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２はドレインを共通接続され、ＭＯＳトランジスタＭ１１のソースはリチウムイオン電池１２の負極に接続され、ＭＯＳトランジスタＭ１２のソースは外部端子１４に接続されている。また、ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２それぞれは、ドレイン・ソース間に等価的にボディダイオードＤ１１，Ｄ１２が接続されている。
また、リチウムイオン電池１２と並列にサーミスタＲ１３と抵抗Ｒ１４の直列回路が接続されている。上記のサーミスタＲ１３は、電池パック１０内でリチウムイオン電池１２の近傍に配設されてリチウムイオン電池１２と熱結合されている。サーミスタＲ１３は負の温度係数を持つＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタを用いる。
なお、図２に負の温度係数を持つＮＴＣサーミスタと、正の温度係数を持つＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタそれぞれの温度・抵抗特性を示す。
保護ＩＣ１５は、過充電検出回路１６，過放電検出回路１７，過電流検出回路１８を内蔵している。また、保護ＩＣ１５はリチウムイオン電池１２の正極から抵抗Ｒ１１を通して電源Ｖｄｄを端子１５ａに供給されると共に、リチウムイオン電池１２の負極から電源Ｖｓｓを端子１５ｃに供給されて動作する。
過充電検出回路１６は端子１５ａ，１５ｃの電圧からリチウムイオン電池１２の過充電を検出して検出信号を論理回路１９に供給する。過放電検出回路１７は端子１５ａ，１５ｃの電圧からリチウムイオン電池１２の過放電を検出して検出信号を論理回路１９に供給する。過電流検出回路１８は端子１５ｃ，１５ｆの電圧から抵抗Ｒ１２に流れる電流が過大となる過電流を検出して検出信号を論理回路１９に供給する。
また、保護ＩＣ１５は端子１５ｂにサーミスタＲ１３と抵抗Ｒ１４の接続点Ａを接続され、端子１５ｆに抵抗Ｒ１２の一端を接続され抵抗Ｒ１２の他端は外部端子１４に接続されている。また、保護ＩＣ１５はＤＯＵＴ出力の端子１５ｄをＭＯＳトランジスタＭ１１のゲートに接続され、ＣＯＵＴ出力の端子１５ｅをＭＯＳトランジスタＭ１２のゲートに接続されている。
保護ＩＣ１５において、端子１５ｂはコンパレータ２１の非反転入力端子に接続されている。端子１５ｃはツェナーダイオード等の定電圧源２０の負極に接続され、定電圧源２０の正極はコンパレータ２１の反転入力端子に接続されている。
サーミスタＲ１３は図２に負の温度係数を持つＮＴＣサーミスタであるため、温度が上昇するにしたがって抵抗値が低下して接続点Ａの電圧は上昇する。
コンパレータ２１はヒステリシス特性を有し、定電圧源２０で発生した定電圧Ｖ１と接続点Ａの電圧を比較して、接続点Ａの電圧が高いときハイレベルの信号を出力する。つまり、サーミスタＲ１３の検出温度が定電圧Ｖ１に対応する所定温度（例えば７０°Ｃ程度）を超えるとコンパレータ２１はハイレベルの高温検出信号を出力する。
コンパレータ２１の出力する高温検出信号は不感応時間設定回路２２に供給される。不感応時間設定回路２２は高温検出信号のハイレベル期間が所定値（例えば０．５ｓｅｃ）を超えるとハイレベルの高温検出信号を論理回路１９に供給する。
論理回路１９は、過充電検出回路１６，過放電検出回路１７，過電流検出回路１８それぞれの検出信号を供給されると共に、不感応時間設定回路２２の出力する高温検出信号を供給されている。
論理回路１９は、通常の充電時又は放電時に端子１５ｄ，１５ｅを共にハイレベルとしてトランジスタＭ１１，Ｍ１２を導通する。また、過充電検出回路１６から過充電検出信号を供給されると端子１５ｅのＣＯＵＴ出力をローレベルとしてＭＯＳトランジスタＭ１２を遮断し、過放電検出回路１７から過放電検出信号を供給されると端子１５ｄのＤＯＵＴ出力をローレベルとしてＭＯＳトランジスタＭ１１を遮断し、過電流検出回路１８から過電流検出信号を供給されると端子１５ｄのＤＯＵＴ出力をローレベルとしてＭＯＳトランジスタＭ１１を遮断する。
論理回路１９は高温検出信号がハイレベルとなると、端子１５ｅのＣＯＵＴ出力をローレベルとしてＭＯＳトランジスタＭ１２を遮断する。これにより、リチウムイオン電池１２の温度を正確に検出することができ、リチウムイオン電池１２が高温となった場合に充電を停止して保護することができる。
また、サーミスタＲ１３は図２に示すように温度に対してほぼリニアに抵抗値が変化するＮＴＣサーミスタを用いているため温度を精度良く検出でき、サーミスタＲ１３を電池パック１０内でリチウムイオン電池１２の近傍に配設することによりリチウムイオン電池１２の温度を精度良く検出できる。なお、ＰＴＣサーミスタはある温度を超えると急激に抵抗値が増加するため温度を精度良く検出できない。
ところで、ＣＯＵＴ出力をローレベルとしてＭＯＳトランジスタＭ１２を遮断した際に、外部端子１３，１４間に負荷が接続されていると（負荷を接続した状態での充電）、ＤＯＵＴ出力がハイレベルでＭＯＳトランジスタＭ１１はオンしているため、ＭＯＳトランジスタＭ１２のボディダイオードＤ１２がオンしてリチウムイオン電池１２からの放電電流が外部端子１３，１４間に接続されている負荷に流れることになる。
この場合、ボディダイオードＤ１２の順方向電圧降下をＶｆとし、放電電流をＩｄとすると、Ｗｄ＝Ｖｆ×Ｉｄで表される電力Ｗｄが熱として放出されてしまう。このため、電池パック１０が更に加熱されるおそれがある。この自己加熱を防止するのが以下に説明する本実施形態である。
＜実施形態＞
図３は、本発明の電池パックの一実施形態のブロック図を示す。同図中、図１と同一部分には同一符号を付す。
図３において、リチウムイオン電池１２と並列に抵抗Ｒ１１とコンデンサＣ１の直列回路が接続されている。リチウムイオン電池１２の正極は電池パック１０の外部端子１３に接続され、負極は電流遮断用のｎチャネルＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２を介して電池パック１０の外部端子１４に接続されている。
ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２はドレインを共通接続され、ＭＯＳトランジスタＭ１１のソースはリチウムイオン電池１２の負極に接続され、ＭＯＳトランジスタＭ１２のソースは外部端子１４に接続されている。また、ＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２それぞれは、ドレイン・ソース間に等価的にボディダイオードＤ１１，Ｄ１２が接続されている。
また、リチウムイオン電池１２と並列にサーミスタＲ１３と抵抗Ｒ１４の直列回路が接続されている。上記のサーミスタＲ１３は、電池パック１０内でリチウムイオン電池１２の近傍に配設されてリチウムイオン電池１２と熱結合されている。サーミスタＲ１３は負の温度係数を持つＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタを用いる。
なお、図２に負の温度係数を持つＮＴＣサーミスタと、正の温度係数を持つＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタそれぞれの温度・抵抗特性を示す。
保護ＩＣ１５は、過充電検出回路１６，過放電検出回路１７，過電流検出回路１８を内蔵している。また、保護ＩＣ１５はリチウムイオン電池１２の正極から抵抗Ｒ１１を通して電源Ｖｄｄを端子１５ａに供給されると共に、リチウムイオン電池１２の負極から電源Ｖｓｓを端子１５ｃに供給されて動作する。
過充電検出回路１６は端子１５ａ，１５ｃの電圧からリチウムイオン電池１２の過充電を検出して検出信号を論理回路１９に供給する。過放電検出回路１７は端子１５ａ，１５ｃの電圧からリチウムイオン電池１２の過放電を検出して検出信号を論理回路１９に供給する。過電流検出回路１８は端子１５ｃ，１５ｆの電圧から抵抗Ｒ１２に流れる電流が過大となる過電流を検出して検出信号を論理回路１９に供給する。
また、保護ＩＣ１５は端子１５ｂにサーミスタＲ１３と抵抗Ｒ１４の接続点Ａを接続され、端子１５ｆに抵抗Ｒ１２の一端を接続され抵抗Ｒ１２の他端は外部端子１４に接続されている。また、保護ＩＣ１５はＤＯＵＴ出力の端子１５ｄをＭＯＳトランジスタＭ１１のゲートに接続され、ＣＯＵＴ出力の端子１５ｅをＭＯＳトランジスタＭ１２のゲートに接続されている。
保護ＩＣ１５において、端子１５ｂ，１５ｃ，１５ｆは温度異常検出回路３０に接続されている。図４に温度異常検出回路３０の一実施形態の回路構成図を示す。同図中、端子１５ｂはコンパレータ３１の非反転入力端子に接続されている。端子１５ｃはツェナーダイオード等の定電圧源３２の負極に接続され、定電圧源３２の正極はコンパレータ３１の反転入力端子に接続されている。サーミスタＲ１３は図２に示す負の温度係数を持つＮＴＣサーミスタであるため、温度が上昇するにしたがって抵抗値が低下して接続点Ａの電圧は上昇する。
コンパレータ３１はヒステリシス特性を有し、定電圧源３２で発生した定電圧Ｖ１と接続点Ａの電圧を比較して、接続点Ａの電圧が高いときハイレベルの信号を出力する。つまり、サーミスタＲ１３の検出温度が定電圧Ｖ１に対応する所定温度（例えば７０°Ｃ程度）を超えるとコンパレータ３１はハイレベルの高温検出信号を出力する。この高温検出信号はフリップフロップ３３のセット端子Ｓに供給されると共に、インバータ３４で反転されてオア回路３４に供給される。
端子１５ｆはコンパレータ３６の非反転入力端子に接続されている。端子１５ｃはツェナーダイオード等の定電圧源３７の負極に接続され、定電圧源３７の正極はコンパレータ３６の反転入力端子に接続されている。
ＭＯＳトランジスタＭ１２がオンしているときの端子１５ｆの電圧は０Ｖであるが、ＭＯＳトランジスタＭ１２がオフでボディダイオードＤ１２がオンすると、その順方向電圧降下Ｖｆ（約０．７Ｖ）分だけ端子１５ｆの電圧は高くなる。
コンパレータ３６は、端子１５ｆの電圧を定電圧源３７で発生した定電圧Ｖ２（例えば約０．４Ｖ）と比較して、ボディダイオードＤ１２がオンしたことを検出してハイレベルの信号を生成しオア回路３４に供給する。オア回路３４は高温検出信号がローレベルとなったとき、又は、ボディダイオードＤ１２がオンしたことを検出したときハイレベルのリセット信号を生成してフリップフロップ３３のリセット端子Ｒに供給する。
フリップフロップ３３はハイレベルの高温検出信号が供給されたのち、リセット信号が供給されるまでの期間にハイレベルの温度異常信号を出力し、この信号は論理回路１９の一部を構成するオア回路４０に供給する。
オア回路４０には、過電流検出回路１８が過電流を検出したときにハイレベルの過電流検出信号が供給され、過充電検出回路１６が過充電を検出したときにハイレベルの過充電検出信号が供給されており、オア回路４０は上記ハイレベルの過電流検出信号又はハイレベルの過充電検出信号又はハイレベルの温度異常信号が供給されるとハイレベルの遮断信号を出力する。このハイレベルの遮断信号は論理回路１９の一部を構成するインバータ４１で反転されて端子１５ｅのＣＯＵＴ出力をローレベルとしてＭＯＳトランジスタＭ１２を遮断する。
この他に、論理回路１９は、通常の充電時又は放電時に端子１５ｄ，１５ｅを共にハイレベルとしてトランジスタＭ１１，Ｍ１２を導通する。また、過放電検出回路１７から過放電検出信号を供給されると端子１５ｄのＤＯＵＴ出力をローレベルとしてＭＯＳトランジスタＭ１１を遮断し、過電流検出回路１８から過電流検出信号を供給されると端子１５ｄのＤＯＵＴ出力をローレベルとしてＭＯＳトランジスタＭ１１を遮断する。
ここで、時刻ｔ１に電池パック１０の外部端子１３，１４に充電装置が接続されると、図５（Ｂ）に示すように、端子１５ｅのＣＯＵＴ出力はハイレベルとなり、図５（Ｃ）に示すように、リチウムイオン電池１２の充電が行われる。
充電を継続してサーミスタＲ１３の温度が図５（Ａ）に示すように上昇して時刻ｔ２に所定温度を超えると、コンパレータ３１はハイレベルの高温検出信号を出力し、図５（Ｂ）に示すように、端子１５ｅのＣＯＵＴ出力はローレベルとなる。また、端子１５ｆの電圧は図５（Ｄ）に示すように負の電圧となる。
こののち、時刻ｔ３に電池パック１０の外部端子１３，１４に負荷が接続されると、ボディダイオードＤ１２がオンし、図５（Ｃ）に示すように、リチウムイオン電池１２の放電が開始され、一時、サーミスタＲ１３の温度が図５（Ａ）に示すように上昇する。しかし、端子１５ｆの電圧は図５（Ｄ）に示すように正の電圧（約０．７Ｖ）となり、時刻ｔ４にコンパレータ３６がハイレベルのリセット信号を生成する。
これによって、図５（Ｂ）に示すように、時刻ｔ４に端子１５ｅのＣＯＵＴ出力はハイレベルとなり、ボディダイオードＤ１２がオフして自己加熱が防止され、サーミスタＲ１３の温度は図５（Ａ）に示すように徐々に低下する。
一方、電池パック１０の外部端子１３，１４それぞれに充電装置が接続されずに負荷が接続されているとき、オア回路４０に供給される高温検出信号はローレベルとなり、論理回路１９は端子１５ｅのＣＯＵＴ出力をハイレベルとしてＭＯＳトランジスタＭ１２をオンしている。つまり、ボディダイオードＤ１２はオフであり、電池パック１０が更に加熱される自己加熱を防止できる。
なお、電池パック１０の外部端子１３，１４それぞれに充電装置と負荷が共に接続されている場合には、負荷は充電装置から給電されるため、ＭＯＳトランジスタＭ１２がオフであってもボディダイオードＤ１２がオンすることはない。
本発明の電池パックの参考例のブロック図である。 ＮＴＣサーミスタとＰＴＣサーミスタそれぞれの温度・抵抗特性図である。 本発明の電池パックの一実施形態のブロック図である。 温度異常検出回路の一実施形態の回路構成図である。 図４の各部の信号タイミングチャートである。 従来の電池パックの一例のブロック図である。 従来の電池パックの他の一例のブロック図である。
符号の説明
１０ 電池パック
１２ リチウムイオン電池
１３，１４，３２ 外部端子
１５ 保護ＩＣ
１６ 過充電検出回路
１７ 過放電検出回路
１８ 過電流検出回路
１９ 論理回路
２０，３２，３７ 定電圧源
２１，３１，３６ コンパレータ
２２ 不感応時間設定回路
３０ 温度異常検出回路
３１，３４，４１ インバータ
３３ フリップフロップ
３５，４０ オア回路
Ｃ１ コンデンサ
Ｍ１１，Ｍ１２ ＭＯＳトランジスタ
Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１４ 抵抗
Ｒ１３ サーミスタ

Claims (3)

  1. 二次電池の過充電、過放電、過電流を検出して前記二次電池と負荷又は充電装置との間の配線に設けられたスイッチ素子をオフする保護回路を備えた電池パックにおいて、
    前記二次電池の近傍に配設され前記二次電池と並列接続されたサーミスタと抵抗の直列回路と、
    前記保護回路内で、前記サーミスタで検出した前記二次電池の温度が所定温度を超えると前記スイッチ素子をオフし、その後、前記二次電池と負荷又は充電装置との間の配線の電圧が前記スイッチ素子のボディダイオードの順方向降下電圧の閾値を超えると前記スイッチ素子をオンする温度異常検出手段を有する
    ことを特徴とする電池パック。
  2. 請求項１記載の電池パックにおいて、
    前記温度異常検出手段は、
    前記サーミスタと抵抗の接続点の電圧を前記所定温度に対応する基準電圧と比較する第１コンパレータと、
    前記二次電池と負荷又は充電装置との間の配線の電圧を前記スイッチ素子のボディダイオードの順方向降下電圧の閾値と比較する第２コンパレータと、
    前記第１コンパレータの出力信号により前記二次電池の温度が前記所定温度を超えたときセットされ、前記第２コンパレータの出力信号により前記配線の電圧が前記閾値を超えたときリセットされるフリップフロップを
    有することを特徴とする電池パック。
  3. 請求項２記載の電池パックにおいて、
    前記サーミスタは、負の温度係数を持つＮＴＣサーミスタである
    ことを特徴とする電池パック。
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