JP2005151697A - バッテリパック、バッテリ保護処理装置、およびバッテリ保護処理装置の起動制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 二次電池の放電電流、充電電流をそれぞれ選択的に遮断する放電電流遮断手段および充電電流遮断手段と、少なくとも上記の二次電池の正極と負極との間の極間電圧に応じて、放電電流遮断手段および充電電流遮断手段の動作を制御する保護処理手段とを有し、保護処理手段に供給される電源電圧が、この保護処理手段が起動する最低電圧Vporに達したタイミング(T42)で、保護処理手段の初期化処理を実行し、さらに、電源電圧が、最低電圧Vporより高く、安定的に駆動する電圧以下である電圧Vpfwに達したタイミング(T43)で、放電電流遮断手段および充電電流遮断手段の動作制御に必要な電圧しきい値を設定して保護処理を開始する。
【選択図】 図4
Description
図17では、家庭用のデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどに使用されるリチウムイオンバッテリセルについての例を示しており、満充電電圧が4.2Vであり、過放電検出電圧を3.0Vとしている。図17(A)では、2Wの電力消費による放電時のバッテリセル電圧の変化を示している。この図に示すように、満充電状態から約90分後には、バッテリセル電圧は過放電検出電圧まで低下する。また、放電負荷を解放すると、バッテリセル電圧は一時的に上昇するが、その後、自己放電により電圧は緩やかに低下していくので、長期間放置した場合には、バッテリセル電圧は0Vまで低下することになる。また、正極と負極とがショートした場合には、図17(B)に示すように、バッテリセル電圧が瞬間的に1V近くまで低下し、このとき15A程度の過電流が流れる。
図18に示す従来のバッテリパックは、リチウムイオン二次電池からなるバッテリセル1、それぞれ構造上、ソースとドレインとの間にダイオードが等価的に内蔵されたMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)からなる放電制御用、充電制御用の保護スイッチSW11およびSW12、電流検出用の抵抗Rs、バッテリ保護回路110、マイクロコントローラ(以下、マイコンと略称する)120、マイコン動作用のクロック発振器130、バッテリセル1の温度を検出するサーミスタ140、このバッテリパックが装着された電子機器との間で通信を行うための通信I/F(インタフェース)150などを具備する。
従来のバッテリパックは、例えば図19に示すように、バッテリセル1の電圧が3.0V〜4.25Vである場合に通常状態となる。この状態では、保護スイッチSW11およびSW12がともにオンされ、放電負荷に対する電源供給、および充電器を接続した充電動作の双方が可能とされる。また、バッテリセル1の電圧が4.25Vを超えた場合には、過充電の状態となり、保護スイッチSW12がオフされて、充電が禁止される。逆に、バッテリセル1の電圧が3.0Vより低く、2.50V以上である場合は、過放電の状態となり、保護スイッチSW11がオフされて、放電が禁止される。ただし、この状態ではマイコン120への電源供給は続けられ、マイコン120は動作状態となる。
図1は、本発明の実施の形態に係るバッテリパックの内部構成例を示す図である。
本発明のバッテリパックは、二次電池と、この二次電池の残量表示のための処理機能や二次電池の異常状態に対する保護機能を実現する回路とを、一体のパッケージ内に収容したものである。また、本実施の形態では、二次電池としてリチウムイオン型のものを用いているが、リチウムイオン二次電池のように、放電電圧が比較的緩やかでかつ直線的に低下する放電特性を有する二次電池を用いることにより、バッテリ残容量を高精度に検出して、例えば使用可能な残り時間としてバッテリ残量を表示することが可能となる。
図2に示すように、統合処理回路2は、大別して、電源回路10、過電流検出回路20、およびマイクロコントローラ(以下、マイコンと略称する)30を具備している。電源回路10は、マイコン30の駆動電圧を供給するためのチャージポンプ回路11およびリニアレギュレータ12と、マイコン30をリセットするためのリセット回路13および14を具備している。
まず、マイコン30を安定的に動作させるための前提となる起動時の制御について説明する。
バッテリセル1の充電が行われる際には、正極端子Eb1および負極端子Eb2に充電器が接続される。図3では、セル電圧が0Vの状態から充電を開始した場合のセル電圧とともに、充電器の出力電流値の変化も並記している。
正極端子Eb1および負極端子Eb2に充電器が接続され、充電が開始されると、充電器から図3のように初期充電電流として50mA〜100mAの電流が流れる。これにより、図4(A)に示すように、セル電圧は緩やかに上昇していく。そして、例えばセル電圧が1.2Vに達したとき、電源回路10が起動する。このとき、チャージポンプ回路11は入力電圧を2.0倍に昇圧し、図4(B)のようにマイコン30には2.4Vの電圧が印加される(タイミングT41)。
図5(A)は、セル電圧が2.2V以下の状態から充電を開始した際の電源供給経路を示している。このとき、マイコン30は停止状態(シャットダウン)で、保護スイッチSW1およびSW2はともに通電状態になっている。従って、チャージポンプ回路11の入力を電源端子CPin2の側に切り換えておくことにより、マイコン30に対して電源を供給し、起動させることが可能となる。
ステップS601において、リセット回路13からの信号PORがLレベルになると、ステップS602に進む。ステップS602において、マイコン30が起動され、CPU31内あるいはRAM34内のレジスタの初期化などの初期化処理が実行される。ここでは、マイコン30の起動後に最低限必要な処理のみ行われ、バッテリセル1の保護処理は起動しない。
次に、マイコン30によるバッテリセル1の保護機能の制御について、詳しく説明する。この保護機能では、セル電圧の値をA/Dコンバータを通じて検出することでその状態を把握し、状態に応じた処理を主にマイコン30のソフトウェア制御により安定的に実現させる。
図7では、バッテリセル1が満充電の状態を起点として、セル電圧の変化に応じて規定される状態を順次示している。二次電池では、寿命の短縮や容量劣化、電池自身の変質などを起こさないように、通常の使用時にはセル電圧がある一定の範囲内であることが求められる。リチウムイオン二次電池の場合、セル電圧が3.0V〜4.2Vの範囲内で使用されることが推奨されている。このため、セル電圧を基準とした場合には、セル電圧がほぼ上記の範囲となる通常動作状態を挟んで、セル電圧が過剰である過充電状態と、セル電圧が不足している過放電状態とが規定される。
バッテリセル1の過充電状態は、マイコン30において、ADコンバータ38を介して検出されるセル電圧Vcellに基づいて、CPU31により判断される。図8に示すように、セル電圧Vcellが4.25Vに達したとき、過充電状態であることを検出し、FETドライバ42から出力端子CHGに出力する制御電圧を変化させて、保護スイッチSW2をオフさせる。これにより、バッテリセル1の充電が強制的に停止される。
通常動作状態から過放電状態への遷移は、セル電圧Vcellが2.6Vより低くなったときに検出される。この検出により、保護スイッチSW1をオフにして、放電電流を遮断する。また、このとき、上記の過充電状態への遷移時と同様に、過放電状態へ遷移したことを、履歴としてEEPROM35に書き込んでおく。
過放電状態から、セル電圧Vcellがさらに低下すると、マイコン30の動作が不可能な状態となる。過放電状態では、放電電流が遮断されているので、セル電圧Vcellは主にマイコン30および電源回路10の電力消費により緩やかに低下していく。そして、バッテリセル1の放電をさらに進行させないために、セル電圧Vcellが2.2Vより低くなったときに、マイコン30は動作を停止した状態(シャットダウン)に遷移する。
バッテリセル1の接点がショートされた場合などには、過大な放電電流が流れ、バッテリセル1が異常発熱を起こすなどの事態が生じることがある。このような事態を防止するために、抵抗Rsを用いて放電電流を検出し、過電流が発生した場合に保護スイッチSW1をオフし、放電電流を遮断する。
過電流検出回路20は、図9に示すように、比較器21、デジタルディレイ回路22、ラッチ回路23、およびANDゲート回路24を具備している。比較器21の入力端子は、それぞれ入力端子ODIおよびCSNに接続され、比較器21は、入力端子間の電圧が所定値以上の時に、出力信号をHレベルにする。ここで、過電流状態への遷移を検出するしきい値は3.4Aとされ、比較器21における電圧比較により3.4Aのしきい値電流の比較が可能となるように、抵抗Rth1およびRth2の抵抗値が設定される。
過電流状態から通常動作状態に復帰する方法としては、放電負荷が開放されたことを検出して自動復帰する方法が考えられる。しかし、例えばバッテリパックをポケットなどに入れておいたときに、鍵などの金属が電極に接触してショートが発生する場合に、金属と電極とが接触・離反を繰り返すチェーンショートと呼ばれる事態が発生することがある。このとき、上記の復帰方法では、バッテリセル1は過電流状態と通常状態とを繰り返すことになり、異常発熱が発生する場合がある。また、過電流の発生時にはセル電圧がマイコン30の動作電圧以下に低下するため、このような事態が繰り返されるとマイコン30の動作が不安定になる。
上述したように、バッテリセル1の保護機能は、セル電圧の検出に基づいて過充電および過放電の状態を検出し、さらに放電電流の検出に基づいて過電流の状態を検出して、各状態に応じた充電電流、放電電流の遮断制御を行うことにより実現される。このうち、マイコン30の処理では、CPU31が、ADコンバータ38を通じてセル電圧の値を取得し、通常動作状態、過充電状態および過放電状態を判断して、状態に応じて保護スイッチSW1およびSW2の動作をFETドライバ42を通じて制御する。また、セル電圧に加えて、サーミスタ3によって検出されたバッテリセル1の温度の情報を、ADコンバータ38を通じて取得し、同様に保護スイッチSW1およびSW2の動作を制御して異常発熱などから保護するようにしてもよい。
図10では、バッテリパックに接続される機器の例として、磁気テープをモータを用いて駆動するビデオカメラの消費電流の変化の例を示している。この図10に示すように、ビデオカメラでは、電源が投入され(タイミングT101)、さらに内部回路の動作が開始(タイミングT102)された後、モータの初期化動作が行われる(タイミングT103)。このとき、モータが駆動されることで突入電流が流れ、消費電流が瞬間的に大きく増加する。さらに、磁気テープへの記録が開始されると(タイミングT104)、モータ駆動により再び突入電流が流れ、消費電流が増加する。
図12では、バッテリパックに電源供給対象の機器が接続され、その機器の電源がオンである場合のマイコン30の動作モードを「アクティブモード」、機器の電源がオフである、あるいは機器が接続されていない場合の動作モードを「省電力モード」としている。アクティブモードでは、6MHzの高速クロックにより動作し、省電力モードでは、32kHzの低速クロックにより動作することで、消費電力の低減効果をさらに高めている。
以上説明したマイコン30によるバッテリセル1の保護およびバッテリ残量算出を含む処理の全体の流れについて、フローチャートを用いて説明する。
ステップS1301において、セル電圧の上昇により、マイコン30に供給される電源電圧が所定値まで上昇すると、電源回路10からのタイミング信号に基づいてマイコン30が起動する。この起動直後の処理は、図6の処理に対応するので、ここでは説明を省略する。
ステップS1303において、CPU31は、2秒のカウントの間に通信割り込みが発生したか否かを判定する。発生しなかった場合はステップS1304に進み、発生した場合はステップS1307に進む。
ステップS1309において、ステップS1308の処理により算出された値など、残量表示に必要な情報を、通信I/F41を通じて機器に対して送信する。この情報としては、例えば、バッテリセル1の現在の電圧、温度、電流積算値から算出した放電電流積算残量および消費電力、バッテリセル1に固有な温度係数などである。
ステップS1311において、タイマ36のカウントに基づき、通信割り込みの発生(ステップS1303に対応)から0.2秒が経過したときに、ステップS1312に進む。
まず、CPU31は、RAM34に設定されたSafeモードを読み出し、現在の保護状態を認識する(ステップS1401,S1407,S1415およびS1419に対応)。
ステップS1402において、ADコンバータ38よりセル電圧(Vcell)を読み取り、セル電圧が2.2Vより低いときはステップS1403に進み、そうでない場合はステップS1404に進む。
また、ステップS1404において、ADコンバータ38より、セル電圧とともに、充電器の接続の有無および充電電圧の印加の有無をそれぞれ示す情報を読み取り、セル電圧が2.65Vより高く、かつ充電が開始された場合に、ステップS1405に進み、そうでない場合は、サブルーチンを終了する。
ステップS1406において、RAM34上のSafeモードを、通常動作を示すように書き換え、サブルーチンを終了する。
ステップS1408において、ADコンバータ38より読み取ったセル電圧が2.6Vより低い場合はステップS1409に進み、そうでない場合はステップS1412に進む。
ステップS1410において、RAM34上のSafeモードを過放電状態を示すように書き換える。
ステップS1413において、保護スイッチSW2をオフさせる。
また、ステップS1415において、読み出したSafeモードに基づき、現在が過充電状態である場合はステップS1416に進む。
ステップS1418において、RAM34上のSafeモードを通常動作状態を示すように書き換え、サブルーチンを終了する。
ステップS1419において、ADコンバータ38より読み取ったセル電圧が2.2Vより低い場合にはステップS1420に進み、そうでない場合はステップS1421に進む。
ステップS1421において、ADコンバータ38より、充電器の接続の有無および充電電圧の印加の有無をそれぞれ示す情報を読み取り、充電が開始された場合にはステップS1422に進み、そうでない場合はサブルーチンを終了する。
ステップS1423において、RAM34上のSafeモードを通常動作を示すように書き換え、サブルーチンを終了する。
ステップS1501において、ADコンバータ38からの出力信号より、バッテリセル1の温度を読み取る。
ステップS1503において、フューエルゲージ39から、充放電電流の積算値を読み取る。
ステップS1505において、ステップS1501〜S1504で取得した情報を基にして、機器におけるバッテリ残量表示に必要な情報を算出する。ここでは、例えば、フューエルゲージ39から取得した電流積算値を基に放電電流積算残量や消費電力などが算出される。
ステップS1507において、フューエルゲージ39の充電カウンタ39dおよび放電カウンタ39eのカウント値をクリアし、サブルーチンを終了する。
〔複数のバッテリセルが直列接続された場合の回路構成〕
ところで、以上の説明では、1本のバッテリセルを使用した場合について説明したが、実際には、接続される機器の負荷の大きさに応じて、複数のバッテリセルを直列に接続して使用することがある。この場合、各バッテリセルについて個別に過充電、過放電の状態を判別する必要がある。以下、このような場合の回路構成および動作について、補足説明する。
Claims (10)
- 二次電池の異常発生に対する保護を含む処理を実行する処理回路が前記二次電池と一体に収容されたバッテリパックにおいて、
前記二次電池の放電電流を選択的に遮断する放電電流遮断手段と、
前記二次電池の充電電流を選択的に遮断する充電電流遮断手段と、
少なくとも前記二次電池の正極と負極との間の極間電圧に応じて、前記放電電流遮断手段および前記充電電流遮断手段の動作を制御する保護処理手段と、
前記保護処理手段に供給される電源電圧が、前記保護処理手段が起動する最低電圧に達したときに検出信号を発生する起動可能電圧検出手段と、
を有し、前記保護処理手段は、前記起動可能電圧検出手段からの検出信号の検知に応じて初期化処理を実行することを特徴とするバッテリパック。 - 前記電源電圧が、前記最低電圧より高く、前記保護処理手段が安定的に駆動する電圧以下である所定電圧に達したときに検出信号を発生する安定駆動電圧検出手段をさらに有し、
前記保護処理手段は、前記初期化処理を実行した後、前記安定駆動電圧検出手段からの検出信号の検知に応じて、前記放電電流遮断手段および前記充電電流遮断手段の動作制御に必要な電圧しきい値を設定することを特徴とする請求項1記載のバッテリパック。 - 前記保護処理手段の動作を監視して、暴走状態であることを検出すると前記保護処理手段に前記初期化処理を実行させる暴走回避手段をさらに有し、
前記保護処理手段は、前記安定駆動電圧検出手段からの検出信号の検知に応じて、前記暴走回避手段の設定値を初期化することを特徴とする請求項2記載のバッテリパック。 - 前記電源電圧が、前記最低電圧より高く、前記保護処理手段が安定的に駆動する電圧以下である所定電圧に達したときに検出信号を発生する安定駆動電圧検出手段をさらに有し、
前記保護処理手段は、前記初期化処理を実行した後、前記安定駆動電圧検出手段からの検出信号を受信すると、前記保護処理手段のインストラクションクロックの周期より十分長い時間が経過した後に、前記放電電流遮断手段および前記充電電流遮断手段の動作を制御する通常処理の実行を開始することを特徴とする請求項1記載のバッテリパック。 - 前記保護処理手段の動作のための初期設定値があらかじめ記憶された読み出し専用記憶手段と、
前記保護処理手段の動作のための設定値を任意に書き換え可能な状態で記憶する不揮発性記憶手段と、
をさらに有し、前記保護処理手段は、前記初期化処理後には前記読み出し専用記憶手段に記憶された前記初期設定値を用いて前記放電電流遮断手段および前記充電電流遮断手段の動作を制御し、前記二次電池の前記極間電圧が所定値まで上昇すると、前記不揮発性記憶手段に記憶された前記設定値を読み出すことを特徴とする請求項1記載のバッテリパック。 - 前記初期化処理の実行時には、前記保護処理手段への電源電圧は、前記二次電池を充電する充電器が接続された充電端子間の電圧を基に生成されることを特徴とする請求項1記載のバッテリパック。
- 少なくとも前記二次電池の前記極間電圧を昇圧する昇圧手段をさらに有し、
前記電源電圧は前記昇圧手段を介して前記保護処理手段に供給されることを特徴とする請求項1記載のバッテリパック。 - 二次電池の異常発生に対する保護処理を実行するバッテリ保護処理装置において、
前記二次電池の放電電流を選択的に遮断する放電電流遮断手段と、
前記二次電池の充電電流を選択的に遮断する充電電流遮断手段と、
少なくとも前記二次電池の正極と負極との間の極間電圧に応じて、前記放電電流遮断手段および前記充電電流遮断手段の動作を制御する保護処理手段と、
前記保護処理手段に供給される電源電圧が、前記保護処理手段が起動する最低電圧に達したときに検出信号を発生する起動可能電圧検出手段と、
を有し、前記保護処理手段は、前記起動可能電圧検出手段からの検出信号の検知に応じて初期化処理を実行することを特徴とするバッテリ保護処理装置。 - 少なくとも二次電池の正極と負極との間の電圧に応じて、前記二次電池の放電電流を選択的に遮断する放電電流遮断回路、および前記二次電池の充電電流を選択的に遮断する充電電流遮断回路のそれぞれの動作を制御することで、前記二次電池の異常発生に対する保護処理を行うバッテリ保護処理装置の起動制御方法において、
前記バッテリ保護処理装置に供給される電源電圧が、前記バッテリ保護処理装置が起動する最低電圧に達したときに、前記バッテリ保護処理装置の初期化処理を実行することを特徴とするバッテリ保護処理装置の起動制御方法。 - 前記電源電圧が、前記最低電圧より高く、前記バッテリ保護処理装置が安定的に駆動する電圧以下である所定電圧に達したときに、前記放電電流遮断回路および前記充電電流遮断回路の動作制御に必要な電圧しきい値を設定して前記保護処理を開始することを特徴とする請求項9記載のバッテリ保護処理装置の起動制御方法。
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