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公開番号2020099162
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200625
出願番号2018237422
出願日20181219
発明の名称充放電回路及び電池装置
出願人TDK株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H02J 7/00 20060101AFI20200529BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】二次電池の電力を効率良く負荷に供給することができる充放電回路及び電池装置を提供する。
【解決手段】充放電回路は、充電時に電源から二次電池に供給される充電電流及び放電時に前記二次電池から負荷に供給される放電電流の大きさを調整するMОSFETと、前記MОSFETの動作を制御する制御回路と、前記制御回路の動作に関わらず前記MОSFETが前記放電電流を導通させるよう前記MОSFETのゲート端子に電圧を印加する第1インピーダンス素子と、放電時に前記制御回路に印加される電圧を前記制御回路の動作電圧未満の電圧まで降下させる電圧降下回路と、を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
充電時に電源から二次電池に供給される充電電流及び放電時に前記二次電池から負荷に供給される放電電流の大きさを調整するMОSFETと、
前記MОSFETの動作を制御する制御回路と、
前記制御回路の動作に関わらず前記MОSFETが前記放電電流を導通させるよう前記MОSFETのゲート端子に電圧を印加する第1インピーダンス素子と、
放電時に前記制御回路に印加される電圧を前記制御回路の動作電圧未満の電圧まで降下させる電圧降下回路と、
を備える充放電回路。
続きを表示(約 300 文字)【請求項2】
前記二次電池に直列接続されている電流検出抵抗と、
一端が前記制御回路に接続され、他端が前記電流検出抵抗の端子の一つ及び前記二次電池に接続されているバイアス回路と、
を更に備える請求項1に記載の充放電回路。
【請求項3】
一端が前記MОSFETのドレイン端子及び前記二次電池に接続され、他端が前記制御回路及び前記バイアス回路に接続されている第2インピーダンス素子を更に備える請求項2に記載の充放電回路。
【請求項4】
前記二次電池と、
請求項1から請求項3のいずれか一つに記載の充放電回路と、
を備える電池装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、充放電回路及び電池装置に関する。
続きを表示(約 9,800 文字)【背景技術】
【0002】
現在では、充電することにより繰り返し使用することができる二次電池が様々な製品に採用されている。また、二次電池への充電動作及び二次電池の放電動作を実行する充放電回路が使用されており、このような充放電回路の一例として、例えば、特許文献1に開示された充放電回路が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
国際公開第2007/145268号
【0004】
しかし、特許文献1に開示された充放電回路が放電時に使用された場合、二次電池は、負荷だけではなく、この充放電回路が備える双方向性レギュレータ、充電放電検出回路及び自動切替制御回路にも電力を供給する必要がある。このため、当該充放電回路が使用された場合、二次電池による負荷の動作時間が短くなってしまうことがあった。
【0005】
また、小型の埋め込み機器、リアルタイムクロックモジュールバックアップ等に電力を供給する二次電池は、小型化されているため、容量が小さくなっていることが多い。このため、容量が小さな二次電池に当該充放電回路が適用された場合、二次電池による負荷の動作時間が短くなってしまうという課題が顕著になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
そこで、本発明は、二次電池の電力を効率良く負荷に供給することができる充放電回路及び電池装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様は、充電時に電源から二次電池に供給される充電電流及び放電時に前記二次電池から負荷に供給される放電電流の大きさを調整するMОSFETと、前記MОSFETの動作を制御する制御回路と、前記制御回路の動作に関わらず前記MОSFETが前記放電電流を導通させるよう前記MОSFETのゲート端子に電圧を印加する第1インピーダンス素子と、放電時に前記制御回路に印加される電圧を前記制御回路の動作電圧未満の電圧まで降下させる電圧降下回路と、を備える充放電回路である。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、二次電池の電力を効率良く負荷に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
第一実施形態に係る電池装置の一例を示す図である。
第二実施形態に係る電池装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
[第一実施形態]
図1を参照しながら、第一実施形態に係る電池装置の構成の一例について充放電回路を中心に説明する。図1は、第一実施形態に係る充放電回路の一例を示す図である。図1に示すように、電池装置11は、充放電回路2と、二次電池100と備える。また、図1に示すように、充放電回路2は、第1入力端子201と、第2入力端子202と、P型MОSFET203と、抵抗204と、電流検出抵抗205と、第1回路206と、第2回路207と、電圧降下回路208と、第1インピーダンス素子209と、抵抗210と、第2インピーダンス素子211と、ダイオード212と、ダイオード213と、バイアス回路214とを備える。
【0011】
第1入力端子201及び第2入力端子202は、電源の端子及び小型の埋め込み機器、リアルタイムクロックモジュールバックアップ等の負荷の端子の両方と接続されている。なお、二次電池100の放電時において、第1入力端子201及び第2入力端子202は、電源の端子から切り離されてもよい。また、二次電池100の充電時において第1入力端子201及び第2入力端子202が電源の端子と接続された状態と、二次電池の10の放電時において第1入力端子201及び第2入力端子202が負荷の端子と接続された状態とが切り替えられてもよい。
【0012】
P型MОSFET203は、ソース端子が第1入力端子201に接続され、ドレイン端子が抵抗204の一端に接続され、ゲート端子が第1回路206の端子及び第1インピーダンス素子209の一端に接続されている。P型MОSFET203は、自身の導通状態を変化させることにより、充電時に電源から二次電池100に供給される充電電流及び放電時に二次電池100から負荷に供給される放電電流の大きさを調整する。なお、P型MОSFET203は、ボディダイオードを有する。
【0013】
抵抗204は、一端がP型MОSFET203のドレイン端子に接続されており、他端が二次電池100の正極に接続されている。電流検出抵抗205は、一端が二次電池100の負極及びバイアス回路214の一端に接続されており、他端が第2入力端子202に接続されている。また、電流検出抵抗205は、二次電池100に直列接続されているともいえる。
【0014】
第1回路206は、第1入力端子201、P型MОSFET203のゲート端子及び電圧降下回路208を構成しているダイオードのアノードと接続されている。例えば、第1回路206は、バイポーラトランジスタ及びこれを動作させるために使用される抵抗を含む。また、このバイポーラトランジスタは、例えば、エミッタ端子がP型MОSFET203のソース端子に接続されており、コレクタ端子がP型MОSFET203のゲート端子に接続されており、ベース端子が電圧降下回路208に接続されている。なお、第1回路206は、後述する制御回路の構成要素の一つである。
【0015】
第2回路207は、電圧降下回路208を構成しているダイオードのカソード、第2入力端子202、抵抗210の一端、ダイオード212のカソード及びダイオード213のアノードと接続されている。例えば、第2回路207は、シャントレギュレータ及びこれを動作させるためのコンデンサを含む。このシャントレギュレータは、例えば、カソードが電圧降下回路208を構成しているダイオードのカソードに接続されており、アノードが第2入力端子202に接続されている。また、このコンデンサは、シャントレギュレータの発振の抑制及び制御の応答性の調整のために設けられる。第2回路207は、所定の動作電圧以上の電圧が印加されている場合、P型MОSFET203の動作を制御する。なお、第2回路207は、後述する制御回路の構成要素の一つである。
【0016】
電圧降下回路208は、アノードが第1回路206に接続されており、カソードが第2回路207に接続されているダイオードである。また、電圧降下回路208は、第2回路207に印加される電圧を第2回路207の動作電圧未満の電圧まで降下させる回路であり、例えば、図1に示すように、少なくとも一つのダイオードで構成される。具体的には、電圧降下回路208は、一つのダイオード又は直列接続された複数のダイオードである。電圧降下回路208が備える個々のダイオードの電圧降下量の合計は、二次電池100の放電時において第2回路207に印加される電圧が第2回路207の動作電圧未満となるように決定されている。つまり、電圧降下回路208は、放電時に第2回路207に印加される電圧を第2回路207の動作電圧未満の電圧まで降下させる機能を有している。
【0017】
第1インピーダンス素子209は、例えば、抵抗であり、一端が第1回路206及びP型MОSFET203のゲート端子に接続されている。第1インピーダンス素子209は、制御回路の動作に関わらずP型MОSFET203が放電電流を導通させるようP型MОSFET203のゲート端子に電圧を印加する。すなわち、第1インピーダンス素子209は、第2回路207の動作に関わらずP型MОSFET203が放電電流を導通させるようP型MОSFET203のゲート端子に電圧を印加する。これにより、二次電池100の放電時においては、電圧降下回路208により第2回路207に印加される電圧が第2回路207の動作電圧未満となるため、第2回路207の動作が停止する。第2回路207の動作が停止すると、第1回路206から第1インピーダンス素子209に電流が流れなくなるため、P型MОSFET203のゲート端子の電位が第2入力端子202の電位と等しくなりP型MОSFET203のゲート端子とソース端子との間に電位差が発生する。したがって、P型MОSFET203は、放電電流を導通させるようになる。
【0018】
抵抗210は、一端が第1入力端子201、P型MОSFET203のソース端子及び第1回路206に接続されており、他端が第2回路207、ダイオード212のカソード及びダイオード213のアノードに接続されている。抵抗210は、第1入力端子201の電位よりも所定の電位だけ低い電圧を第2回路207に入力する。なお、充放電回路2は、抵抗210を備えていなくてもよく、代わりに第2回路207が必要とする電圧を供給する別の要素を備えていてもよい。
【0019】
第2インピーダンス素子211は、例えば、抵抗であり、一端が抵抗204を介してP型MОSFET203のドレイン端子に接続されており、二次電池100の正極に接続されている。また、第2インピーダンス素子211は、他端がダイオード212を介して第2回路207に接続されており、ダイオード212及びダイオード213を介してバイアス回路214に接続されている。
【0020】
ダイオード212は、アノードが第2インピーダンス素子211の一端に接続されており、カソードが第2回路207、抵抗210の一端及びダイオード213のアノードに接続されている。ダイオード213は、アノードが第2回路207、抵抗210の一端、ダイオード212のカソードに接続されており、カソードがバイアス回路214に接続されている。バイアス回路214は、例えば、抵抗であり、一端がダイオード213を介して第2回路207に接続されており、他端が電流検出抵抗205の一端及び二次電池100の負極に接続されている。
【0021】
次に、図1を参照しながら、第一実施形態に係る充放電回路の充電時の動作の一例について説明する。
【0022】
充放電回路2は、二次電池100に充電電流を供給する電源が第1入力端子201及び第2入力端子202に接続された場合、二次電池100への充電を開始する。この電源の電圧は、例えば、5Vである。
【0023】
P型MОSFET203は、第1インピーダンス素子209がゲート端子に印加する電圧により導通状態となり、電源から二次電池100に供給される充電電流を導通させる。これにより、二次電池100の正極と負極との間の電圧が上昇し、電流検出抵抗205の両端に電圧が発生する。バイアス回路214は、両端の電位の関係を維持し続ける性質を有する。このため、電流検出抵抗205の両端に発生した電圧は、バイアス回路214により別の電圧に変換され、ダイオード213を介して第2回路207に印加される。
【0024】
二次電池100に流れ込んでいる充電電流が増加すると、バイアス回路214が第2回路207に入力する電圧が増加する。この電圧が第2回路207の動作電圧以上の電圧まで上昇した場合、第2回路207は、P型MОSFET203の動作を制御する。すなわち、第2回路207は、第1回路206を介して第1インピーダンス素子209に電流を流すことにより、P型MОSFET203のゲート端子に印加する電圧を上昇させ、P型MОSFET203を非導通状態とする。これにより、二次電池100が充電されて正極と負極との間の電圧が十分に大きくなった場合、充放電回路2は、充電を停止させる。
【0025】
次に、図1を参照しながら、第一実施形態に係る充放電回路の放電時の動作の一例について説明する。
【0026】
充放電回路2は、二次電池100から放電電流を供給する負荷が第1入力端子201及び第2入力端子202に接続された場合、二次電池100からの放電を開始する。
【0027】
充放電回路2が二次電池100からの放電を開始した場合、P型MОSFET203のゲート端子に印加されている電圧に関わらず、P型MОSFET203が有するボディダイオードを介して二次電池100の正極から第1入力端子201に放電電流が流れる。
【0028】
また、この場合、第1インピーダンス素子209に電流が流れていないため、P型MОSFET203のゲート端子に印加される電圧が第2入力端子202の電位と等しくなるため、P型MОSFET203が導通状態となる。これにより、放電電流が二次電池100の正極から第1入力端子201に更に流れるようになる。
【0029】
また、第2回路207が備えるシャントレギュレータのカソードの電位は、第1回路206が備えるバイポーラトランジスタのエミッタ‐ベース間電圧及び電圧降下回路208の両端の電圧だけ第1入力端子201の電位よりも低い電位となる。特に、電圧降下回路208における電圧降下量を調整されているため、第2回路207が備えるシャントレギュレータのカソードの電位が上述した動作電圧未満となり、シャントレギュレータの動作が停止する。これにより、第2回路207の動作が停止する。
【0030】
二次電池100から流れ出す放電電流が増加すると、二次電池100の正極と負極との間の電圧が減少するため、第2インピーダンス素子211を介して第2回路207に印加される電圧が動作電圧未満となり、第2回路207の動作が停止する。
【0031】
以上、第一実施形態に係る充放電回路2について説明した。充放電回路2は、放電時に制御回路に印加される電圧を動作電圧未満の電圧まで降下させる。このため、充放電回路2は、放電時にも制御回路の動作を停止させていなかった従来の充放電回路と異なり、放電時に制御回路の動作を停止させることにより、二次電池100が制御回路に電力を供給する必要が無いようにし、二次電池100の電力を効率良く負荷に供給することができる。
【0032】
また、充放電回路2は、二次電池100に直列接続されている電流検出抵抗205と、一端が制御回路に接続され、他端が電流検出抵抗205の端子の一つ及び二次電池100の負極に接続されているバイアス回路214とを備える。このため、充放電回路2は、バイアス回路214により電流検出抵抗205の抵抗値を抑制し、二次電池100が供給する電力が電流検出抵抗205で消費されてしまうことを抑制し得る。したがって、充放電回路2は、二次電池100の電力を効率良く負荷に供給することができる。
【0033】
また、充放電回路2は、一端がP型MОSFET203のドレイン端子及び二次電池100の正極に接続され、他端が第2回路207及びバイアス回路214に接続されている第2インピーダンス素子211を備える。したがって、充放電回路2は、充電時における二次電池100の電圧を検出することができ、二次電池100の電力を効率良く負荷に供給することができる。
【0034】
[第二実施形態]
図2を参照しながら、第二実施形態に係る電池装置の構成の一例について充放電回路を中心に説明する。図2は、第二実施形態に係る充放電回路の一例を示す図である。図2に示すように、電池装置12は、充放電回路3と、二次電池100と備える。また、図2に示すように、充放電回路3は、第1入力端子301と、第2入力端子302と、N型MОSFET303と、抵抗304と、電流検出抵抗305と、第1回路306と、第2回路307と、電圧降下回路308と、第1インピーダンス素子309と、抵抗310と、第2インピーダンス素子311と、ダイオード312と、ダイオード313と、バイアス回路314とを備える。
【0035】
充放電回路3のこれらの構成要素は、それぞれ図1に示した充放電回路2の第1入力端子201と、第2入力端子202と、P型MОSFET203と、抵抗204と、電流検出抵抗205と、第1回路206と、第2回路207と、電圧降下回路208と、第1インピーダンス素子209と、抵抗210と、第2インピーダンス素子211と、ダイオード212と、ダイオード213と、バイアス回路214とに相当する。そこで、第二実施形態の説明では、第一実施形態と同様の説明を省略し、第一実施形態と異なる点を中心に説明する。
【0036】
抵抗304は、一端がN型MОSFET303のドレイン端子に接続されており、他端が二次電池100の負極に接続されている。電流検出抵抗305は、一端が二次電池100の正極及びバイアス回路314の一端に接続されており、他端が第2入力端子302に接続されている。
【0037】
第1回路306は、第1入力端子301、N型MОSFET303のゲート端子及び電圧降下回路308を構成しているダイオードのカソードと接続されている。例えば、第1回路306は、バイポーラトランジスタ及びこれを動作させるために使用される抵抗を含む。また、このバイポーラトランジスタは、例えば、エミッタ端子がN型MОSFET303のソース端子に接続されており、コレクタ端子がN型MОSFET303のゲート端子に接続されており、ベース端子が電圧降下回路308に接続されている。
【0038】
第2回路307は、電圧降下回路308を構成しているダイオードのアノード、第2入力端子302、抵抗310の一端、ダイオード312のアノード及びダイオード313のカソードと接続されている。例えば、第2回路307は、シャントレギュレータ及びこれを動作させるためのコンデンサを含む。このシャントレギュレータは、例えば、自身のカソードに印加される電圧を基準として動作する。第2回路307は、所定の動作電圧以下の電圧が印加されている場合、N型MОSFET303の動作を制御する。
【0039】
電圧降下回路308は、カソードが第1回路306に接続されており、アノードが第2回路307に接続されているダイオードである。また、電圧降下回路308は、第2回路307に印加される電圧を第2回路307の動作電圧未満の電圧まで降下させる回路であり、例えば、図2に示すように、少なくとも一つのダイオードで構成される。具体的には、電圧降下回路308は、一つのダイオード又は直列接続された複数のダイオードである。電圧降下回路308が備える個々のダイオードの電圧降下量の合計は、二次電池10の放電時において第2回路307に印加される電圧が第2回路307の動作電圧未満となるように決定されている。つまり、電圧降下回路308は、放電時に第2回路307に印加される電圧を第2回路307の動作電圧未満となる電圧まで降下させる機能を有している。この機能は、電圧降下回路308のアノードの電位が電圧降下回路308のカソードの電位よりも高くなることにより実現されている。
【0040】
第1インピーダンス素子309は、一端が第1回路306及びN型MОSFET303のゲート端子に接続されている。第1インピーダンス素子309は、制御回路の動作に関わらずN型MОSFET303が放電電流を導通させるようN型MОSFET303のゲート端子に電圧を印加する。すなわち、第1インピーダンス素子309は、第2回路307の動作に関わらずN型MОSFET303が放電電流を導通させるようN型MОSFET303のゲート端子に電圧を印加する。これにより、二次電池100の放電時においては、電圧降下回路308により第2回路307に印加される電圧が第2回路307の動作電圧未満となるため、第2回路307の動作が停止する。第2回路307の動作が停止すると、第1インピーダンス素子309から第1回路306に電流が流れなくなるため、N型MОSFET303のゲート端子の電位が第2入力端子302の電位と等しくなりN型MОSFET303のゲート端子とソース端子との間に電位差が発生する。したがって、N型MОSFET303は、放電電流を導通させるようになる。
【0041】
抵抗310は、一端が第1入力端子301、N型MОSFET303のソース端子及び第1回路306に接続されており、他端が第2回路307、ダイオード312のアノード及びダイオード313のカソードに接続されている。抵抗310は、第1入力端子301の電位よりも所定の電位だけ高い電圧を第2回路307に入力する。
【0042】
第2インピーダンス素子311は、一端が抵抗304を介してN型MОSFET303のドレイン端子に接続されており、二次電池100の負極に接続されている。また、第2インピーダンス素子311は、他端がダイオード312を介して第2回路307に接続されており、ダイオード312及びダイオード313を介してバイアス回路314に接続されている。
【0043】
ダイオード312は、カソードが第2インピーダンス素子311の一端に接続されており、アノードが第2回路307、抵抗310の一端及びダイオード313のカソードに接続されている。ダイオード313は、カソードが第2回路307、抵抗310の一端、ダイオード312のアノードに接続されており、アノードがバイアス回路314に接続されている。バイアス回路314は、一端がダイオード313を介して第2回路307に接続されており、他端が電流検出抵抗305の一端及び二次電池100の正極に接続されている。
【0044】
充放電回路3の充電時の動作は、第一実施形態に係る充放電回路2の充電時の動作と電流及び電圧の極性を反対にした場合と同様である。また、充放電回路3の放電時の動作は、第一実施形態に係る充放電回路2の放電時の動作と電流及び電圧の極性を反対にした場合と同様である。
【0045】
以上、第二実施形態に係る充放電回路3について説明した。充放電回路3は、第一実施形態に係る充放電回路2と同様の効果を奏する。
【0046】
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明したが、具体的な構成が上述した実施形態に限られるわけではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での設計変更等も含まれる。
【符号の説明】
【0047】
11,12…電池装置、2,3…充放電回路、100…二次電池、201,301…第1入力端子、202,302…第2入力端子、203…P型MОSFET、303…N型MОSFET、204,304…抵抗、205,305…電流検出抵抗、206,306…第1回路、207,307…第2回路、208,308…電圧降下回路、209,309…第1インピーダンス素子、210,310…抵抗、211,311…第2インピーダンス素子、212,312…ダイオード、213,313…ダイオード、214,314…バイアス回路

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