JP4771096B2 - 保護回路 - Google Patents

Description

本発明は、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントを設けた保護素子を用いて、電池パックの過電流と過電圧を防止する保護回路に関する。

携帯電話やノートパソコン等のモバイル電子機器の普及と共に、リチウムイオン電池の市場が拡大してきた。これらのモバイル電子機器では、通常、電源として、リチウムイオン電池を１〜４個直列に接続した電池パックが用いられている。このような電池パックでは、リチウムイオン電池が充電時に過充電（即ち、過電圧）になると、発火や発煙の可能性があり、これを防止するために保護回路が設けられている。

この保護回路には、過電流と過電圧の双方から電池を保護することが必要とされる。そこで、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントを設けた保護素子と、過電圧を検出し、保護素子に流れる電流をスイッチする検知素子とを用いた保護回路が使用されている。この保護回路は、過電流時にはヒューズエレメントが溶断し、一方、過電圧時には、検知素子が発熱抵抗体に急激に電流を流し、それにより発熱抵抗体が発熱し、その熱でヒューズエレメントが溶断するようにしたものである（特許文献１）。

特許２７９０４３３号公報

近年、大電流で使用するモバイル電子機器の市場の拡大に伴い、電池パックとしては、リチウムイオン電池の直列数４以下の従前の定格電圧を超え、直列数１０程度の定格電圧のものも使用されるようになっている。

一方、上述の電池パックの保護回路において、保護素子の発熱抵抗体にかかる電圧は電池パックを構成する電池の直列数に依存する。そのため、過充電時に保護素子のヒューズエレメントを確実に溶断させるためには、電池の直列数ごとに適切な抵抗値を有する発熱抵抗体を設けた保護素子をラインアップしなくてはならず、電池パックの電圧定格が、リチウムイオン電池の直列数が４以下のものから１０程度のものまでに多様化した今日では、多品種生産によるコストアップないしプライスアップが問題となっていた。

例えば、図１０の保護回路１Ｘや図１１の保護回路１Ｙにおいて、保護素子２Ａ、２Ｂがそれぞれ基板上に設けた発熱抵抗体３とヒューズエレメント４からなり、その動作可能電力が１０〜２０Ｗであり、電池パック５内の１つの電池６の最大電圧が４Ｖであり、検知手段７として電圧検知用ＩＣ８とＦＥＴ９が設けられていると仮定すると、保護素子２としては、電池パック５を構成する電池６の直列数ごとに、発熱抵抗体３として表１の抵抗値を有するものを揃えなくてはならない。

仮に、直列数が１０の電池パック５において、直列数が４の電池パック５に対応した２５Ωの発熱抵抗体を用いて図１０の保護回路１Ｘを組むと、過充電時に、電圧検知用ＩＣ８が電池パック５の両端の過電圧を検出することによりＦＥＴ９のゲート電位が変化し、発熱抵抗体３に大電流が流れたときの発熱抵抗体３での消費電力Ｗは、
Ｗ＝Ｖ＊Ｖ／Ｒ＝４０＊４０／２５＝６４Ｗ
により６４Ｗにもなり、動作可能範囲の１０〜２０Ｗを大きく超える。そのため、ヒューズエレメント４が溶断する前に、この発熱抵抗体３が焼き切れてしまう。

このように保護素子２Ａ、２Ｂの発熱抵抗体３としては、抵抗値が、電池パック５の電圧に応じたものを使用することが必要となる。

一方、大電流用途のモバイル電子機器に使用する電池パックでは、保護素子のヒューズエレメントも大電流用のものが必要とされ、この点からも種々の定格のヒューズエレメントを備えた保護素子のラインナップが必要とされ、保護素子のコストアップないしプライスアップが問題となっていた。

そこで、本発明は、基板上に抵抗発熱体とヒューズエレメントを設けた保護素子、及び検知手段を用いて、過電流と過電圧から電池パックを保護する保護回路において、電池パックの電流定格によらず、また、電池パック内の電池の直列数によらず、共通の保護素子を使用できる保護回路を提供することを目的とする。

本発明者らは、複数の二次電池が直列に接続されている電池パックを過電流や過電圧から保護する保護回路において、過電圧により保護回路が作動した時に、保護素子の動作可能範囲で該保護素子の発熱抵抗体に電圧が印加されるようにするためには、(1)過電圧時に、電池パック内で直列に接続された電池数の全数ではなく、所定数個分の電池の電圧が発熱抵抗体に印加されるようにするのが有効であること、(2)検知手段で過電圧を検出するにあたり、検出する電圧は、必ずしも、電池パック内で直列に接続された電池の全数分の電圧とする必要はなく、直列に接続された所定数個の電池の電圧を検出すればよいことを見出し、また、大電流用途において通常用途と共通の定格の保護素子を使用するためは、保護素子を並列に複数段に配列すればよいことを見出し、本発明を完成させた。

即ち、第１の本発明は、二次電池が直列に接続された電池パックを過電流と過電圧から保護する保護回路であって、
該保護回路が、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントを設けた保護素子、及び過電圧を検出し該発熱抵抗体に流れる電流をスイッチする検知手段を有し、
過電流時にヒューズエレメントが溶断すると共に、
過電圧時に検知手段によって発熱抵抗体に流れる電流がスイッチオンすることにより、電池パック内の所定数個の電池の電圧が発熱抵抗体に印加され、発熱抵抗体が発熱し、ヒューズエレメントが溶断するようにした保護回路を提供する。

第２の本発明は、二次電池が直列に接続された電池パックを過電流と過電圧から保護する保護回路であって、
該保護回路が、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントを設けた保護素子、及び電池パック内の任意の電池間の過電圧を検出し該発熱抵抗体に流れる電流をスイッチする検知手段を有し、
過電流時にヒューズエレメントが溶断すると共に、
前記電池間の過電圧時に検知手段によって発熱抵抗体に流れる電流がスイッチオンすることにより発熱抵抗体が発熱し、ヒューズエレメントが溶断するようにした保護回路を提供し、特にこの保護回路において、異なる電池間の過電圧を検出する複数の検知手段を設けた態様を提供する。

第３の本発明は、二次電池が直列に接続された電池パックを過電流と過電圧から保護する保護回路であって、
該保護回路が、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントを設けた保護素子、及び過電圧を検出し該発熱抵抗体に流れる電流をスイッチする検知手段を有し、
保護素子は並列に複数接続され、
過電流時に各保護素子においてヒューズエレメントが溶断すると共に、
過電圧時に検知手段によって各保護素子の発熱抵抗体に流れる電流がスイッチオンすることにより、各保護素子の発熱抵抗体が発熱し、ヒューズエレメントが溶断するようにした保護回路を提供する。

また、第４の本発明は、二次電池が直列に接続された電池パックを過電流と過電圧から保護する保護回路であって、
該保護回路が、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントを設けた保護素子、及び電池パック内の任意の電池間の過電圧を検出し該発熱抵抗体に流れる電流をスイッチする検知手段を有し、
保護素子は並列に複数接続され、
過電流時に各保護素子においてヒューズエレメントが溶断すると共に、
前記電池間の過電圧時に検知手段によって発熱抵抗体に流れる電流がスイッチオンすることにより、電池パック内の所定数個の電池の電圧が、各保護素子の発熱抵抗体に印加され、発熱抵抗体が発熱し、ヒューズエレメントが溶断するようにした保護回路を提供する。

第１、第２、第３、第４の本発明は、それぞれ、二次電池が直列に接続された電池パックを過電流と過電圧から保護する保護回路であって、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントを設けた保護素子、及び過電圧の検知手段を有する。

このうち、第１の保護回路では、検知手段が過電圧を検知して保護素子の発熱抵抗体に流れる電流をスイッチオンし、該保護素子の発熱抵抗体に電圧を印加するにあたり、その印加電圧は、電池パック内で直列に接続された電池の全数分の電圧ではなく、電池パック内で直列に接続された所定数個分の電池の電圧となる。このため、電池の直列数の多い電池パック用の保護回路で使用する保護素子と、電池の直列数の少ない電池パック用の保護回路で使用する保護素子とで、発熱抵抗体を共通化することができる。よって、保護素子の多品種生産を回避し、保護回路の製造コストを下げることが可能となる。

第２の保護回路では、検知手段が過電圧を検知して保護素子の発熱抵抗体に流れる電流をスイッチオンし、該保護素子の発熱抵抗体に電圧を印加するにあたり、検知電圧は、電パック内で直列に接続された電池の全数分の電圧ではなく、直列に接続された任意の電池間の電圧である。このため、この保護回路によれば、電圧定格の低い電圧検知用ＩＣで、電圧定格の高い電池パックにおける過電圧を検出することができる。ここで、検知電圧を任意の電池間における個々の電池間の電圧とすると、電池パック内の個々の電池ごとの特性のばらつきに応じた充電状態を観察することができる。また、この保護回路において、電池パック内の異なる電池間の過電圧を検出するために、複数の検知手段を設けると、電池の直列数が多いために電池パック全体としては、過電圧を検出する電圧定格の高い電圧検知用ＩＣが存在しない場合でも、電池の直列数の少ない電池パックに対応した既存の電圧定格の低い電圧検知用ＩＣを用いて保護回路を組むことが可能となる。

第３の保護回路では、保護素子が並列に接続されているので、ヒューズエレメントが並列に接続されている。このため、電池パックに大電流が流れる保護回路と、電池パックに小電流が流れる保護回路とで、保護素子のヒューズエレメントを共通化することができ、保護素子の製造コストを下げることができる。

第４の保護回路は、上述の第１、第２、第３の保護回路の特徴を備えているので、保護回路を、そこで使用する保護素子の発熱抵抗体についても、ヒューズエレメントについても、また、保護回路で使用する検知手段についても低コスト化することができ、保護回路全体を顕著に低コスト化することができる。

以下、本発明を図面に基いて詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は同一又は同等の構成要素を表している。

図1は、第１の本発明の一実施例の保護回路１Ａである。この保護回路１Ａは、１０個の二次電池６-1〜６-10が直列に接続された電池パック５を過電流と過電圧から保護するものであって、保護素子２Ａと検知手段７を有する。

保護素子２Ａは、特許２７９０４３３号公報（特許文献１）、特開２０００−２８５７７８号公報等に記載されているように、基板上に発熱抵抗体３とヒューズエレメント４を設け、発熱抵抗体３が通電発熱することによりヒューズエレメント４が溶断するようにしたものである。

検知手段７は、電圧検知用ＩＣ８とＦＥＴ９からなる。電圧検知用ＩＣ８は、電池パック５の両端の電圧を検出し、その検出信号をＦＥＴ９のゲートに出力する。

この保護回路１Ａで電池パック５に過電流が生じると、保護素子２Ａのヒューズエレメント４が溶断し、また、電池パック５に過電圧が生じると、ＦＥＴ９のゲート電位が所定電位以上となってスイッチオンの状態となり、ＦＥＴ９のドレイン-ソース間に急激に電流がながれ、したがって、保護素子１Ａの発熱抵抗体３に急激に電流が流れ、発熱抵抗体３が発熱し、ヒューズエレメント４が溶断する。

ここで、ＦＥＴ９のソース側端子が電池パック５内の電池６-4〜と電池６-5の間に接続されていることから、スイッチオンの状態で発熱抵抗体３にかかる電圧は、この接続位置により定まる４個分の電池の直列電圧となり、電池パック５の両端の電圧ではない。よって、この保護回路によれば、スイッチオンの状態で発熱抵抗体３に印加される４個分の電池の直列電圧に適した発熱抵抗体３を用いて、１０個の電池が直列に接続された電池パック５両端の過電圧にも対応することが可能となり、保護回路の低コスト化を図ることができる。

なお、電池間のショートによるトラブルを考慮した場合、スイッチオンの状態で、できるだけ多い直列数の電池の電圧が発熱抵抗体３に印加されるようにするのがよいが、電池間のショートの可能性は極めて低いため、実用上は、直列数２以上の電池の電圧が発熱抵抗体３に印加されるようにすればよい。

図２は、第２の本発明の一実施例の保護回路１Ｂである。この保護回路１Ｂも上述の保護回路１Ａと同様に、１０個の二次電池６-1〜６-10が直列に繋げられた電池パック５を過電流と過電圧から保護するものであって、保護素子２Ａと検知手段７を有する。この保護回路１Ｂでも、検知手段７は電圧検知用ＩＣ８とＦＥＴ９からなるが、電圧検知用ＩＣ８は、第１番目の電池６-1との第４番目の電池６-4の間の電圧を検知するように接続されている。このように電圧検知用ＩＣ８を接続することにより、４個分の電池の直列電圧の検知に適した電圧検知用ＩＣ８を用いて、１０個の電池が直列に接続された電池パック５で過電圧を防止することができる。特に、この保護回路１Ｂでは、電圧検知用ＩＣ８が、第１番目の電池６-1との第４番目の電池６-4の間の個々の電池間の電圧も検出するように接続されているので、電池パック５に収容される個々の電池に特性のばらつきがあり、充電時に個々の電池電圧にばらつきがあっても、電池ごとに過電圧を防止することができる。

なお、図２の保護回路１Ｂで、ＦＥＴ９のゲートとソースの間に抵抗Ｒを設けているのは、電圧検知用ＩＣ８が過電圧を検出した場合にＮチャンネルＴＦＴをスイッチオンとするためには、ＦＥＴ９のゲート電位をソース電位よりもある程度高くする必要があるためである。

図３の保護回路１Ｃは、図２の保護回路１Ｂと同様に、電圧検知用ＩＣ８-1を、第１番目の電池６-1との第４番目の電池６-4の間の電圧を検知するように接続し、さらに残りの電池６-5との第４番目の電池６-7の電池間にも電圧検知用ＩＣ８-2を接続することにより電圧検知用ＩＣを２段に設け、いずれの電圧検知用ＩＣ８-1、８-2で過電圧が検知された場合にも保護素子２Ａのヒューズエレメント４が溶断し、過充電から電池パック５が保護されるようにしたものである。

即ち、第１番目の電池６-1との第４番目の電池６-4の間で、いずれか１つの電池であっても過電圧が生じると、電圧検知用ＩＣ８-1によってＦＥＴ９-3のゲート電位があがり、ＦＥＴ９-3がスイッチオンとなり、保護素子の発熱抵抗体３に急激に電流が流れ、発熱体３が発熱してヒューズエレメント４が溶断する。

一方、第５番目の電池６-5との第７番目の電池６-7の間で、いずれか１つの電池であっても過電圧が生じると、まず、電圧検知用ＩＣ８-2によってＦＥＴ９-1のゲート電位が高くなり、このＦＥＴ９-1のドレイン-ソース間に急激に電流が流れ、それによりＦＥＴ９-2のゲート電位が下がる。このＦＥＴ９-2は、ＰチャンネルＦＥＴであるから、ゲート電位の降下によりスイッチオンとなり、そのドレイン−ソース間に急激に電流が流れる。これにより、ＦＥＴ９-3のゲート電位があがり、ＦＥＴ９-3がスイッチオンとなり、保護素子の発熱抵抗体３に急激に電流が流れ,発熱体３が発熱してヒューズエレメント４が溶断する。なお、ダイオードＤ-1、Ｄ-2は、ＦＥＴ９-3のゲート電位があげられたときに、他の回路を伝わって電位が下がらないようにするために設けられている。

したがって、この保護回路１Ｃによれば、例えば、電池の直列数４又は３に対応した電圧検知用ＩＣ８-1、８-2を用いて、直列数１０の電池パックに起こる過電圧を完全に防止することができる。言い換えれば、電池の直列数が多いために電池パック全体としては、過電圧を検出する高い電圧定格の電圧検知用ＩＣが存在しない場合でも、電池の直列数の少ない電池パックに対応した既存の電圧定格の低い電圧検知用ＩＣを用いて保護回路を組むことが可能となる。

図４は大電流用の電池パックに対応させた第３の本発明の一実施例の保護回路１Ｄである。この保護回路１Ｄでは、上述と同様の保護素子２Ａが３個並列に設けられている。したがって、電池パック５の通常の通電状態で大電流が流れ、保護素子２Ａが単独で設けられている場合には、ヒューズエレメント４が溶断するときでも、この保護回路１Ｄによれば、保護素子２Ａにおいて通電経路が３つに枝分かれるするので、ヒューズエレメント４が溶断しないようにできる。

一方、過電流時には各保護素子２Ａのヒューズエレメント４が溶断する。したがって、この保護回路１Ｄによれば、電池パックに大電流が流れる保護回路と、電池パックに小電流が流れる保護回路とで、保護素子のヒューズエレメントを共通化することができ、保護素子の製造コストを下げることができる。

なお、過電流によりヒューズエレメント４が溶断する場合に、例えば、図５又は図６に示すように溶断が生じると、ヒューズエレメント４が溶断した後にも回路に矢印のように導通経路が残ることとなる。そこで、ヒューズエレメント４の溶断後にこのような導通経路が残ることを防止するため、発熱抵抗体に整流素子を接続することが好ましく、具体的には、図７に示す保護回路１Ｅのように、保護素子２Ａにダイオードを接続するか、あるいは、図８に示す保護回路１Ｆのように、保護素子２ＡにＦＥＴを接続することが好ましい。

以上の第１、第２、第３の本発明の保護回路は、それぞれ図示した態様に限られない。またこれらの特徴は、任意の２種以上を組み合わせることができ、これにより、多様な電圧定格又は電流定格の電池パックに適した保護回路を、より一層、低コストで製造することが可能となる。

例えば、図９に示す保護回路１Ｇは、図３の保護回路１Ｃで電圧検知用ＩＣを２段に設けたのに準じて、電圧検知用ＩＣを３段に設けたものであり、各電圧検知用ＩＣ８-1、８-2、８-3には、電池の直列数２〜４の電圧の検知に適したものが使用される。また、各電圧検知用ＩＣ８-1、８-2、８-3は、それぞれが検知する電池列の両端の電圧だけでなく、個々の電池の電圧も検知する。したがって、この保護回路１Ｇによれば、１０個の電池６-1〜６-10のいずれに過充電が生じた場合でも、３つの電圧検知用ＩＣ８-1、８-2、８-3のいずれかがそれを検知し、ＦＥＴ９-3がスイッチオンとなり、保護素子２Ａの各発熱抵抗体３に電池６-1〜６-4の４つ分の直列電圧が印加され、発熱抵抗体３が発熱し、ヒューズエレメント４が溶断することとなる。こうして、この保護回路１Ｇによれば、電池の直列数２〜４の電圧の検知に適した電圧検知用ＩＣと保護素子を用いて、電池の直列数１０の電池パックの良好な保護回路を組むことができる。

また、保護回路１Ｇでは、４つの保護素子２Ａが並列に接続されている。したがって、各保護素子２Ａは通常の定格電流用途のものであっても、この保護回路１Ｇは、大電流用途のものとなる。

本発明の保護回路は、携帯電話、ノートパソコン、電動自動車、電動バイクなど、種々の電圧定格、電流定格の電池パックの保護回路として有用である。

本発明の一態様の保護回路である。 本発明の異なる態様の保護回路である。 本発明の異なる態様の保護回路である。 本発明の異なる態様の保護回路である。 本発明の異なる態様の保護回路において、ヒューズエレメントが溶断した場合の導通路の説明図である。 本発明の異なる態様の保護回路において、ヒューズエレメントが溶断した場合の導通路の説明図である。 本発明の異なる態様の保護回路である。 本発明の異なる態様の保護回路である。 本発明の異なる態様の保護回路である。 従来の保護回路の問題点の説明図である。 従来の保護回路の問題点の説明図である。

符号の説明

１Ｘ、１Ｙ 従来の保護回路
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ 実施例の保護回路
２Ａ、２Ｂ 保護素子
３ 発熱抵抗体
４ ヒューズエレメント
５ 電池パック
６、６-1〜６-10 電池
７ 検知手段
８、８-1、８-2、８-3 電圧検知用ＩＣ
９、９-1、９-2、９-3 ＦＥＴ

Claims (4)

1. 二次電池が直列に接続された電池パックを過電流と過電圧から保護する保護回路であって、
   該保護回路が、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントを設けた保護素子、及び電池パック内において直列に接続された二次電池の全数分の過電圧を検出し該発熱抵抗体に流れる電流をスイッチする検知手段を有し、
   保護素子は並列に複数接続され、
   過電流時に各保護素子においてヒューズエレメントが溶断すると共に、
   過電圧時に検知手段によって各保護素子の発熱抵抗体に流れる電流がスイッチオンすることにより、電池パック内において直列に接続された二次電池の全数分よりも少ない所定数個の直列に接続された電池の電圧が、各保護素子の発熱抵抗体に印加され、各保護素子の発熱抵抗体が発熱し、ヒューズエレメントが溶断するようにした保護回路。
2. 過電流でヒューズエレメントが不完全に溶断した場合に、発熱抵抗体を介して導通抵抗が残らないように、発熱抵抗体に整流素子が接続されている請求項１記載の保護回路。
3. 二次電池が直列に接続された電池パックを過電流と過電圧から保護する保護回路であって、
   該保護回路が、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントを設けた保護素子、及び電池パック内において直列に接続された二次電池の全数分より少ない数で直列に接続されている任意の電池間の過電圧を検出し該発熱抵抗体に流れる電流をスイッチする検知手段を有し、
   保護素子は並列に複数接続され、
   過電流時に各保護素子においてヒューズエレメントが溶断すると共に、
   前記電池間の過電圧時に検知手段によって発熱抵抗体に流れる電流がスイッチオンすることにより、電池パック内において直列に接続された二次電池の全数分よりも少ない所定数個の直列に接続された電池の電圧が、各保護素子の発熱抵抗体に印加され、発熱抵抗体が発熱し、ヒューズエレメントが溶断するようにした保護回路。
4. 過電流でヒューズエレメントが不完全に溶断した場合に、発熱抵抗体を介して導通抵抗が残らないように、発熱抵抗体に整流素子が接続されている請求項３記載の保護回路。

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