JP5301916B2 - バッテリパック、バッテリ保護処理装置、およびバッテリ保護処理装置の起動制御方法 - Google Patents

Description

本技術は、二次電池の異常発生に対する保護を含む処理を実行する処理回路がこの二次電池と一体に収容されたバッテリパック、その保護処理を実行するバッテリ保護処理装置、およびバッテリ保護処理装置の起動制御方法に関する。

近年、例えばデジタルビデオカメラなどの携帯型の電子機器が急増しており、これらの電子機器に搭載される二次電池の性能が重要視されている。このような二次電池の１つとして、リチウムイオン型といわれるものがある。

リチウムイオン二次電池では、特に過充電となった場合にリチウムイオンが金属リチウムとなって負極に析出し、最悪の場合には電池から発煙、発火が生じたり、破裂することが知られている。また、過放電となった場合には、電極内部の微少ショートや容量劣化が発生し、正極、負極をショートさせた場合には過電流が流れることにより異常発熱が発生することも知られている。このため、リチウムイオン二次電池では通常、過充電、過放電、ショート（過電流）を防止するために、これらの異常状態を監視する保護機能と、異常状態を回避するためのスイッチとが設けられている。

図１７は、リチウムイオン二次電池における放電時および過電流発生時の電圧および電流の変化の例を示すグラフである。
図１７では、家庭用のデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどに使用されるリチウムイオンバッテリセルについての例を示しており、満充電電圧が４．２Ｖであり、過放電検出電圧を３．０Ｖとしている。図１７（Ａ）では、２Ｗの電力消費による放電時のバッテリセル電圧の変化を示している。この図に示すように、満充電状態から約９０分後には、バッテリセル電圧は過放電検出電圧まで低下する。また、放電負荷を解放すると、バッテリセル電圧は一時的に上昇するが、その後、自己放電により電圧は緩やかに低下していくので、長期間放置した場合には、バッテリセル電圧は０Ｖまで低下することになる。また、正極と負極とがショートした場合には、図１７（Ｂ）に示すように、バッテリセル電圧が瞬間的に１Ｖ近くまで低下し、このとき１５Ａ程度の過電流が流れる。

一方、二次電池を電源として用いる上記のような携帯型の電子機器では、バッテリ残量表示機能を搭載するものが増加している。特に、リチウムイオン二次電池では、上記の図１７（Ａ）に示すように、放電の開始直後および終了直前を除くと、バッテリセル電圧が緩やかで直線的に低下していくことから、バッテリセルの電圧だけではバッテリ残容量を高精度で検出することができず、バッテリセルの電圧の他に、充放電電流の積算値やバッテリセルの温度などを用いることで、使用可能な残り時間を正確に計算することが可能となる。このような残量表示機能を実現するために、二次電池とマイクロコントローラなどの回路とが同一パッケージ内に収容されたバッテリパックが市販されている。

図１８は、従来のバッテリパックの内部構成例を示す図である。
図１８に示す従来のバッテリパックは、リチウムイオン二次電池からなるバッテリセル１、それぞれ構造上、ソースとドレインとの間にダイオードが等価的に内蔵されたＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）からなる放電制御用、充電制御用の保護スイッチＳＷ１１およびＳＷ１２、電流検出用の抵抗Ｒｓ、バッテリ保護回路１１０、マイクロコントローラ（以下、マイコンと略称する）１２０、マイコン動作用のクロック発振器１３０、バッテリセル１の温度を検出するサーミスタ１４０、このバッテリパックが装着された電子機器との間で通信を行うための通信Ｉ／Ｆ（インタフェース）１５０などを具備する。

このバッテリパックにおいて、保護スイッチＳＷ１１およびＳＷ１２はそれぞれＦＥＴおよびダイオードからなり、保護スイッチＳＷ１１は放電電流、保護スイッチＳＷ１２は充電電流をそれぞれ遮断することが可能となっている。従って、バッテリセル１の充電時には、正極端子Ｅｂ１および負極端子Ｅｂ２に充電器が接続されるとともに、保護スイッチＳＷ１２がオンされる。また、正極端子Ｅｂ１および負極端子Ｅｂ２に放電負荷となる機器が接続されると、保護スイッチＳＷ１１がオンされることにより、この機器に電源を供給することが可能となる。また、バッテリ保護回路１１０には、マイコンに対して電源を供給するための各種回路も一体に集積されている。

マイコン１２０は、バッテリセル１の残量表示に必要な情報を算出する回路であり、バッテリ保護回路１１０から供給される電源により動作する。また、安定的な動作のために、バッテリ保護回路１１０により起動タイミングが制御される。そして、バッテリ保護回路１１０から供給される充放電電流およびバッテリセル電圧をデジタル化した値と、サーミスタ１４０による温度検出値とに基づいて、必要な情報をソフトウェア制御により算出し、このバッテリパックが装着されている電子機器に対して、通信Ｉ／Ｆ１５０およびコントロール端子４を介して送信する。これにより、電子機器本体における残量表示が可能となっている。

しかし、上述したように、二次電池ではそのバッテリセル電圧が状態により大きく変化する。これに対して、マイコンは、通常、自身に供給される電源電圧が安定していることを前提としてシステム設計がなされている。このため、従来のバッテリパックでは、図１８のように、二次電池の過充電、過放電、過電流などの異常状態を監視する保護機能を、マイコンとは別の回路により実現していた。このような例として、バッテリセルの保護機能を、専用の電圧比較器（コンパレータ）を主な構成要素とした回路により実現したものがあった（例えば、特許文献１参照）。

図１９は、従来のバッテリパックにおけるバッテリセルの状態を模式的に示す図である。
従来のバッテリパックは、例えば図１９に示すように、バッテリセル１の電圧が３．０Ｖ〜４．２５Ｖである場合に通常状態となる。この状態では、保護スイッチＳＷ１１およびＳＷ１２がともにオンされ、放電負荷に対する電源供給、および充電器を接続した充電動作の双方が可能とされる。また、バッテリセル１の電圧が４．２５Ｖを超えた場合には、過充電の状態となり、保護スイッチＳＷ１２がオフされて、充電が禁止される。逆に、バッテリセル１の電圧が３．０Ｖより低く、２．５０Ｖ以上である場合は、過放電の状態となり、保護スイッチＳＷ１１がオフされて、放電が禁止される。ただし、この状態ではマイコン１２０への電源供給は続けられ、マイコン１２０は動作状態となる。

そしてさらに、バッテリセル１の電圧が２．５０Ｖより低くなると、バッテリセル１の容量劣化などを防ぐために一切の放電を停止させる。これにより、マイコン１２０などの動作が停止される。この後、充電器側の端子から電圧が印加されることにより、バッテリセル１への充電が開始され、電圧が所定値を超えた段階でマイコン１２０が起動される。

なお、電流検出用の抵抗Ｒｓを用いた放電電流の検出により、放電電流が３．０Ａを超えた場合には、過電流の状態となり、保護スイッチＳＷ１１がオフされて、放電が禁止される。この状態では、マイコン１２０などの動作も停止され、放電負荷が開放されることで自動復帰する。
特許第３１３６６７７号公報（段落番号〔００１１〕〜〔００１６〕、図１）

上記のように、従来のバッテリパックでは、リチウムイオン二次電池の保護回路と、バッテリ残量表示計算用のマイコンとが個別に搭載されていた。これに対して、最近では、小型化や部品点数、部品コストの削減といった観点から、上記の保護回路の機能を主としてマイコンにより実現し、回路の大部分を１つの半導体基板上に集積することが望まれている。

しかし、上述したように、二次電池の電圧は状況により不安定であるために、マイコン自身に対して電源電圧が安定的に供給されないことから、マイコンによるソフトウェア制御を主として二次電池の異常状態を監視することは困難であった。このため、保護機能の一部をマイコンで実現したとしても、その場合には、電圧比較器などの専用のハードウェアによる保護機能を主として、それに対する補助的な機能としてマイコンが使用されているのが現状であった。

本技術はこのような点に鑑みてなされたものであり、二次電池の保護機能を主にソフトウェア制御により安定的に実現し、回路の実装面積や部品コストが削減されたバッテリパックを提供することを目的とする。

また、本技術の他の目的は、二次電池の保護機能を主にソフトウェア制御により安定的に実現し、回路の実装面積や部品コストが削減されたバッテリ保護処理装置を提供することである。

さらに、本技術の他の目的は、二次電池の保護機能を主にソフトウェア制御により安定的に実現し、回路の実装面積や部品コストを削減することを可能にするバッテリ保護処理装置の起動制御方法を提供することである。

本技術では上記課題を解決するために、バッテリセルと、前記バッテリセルの充電または放電の少なくとも一方の可否を制御することにより前記バッテリセルに対する保護機能を実行するマイクロコントローラと、前記バッテリセルを充電するための外部電圧が供給される外部電源供給端子と、前記バッテリセルの端子間電圧と前記外部電源供給端子の端子間電圧とを選択的に昇圧して前記マイクロコントローラに電源として供給する電源手段と、を有し、前記電源手段は、前記バッテリセルが過放電状態である場合には前記外部電源供給端子の端子間電圧を昇圧し、この状態で前記マイクロコントローラに対して出力する電圧が所定の起動電圧に達したことを検出すると、そのことを前記マイクロコントローラに通知し、前記マイクロコントローラは、前記電源手段からの出力電圧が前記起動電圧に達したことの通知に応じて起動し、当該マイクロコントローラのシステムを初期化し、前記マイクロコントローラは、前記電源手段からの出力電圧が前記起動電圧に達したことの通知に応じた初期化処理時には、前記外部電源供給端子の端子間電圧に基づく電源電圧により動作し、その後に前記バッテリセルの端子間電圧が所定値まで上昇すると、出力する電圧を前記バッテリセルの端子間電圧に基づく電源電圧に切り換えて出力するように前記電源手段を制御するバッテリパックが提供される。

このようなバッテリパックでは、バッテリセルの充電または放電の少なくとも一方の可否を制御することによるバッテリセルに対する保護機能が、マイクロコントローラによって実行される。また、マイクロコントローラに対しては、電源手段により、バッテリセルの端子間電圧と、バッテリセルを充電するための外部電源供給端子の端子間電圧のいずれかが、選択的に昇圧されて供給され、マイクロコントローラは、これらの電圧のどちらかを電源として動作することが可能である。そして、バッテリセルが過放電状態であるときには、マイクロコントローラは、電源手段からの通知に応じて、外部電源供給端子の端子間電圧を昇圧した電圧を電源として起動し、システムの初期化を行う。

また、本技術では、バッテリセルの充電または放電の少なくとも一方の可否を制御することにより前記バッテリセルを保護する保護機能を備えたバッテリ保護処理装置の起動制御方法において、前記バッテリセルが過放電状態のときに、電源手段が、前記バッテリセルを充電するための外部電圧が供給される外部電源供給端子の端子間電圧を昇圧して、前記保護機能を実行するマイクロコントローラに電源として供給し、前記電源手段が、前記マイクロコントローラへの出力電圧が所定の起動電圧に達したことを検出して通知し、前記マイクロコントローラが、前記電源手段の出力電圧が前記起動電圧に達したことの通知を受けると、起動して当該マイクロコントローラのシステムを初期化し、前記バッテリセルの端子間電圧が所定値まで上昇すると、前記マイクロコントローラが、昇圧する電圧を前記外部電源供給端子の端子間電圧から前記バッテリセルの端子間電圧に切り換えるように前記電源手段に要求し、前記電源手段が、前記マイクロコントローラからの要求に応じて、前記外部電源供給端子の端子間電圧に代えて、前記バッテリセルの端子間電圧を昇圧して前記マイクロコントローラに供給し、前記マイクロコントローラは、前記電源手段からの出力電圧が前記起動電圧に達したことの通知に応じた初期化処理時には、前記外部電源供給端子の端子間電圧に基づく電源電圧により動作し、その後に前記バッテリセルの端子間電圧が所定値まで上昇すると、出力する電圧を前記バッテリセルの端子間電圧に基づく電源電圧に切り換えて出力するように前記電源手段を制御するバッテリ保護処理装置の起動制御方法が提供される。

このようなバッテリ保護処理装置の起動制御方法では、バッテリセルが過放電状態のとき、電源手段により、外部電源供給端子の端子間電圧が昇圧されてマイクロコントローラに供給される。ここで、電源手段の出力電源が所定の起動電圧に達すると、電源手段からの通知に応じて、マイクロコントローラが起動し、システムの初期化を行う。その後、バッテリセルの端子間電圧が所定値まで上昇すると、マイクロコントローラへの電源電圧が、バッテリセルの端子間電圧を昇圧した電圧に切り換えられる。

本技術のバッテリパックによれば、バッテリセルを保護するマイクロコントローラが、電源手段からの出力電圧が所定の起動電圧まで確実に上昇した時点で起動されて初期化されるので、バッテリセルに対する保護動作が安定化される。また、電源手段がバッテリセルの端子間電圧および外部電源供給端子の端子間電圧を昇圧する構成としたことで、マイクロコントローラの動作を安定化することができる。さらに、バッテリセルが過放電の状態では、外部電源供給端子の端子間電圧を昇圧した電圧を電源としてマイクロコントローラを起動する構成としたことで、マイクロコントローラを確実に起動させることができる。さらにまた、充電器が取り外された場合でも引き続き電源供給を受けることができる。

また、本技術のバッテリ保護処理装置の起動制御方法によれば、バッテリセルを保護するマイクロコントローラが、電源手段からの出力電圧が所定の起動電圧まで確実に上昇した時点で起動されて初期化されるので、バッテリセルに対する保護動作が安定化される。また、バッテリセルが過放電の状態では、外部電源供給端子の端子間電圧を昇圧した電圧を電源としてマイクロコントローラを起動させ、その後にバッテリセルの電圧が上昇すると、マイクロコントローラの電源電圧をバッテリセルの端子間電圧を昇圧した電圧に切り換えることで、マイクロコントローラを確実に起動させ、その動作を安定化することができる。さらにまた、充電器が取り外された場合でも引き続き電源供給を受けることができる。

以下、本技術の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本技術の実施の形態に係るバッテリパックの内部構成例を示す図である。
本技術のバッテリパックは、二次電池と、この二次電池の残量表示のための処理機能や二次電池の異常状態に対する保護機能を実現する回路とを、一体のパッケージ内に収容したものである。また、本実施の形態では、二次電池としてリチウムイオン型のものを用いているが、リチウムイオン二次電池のように、放電電圧が比較的緩やかでかつ直線的に低下する放電特性を有する二次電池を用いることにより、バッテリ残容量を高精度に検出して、例えば使用可能な残り時間としてバッテリ残量を表示することが可能となる。

図１に示すバッテリパックは、リチウムイオン二次電池からなるバッテリセル１、上記の残量表示用処理機能や保護機能の動作を制御する回路が同一半導体基板上に形成された統合処理回路２、放電制御用、充電制御用の保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２、電流検出用の抵抗Ｒｓ、出力電圧の安定化のためのコンデンサＣ１、しきい値設定のための抵抗Ｒｔｈ１およびＲｔｈ２、バッテリセル１の温度を検出するサーミスタ３を具備している。

このバッテリパックにおいて、保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２はそれぞれ構造上、ソースとドレインとの間にダイオードが等価的に内蔵されたＭＯＳＦＥＴからなり、保護スイッチＳＷ１は放電電流、保護スイッチＳＷ２は充電電流をそれぞれ遮断することが可能となっている。従って、バッテリセル１の充電時には、正極端子Ｅｂ１および負極端子Ｅｂ２に充電器が接続されるとともに、保護スイッチＳＷ２がオンされる。また、正極端子Ｅｂ１および負極端子Ｅｂ２に放電負荷となる機器が接続されると、保護スイッチＳＷ１がオンされることにより、この機器に電源を供給することが可能となる。

また、統合処理回路２の電源は、電源端子ＣＰｉｎ１およびＣＰｉｎ２の２カ所から供給され、これらは統合処理回路２内において切り換えて使用される。電源端子ＣＰｉｎ１はバッテリセル１の正極側に接続され、バッテリセル１の電圧（以下、セル電圧と呼称する）を統合処理回路２に供給する。また、電源端子ＣＰｉｎ２は保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２の間に接続されており、後述するように、セル電圧が極端に低いときに、充電器からの供給電圧により統合処理回路２を動作させることが可能となっている。なお、保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２の動作は、それぞれ出力端子ＤＩＳおよびＣＨＧからの出力電圧に応じて切り換えられる。

また、統合処理回路２は、各種の入出力端子をさらに備えている。入力端子ＡＤＣｉｎはバッテリセル１の正極側に接続され、入力端子ＣＳＰおよびＣＳＮは抵抗Ｒｓの両端にそれぞれ接続され、入力端子ＨＶＩＮは正極端子Ｅｂ１と保護スイッチＳＷ２との間に接続される。入出力端子ＵＡＲＴは、このバッテリパックが装着された機器との間で通信を行うための端子であり、コントロール端子４を介して機器の通信端子と接続される。出力端子ＶＡＡは、３．４Ｖの基準電圧（統合処理回路２の動作電圧）を出力する。入力端子ＯＤＩは、出力端子ＶＡＡからの基準電圧が抵抗Ｒｔｈ１およびＲｔｈ２により分圧された電圧が印加される。出力端子ＴＨＲＭからは、サーミスタ３に対する制御信号が出力され、サーミスタ３からの出力信号が入力端子ＡＩＮ０に供給される。

図２は、統合処理回路２の内部構成例を示すブロック図である。
図２に示すように、統合処理回路２は、大別して、電源回路１０、過電流検出回路２０、およびマイクロコントローラ（以下、マイコンと略称する）３０を具備している。電源回路１０は、マイコン３０の駆動電圧を供給するためのチャージポンプ回路１１およびリニアレギュレータ１２と、マイコン３０をリセットするためのリセット回路１３および１４を具備している。

チャージポンプ回路１１は、電源端子ＣＰｉｎ１およびＣＰｉｎ２のいずれかからの供給電圧を選択して、１．５倍または２．０倍に昇圧する。リニアレギュレータ１２は、チャージポンプ回路１１によって昇圧された入力電圧を、３．４Ｖに安定化する。リニアレギュレータ１２の出力電圧は、駆動電圧としてマイコン３０に供給されるとともに、出力端子ＶＡＡから出力され、またリセット回路１３および１４にも供給される。

リセット回路１３および１４は、リニアレギュレータ１２の出力電圧と基準電圧とを比較する比較器を具備して、マイコン３０の起動動作を制御するためのパワー・オン・リセット信号（以下、信号ＰＯＲと呼称する）およびパワー・フェイル・ワーニング信号（以下、信号ＰＦＷと呼称する）の各出力レベルを、比較器の比較結果に応じて変化させる。リセット回路１３は、リニアレギュレータ１２の出力電圧が、マイコン３０を起動するために最低限必要な電圧（本実施の形態では２．７Ｖ）以上のときに、信号ＰＯＲをＬレベルにする。また、リセット回路１４は、リニアレギュレータ１２の出力電圧が、マイコン３０が安定動作する最低電圧（本実施の形態では３．０Ｖ）以上のときに、信号ＰＦＷをＬレベルにする。各リセット回路１３および１４の出力信号は、マイコン３０のリセットタイミングを検出するための図示しないリセット端子に入力される。

過電流検出回路２０は、入力端子ＣＳＮおよびＯＤＩの端子間電圧から電流値を検出し、過電流と判断された場合に、このことを割り込みによりマイコン３０（ＣＰＵ３１）に通知するとともに、保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２を制御してバッテリセル１を保護するための動作を行う。なお、この過電流検出回路２０の内部構成については、後の図９において説明する。

マイコン３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３１、プログラムメモリ３２、ＲＯＭ（Read Only Memory）３３、ＲＡＭ（Random Access Memory）３４、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ＲＯＭ）３５、タイマ３６、ウォッチドッグタイマ（Watch Dog Timer）３７、ＡＤコンバータ３８、フューエルゲージ（Fuel Gauge）３９、Ｉ／Ｏポート４０、通信Ｉ／Ｆ（インタフェース）４１、およびＦＥＴドライバ４２が、データバス４３により相互に接続された構成を有している。また、各ブロックを動作させるための異なる周波数（３２ｋＨｚ，６ＭＨｚ）のインストラクションクロックをそれぞれ発生させるクロック発振器４４ａおよび４４ｂを内蔵している。

ＣＰＵ３１は、プログラムメモリ３２やＥＥＰＲＯＭ３５に格納されたプログラムを読み出して実行することにより、マイコン３０全体の動作を制御する。プログラムメモリ３２は、不揮発性の記憶媒体であり、マイコン３０の各部を動作させるためのプログラムがあらかじめ記憶される。ＲＯＭ３３には、ＣＰＵ３１によるプログラムの実行時に必要なデータなどがあらかじめ記憶される。ＲＡＭ３４は、例えばＳＲＡＭ（Static ＲＡＭ）からなり、ＣＰＵ３１に実行されるプログラムの一部や、プログラムによる処理に必要なデータを一時的に記憶する。また、マイコン３０はこの他に、不揮発性メモリとしてＥＥＰＲＯＭ３５を具備しており、ＥＥＰＲＯＭ３５には、ＣＰＵ３１に実行させるソフトウェアや設定データなどを記憶するとともに、これらを随時書き換えることが可能となっている。

タイマ３６は、マイコン３０内の各部で必要な時間を計測する。ウォッチドッグタイマ３７は、タイマ３６による計時時間に基づいて、ＣＰＵ３１により実行されるコマンドを監視し、システムの異常停止状態であると判別した場合に、マイコン３０を自動的にリセットする。

ＡＤコンバータ３８は、入力端子ＡＤＣｉｎ、ＡＩＮ０、ＨＶＩＮおよびＰＣＫＰからの信号をデジタル信号に変換し、ＣＰＵ３１に供給する。これにより、マイコン３０は、バッテリセル１の充放電電圧や温度、充電器の装着の有無、充電電圧の印加の有無などの情報を取得することが可能となっている。

フューエルゲージ３９は、入力端子ＣＳＰおよびＣＳＮの端子間電圧よりバッテリセル１に流れる電流の量をカウントして、その電流値を積算する回路である。積算した電流値はＣＰＵ３１に出力され、バッテリセル１の残量を計算するために用いられる。なお、フューエルゲージ３９の内部構成については、後の図１１において説明する。

Ｉ／Ｏポート４０は、各種入出力端子からのデータ入出力を行うポートであり、例えば、ＣＰＵ３１からの制御信号がＩ／Ｏポート４０から出力端子ＴＨＲＭに出力され、サーミスタ３の動作が制御される。通信Ｉ／Ｆ４１は、このバッテリパックが装着された機器との間で通信を行うためのインタフェース回路であり、主に、バッテリセル１の残量表示に必要な情報をＣＰＵ３１から受けて機器に送信する。

ＦＥＴドライバ４２は、放電、充電制御のための保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２の動作を制御するためのドライバ回路であり、ＣＰＵ３１および過電流検出回路２０からの制御信号に基づいて動作する。

このような統合処理回路２では、バッテリセル１の残量表示用処理がマイコン３０により実現されるとともに、バッテリセル１の保護機能についても、主としてマイコン３０の制御により実現される。具体的には、マイコン３０は、ＡＤコンバータ３８により取得される電圧や温度などの情報を基に、バッテリセル１が過充電および過放電となった状態を検出して、充電用、放電用の保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２などを制御することで、これらの異常状態からバッテリセル１を保護する。

また、このような保護機能を実現するマイコン３０は、誤作動なく安定的に動作する必要がある。しかし、マイコン３０の電源としては、通常動作時には当然、バッテリセル１の出力電圧が用いられ、バッテリセル１の出力電圧は状況により大きく変動するため、マイコン３０を安定動作させることは難しい。このために、電源回路１０内のリセット回路１３および１４の出力信号に応じて、マイコン３０の起動時の動作を制御するとともに、バッテリセル１の状態に応じて、電源としてバッテリセル１からの供給電圧とバッテリパックに接続された充電器からの供給電圧とを切り換えることで、マイコン３０を安定的に動作させる。これにより、電源回路１０などの周辺回路とマイコン３０との１チップ化が可能とされたことが、本技術の特徴である。

〔マイコンの起動制御〕
まず、マイコン３０を安定的に動作させるための前提となる起動時の制御について説明する。

上記のマイコン３０は、それ自体がバッテリセル１に対する保護機能を制御することから、動作時における安定性を保証する必要がある。しかし、二次電池は、自己放電や、過電流によるショートにより、セル電圧が著しく低下する場合がある。このような電圧低下により、電源回路１０からマイコン３０に供給される電圧が、マイコン３０の動作電圧（本実施例では３．４Ｖ）より低くなることがあり、この場合にはマイコン３０を安定的に動作させることができない。さらに、長時間放置された場合には、０Ｖまで低下することもあり得る。この場合には、マイコン３０の制御によりバッテリセル１を充電させることも不可能になる。

マイコン３０の安定動作のために、例えば、マイコン３０の最低動作電圧をより低下させる（例えば１．８Ｖなど）方法を採ることが考えられる。しかし、この方法によりマイコン３０の動作が不安定になる事態が発生する確率を低くすることはできるが、マイコン３０の不安定状態がなくなる訳ではなく、保護機能の安定動作は保証されない。従って、特に、バッテリセル１が長時間放置され、電圧が０Ｖに近い場合を必ず想定して、保護機能が安定的に動作するように設計する必要がある。

以下、例として、セル電圧が０Ｖとなった場合を想定して説明するが、セル電圧の低下によりマイコン３０が停止状態（シャットダウン）とされた場合には、同様な制御が行われる。

図３は、充電時におけるバッテリセル１の電圧変化を示すグラフである。
バッテリセル１の充電が行われる際には、正極端子Ｅｂ１および負極端子Ｅｂ２に充電器が接続される。図３では、セル電圧が０Ｖの状態から充電を開始した場合のセル電圧とともに、充電器の出力電流値の変化も並記している。

セル電圧が０Ｖのように極端に低い場合には、バッテリセル１の劣化や、その内部において電極の微少ショートが発生している可能性があり、信頼性、安全性に問題がある。このため、図３のように、充電開始直後の一定時間では、充電器による充電電流を５０ｍＡ〜１００ｍＡ程度に低く設定することが、従来から行われている。このような初期充電電流により、セル電圧は緩やかに上昇し、一定時間後に充電器が通常動作に移行すると、６８０ｍＡの定電流を出力する。なお、本実施の形態で用いたリチウムイオン二次電池のセルでは、５時間容量測定法により放電容量が６８０ｍＡｈとなるので、１Ｃ（６８０ｍＡ）の定電流で充電が行われる。そして、セル電圧が過充電検出電圧の４．２５Ｖに達すると、これ以後は保護スイッチＳＷ２がオフされることで（あるいは、これに加えて充電器側の出力制御により）セル電圧は４．２５Ｖに保持される。

ところで、本実施の形態では、マイコン３０の電源電圧は３．４Ｖであり、また、バッテリセル１の満充電電圧は４．２Ｖ、放電終止電圧は３．０Ｖであるので、放電終止電圧はマイコン３０の電源電圧以下となる。このため、バッテリセル１の放電電圧を昇圧してマイコン３０に供給する必要があり、このために電源回路１０にチャージポンプ回路１１およびリニアレギュレータ１２を設けている。すなわち、チャージポンプ回路１１に入力された電圧は２．０倍または１．５倍に昇圧され、リニアレギュレータ１２において３．４Ｖに安定化される。

さらに、マイコン３０を安定的に起動し、動作させるためのタイミングを与えるために、リニアレギュレータ１２の出力電圧を比較器により基準電圧と比較するリセット回路１３および１４が設けられている。

図４は、リセット回路１３および１４からの出力信号と、バッテリセル１およびマイコン３０の電源電圧との関係を示す図である。
正極端子Ｅｂ１および負極端子Ｅｂ２に充電器が接続され、充電が開始されると、充電器から図３のように初期充電電流として５０ｍＡ〜１００ｍＡの電流が流れる。これにより、図４（Ａ）に示すように、セル電圧は緩やかに上昇していく。そして、例えばセル電圧が１．２Ｖに達したとき、電源回路１０が起動する。このとき、チャージポンプ回路１１は入力電圧を２．０倍に昇圧し、図４（Ｂ）のようにマイコン３０には２．４Ｖの電圧が印加される（タイミングＴ４１）。

なお、電源回路１０は、マイコン３０への供給電圧が、マイコン３０が起動するための最低の電圧Ｖｐｏｒ（２．７Ｖ）に達するか、あるいはそれよりわずかに低い電圧に達する状態となった場合に起動するように設定される。また、リニアレギュレータ１２の出力側に接続されたコンデンサＣ１の容量は、バッテリセル１の接点のショートやセル内部の微少ショートにより、充電開始後にセル電圧が不安定に上昇した場合を想定して、このときの電圧変動幅を吸収し、出力電圧が安定化するように設定される。

電源回路１０からの出力電圧が電圧Ｖｐｏｒに達していないときは、図４（Ｃ）に示すように、リセット回路１３および１４からの信号ＰＯＲおよびＰＦＷはともにＨレベルとなっている。そして、この後に電源回路１０の出力電圧が電圧Ｖｐｏｒに達すると、リセット回路１３からの信号ＰＯＲがＬレベルになる（タイミングＴ４２）。このタイミングは、マイコン３０のリセットタイミングを与えるものである。マイコン３０は、供給される電源電圧が電圧Ｖｐｏｒ付近に達することにより起動するが、印加電圧が十分でないために、不安定な状態のまま動作し、暴走してしまう可能性がある。このため、信号ＰＯＲがＬレベルとなったタイミングで、マイコン３０のシステムをリセットすることで、その後のマイコン３０の動作を確実に安定化させることができる。

ここで、上記のタイミングＴ４２では、例えばＣＰＵ３１内あるいはＲＡＭ３４内のレジスタの初期化などのみ実行され、バッテリセル１を保護処理のための初期設定処理が実行されないようにしておく。そして、さらにセル電圧が上昇し、マイコン３０への供給電圧が、このマイコン３０が安定動作する最低の電圧Ｖｐｆｗ（３．０Ｖ）に達したとき、リセット回路１４からの信号ＰＦＷがＬレベルとなる（タイミングＴ４３）。このとき、マイコン３０の正常動作が可能な状態であることが判定され、バッテリセル１の保護処理のための設定値の読み込みなどが開始され、保護機能の動作が開始される。

以上のように、リセット回路１３および１４からの出力信号に基づき、マイコン３０に供給される電源電圧が、起動するのに十分な値となるまでマイコン３０を起動させず、起動直後にマイコン３０を自動的に初期化して、さらに、電源電圧が安定動作が可能な値となるまでマイコン３０によるバッテリセル１の保護処理を起動させないように制御することで、マイコン３０が不安定な状態で起動して暴走し、バッテリセル１の保護機能が正しく動作しない事態が回避される。また、このような制御が、リセット回路１３および１４という最小限のアナログ回路を用いて実現され、マイコン３０と同一の半導体基板上に容易に集積することが可能となっている。

ところで、セル電圧が０Ｖやそれに近い状態では、電源端子ＣＰｉｎ１からの供給電圧によりマイコン３０を起動させることはできない。しかし、充電が開始された状態では、充電器の出力が安定的に供給される。このため、上記の統合処理回路２では、セル電圧が所定値（例えば２．２Ｖ）以下の場合には、充電器の出力電圧、すなわち電源端子ＣＰｉｎ２から供給される電圧を用いてマイコン３０を起動するようにしている。

図５は、マイコン３０の起動時および安定動作時に供給される電源の経路を模式的に示す図である。
図５（Ａ）は、セル電圧が２．２Ｖ以下の状態から充電を開始した際の電源供給経路を示している。このとき、マイコン３０は停止状態（シャットダウン）で、保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２はともに通電状態になっている。従って、チャージポンプ回路１１の入力を電源端子ＣＰｉｎ２の側に切り換えておくことにより、マイコン３０に対して電源を供給し、起動させることが可能となる。

マイコン３０の起動後、電源電圧がある程度安定するまでの間、マイコン３０は充電器からの印加電圧により動作する。そして、ＣＰＵ３１の処理により、ＡＤコンバータ３８からの出力信号に基づいてセル電圧が所定値（本実施の形態では２．５Ｖ）に達したことが検出されると、チャージポンプ回路１１への入力を電源端子ＣＰｉｎ１に切り換える。これにより、チャージポンプ回路１１には、図５（Ｂ）に示すようにバッテリセル１からの出力電圧が印加され、この電圧によりマイコン３０の電源電圧が生成される。また、このように起動後に動作が安定したタイミングでチャージポンプ回路１１の入力を電源端子ＣＰｉｎ１に切り換えることにより、充電器が取り外された場合でもマイコン３０がバッテリセル１からの電源供給を引き続き受けることが可能となる。

なお、チャージポンプ回路１１の入力を電源端子ＣＰｉｎ１に切り換えるタイミングを与えるための検出電圧は、バッテリセル１が後述する過放電状態であることをマイコン３０が判別するセル電圧（本実施の形態では２．５Ｖ）より高く設定することが望ましい。これにより、マイコン３０をより安定的に動作させることができる。

図６は、起動直後におけるマイコン３０の処理の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ６０１において、リセット回路１３からの信号ＰＯＲがＬレベルになると、ステップＳ６０２に進む。ステップＳ６０２において、マイコン３０が起動され、ＣＰＵ３１内あるいはＲＡＭ３４内のレジスタの初期化などの初期化処理が実行される。ここでは、マイコン３０の起動後に最低限必要な処理のみ行われ、バッテリセル１の保護処理は起動しない。

ステップＳ６０３において、リセット回路１４からの信号ＰＦＷのレベルを監視し、信号ＰＦＷがＬレベルになると、バッテリセル１の保護やバッテリ残量算出などのマイコン３０の通常処理がＣＰＵ３１により実行され、マイコン３０が完全に起動する。このプログラムの初期処理として、以下のような処理が行われる。

ステップＳ６０４において、ウォッチドッグタイマ３７の設定値をクリアする。マイコン３０に内蔵されたウォッチドッグタイマ３７は、マイコン３０の暴走を防止する機能を有しているが、電源電圧の上昇に伴う起動時にはマイコン３０自身と同様、ウォッチドッグタイマ３７自身の初期設定が不定となっている可能性がある。マイコン３０自身でバッテリセル１の保護機能を主に実現する上では、このような事態を防止する必要があり、マイコン３０の起動直後のタイミングで、例えば暴走状態を判定するための時間など、ウォッチドッグタイマ３７の設定値をクリアし、動作可能状態にすることが、マイコン３０の安定動作のために効果的である。なお、ウォッチドッグタイマ３７は、初期設定値をクリアすると、動作可能状態となったことを示すイネーブル信号をＣＰＵ３１に対して送信する。

ステップＳ６０５において、ステップＳ６０３で信号ＰＦＷがＬレベルになったタイミングから、タイマ３６により３００ｍｓｅｃの時間をカウントさせ、この間マイコン３０を待機状態とする。このステップでは、図４（Ｂ）に示したように、マイコン３０への電源電圧が起動後にさらに上昇する可能性があることから、できるだけ電源電圧を上昇させてマイコン３０を安定的に動作させるために、マイコン３０のインストラクションクロックの周波数に対して十分長い時間だけ待機状態にした後、以下の処理を実行するようにしている。

ステップＳ６０６において、実行中のソフトウェアにあらかじめ設定された各種設定値を反映させて、過充電、過放電などのバッテリセル１の異常状態に対する保護処理の実行を開始する。ここで反映される設定値としては、例えば、ＡＤコンバータ３８への入力値により検出される、過充電、過放電などの異常状態を検出するためのバッテリセル１の電圧や温度などを含む。ステップＳ６０７において、ＣＰＵ３１などマイコン３０内部に設けられたレジスタの値を初期化する。

マイコン３０は、それ自身の制御によりバッテリセル１の保護機能を実現するが、この保護機能のための各種設定値は、不揮発性メモリ（本実施の形態ではＥＥＰＲＯＭ３５）を用いて自由に変更することが可能となっている。また、製造された個々のマイコン３０では特性にバラツキが生じることがあり、上記の各種設定値にマイコン３０ごとの補正値を反映させた値を不揮発性メモリに記憶させ、この値を用いて動作させることも可能となっている。さらに、後述するように、セル電圧の低下によりマイコン３０が停止した際に、停止する直前（例えば、セル電圧が所定の電圧より低くなったとき）に、再起動後の処理に必要な各種設定値を不揮発性メモリに記憶しておき、再起動後にこの設定値を読み出して処理に使用することも可能となっている。

しかし、不揮発性メモリに記憶された設定値を読み出してＣＰＵ３１の動作に反映させるためには、ある程度の時間が必要であり、起動直後から保護機能を安定的に作動させるのには適当でない。そこで、マイコン３０の起動直後には、実行中のソフトウェア内であらかじめ設定された設定値を用いて動作させる。すなわち、このとき用いられる設定値はプログラムメモリ３２にあらかじめ記憶されたものであり、プログラムメモリ３２内のソフトウェアの実行に伴い、ＣＰＵ３１に読み出される。そして、その後の所定のタイミングで不揮発性メモリに記憶された設定値をあらためて読み込み、動作させる。このような制御により、起動直後から継続的かつ安定的に保護機能を作動させることができるとともに、各種設定値の自由度を高め、汎用性を持たせることができる。

不揮発性メモリに記憶された設定値を反映させるタイミングは、例えばマイコン３０の電源電圧が一定値に達したタイミングとすることができる。すなわち、ステップＳ６０８において、ＡＤコンバータ３８を通じて検出されるセル電圧に基づいて、マイコン３０へ供給される電源電圧が２．５Ｖ以上となったときに、ステップＳ６０９に進む。ステップＳ６０９において、設定値変更のために必要なレジスタを初期化する。そして、ステップＳ６１０において、ＥＥＰＲＯＭ３５から読み出した設定値を反映させて、バッテリセル１の保護処理を続行する。これにより、マイコン３０は通常の動作状態に遷移する。また、ステップＳ６１１において、チャージポンプ回路１１の入力を電源端子ＣＰｉｎ１に切り換え、バッテリセル１からの電源の供給を受けるようにする。

以上の処理により、セル電圧がマイコン３０の駆動が不可能な値まで低下した場合にも、マイコン３０を確実に安定的に起動し、動作させて、バッテリセル１に対する保護機能を正確に動作させることが可能となる。

〔バッテリセルの状態遷移制御〕
次に、マイコン３０によるバッテリセル１の保護機能の制御について、詳しく説明する。この保護機能では、セル電圧の値をＡ／Ｄコンバータを通じて検出することでその状態を把握し、状態に応じた処理を主にマイコン３０のソフトウェア制御により安定的に実現させる。

図７は、セル電圧に応じた状態遷移を説明するための図である。
図７では、バッテリセル１が満充電の状態を起点として、セル電圧の変化に応じて規定される状態を順次示している。二次電池では、寿命の短縮や容量劣化、電池自身の変質などを起こさないように、通常の使用時にはセル電圧がある一定の範囲内であることが求められる。リチウムイオン二次電池の場合、セル電圧が３．０Ｖ〜４．２Ｖの範囲内で使用されることが推奨されている。このため、セル電圧を基準とした場合には、セル電圧がほぼ上記の範囲となる通常動作状態を挟んで、セル電圧が過剰である過充電状態と、セル電圧が不足している過放電状態とが規定される。

図７に示すように、例えばバッテリセル１が満充電である状態のような通常動作状態では、充電器によるさらなる充電と、放電負荷の接続による放電の双方が許可される。すなわち、マイコン３０の制御により、保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２がオンされる。この状態から、放電によりセル電圧が所定値以下に低下すると、バッテリセル１を保護するために放電を不許可とする過放電状態に移行し、保護スイッチＳＷ１がオフされる。

ところで、マイコン３０自身もセル電圧を電源として動作しているため、セル電圧がさらに低下すると動作することが不可能になる。このとき、マイコン３０を停止させる状態（シャットダウン）に移行する。

また、前述したように、充電器が接続されて、セル電圧がある程度上昇すると、マイコン３０が起動される。起動後には過放電状態に移行するが、そのうち起動直後の段階では、図６で説明したような起動処理が行われる起動処理状態とされ、充電のみ許可、すなわち保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２がそれぞれオフ、オンの状態とされるとともに、電源の供給源が充電器側（すなわち電源端子ＣＰｉｎ２）とされる。そして、充電によりセル電圧が所定値以上となると、電源の供給源を電源端子ＣＰｉｎ１に切り換えて、バッテリセル１を電源として動作させる。さらに、セル電圧が所定値以上となると、通常状態に戻り、保護スイッチＳＷ１もオンされて、充電、放電の双方が許可される。

また、バッテリセル１が満充電となった後にもさらに充電が続行されると、過充電状態に移行して、保護スイッチＳＷ２がオフされて、放電のみ許可された状態となる。過充電状態では、放電によりセル電圧が所定値以下に低下したときに、通常状態に移行する。

以上の状態遷移において、各状態への移行を判定するためのセル電圧の値は、バッテリセル１の特性を十分考慮して設定される。このため、例えば、状態が遷移する方向によって、異なるしきい値を用いる必要が生じる場合もある。状態遷移に応じた処理をソフトウェア制御により実行することで、複雑な回路を用いることなく、しきい値などを容易に細かく設定することが可能となる。

また、上記の状態に加えて、電極間やセル内部のショートにより放電電流が過剰となる過電流状態に移行する場合もある。過電流状態への移行は、過電流検出回路２０により判断されるが、この状態からの復帰はマイコン３０により制御される。

図８は、状態遷移制御の流れを詳しく説明するための図である。以下、この図８を用いて、状態が遷移する際のセル電圧・放電電流の具体的なしきい値、およびこのときの処理について説明する。

（１）過充電状態の検出・復帰
バッテリセル１の過充電状態は、マイコン３０において、ＡＤコンバータ３８を介して検出されるセル電圧Ｖｃｅｌｌに基づいて、ＣＰＵ３１により判断される。図８に示すように、セル電圧Ｖｃｅｌｌが４．２５Ｖに達したとき、過充電状態であることを検出し、ＦＥＴドライバ４２から出力端子ＣＨＧに出力する制御電圧を変化させて、保護スイッチＳＷ２をオフさせる。これにより、バッテリセル１の充電が強制的に停止される。

なお、このような処理とともに、ＣＰＵ３１は、過充電状態となったことを、状態遷移の履歴としてＥＥＰＲＯＭ３５に書き込む。この履歴は、例えば、バッテリセル１の残量算出処理の際に、異常発生に応じて算出値を補正するため、あるいはバッテリセル１の故障検出などに使用することができる。

そして、過充電状態から、セル電圧Ｖｃｅｌｌが４．１５Ｖより低くなったとき、通常状態となったことを検出して、保護スイッチＳＷ２をオン状態に戻す。ここで、過充電状態への遷移時と、通常動作状態への復帰時とで検出電圧を同じにした場合には、過充電状態に遷移して保護スイッチＳＷ２をオフしたときに、セル電圧Ｖｃｅｌｌが即座に低下して、通常動作状態への遷移が検出される。これにより充電が再開され、セル電圧Ｖｃｅｌｌがまた上昇して、過充電状態へ遷移し、過充電状態と通常動作状態との間で遷移を何度も繰り返すハンチングが発生してしまう。このような事態を防止するために、リチウムイオン二次電池の満充電電圧である４．２Ｖを挟んで、過充電状態への遷移時の検出電圧を、復帰時の検出電圧より低く設定している。

以上の処理により、過充電状態の発生をマイコン３０により正確に検出して、充電動作を停止させることができ、バッテリセル１の電極にイオンが析出する、あるいは発煙、発火が生じるなどの事態が確実に防止され、安全性を保つことができる。また、バッテリパックに接続する充電器の故障を検出することも可能である。

なお、以上の説明では、状態遷移の検出をセル電圧Ｖｃｅｌｌのみに基づいて行っているが、これに加えてサーミスタ３により検出されるバッテリセル１の温度情報をＡＤコンバータ３８から取得し、状態遷移検出に用いることで、安全性をより高めることができる。例えば、温度情報の値が６０℃を超える場合には、いかなる状態においても充電を禁止する。あるいは、温度情報の値が６０℃を超える場合には、過充電を検出するしきい値電圧を０．１Ｖ程度低下させるようにしてもよい。

（２）過放電状態の検出・復帰
通常動作状態から過放電状態への遷移は、セル電圧Ｖｃｅｌｌが２．６Ｖより低くなったときに検出される。この検出により、保護スイッチＳＷ１をオフにして、放電電流を遮断する。また、このとき、上記の過充電状態への遷移時と同様に、過放電状態へ遷移したことを、履歴としてＥＥＰＲＯＭ３５に書き込んでおく。

ここで、リチウムイオン二次電池の場合、放電終止電圧は３．０Ｖに設定されており、バッテリセル１を電源として動作している機器は、この放電終止電圧において機器の動作を停止するように設定されている場合がある。このとき、マイコン３０による過放電状態の検出電圧を、放電終止電圧と同じにしてしまうと、接続された機器の動作停止タイミングと、保護スイッチＳＷ１をオフするタイミングとが一致して、機器における動作停止のための処理が正常に完了せず、不具合が生じる場合がある。このため、過放電状態の検出電圧を放電終止電圧よりわずかに低くして、機器が正常に動作を停止した後に、保護スイッチＳＷ１をオフし、放電電流を遮断するようにしている。

また、過放電状態に遷移した場合には、この後にさらにセル電圧Ｖｃｅｌｌが低下して、マイコン３０の動作を停止させる状態（シャットダウン）に遷移する可能性がある。このため、過放電状態に遷移した時点で、マイコン３０のＲＡＭ３４などに一時的に設定された値など、その後にマイコン３０が再起動された場合に必要な情報を、ＥＥＰＲＯＭ３５に記憶しておく。なお、このとき記憶させた情報は、マイコン３０が再び起動された後、マイコン３０への電源電圧が安定したタイミングにＣＰＵ３１により読み出され、動作に反映させることができる（図６のステップＳ６１０に対応）。

一方、過放電状態から通常動作状態への遷移は、セル電圧Ｖｃｅｌｌが２．６５Ｖより高くなり、かつ、充電器が接続されて充電が行われていることが検出されている場合に判定する。リチウムイオン二次電池では、放電を停止させた直後に、セル電圧が一時的に上昇することが知られている。このため、通常動作状態から過放電状態への遷移の検出電圧と、通常動作状態への復帰検出電圧とを同じにすると、これらの状態の間で遷移を繰り返すハンチングが発生する場合がある。そこで、通常動作状態への復帰検出電圧を、過放電状態の検出電圧よりわずかに高くし、かつ、充電が開始されない限り通常動作状態に復帰させないことで、過放電状態への遷移から通常動作状態への復帰までに時間を要するようにして、ハンチングの発生を確実に防止している。

また、充電開始の検出は、充電器の接続を検知する入力端子ＰＣＫＰからの信号レベルと、正極端子Ｅｂ１に接続された入力端子ＨＶＩＮの電圧値とを、ＣＰＵ３１がＡＤコンバータ３８を通じて取得し、判定することで行われる。

以上の処理により、過放電状態の発生をマイコン３０により正確に検出して、放電動作を停止させることができ、電極内部の微少ショートや容量劣化などが確実に防止され、安全性を保つとともに、バッテリセル１の寿命の短縮化を防止することができる。

（３）シャットダウンの検出・復帰
過放電状態から、セル電圧Ｖｃｅｌｌがさらに低下すると、マイコン３０の動作が不可能な状態となる。過放電状態では、放電電流が遮断されているので、セル電圧Ｖｃｅｌｌは主にマイコン３０および電源回路１０の電力消費により緩やかに低下していく。そして、バッテリセル１の放電をさらに進行させないために、セル電圧Ｖｃｅｌｌが２．２Ｖより低くなったときに、マイコン３０は動作を停止した状態（シャットダウン）に遷移する。

このとき、セル電圧Ｖｃｅｌｌの低下によりバッテリセル１を用いてマイコン３０を起動できない状態であることから、次回の起動時に充電器から電源供給を受けることができるように、チャージポンプ回路１１の入力を電源端子ＣＰｉｎ２に切り換えておく。

そして、シャットダウンの状態から過放電状態への復帰は、図６において述べたように、マイコン３０への供給電圧の上昇に応じてリセット回路１３および１４より与えられるリセットタイミングおよび起動処理開始タイミングに基づいて行われる。起動直後は充電器からの供給電圧を電源として動作し、その電圧がある程度安定化した段階、例えばセル電圧Ｖｃｅｌｌが２．５Ｖを超えた段階で、チャージポンプ回路１１の入力を電源端子ＣＰｉｎ１に切り換え、過放電状態に完全に復帰する。

以上の処理により、バッテリセル１の電力低下を極力抑えるとともに、充電開始後にマイコン３０を誤作動することなく起動させ、バッテリセル１の保護処理を安定的に開始させることができる。

（４）過電流状態の検出・復帰
バッテリセル１の接点がショートされた場合などには、過大な放電電流が流れ、バッテリセル１が異常発熱を起こすなどの事態が生じることがある。このような事態を防止するために、抵抗Ｒｓを用いて放電電流を検出し、過電流が発生した場合に保護スイッチＳＷ１をオフし、放電電流を遮断する。

ただし、この過電流の検出と保護スイッチＳＷ１の制御は、マイコン３０とは別に専用のハードウェアとして設けられた過電流検出回路２０により行う。これは、例えばショートの発生時などに、保護スイッチＳＷ１の切り換えを高速かつ安定的に行う必要があるからである。仮に、ショートによる過電流発生をマイコン３０のソフトウェア制御により検出した場合、ショート発生後にマイコン３０内の割り込みが発生し、マイコン３０のインストラクションが作動するので、割り込み処理の開始直前におけるマイコン３０のインストラクション状態によって保護スイッチＳＷ１に対するオフ制御の時間が変化し、大きく遅延してしまうこともあり得る。このため、マイコン３０内のインストラクションに関係なく保護スイッチＳＷ１を動作させる必要がある。

なお、後述するように、過電流状態からの復帰は充電開始により行われるため、過充電状態から過電流状態に遷移した場合にも、保護スイッチＳＷ２をオンし、充電可能な状態とさせる。また、保護スイッチＳＷ２をオンにする制御は、保護スイッチＳＷ１のオフ制御と同様に過電流検出回路２０により直接行われるか、あるいは過電流状態の遷移後にＣＰＵ３１の処理により行われてもよい。

ここで、図９は、過電流検出回路２０の内部構成例を示す図である。
過電流検出回路２０は、図９に示すように、比較器２１、デジタルディレイ回路２２、ラッチ回路２３、およびＡＮＤゲート回路２４を具備している。比較器２１の入力端子は、それぞれ入力端子ＯＤＩおよびＣＳＮに接続され、比較器２１は、入力端子間の電圧が所定値以上の時に、出力信号をＨレベルにする。ここで、過電流状態への遷移を検出するしきい値は３．４Ａとされ、比較器２１における電圧比較により３．４Ａのしきい値電流の比較が可能となるように、抵抗Ｒｔｈ１およびＲｔｈ２の抵抗値が設定される。

デジタルディレイ回路２２は、比較器２１の出力信号を５ｍｓｅｃだけ遅延させる。また、入力信号がＨレベルの立ち上がりタイミングから５ｍｓｅｃ以内にＬレベルに変わった場合には、出力信号をリセットする。これにより、５ｍｓｅｃ以下の瞬間的な過電流を検出しないように設定されている。 ラッチ回路２３は、クロック発振器４４ａまたは４４ｂからのクロック信号により、デジタルディレイ回路２２の出力をラッチする。ラッチされた信号はＦＥＴドライバ４２に供給され、この信号がＨレベルとなったタイミングで、保護スイッチＳＷ１が強制的にオフされる。また、ラッチされた信号は、他方の入力端子にクロック信号が入力されるＡＮＤゲートを介してＣＰＵ３１に供給され、この信号によりＣＰＵ３１に割り込みが行われる。

このような過電流検出回路２０により、マイコン３０のインストラクション状態に関係なく、比較器２１による過電流検出に基づいて保護スイッチＳＷ１を高速にオフさせ、バッテリセル１の保護効果を高めることができる。

ただし、ビデオカメラやデジタルスチルカメラのように、レンズ駆動やテープ巻き取りなどにモータを使用する電子機器では、モータを駆動する際に非常に大きな突入電流（ラッシュ電流）が瞬間的に発生することが知られている。同様な突入電流は、ストロボ使用時などにも発生する。比較器２１を用いることで過電流を高速に検出することができるが、突入電流の発生時に過電流発生と誤って判断して保護スイッチＳＷ１をオフする事態を回避する必要がある。このため、デジタルディレイ回路２２を用いて、５ｍｓｅｃ以下の瞬間的な過電流を検出しないように設定することで、突入電流による誤作動を防止し、保護機能の動作安定性を確保することができる。

また、過電流の検出により、過電流検出回路２０からはマイコン３０に対して割り込みが行われる。マイコン３０のＣＰＵ３１は、割り込み発生を検出すると、異常状態を記憶するレジスタ（ここではＲＡＭ３４）に、過電流の発生を示す状態設定を行う。そしてＣＰＵ３１は、割り込み発生後にこのレジスタの設定値を読み出すことで、過電流の発生を認識することができ、その後の過電流状態からの復帰処理をマイコン３０の制御によりスムーズに実行することができる。さらに、読み出された設定値はＥＥＰＲＯＭ３５に履歴として記録され、故障検出などに活用することができる。例えば過電流が繰り返し発生している場合には、バッテリパックに接続される機器の放電電流が大きい、あるいはバッテリセル１がショートしている可能性が高いと判断することができる。

ここで、図８に戻って、過電流状態からの復帰処理についてさらに説明する。
過電流状態から通常動作状態に復帰する方法としては、放電負荷が開放されたことを検出して自動復帰する方法が考えられる。しかし、例えばバッテリパックをポケットなどに入れておいたときに、鍵などの金属が電極に接触してショートが発生する場合に、金属と電極とが接触・離反を繰り返すチェーンショートと呼ばれる事態が発生することがある。このとき、上記の復帰方法では、バッテリセル１は過電流状態と通常状態とを繰り返すことになり、異常発熱が発生する場合がある。また、過電流の発生時にはセル電圧がマイコン３０の動作電圧以下に低下するため、このような事態が繰り返されるとマイコン３０の動作が不安定になる。

以上のことを鑑みて、図８に示すように、過電流状態からは充電を行わない限り復帰しないようにしている。すなわち、入力端子ＰＣＫＰおよびＨＶＩＮからの検出信号により、充電器の接続と充電電圧の印加とが検出されたときに、通常動作状態に復帰するように制御する。

また、過電流検出後に、長期間充電が行われない場合もあり得るが、この場合には、過放電状態からマイコン３０の停止状態（シャットダウン）に遷移する場合と同様に、セル電圧Ｖｃｅｌｌが２．２Ｖより低くなった場合に、マイコン３０の動作を停止させるように制御する。

以上説明したように、本技術の実施の形態にかかるバッテリパックでは、バッテリセル１の保護機能のうち、過充電状態における充電電流遮断制御、および過放電状態における放電電流遮断制御を、マイコン３０の制御により安定的に行うことが可能である。また、過電流状態の検出とこのときの放電電流遮断制御は、マイコン３０による制御とは無関係に動作する過電流検出回路２０により行われるので、過電流に対する保護動作も確実に実行される。

このように、バッテリセル１の保護機能を主としてマイコン３０のソフトウェア制御により実現することで、回路規模や製造コストが削減されるとともに、異常状態検出のためのしきい値電圧を容易に細かく設定できるなど、バッテリセル１の特性に応じたより高精度な制御を行うことが可能となる。

〔マイコンによるバッテリセル保護処理および残量算出処理の最適化〕
上述したように、バッテリセル１の保護機能は、セル電圧の検出に基づいて過充電および過放電の状態を検出し、さらに放電電流の検出に基づいて過電流の状態を検出して、各状態に応じた充電電流、放電電流の遮断制御を行うことにより実現される。このうち、マイコン３０の処理では、ＣＰＵ３１が、ＡＤコンバータ３８を通じてセル電圧の値を取得し、通常動作状態、過充電状態および過放電状態を判断して、状態に応じて保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２の動作をＦＥＴドライバ４２を通じて制御する。また、セル電圧に加えて、サーミスタ３によって検出されたバッテリセル１の温度の情報を、ＡＤコンバータ３８を通じて取得し、同様に保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２の動作を制御して異常発熱などから保護するようにしてもよい。

このような処理では、マイコン３０のＣＰＵ３１は、バッテリセル１の電圧や温度の情報を所定時間ごとにＡＤコンバータ３８から読み込み、これらの値に応じた処理を実行する。例えば、バッテリパックに機器が接続され、その機器にバッテリセル１から電源が供給されている状態では、バッテリセル１を安全に保護するために、バッテリセル１の電圧や温度をＡＤコンバータ３８から読み込む間隔はできるだけ短いことが望ましい。

一方、マイコン３０は、上記のようなバッテリセル１の保護処理とともに、バッテリセル１の残量を算出し、機器と通信して算出した情報を機器に送信する処理を行う。このような処理により、機器に搭載されたディスプレイに、バッテリセル１の残容量や、使用可能な残り時間などを表示させることが可能となる。

バッテリ残量算出処理を行うために、ＣＰＵ３１は、上述した保護処理と同様、ＡＤコンバータ３８を通じて、バッテリセル１の電圧、充放電電流、放電終止電圧（実際には過放電状態の検出電圧により近似）、温度を取得する必要がある。また、バッテリ残量算出処理ではさらに、接続された機器が消費した電力（電流）と、この機器に固有に設定される放電終止電圧（最低動作電圧）とが必要となる。そして、これらの情報を基に算出した値を、通信Ｉ／Ｆ４１を通じて機器に送信する。

ここで、機器がバッテリセル１を電源として動作する場合、例えばビデオカメラの場合は連続撮影可能時間が１０時間程度、デジタルスチルカメラの場合は１時間程度といったように、１時間以上の比較的長い時間に渡って動作することから、バッテリ残量の表示は、例えば１分、あるいは５〜１０分程度の間隔で更新することで、ユーザから要求される表示精度を十分満足することができる。

従って、バッテリ残量算出処理による算出値は、保護処理ほど短い周期で機器に送信する必要はない。極論すれば、バッテリ残量算出処理とその算出値の機器への送信処理は、必要なときにのみ行われればよい。このことから、本実施の形態では、これらの処理を、マイコン３０に対して例えば機器側からの通信による外部割り込みを行うことで実行し、このときにＡＤコンバータ３８からの情報取得を行うことにする。そして、この外部割り込みの間隔を、保護処理の実行間隔より長くすることで、安定動作と消費電力の低減とを両立させる。

ただし、バッテリ残量を算出するためには、機器の動作や放電により消費された電力（または電流）を検出する必要がある。上記のように、バッテリ残量算出処理を所定時間間隔で行うようにするためには、消費電力の検出値を一定時間間隔で読み込むことを可能にする必要がある。

ここで、消費電力の検出のために必要な情報について説明する。図１０は、ビデオカメラの動作時における消費電流の変化を示すグラフである。
図１０では、バッテリパックに接続される機器の例として、磁気テープをモータを用いて駆動するビデオカメラの消費電流の変化の例を示している。この図１０に示すように、ビデオカメラでは、電源が投入され（タイミングＴ１０１）、さらに内部回路の動作が開始（タイミングＴ１０２）された後、モータの初期化動作が行われる（タイミングＴ１０３）。このとき、モータが駆動されることで突入電流が流れ、消費電流が瞬間的に大きく増加する。さらに、磁気テープへの記録が開始されると（タイミングＴ１０４）、モータ駆動により再び突入電流が流れ、消費電流が増加する。

このように、ビデオカメラの動作時には、消費電流は短時間に大きく変動する。また、例えばデジタルスチルカメラの場合にも、レンズ駆動時やストロボ発光時などに突入電流が発生するので、同様に消費電流の変動は大きい。しかし、バッテリ残量を高精度で算出するためには、短時間の電流変化の測定ではなく、機器の平均消費電流（消費電力）を測定することが重要である。

従来、平均消費電流を検出するためには、バッテリセルと直列に挿入した抵抗を利用して電流を電圧に変換し、電圧波形をＡＤコンバータを通じて検出して、検出値を演算により平均化していた。しかし、この方法では、マイコンによる平均化演算の処理が複雑となり、また高精度の演算を行うには、処理の頻度を高くする、あるいは検出値を格納するメモリ量を大きくする必要があった。あるいは、ＡＤコンバータの入力側にフィルタを設け、このフィルタにより平均値を測定する方法もあるが、この方法では比較的大きな外付け部品の設置面積が必要になり、製造コストも高くなってしまう。

これに対して、本実施の形態では、マイコン３０内にフューエルゲージ３９を設けて平均消費電流の検出を行うことで、マイコン３０による消費電流の検出処理を容易にしている。図１１は、フューエルゲージ３９の内部構成例を示す図である。

図１１に示すように、フューエルゲージ３９は、電流検出用の抵抗Ｒｓの両端に各入力端子が接続された差動増幅器３９ａと、差動増幅器３９ａの出力端子と反転入力端子との間に接続されたコンデンサＣｉｎｔと、抵抗Ｒｓのバッテリセル１側と差動増幅器３９ａの反転入力端子との間に直列に接続された抵抗Ｒｉｎｔと、差動増幅器３９ａの出力と基準電圧Ｖｒｅｆとをともに入力とする比較器３９ｂおよび３９ｃと、比較器３９ｂおよび３９ｃのそれぞれの出力に接続された充電カウンタ３９ｄ、放電カウンタ３９ｅとを具備する。

このフューエルゲージ３９では、抵抗Ｒｓにより消費電流が電圧として検出され、差動増幅器３９ａの入力がコンデンサＣｉｎｔを介して反転帰還された構成により、差動増幅器３９ａは入力電圧に対する積分器として動作する。また、差動増幅器３９ａの出力は、比較器３９ｂの正相側の入力端子、および比較器３９ｂの反転入力端子に入力され、比較器３９ｂの反転入力端子、および比較器３９ｃの正相側の入力端子には、基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。これにより、比較器３９ｂおよび３９ｃはそれぞれ極性が逆の比較動作を行う。

比較器３９ｂは、充電電流が流れたとき、差動増幅器３９ａからの入力電圧が基準電圧を超えると、入力電圧をリセットしてパルス信号を出力する。また、差動増幅器３９ａへの入力電圧が上昇すると、比較器３９ｂの出力周波数が上昇する。従って、充電カウンタ３９ｄにより、比較器３９ｃから出力されるパルス数を一定時間間隔でカウントすることで、その期間に抵抗Ｒｓに流れた充電電流の積算値（電荷量）が計測される。同様に、放電電流が流れたとき、比較器３９ｃは、差動増幅器３９ａからの入力電圧が基準電圧未満になると入力電圧をリセットしてパルス信号を出力し、放電カウンタ３９ｅは、比較器３９ｃから出力されるパルス数を一定時間間隔でカウントする。これにより、抵抗Ｒｓに流れた放電電流の積算値が計測される。

このようなフューエルゲージ３９を用いることにより、マイコン３０では、所定時間間隔で充電カウンタ３９ｄおよび放電カウンタ３９ｅのカウント値を読み出すことで、それぞれ消費された電力およびバッテリセル１に蓄積された電力を換算し、バッテリ残量算出処理を実行することが可能となる。また、フューエルゲージ３９では消費電力や蓄積電力が平均化された値が出力されるので、バッテリ残量表示のためのＣＰＵ３１の処理負担を大幅に軽減することができる。これとともに、図１１のようにフューエルゲージ３９は簡単な回路構成で実現可能であるため、回路設置面積や消費電力、製造コストを低減することができる。従って、バッテリセル１の保護機能と残量算出機能とをマイコン３０により安定的に実現するために好適である。

ここで、例えば、バッテリセル１の電圧低下が非常に緩やかである場合には、電流を積算する単位時間を長くした方が、その単位時間における消費電流を正確に検出し、バッテリ残量表示の精度を向上することができる。しかし、機器においてバッテリ残量表示を更新するタイミングは、あまり長くすることは望ましくない。このことから、ＣＰＵ３１が、フューエルゲージ３９からの消費電流値を取得する間隔は、消費電流の計測の正確性と、バッテリ残量表示の利便性とのバランスを考慮して設定することが望ましい。デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラのような携帯型の機器に電源を供給する場合、この間隔は２秒程度が適当である。従って、機器への電源供給時では、ＣＰＵ３１によるバッテリ残量算出処理および算出値の機器への送信処理を２秒間隔で割り込み処理により実行し、それより短い間隔でＣＰＵ３１によるバッテリセル１の保護処理を実行すればよい。

ところで、電源供給対象の機器が接続されていない場合、あるいは接続されている機器の電源がオフである場合には、バッテリセル１の消費電力は非常に小さく、セル電圧の低下は非常に緩やかである。このため、この状態では、過充電、過放電の状態の判断は、機器への電源供給時ほど頻繁に行う必要はなく、ＡＤコンバータ３８からの電圧や温度の読み込み間隔を、マイコン３０のインストラクションクロック周期よりも十分長くしても、安全性を保つことができると言える。

ＡＤコンバータ３８を通じたバッテリセル１の電圧および温度の情報取得と、過充電、過放電の状態判定に要する時間は、通常数ミリ秒程度である。従って、本実施の形態では、機器が接続されていない状態、および接続されている機器の電源がオフの状態では、ＣＰＵ３１によるバッテリセル１の保護処理を、バッテリ残量算出処理と同じ２秒間隔で実行する省電力モードとして、消費電力を大幅に低減させる。

図１２は、マイコン３０の動作モードの変化を説明するための図である。
図１２では、バッテリパックに電源供給対象の機器が接続され、その機器の電源がオンである場合のマイコン３０の動作モードを「アクティブモード」、機器の電源がオフである、あるいは機器が接続されていない場合の動作モードを「省電力モード」としている。アクティブモードでは、６ＭＨｚの高速クロックにより動作し、省電力モードでは、３２ｋＨｚの低速クロックにより動作することで、消費電力の低減効果をさらに高めている。

アクティブモードは、「通信実行状態」および「通信未確定状態」に大別される。通信実行状態は、機器とマイコン３０との間で通信が実行される状態であり、タイマ３６の計時に基づいて２秒ごとに割り込みが行われることで遷移する。あるいは、接続された機器からの割り込みにより遷移する。通信割り込みが発生すると、ＣＰＵ３１は、ＡＤコンバータ３８およびフューエルゲージ３９からの情報を読み込み、過電流、過充電、通常動作の各状態に応じた保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２のオン／オフ制御を行うとともに、バッテリ残量の表示に必要な情報を算出して、通信Ｉ／Ｆ４１を通じて機器に送信する。そして、情報送信後に機器との通信が終了すると、通信未確定状態に遷移する。

通信未確定状態では、タイマ３６による０．２秒のカウントごとに、ＡＤコンバータ３８から情報を読み込み、状態の判定に応じた保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２のオン／オフ制御が行われる。このとき、フューエルゲージ３９からの情報読み込み処理は行われない。

このように、アクティブモードでは、バッテリセル１の保護処理が０．２秒周期で実行され、バッテリ残量算出処理が２秒周期の通信割り込みに応じて実行される。このような制御が行われることにより、セル電圧の変動に対する保護処理を常時、安定的に実行させながらも、バッテリの高機能化として重要なバッテリ残量表示に必要な情報算出および機器との通信処理を、低消費電力でかつ必要十分な精度で実現することが可能となる。

なお、アクティブモードでは、バッテリセル１の保護処理とバッテリ残量算出処理の双方が実行される周期は、保護処理のみ実行される周期の偶数倍であることが望ましい。これらの周期の関係が奇数倍である場合には、マイコン３０の制御安定性が損なわれるが、偶数倍とした場合には、安定性を保ったまま制御を簡略化することができる。

また、通信未確定状態では、タイマ３６のカウントに応じて２秒経過時に通信割り込みが発生すると、通信実行状態に遷移する。一方、２秒経過後にも通信割り込みが発生しない場合には、スリープ状態に遷移する。スリープ状態では、ＡＤコンバータ３８およびフューエルゲージ３９からの情報読み込みが２秒周期で実行され、状態判定に応じた保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２のオン／オフ制御と、残量表示に必要な情報算出とが行われる。なお、算出値は例えばＥＥＰＲＯＭ３５に記憶され、算出処理ごとに利用されるとともに、新たな算出値により更新される。また、通信未確定状態では、通信割り込みが発生した時点で、アクティブモードとなり、通信実行状態に遷移する。

以上のように、マイコン３０は、機器の接続の有無、あるいは接続された機器の電源が投入されているか否かを、機器との通信が一定間隔で行われているか否かによって判断することで、アクティブモードと省電力モードとの状態遷移を制御している。すなわち、機器との通信が一定時間以上行われない場合には、バッテリセル１の放電負荷が小さくなっていると判断し、省電力モードでの動作が許可される。

そして、省電力モードでは、バッテリセル１の保護処理の実行間隔を大きくし、ＡＤコンバータ３８が動作停止状態となる時間を増加させることで、消費電力を大幅に低減させることができる。

なお、マイコン３０が省電力モードとなっている場合でも、過電流検出回路２０による過電流の検出は常時行われ、過電流が検出された場合にはその状態に応じて保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２が制御される。このとき、マイコン３０には割り込みが行われ、マイコン３０は、割り込み発生を検出すると、ＲＡＭ３４に対する過電流の状態設定の実行などのために、一時的にスリープ状態から復帰する。

このように、上記のバッテリパックでは、機器への電源供給が行われない場合にも、マイコン３０によるバッテリセル１の保護処理に加えて、過電流検出回路２０も常時動作させる必要がある。従って、マイコン３０の消費電力を低減することは、バッテリセル１に対する安定的な保護機能を実現する上で、きわめて重要である。

なお、マイコン３０には、特にバッテリセル１の保護機能の安定動作を確保するために、ウォッチドッグタイマ３７が設けられている。ウォッチドッグタイマ３７は、保護処理が実行されるタイミングを常時監視して、２秒以上の所定時間内に保護処理が実行されない場合にマイコン３０が暴走していると判断して、マイコン３０をリセットする。従って、各動作モードでは、保護処理（すなわち、セル電圧に基づく状態判定および状態に応じた保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２の制御）が終了するごとに、ウォッチドッグタイマ３７のカウント値がリセットされる。これにより、いかなる場合にもマイコン３０自身の暴走が回避され、バッテリセル１の保護機能を正常に動作させることができる。

〔起動後のマイコンの全体処理〕
以上説明したマイコン３０によるバッテリセル１の保護およびバッテリ残量算出を含む処理の全体の流れについて、フローチャートを用いて説明する。

図１３は、マイコン３０による処理の全体の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ１３０１において、セル電圧の上昇により、マイコン３０に供給される電源電圧が所定値まで上昇すると、電源回路１０からのタイミング信号に基づいてマイコン３０が起動する。この起動直後の処理は、図６の処理に対応するので、ここでは説明を省略する。

ステップＳ１３０２において、タイマ３６によるカウントが開始され、２秒経過したときにステップＳ１３０３に進む。
ステップＳ１３０３において、ＣＰＵ３１は、２秒のカウントの間に通信割り込みが発生したか否かを判定する。発生しなかった場合はステップＳ１３０４に進み、発生した場合はステップＳ１３０７に進む。

ステップＳ１３０４〜Ｓ１３０６は、省電力モードでの処理となる。ステップＳ１３０４において、バッテリセル１の保護処理（以下、バッテリ保護処理と略称する）のサブルーチンを実行する。これにより、セル電圧の検出に基づいてバッテリセル１の異常状態が判別され、状態に応じて充放電が制御される。なお、このサブルーチンについては、後の図１４において説明する。

ステップＳ１３０５において、バッテリ残量検出処理のサブルーチンを実行する。これにより、接続される機器においてバッテリ残量を表示させるために必要な情報が算出される。なお、このサブルーチンについては、後の図１５において説明する。

ステップＳ１３０６において、ウォッチドッグタイマ３７のカウント値をリセットする。そして、ステップＳ１３０２に戻り、さらに２秒の間に通信割り込みが発生したか否かを判定する。

また、２秒以内に通信割り込みが発生した場合は、アクティブモードとしての処理が実行される。ステップＳ１３０７において、ステップＳ１３０４と同様のバッテリ保護処理を実行する。

ステップＳ１３０８において、ステップＳ１３０５と同様のバッテリ残量算出処理を実行する。
ステップＳ１３０９において、ステップＳ１３０８の処理により算出された値など、残量表示に必要な情報を、通信Ｉ／Ｆ４１を通じて機器に対して送信する。この情報としては、例えば、バッテリセル１の現在の電圧、温度、電流積算値から算出した放電電流積算残量および消費電力、バッテリセル１に固有な温度係数などである。

ステップＳ１３１０において、ウォッチドッグタイマ３７のカウント値をリセットする。
ステップＳ１３１１において、タイマ３６のカウントに基づき、通信割り込みの発生（ステップＳ１３０３に対応）から０．２秒が経過したときに、ステップＳ１３１２に進む。

ステップＳ１３１２において、さらに、通信割り込みの発生から２秒が経過したか否かを判定し、経過していない場合はステップＳ１３１３に進む。また、２秒経過した場合はステップＳ１３０３に戻り、通信割り込みが発生したか否かを判定する。

ステップＳ１３１３において、ステップＳ１３０４およびＳ１３０７と同様のバッテリ保護処理を実行する。これにより、バッテリ保護処理が０．２秒間隔で実行されることになる。一方、ステップＳ１３０８のバッテリ残量算出処理は、２秒間隔で実行されることになる。

なお、図示しないが、マイコン３０の動作に関係なく、過電流検出回路２０ではバッテリセル１における過電流の検出が常時行われている。過電流検出回路２０は、過電流を検出すると、保護スイッチＳＷ１およびＳＷ２をそれぞれオフ、オンの状態とするとともに、マイコン３０に対して過電流発生による割り込みを行う。

マイコン３０では、ＣＰＵ３１は、上記フローチャートの処理中において、過電流検出回路２０からの割り込みを随時監視する。そして、過電流による割り込みを検出すると、ＲＡＭ３４上に設定した、状態を示すモード情報（Ｓａｆｅモード）を、過電流状態を示すように書き換える。

図１４は、マイコン３０によるバッテリ保護処理（図１３のステップＳ１３０４，Ｓ１３０７およびＳ１３１３に対応）の流れを示すフローチャートである。
まず、ＣＰＵ３１は、ＲＡＭ３４に設定されたＳａｆｅモードを読み出し、現在の保護状態を認識する（ステップＳ１４０１，Ｓ１４０７，Ｓ１４１５およびＳ１４１９に対応）。

ステップＳ１４０１において、現在が過放電状態である場合はステップＳ１４０２に進む。
ステップＳ１４０２において、ＡＤコンバータ３８よりセル電圧（Ｖｃｅｌｌ）を読み取り、セル電圧が２．２Ｖより低いときはステップＳ１４０３に進み、そうでない場合はステップＳ１４０４に進む。

ステップＳ１４０３において、セル電圧が著しく低いと判断して、マイコン３０自身をシャットダウンする。
また、ステップＳ１４０４において、ＡＤコンバータ３８より、セル電圧とともに、充電器の接続の有無および充電電圧の印加の有無をそれぞれ示す情報を読み取り、セル電圧が２．６５Ｖより高く、かつ充電が開始された場合に、ステップＳ１４０５に進み、そうでない場合は、サブルーチンを終了する。

ステップＳ１４０５において、ＦＥＴドライバ４２に制御信号を送信して、保護スイッチＳＷ１をオンさせる。なお、このとき保護スイッチＳＷ２はオンされている。
ステップＳ１４０６において、ＲＡＭ３４上のＳａｆｅモードを、通常動作を示すように書き換え、サブルーチンを終了する。

また、ステップＳ１４０７において、読み出したＳａｆｅモードに基づき、現在が通常動作状態である場合には、ステップＳ１４０８に進む。
ステップＳ１４０８において、ＡＤコンバータ３８より読み取ったセル電圧が２．６Ｖより低い場合はステップＳ１４０９に進み、そうでない場合はステップＳ１４１２に進む。

ステップＳ１４０９において、ＦＥＴドライバ４２に制御信号を送信して、保護スイッチＳＷ１をオフさせる。なお、このとき保護スイッチＳＷ２はオンされている。
ステップＳ１４１０において、ＲＡＭ３４上のＳａｆｅモードを過放電状態を示すように書き換える。

ステップＳ１４１１において、この後にさらにセル電圧が低下し、マイコン３０がシャットダウンされる事態に備えて、ＲＡＭ３４などに記憶された現在の動作状態に関する設定値をＥＥＰＲＯＭ３５にコピーして待避させる。そして、サブルーチンを終了する。

また、ステップＳ１４１２において、セル電圧が４．２５Ｖより高い場合にはステップＳ１４１３に進み、そうでない場合はサブルーチンを終了する。
ステップＳ１４１３において、保護スイッチＳＷ２をオフさせる。

ステップＳ１４１４において、ＲＡＭ３４上のＳａｆｅモードを過充電状態を示すように書き換え、サブルーチンを終了する。
また、ステップＳ１４１５において、読み出したＳａｆｅモードに基づき、現在が過充電状態である場合はステップＳ１４１６に進む。

ステップＳ１４１６において、ＡＤコンバータ３８より読み取ったセル電圧が４．１５Ｖより低い場合にはステップＳ１４１７に進み、そうでない場合はサブルーチンを終了する。

ステップＳ１４１７において、保護スイッチＳＷ２をオンさせる。
ステップＳ１４１８において、ＲＡＭ３４上のＳａｆｅモードを通常動作状態を示すように書き換え、サブルーチンを終了する。

また、ステップＳ１４１５の判定で、現在が過充電状態でないと判断された場合には、現在が過電流状態であると判断され、ステップＳ１４１９に進む。
ステップＳ１４１９において、ＡＤコンバータ３８より読み取ったセル電圧が２．２Ｖより低い場合にはステップＳ１４２０に進み、そうでない場合はステップＳ１４２１に進む。

ステップＳ１４２０において、マイコン３０自身をシャットダウンする。
ステップＳ１４２１において、ＡＤコンバータ３８より、充電器の接続の有無および充電電圧の印加の有無をそれぞれ示す情報を読み取り、充電が開始された場合にはステップＳ１４２２に進み、そうでない場合はサブルーチンを終了する。

ステップＳ１４２２において、保護スイッチＳＷ１をオンさせる。
ステップＳ１４２３において、ＲＡＭ３４上のＳａｆｅモードを通常動作を示すように書き換え、サブルーチンを終了する。

以上の処理により、現在のセル電圧に応じた充放電制御、および過電流状態からの復帰が、マイコン３０におけるソフトウェア制御により実現される。なお、Ｓａｆｅモードを書き換える際には、ＥＥＰＲＯＭ３５に対して状態遷移の履歴を残すようにしてもよい。

図１５は、マイコン３０によるバッテリ残量算出処理（図１３のステップＳ１３０５およびＳ１３０８に対応）の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ１５０１において、ＡＤコンバータ３８からの出力信号より、バッテリセル１の温度を読み取る。

ステップＳ１５０２において、ＡＤコンバータ３８からの出力信号より、バッテリセル１の電圧を読み取る。
ステップＳ１５０３において、フューエルゲージ３９から、充放電電流の積算値を読み取る。

ステップＳ１５０４において、ＡＤコンバータ３８からの出力信号より、充電器による充電動作の有無を判別する。
ステップＳ１５０５において、ステップＳ１５０１〜Ｓ１５０４で取得した情報を基にして、機器におけるバッテリ残量表示に必要な情報を算出する。ここでは、例えば、フューエルゲージ３９から取得した電流積算値を基に放電電流積算残量や消費電力などが算出される。

ステップＳ１５０６において、算出された値をＥＥＰＲＯＭ３５に格納する。なお、このとき、例えば、検出されたバッテリセル１の電圧、温度なども格納される。
ステップＳ１５０７において、フューエルゲージ３９の充電カウンタ３９ｄおよび放電カウンタ３９ｅのカウント値をクリアし、サブルーチンを終了する。

以上の図１５の処理が一定時間ごとに実行されることで、バッテリ残量が高精度で監視される。
〔複数のバッテリセルが直列接続された場合の回路構成〕
ところで、以上の説明では、１本のバッテリセルを使用した場合について説明したが、実際には、接続される機器の負荷の大きさに応じて、複数のバッテリセルを直列に接続して使用することがある。この場合、各バッテリセルについて個別に過充電、過放電の状態を判別する必要がある。以下、このような場合の回路構成および動作について、補足説明する。

図１６は、直列接続した複数のバッテリセルを用いた場合のバッテリパックの内部構成例を示す図である。なお、図１６では、上記の図１に対応する要素については同じ符号を付しており、その説明は省略する。

複数のバッテリセルが直列接続された場合、各バッテリセルのセル電圧を個別に検出するために、バッテリセルの数に応じたＡＤコンバータの入力チャネルを設ける必要がある。図１６では、例として２つのバッテリセル１ａおよび１ｂが直列に接続された場合を示しており、バッテリセル１ａおよび１ｂのそれぞれの正極側の電圧を検出するための入力端子ＡＤＣｉｎ１およびＡＤＣｉｎ２が個別に設けられている。そして、マイコン内のＡＤコンバータは、差動型の入力を有しており、各入力端子ＡＤＣｉｎ１およびＡＤＣｉｎ２との間、および入力端子ＡＤＣｉｎ２と設置電位との間のそれぞれの差分を検出するようにしておく。これにより、マイコンのＣＰＵは、各バッテリセル１ａおよび１ｂのセル電圧を個別に取得することができる。

ここで、図１３を参照すると、複数のバッテリセルを直列接続した場合、ステップＳ１３０４およびＳ１３０７に示したバッテリ保護処理を、バッテリセルごとに行えばよいことになる。ただし、安全性を考慮すると、通常動作状態のときに、１つでも過放電状態であるバッテリセルが現れたときは、充電電流を遮断する必要がある。例えば、図１４を参照すると、ステップＳ１４１２において、少なくとも１つのバッテリセルのセル電圧が４．２５Ｖより高くなった場合は、ステップＳ１４１３に進んで過放電状態に遷移する必要がある。また、ステップＳ１４０４において、すべてのバッテリセルのセル電圧が２．６５Ｖより低くなるまでは、通常動作状態に復帰させてはならない。

同様に、１つでも過充電状態となったバッテリセルが現れたときは、放電電流を遮断する必要がある。例えば、図１４のステップＳ１４０８において、少なくとも１つのバッテリセルのセル電圧が２．６Ｖより低くなった場合は、ステップＳ１４０９に進んで過放電状態に遷移する必要がある。また、ステップＳ１４１６において、すべてのバッテリセルのセル電圧が４．１５Ｖより高くなるまでは、通常動作状態に復帰させてはならない。

このように、過充電、過放電の状態をマイコンのソフトウェア制御により判別することで、複数のバッテリセルを直列接続して使用した場合にも、プログラムモジュールの一部をループさせることを基本とした容易なソフトウェアの改変により対応することができる。このため、従来のように、使用するバッテリセルの数に応じて新たな回路を設ける必要がなくなり、設計コストや回路規模が抑制される。

逆に、当初から複数のバッテリセルを直列接続した場合に対応するソフトウェアを実装しておくと、想定した数以下のバッテリセルを用いたすべてのバッテリパックについて、同一のソフトウェアを用いて保護処理を実行させることができる。例えば、図１３のように２つのバッテリセルを直列接続した場合に対応するソフトウェアは、バッテリセルを１つにした場合には、入力端子ＡＤＣｉｎ１およびＡＤＣｉｎ２の各電圧を同一と見なすことで、何らソフトウェアの内容を変更することなく、保護処理を実行させることができる。

本技術の実施の形態に係るバッテリパックの内部構成例を示す図である。 統合処理回路の内部構成例を示すブロック図である。 充電時におけるバッテリセルの電圧変化を示すグラフである。 リセット回路からの出力信号と、バッテリセルおよびマイコンの電源電圧との関係を示す図である。 マイコンの起動時および安定動作時に供給される電源の経路を模式的に示す図である。 起動直後におけるマイコンの処理の流れを示すフローチャートである。 バッテリセルの電圧に応じた状態遷移を説明するための図である。 状態遷移制御の流れを詳しく説明するための図である。 過電流検出回路の内部構成例を示す図である。 ビデオカメラの動作時における消費電流の変化を示すグラフである。 フューエルゲージの内部構成例を示す図である。 マイコンの動作モードの変化を説明するための図である。 マイコンによる処理の全体の流れを示すフローチャートである。 マイコンによるバッテリ保護処理の流れを示すフローチャートである。 マイコンによるバッテリ残量算出処理の流れを示すフローチャートである。 直列接続した複数のバッテリセルを用いた場合のバッテリパックの内部構成例を示す図である。 リチウムイオン二次電池における放電時および過電流発生時の電圧および電流の変化の例を示すグラフである。 従来のバッテリパックの内部構成例を示す図である。 従来のバッテリパックにおけるバッテリセルの状態を模式的に示す図である。

符号の説明

１……バッテリセル、２……統合処理回路、３……サーミスタ、４……コントロール端子、１０……電源回路、１１……チャージポンプ回路、１２……リニアレギュレータ、１３，１４……リセット回路、２０……過電流検出回路、３０……マイクロコントローラ、３１……ＣＰＵ、３２……プログラムメモリ、３３……ＲＯＭ、３４……ＲＡＭ、３５……ＥＥＰＲＯＭ、３６……タイマ、３７……ウォッチドッグタイマ、３８……ＡＤコンバータ、３９……フューエルゲージ、４０……Ｉ／Ｏポート、４１……通信Ｉ／Ｆ、４２……ＦＥＴドライバ、４３……データバス、４４ａ，４４ｂ……クロック発振器、Ｃ１……コンデンサ、ＣＰｉｎ１，ＣＰｉｎ２……電源端子、Ｅｂ１……正極端子、Ｅｂ２……負極端子、Ｒｓ，Ｒｔｈ１，Ｒｔｈ２……抵抗、ＳＷ１，ＳＷ２……保護スイッチ、ＡＤＣｉｎ，ＡＩＮ０，ＣＳＰ，ＣＳＮ，ＨＶＩＮ，ＯＤＩ，ＰＣＫＰ……入力端子、ＣＨＧ，ＤＩＳ，ＴＨＲＭ，ＶＡＡ……出力端子、ＵＡＲＴ……入出力端子

Claims (5)

1. バッテリセルと、
   前記バッテリセルの充電または放電の少なくとも一方の可否を制御することにより前記バッテリセルに対する保護機能を実行するマイクロコントローラと、
   前記バッテリセルを充電するための外部電圧が供給される外部電源供給端子と、
   前記バッテリセルの端子間電圧と前記外部電源供給端子の端子間電圧とを選択的に昇圧して前記マイクロコントローラに電源として供給する電源手段と、
   を有し、
   前記電源手段は、前記バッテリセルが過放電状態である場合には前記外部電源供給端子の端子間電圧を昇圧し、この状態で前記マイクロコントローラに対して出力する電圧が所定の起動電圧に達したことを検出すると、そのことを前記マイクロコントローラに通知し、
   前記マイクロコントローラは、前記電源手段からの出力電圧が前記起動電圧に達したことの通知に応じて起動し、当該マイクロコントローラのシステムを初期化し、
   前記マイクロコントローラは、前記電源手段からの出力電圧が前記起動電圧に達したことの通知に応じた初期化処理時には、前記外部電源供給端子の端子間電圧に基づく電源電圧により動作し、その後に前記バッテリセルの端子間電圧が所定値まで上昇すると、出力する電圧を前記バッテリセルの端子間電圧に基づく電源電圧に切り換えて出力するように前記電源手段を制御するバッテリパック。
2. 前記マイクロコントローラは、前記バッテリセルの端子間電圧を検知する機能を備えている請求項１記載のバッテリパック。
3. 前記マイクロコントローラが前記バッテリセルの端子間電圧を昇圧した電圧を電源として動作している状態において、前記電源手段は、前記バッテリセルの端子間電圧が前記マイクロコントローラをシャットダウンさせるための所定のシャットダウン電圧より低くなると、出力する電圧を前記外部電源供給端子の端子間電圧に基づく電源電圧に切り換える請求項２記載のバッテリパック。
4. バッテリセルの充電または放電の少なくとも一方の可否を制御することにより前記バッテリセルに対する保護機能を実行するマイクロコントローラと、
   前記バッテリセルの端子間電圧と、前記バッテリセルを充電するための外部電圧が供給される外部電源供給端子の端子間電圧とを選択的に昇圧して、前記マイクロコントローラに電源として供給する電源手段と、
   を有し、
   前記電源手段は、前記マイクロコントローラに対して出力する電圧が所定の起動電圧に達したことを検出して、前記マイクロコントローラに通知する機能を備え、
   前記マイクロコントローラは、前記電源手段からの出力電圧が前記起動電圧に達したことの通知に応じて起動し、当該マイクロコントローラのシステムを初期化し、
   前記マイクロコントローラは、前記電源手段からの出力電圧が前記起動電圧に達したことの通知に応じた初期化処理時には、前記外部電源供給端子の端子間電圧に基づく電源電圧により動作し、その後に前記バッテリセルの端子間電圧が所定値まで上昇すると、出力する電圧を前記バッテリセルの端子間電圧に基づく電源電圧に切り換えて出力するように前記電源手段を制御するバッテリ保護処理装置。
5. バッテリセルの充電または放電の少なくとも一方の可否を制御することにより前記バッテリセルを保護する保護機能を備えたバッテリ保護処理装置の起動制御方法において、
   前記バッテリセルが過放電状態のときに、電源手段が、前記バッテリセルを充電するための外部電圧が供給される外部電源供給端子の端子間電圧を昇圧して、前記保護機能を実行するマイクロコントローラに電源として供給し、
   前記電源手段が、前記マイクロコントローラへの出力電圧が所定の起動電圧に達したことを検出して通知し、
   前記マイクロコントローラが、前記電源手段の出力電圧が前記起動電圧に達したことの通知を受けると、起動して当該マイクロコントローラのシステムを初期化し、
   前記バッテリセルの端子間電圧が所定値まで上昇すると、前記マイクロコントローラが、昇圧する電圧を前記外部電源供給端子の端子間電圧から前記バッテリセルの端子間電圧に切り換えるように前記電源手段に要求し、
   前記電源手段が、前記マイクロコントローラからの要求に応じて、前記外部電源供給端子の端子間電圧に代えて、前記バッテリセルの端子間電圧を昇圧して前記マイクロコントローラに供給し、
   前記マイクロコントローラは、前記電源手段からの出力電圧が前記起動電圧に達したことの通知に応じた初期化処理時には、前記外部電源供給端子の端子間電圧に基づく電源電圧により動作し、その後に前記バッテリセルの端子間電圧が所定値まで上昇すると、出力する電圧を前記バッテリセルの端子間電圧に基づく電源電圧に切り換えて出力するように前記電源手段を制御するバッテリ保護処理装置の起動制御方法。

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