JP5974873B2

JP5974873B2 - 電池パック

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Publication number: JP5974873B2
Application number: JP2012265375A
Authority: JP
Inventors: 孝伸池田; 学穂積; 桂太郎谷口; 英孝畑中; 酒井　敦; 敦酒井
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2032-12-04
Also published as: JP2014110731A

Description

本発明は放電電流の放電制御及び保護制御を行うＦＥＴの動作を高速化し、ＦＥＴの過渡熱破壊を抑制する電池パックに関するものである。

従来の電池パックは、一般的に電池部１００に保護回路部２００を接続する構成であり、図３にその構成をしめす。その保護回路部２００は、出力端子間でショートしても火花が発生しないように出力端子への出力を高速遮断する短絡保護回機能がある（例えば、特許文献１参照）。また、高出力が要望されている場合、多直列多並列の電池ブロック１０１を構成し、出力電圧が高いことから放置時に出力がでないようにＰｃｈ（Ｐチャネル）ＰｏｗｅｒＭＯＳＦＥＴ２０３をＯＦＦ制御している。そして、このような電池パックは、本体側の機器から出力要求があった時にＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３によって、出力制御をＯＦＦ状態からＯＮ状態へと移行させ、電力を本体機器へ供給する。

多直列多並列の電池パックは、本体側の負荷が大きなトルクを必要とするＬ負荷の場合、例えば、１０直列６並列の電池パックでＬ負荷の場合、突入電流は１００Ａを超える電流が本体側の機器からの出力要求時に流れる。さらに、本体負荷モータ側が短絡されている場合、５００Ａから６００Ａの電流が電池ブロック１０１からＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３を介して本体側へ電流が流れ、保護回路部２００の制御ＩＣ２０１が短絡状態を認識し、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３をＯＦＦ制御するまで電流が流れる。このような本体機器の場合、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３は通常ＯＦＦ状態であるため、ＯＦＦ状態である非常に高抵抗の状態から、ＯＮ状態である非常に低抵抗へ移行する際、電流の大きさとその移行時間によってはＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３の熱ストレスによる熱破壊に至る可能性がある。

図３を用いて、従来の保護回路のさらに詳細な説明をする。

まず、従来の保護回路は、大きく２つに分かれる。本体負荷モータ等を動かすため１０直列６並列にしている高電圧な電池部１００に、電池部１００を制御する保護回路部２００を備えた構成である。

電池部１００は、本体負荷がモータ等を動作させるため、電池を１０直列６並列の高電圧の電池ブロック１０１を有する構成とする。

保護回路部２００は、制御用端子２０２の信号よって、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３を駆動させ、電池ブロック１０１の放電制御や保護制御を行う。

電池ブロック１０１と保護回路部２００の接続関係は、電池ブロック１０１の電池正極部と保護回路部２００のＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のソース側と接続される構成であり、また、電池ブロック１０１の電池負極１０３は、保護回路部２００の電流検出用抵抗２０５に接続される構成とする。

その放電制御は、例えば、本体側が外部端子２０６をＧＮＤレベルへ接続することで、制御ＩＣ２０１が、本体側からの出力要求を認識し、制御用端子２０２の信号によって、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のゲートをＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のソース電位に対して（−１６〜−８）Ｖとなるよう制御される。そして、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３はＯＮ状態となり、電池ブロック１０１のエネルギーを本体側へと出力する。

ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３は、ゲート閾値電圧値より低くなる事で、ＯＦＦ状態である高抵抗状態からＯＮ状態である低抵抗状態となる。

また、その保護制御は、例えばＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３が通常ＯＦＦ状態で放置されており、本体側で出力端が短絡状態であったとすると、このままでは、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３をＯＦＦしているため、電流は流れない。しかし、本体側の出力要求を外部端子２０６がＧＮＤレベルに落とされることで、制御ＩＣが本体から出力要求があったと認識し、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３をＯＮ状態へと移行させる。しかしながら、本体出力短が短絡しているため、電流検出用抵抗２０５に大電流が流れ、その両端の電位差によって流れている電流の大きさを制御ＩＣ２０１が認識し、制御ＩＣ２０１にあらかじめ設定された許容電位差に達すると制御用端子２０２によって、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３をＯＦＦ状態にし、放電を禁止するといった保護制御をする。

このＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３がＯＦＦ状態からＯＮ状態へと移行する際、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３が、電池部のエネルギーを本体側へ流さないような非常に高抵抗状態から低抵抗状態へと移行する。

ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３が、高抵抗状態から低抵抗状態へ移行する速度とその時に流れる電流によっては、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３の熱損失が大きくなるため、過渡熱破壊を起こす場合がある。

ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３の熱損失Ｗ（℃）は、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３に流れる電流Ｉ（Ａ）の二乗に、その電流が流れている時のＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３の抵抗値Ｒ（Ω）を乗算することで求められる。

言いかえれば、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３に電流Ｉ（Ａ）が流れた時のＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のソースとドレイン間の両端電圧Ｖ（Ｖ）（電流Ｉ（Ａ）×抵抗値Ｒ（Ω））に、そのとき流れた電流を乗算し、さらにＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３の熱抵抗Ａ（℃／Ｗ）を乗算することよって求められる。

Ｗ（℃）＝Ｉ（Ａ）^２ × Ｒ（Ω） × Ａ（℃／Ｗ）・・・（式１）
＝Ｉ（Ａ） × Ｖ（Ｖ） × Ａ（℃／Ｗ）

従来の保護回路のＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３の両端電圧Ｖ（Ｖ）（ソース−ドレイン間電圧）とその時流れた電流Ｉ（Ａ）を測定した。

その結果が図４である。

ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のＯＦＦ状態とは、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のソース電位とゲート電位が同電位である状態である。また、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３がＯＮ状態とは、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のソース電位に対して、ゲート電位が、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のゲート閾値電圧値より上回った状態である。

ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３がＯＦＦ状態からＯＮ状態へ移行する時間は、約８０［μｓ］と比較的長いため、電力損失が５２７．６［Ｗ］発生し、また、部品の温度を部品の温度係数から計算すると、温度上昇を１７．９［Ｋ］となる。

特開平１０−３２１２６３号公報

しかしながら、前記従来の構成では、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３をＯＦＦ状態からＯＮ状態へ移行させる速度が遅いため、熱損失が大きくなり、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３の過渡熱破壊を招く恐れがある。また、このような大電流を出力制御するために、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３は多並列使用が必要となる。例えば、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３を４並列使用の場合にはゲート−ソース間容量は６０，０００ｐＦ（１５０，０００ｐＦ×４個）と非常に大きなものになり、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のＯＦＦ状態からＯＮ状態への移行速度をさらに遅くするため、熱損失もさらに大きくなる傾向にある。

特に、本体出力側が短絡されている場合は、本体からの駆動要求時に大電流が流れ、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３の熱損失が大きいとＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３の過渡熱破壊でＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３をショート破壊となる可能性もあり、その場合、電流を遮断できなり、回路基板及び電池パックの発熱発火を起こす危険性がある。

また、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴは、ＯＮ状態の抵抗値がＮｃｈに比べて高く、同じ電流値に対する熱損失が高くなる。更に、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴは、製造工程が複数ステップであるのためＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴに比べて高価である。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴをＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴに変更し、更に、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴのＯＮ状態への動作を高速化することで、安価で熱損失による過渡熱破壊を抑制すること電池パックの提供を目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電池パックは、電池部の放電電流を保護制御する第１のＮチャネルＦＥＴを有する保護制御部と、前記第１のＮチャネルＦＥＴの動作を加速化させる第２のＮチャネルＦＥＴとＰチャネルＦＥＴを有する加速部を備える電池パックであって、前記第１のＮチャネルＦＥＴは、ドレインが前記電池部の正極と接続され、ソースが外部端子に接続され、ゲートが第１の抵抗を介して前記電池部の正極に接続され、更に、前記第１の抵抗より抵抗値が小さい第２の抵抗を介して制御部の制御端子に接続され、前記第２のＮチャネルＦＥＴは、ソースが前記第１のＮチャネルＦＥＴのソースと接続され、ドレインが第３の抵抗を介して前記電池部の電圧を昇圧する昇圧部の出力端子と接続され、ゲートが前記制御端子に接続され、前記ＰチャネルＦＥＴは、ソースが前記昇圧部の出力端子と接続され、ドレインが前記第２の抵抗に接続され、ゲートが前記第３の抵抗を介して前記昇圧部の出力端子と接続される。

本構成によって、第２のＮチャネルＦＥＴ、ＰチャネルＦＥＴが即座にＯＮ状態になり、第１のＮチャネルＦＥＴのゲート電圧を急速に閾値電圧よりも低くすることができるので、第１のＮチャネルＦＥＴのＯＮ状態への動作を高速化することができる。

本発明の電池パックによれば、第１のＮチャネルＦＥＴのＯＮ状態への動作を高速化することで、安価で熱損失による過渡熱破壊を抑制することができる。

本発明の実施の形態１における電池パックの回路ブロック図本発明の実施の形態１における電池パックを用いて、本体負荷モータ側を短絡した時の電気特性を示すグラフ従来の電池パックの回路ブロック図従来の電池パックの回路を用いて本体負荷モータ側を短絡した時の電気特性を示すグラフ

以下本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電池パックの回路図である。

図１において、本発明の電池パックは、大きく３つに分かれており、本体負荷モータ等を動かすため１０直列６並列にしている高電圧（２５Ｖ以上）かつ、高電流（３００Ａ以上）を出力する電池部１００と、電池部１００を放電制御や保護制御を行う保護回路部２００と、電池部１００から本体負荷モータ側への出力制御を高速化するため、保護回路部２００の動作を加速させる加速回路部３００を備えた構成である。

本発明の構成を図１でさらに詳細に説明する。

電池部１００は、定格４．２Ｖの１８６５０サイズの円筒形リチウムイオン電池６０個を１０直列６並列で電気的に接続した電池ブロック１０１で構成されている。

保護回路部２００は、制御ＩＣ２０１の制御用端子２０２からの信号よって、出力制御用の４個のＮｃｈ（Ｎチャネル）ＰｏｗｅｒＭＯＳＦＥＴ２０３を駆動させ、電池ブロック１０１の放電制御や保護制御を行う。

保護回路部２００において、抵抗２０７はＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のゲート・ソース間に接続されており、また、抵抗２０８はＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のゲートに接続されている。抵抗２０７の抵抗値が抵抗２０８、抵抗２０９の抵抗値の少なくとも１００倍以上である。例えば、抵抗２０７の抵抗値が１ＭΩで、抵抗２０８、抵抗２０９の抵抗値が４７０Ωである。

保護回路部２００の放電制御は、例えば、本体負荷モータ側が制御ＩＣ２０１の外部端子２０６をＧＮＤレベルへ接続することで、制御ＩＣ２０１は本体負荷モータが操作された事を検出し、制御用端子２０２から信号を出力して、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３をＯＮ状態にし、電池ブロック１０１のエネルギーを出力制御する。

本発明の電池ブロック１０１では本体側に大電流を流すために、ゲート閾値電圧が高いＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３を使用している。ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のゲート閾値電圧は１０Ｖ〜１３Ｖで、温度係数は０．０１〜０．２である。そして、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３は、本体連続許容電力および短絡時に流れる電流のため４個の並列接続としている。

また、保護回路部２００の保護制御は、例えば、電池ブロック１０１から大電流が流れるとき、制御ＩＣ２０１は電流検出用抵抗２０５の両端の電位差によって流れている電流の大きさを認識し、制御ＩＣ２０１に予め設定されている閾値電位差に達すると制御用端子２０２からＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３をＯＦＦ状態にし、放電を禁止する保護制御を行う。

また、保護回路部２００は、出力端子の電圧を昇圧するチャージポンプ(昇圧回路)で構成された昇圧部２１１を有している。昇圧部２１１は、制御ＩＣ２０１経由で電池ブロック１０１の正極の電圧を入力し、電池ブロック１０１の正極の電圧を昇圧した後、ＦＥＴ制御部２１２と加速回路部３００へ出力することができる。昇圧部２１１の出力端子から昇圧した電圧が加速回路部３００へ常時供給されている。制御ＩＣ２０１の制御によって、ＦＥＴ制御部２１２がＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３を駆動させるため、制御用端子２０２からＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のゲートへ外部出力端子の電圧を出力する。これにより、加速回路部３００のＮｃｈＦＥＴ３０１、ＰｃｈＦＥＴ３０５が保護回路部２００のＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３よりも先に駆動する。

加速回路部３００は、保護回路部２００の制御用端子２０２及びＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のゲートと加速回路部３００内の小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１のゲート及びダイオード３０８のカソード側とを接続する構成とする。更に、小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１のソースは、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のソースと接続されている。また、抵抗３０３、コンデンサ３０９、小信号Ｐｃｈ（Ｐチャネル）ＦＥＴ３０５のソース側は、昇圧部２１１の出力端子から出力された昇圧された電圧に接続する構成とする。

加速回路部３００内の構成は、小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１のドレインは抵抗３０２の一方に接続され、抵抗３０２のもう一方は抵抗３０３の一方及び抵抗３１１の一方に接続される。抵抗３１１のもう一方は、小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５のゲートとコンデンサ３０９の一方に接続される。ダイオード３０８の一方は、抵抗２０８、抵抗２０９、小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１のゲートに接続され、もう一方はコンデンサ３０６と抵抗３０７の一方に接続され、コンデンサと抵抗３０７は並列の構成とする。コンデンサ３０６と抵抗３０７のもう一方は、小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５のドレインに接続される構成とする。

保護回路部２００のＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３と、加速回路部３００の小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１、小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５のそれぞれの用途とＯＮ状態のソースに対するゲート電位とその周辺部品について下記に説明する。

ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３は、電池部１００のエネルギーを本体側に供給するための電流が流せ、また、本体側出力側の短絡時などに大電流が流れる事も考慮している。ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のＯＮ状態とするゲート閾値電圧値は、ソース電位に対して、ゲート電位が＋１０Ｖ以上とする。

小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１は、制御ＩＣ２０１のＯＮ信号で駆動し、小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５をＯＮ状態にさせるために、小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５のゲート電位を印加するためである。小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１のＯＮ状態とするゲート閾値電圧値は、ソース電位に対して、ゲート電位が＋３Ｖ以上とする。

抵抗３０２と抵抗３０３の抵抗値は、小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１がＯＮ状態となり、電池部１００の電圧が印加されたときに、小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５のゲート・ソースの電圧の耐圧を越えないように抵抗分圧している。

また、抵抗３１１は小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５のゲート保護のための電流制限抵抗である。

小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５は、小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１がＯＮ状態で駆動し、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のゲート電位を電池負極１０３とほぼ同電位にする。小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５のＯＮ状態とするゲート閾値電圧値は、ソース電位に対して、ゲート電位が−３Ｖ以上とする。

コンデンサ３０９は、小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５のＯＮ状態になる速度調整用コンデンサである。コンデンサ３０９の値を大きくすると、ＯＮ状態になる速度は遅くなる。コンデンサ３０９の静電容量の選定は、本体への接続時のリンギング電圧によるＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３の誤動作と短絡時のＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３の熱損失による熱破壊にいたらないように、０．００１μＦ、０．０４７μＦ、０．０１μＦ、０．１μＦの中から、０．０１μを選定した。

例えば、ゲート閾値電圧値は、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３は１０Ｖで完全にＯＮ状態となり、小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１及び小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５は−３ＶでＯＮ状態となり、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３と比較すると、小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１の方が先に完全ＯＮ状態になる。

制御ＩＣ２０１の制御用端子２０２からの信号によりＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３が単独でＯＮ状態へ移行するより、加速回路部３００の小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１と小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５が動作して、加速回路部３００がＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３をＯＮ状態へと移行させる方が、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３をより早くＯＮ状態へ完全に移行させる事ができる。つまり、加速回路部３００はＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のＯＮ状態への速度向上させる事ができる。

次に、加速回路部３００による本発明の電池パックのＯＮ−ＯＦＦ動作について詳細に説明する。

本体負荷モータ側の制御により制御ＩＣ２０１の外部端子２０６がＧＮＤレベルになることで、制御ＩＣ２０１は電池ブロック１０１から電流出力の開始要求があったと判断する。そして、本体負荷モータ側へのＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３をＯＮ状態にさせるため、制御ＩＣ２０１は、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のゲート電圧が、ソース電位に対して（＋１０〜＋１３）Ｖとなるように制御用端子２０２の電圧を制御する。

つまり、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３を高速に完全にＯＮ状態へ移行させるためには、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のゲート閾値電圧値よりも、ソース電位に対してゲート電圧を高速に上昇させる必要がある。

制御ＩＣ２０１は、制御用端子２０２からの信号によって、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３をＯＮさせるため、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のソース電位に対して、ゲート電圧を上昇させ始める。

ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のゲート閾値電圧値（＋１０Ｖ）より、加速回路部３００の小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１のゲート閾値電圧値（＋３Ｖ）の方が小さいため、この小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１がＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３より先にＯＦＦ状態からＯＮ状態へと切り替わる。

小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１は、ソース電圧に対してゲート電圧がゲート閾値電圧値に達すると完全にＯＮ状態となる。すると、電池ブロック１０１の電池正極１０２から、保護回路部２００のダイオード２０４、加速回路部３００の小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１、抵抗３０２、抵抗３０３を介して、電池負極１０３へとつながる閉回路となる。

抵抗３０２と抵抗３０３の関係は、小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１がＯＮした時に、電池部１００の電圧を抵抗３０２と抵抗３０３に分圧する事になるため、小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５のゲートとソース間の電圧の耐圧（±２０Ｖ）を超えないように抵抗分圧させる設計としている。

小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１がＯＮする事で、抵抗３０２と抵抗３０３の接続部の小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５のゲート電位３０４は、小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５のソース電位より高くなるため、小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５をＯＮさせる。

小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５がＯＮ状態となると、電池ブロック１０１の電池正極１０２から、保護回路部２００の抵抗２０７、抵抗２０８を介して、加速回路部３００のダイオード３０８、コンデンサ３０６、小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５、電池負極１０３へとつながる閉回路となる。

コンデンサ３０６は、電池ブロック１０１より供給されるエネルギーにより、過渡的に電荷が貯まる。

ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のゲートの電位、つまり、抵抗２０７、抵抗２０８の接続部２１０の電位は、抵抗２０７の抵抗値が抵抗２０８の抵抗値の１００倍以上であるため、例えば抵抗２０７が１ＭΩで、抵抗２０８が４７０Ωであるため、電池負極１０３の電位付近のほぼ０Ｖの電圧になる。

これらにより、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３は、完全ＯＮ状態にすることができるゲート閾値電圧値１０Ｖを十分上回る電位差が発生するため、完全ＯＮ状態へ移行する。

小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１がＯＮ状態になるまでに１〜３［μｓ］、小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５がＯＮ状態になるまでに２〜６［μｓ］、その後ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３がＯＮになるまでには合計３〜９［μｓ］の時間が必要となるが、従来のようにＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３が単独で駆動する場合の８０［μｓ］に比べて１０分の１以下の時間で駆動することができる。

そして、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のＯＮ状態が続くと、コンデンサ３０６に電荷が貯まると、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のゲート３１０は、制御ＩＣ２０１の制御用端子２０２の電位と同電位になる。

その後、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のゲート３１０は、制御ＩＣ２０１の制御用端子２０２によって、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３のソース電位に対して（＋１０〜＋１３）Ｖとなるように制御される。

また、コンデンサ３０６の電荷は、次回のＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３をＯＮ状態にする時のために、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３がＯＦＦに切替えられると、抵抗３０７を介して消費される。

最後に、本発明の電池パックの異常動作時の保護制御について説明する。例えば、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３がＯＮ状態になった後に、本体負荷モータ側が短絡されていることがわかった場合を図１で説明する。

本体負荷モータ側が短絡され、外部端子２０６がＧＮＤレベルになった場合、制御ＩＣ２０１は使用者が起動したと認識し、制御用端子２０２の電圧を（＋１０〜＋１３）Ｖにすることにより、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３をＯＮ状態へ移行させる。

しかしながら、本体負荷モータ側が短絡されているため、電流検出用抵抗２０５によって制御ＩＣ２０１が過大な電流を認識し、制御用端子２０２がＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３をＯＦＦさせる。

制御ＩＣ２０１は外部端子２０６がＧＮＤレベルに接続されたことを認識し、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３をＯＦＦ状態からＯＮ状態へ移行させる動作の加速化をさせることと短絡保護動作が機能し、ＯＮ状態からＯＦＦ状態とした時の結果を図２にしめす。

図２は、本発明の実施の形態１における電池パックを用いて、本体負荷モータ側を短絡した時の電気特性を示すグラフである。横軸に制御ＩＣがＯＮになってからの時間、縦軸にＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３の両端電圧（ソース−ドレイン間電圧）を実線で、その時流れた電流を破線で示している。

図２に示すように、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３の両端電圧が低下して、ＯＦＦ状態からＯＮ状態へと切り替わる時間が約５［μｓ］と短いため、その間に発生する切替え時の電力損失が３９．６［Ｗ］しか発生しない。そして、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３の温度係数から計算した温度上昇が０．９１［Ｋ］に抑制することができたことがわかった。

かかる構成によれば、保護回路部のＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴのゲート電圧の上昇を加速回路部の小信号ＮｃｈＦＥＴと小信号ＮｃｈＦＥＴとで加速させることで、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ２０３を高速にＯＮ状態にすることができ、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴのＯＮ状態への切替え時の温度上昇を抑制することができる。

なお、本実施の形態において、電池ブロック１０１を定格４．２Ｖの１８６５０サイズの円筒形リチウムイオン電池６０個を１０直列６並列で電気的に接続しているものとしたが、高電圧、高電流の出力が可能な電池であれば、リチウムイオン電池以外のニッケル水素電池やニッカド電池であってもよい。

なお、加速回路部３００に小信号ＮｃｈＦＥＴ３０１と小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５を用いたが、ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴやＰｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴを用いても同様の効果を得ることが可能である。

なお、本実施の形態において、昇圧部２１１は制御ＩＣ２０１に内蔵するとしたが、昇圧部２１１は制御ＩＣ２０１の外に配置するとしてもよい。その場合は、電池ブロック１０１の電圧を制御ＩＣ２０１を経由しないで直接入力し、昇圧して加速回路部３００に出力する。

本発明にかかる電池パックは、ＮチャネルＦＥＴのＯＮ状態への動作を高速化することで、熱損失による過渡熱破壊を抑制することができるので、放電電流の放電制御及び保護制御を行うＦＥＴの過渡熱破壊を抑制する電池パック等として有用である。

１００電池部
１０１電池ブロック
１０２電池正極
１０３電池負極
２００保護回路部
２０１制御ＩＣ
２０２制御用端子
２０３ＮｃｈＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ
２０４ダイオード
２０５電流検出用抵抗
２０６外部端子
２０７抵抗
２０８抵抗
２０９抵抗
２１０接続部
２１１昇圧部
２１２ＦＥＴ制御部
３００加速回路部
３０１小信号ＮｃｈＦＥＴ
３０２抵抗
３０３抵抗
３０４小信号ＰｃｈＦＥＴ３０５のゲート電位
３０５小信号ＰｃｈＦＥＴ
３０６コンデンサ
３０７抵抗
３０８ダイオード
３０９コンデンサ
３１０ゲート
３１１抵抗

Claims

電池部の放電電流を保護制御する第１のＮチャネルＦＥＴを有する保護制御部と、前記第１のＮチャネルＦＥＴの動作を加速化させる第２のＮチャネルＦＥＴとＰチャネルＦＥＴを有する加速部を備える電池パックであって、
前記第１のＮチャネルＦＥＴは、
ドレインが前記電池部の正極と接続され、
ソースが外部端子に接続され、
ゲートが第１の抵抗を介して前記電池部の正極に接続され、更に、前記第１の抵抗より抵抗値が小さい第２の抵抗を介して制御部の制御端子に接続され、
前記第２のＮチャネルＦＥＴは、
ソースが前記第１のＮチャネルＦＥＴのソースと接続され、
ドレインが第３の抵抗を介して前記電池部の電圧を昇圧する昇圧部の出力端子と接続され、
ゲートが前記制御端子に接続され、
前記ＰチャネルＦＥＴは、
ソースが前記昇圧部の出力端子と接続され、
ドレインが前記第２の抵抗に接続され、
ゲートが前記第３の抵抗を介して前記昇圧部の出力端子と接続される電池パック。
前記ＰチャネルＦＥＴのゲートと前記昇圧部の出力端子とに接続された第１のコンデンサを有することを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
前記第２のＮチャネルＦＥＴのドレインと前記第３の抵抗との間、かつ、前記第２のＮチャネルＦＥＴのドレインと前記ＰチャネルＦＥＴのゲートの間に接続される第４の抵抗を有し、
前記第３の抵抗と前記第４の抵抗の抵抗値比率が、前記電池部の電圧を分圧した前記ＰチャネルＦＥＴのゲート電圧が限界耐圧以下になる比率であることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
前記ＰチャネルＦＥＴと前記第２の抵抗との間に、第２のコンデンサと第５の抵抗の並
列回路を有することを特徴とする請求項１に記載の電池パック。