JP2010178402A - 二次電池保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】充電時以外には、過充電保護に関わる電力消費を抑制し、一度過充電状態となった場合に、二度と充電動作を行えないようにする二次電池保護回路を提供する。
【解決手段】充電配線の導通／非導通を切替えることにより、二次電池の充電の許可と禁止を切替える第１スイッチと、二次電池の電圧を検出し、該電圧が過電圧であれば異常信号を出力する、電圧検出部と、一端が正側配線に他端が負側配線に接続されており、供給電力に応じた電流が流れる、第１電流経路と、を備え、第１電流経路は、二次電池の充電中以外は非導通状態とされるとともに、導通状態のときに異常信号が出力された場合には、所定量以上の電流が流れることにより、不可逆的に非導通状態となり、第１スイッチは、第１電流経路が導通状態のときには充電を許可する一方、第１電流経路が非導通状態のときには禁止とする二次電池保護回路とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池を充電するとともに過充電などを防止する、二次電池保護回路に関する。

近年、二酸化炭素の排出量を抑えることのできるエネルギー供給システムとして、太陽電池や、風力等の自然エネルギー発電により発生する電力を電力変換装置により商用周波数の交流電力に変換し、この交流電力を商用電力系統やＡＣ負荷に供給する、分散電源システムの普及が進んでいる。

自然エネルギーを用いた電源装置等は、日射量や風量などの自然条件により出力が変動するため、安定した出力を得るためには変動を補償するための蓄電設備が必要である。この蓄電設備に蓄えるべきエネルギーの量は、自然エネルギー発電の変動のうちどのくらいの周期の変動を平準化しようとするかによって変化する。

一般的な住宅に設置される太陽光発電システムでは、３〜５ｋＷの容量の太陽電池を備えるが、太陽電池は９〜１５ｋＷｈのエネルギーを１日に発電する。そのため、昼間の太陽光発電電力を夜間も使えるように蓄電する場合には、住宅の夜間の電力負荷の大きさに依存するが、数ｋＷｈの大容量の蓄電設備が必要であると考えられる。

そこで近年では、上記のような大容量の蓄電設備に利用できる蓄電池として、リチウムイオン二次電池が注目されている。リチウムイオン二次電池は、高エネルギー密度、高充放電効率、密閉型などの特徴を有するため、大容量で小型かつ長寿命を実現できる蓄電池として有望である。

リチウムイオン二次電池は、正極材料および負極材料の種類によって電圧が異なるが、負極材料にグラファイトを使用するものは、単電池では概ね３〜４Ｖの電圧を発生させる。この単電池を多数直列に接続して１００〜２００Ｖの電圧を発生させる組電池を構成することで、大容量の蓄電設備として利用することができる。

このようなリチウムイオン二次電池の組電池においては、単電池の電圧が上限電圧を上回ったり下限電圧を下回ったりした場合に、電池の破損や復帰できない障害を電池が受ける場合がある。そのため、全ての単電池の電圧を監視して充放電を管理することが必要である。また、二次電池の充放電等において、無駄な電力消費を極力抑制することも重要である。

このような問題点に関する従来技術として、特許文献１には、充電器又は負荷との間で直流電力の授受を行うための正極性端子及び負極性端子と、これら端子間電路に二次電池と直列に挿入接続された電路遮断素子と、前記二次電池の電力容量を検出して過充電状態か否かを判定し過充電状態のときは前記電路遮断素子を駆動して前記電路を遮断する過充電検出回路とを少なくとも備えて成る二次電池保護装置において、前記電路遮断素子の両端電位差又は電力変動方向を検出して前記二次電池が充電状態か放電状態かを判定し、充電状態のときのみ前記過充電検出回路の動作を許容する起動制御回路を有する二次電池保護装置が開示されている。

本文献の技術によれば、放電時における過充電検出回路の起動が抑制され、無駄な電力消費を抑制させる効果が得られる。

特開平８−３７７３７号公報 特開２００１−３７０９６号公報 特開２００３−１３２８６２号公報

しかしながら、リチウムイオン二次電池の過充電時には、電池内部での電解液の分解反応による発熱や、リチウム金属の析出反応に伴う内部短絡による発熱や発火の危険性があるため、過充電に対する二重保護が必要不可欠である。

特許文献１の技術は、過放電および過充電に対しそれぞれ２つの検出回路を備えることにより保護動作を実現している。しかし、高電圧側の保護は最終保護とすべきであり、一旦最終保護が作動した後は、二度と充電動作を行うことができないような非復帰の保護とする必要があるが、該文献はこのような技術に関するものではない。

なお、遮断素子としてＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴを使用した場合、オン状態で故障する（オフ状態に戻らない）モードが報告されており、該文献はこのような課題を解決する技術に関するものではない。

本発明は上記問題を解決するためになされたもので、充電時以外には、過充電保護に関わる電力消費を抑制するとともに、一度過充電状態となった場合に、二度と充電動作を行えないようにする二次電池保護回路の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る二次電池保護回路は、二次電池の正極に接続される正極端子、および該二次電池の負極に接続される負極端子と、外部電源と該正極端子を結ぶ正側配線、および該外部電源と該負極端子を結ぶ負側配線を有する充電配線と、を備え、該外部電源からの供給電力を、該充電配線を介して該二次電池に伝送し、該二次電池の充電を行う二次電池保護回路であって、該充電配線の導通／非導通を切替えることにより、該二次電池の充電の許可と禁止を切替える第１スイッチと、該二次電池の電圧を検出し、該電圧が過電圧であれば異常信号を出力する、電圧検出部と、一端が正側配線に他端が負側配線に接続されており、前記供給電力に応じた電流が流れる、第１電流経路と、を備え、第１電流経路は、該二次電池の充電中以外は非導通状態とされるとともに、導通状態のときに前記異常信号が出力された場合には、所定量以上の電流が流れることにより、不可逆的に非導通状態となり、第１スイッチは、第１電流経路が導通状態のときには前記充電を許可する一方、第１電流経路が非導通状態のときには禁止とする構成とする。

本構成によれば、二次電池の充電中に過充電が検出された場合には、第１電流経路は不可逆的に非導通状態となり、充電は禁止に固定される。そのため、二次電池が一度過充電状態となった場合に、二度と充電動作を行えないようにすることが可能である。また第１電流経路は、二次電池の充電中以外（通常、過充電保護の必要がないといえる）では非導通状態となるため、第１電流経路等での電力消費を抑制することが可能となる。なお、所定量以上の電流が流れることにより、第１電流経路を不可逆的に非導通状態とすることは、例えば電流ヒューズを挿入することにより容易に実現され得る。

また上記構成において、前記第１電流経路は、抵抗可変部および遮断素子が、直列に接続されて形成されており、該抵抗可変部は、前記異常信号が出力されたときに導通状態となる第２スイッチと、所定の抵抗素子とが、並列に接続されて形成されており、該遮断素子は、第２スイッチが導通状態となることによって、第１電流経路を流れる電流が前記所定量以上となる構成としてもよい。

本構成によれば、異常信号が出力された場合に、第１電流経路を流れる電流を所定量以上とするための動作を、容易に実現させることが可能となる。

また上記構成において、前記二次電池の充電中に、所定の充電信号を出力する充電信号出力部を備え、前記第１電流経路は、該充電信号が出力されたときに導通状態となる第３スイッチが、前記抵抗可変部および遮断素子と、直列に接続されて形成されている構成としてもよい。

本構成によれば、二次電池の充電中以外は、第１電流経路を非導通状態とする動作を、容易に実現させることが可能となる。

また上記構成としてより具体的には、前記充電信号出力部は、２種類のバイアス抵抗素子、および、１次側と２次側が絶縁された絶縁信号伝達素子を備えた第２電流経路を有し、該第２電流経路は、該２種類のバイアス抵抗素子、および該絶縁信号伝達素子の２次側が、前記正側配線と負側配線の間にそれぞれ直列に接続されて形成されており、更に該充電信号出力部は、二次電池の充電時に、該絶縁信号伝達素子の１次側に電流を流すことで、該絶縁信号伝達素子の２次側を導通させ、該導通によって生じる電圧または電流を、前記充電信号として出力する構成としてもよい。

また上記構成において、前記充電信号が出力されているか、前記異常信号が出力されているか、および、前記二次電池の充電がなされているかを監視する、監視部を備えた構成としてもよい。

そして更に、前記監視部は、前記充電信号が出力されていること、前記異常信号が出力されていること、および、前記二次電池が充電されていることが検出された場合、該検出がなされたことを表す信号を外部に出力する動作、または、前記充電配線を遮断する動作、を行う構成としてもよい。

本構成によれば、例えば第１スイッチが、故障のために非導通状態とならない事態になっても、二次電池が過剰に充電されてしまうことを、極力防止することが可能となる。そのため、二次電池保護回路の安全性をより一層向上させることが可能となる。

また上記構成において、前記第１スイッチを構成する素子の温度が所定閾値を超えている場合に、所定の過昇温信号を出力する過昇温信号出力部を備え、前記第２スイッチは、該過昇温信号が出力されたときにも、導通状態となる構成としてもよい。

上述の通り、本発明に係る二次電池保護回路によれば、二次電池の充電中に過充電が検出された場合には、第１電流経路は不可逆的に非導通状態となり、充電は禁止に固定される。そのため、二次電池が一度過充電状態となった場合に、二度と充電動作を行えないようにすることが可能である。また第１電流経路は、二次電池の充電中以外（通常、過充電保護の必要がないといえる）では非導通状態となるため、第１電流経路等での電力消費を抑制することが可能となる。

本発明の実施例１に係る二次電池保護回路の構成図である。 本発明の実施例２に係る二次電池保護回路の構成図である。

本発明の実施形態について、実施例１および実施例２をそれぞれ挙げて、以下に説明する。

［実施例１］
本発明の一実施形態（実施例１）に係る二次電池保護回路の構成を、図１に示す。本図に示すように二次電池保護回路１は、充放電器１１、第１電流経路１２、電圧監視ＩＣ１３、スイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴ）Ｓ１、抵抗（Ｒ３〜Ｒ５）、フォトカプラＰ１、正極端子Ｔ１、および負極端子Ｔ２などを備えている。

なお、正極端子Ｔ１には二次電池２（リチウムイオン二次電池）の正極が、負極端子Ｔ２には二次電池２の負極が、それぞれ接続されるようになっている。またここでは、二次電池２として、満充電時においては５０Ｖとなり、十分に放電した後は４０Ｖ程度となるものが採用されている。

充放電器１１は、整流回路１１ａ、充電側ＤＣ／ＤＣコンバータ１１ｂ、および放電側ＤＣ／ＤＣコンバータ１１ｃが設けられている。また充放電器１１は、スイッチ素子Ｓ１を介して正極端子Ｔ１に接続される端子Ａ１と端子Ｂ１、負極端子Ｔ２に接続される端子Ａ２と端子Ｂ２、電力系統３に接続される端子Ｃ１と端子Ｃ２、および負荷４に接続される端子Ｄ１と端子Ｄ２を備えている。なお電力系統３（外部電源）は、二次電池２に充電電力を供給するものであり、負荷４は、二次電池２の放電電力が供給されるものである。また、場合によっては、電力系統３は二次電池２を介さず充放電器を介して負荷４へ電力を供給する状態があっても構わない。

また整流回路１１ａは、端子Ｃ１とＣ２を介して電力系統３から供給された電力を整流し、充電側ＤＣ／ＤＣコンバータ１１ｂに伝送する。充電側ＤＣ／ＤＣコンバータ１１ｂは、整流回路１１ａから伝送された充電電力の電圧を調整し、端子Ａ１とＡ２を介して、二次電池２側に出力する。また、放電側ＤＣ／ＤＣコンバータ１１ｃは、端子Ｂ１とＢ２を介して二次電池２側から供給された放電電力の電圧を調整し、端子Ｄ１とＤ２を介して、負荷４側に出力する。

また充電側ＤＣ／ＤＣコンバータ１１ｂは、二次電池２の充電時においては、充放電器１１に備えられている端子Ａ３に所定の電圧Ｖｃｃを与える一方、それ以外の時は、端子Ａ２の電圧と同じ電圧を与える。これにより充放電器１１は、二次電池２の充電時において、端子Ａ３と端子Ａ２の間に接続されているフォトカプラＰ１の１次側に所定電流が流れるようにし、フォトカプラＰ１の二次側を導通させる。

上記構成により、端子Ｃ１とＣ２に電力系統３が接続されることによって、充電動作が開始されることになる。すなわち、端子Ａ１と正極端子Ｔ１を結ぶ配線（正側配線）および端子Ａ２と負極端子Ｔ２を結ぶ配線（負側配線）を有する充電配線を介して、電力系統３と二次電池２が接続され、電力系統３から二次電池２に充電電力が供給される。ただしスイッチ素子Ｓ１が非導通状態のときは、正側配線も非導通となり、充電は禁止された状態となる。なお、充放電器１１においては、電圧監視ＩＣ１３から所定の充電命令を受けた場合に、充電が開始されるようになっていても良い。

また、端子Ｄ１とＤ２に負荷４が接続された上で、負荷４が電力供給を要求している場合（例えばユーザ等により、負荷４における電源スイッチがＯＮにされている場合）には、放電動作が開始されることとなる。

また第１電流経路１２は、一端（正側）が、端子Ａ１とスイッチ素子Ｓ１との間（正側配線）に接続されており、他端（負側）が、端子Ａ２と負極端子Ｔ２との間（負側配線）に接続されている。また第１電流経路１２は、正側から負側に向かって、抵抗Ｒ１、電流ヒューズＨ１、可変抵抗部１４、およびスイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴ）Ｓ３の各々が順に直列に接続されて、形成されている。

より具体的には、抵抗Ｒ１の一端は、端子Ａ１とスイッチ素子Ｓ１のソースとの間に接続され、抵抗Ｒ１の他端は、電流ヒューズＨ１の一端に接続されている。また可変抵抗部１４の一端は、電流ヒューズＨ１の他端に接続されており、可変抵抗部１４の他端は、スイッチ素子Ｓ３のドレインに接続されている。またスイッチ素子Ｓ３のソースは、端子Ａ２と負極端子Ｔ２との間に接続されている。なお、スイッチ素子Ｓ１のゲートは、抵抗Ｒ１と電流ヒューズＨ１の間に接続されている。

また可変抵抗部１４は、スイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴ）Ｓ２と抵抗Ｒ２が、互いに並列に接続されて形成されている。これにより可変抵抗部１４は、スイッチ素子Ｓ２のゲートに後述する異常信号が入力されていない場合は、抵抗値がほぼ抵抗Ｒ２の抵抗値となり、逆に異常信号が入力されている場合は、スイッチ素子Ｓ２が導通状態となるため、抵抗値は無視できる程度となる。

電圧監視ＩＣ１３は、正極端子Ｔ１と負極端子Ｔ２との間の電圧（つまり二次電池２の電圧）を継続的に検出し、この検出された電圧が５１Ｖを超えた場合には、二次電池２が過充電状態（もしくは単セル過充電等の異常状態）となったことを表す信号（異常信号）を発生させ、スイッチ素子Ｓ２のゲートに出力する。

またフォトカプラ（１次側と２次側が絶縁された、絶縁信号伝達素子と見ることもできる）Ｐ１の１次側は、アノードが、端子Ａ３に接続され、カソードが、抵抗Ｒ５を介して端子Ａ２に接続されている。またフォトカプラＰ１の２次側は、コレクタが、抵抗Ｒ３を介して正側配線（端子Ａ１とスイッチ素子Ｓ１の間）に接続されており、エミッタが、抵抗Ｒ４を介して負側配線に接続されている。このように、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４、およびフォトカプラＰ１の２次側は、正側配線と負側配線の間に直列に接続されており、フォトカプラＰ１の２次側の導通時には電流が流れるようになっている。

またスイッチ素子Ｓ３のゲートは、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の間に接続されている。これにより二次電池２の充電時には、後述する通り、スイッチ素子Ｓ３のゲートに充電信号が入力され、スイッチ素子Ｓ３は導通状態となる。

なお抵抗Ｒ１の抵抗値は５０Ω、抵抗Ｒ２の抵抗値は１５０Ω、抵抗Ｒ３の抵抗値は５０ｋΩ、抵抗Ｒ４の抵抗値は１０ｋΩ、抵抗Ｒ５の抵抗値は１００Ωである。また電流ヒューズＨ１としては、定格０．５Ａで溶断するものが採用されている。また電力系統３は、例えば太陽電池や燃料電池等であっても構わず（ＤＣ電源の場合には、整流回路１１ａは省略可）、その種類は問わない。また負荷４は、例えばＡＣ負荷やＤＣ負荷等であっても構わず（ＡＣ負荷の場合には、放電側にインバータ回路等が設けられる）、その種類は問わない。

次に、二次電池保護回路１における充電動作（電力系統３を用いた二次電池２の充電動作）の内容について説明する。

充電動作の開始前においては、各スイッチ素子（Ｓ１〜Ｓ３）およびフォトカプラＰ１の二次側はすべてオフであり、二次電池２は、電圧監視ＩＣ１３を除き、二次電池保護回路１のどの部分にも電力を供給していない。また現時点での二次電池２の電圧は、４０Ｖ程度になっているとする。そして先述したように、端子Ｃ１とＣ２に電力系統３が接続されると、充電動作が開始されることとなる。このとき充放電器１１は、端子Ａ１とＡ２から電力を出力することができる状態となり、また端子Ａ３に電圧Ｖｃｃを印加して、フォトカプラＰ１の１次側に所定の電流を流す。

これにより、フォトカプラＰ１は２次側を導通させることになる。また、端子Ａ１と端子Ａ２の間には、電力系統３から充電電圧が印加されているから、フォトカプラＰ１の２次側のオン抵抗を無視すると、スイッチ素子Ｓ３のゲートには、充電電圧が抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４によって分圧された電圧（充電信号）が入力される。これにより、スイッチ素子Ｓ３はオン状態（導通状態）となる。

そしてスイッチ素子Ｓ３がオン状態となったことにより、更にスイッチ素子Ｓ１のゲートには、充電電圧が抵抗Ｒ１と可変抵抗部１４によって分圧された電圧が印加される。なおこのとき、電圧監視ＩＣ１３は異常信号を出力していないので、可変抵抗部１４は、実質的に抵抗Ｒ２と同等の抵抗を有する。これにより、スイッチ素子Ｓ１はオン状態となり、ひいては端子Ａ１と正極端子Ｔ１が接続される。つまり、正側配線が導通して充電は許可された状態となり、二次電池２の充電が開始される。

その後、二次電池２は、徐々に充電されていくことになる。なお、充電中に電流ヒューズＨ１を流れる電流は、電流ヒューズＨ１の内部抵抗やスイッチ素子（Ｓ２、Ｓ３）のオン抵抗などを無視すると、通常は多くても（二次電池２の電圧が、満充電時の５０Ｖとなった場合であっても）、
５０Ｖ／（抵抗Ｒ１の抵抗値＋抵抗Ｒ２の抵抗値）
＝５０Ｖ／２００Ω
＝０．２５Ａ （＜０．５Ａ）
程度であるから、電流ヒューズＨ１が溶断することはない。

そして充電側ＤＣ／ＤＣコンバータ１１ｂは、例えば端子Ａ１とＡ２の電圧を監視して、二次電池２の満充電（５０Ｖとなったこと）を検出すると、充電側ＤＣ／ＤＣコンバータ１１ｂの内部における電力の伝送経路を遮断する。その結果、二次電池２には電力が供給されない状態となる（つまり、二次電池２の充電が停止される）。

上述したように、通常の充電動作によれば、二次電池２が適切に（つまり、満充電となるまで）充電された後、当該充電は停止されることになる。しかし、例えば充放電器１１の故障などによって、満充電となっても当該充電が停止されずに継続される場合には、二次電池保護回路１は、二次電池２の過充電を防止する動作（保護動作）を行う。ここで当該保護動作の内容について説明する。

満充電となっても充電が継続された結果、二次電池２の電圧が５１Ｖに達すると、電圧監視ＩＣ１３は、スイッチ素子Ｓ２のゲートに異常信号を与える。これにより、スイッチ素子Ｓ２はオン状態となる。

この場合、抵抗Ｒ２はバイパスされ、可変抵抗部１４における抵抗値は無視できる程度となる。そのため、電流ヒューズＨ１に流れる電流は、電流ヒューズＨ１の内部抵抗やスイッチ素子（Ｓ２、Ｓ３）のオン抵抗などを無視すると、
５１Ｖ／（抵抗Ｒ１の抵抗値）
＝５１Ｖ／５０Ω
＝１．０２Ａ （＞０．５Ａ）
程度となるため、電流ヒューズＨ１は溶断する。つまり、スイッチ素子Ｓ２がオン状態となることで、第１電流経路１２を流れる電流が０．５Ａ以上となり、電流ヒューズＨ１が溶断する。

そのため、スイッチ素子Ｓ１のゲート電圧は正側配線の電圧にプルアップされ、スイッチ素子Ｓ１はオフ状態となる。これにより、二次電池２の充電は停止される。以上に説明した保護動作によって、二次電池２がそれ以上充電されることを、防止することが可能となっている。なお電流ヒューズＨ１が溶断すると、第１電流経路１２は不可逆的に非導通状態となり、スイッチ素子Ｓ１は二度とオン状態とはならない。

次に、二次電池保護回路１における放電動作（二次電池２を放電させ、負荷４側に電力を供給する動作）の内容について説明する。

先述したように、端子Ｄ１とＤ２に負荷４が接続された上で、負荷４が電力供給を要求すると、放電動作が開始される。この場合、二次電池２の放電による電力は、スイッチ素子Ｓ１のボディーダイオードを経由して、負荷４に供給されることとなる。これにより、二次電池２から負荷４への電力供給が実現される。

以上のように、二次電池保護回路１は、電力系統３の正側と正極端子Ｔ１を結ぶ正側配線、および電力系統３の負側と負極端子Ｔ２を結ぶ負側配線を有する、充電配線を備えており、電力系統３からの供給電力を、充電配線を介して二次電池２に伝送し、二次電池２の充電を行うものとなっている。

また二次電池保護回路１は、この充電配線の導通／非導通を切替えることにより、二次電池２の充電の許可と禁止を切替えるスイッチ素子Ｓ１を備えている。また、二次電池２の電圧を検出し、該電圧が過電圧であれば異常信号を出力する電圧監視ＩＣ１３、および、一端が正側配線に他端が負側配線に接続されており、供給電力に応じた電流が流れる、第１電流経路１２を備えている。

そして第１電流経路１２は、二次電池２の充電中以外は充電信号が出力されず、非導通となる。また導通状態のときに異常信号が出力された場合には、電流ヒューズＨ１が溶断して、不可逆的に非導通状態となる。また、スイッチ素子Ｓ１は、抵抗Ｒ１と可変抵抗部１４の間の電位に応じて、充電の許可と禁止を切替えるようになっている。これにより、第１電流経路１２が導通状態のときには充電を許可する一方、第１電流経路１２が非導通状態の時には禁止とするようになっている。

これにより、二次電池２の充電中に過充電が検出された場合には、第１電流経路１２は不可逆的に非導通状態となり、充電は禁止に固定される。そのため、二次電池２が一度過充電状態となった場合に、二度と充電動作を行えないようにすることが可能となっている。

また第１電流経路１２は、二次電池２の充電中以外（通常、過充電保護の必要がないといえる）では非導通状態となるため、第１電流経路１２等での電力消費を抑制することが可能となっている。なお充電時以外は、スイッチ素子Ｓ１を遮断状態としておけばよいため、その間は、スイッチ素子Ｓ１のゲートへの電力供給が必要とならず、ひいては、電力損失を極力減らすことができる。またスイッチ素子Ｓ１やスイッチ素子Ｓ３をオン状態とするための電力は、外部から供給することが可能となっている。

［実施例２］
次に、本発明の他の実施形態（実施例２）に係る二次電池保護回路の構成を、図２に示す。なお本実施例の構成は、監視部１５、ブレーカーＢ１、端子Ｆ１、抵抗（Ｒ６〜Ｒ８）、およびフォトカプラＰ２を新たに設け、スイッチ素子Ｓ１のオン故障（例えばオン状態のまま故障し、オフ状態に戻らない状態）に対応可能とした点等を除いては、基本的に実施例１と同様である。そのため以下では、実施例１と共通の構成部分についての説明を省略する場合がある。また図２においては、スペースの関係上、一部（左側の部分）の記載が省略されているが、省略された部分の構成は、図１での同部分の構成と同じである。

フォトカプラＰ２は、一次側のダイオードについては、アノードが、抵抗Ｒ８を介して、スイッチ素子Ｓ３のソースと抵抗Ｒ７の一端との間に接続されており、カソードが、端子Ａ２に接続されている。また二次側のトランジスタについては、コレクタが、フォトカプラＰ１の一次側と抵抗Ｒ５の一端との間に接続されており、エミッタが、抵抗Ｒ６の一端に接続されている。また抵抗Ｒ７の他端や抵抗Ｒ６の他端は、端子Ａ２に接続されている。

また充放電器１１には、フォトカプラＰ２の二次側と抵抗Ｒ６の間の電位を検出するための端子Ｆ１が設けられている。更に充放電器１１には、整流回路１１ａと充電側ＤＣ／ＤＣコンバータ１１ｂを結ぶ経路（つまり、充電配線の一部）を遮断状態とすることが可能な、ブレーカーＢ１が設けられている。

また監視部１５は、端子Ａ３および端子Ｆ１における電圧の情報、電圧監視ＩＣ１３が出力する検出情報（二次電池２の電圧の情報）、および異常信号の出力の有無などを継続的に検出する。そして所定の条件が満たされた場合に、ブレーカーＢ１を遮断状態とする。なお当該条件の内容については、改めて説明する。また、抵抗Ｒ６の抵抗値は１００Ω、抵抗Ｒ７の抵抗値は１Ω、抵抗Ｒ８の抵抗値は１０Ωである。

次に、二次電池保護回路１における充電動作の内容について説明する。

充電動作の開始前においては、各スイッチ素子（Ｓ１〜Ｓ３）および各フォトカプラ（Ｐ１、Ｐ２）の二次側はすべてオフであり、二次電池２は、電圧監視ＩＣ１３を除き、二次電池保護回路１のどの部分にも電力を供給していない。そして、端子Ｃ１とＣ２に電力系統３が接続されると、充電動作が開始されることとなる。このとき充放電器１１は、端子Ａ１とＡ２から電力を出力することができる状態となり、また端子Ａ３に電圧Ｖｃｃを印加して、フォトカプラＰ１の１次側に所定の電流を流す。

そしてスイッチ素子Ｓ３がオン状態となったことにより、更にスイッチ素子Ｓ１のゲートには、充電電圧が抵抗Ｒ１と可変抵抗部１４によって分圧された電圧（抵抗Ｒ７の抵抗値は、抵抗Ｒ１や抵抗Ｒ２の抵抗値に比べて十分に小さいので、ここでは無視している）が印加される。

なおこのとき、電圧監視ＩＣ１３は異常信号を出力していないから、可変抵抗部１４は、実質的に抵抗Ｒ２と同等の抵抗を有する。これにより、スイッチ素子Ｓ１はオン状態となり、ひいては端子Ａ１と正極端子Ｔ１が接続される。つまり、正側配線が導通して充電は許可された状態となり、二次電池２の充電が開始される。更にこのとき、フォトカプラＰ２の１次側に電流が流れて２次側がオン状態となるため、充放電器１１における端子Ｆ１の電圧は、端子Ａ３の電圧と同等になる。

その後、二次電池２は、徐々に充電されていくことになる。なお、充電中に電流ヒューズＨ１を流れる電流は、電流ヒューズＨ１の内部抵抗、スイッチ素子（Ｓ２、Ｓ３）のオン抵抗、および抵抗Ｒ７の抵抗などを無視すると、通常は多くても（二次電池２の電圧が、満充電時の５０Ｖとなった場合であっても）、
５０Ｖ／（抵抗Ｒ１の抵抗値＋抵抗Ｒ２の抵抗値）
＝５０Ｖ／２００Ω
＝０．２５Ａ （＜０．５Ａ）
程度であるから、電流ヒューズＨ１が溶断することはない。

そして充電側ＤＣ／ＤＣコンバータ１１ｂは、例えば端子Ａ１とＡ２の電圧を監視して、二次電池２の満充電（５０Ｖとなったこと）を検出すると、充電側ＤＣ／ＤＣコンバータ１１ｂの内部における電力の伝送経路を遮断する。その結果、二次電池２には電力が供給されない状態となる（つまり、二次電池２の充電が停止される）。なおこのとき、スイッチ素子Ｓ３のソース電位も負側配線の電圧にプルダウンされるから、フォトカプラＰ２の２次側もオフ状態となり、端子Ｆ１の電圧は端子Ａ２の電圧と同等になる。

上述したように、通常の充電動作によれば、二次電池２が適切に（つまり、満充電となるまで）充電された後、当該充電は停止されることになる。しかし、例えば充放電器１１の故障などによって、満充電となっても当該充電が停止されずに継続される場合には、二次電池保護回路１は、二次電池２の過充電を防止する動作（保護動作）を行う。ここで当該保護動作の内容について説明する。

満充電となっても充電が継続された結果、二次電池２の電圧が５１Ｖに達すると、電圧監視ＩＣ１３は、スイッチ素子Ｓ２のゲートに異常信号を与える。これにより、スイッチ素子Ｓ２はオン状態となる。

この場合、抵抗Ｒ２はバイパスされ、可変抵抗部１４における抵抗値は無視できる程度となる。そのため、電流ヒューズＨ１に流れる電流は、電流ヒューズＨ１の内部抵抗、スイッチ素子（Ｓ２、Ｓ３）のオン抵抗、および抵抗Ｒ７の抵抗などを無視すると、
５１Ｖ／（抵抗Ｒ１の抵抗値）
＝５１Ｖ／５０Ω
＝１．０２Ａ （＞０．５Ａ）
程度となるため、電流ヒューズＨ１は溶断する。

そのため、スイッチ素子Ｓ１のゲート電圧は正側配線の電圧にプルアップされ、スイッチ素子Ｓ１はオフ状態となる。これにより、二次電池２の充電は停止される。以上に説明した保護動作によって、二次電池２のそれ以上の充電が防止されることとなる。なお電流ヒューズＨ１は溶断されているため、スイッチ素子Ｓ１は二度とオン状態とすることはできない。

しかしながら、スイッチ素子Ｓ１のオン故障が発生している場合には、電流ヒューズＨ１が溶断してもスイッチ素子Ｓ１がオフ状態とならず、このままでは、二次電池２の充電を停止させることはできない。そこで本実施例では、監視部１５における検出結果に基づいてブレーカーＢ１を遮断状態とし、スイッチ素子Ｓ１のオン故障が発生している場合であっても、二次電池２の過充電を防止するようになっている。

より具体的には、監視部１５は、（ａ）充電信号が出力されていること、（ｂ）異常信号が出力されていること、および（ｃ）二次電池２が充電されていること、の全ての条件を満たしている場合に、ブレーカーＢ１を遮断状態とする。

なお、これらの条件が満たされている場合には、電流ヒューズＨ１が溶断しているにも関わらず、スイッチ素子Ｓ１のオン故障が生じているために、二次電池２の充電が継続されていると考えられる。しかしブレーカーＢ１が遮断状態となれば、スイッチ素子Ｓ１のオン故障が生じていても、充電配線経路は強制的に遮断されるため、二次電池２の充電が停止されることになる。

なお上記（ａ）の条件については、端子Ａ３の電圧がＶｃｃとなっているかを検出すること等により判断可能である。また、上記（ｃ）の条件については、電圧監視ＩＣ１３の検出情報（二次電池２の電圧の情報）を参照すること等により判断可能である。また監視部１５は、充電信号が出力されていること、端子Ｆ１の電位が端子Ａ２の電位と同電位になっていること（電流ヒューズＨ１が溶断していると、端子Ｆ１の電位は端子Ａ２の電位と同電位となる）、および、二次電池２の電圧が上昇を続けていること（もしくは、充電配線に電流が流れていること）の各条件を全て満たしたときに、ブレーカーＢ１を遮断状態とするようにしても良い。

また本実施例では、充放電器１１内にブレーカーＢ１を設けることとしているが、ブレーカーＢ１を設ける位置は、二次電池２の充電配線を遮断することができる位置であれば、どこであっても構わない。また本実施例では、上記の各条件が満たされた場合に、監視部１５がブレーカーＢ１を遮断状態とするようになっているが、その代わりに、監視部１５が、各条件が満たされたことを表す情報を外部へ出力するようになっていても構わない。

また本実施例では、二次電池２の過電圧が検出された場合に、スイッチ素子Ｓ２を導通させて電流ヒューズＳ２を溶断するようになっているが、更に、スイッチ素子Ｓ１の温度が所定閾値を超えている場合に、所定の過昇温信号を出力する手段を設けておき、この過昇温信号が出力された場合にも、スイッチ素子Ｓ２が導通するようになっていても構わない。このように、二度と充電が行われないことが望まれる状況となった場合に、スイッチ素子Ｓ２が導通するようになっていれば、所望の保護を実現させることが可能である。

なお、スイッチ素子Ｓ１の過昇温時に充電配線を遮断するためには、温度ヒューズを充電配線に挿入する方法も考えられる。しかし、例えば本システムを直列に接続し対地電圧が高くなった場合（特に２００Ｖ以上）、それに対応した温度ヒューズは現状では商品化されていない。そのため、温度ヒューズによる、スイッチ素子Ｓ１の過昇温時の保護は、実際には困難であるといえる。この点、本実施例の方式では、スイッチ素子Ｓ１を遮断する第一の保護と、それが達成できなかった場合にブレーカーＢ１を遮断する第二の保護で、二重保護を実現させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また本発明は、その主旨を逸脱しない範囲において、種々の改変を加えて実施され得る。

１ 二次電池保護回路
２ 二次電池
３ 電力系統（外部電源）
４ 負荷
１１ 充放電器
１１ａ 整流回路
１１ｂ 充電側ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１ｃ 放電側ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２ 第１電流経路
１３ 電圧監視ＩＣ（電圧検出部）
１４ 可変抵抗部
１５ 監視部
Ｈ１ 電流ヒューズ（遮断素子）
Ｔ１ 正極端子
Ｔ２ 負極端子
Ｓ１ スイッチ素子（第１スイッチ）
Ｓ２ スイッチ素子（第２スイッチ）
Ｓ３ スイッチ素子（第３スイッチ）
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ 抵抗（抵抗素子）
Ｒ３、Ｒ４ 抵抗（バイアス抵抗）
Ｒ５〜Ｒ８ 抵抗
Ｐ１ フォトカプラ（絶縁信号伝達素子）
Ｐ２ フォトカプラ
Ａ１〜Ａ３、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２、Ｄ１、Ｄ２、Ｆ１ 端子

Claims (7)

1. 二次電池の正極に接続される正極端子、および該二次電池の負極に接続される負極端子と、
   外部電源と該正極端子を結ぶ正側配線、および該外部電源と該負極端子を結ぶ負側配線を有する充電配線と、を備え、
   該外部電源からの供給電力を、該充電配線を介して該二次電池に伝送し、該二次電池の充電を行う二次電池保護回路であって、
   該充電配線の導通／非導通を切替えることにより、該二次電池の充電の許可と禁止を切替える第１スイッチと、
   該二次電池の電圧を検出し、該電圧が過電圧であれば異常信号を出力する、電圧検出部と、
   一端が正側配線に他端が負側配線に接続されており、前記供給電力に応じた電流が流れる、第１電流経路と、
   を備え、
   第１電流経路は、
   該二次電池の充電中以外は非導通状態とされるとともに、
   導通状態のときに前記異常信号が出力された場合には、所定量以上の電流が流れることにより、不可逆的に非導通状態となり、
   第１スイッチは、
   第１電流経路が導通状態のときには前記充電を許可する一方、第１電流経路が非導通状態のときには禁止とすることを特徴とする二次電池保護回路。
2. 前記第１電流経路は、
   抵抗可変部および遮断素子が、直列に接続されて形成されており、
   該抵抗可変部は、
   前記異常信号が出力されたときに導通状態となる第２スイッチと、所定の抵抗素子とが、並列に接続されて形成されており、
   該遮断素子は、
   第２スイッチが導通状態となることによって、第１電流経路を流れる電流が前記所定量以上となることを特徴とする請求項１に記載の二次電池保護回路。
3. 前記二次電池の充電中に、所定の充電信号を出力する充電信号出力部を備え、
   前記第１電流経路は、
   該充電信号が出力されたときに導通状態となる第３スイッチが、前記抵抗可変部および遮断素子と、直列に接続されて形成されていることを特徴とする請求項２に記載の二次電池保護回路。
4. 前記充電信号出力部は、
   ２種類のバイアス抵抗素子、および、絶縁信号伝達素子の２次側が、前記正側配線と負側配線の間にそれぞれ直列に接続されて形成された第２電流経路を有し、
   二次電池の充電時に、該絶縁信号伝達素子の１次側に電流を流すことで、該絶縁信号伝達素子の２次側を導通させ、
   該導通によって生じる電圧または電流を、前記充電信号として出力することを特徴とする請求項３に記載の二次電池保護回路。
5. 前記充電信号が出力されているか、前記異常信号が出力されているか、および、前記二次電池の充電がなされているかを監視する、監視部を備えたことを特徴とする請求項３に記載の二次電池保護回路。
6. 前記監視部は、
   前記充電信号が出力されていること、前記異常信号が出力されていること、および、前記二次電池が充電されていることが検出された場合、
   該検出がなされたことを表す信号を外部に出力する動作、または、前記充電配線を遮断する動作、を行うことを特徴とする請求項５に記載の二次電池保護回路。
7. 前記第１スイッチを構成する素子の温度が所定閾値を超えている場合に、所定の過昇温信号を出力する過昇温信号出力部を備え、
   前記第２スイッチは、
   該過昇温信号が出力されたときにも、導通状態となることを特徴とする請求項２に記載の二次電池保護回路。

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