特許 7196034 充放電制御回路及びこれを備えたバッテリ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-16

(45)【発行日】2022-12-26

(54)【発明の名称】充放電制御回路及びこれを備えたバッテリ装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/02 20160101AFI20221219BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20221219BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20221219BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20221219BHJP

【ＦＩ】

H02J7/02 H

H02J7/00 S

H01M10/48 P

H01M10/44 P

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019141959

(22)【出願日】2019-08-01

(65)【公開番号】P2020205741

(43)【公開日】2020-12-24

【審査請求日】2021-11-11

(31)【優先権主張番号】P 2019108775

(32)【優先日】2019-06-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】715010864

【氏名又は名称】エイブリック株式会社

(72)【発明者】

【氏名】福地 晋也

【審査官】清水 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１９－５０４４５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０８６２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２３９０５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０８５８２５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ３１／３６ － ３１／４４

Ｈ０１Ｍ １０／４２ － １０／４８

Ｈ０２Ｊ ７／００ － ７／１２

Ｈ０２Ｊ ７／３４ － ７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直列に接続される複数のバッテリの充放電を制御する充放電制御回路であって、
第一バッテリの正極が第一保護抵抗を介して接続される第一入力端子と、
前記第一バッテリの負極と第二バッテリの正極が第二保護抵抗を介して接続される第二入力端子と、
前記第二バッテリの負極が接続される接地端子と、
前記第一入力端子と前記第二入力端子の間に接続され、第一スイッチを有する第一セルバランス回路と、
前記第二入力端子と前記接地端子の間に接続され、第二スイッチを有する第二セルバランス回路と、
前記第一入力端子と前記第二入力端子の間に直列に接続された第一抵抗、第三スイッチ及び第二抵抗と、前記第三スイッチと前記第二抵抗の接続点がゲートに接続された第一ＭＯＳトランジスタを有する第一セルバランス検出回路と、
前記第二入力端子と前記接地端子の間に直列に接続された第三抵抗、第四スイッチ及び第四抵抗と、前記第四スイッチと前記第四抵抗の接続点がゲートに接続された第二ＭＯＳトランジスタを有する第二セルバランス検出回路と、
前記第一バッテリの電圧がセルバランス検出電圧以上になったことを前記第一セルバランス検出回路が検出すると前記第一スイッチに所定の周期でオンする制御信号を出力し、前記第二バッテリの電圧がセルバランス検出電圧以上になったことを前記第二セルバランス検出回路が検出すると前記第二スイッチに所定の周期でオンする制御信号を出力し、前記制御信号が前記第一スイッチまたは前記第二スイッチがオンしている時に前記第三スイッチと前記第四スイッチにオフする制御信号を出力する制御回路と、
を備えたことを特徴とする充放電制御回路。

【請求項2】

第一外部端子と第二外部端子の間に直列に接続される複数のバッテリ及びＦＥＴと、
前記複数のバッテリの電圧を監視し、前記ＦＥＴをオン・オフすることによって前記複数のバッテリの充放電を制御する請求項１に記載の充放電制御回路と、
を備えたことを特徴とするバッテリ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、充放電制御回路及びバッテリ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

図２は、従来のセルバランス回路を備えたバッテリ装置を示す回路図である。
従来のバッテリ装置は、充放電制御回路２０と、バッテリ２１a、２１bと、保護抵抗２２a、２２bと、ＦＥＴ２３と、セルバランス回路２４ａ、２４ｂと、外部端子ＥＢ＋、ＥＢ－を備えている。充放電制御回路２０は、セルバランス検出回路２５ａ、２５ｂ、過充電検出回路２６ａ、２６ｂ、制御回路２７、電源端子ＶＤＤ、接地端子ＶＳＳ、入力端子ＶＣ１、ＶＣ２、出力端子ＣＢ１、ＣＢ２、ＣＯを備えている。

【0003】

充放電制御回路２０は、バッテリ２１ａ、２１ｂの電圧を監視し、電圧状態によって制御回路２７がＦＥＴ２３をオン・オフすることで、バッテリ２１ａ、２１ｂの電圧を制御する。

【0004】

外部端子ＥＢ＋、ＥＢ－に充電器が接続されると、バッテリ２１ａ、２１ｂは充電されて、入力端子ＶＣ１、ＶＣ２の電圧は徐々に高くなる。どちらかのバッテリ、例えば、バッテリ２１ａの電圧、即ち入力端子ＶＣ２－ＶＣ１間電圧がセルバランス検出電圧以上になると、セルバランス検出回路２５ａは制御回路２７に検出信号を出力する。制御回路２７は、セルバランス検出回路２５ａから検出信号を受けると、出力端子ＣＢ１を介してセルバランス回路２４ａにセルバランス制御信号を出力する。セルバランス回路２４ａは、セルバランス制御信号を受けるとスイッチをオンして、バッテリ２１ａを放電する。従って、バッテリ２１ａは、バッテリ２１ｂに比べて充電速度が低下する。バッテリ２１ｂの電圧がセルバランス検出電圧以上になると、同様に、セルバランス回路２４ｂは、バッテリ２１ｂを放電する。

【0005】

そして、バッテリ２１ａ、２１ｂの電圧が、過充電検出電圧以上になると、過充電検出回路２６ａ、２６ｂは、制御回路２７に検出信号を出力する。制御回路２７は、出力端子ＣＯからＦＥＴ２３をオフする制御信号を出力して、バッテリ２１ａ、２１ｂの充電を停止する。

【0006】

充放電制御回路２０は、上述のように充電の動作することで、バッテリ２１ａ、２１ｂの電圧の偏りを解消、即ちセルバランス動作を行う（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開平１１-２３４９１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

充放電制御回路２０は、コスト削減の要求があった場合、方策として端子数を減らすことが考えられる。例えば、セルバランス回路２４ａ、２４ｂを充放電制御回路２０の内部に構成することで、出力端子ＣＢ１、ＣＢ２を削減することが出来る。

【0009】

しかしながら、充放電制御回路２０にセルバランス回路２４ａ、２４ｂを組み込むと、セルバランス動作時に、保護抵抗２２ａ、２２ｂに電流が流れることにより、セルバランス検出回路２５ａ、２５ｂ、過充電検出回路２６ａ、２６ｂ、のＮＭＯＳトランジスタのゲートに閾値以上の電圧が印加され、長期の使用により特性が劣化する、と言う課題が発生する。

【0010】

本発明は上記課題に顧みてなされたもので、トランジスタの特性劣化を引き起こすことなく、充放電制御回路及びバッテリ装置のコストを削減すること目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、本発明の充放電制御回路は、第一スイッチを有する第一セルバランス回路と、第二スイッチを有する第二セルバランス回路と、第三スイッチを有する第一セルバランス検出回路と、第四スイッチを有する第二セルバランス検出回路と、第一バッテリの電圧がセルバランス検出電圧以上になると第一スイッチに所定の周期でオンする制御信号を出力し、第二バッテリの電圧がセルバランス検出電圧以上になると第二スイッチに所定の周期でオンする制御信号を出力し、制御信号を出力している時に第三スイッチと第四スイッチに所定の周期でオフする制御信号を出力する制御回路を備えたことを特徴とする。
また、本発明のバッテリ装置は、第一外部端子と第二外部端子の間に直列に接続される複数のバッテリ及びＦＥＴと、複数のバッテリの電圧を監視し、ＦＥＴをオン・オフすることによって複数のバッテリの充放電を制御する上記充放電制御回路と、を備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明の充放電制御回路によれば、セルバランス回路を内部に取り込み、セルバランス回路のスイッチと相補的にオン・オフするスイッチをセルバランス検出回路などに備えたため、セルバランス信号を出力する端子を削減することが出来る。即ち、検出回路のトランジスタの特性劣化を引き起こすことなく、充放電制御回路及びバッテリ装置のコストを削減することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態のセルバランス回路を備えたバッテリ装置を示す回路図である。

【図2】従来のセルバランス回路を備えたバッテリ装置を示す回路図である。

【図3】本実施形態のセルバランス回路を備えたバッテリ装置の他の例を示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１は、本実施形態のセルバランス回路を備えたバッテリ装置を示す回路図である。
バッテリ装置は、充放電制御回路１０と、バッテリ１１ａ及び１１ｂと、保護抵抗１２ａ及び１２ｂと、ＦＥＴ１３と、外部端子ＥＢ＋及び外部端子ＥＢ－を備えている。充放電制御回路１０は、電源端子ＶＤＤ、接地端子ＶＳＳ、入力端子ＶＣ１、ＶＣ２、出力端子ＣＯを備えている。

【0015】

バッテリ１１ａ、１１ｂ及びＦＥＴ１３は、外部端子ＥＢ＋と外部端子ＥＢ－の間に直列に接続されている。
バッテリ１１ａは、正極端子が電源端子ＶＤＤと保護抵抗１２ａを介して入力端子ＶＣ１に接続され、負極端子がバッテリ１１ｂの正極端子と保護抵抗１２ｂを介して入力端子ＶＣ２に接続されている。バッテリ１１ｂの負極端子は、接地端子ＶＳＳに接続されている。ＦＥＴ１３のゲートは、出力端子ＣＯに接続されている。

【0016】

充放電制御回路１０は、セルバランス回路１４ａ、１４ｂと、セルバランス検出回路１５ａ、１５ｂと、過充電検出回路１６ａ、１６ｂと、制御回路１７を備えている。

【0017】

セルバランス回路１４ａ（ｂ）は、抵抗１４１ａ（ｂ）と、スイッチ１４２ａ（ｂ）を備えている。
セルバランス回路１４ａは、抵抗１４１ａとスイッチ１４２ａが入力端子ＶＣ１と入力端子ＶＣ２の間に直列に接続され、スイッチ１４２ａの制御端子は制御回路１７の第一出力端子に接続されている。セルバランス回路１４ｂは、抵抗１４１ｂとスイッチ１４２ｂが入力端子ＶＣ２と接地端子ＶＳＳの間に直列に接続され、スイッチ１４２ｂの制御端子は制御回路１７の第二出力端子に接続されている。

【0018】

セルバランス検出回路１５ａ（ｂ）は、抵抗１５１ａ（ｂ）と、スイッチ１５２ａ（ｂ）と、抵抗１５３ａ（ｂ）と、電流源１５４ａ（ｂ）と、ＮＭＯＳトランジスタ１５５ａ（ｂ）を備えている。

【0019】

抵抗１５１ａとスイッチ１５２ａと抵抗１５３ａは、入力端子ＶＣ１と入力端子ＶＣ２の間に直列に接続され、スイッチ１５２ａと抵抗１５３ａの接続点がＮＭＯＳトランジスタ１５５ａのゲートに接続されている。電流源１５４ａとＮＭＯＳトランジスタ１５５ａは、電源端子ＶＤＤと入力端子ＶＣ２の間に直列に接続されている。出力端子であるＮＭＯＳトランジスタ１５５ａのドレインは、制御回路１７の第一入力端子に接続されている。スイッチ１５２ａの制御端子は、制御回路１７の第三出力端子に接続されている。
セルバランス検出回路１５ｂは、セルバランス検出回路１５ａと同様の構成であり、出力端子は制御回路１７の第二入力端子に接続されている。

【0020】

過充電検出回路１６ａ（ｂ）は、抵抗１６１ａ（ｂ）と、スイッチ１６２ａ（ｂ）と、抵抗１６３ａ（ｂ）と、電流源１６４ａ（ｂ）と、ＮＭＯＳトランジスタ１６５ａ（ｂ）を備えている。

【0021】

抵抗１６１ａとスイッチ１６２ａと抵抗１６３ａは、入力端子ＶＣ１と入力端子ＶＣ２の間に直列に接続され、スイッチ１６２ａと抵抗１６３ａの接続点がＮＭＯＳトランジスタ１６５ａのゲートに接続されている。電流源１６４ａとＮＭＯＳトランジスタ１６５ａは、電源端子ＶＤＤと入力端子ＶＣ２の間に直列に接続されている。出力端子であるＮＭＯＳトランジスタ１６５ａのドレインは、制御回路１７の第三入力端子に接続されている。スイッチ１６２ａの制御端子は、制御回路１７の第三出力端子に接続されている。
過充電検出回路１６ｂは、過充電検出回路１６ａと同様の構成であり、出力端子は制御回路１７の第四入力端子に接続されている。

【0022】

制御回路１７の充放電制御端子は、出力端子ＣＯに接続されている。

【0023】

以下に、上述のように構成したバッテリ装置の動作について説明する。

【0024】

負荷に放電することによって電圧が低下したバッテリ１１ａ及び１１ｂは、外部端子ＥＢ＋と外部端子ＥＢ－の間に接続された充電器によって充電される。バッテリ１１ａ及びバッテリ１１ｂの電圧がセルバランス電圧未満の時、セルバランス検出回路１５ａ、１５ｂと過充電検出回路１６ａ、１６ｂは、制御回路１７にそれぞれ検出信号を出力していない。

【0025】

制御回路１７は、検出信号が入力されていないため、第一及び第二出力端子からスイッチをオフする制御信号を出力し、第三出力端子からスイッチをオンする制御信号を出力する。従って、セルバランス回路１４ａ及び１４ｂは、セルバランス動作をしない。また、セルバランス検出回路１５ａ、１５ｂと過充電検出回路１６ａ、１６ｂは、検出動作をしている。

【0026】

次に、バッテリ１１ａの電圧がセルバランス電圧を超え、バッテリ１１ｂの電圧がセルバランス電圧を超えていない場合の、充放電制御回路１０の動作について説明する。

【0027】

バッテリ１１ａの電圧がセルバランス電圧を超えると、セルバランス検出回路１５ａが検出して、出力端子から制御回路１７の第一入力端子にセルバランス検出信号を出力する。制御回路１７は、セルバランス検出信号を受けると、第一出力端子からセルバランス回路１４ａにセルバランス制御信号を出力し、第三出力端子からセルバランス検出回路１５ａ、１５ｂと過充電検出回路１６ａ、１６ｂにスイッチをオン・オフする制御信号を出力する。

【0028】

ここで、第一出力端子から出力されるセルバランス制御信号は、所定の周期でセルバランス回路１４ａのスイッチ１４２ａをオン・オフする。それに応じて、セルバランス検出回路１５ａ、１５ｂと過充電検出回路１６ａ、１６ｂのスイッチは、第三出力端子から出力される制御信号によって、スイッチ１４２ａがオンの時にオフされ、スイッチ１４２ａがオフの時にオンされる。

【0029】

セルバランス回路１４ａは、スイッチ１４２ａがオンした時に、バッテリ１１ａから保護抵抗１２ａ、保護抵抗１２ｂを介して電流を流すことによって、バッテリ１１ａの電圧を制御する。入力端子ＶＣ２の電圧は、保護抵抗１２ｂに電流が流れることによって、バッテリ１１ｂの正極の電圧よりも高くなる。即ち、ＮＭＯＳトランジスタ１５５ｂとＮＭＯＳトランジスタ１６５ｂのゲート・ソース間に閾値以上の電圧が印加される可能性がある。

【0030】

この時、セルバランス検出回路１５ｂは、スイッチ１５２ｂがオフしているので、ＮＭＯＳトランジスタ１５５ｂのゲート・ソース間に閾値以上の電圧が印加されることを防止できる。また、過充電検出回路１６ｂは、同様に、スイッチ１６２ｂがオフしているので、ＮＭＯＳトランジスタ１６５ｂのゲート・ソース間に閾値以上の電圧が印加されることを防止できる。

【0031】

次に、バッテリ１１ｂの電圧がセルバランス電圧を超え、バッテリ１１ａの電圧がセルバランス電圧を超えていない場合の、充放電制御回路１０の動作について説明する。

【0032】

バッテリ１１ｂの電圧がセルバランス電圧を超えると、セルバランス検出回路１５ｂが検出して、出力端子から制御回路１７の第二入力端子にセルバランス検出信号を出力する。制御回路１７は、セルバランス検出信号を受けると、第二出力端子からセルバランス回路１４ｂにセルバランス制御信号を出力し、第三出力端子からセルバランス検出回路１５ａ、１５ｂと過充電検出回路１６ａ、１６ｂにスイッチをオン・オフする制御信号を出力する。

【0033】

ここで、第二出力端子から出力されるセルバランス制御信号は、所定の周期でセルバランス回路１４ｂのスイッチ１４２ｂをオン・オフする。それに応じて、セルバランス検出回路１５ａ、１５ｂと過充電検出回路１６ａ、１６ｂのスイッチは、第三出力端子から出力される制御信号によって、スイッチ１４２ｂがオンの時にオフされ、スイッチ１４２ｂがオフの時にオンされる。

【0034】

セルバランス回路１４ｂは、スイッチ１４２ｂがオンした時に、バッテリ１１ｂから保護抵抗１２ｂを介して電流を流すことによって、バッテリ１１ｂの電圧を制御する。入力端子ＶＣ２の電圧は、保護抵抗１２ｂに電流が流れることによって、バッテリ１１ｂの正極の電圧よりも低くなる。即ち、ＮＭＯＳトランジスタ１５５ａとＮＭＯＳトランジスタ１６５ａのゲート・ソース間に閾値以上の電圧が印加される可能性がある。

【0035】

この時、セルバランス検出回路１５ａは、スイッチ１５２ａがオフしているので、ＮＭＯＳトランジスタ１５５ａのゲート・ソース間に閾値以上の電圧が印加されることを防止できる。また、過充電検出回路１６ａは、同様に、スイッチ１６２ａがオフしているので、ＮＭＯＳトランジスタ１６５ａのゲート・ソース間に閾値以上の電圧が印加されることを防止できる。

【0036】

なお、セルバランス検出回路１５ａ、１５ｂと過充電検出回路１６ａ、１６ｂは、スイッチ１４２ａとスイッチ１４２ｂがオフした時にそれぞれのスイッチがオンするので、バッテリ１１ａ及びバッテリ１１ｂの電圧検出動作は問題なく行うことが出来る。

【0037】

充放電制御回路１０は、以上説明したバッテリ１１ａまたはバッテリ１１ｂのセルバランス動作を行いながら、充電の制御を継続する。そして、バッテリ１１ａまたはバッテリ１１ｂの電圧が過充電電圧を超えると、過充電検出回路１６ａまたは過充電検出回路１６ｂが過充電を検出して、過充電検出信号を出力する。制御回路１７は、過充電検出回路１６ａまたは過充電検出回路１６ｂから過充電検出信号を受けると、セルバランス動作を停止し、出力端子ＣＯからＦＥＴ１３にＬレベルの信号を出力して充電を停止する。

【0038】

以上説明したように、本発明の充放電制御回路によれば、セルバランス回路を内部に取り込み、セルバランス回路のスイッチと相補的にオン・オフするスイッチをセルバランス検出回路と過充電検出回路に備えたため、セルバランス信号を出力する端子を削減することが出来る。即ち、充放電制御回路及びバッテリ装置のコストを削減することが出来る。

【0039】

図３は、本実施形態のセルバランス回路を備えたバッテリ装置の他の例を示す回路図である。
図３の充放電制御回路３０は、セルバランス検出回路と過充電検出回路を共通にした電圧検出回路１８ａ、１８ｂを備えている。それ以外の回路構成は、充放電制御回路１０と同じであることから、詳細な説明は省略する。

【0040】

電圧検出回路１８ａ（ｂ）は、抵抗１５１ａ（ｂ）と、スイッチ１５２ａ（ｂ）と、抵抗１８３ａ（ｂ）と、抵抗１６１ａ（ｂ）と、スイッチ１６２ａ（ｂ）と、電流源１８４ａ（ｂ）と、ＮＭＯＳトランジスタ１８５ａ（ｂ）を備えている。

【0041】

即ち、電圧検出回路１８ａ（ｂ）は、セルバランス検出回路１５ａ（ｂ）の抵抗１５３ａ（ｂ）と過充電検出回路１６ａ（ｂ）の抵抗１６３ａ（ｂ）を共通にした抵抗１８３ａ（ｂ）と、セルバランス検出回路１５ａ（ｂ）の電流源１５４ａ（ｂ）及びＮＭＯＳトランジスタ１５５ａ（ｂ）と過充電検出回路１６ａ（ｂ）の電流源１６４ａ（ｂ）及びＮＭＯＳトランジスタ１６５ａ（ｂ）を共通にした電流源１８４ａ（ｂ）及びＮＭＯＳトランジスタ１８５ａ（ｂ）とを備えている。

【0042】

電圧検出回路１８ａ（ｂ）は、抵抗１５１ａ（ｂ）と抵抗１８３ａ（ｂ）の比と、抵抗１６１ａ（ｂ）と抵抗１８３ａ（ｂ）の比を適宜設計することによって、抵抗１８３ａ（ｂ）と電流源１８４ａ（ｂ）とＮＭＯＳトランジスタ１８５ａ（ｂ）とを共通にすることが可能になる。

【0043】

以上ように構成することで、抵抗と電流源とＮＭＯＳトランジスタを削減することが出来るので、更に、充放電制御回路及びバッテリ装置のコストを削減することが出来る。

【0044】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

【0045】

例えば、上記実施形態においては、バッテリを二つで構成した例で説明したが、三つ以上であってもよい。また、過充電検出回路と充電制御用のＦＥＴを備えた構成としたが、更に、過放電検出回路と放電制御用のＦＥＴを備えても良い。

【0046】

また、セルバランス検出回路１５ａ（１５ｂ）において、抵抗１５１ａ（１５１ｂ）とスイッチ１５２ａ（１５２ｂ）の接続関係が入れ替わっても良い。同様に、過充電検出回路１６ａ（１６ｂ）において、抵抗１６１ａ（１６１ｂ）とスイッチ１６２ａ（１６２ｂ）の接続関係が入れ替わっても良い。

【符号の説明】

【0047】

１０ 充放電制御回路
１１ａ、１１ｂ バッテリ
１２ａ、１２ｂ 保護抵抗
１３ ＦＥＴ
１４ａ、１４ｂ セルバランス回路
１５ａ、１５ｂ セルバランス検出回路
１６ａ、１６ｂ 過充電検出回路
１５４ａ、１５４ｂ、１６４ａ、１６４ｂ、１８４ａ、１８４ｂ 定電流源
１７ 制御回路
１８ａ、１８ｂ 電圧検出回路

【図1】

【図2】

【図3】