JP2009072059A

JP2009072059A - バッテリー構造と当該バッテリー構造のための充電装置

Info

Publication number: JP2009072059A
Application number: JP2008233552A
Authority: JP
Inventors: Yen-Chung Jao; 衍中饒
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2009-04-02
Also published as: EP2065998A1; TW200913349A; US20090066292A1; TWI350019B

Abstract

【課題】バッテリー構造と当該バッテリー構造のための充電装置の提供。
【解決手段】バッテリー構造はＮ個のバッテリーセル、（Ｎ−1）個の可動コネクタと保護装置からなり、ここでＮは１より大きい正の整数である。充電装置は開回路器と電源からなる。Ｎ個のバッテリーセルは交互に配置され各々二つの端子を持つ。バッテリー構造が放電する際には、各可動コネクタは、各二つの隣接するバッテリーセルの各二つの隣接する端子を電気的に接続する。バッテリー構造が充電装置により充電されるときは、可動コネクタは、隣接する二つのバッテリーセルの隣接する二つの端子を切り離すので、各隣接する二つのバッテリーセル間は開回路となる。そこで、電源の２Ｎ個の充電端子は個別にバッテリーセルの端子に充電する。
【選択図】図３Ａ

Description

本出願は２００７年９月１１日に出願された台湾特許出願第０９６１３３８４２号に開示された内容全体を参照して実質的に取り入れ、同出願に基づく優先権を主張する。

（関連出願の相互参照）
該当なし。

本発明は、バッテリー構造と当該バッテリー構造のための充電装置に関し、特にその中の個々のバッテリーセルそれぞれに充電することが可能となるバッテリー構造と当該バッテリー構造のための充電装置に関する。

現在、多くの携帯電子機器は電源として再充電可能なバッテリーを採用している。電力が切れた時、バッテリーは再利用のため、交流電源（ＡＣ）または直流電源（ＤＣ）から再充電されなければならない。再充電可能なバッテリーは、現状では一般に次のようなカテゴリーに分類される。すなわち、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ) 電池、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池そしてリチウム電池である。

再充電可能なバッテリーから適正な電圧を得るために、電子機器は所望の電圧を供給するために、通常縦列（直列）接続された複数の再充電可能なバッテリーセルを有する。標準的な再充電可能なバッテリー１中の縦列接続されたバッテリーセルの概略図を図１Ａに概略的に示す。充電過程においては、再充電可能なバッテリーはそのすべてのバッテリーセル１０が同時に充電される。しかしながら、製造工程の違いや他の要因により、再充電可能なバッテリー１の各バッテリーセル１０は異なった充電と放電の状態を有する。例えば、実際の再充電可能なバッテリー１の充電過程においては、バッテリーセルの幾つかは既に十分充電されている一方、他は未だである。換言すれば、すべてのバッテリーセルの充電過程を完了するためには、すでに完全に充電されているセルは、連続した充電過程のため否応なく過充電されることになる。これはバッテリーセルの耐用年数と容量を減少させ、そして変形や爆発事故の可能性をすら引き起こしかねない。

以上のような欠点を克服するため、およびバッテリーセルが個別に充電されるよう、先行技術にはいくつかの充電方法が提案されている。例えば、バッテリーセル間に拡張端子を設けるか、あるいは外部の電子機器を介して電圧を分割するのである。図１Ｂはバッテリーセル間の拡張端子による標準的な充電方法の概略を示す。再充電可能なバッテリー１’は第一のバッテリーセル１０ａと第二のバッテリーセル１０ｂを有し、共に３．６Ｖの電圧供給が必要となる。そこで、バッテリーセル１０ａ、１０ｂから延びる三つの端子１１ａ、１１ｂ、１１ｃはそれぞれ７．２Ｖ、３．６Ｖおよび０Ｖの電位を持つ。充電過程にあっては、バッテリーセルは同様にこの三つの電圧で充電される。しかしながら、この構成では、バッテリーセル１０ａ、１０ｂ間に電位差が存在するので、充電電流が電位７．２Ｖの端子１１ａと電位０Ｖの端子１１ｃの間に流れ、バッテリーセルを個別に充電することができない。同様に、模擬的に外部の電子機器を介してバッテリーセルを個別に充電する構成では、バッテリーセルを個別に充電するために、外部の電子機器により両端の二つの端子に合計電圧が入力され、分割される。しかしながら、バッテリー構造の中のバッテリーセルは依然として縦列に接続されたままである。実際にはバッテリーセルを個別に充電することは未だ不可能で、したがって本当の個別充電の解決策ではない。

先行技術による解決策は個別充電過程を模したものではあっても、それらは実際には電圧を分割してバッテリーセルを充電するものであって、各バッテリーセル間のばらつきには対応できない。その結果、このような先行技術の解決策では依然として過充電となり、全体としてのバッテリーの動作特性に影響し、リスクの発生を生じさせすらする。従って、他のバッテリーセルの充電状況に影響されることなく、各バッテリーセルの完全な充電を保証できる解決策を提供することが、技術として高く求められていた。

本発明の目的の一つは、バッテリー構造を提供することである。バッテリー構造はＮ個のバッテリーセルと（Ｎ−1）個の可動コネクタからなり、ここでＮは１より大きい整数である。Ｎ個のバッテリーセルは互いに隣り合うように配置され、各々が二つの端子を持つ。（Ｎ−1）個の各可動コネクタは隣接する二つのバッテリーセルの隣接する二つの端子に電気的に接続するので、バッテリー構造が放電している間はすべてのバッテリーセルが縦列となる。バッテリー構造が充電されている間は、各可動コネクタは隣接する二つのバッテリーセルの隣接する二つの端子を切り離すので、各隣接する二つのバッテリーセルは電気的に切り離される。

本発明の他の目的は、前述のバッテリー構造のための充電装置を提供することである。充電装置は開回路器と電源とからなる。開回路器は二つの隣接する端子から各可動コネクタを切り離すためにある。電源は、２Ｎ個の充電端子を有し、充電電力を供給するためＮ個のバッテリーセルの各々の二つの端子に電気的に接続する。開回路器が、可動コネクタを端子から切り離し、各二つの隣接するバッテリーセルの二つの隣接する端子を電気的に切り離している間、電源は２Ｎ個の充電端子を通じてバッテリーセルを個別に充電する。

本発明のバッテリー構造は可動コネクタを有し、本来電気的に接続されていた隣接する二つの端子を切り離すため、充電中は可動コネクタが開回路器により端子から切り離される。このように、バッテリー構造はその中のバッテリーセルが個別に充電されることを可能にし、各バッテリーセルの充電に係わる異なる要求を満たすことができる。

本発明を実現する好ましい実施例と詳細な技術は、当業者が請求範囲に記載の発明の特徴をよく理解できるよう、以下の項に添付図面とともに説明される。

本発明の第一の実施例は電子機器(図示せず)に電力を供給するのに適したバッテリー構造２である。バッテリー構造２の充電過程を図２に概略的に示す。バッテリー構造２は三つのバッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃと二つの可動コネクタ２１ａ、２１ｂとからなる。三つのバッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃは互いに隣り合うように設けられ、各々が二つの端子、すなわち正極端子２０１と負極端子２０３を有する。さらに、各バッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃは保護装置２０５を有する。本実施例のバッテリー構造２に描かれたバッテリーセルの数は本発明の範囲を限定するものではなく、単に図示を目的としたものであることを明記したい。実際上は、本実施例の複数のバッテリーセルの数は、現実に用いられる電圧の値に応じて変化する。本実施例では、仮に各バッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃが電圧１．５Ｖを供給するもので、かつ電子機器に要求される電圧が４．５Ｖであるなら、バッテリー構造２として三つのバッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃを縦列に用いることができる。

図２に示すように、バッテリー構造２が放電過程にある時は、各可動コネクタ２１ａ、２１ｂは、バッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃが縦列に接続されるよう、各二つの隣接したバッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃの二つの隣接する端子に電気的に接続する。最終的に、バッテリーセル２０ａの正極端子２０１とバッテリーセル２０ｃの負極端子を電子機器につなぐことにより、４．５Ｖの電位を持つ電源が得られる。

バッテリー構造２のバッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃの少なくとも一つが充電を必要とする時、本発明ではバッテリー構造２を充電するために充電装置３が使用される。対応する充電過程を図３Ａに概略的に示す。充電装置３は二つの開回路器３１ａ、３１ｂと電源３３とからなる。この実施例では電源３３は六つの充電端子３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃからなる。本実施例では開回路器３１は機械的押出器である。本実施例の他の好ましい例では充電装置３はさらに三つの過熱遮断器３５を有するが、この機能については以降に詳述する。

さらに詳しくは、充電装置３はバッテリー構造２の全体構成に適合するような外形を持つ。充電過程にある時は、充電装置３の二つの開回路器３１ａ、３１ｂはバッテリー構造２の内部に挿入され、そしてバッテリー構造２の外に可動コネクタ２１ａ、２１ｂを押しやって、二つの隣接するバッテリーセルの間の二つの隣接する端子を切り離す。結果として、二つの隣接したバッテリーセルの間の二つの隣接する端子は電気的に切り離され、それにより本来縦列に接続されていたバッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃは相互に切り離される。

電源３３の六つの充電端子３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃはバッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃの二つの端子２０１、２０３に電気的に接続され、バッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃを個別に充電するための充電電力を供給する。さらに詳しくは、充電端子３０１ａ、３０３ａはバッテリーセル２０ａに１．５Ｖの充電電圧を供給し、充電端子３０１ｂ、３０３ｂはバッテリーセル２０ｂに１．５Ｖの充電電圧を供給し、そして充電端子３０１ｃ、３０３ｃはバッテリーセル２０ｃに１．５Ｖの充電電圧を供給する。このようにしてバッテリーセルを個別に充電する。

さらに、好ましい例では、個々のバッテリーセルが充電過程にある間、安全を確保するために、バッテリー構造２と充電装置３とはバッテリーセルを保護するための保護装置を有する。すなわち、上述の充電装置３内にあるバッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃ内の保護装置２０５と過熱遮断器３５である。

保護装置２０５はバッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃを過充電、過放電、過電流そして短絡から防止するよう構成されている。詳述すると、バッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃはすべて多数の保護装置２０５を有し、各保護装置は検知器と第一のスイッチ２０５ｂを含む。この実施例では、検知器は過充電検知器２０５ａで、各バッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃの各々に並列に接続されている。第一のスイッチ２０５ｂは過充電検知器２０５ａからの検知信号に応答して過充電、過放電を制御するための制御入力端子を有する。過充電検知器２０５ａが一旦過充電状態を検知すると、第一のスイッチ２０５ｂが開き、充電あるいは放電回路を切り離す。他の例では検知器は、バッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃ各々の内に適切な接続方法で設置された、過充電検知器または過電流／短絡検知器であってもよい。

過熱遮断器３５の各々は感熱素子３５１と過熱遮断スイッチ３５３からなる。感熱素子３５１はバッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃの温度を検知するよう構成され、バッテリーセル２０ａ、２０ｂ、２０ｃに接続されている。一旦バッテリー構造２の温度が閾値よりも高くなると、感熱素子３５３が過熱遮断スイッチ３５３に信号を発信する。この信号に応答して、過熱遮断スイッチ３５３は各バッテリーセルの充電安全を保証すべく、充電装置３３から供給される充電電力を遮断する。

加えて、本発明のバッテリー構造２はさらにバッテリー構造２’を提供する。バッテリー構造２’の概略を図３Ｂに示す。通常、ノートブックコンピューター、携帯電話そしてマルチメディアプレーヤーといった一般の電子機器６は交流／直流電源の組み合わせで動作するよう設計される傾向にある。換言すれば、電子機器６は使い勝手を高めるため、バッテリー構造２’に加えて交流電源６１でも動作する。そこで本発明のバッテリー構造２’はこのような電子機器６の電源設計においても、バッテリーセルは個別に充電することができる。

詳細には、本発明の充電装置３’は電子機器６内に配置され、電子機器６のプラグを通じて交流電源６１へ電気的に接続されうる。この例では、前述の充電装置３中で説明された素子に加えて、充電装置３’はさらに、電力検知素子３７１とリセットスイッチ３７３とからなる電力検知装置３７を有する。さらに開回路器３１’は圧縮性弾性機構３１１を有する。

一旦電力検知素子３７１が、電子機器６が交流電源で動作していないことを検知すると、リセットスイッチ３７３は開回路器３１’を、可動コネクタ２１ａ、２１ｂを各二つの隣接するバッテリーセル２０の二つの隣接する端子に接続させるように動作させる。更に詳細には、リセットスイッチ３７３は開回路器３１’の弾性機構３１１を圧縮し、開回路器３１’が可動コネクタ２１ａ、２１ｂから切り離されるようにするので、可動コネクタ２１ａ、２１ｂは各二つのバッテリーセル２０の二つの隣接する端子に接続することとなる。そして、バッテリー構造２’は電子機器６に適合した電源として働くようになる。

一方、電子機器６が交流電源６１に電気的に接続されているときは、交流電源６１は、電子機器６への電力供給とは別に、バッテリー構造２’のバッテリーセルを個別に充電する。詳細には、図３に示すように、電力検知素子３７１が、一旦電子機器６が交流電源で動作していることを検知すると、リセットスイッチ３７３は開回路器３１’が可動コネクタ２１ａ、２１ｂを隣接した各二つのバッテリーセル２０の二つの隣接する端子から切り離されるように動作させる。更に詳細には、リセットスイッチ３７３が開回路器３１’の弾性機構３１１を解放する。この時点では、開回路器３１’は弾性機構３１１を解放することでリセットされ、可動コネクタ２１ａ、２１ｂを隣接した各二つのバッテリーセル２０の二つの隣接した端子から切り離すように動作させる。そして交流電源６１はバッテリー構造２’が完全に充電されるまで、バッテリー構造２’のバッテリーセルを個別に充電する。充電過程が完了すれば、電子機器６は、バッテリー構造２’をバックアップ電源として動作させた状態で、単純に交流電源６１により電力供給されてよい。

本発明の第二の実施例はバッテリー構成４である。第一の実施例と異なり、バッテリー構造４内の充電装置５の開回路スイッチ５１としてリードスイッチが用いられ、バッテリーセル４０内の可動コネクタ４１はリードスイッチに反発する磁気極性を有する。

第一の実施例と同様、バッテリー構造４が放電過程にある時は、可動コネクタ４１は各二つの隣接するバッテリーセル４０の、二つの隣接する端子を、バッテリーセル４０を縦列接続するよう電気的に接続する。それにより、もっとも外側にある二つのバッテリーセル４０の陽極と負極の端子それぞれが、電力を供給するため電子機器に電気的に接続される。

一方、充電過程にある時は、リードスイッチは開回路器５１として機能する。磁性可動コネクタ４１に近づくと、リードスイッチは、可動コネクタ４１を二つの対応する隣接する端子から切り離すよう、反発磁力を示す。結果として、二つの隣接する端子間の電気的接続は切り離され、そのため、バッテリーセル４０は互いに切り離される。その後、充電装置５はバッテリーセル４０を、同じく電源５３の充電端子を通じて個別に充電する。

他の例では、可動コネクタはリードスイッチと同じ磁極性を持つよう設定される。この場合、可動コネクタは充電過程にある時には、リードスイッチにより引きつけられ、切り離される。当業者であれば、本例の構成に合うように、本例の他の要素にわずかな変更を行うべきことは理解されるであろう。

上述の実施例中で説明した各種の要素は単に説明を目的としたもので、実際には、本発明のバッテリー構造で使用されるバッテリーセルの数は１より大きい、いかなる正の整数であってもよい。すなわち、仮にＮ個のバッテリーセルがあるとすれば、ここでＮは１より大きい正の整数であるが、（Ｎ−１）個の可動コネクタが各バッテリーセルの間の電気的接続を達成するために必要である。加えて、各バッテリーセルは二つの端子を有するから、合計で２Ｎ個の端子があり、充電動作を完遂するためには、充電装置の電力供給にはまたその２Ｎ個の端子に対応する２Ｎ個の充電端子が必要となる。

さらに、前述の実施例の開回路器もまた他の形式、形状あるいは他の配置で実施してもよい。前述の実施例のバッテリーセルはどのような種類のリチウム電池セル、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池セル、またはニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）電池セルであってもよい。

上記の開示は詳細な技術内容とその発明性のある特徴に関する。当業者であれば記述した本発明の開示と示唆に基づいて各種の改変と変更を、その性質から逸脱することなく行いうる。それにもかかわらず、上記の記載にはそのような改変と変更は十分には開示されていないが、それらは実質的に以下の特許請求の範囲に含まれる。

縦列（直列）接続され充電される標準的な再充電可能なバッテリーセルを示す図バッテリーセル間の拡張端子による標準的な充電方法を示す図本発明の第一の実施例によるバッテリー構造の放電過程を示す図本発明の第一の実施例によるバッテリー構造とその充電装置の充電過程を示す図本発明の第一の実施例によるバッテリー構造とその充電装置の他の例の充電過程を示す図本発明の第二の実施例によるバッテリー構造とその充電装置の充電過程を示す図

Claims

互いに隣り合うＮ個のバッテリーセルであって、ここでＮは１より大きい整数であって、該バッテリーセルは二つの端子を有するものと、
（Ｎ−１）個の可動コネクタであって、各該可動コネクタは、放電する際はすべての前記バッテリーセルが直列となるよう、二つの隣接する前記バッテリーセルの二つの隣接する前記端子を電気的に接続し、充電する際は各隣接する二つの前記バッテリーセルが電気的に切り離されるよう、二つの隣接する前記バッテリーセルの二つの隣接する前記端子を電気的に切り離すよう構成されたものと、
からなるバッテリー構造。
前記各バッテリーセルは過充電、過放電、過電流あるいは短絡を防止するための保護装置を有する、請求項１に記載のバッテリー構造。
前記各バッテリーセルはリチウムバッテリーセルである、請求項１に記載のバッテリー構造。
前記各バッテリーセルはニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池セルである、請求項１に記載のバッテリー構造。
前記各バッテリーセルはニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）電池セルである、請求項１に記載のバッテリー構造。
二つの隣接する端子から可動コネクタの各々を切り離すための開回路器と、
Ｎ個のバッテリーセル各々の前記二つの端子に対応する２Ｎ個の端子を有する充電電力を供給するための電源とからなり、
該電源は、各隣接する二つの前記バッテリーセルの二つの隣接する前記端子を電気的に切り離すため前記開回路器が前記端子から前記可動コネクタを切り離している間は、前記２Ｎ個の充電端子を通じて前記バッテリーセルを個別に充電するよう構成された、
請求項１に記載のバッテリー構造に適合する充電装置。
更に、前記バッテリー構造の温度が閾値を超えた時に、充電電力を供給する前記充電器を停止させるための過熱遮断器を有する、請求項６に記載の充電装置。
前記過熱遮断器は、感熱素子と過熱遮断スイッチとからなり、該感熱素子が温度を感知し、該過熱遮断スイッチが、充電電力の供給を止めるため電力供給を遮断するよう構成された、請求項７に記載の充電装置。
更に、電力検知素子とリセット器とからなる電力検知器を有し、該リセット器は該電力検知器が電子機器により前記バッテリー構造が電源として使用されていることを検知した時は、前記可動コネクタが各二つの隣接する前記バッテリーセルの二つの隣接する前記端子を接続するよう前記開回路器を駆動するようにした、請求項６に記載の充電装置。
前記開回路器は電磁スイッチか機械装置のいずれかである、請求項９に記載の充電装置。
交流（ＡＣ）電流源と前記バッテリー構造とを電源として使用する前記電子機器に適合する、請求項９に記載の充電装置。
前記各バッテリーセルは過充電、過放電、過電流あるいは短絡を防止する保護装置を有する、請求項６に記載の充電装置。
前記バッテリーセルはリチウムバッテリーセルである、請求項６に記載の充電装置。
前記バッテリーセルはニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池セルである、請求項６に記載の充電装置。
前記バッテリーセルはニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）電池セルである、請求項６に記載の充電装置。