(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の一方の電極に直列に接続されて該二次電池の充放電電流をオン・オフ制御する半導体スイッチと、該半導体スイッチ素子の両端間に発生する電圧降下から前記二次電池の充電電流および／または放電電流を求める電圧・電流圧変換手段とを具備し、
前記電圧・電流圧変換手段は、前記半導体スイッチの両端間電圧を測定する電圧降下測定手段と、前記半導体スイッチの温度を測定する温度測定手段と、前記電圧降下測定手段の測定電圧を電流値に変換するための変換係数と前記半導体スイッチの温度との関係を示す温度特性を記憶した記憶手段と、前記温度測定手段により測定された半導体スイッチの温度に応じて前記記憶手段から求められる変換係数を用いて前記電圧降下測定手段により測定された電圧を電流値に変換する演算回路とを備え、
更に前記二次電池を一定電流にて充電する際に検出される前記半導体スイッチの温度と前記半導体スイッチの両端間電圧とに従って前記記憶手段に記憶された変換係数の温度特性を補正する特性補正手段
を備えることを特徴とする電池電流測定回路。
【請求項２】
前記半導体スイッチは、電界効果トランジスタからなる請求項１に記載の電池電流測定回路。
【請求項３】
前記半導体スイッチは、前記二次電池の充電を制御する第１の半導体スイッチと、前記二次電池の放電を制御する第２の半導体スイッチとからなり、
前記電圧降下測定手段は、上記第１または第２の半導体スイッチの両端間電圧を測定するものである請求項１に記載の電池電流測定回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種電子機器の駆動源として用いられる電池、特に二次電池の電流を、電流測定に伴う電圧降下を最小限に抑えて測定することができる電池電流測定回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話機やノートブック型パーソナルコンピュータ等の携帯用電子機器では、充電可能な二次電池が電源に使用される。また、商用電源を駆動源とする電子機器においても、電気エネルギーの蓄積・供給のため、充電可能な二次電池が電源として使用される。
【０００３】
二次電池の性能を長期にわたり維持し、安定に使用するためには、二次電池の充電および放電の管理を行うことが望ましい。この充放電の管理は、例えば電池の充放電路に直列に介挿された電流検出抵抗器を用い、該電流検出抵抗器の両端間に生じる電圧降下から、その充放電電流を測定して行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら電池の充放電路に電流検出抵抗器を介挿してその充放電電流を測定する場合、電流検出抵抗器における電圧降下が無視できない。
例えば携帯電話機においては、その駆動源である二次電池からその電子回路本体に対して最大２Ａ程度の電流を供給する必要があり、またノートブック型のパーソナルコンピュータにおいても最大５Ａ程度の電流を供給する必要がある。この場合、前記電流検出抵抗器として２０〜５０ｍΩのものを用いたとしても、４０〜１００ｍＶ、或いは１００〜２５０ｍＶもの電圧降下が発生する。このような電圧降下は、二次電池からノートブック型パーソナルコンピュータ等の電子回路本体に供給される電圧を低下させる要因となり、ひいては二次電池の電池寿命を短くする要因になる。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、電池の充放電電流の測定に伴う電圧降下を抑えると共に、電池による電子機器の長時間動作を可能とする簡易な構成の電池電流測定回路を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の本発明による電池電流測定回路は、二次電池の一方の電極に直列に接続されて該二次電池の充放電電流をオン・オフ制御する半導体スイッチと、該半導体スイッチ素子の両端間に発生する電圧降下から前記二次電池の充電電流および／または放電電流を求める電圧・電流圧変換手段とを具備し、
前記電圧・電流圧変換手段は、前記半導体スイッチの両端間電圧を測定する電圧降下測定手段と、前記半導体スイッチの温度を測定する温度測定手段と、前記電圧降下測定手段の測定電圧を電流値に変換するための変換係数と前記半導体スイッチの温度との関係を示す温度特性を記憶した記憶手段と、前記温度測定手段により測定された半導体スイッチの温度に応じて前記記憶手段から求められる変換係数を用いて前記電圧降下測定手段により測定された電圧を電流値に変換する演算回路とを備え、
更に前記二次電池を一定電流にて充電する際に検出される前記半導体スイッチの温度と前記半導体スイッチの両端間電圧とに従って前記記憶手段に記憶された変換係数の温度特性を補正する特性補正手段
を備えることを特徴とする。
【０００７】
このような構成であれば、半導体スイッチの両端に生じる電圧降下を測定することによって、電流検出抵抗器を用いることなく、電池電流を測定することができるので、電流検出抵抗器による大きな電圧降下の問題を解消し、電池による電子機器の長時間動作を可能とする電池電流測定回路が提供される。
ここで、半導体スイッチとしてオン抵抗の小さい電界効果トランジスタを使用することが好適であり、この場合、その導通／遮断の制御を低電力でおこなうことが実現できる（請求項２）。
【０００８】
特に前記電圧・電流変換手段を、前記半導体スイッチの両端間電圧を測定する電圧降下測定手段と、前記半導体スイッチの温度を測定する温度測定手段と、電圧降下測定手段の測定電圧を電流値に変換するための変換係数を記憶した記憶手段と、前記温度測定手段により測定された半導体スイッチの温度に応じて前記記憶手段に記憶された変換係数を用いて前記電圧降下測定手段により測定された電圧を電流値に変換する演算回路とにより構成しているので、前記半導体スイッチに発生する電圧降下を電池電流の電流値に簡易に変換し得ることが可能となる。
【０００９】
本発明の好ましい態様は、前記半導体スイッチとして、二次電池の充電を制御する第１の半導体スイッチと、二次電池の放電を制御する第２の半導体スイッチとを用い、前記電圧降下測定手段においては、上記第１または第２の半導体スイッチの両端間電圧を測定するように構成される。即ち、二次電池の充放電を制御する第１および第２の半導体スイッチを、電流検出の素子として用いることを特徴としている。
【００１０】
また更に前記二次電池を一定電流にて充電する際に検出される前記半導体スイッチの温度と前記半導体スイッチの両端間電圧とに従って前記記憶手段に記憶された変換係数の温度特性を補正する特性補正手段を備えるので、前記半導体スイッチのオン抵抗が、その温度に依存して変化しても、温度に応じた変換係数の補正により、正確な電池電流測定が可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る二次電池の電池電流測定回路の概略構成図である。
図１で、１１は二次電池Ｂ１１を備えた電池パック６のプラス電源端であり、１２はそのマイナス電源端である。これらの一対の電源端１１，１２は図示しない電子機器に接続される。二次電池Ｂ１１は、例えば複数の二次電池セルＢ１１ａ〜Ｂ１１ｄを直列に接続したもので、前記一対の電源端１１，１２を介してその充放電が行われる。この二次電池Ｂ１１の充放電路には、特に、二次電池Ｂ１１のプラス電極Ｂ１１ｐと前記プラス電源端１１との間には、その充放電を制御する第１および第２の電界効果トランジスタＴｒ１２，Ｔｒ１１が直列に介挿されている。
【００１２】
電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２はそれぞれＰチャンネル型のものであって、そのドレインＤ１，Ｄ２間を互いに接続して直列に設けられる。しかしてソースＳ１をプラス電源端１１に接続した第１の電界効果トランジスタＴｒ１１は、前記二次電池Ｂ１１の充電を制御するスイッチ素子として機能するものであり、またソースＳ２を前記二次電池Ｂ１１のプラス電極Ｂ１１ｐに接続した第２の電界効果トランジスタＴｒ１２は、前記二次電池Ｂ１１の放電を制御するスイッチ素子として機能する。
【００１３】
これらの第１および第２の電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２は、前記各二次電池セルＢ１１ａ〜Ｂ１１ｄの電池電圧を検出して二次電池Ｂ１１の過充電および過放電を検出する保護回路１４の出力をそのゲートＧ１，Ｇ２に受けて、それぞれ導通／遮断（オン・オフ）制御される。具体的には、二次電池Ｂ１１の充放電時には、上記各電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２は、共に導通状態に設定されている。そして二次電池Ｂ１１の充電時において、その過充電が前記保護回路１４において検出されたとき、該保護回路１４により前記第１の電界効果トランジスタＴｒ１１が遮断制御され、その充電が停止される。また二次電池Ｂ１１の放電時において、前記二次電池セルＢ１１ａ〜Ｂ１１ｄの端子電圧が予め設定された監視電圧（放電禁止電圧）まで低下したとき、保護回路１４はこれを検出して前記第２の電界効果トランジスタＴｒ１２を遮断制御することで、その放電を停止させるものとなっている。
【００１４】
さて、基本的には上述したように二次電池Ｂ１１の充放電路に、該二次電池Ｂ１１の充電を制御する第１の電界効果トランジスタＴｒ１１およびその放電を制御する第２の電界効果トランジスタＴｒ１２を備えて構成される電池パック６が備える電池電流測定回路が特徴とするところは、上記第１および第２の電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２をそのまま二次電池Ｂ１１の充放電電流を測定するための電流検出の素子として用いている点にある。
【００１５】
即ち、この電池電流測定回路は、二次電池Ｂ１１の充放電を制御するスイッチ素子である、直列に接続された第１および第２の電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２の両端間に生じる電圧降下を検出する差動増幅器１３と、この差動増幅器１３にて検出された電圧降下から前記二次電池Ｂ１１の充放電電流を求めるマイクロコントローラ（電圧・電流変換手段）１５とを備える。
【００１６】
このマイクロコントローラ１５は、前記差動増幅器１３にて検出された電圧降下をディジタル変換する第１のアナログ・ディジタル変換器（ＡＤ変換器と略する）１６と、温度センサ２１にて検出される電界効果トランジスタＴｒ１１，１２のケース温度をディジタル変換する第３のＡＤ変換器１８、前記二次電池Ｂ１１の電池電圧（プラス電極Ｂ１１ｐ側）をディジタル変換する第２のＡＤ変換器１７を備える。更にマイクロコントローラ１５は、前記第１および第２の電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２の両端間に生じる電圧降下を二次電池Ｂ１１の充放電電流に変換するための変換係数、具体的には第１および第２の電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２の特性を記憶した記憶回路１９と、この記憶回路１９に記憶された変換係数に基づき、前記ＡＤ変換器１６の出力（電圧降下）から二次電池Ｂ１１の充放電電流を算出する演算回路２０とを有する。そしてこの演算回路２０にて求められた上記二次電池Ｂ１１の充放電電流の情報は、通信ポート２０ｃを介して、前記二次電池Ｂ１１の後述する充電量や電池電圧、更には充放電の状態情報等と共に図示しない電子機器に出力されるようになっている。
【００１７】
なお、差動増幅器１３、保護回路１４、マイクロコントローラ１５および温度センサ２１は、ここでは独立した電源Ｖｃｃにより駆動されてそれぞれ作動するように構成されるが、二次電池Ｂ１１から電力供給を受けて作動するように構成することも可能である。
次に、上述のように構成された電池電流測定回路の動作および作用を説明する。
【００１８】
二次電池Ｂ１１の充電は、図示しない外部電源装置から前述した一対の電源端１１,１２を介して電力を供給することによってなされ、また二次電池Ｂ１１の放電は、一対の電源端１１,１２を介して図示しない外部の電子機器に対して電力を供給することによってなされる。そのときの充放電電流Ｉｄｃは、第１および第２の電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２を介して流れる。この際、直列接続された電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２は、少なからずもオン抵抗Ｒｄｓを有するので、該電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２の両端間には、充放電電流Ｉｄｃによる電圧降下が生じる。但し、充電時と放電時とではその電流Ｉｄｃが流れる向きが逆であり、従って電圧降下の極性も異なる。前記差動増幅器１３は、このような充電電流Ｉｄｃによる電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２の両端間に生じる電圧降下Ｖｄｃを検出しており、検出された電圧値Ｖｄｃは、前述したように第１のＡＤ変換器１６を介して演算回路２０に与えられる。
【００１９】
なお、差動増幅器１３の利得および直流オフセットは、その出力電圧範囲が第１のＡＤ変換器１６のアナログ入力電圧範囲に適合するように設定される。直流オフセットに関しては、上述した充電時と放電時との電圧降下をそれぞれ検出すべく、電圧降下が零（０）の状態においてその出力電圧が、出力電圧範囲内の中点電位となるように設定される。また差動増幅器１３の利得に関しては、電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２のオン抵抗と充放電電流の最大値とにより定まる最大電圧降下と、ＡＤ変換器１６のアナログ入力電圧範囲に応じて設定すれば良い。
【００２０】
ところで上述した如く測定される電圧降下Ｖｄｃから、充放電電流Ｉｄｃを求めるには、電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２のオン抵抗を知る必要がある。
ちなみに電界効果トランジスタのオン抵抗Ｒｄｓは、該電界効果トランジスタのケース温度Ｔｃに依存して変化する。又、電界効果トランジスタのオン抵抗Ｒｄｓは、その相互コンダクタンスの逆数であるので、該電界効果トランジスタのゲート・ソース間電位差Ｖｇｓに依存する。そして、電界効果トランジスタのオン抵抗Ｒｄｓは、そのゲート・ソース間電位差Ｖｇｓが一定であるとき、図２に例示するように、そのドレイン電流Ｉｄに殆ど依存することなく、ケース温度Ｔｃに対して略直線的な変化を示す（ドレイン電流Ｉｄは充放電電流Ｉｄｃに等しい）。従って電界効果トランジスタのゲート・ソース間電位差Ｖｇｓと、そのケース温度Ｔｃとが明らかであれば、該電界効果トランジスタのゲート・ソース間電位差Ｖｇｓとケース温度Ｔｃとの関係から、そのオン抵抗Ｒｄｓを求めることが可能となる。
【００２１】
なお、電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２のケース温度を検出する温度センサ２１としては、例えばサーミスタを用いれば良い。
また、電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２のゲート・ソース間電位差Ｖｇｓについては、これらの電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２がＰチャンネル型のものからなり、そのソースＳ１，Ｓ２に対してゲートＧ１，Ｇ２を負電位にバイアスして、一般的には接地電位を与えて導通させるので、そのソースＳ１，Ｓ２に加えられる電圧をソース・ゲート間電圧Ｖｇｓとして検出するようにすればよい。ここで、ソースＳ２は二次電池のプラス電極Ｂ１１ｐに接続されており、ソースＳ１，Ｓ２間の電圧降下は二次電池電圧Ｖｂに比して極めて小さいので、二次電池電圧Ｖｂをソース・ゲート間電圧Ｖｇｓと看做してよい。
【００２２】
この際、２つの電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２が共に導通しており、その特性が等しいことから、１つの電界効果トランジスタ当たり、それぞれ（Ｖｄｃ／２）の電圧降下が発生していると看做すようにすれば良い。
しかして前記記憶回路１９には、前記電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２の上述したケース温度Ｔｃに対するオン抵抗Ｒｄｓの変化特性を含む動作特性が、予めケース温度Ｔｃおよびゲート・ソース間電位差Ｖｇｓをパラメータとして記憶されている。そこで演算回路２０は、前述した第２のＡＤ変換器１７を介して求められる二次電池Ｂ１１のプラス電極電圧と、前記第３のＡＤ変換器１８を介して求められる電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２のケース温度Ｔｃに従って前記記憶回路１９を検索し、該記憶回路１９から上記ケース温度Ｔｃおよびゲート・ソース間電位差Ｖｇｓに対応するオン抵抗Ｒｄｓを求めている。
【００２３】
そしてこのオン抵抗Ｒｄｓを変換係数とし、前記ＡＤ変換器１６を介して求められる電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２の両端間電圧（電圧降下）Ｖｄｃから、該電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２を介して流れる二次電池Ｂ１１の充放電電流Ｉｄｃを
Ｉｄｃ  ＝    Ｖｄｃ／（２×Ｒｄｓ）
として算出するものとなっている。
【００２４】
なお、演算回路２０においては、更に上述した如く求められた充電電流Ｉｄｃを所定の周期Ｔに亘って積算して、二次電池Ｂ１１の充放電量を求めるようにしても良い。
ところで、電流測定精度を更に高める場合には、次のようにすれば良い。即ち、この場合には、図示しない外部電源から第１および第２の電界トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２を介して前記二次電池Ｂ１１を一定電流（例えば１.０Ａ）で充電し、このときの電圧降下Ｖｄｃとケース温度Ｔｃとをそれぞれ測定して、前述した如く記憶回路１９に記憶した特性（ケース温度Ｔｃに対するオン抵抗Ｒｄｓの変化特性）を補正するようにすれば良い。即ち、この場合には、第１および第２の電界トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２を流れる電流値自体が既知であるから、そのときの電圧降下Ｖｄｃとケース温度Ｔｃとから電界トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２のオン抵抗Ｒｄｓを逆算することができる。従って逆算によって求められる電界トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２のオン抵抗Ｒｄｓを用いて、記憶回路１９に記憶されている特性を補正すれば、この補正された特性を用いて前述したように二次電池Ｂ１１の充放電時における充放電電流をより高精度に求めることが可能となる。
【００２５】
また、上記の定電流充電によるケース温度Ｔｃに対するオン抵抗Ｒｄｓの補正は、一の定電流（例えば１.０Ａ）の場合と他の定電流（例えば２.０Ａ）の場合の２点による補正としてもよい。補正を２点の充電電流で行うことにより、差動増幅器１３や第１のＡＤ変換器１６のオフセットの補正が容易となる。
かくして上述した如く構成された電池電流測定回路によれば、二次電池Ｂ１１の充放電を制御するべく、その充放電路に直列に介挿された電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２の両端間に発生する電圧降下Ｖｄｃを測定することで、該電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２を電流測定用の素子として有効に活用して、二次電池Ｂ１１の充放電電流を測定することができる。しかも記憶回路１９に記憶した電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２の特性と、そのケース温度Ｔｃおよびゲート・ソース間電位差Ｖｇｓとから求められる該電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２のオン抵抗Ｒｄｓを変換係数として、前記電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２の両端電圧Ｖｄｃからその充放電電流Ｉｄｃを求めるので、簡易にして高精度な電流測定が可能である。特に従来のように二次電池Ｂ１１の充放電路に電流測定用の抵抗器を介挿する必要がないので、無駄な電圧降下の発生を抑えることができ、二次電池Ｂ１１が供給し得る電圧を有効に活用することができ、その動作寿命を長くし得る等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【００２６】
なお本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば実施形態では、直列に接続した２つの電界効果トランジスタをＴｒ１１，Ｔｒ１２の両端の電圧降下から充放電電流を測定したが、何れか一方の電界効果トランジスタにおける電圧降下から充放電電流を測定するようにしても良い。またここでは、２つの電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２を用いて二次電池Ｂ１１の充電と放電とをそれぞれ制御する充放電回路を例に説明したが、１つの電界効果トランジスタにより二次電池Ｂ１１の充電または放電を制御するように構成した充放電回路に対しても同様に適用することができる。更に実施形態では、二次電池Ｂ１１の充放電電流を測定する場合について説明したが、一次電池の放電電流を測定する場合にも適用可能なことは勿論である。
【００２７】
更に前述したスイッチ素子（電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２）を二次電池Ｂ１１のマイナス電極側に直列に介挿した場合にも同様に適用可能であり、スイッチ素子としてＮチャンネル型電界効果トランジスタを使用してもよい。また、２つの電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２として、必ずしもその特性が同じものを用いる必要はない。但し、この場合には各電界効果トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２の特性をそれぞれ記憶回路１９に記憶しておく必要がある。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電池電流測定回路によれば、電池の充電および／または放電を制御する半導体スイッチにおける電圧降下から電池の充放電電流を測定するので、従来一般的な電流検出抵抗器を必要とせず、電流検出に伴う電圧降下を抑えることができる。従って電池による電子機器の長時間動作を可能とするという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る電池電流測定回路の概略構成を示す図である。
【図２】電界効果トランジスタのケース温度Ｔｃに対するオン抵抗Ｒｄｓの変化特性図である。
【符号の説明】
Ｂ１１  二次電池
Ｔｒ１１，Ｔｒ１２  電界効果トランジスタ（半導体スイッチ）
１３  差動増幅器
１４  保護回路
１６  第１のＡＤ変換器
１７  第２のＡＤ変換器
１８  第３のＡＤ変換器
１９  記憶回路
２０  演算回路
２１  温度センサ
【図１】
0004612174.tif 000002
【図２】
0004612174.tif 000003