JP5050415B2

JP5050415B2 - ２次電池の充放電回路および電池パック

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Publication number: JP5050415B2
Application number: JP2006165716A
Authority: JP
Inventors: 民次永井; 和夫山崎; 秀憲田中; 幸弘寺田
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2006-06-15
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2026-06-15
Also published as: CN101467327A; US20110074356A1; CN101467327B; WO2007145268A1; US8610405B2; JP2007336698A

Description

この発明は、例えばリチウムイオン電池などの２次電池に対して充電を行ったり放電を行わせたりする２次電池の充放電回路、並びに、２次電池をパッケージングしてなる電池パックに関する。

例えば、携帯電話機や一部のデジタルカメラなど、装置に２次電池を装着したまま充電を行えるようにしたシステムでは、図１９に示すように、充放電回路５に双方向性レギュレータ回路１２０を備え、この双方向性レギュレータ回路１２０により充電時や放電時の電流や電圧を調整するのが一般的である。また、双方向性レギュレータ回路１２０の充電動作と放電動作との切り替えは、電源装置２や電力供給先のセット機器３と接続する端子の切替状態に基づいて行うのが一般であった。すなわち、端子接続切替回路１１０の切替状態に基づき、電源装置２が接続されている場合には双方向性レギュレータ回路１２０に充電動作を行わせ、電源装置２が接続されていない場合には双方向性レギュレータ回路１２０に放電動作を行わせるようにしていた。

また、本願発明に関連するものとして次のような技術の開示があった。例えば、特許文献１には、主電源と補助電源（２次電池）とから電力供給を行う電源装置において、双方向コンバータを用いて主電源の電力が余っているときに補助電源に充電を行い、主電源の電力が不足するシステムの始動時に補助電源から放電を行わせる技術が開示されている。

また、特許文献２には、太陽電池とバッテリーと負荷とを接続した太陽光発電設備において、バッテリーの前段に双方向コンバータを接続して、放電指令と充電指令とに基づいて双方向コンバータに充電動作と放電動作とを行わせる技術が開示されている。

また、特許文献３には、充電時には降圧型チョッパ回路としてバッテリの充電を行い、放電時には昇圧型チョッパ回路としてバッテリの放電を行う双方向性コンバータが開示されている。
特開平６−２４５５４３号公報特願平５−０５５４６７号公報特開２００３−３０４６４４号公報

上述のように、２次電池に双方向性レギュレータを接続して、充電と２次電池からの放電とを切り替えて行うようにした充放電回路は以前からある。しかしながら、従来の充放電回路では、電源接続の有無といった一律の条件で切り替えを行っていたり、充電動作と放電動作との切り替えを行うのに外部からの指令が必要であった。

本発明者らは、外部からの指令によらず、様々な状況に応じて充放電回路が自発的に充電動作と放電動作との適切な切り替えを行うようになれば、２次電池を利便性のある様々な用途に簡単に適用することが可能となると考えた。

この発明の目的は、２次電池の充電動作と放電動作との適切な切り替えを様々な状況に合わせて自発的に行うことのできる充放電回路を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、電源電圧による２次電池への充電と２次電池から外部機器への電力供給とが可能な２次電池の充放電回路であって、２次電池側へ電流を流す充電方向と２次電池から外部機器側へ電流を流す放電方向との双方で電流又は電圧の調整が可能な双方向性レギュレータと、２次電池に流れる電流の向きを検出する充電放電検出回路と、該充電放電検出回路の検出結果に基づいて前記双方向性レギュレータの動作方向を前記充電方向または前記放電方向に切り替える切替制御回路とを備えた構成とした。

このような手段によれば、例えば、２次電池の充電率が低い状態で電源端子にＡＣアダプタなどの電源装置が接続されたとき、電源装置が接続されている状態で外部機器の負荷が一時的に増して電源供給の不足が生じたとき、電源装置の接続が外されたときなど、電源の接続状態や外部負荷の変化が生じて双方向性レギュレータの直前の動作状態が維持されなくなった場合に、２次電池に流れる電流の向きが僅かに変化する。そして、この変化を検出してその後の双方向性レギュレータの動作状態を自発的に切り替えることが出来る。また、このときの電流の向きの変化は、充電が必要なときには充電方向に、放電が可能なときには放電方向にと、そのときの接続機器や接続電源の状態、並びに、２次電池の充電率などに応じて適宜な方向を示しているので、この検出に基づく双方向性レギュレータの動作切替は様々な状況に応じた適切なものとなる。

望ましくは、前記充電放電検出回路は、２次電池の充電電流と放電電流とが流れる電流経路上に直列に接続された１個又は複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２：図２，図５）と、該電界効果トランジスタの両端電圧が所定電圧になるようにゲート端子にバイアス電圧を与える手段（Ｂ１，Ｂ２：図２、又は１１，１５：図５）と、前記電界効果トランジスタの両端電圧を比較する比較回路（Ｃｏｍｐ１，Ｃｏｍｐ２：図２、又は２１：図５）とから構成すると良い。

このような構成によれば、充電放電検出回路は、充電時や放電時に多くの電流が流れるときには小さな抵抗となって低損失を実現でき、電流方向の切り替わり時に小さい電流値となってもその向きの変化を確実に検出することが出来る。

さらに望ましくは、前記双方向性レギュレータは、２次電池の充電電流と放電電流の電流経路上に直列に接続され出力調整を行う複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２：図５）を有し、前記充電放電検出回路は、当該双方向性レギュレータの複数の電界効果トランジスタの両端電圧を比較して電流の向きを検出するように構成すると良い。

このような構成により、部品の兼用化によりコストの低減や損失の低減を図ることが出来る。また、双方向性レギュレータの通常動作で電界効果トランジスタをオンさせているときには、当該電圧効果トランジスタに上述した電流方向を検出するためのゲートバイアスを与えているのと同様の状態とすることが出来るので、そのときのトランジスタの両端電圧により電流の向きの変化も確実に検出することが出来る。

さらに望ましくは、電源電圧の検出を行う電源電圧検出回路（４０：図７）を備え、電源電圧が前記２次電池の満充電電圧より低い場合にのみ電源電圧を入力して２次電池の充電を可能にすると良い。

具体的には、電源電圧の入力を遮断可能な第１スイッチ素子（ＦＥＴ５：図８）と、電源電圧が前記２次電池の満充電電圧より高い場合に前記第１スイッチ素子をオフにして電源電圧の入力を遮断する手段とを備えると良い。

また、具体的には、前記双方向性レギュレータは昇圧動作可能に構成され、２次電池の充電時、充電電圧が電源電圧の近傍になった場合に前記双方向性レギュレータが昇圧動作を開始して２次電池に充電電流を供給するように構成すると良い。

このような構成により、素子破壊等により電源電圧が２次電池に直接的に印加されるような事態になっても、電源電圧が満充電電圧以下であるため２次電池に過充電が生じることがなく、高い安全性を確保することが出来る。また、充電時の昇圧動作により、電源電圧が満充電電圧以下であっても２次電池を満充電にすることも出来る。

さらに望ましくは、前記双方向性レギュレータ（１０：図１０）は、トランジスタをスイッチング動作させて出力を調整するスイッチング制御と、トランジスタのオン抵抗を連続的に変化させて出力を調整するリニア制御とで降圧動作が可能に構成され、電源電圧および／又は電池電圧に基づいて前記双方向性レギュレータの降圧動作時の制御方式をスイッチング制御又はリニア制御に切り替える制御手段（５１）を設けると良い。

このような構成により、充電電圧が電源電圧より僅かに低い期間にリニア制御にすることで、充電時の損失を低減して充電効率の向上を図ることが出来る。

さらに望ましくは、２次電池から外部機器への放電中、電池電圧が前記外部機器の最低動作電圧の近傍になった場合に前記双方向性レギュレータが昇圧動作を開始して外部機器に電力供給するように構成すると良い。

また、前記双方向性レギュレータの放電時の昇圧動作を開始させる電池電圧のしきい値と、該昇圧動作を停止させる電池電圧のしきい値とにヒステリシス（Ｖ１３−Ｖ１２：図１４）を設けると良い。

このような構成により、電源電圧の入力がなくても２次電池の電力をフルに使用して、外部機器を長時間駆動しつづけることが出来る。また、上記のヒステリシスにより、昇圧動作の切り替わり時に昇圧動作の開始状態と停止状態とがばたついて不安定状態になることも回避できる。

さらに望ましくは、２次電池の過充電および／又は過放電を検出する異常検出回路（７１：図１５）と、前記異常検出回路の検出に基づいて前記双方向性レギュレータの入力および／又は出力を遮断させる制御回路（７２）とを備えると良い。

また望ましくは、外部機器への出力を遮断可能な第２スイッチ素子（ＦＥＴ６：図１６）と、出力電圧を検出する出力電圧検出回路（８１）と、出力電圧が基準値を超えたときに前記第２スイッチ素子をオフにする制御回路（８２）とを備えると良い。

また望ましくは、前記電源電圧と２次電池とを接続する電流経路上に設けられたヒューズ（９３：図１７）と、前記電源電圧および入力電流を検出する電圧電流検出回路（９２）と、前記ヒューズと直列に接続された第３スイッチ素子（ＦＥＴ３）とを備え、前記電源電圧又は入力電流が制限値を超えた場合に前記第３スイッチ素子をオンさせて前記ヒューズを切断するように構成すると良い。

このような保護手段により、様々な異常時に対応して２次電池や外部機器を保護することが出来る。

また、本発明は、上記目的を達成するために、２次電池を内蔵した電池パックにおいて、上述した２次電池の充放電回路をパッケージ内に配設して２次電池と一体化したものである。このような構成とすることで、２次電池を利便性のある様々な用途に簡単に適用することが可能となる。

なお、この項目の説明において、実施形態との対応関係を示す符号を括弧書きで記したが、本発明はこれに限定されるものではない。

以上説明したように、本発明に従うと、２次電池の充電動作と放電動作との適切な切り替えを様々な状況に応じて充放電回路により自発的に行わせることができ、それにより、２次電池を利便性の高い様々な用途に簡単に適用することが可能になるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１実施形態の２次電池の充放電システムの概要を示すブロック図、図２は、この充放電システムのうち充電放電検出回路の部分を具体的に示した回路構成図である。

第１実施形態の充放電システムは、例えばＡＣアダプタなどの電源装置２から電源電圧を入力して２次電池Ｅ２の充電を行ったり、例えば携帯電話機やデジタルカメラなどのセット機器３に対して２次電池Ｅ２から電力を供給したりするものである。この充放電システムのうち、電源装置２、セット機器３および２次電池Ｅ２を除いた部分により充放電回路が構成される。

この充放電システムは、ＡＣアダプタなどの電源装置２と、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの２次電池Ｅ２と、電源電圧を入力して２次電池Ｅ２に充電電流を出力したり２次電池Ｅ２の電池電圧に基づきセット機器３に電圧出力したりする双方向性レギュレータ回路１０と、２次電池Ｅ２の電流の向きすなわち充電方向或いは放電方向の検出を行う充電放電検出回路２０と、この充電放電検出回路２０の出力に基づいて双方向性レギュレータ回路１０の動作を充電動作または放電動作に切り替える切替制御回路３０等を備えている。

双方向性レギュレータ回路１０は、トランジスタのスイッチング制御或いはトランジスタのオン抵抗の制御により定電流出力や昇圧・降圧出力などの出力調整を行うものである。また、切替制御回路３０の制御によって、電源装置２側を入力として２次電池Ｅ２側の出力を調整する充電動作と、２次電池Ｅ２側を入力としてセット機器３側の出力を調整する放電動作とを切り替えて実行することが可能になっている。

充電放電検出回路２０は、例えば図２に示すように、２次電池Ｅ２と電源端子ｔ０との間に直列に接続された２個のトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２と、これらトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２の両端に低電圧でほぼ一定の電圧を発生させるゲートバイアスを与えるバイアス回路Ｂ１，Ｂ２と、この２個のトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２の両端の電圧を比較することで電流の向きを表わす信号出力を行う２個のコンパレータＣｏｍｐ１，Ｃｏｍｐ２等から構成される。

２個のトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２は、例えばPチャネル形ＭＯＳＦＥＴであり、ボディダイオードが互いに逆向きになるようにそれぞれ接続されている。これにより、トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２のうち何れか一方には、ソース・ドレイン間のチャネルに電流が流れて、ソース・ドレイン間に制御された電圧が出力するようになっている。

バイアス回路Ｂ１，Ｂ２は、トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２に流れる電流が大きいときにはそのソース・ドレイン間抵抗を小さくして損失の増大を回避し、電流が小さいときにはソース・ドレイン間抵抗を大きくしてソース・ドレイン間の電圧を検出可能なレベルまで上昇させるものである。ソース・ドレイン間に発生させる電圧は、例えば２０ｍＶ〜５０ｍＶなど、検出可能で且つ低い電圧とすると良い。この電圧値は厳密に定電圧でなければならないというものではなく、大まかに上記の電圧となれば良いものである。従って、例えばバイアス回路Ｂ１，Ｂ２として、それぞれドレイン端子にアノードをゲート端子にカソードを接続したツェナーダイオードなどから構成することも出来る。

次に、上記構成の充放電システムの動作について説明する。
図３には、充電検出と放電検出の各場合における充電放電検出回路の状態を説明した図を示す。
例えば、双方向性レギュレータ回路１０が放電動作を行って２次電池Ｅ２の充電率が低下している状態で、出力容量の大きな電源装置２が接続されたような場合、双方向性レギュレータ回路１０で電流が逆流して、僅かに充電方向の電流が流れる場合がある。

このような場合、図３（ａ）に示すように、この充電方向の微小電流によりトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２の両端のうち２次電池Ｅ２側に検出可能な低電圧（例えば３０ｍＶ〜１００ｍＶ以上）が発生し、コンパレータＣｏｍｐ１によりそれが検出されて充電検出信号が出力される。

充電検出信号が出力されると、切替制御回路３０が双方向性レギュレータ回路１０の動作状態を放電動作から充電動作へと切り替えて、これにより充放電システムは充電状態へと移行する。

また、例えば、電源装置２が接続された状態で、双方向性レギュレータ回路１０が放電動作を行って２次電池Ｅ２からセット機器３へ電力供給が行われている状態で、２次電池Ｅ２の充電率が低下して双方向性レギュレータ回路１０の放電動作が続けられない状態になった場合にも、電源装置２からの電圧により双方向性レギュレータ回路１０の電流が逆流して僅かに充電方向の電流が流れることがある。

このような場合にも、上述のように充電方向の電流が検出されて、放電動作から充電動作への切り替えが行われる。

一方、双方向性レギュレータ回路１０が充電動作を行って２次電池Ｅ２の充電を行っている状態で、電源装置２が外された場合には、双方向性レギュレータ回路１０にて充電動作が続けられなくなって、僅かに放電方向の電流が流れる。

すると、図３（ｂ）に示すように、この放電方向の微小電流により、トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２の両端のうち負荷３側に検出可能な低電圧（例えば３０ｍＶ〜１００ｍＶ以上）が発生し、コンパレータＣｏｍｐ２によりそれが検出されて放電検出信号が出力される。

放電検出信号が出力されると、切替制御回路３０が双方向性レギュレータ回路１０の動作状態を充電動作から放電動作へと切り替えて、これにより充放電システムは放電状態へと移行される。

図４には、充電放電検出回路において電流電圧変換用の素子を１個のトランジスタにより構成した場合の一回路例を示す。
図２の充電放電検出回路２０では、電流を電圧に変換する素子として、２個のトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２をボディダイオードを互いに逆向きにして接続して構成したが、図４に示すように、１個のトランジスタＦＥＴ０から構成することも可能である。この回路例は、トランジスタＦＥＴ０のバックゲートを電流の向きに応じてソース又はドレインの両端子に切り替えるスイッチ２６と、トランジスタＦＥＴ０の両端電圧に基づいきスイッチ２６の接続を切り替えるコンパレータ２５とを設けたものである。このような構成であっても、１個のトランジスタＦＥＴ０を用いて放電電流や充電電流がボディダイオードのみに流れないように制御することができ、微小電流でも電流の向きの変化を検出することが可能となる。

以上のように、第１実施形態の充放電システムによれば、充電動作と放電動作との適切な切り替えを充放電システムによって自発的に行わせることが出来るので、２次電池を利便性の高い様々な用途に容易に適用することが出来る。例えばＡＣアダプタで駆動するセット機器に対して、この充放電システムを電源端子に並列に接続するだけで、２次電池によりセット機器の一時的なワイヤレス化を実現できる。また、例えば、一つの満充電の２次電池を、充放電回路を介して他の空の２次電池に接続することで、一方の２次電池から他方の２次電池へ充電電流を流して、電荷の分配を図ることができる。また、電源装置２の定格電力では一時的に電力が不足するような場合に自発的に２次電池から電力供給をさせて電力を補わせるなど、様々な用途に簡単に適用させることが出来る。

［第２の実施の形態］
図５には、第２実施形態の充放電システムの構成図を、図６には、この充放電システムの双方向性レギュレータ回路の動作方法の説明図を示す。
第２実施形態の充放電システムは、充電放電検出回路のトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２を、双方向性レギュレータ回路のトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２と兼用させたものであり、その他の構成は第１実施形態とほぼ同様である。

この実施形態の双方向性レギュレータ回路は、電源装置２と２次電池Ｅ２との間に順に直列接続された第１トランジスタＦＥＴ１、リアクトルＬ１、第２トランジスタＦＥＴ２と、リアクトルＬ１の一方の端子とグランドとの間に接続された第３トランジスタＦＥＴ３と、リアクトルＬ１の他方の端子とグランドとの間に接続された第４トランジスタＦＥＴ４と、第１と第３トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ３の駆動制御を行う第１ＳＷ制御回路１１と、第２と第４トランジスタＦＥＴ２，ＦＥＴ４の駆動制御を行う第２ＳＷ制御回路１５等から構成される。
第１〜第４のトランジスタＦＥＴ１〜ＦＥＴ４は、図５に示すように、Ｐチャネル形ＭＯＳＦＥＴと、Ｎチャネル形ＭＯＳＦＥＴ等を適用することが出来る。

この双方向性レギュレータ回路は、図６に示すように、第１トランジスタＦＥＴ１と第３トランジスタＦＥＴ３のスイッチング制御により充電時の降圧動作と、放電時の昇圧動作とが可能である。また、第２トランジスタＦＥＴ２と第４トランジスタＦＥＴ４のスイッチング制御により、放電時の降圧動作と充電時の昇圧動作とが可能である。

トランジスタの制御方式は、パルス幅変調方式や周波数変調方式などのスイッチング制御、或いは、シリーズレギュレータやシャントレギュレータのようにトランジスタのオン抵抗を連続的に変化させるリニア制御など、種々の方式を適用することが出来る。

なお、図示はしていないが、第１と第２のＳＷ制御回路１１，１５には、２次電池Ｅ２の電圧や電流を表わす検出電圧、並びに、セット機器３への出力電圧を表わす検出電圧が入力され、これらに基づいて２次電池Ｅ２への充電電流や充電電圧を調整したり、或いは、セット機器３への出力電圧を調整したりするようになっている。

この実施形態の充電放電検出回路は、電流を電圧に変換する素子として、双方向性レギュレータ回路の第１トランジスタＦＥＴ１と第２トランジスタＦＥＴ２を用いている。そして、これらの両端電圧の各々を検出回路２１に入力して電流の向きを監視している。

なお、この実施形態の回路構成では、第１と第２のトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２の中間に起電力を発生するリアクトルＬ１が設けられているため、２個のトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２それぞれの両端から４つの電圧を入力して電流の向きを検出するように構成している。リアクトルＬ１の接続位置の異なる双方向性レギュレータ回路であれば、中央側の２入力は省略してトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２の両端の２つの電圧のみ入力して電流の向きを監視するようにしても良い。

また、この実施形態では、第１トランジスタＦＥＴ１や第２トランジスタＦＥＴ２に電流の向きが検出可能な程度の低い電圧が絶えず生じるように、第１トランジスタＦＥＴ１や第２トランジスタＦＥＴ２のオン動作時で且つ電流が少ない場合には、オン抵抗が若干高くなるようにトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２を駆動するように第１ＳＷ制御回路１１や第２ＳＷ制御回路１５を構成すると良い。

或いは、検出回路２１による電流方向の監視を所定周期で間歇的に行うように構成するとともに、図５に点線で示すように、電流方向の検出を行うタイミングに検出回路２１からＳＷ制御回路１１，１５にその通知信号を出力し、この通知信号が入力された場合にＳＷ制御回路１１，１５からトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２に低圧定電圧で動作するゲートバイアスを与えるように構成しても良い。

このような構成とすることにより、双方向性レギュレータ回路のトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２を、充電放電検出回路の電流電圧変換素子に流用して、第１実施形態と同様の作用を得ることが出来る。

［第３の実施の形態］
図７は、第３実施形態の充放電システムの概略構成を示すブロック図、図８は、この充放電システムの回路構成図である。なお、図８において充電放電検出回路２０と切替制御回路３０の構成は省略している。

第３実施形態の充放電システムは、第２実施形態の構成に加えて、入力される電源電圧を２次電池Ｅ２の満充電電圧以下に制限する構成を付加したものである。
すなわち、この実施形態の充放電システムには、電源装置２が接続される電源端子と双方向性レギュレータ回路１０との間に、電源電圧を検出する電源電圧検出回路４０と、電源電圧が基準電圧より高い場合に電源電圧の入力を遮断するためのスイッチ回路４１とが設けられている。

電源電圧検出回路４０は、例えば抵抗分割回路などにより構成できる。
スイッチ回路４１は、図８に示すように、電源端子と双方向性レギュレータ回路１０との間に直列に接続されたスイッチトランジスタＦＥＴ５と、電源電圧検出回路４０の検出電圧と基準電圧とを比較してＭＯＳトランジスタＦＥＴ５をオン・オフ制御する制御回路４１ａとから構成される。

スイッチ回路４１をオフさせる基準電圧は、２次電池Ｅ２の満充電電圧（例えば４．２Ｖ）、或いは、それより少し低い電圧（例えば３．８Ｖ〜４．２Ｖ）に設定すると良い。

双方向性レギュレータ回路１０は、電源電圧が満充電電圧以下であるため、充電電圧が電源電圧以上となった場合には昇圧動作を伴った出力制御を行うことで、２次電池Ｅ２を満充電まで充電するように構成される。

この実施形態の充放電システムによれば、電源電圧の入力を２次電池Ｅ２の満充電電圧以下に制限することが出来るので、回路故障などで電源電圧が２次電池Ｅ２に直接的に印加されてるような状況が生じても、２次電池Ｅ２が過充電となることが防止され、高い安全性を確保することが出来る。

図９には、第３実施形態の充放電システムの変形例を示す。
なお、図９に示すように、電源電圧の入力を遮断するスイッチ素子は、双方向性レギュレータ回路の第１トランジスタＦＥＴ１を流用するようにしても良い。

［第４の実施の形態］
図１０は、第４実施形態の充放電システムの概略構成を示すブロック図、図１１は、接続される電源装置として想定される３種類の電源装置の出力特性を示す特性グラフである。
第４実施形態の充放電システムは、第２実施形態の構成に加えて、充電時の双方向性レギュレータ回路１０の動作モードを、電源電圧や充電電圧に応じてスイッチング制御モードとリニア制御モードとに適宜切り替える機能を付加したものである。なお、本実施形態において、充電放電検出回路やその作用構成について図示や説明を省略するが、これらの構成も第２実施形態と同様に備わっているものである。

この実施の形態の充放電システムは、上記の機能を実現するため、電源電圧の入力段に電圧を検出する電源電圧検出回路５０を備えている。そして、この検出電圧を切替制御回路５１に入力して、切替制御回路５１により、降圧充電時における双方向性レギュレータ回路１０の動作モードを切り替えるように構成されている。

この実施形態の充放電システムでは、図１１に示すように、電源電圧として、２次電池Ｅ２の満充電電圧より低い電圧Ｖ１、満充電電圧より少し高い電圧Ｖ２、ずっと高い電圧Ｖ３など、複数の大きさの電源電圧が入力されることを想定している。

双方向性レギュレータ回路１０は、充電時の降圧動作時に、トランジスタをスイッチング動作させて充電電圧を調整するスイッチング制御モードと、シリーズレギュレータのようにトランジスタのオン抵抗を連続的に変化させて充電電圧を調整するリニア制御モードとが可能なように構成する。

図１２には、この充放電システムの充電時の動作を説明する特性グラフを示す。
この実施形態の充放電システムでは、充電率が低く充電電圧も低い期間Ｄ１では、電源電圧と充電電圧との電圧差が大きいため電源電圧の大きさに拘わらずに、双方向性レギュレータ回路１０はスイッチング動作を行わせて２次電池Ｅ２の充電を行う。

一方、充電率が中程度から高くなった期間Ｄ２では、電源電圧によっては充電電圧との差が小さくなため、電源電圧の大きさに応じて双方向性レギュレータ回路の動作モードを切り替えるようになっている。すなわち、電源電圧が満充電電圧より少し高い電圧Ｖ２である場合には、双方向性レギュレータ回路１０の動作をリニア制御モードに切り替えて、例えばシリーズレギュレータの動作等により電源電圧を降圧して２次電池Ｅ２の充電を行う。

他方、電源電圧が満充電電圧より低い電圧Ｖ１の場合には、昇圧動作が必要となるため、リニア制御モードにはせずにスイッチング制御モードで２次電池Ｅ２の充電を行う。さらに、電源電圧が満充電電圧よりずっと高い電圧Ｖ３である場合には、充電電圧との差電圧が小さくならないので、リニア制御モードにせずにスイッチング制御モードのまま２次電池Ｅ２の充電を行う。

このように電源電圧が充電電圧より僅かに高い場合に、双方向性レギュレータ回路１０をリニア制御モードとすることで、双方向性レギュレータ回路１０での損失を、スイッチング制御モードのままにした場合より小さくすることができ、それにより充電効率の向上を図ることが出来る。

なお、図１０に点線で示すように、２次電池Ｅ２の前段に充電電圧を検出する電池電圧検出回路５３を設け、この検出電圧を切替制御回路５１に入力するとともに、切替制御回路５１にて電源電圧と充電電圧とを比較して、電源電圧が充電電圧より僅かに大きくなる（例えば＋０．１Ｖ〜０．４Ｖ）期間に、双方向性レギュレータ回路１０の制御をスイッチング制御モードからリニア制御モードに切り替えて、シリーズレギュレータの動作により電源電圧を降圧して２次電池の充電を行うように構成しても良い。このような制御によっても充電時の効率の向上を図ることが出来る。

［第５の実施の形態］
図１３には、第５実施形態の充放電システムの回路構成図を、図１４にはこの充放電システムの放電時の動作を説明する特性グラフを示す。
第５実施形態の充放電システムは、第２実施形態の構成に加えて、２次電池Ｅ２の放電時に電池電圧がセット機器３の最低動作電圧に近づいたときに、双方向性レギュレータ回路１０に昇圧動作を行わせる機能を付加したものである。なお、本実施形態において、充電放電検出回路やその作用構成について図示や説明を省略しているが、これらの構成も第２実施形態と同様に備わっている。

この実施形態の充放電システムでは、上記機能を実現するため、２次電池Ｅ２の前段に電池電圧を検出する電池電圧検出回路６１を設けている。そして、この検出電圧を切替制御回路３０に入力し、放電時に電池電圧が一定値より低くなった場合に双方向性レギュレータ回路にスイッチング制御により昇圧動作を行わせるようにしたものである。

図１４に示すように、昇圧動作を開始させる電池電圧は、セット機器３の最低動作電圧Ｖ１１より少し高い第１しきい値電圧Ｖ１２に設定する。また、一旦、放電時の昇圧動作が開始された場合には、途中で２次電池Ｅ２に充電が行われて電池電圧が僅かに上昇した場合でも、次の放電動作時に第１しきい値電圧Ｖ１２より少し高い第２しきい値電圧Ｖ１３を超えなければ昇圧動作を続けるように構成する。

このように、昇圧動作を停止させるしきい値電圧Ｖ１３と、昇圧動作を開始させるしきい値電圧Ｖ１１の間には少しの電位差を設定しておくことで、昇圧動作の開始と停止の切り替わり時に動作がばたついて動作が不安定にならないようにすることが出来る。

また、充電動作に移行することなく放電が続いて、電池電圧が最低電池電圧Ｖ１４に達した場合には、２次電池Ｅ２の過放電を防ぐために昇圧動作を停止してセット機器３への電力供給を停止させる。

この実施の形態の充放電システムによれば、２次電池Ｅ２の電池電圧がセット機器３の最低動作電圧以下になっても、２次電池Ｅ２の電力を放出し切るまで電力供給を続けることが出来るので、２次電池Ｅ２によるセット機器３の使用可能時間が延びて有用である。

［第６の実施の形態］
図１５には、第６実施形態の充放電システムの回路構成図を示す。
第６実施形態の充放電システムは、第２実施形態の構成に加え、２次電池Ｅ２の過充電や過放電を防止する保護機能を付加したものである。本実施形態においても、充電放電検出回路や充電と放電の切り替えを行う切替制御回路について図示や説明を省略しているが、これらの構成も第２実施形態と同様に備わっているものである。

この実施形態の充放電システムは、上記保護機能を実現するため、２次電池Ｅ２の前段に電池電圧や充放電電流を検出する電圧電流検出回路７１と、該電圧電流検出回路７１から過充電や過放電の検出信号が出力された場合にセット機器３や電源装置２から２次電池Ｅ２の接続を遮断する保護用制御回路７２とを設けている。

保護用制御回路７２は、例えば、双方向性レギュレータ回路の構成素子のうち、電源装置２と２次電池Ｅ２との間に直列に接続されたトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２の何れかを強制的にオフさせることで、２次電池Ｅ２の遮断を行うように構成する。例えば、過充電時にはトランジスタＦＥＴ１を、過放電時にはトランジスタＦＥＴ２をオフさせて、過充電や過放電を防止する。
なお、２次電池Ｅ２の充電電流や放電電流を遮断する専用のスイッチ素子を設けて、このスイッチ素子をオフさせるように構成しても良い。

また、図１５に点線で示すように、保護用制御回路７２は、トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２のゲート端子に直接にオフの駆動信号を出力してトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２をオフさせるのではなく、第１と第２のＳＷ制御回路１１，１５を介してトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２をオフさせるようにしても良い。

このような構成により、２次電池Ｅ２の過充電や過放電を防いで安全性の高い充放電システムとすることが出来る。

［第７の実施の形態］
図１６には、第７実施形態の充放電システムの回路構成図を示す。
第７実施形態の充放電システムは、第２実施形態の構成に加えて、セット機器３への出力電圧が最大定格電圧を超えた場合に、電圧出力を停止させる保護機能を付加したものである。本実施形態においても、充電放電検出回路や充電動作と放電動作の切り替えを行う切替制御回路について図示や説明を省略しているが、これらの構成も第２実施形態と同様に備わっている。

この実施形態の充放電システムは、上記の保護機能を実現するため、電源端子や双方向性レギュレータ回路の接点Ｎ１とセット機器３との間に設けられたスイッチ素子ＦＥＴ６と、出力電圧を検出する電圧検出回路８１と、この検出電圧に基づいてスイッチ素子ＦＥＴ６をオン・オフ制御するスイッチ制御回路８２とを備えている。

このような構成とすることで、例えば、セット機器３の最大定格電圧より高い電圧の電源装置２が接続されてしまった場合や、双方向性レギュレータ回路の誤動作により高い電圧が出力されてしまった場合に、スイッチ素子ＦＥＴ６がオフされてセット機器３を保護することが出来る。

［第８の実施の形態］
図１７には、第８実施形態の充放電システムの回路構成図を示す。
第８実施形態の充放電システムは、第２実施形態の構成に加えて、電源端子から異常な高電圧が入力された場合にヒューズ９３を切断して２次電池Ｅ２への入力を完全に遮断する第２保護機能を付加したものである。本実施形態においても、充電放電検出回路や充電動作と放電動作の切り替えを行う切替制御回路について図示や説明を省略しているが、これらの構成も第２実施形態と同様に備わっているものである。

この実施形態の充放電システムは、上記の第２保護機能を実現するため、電源端子と双方向性レギュレータ回路との間に直列に接続されたヒューズ９３と、入力電圧および入力電流を検出する電圧電流検出回路９２と、双方向性レギュレータ回路のトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ３，ＦＥＴ２を制御してヒューズ９３を切断させることが可能な保護用制御回路９４とを備えている。

この実施形態の充放電システムでは、先ず、双方向性レギュレータ回路の通常の保護機能（第１保護機能）により、過大電圧が入力された場合にトランジスタＦＥＴ１がオフされて入力を遮断する保護動作が働く。しかし、より大きな異常電圧が入力された場合には、この保護動作がなされても例えばトランジスタＦＥＴ１が破壊されるなど制御不能な状態になって、異常電圧や異常電流の入力がトランジスタＦＥＴ１を通過して入力されることがある。

この実施形態の充放電システムでは、このような場合に、ヒューズ９３の切断による第２保護機能が働くようにしたものである。
従って、第２保護機能で用いられる電圧電流検出回路９２は、第１保護機能でオフされるトランジスタより後段の電位点Ｎ２の電圧を検出するように構成する。

ヒューズ９３は、制限電流を超えた場合に切断される通常のヒューズや、抵抗成分を有し所定の入力電力を超えた場合に切断される抵抗ヒューズなどを用いることが出来る。

保護用制御回路９４は、電圧電流検出回路９２で制限電圧や制限電流を超えた入力が検出された場合に、トランジスタＦＥＴ１とグランド間に接続されたトランジスタＦＥＴ３を強制的にオンさせる信号を出力する。これにより、制御不能で通電状態になっているトランジスタＦＥＴ１と、オン動作させたトランジスタＦＥＴ３を通して過大電流を流してヒューズ９３を切断することが出来る。

同時に、保護用制御回路９４は、２次電池Ｅ２に直列に接続されたトランジスタＦＥＴ２を強制的にオフにさせる信号を出力する。これにより、ヒューズ９３を切断するためにオンさせたトランジスタＦＥＴ３を通して２次電池Ｅ２の放電電流が流れるのが回避され、２次電池Ｅ２の過放電を防ぐことが出来る。

以上のように、この実施形態の充放電システムによれば、異常な過大電圧が入力された場合に２次電池Ｅ２に過大電流を流すことなくヒューズ９３を切断して過大電圧の入力を遮断することが出来るので、より高い安全性の確保を図ることが出来る。

なお、この実施形態では、保護動作制御回路９４が双方向性レギュレータ回路のトランジスタＦＥＴ２，ＦＥＴ３を直接制御してヒューズ９３を切断したり２次電池Ｅ２の過放電を防ぐようにしているが、図１７に点線で示すように、保護動作制御回路９４から第１と第２のＳＷ制御回路１１，１５に信号を出力して、第１と第２のＳＷ制御回路１１，１５を介してトランジスタＦＥＴ２．ＦＥＴ３を同様に制御するようにしても良い。

また、ヒューズ９３の切断やそのときの２次電池Ｅ２の放電電流を防ぐのに双方向性レギュレータ回路のトランジスタを用いているが、専用のトランジスタを設けてこれらの処理を行うようにしても良い。

［第９の実施の形態］
図１８には、本発明の電池パックに係る実施形態の一例を表わした図を示す。
この実施形態の電池パック１００は、２次電池Ｅ２を内蔵するパッケージの中に第１〜第８実施形態の充放電用の回路を内蔵したものである。

充放電回路には、リアクトルＬ１や電圧や電流を検出する抵抗を設ける必要があるが、これらは表面実装が可能な程度の体積の小さなものを利用することが出来るので、パッケージは殆んど大きくすることなく充放電回路を内蔵することが出来る。また、制御系の回路や電流と電圧を制御するトランジスタなどは、１チップまたは２チップの半導体に集積して設けることが出来る。

入出力端子１０１は、電源装置２に接続する２端子と、セット機器３に接続する２端子を示しているが、電源装置２とセット機器３に接続する端子を共通にできる充放電回路であれば、これらの端子を共通化して２端子としても良い。

このような電池パック１００によれば、外部機器や電源装置との接続状態、並びに、２次電池Ｅ２の充電状態に応じて、適宜なタイミングで充電動作と放電動作とを自発的に切り替える機能を有したバッテリーを構成することが出来るので、バッテリー機能を様々な用途に簡単に適用させることが出来る。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限られるものではない。例えば、第３〜第８の実施形態に示した付加機能は、そのうちの複数又は全部の機能をまとめて１つの充放電システムに備えるようにしても良い。その他、実施の形態で具体的に示した２次電池の種類、回路構成や動作内容の細部等は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の第１実施形態の２次電池の充放電システムの概要を示すブロック図である。図１の充電放電検出回路の部分を具体的に示した構成図である。図２の充電放電検出回路において充電検出の場合と放電検出の場合の各状態を示した説明図である。図１の充電放電検出回路の電流電圧変換素子を１個のトランジスタにより構成した一回路例を示す図である。第２実施形態の充放電システムを示す回路構成図である。図５の双方向性レギュレータ回路の各機能を説明する図である。第３実施形態の充放電システムの概略構成を示すブロック図である。図７の充放電システムの回路構成図である第３実施形態の充放電システムの変形例を示す回路構成図である。第４実施形態の充放電システムの概略構成を示すブロック図である。充放電システムに接続されると想定される３種類の電源装置の出力特性を示した特性グラフである。図１０の充放電システムの充電時の動作を説明する特性グラフである。第５実施形態の充放電システムを示す回路構成図である。図１３の充放電システムの放電時の動作を説明する特性グラフである。第６実施形態の充放電システムを示す回路構成図である。第７実施形態の充放電システムを示す回路構成図である。第８実施形態の充放電システムを示す回路構成図である。本発明の電池パックに係る実施形態の一例を示す図である。従来の充放電システムの一例を示すブロック図である。

符号の説明

２電源装置
３セット機器
Ｅ２２次電池
１０双方向性レギュレータ回路
１１第１ＳＷ制御回路
１５第２ＳＷ制御回路
２０充電放電検出回路
２１検出回路
３０切替制御回路
ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４トランジスタ
Ｂ１，Ｂ２バイアス回路
Ｃｏｍｐ１，Ｃｏｍｐ２コンパレータ
４０電源電圧検出回路（高い電圧の入力遮断制御用）
４１スイッチ回路
５０電源電圧検出回路（リニア動作への切替制御用）
５３電池電圧検出回路（リニア動作への切替制御用）
６１電池電圧検出回路（昇圧出力への切替制御用）
７１電圧電流検出回路（過充電・過放電の検出用）
７２保護動作制御回路
８１電圧検出回路（過大電圧出力の検出用）
ＦＥＴ６スイッチ素子
８２スイッチ制御回路
９２電圧電流検出回路（異常入力の検出用）
９３ヒューズ
９４保護動作制御回路
１００電池パック

Claims

電源電圧による２次電池への充電と２次電池から外部機器への電力供給とが可能な２次電池の充放電回路であって、
２次電池側へ電流を流す充電方向と２次電池から外部機器側へ電流を流す放電方向との双方で電流又は電圧の調整が可能な双方向性レギュレータと、
２次電池に流れる電流の向きを検出する充電放電検出回路と、
該充電放電検出回路の検出結果に基づいて前記双方向性レギュレータの動作方向を前記充電方向または前記放電方向に切り替える切替制御回路と、
を備え、
前記充電放電検出回路は、
２次電池の充電電流と放電電流とが流れる電流経路上に直列に接続された１個又は複数の電界効果トランジスタと、
該電界効果トランジスタの両端電圧が所定電圧になるようにゲート端子にバイアス電圧を与える手段と、
前記電界効果トランジスタの両端電圧を比較する比較回路と、
から構成されることを特徴とする２次電池の充放電回路。
電源電圧による２次電池への充電と２次電池から外部機器への電力供給とが可能な２次電池の充放電回路であって、
２次電池側へ電流を流す充電方向と２次電池から外部機器側へ電流を流す放電方向との双方で電流又は電圧の調整が可能な双方向性レギュレータと、
２次電池に流れる電流の向きを検出する充電放電検出回路と、
該充電放電検出回路の検出結果に基づいて前記双方向性レギュレータの動作方向を前記充電方向または前記放電方向に切り替える切替制御回路と、
を備え、
前記双方向性レギュレータは、２次電池の充電電流と放電電流の電流経路上に直列に接続され出力調整を行う複数の電界効果トランジスタを有し、
前記充電放電検出回路は、当該双方向性レギュレータの複数の電界効果トランジスタの両端電圧を比較して電流の向きを検出する、
ことを特徴とする２次電池の充放電回路。
電源電圧の検出を行う電源電圧検出回路を備え、
電源電圧が前記２次電池の満充電電圧より低い場合にのみ電源電圧を入力して２次電池の充電を可能とした、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の２次電池の充放電回路。
電源電圧の入力を遮断可能な第１スイッチ素子と、
電源電圧が前記２次電池の満充電電圧より高い場合に前記第１スイッチ素子をオフにして電源電圧の入力を遮断する手段と、
を備えていることを特徴とする請求項３に記載の２次電池の充放電回路。
前記双方向性レギュレータは昇圧動作可能に構成され、
２次電池の充電時、充電電圧が電源電圧の近傍になった場合に前記双方向性レギュレータが昇圧動作を開始して２次電池に充電電流を供給する、
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の２次電池の充放電回路。
前記双方向性レギュレータは、トランジスタをスイッチング動作させて出力を調整するスイッチング制御と、トランジスタのオン抵抗を連続的に変化させて出力を調整するリニア制御により降圧動作が可能に構成され、
電源電圧および／又は電池電圧に基づいて前記双方向性レギュレータの降圧動作時の制御方式をスイッチング制御又はリニア制御に切り替える制御手段を備えていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の２次電池の充放電回路。
２次電池から外部機器への放電中、電池電圧が前記外部機器の最低動作電圧の近傍になった場合に前記双方向性レギュレータが昇圧動作を開始して外部機器に電力供給を行うことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の２次電池の充放電回路。
前記双方向性レギュレータの放電時の昇圧動作を開始させる電池電圧のしきい値と、該昇圧動作を停止させる電池電圧のしきい値とにヒステリシスを設けたことを特徴とする請求項７に記載の２次電池の充放電回路。
２次電池の過充電および／又は過放電を検出する異常検出回路と、
前記異常検出回路の検出に基づいて前記双方向性レギュレータの入力および／又は出力を遮断させる制御回路と、
を備えていることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の２次電池の充放電回路。
外部機器への出力を遮断可能な第２スイッチ素子と、
出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、
出力電圧が基準値を超えたときに前記第２スイッチ素子をオフにする制御回路と、
を備えていることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の２次電池の充放電回路。
前記電源電圧と２次電池とを接続する電流経路上に設けられたヒューズと、
前記電源電圧および入力電流を検出する電圧電流検出回路と、
前記ヒューズと直列に接続された第３スイッチ素子とを備え、
前記電源電圧又は入力電流が制限値を超えた場合に前記第３スイッチ素子をオンさせて前記ヒューズを切断することを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載の２次電池の充放電回路。
前記第３スイッチ素子は、前記双方向性レギュレータ回路の出力調整用のトランジスタを流用して構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の２次電池の充放電回路。
２次電池と、請求項１〜１２の何れかに記載の２次電池の充放電回路とが、パッケージ内に配設されて一体化されていることを特徴とする電池パック。