KR101221134B1 - 충방전 제어 회로 및 충전식 전원 장치 - Google Patents

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세이코 인스트루 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 펄스 충전, 펄스 방전에 대응하여 안전하게 이차 전지의 충방전을 제어할 수 있는 충방전 제어 회로, 및 그것을 구비한 충전식 전원 장치를 제공한다.
(해결 수단) 충전 금지 해제 후의 과충전 검출의 지연 시간을 짧게 하는 지연 시간 전환 회로를 형성하여, 충전 금지 해제 후의 과충전을 검지 (檢知) 한 경우, 통상적인 과충전 검출 지연 시간보다 짧은 지연 시간에서 충전을 금지한다.
충방전 제어 회로, 충전식 전원 장치

Description

충방전 제어 회로 및 충전식 전원 장치{CHARGING AND DISCHARGING CONTROL CIRCUIT AND CHARGING TYPE POWER SUPPLY DEVICE}
본 발명은, 이차 전지의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로 및 그 충방전 제어 회로를 내장한 충전식 전원 장치에 관한 것이다.
최근, 전자기기의 소형화, 휴대형화에 수반하여 이차 전지의 이용이 왕성해지고 있다. 가장 널리 사용되고 있는 이차 전지로서 리튬 이차 전지를 들 수 있다. 리튬 이차 전지는, 과충전, 과방전에 의한 전지의 파손, 열화, 저수명화 등 많은 문제점이 지적되고 있다. 그 중에서도, 안전한 전지 전압 범위를 넘어서 충전이 진행된 과충전 상태의 리튬 이차 전지는 가열·파열의 위험성이 있어, 이것을 보호하는 충방전 제어 회로에는 높은 신뢰성이 요구된다. 또한, 충방전 제어 회로는 주로 휴대용 기기의 배터리에 탑재되는 경우가 많기 때문에, 당연히 회로의 소형화는 필수적이다.
충방전 제어 회로는, 과충전, 과방전, 과전류 등의 상태를 검출하여 충방전 전류를 제어하고 있다. 일반적으로 충방전 제어 회로는, 노이즈 등의 영향에 의한 오동작을 회피하기 위해서, 각 상태를 검출하면, 각각에 대응한 임의의 지연 시간을 가지고 검출을 확정하고 있다. 일반적으로, 과충전 검출의 지연 시간은 수백 mS 내지 수 S 정도가 설정되어 있다.
그러나, 충전 전류가 펄스상으로 간헐적으로 공급되고 있는 경우에는, 정상적으로 과충전을 검출할 수 없는 경우가 있다. 도 4 는, 펄스상의 충전 전류가 공급되고 있을 때의, 이차 전지의 전압을 나타내는 도면이다. 구간 (tH) 는 충전 전류가 공급되고 있는 구간이고, 구간 (tL) 은 충전 전류가 공급되고 있지 않은 구간이다. tCU 는 과충전 검출의 지연 시간이다. 구간 (tH) 에서는, 이차 전지의 내부 임피던스를 전류가 흐름에 따라서, 이차 전지의 전압은 충전 금지 전압을 초과하고 있다. 그러나, 구간 (tL) 에서는 전류가 흐르지 않기 때문에, 이차 전지의 전압은 충전 금지 전압을 밑돌고 있다. 이 때, tCU ＞ tH 이면, 지연 시간 동안에 이차 전지의 전압은 충전 금지 전압을 밑돌기 때문에, 과충전 검출의 검출 신호는 리셋되고 만다. 따라서, 과충전이 검출되지 않고, 충전 제어 회로는 충전을 금지하는 것이 불가능하다.
이 과제를 해결하기 위해서, 도 5 와 같은 충방전 제어 회로의 제어 방법이 고안되어 있다 (특허 문헌 1 참조). 도 5 의 충방전 제어 회로의 제어 방법은, 지연 시간 (tCU) 동안에 구간 (tL) 보다 긴 무시 (無視) 시간을 두고 있다. 이것에 의해, 지연 시간 (tCU) 동안, 일시적으로 이차 전지 전압이 충전 금지 전압을 밑돌고 있더라도, 밑돌고 있는 시간이 구간 (tL) 이라고 하면, 충전 제어 회로는 충전을 금지할 수 있다.
(특허 문헌 1) 일본 공개특허공보 2003-257502호
그러나, 도 5 에 나타낸 충전 제어 회로의 제어 방법에서는 다음과 같은 문제가 발생한다. 즉, 펄스상의 충전과 동시에 펄스상의 방전도 이루어지고 있는 상황에 있어서, 일단 충전을 금지시킨 후 곧바로 충전 금지가 해제되고 만다. 이러한 현상을 도 6 에 나타낸다. 과충전 검출에 의해서 충전이 금지된 후에 펄스 방전에 의해 이차 전지 전압이 충전 금지 해제 전압을 밑도는 경우, 충전 금지 상태를 해제한다. 충전 금지 상태가 해제되면, 충전기에 의해서 재차 충전이 시작되고, 지연 시간 (tCU) 의 동안에 다시 전지 전압은 상승한다. 이 문제를 회피하기 위해서, 충전 금지 해제 전압을 보다 낮추는 방법을 생각할 수 있다.
도 7 에 일반적인 충전식 전원 장치의 블록도를 나타낸다. 충전식 전원 장치 (1) 는, 이차 전지 (2) 와, 충방전 제어 회로 (100) 와, 충방전 전류 제어 회로 (10) 를 구비하고 있다. 충전 금지 상태에서는, 충전 제어용 트랜지스터 (12) 는 오프되어 있기 때문에, 방전 전류는 충전 제어용 트랜지스터 (12) 의 기생 다이오드 (14) 를 경유하여 흐른다. 방전 전류가 많은 경우에는 기생 다이오드 (14) 에 과대한 부하가 가해져, 열화 또는 파손시키는 경우가 있다. 따라서, 펄스 방전에 의한 충전 금지의 해제를 충전 금지 해제 전압을 보다 낮게 함으로써 회피하는 방법은, 충전식 전원 장치의 안전성을 확보한다는 점에서 바람직하지 못하다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 펄스 방전에 대응한 충방 전 제어 회로를 제공하여, 이차 전지의 충방전을 안전하게 제어하는 것을 목적으로 하고 있다. 또한, 상기 과제를 해결하기 위해서 충방전 제어 회로의 회로 규모의 과대한 증가를 초래하지 않으면서, 휴대성이 우수한 소형 충전식 전원을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
종래의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 충방전 제어 회로 및 그것을 구비한 충전식 전원 장치는 다음과 같은 구성으로 하였다.
본 발명의 충방전 제어 회로는, 이차 전지의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로로서, 과충전 전압 검출 수단과, 상기 과충전 전압 검출 수단이 출력하는 신호를 받아, 소정의 지연 시간을 계수 후에 상기 신호를 출력하는 지연 수단과, 상기 과충전 전압 검출 수단이 출력하는 신호와 상기 지연 수단이 출력하는 신호를 받아, 상기 지연 수단의 지연 시간을 전환하는 지연 시간 전환 수단을 구비하고, 상기 지연 수단은, 제 1 지연 시간과, 상기 제 1 지연 시간보다 짧은 제 2 지연 시간을 계수하는 전환 수단을 갖고, 상기 지연 시간 전환 수단은, 과충전에 의한 충전 금지 상태로부터의 충전 금지 해제 후에, 상기 지연 회로에 상기 제 2 지연 시간으로 전환하는 신호를 출력하고, 상기 지연 수단은, 상기 제 2 지연 시간에서 과충전을 검출하는 것을 특징으로 하는 충방전 제어 회로이다.
또한, 본 발명의 충전식 전원 장치는, 충방전기를 접속하는 단자에 직렬로 접속된 이차 전지 및 충방전 전류 제어 회로와, 상기 이차 전지의 양단의 단자와 전압 검출 단자를 접속하고, 충방전 전류 제어 회로와 제어 신호 출력 단자를 접속 한 청구항 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 충방전 제어 회로를 구비한 충전식 전원 장치이다.
본 발명의 충방전 제어 회로 및 그것을 구비한 충전식 전원 장치에 의하면, 펄스 방전에 대응한 충방전 제어 회로를 제공하여, 이차 전지의 충방전을 안전하게 제어할 수 있게 된다. 또한, 충방전 제어 회로의 회로 규모의 과대한 증가를 초래하지 않으면서, 휴대성이 우수한 소형 충전식 전원을 제공할 수 있게 된다.
도 1 은, 본 실시형태의 충방전 제어 회로 및 그것을 구비한 충전식 전원 장치의 블록도이다.
본 실시형태의 충전식 전원 장치 (1) 는, 이차 전지 (2) 와, 충방전 제어 회로 (3) 와, 충방전 전류 제어 회로 (10) 를 구비하고 있다. 충방전 제어 회로 (3) 는, 전압 검출 회로 (5) 와, 지연 회로 (6) 와, 지연 시간 전환 회로 (7) 와, 제어 신호 출력 회로 (8) 를 구비하고 있다. 충방전 전류 제어 회로 (10) 는, 방전 제어용 트랜지스터 (11) 와 충전 제어용 트랜지스터 (12) 를 구비하고 있다.
충방전 제어 회로 (3) 는, 이차 전지 (2) 의 양단의 단자와 전압 검출 단자를 접속하고, 충방전 전류 제어 회로 (10) 와 제어 신호 출력 단자를 접속하고 있다. 전압 검출 회로 (5) 는, 이차 전지 (2) 의 과충전 전압이나 과방전 전압을 검출하도록 충방전 제어 회로 (3) 에 구비되어 있다. 본 실시형태의 전압 검출 회로 (5) 는 과충전 전압을 검출하는 것으로 한다. 지연 회로 (6) 는, 전압 검 출 회로 (5) 로부터 과충전 전압을 검출한 검출 신호를 입력하여, 일정한 지연 시간 후에 검출 신호를 제어 신호 출력 회로 (8) 에 출력한다. 제어 신호 출력 회로 (8) 는, 검출 신호에 따라서 충전 및 방전을 제어하는 신호를 충방전 전류 제어 회로 (10) 에 출력한다.
여기서, 지연 회로 (6) 는, 지연 시간 전환 회로 (7) 로부터의 신호에 의해서 지연 시간을 전환하는 기능을 구비하고 있다. 지연 시간 전환 회로 (7) 는, 전압 검출 회로 (5) 와 지연 회로 (6) 의 신호에 의해서, 지연 회로 (6) 의 지연 시간을 전환하는 신호를 지연 회로 (6) 에 출력한다. 즉, 지연 시간 전환 회로 (7) 는, 충전 금지 해제 후에 지연 회로 (6) 로, 통상적인 지연 시간인 제 1 지연 시간보다 짧은 제 2 지연 시간으로 전환하는 신호를 출력한다. 지연 회로 (6) 는, 그 신호에 의해서 제 2 지연 시간에서 과충전 검출을 실시한다. 또한, 지연 회로 (6) 는, 제 1 지연 시간보다 짧고 제 2 지연 시간보다 긴, 제 1 지연 시간으로 복귀하기 위한 타이머도 계수한다. 타이머는 충전 금지가 해제되면 일정 시간을 계수하고 있어, 그 동안에 과충전을 검출하면 리셋된다. 또한, 과충전을 검출하기 전에 타이머가 계수를 종료하면, 지연 회로 (6) 는 지연 시간 전환 회로 (7) 에 신호를 출력한다. 그것에 의하여, 지연 시간 전환 회로 (7) 는, 제 2 지연 시간으로 전환하는 신호의 출력을 정지한다.
도 2 는, 본 실시형태의 충방전 제어 회로의 지연 회로의 일례를 나타낸 블록도이다.
지연 회로 (6) 는, 지연 시간을 계수하기 위한 발진 회로 (21) 와, 분주 회 로 (22) 와, 스위치 (23 및 24) 를 구비하고 있다. 분주 회로 (22) 는, 복수단의 플립플롭 회로 (FF1) 로 구성되어 있다.
발진 회로 (21) 는, 출력이 플립플롭 회로 (FF1) 와 스위치 (24) 에 접속된다. 분주 회로 (22) 는, 스위치 (23) 에 의해서, 플립플롭 회로 (FF1 내지 FFn) 와, 플립플롭 회로 (FFn+1 내지 FFm) 로 나누어져 있다. 또한 플립플롭 회로 (FFn+1) 의 입력은, 스위치 (23) 를 통해 플립플롭 회로 (FFn) 의 신호를 입력하거나, 스위치 (24) 를 통해 발진 회로 (21) 의 신호를 입력하거나, 를 선택할 수 있도록 접속되어 있다. 또한, 플립플롭 회로 (FFn) 의 출력과 플립플롭 회로 (FFm) 의 출력이, 지연 시간 전환 회로 (7) 및 제어 신호 출력 회로 (8) 에 접속된다. 발진 회로 (21) 는, 전압 검출 회로 (5) 의 신호에 의해서 동작의 개시 및 정지가 제어된다. 스위치 (23 및 24) 는, 지연 시간 전환 회로 (7) 의 신호에 의해서 개폐가 제어된다.
도 2 에 나타낸 충방전 제어 회로 (3) 는, 다음과 같이 동작하여 펄스 방전 전류에 의한 과충전으로부터 회로를 보호하는 기능을 갖는다.
먼저, 저전압으로부터의 충전에 의해서 과충전이 검출되면, 전압 검출 회로 (5) 로부터 발진 회로 (21) 에 신호가 출력되어, 발진을 개시한다. 또한, 전압 검출 회로 (5) 로부터 지연 시간 전환 회로 (7) 에 신호가 출력된다. 이 때, 지연 시간 전환 회로 (7) 는 통상적인 과충전 검출이기 때문에, 스위치 (23) 를 폐쇄로, 스위치 (24) 를 개방으로 제어한다. 즉, 제 1 지연 시간 (tCU1) 후에 제 1 지연 신호 (sCU1) 가 플립플롭 회로 (FFm) 로부터 출력된다. 제 1 지연 시간 (tCU1) 동안, 전압 검출 회로 (5) 가 과충전을 계속해서 검출하면, 지연 회로 (6) 는 제어 신호 출력 회로 (8) 에 제 1 지연 신호 (sCU1) 를 출력한다. 따라서, 충방전 제어 회로 (3) 는 충전을 금지하도록 충전 제어용 트랜지스터 (12) 를 제어한다.
다음으로, 충전 금지 상태로부터 방전에 의해서 충전 금지가 해제되었을 때에는, 전압 검출 회로 (5) 로부터 발진 회로 (21) 에 신호가 출력되어, 발진을 개시한다. 또, 전압 검출 회로 (5) 로부터 지연 시간 전환 회로 (7) 에 신호가 출력된다. 이 때, 지연 시간 전환 회로 (7) 는, 충전 금지 해제이기 때문에 스위치 (23 및 24) 를 개방으로 제어한다. 즉, 타이머 시간 (tC) 후에 타이머 신호 (sC) 가 플립플롭 회로 (FFn) 로부터 출력되고, 플립플롭 회로 (FFn+1) 이후에는 신호는 전달되지 않는다.
이 때, 충전 금지 해제의 상태에서 타이머 시간 (tC) 이 경과하면, 지연 시간 전환 회로 (7) 는 통상적인 과충전 검출 대기 상태로 리셋된다. 또한, 타이머 시간 (tC) 이 경과하기 전에 과충전이 검출되면, 전압 검출 회로 (5) 로부터 지연 시간 전환 회로 (7) 에 신호가 출력된다. 지연 시간 전환 회로 (7) 는, 충전 금지 해제 후의 과충전 검출이기 때문에 스위치 (24) 를 폐쇄로 제어하고, 발진 회로 (21) 의 신호가 플립플롭 회로 (FFn+1) 이후에 전달된다. 즉, 제 2 지연 시간 (tCU2) 후에 제 2 지연 신호 (sCU2) 가 플립플롭 회로 (FFm) 로부터 출력된다. 제 2 지연 시간 (tCU2) 동안에, 전압 검출 회로 (5) 가 과충전을 계속해서 검출하면, 지연 회로 (6) 는 제어 신호 출력 회로 (8) 에 제 2 지연 신호 (sCU2) 를 출력한다. 따라서, 충방전 제어 회로 (3) 는 충전을 금지하도록 충전 제어용 트랜지스터 (12) 를 제어한다.
여기서, 제 1 지연 시간 (tCU1), 제 2 지연 시간 (tCU2), 및 타이머 시간 (tC) 은, tCU1 ＞ tC ＞ tCU2 의 관계를 만족하도록 설정한다.
도 3 에, 상기 서술한 충방전 제어 회로 (3) 를 구비한 충전식 전원 장치 (1) 에 펄스 충방전기 (4) 가 접속되었을 때의, 이차 전지 (2) 의 전압을 나타낸다. 충전식 전원 장치 (1) 에 펄스 충방전기 (4) 가 접속되었을 때에 이차 전지 (2) 의 전압이 도 3 과 같이 제어되기 때문에, 이차 전지의 충방전을 안전하게 제어할 수 있게 된다.
또, 충방전 제어 회로 (3) 를 도 2 와 같이 구성함으로써, 즉 분주 회로 (2) 를 분할하여 사용함으로써 tC 와 tCU2 를 동시에 계수하는 것이 가능해져, 회로 규모의 과대한 증가를 초래하지 않으면서 휴대성이 우수한 소형의 충전식 전원을 제공하는 것이 가능해진다.
도 1 은 본 실시형태의 충방전 제어 회로, 및 그것을 구비한 충전식 전원 장치의 블록도.
도 2 는 본 실시형태의 충방전 제어 회로의 지연 회로의 일례를 나타낸 블록도.
도 3 은 본 실시형태의 충방전 제어 회로를 구비한 충전식 전원 장치에 펄스 충방전기가 접속되었을 때의, 이차 전지의 전압을 나타내는 도면.
도 4 는 종래의 충방전 제어 회로를 구비한 충전식 전원 장치에 펄스상의 충전 전류가 공급되고 있을 때의, 이차 전지의 전압을 나타내는 도면.
도 5 는 종래의 충방전 제어 회로를 구비한 충전식 전원 장치에 펄스상의 충전 전류가 공급되고 있을 때의, 이차 전지의 전압을 나타내는 도면.
도 6 은 종래의 충방전 제어 회로를 구비한 충전식 전원 장치에 펄스 충방전기가 접속되었을 때의, 이차 전지의 전압을 나타내는 도면.
도 7 은 충전식 전원 장치의 블록도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 충전식 전원 장치 2 : 이차 전지
3 : 충방전 제어 회로 4 : 펄스 충방전기
5 : 전압 검출 회로 6 : 지연 회로
7 : 지연시간 전환 회로 8 : 제어 신호 출력 회로
10 : 충방전 전류 제어 회로

Claims (5)

  1. 이차 전지의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로로서,
    과충전 전압 검출 수단과,
    상기 과충전 전압 검출 수단이 출력하는 신호를 받아, 소정의 지연 시간을 계수한 후에 상기 신호를 출력하는 지연 수단과,
    상기 과충전 전압 검출 수단이 출력하는 신호와 상기 지연 수단이 출력하는 신호를 받아, 상기 지연 수단의 지연 시간을 전환하는 지연 시간 전환 수단을 구비하고,
    상기 지연 수단은, 제 1 지연 시간과, 상기 제 1 지연 시간보다 짧은 제 2 지연 시간을 계수하는 전환 수단을 갖고,
    상기 지연 시간 전환 수단은, 과충전에 의한 충전 금지 상태로부터의 충전 금지 해제 후에, 상기 지연 수단에 상기 제 2 지연 시간으로 전환하는 신호를 출력하고,
    상기 지연 수단은, 상기 제 2 지연 시간에서 과충전을 검출하는 것을 특징으로 하는 충방전 제어 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지연 수단은 또한, 상기 제 2 지연 시간에서 상기 제 1 지연 시간으로 복귀하기 위한 타이머 수단을 갖고,
    상기 타이머 수단이 계수를 종료한 후에는, 상기 제 1 지연 시간에서 과충전을 검출하는 것을 특징으로 하는 충방전 제어 회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 타이머 수단이 계수하는 타이머 시간은, 상기 제 1 지연 시간보다 짧고, 상기 제 2 지연 시간보다 긴 것을 특징으로 하는 충방전 제어 회로.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 지연 수단은, 복수의 플립플롭 회로와 스위치 회로를 구비하고,
    상기 스위치 회로에 의해 상기 복수의 플립플롭 회로를 분할함으로써, 상기 제 2 지연 시간과 상기 타이머 시간을 동시에 계수하는 것을 특징으로 하는 충방전 제어 회로.
  5. 충방전기를 접속하는 단자에 직렬로 접속된 이차 전지 및 충방전 전류 제어 회로와,
    상기 이차 전지의 양단의 단자와 전압 검출 단자를 접속하고, 충방전 전류 제어 회로와 제어 신호 출력 단자를 접속한 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 충방전 제어 회로를 구비한, 충전식 전원 장치.
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