JP7039589B6 - 電池の保護回路とこの保護回路を備える電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池や負荷の異常な状態を検出して電池と直列に接続している放電用ＦＥＴをオフに切り換えて電流を遮断する電池の保護回路とこの保護回路を備える電源装置に関する。

電池と直列に放電用ＦＥＴを接続して異常時に電池の電流を遮断する保護回路を備える電池パックは開発されている。（特許文献１参照）
この電池パックは、電池と直列に接続している放電用ＦＥＴと充電用ＦＥＴとを備え、放電用ＦＥＴと充電用ＦＥＴを制御回路でオンオフに切り換える。制御回路は電池や負荷の異常な状態を検出し、異常時に放電用ＦＥＴをオフ状態に切り換えて電流を遮断し、また充電用ＦＥＴをオフ状態に切り換えて充電電流を遮断する。

特開２００９－２９６８７３号公報

このように保護回路を備える電池パックは、制御回路で電池や負荷の異常な状態を検出する。制御回路が、電流を遮断する異常な状態と判定すると、放電用ＦＥＴのゲートにオフ電圧を入力して、放電用ＦＥＴをオフ状態に切り換える。制御回路から放電用ＦＥＴにオフ電圧が入力されて、放電用ＦＥＴがオフに切り換えられるタイミングで遅延時間が発生する。この遅延時間は、放電用ＦＥＴの入力側の静電容量が大きくなって、制御回路の出力インピーダンスが大きくなると長くなる。オン状態にある放電用ＦＥＴは、入力側に存在するキャパシタンスと電圧との積に比例する電荷がチャージされている。制御回路はオフ信号で、この電荷を放電して放電用ＦＥＴのゲート電圧をオフ電圧まで低下させる。オン状態でキャパシタンスにチャージされている電荷を放電する時間は、制御回路の出力インピーダンスに比例して長くなるので、出力インピーダンスの高い制御回路は、電荷の放電に時間がかかり、放電用ＦＥＴのゲート電圧がオフ電圧まで低下するのに時間がかかる。放電用ＦＥＴはゲート電圧がオフ電圧に低下してオフ状態に切り換えられるので、キャパシタンスを放電してオフ電圧に低下するまでの時間遅れは、放電用ＦＥＴがオフ状態に切り換えられる遅延時間となる。制御回路の出力インピーダンスを低くして、放電用ＦＥＴの遅延時間を短くできる。しかしながら、汎用のＩＣのＦＥＴオフ能力は、そのＩＣの特性（ＩＣの内部抵抗等）に左右され、抵抗を上げることに関しては、外付けで対応可能だが、抵抗を下げることはＩＣの変更が必要になり、コストアップにつながる。また、この時の速度は、ＦＥＴの入力容量や、並列数によっても左右される為、特性が固定された汎用ＩＣでは、調整が難しい。

放電用ＦＥＴがオフに切り換えられる遅延時間は、電流を速やかに遮断できないことから安全性を低下させる弊害に加えて、さらに放電用ＦＥＴのピーク電力を極めて大きくして損傷する原因ともなる。オンからオフに切り換えるタイミングにおいて、放電用ＦＥＴの電力損失が瞬時的に相当に大きくなるからである。放電用ＦＥＴは、オン状態とオフ状態における電力損失を小さくできるが、オンからオフに切り換えるタイミングにおいて電力損失が急激に大きくなる。電力損失が電流の二乗と内部抵抗の積に比例して大きくなるからである。放電用ＦＥＴは、オン状態において実質的な内部抵抗はほぼ０Ω、オフ状態において内部抵抗が実質的に無限大となって電力損失が小さくなる。しかしながら、オンからオフに切り換えられるタイミングにおいては、放電用ＦＥＴのゲート電圧が次第に低下して内部抵抗が次第に増加するので、この間の内部抵抗が電力損失の原因となる。このため、放電用ＦＥＴがオフ状態に切り換えられる際の遅延時間は、瞬時的に大きくなる内部抵抗による電力損失で放電用ＦＥＴが損傷する原因となる。

本発明は、従来の以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、小電力のＦＥＴを使用して、速やかに放電用ＦＥＴをオフ状態に切り換えして、高い安全性を確保しながら、切り換え時における放電用ＦＥＴの電力損失による損傷を確実に防止できる保護回路とこの保護回路を備える電源装置とを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明のある形態にかかる電池の保護回路は、電池１と直列に接続されて電池１の放電電流を遮断する放電用ＦＥＴ３と、放電用ＦＥＴ３をオンオフに切り換える制御回路５とを備える電池の保護回路であって、放電用ＦＥＴ３のＧ－Ｓ間と並列に接続され、制御回路５から入力されるオン信号でオン状態に切り換えられて放電用ＦＥＴ３のゲート電圧をオフ電圧とする第１の小信号ＦＥＴ６と、放電用ＦＥＴ３のＧ－Ｓ間と並列に接続され、かつ放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間の電圧を検出して、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間の電圧が設定電圧よりも高い状態でオン状態に切り換えられて、放電用ＦＥＴ３のゲート電圧をオフ電圧とする第２の小信号ＦＥＴ７を備えている。

以上の保護回路は、小電力のＦＥＴを使用して、速やかに放電用ＦＥＴをオフ状態に切り換えして、高い安全性を確保しながら、切り換え時における放電用ＦＥＴの電力損失による損傷を確実に防止できる特徴がある。それは、以上の保護回路が、放電用ＦＥＴのＧ－Ｓ間と並列に、制御回路でオン状態に切り換えられて放電用ＦＥＴのゲート電圧をオフ電圧とする第１の小信号ＦＥＴと、放電用ＦＥＴのＧ－Ｓ間と並列に接続されて、かつ放電用ＦＥＴのＤ－Ｓ間の電圧が設定電圧よりも高い状態でオン状態に切り換えられて、放電用ＦＥＴのゲート電圧をオフ電圧とする第２の小信号ＦＥＴとを備えているからである。

以上の保護回路は、制御回路が電池電流を遮断する際には、第１の小信号ＦＥＴをオン状態に切り換えて放電用ＦＥＴのＧ－Ｓ間を短絡することで、放電用ＦＥＴのゲート電圧を速やかにオフ電圧まで低下させてオフ状態に切り換えできると共に、オフ状態に切り換えられる放電用ＦＥＴのＤ－Ｓ間の電圧が設定電圧よりも高くなると、第２の小信号ＦＥＴがオン状態に切り換えられて放電用ＦＥＴのＧ－Ｓ間を短絡するので放電用ＦＥＴのゲート電圧をオフ電圧に保持できる。すなわち、以上の保護回路は、制御回路が電池電流を遮断する際には、オン状態に切り換えられる第１の小信号ＦＥＴで放電用ＦＥＴのゲート電圧を速やかにオフ電圧まで低下させ、オフ状態に切り換えられて放電用ＦＥＴのＤ－Ｓ間の電圧が設定電圧よりも高くなるとオン状態に切り換えられる第２の小信号ＦＥＴで放電用ＦＥＴのゲート電圧をオフ電圧に保持できる。したがって、放電用ＦＥＴを速やかに遮断しながら、放電用ＦＥＴをオフ状態に保持して電池を保護できる。

また、放電用ＦＥＴの切り換え時においては、第１の小信号ＦＥＴ及び第２の小信号ＦＥＴにより放電用ＦＥＴのゲート電圧を速やかにオフ電圧まで低下させてオフ状態に切り換えできるので、放電用ＦＥＴがオフ状態に切り換えられる際の遅延時間に起因する電力損失を低減して、放電用ＦＥＴが損傷するのを確実に防止できる。

本発明の他の形態にかかる電池の保護回路によれば、第２の小信号ＦＥＴ７の入力側に、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間を接続してなる第３の小信号ＦＥＴ８を備えて、この第３の小信号ＦＥＴ８が、ゲートに入力されるオフ信号で第２の小信号ＦＥＴ７をオフ状態に切り換えることができる。

以上の保護回路は、第２の小信号ＦＥＴの入力側に、放電用ＦＥＴのＤ－Ｓ間を接続してなる第３の小信号ＦＥＴを備えており、第３の小信号ＦＥＴが、ゲートに入力されるオフ信号で第２の小信号ＦＥＴをオフ状態に切り換えるようにしているので、オフ状態に切り換えられた放電用ＦＥＴのＤ－Ｓ間の電圧を検出してオン状態に切り換えられた第２の小信号ＦＥＴを、第３の小信号ＦＥＴでオフ状態とすることができる。このため、放電用ＦＥＴは、Ｇ－Ｓ間の短絡状態が解除されて、制御回路からのオン信号でオン状態に切り換えられて放電を許容することができる。

また、本発明の他の形態にかかる電池の保護回路によれば、第３の小信号ＦＥＴ８のゲートにオフ信号を入力する入力回路９を備えることができる。

上記構成によれば、第３の小信号ＦＥＴのゲートにオフ信号を入力する入力回路を制御することで、第３の小信号ＦＥＴをオフ状態に切り換えて、第２の小信号ＦＥＴをオフ状態に切り換えできる。このように、入力回路で第２の小信号ＦＥＴをオフ状態に制御することで、制御回路による放電用ＦＥＴの制御を有効にして放電用ＦＥＴをオン状態に切り換えできる。

また、本発明の他の形態にかかる電池の保護回路によれば、制御回路５が、電池電流を遮断する電流遮断状態を検出して、放電用ＦＥＴ３にオフ信号を出力する第１の制御回路５Ａと、電流遮断状態を検出して第１の小信号ＦＥＴ６にオン信号を出力する第２の制御回路５Ｂとを備え、第１の制御回路５Ａが出力するオフ信号で放電用ＦＥＴ３をオフ状態に切り換え、第２の制御回路５Ｂが出力するオン信号で第１の小信号ＦＥＴ６をオン状態に切り換えて、オン状態の第１の小信号ＦＥＴ６が放電用ＦＥＴ３をオフ状態に切り換えることができる。

上記構成によると、制御回路が、電流遮断状態を検出して放電用ＦＥＴにオフ信号を出力する第１の制御回路と、電流遮断状態を検出して第１の小信号ＦＥＴにオン信号を出力する第２の制御回路とを備えることで、第１の制御回路の特性にかかわらず放電用ＦＥＴのＦＥＴオフ速度を調整する事が容易に可能となる。このため、第１の制御回路として汎用のＩＣを使用する場合においても、汎用のＩＣのＦＥＴオフ能力に左右されることなく、第２の制御回路による第１の小信号ＦＥＴの制御により放電用ＦＥＴのＦＥＴオフ速度を容易に調整できる。

さらに、本発明の他の形態にかかる電池の保護回路によれば、第１の制御回路５Ａまたは第２の制御回路５Ｂが、電池情報と負荷情報の少なくともひとつを検出して、電流遮断状態を検出することができる。

上記構成により、電池情報から検出される電池の異常や、負荷情報から得られる負荷の異常を検出して電流遮断状態を検出するので、電池や負荷の異常時において、速やかに放電用ＦＥＴをオフ状態に切り換えて放電電流を確実に遮断できる。

さらに、本発明の他の形態にかかる電池の保護回路によれば、放電用ＦＥＴ３が互いに並列に接続してなる複数のパワーＭＯＳＦＥＴで構成することができる。

上記構成によると、放電用ＦＥＴを並列接続された複数のパワーＭＯＳＦＥＴで構成することで、各放電用ＦＥＴに通電される電流を少なくできる。これにより、許容電流が小さくて安価なＦＥＴを使用しながら、全体の許容電流を大きくできる。また、並列接続するＦＥＴの数が増加した場合でも、第１の小信号ＦＥＴの電荷引き抜き速度を調整する事で、ＦＥＴオフ速度の調整が可能となる。

さらに、本発明の他の形態にかかる電池の保護回路によれば、放電用ＦＥＴ３と直列に接続してなる充電用ＦＥＴ４を備えて、充電用ＦＥＴ４を制御回路５で制御することができる。

さらに、本発明のある形態にかかる電源装置によれば、上記のいずれかに記載される保護回路を備えることができる。

本発明の一実施形態にかかる電池の保護回路を備える電源装置の概略ブロック図である。 図１に示す電源装置のブロック回路図である。 本発明の他の実施形態にかかる電池の保護回路を備える電源装置の概略ブロック図である。 本発明の他の実施形態にかかる電池の保護回路を備える電源装置の概略ブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただ、上記の実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明は以下のものに特定されない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

本発明の一実施形態にかかる電池の保護回路を備える電源装置を図１と図２に示す。これらの図に示す電源装置１００は、充放電できる電池１と、この電池１と直列に接続されて電池１の放電電流を遮断する放電用ＦＥＴ３と、この放電用ＦＥＴ３のオンオフに切り換える制御回路５と、電池電流を遮断する電流遮断状態において、放電用ＦＥＴ３をオフ状態に切り換えて放電電流を遮断する保護回路２とを備えている。さらに、図の電源装置１００は、電池１と直列に接続されて電池１の充電電流を遮断する充電用ＦＥＴ４を備えており、この充電用ＦＥＴ４を制御回路５でオンオフに切り換えるようにしている。

（電池１）
電池１は、充放電できる二次電池である。電源装置１００は、電池１としてリチウムイオン二次電池を使用している。リチウムイオン二次電池は、容量と重量に対する充放電容量が大きく、電源装置の外形を小さく、また軽量にして充放電容量を大きくできる。ただし、本発明の電源装置は、リチウムイオン二次電池に代わって、充放電できる他の全ての二次電池を使用することができる。図１と図２に示す電源装置１００は、複数の電池１を備えており、これ等の電池１を直列に接続して電池ブロック１０としている。図の電池ブロック１０は複数の電池１を直列に接続しているが、本発明は、電池の個数及びその接続状態を特定するものではない。電池ブロックは、複数の電池を並列と直列に接続することもできる。

（放電用ＦＥＴ３）
放電用ＦＥＴ３は、電池１の出力側であって、電池１と出力端子１１の間に直列に接続されている。この放電用ＦＥＴ３は、電池１の過放電状態が検出されるとオフ状態に切り換えられて電池１の放電電流を遮断する。放電用ＦＥＴ３には、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴが使用される。図に示す放電用ＦＥＴ３は、ＮチャンネルのパワーＭＯＳＦＥＴで、ドレインを電池１側に、ソースを出力端子１１側に接続すると共に、ゲートを制御回路５に接続している。さらに、放電用ＦＥＴ３は、ドレイン－ソース間（以下、Ｄ－Ｓ間と記載する）に寄生ダイオードを接続している。この寄生ダイオードは、充電電流を許容して放電電流を遮断する方向に接続されている。

さらに、放電用ＦＥＴ３は、図２に示すように、ゲート－ソース間（以下、Ｇ－Ｓ間と記載する）に並列に、第１抵抗２１とツェナーダイオード３１を接続している。このツェナーダイオード３１は、Ｇ－Ｓ間のゲート電圧が所定の電圧となるように配置されている。Ｇ－Ｓ間に並列接続される第１抵抗２１とツェナーダイオード３１は、ゲート抵抗である第２抵抗２２を介して放電用ＦＥＴ３のゲートに接続されている。この放電用ＦＥＴ３は、制御回路５からオン信号である“Ｈｉｇｈ”が入力される状態でオンに切り換えられ、オフ信号である“Ｌｏｗ”が入力される状態でオフに切り換えられる。

（充電用ＦＥＴ４）
充電用ＦＥＴ４は、電池１と出力端子１１の間に配置されて、放電用ＦＥＴ３と直列に接続されている。この充電用ＦＥＴ４は、電池１の過充電状態が検出されるとオフ状態に切り換えられて電池１の充電電流を遮断する。充電用ＦＥＴ４には、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴが使用される。図に示す充電用ＦＥＴ４は、ＮチャンネルのパワーＭＯＳＦＥＴで、ドレインを出力端子１１側に、ソースを電池１側に接続すると共に、ゲートを制御回路５に接続している。さらに、充電用ＦＥＴ４は、Ｄ－Ｓ間に寄生ダイオードを接続している。この寄生ダイオードは、放電電流を許容して充電電流を遮断する方向に接続されている。

さらに、図２に示す充電用ＦＥＴ４は、Ｇ－Ｓ間に並列に、第３抵抗２３とツェナーダイオード３２を接続している。このツェナーダイオード３２は、Ｇ－Ｓ間のゲート電圧が所定の電圧となるように配置されている。Ｇ－Ｓ間に並列接続される第３抵抗２３とツェナーダイオード３２は、ゲート抵抗である第４抵抗２４を介して充電用ＦＥＴ４のゲートに接続されている。この充電用ＦＥＴ４は、制御回路５からオン信号である“Ｈｉｇｈ”が入力される状態でオンに切り換えられ、オフ信号である“Ｌｏｗ”が入力される状態でオフに切り換えられる。

以上の放電用ＦＥＴ３と充電用ＦＥＴ４は、互いに逆向きの姿勢で直列に接続されており、電池１の充放電状態において制御回路５にオンオフに制御される。放電用ＦＥＴ３は電池１の放電を停止する状態でオフに切り換えられ、充電用ＦＥＴは、電池１の充電を停止する状態でオフに切り換えられる。電池１を充放電する状態では、放電用ＦＥＴ３と充電用ＦＥＴ４はオン状態に保持される。

図１と図２に示す電源装置１００は、電池１の出力側の出力ラインに、放電用ＦＥＴ３と充電用ＦＥＴ４とを直列に接続している。この電源装置１００は、充放電電流が直列接続された放電用ＦＥＴ３と充電用ＦＥＴ４を介して通電される。したがって、放電用ＦＥＴ３及び充電用ＦＥＴ４には、複数の電池１を備える電池ブロック１０から通電される充放電時の最大電流を許容できるものが使用される。このとき、複数の電池１を直列接続してなる電池ブロック１０を備える電源装置１００においては、通電される充放電時の最大電流が大きくなるため、これらの放電用ＦＥＴ３及び充電用ＦＥＴ４には許容電流が大きいものを使用する必要がある。ただ、許容電流が大きなＦＥＴは高額であると共に、入力側の静電容量が大きくなり、絶縁回路を使用した構成では高額になるが、汎用ＩＣ（ＣＰ内蔵の制御回路）を使用することで、回路を簡素化できる。ただし、ＩＣの特性に能力が左右されるため、後述するように第２の制御回路を追加している。

さらに、電源装置は、図示しないが、出力ラインに配置される放電用ＦＥＴ及び充電用ＦＥＴを、互いに並列に接続してなる複数のパワーＭＯＳＦＥＴで構成することもできる。この構成によると、出力ラインに通電される充放電の電流を並列接続された複数のＦＥＴで構成される放電用ＦＥＴや充電用ＦＥＴに分流できるので、各ＦＥＴに通電される電流の最大値を小さくできると共に、各々のＦＥＴには、安価なものを使用できるので、製造コストを低減できる。

（制御回路５）
制御回路５は、放電用ＦＥＴ３と充電用ＦＥＴ４のオンオフを制御して電池１の充放電状態を制御すると共に、電池電流を遮断する電流遮断状態を検出して、放電用ＦＥＴ３をオフ状態に切り換える。制御回路５は、充放電される電池１の情報を検出すると共に、これ等の電池情報に基づいて電池１の充放電を制御し、かつ電池１の電流遮断状態を検出する。ここで、電池電流を遮断する電流遮断状態とは、電源装置１００の出力端子１１に接続される負荷９０の異常や電池１の異常等により、電池１に過大な電流が流れる状態、あるいは、電池温度の異常な上昇等により電池電流を遮断することが好ましい状態を意味するものとする。以上のような電流遮断状態は、電池情報や負荷情報として制御回路５で検出される。なお、負荷９０の異常の一例としては、負荷９０の内部ショート等が挙げられる。このような負荷９０の内部ショート時には、電池１には過大な放電電流が通電される。したがって、制御回路５は、過大な放電電流が検出されると負荷９０の異常、または電池１の異常として電流遮断状態を検出する。

制御回路５は、電池情報として電池電圧、充放電電流、及び電池温度を検出して電池１の充放電状態を制御する第１の制御回路５Ａを備えている。第１の制御回路３は、検出される電池情報から電池１の充放電状態を検出して放電用ＦＥＴ３及び充電用ＦＥＴ４をオンオフに切り換える。この第１の制御回路５Ａは、図示しないが、電池１の電圧、電流、温度等を検出する検出部と、この検出部で検出する電池情報で放電用ＦＥＴ３及び充電用ＦＥＴ４をオンオフに制御する制御部と、検出された電池情報をマイコン５Ｃに伝送する通信部とを備えている。検出部は、互いに直列に接続される各電池１の電圧、及び直列接続された電池ブロック１０全体の電圧を検出すると共に、電池１の出力ラインと直列に接続している電流検出抵抗１２の電圧を検出して充放電電流を検出する。また、検出部は、電池１に熱結合状態に配置している温度センサ１３から入力される信号から電池温度を検出する。

制御部は、検出部で検出される電池電圧や電池電流、温度などから電池１の状態を判定して、電池１を正常に充放電できる状態で、放電用ＦＥＴ３及び充電用ＦＥＴ４をオン状態に切り換え、電池１を正常に使用できない状態で放電用ＦＥＴ３または充電用ＦＥＴ４をオフ状態に切り換える。たとえば、制御部は、放電状態にある電池１の過放電状態が検出されると放電用ＦＥＴ３にオフ信号を出力して放電用ＦＥＴ３をオフ状態に切り換えて放電電流を遮断する。また、制御部は、充電状態にある電池１の過充電状態が検出されると充電用ＦＥＴ４にオフ信号を出力して充電用ＦＥＴ４をオフ状態に切り換えて充電電流を遮断する。

さらに、制御回路５は、電流遮断状態を検出して、放電用ＦＥＴ３をオフ状態に切り換える第２の制御回路５Ｂを備えている。この第２の制御回路５Ｂは、電池情報と負荷情報の少なくともひとつを検出して電流遮断状態を検出する。第２制御回路５Ｂは、マイコン５Ｃ、及びその他保護機能により、異常を検出し、第１の制御回路５Ａの動作有無に関わらず保護動作が可能である。この第２の制御回路５Ｂは、放電用ＦＥＴ３に対して直接にオフ信号を出力するのではなく、後述する第１の小信号ＦＥＴ６を制御することにより、放電用ＦＥＴ３をオフ状態に切り換える。以上のように、制御回路５は、電池情報を検出して、これ等の情報に基づいて放電用ＦＥＴ３と充電用ＦＥＴ４のオンオフを切り換えて電池１の充放電状態を制御する第１の制御回路５Ａと、第１の小信号ＦＥＴ６のオンオフ状態を制御する第２の制御回路５Ｂと、第１の制御回路５Ａ及び第２の制御回路５Ｂをコントロールするマイコン５Ｃとを備えている。

（保護回路２）
図１と図２に示す保護回路２は、電流遮断状態において、電池１の放電電流を遮断する放電用ＦＥＴ３と、放電用ＦＥＴ３をオンオフに切り換える制御回路５に加えて、放電用ＦＥＴ３のＧ－Ｓ間と並列に接続され、制御回路５から入力されるオフ信号でオン状態に切り換えられて放電用ＦＥＴ３のゲート電圧をオフ電圧とする第１の小信号ＦＥＴ６と、放電用ＦＥＴ３のＧ－Ｓ間と並列に接続され、かつ放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間の電圧を検出して、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間の電圧が設定電圧よりも高い状態でオン状態に切り換えられて、放電用ＦＥＴ３のゲート電圧をオフ電圧とする第２の小信号ＦＥＴ７とを備えている。

この保護回路２は、電池電流を遮断する電流遮断状態が制御回路５で検出されると、放電用ＦＥＴ３をオフ状態に切り換えて放電電流を遮断する。ここで、保護回路２は、電流遮断状態が検出されると放電用ＦＥＴ３をオフ状態に切り換えて放電電流を遮断する。ただ、放電用ＦＥＴ３をオフ状態に切り換える制御において、前述のように、第１の制御回路５Ａが単独で放電用ＦＥＴ３をオフ状態に切り換えようとすると、放電用ＦＥＴ３のキャパシタンスにチャージされている電荷の放電に時間がかかり、放電用ＦＥＴ３のゲート電圧をオフ電圧まで低下するのに時間がかかる。放電用ＦＥＴ３がオフに切り換えられる遅延時間は、放電用ＦＥＴ３のピーク電力を極めて大きくして損傷する原因となる。電池１の正常時における放電用ＦＥＴ３の切り換えにおいては、電流値が正常の範囲であるためこの遅延時間により放電用ＦＥＴ３が損傷するおそれはないが、電流遮断状態のように過大な電流が通電される状態では、放電用ＦＥＴ３がオフに切り換えられる遅延時間により、放電用ＦＥＴ３が損傷を受ける虞が生じる。そこで、この保護回路２では、電流遮断状態が検出される状態で、放電用ＦＥＴ３を短時間でオフ状態に切り換えるために、放電用ＦＥＴ３のＧ－Ｓ間と並列に第１の小信号ＦＥＴ６を接続している。

（第１の小信号ＦＥＴ６）
図２に示す第１の小信号ＦＥＴ６は、ＰチャンネルのＦＥＴで、ソースを放電用ＦＥＴ３のゲート側に、ドレインを放電用ＦＥＴ３のソース側に接続すると共に、ゲートを制御回路５に接続している。さらに、第１の小信号ＦＥＴ６は、ゲートを第５抵抗２５を介して放電用ＦＥＴ３のゲートに接続している。この第１の小信号ＦＥＴ６は、第２の制御回路５Ｂから入力されるオン信号でオン状態に切り換えられる。第１の小信号ＦＥＴ６は、第２の制御回路５Ｂからオン信号として“Ｌｏｗ”が入力されると、第５抵抗２５にかかる電圧がゲート電圧として入力されてオン状態に切り換えられる。オン状態に切り換えられる第１の小信号ＦＥＴ６は、放電用ＦＥＴ３のＧ－Ｓ間を短絡して、放電用ＦＥＴ３のキャパシタンスにチャージされた電荷を速やかに放電する。これにより、放電用ＦＥＴ３は、短時間でゲート電圧がオフ電圧まで低下されてオフ状態に切り換えられる。

図に示す保護回路２は、放電用ＦＥＴ３のキャパシタンスにチャージされた電荷の放電にかかる時間を調整するために、第１の小信号ＦＥＴ６と直列に第６抵抗２６を接続している。この第６抵抗２６は、放電用ＦＥＴ３がオンからオフに切り換えられる時間が、最適な時間となるように抵抗値が調整されている。第６抵抗２６は、放電用ＦＥＴ３がオンからオフに切り換えられる時間が、好ましくは１ｍ秒以下、さらに好ましくは１００μ秒以下となるように抵抗値が調整される。

以上のように、保護回路２は、電流遮断状態を検出して放電用ＦＥＴ３をオフ状態に切り換える状態では、第１の制御回路５Ａが放電用ＦＥＴ３にオフ信号を出力すると共に、第２の制御回路５Ｂが第１の小信号ＦＥＴ６にオン信号を出力して第１の小信号ＦＥＴ６をオン状態に切り換えることで、放電用ＦＥＴ３のゲート電圧を速やかにオフ電圧まで低下させてオフ状態に切り換える。

ただし、保護回路２は、電流遮断状態の検出時において、放電用ＦＥＴ３をオフ状態に切り換える際に、必ずしも第１の制御回路５Ａと第２の制御回路５Ｂの同時動作が必要ではなく、第２の制御回路５Ｂのみを動作させる設定、すなわち、放電用ＦＥＴ３のＧ－Ｓ間をショートさせる動作の優先を上げる設定とすることもできる。この場合、第１の制御回路５Ａによる放電用ＦＥＴ３のＦＥＴオン能力よりも、第２の制御回路５Ｂによる放電用ＦＥＴ３のＦＥＴオフ能力を大きくすることで、第１の制御回路５Ａによる放電用ＦＥＴ３のオン／オフ信号に関わらず、第２の制御回路５Ｂのオン信号で第１の小信号ＦＥＴ６をオン状態として、放電用ＦＥＴ３のＧ－Ｓ間を短絡して放電用ＦＥＴ３にオフ状態に切り換えできる。このように、電流遮断状態の検出時において、第２の制御回路５Ｂによる放電用ＦＥＴ３のオフ動作を優先させる構成にすることで、放電用ＦＥＴ３のＦＥＴオフ速度を要求されるような保護や、マイコン及び第１の制御回路の故障時においても、第２の制御回路５Ｂに単独で保護機能を持たす事ができ、安全性を向上できる。ただ、この場合においては、第２の制御回路５Ｂを動作させて第１の小信号ＦＥＴ６をオン状態に切り換えた後、好ましくは、第１の制御回路５Ａによる放電用ＦＥＴ３の制御をオフ状態とする。放電用ＦＥＴ３が不用意にオン状態に切り換えられるのを阻止するためである。

第２の制御回路５Ｂでオン状態に制御された第１の小信号ＦＥＴ６が放電用ＦＥＴ３のＧ－Ｓ間を短絡することにより、放電用ＦＥＴ３は速やかにオフ状態に切り換えられる。ただ、オン状態の第１の小信号ＦＥＴ６によってＧ－Ｓ間が短絡され、放電用ＦＥＴ３のゲート電圧が低下して０に近づくと、第１の小信号ＦＥＴ６の駆動電圧が低下するため、第１の小信号ＦＥＴ６をオン状態に保持できなくなる。第１の小信号ＦＥＴ６がオフ状態になると、放電用ＦＥＴ３はオフ状態に保持されなくなる。オフ状態に保持されない放電用ＦＥＴ３は、不安定な状態となるので好ましくない。そこで、この保護回路２は、オフ状態に切り換えられた放電用ＦＥＴ３を継続的にオフ状態に保持するために、放電用ＦＥＴ３のＧ－Ｓ間と並列に第２の小信号ＦＥＴ７を接続すると共に、この第２の小信号ＦＥＴ７の入力側には、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間の電圧を分圧して入力している。

（第２の小信号ＦＥＴ７）
図２に示す第２の小信号ＦＥＴ７は、ＮチャンネルのＦＥＴで、ドレインを放電用ＦＥＴ３のゲート側に、ソースを放電用ＦＥＴ３のソース側に接続すると共に、ゲートを放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間に接続して、Ｄ－Ｓ間の電圧を検出する端子としている。放電用ＦＥＴ３がオフ状態に切り換えられて抵抗が大きくなると、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間には、電池出力と出力端子１１間の電位差が生じる。この第２の小信号ＦＥＴ７は、オフ状態に切り換えられた放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間の電圧が設定電圧よりも高くなるとオン状態に切り換えられる。それは、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間に直列に配置された抵抗の分圧が第２の小信号ＦＥＴ７にゲート電圧として入力されるからである。

図に示す保護回路２では、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間に、第７抵抗２７と第８抵抗２８の直列回路が接続されており、第７抵抗２７と第８抵抗２８の中間点を放電用ＦＥＴ３の電圧検出点として第２の小信号ＦＥＴ７のゲートに接続している。この第７抵抗２７は、第２の小信号ＦＥＴ７のＧ－Ｓ間に接続されており、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間にかかる電圧を分圧して第２の小信号ＦＥＴ７のゲート電圧として入力している。したがって、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間の電圧が設定電圧よりも高くなると、第２の小信号ＦＥＴ７は、ゲート電圧が入力されてオン状態に切り換えられる。

さらに、図に示す保護回路２は、第２の小信号ＦＥＴ７のＧ－Ｓ間に、第７抵抗と並列にツェナーダイオード３３とコンデンサー３４を接続している。このツェナーダイオード３３は、Ｇ－Ｓ間のゲート電圧が所定の電圧となるように配置されている。また、コンデンサー３４は、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間の電圧が設定電圧以下となっても、所定の時間は第２の小信号ＦＥＴ７のＧ－Ｓ間にゲート電圧を供給する遅延回路として機能している。この保護回路２は、電源装置１００から負荷９０が取り外される等により、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間の電圧が設定電圧以下となっても、遅延回路によりゲート電圧が保持されて所定の時間内は第２の小信号ＦＥＴ７をオン状態に保持できる。

以上の保護回路２は、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間の電圧が設定電圧よりも高くなって第２の小信号ＦＥＴ７がオン状態に切り換えられると、放電用ＦＥＴ３がオフ状態に保持される。それは、電池１の出力電圧が、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間に配置された第７抵抗２７と第８抵抗２８の直列回路を介して出力端子１１に接続されるからである。このように、電流遮断状態が検出されて放電用ＦＥＴ３がオフ状態に切り換えられた後、継続して第２の小信号ＦＥＴ７がオン状態に保持される構造は、放電用ＦＥＴ３がオン状態に復帰するのを阻止して安全性を確保できる特徴がある。例えば、電源装置１００の出力側が短絡されている場合に、放電用ＦＥＴ３がオン状態に切り換えられると過大なショート電流が流れて危険な状態になるからである。したがって、電流遮断状態が検出されてオフ状態に切り換えられた放電用ＦＥＴ３は、オン状態に復帰できないように保持されることが好ましい。

以上の保護回路２は、以下のようにして放電用ＦＥＴ３をオフに切り換える。
（１）制御回路５が電池情報又は負荷情報から電池電流を遮断する電流遮断状態を検出すると、第２の制御回路５Ｂが第１の小信号ＦＥＴ６にオン信号を出力する。なお、第１の制御回路５Ａは、この動作の前後において、好ましくは、放電用ＦＥＴ３にオフ信号を出力する。
（２）オン信号が入力される第１の小信号ＦＥＴ６は、オン状態に切り換えられて、放電用ＦＥＴ３のＧ－Ｓ間を短絡する。
（３）放電用ＦＥＴ３は、オン状態の第１の小信号ＦＥＴ６でＧ－Ｓ間が短絡されることにより、ゲート電圧が速やかにオフ電圧まで低下してオフ状態に切り換えられて放電電流を遮断する。
（４）放電用ＦＥＴ３がオフ状態に切り換えられて抵抗が大きくなると、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間に電位差が生じる。放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間の電圧が設定電圧よりも高くなると、Ｄ－Ｓ間に直列に配置された抵抗の分圧が第２の小信号ＦＥＴ７にゲート電圧として入力される。
（５）第２の小信号ＦＥＴ７は、ゲート電圧を検出するとオン状態に切り換えられて放電用ＦＥＴ３のＧ－Ｓ間を短絡させる。放電用ＦＥＴ３は、オン状態の第２の小信号ＦＥＴ７でＧ－Ｓ間が短絡されることによりオフ状態に保持される。とくに、放電用ＦＥＴ３のオフ状態では放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間に電池電圧による電位差が生じ続けるので、第２の小信号ＦＥＴ７はオン状態に保持される。

以上のようにして、放電用ＦＥＴ３は、電池電流を遮断する電流遮断状態が検出されると、オン状態に切り換えられる第１の小信号ＦＥＴ６により、速やかにゲート電圧がオフ電圧まで低下されてオフ状態に切り換えられると共に、放電用ＦＥＴ３がオフ状態となって、Ｄ－Ｓ間の電圧が設定電圧以上になることでオン状態に切り換えられる第２の小信号ＦＥＴによりオフ状態に保持され続けて、電流が遮断された状態が継続される。

この電源装置１００は、電流遮断状態が検出されて放電用ＦＥＴ３がオフに切り換えられると、放電用ＦＥＴ３はオフ状態に継続される。例えば、第２の小信号ＦＥＴ７のオン状態においては、第１の制御回路５Ａから放電用ＦＥＴ３にオン信号が入力されても放電用ＦＥＴ３はオン状態に切り換えられることはない。それは、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間に生じる電圧により、第２の小信号ＦＥＴ７がオン状態に保持されて放電用ＦＥＴ３のＧ－Ｓ間を短絡しているからである。したがって、第２の小信号ＦＥＴ７がオンに切り換えられた後は、制御回路５は、第１の小信号ＦＥＴ６へのオン信号の入力を停止してもよい。

したがって、この電源装置１００は、再び放電用ＦＥＴ３をオン状態に復帰させるには、第２の小信号ＦＥＴ７をオフ状態に切り換える必要がある。第２の小信号ＦＥＴ７は、例えば、電源装置１００の電池１を充電することでオフに切り換えできる。電池１を充電する際には、出力端子１１に電池電圧よりも大きな電圧が印加されるので、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間の電位差がなくなるからである。出力端子１１に充電電圧が印加されて第２の小信号ＦＥＴ７のオン状態が解除された状態で、第２の制御回路５Ｂから第１の小信号ＦＥＴ６にオフ信号が入力され、かつ第１の制御回路５Ａから放電用ＦＥＴ３にオン信号が入力されると放電用ＦＥＴ３はオン状態に切り換えられて放電電流を許容する状態となる。

以上の電源装置１００は、放電用ＦＥＴ３がオフ状態に切り換えられて放電電流が遮断されると、出力端子１１に所定の電圧を印加して、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間の電圧を設定電圧以下にすることで、第２の小信号ＦＥＴ７をオフ状態に切り換えて放電用ＦＥＴ３をオン状態に切り換え可能にできる。ただ、電源装置は、放電用ＦＥＴがオフ状態に切り換えられて放電電流を遮断する状態で、出力端子に電圧を印加することなく放電用ＦＥＴをオン状態に切り換える動作が要求されることもある。例えば、電源装置の設置時等において、放電用ＦＥＴの動作確認や電源装置からの放電状態を検査する場合等である。

（他の実施形態）
図３と図４に示す電源装置２００、３００は、第２の小信号ＦＥＴ７をオフ状態に切り換えるために、第２の小信号ＦＥＴ７の入力側に放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間を接続してなる第３の小信号ＦＥＴ８を配置している。これらの図に示す保護回路２は、放電用ＦＥＴ３のＤ－Ｓ間に直列に第３の小信号ＦＥＴ８を接続している。第３の小信号ＦＥＴ８は、ＰチャンネルのＦＥＴで、ソースを放電用ＦＥＴ３のドレイン側に、ドレインを放電用ＦＥＴ３のソース側（出力端子１１側）に接続しており、ゲートに入力される信号で
第３の小信号ＦＥＴ８をオンオフに制御するようにしている。

さらに、図３に示す電源装置２００は、第３の小信号ＦＥＴ８のゲートを制御回路５に入力している。この保護回路２は、第３の小信号ＦＥＴ８のＧ－Ｓ間に第９抵抗２９を接続すると共に、第３の小信号ＦＥＴ８のゲートを第１０抵抗３０を介して制御回路５に入力している。この回路構成によると、第３の小信号ＦＥＴ８は、制御回路５からオン信号として“Ｌｏｗ”が入力される状態でオンに切り換えられ、オフ信号として“Ｈｉｇｈ”が入力される状態でオフに切り換えられる。制御回路５からオン信号が入力される状態では、第９抵抗２９に生じる分圧がゲート電圧として第３の小信号ＦＥＴ８のＧ－Ｓ間に入力されるからである。したがって、この電源装置２００は、制御回路５が第３の小信号ＦＥＴ８にオン信号を入力する状態では、第３の小信号ＦＥＴ８がオン状態となって、第２の小信号ＦＥＴ７がオン状態に保持される。また、制御回路５が第３の小信号ＦＥＴ８にオフ信号を入力する状態では、第３の小信号ＦＥＴ８がオフ状態となって、第２の小信号ＦＥＴ７がオフ状態に切り換えられる。ただし、図に示す第２の小信号ＦＥＴ７は、入力側にコンデンサー３４からなる遅延回路を設けているので、第３の小信号ＦＥＴ８がオフ状態に切り換えられた後、所定の時間は第２の小信号ＦＥＴ７がオン状態に保持される。

さらに、図４に示す電源装置３００は、第３の小信号ＦＥＴ８のゲートにオフ信号を入力する入力回路９を設けている。この電源装置３００は、入力スイッチ９を操作することで第２の小信号ＦＥＴ７をオフ状態に切り換える。図の保護回路２は、第３の小信号ＦＥＴ８のＧ－Ｓ間に第９抵抗２９を接続すると共に、第３の小信号ＦＥＴ８のゲートを第１０抵抗３０と開閉スイッチ１４との直列回路を介して放電用ＦＥＴ３のソース側（出力端子１１側）に接続している。この開閉スイッチ１４は、電源装置３００の外部に表出して設けた外部スイッチ１５によりオンオフが制御されるようにしている。すなわち、この電源装置３００は、第３の小信号ＦＥＴ８のゲート側に設けた開閉スイッチ１４と外部スイッチ１５とで入力回路９を構成している。

この入力回路９は、外部スイッチ１５が操作される状態で開閉スイッチ１４がオフ状態となり、外部スイッチ１５が操作されない状態では開閉スイッチ１４がオン状態となるようにしている。この保護回路２は、外部スイッチ１５が操作されない状態では、第９抵抗２９に生じる分圧がゲート電圧として第３の小信号ＦＥＴ８のＧ－Ｓ間に入力されて、第３の小信号ＦＥＴ８をオン状態とし、第２の小信号ＦＥＴ７がオン状態に保持される。また、外部スイッチ１５が操作される状態では、開閉スイッチ１４が開状態となることで第９抵抗２９にゲート電圧が入力されなくなり、第３の小信号ＦＥＴ８がオフ状態となって、第２の小信号ＦＥＴ７がオフ状態に切り換えられる。

本発明は、載置型の蓄電用設備の電源として、あるいは種々の電池機器のバックアップ用電源として好適に利用できる。

１００、２００、３００…電源装置
１…電池
２…保護回路
３…放電用ＦＥＴ
４…充電用ＦＥＴ
５…制御回路
５Ａ…第１の制御回路
５Ｂ…第２の制御回路
５Ｃ…マイコン
６…第１の小信号ＦＥＴ
７…第２の小信号ＦＥＴ
８…第３の小信号ＦＥＴ
９…入力回路
１０…電池ブロック
１１…出力端子
１２…電流検出抵抗
１３…温度センサ
１４…開閉スイッチ
１５…外部スイッチ
２１…第１抵抗
２２…第２抵抗
２３…第３抵抗
２４…第４抵抗
２５…第５抵抗
２６…第６抵抗
２７…第７抵抗
２８…第８抵抗
２９…第９抵抗
３０…第１０抵抗
３１…ツェナーダイオード
３２…ツェナーダイオード
３３…ツェナーダイオード
３４…コンデンサー
９０…負荷

Claims (8)

1. 電池と直列に接続されて電池の放電電流を遮断する放電用ＦＥＴと、
   前記放電用ＦＥＴをオンオフに切り換える制御回路とを備える電池の保護回路であって、
   前記放電用ＦＥＴのＧ－Ｓ間と並列に接続され、前記制御回路から入力されるオン信号でオン状態に切り換えられて前記放電用ＦＥＴのゲート電圧をオフ電圧とする第１の小信号ＦＥＴと、
   前記放電用ＦＥＴのＧ－Ｓ間と並列に接続され、かつ前記放電用ＦＥＴのＤ－Ｓ間の電圧を検出して、前記放電用ＦＥＴのＤ－Ｓ間の電圧が設定電圧よりも高い状態でオン状態に切り換えられて、前記放電用ＦＥＴのゲート電圧をオフ電圧とする第２の小信号ＦＥＴを備えることを特徴とする電池の保護回路。
2. 請求項１に記載される電池の保護回路であって、
   前記第２の小信号ＦＥＴの入力側に、前記放電用ＦＥＴのＤ－Ｓ間を接続してなる第３の小信号ＦＥＴを備え、
   前記第３の小信号ＦＥＴが、ゲートに入力されるオフ信号で前記第２の小信号ＦＥＴをオフ状態に切り換えるようにしてなる保護回路。
3. 請求項２に記載される電池の保護回路であって、
   前記第３の小信号ＦＥＴのゲートにオフ信号を入力する入力回路を備えることを特徴とする電池の保護回路。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載される電池の保護回路であって、
   前記制御回路が、
   電池電流を遮断する電流遮断状態を検出して、前記放電用ＦＥＴにオフ信号を出力する第１の制御回路と、
   電流遮断状態を検出して前記第１の小信号ＦＥＴにオン信号を出力する第２の制御回路とを備え、
   前記第１の制御回路が出力するオフ信号で前記放電用ＦＥＴがオフ状態に切り換えられ、
   前記第２の制御回路が出力するオン信号で前記第１の小信号ＦＥＴがオン状態に切り換えられて、オン状態の前記第１の小信号ＦＥＴが前記放電用ＦＥＴをオフ状態に切り換えることを特徴とする電池の保護回路。
5. 請求項４に記載される電池の保護回路であって、
   前記第１の制御回路または前記第２の制御回路が、電池情報と負荷情報の少なくともひとつを検出して、電流遮断状態を検出することを特徴とする電池の保護回路。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載される電池の保護回路であって、前記放電用ＦＥＴが互いに並列に接続してなる複数のパワーＭＯＳＦＥＴからなることを特徴とする電池の保護回路。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載される電池の保護回路であって、
   前記放電用ＦＥＴと直列に接続してなる充電用ＦＥＴを備え、
   前記充電用ＦＥＴが前記制御回路で制御されることを特徴とする電池の保護回路。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載される保護回路を備える電源装置。
   

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