JPH05111177A - ２次電池の過充電及び過放電防止回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 容量バランスのとれた過充電及び過放電防止
回路を提供する。 【構成】 直列接続された２次電池Ａｂａｔ及びＢｂａ
ｔの正負極間にヒステリシス回路１を備える過充電検出
コンパレータＣＯＭＰ２、ＣＯＭＰ４を、また、ヒステ
リシス回路２を備える過放電検出コンパレータＣＯＭＰ
１、ＣＯＭＰ３を接続する。各電池間に過充電オーバー
フロー及び過放電バランスのためにトランジスタＴ５、
Ｔ６及び抵抗Ｒを接続する。ＣＯＭＰ２又はＣＯＭＰ４
が過充電を検出するとトランジスタＴ２又はＴ４がオフ
して充電電流を遮断し、同時にトランジスタＴ１又はＴ
３がオンして抵抗Ｒ１を通して充電電流が流れ、過充電
が検出されない側の電池は充電を継続する。ＣＯＭＰ２
及びＣＯＭＰ４が過充電を同時に検出すると、トランジ
スタＴ１０をオフして充電電流を遮断する。ヒステリシ
ス回路１、２により過充放電のバランスをとることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２次電池の過充電及び
過放電防止回路に関する。

【０００２】

【従来の技術及びその問題点】従来、２次電池の過充電
及び過放電対策として、以下の方法が知られている。充
電器による過充電対策は、充電時に電池の充電端子電圧
を制御するもので、単電池又は単電池の並列接続では十
分に効果があるものである。しかし電池は直列接続で使
用されることが多く、この場合、直列接続の両端電圧
は、制御されるものの個々の電池電圧の制御はできな
い。従って、直列接続中の少なくとも１個の電池がショ
ートした場合、充電中に他の電池は過充電となりこの方
式は完全な過充電対策とはならない。他の過充電対策と
して、過充電中に電池の内圧が上昇することを利用し
て、メカニカルに電流リード線を切断し、充電電流を遮
断する方式がある。この方式は過充電そのものを防止す
るものではなく、過充電が進行後の電池温度の異常上
昇、高内圧に起因する電池の破壊を未然に防止するもの
で、一度電流遮断が働くとその電池は使用不可能とな
る。

【０００３】一方、過放電対策としては、負極集電体金
属の溶解電圧が電池電圧としてなるべくゼロに近い金属
を選定する方法がある。例えば銅に代えてニッケルを使
用すると効果はあるものの完全なものではない。特に、
直列接続の電池では電池の個体差により必ず一方の電池
の過放電が進行し、充放電サイクルの寿命劣化が著し
い。

【０００４】図１２は、非水系２次電池、例えばリチウ
ムイオン２次電池の電池構成例を示している。活物質と
して、正極にＬｉＣｏＯ₂ ６，負極にはグラファイト構
造を有するカーボン７を用い、各活物質は正極はＡｌ集
電体８，負極はＣｕ集電体９で保持される。正負活物質
はセパレータ１０を介して対向し、各活物質間には有機
電解液１１が充填される。該電池の充放電特性は図１３
及び図１４に示すように、充放電エネルギーと電池端子
間電圧の間に強い相関を有する。該電池には電池構成材
料及び電池設計で決まる設計電圧があり、この電圧を越
えて充電することを過充電と呼ぶ。過充電を行うと、
（１）負極上でのＬｉ金属の析出、（２）正極活物質の
分解及び分解で生成したコバルトイオンに起因する負極
上でのＣｏ金属或はコバルト化合物の析出、（３）有機
電解液の分解、が生ずる。

【０００５】前記Ｌｉ金属、Ｃｏ金属、Ｃｏ化合物の析
出は正負極のショート原因となり、正極活物質、有機電
解液の分解は電池の著しい劣化原因となる。従って、過
充電は本質的に避けなければ電池の信頼性は確保できな
い。充電した電池に外部負荷を付け放電すると電池電圧
は低下していくが、放電を継続すると負極集電体（Ｃ
ｕ）の溶解電圧に達する。この溶解電圧に至った以降さ
らに放電することを過放電と呼び、過放電では当然に銅
がイオン化し、電解液に溶出する。集電体金属が溶出す
れば、集電機能の劣化、負極活物質の脱落が生じ電池の
要領を低下させる。さらに溶出した銅イオンが次の充電
時に負極に異常析出し、正負極のショート原因になる。
従って、過放電も当然に避けるべき課題である。

【０００６】これまでに、電池が充放電を繰り返す過程
において、個々の電池の個体差により電池の容量バラン
スが崩れてきても、過充電及び過放電を防止するため
に、直列接続された２次電池が充放電を繰り返す過程に
おいて、個々の電池の個体差により電池の容量バランス
が崩れてきても、そのバランスを復活する機能を有する
電池容量バランス回路を充放電回路に設けて過充電及び
過放電を防止し、電池の信頼性・安全性を保証するもの
が提案されている。

【０００７】図８は、前記提案された従来の過充放電防
止及び電池容量バランス回路を示している。前記回路に
ついて、以下に、電池Ａｂａｔ及び電池Ｂｂａｔの過充
電検出及び過放電検出について順次説明する。

【０００８】充電電源又は放電負荷端子となる＋Ｅｂ端
子から２次電池Ａｂａｔ，Ｂｂａｔ，ＮチャネルＭＯＳ
トランジスタＴ１６、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ
１７（以下、トランジスタＴ１６、トランジスタＴ１７
という。）を経て−Ｅｂ端子へ充電電流が流れる。過充
電検出回路を構成するコンパレータＣＯＭＰ２が、基準
電圧Ｅ１を越える例えば４．３Ｖの過充電を検出し、Ｈ
レベルの電圧を出力する。（通常充電時はＬレベルであ
る）。

【０００９】前記Ｈレベル出力によりオアゲートＧ１６
を通してＰチャネルＭＯＳトランジスタＴ１５（以下、
トランジスタＴ１５という）をオフ、ＮチャネルＭＯＳ
トランジスタＴ１８をオンすることによりトランジスタ
Ｔ１７をオフして充電電流を遮断する。同時にオアゲー
トＧ１２を通してＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ１２
をオンし、抵抗Ｒで電池Ａｂａｔの過充電オーバーフロ
ーを放電する。

【００１０】前記電池Ａｂａｔが例えば４．１Ｖまで放
電して４．１Ｖを切ると、前記コンパレータＣＯＭＰ２
の出力がＬレベルとなり、トランジスタＴ１２がオフ、
トランジスタＴ１８がオフ、トランジスタＴ１５がオ
ン、トランジスタＴ１７がオンして再び充電可能とな
り、電池Ａｂａｔ及び電池Ｂｂａｔとも充電される。

【００１１】一方、電池Ｂｂａｔが過充電された場合も
同様の動作を行う。端子＋Ｅｂから２次電池Ａｂａｔ，
Ｂｂａｔ，トランジスタＴ１６、トランジスタＴ１７を
経て端子−Ｅｂへ充電電流が流れる。過充電検出回路を
構成するコンパレータＣＯＭＰ４が、基準電圧Ｅ２を越
える例えば４．３Ｖの過充電を検出し、Ｈレベルの電圧
を出力する。（通常充電時はＬレベルである）。前記コ
ンパレータＣＯＭＰ４のＨレベル出力によりオアゲート
Ｇ１６を通してトランジスタＴ１５をオフ、トランジス
タＴ１８をオンすることによりトランジスタＴ１７をオ
フして充電電流を遮断する。同時にオアゲートＧ１５を
通してＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ１３をオンし、
抵抗Ｒで電池Ｂｂａｔの過充電オーバーフローを放電す
る。前記電池Ｂｂａｔが例えば４．１Ｖまで放電して
４．１Ｖを切ると、前記コンパレータＣＯＭＰ４の出力
がＬレベルとなり、トランジスタＴ１３がオフ、トラン
ジスタＴ１８がオフ、トランジスタＴ１５がオン、トラ
ンジスタＴ１７がオンして再び充電可能となり、電池Ａ
ｂａｔ及び電池Ｂｂａｔとも充電される。

【００１２】そして、前記コンパレータＣＯＭＰ２又は
ＣＯＭＰ４のＨレベル出力によりオアゲートＧ１６を通
してトランジスタＴ１５をオフ、トランジスタＴ１８を
オンすることによりトランジスタＴ１７をオフして充電
電流を遮断すると、電池の端子電圧が下がり、コンパレ
ータＣＯＭＰ２又はＣＯＭＰ４の出力がＬレベルに反転
して直ちに再度充電回路が動作してしまうのを避け、電
池Ａｂａｔ又は電池Ｂｂａｔの過充電オーバーフローを
放電し、４．１Ｖまで放電されると、再び充電可能とな
り電池Ａｂａｔ及び電池Ｂｂａｔを充電するというサイ
クルを実現するために、コンパレータＣＯＭＰ２及びコ
ンパレータＣＯＭＰ４の動作にヒステリシスを持たせる
必要がある。このため前記コンパレータＣＯＭＰ２及び
コンパレータＣＯＭＰ４の非反転入力端子にヒステリシ
ス回路１を接続する。

【００１３】以下に、前記ヒステリシス回路１について
説明する。図２の（Ａ）は、過充電検出用コンパレータ
ＣＯＭＰ２及びコンパレータＣＯＭＰ４の非反転端子に
接続されるヒステリシス回路１の一例であり、図１１の
（Ａ）は、過充電のヒステリシス電圧の説明図である。
以下、電池Ａｂａｔを例に説明する。図２の（Ａ）にお
いて、充電により電池Ａｂａｔの電池電圧Ｅｂが上昇し
て例えば４．３Ｖに達して、抵抗ラダーの過充電用分圧
点電圧Ｖ１が基準電圧Ｅ１を越えると、コンパレータＣ
ＯＭＰ２の出力がＬレベルからＨレベルになり、トラン
ジスタＴ１７をオフする。また、禁止回路３のＨレベル
出力がコントロール端子Ｃ端子に供給されてアナログス
イッチＳＷ１がＨ端子に切り替わり、Ｖ２が比較電圧と
なる。Ｖ２は充電電流がオフとなって電池端子電圧が下
がっても基準電圧Ｅ１より高めに設定してあるのでトラ
ンジスタＴ１７（図８）のオフ状態が保持され、直ちに
充電を開始せず、充電の開始にヒステリシスを持たせる
ことが可能となる。

【００１４】図１１の（Ａ）に示す過充電ヒステリシス
電圧について、図９を参照して説明する。充電器の充電
終止電圧８．２Ｖの半分をヒステリシス電圧として示し
ている。４．３Ｖは、前記抵抗ラダーの検出電圧Ｖ１に
対応し、４．１Ｖは、検出電圧Ｖ２に対応する電圧であ
る。電池Ａｂａｔ及びＢｂａｔの充電のバランスが崩れ
ていて電池Ａｂａｔの電池電圧が高くなり、危険領域に
なる手前（例として４．３Ｖ）まで上昇しても充電終止
電圧にならない時、前記過充電検出回路が動作してトラ
ンジスタＴ１７をオフし充電電流を遮断する。充電電流
がオフになると電池電圧は下がるが、さらに前記トラン
ジスタＴ１２及び抵抗Ｒからなる放電回路で４．１Ｖま
で放電する。そして４．１Ｖに達するとコンパレータＣ
ＯＭＰ２の出力はＬレベルとなり再びトランジスタＴ１
７がオンして電池Ｂｂａｔの電池電圧が４．１Ｖに達す
るまで再度充電する。このようにして、両電池の充電の
サイクルがなされ、バランスの取れた充電がなされ、両
電池の過充電を防止できる。

【００１５】次に、過放電検出について以下に電池Ａｂ
ａｔを例に説明する。図８において、コンパレータＣＯ
ＭＰ１が電池Ａｂａｔの過放電（一例として１．８Ｖ）
を検出すると、Ｈレベルを出力する。（通常放電時はＬ
レベル）前記コンパレータＣＯＭＰ１のＨレベル出力に
よりオアゲートＧ１７及びノアゲートＧ１８を通してＮ
チャネルＭＯＳトランジスタＴ１６（以下、トランジス
タＴ１６という）をオフし、さらにゲートＧ２０によっ
てＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ１４（以下、トラン
ジスタＴ１４という）をオフして放電電流を遮断する。
同時にアンドゲートＧ１４、オアゲートＧ１５を通して
ＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ１３（以下トランジス
タＴ１３という）をオンし、電池Ｂｂａｔの残容量を抵
抗Ｒで消費する。この時、ゲートＧ１０、アンドゲート
Ｇ１１を経てオアゲートＧ１２の出力がＬレベルとなっ
ており、トランジスタＴ１２をオフ状態に保持してお
き、電池Ａｂａｔの過放電バランス回路を動作させない
ようにしておく。

【００１６】過放電検出についてもヒステリシスを持た
せるため、コンパレータＣＯＭＰ１の反転入力端子に図
２の（Ｂ）に一例として示すヒステリシス回路２を設け
る。同図において、放電により電池Ａｂａｔの電池電圧
Ｅｂが下がり、抵抗ラダーの過放電用分圧点電圧Ｖ４が
基準電圧Ｅ１を越えると、コンパレータＣＯＭＰ１の出
力がＬレベルからＨレベルになり、トランジスタＴ１６
をオフして放電電流を遮断する。

【００１７】図１１の（Ｂ）は、過放電のヒステリシス
電圧を示しており、以下に図１０を参照して説明する。
電池の放電バランスが崩れていて電池Ａｂａｔの電圧が
危険領域の手前の電圧１．８Ｖまで下がっても、この電
池を使用している機器の放電終止電圧にならない時、前
記電圧Ｖ４がコンパレータＣＯＭＰ１の入力となり過放
電検出が動作してトランジスタＴ１４をオフ、トランジ
スタＴ１６をオフする。放電電流が遮断されると電池電
圧が上昇するので直ちに再度トランジスタＴ１６がオン
しないようにヒステリシス（一例として２Ｖ）を設定し
ている。

【００１８】すなわち、前記ヒステリシス回路２におけ
るアナログスイッチＳＷ２をＬ側に切り替えて電圧Ｖ４
よりも高い電圧Ｖ３を比較電圧として設定し、該電圧Ｖ
３は放電電流が遮断されて電池Ａｂａｔの端子電圧が上
がっても基準電圧Ｅ１より低めに設定しているので、前
記オフ状態が保持される。この間は電池Ａｂａｔは僅か
に自己放電するのみで過放電に至ることはない。このよ
うに過放電検出が動作した時は、電池Ｂｂａｔをトラン
ジスタＴ１３及び抵抗Ｒからなる内部放電回路で放電さ
せ、両電池の放電をバランスさせる。電池Ｂｂａｔの過
放電検出用のコンパレータＣＯＭＰ３の出力がＬレベル
であり、ゲートＧ１３の出力がＨレベルとなり、従っ
て、アンドゲートＧ１４、オアゲートＧ１５を通してト
ランジスタＴ１３がオンしているから抵抗Ｒで電池Ｂｂ
ａｔの内部放電がなされる。なお、使用機器が終止電圧
でオフした後も電池を付けっ放しにした場合も過放電検
出が動作する。

【００１９】以上、過充電及び過放電のバランスについ
て回路の動作を説明したが、図９及び図１０に示す過充
電バランスについての充電時間と電池電圧及び過放電バ
ランスについて放電時間と電池電圧の関係を見ると、各
コンパレータの入力部にヒステリシス回路を設けたた
め、過充電バランスは、４．１Ｖと４．３Ｖ間において
バランス良く充電がなされ、また過放電バランスは、
１．８Ｖと２Ｖ間においてバランス良く放電がなされる
ことがわかる。

【００２０】前記従来提案された過充電・過放電防止回
路は、２次電池Ａｂａｔ又はＢｂａｔの一方の電池が過
充電となった場合、トランジスタＴ１７をオフして双方
の電池に対する充電電流を完全に遮断すると共に、トラ
ンジスタＴ１２又はトランジスタＴ１３をオンして、抵
抗Ｒで過充電オーバーフローを放電する構成となってい
た。これにより、図９又は図１１の（Ａ）に示すよう
に、一方の電池が４．３Ｖに達すると、以降４．３Ｖ〜
４．１Ｖの間で放電と充電を交互に繰り返しつつ、その
間、他方の電池が４．３Ｖとなるまで間欠的に充電され
る。このように、放電と充電を交互に繰り返す過程を有
しているので、その分、双方の電池の容量バランスが取
れるまでに時間を要することになる。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記従来の
過充電・過放電防止回路に比べて、過充電時の電池容量
バランスを取るのに要する時間を短縮することを目的と
するものである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】直列接続した２次電池
と、前記各２次電池の正極と負極間に接続され、前記直
列接続した２次電池の各々の過充電を検出するヒステリ
シス特性を有する過充電検出回路と、前記直列接続した
２次電池の正極と負極間に接続され前記直列接続した２
次電池の各々の過放電を検出するヒステリシス特性を有
する過放電検出回路と、前記過充電検出回路の出力レベ
ルに基づいて、前記直列接続された２次電池の内の一方
の電池が過充電となった場合に、該過充電となった電池
に対する充電電流を遮断すると共に、他方の電池に対し
ては充電電流の供給を継続する切り替え手段と、前記各
２次電池正負極間に接続され、前記過充電検出回路又は
過放電検出回路の出力レベルで制御される放電回路と、
前記各２次電池が共に過充電になると前記過充電検出回
路の出力により充電電流を遮断する回路と、前記過放電
検出回路の出力レベルに応じて放電電流を遮断する回路
と、放電負荷又は充電電源端子とを備え、前記２次電池
の過充電及び過放電を防止し且つ過充放電の電池容量バ
ランスをとることを特徴とするものである。

【００２３】

【実施例】図１は、前記図８に示す従来例を改善した本
発明の過充放電防止及び電池容量バランス回路を示して
いる。前記本発明回路について、以下に、電池Ａｂａｔ
及び電池Ｂｂａｔの過充電検出及び過放電検出について
順次説明する。

【００２４】充電電源又は放電負荷端子となる＋Ｅｂ端
子から２次電池Ａｂａｔ，ＰチャネルＭＯＳトランジス
タＴ２（以下、トランジスタＴ２という。）、２次電池
Ｂｂａｔ、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＴ４（以下、
トランジスタＴ４という。）、ＮチャネルＭＯＳトラン
ジスタＴ９、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ１０（以
下、トランジスタＴ９、トランジスタＴ１０という。）
を経て−Ｅｂ端子へ充電電流が流れる。過充電検出回路
を構成するコンパレータＣＯＭＰ２が、基準電圧Ｅ１を
越える例えば４．３Ｖの過充電を検出し、Ｈレベルの電
圧を出力する。（通常充電時はＬレベルである）。

【００２５】前記コンパレータＣＯＭＰ２のＨレベル出
力によりトランジスタＴ２をオフして、電池Ａｂａｔへ
の充電電流を遮断する。同時にＮチャネルＭＯＳトラン
ジスタＴ１（以下、トランジスタＴ１という。）をオン
することにより電池Ｂｂａｔへの充電は継続する。

【００２６】一方、電池Ｂｂａｔが過充電された場合も
同様の動作を行う。端子＋Ｅｂから２次電池Ａｂａｔ，
トランジスタＴ２、２次電池Ｂｂａｔ，トランジスタＴ
４、トランジスタＴ９、トランジスタＴ１０を経て端子
−Ｅｂへ充電電流が流れる。過充電検出回路を構成する
コンパレータＣＯＭＰ４が、基準電圧Ｅ２を越える例え
ば４．３Ｖの過充電を検出し、Ｈレベルの電圧を出力す
る。（通常充電時はＬレベルである）。前記コンパレー
タＣＯＭＰ４のＨレベル出力によりトランジスタＴ４を
オフして、電池Ｂｂａｔへの充電電流を遮断する。同時
にＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ３（以下、トランジ
スタＴ３という。）をオンすることにより、電池Ａｂａ
ｔへの充電は継続する。

【００２７】電池Ａｂａｔ及び電池Ｂｂａｔが両方とも
過充電となると、アンドゲートＧ５を通してＰチャネル
ＭＯＳトランジスタＴ８（以下、トランジスタＴ８とい
う。）をオフ、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ１１
（以下、トランジスタＴ１１）をオンすることによりト
ランジスタＴ１０をオフして充電電流を遮断する。

【００２８】ここで、重要なことは、前記コンパレータ
ＣＯＭＰ２又はＣＯＭＰ４のＨレベル出力によりトラン
ジスタＴ２又はトランジスタＴ４をオフして、電池Ａｂ
ａｔ又は電池Ｂｂａｔへの充電電流を遮断すると、充電
電流がトランジスタＴ１と抵抗Ｒ１からなるバイパス回
路、あるいはトランジスタＴ３と抵抗Ｒ１からなるバイ
パス回路に流れることにより、コンパレータＣＯＭＰ２
又はＣＯＭＰ４の出力がＬレベルに反転して直ちに再度
再度充電回路が動作してしまうのを避け、一方の電池が
過充電となるとその充電を停止し、もう一方の過充電に
達していない電池への充電を継続する機能を実現するた
めに、コンパレータＣＯＭＰ２及びコンパレータＣＯＭ
Ｐ４の動作にヒステリシスを持たせる必要がある。この
ため前記コンパレータＣＯＭＰ２及びコンパレータＣＯ
ＭＰ４の非反転入力端子に本発明においてもヒステリシ
ス回路１を接続する。

【００２９】以下に、前記ヒステリシス回路１を本発明
との関連において説明する。図２の（Ａ）は、従来例に
おいても採用した過充電検出用コンパレータＣＯＭＰ２
及びコンパレータＣＯＭＰ４の非反転端子に接続したヒ
ステリシス回路１の一例であり、また図３の（Ａ）は、
過充電のヒステリシス電圧の説明図である。以下、電池
Ａｂａｔを例に説明する。再び図２の（Ａ）において、
充電により電池Ａｂａｔの電池電圧Ｅｂが上昇して例え
ば４．３Ｖに達して、抵抗ラダーの過充電用分圧点電圧
Ｖ１が基準電圧Ｅ１を越えると、コンパレータＣＯＭＰ
２の出力がＬレベルからＨレベルになり、トランジスタ
Ｔ２をオフ、トランジスタＴ１をオンする。また、禁止
回路３のＨレベル出力がコントロール端子Ｃ端子に供給
されてアナログスイッチＳＷ１がＨ端子に切り替わり、
Ｖ２が比較電圧となる。Ｖ２は電池Ａｂａｔへの充電電
流がオフとなって電池電圧の代わりにトランジスタＴ１
と抵抗Ｒ１からなるバイパス回路の電位差（４．３Ｖを
確保できる抵抗値をもたせる）に切り替わっても基準電
圧Ｅ１より高めに設定してあるのでトランジスタＴ２の
オフ、トランジスタＴ１のオン状態（図１）が保持さ
れ、直ちに充電を開始せず、充電の開始にヒステリシス
を持たせることが可能となる。

【００３０】図３の（Ａ）に示す過充電ヒステリシス電
圧について、図４を参照して説明する。充電器の充電終
止電圧８．２Ｖの半分をヒステリシス電圧として示して
いる。４．３Ｖは、前記抵抗ラダーの検出電圧Ｖ１に対
応し、４．１Ｖは、検出電圧Ｖ２に対応する電圧であ
る。電池Ａｂａｔ及びＢｂａｔの充電のバランスが崩れ
ていて電池Ａｂａｔの電池電圧が高くなり、危険領域に
なる手前（例として４．３Ｖ）まで上昇しても充電終止
電圧にならない時、前記過充電検出回路が動作してトラ
ンジスタＴ２オフ、トランジスタＴ１をオンし電池Ａｂ
ａｔへの充電電流を遮断する。電池Ａｂａｔへの充電電
流ががオフになると充電器からの充電電流はトランジス
タＴ１と抵抗Ｒ１とからなる回路を通って電池Ｂｂａｔ
の電池電圧が４．１Ｖに達するまで充電を継続する。

【００３１】このようにして、両電池の充電がなされ、
バランスのとれた充電がなされ、両電池の過充電を防止
できる。なお、電池Ａｂａｔ、Ｂｂａｔが両方とも過充
電になっている状態の時、電池を通常放電にすると、ト
ランジスタＴ１０がオフとなっているので、小電流でも
後述する過電流検出回路が働き、放電が不可能となるの
で、前記ヒステリシス禁止回路３によりアナログスイッ
チＳＷ１をＬ側に切り替えてトランジスタＴ１０をオン
にする。

【００３２】次に、過放電検出について以下に電池Ａｂ
ａｔを例に説明する。図１において、コンパレータＣＯ
ＭＰ１が電池Ａｂａｔの過放電（一例として１．８Ｖ）
を検出すると、Ｈレベルを出力する。（通常放電時はＬ
レベル）前記コンパレータＣＯＭＰ１のＨレベル出力に
よりオアゲートＧ６及びノアゲートＧ７を通してＮチャ
ネルＭＯＳトランジスタＴ９（以下、トランジスタＴ９
という）をオフし、さらにゲートＧ９によってＮチャネ
ルＭＯＳトランジスタＴ７（以下、トランジスタＴ７と
いう）をオフして放電電流を遮断する。同時にアンドゲ
ートＧ４によってＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ６
（以下トランジスタＴ６という）をオンし、電池Ｂｂａ
ｔの残容量を抵抗Ｒで消費する。この時、ゲートＧ１経
てアンドゲートＧ２の出力がＬレベルとなっており、ト
ランジスタＴ５をオフ状態に保持しておき、電池Ａｂａ
ｔの過放電バランス回路を動作させないようにしてお
く。

【００３３】過放電検出についてもヒステリシスを持た
せるため、コンパレータＣＯＭＰ１の反転入力端子に図
２の（Ｂ）に示す従来例でも採用したヒステリシス回路
２を設ける。同図において、放電により電池Ａｂａｔの
電池電圧Ｅｂが下がり、抵抗ラダーの過放電用分圧点電
圧Ｖ４が基準電圧Ｅ１を越えると、コンパレータＣＯＭ
Ｐ１の出力がＬレベルからＨレベルになり、トランジス
タＴ９をオフして放電電流を遮断する。

【００３４】図３の（Ｂ）は、過放電のヒステリシス電
圧を示しており、以下に図５を参照して説明する。電池
の放電バランスが崩れていて電池Ａｂａｔの電圧が危険
領域の手前の電圧１．８Ｖまで下がっても、この電池を
使用している機器の放電終止電圧にならない時、前記電
圧Ｖ４がコンパレータＣＯＭＰ１の入力となり過放電検
出が動作してトランジスタＴ９、トランジスタＴ７をオ
フする。放電電流が遮断されると電池電圧が上昇するの
で直ちに再度トランジスタＴ９とＴ７がオンしないよう
にヒステリシス（一例として２Ｖ）を設定している。

【００３５】すなわち、前記ヒステリシス回路２におけ
るアナログスイッチＳＷ２をＬ側に切り替えて電圧Ｖ４
よりも高い電圧Ｖ３を比較電圧として設定し、該電圧Ｖ
３は放電電流が遮断されて電池Ａｂａｔの端子電圧が上
がっても基準電圧Ｅ１より低めに設定しているので、前
記オフ状態が保持される。この間は電池Ａｂａｔは僅か
に自己放電するのみで過放電に至ることはない。このよ
うに過放電検出が動作した時は、電池Ｂｂａｔをトラン
ジスタＴ６及び抵抗Ｒからなる内部放電回路で放電さ
せ、両電池の放電をバランスさせる。電池Ｂｂａｔの過
放電検出用のコンパレータＣＯＭＰ３の出力がＬレベル
であり、ゲートＧ３の出力がＨレベルとなり、従って、
アンドゲートＧ４を通してトランジスタＴ６がオンして
いるから抵抗Ｒで電池Ｂｂａｔの内部放電がなされる。
なお、使用機器が終止電圧でオフした後も電池を付けっ
放しにした場合も過放電検出が動作する。

【００３６】以上、過充電及び過放電のバランスについ
て回路の動作を説明したが、図４及び図５に示す過充電
バランスについての充電時間と電池電圧及び過放電バラ
ンスについて放電時間と電池電圧の関係を見ると、各コ
ンパレータの入力部にヒステリシス回路を設けると共
に、トランジスタＴ１、Ｔ３、抵抗Ｒ１からなるバイパ
ス回路を設けたため、過充電バランスは、４．１Ｖと
４．３Ｖ間においてバランス良くかつ充放電を繰り返す
ことなく充電がなされ、また過放電バランスは、１．８
Ｖと２Ｖ間においてバランス良く放電がなされることが
わかる。

【００３７】次に、前記過充電・過放電検出回路におい
て、負荷がショートしたり、オーバーロードになり過大
電流が流れた時の過大電流検出及びその保護について図
６及び図７で説明する。なお、括弧付の符号は、図８に
示すように従来例においても同等の機能を果たす素子で
あり、従来例の説明においては省略してある。図７は、
放電負荷４又は充電電源５が接続される＋Ｅｂ端子と−
Ｅｂ端子間がショートした時の状態を説明するために、
図１に示す本発明実施例の回路を一部ブロック化した回
路図を示している。なお、括弧付の符号は、図８に示す
ように従来例においても同等の機能を果たす素子であ
り、従来例の説明においては省略してある。

【００３８】＋Ｅｂ端子と−Ｅｂ端子間がショートして
過大電流（例えば３Ａ）が流れると、通常動作時にスイ
ッチオンしているトランジスタＴ９及びトランジスタＴ
１０の飽和抵抗と過大電流によって生ずる電圧がコンパ
レータＣＯＭＰ５（通常はＬレベル）の非反転入力端子
に入力されてＨレベルを出力し、ノアゲートＧ７及びノ
アゲートＧ８（図１）を通してトランジスタＴ９のゲー
ト電圧Ｅｇを０にしてトランジスタＴ９をオフし過電流
を遮断する。

【００３９】過大電流が流れず通常の動作をしている時
は、図６の（Ｂ）に示すように、ゲート電圧Ｅｇは、ト
ランジスタＴ９に最大電流が流れる電圧になっている
が、過電流が検出されると、まず抵抗Ｒ２側の電圧が回
路の内部時定数による遅れ（２００μｓ）の後０にな
り、その間トランジスタＴ９のゲート電圧Ｅｇは、抵抗
Ｒ２とＲ３で分圧されてゲート電圧が下がりトランジス
タＴ９に流れる電流を制限する。その後抵抗Ｒ４と容量
Ｃ１の時定数Ｃ１Ｒ４による遅れ（数ｍｓ）の後、抵抗
Ｒ３側の電圧が０になりゲート電圧Ｅｇが０になると、
トランジスタＴ９をオフして過電流を遮断し回路が保護
される。コンパレータＣＯＭＰ５の基準電圧Ｅ３は、前
記トランジスタＴ９に流れる制限電流（図６のＢ）を検
出するように設定する。

【００４０】しかし、両電池の過充電検出が動作してト
ランジスタＴ１０がオフしている状態で電池を放電にす
ると、前記過電流検出回路は、トランジスタＴ１０の寄
生ダイオードＤ２を通じて電流が流れこの寄生ダイオー
ドによる順方向電圧降下（０．７Ｖ）をコンパレータＣ
ＯＭＰ５が検出し過電流でなくても動作してトランジス
タＴ９をオフにしてしまうことがあるので、この時は過
充電検出回路のヒステリシス禁止回路３の出力をＬレベ
ルにしてアナログスイッチＳＷをＬ端子側に切り替え、
過充電検出をやめてトランジスタＴ１０をオンにする。
この動作速度は前記過電流保護回路の動作より速い必要
がある。

【００４１】次に、過電流検出後の復帰について図７で
説明する。前記説明したように負荷がショートしたり、
オーバロードになり過大電流が流れると、コンパレータ
ＣＯＭＰ５は過電流を検出して、トランジスタＴ９をオ
フするが、トランジスタＴ９がオフすると、電池ＧＮＤ
に対する−Ｅｂ端子の電位差は、トランジスタＴ９の寄
生ダイオードＤ１を介して負荷に引っ張られて高電圧＋
Ｅｂ（４〜８Ｖ）となる。この状態で過負荷を取り除い
た時、−Ｅｂ端子を０Ｖ付近まで下げ復帰させる。この
電流は小電流ではあるが長時間過負荷（いったん過負荷
その後軽負荷になった場合も含む）にしておくと電池か
ら無駄電流を流すことになる。これは特に放電末期で問
題になるので、過放電検出が働いた時はトランジスタＴ
７をオフして遮断する。

【００４２】また、過充電検出時に、トランジスタＴ１
０がオフされると、充電器の端子電圧が上昇し、−Ｅｂ
端子はその電圧に引っ張られて、電池ＧＮＤより低い電
圧になり、しかも充電器の特性で引っ張られる電圧は異
なる。そして−Ｅｂ端子がマイナスになるとトランジス
タＴ１０のゲート電圧を電池ＧＮＤまで下げても完全に
オフできない場合が生ずる。そこで、過充電を検出した
時は、トランジスタＴ１１がオンしているので、該トラ
ンジスタＴ１１を介してトランジスタＴ１０のゲートを
−Ｅｂ端子とショートさせて完全な遮断を行う。なお、
過充電検出が動作していない時は、トランジスタＴ８が
オンしていてトランジスタＴ１０にゲート電圧を供給し
ているので、トランジスタＴ１０はオン状態を保つ。

【００４３】以上、本発明と従来例との差異は、従来例
として示す図８の回路において、オアゲートＧ１２、オ
アゲートＧ１５、オアゲートＧ１６を省略し、これに代
えて図１に示すように、トランジスタＴ１、トランジス
タＴ２、抵抗Ｒ１、トランジスタＴ３、トランジスタＴ
４、抵抗Ｒ１、アンドゲートＧ５を新たに追加した点に
ある。このような構成の差異により、本発明は、一方の
電池が過充電となった場合、トランジスタＴ２もしくは
Ｔ４をオフして過充電となった電池に対してのみ充電電
流を遮断するとともに、トランジスタＴ１もしくはＴ３
をオンとして他方の電池への充電を継続することができ
る。このため、図４及び図３の（Ａ）に示すように、一
方の電池（Ａｂａｔ）が４．３Ｖに達すると、以降、一
方の電池に対する充電が停止された状態のまま（この
間、一方の電池は放電されない）、他方の電池（Ｂｂａ
ｔ）が抵抗Ｒ１を含むバイパス回路を介して４．３Ｖと
なるまで、それまでと比較してゆっくりした速さで充電
される。従って、従来例のように充放電を繰り返す構成
と比較して、短い時間で双方の電池容量バランスがと
れ、従来例と比べて過充電時の電池容量バランスをとる
のに要する時間を、約１０〜１５％程度短縮することが
可能である。

【００４４】以上、図１に示す実施例は、本発明の技術
思想を実現する回路の一例であり、使用する素子、回路
方式、設定電圧は任意であることは言うまでもない。ま
た、３個以上の２次電池の直列接続にも対応でき、さら
に回路を集積化して用いることも可能である。この回路
は電池内部、外部、バッテリーパック内、充電器に組み
込むことも可能である。

【００４５】

【発明の効果】本発明は、過充電検出及び過放電検出に
ヒステリシスを持たせ、過充電検出の出力レベルに基づ
いて一方の電池が過充電となった場合に、該過充電とな
った電池に対する充電電流を遮断すると共に、他方の電
池に対しては充電電流の供給を継続する手段を設けたか
ら、過充放電時に個々の２次電池の容量バランスをとる
のに要する時間を従来例と比べて約１０〜１５％程度短
縮できるため充放電サイクルをより改善でき、かつ個々
の電池の過充放電を完全に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の回路図である。

【図２】過充電及び過放電ヒステリシス回路図である。

【図３】過充電及び過放電のヒステリシス電圧の説明図
である。

【図４】本発明の過充電バランスの説明図である。

【図５】本発明の過放電バランスの説明図である。

【図６】過電流検出・保護回路図及びその説明図であ
る。

【図７】過電流検出後の復帰及び過充電遮断を説明する
回路図である。

【図８】従来例の回路図である。

【図９】従来例の過充電バランスの説明図である。

【図１０】従来例の過放電バランスの説明図である。

【図１１】従来例の過充電及び過放電のヒステリシス電
圧の説明図である。

【図１２】２次電池の構造の一例を示す図である。

【図１３】２次電池の充電エネルギーと電池電圧の関係
を示す図である。

【図１４】２次電池の放電エネルギーと電池電圧の関係
を示す図である。

【符号の説明】

１・・過充電検出ヒステリシス回路 ２・・過放電検出
ヒステリシス回路 ３・・ヒステリシス禁止回路 ＣＯＭＰ２、ＣＯＭＰ４
・・過充電検出コンパレータ ＣＯＭＰ１、ＣＯＭＰ３
・・過放電検出コンパレータ ＣＯＭＰ５・・過電流検
出コンパレータ Ｔ１、Ｔ３・・充電電流バイパストラ
ンジスタ Ｒ１・・充電電流バイパス抵抗 Ｔ２、Ｔ４
・・充電トランジスタ Ｔ９・・放電電流遮断トランジ
スタ Ｔ１０・・充電電流遮断トランジスタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直列接続した２次電池と、前記各２次電
   池の正極と負極間に接続され、前記直列接続した２次電
   池の各々の過充電を検出するヒステリシス特性を有する
   過充電検出回路と、前記直列接続した２次電池の正極と
   負極間に接続され前記直列接続した２次電池の各々の過
   放電を検出するヒステリシス特性を有する過放電検出回
   路と、前記過充電検出回路の出力レベルに基づいて、前
   記直列接続された２次電池の内の一方の電池が過充電と
   なった場合に、該過充電となった電池に対する充電電流
   を遮断すると共に、他方の電池に対しては充電電流の供
   給を継続する切り替え手段と、前記各２次電池正負極間
   に接続され、前記過充電検出回路又は過放電検出回路の
   出力レベルで制御される放電回路と、前記各２次電池が
   共に過充電になると前記過充電検出回路の出力に基づい
   て充電電流を遮断する回路と、前記過放電検出回路の出
   力レベルに基づいて放電電流を遮断する回路と、放電負
   荷又は充電電源端子とを備え、前記２次電池の過充電及
   び過放電を防止し且つ過充放電の電池容量バランスをと
   ることを特徴とする直列接続された２次電池の過充電及
   び過放電防止回路。