JP6476061B2 - バッテリ装置及びバッテリ装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の充放電を制御する充放電制御装置を備えたバッテリ装置に関する。

図３に、従来のバッテリ装置の回路図を示す。
従来のバッテリ装置は、二次電池１１と、充放電制御装置２４と、外部正極端子２５と、外部負極端子２６を備えている。充放電制御装置２４は、充放電制御回路１４と、抵抗１２、１５と、容量１３と、Ｎｃｈ充放電制御スイッチ２３と、を備えている。充放電制御回路１４は、正極電源端子１８と、負極電源端子１９と、放電制御信号出力端子２０と、充電制御信号出力端子２１と、過電流検出端子２２とを備えている。Ｎｃｈ充放電制御スイッチ２３は、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１６と、Ｎｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１７とで構成されている。

充放電制御回路１４は、正極電源端子１８、負極電源端子１９の間に印加される電圧によって二次電池１１の電圧を監視している。二次電池１１の電圧が過充電検出電圧を上回った場合に、充電制御信号出力端子２１から充電禁止信号を出力し、Ｎｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１７をオフさせ、充電を停止する。これを過充電検出機能と呼ぶ。二次電池１１の電池電圧が過放電検出電圧を下回った場合に、放電制御信号出力端子２０から放電停止信号を出力し、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１６をオフさせ、放電を停止する。これを過放電検出機能と呼ぶ。

また、充放電制御回路１４は、過電流検出端子２２の電圧によってバッテリ装置に流れる電流を監視している。過電流検出端子２２の電圧が放電過電流検出電圧を上回った場合に、放電制御信号出力端子２０から放電停止信号を出力し、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１６をオフさせ、放電を停止する。これを放電過電流検出機能と呼ぶ。過電流検出端子２２の電圧が充電過電流検出電圧を下回った場合に、充電制御信号出力端子２１から充電禁止信号を出力し、Ｎｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１７をオフさせ、充電を停止する。これを充電過電流検出機能と呼ぶ。

現在では、さらに安全なバッテリ装置を提供するため、充放電制御装置を２つ備えたバッテリ装置がよく用いられている。バッテリ装置は、充放電制御装置を２つ設けることで、万が一、第一の充放電制御装置が動作できなかった場合においても、第二の充放電制御装置が動作するため、バッテリ装置の安全性を高めることが出来る。

図４に、安全性を高めたバッテリ装置の回路図を示す。
図４のバッテリ装置は、二次電池１１と、二つの充放電制御装置２４と、外部正極端子２５と、外部負極端子２６を備えている。充放電制御装置を２つ設けることで、万が一、第一の充放電制御装置２４が動作できなかった場合においても、第二の充放電制御装置２４が動作するため、バッテリ装置の安全性を高めることが出来る。

特開２００２−３４１６３号公報

しかしながら図４のような従来の技術では、検出精度の良い過電流検出機能を実現するためには、以下のような課題があった。
過電流検出端子２２は、負極電源端子１９と過電流検出端子２２の間の電圧によってバッテリ装置に流れる電流を監視している。その電圧の精度は、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１６とＮｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１７のオン抵抗の精度によって決定する。一般に、電界効果トランジスタのオン抵抗は製造バラツキが大きい。従って、４つの電界効果トランジスタを選別して、所望のオン抵抗のもののみを使用する必要があり、製造コストが高くなってしまうという課題があった。

従来の課題を解決するために、本発明のバッテリ装置は以下のような構成とした。
第一の充放電制御装置は充放電制御スイッチの両端に発生する電圧で充放電電流を監視し、第二の充放電制御装置は電流センス抵抗の両端に発生する電圧で充放電電流を監視する構成とし、充放電制御スイッチを構成する電界効果トランジスタを所望のオン抵抗値で選別し、第一の充放電制御装置の充放電制御スイッチは所望のオン抵抗値の電界効果トランジスタによって構成し、第二の充放電制御装置の充放電制御スイッチは所望のオン抵抗値以外の電界効果トランジスタによって構成する。

本発明のバッテリ装置によれば、第一の充放電制御装置と第二の充放電制御装置を備えたバッテリ装置であって、充放電制御スイッチを構成する電界効果トランジスタを所望のオン抵抗値で選別し、第一の充放電制御装置は所望のオン抵抗値の電界効果トランジスタを用い、第二の充放電制御装置は精度の良い電流センス抵抗を用いるので、充放電電流の検出精度を向上できる。また、第二の充放電制御装置の電界効果トランジスタは所望のオン抵抗値以外のものを用いるので、製造コストの上昇を抑えことが可能となる。

本実施形態のバッテリ装置の回路図である。 本実施形態のバッテリ装置の他の例を示す回路図である。 充放電制御装置を用いたバッテリ装置の回路図である。 従来の安全性を高めたバッテリ装置の回路図である。

図１は、本実施形態のバッテリ装置の回路図である。
本実施形態のバッテリ装置は、二次電池１１と、第一の充放電制御装置２４と、第二の充放電制御装置４４と、外部正極端子２５及び外部負極端子２６と、を備えている。

第一の充放電制御装置２４は、充放電制御回路１４と、充放電制御スイッチ２３と、抵抗１２及び１５と、容量１３と、を備えている。充放電制御スイッチ２３は、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１６と、Ｎｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１７と、で構成されている。充放電制御回路１４は、正極電源端子１８と、負極電源端子１９と、放電制御信号出力端子２０と、充電制御信号出力端子２１と、過電流検出端子２２と、を備えている。

第二の充放電制御装置４４は、充放電制御回路３４と、充放電制御スイッチ４３と、電流センス抵抗４９、抵抗１２及び１５と、容量１３と、を備えている。充放電制御スイッチ４３は、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ３６と、Ｎｃｈ充電制御電界効果トランジスタ３７と、で構成されている。充放電制御回路３４は、正極電源端子１８と、負極電源端子１９、放電制御信号出力端子２０と、充電制御信号出力端子２１と、過電流検出端子４２と、外部電位入力端子４１、を備えている。

本実施形態のバッテリ装置は、外部正極端子２５及び外部負極端子２６に対して、第二の充放電制御装置４４、第一の充放電制御装置２４、二次電池１１、の順に接続される。即ち、外部正極端子２５、二次電池１１の正極、二次電池１１の負極、充放電制御スイッチ２３、電流センス抵抗４９、充放電制御スイッチ４３、外部負極端子２６の順に接続される。

第一の充放電制御装置２４は、以下のように接続される。
抵抗１２は、一方の端子が二次電池１１の正極に接続され、他方の端子が容量１３の一方の端子及び充放電制御回路１４の正極電源端子１８に接続される。容量１３は、他方の端子が二次電池１１の負極及び充放電制御回路１４の負極電源端子１９に接続される。Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１６は、ソース及びバックゲートが二次電池１１の負極に接続され、ゲートは充放電制御回路１４の放電制御信号出力端子２０に接続され、ドレインはＮｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１７のドレインに接続される。Ｎｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１７は、ゲートが充放電制御回路１４の充電制御信号出力端子２１に接続され、ソース及びバックゲートは抵抗１５の一方の端子に接続される。抵抗１５は、他方の端子は充放電制御回路１４の過電流検出端子２２に接続される。

第二の充放電制御装置４４は、以下のように接続される。
抵抗１２は、一方の端子が二次電池１１の正極に接続され、他方の端子が容量１３の一方の端子及び充放電制御回路３４の正極電源端子１８に接続される。容量１３は、他方の端子は第一の充放電制御装置２４の抵抗１５の一方の端子及び充放電制御回路３４の負極電源端子１９に接続される。電流センス抵抗４９は、一方の端子は第一の充放電制御装置２４のＮｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１７のソース及びバックゲートに接続され、他方の端子は過電流検出端子４２に接続される。Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ３６は、ソース及びバックゲートが電流センス抵抗４９の他方の端子に接続され、ゲートは充放電制御回路３４の放電制御信号出力端子２０に接続され、ドレインはＮｃｈ充電制御電界効果トランジスタ３７のドレインに接続される。Ｎｃｈ充電制御電界効果トランジスタ３７は、ゲートが充放電制御回路３４の充電制御信号出力端子２１に接続され、ソース及びバックゲートは抵抗１５の一方の端子に接続される。抵抗１５は、他方の端子は充放電制御回路３４の外部電位入力端子４１に接続される。

次に、本実施形態のバッテリ装置の放電過電流検出動作について説明する。
二次電池１１が過充電検出電圧以下かつ過放電検出電圧以上である時、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１６、３６とＮｃｈ充電制御電界効果トランジスタ１７、３７はオンするように制御される。この状態で外部正極端子２５、外部負極端子２６の間に負荷が接続されると、放電電流は電流センス抵抗４９を流れる。

第二の充放電制御装置４４は、電流センス抵抗４９の両端の電圧を過電流検出端子４２によって監視する。充放電制御回路３４は、過電流検出端子４２の電圧が放電過電流検出電圧Ｖ₄₂を上回った場合に、放電制御信号出力端子２０から放電停止信号を出力し、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ３６をオフさせ、放電過電流保護をかける。よって、第二の充放電制御装置４４の放電過電流検出電流値Ｉ_DOP41は、電流センス抵抗４９の抵抗値をＲ49とすると、次式のようになる。

Ｉ_DOP41＝Ｖ₄₂／Ｒ₄₉
また、放電電流は、第一の充放電制御装置２４の充放電制御スイッチ２３を流れる。第一の充放電制御装置２４は、充放電制御スイッチ２３の両端の電圧を過電流検出端子２２によって監視する。充放電制御回路１４は、過電流検出端子２２の電圧が放電過電流検出電圧Ｖ₂₂を上回った場合に、放電制御信号出力端子２０から放電停止信号を出力し、Ｎｃｈ放電制御電界効果トランジスタ１６をオフさせ、放電過電流保護をかける。よって第一の充放電制御装置２４の放電過電流検出電流値Ｉ_DOP24は、充放電制御スイッチ２３のオン抵抗値をＲ₂₃とすると、次の式のようになる。

Ｉ_DOP24＝Ｖ₂₂／Ｒ₂₃
ここで、放電過電流検出電流値Ｉ_DOP24は、充放電制御スイッチのオン抵抗値Ｒ₂₃に依存し、放電過電流検出電流値Ｉ_DOP41は電流センス抵抗４９の抵抗値Ｒ₄₉に依存する。即ち、充放電制御スイッチ２３のオン抵抗値は所望の抵抗値に対して精度を必要とし、充放電制御スイッチ４３のオン抵抗値は精度を必要としない。

そこで、電界効果トランジスタをオン抵抗値に対して所望の抵抗値で選別をする。そして、オン抵抗値が所望の抵抗値に対して近いものＡと、そうでないものＢの二つに分ける。分け方は、例えば、Ａが５０％以上になるように設定する。そして、充放電制御スイッチ２３には少なくともＡの電界効果トランジスタを使用して、充放電制御スイッチ４３としてＢの電界効果トランジスタを使用する。こうすることで、充放電制御スイッチを構成する電界効果トランジスタを選別したとしても、精度の悪いものを廃棄することがないので、選別廃棄によってコストアップすることはない。また、充放電経路に電流センス抵抗を１本追加するだけなので、充放電経路の抵抗値は高くなることがない。そして、本実施形態のバッテリ装置は、放電過電流検出電流精度を向上することが可能となる。また、同様の方法にて充電過電流検出電流精度の向上も可能である。

以上説明したように、本実施形態のバッテリ装置は、充放電制御スイッチのオン抵抗を用いて過電流検出する第一の充放電制御装置と、電流センス抵抗を用いて過電流検出する第二の充放電制御装置を備えたので、充放電経路の抵抗値が高くなることが無く、充放電制御スイッチを構成する電界効果トランジスタの選別によるコストアップも無く、精度のよい過電流検出機能を実現することが可能である。

図２は、本実施形態のバッテリ装置の他の例を示す回路図である。
図１のバッテリ装置との違いは、第一の充放電制御装置２４と第二の充放電制御装置４４の接続関係を入れ替えたことである。本実施形態のバッテリ装置は、この様に構成しても同様の効果が得られる。
なお、バッテリの充放電電流のみ、放電電流のみ、もしくは充電電流のみの制御を行う場合にも本発明を利用できることは自明のことである。

以上のように本実施形態のバッテリ装置は、第一の充放電制御装置と第二の充放電制御装置を備えたバッテリ装置であって、充放電電流経路の抵抗値の上昇と製造コストの上昇を抑え、過電流検出電流精度が高く安全性の高いバッテリ装置となる。

１１ 二次電池
１４、３４ 充放電制御回路
２４、４４ 充放電制御装置
２３、４３ 充放電制御スイッチ

Claims (2)

1. 二次電池と、
   前記二次電池と並列に接続された第一の充放電制御装置及び第二の充放電制御装置と、
   前記二次電池の充放電経路に設けられ、前記第一の充放電制御装置によって制御され、所望のオン抵抗値で選別された電界効果トランジスタで構成された第一の充放電制御スイッチと、
   前記二次電池の充放電経路に設けられ、前記第二の充放電制御装置によって制御され、前記所望のオン抵抗値で選別された以外の電界効果トランジスタで構成された第二の充放電制御スイッチと、
   前記二次電池の充放電経路に設けられた電流センス抵抗と、を備え、
   前記第一の充放電制御装置は、前記第一の充放電制御スイッチの両端に発生する電圧で過電流を監視し、
   前記第二の充放電制御装置は、前記電流センス抵抗の両端に発生する電圧で前記過電流を監視する、
   ことを特徴とするバッテリ装置。
2. 二次電池と、
   前記二次電池と並列に接続された第一の充放電制御装置と、
   前記二次電池と並列に接続された第二の充放電制御装置と、
   前記二次電池の充放電経路に設けられ、前記第一の充放電制御装置によって制御され、前記第一の充放電制御装置がその両端の電圧によって過電流を監視する第一の充放電制御スイッチと、
   前記二次電池の充放電経路に設けられ、前記第二の充放電制御装置によって制御される第二の充放電制御スイッチと、
   前記二次電池の充放電経路に設けられ、前記第二の充放電制御装置がその両端の電圧によって過電流を監視する電流センス抵抗と、
   を備えたバッテリ装置の製造方法であって、
   前記第一の充放電制御スイッチは、所望のオン抵抗値で選別された電界効果トランジスタによって構成し、
   前記第二の充放電制御スイッチは、前記所望のオン抵抗値で選別された以外の電界効果トランジスタによって構成する、
   ことを特徴とするバッテリ装置の製造方法。

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