JP4560835B2

JP4560835B2 - 電力バックアップ装置

Info

Publication number: JP4560835B2
Application number: JP2005009008A
Authority: JP
Inventors: 浩志中澤
Original assignee: Ｔｄｋラムダ株式会社
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2025-01-17
Also published as: JP2006196398A

Description

この発明は、各種電子装置のバックアップ電源として、この電子装置に内蔵または外付けされ、電子装置との間で充放電可能なリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池などの二次電池を搭載した電力バックアップ装置に関するものである。

一般に、バックアップ電源としての電力バックアップ装置を必要とする無停電電源装置は、商用交流電源からの入力電圧が正常に発生している場合に、電子装置としての電源本体の主電源部から負荷に所要の直流または交流電圧を供給し、且つこの主電源部を介して二次電池を充電する一方で、前記入力電圧が著しく低下若しくは停電すると、バックアップ電源としての二次電池が、主電源部から負荷に引き続き電力を供給するようになっている。ここで使用する二次電池は、従来より鉛蓄電池が使用されているが、その理由は主に鉛蓄電池が安価であって、且つ充放電管理が簡単であるからである。

図１０および図１１は、従来の無停電電源装置の概略構成を示すブロック図である。これらの各図において、１は例えば商用電源（図示せず）からの交流入力電圧Ｖｉが印加される主電源部としての電源回路で、この電源回路１には交流若しくは直流の出力電圧Ｖｏが与えられる一乃至複数の負荷３が接続される。また４は、入力電圧Ｖｉの低下若しくは停電時に、負荷３への電力給電を行なうバックアップ電源としての鉛蓄電池である。前記電源回路１には、入力電圧Ｖｉの正常時に鉛蓄電池４を充電する充電回路５と、入力電圧Ｖｉの低下若しくは停電時に鉛蓄電池４を放電して負荷３に電力を供給する放電回路６がそれぞれ組み込まれる。ここで図１０は、電源回路１と共に鉛蓄電池４が本体電源である本体ケース７の内部に収容される例を示し、また図１１は、電源回路１と別体に鉛蓄電池４が構成される例を示している。

前記電源回路１は、交流入力電圧Ｖｉを負荷３への所要の交流出力電圧Ｖｏに変換するＡＣ／ＡＣ変換部11や、交流入力電圧Ｖｉを昇圧または降圧した直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部12や、ＡＣ／ＤＣ変換部12で得られた直流電圧を負荷３への所要の直流出力電圧Ｖｏに変換するＤＣ／ＤＣ変換部13などが適宜組み込まれる。

ところで、上記鉛蓄電池４を搭載した無停電電源装置は電池収容スペースを多く確保しなければならない上に、重量が極めて重く、さらには環境面でも鉛使用による種々の問題がある。かかる欠点を解消するため、例えば特許文献１には、鉛蓄電池に代わってリチウムイオン二次電池をバックアップ電源とした無停電電源装置が提案されている。ここでのリチウムイオン二次電池は、複数個の電池セルを直列接続した電池モジュールからなり、過充電および過放電を防止する電池保護回路も内蔵されている。

また別な特許文献２には、過放電保護回路や過充電保護回路を備え、リチウムイオン二次電池を内蔵したパッケージ状の二次電池パックが開示されている。
特開２００２−５８１７０号公報特許第２８６１８７９号公報

上記特許文献１や特許文献２に示すリチウムイオン二次電池を搭載した電力バックアップ装置では、当該装置が設置される周囲環境に応じてリチウムイオン二次電池の充放電特性が変動する。具体的には、充電時においてリチウムイオン二次電池の温度（周囲温度）が高いほど、満充電に達するまでの時間（充電時間）は短くなるものの、電池としての寿命も短くなってしまう。また、放電時においてリチウムイオン二次電池の温度が高いほど、電池の放電時間ひいては電子装置に電力を供給し続けることが可能なバックアップ時間を延ばすことができるものの、電池としての寿命は短くなる。

しかし、既存の電力バックアップ装置は、こうしたリチウムイオン二次電池の温度変動による充放電特性のバラツキや寿命の短縮化を十分に考慮しているとは云えず、どのような環境下に置かれた場合でも、リチウムイオン二次電池としての能力を最大限に発揮させることができなかった。

本発明は上記の課題に着目してなされたもので、周囲の温度環境に左右されることなく、二次電池の充電特性を改善して、その能力を最大限に発揮することが可能な電源バックアップ装置を提供することを目的とする。

本発明における請求項１の電力バックアップ装置は、電子装置に装着され、この電子装置との間で充放電を行なう二次電池を搭載した電力バックアップ装置において、前記二次電池を充電する充電回路と、前記二次電池の充電時に前記充電回路で発熱する素子の熱を前記二次電池に伝える熱伝導体とを備え、前記熱伝導体は、前記素子を実装するプリント基板に形成された平面状の回路パターンである。

この場合、電子装置からの電力を利用して、充電回路が二次電池に充電を行なう際に、この充電回路に設けられた発熱体からの熱が、熱伝導体を経由して二次電池に伝えられる。そのため、発熱体と二次電池が離れた位置にあっても、充電時には二次電池が温められて、短い時間で充電を完了させることができる。また、特に二次電池の周囲温度が低い状況では、二次電池を加温することによる充電時間の短縮化が著しくなる。なお、二次電池の温度が上昇するにしたがって電池寿命が短くなるが、二次電池の温度上昇をある程度抑えるように構成したり、例えば無停電電源装置のように、電池寿命に対する充電期間の割合がかなり少なければ、電池寿命はさほど短くならず、結果的に二次電池の充電特性を改善することができる。また、本来は不必要な充電回路の発熱体からの熱を、二次電池の充電時間を延ばすために有効に活用できる。

また、発熱体が電子部品のようなスポット状のものであっても、熱伝導体に備えた熱拡散部によって二次電池の全体に熱を行き渡らせることができ、二次電池の充電特性をより効果的に改善できる。

さらに、プリント基板の適所に実装された発熱体からの熱を、プリント基板に形成した平面状パターンを利用して簡単に拡散でき、二次電池の充電特性をより効果的に改善できる。

本発明における請求項２の電力バックアップ装置は、前記二次電池の満充電を検出すると、前記充電回路の動作を停止させる満充電検出部を備えている。

この場合、満充電検出部が二次電池の満充電を検出すると、充電回路の動作が停止して二次電池への給電が行なわれなくなる。このように、常時給電を行なう必要のない二次電池に対して、必要最小限の給電を行なうことで、二次電池の寿命を延ばすことができる。また、二次電池が満充電で待機している状態では、充電回路を構成する発熱体も熱を発しなくなり、必要以上に二次電池を加温することもないので、この点でも電池寿命の延伸化を図ることができる。

請求項１の発明によれば、周囲の温度環境に左右されることなく、また既存の回路構成に発熱部品を追加することなく、二次電池の充電特性を改善して、その能力を最大限に発揮することが可能な電源バックアップ装置を提供できる。

また、プリント基板に形成した平面状パターンを利用して熱を簡単に拡散でき、二次電池の充電特性をより効果的に改善できる。

請求項２の発明によれば、二次電池に必要最小限の給電を行なうと共に、待機時に発熱体から発熱させないようにすることで、電池寿命の延伸化を図ることができる。

以下、本発明における電力バックアップ装置の好ましい実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。なお、従来例で示す図１０や図１１と共通する部分には同一の符号を付し、重複する箇所の説明は極力省略する。

図１は、本発明における新規な電力バックアップ装置を、無停電電源装置の電源回路１（電子装置に相当する）に装着する例を示したものである。同図において、21はバックアップ電源として装置に取付けられる電力バックアップ装置としての二次電池パックであり、ここでは二次電池としてのリチウムイオン二次電池22の他に、リチウムイオン二次電池22の過放電を防止する過放電保護回路23や、過充電を防止する過充電保護回路24が共に組み込まれている。また31は、リチウムイオン二次電池22と電源回路１との間に介在する電圧交換ユニットであり、この電圧交換ユニット31はリチウムイオン二次電池22と共に二次電池パック21内に一体的に組み込まれる。

電源回路１は、従来例で示すものと同様に、ＡＣ／ＡＣ変換部11と、ＡＣ／ＤＣ変換部12と、ＤＣ／ＤＣ変換部13がそれぞれ組み込まれると共に、入力電圧Ｖｉの正常時にリチウムイオン二次電池22への充電を行なう充電回路５と、入力電圧Ｖｉの低下若しくは停電時にリチウムイオン二次電池22への放電を行って負荷に電力３を供給する放電回路６がそれぞれ組み込まれる。ここでは、電圧変換ユニット31に内蔵する各機能により、電源回路１にどのような二次電池パック21が取付けられた場合でも、電源回路１の内部は一切変更を行なわないようになっている。

電圧変換ユニット31は、二次電池パック21の内部で独立したモジュールとして設けられる。図１に示す例では、本体ケース７とは独立した箱状の二次電池パック21内に電圧変換ユニット31が組み込まれているが、図２に示すように、本体ケース７の内部に二次電池パック21を収納するスペースを設け、二次電池パック21を本体ケース７の内部に収容できるように構成してもよい。このように、本実施例における二次電池パック21は、本体ケース７の寸法形状などに応じて最適な配置形態を採用することができる。

図１および図２に示すように、本実施例における電圧変換ユニット31は、電源回路１からリチウムイオン二次電池22に与えられる給電電圧を、このリチウムイオン二次電池22を充電するのに最適な電圧（最適充電電圧）に昇圧または降圧する昇圧・降圧部32と、入力電圧Ｖｉの低下若しくは停電時にリチウムイオン二次電池22を放電する放電回路33と、リチウムイオン二次電池22の満充電を検出すると、このリチウムイオン二次電池22への給電を停止する待機状態に移行して、リチウムイオン二次電池22を自己放電させる満充電検出部34と、リチウムイオン二次電池22の端子電圧が所要値にまで低下したのを検出すると、リチウムイオン二次電池22への給電を開始させる低電圧検出部35とをそれぞれ備えている。これらの各部の構成は、以下詳細に説明する。

図３は、上記二次電池パック21を含む無停電電源装置の構成をさらに詳しく示したものである。同図において、51は電源回路１の入力端子52，52に接続される交流入力電圧Ｖｉの供給源としての商用電源で、この入力電圧Ｖｉは整流ブリッジなどを含むフィルタ53と、昇圧チョッパ回路により構成されるＰＦＣ（力率改善）回路54とにより、昇圧された直流電圧ＶDC1に変換される。即ちここでのフィルタ53およびＰＦＣ回路54は、前述のＡＣ／ＤＣ変換部12に相当する。また、55は直流電圧ＶDC1を負荷３に適した一乃至複数の直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2に変換するＤＣ／ＤＣコンバータで、これは前記ＤＣ／ＤＣ変換部13に相当する。これらの直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2は、本体ケース７に設けた出力端子（図示せず）から負荷３に供給されるようになっている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ55や、このＤＣ／ＤＣコンバータ55から取り出せる直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2の数は、実施例中のものに限定されない。

前記ＤＣ／ＤＣコンバータ55は、前記直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2の他に、リチウムイオン二次電池22を充電するための給電電圧ＶCHGが出力される。一方、56はこの給電電圧ＶCHGを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ55をバイパスするようにして接続されるバッテリコンバータで、これは入力電圧Ｖｉの低下時または停電時にリチウムイオン二次電池22からの給電電圧を昇圧変換して、各ＤＣ／ＤＣコンバータ55の入力側に直流電圧ＶDC2を供給するものである。以上のように、ここに示す電源回路１は、交流入力電圧Ｖｉを直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2に変換するＡＣ／ＤＣユニットとして機能するが、負荷３に交流出力電圧を供給するＡＣ／ＡＣユニットとしての機能を有するものでも構わない。

二次電池パック21は、複数個の電池セルからなるリチウムイオン二次電池22が搭載されると共に、この電池セル間に発生する電圧を検出して、リチウムイオン二次電池22が過放電状態や過充電状態になったか否かを監視する電池保護回路61が内蔵される。即ちこの電池保護回路61は、前記過放電保護回路23および過充電保護回路24に相当する。また、リチウムイオン二次電池22の両端は、内蔵する電圧変換ユニット31の電池接続端子62，62に接続されるが、このリチウムイオン二次電池22から電池接続端子62，62に至る電圧ラインには、過電流時にリチウムイオン二次電池22を電圧変換ユニット31から切り離すヒューズ63と、過充電保護回路24がリチウムイオン二次電池22の過充電を検出すると、電圧変換ユニット31からリチウムイオン二次電池22への電流の流れ込みを阻止する過充電保護用のパワーＭＯＳＦＥＴ65と、過放電保護回路23がリチウムイオン二次電池22の過放電を検出すると、リチウムイオン二次電池22から電圧変換ユニット31への電流供給を阻止する過放電保護用のパワーＭＯＳＦＥＴ66が各々接続される。

電圧変換ユニット31は前記リチウムイオン二次電池22の両端に接続する電池接続端子62，62の他に、電源回路１の給電電圧ＶCHGが発生する電圧ラインに接続される本体電源接続端子71，71と、前記直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2が与えられる負荷３とは別に、任意の負荷３Ａが直接接続される放電端子72をそれぞれ備えている。前記昇圧・降圧部32は、リチウムイオン二次電池22を充電する充電回路としての機能を有し、このリチウムイオン二次電池22の仕様にあわせて、ＤＣ／ＤＣコンバータ55からの給電電圧ＶCHGを昇圧または降圧するように設計・調整される。具体的には、リチウムイオン二次電池22の最適充電電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ55からの給電電圧ＶCHGよりも低いことが予め判っている場合は、当該給電電圧ＶCHGを最適充電電圧に降圧する降圧チョッパ電源（降圧部）が組み込まれ、逆にリチウムイオン二次電池22の最適充電電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ55からの給電電圧ＶCHGよりも高いことが予め判っている場合は、当該給電電圧ＶCHGを最適充電電圧に昇圧する昇圧チョッパ電源（昇圧部）が組み込まれる。降圧部および昇圧部のいずれにおいても、昇圧・降圧部32には、発熱するチョッパ素子であるパワーＭＯＳＦＥＴ67が組み込まれ、リチウムイオン二次電池22の充電時にオン、オフ動作するようになっている。

また、昇圧・降圧部32からリチウムイオン二次電池22に与える電圧を、このリチウムイオン二次電池22の最適充電電圧に設定・調整するのに、電圧変換ユニット31に与えられる入力電圧（給電電圧ＶCHG）を検出する手段を設けたり、或いは決められた入力電圧に対し、二次電池の端子電圧を検出する手段を設けたりしてもよい。

満充電検出部34は、昇圧・降圧部32からリチウムイオン二次電池22に供給される充電電流を検出する抵抗74の両端に接続される。この電流検出素子としての抵抗74は、他の素子で構成されてもよい。ここでの満充電検出部34は、抵抗74により検出されるリチウムイオン二次電池22への充電電流に基づき、このリチウムイオン二次電池22が満充電状態となったら、昇圧・降圧部32の動作を停止させる充電停止信号を当該昇圧・降圧部32に出力する。また低電圧検出部35は、リチウムイオン二次電池22の端子電圧が自己放電により所要値にまで低下した低電圧状態を検出すると、昇圧・降圧部32の動作を開始させる充電開始信号を当該昇圧・降圧部32に出力するようになっている。なお、満充電検出部34による満充電の検出レベルは、使用する二次電池および電源回路１の仕様に応じて容易に可変設定できるように構成される。

放電回路33は、昇圧・降圧部32と抵抗74からなる直列回路をバイパスして、電圧変換ユニット31の出力端子である一方の電池接続端子62から、電圧変換ユニット31の入力端子である一方の本体電源接続端子71にダイオード75を介して接続される放電ライン76を含んで構成される。このダイオード75は、電源回路１からの給電電圧ＶCHGが昇圧・降圧部32を介さずに二次電池パック21側に直接供給されるのを阻止する機能を有する。また、好ましくは放電ライン76の途中に、リチウムイオン二次電池22の端子電圧を本体電源接続端子71若しくは放電端子72のいずれかに供給する切替手段としての切替スイッチ77が設けられる。これにより、使用する製品（負荷）にあわせてリチウムイオン二次電池22からの電力供給を、電源回路１を介したものか否かに選択することができる。

なお、給電電圧ＶCHGが二次電池の最適充電電圧よりも低く、昇圧・降圧部32で昇圧を行なう場合には、交流入力電圧Ｖｉが正常に供給されている状態でも、二次電池からダイオード75を介して本体電源接続端子71に電流が流れ込んで、二次電池を充電するモードに移行しない。したがって、この場合は、ダイオード75のカソードを放電端子72に直接接続し、充電用のラインと放電用のラインを別々に切り離すのが望ましい。

81は、リチウムイオン二次電池22の充電時に動作する半導体素子としてのパワーＭＯＳＦＥＴ67からの熱を、リチウムイオン二次電池22に伝えるための熱伝導体である。この熱伝導体81の好ましい具体例は後ほど説明するが、発熱体としてはこのパワーＭＯＳＦＥＴ67のみならず、可能であれば二次電池パック21以外に備えたものを利用してもよい。一例として、電源回路１のＤＣ／ＤＣコンバータ55に設けたトランジスタやＦＥＴなどのスイッチング素子（図示せず）や、充放電ライン78に設けたパワーＭＯＳＦＥＴ65，66からの熱をさらに利用してもよい。なお、前記昇圧・降圧部32のパワーＭＯＳＦＥＴ67や抵抗74は、リチウムイオン二次電池22の充電時にのみ電流が流れる充電ライン79に介挿される。

次に、上記構成についてその作用を説明すると、商用電源51からの交流入力電圧Ｖｉが電源回路１内に正常に供給されている場合は、この交流入力電圧Ｖｉがフィルタ53およびＰＦＣ回路54により、昇圧された直流電圧ＶDC1に変換される。そして、ＰＦＣ回路54からの直流電圧ＶDC1はＤＣ／ＤＣコンバータ55に印加され、このＤＣ／ＤＣコンバータ55で得られた直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2が、本体ケース７に接続する負荷３に与えられると共に、リチウムイオン二次電池22を充電するための給電電圧ＶCHGがＤＣ／ＤＣコンバータ55から発生する。なお、これらの直流出力電圧Ｖo1，Ｖo2および給電電圧ＶCHGは、ＤＣ／ＤＣコンバータ55に内蔵する帰還回路（図示せず）により、その安定化が図られている。

一方、交流入力電圧Ｖｉの低下時若しくは停電時にも、負荷３に一定時間電力を供給させたい場合は、図１〜図３に示す二次電池パック21を装着する。ここでの電源回路１は、従来例における鉛蓄電池４を充放電するのに適した仕様で設計されている。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ55から出力される給電電圧ＶCHGは、鉛蓄電池の最適充電電圧である直流27Vに設定され、また交流入力電圧Ｖｉが入力端子52，52に印加される場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ55から給電電圧ＶCHGが常時出力される。したがって、最適充電電圧が直流27Vの鉛蓄電池４を使用する場合は、電源回路１の給電電圧ＶCHGの電圧ラインに鉛蓄電池４の両端間を直接接続すればよい。

これに対して、鉛蓄電池４以外のリチウムイオン二次電池22を使用する場合は、このリチウムイオン二次電池22の最適充電電圧が概ね直流24.6Vであるため、電源回路１にそのまま繋ぐと、直流27Vの給電電圧ＶCHGがリチウムイオン二次電池22に常時供給され、リチウムイオン二次電池22の寿命が著しく低下する。そこでこの場合は、上記電圧変換ユニット31を有する二次電池パック21の本体電源接続端子71，71を、電源回路１の給電電圧ＶCHGの電圧ラインに接続する。こうすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ55からの給電電圧ＶCHGは、昇圧・降圧部（この場合は降圧機能だけを有していればよい）32によってリチウムイオン二次電池22の最適充電電圧である直流24.6Vに変換され、この降圧した直流電圧がリチウムイオン二次電池22に供給される。そのため、電源回路１の内部に手を加えなくても、二次電池パック21を単に組み込むだけで、リチウムイオン二次電池22を最適な電圧で充電することができる。

リチウムイオン二次電池22の充電時には、昇圧・降圧部32を構成するパワーＭＯＳＦＥＴ67がスイッチング動作するため、当該パワーＭＯＳＦＥＴ67が発熱し、その熱が熱伝導性の良好な金属材料からなる熱伝導体81を伝わってリチウムイオン二次電池22に達する。これにより、充電中のリチウムイオン二次電池22が所定の温度に温められ、リチウムイオン二次電池22が満充電になるまでの時間（充電時間）を短縮化することが可能になる。なお、充電時に発熱するパワーＭＯＳＦＥＴ67は、本来リチウムイオン二次電池22を最適充電電圧で充電するための必要な電子部品として、二次電池パック21に組み込まれたものである。したがって、こうした電子部品の熱を利用すれば、わざわざ発熱用の部品を専用に組み込まなくても、リチウムイオン二次電池22の充電時間を短くすることができる。

また、電圧変換ユニット31内に設けられた満充電検出部34は、抵抗74を流れる充電電流の減少によって、リチウムイオン二次電池22が満充電状態であるか否かを監視しており、リチウムイオン二次電池22の満充電状態を検出すると、降圧チョッパ回路からなる昇圧・降圧部32の制御部（図示せず）にその動作を停止させる充電停止信号を出力し、パワーＭＯＳＦＥＴ67のスイッチング動作が停止する。このように、リチウムイオン二次電池22が満充電状態となったら、昇圧・降圧部32からリチウムイオン二次電池22への給電が停止される待機状態に移行するため、リチウムイオン二次電池22が過剰に充電されるのを防止できると共に、リチウムイオン二次電池22の寿命を延ばすことができる。また、この場合は自己放電によってリチウムイオン二次電池22の端子電圧が次第に低下するが、当該端子電圧が、負荷３のバックアップ保障時間に対応した所要値にまで低下すると、今度は電圧変換ユニット31内に設けられた低電圧検出部35が、昇圧・降圧部32にその動作を開始させる充電開始信号を出力し、リチウムイオン二次電池22は充電状態に移行する。そのため、リチウムイオン二次電池22の自己放電時に交流入力電圧Ｖｉの低下若しくは停電が発生した場合でも、バックアップ保障時間以上の長さで、負荷３に電力を供給し続けることが可能になる。

一方、上記電圧変換ユニット31を組み込んだ状態で、交流入力電圧Ｖｉが低下若しくは停電すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ55から電圧変換ユニット31の本体電源接続端子71に与えられる給電電圧ＶCHGも低下する。このとき、切替スイッチ77によりダイオード75のカソードを本体電源接続端子71に接続していると、当該ダイオード75が導通してリチウムイオン二次電池22から電源回路１のバッテリコンバータ56に給電が行なわれる。これを受けてバッテリコンバータ56は、リチウムイオン二次電池22からの給電電圧を、ＰＦＣ回路54からの直流電圧ＶDC1と略同レベルの直流電圧ＶDC2に昇圧し、この直流電圧ＶDC2を各ＤＣ／ＤＣコンバータ55の入力側に供給する。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ55の出力側に接続した負荷３は、リチウムイオン二次電池22の電力供給を受け続けることになる。また、前記切替スイッチ77によりダイオード75のカソードを放電端子72に接続していると、今度はＤＣ／ＤＣコンバータ55に接続する負荷３ではなく、この放電端子72に接続した別の負荷３Ａに電力が供給される。このように、放電端子72と切替スイッチ77の組み合わせで、負荷３，３Ａのいずれかにリチウムイオン二次電池22からの電力を選択的に供給することができる。但し、給電電圧ＶCHGがリチウムイオン二次電池22の端子電圧よりも低い場合には、昇圧・降圧部32が昇圧機能を有するため、前述のようにダイオード75のカソードを放電端子72に直接接続しなければならない。

なお、本実施例のように無停電電源装置の電源回路１に二次電池パック21を使用する場合、リチウムイオン二次電池22の充電時に充電ライン79や充放電ライン78を流れる電流（数Ａ）は、放電時に放電ライン76や充放電ライン78を流れる電流（数10Ａ）よりも少なく、リチウムイオン二次電池22を極端に温度上昇させる程には至らないが、放電は落雷の場合などごく短期間に限られ、それ以外は充電または待機状態となるため、充電時間と電池寿命が共にできるだけ最適となるように、例えば熱伝導体81として、より熱伝導率の低いの材料を選定したり、熱伝導体81とリチウムイオン二次電池22との熱抵抗を増加させてもよい。

また、充電回路である昇圧・降圧部32が、リチウムイオン二次電池22を定電流定電圧充電する機能を備えたものでは、先ずリチウムイオン二次電池22を定電流充電で所定電圧に到達させた後、電流を絞って定電圧充電を行なうので、リチウムイオン二次電池22や昇圧・降圧部32にある程度の電流が流れ続ける期間は長くない。しかも、満充電状態になると、満充電検出部34がリチウムイオン二次電池22への充電を停止させるので、普段はほぼ待機状態となり、結果的に全体に対する充電時間の割合もごく限られたものになる。そのため、充電時にリチウムイオン二次電池22を温めたとしても、その期間は長くなく、電池寿命にはさほど影響を及ぼさない。

以上のように本実施例では、電子装置である電源回路１に装着され、この電源回路１との間で充放電を行なう二次電池としてのリチウムイオン二次電池22を搭載した二次電池パック21としての電力バックアップ装置において、リチウムイオン二次電池22を充電する充電回路としての昇圧・降圧部32と、リチウムイオン二次電池22の充電時に、昇圧・降圧部32で発熱する発熱体としてのパワーＭＯＳＦＥＴ67の熱をリチウムイオン二次電池22に伝える熱伝導体81とを備えている。

この場合、電源回路１からの電力を利用して、昇圧・降圧部32がリチウムイオン二次電池22に充電を行なう際に、この昇圧・降圧部32に設けられたパワーＭＯＳＦＥＴ67からの熱が、熱伝導体81を経由してリチウムイオン二次電池22に伝えられる。そのため、パワーＭＯＳＦＥＴ67とリチウムイオン二次電池22が離れた位置にあっても、充電時にはリチウムイオン二次電池22が温められて、放電時間を延ばすことができる。なお、リチウムイオン二次電池22の温度が上昇するにしたがって電池寿命が短くなるが、リチウムイオン二次電池22の温度上昇をある程度抑えるように構成したり、例えば無停電電源装置の電源回路１のように、電池寿命に対する充電期間の割合がかなり少なければ、電池寿命はさほど短くならず、結果的にリチウムイオン二次電池22の充電特性を改善することができる。また、本来は不必要な昇圧・降圧部32を構成するパワーＭＯＳＦＥＴ67からの熱を、リチウムイオン二次電池22の充電時間を延ばすために有効に活用できる。

またこの実施例では、リチウムイオン二次電池22の満充電を検出すると、昇圧・降圧部32の動作を停止させる満充電検出部34を備えており、満充電検出部34がリチウムイオン二次電池22の満充電を検出すると、昇圧・降圧部32の動作が停止してリチウムイオン二次電池22への給電が行なわれなくなる。このように、常時給電を行なう必要のないリチウムイオン二次電池22に対して、必要最小限の給電を行なうことで、リチウムイオン二次電池22の寿命を延ばすことができる。また、リチウムイオン二次電池22が満充電で待機している状態では、昇圧・降圧部32を構成するパワーＭＯＳＦＥＴ67も熱を発しなくなり、必要以上にリチウムイオン二次電池22を加温することもないので、この点でも電池寿命の延伸化を図ることができる。

次に、上記構成に基づく具体例を図４〜図９にて説明する。なお、図１〜図３の構成と同一部分には同一符号を付し、その共通する箇所の説明は極力省略する。

図４および図５は、第１の具体例を示すもので、リチウムイオン二次電池22は、各々が同一形状の平板状に形成され、複数個のセル84を積み重ねて（スタック）構成される。周知のように、前記リチウムイオン二次電池22の最適充電電圧は、直列接続したセル84の積み重ね数で決まる。また、85，86はリチウムイオン二次電池22の両側を挟むようにして配置されたプリント基板で、一方のプリント基板85の表面には前記パワーＭＯＳＦＥＴ65，66を含む電池保護回路61の各回路部品が半田付け接続されると共に、他方のプリント基板86の表面には、前記ダイオード75やパワーＭＯＳＦＥＴ67を含む電力変換ユニット31の各回路部品が半田付け接続される（図６参照）。

プリント基板85は周知のように、ガラスエポキシなどの板状絶縁材料の片面または両面に、銅箔などの導電性回路パターンを設けて形成されるが、特に本具体例では図５に示すように、電子部品を配置していないプリント基板86の裏面のほぼ全体に、前記熱伝導体81に相当する平面状に展開されたベタパターン87が設けられる。また図５には図示していないが、他方のプリント基板85の裏面にも同様のベタパターン87が設けられる。このベタパターン87は、パワーＭＯＳＦＥＴ65〜67やダイオード75からの熱を放散する熱拡散部に相当し、好ましくは前述の放電ライン76，充放電ライン78および充電ライン79を形成するものであるが、それ以外のラインであってもよい。

そしてこの場合は、リチウムイオン二次電池22の充電時に、発熱体であるパワーＭＯＳＦＥＴ67や、他にパワーＭＯＳＦＥＴ65，66から発生する熱が、熱伝導性に優れた材料からなるベタパターン87に伝達して、そこでベタパターン87全体に拡散すると共に、充放電ライン78や充電ライン79を形成するベタパターン87自体も、充電時に流れる電流によって発熱する。これにより、プリント基板85，86の各裏面のほぼ全体が速やかに加熱された状態となって、リチウムイオン二次電池22を両側から所定の温度に温め、結果的にリチウムイオン二次電池22の充電時間を短くすることができる。

また、リチウムイオン二次電池22の放電時にも、発熱体であるパワーＭＯＳＦＥＴ65，66やダイオード75から発生する熱がベタパターン87に伝達して、そこでベタパターン87全体に拡散すると共に、放電ライン76や充放電ライン78を形成するベタパターン87自体も、放電時に流れる電流によって発熱する。これにより、プリント基板85，86の各裏面のほぼ全体が速やかに加熱された状態となって、リチウムイオン二次電池22を両側から所定の温度に温め、リチウムイオン二次電池22の放電時間を延ばすことができる。

このように、図４や図５に示す具体例では、熱伝導体81が昇圧・降圧部32を構成するパワーＭＯＳＦＥＴ67からの熱を拡散する熱拡散部としてのベタパターン87を有している。こうすると、パワーＭＯＳＦＥＴ67が電子部品のようなスポット状のものであっても、熱伝導体81に備えた熱拡散部としてのベタパターン87によって、リチウムイオン二次電池22の全体に熱を行き渡らせることができる。そのため、熱拡散部を有しない熱伝導体81よりも、リチウムイオン二次電池22の充電特性をより効果的に改善できる。

また、このベタパターン87は、他のパワーＭＯＳＦＥＴ65，66やダイオード75から発生する熱も拡散する作用を有するので、リチウムイオン二次電池22の放電特性をより効果的に改善できる。

また、この具体例のように、パワーＭＯＳＦＥＴ67などの昇圧・降圧部32の発熱体を実装するプリント基板86の裏面略全体に平面状パターンとしてのベタパターン87を形成し、このベタパターン87を熱伝導体81の熱拡散部とするのが好ましい。こうすれば、プリント基板86の適所に実装されたパワーＭＯＳＦＥＴ67からの熱を、プリント基板86に形成したベタパターン87を利用して簡単に拡散でき、リチウムイオン二次電池21の充電特性をより効果的に改善できる。

さらに、ここでのベタパターン87は放電ライン76，充放電ライン78および充電ライン79を形成するものなので、リチウムイオン二次電池21の充電や放電時にはそれ自体が発熱し、ベタパターン87による熱の拡散効果と相俟って、リチウムイオン二次電池21を広い範囲でより速やかに加温することができる。

なお、図４に示す具体例では、リチウムイオン二次電池21におけるセル84の積層数が増えるにつれて、中間にあるセル84に熱を伝えることが困難になる。そこで図６に示すように、平板状で複数個のセル84を積層したリチウムイオン二次電池21の外周にも、パワーＦＥＴやダイオードなどの発熱体88を表面側に実装したプリント基板90を配設し、このプリント基板90の裏面に熱拡散部としてのベタパターン87を同様に形成する。そして、リチウムイオン二次電池21の一側平面および他側平面に、プリント基板85，86に形成したベタパターン87をそれぞれ対向配置し、リチウムイオン二次電池21の外周側面に別なプリント基板90に形成したベタパターン87を対向配置する。こうすれば、特にプリント基板90に形成したベタパターン87で発熱体88の熱が拡散して、中間にあるセル84にも熱を十分に伝達することが可能になる。

図７および図８は、上記ベタパターン87に代わる熱伝導体81の別な第２具体例を示している。同図において、93は熱伝導性の良好な金属製基材94と、昇圧・降圧部32の発熱体であるパワーＭＯＳＦＥＴ67の他に、パワーＭＯＳＦＥＴ65，66やダイオード75などのを含む表面実装可能なチップ部品95が半田付け接続され、図示しない導電性の回路パターンが片面乃至両面に設けられる絶縁板材96とからなる金属基板である。ここでの金属製基材94は、例えばアルミニウムやマグネシウム単体のみならず、ＳｉＣ（炭化珪素）やアルミナを含浸させた金属材料などでもよく、前記チップ部品と回路パターンにより形成される回路部と一体若しくは別体に設けられる。そして、絶縁板材96の表面側にチップ部品95が設けられる一方で、絶縁板材96の裏面全体に金属製基材94が設けられ、この金属製基材94に接するように、平板状の複数個のセル84を積み重ねてなるリチウムイオン二次電池22が配置される。

そしてこの具体例では、リチウムイオン二次電池22の充電時に、発熱体であるパワーＭＯＳＦＥＴ67や、他にパワーＭＯＳＦＥＴ65，66から発生する熱が、熱伝導性に優れた材料からなる金属製基材94に伝達して、そこで金属製基材94全体に拡散する。特にこの場合は、絶縁板材96の裏面全体に隙間なく金属製基材94を設けることができるので、対向するリチウムイオン二次電池22をより均一に加温できる。こうして、金属製基材94に対向するリチウムイオン二次電池22を所定の温度に温め、結果的にリチウムイオン二次電池22の充電時間を短縮化することができる。

また、リチウムイオン二次電池22の放電時になると、今度はパワーＭＯＳＦＥＴ65，66やダイオード75から発生する熱が、熱伝導性に優れた材料からなる金属製基材94に伝達して、そこで金属製基材94全体に拡散し、対向するリチウムイオン二次電池22をより均一に加温する。こうして、金属製基材94に対向するリチウムイオン二次電池22を所定の温度に温め、結果的にリチウムイオン二次電池22の放電時間を延ばすことができる。

以上のように、ここでの具体例では、熱伝導体81が昇圧・降圧部32のパワーＭＯＳＦＥＴ67からの熱を拡散する熱拡散部としての金属製基材94を有している。こうすると、パワーＭＯＳＦＥＴ67が電子部品のようなスポット状のものであっても、熱伝導体81に備えた熱拡散部としての金属製基材94によって、リチウムイオン二次電池22の全体に熱を行き渡らせることができる。そのため、熱拡散部を有しない熱伝導体81よりも、リチウムイオン二次電池22の充電特性をより効果的に改善できる。

また、この金属製基材94は、他のパワーＭＯＳＦＥＴ65，66やダイオード75から発生する熱も拡散する作用を有するので、リチウムイオン二次電池22の放電特性をより効果的に改善できる。

また、この具体例のように、パワーＭＯＳＦＥＴ65，66やダイオード75などの発熱体を表面に実装した金属基板93の金属製基材94を、前記熱拡散部とするのが好ましい。この場合、金属基板93の表面適所に実装されたパワーＭＯＳＦＥＴ65，66やダイオード75などの発熱体からの熱を、この金属基板93の裏面にある金属製基材94を利用して簡単に拡散でき、リチウムイオン二次電池22の放電特性をより効果的に改善できる。また特に、金属性基材94は金属基板93の裏面全体に配置できるので、発熱体であるパワーＭＯＳＦＥＴ65，66やダイオード75などの熱をより均一に拡散できる。

さらに、この第２具体例でも、図６に示すような構造を採用して、中間にあるセル84にも熱を十分に伝達させるようにしてもよい。

図９は、第３具体例を示したもので、ここでの熱伝導体81は、パワーＭＯＳＦＥＴ67と熱接続した受熱部102と、この受熱部102を基端として平行に配置された放熱部としての複数のフィン103とを一体にして構成される。熱伝導体81の材料としては、例えばアルミニウムなど軽量で熱伝導性に優れたものを利用すればよい。また、受熱部102は、スポット状に配置される発熱体101の熱を拡散する熱拡散部に相当するもので、空中配線された発熱体101の放熱面が受熱部102の一側に配設される。なお、ここでは発熱体101を前記具体例のプリント基板85や金属基板93に実装して、受熱部102の代わりにベタパターン87や金属製基材94を利用してもよく、またはこうしたベタパターン87や金属製基材94と受熱部102とを熱接続してもよい。ここで云う熱接続とは、双方の部材を直接接触していなくても、例えば熱伝導材（サーマルコンパウンドやヒートパイプ）などを介して、双方の部材が熱伝達可能になっていればよい。さらに、受熱部102に前記パワーＭＯＳＦＥＴ65，66やダイオード75などを熱接続してもよい。

前記リチウムイオン二次電池21の各セル84は、フィン103で仕切られた保温空間104にそれぞれ個別に配設される。すなわち、フィン103の間にはスタック状に配置されたセル84がそれぞれ配置される。また、フィン103の先端側にあって、セル84を出し入れできる程度に開口した保温空間104の開放部105には、この開放部105を塞ぐ押え体107が熱伝導体81と接触状態で配設される。この押え体107も、熱伝導体81と同様に熱伝導性に優れた部材で形成され、フィン103に達した熱の一部を効率よく受け取るために、このフィン103の先端から基端側に延びる楔部108を有している。そして好ましくは、熱伝導体81と押え体107が二次電池パック21の外郭（筐体ケース）を兼用することで、二次電池パック21の小型化を図っている。

この具体例では、リチウムイオン二次電池22の充電時に、発熱体であるパワーＭＯＳＦＥＴ67から発生する熱が、熱伝導性に優れた材料からなる熱伝導体81の受熱部102に伝達して、そこで受熱部102全体に拡散する。受熱部102からの熱は、各フィン103に伝達すると共に、フィン103を介して受熱部102の反対側に位置する押え体107にも達して、保温空間104の内部にある各セル84をそれぞれ全周から均等に温める。これにより、積層した中間位置にあるセル84であっても、充電時にセル84の隅々にまで熱を行き渡らせることができ、リチウムイオン二次電池22全体としての充電特性をより効果的に改善できる。

また押え体107を設けていないと、フィン103から保温空間104に放散する熱が、保温空間104の開放部108から逃げ出すが、この具体例のように開放部108を押え体107で塞ぐことによって、保温空間104に達した熱をそこで留まらせることができる。さらに押え体107を熱伝導体81と同じ熱伝導性の良好な部材とし、かつフィン103に対向して楔部108を設けて、押え体107への熱の授受を促進することで、フィン103の先端側にある押え体107からも各セル84に向けて熱を伝えることで、各セル84をより均一に加温することができる。

さらに、受熱部102にパワーＭＯＳＦＥＴ65，66やダイオード75などを熱接続すれば、リチウムイオン二次電池22の放電時に、これらのパワーＭＯＳＦＥＴ65，66やダイオード75から発生する熱を受熱部102全体に拡散させ、保温空間104の内部にある各セル84をそれぞれ全周から均等に温めることができる。したがってこの場合は、リチウムイオン二次電池22全体としての充電特性のみならず、放電特性もより効果的に改善できる。

以上のように、この具体例の熱伝導体81は、熱拡散部である受熱部102で拡散した熱をリチウムイオン二次電池22の各セル84に導く放熱部としてのフィン103を備えている。こうすると、熱伝導体81の受熱部102で拡散した熱が、放熱部であるフィン103によってリチウムイオン二次電池22の各セル84に導かれるため、充電時や放電時において特定のセル84だけが局所的に温められることがなく、複数個のセル84を全体的に温めて、リチウムイオン二次電池22全体としての充電特性や放電特性を効果的に改善できる。

また特にこの具体例では、放熱部が複数のフィン103により形成され、このフィン103間にリチウムイオン二次電池22の各セル84を配置する構成としている。

この場合、放熱部としてのフィン103間に配置されたリチウムイオン二次電池22の各セル84に対し、受熱部102で拡散した熱が均等に与えられる。そのため、積層した中間位置にあるセル84であっても、充電時や放電時にセル84の隅々にまで熱を行き渡らせることができ、リチウムイオン二次電池22全体としての充電特性や放電特性をより効果的に改善できる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。例えば、本実施例ではパッケージ状の形態をなす二次電池パック21を、電力バックアップ装置として提示したが、それ以外のあらゆる形態の電力バックアップ装置に対して、本発明の主旨を適用できる。また、電力バックアップ装置をバックアップ電源として使用する電子装置は、本実施例で示す無停電電源装置の主電源回路に限らず、あらゆるものが適用される。

さらに、本実施例では二次電池としてリチウムイオン二次電池を採り上げたが、同様の特性を有する他のあらゆる二次電池にも適用できることは云うまでもない。

本発明における好ましい一実施形態を示す二次電池パックを組み込んだ無停電電源装置のブロック構成図である。同上、図１の変形例を示す無停電電源装置のブロック構成図である。同上、二次電池パックを含む無停電電源装置のさらに詳細なブロック構成図である。図３の第１具体例を示す要部の斜視図である。同上、図４における一方のプリント基板の別な方向から見た斜視図である。同上、第１具体例の別な変形例を示す要部の側面図である。図３の第２具体例を示す要部の斜視図である。同上、図７とは別な方向から見た要部の斜視図である。図３の第３具体例を示す要部の斜視図である。従来例における無停電電源装置の一例を示すブロック構成図である。従来例における無停電電源装置の別な一例を示すブロック構成図である。

１電源回路（電子装置）
22 リチウムイオン二次電池（二次電池）
67 パワーＭＯＳＦＥＴ（発熱する素子、素子）
81 熱伝導体
86 プリント基板
87 ベタパターン（平面状の回路パターン）

Claims

電子装置に装着され、この電子装置との間で充放電を行なう二次電池を搭載した電力バックアップ装置において、
前記二次電池を充電する充電回路と、前記二次電池の充電時に前記充電回路で発熱する素子の熱を前記二次電池に伝える熱伝導体とを備え、
前記熱伝導体は、前記素子を実装するプリント基板に形成された平面状の回路パターンであることを特徴とする電力バックアップ装置。
前記二次電池の満充電を検出すると、前記充電回路の動作を停止させる満充電検出部を備えたことを特徴とする請求項１記載の電力バックアップ装置。