(57)【要約】【課題】  定電流充電（急速充電）から定電圧充電への切り替えタイミングを遅くし、それによってその後の定電圧充電期間を短くでき、トータルの充電所要時間を短縮できる充電制御装置を提供する。【解決手段】  充電用トランジスタを制御する充電制御回路と、二次電池が過放電状態となった場合に第１制御用スイッチ素子をオフさせて放電電流が流れないようにし、二次電池が過充電状態となった場合に第２制御用スイッチ素子をオフさせて充電電流が流れ込まないようにする保護回路とを備えた充電制御装置において、充電制御回路は、二次電池側の電圧が所定値になるまでは充電用トランジスタにより一定の充電電流を流すように制御し、二次電池側の電圧が所定値に達した後は定電圧で充電電流を流すように制御に切り替える機能を有し、二次電池の正極側の端子電圧と負極側の端子電圧とが監視電圧として充電制御回路に供給されるように構成した。【選択図】  図１
2013153614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池へ充電電流を流すための充電用トランジスタと、
充電用電源が接続されている場合に前記充電用トランジスタが充電電流を流すように制御する充電制御回路と、
前記二次電池の一方の端子と外部端子との間に直列形態に接続された第１制御用スイッチ素子および第２制御用スイッチ素子と、
前記二次電池が過放電状態となった場合に前記第１制御用スイッチ素子をオフさせて放電電流が流れないようにし、前記二次電池が過充電状態となった場合に前記第２制御用スイッチ素子をオフさせて充電電流が流れ込まないようにする保護回路と、
を備えた充電制御装置であって、
前記充電制御回路は、前記二次電池側の電圧が所定値になるまでは前記充電用トランジスタにより一定の充電電流を流すように制御し、前記二次電池側の電圧が所定値に達した後は定電圧で充電電流を流すように制御に切り替える機能を有し、前記二次電池の正極側の端子電圧および負極側の端子電圧と同一の電位がそれぞれ前記充電制御回路に供給されるように構成されていることを特徴とする保護機能付き充電制御装置。
【請求項２】
前記充電制御回路の基準電圧生成回路または前記保護回路の基準電圧生成回路により生成された基準電圧を、前記保護回路または前記充電制御回路へ伝達する配線が設けられ、前記保護回路または前記充電制御回路は、伝達された前記基準電圧に基づいて過充電状態の検出または定電流充電制御から定電圧充電制御への切替えタイミングの検出を行うように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の保護機能付き充電制御装置。
【請求項３】
前記充電制御回路または前記保護回路によりバイアスが与えられる温度検出素子を備え、該温度検出素子における温度変化に伴う特性の変化を示す信号が前記充電制御回路および前記保護回路へ供給されるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の保護機能付き充電制御装置。
【請求項４】
前記充電制御回路と前記保護回路は、１つの半導体チップ上に半導体集積回路として形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の保護機能付き充電制御装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の充電制御装置と、該充電制御装置に接続された電池セルとが１つの容器に収納されていることを特徴とする電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過充電や過放電などに対する保護機能を備えた二次電池の充電制御装置に関し、例えばリチウムイオン電池パックに内蔵される充電制御装置および充電制御用半導体集積回路に利用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池などの二次電池にあっては、過充電や過放電が発生すると電池寿命が低下するため、従来、携帯電話機などの二次電池においては、電池セルとともに過充電や過放電などに対する保護機能を備えた保護用半導体集積回路（以下、保護ＩＣ）を１つの容器に内蔵した電池パックとして構成することが行われている。
【０００３】
そして、上記のような電池パックを使用する場合、本体機器側に、ＡＣアダプタなどの直流電源（充電用電源）からの電圧により二次電池を充電するための充電制御用半導体集積回路（以下、充電制御ＩＣ）を設けている。
上記のように、保護ＩＣと充電制御ＩＣとから構成した充電制御装置に関する発明としては、例えば特許文献１に開示されているものがある。また、電池パックに、保護ＩＣと充電制御ＩＣを内蔵するようにした発明も提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−９２７３５号公報（特許第４００３３１１号）
【特許文献２】特開２００４−２９６１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図９に、保護ＩＣを内蔵した従来の電池パックと、該電池パックに対して充電を行う充電制御ＩＣとを備えた充電制御装置の構成例が示されている。
図９の電池パック１００には、過充電や過放電などに対する保護機能を備えた保護ＩＣ１１’の他、充電用電源（ＡＣアダプタ）が接続される端子Ｐ−と二次電池２０の負極側の端子Ｂ−との間に、充電制御用ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）１３と放電制御用ＦＥＴ１４とが直列形態に設けられており、保護ＩＣ１１’は、充電開始後電池電圧が所定の電圧（リチウムイオン電池の場合、約４．２７５Ｖ）以上になると充電制御用ＦＥＴ１３をオフ状態にするようにしている。
また、特許文献１に記載されている発明では、充電開始後電池電圧が所定の電圧（リチウムイオン電池の場合、約４．２Ｖ）になった場合に、充電制御ＩＣ３０が定電流充電から定電圧充電へ制御を切り替えるようにしている。
【０００６】
ところで、充電制御ＩＣと保護ＩＣを内蔵した電池パックとを備えた図９に示すような充電制装置においては、充電制御ＩＣは、電池パック１００の端子Ｐ＋，Ｐ−間の電圧を監視して定電流充電や定電圧充電の制御を行っている。しかし、この場合、充電制御ＩＣが監視する電池パックの端子Ｐ＋，Ｐ−間の電圧は、充電制御用ＦＥＴ１３や放電制御用ＦＥＴ１４等のインピーダンスによって、電池セル２０の端子Ｂ＋，Ｂ−間の電圧よりも大きな電圧となる。
【０００７】
そのため、充電制御ＩＣが、電池パック１００の端子Ｐ＋，Ｐ−間の電圧に基づいて、例えばその電圧が４．２Ｖに達した場合に、定電流充電から定電圧充電への切り替えを行うように設計すると、図１０（Ａ）に示すように、電池セル２０の端子Ｂ＋，Ｂ−間の電圧がまだ４．１５Ｖ程度であるとき（タイミングｔ４）に切り替えることとなる。そして、その後、定電圧充電で電池セル２０の端子Ｂ＋，Ｂ−間の電圧が徐々に高くなり、電池セル２０の端子Ｂ＋，Ｂ−間の電圧と電池パック１００の端子Ｐ＋，Ｐ−間の電圧とが近づいて行くとともに、充電電流が減少し、図１０（Ｂ）に示すように、所定電流値まで減少した時点（タイミングｔ５）で充電制御ＩＣ３０が充電用トランジスタ３１をオフにして、充電を終了することとなる。
なお、図１０（Ａ）に示す電圧変化の特性線において、実線は電池セルの端子（Ｂ＋，Ｂ−）の電圧、破線は電池パックの端子（Ｐ＋，Ｐ−）の電圧である。
【０００８】
上記のように、充電制御ＩＣが、電池パック１００の端子Ｐ＋，Ｐ−間の電圧に基づいて定電流充電から定電圧充電への切り替えを行うようにした場合、図１０（Ｂ）に示すように、定電流充電（急速充電）から定電圧充電への切り替えタイミングｔ４が早くなる。その結果、定電流充電期間Ｔ１が短くその後の定電圧充電期間Ｔ２が長くなって、トータルの充電所要時間（ｔ１−ｔ５）が長くなるという課題がある。
【０００９】
なお、前述の特許文献１の発明においては、保護ＩＣが電池セル２０の端子Ｂ＋，Ｂ−間の電圧を監視して、セル電圧が所定の電圧に達したときに保護ＩＣ１１’から充電制御ＩＣ３０へ信号を送り、定電流充電から定電圧充電へ切り替えるようにしている。ただし、そのようにした場合には、保護ＩＣに上記定電流充電から定電圧充電への切替えタイミングを検出するためのコンパレータを設けるとともに、保護ＩＣと充電制御ＩＣに、信号を送信するための端子と受信するための端子をそれぞれ設ける必要がある。
【００１０】
また、保護ＩＣと充電制御ＩＣとを備えた従来の充電制御装置においては、保護ＩＣが所定の過充電検出電圧（リチウムイオン電池の場合、約４．２７５Ｖ）で充電制御用ＦＥＴ１３をオフすることで、二次電池が過充電状態にならないように保護する機能を有している。一方、充電制御ＩＣは、前述したように、所定の電圧（リチウムイオン電池の場合、約４．２Ｖ）で、定電流充電から定電圧充電への切り替えを行っており、これらの制御の切替えは、各ＩＣが基準電圧と電池セル電圧または電池パックの端子電圧とをコンパレータで比較してタイミングを検出することで行っている。
【００１１】
しかしながら、保護回路と充電制御回路が別々のＩＣであると、製造プロセスのばらつきによって、各ＩＣ内に設けられる基準電圧発生回路により生成される基準電圧が逆方向にばらつくことがある。その場合、各ＩＣの基準電圧が互いに近い値に設定されていて、保護ＩＣの基準電圧が低い方へずれ、充電制御ＩＣの基準電圧が高い方へずれたとすると、基準電圧のずれによる検出電圧の変動範囲が重なってしまうことがある。なお、基準電圧のばらつきは、それぞれ±０．０２５Ｖ程度である。
そして、保護ＩＣの過充電検出電圧が、充電制御ＩＣの定電圧充電への切替え電圧よりも低くなると、電池電圧が定電圧充電への切替え電圧よりも高くなったことを充電制御ＩＣが検出する前に、電池電圧が過充電検出電圧よりも高くなったことを保護ＩＣが検出して充電制御用ＦＥＴをオフしまう。そのため、充電制御ＩＣがそれを認知できず、充電が完了しない事態が発生するおそれがある。
【００１２】
そこで、従来のリチウムイオン電池の充電制御装置においては、例えば図６（Ａ）に示すように、保護ＩＣの過充電検出電圧Ｖdet2を４．２７５Ｖに設定し、充電制御ＩＣの定電圧充電への切替え電圧Ｖdet1を４．２００Ｖに設定している。このように設定することで、各基準電圧がばらついたとしてもそれぞれの基準電圧の変動範囲が重ならないように、約０．０２Ｖのマージンを設けることができる。なお、保護ＩＣの過充電検出電圧Ｖdet2を４．２７５Ｖとしているのは、リチウムイオン電池は４．３Ｖ以上が充電禁止領域であり、この電圧（４．３Ｖ）から基準電圧の片側のばらつきである０．０２５Ｖを引いた値として決定しているためである。
しかしながら、上記のように、保護ＩＣの過充電検出電圧Ｖdet2と充電制御ＩＣの定電圧充電への切替え電圧Ｖdet1との間に０．０７５Ｖのような大きな開きがあると、実際に電池が満充電状態になる前に充電制御ＩＣが充電制御を終了してしまうことが多くなるため、見かけ上の電池容量が減少するという課題がある。
【００１３】
さらに、二次電池は充電によって発熱することが知られているが、その発熱量が多くなって電池セル温度が高くなると電池セルの保護等のため、温度に応じて充電電流を制御することが行われている。
例えば携帯電話機などに設けられる保護ＩＣと充電制御ＩＣを備えた従来の電池充電装置においては、電池パック側にサーミスタを設け、本体側にある充電制御ＩＣへサーミスタの温度変化に応じた信号を送って電池セル温度が高くなったり低くなったりした時に充電電流を減らしたり、充電電圧を減らす等の制御を行っている。また、保護ＩＣにおいても、温度によって抵抗値などの特性が変化する素子をチップ内部に設けて、該素子の特性の変化から過充電検出電圧や過電流検出電圧を変化させて保護ポイントをずらす制御を行っている場合もある。
【００１４】
しかしながら、上記のように、充電制御ＩＣと保護ＩＣが別個の温度検出素子の状態に応じてそれぞれ制御を変えるように構成した場合、各温度検出素子は温度特性が異なるとともにばらつきも異なる。
そのため、図７（Ａ）に示すように、保護ＩＣによる過充電保護や過電流保護に関する検出値と、充電制御ＩＣによる電流制御の切替え電圧ＣＶや過電流保護に関する検出値とがずれてしまう。そして、例えば充電制御ＩＣが保護ＩＣよりも先に過電流状態を検出したとすると、まだ充電可能な温度範囲にあるにもかかわらず充電が中止されて、見かけ上の電池容量が減少することがある。
また、保護ＩＣが充電制御ＩＣよりも先に過充電状態を検出して充電制御用ＦＥＴをオフしたとすると、充電制御ＩＣがそれを認知できず異常電池であると判断したり充電電流を流す制御を続けようとしたり、まだ充電可能な温度範囲にあるにもかかわらず充電が中止されてしまうおそれがあるという課題がある。
【００１５】
なお、図７（Ａ）は、保護ＩＣにおける過充電保護に関する検出電圧の温度調整と充電制御ＩＣにおける定電流から定電圧制御への切替え電圧ＣＶの温度調整との関係を示したものである。また、図７（Ｂ）は、保護ＩＣにおける過充電保護に関する検出電流の温度調整と充電制御ＩＣにおける充電制御電流ＣＣの温度調整との関係を示したものである。図７（Ａ）、（Ｂ）において、横軸は温度であり、右側へ行くほど温度が高くなることを意味している。
【００１６】
この発明は上記のような背景の下になされたもので、その目的とするところは、定電流充電（急速充電）から定電圧充電への切り替えタイミングを遅くし、それによってその後の定電圧充電期間を短くでき、トータルの充電所要時間を短縮することができる充電制御装置および充電制御用半導体集積回路を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、基準電圧のばらつきで電池が過充電状態になる前に充電制御ＩＣが充電制御を終了して充電が未完了となるのを回避しつつ、電池容量を増加させることができる充電制御装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、充電制御回路と保護回路が電池の温度変化に対する調整機能をそれぞれ備える場合に、電池容量を最大限確保しつつ、電池の性能が低下したり電池寿命が低下したりするのを回避することができる充電制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、この発明は、
二次電池へ充電電流を流すための充電用トランジスタと、
充電用電源が接続されている場合に前記充電用トランジスタが充電電流を流すように制御する充電制御回路と、
前記二次電池の一方の端子と外部端子との間に直列形態に接続された第１制御用スイッチ素子および第２制御用スイッチ素子と、
前記二次電池が過放電状態となった場合に前記第１制御用スイッチ素子をオフさせて放電電流が流れないようにし、前記二次電池が過充電状態となった場合に前記第２制御用スイッチ素子をオフさせて充電電流が流れ込まないようにする保護回路と、
を備えた充電制御装置であって、
前記充電制御回路は、前記二次電池側の電圧が所定値になるまでは前記充電用トランジスタにより一定の充電電流を流すように制御し、前記二次電池側の電圧が所定値に達した後は定電圧で充電電流を流すように制御に切り替える機能を有し、前記二次電池の正極側の端子電圧および負極側の端子電圧と同一の電位がそれぞれ前記充電制御回路に供給されるように構成した。
【００１８】
上記した手段によれば、充電制御回路が二次電池の正極側の端子電圧と負極側の端子電圧とを監視して一定の充電電流を流す制御から定電圧で充電電流を流すように制御に切り替えることとなるので、充電制御回路が第１制御用スイッチ素子および第２制御用スイッチ素子のインピーダンスで高くなった電圧を監視して充電制御の切り替えを行う方式に比べて、定電流充電から定電圧充電への切替えタイミングが遅くなるため、急速充電期間が長くなって定電圧充電期間が短くなり、トータルの充電所要時間を短縮することができるようになる。
【００１９】
また、望ましくは、前記充電制御回路の基準電圧生成回路または前記保護回路の基準電圧生成回路により生成された基準電圧を、前記保護回路または前記充電制御回路へ伝達する配線が設けられ、前記保護回路または前記充電制御回路は、伝達された前記基準電圧に基づいて過充電状態の検出または定電流充電制御から定電圧充電制御への切替えタイミングの検出を行うように構成する。
【００２０】
これにより、充電制御回路側の定電圧充電への切替え電圧の変動範囲と保護ブロック側の過充電検出電圧の変動範囲が重なるように検出電圧を設定することができ、それによって、保護回路が電池電圧が過充電検出電圧よりも高くなったことを検出して第２制御用スイッチ素子をオフしてしまい、充電制御回路からの充電電流を二次電池へ流すことができなくなって充電が完了しない事態が発生するのを回避しつつ、定電圧充電の電圧を高くすることができ、それによって見かけ上の電池容量を増加させることができる。
【００２１】
さらに、望ましくは、前記充電制御回路または前記保護回路によりバイアスが与えられる温度検出素子を備え、該温度検出素子における温度変化に伴う特性の変化を示す信号が前記充電制御回路および前記保護回路へ供給されるように構成する。
これにより、温度が変化しても、保護回路の過充電検出電圧や過電流検出電流と、充電制御回路における電流制御の切替え電圧や過電流検出電流とがずれないようにすることができ、それによって電池容量を最大限確保しつつ、電池の性能が低下したり電池寿命が低下したりするのを回避することができる。
【００２２】
また、望ましくは、前記充電制御回路と前記保護回路は、１つの半導体チップ上に半導体集積回路として形成する。
これにより、充電制御装置と電池セルとを１つの容器に収納して電池パックとして構成することが容易となる。また、充電制御回路と保護回路との間で充電禁止信号や接続検出信号を送受信する場合に、専用の外部端子を設ける必要がないので、充電制御装置の高機能化に伴う外部端子数の増加を回避することができるようになる。
【００２３】
さらに、望ましくは、上記のような構成を有する充電制御装置と、該充電制御装置に接続された電池セルとを１つの容器に収納した電池パックとして構成する。
かかる電池パックによれば、電池が正常か異常かを判定しながら徐々に充電する電池起こし、救済充電、強制充電などと呼ばれる充電フローを組み込むことなく充電を開始することができるとともに、容器内に充電制御回路が設けられているため非接触充電が可能となる。また、充電制御装置がサーミスタを備え異常温度を検出した場合に充電を停止する機能を有する場合に、電池パックにサーミスタの状態を示す信号を出力するための端子を設ける必要がないため端子数を減らすことができるようになる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によると、定電流充電（急速充電）から定電圧充電への切り替えタイミングを遅くし、それによってその後の定電圧充電期間を短くでき、トータルの充電所要時間を短縮することができる充電制御装置および充電制御用半導体集積回路を実現できる。また、基準電圧のばらつきで電池が過充電状態になる前に充電制御ＩＣが充電制御を終了して充電が未完了となるのを回避しつつ、電池容量を増加させることができる充電制御装置を実現できる。
さらに、充電制御回路と保護回路が電池の温度変化に対する調整機能をそれぞれ備える場合に、電池容量を最大限確保しつつ、電池の性能が低下したり電池寿命が低下したりするのを回避することができる充電制御装置を実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る充電制御用ＩＣを内蔵した電池パックの一実施形態を示す回路構成図である。
【図２】従来の充電制御ＩＣと本発明の実施形態の充電制御用ＩＣによる定電流制御から定電圧制御への切替えタイミングの違いを示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施形態の充電制御用ＩＣの第１の変形例を示す回路構成図である。
【図４】本発明の実施形態の充電制御用ＩＣの第２の変形例を示す回路構成図である。
【図５】本発明に係る充電制御装置の第２の実施例を示す回路構成図である。
【図６】従来の充電制御装置と本発明の第２実施例の充電制御装置における定電圧充電制御と過充電保護制御のための検出電圧の関係を示す説明図である。
【図７】従来の充電制御装置における保護ＩＣによる周囲温度に応じた過充電検出電圧および過電流検出電圧の調整と充電制御ＩＣによる周囲温度に応じた電流制御の切替え電圧（過充電検出を含む）および過電流検出電圧の調整との関係を示す説明図である。
【図８】本発明の第３実施例の充電制御装置における保護ＩＣによる周囲温度に応じた過充電検出電圧および過電流検出電圧の調整と充電制御ＩＣによる周囲温度に応じた電流制御の切替え電圧（過充電検出を含む）および過電流検出電圧の調整との関係を示す説明図である。
【図９】充電制御ＩＣと保護ＩＣを備えた従来タイプの電池パックの構成例を示す回路図である。
【図１０】保護ＩＣを備えた従来タイプの電池パックの電池電圧の変化の様子および充電電流の変化の様子を説明するためのタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を適用した充電制御装置を内蔵した電池パックの一実施形態を示す。なお、特に限定されるわけではないが、図１において一点鎖線で囲まれている部分の回路を構成する素子は、１個の半導体チップ上に形成され、半導体集積回路（保護機能付き充電制御用ＩＣ）１０として構成される。
【００２７】
この実施形態における電池パック１００は、保護機能付き充電制御用ＩＣ１０と、リチウムイオン電池のような二次電池（以下、電池セル）２０と、温度検出用のサーミスタ４０と、充電中であることを報知するＬＥＤ５０を備えている。
保護機能付き充電制御用ＩＣ１０は、過充電や過放電などに対する保護機能を備えた保護ブロック１１と、電池パック１００の正極側端子Ｐ＋と電池セル２０の正極側端子Ｂ＋と間に接続されたＰチャネル形ＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）からなる充電用トランジスタ３１と、該充電用トランジスタ３１を制御する充電制御ブロック３０と、電池セル２０の負極側端子Ｂ−と電池パック１００の負極側端子Ｐ−との間に直列形態に設けられ、保護ブロック１１によって制御されるＮチャネル形ＭＯＳＦＥＴからなる充電制御用ＦＥＴ１３と放電制御用ＦＥＴ１４とを有する。
【００２８】
上記充電制御ブロック３０は、電圧入力端子ＶＩＮに充電用電源（ＡＣアダプタ）が接続されているか否か検出するためのコンパレータ３２を備え、該コンパレータ３２が、ＡＣアダプタが接続されたことを検出すると充電用トランジスタ３１をオンさせて、電池セル２０に対する充電を開始する。コンパレータ３２は、電池パック１００の正極側端子Ｐ＋の電圧もしくはそれを分圧した電圧と基準電圧Ｖrefとを比較してＡＣアダプタが接続されているか検出する。
また、充電制御ブロック３０は、充電用トランジスタ３１と直列に設けられた電流検出用のセンス抵抗Ｒｓの端子間電圧を監視しながら定電流で電池セル２０を充電したり、電池セル２０の端子Ｂ＋の電圧が入力される端子ＢＡＴの電圧を監視して定電圧で電池セル２０を充電したりする機能を有する。
【００２９】
具体的には、充電制御ブロック３０は、充電用トランジスタ３１を制御して、図２に示すように、先ず電池が正常か異常かを判定しながら徐々に充電する救済充電（ｔ１−ｔ２）、急速充電時の１０％程度の電流値による予備充電（ｔ２−ｔ３）を行う。また、充電制御ブロック３０は、電池電圧が２．９Ｖになる（タイミングｔ３）と定電流充電（急速充電）に切り替え、さらに電池電圧が４．２Ｖになる（タイミングｔ４）と、定電圧充電に切り替えて充電を継続する。そして、充電完了状態（例えば充電電流が所定値以下となったこと）を検出すると、充電用トランジスタ３１をオフさせて充電を終了する（タイミングｔ５）。
【００３０】
さらに、充電制御ブロック３０は、サーミスタ４０に電流や電圧をバイアスとして与えて温度を検出して異常温度であると判定すると充電を中止する機能や、端子ＢＡＴの電圧に基づいて過電圧状態を検出すると充電を中止する機能を有する。また、充電制御ブロック３０は、センス抵抗Ｒｓが接続される端子ＩＳＮＳの電圧を監視して過充電電流を検出すると充電を中止する機能、充電制御中は外付けのＬＥＤ５０を点灯させて充電中であることを報知する機能なども有する。
また、本実施形態の電池パックにおいては、充電制御ブロック３０が電池電圧を直接監視できるようにするため、電池セル２０の正極側の端子Ｂ＋の電位を充電制御ブロック３０へ伝達するための配線Ｌ１と、電池セル２０の負極側の端子Ｂ−の電位を充電制御ブロック３０へ伝達するための配線Ｌ２とが設けられている。
【００３１】
一方、上記保護ブロック１１は、充電制御用ＦＥＴ１３をオンさせて充電を開始した後、電池電圧が所定の電圧（リチウムイオン電池の場合、約４．２７５Ｖ）以上になると充電制御用ＦＥＴ１３をオフ状態にさせることで電池を保護する過充電保護機能や、電池パックに負荷が接続されて電池セル２０が放電を開始した後に過放電状態（リチウムイオン電池の場合、約２．３Ｖ以下）を検出すると放電制御用ＦＥＴ１４をオフ状態にさせることで電池を保護する過放電保護機能などを備えている。
また、保護ブロック１１は、電池が深放電状態（例えば、約１．０Ｖ以下）になったことを検出すると放電制御用ＦＥＴ１４と充電制御用ＦＥＴ１３とを共にオフ状態にして放電はもちろん充電も禁止する深放電保護機能を備えるようにしてもよい。なお、保護ブロック１１は、単なる過放電状態の場合には、放電制御用ＦＥＴ１４をオフし、充電制御用ＦＥＴ１３をオン状態に制御する。
【００３２】
図９に示す従来の充電装置においては、充電制御ＩＣ３０は電池パック１００の端子Ｐ＋，Ｐ−の電圧を監視して定電流充電から定電圧充電への切替え制御を行うため、実際の電池セルの電圧よりもＦＥＴ１３，１４等のインピーダンスによる電圧降下分だけ高い電圧に基づいて切替えを行う。そのため、電池電圧が目標の電位よりも低い段階で定電流充電から定電圧充電へ切り替わることとなる。その結果、図２（Ａ）に示すように、定電流充電から定電圧充電への切替えタイミングｔ４が早くなるため、急速充電期間Ｔ１が短く定電圧充電期間Ｔ２が長くなってしまい、トータルの充電所要時間（ｔ１−ｔ５）が長くなっていた。
【００３３】
これに対し、本実施形態の電池パックにおいては、上述したような配線Ｌ１，Ｌ２を設けているため、充電制御ブロック３０が電池セル２０の端子電圧を直接監視して、充電制御モードの切替えを行うことができる。これにより、図２（Ｂ）に示すように、急速充電（定電流充電）から定電圧充電への切替えタイミングｔ４を遅くすることができるため、急速充電期間Ｔ１が長くなって定電圧充電期間Ｔ２が短くなり、トータルの充電所要時間（ｔ１−ｔ５）を短縮することができる。
【００３４】
また、本実施形態においては、充電制御回路としての充電制御ブロック３０と保護回路としての保護ブロック１１が、１つの半導体チップ上に半導体集積回路として形成されているため、充電制御装置と電池セルとを１つの容器に収納して電池パックとして構成することが容易となる。また、定電流充電から定電圧充電への切替えタイミングを知らせる信号を、保護回路から充電制御回路へ送受信するための外部端子を設ける必要がないので、充電所要時間の短縮化に伴う外部端子数の増加を回避することができる。
【００３５】
（変形例）
図３には、本実施形態における電池パック１００の第１の変形例が示されている。図１の実施例の電池パック１００は、電池セル２０の負極端子Ｂ−側にＰチャネル形ＭＯＳＦＥＴからなる充電制御用ＦＥＴ１３と放電制御用ＦＥＴ１４を設けて保護ブロック１１により制御するロウサイド制御方式を適用したものである。これに対し、図３の変形例の電池パック１００は、電池セル２０の正極端子Ｂ＋側に充電制御用ＦＥＴ１３と放電制御用ＦＥＴ１４を設けて電池保護ブロック１１により制御するハイサイド制御方式を適用したものである。充電制御用ＦＥＴ１３と放電制御用ＦＥＴ１４はＮチャネル形ＭＯＳＦＥＴにより構成することも可能である。
この変形例においては、電池セル２０の正極側の端子Ｂ＋の電位を充電制御ブロック３０へ直接伝達するための配線Ｌ１が設けられている。電池セル２０の負極側の端子Ｂ−は、保護ブロック１１と充電制御ブロック３０に共通の接地電位線ＬGNDに接続されており、充電制御ブロック３０は電池セル２０の正極側の端子Ｂ＋の電位と負極側の端子Ｂ−の電位を知ることができる。
【００３６】
図３の変形例においては、充電制御ブロック３０が監視する電圧を、配線Ｌ１により電池セル２０の正極側端子Ｂ＋の近傍から取り出している。これにより、充電制御用ＦＥＴ１３や放電制御用ＦＥＴ１４のインピーダンスによってモニタ電圧が低下して、充電開始後充電終了までの充電所要時間が長くなるのを回避することができる。
また、図３の変形例においては、センス抵抗Ｒｓを設ける代わりに、充電制御ブロック３０内に充電用トランジスタ３１とカレントミラー接続されたトランジスタを設け、充電用トランジスタ３１に流れる充電電流に比例した電流をカレントミラー回路に流してその電流値を検出することで電流制御を行うように構成されている。
なお、保護ブロック１１と充電制御ブロック３０の機能は、図１の実施例のものと同じであるので、重複した説明は省略する。
【００３７】
図４には、本実施形態における電池パック１００の第２の変形例が示されている。図１の実施例の電池パック１００は、充電制御ブロック３０がリニア制御方式で充電用トランジスタ３１を制御するようにしている。これに対し、図４の変形例の電池パック１００は、充電用トランジスタ３１と直列にインダクタ（コイル）３３を接続するとともに、充電用トランジスタ３１とインダクタ３３との接続ノードと接地点との間に同期整流用のトランジスタ（ＦＥＴ）３４を設けて、充電用トランジスタ３１と同期整流用のトランジスタ３４を交互にオンさせて充電電流を流すスイッチングレギュレータ方式の充電制御装置として構成したものである。
この変形例においても、図１の実施例と同様に、充電制御ブロック３０が電池電圧を直接監視できるようにするため、電池セル２０の正極側の端子Ｂ＋の電位を充電制御ブロック３０へ伝達するための配線Ｌ１と、電池セル２０の負極側の端子Ｂ−の電位を充電制御ブロック３０へ伝達するための配線Ｌ２とが設けられている。
【００３８】
（第２実施例）
図５には、本発明に係る充電制御装置の第２の実施例が示されている。
第２の実施例の充電制御装置は、図１に示す第１の実施例の充電制御装置とほぼ同様の構成を有する。本実施例の充電制御装置と図１に示す充電制御装置との相違点は、第１に、本実施例の充電制御装置では、充電制御ブロック３０で生成した基準電圧Ｖrefを保護ブロック１１へ送って、保護ブロック１１は充電制御ブロック３０からの基準電圧Ｖrefに基づいて、電池電圧と比較して過充電状態や過放電状態などを検出するとともに、充電制御ブロック３０における定電圧充電への切替え電圧を高くしている点にある。
【００３９】
また、第２の相違点は、本実施例の充電制御装置では、充電制御ブロック３０がバイアスを与えることによってサーミスタ４０から得られる信号（電圧）を、保護ブロック１１へも供給して、充電制御ブロック３０と保護ブロック１１はそれぞれ電池パックの温度に応じて基準電圧を調節し、過充電検出レベルを修正するようにしている点にある。
なお、保護ブロック１１と充電制御ブロック３０にそれぞれ別個に基準電圧生成回路を設ける場合、各基準電圧生成回路の基準電圧のばらつきは、保護ブロック１１と充電制御ブロック３０が１つのＩＣとして構成される場合よりも、保護ブロック１１と充電制御ブロック３０が別々のＩＣとして構成される場合の方が大きくなる。従って、この第２の実施例は、保護ブロック１１と充電制御ブロック３０とが別々のＩＣとして構成されている場合に適用するとより有効である。
【００４０】
先ず、第１の相違点である充電制御ブロック３０で生成した基準電圧Ｖrefを保護ブロック１１へ送るようにしたことによる利点について説明する。
このようにした場合、充電制御ブロック３０で生成した基準電圧Ｖrefがばらつくと、該基準電圧により決定した定電圧充電への切替え電圧と、保護ブロック１１で決定した過充電検出電圧が、目標値に対して同じ方向へずれることとなる。そのため、図６（Ｂ）に示すように、充電制御ブロック側の定電圧充電への切替え電圧の変動範囲と保護ブロック側の過充電検出電圧の変動範囲が重なるように、つまり図６（Ａ）に示すようなマージンをなくすように、検出電圧を設定したとしても、定電圧充電への切替え電圧Ｖdet1よりも電池電圧が高くなったことを充電制御ブロック３０が検出する前に、過充電検出電圧Ｖdet2よりも電池電圧が高くなったことを保護ブロック１１が検出することはない。
【００４１】
これによって、先に保護ブロック１１が、過充電検出電圧Ｖdet2よりも電池電圧が高くなったことを検出して充電制御ＦＥＴ１３をオフしてしまい、充電制御ブロック３０からの充電電流を二次電池へ流すことができなくなって充電が完了しない事態が発生するのを回避しつつ、定電圧充電制御時の電圧を高くすることができ、それによって見かけ上の電池容量を増加させることができる。
なお、上記とは逆に、図５に破線で示すように、保護ブロック１１で生成した基準電圧を充電制御ブロック３０へ送るように構成した場合にも上記と同様な作用効果が得られる。また、上述したように一方のブロックから他方のブロックへ基準電圧を送るように構成した上で、監視対象の電池電圧を直列抵抗で分圧した電圧も一方のブロックから他方のブロックへ送るように構成してもよく、それにより分圧用の抵抗のばらつきによる影響の少ない電圧検出が可能となる。
【００４２】
次に、第２の相違点である、充電制御ブロック３０がバイアスを与えることによってサーミスタ４０から得られる信号（電圧）を、保護ブロック１１へも供給するようにしたことによる利点について説明する。
図７は、保護ＩＣと基準電圧を充電制御ＩＣが別々の温度検出素子の特性に基づいてそれぞれ過充電検出電圧や過電流検出電流、電流制御の切替え電圧や過電流検出電流の調整を行うようにした場合の温度と各検出電圧や検出電流との関係を示すものである。一方、図８は、充電制御ブロック（ＩＣ）３０がバイアスを与え特性の変化を取得するサーミスタ４０の信号を保護ブロック（ＩＣ）１１へも供給するようにした上記第３実施例（図５）の電池パック（充電制御装置）における過充電の検出電圧や過電流検出電流、定電圧充電への切替え電圧の調整を行うようにした場合の温度と各検出電圧や検出電流との関係を示すものである。
【００４３】
図７と図８とを比較すると分かるように、図７では、温度が変化すると、保護ＩＣにおける過充電検出電圧や過電流検出電流と、充電制御ＩＣにおける電流制御の切替え電圧ＣＶや過電流検出電流ＣＣとがずれてしまうが、図８では、温度が変化しても、保護ＩＣ１１における過充電検出電圧や過電流検出電流と、充電制御ＩＣにおける電流制御の切替え電圧ＣＶや過電流検出電流ＣＣとがずれないことが分かる。
【００４４】
そのため、充電制御ＩＣが先に過電流状態と判定してしまい、まだ充電可能な温度範囲にあるにもかかわらず充電電流が減少されたり充電が中止されたりして、見かけ上の電池容量が減少するのを回避することができる。
また、保護ＩＣが先に過充電状態を検出して充電制御用ＦＥＴをオフし、充電制御ＩＣがそれを認知できず異常電池であると判断したり充電電流を流す制御を続けようとしたり充電を中止したりすることで、電池の性能が低下したり電池寿命が低下したりするのを回避することができる。
つまり、第３実施例（図５）の電池パック（充電制御装置）においては、電池容量を最大限確保しつつ、電池の性能が低下したり電池寿命が低下したりするのを回避することができる。
なお、充電制御ブロック３０によりサーミスタ４０へバイアスを与える代わりに、保護ブロック１１によりサーミスタ４０へバイアスを与え、サーミスタ４０からの信号を充電制御ブロック３０へも入力するように構成しても良い。
【００４５】
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。例えば前記実施例では、保護ブロック１１と充電制御ブロック３０および充電制御用ＦＥＴ１３や放電制御用ＦＥＴ１４、充電用トランジスタ３１を１つの半導体チップ上に形成して全体を半導体集積回路として構成したものについて説明したが、保護ブロック１１と充電制御ブロック３０は別々の半導体集積回路として構成しても良い。また、充電制御用ＦＥＴ１３や放電制御用ＦＥＴ１４、充電用トランジスタ３１、センス抵抗Ｒｓも、オンチップの素子でなく外付けの素子で構成しても良い。
【００４６】
さらに、前記実施形態の電池パック１００は、充電制御ブロック３０と充電用トランジスタ３１を内蔵しており単独で充電可能であるので、パックの端子Ｐ＋，Ｐ−に非接触充電モジュールを結合して非接触方式で充電を行うシステムとして構成するようにしても良い。
また、前記実施形態では、充電制御ブロック３０によって制御される充電用トランジスタ３１としてＦＥＴを使用しているが、このトランジスタはバイポーラトランジスタであってもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１０  充電制御ＩＣ
１１  保護ブロック（保護回路）
１３  充電制御用ＦＥＴ（第２制御用スイッチ素子）
１４  放電制御用ＦＥＴ（第１制御用スイッチ素子）
２０  電池セル
３０  充電制御ブロック（充電制御回路）
３１  充電用トランジスタ
１００  電池パック
【図１】
2013153614.tif 000003
【図２】
2013153614.tif 000004
【図３】
2013153614.tif 000005
【図４】
2013153614.tif 000006
【図５】
2013153614.tif 000007
【図６】
2013153614.tif 000008
【図７】
2013153614.tif 000009
【図８】
2013153614.tif 000010
【図９】
2013153614.tif 000011
【図１０】
2013153614.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成24年4月3日(2012.4.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
上記目的を達成するため、この発明は、
二次電池へ充電電流を流すための充電用トランジスタと、
充電用電源が接続されている場合に前記充電用トランジスタが充電電流を流すように制御する充電制御回路と、
前記二次電池の一方の端子と外部端子との間に直列形態に接続された第１制御用スイッチ素子および第２制御用スイッチ素子と、
前記二次電池が過放電状態となった場合に前記第１制御用スイッチ素子をオフさせて放電電流が流れないようにし、前記二次電池が過充電状態となった場合に前記第２制御用スイッチ素子をオフさせて充電電流が流れ込まないようにする保護回路と、
を備えた充電制御装置であって、
前記充電制御回路は、前記二次電池側の電圧が所定値になるまでは前記充電用トランジスタにより一定の充電電流を流すように制御し、前記二次電池側の電圧が所定値に達した後は定電圧で充電電流を流すような制御に切り替える機能を有し、前記二次電池の正極側の端子電圧および負極側の端子電圧と同一の電位がそれぞれ前記充電制御回路に供給されるように構成した。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
上記した手段によれば、充電制御回路が二次電池の正極側の端子電圧と負極側の端子電圧とを監視して一定の充電電流を流す制御から定電圧で充電電流を流すような制御に切り替えることとなるので、充電制御回路が第１制御用スイッチ素子および第２制御用スイッチ素子のインピーダンスで高くなった電圧を監視して充電制御の切り替えを行う方式に比べて、定電流充電から定電圧充電への切替えタイミングが遅くなるため、急速充電期間が長くなって定電圧充電期間が短くなり、トータルの充電所要時間を短縮することができるようになる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
この実施形態における電池パック１００は、保護機能付き充電制御用ＩＣ１０と、リチウムイオン電池のような二次電池（以下、電池セル）２０と、温度検出用のサーミスタ４０と、充電中であることを報知するＬＥＤ５０を備えている。
保護機能付き充電制御用ＩＣ１０は、過充電や過放電などに対する保護機能を備えた保護ブロック１１と、電池パック１００の電圧入力端子ＶＩＮと電池セル２０の正極側端子Ｂ＋との間に接続されたＰチャネル形ＭＯＳＦＥＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）からなる充電用トランジスタ３１と、該充電用トランジスタ３１を制御する充電制御ブロック３０と、電池セル２０の負極側端子Ｂ−と電池パック１００の負極側端子Ｐ−との間に直列形態に設けられ、保護ブロック１１によって制御されるＮチャネル形ＭＯＳＦＥＴからなる充電制御用ＦＥＴ１３と放電制御用ＦＥＴ１４とを有する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
上記充電制御ブロック３０は、電圧入力端子ＶＩＮに充電用電源（ＡＣアダプタ）が接続されているか否か検出するためのコンパレータ３２を備え、該コンパレータ３２が、ＡＣアダプタが接続されたことを検出すると充電用トランジスタ３１をオンさせて、電池セル２０に対する充電を開始する。コンパレータ３２は、電池パック１００の電圧入力端子ＶＩＮの電圧もしくはそれを分圧した電圧と基準電圧Ｖrefとを比較してＡＣアダプタが接続されているか検出する。
また、充電制御ブロック３０は、充電用トランジスタ３１と直列に設けられた電流検出用のセンス抵抗Ｒｓの端子間電圧を監視しながら定電流で電池セル２０を充電したり、電池セル２０の端子Ｂ＋の電圧が入力される端子ＢＡＴの電圧を監視して定電圧で電池セル２０を充電したりする機能を有する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
さらに、前記実施形態の電池パック１００は、充電制御ブロック３０と充電用トランジスタ３１を内蔵しており単独で充電可能であるので、パックの端子ＶＩＮ，Ｐ−に非接触充電モジュールを結合して非接触方式で充電を行うシステムとして構成するようにしても良い。
また、前記実施形態では、充電制御ブロック３０によって制御される充電用トランジスタ３１としてＦＥＴを使用しているが、このトランジスタはバイポーラトランジスタであってもよい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
二次電池へ充電電流を流すための充電用トランジスタと、
充電用電源が接続されている場合に前記充電用トランジスタが充電電流を流すように制御する充電制御回路と、
前記二次電池の一方の端子と外部端子との間に直列形態に接続された第１制御用スイッチ素子および第２制御用スイッチ素子と、
前記二次電池が過放電状態となった場合に前記第１制御用スイッチ素子をオフさせて放電電流が流れないようにし、前記二次電池が過充電状態となった場合に前記第２制御用スイッチ素子をオフさせて充電電流が流れ込まないようにする保護回路と、
を備えた充電制御装置であって、
前記充電制御回路は、前記二次電池側の電圧が所定値になるまでは前記充電用トランジスタにより一定の充電電流を流すように制御し、前記二次電池側の電圧が所定値に達した後は定電圧で充電電流を流すような制御に切り替える機能を有し、前記二次電池の正極側の端子電圧および負極側の端子電圧と同一の電位がそれぞれ前記充電制御回路に供給されるように構成されていることを特徴とする保護機能付き充電制御装置。