保護回路を有する電池パック
【課題】電池セル電圧が過放電保護電圧Ｖｐ未満であるときに保護ＩＣの消費電流を抑制する機能を、簡素な構成で設ける。
【解決手段】二次電池セル１と、セル電圧を検出し所定の放電下限電圧ＶＬと比較して制御信号を出力する保護ＩＣ２と、充放電経路に挿入され保護ＩＣにより制御される放電電流遮断素子６とを備える。保護ＩＣは、セル電圧が放電下限電圧ＶＬ未満であるときに、放電電流遮断素子が充放電経路を遮断するように制御する。二次電池セルの一方の端子と回路との経路に挿入された経路遮断ＦＥＴ３を備え、二次電池セルの他方の端子がＦＥＴのゲートに接続され、経路遮断ＦＥＴは、セル電圧が放電下限電圧ＶＬ以下の値に設定された過放電保護電圧Ｖｐ未満であるときに、ゲートに印加される電圧によりオフに制御される。
【解決手段】二次電池セル１と、セル電圧を検出し所定の放電下限電圧ＶＬと比較して制御信号を出力する保護ＩＣ２と、充放電経路に挿入され保護ＩＣにより制御される放電電流遮断素子６とを備える。保護ＩＣは、セル電圧が放電下限電圧ＶＬ未満であるときに、放電電流遮断素子が充放電経路を遮断するように制御する。二次電池セルの一方の端子と回路との経路に挿入された経路遮断ＦＥＴ３を備え、二次電池セルの他方の端子がＦＥＴのゲートに接続され、経路遮断ＦＥＴは、セル電圧が放電下限電圧ＶＬ以下の値に設定された過放電保護電圧Ｖｐ未満であるときに、ゲートに印加される電圧によりオフに制御される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池から電力を供給するとともに、その二次電池の過放電等に対する保護回路を有する電池パックに関し、特に、過放電時において、保護回路を構成する保護ＩＣの消費電流を抑制する機能に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池は一般的に、過充電、過放電などにより劣化するため、二次電池を使用した電池パックには、過充電や過放電から二次電池を保護する保護回路が用いられている。特に、リチウムイオン二次電池は、過充電や過放電に弱いため、保護回路を備えることが必須である。
【０００３】
保護回路は、電池セルの電圧や充放電電流を監視する保護ＩＣ、及び電池パックの充放電（入出力）経路に直列に挿入された電流遮断用ＦＥＴ等により構成される。保護ＩＣは、異常の発生を検出したときに、電流遮断用ＦＥＴを制御して電池パックの入出力を遮断する機能を提供する。すなわち、放電が進んで電池電圧が放電下限電圧ＶＬ未満になると保護ＩＣが作動し、電流遮断用ＦＥＴをオフ状態に制御して負荷に流れ込む放電電流を遮断することで、二次電池の過放電を防止する。
【０００４】
さらに、リチウムイオン電池は過放電状態で長期放置されると劣化するので、保護回路には過放電保護の機能が搭載されている。すなわち、電池電圧が所定の過放電保護電圧Ｖｐ未満になった場合、電流遮断用ＦＥＴにより放電電流が遮断された過放電防止動作に加えて、保護ＩＣの消費電流もｎＡオーダーに抑制することにより、長期保存性を高める機能が設けられる。
【０００５】
しかし、基本保護回路に下記のような追加機能がある場合、過放電保護電圧Ｖｐ未満になっても、保護ＩＣの消費電流はμＡオーダー（回路によってはｍＡオーダに近くなる。）のままである状態が発生する。
【０００６】
（１）１直用保護ＩＣをセルバランス回路に使用した場合
（２）過充電セカンド保護を搭載した場合
（３）過放電保護以下で消費電流を遮断しない回路を追加した場合
過放電状態（リチウムイオン電池セルの電圧が２Ｖ以下）で消費電流が大きいと、セルが短期間で０Ｖになり劣化してしまう。また、セル電圧が０Ｖになるとセル中の銅が溶け出し、再び充電する際析出し発火に至る危険性が生じる。
【０００７】
これに対して、例えば特許文献１には、二次電池の過放電防止装置において、過放電検出後の消費電流を最小限に抑制し、電池の寿命向上を図るための回路が開示されている。図７はその構成を示す回路図である。二次電池１０１は、その正極（＋）側と負極（−）側が、ＭＯＳ−ＦＥＴからなる第１スイッチ回路１０２を介して出力端子Ｔ１、Ｔ２に引き出され、この出力端子間に負荷が接続される。
【０００８】
第１スイッチ回路１０２は、バイポーラトランジスタからなる第１駆動回路１０３によって駆動される。電圧監視部（保護ＩＣ）１０４は二次電池１０１の電圧を監視して、出力Ｄｏｕｔを第１駆動回路１０３の入力に供給する。第１駆動回路１０３の入力には更に、第１スイッチ回路１０２の出力が、ツェナーダイオードからなる定電圧素子１０５を介してＯＲ接続されている。電圧監視部１０４の電源ラインには、ＭＯＳ−ＦＥＴからなる第２スイッチ回路１０６が接続されており、その入力にはバイポーラトランジスタ１０７ａを含む第２駆動回路１０７が接続されている。定電圧素子１０５のツェナー電圧Ｖｚは、第２駆動回路１０７のスレッシュホールドレベルよりも高く設定されている。電圧監視部１０４に供給される駆動用電源Ｖｃｃと、監視電源Ｖｄｄは同一である。
【０００９】
この回路において、負荷に対する二次電池１０１の放電を開始する時、第１駆動回路１０３はオンであるため、第１スイッチ回路１０２がオン状態とされて、二次電池１０１からの放電電流が第１スイッチ回路１０２を通して負荷に流れ込む。この状態では第２駆動回路１０７はオン状態を維持しているため、第２スイッチ回路１０６もオンとされ、電源監視部４には電源Ｖｃｃ、Ｖｄｄが供給されている。この時、電源Ｖｄｄは放電下限電圧ＶＬ以上であるため、その出力ＤｏｕｔはＨ状態を維持している。
【００１０】
放電が進むに連れて電池電圧が徐々に降下し、Ｖｄｄが放電下限電圧ＶＬを下回ると電圧監視部１０４がこれを検出し、その出力ＤｏｕｔがＨからＬに変化して第１駆動回路１０３をオフにすると共に、その出力のＨによって、第１スイッチ回路１０２がオフ状態とされ、負荷への電流供給が遮断される。
【００１１】
放電電流が遮断されると、出力端子Ｔ１、Ｔ２間の出力電圧Ｖは０Ｖに向かって低下していく。この時、出力電圧Ｖが定電圧素子１０５のツェナー電圧Ｖｚを下回ると定電圧素子１０５はオフして第１駆動回路１０３の駆動電流が遮断されるため、第１駆動回路１０３がオフに固定されて次段の第１スイッチ回路１０２のオフ状態が確立される。
【００１２】
更に出力電圧Ｖが低下して、第２駆動回路１０７の入力電位（トランジスタＱｓのベース電位）がスレッシュホールドレベルを下回ると、第２駆動回路１０７がオフとなって次段の第２スイッチ回路１０６がオフにされるため、電圧監視部１０４に対する電力供給の経路が遮断され、過放電検出後の電池の過放電は完全に防止される。
【００１３】
なお、第２スイッチ回路１０６のオフによって電圧監視部１０４への電力供給が停止され、その出力Ｄｏｕｔのレベルが不安定になっても、既に定電圧素子１０５がオフして第１駆動回路１０３がオフに固定されているため、第２駆動回路１０７が再度オンして一時的に電池出力が発振するといったトラブルが防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平９−２０５７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特許文献１に開示された上記構成の過放電防止装置では、電圧監視部（保護ＩＣ）１０４への電力供給を停止する過放電保護の機能を持たせるために、過放電防止のための回路構成に加えて、第２スイッチ回路１０６および第２駆動回路１０７が設けられる。しかし、第２駆動回路１０７には、通常動作時に電流が流れるため、通常動作時の消費電流が増大することになる。
【００１６】
また、第２スイッチ回路１０６および第２駆動回路１０７からなる過放電保護の回路を構成するための回路部品数が多くなり、安価な保護回路の製造に対する障害となる。
【００１７】
さらに、この回路は、第１スイッチ回路１０２のＭＯＳ−ＦＥＴがオフすることにより第２駆動回路１０７が動作し、第２スイッチ回路１０６をオフさせて電圧監視部１０４への電力供給が停止される構成である。従って、過放電防止のための動作だけでなく、例えば過電流保護のために第１スイッチ回路１０２により充放電経路が遮断された場合にも、電圧監視部１０４への電流供給が遮断されることになる。そのため、通常動作に復帰するためには充電動作が行なわれることが必要である。
【００１８】
以上の状況を考慮して、本発明は、電池セルの端子電圧が過放電保護電圧Ｖｐ未満であるときに保護ＩＣの消費電流を最小限レベルに抑制する機能が、通常動作時の消費電流を増大させることなく、簡素な構成で安価に設けられた電池パックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の電池パックは、二次電池セルと、前記二次電池セルのセル電圧を検出し所定の放電下限電圧ＶＬと比較して、その比較結果に応じた制御信号を出力する保護ＩＣと、電池パック外部に対する充放電経路に挿入され前記保護ＩＣが出力する前記制御信号により制御される放電電流遮断素子とを備え、前記保護ＩＣは、前記セル電圧が前記放電下限電圧ＶＬ以下または未満であるときに、前記放電電流遮断素子が前記充放電経路を遮断するように前記制御信号を出力する。
【００２０】
上記課題を解決するために、本発明の電池パックは、前記二次電池セルの一方の端子とその端子から回路に繋がる経路に挿入された経路遮断ＦＥＴを備え、前記二次電池セルの両端には前記ＦＥＴ若しくは別のＦＥＴのゲートとソースが接続され、前記経路遮断ＦＥＴは、前記セル電圧が前記放電下限電圧ＶＬ以下の値に設定された過放電保護電圧Ｖｐ未満であるときに、前記ゲートに印加される電圧によりオフに制御されるように構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
上記構成によれば、２直列までの構成では、ＦＥＴのゲート・ソース遮断特性を効果的に利用して機能させられるので、二次電池セルの各端子から回路に繋がる経路にＦＥＴを挿入する構成により、放電下限電圧以下になった後の消費電流の抑制機能を得ることができる。これにより、通常動作時の消費電流を増大させることなく、かつ安価な回路を実現できる。また、過電流保護動作時からの復帰に影響を及ぼすことも無い。また、３直列以上の構成でも、通常動作時の消費電流は若干増大するものの、過電流保護動作時からの復帰に影響を及ぼすことは無い。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１における保護回路を有する電池パックの回路図
【図２】本発明の実施の形態２における保護回路を有する電池パックの回路図
【図３】本発明の実施の形態３における保護回路を有する電池パックの回路図
【図４】本発明の実施の形態４における保護回路を有する電池パックの回路図
【図５】本発明の実施の形態５における保護回路を有する電池パックの回路図
【図６】本発明の実施の形態６における保護回路を有する電池パックの回路図
【図７】従来例の過放電防止装置を示す回路図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の電池パックは上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。
【００２４】
すなわち、複数の前記二次電池セルが直列に接続されてその両端が前記充放電経路に接続され、前記経路遮断ＦＥＴは、前記複数の二次電池セルの各々に対して設けられ、前記保護ＩＣは、いずれかの前記二次電池セルの前記セル電圧が前記電圧ＶＬ以下または未満であるときに、前記放電電流遮断素子が前記充放電経路を遮断するように前記制御信号を出力し、前記複数の二次電池セルに対するＦＥＴは、いずれかの前記二次電池セルのセル電圧が低下したときに、前記ゲートに印加される電圧によりオフに制御されることにより、前記二次電池セルと回路に繋がる電流経路を遮断する構成とすることができる。
【００２５】
また、前記ＦＥＴがオフとなる過放電保護電圧Ｖｐは、前記電圧ＶＬよりも低い値に設定することができる。
【００２６】
また、前記経路遮断ＦＥＴはＰチャンネルＦＥＴであり、前記二次電池セルの正極端子とその端子から回路に繋がる経路の間に挿入された構成とすることができる。
【００２７】
また、前記経路遮断ＦＥＴはＮチャンネルＦＥＴであり、前記二次電池セルの負極端子とその端子から回路に繋がる経路の間に挿入された構成とすることができる。
【００２８】
また、前記二次電池セルは３個以上直列に接続されており、前記ＦＥＴはそれぞれの前記二次電池に対応して設けられ、前記二次電池セルのうち１つの電圧が低下することにより、前記ＦＥＴがオフになる場合は、前記保護ＩＣと、前記３個以上の二次電池セルとの間の電流経路が全て遮断される構成とすることができる。
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電池パックの構成を示す回路図である。この電池パックは、例えばリチウムイオン電池等の二次電池セル１の両電極端子に接続された充放電端子Ｔ１、Ｔ２を介して負荷に対して電力を供給し、また充放電端子Ｔ１、Ｔ２を介して二次電池セル１を充電するように構成されている。
【００３１】
保護ＩＣ２は、二次電池セル１の両電極端子間のセル電圧を検出し、検出した電圧を所定の設定電圧と比較して、その比較結果に応じた制御信号を出力する。すなわち、二次電池セル１の正極端子は、経路遮断ＦＥＴ３及び抵抗４を介して、保護ＩＣ２のＶＤＤ端子に接続され、一方、二次電池セル１の負極端子はＶＳＳ端子に接続されており、それによりセル電圧が検出される。検出されたセル電圧は、所定の充電上限電圧ＶＵおよび放電下限電圧ＶＬと比較され（不図示）、保護ＩＣ２はその比較結果に応じた制御信号を、ＣＯＵＴ端子およびＤＯＵＴ端子から出力する。
【００３２】
二次電池セル１の負極端子から充放電端子Ｔ２に至る充放電経路には、過充電防止用ＦＥＴ５、及び過放電防止用ＦＥＴ６が直列に挿入されている。過充電防止用ＦＥＴ５はＣＯＵＴ端子からの制御信号により制御され、充電電流遮断素子として機能する。過放電防止用ＦＥＴ６はＤＯＵＴ端子からの制御信号により制御され、放電電流遮断素子として機能する。
【００３３】
保護ＩＣ２は、二次電池セル１に印加される充電電圧が所定の充電上限電圧ＶＵを超えたときに、ＣＯＵＴ端子から、過充電防止用ＦＥＴ５をオフに制御して充放電経路を遮断させる制御信号を出力する。保護ＩＣ２はまた、セル電圧が所定の放電下限電圧ＶＬ未満になったときに、ＤＯＵＴ端子から、過放電防止用ＦＥＴ６をオフに制御して充放電経路を遮断させる制御信号を出力する。これにより、過充電あるいは過放電等の異常発生時に充放電経路を遮断して、電池パックの保護、あるいは事故発生の防止等が行なわれる。
【００３４】
一方、経路遮断ＦＥＴ３は、セル電圧検出のために二次電池セル１から保護ＩＣ２に流れる電流を遮断するように設けられ、ＰチャンネルＦＥＴが用いられる。すなわち、経路遮断ＦＥＴ３は、保護ＩＣ２におけるセル電圧を検出するための検出端子の一方と二次電池セル１の正極端子とを接続する経路に挿入されている。経路遮断ＦＥＴ３のゲートには、二次電池セル１の負極端子が接続されている。従って、セル電圧が所定の過放電保護電圧Ｖｐ未満であるときに、経路遮断ＦＥＴ３は二次電池セル１の負極端子からのゲート電圧によりオフに制御される。それにより、保護ＩＣ２への電流が遮断され、消費電流は最小限に抑制される。
【００３５】
過放電保護電圧Ｖｐは、放電下限電圧ＶＬ以下の値に設定される。従って、セル電圧が放電下限電圧ＶＬを下回り、過放電防止用ＦＥＴ６により充放電経路が遮断された状態において、経路遮断ＦＥＴ３によりセル電圧の検出が停止され、消費電流が最小限に抑制されることになる。このような目的のためには、過放電保護電圧Ｖｐは、放電下限電圧ＶＬと同一でも良いが、状況に応じて放電下限電圧ＶＬ未満の値に設定されてもよい。
【００３６】
過放電保護電圧Ｖｐは、経路遮断ＦＥＴ３の特性を適宜選択することにより適切に設定することができる。例えば、経路遮断ＦＥＴ３として小信号用のＦＥＴを用いれば、ゲート電圧が１〜２Ｖ未満の場合はオンとならないので、回路電流が遮断される。経路遮断ＦＥＴ３以外のセル電圧低下要因はセルの自己放電のみとなる。ゲート電圧が１〜２Ｖ以上であればＦＥＴがオンするので、通常通り回路電流が流される。
【００３７】
このように、経路遮断ＦＥＴ３を検出電流の遮断に用いれば、ＦＥＴの特性を効果的に使った回路であるため、電池パックが過放電状態で放置された場合に、回路の消費電流がｎＡオーダになり、保管可能期間を長くすることが可能になる。
【００３８】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における電池パックの構成を示す回路図である。この電池パックは、二次電池セルを２個直列に接続したものであるが、基本的な構成は図１に示した実施の形態１と同様である。従って、図１に示した実施の形態１の場合と同一の要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
【００３９】
この電池パックでは、２個の二次電池セル１ａ、１ｂが直列に接続され、その両端が充放電端子Ｔ１、Ｔ２を有する充放電経路に接続されている。２個の二次電池セル１ａ、１ｂに対して、ＰチャンネルＦＥＴからなる経路遮断ＦＥＴ７ａ、７ｂ、８ａが配設されている。経路遮断ＦＥＴ７ａ、７ｂは２次電池セル１ｂの正極端子と保護ＩＣ９の所定のセル電圧検出端子であるＶＤＤ端子との間に接続されている。経路遮断ＦＥＴ８ａは、二次電池セル１ａの正極端子と、保護ＩＣ９の所定のセル電圧検出端子ＤＴａとの間に接続されている。経路遮断ＦＥＴ８ａ、７ａのゲートには各々、二次電池セル１ａ、１ｂの負極端子が接続されている。
【００４０】
さらに、経路遮断ＦＥＴ７ｂのゲートにはＮチャンネルＦＥＴである電圧検知用ＦＥＴ１０ａのドレインが接続されており、電圧検知用ＦＥＴ１０ａのゲートは二次電池セル１ａの正極端子と接続されている。また、セルバランス回路や２次過充電保護回路などの追加回路１１が、経路遮断ＦＥＴ８ａの先に接続されている。
【００４１】
この構成により保護ＩＣ９は、二次電池セル１ａ、１ｂの各々のセル電圧を検出し所定の放電下限電圧ＶＬと比較して、その比較結果に応じた制御信号を出力する。すなわち、保護ＩＣ９は、いずれかの二次電池セル１ａ、１ｂのセル電圧が放電下限電圧ＶＬ以下または未満になったときに、ＤＯＵＴ端子から、過放電防止用ＦＥＴ６をオフに制御して充放電経路を遮断させる制御信号を出力する。
【００４２】
また、経路遮断ＦＥＴ７ａは、対応する二次電池セル１ｂのセル電圧が過放電保護電圧Ｖｐ未満であるときに、ゲートに印加される電圧によりオフに制御される。それにより、該当する二次電池セル１ｂから保護ＩＣ９に流れる検出電流が抑制され、消費電流が最小限の値となる。
【００４３】
また、二次電池セル１ａの電圧が過放電保護電圧Ｖｐ未満であるときには、電圧検知用ＦＥＴ１０ａのゲート電圧が１〜２Ｖ以下となり、電圧検知用ＦＥＴ１０ａがオフとなる。これにより、電圧検知用ＦＥＴ１０ａが接続されているＦＥＴ７ｂもオフとなる。また経路遮断ＦＥＴ８ａのゲート電圧も１〜２Ｖ以下となり、ＦＥＴ８ａもオフとなる。このようにＦＥＴ７ｂと８ａがオフとなることにより、過放電の状態となった二次電池セルから保護ＩＣ９のＶＤＤへの電流も遮断され、消費電流が抑制される。
【００４４】
以上のように、ＰチャンネルＦＥＴ及びＮチャンネルＦＥＴをオフとなるゲート電圧（１〜２Ｖ）が二次電池セル（リチウムイオン電池）の過放電状態の電圧と酷似していることから、この点を利用して、リチウムイオン電池の電圧が低下することをきっかけとして保護ＩＣへの消費電流を遮断している。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における電池パックの構成を示す回路図である。この電池パックは４個の二次電池セル１ｂ〜１ｄを直列に接続したものである。実施の形態２を表す図２と同一の要素については同一の参照符号を付して、説明を省略する。本実施の形態の特徴は、バイポーラトランジスタ１２、１３が設けられたことである。バイポーラトランジスタ１２、１３はそれぞれ、二次電池セル１ｄの正極側の１ｄ＋信号出力ライン及び二次電池セル１ａの負極側の１ａ−電流及び信号出力ラインに接続されている。
【００４５】
保護ＩＣ１４は、１ｄ＋、１ｃ＋、１ｂ＋、及び１ａ＋信号出力ラインを通じて、各二次電池セル１ａ〜１ｄの電圧を検出し、それらのいずれかの電圧が放電下限電圧ＶＬ以下または未満になったときには、ＤＯＵＴ端子から、過放電防止用ＦＥＴ６をオフに制御し、充放電経路を遮断する。
【００４６】
二次電池セル１ｄが過放電保護電圧Ｖｐ未満となったときには、経路遮断ＦＥＴ７ａのゲート電圧が低下し、ＦＥＴ７ａがオフとなる。これにより、二次電池セル１ｄから保護ＩＣ１４への電流経路が遮断される。二次電池セル１ｄからの１ｄ＋信号出力ラインが遮断されることにより、１ｄ＋信号出力ラインと１ｃ＋信号出力ラインが抵抗１５ａ、１５ｂを介して短絡状態となる。その結果、バイポーラトランジスタ１２のベースへは電流が流れなくなり、バイポーラトランジスタ１２はオフとなる。さらに、バイポーラトランジスタ１２のコレクタと抵抗１６ａ、１６ｂを介して接続されるバイポーラトランジスタ１３のベースにも電流は流れなくなり、バイポーラトランジスタ１３はオフとなる。
【００４７】
経路遮断ＦＥＴ８ａ〜８ｃのゲートはダイオード１７ａ〜１７ｃを介して、バイポーラトランジスタ１３のコレクタに接続されている。バイポーラトランジスタ１３がオフとなることで、経路遮断ＦＥＴ８ａ〜８ｃはゲートの電圧が０Ｖとなり、それぞれオフとなる。以上の動作により、１ａ＋〜１ｄ＋信号出力ラインは全て遮断されることになり、各二次電池セル１ａ〜１ｄの消費電流は抑制されることになる。
【００４８】
次に、２次電池セル１ｄは正常な電圧を保ったまま、２次電池セル１ｃが過放電保護状態となり、過放電保護電圧Ｖｐ未満となった場合の動作について説明する。
【００４９】
先ず、保護ＩＣ１４は各二次電池セル１ａ〜１ｄの電圧を検出し、放電下限電圧ＶＬ未満になったときには、ＤＯＵＴ端子から、過放電防止用ＦＥＴ６をオフに制御し、充放電経路を遮断する。
【００５０】
２次電池セル１ｃの正極には電圧検知用ＦＥＴ１０ｃのゲートが負極には電圧検知用ＦＥＴ１０ｃのソースが接続されている。２次電池セル１ｃのセル電圧が低下し、過放電保護電圧Ｖｐ未満となった場合、電圧検知用ＦＥＴ１０ｃのゲート電圧も低下し、１〜２Ｖ以下となることにより、電圧検知用ＦＥＴ１０ｃがオフとなる。電圧検知用ＦＥＴ１０ｃには、経路遮断ＦＥＴ７ｂのゲートが接続されており、電圧検知用ＦＥＴ１０ｃがオフとなることで経路遮断ＦＥＴ７ｂもオフとなる。これにより、２次電池セルに接続された１ｄ＋信号出力ラインが遮断される。
【００５１】
１ｄ＋信号出力ラインが遮断されることにより、１ｄ＋信号出力ラインと１ｃ＋信号出力ラインは抵抗１５ａ、１５ｂを介した短絡状態となる。以降は、上述の説明と同様に、バイポーラトランジスタ１２、１３及び経路遮断ＦＥＴ８ａ〜８ｃが順次オフとなることにより、２次電池セル１ａ〜１ｃと保護回路との間の電流消費は遮断される。
【００５２】
２次電池セル１ｂ、あるいは１ａのセル電圧が低下し、過放電保護電圧Ｖｐ未満となった場合も上述と同様の動作により、１ｄ＋〜１ａ＋信号出力ラインが遮断されることになる。
【００５３】
本実施の形態では、実施の形態２とは異なり、バイポーラトランジスタ１２，１３により、経路遮断ＦＥＴ８ａ〜８ｃを制御している。これは、二次電池セルを３個以上直列に接続する場合に、過放電状態となった二次電池セルから保護ＩＣへ接続されるラインを全て遮断するために設けた構成であり、これにより、過放電となった二次電池セルからの電流を確実に遮断することができる。
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４における電池パックの構成を示す回路図である。この電池パックは、図１に示した実施の形態１における構成において、ＰチャンネルＦＥＴからなる検出電流制御ＦＥＴ３を、ＮチャンネルＦＥＴからなる経路遮断ＦＥＴ１８により置き換えた構成を有する。従って、図１に示した実施の形態１の場合と同一の要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
【００５４】
経路遮断ＦＥＴ１８は、保護ＩＣ２におけるセル電圧を検出するための検出端子の一方と二次電池セル１の負極端子とを接続する経路に挿入されている。経路遮断ＦＥＴ１８のゲートには、二次電池セル１の正極端子が接続されている。従って、セル電圧が所定の過放電保護電圧Ｖｐ未満であるときに、検出電流制御ＦＥＴ１８は二次電池セル１の正極端子からのゲート電圧によりオフに制御される。それにより、保護ＩＣ２への検出電流が遮断され、消費電流は最小限に抑制される。
【００５５】
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５における電池パックの構成を示す回路図である。この電池パックは、基本的な構成は図４に示した実施の形態４と同様であり、図２に示した実施の形態２の場合と同様、二次電池セルを２個直列に接続したものである。
【００５６】
この電池パックでは、２個の二次電池セル１ａ、１ｂの各々に対して、ＮチャンネルＦＥＴからなる経路遮断ＦＥＴ１９ａ、１９ｂ、２０ａが設けられている。経路遮断ＦＥＴ１９ａ、１９ｂは、二次電池セル１ａの負極端子と、保護ＩＣ９の所定のセル電圧検出端子との間に接続されている。また、経路遮断ＦＥＴ２０ａは、二次電池セル１ｂの負極端子と保護ＩＣ９の所定のセル電圧検出端子ＤＴｂとの間に接続されている。経路遮断ＦＥＴ１９ａ、２０ａのゲートには各々、二次電池セル１ａ、１ｂの正極端子が接続されている。
【００５７】
更に、二次電池セル１ａの正極端子は、ＰチャンネルＦＥＴである電圧検知用ＦＥＴ２１ａのゲートに接続され、電圧検知用ＦＥＴ２１ａのドレインは経路遮断ＦＥＴ１９ｂのゲートにに接続されている。
【００５８】
この構成により保護ＩＣ９は、二次電池セル１ａ、１ｂの各々のセル電圧を検出し所定の放電下限電圧ＶＬと比較して、その比較結果に応じた制御信号を出力する。すなわち、保護ＩＣ９は、いずれかの二次電池セル１ａ、１ｂのセル電圧が放電下限電圧ＶＬ以下または未満になったときに、ＤＯＵＴ端子から、過放電防止用ＦＥＴ６をオフに制御して充放電経路を遮断させる制御信号を出力する。
【００５９】
また、経路遮断ＦＥＴ１９ａは、対応する二次電池セル１ａのセル電圧が過放電保護電圧Ｖｐ未満であるときに、ゲートに印加される電圧によりオフに制御される。それにより、該当する二次電池セル１ａから保護ＩＣ９に流れる検出電流が抑制され、消費電流が最小限の値となる。
【００６０】
また、二次電池セル１ｂの電圧が過電保護電圧Ｖｐ未満であるときには、電圧検知用ＦＥＴ２１ａのゲート電圧が１〜２Ｖ以下となり、電圧検知用ＦＥＴ２１ａがオフとなる。これにより、電圧検知用ＦＥＴ２１ａがゲートに接続されているＦＥＴ１９ｂもオフとなる。また経路遮断ＦＥＴ２０ａのゲート電圧も１〜２Ｖ以下となり、ＦＥＴ２０ａもオフとなる。このようにＦＥＴ１９ｂと２０ａがオフとなることにより、過放電の状態となった二次電池セルから保護ＩＣ９のＶＤＤへの電流も遮断され、消費電流が抑制される。
【００６１】
（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６における電池パックの構成を示す回路図である。この電池パックは、図３に示した実施の形態３における構成において、ＰチャンネルＦＥＴを、ＮチャンネルＦＥＴに置き換え、ＮチャンネルＦＥＴをＰチャンネルＦＥＴに置き換えた構成を有する。動作についても、実施の形態４、５にて説明したように、実施の形態３においてＰチャンネルＦＥＴとＮチャンネルＦＥＴを置き換えて動作させたものであるが、例として以下に、二次電池セル１ｃが過放電状態となった場合について説明する。
【００６２】
保護ＩＣ１４は二次電池セル１ｃの電圧を検出し、放電下限電圧ＶＬ未満になったときには、ＤＯＵＴ端子から、過放電防止用ＦＥＴ６をオフに制御し、充放電経路を遮断する。
【００６３】
２次電池セル１ｃの負極には電圧検知用ＦＥＴ２１ｂのゲートが、正極には電圧検知用ＦＥＴ２１ｂのソースが接続されている。２次電池セル１ｃのセル電圧が低下し、過放電保護電圧Ｖｐ未満となった場合、電圧検知用ＦＥＴ２１ｂのゲート電圧も低下し、１〜２Ｖ以下となることにより、電圧検知用ＦＥＴ２１ｂがオフとなる。
【００６４】
電圧検知用ＦＥＴ２１ｂには、経路遮断ＦＥＴ１９ｃのゲートが接続されており、電圧検知用ＦＥＴ２１ｂがオフとなることで経路遮断ＦＥＴ１９ｃもオフとなる。これにより、２次電池セルに接続された１ａ−信号出力ラインが遮断される。１ａ−信号出力ラインが遮断されることにより、１ａ−信号出力ラインと１ｂ＋信号出力ラインは抵抗１５ａ、１５ｂを介した短絡状態となる。これにより、バイポーラトランジスタ１２、１３及び経路遮断ＦＥＴ２０ａ〜２０ｃが順次オフとなり、その結果、全ての２次電池セル１ａ〜１ｄと保護回路との間の電流消費は遮断される。
【００６５】
また、２次電池セル１ａ、１ｂ、１ｄのセル電圧が低下し、過放電保護電圧Ｖｐ未満となった場合も上述と同様の動作により、１ｄ＋〜１ａ―信号出力ラインが遮断されることになり、全ての２次電池セルからの電流消費を遮断することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の電池パックによれば、過放電防止機能の動作時における保護ＩＣの消費電流を最小限レベルに抑制する過放電保護の機能が、簡素な構成で安価に得られるので、ノートパソコン、デジタルカメラ、携帯電話等の用途に好適である。
【符号の説明】
【００６７】
１、１ａ〜１ｄ 二次電池セル
２、９、１４ 保護ＩＣ
３、７ａ〜７ｄ、８ａ〜８ｃ、１８、１９ａ、２０ａ 経路遮断ＦＥＴ
４、１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂ 抵抗
５ 過充電防止用ＦＥＴ
６ 過放電防止用ＦＥＴ
１０ａ〜１０ｃ、２１ａ〜２１ｃ 電圧検知用ＦＥＴ
１１ 追加回路
１２、１３ バイポーラトランジスタ
１７ａ〜１７ｃ ダイオード
１０１ 二次電池
１０２ 第１スイッチ回路
１０３ 第１駆動回路
１０４ 電圧監視部
１０５ 定電圧素子
１０６ 第２スイッチ回路
１０７ 第２駆動回路
１０７ａ バイポーラトランジスタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池から電力を供給するとともに、その二次電池の過放電等に対する保護回路を有する電池パックに関し、特に、過放電時において、保護回路を構成する保護ＩＣの消費電流を抑制する機能に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池は一般的に、過充電、過放電などにより劣化するため、二次電池を使用した電池パックには、過充電や過放電から二次電池を保護する保護回路が用いられている。特に、リチウムイオン二次電池は、過充電や過放電に弱いため、保護回路を備えることが必須である。
【０００３】
保護回路は、電池セルの電圧や充放電電流を監視する保護ＩＣ、及び電池パックの充放電（入出力）経路に直列に挿入された電流遮断用ＦＥＴ等により構成される。保護ＩＣは、異常の発生を検出したときに、電流遮断用ＦＥＴを制御して電池パックの入出力を遮断する機能を提供する。すなわち、放電が進んで電池電圧が放電下限電圧ＶＬ未満になると保護ＩＣが作動し、電流遮断用ＦＥＴをオフ状態に制御して負荷に流れ込む放電電流を遮断することで、二次電池の過放電を防止する。
【０００４】
さらに、リチウムイオン電池は過放電状態で長期放置されると劣化するので、保護回路には過放電保護の機能が搭載されている。すなわち、電池電圧が所定の過放電保護電圧Ｖｐ未満になった場合、電流遮断用ＦＥＴにより放電電流が遮断された過放電防止動作に加えて、保護ＩＣの消費電流もｎＡオーダーに抑制することにより、長期保存性を高める機能が設けられる。
【０００５】
しかし、基本保護回路に下記のような追加機能がある場合、過放電保護電圧Ｖｐ未満になっても、保護ＩＣの消費電流はμＡオーダー（回路によってはｍＡオーダに近くなる。）のままである状態が発生する。
【０００６】
（１）１直用保護ＩＣをセルバランス回路に使用した場合
（２）過充電セカンド保護を搭載した場合
（３）過放電保護以下で消費電流を遮断しない回路を追加した場合
過放電状態（リチウムイオン電池セルの電圧が２Ｖ以下）で消費電流が大きいと、セルが短期間で０Ｖになり劣化してしまう。また、セル電圧が０Ｖになるとセル中の銅が溶け出し、再び充電する際析出し発火に至る危険性が生じる。
【０００７】
これに対して、例えば特許文献１には、二次電池の過放電防止装置において、過放電検出後の消費電流を最小限に抑制し、電池の寿命向上を図るための回路が開示されている。図７はその構成を示す回路図である。二次電池１０１は、その正極（＋）側と負極（−）側が、ＭＯＳ−ＦＥＴからなる第１スイッチ回路１０２を介して出力端子Ｔ１、Ｔ２に引き出され、この出力端子間に負荷が接続される。
【０００８】
第１スイッチ回路１０２は、バイポーラトランジスタからなる第１駆動回路１０３によって駆動される。電圧監視部（保護ＩＣ）１０４は二次電池１０１の電圧を監視して、出力Ｄｏｕｔを第１駆動回路１０３の入力に供給する。第１駆動回路１０３の入力には更に、第１スイッチ回路１０２の出力が、ツェナーダイオードからなる定電圧素子１０５を介してＯＲ接続されている。電圧監視部１０４の電源ラインには、ＭＯＳ−ＦＥＴからなる第２スイッチ回路１０６が接続されており、その入力にはバイポーラトランジスタ１０７ａを含む第２駆動回路１０７が接続されている。定電圧素子１０５のツェナー電圧Ｖｚは、第２駆動回路１０７のスレッシュホールドレベルよりも高く設定されている。電圧監視部１０４に供給される駆動用電源Ｖｃｃと、監視電源Ｖｄｄは同一である。
【０００９】
この回路において、負荷に対する二次電池１０１の放電を開始する時、第１駆動回路１０３はオンであるため、第１スイッチ回路１０２がオン状態とされて、二次電池１０１からの放電電流が第１スイッチ回路１０２を通して負荷に流れ込む。この状態では第２駆動回路１０７はオン状態を維持しているため、第２スイッチ回路１０６もオンとされ、電源監視部４には電源Ｖｃｃ、Ｖｄｄが供給されている。この時、電源Ｖｄｄは放電下限電圧ＶＬ以上であるため、その出力ＤｏｕｔはＨ状態を維持している。
【００１０】
放電が進むに連れて電池電圧が徐々に降下し、Ｖｄｄが放電下限電圧ＶＬを下回ると電圧監視部１０４がこれを検出し、その出力ＤｏｕｔがＨからＬに変化して第１駆動回路１０３をオフにすると共に、その出力のＨによって、第１スイッチ回路１０２がオフ状態とされ、負荷への電流供給が遮断される。
【００１１】
放電電流が遮断されると、出力端子Ｔ１、Ｔ２間の出力電圧Ｖは０Ｖに向かって低下していく。この時、出力電圧Ｖが定電圧素子１０５のツェナー電圧Ｖｚを下回ると定電圧素子１０５はオフして第１駆動回路１０３の駆動電流が遮断されるため、第１駆動回路１０３がオフに固定されて次段の第１スイッチ回路１０２のオフ状態が確立される。
【００１２】
更に出力電圧Ｖが低下して、第２駆動回路１０７の入力電位（トランジスタＱｓのベース電位）がスレッシュホールドレベルを下回ると、第２駆動回路１０７がオフとなって次段の第２スイッチ回路１０６がオフにされるため、電圧監視部１０４に対する電力供給の経路が遮断され、過放電検出後の電池の過放電は完全に防止される。
【００１３】
なお、第２スイッチ回路１０６のオフによって電圧監視部１０４への電力供給が停止され、その出力Ｄｏｕｔのレベルが不安定になっても、既に定電圧素子１０５がオフして第１駆動回路１０３がオフに固定されているため、第２駆動回路１０７が再度オンして一時的に電池出力が発振するといったトラブルが防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平９−２０５７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特許文献１に開示された上記構成の過放電防止装置では、電圧監視部（保護ＩＣ）１０４への電力供給を停止する過放電保護の機能を持たせるために、過放電防止のための回路構成に加えて、第２スイッチ回路１０６および第２駆動回路１０７が設けられる。しかし、第２駆動回路１０７には、通常動作時に電流が流れるため、通常動作時の消費電流が増大することになる。
【００１６】
また、第２スイッチ回路１０６および第２駆動回路１０７からなる過放電保護の回路を構成するための回路部品数が多くなり、安価な保護回路の製造に対する障害となる。
【００１７】
さらに、この回路は、第１スイッチ回路１０２のＭＯＳ−ＦＥＴがオフすることにより第２駆動回路１０７が動作し、第２スイッチ回路１０６をオフさせて電圧監視部１０４への電力供給が停止される構成である。従って、過放電防止のための動作だけでなく、例えば過電流保護のために第１スイッチ回路１０２により充放電経路が遮断された場合にも、電圧監視部１０４への電流供給が遮断されることになる。そのため、通常動作に復帰するためには充電動作が行なわれることが必要である。
【００１８】
以上の状況を考慮して、本発明は、電池セルの端子電圧が過放電保護電圧Ｖｐ未満であるときに保護ＩＣの消費電流を最小限レベルに抑制する機能が、通常動作時の消費電流を増大させることなく、簡素な構成で安価に設けられた電池パックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の電池パックは、二次電池セルと、前記二次電池セルのセル電圧を検出し所定の放電下限電圧ＶＬと比較して、その比較結果に応じた制御信号を出力する保護ＩＣと、電池パック外部に対する充放電経路に挿入され前記保護ＩＣが出力する前記制御信号により制御される放電電流遮断素子とを備え、前記保護ＩＣは、前記セル電圧が前記放電下限電圧ＶＬ以下または未満であるときに、前記放電電流遮断素子が前記充放電経路を遮断するように前記制御信号を出力する。
【００２０】
上記課題を解決するために、本発明の電池パックは、前記二次電池セルの一方の端子とその端子から回路に繋がる経路に挿入された経路遮断ＦＥＴを備え、前記二次電池セルの両端には前記ＦＥＴ若しくは別のＦＥＴのゲートとソースが接続され、前記経路遮断ＦＥＴは、前記セル電圧が前記放電下限電圧ＶＬ以下の値に設定された過放電保護電圧Ｖｐ未満であるときに、前記ゲートに印加される電圧によりオフに制御されるように構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
上記構成によれば、２直列までの構成では、ＦＥＴのゲート・ソース遮断特性を効果的に利用して機能させられるので、二次電池セルの各端子から回路に繋がる経路にＦＥＴを挿入する構成により、放電下限電圧以下になった後の消費電流の抑制機能を得ることができる。これにより、通常動作時の消費電流を増大させることなく、かつ安価な回路を実現できる。また、過電流保護動作時からの復帰に影響を及ぼすことも無い。また、３直列以上の構成でも、通常動作時の消費電流は若干増大するものの、過電流保護動作時からの復帰に影響を及ぼすことは無い。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１における保護回路を有する電池パックの回路図
【図２】本発明の実施の形態２における保護回路を有する電池パックの回路図
【図３】本発明の実施の形態３における保護回路を有する電池パックの回路図
【図４】本発明の実施の形態４における保護回路を有する電池パックの回路図
【図５】本発明の実施の形態５における保護回路を有する電池パックの回路図
【図６】本発明の実施の形態６における保護回路を有する電池パックの回路図
【図７】従来例の過放電防止装置を示す回路図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の電池パックは上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。
【００２４】
すなわち、複数の前記二次電池セルが直列に接続されてその両端が前記充放電経路に接続され、前記経路遮断ＦＥＴは、前記複数の二次電池セルの各々に対して設けられ、前記保護ＩＣは、いずれかの前記二次電池セルの前記セル電圧が前記電圧ＶＬ以下または未満であるときに、前記放電電流遮断素子が前記充放電経路を遮断するように前記制御信号を出力し、前記複数の二次電池セルに対するＦＥＴは、いずれかの前記二次電池セルのセル電圧が低下したときに、前記ゲートに印加される電圧によりオフに制御されることにより、前記二次電池セルと回路に繋がる電流経路を遮断する構成とすることができる。
【００２５】
また、前記ＦＥＴがオフとなる過放電保護電圧Ｖｐは、前記電圧ＶＬよりも低い値に設定することができる。
【００２６】
また、前記経路遮断ＦＥＴはＰチャンネルＦＥＴであり、前記二次電池セルの正極端子とその端子から回路に繋がる経路の間に挿入された構成とすることができる。
【００２７】
また、前記経路遮断ＦＥＴはＮチャンネルＦＥＴであり、前記二次電池セルの負極端子とその端子から回路に繋がる経路の間に挿入された構成とすることができる。
【００２８】
また、前記二次電池セルは３個以上直列に接続されており、前記ＦＥＴはそれぞれの前記二次電池に対応して設けられ、前記二次電池セルのうち１つの電圧が低下することにより、前記ＦＥＴがオフになる場合は、前記保護ＩＣと、前記３個以上の二次電池セルとの間の電流経路が全て遮断される構成とすることができる。
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電池パックの構成を示す回路図である。この電池パックは、例えばリチウムイオン電池等の二次電池セル１の両電極端子に接続された充放電端子Ｔ１、Ｔ２を介して負荷に対して電力を供給し、また充放電端子Ｔ１、Ｔ２を介して二次電池セル１を充電するように構成されている。
【００３１】
保護ＩＣ２は、二次電池セル１の両電極端子間のセル電圧を検出し、検出した電圧を所定の設定電圧と比較して、その比較結果に応じた制御信号を出力する。すなわち、二次電池セル１の正極端子は、経路遮断ＦＥＴ３及び抵抗４を介して、保護ＩＣ２のＶＤＤ端子に接続され、一方、二次電池セル１の負極端子はＶＳＳ端子に接続されており、それによりセル電圧が検出される。検出されたセル電圧は、所定の充電上限電圧ＶＵおよび放電下限電圧ＶＬと比較され（不図示）、保護ＩＣ２はその比較結果に応じた制御信号を、ＣＯＵＴ端子およびＤＯＵＴ端子から出力する。
【００３２】
二次電池セル１の負極端子から充放電端子Ｔ２に至る充放電経路には、過充電防止用ＦＥＴ５、及び過放電防止用ＦＥＴ６が直列に挿入されている。過充電防止用ＦＥＴ５はＣＯＵＴ端子からの制御信号により制御され、充電電流遮断素子として機能する。過放電防止用ＦＥＴ６はＤＯＵＴ端子からの制御信号により制御され、放電電流遮断素子として機能する。
【００３３】
保護ＩＣ２は、二次電池セル１に印加される充電電圧が所定の充電上限電圧ＶＵを超えたときに、ＣＯＵＴ端子から、過充電防止用ＦＥＴ５をオフに制御して充放電経路を遮断させる制御信号を出力する。保護ＩＣ２はまた、セル電圧が所定の放電下限電圧ＶＬ未満になったときに、ＤＯＵＴ端子から、過放電防止用ＦＥＴ６をオフに制御して充放電経路を遮断させる制御信号を出力する。これにより、過充電あるいは過放電等の異常発生時に充放電経路を遮断して、電池パックの保護、あるいは事故発生の防止等が行なわれる。
【００３４】
一方、経路遮断ＦＥＴ３は、セル電圧検出のために二次電池セル１から保護ＩＣ２に流れる電流を遮断するように設けられ、ＰチャンネルＦＥＴが用いられる。すなわち、経路遮断ＦＥＴ３は、保護ＩＣ２におけるセル電圧を検出するための検出端子の一方と二次電池セル１の正極端子とを接続する経路に挿入されている。経路遮断ＦＥＴ３のゲートには、二次電池セル１の負極端子が接続されている。従って、セル電圧が所定の過放電保護電圧Ｖｐ未満であるときに、経路遮断ＦＥＴ３は二次電池セル１の負極端子からのゲート電圧によりオフに制御される。それにより、保護ＩＣ２への電流が遮断され、消費電流は最小限に抑制される。
【００３５】
過放電保護電圧Ｖｐは、放電下限電圧ＶＬ以下の値に設定される。従って、セル電圧が放電下限電圧ＶＬを下回り、過放電防止用ＦＥＴ６により充放電経路が遮断された状態において、経路遮断ＦＥＴ３によりセル電圧の検出が停止され、消費電流が最小限に抑制されることになる。このような目的のためには、過放電保護電圧Ｖｐは、放電下限電圧ＶＬと同一でも良いが、状況に応じて放電下限電圧ＶＬ未満の値に設定されてもよい。
【００３６】
過放電保護電圧Ｖｐは、経路遮断ＦＥＴ３の特性を適宜選択することにより適切に設定することができる。例えば、経路遮断ＦＥＴ３として小信号用のＦＥＴを用いれば、ゲート電圧が１〜２Ｖ未満の場合はオンとならないので、回路電流が遮断される。経路遮断ＦＥＴ３以外のセル電圧低下要因はセルの自己放電のみとなる。ゲート電圧が１〜２Ｖ以上であればＦＥＴがオンするので、通常通り回路電流が流される。
【００３７】
このように、経路遮断ＦＥＴ３を検出電流の遮断に用いれば、ＦＥＴの特性を効果的に使った回路であるため、電池パックが過放電状態で放置された場合に、回路の消費電流がｎＡオーダになり、保管可能期間を長くすることが可能になる。
【００３８】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における電池パックの構成を示す回路図である。この電池パックは、二次電池セルを２個直列に接続したものであるが、基本的な構成は図１に示した実施の形態１と同様である。従って、図１に示した実施の形態１の場合と同一の要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
【００３９】
この電池パックでは、２個の二次電池セル１ａ、１ｂが直列に接続され、その両端が充放電端子Ｔ１、Ｔ２を有する充放電経路に接続されている。２個の二次電池セル１ａ、１ｂに対して、ＰチャンネルＦＥＴからなる経路遮断ＦＥＴ７ａ、７ｂ、８ａが配設されている。経路遮断ＦＥＴ７ａ、７ｂは２次電池セル１ｂの正極端子と保護ＩＣ９の所定のセル電圧検出端子であるＶＤＤ端子との間に接続されている。経路遮断ＦＥＴ８ａは、二次電池セル１ａの正極端子と、保護ＩＣ９の所定のセル電圧検出端子ＤＴａとの間に接続されている。経路遮断ＦＥＴ８ａ、７ａのゲートには各々、二次電池セル１ａ、１ｂの負極端子が接続されている。
【００４０】
さらに、経路遮断ＦＥＴ７ｂのゲートにはＮチャンネルＦＥＴである電圧検知用ＦＥＴ１０ａのドレインが接続されており、電圧検知用ＦＥＴ１０ａのゲートは二次電池セル１ａの正極端子と接続されている。また、セルバランス回路や２次過充電保護回路などの追加回路１１が、経路遮断ＦＥＴ８ａの先に接続されている。
【００４１】
この構成により保護ＩＣ９は、二次電池セル１ａ、１ｂの各々のセル電圧を検出し所定の放電下限電圧ＶＬと比較して、その比較結果に応じた制御信号を出力する。すなわち、保護ＩＣ９は、いずれかの二次電池セル１ａ、１ｂのセル電圧が放電下限電圧ＶＬ以下または未満になったときに、ＤＯＵＴ端子から、過放電防止用ＦＥＴ６をオフに制御して充放電経路を遮断させる制御信号を出力する。
【００４２】
また、経路遮断ＦＥＴ７ａは、対応する二次電池セル１ｂのセル電圧が過放電保護電圧Ｖｐ未満であるときに、ゲートに印加される電圧によりオフに制御される。それにより、該当する二次電池セル１ｂから保護ＩＣ９に流れる検出電流が抑制され、消費電流が最小限の値となる。
【００４３】
また、二次電池セル１ａの電圧が過放電保護電圧Ｖｐ未満であるときには、電圧検知用ＦＥＴ１０ａのゲート電圧が１〜２Ｖ以下となり、電圧検知用ＦＥＴ１０ａがオフとなる。これにより、電圧検知用ＦＥＴ１０ａが接続されているＦＥＴ７ｂもオフとなる。また経路遮断ＦＥＴ８ａのゲート電圧も１〜２Ｖ以下となり、ＦＥＴ８ａもオフとなる。このようにＦＥＴ７ｂと８ａがオフとなることにより、過放電の状態となった二次電池セルから保護ＩＣ９のＶＤＤへの電流も遮断され、消費電流が抑制される。
【００４４】
以上のように、ＰチャンネルＦＥＴ及びＮチャンネルＦＥＴをオフとなるゲート電圧（１〜２Ｖ）が二次電池セル（リチウムイオン電池）の過放電状態の電圧と酷似していることから、この点を利用して、リチウムイオン電池の電圧が低下することをきっかけとして保護ＩＣへの消費電流を遮断している。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における電池パックの構成を示す回路図である。この電池パックは４個の二次電池セル１ｂ〜１ｄを直列に接続したものである。実施の形態２を表す図２と同一の要素については同一の参照符号を付して、説明を省略する。本実施の形態の特徴は、バイポーラトランジスタ１２、１３が設けられたことである。バイポーラトランジスタ１２、１３はそれぞれ、二次電池セル１ｄの正極側の１ｄ＋信号出力ライン及び二次電池セル１ａの負極側の１ａ−電流及び信号出力ラインに接続されている。
【００４５】
保護ＩＣ１４は、１ｄ＋、１ｃ＋、１ｂ＋、及び１ａ＋信号出力ラインを通じて、各二次電池セル１ａ〜１ｄの電圧を検出し、それらのいずれかの電圧が放電下限電圧ＶＬ以下または未満になったときには、ＤＯＵＴ端子から、過放電防止用ＦＥＴ６をオフに制御し、充放電経路を遮断する。
【００４６】
二次電池セル１ｄが過放電保護電圧Ｖｐ未満となったときには、経路遮断ＦＥＴ７ａのゲート電圧が低下し、ＦＥＴ７ａがオフとなる。これにより、二次電池セル１ｄから保護ＩＣ１４への電流経路が遮断される。二次電池セル１ｄからの１ｄ＋信号出力ラインが遮断されることにより、１ｄ＋信号出力ラインと１ｃ＋信号出力ラインが抵抗１５ａ、１５ｂを介して短絡状態となる。その結果、バイポーラトランジスタ１２のベースへは電流が流れなくなり、バイポーラトランジスタ１２はオフとなる。さらに、バイポーラトランジスタ１２のコレクタと抵抗１６ａ、１６ｂを介して接続されるバイポーラトランジスタ１３のベースにも電流は流れなくなり、バイポーラトランジスタ１３はオフとなる。
【００４７】
経路遮断ＦＥＴ８ａ〜８ｃのゲートはダイオード１７ａ〜１７ｃを介して、バイポーラトランジスタ１３のコレクタに接続されている。バイポーラトランジスタ１３がオフとなることで、経路遮断ＦＥＴ８ａ〜８ｃはゲートの電圧が０Ｖとなり、それぞれオフとなる。以上の動作により、１ａ＋〜１ｄ＋信号出力ラインは全て遮断されることになり、各二次電池セル１ａ〜１ｄの消費電流は抑制されることになる。
【００４８】
次に、２次電池セル１ｄは正常な電圧を保ったまま、２次電池セル１ｃが過放電保護状態となり、過放電保護電圧Ｖｐ未満となった場合の動作について説明する。
【００４９】
先ず、保護ＩＣ１４は各二次電池セル１ａ〜１ｄの電圧を検出し、放電下限電圧ＶＬ未満になったときには、ＤＯＵＴ端子から、過放電防止用ＦＥＴ６をオフに制御し、充放電経路を遮断する。
【００５０】
２次電池セル１ｃの正極には電圧検知用ＦＥＴ１０ｃのゲートが負極には電圧検知用ＦＥＴ１０ｃのソースが接続されている。２次電池セル１ｃのセル電圧が低下し、過放電保護電圧Ｖｐ未満となった場合、電圧検知用ＦＥＴ１０ｃのゲート電圧も低下し、１〜２Ｖ以下となることにより、電圧検知用ＦＥＴ１０ｃがオフとなる。電圧検知用ＦＥＴ１０ｃには、経路遮断ＦＥＴ７ｂのゲートが接続されており、電圧検知用ＦＥＴ１０ｃがオフとなることで経路遮断ＦＥＴ７ｂもオフとなる。これにより、２次電池セルに接続された１ｄ＋信号出力ラインが遮断される。
【００５１】
１ｄ＋信号出力ラインが遮断されることにより、１ｄ＋信号出力ラインと１ｃ＋信号出力ラインは抵抗１５ａ、１５ｂを介した短絡状態となる。以降は、上述の説明と同様に、バイポーラトランジスタ１２、１３及び経路遮断ＦＥＴ８ａ〜８ｃが順次オフとなることにより、２次電池セル１ａ〜１ｃと保護回路との間の電流消費は遮断される。
【００５２】
２次電池セル１ｂ、あるいは１ａのセル電圧が低下し、過放電保護電圧Ｖｐ未満となった場合も上述と同様の動作により、１ｄ＋〜１ａ＋信号出力ラインが遮断されることになる。
【００５３】
本実施の形態では、実施の形態２とは異なり、バイポーラトランジスタ１２，１３により、経路遮断ＦＥＴ８ａ〜８ｃを制御している。これは、二次電池セルを３個以上直列に接続する場合に、過放電状態となった二次電池セルから保護ＩＣへ接続されるラインを全て遮断するために設けた構成であり、これにより、過放電となった二次電池セルからの電流を確実に遮断することができる。
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４における電池パックの構成を示す回路図である。この電池パックは、図１に示した実施の形態１における構成において、ＰチャンネルＦＥＴからなる検出電流制御ＦＥＴ３を、ＮチャンネルＦＥＴからなる経路遮断ＦＥＴ１８により置き換えた構成を有する。従って、図１に示した実施の形態１の場合と同一の要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
【００５４】
経路遮断ＦＥＴ１８は、保護ＩＣ２におけるセル電圧を検出するための検出端子の一方と二次電池セル１の負極端子とを接続する経路に挿入されている。経路遮断ＦＥＴ１８のゲートには、二次電池セル１の正極端子が接続されている。従って、セル電圧が所定の過放電保護電圧Ｖｐ未満であるときに、検出電流制御ＦＥＴ１８は二次電池セル１の正極端子からのゲート電圧によりオフに制御される。それにより、保護ＩＣ２への検出電流が遮断され、消費電流は最小限に抑制される。
【００５５】
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５における電池パックの構成を示す回路図である。この電池パックは、基本的な構成は図４に示した実施の形態４と同様であり、図２に示した実施の形態２の場合と同様、二次電池セルを２個直列に接続したものである。
【００５６】
この電池パックでは、２個の二次電池セル１ａ、１ｂの各々に対して、ＮチャンネルＦＥＴからなる経路遮断ＦＥＴ１９ａ、１９ｂ、２０ａが設けられている。経路遮断ＦＥＴ１９ａ、１９ｂは、二次電池セル１ａの負極端子と、保護ＩＣ９の所定のセル電圧検出端子との間に接続されている。また、経路遮断ＦＥＴ２０ａは、二次電池セル１ｂの負極端子と保護ＩＣ９の所定のセル電圧検出端子ＤＴｂとの間に接続されている。経路遮断ＦＥＴ１９ａ、２０ａのゲートには各々、二次電池セル１ａ、１ｂの正極端子が接続されている。
【００５７】
更に、二次電池セル１ａの正極端子は、ＰチャンネルＦＥＴである電圧検知用ＦＥＴ２１ａのゲートに接続され、電圧検知用ＦＥＴ２１ａのドレインは経路遮断ＦＥＴ１９ｂのゲートにに接続されている。
【００５８】
この構成により保護ＩＣ９は、二次電池セル１ａ、１ｂの各々のセル電圧を検出し所定の放電下限電圧ＶＬと比較して、その比較結果に応じた制御信号を出力する。すなわち、保護ＩＣ９は、いずれかの二次電池セル１ａ、１ｂのセル電圧が放電下限電圧ＶＬ以下または未満になったときに、ＤＯＵＴ端子から、過放電防止用ＦＥＴ６をオフに制御して充放電経路を遮断させる制御信号を出力する。
【００５９】
また、経路遮断ＦＥＴ１９ａは、対応する二次電池セル１ａのセル電圧が過放電保護電圧Ｖｐ未満であるときに、ゲートに印加される電圧によりオフに制御される。それにより、該当する二次電池セル１ａから保護ＩＣ９に流れる検出電流が抑制され、消費電流が最小限の値となる。
【００６０】
また、二次電池セル１ｂの電圧が過電保護電圧Ｖｐ未満であるときには、電圧検知用ＦＥＴ２１ａのゲート電圧が１〜２Ｖ以下となり、電圧検知用ＦＥＴ２１ａがオフとなる。これにより、電圧検知用ＦＥＴ２１ａがゲートに接続されているＦＥＴ１９ｂもオフとなる。また経路遮断ＦＥＴ２０ａのゲート電圧も１〜２Ｖ以下となり、ＦＥＴ２０ａもオフとなる。このようにＦＥＴ１９ｂと２０ａがオフとなることにより、過放電の状態となった二次電池セルから保護ＩＣ９のＶＤＤへの電流も遮断され、消費電流が抑制される。
【００６１】
（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６における電池パックの構成を示す回路図である。この電池パックは、図３に示した実施の形態３における構成において、ＰチャンネルＦＥＴを、ＮチャンネルＦＥＴに置き換え、ＮチャンネルＦＥＴをＰチャンネルＦＥＴに置き換えた構成を有する。動作についても、実施の形態４、５にて説明したように、実施の形態３においてＰチャンネルＦＥＴとＮチャンネルＦＥＴを置き換えて動作させたものであるが、例として以下に、二次電池セル１ｃが過放電状態となった場合について説明する。
【００６２】
保護ＩＣ１４は二次電池セル１ｃの電圧を検出し、放電下限電圧ＶＬ未満になったときには、ＤＯＵＴ端子から、過放電防止用ＦＥＴ６をオフに制御し、充放電経路を遮断する。
【００６３】
２次電池セル１ｃの負極には電圧検知用ＦＥＴ２１ｂのゲートが、正極には電圧検知用ＦＥＴ２１ｂのソースが接続されている。２次電池セル１ｃのセル電圧が低下し、過放電保護電圧Ｖｐ未満となった場合、電圧検知用ＦＥＴ２１ｂのゲート電圧も低下し、１〜２Ｖ以下となることにより、電圧検知用ＦＥＴ２１ｂがオフとなる。
【００６４】
電圧検知用ＦＥＴ２１ｂには、経路遮断ＦＥＴ１９ｃのゲートが接続されており、電圧検知用ＦＥＴ２１ｂがオフとなることで経路遮断ＦＥＴ１９ｃもオフとなる。これにより、２次電池セルに接続された１ａ−信号出力ラインが遮断される。１ａ−信号出力ラインが遮断されることにより、１ａ−信号出力ラインと１ｂ＋信号出力ラインは抵抗１５ａ、１５ｂを介した短絡状態となる。これにより、バイポーラトランジスタ１２、１３及び経路遮断ＦＥＴ２０ａ〜２０ｃが順次オフとなり、その結果、全ての２次電池セル１ａ〜１ｄと保護回路との間の電流消費は遮断される。
【００６５】
また、２次電池セル１ａ、１ｂ、１ｄのセル電圧が低下し、過放電保護電圧Ｖｐ未満となった場合も上述と同様の動作により、１ｄ＋〜１ａ―信号出力ラインが遮断されることになり、全ての２次電池セルからの電流消費を遮断することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の電池パックによれば、過放電防止機能の動作時における保護ＩＣの消費電流を最小限レベルに抑制する過放電保護の機能が、簡素な構成で安価に得られるので、ノートパソコン、デジタルカメラ、携帯電話等の用途に好適である。
【符号の説明】
【００６７】
１、１ａ〜１ｄ 二次電池セル
２、９、１４ 保護ＩＣ
３、７ａ〜７ｄ、８ａ〜８ｃ、１８、１９ａ、２０ａ 経路遮断ＦＥＴ
４、１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂ 抵抗
５ 過充電防止用ＦＥＴ
６ 過放電防止用ＦＥＴ
１０ａ〜１０ｃ、２１ａ〜２１ｃ 電圧検知用ＦＥＴ
１１ 追加回路
１２、１３ バイポーラトランジスタ
１７ａ〜１７ｃ ダイオード
１０１ 二次電池
１０２ 第１スイッチ回路
１０３ 第１駆動回路
１０４ 電圧監視部
１０５ 定電圧素子
１０６ 第２スイッチ回路
１０７ 第２駆動回路
１０７ａ バイポーラトランジスタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池セルと、
前記二次電池セルのセル電圧を検出し所定の電圧ＶＬと比較して、その比較結果に応じた制御信号を出力する保護ＩＣと、
電池パック外部に対する充放電経路に挿入され前記保護ＩＣが出力する前記制御信号により制御される放電電流遮断素子とを備え、
前記保護ＩＣは、前記セル電圧が前記電圧ＶＬ以下または未満であるときに、前記放電電流遮断素子が前記充放電経路を遮断するように前記制御信号を出力する電池パックにおいて、
前記二次電池セルの一方の端子と回路を接続する経路に挿入されたＦＥＴを備え、
前記二次電池セルの他方の端子が前記ＦＥＴのゲートに接続され、
前記ＦＥＴは、前記セル電圧が所定値よりも低下したときに、前記二次電池セルから前記ゲートに印加される電圧によりオフに制御されるように構成されたことを特徴とする電池パック。
【請求項２】
複数の前記二次電池セルが直列に接続されてその両端が前記充放電経路に接続され、
前記ＦＥＴは、前記複数の二次電池セルの各々に対して設けられ、
前記保護ＩＣは、いずれかの前記二次電池セルの前記セル電圧が前記電圧ＶＬ以下または未満であるときに、前記放電電流遮断素子が前記充放電経路を遮断するように前記制御信号を出力し、
前記複数の二次電池セルに対するＦＥＴは、いずれかの前記二次電池セルのセル電圧が前記所定値よりも低下したときに、前記ゲートに印加される電圧によりオフに制御されることにより、前記二次電池セルから前記回路に繋がる電流経路を遮断することを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項３】
前記ＦＥＴがオフとなる過放電保護電圧Ｖｐが、前記電圧ＶＬよりも低い値に設定された請求項１または２に記載の電池パック。
【請求項４】
前記二次電池セルに対応するＦＥＴはＰチャンネルＦＥＴであり、前記二次電池セルの正極端子とその端子から前記回路に繋がる電流経路との間に挿入された請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池パック。
【請求項５】
前記二次電池セルに対応するＦＥＴはＮチャンネルＦＥＴであり、前記二次電池セルの負極端子とその端子から前記回路に繋がる電流経路との間に挿入された請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池パック。
【請求項６】
前記二次電池セルは３個以上直列に接続されており、前記ＦＥＴはそれぞれの前記二次電池に対応して設けられ、前記二次電池セルのうち１つの電圧が低下することにより、前記ＦＥＴがオフになる場合は、前記保護ＩＣと、前記３個以上の二次電池セルとの間の電流経路が全て遮断されることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項１】
二次電池セルと、
前記二次電池セルのセル電圧を検出し所定の電圧ＶＬと比較して、その比較結果に応じた制御信号を出力する保護ＩＣと、
電池パック外部に対する充放電経路に挿入され前記保護ＩＣが出力する前記制御信号により制御される放電電流遮断素子とを備え、
前記保護ＩＣは、前記セル電圧が前記電圧ＶＬ以下または未満であるときに、前記放電電流遮断素子が前記充放電経路を遮断するように前記制御信号を出力する電池パックにおいて、
前記二次電池セルの一方の端子と回路を接続する経路に挿入されたＦＥＴを備え、
前記二次電池セルの他方の端子が前記ＦＥＴのゲートに接続され、
前記ＦＥＴは、前記セル電圧が所定値よりも低下したときに、前記二次電池セルから前記ゲートに印加される電圧によりオフに制御されるように構成されたことを特徴とする電池パック。
【請求項２】
複数の前記二次電池セルが直列に接続されてその両端が前記充放電経路に接続され、
前記ＦＥＴは、前記複数の二次電池セルの各々に対して設けられ、
前記保護ＩＣは、いずれかの前記二次電池セルの前記セル電圧が前記電圧ＶＬ以下または未満であるときに、前記放電電流遮断素子が前記充放電経路を遮断するように前記制御信号を出力し、
前記複数の二次電池セルに対するＦＥＴは、いずれかの前記二次電池セルのセル電圧が前記所定値よりも低下したときに、前記ゲートに印加される電圧によりオフに制御されることにより、前記二次電池セルから前記回路に繋がる電流経路を遮断することを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項３】
前記ＦＥＴがオフとなる過放電保護電圧Ｖｐが、前記電圧ＶＬよりも低い値に設定された請求項１または２に記載の電池パック。
【請求項４】
前記二次電池セルに対応するＦＥＴはＰチャンネルＦＥＴであり、前記二次電池セルの正極端子とその端子から前記回路に繋がる電流経路との間に挿入された請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池パック。
【請求項５】
前記二次電池セルに対応するＦＥＴはＮチャンネルＦＥＴであり、前記二次電池セルの負極端子とその端子から前記回路に繋がる電流経路との間に挿入された請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池パック。
【請求項６】
前記二次電池セルは３個以上直列に接続されており、前記ＦＥＴはそれぞれの前記二次電池に対応して設けられ、前記二次電池セルのうち１つの電圧が低下することにより、前記ＦＥＴがオフになる場合は、前記保護ＩＣと、前記３個以上の二次電池セルとの間の電流経路が全て遮断されることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２３９１９（Ｐ２０１２−２３９１９Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６１６１１（Ｐ２０１０−１６１６１１）
【出願日】平成２２年７月１６日（２０１０．７．１６）
【出願人】（５１１０８４５５５）日立マクセルエナジー株式会社 (212)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１６日（２０１０．７．１６）
【出願人】（５１１０８４５５５）日立マクセルエナジー株式会社 (212)
【Ｆターム（参考）】
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