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技術 二次電池の保護回路

出願人 三菱電線工業株式会社
発明者 西脇一貴
出願日 2001年12月20日 (18年3ヶ月経過) 出願番号 2001-387752
公開日 2003年7月4日 (16年8ヶ月経過) 公開番号 2003-189480
状態 拒絶査定
技術分野 電池の充放電回路 静止型機器の保護 電池等の充放電回路 二次電池の保守(充放電、状態検知)
主要キーワード パルス負荷 過電流保護制御 極側配線 短絡保護 極側外部端子 放電制御用 アウトドア 充電制御用
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この項目の情報は公開日時点(2003年7月4日)のものです。
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図面 (4)

課題

大電流パルス負荷に対応しうる信頼性の高い短絡保護機能を実現する二次電池保護回路を提供する。

解決手段

二次電池2の負極側とマイナス端子4とをつなぐ極側配線6に、放電制御用FET7と充電制御用FET8とを設ける。保護IC11と別個に、放電制御用FET7をON/OFFするトランジスタ9を設ける。放電制御用FET7のソースドレイン間の電圧所定値以上になると、トランジスタ9はON状態となり、放電制御用FET7をOFFして短絡電流遮断する。

概要

背景

近年、携帯電話機からアウトドアレジャー用品に至るまで、様々な分野で二次電池パックが用いられている。

二次電池パックは充電放電とを繰り返すことにより何回も繰り返して使用することが可能であるが、過充電過放電過電流または短絡が発生すると性能劣化電極の損傷等を招くため、通常、それらを防止するための保護回路が設けられている。

図3に、従来の保護回路を示す。この保護回路は、二次電池100の充放電経路に設けられた放電制御用FET101及び充電制御用FET102と、これらFET101,102を制御する保護IC103とを備えている。保護IC103には、放電制御用FET101のゲートに接続された過放電保護端子104と、充電制御用FET102のゲートに接続された過充電保護端子105と、過放電制御用FET101と過充電制御用FET102との間に接続された過電流保護端子106とを備えている。

この保護回路では、過電流保護制御は以下のようにして行われる。すなわち、充放電経路に過電流が流れると、FET101またはFET102の両端に大きな電圧差が生じる。そこで、保護IC103によって上記電圧差を計測し、上記電圧差が所定のしきい値(過電流保護電圧)を越えた状態が所定の一定時間(過電流保護遅延時間)続くと、過電流状態にあると判断してFET101またはFET102をOFFし、電流遮断する。

また、短絡保護制御も同様にして行われる。すなわち、放電経路に大きな電流が流れると、FET101の両端に大きな電圧差が生じる。そこで、保護IC103によって上記電圧差を計測し、上記電圧差が所定のしきい値(短絡保護電圧)を越えた状態が所定の一定時間(短絡保護遅延時間)続くと、短絡が生じたと判断してFET101をOFFし、電流を遮断する。

したがって、過電流保護機能短絡保護機能とは同じような機能であり、両機能の相違点はしきい値及び遅延時間のみである。通常、短絡保護電圧の方が過電流保護電圧よりも大きく、短絡保護遅延時間の方が過電流保護遅延時間よりも短い。また、保護ICによっては、短絡保護遅延時間と過電流保護遅延時間との間に相関関係があり、過電流保護遅延時間を設定すると、短絡保護遅延時間は自動的に定まってしまう。

概要

大電流パルス負荷に対応しうる信頼性の高い短絡保護機能を実現する二次電池の保護回路を提供する。

二次電池2の負極側とマイナス端子4とをつなぐ極側配線6に、放電制御用FET7と充電制御用FET8とを設ける。保護IC11と別個に、放電制御用FET7をON/OFFするトランジスタ9を設ける。放電制御用FET7のソースドレイン間の電圧が所定値以上になると、トランジスタ9はON状態となり、放電制御用FET7をOFFして短絡電流を遮断する。

目的

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、より信頼性の高い短絡保護を実現することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
2件

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請求項1

二次電池の正極と正極側外部端子とをつなぐ極側配線または二次電池の負極と負極側外部端子とをつなぐ負極側配線に設けられた放電制御用FET及び充電制御用FETと、二次電池が過放電状態になると過放電を阻止するように前記放電制御用FETを遮断状態にする一方、二次電池が過充電状態になると過充電を阻止するように前記充電制御用FETを遮断状態にする保護ICと、放電時の前記放電制御用FETまたは充電時の前記充電制御用FETのソースドレイン間の電圧が所定の基準電圧以上になると、ソース−ドレイン間の電圧が前記基準電圧以上になった前記FETを遮断状態にするスイッチ素子とを備えている二次電池の保護回路

請求項2

請求項1に記載の二次電池の保護回路であって、スイッチ素子は、トランジスタによって構成されている二次電池の保護回路。

請求項3

請求項1に記載の二次電池の保護回路であって、スイッチ素子は、ベースが放電制御用FETのドレインに接続され、コレクタが放電制御用FETのゲートに接続され、エミッタが放電制御用FETのソースに接続されてなるトランジスタによって構成されている二次電池の保護回路。

請求項4

請求項2または3に記載の二次電池の保護回路であって、トランジスタのベース側には、前記基準電圧に応じた順方向電圧の1または2以上のダイオードが接続されている二次電池の保護回路。

技術分野

0001

本発明は、二次電池保護回路に関する。

背景技術

0002

近年、携帯電話機からアウトドアレジャー用品に至るまで、様々な分野で二次電池パックが用いられている。

0003

二次電池パックは充電放電とを繰り返すことにより何回も繰り返して使用することが可能であるが、過充電過放電過電流または短絡が発生すると性能劣化電極の損傷等を招くため、通常、それらを防止するための保護回路が設けられている。

0004

図3に、従来の保護回路を示す。この保護回路は、二次電池100の充放電経路に設けられた放電制御用FET101及び充電制御用FET102と、これらFET101,102を制御する保護IC103とを備えている。保護IC103には、放電制御用FET101のゲートに接続された過放電保護端子104と、充電制御用FET102のゲートに接続された過充電保護端子105と、過放電制御用FET101と過充電制御用FET102との間に接続された過電流保護端子106とを備えている。

0005

この保護回路では、過電流保護制御は以下のようにして行われる。すなわち、充放電経路に過電流が流れると、FET101またはFET102の両端に大きな電圧差が生じる。そこで、保護IC103によって上記電圧差を計測し、上記電圧差が所定のしきい値(過電流保護電圧)を越えた状態が所定の一定時間(過電流保護遅延時間)続くと、過電流状態にあると判断してFET101またはFET102をOFFし、電流遮断する。

0006

また、短絡保護制御も同様にして行われる。すなわち、放電経路に大きな電流が流れると、FET101の両端に大きな電圧差が生じる。そこで、保護IC103によって上記電圧差を計測し、上記電圧差が所定のしきい値(短絡保護電圧)を越えた状態が所定の一定時間(短絡保護遅延時間)続くと、短絡が生じたと判断してFET101をOFFし、電流を遮断する。

0007

したがって、過電流保護機能短絡保護機能とは同じような機能であり、両機能の相違点はしきい値及び遅延時間のみである。通常、短絡保護電圧の方が過電流保護電圧よりも大きく、短絡保護遅延時間の方が過電流保護遅延時間よりも短い。また、保護ICによっては、短絡保護遅延時間と過電流保護遅延時間との間に相関関係があり、過電流保護遅延時間を設定すると、短絡保護遅延時間は自動的に定まってしまう。

発明が解決しようとする課題

0008

しかし、上記保護回路では、保護IC103が何らかの原因で故障または誤動作を起こすと、短絡保護制御が正常に実行されず、短絡電流を遮断することはできない。そのため、二次電池を十分に保護できないおそれがあった。

0009

また、保護IC103の種類によって短絡保護電圧は決まっているため、いったん保護IC103を選定すると、保護IC103の仕様上、短絡保護電圧を変更することはできなかった。そのため、設計自由度が小さかった。

0010

また、保護ICによっては、短絡保護遅延時間と過電流保護遅延時間とは連動しているので、短絡保護遅延時間と過電流保護遅延時間とを別々に自由に設定することができなかった。よって、過電流保護遅延時間を長く設定した場合には、それに応じて短絡保護遅延時間も長くなるので、短絡電流を瞬時に遮断することができず、最悪の場合にはFET101,102が破損し、二次電池100の品質劣化を招くおそれがあった。特に、大電流パルス負荷の場合には、過電流保護制御を誤って実行させないために、過電流保護遅延時間を相当長い時間に設定する必要がある。そのため、短絡保護遅延時間も相当長くなり、短絡を長い時間放置するおそれがあった。

0011

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、より信頼性の高い短絡保護を実現することにある。

課題を解決するための手段

0012

本発明に係る二次電池の保護回路は、二次電池の正極と正極側外部端子とをつなぐ極側配線または二次電池の負極と負極側外部端子とをつなぐ負極側配線に設けられた放電制御用FET及び充電制御用FETと、二次電池が過放電状態になると過放電を阻止するように前記放電制御用FETを遮断状態にする一方、二次電池が過充電状態になると過充電を阻止するように前記充電制御用FETを遮断状態にする保護ICと、放電時の前記放電制御用FETまたは充電時の前記充電制御用FETのソースドレイン間の電圧が所定の基準電圧以上になると、ソース−ドレイン間の電圧が前記基準電圧以上になった前記FETを遮断状態にするスイッチ素子とを備えているものである。

0013

スイッチ素子は、トランジスタによって構成されていてもよい。

0014

また、スイッチ素子は、ベースが放電制御用FETのドレインに接続され、コレクタが放電制御用FETのゲートに接続され、エミッタが放電制御用FETのソースに接続されてなるトランジスタによって構成されていてもよい。

0015

このことにより、短絡電流が流れて放電制御用FETまたは充電制御用FETのソース−ドレイン間電圧が所定の基準電圧以上になると、スイッチ素子によって当該FETがOFFされるので、短絡電流は遮断される。したがって、保護ICが故障していたり誤動作を起こした場合であっても、保護ICから独立したスイッチ素子によって上記FETがOFFされるので、短絡状態が継続することはない。したがって、より信頼性の高い短絡保護が実現される。

0016

トランジスタのベース側には、前記基準電圧に応じた順方向電圧の1または2以上のダイオードが接続されていてもよい。

0017

このようにトランジスタのベース側にダイオードを接続することにより、前記FETをOFFする際の基準となる基準電圧値を変更することができる。したがって、ダイオードの直列数を調整することにより、保護ICによって定まる短絡保護電圧に代え、前記FETをOFFする基準電圧値を自由に設定することができる。そのため、設計自由度が拡大する。

発明の効果

0018

以上のように、本発明によれば、保護ICに故障や誤動作が生じた場合であっても、短絡を防止することができる。また、保護ICの仕様によらず、FETをOFFする基準電圧値を自由に設定することができる。そのため、設計自由度を拡大することができる。大電流パルス負荷に対応するために保護ICの過電流保護遅延時間を長くせざるを得ないような場合であっても、保護ICの仕様に制約されることなく短絡電流を瞬時に遮断することができる。したがって、より信頼性の高い短絡保護を実現することができる。

発明を実施するための最良の形態

0019

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

0020

図1は、本実施形態に係る二次電池パック1の構成を示すブロック図である。二次電池パック1は、充放電自在な二次電池2として、直列に接続された2つのリチウムイオン二次電池セル2a,2bを備えている。なお、二次電池2を構成する二次電池セル個数は2個に限定されるものではなく、1個でもよく、3個以上であってもよい。複数個の二次電池セルは、互いに直列に接続されていてもよく、並列に接続されていてもよい。二次電池セル2a,2bの種類はリチウムイオン二次電池セルに限定されず、ニッケルカドミウム(Ni−Cd)電池、ニッケル水素(Ni−H)電池等、その他の種類の電池セルであってもよい。

0021

二次電池パック1は、負荷または充電器に接続される外部接続端子として、プラス端子3及びマイナス端子4を備えている。プラス端子3は、正極側配線5を介して二次電池2の正極側に接続され、マイナス端子4は、負極側配線6を介して二次電池2の負極側に接続されている。

0022

負極側配線6には、放電電流遮断手段としての放電制御用FET7と、充電電流遮断手段としての充電制御用FET8とが設けられている。放電制御用FET7には、二次電池2の放電方向と逆方向の寄生ダイオードが設けられ、充電制御用FETには、二次電池2の充電方向と逆方向の寄生ダイオードが設けられている。

0023

保護IC11の過放電保護端子12は放電制御用FET7のゲートに接続され、過充電保護端子13は充電制御用FET8のゲートに接続され、過電流保護端子14は放電制御用FET7のドレインと充電制御用FET8のドレインとの間に接続されている。また、保護IC11は、二次電池2の第1電池セル2aの正極側に接続された第1端子15と、第2電池セル2bの正極側に接続された第2端子16と、第2電池セル2bの負極側に接続されたGND端子17とを備えている。

0024

保護IC11は、どちらかの電池セルの電圧が所定電圧以下になると、放電制御用FET7をOFFして電流を遮断するように構成されている。また、保護IC11は、充電時にどちらかの電池セルの電圧が所定電圧以上になると、充電制御用FET8をOFFして電流を遮断するように構成されている。また、保護IC11は、放電制御用FET7または充電制御用FET8の電圧が所定のしきい値(過電流保護電圧)以上になった状態が所定時間(過電流保護遅延時間)続くと、放電制御用FET7または充電制御用FET8をOFFし、電流を遮断するように構成されている。また、保護IC11は、放電制御用FET7の電圧が所定のしきい値(短絡保護電圧であり、ここでは1V程度)以上になった状態が所定時間(短絡保護遅延時間)続くと、放電制御用FET7をOFFし、短絡電流を遮断するように構成されている。つまり、保護IC11は、過放電保護機能、過充電保護機能、過電流保護機能及び短絡保護機能を有している。

0025

本実施形態では、保護IC11とは別に、放電制御用FET7をON/OFFするスイッチ素子として、トランジスタ9が設けられている。トランジスタ9のベースは、放電制御用FET7のドレインに接続されている。トランジスタ9のコレクタは、放電制御用FET7のゲートに接続されている。トランジスタ9のエミッタは、放電制御用FET7のソースに接続されている。

0026

なお、保護IC11、放電制御用FET7、充電制御用FET8、及びトランジスタ9は、同一の基板20に設けられている。

0027

次に、本保護回路によって実行される放電時における短絡保護制御について説明する。放電時には、プラス端子3とマイナス端子4とが負荷(図示せず)に接続され、二次電池パック1から負荷に対して電圧が印加される。この際、二次電池2の正極側→正極側配線5→プラス端子3→負荷→マイナス端子→負極側配線6→二次電池2の負極側の順に電流が流れる。通常の状態では放電制御用FET7のソース−ドレイン間には微小な電圧(0.6V以下)しか生じず、トランジスタ9はOFF状態にある。ここで短絡が発生すると、保護回路には大きな電流(短絡電流)が流れるので、放電制御用FET7のソース−ドレイン間には大きな電圧(0.6V〜0.7Vを越える電圧)が生じ、ベース−エミッタ間にも同様の電圧が生じるので、トランジスタ9はON状態となる。その結果、放電制御用FET7のゲート−ソース間電圧はほぼ0Vとなり、放電制御用FET7はOFFされる。したがって、短絡電流は遮断され、短絡は防止される。

0028

以上のように本実施形態によれば、短絡電流が生じると、放電制御用FET7は保護IC11に拘わらずトランジスタ9によってOFFされるので、保護IC11に故障が発生したり誤動作が生じた場合であっても、短絡を防止することができる。

0029

放電制御用FET7の両端電圧が所定の基準電圧以上になると放電制御用FET7がOFFされるので、短絡保護遅延時間が過電流保護遅延時間に依存する保護IC11の仕様に拘わらず、短絡電流を瞬時に遮断することができる。したがって、大電流パルス負荷に十分に対応することができる。

0030

なお、放電制御用FET7をOFFする基準となる基準電圧は、トランジスタ9の特性によって一義的に定まる。しかし、保護回路の種類によっては、基準電圧を異なる値に設定したい場合もある。そこで、例えば図2(a)に示すように、トランジスタ9のベース側にダイオード10を設けることにより、基準電圧を変更するようにしてもよい。このダイオード10は、トランジスタ9がONするしきい値電圧が短絡の判断の基準となる基準電圧と一致するように、上記しきい値電圧を調整するために設けられているものである。

0031

なお、基準電圧を更に上昇させたい場合には、ダイオードを複数設けてもよい。例えば図2(b)に示すように、2つのダイオード10a,10bを直列に接続してもよく、図2(c)に示すように、3つのダイオード10a,10b,10cを直列に接続してもよい。また、4つ以上のダイオードを直列に接続してもよいことは勿論である。

図面の簡単な説明

0032

図1実施形態に係る二次電池パックの構成図である。
図2(a)〜(c)は、トランジスタのベース側にダイオードを付加した変形例を示す図である。
図3従来の二次電池パックの構成図である。

--

0033

1二次電池パック
2二次電池
3プラス端子(正極側外部端子)
4マイナス端子(負極側外部端子)
5 正極側配線
6 負極側配線
7放電制御用FET
8充電制御用FET
9トランジスタ(スイッチ素子)
10ダイオード
11 保護IC
20 基板

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