JP6177496B2 - 保護機能付き充電制御装置および電池パック - Google Patents
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Description
上記のように、保護ICと充電制御ICとから構成した充電制御装置に関する発明としては、例えば特許文献1に開示されているものがある。また、電池パックに、保護ICと充電制御ICを内蔵するようにした発明も提案されている(特許文献2)。
図9の電池パック100には、過充電や過放電などに対する保護機能を備えた保護IC11’の他、充電用電源(ACアダプタ)が接続される端子P−と二次電池20の負極側の端子B−との間に、充電制御用FET(電界効果トランジスタ)13と放電制御用FET14とが直列形態に設けられており、保護IC11’は、充電開始後電池電圧が所定の電圧(リチウムイオン電池の場合、約4.275V)以上になると充電制御用FET13をオフ状態にするようにしている。
また、特許文献1に記載されている発明では、充電開始後電池電圧が所定の電圧(リチウムイオン電池の場合、約4.2V)になった場合に、充電制御IC30が定電流充電から定電圧充電へ制御を切り替えるようにしている。
なお、図10(A)に示す電圧変化の特性線において、実線は電池セルの端子(B+,B−)の電圧、破線は電池パックの端子(P+,P−)の電圧である。
そして、保護ICの過充電検出電圧が、充電制御ICの定電圧充電への切替え電圧よりも低くなると、電池電圧が定電圧充電への切替え電圧よりも高くなったことを充電制御ICが検出する前に、電池電圧が過充電検出電圧よりも高くなったことを保護ICが検出して充電制御用FETをオフしまう。そのため、充電制御ICがそれを認知できず、充電が完了しない事態が発生するおそれがある。
しかしながら、上記のように、保護ICの過充電検出電圧Vdet2と充電制御ICの定電圧充電への切替え電圧Vdet1との間に0.075Vのような大きな開きがあると、実際に電池が満充電状態になる前に充電制御ICが充電制御を終了してしまうことが多くなるため、見かけ上の電池容量が減少するという課題がある。
例えば携帯電話機などに設けられる保護ICと充電制御ICを備えた従来の電池充電装置においては、電池パック側にサーミスタを設け、本体側にある充電制御ICへサーミスタの温度変化に応じた信号を送って電池セル温度が高くなったり低くなったりした時に充電電流を減らしたり、充電電圧を減らす等の制御を行っている。また、保護ICにおいても、温度によって抵抗値などの特性が変化する素子をチップ内部に設けて、該素子の特性の変化から過充電検出電圧や過電流検出電圧を変化させて保護ポイントをずらす制御を行っている場合もある。
そのため、図7(A)に示すように、保護ICによる過充電保護や過電流保護に関する検出値と、充電制御ICによる電流制御の切替え電圧CVや過電流保護に関する検出値とがずれてしまう。そして、例えば充電制御ICが保護ICよりも先に過電流状態を検出したとすると、まだ充電可能な温度範囲にあるにもかかわらず充電が中止されて、見かけ上の電池容量が減少することがある。
また、保護ICが充電制御ICよりも先に過充電状態を検出して充電制御用FETをオフしたとすると、充電制御ICがそれを認知できず異常電池であると判断したり充電電流を流す制御を続けようとしたり、まだ充電可能な温度範囲にあるにもかかわらず充電が中止されてしまうおそれがあるという課題がある。
また、本発明の他の目的は、基準電圧のばらつきで電池が過充電状態になる前に充電制御ICが充電制御を終了して充電が未完了となるのを回避しつつ、電池容量を増加させることができる充電制御装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、充電制御回路と保護回路が電池の温度変化に対する調整機能をそれぞれ備える場合に、電池容量を最大限確保しつつ、電池の性能が低下したり電池寿命が低下したりするのを回避することができる充電制御装置を提供することにある。
二次電池へ充電電流を流すための充電用トランジスタと、
充電用電源が接続されている場合に前記充電用トランジスタが充電電流を流すように制御する充電制御回路と、
前記二次電池の一方の端子と外部端子との間に直列形態に接続された第1制御用スイッチ素子および第2制御用スイッチ素子と、
前記二次電池が過放電状態となった場合に前記第1制御用スイッチ素子をオフさせて放電電流が流れないようにし、前記二次電池が過充電状態となった場合に前記第2制御用スイッチ素子をオフさせて充電電流が流れ込まないようにする保護回路と、
を備えた充電制御装置であって、
前記充電制御回路は、前記二次電池側の電圧が所定値になるまでは前記充電用トランジスタにより一定の充電電流を流すように制御し、前記二次電池側の電圧が所定値に達した後は定電圧で充電電流を流すような制御に切り替える機能を有し、前記二次電池の正極側の端子電圧および負極側の端子電圧と同一の電位がそれぞれ前記充電制御回路に供給されるように構成した。
これにより、温度が変化しても、保護回路の過充電検出電圧や過電流検出電流と、充電制御回路における電流制御の切替え電圧や過電流検出電流とがずれないようにすることができ、それによって電池容量を最大限確保しつつ、電池の性能が低下したり電池寿命が低下したりするのを回避することができる。
これにより、充電制御装置と電池セルとを1つの容器に収納して電池パックとして構成することが容易となる。また、充電制御回路と保護回路との間で充電禁止信号や接続検出信号を送受信する場合に、専用の外部端子を設ける必要がないので、充電制御装置の高機能化に伴う外部端子数の増加を回避することができるようになる。
かかる電池パックによれば、電池が正常か異常かを判定しながら徐々に充電する電池起こし、救済充電、強制充電などと呼ばれる充電フローを組み込むことなく充電を開始することができるとともに、容器内に充電制御回路が設けられているため非接触充電が可能となる。また、充電制御装置がサーミスタを備え異常温度を検出した場合に充電を停止する機能を有する場合に、電池パックにサーミスタの状態を示す信号を出力するための端子を設ける必要がないため端子数を減らすことができるようになる。
さらに、充電制御回路と保護回路が電池の温度変化に対する調整機能をそれぞれ備える場合に、電池容量を最大限確保しつつ、電池の性能が低下したり電池寿命が低下したりするのを回避することができる充電制御装置を実現できるという効果がある。
図1は、本発明を適用した充電制御装置を内蔵した電池パックの一実施形態を示す。なお、特に限定されるわけではないが、図1において一点鎖線で囲まれている部分の回路を構成する素子は、1個の半導体チップ上に形成され、半導体集積回路(保護機能付き充電制御用IC)10として構成される。
保護機能付き充電制御用IC10は、過充電や過放電などに対する保護機能を備えた保護ブロック11と、電池パック100の電圧入力端子VINと電池セル20の正極側端子B+との間に接続されたPチャネル形MOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)からなる充電用トランジスタ31と、該充電用トランジスタ31を制御する充電制御ブロック30と、電池セル20の負極側端子B−と電池パック100の負極側端子P−との間に直列形態に設けられ、保護ブロック11によって制御されるNチャネル形MOSFETからなる充電制御用FET13と放電制御用FET14とを有する。
また、充電制御ブロック30は、充電用トランジスタ31と直列に設けられた電流検出用のセンス抵抗Rsの端子間電圧を監視しながら定電流で電池セル20を充電したり、電池セル20の端子B+の電圧が入力される端子BATの電圧を監視して定電圧で電池セル20を充電したりする機能を有する。
また、本実施形態の電池パックにおいては、充電制御ブロック30が電池電圧を直接監視できるようにするため、電池セル20の正極側の端子B+の電位を充電制御ブロック30へ伝達するための配線L1と、電池セル20の負極側の端子B−の電位を充電制御ブロック30へ伝達するための配線L2とが設けられている。
また、保護ブロック11は、電池が深放電状態(例えば、約1.0V以下)になったことを検出すると放電制御用FET14と充電制御用FET13とを共にオフ状態にして放電はもちろん充電も禁止する深放電保護機能を備えるようにしてもよい。なお、保護ブロック11は、単なる過放電状態の場合には、放電制御用FET14をオフし、充電制御用FET13をオン状態に制御する。
図3には、本実施形態における電池パック100の第1の変形例が示されている。図1の実施例の電池パック100は、電池セル20の負極端子B−側にNチャネル形MOSFETからなる充電制御用FET13と放電制御用FET14を設けて保護ブロック11により制御するロウサイド制御方式を適用したものである。これに対し、図3の変形例の電池パック100は、電池セル20の正極端子B+側にPチャネル形MOSFETからなる充電制御用FET13と放電制御用FET14を設けて電池保護ブロック11により制御するハイサイド制御方式を適用したものである。充電制御用FET13と放電制御用FET14はNチャネル形MOSFETにより構成することも可能である。
この変形例においては、電池セル20の正極側の端子B+の電位を充電制御ブロック30へ直接伝達するための配線L1が設けられている。電池セル20の負極側の端子B−は、保護ブロック11と充電制御ブロック30に共通の接地電位線LGNDに接続されており、充電制御ブロック30は電池セル20の正極側の端子B+の電位と負極側の端子B−の電位を知ることができる。
また、図3の変形例においては、センス抵抗Rsを設ける代わりに、充電制御ブロック30内に充電用トランジスタ31とカレントミラー接続されたトランジスタを設け、充電用トランジスタ31に流れる充電電流に比例した電流をカレントミラー回路に流してその電流値を検出することで電流制御を行うように構成されている。
なお、保護ブロック11と充電制御ブロック30の機能は、図1の実施例のものと同じであるので、重複した説明は省略する。
この変形例においても、図1の実施例と同様に、充電制御ブロック30が電池電圧を直接監視できるようにするため、電池セル20の正極側の端子B+の電位を充電制御ブロック30へ伝達するための配線L1と、電池セル20の負極側の端子B−の電位を充電制御ブロック30へ伝達するための配線L2とが設けられている。
図5には、本発明に係る充電制御装置の第2の実施例が示されている。
第2の実施例の充電制御装置は、図1に示す第1の実施例の充電制御装置とほぼ同様の構成を有する。本実施例の充電制御装置と図1に示す充電制御装置との相違点は、第1に、本実施例の充電制御装置では、充電制御ブロック30で生成した基準電圧Vrefを保護ブロック11へ送って、保護ブロック11は充電制御ブロック30からの基準電圧Vrefに基づいて、電池電圧と比較して過充電状態や過放電状態などを検出するとともに、充電制御ブロック30における定電圧充電への切替え電圧を高くしている点にある。
なお、保護ブロック11と充電制御ブロック30にそれぞれ別個に基準電圧生成回路を設ける場合、各基準電圧生成回路の基準電圧のばらつきは、保護ブロック11と充電制御ブロック30が1つのICとして構成される場合よりも、保護ブロック11と充電制御ブロック30が別々のICとして構成される場合の方が大きくなる。従って、この第2の実施例は、保護ブロック11と充電制御ブロック30とが別々のICとして構成されている場合に適用するとより有効である。
このようにした場合、充電制御ブロック30で生成した基準電圧Vrefがばらつくと、該基準電圧により決定した定電圧充電への切替え電圧と、保護ブロック11で決定した過充電検出電圧が、目標値に対して同じ方向へずれることとなる。そのため、図6(B)に示すように、充電制御ブロック側の定電圧充電への切替え電圧の変動範囲と保護ブロック側の過充電検出電圧の変動範囲が重なるように、つまり図6(A)に示すようなマージンをなくすように、検出電圧を設定したとしても、定電圧充電への切替え電圧Vdet1よりも電池電圧が高くなったことを充電制御ブロック30が検出する前に、過充電検出電圧Vdet2よりも電池電圧が高くなったことを保護ブロック11が検出することはない。
なお、上記とは逆に、図5に破線で示すように、保護ブロック11で生成した基準電圧を充電制御ブロック30へ送るように構成した場合にも上記と同様な作用効果が得られる。また、上述したように一方のブロックから他方のブロックへ基準電圧を送るように構成した上で、監視対象の電池電圧を直列抵抗で分圧した電圧も一方のブロックから他方のブロックへ送るように構成してもよく、それにより分圧用の抵抗のばらつきによる影響の少ない電圧検出が可能となる。
図7は、保護ICと基準電圧を充電制御ICが別々の温度検出素子の特性に基づいてそれぞれ過充電検出電圧や過電流検出電流、電流制御の切替え電圧や過電流検出電流の調整を行うようにした場合の温度と各検出電圧や検出電流との関係を示すものである。一方、図8は、充電制御ブロック(IC)30がバイアスを与え特性の変化を取得するサーミスタ40の信号を保護ブロック(IC)11へも供給するようにした上記第3実施例(図5)の電池パック(充電制御装置)における過充電の検出電圧や過電流検出電流、定電圧充電への切替え電圧の調整を行うようにした場合の温度と各検出電圧や検出電流との関係を示すものである。
また、保護ICが先に過充電状態を検出して充電制御用FETをオフし、充電制御ICがそれを認知できず異常電池であると判断したり充電電流を流す制御を続けようとしたり充電を中止したりすることで、電池の性能が低下したり電池寿命が低下したりするのを回避することができる。
つまり、第2実施例(図5)の電池パック(充電制御装置)においては、電池容量を最大限確保しつつ、電池の性能が低下したり電池寿命が低下したりするのを回避することができる。
なお、充電制御ブロック30によりサーミスタ40へバイアスを与える代わりに、保護ブロック11によりサーミスタ40へバイアスを与え、サーミスタ40からの信号を充電制御ブロック30へも入力するように構成しても良い。
また、前記実施形態では、充電制御ブロック30によって制御される充電用トランジスタ31としてFETを使用しているが、このトランジスタはバイポーラトランジスタであってもよい。
11 保護ブロック(保護回路)
13 充電制御用FET(第2制御用スイッチ素子)
14 放電制御用FET(第1制御用スイッチ素子)
20 電池セル
30 充電制御ブロック(充電制御回路)
31 充電用トランジスタ
100 電池パック
Claims (5)
- 二次電池へ充電電流を流すための充電用トランジスタと、
充電用電源が接続されている場合に前記充電用トランジスタが充電電流を流すように制御する充電制御回路と、
前記二次電池の一方の端子と外部端子との間に直列形態に接続された第1制御用スイッチ素子および第2制御用スイッチ素子と、
前記二次電池が過放電状態となった場合に前記第1制御用スイッチ素子をオフさせて放電電流が流れないようにし、前記二次電池が過充電状態となった場合に前記第2制御用スイッチ素子をオフさせて充電電流が流れ込まないようにする保護回路と、
を備えた充電制御装置であって、
前記充電制御回路は、前記二次電池側の電圧が所定値になるまでは前記充電用トランジスタにより一定の充電電流を流すように制御し、前記二次電池側の電圧が所定値に達した後は定電圧で充電電流を流すように制御を切り替える機能を有し、前記二次電池の正極側の端子電圧および負極側の端子電圧と同一の電位がそれぞれ前記充電制御回路に供給され、
前記充電制御回路には基準電圧生成回路が設けられ、前記充電制御回路と前記保護回路との間には前記基準電圧生成回路により生成された基準電圧を、前記保護回路へ伝達する配線が設けられ、
前記保護回路は、前記配線を介して伝達された基準電圧と前記二次電池の端子電圧とに基づいて過充電状態の検出を行い、
前記充電制御回路は、前記基準電圧生成回路により生成された基準電圧と前記二次電池の端子電圧とに基づいて定電流充電制御から定電圧充電制御への切替えタイミングの検出を行うように構成されていることを特徴とする保護機能付き充電制御装置。 - 二次電池へ充電電流を流すための充電用トランジスタと、
充電用電源が接続されている場合に前記充電用トランジスタが充電電流を流すように制御する充電制御回路と、
前記二次電池の一方の端子と外部端子との間に直列形態に接続された第1制御用スイッチ素子および第2制御用スイッチ素子と、
前記二次電池が過放電状態となった場合に前記第1制御用スイッチ素子をオフさせて放電電流が流れないようにし、前記二次電池が過充電状態となった場合に前記第2制御用スイッチ素子をオフさせて充電電流が流れ込まないようにする保護回路と、
を備えた充電制御装置であって、
前記充電制御回路は、前記二次電池側の電圧が所定値になるまでは前記充電用トランジスタにより一定の充電電流を流すように制御し、前記二次電池側の電圧が所定値に達した後は定電圧で充電電流を流すように制御を切り替える機能を有し、前記二次電池の正極側の端子電圧および負極側の端子電圧と同一の電位がそれぞれ前記充電制御回路に供給され、
前記保護回路には基準電圧生成回路が設けられ、前記保護回路と前記充電制御回路との間には前記基準電圧生成回路により生成された基準電圧を、前記充電制御回路へ伝達する配線が設けられ、
前記保護回路は、前記基準電圧生成回路により生成された基準電圧と前記二次電池の端子電圧とに基づいて過充電状態の検出を行い、
前記充電制御回路は、前記配線を介して伝達された基準電圧と前記二次電池の端子電圧とに基づいて定電流充電制御から定電圧充電制御への切替えタイミングの検出を行うように構成されていることを特徴とする保護機能付き充電制御装置。 - 前記充電制御回路または前記保護回路によりバイアスが与えられる温度検出素子を備え、該温度検出素子における温度変化に伴う特性の変化を示す信号が前記充電制御回路および前記保護回路へ供給されるように構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の保護機能付き充電制御装置。
- 前記充電制御回路と前記保護回路は、1つの半導体チップ上に半導体集積回路として形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の保護機能付き充電制御装置。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の充電制御装置と、該充電制御装置に接続された電池セルとが1つの容器に収納されていることを特徴とする電池パック。
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