JPH0937472A - 電池の充放電監視回路およびこれを用いたパック電池 - Google Patents

電池の充放電監視回路およびこれを用いたパック電池

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JPH0937472A
JPH0937472A JP7183875A JP18387595A JPH0937472A JP H0937472 A JPH0937472 A JP H0937472A JP 7183875 A JP7183875 A JP 7183875A JP 18387595 A JP18387595 A JP 18387595A JP H0937472 A JPH0937472 A JP H0937472A
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正一 若尾
Tetsuya Suzuki
徹也 鈴木
Fumiaki Nakao
文昭 中尾
Katsuo Yamada
克夫 山田
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 過充電保護機能が作動した後に放電しても電
力損失の生じない電池の充放電監視回路およびこれを用
いたパック電池を提供する。 【構成】 電池1と外部端子2、3とを結ぶ充放電路に
挿入されて充放電路を開閉するスイッチング素子FET
1およびFET2と、FET1と電池1に接続して電池
1の充電電圧が設定値以上になるとFET1を開状態と
する駆動信号を出力する過充電検出回路4と、FET2
と電池1に接続して電池1の放電電圧が設定値以下にな
るとFET2を開状態とする駆動信号を出力する過放電
検出回路5と、FET1と電池1に接続して電池1の放
電状態を検出するとFET1を閉状態とする駆動信号を
出力する放電制御回路7とを備え、放電制御回路7の電
源端子はFET2のゲートに接続している。充放電監視
回路8と電池1とは一体的にパッケージングされてパッ
ク電池としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、二次電池を対象
とした充放電監視回路およびこれを用いた充放電監視回
路電池パックに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、リチウムイオン二次電池などには
安全性の向上のため過充電保護機能や過放電保護機能が
設けられている。これらの機能を実現するために過充電
検出回路や過放電検出回路がIC化されてスイッチング
素子などとともに充放電監視回路として電池に一体化さ
れ、電池パックとしてパッケージ化されている。
【0003】前記充放電監視回路の具体的な回路構成を
図2を参照にして説明する。過充電保護機能を奏する回
路としては、電池1と充電用電源9接続用の外部端子
2、3とを結ぶ充放電路に挿入されたスイッチング素子
FET1と、電池1の端子間に接続された過充電検出回
路4とから構成される。過放電保護機能を奏する回路と
しては、電池1と負荷9接続用の外部端子2、3とを結
ぶ充放電路に挿入されたスイッチング素子FET2と、
電池1の端子間に接続された過放電検出回路5とから構
成される。これら過充電検出回路4と過放電検出回路5
とは集積化されて1個のICチップ6となっている。
【0004】先ず過充電保護機能を奏する回路について
説明する。過充電検出回路4は、集積回路6の内部で作
成される過充電検出レベルの基準電源V1とそれがプラ
ス側入力端子に接続された比較器CO1と、この比較器
CO1の外部端子に接続されたレベルシフト回路Lとを
有している。
【0005】スイッチング素子FET1はMOS−FE
T(MOS形電界効果トランジスタ)であってこれには
ボディーダイオードD1が付帯しており、ソースは外部
端子3に接続するとともにドレインはスイッチング素子
FET2のドレインに接続している。
【0006】また、比較器CO1の入出力特性には適宜
なヒステリシスが設定されており、これによりスイッチ
ング素子FET1の開閉動作(オン・オフ動作)が不必
要に繰り返されること(チャタリング)を防止してい
る。比較器CO1のマイナス側入力端子は電池1の正極
端子に接続するとともに外部端子はレベルシフト回路L
を介してスイッチング素子FET1のゲート端子に接続
している。レベルシフト回路Lは比較器CO1の出力の
基準電位を変換することによりスイッチング素子FET
1を安定して駆動するためのものである。
【0007】すなわち、比較器CO1のマイナス側入力
端子は電池電圧Vbが印加されるとともに、集積回路6
の内部で作成された過充電検出レベルの設定電圧Vr1が
プラス側入力端子に印加されている。
【0008】したがって、比較器CO1の入力電圧Vin
1 が設定電圧Vr1以上である場合には出力信号OUT1
によりスイッチング素子FET1を開状態(オフ状態)
に駆動し、入力電圧Vin1 が設定電圧Vr1を下回ってい
る場合には出力信号OUT1によりスイッチング素子F
ET1を閉状態(オン状態)とする。
【0009】次に過放電保護機能を奏する回路を説明す
る。過放電検出回路5の構成は、過充電検出回路4の構
成に対して、比較器CO2の入力端子の極性が比較器C
O1のそれと反対である点、およびレベルシフト回路L
が設けられていない点を除いて同じである。また、比較
器CO2の外部端子はスイッチング素子FET2のゲー
トに接続している。
【0010】スイッチング素子FET2は前記のFET
1と同様、MOS−FETであってこれにはボディーダ
イオードD2が付帯しており、ソースは電池1の負極端
子に接続している。
【0011】すなわち、比較器CO2の入力電圧Vin2
が集積回路6の内部で作られる過放電検出レベルの設定
電圧Vr2以下である場合には出力信号OUT2によりス
イッチング素子FET2を開状態に駆動し、入力電圧V
in2 が設定電圧Vr2を上回っている場合には出力信号O
UT2によりスイッチング素子FET2を閉状態とす
る。
【0012】以上のように構成された充放電監視回路の
全体の動作について説明する。先ず電池1の充電動作を
説明する。先ず初期状態では、電池1が十分に放電され
ていて(電池電圧Vbが十分に小さい)、以下のように
スイッチング素子FET1は閉状態、スイッチング素子
FET2は開あるいは閉状態となっている。
【0013】つまり、スイッチング素子FET2が開状
態である場合にはそのボディダイオードD2を通し、ま
たFET2が閉状態である場合にはこれのチャネルを通
し、さらに閉状態のスイッチング素子FET1を通して
充電用電源9の充電電流が電池1に供給される。従って
外部端子2と3間には電池電圧Vbがほぼそのまま生じ
ている。過充電検出回路4に電池電圧Vbが印加され、
電池電圧Vbが比較器CO1で監視される。充電初期で
は電池電圧Vbが十分小さいため電圧Vinが設定電圧V
r1より小さく、従ってスイッチング素子FET1が閉状
態にされる。このようにしてスイッチング素子FET1
はオンとなり電池1への充電が続くことになる。
【0014】電池1の充電が進み、電池電圧Vbが徐々
に大きくなり、これが設定電圧Vr1より大きくなると、
レベルシフト回路Lを通した比較器CO1の出力OUT
1が反転し、スイッチング素子FET1が開状態とな
り、電池1への充電が停止する(これが過充電保護機能
である)。
【0015】次に満充電後の電池1の放電動作を説明す
る。充電した電池1を放電するには、外部端子2と3間
に充電用電源9に代えて負荷9を接続する。このとき、
電池1は満充電状態であるため、放電にともなって電池
電圧Vbが設定電圧Vr1を下回るまでスイッチング素子
FET1は比較器CO1のヒステリシスによって開状態
を維持し、FET2は閉状態にある。従って、放電電流
Idはスイッチング素子FET1に付帯しているボディ
ーダイオードD1、かつFET2のチャネルを通して流
れることになる。
【0016】そして、電池1の放電が進んで電池電圧V
bが徐々に小さくなり、最終的に設定電圧Vz2より小さ
くなると、比較器CO2の出力OUT2が反転してスイ
ッチング素子FET2が開状態となり、電池2の放電が
停止する(これが過放電保護機能である)。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】前述したような電池の
充放電監視回路にあっては、過充電保護機能が作動して
スイッチング素子FET1が開状態となり、この開状態
のままで電池が放電するとFET1に付帯するボディー
ダイオードD1を通じて放電電流Idが流れる。
【0018】このとき、ボディーダイオードD1の順方
向電圧降下に比例した電力損失が生じるといった問題が
あった。この電力損失によって放電効率が低下し、大電
流放電やきわめて長時間の放電といった要求に対応しに
くくなってしまう。
【0019】本願発明は上記問題を鑑みてなされたもの
であり、その目的は、過充電保護機能が作動した後に放
電しても電力損失の生じない電池の充放電監視回路およ
び電池パックを提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本願発明の電池の充放電監視回路にあっては、電池
と充電用外部端子とを結ぶ充放電路に挿入されて前記充
放電路を開閉する過充電保護用スイッチング素子と、前
記過充電保護用スイッチング素子および前記電池に接続
して前記電池の充電電圧が設定値以上になると前記過充
電保護用スイッチング素子を開状態とする駆動信号を出
力する過充電検出回路と、前記過充電保護用スイッチン
グ素子および前記電池に接続して前記電池の放電状態を
検出すると前記過充電保護用スイッチング素子を閉状態
とする駆動信号を出力する放電制御回路とを備えてな
る。
【0021】好ましくは、前記電池と前記外部端子とを
結ぶ前記充放電路に挿入されて前記充放電路を開閉する
電界効果トランジスタからなる過放電保護用スイッチン
グ素子と、前記過放電保護用スイッチング素子および前
記電池に接続して前記電池の放電電圧が設定値以下にな
ると前記過放電保護用スイッチング素子を開状態とする
駆動信号を出力する過放電検出回路とを備え、前記放電
制御回路の電源端子を前記過放電保護用スイッチング素
子のゲートに接続してなる。
【0022】また、本願発明の充放電監視回路を用いた
パック電池では、前記の電池の充放電監視回路と一ある
いは複数の前記電池とを一体的にパッケージングしてな
る。
【0023】前記構成の電池の充放電監視回路にあって
は、前記放電制御回路が前記電池の放電状態を検出して
前記過充電保護用スイッチング素子を閉状態にする。す
なわち、前記電池の電池電圧が設定値以上になると過充
電検出回路が駆動信号を出力して前記過充電保護用スイ
ッチング素子を開状態とするが、この開状態で前記電池
が放電し始めると、前記放電制御回路が前記過充電保護
用スイッチング素子を閉状態にする。
【0024】このとき放電電流が流れる前記過充電保護
用スイッチング素子には僅かなオン抵抗が生ずるだけで
その電圧降下も僅かとなる。したがって、放電時の前記
過充電保護用スイッチング素子による電力損失はごく僅
かなものとなる。
【0025】また、前記放電制御回路の電源端子を前記
過放電保護用スイッチング素子のゲートに接続した場合
には、前記電池の放電電圧が設定値を上回った状態、す
なわち過放電状態でない状態では前記過放電保護用スイ
ッチング素子は閉状態にあるため前記電池の放電許可信
号が動作電源として前記ゲートと並列に前記放電制御回
路に流れ込む。そして、前記電池が過放電状態となって
前記電池の放電電圧が設定値以下になると前記過放電保
護用スイッチング素子を開状態とするため前記放電制御
回路の動作電源が消失し、不必要に前記放電制御回路に
動作電源を供給して過放電状態が促進されることがな
い。
【0026】さらに、本願発明の充放電監視回路を用い
たパック電池は、前記充放電監視回路と一あるいは複数
の前記電池とを一体的にパッケージングしたため、外部
機器に組み込む際に、前記電池と前記充放電監視回路と
をそれぞれ組み込むことなく一体となったパック電池を
組み込むだけでよいため組立作業が簡便となる。
【0027】
【発明の実施の形態】本発明に係る電池の充放電監視回
路の好適な実施の形態を図1を参照にして説明する。本
願実施の形態では、前述の従来例として図2に示した回
路に放電制御回路7を追加して充放電監視回路8として
いる。この点以外は基本的に図4の従来例と同じ構成で
あり、これら同一部分については同一の符号を付して詳
しい説明は省略する。
【0028】前述した従来例と共通の構成部分であるス
イッチング素子FET1、2の動作は本願実施の形態で
も従来と同様であり、まとめると以下の論理値表の通り
となる。
【0029】
【表1】 すなわち、過充電あるいは過放電の何れかの状態でない
時は、通常動作時としてスイッチング素子FET1、2
のゲート電圧はHigh状態(H)となり、FET1、
2は閉状態(オン状態)となる。そして過充電時には、
FET1のゲート電圧はLow状態(L)となり、FE
T1は開状態となる。またこの時、FET2のゲート電
圧はHigh状態(H)であり、FET2は閉状態とな
っている。そして過放電時には、FET1のゲート電圧
はHigh状態(H)であり、FET1は閉状態(オン
状態)となっている。またこの時、FET2のゲート電
圧はLow状態(L)となり、FET2は開状態(オフ
状態)となる。
【0030】次に放電制御回路7について説明する。放
電制御回路7は、スイッチング素子FET2のゲートに
エミッタが接続されたトランジスタTr1と、このトラ
ンジスタTr1のエミッタ−ベース間に接続された抵抗
R3と、トランジスタTr1のベースに抵抗R4を介し
てコレクタが接続されたトランジスタTr2と、このト
ランジスタTr2のベースにベースが接続されたトラン
ジスタTr3と、このトランジスタTr3のコレクタと
トランジスタTr1のエミッタとの間に接続された抵抗
R5と、トランジスタTr1のコレクタに抵抗R6を介
してアノードが接続されたダイオードDとを備えてい
る。
【0031】トランジスタTr2のエミッタは一方の放
電検出端子としてスイッチング素子FET2のソースに
接続されている。トランジスタTr3のベース−コレク
タ間は短絡しており、そのエミッタは他方の放電検出端
子としてスイッチング素子FET2のドレインに接続さ
れている。ダイオードDのカソードは過充電検出回路4
の出力OUT1とスイッチング素子FET1のゲートに
接続されている。
【0032】トランジスタTr1のエミッタ、ベース、
トランジスタTr2のベース、およびトランジスタTr
3のベース、コレクタは、スイッチング素子FET2の
ゲートと直接、あるいは各抵抗を介して接続しており、
このゲート信号を利用して放電制御回路7の動作電源が
供給される。また、ダイオードDのカソードを通して出
力される信号OUT3はスイッチング素子FET1を開
閉動作させる駆動信号となる。
【0033】以上のように構成された放電制御回路7の
動作について詳述する。先ず、放電電流Idが流れてい
ない場合FET2のドレイン−ソース間の電圧はゼロで
ある為、制御回路7はカレントミラー回路の構成となっ
ており、R5に流れる電流とR4に流れる電流は、ほぼ
等しく、R3の電圧降下ではTr1のベース−エミッタ
間の電圧はOFFの領域になる様、設定されている。次
に充電を行い、電池1が過充電状態になると、前述した
ように、スイッチング素子FET1は開状態(FET2
は閉状態)となる。そして放電状態に切り替わると放電
電流Idが流れるが、比較器COはヒステリシスを有し
ている為電池電圧Vbが設定電圧を下回るまで出力OU
T1は過充電状態を維持する事になり、スイッチング素
子FET1は開状態を維持しようとしている。同様に電
池電圧Vbが過放電設定電圧を下回るまで出力OUT2
は”H”の状態を維持しており、スイッチング素子FE
T2は開状態である。
【0034】このときスイッチング素子FET2はその
オン抵抗によってソースよりドレインの方が高電位とな
りTr3のコレクタ電流は無くなって、R5に流れてた
電流は、Tr2のベースに流れ込み、Tr2のコレクタ
電流は増大する。このことによりトランジスタTr1が
閉状態になり、抵抗R6およびダイオードDを介して電
流がスイッチング素子FET1のゲートに流れ込み、開
状態であったFET1が強制的に閉状態となる。
【0035】すなわち、過充電保護機能が動作してスイ
ッチング素子FET1が開状態となった後に電池1が放
電しても、放電制御回路7の動作によってFET1は閉
状態となり放電電流IdはボディダイオードD1を通る
ことなくFET1のチャネルを通って流れることにな
る。
【0036】したがって、スイッチング素子FET1に
は僅かなオン抵抗が生ずるだけでその電圧降下も僅かと
なる。したがって、FET1による電力損失はごく僅か
なものとなる。
【0037】また、放電制御回路7の電源端子を過放電
検出回路5の出力OUT2と過放電保護用スイッチング
素子FET2に接続したので、過放電検出回路5が電池
1の過放電状態を検出してFET2を開状態とするため
放電制御回路7の動作電源が消失し、不必要に放電制御
回路7に動作電源を供給して過放電状態が促進されるこ
とを確実に防止できる。
【0038】電池1の充電時では、スイッチング素子F
ET2はソースよりドレインの方が低電位となる。この
とき電池電圧Vbが設定電圧以下(過放電時)ではFE
T2は開状態にあり、CO2の出力OUT2は”L”で
あるため放電制御回路7の動作電源は消失している。そ
して、電池電圧Vbが設定電圧を上回る(通常動作時)
と、FET2は閉状態となって放電制御回路7の動作電
源は印加されるが、Tr2のエミッタ電位の方がTr3
のエミッタ電位より高いためTr3が閉状態となり、T
r1、2が開状態となってOUT3への出力はOFFの
状態にあり、OUT1による過電圧制御に対して影響を
与えることはない。
【0039】以上のような充放電監視回路8を電池1と
ともに一体的にパッケージングしてパック電池を構成す
る。外部機器に組み込む際に、電池1と充放電監視回路
8とをそれぞれ組み込むことなく一体となったパック電
池を組み込むだけでよいため組立作業が簡便となる。
【0040】ここで、過充電保護機能が動作した後に放
電した場合のスイッチング素子FET1の電力損失を本
願実施の形態の場合と前述の従来例の場合とで比較す
る。電池1の放電電流Idを1Aとすると、従来例の場
合では端子間電圧が0.6VのボディーダイオードD1
を介して放電電流Idが流れるため電力損失が0.6W
となるのに対して、本願実施の形態の場合ではFET1
の0.05オームのオン抵抗が生ずるだけであるため電
力損失が0.05Wとなり、本願実施の形態では電力損
失を従来例の1割以下の約8%にまで低減させることが
できる。また、放電電流Idが大きければ大きいほど電
力損失の低減効果が大きくなる。
【0041】したがって、本願実施の形態にあっては電
池1の放電効率をきわめて向上させることができ、放電
容量を最大限に引き出すことができる。
【0042】なお、電池1の放電状態の検出にあたっ
て、過放電保護用スイッチング素子FET2の両端に放
電検出端子としてトランジスタTr2、3のエミッタを
接続させる構成としたが、この構成に限らず例えば、充
放電路中に放電検出用の抵抗を挿入してこの抵抗の両端
に前記放電検出端子を接続させる構成とするなど、様々
な放電状態検出用の回路構成を適宜採用できる。
【0043】したがって、本願発明は、放電制御回路7
の動作電源を抵抗などを介して電池1の正極端子から取
るなどして過放電検出回路5および過放電保護用スイッ
チング素子FET2を省略したものでも適用可能であ
る。
【0044】また、本願発明は、一個の電池に限らず複
数の電池を直列または並列に接続した集合電池などにも
適用できる。この場合、各々の電池に対して図1の充放
電監視回路8をそれぞれ配設してもよいし、集合電池全
体に対して一個の充放電監視回路8を配設してもよい。
【0045】なお、図1、2は回路機能をシンボリック
に表現したものであり、現実的にはVin1 ,2 は電池電
圧Vbを分圧し、基準電圧Vr1、2 もそれぞれに対応し
た電圧値として使用する。
【0046】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本願発明の
電池の充放電監視回路にあっては、放電時の前記過充電
保護用スイッチング素子による電力損失をごく僅かなも
のにすることができため、放電効率をきわめて向上させ
ることができ、前記電池の放電容量を最大限に引き出す
ことができる。
【0047】また、前記スイッチング素子による放電時
の電力損失を僅かにできるため、これによる発熱量も低
減できる。したがって、前記スイッチング素子の放熱対
策も軽減できる。すなわち、前記スイッチング素子の放
熱面積を減らせるため実装面積を小さくでき小型化が図
れる他、前記スイッチング素子に安価なものを採用でき
経済性を向上できる。
【0048】さらに、前記放電制御回路の電源端子を過
放電検出回路の出力に接続した場合には、前記放電制御
回路が電池の過放電状態をさらに促進することを確実に
防止できる。
【0049】さらにまた、本願発明の充放電監視回路を
用いたパック電池にあっては、これを外部機器に組み込
む際に、前記電池と前記充放電監視回路とをそれぞれ組
み込むことなく一体となったパック電池を組み込むだけ
でよいため組立作業が簡便となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明の実施の形態による電池の充放電監視
回路の構成図である。
【図2】従来の電池の充放電監視回路の構成図である。
【符号の説明】
1 電池 D1、D2 ボ
ディダイオード 2、3 外部端子 R1乃至R6
抵抗 4 過充電検出回路 Tr1乃至Tr3
トランジスタ 5 過放電検出回路 V1、V2 基
準電源 6 ICチップ Vr1、Vr2 設
定電圧 7 放電制御回路 D ダイオード 8 充放電監視回路 L レベルシフ
ト回路 9 充電用電源、負荷 Vb 電池電圧 CO1、CO2 比較器 Vin1 入力電
圧 OUT1乃至OUT3 出力信号 FET1、FET2 スイッチング素子
フロントページの続き (72)発明者 山田 克夫 東京都港区新橋5丁目36番11号 富士電気 化学株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電池(1)と外部端子とを結ぶ充放電路
    に挿入されて該充放電路を開閉する過充電保護用スイッ
    チング素子(FET1)と、該過充電保護用スイッチン
    グ素子(FET1)および該電池(1)に接続して該電
    池(1)の充電電圧が設定値以上になると該過充電保護
    用スイッチング素子(FET1)を開状態とする駆動信
    号を出力する過充電検出回路(4)と、該過充電保護用
    スイッチング素子(FET1)および該電池(1)に接
    続して該電池(1)の放電状態を検出すると該過充電保
    護用スイッチング素子(FET1)を閉状態とする駆動
    信号を出力する放電制御回路(7)とを備えてなること
    を特徴とする電池の充放電監視回路。
  2. 【請求項2】 前記電池(1)と前記外部端子とを結ぶ
    前記充放電路に挿入されて該充放電路を開閉する電界効
    果トランジスタからなる過放電保護用スイッチング素子
    (FET2)と、該過放電保護用スイッチング素子(F
    ET2)および該電池(1)に接続して該電池(1)の
    放電電圧が設定値以下になると該過放電保護用スイッチ
    ング素子(FET2)を開状態とする駆動信号を出力す
    る過放電検出回路(5)とを備え、前記放電制御回路
    (7)の電源端子を該過放電保護用スイッチング素子
    (FET2)のゲートに接続してなることを特徴とする
    請求項1記載の電池の充放電監視回路。
  3. 【請求項3】 請求項1または2に記載の電池の充放電
    監視回路(8)と一あるいは複数の前記電池(1)とを
    一体的にパッケージングしてなることを特徴とする充放
    電監視回路を用いたパック電池。
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