２次電池の過充電及び過放電防止回路
【目的】 容量バランスの取れた過充電及び過放電防止回路を提供する。
【構成】 直列接続された２次電池Ａｂａｔ及びＢｂａｔの正負極間にヒステリシス回路１を備える過充電検出コンパレータＣＯＭＰ２、ＣＯＭＰ４を、また、ヒステリシス回路２を備える過放電検出コンパレータＣＯＭＰ１、ＣＯＭＰ３を接続する。また、各電池間に過充電オーバーフロー及び過放電バランスのためにトランジスタＴ１、Ｔ２及び抵抗Ｒを接続する。ＣＯＭＰ２又はＣＯＭＰ４が過充電を検出するとトランジスタＴ６が充電電流を遮断すると共にヒステリシスにより電池がヒステリシス電圧まで過充電オーバーフローを放電する。放電後トランジスタＴ６がオンし、両電池の再充電を開始する。ＣＯＭＰ１、ＣＯＭＰ３が過放電を検出すると、トランジスタＴ５が放電電流を遮断する。ヒステリシス回路１、２により過充放電のバランスをとることができる。
【構成】 直列接続された２次電池Ａｂａｔ及びＢｂａｔの正負極間にヒステリシス回路１を備える過充電検出コンパレータＣＯＭＰ２、ＣＯＭＰ４を、また、ヒステリシス回路２を備える過放電検出コンパレータＣＯＭＰ１、ＣＯＭＰ３を接続する。また、各電池間に過充電オーバーフロー及び過放電バランスのためにトランジスタＴ１、Ｔ２及び抵抗Ｒを接続する。ＣＯＭＰ２又はＣＯＭＰ４が過充電を検出するとトランジスタＴ６が充電電流を遮断すると共にヒステリシスにより電池がヒステリシス電圧まで過充電オーバーフローを放電する。放電後トランジスタＴ６がオンし、両電池の再充電を開始する。ＣＯＭＰ１、ＣＯＭＰ３が過放電を検出すると、トランジスタＴ５が放電電流を遮断する。ヒステリシス回路１、２により過充放電のバランスをとることができる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、２次電池の過充電及び過放電防止回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、２次電池の過充電及び過放電対策として、以下の方法が知られている。充電器による過充電対策は、充電時に電池の充電端子電圧を制御するもので、単電池又は単電池の並列接続では十分に効果があるものである。しかし電池は直列接続で使用されることが多く、この場合、直列接続の両端電圧は、制御されるものの個々の電池電圧の制御はできない。従って、直列接続中の少なくとも１個の電池がショートした場合、充電中に他の電池は過充電となりこの方式は完全な過充電対策とはならない。他の過充電対策として、過充電中に電池の内圧が上昇することを利用して、メカニカルに電流リード線を切断し、充電電流を遮断する方式がある。この方式は過充電そのものを防止するものではなく、過充電が進行後の電池温度の異常上昇、高内圧に起因する電池の破壊を未然に防止するもので、一度電流遮断が働くとその電池は使用不可能となる。
【０００３】一方、過放電対策としては、負極集電体金属の溶解電圧が電池電圧としてなるべくゼロに近い金属を選定する方法がある。例えば銅に代えてニッケルを使用すると効果はあるものの完全なものではない。特に、直列接続の電池では電池の個体差により必ず一方の電池の過放電が進行し、充放電サイクルの寿命劣化が著しい。
【０００４】さらに、他の従来の非水系２次電池の過充電過放電対策として、以下に説明する方法が知られている。図８は、非水系２次電池、例えばリチウムイオン２次電池の電池構成例を示している。活物質として、正極にＬｉＣｏＯ2 ６，負極にはグラファイト構造を有するカーボン７を用い、各活物質は正極はＡｌ集電体８，負極はＣｕ集電体９で保持される。正負活物質はセパレータ１０を介して対向し、各活物質間には有機電解液１１が充填される。該電池の充放電特性は図９及び図１０に示すように、充放電エネルギーと電池端子間電圧の間に強い相関を有する。該電池には電池構成材料及び電池設計で決まる設計電圧があり、この電圧を越えて充電することを過充電と呼ぶ。過充電を行うと、（１）負極上でのＬｉ金属の析出、（２）正極活物質の分解及び分解で生成したコバルトイオンに起因する負極上でのＣｏ金属或はコバルト化合物の析出、（３）有機電解液の分解、が生ずる。
【０００５】前記Ｌｉ金属、Ｃｏ金属、Ｃｏ化合物の析出は正負極のショート原因となり、正極活物質、有機電解液の分解は電池の著しい劣化原因となる。従って、過充電は本質的に避けなければ電池の信頼性は確保できない。充電した電池に外部負荷を付け放電すると電池電圧は低下していくが、放電を継続すると負極集電体（Ｃｕ）の溶解電圧に達する。この溶解電圧に至った以降さらに放電することを過放電と呼び、過放電では当然に銅がイオン化し、電解液に溶出する。集電体金属が溶出すれば、集電機能の劣化、負極活物質の脱落が生じ電池の要領を低下させる。さらに溶出した銅イオンが次の充電時に負極に異常析出し、正負極のショート原因になる。従って、過放電も当然に避けるべき課題である。
【０００６】前記２次電池の過充電過放電防止対策として、前記２次電池の電池電圧と充放電エネルギーの相関関係を利用し、直列接続された前記電池の端子電圧を常時検出し、設計電池電圧以上または負極集電体金属の溶解電圧以下で充電又は放電電流を遮断することにより、前記電池の過充電・過放電を防止し電池の信頼性・安全性を保証するものが提案されている。
【０００７】図１１は、前記過充電・過放電防止方法の基本的構成を示している。同図において、４個の電池が直並列接続されている。電圧検出器１２、１３は、直列接続された各電池の端子電圧を検出し、設計電圧以上でスイッチ１４をオフし過充電を防止する。電圧検出器１５は、直列接続の両電池端子電圧を検出し、負極集電体金属又は該電池を使用する機器のカットオフ電圧で決まる設定電圧以下でスイッチ１６をオフし、過放電を防止する。
【０００８】しかし、このような防止対策を施しても、以下のような問題点が存在する。即ち、前記構成において、個々の電池の過充電又は直列接続した２個の電池の過放電を検出することができても、直列接続された２個の電池を同時に充電又は放電する際、２個の電池の充電又は放電のバランスの崩れは検出することができない。そして、一方の電池が設定電圧まで充電されても他方の電池が設定電圧まで充電されず、また一方の電池が設定電圧まで放電しても他方の電池が設定電圧まで放電しないで、両電池の充電及び放電のバランスが崩れて、特にＬｉ２次電池の場合、過充電又は過放電になることを絶対に避けなければならない。従って、前記従来の回路で一方がフル充電された場合、スイッチをオフして過充電を避けることができても他方の電池はフル充電されず、両者の充電状態にアンバランスが生じることになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、電池が充放電を繰り返す過程において、個々の電池の個体差により電池の容量バランスが崩れてきても、過充電及び過放電を防止する方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、直列接続された２次電池が充放電を繰り返す過程において、個々の電池の個体差により電池の容量バランスが崩れてきても、そのバランスを復活する機能を有する電池容量バランス回路を充放電回路に設けて過充電及び過放電を防止することを特徴とするものである。
【００１１】
【実施例】図１は、本発明の過充放電防止及び電池容量バランス回路を示している。前記回路について、以下に、電池Ａｂａｔ及び電池Ｂｂａｔの過充電検出及び過放電検出について順次説明する。
【００１２】充電電源又は放電負荷端子となる＋Ｅｂ端子から２次電池Ａｂａｔ，Ｂｂａｔ，ＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ５、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ６（以下、トランジスタＴ５、トランジスタＴ６という。）を経て−Ｅｂ端子へ充電電流が流れる。過充電検出回路を構成するコンパレータＣＯＭＰ２が、基準電圧Ｅ１を越える例えば４．３Ｖの過充電を検出し、Ｈレベルの電圧を出力する。（通常充電時はＬレベルである）。
【００１３】前記Ｈレベル出力によりオアゲートＧ７を通してＰチャネルＭＯＳトランジスタＴ４（以下、トランジスタＴ４という）をオフ、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ７をオンすることによりＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ６をオフして充電電流を遮断する。同時にオアゲートＧ３を通してＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ１をオンし、抵抗Ｒで電池Ａｂａｔの過充電オーバーフローを放電する。
【００１４】前記電池Ａｂａｔが例えば４．１Ｖまで放電して４．１Ｖを切ると、前記コンパレータＣＯＭＰ２の出力がＬレベルとなり、トランジスタＴ１がオフ、トランジスタＴ７がオフ、トランジスタＴ４がオン、トランジスタＴ６がオンになって再び充電可能となり、電池Ａｂａｔ及び電池Ｂｂａｔとも充電される。
【００１５】一方、電池Ｂｂａｔが過充電された場合も同様の動作を行う。端子＋Ｅｂから２次電池Ａｂａｔ，Ｂｂａｔ，トランジスタＴ５、トランジスタＴ６を経て端子−Ｅｂへ充電電流が流れる。過充電検出回路を構成するコンパレータＣＯＭＰ４が、基準電圧Ｅ２を越える例えば４．３Ｖの過充電を検出し、Ｈレベルの電圧を出力する。（通常充電時はＬレベルである）。前記コンパレータＣＯＭＰ４のＨレベル出力によりオアゲートＧ７を通してトランジスタＴ４をオフ、トランジスタＴ７をオンすることによりトランジスタＴ６をオフして充電電流を遮断する。同時にオアゲートＧ６を通してＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ２をオンし、抵抗Ｒで電池Ｂｂａｔの過充電オーバーフローを放電する。前記電池Ｂｂａｔが例えば４．１Ｖまで放電して４．１Ｖを切ると、前記コンパレータＣＯＭＰ４の出力がＬレベルとなり、トランジスタＴ２がオフ、トランジスタＴ７がオフ、トランジスタＴ４がオン、トランジスタＴ６がオンになって再び充電可能となり、電池Ａｂａｔ及び電池Ｂｂａｔとも充電される。
【００１６】ここで、重要なことは、前記コンパレータＣＯＭＰ２又はＣＯＭＰ４のＨレベル出力によりオアゲートＧ７を通してトランジスタＴ４をオフ、トランジスタＴ７をオンすることによりトランジスタＴ６をオフして充電電流を遮断すると、電池の端子電圧が下がり、コンパレータＣＯＭＰ２又はＣＯＭＰ４の出力がＬレベルに反転して直ちに再度充電回路が動作してしまうのを避け、電池Ａｂａｔ又は電池Ｂｂａｔの過充電オーバーフローを放電し、４．１Ｖまで放電されると、再び充電可能となり電池Ａｂａｔ及び電池Ｂｂａｔを充電するというサイクルを実現するために、コンパレータＣＯＭＰ２及びコンパレータＣＯＭＰ４の動作にヒステリシスを持たせる必要がある。このため前記コンパレータＣＯＭＰ２及びコンパレータＣＯＭＰ４の非反転入力端子にヒステリシス回路１を接続する。
【００１７】以下に、前記ヒステリシス回路１について説明する。図２は、過充電検出用コンパレータＣＯＭＰ２及びコンパレータＣＯＭＰ４の非反転端子に接続されるヒステリシス回路１の一例及び過充電のヒステリシス電圧の説明図である。以下、電池Ａｂａｔを例に説明する。図２の（Ａ）において、充電により電池Ａｂａｔの電池電圧Ｅｂが上昇して例えば４．３Ｖに達して、抵抗ラダーの過充電用分圧点電圧Ｖ１が基準電圧Ｅ１を越えると、コンパレータＣＯＭＰ２の出力がＬレベルからＨレベルになり、トランジスタＴ６をオフする。また、禁止回路３のＨレベル出力がコントロール端子Ｃ端子に供給されてアナログスイッチＳＷ１がＨ端子に切り替わり、Ｖ２が比較電圧となる。Ｖ２は充電電流がオフとなって電池端子電圧が下がっても基準電圧Ｅ１より高めに設定してあるのでトランジスタＴ６（図１）のオフ状態が保持され、直ちに充電を開始せず、充電の開始にヒステリシスを持たせることが可能となる。
【００１８】図２の（Ｂ）に示す過充電ヒステリシス電圧について、図４を参照して説明する。充電器の充電終止電圧８．２Ｖの半分をヒステリシス電圧として示している。４．３Ｖは、前記抵抗ラダーの検出電圧Ｖ１に対応し、４．１Ｖは、検出電圧Ｖ２に対応する電圧である。電池Ａｂａｔ及びＢｂａｔの充電のバランスが崩れていて電池Ａｂａｔの電池電圧が高くなり、危険領域になる手前（例として４．３Ｖ）まで上昇しても充電終止電圧にならない時、前記過充電検出回路が動作してトランジスタＴ６をオフし充電電流を遮断する。充電電流がオフになると電池電圧は下がるが、さらに前記トランジスタＴ１及び抵抗Ｒからなる放電回路で４．１Ｖまで放電する。そして４．１Ｖを切るとコンパレータＣＯＭＰ２の出力はＬレベルとなり再びトランジスタＴ６がオンして電池Ｂｂａｔの電池電圧が４．１Ｖに達するまで再度充電する。
【００１９】このようにして、両電池の充電のサイクルがなされ、バランスの取れた充電がなされ、両電池の過充電を防止できる。なお、この状態の時、電池を通常放電にすると、トランジスタＴ６がオフとなっているので、小電流でも後述する過電流検出回路が働き、放電が不可能となるので前記ヒステリシス禁止回路３によりアナログスイッチＳＷ１をＬ側に切り替えて、トランジスタＴ６をオンにする。
【００２０】次に、過放電検出について以下に電池Ａｂａｔを例に説明する。図１において、コンパレータＣＯＭＰ１が電池Ａｂａｔの過放電（一例として１．８Ｖ）を検出すると、Ｈレベルを出力する。（通常放電時はＬレベル）前記コンパレータＣＯＭＰ１のＨレベル出力によりオアゲートＧ８及びノアゲートＧ９を通してＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ５（以下、トランジスタＴ５という）をオフし、さらにゲートＧ１１によってＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ３（以下、トランジスタＴ３という）をオフして放電電流を遮断する。同時にアンドゲートＧ５、オアゲートＧ６を通してＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ２（以下トランジスタＴ２という）をオンし、電池Ｂｂａｔの残容量を抵抗Ｒで消費する。この時、ゲートＧ１、アンドゲートＧ２を経てオアゲートＧ３の出力がＬレベルとなっており、トランジスタＴ１をオフ状態に保持しておき、電池Ａｂａｔの過放電バランス回路を動作させないようにしておく。
【００２１】過放電検出についてもヒステリシスを持たせるため、コンパレータＣＯＭＰ１の反転入力端子に図３R>３の（Ａ）に一例として示すヒステリシス回路２を設ける。同図において、放電により電池Ａｂａｔの電池電圧Ｅｂが下がり、抵抗ラダーの過放電用分圧点電圧Ｖ４が基準電圧Ｅ１を越えると、コンパレータＣＯＭＰ１の出力がＬレベルからＨレベルになり、トランジスタＴ５をオフして放電電流を遮断する。
【００２２】図３の（Ｂ）は、過放電のヒステリシス電圧を示しており、以下に図５を参照して説明する。電池の放電バランスが崩れていて電池Ａｂａｔの電圧が危険領域の手前の電圧１．８Ｖまで下がっても、この電池を使用している機器の放電終止電圧にならない時、前記電圧Ｖ４がコンパレータＣＯＭＰ１の入力となり過放電検出が動作してトランジスタＴ３をオフ、トランジスタＴ５をオフする。放電電流が遮断されると電池電圧が上昇するので直ちに再度トランジスタＴ５がオンしないようにヒステリシス（一例として２Ｖ）を設定している。
【００２３】すなわち、前記ヒステリシス回路２におけるアナログスイッチＳＷ２をＬ側に切り替えて電圧Ｖ４よりも高い電圧Ｖ３を比較電圧として設定し、該電圧Ｖ３は放電電流が遮断されて電池Ａｂａｔの端子電圧が上がっても基準電圧Ｅ１より低めに設定しているので、前記オフ状態が保持される。この間は電池Ａｂａｔは僅かに自己放電するのみで過放電に至ることはない。このように過放電検出が動作した時は、電池ＢｂａｔをトランジスタＴ２及び抵抗Ｒからなる内部放電回路で放電させ、両電池の放電をバランスさせる。電池Ｂｂａｔの過放電検出用のコンパレータＣＯＭＰ３の出力がＬレベルであり、ゲートＧ４の出力がＨレベルとなり、従って、アンドゲートＧ５、オアゲートＧ６を通してトランジスタＴ２がオンしているから抵抗Ｒで電池Ｂｂａｔの内部放電がなされる。なお、使用機器が終止電圧でオフした後も電池を付けっ放しにした場合も過放電検出が動作する。以上、Ａｂａｔについて説明したが、Ｂｂａｔも同様に動作する。
【００２４】以上、過充電及び過放電のバランスについて回路の動作を説明したが、図４及び図５に示す過充電バランスについての充電時間と電池電圧及び過放電バランスについて放電時間と電池電圧の関係を見ると、各コンパレータの入力部にヒステリシス回路を設けたため、過充電バランスは、４．１Ｖと４．３Ｖ間においてバランス良く充電がなされ、また過放電バランスは、１．８Ｖと２Ｖ間においてバランス良く放電がなされることがわかる。
【００２５】次に、前記過充電・過放電検出回路において、負荷がショートしたり、オーバーロードになり過大電流が流れた時の過大電流検出及びその保護について図６R>６及び図７で説明する。図７は、放電負荷４又は充電電源５が接続される＋Ｅｂ端子と−Ｅｂ端子間がショートした時の状態を説明するために、図１に示す回路を一部ブロック化した回路図を示している。
【００２６】＋Ｅｂ端子と−Ｅｂ端子間がショートして過大電流（例えば３Ａ）が流れると、通常動作時にスイッチオンしているトランジスタＴ５及びトランジスタＴ６の飽和抵抗と過大電流によって生ずる電圧がコンパレータＣＯＭＰ５（通常はＬレベル）の非反転入力端子に入力されてＨレベルを出力し、ノアゲートＧ９及びノアゲートＧ１０を通してトランジスタＴ５のゲート電圧Ｅｇを０にしてトランジスタＴ５をオフし過電流を遮断する。
【００２７】過大電流が流れず通常の動作をしている時は、図６の（Ｂ）に示すように、ゲート電圧Ｅｇは、トランジスタＴ５に最大電流が流れる電圧になっているが、過電流が検出されると、まず抵抗Ｒ１側の電圧が回路の内部時定数による遅れ（２００μｓ）の後０になり、その間トランジスタＴ５のゲート電圧Ｅｇは、抵抗Ｒ１とＲ２で分圧されてゲート電圧が下がりトランジスタＴ５に流れる電流を制限する。その後抵抗Ｒ３と容量Ｃ１の時定数Ｃ１Ｒ３による遅れ（数ｍｓ）の後、抵抗Ｒ２側の電圧が０になりゲート電圧Ｅｇが０になると、トランジスタＴ５をオフして過電流を遮断し回路が保護される。コンパレータＣＯＭＰ５の基準電圧Ｅ３は、前記トランジスタＴ５に流れる制限電流（図６のＢ）を検出するように設定する。前記説明したように過放電検出が動作した時は当然にゲート電圧は０になりトランジスタＴ５をオフする。
【００２８】しかし、過充電検出が動作してトランジスタＴ６がオフしている状態で電池を放電にすると、前記過電流検出回路は、トランジスタＴ６の寄生ダイオードＤ２を通じて電流が流れこの寄生ダイオードによる順方向電圧降下（０．７Ｖ）をコンパレータＣＯＭＰ５が検出し過電流でなくても動作してトランジスタＴ５をオフにしてしまうことがあるので、この時は過充電検出回路のヒステリシス禁止回路３の出力をＬレベルにしてアナログスイッチＳＷをＬ端子側に切り替え、過充電検出をやめてトランジスタＴ６をオンにする。この動作速度は前記過電流保護回路の動作より速い必要がある。
【００２９】次に、過電流検出後の復帰について図７で説明する。前記説明したように負荷がショートしたり、オーバロードになり過大電流が流れると、コンパレータ５は過電流を検出して、トランジスタＴ５をオフするが、トランジスタＴ５がオフすると、電池ＧＮＤに対する−Ｅｂ端子の電位差は、トランジスタＴ５の寄生ダイオードＤ１を介して負荷に引っ張られて高電圧＋Ｅｂ（４〜８Ｖ）となる。この状態で過負荷を取り除いた時、−Ｅｂ端子が高電圧のまま保持されていると復帰できない。そこで、トランジスタＴ３と抵抗Ｒ４で小電流を流して−Ｅｂ端子を０Ｖ近傍まで下げ復帰させる。この電流は小電流ではあるが長時間過負荷（いったん過負荷その後軽負荷になった場合も含む）にしておくと電池から無駄電流を流すことになる。これは特に放電末期で問題になるので、過放電検出が働いた時はトランジスタＴ３をオフして遮断する。
【００３０】また、過充電検出時に、トランジスタＴ６がオフされると、充電器の端子電圧が上昇し、−Ｅｂ端子はその電圧に引っ張られて、電池ＧＮＤより低い電圧になり、しかも充電器の特性で引っ張られる電圧は異なる。そして−Ｅｂ端子がマイナスになるとトランジスタＴ６のゲート電圧を電池ＧＮＤまで下げても完全にオフできない場合が生ずる。そこで、過充電を検出した時は、トランジスタＴ７がオンしているので、該トランジスタＴ７を介してトランジスタＴ６のゲートを−Ｅｂ端子とショートさせて完全な遮断を行う。なお、過充電検出が動作していない時は、トランジスタＴ４がオンしていてトランジスタＴ６にゲート電圧を供給しているので、トランジスタＴ６はオン状態を保つ。
【００３１】以上、図１に示す実施例は、本発明の技術思想を実現する回路の一例であり、使用する素子、回路方式、設定電圧は任意であることは言うまでもない。また、３個以上の２次電池の直列接続にも対応でき、さらに回路を集積化して用いることも可能である。この回路は電池内部、外部、バッテリーパック内、充電器に組み込むことができる。
【００３２】
【発明の効果】本発明は、過充電検出及び過放電検出にヒステリシスを持たせて、過充放電時に個々の２次電池の容量バランスをとることにより、充放電サイクルをより改善でき、且つ個々の電池の過充電過放電を完全に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の回路図である。
【図２】本発明過充電検出のヒステリシス回路図及びその説明図である。
【図３】本発明過放電検出のヒステリシス回路図及びその説明図である。
【図４】本発明の過充電バランスの説明図である。
【図５】本発明の過放電バランスの説明図である。
【図６】本発明過電流検出及び保護回路図及びその説明図である。
【図７】本発明過電流検出後の復帰及び過充電遮断を説明する回路図である。
【図８】２次電池の構造の一例を示す図である。
【図９】２次電池の充電エネルギーと電池電圧の関係を示す図である。
【図１０】２次電池の放電エネルギーと電池電圧の関係を示す図である。
【図１１】従来の過充電及び過放電防止回路図である。
【符号の説明】
１・・過充電検出ヒステリシス回路 ２・・過放電検出ヒステリシス回路
３・・ヒステリシス禁止回路 ＣＯＭＰ２、ＣＯＭＰ４・・過充電検出コンパレータ ＣＯＭＰ１、ＣＯＭＰ３・・過放電検出コンパレータ ＣＯＭＰ５・・過電流検出コンパレータ Ｔ５・・放電電流遮断トランジスタ Ｔ６・・充電電流遮断トランジスタ
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、２次電池の過充電及び過放電防止回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、２次電池の過充電及び過放電対策として、以下の方法が知られている。充電器による過充電対策は、充電時に電池の充電端子電圧を制御するもので、単電池又は単電池の並列接続では十分に効果があるものである。しかし電池は直列接続で使用されることが多く、この場合、直列接続の両端電圧は、制御されるものの個々の電池電圧の制御はできない。従って、直列接続中の少なくとも１個の電池がショートした場合、充電中に他の電池は過充電となりこの方式は完全な過充電対策とはならない。他の過充電対策として、過充電中に電池の内圧が上昇することを利用して、メカニカルに電流リード線を切断し、充電電流を遮断する方式がある。この方式は過充電そのものを防止するものではなく、過充電が進行後の電池温度の異常上昇、高内圧に起因する電池の破壊を未然に防止するもので、一度電流遮断が働くとその電池は使用不可能となる。
【０００３】一方、過放電対策としては、負極集電体金属の溶解電圧が電池電圧としてなるべくゼロに近い金属を選定する方法がある。例えば銅に代えてニッケルを使用すると効果はあるものの完全なものではない。特に、直列接続の電池では電池の個体差により必ず一方の電池の過放電が進行し、充放電サイクルの寿命劣化が著しい。
【０００４】さらに、他の従来の非水系２次電池の過充電過放電対策として、以下に説明する方法が知られている。図８は、非水系２次電池、例えばリチウムイオン２次電池の電池構成例を示している。活物質として、正極にＬｉＣｏＯ2 ６，負極にはグラファイト構造を有するカーボン７を用い、各活物質は正極はＡｌ集電体８，負極はＣｕ集電体９で保持される。正負活物質はセパレータ１０を介して対向し、各活物質間には有機電解液１１が充填される。該電池の充放電特性は図９及び図１０に示すように、充放電エネルギーと電池端子間電圧の間に強い相関を有する。該電池には電池構成材料及び電池設計で決まる設計電圧があり、この電圧を越えて充電することを過充電と呼ぶ。過充電を行うと、（１）負極上でのＬｉ金属の析出、（２）正極活物質の分解及び分解で生成したコバルトイオンに起因する負極上でのＣｏ金属或はコバルト化合物の析出、（３）有機電解液の分解、が生ずる。
【０００５】前記Ｌｉ金属、Ｃｏ金属、Ｃｏ化合物の析出は正負極のショート原因となり、正極活物質、有機電解液の分解は電池の著しい劣化原因となる。従って、過充電は本質的に避けなければ電池の信頼性は確保できない。充電した電池に外部負荷を付け放電すると電池電圧は低下していくが、放電を継続すると負極集電体（Ｃｕ）の溶解電圧に達する。この溶解電圧に至った以降さらに放電することを過放電と呼び、過放電では当然に銅がイオン化し、電解液に溶出する。集電体金属が溶出すれば、集電機能の劣化、負極活物質の脱落が生じ電池の要領を低下させる。さらに溶出した銅イオンが次の充電時に負極に異常析出し、正負極のショート原因になる。従って、過放電も当然に避けるべき課題である。
【０００６】前記２次電池の過充電過放電防止対策として、前記２次電池の電池電圧と充放電エネルギーの相関関係を利用し、直列接続された前記電池の端子電圧を常時検出し、設計電池電圧以上または負極集電体金属の溶解電圧以下で充電又は放電電流を遮断することにより、前記電池の過充電・過放電を防止し電池の信頼性・安全性を保証するものが提案されている。
【０００７】図１１は、前記過充電・過放電防止方法の基本的構成を示している。同図において、４個の電池が直並列接続されている。電圧検出器１２、１３は、直列接続された各電池の端子電圧を検出し、設計電圧以上でスイッチ１４をオフし過充電を防止する。電圧検出器１５は、直列接続の両電池端子電圧を検出し、負極集電体金属又は該電池を使用する機器のカットオフ電圧で決まる設定電圧以下でスイッチ１６をオフし、過放電を防止する。
【０００８】しかし、このような防止対策を施しても、以下のような問題点が存在する。即ち、前記構成において、個々の電池の過充電又は直列接続した２個の電池の過放電を検出することができても、直列接続された２個の電池を同時に充電又は放電する際、２個の電池の充電又は放電のバランスの崩れは検出することができない。そして、一方の電池が設定電圧まで充電されても他方の電池が設定電圧まで充電されず、また一方の電池が設定電圧まで放電しても他方の電池が設定電圧まで放電しないで、両電池の充電及び放電のバランスが崩れて、特にＬｉ２次電池の場合、過充電又は過放電になることを絶対に避けなければならない。従って、前記従来の回路で一方がフル充電された場合、スイッチをオフして過充電を避けることができても他方の電池はフル充電されず、両者の充電状態にアンバランスが生じることになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、電池が充放電を繰り返す過程において、個々の電池の個体差により電池の容量バランスが崩れてきても、過充電及び過放電を防止する方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、直列接続された２次電池が充放電を繰り返す過程において、個々の電池の個体差により電池の容量バランスが崩れてきても、そのバランスを復活する機能を有する電池容量バランス回路を充放電回路に設けて過充電及び過放電を防止することを特徴とするものである。
【００１１】
【実施例】図１は、本発明の過充放電防止及び電池容量バランス回路を示している。前記回路について、以下に、電池Ａｂａｔ及び電池Ｂｂａｔの過充電検出及び過放電検出について順次説明する。
【００１２】充電電源又は放電負荷端子となる＋Ｅｂ端子から２次電池Ａｂａｔ，Ｂｂａｔ，ＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ５、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ６（以下、トランジスタＴ５、トランジスタＴ６という。）を経て−Ｅｂ端子へ充電電流が流れる。過充電検出回路を構成するコンパレータＣＯＭＰ２が、基準電圧Ｅ１を越える例えば４．３Ｖの過充電を検出し、Ｈレベルの電圧を出力する。（通常充電時はＬレベルである）。
【００１３】前記Ｈレベル出力によりオアゲートＧ７を通してＰチャネルＭＯＳトランジスタＴ４（以下、トランジスタＴ４という）をオフ、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ７をオンすることによりＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ６をオフして充電電流を遮断する。同時にオアゲートＧ３を通してＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ１をオンし、抵抗Ｒで電池Ａｂａｔの過充電オーバーフローを放電する。
【００１４】前記電池Ａｂａｔが例えば４．１Ｖまで放電して４．１Ｖを切ると、前記コンパレータＣＯＭＰ２の出力がＬレベルとなり、トランジスタＴ１がオフ、トランジスタＴ７がオフ、トランジスタＴ４がオン、トランジスタＴ６がオンになって再び充電可能となり、電池Ａｂａｔ及び電池Ｂｂａｔとも充電される。
【００１５】一方、電池Ｂｂａｔが過充電された場合も同様の動作を行う。端子＋Ｅｂから２次電池Ａｂａｔ，Ｂｂａｔ，トランジスタＴ５、トランジスタＴ６を経て端子−Ｅｂへ充電電流が流れる。過充電検出回路を構成するコンパレータＣＯＭＰ４が、基準電圧Ｅ２を越える例えば４．３Ｖの過充電を検出し、Ｈレベルの電圧を出力する。（通常充電時はＬレベルである）。前記コンパレータＣＯＭＰ４のＨレベル出力によりオアゲートＧ７を通してトランジスタＴ４をオフ、トランジスタＴ７をオンすることによりトランジスタＴ６をオフして充電電流を遮断する。同時にオアゲートＧ６を通してＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ２をオンし、抵抗Ｒで電池Ｂｂａｔの過充電オーバーフローを放電する。前記電池Ｂｂａｔが例えば４．１Ｖまで放電して４．１Ｖを切ると、前記コンパレータＣＯＭＰ４の出力がＬレベルとなり、トランジスタＴ２がオフ、トランジスタＴ７がオフ、トランジスタＴ４がオン、トランジスタＴ６がオンになって再び充電可能となり、電池Ａｂａｔ及び電池Ｂｂａｔとも充電される。
【００１６】ここで、重要なことは、前記コンパレータＣＯＭＰ２又はＣＯＭＰ４のＨレベル出力によりオアゲートＧ７を通してトランジスタＴ４をオフ、トランジスタＴ７をオンすることによりトランジスタＴ６をオフして充電電流を遮断すると、電池の端子電圧が下がり、コンパレータＣＯＭＰ２又はＣＯＭＰ４の出力がＬレベルに反転して直ちに再度充電回路が動作してしまうのを避け、電池Ａｂａｔ又は電池Ｂｂａｔの過充電オーバーフローを放電し、４．１Ｖまで放電されると、再び充電可能となり電池Ａｂａｔ及び電池Ｂｂａｔを充電するというサイクルを実現するために、コンパレータＣＯＭＰ２及びコンパレータＣＯＭＰ４の動作にヒステリシスを持たせる必要がある。このため前記コンパレータＣＯＭＰ２及びコンパレータＣＯＭＰ４の非反転入力端子にヒステリシス回路１を接続する。
【００１７】以下に、前記ヒステリシス回路１について説明する。図２は、過充電検出用コンパレータＣＯＭＰ２及びコンパレータＣＯＭＰ４の非反転端子に接続されるヒステリシス回路１の一例及び過充電のヒステリシス電圧の説明図である。以下、電池Ａｂａｔを例に説明する。図２の（Ａ）において、充電により電池Ａｂａｔの電池電圧Ｅｂが上昇して例えば４．３Ｖに達して、抵抗ラダーの過充電用分圧点電圧Ｖ１が基準電圧Ｅ１を越えると、コンパレータＣＯＭＰ２の出力がＬレベルからＨレベルになり、トランジスタＴ６をオフする。また、禁止回路３のＨレベル出力がコントロール端子Ｃ端子に供給されてアナログスイッチＳＷ１がＨ端子に切り替わり、Ｖ２が比較電圧となる。Ｖ２は充電電流がオフとなって電池端子電圧が下がっても基準電圧Ｅ１より高めに設定してあるのでトランジスタＴ６（図１）のオフ状態が保持され、直ちに充電を開始せず、充電の開始にヒステリシスを持たせることが可能となる。
【００１８】図２の（Ｂ）に示す過充電ヒステリシス電圧について、図４を参照して説明する。充電器の充電終止電圧８．２Ｖの半分をヒステリシス電圧として示している。４．３Ｖは、前記抵抗ラダーの検出電圧Ｖ１に対応し、４．１Ｖは、検出電圧Ｖ２に対応する電圧である。電池Ａｂａｔ及びＢｂａｔの充電のバランスが崩れていて電池Ａｂａｔの電池電圧が高くなり、危険領域になる手前（例として４．３Ｖ）まで上昇しても充電終止電圧にならない時、前記過充電検出回路が動作してトランジスタＴ６をオフし充電電流を遮断する。充電電流がオフになると電池電圧は下がるが、さらに前記トランジスタＴ１及び抵抗Ｒからなる放電回路で４．１Ｖまで放電する。そして４．１Ｖを切るとコンパレータＣＯＭＰ２の出力はＬレベルとなり再びトランジスタＴ６がオンして電池Ｂｂａｔの電池電圧が４．１Ｖに達するまで再度充電する。
【００１９】このようにして、両電池の充電のサイクルがなされ、バランスの取れた充電がなされ、両電池の過充電を防止できる。なお、この状態の時、電池を通常放電にすると、トランジスタＴ６がオフとなっているので、小電流でも後述する過電流検出回路が働き、放電が不可能となるので前記ヒステリシス禁止回路３によりアナログスイッチＳＷ１をＬ側に切り替えて、トランジスタＴ６をオンにする。
【００２０】次に、過放電検出について以下に電池Ａｂａｔを例に説明する。図１において、コンパレータＣＯＭＰ１が電池Ａｂａｔの過放電（一例として１．８Ｖ）を検出すると、Ｈレベルを出力する。（通常放電時はＬレベル）前記コンパレータＣＯＭＰ１のＨレベル出力によりオアゲートＧ８及びノアゲートＧ９を通してＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ５（以下、トランジスタＴ５という）をオフし、さらにゲートＧ１１によってＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ３（以下、トランジスタＴ３という）をオフして放電電流を遮断する。同時にアンドゲートＧ５、オアゲートＧ６を通してＮチャネルＭＯＳトランジスタＴ２（以下トランジスタＴ２という）をオンし、電池Ｂｂａｔの残容量を抵抗Ｒで消費する。この時、ゲートＧ１、アンドゲートＧ２を経てオアゲートＧ３の出力がＬレベルとなっており、トランジスタＴ１をオフ状態に保持しておき、電池Ａｂａｔの過放電バランス回路を動作させないようにしておく。
【００２１】過放電検出についてもヒステリシスを持たせるため、コンパレータＣＯＭＰ１の反転入力端子に図３R>３の（Ａ）に一例として示すヒステリシス回路２を設ける。同図において、放電により電池Ａｂａｔの電池電圧Ｅｂが下がり、抵抗ラダーの過放電用分圧点電圧Ｖ４が基準電圧Ｅ１を越えると、コンパレータＣＯＭＰ１の出力がＬレベルからＨレベルになり、トランジスタＴ５をオフして放電電流を遮断する。
【００２２】図３の（Ｂ）は、過放電のヒステリシス電圧を示しており、以下に図５を参照して説明する。電池の放電バランスが崩れていて電池Ａｂａｔの電圧が危険領域の手前の電圧１．８Ｖまで下がっても、この電池を使用している機器の放電終止電圧にならない時、前記電圧Ｖ４がコンパレータＣＯＭＰ１の入力となり過放電検出が動作してトランジスタＴ３をオフ、トランジスタＴ５をオフする。放電電流が遮断されると電池電圧が上昇するので直ちに再度トランジスタＴ５がオンしないようにヒステリシス（一例として２Ｖ）を設定している。
【００２３】すなわち、前記ヒステリシス回路２におけるアナログスイッチＳＷ２をＬ側に切り替えて電圧Ｖ４よりも高い電圧Ｖ３を比較電圧として設定し、該電圧Ｖ３は放電電流が遮断されて電池Ａｂａｔの端子電圧が上がっても基準電圧Ｅ１より低めに設定しているので、前記オフ状態が保持される。この間は電池Ａｂａｔは僅かに自己放電するのみで過放電に至ることはない。このように過放電検出が動作した時は、電池ＢｂａｔをトランジスタＴ２及び抵抗Ｒからなる内部放電回路で放電させ、両電池の放電をバランスさせる。電池Ｂｂａｔの過放電検出用のコンパレータＣＯＭＰ３の出力がＬレベルであり、ゲートＧ４の出力がＨレベルとなり、従って、アンドゲートＧ５、オアゲートＧ６を通してトランジスタＴ２がオンしているから抵抗Ｒで電池Ｂｂａｔの内部放電がなされる。なお、使用機器が終止電圧でオフした後も電池を付けっ放しにした場合も過放電検出が動作する。以上、Ａｂａｔについて説明したが、Ｂｂａｔも同様に動作する。
【００２４】以上、過充電及び過放電のバランスについて回路の動作を説明したが、図４及び図５に示す過充電バランスについての充電時間と電池電圧及び過放電バランスについて放電時間と電池電圧の関係を見ると、各コンパレータの入力部にヒステリシス回路を設けたため、過充電バランスは、４．１Ｖと４．３Ｖ間においてバランス良く充電がなされ、また過放電バランスは、１．８Ｖと２Ｖ間においてバランス良く放電がなされることがわかる。
【００２５】次に、前記過充電・過放電検出回路において、負荷がショートしたり、オーバーロードになり過大電流が流れた時の過大電流検出及びその保護について図６R>６及び図７で説明する。図７は、放電負荷４又は充電電源５が接続される＋Ｅｂ端子と−Ｅｂ端子間がショートした時の状態を説明するために、図１に示す回路を一部ブロック化した回路図を示している。
【００２６】＋Ｅｂ端子と−Ｅｂ端子間がショートして過大電流（例えば３Ａ）が流れると、通常動作時にスイッチオンしているトランジスタＴ５及びトランジスタＴ６の飽和抵抗と過大電流によって生ずる電圧がコンパレータＣＯＭＰ５（通常はＬレベル）の非反転入力端子に入力されてＨレベルを出力し、ノアゲートＧ９及びノアゲートＧ１０を通してトランジスタＴ５のゲート電圧Ｅｇを０にしてトランジスタＴ５をオフし過電流を遮断する。
【００２７】過大電流が流れず通常の動作をしている時は、図６の（Ｂ）に示すように、ゲート電圧Ｅｇは、トランジスタＴ５に最大電流が流れる電圧になっているが、過電流が検出されると、まず抵抗Ｒ１側の電圧が回路の内部時定数による遅れ（２００μｓ）の後０になり、その間トランジスタＴ５のゲート電圧Ｅｇは、抵抗Ｒ１とＲ２で分圧されてゲート電圧が下がりトランジスタＴ５に流れる電流を制限する。その後抵抗Ｒ３と容量Ｃ１の時定数Ｃ１Ｒ３による遅れ（数ｍｓ）の後、抵抗Ｒ２側の電圧が０になりゲート電圧Ｅｇが０になると、トランジスタＴ５をオフして過電流を遮断し回路が保護される。コンパレータＣＯＭＰ５の基準電圧Ｅ３は、前記トランジスタＴ５に流れる制限電流（図６のＢ）を検出するように設定する。前記説明したように過放電検出が動作した時は当然にゲート電圧は０になりトランジスタＴ５をオフする。
【００２８】しかし、過充電検出が動作してトランジスタＴ６がオフしている状態で電池を放電にすると、前記過電流検出回路は、トランジスタＴ６の寄生ダイオードＤ２を通じて電流が流れこの寄生ダイオードによる順方向電圧降下（０．７Ｖ）をコンパレータＣＯＭＰ５が検出し過電流でなくても動作してトランジスタＴ５をオフにしてしまうことがあるので、この時は過充電検出回路のヒステリシス禁止回路３の出力をＬレベルにしてアナログスイッチＳＷをＬ端子側に切り替え、過充電検出をやめてトランジスタＴ６をオンにする。この動作速度は前記過電流保護回路の動作より速い必要がある。
【００２９】次に、過電流検出後の復帰について図７で説明する。前記説明したように負荷がショートしたり、オーバロードになり過大電流が流れると、コンパレータ５は過電流を検出して、トランジスタＴ５をオフするが、トランジスタＴ５がオフすると、電池ＧＮＤに対する−Ｅｂ端子の電位差は、トランジスタＴ５の寄生ダイオードＤ１を介して負荷に引っ張られて高電圧＋Ｅｂ（４〜８Ｖ）となる。この状態で過負荷を取り除いた時、−Ｅｂ端子が高電圧のまま保持されていると復帰できない。そこで、トランジスタＴ３と抵抗Ｒ４で小電流を流して−Ｅｂ端子を０Ｖ近傍まで下げ復帰させる。この電流は小電流ではあるが長時間過負荷（いったん過負荷その後軽負荷になった場合も含む）にしておくと電池から無駄電流を流すことになる。これは特に放電末期で問題になるので、過放電検出が働いた時はトランジスタＴ３をオフして遮断する。
【００３０】また、過充電検出時に、トランジスタＴ６がオフされると、充電器の端子電圧が上昇し、−Ｅｂ端子はその電圧に引っ張られて、電池ＧＮＤより低い電圧になり、しかも充電器の特性で引っ張られる電圧は異なる。そして−Ｅｂ端子がマイナスになるとトランジスタＴ６のゲート電圧を電池ＧＮＤまで下げても完全にオフできない場合が生ずる。そこで、過充電を検出した時は、トランジスタＴ７がオンしているので、該トランジスタＴ７を介してトランジスタＴ６のゲートを−Ｅｂ端子とショートさせて完全な遮断を行う。なお、過充電検出が動作していない時は、トランジスタＴ４がオンしていてトランジスタＴ６にゲート電圧を供給しているので、トランジスタＴ６はオン状態を保つ。
【００３１】以上、図１に示す実施例は、本発明の技術思想を実現する回路の一例であり、使用する素子、回路方式、設定電圧は任意であることは言うまでもない。また、３個以上の２次電池の直列接続にも対応でき、さらに回路を集積化して用いることも可能である。この回路は電池内部、外部、バッテリーパック内、充電器に組み込むことができる。
【００３２】
【発明の効果】本発明は、過充電検出及び過放電検出にヒステリシスを持たせて、過充放電時に個々の２次電池の容量バランスをとることにより、充放電サイクルをより改善でき、且つ個々の電池の過充電過放電を完全に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の回路図である。
【図２】本発明過充電検出のヒステリシス回路図及びその説明図である。
【図３】本発明過放電検出のヒステリシス回路図及びその説明図である。
【図４】本発明の過充電バランスの説明図である。
【図５】本発明の過放電バランスの説明図である。
【図６】本発明過電流検出及び保護回路図及びその説明図である。
【図７】本発明過電流検出後の復帰及び過充電遮断を説明する回路図である。
【図８】２次電池の構造の一例を示す図である。
【図９】２次電池の充電エネルギーと電池電圧の関係を示す図である。
【図１０】２次電池の放電エネルギーと電池電圧の関係を示す図である。
【図１１】従来の過充電及び過放電防止回路図である。
【符号の説明】
１・・過充電検出ヒステリシス回路 ２・・過放電検出ヒステリシス回路
３・・ヒステリシス禁止回路 ＣＯＭＰ２、ＣＯＭＰ４・・過充電検出コンパレータ ＣＯＭＰ１、ＣＯＭＰ３・・過放電検出コンパレータ ＣＯＭＰ５・・過電流検出コンパレータ Ｔ５・・放電電流遮断トランジスタ Ｔ６・・充電電流遮断トランジスタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】 直列接続した２次電池と、前記各２次電池の正極と負極間に接続したヒステリシス特性を有する過充電検出回路及び過放電検出回路と、前記各２次電池正負極間に接続され、前記過充電検出回路又は過放電検出回路の出力レベルで制御される放電回路と、前記過充電検出回路の出力レベルに応じて充電電流を遮断する回路と、前記過放電検出回路の出力レベルに応じて放電電流を遮断する回路と、放電負荷又は充電電源端子とを備え、前記２次電池の過充電及び過放電を防止し且つ過充放電の電池容量バランスを取ることを特徴とする直列接続された２次電池の過充電及び過放電防止回路。
【請求項１】 直列接続した２次電池と、前記各２次電池の正極と負極間に接続したヒステリシス特性を有する過充電検出回路及び過放電検出回路と、前記各２次電池正負極間に接続され、前記過充電検出回路又は過放電検出回路の出力レベルで制御される放電回路と、前記過充電検出回路の出力レベルに応じて充電電流を遮断する回路と、前記過放電検出回路の出力レベルに応じて放電電流を遮断する回路と、放電負荷又は充電電源端子とを備え、前記２次電池の過充電及び過放電を防止し且つ過充放電の電池容量バランスを取ることを特徴とする直列接続された２次電池の過充電及び過放電防止回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図８】
【図９】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１０】
【図７】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図８】
【図９】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１０】
【図７】
【図１１】
【公開番号】特開平５−４９１８１
【公開日】平成５年（１９９３）２月２６日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平３−２１３０１９
【出願日】平成３年（１９９１）７月３１日
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【公開日】平成５年（１９９３）２月２６日
【国際特許分類】
【出願日】平成３年（１９９１）７月３１日
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
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