JPH10117443A - 二次電池の過充電及び過放電防止装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部抵抗に起因する電池電圧の上昇に影響さ
れないで二次電池の過充電を防止する。 【解決手段】 ＦＥＴドライブ部３１により充電電流制
御用ＦＥＴ３２及び放電電流制御用ＦＥＴ３３からなる
充放電制御スイッチ回路３を制御する。電圧比較器４
２，４３及び基準電圧源４４，４５によって単位電池電
圧検出部４を構成する。電圧比較器５１及び基準電圧源
５２により復帰電圧検出部５を構成する。マイクロプロ
セッサ部６１は制御部６を構成し、この制御部６は周期
的に充電電流を遮断して二次電池１を構成する単位電池
１ａ，１ｂの電池電圧を検出し、検出した電圧が上限設
定電圧以上であれば、ＦＥＴ３２を遮断して充電を停止
することにより過充電を防止する。また制御部６は、単
位電池１ａ，１ｂの電圧が過放電防止のための設定値以
下になるとＦＥＴ３２及びＦＥＴ３３を遮断して電池の
過放電を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は二次電池の過充電及
び過放電防止装置、特に、負極材料に炭素材料を用いた
リチウムイオン電池の過充電及び過放電防止装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、二次電池は一般的に過放電及び過
充電を行うと電池特性に悪影響を与えるために、過放電
防止回路と過充電防止回路とを二次電池に設けているも
のがある。特に最近実用化されたリチウムイオン電池で
は、過充電で電解液が分解し、過放電では負極の集電体
の溶解が起こるため、電池特性に与える影響が大きく、
安全性も低下する問題があって、過充電防止回路と過放
電防止回路とを設けることが不可欠である。そのため、
実用化されているリチウムイオン電池は、電池パック内
に過充電防止と過放電防止の機能を備えた保護手段を内
蔵しているものがほとんどである。過充電防止回路及び
過放電防止回路の例は、例えば特開平４−３３１４２５
号公報及び特開平６−１０５４５８号公報に示されてい
る。従来の過充電防止回路は、組電池を構成する単位電
池の電圧が通常の充電電圧より高い設定電圧に達した場
合に充電を中止する動作を行い、従来の過放電防止回路
は単位電池の電圧が過放電電圧以下となった場合に放電
を中止する動作を行うように構成されている。リチウム
イオン電池の場合には、過充電防止の設定電圧は４．３
５Ｖ程度であり、過放電防止の設定電圧は２．５Ｖ程度
とする場合が多い。単位電池の電圧を基準にしてこれら
の設定電圧を設定しているのは以下の理由による。すな
わち組電池とした場合には、各単位電池の特性がすべて
同一であれば、セル電圧もすべて同一となるため、組電
池の総電圧で過充電と過放電を判断すればよい。しかし
ながら、実際には製造時の電池特性をすべて同一とする
ことは困難であり、更に充放電サイクルを繰り返した場
合の劣化状態を同一にすることは不可能に近い。そのた
めに組電池では、単位電池の電圧を検出して過充電と過
放電を判定する方法が各保護回路で採用されているので
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
二次電池の保護回路では次に示すような課題を有してい
る。それは、充電条件によっては過充電状態ではないの
にもかかわらずに過充電状態と判断されて充電電流が遮
断されてしまう可能性がある点である。特に内部抵抗の
比較的高いリチウムイオン電池において急速充電を行お
うとして設定電圧を高くし、しかも大電流で充電した場
合に問題となる。リチウムイオン電池は、電解液が非水
溶媒であり電解液抵抗が高く、また正の温度係数を持
ち、過大電流で発熱して電流を遮断するＰＴＣ素子を電
池内部に内蔵している。よって他のニッケル−カドミウ
ム電池，ニッケル−水素電池，鉛電池などの二次電池と
比較して内部抵抗が高い。したがって、リチウムイオン
電池で急速充電を行おうとして充電電流を大きくした場
合には、電池の内部抵抗が高いために、充電時の充電電
流と内部抵抗の積の電圧が大きくなり、電池は過充電状
態でないのに見掛け上の電池電圧が上昇してしまい、過
充電防止回路が働いてしまう可能性があった。この点を
防止するために過充電の検出電圧を高くすることも考え
られるが、過充電の検出電圧を高く設定すると充電電流
が減少した場合の過充電状態を検出できない可能性があ
るため、実際には過充電の検出電圧を高くすることは不
可能であった。

【０００４】また本発明の目的は、充過充電状態及び過
放電状態の判定を正確に行って、内部抵抗が高い二次電
池（リチウムイオン電池など）の過充電及び過放電を防
止できる二次電池の過充電及び過放電防止装置を提供す
ることにある。

【０００５】本発明の他の目的は、急速充電における大
電流充電の際に二次電池の内部抵抗と充電電流の積によ
る見掛け上の電池電圧の上昇が発生しても過充電防止動
作をせず、しかも充電電流が低下した場合でも過充電状
態を検出できる二次電池の過充電及び過放電防止装置を
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、内部抵抗の
高いリチウムイオン電池等の二次電池の過充電及び過放
電防止装置を対象にしている。本発明では、周期的に充
電電流の通電を遮断し、電流遮断状態で二次電池を構成
する複数の単位電池の電池電圧をそれぞれ測定する。そ
して、これらの単位電池のうち１以上の単位電池の電池
電圧が過充電状態の検出のために予め設定した上限設定
電圧以上になっているか否かを判定する。この判定によ
り、１以上の単位電池の電池電圧が上限設定電圧以上に
なっているときには充電動作を停止し、複数の単位電池
の全ての電池電圧が上限設定電圧より小さければ充電動
作を継続するようにして二次電池の充電を行う。

【０００７】本発明のように、周期的に充電電流の通電
を遮断して、二次電池を構成する複数の単位電池の電池
電圧をそれぞれ測定すると、内部抵抗による充電電圧の
増加がないため、単位電池の電池電圧を正確に測定する
ことができる。これは充電電流を大きくした場合に顕著
であり、見掛けの電池電圧の上昇に基づく過充電状態の
誤まった検出を防止できる。そのため本発明によれば、
リチウムイオン電池等のように内部抵抗が高く見掛けの
電池電圧が上昇する二次電池を充電する場合に、過充電
状態を正確に判定して二次電池を十分に充電することが
できる。

【０００８】なお上限設定電圧は、二次電池の種類に応
じて適宜に設定する。ちなみにリチウムイオン電池の場
合には、４．３〜４．４Ｖを上限設定電圧とする。また
充電電流の遮断時間及び遮断後に電池電圧を検出するま
での時間（電池電圧が安定するまでの時間）は、充電電
流による内部抵抗の電圧降下（内部抵抗により上昇した
電池電圧が低下すること）が完了するまので時間を考慮
して定める。ちなみにリチウムイオン電池の場合には、
内部抵抗に占める直流抵抗成分が大きい。そして直流抵
抗成分が大きくなると応答速度が速くなる。そのため電
流遮断後の電圧応答は速く、１ｍｓもあれば内部抵抗の
電圧降下の影響を受けずに正確に電池電圧の測定ができ
る。

【０００９】充電開始当初から過放電状態の検出動作を
行うと、充電電流の周期的な遮断を必要とするため、充
電速度が低下する問題が発生する。そこで充電当初にお
いては、二次電池または二次電池を構成する複数の単位
電池の電池電圧を測定し、二次電池または１以上の単位
電池の電池電圧が過充電の検出開始時期を検出するため
に予め定めた過充電検出開始基準電圧に達するまでは周
期的な充電電流の通電の遮断を行わないようにすること
が望ましい。このようにすると、充電電圧が低い充電初
期には充電電流の通電の遮断を行わないため、充電電流
の遮断時間分の平均充電電流を増加させることができ
て、充電時間を短くできる。ちなみにリチウムイオン電
池からなる二次電池の電池電圧に対する過充電検出開始
基準電圧は、例えば単位電池の数×４．１Ｖ〜４．１５
Ｖにすればよく、単位電池に対する過充電検出開始基準
電圧は４．１Ｖ〜４．１５Ｖにすればよい。

【００１０】本発明は、内部抵抗が高い二次電池の過充
電及び過放電防止装置を対象にする。本発明の装置は、
二次電池の充放電を制御指令に応じて制御するように二
次電池の出力回路に設けられた充放電制御スイッチ回路
と、二次電池の充放電端子間の電圧を検出する充放電端
子間電圧検出部（または復帰電圧検出部）と、二次電池
を構成する複数の単位電池の電池電圧をそれぞれ測定す
る単位電池電圧検出部と、充放電端子間電圧検出部及び
単位電池電圧検出部からの出力に基づいて、放電停止時
期、充電開始時期及び充電停止時期を判定して前述の充
放電制御スイッチ回路に制御指令を出力する制御部とを
具備する。この制御部は、放電時には前記充放電制御ス
イッチ回路を放電可能な状態にする前記制御指令を前記
充放電制御スイッチ回路に出力し、単位電池電圧検出部
の出力から複数の単位電池の１以上の単位電池の電池電
圧が過放電状態の検出のために予め設定した放電停止基
準電圧以下になったことを検出すると放電停止時期の到
来と判定して充放電制御スイッチ回路に放電動作を停止
させるための放電停止指令を制御指令として出力する。
次に、充放電端子間電圧検出部の出力から充電電圧が印
加されたことを検出すると充電開始時期が到来したと判
定して充放電制御スイッチ回路に充電開始指令を制御指
令として出力し、充電開始後は、周期的に充電電流の通
電を遮断する遮断指令を前記制御指令として充放電制御
スイッチ回路に周期的に出力し、充電電流が遮断してい
る期間に単位電池電圧検出部の出力から複数の単位電池
の１以上の単位電池の電池電圧が過充電状態の検出のた
めに予め設定した上限設定電圧以上になっていることを
検出すると充電停止時期の到来と判定して充放電制御ス
イッチ回路に充電停止指令を制御指令として出力する。
なお、この制御部は、前述の充放電端子間電圧検出部に
より検出する二次電池の電池電圧、または、前述の単位
電池電圧検出部により検出する１以上の単位電池の電池
電圧が過充電の検出開始時期を検出するために予め定め
た過充電検出開始基準電圧に達するまでは、前述の遮断
指令の出力を停止するようにすることが望ましい。

【００１１】さらに、本発明は、二次電池としてリチウ
ムイオン電池を具体的な対象にする。この場合、前述し
た充放電制御スイッチ回路を、具体的に述べると、ソー
ス−ドレイン回路間に寄生ダイオードが並列接続されて
充電電流を遮断する際にオフ状態となる第１の電界効果
型トランジスタとソース−ドレイン回路間に寄生ダイオ
ードが並列接続されて放電電流を遮断する際にオフ状態
となる第２の電界効果型トランジスタとが逆極性で直列
に接続された構成にする。充放電端子間電圧検出部は、
リチウムイオン電池の充放電端子間の電圧を充電に必要
な電圧よりもやや低い電圧に設定された基準電圧と比較
して、充放電端子間の電圧が基準電圧以上になるとその
電圧を出力するように構成する。そして前述した制御部
は、放電時には前記第１及び第２の電界効果型トランジ
スタにともにオン信号を出力し、単位電池電圧検出部の
出力から複数の単位電池の１以上の単位電池の電池電圧
が過放電状態の検出のために予め設定した放電停止基準
電圧以下になったことを検出すると放電停止時期の到来
と判定して充放電制御スイッチ回路の第２の電界効果型
トランジスタと前記第１の電界効果型トランジスタをオ
フ状態にするためのオフ信号を出力する。さらに、制御
部は充放電端子間電圧検出部の出力から充電電圧が印加
されたことを検出すると，充電開始時期が到来したと判
定して充放電制御スイッチ回路の第１の電界効果型トラ
ンジスタ及び第２の電界効果型トランジスタにオン信号
を出力して第１の電界効果型トランジスタと第２の電界
効果型トランジスタをオン状態とし、充電開始後は、周
期的に充電電流の通電を遮断するために充放電制御スイ
ッチ回路の第１の電界効果型トランジスタに周期的にオ
フ信号を出力し、充電電流が遮断している期間に単位電
池電圧検出部の出力から複数の単位電池の１以上の単位
電池の電池電圧が過充電状態の検出のために予め設定し
た上限設定電圧以上になっていることを検出すると充電
停止時期の到来と判定して充放電制御スイッチ回路の第
１の電界効果型トランジスタにオフ信号を出力するよう
にしている。

【００１２】以上のように、本発明に係る二次電池の過
充電及び過放電防止装置は、周期的に充電電流を遮断し
て充電電流遮断後に単位電池の電圧を検出し、上限設定
電圧以上の単位電池の電圧が検出された場合には、二次
電池の出力回路に設けられた充放電制御スイッチ回路に
充電停止指令を出力して充電を停止するので、過充電を
防止できる。このように本発明では、充電時の過充電状
態の検出を充電電流を遮断した状態で検出するようにし
ているので、急速充電で大電流を流した場合でも内部抵
抗と充電電流の積に起因する電池電圧の上昇を過充電の
発生と誤って検出することがない。また、複数の単位電
池の１以上の単位電池の電池電圧が過放電状態の検出の
ために予め設定した放電停止基準電圧以下になったこと
を検出すると、放電停止時期の到来と判定して充放電制
御スイッチ回路の放電動作を停止させて、放電電流を遮
断する。そのため過放電を防止できる。さらに、充放電
端子の電圧または単位電池の電池電圧が過充電検出開始
基準電圧になるまでは、充電電流を周期的に遮断しない
ようにすると、充電当初は充電電流が遮断されないで平
均充電電流を上げて充電することができ、充電時間を短
くできる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の二
次電池の過充電及び過放電防止装置の実施の形態の一例
を説明する。図１は、本発明の二次電池の過充電及び過
放電防止装置の実施の形態の一例の構成のブロック図で
ある。同図において、１は内部抵抗が高い二次電池［例
えば、リチウムイオン組電池（複数のリチウムイオン単
位電池からなる電池）］で、２個の単位電池１ａ及び１
ｂが直列に接続された構成となっている。単位電池１ａ
の正電極側は正端子である充放電端子２ａに接続され、
単位電池１ｂの負極側は充放電制御スイッチ回路３を介
して負端子である充放電端子２ｂに接続されている。

【００１４】充放電制御スイッチ回路３は、二次電池１
の出力回路に挿入されて後述する制御部６から出力され
る制御指令に応じて二次電池１の充放電を制御するもの
である。充放電端子２ａと２ｂの端子間には単位電池電
圧検出部４と充放電端子間電圧検出部を構成する復帰電
圧検出部５とが並列に接続されている。単位電池電圧検
出部４は単位電池１ａ，１ｂのそれぞれの電池電圧をそ
れぞれ測定し、復帰電圧検出部５は充放電端子間電圧を
測定するものである。

【００１５】６は制御部であって、単位電池電圧検出部
４と復帰電圧検出部５の出力を入力として充放電制御ス
イッチ回路３に制御指令を出力するように構成されてい
る。この制御部６は、単位電池電圧検出部４及び復帰電
圧検出部５からの出力に基づいて、二次電池１の放電
と、放電停止時期、充電開始時期及び充電停止時期とを
判定して充放電制御スイッチ回路３に制御指令を出力す
る。充放電制御スイッチ回路３は、直列に接続された放
電電流制御素子と充電電流制御素子とを含んで構成され
ている。

【００１６】そして制御部６は、単位電池電圧検出部４
の出力から単位電池１ａ，１ｂのうちどちらかまたは両
方の単位電池の電池電圧が過放電状態の検出のために予
め設定した放電停止基準電圧以下になったことを検出す
ると、放電停止時期の到来と判定して充放電制御スイッ
チ回路３に放電動作を停止させるための放電停止指令を
出力し、放電動作のために共にオン状態にある放電電流
制御素子と充電電流制御素子をともにオフ状態にする。
そして、復帰電圧検出部５の出力から充電電圧が印加さ
れたことを検出すると充電開始時期が到来したと判定し
て充放電制御スイッチ回路３に充電開始指令を出力し、
図示しない充電電流制御素子と放電電流制御素子をとも
にオンにする。充電開始後は、周期的に充電電流の通電
を遮断する遮断指令を充放電制御スイッチ回路３に周期
的に出力し、充電電流制御素子を周期的にオンオフさせ
る。充電電流が遮断している期間に単位電池電圧検出部
４の出力から単位電池１ａ，１ｂのうち、どちらかまた
は両方の単位電池の電池電圧が過充電状態の検出のため
に予め設定した上限設定電圧以上になっていることを検
出すると、充電停止時期の到来と判定して充放電制御ス
イッチ回路３に充電停止指令を出力して、充電電流制御
素子をオフにしてその状態を維持する。以上の動作を行
うように制御部６は構成されるが、制御部６の主要部は
マイクロプロセッサで構成することができ、上記各判定
はソフトウエアを利用して実現できる。

【００１７】上記の実施の形態においては、充電電流の
周期的遮断が充電当初から行われるようにしているが、
他の実施の形態においては、充電当初は従来のように充
電電流を断続することなく通電し、ある時点から周期的
に充電電流の遮断を行うようにしてもよい。具体的に
は、復帰電圧検出部５で検出する二次電池の電池電圧が
過充電検出開始基準電圧に達するまでは、周期的に充電
電流の通電を遮断する遮断指令を出さないように制御部
６を構成すればよい。この場合の過充電検出開始基準電
圧は、充電がある程度進んで過充電となる電池が存在す
る可能性が生じる程度の電圧を選べばよい。

【００１８】また、他の実施の形態においては、単位電
池電圧検出部４で検出する一以上の単位電池の電池電圧
が過充電検出開始基準電圧に達するまでは、周期的に充
電電流の通電を遮断する遮断指令を出さないように制御
部６を構成してもよい。この場合の過充電検出開始基準
電圧も充電がある程度進んで過充電となる単位電池が存
在する可能性が生じる程度の電圧を選べばよい。以上の
ように、充放電端子の電圧または単位電池の電池電圧が
過充電検出開始基準電圧になると充電電流を周期的に遮
断する構成にすると、充電当初は充電電流が遮断されな
いで平均充電電流を上げて充電することができ、充電時
間を短くできる。

【００１９】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。図２は、本発明の二次電池の過充電及び過放
電防止装置の一実施例を示す回路構成図である。図２に
おいて、図１と同じ部材には図１に付した符号と同じ符
号を付してある。本実施例では二次電池としてリチウム
イオン電池を対象にしている。即ち、図２において、二
次電池（リチウムイオン電池）１は２個のリチウムイオ
ン単位電池１ａ，１ｂを直列に接続した構造の組電池と
なっている。充放電制御スイッチ回路３、単位電池電圧
検出部４、充放電端子間電圧検出部として用いられる復
帰電圧検出部５及び制御部６からなる基本構成は図１の
実施の形態の一例で示したものの具体例である。従って
基本的な動作も同じである。

【００２０】具体的な回路の詳細を説明すると、リチウ
ムイオン単位電池１ａはアナログマルチプレクサ４１の
１＋と１−の入力に接続され、リチウムイオン単位電池
１ｂは２＋と２−の入力に接続される。アナログマルチ
プレクサ４１はマイクロプロセッサ部６１の出力によっ
て制御されて、リチウムイオン単位電池１ａの電池電圧
あるいはリチウムイオン単位電池１ｂの電池電圧のいず
れかがアナログマルチプレクサ４１の出力端子に出力さ
れる。アナログマルチプレクサ４１の出力は電圧比較器
４２と電圧比較器４３の入力となるように接続されてい
る。

【００２１】電圧比較器４２は過充電の電圧比較用であ
り、過充電の上限設定電圧である基準電圧源４４の電圧
と比較され、出力はマイクロプロセッサ部６１の入力ポ
ートに接続されている。電圧比較器４３は過放電の電圧
比較用であり、過放電の放電停止基準電圧である基準電
圧源４５の電圧と比較され、出力はマイクロプロセッサ
部６１の入力ポートに接続されている。マイクロプロセ
ッサ部６１の入力ポートには、また、電圧比較器５１の
出力も接続されている。電圧比較器５１は基準電圧源５
２と充放電端子２ａ，２ｂ間の電圧を比較するもので、
別の見方をすると過充電状態からの復帰と過放電状態か
らの復帰を検出するものであり、充電のために必要な設
定電圧よりやや低い電圧に基準電圧源５２の基準電圧が
設定される。充放電端子２ａ，２ｂ間の電圧が、基準電
圧以上になると、電圧比較器５１から検出出力が出され
る。

【００２２】マイクロプロセッサ部６１の信号線は上述
したアナログマルチプレクサ４１への信号線の他に、Ｆ
ＥＴドライブ部３１への信号線がある。ＦＥＴドライブ
部３１の出力は電界効果トランジスタ（以下ＦＥＴ）を
用いた充電電流制御素子としての充電電流制御用ＦＥＴ
３２と放電電流制御素子としての放電電流制御用ＦＥＴ
３３へ接続されている。以上の回路構成において、ＦＥ
Ｔドライブ部３１、充電電流制御用ＦＥＴ３２及び放電
電流制御用ＦＥＴ３３により充放電制御スイッチ回路３
を構成している。そして、アナログマルチプレクサ４
１、電圧比較器４２，４３及び基準電圧源４４，４５に
より単位電池電圧検出部４を構成し、電圧比較器５１及
び基準電圧源５２により復帰電圧検出部（充放電端子間
電圧検出部）５を構成している。制御部６はマイクロプ
ロセッサ部６１で構成される。以上の構成におけるアナ
ログマルチプレクサ４１、電圧比較器４２，４３，５
１、基準電圧源４４，４５，５２、マイクロプロセッサ
部６１及びＦＥＴドライブ部３１は一つの専用集積回路
として実現される。

【００２３】また、図３は、電界効果トランジスタを用
いた充電電流制御用ＦＥＴ３２と放電電流制御用ＦＥＴ
３３の結線構成図である。同図において、ＦＥＴ３２と
ＦＥＴ３３はＮチャンネルのエンハンスメント型のＦＥ
Ｔで逆極性で直列に接続されている。即ち、ＦＥＴ３２
とＦＥＴ３３のドレインどうしが接続され、ＦＥＴ３２
のソースは負端子の充放電端子２ｂに接続され、ＦＥＴ
３２のソースはリチウムイオン単位電池１ｂの負電極側
にそれぞれ接続されている。そして、それぞれのゲート
はＦＥＴドライブ部３１に接続されている。なお、３２
ａ，３３ａはそれぞれ電界効果トランジスタに本来構造
上内蔵されたソース−ドレイン間の寄生ダイオードであ
り、ダイオードの結線方向はいずれもソース側にダイオ
ードのアノードが接続された構造となっている。周知の
通り、ＦＥＴは双方向導通性を有する半導体素子であ
り、オン状態においては、双方向に電流を流す。

【００２４】次に動作について、マイクロプロセッサ部
６１の動作を中心にして説明する。図４及び図５はマイ
クロプロセッサ部６１を動作させるために用いるソフト
ウエアのアルゴリズムを示すフローチャートを示したも
のである。図４はマイクロプロセッサ部６１におけるス
テップＳＴ１（図５のステップＳＴ１の詳細）の初期動
作確認を示すフローチャートである。先ずステップＳＴ
１００ではＦＥＴ３２及び３３をオンさせる。ＦＥＴ３
２及び３３がともにオン状態となることにより、放電電
流または充電電流の通電が可能になる。次にステップＳ
Ｔ１０１で電圧比較器５１の状態を読み込み、次のステ
ップＳＴ１０２で状態の判定を行う。ステップＳＴ１０
２では、電圧比較器５１の状態（出力状態）を読み取っ
て、充放電端子２ａ，２ｂ間の電圧が基準電圧源５２の
基準電圧よりも高い場合（充電電圧が印加されている場
合）には、ステップＳＴ１０３に進む。充放電端子２
ａ，２ｂ間の電圧が基準電圧源５２の基準電圧よりも低
い場合（充電電圧が印加されていない場合）には、ＦＥ
Ｔ３２及び３３がともにオン状態を維持して、放電可能
な状態が継続する。充電電圧が印加されて、ステップＳ
Ｔ１０３に進むと、ステップＳＴ１０３では、アナログ
マルチプレクサ４１の入力チャンネルを１に設定しリチ
ウムイオン単位電池１ａの電池電圧を出力させ、ステッ
プＳＴ１０４で電圧比較器４２及び４３の状態（出力状
態）を入力ポートから読み込む。ステップＳＴ１０５で
はアナログマルチプレクサ４１の入力チャンネルを２に
切り換えて、リチウムイオン単位電池１ｂの電池電圧を
出力させ、ステップＳＴ１０６で電圧比較器４２と４３
の状態（出力状態）を入力ポートから読み込む。そし
て、ＳＴ１０７ではこれらの単位電池の電圧が設定値
（過充電検出開始基準電圧）より大きいかどうかを判定
して初期動作の確認を行う。

【００２５】初期動作の確認が行われ、単位電池の電池
電圧が設定値より大きいと、マイクロプロセッサ部６１
は図５に示すステップＳＴ２以下のフローチャートに従
って動作を行う。すなわち、ステップＳＴ２で設定した
周期で充電電流制御用ＦＥＴ３２を遮断する。ＦＥＴ３
２を遮断して充電電流を遮断した状態でステップＳＴ３
に進み、アナログマルチプレクサ４１の入力チャンネル
を１に設定した後、ステップＳＴ４ではＦＥＴ３２の遮
断後、一定時間経過したかどうかを判断する。ステップ
ＳＴ４で一定時間が経過したと判断すると、ステップＳ
Ｔ５ではアナログマルチプレクサ４１の入力チャンネル
を１としてリチウムイオン単位電池１ａの電池電圧をア
ナログマルチプレクサ４１から出力して、電圧比較器４
２の出力と電圧比較器４３の出力（リチウムイオン単位
電池１ａの過充電判定結果と過放電判定結果）を入力ポ
ートから読み込む。そして、ステップＳＴ７ではアナロ
グマルチプレクサ４１の入力チャンネルを２としてリチ
ウムイオン単位電池１ｂの電池電圧をアナログマルチプ
レクサ４１から出力して、電圧比較器４２の出力と電圧
比較器４３の出力（リチウムイオン単位電池１ｂの過充
電判定結果と過放電判定結果）を入力ポートから読み込
む。

【００２６】次にステップＳＴ８でリチウムイオン単位
電池１ａ，１ｂの電池状態が過充電状態にあるか、過放
電状態にあるか。またはそのいずれの状態でもないかを
判定する。そしてリチウムイオン単位電池１ａ及び１ｂ
の過充電と過放電の判定結果から、どちらの電池も過充
電状態あるいは過放電状態でないと判定されれば、ステ
ップＳＴ９ｃで設定した時間が経過したかどうかを判定
し、時間が経過している場合はステップＳＴ１０ｃでＦ
ＥＴ３２をオン状態にする。なおステップＳＴ９ｃの設
定時間は、ＦＥＴ３２が遮断したと同時に計数が開始さ
れる。その後ステップＳＴ１１ｃでオン時間として設定
した時間が経過したかどうかを判定してステップＳＴ２
の動作に戻る。この動作により、ＦＥＴ３２は周期的に
遮断と導通を繰り返して周期的に充電動作を行い、しか
もリチウムイオン単位電池１ａ，１ｂの電池電圧を測定
して電池状態の判定を繰り返す。

【００２７】次にリチウムイオン単位電池１ａ，１ｂの
過充電と過放電の判定結果からどちらかの電池が過充電
状態と判定されればステップＳＴ９ｂでＦＥＴドライブ
部３１に信号を出力してＦＥＴ３２の遮断状態を維持す
る。これにより過充電が防止される。ステップＳＴ９ｂ
でＦＥＴ３２の遮断が継続されている状態では、ステッ
プＳＴ１０ｂで入力ポートに接続された電圧比較器５１
の出力を読み込む。そしてステップＳＴ１１ｂでは監視
状態に入り、充放電端子２ａ，２ｂ間の電圧が基準電圧
源５２の基準電圧より低くなったと判定されるまで（放
電開始時期が到来した即ち充電電圧の印加がなくなった
と判定するまで）その状態を保持する。そして、ステッ
プＳＴ１２ｂでは充放電端子２ａ，２ｂ間のの電圧が基
準電圧源５２の電圧より低くなったと判定すると、ＦＥ
Ｔ３２にオン信号を出力してＦＥＴ３２をオン状態にし
てステップＳＴ２の動作に戻る。

【００２８】ステップＳＴ８において、リチウムイオン
単位電池１ａ，１ｂの過充電と過放電の判定結果から、
どちらかの単位電池が過放電状態にあると判定されれ
ば、ステップＳＴ９ａでＦＥＴドライブ部３１に信号を
出力してＦＥＴ３２とＦＥＴ３３の両方を遮断状態にす
る。なお、過放電検出後において充電電流制御用のＦＥ
Ｔ３２をオフ状態に維持するのは、充電器が接続されて
充電電圧が印加されたことを正しく検出するためであ
る。図３に示されるようにＦＥＴには寄生ダイオード３
２ａが存在するために、オフ時に逆方向の電流が流れて
しまう。このため、放電電流制御用のＦＥＴ３３のみを
オフとした場合には、寄生ダイオード３３ａを通じて充
電電流が流れ、充電器の電流制限が動作して充放電端子
２ａ，２ｂ間の電圧が設定電圧に達しない可能性がある
からである。

【００２９】ステップＳＴ９ａでＦＥＴ３２とＦＥＴ３
３の両方が遮断状態になった後には、ステップＳＴ１０
ａで入力ポートに接続された電圧比較器５１の出力を読
み込む。そしてステップＳＴ１１ａでは監視状態に入
り、充放電端子２ａ，２ｂ間の電圧が基準電圧源５２の
基準電圧より高くなったと判定されるまで（充電電圧が
印加されたと判断するまで）その状態を保持する。そし
て、ステップＳＴ１２ａでは充放電端子の電圧が基準電
圧源５２の基準電圧より高くなったと判定されると（充
電が開始されて電池電圧の測定開始時期が到来したと判
断すると）ＦＥＴ３２とＦＥＴ３３をオン状態にしてス
テップＳＴ２の動作に戻る。

【００３０】この実施例では、充電電流遮断の周期を１
００ｍＳ（ステップＳＴ９ｃの設定時間とステップＳＴ
１１ｃの設定時間の加算時間）、遮断している時間を１
０ｍＳ（ステップＳＴ９ｃの設定時間）、遮断後から単
電池の電圧を検出するまでの時間を９ｍＳ（ステップＳ
Ｔ４の設定時間）、過放電の設定電圧を２．５Ｖ（基準
電圧源４５の電圧）、過充電の設定電圧を４．３５Ｖ
（基準電圧源４４の電圧）、充放電端子の検出電圧を
８．２Ｖ（基準電圧源５２の基準電圧）とした。

【００３１】本発明の二次電池の過充電及び過放電防止
装置を用いて定格容量１３００ｍＡｈのリチウムイオン
単位電池を２個直列の組電池として急速充電を行った場
合の充電特性の例を示す。図６に示したのは充電電流通
電時の単位電池電圧と充電電流遮断時の単位電池電圧と
充電電流の時間変化を示す特性線図である。急速充電の
方法としては充電電流の大きさに比例して設定電圧が高
くなる方式を用いた。充電の制限電流は４Ａ，設定電圧
は４Ａの充電電流で４．４Ｖ／単位電池、０Ａで４．２
Ｖ／単位電池である。図に示されるように電流通電時の
単位電池の電圧は最大４．４５Ｖまで上昇しているが、
電流遮断時の電圧は４．２Ｖと４．３５Ｖ以下のため過
充電防止回路が動作することなく急速充電が行えた。

【００３２】また、図７に充電の設定電圧を高くし、意
図的に過充電状態とした場合の特性例を示す。図６の条
件と異なるのは充電の設定電圧を４Ａで４．５Ｖ／単位
電池とした点である。図に示されるように、電流遮断時
の電圧も４．３５Ｖに達しているため過充電防止機能が
動作して充電電流を遮断している。

【００３３】比較のため、従来のように充電電流を周期
的に遮断することなくそのまま充電電流を流して急速充
電を行った場合の充電特性例を図８に示す。過充電の検
出電圧は４．３５Ｖ、過充電の検出電圧は２．５Ｖ、過
充電と過放電の充放電端子間電圧は８．２Ｖと図６に示
した本発明の実施例と設定電圧は同一である。充電の制
限電流は４Ａ、設定電圧は４Ａの充電電流で４．４Ｖ／
単位電池、０Ａで４．２Ｖ／単位電池であり、図６に示
した充電条件と同一である。図に示されるように、充電
途中で４．３５Ｖの過充電検出電圧に達しているため、
過充電保護機能が動作して充電が停止してしまってい
る。

【００３４】このように本発明の二次電池の過充電及び
過放電防止装置では従来の装置では過充電と判断されて
充電が停止してしまう条件でも充電が可能であり、かつ
本当に過充電となった場合の検出と停止も可能である。
なお、図２には示していないが、過大電流が流れるのを
防止する過電流回路、過放電検出後に消費電流を低下さ
せるパワーダウン回路などを付加することも可能であ
る。

【００３５】二次電池が放電されている時には、ＦＥＴ
３３がオン状態にあるため、ＦＥＴ３２が遮断しても図
３に示すダイオード３２ａとオン状態にあるＦＥＴ３３
を通して放電電流が流れることになる。したがって上記
実施例において、本来過充電状態を検出するためにＦＥ
Ｔ３２を周期的に遮断する動作を放電時において継続し
ても、放電電流が断続することはない。したがって放電
時には、特にＦＥＴ３２を周期的に遮断する必要がな
い。上記実施例では、ソフトウエアのステップ数を少な
くするために、放電時においてもＦＥＴ３２を周期的に
遮断している。

【００３６】上記実施例では、初期に急速充電するため
に、初期動作のステップＳＴ１を設けているが、充電時
間が長くてもよい場合には、初期動作のステップＳＴ１
を設ける必要はない。また初期動作のステップＳＴ１に
おいて、単位電池の電池電圧を測定せずに、充放電端子
２ａ，２ｂの端子電圧（電池電圧）を測定して、ステッ
プＳＴ２に移行するように、ステップＳＴ１を構成して
もよい。

【００３７】以下、本願明細書に記載した複数の発明の
いくつかについてその構成を列挙する。

【００３８】（１） 周期的に充電電流の通電を遮断
し、電流遮断状態で電池電圧が安定した後に前記二次電
池を構成する複数の単位電池の電池電圧をそれぞれ測定
し、前記複数の単位電池の１以上の単位電池の電池電圧
が過充電状態の検出のために予め設定した上限設定電圧
以上になっているか否かを判定し、前記１以上の単位電
池の電池電圧が前記上限設定電圧以上になっているとき
には充電動作を停止し、前記複数の単位電池の電池電圧
が前記上限設定電圧より小さければ充電動作を継続する
ことを特徴とする二次電池の充電方法。

【００３９】（２） 前記二次電池の電池電圧を測定
し、前記二次電池の前記電池電圧が過充電の検出開始時
期を検出するために予め定めた過充電検出開始基準電圧
に達するまでは前記周期的な充電電流の通電の遮断を行
わないことを特徴とする上記（１）に記載の二次電池の
充電方法。

【００４０】（３） 前記二次電池を構成する複数の単
位電池の電池電圧をそれぞれ測定し、１以上の前記単位
電池の前記電池電圧が過充電の検出開始時期を検出する
ために予め定めた過充電検出開始基準電圧に達するまで
は前記周期的な充電電流の通電の遮断を行わないことを
特徴とする上記（１）に記載の二次電池の充電方法。

【００４１】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、周期的
に充電電流を遮断して充電電流を遮断した後電池電圧が
安定してから単位電池の電圧を検出するため、即ち過充
電の電圧検出を充電電流を流さない状態での電圧で判断
しているため、充電電流による電池の内部抵抗の電圧降
下がない状態での電圧で過充電を検出することができ、
内部抵抗と充電電流の積に起因する電池電圧の上昇に影
響されないで正確に過充電状態を検出して二次電池を十
分に充電することができる。

【００４２】また充電初期に周期的に充電電流を遮断し
なければ、充電初期の充放電電流の遮断による平均充電
電流の低下を少なくできて充電速度をより速くできる点
で本発明は優れている。

【００４３】更に本発明の二次電池の過充電及び過放電
防止装置によれば、過充電及び過放電を確実に防止でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の二次電池の過充電及び過放電防止装置
の実施の形態の一例の構成のブロック図である。

【図２】本発明の二次電池の過充電及び過放電防止装置
の一実施例を示す回路構成図である。

【図３】本発明に係わる充放電制御スイッチ回路におけ
る電界効果トランジスタを用いた充電電流制御用ＦＥＴ
と放電電流制御用ＦＥＴの結線構成図である。

【図４】本発明の二次電池の過充電及び過放電防止装置
におけるマイクロプロセッサ部の初期動作の動作フロー
チャートを示す説明図である。

【図５】本発明の二次電池の過充電及び過放電防止装置
におけるマイクロプロセッサ部の動作フローチャートを
示す説明図である。

【図６】本発明の二次電池の過充電及び過放電防止装置
で充電を行った場合の充電特性例を示す特性線図であ
る。

【図７】本発明の二次電池の過充電及び過放電防止装置
で充電を行った場合の充電特性例を示す特性線図であ
る。

【図８】従来の充電方法で充電を行った場合の充電特性
例を示す特性線図である。

【符号の説明】 １ 二次電池（リチウムイオン電池） １ａ，１ｂ 単位電池（リチウムイオン単位電池） ２ａ，２ｂ 充放電端子 ３ 充放電制御スイッチ回路 ４ 単位電池電圧検出部 ５ 復帰電圧検出部（充放電端子間電圧検出部） ６ 制御部 ３１ ＦＥＴドライブ部 ３２ 第１の電界効果トランジスタ（充電電流制御用
ＦＥＴ） ３３ 第２の電界効果トランジスタ（放電電流制御用
ＦＥＴ） ３２ａ，３３ａ 寄生ダイオード ４１ アナログマルチプレクサ ４２，４３，５１ 電圧比較器 ４４，４５，５２ 基準電圧源 ６１ マイクロプロセッサ部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二次電池の充放電を制御指令に応じて制
   御するように前記二次電池の出力回路に設けられた充放
   電制御スイッチ回路と、 前記二次電池の充放電端子間の電圧を検出する充放電端
   子間電圧検出部と、 前記二次電池を構成する複数の単位電池の電池電圧をそ
   れぞれ測定する単位電池電圧検出部と、 前記充放電端子間電圧検出部及び前記単位電池電圧検出
   部からの出力に基づいて、放電停止時期、充電開始時期
   及び充電停止時期を判定して前記充放電制御スイッチ回
   路に前記制御指令を出力する制御部とを具備する二次電
   池の過充電及び過放電防止装置であって、 前記制御部は、 放電時には前記充放電制御スイッチ回路を放電可能な状
   態にする前記制御指令を前記充放電制御スイッチ回路に
   出力し、前記単位電池電圧検出部の出力から前記複数の
   単位電池の１以上の単位電池の電池電圧が過放電状態の
   検出のために予め設定した放電停止基準電圧以下になっ
   たことを検出すると前記放電停止時期の到来と判定して
   前記充放電制御スイッチ回路に放電動作を停止させるた
   めの放電停止指令を前記制御指令として出力し、 前記充放電端子間電圧検出部の出力から充電電圧が印加
   されたことを検出すると前記充電開始時期が到来したと
   判定して前記充放電制御スイッチ回路に充電開始指令を
   前記制御指令として出力し、 充電開始後は、周期的に充電電流の通電を遮断する遮断
   指令を前記制御指令として前記充放電制御スイッチ回路
   に周期的に出力し、前記充電電流が遮断している期間に
   前記単位電池電圧検出部の出力から前記複数の単位電池
   の１以上の単位電池の電池電圧が過充電状態の検出のた
   めに予め設定した上限設定電圧以上になっていることを
   検出すると前記充電停止時期の到来と判定して前記充放
   電制御スイッチ回路に充電停止指令を前記制御指令とし
   て出力することを特徴とする二次電池の過充電及び過放
   電防止装置。
2. 【請求項２】 前記制御部は、前記充放電端子間電圧検
   出部により検出する前記二次電池の前記電池電圧が過充
   電の検出開始時期を検出するために予め定めた過充電検
   出開始基準電圧に達するまでは、前記遮断指令の出力を
   停止することを特徴とする請求項１に記載の二次電池の
   過充電及び過放電防止装置。
3. 【請求項３】 前記制御部は、前記単位電池電圧検出部
   により検出する１以上の前記単位電池の前記電池電圧が
   過充電の検出開始時期を検出するために予め定めた過充
   電検出開始基準電圧に達するまでは、前記遮断指令の出
   力を停止することを特徴とする請求項１に記載の二次電
   池の過充電及び過放電防止装置。
4. 【請求項４】 リチウムイオン電池の充放電を制御信号
   に応じて制御するように前記リチウムイオン電池の出力
   回路に設けられてオン・オフ状態になる充放電制御スイ
   ッチ回路と、 前記リチウムイオン電池の充放電端子間の電圧を充電に
   必要な電圧よりもやや低い電圧に設定された基準電圧と
   比較して、前記充放電端子間の電圧が前記基準電圧以上
   になるとその電圧を出力する充放電端子間電圧検出部
   と、 前記リチウムイオン電池を構成する複数の単位電池の電
   池電圧をそれぞれ測定する単位電池電圧検出部と、 前記充放電端子間電圧検出部及び前記単位電池電圧検出
   部からの出力に基づいて、放電停止時期、充電開始時期
   及び充電停止時期を判定して前記充放電制御スイッチ回
   路に前記制御信号を出力する制御部とを具備し、 前記充放電制御スイッチ回路が、ソース・ドレイン回路
   間に寄生ダイオードが並列接続されてオフ状態になると
   充電電流を遮断する第１の電界効果型トランジスタとソ
   ース・ドレイン回路間に寄生ダイオードが並列接続され
   てオフ状態になると放電電流を遮断する第２の電界効果
   型トランジスタとが逆極性で直列に接続されて構成され
   ているリチウムイオン電池の過充電及び過放電防止装置
   であって、 前記制御部は、 放電時に前記第１及び第２の電界効果型トランジスタに
   オン信号を出力して前記第１及び第２の電界効果型トラ
   ンジスタをオン状態とし、前記単位電池電圧検出部の出
   力から前記複数の単位電池の１以上の単位電池の電池電
   圧が過放電状態の検出のために予め設定した放電停止基
   準電圧以下になったことを検出すると前記放電停止時期
   の到来と判定して前記充放電制御スイッチ回路の前記第
   １の電界効果型トランジスタと前記第２の電界効果型ト
   ランジスタをともにオフ状態にするためのオフ信号を出
   力し、 前記充放電端子間電圧検出部の出力から充電電圧が印加
   されたことを検出すると，前記充電開始時期が到来した
   と判定して前記充放電制御スイッチ回路の前記第１の電
   界効果型トランジスタ及び前記第２の電界効果型トラン
   ジスタにともにオン信号を出力して前記第１の電界効果
   型トランジスタ及び前記第２の電界効果型トランジスタ
   をともにオン状態とし、 充電開始後は、周期的に充電電流の通電を遮断するため
   に前記充放電制御スイッチ回路の前記第１の電界効果型
   トランジスタに周期的にオフ信号を出力し、前記充電電
   流が遮断している期間に前記単位電池電圧検出部の出力
   から前記複数の単位電池の１以上の単位電池の電池電圧
   が過充電状態の検出のために予め設定した上限設定電圧
   以上になっていることを検出すると前記充電停止時期の
   到来と判定して前記充放電制御スイッチ回路の前記第１
   の電界効果型トランジスタにオフ信号を出力することを
   特徴とするリチウムイオン電池の過充電及び過放電防止
   装置。