JP5338047B2 - 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、高精度に温度保護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う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、二次電池（１２）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）を備えた電池パック（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サーミスタ（Ｒ１３）と抵抗（Ｒ１４）の直列回路と、
前記保護回路（１５Ａ）内で、前記サーミスタ（Ｒ１３）と抵抗（Ｒ１４）の接続点の電圧を所定温度に対応する基準電圧と比較するコンパレータ（２１）と、
前記コンパレータ（２１）の出力信号が供給され、所定時間ハイレベルを超えると、入力信号に応じた出力を行う不感応時間設定回路（２２）と、
前記抵抗（Ｒ１４）と前記二次電池（１２）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、前記二次電池の過放電が検出されたとき、前記第一のスイッチ素子と前記第三のスイッチ素子とを同期してオフにして前記第一のスイッチ素子及び前記第三のスイッチ素子に流れる電流を遮断することにより、二次電池の温度保護を高精度に行うことができる。

また、前記第一乃至第三のスイッチ素子（Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３）は、ｎチャネル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うことができる。

（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の一端を接続されている。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にＭＯＳトランジスタＭ１１のゲートを接続され、ＣＯＵＴ出力の端子１５ｅにＭＯＳトランジスタＭ１２のゲートを接続されている。

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が供給されると共に、不感応時間設定回路２２の出力する高温検出信号が供給されている。

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し、且つ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。

ところで電池パック１０では、温度検出を行う温度検出回路を構成するサーミスタＲ１３と抵抗Ｒ１４の直列回路がリチウムイオン電池１２と並列に接続されるため、リチウムイオン電池１２、サーミスタＲ１３、抵抗Ｒ１４によるループが構成される。

このため電池パック１０では、過放電が検出されてＭＯＳトランジスタＭ１１が遮断されても、このループにおいてリチウムイオン電池１２は放電してしまう。このため電池パック１０Ａでは、過放電の状態であるにも関わらずリチウムイオン電池１２から更に放電されるおそれがある。この過放電検出後の更なる放電を停止さ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し、説明を省略する。

本実施形態の電池パック１０Ａの有する保護ＩＣ１５Ａは、参考例で説明した保護ＩＣ１５の有する各端子に加え、更に端子１５ｇを有する。また保護ＩＣ１５Ａは、端子１５ｇと端子１５ｃとの間に接続されたスイッチ素子であるＭＯＳトランジスタＭ１３を有する。ＭＯＳトランジスタＭ１３のゲートには、論理回路１９からの出力信号が印加される。尚本実施形態のＭＯＳトランジスタＭ１３は、ＭＯＳトランジスタＭ１１、Ｍ１２と同様のｎチャネルＭＯＳトランジスタとした。

本実施形態では、抵抗Ｒ１４は、一端が接続Ａに接続されており、他端が端子１５ｇに接続されており、抵抗Ｒ１４はＭＯＳトランジスタＭ１３を介してリチウムイオン電池１２の負極と接続されている。よって本実施形態では、リチウムイオン電池１２、サーミスタＲ１３、抵抗Ｒ１４、ＭＯＳトランジスタＭ１３によりループが構成されることになる。

本実施形態では論理回路１９は、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、リチウムイオン電池１２からの負荷に対する放電を停止する。また論理回路１９は、端子１５ｄに供給されるローレベルの信号をＭＯＳトランジスタＭ１３のゲートに供給し、ＭＯＳトランジスタＭ１３をオフにして遮断する。尚本実施形態では、ＭＯＳトランジスタＭ１１とＭＯＳトランジスタＭ１３とが同期して遮断されることが好ましい。

電池パック１０Ａでは、ＭＯＳトランジスタＭ１３が遮断されると、リチウムイオン電池１２、サーミスタＲ１３、抵抗Ｒ１４、ＭＯＳトランジスタＭ１３で構成されるループが遮断され、リチウムイオン電池１２からのループにおける放電が停止される。よって電池パック１０Ａでは、過放電検出後のリチウムイオン電池１２からの放電を停止させることができる。

このように本実施形態の電池パック１０Ａによれば、温度検出回路を構成するサーミスタＲ１３と抵抗Ｒ１４の直列回路を有する構成であっても、この直列回路とリチウムイオン電池１２の負極との間にＭＯＳトランジスタＭ１３を設けることで、過放電が検出された後の更なる放電を停止させることができる。よって本実施形態の電池パック１０Ａによれば、リチウムイオン電池１２の温度保護を高精度に行い、且つ過放電が検出された後のリチウムイオン電池１２の放電を停止させることができる。

尚本実施形態では、ＭＯＳトランジスタＭ１３は、保護ＩＣ１５Ａ内に設けたが、ＭＯＳトランジスタＭ１３は保護ＩＣ１５Ａの外部に設けられるものとしたが、これに限定されない。ＭＯＳトランジスタＭ１３は、保護ＩＣ１５Ａの外部に設けられても良く、サーミスタＲ１３、抵抗Ｒ１４、リチウムイオン電池１２により構成されるループを遮断できる位置に設けられていれば良い。

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 コンパレータ
２２ 不感応時間設定回路
Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３ ＭＯＳトランジスタ
Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２３ 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、前記サーミスタと抵抗の接続点の電圧を所定温度に対応する基準電圧と比較するコンパレータと、
   前記コンパレータの出力信号が供給され、所定時間ハイレベルを超えると、入力信号に応じた出力を行う不感応時間設定回路と、
   前記抵抗と前記二次電池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、前記二次電池の過放電が検出されたとき、前記第一のスイッチ素子と前記第三のスイッチ素子とを同期してオフにして前記第一のスイッチ素子及び前記第三のスイッチ素子に流れる電流を遮断することを特徴とする電池パック。
2. 前記第一乃至第三のスイッチ素子は、ｎチャネル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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