JP5161247B2 - バッテリパックの保護回路、およびバッテリパック - Google Patents

Description

本発明は、バッテリパックの保護回路、およびこれを具備するバッテリパックに関するものである。

携帯用電子製品のうち、車両に付随的に装着される電子製品は、車両内部の温度と直射光線のような外部から流入する熱によって高温の環境に晒される。

例えば、車両の経路案内を行うカーナビゲーションのような携帯用電子製品は車両内部に装着された状態で使用することになる。そのため、特に、夏は車両内部の温度が略６０℃以上に上がり、カーナビゲーションは高温の状態で使用されることになる。

このようなカーナビゲーションには車両の電力の供給を受けることなく、数時間の間動作を行うことができるように再充電可能なバッテリセル（例えば、リチウムイオン電池またはリチウムポリマー電池）と保護回路からなるバッテリパックが装着される。

カーナビゲーションを利用するほとんどのユーザは車両の内部電源とカーナビゲーションを電気的に連結させておいた状態で車両内部に備えて使用する。この場合、ナビゲーションに装着されたバッテリパックは継続的な充電が行われることになり、したがって、バッテリパックのバッテリセルは相対的に過度な充電状態を維持することになる。

また、車両内部に放置されたバッテリパックは、夏のように車両内部の温度が高温の状態にある場合、車両内部の温度とバッテリセルそのものから発生する熱によって過熱した状態に置かれることになる。この場合、バッテリセルは高温で過度な充電状態を維持することが原因でスウェリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）が生じることになり、これによって危険な状態になる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、バッテリセルが高温の環境に置かれる場合、バッテリセルの充電を停止させるのみならず、バッテリセルを強制的に自己放電させることによって、バッテリセルのスウェリングを抑制して安全性を向上させることが可能な、新規かつ改良されたバッテリパックの保護回路、およびバッテリパックを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点によれば、正極と負極とを有する再充電可能なバッテリセルを備えるバッテリパックの保護回路において、上記バッテリセルの正極と負極とに電気的に連結される自己放電用スイッチング素子と、上記バッテリセルおよび上記自己放電用スイッチング素子と電気的に連結され、上記バッテリセルの温度に応じて上記自己放電用スイッチング素子をターンオンまたはターンオフする制御部とを備えるバッテリパックの保護回路が提供される。

また、上記バッテリセルおよび上記制御部と電気的に連結される温度センサをさらに含み、上記制御部は、上記温度センサによって上記バッテリセルの温度を検出し、上記バッテリセルの温度が基準温度以上の場合、上記自己放電用スイッチング素子をターンオンさせてもよい。

また、上記基準温度は４５℃〜７０℃であってもよい。

また、上記温度センサはサーミスタを含んでいてもよい。

また、上記温度センサは、センシング温度設定用抵抗をさらに含んでいてもよい。

また、上記制御部は、上記バッテリセルの電圧を検出し、上記バッテリセルの電圧が基準電圧以上の場合、上記自己放電用スイッチング素子をターンオンさせてもよい。

また、上記基準電圧は、３．０Ｖ〜３．９Ｖであってもよい。

また、上記バッテリセルと上記自己放電用スイッチング素子との間に電気的に連結される自己放電用抵抗をさらに備えてもよい。

また、上記バッテリセルと上記自己放電用スイッチング素子との間に電気的に連結される自己放電指示部材をさらに備えてもよい。

また、上記自己放電指示部材は、発光ダイオードであってもよい。

また、上記バッテリセルと上記自己放電指示部材との間に電気的に連結される指示部材保護用抵抗をさらに備えてもよい。

また、上記バッテリセルと上記制御部との間に電気的に連結される充電スイッチング素子をさらに備えてもよい。

また、上記自己放電用スイッチング素子は、上記充電スイッチング素子と電気的に連結され、上記自己放電用スイッチング素子がターンオンされる場合、上記充電スイッチング素子はターンオフされ、上記自己放電用スイッチング素子がターンオフされる場合、上記充電スイッチング素子はターンオンされてもよい。

また、上記制御部は、上記温度センサと電気的に連結され、上記バッテリセルの温度を検出する温度センシング部と、上記バッテリセルに電気的に連結され、上記バッテリセルの電圧を検出する電圧センシング部と、上記充電スイッチング素子および上記自己放電用スイッチング素子と電気的に連結され、上記温度センシング部で検出された温度と上記電圧センシング部で検出された電圧に応じて上記充電スイッチング素子および上記自己放電用スイッチング素子をターンオンまたはターンオフさせる電力駆動回路とを含んでいてもよい。

また、上記目的を達成するために、本発明の第２の観点によれば、上述したいずれかのバッテリパックの保護回路を備えるバッテリパックが提供される。

本発明によれば、バッテリセルが高温の環境に置かれる場合、バッテリセルの充電を停止させるのみならず、バッテリセルを強制的に自己放電させることによって、バッテリセルのスウェリングを抑制して安全性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るバッテリパックのブロック図である。 本発明の実施形態に係るバッテリパックの動作手順を示したフローチャートである。 本発明の実施形態に係るバッテリパックの他の動作手順を示したフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係るバッテリパックの構成を図示したブロック図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係るバッテリパック１００は、バッテリセル１１０と、保護回路２００およびバッテリセル１１０の正極１１１に大電流経路１０ａを介して電気的に連結される正極端子１１と、バッテリセル１１０の負極１１２に大電流経路１０ｂを介して電気的に連結される負極端子１２とを含む。

バッテリセル１１０は、正極１１１と負極１１２を有し再充電可能である。本発明の実施形態の場合、バッテリセル１１０は、例えば、リチウムイオン電池またはリチウムポリマー電池である。また、バッテリセル１１０は、電極組立体と電解液をケースで密閉させた形態であってもよい。また、図１では、バッテリセル１１０が一つの場合を示しているが、複数のバッテリセルが電気的に並列連結されてもよい。

保護回路２００は、充／放電スイッチング素子部２２０と、自己放電用スイッチング素子２３０と、制御部２４０と、温度センサ２５０と、電流センサ２６０と、自己放電指示部材２７０と、自己放電用抵抗２８０とを含む。また、その他にも、保護回路２００は、スイッチ安定化用コンデンサ２２３と、指示部材保護用抵抗２７１と、電圧感知用抵抗２９１と、電圧安定化用コンデンサ２９２と、充放電電圧安定化用コンデンサ２９３とをさらに含む。また、温度センサ２５０は、サーミスタ２５１と、センシング温度設定用抵抗２５２とを含む。

充／放電スイッチング素子部２２０は、充電スイッチング素子２２１と放電スイッチング素子２２２とを含む。

充電スイッチング素子２２１は、充電ＦＥＴ（Field Effect Transistor）２２１ａと、充電ＦＥＴ用寄生ダイオード２２１ｂとを含む。ここで、充電ＦＥＴ用寄生ダイオード２２１ｂは、充電ＦＥＴ２２１ａの製作過程時に必要によって形成される構成ではあるが、説明の便宜上、充電ＦＥＴ２２１ａと充電ＦＥＴ用寄生ダイオード２２１ｂとを分けて説明することにする。

充電ＦＥＴ２２１ａは、ドレインおよびソースがバッテリセル１１０の大電流経路１０ｂに接続される。また、充電ＦＥＴ２２１ａは、ゲートが制御部２４０と電気的に連結され、制御部２４０から出力される制御信号によってターンオンまたはターンオフされる。例えば、充電ＦＥＴ２２１ａは、制御部２４０からハイレバルの信号が印加される場合はターンオンされ、充電器（図示せず）からバッテリセル１１０へ充電電流を流したり、バッテリセル１１０から外部負荷（図示せず）へ放電電流を流す。このような動作のために、本発明の実施形態の場合、充電ＦＥＴ２２１ａは、例えばＮチャネル型のＦＥＴで形成され得る。

充電ＦＥＴ用寄生ダイオード２２１ｂは、充電ＦＥＴ２２１ａに電気的と並列連結される。充電ＦＥＴ用寄生ダイオード２２１ｂは、バッテリセル１１０の放電電流方向（図１における時計回り方向）に対して順方向に連結される。したがって、バッテリセル１１０の過充電保護動作によって充電ＦＥＴ２２１ａがターンオフされているとしても、バッテリセル１１０の放電は可能である。

放電スイッチング素子２２２は、放電ＦＥＴ２２２ａおよび放電ＦＥＴ用寄生ダイオード２２２ｂを含む。ここで、放電ＦＥＴ用寄生ダイオード２２２ｂは、放電ＦＥＴ２２２ａの製作過程時に必要によって形成される構成ではあるが、説明の便宜上、放電ＦＥＴ２２２ａと放電ＦＥＴ用寄生ダイオード２２２ｂとを分けて説明することにする。

放電ＦＥＴ２２２ａは、ドレインおよびソースがバッテリセル１１０の大電流経路１０ｂに接続される。また、放電ＦＥＴ２２２ａはゲートが制御部２４０と電気的に連結され、制御部２４０で出力される制御信号によってターンオンまたはターンオフされる。例えば、放電ＦＥＴ２２２ａは、制御部２４０からハイレバルの信号が印加される場合ターンオンされ、バッテリセル１１０から外部負荷（図示せず）へ放電電流を流したり、充電器（図示せず）からバッテリセル１１０へ充電電流を流す。このような動作のために、本発明の実施形態の場合、放電ＦＥＴ２２２ａは、例えばＮチャネル型のＦＥＴで形成され得る。

放電ＦＥＴ用寄生ダイオード２２２ｂは、放電ＦＥＴ２２２ａと電気的に並列連結される。放電ＦＥＴ用寄生ダイオード２２２ｂは、バッテリセル１１０の充電電流方向（図１における反時計回り方向）に対して順方向に連結される。したがって、バッテリセル１１０の過放電保護動作によって放電ＦＥＴ２２２ａがターンオフされているとしても、バッテリセル１１０の充電は可能である。

一方、スイッチ安定化用コンデンサ２２３は、充／放電スイッチング素子部２２０と並列に連結されることによって、充／放電スイッチング素子部２２０のスイッチング動作時に発生するインパルス成分の電流を吸収する。したがって、スイッチ安定化用コンデンサ２２３が設けられることによって、充／放電スイッチング素子部２２０の動作が安定化する。

自己放電用スイッチング素子２３０は、自己放電ＦＥＴ２３１と自己放電ＦＥＴ用寄生ダイオード２３２とを含む。

自己放電ＦＥＴ２３１は、ソースがバッテリセル１１０の正極１１１と電気的に連結され、ドレインがバッテリセル１１０の負極１１２と電気的に連結される。言い換えると、自己放電ＦＥＴ２３１は、ソースが大電流経路１０ａと電気的に連結され、ドレインが大電流経路１０ｂと電気的に連結される。また、自己放電ＦＥＴ２３１は、ゲートが制御部２４０と電気的に連結される。また、自己放電ＦＥＴ２３１は、ゲートが充電ＦＥＴ２２１ａのゲートと電気的に連結される。本発明の実施形態の場合、自己放電ＦＥＴ２３１は、例えばＰチャネル型のＦＥＴで形成され得る。したがって、充電ＦＥＴ２２１ａがターンオンされる場合、自己放電ＦＥＴ２３１はターンオフされる。また、充電ＦＥＴ２２１ａがターンオフされる場合、自己放電ＦＥＴ２３１はターンオンされる。

自己放電ＦＥＴ用寄生ダイオード２３２は、自己放電ＦＥＴ２３１と電気的に並列連結される。この場合、自己放電ＦＥＴ用寄生ダイオード２３２は、バッテリセル１１０の正極１１１から負極１１２へ流れる自己放電電流方向に対して逆方向に形成される。したがって、自己放電ＦＥＴ２３１が制御部２４０によってターンオンされていない状態の場合、自己放電指示部材２７０、指示部材保護用抵抗２７１および自己放電用抵抗２８０によるバッテリセル１１０の電力消費はない。

制御部２４０は、温度センシング部２４１と、電圧センシング部２４２と、電流センシング部２４３と、電力駆動回路２４４と、論理回路２４５とを含む。

温度センシング部２４１は、温度センサ２５０と電気的に連結され、温度センサ２５０から得たバッテリセル１１０のアナログ温度値をデジタル温度値に変換して論理回路２４５に伝達する。ここで、温度センシング部２４１は、例えばアナログデジタルコンバータを含む。論理回路２４５は、バッテリセル１１０の温度が予め決められた基準温度を超えると、電力駆動回路２４４に自己放電信号を出力する。すなわち、論理回路２４５は、充電用電力駆動回路２４４ａに自己放電信号を出力する。自己放電信号が入力されると、充電用電力駆動回路２４４ａは、充電スイッチング素子２２１にローレベルの電気的信号を出力し、充電スイッチング素子２２１はターンオフされる。また、この時、ローレベルの電気的信号は自己放電用スイッチング素子２３０にも印加されるので、自己放電用スイッチング素子２３０はターンオンされる。自己放電用スイッチング素子２３０がターンオンされると、バッテリセル１１０は、自己放電用抵抗２８０を介して電流を消費することによって、自己放電する。ここで、上述のように充電スイッチング素子２２１がターンオフされると、自己放電用スイッチング素子２３０はターンオンされ、充電スイッチング素子２２１がターンオンされると、自己放電用スイッチング素子２３０はターンオフされることを既に説明した。これは、図１では、充電スイッチング素子２２１がＮチャネル型であり、自己放電用スイッチング素子２３０がＰチャネル型であるからである。なお、充電スイッチング素子２２１および自己放電用スイッチング素子２３０それぞれのチャネル型が、上記に限られないことは、言うまでもない。

基準温度は略４５℃〜７０℃の範囲内に設定され得る。この場合、論理回路２４５は、バッテリセル１１０の温度が基準温度未満の場合充電用電力駆動回路２４４ａに自己放電信号を出力しないようにすることで、バッテリセル１１０が自己放電しないようにする。また、論理回路２４５は、バッテリセル１１０の安全性のためにバッテリセル１１０の温度が基準温度を超える場合に自己放電がされるように、自己放電信号を充電用電力駆動回路２４４ａに出力する。

電圧センシング部２４２は、バッテリセル１１０の正極１１１と負極１１２に電気的に連結されバッテリセル１１０のアナログ電圧値をセンシングし、これをデジタル値に変換して論理回路２４５に提供する。すなわち、電圧センシング部２４２は、電圧センシング用抵抗２９１と電圧安定化用コンデンサ２９２との間に電気的に連結されバッテリセル１１０の充電電圧または放電電圧をアナログ値として得て、このように得たアナログ値をデジタル値に変換して論理回路２４５に提供する。ここで、電圧センシング部２４２は、例えばアナログデジタルコンバータを含む。

一方、論理回路２４５は自己放電モードのみならず、バッテリセル１１０の電圧に応じて過放電保護モードおよび過充電保護モードを判断し、それぞれのモードに応じて電力駆動回路２４４に制御信号を出力して充／放電スイッチング素子部２２０および自己放電用スイッチング素子２３０をターンオンまたはターンオフさせる。

論理回路２４５の過放電保護モード、過充電保護モードおよび自己放電モードをより詳細に説明する。

過放電保護モードは、例えば、バッテリセル１１０の電圧が略３．０Ｖ未満に落ちた場合に行われる。無論、このようなバッテリセル１１０の電圧は電圧センシング部２４２がセンシングする。過放電保護モードは、論理回路２４５が放電用電力駆動回路２４４ｂに過放電保護信号を出力して放電スイッチング素子２２２がターンオフされるようにすることで、バッテリセル１１０の過放電を防止する状態である。なお、バッテリパック１００の正極端子１１と負極端子１２に充電器（図示せず）が接続される場合、充電器から入力される充電電流はバッテリセル１１０、放電スイッチング素子２２２の寄生ダイオード２２２ｂおよび充電スイッチング素子２２１を介して流れるので、バッテリセル１１０の充電は可能である。

過充電保護モードは、例えば、バッテリセル１１０の電圧が約４．５Ｖ以上である場合に行われる。過充電保護モードは、バッテリセル１１０が過充電されないように論理回路２４５が充電用電力駆動回路２４４ａに過充電保護信号を出力して充電スイッチング素子２２１がターンオフされるようにすることで、バッテリセル１１０の過充電を防止する状態である。なお、バッテリパック１００の正極端子１１と負極端子１２に外部負荷（図示せず）が接続される場合、バッテリセル１１０からの放電電流は充電スイッチング素子２２１の寄生ダイオード２２１ｂおよび放電スイッチング素子２２２を介して流れるので、バッテリセル１１０の放電は可能である。

また、この時、充電スイッチング素子２２１がターンオフされるので、自己放電用スイッチング素子２３０はターンオンされる。よって、バッテリセル１１０の自己放電電流は指示部材保護用抵抗２７１および自己放電指示部材２７０を介して流れる。さらに、バッテリセル１１０の自己放電電流は自己放電用抵抗２８０を介して流れる。したがって、本発明の実施形態に係るバッテリパック１００は、基本的にバッテリセル１１０の温度が予め決められた基準温度を超えた時に自己放電動作を行うが、過充電保護モードの時にも自己放電動作を行う。

したがって、バッテリセル１１０は、温度が基準温度を超えた時、また、過充電電圧である時に、強制的に放電されることで、より安定した状態になる。

上述のように、論理回路２４５は、バッテリセル１１０の温度が基準温度を超えた時にバッテリセル１１０が自己放電されるように自己放電モードを行う。このような自己放電モードは、基本的にバッテリセル１１０の温度が予め決められた基準温度を超えた時に行われる。無論、バッテリセル１１０の温度は温度センシング部２４１によってセンシングされる。論理回路２４５は充電用電力駆動回路２４４ａに自己放電信号を出力して自己放電用スイッチング素子２３０がターンオンされるようにする。実際に、自己放電モードおよび過充電保護モードの動作は同じである。すなわち、自己放電モードおよび過充電保護モードで論理回路２４５が充電用電力駆動回路２４４ａに制御信号（自己放電信号および過充電保護信号）を出力することによって、自己放電用スイッチング素子２３０はターンオンされ、充電スイッチング素子２２１はターンオフされるからである。

上述したような動作により、自己放電用スイッチング素子２３０はターンオンされてバッテリセル１１０を自己放電させることになる。この時、充電スイッチング素子２２１はターンオフされる。これとは逆に、自己放電モードが中断された場合、論理回路２４５は充電スイッチング素子２２１をターンオンさせ、自己放電用スイッチング素子２３０をターンオフさせる。すなわち、バッテリパック１００は充電と自己放電が同時に行われないようにすることで、安全性を向上させる。併せて、バッテリパック１００は、温度が基準温度以上に上昇した時に自己放電されることで、バッテリセル１１０のスウェリングを抑制する。これによりバッテリセル１１０の安全性がさらに向上する。

また、論理回路２４５は、例えば、温度センシング部２４１がセンシングしたバッテリセル１１０の温度が略４５℃〜７０℃の範囲内に設定された基準温度に該当し、バッテリセル１１０の電圧が３．９Ｖ以上の場合に、充電用電力駆動回路２４４ａに自己放電信号を出力して自己放電用スイッチング素子２３０をターンオンさせることができる。すなわち、論理回路２４５は、例えば、バッテリセル１１０の電圧が３．９Ｖ未満の場合には、バッテリセル１１０が自己放電されないようにすることでバッテリセル１１０の電力が浪費されないようにする。ここで、論理回路２４５はバッテリセル１１０の安全性を確保するために３．９Ｖ以上の値で自己放電モードに切り替えるとよいので、上限値に意味はない。

論理回路２４５は、バッテリセル１１０の温度、電圧および放電状態に応じてバッテリセル１１０の自己放電が中断されるようにする。

温度センシング部２４１は、バッテリセル１１０の温度が基準温度未満であることをセンシングし、その情報を論理回路２４５に提供する。すると、論理回路２４５は充電用電力駆動回路２４４ａに自己放電停止信号を出力して自己放電用スイッチング素子２３０がターンオフされるようにする。このようにすることで、バッテリセル１１０の自己放電が中断される。この時、充電スイッチング素子２２１はターンオンされるので、バッテリセル１１０は充電可能な状態になる。

また、電圧センシング部２４２は、バッテリセル１１０の電圧が基準電圧未満であることをセンシングし、その情報を論理回路２４５に提供する。すると、論理回路２４５は、充電用電力駆動回路２４４ａに自己放電停止信号を出力して自己放電用スイッチング素子２３０がターンオフされるようにする。ここで、基準電圧は、例えば、略３．０Ｖ〜３．９Ｖの範囲内に設定され得る。すなわち、論理回路２４５は、基準電圧を過放電保護電圧と過充電保護電圧の間で設定して自己放電を中断させることができる。好ましくは、上述したように基準電圧は略３．９Ｖ程度が適切である。

このようにすることで、バッテリセル１１０の自己放電が中断される。この時、充電スイッチング素子２２１はターンオンされるので、バッテリセル１１０は充電可能な状態となる。

電力駆動回路２４４は、充電用電力駆動回路２４４ａと、放電用電力駆動回路２４４ｂとを含む。

充電用電力駆動回路２４４ａは、論理回路２４５と充電スイッチング素子２２１との間に電気的に連結される。充電用電力駆動回路２４４ａは、例えば、Ｃ−ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）のような電力駆動型スイッチング回路で形成され、論理回路２４５で出力される制御信号によって充電スイッチング素子２２１をターンオンまたはターンオフさせる役目を果たす。

放電用電力駆動回路２４４ｂは、論理回路２４５と放電スイッチング素子２２２との間に電気的に連結される。放電用電力駆動回路２４４ｂは、例えば、Ｃ-ＭＯＳＦＥＴのような電力駆動型スイッチング回路で形成され、論理回路２４５で出力される制御信号によって放電スイッチング素子２２２をターンオンまたはターンオフさせる役目を果たす。

温度センシング部２４１、電圧センシング部２４２、電流センシング部２４３、電力駆動回路２４４および論理回路２４５を含む制御部２４０は、バッテリセル１１０の正極１１１と負極１１２に電気的に連結され、バッテリセル１１０から供給される電力によって動作する。すなわち、制御部２４０は、外部から電力を供給を受けることなく自らバッテリセル１１０の電圧によって充電、放電、自己放電および過電流保護などを行うことでバッテリパック１００の安全性を確保する。

また、制御部２４０は、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：Application Specific Integrated Circuit）であり、それぞれのモードに応じて充／放電スイッチング素子部２２０を即座に駆動させるための電力駆動型回路素子である。したがって、制御部２４０は、それぞれのモードに応じて非常に速い応答速度で充／放電スイッチング素子部２２０および自己放電用スイッチング素子２３０をターンオンまたはターンオフさせてバッテリセル１１０を保護する役目を果たす。

一方、制御部２４０とバッテリセル１１０の正極１１１の間には、電圧センシング用抵抗２９１が電気的に連結される。この場合、電圧センシング用抵抗２９１とバッテリセル１１０の負極１１２との間には、電圧安定化用コンデンサ２９２が接続されて外部から流入する静電気から制御部２４０を保護する。また、制御部２４０とバッテリセル１１０の負極１１２との間には、電流センサ２６０が電気的に連結される。ここで、電流センサ２６０は、例えば、抵抗を有し、抵抗に印加された電圧を抵抗値で割って電流値を計算する。電流センサ２６０は、電流センシング部２４３と互いに電気的に連結される。したがって、電流センシング部２４３は、電流センサ１６０を用いて電流を感知し、感知した電流情報を論理回路２４５に出力する。無論、電流センシング部２４３は、アナログ値をデジタル値に変換して論理回路２４５に出力することができるように、例えばアナログデジタルコンバータを含む。また、論理回路２４５は、大電流経路１０ｂに過電流（充電電流、放電電流または短絡電流）が流れると判断した場合、充／放電スイッチング素子部２２０をターンオフさせてバッテリセル１１０を保護する。

温度センサ２５０は、バッテリセル１１０の大電流経路１０ａと制御部２４０との間に電気的に連結される。本発明の実施形態の場合、温度センサ２５０は、例えば、温度に応じて抵抗値が変わるサーミスタ２５１と固定した抵抗値を持つセンシング温度設定用抵抗２５２を含む。したがって、温度センシング部２４１は、サーミスタ２５１とセンシング温度設定用抵抗２５２の電圧分配原理に基づいてバッテリセル１１０の温度をセンシングする。

ここで、センシング温度設定用抵抗２５２は、サーミスタ２５１と接地端との間に電気的に連結される。同じ温度では、センシング温度設定用抵抗２５２の抵抗値に応じて、サーミスタ２５１とセンシング温度設定用抵抗２５２による分圧電圧が変わるので、温度センシング部２４１によるセンシング温度範囲を調整することができる。

例えば、サーミスタ２５１の抵抗値をＲ３と、センシング温度設定用抵抗２５２の抵抗値をＲ４と定義する場合、Ｒ３およびＲ４による分圧電圧Ｖｔｈは、通常、下記数式１のように求められる。ここで、分圧電圧Ｖｔｈは温度センシング部２４１によって検出される電圧であり、ＶＤＤはバッテリセル１１０の電圧である。

Ｖｔｈ＝ＶＤＤ・Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）
・・・（数式１）

また、サーミスタ２５１の抵抗値Ｒ３は、通常、下記数式２のように求められる。

Ｒ３＝Ｒ０・ｅｘｐＢ（１／Ｔ−１／Ｔ０）
Ｒ３：周囲温度がＴ（Ｋ）である場合の抵抗値
Ｒ０：周囲温度がＴ０（Ｋ）である場合の抵抗値
Ｂ：サーミスタ定数
・・・（数式２）

したがって、上記数式２より、センシングしたい温度Ｔは、下記の数式３より求めることができる。ここで、Ｒ３は経験的にＲ３＝３・Ｒ４／１７である。

Ｔ＝１／（１／Ｔ０＋（ｌｎ（Ｒ３／Ｒ０）／Ｂ）
・・・（数式３）

こうして、サーミスタ２５１およびセンシング温度設定用抵抗２５２を適切に選択することで、センシングしたい温度Ｔを決定することができる。

自己放電指示部材２７０は、自己放電用スイッチング素子２３０とバッテリセル１１０の大電流経路１０ａとの間に電気的に連結される。自己放電指示部材２７０は、制御部２４０の制御信号によって自己放電用スイッチング素子２３０がターンオンされる場合、自己放電用スイッチング素子２３０が動作中であることを視覚的に知らせる。一例として、自己放電指示部材２７０は、発光ダイオードであってもよい。無論、このような自己放電指示部材２７０もバッテリセル１１０の電流を消費するので、バッテリセル１１０をより速かに自己放電させる役目を果たす。

指示部材保護用抵抗２７１は、自己放電指示部材２７０とバッテリセル１１０の大電流経路１０ａとの間に電気的に連結される。指示部材保護用抵抗２７１は、自己放電指示部材２７０に予め決められた電圧だけ印加されるようにすることで、自己放電指示部材２７０が破損または損傷されないようにする。無論、このような指示部材保護用抵抗２７１もバッテリセル１１０の電流を消費するので、バッテリセル１１０をより速かに自己放電させる役目を果たす。

自己放電用抵抗２８０は、自己放電用スイッチング素子２３０とバッテリセル１１０の大電流経路１０ａとの間に電気的に連結される。ここで、自己放電用抵抗２８０は、指示部材保護用抵抗２７１と電気的に並列連結された形態である。自己放電用抵抗２８０は、バッテリセル１１０がより速い時間で放電されるようにしてバッテリパック１００の安全性をさらに向上させる役割を行う。ここで、上述のように自己放電用抵抗２８０のみならず、自己放電指示部材２７０および指示部材保護用抵抗２７１も基本的にバッテリセル１１０の自己放電を行う。したがって、実質的には、バッテリセル１１０の自己放電のために自己放電用抵抗２８０がなくてもよい。併せて、バッテリセル１１０の自己放電のために自己放電指示部材２７０および指示部材保護用抵抗２７１がなくてもよい。

充放電電圧安定化用コンデンサ２９３は、正極端子１１および負極端子１２と電気的に連結される。充放電電圧安定化用コンデンサ２９３は、充電器または携帯用電子製品のような外部負荷が正極端子１１および負極端子１２に接続された場合に発生するインパルス成分の電流を吸収して制御部２４０を保護する役目を果たす。

以下、上述したバッテリパックのうち制御部２４０の動作について説明する。すなわち、制御部２４０の中でも特に論理回路２４５の動作について説明する。

図２は、本発明の実施形態に係るバッテリパックの動作手順を示したフローチャートである。

図２に示すように、本発明の一実施形態に係るバッテリパックの保護回路は、バッテリセル１１０の温度および電圧をセンシングするステップＳ１００、バッテリセル１１０の温度が基準温度以上であるかを判断するステップＳ２００、バッテリセル１１０の電圧が基準電圧以上であるかを判断するステップＳ４００および自己放電モードステップＳ５００を含む。

ここで、ステップＳ２００でバッテリセル１１０の温度が基準温度未満であると判断した場合、一般モードステップＳ３００が行われる。ここで、一般モードとは上述した過充電保護モード、過放電保護モードまたは過電流保護モードのことである。

併せて、以下の説明で別途の説明がなくても、各ステップの主体はバッテリパックの制御部２４０、すなわち、論理回路２４５である。

バッテリセル１１０の温度および電圧をセンシングするステップＳ１００では、制御部２４０が温度センシング部２４１を用いてバッテリセル１１０の温度を感知し、電圧センシング部２４２を用いてバッテリセル１１０の電圧を感知する。

バッテリセル１１０の温度が基準温度以上であるかを判断するステップＳ２００では、制御部２４０が上記のようにセンシングされたバッテリセル１１０の温度が基準温度を超えるかを判断する。ここで、基準温度は、例えば略４５℃〜７０℃に設定され得るが、このような温度範囲に本発明は限定されない。すなわち、基準温度はバッテリセル１１０の種類、形状、構造および容量によって変更され得る。しかし、一般にリチウムイオン電池またはリチウムポリマー電池は略４５℃からスウェリングが生じ始める危険性があるので、基準温度は少なくとも略４５℃に設定されることが好ましい。

ステップＳ２００でバッテリセル１１０の温度が基準温度以上である場合、ステップＳ４００が行われる。

バッテリセル１１０の電圧が基準電圧以上であるかを判断するステップＳ４００では、制御部２４０が上記のようにセンシングされたバッテリセル１１０の電圧が基準電圧以上であるかを判断する。ここで、基準電圧は、例えば略３．０Ｖ〜３．９Ｖに設定され得るが、このような電圧に本発明は限定されない。すなわち、基準電圧はバッテリセル１１０の種類、形状、構造および容量によって変更され得る。しかし、一般にリチウムイオン電池またはリチウムポリマー電池は略４５℃以上の温度かつ略３．９Ｖ以上の電圧の場合、スウェリングが生じ始める危険性が大きいので、基準電圧は少なくとも３．９Ｖに設定されることが好ましい。

ステップＳ４００でバッテリセル１１０の電圧が基準電圧以上の場合、ステップＳ５００が行われる。

自己放電モードステップＳ５００では、制御部２４０がバッテリセル１１０の電圧が所定レベルになる時まで自己放電させる。すなわち、制御部２４０は自己放電用スイッチング素子２３０をターンオンさせることで、バッテリセル１１０の電圧が例えば略３．８Ｖになるまで自己放電させる。しかし、このような電圧に本発明は限定されない。すなわち、バッテリセル１１０の自己放電停止電圧は、バッテリセル１１０の種類、形状、構造および容量によって変更され得る。

一方、図２のように、本発明の実施形態は、ステップＳ２００およびステップＳ４００の順に行われ得るが、本発明の実施形態はこのような順番に限定されない。すなわち、本発明の実施形態は、ステップＳ４００およびステップＳ２００の順に行われてもよい。無論、最終的に二つのステップ（条件）をすべて満足した場合、自己放電モードステップＳ５００が行われる。

例えば、バッテリセル１１０の温度が４５℃以上で、バッテリセル１１０の電圧が３．９Ｖ以上の場合、自己放電モードステップＳ５００が行われる。

図３は、本発明の実施形態に係るバッテリパックの保護回路での一般モードの動作を示したフローチャートである。

一般モードは、バッテリセル１１０の温度が基準温度より低い場合に行われる。すなわち、バッテリセル１１０の温度が基準温度以上であるかを判断するステップＳ２００（図２参照）で「いいえ」の場合に一般モードが行われる。

一般モードは、バッテリセル１１０の電圧が過充電電圧より大きいかを判断するステップＳ３１０、ステップＳ３１０で「はい」の場合の充電停止および自己放電ステップＳ３２０、ステップＳ３１０で「いいえ」の場合にバッテリセル１１０の電圧が過放電電圧より小さいかを判断するステップＳ３３０、ステップＳ３３０で「はい」の場合に放電を停止するステップＳ３４０、バッテリセル１１０の電流が基準電流より大きいかを判断するステップＳ３５０、およびステップＳ３５０で「はい」の場合に充電または放電を停止するステップＳ３６０を含む。

バッテリセル１１０の電圧が過充電電圧より大きいかを判断するステップＳ３１０では、制御部２４０が電圧センシング部２４２を用いてバッテリセル１１０の電圧が過充電電圧（例えば、４．５Ｖ）より大きいかを判断する。

充電停止および自己放電ステップＳ３２０では、制御部２４０が充電スイッチング素子２２１に充電停止信号を出力して、充電スイッチング素子２２１をターンオフさせる。したがって、バッテリセル１１０の充電は停止する。しかし、この状態でも充電スイッチング素子２２１の寄生ダイオードによるバッテリセル１１０の放電は可能である。一方、この時自己放電用スイッチング素子２３０はターンオンされるので、バッテリセル１１０は自己放電される。すなわち、本発明の実施形態は充電スイッチング素子２２１がターンオフされると、自動的に自己放電用スイッチング素子２３０がターンオンされるからである。これによりバッテリセル１１０の過充電状態が速やかに解除される。

バッテリセル１１０の電圧が過放電電圧より小さいかを判断するステップＳ３３０では、制御部２４０が電圧センシング部２４２を用いてバッテリセル１１０の電圧が過放電電圧（例えば、３．０Ｖ）より小さいかを判断する。

放電を停止するステップＳ３４０では、制御部２４０が放電スイッチング素子２２２に放電停止信号を出力して、放電スイッチング素子２２２をターンオフさせる。したがって、バッテリセル１１０の放電は停止する。しかし、この状態でも放電スイッチング素子２２２の寄生ダイオードによるバッテリセル１１０の充電は可能である。

バッテリセル１１０の電流が基準電流より大きいかを判断するステップＳ３５０では、制御部２４０が電流センシング部２４３を用いてバッテリセル１１０の電流（充電電流または放電電流）が予め決められた電流より大きいかを判断する。

充電または放電を停止するステップＳ３６０では、制御部２４０が充電スイッチング素子２２１または放電スイッチング素子２２２に充電停止または放電停止信号を出力して、充電スイッチング素子２２１または放電スイッチング素子２２２をターンオフさせる。

また、ステップ３１０、ステップ３３０およびステップＳ３５０は上述した順番とは異なる順番で行われてもよい。すなわち、ステップ３３０、ステップ３５０およびステップＳ３１０、またはステップ３５０、ステップ３１０およびステップＳ３２０、またはステップ３３０、ステップ３１０およびステップＳ３５０、またはステップ３５０、ステップ３３０およびステップＳ３１０、またはステップ３１０、ステップ３３０およびステップＳ３５０の順に行われてもよく、本発明の実施形態は、ステップの順番を限定することを意図しない。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１００ バッテリパック
１１０ バッテリセル
２００ 保護回路
２２０ 充／放電スイッチング素子部
２２１ 充電スイッチング素子
２２１ａ 充電ＦＥＴ
２２１ｂ 充電ＦＥＴ用寄生ダイオード
２２２ 放電スイッチング素子
２２２ａ 放電ＦＥＴ
２２２ｂ 放電ＦＥＴ用寄生ダイオード
２３０ 自己放電用スイッチング素子
２３１ 自己放電ＦＥＴ
２３２ 自己放電ＦＥＴ用寄生ダイオード
２４０ 制御部
２４１ 温度センシング部
２４２ 電圧センシング部
２４３ 電流センシング部
２４４ 電力駆動回路
２４５ 論理回路
２５０ 温度センサ
２７０ 自己放電指示部材
２８０ 自己放電用抵抗

Claims (10)

1. 正極と負極とを有する再充電可能なバッテリセルを備えるバッテリパックの保護回路において：
   前記バッテリセルの正極と負極とに電気的に連結される自己放電用スイッチング素子と；
   前記バッテリセルおよび前記自己放電用スイッチング素子と電気的に連結され、前記バッテリセルの温度に応じて前記自己放電用スイッチング素子をターンオンまたはターンオフする制御部と；
   前記バッテリセルおよび前記制御部と電気的に連結される温度センサと；
   前記バッテリセルと前記自己放電用スイッチング素子との間に電気的に連結される自己放電指示部材と；
   前記バッテリセルと前記制御部との間に電気的に連結される充電スイッチング素子と；
   を備え、
   前記制御部は、前記温度センサによって前記バッテリセルの温度を検出し、
   前記バッテリセルの温度が基準温度以上の場合、前記自己放電用スイッチング素子をターンオンさせ、
   前記基準温度は４５℃〜７０℃であり、
   前記自己放電用スイッチング素子は、前記充電スイッチング素子と電気的に連結され、前記自己放電用スイッチング素子がターンオンされる場合、前記充電スイッチング素子はターンオフされ、前記自己放電用スイッチング素子がターンオフされる場合、前記充電スイッチング素子はターンオンされることを特徴とする、バッテリパックの保護回路。
2. 前記温度センサはサーミスタを含むことを特徴とする、請求項１に記載のバッテリパックの保護回路。
3. 前記温度センサは、センシング温度設定用抵抗をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のバッテリパックの保護回路。
4. 前記制御部は、前記バッテリセルの電圧を検出し、
   前記バッテリセルの電圧が基準電圧以上の場合、前記自己放電用スイッチング素子をターンオンさせることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリパックの保護回路。
5. 前記基準電圧は、３．０Ｖ〜３．９Ｖであることを特徴とする、請求項４に記載のバッテリパックの保護回路。
6. 前記バッテリセルと前記自己放電用スイッチング素子との間に電気的に連結される自己放電用抵抗をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリパックの保護回路。
7. 前記自己放電指示部材は、発光ダイオードであることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリパックの保護回路。
8. 前記バッテリセルと前記自己放電指示部材との間に電気的に連結される指示部材保護用抵抗をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリパックの保護回路。
9. 前記制御部は、
   前記温度センサと電気的に連結され、前記バッテリセルの温度を検出する温度センシング部と；
   前記バッテリセルに電気的に連結され、前記バッテリセルの電圧を検出する電圧センシング部と；
   前記充電スイッチング素子および前記自己放電用スイッチング素子と電気的に連結され、前記温度センシング部で検出された温度と前記電圧センシング部で検出された電圧に応じて前記充電スイッチング素子および前記自己放電用スイッチング素子をターンオンまたはターンオフさせる電力駆動回路と；
   を含むことを特徴とする、請求項１に記載のバッテリパックの保護回路。
10. 請求項１〜９のうちいずれか一項に記載のバッテリパックの保護回路を備えることを特徴とする、バッテリパック。

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