JP4999004B2 - 二次電池用保護回路およびこの二次電池用保護回路を備えた電池パック - Google Patents

Description

本発明は、二次電池に過大な放電電流や過大な充電電流が流れることを防止する二次電池用保護回路およびこの二次電池用保護回路を備えた電池パックに関する。

近年、携帯端末機器の小型化および高機能化等に伴って、体積当たりの放電容量が大きいリチウムイオン二次電池の需要が伸びている。かかる二次電池では、過大な放電電流や過大な充電電流が流れると、電解液が分解して発熱やガスが発生し、結果として電池性能の劣化や電池の破損等が生じる不利がある。

この対策のためには、例えばＰＴＣ素子からなる保護回路を二次電池に接続することが考えられる（特許文献１の図２参照）。当該保護回路によれば、二次電池に過大な電流が流れると、ＰＴＣ素子自体が発熱することで電流を遮断して、二次電池の劣化や破損等を回避することができる。
特許文献１の図２に示す保護回路では、放電電流も充電電流も同じＰＴＣ素子を流れる。また、正常時においては、一般的に充電電流に比べて放電電流が大きい。このため、ＰＴＣ素子は、正常時における放電電流に対応し得るだけの大きな許容電流値（放電電流限界値）を備えたものが選択される。しかし、許容電流値の大きなＰＴＣ素子が選択された場合には、充電装置の故障等で二次電池に過大な充電電流が流れても、当該ＰＴＣ素子の許容電流値に至らない場合には、ＰＴＣ素子が作動しないおそれがある。

特許文献１の図１に示す保護回路では、二次電池に対して第１のダイオードとＰＴＣ素子を直列に接続するとともに、該第１のダイオードとは別の第２のダイオードをＰＴＣ素子および第１のダイオードの直列回路に対して並列状に、しかも該第１のダイオードとは逆向きの整流作用を発揮するように配置している。当該形態によれば、放電電流は逆向きの第２のダイオードを流れる一方で、充電電流は前記直列回路に流れる。したがって、充電電流に合わせた許容電流値（充電電流限界値）の小さなＰＴＣ素子を選定することで、二次電池に過大な充電電流が流れたときに、ＰＴＣ素子を作動させて充電電流を適確に遮断することが可能となる。これにて、過充電時における安全性に優れた保護回路を得ることができる。

特開２００４−１５２５８０号公報（図１・図２）

二次電池を充電する充電装置は、適正な充電のために、例えば二次電池の電池電圧が３．７Ｖに設定されている場合には、４．２Ｖ程度の電圧を出力するようになっている。しかし、特許文献１の形態では、充電電流がダイオードを介して二次電池に流れるため、該ダイオードの順方向の電圧降下分（０．３Ｖ程度）だけ、二次電池に印加される充電電圧が低下することが避けられず、二次電池が適正に充電されないおそれがある。また、特許文献１では、放電電流はＰＴＣ素子を流れることなく、二次電池に流れ込むため、過大な放電電流が流れたときに該放電電流の遮断を適確に行うことができず、二次電池が劣化や破損等するおそれがある。

本発明は、以上のような二次電池用保護回路が抱える問題を解決するためになされたものであり、その目的は二次電池に過大な放電電流や過大な充電電流が流れることを確実に防止することができ、しかも二次電池に適正な充電電圧を印加できる二次電池用保護回路およびこの二次電池用保護回路を備えた電池パックを提供することにある。

本発明は、図１に示すように、二次電池２に流れる放電電流が予め設定した放電電流限界値よりも大きくなると放電電流を遮断する放電用保護素子３と、二次電池２に流れる充電電流が予め設定した充電電流限界値よりも大きくなると充電電流を遮断する充電用保護素子５とを有する。放電用保護素子３および充電用保護素子５は、二次電池２に対して直列に接続されており、充電用保護素子５には、放電電流の流れる方向を順方向とする整流素子６が並列に接続されている。充電電流限界値は、放電電流限界値よりも小さくなるように設定してある。

具体的には、整流素子６が、ショットキーバリアダイオードであるものとすることができる。

放電用保護素子３および充電用保護素子５は、ＰＴＣ素子とすることができる。

二次電池２に、放電時には放電電流限界値よりも小さい電流値で放電電流を遮断し、充電時には充電電流限界値よりも小さい電流値で充電電流を遮断し、二次電池２の電圧異常時には放電電流または充電電流を遮断する電流電圧制御回路７を接続することができる。

二次電池２は、複数個の電池を直列および／または並列に接続することで構成されているものとすることができる。

そして、本発明は、これらのように構成された二次電池用保護回路１を備えた電池パックであるものとすることができる。

本発明に係る二次電池用保護回路においては、充電時には、充電電圧によって整流素子６に逆方向の電圧が印加されるため、整流素子６はオフとなる。このため、充電電流は、整流素子６には流れず、放電用保護素子３および充電用保護素子５に流れる。したがって、従来形態（特許文献１の図１参照）のごとく、充電電圧が整流素子６の順方向電圧の分だけ降下した状態で、二次電池２に印加されることがなく、二次電池２に適正な充電電圧をあたえて、該二次電池２を所定の適正な充電条件で充電することができる。また、充電装置が故障等して、充電用保護素子５の充電電流限界値よりも大きな充電電流が流れたときには、充電用保護素子５が充電電流を遮断するため、過大な充電電流により二次電池２が劣化や破損等するおそれもない。

また、放電時においては、二次電池２の電池電圧が負荷等を介して整流素子６に順方向の電圧として印加されて、整流素子６がオンとなる。このため、放電電流は、整流素子６を流れて充電用保護素子５をほとんど流れず、充電用保護素子５の充電電流限界値よりも大きな放電電流が保護回路１に流れても、充電用保護素子５が作動することがない。したがって、正常な放電ではあるが、かかる放電電流が充電用保護素子５の充電電流限界値よりも大きい場合にも、充電用保護素子５は作動せず、二次電池２から負荷に大きな放電電流を適正に供給することができる。放電用保護素子３の放電電流限界値よりも大きな放電電流が流れた場合には、放電用保護素子３が作動するため、過大な放電電流が流れることを防いで、二次電池２の破損等することを防止できる。

整流素子６が、ショットキーバリアダイオードであると、該ショットキーバリアダイオードの順方向電圧が一般的なＰＮ接合型ダイオードの順方向電圧よりも小さい分だけ、放電電圧が、整流素子６の順方向電圧で降下することを抑えることができる。

放電用保護素子３および充電用保護素子５がＰＴＣ素子であると、放電用保護素子３および充電用保護素子５をヒューズ等で構成する場合よりも小型化が容易である。したがって、放電用保護素子３および充電用保護素子５を狭い設置スペースであっても配置することができる。このことは、保護回路の全体構成のコンパクト化を図ることができることを意味し、結果として保護回路の配置等の設計自由度、および該保護回路を有する機器（電池パック等）の設計自由度の向上に資する。

二次電池２に電流電圧制御回路７を接続すると、二次電池２に過大な放電電流や過大な充電電流が流れることを、電流電圧制御回路７と保護回路１とで二重に防止できて、過大な充電電流や過大な充電電流が流れて二次電池２の破損等が生じることをより確実に防止できる。また、電流電圧制御回路７によって、二次電池２の電圧異常時には放電電流または充電電流が遮断されて、二次電池２の電圧異常によって二次電池２の破損等が生じることも防止できる。

二次電池２が、複数個の電池を直列および／または並列に接続することで構成されていると、これら複数個の電池であっても、過大な充電電流や過大な充電電流が流れて各電池の破損等が生じることを確実に防止できる。

これらのように構成された二次電池用保護回路１を電池パックに備えることで、過大な充電電流や過大な充電電流等による二次電池２の破損等が生じない電池パックを得ることができる。つまり、信頼性の高い電池パックを得ることができる。

図１に、本発明に係る二次電池用保護回路の実施形態を示す。二次電池用保護回路（以下、単に保護回路と記す）１は、二次電池２に流れる放電電流が予め設定した放電電流限界値よりも大きくなると放電電流を遮断する放電用ＰＴＣ素子（放電用保護素子）３と、二次電池２に流れる充電電流が予め設定した充電電流限界値よりも大きくなると充電電流を遮断する充電用ＰＴＣ素子（充電用保護素子）５とを有する。放電用ＰＴＣ素子３および充電用ＰＴＣ素子５は、二次電池２に対して直列に接続されており、充電用ＰＴＣ素子５には、放電電流の流れる方向を順方向とするショットキーバリアダイオード（整流素子）６が並列に接続されている。保護回路１および二次電池２からなる直列回路には、電流電圧制御回路７が接続される。二次電池２は、リチウムイオン二次電池等が該当し、該二次電池２の電池電圧（公称電圧）は、３．７Ｖである。

放電用ＰＴＣ素子３および充電用ＰＴＣ素子５は、それぞれ流れる電流に応じて発熱し、放電用ＰＴＣ素子３は、前記放電電流限界値よりも大きな電流が流れると、該電流に応じた発熱で抵抗値が急激に増加して、電流を遮断（トリップ）する。同様に充電用ＰＴＣ素子５は、前記充電電流限界値よりも大きな電流が流れると、該電流に応じた発熱で抵抗値が急激に増加して、電流を遮断（トリップ）する。

充電用ＰＴＣ素子５の充電電流限界値（トリップ電流値）は、例えば１Ａに設定されており、放電用ＰＴＣ素子３の放電電流限界値（例えば６Ａ）よりも小さくなるように設定している。放電用ＰＴＣ素子３は、トリップしていない正常状態で０．０３Ω以下の極めて低い抵抗値を有し、充電用ＰＴＣ素子５は、前記正常状態で０．３Ω以下の低い抵抗値を有する。これにて正常状態におけるＰＴＣ素子３・５での電圧降下は極めて小さくなる。ショットキーバリアダイオード６は、順方向の電圧降下、すなわち順方向電圧（０．２〜０．４Ｖ）が一般的なＰＮ接合型ダイオードの順方向電圧（０．５〜０．７Ｖ）よりも小さくなっている。

電流電圧制御回路７は、放電時には放電電流限界値よりも小さい設定放電電流値で放電電流を遮断し、充電時には充電電流限界値よりも小さい設定充電電流値で充電電流を遮断する。つまり、電流電圧制御回路７は、二次電池２の電池電圧に基づいて該二次電池２が放電状態か充電状態かを判別し、放電電流値が前記設定放電電流値を超えたとき、または充電電流値が前記設定充電電流値を超えたときに作動して電流を遮断する。これにて電流電圧制御回路７は、二次電池２に流れる放電電流または充電電流が過大となることを保護回路１に先立って防止する。そして、保護回路１は、電流電圧制御回路７の故障等で該電流電圧制御回路７が作動しなかったときに作動して電流を遮断する。

また、電流電圧制御回路７は、二次電池２の電圧異常時、例えば、充電時に過大な充電電圧が印加されたり、放電時に電池電圧が過剰に低下したりした場合には、放電電流または充電電流を遮断する。なお、電流電圧制御回路７は、非作動状態では放電電流および充電電流に対する抵抗値が極めて低くなる。

保護回路１および電流電圧制御回路７は、二次電池２の外表面に配置された状態で樹脂によってモールドされ、または外装カバーで覆われており、これにて二次電池２、保護回路１および電流電圧制御回路７が一体化した電池パックが形成される。電池パックには、図外の充電装置や図外の携帯端末等の負荷を接続するための正極端子１０および負極端子１１が前記樹脂モールドや外装カバーに形成した窓を介して露出している。正極端子１０は、二次電池２の正極に接続され、負極端子１１は、電流電圧制御回路７および保護回路１を介して二次電池２の負極に接続されている。

次に、保護回路１の動作を説明する。なお、説明の都合上、電流電圧制御回路７は作動しないと仮定する。
まず、二次電池２に充電する場合について説明すると、正極端子１０および負極端子１１に充電装置が接続されることで、両端子１０・１１間に充電電圧が印加される。該充電電圧によって保護回路１のショットキーバリアダイオード６には、逆方向に電圧が印加され、ショットキーバリアダイオード６はオフになる。これにて、充電電流が、二次電池２、充電用ＰＴＣ素子５および放電用ＰＴＣ素子３の順に流れる。なお、充電装置は、例えば図２に示すように、１９０ｍＡの定電流（充電電流Ｉ）で充電を開始し、充電開始から４時間の充電時間が経過すると、４．２Ｖの定電圧（充電電圧Ｖ）で充電する。

ところが、例えば充電装置の故障によって過大な電圧が両端子１０・１１間に印加され、図３に示すように、例えば充電開始時刻ｔ０で充電用ＰＴＣ素子５の充電電流限界値Ｉ０よりも大きな充電電流Ｉが流れると、充電用ＰＴＣ素子５が作動して、充電電流Ｉが遮断される。これにて過大な充電電流Ｉが二次電池２に流れて二次電池２が破損すること等が防止される。なお、放電用ＰＴＣ素子３の放電電流限界値は、充電用ＰＴＣ素子５の充電電流限界値Ｉ０よりも大きいために、放電用ＰＴＣ素子３は作動しない。

次いで、二次電池２を放電する場合について説明すると、正極端子１０および負極端子１１に負荷が接続されることで、ショットキーバリアダイオード６には、順方向に電圧が印加され、ショットキーバリアダイオード６がオンする。これにて、放電電流が、二次電池２、負荷、放電用ＰＴＣ素子３およびショットキーバリアダイオード６の順に流れ、充電用ＰＴＣ素子５にはほとんど流れない。つまり、充電用ＰＴＣ素子５には、ショットキーバリアダイオード６の順方向電圧に相当する電圧が印加されて、該電圧に対応する電流が流れるが、ショットキーバリアダイオード６の順方向電圧が小さいために、充電用ＰＴＣ素子５には電流がほとんど流れない。

そして、例えば負荷側で短絡事故が生じて過大な放電電流が放電用ＰＴＣ素子３に流れ、この放電電流が、放電用ＰＴＣ素子３の放電電流限界値よりも大きいと、放電用ＰＴＣ素子３が作動して、放電電流が遮断される。これにて過大な放電電流が二次電池２に流れて二次電池２が破損すること等が防止される。なお、前述のように充電用ＰＴＣ素子５には放電電流がほとんど流れないために、充電用ＰＴＣ素子５は作動しない。

以上のように、本発明に係る保護回路１によれば、充電時には、ショットキーバリアダイオード６がオフになって、充電電流が、充電用ＰＴＣ素子５および放電用ＰＴＣ素子３に流れて、ショットキーバリアダイオード６には流れない。つまり、充電電圧が、ショットキーバリアダイオード６の順方向電圧だけ降下した状態で、二次電池２に印加されることが防止される。したがって、二次電池２には、適正な充電電圧が印加されて、該二次電池２が適正に充電される。そして、電流電圧制御回路７が故障等によって作動しなくても、充電用ＰＴＣ素子５の充電電流限界値よりも大きな充電電流が流れたときには、充電用ＰＴＣ素子５が確実に作動し、過大な充電電流で二次電池２の破損等が生じることが確実に防止される。

放電時には、ショットキーバリアダイオード６がオンして、放電電流が充電用ＰＴＣ素子５をほとんど流れないために、充電用ＰＴＣ素子５の充電電流限界値よりも大きな放電電流が保護回路１に流れても、充電用ＰＴＣ素子５が作動することがない。したがって、正常な放電ではあるが、かかる放電電流が充電用ＰＴＣ素子５のトリップ電流値よりも大きい場合でも、充電用ＰＴＣ素子５は作動しない。このため、二次電池２から負荷に大きな放電電流を適正に供給することができる。そして、電流電圧制御回路７が故障等によって作動しなくても、放電用ＰＴＣ素子３の放電電流限界値よりも大きな放電電流が流れたときには、放電用ＰＴＣ素子３が確実に作動して、過大な放電電流が流れることで二次電池２の破損等が生じることが防止される。

充電用ＰＴＣ素子５に並列に接続される整流素子６としては、順方向電圧が低いほど好ましく、ショットキーバリアダイオードに代えて点接触型ゲルマニウムダイオード等であってもよい。放電用ＰＴＣ素子３および充電用ＰＴＣ素子５は、放電電流や充電電流を遮断したのちに温度が低下することで、自己復旧して再度、放電電流や充電電流を流すことができるが、放電用ＰＴＣ素子３や充電用ＰＴＣ素子５に代えて、設定した設定電流以上の電流が流れると該電流を恒久的に遮断するヒューズ等を用いてもよい。

二次電池２は、複数個の電池を直列および／または並列に接続することで構成されていてもよい。

本発明に係る二次電池用保護回路の回路図である。 適正な充電状態を説明するための図表である。 異常時の充電電流を説明するための図表である。

符号の説明

１ 二次電池用保護回路
２ 二次電池
３ 放電用ＰＴＣ素子
５ 充電用ＰＴＣ素子
６ ショットキーバリアダイオード
７ 電流電圧制御回路

Claims (6)

1. 二次電池に流れる放電電流が予め設定した放電電流限界値よりも大きくなると前記放電電流を遮断する放電用保護素子と、前記二次電池に流れる充電電流が予め設定した充電電流限界値よりも大きくなると前記充電電流を遮断する充電用保護素子とを有し、
   前記放電用保護素子および前記充電用保護素子は、前記二次電池に対して直列に接続されており、
   前記充電用保護素子には、放電電流の流れる方向を順方向とする整流素子が並列に接続されており、
   前記充電電流限界値が、前記放電電流限界値よりも小さくなるように設定してあることを特徴とする二次電池用保護回路。
2. 前記整流素子が、ショットキーバリアダイオードである請求項１記載の二次電池用保護回路。
3. 前記放電用保護素子および前記充電用保護素子が、ＰＴＣ素子である請求項２記載の二次電池用保護回路。
4. 前記二次電池に、放電時には前記放電電流限界値よりも小さい電流値で放電電流を遮断し、充電時には前記充電電流限界値よりも小さい電流値で充電電流を遮断し、前記二次電池の電圧異常時には前記放電電流または前記充電電流を遮断する電流電圧制御回路が接続されている請求項１ないし３のいずれかに記載の二次電池用保護回路。
5. 前記二次電池が、複数個の電池を直列および／または並列に接続することで構成されている請求項１ないし４のいずれかに記載の二次電池用保護回路。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の二次電池用保護回路を備えた電池パック。

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