KR20130086562A

KR20130086562A - 보호 기능 부착 충전 제어 장치 및 전지팩

Info

Publication number: KR20130086562A
Application number: KR1020130007997A
Authority: KR
Inventors: 겐타로 쿠로카와; 다이스케 스즈키; 준지 타케시타
Original assignee: 미쓰미덴기가부시기가이샤
Priority date: 2012-01-25
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2013-08-02
Also published as: CN103227482B; CN103227482A; JP2013153613A; JP5974500B2; US9225182B2; US20130200847A1

Abstract

[과제] 충전 플로우를 포함하지 않아 심방전 상태에 있는 2차전지에 대하여 충전을 행하지 않는 기능을 가져 비교적 단시간에 급속 충전을 개시할 수 있는 충전 제어 장치를 제공한다.
[해결 수단] 충전용 전원이 접속된 것을 검출한 경우에 충전용 트랜지스터가 충전 전류를 흘리도록 제어하는 충전 제어 회로와, 2차전지의 일방의 단자와 외부 단자 사이에 직렬형태로 접속된 제 1 및 제 2 제어용 스위치 소자와, 2차전지가 과방전 상태로 된 경우에 제 1 제어용 스위치 소자를 오프 시켜 방전 전류가 흐르지 않도록 하고, 심방전 상태로 된 경우에 제 2 제어용 스위치 소자를 오프 시키도록 하는 보호 회로를 구비한 충전 제어 장치에 있어서, 보호 회로는 2차전지가 심방전 상태로 된 경우에 충전 제어 회로에 충전 금지 신호를 송신하고, 충전 제어 회로는 충전 금지 신호를 수신하고 있는 동안은 충전용 전원이 접속된 것을 검출해도 충전용 트랜지스터를 오프 상태로 하여 충전 전류를 흘리지 않도록 했다.

Description

보호 기능 부착 충전 제어 장치 및 전지팩{CHARGE CONTROL APPARATUS AND BATTERY PACK WITH PROTECTION FUNCTION}

본 발명은 과충전이나 과방전 등에 대한 보호 기능을 구비한 2차전지의 충전 제어 장치에 관한 것으로, 예를 들면, 리튬 이온 전지팩에 내장되는 충전 제어 장치 및 충전 제어용 반도체 집적회로에 이용하기 유효한 기술에 관한 것이다.

리튬 이온 전지 등의 2차전지에서는, 과충전이나 과방전이 발생하면 전지 수명이 저하되기 때문에, 종래, 휴대전화기 등의 2차전지에서는, 전지셀과 함께 과충전이나 과방전 등에 대한 보호 기능을 구비한 보호용 반도체 집적회로(이하, 보호 IC)를 1개의 용기에 내장한 전지팩으로서 구성하는 것이 행해지고 있다.

그리고, 상기와 같은 전지팩을 사용하는 경우, 본체 기기측에 AC 어댑터 등의 직류전원(충전용 전원)으로부터의 전압에 의해 2차전지를 충전하기 위한 충전 제어용 반도체 집적회로(이하, 충전 제어 IC)를 설치하고 있다. 이와 같이, 보호 IC와 충전 제어 IC로 구성한 충전 제어 장치에 관한 발명으로서는, 예를 들면, 특허문헌 1에 개시되어 있는 것이 있다. 또한 전지팩에 보호 IC와 충전 제어 IC를 내장하도록 한 발명도 제안되어 있다(특허문헌 2).

일본 특개 2000-92735호 공보(일본 특허 제4003311호) 일본 특개 2004-296165호 공보

(발명의 개요)

(발명이 해결하고자 하는 과제)

도 5에 보호 IC를 내장한 종래의 전지팩과, 이 전지팩에 대하여 충전을 행하는 충전 제어 IC를 구비한 충전 제어 장치의 구성예가 도시되어 있다.

도 5의 전지팩(100)에는 과충전이나 과방전 등에 대한 보호 기능을 구비한 보호 IC(11') 외에, 충전용 전원(AC 어댑터)이 접속되는 단자(P-)와 2차전지(20)의 부극측의 단자(B-) 사이에, 충전 제어용 FET(전계효과 트랜지스터)(13)와 방전 제어용 FET(14)가 직렬형태로 설치되어 있고, 보호 IC(11')는 충전 개시 후 전지 전압이 소정의 전압(리튬 이온 전지의 경우, 약 4.275V) 이상이 되면 충전 제어용 FET(13)를 오프 상태로 한다.

또한 보호 IC(11')는 과방전 상태(리튬 이온 전지의 경우, 약 2.3V 이하)를 검출하면 방전 제어용 FET(14)를 오프 상태로 함으로써 2차전지를 과방전으로부터 보호한다. 또한, 이 때, 충전을 가능하게 하기 위하여 충전 제어용 FET(13)는 온 상태로 된다.

한편, 충전 제어 IC(30)는 충전용 트랜지스터(31)와, 전압 입력 단자(V+)의 전압을 감시하여 AC 어댑터가 접속되어 있는지 아닌지 검출하기 위한 컴퍼레이터(32)를 구비하고, AC 어댑터가 접속된 것을 검출하면 충전용 트랜지스터(31)를 온 시켜서, 전지팩(20)에 대한 충전을 개시한다. 또한 충전 제어 중은 외장 LED를 점등시켜, 충전중인 것을 알린다.

또한, 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 충전 개시 후, 전지 전압이 소정의 전압(리튬 이온 전지의 경우, 약 4.2V)으로 된 경우에, 보호 IC(11')로부터 충전 제어 IC(30)에 신호를 보내어, 충전 제어 IC(30)가 정전류 충전으로부터 정전압 충전으로 제어를 전환하도록 하는 경우도 있다.

그런데, 종래는 일반적으로, 보호 IC(11')가 전지의 과방전을 검출하여 방전 제어용 FET(14)를 오프로 하고 있는 상태에서, 충전장치에 충전용 전원(AC 어댑터)이 접속된 경우, 예비 충전으로 2차전지의 전압이 회복될 때까지(리튬 이온 전지의 경우, 약 2.3V로 돌아갈 때까지)는 방전 제어용 FET(14)가 오프되어 있고, 그 동안은 방전 제어용 FET(14)의 소스·드레인 사이에 기생하는 기체 다이오드(14d)를 통하여 전류가 흘려져서 충전이 행해진다. 그런데, 이러한 제어의 경우, 방전 제어용 FET(14)의 기체 다이오드(14d)의 온 저항은, FET의 채널의 온 저항에 비해 크기 때문에, 충전 개시 초기에 전력 손실(발열)이 발생한다고 하는 과제가 있다.

또한 리튬 이온 전지는 전지 전압이 심방전 영역(예를 들면, 약 1.0V 이하)에 달하면, 금속 리튬의 석출에 의해 내부 단락을 일으켜버리는 경우가 있기 때문에, 이러한 상태(심방전 상태)에서 2차전지를 충전한 경우에는, 2차전지가 손상되어 버릴 우려가 있다. 그래서, 충전 제어 IC에는 심방전 상태의 2차전지에 대해서는 충전을 행하지 않도록 하는 기능이 요구된다.

그렇지만, 방전 제어용 FET(14)가 오프 상태로 되어 있는 전지팩은 외부로부터 소전지의 전압을 볼 수 없다. 그 때문에 충전 제어 IC는 2차전지가 심방전 상태에 있는지, 심방전 상태에 이르기 전의 과방전 상태에 있는지를 직접 알 수 없다.

그래서, 충전 제어 IC(30)에는, 전지가 정상인지 이상인지를 판정하면서 서서히 충전하는 전지 충전가동, 구제 충전, 강제 충전 등으로 불리는 기능(본 충전 전의 충전 플로우)를 포함하고 있는 것이 많다. 그렇지만, 이러한 충전 플로우에 의한 충전은 2차전지가 방전 상태에 있어도 충전 개시 초기는 작은 전류밖에 흘리지 못하기 때문에 대단히 시간이 걸림과 아울러, 플로우가 복잡하기 때문에, IC의 규모가 증대하여 비용 상승을 초래한다고 하는 과제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 배경하에 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 충전 플로우에 본 충전 전의 충전 플로우를 포함하지 않아 심방전 상태에 있는 2차전지에 대하여 충전을 행하지 않는 기능을 가져 비교적 단시간에 급속 충전을 개시할 수 있는 충전 제어 장치 및 충전 제어용 반도체 집적회로를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 방전 상태의 2차전지에 대한 충전 개시 초기에 전력 손실이 발생하는 것을 회피할 수 있는 충전 제어 장치 및 충전 제어용 반도체 집적회로를 제공하는 것이다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,

2차전지에 충전 전류를 흘리기 위한 충전용 트랜지스터와,

충전용 전원이 접속된 것을 검출한 경우에, 상기 충전용 트랜지스터가 충전 전류를 흘리도록 제어하는 충전 제어 회로와,

상기 2차전지의 일방의 단자와 외부 단자 사이에 직렬형태로 접속된 제 1 제어용 스위치 소자 및 제 2 제어용 스위치 소자와,

상기 2차전지가 과방전 상태로 된 경우에 상기 제 1 제어용 스위치 소자를 오프시켜 방전 전류가 흐르지 않도록 하고, 상기 2차전지가 심방전 상태로 된 경우에 상기 제 2 제어용 스위치 소자를 오프시켜 충전 전류가 흘러들어오지 않도록 하는 보호 회로를 구비한 충전 제어 장치로서,

상기 보호 회로는 상기 2차전지가 심방전 상태로 된 경우에 상기 충전 제어 회로에 충전 금지 신호를 송신하고, 상기 충전 제어 회로는 상기 충전 금지 신호를 수신하고 있는 동안에 충전용 전원이 접속된 것을 검출해도 상기 충전용 트랜지스터를 오프 상태로 하여 충전 전류를 흘리지 않도록 구성했다.

상기한 수단에 의하면, 충전 제어 회로는 보호 회로로부터의 충전 금지 신호를 수신하고 있지 않다면 충전용 전원이 접속된 것을 검출하면 충전용 트랜지스터를 온 상태로 하여 충전 전류를 흘릴 수 있으므로, 심방전 상태에 있는 2차전지에 대한 충전을 금지하는 기능을 보호 회로가 갖는 경우에도, 전지가 정상인지 이상인지를 판정하면서 서서히 충전하는 본 충전 전의 충전 플로우를 충전 제어 장치에 포함시키지 않고, 충전을 개시할 수 있게 된다.

또한, 바람직하게는, 상기 충전 제어 회로는 정전류에 의한 충전 제어와 정전압에 의한 충전 제어가 가능하여, 상기 충전 금지 신호를 수신하고 있지 않은 상태에서, 충전용 전원이 접속된 것을 검출한 경우에는, 정전류에 의한 충전 제어를 개시하여, 상기 2차전지의 전압이 소정 전위 이상이 되면 정전압에 의한 충전 제어로 전환하도록 구성한다.

이것에 의해, 충전 제어 회로는 2차전지가 심방전 상태가 아니면 즉시 충전을 개시할 수 있어, 총 충전 소요 시간을 단축할 수 있음과 아울러, 2차전지가 심방전 상태이면 충전을 개시하지 않으므로 심방전 상태의 2차전지의 열화를 회피할 수 있게 된다.

더욱 바람직하게는, 상기 충전 제어 회로는 충전용 전원이 접속된 것을 검출한 경우에 상기 보호 회로에 접속 검출 신호를 송신하고, 상기 보호 회로는 상기 2차전지가 과방전 상태로 되어 있어도 상기 접속 검출 신호를 수신한 경우에 상기 제 1 제어용 스위치 소자를 온 상태로 하도록 구성한다.

이것에 의해, 제 1 제어용 스위치 소자가 오프 상태에서, 이 소자에 기생하는 기체 다이오드를 통하여 충전 전류가 흐르는 기간을 없앨 수 있어, 충전 개시 직후에 전력 손실이 발생하는 것을 회피할 수 있게 된다.

또한 바람직하게는, 상기 충전 제어 회로와 상기 보호 회로는 1개의 반도체칩 위에 반도체 집적회로로서 형성한다.

이것에 의해, 충전 제어 장치와 전지셀을 1개의 용기에 수납하여 전지팩으로서 구성하는 것이 용이하게 된다. 또한 충전 제어 회로와 보호 회로 사이에서 충전 금지 신호나 접속 검출 신호를 송수신하는 경우에, 전용의 외부 단자를 설치할 필요가 없기 때문에, 충전 제어 장치의 고기능화에 수반되는 외부 단자수의 증가를 회피할 수 있게 된다.

더욱 바람직하게는, 상기와 같은 구성을 갖는 충전 제어 장치와, 이 충전 제어 장치에 접속된 전지셀을 1개의 용기에 수납한 전지팩으로서 구성한다.

이러한 전지팩에 의하면, 전지가 정상인지 이상인지를 판정하면서 서서히 충전하는 전지 충전가동, 구제 충전, 강제 충전 등이라고 불리는 본 충전 전의 충전 플로우를 포함하지 않고 충전을 개시할 수 있음과 아울러, 용기 내에 충전 제어 회로가 설치되어 있기 때문에 비접촉 충전이 가능하게 된다. 또한 충전 제어 장치가 써미스터를 구비하여 이상 온도를 검출한 경우에 충전을 정지하는 기능을 갖는 경우에, 전지팩에 써미스터의 상태를 나타내는 신호를 출력하기 위한 단자를 설치할 필요가 없기 때문에 단자수를 절감할 수 있게 된다.

본 발명에 의하면, 방전 상태의 2차전지에 대한 충전 개시 초기에 전력 손실이 발생하는 것을 회피할 수 있는 충전 제어 장치(충전 제어용 반도체 집적회로)를 실현할 수 있다.

또한 본 충전 전의 충전 플로우를 포함하지 않아 심방전 상태에 있는 2차전지에 대하여 충전을 행하지 않는 기능을 가져 비교적 단시간에 급속 충전을 개시할 수 있는 충전 제어 장치나 충전 제어용 반도체 집적회로를 실현할 수 있다고 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 충전 제어용 IC를 내장한 전지팩의 1실시형태를 나타내는 회로구성도.
도 2는 본 발명의 실시형태의 충전 제어용 IC의 동작을 설명하기 위한 타이밍 차트.
도 3은 본 발명의 실시형태의 충전 제어용 IC의 제 1 변형예를 나타내는 회로구성도.
도 4는 본 발명의 실시형태의 충전 제어용 IC의 제 2 변형예를 나타내는 회로구성도.
도 5는 충전 제어 IC와 보호 IC를 구비한 종래 타입의 전지팩의 구성예를 나타내는 회로도.
도 6은 충전 제어 IC와 보호 IC를 구비한 종래 타입의 전지팩의 동작을 설명하기 위한 타이밍 차트.
도 7은 충전 제어 IC와 보호 IC를 구비한 종래 타입의 충전 제어 장치에 있어서의 충전 제어 IC와 보호 IC에 의한 충전/보호를 위한 검출 전압의 관계를 나타내는 설명도.
도 8은 충전 제어 장치를 구성하는 충전 제어 IC의 구체예를 나타내는 회로도.
도 9는 충전 제어 장치를 구성하는 보호 IC의 구체예를 나타내는 회로도.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.

도 1은 본 발명을 적용한 충전 제어 장치를 내장한 전지팩의 1실시형태를 나타낸다. 또한, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 도 1에서 1점쇄선으로 둘러싸여 있는 부분의 회로를 구성하는 소자는 1개의 반도체칩 위에 형성되고, 반도체 집적회로(보호기능 부착 충전 제어용 IC)(10)로서 구성된다.

이 실시형태에 있어서의 전지팩(100)은 보호기능 부착 충전 제어용 IC(10)와, 리튬 이온 전지와 같은 2차전지(이하, 전지셀)(20)와, 온도 검출용의 써미스터(40)와, 충전중인 것을 알리는 LED(50)를 구비하고 있다.

보호기능 부착 충전 제어용 IC(10)는 과충전이나 과방전 등에 대한 보호기능을 구비한 보호 블록(11)과, 전지팩(100)의 전압 입력 단자(VIN)와 전지셀(20)의 정극측 단자(B+) 사이에 접속된 P채널형 MOSFET(절연 게이트형 전계효과 트랜지스터)로 이루어지는 충전용 트랜지스터(31)와, 이 충전용 트랜지스터(31)를 제어하는 충전 제어 블록(30)과, 전지셀(20)의 부극측 단자(B-)와 전지팩(100)의 부극측 단자(P-) 사이에 직렬형태로 설치되고, 보호 블록(11)에 의해 제어되는 N채널형 MOSFET로 이루어지는 충전 제어용 FET(13)와 방전 제어용 FET(14)를 갖는다.

상기 충전 제어 블록(30)은 전압 입력 단자(VIN)에 충전용 전원(AC 어댑터)이 접속되어 있는지 아닌지 검출하기 위한 컴퍼레이터(32)를 구비하고, 이 컴퍼레이터(32)가 AC 어댑터가 접속된 것을 검출하면 충전용 트랜지스터(31)를 온 시키고, 전지셀(20)에 대한 충전을 개시한다. 컴퍼레이터(32)는 전지팩(100)의 전압 입력 단자(VIN)의 전압 혹은 그것을 분압한 전압과 기준전압(Vref)을 비교하여 AC 어댑터가 접속되어 있는지 검출한다.

또한 충전 제어 블록(30)은 충전용 트랜지스터(31)와 직렬로 설치된 전류 검출용의 센스 저항(Rs)의 단자 간 전압을 감시하면서 정전류로 전지셀(20)을 충전하거나, 전지셀(20)의 단자(B+)의 전압이 입력되는 단자(BAT)의 전압을 감시하여 정전압으로 전지셀(20)을 충전하거나 하는 기능을 갖는다.

구체적으로는, 충전 제어 블록(30)은, 충전용 트랜지스터(31)를 제어하여, 리튬 이온 전지의 경우, 충전 개시 직후는 0.1C(급속 충전시의 10%)의 전류값으로 예비 충전을 개시하여 전지 전압이 2.9V가 되면 정전류 충전(급속 충전)으로 전환하고, 또한 전지 전압이 4.2V가 되면 정전압 충전으로 전환하여 충전을 계속한다. 그리고, 충전 완료 상태(예를 들면, 충전 전류가 소정값 이하로 된 것)를 검출하면, 충전용 트랜지스터(31)를 오프시켜 충전을 종료한다.

또한, 충전 제어 블록(30)은 써미스터(40)에 바이어스를 주어 온도를 검출해서 이상 온도라고 판정하면 충전을 중지하는 기능이나, 단자(BAT)의 전압에 기초하여 과전압 상태를 검출하면 충전을 중지하는 기능을 갖는다. 또한 충전 제어 블록(30)은 센스 저항(Rs)이 접속되는 단자(ISNS)의 전압을 감시하여 과충전 전류를 검출하면 충전을 중지하는 기능, 충전 제어 중은 외장 LED(50)를 점등시켜 충전중인 것을 알리는 기능 등도 갖는다.

또한 본 실시형태의 전지팩(100)에는, AC 어댑터가 접속되어 있는지 아닌지 검출하는 상기 컴퍼레이터(32)의 검출 신호(DT1)를 충전 제어 블록(30)으로부터 보호 블록(11)에 전송하기 위한 전송선(L1)이 설치되어 있다.

다음에 상기 보호 블록(11)의 기능에 대하여 설명한다.

보호 블록(11)은 충전 제어용 FET(13)를 온 시켜서 충전을 개시한 후, 전지 전압이 소정의 전압(리튬 이온 전지의 경우, 약 4.275V) 이상이 되면 충전 제어용 FET(13)를 오프 상태로 함으로써 전지를 보호하는 과충전 보호기능과, 전지팩에 부하가 접속되어 전지셀(20)이 방전을 개시한 후에 과방전 상태(리튬 이온 전지의 경우, 약 2.3V 이하)를 검출하면 방전 제어용 FET(14)를 오프 상태로 함으로써 전지를 보호하는 과방전 보호 기능을 구비하고 있다.

또한 보호 블록(11)은 전지가 심방전 상태(예를 들면, 약 1.0V 이하)로 된 것을 검출하면 방전 제어용 FET(14)와 충전 제어용 FET(13)를 모두 오프 상태로 하여 방전은 물론 충전도 금지하는 심방전 보호기능과, 전지가 심방전 상태가 된 것을 검출하면 충전 제어 블록(30)에 대하여 충전 금지 신호(CS)를 송신하는 기능도 구비하고 있다. 또한, 보호 블록(11)은, 단순한 과방전 상태인 경우에는, 방전 제어용 FET(14)를 오프 하고, 충전 제어용 FET(13)를 온 상태로 제어한다.

한편, 이 실시형태의 충전 제어 블록(30)은 보호 블록(11)으로부터의 충전 금지 신호(CS)를 수신하면, 충전 금지 신호(CS)가 충전을 금지하고 있는 동안은 충전용 트랜지스터(31)를 오프 상태로 제어하도록 구성되어 있다. 이것에 의해, 충전 제어용 IC(10)는 전지가 정상인지 이상인지를 판정하면서 서서히 충전하는 구제 충전 혹은 강제 충전이라고 불리는 기능(본 충전 전의 충전 플로우)을 포함시킬 필요가 없어, 본 충전 전의 충전 플로우에 의한 충전이 필요 없기 때문에, 충전 개시 후 바로 정전류 충전에 의한 급속 충전을 실행할 수 있어, 충전 소요 시간을 단축할 수 있음과 아울러, 본 충전 전의 충전 플로우를 포함시킨 것에 비해 IC의 비용을 저감할 수 있다.

또한, 충전 금지 신호(CS)가 충전을 금지하고 있는 상태는 하이 레벨이어도 로우 레벨이어도 된다. 충전 금지 신호(CS)가 충전을 금지하고 있는 상태(하이 레벨 또는 로우 레벨)에 있는 경우를, 충전 제어 블록은 충전 금지 신호(CS)를 수신하고 있는 상태로 정의하고, 충전 금지 신호(CS)가 충전을 금지하고 있지 않은 상태(로우 레벨 또는 하이 레벨)에 있는 경우를 충전 제어 블록은 충전 금지 신호(CS)를 수신하고 있지 않은 상태로 정의하는 것으로 한다.

그런데, 도 5에 나타내는 종래의 전지팩의 보호 IC(11')는, 전지의 과방전을 검출하여 방전 제어용 FET(14)를 오프로 하고 있는 상태에서, 충전 제어 장치에 충전용 전원(AC 어댑터)이 접속된 경우, 예비충전으로 2차전지의 전압이 회복될 때까지(리튬 이온 전지의 경우, 약 2.3V로 돌아올 때까지)의 동안, 방전 제어용 FET(14)를 오프 시키고 있다. 그 때문에 방전 제어용 FET(14)가 오프인 동안은 이 FET(14)의 소스·드레인 사이에 기생하는 기체 다이오드(14d)를 통하여 전류가 흘려져서 충전이 행해진다.

그리고, 도 6에 도시하는 바와 같이, 예비충전으로 2차전지의 전압이 회복된 시점(리튬 이온 전지의 경우, 약 2.3V에 달한 타이밍(t2))에서, 방전 제어용 FET(14)가 온 되고, 그 후는 2.9V에 달한 타이밍(t3)에서 정전류 충전에 의한 급속 충전이 개시되고, 4.2V에 달한 타이밍(t4)에서 정전압 충전으로 전환하여 충전을 행하고 있다.

이것에 대하여, 본 실시형태의 전지팩에서는, 충전 제어 블록(30)에 설치된 AC 어댑터가 접속되어 있는지 아닌지 검출하기 위한 컴퍼레이터(32)의 검출 신호(DT1)를 보호 블록(11)에 전송하기 위한 전송선(L1)이 설치되어 있다. 그리고, 보호 블록(11)이 AC 어댑터의 접속 검출 신호(DT1)를 받으면, 도 2에 나타내는 바와 같이, 접속 검출 타이밍(t1)에서 방전 제어용 FET(14)를 온 시킨다. 이러한 제어를 하고 싶은 경우, 방전 제어용 FET(14)의 게이트 제어 신호는, 예를 들면, 도 5의 보호 IC(11')로부터 출력되는 제어 신호(DOUT)와 상기 접속 검출 신호(DT1)와의 논리합을 취하는 OR 게이트를 본 실시형태의 보호 블록(11)에 설치하고, 이 OR 게이트의 출력을 방전 제어용 FET(14)의 게이트 제어 신호(DOUT)로 함으로써 용이하게 생성할 수 있다.

도 5에 나타내는 종래의 전지팩에서는, 도 6의 t1-t2의 기간은 방전 제어용 FET(14)의 소스·드레인 간에 기생하는 기체 다이오드(14d)를 통하여 전류가 흘러서 충전이 이루어지기 때문에, 전력 손실이 커지고 있었다.

이것에 대하여, 본 실시형태의 전지팩에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, AC 어댑터가 접속된 타이밍(t1)에서 보호 블록(11)에 의해 방전 제어용 FET(14)가 온 되고, 이 FET의 채널을 통하여 전류가 흘러서 충전이 행해지기 때문에, 충전 개시 직후의 전력 손실을 절감할 수 있다.

또한, 도 2(B)와 도 6(B)에 나타내는 전압변화의 특성선에 있어서, 실선은 보호 IC가 감시하는 전지셀의 전압(B+/B-), 파선은 충전 제어 IC(30)가 감시하는 전지 전압(P+/P-)이다. 또한 도 6(B)에 나타내는 양자의 차전압(VF)은 기체 다이오드(14d)의 순방향 전압에 상당한다. 종래의 전지팩(도 5)에서는, 셀의 전압(B+/B-)이 2.3V가 된 시점(도 6의 타이밍(t2))에서 방전 제어용 FET(14)가 온 되기 때문에, 그 후에 충전 제어 IC(30)가 감시하는 전지 전압(P+/P-)은 셀 전압(B+/B-)과 일치한다.

한편, 본 실시형태의 전지팩에서는, AC 어댑터가 접속된 시점(도 2의 타이밍(t1))에서 방전 제어용 FET(14)가 온 되기 때문에, t1의 직후부터 충전 제어 블록(30)이 감시하는 전지 전압(P+/P-)은 셀 전압(B+/B-)과 일치하게 된다.

도 8은 도 5에 도시하는 충전 제어 장치를 구성하는 충전 제어 IC(30)로서 설계한 구체적인 회로예를 나타낸다.

도 8의 충전 제어 IC(30)에는, 충전용 트랜지스터(31), AC 어댑터로부터의 전압이 입력되는 입력 단자(IN)의 전압과 기준전압원(35)으로부터의 기준전압(Vref)을 비교하여 어댑터의 접속을 검출하기 위한 컴퍼레이터(32)가 설치되어 있다. 또한 전지셀의 단자가 접속되는 단자(BAT)의 전압과 전원 전압을 저항 분압한 전압을 비교하여 충전용 트랜지스터(31)의 게이트 전압을 제어하는 전압을 생성하는 정전압 충전 제어용 컴퍼레이터(36), 전류 센스 저항이 접속되는 단자(ISNS)의 전압과 전원전압을 저항 분압한 전압을 비교하여 충전용 트랜지스터(31)의 게이트 전압을 제어하는 전압을 생성하는 정전류 충전 제어용 컴퍼레이터(37)가 설치되어 있다.

또한, 도 8의 충전 제어 IC(30)에는, 단자(BAT)의 전압을 감시하여 과전압을 검출하는 컴퍼레이터(38a), 재충전을 검출하는 컴퍼레이터(38b), 급속 충전 개시를 검출하는 컴퍼레이터(38c), 충전 개시를 검출하는 컴퍼레이터(38d), 충전 완료를 검출하는 컴퍼레이터(38e) 및 이들 컴퍼레이터의 출력에 기초하여 충전용 트랜지스터(31)를 제어하는 충전 제어 회로(39), 발진기(OSC), 타이머(TMR) 등이 설치되어 있다.

상기 실시예(도 1)에서, 충전 제어 블록(30)으로서 도 8의 충전 제어 IC의 회로 구성을 응용할 수 있고, 그 경우, 충전 제어 블록(30)으로부터 보호 블록(11)으로 송신하는 어댑터 접속 검출 신호(DT1)는 도 8의 충전 제어 IC(30) 내의 노드(N1)로부터 취출할 수 있다.

도 9는 도 5에 나타내는 충전 제어 장치를 구성하는 보호 IC로서 설계한 구체적인 회로예를 나타낸다.

도 9의 보호 IC(11')에는 충전용 트랜지스터(31), 전지셀의 전압이 인가되는 전원 단자(VCC)의 전압을 저항 분압한 전압과 기준전압(Vref1)을 비교하여 전지셀의 과충전 상태를 검출하기 위한 컴퍼레이터(15a)와, 전지셀의 과방전 상태를 검출하기 위한 컴퍼레이터(15b)가 설치되어 있다.

또한 전원 단자(VCC)의 전압을 저항 분압한 전압과 기준전압(Vref1)을 비교하여 과방전 전류 상태를 검출하는 컴퍼레이터(16a), 단락 상태를 검출하는 컴퍼레이터(16b), 과충전 전류 상태를 검출하는 컴퍼레이터(16c) 및 이들 컴퍼레이터의 출력 에 기초하여 충전 제어용 FET(13)나 방전 제어용 FET(14)의 제어 신호를 생성하는 로직 & 타이머 회로(17), 생성된 제어 신호를 단자(DOUT, COUT)에 출력하는 버퍼 회로(18a ,18b), 발진기(OSC), 레벨 시프트 회로(19) 등이 설치되어 있다.

상기 실시예(도 1)에 있어서, 보호 블록(11)으로서 도 9의 보호 IC의 회로구성을 응용할 수 있고, 그 경우, 보호 블록(11)으로부터 충전 제어 블록(30)으로 송신하는 충전 금지 신호(CS)는 도 9의 보호 IC(11') 내의 노드(N2)로부터 취출할 수 있다.

본 실시형태에서는, 충전 제어 회로로서의 충전 제어 블록(30)과 보호 회로로서의 보호 블록(11)이 1개의 반도체칩 위에 반도체 집적회로로서 형성되어 있기 때문에, 충전 제어 장치와 전지셀을 1개의 용기에 수납하고 전지팩으로서 구성하는 것이 용이하게 된다. 또한 충전 제어 회로와 보호 회로 사이에서 충전 금지 신호나 접속 검출 신호를 송수신하는 경우에, 전용의 외부 단자를 설치할 필요가 없기 때문에, 충전 제어 장치의 고기능화에 수반되는 외부 단자수의 증가를 회피할 수 있다.

또한 본 실시형태의 전지팩에 의하면, 전지가 정상인지 이상인지를 판정하면서 서서히 충전하는 구제 충전 혹은 강제 충전이라고 불리는 본 충전 전의 충전 플로우를 포함하지 않고 충전을 개시할 수 있음과 아울러, 용기 내에 충전 제어 회로가 설치되어 있기 때문에 비접촉 충전이 가능하게 된다.

또한, 보호 IC와 전지셀을 용기에 수납한 종래의 전지팩에서는, 써미스터를 구비하여 이상온도를 검출한 경우에 충전 제어 장치가 충전을 정지하는 기능을 갖는 경우에, 전지팩에 써미스터의 상태를 나타내는 신호를 출력하기 위한 단자를 설치할 필요가 있었지만, 본 실시형태의 전지팩에서는, 충전 제어 회로가 내장되어 있기 때문에, 써미스터의 상태를 나타내는 신호를 출력하기 위한 단자가 불필요하게 되어, 팩의 단자수를 절감할 수 있다고 하는 이점이 있다.

도 3에는 본 실시형태에 있어서의 전지팩(100)의 제 1 변형예가 도시되어 있다. 도 1의 실시예의 전지팩(100)은 전지셀(20)의 부극 단자(B-)측에 P채널형 MOSFET로 이루어지는 충전 제어용 FET(13)와 방전 제어용 FET(14)를 설치하고 보호 블록(11)에 의해 제어하는 로우 사이드 제어 방식을 적용한 것이다. 이것에 대하여, 도 3의 변형예의 전지팩(100)은 전지셀(20)의 정극 단자(B+)측에 충전 제어용 FET(13)와 방전 제어용 FET(14)를 설치하여 전지보호 블록(11)에 의해 제어하는 하이 사이드 제어 방식을 적용한 것이다. 충전 제어용 FET(13)와 방전 제어용 FET(14)는 N채널형 MOSFET에 의해 구성하는 것도 가능하다.

이 변형예에서도, AC 어댑터가 접속된 것을 나타내는 검출 신호(DT1)가 충전 제어 블록(30)으로부터 보호 블록(11)으로 송신됨과 아울러, 충전 금지를 나타내는 신호(CS)가 보호 블록(11)으로부터 충전 제어 블록(30)으로 송신되도록 구성되어 있다.

또한 도 3의 변형예에서는, 충전 제어 블록(30)이 감시하는 전압을 전지셀(20)의 정극측 단자(B+)의 근방으로부터 취출하고 있다. 이것에 의해, 충전 제어용 FET(13)나 방전 제어용 FET(14)의 임피던스에 의해 모니터 전압이 저하되어, 충전 개시 후 충전 종료까지의 충전 소요 시간이 길어지는 것을 회피할 수 있다.

또한 도 3의 변형예에서는, 센스 저항(Rs)을 설치하는 대신에, 충전 제어 블록(30) 내에 충전용 트랜지스터(31)와 커런트 미러 접속된 트랜지스터를 설치하고, 충전용 트랜지스터(31)에 흐르는 충전 전류에 비례한 전류를 커런트 미러 회로에 흘리고 그 전류값을 검출함으로써 전류 제어를 하도록 구성되어 있다.

또한, 보호 블록(11)과 충전 제어 블록(30)의 기능은 도 1의 실시예의 것과 동일하므로, 중복된 설명은 생략한다.

도 4에는 본 실시형태에 있어서의 전지팩(100)의 제 2 변형예가 도시되어 있다. 도 1의 실시예의 전지팩(100)은 충전 제어 블록(30)이 리니어 제어 방식으로 충전용 트랜지스터(31)를 제어하도록 하고 있다. 이에 반해 도 4의 변형예의 전지팩(100)은 충전용 트랜지스터(31)와 직렬로 인덕터(코일)(33)를 접속함과 아울러, 충전용 트랜지스터(31)와 인덕터(33)와의 접속 노드와 접지점 사이에 동기 정류용의 트랜지스터(FET)(34)를 설치하고, 충전용 트랜지스터(31)와 동기 정류용의 트랜지스터(34)를 번갈아 온 시켜 충전 전류를 흘리는 스위칭 레귤레이터 방식의 충전 제어 장치로서 구성한 것이다.

이상 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 실시형태에 기초하여 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 실시형태에서는, 보호 블록(11)과 충전 제어 블록(30) 및 충전 제어용 FET(13)나 방전 제어용 FET(14), 충전용 트랜지스터(31)를 1개의 반도체칩 위에 형성하여 전체를 반도체 집적회로로서 구성한 것을 제시했지만, 보호 블록(11)과 충전 제어 블록(30)은 각각의 반도체 집적회로로서 구성해도 된다. 또한 충전 제어용 FET(13)나 방전 제어용 FET(14), 충전용 트랜지스터(31), 센스 저항(Rs)도 온칩의 소자가 아니고 외장형의 소자로 구성해도 된다.

또한, 상기 실시형태의 전지팩(100)은 충전 제어 블록(30)과 충전용 트랜지스터(31)를 내장하고 있어 단독으로 충전 가능하므로, 팩의 단자(VIN)에 비접촉 충전 모듈을 결합하여 비접촉 방식으로 충전을 행하는 시스템으로서 구성하도록 해도 된다.

또한 상기 실시형태에서는, 충전 제어 블록(30)에 의해 제어되는 충전용 트랜지스터(31)로서 FET를 사용하고 있지만, 이 트랜지스터는 바이폴라 트랜지스터이어도 된다.

10 충전 제어 IC
11 보호 블록(보호 회로)
13 충전 제어용 FET(제 2 제어용 스위치 소자)
14 방전 제어용 FET(제 1 제어용 스위치 소자)
20 전지셀
30 충전 제어 블록(충전 제어 회로)
31 충전용 트랜지스터
100 전지팩

Claims

2차전지에 충전 전류를 흘리기 위한 충전용 트랜지스터와,
충전용 전원이 접속된 것을 검출한 경우에, 상기 충전용 트랜지스터가 충전 전류를 흘려 보내도록 제어하는 충전 제어 회로와,
상기 2차전지의 일방의 단자와 외부 단자 사이에 직렬형태로 접속된 제 1 제어용 스위치 소자 및 제 2 제어용 스위치 소자와,
상기 2차전지가 과방전 상태로 된 경우에 상기 제 1 제어용 스위치 소자를 오프 시켜 방전 전류가 흐르지 않도록 하고, 상기 2차전지가 심방전 상태로 된 경우에 상기 제 2 제어용 스위치 소자를 오프 시켜서 충전 전류가 흘러들어 오지 않도록 하는 보호 회로를 구비한 충전 제어 장치로서,
상기 보호 회로는, 상기 2차전지가 심방전 상태로 된 경우에 상기 충전 제어 회로에 충전 금지 신호를 송신하고, 상기 충전 제어 회로는 상기 충전 금지 신호를 수신하고 있는 동안은 충전용 전원이 접속된 것을 검출해도 상기 충전용 트랜지스터를 오프 상태로 하여 충전 전류를 흘리지 않도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 보호기능 부착 충전 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 충전 제어 회로는,
정전류에 의한 충전 제어와 정전압에 의한 충전 제어가 가능하여,
상기 충전 금지 신호를 수신하고 있지 않은 상태에서, 충전용 전원이 접속된 것을 검출한 경우에는, 정전류에 의한 충전 제어를 개시하고, 상기 2차전지의 전압이 소정 전위 이상이 되면 정전압에 의한 충전 제어로 전환하는 것을 특징으로 하는 보호기능 부착 충전 제어 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 충전 제어 회로는 충전용 전원이 접속된 것을 검출한 경우에 상기 보호 회로에 접속 검출 신호를 송신하고,
상기 보호 회로는 상기 2차전지가 과방전 상태로 되어 있어도 상기 접속 검출 신호를 수신한 경우에 상기 제 1 제어용 스위치 소자를 온 상태로 시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 보호기능 부착 충전 제어 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 충전 제어 회로와 상기 보호 회로는 1개의 반도체칩 위에 반도체 집적회로로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 보호기능 부착 충전 제어 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 충전 제어 장치와, 이 충전 제어 장치에 접속된 전지셀이 1개의 용기에 수납되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.