JP4491917B2 - バッテリパック - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッテリパックに関し、例えばリチウムイオン二次電池によるバッテリパックに適用することができる。本発明は、並列接続された充電制御用又は放電制御用のスイッチイング素子である電界効果型トランジスタのゲートにそれぞれ１０〔ｋΩ〕以上の抵抗器を介して制御電圧を供給することにより、並列接続した電界効果型トランジスタにより充電電流、放電電流を制御する構成のバッテリパックにおいて、一部の電界効果型トランジスタが静電気等により破壊した場合でも、使用することができるようにする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、リチウムイオン二次電池によるバッテリパックにおいては、制御用ＩＣによりスイッチング用の電界効果型トランジスタの動作を制御することにより、過大電圧充電、過小電圧放電を防止するようになされている。
【０００３】
すなわち図６は、バッテリパックを示す接続図である。バッテリパック１は、所定のケースに二次電池セル２、保護回路３を収納にして構成され、充電装置、負荷装置に装着されると、正極外部端子４Ａ、負極外部端子４Ｂを介してこれら充電装置、負荷装置と二次電池セル２との間で充放電電流を入出力可能に構成される。
【０００４】
バッテリパック１においては、制御用ＩＣ５により２次電池セル２の端子電圧、正極外部端子４Ａ及び負極外部端子４Ｂ間の端子電圧等がモニタされ、このモニタ結果により充放電経路に配置されたスイッチング用電界効果型トランジスタ６及び７がオンオフ制御される。すなわちこのバッテリパック１では、負極外部端子４Ｂと二次電池セル２の負極端子との間の充放電経路に、放電制御用及び充電制御用のＮチャンネル電界効果型トランジスタ６及び７が直列に配置される。なお、これらＮチャンネル電界効果型トランジスタ６、７には、構造上の理由からそれぞれソース及びドレイン間に寄生ダイオードが存在する。これによりバッテリパック１においては、２次電池セル２の端子電圧が所定電圧以下になると、放電制御用である電界効果型トランジスタ６をオフ状態に切り換え、過小電圧放電を防止する。また２次電池セル２の端子電圧が所定電圧以上になると、充電制御用である電界効果型トランジスタ７をオフ状態に切り換え、過大電圧充電を防止するようになされている。
【０００５】
なおバッテリパック１は、図７に示すように、Ｎチャンネル電界効果型トランジスタ６、７に代えて、Ｐチャンネル電界効果型トランジスタ８、９によりスイッチイング素子を構成する場合もある。
【０００６】
このようなバッテリパックにおいては、図６との対比により図８に示すように、充放電電流が大きい場合には、スイッチング素子を構成する電界効果型トランジスタを並列接続して充放電電流を制御するようになされている。すなわちバッテリパックにおいては、制御用ＩＣより出力される制御用信号を抵抗器１０を介して電界効果型トランジスタ６Ａ及び６Ｂのゲートに供給する。なおこの図８においては、放電用電界効果型トランジスタ６Ａ、６Ｂについてのみ示し、充電用の電界効果型トランジスタについては、記載を省略する。ここで制御用ＩＣにおける制御用信号出力端子の出力インピーダンスは、通常１０〔ｋΩ〕以上であり、抵抗器１０が直列接続された等化回路に相当する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこの種のバッテリパックにおいては、携帯して使用される場合があり、これにより静電気による高電圧が印加される場合がある。このような静電気による高電圧は、６〜１５〔ｋＶ〕程度の電圧であるのに対し、電界効果型トランジスタにおいては、数〔ｋＶ〕以上の電圧の印加により破壊され、これによりバッテリパックにおいては、頻繁に携帯して使用する場合等に、電界効果型トランジスタが静電気により破壊される恐れがある。
【０００８】
従来のバッテリパックにおいて、図６及び図７について上述したような、スイッチイング素子である充放電制御用の電界効果型トランジスタを充放電経路にそれぞれ１個配置した構成のバッテリパックにおいては、このような静電気等による電界効果型トランジスタの破壊により電界効果型トランジスタのソース−ドレイン間抵抗値が大きな値に変化し、使用することが困難になる。因みにソース−ドレイン間抵抗値は、通常、１００〔ｍΩ〕以下であるのに対し、このように破壊すると１〔ｋΩ〕以上となる。
【０００９】
これに対して図８について上述したような電界効果型トランジスタを並列接続した構成によるバッテリパックにおいては、この並列接続した電界効果型トランジスタの一方だけが静電気により破壊される場合も考えられる。この場合に、並列接続された電界効果型トランジスタの数が多い場合等にあっては、各電界効果型トランジスタの容量に余裕があり、残りの電界効果型トランジスタだけでも、十分に充放電電流を流すことができる場合がある。このような場合に、バッテリパックを使用すことができれば、便利であると考えられる。ところが従来のバッテリパックにおいては、このような場合に、使用することが困難になる問題があった。
【００１０】
すなわち図８に示す構成におけるバッテリパックを例に取って説明すると、制御用ＩＣは、放電制御用電界効果型トランジスタ６Ａ、６Ｂのゲート制御電圧の立ち上げ及び立ち下げによりそれぞれ放電制御用電界効果型トランジスタ６Ａ、６Ｂをオン状態及びオフ状態に設定するようになされており、このオン状態に設定する電圧が例えば二次電池セルの端子電圧とほぼ等しい電圧に設定される。これに対してオフ状態への設定は、このゲート制御電圧をほぼ０〔Ｖ〕に設定して実行され、リチウムイオン２次電池の場合には、２次電池セルの端子電圧が２〔Ｖ〕まで下がると、電界効果型トランジスタ６Ａ、６Ｂをオン状態からオフ状態に切り換える。
【００１１】
バッテリパックにおいて、抵抗器１０は、抵抗値が１００〔ｋΩ〕程度に設定され、電界効果型トランジスタ６Ａ、６Ｂにおいては、正常な場合、ゲート−ソース間抵抗値が約１〜２００〔ＭΩ〕となる。これにより制御用ＩＣ５においては、制御端子の端子電圧を４〔Ｖ〕及び０〔Ｖ〕に設定して、それぞれ電界効果型トランジスタ６Ａ、６Ｂのゲート電圧を４〔Ｖ〕及び０〔Ｖ〕に設定することができる。
【００１２】
また電界効果型トランジスタ６Ａ、６Ｂのソース−ドレイン間抵抗値を小さな値に維持する最低のゲート−ソース間電圧は、約１．５〔Ｖ〕程度である。これによりバッテリパックにおいては、制御端子の端子電圧を４〔Ｖ〕及び０〔Ｖ〕に設定して、それぞれ電界効果型トランジスタ６Ａ、６Ｂをオン状態及びオフ状態に設定することができる。
【００１３】
これに対して、電界効果型トランジスタが静電気等により破壊された場合、電界効果型トランジスタのゲート−ソース間抵抗は、１〔ｋΩ〕程度に低下する。これにより例えば電界効果型トランジスタ６Ａが静電気により破壊した場合、正常な側の電界効果型トランジスタ６Ｂにおいても、ゲート−ソース間電圧がほぼ０〔Ｖ〕に立ち下がり、これにより結局、電界効果型トランジスタ６Ｂをオン状態に設定することが困難になる。なお図９は、充電制御用の電界効果型トランジスタを省略して図８に示す構成のバッテリパックの構成における各部の抵抗値を示すものであり、電界効果型トランジスタのソース−ドレイン間抵抗値は、２つの電界効果型トランジスタ６Ａ、６Ｂの総合の抵抗値である。これにより二次電池セル２の端子電圧が４〔Ｖ〕の場合でも、静電破壊後にあっては、電界効果型トランジスタのソース−ドレイン間抵抗値が２〔ｋΩ〕であることにより、負荷が短絡した場合でも２〔ｍＡ〕（４〔Ｖ〕÷２〔ｋΩ〕）の放電電流しか供給できないことが判る。これにより１個の電界効果型トランジスタが静電破壊された場合、バッテリパックにおいては、通常の放電電流である３〔ｍＡ〕〜１０〔Ａ〕の放電電流を供給できなくなる。
【００１４】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、並列接続した電界効果型トランジスタにより充電電流、放電電流を制御する構成のバッテリパックにおいて、一部の電界効果型トランジスタが静電気等により破壊した場合でも、使用することができるバッテリパックを提案しようとするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
かかる問題を解決するため本発明においては、所定の機器に装着されて機器との間で二次電池セルの電力を入出力するバッテリパックにおいて、
互いのゲートが共通に接続され、それぞれのソース・ドレイン間が二次電池セルの充電経路又は放電経路に対して並列に挿入された第１および第２の電界効果型トランジスタと、
第１および第２の電界効果型トランジスタのゲート共通接続点に対して制御電圧を出力して、第１および第２の電界効果型トランジスタをオン状態またはオフ状態に制御することによって、二次電池セルの充電電流又は放電電流を制御する制御回路と、
第１および第２の電界効果型トランジスタのゲート共通接続点と第１および第２の電界効果型トランジスタのそれぞれのゲートとの間に挿入された１０〔ｋΩ〕以上の値を有する第１および第２の抵抗器とを備えるバッテリパックである。
【００１６】
複数の電界効果型トランジスタの各々のゲートが、１０〔ｋΩ〕以上の抵抗器を介して、制御電圧を入力するようにすれば、何れかの電界効果型トランジスタが静電気等により破壊されてゲート−ソース間抵抗値が極端に小さな抵抗値になった場合でも、他の電界効果型トランジスタのゲート電圧の低下を防止することができ、これにより他の電界効果型トランジスタにより充電電流、放電電流を制御することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳述する。
【００１８】
（１）第１の実施の形態
（１−１）第１の実施の形態の構成
図８との対比により示す図１は、本発明の第１の実施の形態に係るバッテリパックを示す接続図である。このバッテリパック２１において、図８について上述したバッテリパックと同一の構成は、対応する符号を付して示し、重複した説明は省略する。なおこのバッテリパック２１においては、放電制御用の電界効果型トランジスタのみについて示すが、充電制御用の電界効果型トランジスタについても、この放電制御用の電界効果型トランジスタと同様に構成される。
【００１９】
このバッテリパック２１において、各電界効果型トランジスタ６Ａ、６Ｂは、それぞれ抵抗器２２Ａ及び２２Ｂを介して制御ＩＣより制御電圧を入力する。ここでこれら抵抗器２２Ａ及び２２Ｂは、何れかの電界効果型トランジスタが静電気等により破壊してゲート−ソース間抵抗値が小さな値になっても、他方の電界効果型トランジスタをオン状態に切り換え可能なゲート電圧が制御電圧の立ち上がりにより印加されるように、抵抗値が選定される。
【００２０】
すなわち保護ＩＣ５の制御電圧については、制御電圧の出力インピーダンスをＲＯＵＴ、抵抗器２２Ａ及び２２Ｂの抵抗値をそれぞれＲ２２Ａ及びＲ２２Ｂ、電界効果型トランジスタ６Ａ及び６Ｂのゲート−ソース間抵抗をそれぞれＲ６Ａ及びＲ６Ｂとおくと、図２（Ａ）に示すように表される。ここで静電気等により電界効果型トランジスタ６Ａが破壊されたとすると、電界効果型トランジスタ６Ａのゲート−ソース間抵抗Ｒ６Ａは、数〔ｋΩ〕となるのに対し、正常な側の電界効果型トランジスタ６Ｂのゲート−ソース間抵抗Ｒ６Ｂは、約１００〔ＭΩ〕と大きな値となることにより、他方の電界効果型トランジスタをオン状態に切り換え可能なゲート電圧が制御電圧の立ち上がりにより印加されるように、抵抗器２２Ａ及び２２Ｂの抵抗値Ｒ２２Ａ及びＲ２２Ｂを選定するとすると、この等化回路においては、図２（Ｂ）に示すように表すことができる。
【００２１】
これにより抵抗器２２Ａ及び２２Ｂの抵抗値Ｒ２２Ａ及びＲ２２Ｂにおいては、制御ＩＣ５の制御電圧の立ち上がりである４〔Ｖ〕の電圧を、制御ＩＣ５の出力インピーダンスＲＯＵＴと共に分圧して、この分圧電圧Ｖｔｈが電界効果型トランジスタ６Ａ、６Ｂがオン状態に切り換わる電圧以上となるように、設定される。この実施の形態では、十分な余裕を持ってこの分圧電圧Ｖｔｈが電界効果型トランジスタ６Ａ、６Ｂをオン状態に切り換える電圧以上となるように、抵抗器２２Ａ及び２２Ｂの抵抗値Ｒ２２Ａ及びＲ２２Ｂは、１００〔ｋΩ〕に設定される。なおスイッチイング素子として電界効果型トランジスタをオンオフ制御する構成の制御ＩＣ５においては、比較的出力インピーダンスＲＯＵＴが高いものが多いが、各電界効果型トランジスタのゲートに１０〔ｋΩ〕以上の抵抗器を配置すれば、実用上十分に、１つの電界効果型トランジスタが破壊された場合でも、他の電界効果型トランジスタを使用して充電、放電を制御することができる。
【００２２】
（１−２）第１の実施の形態の動作
以上の構成において、このバッテリパック２１が負荷に接続されると、電池セル２の電力が正極外部端子４Ａ、負極外部端子４Ｂを介してこの負荷に供給される。さらに制御ＩＣ５により電池セル２の端子電圧がモニタされ、この端子電圧が２〔Ｖ〕になると、制御ＩＣ５の制御電圧が４〔Ｖ〕から０〔Ｖ〕に立ち下げられる。図９との対比により図３に示すように、このように制御電圧が４〔Ｖ〕から０〔Ｖ〕に立ち下げられると、電界効果型トランジスタ６Ａ及び６Ｂの並列回路においては、ソース−ドレイン間の抵抗値が２７〔ｍΩ〕から３００〔ｋΩ〕に切り換わり、これにより電界効果型トランジスタ６Ａ及び６Ｂがオフ状態に切り換えられて負荷に対する電力の供給が停止制御され、過小電圧放電が防止される。
【００２３】
これに対して充電装置に接続された場合には、正極外部端子４Ａ、負極外部端子４Ｂを介して、充電装置の電力が電池セル２に供給される。さらに制御ＩＣ５により充電電圧がモニタされ、この充電電圧が所定電圧になると、図示しない充電制御用の電界効果型トランジスタに対して、制御ＩＣ５の制御電圧が４〔Ｖ〕から０〔Ｖ〕に立ち下げられる。これによりこの場合も、この充電制御用電界効果型トランジスタがオン状態からオフ状態に切り換えられて充電が停止制御され、過大電圧充電が防止される。
【００２４】
このような充放電の制御において、例えば静電気により電界効果型トランジスタ６Ａが破壊されると、この場合、破壊された側の電界効果型トランジスタ６Ａにおいては、ソース−ドレイン間抵抗値が５７〔ｍΩ〕から２〔ｋΩ〕に変化し、またゲートドレイン間抵抗値１２０〔ＭΩ〕から１〔ｋΩ〕に変化する。これによりバッテリパック１においては、２次電池セル２の端子電圧が４〔Ｖ〕程度の場合に、端子４Ａ及び４Ｂを短絡して約２〔ｍＡ〕の電流が流れるものの、電界効果型トランジスタ６Ａにおいては、ほぼオフ状態に保持され、またゲート電圧がほぼ０〔Ｖ〕に立ち下がったままの状態に保持される。
【００２５】
しかしながらバッテリパック２１においては、電界効果型トランジスタ６Ａのゲートに配置した抵抗器２２Ａにより、電界効果型トランジスタ６Ａのゲート電圧が立ち下がっても、残る正常な電界効果型トランジスタ６Ｂについては、制御電圧が４〔Ｖ〕に立ち上がるとオン状態に切り換わるに十分な電圧がゲートに印加され、これにより正常な側の電界効果型トランジスタにより放電を制御することができる。
【００２６】
また充電側についても、同様にして１方の電界効果型トランジスタが破壊した場合でも、正常な側の電界効果型トランジスタにより充電を制御することができる。
【００２７】
なお上述したように、一方の電界効果型トランジスタが破壊した場合には、外部端子を短絡して約２〔ｍＡ〕の電流が流れることにより、負荷に接続したままの状態で放置した場合、さらには充電装置に接続したままに放置した場合、過小電圧放電、過大電圧充電の恐れが考えられる。しかしながら実際上、負荷及び充電装置に接続した場合、破壊した側の電界効果型トランジスタによる充放電電流においては、さらに一段と小さな電流値となることにより、何ら信頼性を損なうものではないと考えられる。
【００２８】
（１−３）第１の実施の形態の効果
以上の構成によれば、電界効果型トランジスタのゲートにそれぞれ１００〔ｋΩ〕以上の抵抗器を介して制御電圧を供給することにより、並列接続した電界効果型トランジスタにより充電電流、放電電流を制御する構成のバッテリパックにおいて、一部の電界効果型トランジスタが静電気等により破壊した場合でも、使用することができる。
【００２９】
（２）第２の実施の形態
図４は、本発明の第２の実施の形態に係るバッテリパックを示す接続図である。このバッテリパック３１は、図１のバッテリパック２１との対比により示すように、抵抗器３２を介して、抵抗器２２Ａ及び２２Ｂに制御電圧を印加する。このバッテリパック３１において、図１のバッテリパック２１と同一の構成は、対応する符号を付して示し、重複した説明は省略する。なおこのバッテリパック３１においても、充電制御用の電界効果型トランジスタにおいては、放電制御用の電界効果型トランジスタと同様に構成されることにより、記載を省略する。
【００３０】
ここでこの抵抗器３２は、例えば電界効果型トランジスタ６Ａのゲート電圧が立ち下がっても、残る正常な電界効果型トランジスタ６Ｂについては、制御電圧が４〔Ｖ〕に立ち上がるとオン状態に切り換わるに十分な電圧がゲートに印加されるように、抵抗器２２Ａ、２２Ｂと共に抵抗値が選定され、この実施の形態では抵抗値が１０〔ｋΩ〕に設定される。なおここで、抵抗器３２の抵抗値は、抵抗２２Ａ、２２Ｂの抵抗値に比して小さな値に設定される。
【００３１】
図４に示すように、各ゲートに配置した抵抗器２２Ａ、２２Ｂに対して、抵抗器３２を介して制御ＩＣ５の制御電圧を印加するようにしても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
（３）第３の実施の形態
図４は、本発明の第３の実施の形態に係るバッテリパックを示す接続図である。このバッテリパック３１において、図１のバッテリパック２１と同一の構成は、対応する符号を付して示し、重複した説明は省略する。またこのバッテリパック４１においても、充電制御用の電界効果型トランジスタにおいては、放電制御用の電界効果型トランジスタと同様に構成されることにより、記載を省略する。
【００３３】
ここでこのバッテリパック４１は、Ｎチャンネル電界効果型トランジスタ６Ａ、６Ｂに代えて、Ｐチャンネル電界効果型トランジスタ８Ａ、８Ｂにより放電電流が制御され、また充電電流についても、並列接続されたＰチャンネル電界効果型トランジスタにより制御される。
【００３４】
図５に示すようにＮチャンネル電界効果型トランジスタに代えて、Ｐチャンネル電界効果型トランジスタによりスイッチイング素子を構成する場合でも、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
（４）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、２個の電界効果型トランジスタを並列に接続してスイッチイング素子を構成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、３個以上により構成する場合にも広く適用することができる。
【００３６】
また上述の実施の形態においては、電界効果型トランジスタの制御により過大電圧充電、過小電圧放電を防止する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、過電流放電、過電流充電を防止する場合にも適用することができる。
【００３７】
また上述の実施の形態においては、本発明をリチウムイオン２次電池のバッテリパックに適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えばニッケル水素電池等の種々のバッテリパックに広く適用することができる。
【００３８】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、並列接続された充電制御用又は放電制御用のスイッチイング素子である電界効果型トランジスタのゲートにそれぞれ１０〔ｋΩ〕以上の抵抗器を介して制御電圧を供給することにより、並列接続した電界効果型トランジスタにより充電電流、放電電流を制御する構成のバッテリパックにおいて、一部の電界効果型トランジスタが静電気等により破壊した場合でも、使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るバッテリパックを示す接続図である。
【図２】図１のバッテリパックの電界効果型トランジスタのゲートの周辺構成の等化回路である。
【図３】図１のバッテリパックの動作の説明に供する図表である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るバッテリパックを示す接続図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係るバッテリパックを示す接続図である。
【図６】従来のバッテリパックを示す接続図である。
【図７】Ｎチャンネル電界効果型トランジスタに代えてＰチャンネル電界効果型トランジスタを使用したバッテリパックを示す接続図である。
【図８】電界効果型トランジスタを並列接続した構成のバッテリパックを示す接続図である。
【図９】図８のバッテリパックの動作の説明に供する図表である。
【符号の説明】
１……バッテリパック、２……２次電池セル、５……制御ＩＣ、６、６Ａ、６Ｂ、７、８、８Ａ、８Ｂ、９……電界効果型トランジスタ、１０、２２Ａ、２２Ｂ、３２……抵抗器

Claims (3)

1. 所定の機器に装着されて前記機器との間で二次電池セルの電力を入出力するバッテリパックにおいて、
   互いのゲートが共通に接続され、それぞれのソース・ドレイン間が前記二次電池セルの充電経路又は放電経路に対して並列に挿入された第１および第２の電界効果型トランジスタと、
   前記第１および第２の電界効果型トランジスタのゲート共通接続点に対して制御電圧を出力して、前記第１および第２の電界効果型トランジスタをオン状態またはオフ状態に制御することによって、前記二次電池セルの充電電流又は放電電流を制御する制御回路と、
   前記第１および第２の電界効果型トランジスタの前記ゲート共通接続点と前記第１および第２の電界効果型トランジスタのそれぞれのゲートとの間に挿入された１０〔ｋΩ〕以上の値を有する第１および第２の抵抗器とを備えるバッテリパック。
2. 前記第１および第２の電界効果型トランジスタが、Ｎチャンネル型の電界効果型トランジスタであり、
   前記二次電池セルの負極側の前記充電経路又は放電経路に配置された請求項１に記載のバッテリパック。
3. 前記第１および第２の電界効果型トランジスタが、Ｐチャンネル型の電界効果型トランジスタであり、
   前記二次電池セルの正極側の前記充電経路又は放電経路に配置された請求項１に記載のバッテリパック。

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