CN104022542A

CN104022542A - 充放电控制电路以及充放电控制方法

Info

Publication number: CN104022542A
Application number: CN201410072316.1A
Authority: CN
Inventors: 竹下顺司
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: CN104022542B; JP6028625B2; US20140239896A1; JP2014168321A

Abstract

本发明的目的在于提供一种充放电控制电路以及充放电控制方法，即使二次电池的电池容量增大也能够抑制充电时的电流的增大。进行多个二次电池（11、12）的充放电控制的充放电控制电路具有：串并联切换部（SW1），其在充电时串联连接所述多个二次电池，在放电时并联连接所述多个二次电池。

Description

充放电控制电路以及充放电控制方法

技术领域

本发明涉及对二次电池的充放电进行控制的充放电控制电路以及充放电控制方法。

背景技术

近年来，智能手机、平板终端等移动电子设备的高功能化不断发展。因此，移动电子设备的消耗电流增加，为了延长移动电子设备的工作时间，而谋求电池容量的增大化。

另外，对二次电池的充放电进行控制的充放电控制电路成为被半导体集成电路化了的保护IC。保护IC内置过充电电压检测电路、过放电电压检测电路、充电过电流检测电路、放电过电流检测电路等，当通过过放电电压检测电路或放电过电流检测电路检测出过放电电压或放电过电流时，阻断放电停止用MOS晶体管来停止锂离子电池的放电，并且，当通过过充电电压检测电路或充电过电流检测电路检测出过充电电压或充电过电流时，阻断充电停止用MOS晶体管来停止锂离子电池的充电。

另外，还提出了如下技术：在对两个电池进行充电时，对将两个电池串联连接来进行充电的连接、单独对一个电池进行充电的连接、以及单独对另一个电池进行充电的连接进行切换的技术（例如参照专利文献1）。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2007-250364号公报

以往，在二次电池的电池容量例如增大至两倍的情况下，对该二次电池进行充电时的充电电流变为两倍。当充电电流变为两倍时，存在充电时的发热量增大、并且需要增大作为充电路径的配线的配线宽度等问题。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的发明，其目的在于提供一种充放电控制电路以及充放电控制方法，即使二次电池的电池容量增大也能够抑制充电时的电流的增大。

本发明的一实施方式涉及的充放电控制电路是进行多个二次电池（11、12）的充放电控制的充放电控制电路，

所述充放电控制电路具有：串并联切换部（SW1），其在充电时串联连接所述多个二次电池，在放电时并联连接所述多个二次电池。

优选的是，所述充放电控制电路具有：充电线（L1），其用于流过所述多个二次电池的充电电流；

放电线（L2），其用于流过所述多个二次电池的放电电流；以及

切断和短路切换部（SW2），其在充电时将所述充电线和所述放电线之间切断，在放电时使所述充电线和所述放电线之间短路。

本发明的一实施方式涉及的充放电控制方法是进行多个二次电池的充放电控制的充放电控制方法，

在充电时串联连接所述多个二次电池，在放电时并联连接所述多个二次电池。

优选的是，在充电时将用于流过所述多个二次电池的充电电流的充电线和用于流过所述多个二次电池的放电电流的放电线之间切断，

在放电时使所述充电线和所述放电线之间短路。

另外，上述括号内的参照符号是为了容易理解而标注的，仅仅是一个示例，并非限定于图示的方式。

发明效果

根据本发明，即使二次电池的电池容量增大也能够抑制充电时的电流的增大。

附图说明

图1是本发明的充放电控制电路的一实施方式的方框图。

图2是充放电控制电路的电路结构图。

图3是充放电控制电路的一实施方式的方框图。

图4是充放电控制电路的电路结构图。

图5是电池单元的连接切换时的信号时序图。

图6是充放电控制电路的一实施方式中的状态迁移图。

图7是本发明的充放电控制电路的一实施方式的变形例的电路结构图。

符号说明

10、20 保护IC

11、12、21 电池单元

13、23 电子设备

14、24 充电部

15、25 负载

16、26 AC适配器

L1～L3 电源线

M1～M8 MOS晶体管

R1～R4 电阻

SW1、SW2 开关

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。

<充放电控制电路的实施方式>

图1是表示本发明的充放电控制电路的一实施方式的方框图。在图1中，充放电控制电路被半导体集成电路化而成为保护IC10。在保护IC10的外部配置有作为二次电池的锂离子电池的电池单元11和电池单元12。

电池单元11的正极从第一电源线L1经电阻R1与保护IC10的端子VDD2连接，还分别与电池组内的开关SW2的一端、以及电池组（或电子设备13）的端子CHG连接。电池单元11的负极与电池组内的开关SW1的第一端a连接。另外，图1的充放电控制电路中开关SW1、SW2示出了充电时的状态。

电池单元12的正极与电池组内的开关SW1的第二端b连接，并且经电阻R2与保护IC10的端子VDD1连接，另外从第二电源线L2分别与电池组内的开关SW2的另一端、以及电池组（或电子设备13）的端子LOAD连接。

电池单元12的负极经由端子B-与开关SW1的第三端c连接，并且从第三电源线L3与保护IC10的端子VSS连接，另外经放电电流阻断用的n沟道MOS晶体管M1和充电电流阻断用的n沟道MOS晶体管M2而与电池组（或电子设备13）的端子P-连接。

开关SW1的控制端子与保护IC10的端子CNT1连接，开关SW2的控制端子与保护IC10的端子CNT2连接。电池组的端子P-经电阻R3而与保护IC10的端子V-连接。另外，保护IC10的端子D经电池组（或电子设备）的端子D而与电子设备13的充电部14连接。

电子设备13的端子LOAD与负载15的正极连接。电子设备13的端子CHG以及端子DC+与充电部14的正极连接。电子设备13的端子P-以及端子DC-与充电部14的负极以及负载15的负极连接。在电池单元11、12充电时，在电子设备13的端子DC+、DC-之间连接AC适配器16，进行电池单元11、12的充电。

图2是表示图1中的通过MOS晶体管构成开关SW1、SW2的充放电控制电路的电路结构图。在图2中，n沟道MOS晶体管M3、M4构成开关SW1。MOS晶体管M3使源极与电池单元12的正极连接，使漏极与电池单元11的负极连接，使栅极与保护IC10的端子CNT1-1连接。MOS晶体管M4使源极与端子B-连接，使漏极与电池单元11的负极连接，使栅极与保护IC10的端子CNT1-2连接。端子CNT1-1以及1-2与图1的端子CNT1相对应。

p沟道MOS晶体管M5构成开关SW2。MOS晶体管M5使源极与电子设备13的端子CHG连接，使漏极与电子设备13的端子LOAD连接，使栅极与保护IC10的端子CNT2连接。另外，分别在MOS晶体管M3～M5中包括栅极和漏极间的寄生二极管地进行表示。

<保护IC>

保护IC10经端子VDD2、VSS被供给电源来进行动作。保护IC10的端子DOUT与MOS晶体管M1的栅极连接，端子COUT与MOS晶体管M2的栅极连接。MOS晶体管M1在停止放电时被从保护IC10断开，MOS晶体管M2在停止充电时被从保护IC10断开。

保护IC10内置有过充电电压检测电路、过放电电压检测电路、充电过电流检测电路、放电过电流检测电路、短路检测电路、振荡器、逻辑电路、延迟电路等。

过充电电压检测电路将端子VDD1、VSS间、或端子VDD2、VDD1间的单元电压与基准电压Vdet1进行比较，当端子间电压比基准电压Vdet1高时，生成过充电电压检测信号并提供给振荡器、逻辑电路。

过放电电压检测电路22将端子VDD1、VSS间、或端子VDD2、VDD1间的单元电压与基准电压Vdet2进行比较，当分压电压比第二基准电压Vdet2低时，生成过放电电压检测信号并提供给振荡器、逻辑电路。

充电过电流检测电路将端子V-的电压与基准电压Vdet4进行比较，当端子V-的电压比基准电压Vdet4低时，生成充电过电流检测信号并提供给振荡器、逻辑电路。

放电过电流检测电路将端子V-的电压与基准电压Vdet3进行比较，当端子V-的电压比基准电压Vdet3高时，生成放电过电流检测信号并提供给振荡器、逻辑电路。

短路检测电路将端子V-的电压与基准电压Vshort进行比较，当端子V-的电压比基准电压Vshort高时生成短路检测信号。短路检测信号例如通过设定了预定延迟时间的延迟电路而被提供给逻辑电路。

振荡器当被供给了过充电电压检测信号、或过放电电压检测信号、或充电过电流检测信号、或放电过电流检测信号时，开始振荡从而生成时钟信号并提供给逻辑电路。

逻辑电路具有计数器和状态寄存器。逻辑电路通过计数器来对供给过充电电压检测信号的时间进行计数，当计数值超过预定时间时，将过充电电压测出状态保持到状态寄存器，使端子COUT为低电平（值为0）来使MOS晶体管M2截止，使端子DOUT为高电平（值为1）来导通MOS晶体管M1。

另外，逻辑电路通过计数器来对供给过放电电压检测信号的时间进行计数，当计数值超过预定时间时，将过放电电压测出状态保持到状态寄存器，使端子COUT为高电平来导通MOS晶体管M2，使端子DOUT为低电平来使MOS晶体管M1截止。

另外，逻辑电路通过计数器来对供给充电过电流检测信号的时间进行计数，当计数值超过预定时间时，将充电过电流测出状态保持到状态寄存器，使端子COUT为低电平来使MOS晶体管M2截止，使端子DOUT为高电平来导通MOS晶体管M1。

另外，逻辑电路通过计数器来对供给放电过电流检测信号的时间进行计数，当计数值超过预定时间时，将放电过电流测出状态保持到状态寄存器，使端子COUT为高电平来导通MOS晶体管M2，使端子DOUT为低电平来使MOS晶体管M1截止。

另外，当逻辑电路被供给短路检测信号时，将短路测出状态保持到状态寄存器，使端子COUT为高电平来导通MOS晶体管M2，使端子DOUT为低电平来使MOS晶体管M1截止。

<充电时>

如图1、图2所示，在充电时从充电部14向保护IC10的端子D供给高电平的控制信号。由此，从保护IC10接通MOS晶体管M3，断开MOS晶体管M4，将电池单元11、12串联连接。并且，从保护IC10断开MOS晶体管M5，将电子设备13的端子CHG、LOAD之间切断。另外，保护IC10使MOS晶体管M1、M2导通。

由此，从充电部14的正极供给的充电电流以如下路径流动：从电子设备13的端子CHG通过第一电源线L1经由串联连接的电池单元11、12到达充电部14的负极。例如将各电池单元的电压设为4.2V且将充电电流设为2.5Ah时，分别供给到电池单元11、12的电力的总和为21Wh（=2.5Ah×8.4V）。

另外，即使是充电时也能够以如下路径将电流（电池单元12的放电电流）供给到负载15：从电池单元12的正极通过第二电源线L2再通过电子设备13的端子LOAD到达负载15。

<放电时>

图3表示充放电控制电路的方框图，所述充放电控制电路表示放电时的开关SW1、SW2的状态。另外，图4表示图3中的由MOS晶体管构成开关SW1、SW2的充放电控制电路的电路结构图。

如图3、图4所示，在放电时从充电部14向保护IC10的端子D供给低电平的控制信号。由此，从保护IC10断开MOS晶体管M3、接通MOS晶体管M4，将电池单元11、12并联连接。另外，从保护IC10接通MOS晶体管M5、使电子设备13的端子CHG、LOAD之间短路。另外，保护IC10使MOS晶体管M1、M2导通。

由此，能够以如下路径将电流（电池单元11、12的放电电流）供给到负载15：从电池单元11、12的正极通过电子设备13的端子LOAD、再通过负载15而到达电池单元11、12的负极。例如将电池单元11、12各自的电压设为4.2V且将池单元11、12各自的放电电流设为2.5Ah时，供给到负载15的电力为21（=5Ah×4.2V）Wh。

像这样，通过在放电时并联连接电池单元11、12能够使电池容量增长为两倍，通过在充电时串联连接电池单元11、12能够使充电电流与电池单元为一个的情况相同。

<连接切换>

图5表示电池单元11、12的连接切换时的信号时序图。在时刻t1将从充电部14供给到保护IC10的端子D的、图5的（A）所示的控制信号从低电平切换到高电平。由此，开始从并联连接向串联连接切换电池单元11、12的动作。为了在该动作中防止由于外部噪音而导致的错误动作，而在保护IC10的内部设置了延迟时间（时间t2-t1）。

为了在时刻t2切断从电池单元11起的放电路径，如图5的（B）所示使MOS晶体管M5的栅极为低电平而使MOS晶体管M5截止。

为了将电池单元11的低电位侧从端子B-分离，而在时刻t3如图5的（D）所示使MOS晶体管M4的栅极为低电平而使MOS晶体管M4截止，并且，为了将电池单元11的低电位侧与电池单元12的高电位侧连接，在时刻t4如图5的（C）所示使MOS晶体管M3的栅极为高电平而使MOS晶体管M3导通。

在将电池单元11、12切换为串联连接之后，充电部14在时刻t5开始充电。图5的（E）表示在电池单元11、12流动的充电电流。另外，图5的（F）表示保护IC10的端子CHG的电压，图5的（G）表示保护IC10的端子LOAD的电压。

图5的（A）所示的控制信号在时刻t6被从高电平切换为低电平。由此，开始将电池单元11、12从串联连接切换为并联连接的动作。为了在该动作中防止由于外部噪音而导致的错误动作，而在保护IC10的内部设置了延迟时间（时刻t8-t6）。

如图5的（E）所示，充电部14在时刻t7停止充电。到停止为止，在充电部14内部设定了延迟时间（时间t7-t6）。为了在时刻t8解除电池单元11、12的串联连接，如图5的（C）所示使电池单元11的低电位侧的MOS晶体管M3截止。

为了在时刻t9将电池单元11的低电位侧与端子B-进行连接，如图5的（D）所示使MOS晶体管M4导通。另外，在电池单元11、12在时刻t10切换为并联连接之后，使MOS晶体管M5导通，除了从电池单元12外还从电池单元121开始放电。

<充放电控制电路的状态迁移>

图6表示充放电控制电路的一实施方式的状态迁移图。在通常模式状态MD1下，将高电平供给到MOS晶体管M1、M2的栅极从而使MOS晶体管M1、M2都导通。

在通常模式状态MD1下，将各电池单元的两端电压（VDD1、VSS间电压、或VDD2、VDD1间电压）即电压Vcell与过充电检测电压Vdet1进行比较，如果Vcell＞Vdet1的状态超过预定时间tVdet1，则向过充电电压测出状态MD2迁移。在过充电电压测出状态MD2下使MOS晶体管M1导通，使MOS晶体管M2截止。然后，如果Vcell＜Vrel1的状态超过预定时间tVrel1，则向通常模式状态MD1迁移。另外，Vrel1（＜Vdet1）是恢复基准电压。

另外，在通常模式状态MD1下，将电压Vcell与过放电检测电压Vdet2进行比较，如果Vcell＜Vdet2的状态超过预定时间tVdet2，则向过放电电压测出状态MD6迁移。在过放电电压测出状态MD6下，使MOS晶体管M1截止，使MOS晶体管M2导通。然后，如果Vcell＞Vrel2的状态超过预定时间tVrel2，则向通常模式状态MD1迁移。另外，Vrel2（＞Vdet2）是恢复基准电压。

另外，在通常模式状态MD1下，将端子V-处的电压V-与充电过电流检测电压Vdet4进行比较，如果V-＜Vdet4的状态超过预定时间tVdet4，则向充电过电流测出状态MD3迁移。在充电过电流测出状态MD3下使MOS晶体管M1导通，使MOS晶体管M2截止。然后，如果V-＞Vdet4的状态超过预定时间tVrel4，则向通常模式状态MD1迁移。

另外，在通常模式状态MD1下，将端子V-处的电压V-与放电过电流检测电压Vdet3进行比较，如果V-＞Vdet3的状态超过预定时间tVdet3，则向放电过电流测出状态MD4迁移。在放电过电流测出状态MD4下使MOS晶体管M1截止，使MOS晶体管M2导通。然后，如果V-＜Vrel3的状态超过预定时间tVrel3则向通常模式状态MD1迁移。

另外，在通常模式状态MD1下，将端子V-处的电压V-与短路检测电压Vshort进行比较，如果V-＞Vshort的状态超过预定时间tVshort，则向短路测出状态MD5迁移。在短路测出状态MD5下使MOS晶体管M1截止，使MOS晶体管M2导通。然后，如果V-＜Vdet3的状态超过预定时间tVrel3，则向通常模式状态MD1迁移。

更近一步，在通常模式状态MD1下，如果高电平的控制信号（D=High）被从充电部14向保护IC10的端子D供给的状态超过预定时间tDdet，则向电池单元串联模式状态MD10迁移。在电池单元串联模式状态MD10下使MOS晶体管M3导通，使MOS晶体管M4截止，使MOS晶体管M5截止。

另外，在电池单元串联模式状态MD10下，如果低电平的控制信号（D=Low）被从充电部14向保护IC10的端子D供给的状态超过预定时间tDrel，则在成为通常模式状态MD1之后，向电池单元并联模式状态MD12迁移。在电池单元并联模式状态MD12下使MOS晶体管M3截止，使MOS晶体管M4导通，使MOS晶体管M5导通。

<变形例>

在上述的实施方式中，对两个电池单元11、12的并联连接和串联连接进行了切换，但是也可以对三个以上的电池单元的并联连接和串联连接进行切换。以下，例如对切换三个电池单元的并联连接和串联连接的充放电控制电路进行说明。

图7表示本发明的充放电控制电路的一实施方式的变形例的电路结构图。在图7中，充放电控制电路被半导体集成电路化而成为保护IC20。在保护IC20的外部配置了作为二次电池的锂离子电池的电池单元11、电池单元12以及电池单元21。

电池单元11的正极从第一电源线L1经电阻R1而与保护IC20的端子VDD3连接，并且分别与电池组内的p沟道MOS晶体管M5的源极、和电池组（或电子设备23）的端子CHG连接。电池单元11的负极与电池组内的n沟道MOS晶体管M3、M4的漏极连接。

电池单元12的正极与电池组内的MOS晶体管M3的源极连接，并且经电阻R2而与保护IC20的端子VDD2连接，并且与电池组内的p沟道MOS晶体管M8的源极连接。电池单元12的负极与电池组内的n沟道MOS晶体管M6、M7的漏极连接。

电池单元21的正极与电池组内的MOS晶体管M6的源极连接，并且经电阻R4而与保护IC20的端子VDD1连接，并且从第二电源线L2分别与电池组内的MOS晶体管M8、M5的漏极、和电池组（或电子设备23）的端子LOAD连接。

电池单元21的负极经由端子B-与MOS晶体管M4、M7的源极连接，并且从第三电源线L3与保护IC20的端子VSS连接，另外经电流阻断用的n沟道MOS晶体管M1、M2而与电池组（或电子设备23）的端子P-连接。

MOS晶体管M3的栅极与保护IC20的端子CNT1-1连接，MOS晶体管M4的栅极与保护IC20的端子CNT1-2连接。MOS晶体管M6的栅极与保护IC20的端子CNT2-1连接，MOS晶体管M7的栅极与保护IC20的端子CNT2-2连接。MOS晶体管M8的栅极与保护IC20的端子CNT3连接。

电池组的端子P-经电阻R3而与保护IC20的端子V-连接。另外，保护IC20的端子D经电池组（或电子设备23）的端子D而与电子设备23的充电部24连接。

电子设备23的端子LOAD与负载25的正极连接。电子设备23的端子CHG以及端子DC+与充电部24的正极连接。电子设备23的端子P-以及端子DC-与充电部24的负极以及负载25的负极连接。在电池单元11、12、21充电时，AC适配器26连接在电子设备23的端子DC+、DC-之间，进行电池单元11、12、21的充电。

<充电时>

在充电时，从充电部24向保护IC20的端子D供给高电平的控制信号。由此，从保护IC20接通MOS晶体管M3、M6，断开MOS晶体管M4、M7，串联连接电池单元11、12、21。并且，从保护IC20断开MOS晶体管M5，将电子设备23的端子CHG、LOAD之间切断。并且，从保护IC20断开MOS晶体管M8，将电子设备23的端子LOAD与电池单元12的正极之间切断。另外，保护IC20使MOS晶体管M1、M2导通。

由此，从充电部24的正极供给的充电电流以如下路径流动：从电子设备23的端子CHG通过第一电源线L1经由串联连接的电池单元11、12、21到达充电部24的负极。例如在将各电池单元的电压设为4.2V且将充电电流设为2.5A时，分别供给到电池单元11、12、21的电力的总和为31.5Wh（=2.5Ah×12.6V）。

另外，即使是充电时也能够以如下路径将电流（电池单元21的放电电流）供给到负载25：从电池单元21的正极通过第二电源线L2再通过电子设备23的端子LOAD到达负载25。

<放电时>

在放电时，从充电部24向保护IC20的端子D供给低电平的控制信号。由此，从保护IC20断开MOS晶体管M3、M6，接通MOS晶体管M4、M7，并联连接电池单元11、12。另外，从保护IC20接通MOS晶体管M5，使电子设备23的端子CHG、LOAD之间短路。并且，从保护IC20接通MOS晶体管M8，连接电子设备23的端子LOAD与电池单元12的正极之间。另外，保护IC20使MOS晶体管M1、M2导通。

由此，能够以如下路径将电流（电池单元11、12、21的放电电流）供给到负载25：从电池单元11、12、21的正极通过电子设备23的端子LOAD再通过负载25到达电池单元11、12、21的负极。例如在将电池单元11、12、21各自的电压设为4.2V，将电池单元11、12、21各自的放电电流设为2.5A时，供给到负载25的电力的总和为31.5（=7.5Ah×4.2V）Wh。

Claims

1.一种进行多个二次电池的充放电控制的充放电控制电路，其特征在于，所述充放电控制电路具有：

串并联切换部，其在充电时串联连接所述多个二次电池，在放电时并联连接所述多个二次电池。

2.根据权利要求1所述的充放电控制电路，其特征在于，所述充放电控制电路具有：

充电线，其用于流过所述多个二次电池的充电电流；

放电线，其用于流过所述多个二次电池的放电电流；以及

切断和短路切换部，其在充电时将所述充电线和所述放电线之间切断，在放电时使所述充电线和所述放电线之间短路。

3.一种进行多个二次电池的充放电控制的充放电控制方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的充放电控制方法，其特征在于，

在充电时将用于流过所述多个二次电池的充电电流的充电线和用于流过所述多个二次电池的放电电流的放电线之间切断，

在放电时使所述充电线和所述放电线之间短路。