JP2004312867A - 電池用電源回路および電池パック - Google Patents
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Abstract
【課題】携帯端末機器の使用中に動作終了警告が表示された時に、その警告表示が充放電サイクル劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での使用によるものと考えられ、早急に機器の継続動作が必要な場合において、非常的に機器の駆動を可能とする電池用電源回路および電池パックを提供する。
【解決手段】電池１の放電電圧が駆動する機器の動作下限電圧より低くなる時は、昇圧手段により電池用電源回路の出力電圧を機器の動作下限電圧より高くなるようにして機器を駆動し、かつ電池１の放電終止の検出手段として、単位時間あたりの電池電圧の電圧降下量により放電終止の検出を行い、かつ出力部に大きな静電容量を持つ電気二重層キャパシタを設置する電池用電源回路とする。
【選択図】 図１
【解決手段】電池１の放電電圧が駆動する機器の動作下限電圧より低くなる時は、昇圧手段により電池用電源回路の出力電圧を機器の動作下限電圧より高くなるようにして機器を駆動し、かつ電池１の放電終止の検出手段として、単位時間あたりの電池電圧の電圧降下量により放電終止の検出を行い、かつ出力部に大きな静電容量を持つ電気二重層キャパシタを設置する電池用電源回路とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池パック及び電池用電源回路に関し、特に携帯用端末機器などで使用される電池用電源回路および電池パックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に関する従来技術としては、特許文献１に、主電源の電圧が低下すると、非常時と判断しスイッチ動作により補充電源の電圧を付加して、非常的に負荷動作を行う事が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１７５８４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明に関する従来技術の問題点は、電源が電池である場合に、以下の理由により安全性向上の観点から改良の余地がある。その理由として、電源が電池で構成されているときに、主電源と補充電源のように放電深度の異なる電池を直列接続させる場合、電池が逆方向に充電され、ニッケル・カドミウム二次電池などでは、転極現象により電池の極性が逆になり、発熱などの不具合が発生する可能性がある。
【０００５】
本発明の目的は、携帯端末機器などで使用される電池パック及び電池用電源回路において、電池の放電特性劣化や電池の周囲が低温環境となるときに発生する放電電圧の低下現象により、前記携帯端末機器の動作時間が極端に短くなる場合において、前記携帯端末機器を非常的に駆動して、携帯端末機器の動作時間を延長する電池用電源回路および電池パックを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、電池と、前記電池の制御を行う回路とを備えた電池パック及び電池用電源回路において、電池の放電電圧が駆動する機器の動作下限電圧より低くなる時は、昇圧手段により電池パック及び電池用電源回路の出力電圧を機器の動作下限電圧より高くなるようにして機器を駆動し、かつ電池の放電終止の検出手段として、単位時間あたりの電池電圧の電圧降下量により放電終止の検出を行うもので、かつ出力部に大きな静電容量を持つ電気二重層キャパシタを設置する。
【０００７】
現在、携帯端末機器の電源には主に電池が使用されており、以下の構造となっている。前記携帯端末機器と電池とを接続するために、電池をプラスチックケースなどでパック化して電池と前記携帯端末機器を嵌め合わせる構造となっており、一般的に電池パックと言う名称で通用している。また前記電池パックは、電池を制御するための回路を搭載できる構造となっている。
【０００８】
前記電池は大別して、１回使用限りの一次電池と充電動作をさせることで繰り返し使用できる二次電池とがある。二次電池において、充放電サイクル回数を多数回行うと電池の内部抵抗の増加現象により、放電電圧曲線が、新品時よりも低い電圧に推移する現象が起こる。また、一次電池及び二次電池において、電池の周囲温度が零下となるような低温環境となるとき、放電電圧曲線が、常温時よりも低い電圧に推移する現象が起こる。
【０００９】
一般的に携帯端末機器は、電源電圧に関して動作を保証する電圧範囲があり、前記電圧範囲について上限値および下限値が設定されている。前記上限値については、電源に使用される電池の新品時または満充電時の起電力以上の値に設定されている。
【００１０】
前記下限値については、電池の放電特性を鑑みて設定されており、一般的には電池がフレッシュであり、かつ常温条件において、前記携帯端末機器を長時間駆動できる条件が設定されている。
【００１１】
このように前記電源電圧の動作保証範囲が設定されていることにより、充放電サイクル回数を多数回行うことにより特性劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での使用において、電池のフレッシュ時や常温時と比べて放電特性が変化することにより、前記携帯端末機器の駆動時間が著しく低下する場合がある。
【００１２】
このため充放電サイクル劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での使用において、前記携帯端末機器の駆動を非常的に行う手段として、電池の放電電圧が駆動する機器の動作下限電圧より低くなる時は、昇圧手段により電池パック及び電池用電源回路の出力電圧を機器の動作下限電圧より高くなるようにして機器を駆動し、かつ電池の放電終止の検出手段として、単位時間あたりの電池電圧の電圧降下量により放電終止の検出を行うもので、かつ出力部に大きな静電容量を持つ電気二重層キャパシタを設置する。
【００１３】
前記手段の動作を以下に説明する。前記携帯端末機器の動作終了警告が表示された時に、その警告表示が充放電サイクル劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での使用によるものと考えられ、早急に機器の継続動作が必要な場合において、非常的に動作を行うための外部制御信号を機器の操作者が発信する。
【００１４】
前記携帯端末機器は、前記外部制御信号の受信により、電池電圧の検出動作を行う。前記検出動作により、電池電圧が前記携帯端末機器の動作下限電圧近傍の予め設定された閾値より高いことを検出した場合、スイッチ手段は電池と出力端子（正極）とを接続し、電池パック及び電池用電源回路の出力電圧は電池電圧と等しくなる。この時、放電制御回路は、前記充放電サイクル劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での使用の状況ではないことを判定している。
【００１５】
また、電池電圧が前記携帯端末機器の動作下限電圧近傍の予め設定された閾値より低いことを検出した場合、電池を前記携帯端末機器の動作可能な電圧に上昇させる昇圧手段へスイッチ手段により接続する。この時、放電制御回路は、前記充放電サイクル劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での使用の状況であると判定している。
【００１６】
前記昇圧手段を介することにより、電池パック及び電池用電源回路の出力電圧での前記携帯端末機器は非常的に動作可能となる。充放電サイクル劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での電池の放電終止を検出するために、電池の放電曲線の非線形性を利用する。電池の放電電圧特性は、連続した同一の負荷において、放電末期と放電初期から中期とで単位時間における電池電圧の電圧降下量が異なる。
【００１７】
特に、放電末期における前記電圧降下量は放電初期から中期にかけての降下量より大きくなる傾向がある。これにより予め設定した単位時間あたりの電圧降下量を閾値として、それ以上に大きい電圧降下が検出される場合は、放電終止状態であることを判定する。前記放電状態判定手段の動作により放電終止状態であると判定するとスイッチ手段により、電池が昇圧手段を介さずに電池パック及び電池用電源回路の出力端子と接続し、かつ前記携帯端末機器は動作終了警告を表示する動作を示す。電池パック及び電池用電源回路の出力部には電気二重層キャパシタからなる電力貯蔵部が設置してある。
【００１８】
前記電力貯蔵部は、第１に前記昇圧手段の動作時において、前記携帯端末機器の負荷が、通信動作などの重負荷状態となる時に大きな静電容量を持つ電気二重層キャパシタが放電を行うことで出力電圧の平滑化の動作を行い、第２に前記スイッチ手段の動作時において、接点が切り替わる際の電池と出力端子との瞬間的な切断状態において、電源をバックアップするための動作を行う。
【００１９】
また、前記手段の働きにより、従来技術の放電深度の異なる電池の直列接続により安全性が損なわれるという問題点については、出力電圧を上げるために昇圧手段を用いるため、放電深度の異なる電池を直列接続する必要が無いので従来技術の問題点を解決できる。
【００２０】
即ち、本発明は、電池から負荷への電気エネルギの伝達の制御を行う電池用電源回路であって、前記電池用電源回路は、前記電池の電圧を検出する電池電圧検出回路と、放電制御回路と、出力電圧検出回路と、昇圧回路と、前記電池の正極を、出力端子か昇圧回路の入力部かのいずれかに切り換えるスイッチ回路と、出力部に配置された電力貯蔵部とで構成され、前記電池の放電電圧が、駆動する機器の動作下限電圧より低くなる時は、昇圧手段により電池用電源回路の出力電圧を機器の動作下限電圧より高くなるようにして機器を駆動する電池用電源回路である。
【００２１】
また、本発明は、電池から負荷への電気エネルギの伝達の制御を行う電池用電源回路であって、前記電池用電源回路は、前記電池の電圧を検出する電池電圧検出回路と、制御回路と、出力電圧検出回路と、昇圧回路と、インダクタと、複数のスイッチング素子と、出力部に配置された電力貯蔵部とで構成され、前記電池の放電電圧が、駆動する機器の動作下限電圧より低くなる時は、昇圧手段により電池用電源回路の出力電圧を機器の動作下限電圧より高くなるようにして機器を駆動する電池用電源回路である。
【００２２】
また、本発明は、前記電池用電源回路において、電池の放電終止の検出手段として、単位時間あたりの電池電圧の電圧降下量により放電終止の検出を行う電池用電源回路である。
【００２３】
また、本発明は、前記電池用電源回路において、前記電力貯蔵部は、大きな静電容量を持つ電気二重層キャパシタである電池用電源回路である。
【００２４】
また、本発明は、前記電池用電源回路と、電池と、ケースとで構成された電池パックである。
【００２５】
また、本発明は、前記電池は、一次電池または二次電池とする電池パックである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による電池用電源回路および電池パックについて、以下に説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１による電池用電源回路について図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
図１に、本発明の電池パックの電池用電源回路の回路ブロック図を示す。図１より、電池１の電池正極２には、電池電圧検出回路４の一端及びスイッチ回路５の接点ｃが接続されている。電池電圧検出回路４の他端は、電池負極３に接続されており、電池負極３は接地されている。電池電圧検出回路４の信号線４１は、放電制御回路６に接続されており、放電制御回路６の信号線６１は、スイッチ回路５に接続されている。
【００２９】
スイッチ回路５の接点ａは、昇圧回路７の出力部７１及び出力端子（正極）１０及び電力貯蔵部８の一端及び出力電圧検出回路９の一端に接続されている。スイッチ回路５の接点ｂは、昇圧回路７の入力部７２に接続されている。電力貯蔵部８の他端は、出力端子（負極）１１及び電池負極３及び出力電圧検出回路９の他端に接続されている。出力電圧検出回路９の信号線９１は、昇圧回路７に接続されている。
【００３０】
図１に示す本発明の電池パック及び電池用電源回路の構成について詳細に説明する。電池１は、１回使用限りの一次電池または充電動作をさせることで繰り返し使用できる二次電池により構成されている。電池正極２は、電池１の正極端子が接続される構成となっている。電池負極３は、電池１の負極端子が接続される構成となっている。電池電圧検出回路４は、電池１の電圧計測を定期的に行う構成となっており、計測した結果を信号線４１を介して放電制御回路６に伝達する。スイッチ回路５は、接点ａ、接点ｂ、接点ｃの３つの接点により構成されており、接点ｃが接点ａまたは接点ｂとトランスファー動作により接続できる構成となっており、放電制御回路６から信号が伝達されないときは、接点ｃと接点ａとが接続する構成となっている。
【００３１】
放電制御回路６は、電池電圧検出回路４により伝達された電池１の電圧値と携帯端末機器の動作下限電圧近傍の予め設定された閾値電圧との比較行い、かつ機器の操作者により発信される制御信号により、前記電圧値の比較結果を信号線６１を介してスイッチ回路５に信号を伝達する。
【００３２】
昇圧回路７は、スイッチング型のＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータ回路で構成されおり、出力電圧検出回路９で検出される電圧値が、機器の動作下限電圧より高い予め設定された電圧値で一定となるような回路制御を行う構成となっている。
【００３３】
電力貯蔵部８は、１０ｍＦ以上の大きな静電容量を持つ電気二重層キャパシタで構成されており、昇圧回路７の動作時においては、出力電圧の平滑動作を行い、かつスイッチ回路５の動作時においては、電池正極２と出力端子（正極）１０との瞬間的な切断状態において、出力端子（正極）１０の電圧降下が起きないような構成となっている。出力電圧検出回路９は、昇圧回路７が動作しているときに出力電圧のフィードバック制御を行うための電圧検出回路を構成している。出力端子（正極）１０及び出力端子（負極）１１は、携帯端末機器への電源供給端子を構成している。
【００３４】
次に、本発明の動作について図面を参照して詳細に説明する。図２に、携帯端末機器を連続駆動した時の電池の放電特性を示す。図２は、一次電池が新品である場合、または二次電池が満充電されている場合において、負荷である携帯端末機器を連続駆動した時の電池の放電特性を模式的に図示したものである。
【００３５】
電池がフレッシュな状態であり、かつ常温環境である場合は、前記負荷を連続駆動すると電池電圧は高い電圧を保持しながら放電が進行しており、電池の放電末期で急激に電圧降下する放電曲線を描く。このとき電池の放電末期での電圧と、負荷である携帯端末機器の動作下限電圧は、マッチングしており、機器の連続動作時間はＬ１となる。
【００３６】
一方、充放電サイクル劣化や低温環境下で前記負荷を連続駆動したときの放電曲線は、電池がフレッシュな状態であり、かつ常温環境である場合と比較して、低い電圧であり、かつ傾斜を持って放電が進行するような放電曲線を描く。このとき電池の放電初期または中期くらいで、負荷である携帯端末機器の動作下限電圧に到達してしまうため、機器の連続動作時間はＬ１より大幅に短時間となるＬ２またはＬ３となる。
【００３７】
図３に、本発明の電池パック及び電池用電源回路の出力特性を示す。図３は、本発明の電池パック及び電池用電源回路により、図２に示す低温環境下で前記負荷を連続駆動したときの電池の放電特性及び出力特性を模式的に図示したものである。電池の放電特性を破線で示し、本発明の電池パック及び電池用電源回路の出力特性を実線で示している。
【００３８】
図１に示す本発明の電池パック及び電池用電源回路の回路ブロックの動作について図３を用いて説明する。電池電圧検出回路４が、携帯端末機器の動作下限電圧近傍の予め設定された閾値電圧ＶＯＰ（昇圧回路の動作開始電圧と同様）より高い電圧を検出している時は、放電制御回路６から信号は伝達されないので、スイッチ回路５の接点ｃは接点ａと接続しており、出力端子（正極）１０と出力端子（負極）１１との間には電池１の電圧が出力される。
【００３９】
電池１の放電が進行し、電池電圧検出回路４が、携帯端末機器の動作下限電圧近傍の予め設定された閾値電圧ＶＯＰ（昇圧回路の動作開始電圧と同様）の電圧を検出し、かつ機器の操作者が早急に機器の継続動作が必要な場合において、非常的に動作を行うための制御信号を発信した時には、放電制御回路６は、スイッチ回路５の接点ｃと接点ｂとの接続動作を行う信号を伝達する。
【００４０】
スイッチ回路５の接点ｃと接点ｂとの接続により昇圧回路７が動作を開始するので、出力端子（正極）１０と出力端子（負極）１１との間には昇圧回路７の昇圧動作により、機器の動作下限電圧ＶＬより高い出力電圧を発生することで、機器を駆動する。前記昇圧回路７の動作においては、機器が通信動作などの重負荷状態となる時に電力貯蔵部８により、出力電圧の平滑化を行う。
【００４１】
更に、電池１の放電が進行し、電池電圧検出回路４により、予め設定した単位時間（Δｔ）あたりの電圧降下量（−ΔＶＢ）を閾値として、それ以上に大きい電圧降下が検出される場合は、放電終止状態であることを判定する方法により、例えば電池電圧ＶＥのときに放電終止と判定されるとすると、放電制御回路６は信号を伝達しない動作となり、スイッチ回路５の接点ｃは接点ａと接続するので、出力端子（正極）１０と出力端子（負極）１１との間には電池１の電圧が出力され、かつ携帯端末機器は動作終了警告を表示する動作を示す。
【００４２】
前記スイッチ回路５の動作においては、接点が切り替わる際の電池と出力端子との瞬間的な切断状態において、電力貯蔵部８により電源のバックアップ動作を行う。ここで、電力貯蔵部８は、電気二重層キャパシタが使用される。以上の本発明の電池パック及び電池用電源回路の動作により、低温環境下で前記負荷を連続駆動したときの動作時間が、非常的にＬ３からＬ４へ時間延長することが可能となる。
【００４３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２による電池用電源回路について図面を参照して詳細に説明する。図４に、本発明の実施の形態２による電池パックの電池用電源回路の回路ブロック図を示す。図４より、点線で示す昇圧回路７は、同期整流方式のスイッチング型ＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータにより構成されており、同期整流方式ＤＣ−ＤＣコンバータ制御回路と図１に示す放電制御回路６との機能を組み合わせた制御回路１２、コイルＬ１３、コンデンサＣ１４、ＭＯＳＦＥＴによるＳｗ１スイッチ１５、ＭＯＳＦＥＴによるＳｗ２スイッチ１６により構成されている。
【００４４】
図１に示すスイッチ回路５の動作をＳｗ１スイッチおよびＳｗ２スイッチの動作の組み合わせにより行うことで、図１と同様の回路動作を行う。図５に、本発明の他の実施例の昇圧回路の動作状態を示す。
【００４５】
図４の回路動作を図３及び図５を用いて説明する。電池電圧検出回路４が、携帯端末機器の動作下限電圧近傍の予め設定された閾値電圧ＶＯＰ（昇圧回路の動作開始電圧と同様）より高い電圧を検出している時は、Ｓｗ１スイッチ１５はオフ状態となり、Ｓｗ２スイッチ１６はオン状態となる。このスイッチ状態の組み合わせにより、出力端子（正極）１０と出力端子（負極）１１との間には電池１の電圧が出力される。
【００４６】
電池１の放電が進行し、電池電圧検出回路４が、携帯端末機器の動作下限電圧近傍の予め設定された閾値電圧ＶＯＰ（昇圧回路の動作開始電圧と同様）の電圧を検出し、かつ機器の操作者が早急に機器の継続動作が必要な場合において、非常的に動作を行うための制御信号を発信した時には、Ｓｗ１スイッチ１５及びＳｗ２スイッチ１６は同期整流方式ＤＣ−ＤＣコンバータ制御回路と図１に示す放電制御回路６との機能を組み合わせた制御回路１２により、同期整流方式によるスイッチング型ＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータ回路の駆動を開始するので、出力端子（正極）１０と出力端子（負極）１１との間には昇圧回路７の昇圧動作により、機器の動作下限電圧ＶＬより高い出力電圧を発生することで、機器を駆動する。
【００４７】
前記昇圧回路７の動作においては、機器が通信動作などの重負荷状態となる時に電力貯蔵部８により、出力電圧の平滑化を行う。更に、電池１の放電が進行し、電圧検出回路４により、予め設定した単位時間（Δｔ）あたりの電圧降下量（−ΔＶＢ）を閾値として、それ以上に大きい電圧降下が検出される場合は、放電終止状態であることを判定する方法により、例えば電池電圧ＶＥのときに放電終止と判定されるとすると、Ｓｗ１スイッチ１５はオフ状態となり、Ｓｗ２スイッチ１６はオン状態となる。このスイッチ状態の組み合わせにより、出力端子（正極）１０と出力端子（負極）１１との間には電池１の電圧が出力され、かつ携帯端末機器は動作終了警告を表示する動作を示す。
【００４８】
前記スイッチ回路５の動作においては、接点が切り替わる際の電池と出力端子との瞬間的な切断状態において、電力貯蔵部８により電源のバックアップ動作を行う。以上の本発明の電池パック及び電池用電源回路の動作により、低温環境下で前記負荷を連続駆動したときの動作時間が、非常的に図３に示すＬ３からＬ４（Ｌ３’）へ時間延長することが可能となる。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の電池パック及び電池用電源回路により、本発明の効果は、携帯端末機器の使用中に動作終了警告が表示された時に、その警告表示が充放電サイクル劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での使用によるものと考えられ、早急に機器の継続動作が必要な場合において、非常的に機器を駆動できることである。
【００５０】
その理由は、一般的に携帯端末機器は、電源電圧に関して動作を保証する電圧範囲があり、前記電圧範囲について上限値および下限値が設定されている。前記上限値については、電源に使用される電池の新品時または満充電時の起電力以上の値に設定されている。前記下限値については、電池の放電特性を鑑みて設定されており、一般的には電池がフレッシュであり、かつ常温条件において、前記携帯端末機器を長時間駆動できる条件が設定されている。
【００５１】
このように前記電源電圧の動作保証範囲が設定されていることにより、充放電サイクル回数を多数回行うことにより特性劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での使用において、電池のフレッシュ時や常温時と比べて放電特性が変化することにより、前記携帯端末機器の駆動時間が著しく低下する場合がある。
【００５２】
このため充放電サイクル劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での使用において、前記携帯端末機器の駆動を非常的に行う手段として、電池の放電電圧が駆動する機器の動作下限電圧より低くなる時は、昇圧手段により電池パック及び電池用電源回路の出力電圧を機器の動作下限電圧より高くなるようにして機器を駆動し、かつ電池の放電終止の検出手段として、単位時間あたりの電池電圧の電圧降下量により放電終止の検出を行うもので、かつ出力部に大きな静電容量を持つ電気二重層キャパシタを設置したからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による電池パックの電池用電源回路の回路ブロック図。
【図２】携帯端末機器を連続駆動した時の電池の放電特性を示す図。
【図３】本発明の電池パックの電池用電源回路の出力特性を示す図。
【図４】本発明の実施の形態２による電池パックの電池用電源回路の回路ブロック図。
【図５】本発明の他の実施例の昇圧回路の動作状態を示す図。
【符号の説明】
１ 電池
２ 電池正極
３ 電池負極
４ 電池電圧検出回路
４１ 信号線
５ スイッチ回路
６ 放電制御回路
６１ 信号線
７ 昇圧回路
８ 電力貯蔵部
９ 出力電圧検出回路
９１ 信号線
１０ 出力端子（正極）
１１ 出力端子（負極）
１２ 制御回路
１３ コイルＬ
１４ コンデンサＣ
１５ Ｓｗ１スイッチ
１６ Ｓｗ２スイッチ
７１ 出力部
７２ 入力部
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池パック及び電池用電源回路に関し、特に携帯用端末機器などで使用される電池用電源回路および電池パックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に関する従来技術としては、特許文献１に、主電源の電圧が低下すると、非常時と判断しスイッチ動作により補充電源の電圧を付加して、非常的に負荷動作を行う事が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１７５８４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明に関する従来技術の問題点は、電源が電池である場合に、以下の理由により安全性向上の観点から改良の余地がある。その理由として、電源が電池で構成されているときに、主電源と補充電源のように放電深度の異なる電池を直列接続させる場合、電池が逆方向に充電され、ニッケル・カドミウム二次電池などでは、転極現象により電池の極性が逆になり、発熱などの不具合が発生する可能性がある。
【０００５】
本発明の目的は、携帯端末機器などで使用される電池パック及び電池用電源回路において、電池の放電特性劣化や電池の周囲が低温環境となるときに発生する放電電圧の低下現象により、前記携帯端末機器の動作時間が極端に短くなる場合において、前記携帯端末機器を非常的に駆動して、携帯端末機器の動作時間を延長する電池用電源回路および電池パックを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、電池と、前記電池の制御を行う回路とを備えた電池パック及び電池用電源回路において、電池の放電電圧が駆動する機器の動作下限電圧より低くなる時は、昇圧手段により電池パック及び電池用電源回路の出力電圧を機器の動作下限電圧より高くなるようにして機器を駆動し、かつ電池の放電終止の検出手段として、単位時間あたりの電池電圧の電圧降下量により放電終止の検出を行うもので、かつ出力部に大きな静電容量を持つ電気二重層キャパシタを設置する。
【０００７】
現在、携帯端末機器の電源には主に電池が使用されており、以下の構造となっている。前記携帯端末機器と電池とを接続するために、電池をプラスチックケースなどでパック化して電池と前記携帯端末機器を嵌め合わせる構造となっており、一般的に電池パックと言う名称で通用している。また前記電池パックは、電池を制御するための回路を搭載できる構造となっている。
【０００８】
前記電池は大別して、１回使用限りの一次電池と充電動作をさせることで繰り返し使用できる二次電池とがある。二次電池において、充放電サイクル回数を多数回行うと電池の内部抵抗の増加現象により、放電電圧曲線が、新品時よりも低い電圧に推移する現象が起こる。また、一次電池及び二次電池において、電池の周囲温度が零下となるような低温環境となるとき、放電電圧曲線が、常温時よりも低い電圧に推移する現象が起こる。
【０００９】
一般的に携帯端末機器は、電源電圧に関して動作を保証する電圧範囲があり、前記電圧範囲について上限値および下限値が設定されている。前記上限値については、電源に使用される電池の新品時または満充電時の起電力以上の値に設定されている。
【００１０】
前記下限値については、電池の放電特性を鑑みて設定されており、一般的には電池がフレッシュであり、かつ常温条件において、前記携帯端末機器を長時間駆動できる条件が設定されている。
【００１１】
このように前記電源電圧の動作保証範囲が設定されていることにより、充放電サイクル回数を多数回行うことにより特性劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での使用において、電池のフレッシュ時や常温時と比べて放電特性が変化することにより、前記携帯端末機器の駆動時間が著しく低下する場合がある。
【００１２】
このため充放電サイクル劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での使用において、前記携帯端末機器の駆動を非常的に行う手段として、電池の放電電圧が駆動する機器の動作下限電圧より低くなる時は、昇圧手段により電池パック及び電池用電源回路の出力電圧を機器の動作下限電圧より高くなるようにして機器を駆動し、かつ電池の放電終止の検出手段として、単位時間あたりの電池電圧の電圧降下量により放電終止の検出を行うもので、かつ出力部に大きな静電容量を持つ電気二重層キャパシタを設置する。
【００１３】
前記手段の動作を以下に説明する。前記携帯端末機器の動作終了警告が表示された時に、その警告表示が充放電サイクル劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での使用によるものと考えられ、早急に機器の継続動作が必要な場合において、非常的に動作を行うための外部制御信号を機器の操作者が発信する。
【００１４】
前記携帯端末機器は、前記外部制御信号の受信により、電池電圧の検出動作を行う。前記検出動作により、電池電圧が前記携帯端末機器の動作下限電圧近傍の予め設定された閾値より高いことを検出した場合、スイッチ手段は電池と出力端子（正極）とを接続し、電池パック及び電池用電源回路の出力電圧は電池電圧と等しくなる。この時、放電制御回路は、前記充放電サイクル劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での使用の状況ではないことを判定している。
【００１５】
また、電池電圧が前記携帯端末機器の動作下限電圧近傍の予め設定された閾値より低いことを検出した場合、電池を前記携帯端末機器の動作可能な電圧に上昇させる昇圧手段へスイッチ手段により接続する。この時、放電制御回路は、前記充放電サイクル劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での使用の状況であると判定している。
【００１６】
前記昇圧手段を介することにより、電池パック及び電池用電源回路の出力電圧での前記携帯端末機器は非常的に動作可能となる。充放電サイクル劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での電池の放電終止を検出するために、電池の放電曲線の非線形性を利用する。電池の放電電圧特性は、連続した同一の負荷において、放電末期と放電初期から中期とで単位時間における電池電圧の電圧降下量が異なる。
【００１７】
特に、放電末期における前記電圧降下量は放電初期から中期にかけての降下量より大きくなる傾向がある。これにより予め設定した単位時間あたりの電圧降下量を閾値として、それ以上に大きい電圧降下が検出される場合は、放電終止状態であることを判定する。前記放電状態判定手段の動作により放電終止状態であると判定するとスイッチ手段により、電池が昇圧手段を介さずに電池パック及び電池用電源回路の出力端子と接続し、かつ前記携帯端末機器は動作終了警告を表示する動作を示す。電池パック及び電池用電源回路の出力部には電気二重層キャパシタからなる電力貯蔵部が設置してある。
【００１８】
前記電力貯蔵部は、第１に前記昇圧手段の動作時において、前記携帯端末機器の負荷が、通信動作などの重負荷状態となる時に大きな静電容量を持つ電気二重層キャパシタが放電を行うことで出力電圧の平滑化の動作を行い、第２に前記スイッチ手段の動作時において、接点が切り替わる際の電池と出力端子との瞬間的な切断状態において、電源をバックアップするための動作を行う。
【００１９】
また、前記手段の働きにより、従来技術の放電深度の異なる電池の直列接続により安全性が損なわれるという問題点については、出力電圧を上げるために昇圧手段を用いるため、放電深度の異なる電池を直列接続する必要が無いので従来技術の問題点を解決できる。
【００２０】
即ち、本発明は、電池から負荷への電気エネルギの伝達の制御を行う電池用電源回路であって、前記電池用電源回路は、前記電池の電圧を検出する電池電圧検出回路と、放電制御回路と、出力電圧検出回路と、昇圧回路と、前記電池の正極を、出力端子か昇圧回路の入力部かのいずれかに切り換えるスイッチ回路と、出力部に配置された電力貯蔵部とで構成され、前記電池の放電電圧が、駆動する機器の動作下限電圧より低くなる時は、昇圧手段により電池用電源回路の出力電圧を機器の動作下限電圧より高くなるようにして機器を駆動する電池用電源回路である。
【００２１】
また、本発明は、電池から負荷への電気エネルギの伝達の制御を行う電池用電源回路であって、前記電池用電源回路は、前記電池の電圧を検出する電池電圧検出回路と、制御回路と、出力電圧検出回路と、昇圧回路と、インダクタと、複数のスイッチング素子と、出力部に配置された電力貯蔵部とで構成され、前記電池の放電電圧が、駆動する機器の動作下限電圧より低くなる時は、昇圧手段により電池用電源回路の出力電圧を機器の動作下限電圧より高くなるようにして機器を駆動する電池用電源回路である。
【００２２】
また、本発明は、前記電池用電源回路において、電池の放電終止の検出手段として、単位時間あたりの電池電圧の電圧降下量により放電終止の検出を行う電池用電源回路である。
【００２３】
また、本発明は、前記電池用電源回路において、前記電力貯蔵部は、大きな静電容量を持つ電気二重層キャパシタである電池用電源回路である。
【００２４】
また、本発明は、前記電池用電源回路と、電池と、ケースとで構成された電池パックである。
【００２５】
また、本発明は、前記電池は、一次電池または二次電池とする電池パックである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による電池用電源回路および電池パックについて、以下に説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１による電池用電源回路について図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
図１に、本発明の電池パックの電池用電源回路の回路ブロック図を示す。図１より、電池１の電池正極２には、電池電圧検出回路４の一端及びスイッチ回路５の接点ｃが接続されている。電池電圧検出回路４の他端は、電池負極３に接続されており、電池負極３は接地されている。電池電圧検出回路４の信号線４１は、放電制御回路６に接続されており、放電制御回路６の信号線６１は、スイッチ回路５に接続されている。
【００２９】
スイッチ回路５の接点ａは、昇圧回路７の出力部７１及び出力端子（正極）１０及び電力貯蔵部８の一端及び出力電圧検出回路９の一端に接続されている。スイッチ回路５の接点ｂは、昇圧回路７の入力部７２に接続されている。電力貯蔵部８の他端は、出力端子（負極）１１及び電池負極３及び出力電圧検出回路９の他端に接続されている。出力電圧検出回路９の信号線９１は、昇圧回路７に接続されている。
【００３０】
図１に示す本発明の電池パック及び電池用電源回路の構成について詳細に説明する。電池１は、１回使用限りの一次電池または充電動作をさせることで繰り返し使用できる二次電池により構成されている。電池正極２は、電池１の正極端子が接続される構成となっている。電池負極３は、電池１の負極端子が接続される構成となっている。電池電圧検出回路４は、電池１の電圧計測を定期的に行う構成となっており、計測した結果を信号線４１を介して放電制御回路６に伝達する。スイッチ回路５は、接点ａ、接点ｂ、接点ｃの３つの接点により構成されており、接点ｃが接点ａまたは接点ｂとトランスファー動作により接続できる構成となっており、放電制御回路６から信号が伝達されないときは、接点ｃと接点ａとが接続する構成となっている。
【００３１】
放電制御回路６は、電池電圧検出回路４により伝達された電池１の電圧値と携帯端末機器の動作下限電圧近傍の予め設定された閾値電圧との比較行い、かつ機器の操作者により発信される制御信号により、前記電圧値の比較結果を信号線６１を介してスイッチ回路５に信号を伝達する。
【００３２】
昇圧回路７は、スイッチング型のＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータ回路で構成されおり、出力電圧検出回路９で検出される電圧値が、機器の動作下限電圧より高い予め設定された電圧値で一定となるような回路制御を行う構成となっている。
【００３３】
電力貯蔵部８は、１０ｍＦ以上の大きな静電容量を持つ電気二重層キャパシタで構成されており、昇圧回路７の動作時においては、出力電圧の平滑動作を行い、かつスイッチ回路５の動作時においては、電池正極２と出力端子（正極）１０との瞬間的な切断状態において、出力端子（正極）１０の電圧降下が起きないような構成となっている。出力電圧検出回路９は、昇圧回路７が動作しているときに出力電圧のフィードバック制御を行うための電圧検出回路を構成している。出力端子（正極）１０及び出力端子（負極）１１は、携帯端末機器への電源供給端子を構成している。
【００３４】
次に、本発明の動作について図面を参照して詳細に説明する。図２に、携帯端末機器を連続駆動した時の電池の放電特性を示す。図２は、一次電池が新品である場合、または二次電池が満充電されている場合において、負荷である携帯端末機器を連続駆動した時の電池の放電特性を模式的に図示したものである。
【００３５】
電池がフレッシュな状態であり、かつ常温環境である場合は、前記負荷を連続駆動すると電池電圧は高い電圧を保持しながら放電が進行しており、電池の放電末期で急激に電圧降下する放電曲線を描く。このとき電池の放電末期での電圧と、負荷である携帯端末機器の動作下限電圧は、マッチングしており、機器の連続動作時間はＬ１となる。
【００３６】
一方、充放電サイクル劣化や低温環境下で前記負荷を連続駆動したときの放電曲線は、電池がフレッシュな状態であり、かつ常温環境である場合と比較して、低い電圧であり、かつ傾斜を持って放電が進行するような放電曲線を描く。このとき電池の放電初期または中期くらいで、負荷である携帯端末機器の動作下限電圧に到達してしまうため、機器の連続動作時間はＬ１より大幅に短時間となるＬ２またはＬ３となる。
【００３７】
図３に、本発明の電池パック及び電池用電源回路の出力特性を示す。図３は、本発明の電池パック及び電池用電源回路により、図２に示す低温環境下で前記負荷を連続駆動したときの電池の放電特性及び出力特性を模式的に図示したものである。電池の放電特性を破線で示し、本発明の電池パック及び電池用電源回路の出力特性を実線で示している。
【００３８】
図１に示す本発明の電池パック及び電池用電源回路の回路ブロックの動作について図３を用いて説明する。電池電圧検出回路４が、携帯端末機器の動作下限電圧近傍の予め設定された閾値電圧ＶＯＰ（昇圧回路の動作開始電圧と同様）より高い電圧を検出している時は、放電制御回路６から信号は伝達されないので、スイッチ回路５の接点ｃは接点ａと接続しており、出力端子（正極）１０と出力端子（負極）１１との間には電池１の電圧が出力される。
【００３９】
電池１の放電が進行し、電池電圧検出回路４が、携帯端末機器の動作下限電圧近傍の予め設定された閾値電圧ＶＯＰ（昇圧回路の動作開始電圧と同様）の電圧を検出し、かつ機器の操作者が早急に機器の継続動作が必要な場合において、非常的に動作を行うための制御信号を発信した時には、放電制御回路６は、スイッチ回路５の接点ｃと接点ｂとの接続動作を行う信号を伝達する。
【００４０】
スイッチ回路５の接点ｃと接点ｂとの接続により昇圧回路７が動作を開始するので、出力端子（正極）１０と出力端子（負極）１１との間には昇圧回路７の昇圧動作により、機器の動作下限電圧ＶＬより高い出力電圧を発生することで、機器を駆動する。前記昇圧回路７の動作においては、機器が通信動作などの重負荷状態となる時に電力貯蔵部８により、出力電圧の平滑化を行う。
【００４１】
更に、電池１の放電が進行し、電池電圧検出回路４により、予め設定した単位時間（Δｔ）あたりの電圧降下量（−ΔＶＢ）を閾値として、それ以上に大きい電圧降下が検出される場合は、放電終止状態であることを判定する方法により、例えば電池電圧ＶＥのときに放電終止と判定されるとすると、放電制御回路６は信号を伝達しない動作となり、スイッチ回路５の接点ｃは接点ａと接続するので、出力端子（正極）１０と出力端子（負極）１１との間には電池１の電圧が出力され、かつ携帯端末機器は動作終了警告を表示する動作を示す。
【００４２】
前記スイッチ回路５の動作においては、接点が切り替わる際の電池と出力端子との瞬間的な切断状態において、電力貯蔵部８により電源のバックアップ動作を行う。ここで、電力貯蔵部８は、電気二重層キャパシタが使用される。以上の本発明の電池パック及び電池用電源回路の動作により、低温環境下で前記負荷を連続駆動したときの動作時間が、非常的にＬ３からＬ４へ時間延長することが可能となる。
【００４３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２による電池用電源回路について図面を参照して詳細に説明する。図４に、本発明の実施の形態２による電池パックの電池用電源回路の回路ブロック図を示す。図４より、点線で示す昇圧回路７は、同期整流方式のスイッチング型ＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータにより構成されており、同期整流方式ＤＣ−ＤＣコンバータ制御回路と図１に示す放電制御回路６との機能を組み合わせた制御回路１２、コイルＬ１３、コンデンサＣ１４、ＭＯＳＦＥＴによるＳｗ１スイッチ１５、ＭＯＳＦＥＴによるＳｗ２スイッチ１６により構成されている。
【００４４】
図１に示すスイッチ回路５の動作をＳｗ１スイッチおよびＳｗ２スイッチの動作の組み合わせにより行うことで、図１と同様の回路動作を行う。図５に、本発明の他の実施例の昇圧回路の動作状態を示す。
【００４５】
図４の回路動作を図３及び図５を用いて説明する。電池電圧検出回路４が、携帯端末機器の動作下限電圧近傍の予め設定された閾値電圧ＶＯＰ（昇圧回路の動作開始電圧と同様）より高い電圧を検出している時は、Ｓｗ１スイッチ１５はオフ状態となり、Ｓｗ２スイッチ１６はオン状態となる。このスイッチ状態の組み合わせにより、出力端子（正極）１０と出力端子（負極）１１との間には電池１の電圧が出力される。
【００４６】
電池１の放電が進行し、電池電圧検出回路４が、携帯端末機器の動作下限電圧近傍の予め設定された閾値電圧ＶＯＰ（昇圧回路の動作開始電圧と同様）の電圧を検出し、かつ機器の操作者が早急に機器の継続動作が必要な場合において、非常的に動作を行うための制御信号を発信した時には、Ｓｗ１スイッチ１５及びＳｗ２スイッチ１６は同期整流方式ＤＣ−ＤＣコンバータ制御回路と図１に示す放電制御回路６との機能を組み合わせた制御回路１２により、同期整流方式によるスイッチング型ＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータ回路の駆動を開始するので、出力端子（正極）１０と出力端子（負極）１１との間には昇圧回路７の昇圧動作により、機器の動作下限電圧ＶＬより高い出力電圧を発生することで、機器を駆動する。
【００４７】
前記昇圧回路７の動作においては、機器が通信動作などの重負荷状態となる時に電力貯蔵部８により、出力電圧の平滑化を行う。更に、電池１の放電が進行し、電圧検出回路４により、予め設定した単位時間（Δｔ）あたりの電圧降下量（−ΔＶＢ）を閾値として、それ以上に大きい電圧降下が検出される場合は、放電終止状態であることを判定する方法により、例えば電池電圧ＶＥのときに放電終止と判定されるとすると、Ｓｗ１スイッチ１５はオフ状態となり、Ｓｗ２スイッチ１６はオン状態となる。このスイッチ状態の組み合わせにより、出力端子（正極）１０と出力端子（負極）１１との間には電池１の電圧が出力され、かつ携帯端末機器は動作終了警告を表示する動作を示す。
【００４８】
前記スイッチ回路５の動作においては、接点が切り替わる際の電池と出力端子との瞬間的な切断状態において、電力貯蔵部８により電源のバックアップ動作を行う。以上の本発明の電池パック及び電池用電源回路の動作により、低温環境下で前記負荷を連続駆動したときの動作時間が、非常的に図３に示すＬ３からＬ４（Ｌ３’）へ時間延長することが可能となる。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の電池パック及び電池用電源回路により、本発明の効果は、携帯端末機器の使用中に動作終了警告が表示された時に、その警告表示が充放電サイクル劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での使用によるものと考えられ、早急に機器の継続動作が必要な場合において、非常的に機器を駆動できることである。
【００５０】
その理由は、一般的に携帯端末機器は、電源電圧に関して動作を保証する電圧範囲があり、前記電圧範囲について上限値および下限値が設定されている。前記上限値については、電源に使用される電池の新品時または満充電時の起電力以上の値に設定されている。前記下限値については、電池の放電特性を鑑みて設定されており、一般的には電池がフレッシュであり、かつ常温条件において、前記携帯端末機器を長時間駆動できる条件が設定されている。
【００５１】
このように前記電源電圧の動作保証範囲が設定されていることにより、充放電サイクル回数を多数回行うことにより特性劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での使用において、電池のフレッシュ時や常温時と比べて放電特性が変化することにより、前記携帯端末機器の駆動時間が著しく低下する場合がある。
【００５２】
このため充放電サイクル劣化した二次電池の使用や低温環境条件下での使用において、前記携帯端末機器の駆動を非常的に行う手段として、電池の放電電圧が駆動する機器の動作下限電圧より低くなる時は、昇圧手段により電池パック及び電池用電源回路の出力電圧を機器の動作下限電圧より高くなるようにして機器を駆動し、かつ電池の放電終止の検出手段として、単位時間あたりの電池電圧の電圧降下量により放電終止の検出を行うもので、かつ出力部に大きな静電容量を持つ電気二重層キャパシタを設置したからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による電池パックの電池用電源回路の回路ブロック図。
【図２】携帯端末機器を連続駆動した時の電池の放電特性を示す図。
【図３】本発明の電池パックの電池用電源回路の出力特性を示す図。
【図４】本発明の実施の形態２による電池パックの電池用電源回路の回路ブロック図。
【図５】本発明の他の実施例の昇圧回路の動作状態を示す図。
【符号の説明】
１ 電池
２ 電池正極
３ 電池負極
４ 電池電圧検出回路
４１ 信号線
５ スイッチ回路
６ 放電制御回路
６１ 信号線
７ 昇圧回路
８ 電力貯蔵部
９ 出力電圧検出回路
９１ 信号線
１０ 出力端子（正極）
１１ 出力端子（負極）
１２ 制御回路
１３ コイルＬ
１４ コンデンサＣ
１５ Ｓｗ１スイッチ
１６ Ｓｗ２スイッチ
７１ 出力部
７２ 入力部
Claims (7)
- 電池から負荷への電気エネルギの伝達の制御を行う電池用電源回路であって、前記電池の放電電圧が、駆動する機器の動作下限電圧より低くなる時は、昇圧手段により電池用電源回路の出力電圧を機器の動作下限電圧より高くなるようにして機器を駆動することを特徴とする電池用電源回路。
- 請求項１記載の電池用電源回路は、前記電池の電圧を検出する電池電圧検出回路と、放電制御回路と、出力電圧検出回路と、昇圧回路と、前記電池の正極を、出力端子か昇圧回路の入力部かのいずれかに切り換えるスイッチ回路と、出力部に配置された電力貯蔵部とで構成され、前記電池の放電電圧が、駆動する機器の動作下限電圧より低くなる時は、前記昇圧回路により電池用電源回路の出力電圧を機器の動作下限電圧より高くなるようにして機器を駆動することを特徴とする電池用電源回路。
- 請求項１記載の電池用電源回路は、前記電池の電圧を検出する電池電圧検出回路と、制御回路と、出力電圧検出回路と、昇圧回路と、インダクタと、複数のスイッチング素子と、出力部に配置された電力貯蔵部とで構成され、前記電池の放電電圧が、駆動する機器の動作下限電圧より低くなる時は、前記昇圧回路により電池用電源回路の出力電圧を機器の動作下限電圧より高くなるようにして機器を駆動することを特徴とする電池用電源回路。
- 請求項１または３のいずれかに記載の電池用電源回路において、電池の放電終止の検出手段として、単位時間あたりの電池電圧の電圧降下量を用いることを特徴とする電池用電源回路。
- 請求項１ないし４のいずれかに記載の電池用電源回路において、前記電力貯蔵部は、電気二重層キャパシタであることを特徴とする電池用電源回路。
- 請求項１ないし５のいずれかに記載の電池用電源回路と、電池と、ケースとで構成されたことを特徴とする電池パック。
- 前記電池は、一次電池または二次電池であることを特徴とする請求項６に記載の電池パック。
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