JP5491169B2 - 電源供給システムおよび電源供給システムを備える携帯機器、ならびに電源供給システムの充電方法、電源供給システムの放電方法および電源供給システムの充放電方法 - Google Patents

Description

本発明は、充放電の繰り返しが可能な二次電池を有する電源供給システムに係り、特に、ノートパソコンや、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯ゲーム機、携帯電話等の携帯機器に好適に用い得る電源供給システムおよび電源供給システムを備える携帯機器、ならびに電源供給システムの充電方法、電源供給システムの放電方法および電源供給システムの充放電方法に関する。

この種の電源供給システムに用いられる電源モジュール（電源装置）としては、その最小構成要素となるセル（単電池）としてリチウムイオン二次電池を備えるものが多くの携帯機器に使用されている。図８に示すように、この種の電源モジュール１０１では、セル１０２の端子電圧を監視回路１０６が監視している（例えば特許文献１参照）。なお、この種の電源モジュール１０１は、通常、「定電流/定電圧充電方式（ＣＣＣＶ）」により充電されている。この充電方式は、まず、定電流充電により充電を開始し、所定電圧に達したら定電圧充電に切り換えて満充電電圧まで充電を行なうものである。

ここで、リチウムイオン二次電池においては、瞬間的な高エネルギー要求に応答する上では、応答時間がキャパシタと比較して遅いため、必ずしも適しているとはいえない。そこで、従来から、この種の電源モジュールに対し、瞬間的な高エネルギー要求の応答性の向上を目的として、電池にキャパシタを並列接続する提案がなされている（例えば特許文献２ないし３参照）。

例えば、特許文献２に記載の技術は、車両用の電源装置において、キャパシタを並列接続したリチウムイオン二次電池を有する電源モジュールに、該二次電池への入出力電流が充放電制限電流以下になるように制限する電流制御手段を設けることにより、過充電による二次電池の劣化を防止しつつ、満充電付近までの充電を可能としている。
また、例えば特許文献３に記載の技術は、二次電池に限定されない電源装置として、この電源装置にキャパシタを並列接続することにより、瞬間的高エネルギー要求の応答性を向上させている。

特開２００４−１２０８４９号公報 特開２００９−４４８０８号公報（図１） 特開２００２−３３０５４８号公報（図２，図３）

このような用途に用いられるキャパシタとしては、前述の特許文献２に記載の電気二重層キャパシタ、特許文献３に記載のコンデンサ、ウルトラコンデンサ、及びスーパーコンデンサ以外に、リチウムイオンキャパシタが考えられる。リチウムイオンキャパシタは、活性炭からなる正極、リチウムイオンを吸蔵・脱離する活物質からなる負極、及びリチウム塩電解質を含む非水系電解液を有するキャパシタであり、活性炭からなる正極及び負極、並びにアンモニウム塩電解質を含む非水系電解液を有する電気二重層キャパシタに比較して最大動作電圧が高いため、出力特性にすぐれる。

しかしながら、リチウムイオンキャパシタは最大動作電圧が約４Vであり、満充電電圧とする所定電圧をその最大動作電圧を超えた値にすると、その寿命が著しく低減することが知られている。そのため、最大動作電圧が約４．２Vであるリチウムイオン二次電池をセルにもつ電源モジュールや電源供給システムにおいて、１個のリチウムイオン二次電池に対して１個のリチウムイオンキャパシタを単に並列接続したのでは、瞬間的高エネルギー要求には応答できるものの、約４V以上の領域でリチウムイオンキャパシタの劣化が著しくなる。すなわち、リチウムイオン二次電池1個に対してリチウムイオンキャパシタ1個を使用する場合には、リチウムイオン二次電池の４V以上の領域を使用しないか、リチウムイオンキャパシタの劣化が早期に進行してしまうことを承知の上で４．０〜４．２Vの領域まで使用するかの２者択一を迫られるという問題を解決することができない。

つまり、リチウムイオン二次電池をセルにもつ電源モジュールは、図８に例示したような、監視回路１０６を備えており、この監視回路１０６は、先述した定電流充電を停止する所定電圧、及び満充電電圧とする所定電圧（または所定電流、所定時間）を監視する充電機能に加えて、過充電とする所定電圧を監視する過充電保護機能をも有する。そして、この監視回路１０６の過充電保護機能は、過充電によるモジュールの発熱・破裂などを防ぐために、過充電検出電圧以上のときに充電電流を遮断して充電を停止するように構成されている。

一般に、このような監視回路の監視下にある電源モジュールに対し、これとは別個にリチウムイオンキャパシタを並列接続する場合、監視回路の監視範囲は、電源モジュールを構成するリチウムイオン二次電池のセルに限られ、従来とはなんら変るものではない。そのため、リチウムイオン二次電池の最大動作電圧においては劣化の程度の高いリチウムイオンキャパシタの早期劣化を抑制する上では不十分なのである。

そこで、例えば、リチウムイオン二次電池からなるセルに対し、リチウムイオンキャパシタを並列接続し、キャパシタを含めた各セルの端子電圧を監視回路で監視することも考えられる。しかし、この場合には、リチウムイオンキャパシタの早期劣化の防止を優先して、監視回路で最大動作電圧として設定する上限電圧を下げてしまえば、リチウムイオンキャパシタの早期劣化を防止可能とはなるものの、リチウムイオン二次電池の最大動作電圧の近傍領域を有効には使用できなくなる。そのため、この方策では、電源容量の向上という課題に対しては未だ検討の余地が残される。特に、携帯機器における電源容量の向上は重要な課題である。

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、瞬間的高エネルギー要求に応答可能であり、リチウムイオンキャパシタの早期劣化を防止しつつも、電源容量を最大限に使用し得る電源供給システムおよび電源供給システムを備える携帯機器、ならびに電源供給システムの充電方法、電源供給システムの放電方法および電源供給システムの充放電方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のうち第一の態様は、充放電の繰り返しが可能な二次電池を有する電源供給システムであって、
前記二次電池としてリチウムイオン二次電池を含む電源モジュールと、
前記電源モジュールが接続される機器本体側に接続されたリチウムイオンキャパシタを含む補助モジュールと、
を備え、
前記電源モジュールは、
前記リチウムイオン二次電池と、
前記リチウムイオン二次電池の端子電圧を個別に監視する監視回路と、
前記リチウムイオン二次電池の正側ラインに接続された正極端子と、
前記リチウムイオン二次電池の負側ラインに接続された負極端子と、
前記リチウムイオン二次電池の負側ラインに直列接続され、該リチウムイオン二次電池が過充電または過放電になったときに回路を遮断するための第１のスイッチング素子と、
を備え、
前記正極端子及び前記負極端子間に前記機器本体が接続され、
前記補助モジュールは、
前記リチウムイオン二次電池に並列接続される前記リチウムイオンキャパシタと、
前記リチウムイオンキャパシタの接続を開閉する第２のスイッチング素子と、
前記正極端子及び前記負極端子間に供給される電圧である前記リチウムイオン二次電池の端子電圧を監視し、監視している電源ラインの電圧に基づいて前記第２のスイッチング素子を開閉可能な保護回路と、
を備え、
前記保護回路は、前記リチウムイオンキャパシタの満充電電圧を、前記リチウムイオン二次電池の最大動作電圧よりも低い値に設定された上限電圧に制御するように前記スイッチング素子を開閉することを特徴とする。

ここで、「最大動作電圧」とは、本質的には材料によって定まる値であるが、安全性とサイクル特性を評価した上で電池メーカーが仕様として設定する値である。例えば、正極にコバルト酸リチウムを使用した一般的なリチウムイオン二次電池の場合は、４．２Vに設定されることが多い。
第一の態様に係る電源供給システムによれば、リチウムイオン二次電池に並列接続されるリチウムイオンキャパシタを備えるので、瞬間的高エネルギー要求に応答可能である。また、後述するように、放電末期側でのシステムの本体側で制御する下限電圧に余裕代を見込むことで、不測のＩＲドロップによる回路切断を防止することができる。したがって、電源供給システムの有効な使用可能領域を低電圧側に広げることができる。そのため、システムの本体側での電源供給システムの使い勝手が格段に向上する。

そして、第一の態様に係る電源供給システムによれば、リチウムイオンキャパシタの接続を開閉する第２のスイッチング素子と、この第２のスイッチング素子を開閉可能な保護回路とを備え、この保護回路が、電源ラインに供給されるリチウムイオン二次電池の電圧に基づいて、リチウムイオンキャパシタの満充電電圧を、リチウムイオン二次電池の最大動作電圧よりも低い値に設定されたリチウムイオンキャパシタの最大動作電圧に制御するように前記第２のスイッチング素子を開閉するので、リチウムイオンキャパシタのみを回路から切り離し、その上限電圧を越えてリチウムイオン二次電池の最大動作電圧までの領域での使用を回避することができる。一方、前記リチウムイオン二次電池については、リチウムイオン二次電池の電圧を監視する監視回路が過充電・過放電等を検出しない限り、前記第２のスイッチング素子の開閉によらず回路との接続が維持されるから、その最大動作電圧までの領域を継続して使用できる。したがって、リチウムイオンキャパシタの早期劣化を防止しつつも、電源容量を最大限に使用することができる。

なお、リチウムイオンキャパシタの最大動作電圧とリチウムイオン二次電池の最大動作電圧の間の領域においては、リチウムイオンキャパシタはスイッチング素子によって回路から切り離されているが、この領域においてはリチウムイオン二次電池の内部抵抗が比較的低いために、リチウムイオン二次電池のみでも瞬間的高エネルギー要求に応答可能である。また、応答によってリチウムイオン二次電池から供給される電源ラインの電圧がリチウムイオンキャパシタの最大動作電圧以下になった場合には、第２のスイッチング素子が閉じることによって、直ちにリチウムイオンキャパシタが並列に接続されるため、瞬間的な高エネルギー要求に応答可能となる。

また、第一の態様に係る電源供給システムにおいて、前記リチウムイオン二次電池が、遷移金属とリチウムとの複合酸化物を正極活物質とする正極と、リチウムイオンを吸蔵放出可能な材料を負極活物質とする負極と、リチウムイオンを含む電解質を有機溶媒に溶解させた非水系電解液とを有し、前記リチウムイオンキャパシタが、活性炭を正極活物質とする正極と、活性炭の表面に炭素質材料を被着させた複合多孔質炭素材料を負極活物質とする負極と、リチウムイオンを含む電解質を有機溶媒に溶解させた非水系電解液とを有するものであることは好ましい。

さらに、第一の態様に係る電源供給システムにおいて、前記リチウムイオンキャパシタの負極活物質である複合多孔質炭素材料は、下記の条件（１）および（２）を満たすことが好ましい。
（１） ＢＪＨ法で算出されたメソ孔量（直径が２ｎｍ以上５０ｎｍ以下である細孔の量）Ｖｍ１（ｃｃ／ｇ）が、０．０１≦Ｖｍ１＜０．１０である。
（２） ＭＰ法で算出されたマイクロ孔量（直径が２ｎｍ未満である細孔の量）Ｖｍ２（ｃｃ／ｇ）が、０．０１≦Ｖｍ２＜０．３０である。

なおさらに、第一の態様に係る電源供給システムにおいて、前記リチウムイオンキャパシタの正極活物質である活性炭は、下記の条件（３）〜（５）を満たすことが好ましい。
（３） ＢＪＨ法で算出されたメソ孔量Ｖ１（ｃｃ／ｇ）が、０．３≦Ｖ１＜０．８である。
（４） ＭＰ法で算出されたマイクロ孔量Ｖ２（ｃｃ／ｇ）が、０．５≦Ｖ２＜１．０である。
（５） ＢＥＴ法で測定された比表面積が１５００ｍ²／ｇ以上３０００ｍ²／ｇ以下である。
このような構成であれば、上述したリチウムイオンキャパシタの満充電電圧の上限電圧（４．０Ｖ）等の条件を一層安定して繰り返し充放電可能なリチウムイオンキャパシタとすることができる。

さらに、上記課題を解決するために、本発明のうち第二の態様は、充放電の繰り返しが可能な二次電池を有する電源供給システムを備える携帯可能な携帯機器であって、前記電源供給システムとして、第一の態様に係る電源供給システムを備えていることを特徴とする携帯機器である。
第二の態様に係る携帯機器によれば、携帯機器が、第一の態様に係る電源供給システムを備えているので、瞬間的高エネルギー要求に応答可能であり、リチウムイオンキャパシタの早期劣化を防止しつつも、電源容量を最大限に使用することができる。
さらに、上記課題を解決するために、本発明のうち第三の態様は、第一の態様に係る電源供給システムに適用する電源供給システムの充電方法であって、
リチウムイオン二次電池を含む前記電源供給システムにおいて、該リチウムイオン二次電池に対する定電流充電を開始するとともに、リチウムイオンキャパシタの接続を開閉する第２のスイッチング素子をＯＮ状態にして該リチウムイオンキャパシタに対して定電流充電を開始する充電開始ステップと、
前記リチウムイオン二次電池の端子電圧及び前記リチウムイオンキャパシタの端子電圧が、該リチウムイオンキャパシタの最大動作電圧である第１の充電終了検出電圧に達したか否かを判断し、該リチウムイオンキャパシタの端子電圧が前記第１の充電終了検出電圧に達したと判断するまで該リチウムイオンキャパシタに対する定電流充電を継続する第１の定電流充電ステップと、
前記リチウムイオン二次電池の端子電圧及び前記リチウムイオンキャパシタの端子電圧が前記第１の充電終了検出電圧に達したと判断した場合に、前記第２のスイッチング素子をＯＦＦ状態として該リチウムイオンキャパシタに対する定電流充電を終了するキャパシタ充電終了ステップと、
前記キャパシタ充電終了ステップにおいて、前記リチウムイオンキャパシタに対する定電流充電を終了後、前記リチウムイオン二次電池に対する定電流充電のみを継続し、該リチウムイオン二次電池の端子電圧が、該リチウムイオン二次電池の最大動作電圧である第２の充電終了検出電圧に達したと判断するまで該リチウムイオン二次電池に対する定電流充電を継続する第２の定電流充電ステップと、
前記第２の定電流充電ステップにおいて、前記リチウムイオン二次電池の端子電圧が前記第２の充電終了検出電圧に達したと判断した場合に、前記リチウムイオン二次電池に対する定電流充電を定電圧充電に切り替えて充電を継続する定電圧充電ステップと、
前記リチウムイオン二次電池に対する充電時間が所定時間に達した場合、又は前記リチウムイオン二次電池における充電電流が所定の充電終了検出電流に達した場合に、該リチウムイオン二次電池に対する定電圧充電を終了する充電終了ステップと、
を備えることを特徴とする。

さらに、上記課題を解決するために、本発明のうち第四の態様は、第一の態様に係る電源供給システムに適用する電源供給システムに適用する電源供給システムの放電方法であって、
リチウムイオン二次電池を含む前記電源供給システムにおいて、放電制御処理が実行される放電制御処理実行ステップと、
リチウムイオンキャパシタを含む前記電源供給システムにおいて、該リチウムイオンキャパシタの端子電圧が、該リチウムイオンキャパシタの最大動作電圧である第１の充電終了検出電圧以上か否かを判断し、該リチウムイオンキャパシタの端子電圧が前記第１の充電終了検出電圧以上でないと判断するまで該リチウムイオンキャパシタの接続を開閉する第２のスイッチング素子をＯＦＦ状態にして、該リチウムイオンキャパシタを回路から切り離した状態とするキャパシタ切断ステップと、
前記キャパシタ切断ステップにおいて、前記リチウムイオンキャパシタの端子電圧が前記第１の充電終了検出電圧以上でないと判断した場合に、前記第２のスイッチング素子をＯＮ状態に切り換えて、該リチウムイオンキャパシタを接続状態として、該リチウムイオンキャパシタ及び前記リチウムイオン二次電池を並列接続状態とし、該リチウムイオンキャパシタ及び該リチウムイオン二次電池の放電を開始する放電開始ステップと、
前記リチウムイオンキャパシタの端子電圧及び前記リチウムイオン二次電池の端子電圧が所定の放電終了検出電圧に達するまで、該リチウムイオンキャパシタ及び該リチウムイオン二次電池の放電を継続する放電ステップと、
前記リチウムイオンキャパシタの端子電圧及び前記リチウムイオン二次電池の端子電圧が前記所定の放電終了検出電圧に達したと判断した場合に、該リチウムイオンキャパシタ及び該リチウムイオン二次電池の放電を終了する放電終了ステップと、
を備えることを特徴とする。

さらに、上記課題を解決するために、本発明のうち第五の態様は、第一の態様に係る電源供給システムの充放電方法であって、
前記電源供給システムの充電方法は、第二の態様に係る電源供給システムの充電方法であり、
前記電源供給システムの放電方法は、第三の態様に係る電源供給システムの放電方法である、ことを特徴とする。

上述のように、本発明によれば、瞬間的高エネルギー要求に応答可能であり、リチウムイオンキャパシタの早期劣化を防止しつつも、電源容量を最大限に使用し得る電源供給システムおよび電源供給システムを備える携帯機器、ならびに電源供給システムの充電方法、電源供給システムの放電方法および電源供給システムの充放電方法を提供することができる。

本発明に係る電源供給システムの一実施形態を説明する模式図である。 本発明に係る電源供給システムでの充電方法の一実施形態を説明する図であり、同図は、監視回路および保護回路にて実行される充電時の充電制御処理のフローチャートを示している。 本発明に係る電源供給システムでの放電方法の一実施形態を説明する図であり、同図は、監視回路および保護回路にて実行される放電時の放電制御処理のフローチャートを示している。 本発明に係る電源供給システムの動作を説明するグラフであり、同図は充電時のスイッチング素子のOFFと放電時のスイッチング素子のONのタイミング、および定電流充電と定電圧充電とのきりかわりのタイミングを示している。 本発明に係る電源供給システムの作用効果を説明するグラフであり、同図はリチウムイオン二次電池の放電容量と電圧、およびその内部抵抗の関係を示している。 本発明に係る電源供給システムの作用効果を説明するグラフであり、同図はリチウムイオン二次電池の内部抵抗がリチウムイオンキャパシタとの協働により低下する関係を示している。 本発明に係る電源モジュールの一実施形態を説明する模式図である。 従来の電源装置（電源モジュール）の一例を説明する模式図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ詳しく説明する。
図１に、本発明に係る電源供給システムを備える携帯機器の一実施形態を示す。ここで、この電源供給システム１０は、充放電の繰り返しが可能な二次電池を有するものである。また、本実施形態での携帯機器は、例えば携帯電話である。
詳しくは、同図に示すように、この電源供給システム１０は、リチウムイオン二次電池を含む電源モジュール１と、この電源モジュール１が接続される負荷あるいは充電器（以下「機器本体」ともいう。）側に接続されたセル７を含む補助モジュールとから構成されている。本実施形態は、既にリチウムイオン二次電池を含む電源モジュールを使用している機器本体に補助モジュールを内蔵して使用するのに適した実施形態である。

電源モジュール１は、リチウムイオン二次電池（以下、単に「電池」ともいう）３からなるセル８と、このセル８の端子電圧を個別に監視する監視回路６とを有している。なお、図１ではセル８が１個の場合について示しているが、セル８が複数個直列接続される場合には、それぞれに監視回路６が備えられる。
セル８（電池３）には、その正側ラインに端子Ｔ１を、負側ラインには端子Ｔ２を有し、これら端子間に機器本体２が接続されるようになっている。また、セル８の負側ラインには、セル８が過充電または過放電になったときに回路を遮断するためのＦＥＴ９ａ、ＦＥＴ９ｂが直列に接続されている。

監視回路６は、セル８（つまり、電池３からなる最小構成要素）の各端子電圧を個別に監視可能に接続され、満充電電圧が、電池３の最大動作電圧（本実施形態の例では４．２Ｖ）になるように、充電電流、または充電電流および電圧が制御される。なお、この電池３は、その最大動作電圧たる上限電圧（４．２Ｖ）〜下限電圧（３．０Ｖ）の範囲で使われ、この監視回路６が、これらを監視（過充電保護、充電検出終了、過放電保護、および必要に応じて定電流充電の停止と定電圧充電への切替）している。

詳しくは、この監視回路６は、過充電、過放電、過電流、温度保護等の検出回路を内蔵しており、これら内蔵された検出回路からの検出信号に基づいて制御信号を生成する論理回路を備えている。また、この監視回路６は、外部との接続のためにＶＳＳ端子６ａ、ＶＤＤ端子６ｂ、ＤＯＵＴ端子６ｃ、ＣＯＵＴ端子６ｄ、Ｖ−（マイナス）端子６ｅ、ＴＥＭＰ端子６ｔを有する。

ＶＳＳ端子６ａはＧＮＤ端子であり、電池３の負側ラインに接続されている。また、ＶＤＤ端子６ｂは電源入力端子であり、電池３の正側ラインに接続されている。ＤＯＵＴ端子６ｃは、内蔵している検出回路からの過放電あるいは過電流を検出したときに、対応する制御信号を出力するものであり、ＦＥＴ９ａのゲートに接続されている。また、ＣＯＵＴ端子６ｄは、過充電を検出したときに対応する制御信号を出力するものであり、ＦＥＴ９ｂのゲートに接続されている。

Ｖ−端子６ｅは、負荷あるいは充電器に接続されるべき負側ラインに抵抗Ｒを介して接続されており、過電流検出に使用される。また、ＴＥＭＰ端子６ｔは、温度保護回路の入力端子であり、電池３が設置される箇所の周囲温度を検出し、予め設定された温度に周囲温度が上昇すると温度検出信号を出力するようになっている。なお、図には記載されていないが、周囲温度の上昇は例えばサーミスタ等の温度検出素子で検出し監視回路６に入力される。

一方、予備モジュールのセル７は、リチウムイオンキャパシタ（以下、単に「キャパシタ」ともいう）４からなり、上記セル８の電池３に対して並列接続されるようになっている。さらに、予備モジュールは電源ライン（T1とT2）に供給される電圧を監視する保護回路５と、キャパシタ４に直列接続されたＦＥＴ９とを有している。
ＦＥＴ９は、キャパシタ４の接続を開閉するスイッチング素子である。そして、保護回路５は、監視している電源ラインの電圧に基づいて、キャパシタ４の満充電電圧を、上記セル８の最大動作電圧（本実施形態の例では４．２Ｖ）よりも低い値に設定された上記セル７の上限電圧（本実施形態の例では４．０Ｖ）に制御するようにＦＥＴ９を開閉するようになっている。

なお、図１ではセル８が１個の場合について示しているが、セル８が複数個直列接続される場合には、FET9を開閉する電圧を適宜変更すればよい。たとえばセル８が３個直列接続されている場合には、電源ライン（T1とT2）に供給される最大電圧は本実施例の形態では4.2V×３＝12.6Vになるが、この場合は、4.0V×３＝12.0Vを上限としてキャパシタ４の接続を開閉するスイッチング素子であるFET９を制御すればよい。

ここで、上記電池３は、遷移金属とリチウムとの複合酸化物を正極活物質とする正極と、リチウムイオンを吸蔵放出可能な材料を負極活物質とする負極と、リチウムイオンを含む電解質を有機溶媒に溶解させた非水系電解液とを有するものである。好適には正極活物質としてコバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、またはニッケル酸リチウム、負極活物質としてグラファイト、またはコークスが使用される。以下においては、正極活物質としてコバルト酸リチウム、負極活物質としてグラファイトを使用した電池３を代表例として説明する。なお、この電池３の最大動作電圧は、４．２Ｖである。

また、上記キャパシタ４は、活性炭を正極活物質とする正極と、リチウムイオンを吸蔵放出可能な材料を負極活物質とする負極と、リチウムイオンを含む電解質を有機溶媒に溶解させた非水系電解液とを有するものである。好適には、負極活物質として、グラファイト、難黒鉛化性炭素材料（ハードカーボン）、または活性炭の表面に炭素質材料を被着させた複合多孔質炭素材料が使用される。

なお、上記キャパシタ４にかえて、正極活物質と負極活物質がともに活性炭でありテトラアルキルアンモニウム塩などの四級アンモニウム塩を有機溶媒に溶解させた非水系電解液を有する電気二重層キャパシタを使用することも可能である。しかし、電気二重層キャパシタは、その最大動作電圧が２．５〜３．０Vであるため、満充電電圧を４．２〜４．３Vに設定して利用されることが多い前述のリチウムイオン二次電池と組合せて使用するためには、直列に２個必要となる。そのため、特に携帯機器用の電源システムに採用する上では、体積やコストが増加するため好ましくはない。
なお、キャパシタ４は、単数または複数枚の正極と負極とセパレータとを積層して電極を形成し、これを外側樹脂層、アルミニウム箔、及び内側樹脂層を有するラミネートフィルムでパッケージして、電解液注入後に密閉して構成される薄型外装体を使用することが好ましい。

なお、上述したキャパシタ４の負極活物質は、下記の条件（１）および（２）を満たす複合多孔質炭素材料であることがより好ましい。
（１） ＢＪＨ法で算出されたメソ孔量（直径が２ｎｍ以上５０ｎｍ以下である細孔の量）Ｖｍ１（ｃｃ／ｇ）が、０．０１≦Ｖｍ１＜０．１０である。
（２） ＭＰ法で算出されたマイクロ孔量（直径が２ｎｍ未満である細孔の量）Ｖｍ２（ｃｃ／ｇ）が、０．０１≦Ｖｍ２＜０．３０である。

また、上述したキャパシタ４の正極活物質は、下記の条件（３）〜（５）を満たす活性炭であることが好ましい。
（３） ＢＪＨ法で算出されたメソ孔量Ｖ１（ｃｃ／ｇ）が、０．３≦Ｖ１＜０．８である。
（４） ＭＰ法で算出されたマイクロ孔量Ｖ２（ｃｃ／ｇ）が、０．５≦Ｖ２＜１．０である。
（５） ＢＥＴ法で測定された比表面積が１５００ｍ²／ｇ以上３０００ｍ²／ｇ以下である。

キャパシタ４の負極活物質ないし正極活物質が、上記（１）〜（５）を満たせば、上述した条件を備えてなる電池３およびこれに並列接続されたキャパシタ４により、上述した電池３の上限電圧（４．２Ｖ）の条件を一層安定して繰り返して充放電することができる。本実施形態の電源供給システムにおいては、これら条件（１）〜（５）を満たした電池３およびキャパシタ４を採用している。

次に、この電源供給システム１０を備える携帯機器の充放電方法について図２、図３および図４を参照しつつ説明する。なお、図２は、上述した電源供給システム１０を備える携帯機器での充電方法の説明図であり、同図は、保護回路５および監視回路６を含む電源供給システム１０にて実行される充電制御処理のフローチャートを示している。また、図４において、上側の図が充放電曲線（横軸に時間、縦軸に電圧）であって符号Ｖ１が電池の最大動作電圧（例えば４．２Ｖ）、Ｖ２がキャパシタの最大動作電圧（例えば４．０Ｖ）、Ｖ３が電池の下限電圧（例えば３．０Ｖ）であり、下の図が印加される電流を示している。

図４に示すように、この電源供給システム１０の充電方法では、定電流充電（同図の符号ＣＣ）によって充電を開始するものである。そして、キャパシタ４については、その最大動作電圧（４．０Ｖ）を超え電池３の最大電圧までの電圧領域を意図的に使わずに、最大動作電圧を満充電電圧の設定電圧としている。一方、電池３のセル８については、その監視回路６は、電池３が充電されるときに、一定電流が印加されて電池３の最大動作電圧（４．２Ｖ）まで充電を許容しており、この際には、定電圧充電（同図の符号ＣＶ）によって充電を行なうものである。

詳しくは、キャパシタの充電終了検出電圧（４．０Ｖ）未満の充電状態において、この電源供給システム１にて充電制御処理が実行されると、図２に示すように、ステップＳ１に移行して、定電流充電（ＣＣ）を開始する。充電初期は、充電状態が充電終了検出電圧（４．０Ｖ）未満なので、キャパシタ４の接続を開閉するＦＥＴ９は、キャパシタ４を接続（ＯＮ）状態としている（ステップＳ１）。続くステップＳ２では、保護回路５が、セル７（キャパシタ４）の端子電圧を監視して、セル７の端子電圧が充電終了検出電圧（４．０Ｖ）に達したか否かを判断する。そして、充電終了検出電圧に達していれば（Ｙｅｓ）ステップＳ３に移行し、そうでなければ（Ｎｏ）定電流充電（ＣＣ）を継続する。ステップＳ３では、保護回路５が、ＦＥＴ９を開く（ＯＦＦ）ことにより、キャパシタ４を回路から切り離して、ステップＳ４に移行する。

ステップＳ４では、セル８（電池３）についてのみ充電が継続され、その監視回路６が、電池３の充電量が次第に増加して、電池３の充電終了検出電圧（４．２Ｖ）に達したか否かを監視する。つまり、セル８が充電終了検出電圧（４．２Ｖ）に達していれば（Ｙｅｓ）ステップＳ５に移行し、そうでなければ（Ｎｏ）定電流充電（ＣＣ）を継続する。ステップＳ５では、定電流充電（ＣＣ）から定電圧充電（ＣＶ）に切り換えて充電を継続する。続くステップＳ６では、充電時間（ｔ）ないし充電終了検出電流（Ｉ）に達したか否かを監視して、達したとき（ｔ≧ｔ１ｏｒＩ≦Ｉ１）には処理を終了し（Ｙｅｓ）、そうでなければ（Ｎｏ）セル８への定電圧充電（ＣＶ）を継続するようになっている。

次に、上述した電源供給システム１０を備える携帯機器の放電方法について図３を参照しつつ説明する。なお、同図は、電源供給システム１を備える電源装置を用いた放電方法の説明図であり、同図は、保護回路５および監視回路６を含むシステムにて実行される充電制御処理のフローチャートを示している。
この電源供給システム１にて放電制御処理が実行されると、図３に示すように、ステップＳ１に移行して、セル７の保護回路５が、充電終了検出電圧（４．０Ｖ）以上の充電状態か否かを監視し、充電終了検出電圧（４．０Ｖ）以上であれば（Ｙｅｓ）、ステップＳ２に移行して保護回路５はＦＥＴ９を開として、キャパシタ４を回路から切り離した状態とする（ＯＦＦ）。また、充電終了検出電圧（４．０Ｖ）未満であれば（Ｎｏ）、ステップＳ３に移行して、保護回路５はＦＥＴ９を閉に切り換えて、キャパシタ４を接続（ＯＮ）状態とする。これにより、セル７とセル８とが並列接続された状態となる。続くステップＳ４では、保護回路５および監視回路６が、充電量が次第に減少して放電終了検出電圧（３．０Ｖ）に達したか否かを監視する。つまり、セル７ないし８が放電終了検出電圧（３．０Ｖ）に達していれば（Ｙｅｓ）放電を終了し、そうでなければ（Ｎｏ）放電を継続する。

次に、この電源供給システム１０の作用・効果、並びにこの電源供給システム１０を備える携帯機器の作用・効果について図５〜図６を参照しつつ説明する。なお、図５に示す放電曲線（横軸に放電容量、縦軸に電圧または内部抵抗）において符号Ｖ１が電池の最大動作電圧（例えば４．２Ｖ）、Ｖ２がキャパシタの最大動作電圧（例えば４．０Ｖ）、Ｖ３がシステム側で制御する下限電圧（例えば３．３Ｖ）、Ｖ４が電池の下限電圧（例えば３Ｖ）である。

ここで、携帯電話機に採用する場合は、電源モジュール１には一のセル８を備えればよく、図１の構成のみによって電源供給システム１０を構成することができる。
ところで、図６に示すように、リチウムイオン二次電池の内部抵抗ｃは、満充電状態Ｖ１（例えば４．２Ｖ）に近いときは小さく、放電が進み使用可能容量が少なくなってくると大きくなってくる。しかし、この内部抵抗ｃが大きくなることは機器を使用する上では大きな問題である。

例えば携帯電話機のＧＳＭ等の通信方式では、常時流れているベースの電流が非常に小さい値（例えば１ｍＡや１０ｍＡ）であるのに対して、ピーク時には大きい値（例えば１Ａ）の電流を流すという通信を行なっている。しかしながら、リチウムイオン二次電池は大電流の場合には取り出せる放電量が小電流の場合に比べて低下する。

今、大電流放電のときに、モジュール（電池パック）の放電が進み内部抵抗ｃが図６に示すように、大きな状態Ｃ１であると、この内部抵抗Ｃ１によってＩＲドロップが生じ、これにより、監視回路６が検出するセル８の電圧が仕様電圧（例えば３Ｖであって、図５に示す下限電圧Ｖ４）を下回ってしまうことがある。そうすると、過放電による電池の劣化を防ぐために、監視回路６の過放電保護機能が放電終了と判断し、放電電流を遮断して放電を停止してしまう（図３のステップＳ４）。したがって、携帯電話機が突然使用できない状態になってしまう。そこで、携帯電話機の本体システム側２としては、本体システム側で制御する下限電圧Ｖ３には、電池の下限電圧Ｖ４（例えば３Ｖ）に余裕代（例えば０．３Ｖ）を見込み、図５に示す下限電圧Ｖ３（例えば３．２Ｖや、３．４Ｖ、３．５Ｖ等）を設定することで、このような不測のＩＲドロップによる回路切断を防止している。つまり、実際に使っている範囲は、機器のシステム側で制御され、実質的には、電圧Ｖ３でシステム側が切っており、放電末期部分が有効に使用されないことになる。

すなわち、本発明の電源供給システム１０による第一のメリットは、セル８（電池３）に対して並列にセル７（キャパシタ４）が接続されるので、仮にピーク時に１Ａが流れた場合であっても、キャパシタ４が電池３をアシストして、キャパシタ４側からも電流を供給可能な点である。これにより、図６に示すように、電池３とキャパシタ４との協働によって、大電流放電時においても内部抵抗を同図の符号Ｃ２に示すグラフとすることができる。そのため、この電源供給システム１０によれば、ピーク時にもセル８のIRドロップによる電圧低下を小さく抑えることができる。これにより、携帯電話機のシステム側２で制御する下限電圧Ｖ３を放電末期側に下げる（図５で下側に移動する）ことができる。したがって、この電源供給システム１０の採用により、これまで使われていなかった放電末期側領域を有効に使用できる。そのため、瞬間的高エネルギー要求に応答可能なだけでなく、使用者側からみれば、従来よりも長い使用時間を確保することが可能となるのである。

さらに、この電源供給システム１０の第二のメリットとしては、キャパシタ４については、その最大動作電圧を超える放電初期領域を意図的に使わずに、４．０Ｖを上限電圧として設定することでキャパシタ４の早期劣化を防止しつつも、電池３の電源容量を最大限に使用し得る点である。
通常、リチウムイオンキャパシタは、繰り返し使用することによって劣化が生じる。このような繰り返し使用による劣化は、リチウムイオンキャパシタ内の電解液が分解されてガスが生じ、このガスの発生によって劣化が進行することによる。そして、キャパシタ４の放電曲線において４．２Ｖ〜４．０Ｖの領域での繰り返し使用は、このような劣化の程度がこれよりも電圧の低い領域での繰り返し使用と比べて顕著なのである。

つまり、この電源供給システム１０によれば、キャパシタ４の保護回路５が、最大動作電圧を上限電圧（４．０Ｖ）としてセル７を管理しているので、この４．２Ｖ〜４．０Ｖの領域を意図的に使用しないことによって、キャパシタ４の劣化を抑制することができる。そのため、劣化の激しい領域を避けて、その寿命を延長することができる。
一方、電池３のセル８については、その監視回路６は、放電初期の４．２〜４．０Ｖまでの領域をも用いて充電を行なうので、電源容量を最大限に使用することができる。つまり、図５に符号Ｖｓで示すように、満充電に対する放電初期の４．２〜４．０Ｖまでの領域は、４．２〜３．０Ｖまでの放電曲線に対して、全使用時間の約１０〜２０％の容量をもっているのであるが、この領域を有効に使用することが可能となる。そのため、上述した第一のメリットと相まって、全体として有効使用範囲を広げることができる。したがって、これを携帯電話に用いた場合には、実際の通話時間をより延長させられる上、キャパシタ４の早期劣化を防止しつつも、電源容量を最大限に使用することができるのである。

上述したように、この電源供給システム１０によれば、リチウムイオン二次電池３（セル８）に並列接続されるリチウムイオンキャパシタ４（セル７）を備えるので、瞬間的高エネルギー要求に応答可能であり、また、放電末期側においても、不測のＩＲドロップによる回路切断を防止することができる。そのため、電源供給システム１０の有効な使用可能領域を低電圧側に広げることができる。したがって、放電末期側でのシステム本体側２で制御する下限電圧に余裕代を見込むことが可能となり、携帯機器の1回の充電あたりの使用可能時間を長くできるため使い勝手が格段に向上する。

そして、この電源供給システム１０によれば、キャパシタ４の接続を開閉するＦＥＴ９と、このＦＥＴ９を開閉可能な保護回路５とを備え、この保護回路５が、電池３の端子電圧に基づいて、キャパシタ４の満充電電圧を、電池３の最大動作電圧よりも低い値に設定された上限電圧に制御するようにＦＥＴ９を開閉するので、キャパシタ４のみを回路から切り離し、これにより、キャパシタ４については、その最大動作電圧を超えた領域での使用を回避することができる。一方、電池３については、回路との接続が維持されるから、その最大動作電圧（４．２Ｖ）までの領域を継続して使用できる。したがって、キャパシタ４の早期劣化を防止しつつも、電源容量を最大限に使用することができる。

なお、キャパシタ４からなるセル７の上限電圧を４．０Ｖに設定する臨界的意義としては、上述した本実施形態の電池３の最大動作電圧の４．２Ｖに対して、仮に４．１Ｖに設定するとキャパシタ４の劣化が進行し易くなるからである。これに対し、４．０Ｖに設定した場合には、４．１Ｖ充電に対して、約１０％充電容量が低下するものの、サイクル寿命は大幅に改善される。他方、３．９Ｖをキャパシタ４の上限電圧とすると、電圧が低い場合には当然に充電容量が減少するため、例えば携帯電話機に採用した場合の通話時間が短くなるからである。

以上説明したように、この電源供給システム１０、およびこれを備える携帯電話によれば、瞬間的高エネルギー要求に応答可能であり、リチウムイオンキャパシタ４の早期劣化を防止しつつも、電源容量を最大限に使用することができる。なお、本発明に係る電源供給システムおよびこれを備える携帯機器は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、電源供給モジュール１と、機器本体側２とによって電源供給システム１０を構築した携帯電話機の例で説明したが、本体側の携帯機器がこれに限定されないのは勿論であり、例えば、ノートパソコン、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯ゲーム機、その他の携帯可能な電子機器等の携帯機器に用いることができる。

また、例えば上記実施形態では、保護回路５は、その制御する満充電電圧が、リチウムイオンキャパシタの最大動作電圧４．０Ｖである例を説明したが、これに限らず、保護回路５は、電池３の最大動作電圧よりも低い値に設定された上限電圧以下に満充電電圧を制御する構成とすることができる。
さらに、上記実施形態では、電源供給システム１０の充電方法および放電方法の一例を説明したが、本発明に係る電源供給システムに対する充放電方法が、これに限定されないのは勿論である。

また、上記実施形態では、キャパシタ４の負極活物質ないし正極活物質が、上記条件（１）〜（５）を満たしたものを採用した例で説明したが、これに限定されず、種々の負極活物質、正極活物質を用いたセルおよびキャパシタに対して適用可能である。しかし、上述したキャパシタ４の上限電圧（４．０Ｖ）条件を一層安定して繰り返し充放電可能なセル７を構成する上では、上記条件（１）〜（５）を満たしたものを採用することが好ましい。

また、例えば上記実施形態では、電源供給モジュール１と、機器本体側２とによって電源供給システム１０を構築した例を説明したが、本発明に係る電源供給システムを機器本体側に依存せずに構成してもよい。
具体的には、図７に示すように、上記実施形態での電源供給モジュール１側のみによって、キャパシタ４、ＦＥＴ９および保護回路（５）を備える電源モジュール２０とすることで、電源供給システム１０を構築してもよい。つまり、同図に示す電池３の監視回路６は、キャパシタ４の保護回路５をも兼ねており、この監視回路６が、その監視する端子電圧に基づいて、キャパシタ４の満充電電圧を、リチウムイオン二次電池の最大動作電圧よりも低い値に設定された上限電圧に制御するようにＦＥＴ９を開閉するようになっている。本実施形態は、既にリチウムイオン二次電池を有する電源モジュールを使用している機器本体において、該電源モジュールに置き換えて使用するか、または新たに電源モジュールを設計しなおす場合に適した実施形態である。

ここで、この電源モジュール２０のみによって電源供給システム１０を構築する場合には、電池３の底面積とキャパシタ４の底面積とをほぼ同等にしておけば、電池３のみの場合に対してわずかな厚みの増加で無駄なスペースを必要とせずにキャパシタ４の実装が可能となるので好ましい。
そして、このような構成であれば、携帯機器の本体システム側の制御回路やプログラムも変えることなく電源供給システム１０を構築することができる。そのため、携帯機器のコストアップも抑制しつつ、本体システムに依存せずに、瞬間的高エネルギー要求に応答可能であり、リチウムイオンキャパシタの早期劣化を防止しつつも、電源容量を最大限に使用することができる。

本発明に係る電源供給システムおよびこれに用いられる電源モジュールは、電源装置の分野で好適に利用でき、例えば、ノートパソコン、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯ゲーム機、その他の携帯可能な電子機器等の携帯機器の電源装置として特に好適に利用できる。

１ 電源モジュール
２ 機器本体側
３ 電池（リチウムイオン二次電池）
４ キャパシタ（リチウムイオンキャパシタ）
５ 保護回路
６ 監視回路
７ セル
８ セル
９、９ａ、９ｂ ＦＥＴ（スイッチング素子）
１０ 電源供給システム
２０ 電源モジュール

Claims (6)

1. 充放電の繰り返しが可能な二次電池を有する電源供給システムであって、
   前記二次電池としてリチウムイオン二次電池を含む電源モジュールと、
   前記電源モジュールが接続される機器本体側に接続されたリチウムイオンキャパシタを含む補助モジュールと、
   を備え、
   前記電源モジュールは、
   前記リチウムイオン二次電池と、
   前記リチウムイオン二次電池の端子電圧を個別に監視する監視回路と、
   前記リチウムイオン二次電池の正側ラインに接続された正極端子と、
   前記リチウムイオン二次電池の負側ラインに接続された負極端子と、
   前記リチウムイオン二次電池の負側ラインに直列接続され、該リチウムイオン二次電池が過充電または過放電になったときに回路を遮断するための第１のスイッチング素子と、
   を備え、
   前記正極端子及び前記負極端子間に前記機器本体が接続され、
   前記補助モジュールは、
   前記リチウムイオン二次電池に並列接続される前記リチウムイオンキャパシタと、
   前記リチウムイオンキャパシタの接続を開閉する第２のスイッチング素子と、
   前記正極端子及び前記負極端子間に供給される電圧である前記リチウムイオン二次電池の端子電圧を監視し、監視している電源ラインの電圧に基づいて前記第２のスイッチング素子を開閉可能な保護回路と、
   を備え、
   前記保護回路は、前記リチウムイオンキャパシタの満充電電圧を、前記リチウムイオン二次電池の最大動作電圧よりも低い値に設定された上限電圧に制御するように前記スイッチング素子を開閉する
   ことを特徴とする電源供給システム。
2. 前記リチウムイオン二次電池は、遷移金属とリチウムとの複合酸化物を正極活物質とする正極と、リチウムイオンを吸蔵放出可能な材料を負極活物質とする負極と、リチウムイオンを含む電解質を有機溶媒に溶解させた非水系電解液とを有し、
   前記リチウムイオンキャパシタは、活性炭を正極活物質とする正極と、活性炭の表面に炭素質材料を被着させた複合多孔質炭素材料を負極活物質とする負極と、リチウムイオンを含む電解質を有機溶媒に溶解させた非水系電解液とを有することを特徴とする請求項１に記載の電源供給システム。
3. 充放電の繰り返しが可能な二次電池を有する電源供給システムを備える携帯可能な携帯機器であって、
   前記電源供給システムとして、請求項１若しくは２に記載の電源供給システムを備えていることを特徴とする携帯機器。
4. 請求項１に記載の電源供給システムに適用する電源供給システムの充電方法であって、
   リチウムイオン二次電池を含む前記電源供給システムにおいて、該リチウムイオン二次電池に対する定電流充電を開始するとともに、リチウムイオンキャパシタの接続を開閉する第２のスイッチング素子をＯＮ状態にして該リチウムイオンキャパシタに対して定電流充電を開始する充電開始ステップと、
   前記リチウムイオン二次電池の端子電圧及び前記リチウムイオンキャパシタの端子電圧が、該リチウムイオンキャパシタの最大動作電圧である第１の充電終了検出電圧に達したか否かを判断し、該リチウムイオンキャパシタの端子電圧が前記第１の充電終了検出電圧に達したと判断するまで該リチウムイオンキャパシタに対する定電流充電を継続する第１の定電流充電ステップと、
   前記リチウムイオン二次電池の端子電圧及び前記リチウムイオンキャパシタの端子電圧が前記第１の充電終了検出電圧に達したと判断した場合に、前記第２のスイッチング素子をＯＦＦ状態として該リチウムイオンキャパシタに対する定電流充電を終了するキャパシタ充電終了ステップと、
   前記キャパシタ充電終了ステップにおいて、前記リチウムイオンキャパシタに対する定電流充電を終了後、前記リチウムイオン二次電池に対する定電流充電のみを継続し、該リチウムイオン二次電池の端子電圧が、該リチウムイオン二次電池の最大動作電圧である第２の充電終了検出電圧に達したと判断するまで該リチウムイオン二次電池に対する定電流充電を継続する第２の定電流充電ステップと、
   前記第２の定電流充電ステップにおいて、前記リチウムイオン二次電池の端子電圧が前記第２の充電終了検出電圧に達したと判断した場合に、前記リチウムイオン二次電池に対する定電流充電を定電圧充電に切り替えて充電を継続する定電圧充電ステップと、
   前記リチウムイオン二次電池に対する充電時間が所定時間に達した場合、又は前記リチウムイオン二次電池における充電電流が所定の充電終了検出電流に達した場合に、該リチウムイオン二次電池に対する定電圧充電を終了する充電終了ステップと、
   を備えることを特徴とする電源供給システムの充電方法。
5. 請求項１に記載の電源供給システムに適用する電源供給システムの放電方法であって、
   リチウムイオン二次電池を含む前記電源供給システムにおいて、放電制御処理が実行される放電制御処理実行ステップと、
   リチウムイオンキャパシタを含む前記電源供給システムにおいて、該リチウムイオンキャパシタの端子電圧が、該リチウムイオンキャパシタの最大動作電圧である第１の充電終了検出電圧以上か否かを判断し、該リチウムイオンキャパシタの端子電圧が前記第１の充電終了検出電圧以上でないと判断するまで該リチウムイオンキャパシタの接続を開閉する第２のスイッチング素子をＯＦＦ状態にして、該リチウムイオンキャパシタを回路から切り離した状態とするキャパシタ切断ステップと、
   前記キャパシタ切断ステップにおいて、前記リチウムイオンキャパシタの端子電圧が前記第１の充電終了検出電圧以上でないと判断した場合に、前記第２のスイッチング素子をＯＮ状態に切り換えて、該リチウムイオンキャパシタを接続状態として、該リチウムイオンキャパシタ及び前記リチウムイオン二次電池を並列接続状態とし、該リチウムイオンキャパシタ及び該リチウムイオン二次電池の放電を開始する放電開始ステップと、
   前記リチウムイオンキャパシタの端子電圧及び前記リチウムイオン二次電池の端子電圧が所定の放電終了検出電圧に達するまで、該リチウムイオンキャパシタ及び該リチウムイオン二次電池の放電を継続する放電ステップと、
   前記リチウムイオンキャパシタの端子電圧及び前記リチウムイオン二次電池の端子電圧が前記所定の放電終了検出電圧に達したと判断した場合に、該リチウムイオンキャパシタ及び該リチウムイオン二次電池の放電を終了する放電終了ステップと、
   を備えることを特徴とする電源供給システムの放電方法。
6. 電源供給システムの充放電方法であって、
   前記電源供給システムの充電方法は、請求項４に記載の電源供給システムの充電方法であり、
   前記電源供給システムの放電方法は、請求項５に記載の電源供給システムの放電方法である、
   ことを特徴とする電源供給システムの充放電方法。

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