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7V程度と高電圧(図3参照) 高エネルギー密度で小型、軽量化が図れる (図4参照) 自己放電が少ない 幅広い温度領域で使用可能 長寿命で高信頼性 図2 高電圧 リチウムイオン電池の一般的な充電方法は定電流・定電圧充電方式(CC-CV充電)となります。電流値は品種によって異なりますが、精度要求は低いです。一方、充電電圧値は非常に重要となり、高精度が要求されます。内部に使用している組成に左右されるところはありますが、4.
過充電検出機能 電池セル電圧を電圧コンパレータVD1で監視します。電池電圧が正常範囲ではCOUT端子はVDDレベルで、COUT側のNch-MOS-FETはONしており、充電可能状態です。 充電器によって充電中に電池セル電圧が過充電検出電圧を超えると、VD1コンパレータが反転、COUT出力がVDDレベルからV-レベルに遷移しNch-MOS-FETがOFFします。 充電経路を遮断して充電電流をとめ、電池セル電圧増加を防ぎます。 2. 過放電検出機能 電池セル電圧を電圧コンパレータVD2で監視します。電池電圧が正常範囲ではDOUT端子はVDDレベルで、DOUT側のNch-MOS-FETはONしており、放電可能状態です。 電池セル電圧が過放電検出電圧を下回ると、VD2コンパレータが反転、DOUT出力がVDDレベルからVSSレベルに遷移しNch-MOS-FETがOFFします。 放電経路を遮断して放電電流をとめ、さらに消費電流を低減するスタンバイ状態に入ることで電池セル電圧のさらなる低下を防ぎます。 3. 放電過電流検出機能 放電電流をRSENSE抵抗で電圧に変換し、電圧コンパレータVD3で監視します。 その電圧が放電過電流検出電圧を超えると、VD3コンパレータが反転、DOUT出力がVDDレベルからVSSレベルに遷移しNch-MOS-FETがOFFし、放電電流を遮断します。 4.
8V程度となった時点で、電池の放電を停止するよう保護装置が組み込まれており、通常の使い方であれば過放電状態にはならない。放電された状態で長期間放置しての自然放電や、組み合わせ電池の一部セルが過放電となる事例があるが、過放電状態となったセルは再充電が不能となり、システム全体の電池容量が低下したり、異常発熱や発火につながるおそれがある。 リチウムイオン電池の保護回路による発火防止 リチウムイオン電池は電力密度が高く、過充電や過放電、短絡の異常発熱により発火・発煙が発生し火災につながる。過充電を防ぐために、電池の充電が完了した際に充電を停止する安全装置や、放電し過ぎないよう放電を停止する安全装置が組み込まれている。 電池の短絡保護 電池パックの端子間がショート(短絡)した場合、短絡電流と呼ばれる大きな電流が発生する。電池のプラス極とマイナス極を導体で接続した状態では、急激に発熱してセルを破壊し、破裂や発火の事故につながる。 短絡電流が継続して発生しないよう、電池には安全装置が組み込まれている。短絡すると大電流が流れるため、電流を検出して安全装置が働くよう設計される。短絡による大電流は即時遮断が原則であり、短絡発生の瞬間に回路を切り離す。 過充電の保護 過充電の安全装置が組み込まれていなければ、100%まで充電された電池がさらに際限なく充電され、本来4. 2V程度が満充電があるリチウムイオン電池が4. 3、4. 4Vと充電されてしまう。過剰な充電は発熱や発火の原因となる。 リチウムイオン電池の発火事故は充電中が多く、期待された安全装置が働かなかったり、複数組み合わされたセルの電圧がアンバランスを起こし、一部セルが異常電圧になる事例もある。セル個々で過電圧保護ほ図るのが望ましい。 過放電の保護 過放電停止の保護回路は、電子回路によってセルの電圧を計測し、電圧が一定値以下となった場合に放電を停止する。 過放電状態に近くなり安全装置が働いた電池は、過放電を避けるため「一定以上まで充電されないと安全装置を解除しない」という安全性重視の設計となっている。 モバイル端末において、電池を0%まで使い切ってしまった場合に12時間以上充電しなければ再起動できない、といった制御が組み込まれているのはこれが理由である。電圧は2.
1uA( 0. 1uA以下)のスタンバイ状態に移行することで電池電圧のそれ以上の低下を防いでいます。保護ICにはCMOSロジック回路で構成することによって電流を消費しない充電器接続検出回路が設けられており、充電器を接続することでスタンバイ状態から復帰し電圧監視、電流監視機能を再開することができます。過放電検出機能だけはスタンバイ状態に移行せず監視を継続させることで電池セル電圧が過放電から回復することを監視して、電圧監視、電流監視を再開する保護ICもあります。 ただし、電池セルの電圧が保護ICの正常動作電圧範囲の下限を下回るまで低下すると、先に説明した0V充電可否選択によって復帰できるかどうかが決まります。 おわりに リチウムイオン電池は小型、軽量、高性能な反面、使い方を誤ると非常に危険です。そのため、二重三重に保護されており、その中で保護ICは電池パックの中に電池セルと一体となって組み込まれており、その意味で保護ICはリチウムイオン電池を使う上でなくてはならない存在、リチウムイオン電池を守る最後の砦と言えるのではないでしょうか? 今回は携帯電話やスマートフォンなどの用途に使用される電池パックに搭載される電池セルが1個(1セル)の場合を例にして、過充電、過放電、過電流を検出すると充電電流や放電電流の経路を遮断するという保護ICの基本的な機能を説明し、また電池使用可能時間の拡大や充電時間の短縮には保護ICの高精度化が必要なことにも触れました。 さて、ノートパソコンのような用途では電池セル1個の電圧では足りないため電池セルを直列に接続して使用します。充電器は個別の電池セル毎に充電するのではなく直列接続した電池にまとめて充電することになります。1セル電池の場合には充電器の充電制御でも過充電を防止できますが、電池セルが直列につながっている場合には充電器の充電制御回路は個々の電池セルの電圧を直接制御することができません。このような多セル電池の電池パックに搭載される保護ICには多セル特有の保護機能が必要になってきます。 次回はこのような1セル電池以外の保護ICについて説明したいと思います。 最後まで読んでいただきありがとうございました。 他の「おしえて電源IC」連載記事 第1回 電源ICってなに? 第2回 リニアレギュレータってなに? (前編) 第3回 リニアレギュレータってなに?
PCやスマートフォンをはじめ、さまざまな機器に電池が内蔵されています。最近ではスマートウォッチや電子タバコ、産業機器など電池を内蔵したアプリケーションが増えてきています。そこで、今回は既存製品や新製品に電池を内蔵していく場面で欠かせない、充電制御ICの役割や電池の基礎知識について紹介します。 電池の種類(一次電池と二次電池、バッテリーに関する用語解説) 1. 一次電池と二次電池 電池(化学電池) は2種に大別されます。一つは使い切りタイプの一次電池(primary battery)、もう一つは充電すれば繰り返し使用できる二次電池(secondary battery)です。一次電池は入手が容易、世界中でサイズが同一、同質の特性が得られ、充電しなくてもすぐ使える点が特徴です。二次電池は一部を除きサイズに規格がなく、寸法はさまざまです。そして、大電流用途に利用でき、経済性にも優れている点から機器に搭載される比率が非常に高くなっています。 以下に大まかな電池の種類の分類わけを記載します。 図1 電池の種類 このように、一次電池や二次電池は様式や構成材料により中分類され、さらに個別の電池へと分けられます。これらは、それぞれ他の電池にはない特性をそれぞれ持っており、独自の特長を生かして使い分けされています。 2.
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