JP6301188B2 - 充放電制御回路およびバッテリ装置 - Google Patents

Description

本発明は二次電池と、二次電池の電圧や異常を検知し二次電池の充放電を制御する充放電制御回路を備えたバッテリ装置に関し、特にバッテリが異常な状態になることや、バッテリやバッテリに接続した機器に過度な電流が流れることを防止する充放電制御回路およびバッテリ装置に関する。

図４に、従来の充放電制御回路を備えたバッテリ装置の回路図を示す。従来の充放電制御回路を備えたバッテリ装置は、二次電池１１と、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１２と、Ｎｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１３と、充放電制御回路１４と、抵抗２２、３１と、容量３２と、外部端子２０、２１で構成されている。充放電制御回路１４は、制御回路１５と、過電流検出回路５３０と、短絡検出回路５４０と、過電流検出端子１９と、充電制御信号出力端子４１と、放電制御信号出力端子４２と、ＤＳ端子４５と、正極電源端子４４と、負極電源端子４３で構成されている。過電流検出回路５３０は、比較回路１０１と、基準電圧回路５３１で構成されている。短絡検出回路５４０は、比較回路１０２と、基準電圧回路５４１で構成されている。

制御回路１５は、抵抗５０４、５０５、５０６、５０７、５１８、５２８と、基準電圧回路５０９、５１５と、比較回路５０１、５０８、５１３と、発振回路５０２と、カウンター回路５０３と、ロジック回路５１０と、レベルシフト回路５１１と、遅延回路５１２と、ロジック回路５２０と、ＮＭＯＳトランジスタ５１７、５１９で構成されている。

次に、動作について説明する。外部端子２０、２１の間に負荷が接続され、電流が流れると二次電池１１の負極と外部端子２１間に電位差が発生する。この電位差は、外部端子２０、２１間に流れた電流量Ｉ₁、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１２の抵抗値Ｒ₁₂、Ｎｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１３の抵抗値Ｒ₁₃によって決定され、Ｉ₁×（Ｒ₁₂＋Ｒ₁₃）で表される。過電流検出端子１９の電圧は外部端子２１の電圧と等しい。比較回路１０１が基準電圧回路５３１の電圧と過電流検出端子１９の電圧を比較し、過電流検出端子１９の電圧が高ければ、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１２をオフし、過電流保護をかける。過電流検出電流値の設定値をＩ_DOP、基準電圧回路５３１の電圧をＶ₅₃₁、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１２の抵抗値をＲ₁₂、Ｎｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１３の抵抗値をＲ₁₃とする。比較回路１０１が検出信号を出力する閾値電圧となる時の外部端子２１の電圧はＶ₅₃₁である。この時、外部端子２０、２１間に流れた電流は、外部端子２１の電圧をＮｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１２とＮｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１３の抵抗値の合計で割ったものとなり、Ｉ_DOP＝Ｖ₅₃₁／（Ｒ₁₂＋Ｒ₁₃）と表される。

比較回路１０１が検出信号を出力する閾値電圧となる時の充放電制御回路の過電流検出端子の電圧を過電流検出電圧と呼ぶ。比較回路１０２が検出信号を出力する閾値電圧となる時の充放電制御回路の過電流検出端子の電圧を短絡検出電圧と呼ぶ。

特開２００４−１０４９５６号公報

しかしながら従来の技術では、充放電制御回路の過電流検出電圧と短絡検出電圧は二次電池電圧や温度が変化しても一定の値であるのに対し、Ｎｃｈ充放電制御電界効果トランジスタの抵抗値が二次電池電圧や温度の変化に伴って変化するため、過電流検出電流値や短絡電流検出電流値が変動してしまう。このため、過電流検出電流値や短絡電流検出電流値の精度が悪くバッテリ装置の安全性が低いという課題があった。また、過電流検出回路と短絡検出回路で２つの基準電圧回路を用いるため消費電流が高いという課題もあった。

本発明は、以上のような課題を解決するために考案されたものであり、充放電制御回路の過電流検出電圧と短絡検出電圧をＮｃｈ充放電制御電界効果トランジスタの抵抗値の二次電池電圧や温度による変化に一致するように変化させ、過電流検出電流値が二次電池電圧や温度の変化によって変動しないようにする。これにより、低消費電流でありながら、過電流検出電流値と短絡電流値の精度を向上させて、安全性の高いバッテリ装置を提供するためのものである。

従来の課題を解決するために、本発明の充放電制御回路は以下のような構成とした。
短絡過電流検出回路は、直列に接続された定電流回路と第一のインピーダンス素子と二次電池の電圧によって抵抗値が変化する第一のトランジスタと第二のインピーダンス素子と二次電池の電圧によって抵抗値が変化する第二のトランジスタとを備え、定電流回路と第一のインピーダンス素子の接続点から第一の基準電圧を出力し、第一のトランジスタと第二のインピーダンス素子の接続点から第二の基準電圧を出力する基準電圧回路と、過電流検出端子の電圧と第一の基準電圧を比較する第一の比較回路と、過電流検出端子の電圧と第二の基準電圧を比較する第二の比較回路を備える。

本発明によれば、充放電制御回路の過電流検出電圧と短絡検出電圧の二次電池電圧依存性と温度依存性を充放電制御スイッチの抵抗値の二次電池電圧依存性と温度依存性に一致させることが可能となり、二次電池電圧や温度が変化してもバッテリ装置の過電流検出電流値と短絡検出電流値は一定の値となる。これにより、低消費電流でありながら、過電流検出電流値と短絡検出電流値の精度を向上させて、安全性の高いバッテリ装置の提供が可能となる。

第一の実施形態の充放電制御回路及びバッテリ装置の回路図である。 第二の実施形態の充放電制御回路及びバッテリ装置の回路図である。 第三の実施形態の充放電制御回路及びバッテリ装置の回路図である。 従来の充放電制御回路及びバッテリ装置の回路図である。

＜実施形態１＞
図１は、第一の実施形態の充放電制御回路及びバッテリ装置の回路図である。
第一の実施形態の充放電制御回路及びバッテリ装置は、二次電池１１と、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１２と、Ｎｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１３と、充放電制御回路１４と、抵抗２２、３１と、容量３２と、外部端子２０、２１で構成されている。充放電制御回路１４は、制御回路１５と、短絡過電流検出回路１１０と、過電流検出端子１９と、充電制御信号出力端子４１と、放電制御信号出力端子４２と、正極電源端子４４と、負極電源端子４３で構成されている。短絡過電流検出回路１１０は、比較回路１０１、１０２と、定電流回路１０３と、抵抗１０４、１０６と、ＮＭＯＳトランジスタ１０５、１０７で構成されている。定電流回路１０３と、抵抗１０４、１０６と、ＮＭＯＳトランジスタ１０５、１０７で基準電圧回路を構成する。

二次電池１１は、正極は外部端子２０と抵抗３１に接続され、負極は容量３２と負極電源端子４３とＮｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１２のソース及びバックゲートに接続される。正極電源端子４４は、抵抗３１と容量３２の接続点に接続される。Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１２は、ゲートは放電制御信号出力端子４２に接続され、ドレインはＮｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１３のドレインに接続される。Ｎｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１３は、ゲートは充電制御信号出力端子４１に接続され、ソース及びバックゲートは外部端子２１および抵抗２２に接続される。抵抗２２のもう一方の端子は過電流検出端子１９に接続される。

比較回路１０１は、反転入力端子は過電流検出端子１９に接続され、非反転入力端子は定電流回路１０３と抵抗１０４の接続点に接続され、出力端子は制御回路１５に接続される。定電流回路１０３のもう一方の端子は正極電源端子４４に接続される。ＮＭＯＳトランジスタ１０５は、ゲートは正極電源端子４４に接続され、ドレインは抵抗１０４のもう一方の端子に接続され、ソースは抵抗１０６の一方の端子に接続される。ＮＭＯＳトランジスタ１０７は、ゲートは正極電源端子４４に接続され、ドレインは抵抗１０６のもう一方の端子に接続され、ソースは負極電源端子４３に接続される。比較回路１０２は、反転入力端子は過電流検出端子１９に接続され、非反転入力端子はＮＭＯＳトランジスタ１０５のソースに接続され、出力端子は制御回路１５に接続される。制御回路１５は、電源端子が正極電源端子４４に接続され、グラウンド端子が負極電源端子４３に接続され、第一の出力端子が放電制御信号出力端子４２に接続され、第二の出力端子が充電制御信号出力端子４１に接続される。

次に、動作について説明する。二次電池１１が過充電検出電圧以下かつ過放電検出電圧以上である時、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１２、Ｎｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１３はオンするように制御される。この状態で外部端子２０、２１の間に負荷が接続され、放電電流が流れると二次電池１１の負極と外部端子２１間に電位差が発生する。この電位差は、外部端子２０、２１間に流れた電流量Ｉ₁、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１２の抵抗値Ｒ₁₂、Ｎｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１３の抵抗値Ｒ₁₃によって決定され、Ｉ₁×（Ｒ₁₂＋Ｒ₁₃）で表される。

定電流回路１０３は抵抗１０４、１０６とＮＭＯＳトランジスタ１０５、１０７に電流を流し、電圧を発生させ、その電圧を基準電圧回路の基準電圧として出力する。比較回路１０２は、基準電圧回路の基準電圧と過電流検出端子１９の電圧を比較し、過電流検出端子１９の電圧が高ければ検出信号を制御回路１５に出力して、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１２をオフさせ過電流保護をかける。

過電流検出電流値の設定値をＩ_DOP、ＮＭＯＳトランジスタ１０５のソースと基準電圧回路の抵抗１０６の接続点に発生する電圧をＶ_ref、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１２の抵抗値をＲ₁₂、Ｎｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１３の抵抗値をＲ₁₃とする。比較回路１０２が検出信号を出力する閾値電圧となる時の外部端子２１の電圧はＶ_refである。この時、外部端子２０、２１間に流れた電流は、外部端子２１の電圧をＮｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１２とＮｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１３の抵抗値の合計で割ったものとなり、Ｉ_DOP＝Ｖ_ref／（Ｒ₁₂＋Ｒ₁₃）と表される。

ここで、Ｎｃｈ電界効果トランジスタの抵抗値にはゲート・ソース間電圧依存性と温度依存性があり、Ｎｃｈ充放電制御電界効果トランジスタのソース電位は二次電池の負極電位、ゲート電位は二次電池の正極電位のため、Ｎｃｈ充放電制御電界効果トランジスタの抵抗値（Ｒ₁₂＋Ｒ₁₃）は、二次電池電圧依存性と温度依存性を持つ。

ＮＭＯＳトランジスタ１０７はソースを負極電源端子４３、ゲートを正極電源端子４４に接続することでＮｃｈ充放電制御電界効果トランジスタとゲート・ソース間電圧が同じ状態を作り出している。

ＮＭＯＳトランジスタ１０７のＷ長とＬ長と、ＮＭＯＳトランジスタ１０７へ流入する電流量を定電流回路１０３で変化させると、Ｖ_refの二次電池電圧依存性を調節可能となる。また、過電流検出電流値Ｉ_DOPを調節するためには、Ｉ_DOP＝Ｖ_ref／（Ｒ₁₂＋Ｒ₁₃）で表されるため、Ｖ_refの絶対値の合わせ込みも必要となる。Ｖ_refがＩ_DOP×（Ｒ₁₂＋Ｒ₁₃）になるように定電流回路１０３の電流値に応じて抵抗１０６の値を最適化することで、過電流検出電流の狙い値を調節する。また、抵抗１０６の温度特性は、素子の作り方で調節可能である。Ｖ_refの絶対値の合わせ込みを行った時に、Ｖ_refの温度特性がＮｃｈ充放電制御トランジスタの温度特性と一致するように、抵抗１０６の温度特性を最適化しておく必要がある。

短絡検出電流値の設定値をI_SHORT、定電流回路１０３と基準電圧回路の抵抗１０４の接続点に発生する電圧をＶ_ref2とする。比較回路１０１が検出信号を出力する閾値電圧となる時の外部端子２１の電圧はＶ_ref2である。この時、外部端子２０、２１間に流れた電流は、外部端子２１の電圧をＮｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１２とＮｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１３の抵抗値の合計で割ったものとなり、Ｉ_SHORT＝Ｖ_ref2／（Ｒ₁₂＋Ｒ₁₃）と表される。
また、抵抗１０４、ＮＭＯＳトランジスタ１０５に発生する電位差をＶΔとすると、ＶΔ＝Ｖ_ref2−Ｖ_ref＝（Ｉ_SHORT−Ｉ_DOP）×（Ｒ₁₂＋Ｒ₁₃）と表される。

ここで、Ｎｃｈ電界効果トランジスタの抵抗値にはゲート・ソース間電圧依存性と温度依存性があり、Ｎｃｈ充放電制御電界効果トランジスタのソース電位は二次電池の負極電位、ゲート電位は二次電池の正極電位のため、Ｎｃｈ充放電制御電界効果トランジスタの抵抗値（Ｒ₁₂＋Ｒ₁₃）は、二次電池電圧依存性と温度依存性を持つ。ＮＭＯＳトランジスタ１０５はソースを抵抗１０６、ゲートを正極電源端子４４に接続することでＮｃｈ充放電制御電界効果トランジスタとゲート・ソース間電圧が同じ状態を作り出している。

ＮＭＯＳトランジスタ１０５のＷ長とＬ長と、ＮＭＯＳトランジスタ１０５へ流入する電流量を定電流回路１０３で変化させると、ＶΔの二次電池電圧依存性を調節可能となる。また、短絡検出電流値Ｉ_SHORTを調節するためには、Ｉ_SHORT＝ＶΔ／（Ｒ₁₂＋Ｒ₁₃）＋Ｉ_DOPで表されるため、ＶΔの絶対値の合わせ込みも必要となる。ＶΔが（Ｉ_SHORT−Ｉ_DOP）×（Ｒ₁₂＋Ｒ₁₃）になるように定電流回路１０３の電流値に応じて抵抗１０４の値を最適化することで、短絡検出電流の狙い値を調節する。また、抵抗１０４の温度特性は、素子の作り方で調節可能である。ＶΔの絶対値の合わせ込みを行った時に、ＶΔの温度特性がＮｃｈ充放電制御トランジスタの温度特性と一致するように、抵抗１０４の温度特性を最適化しておく必要がある。

こうして、基準電圧回路の基準電圧の値の二次電池電圧依存性と温度依存性を調節可能にし、Ｎｃｈ充放電制御電界効果トランジスタの抵抗値の二次電池電圧依存性、温度依存性と一致させることで、過電流検出電流値の設定値Ｉ_DOPと短絡検出電流値の設定値Ｉ_SHORTが二次電池電圧や温度が変化しても一定の値となるようにすることができる。また、短絡検出用の基準電圧回路を用いなくても検出可能なため消費電流を削減することができる。

なお、ＮＭＯＳトランジスタ１０５とＮＭＯＳトランジスタ１０７のゲートは、充放電制御回路１４の正極電源端子４２としたが、二次電池電圧を感知して抵抗値が変化すれば良いため、二次電池電圧依存性を持つ回路の出力に接続し、定電流値を調節すれば第一の実施形態と同じ効果を発揮させることが可能である。また、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１２、Ｎｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１３、ＮＭＯＳトランジスタ１０５を用いて説明したが、この構成に限らず、Ｐｃｈ電界効果トランジスタを用いＮＭＯＳトランジスタ１０５をＰＭＯＳトランジスタに、定電流回路１０３の正極電源端子４４の接続を負極電源端子４３に変更しても同様の動作をさせることができるということはいうまでもない。また、抵抗１０４と抵抗１０６はこの構成に限らず、インピーダンスを持つ素子であればどのようなインピーダンス素子であってもよい。

以上により、第一の実施形態のバッテリ装置は、充放電制御回路の過電流検出電圧および短絡検出電圧とＮｃｈ充放電制御電界効果トランジスタの二次電池電圧依存性、温度依存性を一致させることで、バッテリ装置の過電流検出電流値および短絡検出電流値の精度を向上させ、バッテリ装置の安全性を高めることができる。また、短絡検出用の基準電圧回路を用いず消費電流を削減することができる。

＜実施形態２＞
図２は、第二の実施形態の充放電制御回路及びバッテリ装置の回路図である。第一の実施形態との違いは抵抗１０４、１０６をＮＭＯＳトランジスタ２０１、２０２に変更した点である。

ＮＭＯＳトランジスタ２０１は、ゲートは正極電源端子４４に接続され、ドレインは比較回路１０１の非反転入力端子に接続され、ソースはＮＭＯＳトランジスタ１０５のドレインに接続される。ＮＭＯＳトランジスタ２０２は、ゲートは正極電源端子４４に接続され、ドレインは比較回路１０２の非反転入力端子に接続され、ソースはＮＭＯＳトランジスタ１０７のドレインに接続される。他は第一の実施形態と同様の接続である。このような構成でも過電流検出電流値の設定値と短絡検出電流値の設定値が二次電池電圧や温度が変化しても一定の値となるようにすることができる。
なお、ＮＭＯＳトランジスタ２０１、２０２で温度特性を調整するには異極ゲートのトランジスタを用いるなど素子の作り方で調節するとよい。

以上により、第二の実施形態のバッテリ装置は、充放電制御回路の過電流検出電圧および短絡検出電圧とＮｃｈ充放電制御電界効果トランジスタの二次電池電圧依存性、温度依存性を一致させることで、バッテリ装置の過電流検出電流値および短絡検出電流値の精度を向上させ、バッテリ装置の安全性を高めることができる。また、短絡検出用の基準電圧回路を用いず消費電流を削減することができる。

＜実施形態３＞
図３は、第三の実施形態の充放電制御回路及びバッテリ装置の回路図である。第一の実施形態のバッテリ装置との違いは二次電池１１の負極と負極電源端子４３の接続点とＮｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１２のソースとの間に抵抗３０１を追加した点である。他はすべて第一の実施形態と同様である。

Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１２のオン抵抗Ｒ₁₂と、Ｎｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１３のオン抵抗Ｒ₁₃は製造工程でのばらつきが大きく精度が悪い。そこで、Ｎｃｈ電界効果トランジスタよりも抵抗値のばらつきの少ない抵抗３３を直列に設けることで、過電流検出電流値のばらつきを小さくすることができる。過電流と短絡電流を検出する動作は第一の実施形態と同様であり、図３の構成でも実現することができる。

なお、抵抗３０１の位置は図３の位置に限定されず、二次電池１１の負極と負極電源端子４３の接続点と外部端子２１と抵抗２２の接続点の間であればどこに設けてもよい。また、抵抗３０１は意図的に設けた抵抗でなくとも良く、回路を構成する際の寄生抵抗で構わない。また、実施例１の構成に限らず実施例２の構成に用いても良い。

以上により、第三の実施形態のバッテリ装置は、充放電制御回路の過電流検出電圧および短絡検出電圧とＮｃｈ充放電制御電界効果トランジスタの二次電池電圧依存性、温度依存性を一致させることで、バッテリ装置の過電流検出電流値および短絡検出電流値の精度を向上させ、バッテリ装置の安全性を高めることができる。また、短絡検出用の基準電圧回路を用いず消費電流を削減することができる。

１１ 二次電池
１４ 充放電制御回路
１５ 制御回路
１０１、１０２ 比較回路
１９ 過電流検出端子
２０、２１ 外部端子
１０３ 定電流回路
１１０ 短絡過電流検出回路
４１ 充電制御信号出力端子
４２ 放電制御信号出力端子
４３ 負極電源端子
４４ 正極電源端子

Claims (4)

1. 二次電池の電圧や異常を検知する制御回路と、過電流検出端子の電圧で過電流や短絡を検出する短絡過電流検出回路と、を有する充放電制御回路であって、
   前記短絡過電流検出回路は、
   定電流回路と、前記定電流回路に接続された第一のインピーダンス素子と、ドレインが前記第一のインピーダンス素子に接続され、前記二次電池の電圧によって抵抗値が変化する第一のトランジスタと、前記第一のトランジスタのソースに接続された第二のインピーダンス素子と、ドレインが前記第二のインピーダンス素子に接続され、前記二次電池の電圧によって抵抗値が変化する第二のトランジスタと、を備え、前記定電流回路と前記第一のインピーダンス素子の接続点から第一の基準電圧を出力し、前記第一のトランジスタと前記第二のインピーダンス素子の接続点から第二の基準電圧を出力とする基準電圧回路と、
   前記過電流検出端子の電圧と前記第一の基準電圧を比較する第一の比較回路と、
   前記過電流検出端子の電圧と前記第二の基準電圧を比較する第二の比較回路と、
   を備えたことを特徴とする充放電制御回路。
2. 前記第一のインピーダンス素子は、前記二次電池の電圧によって抵抗値が変化する第三のトランジスタを備え、
   前記第二のインピーダンス素子は、前記二次電池の電圧によって抵抗値が変化する第四のトランジスタを備えることを特徴とする請求項１に記載の充放電制御回路。
3. 二次電池と、
   前記二次電池の充放電経路に設けられた充放電制御スイッチと、
   前記二次電池の電圧を監視し、前記充放電制御スイッチを制御する請求項１または２に記載の充放電制御回路と、
   を備えたことを特徴とするバッテリ装置。
4. 前記充放電制御スイッチが設けられた前記二次電池と外部端子の間の充放電経路に抵抗を備えたことを特徴とする請求項３に記載のバッテリ装置。

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