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JP5502335B2 - バッテリ状態監視回路及びバッテリ装置 - Google Patents

バッテリ状態監視回路及びバッテリ装置 Download PDF

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Description

本発明は、バッテリの状態を監視するバッテリ状態監視回路、及び、バッテリ状態監視回路を複数個搭載するバッテリ装置に関する。
図2に、従来のバッテリ状態監視回路を備えたバッテリ装置の回路図を示す。
バッテリ装置は、直列接続されたn個のバッテリBT1〜BTnと、各バッテリBT1〜BTn毎に並列接続されたn個のスイッチ(セルバランス用スイッチ回路)SW1〜SWnと、各バッテリBT1〜BTnに対応して個別に設けられたn個のバッテリ状態監視回路BMF1〜BMFnと、第1トランジスタ(充電用pチャネル型トランジスタ)10と、第2トランジスタ(放電用pチャネル型トランジスタ)11と、第1抵抗素子(第1バイアス用抵抗素子)20と、第2抵抗素子(第2バイアス用抵抗素子)21と、過電流検出回路Xと、第1外部端子30及び第2外部端子31と、を備えている。
バッテリ状態監視回路BMF1は、過充電検出回路A1、第1NOR回路B1、第1出力トランジスタC1、第1インバータD1、第2インバータE1、第1電流源F1、過放電検出回路G1、第2NOR回路H1、第2出力トランジスタI1、第3インバータJ1、第4インバータK1、第2電流源L1、セルバランス回路M1、過放電セルバランス回路XC1、第1OR回路XD1、第1電圧監視端子PA1、第2電圧監視端子PB1、第1送信端子PC1、第2送信端子PD1、第1受信端子PE1、第2受信端子PF1及び制御端子PG1を備えている。また、このような構成要素を備えるバッテリ状態監視回路BMF1は、1チップのIC(半導体装置)として構成されている。なお、上記の構成要素において、第1NOR回路B1、第1出力トランジスタC1、第1インバータD1、第2インバータE1、第1電流源F1は、過充電情報通信回路を構成しており、第2NOR回路H1、第2出力トランジスタI1、第3インバータJ1、第4インバータK1、第2電流源L1は、過放電情報通信回路を構成している。
過放電セルバランス回路XC1は第5インバータXA1と、第1AND回路XB1で構成されており、第1OR回路XD1は過放電セルバランス回路XC1とセルバランス回路M1の出力を受け、制御信号を制御端子PG1を介してスイッチSW1に出力する。
他のバッテリ状態監視回路BMF2〜BMFnは、バッテリ状態監視回路BMF1と同一の構成要素を備えているので符号のみを変えて図示する。例えば、バッテリ状態監視回路BMF2における過充電検出回路の符号はA2とし、バッテリ状態監視回路BMFnにおける過充電検出回路の符号はAnとする。他の構成要素についても同様である。
バッテリ状態監視回路BMFnは、第1受信端子PEn及び第2受信端子PFnに接続されるべき信号を出力するバッテリ状態監視回路が存在しない。従って、過充電検出信号を受信する第1受信端子PEnはプルダウンされている。
過電流検出回路Xは、第1外部端子30と第2外部端子31の放電経路の間に設けられ、出力端子をバッテリ状態監視回路BMFnの第2受信端子PFnに接続している。過電流検出回路Xは、過電流を電圧によって検出するため、電流を電圧に変換する素子、例えば抵抗素子と、電圧を検出する比較回路などで構成される。
図2に示したバッテリ装置は、第1外部端子30と第2外部端子31との間に負荷または充電器を接続することにより、放電または充電を行う。
通常状態時、つまりバッテリBT1〜BTnの全ての電圧が、過充電電圧未満且つ過放電電圧以上の範囲に含まれている場合において、バッテリ状態監視回路BMF1の過充電検出回路A1は、ローレベルの過充電検出信号を第1NOR回路B1に出力する。
この時、バッテリ状態監視回路BMF2の第1出力トランジスタC2はオンとなっているため(この理由については後述する)、バッテリ状態監視回路BMF1の第2インバータE1の入力端子はローレベルとなり、第1インバータD1からローレベルの出力信号が第1NOR回路B1に出力される。第1NOR回路B1は、ローレベルの過充電検出信号とローレベルの第1インバータD1の出力信号が入力されるため、ハイレベルの否定論理和信号を第1出力トランジスタC1のゲート端子に出力する。これにより、第1出力トランジスタC1はオンとなるため、第1送信端子PC1はローレベルとなり、第1トランジスタ10はオンとなる。
ここで、バッテリ状態監視回路BMF2の第1出力トランジスタC2がオンとなっている理由について説明する。最下段のバッテリ状態監視回路BMFnの第1受信端子PEnはバッテリBTnの負極端子と接続されているため、第2インバータEnの入力端子は常にローレベルとなっている。従って、第1インバータDnは、常にローレベルの出力信号を第1NOR回路Bnに出力し、過充電検出回路Anは、ローレベルの過充電検出信号を第1NOR回路Bnに出力する。これにより、第1NOR回路Bnは、ハイレベルの否定論理和信号を第1出力トランジスタCnのゲート端子に出力し、バッテリ状態監視回路BMFnの第1出力トランジスタCnはオンとなる。
これにより、バッテリ状態監視回路BMFn-1の第2インバータEn-1の入力端子はローレベルとなり、第1インバータDn-1からローレベルの出力信号が第1NOR回路Bn-1に出力される。一方、過充電検出回路An-1は、ローレベルの過充電検出信号を第1NOR回路Bn-1に出力するので、第1NOR回路Bn-1は、ハイレベルの否定論理和信号を第1出力トランジスタCn-1のゲート端子に出力する。これにより、バッテリ状態監視回路BMFn-1の第1出力トランジスタCn-1はオンとなる。
上記のような動作が上段側のバッテリ状態監視回路と下段側のバッテリ状態監視回路とで繰り返され、バッテリ状態監視回路BMF2の第1出力トランジスタC2がオンとなるのである。
また、このような通常状態時において、バッテリ状態監視回路BMF1の過放電検出回路G1は、ローレベルの過放電検出信号を第2NOR回路H1に出力する。この時、バッテリ状態監視回路BMF2の第2出力トランジスタI2もオンとなっているため、バッテリ状態監視回路BMF1の第4インバータK1の入力端子はローレベルとなり、第3インバータJ1からローレベルの出力信号が第2NOR回路H1に出力される。第2NOR回路H1は、ローレベルの過放電検出信号とローレベルの第3インバータJ1の出力信号が入力されるため、ハイレベルの否定論理和信号を第2出力トランジスタI1のゲート端子に出力する。これにより、第2出力トランジスタI1はオンとなるため、第2送信端子PD1はローレベルとなり、第2トランジスタ11はオンとなる。
以上のように通常状態時においては、第1トランジスタ10及び第2トランジスタ11がオンとなるため、バッテリ装置は充電及び放電可能な状態となる。
次に過放電状態時、つまり、第1外部端子30と第2外部端子31との間に負荷が接続されてバッテリBT1〜BTnが放電し、これらバッテリBT1〜BTnの少なくとも1つの電圧が過放電電圧未満となった場合について説明する。なお、以下では、バッテリBT1の電圧が過放電電圧より高く、かつバッテリBT2の電圧が過放電電圧未満となった場合を想定して以下に説明する。
この場合、バッテリ状態監視回路BMF2の過放電検出回路G2は、ハイレベルの過放電検出信号を第2NOR回路H2に出力する。そして第2NOR回路H2は、ローレベルの否定論理和信号を第2出力トランジスタI2のゲート端子に出力する。これにより、第2出力トランジスタI2はオフとなる。
第4インバータK1の入力端子は、第2電流源L1によってハイレベルにプルアップされ、第3インバータJ1からハイレベルの出力信号が第2NOR回路H1に出力される。そして第2NOR回路H1は、ローレベルの否定論理和信号を第2出力トランジスタI1のゲート端子に出力する。これにより、第2出力トランジスタI1はオフとなる。
上記のように第2出力トランジスタI1がオフになると、第2トランジスタ11のゲートは第2抵抗素子21によってハイレベルとなり、第2トランジスタ11はオフとなるので、負荷への放電が禁止されることになる。
また、バッテリBT1の電圧が過放電電圧より高いので、過放電検出回路G1はローレベルの信号を出力している。従って、第1AND回路XB1は、第5インバータXA1からのハイレベルの信号と第3インバータJ1からのハイレベルの信号を入力されるので、ハイレベルの信号、すなわち過放電セルバランス信号を第1OR回路XD1へ出力する。
この場合、過放電セルバランス信号を受けることで第1OR回路XD1は制御端子PG1を通じてスイッチSW1をオンし、バッテリBT1はスイッチSW1を介して放電する。放電が進み、バッテリBT1の電圧が過放電電圧に達すると過放電検出回路G1からハイレベルの過放電検出信号が出力され、その結果第1OR回路XD1は制御端子PG1を通じてスイッチSW1をオフして放電が停止する。
上記のような動作によって、バッテリBT1とバッテリBT2は、いずれも過放電電圧近傍の電圧となる。このようにセルバランスをとることによって、バッテリ装置の稼働時間を長くすることができる。
過電流検出回路Xは、バッテリ装置の第1外部端子30と第2外部端子31の間に接続された負荷に過大な放電電流(以降「過電流」と呼ぶ)が流れていることを検出する。過電流検出回路Xは、過電流を検出していない状態では第2受信端子PFnをローレベルにプルダウンしている。過電流が発生すると、過電流検出回路Xは第2受信端子PFnのプルダウンを停止することで過電流検出情報をバッテリ状態監視回路BMFnへ伝達する。すると、第2電流源Lnが第4インバータKnの入力をプルアップするので、バッテリ状態監視回路BMFnの過放電情報通信回路を介して次段のバッテリ状態監視回路BMFn-1へ信号が伝達され、最終的にはバッテリ状態監視回路BMF1が負荷への放電を禁止する。
特願2007−178834
しかしながら図2の例では、過電流の検出によって負荷への放電が禁止された場合、同時に各バッテリのセルバランス用スイッチ回路SW1〜SWnがオンされることで各バッテリの放電が進行してしまうという問題がある。
すなわち、各バッテリ状態監視回路が第2受信端子PF1〜PFnを介して信号を受けると、それが過放電検出に由来する信号なのか、過電流検出に由来する信号なのか、各バッテリ状態監視回路は識別をすることができない。従って、たとえ過電流検出により放電を停止したい場合であっても、各バッテリ状態監視回路はいずれかのバッテリ状態監視回路が過放電検出したとみなして過放電セルバランス信号を出力し、セルバランス用スイッチ回路をオンさせてしまう。これでは過電流を検出した後にすべてのバッテリの電圧が過放電電圧まで低下してしまい、バッテリ装置を再度充電して電圧を復帰させるまで使用できなくなり、著しく使い勝手が悪化する。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、過電流検出機能を追加しても使い勝手の良いバッテリ状態監視回路及びバッテリ装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明のバッテリ状態監視回路は、直列接続された複数のバッテリの各々に対応して設けられたバッテリ状態監視回路であって、過充電検出信号を出力する過充電検出回路と、過放電検出信号を出力する過放電検出回路と、過放電セルバランス回路と、第1受信端子を介して受信した過充電信号を第1送信端子から外部に送信する過充電情報通信回路と、第2受信端子を介して受信した過放電信号を第2送信端子から外部に送信する過放電情報通信回路と、を備え、過放電セルバランス回路は、過放電検出信号が過放電検出否状態で、過放電信号が過放電状態で、過充電信号が過充電状態否のときに、セルバランス信号を出力することを特徴とする。
本発明によれば、バッテリ状態監視回路に端子を追加することなく、過電流検出回路により放電過電流が検出された場合に、過放電セルバランスを機能させずに放電を禁止することが可能となる。
本発明の実施形態に係るバッテリ装置の回路図である。 従来のバッテリ装置の回路図である。
図1は、本発明の実施形態に係るバッテリ装置の回路図である。
本発明の実施形態に係るバッテリ装置は、直列接続されたn個のバッテリBT1〜BTnと、各バッテリBT1〜BTn毎に並列接続されたn個のスイッチ(セルバランス用スイッチ回路)SW1〜SWnと、各バッテリBT1〜BTnに対応して個別に設けられたn個のバッテリ状態監視回路BMF1〜BMFnと、第1トランジスタ(充電用pチャネル型トランジスタ)10と、第2トランジスタ(放電用pチャネル型トランジスタ)11と、第1抵抗素子(第1バイアス用抵抗素子)20と、第2抵抗素子(第2バイアス用抵抗素子)21と、過電流検出回路Xと、第1外部端子30及び第2外部端子31と、を備えている。
バッテリ状態監視回路BMF1は、過充電検出回路A1、第1NOR回路B1、第1出力トランジスタC1、第1インバータD1、第2インバータE1、第1電流源F1、過放電検出回路G1、第2NOR回路H1、第2出力トランジスタI1、第3インバータJ1、第4インバータK1、第2電流源L1、セルバランス回路M1、過放電セルバランス回路XC1、第1OR回路XD1、第1電圧監視端子PA1、第2電圧監視端子PB1、第1送信端子PC1、第2送信端子PD1、第1受信端子PE1、第2受信端子PF1及び制御端子PG1を備えている。また、このような構成要素を備えるバッテリ状態監視回路BMF1は、1チップのIC(半導体装置)として構成されている。なお、上記の構成要素において、第1NOR回路B1、第1出力トランジスタC1、第1インバータD1、第2インバータE1、第1電流源F1は、過充電情報通信回路を構成しており、第2NOR回路H1、第2出力トランジスタI1、第3インバータJ1、第4インバータK1、第2電流源L1は、過放電情報通信回路を構成している。
過放電セルバランス回路XC1は、第5インバータXA1と、第6インバータXE1と、3入力の第2AND回路XF1で構成されている。第2AND回路XF1の入力には、過放電検出回路G1の出力端子が接続され、第3インバータJ1と第4インバータK1を介して第2受信端子PF1が接続され、第6インバータXE1を介して第1受信端子PE1が接続されている。
第1OR回路XD1は過放電セルバランス回路XC1とセルバランス回路M1の出力を受け、制御信号を制御端子PG1を介してスイッチSW1に出力する。
他のバッテリ状態監視回路BMF2〜BMFnは、バッテリ状態監視回路BMF1と同一の構成要素を備えているので符号のみを変えて図示する。例えば、バッテリ状態監視回路BMF2における過充電検出回路の符号はA2とし、バッテリ状態監視回路BMFnにおける過充電検出回路の符号はAnとする。他の構成要素についても同様である。
過電流検出回路Xは、第1外部端子30と第2外部端子31の放電経路の間に設けられ、出力端子をバッテリ状態監視回路BMFnの第1受信端子PEn及び第2受信端子PFnに接続している。過電流検出回路Xは、過電流を電圧によって検出するため、電流を電圧に変換する素子、例えば抵抗素子と、電圧を検出する比較回路などで構成される。
本発明の実施形態に係るバッテリ装置は、第1外部端子30と第2外部端子31との間に負荷または充電器を接続することにより、放電または充電を行う。本発明の実施形態に係るバッテリ装置の過電流検出時以外の動作は、従来のバッテリ装置と同様であるので説明は省略する。
本発明の実施形態に係るバッテリ装置の過電流検出時の動作を説明する。
過電流検出回路Xは、過電流を検出していない状態では第1受信端子PEnおよび第2受信端子PFnをローレベルにプルダウンしている。
過電流検出回路Xは,過電流を検出すると出力端子からハイレベルの電圧を出力する。従って、最端段のバッテリ状態監視回路BNFnの第2受信端子PFnがハイレベルとなることで過電流検出情報、すなわち放電の禁止をバッテリ状態監視回路BNFnへ伝達する。そして、第2電流源Lnが第4インバータKnの入力をプルアップするので、バッテリ状態監視回路BNFnの過放電情報通信回路を介して次段のバッテリ状態監視回路BNFn-1へ信号が伝達され、最終的にはバッテリ状態監視回路BNF1が第2トランジスタ11をオフすることによって、負荷への放電を禁止する。
バッテリBTnの電圧が過放電電圧より高い場合は、過放電検出回路Gnはローレベルの信号を出力している。従って、第2AND回路XFnは、第5インバータXAnからのハイレベルの信号と第3インバータJnからのハイレベルの信号を入力される。
ここで、過電流検出回路Xは最端段のバッテリ状態監視回路BNFnの第1受信端子PEnにも接続されている。すなわち、過電流検出回路Xが第1受信端子PEnの電圧をハイレベルとすることで、第6インバータXEnの出力はローレベルとなり、第2AND回路XFn出力はハイレベルにならない。従って、過電流検出によっても第1OR回路XDnの出力はローレベルを維持し、スイッチSWnはオンすることなく、放電セルバランスは機能しない。
また、バッテリ状態監視回路BNFnの過充電情報通信回路を介して次段のバッテリ状態監視回路BNFn-1へも信号が伝達されるため、同様にしてバッテリ状態監視回路BNFn-1のセルバランス用スイッチSWn-1もオンしない。
このように、図1に示した本発明によれば、過放電セルバランス回路に簡単な回路を追加するだけで、過電流検出時に過放電セルバランスを機能させないことができるため、使い勝手が向上する。
BT1〜BTn…バッテリ
SW1〜SWn…スイッチ
BM1〜BMn…バッテリ状態監視回路
10…第1トランジスタ
11…第2トランジスタ
20…第1抵抗素子
21…第2抵抗素子
30…第1外部端子
31…第2外部端子
1…過充電検出回路
1…第1NOR回路
1…第1出力トランジスタ
1…第1インバータ
1…第2インバータ
1…第1電流源
1…過放電検出回路
1…第2NOR回路
1…第2出力トランジスタ
1…第3インバータ
1…第4インバータ
1…第2電流源
1…セルバランス回路
PA1…第1電圧監視端子
PB1…第2電圧監視端子
PC1…第1送信端子
PD1…第2送信端子
PE1…第1受信端子
PF1…第2受信端子
PG1…制御端子
XC1…過放電セルバランス回路
XD1…第1OR回路
XA1…第5インバータ
XB1…第1AND回路
XE1…第6インバータ
XF1…第2AND回路
X…過電流検出回路

Claims (2)

  1. 1つのバッテリの正極端子との接続に用いられる第1電圧監視端子と、
    前記バッテリの負極端子との接続に用いられる第2電圧監視端子と、
    第1送信端子と、
    第2送信端子と、
    第1受信端子と、
    第2受信端子と、
    制御端子と、
    前記第1電圧監視端子と前記第2電圧監視端子との間の電圧に基づいて、前記バッテリが過充電状態か否かを検出し、当該検出結果を示す過充電検出信号を出力する過充電検出回路と、
    前記第1電圧監視端子と前記第2電圧監視端子との間の電圧に基づいて、前記バッテリが過放電状態か否かを検出し、当該検出結果を示す過放電検出信号を出力する過放電検出回路と、
    前記第1電圧監視端子と前記第2電圧監視端子との間の電圧に基づいて、前記バッテリをセルバランス制御する必要があるか否かを検出し、当該検出結果を示すセルバランス信号を前記制御端子へ出力する過放電セルバランス回路と、
    前記第1受信端子を介して受信した、他のバッテリが過充電状態または過電流状態か否かを示す過充電信号と、前記過充電検出信号との少なくとも一方が過充電状態または過電流状態を示す場合、過充電状態または過電流状態であることを示す過充電信号を前記第1送信端子から外部に送信する過充電情報通信回路と、
    前記第2受信端子を介して受信した、他のバッテリが過放電状態または過電流状態か否かを示す過放電信号と、前記過放電検出信号との少なくとも一方が過放電状態または過電流状態を示す場合、過放電状態または過電流状態であることを示す過放電信号を前記第2送信端子から外部に送信する過放電情報通信回路と、を備え、
    前記過放電セルバランス回路は、前記過放電検出信号と前記過放電信号と前記過充電信号が入力され、前記過放電検出信号が否状態で、前記過放電信号が過放電状態または過電流状態で、前記過充電信号が否状態のときに、前記セルバランス信号を出力することを特徴とするバッテリ状態監視回路。
  2. 第1外部端子及び第2外部端子と、
    直列接続された複数のバッテリと、
    前記複数のバッテリの各々に対応して設けられた請求項1記載のバッテリ状態監視回路と、
    前記複数のバッテリの各々に並列接続され、各バッテリに対応する前記バッテリ状態監視回路の制御端子から出力されるセルバランス信号に応じて2端子間の接続と非接続を切り替えるセルバランス用スイッチ回路と、
    前記第1外部端子と前記複数のバッテリの間に設けられ、前記複数のバッテリの充電の許可または禁止を切り替える充電用スイッチ回路と、
    前記第1外部端子と前記複数のバッテリの間に設けられ、前記複数のバッテリの放電の許可または禁止を切り替える放電用スイッチ回路と、
    前記第2外部端子と前記複数のバッテリの間に設けられ、前記複数のバッテリの放電過電流状態か否かを検出し、当該検出結果を示す過電流検出信号を出力する過電流検出回路と、を備え、
    前記バッテリ状態監視回路の第1電圧監視端子は各々に対応するバッテリの正極端子と接続され、前記第2電圧監視端子は各々に対応するバッテリの負極端子と接続され、前記第1送信端子は隣接する一方のバッテリ状態監視回路の第1受信端子と接続され、第2送信端子は隣接する一方のバッテリ状態監視回路の第2受信端子と接続され、前記第1受信端子は隣接する他方のバッテリ状態監視回路の第1送信端子と接続され、第2受信端子は隣接する他方のバッテリ状態監視回路の第2送信端子と接続されており、
    前記過電流検出回路の出力端子は、前記直列接続された複数のバッテリの内の前記第2外部端子側のバッテリに対応する前記バッテリ状態監視回路の第1受信端子および第2受信端子に接続されていることを特徴とするバッテリ装置。
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