(57)【要約】【課題】部品数を変えることなく、小型のスイッチ回路を使用することができ、且つさらなる保護回路を設ける。【解決手段】二次電池Ｅの＋端子には、保護回路１を介して端子Ｔ１が接続され、その−端子には、端子Ｔ２が接続される。また、保護回路１は、端子Ｔ２とも接続される。端子Ｔ１およびＴ２の間に、コンデンサＣが接続される。コンデンサＣは、一例として電気二重層コンデンサなどが使用される。端子Ｔ１およびＴ２を介してパルス負荷２が接続される。このコンデンサＣには、一例として電気二重層コンデンサなどが使用され、且つその最大電圧が保護回路１の最大電圧より低く選定される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス電流が流れる電子機器に電圧および電流を供給する二次電池と、
上記二次電池を保護する保護手段と、
上記二次電池および保護手段より上記電子機器側に設けられ、上記二次電池を保護するコンデンサとを有し、
上記保護手段の耐圧より上記コンデンサの耐圧を小にするようにしたことを特徴とする二次電池の保護回路。
【請求項２】
上記コンデンサには、外部から入力される電圧が蓄えられ、
上記コンデンサの電圧と、上記二次電池の端子電圧とを比較し、上記比較結果に基づいて上記二次電池を保護するために上記二次電池の動作を停止するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池の保護回路。
【請求項３】
上記二次電池を保護するために上記二次電池の動作を停止するときに、充電および放電の一方の動作を停止するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池の保護回路。
【請求項４】
パルス電流が流れる電子機器に二次電池から電圧および電流を供給し、
保護手段で上記二次電池を保護し、
上記二次電池および保護手段より上記電子機器側に設けられるコンデンサで、上記二次電池を保護し、
上記保護手段の耐圧より上記コンデンサの耐圧を小にするようにしたことを特徴とする二次電池の保護方法。
【請求項５】
上記コンデンサには、外部から入力される電圧が蓄えられ、
上記コンデンサの電圧と、上記二次電池の端子電圧とを比較し、上記比較結果に基づいて上記二次電池を保護するために上記二次電池の動作を停止するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の二次電池の保護方法。
【請求項６】
上記二次電池を保護するために上記二次電池の動作を停止するときに、充電および放電の一方の動作を停止するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の二次電池の保護方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電源によって駆動される電子機器に設けられた二次電池の保護回路および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯可能な電子機器に用いられる二次電池、例えばリチウムイオン二次電池を充電または放電するときに、リチウムイオン二次電池の充電特性または放電特性に基づいて過充電または過放電からリチウムイオン二次電池を保護するために、保護回路が設けられている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１９５５６０公報（第３頁、第１図）
【０００４】
この特許文献１には、電池１の温度を検出し、異常な温度を温度検出手段３で検出すると、第２のスイッチ手段４を閉状態とし、充放電回路に過電流を流し、その過電流を検出して充放電経路を開いて過放電および過充電の状態を回避するようにしたものが記載されている。
【０００５】
例えば、図２０に示すように、二次電池９１と並列にリップル対策用のコンデンサ９２が設けられる。そして、検出回路９３では、二次電池９１の両端電圧および抵抗９４から電流が検出される。検出された電圧および電流に基づいた検出信号が制御回路９５へ供給される。制御回路９５では、供給された検出信号に応じて、スイッチ回路９６をオン／オフするための制御信号が出力される。また、スイッチ回路９６と端子９８との間に、ヒューズ９７が設けられる。このような、保護回路が設けられた二次電池が端子９８および９９を介して電子機器に接続される。
【０００６】
このように、図２０の構成は、二次電池９１の電圧および電流を検出して、それらの値が基準値以上の場合、スイッチ回路９６をオフさせて、二次電池９１の使用を停止させることによって、二次電池９１を保護するものである。また、二次電池９１の温度を検出して、その検出した温度に応じてスイッチ回路９６をオフさせるようにしても良い。そして、スイッチ回路９６および保護回路が動作しない場合、または壊れた場合、ヒューズ９７を切断し、二次電池９１を保護するようにされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方式では、負荷の大きさによってスイッチ回路に電流が流れる。例えば、負荷にパルス電流などの大電流が流れても、電圧ドロップがないように設計するため、大型のスイッチ回路が使用されていた。このためスイッチ回路の制御が難しくなるという問題があった。
【０００８】
従って、この発明の目的は、部品数を変えることなく、小型のスイッチ回路を使用することができ、且つさらなる保護回路を設けることができる二次電池の保護回路および方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を達成するために請求項１の発明は、パルス電流が流れる電子機器に電圧および電流を供給する二次電池と、二次電池を保護する保護手段と、二次電池および保護手段より電子機器側に設けられ、二次電池を保護するコンデンサとを有し、保護手段の耐圧よりコンデンサの耐圧を小にするようにしたことを特徴とする二次電池の保護回路である。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、パルス電流が流れる電子機器に二次電池から電圧および電流を供給し、保護手段で二次電池を保護し、二次電池および保護手段より電子機器側に設けられるコンデンサで、二次電池を保護し、保護手段の耐圧よりコンデンサの耐圧を小にするようにしたことを特徴とする二次電池の保護方法である。
【００１１】
部品数を増加することなく、二次電池を保護するためのスイッチ回路を小型化することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、この発明が適用された第１の実施形態の概略的構成を示す。二次電池Ｅの正側端子には、保護回路１を介して端子Ｔ１が接続され、その負側端子には、端子Ｔ２が接続される。また、保護回路１は、端子Ｔ２とも接続される。端子Ｔ１およびＴ２の間に、大容量のコンデンサＣが接続される。端子Ｔ１およびＴ２を介してパルス負荷２が接続される。このコンデンサＣには、一例として電気二重層コンデンサなどが使用され、且つその最大電圧が保護回路１の最大電圧より低いものが選定される。
【００１３】
このように、電気二重層コンデンサなどの大容量のコンデンサを用いることによって、パルス負荷２に発生した負荷に応じたパルス電流などが二次電池Ｅに流れないようにすることができる。従って、二次電池Ｅの充電特性や放電特性に影響が及ぶことはない。
【００１４】
図２を参照して、保護回路１の具体的な構成を説明する。保護回路１は、検出回路１１、抵抗１２、制御回路１３、およびスイッチ回路１４から構成される。検出回路１１では、二次電池Ｅの端子電圧（以下、「電池端子電圧」と称する）と、端子Ｔ１およびＴ２から出力される電流とが検出される。検出された電池端子電圧と電流とに基づいて検出信号が制御回路１３へ供給される。制御回路１３では、供給された検出信号に応じて、スイッチ回路１４をオン／オフさせる制御信号が出力される。スイッチ回路１４では、供給された制御信号に応じてオン／オフが制御される。
【００１５】
この第１の実施形態の等価回路を図３に示す。図３に示すように、パルス負荷２が接続され、二次電池Ｅの等価インピーダンス２１が高くても、リップルが出ないようにコンデンサＣを設定することによって、二次電池Ｅにパルス電流などが流れないようにすることができる。インピーダンス２１の影響は、コンデンサＣから流れるパルス電流の平均値が補充できる抵抗値以下であれば良い。
【００１６】
コンデンサＣのみの場合、図４に示すように、その電圧は低下する。しかしながら、二次電池Ｅから供給されるので、コンデンサＣの電圧は、二次電池Ｅの端子電圧と同じように低下する。この第１の実施形態では、パルス状の電流をコンデンサＣで吸い取る方式である。
【００１７】
さらに、このコンデンサＣを保護回路として使用することができる。このときのコンデンサＣの耐圧（使用最大電圧）ＶCは、二次電池Ｅの耐圧ＶEより小さく選定する。すなわち、
ＶE  ＞  ＶC
となる。
【００１８】
なお、検出回路１１、抵抗１２、制御回路１３、およびスイッチ回路１４から構成される保護回路１の耐圧は、ＶEに設定される。このように選定されたコンデンサＣは、使用範囲を超えて二次電池Ｅを使用したときの保護機能を有する。従って、スイッチ回路１４は従来より小型化されたものを使用することができる。
【００１９】
また、図５に示すように、保護回路として切断装置を設けるようにしても良い。この図５の一例では、保護回路としてヒューズ５１がコンデンサ３１と端子Ｔ１との間に設けられている。なお、ヒューズ５１の代わりにブレイカーを使用するようにしても良いし、切断装置として機能するものであれば、どのようなものであっても使用することができる。
【００２０】
さらにまた、図６に示すように、保護回路としてツェナーダイオード３５を設けるようにしても良い。ツェナーダイオード３５のカソードはヒューズ３１を介して端子Ｔ１と接続され、そのアノードは端子Ｔ２と接続される。このときのツェナーダイオード３５の耐圧ＶDが
ＶE  ＞  ＶC  ＞  ＶD
となるツェナーダイオードが選定される。上述と同様このように選定されたコンデンサＣおよびツェナーダイオード３５は、使用範囲を超えて二次電池Ｅを使用したときの保護機能を有する。従って、スイッチ回路１４は従来より小型化されたものを使用することができる。
【００２１】
そして、電流に基づいて制御する保護回路１の一例を説明する。端子Ｔ１およびＴ２に接続されるパルス負荷２で使用される最大平均電流より大きい電流が検出回路１１で検出された場合、スイッチ回路１４をオフにする。例えば、図７に示すように、最大平均電流が０．３Ａとした場合、検出回路１１で０．５Ａの電流が検出されると、スイッチ回路１４をオフにする。
【００２２】
図８を参照して、この発明の第２の実施形態を説明する。電圧検出回路４１および４２は、二次電池Ｅと並列に設けられている。電圧検出回路４１では、二次電池Ｅの端子電圧が検出される。検出された電池端子電圧は、制御回路４４へ供給される。電圧検出回路４２では、コンデンサＣの端子電圧（以下、「コンデンサ端子電圧」と称する）が検出される。検出されたコンデンサ端子電圧は、制御回路４４へ供給される。差検出回路４３では、電圧検出回路４１および４２で検出された電池端子電圧とコンデンサ端子電圧との差（以下、「差電圧」と称する）が検出される。検出された差電圧は、制御回路４４へ供給される。
【００２３】
このコンデンサＣには、端子Ｔ１およびＴ２に接続される外部から入力される電圧が蓄えられるときがある。そのため、二次電池Ｅの端子電圧と差が出ることがある。
【００２４】
電圧検出回路４５では、スイッチ回路４８の両端の電位差（以下、「スイッチ両端電圧」と称する）が検出される。検出されたスイッチ両端電圧は、制御回路４４へ供給される。電流検出回路４６は、抵抗４７の両端に接続される。電流検出回路４６で検出された電流は、制御回路４４へ供給される。スイッチ回路４８および抵抗４７は、二次電池Ｅの−側と端子Ｔ２との間に直列に設けられている。制御回路４４では、供給された電圧、電圧の差、および電流に基づいてスイッチ回路４８のオン／オフの制御が行われる。端子Ｔ１およびＴ２の間に、コンデンサＣが設けられている。
【００２５】
この第２の実施形態は、二次電池Ｅを放電動作させたときの保護回路の制御であり、放電動作が検出された後、電圧および／または電流を検出して、スイッチ回路が制御される。
【００２６】
制御回路４４では、二次電池Ｅが放電動作中に電流検出回路４６で検出された電流が基準値以上となった後、電圧検出回路４５で検出されたスイッチ両端電圧が基準値以上となる場合、スイッチ回路４８がオフされる。
【００２７】
また、制御回路４４では、電流検出回路４６において、電流が検出されない場合、スイッチ回路４８は基準電流以上の電流が流れるように設定している。これに対して、基準値以上の電流を流すと、電圧検出回路４５で検出されるスイッチ両端電圧および差検出４３で検出される差電圧が基準値より高くなる。これらの電圧を検出してスイッチ回路４８がオフされる。
【００２８】
さらに、制御回路４４では、電流検出回路４６で検出される電流が増加した場合、電圧検出回路４２で検出されるコンデンサ端子電圧が基準値、例えば２．５Ｖ以下の電圧になったと判断されると、スイッチ回路４８がオフされる。
【００２９】
また、図９に示すように、スイッチ回路４８の抵抗およびスイッチ回路４８に流れる電流から電圧を検出し、スイッチ回路４８をオフするようにしても良い。
【００３０】
ここで、図１０を参照して、この第２の実施形態の動作を説明する。ステップＳ１では、現在二次電池Ｅが放電動作をしているのか、充電動作をしているのかが検出される。ステップＳ２では、検出結果から二次電池Ｅが放電動作をしているか否かが判断される。放電動作をしていると判断されると、ステップＳ３へ制御が移り、充電動作をしている、または充電動作も放電動作もしていないと判断されると、ステップＳ１へ制御が戻る。ステップＳ３では、二次電池Ｅの保護制御のアルゴリズムが呼び出される。ステップＳ４では、保護制御のアルゴリズムから制御が戻り、スイッチ回路４８がオフとされる。
【００３１】
図１１のフローチャートを参照して、第１の保護制御のアルゴリズムを説明する。ステップＳ１１では、電圧検出回路４５でスイッチ回路４８のスイッチ両端電圧が検出される。ステップＳ１２では、検出されたスイッチ両端電圧が基準値以上か否かが判断される。検出されたスイッチ両端電圧が基準値以上であると判断されると、このアルゴリズムを終了し、このアルゴリズムが呼び出されたステップＳ３へ制御が戻り、ステップＳ４においてスイッチ回路４８がオフとされる。検出されたスイッチ両端電圧が基準値未満であると判断されると、ステップＳ１１へ制御が戻る。
【００３２】
図１２のフローチャートを参照して、第２の保護制御のアルゴリズムを説明する。ステップＳ２１では、電圧検出回路４１で電池端子電圧が検出される。ステップＳ２２では、電圧検出回路４２でコンデンサ端子電圧が検出される。ステップＳ２３では、差検出回路４３で検出された電池端子電圧と、検出されたコンデンサ端子電圧との差電圧が検出される。
【００３３】
ステップＳ２４では、検出された差電圧が基準値以上か否かが判断される。検出された差電圧が基準値以上であると判断されると、このアルゴリズムを終了し、このアルゴリズムが呼び出されたステップＳ３へ制御が戻り、ステップＳ４においてスイッチ回路４８がオフとされる。検出された差電圧が基準値未満であると判断されると、ステップＳ２１へ制御が戻る。
【００３４】
図１３のフローチャートを参照して、第３の保護制御のアルゴリズムを説明する。ステップＳ３１では、電圧検出回路４２でコンデンサ端子電圧が検出される。ステップＳ３２では、検出されたコンデンサ端子電圧が基準値となる２．５Ｖか否かが判断される。検出されたコンデンサ端子電圧が基準値の２．５Ｖである、または基準値の２．５Ｖ以上であると判断されると、このアルゴリズムを終了し、このアルゴリズムが呼び出されたステップＳ３へ制御が戻り、ステップＳ４においてスイッチ回路４８がオフとされる。検出された基準値の２．５Ｖではない、または基準値の２．５Ｖ未満であると判断されると、ステップＳ３１へ制御が戻る。
【００３５】
図１４のフローチャートを参照して、第４の保護制御のアルゴリズムを説明する。ステップＳ４１では、電流検出回路４６で電流が検出される。ステップＳ４２では、差検出回路４３で電池端子電圧とコンデンサ端子電圧との差電圧が検出される。ステップＳ４３では、電圧検出回路４５でスイッチ両端電圧が検出される。ステップＳ４４では、検出された電流、差電圧、および／またはスイッチ両端電圧が基準値以上か否かが判断される。電流、差電圧、および／またはスイッチ両端電圧が基準値以上であると判断されると、このアルゴリズムを終了し、このアルゴリズムが呼び出されたステップＳ３へ制御が戻り、電流、差電圧、および／またはスイッチ両端電圧が基準値未満であると判断されると、ステップＳ４１へ制御が移る。
【００３６】
この図１４に示すフローチャートでは、電流検出（ステップＳ４１）の後、差電圧の検出（ステップＳ４２）と、スイッチ両端電圧の検出（ステップＳ４３）とを並行して行うようにしているが、上述の図８に示すようにハードウェアで構成した場合、これらの検出が常に連続的に行われている。
【００３７】
第１〜第４の保護制御のアルゴリズムは、それぞれ個別に呼び出され実行されるようにしても良いし、複数または全てが呼び出され実行されるようにしても良い。
【００３８】
図１５を参照して、この発明の第３の実施形態を説明する。この第３の実施形態は、上述した第２の実施形態のスイッチ回路４８の部分に定電圧定電流回路５０を設けるようにしたものである。従って、電圧検出回路４５では、定電圧定電流回路５０の両端の電位差が検出されるが、上述と同様、電圧検出回路４５で検出される電圧をスイッチ両端電圧と称する。
【００３９】
この図１５は、充電中に電圧・電流を検出して、充電条件によって定電圧定電流回路５０を制御するようにした実施形態である。例えば、電圧検出回路４１で電池端子電圧が基準値以上になった場合に、定電圧定電流回路５０がスイッチモードから定電圧制御に切り替えられる。このとき、電圧検出回路４２で検出されるコンデンサ端子電圧、すなわち入力電圧、または電圧検出回路４５で検出されるスイッチ両端電圧および差検出回路４３で検出される差電圧が設定した基準値以上になった場合に、定電圧定電流回路５０の動作を停止させ、オフ状態にする。
【００４０】
さらに、充電中に基準電流値以上になった場合に、定電圧定電流回路５０を定電流モードに切り替えて動作させる。このとき、電圧検出回路４２のコンデンサ端子電圧、差検出回路４３の差電圧、および電圧検出回路４５のスイッチ両端電圧が基準値以上の場合に定電圧定電流回路５０の動作を停止させ、オフ状態にする。
【００４１】
図１６を参照して、この発明の第４の実施形態を説明する。放電時にスイッチ回路５２をオフ状態にする場合、検出した電流と電圧とを掛け合わした値が基準値以上になったときにオフ状態となるように動作させるようにしても良い。
【００４２】
このとき、図１７に示すようにＦＥＴ６２および６４から構成されるスイッチ回路５２は、ＦＥＴ６２はオフ状態とし、ＦＥＴ６４はオン状態とする。ＦＥＴ６２は、端子６１から供給される信号に応じてオン／オフが行われ、ＦＥＴ６４は、端子６３から供給される信号に応じてオン／オフが行われる。このように、放電側の経路のみをオフとし、充電側の経路はオンとすることができる。なお、放電時と充電時とで異なる値を基準値としても良い。
【００４３】
充電時にスイッチ回路５２をオフ状態にする場合、スイッチ回路５２の温度を温度検出回路５３で検出して動作させる。このとき、ＦＥＴ６４はオフ状態とし、ＦＥＴ６２はオン状態とする。このように、充電側の経路のみをオフとし、放電側の経路はオンとすることができる。
【００４４】
また、二次電池Ｅの温度を温度検出回路５１で検出し、設定されている上の基準値、例えば５０度以上および下の基準値、例えば０度以下を検出すると、スイッチ回路５２をオフとするようにしても良い。なお、上述と同様放電時と充電時とで異なり値を基準値としても良い。
【００４５】
ここで、コンデンサＣの容量を設定する方法を説明する。コンデンサには、図１８に示すように、それぞれの容量の違いから時間経過に応じてリップル電圧の変化が異なる。この図１８には、特性７１を示すコンデンサ（以下、「コンデンサ７１」と称する）、特性７３を示すコンデンサ（以下、「コンデンサ７３」と称する）、および特性７５を示すコンデンサ（以下、「コンデンサ７５」と称する）の３つの異なる容量のコンデンサの特性が示されている。また、図１８には、コンデンサ７１のリップル電圧の変化率の大きい領域７２、コンデンサ７３のリップル電圧の変化率の大きい領域７４、およびコンデンサ７５のリップル電圧の変化率の大きい領域７６が示されている。
【００４６】
そして、接続されたパルス負荷によって発生するパルス電流の時間、すなわちパルス電流幅が異なる。一例として、図１９にパルス負荷によって発生するパルス電流幅８１、８２、および８３を示す。
【００４７】
この実施形態では、接続されるパルス負荷によって発生するパルス電流幅に対するリップル電圧の変化率の大きい領域内の容量となるコンデンサが選択される。
【００４８】
コンデンサＣの容量の大きさをパルス電流によってリップル電圧（出力電圧変化）の改善率が大きい領域の容量（積分値の変化率、リップル電圧率）に設定した場合、パルス負荷は、単なる負荷抵抗と等価として扱うことができる。
【００４９】
この発明は、上述したこの発明の一実施形態等に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
【００５０】
【発明の効果】
この発明に依れば、従来はリップル電圧の対策として二次電池と並列して設けられていたコンデンサを、保護回路よりパルス負荷側に設けることによって、部品数を増やすことなく、リップル電圧の対策および保護回路として使用することができる。
【００５１】
この発明に依れば、保護回路よりパルス負荷側にコンデンサを設けることによって、コンデンサが保護機能を持つので、スイッチ回路を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態の概略的な構成について説明するためのブロック図である。
【図２】この発明の第１の実施形態について説明するためのブロック図である。
【図３】この発明の第１の実施形態の等価回路を示すブロック図である。
【図４】この発明で適用されるコンデンサについて説明するための特性図である。
【図５】この発明の第１の実施形態の保護回路の一例を説明するためのブロック図である。
【図６】この発明の第１の実施形態の保護回路のその例を説明するためのブロック図である。
【図７】この発明の第１の実施形態を説明するための特性図である。
【図８】この発明の第２の実施形態を説明するためのブロック図である。
【図９】この発明の第２の実施形態を説明するための特性図である。
【図１０】この発明の第２の実施形態の制御を説明するためのフローチャートである。
【図１１】この発明の第２の実施形態の保護制御を説明するためのフローチャートである。
【図１２】この発明の第２の実施形態の保護制御を説明するためのフローチャートである。
【図１３】この発明の第２の実施形態の保護制御を説明するためのフローチャートである。
【図１４】この発明の第２の実施形態の保護制御を説明するためのフローチャートである。
【図１５】この発明の第３の実施形態を説明するためのブロック図である。
【図１６】この発明の第４の実施形態を説明するためのブロック図である。
【図１７】この発明の第４の実施形態のスイッチ回路を説明するためのブロック図である。
【図１８】この発明で適用されるコンデンサを選択する説明に用いられる特性図である。
【図１９】この発明で適用されるコンデンサを選択する説明に用いられる特性図である。
【図２０】従来の保護回路を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
Ｅ・・・二次電池、Ｃ・・・コンデンサ、１・・・保護回路、２・・・パルス負荷、Ｔ１、Ｔ２・・・端子、１１・・・検出回路、１２・・・抵抗、１３・・・制御回路、１４・・・スイッチ回路
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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