JP3674354B2

JP3674354B2 - 電源供給装置

Info

Publication number: JP3674354B2
Application number: JP01179999A
Authority: JP
Inventors: 貴司増野; 克己村井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2019-01-20
Also published as: JP2000217266A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池駆動の携帯情報機器等の電源供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電源供給装置としては、特開平５−３０６６２号公報に記載されたものが知られている。
【０００３】
従来の電源供給装置は、複数個の電池を全て直列接続し、複数のタップ（電力給電端子）を設ける事で、この電源装置を搭載する電子装置が要求する電力の使用効率や省電力化に適した電圧を夫々供給する。この時、複数のタップに対して共通して給電している電池の部分的な消耗が連続して起きないよう、電池のローテーションを行う。
【０００４】
図９に従来例の構成と電池ローテーションの概念図を示す。図９において、ＶoutＨは常に、Ｅ１＋Ｅ２であり、ＶoutＬは、Ｅ１またはＥ２が選択されるように、制御される。こうすることで、一方の電池が消耗しないようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この電源供給装置においては、電池の放電が進行し電池電圧が低下すると給電端子の電圧も低下してしまい、給電端子に要求される電圧の下限に達した時点で、例え電池の残容量があっても最後まで使い切れないという課題を有していた。
【０００６】
一方、複数のタップに対して共通して給電している電池は大電流を放電する事になり、電池の放電効率を低下させ、全体として放電時間が短縮してしまう。
【０００７】
また、電源供給装置全体の電池容量を増加させようとすると、図１０に示すように電池の直列接続数単位で並列接続する必要があり、小型軽量化との両立が困難であった。
【０００８】
本発明は電池容量の強化と小型軽量化の両立を図り、電池の性能を最大限に引き出す事を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、複数の電池と給電端子間の接続を任意の直列或いは並列接続の組み合わせで接続可能なスイッチ手段と、複数の給電端子夫々に要求される電圧、電流に応じて電池の接続組み合わせを制御する制御手段で構成し、前記制御手段は、複数の電池の中から接続組み合わせで選択された電池の所定の放電電流または放電電力毎に、前記複数の電池各々の放電可能残量が均一になるよう前記複数の電池接続の組み合わせを変化させるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１１】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による電源供給装置の構成を示すブロック図である。図１において、１はＥ１からＥ４で構成された電池群、２と３は電池群１の中から任意の組み合わせで直列接続して得られる直列電池電圧を供給する給電端子(Vout)及びグランド端子(GND)、４は電池群１の複数の端子とグランド端子３と給電端子２間を所定の組み合わせで接続するスイッチ手段、５はスイッチ手段４内の個々のスイッチのオン／オフを指示し、グランド端子３、給電端子２間に所定の電圧を供給できるよう制御する制御手段である。
【００１２】
以上のように構成された電源供給装置について、以下、その動作を述べる。
【００１３】
電池群１を構成する個々の電池Ｅ１からＥ４は共にＥ[V]の起電力を持つものとし、グランド端子３、給電端子２間には３Ｅ[V]の電圧が要求されているとする。
【００１４】
制御手段５からの制御信号Ｃ１はスイッチ手段４のＳＷ（１〜４）に対して作用し、夫々のＳＷが閉じることで図２（Ａ）で模式するような電池Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３の直列接続状態に結線され、グランド端子(GND)３と給電端子(Vout)２間には３Ｅ[V]が供給される。
【００１５】
同様に、制御手段５からの制御信号Ｃ２はスイッチ手段４のＳＷ（１、２、５、６）に対して作用し、夫々のＳＷが閉じることで図２（Ｂ）で模式するような電池Ｅ１、Ｅ２、Ｅ４の直列接続状態に結線される。
【００１６】
制御信号Ｃ３、Ｃ４についても、各々ＳＷ（１、７、３、５、６）、ＳＷ（８、３、９、６）が閉じ、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）の様に結線される。
【００１７】
この様に、制御手段５から出力される制御信号Ｃ１からＣ４の内の１つを選択してスイッチ手段４を制御することにより、常に、グランド端子(GND)３と給電端子(Vout)２間には３Ｅ[V]が供給される。
【００１８】
なお、スイッチ手段４における各ＳＷは、制御信号が１入力の場合は、その信号でオン／オフするスイッチであり、複数入力の場合は、その論理和でオン／オフするスイッチである。
【００１９】
（実施の形態２）
続いて、実施の形態１で説明した制御手段５の制御信号の切り替え方法について、図３を用いて説明する。
【００２０】
図３において、３１はＥ１からＥ４で構成された電池群、３２と３３は電池群３１の中から任意の組み合わせで直列接続して得られる直列電池電圧を供給する給電端子(Vout)及びグランド端子(GND)、３４は電池群３１の複数の端子とグランド端子３３と給電端子３２間を所定の組み合わせで接続するスイッチ手段、３５は給電端子３２を通過する電流を検出し電圧値として出力する電流／電圧変換手段（Ｉ／Ｖ）、３６は電圧値に比例してクロック信号出力の周波数を変化する電圧／周波数変換手段（電圧制御発信器またはＶ／Ｆ）、３７はクロック信号をカウントするカウンタ手段、３８はカウンタ手段３７のカウント値を所定のカウント間隔毎にデコードし、制御信号Ｃ１からＣ４を出力するデコード手段である。
【００２１】
以上のように構成された電源供給装置について、以下、その動作を述べる。
【００２２】
制御信号Ｃ１からＣ４によって常にグランド端子(GND)３３と給電端子(Vout)３２間には３Ｅ[V]が供給される動作は、実施の形態１で説明したとおりであるので説明は省略し、制御信号Ｃ１からＣ４の生成方法について説明する。
【００２３】
先ず、初期状態として、制御信号Ｃ１からＣ４までの何れか１つが駆動されているものとする。この時、給電端子３２からは外部負荷（図示せず）に対して電流が流れ出すと、電流／電圧変換手段３５はこの供給電流に比例した電圧を電圧／周波数変換手段３６に対して出力する。電圧／周波数変換手段３６は入力電圧に比例して発信周波数が変化し、カウンタ手段３７の単位時間のカウント数が変化する。
【００２４】
この様に、電流／電圧変換手段３５、電圧／周波数変換手段３６、カウンタ手段３７とで電池群３１から外部負荷に流れ出す電流の積算計を構成しており、例えば、カウンタ手段３７を８ビットバイナリカウンタとし、８ビット中任意の隣接する２ビットをデコード手段３８に与え、デコード手段３８は、この２ビットで表現される組み合わせの４つの状態をＣ１からＣ４の制御信号で出力する。
【００２５】
この制御信号Ｃ１からＣ４は、一定の電流量が流出する毎に変化し、実施の形態１で説明したような電池Ｅ１からＥ４の３直列接続の組み合わせのローテーションを行う。
【００２６】
（実施の形態３）
続いて、実施の形態２で説明した制御方法をベースに本実施の形態の制御信号の切り替え方法について、図４から図６を用いて説明する。
【００２７】
図４において、４１はＥ１からＥ４で構成された電池群、４２と４３は電池群の中から任意の組み合わせで直列接続して得られる直列電池電圧を供給する給電端子(Vout)及びグランド端子(GND)、４４は電池群４１の複数の端子とグランド端子４３と給電端子４２間を所定の組み合わせで接続するスイッチ手段、４５は給電端子４２を通過する電流を検出し電圧値として出力する電流／電圧変換手段、４６は電圧値に比例してクロック信号出力の周波数を変化する電圧／周波数変換手段（電圧制御発信器）、４７はクロック信号をカウントするカウンタ手段、４８はカウンタ手段４７のカウント値を所定のカウント間隔毎にデコードし、制御信号Ｃ１からＣ４を出力するデコード手段、４９はグランド端子４３と給電端子４２間の電圧を検出する電圧検出手段、５０は電圧検出手段４９からの信号が所定の電圧以上か監視し、所定の電圧以下を検出すると制御信号Ｃ５を出力する電圧比較手段である。
【００２８】
以上のように構成された電源供給装置について、以下、その動作を述べる。
【００２９】
制御信号Ｃ１からＣ４によってグランド端子(GND)４３と給電端子(Vout)４２間には３Ｅ[V]が供給される動作は実施の形態１で説明したとおりであるので説明は省略するが、制御信号Ｃ５が追加されている点が、実施の形態１、２とは異なる。
【００３０】
同様に、制御信号Ｃ１からＣ４の生成方法についても実施の形態２と同様なので説明は省略する。
【００３１】
図５に全体の結線の組み合わせを示す。図５（Ｅ）がＣ５の結線状態を模式したものである。
【００３２】
ここで、電池の放電特性について説明しておく。一般的に、電池は満容量時の端子電圧を最大値として、放電が進むに従って電圧が降下する特性を持っている。
【００３３】
この電圧降下によって、図５（Ａ）から図５（Ｄ）の３直列接続時のグランド端子(GND)４３と給電端子(Vout)４２間の電圧は、電池が満容量時は３Ｅ[V]であるが、放電が進むにつれてグランド端子(GND)４３と給電端子(Vout)４２間に要求されている電圧の下限を下回ってしまいそうになる。この時、電圧検出手段４９からの信号を電圧比較手段５０が監視しており、所定の電圧以下になった以降は制御信号Ｃ５を出力してデコード手段４８の出力イネーブル入力をディセーブル状態にし、制御信号Ｃ１からＣ４の出力を停止すると同時に、スイッチ手段４４の結線状態を図５（Ｅ）に模式するように４直列接続状態にする。
【００３４】
この様にして、グランド端子(GND)４３と給電端子(Vout)４２間に要求されている電圧を維持する事ができる。電圧の変化の様子を図６に示す。
【００３５】
図６に示すように、経過時間と共に、３直列接続での電圧が徐々に下降するが、所定の下限値において４直列接続にすることで、要求される電圧を保持する期間を長くすることができる。
【００３６】
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４による電源供給装置の構成を示すブロック図である。図７において、７１はＥ１からＥ４で構成された電池群、７４、７３、７２は電池群７１の中から任意の組み合わせで直並列接続して得られる電池電圧を供給するグランド端子(GND)、低電圧給電端子(VoutL)及び高電圧給電端子(VoutH)、７５は電池群７１の複数の端子とグランド端子７４と高電圧給電端子７２及び低電圧給電端子７３間を所定の組み合わせで接続するスイッチ手段、７６はスイッチ手段７５内の個々のスイッチのオン／オフを指示し、グランド端子７４、低電圧給電端子７３及び高電圧給電端子７２間に所定の電圧を供給できるよう制御する制御手段である。
【００３７】
以上のように構成された電源供給装置について、以下、その動作を述べる。
【００３８】
電池群７１を構成する個々の電池Ｅ１からＥ４は共にＥ[V]の起電力を持ち、放電電流はＩ[A]の能力を持つものとし、グランド端子７４、高電圧給電端子７２間には３Ｅ[V]の電圧とＩ[A]の給電能力が要求され、グランド端子７４、低電圧給電端子７３間には１Ｅ[V]の電圧と、２Ｉ[A]の給電能力が要求されているとする。
【００３９】
制御手段７６からの制御信号Ｃ１は、スイッチ手段７５のＳＷ（１から８）に対して作用し、夫々のＳＷが閉じることで図８（Ａ）で模式するような電池Ｅ３、Ｅ４の並列接続に電池Ｅ１、Ｅ２が直列接続状態に結線され、グランド端子(GND)７４と低電圧給電端子(VoutL)７３間には１Ｅ[V]が供給される。この端子からの電流供給能力は２並列であるので２I[A]である。
【００４０】
グランド端子(GND)７４と高電圧給電端子(VoutH)７２間には３Ｅ[V]が供給される。この端子からの電流供給能力は１並列部分を含んでいるのでI[A]である。
【００４１】
同様に、制御手段７６からの制御信号Ｃ２はスイッチ手段７５のＳＷ（３、５、８、９、１０、１１、１２、１３）に対して作用し、夫々のＳＷが閉じることで図８（Ｂ）で模式するような電池Ｅ１、Ｅ４の並列接続に電池Ｅ２、Ｅ３が直列接続状態に結線される。
【００４２】
制御信号Ｃ３、Ｃ４についても、各々ＳＷ（１０、１１、１３、１４、１５、１６、１７）、ＳＷ（１、４、７、１３、１５、１６、１８）が閉じ、図８（Ｃ）、図８（Ｄ）の様に結線される。
【００４３】
この様に、制御手段７６から出力される制御信号Ｃ１からＣ４の内の１つを選択してスイッチ手段７５を制御することにより、常に、グランド端子(GND)７４と高電圧給電端子(VoutH)７２間には３Ｅ[V]が供給され、グランド端子(GND)７４と低電圧給電端子(VoutL)７３間には２I[A]の給電能力で１Ｅ[V]が供給される。
【００４４】
なお、以上の説明では、スイッチ手段を特に限定していないが、半導体スイッチでも、そのスイッチング速度が使用に耐えうるものであればメカニカルなＳＷでもよい事は本発明の趣旨から明らかである。
【００４５】
また、電池の個数や制御手段の実現方法についても、実施の形態に示したものに限定するものではなく、ローテーションによる放電電流（放電電力）の均一化が図れる構成であれば、同様の効果が得られる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、複数の電池の消耗が均一化されるよう電池の接続位置のローテーションを行うことで、給電端子に要求される電圧に必要な直列数分の電池の個数に加えて任意の個数で電池容量の強化が図れ、電池容量と小型化を両立した柔軟な電源供給装置の提供が行える。
【００４７】
また、複数の給電端子が要求する電圧や電流の供給能力に合わせた柔軟な接続形態を、電池の放電を均一化することで可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による電源供給装置の構成を示すブロック図
【図２】同電源供給装置の電池の接続状態を模式する図
【図３】本発明の実施の形態２による電源供給装置の構成を示すブロック図
【図４】同実施の形態３による電源供給装置の構成を示すブロック図
【図５】同電源供給装置の電池の接続状態を模式する図
【図６】同電源供給装置の給電端子の電圧の変化を示す図
【図７】本発明の実施の形態４による電源供給装置の構成を示すブロック図
【図８】同電源供給装置の電池の接続状態を模式する図
【図９】従来の電源供給装置の構成とその電池の接続状態を模式する図
【図１０】従来の電池容量の増設方法を示す模式図
【符号の説明】
１、３１、４１、７１電池群
２、３２、４２給電端子
３、３３、４３、７４グランド端子
４、３４、４４、７５スイッチ手段
５、７６制御手段
３５、４５電流／電圧変換手段
３６、４６電圧／周波数変換手段
３７、４７カウンタ手段
３８、４８デコード手段
４９電圧検出手段
５０電圧比較手段
７２高電圧給電端子
７３低電圧給電端子

Claims

複数の電池と、外部と電力を入出力する給電端子と、前記複数の電池の端子と前記給電端子間とを任意の組み合わせで接続するスイッチ手段と、前記スイッチ手段の開閉を制御する制御手段とで構成され、前記制御手段は、複数の電池の中から接続組み合わせで選択された電池の所定の放電電流または放電電力毎に、前記複数の電池各々の放電可能残量が均一になるよう前記複数の電池接続の組み合わせを変化させることを特徴とする電源供給装置。
制御手段は、給電端子に要求される電圧に必要な電池の直列接続数以上の複数の電池の中から、前記電池の直列接続の組み合わせを順次切り替えることを特徴とする請求項１記載の電源供給装置。
制御手段は、電池の端子電圧の変化に応じて前記電池の直列接続数を変化させ、給電端子に要求される電圧範囲に調整することを特徴とする請求項１記載の電源供給装置。
制御手段は、複数の給電端子に対して、夫々の給電端子に要求される電圧に必要な電池の直列接続と、夫々の供給端子に要求される電流に必要な並列接続の組み合わせを行うことを特徴とする請求項１記載の電源供給装置。