JP2002095174A

JP2002095174A - 電源装置及びその充放電方法

Info

Publication number: JP2002095174A
Application number: JP2000277709A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Yamagishi; 洋一山岸; Shinobu Sumi; 忍角
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2000-09-13
Publication date: 2002-03-29

Abstract

(57)【要約】【課題】短時間で携帯機器の駆動に十分な電気エネル
ギーを充電することができ、かつ、二次電池の耐用寿命
を長期化して交換頻度を大幅に抑制して、携帯機器の筐
体構造の簡素化及び電気的な接続状態の安定化を図るこ
とができる電源装置及びその充放電方法を提供する。【解決手段】電源装置ＰＳは、充電所要時間が短く、
かつ、繰り返し充放電による特性劣化が少ない充放電特
性を有するコンデンサ型蓄電池３０と、充電所要時間が
長く、かつ、繰り返し充放電による特性劣化が大きい充
放電特性を有する化学二次電池４０と、コンデンサ型蓄
電池３０に蓄積された電気エネルギー量を検出する電圧
モニタ回路３１と、を備え、電圧モニタ回路３１により
検出された電気エネルギー量に基づいて、化学二次電池
４０に優先して、コンデンサ型蓄電池への電気エネルギ
ーの充放電が行われるように切り換え制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気、電子機器を
駆動するための電源装置及びその充放電方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ノートパソコンや携帯電話、携帯
情報端末（ＰＤＡ）、デジタルビデオカメラ、携帯型オ
ーディオ機器等の携帯型の電気・電子機器（以下、「携
帯機器」と総称する）の普及が著しい。このような携帯
機器を駆動するための電源としては、従来、マンガン乾
電池やアルカリマンガン乾電池等の一次電池のほかに、
ニッケル・カドミウム電池やニッケル水素電池、リチウ
ムイオン電池等の二次電池（化学二次電池ともいう）が
利用されている。

【０００３】一次電池は、形状が規格化されており、安
価で入手が容易であるが、電気エネルギーの放電のみが
可能であって繰り返し充放電ができないという特徴を有
し、一方、二次電池は、一般に高価であるが、任意の形
状による小型軽量化が可能であるとともに、商用電源に
よる繰り返し充電が可能であるため、ランニングコスト
が安価であるという特徴を有している。

【０００４】以下に、二次電池を用いた携帯機器の電源
装置について、図面を参照して簡単に説明する。図６
は、従来技術における電源装置を適用した携帯機器の一
例を示す概略構成図である。図６に示すように、従来技
術の携帯機器は、大別して、例えば、商用電源等の外部
電源１１０から供給される電源電圧に基づいて、二次電
池１３０の充電に適した所定の直流電圧を生成する充電
回路１２０と、該直流電圧の二次電池１３０への供給状
態を制御する充電スイッチＳＷＡと、充電スイッチＳＷ
Ａを介して充電回路１２０から供給される上記直流電圧
を充電又は放電する、ニッケル・カドミウム電池やリチ
ウムイオン電池等の二次電池１３０と、二次電池１３０
に充電された上記直流電圧の放電状態を制御する放電ス
イッチＳＷＢと、放電スイッチＳＷＢを介して二次電池
１３０から放電される上記直流電圧に基づいて、所定の
駆動電圧を生成するＤＣ−ＤＣコンバータ等からなるレ
ギュレータ回路１４０と、を備えた電源装置ＰＳＡに、
電気・電子回路等の負荷１５０が接続された構成を有し
ていた。

【０００５】このような構成により、外部電源１１０か
ら供給された電気エネルギーが充電回路１２０により二
次電池１３０に充電され、この電気エネルギーに基づい
て、レギュレータ回路１４０により負荷１５０の駆動に
適した駆動電圧を生成して供給することにより、携帯機
器の電気・電子回路等を駆動させて、所定の機能（例え
ば、演算機能や表示機能、通信機能等）を実現してい
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た電源装置を携帯機器に適用した場合、次のような問題
点を有していた。（１）現在、広く普及しているニッケル・カドミウム電
池やニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電
池においては、外部電源からの充電に際し、数時間（例
えば、２〜８時間）程度の比較的長い充電時間を必要と
するため、二次電池への充電操作中は、携帯機器の使用
が制約されたり、充電と平行して携帯機器を使用する
と、充電時間が長期化したりするという問題を有してい
た。

【０００７】（２）また、上述したような二次電池にお
いて、充電した電気エネルギーのほとんどを放電する深
い充放電深度の充放電操作を繰り返し行った場合、二次
電池の充放電特性の劣化による耐用寿命は、概ね５００
回程度しかなく、日常的に頻繁に使用する携帯機器の場
合には、たびたび二次電池を交換しなければならないと
いう問題を有していた。（３）さらに、上記（２）に示したように、充放電特性
が劣化した二次電池を交換する作業や、二次電池を取り
出して専用の充電器により充電する作業に対応するため
に、携帯機器の電源装置部（二次電池）を着脱可能にす
る必要があり、そのため、二次電池と携帯機器本体との
電気的な接続状態が不安定化して、接続不良等を生じた
り、筐体構造が複雑化して、部品点数の増加や製造コス
トの上昇を招いたりする問題を有していた。

【０００８】そこで、本発明は、このような問題に鑑
み、短時間で携帯機器の駆動に十分な電気エネルギーを
充電することができ、かつ、二次電池の耐用寿命を長期
化して交換頻度を大幅に抑制して、携帯機器の筐体構造
の簡素化及び電気的な接続状態の安定化を図ることがで
きる電源装置及びその充放電方法を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の電源装置
は、電気・電子機器を駆動させるための電源装置におい
て、電気エネルギーを充放電する際に、所定の充放電特
性を有するコンデンサ型の第１の電池と、前記第１の電
池に比較して、充放電特性が劣る化学二次電池からなる
第２の電池と、少なくとも、前記電気・電子機器を駆動
する際に、前記第２の電池に優先して前記第１の電池に
充電された電気エネルギーを前記電気・電子機器に供給
するように、前記第１及び第２の電池を設定制御する充
放電制御回路と、を備えたことを特徴としている。

【００１０】また、請求項２記載の電源装置は、上記構
成において、前記充放電制御回路は、外部電源から供給
される前記電気エネルギーを前記第１及び第２の電池に
充電する際に、前記第２の電池に優先して前記第１の電
池に充電するように、前記第１及び第２の電池を設定制
御することを特徴としている。また、請求項３記載の電
源装置は、上記構成において、前記充放電制御回路は、
外部電源から供給される前記電気エネルギーを前記第１
及び第２の電池に充電する際に、前記第１の電池及び第
２の電池電源に対して同時に充電するように、前記第１
及び第２の電池を設定制御することを特徴としている。

【００１１】すなわち、電気・電子機器（例えば、携帯
機器）の駆動用の電源装置として、各々異なる充放電特
性を有する第１の電池と第２の電池とを備え、第２の電
池に比較して、上記充放電特性に優れた（充電所要時間
が短く、かつ、繰り返し充放電による特性劣化が少な
い）第１の電池に充電された電気エネルギーを、第２の
電池に先立って、電気・電子機器に供給するとともに、
外部電源から供給される電気エネルギーを、第２の電池
に先立って、第１の電池に充電することにより、第１の
電池による充放電動作の比率を増大させることができ
る。あるいは、外部電源から供給される電気エネルギー
を、第１及び第２の電池に対して同時に充電することに
より、第１の電池による充放電動作の比率を実質的に増
大させることができる。

【００１２】これにより、電源装置に充電された電気エ
ネルギーの一部を放電する浅い充放電深度の充放電操作
を繰り返し行った場合、電源装置における電気エネルギ
ーの充放電動作のほとんどが、急速充電が可能で、か
つ、耐用寿命の長いコンデンサ型の第１の電池に対して
行われることになるので、電源装置として化学二次電池
のみを備えた構成に比較して、充電所要時間を大幅に短
縮することができる。

【００１３】また、化学二次電池からなる第２の電池に
よる充放電動作の比率を相対的に減少させることができ
るとともに、第２の電池における充放電深度を浅くする
ことができるので、第２の電池の繰り返し充放電に伴う
充放電特性の劣化を大幅に抑制し、耐用寿命を長期化す
ることができる。したがって、第２の電池を含む電源装
置の交換頻度が大幅に抑制、あるいは、交換が不要とな
るので、本発明に係る電源装置を搭載した電気・電子機
器の筐体構造を簡略化して、部品点数の削減や製造コス
トの削減を図ることができるとともに、電源装置と電気
・電子機器との電気的な接続構造を固定化して、接続不
良の発生を抑制し、製品の信頼性を向上することができ
る。

【００１４】請求項４記載の電源装置は、上記構成にお
いて、前記充放電制御回路は、前記第１の電池に充電さ
れる前記電気エネルギーを充電電圧として検出し、該充
電電圧と所定の基準電圧との比較に基づいて、前記第１
及び第２の電池に対して前記電気エネルギーを充電又は
放電する際の優先順位を設定制御することを特徴として
いる。

【００１５】すなわち、第１及び第２の電池に対する充
放電動作の優先順位は、第１の電池における電気エネル
ギーの残量又は充電量に基づいて設定される。これによ
り、第１及び第２の電池に対する充放電動作は、第１の
電池の充電電圧（電気エネルギー残量）が所定の基準電
圧に達するまで、最初に第１の電池に充電された電気エ
ネルギーが放電され、また、第１の電池の充電電圧（電
気エネルギー充電量）が所定の基準電圧に達するまで、
最初に第１の電池に電気エネルギーが充電されるので、
充放電特性に優れたコンデンサ型の第１の電池による充
放電動作の比率を増大させるように適切に設定制御する
ことができ、充電所要時間の短縮及び耐用寿命の長期化
を良好に実現することができる。

【００１６】請求項５に係る電源装置は、上記構成にお
いて、前記第１の電池は、複数のコンデンサ、又は、複
数のコンデンサを積層した複数のコンデンサスタックを
備え、前記外部電源から供給される電気エネルギーを前
記第１の電池に充電する際には、前記複数のコンデン
サ、又は、前記複数のコンデンサスタック相互を直列に
接続し、前記第１の電池から前記電気エネルギーを放電
する際には、前記複数のコンデンサ、又は、前記複数の
コンデンサスタックを構成する各層毎の前記コンデンサ
相互を並列に接続するように切り換え制御されることを
特徴としている。

【００１７】すなわち、第１の電池は、複数のコンデン
サ、又は、複数のコンデンサを積層した複数のコンデン
サスタックを備え、充電動作又は放電動作に対応して、
複数のコンデンサ、又は、複数のコンデンサスタックを
構成するコンデンサ相互が、直列又は並列に接続状態が
切り換え制御される。したがって、充電動作時には、複
数のコンデンサ、又は、各コンデンサスタック相互を直
列に接続することにより、コンデンサ型蓄電池の容量値
が見かけ上、大幅に低減されるので、充電時間を大幅に
短縮することができ、また、放電動作時には、複数のコ
ンデンサ、又は、複数のコンデンサスタックを構成する
各層毎のコンデンサ相互を並列に接続することにより、
コンデンサ型蓄電池の容量値が増大されるので、負荷に
対する駆動能力を向上させつつ、各コンデンサ、又は、
各コンデンサスタックの両端電圧（コンデンサ電圧）を
相互に均一化して、負荷に電気エネルギーを供給するこ
とができる。

【００１８】請求項６記載の電源装置は、上記構成にお
いて少なくとも、前記第１及び第２の電池並びに前記充
放電制御回路をモジュール化して一体的に形成し、前記
電気・電子機器の内部に固定的に実装したことを特徴と
している。すなわち、上記構成により、第２の電池を含
む電源装置の交換頻度が大幅に抑制、あるいは、交換が
不要となり、第１及び第２の電池、充放電制御回路等を
モジュール化して電気・電子機器に固定的に内蔵するこ
とができるので、電源装置と電気・電子機器との電気的
な接続構造を良好に固定化して、接続不良の発生を大幅
に抑制することができる。

【００１９】そして、請求項７記載の電源装置の充放電
方法は、電気・電子機器を駆動させるための電源装置の
充放電方法において、前記電気・電子機器を駆動する際
に、電気エネルギーを充放電する際の充放電特性に優れ
たコンデンサ型の第１の電池に充電された電気エネルギ
ーを、前記第１の電池よりも前記充放電特性が劣る化学
二次電池からなる第２の電池に優先して前記電気・電子
機器に供給することを特徴としている。また、請求項８
記載の電源装置の充放電方法は、上記方法において、外
部電源から供給される前記電気エネルギーを前記第１及
び第２の電池に充電する際に、前記第２の電池に優先し
て前記第１の電池に充電するようにしたことを特徴とし
ている。

【００２０】すなわち、異なる充放電特性を有する第１
の電池と第２の電池とを備えた電気・電子機器の駆動用
の電源装置において、第２の電池に比較して、充放電特
性に優れた（充電所要時間が短く、かつ、繰り返し充放
電による特性劣化が少ない）第１の電池に充電された電
気エネルギーを、第２の電池に先立って、電気・電子機
器に供給するとともに、外部電源から供給される電気エ
ネルギーを、第２の電池に先立って、第１の電池に充電
するように制御される。

【００２１】これにより、電源装置における電気エネル
ギーの充放電動作のほとんどが、急速充電が可能で、か
つ、耐用寿命の長い第１の電池に対して行われることに
なるので、充電所要時間を大幅に短縮することができ
る。また、第２の電池による充放電動作の比率を相対的
に減少させることができるので、第２の電池の繰り返し
充放電に伴う充放電特性の劣化を大幅に抑制し、耐用寿
命を長期化することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る電源装置につ
いて、実施の形態を示して詳しく説明する。図１は、本
発明に係る電源装置の一実施形態を示す概略構成図であ
る。図１に示すように、本実施形態に係る電源装置ＰＳ
は、大別して、充電回路２０と、コンデンサ型蓄電池
（第１の電池）３０、電圧モニタ回路（充放電制御回
路）３１と、化学二次電池（第２の電池）４０と、レギ
ュレータ回路５０とを備え、充電回路２０には、商用交
流電源等の外部電源１０が接続され、また、レギュレー
タ回路５０には、携帯機器の所定の機能（例えば、演算
機能や表示機能、通信機能等）を実現する電気・電子回
路等の負荷６０が接続された構成を有している。なお、
外部電源１０は、本実施形態形態においては、商用の交
流電源（例えば、ＡＣ１００Ｖ）として説明するが、本
発明はこれに限定されるものではなく、他の構成とし
て、例えば、車両のシガレットライターソケットや可搬
型の予備バッテリ等から得られる直流電源（例えば、Ｄ
Ｃ１２Ｖ）であってもよい。

【００２３】充電回路２０は、外部電源（商用交流電
源）１０から供給される交流電圧Ｖinを整流して所定の
直流電圧を生成し、これに基づく充電電流Ｉｃを充電ス
イッチＳＷＣを介して、後段のコンデンサ型蓄電池３０
又は化学二次電池４０に供給する。ここで、図１におい
ては、充電回路２０として単一の構成を示したが、コン
デンサ型蓄電池３０の充電に適用する回路構成と、二次
電池４０の充電に適用する回路構成とは本来仕様が異な
る場合が多いので、実用上は、充電回路２０は、例え
ば、コンデンサ型蓄電池３０及び化学二次電池４０の各
々の充電動作に適した個別の充電制御部を備え、コンデ
ンサ型蓄電池３０又は二次電池４０への充電動作に対応
して、上記個別の充電制御部を適宜切り換える構成を有
していることが好ましい。

【００２４】コンデンサ型蓄電池３０は、例えば、電気
二重層コンデンサを備え、後述する化学二次電池４０に
比較して、充電所要時間が短く、かつ、繰り返し充放電
による特性劣化が少ない、優れた充放電特性を有し、上
記充電回路２０から供給される充電電流Ｉｃに基づく電
気エネルギーを充電する。ここで、電気二重層コンデン
サにおいては、一般に数百ｍＷｈ程度の電気エネルギー
を充電する場合であっても、数分から数十分程度で急速
充電が可能であり、かつ、電気二重層コンデンサは、数
万回程度の繰り返し充放電動作が可能な耐用寿命を有し
ているので、リチウムイオン電池等の化学二次電池に比
較して十分に優れた充放電特性を有するコンデンサ型蓄
電池３０を実現することができる。

【００２５】なお、コンデンサ型蓄電池３０の構成は、
単一の電気二重層コンデンサを適用するものであっても
よいし、後述するように、複数の電気二重層コンデンサ
を備え、所定のタイミングで電気二重層コンデンサ相互
の接続状態を切り換え制御するものであってもよい。こ
のような複数の電気二重層コンデンサを備えたコンデン
サ型蓄電池３０の具体的な構成及び動作については、後
述する。

【００２６】電圧モニタ回路３１は、コンデンサ型蓄電
池３０に蓄積された電気エネルギー量（すなわち、充電
動作時における電気エネルギーの充電量、又は、放電動
作時における電気エネルギーの残量）を、コンデンサ型
蓄電池３０の両端電圧の変化として常時検出し、検出さ
れた電圧に基づいて、電源装置ＰＳの充電動作又は放電
動作に優先的に使用する電池（すなわち、コンデンサ型
蓄電池３０又は化学二次電池４０のいずれか一方）を選
択する制御を行う。ここで、コンデンサ型蓄電池３０の
電気エネルギー量Ｅは、Ｅ＝１／２・ＣＶ^２で表される
ので、両端電圧Ｖに基づいて容易に算出される。また、
コンデンサ型蓄電池３０又は化学二次電池４０の選択制
御は、電圧モニタ回路３１により検出、算出されたコン
デンサ型蓄電池３０と所定の基準値との比較結果に応じ
て、電源切換スイッチＳＷＥを切り換え制御することに
より行う。

【００２７】化学二次電池４０は、上記コンデンサ型蓄
電池３０に比較して、充電所要時間が長く、かつ、繰り
返し充放電による特性劣化が比較的大きい充放電特性を
有し、一般的な携帯機器において多用され、実用製品と
して実績のある二次電池であって、上記充電回路２０か
ら供給される充電電流Ｉｃに基づく電気エネルギーを充
電する。ここでは、特に、繰り返し充放電を浅い放電深
度で行った場合でも、充放電特性の劣化が比較的少ない
リチウムイオン電池等の二次電池を良好に適用すること
ができる。

【００２８】レギュレータ回路５０は、電源切換スイッ
チＳＷＥにより選択されたコンデンサ型蓄電池３０又は
化学二次電池４０に充電された電気エネルギーを、放電
スイッチＳＷＤを介して取り出し、携帯機器の所定の機
能を実現する電気・電子回路等の負荷６０を駆動するた
めに最適な直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータの
機能を備えている。

【００２９】次に、上述した構成を有する電源装置の充
放電動作について、図面を参照して説明する。図２は、
本実施形態に適用される電源装置の充放電動作を示すタ
イミングチャートである。ここでは、上述した電源装置
の構成（図１）を適宜参照して説明する。

【００３０】（放電動作時）本実施形態に係る電源装置
が適用された携帯機器を使用する場合、すなわち、携帯
機器の所定の機能を実現するために、電源装置ＰＳから
駆動電圧を負荷５０に供給する放電動作においては、ま
ず、電圧モニタ回路３１によってコンデンサ型蓄電池３
０の両端電圧が検出されて、電気エネルギー量（残量）
が算出される。そして、算出された電気エネルギー残量
と予め設定された放電基準値（エネルギー値）Ｅ１との
大小関係が比較、判定される。

【００３１】ここで、図２（ａ）に示す放電動作時のよ
うに、コンデンサ型蓄電池３０の電気エネルギー残量が
放電基準値Ｅ１よりも大きい場合には、電源選択スイッ
チＳＷＥをコンデンサ型蓄電池３０側に切り換え制御す
る制御信号Ｓｃが電圧モニタ回路３１から出力される。
これにより、コンデンサ型蓄電池３０の電気エネルギー
が放電スイッチＳＷＤを介して取り出され、レギュレー
タ回路５０により所定の駆動電圧に変換されて負荷６０
に供給される。

【００３２】一方、図２（ｂ）に示す放電動作時のよう
に、コンデンサ型蓄電池３０の電気エネルギー残量が放
電基準値Ｅ１に達した場合、あるいは、放電基準値Ｅ１
よりも小さくなった場合（又は、小さい場合）には、電
源選択スイッチＳＷＥを化学二次電池４０側に切り換え
制御する制御信号Ｓｃが電圧モニタ回路３１から出力さ
れる。これにより、化学二次電池４０の電気エネルギー
が放電スイッチＳＷＤを介して放電電流Ｉｂとして取り
出され、レギュレータ回路５０により所定の駆動電圧に
変換されて負荷６０に供給される。

【００３３】（充電動作時）次いで、本実施形態に係る
電源装置ＰＳが適用された携帯機器を充電する場合、す
なわち、外部電源１０から供給される充電電圧に基づい
て、電源装置ＰＳに電気エネルギーを充電（蓄積）する
充電動作においては、上述した放電動作時と同様に、ま
ず、電圧モニタ回路３１によってコンデンサ型蓄電池３
０の両端電圧が検出されて、電気エネルギー量（充電
量）が算出される。そして、算出された電気エネルギー
充電量と予め設定された充電基準値（エネルギー値）Ｅ
２との大小関係が比較、判定される。

【００３４】ここで、図２（ｃ）に示す充電動作時のよ
うに、コンデンサ型蓄電池３０の電気エネルギー充電量
が充電基準値Ｅ２よりも小さい場合には、電源選択スイ
ッチＳＷＥをコンデンサ型蓄電池３０側に切り換え制御
する制御信号Ｓｃが電圧モニタ回路３１から出力され
る。これにより、充電回路２０から供給される充電電流
Ｉｃに基づく電気エネルギーが充電スイッチＳＷＣを介
して取り込まれ、コンデンサ型蓄電池３０に電気エネル
ギーが充電される。

【００３５】一方、図２（ｄ）に示す充電動作時のよう
に、コンデンサ型蓄電池３０の電気エネルギー充電量が
充電基準値Ｅ２に達した場合、あるいは、放電基準値Ｅ
２よりも大きくなった場合（又は、大きい場合）には、
電源選択スイッチＳＷＥを化学二次電池４０側に切り換
え制御する制御信号Ｓｃが電圧モニタ回路３１から出力
される。これにより、充電電流Ｉｃが化学二次電池４０
に供給されて、化学二次電池４０に電気エネルギーが充
電される。

【００３６】このような電源装置の構成及び充放電方法
によれば、電源装置ＰＳへの充放電動作に際して、コン
デンサ型蓄電池３０の電気エネルギー量が検出され、該
電気エネルギー量に基づいて、化学二次電池４０に優先
して（先立って）、コンデンサ型蓄電池への電気エネル
ギーの充放電を行うように、切り換え制御が行われるの
で、化学二次電池４０に比較して、コンデンサ型蓄電池
３０の充放電動作の比率を増大させることができる。特
に、携帯機器を短い時間断続的に駆動して、電源装置Ｐ
Ｓに充電された電気エネルギーの一部のみを放電する浅
い放電深度での使用方法により、充放電動作を繰り返し
行った場合、電源装置ＰＳにおける電気エネルギーの充
放電動作のほとんどが、コンデンサ型蓄電池３０により
行われることになる。

【００３７】したがって、化学二次電池４０に比較し
て、充電所要時間が短く、かつ、繰り返し充放電による
特性劣化の度合いが低い充放電特性を有しているコンデ
ンサ型蓄電池３０による充放電動作の比率を高めること
により、電源装置ＰＳの充電所要時間を大幅に短縮する
ことができる。また、上述したように、コンデンサ型蓄
電池３０による充電放電動作の比率が増大することによ
り、化学二次電池４０による充放電動作の比率が相対的
に減少するとともに、電源装置ＰＳに対して深い放電深
度での使用の場合であっても、まずコンデンサ型蓄電池
３０による放電が行われて、化学二次電池４０における
放電深度を浅くすることができるので、化学二次電池４
０における繰り返し充放電による特性劣化を抑制して、
化学二次電池４０を含む電源装置ＰＳの耐用寿命を大幅
に長期化することができる。

【００３８】なお、本実施形態においては、電圧モニタ
回路３１により、コンデンサ型蓄電池３０の両端電圧に
応じた電気エネルギー量を検出、算出して、この電気エ
ネルギー量に基づいて充放電動作の際に、コンデンサ型
蓄電池３０又は化学二次電池４０のいずれか一方を選択
する制御を行う場合について説明したが、本発明はこれ
に限定されるものではなく、検出されたコンデンサ型蓄
電池３０の両端電圧をそのまま用いて、放電基準値又は
充電基準値に対応する基準電圧と比較して切り換え制御
を行うものであってもよい。これによれば、簡易な電気
回路により電圧相互の大小関係を判定することができる
ので、電池の選択制御処理を簡略化することができる。

【００３９】次いで、上述した実施形態に良好に適用さ
れるコンデンサ型蓄電池３０の構成について、図面を参
照して説明する。図３は、本発明に適用されるコンデン
サ型蓄電池の一構成例を示す回路構成図である。ここ
で、上述した実施形態と同等の構成については、同一の
符号を付して、その説明を簡略化する。

【００４０】図３に示すように、本構成例に係るコンデ
ンサ型蓄電池３０は、上述した充電回路２０により生成
された充電電流Ｉｃが、切換スイッチＳＷ１（充電スイ
ッチＳＷＣに相当）を介して供給される高電位側信号線
ＨＬ、及び、所定の基準電位（例えば、接地電位）に接
続された低電位側信号線ＬＬ間に接続された構成を有し
ている。なお、高電位側信号線ＨＬ及び低電位側信号線
ＬＬ間には、コンデンサ型蓄電池３０の両端電圧（コン
デンサ電圧）を監視して、コンデンサ型蓄電池３０への
充放電動作を制御するための電圧モニタ回路３１がコン
デンサ型蓄電池３０に並列に接続され、また、高電位側
信号線ＨＬに設けられた切換スイッチＳＷ２（放電スイ
ッチＳＷＤに相当）を介して、レギュレータ回路５０が
コンデンサ型蓄電池３０に並列に接続されている。

【００４１】また、コンデンサ型蓄電池３０は、複数の
コンデンサＣ１〜Ｃｎと、これらのコンデンサＣ１〜Ｃ
ｎの接続状態を直列又は並列に切り換え制御するスイッ
チ群ＳＷ１１〜ＳＷ１n-1、ＳＷ２１〜ＳＷ２n-1、ＳＷ
３１〜ＳＷ３n-1とを有するコンデンサバンクを構成し
ている。具体的には、コンデンサ型蓄電池３０は、高電
位側信号線ＨＬ及び低電位側信号線ＬＬ間に、コンデン
サＣ１と、切換スイッチＳＷ１１と、コンデンサＣ２
と、切換スイッチＳＷ１２と、・・・切換スイッチＳＷ
１n-1と、コンデンサＣｎが、接点Ｎ１１、Ｎ２１、Ｎ
１２、Ｎ２２、・・・Ｎ１n-1、Ｎ２n-1を介して順次直
列に接続されている。

【００４２】また、高電位側信号線ＨＬ及び接点Ｎ２１
間、高電位側信号線ＨＬ及び接点Ｎ２２間、・・・高電
位側信号線及び接点Ｎ２n-1間には、各々切換スイッチ
ＳＷ２１、ＳＷ２２、・・・ＳＷ２n-1が設けられ、低
電位側信号線ＬＬ及び接点Ｎ１１間、低電位側信号線Ｌ
Ｌ及び接点Ｎ１２間、・・・低電位側信号線ＬＬ及び接
点Ｎ１n-1間には、各々切換スイッチＳＷ３１、ＳＷ３
２、・・・ＳＷ３n-1が設けられている。

【００４３】ここで、切換スイッチＳＷ１及びＳＷ１１
〜ＳＷ１n-1は、上述したコンデンサ充電回路２０によ
り、例えば、交流電圧Ｖinに応じて充電電流Ｉｃが周期
的（間欠的）に供給されるタイミングに同期して、同一
のタイミングでＯＮ動作するように制御される。また、
切換スイッチＳＷ２１〜２n-1及びＳＷ３１〜３n-1は、
上記切換スイッチＳＷ１及びＳＷ１１〜ＳＷ１n-1と
は、逆のタイミングでＯＮ動作するように制御される。

【００４４】また、電圧モニタ回路３１は、コンデンサ
型蓄電池３０の充電動作の際に、所定のタイミングでコ
ンデンサＣ１〜Ｃｎに蓄積された電荷量を、両端電圧の
電圧変化により検出するとともに、あらかじめ定められ
たしきい値電圧（耐圧保証電圧）と比較し、両端電圧
が、しきい値電圧に達したか否かを判定する電圧モニタ
動作を実行する。そして、両端電圧が、しきい値電圧に
達した場合には、コンデンサ型蓄電池３０への充電電流
Ｉｃの供給を遮断する制御信号を充電回路２０又は切換
スイッチＳＷ１に出力する。

【００４５】また、切換スイッチＳＷ２は、負荷６０の
駆動状態に同期してＯＮ／ＯＦＦ動作が制御される。す
なわち、携帯機器の未使用時には、切換スイッチＳＷ２
をＯＦＦ動作してコンデンサ型蓄電池３０からの電気エ
ネルギーが負荷６０に供給されないように制御され、ま
た、携帯機器の使用時には、切換スイッチＳＷ２をＯＮ
動作してコンデンサ型蓄電池３０からの電気エネルギー
が負荷６０に供給されるように制御される。

【００４６】ここで、本構成例に係るコンデンサ型蓄電
池３０の充電動作について、図面を参照して説明する。
図４は、本構成例に係るコンデンサ型蓄電池の充電動作
を示すタイミングチャートである。ここでは、上述した
コンデンサ型蓄電池の構成（図３）を適宜参照して説明
する。

【００４７】コンデンサ型蓄電池３０の充電動作におい
ては、図４に示すように、所定のタイミングでコンデン
サ型蓄電池３０の切換スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１n-1を
ＯＮ状態に、また、切換スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２n-1
及びＳＷ３１〜ＳＷ３n-1をＯＦＦ状態に切り換え制御
することにより、コンデンサＣ１〜Ｃｎ相互を、高電位
信号線ＨＬ及び低電位信号線ＬＬ間に直列に接続した状
態に設定するとともに、切換スイッチＳＷ１をＯＮ状態
に切り換え制御して、コンデンサ充電回路２０から供給
される充電電流Ｉｃによりコンデンサ型蓄電池３０を充
電する。

【００４８】ここで、一般に、コンデンサの両端電圧
（コンデンサ電圧）Ｖと電荷量Ｑと容量Ｃとの関係は、
次の（１）式のように表され、また、電荷量Ｑとコンデ
ンサに流れる電流（充電電流）ＩＢと充電時間ｔとの関
係は、次の（２）式のように表される。Ｖ＝Ｑ／Ｃ ……（１）Ｑ＝ＩＢ・ｔ ……（２）このように、コンデンサに蓄積される電荷量Ｑは、充電
時間ｔの経過に比例して上昇するので、コンデンサの充
電電圧Ｖも、充電時間ｔとともに上昇する。したがっ
て、図４に示すように、コンデンサ型蓄電池３０の両端
電圧（コンデンサ電圧）Ｖｃは、徐々に増加する。

【００４９】一方、コンデンサ型蓄電池３０の電圧モニ
タ動作においては、図４に示すように、所定のタイミン
グでコンデンサ型蓄電池３０の切換スイッチＳＷ１１〜
ＳＷ１n-1をＯＦＦ状態に、また、切換スイッチＳＷ２
１〜ＳＷ２n-1及びＳＷ３１〜ＳＷ３n-1をＯＮ状態に切
り換え制御することにより、各コンデンサＣ１〜Ｃｎ相
互を、高電位信号線ＨＬ及び低電位信号線ＬＬ間に並列
に接続した状態に設定するとともに、切換スイッチＳＷ
１をＯＦＦ状態に切り換え制御して、コンデンサ充電回
路２０とコンデンサ型蓄電池３０の接続を切り離す。こ
のとき、コンデンサ型蓄電池３０への充電電流Ｉｃの供
給が遮断されることにより、図４に示すように、一定と
なった両端電圧Ｖｃ（このときは、並列接続されたコン
デンサＣ１〜Ｃｎの両端電圧）が、電圧モニタ回路３１
により検出される。

【００５０】このとき、分割されたコンデンサＣ１〜Ｃ
ｎを並列接続状態に切り換えてコンデンサ型蓄電池３０
の両端電圧Ｖｃを検出することにより、各コンデンサＣ
１〜Ｃｎにおける両端電圧が相互に均一化されて、電圧
Ｖｃのバラツキが抑制される。ここで、上述した充電動
作及び電圧モニタ動作は、例えば、コンデンサ充電回路
２０が交流電圧Ｖinの電圧極性の変化に応じて充電電流
Ｉｃを供給するタイミングに同期して、周期的に繰り返
すように設定されていることが好ましい。

【００５１】そして、電圧モニタ回路３１により検出さ
れた両端電圧Ｖｃと、コンデンサＣ１〜Ｃｎの耐圧に基
づいて予め設定されたしきい値電圧Ｖthとを比較し、両
端電圧Ｖｃがしきい値電圧Ｖthに達していない場合に
は、電圧モニタ動作終了後に継続してコンデンサ型蓄電
池３０への充電動作が実行されるようにコンデンサ充電
回路２０又は切換スイッチＳＷ１が制御される。一方、
両端電圧Ｖｃがしきい値電圧Ｖth以上に達した場合に
は、充電電流Ｉｃの供給を強制的に遮断するようにコン
デンサ充電回路２０又は切換スイッチＳＷ１が制御され
て、充電動作が終了する。

【００５２】そして、充電動作の終了により、商用電源
１０が充電回路２０から切り離されると、コンデンサ型
蓄電池３０の切換スイッチＳＷ１、ＳＷ１１〜ＳＷ１n-
1のＯＦＦ状態、及び、切換スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２n
-1及びＳＷ３１〜ＳＷ３n-1のＯＮ状態が保持されて、
各コンデンサＣ１〜Ｃｎの並列接続状態が継続される。
ここで、携帯機器が使用（負荷６０が駆動）されると、
切換スイッチＳＷ２がＯＮ状態に切り換え制御され、コ
ンデンサ型蓄電池３０に蓄積された電気エネルギーがレ
ギュレータ回路５０を介して所定の駆動電圧に変換され
て負荷６０に供給される。

【００５３】このように、コンデンサ型蓄電池３０をｎ
個のコンデンサＣ１〜Ｃｎに分割して構成し、充電動作
時にコンデンサＣ１〜Ｃｎ相互を直列接続状態に切り換
えることにより、コンデンサ型蓄電池３０を単一のコン
デンサにより構成する場合に比べて、容量値を１／ｎ²
倍に低減することができるので、コンデンサによる分割
割合に応じて、充電電流Ｉｃを１／ｎ倍に低減すること
ができる。あるいは、充電時間を１／ｎに短縮すること
ができる。

【００５４】したがって、コンデンサ型蓄電池３０を構
成する各コンデンサＣ１〜Ｃｎ相互の接続状態を直列／
並列に切り換え制御しつつ、コンデンサ型蓄電池３０の
充電動作と電圧モニタ動作を繰り返し実行することによ
り、充電時間を大幅に短縮することができるとともに、
一定の時間間隔で、コンデンサ型蓄電池３０の両端電圧
Ｖｃが監視されるので、コンデンサ型蓄電池３０（コン
デンサＣ１〜Ｃｎ）の耐圧を保証しつつ、安定した急速
充電動作を実現することができる。また、分割されたコ
ンデンサＣ１〜Ｃｎを並列接続することにより、充電コ
ンデンサ３１の容量を増大して負荷６０に供給される電
気エネルギーの供給能力を向上させることができる。

【００５５】次いで、上述した実施形態に係る電源装置
を内蔵した携帯機器の筐体構造について、図面を参照し
て説明する。図５は、本実施形態に係る電源装置を内蔵
した携帯機器の筐体構造を示す概略構成図である。図５
に示すように、本実施形態に係る電源装置を内蔵した携
帯機器の筐体構造は、筐体７０の内部に、大別して、携
帯機器の主要な機能部を駆動制御するプリント基板７１
と、プリント基板７１に直接半田付けや圧着、プリント
配線等により電気的に接続された電源装置（電源ユニッ
ト）ＰＳと、表示機能を実現するための負荷としての表
示部６０Ａと、を備えて構成されている。

【００５６】ここで、電源装置ＰＳは、上述した充電回
路２０やレギュレータ回路５０等からなる充放電制御部
ＰＲＯ、及び、コンデンサ型蓄電池３０や化学二次電池
４０が一体的に構成されたモジュール構造を有し、携帯
機器の筐体７０内部に固定的に実装されている。また、
電源装置ＰＳは、コネクタＣＯＮ等を介して、所定の充
電電圧を供給する外部電源（図示を省略）と接続可能な
ように構成されている。

【００５７】すなわち、上述したように、本実施形態に
係る電源装置によれば、コンデンサ型蓄電池３０と化学
二次電池４０を備え、充放電特性に優れたコンデンサ型
蓄電池３０への充放電動作を、化学二次電池４０に優先
して行うことにより、化学二次電池４０における繰り返
し充放電による特性劣化を抑制して耐用寿命を大幅に長
期化することができるので、携帯機器に搭載される電源
装置ＰＳの交換頻度又は取り出し頻度を大幅に抑制する
ことができる。

【００５８】したがって、上述した充電回路２０やレギ
ュレータ回路５０等からなる充放電制御部ＰＲＯ、及
び、コンデンサ型蓄電池３０や化学二次電池４０をモジ
ュール化して携帯機器の内部に固定的に実装することが
可能となるので、電源装置ＰＳと携帯機器の他の機能部
（例えば、演算機能部、表示制御部等）との電気的な接
続構造を簡素化又は固定化して、接続不良の発生を抑制
することができ、製品の信頼性を向上することができ
る。さらに、電気的な接点やコネクタ等が削減されると
ともに、筐体構造を簡素化することができるので、部品
点数の削減や製造コストの削減を図ることができる。

【００５９】なお、上述した実施形態においては、電源
装置ＰＳへの充電動作に際し、化学二次電池４０に優先
して、コンデンサ型蓄電池３０のみを選択して充電する
構成及び制御について説明したが、本発明は、これに限
定されるものではなく、コンデンサ型蓄電池３０及び化
学二次電池４０に対して同時に充電動作を実行するもの
であってもよい。この場合、充電回路２０から同時に電
気エネルギーがコンデンサ型蓄電池３０及び化学二次電
池４０に対して供給された場合であっても、コンデンサ
型蓄電池３０が化学二次電池４０に比較して高い急速充
電特性（充放電特性）を有しているので、実質的に、化
学二次電池４０よりも速くコンデンサ型蓄電池３０を充
電することができる。したがって、上述した実施形態と
同様の作用効果を得ることができる。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る電源
装置によれば、電気・電子機器（例えば、携帯機器）の
駆動用の電源装置として、各々異なる充放電特性を有す
る第１の電池と第２の電池とを備え、第２の電池に比較
して、上記充放電特性に優れた（充電所要時間が短く、
かつ、繰り返し充放電による特性劣化が少ない）第１の
電池に充電された電気エネルギーを、第２の電池に先立
って、電気・電子機器に供給するとともに、外部電源か
ら供給される電気エネルギーを、第２の電池に先立っ
て、第１の電池に充電することにより、第１の電池によ
る充放電動作の比率を増大させることができるので、電
源装置に充電された電気エネルギーの一部を放電する浅
い充放電深度の充放電操作を繰り返し行った場合、電源
装置における電気エネルギーの充放電動作のほとんど
が、急速充電が可能で、かつ、耐用寿命の長いコンデン
サ型の第１の電池に対して行われることになり、電源装
置として化学二次電池のみを備えた構成に比較して、充
電所要時間を大幅に短縮することができる。

【００６１】また、化学二次電池からなる第２の電池に
よる充放電動作の比率を相対的に減少させることができ
るとともに、第２の電池における充放電深度を浅くする
ことができるので、第２の電池の繰り返し充放電に伴う
充放電特性の劣化を大幅に抑制し、耐用寿命を長期化す
ることができる。したがって、第２の電池を含む電源装
置の交換頻度が大幅に抑制、あるいは、交換が不要とな
るので、本発明に係る電源装置を搭載した電気・電子機
器の筐体構造を簡略化して、部品点数の削減や製造コス
トの削減を図ることができるとともに、電源装置と電気
・電子機器との電気的な接続構造を固定化して、接続不
良の発生を抑制し、製品の信頼性を向上することができ
る。

【００６２】また、第１及び第２の電池に対する充放電
動作の優先順位は、第１の電池における電気エネルギー
の残量又は充電量に基づいて設定されることにより、第
１の電池の充電電圧（電気エネルギー残量）が所定の基
準電圧に達するまで、最初に第１の電池に充電された電
気エネルギーが放電され、また、第１の電池の充電電圧
（電気エネルギー充電量）が所定の基準電圧に達するま
で、最初に第１の電池に電気エネルギーが充電されるの
で、充放電特性に優れたコンデンサ型の第１の電池によ
る充放電動作の比率を増大させるように適切に設定制御
することができ、充電所要時間の短縮及び耐用寿命の長
期化を良好に実現することができる。

【００６３】また、上記第１の電池は、複数のコンデン
サ、又は、複数のコンデンサを積層した複数のコンデン
サスタックを備え、充電動作又は放電動作に対応して、
複数のコンデンサ、又は、複数のコンデンサスタックを
構成するコンデンサ相互が、直列又は並列に接続状態が
切り換え制御され、充電動作時には、複数のコンデン
サ、又は、各コンデンサスタック相互を直列に接続する
ことにより、コンデンサ型蓄電池の容量値が見かけ上、
大幅に低減されるので、充電時間を大幅に短縮すること
ができ、また、放電動作時には、複数のコンデンサ、又
は、複数のコンデンサスタックを構成する各層毎のコン
デンサ相互を並列に接続することにより、コンデンサ型
蓄電池の容量値が増大されるので、負荷に対する駆動能
力を向上させつつ、各コンデンサ、又は、各コンデンサ
スタックの両端電圧（コンデンサ電圧）を相互に均一化
して、負荷に電気エネルギーを供給することができる。

【００６４】さらに、上述した電源装置の構成により、
第２の電池を含む電源装置の交換頻度が大幅に抑制、あ
るいは、交換が不要となり、第１及び第２の電池、充放
電制御回路等をモジュール化して電気・電子機器に固定
的に内蔵することができるので、電源装置と電気・電子
機器との電気的な接続構造を良好に固定化して、接続不
良の発生を大幅に抑制することができる。

【００６５】そして、本発明に係る電源装置の充放電方
法は、異なる充放電特性を有するコンデンサ型の第１の
電池と化学二次電池からなる第２の電池とを備えた電気
・電子機器の駆動用の電源装置において、第２の電池に
比較して、充放電特性に優れた（充電所要時間が短く、
かつ、繰り返し充放電による特性劣化が少ない）第１の
電池に充電された電気エネルギーを、第２の電池に先立
って、電気・電子機器に供給するとともに、外部電源か
ら供給される電気エネルギーを、第２の電池に先立っ
て、第１の電池に充電するように制御されるので、電源
装置における電気エネルギーの充放電動作のほとんど
が、急速充電が可能で、かつ、耐用寿命の長い第１の電
池に対して行われることになり、充電所要時間を大幅に
短縮することができる。また、第２の電池による充放電
動作の比率を相対的に減少させることができるので、第
２の電池の繰り返し充放電に伴う充放電特性の劣化を大
幅に抑制し、耐用寿命を長期化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電源装置の一実施形態を示す概略
構成図である。

【図２】本実施形態に係る電源装置の充放電動作の一例
を示すタイミングチャートである。

【図３】本発明に適用されるコンデンサ型蓄電池の一構
成例を示す回路構成図である。

【図４】本実施形態に適用されるコンデンサ型蓄電池の
充電動作を示すタイミングチャートである。

【図５】本実施形態に係る電源装置を適用した携帯機器
の一例を示す概略構成図である。

【図６】従来技術における電源装置を示す概略構成図で
ある。

【符号の説明】

１０商用電源２０充電回路３０コンデンサ型蓄電池３１電圧モニタ回路４０化学二次電池５０レギュレータ回路６０負荷７０筐体ＳＷＣ充電スイッチＳＷＤ放電スイッチＳＷＥ電源切換スイッチＰＳ電源装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5G003 AA01 BA04 BA05 DA07 DA18 EA06 5H030 AS11 BB01 BB21 BB22 BB26 FF41 FF43 FF44

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気・電子機器を駆動させるための電源
装置において、電気エネルギーを充放電する際に、所定の充放電特性を
有するコンデンサ型の第１の電池と、前記第１の電池に比較して、充放電特性が劣る化学二次
電池からなる第２の電池と、少なくとも、前記電気・電子機器を駆動する際に、前記
第２の電池に優先して前記第１の電池に充電された電気
エネルギーを前記電気・電子機器に供給するように、前
記第１及び第２の電池を設定制御する充放電制御回路
と、を備えたことを特徴とする電源装置。
【請求項２】前記充放電制御回路は、外部電源から供
給される前記電気エネルギーを前記第１及び第２の電池
に充電する際に、前記第２の電池に優先して前記第１の
電池に充電するように、前記第１及び第２の電池を設定
制御することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項３】前記充放電制御回路は、外部電源から供
給される前記電気エネルギーを前記第１及び第２の電池
に充電する際に、前記第１の電池及び第２の電池電源に
対して同時に充電するように、前記第１及び第２の電池
を設定制御することを特徴とする請求項１記載の電源装
置。
【請求項４】前記充放電制御回路は、前記第１の電池
に充電される前記電気エネルギーを充電電圧として検出
し、該充電電圧と所定の基準電圧との比較に基づいて、
前記第１及び第２の電池に対して前記電気エネルギーを
充電又は放電する際の優先順位を設定制御することを特
徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電源装置。
【請求項５】前記第１の電池は、複数のコンデンサ、
又は、複数のコンデンサを積層した複数のコンデンサス
タックを備え、前記外部電源から供給される電気エネルギーを前記第１
の電池に充電する際には、前記複数のコンデンサ、又
は、前記複数のコンデンサスタック相互を直列に接続
し、前記第１の電池から前記電気エネルギーを放電する際に
は、前記複数のコンデンサ、又は、前記複数のコンデン
サスタックを構成する各層毎の前記コンデンサ相互を並
列に接続するように切り換え制御されることを特徴とす
る請求項１乃至４のいずれかに記載の電源装置。
【請求項６】少なくとも、前記第１及び第２の電池並
びに前記充放電制御回路をモジュール化して一体的に形
成し、前記電気・電子機器の内部に固定的に実装したこ
とを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電源
装置。
【請求項７】電気・電子機器を駆動させるための電源
装置の充放電方法において、前記電気・電子機器を駆動する際に、電気エネルギーを
充放電する際の充放電特性に優れたコンデンサ型の第１
の電池に充電された電気エネルギーを、前記第１の電池
よりも前記充放電特性が劣る化学二次電池からなる第２
の電池に優先して前記電気・電子機器に供給することを
特徴とする電源装置の充放電方法。
【請求項８】外部電源から供給される前記電気エネル
ギーを前記第１及び第２の電池に充電する際に、前記第
２の電池に優先して前記第１の電池に充電するようにし
たことを特徴とする請求項７記載の電源装置の充放電方
法。