JP2006032039A - リサイクル対応電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】寿命となった電池を安全で簡単に交換でき、不要な電池は再利用することが可能な電池パックを提供する。
【解決手段】電池本体を含む電池部と、電池本体の過充電及び過電流を防止する安全制御部とを備える電池パックであって、電池部と安全制御部は、それぞれ機械的に異なるユニットとして構成され、両ユニットは、機械的及び電気的に結合及び分離が可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器等に装着して用いる電池パックに関するものである。

従来、電子機器に使用する電池パックとして、過電流検出回路や過充電検出回路等を内蔵し機器の安全性を高めたもので、一体化した状態で動作するような構成であるものが知られている。

図１２、図１３はこのような従来の電池バック１００の概要図および概略ブロック図である。電池パック１００内には、電池本体１０１と、過電流検出部や過充電検出部や電池温度検出部等を有する安全制御部１０２が、モールド樹脂により一体封止されている。安全制御部１０２は過電流や過充電を防止するための安全制御を行うためのものである。

この電池パックによれば、電池の持つ高エネルギーを安全に制御することができ、電子機器本体１０３を安全に使用することができる。

特開平７−０３７５６３号公報

しかしながら、既存の電池パックは、電池本体と安全制御部を一体化しているため、電池が寿命になった場合に電池パックそのものを交換することになり十分に使用できる安全制御部も含めてリサイクルとして回収されてしまうため、安全制御部を容易に再利用することができないという問題があった。さらに電池パックに含まれる電池本体以外の部品点数が多いため、電池本体だけを取り出す作業における効率が低いことが問題であった。

本発明は、電池パックの電池ユニットと安全制御部を分離可能な状態にし、電池が寿命と判断した場合は電池ユニットを切り離して新しいものと交換することで、安全制御部を廃棄することなく最低限の保守交換部品で電池性能を回復できるリサイクル対応型電池パックを提供することを目的とするものである。

本発明の電池パックは、電池本体を含む電池部と、前記電池本体の過充電及び過電流を防止する安全制御部とを備え、電池部と安全制御部は、それぞれ機械的に異なるユニットとして構成され、前記両ユニットは、機械的及び電気的に結合及び分離が可能である。

この構成により、電池が寿命と判断した場合は電池部（電池ユニット）を取り出して交換し再装着することにより電池本来の性能を有する動作が可能となり過電流防止機能や過充電防止機能を有する安全制御部（安全制御ユニット）をそのまま流用した状態で半永久に運用をすることが可能である。

また、電池部は、電池本体の出力制御を行う出力制御部を含み、安全制御部は、電池部との結合を検出する結合検出部を含み、結合検出部は、電池部の結合を検出した場合に、電池本体から外部への電力供給を許可する制御信号を、出力制御部に対して出力する構成としてもよい。

さらに、出力制御部は、互いに並列接続されたスイッチング素子と電流制限素子を含む出力制限部を含み、出力制御部は、電池本体から外部への電力供給路に直列接続され、スイッチング素子は、両ユニットの分離時にはオフとなり、両ユニットの結合時には結合検出部からの制御信号によってオンとなる構成としてもよい

上述の電池部は、未装着の状態において電池本体の端子部と電池部の外部端子の間が高インピーダンス状態になっているため、安全に保管および運用をすることができる。

結合検出部は、両ユニットの結合時に、出力制御部を介した電力供給路に接続されるオペアンプを含み、オペアンプの出力を制御信号として出力制御部に出力する構成としてもよい。また、安全制御部を構成するユニットは、電池部を構成するユニットが装着される開口を有する構成としてもよい。

本発明は、電池性能の保護としての過充電防止や過電流防止機能等を有する安全制御部と電池部を脱着する機構を備えたリサイクル対応型電池パックであり、さらに電池部を安全に保存かつ電子機器に装着することが可能である。

本発明は 電池部が電池本体とその他の部品に容易に分離回収することができる最小限の部品点数で構成されているため、回収分解処理の大幅な工数削減が可能である。

本発明では、電池の安全制御部を半永久的に使用することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１及び図２に示すように、本発明の電池パック１０は、互いに着脱可能な状態で電気的に接続された電池部（電池ユニット）３と安全制御部（安全制御ユニット）６より構成される。電池部３は、安全制御部６の開口６ｄから容易に着脱することができる構成となっている。さらに安全制御部６は、たとえ電池部３が寿命となっても、電池部３から切り離し後、そのまま継続して利用できるように構成されている。

「着脱可能」とは、電池部３と安全制御部６が、道具なしでまたは所定の道具を用いて互いに分離可能であり、安全制御部６がそのまま、又は多少の修理、調整後再使用可能であることをいう。電池部３はリサイクルのため回収される。従って、電池部３と安全制御部６は、機械的には異なるユニットとして構成されており、該両ユニットは、機械的及び電気的に結合及び分離が可能である。

本実施形態において、電池部３の開口６ｄへの固定は、通常の嵌め込み形式により行うことができ、使用時に電池部３が開口６ｄから容易に外れないものであればよい。嵌め込みの形式は特に限定されず、種々のものを用いることができる。

また、後述するように、電池部３は、プラス端子３ａ、制御端子３ｂ、マイナス端子３ｃをその側面に有し、安全制御部６の開口６ｄへの嵌め込み時に、後述する安全制御部６の内部プラス端子６ａ１、内部制御端子６ｂ１、内部マイナス端子６ｃ１（図３）と各々接続される。そして、電池パック１０の外面に露出し、内部プラス端子６ａ１、内部制御端子６ｂ１、内部マイナス端子６ｃ１と各々導通した外部プラス端子６ａ２、外部制御端子６ｂ２、外部マイナス端子６ｃ２が、電子機器本体９と直接電気的に接続、結合される。

電池部３は、それ自体直接電圧電流を発生する電池本体１と当該電池本体１に接続された出力制御部２とを有する。

電池本体１は、電池そのものであり、正極端子及び負極端子を有する。電池本体１は、直接電圧電流を発生する任意の種類の発電要素により構成されるが、その種類や最小単位ユニット数は限定されない。本例では、３．６Ｖの電圧のリチウムイオン電池を用いている（通常状態での電圧範囲は３〜４Ｖ）。

出力制御部２は、電池本体１の出力を制御する部分である。すなわち、電池本体１からの電池エネルギーを、プラス端子に出力するための電流制御回路に相当する部分と、後述する結合検出部５に電源バイアスをかけるための電流制限回路に相当する部分を含む回路の総称であり、種々のものを用いることができる。 本実施形態では、出力制御部２は電流制限素子（定電流素子）２ａとスイッチング素子を構成する双方向ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）スイッチ２ｂを少なくとも含む。電流制限素子２ａと双方向ＦＥＴスイッチ２ｂは互いに並列接続され、出力制限部２ｃを構成し、電池本体１から電池部３の電力供給路（プラス端子３ａに相当）に直列接続されている。

電池部３が安全制御部６に装着された際、電池部３の制御端子３ｂが、後述する安全制御部６の結合検出部５からの信号を受け、電池本体１からの電圧が、プラス端子３ａに印加される。

安全制御部６は、動作検出部４、当該動作検出部４に接続された結合検出部５、外部プラス端子６ａ２、外部制御端子６ｂ２、マイナス制御端子６ｃ２とを有し、電池本体１への過充電及び電池本体１から外部の電子機器本体９への過電流を防止する機能を有する。尚、本実施形態では、安全制御部６は動作検出部４、結合検出部５を樹脂にて一体に封止し、電池部３の受け入れ部を構成する開口６ｄを有して形成されているが、実施形態の形状には限られない。例えば、安全制御部６に開口６を設けず、単なるコネクタの様に、電池部３と安全制御部６を連結してもよい。

動作検出部４は、過電流検出部４ａ、過充電検出部４ｂ、電池温度検出部４ｃを有する。過電流検出部４ａは、電子機器本体９への過電流を検出し、検出された場合は、電池部３からの出力を停止させるものである。過充電検出部４ｂは、充電時の電池部３に対する過充電を検出し、検出された場合は充電を停止させるものである。また、電池温度検出部４ｃは充電時に必要なパラメーターとしての電池部３の温度を検出するものである。各部４ａ，４ｂ，４ｃは既存の種々の回路を用いて構成することができ、その種類は制限されない。

結合検出部５は、電池部３が安全制御部６に正しく結合、接続されているかどうかを検出し、かつ電池部３の出力を制御するものである。すなわち、結合状態において、結合検出部５は、電池本体１から外部装置としての安全制御部６への電圧印加、電力供給を許容する制御信号を、出力制御部２に対し出力する。結合検出部５も種々の回路や素子等を用いることができる。本実施の形態では、オペアンプ（ＯＰ ＡＭＰ）５ａを用いている。

接続部７は、電気的には、電池部側のプラス端子３ａ、制御端子３ｂ、マイナス端子３ｃと、安全制御部側の内部プラス端子６ａ１、内部制御端子６ｂ１、内部マイナス端子６ｃ１から構成される。機械的には、電池部３の側面と、安全制御部６の開口６より構成される。

次に、本実施形態における電池パックの動作を、図３から図５を用いて詳細に説明する。

図３は、本実施の形態における電池パックの概略ブロック図である。

図３に示されるように、電池部３は、電池本体１に加えて電流制限素子（定電流素子）２ａを含む出力制御部２が設けられ、安全制御部６から着脱可能な構造となっており、安全制御部６に結合検出部５が設けられて電池部３の入出力を制御している。電流制限素子２ａには通常の抵抗素子等、電流制限機能を有するものを任意に使用することができ、その種類は特に限定はされない。また、低電流ダイオードの如き定電流素子を用いることができ、必要に応じて温度安定化機能等を付与することもできる。

図４に示すように、電池を寿命と判断した場合は電池の交換を実施する（Ｓ１）。このとき、電池部３を電池パック１０から分離すると（Ｓ２）、安全制御部６の結合検出部５の出力がＯＦＦとなる（Ｓ３）。

分離した電池部３の制御端子３ｂはＬレベルになるため、出力制御部２は機能しなくなる（Ｓ４）。このため電池部３のプラス端子３ａにおいては、電池の電圧は検出可能であるが、大電流を流すことが不可能な状態となり、安全に保管することが可能である。

図５に示すように、この状態で新しい電池部３を安全制御部６に装着すると、電池部３のプラス端子３ａから電圧供給がなされ、結合検出部５がオンとなる（Ｓ５）。これによって、電池本体１に装着された安全制御部６がオンとなり（Ｓ６）、この回路から大電流の供給が可能な状態になる（Ｓ７）。

電池部３のプラス端子３ａから電圧が供給されない場合、もしくは出力制御部２が故障した場合は電池本体１からのエネルギーは供給されない。以上からわかるように、電池部３単体は安全に保守保管が可能である。

更に図３を用いてより具体的な動作を説明する。

電池パック１０に電池部３が装着された場合、金属で構成される電池部３のプラス端子３ａ、制御端子３ｂ、マイナス端子３ｃが各々安全制御部の内部プラス端子６ａ１、内部制御端子６ｂ１、内部マイナス端子６ｃ１と低い電気抵抗で接続される。

電池部３と安全制御部６が結合されると、電池部３の電池本体１から抵抗（電流制限素子２ａ）、プラス端子３ａ、内部プラス端子６ａ１を経由して、結合検出部５のオペアンプ（ＯＰ ＡＭＰ）５ａに電圧が印加される。オペアンプ５ａの電源インピーダンスは出力制御部２の電流制限素子２ａの抵抗値に対してかなり大きいため、電池本体１の電圧の値がそのままオペアンプの電源に印加される。

オペアンプ５ａのマイナス入力端子を約２Ｖの基準電圧に設定しておくと、オペアンプ５ａのプラス端子には、抵抗を通して電池本体１の電圧にほぼ等しい３〜４Ｖの電圧が印加される。オペアンプ５ａのプラス端子とマイナス端子の電位差を比較するとプラス端子が高い電圧値になっているため、結果としてオペアンプ５ａの出力から３Ｖ以上の電圧（信号）が出力されることとなる。この値は内部制御端子６ｂ１、制御端子３ｂを通じて電池部３の出力制御部２のＦＥＴスイッチ２ｂのゲート端子に印加され、結果としてＤ部とＥ部間（ＦＥＴスイッチ２ｂのソースとドレイン間）の電源インピーダンスが低くなり（ＦＥＴスイッチがオンとなり）、プラス端子３ａから電池本体１本来の性能を発揮するための大電流を電子機器本体９に供給することが可能となる。すなわち、オペアンプ５ａの出力が、電池本体１から外部への電力供給を許可する制御信号として利用される。

また、出力制御部２は双方向のＦＥＴスイッチ２ｂを有するため、電子機器本体９経由での充電動作も可能である。

このように、本実施の形態における電池パックによれば、通常の運用と同様の性能を有し、電池の交換が必要な場合は最低限の部品点数で構成される電池部だけを交換することが可能となる。

また、電池部をリサイクルし再生する場合、従来に比較して部品点数が大幅に削減されているため、電池本体を容易に取り出すことができ、より低コストで電池の再生を実施することができる。

なお、本実施の形態では、結合検出部５にオペアンプ５ａを使用した例をあげて説明しているが、単純に内部プラス端子６ａ１と内部制御端子６ｂ１を抵抗で接続しても良い。このようにすれば、電池部３と安全制御部６を接続し、電池パック１０として電子機器本体９に装着したとき、電池部３の出力制御部のゲート（ＦＥＴスイッチ２ｂのゲート）に電圧が印加されるため、電池出力を低インピーダンスで電子機器に供給することができる。これにより、簡易な構成で結合検出部５を実現することができる。一方、オペアンプ５ａを使用することにより、必要に応じて、その入力段に遅延回路やチャタリング防止回路を設けることができ、種々の機能を付与することが可能となる。

なお、本実施の形態では、リチウムイオン電池以外の高エネルギー電池が可能なあらゆる電源パックにも対応することができる。

図６は、本発明の電池部３のブロック図である。

図６に示すように 電池部３単体においては、出力制御部２をコントロールするゲート端子はＬレベル状態であるため、双方向ＦＥＴスイッチ２ｂのゲート端子にはプラス電荷が無い状態である。このため、単体においてＦＥＴスイッチ２ｂのＤ−Ｅ間（ソース−ドレイン間）の抵抗値が高く絶縁状態となっている（ＦＥＴスイッチがオフである）。電池本体１からの電圧は端子部Ａには出力されるが、この場合は電流経路Ｘを通じての電圧の印加であり、抵抗等の電流制限素子２ａを通じて微弱な電流に制限された状態で供給されるため、単体で安全に保管可能である。

上述の様に、電池部３と安全制御部６が接続され、オペアンプ５ａからの信号により端子部ＢがＨレベルになると、双方向のＦＥＴスイッチ２ｂのゲート端子に印加されたプラス電荷が、双方向ＦＥＴスイッチ２ｂをアクティブにして電流経路Ｙにて大電流を流すことが可能となる。この状態は電池パックに装着した場合に限定されるため、電池部の安全な運用が可能である。

尚、電池部３の構成については、種々の変形が可能である。図７の例では、マイナス端子の接続を優先させるため、電池部３の両端部に二つの凸部３ｄを設け、二つのマイナス端子３ｃを凸部３ｄ上に露出させている。この構成により、マイナス端子３ｃが他の端子３ａ，３ｂより先に安全制御部６に接続されることとなり、安全性をより確保することができる。

図８の例では、二つのマイナス端子３ｃを電池部３の両端に設けるとともに、二つの制御端子３ｂをプラス端子３ａとマイナス端子３ｃ間に設けている。この構成により、接触不良の弊害をより低下させることができる。

図９の例では、プラス端子３ａ、制御端子３ｂ、マイナス端子３ｃを電池部３の底面に設けている。

上述のような電池部側の変形にあわせて、安全制御部６の電池部３の受け入れ部分（図２（ｂ）では開口６ｄ）の形状を変形させればよい。

図１０は、電池部３と安全制御部６を組み合わせた電池パック１０を、電子機器本体９に組み込んだ状態を示す。本例では、電子機器は、携帯電話の如き携帯情報端末である。図１１は、電池部３と安全制御部６と電子機器本体９を分解した状態を示す。安全制御部６の外形を従来の電池パックにあわせることで、電子機器本体９の電池パック１０の受け入れ部である開口９ａの形状を変形させる必要はなくなるため、たとえ従来の電池パックに代えて、本願の電池パック９を使用したとしても、電子機器本体９自体を新たに設計変更する必要はない。また、電子機器本体９の種類は特に限定されず、本発明は種々の電池を要する機器に使用可能である。

以上、本発明の各種実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態において示された事項に限定されず、特許請求の範囲及び明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者がその変更・応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

本発明の電池パックにおいては、電池部だけを容易に安全に着脱することができ、電子機器の電源部で使用される電池のリサイクル部分の有効利用、すなわち、リサイクルするための対象となる電池部の部品点数削減、電池パックから電池本体を取り出す作業工数の削減、電池部の小型化による運用の効率向上などに有用である。

本発明の電池パックの概念図。 図２（ａ）は電池部の斜視図であり、図２（ｂ）は電池部が安全制御部に接続され、電池パックとなった状態の斜視図 本発明の電池パックのブロック図 電池部分離動作を説明するフローチャート 電池部装着動作を説明するフローチャート 本発明の電池パックの電池部の詳細説明図 電池部の他の実施形態を示す図 電池部の更に他の実施形態を示す図 電池部の更に他の実施形態を示す図 本発明の電池パックが組み込まれた電子機器の背面図 本発明の電池パックが組み込まれた電子機器の分解斜視図 従来の電池パックの概念図 従来の電池パックのブロック図

符号の説明

１ 電池本体
２ 出力制御部
３ 電池部 （電池ユニット）
４ 動作検出部
５ 結合検出部
６ 安全制御部 （安全制御ユニット）
７ 接続部
９ 電子機器本体
１０ 電池パック

Claims (5)

1. 電池本体を含む電池部と、前記電池本体の過充電及び過電流を防止する安全制御部とを備える電池パックであって、
   前記電池部と前記安全制御部は、それぞれ機械的に異なるユニットとして構成され、
   前記両ユニットは、機械的及び電気的に結合及び分離が可能である電池パック。
2. 請求項１記載の電池パックであって、
   前記電池部は、前記電池本体の出力制御を行う出力制御部を含み、
   前記安全制御部は、前記電池部との結合を検出する結合検出部を含み、
   前記結合検出部は、前記電池部の結合を検出した場合に、前記電池本体から外部への電力供給を許可する制御信号を、前記出力制御部に対して出力する電池パック。
3. 請求項２記載の電池パックであって、
   前記出力制御部は、互いに並列接続されたスイッチング素子と電流制限素子を含む出力制限部を含み、
   前記出力制御部は、前記電池本体から外部への電力供給路に直列接続され、
   前記スイッチング素子は、前記両ユニットの分離時にはオフとなり、前記両ユニットの結合時には前記結合検出部からの前記制御信号によってオンとなる電池パック。
4. 請求項３記載の電池パックであって、
   前記結合検出部は、前記両ユニットの結合時に、前記出力制御部を介した前記電力供給路に接続されるオペアンプを含み、前記オペアンプの出力を前記制御信号として前記出力制御部に出力する電池パック。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の電池パックであって、
   前記安全制御部を構成するユニットは、前記電池部を構成するユニットが装着される開口を有する電池パック。

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