JP5428675B2

JP5428675B2 - 二次電池の保護回路、バッテリーパック及び電子機器

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Publication number: JP5428675B2
Application number: JP2009208384A
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Inventors: 秀冶吉田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
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Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2014-02-26
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Description

本発明は、リチウムイオン二次電池などの二次電池を過充電から保護するための保護回路、当該保護回路を備えたバッテリーパック及び当該バッテリーパックを備えた電子機器に関する。特に、本発明は、二次電池の電圧及び温度に基づいて二次電池を過充電から保護するための保護回路、当該保護回路を備えたバッテリーパック及び当該バッテリーパックを備えた電子機器に関する。

携帯型の電子機器にはリチウムイオン二次電池が用いられていることが多い。リチウムイオン二次電池は、過充電すると金属リチウムが析出して事故を起こす危険性があり、また過放電すると繰り返し充放電使用回数が低下するなどの問題点を有している。従って、一般に、二次電池と機器本体との間の充放電経路に保護スイッチを設け、二次電池の電圧が所定の過充電電圧以上であるとき又は所定の過放電電圧以下であるときに保護スイッチをオフにし、二次電池の過充電及び過放電を行わないように制御している（例えば、特許文献１参照。）。

また、特許文献２には、二次電池の過充電、過放電、過電流を検出して前記二次電池と負荷又は充電装置との間の配線に設けられた第一及び第二のスイッチ素子のオン／オフを制御する保護回路を備えた電池パックにおいて、前記二次電池の近傍に配設され前記二次電池と並列接続されたサーミスタと抵抗の直列回路と、前記保護回路内で、前記サーミスタと抵抗の接続点の電圧を所定温度に対応する基準電圧と比較するコンパレータと、前記抵抗と前記二次電池の負極との間に接続された第三のスイッチ素子とを有し、前記保護回路は、前記二次電子の過放電が検出されたとき、前記第一のスイッチ素子と前記第三のスイッチ素子とをオフにすることを特徴とする電池パックが開示されている。これにより、二次電池の温度保護を高精度に行うことができる。

しかしながら、近年発生している二次電池の発火事故を契機に、リチウムイオン二次電池のより安全な利用に関する指針の策定の必要性が高まっている。本発明の目的は以上の問題点を解決し、二次電池を従来技術に比較してより安全に利用するための二次電池の保護回路、当該保護回路を備えたバッテリーパック及び当該バッテリーパックを備えた電子機器を提供することにある。

第１の発明に係る二次電池の保護回路は、二次電池の温度を検出して当該検出結果を示す検出信号を出力する温度検出手段と、上記検出信号に基づいて、上記検出された温度が所定の標準温度域上限温度以上であるか否かを判断し、上記検出された温度が上記標準温度域上限温度未満であるときは所定の第１の過充電アラーム電圧を選択する一方、上記標準温度域上限温度以上であるときは上記第１の過充電アラーム電圧より小さい所定の第２の過充電アラーム電圧を選択し、上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧以上であるか否かを示す出力信号を出力する過充電アラーム判定手段と、上記過充電アラーム判定手段からの出力信号に基づいて、上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧以上であるときにアラーム信号を発生して出力するアラーム信号発生手段とを備えたことを特徴とする。

上記二次電池の保護回路において、上記過充電アラーム判定手段はさらに、上記検出信号に基づいて、上記検出された温度が所定の標準温度域下限温度以下であるか否かを判断し、上記検出された温度が上記標準温度域下限温度より高いときは上記第１の過充電アラーム電圧を選択する一方、上記標準温度域下限温度以下であるときは上記第１の過充電アラーム電圧より小さい所定の第３の過充電アラーム電圧を選択することを特徴とする。

また、上記二次電池の保護回路において、上記アラーム信号発生手段は、上記検出信号に基づいて、上記検出された温度が上記標準温度域上限温度より高い所定の上限充電温度以上又は上記標準温度域下限温度より低い所定の下限充電温度以下であるか否かを判断し、上記検出された温度が上記上限充電温度以上又は上記下限充電温度以下であるときは、上記二次電池の電圧に関わらず上記アラーム信号を発生することを特徴とする。

さらに、上記二次電池の保護回路において、上記二次電池の電圧が所定の過充電検出電圧以上であるか否かを検出する過充電検出手段と、上記二次電池の充電電流が所定の第１の電流値以上であるか否かを検出する充電過電流検出手段と、上記二次電池の電圧が上記過充電検出電圧以上であること、及び上記二次電池の充電電流が上記第１の電流値以上であることのうちの少なくとも一方であるときに、上記二次電池の充電経路を遮断するように制御するための第１の制御信号を発生する第１の信号発生手段と、上記二次電池の電圧が所定の過放電検出電圧以下であるか否かを検出する過放電検出手段と、上記二次電池の放電電流が所定の第２の電流値以上であるか否かを検出する放電過電流検出手段と、上記二次電池の電圧が上記過放電検出電圧以下であること、及び上記二次電池の放電電流が上記第２の電流値以上であることのうちの少なくとも一方であるときに、上記二次電池の放電経路を遮断するように制御するための第２の制御信号を発生する第２の信号発生手段とをさらに備えたことを特徴とする。

またさらに、上記二次電池の保護回路において、上記アラーム信号発生手段は、上記検出された温度が上記下限充電温度より高くかつ上記上限充電温度未満であり、かつ上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧以上であるときは、所定の第１のレベルを有するアラーム信号を発生し、上記検出された温度が上記下限充電温度より高くかつ上記上限充電温度未満であり、かつ上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧未満であるときは、所定の第２のレベルを有するアラーム信号を発生し、上記検出された温度が上記上限充電温度以上又は上記下限充電温度以下であるときは、上記二次電池の電圧に関わらずパルス信号のアラーム信号を発生することを特徴とする。

また、上記二次電池の保護回路において、上記アラーム信号発生手段は、上記検出された温度が上記下限充電温度より高くかつ上記上限充電温度未満であり、かつ上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧以上であるときは、所定の第１のレベルを有するアラーム信号を発生し、上記検出された温度が上記下限充電温度より高くかつ上記上限充電温度未満であり、かつ上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧未満であるときは、所定の第２のレベルを有するアラーム信号を発生し、上記検出された温度が上記上限充電温度以上又は上記下限充電温度以下であるときは、上記二次電池の電圧に関わらず所定の第３のレベルを有するアラーム信号を発生することを特徴とする。

第２の発明に係るバッテリーパックは、二次電池と、上記二次電池の保護回路とを備えたことを特徴とする。

第３の発明に係る電子機器は、上記バッテリーパックを備えたことを特徴とする。

本発明に係る二次電池の保護回路、バッテリーパック及び電子機器によれば、二次電池の検出された温度を示す検出信号に基づいて、上記検出された温度が所定の標準温度域上限温度以上であるか否かを判断し、上記検出された温度が上記標準温度域上限温度未満であるときは所定の第１の過充電アラーム電圧を選択する一方、上記標準温度域上限温度以上であるときは上記第１の過充電アラーム電圧より小さい所定の第２の過充電アラーム電圧を選択し、上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧以上であるか否かを示す出力信号を出力する過充電アラーム判定手段と、上記過充電アラーム判定手段からの出力信号に基づいて、上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧以上であるときにアラーム信号を発生して出力するアラーム信号発生手段とを備えたので、特に標準温度域上限温度以上での過充電を防止し、従来技術に比較して安全な充電が可能となる。

本発明の第１の実施形態に係るバッテリーパック１の構成を示すブロック図である。図１の充放電保護回路１０の回路図である。図２の充放電保護回路１０からローレベルのアラーム信号Ｓａが出力される領域Ａ１、パルス信号のアラーム信号Ｓａが出力される領域Ａ２及びハイレベルのアラーム信号Ｓａが出力される領域Ａ３を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係る充放電保護回路１０Ａの回路図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

第１の実施形態．
図１は、本発明の第１の実施形態に係るバッテリーパック１の構成を示すブロック図であり、図２は、図１の充放電保護回路１０の回路図である。また、図３は、図２の充放電保護回路１０からローレベルのアラーム信号Ｓａが出力される領域Ａ１、パルス信号のアラーム信号Ｓａが出力される領域Ａ２及びハイレベルのアラーム信号Ｓａが出力される領域Ａ３を示すグラフである。

図１において、バッテリーパック１はデジタルカメラなどの携帯型の電子機器に搭載され、直列に接続された２個のリチウムイオン二次電池であるセル３ａ及び３ｂを備えた二次電池３と、充放電保護回路１０と、Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタにてなる充電制御用ＦＥＴ（Field Effect Transistor）Ｑ１と、Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタにてなる放電制御用ＦＥＴＱ２と、抵抗Ｒ１〜Ｒ４と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、サーミスタＴＨとを備えて構成される。ここで、セル３ａの負極端子とセル３ｂの正極端子とは互いに接続されている。また、セル３ｂの負極端子は放電制御用ＦＥＴＱ２及び充電制御用ＦＥＴＱ１を介してバッテリーパック１の端子Ｔｍに接続され、セル３ａの正極端子はバッテリーパック１の端子Ｔｐに接続されている。

充電制御用ＦＥＴＱ１及び放電制御用ＦＥＴＱ２の各ドレインは共通接続され、充電制御用ＦＥＴＱ１のソースは端子Ｔｍに接続され、放電制御用ＦＥＴＱ２のソースはセル３ｂの負極端子に接続されている。また、充電制御用ＦＥＴＱ１のゲートは充放電保護回路１０の端子Ｃｏｕｔに接続され、放電制御用ＦＥＴＱ２のゲートは充放電保護回路１０の端子Ｄｏｕｔに接続されている。

また、サーミスタＴＨは負の温度係数を有するＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）サーミスタであって、バッテリーパック１内で二次電池３の近傍に配置されて二次電池３と熱結合されており、二次電池３の表面温度を検出する。サーミスタＴＨの一端はセル３ａの正極端子に接続され、他端は充放電保護回路１０の端子Ｔｈｉｎに接続される。さらに、充放電保護回路１０の消費電流を削減するために、サーミスタＴＨの他端は、基準抵抗である抵抗Ｒ４を介して充放電保護回路１０の端子Ｒｉｎに接続されている。以上のように構成することにより、二次電池３の表面温度が高いほど、高い電圧レベルを有する信号が端子Ｔｈｉｎに出力される。

また、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１との直列接続回路はセル３ａの正極端子とセル３ｂの負極端子との間に接続され、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１との間の接続点は充放電保護回路１０の端子Ｖｄｄに接続されている。さらに、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２との直列接続回路はセル３ｂの正極端子とセル３ｂの負極端子との間に接続され、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２との間の接続点は充放電保護回路１０の端子Ｖｃに接続されている。そして、セル３ｂの負極端子は充放電保護回路１０の端子Ｖｓｓに接続されている。

さらに、抵抗Ｒ３は端子Ｔｍと充放電保護回路１０の端子Ｖ−との間に接続される。また、詳細後述するように、充放電保護回路１０によって発生されたアラーム信号Ｓａは、充放電保護回路１０の端子Ａｏｕｔを介して充電器２に出力される。二次電池３の充電時には端子Ｔｐと端子Ｔｍとの間に充電器２が接続され、充電器２はアラーム信号Ｓａに従って所定の動作を行う。

図２において、充放電保護回路１０は、コンパレータ３１〜３４及び抵抗Ｒ１０〜Ｒ１７を備えた温度検出回路１００と、コンパレータ１３，２１，３５〜３８と、過充電アラーム判定回路３９，４０と、抵抗Ｒ１８〜Ｒ２２と、Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタＱ３〜Ｑ５と、直流電圧源６０〜６３と、ノアゲートと５１〜５３と、発振回路１６と、カウンタ回路１７と、ロジック回路１８，２０と、短絡検出回路１４と、レベルシフト回路１９と、遅延時間短縮回路２３と、遅延回路２５と、ロジック回路９０及びＰチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ９１を備えたアラーム信号発生回路２００とを備えて構成される。

ここで、本実施形態において、図３に示すように二次電池３の低温度域、標準温度域、高温度域が予め設定されており、低温度域の下限値を下限充電温度Ｔａｌｍｌと定義し、標準温度域の下限値及び上限値を標準温度域下限温度Ｔｓｗｌ及び標準温度域上限温度Ｔｓｗｈとそれぞれ定義し、高温度域の上限値を上限充電温度Ｔａｌｍｈと定義する。

図２において、温度検出回路１００は、二次電池３の表面温度が図３の下限充電温度Ｔａｌｍｌ以下か、低温度域内か、標準温度域内か、高温度域内か、又は上限充電温度Ｔａｌｍ以上かを検出する。具体的には、ヒステリシス特性を有するコンパレータ３１の非反転入力端子は端子Ｔｈｉｎに接続され、反転入力端子は端子Ｖｓｓと端子Ｖｄｄとの間に直列に接続された抵抗Ｒ１０及びＲ１１の接続点に接続され、出力端子はロジック回路９０及びノアゲート５２の第１の入力端子に接続されている。また、ヒステリシス特性を有するコンパレータ３２の非反転入力端子は端子Ｔｈｉｎに接続され、反転入力端子は端子Ｖｓｓと端子Ｖｄｄとの間に直列に接続された抵抗Ｒ１２及びＲ１３の接続点に接続され、出力端子はロジック回路９０と、過充電アラーム判定回路３９，４０に接続されている。さらに、ヒステリシス特性を有するコンパレータ３３の反転入力端子は端子Ｔｈｉｎに接続され、非反転入力端子は端子Ｖｓｓと端子Ｖｄｄとの間に直列に接続された抵抗Ｒ１４及びＲ１５の接続点に接続され、出力端子はロジック回路９０と、過充電アラーム判定回路３９，４０に接続されている。また、ヒステリシス特性を有するコンパレータ３４の反転入力端子は端子Ｔｈｉｎに接続され、非反転入力端子は端子Ｖｓｓと端子Ｖｄｄとの間に直列に接続された抵抗Ｒ１６及びＲ１７の接続点に接続され、出力端子はロジック回路９０及びノアゲート５２の第２の入力端子に接続されている。

本実施形態において、図２の抵抗Ｒ１０及びＲ１１の各抵抗値は、コンパレータ３１の反転入力端子に上限充電温度Ｔａｌｍｈに対応する基準電圧が出力されるように設定され、抵抗Ｒ１２及びＲ１３の各抵抗値は、コンパレータ３２の反転入力端子に標準温度域上限温度Ｔｓｗｈに対応する基準電圧が出力されるように設定されている。また、抵抗Ｒ１４及びＲ１５の各抵抗値は、コンパレータ３３の非反転入力端子に標準温度域下限温度Ｔｓｗｌに対応する基準電圧が出力されるように設定され、抵抗Ｒ１６及びＲ１７の各抵抗値は、コンパレータ３４の非反転入力端子に下限充電温度Ｔａｌｍｌに対応する基準電圧が出力されるように設定されている。

また、図２において、ヒステリシス特性を有するコンパレータ３５は、セル３ａの電圧が所定の過充電検出電圧Ｖｄ１（図３参照。）以上であるか否かを判断し、セル３ａの電圧が過充電検出電圧Ｖｄ１以上であるときにはハイレベルの信号をノアゲート５１の第１の入力端子する一方、過充電検出電圧Ｖｄ１未満であるときにはローレベルの信号をノアゲート５１の第１の入力端子に出力する。具体的には、コンパレータ３５の非反転入力端子は直流電圧源６０を介して端子Ｖｄｄに接続され、反転入力端子は端子Ｖｄｄ及び端子Ｖｃの間に接続された分圧用の抵抗Ｒ１８の所定の分圧点に接続されている。ここで、抵抗Ｒ１８の分圧点は、コンパレータ３５の反転入力端子に過充電検出電圧Ｖｄ１に対応する基準電圧が出力されるように設定される。さらに、コンパレータ３５の出力端子はノアゲート５１の第１の入力端子に接続される。

さらに、図２において、コンパレータ３６は、セル３ａの電圧が所定の過放電検出電圧Ｖｄ２以下であるか否かを判断し、セル３ａの電圧が過放電検出電圧Ｖｄ２以下であるときにはハイレベルの出力信号をノアゲート５３の第１の入力端子に出力する一方、過放電検出電圧Ｖｄ２より大きいときにはローレベルの出力信号をノアゲート５３の第１の入力端子に出力する。具体的には、コンパレータ３６の反転入力端子は直流電圧源６０を介して端子Ｖｄｄに接続され、非反転入力端子は端子Ｖｄｄ及び端子Ｖｃの間に接続された分圧用の抵抗Ｒ２０の所定の分圧点に接続されている。ここで、抵抗Ｒ２０の分圧点は、コンパレータ３６の非反転入力端子に過放電検出電圧Ｖｄ２に対応する基準電圧が出力されるように設定される。さらに、コンパレータ３６の出力端子はノアゲート５３の第１の入力端子に接続される。

また、図２において、ヒステリシス特性を有するコンパレータ３７は、セル３ｂの電圧が所定の過充電検出電圧Ｖｄ１（図３参照。）以上であるか否かを判断し、セル３ｂの電圧が過充電検出電圧Ｖｄ１以上であるときにはハイレベルの出力信号をノアゲート５１の第２の入力端子に出力する一方、過充電検出電圧Ｖｄ１未満であるときにはローレベルの出力信号をノアゲート５１の第２の入力端子に出力する。具体的には、コンパレータ３７の反転入力端子は直流電圧源６１を介して端子Ｖｓｓに接続され、非反転入力端子は端子Ｖｃ及び端子Ｖｓｓの間に接続された分圧用の抵抗Ｒ１９の所定の分圧点に接続されている。ここで、抵抗Ｒ１９の分圧点は、コンパレータ３７の非反転入力端子に過充電検出電圧Ｖｄ１に対応する基準電圧が出力されるように設定される。さらに、コンパレータ３７の出力端子はノアゲート５１の第２の入力端子に接続される。

さらに、図２において、コンパレータ３８は、セル３ｂの電圧が所定の過放電検出電圧Ｖｄ２以下であるか否かを判断し、セル３ｂの電圧が過放電検出電圧Ｖｄ２以下のときにはハイレベルの出力信号をノアゲート５３の第２の入力端子に出力する一方、過放電検出電圧Ｖｄ２より大きいときにはローレベルの出力信号をノアゲート５３の第２の入力端子に出力する。具体的には、コンパレータ３８の非反転入力端子は直流電圧源６１を介して端子Ｖｓｓに接続され、反転入力端子は端子Ｖｃ及び端子Ｖｓｓの間に接続された分圧用の抵抗Ｒ２１の所定の分圧点に接続されている。ここで、抵抗Ｒ２１の分圧点は、コンパレータ３８の反転入力端子に過放電検出電圧Ｖｄ２に対応する基準電圧が出力されるように設定される。さらに、コンパレータ３８の出力端子はノアゲート５３の第２の入力端子に接続される。

図２において、過充電アラーム判定回路３９は、コンパレータ３２，３３からの各出力信号に基づいて、過充電アラーム電圧Ｖａ１，Ｖａ２，Ｖａ３（図３参照。）のうちから１つの過充電アラーム電圧を選択し、セル３ａの電圧が選択された過充電アラーム電圧以上であるか否かを判断し、セル３ａの電圧が選択された過充電アラーム電圧以上であるときにはハイレベルの出力信号をノアゲート５２の第３の入力端子に出力する一方、過充電アラーム電圧未満であるときにはローレベルの出力信号をノアゲート５２の第３の入力端子に出力する。ここで、図３に示すように、過充電アラーム電圧Ｖａ１，Ｖａ２，Ｖａ３及び過充電検出電圧Ｖｄ１は、Ｖａ３＜Ｖａ２＜Ｖａ１＜Ｖｄ１を満たすように予め設定されている。具体的には、図２において、過充電アラーム判定回路３９は、二次電池３の表面温度が標準温度域下限温度Ｔｓｗｌ以下であるときは、抵抗Ｒ１８の分圧点を過充電アラーム電圧Ｖａ３が出力されるように切り換え、二次電池３の表面温度が標準温度域下限温度Ｔｓｗｌより高くかつ標準温度域上限温度Ｔｓｗｈ未満のときには、抵抗Ｒ１８の分圧点を過充電アラーム電圧Ｖａ１が出力されるように切り換え、二次電池３の表面温度が標準温度域上限温度Ｔｓｗｈ以上であるときには、抵抗Ｒ１８の分圧点を過充電アラーム電圧Ｖａ２が出力されるように切り換える。

また、図２において、過充電アラーム判定回路４０は、コンパレータ３２，３３からの各出力信号に基づいて、過充電アラーム電圧Ｖａ１，Ｖａ２，Ｖａ３（図３参照。）のうちから１つの過充電アラーム電圧を選択し、セル３ｂの電圧が選択された過充電アラーム電圧以上であるか否かを判断し、セル３ｂの電圧が選択された過充電アラーム電圧以上であるときにはハイレベルの出力信号をノアゲート５２の第４の入力端子に出力する一方、過充電アラーム電圧未満であるときにはローレベルの出力信号をノアゲート５２の第４の入力端子に出力する。具体的には、図２において、過充電アラーム判定回路４０は、二次電池３の表面温度が標準温度域下限温度Ｔｓｗｌ以下であるときは、抵抗Ｒ１９の分圧点を過充電アラーム電圧Ｖａ３が出力されるように切り換え、二次電池３の表面温度が標準温度域下限温度Ｔｓｗｌより高くかつ標準温度域上限温度Ｔｓｗｈ未満のときには、抵抗Ｒ１９の分圧点を過充電アラーム電圧Ｖａ１が出力されるように切り換え、二次電池３の表面温度が標準温度域上限温度Ｔｓｗｈ以上であるときには、抵抗Ｒ１９の分圧点を過充電アラーム電圧Ｖａ２が出力されるように切り換える。

さらに、ノアゲート５１からの出力信号は発振回路１６及びロジック回路１８に出力され、ノアゲート５２からの出力信号は発振回路１６及びロジック回路９０に出力され、ノアゲート５３からの出力信号は発振回路１６及びロジック回路２０に出力される。

また、図２において、コンパレータ２１は二次電池３の充電電流が所定の第１の電流値以上であるか否かを検出する充電過電流検出回路であって、充電電流が第１の電流値以上であるときにローレベルの出力信号を発振回路１６及びロジック回路１８に出力する一方、充電電流が所定の第１の電流値未満であるときにハイレベルの出力信号を発振回路１６及びロジック回路１８に出力する。具体的には、コンパレータ２１の非反転入力端子は直流電圧源６２を介して端子Ｖ−に接続され、反転入力端子は端子Ｖｓｓに接続されている。

またさらに、図２において、コンパレータ１３は二次電池３の放電電流が所定の第２の電流値以上であるか否かを検出する放電過電流検出回路であって、放電電流が第２の電流値以上であるときにローレベルの出力信号を発振回路１６及びロジック回路２０に出力する一方、放電電流が第２の電流値未満であるときにハイレベルの出力信号を発振回路１６及びロジック回路２０に出力する。具体的には、コンパレータ１３の非反転入力端子は直流電圧源６３を介して端子Ｖｓｓに接続され、反転入力端子は端子Ｖ−に接続されている。

短絡検出回路１４は、端子Ｖ−の電圧に基づいて二次電池３が短絡しているか否かを検出し、短絡しているときにはローレベルの出力信号を遅延回路２５を介してロジック回路２０に出力する一方、短絡していないときにはハイレベルの出力信号を遅延回路２５を介してロジック回路２０に出力する。

Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタＱ３及びＱ４の各ドレインは抵抗Ｒ２２を介して接続され、Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタＱ３のソースは端子Ｖｓｓに接続され、Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタＱ４のソースは端子Ｖ−に接続されている。また、Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタＱ５のドレインは端子Ｒｉｎに接続され、ソースは端子Ｖｓｓに接続され、ゲートに電圧ＥＮが印加されている。なお、二次電池３の充電中は、Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタＱ５はオンされている。

発振回路１６は、ノアゲート５１〜５３及びコンパレータ１３，２３からの出力信号のうちの少なくとも１つの電圧レベルがローレベルであるときに発振して、所定のクロック信号を発生してカウンタ回路１７に出力する。カウンタ回路１７は、クロック信号を計数して計数結果の計数信号をロジック回路１８，２０及び９０に出力する。遅延時間短縮回路２３は、端子Ｖ−の電圧に基づいて、発振回路１６によって発生されるクロック信号の周波数を変化させる。

信号発生回路であるロジック回路１８は、ノアゲート５１及びコンパレータ２１からの各出力信号の電圧レベルがハイレベルであるときに、ハイレベルの制御信号をレベルシフト回路１９を介して端子Ｃｏｕｔ及びＮチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタＱ４のゲートに出力する。一方、ノアゲート５１及びコンパレータ２１からの各出力信号のうちの少なくとも１つの電圧レベルがローレベルである場合に、カウンタ回路１７からの計数値が所定の計数値以上であるときに、ローレベルの制御信号をレベルシフト回路１９を介して端子Ｃｏｕｔ及びＮチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタＱ４のゲートに出力する。これにより、ロジック回路１８は、セル３ａ及び３ｂのうちの少なくとも一方の電圧が過充電検出電圧Ｖｄ１以上かつ／又はセル３ａ及び３ｂのうちの少なくとも一方の充電電流が上記第１の電流値以上であるときに、二次電池３の充電経路を遮断するように制御するためのローレベルの制御信号を発生して端子Ｃｏｕｔに出力する。

信号発生回路であるロジック回路２０は、ノアゲート５３及びコンパレータ１３からの各出力信号の電圧レベルがハイレベルであるときに、ハイレベルの制御信号を端子Ｄｏｕｔ及びＮチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタＱ３のゲートに出力する。一方、ノアゲート５３及びコンパレータ１３からの各出力信号のうちの少なくとも１つの電圧レベルがローレベルである場合に、カウンタ回路１７からの計数値が所定の計数値以上であるときに、ローレベルの制御信号を端子Ｄｏｕｔ及びＮチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタＱ３のゲートに出力する。これにより、ロジック回路２０は、セル３ａ及び３ｂのうちの少なくとも一方の電圧が過放電検出電圧Ｖｄ２以下かつ／又はセル３ａ及び３ｂのうちの少なくとも一方の放電電流が上記第２の電流値以上であるときに、二次電池３の放電経路を遮断するように制御するためのローレベルの制御信号を発生して端子Ｄｏｕｔに出力する。

アラーム信号発生回路２００において、Ｐチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ９１のドレインは端子Ａｏｕｔに接続され、ソースは端子Ｖｄｄに接続されている。ロジック回路９０は、ノアゲート５２からの出力信号がハイレベルであるときには、ローレベルの信号をＰチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ９１のゲートに出力し、これにより、ハイレベルのアラーム信号Ｓａが端子Ａｏｕｔから出力される。また、ロジック回路９０は、ノアゲート５２からの出力信号がローレベルであるときには、コンパレータ３１〜３４からの各出力信号に基づいて二次電池３の表面温度が（ａ）下限充電温度Ｔａｌｍｌ以下又は上限充電温度Ｔａｌｍｈ以上であるか、又は（ｂ）下限充電温度Ｔａｌｍｌより高くかつ上限充電温度Ｔａｌｍｈ未満であるかを判断する。そして、二次電池３の表面温度が下限充電温度Ｔａｌｍｌ以下又は上限充電温度Ｔａｌｍｈ以上であるときには、パルス信号を発生してＰチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ９１のゲートに出力し、これにより、パルス信号のアラーム信号Ｓａが端子Ａｏｕｔから出力される。また、二次電池３の表面温度が下限充電温度Ｔａｌｍｌより高くかつ上限充電温度Ｔａｌｍｈ未満であるときには、ハイレベルの出力信号をＰチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ９１のゲートに出力し、これにより、ローレベルのアラーム信号Ｓａが端子Ａｏｕｔから出力される。

次に、以上のように構成された充放電保護回路１０の動作を説明する。

セル３ａ及び３ｂの各電圧が過放電検出電圧Ｖｄ２より大きく、かつ二次電池３の表面温度及びセル３ａの電圧と、二次電池３の表面温度及びセル３ｂの電圧とが図３の領域Ａ３内にある通常状態では、端子Ｃｏｕｔ及び端子Ｄｏｕｔからハイレベルの出力信号が出力され、充電制御用ＦＥＴＱ１及び放電制御用ＦＥＴＱ２はオンされる。従って、二次電池３を充電及び放電可能である。また、ハイレベルのアラーム信号Ｓａが出力され、これに応答して、充電器２はバッテリーパックが通常状態であると判断する。

また、二次電池３の表面温度が標準温度域内であり、かつセル３ａ及び３ｂのうちの少なくとも一方の電圧が過充電検出電圧Ｖｄ１以上であるときは、端子Ｄｏｕｔからハイレベルの出力信号が出力され、端子Ｃｏｕｔからローレベルの出力信号が出力される。これに応答して、充電制御用ＦＥＴＱ１はオンされ、充電が停止される。また、ローレベルのアラーム信号が端子Ａｏｕｔから出力され、これに応答して、充電器２は充電を停止する。

さらに、二次電池３の表面温度が標準温度域内であり、かつセル３ａ及び３ｂのうちの少なくとも一方の電圧が過放電検出電圧Ｖｄ２以下であるときは、端子Ｃｏｕｔからハイレベルの出力信号が出力され、端子Ｄｏｕｔからローレベルの出力信号が出力される。これに応答して、放電制御用ＦＥＴＱ２はオフされ、放電が停止される。また、ハイレベルのアラーム信号Ｓａが出力され、充電器２は充放電の制御を行わない。

またさらに、二次電池３の表面温度が標準温度域内であり、かつ放電過電流が検出されたときは、端子Ｃｏｕｔからハイレベルの出力信号が出力され、端子Ｄｏｕｔからローレベルの出力信号が出力される。これに応答して、放電制御用ＦＥＴＱ２はオフされ、放電が停止される。また、ハイレベルのアラーム信号Ｓａが出力され、充電器２は充放電の制御を行わない。

また、二次電池３の表面温度が標準温度域内であり、かつ充電過電流が検出されたときは、端子Ｃｏｕｔからローレベルの出力信号が出力され、端子Ｄｏｕｔからハイレベルの出力信号が出力される。これに応答して、充電制御用ＦＥＴＱ１はオフされ、放電が停止される。また、ハイレベルのアラーム信号Ｓａが出力され、充電器２は充放電の制御を行わない。

さらに、二次電池３の表面温度が上限充電温度Ｔａｌｍｈ以上であり、かつセル３ａ及び３ｂの各電圧が過放電検出電圧Ｖｄ２より大きくかつ過充電検出電圧Ｖｄ１未満であるときには、端子Ｃｏｕｔ及び端子Ｄｏｕｔからハイレベルの各出力信号が出力される。これに応答して、充電制御用ＦＥＴＱ１及び放電制御用ＦＥＴＱ２はオンされ、二次電池３を充電及び放電可能である。また、パルス信号のアラーム信号Ｓａが出力され、これに応答して、充電器２は二次電池３の温度異常を検出して充電を停止する。

またさらに、二次電池３の表面温度が下限充電温度Ｔａｌｍｌ以下であり、かつセル３ａ及び３ｂの各電圧が過放電検出電圧Ｖｄ２より大きくかつ過充電検出電圧Ｖｄ１未満であるときには、端子Ｃｏｕｔ及び端子Ｄｏｕｔからハイレベルの各出力信号が出力される。これに応答して、充電制御用ＦＥＴＱ１及び放電制御用ＦＥＴＱ２はオンされ、二次電池３を充電及び放電可能である。また、パルス信号のアラーム信号Ｓａが出力され、これに応答して、充電器２は二次電池３の温度異常を検出して充電を停止する。

一般に、高温度域での充電反応は二次電池３の正極の結晶構造の安定性に起因して安全性を低下させる。また、低温度域での充電反応では物質移動速度が減少し、二次電池３の負極の炭素中へのリチウムイオンの挿入が遅くなるため、負極炭素上でリチウムが析出する可能性が高まる。このため、安全性の観点から高温度域及び低温度域での充電は標準温度域内での充電よりも厳しい条件で行うことが望ましい。本実施形態によれば、二次電池３の表面温度が高温度域内であるときには、セル３ａ及び３ｂの各電圧は、過充電検出アラームＶａ１よりも小さい過充電アラーム電圧Ｖａ２と比較される。そして、セル３ａ及び３ｂの各電圧のうちの少なくとも一方が過充電アラーム電圧Ｖａ２以上であるときに、ローレベルのアラーム信号Ｓａが出力される。また、二次電池３の表面温度が低温度域内であるときには、セル３ａ及び３ｂの各電圧は過充電検出アラームＶａ１よりも小さい過充電アラーム電圧Ｖａ３と比較される。そして、セル３ａ及び３ｂの各電圧のうちの少なくとも一方が過充電アラーム電圧Ｖａ３以上であるときに、ローレベルのアラーム信号Ｓａが出力される。従って、従来技術に比較して二次電池３を安全に利用できる。

また、二次電池３の表面温度が上限充電温度Ｔａｌｍｈ以上又は加減充電温度Ｔａｌｍｌ以下であるときは、セル３ａ及び３ｂの電圧に関わらずパルス信号のアラーム信号Ｓａが出力される。例えば、二次電池３の表面温度が高温度域内でありかつセル３ａ及び３ｂのうちの少なくとも一方の電圧が過充電アラーム電圧Ｖａ２以上である状態から、二次電池３の表面温度がさらに上昇して上限充電温度Ｔａｌｍｈ以上になると、アラーム信号Ｓａはローレベルの信号からパルス信号に切り換えられる。また、二次電池３の表面温度が定温度域内でありかつセル３ａ及び３ｂのうちの少なくとも一方の電圧が過充電アラーム電圧Ｖａ３以上である状態から、二次電池３の表面温度がさらに低下して下限充電温度Ｔａｌｍｌ以下になると、アラーム信号Ｓａはローレベルの信号からパルス信号に切り換えられる。パルス信号のアラーム信号Ｓａに応答して、充電器３は充電を停止し外部装置に温度異常を通知する信号を出力するなどの処理を行う。

本実施形態によれば、セル３ａ及び３ｂの各電圧及び二次電池３の表面温度に基づいて、ハイレベル、ローレベル又はパルス信号のアラーム信号Ｓａが出力されるので、従来技術に比較して二次電池３を異常な温度及び過充電から保護して安全に充電できる。

第２の実施形態．
図４は、本発明の第２の実施形態に係る充放電保護回路１０Ａの回路図である。充放電保護回路１０Ａは、第１の実施形態に係る充放電保護回路１０に比較して、アラーム信号発生回路２００に代えてアラーム信号発生回路２００Ａを備えたことを特徴としている。

アラーム信号発生回路２００Ａは、ロジック回路９０Ａと、Ｐチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ９１，９２と、抵抗９３を備えて構成される。Ｐチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ９１のドレインは端子Ａｏｕｔに接続され、ソースは端子Ｖｄｄに接続されている。また、Ｐチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ９２のドレインは抵抗９３を介して端子Ａｏｕｔに接続され、ソースは端子Ｖｄｄに接続されている。

ロジック回路９０Ａは、ノアゲート５２からの出力信号がハイレベルであるときには、ローレベルの信号をＰチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ９１のゲートに出力するとともに、ハイレベルの信号をＰチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ９２のゲートに出力する。これにより、ハイレベルのアラーム信号Ｓａが端子Ａｏｕｔから出力される。また、ロジック回路９０は、ノアゲート５２からの出力信号がローレベルであるときには、コンパレータ３１〜３４からの各出力信号に基づいて二次電池３の表面温度が（ａ）下限充電温度Ｔａｌｍｌ以下又は上限充電温度Ｔａｌｍｈ以上であるか、又は（ｂ）下限充電温度Ｔａｌｍｌより高くかつ上限充電温度Ｔａｌｍｈ未満であるかを判断する。そして、二次電池３の表面温度が下限充電温度Ｔａｌｍｌ以下又は上限充電温度Ｔａｌｍｈ以上であるときには、ハイレベルの信号をＰチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ９１のゲートに出力するとともに、ローレベルの信号をＰチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ９２のゲートに出力する。これにより、所定の中間電位を有するアラーム信号Ｓａが端子Ａｏｕｔから出力される。また、二次電池３の表面温度が下限充電温度Ｔａｌｍｌより高くかつ上限充電温度Ｔａｌｍｈ未満であるときには、ハイレベルの出力信号をＰチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ９１及び９２のゲートに出力し、これにより、ローレベルのアラーム信号Ｓａが端子Ａｏｕｔから出力される。

本実施形態は、第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。

上記各実施形態において、サーミスタＴＨはバッテリーパック１に内蔵されて二次電池３の表面温度を検出した。しかしながら、本発明はこれに限られず、バッテリーパック１の外部に、二次電池３と熱結合するように設けられてもよい。また、サーミスタＴＨによって、二次電池３の雰囲気温度を検出してもよい。

また、上記各実施形態において、二次電池３は２個のセル３ａ，３ｂを備えたが、本発明はこれに限られず、１個又は３個以上のセルを備えていてもよい。さらに、上記各実施形態において、セル３ａ，３ｂはリチウムイオン二次電池であったが、本発明はこれに限られず、ニッケル水素二次電池又はニッケルカドミウム二次電池などの二次電池であってもよい。

以上詳述したように、本発明に係る二次電池の保護回路、バッテリーパック及び電子機器によれば、二次電池の検出された温度を示す検出信号に基づいて、上記検出された温度が所定の標準温度域上限温度以上であるか否かを判断し、上記検出された温度が上記標準温度域上限温度未満であるときは所定の第１の過充電アラーム電圧を選択する一方、上記標準温度域上限温度以上であるときは上記第１の過充電アラーム電圧より小さい所定の第２の過充電アラーム電圧を選択し、上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧以上であるか否かを示す出力信号を出力する過充電アラーム判定手段と、上記過充電アラーム判定手段からの出力信号に基づいて、上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧以上であるときにアラーム信号を発生して出力するアラーム信号発生手段とを備えたので、特に標準温度域上限温度以上での過充電を防止し、従来技術に比較して安全な充電が可能となる。

１…バッテリーパック、
２…充電器、
３…二次電池、
３ａ，３ｂ…セル、
１０，１０Ａ…充放電保護回路、
１４…短絡検出回路、
１６…発振回路、
１７…カウンタ回路、
１８，２０，９０，９０Ａ…ロジック回路、
１９…レベルシフト回路、
２３…遅延時間短縮回路、
２５…遅延回路、
３９，４０…過充電アラーム判定回路、
１００…温度検出回路、
２００，２００Ａ…アラーム信号発生回路、
Ｑ１…充電保護用ＦＥＴ、
Ｑ２…放電保護用ＦＥＴ、
ＴＨ…サーミスタ。

特許第３４９８７３６号公報。特開２００９−４４８２４号公報。

Claims

二次電池の温度を検出して当該検出結果を示す検出信号を出力する温度検出手段と、
上記検出信号に基づいて、上記検出された温度が所定の標準温度域上限温度以上であるか否かを判断し、上記検出された温度が上記標準温度域上限温度未満であるときは所定の第１の過充電アラーム電圧を選択する一方、上記標準温度域上限温度以上であるときは上記第１の過充電アラーム電圧より小さい所定の第２の過充電アラーム電圧を選択し、上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧以上であるか否かを示す出力信号を出力する過充電アラーム判定手段と、
上記過充電アラーム判定手段からの出力信号に基づいて、上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧以上であるときにアラーム信号を発生して出力するアラーム信号発生手段とを備え、
上記アラーム信号発生手段は、上記検出信号に基づいて、上記検出された温度が上記標準温度域上限温度より高い所定の上限充電温度以上又は上記標準温度域下限温度より低い所定の下限充電温度以下であるか否かを判断し、上記検出された温度が上記上限充電温度以上又は上記下限充電温度以下であるときは、上記二次電池の電圧に関わらず上記アラーム信号を発生し、
上記アラーム信号発生手段は、
上記検出された温度が上記下限充電温度より高くかつ上記上限充電温度未満であり、かつ上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧以上であるときは、所定の第１のレベルを有するアラーム信号を発生し、
上記検出された温度が上記下限充電温度より高くかつ上記上限充電温度未満であり、かつ上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧未満であるときは、所定の第２のレベルを有するアラーム信号を発生し、
上記検出された温度が上記上限充電温度以上又は上記下限充電温度以下であるときは、上記二次電池の電圧に関わらずパルス信号のアラーム信号を発生することを特徴とする二次電池の保護回路。
二次電池の温度を検出して当該検出結果を示す検出信号を出力する温度検出手段と、
上記検出信号に基づいて、上記検出された温度が所定の標準温度域上限温度以上であるか否かを判断し、上記検出された温度が上記標準温度域上限温度未満であるときは所定の第１の過充電アラーム電圧を選択する一方、上記標準温度域上限温度以上であるときは上記第１の過充電アラーム電圧より小さい所定の第２の過充電アラーム電圧を選択し、上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧以上であるか否かを示す出力信号を出力する過充電アラーム判定手段と、
上記過充電アラーム判定手段からの出力信号に基づいて、上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧以上であるときにアラーム信号を発生して出力するアラーム信号発生手段とを備え、
上記アラーム信号発生手段は、上記検出信号に基づいて、上記検出された温度が上記標準温度域上限温度より高い所定の上限充電温度以上又は上記標準温度域下限温度より低い所定の下限充電温度以下であるか否かを判断し、上記検出された温度が上記上限充電温度以上又は上記下限充電温度以下であるときは、上記二次電池の電圧に関わらず上記アラーム信号を発生し、
上記アラーム信号発生手段は、
上記検出された温度が上記下限充電温度より高くかつ上記上限充電温度未満であり、かつ上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧以上であるときは、所定の第１のレベルを有するアラーム信号を発生し、
上記検出された温度が上記下限充電温度より高くかつ上記上限充電温度未満であり、かつ上記二次電池の電圧が上記選択された過充電アラーム電圧未満であるときは、所定の第２のレベルを有するアラーム信号を発生し、
上記検出された温度が上記上限充電温度以上又は上記下限充電温度以下であるときは、上記二次電池の電圧に関わらず所定の第３のレベルを有するアラーム信号を発生することを特徴とする二次電池の保護回路。
上記アラーム信号を１つの端子を介して出力することを特徴とする請求項１又は２記載の二次電池の保護回路。
上記過充電アラーム判定手段はさらに、上記検出信号に基づいて、上記検出された温度が所定の標準温度域下限温度以下であるか否かを判断し、上記検出された温度が上記標準温度域下限温度より高いときは上記第１の過充電アラーム電圧を選択する一方、上記標準温度域下限温度以下であるときは上記第１の過充電アラーム電圧より小さい所定の第３の過充電アラーム電圧を選択することを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の二次電池の保護回路。
上記二次電池の電圧が所定の過充電検出電圧以上であるか否かを検出する過充電検出手段と、
上記二次電池の充電電流が所定の第１の電流値以上であるか否かを検出する充電過電流検出手段と、
上記二次電池の電圧が上記過充電検出電圧以上であること、及び上記二次電池の充電電流が上記第１の電流値以上であることのうちの少なくとも一方であるときに、上記二次電池の充電経路を遮断するように制御するための第１の制御信号を発生する第１の信号発生手段と、
上記二次電池の電圧が所定の過放電検出電圧以下であるか否かを検出する過放電検出手段と、
上記二次電池の放電電流が所定の第２の電流値以上であるか否かを検出する放電過電流検出手段と、
上記二次電池の電圧が上記過放電検出電圧以下であること、及び上記二次電池の放電電流が上記第２の電流値以上であることのうちの少なくとも一方であるときに、上記二次電池の放電経路を遮断するように制御するための第２の制御信号を発生する第２の信号発生手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の二次電池の保護回路。
二次電池と、
請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の二次電池の保護回路とを備えたことを特徴とするバッテリーパック。
請求項６記載のバッテリーパックを備えたことを特徴とする電子機器。