(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池から正極端子と負極端子から成る一対の外部接続端子間に接続された負荷へ流す放電電流を、前記二次電池の陽極と前記正極端子との間に接続された放電制御スイッチのオン／オフにより制御することにより、前記二次電池を保護する回路であって、前記二次電池は内部インピーダンスを持つ、前記二次電池の保護回路において、
前記外部接続端子間が短絡したときに前記放電制御スイッチの制御端子が接地電位以下であるか否かを検出して、前記放電制御スイッチの制御端子が前記接地電位以下に落ち込まないようにクランプするクランプ回路を備え、これによって前記二次電池の電圧の落ち込みを前記放電制御スイッチの閾値電圧までに制限して、前記二次電池を保護する回路が動作不能状態となるのを防止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】
二次電池から正極端子と負極端子から成る一対の外部接続端子間に接続された負荷へ流す放電電流を、前記二次電池の陽極と前記正極端子との間に接続された放電制御スイッチのオン／オフにより制御することにより、前記二次電池を保護する回路であって、前記二次電池は内部インピーダンスを持つ、前記二次電池の保護回路において、
前記外部接続端子間が短絡したときに前記放電制御スイッチの制御端子が接地電位以下であるか否かを検出して、前記放電制御スイッチの制御端子が前記接地電位以下に落ち込まないようにクランプするクランプ回路を備え、
前記二次電池の保護回路は、電源端子と接地端子と過放電検出出力端子とを持ち、前記放電制御スイッチは、前記電源端子に接続されたソースと、前記制御端子として前記過放電検出出力端子に接続されたゲートと、前記正極端子に接続されたドレインとを持つｐチャネル電界効果トランジスタから構成され、該ｐチャネル電界効果トランジスタは、前記ゲートと前記ソースおよび前記ドレインとの間に寄生ゲート容量を持ち、前記クランプ回路は、前記電源端子と前記過放電検出出力端子と前記接地端子とに接続されており、
前記クランプ回路は、
前記電源端子に接続されたコレクタと、前記過放電検出出力端子に接続されたエミッタと、ベースとを持つｎｐｎ形バイポーラトランジスタと、
前記ｎｐｎ形バイポーラトランジスタのベースに接続された出力端子と、前記過放電検出出力端子に接続された反転入力端子と、前記接地端子に接続された非反転入力端子とを持つ比較器と
を有する二次電池の保護回路。
【請求項３】
二次電池から正極端子と負極端子から成る一対の外部接続端子間に接続された負荷へ流す放電電流を、前記二次電池の陽極と前記正極端子との間に接続された放電制御スイッチのオン／オフにより制御することにより、前記二次電池を保護する回路であって、前記二次電池は内部インピーダンスを持つ、前記二次電池の保護回路において、
前記外部接続端子間が短絡したときに前記放電制御スイッチの制御端子が接地電位以下であるか否かを検出して、前記放電制御スイッチの制御端子が前記接地電位以下に落ち込まないようにクランプするクランプ回路を備え、
前記二次電池の保護回路は、電源端子と接地端子と過放電検出出力端子とを持ち、前記放電制御スイッチは、前記電源端子に接続されたソースと、前記制御端子として前記過放電検出出力端子に接続されたゲートと、前記正極端子に接続されたドレインとを持つｐチャネル電界効果トランジスタから構成され、該ｐチャネル電界効果トランジスタは、前記ゲートと前記ソースおよび前記ドレインとの間に寄生ゲート容量を持ち、前記クランプ回路は、前記電源端子と前記過放電検出出力端子と前記接地端子とに接続されており、
前記クランプ回路は、
前記電源端子に接続されたコレクタと、前記過放電検出出力端子に接続されたエミッタと、ベースとを持つｎｐｎ形バイポーラトランジスタと、
前記ｎｐｎ形バイポーラトランジスタのベースに接続された出力端子と、前記過放電検出出力端子に接続された反転入力端子と、非反転入力端子とを持つ比較器と、
前記非反転入力端子に接続されたアノードと、前記接地端子に接続されたカソードとを持つダイオードと
を有する二次電池の保護回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、リチウムイオン電池のような、充電可能な電池（二次電池）を備えた電池ユニットに用いられる二次電池の保護回路に関し、特に、出力短絡時等で保護回路の動作が不能になるときの対策に関する。
【０００２】
【従来の技術】
充電可能な電池（二次電池）のうち、特にリチウムイオン電池は、過放電、過充電に弱いため、過放電状態、過充電状態を検出して、過放電状態及び過充電状態から二次電池を保護するための保護回路が不可欠である。すなわち、保護回路は、過放電防止機構と過充電防止機構とを備えている。尚、この保護回路には、二次電池の放電中における過電流状態をも検出して、過電流状態から二次電池を保護しているものもある。この場合、保護回路は、過放電防止機構と過充電防止機構と過電流防止機構とを備えている。但し、以下では、過放電防止機構と過充電防止機構とを備えた、二次電池の保護回路について説明する。
【０００３】
このような二次電池の保護回路は、例えば、特許第２８７２３６５号公報（以下、「先行技術文献」と呼ぶ。）に「充電式の電源回路」として開示されている。以下では、この先行技術文献の記載に基づいて、従来の二次電池の保護回路について説明する。
【０００４】
図１を参照して、従来の保護回路２００’を備えた電池ユニット１００’について説明する。電池ユニット１００’は電池パックとも呼ばれ、正極端子１０１と負極端子１０２とを持つ。正極端子１０１及び負極端子１０２は外部接続端子とも呼ばれる。正極端子１０１と負極端子１０２との間には、負荷４００または充電器（図示せす）が接続される。
【０００５】
図示の電池ユニット１００’は、少なくとも１個のリチウムイオン電池（単位電池）３０１を含む二次電池３００を含む。二次電池３００は内部インピーダンスｒを持つ。二次電池３００はバッテリ電圧Ｖccを発生している。この二次電池３００には保護回路２００’が並列に接続されている。詳述すると、二次電池３００の陽極は保護回路２００’の電源端子ＶＣＣに接続され、二次電池３００の陰極は保護回路２００’の接地端子ＧＮＤに接続されている。
【０００６】
尚、二次電池３００の陽極は、後述する第１および第２の電界効果トランジスタＦＥＴ１およびＦＥＴ２を介して電池パック１００’の正極端子１０１に接続され、二次電池３００の陰極は接地されると共に、電池パック１００’の負極端子１０２に接続されている。前述したように、保護回路２００’は、過放電防止機構と過充電防止機構とを有する。
【０００７】
保護回路２００’の過放電防止機構には、過放電検出しきい値電圧Ｖth(od)が設定されている。すなわち、過放電防止機構は、放電中に、バッテリ電圧Ｖccと過放電検出しきい値電圧Ｖth(od)とを比較し、バッテリ電圧Ｖccが過放電検出しきい値電圧Ｖth(od)よりも低くなると「過放電」と判定して、論理ハイレベルの過放電検出信号を過放電検出出力端子（第１のゲート駆動端子）ＤＣＨＧから出力する。一方、放電中に、バッテリ電圧Ｖccが、過放電検出しきい値電圧Ｖth(od)に過放電用ヒステリシス電圧Ｖhy(od)を加えて得られる過放電復帰電圧（Ｖth(od)＋Ｖhy(od)）よりも高くなると、過放電防止機構は論理ローレベルの過放電保護解除信号を過放電検出出力端子ＤＣＨＧから出力する。
【０００８】
同様に、保護回路２００’の過充電防止機構には、過充電検出しきい値電圧Ｖth(oc)が設定されている。すなわち、過充電防止機構は、充電中に、バッテリ電圧Ｖccが過充電検出しきい値電圧Ｖth(oc)よりも高くなると「過充電」と判定して、論理ハイレベルの過充電検出信号を過充電検出出力端子（第２のゲート駆動端子）ＯＶから出力する。一方、充電中に、バッテリ電圧Ｖccが、過充電検出しきい値電圧Ｖth(oc)から過充電用ヒステリシス電圧Ｖhy(oc)を引いて得られる過充電復帰電圧（Ｖth(oc)−Ｖhy(oc)）よりも低くなると、過充電防止機構は過充電検出出力端子ＯＶから論理ローレベルの過充電保護解除信号を出力する。
【０００９】
前述したように、二次電池３００の陽極（＋極）と電池パック１００’の正極端子１０１との間には、第１及び第２の電界効果トランジスタＦＥＴ１及びＦＥＴ２が直列接続されている。第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１は放電制御ＦＥＴまたは放電制御スイッチと呼ばれ、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２は充電制御ＦＥＴまたは充電制御スイッチと呼ばれる。
【００１０】
詳述すると、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１は、二次電池３００の陽極（カソード）に接続された第１のソースＳ１と、過放電検出出力端子（第１のゲート駆動端子）ＤＣＨＧに接続された第１のゲートＧ１と、第１のドレインＤ１とを持つ。第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１の第１のゲートＧ１は、放電制御スイッチの第１の制御端子として動作する。第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２は、正極端子１０１に接続された第２のソースＳ２と、過充電検出出力端子（第２のゲート駆動端子）ＯＶに接続された第２のゲートＧ２と、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１の第１のドレインＤ１に接続された第２のドレインＤ２とを持つ。第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２の第２のゲートＧ２は充電制御スイッチの第２の制御端子として動作する。
【００１１】
第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１の第１のゲートＧ１に過放電防止機構（過放電検出出力端子ＤＣＨＧ）から論理ハイレベルの過放電検出信号が供給されると、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１はオフする。一方、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１の第１のゲートＧ１に過放電防止機構（過放電検出出力端子ＤＣＨＧ）から論理ローレベルの過放電保護解除信号が供給されると、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１はオンする。同様に、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２の第２のゲートＧ２に過充電防止機構（過充電検出出力端子ＯＶ）から論理ハイレベルの過充電検出信号が供給されると、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２はオフする。第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２の第２のゲートＧ２に過充電防止機構（過充電検出出力端子ＯＶ）から論理ローレベルの過充電保護解除信号が供給されると、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２はオンする。
【００１２】
前述した先行技術文献に記載されているように、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１は第１の寄生ダイオードＤp1を持ち、その順方向が二次電池３００の充電方向になるように接続されている。また、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２は、第２の寄生ダイオードＤp2を持ち、その順方向が二次電池３００の放電方向になるように接続されている。尚、第１および第２の寄生ダイオードＤp1およびＤp2の各々はボディダイオードとも呼ばれる。
【００１３】
次に、図１に加えて図２をも参照して、図１に示した電池ユニット（電池パック）１００’の動作について説明する。最初に放電時の動作について説明し、後で充電時の動作について説明する。
【００１４】
放電時には、正極端子１０１と負極端子１０２との間に負荷４００が接続される。二次電池３００が放電していくと、図２の破線で示すように、そのバッテリ電圧Ｖccは徐々に低下していく。そして、バッテリ電圧Ｖccが過放電検出しきい値電圧Ｖth(od)よりも低くなると、過放電防止機構（過放電検出出力端子ＤＣＨＧ）は論理ハイレベルの過放電検出信号を出力する。この過放電検出信号に応答して、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１はオフし、これにより過放電が防止される。
【００１５】
過放電であることが何らかの報知手段によりユーザに知らされると、ユーザは外部接続端子１０１、１０２間から負荷４００を取り外し、その代りに外部接続端子１０１、１０２間に充電器（図示せず）を接続する。これにより、二次電池３００の充電が開始される。このとき、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１では、その第１の寄生ダイオードＤp1を介して充電電流が流れる。そして、二次電池３００のバッテリ電圧Ｖccが、過放電検出しきい値電圧Ｖth(od)に過放電用ヒステリシス電圧Ｖhy(od)を加えて得られる過放電復帰電圧（Ｖth(od)＋Ｖhy(od)）よりも高くなると、過放電防止機構（過放電検出出力端子ＤＣＨＧ）は、論理ローレベルの過放電保護解除信号を出力する。この過放電保護解除信号に応答して、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１はオンする。
【００１６】
さて、このようして二次電池３００の充電が続けられると、そのバッテリ電圧Ｖccは、図２の実線で示すように、徐々に上昇する。そして、バッテリ電圧Ｖccが過充電検出しきい値電圧Ｖth(oc)よりも高くなると、過充電防止機構（過充電検出出力端子ＯＶ）は論理ハイレベルの過充電検出信号を出力する。この過充電検出信号に応答して、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２はオフし、これにより過充電が防止される。
【００１７】
過充電であることが何らかの報知手段によりユーザに知らされると、ユーザは充電が完了したと判断する。そして、ユーザは、外部接続端子１０１、１０２間から充電器を取り外し、その代りに外部接続端子１０１、１０２間に負荷４００を接続する。これにより、二次電池３００から負荷４００への放電が開始される。このとき、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２では、その第２の寄生ダイオードＤp2を介して放電電流Ｉが流れる。そして、二次電池３００のバッテリ電圧Ｖccが、過充電検出しきい値電圧Ｖth(oc)から過充電用ヒステリシス電圧Ｖhy(oc)を引いて得られる過充電復帰電圧（Ｖth(oc)−Ｖhy(oc)）よりも低くなると、過充電防止機構（過充電検出出力端子ＯＶ）は論理ローレベルの過充電保護解除信号を出力する。この過充電保護解除信号に応答して、第２の電界効果トランジスタＦＥＴ２はオンする。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１に示されるように、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１は、その第１のゲートＧ１と第１のソースＳ１および第１のドレインＤ１との間に寄生ゲート容量Ｃpを持っている。また、保護回路２００’は集積回路（ＩＣ）で実現されるが、図３の破線で示されるような、ＩＣには動作限界がある。
【００１９】
さて、何らの事情により、図３の時刻ｔ1で、放電中に誤って外部接続端子１０１、１０２間が短絡（出力短絡）したとしよう。その場合、放電電流Ｉとして大電流が流れることになる。前述したように、二次電池３００は内部インピーダンスｒを持つので、二次電池３００の内部で（Ｉ×ｒ）の電圧降下が発生する。その結果、図３に示されるように、二次電池３００が発生するバッテリ電圧Ｖccは落ち込むことなる。そのバッテリ電圧Ｖccの落ち込みが大きい場合、図３に示されるように、保護回路２００’における電源電圧ＶccがＩＣの動作限界を下回ってしまう。それにより、保護回路２００’が動作不能となってしまう。このとき、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１の寄生ゲート容量Ｃpの影響で、図３に示されるように、保護回路２００’の過放電検出出力端子ＤＣＨＧの電圧（第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１の第１のゲートＧ１のゲート電位）も落ち込んでしまう。
【００２０】
したがって、本発明の課題は、出力短絡時に動作不能となることを防止することができる、二次電池の保護回路を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、二次電池（３００）から正極端子と負極端子から成る一対の外部接続端子（１０１，１０２）間に接続された負荷(４００)へ流す放電電流（Ｉ）を、二次電池の陽極と正極端子（１０１）との間に接続された放電制御スイッチ（ＦＥＴ１）のオン／オフにより制御することにより、二次電池を保護する回路（２００，２００Ａ）であって、二次電池（３００）は内部インピーダンス（ｒ）を持つ、二次電池の保護回路において、外部接続端子間が短絡したときに放電制御スイッチの制御端子（Ｇ１）が接地電位以下であるか否かを検出して、放電制御スイッチの制御端子が接地電位以下に落ち込まないようにクランプするクランプ回路(２１０，２１０Ａ)を備え、これによって二次電池の電圧の落ち込みを放電制御スイッチの閾値電圧までに制限して、二次電池を保護する回路が動作不能状態となるのを防止するようにしたことを特徴とする二次電池の保護回路が得られる。
【００２３】
上記括弧内の参照符号は、本発明の理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されないのは勿論である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２５】
図４を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る保護回路２００について説明する。図示の保護回路２００は、クランプ回路２１０が追加されている点を除いて、図１に示した従来の保護回路２００’と同様の構成を有する。したがって、図１に示したものと同様の機能を有するものには同一の参照符号を付して、説明の簡略化のためにそれらの説明については省略する。
【００２６】
図示のクランプ回路２１０は、電源端子ＶＣＣと接地端子ＧＮＤと過放電検出出力端子ＤＣＨＧとに接続されている。クランプ回路２１０は、ｎｐｎ形バイポーラトランジスタ２１２と、比較器（コンパレータ）２１４とを有する。ｎｐｎ形バイポーラトランジスタ２１２のコレクタは、電源端子ＶＣＣに接続され、エミッタは過放電検出出力端子ＤＣＨＧに接続され、ベースは比較器２１４の出力端子に接続されている。比較器２１４の反転入力端子−は過放電検出出力端子ＤＣＨＧに接続され、非反転入力端子＋は接地端子ＧＮＤに接続されている。
【００２７】
次に、図４に加えて図５をも参照して、本第１の実施の形態による保護回路２００の動作について説明する。
【００２８】
何らの事情により、図５の時刻ｔ1で、放電中に誤って外部接続端子１０１、１０２（図１）間が短絡（出力短絡）したとしよう。その場合、放電電流Ｉとして大電流が流れることになる。
【００２９】
このとき、クランプ回路２１０は、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１（図１）の第１のゲートＧ１を接地電位でクランプする。その結果、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１のゲート電位が接地電位以下に落ち込む事を防止することができる。このように、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１のゲート電位を接地電位にクランプするので、図５に示されるように、保護回路２００の電源端子ＶＣＣの電圧（バッテリ電圧Ｖcc）の落ち込みを、第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１の閾値電圧Ｖthまでに制限することができる。それにより、二次電池３００が発生するバッテリ電圧Ｖccが保護回路２００におけるＩＣの動作限界を下回るのを防止することができる。
【００３０】
このように、バッテリ電圧Ｖccの落ち込みが最悪でも電界効果トランジスタの閾値電圧Ｖthで制限されるため、出力短絡時などでも、保護回路２００の動作電圧を確保することができ、保護回路２００が動作不能状態となるのを防止することができる。
【００３１】
図６を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る保護回路２００Ａは、クランプ回路２１０Ａがダイオード２１６を更に有している点を除いて、図４に図示した保護回路２００と同様の構成を有する。
【００３２】
図示のクランプ回路２１０Ａは、電源端子ＶＣＣと接地端子ＧＮＤと過放電検出出力端子ＤＣＨＧとに接続されている。クランプ回路２１０Ａは、ｎｐｎ形バイポーラトランジスタ２１２と、比較器（コンパレータ）２１４と、ダイオード２１６とを有する。ｎｐｎ形バイポーラトランジスタ２１２のコレクタは、電源端子ＶＣＣに接続され、エミッタは過放電検出出力端子ＤＣＨＧに接続され、ベースは比較器２１４の出力端子に接続されている。比較器２１４の反転入力端子−は比較器２１４の出力端子（ｎｐｎ形バイポーラトランジスタ２１２のベース）に接続され、非反転入力端子＋はダイオード２１６を介して接地端子ＧＮＤに接続されている。すなわち、ダイオード２１６のアノードは比較器２１４の非反転入力端子＋に接続され、カソードは接地端子ＧＮＤに接続されている。
【００３３】
本クランプ回路２１０Ａも、上記クランプ回路２１０と同様に、出力短絡時などに第１の電界効果トランジスタＦＥＴ１のゲート電位が接地電位以下に落ち込む事を防止することができる。
【００３４】
以上、本発明について実施の形態によって説明を例に挙げて説明してきたが、本発明は上述した実施の形態に限定しないのは勿論である。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明では、出力短絡時などに放電制御スイッチの制御端子が接地電位以下であるか否かを検出して、放電制御スイッチの制御端子が接地電位以下に落ち込まないようにクランプするので、保護回路の動作電圧を確保することができ、保護回路が動作不能状態になるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の保護回路を含む電池パックの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した電池パックの動作を説明するための図である。
【図３】出力短絡時における従来の保護回路の動作を説明するための波形図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態による二次電池の保護回路の要部を示すブロック図である。
【図５】出力短絡時における、図４に示した保護回路の動作を説明するための波形図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態による二次電池の保護回路の要部を示すブロック図である。
【符号の説明】
１００’    電池ユニット（電池パック）
１０１    正極端子
１０２    負極端子
２００，２００Ａ，２００’    保護回路
２１０，２１０Ａ    クランプ回路
２１２    ｎｐｎ形バイポーラトランジスタ
２１４    比較器（コンパレータ）
２１６    ダイオード
３００    二次電池
３０１    リチウムイオン電池（単位電池）
Ｉ    放電電流
ｒ    内部インピーダンス
ＦＥＴ１    放電制御スイッチ
ＦＥＴ２    充電制御スイッチ
Ｃp    寄生ゲート容量
【図１】
0003844063.tif 000002
【図２】
0003844063.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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