WO2006038412A1

WO2006038412A1 - 保護回路

Info

Publication number: WO2006038412A1
Application number: PCT/JP2005/016281
Authority: WO
Inventors: Yuji Furuuchi; Kazutaka Furuta; Masami Kawazu
Original assignee: Sony Chemical & Information Device Corporation
Priority date: 2004-10-04
Filing date: 2005-09-06
Publication date: 2006-04-13
Also published as: JP4207877B2; EP3525309B1; EP3823123B1; CN101040415A; TWI296122B; US7679330B2; EP3525309A1; KR20070098987A; EP1798833B1; CN101040415B; EP1798833A1; TW200625362A; EP4156427A1; JP2006109596A; EP3823123A1; EP1798833A4; US20070159138A1; HK1110705A1; KR101201569B1

Abstract

　基板上に抵抗発熱体とヒューズエレメントを設けた保護素子、及び検知手段を用いて、過電流と過電圧から電池パックを保護する保護回路において、電池パックの電流定格や電圧定格によらず、共通の保護素子を使用して低コストに製造できる保護回路を提供する。　二次電池６が直列に繋げられた電池パック５を、過電流と過電圧から保護する保護回路１Ａであって、該保護回路１Ａが、基板上に発熱抵抗体３とヒューズエレメント４を設けた保護素子２Ａ、及び電池パック５内の任意の電池間の過電圧を検出し該発熱抵抗体３に流れる電流をスイッチする検知手段７を有する。この保護回路１Ａでは過電圧時に検知手段７によって発熱抵抗体３に流れる電流がスイッチオンすることにより、電池パック５内で直列に接続された所定数個分の電池の電圧が発熱抵抗体３に印加され、発熱抵抗体３が発熱し、ヒューズエレメント４が溶断する。

Description

明細書

保護回路

技術分野

[0001] 本発明は、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントを設けた保護素子を用いて、電池パックの過電流と過電圧を防止する保護回路に関する。

背景技術

[0002] 携帯電話やノートパソコン等のモパイル電子機器の普及と共に、リチウムイオン電池の市場が拡大してきた。これらのモパイル電子機器では、通常、電源として、リチウムイオン電池を 1〜4個直列に接続した電池パックが用いられている。このような電池パックでは、リチウムイオン電池が充電時に過充電 (即ち、過電圧）になると、発火や発煙の可能性があり、これを防止するために保護回路が設けられている。

[0003] この保護回路には、過電流と過電圧の双方力電池を保護することが必要とされる。そこで、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントを設けた保護素子と、過電圧を検出し、保護素子に流れる電流をスィッチする検知素子とを用いた保護回路が使用されている。この保護回路は、過電流時にはヒューズエレメントが溶断し、一方、過電圧時には、検知素子が発熱抵抗体に急激に電流を流し、それにより発熱抵抗体が発熱し、その熱でヒューズエレメントが溶断するようにしたものである（特許文献 1)。

[0004] 特許文献 1：特許 2790433号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 近年、大電流で使用するモパイル電子機器の巿場の拡大に伴い、電池パックとしては、リチウムイオン電池の直列数 4以下の従前の定格電圧を超え、直列数 10程度の定格電圧のものも使用されるようになって!/ヽる。

[0006] 一方、上述の電池パックの保護回路にぉ、て、保護素子の発熱抵抗体にかかる電圧は電池パックを構成する電池の直列数に依存する。そのため、過充電時に保護素子のヒューズエレメントを確実に溶断させるためには、電池の直列数ごとに適切な抵抗値を有する発熱抵抗体を設けた保護素子をラインアップしなくてはならず、電池パックの電圧定格力リチウムイオン電池の直列数力以下のものから 10程度のものまでに多様ィ匕した今日では、多品種生産によるコストアップないしプライスアップが問題となっていた。

[0007] 例えば、図 6の保護回路 IXや図 7の保護回路 1Yにおいて、保護素子 2A、 2Bがそれぞれ基板上に設けた発熱抵抗体 3とヒューズエレメント 4からなり、その動作可能電力が 10〜20Wであり、電池パック 5内の 1つの電池 6の最大電圧力 Vであり、検知手段 7として電圧検知用 IC8と FET9が設けられていると仮定すると、保護素子 2A、 2Bとしては、電池パック 5を構成する電池 6の直列数ごとに、発熱抵抗体 3として表 1 の抵抗値を有するものを揃えなくてはならな、。

[0008] [表 1]

[0009] 仮に、直列数が 10の電池パック 5において、直列数力の電池パック 5に対応した 2 5 Ωの発熱抵抗体を用いて図 6の保護回路 IXを組むと、過充電時に、電圧検知用 I C8が電池パック 5の両端の過電圧を検出することにより FET9のゲート電位が変化し、発熱抵抗体 3に大電流が流れたときの発熱抵抗体 3での消費電力 Wは、

W=V *V/R=40 * 40/25 = 64W

により 64Wにもなり、動作可能範囲の 10〜20Wを大きく超える。そのため、ヒューズエレメント 4が溶断する前に、この発熱抵抗体 3が焼き切れてしまう。

[0010] このように保護素子 2A、 2Bの発熱抵抗体 3としては、抵抗値が、電池パック 5の電圧に応じたものを使用することが必要となる。

[0011] 一方、大電流用途のモパイル電子機器に使用する電池パックでは、保護素子のヒユーズエレメントも大電流用のものが必要とされ、この点力らも種々の定格のヒューズエレメントを備えた保護素子のラインナップが必要とされ、保護素子のコストアップな

V、しプライスアップが問題となって!/、た。

[0012] そこで、本発明は、基板上に抵抗発熱体とヒューズエレメントを設けた保護素子、及び検知手段を用いて、過電流と過電圧から電池パックを保護する保護回路において、電池パックの電流定格によらず、また、電池パック内の電池の直列数によらず、共通の保護素子を使用できる保護回路を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0013] 本発明者らは、複数の二次電池が直列に接続されている電池パックを過電流や過電圧カゝら保護する保護回路において、過電圧により保護回路が作動した時に、保護素子の動作可能範囲で該保護素子の発熱抵抗体に電圧が印加されるようにするためには、（1)過電圧時に、電池パック内で直列に接続された電池数の全数ではなぐ所定数個分の電池の電圧が発熱抵抗体に印加されるようにするのが有効であること、（2)検知手段で過電圧を検出するにあたり、検出する電圧は、必ずしも、電池パック内で直列に接続された電池の全数分の電圧とする必要はなぐ直列に接続された所定数個の電池の電圧を検出すればよいことを見出し、また、大電流用途において通常用途と共通の定格の保護素子を使用するためは、保護素子を並列に複数段に配列すればよいことを見出し、本発明を完成させた。

[0014] 即ち、第 1の本発明は、二次電池が直列に接続された電池パックを過電流と過電圧力保護する保護回路であって、

該保護回路が、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントを設けた保護素子、及び電池パック内の任意の電池間の過電圧を検出し該発熱抵抗体に流れる電流をスィッチする検知手段を有し、

過電流時にヒューズエレメントが溶断すると共に、

前記電池間の過電圧時に検知手段によって発熱抵抗体に流れる電流がスィッチォンすることにより発熱抵抗体が発熱し、ヒューズエレメントが溶断するようにした保護回路を提供し、特にこの保護回路において、異なる電池間の過電圧を検出する複数の検知手段を設けた態様を提供する。

[0015] また、第 2の本発明は、二次電池が直列に接続された電池パックを過電流と過電圧から保護する保護回路であって、

保護素子は並列に複数接続され、

過電流時に各保護素子においてヒューズエレメントが溶断すると共に、

前記電池間の過電圧時に検知手段によって発熱抵抗体に流れる電流がスィッチォンすることにより、電池パック内の所定数個の電池の電圧が、各保護素子の発熱抵抗体に印加され、発熱抵抗体が発熱し、ヒューズエレメントが溶断するようにした保護回路を提供する。

発明の効果

[0016] 第 1及び第 2の本発明は、それぞれ、二次電池が直列に接続された電池パックを過電流と過電圧カゝら保護する保護回路であって、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントを設けた保護素子、及び過電圧の検知手段を有する。

[0017] このうち、第 1の保護回路では、検知手段が過電圧を検知して保護素子の発熱抵抗体に流れる電流をスィッチオンし、該保護素子の発熱抵抗体に電圧を印加するにあたり、検知電圧は、電池パック内で直列に接続された電池の全数分の電圧ではなく、直列に接続された任意の電池間の電圧である。このため、電池の直列数の多い電池パック用の保護回路で使用する保護素子と、電池の直列数の少ない電池パック用の保護回路で使用する保護素子とで、発熱抵抗体を共通化することができる。よつて、保護素子の多品種生産を回避し、保護回路の製造コストを下げることが可能となる。また、この保護回路によれば、電圧定格の低い電圧検知用 ICで、電圧定格の高い電池パックにおける過電圧を検出することができる。ここで、検知電圧を任意の電池間における個々の電池間の電圧とすると、電池パック内の個々の電池ごとの特性のばらつきに応じた充電状態を観察することができる。また、この保護回路において、電池パック内の異なる電池間の過電圧を検出するために、複数の検知手段を設けると、電池の直列数が多いために電池パック全体としては、過電圧を検出する電圧定格の高ヽ電圧検知用 ICが存在しなヽ場合でも、電池の直列数の少な!/ヽ電池パックに対応した既存の電圧定格の低い電圧検知用 ICを用いて保護回路を組むことが可能となる。

[0018] 第 2の保護回路では、保護素子が並列に接続されているので、ヒューズエレメントが並列に接続されている。このため、電池パックに大電流が流れる保護回路と、電池パックに小電流が流れる保護回路とで、保護素子のヒューズエレメントを共通化することができ、保護素子の製造コストを下げることができる。従って、保護回路全体を顕著に低コス卜ィ匕することがでさる。

図面の簡単な説明

[0019] [図 1]図 1は本発明の異なる態様の保護回路である。

[図 2]図 2は本発明の異なる態様の保護回路である。

[図 3]図 3は本発明の異なる態様の保護回路である。

[図 4]図 4は保護素子を並列させた回路において、ヒューズエレメントが溶断した場合の導通路の説明図である。

[図 5]図 5は保護素子を並列させた回路において、ヒューズエレメントが溶断した場合の導通路の説明図である。

[図 6]図 6は従来の保護回路の問題点の説明図である。

[図 7]図 7は従来の保護回路の問題点の説明図である。

符号の説明

[0020] IX、 1Y 従来の保護回路

1A、 1B、 1C 実施例の保護回路

2A、 2B 保護素子

3 発熱抵抗体

4 ヒューズエレメント

5 電池パック

6、 6-1〜6-10 電池

7 検知手段

8、 8-1、 8-2、 8-3 電圧検知用 IC

9、 9 - 1、 9-2, 9-3 FET

発明を実施するための最良の形態

[0021] 以下、本発明を図面に基いて詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は同一又は同等の構成要素を表して、る。 [0022] 図 1は、第 1の本発明の一実施例の保護回路 1Aである。この保護回路 1Aは、 10 個の二次電池 6-1〜6-10が直列に接続された電池パック 5を過電流と過電圧力保護するものであって、保護素子 2Aと検知手段 7を有する。

[0023] 保護素子 2Aは、特許 2790433号公報 (特許文献 1)、特開 2000— 285778号公報等に記載されているように、基板上に発熱抵抗体 3とヒューズエレメント 4を設け、発熱抵抗体 3が通電発熱することによりヒューズエレメント 4が溶断するようにしたものである。

[0024] 検知手段 7は、電圧検知用 IC8と FET9からなる。電圧検知用 IC8は、第 1番目の電池 6-1と第 4番目の電池 6-4との間の電圧を検知し、その検出信号を FET9のゲートに出力するように接続されている。このように電圧検知用 IC8を接続することにより、 4個分の電池の直列電圧の検知に適した電圧検知用 IC8を用いて、 10個の電池が直列に接続された電池パック 5の過電圧を検出することができる。特に、この保護回路 1Bでは、電圧検知用 IC8が、第 1番目の電池 6-1と第 4番目の電池 6-4との間の個々の電池間の電圧も検出するように接続されているので、電池パック 5に収容される個々の電池に特性のばらつきがあり、充電時に個々の電池電圧にばらつきがあっても、電池ごとに過電圧を検出することができる。

[0025] この保護回路 1Aで電池パック 5に過電流が生じると、保護素子 2Aのヒューズエレメント 4が溶断し、また、電池パック 5に過電圧が生じると、 FET9のゲート電位が所定電位以上となってスィッチオンの状態となり、 FET9のドレイン-ソース間に急激に電流が流れ、したがって、保護素子 1Aの発熱抵抗体 3に急激に電流が流れ、発熱抵抗体 3が発熱し、ヒューズエレメント 4が溶断する。

[0026] ここで、 FET9のソース側端子が電池パック 5内の電池 6-4と電池 6-5の間に接続されていることから、スィッチオンの状態で発熱抵抗体 3にかかる電圧は、この接続位置により定まる 4個分の電池の直列電圧となり、電池パック 5の両端の電圧ではない。よって、この保護回路によれば、スィッチオンの状態で発熱抵抗体 3に印加される 4 個分の電池の直列電圧に適した発熱抵抗体 3を用いて、 10個の電池が直列に接続された電池パック 5両端の過電圧にも対応することが可能となり、保護回路の低コストィ匕を図ることができる。 [0027] なお、電池間のショートによるトラブルを考慮した場合、スィッチオンの状態で、できるだけ多い直列数の電池の電圧が発熱抵抗体 3に印加されるようにするのがよいが、電池間のショートの可能性は極めて低いため、実用上は、直列数 2以上の電池の電圧が発熱抵抗体 3に印加されるようにすればょ、。

[0028] また、図 1の保護回路 1Aで、 FET9のゲートとソースの間に抵抗 Rを設けているのは、電圧検知用 IC8が過電圧を検出した場合に Nチャンネル TFTをスィッチオンとするためには、 FET9のゲート電位をソース電位よりもある程度高くする必要があるためである。

[0029] 図 2の保護回路 1Bは、図 1の保護回路 1Aと同様に、電圧検知用 IC8- 1を、第 1番目の電池 6-1と第 4番目の電池 6-4との間の電圧を検知するように接続し、さらに残りの電池 6-5と第 7番目の電池 6-7との電池間にも電圧検知用 IC8-2を接続することにより電圧検知用 ICを 2段に設け、いずれの電圧検知用 IC8-1、 8-2で過電圧が検知された場合にも保護素子 2Aのヒューズエレメント 4が溶断し、過充電から電池パック 5 が保護されるようにしたものである。

[0030] 即ち、第 1番目の電池 6-1と第 4番目の電池 6-4の間で、いずれか 1つの電池であつても過電圧が生じると、電圧検知用 IC8-1によって FET9-3のゲート電位があがり、 FET9-3がスィッチオンとなり、保護素子の発熱抵抗体 3に急激に電流が流れ、発熱体 3が発熱してヒューズエレメント 4が溶断する。

[0031] 一方、第 5番目の電池 6-5と第 7番目の電池 6-7の間で、いずれか 1つの電池であつても過電圧が生じると、まず、電圧検知用 IC8-2によって FET9-1のゲート電位が高くなり、この FET9-1のドレイン-ソース間に急激に電流が流れ、それにより FET9- 2のゲート電位が下がる。この FET9- 2は、 Pチャンネル FETであるから、ゲート電位の降下によりスィッチオンとなり、そのドレインソース間に急激に電流が流れる。これにより、 FET9-3のゲート電位があがり、 FET9-3がスィッチオンとなり、保護素子の発熱抵抗体 3に急激に電流が流れ,発熱体 3が発熱してヒューズエレメント 4が溶断する。なお、ダイオード D-l、 D- 2は、 FET9- 3のゲート電位があげられたときに、他の回路を伝わって電位が下がらな、ようにするために設けられて、る。

[0032] したがって、この保護回路 1Bによれば、例えば、電池の直列数 4又は 3に対応した電圧検知用 IC8-1、 8-2を用いて、直列数 10の電池パックに起こる過電圧を完全に防止することができる。言い換えれば、電池の直列数が多いために電池パック全体としては、過電圧を検出する高い電圧定格の電圧検知用 ICが存在しない場合でも、電池の直列数の少な!、電池パックに対応した既存の電圧定格の低!、電圧検知用 ICを用いて保護回路を組むことが可能となる。

[0033] 図 3は大電流用の電池パックに対応させた第 2の本発明の一実施例の保護回路 1 Cである。この保護回路 1Cでは、上述と同様の保護素子 2A力個並列に設けられている。したがって、電池パック 5の通常の通電状態で大電流が流れ、保護素子 2Aが単独で設けられている場合には、ヒューズエレメント 4が溶断するときでも、この保護回路 1Cによれば、保護素子 2Aにおいて通電経路が 4つに枝分かれるするので、ヒユース、エレメント 4が溶断しな、ようにできる。

[0034] 一方、過電流時には各保護素子 2Aのヒューズエレメント 4が溶断する。したがって、この保護回路 1Cによれば、電池パックに大電流が流れる保護回路と、電池パックに小電流が流れる保護回路とで、保護素子のヒューズエレメントを共通化することができ、保護素子の製造コストを下げることができる。

[0035] なお、保護素子を並列させた回路において過電流によりヒューズエレメント 4が溶断する場合に、例えば、図 4又は図 5に示すように溶断が生じると、ヒューズエレメント 4 が溶断した後にも回路に矢印のように導通経路が残ることとなる。そこで、ヒューズェレメント 4の溶断後にこのような導通経路が残ることを防止するため、発熱抵抗体に整流素子を接続することが好ましぐ図 3に示す保護回路 1Cでは、保護素子 2Aにダイオードを接続している。あるいは、整流素子として、保護素子 2Aに FETを接続してもよい。

[0036] また、この保護回路 1Cでは、図 2の保護回路 1Bで電圧検知用 ICを 2段に設けたのに準じて、電圧検知用 ICを 3段に設けており、各電圧検知用 IC8-1、 8-2、 8-3には、電池の直列数 2〜4の電圧の検知に適したものが使用される。各電圧検知用 IC8-1 、 8-2、 8-3は、それぞれが検知する電池列の両端の電圧だけでなぐ個々の電池の電圧も検知する。したがって、この保護回路 1Cによれば、 10個の電池 6-1〜6-10のいずれに過充電が生じた場合でも、 3つの電圧検知用 IC8-1、 8-2、 8-3のいずれかがそれを検知し、 FET9-3がスィッチオンとなり、保護素子 2Aの各発熱抵抗体 3に電池 6-1〜6-4の 4つ分の直列電圧が印加され、発熱抵抗体 3が発熱し、ヒューズエレメント 4が溶断することとなる。こうして、この保護回路 1Cによれば、電池の直列数 2〜4 の電圧の検知に適した電圧検知用 ICと保護素子を用いて、電池の直列数 10の電池ノックの良好な保護回路を組むことができる。

産業上の利用可能性

本発明の保護回路は、携帯電話、ノートパソコン、電動自動車、電動バイクなど、種々の電圧定格、電流定格の電池パックの保護回路として有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 二次電池が直列に接続された電池パックを過電流と過電圧カゝら保護する保護回路であって、

過電流時にヒューズエレメントが溶断すると共に、

前記電池間の過電圧時に検知手段によって発熱抵抗体に流れる電流がスィッチォンすることにより発熱抵抗体が発熱し、ヒューズエレメントが溶断するようにした保護回路。

[2] 異なる電池間の過電圧を検出する複数の検知手段が設けられ、いずれかの電池間の過電圧時に検知手段によって発熱抵抗体に流れる電流がスィッチオンする請求項 1記載の保護回路。

[3] 前記電池間の過電圧時に、電池パック内の所定数個の電池の電圧力発熱抵抗体に印加される請求項 1又は 2記載の保護回路。

[4] 二次電池が直列に接続された電池パックを過電流と過電圧カゝら保護する保護回路であって、

保護素子は並列に複数接続され、

前記電池間の過電圧時に検知手段によって発熱抵抗体に流れる電流がスィッチォンすることにより、電池パック内の所定数個の電池の電圧が、各保護素子の発熱抵抗体に印加され、発熱抵抗体が発熱し、ヒューズエレメントが溶断するようにした保護回路。

[5] 過電流でヒューズエレメントが不完全に溶断した場合に、発熱抵抗体を介して導通抵抗が残らな!/ヽように、発熱抵抗体に整流素子が接続されて!ヽる請求項 4記載の保護回路。