JPH09233713A - 二次電池の保護回路 - Google Patents
二次電池の保護回路Info
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Abstract
や過放電防止のための回路系が故障した場合でも二次電
池を過充電や過放電から確実に保護することができる二
次電池の保護回路を提供する。 【解決手段】二次電池1,2の充放電回路に直列に挿入
されたスイッチ素子3,4と、電池電圧が充電禁止電圧
に達したときスイッチ素子3を非導通状態として電池の
過充電を防止する過充電防止回路5と、電池電圧が放電
禁止電圧に達したときスイッチ素子4を非導通状態とし
て電池の過放電を防止する過放電防止回路6と、電池温
度を検出して所定の温度範囲外のとき電池の充電を制御
するための温度検出素子11と、電池の充電状態および
放電状態の異常を検出する異常検出回路10と、この異
常検出に応答して温度検出素子11からの出力を強制的
に所定の温度範囲外に相当する信号に変化させるトラン
ジスタ12を有する。
Description
路に関する。
系二次電池や鉛蓄電池は、充電中に電池の端子電圧(電
池電圧)が高くなり過ぎたり、放電中に電池電圧が低下
し過ぎたりすると、安全性が損なわれたり、電池性能が
劣化することがある。特にリチウム二次電池の場合、充
電中に電池電圧が例えば4.5V以上になると、電解液
の分解によりガスが発生する結果、電池内部の圧力が上
昇して安全弁が作動し、漏液が生じることがある。ま
た、放電中に電池電圧が2V以下となると、負極に使わ
れている集電体の銅が電解液内に溶解し始めて電池性能
が劣化する。このため、電池電圧を監視して、電池電圧
が所定範囲内となるように充電や放電を制御して使用す
る必要がある。
合、充電時には電池電圧が上昇して充電禁止電圧に達す
ると充電電流を遮断し、また放電時には電池電圧が低下
して予め設定した放電禁止電圧に達すると放電電流を遮
断する機能を有する保護回路を介して充放電を行う方法
が一般的にとられている。ここで、充電禁止電圧は電解
液の分解が始まる電圧より若干低い電圧、例えば4.3
5Vに設定され、放電禁止電圧は負極の銅が溶解し始め
る電圧2Vより若干高い電圧、例えば2.3Vに設定さ
れる。
は、例えば電池電圧を検知する電圧検知回路と、この電
圧検知回路の出力に基づいて充電電流や放電電流の遮断
を行うためのFETなどの第1および第2のスイッチ素
子からなり、電池電圧が充電禁止電圧に達すると第1の
スイッチ素子を非導通状態として充電電流を遮断し、電
池電圧が放電禁止電圧に達すると第2のスイッチ素子を
非導通状態として放電電流を遮断する構成となってい
る。
電可能な温度範囲は限られているため、従来の充電器で
はサーミスタのような温度検出素子で電池の温度を検出
し、その温度範囲外の場合は充電しないようにしてい
る。
池の保護回路では、何らかの原因で電圧検知回路が故障
した場合は、電池電圧が充電禁止電圧や放電禁止電圧に
達してもスイッチ素子を非導通状態にできないため保護
機能が働かなくなるという問題がある。また、スイッチ
素子が故障して短絡状態になると、電圧検出回路が充電
禁止信号や放電禁止信号を出力しても充電電流や放電電
流の遮断ができず、やはり保護機能が働かなくなるとい
う問題があった。
どの過充電防止や過放電防止のための回路系が故障した
場合でも二次電池を過充電や過充電から確実に保護する
ことができる二次電池の保護回路を提供することを目的
とする。
め、本発明は二次電池の充電状態や放電状態の異常を検
出したとき、温度検出出力を異常温度に相当する信号に
変化させることによって、充電器や電池の使用機器に対
してその異常を知らせ、過充電や過放電を防止する機能
を備えたものである。
路は、二次電池の充放電回路に直列に挿入されたスイッ
チ素子と、前記二次電池の端子電圧を検出し、この端子
電圧が所定の充電禁止電圧に達したとき前記スイッチ素
子を非導通状態として前記二次電池の過充電を防止する
過充電防止手段と、前記二次電池の温度を検出して該温
度に対応した信号を出力し、所定の温度範囲外のとき前
記二次電池の充電を制御するための温度検出手段と、前
記二次電池の充電状態の異常を検出する異常検出手段
と、前記異常検出手段による前記充電状態の異常検出に
応答して前記温度検出手段の出力を強制的に前記所定の
温度範囲外に相当する信号に変化させる異常応答手段と
を備えたことを特徴とする。
は、二次電池の充放電回路に直列に挿入されたスイッチ
素子と、前記二次電池の端子電圧を検出し、この端子電
圧が所定の放電禁止電圧に達したとき前記スイッチ素子
を非導通状態として前記二次電池の過放電を防止する過
放電防止手段と、前記二次電池の温度を検出して該温度
に対応した信号を出力し、所定の温度範囲外のとき前記
二次電池の放電を制御するための温度検出手段と、前記
二次電池の放電状態の異常を検出する異常検出手段と、
前記異常検出手段による前記放電状態の異常検出に応答
して前記温度検出手段の出力を強制的に前記所定の温度
範囲外に相当する信号に変化させる異常応答手段とを備
えたことを特徴とする。
は、二次電池の充放電回路に直列に挿入された第1およ
び第2のスイッチ素子と、前記二次電池の端子電圧を検
出し、この端子電圧が所定の充電禁止電圧に達したとき
前記第1のスイッチ素子を非導通状態として前記二次電
池の過充電を防止する過充電防止手段と、前記二次電池
の端子電圧を検出し、この端子電圧が所定の放電禁止電
圧に達したとき前記第2のスイッチ素子を非導通状態と
して前記二次電池の過放電を防止する過放電防止手段
と、前記二次電池の温度を検出して該温度に対応した信
号を出力し、所定の温度範囲外のとき前記二次電池の充
電を制御するための温度検出手段と、前記二次電池の充
電状態および放電状態の異常を検出する異常検出手段
と、前記異常検出手段による前記充電状態および放電状
態の少なくとも一方の異常検出に応答して前記温度検出
手段の出力を強制的に前記所定の温度範囲外に相当する
信号に変化させる異常応答手段とを備えたことを特徴と
する。
出回路では、二次電池の充電状態や放電状態の異常が検
出されたとき、温度検出手段の出力を強制的に所定の温
度範囲外に相当する信号に変化させることにより、充電
器や二次電池の使用機器に対してその旨を知らせること
ができ、それによって充電器の充電動作を停止させた
り、電池の使用機器の放電動作を停止させることが可能
となる。従って、過充電防止や過放電防止のための回路
系が故障したような場合でも、二次電池の過充電や過放
電が防止され、より信頼性の高い保護動作が達成され
る。
を参照して説明する。図1は本発明の一実施形態に係る
二次電池の保護回路の構成を示すブロック図である。こ
の二次電池の保護回路の保護対象である二次電池(以
下、単に電池という)1および2は、例えばリチウム二
次電池等の非水溶媒系二次電池や鉛蓄電池など定電圧充
電方式で充電される電池であり、本実施形態ではリチウ
ム二次電池の場合を例にとり説明する。
その充放電回路には直列に第1および第2のスイッチ素
子を構成するNチャネル型の電界効果型トランジスタ
(以下、FETという)3および4が接続されている。
具体的には、第2のFET4のソース端子は電池2のマ
イナス端子に接続され、FET4のドレイン端子は第1
のFET3のドレイン端子に接続されている。また、第
1のFET3の寄生ダイオードD1は放電時に順方向と
なるようにFET3のドレイン端子とソース端子間に並
列に入っており、また第2のFET4の寄生ダイオード
D2は充電時に順方向となるようにFET4のドレイン
端子とソース端子間に並列に入っている。
ス端子(+)、マイナス端子(−)および温度検出端子
(T)を有し、電池1のプラス電極は外部接続端子であ
るプラス端子(+)に、第1のFET3のソース端子は
外部接続端子であるマイナス端子(−)にそれぞれ接続
されている。また、外部接続端子である温度検出端子
(T)には温度検出素子であるサーミスタ11の一端が
接続され、このサーミスタ11の他端は外部接続端子で
あるマイナス端子(−)に接続されている。
イナス端子(−)および温度検出端子(T)は、充電時
には図示しない充電器に接続され、プラス端子(+)→
電池1→電池2→第2のFET4→第1のFET3→マ
イナス端子(−)の経路で充電電流を流すことにより、
電池1および2の充電を行う。ここで、充電器は充電中
の温度検出端子(T)の状態を監視し、電池温度が高す
ぎた場合(例えば45℃以上)や、低すぎた場合(例え
ば0℃以下)、すなわち電池温度が所定の温度範囲外の
場合には、充電を停止する機能を有するものとする。
電圧を監視し、充電時に端子電圧が第1の充電禁止電圧
を越えると充電禁止出力を発生する。過放電防止防止回
路6は、同様に電池1および2の端子電圧を監視し、放
電時に端子電圧が低下して放電禁止電圧以下になると放
電禁止出力を発生する。
防止回路6の入力端子aは電池1のプラス電極に、入力
端子bは電池1のマイナス電極と電池2のプラス電極
に、入力端子cは電池2のマイナス電極にそれぞれ接続
されている。また、過充電防止回路5の出力端子dは第
1のFET3のゲート端子に、過放電防止回路6の出力
端子eは第2のFET4のゲート端子にそれぞれ接続さ
れている。ここで、電池1および2のいずれかの端子電
圧が第1の充電禁止電圧を越えると、過充電防止回路5
が充電禁止出力を発生し、その出力端子dが高レベルか
ら低レベルに反転する。また、電池1および2のいずれ
かの端子電圧が放電禁止電圧以下になると、過放電防止
回路6が放電禁止出力を発生し、その出力端子eが高レ
ベルから低レベルに反転する。
とOR回路9とで構成される異常検出回路10は、電池
1および2の充放電状態の異常を検出する回路である。
すなわち、第1の電圧検知回路7は入力端子INが端子
fを介して電池1のプラス電極に接続され、基準電位端
子GNDが端子gを介して電池1のマイナス電極と電池
2のプラス電極の接続点に接続されることによって、電
池1の端子電圧を監視する。また、第2の電圧検知回路
8は入力端子INが端子gを介して電池1のマイナス電
極と電池2のプラス電極の接続点に接続され、基準電位
端子GNDが端子hを介して電池2のマイナス電極に接
続されることによって、電池2の端子電圧を監視する。
の出力端子OUTは、それぞれOR回路9の二つの入力
端子に接続されている。電池1および2のいずれかの端
子電圧が第2の充電禁止電圧を越えると、電圧検知回路
7および8のいずれかの出力が高レベルとなり、OR回
路9の出力が高レベルとなる。
回路10の出力端子iには、異常応答用スイッチ回路を
構成するNPN型トランジスタ12のベースが接続され
ている。また、このトランジスタ12のコレクタは外部
接続端子である温度検出端子(T)に、エミッタはマイ
ナス端子(−)にそれぞれ接続されている。このトラン
ジスタ12は、異常検出回路10の異常検出出力に応答
して温度検出端子(T)の状態を強制的に電池温度が所
定の温度範囲外に相当する信号に変化させるための異常
応答手段を構成している。
説明する。電池1および2の端子電圧が共に放電禁止電
圧と充電禁止電圧の間にあるときは、過充電防止回路5
および過放電防止回路6の出力端子d,eは共に高レベ
ルの信号を発生するため、第1および第2のFET3お
よび4はいずれも導通状態となり、充電も放電も正常に
行われる。但し、充電器は温度検出端子(T)の出力が
前記所定の温度範囲内に相当する信号であるときのみ正
常に充電を行う。
温度範囲外となったり、あるいは所定の温度範囲外より
低い温度下で充電しようとした場合などは、サーミスタ
11の抵抗値が低すぎたり高すぎたりすることによっ
て、温度検出端子(T)の出力が所定の温度範囲に相当
する信号から外れ、充電器は充電を停止する。
が過充電防止回路5に設定された第1の充電禁止電圧よ
り低い電圧となるように充電を行うため、通常は電池1
および2の端子電圧はいずれも第1の充電禁止電圧より
低く、過充放電防止回路5の出力端子dは高レベルとな
り第1のFET3は導通状態を維持する。これに対し
て、充電器の故障などにより充電電圧が高くなって、電
池1および2のいずれか一方または両方が第1の充電禁
止電圧を越えると、過充放電防止回路5の出力端子dは
低レベルとなり、第1のFET3は非導通状態となるた
めに充電が停止され、電池の過充電が防止される。
一方または両方の端子電圧が低下し放電禁止電圧より低
くなると、過放電防止回路6の出力端子eは高レベルか
ら低レベルに変化し、第2のFET4は非導通状態とな
るため、放電が停止され、電池の過放電が防止される。
し、さらに過充電防止回路5が故障しすることによっ
て、電池1および2のいずれか一方または両方の端子電
圧が第1の充電禁止電圧以上になっても過充電防止回路
5の出力端子dが高レベルのままという状況を考える。
このような場合、充電が継続されるため、電池1および
2の一方または両方の端子電圧は第1の充電禁止電圧を
越えるが、端子電圧がさらに第1の充電禁止電圧より高
い第2の充電禁止に達すると、電圧検知回路7および8
のいずれか一方または両方の出力が高レベルとなり、O
R回路9の出力が高レベルとなる。
PN型トランジスタ12が導通状態となり、温度検出端
子(T)とマイナス端子(−)間のインピーダンスは略
0Ωとなるため、温度検出端子(T)の状態は電池温度
が所定の温度範囲外に相当する信号となる。これによっ
て充電器は電池温度が充電可能温度から外れて異常に高
いものと判断し、電池1および2の充電を停止する。
T3が故障してドレイン・ソース間が導通状態となった
場合を考える。このような場合、電池1および2の一方
または両方の端子電圧が第1の充電禁止電圧以上とな
り、過充電防止回路5の出力端子dが低レベルとなって
も、第1のFET3は導通状態のままであるため、端子
電圧は第1の充電禁止電圧を越えるが、さらに第1の充
電禁止電圧より高い第2の充電禁止電圧に達すると、電
圧検知回路7および8のいずれか一方または両方の出力
が高レベルとなり、OR回路9の出力が高レベルとな
る。従って、上述の場合と同様に、異常応答用スイッチ
回路であるNPNトランジスタ12が導通状態となり、
温度検出端子(T)とマイナス端子(−)間のインピー
ダンスが略0Ωとなるため、充電器は電池温度が充電可
能温度から外れて異常に高いと判断して充電を停止す
る。
別の構成例を説明する。図2においては、電圧検知回路
7および8の出力段はバイポーラトランジスタQ1,Q
2によるオープンコレクタ構成となっている。なお、出
力段のトランジスタをバイポーラトランジスタに代えて
FETとし、オープンドレイン構成としてもよい。そし
て、電圧検出回路7および8の出力端子は、それぞれ抵
抗R1およびR2でプルアップされている。
路7の入力が第2の充電禁止電圧より低い場合は、電圧
検知回路7の出力は低レベルとなり、高い場合はオープ
ンとなる。電圧検知回路7の入力端子は異常検出回路1
0の入力端子fに、電圧検知回路7の基準電位端子は異
常検出回路10の入力端子gに、電圧検知回路8の基準
電位端子は異常検出回路10の入力端子hにそれぞれ接
続され、また電圧検知回路7の出力端子は電圧検知回路
8の入力端子に接続され、電圧検知回路8の出力端子は
異常検出回路10の出力端子iにそれぞれ接続されてい
る。
充電禁止電圧より低い場合は、電圧検知回路7の出力は
低レベルとなり、入力端子gの電位とほぼ同一となる。
したがって、電圧検知回路8の入力端子には端子g−h
間の電圧、すなわち電池2の端子電圧が印加されるが、
電池2の端子電圧も第2の充電禁止電圧より低いため電
圧検知回路8の出力は低レベルとなり、出力端子iは低
レベルとなる。
電圧より高い場合は、電圧検知回路7の出力は高レベル
となり、略電池1の端子電圧の値が発生する。従って、
電圧検知回路8の入力端子には、電池1および2の端子
電圧の合計、すなわち第2の充電禁止電圧以上の電圧が
印加され、電圧検知回路8の出力は高レベルとなる。
電圧より低く、電池2の端子電圧が第2の充電禁止電圧
より高い場合は、電圧検知回路7の出力は低レベルであ
り、電圧検知回路8の入力端子には電池2の端子電圧が
加わるため、電圧検知回路8の出力端子は高レベルとな
る。
の充電禁止電圧より高い場合は、電圧検知回路7の出力
は高レベルとなり、電圧検知回路8の出力も高レベルと
なるため、出力端子iは高レベルとなる。
用いても、先の実施形態と同様の結果が得られる。本発
明は、上記実施形態に限定されるものでなく、次のよう
に種々変形して実施することができる。
る二次電池としてリチウム二次電池のような非水溶媒系
電池を例にとって説明したが、二次電池としては鉛蓄電
池でも良く、また他の二次電池でも良い。
接続した場合で説明したが、1直を含む他の直列数でも
よく、また複数個並列接続したセルブロックを1直ある
いは複数直列接続しても良い。
あるFETを電池のマイナス電極側に接続した例で説明
したが、電池のプラス電極側に接続しても良く、要する
に充放電回路に直列に挿入すればよい。
0が電池電圧を検知することで異常検出を行う場合につ
いて説明したが、電池温度を測定し、電池温度が異常に
高くなったら異常信号を発生するように構成しても良
い。
0が異常信号を発生したとき、サーミスタ11の両端を
短絡したが、図3に示すようにサーミスタ11と直列に
異常応答用のPNP型トランジスタ12を接続し、異常
検出回路10の異常検出時にトランジスタ12を遮断す
るようにしてもよい。この場合、充電器側ではトランジ
スタ12の遮断により電池温度が異常に低いと判断する
ことになる。
0が電池の充電時の端子電圧のみを監視したが、放電時
の端子電圧をも監視しても良い。この場合、電池の使用
機器側で温度検出端子の出力を監視し、その信号に従っ
て電池の使用機器内の放電制御回路で放電を停止するよ
うにすれば良い。
電圧より第2の充電禁止電圧を高くしたが、両者の大小
関係は逆でも良く、また同じでも良い。 (8)上記実施形態では、第1の放電禁止電圧より第2
の放電禁止電圧を低くしたが、両者の大小関係は逆でも
良く、また同じでも良い。
回路以外に、PTCやサーモスタットあるいは温度ヒュ
ーズなどの保護素子を充放電回路に挿入しても良い。 (10)図2の異常検出回路では、電圧検知回路7およ
び8の出力段をオープンコレクタ構成としたが、前述し
たようにオープンドレイン構成でも良く、またCMOS
構成でも良い。
いは異常応答用スイッチ回路にフィルタ回路を挿入して
も良い。フィルタ回路を挿入すると、ノイズによる誤動
作がすくなくなる。フィルタ回路はコンデンサと抵抗か
らなるCR積分回路でも良いし、また異常状態が一定時
間以上継続したことを検出するパルス幅検出回路であっ
ても良い。
R2は共に端子f、すなわち電池1のプラス電極と同電
位にプルアップされているが、抵抗R1およびR2の抵
抗値を同一にし、抵抗R2を入力端子g、すなわち電池
2のプラス電極に接続して良い。このようにすると、電
池1および2から異常検出回路10に流れる電流が等し
くなり、長時間放置した場合でも電池1および2の電気
容量バランスが崩れることがない。
の保護回路によれば、過充電防止回路や過放電防止回路
が故障したり、充放電路に挿入されたスイッチ素子が短
絡状態となった場合でも、異常検出回路により過充電や
過放電を検知し、温度検知端子の出力を強制的に所定温
度範囲外に相当する信号として異常状態とし、それに基
づいて充電器側あるいは機器側で充電や放電を停止する
ことが可能となるため、保護回路としての信頼性をより
高めることができる。
の構成を示すブロック図
接続例を示す図
Claims (5)
- 【請求項1】二次電池の充放電回路に直列に挿入された
スイッチ素子と、 前記二次電池の端子電圧を検出し、この端子電圧が所定
の充電禁止電圧に達したとき前記スイッチ素子を非導通
状態として前記二次電池の過充電を防止する過充電防止
手段と、 前記二次電池の温度を検出して該温度に対応した信号を
出力し、所定の温度範囲外のとき前記二次電池の充電を
制御するための温度検出手段と、 前記二次電池の充電状態の異常を検出する異常検出手段
と、 前記異常検出手段による前記充電状態の異常検出に応答
して前記温度検出手段の出力を強制的に前記所定の温度
範囲外に相当する信号に変化させる異常応答手段とを備
えたことを特徴とする二次電池の保護回路。 - 【請求項2】二次電池の充放電回路に直列に挿入された
スイッチ素子と、 前記二次電池の端子電圧を検出し、この端子電圧が所定
の放電禁止電圧に達したとき前記スイッチ素子を非導通
状態として前記二次電池の過放電を防止する過放電防止
手段と、 前記二次電池の温度を検出して該温度に対応した信号を
出力し、所定の温度範囲外のとき前記二次電池の放電を
制御するための温度検出手段と、 前記二次電池の放電状態の異常を検出する異常検出手段
と、 前記異常検出手段による前記放電状態の異常検出に応答
して前記温度検出手段の出力を強制的に前記所定の温度
範囲外に相当する信号に変化させる異常応答手段とを備
えたことを特徴とする二次電池の保護回路。 - 【請求項3】二次電池の充放電回路に直列に挿入された
第1および第2のスイッチ素子と、 前記二次電池の端子電圧を検出し、この端子電圧が所定
の充電禁止電圧に達したとき前記第1のスイッチ素子を
非導通状態として前記二次電池の過充電を防止する過充
電防止手段と、 前記二次電池の端子電圧を検出し、この端子電圧が所定
の放電禁止電圧に達したとき前記第2のスイッチ素子を
非導通状態として前記二次電池の過放電を防止する過放
電防止手段と、 前記二次電池の温度を検出して該温度に対応した信号を
出力し、所定の温度範囲外のとき前記二次電池の充電を
制御するための温度検出手段と、 前記二次電池の充電状態および放電状態の異常を検出す
る異常検出手段と、 前記異常検出手段による前記充電状態および放電状態の
少なくとも一方の異常検出に応答して前記温度検出手段
の出力を強制的に前記所定の温度範囲外に相当する信号
に変化させる異常応答手段とを備えたことを特徴とする
二次電池の保護回路。 - 【請求項4】前記異常検出手段は、前記二次電池の端子
電圧および温度の少なくとも一方から異常を検出するこ
とを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の
二次電池の保護回路。 - 【請求項5】前記温度検出手段は、温度により抵抗値が
変化する温度検出素子からなり、 前記異常応答手段は、該温度検出素子に直列または並列
に接続され、前記異常検出手段の出力によりオン・オフ
制御されるスイッチ回路からなることを特徴とする請求
項1乃至3のいずれか1項に記載の二次電池の保護回
路。
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|---|---|---|---|
| JP03219196A JP3294754B2 (ja) | 1996-02-20 | 1996-02-20 | 二次電池の保護回路 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP03219196A JP3294754B2 (ja) | 1996-02-20 | 1996-02-20 | 二次電池の保護回路 |
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| JPH09233713A true JPH09233713A (ja) | 1997-09-05 |
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ID=12352019
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|---|---|---|---|
| JP03219196A Expired - Lifetime JP3294754B2 (ja) | 1996-02-20 | 1996-02-20 | 二次電池の保護回路 |
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- 1996-02-20 JP JP03219196A patent/JP3294754B2/ja not_active Expired - Lifetime
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