CN102545165B - 保护电路和充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了保护电路和充电装置。该保护电路包括：平滑电路，在正常充电状态下输入有脉冲状充电输出允许信号，而在异常充电状态下不输入脉冲状充电输出允许信号；以及充电输出控制元件，被控制为允许或停止对蓄电装置的充电输出，通过其中平滑电路平滑充电输出允许信号的输出信号来允许充电输出，并且当检测到异常充电状态时停止充电输出。

Description

保护电路和充电装置

技术领域

本公开涉及例如关于二次电池的充电和放电的保护电路，和包含该保护电路的充电装置。

背景技术

作为关于二次电池(例如，锂离子二次电池)的充电装置，已知一种当充电电压过度时充电输出被限制的充电装置。例如，在日本未经审查专利申请公开No.2007-28802中，描述了以下内容。即，如果检测到电池电压达到预定的过充电保护电压，则截止充电控制晶体管。此外，在日本未经审查专利申请公开No.2007-28802中，当充电电压降低至充电重新开始电压时，导通该充电控制晶体管。

图10示出现有技术中的保护电路的实施例。当P沟道型场效应晶体管(下文中，适当地称为“FET”)Q12导通时，充电电源供给至二次电池BT。充电控制部21经由电阻来观察FET Q12和二次电池BT之间的充电电压，并且比较充电电压和预设阈值(过充电保护电压)。根据比较结果，从充电控制部21输出充电输出允许信号。例如，充电控制部21包括微型计算机。

当充电电压小于阈值时，确定为正常充电状态。因此，从充电控制部21输出高电平的充电输出允许信号。通过充电输出允许信号导通N沟道型FET Q11。FET Q11的漏极连接至FET Q12的栅极，由于FET Q11导通的事实，FET Q12导通，充电电源供给至电池BT、并且电池BT充电。

另一方面，当充电电压等于或大于阈值时，确定为异常充电状态，并且充电控制部21输出低电平的充电输出停止信号。因此，FET Q11截止并且FET Q12截止。结果，充电电源没有供给至电池BT并且停止充电。

图11示出现有技术中充电控制电路的另一实施例。与图10的配置类似，充电控制部21观察充电电压，当充电电压小于阈值时，确定为正常充电状态，并且从充电控制部21输出高电平的充电输出允许信号。充电输出允许信号导通FET Q11和FET Q12。

此外，安装保护IC(集成电路)22，并且保护IC 22观察充电电压。如果充电电压等于或大于阈值，保护IC 22输出高电平的充电停止信号。充电停止信号供给至N沟道型FET Q13的栅极，并且FET Q13导通。由于FET Q13的漏极连接至FET Q11的栅极并且源极接地(电池BT的阴极)，如果FET Q13导通，则FET Q11截止。因此，FET Q12截止并且充电停止。

发明内容

在图10示出的保护电路中，如果充电控制部21故障，其中发生充电输出允许信号通常变为高电平，则充电不停止、并且存在不可阻止过充电的问题。此外，即使当构成充电控制部21的微型计算机的程序失控并且充电输出允许信号通常变为高电平时，相似地，可能不能阻止过充电。在充电输出允许信号为低电平并且也允许充电情况下，有相似的顾虑。

如图11示出，在其中观察充电电压并且生成充电停止信号的保护IC22与充电控制部21分离安装的配置中，即使发生充电控制部21故障和程序失控时也可停止充电。然而，由于需要添加保护IC 22，成本增加并且配置复杂。此外，当保护IC 22故障并且通常输出低电平的充电停止信号时，难以停止充电。

以上所述问题不限于充电控制，并且可类似地产生在用于防止诸如过放电的异常放电的放电控制中。

因此，期望提供即使在控制部或保护IC故障，或发生控制部程序失控时也能够可靠地停止充电或放电的保护电路和充电装置。

根据本发明实施方式，提供保护电路，包含平滑电路，在正常充电状态下输入有脉冲状充电输出允许信号并且在异常充电状态下不输入脉冲状充电输出允许信号，以及充电输出控制元件，被控制为允许或停止对蓄电装置的充电输出，通过其中平滑电路平滑充电输出允许信号的输出信号允许充电输出，并且当检测到异常充电状态时停止充电输出。

在本发明实施方式中，平滑电路可包括：第一输入端子和第二输入端子，输入有脉冲状充电输出允许信号；第一输出端子和第二输出端子，输出控制信号至充电输出控制元件；串联电路，包含插入在第一输入端子和第一输出端子之间的第一电容器和正向的第一二极管；第二二极管，阳极连接至连接第二输入端子和第二输出端子的电源线，并且阴极连接在第一电容器和第一二极管阳极之间；以及第二电容器，插入在所述电源线与第一二极管阴极之间。

根据本发明另一实施方式，提供保护电路，包括平滑电路，在正常放电状态下输入有脉冲状放电输出允许信号并且在异常放电状态下不输入脉冲状放电输出允许信号；以及放电输出控制元件，被控制为允许或停止蓄电装置对负载的放电输出，通过其中平滑电路平滑放电输出允许信号的输出信号允许放电输出，并且当检测到异常放电状态时停止放电输出。

在本发明实施方式中，平滑电路可包括：第一输入端子和第二输入端子，输入脉冲状放电输出允许信号；第一输出端子和第二输出端子，输出控制信号至放电输出控制元件；串联电路，包括插入在第一输入端子和第一输出端子之间的第一电容器和正向的第一二极管；第二二极管，阳极连接至连接第二输入端子和第二输出端子的电源线，阴极连接在第一电容器和第一二极管的阳极之间；以及第二电容器，插入在电源线和第一二极管阴极之间。

根据本发明再一实施方式，提供充电装置，包括：电源电路，生成充电电源；充电输出控制元件，控制允许和停止充电电源事物输出；充电控制部，检测充电状态，当充电状态正常时输出脉冲状输出允许信号并且当充电状态异常时不输出该输出允许信号；以及控制信号生成部，连接至充电控制部并且从输出允许信号输出控制信号至充电输出控制元件。

在本发明实施方式中，控制信号生成部可包括：第一输入端子和第二输入端子，输入有脉冲状输出允许信号；第一输出端子和第二输出端子，输出控制信号至充电输出控制元件；串联电路，包括插入在第一输入端子和第一输出端子之间的第一电容器和正向的第一二极管；第二二极管，阳极连接至连接第二输入端子和第二输出端子的电源线，阴极连接于第一电容器和第一二极管阳极之间；第二电容器，插入在电源线和第一二极管阴极之间。

根据本发明实施方式，当出现异常充电状态，通过充电控制部停止充电，并且即使发生充电控制部故障、充电控制部程序失控等也能通过平滑电路的输出可靠地停止充电。以这种方式，可进行双重保护。与充电一样，即使关于异常放电状态也能进行双重保护。此外，除了诸如充电保护IC的充电控制部的电路并非必要，并且还存在配置不复杂的优点。

附图说明

图1是示出保护电路的实施例的连接图。

图2A和2B是用于说明保护电路的操作的连接图和波形图。

图3A和3B是用于保护电路的说明的参考的连接图和波形图。

图4A和4B是用于保护电路的说明的参考的连接图和波形图。

图5A和5B是用于保护电路的说明的参考的连接图和波形图。

图6是示出充电装置的实施例的框图。

图7是示出充电装置的另一实施例的框图。

图8是示出充电装置的另一实施例的更具体连接的连接图。

图9是示出在放电时包括保护功能的电池组的框图。

图10是示出现有技术中保护电路的实施例的连接图。

图11是示出现有技术中保护电路另一实施例的连接图。

具体实施方式

下文中，将对实施方式进行说明。此外，根据以下顺序执行说明。

1.本发明的保护电路

2.保护电路的操作

3.充电装置的实施例

4.充电装置的另一实施例

5.放电控制装置的实施例

6.变形例

此外，以下说明的实施方式为优选实施方式，技术上优选的并且各种限制添加至这些实施方式。然而，在以下说明中，除非说明地特别限制本发明的要点，本公开的范围不限于这些实施方式。

1.本发明的保护电路

图1示出本发明保护电路的实施例。当作为充电输出控制元件的P沟道型场效应晶体管(下文中，适当地称为“FET”)Q2导通时，充电电源供给至二次电池BT。充电控制部1通过电阻观察FET Q2和二次电池BT之间的充电电压，并且比较充电电压和预设阈值。根据比较结果，从充电控制部1输出充电输出允许信号。例如，充电控制部1是微型计算机，包括CPU(中央处理单元)、ROM(只读储存器)、RAM(随机存取存储器)等。

当充电电压小于阈值时，确定为正常充电状态，并且从充电控制部1输出脉冲状充电输出允许信号Sc。充电输出允许信号供给至平滑电路2，并且平滑电路2的输出供给至N沟道型FET Q1的栅极。电阻连接在N沟道型FET Q1的栅极和负参考电位点之间。当平滑电路2的平滑输出为正时，N沟道型FET Q1导通。FET Q1的漏极连接至FET Q2的栅极，并且由于FET Q1导通的事实，FET Q2导通。因此，充电电源输出至电池BT，并且电池BT充电。

平滑电路2包括：第一输入端子t1和第二输入端子t2，输入有脉冲状充电输出允许信号Sc，以及第一输出端子t3和第二输出端子t4，输出控制信号至FET Q1的栅极。输入端子t1通过第一电容器C1和正向的第一二极管D1的串联电路连接至第一输出端子t3(FET Q1的栅极)。

此外，在平滑电路2中，第二二极管D2的阳极连接至连接第二输入端子t2和第二输出端子t4的接地侧的电源线L，并且第二二极管D2的阴极连接至第一电容器C1的连接点和第一二极管D1的阳极。此外，第二电容器C2插入在电源线L和第一二极管D1的阴极之间。此外，电阻R1插入在电源线L和FET Q1的栅极之间。

在正常充电状态下，平滑电路2平滑脉冲状充电输出允许信号Sc，并且近似直流的正电压输出至平滑电路2的输出端子t3和t4。平滑电路2的输出导通FET Q1。FET Q1的漏极连接至FET Q2的栅极，由于FET Q1导通的事实，FET Q2导通，充电电源供给至电池BT，并且电池BT充电。

另一方面，当充电电压等于或大于阈值时，确定为充电状态异常，并且充电控制部1不输出脉冲状充电输出允许信号。因此，平滑电路2的输出不变为高电平，并且在FET Q1截止的状态下，FET Q2截止。结果，充电电源没有供给至电池BT，并且充电输出停止。

这里，即使当充电控制部1的输出是高电平或低电平中任意一个时，平滑电路2的输出信号不会被直流输入变为高电平，FET Q1截止，并且充电输出停止。即，即使当充电控制部1故障或程序失控使充电输出允许信号固定在高电平(或低电平)，充电输出也不被允许，并且可以可靠地防止电池BT过充电。此外，没有必要与充电控制部1分离安装保护IC，还存在配置不复杂的优点。

2.保护电路的操作

将参考图2A和2B更详细地说明本发明实施方式保护电路的操作。图2A示出保护电路中的电流路径，并且图2B示出各部分的电压波形。在脉冲状充电输出允许信号Sc的高电平周期中，电流Ih流经虚线表示的路径(输入端子t1→电容器C1→二极管D1→电阻R1→电源线L→输入端子t2)。在充电输出允许信号Sc的低电平周期中，电流Il流经实线表示的路径(输入端子t2→电源线L→二极管D2→电容器C1→输入端子t1)。

图2B均示出了电容器C1和二极管D1阳极之间的连接点的信号电压Sc1的波形以及关于FET Q1的栅极信号电压Sc2的波形。FET Q1由信号电压Sc2连续保持导通状态。结果，FET Q2的栅极变为电源线L1电位(接地电位GND)，FET Q2连续保持在导通状态，并且电源输出被允许。二极管D1在充电输出允许信号Sc的高电平的区间导通并且平滑脉冲，并且在充电输出允许信号Sc的低电平的区间截止并阻止反向电流。此外，低电平的区间通过二极管D2固定于接地电位GND。

图3A的电路2A示出在二极管D1没有连接在上述平滑电路2的情况中的配置。在该配置中，在充电输出允许信号Sc的低电平区间中，除了电流Ih，向电容器C2放电的反向电流(未示出)也流动，并且不可保持电容器的电压。因此，如图3B所示，添加至FET Q1的栅极的信号电压Sc2变为脉冲波形，FET Q1和FET Q2执行开关操作，并且不可执行正常控制。因此，二极管D1是必要的。

图4A的电路2A示出在二极管D2没有连接在上述平滑电路2的情况中的配置。如图4B所示，在充电输出允许信号(脉冲信号)Sc经过电容器C1之后，信号电压Sc1的电平具有接地电位GND作为参考。即，在高电平区间中的电平变为(GND+VF)(VF是二极管D1正向电压降并且约0.6V)，并且在低电平区间中的电平变为(GND-Vcc+VF)。Vcc是信号Sc高电平区间中的电平，并且例如为+5V。由于FET Q1的栅极电位变为接地电位GND，FET Q1不可导通。因此，二极管D2是必要的。

图5A的电路2C示出在二极管D1和二极管D2没有连接在平滑电路2中的情况下的配置。在这种情况下，经过电容器C1的信号电压Sc1的波形与供给至FET Q1的信号电压Sc2相同。如图5B所示，信号电压变为具有接地电位GND作为中心点的脉冲波形，并且FET Q1的栅极电压不可保持为正。因此，二极管D1和二极管D2均是必要的。

作为实例，频率为100Hz并且负载为50％的脉冲信号被用作充电输出允许信号Sc。以上情况中平滑电路2中每个元件值的实例如以下描述。C1是0.1μF，C2是0.1μF，和R1是470kΩ。

3.充电装置的实施例

将参考图6说明包括上述保护电路的充电装置的实施例。充电装置10对通过AC/DC转换器由AC插头4供给的AC(交流)电力进行整流，并且生成充电电源。充电电源通过作为充电控制元件的FET Q2输出至输出端子。FET Q2由作为控制信号生成部的充电输出允许电路3产生的控制信号控制。充电输出允许电路3包括上述平滑电路2和FET Q1。从充电控制部1供给脉冲状充电输出允许信号Sc至充电输出允许电路3。

电池组11连接至充电装置10的输出端子。电池组11包含二次电池BT和充电或放电控制电路(未示出)。电池组11包括用于诸如电动锯或电动驱动器的电驱动工具的电池、用于诸如笔记本电脑、数码相机的电子设备的小型电池、或用作家用充电装置、车辆驱动电源的大型电池等。此外，也可使用多个电池单元相互并联或串联连接的配置。

执行充电停止操作的异常充电状态包括当充电电流大于预设值的状态、或当电池温度高于预设值的状态、或当充电输出的电压大于预设阈值的状态中的至少一种状态。异常检测电路6包含在充电装置10中以检测异常充电状态。

例如，异常检测电路6包括三个比较器7a、7b和7c。比较器7a比较充电电压和用于过充电保护的阈值，并且如果充电电压大于阈值将显示异常充电的检测信号供给至充电控制部1。比较器7b比较充电电流和用于过电流保护的阈值，并且如果充电电流大于阈值时将显示异常充电的检测信号供给至充电控制部1。比较器7c比较电池温度和用于热保护的阈值，并且如果电池温度高于阈值时将显示异常充电的检测信号供给至充电控制部1。可在充电装置10中检测充电电压和充电电流的信息。充电装置10接收电池组11中温度检测元件的电池温度的信息。

充电装置10可从安装在电池组11中的异常检测电路12取代异常检测电路6接收信息。与上述充电装置10中异常检测电路6相似，异常检测电路12包括比较器13a、13b和13c。这些比较器均检测过充电、过电流和异常加热。从电池组11通过通信路径14将每个比较器的检测信号发送至充电装置10的充电控制部1。在这种情况下，可分离发送每个比较器的输出，并且每个比较器输出的逻辑和(OR)输出可作为异常充电信号发送。

4.充电装置的另一实施例

在以上说明中，如果检测到异常充电状态，根据FET Q2的导通或截止执行充电输出的允许或停止。在图7示出的充电装置10’中，充电输出允许电路3的控制信号供给至作为充电电源生成电路的AC/DC转换器5，并且如果检测到异常充电状态，停止AC/DC转换器5的电源生成操作。

如图8所示，在AC/DC转换器5由开关电源电路构成的情况下，充电允许信号或充电停止信号供给至生成驱动开关元件FET Q3的开关信号的驱动电路15。平滑电路2的输出供给至FET Q1的栅极，并且FET Q1的漏极通过光电耦合器16的二极管17a连接至正电源端子。在正常充电状态下，如果平滑电路2的输出导通FET Q1，电流流至二极管17a并且二极管17a照亮。电流流至光电耦合器16的光电晶体管17b，并且该光电晶体管的集电极生成的控制信号变为低电平。驱动电路15接收低电平的控制信号并且生成用于开关FET Q3的开关信号。

图8示意性地示出了开关电源电路。晶体三极管18的第一线圈连接至FET Q3的漏极，整流二极管19连接至晶体三极管的第二线圈。作为开关电源电路，可使用诸如升压型、降压型和并联谐振型的多种配置。此外，除了开关电源电路还可使用AC/DC变换器。

如果出现诸如充电电压过度的状态的异常充电状态时，FET Q1截止，并且光电耦合器16的光电晶体管17b的集电极从低电平至高电平或导通。因此，驱动电路15停止生成开关信号。因此，停止电源生成，并且停止充电电压。

5.放电控制装置的实施例

在以上说明中，控制充电装置的充电输出。然而，本发明的实施方式甚至可应用于放电控制。如图9所示，负载31连接至电池组11，并且放电电流从电池组11的电池BT通过FET Q4供给至负载31。

用于检测异常放电状态的异常检测电路32设置在电池组11中。例如，异常检测电路32包括三个比较器33a、33b和33c。比较器33a比较电池电压和用于过度放电保护的阈值，并且如果电池电压小于阈值时将显示过度放电的检测信号供给至放电控制部34。比较器33b比较放电电流和用于过电流保护的阈值，并且如果放电电流大于阈值时将显示过电流的检测信号供给至放电控制部34。比较器33c比较电池温度和用于热保护的阈值，并且如果电池温度高于阈值时将显示异常加热的检测信号供给至放电控制部34。

异常放电检测信号从异常检测电路32供给至放电控制部34。例如，放电控制部34是包括CPU、ROM、RAM等的微型计算机。在正常放电状态，放电控制部34生成脉冲状放电输出允许信号，并且在异常放电状态中，生成固定直流电平的放电输出停止信号。放电输出允许信号(或放电输出停止信号)供给至放电输出允许电路35。

放电输出允许电路35具有与参考图1说明的充电输出允许电路相似的配置。即，放电输出允许电路包括在正常放电状态输入有脉冲状放电输出允许信号并且在异常放电状态不输入脉冲状放电输出允许信号的平滑电路。此外，放电输出允许电路包括被控制为允许或停止电池BT向负载31的放电输出的FET Q4，通过其中平滑电路平滑放电输出允许信号的输出信号允许放电输出，并且当检测到异常放电状态时停止放电输出。

平滑电路包括与图1所示的平滑电路2相同的配置。即，放电的平滑电路包括输入有脉冲状放电输出允许信号的第一输入端子和第二输入端子以及控制信号输出至放电输出控制元件的第一输出端子和第二输出端子。此外，串联电路包含插入在第一输入端子和第一输出端子之间的第一电容器和正向的第一二极管。此外，阳极连接至连接第二输入端子和第二输出端子的电源线，并且用于放电的平滑电路包括第二二极管，其中阴极连接在第一电容器和第一二极管的阳极之间，以及插入在电源线和第一二极管阴极之间的第二电容器。

在异常放电状态中，如果放电控制部34生成固定直流电平的放电输出停止信号，该放电输出停止信号供给至放电输出允许电路35。放电输出允许电路35生成截止FET Q4的控制信号。因此，电池BT至负载31的放电电流路径被截断，并且停止放电。因此，异常放电状态停止。

6.变形例

以上已具体说明了本发明实施方式。然而，本发明不限于上述实施方式，并且可基于本发明的技术构思实现各种变形例。例如，作为开关元件，也可使用除了FET的开关元件。

本申请包含于2010年12月27日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2010-290584中所公开的主题，其全部内容结合于此作为参考。

本领域的技术人员应当理解，根据设计需求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变形，均应包含在所附权利要求或其等同物的范围之内。

Claims (10)

1.一种保护电路，包括：

平滑电路，在正常充电状态下输入有脉冲状充电输出允许信号，而在异常充电状态不输入所述脉冲状充电输出允许信号；以及

充电输出控制元件，被控制为允许或停止对蓄电装置的充电输出，所述充电输出控制元件通过由所述平滑电路平滑所述充电输出允许信号的输出信号来允许所述充电输出，并且当出现异常充电状态时停止所述充电输出，

其中，所述平滑电路包括：

第一输入端子和第二输入端子，所述脉冲状充电输出允许信号向其输入；

第一输出端子和第二输出端子，向所述充电输出控制元件输出控制信号；

串联电路，包括插入在所述第一输入端子和所述第一输出端子之间的第一电容器和正向的第一二极管；

第二二极管，阳极连接至连接所述第二输入端子和所述第二输出端子的电源线，阴极连接在所述第一电容器与所述第一二极管的阳极之间；以及

第二电容器，插入在所述电源线与所述第一二极管的阴极之间。

2.根据权利要求1所述的保护电路，

其中，所述异常充电状态包括所述充电输出的电压大于预设值的状态、充电电流大于预设值的状态以及所述蓄电装置的温度高于预设值的状态中的至少一种状态。

3.一种保护电路，包括：

平滑电路，在正常放电状态下输入有脉冲状放电输出允许信号，而在异常放电状态下不输入所述脉冲状放电输出允许信号；以及

放电输出控制元件，被控制为允许或停止蓄电装置对负载的放电输出，所述放电输出控制元件通过由所述平滑电路平滑所述放电输出允许信号的输出信号来允许所述放电输出，并且当出现异常放电状态时停止所述放电输出，

其中，所述平滑电路包括：

第一输入端子和第二输入端子，输入有所述脉冲状放电输出允许信号；

第一输出端子和第二输出端子，向所述放电输出控制元件输出控制信号；

串联电路，包括插入在所述第一输入端子和所述第一输出端子之间的第一电容器和正向的第一二极管；

第二二极管，阳极连接至连接所述第二输入端子和所述第二输出端子的电源线，阴极连接在所述第一电容器与所述第一二极管的阳极之间；以及

第二电容器，插入在所述电源线与所述第一二极管的阴极之间。

4.根据权利要求3所述的保护电路，

其中，所述异常放电状态包括所述放电输出的电压小于预设值的状态、放电电流大于预设值的状态以及所述蓄电装置的温度高于预设值的状态中的至少一个状态。

5.一种充电装置，包括：

电源电路，生成充电电源；

充电输出控制元件，控制允许或停止所述充电电源的输出；

充电控制部，检测充电状态，当充电状态正常时输出一脉冲状输出允许信号，而当充电状态异常时不输出所述输出允许信号；以及

控制信号生成部，连接至所述充电控制部并且根据所述输出允许信号输出控制信号至所述充电输出控制元件，

其中，所述控制信号生成部包括：

第一输入端子和第二输入端子，输入有所述脉冲状输出允许信号；

第一输出端子和第二输出端子，输出所述控制信号至所述充电输出控制元件；

串联电路，包括插入在所述第一输入端子和所述第一输出端子之间的第一电容器和正向的第一二极管；

第二二极管，阳极连接至连接所述第二输入端子和所述第二输出端子的电源线，阴极连接在所述第一电容器与所述第一二极管的阳极之间；以及

第二电容器，插入在所述电源线与所述第一二极管的阴极之间。

6.根据权利要求5所述的充电装置，

其中，所述充电状态异常包括所述充电输出的电压大于预设值的状态、充电电流大于预设值的状态以及蓄电装置的温度高于预设值的状态中的至少一个状态。

7.根据权利要求6所述的充电装置，

其中，在所述充电装置中检测所述充电状态异常。

8.根据权利要求6所述的充电装置，

其中，在连接至输出的蓄电装置中检测所述充电状态异常。

9.根据权利要求5或6所述的充电装置，

其中，所述充电输出控制元件是连接至所述电源电路的输出侧的开关元件，以及

所述控制信号生成部根据所述输出允许信号输出接通所述开关元件的控制信号。

10.根据权利要求5或6所述的充电装置，

其中，所述充电输出控制元件是控制所述电源电路操作或不操作的开关元件，并且

所述控制信号生成部根据所述输出允许信号输出通过所述开关元件将所述电源电路设置为操作状态的控制信号。