JPH0631345U - 二次電池の保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電池の過充電を有効に保護し、しかも、異常
な充電状態が解消されると再び使用できるようにする。 【構成】 電池電圧を電圧検出回路１で検出し、電池の
電圧が上昇すると、電圧検出回路１が発熱スイッチング
素子２に通電して発熱させ、この熱で復帰式感熱遮断素
子３を加熱して電池の充電状態を制御して過充電を防止
する。 【効果】 ツェナーダイオードＺＤ等が直接に温度ヒュ
ーズ等を加熱せず、電圧検出回路１が発熱スイッチング
素子２を制御し、発熱スイッチング素子２が復帰式感熱
遮断素子３を加熱して充電を制御するので、電池の過充
電を高精度に防止でき、温度が低下して復帰式感熱遮断
素子３を通電状態として再使用する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、二次電池を過充電から防止する保護回路に関し、とくに、充電回 路の故障や雑音等で電池の充電電圧が異常に上昇して過充電されるのを防止でき る保護回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】

電池は過充電によって性能が著しく低下する。したがって、電池の充電回路は 、電池の電圧や温度等を検出し、電池が満充電になると充電を停止するように設 計している。しかしながら、充電回路の故障、あるいは、雑音等の影響で、充電 回路が正常に動作せず、電池を過充電してしまうことがある。このような事態を 避けるために、保護回路を設けたパック電池が開発されている（特開平２−８７ ９３５号公報、および特開平２−２３７４３７号公報）。これ等の公報に記載さ れるパック電池は、過充電を防止するために、ツェナーダイオードと温度ヒュー ズとを組み合わせた保護回路を内蔵している。保護回路は、ツェナーダイオード で電池電圧を検出する。電池電圧が設定電圧よりも高くなると、ツェナーダイオ ードの電流は増加する。電流が増加したツェナーダイオードは発熱し、熱で温度 ヒューズを溶断する。温度ヒューズは電池と直列に接続されている。このため、 温度ヒューズが溶断してオフになると、電池の充電が停止され電池の過充電が防 止される。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

この構造の保護回路を有するパック電池は、充電回路の故障や雑音等の異常事 態にあっても過充電されることがない。このため安心して充電できる特長がある 。しかしながら、異常事態に保護回路が作動すると、その後にはパック電池を使 用できなくなる。それは、保護回路の温度ヒューズが溶断すると、パック電池の 出力端子と電池との接続が切れるからである。このため、電池が正常で、充電回 路が異常な状態となって保護回路が作動すると、パック電池が使用できなくなる 欠点がある。

【０００４】 さらに、この公報に記載されるパック電池の保護回路は、電池の電圧が設定電 圧よりも高くなると、電池と並列に接続されたツェナーダイオードに流れるバイ パス電流を増加させて、電池電圧の上昇を防止する。ツェナーダイオードに流れ るバイパス電流は、電池の電圧が設定電圧よりも上昇するに従って急激に増加す る。一方、バイパス電流は、ツェナーダイオードの最大定格に制限を受ける。ツ ェナーダイオードに、最大定格を越える電流が流れると、これが破損して、電池 を保護できなくなる。したがって、異常事態によって電池電圧が異常に上昇する と、電池を安全に保護するのが難しくなる。

【０００５】 さらにまた、ツェナーダイオードは、通電される電流が大きくなるにしたがっ てツェナー電圧が次第に上昇する特性がある。このため、電池と並列にツェナー ダイオードを接続することによって、電池の電圧を一定の範囲に保持することは できるが、電池の電圧が設定電圧から上昇するにしたがって、ツェナー電圧は上 昇する。したがって、ツェナーダイオードと温度ヒューズとを組み合わせた保護 回路は、電池電圧を正確に設定電圧以下に保持することが難しい。このため、過 充電による電池性能の低下が甚だしく二次電池、例えば、リチウム電池には安心 して使用できない。ツェナー電圧を低く設計することによって、リチウム電池等 の過充電を少なくすることは可能である。しかしながら、ツェナー電圧を低く設 計すると、保護回路が低い電圧で作動して温度ヒューズを溶断し、電池は正常で あるがパック電池としは使用できなくなる欠点がある。

【０００６】 この考案は、これら従来の保護回路の欠点を解決することを目的に開発された ものである。この考案の重要な目的は、電池を過充電から有効に保護でき、しか も、異常な状態が解消されると再び使用できるようにする二次電池の保護回路を 提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】 この考案の二次電池の保護回路は、前述の目的を達成するために下記の構成を 備える。すなわち、この考案の二次電池の保護回路は、電圧検出回路１と、発熱 スイッチング素子２と、復帰式感熱遮断素子３とを備える。電圧検出回路１は、 電池と並列に接続されて電池の電圧を検出し、電池の電圧が設定電圧以上になる とオン信号を出力する。発熱スイッチング素子２は、電圧検出回路１のオン信号 によって導通状態が制御される。復帰式感熱遮断素子３は、発熱スイッチング素 子２に熱的に結合されており、発熱スイッチング素子２の熱に加熱されるとオフ または抵抗が増大する特性を有する。さらに、復帰式感熱遮断素子３は、電池の 充電電流を制限するために、電池と直列に接続されている。

【０００８】 この回路構成の保護回路は、電池電圧が設定電圧以上になると、電圧検出回路 １がオン信号を発熱スイッチング素子２に出力し、発熱スイッチング素子２がオ ン状態となってその通電電流で発熱され、発熱スイッチング素子２の発熱が復帰 式感熱遮断素子３を加熱して電池の充電電流を制限し、または充電を停止するよ うに構成されている。

【０００９】

【作用】

この考案の二次電池の保護回路は、下記の動作をして二次電池の過充電を防止 する。 ［電池の設定電圧が低いとき］ 電池電圧が設定電圧よりも低いとき、電圧検出回路１は発熱スイッチング素 子２にオン信号を出力しない。 オフ状態にある発熱スイッチング素子２は、電流が流れないので発熱しない 。 発熱スイッチング素子２が発熱しないので、復帰式感熱遮断素子３は抵抗が 小さい。 復帰式感熱遮断素子３の抵抗が小さいと、電池は、復帰式感熱遮断素子３を 介して充電電源に接続されて充電される。

【００１０】 ［電池の電圧が設定電圧よりも高くなったとき］ 充電電源が故障し、あるいは、充電電源が雑音で誤動作して電池電圧が設定 電圧よりも高くなると、電圧検出回路１はオン信号を発熱スイッチング素子２に 出力する。 電圧検出回路１からのオン信号で発熱スイッチング素子２がオン状態となる 。 発熱スイッチング素子２がオン状態になると、発熱スイッチング素子２に電 流が流れる。 発熱スイッチング素子２に流れる電流は、発熱スイッチング素子２をジュー ル熱で発熱させる。 発熱スイッチング素子２は、熱的に結合された復帰式感熱遮断素子３を加熱 する。 加熱された復帰式感熱遮断素子３は、抵抗が増加し、あるいは、オフ状態と なって電池の充電電流を制限する。 復帰式感熱遮断素子３がオフ状態となると、発熱スイッチング素子２が通電 しなくなり、あるいは通電電流が減少して温度は低下する。 温度が低下してオフ状態からオン状態に切り換えられる復帰式感熱遮断素子 ３は、電池を充電電源に接続し、再び充電できる状態に復帰する。

【００１１】 このように、この考案の二次電池の保護回路は、二次電池の電圧が設定電圧以 下に低下すると、再び使用できる状態に復帰できる。

【００１２】

【実施例】

以下、この考案の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施 例は、この考案の技術思想を具体化するための二次電池の保護回路を例示するも のであって、この考案の保護回路は、構成部品の種類、タイプ、材質、形状、構 造、配置を下記のものに特定するものでない。この考案の保護回路は、実用新案 登録請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

【００１３】 さらに、この明細書は、実用新案登録請求の範囲を理解し易いように、実施例 に示される部材に対応する番号を、「実用新案登録請求の範囲の欄」、「作用の 欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している 。ただ、実用新案登録請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するも のでは決してない。

【００１４】 図１に示す二次電池の保護回路はパック電池に内蔵されている。この保護回路 は、電圧検出回路１と、発熱スイッチング素子２と、復帰式感熱遮断素子３とを 備える。

【００１５】 電圧検出回路１は、互いに直列に接続されたツェナーダイオードＺＤと抵抗Ｒ とで構成されている。電圧検出回路１は電池と並列に接続されて、電池電圧が設 定電圧を越えると、発熱スイッチング素子２にオン信号を出力する。ツェナーダ イオードＺＤは、発熱スイッチング素子２をオフの状態からオンにする設定電圧 を決定する。したがって、ツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧は、電池が設 定電圧になると電流が急激に増加する電圧に設定される。この電圧検出回路１は 、電池の電圧が設定電圧を越えると、ツェナーダイオードＺＤの内部抵抗が減少 して、発熱スイッチング素子２に、オン信号としてベース電流を供給する。

【００１６】 発熱スイッチング素子２は、トランジスターＴｒ1で構成されている。トラン ジスターＴｒ1は、ベースを電圧検出回路１のツェナーダイオードＺＤと抵抗Ｒ と接続点に、コレクターをアースに、エミッターを電池の＋側に接続している。 発熱スイッチング素子２は、電圧検出回路１からオン信号であるベース電流が流 入されるとオンとなり、ベース電流が流入しない状態ではオフとなる。発熱スイ ッチング素子２であるトランジスターＴｒ1は、コレクター電流が増加すると温 度が上昇する。図２はコレクター電流に対するトランジスターＴｒ1の表面温度 を示している。この図は、下記の条件で測定した。 電池の設定電圧は４．３Ｖ 周囲温度は２５℃ トランジスターＴｒ1は２ＳＢ８８３ トランジスターＴｒ1はヒートシンクなし 発熱スイッチング素子２には、トランジスターＴｒ1に代わってＦＥＴ等のス イッチング素子も使用できる。

【００１７】 復帰式感熱遮断素子３には、温度が上昇すると内部抵抗が増加するポリスイッ チや、加熱されると遮断されるブレーカーが使用できる。ポリスイッチの温度− 抵抗特性を図３に示している。この図に示すように、ポリスイッチは、温度が上 昇するにしたがって、内部抵抗が指数関数に著しく増加する。復帰式感熱遮断素 子３は、発熱スイッチング素子２に熱的に結合される。このため、ポリスイッチ は、トランジスターＴｒ1の表面に接触して配設されてトランジスターＴｒ1に加 熱される。ブレーカーは発熱スイッチング素子２に加熱されると遮断され、温度 が低下する復帰するものが使用できる。また、ブレーカーには、温度が低下した 状態で手動で復帰できるものも使用できる。

【００１８】 図４は、パック電池に内蔵された保護回路であって、発熱スイッチング素子２ がオン状態にあることを表示する発光ダイオード４を備える。発光ダイオード４ は、電圧検出回路１に装備される。この電圧検出回路１は、発光ダイオード４を 点灯するためのスイッチングトランジスターＴｒ2と、電流制限抵抗Ｒ4とを備え ている。スイッチングトランジスターＴｒ2は、ベースをツェナーダイオードＺ Ｄと抵抗Ｒとの接続点に接続している。発光ダイオードと電流制限抵抗Ｒ1の接 続点は、発熱スイッチング素子２であるトランジスターＴｒ1のベースに接続し ている。

【００１９】 この図に示すパック電池の保護回路は、下記の動作をして過充電を防止する。 電池の電圧が設定電圧よりも低いと、ツェナーダイオードＺＤに電流が流れ ない。 電池の電圧が設定電圧よりも高くなると、ツェナーダイオードＺＤは内部抵 抗が減少して電流が流れるようになる。 ツェナーダイオードＺＤに電流が流れ、抵抗Ｒの電圧降下が約０．６Ｖ以上 になると、スイッチングトランジスターＴｒ2にベース電流が流れてオンになる 。 オン状態となったスイッチングトランジスターＴｒ2は、発光ダイオード４ に通電して発光ダイオード４を点灯する。このとき、発光ダイオードの電流は電 流制限抵抗Ｒ1によって一定値に制限される。 発光ダイオード４の電流は、発熱スイッチング素子２のベース電流となり、 発熱スイッチング素子２をオンとする。 発熱スイッチング素子２がオンになると電流が増加して発熱する。 発熱する発熱スイッチング素子２は復帰式感熱遮断素子３であるブレーカー を加熱し遮断する。 遮断されたブレーカーは、電池の充電電流を０とし、電池の電圧上昇を防止 する。ブレーカーは、電池の電圧が低下して発熱スイッチング素子２がオフとな り、発熱スイッチング素子２の温度が低下すると自動的に復帰し、あるいは、温 度が低下した後、手動で復帰させる。

【００２０】 さらに、図５に示す二次電池の保護回路は充電回路に使用され、電圧検出回路 １にシャントレギュレータＩＣを使用している。この保護回路は、電池と並列に 分圧抵抗Ｒ2、Ｒ3を接続し、分圧抵抗Ｒ2、Ｒ3の接続点にシャントレギュレータ ＩＣの電圧検出端子を接続している。シャントレギュレータＩＣは、電圧検出端 子の電圧が設定電圧以上になると導通する。シャントレギュレータＩＣは、発熱 スイッチング素子２であるトランジスターＴｒ1のベースに接続され、これが導 通するとトランジスターＴｒ1にベース電流を流してオン状態とする。

【００２１】 この図に示す二次電池の保護回路は、下記の動作をして過充電を防止する。 電池の電圧が設定電圧よりも低いと、シャントレギュレータＩＣは導通しな い。 電池の電圧が設定電圧よりも高くなると、シャントレギュレータＩＣの電圧 検出端子の電圧が高くなり、シャントレギュレータＩＣは導通する。 シャントレギュレータＩＣが導通すると、発熱スイッチング素子２であるト ランジスターＴｒ1にベース電流を流し、トランジスターＴｒ1をオン状態とする 。 発熱スイッチング素子２がオンになると電流が増加して発熱する。 発熱する発熱スイッチング素子２は、復帰式感熱遮断素子３であるブレーカ ーを加熱して遮断する。 ブレーカーが遮断されると、電池の充電を停止して、電池の電圧上昇を防止 する。 ブレーカーは、電池の電圧が低下して発熱スイッチング素子２がオフとなり 、発熱スイッチング素子２の温度が低下すると自動的に復帰し、あるいは、温度 が低下した後、手動で復帰させる。

【００２２】 ところで、図４と図５に示す保護回路の復帰式感熱遮断素子３に、温度が上昇 すると遮断し、温度が低下すると自動的に復帰するブレーカーを使用して大容量 の充電回路で充電すると、図６に示す電流と温度のグラフに従って二次電池を充 電できる。 図６のグラフに示すように、電池電圧が低いときには、電池を定電流充電す る。 電池電圧が高くなると、充電回路が充電電流を減少させる。電圧検出回路が 発熱スイッチング素子の電流を増加させて、この温度を波線で示すように上昇さ せる。 発熱スイッチング素子の温度が上昇すると、ブレーカーが遮断される。 ブレーカーが遮断されると、充電電流が０となり、発熱スイッチング素子の 温度が次第に低下する。 発熱スイッチング素子の温度が低下すると、ブレーカーが復帰して電池の充 電を開始する。 ブレーカーが復帰した直後は、定電流充電するが電池電圧が上昇すると、充 電回路は充電電流を減少させる。 その後、〜の工程を繰り返して電池を充電する。

【００２３】

【考案の効果】

この考案の保護回路は、復帰式感熱遮断素子を発熱スイッチング素子で加熱し 、発熱スイッチング素子を、電池の電圧を検出する電圧検出回路で制御している 。すなわち、この考案の保護回路は、従来のように、電圧を検出するツェナーダ イオード等で直接に温度ヒューズ等を加熱することなく、電圧検出回路で発熱ス イッチング素子の電流を制御してこれを発熱させ、発熱スイッチング素子の発生 熱で復帰式感熱遮断素子を加熱して電池の充電状態を制御するように構成してい る。したがって、この考案の保護回路は、復帰式感熱遮断素子の作動電圧を高精 度に制御し、電池の電圧上昇を安全に保護できる特長がある。

【００２４】 さらに、従来のように、ツェナーダイオードで直接に温度ヒューズ等を加熱せ ず、電圧検出回路で発熱スイッチング素子を介して復帰式感熱遮断素子を加熱す るので、ツェナーダイオード等の電圧検出素子に大電流を流す必要がない。この ため、電池の電圧が異常に上昇しても、これ等の素子を破損することがなく、故 障を極減して確実に動作する特長も実現する。

【００２５】 さらにまた、この考案の保護回路は、発熱スイッチング素子で復帰式感熱遮断 素子を制御するので、充電回路が故障し、あるいは、雑音等の影響で電池電圧が 異常に上昇して保護回路が作動しても、発熱スイッチング素子の温度が低下する と再び使用できる特長がある。このため、この考案の保護回路を内蔵するパック 電池は、異常事態で保護回路が作動しても、異常事態が解消された後に再び使用 できる特長がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案の実施例にかかる二次電池の保護回路
を示す回路図

【図２】発熱スイッチング素子の電流−温度特性を示す
グラフ

【図３】図１の保護回路に使用するポリスイッチの温度
−抵抗特性を示すグラフ

【図４】この考案の他の実施例に係る保護回路の回路図

【図５】さらにこの考案の他の実施例に係る保護回路の
回路図

【図６】復帰式感熱遮断素子にブレーカーを使用した保
護回路の動作状態を示すグラフ

【符号の説明】

１…電圧検出回路 ２…発熱スイッチング素子 ３…復帰式感熱遮断素子 ４…発光ダイオード ＺＤ…ツェナーダイオード Ｔｒ1…トランジスター Ｔｒ2…スイッチングトランジスター

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 電池と並列に接続されて電池の電圧を検
   出し、電池の電圧が設定電圧以上になるとオン信号を出
   力する電圧検出回路(1)と、電圧検出回路(1)のオン信号
   によって導通状態に制御される発熱スイッチング素子
   (2)と、発熱スイッチング素子(2)に熱的に結合されて、
   発熱スイッチング素子(2)の熱に加熱されるとオフまた
   は抵抗が増大する特性を有し、さらに電池と直列に接続
   されている復帰式感熱遮断素子(3)とを備えており、 電池電圧が設定電圧以上になると、電圧検出回路(1)が
   オン信号を発熱スイッチング素子(2)に出力し、発熱ス
   イッチング素子(2)がオン状態となって通電電流で発熱
   され、発熱スイッチング素子(2)の発熱が復帰式感熱遮
   断素子(3)を加熱して電池の充電電流を制限し、または
   充電を停止するように構成されている二次電池の保護回
   路。