JPH10290530A - 二次電池の保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】過充電防止用スイッチ素子や過放電防止用スイ
ッチ素子に並列に接続されたダイオードの電圧ドロップ
の影響を受けず正確に電池電圧を充電器や使用機器に出
力できる二次電池の保護回路を提供する。 【解決手段】二次電池１０の充放電回路に、それぞれ放
電方向、充電方向に順方向が一致するようにダイオード
Ｄ１，Ｄ２が並列接続されたスイッチ素子１１，１２を
挿入し、充電禁止回路１４により電池１０の端子電圧が
充電禁止電圧に達したときスイッチ素子１１を非導通状
態とし、放電禁止回路１５により電池１０の端子電圧が
放電禁止電圧に達したときスイッチ素子１２を非導通状
態として過充放電を防止する保護回路において、電池１
０の放電を検出したときスイッチ素子１１を導通状態と
するための放電検出回路１６と、電池１０の充電を検出
したときスイッチ素子１２を導通状態とするための充電
検出回路１７を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二次電池を過充電
や過放電から保護するための保護回路に係り、特に保護
用のスイッチに並列に接続されたダイオードでの電圧ド
ロップの影響を除去するようにした保護回路に関する。

【０００２】

【従来技術】一般に、リチウム二次電池などの非水溶媒
系二次電池や鉛蓄電池では、充電中に電池電圧が高くな
り過ぎると、電池性能が劣化したり、安全性が損なわれ
るため、充電器側で所定値以上の電圧が発生しないよう
にしている。しかしながら、充電器が壊れた場合、充電
時に二次電池に所定値以上の電圧が加わることを考慮し
て、二次電池の電圧を監視し、電池電圧が所定範囲内と
なるように充電を制御する必要があった。特に、リチウ
ム二次電池の場合には、例えば電池電圧が４．５Ｖ以上
になると電解液の分解によりガスが発生し、その結果電
池内部の圧力が上昇して安全弁が作動し、漏液すること
もあった。

【０００３】そこで、リチウム二次電池を使用する場
合、電池電圧が上昇して充電禁止電圧に達すると充電を
遮断する機能を有する保護回路を介して充電することが
一般的である。充電禁止電圧は、電解液の分解が始まる
電圧より若干低い電圧（例えば４．３５Ｖ）に設定され
る。

【０００４】また、リチウム二次電池などの非水溶媒系
二次電池や鉛蓄電池は、放電中に電池電圧が低くなり過
ぎた場合でも、電池性能が劣化したり、安全性が損なわ
れるため、負荷である使用機器側で所定値以下の電圧が
発生しないようにしている。しかしながら、使用機器が
壊れた場合、放電時に二次電池が所定値以下の電圧にな
ることを考慮して、二次電池の電圧を監視して電池電圧
が所定範囲内となるように放電を制御する必要があっ
た。特に、リチウム二次電池の場合には、電池電圧が非
回復電圧（例えば１Ｖ）まで放電すると、その後充電し
ても場合によっては全く使用できないことがあった。

【０００５】そこで、リチウム二次電池を使用する場
合、電池電圧が低下して放電禁止電圧に達すると放電を
遮断する機能を有する保護回路を介して放電させること
が一般的である。放電禁止電圧は、負極の銅が溶解し始
める電圧（２Ｖ程度）より若干高い電圧（例えば２．３
Ｖ）に設定される。

【０００６】このような機能を有する従来の保護回路
は、例えば電池電圧を検出する電圧検出回路と、この電
圧検出回路の出力に基づいて充電電流や放電電流の遮断
を行うためのＦＥＴなどの第１および第２のスイッチ素
子からなり、電池電圧が充電禁止電圧に達すると、第１
のスイッチ素子を非導通状態として充電電流を遮断し、
電池電圧が放電禁止電圧に達すると、第２のスイッチ素
子を非導通状態として放電電流を遮断することにより、
過充電や過放電を防止する構成となっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の二次電
池の保護回路では、電池電圧が充電禁止電圧に達すると
第１のスイッチ素子が遮断状態となって二次電池の充電
が停止され、また電池電圧が充電禁止解除電圧まで下が
ると、第１のスイッチ素子が導通状態となって二次電池
の充電が再開される。ここで、第１のスイッチ素子が遮
断状態にあるときに二次電池を放電させる場合、第１の
スイッチ素子に並列に接続された第１のダイオードを介
して放電が行われるため、使用機器側には第１のダイオ
ードの電圧ドロップにより電池電圧が正確に出力されな
いという問題がある。

【０００８】また、上述した従来の二次電池の保護回路
では、電池電圧が放電禁止電圧に達すると第２のスイッ
チ素子が遮断状態となって二次電池の放電が停止され、
また電池電圧が放電禁止解除電圧まで上がると、第２の
スイッチ素子が導通状態となって二次電池の放電が再開
される。ここで、第２のスイッチ素子が遮断状態にある
ときに二次電池を充電する場合、第２のスイッチ素子に
並列に接続された第２のダイオードを介して充電が行わ
れるため、充電器側には第２のダイオードの電圧ドロッ
プにより電池電圧が正確に出力されないという問題があ
る。この結果、充電器で電池電圧から満充電検知などを
行って充電制御を行う場合、適切な充電制御が難しくな
る。

【０００９】本発明は、このような従来技術の問題点を
解消するためになされたもので、過充電防止用スイッチ
素子や過放電防止用スイッチ素子に並列に接続されたダ
イオードの電圧ドロップの影響を受けることなく正確に
電池電圧を充電器や使用機器に出力できる二次電池の保
護回路を提供することを目的とする。

【００１０】

【発明を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係る二次電池の保護回路は、二次電池の充
放電回路に直列に挿入されたスイッチ素子と、二次電池
の放電方向に順方向が一致するようにスイッチ素子に並
列に接続されたダイオードと、二次電池の端子電圧を検
知し、該端子電圧が充電禁止電圧に達したときスイッチ
素子を非導通状態にする過充電防止手段と、二次電池の
放電の有無を検出し、放電時にスイッチ素子を導通状態
に維持する放電検出手段とを備えたことを特徴とする。

【００１１】本発明に係る他の二次電池の保護回路は、
二次電池の充放電回路に直列に挿入されたスイッチ素子
と、二次電池の充電方向に順方向が一致するようにスイ
ッチ素子に並列に接続されたダイオードと、二次電池の
端子電圧を検知し、端子電圧が放電禁止電圧に達したと
きスイッチ素子を非導通状態にする過放電防止手段と、
二次電池の充電の有無を検出し、充電時にスイッチ素子
を導通状態にする充電検出手段とを備えたことを特徴と
する。

【００１２】本発明に係るさらに別の二次電池の保護回
路は、二次電池の充放電回路に直列に挿入された第１、
第２のスイッチ素子と、二次電池の放電方向に順方向が
一致するように第１のスイッチ素子に並列に接続された
第１のダイオードと、二次電池の充電方向に順方向が一
致するように第２のスイッチ素子に並列に接続された第
２のダイオードと、二次電池の端子電圧を検知し、該端
子電圧が充電禁止電圧に達したとき、第１のスイッチ素
子を非導通状態にする過充電防止手段と、二次電池の放
電の有無を検出し、放電時に第１のスイッチ素子を導通
状態にする放電検出手段と、二次電池の端子電圧を検知
し、端子電圧が放電禁止電圧に達したとき第２のスイッ
チ素子を非導通状態にする過放電防止手段と、二次電池
の充電の有無を検出し、充電時に第２のスイッチ素子を
導通状態にする充電検出手段とを備えたことを特徴とす
る。

【００１３】このように本発明の保護回路では、放電検
出手段により二次電池の放電を検出したときは過充電防
止用のスイッチ素子（第１のスイッチ素子）を強制的に
導通状態とすることにより、このスイッチ素子に放電方
向に順方向が一致するように並列に接続されたダイオー
ド（第１のダイオード）による電圧ドロップが生じない
ようにして、使用機器側に電池電圧の正確な値を出力す
ることができる。

【００１４】また、本発明の保護回路では、充電検出手
段により二次電池の充電を検出したときは過放電防止用
のスイッチ素子（第２のスイッチ素子）を強制的に導通
状態とすることにより、このスイッチ素子に充電方向に
順方向が一致するように並列に接続されたダイオード
（第２のダイオード）による電圧ドロップが生じないよ
うにして、充電器側に電池電圧の正確な値を出力するこ
とができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。 （第１の実施形態）図１は、本発明の第１の実施形態に
係る二次電池の保護回路の構成を示すブロック図であ
る。この保護回路の保護対象となる二次電池（以下、単
に電池という）１０は、例えばリチウム電池等の非水溶
媒系二次電池や鉛蓄電池など定電圧で充電する電池であ
り、以下では電池１０がリチウム二次電池の場合を例に
とって説明する。

【００１６】図１に示すように、電池１０の充放電回路
にはスイッチ素子を構成するＮＰＮ型の第１、第２の電
界効果型トランジスタ（以下、ＦＥＴという）１１，１
２が直列に挿入されている。すなわち、電池１０のプラ
ス極は外部接続端子であるプラス端子（＋）に接続さ
れ、第１のＦＥＴ１１のソース端子は外部接続端子であ
るマイナス端子（−）に接続されている。プラス端子
（＋）およびマイナス端子（−）には、充電器または使
用機器が接続される。第１のＦＥＴ１１のドレイン端子
には第２のＦＥＴ１２のドレイン端子が接続され、第２
のＦＥＴ１２のソース端子は電池１０のマイナス極に接
続されている。ここで、第１のＦＥＴ１１は過充電防止
用スイッチ素子であり、第２のＦＥＴ１２は過放電防止
用スイッチ素子である。

【００１７】第１のＦＥＴ１１には、第１のダイオード
Ｄ１が図１に示すように放電方向に順方向が一致するよ
うに、つまり放電時に順方向となるように並列に接続さ
れており、また第２のＦＥＴ１２には、第２のダイオー
ドＤ２が図１に示すように充電方向に順方向が一致する
ように、つまり充電時に順方向となるように並列に接続
されている。これらのダイオードＤ１、Ｄ２としては、
ＦＥＴ１１、１２のそれぞれの寄生ダイオードを用いて
もよいし、ＦＥＴとは別の専用素子を用いても構わな
い。

【００１８】過充放電防止回路１３は、第１、第２のＦ
ＥＴ１１、１２を制御して電池１０の過充電や過放電を
防止する回路であり、その入力端子ａは電池１０のプラ
ス極に、入力端子ｂは電池１０のマイナス極に、入力端
子ｅは第１のＦＥＴ１１のドレイン端子および第２のＦ
ＥＴ１２のドレイン端子に、入力端子ｆは第１のＦＥＴ
１２のソース端子および外部接続端子であるマイナス端
子（−）にそれぞれ接続されている。この過充放電防止
回路１３は、充電禁止検出回路１４、放電禁止検出回路
１５、放電検出回路１６、充電検出回路１７およびＯＲ
回路１８，１９とから構成されている。

【００１９】充電禁止検出回路１４は電池１０の端子電
圧を監視して、充電時に端子電圧が所定の充電禁止電圧
を越えると充電禁止出力を発生する回路であり、放電禁
止検出回路１５は電池１０の端子電圧を監視して、放電
時に端子電圧が所定の放電禁止電圧より下がると放電禁
止出力を発生する回路である。放電検出回路１６は第２
のＦＥＴ１２の両端の電圧から電池１０の放電の有無を
検出する回路であり、充電検出回路１７は第１のＦＥＴ
１１の両端の電圧から電池１０の充電の有無を検出する
回路である。

【００２０】充電禁止検出回路１４の出力と放電検出回
路１６の出力はＯＲ回路１８に入力され、ＯＲ回路１８
の出力は第１のＦＥＴ１１のゲートヘ供給される。放電
禁止検出回路１５の出力と充電検出回路１７の出力はＯ
Ｒ回路１９に入力され、ＯＲ回路１９の出力は第２のＦ
ＥＴ１２のゲートヘ供給される。

【００２１】電池１０の端子電圧が所定の充電禁止電圧
に達すると、充電禁止検出回路１４が充電禁止出力を発
生して、充電禁止検出回路１４の出力ｇは高レベルから
低レベルに変化する。一方、第２のＦＥＴ１２の端子電
圧が放電方向に所定の放電検出電圧に達すると、放電検
出回路１６が放電検出出力を発生し、放電検出回路１６
の出力ｉは低レベルから高レベルに変化する。充電禁止
検出回路１４の出力ｇと放電検出回路１６の出力ｉはＯ
Ｒ回路１８に入力され、ＯＲ回路１８の出力ｃが高レベ
ルから低レベルになると、第１のＦＥＴ１１が遮断状態
となる。

【００２２】また、電池１０の端子電圧が所定の放電禁
止電圧に達すると、放電禁止検出回路１５が放電禁止出
力を発生して、放電禁止検出回路１５の出力ｈは高レベ
ルから低レベルに変化する。一方、第１のＦＥＴ１１の
端子電圧が充電方向に所定の充電検出電圧に達すると、
充電検出回路１７が充電検出出力を発生して、充電検出
回路１７の出力は低レベルから高レベルに変化する。放
電禁止検出回路１５の出力ｈと充電検出回路１７の出力
ｊはＯＲ回路１９に入力され、ＯＲ回路１９の出力ｄが
高レベルから低レベルになると、第２のＦＥＴ１２が遮
断状態となるように構成されている。

【００２３】次に、本実施形態に係る二次電池の保護回
路の動作を説明する。電池１０の端子電圧が充電禁止電
圧と放電禁止電圧の間にあるときは、充電禁止検出回路
１４および放電禁止検出回路１５の出力ｇ，ｈはいずれ
も高レベルの信号を発生し、ＯＲ回路１８およびＯＲ回
路１９の出力ｃ，ｄはいずれも高レベルの信号を発生す
るため、第１、第２のＦＥＴ１１、１２は導通状態とな
り、充放電は正常に行われる。

【００２４】一般に、充電器は電池１個当たりの充電電
圧が過充放電防止回路１３に設定された所定の充電禁止
電圧より低い電圧となるように充電を行うため、外部接
続端子であるプラス端子（＋）およびマイナス端子
（−）に充電器を接続して充電を行う場合、電池１０の
端子電圧は充電禁止電圧より低く、充電禁止検出回路１
４の出力ｇは高レベルとなり、ＯＲ回路１８の出力ｃも
高レベルとなるため、第１のＦＥＴ１１は導通状態を維
持する。

【００２５】これに対し、充電器の故障などにより電池
１０の充電電圧が高くなり、所定の充電禁止電圧を越え
ると、充電禁止検出回路１４の出力ｇは低レベルとな
る。また、電池１０に充電方向に電流が流れているとき
および充電が停止しているときは、放電検出回路１６の
出力ｉも低レベルとなるため、第１のＦＥＴ１１は非導
通状態となるので、電池１０の充電が停止され、過充電
が防止される。

【００２６】次に、上記の状態で外部接続端子であるプ
ラス端子（＋）およびマイナス端子（−）に使用機器を
接続して電池１０を放電させた場合、電池１０の端子電
圧が充電禁止解除電圧以下に下がるまでは、充電禁止検
出回路１４の出力ｇは低レベルであるが、放電方向に電
流が流れていると、放電検出回路１６の出力ｉが高レベ
ルとなり、ＯＲ回路１８の出力ｃも高レベルとなるた
め、第１のＦＥＴ１１は導通状態となる。従って、第１
のＦＥＴ１１に並列に接続されたダイオードＤ１での電
圧ドロップがなくなるので、電池電圧の正確な値を使用
機器に出力することができる。

【００２７】一方、使用機器は電池１個当たりの放電電
圧が過放電防止回路１３に設定された所定の放電禁止電
圧より高い電圧となるように放電を行うため、外部接続
端子であるプラス端子（＋）およびマイナス端子（−）
に使用機器を接続して放電を行う場合、電池１０の端子
電圧は所定の放電禁止電圧より高く、放電禁止検出回路
１５の出力ｈは高レベルとなり、ＯＲ回路１９の出力ｄ
も高レベルとなるため、第２のＦＥＴ１２は導通状態を
維持する。

【００２８】これに対し、使用機器の故障などにより電
池１０の放電電圧が低くなり、所定の放電禁止電圧にま
で下がると、放電禁止検出回路１５の出力ｈは低レベル
となる。また、電池１０に放電方向に電流が流れている
ときおよび放電が停止しているときは、充電検出回路１
７の出力ｊは低レベルとなるため、第２のＦＥＴ１２は
非導通状態となるので、電池１０の放電が停止され、過
放電が防止される。

【００２９】次に、上記の状態で外部接続端子であるプ
ラス端子（＋）およびマイナス端子（−）に充電器を接
続して充電を行った場合、電池１０の端子電圧が放電禁
止解除電圧以上に上がるまでは、放電禁止検出回路１５
の出力ｈは低レベルであるが、充電方向に電流が流れて
いると、充電検出回路１７の出力ｊが高レベルとなり、
ＯＲ回路１９の出力ｄも高レベルとなるため、第２のＦ
ＥＴ１２は導通状態となる。従って、第２のＦＥＴ１２
に並列に接続されたダイオードＤ２での電圧ドロップが
なくなり、電池電圧の正確な値を充電器に出力すること
ができる。

【００３０】（第２の実施形態）図２は、本発明の第２
の実施形態に係る二次電池の保護回路の構成を示すブロ
ック図である。図２において、図１と同一部分に同一符
号を付して第１の実施形態との相違点のみを説明する。

【００３１】本実施形態では、図１における放電検出回
路１６および充電検出回路１７を除去し、ＯＲ回路１
８，１９の一方の入力端子に使用機器接続端子２１およ
び充電器接続端子２２をそれぞれ接続している。すなわ
ち、本実施形態においては使用機器接続端子２１への使
用機器の接続の有無により放電の有無を直接検出し、ま
た充電器接続端子２２への充電器の接続の有無により充
電の有無を直接検出している点が第１の実施形態と異な
っている。このような構成によっても、第１の実施形態
と同様の効果が得られることはいうまでもない。

【００３２】本発明は、上記実施形態に限定されるもの
でなく、次のように種々変形して実施することができ
る。 （１）実施形態では、定電圧で充電する電池として、非
水溶媒系電池を例にして説明したが、鉛蓄電池でもよく
他の電池でも良い。

【００３３】（２）実施形態では、電池を１個直列接続
で説明したが、複数の直列数でもよく、また、複数個並
列接続したセルブロックを複数直列接続してもよい。 （３）実施形態では、スイッチ素子であるＦＥＴを電池
１０のマイナス側に接続した例で説明したが、電池１０
のプラス側に接続してもよく、要するに電池１０の充放
電路に直列に挿入すればよい。

【００３４】（４）実施形態では、放電検出回路１６お
よび充電検出回路１７としてＦＥＴ１１，１２に流れる
電流の有無を検出したが、電流検出用のシャント抵抗で
検出してもよい。 （５）実施形態では、充電側と放電側の両方の例を示し
たが、いずれか一方でもよい。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の二次電池
の保護回路によれば二次電池の放電を検出したときは過
充電防止用のスイッチ素子（第１のスイッチ素子）を強
制的に導通状態とすることにより、このスイッチ素子に
放電方向に順方向が一致するように並列に接続されたダ
イオード（第１のダイオード）による電圧ドロップが生
じないようにして、使用機器側に電池電圧の正確な値を
出力することができ、また二次電池の充電を検出したと
きは過放電防止用のスイッチ素子（第２のスイッチ素
子）を強制的に導通状態とすることにより、このスイッ
チ素子に充電方向に順方向が一致するように並列に接続
されたダイオード（第２のダイオード）による電圧ドロ
ップが生じないようにして、充電器側に電池電圧の正確
な値を出力することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る二次電池の保護
回路の構成を示すブロック図

【図２】本発明の第２の実施形態に係る二次電池の保護
回路の構成を示すブロック図

【符号の説明】

１０…二次電池 １１，１２…第１、第２のＦＥＴ（スイッチ素子） Ｄ１，Ｄ２…ダイオード １３…過充放電防止回路 １４…充電禁止検出回路 １５…放電禁止検出回路 １６…放電検出回路 １７…充電検出回路 １８，１９…ＯＲ回路 ２１…使用機器接続端子 ２２…充電器接続端子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】二次電池の充放電回路に直列に挿入された
   スイッチ素子と、 前記二次電池の放電方向に順方向が一致するように前記
   スイッチ素子に並列に接続されたダイオードと、 前記二次電池の端子電圧を検知し、該端子電圧が充電禁
   止電圧に達したとき前記スイッチ素子を非導通状態にす
   る過充電防止手段と、 前記二次電池の放電の有無を検出し、放電検出時に前記
   スイッチ素子を導通状態に維持する放電検出手段とを備
   えたことを特徴とする二次電池の保護回路。
2. 【請求項２】二次電池の充放電回路に直列に挿入された
   スイッチ素子と、 前記二次電池の充電方向に順方向が一致するように前記
   スイッチ素子に並列に接続されたダイオードと、 前記二次電池の端子電圧を検知し、端子電圧が放電禁止
   電圧に達したとき前記スイッチ素子を非導通状態にする
   過放電防止手段と、 前記二次電池の充電の有無を検出し、充電検出時に前記
   スイッチ素子を導通状態にする充電検出手段とを備えた
   ことを特徴とする二次電池の保護回路。
3. 【請求項３】二次電池の充放電回路に直列に挿入された
   第１、第２のスイッチ素子と、 前記二次電池の放電方向に順方向が一致するように前記
   第１のスイッチ素子に並列に接続された第１のダイオー
   ドと、 前記二次電池の充電方向に順方向が一致するように前記
   第２のスイッチ素子に並列に接続された第２のダイオー
   ドと、 前記二次電池の端子電圧を検知し、該端子電圧が充電禁
   止電圧に達したとき、前記第１のスイッチ素子を非導通
   状態にする過充電防止手段と、 前記二次電池の放電の有無を検出し、放電検出時に前記
   第１のスイッチ素子を導通状態にする放電検出手段と、 前記二次電池の端子電圧を検知し、端子電圧が放電禁止
   電圧に達したとき前記第２のスイッチ素子を非導通状態
   にする過放電防止手段と、 前記二次電池の充電の有無を検出し、充電検出時に前記
   第２のスイッチ素子を導通状態にする充電検出手段とを
   備えたことを特徴とする二次電池の保護回路。