JP5178137B2 - 電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、温度で電気抵抗が変化する負荷と、この負荷に電力を供給する充電できる電池を内蔵する電子機器に関する。

電池を電源とするアンカなどの電子機器は、加温するためのヒーターと、このヒーターに電力を供給する電池を内蔵している。この電子機器は、外部電力が接続されていない状態にあっては、内蔵電池より供給される電力によってヒーターを加温する。また、電池を充電するための外部電力が接続されている状態においては、電池を充電するために供給される電力をヒーターに供給して、外部電力でヒーターを加温して、電池の消耗を少なくできる。ただ、ヒーターは、温度が低くなると電気抵抗が小さくなる。たとえば、アンカに使用されるＰＴＣヒーターは、温度が低い状態で電気抵抗が極めて小さくなって電流が８〜１０Ａと極めて大きくなり、所定の温度まで加温された後は、平均電流が１〜２Ａに減少する。ＰＴＣヒーターは、加温されるまでの電流は大きいが、この大電流によって速やかに加温される特徴がある。ヒーターの発熱が電流の二乗に比例して大きくなるからである。したがって、ＰＴＣヒーターは、加温されない状態で、電気抵抗の小さい特性によって、速やかに短時間で設定温度に加温される特徴がある。電池は一時的な大電流に強く、ＰＴＣヒーターに通電して速やかに加温する。ただ、電池を充電する電源は、一時的にも大電流を許容するように設計するとコストが著しく高価になる。このため、電池を充電するための電源回路は、電池を最適な状態で充電できる出力電流に設計される。このため、この電源回路からヒーターに電力を供給しながら電池を充電すると、ヒーターに供給される電力が相当に小さくなる。ヒーターは、供給電力が小さいと、所定の温度に上昇するのに極めて時間がかかる欠点がある。それは、常に放熱しながら加温されることから、発熱量から放熱量を減算した熱エネルギーで温度が上昇するからである。

したがって、温度で電気抵抗が変化する負荷に電源から電力を供給しながら電池を充電すると、負荷の電力供給量が制限されて、負荷を正常に動作できない欠点がある。この欠点は、たとえば、負荷の電力消費を制限しながら電池を充電して解消できる。負荷の電力消費を電池の残容量で制限する技術は、種々の電子機器に利用される。（特許文献１ないし３参照）。
特開平７−２８１７９８号公報 特開２００１−２４５１９５号公報 特開２００６−２８５６５１号公報

しかしながら、電池の残容量で負荷の消費電力をコントロールする技術は、負荷の種類によっては、種々の弊害が発生する。たとえば、前述したＰＴＣヒーターにあっては、温度上昇に時間がかかって速やかに使用状態にできない欠点がある。

本発明は、さらにこの欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、電池を充電しながら負荷を速やかに使用状態にできる電子機器を提供することにある。

本発明の電子機器は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
電子機器は、温度が低下すると電気抵抗が小さくなる負荷２と、この負荷２に電力を供給する充電できる電池１と、この電池１の充電回路３とを備える。充電回路３は、電池１の入力側に接続されて、電源回路５からの電池１の充電を制御する充電スイッチ６と、電池１と負荷２との間に接続されて、電池１の電力を負荷２に供給する状態を制御する放電スイッチ７と、電池１の残容量を検出して充電スイッチ６と放電スイッチ７を制御する制御回路８とを備える。制御回路８は、電池１の残容量を設定残容量に比較して、設定残容量よりも小さいことを検出すると、放電スイッチ７をオフにして充電スイッチ６をオンにして電池１を充電し、電池１が設定残容量まで充電されたことを検出すると、充電スイッチ６をオンにした状態で放電スイッチ７をオンに切り換えて電池１から負荷２に電力を供給するように制御する。

本発明の請求項２の電子機器は、負荷２がヒーター４で、電子機器がアンカである。本発明の請求項３の電子機器は、負荷２がＰＴＣヒーター４Ａで、電子機器がアンカである。

本発明の請求項４の電子機器は、制御回路８が、電池１の電圧と電流と充放電時間のいずれかから残容量を検出する。さらに、本発明の請求項５の電子機器は、電池１を充電する電源回路５をＡＣアダプタ９としている。
本発明の請求項６の電子機器は、負荷２の電気抵抗が大きくなるまで、負荷２には電池１と電源回路５の両方から電力が供給される。
本発明の請求項７の電子機器は、負荷２の電気抵抗が大きくなって電流が減少し、電池１からの放電はなくなって電源回路５から供給される電流は、電池１と負荷２の両方に供給される。

本発明の電子機器は、電池を充電しながら負荷を速やかに使用状態にできる特徴がある。それは、本発明の電子機器が、制御回路でもって、電池の残容量が小さいことを検出すると、放電スイッチをオフにして充電スイッチをオンにして電池を充電し、電池を設定残容量まで充電した状態で、放電スイッチをオンに切り換えて電池から負荷に電力を供給するからである。すなわち、本発明は、一時的な大電流放電を許容する電池の特性を巧妙に利用することで、電池を電源回路で所定の残容量まで充電して、電池から負荷に電力を供給して負荷を速やかに動作状態にする。このため、電源の出力電流を大きくすることなく、負荷に大電流を供給して速やかに動作状態にできる特徴がある。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電子機器を例示するものであって、本発明は電子機器を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図１の電子機器は、温度が低下すると電気抵抗が小さくなる負荷２と、この負荷２に電力を供給する充電できる電池１と、この電池１の充電回路３とを備える。以下、電子機器をアンカとする実施例を記載する。アンカは、電池１から電力を供給して発熱するヒーター４を負荷２として内蔵している。ヒーター４は、ＰＴＣヒーター４Ａである。ただ、ヒーターには、ニクロム線ヒーターなども使用できる。ヒーター４は、低温で電気抵抗が小さく、温度が上昇するにしたがって電気抵抗が大きくなる特性がある。とくに、ＰＴＣヒーター４Ａは、低温と高温とで電気抵抗が大幅に変化する。したがって、負荷２をＰＴＣヒーター４Ａとする電子機器において、本発明はとくに有効である。ただし、本発明は、負荷をヒーターに特定せず、また、電子機器をアンカに特定しない。温度が低い状態で電気抵抗の小さくなる負荷と、この負荷に電力を供給する電池と、電池の充電回路とを内蔵する全ての電子機器とすることができる。

電池１は、充電できるリチウムイオン電池である。ただし、電池には、リチウムイオン二次電池に代わってニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池などの充電できる全ての電池を使用できる。電池１は、所定の時間、アンカにあっては６〜１０時間、ヒーター４に電力を供給できる電圧と容量を有する。したがって、アンカにあっては、複数の素電池が直列又は並列に接続される。

充電回路３は、電池１の入力側に接続されて電源回路５からの電池１の充電を制御する充電スイッチ６と、電池１と負荷２との間に接続されて電池１の電力を負荷２に供給する状態を制御する放電スイッチ７と、電池１の残容量を検出して充電スイッチ６と放電スイッチ７を制御する制御回路８とを備える。

充電スイッチ６と放電スイッチ７は、制御回路８でオンオフに制御されるＦＥＴである。ただ、充電スイッチと放電スイッチには、ＦＥＴ以外の半導体スイッチング素子が使用でき、またリレーも使用できる。充電スイッチ６は、オンの状態で電池１を充電し、オフの状態で電池１の充電を停止する。放電スイッチ７は、オンの状態で負荷２のＰＴＣヒーター４Ａに電力を供給し、オフ状態で負荷２への電力供給を停止する。

制御手段、あるいは制御部として機能する制御回路８は、電池１の残容量を検出して、電池１の充電を制御する。電池の残容量は、電池の電圧を検出し、あるいは充放電する電流の積算値から検出される。電池は残容量によって電圧が変化するので、電圧から残容量を検出できる。この制御回路は、電圧に対する残容量を関数として、あるいはテーブルとして記憶しており、電圧を検出して関数やテーブルから残容量を検出する。また、残容量は、充放電する電流の積算値で変化するので、電流の積算値から検出することもできる。この制御回路は、充電電流の積算値から充電容量を検出して、放電電流の積算値から放電容量を検出し、充電容量を加算して放電容量を減算して残容量を検出する。また、負荷の電流が特定される状態にあっては、放電電流を検出せずとも、規定の放電電流値と放電時間の積から放電容量を検出でき、また、充電電流が特定される状態にあっては、充電電流を検出せずとも、規定の充電電流値と充電時間の積から充電容量を検出できる。検出される放電容量を残容量から減算し、充電容量を加算して残容量が検出される。ＰＴＣヒーターは、温度により電気抵抗が特定される。電気抵抗が特定されると電流を特定できる。電流が電圧／電気抵抗で特定されるからである。したがって、ＰＴＣヒーターは、温度を検出して電流を検出できるので、放電時間から放電容量を検出できる。また、電池の充電電流は特定されることから、充電時間から充電容量が検出できる。とくに、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池は定電流充電されるので、充電電流が常に一定となり、充電時間から充電容量を検出できる。

制御回路８は、電池１を充電する電源回路５が接続されて、電池１を充電する状態において、充電スイッチ６と放電スイッチ７の両方を制御する。電源回路５は、電池１に充電電力を供給するＡＣアダプタ９である。ただし、電池を充電する電源回路は、必ずしもＡＣアダプタを使用する必要はなく、たとえば、電子機器に内蔵されて商用電源を電池の充電電圧の直流に変換する電源回路とすることもできる。

制御回路８は、電源回路５が接続されて電池１が充電される状態で、電池１の残容量をあらかじめ記憶している設定残容量に比較する。設定残容量は、負荷２のＰＴＣヒーター４Ａに電力を供給してＰＴＣヒーター４Ａを所定の温度に加温できる容量に特定している。たとえば、常温から所定の温度に加温されるまでの時間が１分で、この間の平均電流が８ＡであるＰＴＣヒーター４Ａに電力を供給する電池１にあっては、この間に、８（Ａ）×１／６０（時間）Ａｈの電力を消費するので、設定残容量をこの値とする。また、このような設定残容量は、電池容量の５〜３０％の範囲であって、例えば、１０％に設定される。電池１の残容量がこの設定残容量よりも大きいと、電池１はＰＴＣヒーター４Ａを所定の温度まで加温できるので、制御回路８は、放電スイッチ７と充電スイッチ６の両方をオンにする。オン状態の放電スイッチ７は、負荷２に電力を供給する。

電池１の残容量が設定残容量よりも大きく、放電スイッチ７と充電スイッチ６の両方をオンに制御する状態における電池の残容量の変化と、充電電流及び負荷電流の変化を図２に示す。なお、この図において、実線Ａは電池の残容量を、破線Ｂは電池の充電電流を、一点鎖線Ｃは負荷電流をそれぞれ示している。なお、図２、後述する図３において、充電電流がゼロ以下の負を示すときは、電池１より負荷２へ放電していることになる。このとき、電源回路５から供給される電流よりも負荷電流が大きいので、電池１は充電されることなく負荷２に電力を供給する。すなわち、負荷２には電池１と電源回路５の両方から電力が供給される。負荷２のＰＴＣヒーター４Ａは、電力が供給されるにしたがって温度が上昇して電気抵抗が大きくなる。ＰＴＣヒーター４Ａの電気抵抗が大きくなるまでの電力は電池１が蓄えているので、電池１は過放電されることなく、ＰＴＣヒーター４Ａを所定の温度まで上昇させる。すなわち、負荷２のＰＴＣヒーター４Ａが所定の温度まで上昇される状態で、電池１の残容量は０とはならず残存している。ＰＴＣヒーター４Ａが所定の温度になると、電気抵抗が大きくなって電流が減少するので、電池１からの放電はなくなって電源回路５から供給される電流は、電池１と負荷２の両方に供給される。この状態で電池１が満充電されると、制御回路８はこのことを検出して、充電スイッチ６をオフに切り換える。

以上は、電池１の残容量が設定残容量よりも大きい状態で電池１の充電がスタートされる場合であるが、電池１の充電を開始するときに、電池１の残容量が設定残容量よりも小さいこともある。この状態における電池の残容量の変化と、充電電流及び負荷電流の変化を図３に示す。なお、この図において、実線Ａは電池の残容量を、破線Ｂは電池の充電電流を、一点鎖線Ｃは負荷電流をそれぞれ示している。

図３に示すように、制御回路８は、電池１の残容量が設定残容量よりも小さいことを検出すると、放電スイッチ７をオフにして充電スイッチ６をオンにして電池１を充電する。負荷２のＰＴＣヒーター４Ａに放電されないので、電源回路５から供給される電流は、全て電池１の充電に使用される。したがって、電池１は速やかに充電されて残容量が増加する。制御回路８は、残容量が設定残容量まで充電されたことを検出すると、放電スイッチ７をオンに切り換えて電池１から負荷２に電力を供給する。放電スイッチ７がオンに切り換えられると、電池１と電源回路５から負荷２のＰＴＣヒーター４Ａに電力が供給される。この状態で、負荷２のＰＴＣヒーター４Ａは電気抵抗が小さく、電源回路５から供給される電流よりも大きな電流が流れる。負荷２の大電流は、電池１と電源回路５の両方から供給される。したがって、放電スイッチ７をオンに切り換えた直後は、電池１は充電されずに放電される。放電される電池１は、負荷２であるＰＴＣヒーター４Ａに電力を供給する。ＰＴＣヒーター４Ａは大電流で速やかに温度が上昇する。負荷２のＰＴＣヒーター４Ａは、温度が上昇するまで電気抵抗が小さく大電流が流れるが、所定の温度まで加温されると電気抵抗が大きくなって電流が減少する。電池１は負荷２のＰＴＣヒーター４Ａを所定の温度まで加温できる残容量まで充電されている。したがって、電源回路５からの充電電流よりも負荷２に供給する放電電流が大きく、実質的に充電されない状態にあっても、負荷２のＰＴＣヒーター４Ａが所定の温度になるまで放電されて過放電されることはない。負荷２のＰＴＣヒーター４Ａが所定の温度になると、電気抵抗が大きくなって放電電流が減少する。この状態になると、電池１は放電電流よりも充電電流が大きくなって充電される状態となる。電池１の充電電流は、電源回路５から供給される電流から放電電流を減算した電流値となる。充電される電池１が満充電されると、制御回路８は充電スイッチ６をオフにして充電を停止する。

電池１が満充電されると、制御回路８は満充電をＬＥＤ（図示せず）などのパイロットランプで表示する。ユーザーは、満充電の表示を確認して電源回路５のＡＣアダプタ９を外す。また、電源回路を内蔵する電子機器にあっては、電子機器に接続して商用電源を供給しているＡＣコードを外す。このように、内蔵する電池１が満充電されて、電源回路５のＡＣアダプタ９から外され、あるいはＡＣコードが外された電子機器は、商用電源からの電力供給の制限を受けることなく、たとえば、持ち運びしながら便利に使用できる。

さらに、電子機器は、電池電圧が、下限の所定の電池残容量に対応した下限所定電圧以下になると、制御回路８が放電スイッチ７をオフとして、放電を停止する。これにより、電池１の過放電を確実に防止することができる。また、本実施例において、電子機器は、電池電圧が、下限の電池残容量よりも残容量が大きい所定の電池残容量に対応した第２所定電圧以下になると、制御回路８が放電スイッチ７をオンオフ制御することで、パルス放電を行い、放電電流を小さくすることもできる。これにより、ＰＴＣヒーター４Ａの発熱温度は若干低くなるが、負荷２のＰＴＣヒーター４Ａへの電力供給を抑制しつつ、放電により下限所定電圧に至るまでの持続時間を延長することができる。ここで、パルス放電は、電池電圧が第２所定電圧を下回り、下限所定電圧に近くなるほど、パルスのデューティーを小さくすることもできる。

さらに、電子機器は、電池１が満充電された後においても、電源回路５のＡＣアダプタ９を外すことなく、あるいは、商用電源を供給しているＡＣコードを外すことなく使用することもある。このとき、電子機器は、制御回路８が充電スイッチ６をオフにしているので、電池１の充電は停止されるが、放電スイッチ７はオンに保持されているので、負荷２への放電は継続されて電池１の残容量が減少する。したがって、この電子機器は、電池１の満充電後に、所定の残容量まで放電されると、電池１の充電を再開して、電池１を再充電することもできる。この電子機器は、充電停止後、電池１が放電される状態で、すなわち、充電スイッチ６をオフ、放電スイッチ７をオンとする状態で、電池１の残容量をあらかじめ記憶している充電再開残容量に比較する。充電再開残容量は、たとえば、満充電容量の約８０％とすることができる。ただ、充電再開残容量は、電池の満充電容量の６０〜９０％とすることもできる。電池１の残容量が充電再開残容量より小さくなると、制御回路８は、充電スイッチ６をオンに切り換えて電池１の充電を再開する。この状態で、電池１は放電電流よりも充電電流が大きくなって充電される状態となる。充電される電池１が満充電されると、制御回路８は充電スイッチ６をオフにして充電を停止する。

以上の電子機器は、以下に示すフローチャートで、電池１を充電しながら負荷２を速やかに使用状態にする。
［ｎ＝１のステップ］
電子機器に、電源回路５であるＡＣアダプタ９が接続されたかどうかを判定する。
［ｎ＝２のステップ］
電子機器に、電源回路５のＡＣアダプタ９が接続されると、制御回路８は、電池１の残容量を検出する。
［ｎ＝３のステップ］
制御回路８は、検出した残容量をあらかじめ記憶している設定残容量に比較する。
［ｎ＝４のステップ］
電池１の残容量が設定残容量よりも小さいと、制御回路８は、放電スイッチ７をオフ、充電スイッチ６をオンにして電池１を充電する。その後、電池１の残容量が設定残容量以上となるまでｎ＝２〜４のステップをループする。
［ｎ＝５のステップ］
電池１の残容量が設定残容量以上であると、制御回路８は、放電スイッチ７と充電スイッチ６の両方をオンにして、負荷２に電力を供給する。放電スイッチ７と充電スイッチ６がオンに切り換えられると、電池１と電源回路５の両方から負荷２に電力が供給される。負荷２であるＰＴＣヒーター４Ａの電気抵抗が小さく、電源回路５から供給される電流よりも大きな電流が流れるからである。したがって、放電スイッチ７をオンに切り換えた直後は、電池１は充電されずに放電される。その後、ＰＴＣヒーター４Ａが所定の温度まで加温されると、電気抵抗が大きくなって放電電流が減少する。この後、ＰＴＣヒーター４Ａに流れる電流が、電源回路５から供給される電流よりも小さくなり、電池１は放電せず、充電される。このとき、負荷２への電力供給は、電源回路５よりなされる。
［ｎ＝６のステップ］
電池１が満充電されたかどうかを判定する。電池１が満充電されるまで、ｎ＝５と６のステップをループする。
［ｎ＝７のステップ］
電池１が満充電されると、制御回路８は充電スイッチ６をオフにして充電を停止する。制御回路８は、満充電をＬＥＤ（図示せず）などのパイロットランプで外部に表示する。
［ｎ＝８、９のステップ］
電池１が満充電された後、電源回路５であるＡＣアダプタ９が外されたかどうかを判定する。電源回路５であるＡＣアダプタ９が電子機器から外されると、ｎ＝９のステップに進んで充電終了する。
［ｎ＝１０のステップ］
電子機器に、電源回路５のＡＣアダプタ９が接続されていると、制御回路８は、電池１の残容量を検出する。
［ｎ＝１１のステップ］
制御回路８は、検出した残容量をあらかじめ記憶している充電再開残容量に比較する。電池１の残容量が充電再開残容量以上であると、ｎ＝８のステップに戻り、その後、電源回路５のＡＣアダプタ９が電子機器から外されるか、または、電池１の残容量が充電再開残容量より小さくなるまで、ｎ＝８〜１１のステップをループする。
電池１の残容量が充電再開残容量よりも小さいと、ｎ＝５のステップに戻って、充電スイッチ６をオンに切り換えて電池１の充電を再開する。

本発明の一実施例にかかる電子機器の概略構成図である。 電池の残容量が設定残容量よりも大きい状態での制御における電池の残容量、充電電流、及び負荷電流の変化を示すグラフである。 電池の残容量が設定残容量よりも小さい状態での制御における電池の残容量、充電電流、及び負荷電流の変化を示すグラフである。 本発明の一実施例にかかる電子機器が電池を充電しながら負荷を使用状態にするフローチャートである。

符号の説明

１…電池
２…負荷
３…充電回路
４…ヒーター ４Ａ…ＰＴＣヒーター
５…電源回路
６…充電スイッチ
７…放電スイッチ
８…制御回路
９…ＡＣアダプタ

Claims (7)

1. 温度が低下すると電気抵抗が小さくなる負荷(2)と、この負荷(2)に電力を供給する充電できる電池(1)と、この電池(1)の充電回路(3)とを備える電子機器であって、
   充電回路(3)が、電池(1)の入力側に接続されて電源回路(5)からの電池(1)の充電を制御する充電スイッチ(6)と、電池(1)と負荷(2)との間に接続されて電池(1)の電力を負荷(2)に供給する状態を制御する放電スイッチ(7)と、電池(1)の残容量を検出して充電スイッチ(6)と放電スイッチ(7)を制御する制御回路(8)とを備え、
   制御回路(8)が、電池(1)の残容量を設定残容量に比較して、設定残容量よりも小さいことを検出すると、放電スイッチ(7)をオフにして充電スイッチ(6)をオンにして電池(1)を充電し、電池(1)が設定残容量まで充電されたことを検出すると、充電スイッチ(6)をオンにした状態で放電スイッチ(7)をオンに切り換えて電池(1)から負荷(2)に電力を供給するように制御することを特徴とする電子機器。
2. 前記負荷(2)がヒーター(4)で、電子機器がアンカである請求項１に記載される電子機器。
3. 前記負荷(2)がＰＴＣヒーター(4A)で、電子機器がアンカである請求項２に記載される電子機器。
4. 前記制御回路(8)が、電池(1)の電圧と電流と充放電時間のいずれかから残容量を検出する請求項１に記載される電子機器。
5. 前記電池(1)を充電する電源回路(5)がＡＣアダプタ(9)である請求項１に記載される電子機器。
6. 前記負荷(2)の電気抵抗が大きくなるまで、負荷(2)には電池(1)と電源回路(5)の両方から電力が供給される請求項１に記載される電子機器。
7. 前記負荷(2)の電気抵抗が大きくなって電流が減少し、電池(1)からの放電はなくなって
   電源回路(5)から供給される電流は、電池(1)と負荷(2)の両方に供給される請求項１に記載される電子機器。

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