(57)【要約】【課題】使用状態に応じて充電池を適切に保護することが可能な保護回路を提供する。【解決手段】保護回路１は、充電池２が有するセルの使用状況に応じた、所定の電位を基準とした充電池２を保護する保護電位を設定する保護電位設定部１０と、所定の電位を基準とした充電池２の正端子の電位が保護電位より大きいか否かを判定する判定部２０と、充電池２の正端子の電位が保護電位より大きい場合に、充電池２の充電を停止させると共に、充電池２の正端子の電位が保護電位となるまで充電池２を放電させる電位制御部３０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電池が有するセルの使用状況に応じた、所定の電位を基準とした前記充電池を保護する保護電位を設定する保護電位設定部と、
前記所定の電位を基準とした前記充電池の正端子の電位が前記保護電位より大きいか否かを判定する判定部と、
前記正端子の電位が前記保護電位より大きい場合に、前記充電池の充電を停止させると共に、前記正端子の電位が前記保護電位となるまで前記充電池を放電させる電位制御部と、
を備える保護回路。
【請求項２】
前記判定部は、前記セルの温度に応じて抵抗値が変化するサーミスタと所定の抵抗値を有する抵抗器とで前記充電池の一対の端子間の電位差を分圧した電圧値を、予め設定された基準電圧値と比較して判定する請求項１に記載の保護回路。
【請求項３】
前記サーミスタと並列に抵抗器が設けられている請求項２に記載の保護回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電池を保護する保護回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な用途で充電池が利用されている。一方、充電池は過充電や過放電を行うと劣化し易く、また環境温度が高くなる程、劣化し易いと言われている。そこで、充電池を保護する技術が検討されてきた（例えば特許文献１及び２）。
【０００３】
特許文献１には充電制御方法について開示されている。この充電制御方法では、定電圧充電後に定電流充電に切り替えて充電される二次電池（充電池）の温度を温度検知部が検知し、検知結果が所定の温度よりも高い場合に定電圧充電の電圧値が低くなるように制御する。
【０００４】
特許文献２には電池保護回路について開示されている。この電池保護回路は、電池表面の温度をサーミスタで感知し、サーミスタと抵抗器とで分圧した電圧と規定電圧との大小関係に応じて、電池の充電又は放電を停止するスイッチ回路のオン／オフを制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−５２４７８号公報
【特許文献２】特開平８−９８４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の技術は、二次電池の温度に応じて定電圧充電の電圧値を段階的に変更して制御するため、細かい制御が容易ではない。また、外付けのコンバータ等による充放電の制御も行う必要があるので、装置のコンパクト化を行い難い。また、直列に接続された電池全体で充放電が行われるため、直列に接続された複数の電池に対して個別に制御することができない。
【０００７】
特許文献２に記載の技術は、サーミスタを用いて電池表面の温度を検出しているが、充電電圧の制御ではなく、充放電の停止のみを行うものであるので、電池の使用状態に応じて適切に電池を保護できているとは言い難い。
【０００８】
そこで、使用状態に応じて充電池を適切に保護することが可能な保護回路が求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る保護回路の特徴構成は、充電池が有するセルの使用状況に応じた、所定の電位を基準とした前記充電池を保護する保護電位を設定する保護電位設定部と、前記所定の電位を基準とした前記充電池の正端子の電位が前記保護電位より大きいか否かを判定する判定部と、前記正端子の電位が前記保護電位より大きい場合に、前記充電池の充電を停止させると共に、前記正端子の電位が前記保護電位となるまで前記充電池を放電させる電位制御部と、を備えている点にある。
【００１０】
このような特徴構成とすれば、セルの使用状況に応じて保護電位を設定し、充電池の充電を停止したり充電池を放電させたりできるので、充電池の使用状態に応じて適切に保護することが可能となる。
【００１１】
また、前記判定部は、前記セルの温度に応じて抵抗値が変化するサーミスタと所定の抵抗値を有する抵抗器とで前記充電池の一対の端子間の電位差を分圧した電圧値を、予め設定された基準電圧値と比較して判定すると好適である。
【００１２】
このような構成とすれば、本来、充電池の制御に必要な回路にサーミスタを設け、当該サーミスタにより保護電位を変更するので、使用状況に応じて充電池を保護することが可能となる。この場合、サーミスタで検出される温度に応じて保護電位が連続的に制御されるため、細かい制御を行うことができる。また従来使用してきた回路にサーミスタを設けるだけで良いので、大きく回路を変更する必要がない。なお、サーミスタでセルの温度自体を検出しても良いし、セルを搭載した基板やセルが配置される場所の雰囲気温度を検出するように構成することも可能である。
【００１３】
また、前記サーミスタと並列に抵抗器が設けられていると好適である。
【００１４】
このような構成とすれば、セルの使用状況に応じて予め並列に設けられる抵抗器の抵抗値を設定することで、セル毎に温度と電圧値の関係を設定することができ、充電池が有する複数のセルの夫々に応じた保護を行うことが可能となる。したがって、セル単位での充電池の制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態に係る保護回路を示す回路図である。
【図２】セルの温度とセルの電圧との関係を示す図である。
【図３】第２の実施形態に係る保護回路を示す回路図である。
【図４】セルの温度とセルの電圧との関係を示す図である。
【図５】セルの温度とセルの劣化率との関係を示す図である。
【図６】複数のセルの電圧設定についての説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
１．第１の実施形態
本発明に係る保護回路は、充電池の劣化状態に応じて適切に保護することができるように構成される。以下、本実施形態の保護回路１について説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態の保護回路１の回路図である。保護回路１は、保護電位設定部１０と、判定部２０と、電位制御部３０とを備えている。
【００１８】
保護電位設定部１０は、所定の電位を基準とした充電池２を保護する保護電位を設定する。所定の電位とは、予め設定された定電位であり、本実施形態では接地電位が相当する。したがって、充電池２を保護する保護電位は、接地電位を基準に設定される。
【００１９】
保護電位は、充電池２が有するセルの使用状況に応じて設定される。周知のように、充電池２は複数のセルを直列接続や並列接続して構成される。セルの使用状況とは、セルが使用されている状況であって、例えばセルが設けられる環境の温度（環境温度）や、セルが使用される時間（使用時間）によって規定される。このような環境温度や使用時間はセルの劣化の要素となり得る。特に充電池２は、例えば充電池２に充電された電気エネルギーを使用する装置や部品からの熱を受けることも想定され、この時、環境温度が高い程、セルが劣化し易いことが知られている。そこで、本保護回路１では、環境温度の観点から充電池２を劣化し難くするために保護電位が設定される。
【００２０】
本実施形態では、保護電位設定部１０は、サーミスタＴと抵抗器Ｒとで構成され、保護電位はサーミスタＴの抵抗値と抵抗器Ｒの抵抗値とに基づき設定される。サーミスタＴは充電池２のセルの温度を検知できるように配置される。これによりサーミスタＴの抵抗値がセルの温度に応じて変化することになる。抵抗器Ｒは所定の抵抗値を有する。上述した保護電位は、これらのサーミスタＴの抵抗値と抵抗器Ｒの所定の抵抗値との抵抗比に基づき設定される。
【００２１】
判定部２０は、所定の電位を基準とした充電池２の正端子の電位が保護電位より大きいか否かを判定する。所定の電位とは、本実施形態では上述したように接地電位である。充電池２は正負一対の端子を有し、負端子が接地電位に接続され、正端子が充電装置３に接続される。したがって、本実施形態では、充電池２の正端子の電位とは充電池２の出力電圧の電圧値に相当する。判定部２０はこの充電池２の出力電圧の電圧値が保護電位より大きいか否かを判定する。本実施形態では、判定部２０はコンパレータＣを用いて構成される。
【００２２】
本実施形態では、判定部２０は、サーミスタＴと抵抗器Ｒとで充電池２の一対の端子間の電位差を分圧した電圧値を、予め設定された基準電圧値と比較して判定する。充電池２の一対の端子間の電位差とは、本実施形態では充電池２の出力電圧の電圧値である。したがって、直列に接続されたサーミスタＴと抵抗器Ｒとが充電池２の両端子間に設けられる。本実施形態では、充電池２の正端子にサーミスタＴの一方の端子が接続され、充電池２の負端子に抵抗器Ｒの一方の端子が接続される。また、サーミスタＴの他方の端子と抵抗器Ｒの他方の端子とが互いに接続されると共に、コンパレータＣの非反転端子に接続される。コンパレータＣの反転端子には、基準電圧値を出力する電圧源Ｖｒが接続される。
【００２３】
したがって、サーミスタＴの抵抗値をＲ１、抵抗器Ｒの抵抗値をＲ２、電圧源Ｖｒの出力電圧の電圧値をＶｒｅｆとし、コンパレータＣの入力インピーダンスを無視すると、保護電位ＶＨは、（１）式で表される。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
ここで、抵抗器Ｒの抵抗値Ｒ２に係る温度係数はサーミスタＴの抵抗値Ｒ１に係る温度係数に対して十分に小さいことから無視し、抵抗値Ｒ１が温度の上昇に応じて抵抗値Ｒ１が小さくなるサーミスタＴを用いると、保護電位ＶＨはセルの温度上昇に応じて小さく設定されることになる。
【００２６】
図１に示されるように、抵抗器Ｒの端子間の電位差が電圧源Ｖｒの出力電圧の電圧値Ｖｒｅｆよりも大きい場合には、コンパレータＣはハイレベルの信号を出力し、抵抗器Ｒの端子間の電位差が電圧源Ｖｒの出力電圧の電圧値Ｖｒｅｆよりも小さい場合には、コンパレータＣはローレベルの信号を出力する。コンパレータＣの出力は、判定部２０の判定結果として、後述する電位制御部３０に伝達される。
【００２７】
電位制御部３０は、充電池２の正端子の電位が保護電位ＶＨより大きい場合に、充電電流をバイパスさせる（充電池２の充電を停止させる）と共に、充電池２の正端子の電位が保護電位ＶＨとなるまで充電池２を放電させる。充電池２の正端子の電位が保護電位ＶＨより大きくなると、抵抗器Ｒの端子間の電位差が電圧源Ｖｒの出力電圧の電圧値Ｖｒｅｆよりも大きくなる。したがって、コンパレータＣから電位制御部３０にハイレベルの信号が伝達される。一方、充電池２の正端子の電位が保護電位ＶＨより小さくなると、抵抗器Ｒの端子間の電位差が電圧源Ｖｒの出力電圧の電圧値Ｖｒｅｆよりも小さくなる。したがって、コンパレータＣから電位制御部３０にローレベルの信号が伝達される。
【００２８】
本実施形態では、電位制御部３０はｎｐｎ型バイポーラトランジスタ（以下「トランジスタ」とする）Ｔｒを用いて構成される。トランジスタＴｒのベース端子はコンパレータＣの出力端子に接続され、トランジスタＴｒのエミッタ端子は接地される。また、トランジスタＴｒのコレクタ端子は抵抗器Ｘを介して充電池２の正端子に接続される。抵抗器Ｘは電流制限用として設けられ、保護電位ＶＨ及びトランジスタＴｒの許容電流に基づき抵抗値が設定される。
【００２９】
このような構成において、コンパレータＣからのハイレベルの信号の電圧値を、トランジスタＴｒのベースエミッタ間電圧より大きく設定することで、トランジスタＴｒは充電池２の正端子の電位が保護電位ＶＨより大きくなった場合に、オン状態となる。一方、コンパレータＣからのローレベルの信号の電圧値を、トランジスタＴｒのベースエミッタ間電圧より小さく設定することで、トランジスタＴｒは充電池２の正端子の電位が保護電位ＶＨより小さくなった場合に、オフ状態となる。
【００３０】
したがって、充電池２の正端子の電位が保護電位ＶＨより大きくなった場合に、充電装置３から充電池２の正端子に流れる電流を抵抗器Ｘ及びトランジスタＴｒに流れるようにし、充電池２の充電を停止させることが可能となる。また、充電池２の正端子の電位が保護電位ＶＨよりも高くなった場合には、充電池２の正端子の電位が保護電位ＶＨになるように充電池２を放電させることが可能となる。
【００３１】
充電池２は、環境温度が高い程、劣化し易く、電圧値が高い程、劣化し易い傾向がある。このため、上述のように保護回路１を構成することで、セルの温度が高くなるとサーミスタＴの抵抗値が小さくなり、図２に示されるようにセルの電圧値を下げることができる。したがって、充電池２の劣化を抑制できる。
【００３２】
２．第２の実施形態
次に第２の実施形態について説明する。図３には、本実施形態に係る保護回路１の回路図が示される。図１に示した第１の実施形態に係る保護回路１とは、サーミスタＴと並列に抵抗器Ｙが設けられている点が異なる。それ以外については、第１の実施形態と同様であるので、以下では主に異なる点を中心に説明する。
【００３３】
第１の実施形態と同様に、本実施形態でもサーミスタＴは、環境温度の上昇に伴い、抵抗値が増大するものが用いられる。このサーミスタＴと並列に抵抗器Ｙが設けられるため、環境温度の変化に対する抵抗値の変化量を見かけ上、小さくすることができる。
【００３４】
具体的には、抵抗器Ｙの抵抗値を変更することで、図４に示されるように、温度変化に対するセル温度の変動量を変更することができる。なお、図４にあっては、抵抗器Ｙの抵抗値をＹ１−Ｙ３とし、Ｙ１＞Ｙ２＞Ｙ３である場合の例を示している。例えば充電池２が有する複数のセルの夫々について環境温度に応じて劣化状態に差異がある場合、セルの環境温度に応じて抵抗器Ｙの抵抗値を設定することで、セルに適した保護（例えば劣化率に応じた保護）を行うことが可能となる（図５参照）。
【００３５】
図６の（ａ）には、充電池２が有する複数のセルの配置例が示される。このような充電池２を空冷で冷却する場合、空気の導入側と排出側とで温度差が生じる。このため、図６の（ｂ）に示されるように、セルの位置に応じてセルの温度に差が生じる。すなわち、排出側に近いほど空気の温度が高くなるので、セルの温度も高くなる。係る場合、従来は、図６の（ｃ）に示されるように、最も温度が高いセルが劣化しないように当該セルに合わせて全てのセルの電圧を下げていたため、温度が低いセルを有効に活用できていなかった。
【００３６】
本実施形態の保護回路１では、セルの使用状況、すなわちセルの環境温度に応じて抵抗器Ｙの抵抗値を設定すれば良いので、図６の（ｄ）に示されるように、温度が高いセルの電圧は下げ、温度が低いセルの温度は下げる必要がない。したがって、充電池２のセルを一括して管理するのではなく、セルの環境温度に応じてセルの電圧を個別に制御することができるので、セルの能力を有効に活用することが可能となる。
【００３７】
３．その他の実施形態
上記実施形態では、充電池２の正端子にサーミスタＴの一方の端子が接続され、充電池２の負端子に抵抗器Ｒの一方の端子が接続されるとして説明したが、充電池２の正端子に抵抗器Ｒの一方の端子が接続され、サーミスタＴの一方の端子が充電池２の負端子に接続されるように構成しても良い。係る場合、サーミスタＴは、温度が上昇すると抵抗値が大きくなるような温度特性のものを用いると良い。
【００３８】
上記実施形態では、コンパレータＣの非反転端子に入力される電位が環境温度によって変更される例を挙げて説明したが、コンパレータＣの反転端子に入力される電位を環境温度によって変更されるように構成することも可能である。
【００３９】
上記実施形態では、電位制御部３０がトランジスタＴｒを備えて構成されるとして説明したが、トランジスタＴｒに代えて、他のスイッチング素子（例えばＦＥＴやＩＧＢＴ等）を用いて構成しても良い。
【００４０】
上記実施形態では、サーミスタＴを用いて温度を検出するように構成したが、温度センサで温度を検出し、その検出結果によってトランジスタＴｒを動作させても良い。
【００４１】
本発明は、充電池を保護する保護回路に用いることが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１：保護回路
２：充電池
１０：保護電位設定部
２０：判定部
３０：電位制御部
Ｒ：抵抗器
Ｔ：サーミスタ
Ｙ：抵抗器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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