JP5350734B2 - 二次電池放電回路、二次電池放電方法及び情報処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、情報処理装置を動作させながらバッテリを完全にリフレッシュする技術に関する。

ノート型パーソナル・コンピュータ等にコスト低減等の観点からリチウムイオンバッテリでなくニッケル水素バッテリが二次電池として用いられる場合には、バッテリリフレッシュの際に、メモリ効果を削除する必要がある。

ここで、バッテリリフレッシュとは、バッテリ本来の性能を回復させ残量表示の誤差を矯正する目的で充電、放電、再充電を行うことをいう。

バッテリリフレッシュを実行する方法としては、ＢＩＯＳが直接制御して実行する方法がある。しかしながら、この方法は、ＢＩＯＳが制御している間はパソコンでＯＳを起動することができず、アプリケーションを使用することができない。

一方、ＢＩＯＳでなく、ＯＳ上で実行させるアプリケーションでバッテリリフレッシュすることもできる。このとき、二次電池を使い切ってしまうとパソコンが動作中に終了してしまい、保存途中のデータが失われるなど、不具合の原因となる。

そのため、バッテリリフレッシュの際には、ノート型パーソナル・コンピュータ等にＡＣアダプタを接続し、こちらからも電源を供給可能にしておき、当初は二次電池によりノート型パーソナル・コンピュータ等を動作させながらバッテリリフレッシュを行い、適切なタイミングでＡＣアダプタへ電源を切り替えることがなされている。

例えば、バッテリリフレッシュを実現する手法として、ニッケル水素バッテリでノート型パーソナル・コンピュータ等を使用しながらバッテリリフレッシュ放電を行う場合、ノート型パーソナル・コンピュータ等内部に切り替えスイッチを設けて、ＡＣアダプタ接続時においても内部のスイッチで、ＡＣアダプタからの電力供給を遮断し、ニッケル水素バッテリから放電する。そして、ニッケル水素バッテリが３％に達した時点でリフレッシュ放電を完了させ、その後、ＡＣアダプタ駆動に切り替えるものがある。

図７に、関連するノート型パーソナル・コンピュータに搭載されているニッケル水素及びリチウムイオンバッテリパック（以下、「二次電池」という）の二次電池放電回路構成の一例を示す。

ステップ１）初期状態としてＡＣアダプタ２と二次電池３が接続され、ノート型パーソナル・コンピュータ１がＯＮ状態の場合はＳＷ１（８）がＯＮ、ＳＷ２（９）がＯＦＦに設定され、ＤＣ入力はＡＣアダプタ２から電源供給される。以下、二次電池３は、二次電池パックに格納されていることであってもよい。

ステップ２）制御マイコン６がバッテリリフレッシュを開始すると、まず、二次電池３の残量を確認し、満充電以外の場合は充電を開始するために充電回路５をＯＮにする。

ステップ３）制御マイコン６が二次電池３の状態を監視し満充電を検出して充電回路５をＯＦＦにする。

ステップ４）次に、制御マイコン６はＳＷ１（８）をＯＦＦに、ＳＷ２（９）をＯＮに設定して二次電池３から電源供給されるようにする。

ステップ５）制御マイコン６はバッテリ電圧を監視し深い放電電圧に到達した時点でＳＷ１（８）をＯＮに、ＳＷ２（９）をＯＦＦに設定してＤＣ入力電圧をバッテリ電圧からアダプタ電圧に切り替える。

ステップ６）完全放電された二次電池３について所定時間の待機後に再充電を開始するため、制御マイコン６が再度充電回路５をＯＮに設定する。

ステップ７）制御マイコンが二次電池３の状態を監視し満充電を検出して充電回路５をＯＦＦに設定する。

図８は、ニッケル水素バッテリである二次電池３のリフレッシュ動作時のバッテリ電圧推移（上図）及びＤＣ／ＤＣコンバータ７のＤＣ入力電圧推移（下図）を示す図である。

図８の上図に示すように、リフレッシュ動作は充電、放電、待機、再充電の四工程で構成され図８の上図のようにバッテリ電圧は変化する。

図８の下図に示すように、ＤＣ入力電圧推移については、バッテリ放電時のみバッテリ電圧がＤＣ入力電圧となる。

ニッケル水素バッテリの場合は中途半端な充放電を繰り返すことでメモリ効果により一時的な容量低下が発生するが、ニッケル水素バッテリを深い放電電圧（放電終止電圧＝１．０Ｖ／セル）まで放電させることでメモリ効果を解消することができる。つまり、ＤＣ／ＤＣコンバータ７のＤＣ入力電圧が放電終止電圧でも定格出力が保証できる設計が必要とされる。したがって、制御マイコン６は放電時にバッテリ電圧を監視し、放電終止電圧＝１．０Ｖ／セル以下（下図中の丸で囲んだリスクポイント）になったらアダプタ電圧に切り替える制御が必要となる。

バッテリリフレッシュの関連技術として、二次電池の充電用充電回路と、放電用放電回路と、二次電池の充放電電圧を検出する電圧検出回路と、二次電池の放電時間を計測するタイマ回路と、二次電池を充電する際には、最初に放電回路を動作させると共にタイマ回路を介して二次電池の放電時間を計測し、放電時間が予め設定された設定時間に達した際の放電電圧が、予め設定された規定電圧Ｖsat （Ｖmax ＞Ｖsat ＞Ｖmin ）以上の場合にはリフレッシュ放電を終了して充電動作へ移行し、規定電圧Ｖsat 未満の場合にはリフレッシュ放電を下限電圧Ｖmin まで続行して充電動作へ移行し、下限電圧Ｖmin 以下の場合にはリフレッシュ放電を行うことなく充電動作へ移行する充電制御回路とを有することで、メモリ効果を防止しつつ、二次電池の性能の劣化を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１０２１８７号公報

上記の関連技術では、バッテリが消耗してＡＣに切り替えるタイミングを誤ると、ノート型パーソナル・コンピュータ等がまったく動作できなくなってしまい、シャットダウンしてしまうこととなる。一方、早めに切り替えるのではリフレッシュが不十分となるおそれがあった。

また、従来技術のアプリケーションによるバッテリリフレッシュでは、ニッケル水素電池を十分にリフレッシュすることができないという問題があった。すなわち、ニッケル水素バッテリを完全にリフレッシュさせるためには、０％まで完全放電する必要があるが、制御マイコン６が放電時にバッテリ残量を監視し、バッテリ残量が３％になったらアダプタ電圧に切り替える制御では、メモリ効果が発生する可能性がある。メモリ効果発生の場合、一時的にバッテリ電圧が低下し放電容量を取り出せなくなる。
この対策として放電電圧を深い放電（１．０Ｖ／セル）電圧まで放電させた場合、バッテリ容量がほとんど無い状態でノート型パーソナル・コンピュータ等の動作を保証しながら入力電圧を切り替える時のリスク、すなわちノート型パーソナル・コンピュータ等がシャットダウンしてしまうリスクがあり、このリスクを回避するために放電終止電圧を上げるとニッケル水素バッテリのメモリ効果が解消できなくなる。
一方、ニッケル水素バッテリを０％まで放電した場合は、放電の０％付近において、ユーザがノート型パーソナル・コンピュータ等に対して、高負荷で作業していた場合、バッテリ放電末期（０％）付近での電圧低下が早いため、ＡＣアダプタへの駆動切り替え回路の速度との関係で切り替えを失敗し、ノート型パーソナル・コンピュータ等がシャットダウンしてしまうリスクがあった。

しかしながら、切り替えタイミングが早すぎた場合、バッテリリフレッシュが不十分になる。
一方、特許文献１に記載の技術は、随時電力供給を停止可能なダミー負荷等で構成された放電回路を用いてリフレッシュすることを前提としており、動作中に電力供給が停止されると不具合が生じる可能性のある情報処理装置を負荷としてリフレッシュする場合には適用することができない。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、バッテリリフレッシュの際の装置シャットダウンのリスクを回避し、かつ、二次電池の特性に合った放電を可能とする二次電池放電回路および二次電池放電方法を提供することを目的とする。

本発明の二次電池放電回路は、ＡＣアダプタと二次電池のうち電圧の高い方から電流が流れるようにＤＣ入力を切り替える切替手段と、ＡＣアダプタ電圧及び電流と二次電池のバッテリ電圧及び電流をモニタする制御マイコンと、前記制御マイコンによる制御により、前記バッテリ電圧を昇圧する昇圧回路と、を有し、前記制御マイコンは、バッテリリフレッシュの際に、モニタしている前記バッテリ電圧が前記ＡＣアダプタ電圧より低い場合、前記昇圧回路に前記ＡＣアダプタ電圧よりも高いレベルまで前記バッテリ電圧を昇圧させる制御をし、モニタしている前記二次電池からの電流が所定の電流値を超える可能性がある場合に前記ＡＣアダプタ電圧と前記バッテリ電圧との電圧差を小さくする制御を行うことを特徴とする。

本発明の二次電池放電方法は、昇圧回路と制御マイコンと切替手段とを備える二次電池放電回路がバッテリリフレッシュを実行する方法であって、前記切替手段が、ＡＣアダプタと二次電池のうち電圧の高い方から電流が流れるようにＤＣ入力を切り替える切替工程と、前記制御マイコンが、ＡＣアダプタ電圧及び電流と二次電池のバッテリ電圧及び電流をモニタする工程と、前記制御マイコンが、モニタしている前記バッテリ電圧が前記ＡＣアダプタ電圧より低い場合、前記昇圧回路に前記ＡＣアダプタ電圧よりも高いレベルまで前記バッテリ電圧を昇圧させる制御をする工程と、前記制御マイコンが、モニタしている前記二次電池からの電流が所定の電流値を超える可能性がある場合に前記ＡＣアダプタ電圧と前記バッテリ電圧との電圧差を小さくする制御を行う工程と、を有することを特徴とする。

本発明の情報処理装置は、上記二次電池放電回路から電力の供給を受けることを特徴とする。

本発明によれば、バッテリリフレッシュの際の装置シャットダウンのリスクを回避し、かつ、二次電池の特性に合った放電が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１に示す本実施の形態におけるノート型パーソナル・コンピュータ等の二次電池放電回路は、上記の図７に示す関連する二次電池放電回路と、昇圧回路４及びダイオード１１が追加されている点で異なる。なお、その他の基本的な構成は、上記の図７に示す関連する二次電池放電回路と同様である。

本実施の形態における二次電池放電回路は、ノート型パーソナル・コンピュータ等の一例であるノート型パーソナル・コンピュータ１の内部に設けられ、ＡＣアダプタ２と、二次電池パック等に格納される二次電池３と、昇圧回路４と、充電回路５と、制御マイコン６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７と、スイッチとしてのＳＷ２（９）と、ダイオードＤ１（１０）と、ダイオードＤ２（１１）とから構成されている。

本実施の形態における二次電池放電回路は、リフレッシュの放電時に制御マイコン６により昇圧回路４をＯＮに設定し、二次電池３の放電電圧をＡＣアダプタ２側のＡＣアダプタ電圧より高く昇圧させダイオードＤ２（１１）でＤＣ入力電圧としてＤＣ／ＤＣコンバータ７に接続する、ダイオードＯＲによる切り替え回路である。すなわち、電圧の高いほうから自動的に電流が流れる構成である。

これにより、上記の図７に示す関連する二次電池放電回路で行っていた放電時の切り替え用ＳＷ１（８）を構成上不要とすることができるので装置シャットダウンのリスクを改善することができる。

図２は、本実施の形態における二次電池放電回路における、ニッケル水素バッテリである二次電池３のリフレッシュ動作時のバッテリ電圧推移（上図）及びＤＣ／ＤＣコンバータ７のＤＣ入力電圧推移（下図）を示す図である。

図２の下図に示すように、ＤＣ入力電圧推移については、バッテリ放電時は昇圧回路４によりアダプタ電圧より高い一定の電圧が供給される。上記の図７に示す関連する二次電池放電回路ではバッテリ放電時はバッテリ電圧は徐々に低下していたのと相違する。

制御マイコン６は、ニッケル水素バッテリである二次電池３が深い放電電圧（放電終止電圧＝１．０Ｖ／セル）まで放電した後に昇圧回路４をＯＦＦに設定する。これにより自動的にダイオードＤ１（１０）経路でＡＣアダプタ電圧に切り替わる。
上記の図７に示す関連する二次電池放電回路では、ステップ５）において、制御マイコン６は深い放電電圧に到達した時点でＳＷ１（８）をＯＮに、ＳＷ２（９）をＯＦＦに設定してＤＣ入力電圧をバッテリ電圧からアダプタ電圧に切り替えていたのと相違する。
なお、バッテリ容量がほとんど無い状態となり、昇圧回路４がアダプタ電圧より高い一定の電圧とすることができなくなり、徐々に電圧が低下し、アダプタ電圧より低くなった時点で自動的にダイオードＤ１（１０）経路でＡＣアダプタ電圧に切り替わる構成とすることであってもよい。

上記の本実施の形態によれば、バッテリリフレッシュの放電時に昇圧回路によってバッテリ放電電圧をＡＣアダプタ電圧より高く昇圧させＤＣ入力電圧に接続することで、これまでのバッテリリフレッシュ回路で行っていたバッテリ放電時のＤＣ入力切り替え回路を削除することができるので装置シャットダウンのリスクを改善することができる。
さらに、これまではリフレッシュ時の二次電池放電電流値は装置の負荷電力に依存していたため、装置負荷が大きい場合は放電電流が二次電池の推奨電流値を超えてしまい完全に放電させることができない場合があったが、本実施の形態の専用昇圧回路は、設定電流以上流れないような電圧制御を行う昇圧回路のため、装置負荷が変動しても二次電池の放電電流値は設定値を超えないように制御できるので二次電池の特性に合った完全放電を行うことができる。なお、二次電池の内部抵抗の影響で放電電流が大きいほど放電容量が小さくなる傾向がある。

また、昇圧回路４により、二次電池３の放電電圧をＡＣアダプタ２側のＡＣアダプタ電圧より高く昇圧させるのではなく、図１に示す本実施の形態におけるノート型パーソナル・コンピュータ等の二次電池放電回路のＡＣアダプタ２側のＡＣアダプタ電圧を低下する制御がなされてもよい。

バッテリ放電末期において、ＡＣアダプタ２からも電力供給を行うことで、二次電池３への負荷を低減し、放電末期の電圧低下の速度を改善する。
ＡＣアダプタ２からの供給を行う際に、ＡＣアダプタ２の電力リミットの制御を用い、一次的にＡＣアダプタ２の電圧を低下させる。
電力リミット値は、ノート型パーソナル・コンピュータ等側から制御信号としての電圧変更信号を受け取ることで、電圧レベルを変更可能な構成とし、二次電池３及びＡＣアダプタ２の電圧／電流をノート型パーソナル・コンピュータ等内部の制御マイコン６で制御し、ＡＣアダプタ２と二次電池３の電圧差分の調整で、二次電池３に流れる電流を制御し、バッテリ放電時の負荷を下げる。

図３にＡＣアダプタ２側のＡＣアダプタ電圧を低下する制御を行うノート型パーソナル・コンピュータ等の二次電池放電回路の構成の一例を示す。
制御マイコンは、ＡＣアダプタと放電電力に対する出力電力の相関がとれるように制御を行う。
電圧変更信号により、ＡＣアダプタ内部で、電力リミットを可変し、出力電圧可変を実現する。

手順１
図４に示すように、スイッチ１をＯＦＦに、スイッチ２をＯＮに設定し、バッテリ残量が少なくなるまで二次電池から放電する。バッテリが少なくなったら、制御マイコンがＡＣアダプタへ、電圧変更信号を送り電力を最低レベルの設定にする。

手順２
図５に示すように、スイッチ１をＯＮに、スイッチ２をＯＮに設定し、バッテリが設定された少残量になったら、スイッチ１をＯＮに設定する。
ＡＣアダプタは、電力リミットが最小のためノート型パーソナル・コンピュータ等の装置電力に対して、供給能力が不足している。負荷がかかった時点で電圧が下がり、バッテリ電圧以下になるが、あるレベルで平衡するが、バッテリからの放電は続く。
電圧変更信号により、アダプタ内部で、電力リミットを可変し、出力電圧可変を実現する。

手順３
図６に示すように、スイッチ１をＯＮに、スイッチ２をＯＮに設定し、制御マイコンがＡＣアダプタの電圧変更信号を調整し、バッテリの電流が下がるまで、ＡＣアダプタの電圧を上げる制御を行う。
ＡＣアダプタは電力リミット値を上げることで、同じ電流値であっても出力電圧を上昇することが可能となり、その結果、バッテリよりＡＣアダプタ電圧を調整しながら上げることで、電圧レベルに応じて、バッテリの放電電流を制御できる。

なお、上述する各実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更実施が可能である。例えば、本発明は、ニッケル水素バッテリを搭載した携帯端末等に適用可能である。

本発明の実施の形態に係るノート型パーソナル・コンピュータ等の二次電池放電回路の構成を示す図である。 本発明の実施の形態のリフレッシュ動作時のバッテリ電圧推移（上図）及びＤＣ／ＤＣコンバータのＤＣ入力電圧推移（下図）を示す図である。 本発明の実施の形態に係るＡＣアダプタ２側のＡＣアダプタ電圧を低下する制御を行うノート型パーソナル・コンピュータ等の二次電池放電回路の構成の一例を示す図である。 図３の構成における処理手順の一部を示す図である。 図３の構成における処理手順の一部を示す図である。 図３の構成における処理手順の一部を示す図である。 関連する二次電池放電回路構成の一例を示す図である。 関連するリフレッシュ動作時のバッテリ電圧推移（上図）及びＤＣ／ＤＣコンバータのＤＣ入力電圧推移（下図）を示す図である。

符号の説明

１ ノート型パーソナル・コンピュータ
２ ＡＣアダプタ
３ 二次電池
４ 昇圧回路
５ 充電回路
６ 制御マイコン
７ ＤＣ／ＤＣコンバータ
９ ＳＷ２
１０ ダイオードＤ１
１１ ダイオードＤ２

Claims (7)

1. ＡＣアダプタと二次電池のうち電圧の高い方から電流が流れるようにＤＣ入力を切り替える切替手段と、
   ＡＣアダプタ電圧及び電流と二次電池のバッテリ電圧及び電流をモニタする制御マイコンと、
   前記制御マイコンによる制御により、前記バッテリ電圧を昇圧する昇圧回路と、を有し、
   前記制御マイコンは、バッテリリフレッシュの際に、
   モニタしている前記バッテリ電圧が前記ＡＣアダプタ電圧より低い場合、前記昇圧回路に前記ＡＣアダプタ電圧よりも高いレベルまで前記バッテリ電圧を昇圧させる制御をし、
   モニタしている前記二次電池からの電流が所定の電流値を超える可能性がある場合に前記ＡＣアダプタ電圧と前記バッテリ電圧との電圧差を小さくする制御を行うことを特徴とする、二次電池放電回路。
2. 前記制御マイコンは、前記ＡＣアダプタに出力電圧を上昇させるための電圧変更信号を前記ＡＣアダプタに送ることによって、前記ＡＣアダプタ電圧と前記バッテリ電圧との電圧差を小さくする制御を行うことを特徴とする、請求項１に記載の二次電池放電回路。
3. 前記切替手段は、供給側から負荷側に順方向になるようそれぞれダイオードを接続したダイオードＯＲ回路であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の二次電池放電回路。
4. バッテリがニッケル水素電池であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の二次電池放電回路。
5. 情報処理装置に電力を供給することによって放電することを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項記載の二次電池放電回路。
6. 請求項５に記載の二次電池放電回路から電力の供給を受けることを特徴とする情報処理装置。
7. 昇圧回路と制御マイコンと切替手段とを備える二次電池放電回路がバッテリリフレッシュを実行する方法であって、
   前記切替手段が、ＡＣアダプタと二次電池のうち電圧の高い方から電流が流れるようにＤＣ入力を切り替える切替工程と、
   前記制御マイコンが、ＡＣアダプタ電圧及び電流と二次電池のバッテリ電圧及び電流をモニタする工程と、
   前記制御マイコンが、モニタしている前記バッテリ電圧が前記ＡＣアダプタ電圧より低い場合、前記昇圧回路に前記ＡＣアダプタ電圧よりも高いレベルまで前記バッテリ電圧を昇圧させる制御をする工程と、
   前記制御マイコンが、モニタしている前記二次電池からの電流が所定の電流値を超える可能性がある場合に前記ＡＣアダプタ電圧と前記バッテリ電圧との電圧差を小さくする制御を行う工程と、
   を有することを特徴とする、二次電池放電方法。

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