(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された複数の二次電池夫々の電圧が第１電圧より所定時間以上継続して高い場合、夫々の二次電池が所定の過電圧状態にあることを検出し、全ての前記二次電池の電圧が前記第１電圧より低い第２電圧以下となった場合、消費電力を低減して動作する検出回路の前記第２電圧を予め決定する方法において、
前記二次電池の放電容量と最大及び最小の開放電圧との関係を示す放電特性を用意し、
前記放電特性における一の放電容量について、最大の開放電圧と前記二次電池が過放電状態となる上限の電圧との差分を算出すると共に、最大及び最小の開放電圧の電圧差を算出し、
算出した差分が電圧差より大きいか否かを判定し、
大きい場合、前記一の放電容量についての最大の開放電圧を前記第２電圧とすること
を特徴とする検出回路の閾値電圧決定方法。
【請求項２】
直列接続された複数の二次電池夫々の電圧が第１電圧より所定時間以上継続して高いか否かを判定する手段と、
該手段が高いと判定した場合、夫々の二次電池が所定の過電圧状態にあることを検出する手段とを備え、
全ての前記二次電池の電圧が前記第１電圧より低い第２電圧以下となった場合、消費電力を低減するようにしてあり、
前記二次電池の放電容量と最大及び最小の電圧との関係を示す放電特性における一の放電容量について、最大の電圧と前記二次電池が過放電状態となる上限の電圧との差分が、最大及び最小の電圧の電圧差より大きいときの最大の電圧を、前記第２電圧としてあること
を特徴とする過電圧検出回路。
【請求項３】
前記二次電池は、リチウムイオン電池であり、
前記第２電圧は、３．１Ｖ〜３．９Ｖであること
を特徴とする請求項２に記載の過電圧検出回路。
【請求項４】
前記第２電圧は、３．５Ｖ以上であること
を特徴とする請求項３に記載の過電圧検出回路。
【請求項５】
請求項２から４の何れか１項に記載の過電圧検出回路と、該過電圧検出回路によって過電圧状態にあることが検出される直列接続された複数の二次電池とを備えることを特徴とするパック電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数直列に接続された二次電池の夫々が過電圧状態に有ることを検出し、予め決定された閾値電圧にて省電力状態となる検出回路の閾値電圧決定方法、過電圧検出回路及び該過電圧検出回路を備えるパック電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、リチウムイオン電池に代表される二次電池の充電では、所定電流にて定電流充電し、端子電圧（以下、電池電圧又はセル電圧という）が、二次電池に許容される最大電圧より低く設定された所定電圧に達した後は、定電圧充電にて充電する、いわゆる定電流・定電圧充電方式が広く用いられる。電池電圧が最大電圧を超えた場合は、電池の寿命及び充放電容量を損ねることとなり、発火に至る虞もあるため、充電中は電池電圧が最大電圧を超えないように制御される。
【０００３】
ところで、二次電池（セル）を２個以上直列に接続した組電池を備えるパック電池を充電する場合、セル電圧のバランスが崩れたときに、セル電圧が充電電圧の「１／直列接続されたセル数」の電圧を超えることが普通に起こり得る。また、本体側の充電器の故障により過電圧が印加される可能性もある。このため、上記のような組電池を備えるパック電池では、確実を期すために、ハードウェアによる過電圧検出回路とソフトウェアにより制御される制御回路とで二重に過電圧が検出されることが多い（特許文献１参照）。容量が小さなパック電池では、過電圧検出回路だけで過電圧が検出されることもある。
【０００４】
制御回路は、各セルのセル電圧を監視しており、何れかのセルが放電終止電圧まで低下した場合、過放電を防止するために、組電池の充放電路に介装された放電用のスイッチをオフさせる。この場合にも、過電圧検出回路が各セルに接続されていることから、セル電圧が僅かながら低下し続けるため、一部のセルが過放電状態に陥って、負極から溶出した銅イオンが電池内部で析出したり、セル内部で発生したガスによってパック電池の容器が膨れ上がったりする虞がある。
【０００５】
これに対し、過電圧検出回路の中には、セル電圧が所定の閾値電圧（パワーダウンの閾値電圧）まで低下したことを検出した場合に、自身をパワーダウンさせて消費電流を低減するものがある。このような過電圧検出回路を用いることにより、各セルの更なる電圧低下が防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１２７５３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、パワーダウンが可能な過電圧検出回路は、検出対象の全てのセルのセル電圧がパワーダウンの閾値電圧を下回った場合にのみパワーダウンするため、セルの電圧バランスが崩れている場合、セル電圧が低いセルが過放電状態に陥る可能性があった。
【０００８】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、二次電池が過放電状態に陥る前に検出回路の消費電力を低減することが可能な検出回路の閾値電圧決定方法、過電圧検出回路及び該過電圧検出回路を備えるパック電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る検出回路の閾値電圧決定方法は、直列接続された複数の二次電池夫々の電圧が第１電圧より所定時間以上継続して高い場合、夫々の二次電池が所定の過電圧状態にあることを検出し、全ての前記二次電池の電圧が前記第１電圧より低い第２電圧以下となった場合、消費電力を低減して動作する検出回路の前記第２電圧を予め決定する方法において、前記二次電池の放電容量と最大及び最小の開放電圧との関係を示す放電特性を用意し、前記放電特性における一の放電容量について、最大の開放電圧と前記二次電池が過放電状態となる上限の電圧との差分を算出すると共に、最大及び最小の開放電圧の電圧差を算出し、算出した差分が電圧差より大きいか否かを判定し、大きい場合、前記一の放電容量についての最大の開放電圧を前記第２電圧とすることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る過電圧検出回路は、直列接続された複数の二次電池夫々の電圧が第１電圧より所定時間以上継続して高いか否かを判定する手段と、該手段が高いと判定した場合、夫々の二次電池が所定の過電圧状態にあることを検出する手段とを備え、全ての前記二次電池の電圧が前記第１電圧より低い第２電圧以下となった場合、消費電力を低減するようにしてあり、前記二次電池の放電容量と最大及び最小の電圧との関係を示す放電特性における一の放電容量について、最大の電圧と前記二次電池が過放電状態となる上限の電圧との差分が、最大及び最小の電圧の電圧差より大きいときの最大の電圧を、前記第２電圧としてあることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る過電圧検出回路は、前記二次電池は、リチウムイオン電池であり、前記第２電圧は、３．１Ｖ〜３．９Ｖであることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る過電圧検出回路は、前記第２電圧は、３．５Ｖ以上であることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係るパック電池は、上述の過電圧検出回路と、該過電圧検出回路によって過電圧状態にあることが検出される直列接続された複数の二次電池とを備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明にあっては、直列に接続された複数の二次電池の全てが第２電圧以下の電圧となったときに消費電力を低減する検出回路の第２電圧を予め決定するにあたり、二次電池の放電容量と最大及び最小の開放電圧との関係を示す放電特性において、一の放電容量に対する最大の開放電圧と二次電池が過放電状態となる上限の電圧との差分が、同じ一の放電容量に対する最大及び最小の開放電圧の電圧差より大きい場合、そのときの最大の開放電圧を第２電圧とする。
つまり、最も電圧が低い二次電池の電圧が過放電状態の上限の電圧より高いときに検出回路が省電力状態となるように、検出回路が監視する電圧の閾値が決定される。
【００１７】
本発明にあっては、検出回路が省電力状態に切り替わるときの二次電池の電圧である第２電圧が、３．１Ｖ〜３．９Ｖと従来よりも高めに設定されているため、検出回路がリチウムイオン電池の過電圧の検出に好適に用いられる。
つまり、第２電圧の下限値を３．１Ｖとすることにより、二次電池間での電圧差が拡大して電圧バランスが大きく崩れる前に検出回路が省電力状態となる。また、通常４．１Ｖ以上に設定される過電圧の検出電圧に対して、第２電圧の上限値を３．９Ｖとすることにより、過電圧の確実な検出が担保される。検出回路が半導体集積回路で構成される場合、第２電圧のばらつき範囲の大きさを０．８Ｖより小さくするのは製造上困難である。
【００１８】
本発明にあっては、第２電圧が３．５Ｖ以上であることが好ましい。
第２電圧を３．５Ｖより低く設定した場合、最も電圧が高い二次電池の電圧が第２電圧以下となったことが検出されて検出回路が省電力状態となる前に、二次電池間での電圧差が拡大して電圧バランスが崩れ易くなる。
【００２１】
本発明にあっては、上述した検出回路によって二次電池が過電圧状態にあることが検出される。
これにより、最も電圧が低い二次電池の電圧が、過放電状態となる上限の電圧まで低下する前に自身が省電力状態となって各二次電池から流入する暗電流を大幅に低減することが可能な検出回路が、パック電池に適用される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、最も電圧が低い二次電池の電圧が過放電状態の上限の電圧より高いときに検出回路が省電力状態となるように、検出回路が監視する電圧の閾値が決定される。
従って、二次電池が過放電状態に陥る前に検出回路の消費電力を低減して各二次電池から検出回路に流入する暗電流を大幅に減少させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係るパック電池の接続構成を例示する回路図である。
【図２】本発明の他の実施の形態に係るパック電池の接続構成を例示する回路図である。
【図３】二次電池の放電容量に対する開放電圧の変化を例示する特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
図１は、本発明の実施の形態に係るパック電池の接続構成を例示する回路図である。図中１は二次電池であり、二次電池１，１，１は、３つ直列に接続されたリチウムイオン電池からなる。直列接続される二次電池１は、個数が３つに限定されず、種類がリチウムイオン電池に限定されない。
【００２５】
最も低電位側に配されるべき二次電池１の負極端子は、接地電位に接続されている。最も高電位側の二次電池１の正極端子は、図示しないケースの外部に露出したプラス（＋）端子８１に接続されている。直列接続された二次電池１，１，１夫々の正極端子は、抵抗器２，２，２を介して保護ＩＣ４の入力端子４１，４２，４３に接続されている。入力端子４１，４２間及び４２，４３間には、コンデンサ３，３が各別に接続されている。入力端子４３及び接地電位間には、他のコンデンサ３が接続されている。抵抗器２，２，２及びコンデンサ３，３，３は、保護ＩＣ４を安定に動作させるためのものである。
【００２６】
保護ＩＣ４は、電源端子４４，グランド（グラウンド）端子４５が、夫々プラス（＋）端子８１，接地電位に接続されており、上述した５つの端子によって、３つの二次電池１，１，１の過電圧を各別に検出する。保護ＩＣ４が過電圧の検出信号を出力する検出信号端子４６は、ケースの外部に露出したマイナス（−）端子８２及び接地電位間に直列に接続されたＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（以下ＦＥＴという）５１，５２のゲートに接続されている。ＦＥＴ５１，５２は、ドレイン同士を突き合わせてある。
【００２７】
パック電池の図示しないケースには、温度（Ｔ）端子８３が設けられており、該温度端子８３及びマイナス端子８２間には、二次電池１，１，１に熱的に結合された感熱素子６と、ＦＥＴ５１，５２に熱的に結合された温度ヒューズ７とが直列に接続されている。図１では、破線が熱的な結合を表す。ＦＥＴ５１，５２が故障して過熱した場合は、温度ヒューズ７が溶断する。パック電池は、プラス端子８１、マイナス端子８２、及び温度端子８３を介して、携帯端末等の電気機器（図示せず）に着脱可能に装着される。
【００２８】
外部の電気機器は、温度端子８３及びマイナス端子８２間の電圧を検出して感熱素子６の抵抗値を算出し、算出した抵抗値から換算した感熱素子６の温度に基づいて二次電池１，１，１の温度を検出する。ＦＥＴ５１，５２が過熱して温度ヒューズ７が溶断した場合は、感熱素子６の抵抗値が極めて大きい値に換算されるため、ＦＥＴ５１，５２の異常が外部から検出される。
【００２９】
以上のパック電池の回路構成において、例えば、二次電池１，１，１夫々の電圧が４．３５Ｖより高い状態が２秒間以上継続した場合、保護ＩＣ４が二次電池１，１，１の過電圧を各別に検出して、検出信号端子４６からロウ（Ｌ）レベルの検出信号を出力する。この検出信号がＦＥＴ５１，５２夫々のゲートに与えられることにより、ＦＥＴ５１，５２がオフして、二次電池１，１，１の充電が禁止されるため、二次電池１，１，１が過電圧から保護される。保護ＩＣ４は、二次電池１，１，１の過電圧を監視中に、二次電池１，１，１から最大で５μＡ程度の電流を消費する。
【００３０】
一方、全ての二次電池１，１，１の電圧が、例えば、保護ＩＣ４の消費電力が低減される省電力状態（以下、シャットダウンという）の閾値電圧である３．５Ｖ以下となった場合、保護ＩＣ４がシャットダウンする。保護ＩＣ４がシャットダウン中に二次電池１，１，１から消費する電流は、最大で０．１μＡ程度に抑えられるため、二次電池１，１，１が、過放電状態に陥ることが防止される。
【００３１】
以上のパック電池では、保護ＩＣ４がロウ（Ｌ）レベルの検出信号を出力したが、これに限定されるものではなく、保護ＩＣ４がハイ（Ｈ）レベルの検出信号を出力するものであってもよい。
図２は、本発明の他の実施の形態に係るパック電池の接続構成を例示する回路図である。パック電池が、二次電池１，１，１及び保護ＩＣ４と、これらに接続された抵抗器２，２，２及びコンデンサ３，３，３とを備えるのは、図１に示す実施の形態の場合と同様であるため、その説明を省略する。
【００３２】
図２に示すパック電池は、第１端子が最も高電位側の二次電池１の正極端子に接続された３端子型の非復帰スイッチ９を備え、マイナス端子８２が接地電位に接続されている。非復帰スイッチ９の第２端子はプラス端子８１に接続されており、第３端子には、ソース接地のＮチャネル型のＦＥＴ５３のドレインが接続されている。ＦＥＴ５３のゲートは、保護ＩＣ４の検出信号端子４６に接続されている。
【００３３】
非復帰スイッチ９は、第１及び第２端子間に直列に接続されたヒューズ９１，９１と、該ヒューズ９１，９１の接続点及び第３端子間に並列に接続された加熱抵抗９２，９２とを有する。ヒューズ９１，９１は、例えば１３０℃前後まで温度が上昇したときに溶断するものである。二次電池１，１，１の電圧の何れかが過電圧の検出電圧より高くなった場合、検出信号端子４６から出力されたハイ（Ｈ）レベルの検出信号によってＦＥＴ５３がオンする。これにより、加熱抵抗９２，９２にヒューズ９１，９１を介して二次電池１，１，１から直流電圧が印加されてヒューズ９１，９１が加熱されるため、ヒューズ９１，９１が溶断して二次電池１，１，１の充放電電流が遮断される。このようにして、二次電池１，１，１が過電圧から保護される。
【００３４】
尚、非復帰スイッチ９に代えて、プラス端子８１と、最も高電位側の二次電池１の正極端子との間に、ドレイン同士を突き合わせた２つのＰチャネル型のＦＥＴを直列に介装させ、該ＦＥＴ夫々のゲートに検出信号端子４６を接続するようにしてもよい。この場合の各ＦＥＴの動作は、夫々のゲートに与えられる制御信号のハイ／ロウの極性が反転している点を除いて、図１に示す実施の形態におけるＦＥＴ５１，５２の動作と同様である。
【００３５】
以下では、上述した実施の形態及び他の実施の形態に係るパック電池で、一部の二次電池１が過放電状態に陥る前に、保護ＩＣ４をシャットダウンさせる方法について説明する。
図３は、二次電池１，１，１の放電容量に対する開放電圧の変化を例示する特性図である。ここでの二次電池１，１，１は、リチウムイオン電池である。図の横軸は満充電状態からの放電容量、即ち満充電容量から残容量を減算した容量を表し、縦軸は、二次電池１，１，１の開放電圧を表す。図中、最も電圧が高い二次電池１の開放電圧を実線で表示し、最も電圧が低い二次電池１の開放電圧を破線で表示する。
【００３６】
二次電池１，１，１を満充電状態まで充電して放電させた場合、各二次電池１，１，１の放電容量は等量であるのに対し、各二次電池１，１，１の放電容量−電圧特性の違いによって、開放電圧に差異が生じる。この差異は、放電率の違い及び二次電池１，１，１の劣化の程度の違いによっても異なるが、放電容量が増加して開放電圧が低下するほど顕著となる。換言すれば、二次電池１，１，１の放電容量が増加した場合、最も電圧が高い二次電池１の開放電圧と、二次電池１が過放電状態となる上限の電圧との差分が縮小する一方で、二次電池１，１，１における最大及び最小の開放電圧（又は充放電時の電圧）の電圧差が拡大し続ける。
【００３７】
さて、図３の例では、二次電池１，１，１が満充電状態に近い状態にある場合、二次電池１，１，１における最大及び最小の開放電圧の電圧差が無視できるほど小さく維持されており、二次電池１，１，１の開放電圧が３．９Ｖを下回って３．５Ｖ前後に低下するまでは、最大及び最小の開放電圧の電圧差が０．１Ｖ以内に十分収まっている。放電容量が増加して、最も電圧が高い二次電池１の開放電圧が３．１Ｖに低下した場合であっても、二次電池１，１，１における最大及び最小の開放電圧の電圧差は、約０．３Ｖ（３．１Ｖ−２．８Ｖ）以内に維持されている。
【００３８】
放電容量が更に増加して、最も電圧が高い二次電池１の開放電圧が３．０Ｖに低下した場合、二次電池１，１，１における最大及び最小の開放電圧の電圧差が一挙に拡大し、最も電圧が低い二次電池１の開放電圧が１．３Ｖにまで低下して、過放電状態に陥る（つまり深放電領域に進入する）ことが読み取れる。この時点で、最も電圧が高い二次電池１の開放電圧と、二次電池１が過放電状態となる上限の電圧との差分が、二次電池１，１，１における最大及び最小の開放電圧の電圧差と同等になる。
尚、図３に示した放電特性は一例であって、他にも種々の放電特性があり、シャットダウンの閾値電圧は、放電末期の電圧より高くすることが好ましい。
【００３９】
以上のことから、最も電圧が高い二次電池１の電圧が３．０Ｖより高いときに、保護ＩＣ４をシャットダウンさせることにより、最も電圧が低い二次電池１が過放電状態に陥る前に保護ＩＣ４の消費電力を低減させて、それ以上二次電池１，１，１の電圧を低下させないようにすることができると言える。
【００４０】
そこで、本実施の形態では、保護ＩＣ４におけるシャットダウンの閾値電圧、即ち全ての二次電池１，１，１の電圧がその電圧を下回ったときに保護ＩＣ４をシャットダウンさせる電圧の下限値を３．１Ｖとする。上述したように、保護ＩＣ４におけるシャットダウンの閾値電圧を３．５Ｖより高くすることにより、二次電池１，１，１間の電圧差が０．１Ｖ以内に収まっている間に、保護ＩＣ４の消費電流を低減させることができる。保護ＩＣ４を半導体集積回路で構成する場合は、製造上のばらつきを考慮して、上記閾値電圧の範囲を３．１Ｖ〜３．９Ｖとする。
【００４１】
以上のように、本実施の形態によれば、二次電池のそのときの放電容量に対する最大の開放電圧と、二次電池が過放電状態となる上限の電圧である１．３Ｖとの差分が、同じ放電容量に対する最大及び最小の開放電圧間の電圧差よりも大きいことが担保されている間に、最も電圧が高い二次電池の電圧が、過電圧の検出電圧である４．３５Ｖより低いシャットダウンの閾値電圧以下となった場合、保護ＩＣ（検出回路）がシャットダウンして消費電力が低減される。
つまり、最も電圧が低い二次電池の電圧が、過放電状態となる上限の電圧より高いときに検出回路が省電力状態となる。
従って、二次電池が過放電状態に陥る前に検出回路をシャットダウンさせて各二次電池から検出回路に流入する暗電流を大幅に低減させることが可能となる。
【００４２】
また、シャットダウンの閾値電圧が、３．１Ｖ〜３．９Ｖと従来より高めに設定されているため、保護ＩＣ（検出回路）がリチウムイオン電池の過電圧の検出に好適に用いられる。
つまり、シャットダウンの閾値電圧の下限値を３．１Ｖとすることにより、二次電池間での電圧差が拡大して電圧バランスが大きく崩れる前に検出回路を省電力状態とすることが可能となる。また、通常４．１Ｖ以上に設定される過電圧の検出電圧に対して、シャットダウンの閾値電圧の上限値を３．９Ｖとすることにより、過電圧の確実な検出を担保することが可能となる。
【００４３】
更に、保護ＩＣ（検出回路）によるシャットダウンの閾値電圧が３．５Ｖ以上であることが好ましいと言える。
つまり、シャットダウンの閾値電圧を３．５Ｖ以上に設定することにより、二次電池間での電圧差が拡大して電圧バランスが崩れ易くなる前に、最も電圧が高い二次電池の電圧がシャットダウンの閾値電圧以下となったことを検出して検出回路をシャットダウンさせることが可能となる。
【００４４】
更にまた、過電圧の検出電圧である４．３５Ｖより低く且つ放電末期の電圧より高い電圧をシャットダウンの閾値電圧とする。
従って、最も電圧が高い二次電池の電圧が、少なくとも放電末期の電圧より低くなる前に検出回路をシャットダウンさせることが可能となる。
【００４５】
更にまた、最も電圧が高い二次電池の電圧（最大セル電圧）が少なくとも３．０Ｖより低くなる前に保護ＩＣがシャットダウンするため、最も電圧が低い二次電池が過放電状態となるのが防止される蓋然性を高めることが可能となる。
【００４６】
更にまた、上述した保護ＩＣ（検出回路）によって二次電池が過電圧状態にあることが検出される。
これにより、最も電圧が低い二次電池の電圧が、過放電状態となる上限の電圧まで低下する前にシャットダウンして各二次電池から流入する暗電流を大幅に低減することが可能な検出回路を、パック電池に適用することが可能となる。
【００４７】
尚、本実施の形態にあっては、二次電池１，１，１の電圧を保護ＩＣ４だけで監視したが、例えばＣＰＵを有する制御部を備えておき、該制御部が、保護ＩＣ４が監視する過電圧より低い過電圧を監視し、更に二次電池１，１，１の過放電を監視するようにしてもよい。
【００４８】
今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４９】
１  二次電池
４  保護ＩＣ（検出回路）
５１，５２，５３  ＦＥＴ
９  非復帰スイッチ
【図１】
0005933971.tif 000002
【図２】
0005933971.tif 000003
【図３】
0005933971.tif 000004