JP2009232559A - 電池パック充電バランス回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電池パックへの充電を効果的にバランスさせることができる電池パック充電バランス回路を提供する。
【解決手段】電池パック充電バランス回路Ｅであって、充放電回路１０の両充放電端１１、１２間に接続され、複数の直列接続された電池ユニットＢ１、Ｂ２から構成された電池パックＢに対して充電を行ない、第１のバランス制御回路Ｃ１、第２のバランス制御回路Ｃ２および保護回路Ｐを備える。第１のバランス制御回路Ｃ１および第２のバランス制御回路Ｃ２は充放電回路１０の両充放電端１１、１２間に直列接続される。第１のバランス制御回路Ｃ１は複数の電池ユニットＢ１、Ｂ２に対応して並列接続された制御ユニットを有する。第２のバランス制御回路Ｃ２は並列接続された第１の分岐Ａ１および第２の分岐Ａ２を有する。保護回路Ｐは制御ユニット、第１の分岐Ａ１および第２の分岐Ａ２と接続される。
【選択図】図２

Description

本発明は充電回路に関し、特に、リチウム電池パックの各電池ユニットに均等に充電することができる充電バランス回路に関する。

多くの携帯型デジタル製品は全て充電電池によって電力が供給されている。実際に使用する上で、単一の電池が供給できる電圧には限りがあるので、通常複数の電池ユニットを直列接続して電池パックを構成する方式でデジタル製品に電力を供給する。電池パックの電力を使用し終わった後、充電回路によって電池パックに充電する必要がある。

しかし、直接接続された電池パックに充電するとき、「電池ユニットのアンバランス」現象が発生し、電池パックの正常な充電が影響を受ける。この現象は直列接続された電池パックの各電池ユニット内の残容量のアンバランスがもたらすものである。電池パックを充電するとき、残容量の多い電池ユニットは残容量の少ない電池ユニットよりも早く満充電状態に達し、一つの電池ユニットが満充電状態のとき、電池パックの保護ＩＣが過電圧保護（Ｏｖｅｒ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）機能を起動して充電回路が電池パックに充電するのを停止し、満充電状態に達していない電池ユニットには満充電になるまで充電が継続されない。放電時、満充電に達していない電池ユニットは先に予め設定された残容量に達し、保護ＩＣの異常電圧保護（Ｕｎｄｅｒ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）機能が起動されて電池パックの外部への電力供給が停止される。従って「電池ユニットのアンバランス」現象によって電池パックを頻繁に充電しなければいけなくなり、デジタル製品の正常な使用および電池の寿命が影響を受ける。

上述の「電池ユニットのアンバランス」現象の影響を克服するために、図１に示すような直列接続電池パック充電回路が案出された。直列接続電池パックの充電方法は、電池パックＢ’の第１の電池Ｂ１’の両端に直列接続された第１の抵抗素子Ｒ１’および第１のスイッチ素子ＳＷ１’が並列接続され、第１の電池Ｂ１’に直列接続された第２の電池Ｂ２’の両端には直列接続された第２の抵抗素子Ｒ２’および第２のスイッチ素子ＳＷ２’が並列接続される。

充電時、第１の電池Ｂ１’が先に満充電された場合、第１のスイッチ素子ＳＷ１’がオンとなる。この時、本来第１の電池Ｂ１’を流れていた電流は第１の抵抗素子Ｒ１’および第１のスイッチ素子ＳＷ１’から第２の電池Ｂ２’に流れ、それによって電池パックＢ’が過充電保護機能を起動して充電が停止されるのを防止し、満充電状態となっていない第２の電池Ｂ２’に継続して充電が行なわれる。

しかし、実際に充電回路における充電電流は非常に大きく、第１のスイッチ素子ＳＷ１’が起動された後も大量の電流が前述の第１の電池Ｂ１’に流れるので、バランス回路の充電効果は優れず、電池パックＢ’の充電を効果的にバランスさせることができない。
特開平１１−８６９１３号公報

本発明の目的は、従来技術の欠点を解決し、電池パックへの充電を効果的にバランスさせることができる電池パック充電バランス回路を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、充放電回路の両充放電端間に接続され、複数の直列接続された電池ユニットから構成された電池パックに対して充電を行なう電池パック充電バランス回路を提供するものである。電池パック充電バランス回路は、第１のバランス制御回路、第２のバランス制御回路および保護回路を備える。第１のバランス制御回路は充放電回路の充放電端と接続される。第１のバランス制御回路は複数の直列接続されて対応する電池ユニットとそれぞれ並列接続された制御ユニットを有し、各制御ユニットは直列接続されたスイッチ素子および抵抗素子を備える。第２のバランス制御回路は充放電回路の他の充放電端と第１のバランス制御回路との間に接続され、並列接続された第１の分岐および第２の分岐を有し、第１の分岐はスイッチ素子を備え、第２の分岐は直列接続されたスイッチ素子および抵抗素子を備える。保護回路は複数の制御端を有し、制御端は上述の各スイッチ素子とそれぞれ接続される。第１のバランス制御回路のスイッチ素子が全てオフのとき、保護回路は第１の分岐のスイッチ素子をオンにして、第２の分岐のスイッチ素子をオフにする。第１のバランス制御回路の少なくとも一スイッチ素子がオンのとき、保護回路は第２の分岐のスイッチ素子をオンにして、第１の分岐のスイッチ素子をオフにする。

本発明の電池パック充電バランス回路は、保護回路が第２のバランス制御回路の第１の分岐または第２の分岐の導通を制御し、充放電回路の充電電流の大きさを制御し、同時に電池ユニットと並列接続された制御ユニットが電池パック内の予め設定されたアンバランス保護起動電圧点に到達した電池ユニットに対して分流を行なうことによって、保護回路が過充電保護機能を早期に起動するのを防止し、電池パックの電池ユニットに継続して充電し、各電池ユニットへの充電をバランスさせることができる。

本発明の目的、特徴および効果を示す実施例を図に沿って詳細に説明する。

図２は本発明の電池パック充電バランス回路Ｅの実施例を示す回路図である。本発明の電池パック充電バランス回路Ｅは充放電回路１０と接続され、電池パックＢに対して充電を行なう。充放電回路１０は二つの充放電端１１、１２を有する。電池パックＢは複数の直列接続された電池ユニットから構成され、本実施例においては、電池パックＢは第１の電池ユニットＢ１と第２の電池ユニットＢ２が直列接続されて構成される。

上述の電池パック充電バランス回路Ｅは、第１のバランス制御回路Ｃ１、第２のバランス制御回路Ｃ２および保護回路Ｐを備える。保護回路Ｐは充放電回路１０の充放電端１１と接続され、充放電回路１０または電池パックＢから作業電圧が供給され、複数の制御端を有する。本実施例においては、保護回路Ｐは六個の制御端を有し、六個の制御端の符号はＰ１〜Ｐ６とする。

第１のバランス制御回路Ｃ１は複数の直列接続された制御ユニットを有する。各制御ユニットは全て順番に電池パックＢ内の対応する電池ユニットと並列接続され、各制御ユニットは全て直列接続されたスイッチ素子および抵抗素子を備える。本実施例においては第１のバランス制御回路Ｃ１は二つの制御ユニットを有し、第１の制御ユニットは第１のスイッチ素子ＳＷ１および第１の抵抗素子Ｒ１を備える。第１のスイッチ素子ＳＷ１はＦＥＴであり、そのゲート極は保護回路Ｐの制御端Ｐ１と接続され、そのドレイン極は充放電回路１０の充放電端１１および第１の電池ユニットＢ１の正極と接続される。第１の抵抗素子Ｒ１は第１のスイッチ素子ＳＷ１のソース極と第１の電池ユニットＢ１の負極との間に接続される。第２の制御ユニットは、第２のスイッチ素子ＳＷ２および第２の抵抗素子Ｒ２を備え、第２のスイッチ素子ＳＷ２はＦＥＴであり、そのゲート極は保護回路Ｐの制御端Ｐ２と接続され、そのドレイン極は第２の電池ユニットＢ２の正極と接続され、第２の抵抗素子Ｒ２は第２のスイッチ素子ＳＷ２のソース極と第２の電池ユニットＢ２の負極との間に接続される。

第２のバランス制御回路Ｃ２はお互いに並列接続された第１の分岐Ａ１および第２の分岐Ａ２を備える。第１の分岐Ａ１はお互いに直列接続された第３のスイッチ素子ＳＷ３および第４のスイッチ素子ＳＷ４を備える。第３のスイッチ素子ＳＷ３および第４のスイッチ素子ＳＷ４はＦＥＴであり、第３のスイッチ素子ＳＷ３のソース極は第１のバランス制御回路Ｃ１の第２の抵抗素子Ｒ２および第２の電池ユニットＢ２の負極と接続され、第３のスイッチ素子ＳＷ３のドレイン極は第４のスイッチ素子ＳＷ４のドレイン極と接続され、第３のスイッチ素子ＳＷ３のゲート極は保護回路Ｐの制御端Ｐ３と接続される。第４のスイッチ素子ＳＷ４のソース極は充放電回路１０の充放電端１２と接続され、第４のスイッチ素子ＳＷ４のゲート極は保護回路Ｐの制御端Ｐ４と接続される。

第２の分岐Ａ２はお互いに直列接続された第５のスイッチ素子ＳＷ５、第６のスイッチ素子ＳＷ６および第３の抵抗素子Ｒ３を備える。第５のスイッチ素子ＳＷ５および第６のスイッチ素子ＳＷ６はＦＥＴであり、第５のスイッチ素子ＳＷ５のソース極は第１のバランス制御回路Ｃ１の第２の抵抗素子Ｒ２および第２の電池ユニットＢ２の負極と接続され、第５のスイッチ素子ＳＷ５のドレイン極は第６のスイッチ素子ＳＷ６のドレイン極と接続され、第５のスイッチ素子ＳＷ５のゲート極は保護回路Ｐの制御端Ｐ５と接続される。第６のスイッチ素子ＳＷ６のゲート極は保護回路Ｐの制御端Ｐ６と接続される。第３の抵抗素子Ｒ３は第６のスイッチ素子ＳＷ６のソース極と充放電回路１０の充放電端１２との間に接続される。

本発明において開示される電池パック充電バランス回路Ｅが電池パックＢに対して充電を行なう工程を下記に示す。

第１の電池ユニットＢ１および第２の電池ユニットＢ２が予め設定されたアンバランス保護起動電圧点（この電圧点は通常満充電電圧点よりも小さい）に達していないとき、第１のスイッチ素子ＳＷ１、第２のスイッチ素子ＳＷ２、第５のスイッチ素子ＳＷ５および第６のスイッチ素子ＳＷ６はオフ状態であり、第３のスイッチ素子ＳＷ３および第４のスイッチ素子はオン状態であるので、充放電回路１０の充放電端１１が出力する充電電流は電池パックＢの第１の電池ユニットＢ１、第２の電池ユニットＢ２、第３のスイッチ素子ＳＷ３および第４のスイッチ素子ＳＷ４を通って充放電回路１０の充放電端１２に流入する。

電池パックＢの一電池ユニットが先に予め設定されたアンバランス保護起動電圧点に達した場合、保護回路Ｐが第３のスイッチ素子ＳＷ３および第４のスイッチ素子ＳＷ４をオフにし、第５のスイッチ素子ＳＷ５および第６のスイッチ素子ＳＷ６をオンにし、第３の抵抗素子Ｒ３を回路に含ませ、電池パックＢへの充電電流を減少させる。同時にアンバランス保護起動電圧点に達した電池ユニットと並列接続された制御ユニットとを導通させ、電池ユニットの充電電流を分流し、過充電によって破損するのを防止する。この時、他の電池ユニットと並列接続された制御ユニットはオフ状態が保持されるので、大量の電流がその他の電池ユニットに対して満充電されるまで充電される。

第１の電池ユニットＢ１が先にアンバランス保護起動電圧点に達した場合を例にして説明を行う。このとき保護回路Ｐは第２のスイッチ素子ＳＷ２、第３のスイッチ素子ＳＷ３および第４のスイッチ素子ＳＷ４をオフにし、第１のスイッチ素子ＳＷ１、第５のスイッチ素子ＳＷ５および第６のスイッチ素子をオンにし、第３の抵抗素子Ｒ３によって電池パック充電バランス回路Ｅの充電電流が減少する。第１のスイッチ素子ＳＷ１が導通され、充電電流が第１の抵抗素子Ｒ１に分流されるので、第１の電池ユニットＢ１に流れる電流が減少し、これによって第１の電池ユニットＢ１が満充電になる時間が延長され、保護回路Ｐが早期に過電圧保護機能を起動するのを防止し、電池パックＢの他の電池ユニットに対する充電が継続される。

電池パックＢが放電するとき、電池パック充電バランス回路Ｅ内の第１の分岐Ａ１の第３のスイッチ素子ＳＷ３および第４のスイッチ素子ＳＷ４はオン状態が保持され、第１のスイッチ素子ＳＷ１、第２のスイッチ素子ＳＷ２、第５のスイッチ素子ＳＷ５および第６のスイッチ素子ＳＷ６はオフ状態であるので、充放電回路１０によって電子装置（図示せず）に電力が供給される。

上述のように、本発明の電池パック充電バランス回路Ｅは保護回路Ｐが第１の分岐Ａ１または第２の分岐Ａ２の導通を制御することによって、電池パックＢの充電電流の大きさを制御する。同時に、制御ユニットが電池パックＢ内のアンバランス保護起動電圧点に達した電池ユニットに対して分流することによって、保護回路Ｐが早期に過充電保護機能を起動するのを防止し、電池パックＢのその他の電池ユニットへの充電を継続し、各電池ユニットへの充電をバランスさせる。

本発明は上述の構造によって、上述の効果を達成することができ、特許要件に符合する発明である。上述の説明は本発明の好適な実施例を示したものであり、本発明の特許請求の範囲を制限するものではなく、本発明のその他の同等効果の修飾または変更は全て本発明の特許請求の範囲に含まれる。

従来技術による電池パック充電バランス回路を示す回路図である。 本発明による電池パック充電バランス回路の一実施例を示す回路図である。

符号の説明

Ｅ 電池パック充電バランス回路
Ｃ１ 第１のバランス制御回路
Ｃ２ 第２のバランス制御回路
１１、１２ 充放電端
Ａ１ 第１の分岐
Ａ２ 第２の分岐
ＳＷ１ 第１のスイッチ素子
ＳＷ２ 第２のスイッチ素子
ＳＷ３ 第３のスイッチ素子
ＳＷ４ 第４のスイッチ素子
ＳＷ５ 第５のスイッチ素子
ＳＷ６ 第６のスイッチ素子
Ｒ１ 第１の抵抗素子
Ｒ２ 第２の抵抗素子
Ｒ３ 第３の抵抗素子
Ｂ 電池パック
Ｂ１ 第１の電池ユニット
Ｂ２ 第２の電池ユニット
１０ 充放電回路
Ｐ 保護回路
Ｐ１〜Ｐ６ 制御端

Claims (3)

1. 充放電回路の両充放電端間に接続され、複数の直列接続された電池ユニットから構成された電池パックに対して充電を行なう電池パック充電バランス回路であって、前記電池パック充電バランス回路は、
   前記充放電回路の一端と接続され、複数の直列接続されて対応する電池ユニットと並列接続された制御ユニットを有し、前記各制御ユニットは直列接続されたスイッチ素子および抵抗素子を備える第１のバランス制御回路と、
   前記充放電回路の他端と前記第１のバランス制御回路との間に接続され、並列接続された第１の分岐および第２の分岐を有し、前記第１の分岐はスイッチ素子を備え、前記第２の分岐は直列接続されたスイッチ素子および抵抗素子を備える第２のバランス制御回路と、
   複数の制御端を有し、前記制御端はそれぞれ前記各スイッチ素子と接続され、前記第１のバランス制御回路のスイッチ素子がオフのとき、第１の分岐のスイッチ素子をオンにして第２の分岐のスイッチ素子をオフにし、前記第１のバランス制御回路の少なくとも一つのスイッチ素子がオンのとき、前記第２の分岐のスイッチ素子をオンにして前記第１の分岐のスイッチ素子をオフにする保護回路と、
   を備えることを特徴とする電池パック充電バランス回路。
2. 前記第１の分岐は、二つの直列接続されたスイッチ素子から構成されることを特徴とする請求項１記載の電池パック充電バランス回路。
3. 前記第２の分岐は、二つのスイッチ素子および一つの抵抗素子から構成されることを特徴とする請求項１記載の電池パック充電バランス回路。

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