JP5177842B2 - 保護回路および電池パック - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の発熱や周辺雰囲気の温度上昇時に充電を遮断する保護回路およびそれを用いた電池パックに関する。

リチウムイオン電池等の高エネルギー密度の二次電池を備えた二次電池パックは、過充電や過電流を検出し、電源回路を遮断する機能を備えた保護回路と、異常電流や電池パックの異常温度上昇を検出して二次電池を保護する温度保護素子を内蔵している。

図２は、従来の保護回路の第１の例を説明する回路図である。電池パック１０１は、二次電池３、温度保護素子４、保護回路１０２等からなる。また、保護回路１０２は、保護ＩＣ５、放電制御用ＦＥＴ６、充電制御用ＦＥＴ７、ＮＴＣサーミスタ８等からなる。ＦＥＴは、電界効果トランジスタであり、半導体スイッチとして用いられている。

温度保護素子４は、ＰＴＣサーミスタ、温度ヒューズ、バイメタル等で構成され、二次電池の温度異常時の電流を遮断するために用いられ、二次電池を保護するために用いられている。温度保護素子４は、通常の温度では導通状態であるが、異常高温になると、温度保護素子４が遮断状態になり、二次電池３の正極と保護回路１０２の端子９ａ間での通電がなされず、電流経路が遮断される結果、二次電池３の発熱が抑制され、異常温度から二次電池３が保護される。

また、保護回路１０２は、充電時の過電圧や電池パック１０１を使用する時の過電流を監視する保護ＩＣ５と、保護ＩＣ５からの信号に基づき放電回路をオン／オフする放電制御用ＦＥＴ６、保護ＩＣ５からの信号に基づき充電回路をオン／オフする充電制御用ＦＥＴ７、および電池パック１０１と外部接続される外部装置に電池パック１０１の温度を検出させるための温度検出素子であるＮＴＣサーミスタ８等で構成される。

上記電池パック１０１において、通常の電圧、通常の電流、通常の温度での使用の場合、保護ＩＣ５の信号により放電制御用ＦＥＴ６および充電制御用ＦＥＴ７は導通状態となり、放電制御用ＦＥＴ６および充電制御用ＦＥＴ７のスイッチングにより二次電池３の充放電が可能となる。

仕様範囲外の電圧、電流、温度での使用の場合、この保護回路１０２が働くようになっている。図２では、二次電池３の充電過電流を保護ＩＣ５が検知すると、保護ＩＣ５の端子１３Ｃからの出力信号により充電制御用ＦＥＴ７がオフにされ、充電が不可能な状態となる。このとき、放電については充電制御用ＦＥＴ７内のダイオードを通じて可能となっている。一方、二次電池３の放電過電流を保護ＩＣ５が検知すると、保護ＩＣ５の端子１３Ｄからの出力信号により放電制御用ＦＥＴ６がオフにされ、放電が不可能な状態となる。このとき、充電については放電制御用ＦＥＴ６のダイオードを通じて可能となっている。

ここで、温度保護素子４について少し触れるが、温度保護素子４に使用されるＰＴＣサーミスタや温度ヒューズ、バイメタル等は、いずれも動作温度が８０℃以上と高く、多少の高温では電流は遮断されない。すなわち、温度保護素子４の主たる目的が二次電池３の非常時の保護であり、細かい温度管理を主たる目的としていないため、多少の高温雰囲気中でも充電制御がされず、二次電池３の劣化防止にはならない。

そこで、細かな温度管理を行うために、保護回路１０２の端子１０ｂと端子１１の間に温度検出素子としてのＮＴＣサーミスタ８を設け、保護回路１０２の温度検出素子から保護回路１０２の端子１０ａ，１１，１０ｂに接続される充電器等の外部機器へ信号を出力する構成としている。外部機器では、例えば高温時にＮＴＣサーミスタ８の抵抗値が減少するので、端子１１と端子１０ｂの間の抵抗値を外部機器の持つ内部抵抗値と比較して、抵抗値がある程度以上低下した場合には、温度が所定以上になったと判断して電流を遮断して充電を停止する等の保護を行う。

しかし、この温度検出素子による充電停止機能は、外部機器による電流遮断で実現されるものであり、電池パック１０１自身が細かい温度管理により充電電流を遮断状態にすることはできない。そのため、端子１１と端子１０ｂから外部機器に出力される抵抗値の変化を検出して監視する温度管理機能を持たない外部機器を接続した場合、細かな温度管理により保護する機能が働かないことが考えられる。そこで、例えば特許文献１では、電池パック内に、新たに温度保護回路を設けることで、外部機器に依存せずに二次電池を保護する方法が提案されている。

図３は、従来の保護回路の第２の例を説明する回路図である。電池パック２０１は、二次電池３、温度保護素子４、保護回路２０２等からなる。また、保護回路２０２は、保護ＩＣ５、放電制御用ＦＥＴ６、充電制御用ＦＥＴ７、温度制御回路１２等からなる。

温度保護素子４は、ＰＴＣサーミスタ、温度ヒューズ、バイメタル等で構成される。温度保護素子４は、通常の温度では導通状態であるが、異常高温になると、温度保護素子４が遮断状態になり、異常温度から二次電池３が保護される。また、保護回路２０２は、保護ＩＣ５と、放電制御用ＦＥＴ６、充電制御用ＦＥＴ７、および温度制御回路１２等からなる。温度制御回路１２は、抵抗素子１２Ａ、サーミスタ１２Ｂ、ＦＥＴ１２Ｃ等からなる。

特許文献１の方法では、図３に示すように、保護回路２０２内に、抵抗素子１２Ａ、温度検出素子としてのサーミスタ１２Ｂ、ＦＥＴ１２Ｃ等からなる温度制御回路１２を追加することで温度保護素子４や、充電器側の機能によらずに細かな温度管理による保護を実現することを可能としている。

特開２０００−１５２５１６号公報

しかしながら、この方法では、保護回路に使用される部品として、大型のＦＥＴ１２Ｃ等の追加が必要であり、保護回路が大きくなる。二次電池の容量を確保するために保護回路の小型化が求められる昨今では保護回路が大きくなるということは非常に大きな問題である。また、抵抗素子１２Ａ、温度検出素子としてのサーミスタ１２Ｂ、ＦＥＴ１２Ｃを追加することによるコスト上昇の問題もある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、リチウムイオン電池等の高エネルギー密度の二次電池を備えた電池パックの保護回路において、二次電池の温度を検出して仕様範囲外の温度での電池パックの充電を停止することを可能にする安価かつ追加部品の少ない保護回路およびその保護回路を用いた電池パックを提供することを目的とする。

本発明は、二次電池の電圧を監視する保護ＩＣと、充電制御用半導体スイッチ、放電制御用半導体スイッチを有する電池パック保護回路であって、前記保護ＩＣの充電制御用出力端子と前記充電制御用半導体スイッチのゲートの間に抵抗を接続し、前記充電制御用半導体スイッチのゲートとソースの間に、周辺雰囲気の温度上昇により抵抗値が低下する素子を接続したことを特徴とする保護回路である。

また、本発明は、前記抵抗値が低下する素子はＮＴＣサーミスタであることを特徴とする保護回路である。

また、本発明は、前記保護回路と、温度保護素子と二次電池とを備えたことを特徴とする電池パックである。

本発明により、充電制御用半導体スイッチのゲートとソースとの間に、周辺雰囲気の温度上昇により抵抗値が低下するＮＴＣサーミスタを接続することで、仕様範囲外にまで電池パック自体の温度が上昇した場合、充電制御用半導体スイッチをオフ状態にすることで充電を遮断することが可能となる。ＮＴＣサーミスタおよび抵抗素子の抵抗値を可変に構成することで任意に設定可能となるので、充電を遮断する温度を任意に設定することが可能になる。また、この接続方法を用いると、安価かつ追加部品の少ない保護回路およびその保護回路を用いた電池パックを提供することが可能になる。

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る電池パックを説明する回路図である。電池パック１は、二次電池３、温度保護素子４、保護回路２等からなる。また、保護回路２は、保護ＩＣ５、放電制御用ＦＥＴ６、充電制御用ＦＥＴ７、ＮＴＣサーミスタ８等からなる。

温度保護素子４は、ＰＴＣサーミスタ、温度ヒューズ、バイメタル等で構成される。温度保護素子４は、通常の温度では導通状態であるが、異常に温度が上昇すると、温度保護素子４が遮断状態になり、異常温度から二次電池３が保護される。二次電池３と温度保護素子４は直列に接続され、その両端が保護回路２の端子９ａ，９ｂに接続される。温度保護素子４は、温度が異常に上昇した場合に、二次電池３への電流を遮断する。

また、保護回路２は、保護ＩＣ５と、放電制御用ＦＥＴ６、充電制御用ＦＥＴ７、抵抗Ｒ２およびＮＴＣサーミスタ８等からなる。保護回路２は、端子９ａ，９ｂ，１０ａ，１１，１０ｂを備え、端子１０ａ，１１，１０ｂは、外部機器への電流の供給と、二次電池３の充電用の充電機器への接続のために用いられる。

また、保護回路２には、二次電池３の充電完了時に充電電流を遮断して過充電状態を防止するための充電制御用ＦＥＴ７と、過放電時に電池が過放電状態になることを防止するための放電制御用ＦＥＴ６が設けられている。充電制御用ＦＥＴ７と放電制御用ＦＥＴ６は、それぞれスイッチング機能を有する半導体スイッチ素子であればよい。

放電制御用ＦＥＴ６の制御信号入力端子であるゲートは、二次電池３の電池電圧を監視する保護ＩＣ５の出力側の端子１３Ｄに接続される。また、充電制御用ＦＥＴ７の制御信号入力端子であるゲートは、抵抗Ｒ２を介して保護ＩＣ５の出力側の端子１３Ｃに接続される。また、充電制御用ＦＥＴ７のゲートとソース間にはＮＴＣサーミスタ８を接続する。

保護ＩＣ５の入力側は、端子９ａ，９ｂに接続され、電池電圧が所定の電圧を上回った場合には過充電状態と判断し、充電制御用ＦＥＴ７に対して充電遮断信号を出力し、充電を停止させ、過充電状態になるのを防止する。一方、電池電圧が所定の電圧を下回った場合には、電池が過放電状態になることを防止するため、保護ＩＣ５は放電制御用ＦＥＴ６に対して放電遮断信号を出力し、放電を停止させ、過放電状態になるのを防止する。

ここで、充電制御用ＦＥＴ７には抵抗Ｒ２とＮＴＣサーミスタ８が接続されている。ＮＴＣサーミスタ８の抵抗値をＲ_ＴＨ、抵抗Ｒ２の抵抗値をＲ₂、保護ＩＣ５の出力側の端子１３Ｃの出力電圧をＶ_Ｃとすると、充電制御用ＦＥＴ７のゲートに印加される電圧Ｖ_Ｇは、次式（１）のようになる。

Ｖ_Ｇ＝Ｒ_ＴＨ／（Ｒ₂＋Ｒ_ＴＨ）×Ｖ_Ｃ ・・・・・（１）

ＮＴＣサーミスタ８は、温度が上昇すると抵抗値が減少する負の温度係数を有する抵抗素子であるので、温度が上昇すると抵抗値Ｒ_ＴＨが低下し、式（１）で示されるＶ_Ｇの値は減少する。Ｖ_Ｇの値が充電制御用ＦＥＴ７のゲートを遮断する電圧以下になると、充電制御用ＦＥＴ７はオフ状態となる。従って、二次電池３が発熱した場合や、周辺雰囲気の温度が高い場合には、電池パック内の温度が上昇し、所定の温度になった時にＮＴＣサーミスタ８の抵抗値Ｒ_ＴＨが所定以下となり、充電制御用ＦＥＴ７をオフ状態として充電を停止するように構成することが可能となる。これにより、温度管理機能を持たない外部機器を接続した場合でも、温度を検出して仕様範囲外の温度の充電を遮断することができる保護回路およびそれを用いた電池パックの提供が可能となる。

また、抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒ₂およびＮＴＣサーミスタ８の抵抗値特性は任意に選択することが可能であり、これによりＶＧの値も任意に設定できるので、仕様温度に応じて抵抗Ｒ２の抵抗値およびＮＴＣサーミスタ８の抵抗値特性を設定すればよい。従って、このような回路構成をとることによって、任意の温度以上で二次電池３への充電を遮断することが可能になる。

なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の改変が可能であり、それらも、本発明の技術範囲に含まれる。

本実施の形態に係る電池パックを説明する回路図。 従来の保護回路の第１の例を説明する回路図。 従来の保護回路の第２の例を説明する回路図。

符号の説明

１，１０１，２０１ 電池パック
２，１０２，２０２ 保護回路
３ 二次電池
４ 温度保護素子
５ 保護ＩＣ
６ 放電制御用ＦＥＴ
７ 充電制御用ＦＥＴ
８ ＮＴＣサーミスタ
９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１１，１３Ｃ，１３Ｄ 端子
１２ 温度制御回路
１２Ａ 抵抗素子
１２Ｂ サーミスタ
１２Ｃ ＦＥＴ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 抵抗

Claims (2)

1. 二次電池と、
   前記二次電池の電圧を監視する保護ＩＣ、充電制御用半導体スイッチおよび放電制御用半導体スイッチを有する電池パック保護回路と、を備えた電池パックであって、
   更に、前記二次電池と直列に接続され、異常高温になると導通状態から遮断状態になって前記二次電池への電流を遮断する温度保護素子を備え、
   前記保護回路は、前記保護ＩＣの充電制御用出力端子と前記充電制御用半導体スイッチのゲートの間に抵抗を接続し、前記充電制御用半導体スイッチのゲートとソースの間に、周辺雰囲気の温度上昇により抵抗値が低下する素子を接続してなることを特徴とする電池パック。
2. 前記抵抗値が低下する素子はＮＴＣサーミ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。

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