JP3707090B2 - ２次電池ユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は２次電池を内蔵した２次電池ユニットに関し、特に２次電池としてリチウムイオン電池のように放電電圧の変化が大きい電池を使用した場合に好適な２次電池ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、携帯用の電子機器などに使用する電池として、充電が可能な２次電池が各種実用化されている。例えば、携帯用無線電話装置やビデオカメラなどの電子機器に使用される２次電池としては、ニッケルカドミウム電池が最も一般的である。このニッケルカドミウム電池の場合には、放電電圧が約１．２Ｖで一定であり、使用する機器が必要とする電圧に応じて複数個直列に接続している。実際には、携帯用無線電話装置やビデオカメラの場合には、複数個の２次電池を一体化したケースに収納して必要な電圧が得られるようにした物（本明細書では以下２次電池ユニットと称する）を、各機器に専用の２次電池として用意している場合が多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このように各機器毎に専用の２次電池を用意してあると、２次電池で駆動される機器を所持する台数が多くなるに従って、それだけ用意する２次電池の数も多くなり、充電器なども各機器用の２次電池毎に専用のものが必要であるため、非常に無駄が多くなってしまう。この場合、各機器の入力電圧が同じであれば、２次電池ユニットを共用化することが可能であるが、電圧が異なる機器で２次電池ユニットを共用化することは出来なかった。例えば、携帯用無線電話装置の場合には、３Ｖ程度の比較的低い電圧で駆動されるものが多いが、ビデオカメラなどの映像機器の場合の場合には、６Ｖ或いはそれ以上の比較的高い電圧で駆動されるものが多く、充電式のバッテリである２次電池ユニットを共用化することはできなかった。
【０００４】
また近年、リチウムイオン電池と称される２次電池が開発されている。このリチウムイオン電池は、ニッケルカドミウム電池などの従来の２次電池に比べ、メモリ効果と称される見かけ上の電池容量の減少がなく、残容量がある状態で充電させることができ、電池の使い勝手が良い。
【０００５】
ところが、リチウムイオン電池は電池の内部抵抗が高く、放電時の電圧降下や電圧変動が大きい不都合があった。例えば、１個のリチウムイオン電池で２．６Ｖ〜４．２Ｖの範囲で電圧が変動する。
【０００６】
従って、このリチウムイオン電池を使用する機器は、例えばこの電圧の変動範囲の最低電圧の近傍を定格入力電圧とし、それよりも電池電圧が高い場合には、その高い分をカットしていた。ところが、このように電圧を下げる処理を行うと、このカットした電圧分が熱に変換されて、機器を発熱させてしまうと共に、その発熱した分が無駄に消費されてしまう不都合があった。
【０００７】
本発明はこれらの点に鑑み、使用する機器側の入力電圧の違いに対処できると共に、充電電流が効率良く使用される２次電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、充電が可能な２次電池と、この２次電池の放電電圧を所定の定電圧に変換する定電圧変換手段と、定電圧変換手段で変換された電圧信号を出力する第１の出力端子部と、２次電池の放電電圧を電圧変換せずに出力する第２の出力端子部と、第１の出力端子部からの出力をオンオフ制御する信号が入力される第１の入力端子部と、第１の入力端子部に得られる信号により２次電池の放電電圧の定電圧変換手段への供給をオンオフ制御するスイッチ手段とを備えたものである。
【０００９】
【作用】
本発明によると、第１の出力端子部から出力される電圧が、定電圧変換手段により変換された電圧であるので、所望の電圧を端子部から出力させることができる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を添付図面を参照して説明する。
【００１１】
図１において１０は２次電池ユニットを示し、この２次電池ユニット１０が電源として負荷装置２０に接続されるものである。そして、この２次電池ユニット１０は、２次電池として複数個直列に接続されたリチウムイオン電池１１（ここではリチウムイオン電池セルを２個直列に接続させたものとする）を内蔵する。そして、このリチウムイオン電池１１の一端（＋側）を、保護回路１２を介してＰＮＰ型のトランジスタＱ１のエミッタに接続する。そして、このトランジスタＱ１のベース・エミッタ間を抵抗器Ｒ１で接続する。
【００１２】
そして、リチウムイオン電池１１の他端（−側）を、コンデンサＣ１と抵抗器Ｒ２を介してＮＰＮ型のトランジスタＱ２のベースに接続し、このトランジスタＱ２のエミッタを、リチウムイオン電池１１の他端と接続する。また、トランジスタＱ２のコレクタを、抵抗器Ｒ３を介してトランジスタＱ１のベースに接続する。そして、トランジスタＱ１のコレクタとトランジスタＱ２のエミッタとの間を、コンデンサＣ２で接続し、このトランジスタＱ１とコンデンサＣ２との接続点を定電圧回路１３に接続する。
【００１３】
この定電圧回路１３は、トランジスタＱ１側から供給される電圧を、一定電圧に変換して出力するＩＣ（集積回路）で、この定電圧回路１３からの出力電圧は、オペアンプ１４から定電圧回路１３に供給される制御電圧により決まる。この場合、定電圧回路１３の出力部と制御電圧入力部との間には、抵抗器Ｒ４，Ｒ５の直列回路が接続され、この抵抗器Ｒ４と抵抗器Ｒ５の接続中点を、オペアンプ１４の反転側入力端子に接続し、後述する切換スイッチ１５の可動接点１５ｍを、オペアンプ１４の非反転側入力端子に接続する。また、オペアンプ１４に供給される電源としては、トランジスタＱ１のコレクタから＋側の電源が供給され、リチウムイオン電池１１から直接−側の電源が供給される。
【００１４】
そして、定電圧回路１３の出力部とリチウムイオン電池１１の−側との間を、抵抗器Ｒ６，Ｒ７の直列回路に接続し、この抵抗器Ｒ６と抵抗器Ｒ７の接続中点を、オペアンプ１４の非反転側入力端子及び切換スイッチ１５の可動接点１５ｍと接続する。そして、定電圧回路１３の出力部に、抵抗器Ｒ８の一端を接続すると共に、抵抗器Ｒ９の一端を接続し、抵抗器Ｒ８の他端を切換スイッチ１５の第２の固定接点１５ｂに接続し、抵抗器Ｒ９の他端を切換スイッチ１５の第３の固定接点１５ｃに接続する。なお、抵抗器Ｒ８と抵抗器Ｒ９とは、それぞれ抵抗値を変えてあると共に、両抵抗値を抵抗器Ｒ６の抵抗値とも変えてある。例えば、各抵抗器Ｒ６，Ｒ８，Ｒ９の抵抗値ｒ６，ｒ８，ｒ９が、ｒ６＞ｒ８＞ｒ９の関係になるようにしてある。また、切換スイッチ１５の第１の固定接点１５ａには、何も接続しない。
【００１５】
そして、定電圧回路１３の出力部を、この２次電池ユニット１０が備える端子１に接続する。また、リチウムイオン電池１１の−側を、端子２に接続する。さらに、保護回路１２とトランジスタＱ１との接続点から引き出した信号線を、端子３に接続する。さらにまた、この２次電池ユニット１０が備える端子４を、ダイオードＤ４を介してコンデンサＣ１と抵抗器Ｒ２との接続中点に接続する。
【００１６】
なお、端子１及び端子２は、この２次電池ユニット１０の＋側端子及び−側端子とされ、端子３は＋側補助端子とされ、端子４は制御端子とされる。
【００１７】
次に、この２次電池ユニット１０と接続される負荷装置側の構成について説明すると、図１において２０は負荷装置全体を示し、この負荷装置２０は２次電池ユニット１０の端子１，２，３，４と接続される端子２１，２２，２３，２４を備え、端子２１と端子２２との間に、この負荷装置のメインの負荷であるメイン回路２５が接続される。また、端子２３と端子２２との間に、この負荷装置の補助の負荷である補助回路２６が接続される。さらに、端子２３と端子２４との間に、接続スイッチ２７が接続される。
【００１８】
この場合、負荷装置２０のメイン回路２５は、接続スイッチ２７を接続状態としたときに作動させる回路で、補助回路２６は、接続スイッチ２７の状態にかかわらず（即ちメイン回路２５を作動させないときでも）、常時電源を供給して作動させる必要のある回路（半導体メモリのバックアップ回路，時計回路など）である。但し、補助回路２６は消費電力がメイン回路２５に比べて非常に少ない回路である。
【００１９】
このように構成した２次電池ユニット１０と負荷装置２０とを接続した場合には、負荷装置２０の接続スイッチ２７を接続状態としたとき、トランジスタＱ１及びＱ２がオン状態になって、定電圧回路１３が作動するようになり、２次電池ユニット１０内のリチウムイオン電池１１からの電源が、負荷装置２０内のメイン回路２５に供給される。そして、このときメイン回路２５に供給される電源は、切換スイッチ１５の可動接点１５ｍの接続位置で設定した電圧に、定電圧回路１３で変換されて供給される。
【００２０】
従って、本例の場合には、２次電池として放電電圧の変動が大きいリチウムイオン電池を使用したにもかかわらず、定電圧回路１３で変換された一定電圧の電源が供給され、メイン回路２５を安定して駆動させることができる。即ち、リチウムイオン電池セルを２個直列に接続した本例のリチウムイオン電池１１の場合には、放電電圧が例えば５．４Ｖ〜８．４Ｖ程度の範囲で変化するが、定電圧回路１３で例えば４．８Ｖに変換することで、メイン回路２５には、常時４．８Ｖが供給され、メイン回路２５が一定電圧で安定して駆動されると共に、必要以上に高い電圧が供給されることでメイン回路２５内の回路の発熱等を防止することができる。
【００２１】
また、ニッケルカドミウム電池のように放電電圧がほぼ一定の電池を電源として使用する負荷装置があった場合、この負荷装置側の回路を全く変更することなく、電圧変動が大きいリチウムイオン電池などの２次電池が効率良く使用できるようになる。
【００２２】
また、切換スイッチ１５の可動接点１５ｍの接続位置で、２次電池ユニット１０の出力電圧を数段階に変化させることができるので、接続させる負荷装置２０のメイン回路２５が必要とする電圧に応じて、出力電圧を自由に設定でき、２次電池ユニット１０の使用範囲が広がる。
【００２３】
また、負荷装置２０内の常時電源を必要とする補助回路２６には、接続スイッチ２７の状態にかかわらず常時２次電池ユニット１０から電源が供給され、２次電池ユニット１０が負荷装置２０から外されない限り、補助回路２６を継続して作動させることができる。この場合、補助回路２６には、リチウムイオン電池１１の放電電圧が、定電圧回路１３で変換されずに直接供給されるので、定電圧回路１３での変換ロスなどを考慮することなく、良好に補助回路２６を常時作動させることができる。
【００２４】
さらに本例の場合には、制御スイッチ２７側からの信号が供給されるダイオードＤ１と抵抗器Ｒ２との間に、コンデンサＣ１を接続して、制御信号の供給が一時的にホールドされるホールド手段を設けるようにしたので、なんらかの要因（誤動作，スイッチの接点の接触不良など）により一時的にスイッチ２７が非接続状態となることがあっても、このコンデンサＣ１の充電電荷によりトランジスタＱ２の状態が維持され、電源の供給が停止することはなく、安定して電源を供給することができる。
【００２５】
なお、ここではリチウムイオン電池１１に充電するための構成については説明しなかったが、例えば端子３及び２に充電器（図示せず）から充電電流を供給することが考えられる。
【００２６】
また、本例においては切換スイッチ１５を、自由に切換えられるようにしたが、接続される負荷装置２０により、自動的に適切な位置に切換えられるようにしても良い。即ち、例えば負荷装置２０側の２次電池ユニット１０との接合部に、スイッチ１５を適切な位置に切換えさせる何らかの構造を設定しておき、負荷装置２０を２次電池ユニット１０に接合させたとき、この構造によりスイッチ１５が自動的に適切な位置にセットされて、負荷装置２０が必要な電圧に２次電池ユニット１０の出力電圧を自動的に設定されるようにする。このようにすることで、自動的に負荷装置２０側に適切な電圧の電源が供給されるようになる。
【００２７】
また、図１に示すように２次電池ユニット１０側に切換スイッチ１５を設ける代わりに、図２に示すように負荷装置側に切換スイッチを設けるようにしても良い。即ち、図２に示すように、２次電池ユニット１０′として、オペアンプ１４の非反転側入力端子と接続される端子５を設けると共に、切換スイッチ１５及び抵抗器Ｒ８，Ｒ９を２次電池ユニット１０′内には設けない。そして、負荷装置２０′の構成としては、抵抗器Ｒ８，Ｒ９と接続スイッチ１５′を設け、各抵抗器Ｒ８，Ｒ９の一端を、２次電池ユニット１０′側の端子１と接続される端子２１に接続させると共に、各抵抗器Ｒ８，Ｒ９の他端を、切換スイッチ１５′の第２，第３の固定接点１５ｂ，１５ｃと接続させる。そして、この切換スイッチ１５′の可動接点１５ｍを、２次電池ユニット１０′側の端子５と接続される端子２５と接続させる。
【００２８】
その他の部分は、図１に示した２次電池ユニット１０及び負荷装置２０と同様に構成する。
【００２９】
図２に示すように構成して、切換スイッチ１５′とこのスイッチに接続される抵抗器Ｒ８，Ｒ９を負荷装置側に設けるようにしたことで、負荷装置２０′側で電圧の切換えができるようになる。
【００３０】
なお、この図２の場合の負荷装置において、複数の抵抗器と切換スイッチとを設けて電圧を切換えられるようにする代わりに、この負荷装置２０′が必要とする電圧に対応した抵抗値の抵抗器だけを設けて、この抵抗器を端子２１，２５間に接続するようにして、自動的に必要な電圧に設定されるようにしても良い。
【００３１】
次に、本発明の他の実施例を、図３を参照して説明する。この例は、電圧変換手段としてＤＣ−ＤＣコンバータと称されるスイッチング素子の高速切換で直流レベルを変換する回路を適用したものである。
【００３２】
図３において、３０は２次電池ユニットを示し、この２次電池ユニット３０から負荷装置４０に電源を供給するものである。そして、２次電池ユニット３０は、２次電池としてリチウムイオン電池セルを２個直列に接続したリチウムイオン電池３１を備える。このリチウムイオン電池３１には、並列にコンデンサＣ１１，Ｃ１２が接続してあり、リチウムイオン電池３１の一端（＋側）を、ＤＣ−ＤＣコンバータ用制御回路３２の＋側電源入力端子Ｖ＋に接続すると共に、抵抗器Ｒ１１を介してＰＮＰ型のトランジスタＱ１１のエミッタに接続する。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ用制御回路３２は、ＩＣ（集積回路）で構成された制御回路で、この制御回路３２によりトランジスタＱ１１のオン・オフを高速で制御して直流レベルを変換するＤＣ−ＤＣコンバータが構成されるものである。
【００３３】
そして、抵抗器Ｒ１１とトランジスタＱ１１との接続中点を、ＤＣ−ＤＣコンバータ用制御回路３２の電流検出入力端子ＣＳに接続する。また、リチウムイオン電池３１の他端（−側）を、ＤＣ−ＤＣコンバータ用制御回路３２の接地端子ＧＮＤに接続すると共に、コンデンサＣ１３を介してＤＣ−ＤＣコンバータ用制御回路３２の基準出力端子ＲＥＦに接続する。
【００３４】
そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ用制御回路３２のスイッチング素子駆動用端子ＥＸＴを、トランジスタＱ１１のベースに接続し、このトランジスタＱ１１のコレクタを、コイルＬ１１，Ｌ１２の直列回路を介して端子３３に接続する。
【００３５】
そして、リチウムイオン電池３１の−側とトランジスタＱ１１のコレクタとの間に、ダイオードＤ１１を接続する。また、コイルＬ１１，Ｌ１２の接続中点とリチウムイオン電池３１の−側との間に、コンデンサＣ１４とコンデンサＣ１５とを並列に接続すると共に、抵抗器Ｒ１３，Ｒ１４の直列回路を接続する。そして、抵抗器Ｒ１３，Ｒ１４の接続中点を、ＤＣ−ＤＣコンバータ用制御回路３２のフィールドバック入力端子ＦＢと接続する。
【００３６】
そして、コイルＬ１２と端子３３との間を、コンデンサＣ１６，Ｃ１７の並列回路を介して、リチウムイオン電池３１の−側と接続する。また、リチウムイオン電池３１の−側を、端子３４と接続する。また、リチウムイオン電池３１の＋側を、抵抗器Ｒ１２を介してＤＣ−ＤＣコンバータ用制御回路３２の制御信号入力端子ＳＨＤＮと接続し、この入力端子ＳＨＤＮを、端子３５と接続する。さらに、リチウムイオン電池３１の＋側を、端子３６と接続する。この端子３６は、充電用端子としてリチウムイオン電池３１への充電時に使用する端子で、負荷装置との接続には使用しない。
【００３７】
そして、本例の２次電池ユニット３０に接続される負荷装置４０としては、２次電池ユニット３０側の端子３３，３４と接続される端子４１，４２間に、負荷回路４４が接続される。また、２次電池ユニット３０側の端子３４，３５と接続される端子４２，４３間に、接続スイッチ４５が接続される。この接続スイッチ４５は、負荷装置４０を作動させる必要のあるときは非接続状態とし、負荷装置４０を作動させないとき（即ち電源を供給する必要のないとき）には接続状態とするスイッチである。
【００３８】
このように構成した２次電池ユニット３０と負荷装置４０とを接続した場合には、負荷装置４０の接続スイッチ４５を接続状態としたとき、制御回路３２の制御信号入力端子ＳＨＤＮが接地電位となり、トランジスタＱ１１はオフ状態に制御され、負荷回路４４へは電源が供給されない。そして、接続スイッチ４５を非接続状態としたとき、制御回路３２の制御信号入力端子ＳＨＤＮに所定電位の信号が制御信号として供給され、この制御回路３２のスイッチング素子駆動用端子ＥＸＴからトランジスタＱ１１のベースに、高周波の駆動信号が供給され、トランジスタＱ１１が高速でオン・オフを繰り返すようになる。
【００３９】
そして、このトランジスタＱ１１の高速でのオン・オフにより、リチウムイオン電池３１からの放電信号がパルス信号としてトランジスタＱ１１のコレクタ側から流れるが、このパルス信号はトランジスタＱ１１と端子３３との間に接続された回路により平滑化され、端子３３，３４間に得られる信号は、ほぼ一定電位となる。そして、この一定電位の信号が負荷回路４２に供給される。従って、本例の場合にも、２次電池として放電電圧の変動が大きいリチウムイオン電池を使用したにもかかわらず、トランジスタＱ１１とその制御回路３２等で構成されたＤＣ−ＤＣコンバータで変換された一定電圧の電源が供給され、負荷回路４４を安定して駆動させることができ、図１，図２に示した定電圧回路を使用した例と同様の効果が得られる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータの場合には、電圧の変換効率が非常に高く、例えば９０％以上の効率で変換することができ、リチウムイオン電池３１の充電電流が有効に活用される。
【００４０】
さらに、このようなＤＣ−ＤＣコンバータの場合には、トランジスタＱ１１をオン・オフさせるタイミングを変化させることで、トランジスタＱ１１から出力されるパルス信号の周期，パルス幅等を変化させて、出力電位を変化させることができ、接続される負荷装置４０側が必要とする電圧の変化に対処することができる。
【００４１】
なお、図３の例のようにＤＣ−ＤＣコンバータを使用した回路の場合には、その動作特性上から高周波信号が回路内部で生成されるが、この高周波信号が負荷装置側の回路の動作に妨害を与えることがある。例えば、ラジオ付テープレコーダのようなオーディオ機器の場合には、機器内での受信や記録などのときに使用する特定の周波数とほぼ同じ周波数か或いはその高調波がＤＣ−ＤＣコンバータ側から妨害波として伝わるとき、ノイズを発生させてしまうことがある。このような場合には、２次電池ユニット３０内の制御回路３２として、トランジスタＱ１１をオン・オフさせる周波数を変更できる構成とし、そのための制御信号を制御回路３２に供給するスイッチを設けて、妨害があったときそのスイッチを操作してスイッチング周波数を変更させることで、妨害波の除去を行うことができる。
【００４２】
なお上述各実施例では、２次電池としてリチウムイオン電池を使用するようにしたが、放電電圧の変動が比較的大きいものであれば、他の構成の２次電池にも適用できる。
【００４３】
また上述各実施例では、接続された負荷装置に単一の電圧だけを供給するようにしたが、定電圧回路やＤＣ−ＤＣコンバータ等の電圧変換手段で同時に２種類或いはそれ以上の電圧を同時に発生させるようにしても良い。即ち、電圧変換手段から同時に複数の異なる電圧を取り出すようにするか、或いは複数の電圧変換手段を備えるようにしても良い。このようにすることで、複数の電圧を同時に必要とする負荷装置の駆動が可能になる。
【００４４】
また上述各実施例の回路図で示した各素子の接続は一例を示したもので、同様の機能を実現する他の構成の回路としても良いことは勿論である。
【００４５】
また、負荷装置の具体的な構成は示さなかったが、電池駆動が可能な各種電子機器を負荷として使用できるものである。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によると、端子部から出力される電圧が、電圧変換手段により変換された電圧であるので、所望の電圧を端子部から出力させることができる。従って、２次電池としてリチウムイオン電池のように電圧変動が大きいものを使用した場合でも、安定した一定電圧を負荷装置に供給することができる。
【００４７】
この場合、特に電圧変換手段としてＤＣ−ＤＣコンバータを使用することで、２次電池から供給される電力をほとんど無駄にすることなく、効率良く電圧変換することができ、それだけ２次電池に充電された電力を有効に活用できる。
【００４８】
また、電圧変換手段で使用する機器（負荷装置）により必要な電圧が異なる場合でも、電圧切換手段を設けることで容易に対処することができ、２次電池を種々の電源電圧の機器に共通に使用できるようになる。
【００４９】
また、この電圧切換手段を設ける場合に、その切換位置の設定を接続される負荷装置側の機構により自動的に行うようにしたことで、接続される負荷装置が必要とする電圧に自動的に設定され、手動でスイッチなどを切換える必要がなくなる。
【００５０】
また、電圧変換手段で少なくとも２種類の電圧を同時に発生させ、この２種類の電圧信号を同時に出力させるようにしたことで、複数の電圧を同時に必要とする機器の駆動などが良好にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】一実施例の変形例を示す構成図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【符号の説明】
１，２，３，４，５ 端子
１０ ２次電池ユニット
１１ リチウムイオン電池
１３ 定電圧回路
１５，１５′ 切換スイッチ
２０，２０′ 負荷装置
２５ メイン回路
２６ 補助回路
２７ 接続スイッチ
３０ ２次電池ユニット
３１ リチウムイオン電池
３２ ＤＣ−ＤＣコンバータ用制御回路
３３，３４，３５，３６ 端子
４０ 負荷装置
４４ 負荷回路
４５ 接続スイッチ

Claims (1)

1. 充電が可能な２次電池と、
   該２次電池の放電電圧を所定の定電圧に変換する定電圧変換手段と、
   該定電圧変換手段で変換された電圧信号を出力する第１の出力端子部と、
   上記２次電池の放電電圧を電圧変換せずに出力する第２の出力端子部と、
   上記第１の出力端子部からの出力をオンオフ制御する信号が入力される第１の入力端子部と、
   上記第１の入力端子部に得られる信号により、上記２次電池の放電電圧の上記定電圧変換手段への供給をオンオフ制御するスイッチ手段と
   を備えた２次電池ユニット。

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