JP3931267B2

JP3931267B2 - バッテリーパック

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Publication number: JP3931267B2
Application number: JP13336499A
Authority: JP
Inventors: 千保今野; 文哉佐藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-05-13
Filing date: 1999-05-13
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2019-05-13
Also published as: JP2000324703A; US6429626B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一次電池と二次電池とを備えるバッテリーパックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
充電可能なバッテリーパックは、通常、１種類の二次電池から構成される。また、バッテリーパックに内蔵する電池は、一次電池又は二次電池である。ここで、一次電池としては、マンガン電池、アルカリ電池、リチウム電池、空気電池などが該当する。二次電池としては、ニッカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池などが該当する。
【０００３】
例えば、携帯電話の駆動用バッテリーパックは、通常、１種類の二次電池であるリチウムイオン電池１個により構成される。携帯用パーソナルコンピュータの駆動電源となるバッテリーパックは、通常、１個から９個の１種類の二次電池で構成される。また、携帯用ビデオカメラの駆動電源となるバッテリーパックは、通常、１個から９個の１種類の二次電池で構成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来の二次電池を有するバッテリーパックにおいては、バッテリーの残容量がなくなったときは、自宅などの家庭用電源（ＡＣ１００Ｖ）がある場所で、専用の充電器で数時間かけてバッテリーパックを充電する必要がある。
【０００５】
したがって、ユーザが、例えば外出の際に携帯用電子機器を使用して、バッテリーの残容量がなくなってしまうと、当該携帯用電子機器を使用することができなくなるという不都合がある。
【０００６】
一方、このような事態に備えて、バッテリーの残容量がなくなったときに、二次電池に代えて一次電池により携帯用電子機器を駆動させることができるバッテリーパックも提案されている。しかし、かかるバッテリーパックは、一次電池を装着しながら二次電池を充電することができないため、使い勝手のよいものではない。
【０００７】
本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、一次電池を装着可能にしてバッテリー容量を増やすと共に、一次電池を装着しながら二次電池を充電することができるバッテリーパック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】
本発明に係るバッテリーパックは、一次電池と、二次電池と、放電電圧が出力され、又は、充電電圧が入力される入出力端子と、上記一次電池と接続されている一次側端子又は上記二次電池と接続されている二次側端子のいずれかの端子を選択することで、この選択された端子と入出力端子とを接続する選択手段と、上記一次電池と上記二次電池のいずれの電圧が高いかを比較し、放電時においては、上記一次側端子又は上記二次側端子のうち電圧が高い方の電圧が接続されている端子を選択するように上記選択手段を制御し、外部電源からの充電時では、上記二次側端子を選択するように制御する比較手段と、上記入出力端子と上記二次電池とを接続し、上記入出力端子から上記二次電池の向きに電流が流れ、逆の向きには電流が流れないようにする逆電流防止手段とを備えることにより、上述した課題を解決する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１及び第２の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明は、例えば図１に示すバッテリーパック１に適用することができる。
【００１０】
上記バッテリーパック１は、略直方体形状からなるケース２に、放電電圧を出力し充電電圧を入力する正極外部端子３ａ及び負極外部端子３ｂを設けている。バッテリーパック１は、ケース２の中に、二次電池に対する過充電防止などを制御する制御回路４と、１個以上の二次電池を組み合わせた二次電源ユニット５と、１個以上の一次電池を組み合わせた一次電源ユニット６とを備えている。
【００１１】
二次電源ユニット５は、二次電池を有するものである。二次電池としては、例えばニッカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池などが該当する。
【００１２】
一次電池ユニット６は、取り外し可能な電池ホルダ６ａを有する。電池ホルダ６ａは、一次電池を機械的に保持すると共に、一次電池の正極と負極とを電気的に制御回路４に接続している。ここで、一次電池としては、マンガン電池、アルカリ電池、リチウム電池、空気電池などが該当する。
【００１３】
つぎに、バッテリーパック１の概略的な回路構成について図２を用いて説明する。
制御回路４には、二次電源ユニット５から電圧Ｖａが供給され、一次電源ユニット６から電圧Ｖｂが供給される。制御回路４は、上記正極外部端子３ａ及び負極外部端子３ｂに接続しており、当該正極外部端子３ａ及び負極外部端子３ｂを介して、充電電圧を外部に出力したり、外部で図示しない充電器からの電源を入力して二次電池５１に対して充電を行う。
【００１４】
二次電源ユニット５には、二次電池５１が固定されて取り付けられている。したがって、二次電池５１は交換することができないようになっている。
【００１５】
一次電源ユニット６には、取り外し可能な電池ホルダ６ａが装着されている。ここでは、電池ホルダ６ａは、直列に３つ接続された一次電池６１の電圧を出力するようになっている。
【００１６】
つぎに、二次電源ユニット５及び一次電源ユニット６の具体的な構成について説明する。
二次電源ユニット５は、１個以上の二次電池５１の組合せによって構成されている。二次電池５１は、１個だけの場合は、図３（Ａ）に示すように、正極端子５２及び負極端子５３に接続されている。二次電池５１が２個の場合は、図３（Ｂ）に示すように、２個の二次電池５１を直列に接続して、正極端子５２及び負極端子５３に接続している。また、二次電池５１が２個の場合は、図３（Ｃ）に示すように、２個の二次電池５１を並列に接続して、正極端子５２及び負極端子５３に接続している。二次電池５１が４個の場合は、図３（Ｄ）に示すように、２個の二次電池５１を並列接続したものを１ブロックとし、そのブロックを２個直列接続して、正極端子５２及び負極端子５３に接続している。なお、二次電池５１が４個以上の場合は、上記各ブロックを直列に接続して、正極端子５２及び負極端子５３に接続すればよい。
【００１７】
一次電源ユニット６は、１個以上の一次電池６１の組合せによって構成されている。なお、以下の説明では、電池ホルダ６ａについては省略する。一次電池６１は、１個だけの場合は、図４（Ａ）に示すように、正極端子６２及び負極端子６３に接続されている。一次電池６１が２個の場合は、例えば図４（Ｂ）に示すように、一次電池６１を直列に接続して、正極端子６２及び負極端子６３に接続している。一次電池６１が３個及び４個の場合も、図４（Ｃ）及び図４（Ｄ）に示すように、一次電池６１を直列に接続して、正極端子６２及び負極端子６３に接続している。なお、２個の一次電池６１を並列に接続したものを１ブロックとし、上記１ブロックを直列に接続してもよい。
【００１８】
二次電源ユニット５及び一次電源ユニット６は、放電可能になっていることから、それぞれの出力可能電圧範囲も同じであることが望ましい。このため、二次電源ユニット５及び一次電源ユニット６を構成する電池の直列接続数を最適化する必要がある。
【００１９】
１個の二次電池５１の出力電圧は、リチウムイオン電池の場合、残容量により異なるものの約３．０Ｖ〜４．２Ｖである。１個の一次電池６１の出力電圧は、アルカリ電池又はマンガン電池の場合、残容量により異なるものの約０．９Ｖ〜１．６Ｖである。一次電池６１を３個直列に接続すると、全体の電圧は２．７Ｖ〜４．８Ｖになる。すなわち、二次電源ユニット５をリチウムイオン電池１個で構成する場合は、一次電源ユニット６はアルカリ電池又はマンガン電池を３個で構成することが望ましい。
【００２０】
一方、二次電源ユニット５を構成する二次電池５１がニッケル水素電池の場合、１個の二次電池５１の電圧は、残容量により異なるものの約１．０Ｖ〜１．４Ｖである。すなわち、二次電源ユニット５をニッケル水素電池１個で構成する場合は、一次電源ユニット６はアルカリ電池又はマンガン電池を１個で構成することが望ましい。
【００２１】
つぎに、制御回路４の具体的な構成について説明する。
制御回路４は、図５に示すように、一次電池６１に対する充電を防止するためのダイオードＤ１と、二次電池５１と一次電池６１との電圧を比較するコンパレータ４３と、一次電池６１が放電する電圧を所定値以下にする電圧レギュレータ４４と、二次電池５１又は一次電池６１の何れから放電するかの切り換え等を行う切換回路４５とを備える。
【００２２】
第１の正極端子４１ａは二次電池５１の正極に接続され、第１の負極端子４１ｂは二次電池５１の負極に接続されている。第２の正極端子４２ａは一次電池６１の正極に接続され、第２の負極端子４２ｂは一次電池６１の負極に接続されている。さらに、第１の負極端子４１ｂ、第２の負極端子４２ｂ、負極外部端子３ｂは互いに接続している。
【００２３】
第２の正極端子４２ａには、ダイオードＤ１が接続されている。ダイオードＤ１のアノードは第２の正極端子４２ａに接続され、そのカソードはコンパレータ４３に接続されている。すなわち、ダイオードＤ１は、一次電池６１の放電電流のみを流すようになっており、一次電池６１への充電を防止している。なお、ダイオードＤ１としては、一般整流用ダイオード、ショットキーバリアダイオード、などがある。一般整流用ダイオードの順方向電圧は０．６Ｖ〜１．０Ｖであり、ショットキーバリアダイオードの順方向電圧は０．３Ｖ〜０．６Ｖであるので、ダイオードＤ１にはショットキーバリアダイオードを用いるのが好ましい。
【００２４】
コンパレータ４３は、第１の負極端子４１ｂに接続されていると共に、第１の正極端子４１ａと接続され、さらに、ダイオードＤ１を介して第２の正極端子４２ａに接続されている。コンパレータ４３は、二次電池５１の電圧Ｖａと一次電池６１の電圧Ｖｂを比較して、二次電池５１の電圧Ｖａの方が高いときに出力信号をオン（論理Ｈ）にして、切換回路４５に供給する。また、一次電池６１の電圧Ｖｂの方が高くなると、出力信号をオフ（論理Ｌ）にする。
【００２５】
電圧レギュレータ４４は、ダイオードＤ１からの電圧を制御して、切換回路４５に供給する。具体的には、電圧レギュレータ４４は、ダイオードＤ１からの電圧が設定電圧値Ｖｋよりも大きいかを判定し、大きくないときはダイオードＤ１からの電圧をそのまま切換回路４５に供給し、大きいときは上記設定電圧値Ｖｋになるように制御して切換回路４５に供給する。この設定電圧値Ｖｋは、二次電池５１の定格充電電圧であり、例えば二次電池５１がリチウムイオン電池の場合は、４．１Ｖである。これにより、電圧レギュレータ４４は、一次電池６１から二次電池５１に充電する場合に、二次電池５１の定格充電電圧よりも高い電圧で充電するのを防止することができる。
【００２６】
切換回路４５は、第１の被選択端子４５ａと、第２の被選択端子４５ｂと、選択スイッチ４５ｃとからなる。第１の被選択端子４５ａ（二次側）は第１の正極端子４１ａに接続され、第２の被選択端子４５ｂ（一次側）は電圧レギュレータ４４に接続されている。選択スイッチ４５ｃは、第１の被選択端子４５ａ又は第２の被選択端子４５ｂのいずれかを選択するとともに、選択した端子と正極外部端子３ａとを接続する。選択スイッチ４５ｃは、コンパレータ４３からの出力信号がオンのときは第１の被選択端子４５ａを選択し、出力信号がオフになると第２の被選択端子４５ｂを選択するように切り換える。すなわち、選択スイッチ４５ｃは、電圧の高い方の端子を選択するようになっている。
【００２７】
なお、切換回路４５は、例えば２個のトランジスタ、２個の電界効果トランジスタ、又は１個の電磁式リレーから構成される。ここでは、２個の電界効果トランジスタで構成するのが好ましい。
【００２８】
また、第１の正極端子４１ａはダイオードＤ２のカソードに接続され、ダイオードＤ２のアノードは正極外部端子３ａに接続されている。なお、ダイオードＤ２としては、順方向電圧が比較的低いショットキーバリアダイオードが好ましい。
【００２９】
以上のように構成されるバッテリーパック１において、選択スイッチ４５ｃは、第１の被選択端子４５ａ又は第２の被選択端子４５ｂのうち高い電圧が印加されている端子を選択する。したがって、制御回路４は、二次電池５１又は一次電池６１のうち、高い電圧を出力することができる電池を選択して、その電池から電圧を出力することができる。
【００３０】
そして、制御回路４は、二次電池５１が放電してその電圧が一次電池６１の電圧よりも低くなった場合には、選択スイッチ４５ｃは第２の被選択端子４５ｂを選択するので、一次電池６１の電圧を外部に放電することができる。
【００３１】
二次電池５１の電圧が低くなってそれを充電する必要があるときは、二次電池５１の電圧は一次電池６１の電圧よりも低くなっている。したがって、選択スイッチ４５ｃは、第１の被選択端子４５ａを選択する。一次電池６１は、電圧レギュレータ４４、切換回路４５、ダイオードＤ２を介して、電圧を二次電池５１に供給する。これにより、二次電池５１は、一次電池６１の電圧によって充電される。
【００３２】
また、外部の図示しない充電器による充電も可能である。バッテリーパック１が図示しない充電器に装着されると、上記充電器は正極外部端子３ａ及び負極外部端子３ｂに充電電圧を印加する。この充電電圧は、ダイオードＤ２を介して、二次電池５１に供給される。そして、二次電池５１は、上記充電器により充電される。
【００３３】
以上のように、バッテリーパック１は、選択スイッチ４５ｃは高い電圧が印加されている端子を選択するので、二次電池５１又は一次電池６１の電圧のうち高い電圧の方を選択して外部に放電することができる。
【００３４】
上記バッテリーパック１は、ダイオードＤ１を備えることによって二次電池５１又は図示しない充電器から一次電池６１に充電することを防止することができる。このとき、バッテリーパック１は、充電器によって二次電池５１を充電するだけでなく、充電器がない場合には一次電池６１によっても充電することができる。
【００３５】
上記バッテリーパック１は、一次電池６１によって二次電池５１を充電する場合においては、電圧レギュレータ４４が設定電圧値Ｖｋ以下に電圧を制御するので、一次電池６１が二次電池５１の定格充電電圧以上であってもそれ以下にして充電することができる。
【００３６】
また、図６に示すように、二次電池５１及び一次電池６１の電圧が例えば４．２Ｖ以下であるかを監視したり、二次電池５１及び一次電池６１に流れる電流が１Ａ以下であるかを監視する監視回路４６を設けてもよい。そして、監視回路４６は、上記基準を超えたと判定したときは、過充電や過放電を防止するように二次電池５１や一次電池６１への接続を切断するようにしてもよい。
【００３７】
つぎに、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ回路については同じ符号を付し、詳細な説明は省略するものとする。
【００３８】
第２の実施の形態として、制御回路４は、図７に示すように、一次電池６１に対する充電を防止するためのダイオードＤ１と、二次電池５１と一次電池６１との電圧を比較するコンパレータ４３と、一次電池６１が放電する電圧を所定値以下にする電圧レギュレータ４４と、二次電池５１又は一次電池６１の何れから放電するかの切り換え等を行う切換回路４５とを備える。なお、これらの各回路の接続関係は、コンパレータ４３が後述するＯＲゲート５０に出力信号を供給したり、ダイオードＤ２がないことを除いて、第１の実施の形態と同様である。
【００３９】
さらに、制御回路４は、充電時の電流を検出する充電電流検出回路４７と、正極外部端子３ａ及び負極外部端子３ｂ間の電圧を検出する電圧検出回路４８と、セット・リセット演算回路４９と、論理和を出力するＯＲゲート５０とを備える。
【００４０】
切換回路４５の選択スイッチ４５ｃは、抵抗Ｒを介して、正極外部端子３ａに接続している。充電電流検出回路４７は、充電時に抵抗Ｒに流れる電流を検出し、充電電流がゼロのときに出力信号をオンにしてセット・リセット演算回路４９に供給し、充電電流がゼロでないときは出力信号をオフにする。
【００４１】
電圧検出回路４８は、充電時に外部から正極外部端子３ａ及び負極外部端子３ｂ間に印加する電圧が設定電圧値Ｖｍよりも大きい場合、出力信号をオンにしてセット・リセット演算回路４９に供給する。なお、電圧検出回路４８は、外部からの電圧が設定電圧値Ｖｍよりも大きくないときは出力信号をオフにする。
【００４２】
ここで、設定電圧値Ｖｍは、設定電圧値Ｖｋよりも大きな値に設定される。これは、電圧レギュレータ４４の出力電圧が設定電圧値Ｖｋよりも大きい場合、外部から電圧が供給されない場合であっても充電電流検出回路４７の出力信号がオンになってしまい、切換回路４５の選択スイッチ４５ｃが二次側に切り替わるのを防止するためのである。なお、二次電池５１がリチウムイオン電池の場合は、設定電圧値Ｖｋを４．１Ｖに設定する。
【００４３】
セット・リセット演算回路４９は、ＲＳ−フリップフロップ回路からなり、電圧検出回路４８の出力信号がオンのときに、自身の出力信号をオンにしてＯＲゲート５０に供給する。また、セット・リセット演算回路４９は、充電電流検出回路４７の出力信号がオンのときに自身の出力信号をオフにする。このように、セット・リセット演算回路４９は、外部から充電電圧が印加されて充電が行っていることを検出し、充電を行っていることを検出したときに出力信号をオンにしている。
【００４４】
ＯＲゲート５０は、コンパレータ４３及びセット・リセット演算回路４９からの出力信号の論理和を算出して切換回路４５に供給する。すなわち、ＯＲゲート５０は、コンパレータ４３の出力信号がオンのとき、又は、セット・リセット演算回路４９の出力信号がオンのときに、オンの出力信号を切換回路４５に供給する。
【００４５】
切換回路４５は、ＯＲゲート５０の出力信号がオンのときは、第１の被選択端子４５ａを選択するように選択スイッチ４５ｃを切り換え、ＯＲゲート５０の出力信号がオフのときは、第２の被選択端子４５ｂを選択するように選択スイッチ４５ｃを切り換える。すなわち、切換回路４５は、一次電池６１よりも二次電池５１の電圧の方が高いとき、又は、外部から充電電圧が印加されたときは二次側に切り換えるようになっている。
【００４６】
以上のように、上記バッテリーパック１は、図示しない充電器から充電電圧が印加されたときには、切換回路４５は二次側に切り換えられるので、二次電池５１を充電することができる。さらに、バッテリーパック１は、放電時には、切換回路４５は電圧の高い方の端子を選択するので、電圧の高い電池から放電することができる。
【００４７】
また、図８に示すように、第１の実施の形態と同様に、ダイオードＤ２を設けてもよい。すなわち、ダイオードＤ２のカソードを第１の正極端子４１ａに接続し、ダイオードＤ２のアノードを選択スイッチ４５ｃに接続してもよい。これにより、外部から充電電圧が印加されず、二次電池５１よりも一次電池６１の方が電圧が高いときには、一次電池６１の電圧を使用して二次電池５１を充電することができる。
【００４８】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の技術的思想の範囲内で様々な設計上の変更を行うことができるのは勿論である。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係るバッテリーパックによれば、一次電池と接続されている一次側端子又は二次電池と接続されている二次側端子のいずれかの端子を選択することで、この選択された端子と入出力端子とを接続する選択手段と、一次電池と二次電池のいずれの電圧が高いかを比較し、放電時においては、一次側端子又は二次側端子のうち電圧が高い方の電圧が接続されている端子を選択するように選択手段を制御し、外部電源からの充電時では、二次側端子を選択するように制御する比較手段と、入出力端子と二次電池とを接続し、入出力端子から二次電池の向きに電流が流れ、逆の向きには電流が流れないようにする逆電流防止手段とを備えることによって、放電時には、一次電池又は二次電池のうち高い方の電圧を外部に出力することができ、二次電池の充電時には、一次電池又は外部電源からの電圧によって充電することができる。すなわち、二次電池のみならず一次電池を装着可能にしてバッテリー容量を増やすと共に、一次電池を装着しながら二次電池を充電することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したバッテリーパックの概略構成を示す図である。
【図２】本発明を適用したバッテリーパックの概略構成を示す図である。
【図３】二次電源ユニットの各種の構成パターンを示す図である。
【図４】一次電源ユニットの各種の構成パターンを示す図である。
【図５】上記バッテリーパックの制御回路の構成を示す回路図である。
【図６】上記制御回路の他の構成を示す回路図である。
【図７】上記制御回路の他の構成を示す回路図である。
【図８】上記制御回路の他の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１バッテリーパック、４３コンパレータ、４４電圧レギュレータ、４５切換回路、４６監視回路、４７充電電流検出回路、４８電圧検出回路、４９セット・リセット演算回路、５０ＯＲゲート、Ｄ１，Ｄ２ダイオード

Claims

一次電池と、
二次電池と、
放電電圧が出力され、又は、充電電圧が入力される入出力端子と、
上記一次電池と接続されている一次側端子又は上記二次電池と接続されている二次側端子のいずれかの端子を選択することで、この選択された端子と入出力端子とを接続する選択手段と、
上記一次電池と上記二次電池のいずれの電圧が高いかを比較し、放電時においては、上記一次側端子又は上記二次側端子のうち電圧が高い方の電圧が接続されている端子を選択するように上記選択手段を制御し、外部電源からの充電時では、上記二次側端子を選択するように制御する比較手段と、
上記入出力端子と上記二次電池とを接続し、上記入出力端子から上記二次電池の向きに電流が流れ、逆の向きには電流が流れないようにする逆電流防止手段と
を備えることを特徴とするバッテリーパック。
上記一次電池からの電圧と基準電圧とを比較して、上記一次電池からの電圧が上記基準電圧よりも高いときは上記一次電池からの電圧を上記基準電圧に制限して上記一次側端子に供給し、上記一次電池からの電圧が上記基準電圧よりも高くないときは上記一次電池からの電圧をそのまま上記一次側端子に供給する電圧制御手段を備えること
を特徴とする請求項１記載のバッテリーパック。
上記一次電池と上記一次側端子の間に上記一次側端子から上記一次電池の向きに逆電流が流れないようにする逆電流防止手段を備えること
を特徴とする請求項１記載のバッテリーパック。
上記一次電池及び上記二次電池の電圧及び／又は電流を監視し、これらの電圧及び／又は電流が所定値よりも大きいときに充電又は放電を停止する監視手段を備えること
を特徴とする請求項１記載のバッテリーパック。