JP3724764B2 - 電池残量測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎi-ＭＨ電池やＬiイオン電池のような２次電池の過電流を、その過電流検出レベルや検出応答時間を可変設定して検出可能な過電流検出回路を備え、上記２次電池と共にパッケージ化するに好適な電池残量測定装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
近時、Ｎi-ＭＨ電池やＬiイオン電池のような充電可能な２次電池の普及が目覚ましく、パーソナルコンピュータを始めとする各種電子機器の電源として幅広く用いられている。また最近では、上記２次電池に対する各種保護回路や、その電池残量を計測する電池残量計測装置等を一体に組み込んでパッケージ化した、所謂電池パックの開発も種々試みられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで電池残量計測装置（Fuel Gauge）は、一般的には２次電池に直列に介挿した充放電電流検出用の抵抗（シャント抵抗）の両端間に発生する電圧からその充放電電流を求める電流計測回路を備え、この電流計測回路にて検出された充放電電流をマイクロプロセッサにおいて積算することで、その電池残量を求める如く構成される。またこのような電流計側機能に加えて、２次電池の過電流を検出し、速やかに過電流対策を施して２次電池や、該２次電池によって駆動される電子機器を保護する過電流保護回路も設けられる。
【０００４】
しかしながら従来においては、上述した電流計測回路や過電流検出回路は、専ら、ディスクリート回路部品を用いて構築されており、その消費電力も比較的大きい。しかも電流計測回路により検出された電流値を判定して過電流を検出することも行われている。この場合には、電流計側回路のダイナミックレンジを十分に広くする必要があり、電流計測回路の計測精度が損なわれることのみならず、過電流検出の精度も悪くなると言う問題があった。またこれらの回路を独立に構成した場合、その回路構成が大掛かりになることが否めない。この為、過電流検出回路として、従来一般的には、電流ヒューズ等が用いられているが、過電流の検出レベルを正確に設定することができず、また電流ヒューズの溶断速度が電流によって変化するので、適切な過電流対策を講じることができなかった。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、２次電池における過電流を簡易にして確実に検出することができ、しかも消費電力の少ない過電流検出回路を備え、上記２次電池と共にパッケージ化するに好適な電池残量測定装置を提供することにある。
特に本発明は、２次電池の仕様やその用途によって過電流の検出レベルやその検出応答時間を容易に可変設定することができ、しかもＡＳＩＣ化するに適した過電流検出回路を備えた電池残量測定装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係る電池残量測定装置は、充電可能な２次電池の充放電電流を検出してその電池残量を計測する機能に加えて、前記２次電池の過電流を検出する過電流検出回路を備えたものであって、
前記電流計測回路を、単一極性の電源により駆動される高入力インピーダンスの計装用の差動増幅器と、互いに反転動作して前記充放電電流検出用の抵抗の両端間電圧を極性反転して上記差動増幅器に与える極性反転スイッチと、前記充放電電流検出用の抵抗に流れる電流の向きに応じて上記極性反転スイッチを切り換える制御手段とにより構成し、
一方、前記過電流検出回路を、２次電池を流れる電流の向きに応じて単一極性の電源により駆動され、前記２次電池に直列に介挿された充放電電流検出用の抵抗の両端間電圧をその入力極性を異ならせてそれぞれ検出する第１および第２の差動増幅器と、外部設定された基準値と前記各差動増幅器の出力とを比較して前記２次電池に流れる過電流を検出する比較器と、この比較器による過電流検出の継続時間が外部設定された時間に亘って継続したときに前記過電流検出結果を出力すると共に、その出力結果を保持するタイマー回路とを備えて構成したことを特徴としている。
【０００７】
特に好ましい態様は、前記タイマー回路を、前記比較器の出力受けて駆動されるスイッチ回路の下で、外部接続されたコンデンサを定電流源により一定電流で充電しながら、その充電電圧を補助比較器にて内部基準電圧と比較することで、その検出出力が所定の検出応答時間に亘って継続したときにだけ過電流検出結果を出力するようにしたことを特徴としている。特にタイマー回路の作動時間を、前記コンデンサの容量を可変して設定するようにしたことを特徴としている。
【０００８】
即ち、本発明は、過電流の検出レベルを外部設定可能な比較器と、その動作時間を外部設定可能なタイマー回路を備え、２次電池の仕様や特性、更にはその用途に応じた過電流保護を行い得るようにした過電流保護回路を提供する。特に差動増幅器として、充放電電流の極性に応じて駆動される第１および第２の差動増幅器を並列に設けることでその動作極性を単一化し、これによってＡＳＩＣ化に適した過電流保護回路を実現することを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る電池残量測定装置について、２次電池と共にパッケージ化する場合を例に説明する。
図１は２次電池と共に電池残量測定装置をパッケージ化して構築される電池パックの概略構成を示しており、１はＮi-ＭＨ電池やＬiイオン電池からなる２次電池である。この２次電池１は、単一の電池セルからなる場合もあるが、一般的には複数の電池セルを直列接続、更には並列接続した組電池をなす。このように組電池をなす２次電池１には、その充放電電流を検出する為のシャント抵抗２が直列に介挿され、更にその出力はＦＥＴ等からなる半導体スイッチ３を介して取り出されるようになっている。尚、２次電池１の近傍には、該２次電池１の温度を検出するための、サーミスタ等の温度センサ４が組み込まれる。
【００１０】
一方、上記２次電池１の電池残量を計測すると共に、その充放電を制御する電池残量測定装置は、マイクロプロセッサ５と専用回路化されたＡＳＩＣ６とからなる。このＡＳＩＣ６の詳細については後述するが、基本的には前記２次電池１の充放電電流を計測する電流計測回路１０、２次電池１の過電流を検出して前記半導体スイッチ３を遮断する等の保護回路を機能させる過電流保護回路２０、前記２次電池１をなす複数の電池セルの各端子電圧を計測する電圧計測回路３０，前記半導体スイッチ３を駆動するスイッチドライバ（ドライブ回路）４０、更に省電力化の為のパワースイッチ回路５０等を備えて構成される。またマイクロプロセッサ５としては、簡単なＡ／Ｄ変換器５ａを内蔵したものが用いられる。
【００１１】
尚、この電池パックには、上記マイクロプロセッサ５とＡＳＩＣ６とからなる電池残量測定装置に加えて、付加的機能として２次電池１に対する過電圧保護回路７も一体に組み込まれる。この過電圧保護回路７については、前記ＡＳＩＣ６と一体に集積化しても良いものであるが、ここではその動作電圧等を考慮して電流計測回路１０や過電流保護回路２０等からなるＡＳＩＣ６とは別の回路ユニットとして構成されている。更にはこの電池パックには、２次電池１の出力を受けてマイクロプロセッサ５やＡＳＩＣ６等を駆動する定電圧源（図示せず）等が組み込まれる。
【００１２】
しかしてマイクロプロセッサ５は、温度センサ４によって検出される２次電池１の温度を、内蔵したＡ／Ｄ変換器５ａを介して直接入力している。このようにしてマイクロプロセッサ５に取り込まれる温度情報は、２次電池１の充放電電流に基づいて電池残量を計測の際の補正データとして用いられる。即ち、２次電池１の容量特性は該２次電池１の温度に依存することから、２次電池１の充放電電流を積算して電池残量を求める際、上記温度情報に基づいてその演算補正が行われる。
【００１３】
さて前記ＡＳＩＣ６は、全体的には図２に示すように構成される。即ち、ＡＳＩＣ６は前述した電流計測回路１０、過電流保護回路２０、電圧計測回路３０，スイッチドライバ（ドライブ回路）４０、パワースイッチ回路５０に加えて、マイクロプロセッサ５から与えられる制御データを電流計測回路１０やパワースイッチ回路５０、および電圧計測回路３０に分配する論理データ分配回路６０や、２つの電圧検出回路７０,８０を備えて構成される。
【００１４】
ちなみに前記電流計測回路１０は、２次電池１の充放電電流に応じて前記シャント抵抗２の両端間に発生する電圧からその充放電電流を計測し、その計測出力（アナログ値）を前記Ａ／Ｄ変換器５ａを介してマイクロプロセッサ５に与える役割を担う。また過電流保護回路２０は、前記シャント抵抗２の両端間に発生する電圧から過電流を検出したとき、その検出出力（デジタル値）をマイクロプロセッサ５に与える役割を担う。更に電圧計測回路３０は２次電池１の端子電圧、または各電池セルの端子電圧を計測し、その計測出力（アナログ値）を前記Ａ／Ｄ変換器５ａを介してマイクロプロセッサ５に与える役割を担う。同様に２つの電圧検出回路７０,８０は、保護回路等の周辺回路の電圧を検出し、その検出出力（デジタル値）を前記マイクロプロセッサ５に与える役割を担う。
【００１５】
これに対してスイッチドライバ（ドライブ回路）４０は、マイクロプロセッサ５の制御の下で動作し、２次電池１の出力側に設けられた半導体スイッチ３等の作動を制御する役割を担う。このドライブ回路４０による半導体スイッチ３の動作制御により、２次電池１に対する充電と放電とがそれぞれ制御される。このドライブ回路４０は、ｐチャネル形ＦＥＴ，ｎチャネル形ＦＥＴ等によって実現される種々構成の半導体スイッチ３に対応可能なように構成される。
【００１６】
ここで上記ＡＳＩＣ６に組み込まれる電流計測回路１０について詳しく説明すると、この電流計測回路１０は、例えば図３に示すように構成される。
この電流計測回路１０は、単一極性の電源（片電源）によって駆動される高入力インピーダンスの３つの演算増幅器１１,１２,１３を備えている。第１の演算増幅器１１は、利得［２］以上の入力バッファアンプとして用いられており、第２の演算増幅器１２と協働して前記シャント抵抗２の両端間電圧を計測する差動増幅回路を構成している。また第３の演算増幅器１３は上記差動増幅回路の出力段に設けられて、その利得を可変設定する出力バッファアンプをなしている。即ち、第３の演算増幅器１３を出力段に備えた第２の演算増幅器１２は、一方の入力端に前記第１の演算増幅器１１を介して抽出されるシャント抵抗２の一方の端子電圧を入力し、他方の入力端に上記シャント抵抗２の他方の端子電圧を入力することで、該シャント抵抗２の両端間電圧を計測するように構成されており、これらの３つの演算増幅器１１,１２,１３により、高入力インピーダンスで、且つ利得可変型の計装用差動増幅器が構成されている。
【００１７】
しかしてこのような計装用差動増幅器の入力段には、互いに反転動作してシャント抵抗２の両端間電圧の極性を入れ替える極性反転スイッチ（SW1,SW2）１４が組み込まれている。この極性反転スイッチ１４の択一的な作動により、２次電池１の充電時と放電時とで電流の向きが変化し、これによってシャント抵抗２の両端に発生する電圧の極性が異なる場合であっても、計装用差動増幅器の入力端に対して常に単一極性の電圧が与えられるようになっている。換言すれば単一極性の電源によって駆動され、その動作極性が規定されている差動増幅器に対して、シャント抵抗２の両端間電圧が同極性の電圧として与えられるようになっている。
【００１８】
一方、前記第１および第２の演算増幅器１１,１２の各入力端子には、オフセットを付与するための第１のスイッチ群（SW3,〜SW7）１５が接続されている。この第１のスイッチ群１５をなすスイッチSW3,SW4,SW5は、直列接続されて外付けされた抵抗群（R10,〜R13）１６と前記第２の演算増幅器１２の入力端子との間に介挿されており、またスイッチSW6は第１および第２の演算増幅器１１,１２の入力端子間を短絡するように、更にスイッチSW7は第１の演算増幅器１１の入力端子を接地するように設けられている。ちなみに上記抵抗群１６は、例えば基準電圧１.２５Ｖのオフセット電源１７によって駆動されて所定のオフセット電圧を発生するものである。このような第１のスイッチ群１５の互いに連動した選択的な導通駆動により、前記第１および第２の演算増幅器１１,１２の入力端子間にオフセット電圧が付与され、差動増幅特性にオフセットが与えられる。このような第１のスイッチ群１５の駆動によるオフセットの付与は、前述したマイクロプロセッサ５の制御の下で実行される。
【００１９】
また第３の演算増幅器１３の入出力端子間には、第２のスイッチ群（SW8,〜SW11）１８を介して抵抗群（R5,〜R8）１９が設けられており、上記第２のスイッチ群１８の互いに連動した導通駆動により抵抗群（R5,〜R8）１９が選択的に接続されて、該第３の演算増幅器１３のフィードバック系が構成されるようになっている。このような帰還抵抗群（R5,〜R8）１９の介挿により、第３の演算増幅器１３の利得、ひいては計装用差動増幅器の全体的な利得が可変設定される。この第２のスイッチ群１８の選択的な駆動による帰還抵抗R5,〜R8の介挿もまた、前記マイクロプロセッサ５によって制御される。制御端子（SEL0,〜SEL4）は、マイクロプロセッサ５からの制御コマンドを入力し、上述した第１および第２のスイッチ群１５,１８の作動を制御するためのものである。
【００２０】
かくしてこのように構成された電流計測回路１０によれば、シャント抵抗２の両端間電圧を計測することで２次電池１の充放電電流を計測する計装用差動増幅器が、単一極性の電源で駆動される３つの演算増幅器１１,１２,１３で構成されており、その入力インピーダンスは十分に高く設定されている。そして計装用差動増幅器の動作極性に適合させるべく、２次電池１の充電時と放電時とによって変化する電流の向きに応じて極性反転スイッチ１４を切り換えることにより、シャント抵抗２の両端間に発生する電圧の極性を反転させて計装用差動増幅器に与えるようになっている。
【００２１】
従ってこのような回路構成であれば、差動増幅器としての動作範囲を両極性に亘って設定する必要がないので、その駆動電源を含めて計装用差動増幅器の構成を簡素化し、またその消費電力を低く抑えることができる。しかも上記計装用差動増幅器をＡＳＩＣの一部として実現した場合、これをディスクリート回路部品を用いて構築した場合に比較して素子間のばらつきをなくすことができ、特に差動増幅器をなす第１および第２の演算増幅器１１,１２が同一素子上に形成されるので、動作特性上の相対計測精度を飛躍的に高めることができる。
【００２２】
しかしながらシャント抵抗２の両端間電圧を計測するに際しての絶対計測精度については、ＡＳＩＣ６自体の素子特性に依存することが否めない。この点、この電流計測回路１０においては、第２のスイッチ群１５によって設定可能なオフセット付与手段を備え、更には第２のスイッチ群１８によって可変設定可能な利得設定手段を備えているので、簡単な校正処理により絶対計測精度を高めることができる。
【００２３】
具体的には、例えばシャント抵抗２に規定の電流を流し、そのときに計測されるシャント抵抗２の両端間電圧を計測し、これに相当する電流をマイクロプロセッサ５にて計測する。同様にして上記シャント抵抗２に流す規定電流値を変えながら、そのときに計測される両端間電圧、ひいては電流値をそれぞれ計測する。このようにして計測される電流値と、そのときにシャント抵抗２に流した電流値とを対比すれば、電流計測回路１０の計測特性を求めることが可能となり、その計測特性に応じて前述したオフセットを与え、同時に計測利得を可変設定するようにすれば良い。換言すればシャント抵抗２に流した電流値と、電流計測回路１０を介して計測される電流値とが等しくなるように第１および第２のスイッチ群１５,１８を駆動し、該電流計測回路１０を構成する計装用差動増幅器に対してオフセットを与え、且つその利得を調整するようにすれば良い。
【００２４】
従ってこのようにして計装用差動増幅器の動作特性を校正すれば、その絶対計測精度を十分に高めることが可能となり、それ自信の相対計測精度が十分に高いことと相俟って、２次電池１の充放電電流を高精度に、しかも安定に計測することが可能となる。また上述したオフセットの付与と、利得の調整による絶対計測精度の校正については比較的簡単に行うことができ、一旦、その校正処理を完了すればその状態を保持すれば良いので、マイクロプロセッサ５の処理負担となることがない。またこのようにして校正された電流計測回路１０によれば、その計測精度が十分に高いので、構成が簡単で、安価なマイクロプロセッサ５を用いても、高精度に計測された充放電電流の下で、２次電池１の電池残量を高精度に求めることが可能となる。
【００２５】
さて本発明の特徴的な機能を有する過電流保護回路２０は、例えば図４に示すように構成される。この過電流保護回路２０もまた前記シャント抵抗２の両端間電圧から該シャント抵抗２に流れる電流を検出するものであるが、上述した電流計測回路１０と異なるところは、２次電池１の定常的な充放電電流ではなく、特に２次電池１における過電流の発生を検出する点にある。この為、前述した電流計測回路１０とは完全に独立して設けられている。
【００２６】
即ち、この過電流保護回路２０は、その入力段に並列に設けられた２つの差動増幅器２１ａ,２１ｂを備えている。これらの差動増幅器２１ａ,２１ｂも、前述した電流計測回路１０における演算増幅器１１,１２,１３と同様に、単一極性の電源によって駆動されその動作範囲（極性）が規定されたものであり、これらの差動増幅器２１ａ,２１ｂには前記シャント抵抗２の端子間電圧が、その極性を異ならせて並列に入力されるようになっている。具体的には、差動増幅器２１ａは２次電池１の充電電流を検出するように設けられ、また差動増幅器２１ｂは２次電池の放電電流を検出するように設けられている。
【００２７】
尚、この過電流保護回路２０においては、前述した電流計測回路１０に示した極性反転スイッチ１４を設けることに代えて、２つの差動増幅器２１ａ,２１ｂを並列に設けており、これによって２次電池１の充放電に拘わることなく、その過電流を速やかに検出するものとなっている。つまりスイッチの切り替えによる時間的ロスを招くことなく、２次電池１の充電および放電に伴う過電流の発生をそれぞれ確実に、且つ速やかに検出するものとなっている。
【００２８】
しかして一方の差動増幅器２１ａによって検出されたシャント抵抗２の両端間電圧（シャント抵抗２に流れる電流）は、並列に設けられた第１および第２の比較器２２ａ,２２ｂにそれぞれ与えられて第１および第２の基準値とそれぞれ比較される。また他方の差動増幅器２１ｂによって検出されたシャント抵抗２の両端間電圧は、並列に設けられた第３および第４の比較器,２２ｃ,２２ｄにそれぞれ与えられ、前記第１および第２の基準値とそれぞれ比較される。
【００２９】
尚、上記第１および第３の比較器２２ａ,２２ｃは、外部抵抗（R1,R2）２３ａの調整によって設定された第１の過電流検出レベル（第１の基準値;CREF1）と前記各差動増幅器２１ａ,２１ｂにより検出された電流値と比較し、検出電流値が上記第１の基準値を超えるとき、過電流検出信号を発生する役割を担う。また前記第２および第４の比較器２２ｂ,２２ｄは、外部抵抗（R3,R4）２３ｂの調整によって設定された第２の過電流検出レベル（第２の基準値;CREF2）と前記各差動増幅器２１ａ,２１ｂにより検出された電流値と比較して過電流検出信号を発生する役割を担う。換言すれば、差動増幅器２１ａによって検出される２次電池１の充電電流は、第１および第２の比較器２２ａ,２２ｂにて第１の基準値(CREF1)および第２の基準値(CREF2)とそれぞれ比較され、また差動増幅器２１ｂによって検出される２次電池１の放電電流は、第３および第４の比較器２２ｃ,２２ｄにより、第１の基準値(CREF1)および第２の基準値(CREF2)とそれぞれ比較されるようになっている。
【００３０】
しかして第１および第２の比較器２２ａ,２２ｂによる過電流の検出出力は、オア回路（ＯＲ）２４ａからバッファを介して、その検出タイミングにて直接出力されるようになっている。
一方、前記各差動増幅器２１ａ,２１ｂの各出力（検出電流値）を前記第１の基準値(CREF1)とそれぞれ比較する第１および第３の比較器２２ａ,２２ｃの各出力（過電流検出結果）は、オア回路２４ｂにて論理和されている。また前記各差動増幅器２１ａ,２１ｂの各出力（検出電流値）を前記第２の基準値(CREF2)とそれぞれ比較する第２および第４の比較器２２ｂ,２２ｄの各出力（過電流検出結果）は、オア回路２４ｃにて論理和されている。
【００３１】
これらのオア回路２４ｂ,２４ｃは、外付けされたコンデンサ２５ａ,２５ｂの充電特性を利用した２系統のタイマー回路２６ａ,２６ｂをそれぞれ駆動するものである。即ち、各タイマー回路２６ａ,２６ｂは、スイッチSW1a,SW2aを介して上記コンデンサ２５ａ,２５ｂをそれぞれ一定電流で充電する定電流源Iconst1,Iconst2と、上記コンデンサ２５ａ,２５ｂを短絡してリセットするスイッチSW1b,SW2b、そしてコンデンサ２５ａ,２５ｂの充電電圧を所定の基準電圧と比較する比較器２７ａ,２７ｂとからなる。オア回路２４ｂ,２４ｃは、このようなタイマー回路２６ａ,２６ｂのスイッチ群SW1a,SW2a,SW1b,SW2bを選択的に動作させることで、定電流源Iconst1,Iconst2によるコンデンサ２５ａ,２５ｂの充電を開始させる。尚、オア回路２４ｂ , ２４ｃの出力が途絶えたときには、上述したスイッチ SW1b,SW2b によって前記コンデンサ２５ａ , ２５ｂの充電電圧がリセットされる。
比較器（補助比較器）２７ａ,２７ｂは、このようにして充電されるコンデンサ２５ａ,２５ｂの充電電圧と基準電圧とを比較し、該充電電圧が基準電圧に達したときにその出力を発生する。従って比較器２７ａ,２７ｂは、コンデンサ２５ａ,２５ｂの充電電圧が基準電圧に達するまでの時間、換言すれば定電流源 Iconst1,Iconst2 とコンデンサ２５ａ , ２５ｂの容量とによって規定される時間（検出応答時間）に亘って前記オア回路２４ｂ , ２４ｃの出力が継続するまで、前記オア回路２４ｂ,２４ｃの出力を遅延させる役割を担っている。尚、このようなタイマー回路２６ａ,２６ｂによる遅延時間は、外付けされたコンデンサ２５ａ,２５ｂの容量を可変することで調整される。
【００３２】
しかしてタイマー回路２６ａ,２６ｂを介して遅延された前記第１〜第４の比較器２２ａ,２２ｂ,２２ｃ,２２ｄの各出力は、たすき掛け接続されたオア回路からなるラッチ回路（保持回路）２８により保持された後、バッファを介して出力される。即ち、前記第１〜第４の比較器２２ａ,２２ｂ,２２ｃ,２２ｄによってそれぞれ検出された過電流検出結果は、タイマー回路２６ａ,２６ｂを介して所定時間遅延された後、ラッチ回路２８により保持され、バッファを介して出力されるようになっている。
【００３３】
尚、上述した如く差動増幅器２１ａ,２１ｂ介して計測された電流値を、比較器２２ａ,２２ｂ,２２ｃ,２２ｄによりレベル判定することで検出され、バッファを介して出力される過電流検出結果（デジタル値）は、前述したように充電・放電をスイッチ制御する半導体スイッチ（パワーＦＥＴ）３のドライバ回路４０やマイクロプロセッサ５に与えられる。但し、図４においては、上記ドライバ回路４０とマイクロプロセッサ５の入力段を、抵抗とコンデンサとからなる等価的な負荷として示してある。
【００３４】
かくして上述した如く構成される過電流保護回路２０においては、２次電池１の充電電流と放電電流とを２系統の差動増幅器２１ａ,２１ｂによりそれぞれ独立に計測している。そしてこれらの各差動増幅器２１ａ,２１ｂにより計測される電流値は、外部抵抗２３ａ,２３ｂの調整によって設定された第１および第２の過電流検出レベル（第１および第２の基準値;CREF1,CREF2）の下で、前述した比較器２２ａ,２２ｂ,２２ｃ,２２ｄによりそれぞれ独立に比較判定され、過電流の検出が行われる。そしてその過電流検出結果は、コンデンサ２５ａ,２５ｂの容量調整により可変設定されたタイマー回路２６ａ,２６を介して所定時間遅延されて出力される。
【００３５】
即ち、この過電流保護回路２０においては、その主体部をＡＳＩＣ６の一部として集積回路化したにも拘わらず、外部抵抗２３ａ,２３ｂの調整によって過電流の検出レベルを可変設定し、また過電流検出の応答時間をコンデンサ２５ａ,２５ｂの調整により可変設定し得る構成となっている。この結果、２次電池１の仕様やその特性、更にはその用途に応じた過電流保護を適宜施すことができるように汎用化されている。
【００３６】
またこの過電流保護回路２０においては、特に２次電池１の充電時における過電流を検出するための検出系（差動増幅器２１ａ,第１および第２の比較器２２ａ,２２ｂ）と、２次電池１の放電時時における過電流を検出するための検出系（差動増幅器２１ｂ,第３および第４の比較器２２ｃ,２２ｄ）とが独立に設けられ、これらの各系毎に選択的に電源供給がなされるようになっている。このような選択的な電源供給は、後述するパワースイッチ回路５０の下で制御される。この結果、検出系が２系統設けられていると雖もその一方だけが駆動され、これによってその消費電力が略半分に低減されている。特にこのような選択的な電源供給は、マイクロプロセッサ５によるスイッチドライバ（ドライブ回路）４０の駆動に連動して実行され、従って２次電池１の充放電の切り替えタイミングに遅れることなく、即時的に電源供給の選択切り替えが行われるものとなっている。
【００３７】
従って上述した構成の過電流保護回路２０によれば、その入力段が高入力インピーダンスの差動増幅器２１ａ,２１ｂによって構成されており、その回路構成全体が低消費電力化されているので、ＡＳＩＣ６の一部として集積回路化するに好適である。しかも２つの差動増幅器２１ａ,２１ｂや、４つの比較器２２ａ,２２ｂ,２２ｃ,２２ｄ等を１つの素子上に形成することができるので、これらの動作特性のばらつきを抑え、全体に安定した動作を確保することができる。また過電流検出レベルを設定する抵抗２３ａ,２３ｂと、検出応答時間の調整の為のコンデンサ２５ａ,２５ｂだけを外付け部品としているので、その調整が容易であり、２次電池１の仕様や、その使用形態に応じた調整が可能となる等の効果が奏せられる。
【００３８】
ところで前述した過電流保護回路２０における２系統の検出系に対して選択的に電源供給するパワースイッチ回路５０は、例えば図５に示すようにマイクロプロセッサ５からの制御コマンドを入力してその制御動作を解析し、制御動作の形態に応じて電源スイッチ群（SW1,〜SW5）５１の作動を個別に制御する制御ロジック５２によって構成される。即ち、制御ロジック５２は、図６にその制御テーブルを示すように、マイクロプロセッサ５から与えられる制御信号（PS3,CHG1,CHG2,DC1）に応じて、特に前記過電流保護回路２０に対する電源供給を選択制御するものとなっている。
【００３９】
ここで上記電源スイッチ群５１における第１のスイッチSW1は、マイクロプロセッサ５のＡ／Ｄ変換器５ａにＡ／Ｄ変換に用いる基準電圧（PWAD）を与えるものである。また第２のスイッチSW2は、補助回路としての図示しないＥＥＰＲＯＭに対してその駆動電圧（PWEP）を選択的に与える。このＥＥＰＲＯＭは、前述した電流計測回路１０を校正する際の計測データ等を記憶する役割を担う。また第３のスイッチSW3は、電流計測回路１０および電圧計測回路３０に対する駆動電圧（PWI）を選択的に出力する役割を担っている。
【００４０】
しかして電源スイッチ群５１におけるスイッチSW4,SW5,SW6は、前記過電流検出回路２０に対して、その駆動電圧（PWVA,PWVB,PWVC）を選択的に供給するものである。特に図４に示すように上記駆動電圧（PWVA）は充電電流検出系をなす差動増幅器２１ａ、第１および第２の比較器２２ａ,２２ｂに与えられ、駆動電圧（PWVB）は放電電流検出系をなす差動増幅器２１ｂ、第３および第４の比較器２２ｃ,２２ｄに与えられる。そして駆動電圧（PWVC）は、タイマー回路に設けられた比較器２７ａ,２７ｂにそれぞれ与えられるようになっている。
【００４１】
パワースイッチ回路５０は、上述した如く各回路機能部に対して個別に電源供給する電源スイッチ群５１の作動を、制御ロジック５２の下で選択的に制御することで、上記各回路機能部を選択的に作動させている。換言すれば動作させる必要のない回路機能部に対する電源供給を停止することで、無駄な電力消費を阻止し、これによってＡＳＩＣ６全体の省電力化を図っている。特にパワーセーブ時等においては、例えばマイクロプロセッサ５の動作状態をＥＥＰＲＯＭに格納した後、各回路機能部への電源供給を停止することで、その状態を維持したまま２次電池１の電力消費を極力抑えるものとなっている。
【００４２】
従ってこのようなパワースイッチ回路５０の制御を受けて、２次電池１の充放電電流の向きに応じて差動増幅器２１ａ,２１ｂや、比較器２２ａ,２２ｂ,２２ｃ,２２ｄに対する電源供給が選択制御され、また過電流検出がなされたときにだけ比較器２７ａ,２７ｂが駆動される過電流検出回路２０においては、その回路機能が不要なときには駆動自体が停止されるので、その消費電力を大幅に低減することができる。
【００４３】
かくして上述した如く構成された電流計測回路１０や過電流保護回路２０、更にはパワーセーブ回路５０等を備えて構成されるＡＳＩＣ６によれば、各回路機能部が省電力化されている上、シャント抵抗２の両端間電圧から２次電池１の充放電電流を検出する差動増幅器が高入力インピーダンス化され、更に高精度化されているので、２次電池１の動作状態を確実に検出し、監視することができる。特に電流計測回路１０にあっては、その相対計測精度が十分に高いことと相俟って、差動増幅回路に対するオフセットの付与と、利得の調整によってその絶対計測精度も十分高く設定し得るので、その充放電電流を高精度に計測することができる。この結果、マイクロプロセッサ５における計測電流の積算処理による電池残量の計測も、簡易にして高精度に行うことが可能となる。
【００４４】
また過電流保護回路２０にあっては、過電流の検出レベルとその検出応答時間をそれぞれ可変設定可能であり、特にこの実施形態においては過電流の検出レベルを２段階に、また検出応答時間についても２段階に設定することが可能であるので、２次電池１の仕様や、その用途に応じた最適な過電流保護対策を講じることが可能である。
【００４５】
また上述した構成のＡＳＩＣ６によれば、全体的な電力消費量が抑えられており、パワーセーブ機能によって各回路機能部の発熱も極力抑えられるので、マイクロプロセッサ５等と共に２次電池１に一体に組み込んで電池パック化するに好適である。特に電池パックを実現する場合、上述した電流計測回路１０や過電流保護回路２０等は２次電池１と共に密閉容器に収容されることになるので、小型で安価であり、しかも発熱が小さく安全性が高いことが要求される。従ってこれらの各回路機能部を集積一体化したＡＳＩＣ６によれば、上記各要求を効果的に満たすことが可能となるので簡単に、且つ効果的に電池パック化することが可能となる。
【００４６】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。この例では図１および図２に示すように、動作電圧が大きく異なる過電圧保護回路７と、デジタル動作するマイクロプロセッサを除いた２次電池１のアナログ周辺回路の全てを一括してＡＳＩＣ化したが、特定の回路機能部だけをまとめてＡＳＩＣ化することも可能である。ちなみに図３に示す構成のＡＳＩＣ６においては、６４ピンの標準パッケージに収まるように回路機能を搭載しているが、これに捕らわれることはない。
【００４７】
また電流計測回路１０において差動増幅回路に付与するオフセットのレベルを更に細かく設定することも可能であり、その利得についても更に細かく調整可能に構成しても良い。更には過電流保護回路２０における過電流検出レベルを１系統、或いは３系統以上に設定可能に構成することも勿論可能であり、更にはその検出応答時間についても１系統、或いは３系統以上に設定可能に構成することも可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る電池残量測定装置における過電流検出回路によれば、２次電池に直列に介挿された充放電電流検出用の抵抗の両端間電圧を検出する差動増幅器を備え、この差動増幅器の出力と外部設定された基準値とを比較器にて比較して前記２次電池に流れる過電流の発生を検出するようにし、更にこの比較器の出力を受けて動作して外部設定された過電流検出の応答時間後に前記過電流検出結果を出力すると共に上記過電流検出結果を保持するタイマー回路とを備えているので、過電流検出レベルおよびその検出応答時間を簡単に調整することができ、２次電池の仕様や特性、更にはその用途に応じた過電流保護対策を講じることが可能となる。
【００４９】
特に単一極性の電源によって選択的に駆動される第１および第２の差動増幅器を並列に設け、これらの差動増幅器に前記抵抗の両端間電圧の極性を異ならせて入力するので、２次電池の充放電電流の向きに拘わらず、簡単に、且つ確実に過電流を検出することができる。しかも２次電池の充放電電流の向きに応じて第１および第２の差動増幅器を選択的に動作させることができるので、その省電力化を図ることができ、ＡＳＩＣ化が容易である。
【００５０】
更には前記タイマー回路を、比較器の出力を受けて駆動されるスイッチ回路の下で、外部接続されたコンデンサを一定電流で充電しながら、その充電電圧を内部基準電圧と比較して前記比較器の出力を遅延するので、前記コンデンサの容量を可変するだけでタイマー回路の作動時間、つまり過電流の検出動作時間を簡単に設定することができる。従って、この点でも過電流検出回路のＡＳＩＣ化に好適である等の利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る電池残量測定装置を備えて構成される電池パックの概略構成図。
【図２】図１に示す電池残量測定装置の一部をなすＡＳＩＣの概略構成を示す図。
【図３】ＡＳＩＣに組み込まれる電流計測回路の構成例を示す図。
【図４】ＡＳＩＣに組み込まれる過電流保護回路の構成例を示す図。
【図５】ＡＳＩＣに組み込まれるパワースイッチ回路の構成例を示す図。
【図６】パワースイッチ回路における制御ロジックの制御テーブルの構成例を示す図。
【符号の説明】
１ ２次電池
２ シャント抵抗
３ 半導体スイッチ
５ マイクロプロセッサ
５ａ Ａ／Ｄ変換器
６ ＡＳＩＣ
７ 過電圧保護回路
１０ 電流計測回路
１１,１２,１３ 演算増幅器（差動増幅回路）
１４ 極性反転スイッチ
１５ 第１のスイッチ群（オフセット付与）
１８ 第２のスイッチ群（利得調整）
２０ 過電流検出回路
２１ａ,２１ｂ 差動増幅器
２２ａ,２２ｂ,２２ｃ,２２ｄ 比較器
２３ａ,２３ｂ 外部抵抗
２４ａ,２４ｂ,２４ｃ オア回路
２５ａ,２５ｂ コンデンサ
２６ａ,２６ｂ タイマー回路
２７ａ,２７ｂ 比較器
２８ ラッチ回路
３０ 電圧検出回路
４０ スイッチドライバ（ドライブ回路）
５０ パワースイッチ回路
５１ スイッチ群
５２ 制御ロジック
６０ 論理データ配分回路
７０ 電圧検出回路
８０ 電圧検出回路

Claims (2)

1. 充電可能な２次電池に直列に介挿された充放電電流検出用の抵抗の両端間電圧から上記２次電池の定常的な充放電電流を検出する電流計測回路と、この電流計測回路とは独立して設けられて前記充放電電流検出用の抵抗の両端間電圧から前記２次電池の過電流を検出する過電流検出回路とを備えた電池残量測定装置であって、
   前記電流計測回路は、単一極性の電源により駆動される高入力インピーダンスの計装用の差動増幅器と、互いに反転動作して前記充放電電流検出用の抵抗の両端間電圧を極性反転して上記差動増幅器に与える極性反転スイッチと、前記充放電電流検出用の抵抗に流れる電流の向きに応じて上記極性反転スイッチを切り換える制御手段とを備え、
   前記過電流検出回路は、２次電池を流れる電流の向きに応じて単一極性の電源により選択的に駆動され、並列に設けられて前記充放電電流検出用の抵抗の両端間電圧をその入力極性を異ならせてそれぞれ検出する第１および第２の差動増幅器と、これらの各差動増幅器の出力と外部設定された基準値とをそれぞれ比較して前記２次電池に流れる過電流を検出する比較器と、この比較器による過電流検出の継続時間が外部設定された時間に亘って継続したときに過電流検出結果を出力すると共に、その出力結果を保持するタイマー回路とを具備したことを特徴とする電池残量測定装置。
2. 前記タイマー回路は、外部接続されたコンデンサを一定電流で充電する定電流源と、前記比較器の出力を受けて上記一定電流による前記コンデンサの充電を制御するスイッチ回路と、前記コンデンサの充電電圧を内部基準電圧と比較して所定時間に亘る過電流の発生を検出する補助比較器と、この補助比較器の出力を保持する出力回路とを備えてなり、
   該タイマー回路の作動時間は、前記コンデンサの容量を可変して設定されることを特徴とする請求項１に記載の電池残量測定装置。

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