JP6174952B2 - 充電モジュール及び二次電池パック - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の充電を制御するとともに、その電池電圧を変換して外部に供給する充電モジュールに関し、特に、電池電圧に応じて変換電圧を調整するように構成された充電モジュールに関する。また、そのような充電モジュールを内蔵した二次電池パックに関する。

補聴器のような小型のセット機器には、従来、ボタン型の一次電池が電源として用いられていた。しかし、ボタン型の一次電池を電源とした場合、電池交換を頻繁に行う必要があるため、使用者にとって操作が煩雑である。

また、このような小型のセット機器の場合、使用環境を考慮して防水構造とすることが望ましい場合が多い。例えば補聴器の場合、耳の中の湿気や外界の水気の影響で故障する惧れがあるため、防水構造が望まれている。しかし、ボタン型の一次電池を用いた場合、電池交換の便宜上、防水構造にすることが困難である。何故ならば、電池を交換するためには、ケーシングを開閉自在な構造にする必要があり、防水構造の採用の障害となるからである。

これに対して、コイン型の二次電池を用いれば、電池交換が不要になり、防水構造を採用し易くなる。従って、補聴器等のコイン型の電池を使用する機器において、二次電池を使用することが望ましい。但し、コイン型の非水系二次電池、例えばリチウムイオン二次電池は出力電圧が高いため、従来設計のシステムを用いた小型のセット機器において、一次電池から二次電池に置き換えるためには、電圧変換が必要である。二次電池の電圧を変換して使用する構成は、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１には、二次電池を充電する充電制御部とともに、ＤＣ−ＤＣコンバータにより二次電池の電圧を規定の出力電圧に変換するための電圧変換部を有する構成が開示されている。

但し、防水構造を採用すると、充電用の外部端子を設けることはできない。この問題は、コイン型の二次電池を、非接触で充電するシステムを採用することで解決できる。二次電池の電圧変換機能を備えた非接触充電システムは、例えば、図６に示すように構成することができる。図６は、非接触充電システムの構成例を示すブロック図である。このシステムでは、送電モジュール１の送電コイル２と、受電モジュール３の受電コイル４の間で、電磁誘導を介して電力を伝送する。送電モジュール１は、充電器として構成される。

送電コイル２と共振コンデンサ５からなる共振回路に対し、コイルドライバ６から高周波電力が供給されて、送電コイル２からの送電が行われる。コイルドライバ６の動作は、送電制御回路７により制御される。受電モジュール３では、受電コイル４と共振コンデンサ８からなる共振回路によって高周波電力を受電する。共振コンデンサ８の両端の交流電圧は、整流回路９に供給されて直流電圧に変換される。

整流回路９の出力電力はＬＤＯレギュレータ１０により一定電圧に制御され、充電制御回路１１による制御を介して二次電池１２に供給される。保護回路１３は、二次電池１２の不適切な充放電を防止するために設けられる。二次電池１２の放電電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４及びＬＤＯレギュレータ１５からなる電圧変換部１６により所定の電圧に変換されて出力される。

二次電池１２と保護回路１３により二次電池パック１７が構成され、受電モジュール３、充電制御回路１１及び電圧変換部１６により充電モジュール１８が構成される。二次電池パック１７及び非接触充電モジュール１８は、セット機器に内蔵され、ＬＤＯレギュレータ１５からの電圧変換された出力電圧が、セット機器の電源として供給される。これにより、従来の一次電池の電圧を前提として構成されたセット機器に対して、一次電池とは異なる電池電圧の非水系二次電池を内蔵した二次電池パック１７を用いることができる。

特開平８−８４４４０号公報

しかし、上記構成のように、ＤＣ／ＤＣコンバータやＬＤＯレギュレータを用いた電圧変換部１６により電池電圧を変換すると、電池の消耗を監視する機能（電池電圧監視機能）に次のような問題が発生する。

すなわち、通常の電池では、電池の残存容量に応じて電池電圧が変化するので、電池パックからの出力電圧の変化を、残存容量の目安とすることができる。これにより、一部の機器では、この変化する電池電圧に基づいて残りの動作時間を管理している。ところが、電圧を変換するためにＤＣ／ＤＣコンバータやＬＤＯレギュレータを使用すると、通常、出力が定電圧であるため、電力供給を受ける機器では、電圧の変化が観察されない。従って、従来の電圧変換部の構成を用いた場合、機器における残り動作時間の管理が困難になる。

一方、電池の残存容量を、通信等による残存容量伝達手段によって機器に伝達し、それに基づき機器における残り動作時間の管理を行うことも知られている。しかし、補聴器のような小型のセット機器では、残存容量伝達手段を設けることは困難であった。

従って、本発明は、電池電圧を変換した出力電圧を残存容量に応じて意図的に変化させることにより、セット機器に装備されている一次電池に対する電池電圧監視機能を使用して、二次電池の残存容量を予測可能とした充電モジュール、あるいはそのような充電モジュールを含む二次電池パックを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の充電モジュールは基本的な構成要素として、外部から供給される電力により内蔵された二次電池を充電する充電制御部及び、前記二次電池の電池電圧を調整した出力電圧を外部に供給する電圧調整部を備え、前記電圧調整部は、前記電池電圧を閾値電圧と比較して、前記電池電圧が前記閾値電圧以上か未満であるかを判別する電圧比較部と、前記電圧比較部による比較結果に応じて前記電池電圧を変換し前記出力電圧として出力する電圧変換部とを備え、前記出力電圧によって、一次電池を用いて動作させる際に当該一次電池の残存容量による動作残り時間の管理を前記一次電池の電圧に対応して行うように設定されたセット機器を動作させる充電モジュールである。

本発明の第１構成の充電モジュールは、前記電池電圧が前記閾値電圧以上であるときは、前記電圧変換部は前記一次電池の動作残り時間の管理が不要なレベルの電圧を前記出力電圧として出力し、前記電池電圧が前記閾値電圧未満であるときは、前記電圧変換部は前記出力電圧として前記一次電池の動作残り時間の管理が行われる電圧に相当する電圧であって、前記電池電圧に対応して変動する残量対応電圧を出力することを特徴とする。

本発明の第２構成の充電モジュールは、前記電池電圧が前記閾値電圧以上であるときは、前記電圧変換部は前記一次電池の動作残り時間の管理が不要なレベルの電圧を前記出力電圧として出力し、前記電池電圧が前記閾値電圧未満であるときは、前記電圧変換部は前記一次電池の動作残り時間の管理が行われる電圧よりも低い一定の残量弁別電圧を前記出力電圧として出力することを特徴とする。

上記構成の充電モジュールによれば、電池電圧が閾値電圧以上か未満であるかを判別した結果に応じて電池電圧を変換し、閾値電圧以上であるときは、一定の設定電圧を出力電圧として出力し、閾値電圧未満であるときは、電池電圧に対応して変動する残量対応電圧または一定の残量弁別電圧を出力電圧として出力する。これにより、二次電池の残存容量に応じて、外部への出力電圧が変化し、セット機器に装備されている一次電池に対する電池電圧監視機能を使用して二次電池の残存容量を予測することが可能となる。

実施の形態１における充電モジュールを含む非接触充電システムを示すブロック図 同充電モジュールの電圧調整部を示すブロック図 同電圧調整部の基準電圧生成回路の構成を示す回路図 実施の形態２における充電モジュールの電圧調整部を示すブロック図 実施の形態３における二次電池パックを含む非接触充電システムを示すブロック図 従来例の非接触充電システムを示すブロック図

本発明の充電モジュールは、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

すなわち、第１構成の充電モジュールにおいて、前記電圧変換部は、基準電圧に基づき前記電池電圧を変換して前記出力電圧として出力するＤＣ／ＤＣコンバータまたはレギュレータと、前記電圧比較部による比較結果に応じて前記基準電圧を生成し前記ＤＣ／ＤＣコンバータまたはレギュレータに供給する基準電圧生成部とを備え、前記基準電圧生成部は、前記電池電圧が前記閾値電圧以上であるときは、前記基準電圧として一定の第１基準電圧を生成し、前記電池電圧が前記閾値電圧未満であるときは、前記電池電圧に対応して変動する第２基準電圧を生成し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータまたはレギュレータは、前記第１基準電圧に基づいて前記設定電圧を出力し、前記第２基準電圧に基づいて前記残量対応電圧を出力するように構成することができる。

また、第２構成の充電モジュールにおいて、前記電圧変換部は、前記電池電圧を変換して前記設定電圧を出力する第１変換部と、前記残量弁別電圧を生成する第２変換部と、前記第１変換部の出力と前記第２変換部の出力とを切換えて出力する出力切換え部とを備え、前記出力切換え部は、前記電池電圧が前記閾値電圧以上であるときは前記第１変換部の電圧を出力し、前記電池電圧が前記閾値電圧未満であるときは前記第２変換部の電圧を出力するように切換える構成とすることができる。

また、上記いづれかの構成の充電モジュールにおいて、送電モジュールから非接触で電力の伝送を受ける受電モジュールを備え、前記受電モジュールは、受電した高周波電圧を所定の大きさの直流電圧に変換して前記充電制御部に供給するように構成することができる。

上記いづれかの構成の充電モジュールと、前記二次電池とを備えた二次電池パックを構成することができる。

以下、本発明の実施形態における充電モジュール及び二次電池パックついて、図面を参照しながら説明する。

＜実施の形態１＞
実施の形態１における充電モジュールについて、非接触充電システムの一部を構成した場合を例として説明する。図１は、非接触充電システムを示すブロック図である。

この非接触充電システムにおいて、送電モジュール１及び受電モジュール３の構成、及び、受電モジュール３に対する二次電池１２及び保護回路１３の組合わせは、図６に示したシステムの場合と同様である。従って、同一の要素については、同一の参照番号を付して説明の繰り返しを省略する。本実施の形態は、図６に示した電圧変換部１６に代えて、電圧調整部２０Ａを用いたことを特徴とする。

二次電池１２は、充電制御回路１１による制御を介して充電され、また、電圧調整部２０Ａにより所定の出力電圧に調整されて、外部負荷であるセット機器に供給される。セット機器のシステムは、図示しないが、一次電池の電池電圧が電源電圧として供給されることを前提として設計され、電池電圧に基づいて残りの動作時間を管理するための電池電圧監視機能を備えたものとする。

図６の場合と同様に、受電モジュール３、充電制御回路１１及び電圧調整部２０Ａにより充電モジュール２１が構成される。この充電モジュール２１と二次電池パック１７は、セット機器に内蔵され、電圧調整部２０Ａにより電圧変換を含む調整された出力電圧が電源として供給される。電圧調整部２０Ａを下記のように構成すれば、従来の一次電池の電圧を前提として構成されたセット機器に対して、異なる電池電圧の非水系二次電池を電源として用いることが容易になる。

電圧調整部２０Ａの具体的な構成について、図２のブロック図を参照して説明する。電圧調整部２０Ａに含まれるＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、基本的には、二次電池１２の電池電圧Vceを所定の設定電圧Vsetに変換して、出力電圧Voutとして外部へ供給する。設定電圧Vsetは、コイン型一次電池の使用を前提として設計されたセット機器のシステムに適合させるための電圧である。本実施の形態の特徴は、電池電圧Vceが所定の閾値電圧Vth未満となったときに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が、出力電圧Voutとして、電池電圧Vceに対応して変動する残量対応電圧Vresを出力するように構成されたことである。

参照電圧生成部２３は、比較回路２４へ閾値電圧Vthを供給する。閾値電圧Vthは、次のように設定される。すなわち、出力電圧Voutが供給されるセット機器において、一次電池の残存容量に基づく残り動作時間が、管理を開始すべき時間ｔｒに達したときの一次電池の電池電圧が、管理閾値Vconとして設定されているものとする。セット機器では、この管理閾値Vconに基づいて管理が行われる。これに対して参照電圧生成部２３では、二次電池１２の残存容量に基づく放電可能時間が残り動作時間ｔｒに達したときの二次電池１２の電池電圧Vceを、閾値電圧Vthとして設定する。

二次電池１２の電池電圧Vceは比較回路２４へも供給され、比較回路２４は、電池電圧Vceと閾値電圧Vthを比較して、電池電圧Vceが閾値電圧Vth以上か未満であるかを判別する。比較回路２４が出力する比較結果信号Vcmpは、基準電圧生成部２５に供給される。基準電圧生成部２５は、比較結果信号Vcmpに応じた基準電圧Vrefを生成し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２に供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、基準電圧Vrefに基づき、二次電池１２の電池電圧Vceを変換して出力電圧Voutとして出力する。このように、基準電圧生成部２５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２により、電圧比較部２４による比較結果に応じて電池電圧Vceを変換する電圧変換部が構成される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２に代えて、レギュレータを用いて電圧変換部を構成してもよい。

基準電圧生成部２５の構成例を、図３に示す。基準電圧生成部２５は、分圧抵抗２６、２７、及び切換え回路２８からなる。切換え回路２８は、入力部２９、第１出力部３０、及び第２出力部３１からなる。入力部２９には、比較結果信号Vcmpが供給される。第１出力部３０には、閾値電圧Vthが供給される。電池電圧Vceは、分圧抵抗２６、２７により分圧され、分圧された電圧が第２出力部３１に供給される。

切換え回路２８は、比較結果信号Vcmpに応じた基準電圧Vrefを出力するように切換えを行う。すなわち、比較結果信号VcmpがVce≧Vthの状態に対応しているときは、第１出力部３０から第１基準電圧Vref1が出力され、比較結果信号VcmpがVce＜Vthの状態に対応しているときは、第２出力部３１から第２基準電圧Vref2が出力される。従って、Vce≧Vthのときは、閾値電圧Vthが第１基準電圧Vref1として出力される。一方、Vce＜Vthのときは、電池電圧Vceの分圧電圧が、電池電圧Vceに対応して変動する第２基準電圧Vref2として出力される。

切換え回路２８から基準電圧Vrefが供給されたＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、第１基準電圧Vref1に基づいて設定電圧Vsetを出力し、第２基準電圧Vref2に基づいて、残量対応電圧Vresを出力する。分圧抵抗２６、２７による分圧比は、残量対応電圧Vresが、セット機器における一次電池の電池電圧の管理閾値Vconになるように設定される。

以上のように、二次電池１２の電池電圧Vceが閾値電圧Vthを下回ったとき、その残存容量に基づく残り動作時間は、セット機器において管理すべき残り動作時間ｔｒになっている。このとき、二次電池１２の電池電圧Vceが変換される残量対応電圧Vresは、一次電池の電池電圧の管理閾値Vconに相当する値になることが判る。これにより、セット機器では、具備された電池電圧監視機能に基づき、残りの動作時間を適切に管理することができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態２における二次電池パックの基本的な構成は、図１に示した実施の形態１と同様であり、同様の要素については同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。本実施の形態では、電圧調整部の構成が実施の形態１とは相違する。

図４に、本実施の形態における電圧調整部２０Ｂをブロック図で示す。電圧比較部２４は、図１に示したものと同様であり、電池電圧Vceを参照電圧生成部２３ａから供給される閾値電圧Vthと比較し、電池電圧Vceが閾値電圧Vth以上か未満であるかを判別して、比較結果信号Vcmpを出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、参照電圧生成部２３ａから供給される基準電圧Vrefに基づいて電池電圧Vceを電圧Vcvtに変換する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３２が出力する電圧Vcvtは、第１ＬＤＯレギュレータ３３、及び第２ＬＤＯレギュレータ３４に供給される。第１ＬＤＯレギュレータ３３は、電圧Vcvtを設定電圧Vsetに変換する。第２ＬＤＯレギュレータ３４は、電圧Vcvtを設定電圧Vsetよりも低い一定の残量弁別電圧Vdisに変換する。残量弁別電圧Vdisについては、後述する。

第１、第２ＬＤＯレギュレータ３３、３４の出力は、切換え回路３５によって選択されて、出力電圧Voutとして出力される。切換え回路３５は、入力部３６、第１出力部３７、及び第２出力部３８からなる。入力部３６には、比較結果信号Vcmpが供給される。第１出力部３７には、第１ＬＤＯレギュレータ３３から設定電圧Vsetが供給される。第２出力部３８には、第２ＬＤＯレギュレータ３４から残量弁別電圧Vdisが供給される。

切換え回路３５は、比較結果信号Vcmpに応じて切換えを行い、出力電圧Voutを選択する。すなわち、比較結果信号VcmpがVce≧Vthの状態に対応しているときは、第１出力部３７から設定電圧Vsetが出力され、比較結果信号VcmpがVce＜Vthの状態に対応しているときは、第２出力部３８から残量弁別電圧Vdisが出力される。

以上のように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２、第１ＬＤＯレギュレータ３３、及び切換え回路３５により、比較結果信号Vcmpに応じて電池電圧Vceを設定電圧Vsetに変換する第１変換部が構成される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２、第２ＬＤＯレギュレータ３４、及び切換え回路３５により、比較結果信号Vcmpに応じて電池電圧Vceを残量弁別電圧Vdisに変換する第２変換部が構成される。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２に代えて、レギュレータを用いることもできる。

上述のとおり、残量弁別電圧Vdisは、電池電圧Vceが閾値電圧Vth未満になったときに出力電圧Voutとして出力される。実施の形態１の場合と同様、一次電池について管理を開始すべき残り動作時間ｔｒに基づき、二次電池１２の残存容量に基づく放電可能時間が残り動作時間ｔｒに達したときの二次電池１２の電池電圧Vceを、閾値電圧Vthとして設定する。残量弁別電圧Vdisは、残り動作時間ｔｒに達したときの一次電池の電池電圧として設定された管理閾値Vcon以下の電圧に設定される。このようにして、二次電池１２の放電特性と、セット機器での使用を想定された一次電池の放電特性を照合し、それぞれの放電深度に合わせて、閾値電圧Vthが残量弁別電圧Vdisに変換されることになる。

＜実施の形態３＞
実施の形態３における二次電池パックについて、非接触充電システムの一部を構成した場合を例として説明する。図５は、非接触充電システムを示すブロック図である。この非接触充電システムの構成要素は、図１に示したシステムの場合と同様である。従って、同一の要素については、同一の参照番号を付して説明の繰り返しを省略する。

本実施の形態は、図１に示したシステムに対して、二次電池パック４０の構成が相違することを特徴とする。すなわち二次電池パック４０は、二次電池１２及び保護回路１３とともに、受電モジュール３、充電制御回路１１及び電圧調整部２０Ａからなる充電モジュールを一体的に含んで構成される。この二次電池パック４０は、セット機器に内蔵され、電圧調整部２０Ａにより電圧変換を含む調整された出力電圧が電源として供給される。

本発明の充電モジュールによれば、セット機器に装備されている一次電池に対する電池電圧監視機能を使用して二次電池の残存容量を予測可能となり、携帯電話や補聴器等の小型の電気機器に有用である。

１ 送電モジュール
２ 送電コイル
３ 受電モジュール
４ 受電コイル
５、８ 共振コンデンサ
６ コイルドライバ
７ 送電制御回路
９ 整流回路
１０、１５ ＬＤＯレギュレータ
１１ 充電制御回路
１２ 二次電池
１３ 保護回路
１４、２２、３２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１６ 電圧変換部
１７、４０ 二次電池パック
１８、２１ 充電モジュール
２０Ａ、２０Ｂ 電圧調整部
２３、２３ａ 参照電圧生成部
２４ 比較回路
２５ 基準電圧生成部
２６、２７ 分圧抵抗
２８、３５ 切換え回路
２９、３６ 入力部
３０、３７ 第１出力部
３１、３８ 第２出力部
３３ 第１ＬＤＯレギュレータ
３４ 第２ＬＤＯレギュレータ

Claims (6)

1. 外部から供給される電力により二次電池を充電する充電制御部及び、前記二次電池の電池電圧を調整した出力電圧を外部に供給する電圧調整部を備え、
   前記電圧調整部は、
   前記電池電圧を閾値電圧と比較して、前記電池電圧が前記閾値電圧以上か未満であるかを判別する電圧比較部と、
   前記電圧比較部による比較結果に応じて前記電池電圧を変換し前記出力電圧として出力する電圧変換部とを備え、
   前記出力電圧によって、一次電池を用いて動作させる際に当該一次電池の残存容量による動作残り時間の管理を前記一次電池の電圧に対応して行うように設定されたセット機器を動作させる充電モジュールであって、
   前記電池電圧が前記閾値電圧以上であるときは、前記電圧変換部は前記一次電池の動作残り時間の管理が不要なレベルの電圧を前記出力電圧として出力し、
   前記電池電圧が前記閾値電圧未満であるときは、前記電圧変換部は前記出力電圧として前記一次電池の動作残り時間の管理が行われる電圧に相当する電圧であって、前記電池電圧に対応して変動する残量対応電圧を出力することを特徴とする充電モジュール。
2. 前記電圧変換部は、
   基準電圧に基づき前記電池電圧を変換して前記出力電圧として出力するＤＣ／ＤＣコンバータまたはレギュレータと、
   前記電圧比較部による比較結果に応じて前記基準電圧を生成し前記ＤＣ／ＤＣコンバータまたはレギュレータに供給する基準電圧生成部とを備え、
   前記基準電圧生成部は、前記電池電圧が前記閾値電圧以上であるときは、前記基準電圧として一定の第１基準電圧を生成し、前記電池電圧が前記閾値電圧未満であるときは、前記電池電圧に対応して変動する第２基準電圧を生成し、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータまたはレギュレータは、前記第１基準電圧に基づいて前記一次電池の動作残り時間の管理が不要なレベルの電圧を出力し、前記第２基準電圧に基づいて前記残量対応電圧を出力するように構成された請求項１に記載の充電モジュール。
3. 外部から供給される電力により二次電池を充電する充電制御部及び、前記二次電池の電池電圧を調整した出力電圧を外部に供給する電圧調整部を備え、
   前記電圧調整部は、
   前記電池電圧を閾値電圧と比較して、前記電池電圧が前記閾値電圧以上か未満であるかを判別する電圧比較部と、
   前記電圧比較部による比較結果に応じて前記電池電圧を変換し前記出力電圧として出力する電圧変換部とを備え、
   前記出力電圧によって、一次電池を用いて動作させる際に当該一次電池の残存容量による動作残り時間の管理を前記一次電池の電圧に対応して行うように設定されたセット機器を動作させる充電モジュールであって、
   前記電池電圧が前記閾値電圧以上であるときは、前記電圧変換部は前記一次電池の動作残り時間の管理が不要なレベルの電圧を前記出力電圧として出力し、
   前記電池電圧が前記閾値電圧未満であるときは、前記電圧変換部は前記一次電池の動作残り時間の管理が行われる電圧よりも低い一定の残量弁別電圧を前記出力電圧として出力することを特徴とする充電モジュール。
4. 前記電圧変換部は、
   前記電池電圧を変換して前記一次電池の動作残り時間の管理が不要なレベルの電圧を出力する第１変換部と、
   前記残量弁別電圧を生成する第２変換部と、
   前記第１変換部の出力と前記第２変換部の出力とを切換えて出力する出力切換え部とを備え、
   前記出力切換え部は、前記電池電圧が前記閾値電圧以上であるときは前記第１変換部の電圧を出力し、前記電池電圧が前記閾値電圧未満であるときは前記第２変換部の電圧を出力するように切換える請求項３に記載の充電モジュール。
5. 送電モジュールから非接触で電力の伝送を受ける受電モジュールを備え、
   前記受電モジュールは、受電した高周波電圧を所定の大きさの直流電圧に変換して前記充電制御部に供給するように構成された請求項１〜４のいずれか１項に記載の充電モジュール。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の充電モジュールと、前記二次電池とを備えた二次電池パック。

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