JP2019193488A - 電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 二次電池の充電が中断された場合であっても、それまでに充電された電力を有効に活用できるようにする。【解決手段】 複数のセルを有する二次電池と、二次電池からの給電および二次電池の充電の切り替えや二次電池の各セルの接続状態の切り替えをし、給電・充電時に二次電池の各セルの電圧や電流を監視し、二次電池の各セルを１セル毎に充電を行う給電・充電制御部とを有し、充電をする際、給電・充電制御部は、各セルの充電電荷量が所定の比率となるように各セルの充電を行う。【選択図】 図２

Description

本発明は、複数のセルを有する二次電池の充電に関するものである。

複数のセルを有する二次電池の給電・充電制御方法は、様々なものが提案されている。図１（ａ）および図１（ｂ）は、二次電池の給電制御を行う回路の例を示す。１０１および１０２は二次電池を構成するセルを示し、電池セル中の塗りつぶした領域は、残電荷量を示している。１０３および１０４は電子回路部を示し、１０３は動作に１セルより高い電圧を必要とする電子回路部であり、１０４は１セルの電圧でも動作が可能な電子回路部である。

セル１０１および１０２は直列に接続され、セル１０２の負電極を基準電位とし、セル１０１の正電極から、２セル直列接続相当分の電圧を、電子回路部１０３に供給する。また、セル１０１の負電極とセル１０２の正電極との接続点から、１セル相当分の電圧を、電子回路部１０４に供給する。ここで、実際には、上記の電池出力と電子回路部の間には、不図示の電源変換部があり、電子回路部の電源仕様にあわせて変換処理を行っている。セル１０１の正電極から電子回路部１０４へ電力を供給する際、電子回路部１０４の電源仕様にあわせて、電源変換部で降圧変換を行うと、変換部での入出力電位差が大きいために降圧変換による電力損失も大きくなってしまう。

一方、特許文献１には、充電時に並列接続に切り替えることで、充電時間を短縮する充電制御方法が記載されている。

特開平５−２５２６６９号公報

しかしながら、上述の給電制御方法では、二次電池のセル１０１および１０２の電荷のバランスが崩れてしまうという難点があり、給電の時だけでなく、充電の時にも課題となる。セルバランスが崩れた状態の二次電池の充電制御には、特許文献１に記載された従来技術のように、個々のセル毎に充電を行うことが望ましい。例えば、図１（ｃ）および図１（ｄ）に示すように、まずは、セル１０２をフル充電させた後に、セル１０１を充電していくことになる。

しかしながら、図１（ｅ）に示すように、セル１０２しか充電できていない状態で、充電を中断して給電制御を開始してしまうと、図１（ｆ）に示すように、セル１０１の残電荷を先に使い切ってしまい、その結果、セル１０２に電荷が残っているにも関わらず、これ以上動作させることができなくなってしまう。

そこで、本発明は、二次電池の充電が中断された場合であっても、それまでに充電された電力を有効に活用できるようにすることを目的とする。

本発明に係る電子機器は、複数のセルを有する二次電池と、前記二次電池からの給電および前記二次電池の充電の切り替えや二次電池の各セルの接続状態の切り替えをし、給電・充電時に二次電池の各セルの電圧や電流を監視し、二次電池の各セルを１セル毎に充電を行う給電・充電制御部とを有し、充電をする際、前記給電・充電制御部は、各セルの充電電荷量が所定の比率となるように各セルの充電を行う。

本発明によれば、二次電池の充電が中断された場合であっても、それまでに充電された電力を有効に活用することができる。

二次電池の給電制御を行う回路の例を示す図である。 実施形態１における電子機器の構成要素の例を説明するためのブロック図である。 実施形態１における充電制御方法が行われた場合における各セルの充電状態の推移の例を示す図である。 実施形態１における電子機器で行われる充電制御方法の例を説明するためのフローチャートである。 実施形態２における電子機器で行われる充電制御方法の例を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

［実施形態１］
実施形態１では、二次電池を使用する電子機器で行われる給電・充電制御を例示する。図２は、実施形態１における電子機器の構成要素の例を説明するためのブロック図である。２０１は、電子機器内部の電子基板を、２０２は、セル２０２ａおよび２０２ｂによって構成される二次電池を示し、二次電池２０２は、不図示の電池接点を介して電子基板２０１に接続される。実施形態１では、２セルの二次電池を例に挙げる。

２０３は、給電・充電制御部を示す。給電・充電制御部２０３は、内部に複数のスイッチング回路部を有し、二次電池のセル２０２ａと２０２ｂそれぞれの正電極・負電極との接続端子や、後述する外部電源入力部２０４からの入力端子２０３ｃ、負荷への出力端子２０３ａ・２０３ｂの、相互の接続状態の切り替えを行う。例えば、内部の複数のスイッチング回路部の接続を切り替えることで、二次電池２０２からの電力を２０６〜２１０に示す電子回路部に供給する給電の際は、二次電池のセル２０２ｂの負電極を基準電位とし、セル２０２ａの負電極と２０２ｂの正電極を接続して、直列接続する。

また、外部電源入力部２０４から供給される電力を二次電池２０２に供給する充電の際には、二次電池のセル２０２ａおよび２０２ｂの負電極を基準電位とし、２０２ａと２０２ｂのうち、充電を行うセルの正電極のみを、外部電源入力部２０４からの電力供給線に接続させる。さらに、電子回路部２０６〜２１０への給電時には、セル２０２ａおよび２０２ｂを直列に接続した２セル相当の出力が、図２中の２０３ａから出力され、セル２０２ｂから供給される1セル相当の出力が、図２中の２０３ｂから出力される。

給電・充電制御部２０３は、二次電池のセル２０２ａおよび２０２ｂを充電する際の各セルの端子間電圧や充電電流を計測・監視する機能と、計測した結果を基に、二次電池のセル２０２ａおよび２０２ｂが適切に充電されるように、充電電圧・電流の制御を行う機能を有する。また、給電時にも同様に、セル２０２ａ・２０２ｂそれぞれについて、端子間電圧や給電電流の計測・監視を行う。充電した電荷の総量や給電した電荷の総量を記憶し、その差分から、電荷残量を計算して記憶する。

２０４は、外部電源入力部である。具体的には、ＡＣアダプターなどが接続され、直流変換された電力が供給される。もしくは、ＵＳＢケーブルなどを介して他の電子機器が接続され、電力供給が可能なインターフェース規格に準拠して電力が供給される。２０５は、電源回路を示す。給電・充電制御部２０３から供給される、１セル相当の出力２０３ｂおよび２セル相当の出力２０３ａを、各出力先に接続されている電子回路部２０６〜２１０それぞれの電源仕様に準じた電圧に変換して供給する。

２０６〜２０８は、１セル相当の電池出力で動作可能な電子回路部である。実施形態１では、制御回路および演算処理回路２０６、記憶回路２０７、固体撮像素子などのセンサー部２０８を例に挙げている。２０９・２１０は、２セル相当の電池出力で動作可能な電子回路部である。実施形態１では、液晶表示部２０９、アクチュエーター駆動部２１０を例に挙げている。

次に、図３および図４を参照して、実施形態１における電子機器で行われる充電制御方法を説明する。図３は、実施形態１における充電制御方法が行われた場合における各セルの充電状態の推移の例を示す図である。

図３のグラフは、図２で示した二次電池を構成するセル２０２ａおよび２０２ｂの、充電状態（残電荷量）を示すグラフであり、横軸は充電開始からの経過時間、縦軸は充電率を示す。図３のグラフ中の、実線の波形３０１は、セル２０２ｂの充電率を、波形３０２は、セル２０２ａの充電率の推移を示す。図４は、実施形態１における電子機器で行われる充電制御方法の例を説明するためのフローチャートである。以降、図４のフローチャートを参照して、充電時の二次電池のセル２０２ａおよび２０２ｂの充電制御を説明し、必要に応じて図３を用いて補足説明をする。

実施形態１では、典型的な使用例における、セル２０２ａから供給される電荷の総量とセル２０２ｂから供給される電荷の総量の比率が１：２であるものとし、充電時にはこの比率を基準に、充電対象セルの切り替えを行う。以降の説明では、上述した比率を充電目標比率と呼ぶこととする。

まず、Ｓ４０１で、外部電源入力部２０４に外部の電源が接続され、電子機器の充電モードが選択されると、給電・充電制御部２０３は、制御部２０３の内部で出力端子２０３ａおよび２０３ｂを切り離し、二次電池２０２から電子回路部２０６〜２１０への電力供給を停止する。また、給電・充電制御部２０３は、制御部２０３の内部で、二次電池２０２ａおよび２０２ｂの直列接続を切り離した上で、外部電源入力部２０４からの電力を個々のセルの各端子に供給できるような、充電待機状態にする。

Ｓ４０２で、給電・充電制御部２０３は、過去の充電時の充電電荷総量や給電時の給電電荷総量を基に、二次電池の各セル２０２ａおよび２０２ｂそれぞれの残電荷量を計算する。Ｓ４０３で、給電・充電制御部２０３は、セル２０２ａおよび２０２ｂの残電荷量の比率を計算し、充電目標比率に対する比較判定を行う。

図３の３０３に示すような「Ｑｂ＜Ｒｃ×Ｑａ」の場合、給電・充電制御部２０３は、充電先としてセル２０２ｂを選択し、外部電源入力部２０４からの電力を供給して、Ｓ４０４で、セル２０２ｂの充電を開始する。ここで、Ｑａはセル２０２ａの残電荷量を、Ｑｂはセル２０２ｂの残電荷量を、係数Ｒｃは充電目標比率を示す。実施形態１では、上述した充電目標比率１：２と、セル２０２ａを基準とすることから、Ｒｃ＝２となる。

セル２０２ｂの充電中、給電・充電制御部２０３は、セル２０２ｂの端子間電圧や流入する電荷量を監視し、セル２０２ｂの充電が完了したか（Ｓ４０５）、もしくは、「Ｑｂ≧１．１×Ｒｃ×Ｑａ」となるまで充電を継続する（Ｓ４０６）。Ｓ４０６の比較式中の係数１．１は、セル２０２ａと２０２ｂの充電が交互に繰り返されるよう、現在充電されているセル２０２ｂを充電目標比率に対して１０％程多く充電するための係数である。

Ｓ４０６で、セル２０２ｂの充電状態が、「Ｑｂ≧１．１×Ｒｃ×Ｑａ」となったと判定された場合、再度、Ｓ４０３にて、セル２０２ａおよび２０２ｂの現状の残電荷量の比率と、充電目標比率との、比較判定を行う。Ｓ４０１〜Ｓ４０６の充電状態を、図３を用いて説明すると、図３の３０３〜３０４に示すようになる。

次に、Ｓ４０３の判定で「Ｑｂ≧Ｒｃ×Ｑａ」であった場合、給電・充電制御部２０３は、充電先としてセル２０２ａを選択し、外部電源入力部２０４からの電力を供給して、Ｓ４０７で、セル２０２ａの充電を開始する。

セル２０２ａの充電中は、給電・充電制御部２０３は、「Ｑａ≧１．１×１／Ｒｃ×Ｑｂ」となるまで充電を継続する（Ｓ４０８）。Ｓ４０８の比較式中の係数１．１は、Ｓ４０６と同様に、セル２０２ａと２０２ｂの充電が交互に繰り返されるよう、現在充電されているセル２０２ａを充電目標比率に対して１０％程多く充電するための係数である。Ｓ４０８で、セル２０２ａが、「Ｑａ≧１．１×１／Ｒｃ×Ｑｂ」となるまで充電されたと判定された場合、再度、Ｓ４０３の判定を行う。Ｓ４０３、Ｓ４０７およびＳ４０８の充電状態を、図３を用いて説明すると、図３の３０４〜３０５となる。

以降、給電・充電制御部２０３は、Ｓ４０５でセル２０２ｂの充電が完了したと判定されるまで、図３の３０５〜３０８に示すように、セル２０２ａおよび２０２ｂの充電を交互に繰り返す。

Ｓ４０５で、セル２０２ｂの充電が完了したと判定された場合、Ｓ４０９・Ｓ４１０にて、給電・充電制御部２０３は、充電先をセル２０２ａに切替え、図３の３０９のようにセル２０２ａの充電が完了するまで、充電を継続する。Ｓ４１０で、セル２０２ａの充電が完了したと判定されると、セル２０２ａ・２０２ｂともに充電が完了したことになるため、給電・充電制御部２０３は、Ｓ４１１にて充電を終了する。

上述の通り、充電中も二次電池の各セルの充電電荷量が所定の比率となるように制御をすることで、充電を途中で終了した場合においても、それまでに充電された各セルの残電荷を有効活用した給電を行うことができる。

［実施形態２］
以下、図５を参照して、実施形態２における電子機器で行われる充電制御方法を説明する。

実施形態２における電子機器の構成要素の例を図２に示す。実施形態２における電子機器の構成要素は、実施形態１における電子機器の構成要素と同様であるので、それらの説明を省略する。ただし、実施形態２では、給電時に各セルから給電した電荷量を学習し、充電時の充電目標比率Ｒｃを決定する点で実施形態１と異なる。実施形態２では、実施形態１と異なる部分を説明する。

実施形態２における電子機器で行われる充電制御方法の例を図４に示す。実施形態２における電子機器で行われる充電制御方法は、実施形態１における電子機器で行われる充電制御方法と同様であるので、それらの説明を省略する。ただし、実施形態２では、給電時に各セルから給電した電荷量を学習し、充電時の充電目標比率Ｒｃを決定する点で実施形態１と異なる。実施形態２では、実施形態１と異なる部分を説明する。

図５は、実施形態２における、給電時に各セルから給電した電荷量を基にした、充電時の目標比率決定のためのフローチャートである。

Ｓ５０１で電子機器が起動されると、制御回路および演算処理回路２０６は、Ｓ５０２で、充電後の最初の起動かどうかを判定する。充電後の最初の起動である場合に、給電・充電制御部２０３は、二次電池のセル２０２ａの残電荷量Ｑａおよび２０２ｂの残電荷量Ｑｂを検出し、検出した残電荷量ＱａおよびＱｂの値を制御回路および演算処理回路２０６に送信して記憶回路２０７に記憶する。このときの、セル２０２ａの残電荷量をＱａ１、セル２０２ｂの残電荷量をＱｂ１とする。

以降、Ｓ５０４で充電が開始されるまでの間、二次電池のセル２０２ａおよび２０２ｂから電子回路部２０６〜２１０に給電され、電子機器は動作を続ける。

Ｓ５０４で、外部電源入力部２０４に外部の電源が接続され、電子機器の充電モードが選択されると、Ｓ５０５で、給電・充電制御部２０３は、二次電池のセル２０２ａの残電荷量Ｑａおよびセル２０２ｂの残電荷量Ｑｂを検出する。このときの、セル２０２ａの残電荷量をＱａ２、セル２０２ｂの残電荷量をＱｂ２とする。

次に、Ｓ５０６で、制御回路および演算処理回路２０６は、充電後最初に給電を開始した時点から、今回の充電を選択するまでの間に消費されたセル２０２ａの消費電荷量ΔＱａを、式ΔＱａ＝Ｑａ１―Ｑａ２から計算する。同様に、セル２０２ｂの消費電荷量ΔＱｂについても、式ΔＱｂ＝Ｑｂ１―Ｑｂ２から計算する。

Ｓ５０６で計算したΔＱａおよびΔＱｂを基に、Ｓ５０７で、制御回路および演算処理回路２０６は、充電目標比率Ｒｃを、式Ｒｃ＝ΔＱｂ／ΔＱａから計算する。制御回路および演算処理回路２０６が、計算した充電目標比率Ｒｃを、給電・充電制御部２０３に送信すると、Ｓ５０８で、充電目標比率の決定フローチャートを終了する。以降、給電・充電制御部２０３が、図４のフローチャートに従って充電を開始する。

上述の通り、給電中の各セルの給電電荷量を基にして充電目標比率を決定することで、電子機器使用者の使い方の特徴に則した充電制御となるため、充電した電荷をより有効に活用することができる。

なお、本発明の実施形態は上述の実施形態１または２に限定されるものではない。発明の要旨を逸脱しない範囲で変更または修正された上述の実施形態１または２も本発明の実施形態に含まれる。

２０２ 二次電池
２０３ 給電・充電制御部

Claims (2)

1. 複数のセルを有する二次電池と、
   前記二次電池からの給電および前記二次電池の充電の切り替えや二次電池の各セルの接続状態の切り替えをし、給電・充電時に二次電池の各セルの電圧や電流を監視し、二次電池の各セルを１セル毎に充電を行う給電・充電制御部と
   を有し、
   充電をする際、前記給電・充電制御部は、各セルの充電電荷量が所定の比率となるように各セルの充電を行うことを特徴とする電子機器。
2. 各セルの充電電荷量の比率は、給電時に二次電池の各セルから供給される電荷の総量の比率に基づいて計算され、充電の度に更新されることを特徴とする請求項１に記載の電子機器。