JP5098501B2 - 電池パック - Google Patents

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４及び図５は、従来の電池パックの各例のブロック図を示す。図４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５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４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５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ず、正確な充電停止制御を行え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、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、かつ適切な充電停止制御を行わせることができる電池パックを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために以下の如き構成を採用した。

本発明の電池パックは、電圧検出用端子（３３）の電圧が所定電圧より低いとき充電を停止する充電装置の正負の電源端子（３１、３２）に接続される第一及び第二の外部端子と、と前記電圧検出用端子に接続される第三の外部端子と（１３、１４、ＴＨ）、
前記第一の外部端子と第二の外部端子の間に接続される二次電池（１２）と、
前記二次電池の過充電、過放電、過電流を検出して前記二次電池と負荷又は前記充電装置との間の配線に設けられた第一及び第二のスイッチ素子（Ｍ１１、Ｍ１２）のオン／オフを制御する保護回路（１５Ａ）と、
前記第一の外部端子と前記第三の外部端子との間又は前記第二の外部端子（１４）と前記第三の外部端子（ＴＨ）との間に接続された第一のサーミスタ（Ｒ２３）とを有する電池パック（１０Ａ）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第二のサーミスタ（Ｒ１３）と抵抗（Ｒ１４）の直列回路と、
前記第一の外部端子と前記第三の外部端子との間又は前記第二の外部端子（１４）と前記第三の外部端子（ＴＨ）との間に接続された第三のスイッチ素子（Ｍ１３）と、を有し、
前記保護回路（１５Ａ）は、前記第二のサーミスタ（Ｒ１３）により前記二次電池（１２）の温度が所定温度を超えたことが検出されたとき、前記第三のスイッチ素子（Ｍ１３）をオンとし、前記第一の外部端子又は前記第二の外部端子（１４）と、前記第三の外部端子（ＴＨ）との間を短絡することにより、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、かつ適切な充電停止制御を行わせることができる。

また、前記第三のスイッチ素子（Ｍ１３）は、ＭＯＳトランジスタである構成とすることができる。

また、前記第一及び第二のサーミスタ（Ｒ２３、Ｒ１３）は、負の温度係数を持つＮＴＣサーミスタである構成とすることができる。

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、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、かつ適切な充電停止制御を行わせることができる。

（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に示すよう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、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しつつ適切な充電停止制御を行わせ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。

本実施形態の電池パック１０Ａは、三端子を有する充電装置３０と接続されて充電される電池パックである。以下に本実施形態の電池パック１０Ａの説明に先立ち、充電装置３０について説明する。

充電装置３０は、電池パック１０Ａの外部端子１３、外部端子１４、後述する外部端子ＴＨにそれぞれ接続される端子３１、端子３２、端子３３を有する。端子３１は正の電源端子である。端子３２は負の電源端子である。端子３３は、端子３２と端子３３との間の電圧を検出するための電圧検出用端子である。また充電装置３０は、基準電圧３４、抵抗Ｒ３５、電流源３６、ダイオードＤ３７、コンパレータ３８、充電制御回路３９、ＭＯＳトランジスタＭ４０を有する。

コンパレータ３８の一方の入力には、基準電圧３４が抵抗Ｒ３５と、端子３２及び端子３３間の抵抗により分圧された電圧、即ち端子３２及び端子３３間の電圧が入力される。コンパレータ３８の他方の入力には、電流源３６とダイオードＤ３７により生成される所定電圧ＶＴが入力される。コンパレータ３８の出力は、端子３２及び端子３３間の電圧が、所定電圧ＶＴよりも低くなったときに変化する。コンパレータ３８の出力は、充電制御回路３９に入力される。

充電制御回路３９は、例えば充電電流又は充電電圧に応じてＭＯＳトランジスタＭ４０のオン／オフの制御を行う。また実施形態の充電制御回路３９は、例えば端子３２と端子３３との間に接続されるサーミスタを有する電池パックが接続されたとき、電池パックの温度上昇を検出して電池パックの充電を停止する。本実施形態では、サーミスタの抵抗値の低下により端子３２及び端子３３間の電圧が所定電圧ＶＴより低下すると、充電制御回路３９が非動作となり、ＭＯＳトランジスタ４０をオフにして電池パックへの充電を停止する。

具体的には、例えば端子３２及び子３３間の電圧が所定電圧ＶＴよりも低下したとき、コンパレータ３８の出力がローレベルとなる。充電制御回路３９はコンパレータ３８の出力に基づき動作／非動作を切り替える。充電制御回路３９は、コンパレータ３８の出力がローレベルとなったとき、非動作となり、ＭＯＳトランジスタＭ４０をオフにする制御を行う。即ち充電制御回路３９は、端子３２及び端子３３間の電圧が所定電圧ＶＴよりも低くなったときにＭＯＳトランジスタＭ４０をオフにし、電池パックへの充電を停止する。尚本実施形態では、ＭＯＳトランジスタＭ４０は、ｐチャネルＭＯＳトランジスタとした。尚基準電圧３４の代わりに、定電流源を用いても良い。

次に本実施形態の電池パック１０Ａについて説明する。本実施形態の電池パック１０Ａでは、電池パック１０Ａが高温となったとき、充電装置３０へ充電を停止させるための制御が行われる。

本実施形態の電池パック１０Ａは、参考例で説明した電池パック１０に、第三の外部端子ＴＨと、外部端子ＴＨと外部端子１４との間に並列に接続されたサーミスタＲ２３、ＭＯＳトランジスタＭ１３とを設けたものである。

また本実施形態の保護ＩＣ１５Ａは、不感応時間設定回路２２からの信号を出力する出力端子Ｔｏｕｔを有し、出力端子ＴｏｕｔはＭＯＳトランジスタＭ１３のゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ１３は、サーミスタＲ１３の検出温度が所定温度を超えて、不感応時間設定回路２２からハイレベルの高温検出信号が出力されると、出力端子Ｔｏｕｔからのハイレベルの信号がゲートに印加されてオンになる。尚ＭＯＳトランジスタＭ１３はｎチャネルＭＯＳトランジスタである。

ここで本実施形態の電池パック１０Ａが充電装置３０に接続された場合を説明する。

電池パック１０Ａの外部端子１３、１４、ＴＨは充電装置３０の端子３１、端子３２、端子３３にそれぞれ接続される。

電池パック１０Ａと充電装置３０とが接続されている場合、充電装置３０の端子３２及び端子３３間の電圧は、抵抗Ｒ３５とサーミスタＲ２３による基準電圧３４の分圧となる。本実施形態では、サーミスタＲ２３は、電池パック１０Ａが充電装置３０と接続されたとき、端子３２及び端子３３間の電圧が所定電圧ＶＴよりも高くなる値に設定されている。本実施形態のサーミスタＲ２３は、ＮＴＣサーミスタとした。充電装置３０では、電池パック１０Ａの温度の上昇によりサーミスタＲ２３の抵抗値が低下すると、基準電圧３４の抵抗Ｒ３５とサーミスタＲ２３による分圧（端子３２及び端子３３間の電圧）が低下する。この分圧が所定電圧ＶＴ以下になるまでサーミスタＲ２３の抵抗値が低下すると、充電装置３０は電池パック１０Ａへの充電を停止する。

電池パック１０Ａが充電装置３０に接続された状態で、不感応時間設定回路２２からハイレベルの高温検出信号が出力されると、保護ＩＣ１５Ａの出力端子Ｔｏｕｔから出力されるハイレベルの信号がＭＯＳトランジスタＭ１３のゲートに印加され、ＭＯＳトランジスタＭ１３がオンになる。ＭＯＳトランジスタＭ１３がオンになると、電池パック１０Ａの外部端子１４及び外部端子ＴＨ間が短絡し、端子３２及び端子３３間の電圧が、所定電圧ＶＴよりも低くなる。充電装置３０では、端子３２及び端子３３間の電圧が所定電圧ＶＴよりも低くなると、コンパレータ３８の出力が変化し、充電制御回路３９がＭＯＳトランジスタＭ４０をオフにし、電池パック１０Ａへの充電を停止する。

このように、本実施形態の電池パック１０Ａでは、ＭＯＳトランジスタＭ１３を備えることで、サーミスタＲ１３の検出温度が所定温度を超えたとき、外部端子１４及び外部端子ＴＨ間の電圧を所定電圧ＶＴ以下とすることができる。このため電池パック１０Ａは、電池パック１０Ａ側の温度制御により、充電装置３０からの電池パック１０Ａへの充電を停止させることができる。

よって電池パック１０Ａによれば、充電装置３０の所定電圧ＶＴが変化した場合や充電装置３０の分圧抵抗の誤差がある場合でも、充電装置３０に電池パック１０Ａが高温になったことを検出させ、確実に充電装置３０からの充電を停止させることができる。

また本実施形態の電池パック１０Ａでは、ＭＯＳトランジスタＭ１３により充電停止制御を行うため、充電装置３０からの充電を停止させるためにＭＯＳトランジスタＭ１２をオフにする必要がない。よって論理回路１９は、不感応時間設定回路２２から高温検出信号が出力された場合にも、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。これによりボディダイオードＤ１２がオンすることはなく、電池パック１０Ａの自己発熱を防止することができる。

このように、本実施形態の電池パック１０Ａによれば、この自己加熱を防止しつつ適切な充電停止制御を行わせることができる。

以上、実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

本発明の電池パックの参考例のブロック図を示す。 ＮＴＣサーミスタとＰＴＣサーミスタそれぞれの温度・抵抗特性を示す図である。 本発明の電池パックの一実施形態のブロック図を示す。 従来の電池パックの一例のブロック図を示す。 従来の電池パックの他の一例のブロック図を示す。

符号の説明

１０、１０Ａ 電池パック
１２ リチウムイオン電池
１３、１４、ＴＨ 外部端子
１５、１５Ａ 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 定電圧源
２１、３８ コンパレータ
２２ 不感応時間設定回路
３０ 充電装置
３１、３２、３３ 端子
３４ 基準電圧
３６ 電流源
３９ 充電制御回路
Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ４０ ＭＯＳトランジスタ
Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ３５ 抵抗
Ｒ１３、Ｒ２３ サーミスタ

Claims (3)

1. 電圧検出用端子の電圧が所定電圧より低いとき充電を停止する充電装置の正負の電源端子に接続される第一及び第二の外部端子と、前記電圧検出用端子に接続される第三の外部端子と、
   前記第一の外部端子と前記第二の外部端子の間に接続される二次電池と、
   前記二次電池の過充電、過放電、過電流を検出して前記二次電池と負荷又は前記充電装置との間の配線に設けられた第一及び第二のスイッチ素子のオン／オフを制御する保護回路と、
   前記第一の外部端子と前記第三の外部端子との間又は前記第二の外部端子と前記第三の外部端子との間に接続された第一のサーミスタとを有する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第二のサーミスタと抵抗の直列回路と、
   前記第一の外部端子と前記第三の外部端子との間又は前記第二の外部端子と前記第三の外部端子との間に接続された第三のスイッチ素子と、を有し、
   前記保護回路は、前記第二のサーミスタにより前記二次電池の温度が所定温度を超えたことが検出されたとき、前記第三のスイッチ素子をオンとし、前記第一の外部端子又は前記第二の外部端子と、前記第三の外部端子との間を短絡することを特徴とする電池パック。
2. 前記第三のスイッチ素子は、ＭＯＳトランジスタであることを特徴とする請求項１記載の電池パック。
3. 前記第一及び第二のサーミスタは、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請求項１又は２記載の電池パック。

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