WO2007145268A1

WO2007145268A1 - ２次電池の充放電回路および電池パック

Info

Publication number: WO2007145268A1
Application number: PCT/JP2007/061973
Authority: WO
Inventors: Kazuo Yamazaki; Hidenori Tanaka; Yukihiro Terada; Tamiji Nagai
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2007-12-21
Anticipated expiration: 2008-12-15
Also published as: US8610405B2; JP2007336698A; JP5050415B2; US20110074356A1; CN101467327A; CN101467327B

Abstract

　２次電池の充電動作と放電動作との適切な切り替えを様々な状況に合わせて自発的に行うことのできる充放電回路、並びに、電池パックを提供する。　電源電圧による２次電池Ｅ２への充電と２次電池から外部機器３への電力供給とが可能な２次電池の充放電回路である。そして、２次電池Ｅ２側へ電流を流す充電方向と２次電池Ｅ２から外部機器３側へ電流を流す放電方向との双方で出力の調整が可能な双方向性レギュレータ１０と、２次電池Ｅ２に流れる電流の向きを検出する充電放電検出回路２０と、充電放電検出回路２０の検出に基づいて双方向性レギュレータ１０の動作方向を切り替える切替制御回路３０とを備えている。

Description

明細書

2次電池の充放電回路および電池パック

技術分野

[0001] この発明は、例えばリチウムイオン電池などの 2次電池に対して充電を行ったり放電を行わせたりする 2次電池の充放電回路、並びに、 2次電池をパッケージングしてなる電池パックに関する。

背景技術

[0002] 例えば、携帯電話機や一部のデジタルカメラなど、装置に 2次電池を装着したまま充電を行えるようにしたシステムでは、図 19に示すように、充放電回路 5に双方向性レギユレータ回路 120を備え、この双方向性レギユレータ回路 120により充電時や放電時の電流や電圧を調整するのが一般的である。また、双方向性レギユレータ回路 1 20の充電動作と放電動作との切り替えは、電源装置 2や電力供給先のセット機器 3と接続する端子の切替状態に基づいて行うのが一般であった。すなわち、端子接続切替回路 110の切替状態に基づき、電源装置 2が接続されている場合には双方向性レギユレータ回路 120に充電動作を行わせ、電源装置 2が接続されていない場合には双方向性レギユレータ回路 120に放電動作を行わせるようにしていた。

[0003] また、本願発明に関連するものとして次のような技術の開示があった。例えば、特許文献 1には、主電源と補助電源（2次電池）とから電力供給を行う電源装置において、双方向コンバータを用いて主電源の電力が余って、るときに補助電源に充電を行ヽ、主電源の電力が不足するシステムの始動時に補助電源から放電を行わせる技術が開示されている。

[0004] また、特許文献 2には、太陽電池とバッテリーと負荷とを接続した太陽光発電設備において、ノッテリーの前段に双方向コンバータを接続して、放電指令と充電指令とに基づいて双方向コンバータに充電動作と放電動作とを行わせる技術が開示されている。

[0005] また、特許文献 3には、充電時には降圧型チヨッパ回路としてバッテリーの充電を行い、放電時には昇圧型チヨッパ回路としてバッテリーの放電を行う双方向性コンパ一タが開示されている。

特許文献 1：特開平 6— 245543号公報

特許文献 2 :特願平 5— 055467号公報

特許文献 3：特開 2003 - 304644号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] 上述のように、 2次電池に双方向性レギユレータを接続して、充電と 2次電池からの放電とを切り替えて行うようにした充放電回路は以前力もある。し力しながら、従来の充放電回路では、電源接続の有無といった一律の条件で切り替えを行っていたり、充電動作と放電動作との切り替えを行うのに外部力の指令が必要であった。

[0007] 本発明者らは、外部力の指令によらず、様々な状況に応じて充放電回路が自発的に充電動作と放電動作との適切な切り替えを行うようになれば、 2次電池を利便性のある様々な用途に簡単に適用することが可能となると考えた。

[0008] この発明の目的は、 2次電池の充電動作と放電動作との適切な切り替えを様々な状況に合わせて自発的に行うことのできる充放電回路を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0009] 本発明は、上記目的を達成するため、電源電圧による 2次電池への充電と 2次電池力外部機器への電力供給とが可能な 2次電池の充放電回路であって、 2次電池側へ電流を流す充電方向と 2次電池から外部機器側へ電流を流す放電方向との双方で電流又は電圧の調整が可能な双方向性レギユレータと、 2次電池に流れる電流の向きを検出する充電放電検出回路と、該充電放電検出回路の検出結果に基づいて前記双方向性レギユレータの動作方向を前記充電方向または前記放電方向に切り替える切替制御回路とを備えた構成とした。

[0010] このような手段によれば、例えば、 2次電池の充電率が低い状態で電源端子に AC アダプタなどの電源装置が接続されたとき、電源装置が接続されてヽる状態で外部機器の負荷が一時的に増して電源供給の不足が生じたとき、電源装置の接続が外されたときなど、電源の接続状態や外部負荷の変化が生じて双方向性レギユレータの直前の動作状態が維持されなくなった場合に、 2次電池に流れる電流の向きが僅かに変化する。そして、この変化を検出してその後の双方向性レギユレータの動作状態を自発的に切り替えることが出来る。また、このときの電流の向きの変化は、充電が必要なときには充電方向に、放電が可能なときには放電方向にと、そのときの接続機器や接続電源の状態、並びに、 2次電池の充電率などに応じて適宜な方向を示しているので、この検出に基づく双方向性レギユレータの動作切替は様々な状況に応じた適切なものとなる。

[0011] 望ましくは、前記充電放電検出回路は、 2次電池の充電電流と放電電流とが流れる電流経路上に直列に接続された 1個又は複数の電界効果トランジスタ (FET1, FET 2 :図 2,図 5)と、該電界効果トランジスタの両端電圧が所定電圧になるようにゲート端子にバイアス電圧を与える手段 (Bl, B2 :図 2、又は 11, 15 :図 5)と、前記電界効果トランジスタの両端電圧を比較する比較回路（Compl, Comp2 :図 2、又は 21 :図 5)とから構成すると良い。

[0012] このような構成によれば、充電放電検出回路は、充電時や放電時に多くの電流が流れるときには小さな抵抗となって低損失を実現でき、電流方向の切り替わり時に小さい電流値となってもその向きの変化を確実に検出することが出来る。

[0013] さらに望ましくは、前記双方向性レギユレータは、 2次電池の充電電流と放電電流の電流経路上に直列に接続され出力調整を行う複数の電界効果トランジスタ (FET 1, FET2 :図 5)を有し、前記充電放電検出回路は、当該双方向性レギユレ一タの複数の電界効果トランジスタの両端電圧を比較して電流の向きを検出するように構成すると良い。

[0014] このような構成により、部品の兼用化によりコストの低減や損失の低減を図ることが出来る。また、双方向性レギユレータの通常動作で電界効果トランジスタをオンさせているときには、当該電圧効果トランジスタに上述した電流方向を検出するためのゲートバイアスを与えているのと同様の状態とすることが出来るので、そのときのトランジスタの両端電圧により電流の向きの変化も確実に検出することが出来る。

[0015] さらに望ましくは、電源電圧の検出を行う電源電圧検出回路 (40 :図 7)を備え、電源電圧が前記 2次電池の満充電電圧より低い場合にのみ電源電圧を入力して 2次電池の充電を可能にすると良、。 [0016] 具体的には、電源電圧の入力を遮断可能な第 1スィッチ素子 (FET5 :図 8)と、電源電圧が前記 2次電池の満充電電圧より高い場合に前記第 1スィッチ素子をオフにして電源電圧の入力を遮断する手段とを備えると良い。

[0017] また、具体的には、前記双方向性レギユレ一タは昇圧動作可能に構成され、 2次電池の充電時、充電電圧が電源電圧の近傍になった場合に前記双方向性レギユレ一タが昇圧動作を開始して 2次電池に充電電流を供給するように構成すると良！、。

[0018] このような構成により、素子破壊等により電源電圧が 2次電池に直接的に印加されるような事態になっても、電源電圧が満充電電圧以下であるため 2次電池に過充電が生じることがなぐ高い安全性を確保することが出来る。また、充電時の昇圧動作により、電源電圧が満充電電圧以下であっても 2次電池を満充電にすることも出来る。

[0019] さらに望ましくは、前記双方向性レギユレータ（10 :図 10)は、トランジスタをスィッチング動作させて出力を調整するスイッチング制御と、トランジスタのオン抵抗を連続的に変化させて出力を調整するリニア制御とで降圧動作が可能に構成され、電源電圧および Z又は電池電圧に基づいて前記双方向性レギユレ一タの降圧動作時の制御方式をスイッチング制御又はリニア制御に切り替える制御手段（51)を設けると良い。

[0020] このような構成により、充電電圧が電源電圧より僅かに低い期間にリニア制御にすることで、充電時の損失を低減して充電効率の向上を図ることが出来る。

[0021] さらに望ましくは、 2次電池力外部機器への放電中、電池電圧が前記外部機器の最低動作電圧の近傍になった場合に前記双方向性レギユレ一タが昇圧動作を開始して外部機器に電力供給するように構成すると良、。

[0022] また、前記双方向性レギユレータの放電時の昇圧動作を開始させる電池電圧のしき、値と、該昇圧動作を停止させる電池電圧のしき、値とにヒステリシス (VI 3— VI 2 ：図 14)を設けると良い。

[0023] このような構成により、電源電圧の入力がなくても 2次電池の電力をフルに使用して

、外部機器を長時間駆動しつづけることが出来る。また、上記のヒステリシスにより、昇圧動作の切り替わり時に昇圧動作の開始状態と停止状態とがばたついて不安定状態になることも回避できる。

[0024] さらに望ましくは、 2次電池の過充電および Z又は過放電を検出する異常検出回路 (71 :図 15)と、前記異常検出回路の検出に基づいて前記双方向性レギユレータの入力および Z又は出力を遮断させる制御回路（72)とを備えると良い。

[0025] また望ましくは、外部機器への出力を遮断可能な第 2スィッチ素子 (FET6 :図 16) と、出力電圧を検出する出力電圧検出回路 (81)と、出力電圧が基準値を超えたときに前記第 2スィッチ素子をオフにする制御回路 (82)とを備えると良い。

[0026] また望ましくは、前記電源電圧と 2次電池とを接続する電流経路上に設けられたヒューズ（93 :図 17)と、前記電源電圧および入力電流を検出する電圧電流検出回路（9 2)と、前記ヒューズと直列に接続された第 3スィッチ素子 (FET3)とを備え、前記電源電圧又は入力電流が制限値を超えた場合に前記第 3スィッチ素子をオンさせて前記ヒューズを切断するように構成すると良、。

[0027] このような保護手段により、様々な異常時に対応して 2次電池や外部機器を保護することが出来る。

[0028] また、本発明は、上記目的を達成するために、 2次電池を内蔵した電池パックにお Vヽて、上述した 2次電池の充放電回路をパッケージ内に配設して 2次電池と一体ィ匕したものである。このような構成とすることで、 2次電池を利便性のある様々な用途に簡単に適用することが可能となる。

[0029] なお、この項目の説明におヽて、実施形態との対応関係を示す符号を括弧書きで記した力本発明はこれに限定されるものではない。

発明の効果

[0030] 以上説明したように、本発明に従うと、 2次電池の充電動作と放電動作との適切な切り替えを様々な状況に応じて充放電回路により自発的に行わせることができ、それにより、 2次電池を利便性の高い様々な用途に簡単に適用することが可能になるという効果がある。

図面の簡単な説明

[0031] [図 1]本発明の第 1実施形態の 2次電池の充放電システムの概要を示すブロック図である。

[図 2]図 1の充電放電検出回路の部分を具体的に示した構成図である。

[図 3A]図 2の充電放電検出回路において充電検出の場合の状態を示した説明図である。

[図 3B]図 2の充電放電検出回路において放電検出の場合の状態を示した説明図である。

[図 4]図 1の充電放電検出回路の電流電圧変換素子を 1個のトランジスタにより構成した一回路例を示す図である。

[図 5]第 2実施形態の充放電システムを示す回路構成図である。

[図 6]図 5の双方向性レギユレータ回路の各機能を説明する図である。

[図 7]第 3実施形態の充放電システムの概略構成を示すブロック図である。

[図 8]図 7の充放電システムの回路構成図である

[図 9]第 3実施形態の充放電システムの変形例を示す回路構成図である。

[図 10]第 4実施形態の充放電システムの概略構成を示すブロック図である。

[図 11]充放電システムに接続されると想定される 3種類の電源装置の出力特性を示した特性グラフである。

[図 12]図 10の充放電システムの充電時の動作を説明する特性グラフである。

[図 13]第 5実施形態の充放電システムを示す回路構成図である。

[図 14]図 13の充放電システムの放電時の動作を説明する特性グラフである。

[図 15]第 6実施形態の充放電システムを示す回路構成図である。

[図 16]第 7実施形態の充放電システムを示す回路構成図である。

[図 17]第 8実施形態の充放電システムを示す回路構成図である。

[図 18]本発明の電池パックに係る実施形態の一例を示す図である。

[図 19]従来の充放電システムの一例を示すブロック図である。

符号の説明

2 電源装置

3 セット機器

E2 2次電池

10 双方向性レギユレータ回路

11 第 1SW制御回路

15 第 2SW制御回路 20 充電放電検出回路

21 検出回路

30 切替制御回路

FET1〜FET4 トランジスタ

Bl, B2 バイアス回路

Compl, Comp2 コンノレータ

40 電源電圧検出回路 (高い電圧の入力遮断制御用)

41 スィッチ回路

50 電源電圧検出回路 (リニア動作への切替制御用）

53 電池電圧検出回路 (リニア動作への切替制御用）

61 電池電圧検出回路 (昇圧出力への切替制御用）

71 電圧電流検出回路 (過充電 ·過放電の検出用）

72 保護動作制御回路

81 電圧検出回路 (過大電圧出力の検出用）

FET6 スィッチ素子

82 スィッチ制御回路

92 電圧電流検出回路 (異常入力の検出用）

93 ヒューズ

94 保護動作制御回路

100 電池パック

発明を実施するための最良の形態

[0033] 以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

[0034] [第 1の実施の形態]

図 1は、本発明の第 1実施形態の 2次電池の充放電システムの概要を示すブロック図、図 2は、この充放電システムのうち充電放電検出回路の部分を具体的に示した回路構成図である。

[0035] 第 1実施形態の充放電システムは、例えば ACアダプタなどの電源装置 2から電源電圧を入力して 2次電池 E2の充電を行ったり、例えば携帯電話機やデジタルカメラなどのセット機器 3に対して 2次電池 E2から電力を供給したりするものである。この充放電システムのうち、電源装置 2、セット機器 3および 2次電池 E2を除いた部分により充放電回路が構成される。

[0036] この充放電システムは、 ACアダプタなどの電源装置 2と、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの 2次電池 E2と、電源電圧を入力して 2次電池 E2に充電電流を出力したり 2次電池 E2の電池電圧に基づきセット機器 3に電圧出力したりする双方向性レギユレータ回路 10と、 2次電池 E2の電流の向きすなわち充電方向或いは放電方向の検出を行う充電放電検出回路 20と、この充電放電検出回路 20の出力に基づいて双方向性レギユレータ回路 10の動作を充電動作または放電動作に切り替える切替制御回路 30等を備えて、る。

[0037] 双方向性レギユレータ回路 10は、トランジスタのスイッチング制御或いはトランジスタのオン抵抗の制御により定電流出力や昇圧 ·降圧出力などの出力調整を行うものである。また、切替制御回路 30の制御によって、電源装置 2側を入力として 2次電池 E2側の出力を調整する充電動作と、 2次電池 E2側を入力としてセット機器 3側の出力を調整する放電動作とを切り替えて実行することが可能になっている。

[0038] 充電放電検出回路 20は、例えば図 2に示すように、 2次電池 E2と電源端子 tOとの間に直列に接続された 2個のトランジスタ FET1, FET2と、これらトランジスタ FET1 , FET2の両端に低電圧でほぼ一定の電圧を発生させるゲートバイアスを与えるノィァス回路 Bl, B2と、この 2個のトランジスタ FET1, FET2の両端の電圧を比較することで電流の向きを表わす信号出力を行う 2個のコンパレータ Compl, Comp2等から構成される。

[0039] 2個のトランジスタ FET1, FET2は、例えば Pチャネル形 MOSFETであり、ボディダイオードが互いに逆向きになるようにそれぞれ接続されている。これにより、トランジスタ FET1, FET2のうち何れか一方には、ソース'ドレイン間のチャネルに電流が流れて、ソース'ドレイン間に制御された電圧が出力するようになっている。

[0040] バイアス回路 Bl, B2は、トランジスタ FET1, FET2に流れる電流が大きいときにはそのソース'ドレイン間抵抗を小さくして損失の増大を回避し、電流が小さいときにはソース ·ドレイン間抵抗を大きくしてソース ·ドレイン間の電圧を検出可能なレベルまで上昇させるものである。ソース'ドレイン間に発生させる電圧は、例えば 20mV〜50m Vなど、検出可能で且つ低い電圧とすると良い。この電圧値は厳密に定電圧でなければならないというものではなぐ大まかに上記の電圧となれば良いものである。従つて、例えばバイアス回路 Bl, B2として、それぞれドレイン端子にアノードをゲート端子に力ソードを接続したツエナーダイオードなどカゝら構成することも出来る。

[0041] 次に、上記構成の充放電システムの動作について説明する。

[0042] 図 3Aと図 3Bには、充電検出と放電検出の各場合における充電放電検出回路の状態を説明した図を示す。

[0043] 例えば、双方向性レギユレータ回路 10が放電動作を行って 2次電池 E2の充電率が低下している状態で、出力容量の大きな電源装置 2が接続されたような場合、双方向性レギユレータ回路 10で電流が逆流して、僅かに充電方向の電流が流れる場合がある。

[0044] このような場合、図 3Aに示すように、この充電方向の微小電流によりトランジスタ FE Tl, FET2の両端のうち 2次電池 E2側に検出可能な低電圧（例えば 30mV〜： LOO mV以上）が発生し、コンパレータ Complによりそれが検出されて充電検出信号が出力される。

[0045] 充電検出信号が出力されると、切替制御回路 30が双方向性レギユレータ回路 10 の動作状態を放電動作から充電動作へと切り替えて、これにより充放電システムは充電状態へと移行する。

[0046] また、例えば、電源装置 2が接続された状態で、双方向性レギユレータ回路 10が放電動作を行って 2次電池 E2からセット機器 3へ電力供給が行われて、る状態で、 2次電池 E2の充電率が低下して双方向性レギユレータ回路 10の放電動作が続けられない状態になった場合にも、電源装置 2からの電圧により双方向性レギユレータ回路 1 0の電流が逆流して僅かに充電方向の電流が流れることがある。

[0047] このような場合にも、上述のように充電方向の電流が検出されて、放電動作から充電動作への切り替えが行われる。

[0048] 一方、双方向性レギユレータ回路 10が充電動作を行って 2次電池 E2の充電を行つている状態で、電源装置 2が外された場合には、双方向性レギユレータ回路 10にて充電動作が続けられなくなって、僅かに放電方向の電流が流れる。

[0049] すると、図 3Bに示すように、この放電方向の微小電流により、トランジスタ FET1, F ET2の両端のうち負荷 3側に検出可能な低電圧 (例えば 30mV〜： LOOmV以上）が発生し、コンパレータ Comp2によりそれが検出されて放電検出信号が出力される。

[0050] 放電検出信号が出力されると、切替制御回路 30が双方向性レギユレータ回路 10 の動作状態を充電動作から放電動作へと切り替えて、これにより充放電システムは放電状態へと移行される。

[0051] 図 4には、充電放電検出回路において電流電圧変換用の素子を 1個のトランジスタにより構成した場合の一回路例を示す。

[0052] 図 2の充電放電検出回路 20では、電流を電圧に変換する素子として、 2個のトランジスタ FET1, FET2をボディダイオードを互いに逆向きにして接続して構成したが、図 4に示すように、 1個のトランジスタ FETO力も構成することも可能である。この回路例は、トランジスタ FETOのバックゲートを電流の向きに応じてソース又はドレインの両端子に切り替えるスィッチ 26と、トランジスタ FETOの両端電圧に基づいきスィッチ 26 の接続を切り替えるコンパレータ 25とを設けたものである。このような構成であっても、 1個のトランジスタ FETOを用いて放電電流や充電電流がボディダイオードのみに流れないように制御することができ、微小電流でも電流の向きの変化を検出することが可能となる。

[0053] 以上のように、第 1実施形態の充放電システムによれば、充電動作と放電動作との適切な切り替えを充放電システムによって自発的に行わせることが出来るので、 2次電池を利便性の高い様々な用途に容易に適用することが出来る。例えば ACァダプタで駆動するセット機器に対して、この充放電システムを電源端子に並列に接続するだけで、 2次電池によりセット機器の一時的なワイヤレス化を実現できる。また、例えば、一つの満充電の 2次電池を、充放電回路を介して他の空の 2次電池に接続することで、一方の 2次電池から他方の 2次電池へ充電電流を流して、電荷の分配を図ることができる。また、電源装置 2の定格電力では一時的に電力が不足するような場合に自発的に 2次電池力も電力供給をさせて電力を補わせるなど、様々な用途に簡単に適用させることが出来る。 [0054] [第 2の実施の形態]

図 5には、第 2実施形態の充放電システムの構成図を、図 6には、この充放電システムの双方向性レギユレータ回路の動作方法の説明図を示す。

[0055] 第 2実施形態の充放電システムは、充電放電検出回路のトランジスタ FET1, FET 2を、双方向性レギユレータ回路のトランジスタ FET1, FET2と兼用させたものであり、その他の構成は第 1実施形態とほぼ同様である。

[0056] この実施形態の双方向性レギユレータ回路は、電源装置 2と 2次電池 E2との間に順に直列接続された第 1トランジスタ FET1、リアタトル Ll、第 2トランジスタ FET2と、リアタトル L1の一方の端子とグランドとの間に接続された第 3トランジスタ FET3と、リァクトル L1の他方の端子とグランドとの間に接続された第 4トランジスタ FET4と、第 1 と第 3トランジスタ FET1, FET3の駆動制御を行う第 1SW制御回路 11と、第 2と第 4 トランジスタ FET2, FET4の駆動制御を行う第 2SW制御回路 15等カゝら構成される。

[0057] 第 1〜第 4のトランジスタ FET1〜FET4は、図 5に示すように、 Pチャネル形 MOSF ETと、 Nチャネル形 MOSFET等を適用することが出来る。

[0058] この双方向性レギユレータ回路は、図 6に示すように、第 1トランジスタ FET1と第 3トランジスタ FET3のスイッチング制御により充電時の降圧動作と、放電時の昇圧動作とが可能である。また、第 2トランジスタ FET2と第 4トランジスタ FET4のスイッチング制御により、放電時の降圧動作と充電時の昇圧動作とが可能である。

[0059] トランジスタの制御方式は、パルス幅変調方式や周波数変調方式などのスィッチング制御、或いは、シリーズレギユレータゃシャントレギユレータのようにトランジスタのォン抵抗を連続的に変化させるリニア制御など、種々の方式を適用することが出来る。

[0060] なお、図示はしていないが、第 1と第 2の SW制御回路 11, 15には、 2次電池 E2の電圧や電流を表わす検出電圧、並びに、セット機器 3への出力電圧を表わす検出電圧が入力され、これらに基づ、て 2次電池 E2への充電電流や充電電圧を調整したり、或いは、セット機器 3への出力電圧を調整したりするようになつている。

[0061] この実施形態の充電放電検出回路は、電流を電圧に変換する素子として、双方向性レギユレータ回路の第 1トランジスタ FET1と第 2トランジスタ FET2を用いている。そして、これらの両端電圧の各々を検出回路 21に入力して電流の向きを監視してヽる。

[0062] なお、この実施形態の回路構成では、第 1と第 2のトランジスタ FET1, FET2の中間に起電力を発生するリアタトル L1が設けられているため、 2個のトランジスタ FET1 , FET2それぞれの両端カゝら 4つの電圧を入力して電流の向きを検出するように構成している。リアタトル L1の接続位置の異なる双方向性レギユレータ回路であれば、中央側の 2入力は省略してトランジスタ FET1, FET2の両端の 2つの電圧のみ入力して電流の向きを監視するようにしても良、。

[0063] また、この実施形態では、第 1トランジスタ FET1や第 2トランジスタ FET2に電流の向きが検出可能な程度の低い電圧が絶えず生じるように、第 1トランジスタ FET1や第 2トランジスタ FET2のオン動作時で且つ電流が少な、場合には、オン抵抗が若干高くなるようにトランジスタ FET1, FET2を駆動するように第 1SW制御回路 11や第 2 SW制御回路 15を構成すると良い。

[0064] 或いは、検出回路 21による電流方向の監視を所定周期で間歇的に行うように構成するとともに、図 5に点線で示すように、電流方向の検出を行うタイミングに検出回路 21から SW制御回路 11, 15にその通知信号を出力し、この通知信号が入力された場合に SW制御回路 11, 15からトランジスタ FET1, FET2に低圧定電圧で動作するゲートバイアスを与えるように構成しても良、。

[0065] このような構成とすることにより、双方向性レギユレータ回路のトランジスタ FET1, F ET2を、充電放電検出回路の電流電圧変換素子に流用して、第 1実施形態と同様の作用を得ることが出来る。

[0066] [第 3の実施の形態]

図 7は、第 3実施形態の充放電システムの概略構成を示すブロック図、図 8は、この充放電システムの回路構成図である。なお、図 8において充電放電検出回路 20と切替制御回路 30の構成は省略している。

[0067] 第 3実施形態の充放電システムは、第 2実施形態の構成に加えて、入力される電源電圧を 2次電池 E2の満充電電圧以下に制限する構成を付加したものである。

[0068] すなわち、この実施形態の充放電システムには、電源装置 2が接続される電源端子と双方向性レギユレータ回路 10との間に、電源電圧を検出する電源電圧検出回路 4 0と、電源電圧が基準電圧より高い場合に電源電圧の入力を遮断するためのスイツチ回路 41とが設けられている。

[0069] 電源電圧検出回路 40は、例えば抵抗分割回路などにより構成できる。

[0070] スィッチ回路 41は、図 8に示すように、電源端子と双方向性レギユレータ回路 10との間に直列に接続されたスィッチトランジスタ FET5と、電源電圧検出回路 40の検出電圧と基準電圧とを比較して MOSトランジスタ FET5をオン'オフ制御する制御回路

41aとから構成される。

[0071] スィッチ回路 41をオフさせる基準電圧は、 2次電池 E2の満充電電圧 (例えば 4. 2

V)、或いは、それより少し低い電圧（例えば 3. 8V〜4. 2V)に設定すると良い。

[0072] 双方向性レギユレータ回路 10は、電源電圧が満充電電圧以下であるため、充電電圧が電源電圧以上となった場合には昇圧動作を伴った出力制御を行うことで、 2次電池 E2を満充電まで充電するように構成される。

[0073] この実施形態の充放電システムによれば、電源電圧の入力を 2次電池 E2の満充電電圧以下に制限することが出来るので、回路故障などで電源電圧が 2次電池 E2に直接的に印加されてるような状況が生じても、 2次電池 E2が過充電となることが防止され、高い安全性を確保することが出来る。

[0074] 図 9には、第 3実施形態の充放電システムの変形例を示す。

[0075] なお、図 9に示すように、電源電圧の入力を遮断するスィッチ素子は、双方向性レギユレータ回路の第 1トランジスタ FET1を流用するようにしても良い。

[0076] [第 4の実施の形態]

図 10は、第 4実施形態の充放電システムの概略構成を示すブロック図、図 11は、接続される電源装置として想定される 3種類の電源装置の出力特性を示す特性ダラフである。

[0077] 第 4実施形態の充放電システムは、第 2実施形態の構成に加えて、充電時の双方向性レギユレータ回路 10の動作モードを、電源電圧や充電電圧に応じてスィッチング制御モードとリニア制御モードとに適宜切り替える機能を付加したものである。なお、本実施形態において、充電放電検出回路やその作用構成について図示や説明を省略する力これらの構成も第 2実施形態と同様に備わっているものである。 [0078] この実施の形態の充放電システムは、上記の機能を実現するため、電源電圧の入力段に電圧を検出する電源電圧検出回路 50を備えている。そして、この検出電圧を切替制御回路 51に入力して、切替制御回路 51により、降圧充電時における双方向性レギユレータ回路 10の動作モードを切り替えるように構成されて！、る。

[0079] この実施形態の充放電システムでは、図 11に示すように、電源電圧として、 2次電池 E2の満充電電圧より低い電圧 VI、満充電電圧より少し高い電圧 V2、ずっと高い電圧 V3など、複数の大きさの電源電圧が入力されることを想定している。

[0080] 双方向性レギユレータ回路 10は、充電時の降圧動作時に、トランジスタをスィッチング動作させて充電電圧を調整するスイッチング制御モードと、シリーズレギユレータのようにトランジスタのオン抵抗を連続的に変化させて充電電圧を調整するリニア制御モードとが可能なように構成する。

[0081] 図 12には、この充放電システムの充電時の動作を説明する特性グラフを示す。

[0082] この実施形態の充放電システムでは、充電率が低く充電電圧も低い期間 D1では、電源電圧と充電電圧との電圧差が大き、ため電源電圧の大きさに拘わらずに、双方向性レギユレータ回路 10はスイッチング動作を行わせて 2次電池 E2の充電を行う。

[0083] 一方、充電率が中程度から高くなつた期間 D2では、電源電圧によっては充電電圧との差が小さくなため、電源電圧の大きさに応じて双方向性レギユレータ回路の動作モードを切り替えるようになつている。すなわち、電源電圧が満充電電圧より少し高い電圧 V2である場合には、双方向性レギユレータ回路 10の動作をリニア制御モードに切り替えて、例えばシリーズレギユレータの動作等により電源電圧を降圧して 2次電池 E2の充電を行う。

[0084] 他方、電源電圧が満充電電圧より低い電圧 VIの場合には、昇圧動作が必要となるため、リニア制御モードにはせずにスイッチング制御モードで 2次電池 E2の充電を行う。さらに、電源電圧が満充電電圧よりずっと高い電圧 V3である場合には、充電電圧との差電圧が小さくならな、ので、リニア制御モードにせずにスイッチング制御モードのまま 2次電池 E2の充電を行う。

[0085] このように電源電圧が充電電圧より僅かに高!ヽ場合に、双方向性レギユレータ回路 10をリニア制御モードとすることで、双方向性レギユレータ回路 10での損失を、スイツチング制御モードのままにした場合より小さくすることができ、それにより充電効率の向上を図ることが出来る。

[0086] なお、図 10に点線で示すように、 2次電池 E2の前段に充電電圧を検出する電池電圧検出回路 53を設け、この検出電圧を切替制御回路 51に入力するとともに、切替制御回路 51にて電源電圧と充電電圧とを比較して、電源電圧が充電電圧より僅かに大きくなる（例えば +0. 1V〜0. 4V)期間に、双方向性レギユレータ回路 10の制御をスイッチング制御モード力リニア制御モードに切り替えて、シリーズレギユレータの動作により電源電圧を降圧して 2次電池の充電を行うように構成しても良い。このような制御によっても充電時の効率の向上を図ることが出来る。

[0087] [第 5の実施の形態]

図 13には、第 5実施形態の充放電システムの回路構成図を、図 14にはこの充放電システムの放電時の動作を説明する特性グラフを示す。

[0088] 第 5実施形態の充放電システムは、第 2実施形態の構成に加えて、 2次電池 E2の放電時に電池電圧がセット機器 ₃の最低動作電圧に近づいたときに、双方向性レギユレータ回路 10に昇圧動作を行わせる機能を付加したものである。なお、本実施形態において、充電放電検出回路やその作用構成について図示や説明を省略しているが、これらの構成も第 2実施形態と同様に備わっている。

[0089] この実施形態の充放電システムでは、上記機能を実現するため、 2次電池 E2の前段に電池電圧を検出する電池電圧検出回路 61を設けている。そして、この検出電圧を切替制御回路 30に入力し、放電時に電池電圧が一定値より低くなつた場合に双方向性レギユレータ回路にスイッチング制御により昇圧動作を行わせるようにしたものである。

[0090] 図 14に示すように、昇圧動作を開始させる電池電圧は、セット機器 3の最低動作電圧 VI Iより少し高い第 1しきい値電圧 V12に設定する。また、一旦、放電時の昇圧動作が開始された場合には、途中で 2次電池 E2に充電が行われて電池電圧が僅かに上昇した場合でも、次の放電動作時に第 1しきい値電圧 V12より少し高い第 2しきい値電圧 VI 3を超えなければ昇圧動作を続けるように構成する。

[0091] このように、昇圧動作を停止させるしきい値電圧 V13と、昇圧動作を開始させるしきい値電圧 Vl lの間には少しの電位差を設定しておくことで、昇圧動作の開始と停止の切り替わり時に動作がばたついて動作が不安定にならないようにすることが出来る

[0092] また、充電動作に移行することなく放電が続いて、電池電圧が最低電池電圧 V14 に達した場合には、 2次電池 E2の過放電を防ぐために昇圧動作を停止してセット機器 3への電力供給を停止させる。

[0093] この実施の形態の充放電システムによれば、 2次電池 E2の電池電圧がセット機器 3 の最低動作電圧以下になっても、 2次電池 E2の電力を放出し切るまで電力供給を続けることが出来るので、 2次電池 E2によるセット機器 3の使用可能時間が延びて有用である。

[0094] [第 6の実施の形態]

図 15には、第 6実施形態の充放電システムの回路構成図を示す。

[0095] 第 6実施形態の充放電システムは、第 2実施形態の構成に加え、 2次電池 E2の過充電や過放電を防止する保護機能を付加したものである。本実施形態にぉヽても、充電放電検出回路や充電と放電の切り替えを行う切替制御回路について図示や説明を省略しているが、これらの構成も第 2実施形態と同様に備わっているものである。

[0096] この実施形態の充放電システムは、上記保護機能を実現するため、 2次電池 E2の前段に電池電圧ゃ充放電電流を検出する電圧電流検出回路 71と、該電圧電流検出回路 71から過充電や過放電の検出信号が出力された場合にセット機器 3や電源装置 2から 2次電池 E2の接続を遮断する保護用制御回路 72とを設けている。

[0097] 保護用制御回路 72は、例えば、双方向性レギユレータ回路の構成素子のうち、電源装置 2と 2次電池 E2との間に直列に接続されたトランジスタ FET1, FET2の何れ力を強制的にオフさせることで、 2次電池 E2の遮断を行うように構成する。例えば、過充電時にはトランジスタ FET1を、過放電時にはトランジスタ FET2をオフさせて、過充電や過放電を防止する。

[0098] なお、 2次電池 E2の充電電流や放電電流を遮断する専用のスィッチ素子を設けて、このスィッチ素子をオフさせるように構成しても良い。

[0099] また、図 15に点線で示すように、保護用制御回路 72は、トランジスタ FET1, FET2 のゲート端子に直接にオフの駆動信号を出力してトランジスタ FET1, FET2をオフさせるのではなぐ第 1と第 2の SW制御回路 11, 15を介してトランジスタ FET1, FET 2をオフさせるようにしても良、。

[0100] このような構成により、 2次電池 E2の過充電や過放電を防いで安全性の高い充放電システムとすることが出来る。

[0101] [第 7の実施の形態]

図 16には、第 7実施形態の充放電システムの回路構成図を示す。

[0102] 第 7実施形態の充放電システムは、第 2実施形態の構成に加えて、セット機器 3への出力電圧が最大定格電圧を超えた場合に、電圧出力を停止させる保護機能を付カロしたものである。本実施形態においても、充電放電検出回路や充電動作と放電動作の切り替えを行う切替制御回路について図示や説明を省略している力これらの構成も第 2実施形態と同様に備わっている。

[0103] この実施形態の充放電システムは、上記の保護機能を実現するため、電源端子や双方向性レギユレータ回路の接点 N1とセット機器 3との間に設けられたスィッチ素子 FET6と、出力電圧を検出する電圧検出回路 81と、この検出電圧に基づいてスイツチ素子 FET6をオン ·オフ制御するスィッチ制御回路 82とを備えて、る。

[0104] このような構成とすることで、例えば、セット機器 3の最大定格電圧より高い電圧の電源装置 2が接続されてしまった場合や、双方向性レギユレータ回路の誤動作により高い電圧が出力されてしまった場合に、スィッチ素子 FET6がオフされてセット機器 3を保護することが出来る。

[0105] [第 8の実施の形態]

図 17には、第 8実施形態の充放電システムの回路構成図を示す。

[0106] 第 8実施形態の充放電システムは、第 2実施形態の構成に加えて、電源端子から異常な高電圧が入力された場合にヒューズ 93を切断して 2次電池 E2への入力を完全に遮断する第 2保護機能を付加したものである。本実施形態においても、充電放電検出回路や充電動作と放電動作の切り替えを行う切替制御回路について図示や説明を省略しているが、これらの構成も第 2実施形態と同様に備わっているものである。 [0107] この実施形態の充放電システムは、上記の第 2保護機能を実現するため、電源端子と双方向性レギユレータ回路との間に直列に接続されたヒューズ 93と、入力電圧および入力電流を検出する電圧電流検出回路 92と、双方向性レギユレータ回路のトランジスタ FETl, FET3, FET2を制御してヒューズ 93を切断させることが可能な保護用制御回路 94とを備えている。

[0108] この実施形態の充放電システムでは、先ず、双方向性レギユレータ回路の通常の保護機能 (第 1保護機能）により、過大電圧が入力された場合にトランジスタ FET1がオフされて入力を遮断する保護動作が働く。しかし、より大きな異常電圧が入力された場合には、この保護動作がなされても例えばトランジスタ FET1が破壊されるなど制御不能な状態になって、異常電圧や異常電流の入力がトランジスタ FET1を通過して人力されることがある。

[0109] この実施形態の充放電システムでは、このような場合に、ヒューズ 93の切断による第 2保護機能が働くようにしたものである。

[0110] 従って、第 2保護機能で用いられる電圧電流検出回路 92は、第 1保護機能でオフされるトランジスタより後段の電位点 N2の電圧を検出するように構成する。

[0111] ヒューズ 93は、制限電流を超えた場合に切断される通常のヒューズや、抵抗成分を有し所定の入力電力を超えた場合に切断される抵抗ヒューズなどを用いることが出来る。

[0112] 保護用制御回路 94は、電圧電流検出回路 92で制限電圧や制限電流を超えた入力が検出された場合に、トランジスタ FET1とグランド間に接続されたトランジスタ FE T3を強制的にオンさせる信号を出力する。これにより、制御不能で通電状態になつているトランジスタ FET1と、オン動作させたトランジスタ FET3を通して過大電流を流してヒューズ 93を切断することが出来る。

[0113] 同時に、保護用制御回路 94は、 2次電池 E2に直列に接続されたトランジスタ FET 2を強制的にオフにさせる信号を出力する。これにより、ヒューズ 93を切断するためにオンさせたトランジスタ FET3を通して 2次電池 E2の放電電流が流れるのが回避され、 2次電池 E2の過放電を防ぐことが出来る。

[0114] 以上のように、この実施形態の充放電システムによれば、異常な過大電圧が入力された場合に 2次電池 E2に過大電流を流すことなくヒューズ 93を切断して過大電圧の入力を遮断することが出来るので、より高い安全性の確保を図ることが出来る。

[0115] なお、この実施形態では、保護動作制御回路 94が双方向性レギユレータ回路のトランジスタ FET2, FET3を直接制御してヒューズ 93を切断したり 2次電池 E2の過放電を防ぐようにしているが、図 17に点線で示すように、保護動作制御回路 94から第 1 と第 2の SW制御回路 11, 15に信号を出力して、第 1と第 2の SW制御回路 11, 15を介してトランジスタ FET2. FET3を同様に制御するようにしても良!、。

[0116] また、ヒューズ 93の切断やそのときの 2次電池 E2の放電電流を防ぐのに双方向性レギユレータ回路のトランジスタを用いている力専用のトランジスタを設けてこれらの処理を行うようにしても良、。

[0117] [第 9の実施の形態]

図 18には、本発明の電池パックに係る実施形態の一例を表わした図を示す。

[0118] この実施形態の電池パック 100は、 2次電池 E2を内蔵するパッケージの中に第 1〜第 8実施形態の充放電用の回路を内蔵したものである。

[0119] 充放電回路には、リアタトル L1や電圧や電流を検出する抵抗を設ける必要がある力これらは表面実装が可能な程度の体積の小さなものを利用することが出来るので、パッケージは殆んど大きくすることなく充放電回路を内蔵することが出来る。また、制御系の回路や電流と電圧を制御するトランジスタなどは、 1チップまたは 2チップの半導体に集積して設けることが出来る。

[0120] 入出力端子 101は、電源装置 2に接続する 2端子と、セット機器 3に接続する 2端子を示しているが、電源装置 2とセット機器 3に接続する端子を共通にできる充放電回路であれば、これらの端子を共通化して 2端子としても良い。

[0121] このような電池パック 100によれば、外部機器や電源装置との接続状態、並びに、 2 次電池 E2の充電状態に応じて、適宜なタイミングで充電動作と放電動作とを自発的に切り替える機能を有したバッテリーを構成することが出来るので、ノッテリー機能を様々な用途に簡単に適用させることが出来る。

[0122] 以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきた力本発明は上述の実施形態に限られるものではない。例えば、第 3〜第 8の実施形態に示した付加機能は、そのうちの複数又は全部の機能をまとめて 1つの充放電システムに備えるようにしても良い。その他、実施の形態で具体的に示した 2次電池の種類、回路構成や動作内容の細部等は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

産業上の利用可能性

この発明は、例えばリチウムイオン電池などの 2次電池に対して充電を行ったり放電を行わせたりする 2次電池の充放電回路、並びに、 2次電池をパッケージングしてなる電池パックに利用できる。

Claims

請求の範囲

[1] 電源電圧による 2次電池への充電と 2次電池力外部機器への電力供給とが可能な 2次電池の充放電回路であって、

2次電池側へ電流を流す充電方向と 2次電池から外部機器側へ電流を流す放電方向との双方で電流又は電圧の調整が可能な双方向性レギユレータと、

2次電池に流れる電流の向きを検出する充電放電検出回路と、

該充電放電検出回路の検出結果に基づいて前記双方向性レギユレータの動作方向を前記充電方向または前記放電方向に切り替える切替制御回路と、

を備えて、ることを特徴とする 2次電池の充放電回路。

[2] 前記充電放電検出回路は、

2次電池の充電電流と放電電流とが流れる電流経路上に直列に接続された 1個又は複数の電界効果トランジスタと、

該電界効果トランジスタの両端電圧が所定電圧になるようにゲート端子にバイアス電圧を与える手段と、

前記電界効果トランジスタの両端電圧を比較する比較回路と、

力構成されることを特徴とする請求項 1記載の 2次電池の充放電回路。

[3] 前記双方向性レギユレータは、 2次電池の充電電流と放電電流の電流経路上に直列に接続され出力調整を行う複数の電界効果トランジスタを有し、

前記充電放電検出回路は、当該双方向性レギユレータの複数の電界効果トランジスタの両端電圧を比較して電流の向きを検出する、

ことを特徴とする請求項 1記載の 2次電池の充放電回路。

[4] 電源電圧の検出を行う電源電圧検出回路を備え、

電源電圧が前記 2次電池の満充電電圧より低い場合にのみ電源電圧を入力して 2 次電池の充電を可能とした、

ことを特徴とする請求項 1〜3の何れかに記載の 2次電池の充放電回路。

[5] 電源電圧の入力を遮断可能な第 1スィッチ素子と、

電源電圧が前記 2次電池の満充電電圧より高い場合に前記第 1スィッチ素子をォフにして電源電圧の入力を遮断する手段と、を備えていることを特徴とする請求項 4記載の 2次電池の充放電回路。

[6] 前記双方向性レギユレ一タは昇圧動作可能に構成され、

2次電池の充電時、充電電圧が電源電圧の近傍になった場合に前記双方向性レギュレータが昇圧動作を開始して 2次電池に充電電流を供給する、

ことを特徴とする請求項 4又は 5に記載の 2次電池の充放電回路。

[7] 前記双方向性レギユレータは、トランジスタをスイッチング動作させて出力を調整するスイッチング制御と、トランジスタのオン抵抗を連続的に変化させて出力を調整するリユア制御により降圧動作が可能に構成され、

電源電圧および Z又は電池電圧に基づいて前記双方向性レギユレ一タの降圧動作時の制御方式をスイッチング制御又はリニア制御に切り替える制御手段を備えていることを特徴とする請求項 1〜6の何れかに記載の 2次電池の充放電回路。

[8] 2次電池力外部機器への放電中、電池電圧が前記外部機器の最低動作電圧の近傍になった場合に前記双方向性レギユレ一タが昇圧動作を開始して外部機器に電力供給を行うことを特徴とする請求項 1〜7の何れかに記載の 2次電池の充放電回路。

[9] 前記双方向性レギユレータの放電時の昇圧動作を開始させる電池電圧のしきい値と、該昇圧動作を停止させる電池電圧のしき、値とにヒステリシスを設けたことを特徴とする請求項 8記載の 2次電池の充放電回路。

[10] 2次電池の過充電および Z又は過放電を検出する異常検出回路と、

前記異常検出回路の検出に基づいて前記双方向性レギユレータの入力および Z 又は出力を遮断させる制御回路と、

を備えていることを特徴とする請求項 1〜9の何れかに記載の 2次電池の充放電回路。

[11] 外部機器への出力を遮断可能な第 2スィッチ素子と、

出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、

出力電圧が基準値を超えたときに前記第 2スィッチ素子をオフにする制御回路と、を備えていることを特徴とする請求項 1〜： LOの何れかに記載の 2次電池の充放電回路。

[12] 前記電源電圧と 2次電池とを接続する電流経路上に設けられたヒューズと、前記電源電圧および入力電流を検出する電圧電流検出回路と、

前記ヒューズと直列に接続された第 3スィッチ素子とを備え、

前記電源電圧又は入力電流が制限値を超えた場合に前記第 3スィッチ素子をオンさせて前記ヒューズを切断することを特徴とする請求項 1〜11の何れかに記載の 2次電池の充放電回路。

[13] 前記第 3スィッチ素子は、前記双方向性レギユレータ回路の出力調整用のトランジスタを流用して構成されていることを特徴とする請求項 12記載の 2次電池の充放電回路。

[14] 2次電池と、請求項 1〜13の何れかに記載の 2次電池の充放電回路と力パッケ一ジ内に配設されて一体化されていることを特徴とする電池パック。