TW202526348A - 電壓檢測電路、充放電控制裝置及蓄電池裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種即使產生單元失衡檢測精度也不會降低的電壓檢測電路（101），具有：洩漏電阻電路（BR），將電池電壓分壓為分壓電壓（VD1）、分壓電壓（VD2）；比較器（C2），接收分壓電壓（VD1）及基準電壓，輸出表示通常或過充電的信號；開關（M3），與電阻部（R2）並聯連接，在過充電下導通；比較器（C1），接收分壓電壓（VD2）及基準電壓，輸出表示通常或低電壓的信號；開關（M1），連接於電阻部（R3）的高電壓側-比較器（C1）的輸入部間，在低電壓下導通；以及開關（M2），連接於電阻部（R3）的低電壓側-比較器（C1）的輸入部間，在低電壓下關斷。本發明更提供一種充放電控制電路及蓄電池裝置。

Description

電壓檢測電路、充放電控制裝置及蓄電池裝置

本發明是有關於一種電壓檢測電路、充放電控制裝置及蓄電池裝置

鋰離子電池等二次電池例如作為移動設備、電動工具、輸送設備等的電源而在廣泛的領域中利用。在所需的電壓高的設備中利用串聯連接了多個電池單元的蓄電池組。為了安全地使用所述蓄電池組，將監視各電池單元的過充電及過放電（低電壓）的保護電路連接於蓄電池組，以免因電池單元的個體差而導致失衡。

為了對過充電等進行檢測，所述保護電路大多具有將分壓後的電池電壓與基準電壓加以比較的比較器。在此種情況下，檢測電壓具有與解除電壓不同的「滯後」，以免在電池電壓波動時動作變得不穩定。 例如，提出了一種可使過充電檢測及過放電檢測具有滯後而在過充放電時取得各個電池單元的平衡的過充電及過放電防止電路（參照專利文獻1）。 [現有技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開平5-49181號公報

[發明所要解決的問題]

在本發明的一個方面中，目的在於提供一種可實現小型化、且可使過充電檢測及過放電檢測具有滯後、並且即使產生單元失衡過充電檢測精度也不會降低的電壓檢測電路。 [解決問題的技術手段]

本發明的一實施形態中的電壓檢測電路為了一併對多個電池單元進行充放電控制而對各自的電池電壓進行檢測， 所述電壓檢測電路具有： 洩漏電阻電路，串聯連接有多個電阻部，將所述電池電壓分壓為第一分壓電壓及第二分壓電壓； 過充電檢測用比較器，被輸入所述洩漏電阻電路的所述第一分壓電壓及基準電壓，輸出表示通常狀態或過充電狀態的輸出信號； 過充電開關，與所述洩漏電阻電路中的第一電阻部並聯連接，在所述通常狀態下為關斷，在所述過充電狀態下為導通； 低電壓檢測用比較器，被輸入所述洩漏電阻電路的所述第二分壓電壓及所述基準電壓，輸出表示所述通常狀態或低電壓狀態的輸出信號； 第一低電壓開關，連接於所述洩漏電阻電路中的第二電阻部的高電壓側與所述低電壓檢測用比較器的輸入有所述第一分壓電壓的輸入部之間，在所述通常狀態下為關斷，在所述低電壓狀態下為導通；以及 第二低電壓開關，連接於所述洩漏電阻電路中的所述第二電阻部的低電壓側與所述低電壓檢測用比較器的所述輸入部之間，在所述通常狀態下為導通，在所述低電壓狀態下為關斷， 所述電壓檢測電路對應於所述電池單元的每一個分別並聯連接，多個所述洩漏電阻電路串聯連接。 [發明的效果]

根據本發明的一個方面，可提供一種可實現小型化、且可使過充電檢測及過放電檢測具有滯後、並且即使產生單元失衡過充電檢測精度也不會降低的電壓檢測電路。

本發明基於以下見解：在專利文獻1中記載的電路結構中，若要使過充電及過放電的檢測具有滯後，則分別需要各兩個開關，因此作為所述開關的電晶體數量增多，其佈線變得複雜，難以小型化。 當為了小型化而設為如圖3所示那樣的在過充電及過放電的檢測中設有各一個開關的簡易的電路結構時，詳細情況將在之後敘述，有時因單元失衡而導致過充電檢測電壓發生變化、過充電的檢測精度降低。特別是在稱為「二次保護」的保護電路中，重要的是在過充電下切斷電路，即使利用其他各部來提高檢測精度，也會因單元失衡而導致過充電檢測精度降低，並非萬無一失。 因此，在本發明的一實施形態中，設為可實現小型化、且可使過充電檢測及過放電檢測具有滯後、並且即使產生單元失衡過充電檢測精度也不會降低的電路結構。

以下，參照圖式對本發明的一實施形態進行詳細說明。 此外，在圖式中，有時對同一結構部分標注同一符號，並省略重複的說明。

圖1是表示本發明的一實施形態中的蓄電池裝置及充放電控制電路的電路圖。 蓄電池裝置1是可安全地使用串聯連接的鋰離子電池的電池單元的電源裝置，且具有可停止充電的稱為「二次保護」的保護集成電路（Integrated Circuit，IC）。所述蓄電池裝置1具有作為所述保護IC的充放電控制裝置10、串聯連接有四個電池單元21～24的蓄電池組20、自控保護器（Self Control Protecter，SCP）30、充電控制場效應電晶體（Field Effect Transistor，FET）40、外部端子EB+以及外部端子EB-。 在對蓄電池裝置1充電時，在外部端子EB+與外部端子EB-之間連接有充電裝置。另外，在使用蓄電池裝置1時，在外部端子EB+與外部端子EB-之間連接有負載裝置。

充放電控制裝置10分別對蓄電池組20的電池單元21～電池單元24的電池電壓進行檢測，並根據檢測出的電池電壓對充放電進行控制。 若電池單元21～電池單元24中的任一個成為過充電狀態，則充放電控制裝置10進行停止對蓄電池組20充電的控制。另外，若電池單元21～電池單元24中的任一個成為低電壓狀態（過放電狀態），則充放電控制裝置10進行停止其他功能而停止來自蓄電池組20的放電的控制。

此處，所謂「過充電狀態」是指電池單元21～電池單元24中的任一個的電池電壓超過規定的過充電檢測電壓，電池電壓超過過充電檢測電壓的時間超過規定的時間的狀態。另外，在規定的時間內電池電壓下降至過充電解除電壓以下的情況下，返回至「通常狀態」。進而，使過充電解除電壓低於過充電檢測電壓而設置「過充電滯後電壓」（=過充電檢測電壓-過充電解除電壓）來使動作穩定，以免在電池電壓在過充電檢測電壓附近波動時動作變得不穩定。具體而言，設定成過充電檢測電壓為4.6 V、過充電解除電壓為4.3 V等。

所謂「低電壓狀態」是指電池單元21～電池單元24中的任一個的電池電壓下降至規定的低電壓檢測電壓以下，電池電壓低於低電壓檢測電壓的時間持續規定的時間以上的狀態。另外，在規定的時間內電池電壓上升至恢復電壓以上的情況下，返回至「通常狀態」。進而，使恢復電壓高於低電壓檢測電壓而設置「低電壓滯後電壓」（=恢復電壓-低電壓檢測電壓）來使動作穩定，以免在電池電壓在低電壓檢測電壓附近波動時動作變得不穩定。具體而言，設定成低電壓檢測電壓為2.5 V、恢復電壓為2.7 V等。

所謂「通常狀態」是指電池單元21～電池單元24的全部電池電壓為過充電檢測電壓以下且低電壓檢測電壓以上的狀態。

另外，作為其他功能，並無特別限制，可根據目的適宜選擇。例如，在負載裝置為筆記本式計算機，且充放電控制裝置10包括向其外置電路的實時時鐘電路供給恆定電壓的恆定電壓電路那樣的情況下，恆定電壓電路相當於其他功能。

充放電控制裝置10包括電壓檢測部100、控制部110、電源端子VDD、接地端子VSS、輸入部VC1～輸入部VC4、以及輸出端子CO。在充放電控制裝置10的電源端子VDD、輸入部VC1～輸入部VC4及接地端子VSS連接有蓄電池組20的電池單元21～電池單元24，以可分別檢測電池單元21～電池單元24的電池電壓的方式連接。

蓄電池組20的正極側連接於外部端子EB+，負極側連接於外部端子EB-。在外部端子EB+與蓄電池組20的正極側之間連接有作為用於切斷充電時的充電路徑的保險絲電路的SCP 30。SCP 30的端子T1與蓄電池組20連接，SCP 30的端子T2與外部端子EB+連接。

SCP 30在端子T1與端子T2之間串聯連接有保險絲31、保險絲32，且在保險絲31、保險絲32的連接部與端子T3之間連接有電阻元件33。 當成為過電流狀態時，保險絲31、保險絲32熔斷而切斷電路。另外，當成為過充電狀態時，充電控制FET 40導通，承擔加熱器的作用的電阻元件33通電，保險絲31、保險絲32因從電阻元件33產生的熱而熔斷，從而切斷電路。 此外，在本實施方式中，電阻元件33設為單個，但也可為多個。

充電控制FET 40的柵極端子連接於充放電控制裝置10的輸出端子CO。充電控制FET 40基於來自充放電控制裝置10的控制信號進行導通/關斷，在通常狀態下為關斷，在過充電狀態下為導通。

因此，作為充放電控制裝置10的動作，預先在通常狀態下使充電控制FET 40關斷，當在充電時成為過充電狀態時，使充電控制FET 40導通而使電阻元件33通電，利用所述熱熔斷保險絲31、保險絲32而停止充電。另外，當成為低電壓狀態時，充放電控制裝置10停止其他功能而停止來自蓄電池組20的放電。

接著，對所述充放電控制裝置10的電壓檢測部100及控制部110進行詳細說明。 為了分別對電池單元21～電池單元24的電池電壓進行檢測，電壓檢測部100包括連接於各電池單元的正極側及負極側的電壓檢測電路101～電壓檢測電路104。

電壓檢測電路101～電壓檢測電路104均同樣地形成，因此以下對電壓檢測電路101進行說明，省略電壓檢測電路102～電壓檢測電路104的說明。

圖2是表示本發明的一實施形態中的電壓檢測電路的電路圖。 如圖2所示，電壓檢測電路101包括洩漏電阻電路BR、基準電壓源VR、低電壓檢測用比較器C1、低電壓開關M1、低電壓開關M2、過充電檢測用比較器C2以及過充電開關M3。

洩漏電阻電路BR為分壓電路，且以多個電阻部R1、R2、R3、R4、R5的順序從電池單元21的正極串聯連接至負極。 此外，各電阻部可由單個電阻元件形成，也可由多個電阻元件形成。另外，在各電阻部也可包括保險絲元件以能夠調整電阻值，大多通過利用所述保險絲元件的修整來提高檢測精度。

所述洩漏電阻電路BR將電池單元21的電池電壓分壓為分壓電壓VD1（第一分壓電壓）、分壓電壓VD2（第二分壓電壓）及分壓電壓VD3。 分壓電壓VD1從電阻部R2、電阻部R3的連接部輸出，經由低電壓開關M1而輸入至低電壓檢測用比較器C1的第一輸入部。 分壓電壓VD2從電阻部R3、電阻部R4的連接部輸出，經由低電壓開關M2而輸入至低電壓檢測用比較器C1的第一輸入部。 分壓電壓VD3從電阻部R4、電阻部R5的連接部輸出，並輸入至過充電檢測用比較器C2的第一輸入部。

基準電壓源VR將所產生的基準電壓VREF分別輸出至低電壓檢測用比較器C1的第二輸入部及過充電檢測用比較器C2的第二輸入部。

低電壓檢測用比較器C1向第一輸入部輸入分壓電壓VD1或分壓電壓VD2，向第二輸入部輸入基準電壓VREF。於是，低電壓檢測用比較器C1對任一個分壓電壓與基準電壓VREF進行比較，將與其結果對應的H電平或L電平的輸出信號輸出至控制部110，由此對電池單元21的低電壓進行檢測。

低電壓開關M1、低電壓開關M2可產生「低電壓滯後電壓」，且即使任一個電池單元成為低電壓狀態也不會使過充電檢測精度降低。 首先對低電壓開關M1、低電壓開關M2產生「低電壓滯後電壓」的情況進行說明。

低電壓開關M1為電晶體，且連接於洩漏電阻電路BR中的作為第二電阻部的電阻部R3的高電壓側與低電壓檢測用比較器C1的第一輸入部之間。低電壓開關M1的柵極端子連接於控制部110，根據來自控制部110的控制信號，在通常狀態下為關斷，在低電壓狀態下為導通。

低電壓開關M2為電晶體，且連接於洩漏電阻電路BR中的電阻部R3的低電壓側與低電壓檢測用比較器C1的第一輸入部之間。低電壓開關M2的柵極端子連接於控制部110，根據來自控制部110的控制信號，在通常狀態下為導通，在低電壓狀態下為關斷。

因此，通過低電壓開關M1、低電壓開關M2的通斷，在低電壓狀態下向低電壓檢測用比較器C1的第一輸入部輸入分壓電壓VD1，在通常狀態下輸入分壓電壓VD2，因此產生「低電壓滯後電壓」。

過充電檢測用比較器C2對輸入至第一輸入部的分壓電壓VD3與輸入至第二輸入部的基準電壓VREF進行比較，將與其結果對應的H電平或L電平的輸出信號輸出至控制部110，由此對電池單元21的過充電進行檢測。

過充電開關M3為電晶體，且與作為第一電阻部的電阻部R2並聯連接。過充電開關M3的柵極端子連接於控制部110，根據來自控制部110的控制信號，在通常狀態下為關斷，在過充電狀態下為導通。 因此，通過過充電開關M3的通斷，在通常狀態下在電阻部R2發生電壓下降，在過充電狀態下不發生電壓下降，因此產生「過充電滯後電壓」。由此，可利用一個開關產生「過充電滯後電壓」，可不引導複雜的佈線而實現小型化。

另外，在電壓檢測部100整體中，如圖1所示，洩漏電阻電路BR分別設置於電池單元21～電池單元24，四個洩漏電阻電路串聯連接。

控制部110基於電壓檢測電路101～電壓檢測電路104中的任一個的輸出信號，輸出一併使所有的電壓檢測電路101～104中的充電控制FET 40、低電壓開關M1、低電壓開關M2及過充電開關M3導通/關斷的控制信號。

具體而言，若電池單元21～電池單元24全部為通常狀態，則控制部110針對所有的電壓檢測電路101～電壓檢測電路104，將低電壓開關M1設為關斷，將低電壓開關M2設為導通，將過充電開關M3設為關斷。 另外，若電池單元21～電池單元24中的任一個為低電壓狀態，則控制部110針對所有的電壓檢測電路101～電壓檢測電路104，將低電壓開關M1設為導通，將低電壓開關M2設為關斷，將過充電開關M3設為關斷。 進而，若電池單元21～電池單元24中的任一個為過充電狀態，則控制部110針對所有的電壓檢測電路101～電壓檢測電路104，將低電壓開關M1設為導通，將低電壓開關M2設為關斷，將過充電開關M3設為導通。

並且，例如，考慮發生了電池單元21～電池單元23為通常狀態，僅電池單元24從通常狀態成為低電壓狀態的「單元失衡」的情況。在此情況下，為了對低電壓狀態進行控制，控制部110針對所有的電壓檢測電路101～電壓檢測電路104，將低電壓開關M1設為導通，將低電壓開關M2設為關斷，將過充電開關M3維持關斷。 即使在發生了此種單元失衡的情況下，電壓檢測電路101～電壓檢測電路104的過充電檢測電壓VCU（其為標準值，故在圖中未顯示）在通常狀態與低電壓狀態下也為相同的值。 具體而言，若將電阻部R1、電阻部R2、電阻部R3、電阻部R4、電阻部R5的電阻值分別依序設為r1、r2、r3、r4、r5，則如以下所述。

在通常狀態下，低電壓開關M1為關斷，低電壓開關M2為導通，過充電開關M3為關斷，因此過充電檢測電壓VCU成為下述式（1）。 VCU=（（r1+r2+r3+r4+r5）/r5）×VREF ・・・（1）

在低電壓狀態下，低電壓開關M1為導通，低電壓開關M2為關斷，過充電開關M3為關斷，因此過充電檢測電壓VCU成為下述式（2）。 VCU=（（r1+r2+r3+r4+r5）/r5）×VREF ・・・（2）

因此，如所述式（1）及式（2）所示，即使在發生了單元失衡的情況下，本發明的一實施方式中的過充電檢測電壓VCU在通常狀態與低電壓狀態下也不會發生變化，因此過充電檢測精度不會降低。即，一個電池單元成為低電壓狀態且其他電池單元成為過充電狀態這一情況可能很少發生，但蓄電池裝置1可通過包括電壓檢測電路101～電壓檢測電路104的充放電控制裝置10，在過充電狀態下準確地切斷電路。

以下，為了與本發明的一實施方式進行比較，對以前的電壓檢測電路進行說明。

圖3是表示以前的電壓檢測電路的電路圖。 如圖3所示，以前的電壓檢測電路在作為本發明的一實施方式的電壓檢測電路101中代替低電壓開關M1、低電壓開關M2而將低電壓開關M4與電阻部R3並聯連接，除此之外，與電壓檢測電路101相同。 所述低電壓開關M4為電晶體，通過在通常狀態下為關斷，在低電壓狀態下為導通而產生「低電壓滯後電壓」。

此種以前的電壓檢測電路中，因單元失衡而導致過充電檢測電壓VCU在通常狀態與低電壓狀態下發生變化。具體而言，如以下所述。

在通常狀態下，過充電開關M3為關斷，低電壓開關M4為導通，因此過充電檢測電壓VCU成為下述式（3）。 VCU=（（r1+r2+r4+r5）/r5）×VREF ・・・（3）

在低電壓狀態下，過充電開關M3為關斷，低電壓開關M4為關斷，因此過充電檢測電壓VCU成為下述式（4）。 VCU=（（r1+r2+r3+r4+r5）/r5）×VREF ・・・（4）

因此，如所述式（3）及式（4）所示，在發生了單元失衡的情況下，以前的電壓檢測電路中的過充電檢測電壓VCU在通常狀態與低電壓狀態下發生變化，過充電檢測精度降低。特別是在稱為「二級保護」的充放電控制裝置中，重要的是在過充電狀態下切斷電路，即使如上所述那樣通過利用保險絲元件進行修整來提高檢測精度，也會因單元失衡而導致過充電檢測精度降低，並非萬無一失。

因此，在本發明的一實施方式中，通過如圖2那樣配置低電壓開關M1、低電壓開關M2來代替低電壓開關M4，不使過充電檢測電壓在通常狀態與低電壓狀態下發生變化，即使發生了單元失衡過充電檢測精度也不會降低。

如以上所說明那樣，本發明的一實施形態中的電壓檢測電路是為了一併對多個電池單元進行充放電控制而對各自的電池電壓進行檢測的電路。所述電壓檢測電路具有洩漏電阻電路，所述洩漏電阻電路串聯連接有多個電阻部，將電池電壓分壓為第一分壓電壓及第二分壓電壓。另外，所述電壓檢測電路還具有：過充電檢測用比較器，被輸入第一分壓電壓及基準電壓，輸出表示通常狀態或過充電狀態的信號；以及過充電開關，與第一電阻部並聯連接，在通常狀態下為關斷，在過充電狀態下為導通。進而，所述電壓檢測電路還具有低電壓檢測用比較器，所述低電壓檢測用比較器被輸入第二分壓電壓及基準電壓，輸出表示通常狀態或低電壓狀態的信號。再者，所述電壓檢測電路還具有：第一低電壓開關，連接於第二電阻部的高電壓側與低電壓檢測用比較器的輸入部之間，在通常狀態下為關斷，在低電壓狀態下為導通；以及第二低電壓開關，連接於第二電阻部的低電壓側與低電壓檢測用比較器的輸入部之間，在通常狀態下為導通，在低電壓狀態下為關斷。並且，所述電壓檢測電路與多個電池單元分別並聯連接，串聯連接有多個洩漏電阻電路。 由此，所述電壓檢測電路可實現小型化，且可使過充電檢測及過放電檢測具有滯後，並且即使發生單元失衡過充電檢測精度也不會降低。

在本實施方式中，以鋰離子電池的二次保護為例進行了說明，但並不限於此，只要為使用對電壓進行檢測的電路的裝置則可應用。 此外，為了基於來自各比較器的輸出信號，對蓄電池組的充放電進行控制，控制部也可包括延遲電路、振盪電路等各種電路。 另外，在所述實施方式中，將洩漏電阻電路的電阻部設為五個，但並不限於此，只要至少具有第一電阻部及第二電阻部即可。 進而，在所述實施方式中，將多個電池單元設為四個，但並不限於此，只要為多個即可。 再者，各種開關在圖式中記載為N型金屬氧化物半導體（N type Metal Oxide Semiconductor，NMOS）電晶體，但並不限於此，只要為具有通斷功能的元件即可。例如，考慮到半導體基板的導電型、基板偏置效應等，各種開關可設為P型金屬氧化物半導體（P type Metal Oxide Semiconductor，PMOS）電晶體，也可設為接合型FET。

1:蓄電池裝置 10:充放電控制裝置 20:蓄電池組 21、22、23、24:電池單元 30:SCP 31、32:保險絲 33:電阻元件 40:充電控制FET 100:電壓檢測部 101、102、103、104:電壓檢測電路 110:控制部 BR:洩漏電阻電路 C1:低電壓檢測用比較器 C2:過充電檢測用比較器 CO:輸出端子 EB+、EB-:外部端子 M1:低電壓開關（第一低電壓開關） M2:低電壓開關（第二低電壓開關） M3:過充電開關 R1、R4、R5:電阻部 R2:電阻部（第一電阻部） R3:電阻部（第二電阻部） T1、T2、T3:端子 VC1、VC2、VC3、VC4:輸入部 VD1、VD2、VD3:分壓電壓 VDD:電源端子 VR:基準電壓源 VSS:接地端子

圖1是表示本發明的一實施形態中的蓄電池裝置及充放電控制電路的電路圖。 圖2是表示本發明的一實施形態中的電壓檢測電路的電路圖。 圖3是表示以前的電壓檢測電路的電路圖。

101:電壓檢測電路

BR:洩漏電阻電路

C1:低電壓檢測用比較器

C2:過充電檢測用比較器

M1:低電壓開關(第一低電壓開關)

M2:低電壓開關(第二低電壓開關)

M3:過充電開關

R1、R4、R5:電阻部

R2:電阻部(第一電阻部)

R3:電阻部(第二電阻部)

VC1、VC2:輸入部

VD1、VD2、VD3:分壓電壓

VR:基準電壓源

Claims (3)

1. 一種電壓檢測電路，為了一併對多個電池單元進行充放電控制而對各自的電池電壓進行檢測，所述電壓檢測電路具有： 洩漏電阻電路，串聯連接有多個電阻部，將所述電池電壓分壓為第一分壓電壓及第二分壓電壓； 過充電檢測用比較器，被輸入所述洩漏電阻電路的所述第一分壓電壓及基準電壓，輸出表示通常狀態或過充電狀態的輸出信號； 過充電開關，與所述洩漏電阻電路中的第一電阻部並聯連接，在所述通常狀態下為關斷，在所述過充電狀態下為導通； 低電壓檢測用比較器，被輸入所述洩漏電阻電路的所述第二分壓電壓及所述基準電壓，輸出表示所述通常狀態或低電壓狀態的輸出信號； 第一低電壓開關，連接於所述洩漏電阻電路中的第二電阻部的高電壓側與所述低電壓檢測用比較器的輸入有所述第一分壓電壓的輸入部之間，在所述通常狀態下為關斷，在所述低電壓狀態下為導通；以及 第二低電壓開關，連接於所述洩漏電阻電路中的所述第二電阻部的低電壓側與所述低電壓檢測用比較器的所述輸入部之間，在所述通常狀態下為導通，在所述低電壓狀態下為關斷， 所述電壓檢測電路對應於所述電池單元的每一個分別並聯連接，多個所述洩漏電阻電路串聯連接。
2. 一種充放電控制電路，具有： 根據請求項1所述的電壓檢測電路，與所述多個電池單元分別並聯連接；以及 控制部，一併對多個所述電壓檢測電路進行控制， 所述控制部基於所述過充電檢測用比較器的輸出信號及所述低電壓檢測用比較器的輸出信號，分別對所述過充電開關、所述第一低電壓開關及所述第二低電壓開關進行控制。
3. 一種蓄電池裝置，具有： 根據請求項2所述的充放電控制電路； 蓄電池組，搭載有串聯連接的所述多個電池單元；以及 充電控制場效應電晶體，在外部端子對之間與所述蓄電池組並聯連接。