JP2010029007A - 過充電保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気化学素子を過充電及び過放電から保護し、さらに、充電制御用電界効果型トランジスタの導通故障も検出することが可能な過充電保護装置を提供する。
【解決手段】電気化学素子１の端子電圧を監視して所定の電圧以上となったときに充電側制御出力信号を出力し、且つ、電気化学素子１の放電電流を監視して所定の電流以上となったときに放電側制御出力信号を出力する充放電用制御ＩＣ２と、電気化学素子１に並列に接続され、充電側制御出力信号に基きＯＮとなる充電制御用電界効果型トランジスタと、電気化学素子１に直列に接続され、放電側制御出力信号に基きＯＦＦとなる放電制御用電界効果型トランジスタと、充電側制御出力信号と充電制御用電界効果型トランジスタのソース又はドレイン側の電圧とにより、充電制御用電界効果型トランジスタの導通故障を検出して出力する故障検出回路１０とを備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、過充電保護装置に関する。

電気二重層キャパシタ、二次電池及びリチウムイオンキャパシタ等の電気化学素子は、正極及び負極がセパレータを間に介して対向した構造により、キャリアとなるアニオンとカチオンよりなる電解質が溶解した有機系電解液を含むセルよりなる。それぞれの電気化学素子は、電解液や電極等の構造体の耐電圧によって使用電圧範囲が決まっており、リチウムイオンキャパシタでは、一般的に、３．８Ｖ程度が上限電圧と言われている。これらの電気化学素子を上限電圧を超えて過電圧状態としてしまうと、電解液の分解などによって急速に特性劣化してしまう。また、リチウム二次電池等では、過大なエネルギーに伴い発火等の危険も生じる虞がある。

また、これらの電気化学素子は、瞬時電圧低下補償装置や無停電電源装置等に適用することができる。これらの電気化学素子を瞬時電圧低下補償装置や無停電電源装置等に適用する場合、高電圧や大電流が求められる。そのため瞬時電圧低下補償装置や無停電電源装置等への適用に際しては個々のセルを直列接続することによって高電圧を作り出している。

しかし、セルには固有の静電容量、内部抵抗値及び漏れ抵抗値があり、同じ種類のセルであっても僅かにこれらの値は異なる。そして、直列接続した全体としての充電の上限電圧であっても、セルによっては過充電状態となっている場合があり、急速な劣化につながってしまう虞がある。このため、例えば、下記特許文献１のように、直列接続されている電気化学素子個々に並列に外部抵抗を設けるなどした分担電圧の均等化が可能となる回路を備えることにより、セル毎の電圧を調整するという手段が用いられている。

特開平６−３０２４７４号公報

電気二重層キャパシタ等の電気化学素子には、実用上の上限電圧が存在する。これを超える電圧が印加されると特性低下及び寿命短縮等が引き起こされる。一方で、電気化学素子には、下限電圧も存在しており、電気二重層キャパシタでは、直列抵抗の上昇を生じ、また、リチウムイオン二次電池では、下限電圧を下回ると負極側を構成している銅等の金属箔に溶解が生じ、最終的には断線して故障状態となる虞がある。

このため、電気二重層キャパシタでは、１．０Ｖ程度を、また、リチウムイオン二次電池やキャパシタでは、２．２Ｖ程度を下限電圧として設定するのが一般的であり、それ以下の電圧状態は過放電状態としている。そして、上記特許文献１に開示される方法等では、電気化学素子を過充電状態から保護することはできるが、下限電圧以下となった場合に放電を中止する、又は、電気回路との接続を遮断するといった対応をとることはできなかった。

以上のことから、本発明は、電気化学素子を過充電及び過放電から保護し、さらに、充電制御用電界効果型トランジスタの導通故障も検出することが可能な過充電保護装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る過充電保護装置は、
複数の電気化学素子を直列に接続することで構成される電気化学素子ユニットの個々の前記電気化学素子を過充電及び過放電から保護する過充電保護装置において、
前記電気化学素子の端子電圧を監視して所定の電圧以上となったときに充電側制御出力信号を出力し、且つ、前記電気化学素子の放電電流を監視して所定の電流以上となったとき、又は、前記電気化学素子を監視して所定の電圧以下となったときに放電側制御出力信号を出力する制御回路と、
前記電気化学素子に並列に接続され、前記充電側制御出力信号に基きＯＮとなる充電制御用電界効果型トランジスタと、
前記電気化学素子に直列に接続され、前記放電側制御出力信号に基きＯＦＦとなる放電制御用電界効果型トランジスタと、
前記充電側制御出力信号と前記充電制御用電界効果型トランジスタのソース又はドレイン側の電圧とにより、前記充電制御用電界効果型トランジスタの導通故障を検出して出力する故障検出回路と
を備えた
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明に係る過充電保護装置は、第１の発明に係る過充電保護装置において、
前記故障検出回路は、前記充電側制御出力信号と前記電気化学素子の前記充電制御用電界効果型トランジスタ側の電圧との排他的論理和演算により、前記充電制御用電界効果型トランジスタの導通故障を検出する
ことを特徴とする。

本発明によれば、電気化学素子を過充電及び過放電から保護し、さらに、充電制御用電界効果型トランジスタの導通故障も検出することが可能な過充電保護装置を実現することが可能となる。

以下、本発明に係る過充電保護装置の実施例について図を用いて説明する。なお、図１は本発明の第１の実施例に係る過充電保護装置の回路構成を示した図、図２は本発明の第２の実施例に係る過充電保護装置の回路構成を示した図である。

本発明の第１の実施例に係る過充電保護装置について説明する。
はじめに、本実施例に係る過充電保護装置の装置構成について説明する。
本実施例では、電気化学素子として、リチウムイオンキャパシタを用いた。このリチウムイオンキャパシタに対し、上限電圧が４．０Ｖ、下限電圧が２．２Ｖとなるよう設計された、主にリチウムイオン二次電池の充放電制御用として、一般的に用いられている充放電用制御ＩＣを適用した。

この充放電用制御ＩＣは、充電及び放電に対する制御を行うものである。充放電用制御ＩＣの充電側の制御としては、過充電や過電流を検出するとＬｏｗレベルを出力するものである。また、充放電用制御ＩＣの放電側の制御としては、過放電や過電流を検出するとＬｏｗレベルを出力するものである。

本実施例に係る過充電保護装置では、このような充放電用制御ＩＣを用いて、図１に示すような電気回路を構成した。充放電用制御ＩＣ２の充電側制御部３をＮＯＴ回路８及び充放電用制御ＩＣ保護用抵抗Ｒｃｈを介して充電制御用の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ１）のゲートに接続し、ＦＥＴ１のドレイン又はソースに直列に電気化学素子２の電圧調整用の抵抗ＲＩを接続し、この抵抗ＲＩの両端を電気化学素子１に対し並列に接続した。なお、ＦＥＴ１に極性反転型の電界効果型トランジスタを適用することにより、ＮＯＴ回路８を省略することも可能である。

また、この充放電用制御ＩＣ２の放電側制御部４を放電制御用の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ２）のゲートに接続し、ＦＥＴ２のソースを電気化学素子に接続した。ＦＥＴ２は、充放電時の電気化学素子１の最大電流値及び最大電圧値を考慮して適宜選択する。

さらに、充放電用制御ＩＣ２の駆動入力部５側に静電破壊耐圧向上用の保護抵抗Ｒｖ、充放電用制御ＩＣ２の電流検出部６側に静電破壊耐圧向上用の保護抵抗Ｒｉを配置し、充放電用制御ＩＣのグラウンド（ＧＮＤ）７−駆動入力部５間にノイズ保護用のコンデンサＣ１、ＦＥＴ１にノイズ保護用のコンデンサＣ２、ＦＥＴ２にノイズ保護用のコンデンサＣ３を配置した。

次に、本実施例に係る過充電保護装置の動作について説明する。
本実施例に係る過充電保護装置は、通常時には、充放電用制御ＩＣ２の充電側制御部３の出力及び放電側制御出力部４の出力は共にＨｉレベルとなり、ＦＥＴ１はゲートへのＮＯＴ回路８を介したＬｏｗレベル入力によりＯＦＦ、ＦＥＴ２はＯＮとなり、電気化学素子１側のみ導通となり充放電が行われる。

また、過充電時には、充放電用制御ＩＣ２の充電制御部３の出力がＬｏｗレベルとなり、ＦＥＴ１はＮＯＴ回路８によりＦＥＴ１のゲート入力がＨｉレベルとなるためＯＮとなる。一方、ＦＥＴ２は、通常時と同様にＯＮとなる。この結果、電気化学素子１側と電気化学素子電圧調整用の抵抗ＲＩ側共に導通し、電気化学素子１から抵抗ＲＩ側への放電が起こるため電気化学素子１の電圧が下がり、過充電を防ぐことができる。以後、ＦＥＴ１のＯＮとＯＦＦを繰り返す。

また、過放電時には、充放電用制御ＩＣ２の放電制御部４の出力がＬｏｗレベルとなるため、ＦＥＴ２がＯＦＦとなる。ＦＥＴ１も引き続きＯＦＦのため、電気化学素子１側と抵抗ＲＩ側共に非導通の状態となる。この結果、電気化学素子１の電圧は、ＩＲドロップに相当する戻りが生じるため、過放電状態から回復する。

本実施例に係る過充電保護装置によれば、電気化学素子１に対し充放電を行った場合、過充電状態及び過放電状態における充放電用制御ＩＣ２、ＦＥＴ１及びＦＥＴ２が動作するため、電気化学素子１であるリチウムイオンキャパシタに対する保護効果を得ることができる。

本発明の第２の実施例に係る過充電保護装置について説明する。
本実施例に係る過充電保護装置では、充電制御側の充電制御用電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ１）が故障した場合を想定した。一般的に電界効果型トランジスタは、故障するとゲート入力によらずソース−ドレイン間が常時導通状態となる導通故障となることが多い。

図１に示すＦＥＴ１が導通故障した場合、通常充放電時でもＦＥＴ１は導通状態であるため、充電電流はＦＥＴ１側にも流れることとなり、充電時及び放電時にロスが生じてしまう。また、充放電待機の状態でもＦＥＴ１側に電流が流れてしまうため、電気化学素子１の電圧は急速に低下してしまい、エネルギーを蓄えておくことができなくなってしまう。このことから、ＦＥＴ１の故障に伴う電気化学素子１の故障を防ぐために、以下の手段を実施した。

本実施例に係る過充電保護装置では、第１の実施例に係る過充電保護装置の回路構成に、図２に示すように、充放電用制御ＩＣ２の充電制御部の出力及び電気化学素子１の電圧均等化作用のための抵抗ＲＩとＸＯＲ端子の保護用抵抗Ｒ１ａ、Ｒ１ｇ（図示省略）を備え、抵抗ＲＩによる電圧降下を検出する電圧降下検出回路１２を配置し、抵抗ＲＩによる電圧降下分をＸＯＲ回路９に入力して故障検出回路１０の出力を警報器（図示省略）を制御する警報出力回路１１に配置された警報制御用の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ３）のゲートに接続した。つまり、ＦＥＴ３は警報出力回路１１のスイッチとして機能している。

次に、本実施例に係る過充電保護装置の動作について説明する。
本実施例に係る過充電保護装置においては、充電側制御部３の出力と、電気化学素子１の電圧調整用の抵抗ＲＩの電圧降下を見ている。ＦＥＴ１の正常時には、ＦＥＴ１のゲート入力がＬｏｗレベルの場合、ＦＥＴ１はＯＦＦなので電圧降下はなく（又は、極めて小さく）、故障検出回路１０の出力はＬｏｗレベルとなる。この結果、警報出力回路１１のスイッチもＯＦＦとなる。

また、ＦＥＴ１のゲート入力がＨｉレベルの場合、ＦＥＴ１はＯＮなので電流が流れ、抵抗ＲＩの電圧降下もＨｉレベルとなり、ＸＯＲ回路９に常に同じ入力があるため、故障検出回路１０の出力はＬｏｗレベルとなる。この結果、警報出力回路１１のスイッチもＯＦＦとなる。

これに対し、ＦＥＴ１の導通故障時には、ＦＥＴ１のゲート入力によらずソース−ドレイン間が常時導通状態となるため、ゲート入力がＬｏｗレベルであるのにもかかわらず、ＦＥＴ１はＯＮ状態となり、抵抗ＲＩでは電圧降下が生じるためＨｉレベルとなる。そして、ＸＯＲ回路９への入力は、一方がＬｏｗレベルとなり、他方がＨｉレベルとなるため、故障検出回路１０の出力はＨｉレベルとなる。この結果、警報出力回路１１のスイッチがＯＮとなって、ＦＥＴ１に異常が発生していることを検出する。

本実施例に係る過充電保護装置によれば、ＦＥＴ１が導通故障となったときに、警報出力回路１１を作動させることができ、ＦＥＴ１の故障を検出することが可能となる。

本発明の第３の実施例に係る過充電保護装置について説明する。
本実施例に係る過充電保護装置では、第１，第２の実施例に係る過充電保護装置において、電気化学素子１をリチウムイオン２次電池とした。本実施例に係る過充電保護装置によれば、第１，第２の実施例に係る過充電保護装置と同等の効果が得られる。

本発明の第４の実施例に係る過充電保護装置について説明する。
本実施例に係る過充電保護装置では、第１，第２の実施例に係る過充電保護装置において、電気化学素子１を電気二重層キャパシタとし、充放電用制御ＩＣ２の過充電検出電圧を２．７Ｖ、過放電検出電圧を１．０Ｖに設定し、各素子を電流及び電圧より適宜選択した。本実施例に係る過充電保護装置によれば、第１，第２の実施例に係る過充電保護装置と同等の効果が得られる。

以上のように、本発明の第１〜第４の実施例に係る過充電保護装置によれば、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン２次電池及びリチウムイオンキャパシタ等の電気化学素子１に対して、電気化学素子１の充電電圧を調整するための抵抗ＲＩとＦＥＴ１を直列に接続した回路を並列に接続し、このＦＥＴ１をリチウムイオン２次電池用の充放電用制御ＩＣ２によって制御することにより、直列接続した電気化学素子１間の充電電圧のばらつきを抑制することができる。

また、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン２次電池及びリチウムイオンキャパシタ等の電気化学素子１に対して、過放電から保護するためのＦＥＴ２を直列に接続し、このＦＥＴ２をリチウムイオン２次電池用の充放電用制御ＩＣ２によって制御することにより、電気化学素子１を過放電から保護することができる。

また、ＦＥＴ１のゲート入力とソース又はドレイン側の電圧を検出し、互いに比較することによりＦＥＴ１の導通故障を検出することが可能となり、ＦＥＴ１の導通故障時に直ちに過充電保護装置の使用を停止することができる。

本発明は、例えば、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン２次電池及びリチウムイオンキャパシタ等の電気化学素子の過充電保護装置に利用することが可能である。

本発明の第１の実施例に係る過充電保護装置の回路構成を示した図である。 本発明の第２の実施例に係る過充電保護装置の回路構成を示した図である。

符号の説明

１ 電気化学素子
２ 充放電用制御ＩＣ
３ 充電側制御部
４ 放電側制御部
５ 駆動入力部
６ 電流検出部
７ グラウンド（ＧＮＤ）
８ ＮＯＴ回路
９ ＸＯＲ回路
１０ 故障検出回路
１１ 警報出力回路
１２ 電圧降下検出回路

Claims (2)

1. 複数の電気化学素子を直列に接続することで構成される電気化学素子ユニットの個々の前記電気化学素子を過充電及び過放電から保護する過充電保護装置において、
   前記電気化学素子の端子電圧を監視して所定の電圧以上となったときに充電側制御出力信号を出力し、且つ、前記電気化学素子の放電電流を監視して所定の電流以上となったとき、又は、前記電気化学素子を監視して所定の電圧以下となったときに放電側制御出力信号を出力する制御回路と、
   前記電気化学素子に並列に接続され、前記充電側制御出力信号に基きＯＮとなる充電制御用電界効果型トランジスタと、
   前記電気化学素子に直列に接続され、前記放電側制御出力信号に基きＯＦＦとなる放電制御用電界効果型トランジスタと、
   前記充電側制御出力信号と前記充電制御用電界効果型トランジスタのソース又はドレイン側の電圧とにより、前記充電制御用電界効果型トランジスタの導通故障を検出して出力する故障検出回路と
   を備えた
   ことを特徴とする過充電保護装置。
2. 前記故障検出回路は、前記充電側制御出力信号と前記電気化学素子の前記充電制御用電界効果型トランジスタ側の電圧との排他的論理和演算により、前記充電制御用電界効果型トランジスタの導通故障を検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の過充電保護装置。

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