JP6203020B2

JP6203020B2 - 充放電スイッチ回路を有する電池パック

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Publication number: JP6203020B2
Application number: JP2013249595A
Authority: JP
Inventors: 直晃荻野; 一貴西脇; 光徳山野
Original assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Current assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2033-12-02
Also published as: JP2015107039A

Description

本発明は、リチウムイオン電池などの二次電池が収納された電池パックに関し、特に、異常状態の発生等に応じて二次電池からの充放電を制御するための充放電スイッチ回路が設けられた電池パックに関する。

電池パックは、一般的に複数個の二次電池を容器に収納し、正負極の外部端子を介して充放電可能な状態で提供される。そして、収納された二次電池を過充電あるいは過放電等の異常状態から保護するために、異常状態の発生に応じて充放電を停止する制御を行うための保護機能が設けられる。すなわち、外部端子と二次電池との間に充放電スイッチ回路を介在させて、異常状態を検出したときに、保護回路が充放電スイッチ回路を遮断する制御を行う。また、過充電あるいは過放電に限らず、電池パック内の異常な温度上昇等、種々の異常に対処するように、充放電スイッチ回路による充放電制御が行われる。

特許文献１には、そのような、保護回路により充放電スイッチ回路を制御する構成を有する電池パックの例が開示されている。図６に、特許文献１に開示された電池パック１００の回路図を示す。この電池パック１００は、例えば、リチウムイオン電池等の二次電池１を複数個内蔵している。二次電池１の両電極端子は充放電ライン２を通して充放電端子Ｔ１、Ｔ２に接続され、充放電端子Ｔ１、Ｔ２を介して、外部の負荷への電力供給のための放電、あるいは外部からの二次電池１に対する充電が行われる。

充放電ライン２には充放電スイッチ回路３が挿入され、保護回路１０１により開閉が制御されて、二次電池１による充放電動作が制御される。保護回路１０１は、スイッチ回路制御部１０２、電圧検出部１０３、電流検出部１０４、及び温度検出部１０５を有する。

電圧検出部１０３は、二次電池１の充放電電圧を監視し、過放電あるいは過充電電圧を検出した場合に、所定の検出信号を生成する。電流検出部１０４は、充放電ライン２の負極側に挿入された抵抗Ｒを介して、二次電池１に流れる電流を監視し、過電流を検出した場合に、所定の検出信号を生成する。温度検出部１０５は、電池パック１内の温度を監視し、温度異常を検出した場合に、所定の検出信号を生成する。これらは、二次電池１あるいはその周辺の状態の異常を検出するための異常検出部の一例である。

電圧検出部１０３、電流検出部１０４、及び温度検出部１０５が生成する検出信号はスイッチ回路制御部１０２に供給され、スイッチ回路制御部１０２はその検出信号に基づいて充放電スイッチ回路３の導通（オン状態）または非導通（オフ状態）を制御する。これにより、過充電あるいは過放電等の異常発生時に充放電ライン２を遮断して、二次電池１の保護、あるいは事故発生が防止される。

特開２０１３−２１９９６４号公報

上述のような充放電スイッチ回路３は、充放電ライン２に直列に挿入されたＭＯＳＦＥＴやトランジスタで代表されるスイッチ素子を含んで構成される。このスイッチ素子を、スイッチ回路制御部１０２からの制御によりオン・オフさせる。異常を検出したときは、即座に充放電を遮断することが望ましく、スイッチ素子が速やかにターンオフするように、充放電スイッチ回路３及びスイッチ回路制御部１０２が構成される。

一方、複数個の二次電池を組にした電池パックは、直列接続する二次電池の数を多くすることにより、高い出力電圧を得ることができる。高電圧化した電池パックで充放電ライン２の電流を遮断すると、高いフライバック電圧が発生する。特に、異常の発生に応じて即座に充放電を遮断すべく、スイッチ素子を急速にターンオフした場合、フライバック電圧がスイッチ素子の耐圧を超えて、スイッチ素子が破壊される惧れがある。

そこで本発明は、充放電スイッチ回路におけるスイッチ素子のターンオフに要する時間を効果的に短縮し、しかもスイッチ素子の耐圧を超えない範囲にフライバック電圧が抑制される電池パックを提供することを目的とする。

本発明の電池パックは、二次電池と、前記二次電池からの充放電ラインに挿入された充放電スイッチ回路と、前記充放電スイッチ回路を介して前記充放電ラインを通じた充放電を制御する保護回路とを備える。

上記課題を解決するために、本発明の電池パックは、前記充放電スイッチ回路が、前記充放電ラインに直列に接続されたスイッチ素子と、前記スイッチ素子を導通させる駆動電圧を生成するスイッチ駆動電源と、前記スイッチ素子の制御端子に一端が接続されたスイッチング制御抵抗と、ツェナーダイオードと電流制限抵抗の直列回路からなり、前記ツェナーダイオードのカソードを前記スイッチ素子側に配置して前記スイッチング制御抵抗と並列に接続された短縮回路と、前記スイッチ素子の制御端子に対する電圧供給を制御するスイッチ制御部とを備え、前記スイッチ制御部は、前記保護回路からのオン制御に応じて前記スイッチ駆動電源からの前記駆動電圧を前記スイッチング制御抵抗の他端に印加し、オフ制御に応じて前記スイッチ素子の制御端子に蓄積された電荷を前記スイッチング制御抵抗の他端を経由して放電させる制御を行うことを特徴とする。

上記構成の電池パックよれば、スイッチ素子をターンオフさせるために、スイッチ制御部がスイッチ素子の制御端子に蓄積された電荷を放電させるように制御したとき、ツェナーダイオードが導通してツェナーダイオードと電流制限抵抗の直列回路を通って電流が流れる。これにより、スイッチング制御抵抗を通る場合と比べて大きな放電電流を流すことが可能となり、急速にゲート電圧が降下して、ターンオフに要する時間が短縮される。

更に、放電によりスイッチ素子のゲート電圧が低下し、ツェナーダイオードが非導通となると、放電電流がスイッチング制御抵抗を通って流れる状態となり、制限される速度で放電が進行するので、スイッチ素子の耐圧を超えない範囲にフライバック電圧が抑制される。

実施の形態１の電池パックに含まれる充放電スイッチ回路を示すブロック図実施の形態２の電池パックに含まれる充放電スイッチ回路を示すブロック図実施の形態３の電池パックに含まれる充放電スイッチ回路を示すブロック図実施の形態４の電池パックに含まれる充放電スイッチ回路を示すブロック図実施の形態５の電池パックに含まれる充放電スイッチ回路を示すブロック図従来例の電池パックを示すブロック図

本発明の電池パックは、上記構成を基本として、以下のような態様を採ることができる。

すなわち、前記ツェナーダイオードのツェナー電圧が、前記スイッチ素子のターンオフ開始の閾値電圧よりも高くなるように設定することができる。これにより、ツェナーダイオードは、スイッチ素子がターンオフを開始する直前には非導通となるため、高いフライバック電圧を発生させることなく、ターンオフに要する時間を短縮するために有効である。

また、前記スイッチ制御部は、前記スイッチ駆動電源と前記スイッチング制御抵抗の他端の間に接続されたオン制御スイッチと、前記スイッチング制御抵抗の他端と前記スイッチ素子の入出力端子の間に接続されたオフ制御スイッチと、前記保護回路によるオン・オフ制御に応じて背反動作するオン制御信号とオフ制御信号を供給する制御信号供給部とを備え、前記オン制御信号は前記オン制御スイッチに印加されて前記オン制御スイッチをオンに制御し、前記オフ制御信号は前記オフ制御スイッチに印加されて前記オフ制御スイッチをオンに制御する構成とすることができる。これにより、スイッチ素子のゲートに電荷を充電したり、放電するための駆動電流を最小限に抑えることができ、充放電スイッチ回路を低消費電力で実現できる。

また、前記オン制御スイッチはオン制御フォトカプラにより構成されて、そのフォトトランジスタのコレクタ端子が前記スイッチ駆動電源に接続され、エミッタ端子が前記スイッチング制御抵抗の他端に接続され、前記オフ制御スイッチはオフ制御フォトカプラにより構成されて、そのフォトトランジスタのコレクタ端子が前記スイッチング制御抵抗の他端と接続され、エミッタ端子が前記スイッチ素子の入出力端子に接続され、前記オン制御信号は前記オン制御フォトカプラに印加され、発光ダイオードを発光させて前記フォトトランジスタをオンに制御し、前記オフ制御信号は前記オフ制御フォトカプラに印加され、発光ダイオードを発光させて前記フォトトランジスタをオンに制御する構成とすることができる。

また、前記制御信号供給部は、前記保護回路によるオン制御に応じて前記オン制御信号を供給するオン信号供給部を備え、前記オン制御信号は前記オン制御フォトカプラに印加され、前記発光ダイオードを発光させて前記フォトトランジスタをオンに制御し、前記オン制御信号の極性を反転させたオフ制御信号が前記オフ制御フォトカプラに印加され、前記発光ダイオードを発光させて前記フォトトランジスタをオンに制御する構成とすることができる。

また、前記制御信号供給部は、前記オン制御信号の極性を反転させて前記オフ制御信号を生成するインバータバッファと、前記オン信号供給部の出力端子にカソードが接続されアノードが前記オン制御フォトカプラの前記発光ダイオードのアノード端子に接続された第１ダイオードと、前記第１ダイオードに並列に接続された第１抵抗と、一端が前記第１ダイオードの前記アノードに接続され他端が前記オン制御フォトカプラの前記発光ダイオードのカソード端子に接続された第１コンデンサと、前記インバータバッファの出力端子にカソードが接続されアノードが前記オフ制御フォトカプラの前記発光ダイオードのアノード端子に接続された第２ダイオードと、前記第２ダイオードに並列に接続された第２抵抗と、一端が前記第２ダイオードの前記アノードに接続され他端が前記オフ制御フォトカプラの前記発光ダイオードのカソード端子に接続された第２コンデンサとを備え、前記オン制御フォトカプラのオフタイミングを前記第１ダイオードにより制御し、オンタイミングを前記第１コンデンサ及び前記第１抵抗により制御し、前記オフ制御フォトカプラのオフタイミングを前記第２ダイオードにより制御し、オンタイミングを前記第２コンデンサ及び前記第２抵抗により制御するように構成することができる。これにより、ターンオン時間が短いとターンオフ時間が長くなるフォトカプラの特性を調整して、オン制御フォトカプラとオフ制御フォトカプラが同時にオンしないように制御可能である。

また、前記制御信号供給部は、前記保護回路によるオン制御に応じて前記オン制御信号を前記オン制御フォトカプラの前記発光ダイオードに供給するオン信号供給部と、直流電源と、前記オン制御信号が一端に供給されるオフ制御コンデンサと、前記オフ制御コンデンサの他端にアノードが接続され、カソードが前記直流電源に接続されたダイオードと、前記ダイオードと並列に接続された抵抗と、ソースが前記直流電源に接続され、ドレインが前記オフ制御フォトカプラの発光ダイオードのアノード端子に接続され、ゲートが抵抗を介して前記オフ制御コンデンサの他端に接続されたＭＯＳＦＥＴとを備えた構成とすることができる。

また、前記スイッチ制御部は、前記スイッチ駆動電源に入力側端子が接続されたオン制御スイッチと、一端が前記オン制御スイッチの出力側端子に接続され、他端がグランドに接続され、分圧出力ノードが前記スイッチング制御抵抗の他端に接続された分圧回路と、前記保護回路によるオン制御に応じてオン制御信号を前記オン制御スイッチに供給するオン信号供給部とを備え、前記オン制御信号により前記オン制御スイッチがオンに制御される構成とすることができる。これにより、スイッチ制御部に設ける制御スイッチを１個のみとすることができ、回路が簡素化され、コストを低減することができる。

また、前記オン制御スイッチはオン制御フォトカプラにより構成されて、そのフォトトランジスタのコレクタ端子が前記スイッチ駆動電源に接続され、エミッタ端子が前記分圧回路の一端に接続され、前記オン制御信号は前記オン制御フォトカプラに印加され、前記発光ダイオードを発光させて前記フォトトランジスタをオンに制御する構成とすることができる。

また、前記スイッチ素子は、ＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ、ＩＧＰＴのいづれかにより構成することができる。

また、前記スイッチ駆動電源は、コンデンサとダイオードを組み合わせて構成され、入力する交流信号の振幅を整数倍に昇圧する倍整流回路であり、基準電位が初段ダイオードのカソード側に印加される構成とすることができる。

また、前記基準電位は前記スイッチ素子のソース端子の電圧である構成とすることができる。

以下、本発明の実施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＞
実施の形態１における電池パックに含まれる充放電スイッチ回路について、図１のブロック図を参照して説明する。電池パックの全体構成は、図６の従来例に示したものと同様である。従って、図６に示した従来例と同様の要素については、同一の参照番号を付して説明する。以降の各実施の形態についても、同様である。

この充放電スイッチ回路は、二次電池１からの充放電ライン２に直列に接続されたスイッチ素子であるＭＯＳＦＥＴ３と、スイッチ駆動電源４、及びスイッチ制御部５を含む。ＭＯＳＦＥＴ３とスイッチ制御部５の間に、スイッチング制御抵抗６、ツェナーダイオード７及び電流制限抵抗８が挿入されている。スイッチ駆動電源４は、ＭＯＳＦＥＴ３を導通させるための駆動電圧を生成する。スイッチ制御部５は、ＭＯＳＦＥＴ３のゲート（制御端子）に対する電圧供給の制御、すなわち、スイッチ駆動電源４からの駆動電圧の供給、及びゲートに蓄積された電荷の放電を制御する。

スイッチング制御抵抗６は、その一端がＭＯＳＦＥＴ３のゲートに接続され、他端がスイッチ制御部５の出力端子に接続されており、ＭＯＳＦＥＴ３のスイッチング速度を制御する機能を有する。ツェナーダイオード７と電流制限抵抗８の直列回路は、スイッチング制御抵抗５と並列に接続されており、短縮回路として機能する。ツェナーダイオード７は、カソードをＭＯＳＦＥＴ３側に配置して接続されている。

スイッチ制御部５は、図６の従来例におけるスイッチ回路制御部１０２と同様、保護回路１０１によるオン制御に応じてスイッチ駆動電源４からの駆動電圧をスイッチング制御抵抗６の他端に印加する。また、保護回路１０１によるオフ制御に応じてスイッチ制御部５は、ＭＯＳＦＥＴ３のゲートに蓄積された電荷を放電させて、ＭＯＳＦＥＴ３がターンオフするように制御する。本実施の形態に基づくスイッチ制御部５の構成について、以下に説明する。

スイッチ制御部５は、オン制御フォトカプラ９、オフ制御フォトカプラ１０、及び制御信号供給部１１から構成される。オン制御フォトカプラ９は、フォトトランジスタ１２及び発光ダイオード１３により構成され、スイッチ駆動電源４とスイッチング制御抵抗６の他端の間に接続されたオン制御スイッチとして機能する。オフ制御フォトカプラ１０は、フォトトランジスタ１４及び発光ダイオード１５により構成され、スイッチング制御抵抗６の他端とＭＯＳＦＥＴ３の入出力端子の間に接続されたオフ制御スイッチして機能する。

オン制御フォトカプラ９のフォトトランジスタ１２のコレクタ端子は、スイッチ駆動電源４に接続され、エミッタ端子はスイッチング制御抵抗６の他端に接続され、スイッチ制御部５の出力端子となっている。オフ制御フォトカプラ１０のフォトトランジスタ１４のコレクタ端子は、スイッチング制御抵抗６の他端に接続され、エミッタ端子は二次電池１に接続されている。発光ダイオード１３、１５はそれぞれ、制御信号供給部１１からのオン制御信号１６及びオフ制御信号１７により発光を制御される。

スイッチ制御部５とＭＯＳＦＥＴ３の間にフォトカプラ９、１０を介在させることにより、制御信号供給部１１、発光ダイオード１３、１５からなる低電圧回路部１８と、ＭＯＳＦＥＴ３の間が互いに絶縁される。この構成を採用する理由は、高電圧化した電池パックでは、スイッチ素子をオン・オフ制御するスイッチ駆動回路に、ノイズ防止や回り込み電圧による素子破壊防止のための手段が必要だからである。

制御信号供給部１１は、図示しないが、例えば電池パック内に設けられた保護回路の一部として構成され、保護回路の機能に基づくオン・オフ制御に応じてオン制御信号１６及びオフ制御信号１７を出力する。オン制御信号１６によりオン制御フォトカプラ９がオン・オフ制御され、オフ制御信号１７によりオフ制御フォトカプラ１０がオン・オフ制御される。スイッチ駆動電源４の電圧低下を防止するため、オン制御フォトカプラ９とオフ制御フォトカプラ１０が同時にオンしないように、オン制御信号１６とオフ制御信号１７は背反動作するように生成される。

ＭＯＳＦＥＴ３をオフからオンにする際には、オン制御フォトカプラ９がオン、すなわち発光ダイオード１３が発光してフォトトランジスタ１２がオンとなるように、制御信号供給部１１でオン制御信号１６を生成する。同時に、オフ制御フォトカプラ１０がオフとなるように、すなわち発光ダイオード１５が発光を停止してフォトトランジスタ１４がオフとなるように、制御信号供給部１１でオフ制御信号１７の生成を停止する。これにより、スイッチスイッチ駆動電源４の駆動電圧がＭＯＳＦＥＴ３のゲートに供給され、電荷が移動し充電されることで、ＭＯＳＦＥＴ３がオンする。

ＭＯＳＦＥＴ３をオンからオフにする際には、オン制御フォトカプラ９がオフ、オフ制御フォトカプラ１０がオンとなるように、制御信号供給部１１でオン制御信号１６とオフ制御信号１７を制御する。これにより、ＭＯＳＦＥＴ３のゲートに充電されていた電荷がＭＯＳＦＥＴ３のソース側に移動して放電され、ＭＯＳＦＥＴ３がオフとなる。

このようにしてＭＯＳＦＥＴ３のオン・オフが制御されるが、制御信号供給部１１を含む低電圧回路部１８がＭＯＳＦＥＴ３の高電圧部から絶縁され、オン制御フォトカプラ９とオフ制御フォトカプラ１０を背反動作させることで、ＭＯＳＦＥＴ３のゲートをハイ・インピーダンス状態に保持することができる。この結果、ＭＯＳＦＥＴ３のゲートに電荷を充電したり、放電するための駆動電流を最小限に抑えることができ、充放電スイッチ回路を低消費電力で実現できる。スイッチング制御抵抗６は、ＭＯＳＦＥＴ３の許容損失を満足するスイッチング速度になるように抵抗定数を設定される。

本実施の形態の特徴は、スイッチング制御抵抗６に対して並列に、ツェナーダイオード７と電流制限抵抗８の直列回路を接続したことである。ツェナーダイオード７を挿入することにより、ＭＯＳＦＥＴ３のターンオフに要する時間を効果的に短縮し、しかも、電流遮断によるフライバック電圧を、ＭＯＳＦＥＴ３の耐圧を超えない範囲に確実に抑制することができる。

すなわち、ＭＯＳＦＥＴ３をターンオフさせるために、オン制御フォトカプラ９がオフ、オフ制御フォトカプラ１０がオンとなり、ＭＯＳＦＥＴ３のゲートに充電されていた電荷が放電される際に、先ず、ツェナーダイオード７が導通してツェナーダイオード７と電流制限抵抗８の直列回路を通って電流が流れる。電流制限抵抗８をスイッチング制御抵抗６と比べて十分に低抵抗とすれば、スイッチング制御抵抗６を通る場合と比べて大きな放電電流を流すことができ、急速にゲート電圧が降下して、ターンオフに要する時間を短縮することができる。

更に、放電によりＭＯＳＦＥＴ３のゲート電圧が低下し、ツェナーダイオード７に印加される逆電圧がツェナー電圧未満になると、ツェナーダイオード７は非導通となり、放電電流がスイッチング制御抵抗６を通って流れる状態となる。これ以降は、スイッチング制御抵抗６により制限される速度で放電が進行する。これにより、電流遮断によるフライバック電圧をＭＯＳＦＥＴ３の耐圧を超えない範囲に抑制して、ＭＯＳＦＥＴ３のターンオフを完了させることが可能となる。従って、ツェナーダイオード７が導通している期間により、ターンオフに要する時間を短縮し、しかもフライバック電圧を抑制する効果を併せて得ることができる。

ここで、ツェナーダイオード７は、ＭＯＳＦＥＴ３のターンオフ開始の閾値電圧に達する直前の少し高いツェナー電圧を有するものを用いることが望ましい。それにより、ツェナーダイオード７は、ＭＯＳＦＥＴ３がターンオフを開始する直前には非導通となる。従って、ＭＯＳＦＥＴ３のゲート電圧がターンオフの閾値電圧に達するときには、スイッチング制御抵抗６によってスイッチング速度が制御されながらターンオフが進行する。その結果、電流の遮断に伴うフライバック電圧が、ＭＯＳＦＥＴ３の耐圧を超えない範囲に確実に抑制される。

多くのＭＯＳＦＥＴは、ゲート電圧がターンオフの閾値電圧よりも若干高い領域で、ゲートに蓄積された電荷量とゲート電圧の関係が一定である範囲が存在する。従って、このようにゲート電圧が一定の範囲では、ツェナーダイオードによって急速に電荷を放電させることが、高いフライバック電圧を発生させることなく、ターンオフに要する時間を短縮するために特に有効である。

＜実施の形態２＞
実施の形態２における電池パックに含まれる充放電スイッチ回路について、図２のブロック図を参照して説明する。本実施の形態の充放電スイッチ回路では、実施の形態１の構成に対して、変更された構成のスイッチ制御部１９を用いるが、スイッチ駆動電源４、スイッチング制御抵抗６、及びツェナーダイオード７と電流制限抵抗８からなる短縮回路には変更がない。

また、スイッチ制御部１９において、オン制御フォトカプラ９及びオフ制御フォトカプラ１０は実施の形態１の場合と同様である。本実施の形態の特徴は、低電圧回路部３０の構成が、実施の形態１の低電圧回路部１８とは異なる点にある。従って、以下の記載では、低電圧回路部３０の構成及び動作について説明し、他の説明は省略する。

低電圧回路部３０におけるオン信号供給部２０は、実施の形態１における制御信号供給部１１とは異なり、保護回路によるオン制御に応じてオン制御信号２１のみを生成する。オン制御フォトカプラ９の制御は、オン制御信号２１を用いて行われる。一方、インバータバッファ２２が設けられ、オン制御信号２１の極性を反転制御してオフ制御信号２３を生成する。このオフ制御信号２３が、オフ制御フォトカプラ１０の制御に用いられる。

オン制御フォトカプラ９とオフ制御フォトカプラ１０が同時にオンとならないように、第１ダイオード２４、第１抵抗２５、及び第１コンデンサ２６からなる回路と、第２ダイオード２７、第２抵抗２８、及び第２コンデンサ２９からなる回路でそれぞれ、オン制御信号とオフ制御信号のタイミングを調整するように構成されている。

すなわち、第１ダイオード２４は、オン信号供給部２０の出力端子にカソードが接続され、アノードがオン制御フォトカプラ９の発光ダイオード１３のアノード端子に接続されている。第１ダイオード２４に並列に、第１抵抗２５が接続されている。さらに、第１コンデンサ２６の一端が第１ダイオード２４のアノードに接続され、他端がオン制御フォトカプラ９の発光ダイオード１３のカソード端子に接続されている。

また、第２ダイオード２７は、インバータバッファ２２の出力端子にカソードが接続され、アノードがオフ制御フォトカプラ１０の発光ダイオード１５のアノード端子に接続されている。第２ダイオード２７に並列に、第２抵抗２８が接続されている。さらに、第２コンデンサ２９の一端が第２ダイオード２７のアノードに接続され、他端がオフ制御フォトカプラ１０の発光ダイオード１５のカソード端子に接続されている。

以上の構成により、オン制御フォトカプラ９のオフタイミングを第１ダイオード２４により制御し、オンタイミングを第１コンデンサ２６及び第１抵抗２５により制御する。併せて、オフ制御フォトカプラ１０のオフタイミングを第２ダイオード２７により制御し、オンタイミングを第２コンデンサ２９及び第２抵抗２８により制御する。

すなわち、フォトカプラはターンオン時間が短いとターンオフ時間が長いため、第１、第２抵抗２５、２６と、第１、第２コンデンサ２６、２９でフィルタを形成してオンするタイミングを遅延させ、第１、第２ダイオード２４、２７でオフのとき電荷を早く抜いてオフするタイミングを早める。これにより、オン制御フォトカプラ９とオフ制御フォトカプラ１０が同時にオンしないように制御可能である。

以上のように、本実施の形態では、実施の形態１における制御信号供給部１１に相当する回路が、オン信号供給部２０、インバータバッファ２２、第１、第２ダイオード２４、２７、第１、第２抵抗２５、２６、及び第１、第２コンデンサ２６、２９により構成されている。

＜実施の形態３＞
本実施の形態では、実施の形態１における制御信号供給部１１に相当する回路が、オン信号供給部２０、オフ制御コンデンサ３３、ダイオード３４、抵抗３５〜３８、ＭＯＳＦＥＴ３９、及びＭＯＳＦＥＴ３９のドレインに電流を供給する直流電源４０により構成される。さらに、低電圧回路部３２におけるオン信号供給部２０は、実施の形態２の場合と同様であり、保護回路によるオン制御に応じてオン制御信号２１のみを生成する。オン制御フォトカプラ９の制御は、オン制御信号２１を用いて行われる。

オン制御信号２１は、オフ制御コンデンサ３３の一端にも供給される。オフ制御コンデンサ３３の他端は、ダイオード３４と抵抗３５の並列回路を介して、直流電源４０に接続されている。さらにオフ制御コンデンサ３３の他端は、抵抗３６を介してＭＯＳＦＥＴ３９のゲートにも接続されている。ダイオード３４は、カソードを発光ダイオード１５側に向けて配置されている。

この構成による動作は、次のとおりである。すなわち、オン制御信号２１がオンに制御されているときは、発光ダイオード１３が発光してフォトトランジスタ１２がオンとなる。一方、オン制御信号２１がオンなので、ＭＯＳＦＥＴ３９のゲートには、抵抗３５及び３６を介して直流電源４０の電圧が供給され、ＭＯＳＦＥＴ３９はオフとなる。そのため、発光ダイオード１５は発光せず、フォトトランジスタ１４はオフのままである。その結果、ＭＯＳＦＥＴ３のゲートにはフォトトランジスタ１２を介してスイッチ駆動電源４の電圧が供給され、ＭＯＳＦＥＴ３はオンとなる。

次に、オン制御信号２１がオフとなったとき、発光ダイオード１３が発光を停止してフォトトランジスタ１２がオフとなる。一方、オン制御信号２１がオフになると、ＭＯＳＦＥＴ３９のゲートにはソースに対してオン制御信号２１の電圧がかかり、ＭＯＳＦＥＴ３９はオンとなるので、発光ダイオード１５が発光してフォトトランジスタ１４がオンとなる。その結果、ＭＯＳＦＥＴ３のゲートにはスイッチ駆動電源４の電圧が供給されなくなるので、ＭＯＳＦＥＴ３はオフとなる。

この動作の詳細は次のとおりである。すなわち、オン制御信号２１がオフになると、コンデンサ３３は抵抗３５を介して直流電源４０により充電され始める。そして、コンデンサ３３の容量と抵抗３５の抵抗値で定まる時定数で、ＭＯＳＦＥＴ３９のゲートに加わる電圧値が上昇する。そのため、オン制御信号２１がオフになってから所定の時間が経過すると、ＭＯＳＦＥＴ３９はオフとなり、発光ダイオード１５が発光を停止してフォトトランジスタ１４もオフとなる。なお、フォトトランジスタ１４もオフとなった後も、ＭＯＳＦＥＴ３のゲートにはスイッチ駆動電源４の電圧は供給されないので、ＭＯＳＦＥＴ３はオフ状態に維持される。

スイッチ駆動電源４は、二次電池１に基づいて生成されているので、本実施の形態の構成を用いれば、ＭＯＳＦＥＴ３がオフの状態、すなわち、二次電池１を使用していない状態において、二次電池１の電力消費を大幅に低減させることができる。

なお、抵抗３５に並列に接続されたダイオード３４は、オフ制御コンデンサ３３に蓄えられた電荷を急速に放電させるために用いる。上述のとおり、オン制御信号２１がオフになると、オフ制御コンデンサ３３は抵抗３５を介して直流電源４０により充電され始め、やがてオフ制御コンデンサ３３の両端には、直流電源４０の電圧にほぼ等しい電圧が加わることになる。そのため、その後オン制御信号２１がオンになると、オフ制御コンデンサ３３の直流電源４０に近い他端側が、直流電源４０の電圧よりも高電圧となってしまう。ダイオード３４は、オフ制御コンデンサ３３に蓄えられた電荷を急速に放電させ、オフ制御コンデンサ３３を迅速にリセットさせる機能を有する。

＜実施の形態４＞
実施の形態４における電池パックに含まれる充放電スイッチ回路について、図４のブロック図を参照して説明する。本実施の形態の充放電スイッチ回路では、スイッチ制御部４１の構成が変更され、他の要素の構成は、実施の形態１の場合と同様である。

スイッチ制御部４１は、オン制御スイッチとして機能するオン制御フォトカプラ９のみを備え、実施の形態１とは異なり、オフ制御スイッチとして機能するオフ制御フォトカプラ１０は備えていない。オフ制御フォトカプラ１０に代えて、抵抗Ｒ１、Ｒ２からなる分圧回路が設けられる。この分圧回路（Ｒ１，Ｒ２）は、一端がオン制御フォトカプラ９の出力側端子に接続され、他端がグランドに接続され、分圧出力ノードである抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点がスイッチング制御抵抗６の他端に接続される。

スイッチ制御部４１の低電圧回路部４２は、オン信号供給部２０と、オン制御フォトカプラ９の発光ダイオード１３からなる。オン信号供給部２０は、実施の形態２と同様、保護回路によるオン制御に応じてオン制御信号２１を供給する。オン制御フォトカプラ９は実施の形態１の場合と同様であり、入力側端子であるフォトトランジスタ１２のコレクタ端子がスイッチ駆動電源４に接続され、エミッタ端子が分圧回路（Ｒ１，Ｒ２）の一端に接続されている。

オン制御信号２１がオン制御フォトカプラ９に印加され、発光ダイオード１３を発光させることにより、フォトトランジスタ９がオンに制御される。それにより、スイッチ駆動電源４からの駆動電圧が分圧回路（Ｒ１，Ｒ２）に印加され、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点での分圧がスイッチング制御抵抗６を介してＭＯＳＦＥＴ３のゲートに印加される。この分圧は、ＭＯＳＦＥＴ３がオンする大きさに設定されている。

ＭＯＳＦＥＴ３をオンからオフにする際には、オン制御フォトカプラ９がオフとなるように、オン制御信号２１を制御する。これにより、ＭＯＳＦＥＴ３のゲートに充電されていた電荷が、抵抗Ｒ２を介してグランドに移動して放電され、ＭＯＳＦＥＴ３がオフとなる。その際の、ツェナーダイオード７及びスイッチング制御抵抗６を経由してゲート電荷が放電される動作及び効果は、実施の形態１についての説明と同様である。

以上のように、本実施の形態によれば、スイッチ制御部４１に設ける制御スイッチを１個のみ（オン制御フォトカプラ９）とすることができる。これにより、回路が簡素化され、コストを低減することができる。

＜実施の形態５＞
実施の形態５における電池パックに含まれる充放電スイッチ回路について、図５のブロック図を参照して説明する。本実施の形態では、スイッチ駆動電源４の構成の具体例が示されるが、他の要素の構成は、実施の形態１の場合と同様である。また、実施の形態２、３におけるスイッチ駆動電源４に、本実施の形態の構成を適用してもよい。

スイッチ駆動電源４は、コッククロフト-ウォルトン回路として知られている昇圧回路であり、コンデンサ４３〜４６と、ダイオード４７〜５０により構成され、充電するコンデンサを切り替えるための交流信号５１がコンデンサ４３の一方の端子から印加される。交流信号５１は、図示しないが、電池パック内の回路により二次電池１を電源として生成され、印加される。また、ダイオード４７のアノード側に二次電池１を接続することで、二次電池電圧を基準とする。

この回路は、コンデンサとダイオードの数の組合せで所望の電圧に昇圧可能であり、コンデンサとダイオードで構成されるため、出力電流は微小であるが電圧変換損失がなく低消費電力である。

本発明の電池パックは、異常発生時に充放電スイッチ回路によって充放電を遮断する時間が短縮され、しかもフライバック電圧がスイッチ素子の耐圧を超えない範囲に抑制されるので、高電圧の電池パック等に有用である。

１二次電池
２充放電ライン
３、３９ＭＯＳＦＥＴ
４スイッチ駆動電源
５、１９、３１、４１スイッチ制御部
６スイッチング制御抵抗
７ツェナーダイオード
８電流制限抵抗
９オン制御フォトカプラ
１０オフ制御フォトカプラ
１１制御信号供給部
１２、１４フォトトランジスタ
１３、１５発光ダイオード
１６、２１オン制御信号
１７、２３オフ制御信号
１８、３０、３２、４２低電圧回路部
２０オン信号供給部
２２インバータバッファ
２４第１ダイオード
２５第１抵抗
２６第１コンデンサ
２７第２ダイオード
２８第２抵抗
２９第２コンデンサ
３３オフ制御コンデンサ
３５、３６、３７、３８抵抗
４０直流電源
４３〜４６コンデンサ
３４、４７〜５０ダイオード
５１交流信号

Claims

二次電池と、前記二次電池からの充放電ラインに挿入された充放電スイッチ回路と、前記充放電スイッチ回路を介して前記充放電ラインを通じた充放電を制御する保護回路とを備えた電池パックにおいて、
前記充放電スイッチ回路が、
前記充放電ラインに直列に接続されたスイッチ素子と、
前記スイッチ素子を導通させる駆動電圧を生成するスイッチ駆動電源と、
前記スイッチ素子の制御端子に一端が接続されたスイッチング制御抵抗と、
ツェナーダイオードと電流制限抵抗の直列回路からなり、前記ツェナーダイオードのカソードを前記スイッチ素子側に配置して前記スイッチング制御抵抗と並列に接続された短縮回路と、
前記スイッチ素子の制御端子に対する電圧供給を制御するスイッチ制御部とを備え、
前記スイッチ制御部は、前記保護回路からのオン制御に応じて前記スイッチ駆動電源からの前記駆動電圧を前記スイッチング制御抵抗の他端に印加し、オフ制御に応じて前記スイッチ素子の制御端子に蓄積された電荷を前記スイッチング制御抵抗の他端を経由して放電させる制御を行い、
さらに、前記スイッチ制御部は、
前記スイッチ駆動電源と前記スイッチング制御抵抗の他端の間に接続されたオン制御スイッチと、
前記スイッチング制御抵抗の他端と前記スイッチ素子の入出力端子の間に接続されたオフ制御スイッチと、
前記保護回路によるオン・オフ制御に応じて背反動作するオン制御信号とオフ制御信号を供給する制御信号供給部とを備え、
前記オン制御スイッチはオン制御フォトカプラにより構成されて、そのフォトトランジスタのコレクタ端子が前記スイッチ駆動電源に接続され、エミッタ端子が前記スイッチング制御抵抗の他端に接続され、
前記オフ制御スイッチはオフ制御フォトカプラにより構成されて、そのフォトトランジスタのコレクタ端子が前記スイッチング制御抵抗の他端と接続され、エミッタ端子が前記スイッチ素子の入出力端子に接続され、
前記オン制御信号は前記オン制御スイッチの前記オン制御フォトカプラに印加され、発光ダイオードを発光させて前記フォトトランジスタをオンに制御することで前記オン制御スイッチをオンに制御し、
前記オフ制御信号は前記オフ制御スイッチの前記オフ制御フォトカプラに印加され、発光ダイオードを発光させて前記フォトトランジスタをオンに制御することで前記オフ制御スイッチをオンに制御し、
前記制御信号供給部は、前記保護回路によるオン制御に応じて前記オン制御信号を供給するオン信号供給部を備え、
前記オン制御信号は前記オン制御フォトカプラに印加され、前記オン制御フォトカプラの前記発光ダイオードを発光させて前記フォトトランジスタをオンに制御し、
前記オン制御信号の極性を反転させたオフ制御信号が前記オフ制御フォトカプラに印加され、前記オフ制御フォトカプラの前記発光ダイオードを発光させて前記フォトトランジスタをオンに制御し、
さらに、前記制御信号供給部は、
前記オン制御信号の極性を反転させて前記オフ制御信号を生成するインバータバッファと、
前記オン信号供給部の出力端子にカソードが接続されアノードが前記オン制御フォトカプラの前記発光ダイオードのアノード端子に接続された第１ダイオードと、
前記第１ダイオードに並列に接続された第１抵抗と、
一端が前記第１ダイオードの前記アノードに接続され他端が前記オン制御フォトカプラの前記発光ダイオードのカソード端子に接続された第１コンデンサと、
前記インバータバッファの出力端子にカソードが接続されアノードが前記オフ制御フォトカプラの前記発光ダイオードのアノード端子に接続された第２ダイオードと、
前記第２ダイオードに並列に接続された第２抵抗と、
一端が前記第２ダイオードの前記アノードに接続され他端が前記オフ制御フォトカプラの前記発光ダイオードのカソード端子に接続された第２コンデンサとを備え、
前記オン制御フォトカプラのオフタイミングを前記第１ダイオードにより制御し、オンタイミングを前記第１コンデンサ及び前記第１抵抗により制御し、
前記オフ制御フォトカプラのオフタイミングを前記第２ダイオードにより制御し、オンタイミングを前記第２コンデンサ及び前記第２抵抗により制御するように構成されたことを特徴とする電池パック。
二次電池と、前記二次電池からの充放電ラインに挿入された充放電スイッチ回路と、前記充放電スイッチ回路を介して前記充放電ラインを通じた充放電を制御する保護回路とを備えた電池パックにおいて、
前記充放電スイッチ回路が、
前記充放電ラインに直列に接続されたスイッチ素子と、
前記スイッチ素子を導通させる駆動電圧を生成するスイッチ駆動電源と、
前記スイッチ素子の制御端子に一端が接続されたスイッチング制御抵抗と、
ツェナーダイオードと電流制限抵抗の直列回路からなり、前記ツェナーダイオードのカソードを前記スイッチ素子側に配置して前記スイッチング制御抵抗と並列に接続された短縮回路と、
前記スイッチ素子の制御端子に対する電圧供給を制御するスイッチ制御部とを備え、
前記スイッチ制御部は、前記保護回路からのオン制御に応じて前記スイッチ駆動電源からの前記駆動電圧を前記スイッチング制御抵抗の他端に印加し、オフ制御に応じて前記スイッチ素子の制御端子に蓄積された電荷を前記スイッチング制御抵抗の他端を経由して放電させる制御を行い、
さらに、前記スイッチ制御部は、
前記スイッチ駆動電源と前記スイッチング制御抵抗の他端の間に接続されたオン制御スイッチと、
前記スイッチング制御抵抗の他端と前記スイッチ素子の入出力端子の間に接続されたオフ制御スイッチと、
前記保護回路によるオン・オフ制御に応じて背反動作するオン制御信号とオフ制御信号を供給する制御信号供給部とを備え、
前記オン制御スイッチはオン制御フォトカプラにより構成されて、そのフォトトランジスタのコレクタ端子が前記スイッチ駆動電源に接続され、エミッタ端子が前記スイッチング制御抵抗の他端に接続され、
前記オフ制御スイッチはオフ制御フォトカプラにより構成されて、そのフォトトランジスタのコレクタ端子が前記スイッチング制御抵抗の他端と接続され、エミッタ端子が前記スイッチ素子の入出力端子に接続され、
前記オン制御信号は前記オン制御スイッチの前記オン制御フォトカプラに印加され、発光ダイオードを発光させて前記フォトトランジスタをオンに制御することで前記オン制御スイッチをオンに制御し、
前記オフ制御信号は前記オフ制御スイッチの前記オフ制御フォトカプラに印加され、発光ダイオードを発光させて前記フォトトランジスタをオンに制御することで前記オフ制御スイッチをオンに制御し、
前記制御信号供給部は、前記保護回路によるオン制御に応じて前記オン制御信号を前記オン制御フォトカプラの前記発光ダイオードに供給するオン信号供給部と、
直流電源と、
前記オン制御信号が一端に供給されるオフ制御コンデンサと、
前記オフ制御コンデンサの他端にアノードが接続され、カソードが前記直流電源に接続されたダイオードと、
前記ダイオードと並列に接続された抵抗と、
ソースが前記直流電源に接続され、ドレインが前記オフ制御フォトカプラの発光ダイオードのアノード端子に接続され、ゲートが抵抗を介して前記オフ制御コンデンサの他端に接続されたＭＯＳＦＥＴとを備えたことを特徴とする電池パック。
前記ツェナーダイオードのツェナー電圧が、前記スイッチ素子のターンオフ開始の閾値電圧よりも高くなるように設定された請求項１または２に記載の電池パック。
前記スイッチ素子は、ＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ、ＩＧＰＴのいずれかにより構成された請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池パック。
前記スイッチ駆動電源は、コンデンサとダイオードを組み合わせて構成され、入力する交流信号の振幅を整数倍に昇圧する倍整流回路であり、基準電位が初段ダイオードのアノード側に印加される請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池パック。
前記基準電位は前記スイッチ素子のソース端子の電圧である請求項５に記載の電池パック。