JP2004319104A

JP2004319104A - 電池残量計算機能付電池パック

Info

Publication number: JP2004319104A
Application number: JP2003107393A
Authority: JP
Inventors: Minoru Sudo; 稔須藤
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2004-11-11
Also published as: KR20040089526A; US20040232889A1; US7095212B2; CN1543008A; KR101012593B1

Abstract

【課題】スマート電池パックにおいて安価で高性能なＮチャネル型ＭＯＳトランジスタの提供。
【解決手段】スマート電池パック側の電子機器側と通信を行う残量検出回路の送受信において、電子機器側の信号レベルにあうようにレベル変換した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電池の残量を計算する機能を有する電池パック（以下スマート電池パックと記載する）のコストを下げて、性能を上げることが可能な、スマート電池パックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスマート電池パックとしては、ハイサイド側にＰチャネル型ＭＯＳトランジスタを使用していた（例えば、特許文献１参照。）。即ち、従来のスマート電池パックは図５に示すような回路となっていた。＋側の端子１１と−側の端子１２と電子機器と通信を行うための端子１３及び１４がある。この場合通信端子は２つとしているが、１つでもかまわない。端子１１から１４が電子機器または充電器と接続される。スマート電池パック中には、２次電池１０と２次電池の保護回路１と２次電池の残量を計算するための回路２と電流検出用の抵抗３、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ４、５等がある。
【０００３】
２次電池の保護回路１は、２次電池１０の状態に応じて、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ４、５をＯＮ／ＯＦＦ制御する。例えば、２次電池１０が過放電状態の時には、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ４をＯＦＦし、放電を禁止し、２次電池１０が過充電状態の時にはＰチャネル型ＭＯＳトランジスタ５をＯＦＦして、充電を禁止する。一般にリチウムイオン２次電池の場合、安全性を高めるために、保護回路が電池パック内に内蔵されている。
【０００４】
２次電池の残量を計算するための回路２は、２次電池１０の電圧及び、電流検出用の抵抗の両端の電位をモニターして、充電電流や放電電流等を計測する。その計測した結果は、通信用端子１３、１４を用いて、（電子機器側からのリクエストに応じて）電子機器側へ送信される。
【０００５】
電子機器側と電池パック側との通信はＧＮＤ基準、すなわち端子１２の電位を基準にして実施される（以下、ＧＮＤ基準とは、端子１２の電位を基準とする）。
【０００６】
仮に、ローサイド側にＮチャネル型ＭＯＳトランジスタを使用すると、電池パック側の２次電池の残量を計算するための回路の基準電位は、２次電池の低い電位が側であるのに対し、電子機器側のＧＮＤ基準電位は一致しなくなるため、通信ができなくなる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１５１１６３号公報（第３−６頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のスマート電池パックでは、電子機器側と電池パック側で通信を、電子機器側の低い電位基準で実施するうえで、ハイサイド側にＰチャネル型ＭＯＳトランジスタ使用せざるを得ないという問題があった。Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタは、一般にＮチャネル型ＭＯＳトランジスタよりも、移動度が低く、特性が悪い。
【０００９】
そこで、この発明の目的は従来のこのような問題点を解決するために、スマート電池パックでローサイド側にＰチャネル型よりも、特性の優れたＮチャネル型ＭＯＳトランジスタを使用するスマート電池パックを得ることを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願発明にかかる電池残量計算機能付電池パックは、プラス側の端子とマイナス側の端子との間に接続された２次電池と、２次電池を過充電・過放電から保護するための保護回路と、マイナス側の端子を基準に動作し、２次電池の残量を計算するための回路と、を有する。さらに、２次電池の保護のため、保護回路からの信号を受けて前記２次電池の充放電を制御するＮチャネル型ＭＯＳトランジスタと、マイナス側の端子の電位を２次電池の負極側の電位にレベルシフトするレベルシフト回路と、を有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
スマート電池パックでローサイド側にＮチャネル型ＭＯＳトランジスタを使用し、電子機器側との通信を可能とするため、２次電池の残量を計算するための回路の通信端子の電圧レベルを電子機器側の電圧レベルと等しくした。
【００１２】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施例を示すスマート電池パックである。＋側の端子１１と−側の端子１２と電子機器と通信を行うための端子１３、１４及び電流検出用の抵抗３と２次電池１０は従来と同様である。
【００１３】
従来では、ハイサイド側にＰチャネル型ＭＯＳトランジスタが使用されていたが、本発明ではローサイド側にＮチャネル型ＭＯＳトランジスタ２４、２５を使用している。
【００１４】
２次電池の保護回路２１の機能は従来と同様で、２次電池１０の状態に応じて、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ２４、２５をＯＮ／ＯＦＦ制御する。例えば、２次電池１０が過放電状態の時には、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ２４をＯＦＦし、放電を禁止し、２次電池１０が過充電状態の時にはＮチャネル型ＭＯＳトランジスタ２５をＯＦＦして、充電を禁止する。
【００１５】
Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタは、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタに比較して、移動度が高いためＯＮ抵抗を下げやすい。ＭＯＳトランジスタのＯＮ抵抗Ｒｏｎは、ゲート・ソース間電圧の関数であり、ゲート・ソース間電圧をＶｇｓ、ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧をＶｔとすれば、ＭＯＳトランジスタが非飽和状態のときＯＮ抵抗Ｒｏｎは、（Ｖｇｓ−Ｖｔ）の逆数に比例する。従って、電池の電圧が高くＭＯＳトランジスタのゲート・ソース間電圧を十分に大きく取れる場合は、ＭＯＳトランジスタのＯＮ抵抗を小さくしやすい。逆に、電池の直列セル数が少なく１直セルの場合電池の電圧が低く（リチウムイオン２次電池の場合は、２．５Ｖ〜４．５Ｖ程度）、ＭＯＳトランジスタに対して十分なゲート・ソース間電圧をＶｇｓを与えることができない。従って、その場合は、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタよりもＮチャネル型ＭＯＳトランジスタを使用したほうが、ＭＯＳトランジスタのＯＮ抵抗を下げることができる。
【００１６】
ＭＯＳトランジスタ２４、２５を通して、電流が流れるため、そこでの電力損失を少なくするため、ＯＮ抵抗Ｒｏｎは小さいほうが望ましい。
【００１７】
２次電池の残量を計算するための回路２２の機能は従来と同様に、２次電池１０の電圧及び、電流検出用の抵抗３の両端の電位をモニターして、充電電流や放電電流等を計測する。その計測した結果は、通信用端子１３、１４を用いて、（電子機器側からのリクエストに応じて）電子機器側へ送信される。
【００１８】
ただし、ローサイド側にＮチャネル型ＭＯＳトランジスタのスイッチ２４、２５を挿入した場合、電子機器側は、スマート電池パックの端子１２の電位を基準にして、スマート電池パック側と通信を行う。しかしながら、２次電池の残量を計算するための回路２２は、２次電池１０のマイナス側電位を基準に動作している。そのため、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタのスイッチ２４、２５のいずれか片方がＯＦＦした場合、電子機器側とスマート電池パック側での基準電位がずれて通信ができなくなる。
【００１９】
そこで本発明の２次電池の残量を計算するための回路２２の電子機器と通信を行う端子１３と１４には、端子１２の電位を２次電池１０のマイナス側へレベルシフトする回路を付加した。これを図２に示す。端子Ａは、図１の端子１１に接続され、端子Ｃは図１の端子１２に接続され、端子Ｂは、図１の端子１３または１４に接続され、端子Ｄは図１の２次電池１０のマイナス側に接続される。その時の信号波形の例を図３に示す。
【００２０】
図３は、横軸時間、縦軸（ａ）は、端子１３または端子１４の電圧を、（ｂ）は図２のＯＵＴの電圧を示す。（ａ）の端子１３または端子１４の電圧の低いレベルは端子１２の電位Ｖ１２となっている。一方、（ｂ）の電圧の低いレベルは、２次電池の低いレベルの電位Ｖ１０Ｂとなり、電圧の高いレベルは端子１１の電位Ｖ１１となっている。
【００２１】
このようにすることで、スマート電池パックにおいてローサイド側にＮチャネル型ＭＯＳトランジスタのスイッチを用いても、電子機器側との通信が可能となる。
【００２２】
また、電子機器側へスマート電池パックから送信する場合は、図４に示すようなレベルシフト回路を用いれば良い。端子Ａは、図１の端子１１に接続され、端子Ｃは図１の端子１２に接続され、端子Ｂは、図１の端子１３または１４に接続され、端子Ｄは図１の２次電池１０のマイナス側に接続される。こうすることで、２次電池の残量を計算するための回路からの信号を、電子機器側へ送信可能となる。
【００２３】
ここで、図１において、２次電池の残量を計算するための回路２２は、その中にマイクロ・コンピュータを内蔵していても、内蔵していなくても構わない。２次電池の残量を計算するための回路２２の中にマイクロ・コンピュータを内蔵する場合は、そのマイクロ・コンピュータの中で、残量を計算するプログラムを持ち、計測された電池の電圧や、充放電電流の値に従って、電池の残量を計算し、その結果を電子機器側に送信すれば良い。電子機器側は、そのデータに基づいて残量の表示を行う。しかしながら、マイクロ・コンピュータを電池パックの中に内蔵することは、電池パックそのもののコストが上がることになる。
【００２４】
図１の、２次電池の残量を計算するための回路２２にマイクロ・コンピュータを内蔵しない場合は、電子機器側のマイクロ・コンピュータに電池の残量を計算するプログラムをもつようにし、図１の２次電池の残量を計算するための回路２２では、電池の電圧や充放電電流の計測のみを実施し、その計測データを電子機器側のマイクロ・コンピュータへ送り、電子機器側のマイクロ・コンピュータが送られたデータをもとに残量を計算し表示する。
【００２５】
このようにすることで、スマート電池パック内にマイクロ・コンピュータを持つ必要はなく、スマート電池パックのコストを下げることが可能となる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明のスマート電池パックは、安価で高性能なＮチャネル型ＭＯＳトランジスタをローサイドのスイッチとして使用することができ、安価で性能の高いスマート電池パックが実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例のスマート電池パックの説明図である。
【図２】本発明のスマート電池パック内に用いられるレベルシフト回路の例を示す図である。
【図３】レベルシフト回路の動作説明図である。
【図４】本発明のスマート電池パック内に用いられるレベルシフト回路の例を示す図である。
【図５】従来のスマート電池パックの説明図である。
【符号の説明】
３電流検出用抵抗
１０２次電池
１１電池パックのプラス側端子
１２電池パックのマイナス側端子
１３，１４電池パックの通信用端子
２１２次電池の保護回路
２２２次電池の残量を計算するための回路
２４，２５Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ

Claims

プラス側の端子とマイナス側の端子との間に接続された２次電池と、
前記２次電池を過充電・過放電から保護するための保護回路と、
前記マイナス側の端子を基準に動作し、前記２次電池の残量を計算するための回路と、
前記２次電池の保護のため、前記保護回路からの信号を受けて前記２次電池の充放電を制御するＮチャネル型ＭＯＳトランジスタと、
前記マイナス側の端子の電位を前記２次電池の負極側の電位にレベルシフトするレベルシフト回路と、を有することを特徴とする電池残量計算機能付電池パック。
前記２次電池の残量を計算するための回路は、前記２次電池の充電電流及び放電電流をモニターした結果を電池パック外のマイクロ・コンピュータに送信し、前記マイクロ・コンピュータで実施した電池残量の計算を受信することを特徴とする請求項１に記載の電池残量計算機能付電池パック。
前記２次電池がリチウムイオン２次電池であることを特徴とする請求項１または２に記載の電池残量計算機能付電池パック。
前記２次電池が１直セルであることを特徴とする請求項３に記載の電池残量計算機能付電池パック。