JP4894165B2 - 二次電池用放電回路並びにそれを具備した二次電池パック及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、電源制御回路を具備した二次電池パック及び電子機器に関し、特に、好適な二次電池用放電回路を具備したものに関する。

携帯電話機やノートパソコン等の電子機器の電源として用いられる電池パックには、ニッケルカドミウム蓄電池、ニッケル水素蓄電池やリチウムイオン二次電池などが使われる。特に近年は、その軽量性、高容量性からリチウムイオン二次電池が主流である。

ところで、電池からの放電は、接続する負荷の変動や負荷の制御方法に依存しており、定抵抗放電、定電流放電、定電力放電などの連続的な放電や、パルス放電など様々な形態があるが、このとき、電池の充放電サイクル寿命は、その放電形態により異なることが知られている。そこで、このような電池の放電形態を制御する方法として、従来より様々な方法が提案されている。例えば、放電回路と並列に電力貯蓄回路を備えることにより、パルス放電の大電流期間の電圧低下を抑え、放電容量を有効に引き出す装置が提案されている。（特許文献１参照）
特開２００２−３１５２２５号公報

しかしながら、二次電池の充放電サイクル寿命そのものを改善できる放電方法については有効な手法が明確でなく、結果としてサイクル寿命の伸長を図ることが困難であるという問題があった。

本発明の目的は、前述のような二次電池の活物質の劣化を抑制し、充放電サイクル寿命を延ばすことが可能な電池の放電回路を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の二次電池用放電回路は、二次電池と外部負荷の間に配置され、前記二次電池の電力を前記外部負荷に放電する二次電池用放電回路であって、前記二次電池の放電電流をオン／オフするスイッチ素子と、前記二次電池からの電力を一時的に蓄えるコンデンサと、前記外部負荷の電圧、電流を検出するモニタ回路と、前記モニタ回路が検出した前記電圧、電流に基づき前記スイッチ素子を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記コンデンサから前記外部負荷へ供給され
た電力量と同量の電力量を前記二次電池からパルス放電により前記コンデンサに充電するものであって、前記制御回路は、前記モニタ回路により検出された前記外部負荷の電圧が、予め設定されたある一定の電圧以下か、あるいは一定の電圧以上か、に応じて前記スイッチ素子のオン／オフを制御することにより、連続的な負荷に対しても前記二次電池からの放電を常にパルス放電となるように前記スイッチ素子を制御する回路であることを特徴とするものである。

この制御回路は、前記二次電池の放電電流が前記モニタ回路により検出された前記外部負荷の電圧、電流に基づき算出されるパルス幅、パルス周期となるように、前記スイッチ素子を制御するものである。つまり、連続的な放電に対しても前記二次電池が常にパルス放電を行うため、結果としてサイクル寿命が向上する。

また、この二次電池用放電回路は、二次電池パックを電源とする電子機器において、二次電池パック側にあっても構わないし、電子機器に組み込まれていても構わない。

以上の通り、本発明によれば、連続的な負荷に対しても常に、電池に対してパルス放電を行うことができ、二次電池のサイクル寿命を飛躍的に延ばすことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係わる放電回路を具備した電子機器を示すブロック図であり、１は二次電池であり、Ｍは外部負荷を示す。

また、２はモニタ回路、３は制御回路、ＳＷ１はスイッチ素子、Ｃ１はコンデンサであり、それらを備えた４が二次電池用放電回路を示す。

図１において、二次電池１は、リチウムイオン電池やリチウムポリマー電池などの化学セルである。モニタ回路２は、外部負荷Ｍの電圧、電流を検出し、制御回路３にその情報を転送する回路である。制御回路３は、モニタ回路２により検出された外部負荷Ｍの電圧が、予め設定されたある一定の電圧以下か、あるいは一定の電圧以上か、に応じてスイッチ素子ＳＷ１のオン／オフを制御することにより、連続的な負荷に対しても二次電池１からの放電を常にパルス放電となるようにスイッチ素子ＳＷ１を制御する回路である。

コンデンサＣ１は、制御回路３がスイッチ素子ＳＷ１をオンにすることで二次電池１から放電される電力を蓄える。そして、制御回路３が、外部負荷Ｍの電圧がある一定以上であるという信号をモニタ回路から受けて、スイッチ素子ＳＷ１をオフにし、コンデンサＣ１に蓄えた電力を外部負荷Ｍに供給する。その後、制御回路３が、外部負荷Ｍの電圧がある一定以下であるという信号をモニタ回路から受けて、スイッチ素子ＳＷ１をオンにし、再びコンデンサＣ１に二次電池１から放電される電力を蓄える。これを繰り返すことで、外部負荷Ｍに対しては常に一定電圧レベルのコンデンサＣ１から電力が供給され、前記コンデンサＣ１には二次電池１からスイッチ素子ＳＷ１がオンの時間幅を持つパルス状の放電電流により電力が供給される。即ち、外部負荷Ｍには連続的に電力を供給しながら二次電池１は必ずパルス放電することが可能となる。

また、この実施の形態においては、二次電池用放電回路４が電子機器内に組み込まれているが、例えば、電子機器が、取りはずしが可能な二次電池パックを電源としている場合には、二次電池用放電回路４は、二次電池パックに具備されていても構わないし、また、二次電池パック外の電子機器本体側に具備されていても構わない。

以下、本発明の具体的な実施例について図面を参照しつつ説明する。

図２は、図１に示す二次電池用放電回路４の二次電池１に対して、正極がコバルト酸リチウム、負極がカーボンで構成されるリチウムイオン電池を用い、１時間積算で定格容量になる電流量（１Ｃ）となるようにパルス間隔４８０ｍ秒、パルス幅１０ｍ秒のパルス放電を行った充放電サイクルの放電特性の関係を示す図である。図２において、５ａは、１サイクルにおける放電特性、６ａは、３００サイクルにおける放電特性、そして７ａは６００サイクルにおける放電特性である。

図３は図１に示す二次電池用放電回路４を用いず、前記リチウムイオン電池を用いて、図２の平均放電レートと同じレートで放電されるよう定抵抗放電を行った充放電サイクルの放電特性の関係を示す図である。図３において、５ｂは、１サイクルにおける放電特性、６ｂは、３００サイクルにおける放電特性、そして７ｂは６００サイクルにおける放電特性である。

１サイクルに対する３００サイクル、６００サイクルにおける放電容量比を比較すると、図３での９５．９％、８９．２％に対し、図２では９７．０％、９４．３％であり、充放電サイクル寿命が大幅に延びていることが確認できる。これは、パルス放電では活物質の表面近傍の電子とイオンのみが放電に寄与し、その後のパルス休止時間に活物質内での電子やイオンの拡散により活物質表面近傍の電子やイオンが補充される為、活物質内での
電子やイオンの移動が連続的な放電の場合に比べて緩やかで、活物質自体の電子やイオンの挿抜による劣化が抑制されるからである。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、二次電池１に正極がコバルト酸リチウム、負極がカーボンで構成されるリチウムイオン電池を用いているが、ニッケル・カドミウム電池やニッケル・水素化物電池などのアルカリ二次電池や、鉛蓄電池でもよい。また、パルス間隔についても、十分に短いパルスであれば同様の効果が得られる。

本発明の二次電池用放電回路は、二次電池の寿命を延ばす効果があるので、これを具備した電子機器は、コードレス電子機器やポータブル電子機器として有用である。

本発明の実施の形態に係わる二次電池用放電回路を具備した電子機器を示すブロック図 実施例で用いたパルス放電を行った充放電サイクルの放電特性の関係を示す図 比較の例として用いた定抵抗放電を行った充放電サイクルの放電特性の関係を示す図

１ 二次電池
２ モニタ回路
３ 制御回路
４ 二次電池用放電回路
Ｃ１ コンデンサ
ＳＷ１ スイッチ素子
Ｍ 外部負荷

Claims (3)

1. 二次電池と外部負荷の間に配置され、前記二次電池の電力を前記外部負荷に放電する二次電池用放電回路であって、
   前記二次電池の放電電流をオン／オフするスイッチ素子と、前記二次電池からの電力を一時的に蓄えるコンデンサと、前記外部負荷の電圧、電流を検出するモニタ回路と、前記モニタ回路が検出した前記電圧、電流に基づき前記スイッチ素子を制御する制御回路とを備え、
   前記制御回路は、前記コンデンサから前記外部負荷へ供給された電力量と同量の電力量を前記二次電池からパルス放電により前記コンデンサに充電するものであって、前記制御回路は、前記モニタ回路により検出された前記外部負荷の電圧が、予め設定されたある一定の電圧以下か、あるいは一定の電圧以上か、に応じて前記スイッチ素子のオン／オフを制御することにより、連続的な負荷に対しても前記二次電池からの放電を常にパルス放電となるように前記スイッチ素子を制御する回路であることを特徴とする二次電池用放電回路。
2. 請求項１記載の二次電池用放電回路を具備した二次電池パック。
3. 請求項１記載の二次電池用放電回路を具備した電子機器。