JP2007311177A - バックアップ用電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化を招来することなく、電子機器等に対する所要のバックアップ性能を十分に確保することのできる簡易な構成のバックアップ用電池装置を提供する。
【解決手段】複数の二次電池を負荷に選択的に接続するスイッチ回路と、このスイッチ回路を介して前記負荷に接続する二次電池を選択制御する制御手段とを具備し、特に負荷から切り離されている二次電池を容量ゼロの状態で保持すると共に、負荷に接続された二次電池に対する充電を制御し、負荷に接続された二次電池の性能が保証されないとき、前記スイッチ回路を介して前記容量ゼロの状態で保持されている新たな二次電池を負荷に接続するように前記制御手段を構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、各種電子機器に対するバックアップ性能を高めた簡易な構成のバックアップ用電池装置に関する。

ノート型パーソナルコンピュータ等の電子機器には、商用電源を利用することのできない状況下においてもその使用を可能とするべく、バックアップ用電池装置が組み込まれることが多い。この種のバックアップ用電池装置は、リチウム・イオン電池等の二次電池を主体とするものであって、一般的にはその待機時に二次電池を充電し、商用電源を確保できないときや瞬時停電が生じたときに上記二次電池に充電した電力を電子機器に供給するように構成される。またバックアップ用電池装置においては、その電源バックアップ期間をできる限り長く確保するべく、専ら、その待機時に二次電池を満充電状態に充電するようにしている。この為、この種の装置における二次電池は、満充電状態で長時間に亘って放置されることが多い。

ところで二次電池は、満充電状態での放置に伴ってその電池性能（電池容量）が次第に劣化することが否めない。しかも電池温度が高温である程、上記電池性能（電池容量）の劣化が著しい。そこで複数の二次電池（二次電池）を並列接続することで必要な電池容量を確保し、またこれらの二次電池を個々にスイッチを介して並列接続することで、適宜、性能劣化した二次電池を新品の二次電池に交換し得るようにしたバックアップ用電池装置が提唱されている（例えば特許文献１を参照）。
特開２００３−１１１２８９号公報

しかしながら上述したようにバックアップ用電池装置を構成しても、複数の二次電池をそれぞれ満充電状態で待機させることに変わりがなく、各二次電池の性能劣化（電池容量の低下）を防ぐことはできない。この為、電子機器に対する所要のバックアップ性能を確保するには、例えば電池容量の大きい二次電池を用いたり、並列接続する二次電池の数を増やす等の対策が必要であり、バックアップ用電池装置の大型化の要因となっている。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、電池パック等として実現される装置の大型化を招来することなく、電子機器等に対する所要のバックアップ性能を十分に確保することのできる簡易な構成のバックアップ用電池装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係るバックアップ用電池装置は、例えばリチウム・イオン電池等の複数の二次電池と、これらの二次電池を負荷に選択的に接続するスイッチ回路と、このスイッチ回路を介して前記負荷に接続する二次電池を選択制御する制御手段とを具備したものであって、
特に前記制御手段を、前記スイッチ回路にて前記負荷から切り離されている二次電池を容量ゼロの状態で保持すると共に、前記スイッチ回路を介して負荷に接続された二次電池に対する充電を制御し、前記負荷に接続された二次電池の性能が保証されないとき、前記スイッチ回路を介して前記容量ゼロの状態で保持されている新たな二次電池を負荷に接続するように構成したことを特徴としている。

即ち、本発明は二次電池を充電した状態で放置すると次第にその電池容量（電池性能）が劣化するが、低領域の状態、例えば充電容量がゼロ（０）の状態で長時間に亘って放置しても、その電池容量（電池性能）の劣化が殆どないことに着目している。そこで本発明においては、上述したように複数の二次電池（二次電池）をスイッチ回路を介して選択的に並列接続して負荷に接続し得るように構成すると共に、前記スイッチ回路にて負荷から切り離されている二次電池を容量ゼロの状態で保持するようにしている。そして負荷に接続された二次電池の性能劣化が見込まれるとき、或いはその性能劣化が検出されたとき、容量ゼロの状態で保持されていた新たな二次電池を充電して負荷に接続するようにしたことを特徴としている。

好ましくは前記制御手段は、内蔵したタイマにより負荷に接続された二次電池の性能保証期間を管理して、新たな二次電池の負荷への接続を制御するように構成される。或いは前記制御手段は、二次電池の性能劣化を診断する診断手段を備え、該制御手段が内蔵するタイマにより管理された周期毎に上記診断手段を用いて負荷に接続された二次電池の性能を診断し、その診断結果に応じて新たな二次電池の負荷への接続を制御するように構成される。具体的には前記制御手段は、前記スイッチ回路を制御して、性能劣化が検出された二次電池に対して新たな二次電池を順次並列接続していくように構成される。

上記構成のバックアップ用電池装置によれば、負荷から切り離されている二次電池を容量ゼロの状態にしているので、満充電状態で負荷に接続されている二次電池の電池性能が劣化したとき、スイッチ回路を介して上記性能劣化した二次電池に対して新たな二次電池を並列接続し、この新たな二次電池を充電するだけで負荷に対する所要のバックアップ性能（充電容量）を確保することができる。

換言すれば、従来のように満充電にした複数の二次電池を並列接続して負荷に対するバックアップ電源として用いた場合、これらの各二次電池はそれぞれ満充電状態で長時間に亘って待機することのなるので、これらの各二次電池の性能が一斉に劣化する。この点、本発明に係るバックアップ用電池装置においては、負荷に接続されている二次電池の電池性能が劣化してその充電容量が不足するとき、前記負荷から切り離して容量ゼロで待機させていた新たな二次電池を上記性能劣化した二次電池に並列接続すると共に、この新たな二次電池を充電するので、これらの二次電池が有する総合的な電池性能を所要とする電池容量まで回復させることができる。この結果、複数の二次電池が個々に有する電池性能を最大限に活かして負荷の作動をバックアップすることかできるので、負荷に対するバックアップ保証期間を長くすることができ、また徒に大容量の二次電池を用いる必要もなくなるので、電池パックとして実現されるバックアップ用電池装置の小型化を図ることができる等の効果が奏せられる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るバックアップ用電池装置について説明する。
このバックアップ用電池装置は、図１にその概略構成を示すように、リチウム・イオン電池等の複数の二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎを主体として構築されるものであって、これらの二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎを個々にスイッチ回路２ａ,２ｂ,〜２ｎを直列に介して並列接続可能に構成される。これらの二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎは、スイッチ回路２ａ,２ｂ,〜２ｎの選択的な導通によって充電電源３にそれぞれ接続されると共に、電源バックアップの対象となるノート型パーソナルコンピュータ等の負荷４にそれぞれ接続される。

尚、前記各二次電池（二次電池）１ａ,１ｂ,〜１ｎの電池容量は、例えばその電池性能（満充電後の放置劣化回復率）が５０％に劣化した場合であっても、負荷２を作動させるに十分な充電容量を確保し得るものとして設定される。また並列接続する二次電池（二次電池）１ａ,１ｂ,〜１ｎの数ｎは、満充電状態で放置された個々の二次電池（二次電池）１ａ,１ｂ,〜１ｎの電池性能が上記５０％まで劣化する時間ｔと、負荷２の電源バックアップを保証すべき期間Ｔとに従い、例えば［ｎ≧Ｔ／ｔ］として設定される。但し、ｎは整数である。

このような複数の二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎとスイッチ回路２ａ,２ｂ,〜２ｎとに加えて、このバックアップ用電池装置は上記各スイッチ回路２ａ,２ｂ,〜２ｎの導通／遮断（オン／オフ）をそれぞれ制御して、前記負荷４に接続する二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎを選択制御する制御手段５を備える。この制御手段５は、マイクロプロセッサ等の制御器からなり、基本的には前記スイッチ回路２ａ,２ｂ,〜２ｎの導通／遮断（オン／オフ）をそれぞれ制御するスイッチ制御手段５ａ、前記各スイッチ回路２ａ,２ｂ,〜２ｎの切換タイミング等を管理するタイマ５ｂ、更には前述した各二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎの電池性能劣化を診断する劣化診断手段５ｃを備える。

特にこの制御手段５が特徴とするところは、その制御アルゴリズムとして前記スイッチ回路２ａ,２ｂ,〜２ｎにて前記負荷４から切り離されている二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎを容量ゼロの状態で保持すると共に、前記スイッチ回路２ａ,２ｂ,〜２ｎを介して負荷に接続された二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎに対する充電を制御し、前記負荷４に接続された二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎの性能が保証されないとき、前記スイッチ回路２ａ,２ｂ,〜２ｎを介して前記容量ゼロの状態で保持されている新たな二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎを負荷４に接続するように構築している点にある。

即ち、図２に二次電池を長時間放置したときにおける電池容量の変化特性の例を示すように、二次電池を４０％だけ充電したときよりも、１００％充電（満充電）したときの電池性能の劣化が激しい。またその充電容量が同じであっても電池温度が高い程、電池性能の劣化が大きい。しかし二次電池を充電しない場合（充電容量が０％の場合）には、長時間の放置にも拘わらず、電池性能の劣化は殆どない。このことは二次電池（二次電池）を充電することなく、その初期状態である電池容量ゼロ（０）の状態にしておけば、長期間に亘ってそのまま放置してもその電池性能が劣化することがないことを意味する。また電池容量ゼロ（０）の状態だけでなく、電池容量低領域（０％以上４０％未満、望ましくは０％以上２０％未満、更に望ましくは０％以上１０％未満）であっても良い。尚、本実施例においては２.７５Ｖ／cellのリチウム・イオン電池を電池容量０％にするようにしている。ちなみに上記リチウム・イオン電池の場合、約２.５０〜約３.００Ｖ／cellの範囲の所定値電圧でその電池容量が略０％となる。

本発明はこのような知見に基づいて、バックアップ用電池装置の使用開始時には複数の二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎの中の１つ、例えば二次電池１ａだけを負荷４に接続すると共に、その二次電池１ａを満充電まで充電して負荷４に対するバックアップ用として用い、負荷４から切り離した残りの二次電池１ｂ,〜１ｎを容量ゼロの状態のまま待機させることで、これらの二次電池１ｂ,〜１ｎの性能劣化を防止することを特徴としている。そして上記負荷４に接続した二次電池１ａによる負荷４のバックアップ期間が長時間に亘った結果、その性能劣化が見込まれるとき、或いは上記二次電池１ａの性能劣化が検出されたとき、容量ゼロの状態のまま待機させていた残りの二次電池１ｂ,〜１ｎの１つ、例えば二次電池１ｂを前記二次電池１ａに並列接続すると共に、この二次電池１ｂを充電し、これらの二次電池１ａ,１ｂをそれぞれ前記負荷４に対するバック用として用いる。

また新たに負荷４に接続した二次電池１ｂの性能劣化が見込まれるとき、或いは上記二次電池１ｂの性能劣化が検出されたとき、同様にして容量ゼロの状態のまま待機させていた残りの二次電池１ｂ,〜１ｎの１つを新たな二次電池として、既に負荷４に接続されている二次電池に並列接続する。以降、このような二次電池の接続制御を繰り返すことで、
前述した複数の二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎを順次並列接続していく。

具体的には図３に３つの二次電池１ａ,１ｂ,１ｃを備えたバックアップ用電池装置における制御手順の例に示すように、先ず第１の二次電池１ａだけを１００％充電し［ステップＳ１］、この第１の二次電池１ａを負荷４のバックアップに用いる［ステップＳ２］。このとき、第２および第３の二次電池１ｂ,１ｃについては充電していないので、負荷４のバックアップには用いない。

そして上記第１の二次電池１ａの放置期間（バックアップ期間）が、例えば１年を経過したことが前記タイマ５ｂにより検出されたとき［ステップＳ３］、第１の二次電池１ａの電池特性が劣化したと看做して、今度は第２の二次電池１ｂを１００％充電し［ステップＳ４］、これらの第１および第２の二次電池１ａ,１ｂを負荷４のバックアップに用いる［ステップＳ５］。このとき、第３の二次電池１ｃについては充電していないので、負荷４のバックアップには用いない。その後、第２の二次電池１ｂの放置期間（バックアップ期間）が１年を経過したとき［ステップＳ６］、第２の二次電池１ｂの電池特性も劣化したと看做して、今度は第３の二次電池１ｂを１００％充電し［ステップＳ７］、これらの第１〜第３の二次電池１ａ,１ｂ,１ｃの全てを負荷４のバックアップに用いる［ステップＳ８］。そして第３の二次電池１ｃの放置期間（バックアップ期間）が、１年を経過したときには［ステップＳ９］、第１および第２の二次電池１ａ,１ｂに加えて第３の二次電池１ｃの電池特性も劣化したと看做して、『バッテリ−残容量小』の警告アラームを発する［ステップＳ１０］。

尚、ここではタイマ５ｂにより１００％充電した各二次電池１ａ,１ｂ,１ｃの放置期間を監視して二次電池１ａ,１ｂ,１ｃの選択接続を制御したが、例えばタイマ５ｂにより１ヶ月を周期とする電池性能チェックタイミングを設定し、そのチェックタイミングにおいて前記各二次電池１ａ,１ｂ,１ｃの電池性能が劣化したかを否かを判定しながら、複数の二次電池１ａ,１ｂ,１ｃの選択接続を制御するようにしても良い。

このような制御方式を採用すれば、例えば図４に示すように第１の二次電池１ａの電池性能が劣化し、その充電容量が５０％に低下した時点ｔ１で第２の二次電池１ｂを１００％充電して上記第１の二次電池１ａに並列接続するので、合計１５０％の充電容量で負荷４をバックアップすることが可能となる。また第２の二次電池１ｂの電池性能が劣化し、その充電容量が５０％に低下したとしても、前述した第１の二次電池１ａにおけるその後の電池性能の劣化が０％に達していないので、この第１の二次電池１ａの残容量と前記第２の二次電池１ｂの残容量とを加算した残容量が５０％に低下するまでは、これらの第１および第２の二次電池１ａ,１ｂによる負荷４のバックアップが行われることになる。

そして上記第１および第２の二次電池１ａ,１ｂの残容量が５０％に低下した時点ｔ２で、新たに第３の二次電池１ｃを１００％充電して上記第１および第２の二次電池１ａ,１ｂに並列接続するので、これらの二次電池１ａ,１ｂ,１ｃにて、再度、合計１５０％の充電容量で負荷４をバックアップすることが可能となる。その後、第１〜第３の二次電池１ａ,１ｂ,１ｃの総残容量が５０％に低下したとき、その時点ｔ３で前述した『バッテリ−残容量小』の警告アラームを発するようにすれば良い。

以上のように本発明に係るバックアップ用電池装置によれば、負荷４にスイッチ回路２ａ,２ｂ,〜２ｎを介して複数の二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎを個別に接続するように構成すると共に、負荷４から切り離されている二次電池を容量ゼロ（０）の状態のまま保持するようにしているので、これらの負荷４から切り離されている二次電池の放置期間が長期に亘る場合であっても、その性能劣化を招来することがない。そして負荷４に接続されて１００％された状態で該負荷４のバックアップに供している二次電池の電池性能が劣化したとき、負荷４から切り離されていた二次電池を新たに１００％充電した二次電池として負荷４に接続するので、少なくとも複数の二次電池が個々に有する負荷４のバックアップ保証期間の総和を、バックアップ用電池装置として負荷４をバックアップ保証期間とすることができるので、その長寿命化を図ることができる。

しかも負荷４に対する所要のバックアップ保証期間を満たすだけならば、上述したように複数の二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎによる総合的なバックアップ期間を長くすることができるので、個々の二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎに要求される電池容量を少なくしたり、或いは二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎの必要数を少なくすることができる。この結果、複数の二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎとして小型のものを用いたり、二次電池１ａ,１ｂ,〜１ｎの数を減らすことができるので、必要なバックアップ特性を維持しながらバックアップ用電池装置の小型化を図ることができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えばバックアップ用電池装置に組み込む複数の二次電池の数やその電池容量については、バックアップ対象とする負荷の仕様に応じて定めれば良いものである。また二次電池としては、前述したリチウム・イオン電池のみならず、ニッケル水素電池等の他の二次電池を適宜採用することができる。更に前記各二次電池は、複数の電池セルを直列・並列・直並列に接続したものであっても良い。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係るバックアップ用電池装置の概略構成図。 二次電池を長時間放置したときにおける電池容量の変化特性の例を示す図。 本発明に係るバックアップ用電池装置における動作制御手順の例を示す図。 本発明に係るバックアップ用電池装置において、複数の二次電池の選択接続を制御したときの負荷に対するバックアップ用の電池容量の変化を示す図。

符号の説明

１ａ,１ｂ,〜１ｎ 二次電池
２ａ,２ｂ,〜２ｎ スイッチ回路
４ 負荷
５ 制御手段
５ａ スイッチ制御手段
５ｂ タイマ
５ｃ 劣化診断手段

Claims (4)

1. 複数の二次電池と、これらの二次電池を負荷に選択的に接続するスイッチ回路と、このスイッチ回路を介して前記負荷に接続する二次電池を選択制御する制御手段とを具備し、
   前記制御手段は、前記スイッチ回路にて前記負荷から切り離されている二次電池を容量低領域の状態で保持すると共に、前記スイッチ回路を介して負荷に接続された二次電池に対する充電を制御し、前記負荷に接続された二次電池の性能が保証されないとき、前記スイッチ回路を介して前記容量低領域の状態で保持されている新たな二次電池を負荷に接続することを特徴とするバックアップ用電池装置。
2. 前記制御手段は、内蔵したタイマにより負荷に接続された二次電池の性能保証期間を管理して、新たな二次電池の前記負荷への接続を制御するものである請求項１に記載のバックアップ用電池装置。
3. 前記制御手段は、二次電池の性能劣化を診断する診断手段を備え、
   該制御手段が内蔵するタイマにより管理された周期毎に上記診断手段を用いて負荷に接続された二次電池の性能を診断し、その診断結果に応じて新たな二次電池の負荷への接続を制御するものである請求項１に記載のバックアップ用電池装置。
4. 前記制御手段は、前記スイッチ回路を制御して、性能劣化が検出された二次電池に対して新たな二次電池を順次並列接続していくものである請求項１〜３のいずれかに記載のバックアップ用電池装置。

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