JPH077864A

JPH077864A - ２次電池保護装置及び２次電池パック

Info

Publication number: JPH077864A
Application number: JP5143968A
Authority: JP
Inventors: Yasuhito Eguchi; 安仁江口; Kanji Murano; 寛治村野; Kaoru Tomono; 薫友野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-06-15
Filing date: 1993-06-15
Publication date: 1995-01-10
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: JP3312422B2

Abstract

(57)【要約】【目的】電池の応用範囲を拡大する。【構成】この発明では、出力制御部２の構成により、定
電圧出力、複数の異なる電圧出力、交流電圧出力等多様
な出力を得ることができるので、電池の応用範囲が広く
なる。入出力インタフェース１１，２１で出力電圧の可
変や交流出力周波数の可変などが可能となり、また、電
池情報により２次電池Ａ，Ｂの残量等を負荷機器側に出
力することができる。これにより負荷機器の電源部が簡
易となり、負荷機器の小型、軽量、ローコスト化が可能
となる。また、２次電池Ａ，Ｂ側では、保護回路用の放
電スイッチ２２及び充電スイッチ２３を共用して出力制
御を行うため、大きさやコストに与える影響は少ない。
スイッチング素子が必要最低限となるので、電力損失が
少なくなる。又、電流の大きさや、無負荷状態などの検
知により出力制御部２の動作条件を必要最低限の電力損
失とすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２次電池の過充電及び
過放電を防止し且つ、出力電圧の一定化、出力の多様化
により２次電池の用途の拡大をはかる為の出力制御付き
２次電池保護装置及び２次電池パックに関する。

【０００２】

【従来の技術】複数本の電池を直列に接続して収納した
バッテリーパック（２次電池パック）などに於いては、
充電器や負荷となる電池使用機器（以下負荷機器とい
う）に設けた基準電圧と、収納されている複数の電池の
トータル電圧との比較で過充電又は過放電を検出し、こ
れによって充電器や負荷機器をオン・オフ制御している
のが普通である。また、充電器や負荷機器に異常が生じ
た際はバッテリーパック内に設けたサーモスタットなど
の温度による保護機構で、充電器や負荷機器をオン・オ
フ制御してバッテリーパックを保護していた。

【０００３】一方、過充電や過放電によって性能が大き
く劣化するタイプの電池を使用するバッテリーパックで
は、直列に接続されている各電池毎の電圧を検出してば
らつきの補正をしたり、或いは過放電又は過充電を精度
良く検知して電子的スイッチング素子によりオン・オフ
制御を行ないバッテリーパックの保護をしている。

【０００４】一般に、電池の電圧は充電直後が最高で放
電が進むにつれて低くなる。そのため、負荷機器の電源
部で必要に応じて定電圧化等をして動作の安定化をはか
っている。定電圧化の方法としてシリーズレギュレータ
方式やＤＣチョッパやＤＣ−ＤＣコンバータ等のスイッ
チングレギュレータ方式がある。放電時に電圧変化の大
きい電池を使用する場合は、ＤＣチョッパやＤＣ−ＤＣ
コンバータ等のスイッチングレギュレータを使うことに
よって、電力損失を少なくすることが好ましい。

【０００５】また、多様な電圧や可変電圧が必要な場合
には、前述のスイッチングレギュレーターを電源部とし
て内蔵したり、これらを電源装置として外部に設けたり
している。このような電源部もしくは電源装置としては
ＤＣ−ＡＣインバータ等の特殊な機能を備えたものもあ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来は
バッテリーパックなどの電池側には電池保護の電子的ス
イッチング素子が必要で、負荷機器側には電圧レギュレ
ータ用等の電子的スイッチング素子が必要となる。その
ため、バッテリーパックの用途に制約が生じたり、負荷
機器の電源部が複雑で高価となるなどの問題がある。ま
た、スイッチング素子がバッテリーパックと負荷機器の
両方に２重に入るため、電圧降下による損失が多くなる
という問題もある。

【０００７】そこで、本発明は上述したような課題を解
決したものであって、バッテリーパックの用途を広くす
ると共に、負荷機器の電源部を簡単にし、更に電圧降下
による損失を少なくすることが可能な２次電池保護装置
及び２次電池パックを提案するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明においては、２次電池の電圧と基準電圧とを
比較して２次電池の過充電又は過放電状態を検知する手
段と、２次電池の放電電流を遮断する第１のスイッチ手
段と、２次電池の充電電流を遮断する第２のスイッチ手
段と、第１のスイッチ手段及び第２のスイッチ手段の導
通又は非導通を制御する手段を備えた保護部と、第１の
スイッチ手段又は第２のスイッチ手段のうち少なくも片
方のスイッチ手段を共用し、その導通又は非導通を制御
することによって電圧や電流等の制御をする出力制御部
と、２次電池の過放電状態で保護部及び出力制御部の回
路消費電力を減少するためのパワーダウン制御及びパワ
ーダウン状態からの復帰制御が可能なパワーダウン制御
手段とを備えたことを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】本発明の２次電池保護装置及び２次電池パック
では、図２の出力制御部２の構成により、定電圧出力、
複数の異なる電圧出力、交流電圧出力等多様な出力を得
ることができる。入出力インタフェースで出力電圧の可
変や交流出力周波数の可変などが可能となり、また電池
情報により２次電池Ａ，Ｂの残量等を負荷機器側に出力
することができる。

【００１０】これにより負荷機器の電源部が簡易とな
り、負荷機器の小型、軽量、ローコスト化が可能とな
る。また、２次電池Ａ，Ｂ側では、保護回路１用のスイ
ッチング素子を共用して出力制御を行うため、大きさや
コストに与える影響は少ない。

【００１１】更に、スイッチング素子が必要最低限とな
るので、電力損失が少なくなる。又、電流の大きさや、
無負荷状態などの検知により出力制御部２の動作条件を
必要最低限の電力損失とすることができる。単電池に本
発明を適用すれば電池固有の起電力に関係なく任意な出
力が得られ、これによって負荷機器の制限が減る。

【００１２】

【実施例】続いて、本発明に係る２次電池保護装置及び
２次電池パックに付いて図面を参照して詳細に説明す
る。

【００１３】図１は本発明による２次電池保護装置及び
２次電池パックの構成を示す。同図は２本の２次電池
Ａ，Ｂを直列接続した場合を示す。同図において、１は
保護回路部であり、２は出力制御部である。１１は例え
ば電池残量を外部に出力するインタフェースであり、２
１は例えば電圧設定などを外部から入力するインタフェ
ースである。

【００１４】次に、保護回路部１について説明する。保
護回路部１は電池電圧検出部１２、放電系制御ロジック
１３、ＧＮＤレベルシフト１４、充電系制御ロジック１
５、パワーダウン制御部１６、パワーダウンスイッチ１
７、充電検出起動回路１８、過電流検出部１９で構成さ
れている。なお、後述の出力制御部２に設けられている
放電スイッチ２２及び充電スイッチ２３は、保護回路部
１と出力制御部２の両方から制御されるのでここで説明
する。

【００１５】さて、電池電圧検出部１２には、２次電池
Ａ，Ｂの電圧から過充電又は過放電を検出するために、
２次電池Ａの過充電検出部３１と、２次電池Ａの過放電
検出部３２と、２次電池Ｂの過充電検出部３３と、２次
電池Ｂの過放電検出部３４とが設けられている。又、２
次電池Ａ，Ｂの電圧バランスをとる電圧バランス手段３
５が設けられている。

【００１６】放電系制御ロジック１３は、電池電圧検出
部１２からの信号により、過放電の場合は放電スイッチ
２２をオフにしたり、パワーダウン信号ＳＡをパワーダ
ウン制御部１６に出力したり、必要に応じて過充電信号
ＳＢや過放電信号ＳＣをＧＮＤレベルシフト部１４を介
して充電系制御ロジック１５に出力する。

【００１７】また、放電系制御ロジック１３と充電系制
御ロジック１５のＧＮＤレベルが、それぞれ２次電池
Ａ，Ｂの電池負電圧ＶＳＳと、負端子Ｅｂ−となってい
るので、ＧＮＤレベルシフト部１４で各制御ロジック１
３，１５のＧＮＤレベルを合わせることによって、各制
御ロジック１３，１５の正常な動作を確保することがで
きる。

【００１８】充電系制御ロジック１５は過充電信号ＳＢ
を受けたとき充電スイッチ２３をオフにする。また、パ
ワーダウン時必要に応じて充電スイッチ２３をオフにす
る。更に、充電検出起動回路１８からの充電開始信号Ｓ
Ｄを受けたとき、パワーダウン制御部１６にパワーダウ
ン解除信号ＳＥを出力する。パワーダウン制御部１６
は、放電系制御ロジック１３からのパワーダウン信号Ｓ
Ａと、充電系制御ロジック１５からのパワーダウン解除
信号ＳＥを受けたとき、パワーダウンスイッチ１７にパ
ワーダウン制御信号ＳＦを出力する。パワーダウンスイ
ッチ１７は、パワーダウン制御信号ＳＦがローレベル
「Ｌ」のときパワーダウン状態となり、ハイレベル
「Ｈ」のときパワーダウン状態が解除される。

【００１９】充電検出起動回路１８は、２次電池Ａ，Ｂ
の充電状態を検出して充電系制御ロジック１５に充電開
始信号ＳＤを出力する。また、過電流検出部１９は、過
電流を検出すると過電流信号ＳＧを放電系制御ロジック
１３に出力する。

【００２０】次に、保護回路部１の動作を説明する。例
えば、２次電池Ａ又は２次電池Ｂのいずれかが過充電と
なると、充電スイッチ２３をオフにして充電電流をオフ
にする。また、過充電となった２次電池Ａ，Ｂの電圧バ
ランスを取るため、過充電領域を脱するまでオーバーフ
ロー放電する。２次電池Ａ又は２次電池Ｂの少なくとも
１つが過放電となると、放電スイッチ２３がオフとなっ
て放電電流をオフにする。

【００２１】また、２次電池Ａ，Ｂのいずれかが過充電
状態でなければパワーダウン制御部１６からローレベル
「Ｌ」のパワーダウン制御信号ＳＦを出し、パワーダウ
ンスイッチ１７をオフにしてパワーダウン状態となる。
２次電池Ａ，Ｂのいずれかが過充電状態の時は、過充電
となっている２次電池Ａ又は２次電池Ｂがオーバーフロ
ー放電によって過充電状態を脱するまでパワーダウン状
態になることを禁止する。パワーダウン状態では保護回
路部１の消費電流が小さくなる。

【００２２】パワーダウン状態からの充電は、充電検出
起動回路１８で充電を検出して充電開始信号ＳＤが充電
系制御ロジック１５に供給され、これによって充電スイ
ッチ２３がオンになって充電が行なわれる。又、充電が
進み２次電池Ａ，Ｂの電圧がある程度確保されると、パ
ワーダウン制御部１６からハイレベル「Ｈ」のパワーダ
ウン制御信号ＳＦを出力し、強制的にパワーダウンスイ
ッチ１７をオンにしてパワーダウン状態から抜け出す。
２次電池Ａ，Ｂの両方が過放電領域を脱すると正常動作
となる。

【００２３】過電流検出部１９が過電流を検出すると放
電スイッチ２２をオフにする。例えば２次電池パックが
接続された負荷機器の起動時などには、負荷機器のコン
デンサやモータなどに瞬間的に大電流が流れることがあ
るが、この様な瞬間的な大電流で過電流や過放電が検出
されて放電スイッチ２２がオフになり、パワーダウン状
態となることがないように動作に時定数を持たせてい
る。

【００２４】次に出力制御部２について説明する。出力
制御部２は、正端子Ｅｂ＋と負端子Ｅｂ−間の電圧、す
なわち、出力端子電圧を検出する出力電圧検出部４１
と、負荷がつながった状態や放電電流の状態等を検出す
る放電検出部４２と、放電スイッチ２２や充電スイッチ
２３をオン／オフ制御する制御パルス発生回路４３とで
構成されている。

【００２５】出力電圧検出部４１は、出力端子電圧値を
設定するための基準電圧と、出力端子電圧とを比較して
誤差信号ＳＨを出す。誤差信号ＳＨは、制御パルス発生
回路４３から出力されるパルスの周波数やデューティ比
などを制御し、放電スイッチ２２や充電スイッチ２３を
オン／オフ制御する。これによって電池端子電圧が設定
値となるように制御される。

【００２６】電流検出部３は、負荷電流の大きさを検出
して制御パルス発生回路４３を制御することで例えば負
荷電流制限をする。又、無負荷や軽負荷状態などを検知
することで負荷がつながっていないと判断されたとき
は、放電スイッチ２２や充電スイッチ２３のオン／オフ
動作を停止したり、周波数を極端に低くしたりして電圧
制御動作にともなう損失を少なくする。又、電流検出部
３は充電電流の大きさを検出することで制御パルス発生
回路４３を制御し、これによって充電時の充電電流や負
荷機器側からの電流を制限する。

【００２７】本例では外部入出力端子として、電池状態
出力端子１１や、出力設定入力端子２１などを設けるこ
とにより機能の多様化が図られている。電池状態出力１
１の出力としては、例えば電池残量出力がある。すなわ
ち、２次電池Ａ，Ｂの電池残量を電池電圧から検出しよ
うとした場合、出力電圧が設定値に固定されていると外
部では電池残量を検知することができない。そこで、２
次電池Ａ，Ｂの残量を内部で検知しそれを出力すること
で外部で電池残量を知ることができる。電池状態出力の
形態としては、アナログ出力やディジタル出力とするこ
とができる。

【００２８】アナログ出力の場合は比較的単純な状態出
力に有効である。複雑な状態出力、例えば２次電池Ａ，
Ｂの寿命などはデジィタル出力が有効である。ディジタ
ル出力の場合は保護回路部１及び出力制御部２をＣＰＵ
（図示せず）を使ったディジタル処理回路とすること
で、充電回数、過充電になった回数、放電回数、過放電
になった回数、複数電池のバランス状況等の各種状況か
ら寿命や寿命を加味した電池残量などを演算することが
可能であり、これによって多彩な電池状態を出力するこ
とが可能になる。

【００２９】出力設定入力端子２１には、電圧や電流な
どの設定値や、交流出力構成の場合の周波数設定等を外
部から入力する。例えば、出力電圧設定基準値を入力す
れば、出力端子電圧を外部より可変とすることが可能に
なる。又、負荷機器の状態、例えば負荷が非動作状態
（負荷のパワースイッチがオフの場合）や、無負荷状態
（負荷機器がつながっていない場合）等の検出としても
使用することが可能になる。

【００３０】この様な場合は出力制御部２でのパルス発
生を停止させることによって、２次電池Ａ，Ｂの消耗を
防ぐようなことが可能になる。出力設定入力端子２１の
信号入力形態としては、前述と同様にアナログ入力やデ
ィジタル入力とすることが可能である。なお、電池状態
出力端子１１又は出力設定入力端子２１を複数系統設け
ることも可能である。

【００３１】次に、各部を更に詳細に説明する。図２は
保護回路部１及び出力制御部２の構成を示す。本例は出
力制御部２を降圧型ＤＣチョッパー形式とした場合であ
る。また、本図は出力端子を充電用負端子Ｅｃ−と放電
用負端子Ｅｂ−とに分け、放電電圧、すなわち、正端子
Ｅｂ＋と負端子Ｅｂ−間の電圧を一定にする場合を示し
ている。

【００３２】このような構成は、実用面からみると充電
時の電圧損失や放電時の電圧損失が小さくなり、充電用
負端子Ｅｃ−と放電用負端子Ｅｂ−が分離しているの
で、安全性及び信頼性にも好ましいものである。ここで
は、充電スイッチ２３及び放電スイッチ２２としてＮチ
ャネルパワーＭＯＳを用いている。

【００３３】さて、保護回路部１の機能を内部構成に
基づいて説明する。保護回路部１の電池電圧検出部１２
には、２次電池Ａ，Ｂの電圧検出手段として４個のコン
パレータ５１〜５４が設けられている。片方の２次電池
Ａの電圧は過放電検出用のコンパレータ５１及び過充電
検出用のコンパレータ５２で基準電圧Ｅ１と比較され、
もう片方の２次電池Ｂの電圧は過放電検出用のコンパレ
ータ５３及び過充電検出用のコンパレータ５４で基準電
圧Ｅ２と比較される。

【００３４】これによって、２次電池Ａ，Ｂの過充電あ
るいは過放電が検出される。各２次電池Ａ，Ｂの電圧は
ラダー抵抗群Ｒ３〜Ｒ７で分圧してコンパレータ５１〜
５４に供給する。各コンパレータ５１〜５４は過放電あ
るいは過充電を検出するとハイレベル「Ｈ」の信号を出
力する。

【００３５】過電流検出は、放電スイッチ２２の内部抵
抗及び放電電流で生ずる電圧降下と基準電圧Ｅ３とをコ
ンパレータ５５で比較して検出する。充電検出起動回路
１８では、パワーダウン状態から充電をしたとき充電用
負端子Ｅｃ−の電位が電池負電圧ＶＳＳより下がること
を利用して充電を検出する。

【００３６】充電検出起動回路１８の後に接続されてい
るトータル電圧検出部５６は、２次電池Ａ，Ｂの両端の
電圧、すなわち、電池正電圧ＶＤＤと電池負電圧ＶＳＳ
間の電圧を検出し、これが所定の電圧以上のときパワー
ダウン解除信号ＳＥを出力する。パワーダウン制御部１
６は、パワーダウンスイッチ１７Ａ，１７Ｂのオン／オ
フ制御を行う。

【００３７】ここで、過充電時の動作について説明す
る。例えば、２次電池Ａが過充電となったとすると、２
次電池Ａの過充電検出用のコンパレータ５２の出力がハ
イレベル「Ｈ」となる。コンパレータ５２の出力信号は
２入力オアゲート５７を介してパワーダウン制御部１６
と、ＧＮＤレベルシフト部１４に入力される。この信号
はＧＮＤレベルシフト部１４から充電系制御ロジック１
５に供給される。

【００３８】充電系制御ロジック１５への信号は過充電
検出信号ＳＩとなり、パワーダウン制御部１６への信号
はパワーダウン禁止信号ＳＪとなる。充電系制御ロジッ
ク１５では、過充電検出信号ＳＩを最優先で受け取り、
これによって充電スイッチ２３をオフにして充電電流を
遮断する。上述の動作は２次電池Ｂが過充電となったと
きも同様である。２次電池Ａまたは２次電池Ｂの両方が
過充電であることを検出した場合も、オアゲート５７か
ら過充電検出信号ＳＩが出力されて上述と同様の動作が
行われる。

【００３９】２次電池Ａの両端に接続されている抵抗Ｒ
１及びスイッチ５８と、２次電池Ｂの両端に接続されて
いる抵抗Ｒ２及びスイッチ５９は、２次電池Ａ，Ｂのそ
れぞれに対するバランス回路である。本例では、スイッ
チ５８，５９にパワーＭＯＳ−ＦＥＴを使用している。
ここでは、過充電となった２次電池Ａ，Ｂに対応するバ
ランス回路のスイッチ５８，５９がオンし、それぞれ電
流ＩＡ，ＩＢを流す。これによって過充電となった２次
電池Ａ又は２次電池Ｂが過充電領域を脱するまで放電す
る。

【００４０】そして、２次電池Ａ又は２次電池Ｂが過充
電領域を脱すると、過充電検出信号ＳＩがローレベル
「Ｌ」となり、スイッチ５８，５９がオフになる。ま
た、充電スイッチ２３がオンになって充電が再開され、
２次電池Ａ，Ｂのどちらかが過充電となると上述と同様
に放電動作を繰り返す。

【００４１】次に、過放電時の動作について説明する。
例えば、片方の２次電池Ａが過放電となったとすると、
過放電検出用のコンパレータ５１がハイレベル「Ｈ」と
なる。コンパレータ５１の出力信号は２入力オアゲート
６０を経て、放電系制御ロジック１３に入る。そして、
この中の過放電制御ロジックの時定数Ｔ１が経過した後
信号が出力され、これが２入力アンドゲート６１を経て
放電スイッチ２２に供給されてオフとなる。これによっ
て放電電流が遮断される。また、放電系制御ロジック１
３では、パワーダウン時定数Ｔ２が経過した後パワーダ
ウン制御部１６等に信号を出力する。

【００４２】ここでは、負荷機器の起動時等に生ずる瞬
間的な大電流が２次電池Ａ，Ｂの内部抵抗に流れること
によって電池電圧が下がり、このとき過放電検出されて
放電スイッチ２２がオフになったり、或いはパワーダウ
ンとなることを防止できるように、上述の時定数Ｔ１，
Ｔ２の値が適宜設定されている。

【００４３】上述のように、過電流がショート等によっ
て発生したときに、過放電検出が働きパワーダウンとな
っては困るので、時定数Ｔ１経過後に放電スイッチ２２
をオフにしてからパワーダウンを検出するようになって
いる。但し、電池電圧の復帰は負荷電流がオフになって
からしばらく掛かる場合があるので、時定数Ｔ１，Ｔ２
はＴ１＜Ｔ２に設定されている。

【００４４】パワーダウン信号ＳＡはパワーダウン制御
部１６に入る。この時オアゲート５７からの過充電検出
信号ＳＩ、すなわち、パワーダウン禁止信号ＳＪがなけ
ればパワーダウンスイッチ１７がオフになってパワーダ
ウン状態となる。また、２次電池Ａ，Ｂの電圧バランス
が極端に崩れ、片方の例えば２次電池Ａが過充電でもう
一方の２次電池Ｂが過放電となった時には、パワーダウ
ンすると過充電となっている２次電池Ａのオーバーフロ
ー放電がオフとなり、過充電領域から脱出不能となり不
都合が生ずる。本例では、このようなことが起きないな
いようになっている。

【００４５】続いて、過電流時の動作について説明す
る。負荷電流がショート等で過大に流れてこれが検出さ
れると、２次電池Ａ，Ｂ及びスイッチ素子などを保護す
るため放電スイッチ２２をオフにする。すなわち、放電
スイッチ２２の内部抵抗によって生ずる電圧と基準電圧
Ｅ３とをコンパレーター５５で比較し、過電流状態であ
ることが検出されるとここからハイレベル「Ｈ」の信号
が出力される。そして、放電系制御ロジック１３から過
電流検出信号ＳＩを出力することにより放電スイッチ２
２をオフにするのであるが、上述のように瞬間的な大電
流では動作しないように時定数Ｔ１が設定されている。

【００４６】次に、パワーダウン状態及びパワーダウン
状態からの復帰について説明する。パワーダウン状態で
はパワーダウンスイッチ１７Ａ，１７Ｂがオフになり、
これによってコンパレーター５１〜５４、基準電圧Ｅ
１，Ｅ２、ラダー抵抗群Ｒ３〜Ｒ７など電流が流れる部
分をオフにしている。また、充電スイッチ２３及び放電
スイッチ２２もオフになっている。パワーダウン状態に
なると回路の消費電流が減り、２次電池Ａ，Ｂの電圧が
０Ｖになるまでの時間が大幅に長くなり、２次電池Ａ，
Ｂの寿命が改善される。

【００４７】次に、パワーダウン状態から充電をする場
合について説明する。充電用負端子Ｅｃ−に充電電圧が
印加されると、この充電用負端子Ｅｃ−の電位は電池負
電圧ＶＳＳより低くなる。そこで、充電用負端子Ｅｃ−
の電圧を充電検出起動回路１８が検出して充電開始信号
ＳＤを出力し、これを充電系制御ロジック１５が受けて
充電スイッチ２３をオフにする。これによって、２次電
池Ａ，Ｂの充電が開始される。更に、充電開始信号ＳＤ
によりトータル電圧検出部５６が動作し、２次電池Ａ，
Ｂの電圧がコンパレーター５１〜５４などの検出動作可
能な電圧に達すると、パワーダウンスイッチ１７Ａ，１
７Ｂをオンにして強制的に過充電又は過放電検出を開始
する。更に電池電圧が上昇して過放電領域を脱すると、
正常動作になる。

【００４８】次に、出力制御部２について説明する。本
例では、放電用負端子Ｅｂ−と正端子Ｅｂ＋との間の電
圧が定電圧で、且つ、２次電池Ａ，Ｂの電圧の最低電圧
より低い場合の構成例として示す。つまり、降圧型ＤＣ
チョッパー構成となっている。出力制御部２のスイッチ
素子は、保護回路部１の放電スイッチ２２を共用してい
る。放電スイッチ２２のオン／オフの比、すなわちデュ
ーティ比で出力電圧が制御できる。

【００４９】放電用負端子Ｅｂ−に接続されている平滑
用チョークコイルＬ１はエネルギー蓄積用インダクタン
スである。ＤＦはフライホイールダイオードであり、放
電スイッチ２２がオン／オフしても負荷電流が断続する
のを防止する。Ｃ０１は平滑用のコンデンサである。Ｒ
０１，Ｒ０２は出力電圧検出用の分圧抵抗である。７１
は電圧検出用アンプもしくはコンパレーターである。こ
のコンパレーター７１では基準電圧Ｅ０１と正端子Ｅｂ
＋を基準とし、これと出力電圧とを比較する。基準電圧
Ｅ０１を外部から制御すれば可変出力となる。２入力ア
ンドゲート６１では、保護回路部１の信号と出力制御部
２の信号をゲートする。

【００５０】発振器７２は可変周波数或いは可変デュー
ティを生成するもので、コンパレータ７１の出力電圧
と、充電電流及び放電電流を検出する電流検出回路３の
出力とで制御される。この電流検出回路３は、２次電池
Ａ，Ｂ側から負荷側に流れる電流及び負荷側から２次電
池Ａ，Ｂ側に流れる電流を検出したとき、発振器７２に
信号を出力する。これによってスイッチングのデューテ
ィを制御し、設定された電流やその電流値が最大電流と
なるように電流制限をする。電流及び電流値を外部から
設定すれば可変電流制御が可能となる。

【００５１】この電流検出動作は、保護回路部１の過電
流検出動作とは基本的に異なる。保護回路部１の過電流
検出においては、上述のように異常な過大電流を検出し
たときに負荷を遮断して保護動作を行なう。又、電流検
出回路３で軽負荷や無負荷などを検知することもでき
る。

【００５２】次に、出力制御部２の更に詳細な構成及び
動作について、図３以下を参照して説明する。図３は、
出力制御部２を降圧型チョッパーとした場合の構成図で
ある。同図に示すように、例えば２次電池Ａ，Ｂの合計
である２次電池Ｃの正側は正端子Ｅｂ＋につながってい
る。２次電池Ｃの負側は、放電スイッチ２２のソース端
子及びドレイン端子を通り、コイルＬ１を経て負端子Ｅ
ｂ−につながっている。

【００５３】コイルＬ１の２次電池Ｃ寄りには、２次電
池Ｃの正側がカソード側となるようにフライホイルダイ
オードＤＦがつながっている。また、コイルＬ１の出力
端子側、すなわち正端子Ｅｂ＋側には、平滑用コンデン
サＣ０１がつながっている。さらに、出力端子Ｅｂ＋，
Ｅｂ−間には分圧用抵抗Ｒ０１，Ｒ０２が直列につなが
っていて、直列抵抗Ｒ０１，Ｒ０２の分圧点が電圧検出
用のコンパレータ７１の正入力端子につながり、基準電
圧Ｅ０１がコンパレータ７１の負入力端子につながって
いる。

【００５４】基準電圧Ｅ０１は正端子Ｅｂ＋側が基準と
なるようにつながっている。これは、出力電圧の負端子
Ｅｂ−側に放電スイッチ２２が入っているので、負端子
Ｅｂ−側を基準とできないからである。コンパレータ７
１の出力は発振器７２につながっている。発振器７２の
出力は２入力アンドゲート６１を通り、放電スイッチ２
２のゲート端子につながっている。

【００５５】次に、出力制御部２の動作を説明する。放
電スイッチ２２がオンになると電流ｉ１が流れる。電流
ｉ１はコイルＬ１にエネルギーを蓄積しながら増大す
る。そして、放電スイッチ２２がオフになると、電流ｉ
１はフライホイールダイオードＤＦを通る電流ｉ２とな
り、コイルＬ１に蓄積したエネルギーを使いながら減少
していく。このように放電スイッチ２２のオン／オフに
伴い、電流ｉ１，ｉ２の発生が繰り返される。

【００５６】抵抗Ｒ０１，Ｒ０２の分圧点の電圧が基準
電圧Ｅ０１より下がったとき、すなわち、正端子Ｅｂ＋
と負端子Ｅｂ−間の出力電圧Ｖｏが基準電圧Ｅ０１より
高くなったときには、コンパレータ７１の出力信号電圧
が下がり、放電スイッチ２２のオン期間が短く（デュー
ティ比が小さく）なるように発振器７２の発振波形が制
御される。また、これとは逆に出力電圧Ｖｏが下がる
と、コンパレータ７１の出力信号電圧が上がり、放電ス
イッチ２２のオン期間が長くなるように発振器７２の発
振波形が制御される。これによって出力電圧Ｖｏが設定
電圧に合うようになる。出力電圧Ｖｏの設定値は、基準
電圧Ｅ０１または、抵抗Ｒ０１，Ｒ０２の分圧比等で変
更することが可能である。この分圧比を外部から制御す
ると、可変電圧出力制御となる。

【００５７】次に、発振器７２について説明をする。こ
こでは、可変デューティの発振出力を得る場合について
説明する。発信器７２では三角波（又は鋸歯状波）を発
生し、コンパレータ７１に供給する。そして、コンパレ
ータ７１の比較電圧を変化させることにより、デューテ
ィ可変の出力が得られる。可変範囲は、最小パルス幅と
周期により定まる。最小パルス幅は、コンパレータ７１
の周波数特性や三角波などの頂点の鈍り等で制限があ
る。パルス幅０まで制御しようとすると、最小パルス幅
から０に、又は、０から最小パルス幅に飛びが生ずるの
で、周期と最小パルス幅の比が大きい方が好ましい。

【００５８】一方、一定のパルス幅を発生させておき、
その発生周期を変化させて可変デューティを得る方法も
ある。パルス幅を小さく設定して周波数を下げ、デュー
ティ０への飛びを小さくすることも可能であるが、この
場合はデューティの大きい時の周波数が高くなってしま
う。また、発振周波数が高いほど許容電圧変化（リップ
ル）に対するコイルＬ１のインダクタンスが小さくても
よくなるので小型化が図れるが、周波数が高いほどスイ
ッチング損失が増加する。したがって、上述の２つの方
法を必要に応じて組み合わせて使用することが効果的で
ある。

【００５９】なお、発振器７２をヒステリシスをもつ比
較器構成とし、コンパレータ７１の出力がハイレベル
「Ｈ」で放電スイッチ２２がオンとなり、ローレベル
「Ｌ」でオフとなるようにすると、自励式チョッパーと
して働くので出力電圧Ｖｏを設定値に定電圧化すること
が可能になる。ヒステリシスの幅は、出力電圧Ｖｏの変
化（リップル）が許容できる幅に設定する。

【００６０】自励式チョッパーの場合は、負荷電流など
でチョッパーの周波数が変化するが、負荷電流が小さく
なると周波数が極端に下がりスイッチング損失が減少す
る。負荷が無負荷になると時々スイッチングすることに
なり２次電池Ｃの消耗防止に効果がある。なお、コンデ
ンサＣ０１は、スイッチングノイズや出力電圧変化など
を低減させるための平滑コンデンサである。

【００６１】次に、放電にともない電池電圧が変化した
ときの出力電圧Ｖｏと、スイッチ波形の関係を図４を参
照して説明する。図４（Ａ）は縦軸が電圧Ｖ、横軸が放
電時間Ｔであり、電池電圧Ｖｉを実線で、出力電圧Ｖｏ
を２点鎖線で示す。同図において、電池電圧Ｖｉ線上に
放電初期（電圧が高い）から放電末期（電圧が低い）に
かけ点Ａ，Ｂ，Ｃを取り、各時点に於けるスイッチ波形
を同図（Ｂ）〜（Ｄ）に示す。なお、出力電圧Ｖｏは点
Ｃで示す放電末期電圧より低い。

【００６２】同図から分かるように、Ａ点からＣ点にか
けて放電スイッチ２２の周期Ｔに対するオン期間Ｔ（Ｏ
Ｎ）と、オフ期間Ｔ（ＯＦＦ）の関係が変化している。
周期Ｔ＝Ｔ（ＯＮ）＋Ｔ（ＯＦＦ）であり、デューティ
比Ｄ＝Ｔ（ＯＮ）／Ｔとすると、本例の降圧型チョッパ
ーでの入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏの関係は、Ｖｏ＝Ｖ
ｉ×Ｔ（ＯＮ）／Ｔ＝Ｖｉ×Ｄとなる。

【００６３】本例では入力電圧Ｖｉが電池電圧であるの
で、出力電圧Ｖｏを一定にするためデューティＤを図示
のように変化させる。なお、出力電圧Ｖｏを求める式は
説明の為のものであるので、放電スイッチ２２、フライ
ホイールダイオードＤＦ、コイルＬ１等の電圧や電流或
いはスイッチング等にともなう損失は含まれていない。
後述の他の方式についても、出力電圧Ｖｏの式は損失を
無視して説明する。

【００６４】さて、電流ｉ１，ｉ２の波形を図５に示
す。同図（Ａ）は放電スイッチ２２のオン／オフ波形で
ある。電流ｉ１は同図（Ｂ）に示すように放電スイッチ
２２がオンの期間に流れ、コイルＬ１にエネルギーを蓄
積する。放電スイッチ２２がオフになると電流ｉ１は０
になる。すなわち、放電スイッチ２２がオンの期間だけ
２次電池Ｃから電流が流れる。

【００６５】電流ｉ２は、同図（Ｃ）に示すように放電
スイッチ２２がオフの期間に流れ、フライホイールダイ
オードＤＦを通りコイルＬ１のエネルギーを放出しなが
ら流れる。そして、出力電流としては同図（Ｄ）に示す
ように電流ｉ１と電流ｉ２が連続した電流となり、これ
によって負荷に連続した電流が流れることになる。

【００６６】図６は出力制御部２を昇降圧型チョッパー
として構成した例である。昇降圧型チョッパーとは、出
力電圧Ｖｏが入力電圧Ｖｉの最高値と最低値の間にある
もので（図７）、入力電圧Ｖｉが高いときは降圧型とし
て働き、入力電圧Ｖｉが低いときは昇圧型として働く。
本例では、図３に示した降圧型チョッパーに逆流防止用
のダイオード７３と、スイッチ７４と、スイッチ７４の
ドライブ用極性反転ドライブ（インバータ）７５とが追
加されている。ここでは、スイッチ７４にＰチャネルパ
ワーＭＯＳを用いている。

【００６７】次にこの出力制御部２の動作の説明をす
る。放電スイッチ２２及びスイッチ７４は同時にオン
し、これによって電流ｉ３が流れてコイルＬ１にエネル
ギーが蓄積される。次に、両方のスイッチ２２，７４が
オフになるとコイルＬ１のエネルギーを放出し、各ダイ
オードＤＦ，７３を通る電流ｉ２がコンデンサＣ０１を
チャージしながら負荷に流れる。

【００６８】本例の場合は上述の降圧型チョッパー（図
３）とは異なり、負荷側に電流が供給されるのは、両方
のスイッチ２２，７４がオフになっている期間のみとな
る。従って、負荷電流はコンデンサＣ０１のディスチャ
ージにより連続性を保つことになる。

【００６９】出力電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｖｉ×Ｔ（ＯＮ）
／Ｔ（ＯＦＦ）となる。すなわち、Ｔ（ＯＮ）とＴ（Ｏ
ＦＦ）の比率、すなわち、デューティを変えることで出
力電圧Ｖｏを制御することができる。Ｔ（ＯＮ）とＴ
（ＯＦＦ）が等しいとき、すなわちデューティが０．５
のとき入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏが等しくなる。抵抗
Ｒ０１，Ｒ０２、基準電圧Ｅ０１、コンパレータ７１、
発振器７２などの働きは、上述の降圧型チョッパーと同
様である。

【００７０】なお、コイルＬ１に流れる電流ｉ２の向き
が逆になるような場合、例えば設定された負荷電流に対
し実際の負荷電流が非常に小さい等の場合には、逆流防
止用のダイオード７３があるため負荷側に供給された電
力を負荷側で消費しきれなくなり、出力電圧Ｖｏが高く
なってしまう。又、負荷側への電力の供給は断続的にな
るので、負荷電流に対し各スイッチ２２，７４やコイル
Ｌ１に流れる電流はかなり大きい値となるため損失に注
意する必要がある。

【００７１】図７は電池電圧Ｖｉの変化に対する各スイ
ッチ２２，７４のデューティの変化を示す。図８は各ス
イッチ２２，７４のオン／オフと電流ｉ３及び電流ｉ２
の関係を示す。図９は図６の逆流防止用ダイオード７３
をＮチャネルパワーＭＯＳのスイッチ７６に置き換えた
ものである。図１０はスイッチ７６のオン／オフのタイ
ミングを示す。

【００７２】図９の例では、スイッチ２２，７４がオフ
のときスイッチ７６がオンとなるように制御する。この
場合、図６の構成では順方向電圧降下があり電圧損失が
発生する。ダイオード７３がシリコンダイオードの場合
は約０．７Ｖの損失が生じ、ショットキーダイオードの
場合でも約０．５Ｖぐらいの損失を生ずる。しかし、図
９のようにダイオード７３の代わりにオン抵抗の小さい
スイッチ７６を用いることで、この損失を大幅に軽減す
ることが可能になる。

【００７３】図９ではスイッチ７６を充電スイッチとし
て兼用した例として、保護回路部１からの制御も行える
ようにアンドゲート７７が設けられている。又、スイッ
チ７６のグランドは充放電端子Ｅｂ−，Ｅｃ−側となる
ので、グランド制御用としてＧＮＤシフト７８を設けて
いる。スイッチ７６を制御するアンドゲート７７のグラ
ンドもシフトされたグランド、すなわち、充放電端子Ｅ
ｂ−，Ｅｃ−をグランドとして動作する。

【００７４】図６及び図９で示した昇降圧型チョッパー
は、入力電圧Ｖｉに対し出力電圧Ｖｏが高い場合と低い
場合との両方に適用することが可能である。しかし、入
力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏが同一で、本来ならスイッチ
ング動作をしなくても良い場合でもスイッチングをし、
かつ、出力電流に対しかなり大きな電流がスイッチ２２
やコイルＬ１やダイオード７３等に流れるので損失が多
くなり、効率が悪いという面もある。

【００７５】次に、出力電圧Ｖｏが入力電圧Ｖｉすなわ
ち電池電圧より低い場合は降圧型とし、高い場合は昇圧
型に切換ることで損失を減らした昇降圧型チョッパーの
実施例について、図１１〜１４を参照して説明する。こ
れは、基本的には上述の昇降圧型チョッパーと同一であ
り、スイッチ２２，７４のオン／オフの仕方が異なるも
のである。

【００７６】図１１は昇降圧切換チョッパー形式の出力
制御部２の構成を示す。図１２はこの出力制御部２の降
圧動作部と昇圧動作部の関係を示す。同図に示すよう
に、電池電圧Ｖｉが放電するのに伴い電圧がＡ点からＣ
点に変化し、一定の出力電圧ＶｏとＢ点で交差する。Ｂ
点よりＡ点寄りの範囲が降圧動作部で、Ｃ点寄りが昇圧
動作部である。

【００７７】図１３は放電スイッチ２２及びスイッチ７
４のオン／オフの周期と、各電流ｉ１〜ｉ３の波形を示
す。降圧動作部では、同図（Ａ），（Ｂ）に示すように
放電スイッチ２２がオン／オフし、スイッチ７４はオフ
のままとなっていて、降圧型チョッパーの構成となって
いる。従って、電流ｉ１，ｉ２及び出力電流（ｉ１＋ｉ
２）は同図（Ｃ），（Ｄ），（Ｆ）のようになり、これ
は、上述した降圧型チョッパーと同様である。図１２の
Ｂ点では、電池電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏが等しいので放
電スイッチ２２はオンのままであり、スイッチ７４はオ
フのままでオン／オフ動作をしない。昇圧動作部では放
電スイッチ２２がオンのままとなり、スイッチ７４がオ
ン／オフして昇圧動作をする。

【００７８】ここで、昇圧動作について説明する。スイ
ッチ７４がオンすると、２次電池Ｃから電流ｉ３が流れ
コイルＬ１にエネルギーが蓄積される。次に、スイッチ
７４がオフになるとコイルＬ１に蓄積されていたエネル
ギーで逆起電力が生じ、これによって電流ｉ１が負荷側
に放出される。

【００７９】昇圧型の場合も、負荷側に電流を供給する
のは放電スイッチ２２及びスイッチ７４がオフになった
期間のみであり、昇降圧型の場合と同様に断続的に供給
されることとなる。しかし、昇圧型の場合は、出力電圧
ＶｏはコイルＬ１の蓄積エネルギーからだけでなく電池
電圧Ｖｉが加算されるので、コイルＬ１が蓄積したり放
出したりするエネルギーは昇降圧型に比べ小さくて良
い。つまり、コイルＬ１がエネルギーを蓄積する期間、
すなわち、スイッチ７４がオンする期間は短くなり、負
荷側に電流を流す期間、すなわち、スイッチ７４がオフ
になっている期間が長くなるので、負荷電流に対して各
素子に流れる電流は余り大きくなく損失が少ないことに
なる。

【００８０】昇圧型の出力電圧ＶｏはＶｏ＝Ｖｉ×Ｔ／
Ｔ（ＯＦＦ）＝Ｖｉ×Ｔ／（Ｔ−Ｔ（ＯＮ））となる。
すなわち、スイッチ７４のオン期間が短いと出力電圧Ｖ
ｏは電池電圧Ｖｉに近づき、オン期間が長くなると出力
電圧Ｖｏは高くなる。

【００８１】次に、降圧と昇圧の切換について説明す
る。図１４において、電池電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏが近
似している状態では、降圧動作時の場合は放電スイッチ
２２のオフ期間Ｔ（ＯＦＦ）が連続的に０になることは
不可能であり、ある最小パルス幅Ｔ（ＯＦＦ）ｍｉｎか
ら不連続的に０となる。同様に、昇圧動作時もスイッチ
７４のオン期間Ｔ（ＯＮ）がある最小パルス幅Ｔ（Ｏ
Ｎ）ｍｉｎから不連続的に０となる。

【００８２】これにより、出力電圧Ｖｏに切換点で影響
が出る。例えば、出力電圧Ｖｏを一定に制御しようとし
ても、図示のように変動が出てしまう。すなわち、降圧
動作時は、電池電圧Ｖｉが下がるにつれて放電スイッチ
２２のオン期間が長くなり（当然オフ期間は短くな
る）、これによって出力電圧Ｖｏを一定に保っている
が、電池電圧Ｖｉが出力電圧Ｖｏに近くなると、オフ期
間がある最小値に達して急に０になり、放電スイッチ２
２がオンのままになって出力電圧Ｖｏが上昇する。

【００８３】そして、電池電圧Ｖｉが更に下がってある
電圧に達すると、昇圧動作に切り替わる。この切り替わ
る電圧を最小パルス幅Ｔ（ＯＦＦ）ｍｉｎでの昇圧分に
相当する電圧とすると、同図のように出力電圧Ｖｏは元
の電圧に戻りそれ以降は一定値となる。降圧、昇圧の切
換は図１１の昇降切換部７９で行なわれ、コンパレータ
７１の検出電圧と発振器７２の動作状況等に基づいて適
宜切り換えられる。

【００８４】上述の説明では、切換点付近で出力電圧Ｖ
ｏが変動することになる。なお、電圧差が小さくなると
スイッチング周波数を低く（周期Ｔを長く）することで
最小オフ期間との比率を大きくすることや、降圧昇圧切
切り換え部のオーバーラップや、切換点選定等の電圧変
動を小さくするための工夫を必要に応じて組み合わせて
用いるのが好ましい。この件は本発明に直接関係ないの
で説明を省略する。

【００８５】次に、図１５及び図１６を参照して、図１
１のフライホイルダイオードＤＦと逆流防止用のダイオ
ード７３を、それぞれＰチャネルパワーＭＯＳを用いた
スイッチ８０とＮチャネルパワーＭＯＳを用いたスイッ
チ７６に置き換えた例を説明する。これにより、ダイオ
ードＤＦ，７３の順方向電圧降下による損失が減少する
と同時に、回生機能（後述）が付与される。

【００８６】図１５は図１１のダイオードＤＦ，７３を
スイッチ８０，７６に置き換えたブロック図である。ス
イッチ８０は、放電スイッチ２２がオフの時のフライホ
イルダイオードＤＦに代わるものなので、放電スイッチ
２２がオフのときオンするように制御される。放電スイ
ッチ２２がＮチャネルであり、スイッチ８０がＰチャネ
ルなので制御パルスは同相のものでよい。同様にスイッ
チ７６とスイッチ７４も制御パルスは同相でよい。

【００８７】本例では、放電スイッチ２２が保護回路部
１と兼用であり、スイッチ７６は保護回路部１の充電ス
イッチ２３を兼用しているので、それぞれアンドゲート
６１，７７が設けられている。ＧＮＤシフト７８はスイ
ッチ７６のグランドが２次電池Ｃ側のグランドと異なる
ために設けたものであり、当然スイッチ７６の制御をす
るアンドゲート７７のグランドもシフトされたグランド
である。

【００８８】ダイオードＤＦ，７３をスイッチ８０，７
６に置き換えたことにより、電流が両方向に流れること
が可能となるため、負荷電流が少ない時（無負荷を含
む）でも出力電圧Ｖｏが異常に高くなるという現象がな
くなる。さらに、起電力を持つ負荷がつながった場合、
負荷側から２次電池Ｃ側に電流を流すことも可能とな
り、いわゆる、回生機能が付与されることになる。例え
ば電動機などを運転しているときに、電動機を減速する
のに電動機の起電力で電池に逆電流（充電電流）を流し
てブレーキを掛ける回生制動等に回生機能が使用され
る。

【００８９】図１６は図１５の回生時の動作を説明する
ために主要素子を抜き出したブロックを示す。図１６の
ように２次電池Ｃ側と負荷側が対称になっているので、
各スイッチ２２，８０，７４，７６の制御の仕方で２次
電池Ｃ側から負荷側に電流が流れるように制御すること
はもちろん、逆に、起電力を有する負荷側から２次電池
Ｃ側に電流を流すこともできる。

【００９０】ここで、降圧型チョッパーとして動作して
いるときの回生電流について説明する。降圧型の場合、
電池電圧Ｖｉは負荷の起電力より高い。放電スイッチ２
２がオンの時はスイッチ８０がオフとなり、放電スイッ
チ２２がオフのときはスイッチ８０がオンとなる。又、
スイッチ７６，７４も同様の関係になっている。

【００９１】そして今、スイッチ２２，８０の組がスイ
ッチング動作をしていて、スイッチ７６，７４の組はス
イッチ７６がオンのままになっているとすると、スイッ
チング動作のデューティＤ１に見合った電圧が負荷側に
供給される。負荷側は、その電圧を起電力として持つ性
質のものであったとする。

【００９２】ここで、出力電圧Ｖｏが下がるようなスイ
ッチング動作のデューティＤ２に変化させたとすると、
２次電池Ｃ側から負荷側には電流が供給されなくなる。
逆にスイッチ８０がオンで放電スイッチ２２がオフのと
き、スイッチ８０、コイルＬ１、スイッチ７６の経路で
負荷側から電流ｉ４が流れ、コイル７Ｌ１にエネルギー
が蓄積される。そして、スイッチ８０がオフになるとコ
イルＬ１のエネルギーによって、２次電池Ｃ、放電スイ
ッチ２２、コイルＬ１、スイッチ７６の経路で電流ｉ６
が流れる。

【００９３】この動作は負荷側からみると昇圧型チョッ
パーとなっている。この電流ｉ６は、２次電池Ｃを充電
する方向に流れる。そして、負荷側の起電力がスイッチ
ングのデューティＤ２に見合った電圧まで下がって定常
状態になる。なお、定常状態では負荷電流が供給される
様な負荷が一般的であり、その場合は負荷の起電力はチ
ョッパーのデューティから決まる出力電圧Ｖｏより低
い。

【００９４】しかし、負荷電流が０で起電力があるよう
な負荷状況もある。この場合は、コイルＬ１に流れる電
流は、放電スイッチ２２のオン期間の前半に２次電池Ｃ
側から流れ、オン期間の後半に負荷側から流れる。放電
スイッチ２２のオフ期間前半では負荷側から流れ、オフ
期間の後半では２次電池Ｃ側から流れてバランスが取
れ、これによって一定電圧の出力を保つ。これに対し、
上述のダイオードＤＦ，７３を使ったものでは、ダイオ
ードＤＦ，７３に逆電流が流れないので、無負荷や起電
力を有する負荷の場合、出力電圧Ｖｏが異常に高くなる
ことがある。

【００９５】昇圧型として動作している場合の回生時の
電流の流れは、電流ｉ６と電流ｉ５となる。これは、昇
圧型の場合は電池電圧Ｖｉより出力電圧Ｖｏが高いの
で、負荷側から見て降圧型チョッパーとして動作してい
ることから容易に理解できる。各スイッチ２２，７４，
７６，８０の状況は、放電スイッチ２２がオンでスイッ
チ８０がオフのとき、スイッチ７６がオン／オフとなる
と共に、スイッチ７４がオフ／オンとなるチョッパー動
作となる。

【００９６】以上降圧と昇圧の切換型で説明したが、昇
降圧型として動作させた場合でも切換型と同様に回生機
能を持つことはもちろんである。なお、本方式の場合、
発振器７２を自励式にしても無負荷時のスイッチング損
失低減効果が期待できなくなるので、発振器７２を発振
停止させるための負荷状態検出手段を設ける必要があ
る。負荷状態検出手段としては、図１に示した出力設定
入力端子２１から負荷状態を入力したり、２次電池パッ
クが負荷装置に着装されたことでオン／オフするスイッ
チ（図示せず）を設けることが可能である。

【００９７】今まで述べた実施例は、出力制御部２にチ
ョッパー形式を用いたもので説明したが、出力制御部２
にＤＣ−ＤＣコンバータ等の構成を使っても良い。ＤＣ
−ＤＣコンバータにするとＧＮＤが独立した多出力が得
られ、用途によっては好都合である。

【００９８】更に、図１７に示すように出力制御部２を
ＤＣ−ＡＣインバータの構成としても良い。ＤＣ−ＡＣ
インバータの構成は、基本的にはＤＣチョッパー等を２
組用いて負荷に交流電流が流れるようにする。単相交流
の場合は１つの出力に対し２つのチョッパーが必要とな
るが、３相交流の出力とすると３組のチョッパーで良
く、素子の数が少なくなり実用的である。

【００９９】図１８は単相交流の場合のスイッチ素子の
配置例を示す。負荷８１に交流電流が流れるように４つ
のスイッチ素子８２のオン／オフを制御する。オン／オ
フの方法は容易に分かるので詳細説明を省略する。図１
９は３相交流の場合の例を示す。６つのスイッチ素子８
２のオン／オフにより、３つの負荷８１に３相交流が流
れるように制御する。負荷８１はＹ結線で示してあるが
Δ結線でも良い。スイッチ素子８２のオン／オフの仕方
は省略する。

【０１００】交流周波数の周期中をＤＣ−ＤＣチョッパ
ーで変調し、出力波形を正弦波に近づけることも一般的
に良く行われていることである。多出力や３相交流など
にすると素子の数が増加するが、１つずつの素子は電流
容量が小さいものを使うことが可能になるので、大電流
を扱うときには好都合となる。

【０１０１】以上、実施例ではスイッチ素子にパワーＭ
ＯＳを用いた場合について説明したが、スイッチ素子に
はバイポーラトランジスタやＳＣＲやその他のスイッチ
素子を使うことが可能であり、扱う電力（電圧や電流）
の大きさ、周波数、使用目的（環境等も含む）等から適
したものを選択することが可能である。

【０１０２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、２次電池
の電圧と基準電圧とを比較して２次電池の過充電又は過
放電状態を検知する手段と、２次電池の放電電流を遮断
する第１のスイッチ手段と、２次電池の充電電流を遮断
する第２のスイッチ手段と、第１のスイッチ手段及び第
２のスイッチ手段の導通又は非導通を制御する手段を備
えた保護部と、第１のスイッチ手段又は第２のスイッチ
手段のうち少なくも片方のスイッチ手段を共用し、その
導通又は非導通を制御することによって電圧や電流等の
制御をする出力制御部と、２次電池の過放電状態で保護
部及び出力制御部の回路消費電力を減少するためのパワ
ーダウン制御及びパワーダウン状態からの復帰制御が可
能なパワーダウン制御手段とを備えたものである。

【０１０３】したがって、本発明によれば、次のような
効果がある。（１）電池保護用の第１スイッチ手段及び
第２スイッチ手段を共用して２次電池出力の電圧や電流
を制御できるので、保護用のスイッチと制御用のスイッ
チを別々に持ったときに比べて電力損失が減少し且つ構
成が簡単になる。（２）出力電圧を一定にするように出
力制御をすることで、負荷機器内の定電圧装置が不要と
なる。（３）電池電圧より低い一定電圧を得ることが可
能になる。（４）電池電圧より高い一定電圧を得ること
が可能になる。（５）電池電圧の最高電圧と最低電圧の
間の一定電圧が得られる。（６）電池電圧の最高電圧と
最低電圧の間の一定電圧を得るとき、昇圧型と降圧型を
切り替えることでスイッチングに伴う損失を減少でき
る。（７）交流出力を得ることが可能になるので負荷機
器の汎用性が広がる。（８）負荷側から２次電池側に電
流を流せる様にすれば回生制動等が可能になる。（９）
色々な電圧の出力を得ることで、複数の異なる電圧が必
要な負荷に対応できる。（１０）電流制限をすること
で、定電流源もしくは電流制限を上限とした電流を供給
できる。（１１）Ｉ／Ｏインタフェースにより、電圧、
電流、周波数等を外部から可変することができる。（１
２）Ｉ／Ｏインタフェースにより、電池残量などの状態
を外部に出力することができる。（１３）軽負荷、無負
荷検出により、出力制御部の損失を軽減できる。（１
４）出力制御部をＤＣ−ＤＣコンバータ形式とすること
で、電池のグランドと出力のグランドが独立した出力が
得られる。（１５）出力制御付き保護回路が電池と一体
化しているので、取扱いが容易で取扱いミスが無くな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る２次電池保護装置及び２次電池パ
ックの構成図である。

【図２】保護回路部１及び出力制御部２の構成図であ
る。

【図３】降圧型チョッパー形式の出力制御部２の構成図
である。

【図４】図３の出力電圧Ｖｏとスイッチ波形の関係を説
明する図である。

【図５】放電スイッチ２２のオン／オフと電流ｉ１，ｉ
２の波形の関係を説明する図である。

【図６】昇降圧型チョッパー形式の出力制御部２の構成
図である。

【図７】図６の出力電圧Ｖｏとスイッチ波形の関係を説
明する図である。

【図８】スイッチ２２，７４のオン／オフと電流ｉ１，
ｉ２の関係を説明する図である。

【図９】図６の変形例を示す構成図である。

【図１０】図９の各スイッチ２２，７４，７６のオン／
オフタイミングを説明する図である。

【図１１】昇降圧切換型チョッパー形式の出力制御部２
の構成図である。

【図１２】図１１の降圧動作部と昇圧動作部を説明する
図である。

【図１３】図１１のスイッチ２２，７４のオン／オフと
電流ｉ１，ｉ２，ｉ３の関係を説明する図である。

【図１４】昇降圧切換型チョッパーの切換点の電圧を説
明する図である。

【図１５】図１１の変形例の構成図である。

【図１６】図１５の回生動作を説明する図である。

【図１７】実施例の変形例の構成図である。

【図１８】ＤＣ−ＡＣインバータ２Ａの出力を単相交流
としたときの回路図である。

【図１９】ＤＣ−ＡＣインバータ２Ａの出力を３相交流
としたときの回路図である。

【符号の説明】

１２次電池保護装置及び２次電池パック内の保護回路
部２２次電池保護装置及び２次電池パック内の出力制御
部３電流検出部１１電池状態出力端子１２電池電圧検出部１３放電系制御ロジック１４ＧＮＤレベルシフト１５充電系制御ロジック１６パワーダウン制御部１７，１７Ａ，１７Ｂパワーダウンスイッチ１８充電検出起動回路１９過電流検出部２１出力設定入力端子２２放電スイッチ２３充電スイッチ４１出力電圧検出部４２放電検出部４３制御パルス発生回路５１〜５５，７１コンパレータ５６トータル電圧検出部５７，６０２入力オアゲート５８，５９，８０スイッチ６１，７７２入力アンドゲート７２発振器７３逆流防止用ダイオード７４，７６スイッチ７５インバータ７８グランドシフト７９昇降切換え部８１負荷８２スイッチ素子ＤＦフライホイルダイオードＬ１平滑用チョークコイルＣ０１平滑用コンデンサＥ０１基準電圧Ｅｂ＋正端子Ｅｂ− 負端子Ｅｃ− 充電用負端子ＶＤＤ電池正電圧ＶＳＳ電池負電圧

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２次電池の電圧と基準電圧とを比較して
上記２次電池の過充電又は過放電状態を検知する手段
と、上記２次電池の放電電流を遮断する第１のスイッチ
手段と、上記２次電池の充電電流を遮断する第２のスイ
ッチ手段と、上記第１のスイッチ手段及び上記第２のス
イッチ手段の導通又は非導通を制御する手段を備えた保
護部と、上記第１のスイッチ手段又は上記第２のスイッチ手段の
うち少なくも片方のスイッチ手段を共用し、その導通又
は非導通を制御することによって電圧や電流等の制御を
する出力制御部と、上記２次電池の過放電状態で上記保護部及び上記出力制
御部の回路消費電力を減少するためのパワーダウン制御
及び上記パワーダウン状態からの復帰制御が可能なパワ
ーダウン制御手段とを備えたことを特徴とする２次電池
保護装置。
【請求項２】上記出力制御部で出力電圧を検出してこ
れを基準電圧と比較し、上記出力電圧が上記２次電池の
端子電圧における最低電圧より低く設定された一定電圧
になるように、上記第１のスイッチ手段及び上記第２の
スイッチ手段の導通又は非導通を繰り返し制御する降圧
型ＤＣチョッパーとなるように構成されていることを特
徴とする請求項１記載の２次電池保護装置。
【請求項３】上記出力制御部で出力電圧を検出してこ
れを基準電圧と比較し、上記出力電圧が上記２次電池の
端子電圧における最高電圧より高く設定された一定電圧
になるように、上記第１のスイッチ手段及び上記第２の
スイッチ手段の導通又は非導通を繰り返し制御する昇圧
型ＤＣチョッパーとなるように構成されていることを特
徴とする請求項１記載の２次電池保護装置。
【請求項４】上記出力制御部で出力電圧を検出してこ
れを基準電圧と比較し、上記出力電圧が上記２次電池の
端子電圧における最低電圧と最高電圧の間に設定された
一定電圧になるように、上記第１のスイッチ手段及び上
記第２のスイッチ手段の導通又は非導通を繰り返し制御
する昇降圧型ＤＣチョッパーとなるように構成されてい
ることを特徴とする請求項１記載の２次電池保護装置。
【請求項５】上記出力制御部で出力電圧を検出してこ
れを基準電圧と比較し、上記出力電圧が上記２次電池の
端子電圧における最低電圧と最高電圧の間に設定された
一定電圧になるよう上記第１のスイッチ手段及び上記第
２のスイッチ手段の導通又は非導通を繰り返し制御する
昇降圧型ＤＣチョッパーであり、上記出力電圧より上記
２次電池の電圧が高いときは降圧型に切り換えられ、上
記出力電圧より上記２次電池の電圧が低いときは昇圧型
に切り換えられるように構成されていることを特徴とす
る請求項１記載の２次電池保護装置。
【請求項６】上記出力制御部は出力が単相交流又は多
相交流となるように構成されていることを特徴とする請
求項１から請求項５記載の２次電池保護装置。
【請求項７】起電力を持った負荷が接続された場合、
設定された出力電圧より上記起電力が高いとき、上記出
力制御部から上記２次電池に充電電流を流すようにした
ことを特徴とする請求項１から請求項６記載の２次電池
保護装置。
【請求項８】複数の独立した出力端子を備え、上記出
力端子から独立して出力することを可能にしたことを特
徴とする請求項１から請求項７記載の２次電池保護装
置。
【請求項９】放電電流値検出手段又は充電電流値検出
手段のうち少なくとも１つを備え、上記放電電流検出手
段又は上記充電電流検出手段で検出された電流と比較基
準電流とを比較し、上記検出された電流が予め設定され
た一定電流もしくは最大電流となるように制御するよう
にしたことを特徴とする請求項１から請求項８記載の２
次電池保護装置。
【請求項１０】基準電圧、基準電流、周波数等の設定
情報や上記２次電池の残存容量等の状態検知情報等を入
出力するためのインタフェースを備えたことを特徴とす
る請求項１から請求項９記載の２次電池保護装置。
【請求項１１】無負荷状態又は軽負荷状態の検知手段
と、上記各状態が検知されたとき上記第１のスイッチ手
段又は上記第２のスイッチ手段のスイッチング周期を変
えるか、上記各スイッチ手段のスイッチング動作を停止
して電力損失を軽減する手段を備えたことを特徴とする
請求項１から請求項１０記載の２次電池保護装置。
【請求項１２】上記出力制御部は電圧制御方式がＤＣ
−ＤＣコンバータ形式であることを特徴とする請求項１
又は請求項８から請求項１１に記載の２次電池保護装
置。
【請求項１３】請求項１から請求項１２に記載の２次
電池保護装置が内蔵されていることを特徴とする２次電
池パック。
【請求項１４】上記出力制御部の交流出力の周波数及
び又は電圧を可変にするための外部からの制御信号の入
力端子及び又は出力端子と、上記制御信号に対応して上
記交流出力の周波数及び又は電圧を可変する出力可変手
段を備え、上記交流出力の周波数及び又は電圧を外部か
ら可変可能にしたことを特徴とする請求項６記載の２次
電池保護装置。