JP5110168B2

JP5110168B2 - 電池保護装置及びそれを内蔵する電池パック

Info

Publication number: JP5110168B2
Application number: JP2010530783A
Authority: JP
Inventors: 昭宏西澤; 貴志武田
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2029-08-20
Also published as: WO2010035595A1; JPWO2010035595A1

Description

本発明は、入出力端子と二次電池の両極端子との間の充放電経路の導通／遮断を切り替える切替手段と、前記切替手段の切り替え動作を制御する制御手段とを備える、電池保護装置及びそれを内蔵する電池パックに関する。

従来、二次電池の正極及び負極と入出力端子の正極及び負極との間をそれぞれ同極間で接続する充放電回路に、第１のＦＥＴと第２のＦＥＴが直列に接続された、電池保護装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。図３は、特許文献１の図４に記載された電池保護装置の構成図である。図４は、特許文献１の図５に記載されたフローチャートである。この電池保護装置は、二次電池６５の正極と負極間の電池電圧Ｅ１が充電禁止電圧以上であったとき（Ｓ２，Ｙｅｓ）、入出力端子の正極７１と負極７２間の端子電圧Ｅ２を検出して（Ｓ５）、端子電圧Ｅ２が電池電圧Ｅ１より高い充電状態が検出されているとき（Ｓ６，Ｎｏ）、第１及び第２のＦＥＴ６６，６７をオフに制御して（Ｓ７）二次電池への充電を停止させるが、端子電圧Ｅ２が電池電圧Ｅ１より低い放電状態が検出されたとき（Ｓ６，Ｙｅｓ）、第１及び第２のＦＥＴ６６，６７をオンに制御して（Ｓ４）放電を可能にしている（特許文献１の段落［００１９］及び図５のフローチャート参照）。このように制御することによって、充電禁止の制御がなされている状態で放電が行われても、第１のＦＥＴ６６の寄生ダイオード６６ａに放電電流が流れないようにすることができるので、寄生ダイオード６６ａに放電電流が流れて発熱することによる劣化を防いでいる。

特開２００１−５７７４０号公報

しかしながら、特許文献１の図５（本願の図４）によれば、電池電圧Ｅ１が充電禁止電圧以上である場合において（Ｓ２，Ｙｅｓ）、端子電圧Ｅ２が電池電圧Ｅ１より低い放電状態が検出されることにより（Ｓ６，Ｙｅｓ）第１及び第２のＦＥＴ６６，６７をオン状態にした（Ｓ４）後は、端子電圧Ｅ２が電池電圧Ｅ１より高い充電状態が検出されない限り（Ｓ６）、第１及び第２のＦＥＴ６６，６７をオフ状態（Ｓ７）にせずにオン状態（Ｓ４）に保持する制御を行うとしている。

ところが、第１及び第２のＦＥＴ６６，６７がオンしている状態で端子電圧Ｅ２を検出しても（Ｓ５）、第１及び第２のＦＥＴ６６，６７がオンしている以上、端子電圧Ｅ２と電池電圧Ｅ１はほぼ同電圧であるため、Ｓ６において、端子電圧Ｅ２が電池電圧Ｅ１より高い充電状態を検出する（すなわち、端子電圧Ｅ２と電池電圧Ｅ１との差を検出する）ことは容易ではない。したがって、電池電圧Ｅ１が充電禁止電圧以上である状況（Ｓ２，Ｙｅｓ）にもかかわらず、端子電圧Ｅ２が電池電圧Ｅ１より高い充電状態を検出して第１及び第２のＦＥＴ６６，６７をオフ状態（Ｓ７）にすることにより二次電池６５の充電を禁止状態にすることは非常に困難である。

そこで、本発明は、二次電池の充電禁止条件が成立している状態で端子電圧が低下しても、端子電圧の低減を抑えつつ、二次電池の充電状態が継続することを防止することができる、電池保護装置及び電池パックの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電池保護装置は、
二次電池から電子機器への放電及び充電装置から前記二次電池への充電のための入出力端子と前記二次電池の両極端子との間の充放電経路の導通／遮断を切り替える切替手段と、
前記切替手段の切り替え動作を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記二次電池の充電禁止条件が成立していることにより前記切替手段によって前記充放電経路を遮断している状態で前記入出力端子の端子電圧の低下が検出されると前記切替手段によって前記充放電経路を一時的に導通状態にする導通時間を設け、前記導通時間の経過時に前記切替手段によって前記充放電経路を遮断状態に戻すことを特徴とする。

ここで、前記導通時間は、前記電子機器の動作態様の変化に同期した時間に設定されると好適である。例えば、前記電子機器は、無線通信機能を備えた携帯機器である。前記電子機器が無線通信機能を備えた携帯機器の場合、前記導通時間は、前記携帯機器の電波の送受信動作に同期した時間に設定されると好適である。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る電池パックは、前記電池保護装置と前記二次電池とを内蔵する。

本発明によれば、二次電池の充電禁止条件が成立している状態で端子電圧が低下しても、端子電圧の低減を抑えつつ、二次電池の充電状態が継続することを防止することができる。

本発明の実施形態である電池パック１００の全体構成図である。スイッチング素子１のオン時間と二次電池２００の充放電電流との関係を示した図である。特許文献１の図４に記載された電池保護装置の構成図である。特許文献１の図５に記載されたフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。図１は、本発明の実施形態である電池パック１００の全体構成図である。電池パック１００は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタなどの二次電池２００を電源とする携帯機器３００への放電及び二次電池２００の充電器４００による充電を行うための入出力端子５，６と二次電池２００の両極端子３，４との間の充放電経路９（９ａ，９ｂ）の導通／遮断を切り替えるスイッチング素子１，２と、スイッチング素子１，２の切り替え動作を制御する電池保護ＩＣ９０とを備える電池保護装置を、二次電池２００と共に内蔵するモジュール部品である。

電池パック１００は、携帯機器３００に、内蔵されたり、外付けされたりする。携帯機器３００は、人が携帯可能な電子機器であって、携帯電話などの無線通信機能を備えるものが具体例として挙げられる。その他の具体例として、ＰＤＡやモバイルパソコン等の情報端末装置、カメラ、ゲーム機、音楽やビデオ等のプレーヤーなどが挙げられる。

スイッチング素子１，２は、二次電池２００の負極４と負極入出力端子６との間の充放電経路９ｂの導通／遮断の切り替えが可能なように直列に接続される。スイッチング素子１は、充放電経路９を充電方向に流れる二次電池２００の充電電流の遮断／導通を切り替え可能な第１の切替手段であり、スイッチング素子２は、充放電経路９を放電方向に流れる二次電池２００の放電電流の遮断／導通を切り替え可能な第２の切替手段である。スイッチング素子１がオン状態で二次電池２０の充電が許可され、オフ状態で二次電池２００の充電が禁止される。また、スイッチング素子２がオン状態で二次電池２００の放電が許可され、オフ状態で二次電池２００の放電が禁止される。

スイッチング素子１，２は、例えば、寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体素子である。スイッチング素子１は、その寄生ダイオード１ａの順方向が二次電池２００の放電方向になる向きで負極４と負極入出力端子６との間に配置され、スイッチング素子２は、その寄生ダイオード２ａの順方向が二次電池２００の充電方向になる向きで負極４と負極入出力端子６との間に配置される。なお、スイッチング素子１，２は、バイポーラトランジスタであって、そのコレクタエミッタ間に図示の向きにダイオードが構成されたものでもよい。

電池保護ＩＣ９０は、二次電池２００の温度を検出する温度検出部１０と、二次電池２００の過充電を検出する過充電検出部などの電圧検出部２１と、二次電池２００の過放電を検出する過放電検出部２２と、二次電池２００の充放電電流を検出する電流検出部（例えば、充電時の過電流を検出する過電流検出部３１と放電時の過電流を検出する過電流検出部３２）と、各検出部からの検出結果を示す信号に基づいて、スイッチング素子１，２のオンオフを制御する制御部５０とを備える。各検出部は、例えば、コンパレータやＡＤコンバータによって構成されるとよい。制御部５０は、例えば、論理回路やマイクロコンピュータによって構成されるとよい。

温度検出部１０は、正側の充放電経路９ａと負側の充放電経路９ｂとの間に直列に接続されたサーミスタ１１と抵抗素子１２との接続点の電圧を端子ＶＴＨ１を介して検出することによって、二次電池２００の温度を検出し、その検出した温度に応じた検出信号を制御部５０に対して出力する。

電圧検出部２１は、正側の充放電経路９ａに接続されたＶＤＤ端子及び充放電経路９ｂのうち負側入出力端子６とスイッチング素子１との間の経路に接続されたＶ−端子を介して、正極入出力端子５と負極入出力端子６との端子間電圧を検出し、その検出した端子間電圧に応じた検出信号を制御部５０に対して出力する。

制御部５０は、二次電池２００の充電禁止条件が成立している場合には、スイッチング素子１をオフする。これにより、スイッチング素子２のオンオフ状態にかかわらず、二次電池２００を充電する充電電流が流れることを防止できる。また、二次電池２００の放電禁止条件が成立している場合には、スイッチング素子２をオフする。これにより、スイッチング素子１のオンオフ状態にかかわらず、二次電池２００の放電電流が流れることを防止できる。

二次電池２００の充電禁止条件とは、例えば、二次電池２００の温度、二次電池２００に供給する充電電圧や充電電流、二次電池２００の累積使用時間など、に基づいて定められている。

例えば、制御部５０は、温度検出部１０によって検出された二次電池２００の温度が二次電池２００の充電を禁止する温度範囲（例えば、所定の高温領域又は低温領域）内にある場合には（すなわち、二次電池２００の充電を禁止する温度条件が成立している場合には）、スイッチング素子１をオフし、当該温度範囲外である場合には（当該温度条件が不成立の場合には）、スイッチング素子１をオンする。例えば、制御部５０は、二次電池２００の温度が二次電池２００の充電を禁止する温度範囲内であることを表す信号が入力された場合にスイッチング素子１をオフにする信号を出力する回路で構成されるとよく、該温度範囲外であることを表す信号が入力された場合にスイッチング素子１をオンにする信号を出力する回路で構成されるとよい。これにより、特定の温度領域で充電されることによる二次電池２００の劣化進行を遅らせることができる。

また、例えば、制御部５０は、電圧検出部２１によって検出された二次電池２００を充電するための充電電圧（すなわち、入出力端子５，６間の端子間電圧）が二次電池２００の充電を禁止する電圧範囲（例えば、所定の高電圧領域）内である場合には（すなわち、二次電池２００の充電を禁止する電圧条件が成立している場合には）、スイッチング素子１をオフし、当該電圧範囲外である場合には（当該電圧条件が不成立の場合には）、スイッチング素子１をオンする。これにより、特定の電圧領域で充電されることによる二次電池２００の劣化進行を遅らせることができる。

なお、二次電池２００の放電禁止条件に従ってスイッチング素子２のオンオフを制御する場合についても同様である。

ところで、スイッチング素子２がオンしている状態で、且つ、二次電池２００の充電禁止条件が成立していることによりスイッチング素子１がオフしている状態において、携帯機器３００と充電器４００が共に入出力端子５，６に電気的に接続される場合がある。例えば、充電禁止条件が成立するような環境下で、携帯機器３００が充電器４００に接続されたまま動作しているような場合である。この場合、充電器４００からの充電電流は、二次電池２００には流れないが、携帯機器３００には流れる。

しかしながら、携帯機器３００の消費電流（負荷電流）が充電器４００から供給される充電電流を上回る場合には、入出力端子５，６間の端子間電圧が下がる。この場合の端子間電圧は、二次電池２００から携帯機器３００に流れた放電電流が寄生ダイオード１ａを経由することにより、少なくとも寄生ダイオード１ａの順方向電圧分、二次電池２００の両極端子３，４間の両極間電圧より低下する。このように端子間電圧が下がると、例えば、携帯機器３００が、その端子間電圧の低下を検出することにより、電池パック１００の異常と判断するおそれがある。また、寄生ダイオード１ａに電流が流れることによって、発熱が生ずる。

そこで、これらの問題を防ぐために、制御部５０は、二次電池２００の充電禁止条件の成立時にスイッチング素子１をオフすることにより充放電経路９を遮断している状態で端子間電圧の低下を示す検出信号が電圧検出部２１から入力されると、スイッチング素子２をオンしたままスイッチング素子１をオフからオンに切り替えることにより充放電経路９を導通状態にする。電圧検出部２１は、例えば、実際に検出された端子間電圧が、定常時の端子間電圧から寄生ダイオード１ａの順方向電圧を差し引いた電圧値を下回る場合に、端子間電圧の低下を示す検出信号を制御部５０に対して出力するとよい。端子間電圧の低下の検出感度を上げるため、実際に検出された端子間電圧が、定常時の端子間電圧から寄生ダイオード１ａの順方向電圧より小さい電圧を差し引いた電圧値を下回る場合に、端子間電圧の低下を示す検出信号を制御部５０に対して出力してもよい。

このように、スイッチング素子２をオンしたままスイッチング素子１をオフからオンに切り替えることにより充放電経路９を導通状態にすることによって、寄生ダイオード１ａを経由せずに二次電池２００から携帯機器３００への電力供給が可能となり、充電器４００からだけでは補えない携帯機器３００に必要な電力を二次電池２００から補充することができ、端子間電圧の低下を防止しつつ、寄生ダイオード１ａでの電圧降下による発熱防止を図ることができる。

ところが、このようにスイッチング素子１のオンにより放電方向に充放電経路９を導通状態にしても携帯機器３００の負荷電流が減少してくると、充電器４００からだけで携帯機器３００への電力供給を賄うことができ、充電器４００からの充電電流は過剰となる結果、その過剰電流は二次電池２００を充電する充電電流となってしまう。したがって、二次電池２００の充電禁止条件が成立している状態であるにもかかわらず、スイッチング素子１がオンしていることにより、端子間電圧の低下抑制と寄生ダイオード１ａでの発熱防止は図れるものの、二次電池２００を充電状態にしてしまう。

これを防ぐためには、オン状態にしたスイッチング素子１を再度オフ状態にすればよいが、スイッチング素子１がオン状態で端子間電圧を電圧検出部２１によって検出しようとしても、スイッチング素子１，２がオンしている以上、二次電池２００の電極間電圧と端子間電圧との間には電位差がほとんど生じないため、携帯機器３００の負荷電流の減少による端子間電圧の低下からの復帰を端子間電圧の検出によって認識することは非常に困難である。

そこで、制御部５０は、二次電池２００の充電禁止条件の成立時にスイッチング素子１をオフすることにより充放電経路９を遮断している状態で端子間電圧の低下を示す検出信号が電圧検出部２１から入力されると、スイッチング素子２をオンしたままスイッチング素子１をオフからオンに切り替えることにより充放電経路９を一時的に導通状態にする導通時間を設け、その導通時間の経過時にスイッチング素子１をオンからオフに切り替えることにより充放電経路９を遮断状態に戻す制御を行う。このように、スイッチング素子１のオンからオフへのタイミング（言い換えれば、充放電経路９の導通状態から遮断状態への切り替えタイミング）をスイッチング素子１のオンからの時間で時間管理することによって、端子間電圧の低下からの復帰を電圧検出により認識できなくても、スイッチング素子１をオンからオフに適切なタイミングで戻すことができる。

そこで、制御部５０は、一時的な導通時間を管理するため、時間管理手段としてタイマー５１を備える。タイマー５１は、スイッチング素子１のオン時点からの時間が予め決められた設定時間を経過した時にトリガー信号を生成するように構成される。制御部５０は、二次電池２００の充電禁止条件の成立時に端子間電圧の低下を示す検出信号が電圧検出部２１から入力されることによりスイッチング素子１をオンした後、その設定時間の経過を示すトリガー信号がタイマー５１によって生成されたときに、スイッチング素子１をオンからオフに戻す信号を出力する。

スイッチング素子１の一時的なオン時間（すなわち、充放電経路９の一時的な導通時間）は、携帯機器３００の動作態様の変化に同期した時間に設定されるとよい。携帯機器３００の動作態様に応じてその負荷電流は変化するため、その動作態様の変化にスイッチング素子１のオン時間を同期させることで、二次電池２００に必要以上に充放電させないようにすることができる。

例えば、携帯機器３００はその動作モードに応じて負荷電流は変化する。携帯機器３００は、通常動作モードに対して消費電力が高い高消費電力モードで動作する場合がある。携帯機器３００は、通常動作モードにおいて高消費電力モードの移行条件が成立すると、通常動作モードから高消費電力モードに移行する。また、携帯機器３００は、高消費電力モードにおいて通常動作モードへの移行条件が成立すると、高消費電力モードから通常消費電力モードに移行する。携帯機器３００が携帯電話であれば、電波環境の悪化を電波の受信レベルの低下等により検出すると、通常の送信電力より大きい送電電力で電波を送信する高消費電力モードに移行し、送受信動作を繰り返す。したがって、通常より大きい送信電力で電波を発信している発信時間の長さは予め定められているので、その発信時間に同期した時間にスイッチング素子１のオン時間の長さを設定することで、適切なタイミングで一時的にオン状態にしたスイッチング素子１をオフ状態に戻すことができる。スイッチング素子１のオン時間は、その発信時間以上の長さに設定するとよい。

図２は、スイッチング素子１のオン時間と二次電池２００の充放電電流との関係を示した図である。図２は、充電禁止条件が成立している環境下で充電器に接続された携帯電話が送受信している状況を示している。したがって、この状況では、携帯電話は、受信期間と通常より大きい送信電力で発信する発信期間とを繰り返して動作する。

Ｔｔｒは携帯電話の電波の発信期間であり、Ｉｔｒは携帯電話の発信期間Ｔｔｒでの負荷電流であり、Ｔｒｖは携帯電話の電波の受信期間であり、Ｉｒｖは携帯電話の受信期間Ｔｒｖでの負荷電流であり、Ｉｃｈは充電器４００が供給する充電電流、Ｔは充電禁止条件が成立している時に端子間電圧の低下が検出された場合のスイッチング素子１のオン時間である。

二次電池２００に流入する電荷量Ｑｃｈは、
Ｑｃｈ＝（Ｉｃｈ−Ｉｒｖ）×（Ｔ−Ｔｔｒ）＋（Ｉｃｈ−Ｉｔｒ）×Ｔｔｒ
・・・（１）
で表すことができる。

二次電池２００に流入する平均電流値Ｉは、
Ｉ＝｛（Ｉｃｈ−Ｉｒｖ）×（Ｔ−Ｔｔｒ）＋（Ｉｃｈ−Ｉｔｒ）×Ｔｔｒ｝
／（Ｔｔｒ＋Ｔｒｖ）・・・（２）
で表すことができる。

したがって、Ｉｔｒ＞Ｉｃｈの場合には、Ｔ＝Ｔｔｒならば、電波の発信期間と受信期間とを合わせた１サイクルでの電池流入電流Ｉは負となり、二次電池２００が放電していることを示す。

Ｉｔｒ＞Ｉｃｈになることにより端子間電圧が低下するので、その低下を検出したタイミングで、タイマー５１のカウントＣｏｕｔは１となり、一定時間Ｔの間保持する。携帯電話の発信期間での負荷電流Ｉｔｒは受信期間での負荷電流Ｉｒｖに比べ大きいため、発信期間Ｔｔｒでは、二次電池２００から（Ｉｃｈ−Ｉｔｒ）の放電電流が流れる。そして、受信期間Ｔｒｖに切り替わると、（Ｉｃｈ−Ｉｒｖ）の二次電池２００を充電する充電電流が流れる。端子間電圧の低下を確実に防ぐため、ＴはＴｔｒ以上の時間に設定するとよい。しかし、二次電池２００の充電が禁止されている状態での充電期間が長くならないように、端子間電圧の低下を防ぐための一時的な充電許可として、ばらつきを考慮してＴ−Ｔｔｒの長さができるだけ短くなるようなＴを設定するとよい。

したがって、充電禁止条件が成立している時に充電器が接続された携帯電話が微弱電波領域で動作している状況において、寄生ダイオードを流れる電流による発熱を防ぎつつ、端子間電圧の低下を抑制するために必要な期間だけ充放電経路９を導通状態にして、導通状態が継続することによって二次電池が充電されることを防ぐことができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、スイッチング素子１と２は、図１に示す配置位置を置換してもよい。

本国際出願は、２００８年９月２５日に出願した日本国特許出願第２００８−２４６６５０号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２００８−２４６６５０号の全内容を本国際出願に援用する。

１充電制御用スイッチング素子
１ａ，２ａ寄生ダイオード
２放電制御用スイッチング素子
３正極端子
４負極端子
５正側入出力端子
６負側入出力端子
９ａ，９ｂ充放電経路
１０温度検出部
２１電圧検出部
５０制御部
５１タイマー
９０電池保護ＩＣ
１００電池パック
２００二次電池
３００携帯機器
４００充電器

Claims

二次電池から電子機器への放電及び充電装置から前記二次電池への充電のための入出力端子と前記二次電池の両極端子との間の充放電経路の導通／遮断を切り替える切替手段と、
前記切替手段の切り替え動作を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記二次電池の充電禁止条件が成立していることにより前記切替手段によって前記充放電経路を遮断している状態で前記入出力端子の端子電圧の低下が検出されると前記切替手段によって前記充放電経路を一時的に導通状態にする導通時間を設け、前記導通時間の経過時に前記切替手段によって前記充放電経路を遮断状態に戻すものであり、
前記導通時間は、前記電子機器の動作態様の変化に同期した時間に設定されることを特徴とする、電池保護装置。
前記電子機器は、無線通信機能を備えた携帯機器である、請求項１に記載の電池保護装置。
前記導通時間は、前記携帯機器の電波の送受信動作に同期した時間に設定される、請求項２に記載の電池保護装置。
請求項１から３のいずれか一項に記載の電池保護装置と前記二次電池とを内蔵する電池パック。