JP2012196058A - 電池切換回路及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器の動作を停止させることなくバッテリ交換できるようにすること。
【解決手段】本実施形態に係る電池切換回路及び電子機器は、バッテリユニット１及びバッテリユニット２を切り替えて負荷回路に給電する回路であって、バッテリユニット１による給電を制御するＦＥＴ１２と、バッテリユニット２による給電を制御するＦＥＴ２２と、ＦＥＴ１２をゲート電圧により制御するフォトリレー１４と、ＦＥＴ２２をゲート電圧により制御するフォトリレー２４と、フォトリレー１４及びフォトリレー２４により、ＦＥＴ１２及びＦＥＴ２２のうち一方をオン状態に切り換え、かつオン状態への状態遷移時にはＦＥＴ１２及びＦＥＴ２２の双方をオン状態にするように切り換えるスイッチ４１とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、複数のバッテリを切り換えて運用するための電池切換回路及び電子機器に関する。

近時、ニッケル水素バッテリやリチウムイオンバッテリ等、エネルギ密度の高いバッテリの進化に伴い、バッテリで動作する可搬形機器は一般的な存在になっている。携帯電話、ラップトップパソコンなど、バッテリに依存する機器は枚挙にいとまがない。

この種の機器の不便な点は、バッテリで動作していて容量低下時には、ＡＣアダプタを接続して充電しながら使用するか、予備のバッテリを携行して、バッテリを交換する必要がある。しかし、外部で使用中にＡＣアダプタを使用できる環境は、まだまだ整備できていない。また、予備のバッテリを携行していた場合でも、バッテリ交換時には一旦機器の使用をやめて充電済みバッテリに交換しなければならない。

パソコンの一部の機種でバッテリをデュアルに搭載して並列運転可能なモデルが存在している。しかし、並列運転で稼働時間を延ばすことができるものの、バッテリ交換のタイミングが難しく、使用者が適切にバッテリ交換できるような操作方法は確立していない状況である。

特開平６−２２５４６４号公報

上述したように、従来の機器ではバッテリをデュアルに接続して並列動作させることにより駆動時間を延長できるものの、２台のバッテリが容量低下すると一旦機器の電源を落としてバッテリ交換する必要があった。

本実施形態の目的は、機器の動作を停止させることなくバッテリ交換できる電池切換回路及び電子機器を提供することにある。

本実施形態に係る電池切換回路及び電子機器は、第１電池及び第２電池を切り替えて負荷回路に給電する回路であって、前記第１電池による給電を制御する第１半導体スイッチ回路と、前記第２電池による給電を制御する第２半導体スイッチ回路と、前記第１半導体スイッチ回路をゲート電圧により制御する第１ゲート電圧制御手段と、前記第２半導体スイッチ回路をゲート電圧により制御する第２ゲート電圧制御手段と、前記第１ゲート電圧制御手段及び前記第２ゲート電圧制御手段により、前記第１半導体スイッチ回路及び前記第２半導体スイッチ回路のうち一方をオン状態に切り換え、かつオン状態への状態遷移時には前記第１半導体スイッチ回路及び第２半導体スイッチ回路の双方をオン状態にするように切り換えるスイッチ手段とを具備するものである。

第１実施形態に係る電池切換回路の構成例を示す図。 第２実施形態に係る電池切換回路の構成例を示す図。 図２の電池切換回路を実装した電子機器の構成例を示す図。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る電池切換回路及び電子機器を説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の電池切換回路の構成例を示したものである。

電池切換回路１０は、ＰチャネルＭＯＳ ＦＥＴ１２，１６，２２，２６、フォトリレー１４，１８，２４，２８、抵抗１３，１５，１７，１９、スイッチ４１、抵抗４２，４４、及びバッファ回路４３，４５を備える。

抵抗１３と抵抗１５は、フォトリレー１４がＯＮ状態の時にバッテリ１の電圧をその抵抗値の比率で分圧してＦＥＴ１２のゲート電圧ソースよりも低下させ、ＦＥＴ１２をＯＮさせるように値を設定する。抵抗１７と抵抗１９、抵抗２３と抵抗２５、抵抗２７と抵抗２９についてもそれぞれフォトリレー１８，２４，２８がＯＮしたときにＦＥＴ１６、２２、２６をＯＮさせるように設定する。

また、フォトリレー１４，１８，２４，２８は、いわゆる１ｂ接点機能を有する物を使用する。すなわち、それぞれのＬＥＤ１４，１８，２４，２８に電流が流れないときにリレーが導通（低抵抗）状態になり、電流を流してＬＥＤが発光したときにはオフ（高抵抗）状態になるような特性を備えている。

抵抗４２，４４はバッファ４３，４５の入力プルアップ抵抗であり電源にプルアップする。バッファ４３，４５の電源と抵抗４２，４４の接続先の電源ならびにフォトリレー１４，１８，２４，２８のＬＥＤの電源は共通で、ＤＣ／ＤＣ電源３の負荷への出力電圧を使用する。

バッテリユニット１，２は、着脱コネクタ１１，２１で機器と接続するように構成され、交換が可能である。また、各バッテリユニット１，２は、それぞれの内部で充電状況を確認し、外部から電池容量を把握できることができるようなインジケータ（容量表示機能）を備える。

バッテリユニット１の接続入力部の＋電圧側の配線入力部に、電圧をＯＮ／ＯＦＦするためのＰチャネルＭＯＳ ＦＥＴ１２と、並列接続のためＯＲ回路を形成するためのＰチャネルＭＯＳ ＦＥＴ１６を直列に接続する。同様に、バッテリユニット２の接続入力部の＋電圧側の配線入力部に、電圧をＯＮ／ＯＦＦするためのＰチャネルＭＯＳ ＦＥＴ２２と、並列接続のためのＯＲ回路を形成するためのＰチャネルＭＯＳ ＦＥＴ２６を直列に接続する。さらに、ＦＥＴ１６とＦＥＴ２６のソース端子側で２系統の回路を接続した後で、電子機器内部回路の使用電圧を生成するためのＤＣ／ＤＣ電源３の入力端子に接続される。

また、ＦＥＴ１２，１６をＯＮ／ＯＦＦ制御するためのゲート電圧制御手段として、フォトリレー１４，１８が設けられ、同様に、ＦＥＴ２２，２６をＯＮ／ＯＦＦ制御するためのゲート電圧制御手段として、フォトリレー２４，２８が設けられる。これらのゲート電圧制御手段は下記のようなシーケンスで制御される。
状態１： ＦＥＴ１２，１６：ＯＮ ＦＥＴ２２，２６：ＯＦＦ
状態２： ＦＥＴ１２，１６：ＯＮ ＦＥＴ２２，２６：ＯＮ
状態３： ＦＥＴ１２，１６：ＯＦＦ ＦＥＴ２２，２６：ＯＮ
状態１から状態３への遷移は、必ず状態２を経由してから他方に切り替わるようにする。すなわちバッテリユニット１側で運用している状態１の場合にバッテリユニット１の容量が低下したら、状態２を経由して運転した後で状態３のバッテリユニット２で運用する状態に切り替える。その状態でバッテリユニット１を交換することができる。逆に、状態３から状態１への遷移も上記同様に状態２を経由して行う。

具体的にこの切替シーケンスを実現するために、第１実施形態では、２極双投スイッチで、かつ中点がオフになるようなスイッチ４１によってＦＥＴ１２,１６、ＦＥＴ２２,２６をＯＮ／ＯＦＦできるように構成する。そして、スイッチ４１が中点４１ｄ，４１ｇにある場合には並列動作するようにし、他の場合にはバッテリユニット１、２をそれぞれ単独に動作するように切り替える。

図１において、スイッチ４１の接続端子４１ａ，４１ｂが上側接点４１ｃ，４１ｆに接続されるとき、バッファ回路４３，４５の出力は、フォトリレー２４，２８のＬＥＤが光らない状態、フォトリレー１４，１８のＬＥＤは光る状態となり、フォトリレー２４，２８はＯＮ状態、フォトリレー１４，１８はＯＦＦ状態となる。このため、ＦＥＴ１２とＦＥＴ１６はＯＦＦ状態で、ＦＥＴ２２とＦＥＴ２６がＯＮ状態となり、バッテリユニット２側がＤＣ／ＤＣ電源３に接続されて動作する状態となる。

このとき、ＦＥＴ２６はＯＮ状態にあり、ＦＥＴ内部のＳ−Ｄ間のボディダイオードは順方向ドロップの小さい理想的なダイオードとして電流供給経路となる。他方、ＦＥＴ１６側はＯＦＦ状態になるためD−Ｓ間は電流が流れず、Ｓ−Ｄ間のボディダイオードは通常のダイオード特性を示すようになる。すなわち、バッテリユニット１側はＦＥＴ１２がＯＦＦとなるため、負荷側に電流は供給できないように遮断され、さらにＦＥＴ１６によりバッテリユニット２側からの電流（充電電流）も遮断されるようになる。従って、この状態で、バッテリユニット２で機器を動作させたままで、バッテリユニット１を取り外し新たな充電済みのバッテリユニットと交換することが可能となる。

スイッチ４１の接続端子４１ａ，４１ｂが下側接点４１ｅ，４１ｈに接続されるときは、上記説明とは逆の関係になり、バッテリユニット１で動作する。この状態ではバッテリユニット２の交換を行うことが可能となる。

スイッチ４１の切り換え時の過渡的な状態では、バッファ４３，４５の入力がプルアップされているため、フォトリレー１４，１８，２４，２８のＬＥＤが消える状態になるので出力が途切れることがない。

また、スイッチ４１が中点４１ｄ，４１ｇの時には、フォトリレー１４，１８，２４，２８のＬＥＤすべてが消える状態、すなわちリレー出力はすべてＯＮ状態となり、ＦＥＴ１２，１６，２２，２６すべてがＯＮとなり、バッテリユニット１，２の並列運転となる。

ＦＥＴ１６とＦＥＴ２６は、ＯＮ状態ではロスの小さいオア回路として機能し、ＯＦＦ状態では交換するバッテリユニット側を短絡保護したり、ＯＮ側のバッテリユニットから電流が注入されるのを防ぐ役割を担う。また、バッテリユニット１とバッテリユニット２の電圧が、容量低下の度合いに応じて異なっている場合には、高い方の側が低い方に充電電流を流す経路が形成されており、２台のバッテリユニットがバランスを取るように動作する。

以上述べたように、第１実施形態によれば、次のような運用が可能となる。第１に、バッテリを交互に使用するモードとして、運用中にバッテリ１が容量低下したらバッテリ２運用に切り替えて、バッテリ１を交換、次にバッテリ２が容量低下したら先に交換したバッテリ１に切り替えて、バッテリ２を充電済みのバッテリに切り替える。これを繰り返すことにより予備バッテリがある限り連続運用することが可能となる。

第２に、従来のようにデュアルバッテリを並列運用して、交換時には機器をＯＦＦすることを前提にして使用することも可能である。この時は、スイッチ４１を中点にしてデュアルバッテリを並列運用し、バッテリの容量低下まで使用する。２台のバッテリが容量低下したら、機器を停止し、新たな充電済みのバッテリと交換して使用する。

また、ＦＥＴ１２，１６，２２，２６をＯＮ／ＯＦＦ制御するためのゲート電圧制御手段として、フォトリレー１４，１８，２４，２８を用いているため、ゲート制御のためのスイッチ４１やバッファ４３，４５は、ＦＥＴ１２，１６、２２，２６と電気的に絶縁されている。したがって、制御回路側はバッテリの抜き差し等を行う際の電圧変動等の影響を受けにくく、誤動作のおそれもない。

また、逆にスイッチ４１を人間が操作する際に、静電気で帯電した状態でスイッチ操作しても、その静電気をＦＥＴのゲートに伝達することがないので、機器側の保護にもなる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、バッテリユニット１または２の運用に切り替えて他方のバッテリユニットを交換する手順で述べたが、バッテリユニットの交換はスイッチ４１が中間状態の並列運転中にも実施可能である。従って、交換作業時のみこの並列運転状態にしておいて、交換後に運用する側を設定して連続動作させることが可能である。

そこで、第２実施形態では、中点オフ機能を持つ２極双投スイッチを使用するのではなく、２つの切換スイッチを使用して、バッテリ切換操作を行う第１スイッチは、並列動作設定する第２スイッチの下位になるように機構構造等で制約を設けるようにするものである。具体的には第２スイッチが並列動作状態に設定されないと、第１スイッチの操作ができないようにする。

図２は、第２実施形態に係る電池切換回路の構成例を示したものである。図２では、上記図１に示したスイッチス４１に代えて、２極双投スイッチ５１，５２を直列に接続して構成する。第１スイッチ５１は、バッテリユニット１，２を選択するスイッチであり、第２スイッチ５２は第１スイッチ５１と接続するか、或いはＦＥＴ１２，１６，２２，２６をＯＮ、すなわちバッテリユニット１，２を並列運転状態にするかを切り替えるスイッチである。この２つのスイッチは、例えば図３に示すように、第２スイッチ５２が優先的に動作するように構成する。

図３は、図２の構成を有効に機能させるための可搬形の電子機器の構成例を示したものである。この電子機器は、例えば、ビデオカメラや無線機で構成される。図３（ａ）は、筐体を側面から見た図であり、筐体の中に機器回路部、２つのバッテリユニット１，２、バッテリユニット１，２と機器回路部を接続する接続回路３、及びＤＣ／ＤＣコンバータが収容され、バッテリユニット１，２を充電済みのバッテリユニットと交換できるように開閉できる電池部のカバーが設けられる。

図３（ｂ）は、電池カバー部を開いた状態をカバー側から見た図である。バッテリユニット１，２には充電状態を表示したインジケータがそれぞれ設けられている。第１スイッチ５１は、電池部のカバーを開けた内部に配置し、電池部のカバーを開けないと操作できないようにする。第２スイッチ５２は、電池部のカバーの開閉に対応して動作し、カバーが開いたときには図２の構成のＯＰＥＮ状態になるように、閉じたときに第１スイッチ５１と接続するように構成する。

このように構成することにより、電池部のカバーを開いたときには２つのバッテリユニット１，２の並列状態運転となっており、動作継続したままで内部にアクセスできるようになる。

図３では、第１スイッチ５１がバッテリユニット１を選択しており、バッテリユニット１の容量減の状態であることを模式的に示している。一方、バッテリユニット２は充電されている状態のままであるものとする。オペレータはこの状態の時にはバッテリユニット１を充電済みの新たなバッテリユニットと交換することができる。

交換後、第１スイッチ５１は、バッテリユニット１のままでも、バッテリユニット２を使うように切り替えてもよい。バッテリユニット１，２を交互に使用する場合はバッテリユニット２を選択し、常にバッテリユニット１を運用してバッテリユニット２側は交換時のバックアップとして用いるのであればバッテリユニット１のままにすればよい。万一バッテリユニット２も容量低下している場合には、バッテリユニット１を交換後にバッテリユニット２も交換する。

すなわち、バッテリユニットを１つずつ交換するのであれば、電池部のカバーが開いている状態では動作状態を継続できる。交換作業終了後には、電池部のカバーを閉めれば第２スイッチ５２は第１スイッチ５１に接続する系統となり、第１スイッチ５１の設定が反映されるようになる。

上記第１及び第２実施形態によれば、複数のバッテリで動作するフィールド使用の電子機器において、バッテリ容量低下時にも機器の動作を停止させることなく連続して動作させたままでバッテリ交換できるようになる。したがって、予備のバッテリがある限り、連続して運用する事が可能な電子機器を提供することが可能となる。

なお、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，２…バッテリユニット、１１，２１…着脱コネクタ、１２，１６，２２，２６…ＦＥＴ、１３，１５，１７，１９，２３，２５，２７，２９…抵抗、１４，１８，２４，２８…１ｂ接点のフォトリレー、４１…スイッチ（中点オフ機能を持つ２極双投スイッチ）、４２，４４…抵抗、４３，４５…バッファ回路、５１…第１スイッチ（２極双投スイッチ）、５２…第２スイッチ（２極双投スイッチ）。

Claims (6)

1. 第１電池及び第２電池を切り替えて負荷回路に給電する回路であって、
   前記第１電池による給電を制御する第１半導体スイッチ回路と、
   前記第２電池による給電を制御する第２半導体スイッチ回路と、
   前記第１半導体スイッチ回路をゲート電圧により制御する第１ゲート電圧制御手段と、
   前記第２半導体スイッチ回路をゲート電圧により制御する第２ゲート電圧制御手段と、
   前記第１ゲート電圧制御手段及び前記第２ゲート電圧制御手段により、前記第１半導体スイッチ回路及び前記第２半導体スイッチ回路のうち一方をオン状態に切り換え、かつオン状態への状態遷移時には前記第１半導体スイッチ回路及び第２半導体スイッチ回路の双方をオン状態にするように切り換えるスイッチ手段と
   を具備することを特徴とする電池切換回路。
2. 前記スイッチ手段は、中点オフ機能を有する２極双投スイッチにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の電池切換回路。
3. 前記スイッチ手段は、２段の２極双投スイッチにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の電池切換回路。
4. 前記第１半導体スイッチ回路及び前記第２半導体スイッチ回路と前記スイッチ手段とは、前記第１ゲート電圧制御手段及び第２ゲート電圧制御手段を介して電気的に絶縁するように構成され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池切換回路。
5. 前記第１ゲート電圧制御手段と前記負荷回路との間にＯＲ回路を形成するための第３スイッチ素子と、
   前記第２ゲート電圧制御手段と前記負荷回路との間にＯＲ回路を形成するための第４スイッチ素子と、
   前記第３スイッチ素子をゲート電圧により制御する第３ゲート電圧制御手段と、
   前記第４スイッチ素子をゲート電圧により制御する第４ゲート電圧制御手段と
   をさらに具備し、
   前記スイッチ手段により、前記第３ゲート電圧制御手段を前記第１ゲート電圧制御手段と共に動作させ、前記第４ゲート電圧制御手段を前記第２ゲート電圧制御手段と共に動作させ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池切換回路。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の電池切換回路を具備し、前記負荷回路で動作する電子機器。

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