JP3312428B2

JP3312428B2 - 放電回路

Info

Publication number: JP3312428B2
Application number: JP16874293A
Authority: JP
Inventors: 慎一長谷野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-06-15
Filing date: 1993-06-15
Publication date: 2002-08-05
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: JPH077862A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電源としてニッカド
（ニッケル−カドミウム）電池やリチウムイオン電池な
どの二次電池を使用する電子機器において、電源容量を
増加させるために、内部抵抗の低い電池の並列使用を可
能にするための放電回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】電池を電源として用いる携帯可能な電子
機器が広く使用されている。携帯可能とするために、こ
のような電子機器では、電源として電池が用いられる。
電池は、電子機器のバッテリーパックに搭載されて使用
される。マンガン乾電池等の一次電池が用いられる場合
には、電子機器の使用可能時間を長くするために並列接
続される。しかしながら、ニッカド電池等の二次電池で
は並列接続されない。即ち、二次電池において、低い内
部抵抗を有する容量の大きな電池とその電池と容量の異
なる電池とを並列接続して電源として用いると、電子機
器に異常な充電電流が流れて発熱などの危険がある。ま
た、この異常な大電流によって二次電池の重要な特性、
つまり、充電の性能に悪影響が生じてしまう。

【０００３】このため、電源に二次電池を使用する機器
では、たとえ複数の電池を搭載する機器でも、それらの
電池を順次切り換えて負荷に接続する方式がとられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】電源に二次電池を複数
個搭載して、それらの電池を切り換える方式において
は、電源を供給する電池は常に一つであるから異常充電
の心配がない。しかしながら、この方式では、以下に示
すような問題がある。

【０００５】即ち、電池を切り換えた時に生じる電圧の
変動が機器の動作に影響することが避けられない。ま
た、重い負荷を１本の電池にかけることになるため、過
放電あるいは放電不完全となるおそれがある。さらに、
一般的に、電池の内部抵抗は、低温になるほど大きくな
る。内部抵抗が大きくなることにより、電池から取り出
すことのできる最大電力が小さくなってしまう。

【０００６】また、二次電池充電用の機器には、大型で
高価な半導体素子が必要とされる。このため、充電装置
が大型化になると共に高価になってしまう。

【０００７】従って、この発明の第１の目的は、電子機
器に影響を及ぼす電池切り替え時の電圧変動を防止する
と共に、過放電や放電不完全の発生を防止することがで
きる放電回路を提供することにある。

【０００８】また、この発明の第２の目的は、電池を充
電する際に、電池の並列動作に不可欠な半導体スイッチ
を電流制限素子として用いることにより、小型で安価な
放電回路を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に関わるこの発
明は、第１及び第２の端子間に並列接続される第１及び
第２の二次電池と、第１及び第２の二次電池の各出力に
接続される第１及び第２の電流制限素子及び第１及び第
２の電流検出素子と、第１及び第２の電流検出素子で第
１及び第２の二次電池から供給された電力を比較し、第
１及び第２の電流制限素子により、第１及び第２の二次
電池の内で大きい電力を有する一方を第１及び第２の端
子の一方に接続するか、または第１及び第２の二次電池
の電力が所定の範囲で同等の場合に第１及び第２の二次
電池を第１及び第２の端子にそれぞれ接続するようにし
た差動増幅器とからなり、差動増幅器の出力が第１及び
第２の電流制限素子のスレッショルドレベルを超えた所
定の範囲で第１及び／又は第２の二次電池と、第１及び
／又は第２の端子とを接続するようにしたことを特徴と
する放電回路である。

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【作用】二次電池を並列動作させるための回路は、基本
的に二本の電池の端子電圧を比較する差動増幅回路であ
って、その出力が各々の電池に接続された半導体スイッ
チを制御し、端子電圧が他方に較べて高い方の電池を負
荷に接続する。この差動増幅回路は、両方の電池の端子
電圧がほぼ等しいときに両方のスイッチを閉じるように
その動作点が選ばれる。

【００１３】電池を充電するための回路は充電動作中、
半導体スイッチ素子に対して規定の充電電流を発生する
ような制御を行なう。この充電回路には、電池の端子電
圧が低く電流制限回路で消費される電力が大きいとき
に、充電電流を規定値よりも小さく抑えて半導体スイッ
チからの発熱を少なくするような特性を持たせる。

【００１４】

【実施例】以下、この発明が適用された充電回路の構成
に関して図面を参照して説明する。図１には、例えば電
子機器のバッテリーパック内に装填される充電回路の回
路図が示される。図１において、充電回路は、２本の二
次電池の並列使用を可能とする作動増幅器と、二次電池
の充電電流を制御する演算増幅器と、演算増幅器に追加
されたツェナーダイオード及び抵抗からなる帰還回路と
から構成される。図１において、１及び２は、並列動作
が可能とされる二次電池である。二次電池１の＋端子及
び二次電池２の＋端子は、電源電圧Ｖｃｃに接続され
る。この電源端子Ｖｃｃには、抵抗３、抵抗４、抵抗
５、抵抗６、抵抗７の夫々の一端が接続される。抵抗３
の他端は、抵抗８を介して接地されると共に、演算増幅
器９の非反転入力端子に接続される。また、抵抗７の他
端は、抵抗１０を介して接地されると共に、演算増幅器
１１の非反転入力端子に接続される。

【００１５】演算増幅器９の反転入力端子は、抵抗１２
の一端及び抵抗１３の一端に接続される。抵抗１２の他
端は、ツェナーダイオード１４のアノードに接続され、
そのカソードは、二次電池１の−端子に接続される。ま
た、ツェナーダイオード１４のカソードは、抵抗１５の
一端を介してＭＯＳＦＥＴ１６の一端に接続される。抵
抗１５の他端は、抵抗４の他端及びトランジスタ１７の
ベースに接続される。なお、ＭＯＳＦＥＴ１６及び後述
するＭＯＳＦＥＴ２２は、スイッチとして用いられる。
なお、以下、ＭＯＳＦＥＴ１６をスイッチ１６とし、Ｍ
ＯＳＦＥＴ２２をスイッチ２２とする。

【００１６】演算増幅器１１の反転入力端子は、抵抗１
８の一端及び抵抗１９の一端に接続される。抵抗１８の
他端は、ツェナーダイオード２０のアノードに接続さ
れ、そのカソードは、二次電池２の−端子に接続され
る。また、ツェナーダイオード２０のカソードは、抵抗
２１の一端を介してスイッチ２２の一端に接続される。
抵抗２１の他端は、抵抗６の他端及びトランジスタ２３
のベースに接続される。なお、トランジスタ１７とトラ
ンジスタ２３とで差動増幅器が形成される。

【００１７】演算増幅器９の出力端子は、抵抗２４を介
してスイッチ１６のゲート及びトランジスタ２５のコレ
クタに接続される。トランジスタ２５のエミッタは、ス
イッチ１６の他端に接続されると共に、抵抗１３の他端
に接続される。

【００１８】演算増幅器１１の出力端子は、抵抗２６を
介してスイッチ２２のゲート及びトランジスタ２７のコ
レクタに接続される。トランジスタ２７のエミッタは、
スイッチ２２の他端に接続されると共に、抵抗１９の他
端に接続される。

【００１９】トランジスタ２５のベースは、抵抗２８及
び抵抗２９の一端に接続される。抵抗２８の他端は、ト
ランジスタ２５のエミッタ及び抵抗３０の一端に接続さ
れる。これに対して、トランジスタ２７のベースは、抵
抗３１及び抵抗３２の一端に接続される。抵抗３１の他
端は、トランジスタ２７のエミッタ及び抵抗３３の一端
に接続される。なお、抵抗３０及び３３は、電流検出用
の抵抗である。

【００２０】抵抗２９の他端は、トランジスタ２３のコ
レクタに接続される。また、抵抗３２の他端は、トラン
ジスタ１７のコレクタに接続される。トランジスタ２３
のエミッタとトランジスタ１７のエミッタとは、接続点
３４で接続される。また、抵抗３０の他端及び３３の他
端は、接続点３５で互いに接続され、接続点３５は接地
される。

【００２１】接続点３４は、抵抗５を介して電源電圧Ｖ
ｃｃに接続されると共に、スイッチ３６の固定端子に接
続される。接続点３５は、スイッチ３６の可動端子に接
続される。なお、スイッチ３６がオンされることによ
り、二次電池の充電が開始される。

【００２２】以下、この発明が適用された充電回路の動
作に関して、負荷接続時の動作の概略を説明する。な
お、負荷接続時には、スイッチ３６がオフされる。トラ
ンジスタ１７及び２３からなる差動増幅器には、二次電
池１及び２の電力が供給され、この電力は比較される。
この比較の結果、電力が他方に比べて大きいとされた二
次電池により、負荷に対して電力の供給が行なわれる。

【００２３】以下に充電時の動作の概略を説明する。充
電時には、外部の電源機器が接続されると共に、スイッ
チ３６がオンされる。これにより、差動増幅器が動作さ
れなく、二次電池１及び２が外部の電源機器により充電
される。

【００２４】以下に、上述の充電回路に関する原理的な
構成及び動作を詳述する。図２には、二次電池の並列使
用を可能にする差動増幅器の原理図が示される。なお、
図２において、図１に参照した符号と同一の符号が付さ
れているものは、同じ素子を示す。二次電池１及び２の
＋端子は、電源電圧Ｖｃｃに接続される。二次電池１及
び２の−端子は、差動増幅器３７の入力端子にそれぞれ
接続される。差動増幅器３７の出力は、スイッチ１６及
び２２のそれぞれのゲートに印加される。スイッチ１６
及び２２の一方の端子は、対応する入力端子にそれぞれ
接続されると共に、二次電池１及び２の−端子にそれぞ
れ接続される。また、スイッチ１６及び２２の他方の端
子は接地される。

【００２５】このような構成の差動増幅器において、差
動増幅器３７は、２本の二次電池１と２との端子電圧を
比較する。なお、差動増幅器３７の入出力特性は、図３
に示される。図３において、横軸は二次電池の端子電圧
の大きさを、縦軸は差動増幅器の出力電圧の大きさをそ
れぞれ示す。３８で示される実線はスイッチ１６の出力
電流を、３９で示される実線はスイッチ２２の出力電流
をそれぞれ示す。また、ａで示される領域では、両方の
電池から負荷に電力が供給される。ｂで示される点線
は、スイッチ１６及び２２が動作するためのスレショル
ドレベルである。すなわち、この点線ｂで示すスレショ
ルドレベル以下となると、スイッチ１６及びスイッチ２
２が動作できないため、２本の二次電池１及び／又は２
の充電又は放電が行われない。

【００２６】２本の二次電池の端子電圧がほぼ等しい領
域ａでは、スイッチ１６と２２とが両方ともオンされる
ような特性を持つように設計される。２本の二次電池が
両方とも負荷に接続されている時の領域ａの幅は、使用
される二次電池に許容されている充電電流の大きさによ
って制限される。即ち、２本の二次電池の端子電圧が異
なる範囲（領域ａ以外の領域）において、端子電圧が高
い方の二次電池は、端子電圧が低い方の二次電池を充電
する。この時の充電電流の大きさは、二次電池に許容さ
れている充電電流の最大値を越えることはできない。こ
の充電電流の大きさは、領域ａの幅と、二次電池の内部
抵抗、スイッチの残留抵抗によって決定される。ＭＯＳ
ＦＥＴの代わりにバイポーラトランジスタをスイッチン
グ素子として用いるようにしても良い。

【００２７】ここで、二次電池１の端子電圧の方が二次
電池２の端子電圧よりも充分高い場合を想定する。差動
増幅器３７の出力は、スイッチ１６だけをオンにする。
これにより、二次電池１のみにより、電力が負荷に供給
される。その後、二次電池１の端子電圧はしだいに低下
して、二次電池２の端子電圧と同等になる。両方のスイ
ッチ１６及び２２がオンする領域ａになると、上述のよ
うに、二次電池１から二次電池２を充電する方向に充電
電流が生じ、２本の二次電池の端子電圧は急速に平衡す
る。一旦、この平衡状態に達すると、その後は、２本の
二次電池１及び２の両方により、負荷電流が供給され
る。各々の二次電池から供給される電流の大きさは各電
池の内部抵抗等の特性の不一致により必ずしも等しくは
ない。このため、端子電圧が等しくても、より内部抵抗
が低い電池や、より充電量が多い電池の方が、より多く
の負荷電流を供給するように差動増幅器３７により制御
され、電子機器に対して非常に効率の良い電力の供給が
行われる。

【００２８】図４には、並列接続された二次電池の充電
回路の原理図が示される。図４において、図１に参照し
た符号と同一の符号が付されているものは、同じ素子を
示す。図４において、充電電流値を決定するための基準
電圧が入力される端子４０が演算増幅器９の非反転入力
端子に接続される。演算増幅器９の出力は、抵抗２４を
介してスイッチ１６のゲート及びスイッチ４１の可動端
子にそれぞれ供給される。スイッチ４１の固定端子は、
差動増幅器３７の出力に接続される。スイッチ１６の一
方の端子は、二次電池１を介して電源電圧Ｖｃｃに接続
される。また、スイッチ１６の他方の端子は、演算増幅
器９の反転入力端子に接続されると共に、抵抗３０を介
して接地される。なお、スイッチ１６は、電流制限素子
として用いられている。

【００２９】このようなスイッチの共用は、電池を充電
する動作と電池から電力を取り出す動作とは同時には起
こり得ないという単純な事実に起因する。図２の差動増
幅器３７に演算増幅器９の出力をハイインピーダンスに
するための制御を行なえば、スイッチ１６を充電回路に
使用することができる。同様に、差動増幅器３７に演算
増幅器１１の出力をハイインピーダンスにするための制
御を行うことにより、スイッチ２２を充電回路に使用す
ることができる。充電回路の動作は、もう一方の電池の
状態とは無関係であるから、図４には回路の一方しか示
していない。

【００３０】ここで、図４に示される抵抗２４の働きに
ついて説明する。充電回路の動作自体にはこの抵抗は不
要である。しかし、差動増幅器３７の負荷として抵抗２
４を用いると、演算増幅器９を並列動作時の保護回路と
して機能させることが可能となる。つまり、図４に記さ
れている矢印Ｍは充電電流の方向を示している。放電電
流は当然矢印Ｍとは反対向きであるから、放電動作中の
演算増幅器９の出力は、電源電圧付近まで上昇してい
る。上述したように、端子電圧の異なる電池が並列動作
する場合、一時的に充電電流が生じる。この時の電流の
大きさは通常は差動増幅器３７の特性によって制限され
る。しかしながら、もしなんらかの不具合によって、こ
の電流が制限されないような事態に陥った場合、端子４
０から入力された基準電圧と抵抗３０とによって設定さ
れる充電電流値を上回る電流が矢印方向Ｍに流れると、
演算増幅器９の出力電圧が低下してスイッチ１６がオフ
される。

【００３１】図５には、スイッチ１６の発熱を抑制する
帰還回路の回路図が示される。図５において、演算増幅
器９の非反転入力端子には、端子４０から基準電圧が供
給される。演算増幅器９の出力は、抵抗２４を介してス
イッチ１６のゲートに供給される。スイッチ１６の一方
の端子は、抵抗３０を介して接地されると共に、抵抗１
３を介して演算増幅器９の反転入力端子に接続される。
また、演算増幅器９の反転入力端子は、抵抗１２を介し
てツェナーダイオード１４のアノードに接続される。ツ
ェナーダイオード１４のカソードは、スイッチ１６の他
方の端子に接続されると共に、二次電池１の−端子に接
続され、その＋端子は電源電圧Ｖｃｃに接続される。

【００３２】以下、この回路の動作を説明する。二次電
池１を電圧Ｖｃｃまで充電する場合、二次電池１が端子
電圧の低い初期において、充電電流は充電を完了するま
で増大し続ける。充電がある程度進むと、スイッチ１６
で消費される電力は充電の初期に比べて小さくなる。こ
の時点において、充電電流は定格一杯まで増加可能とさ
れる。この時点の切り換えがツェナダイオード１４で行
われる。このように、充電電流を制限することにより、
スイッチの発熱を効果的に抑制することができる。

【００３３】図６には、抵抗１２及びツェナダイオード
１４がない場合（符号４２参照）、抵抗１２及びツェナ
ダイオード１４がある場合（符号４３参照）及び抵抗１
２のみがある場合（符号４４参照）の充電電流の変化が
模式的に示される。なお、図６において、横軸は二次電
池の電圧を、縦軸は充電電流を示す。また、ｃで示され
る領域は、ツェナダイオード１４の電圧分を示す。

【００３４】図６において、抵抗１２及びツェナダイオ
ード１４がない場合には、４２に示されるように、充電
の開始から終了まで同一の電流が流れる。このため、二
次電池の電圧が低い時に、過大な電流が流れてしまう。
従って、スイッチ１６が発熱してしまう。また、４４に
示されるように、抵抗１２のみを使用する場合には、充
電の開始から終了まで、徐々に充電電流が増加される。
しかしながら、このような充電は、時間を要してしま
う。そこで、４３に示されるように、充電開始時には、
充電電流が低く設定され、二次電池の電圧が所定レベル
以上になると、一定の電流で充電が行われるようにす
る。これにより、充電開始時に、電流制限素子として使
用されているスイッチ１６に対して過大な電流を流すこ
となく、スイッチ１６の両端にかかる電圧に応じてスイ
ッチ１６を流れる電流の大きさを制御することができ、
しかも、充電を短時間で終了することが可能になる。

【００３５】図７には、この発明による充電回路の使用
例が示される。外部の電源装置４５が接続されている時
には、負荷４７からの制御信号ＣＳにより、充電回路４
６内の二次電池が充電される。外部の電源装置４５が充
電回路４６から切り放されると、充電回路４６から負荷
４７に電力が供給される。負荷４７から充電回路４６を
考えると、充電回路４６の内部抵抗を考慮する必要がな
い。つまり、充電回路４６では、二次電池が並列接続さ
れているので、内部抵抗を低く抑えることができる。

【００３６】

【発明の効果】この発明に依れば、エネルギー密度の高
い電池を並列使用することが可能になり、二次電池を電
源とする携帯可能な電子機器の連続使用時間を飛躍的に
延ばすことができる。二次電池を並列使用することで、
低温環境における電池性能の低下を抑えることができ、
並列接続された電池は１本毎に新しい電池と交換するこ
とができるので、電池動作を非常に長時間にわたって継
続することができる。バッテリーパックに充電回路を内
蔵したことで、電池として経済的な二次電池を使用する
ことができる。二次電池を充電するための回路素子とし
て、大型で高価な半導体素子を追加する必要がなく、装
置全体として小型軽量化を図ることができ、価格を低く
抑えることができる。充電回路では、充電電流を制限す
るために相当の発熱が避けられないが、充電される二次
電池の端子電圧が低いときの充電電流を小さく抑えるこ
とで最大の発熱量を制限することができ、機器内部の放
熱設計の負担を軽減することができる。この発明による
回路全体を外部の回路からみたとき、２本の電池が並列
に接続されるため、負荷側からみた電源の内部抵抗は電
池を１本だけ使用したときに比べて低くなるので、負荷
変動にともなう電源電圧の変化を小さく抑えて安定した
電力供給が可能である。また、あたかもひとつの電池の
ように取り扱うことができるので、機器設計が容易であ
る。さらに、二次電池の充電時には、電池を装着したま
まで外部電源から行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による充電回路の回路図である。

【図２】二次電池の並列使用を可能にする差動増幅器の
原理図である。

【図３】差動増幅器の入出力特性を示す図である。

【図４】並列接続された二次電池の充電回路の原理図で
ある。

【図５】スイッチの発熱を抑制する帰還回路の回路図で
ある。

【図６】充電電流の変化を模式的に示す図である。

【図７】この発明による充電回路の使用例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１、２二次電池９、１１演算増幅器１４、２０ツェナーダイオード１６、２２ＭＯＳＦＥＴ１７、２３トランジスタ３７差動増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02J 7/00 302

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１及び第２の端子間に並列接続される
第１及び第２の二次電池と、上記第１及び第２の二次電池の各出力に接続される第１
及び第２の電流制限素子及び第１及び第２の電流検出素
子と、上記第１及び第２の電流検出素子で上記第１及び第２の
二次電池から供給された電力を比較し、上記第１及び第
２の電流制限素子により、上記第１及び第２の二次電池
の内で大きい電力を有する一方を上記第１及び第２の端
子の一方に接続するか、または上記第１及び第２の二次
電池の電力が所定の範囲で同等の場合に上記第１及び第
２の二次電池を上記第１及び第２の端子にそれぞれ接続
するようにした差動増幅器とからなり、上記差動増幅器の出力が上記第１及び第２の電流制限素
子のスレッショルドレベルを超えた所定の範囲で上記第
１及び／又は第２の二次電池と、上記第１及び／又は第
２の端子とを接続するようにしたことを特徴とする放電
回路。