JP6779317B2

JP6779317B2 - 電気機器

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Description

本発明は、複数種類の充電池を使用する電気機器に関する。

充電可能な充電池を使用する電気機器の中には、複数種類の充電池を使用するものがある。このような電気機器では、複数種類の充電池が並列接続され、その双方から電気機器の動作に必要な電力が供給される。

複数種類の充電池を並列接続した場合、充電池が平衡状態にないと、一つの充電池から別の充電池へと循環電流が流れることがある。このような循環電流が生じると、各充電池の許容する最大充電電流や最大放電電流を超える大きさの電流が流れる可能性がある。また、これらの充電池から供給される電力により電気機器を動作させる際には、各充電池の特性の違いにより、各充電池から流れる電流にばらつきが生じることがある。このことも、各充電池から流れる電流が最大充電電流や最大放電電流を超えてしまう要因になり得る。

本発明は上記実情を考慮してなされたものであって、その目的の一つは、複数種類の充電池を併用する場合に、各充電池から最大放電電流を超える電流が流れないようにすることのできる電気機器を提供することにある。

本発明に係る電気機器は、第１充電池と、当該第１充電池に並列接続され、許容される最大放電電流が当該第１充電池よりも大きい第２充電池と、を内蔵する電気機器であって、前記第１充電池、及び前記第２充電池から供給される電力を負荷に入力する電力供給路と、前記第１充電池に直列に接続され、前記第１充電池から前記第２充電池及び／又は前記電力供給路に流れる放電電流が当該第１充電池の最大放電電流を超えないよう制御する放電電流制限回路と、を備えることを特徴とする。

本発明の第１の実施形態に係る電気機器の回路構成を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る電気機器において第１充電池及び第２充電池に流れる電流を説明する図である。本発明の第２の実施形態に係る電気機器の回路構成を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る電気機器の回路構成を示す図である。本発明の第４の実施形態に係る電気機器の回路構成を示す図である。本発明の第４の実施形態に係る電気機器が実現する電力供給元の切替制御を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電気機器１ａの概略の回路構成を示す図である。同図に示されるように、電気機器１ａは、第１充電池１１、及び第２充電池１２を内蔵可能であって、充電回路１３と、電源端子１４と、負荷１５と、を含んで構成されている。本実施形態に係る電気機器１ａは、例えば電動工具や電気自動車、蓄電池、航空機、携帯電話などのモバイル機器、ヘッドマウントディスプレイ等、充電池から供給される電力で動作する各種の機器であってよい。

第１充電池１１及び第２充電池１２は、リチウムイオン電池や全固体電池等、繰り返し充放電が可能な二次電池であって、電気機器１ａはこれらの充電池から供給される電力によって動作する。図１に示されるように、二つの充電池は並列に接続されている。

本実施形態において第１充電池１１と第２充電池１２とは、互いに特性が異なるものとする。特に両者は、最大充電電流、及び最大放電電流が相違している。最大充電電流（最大充電レート）は、充電時に充電池に流すことが許容される最大の電流の大きさである。同様に、最大放電電流（最大放電レート）は、放電時に充電池から流れることが許容される最大の電流の大きさである。最大充電電流や最大放電電流を上回る電流が流れ続けると、充電池の劣化を招くおそれがある。本明細書では、第１充電池１１の最大充電電流をＩｃ１、最大放電電流をＩｄ１とし、第２充電池１２の最大充電電流をＩｃ２、最大放電電流をＩｄ２と表記する。また、ここでは第２充電池１２の方が第１充電池１１よりも最大充電電流及び最大放電電流が大きいものとする。すなわち、Ｉｃ１＜Ｉｃ２、及び、Ｉｄ１＜Ｉｄ２が成り立つ。

充電回路１３は、第１充電池１１及び第２充電池１２を充電するための回路であって、充電ＩＣ等の集積回路であってよい。充電回路１３は、第１放電電流制限回路１３ａ、第１充電電流制限回路１３ｂ、第２放電電流制限回路１３ｃ、及び第２充電電流制限回路１３ｄを含んでいる。図１に示されるように、第１放電電流制限回路１３ａ、及び第１充電電流制限回路１３ｂは第１充電池１１に直列に接続されている。また、第２放電電流制限回路１３ｃ、及び第２充電電流制限回路１３ｄは第２充電池１２に直列に接続されている。

充電回路１３の入力側には電源端子１４が接続されている。充電回路１３の出力側はコイルＬ１の一端に接続されており、コイルＬ１の他端には負荷１５が接続される。コイルＬ１の他端には、充電回路１３内の第１放電電流制限回路１３ａの一端、及び第２放電電流制限回路１３ｃの一端も接続される。

さらに充電回路１３は、トランジスタスイッチＴｒ１〜Ｔｒ４などの回路素子を含んで構成されている。これらの回路素子は、過電圧、過電流等の防止や、電圧の制御に用いられる。特に充電回路１３は、トランジスタスイッチＴｒ３及びＴｒ４を制御することによって、電源端子１４を介して外部の電力供給源から供給される電力を所与の出力電圧に変換し、第１充電池１１及び第２充電池１２に供給して、これらの充電池の充電を行う。以下では、充電回路１３が出力する電圧を出力電圧Ｖｓと表記する。

また、充電回路１３に含まれる第１放電電流制限回路１３ａ、第１充電電流制限回路１３ｂ、第２放電電流制限回路１３ｃ、及び第２充電電流制限回路１３ｄは、それぞれＦＥＴを含んで構成され、電気機器１ａの状態に応じて、自分自身に直列接続された充電池に流れる充電電流、又は放電電流が所定の大きさを超えないように制限する。より具体的に、第１放電電流制限回路１３ａは、第１充電池１１から負荷１５に流れる放電電流が最大放電電流Ｉｄ１を超えないように制御する。第１充電電流制限回路１３ｂは、外部電源から第１充電池１１に流れる充電電流が最大充電電流Ｉｃ１を超えないように制御する。第２放電電流制限回路１３ｃは、第２充電池１２から負荷１５に流れる放電電流が最大放電電流Ｉｄ２を超えないように制御する。第２充電電流制限回路１３ｄは、外部電源から第２充電池１２に流れる充電電流が最大充電電流Ｉｃ２を超えないように制御する。これらの電流制限回路は、例えばＬＤＯ（Low Drop Out）等によって構成されてもよい。これらの電流制限回路によって充電回路１３が実行する電流制御の内容については、後に詳しく説明する。

電源端子１４は、外部の電力供給源（以下、外部電源という）と接続される端子である。この電源端子１４を介して、第１充電池１１及び第２充電池１２を充電するための電力が外部電源から供給される。電源端子１４には、例えば商用の交流電源から供給される電力を直流に変換して出力するＡＣアダプタが接続されてもよいし、電力供給に対応するＵＳＢホスト機器等の電気機器が接続されてもよい。

負荷１５は、電気機器１ａの本来的な機能を実現するための回路素子等であって、外部電源、第１充電池１１及び第２充電池１２から供給される電力を消費して動作する。負荷１５は、モーターや集積回路等、電気機器１ａの種類に応じた各種の部品を含んでよい。また、電気機器１ａが蓄電池の場合などにおいては、各充電池から供給される電力を消費して動作する負荷は電気機器１ａの外部にあってもよい。負荷１５は、充電回路１３と電力供給路１５ａを介して接続されている。第１充電池１１から供給される電力、及び第２充電池１２から供給される電力は、いずれもこの電力供給路１５ａを経由して負荷１５に入力される。

以下、充電回路１３が実現する電流制御の内容について、説明する。充電回路１３は、その動作中、第１充電池１１に流れる電流Ｉ１、及び第２充電池１２に流れる電流Ｉ２を監視する。そして、各充電池に流れる充電電流が最大充電電流を超える場合には、充電電流制限回路を動作させて、充電電流が最大充電電流以下になるように制御する。また、各充電池から流れる放電電流が最大放電電流を超える場合には、放電電流制限回路を動作させて、放電電流が最大放電電流以下になるように制御する。これにより、充電電流、及び放電電流がそれぞれ最大充電電流、又は最大放電電流を超えないようにすることができる。なお、外部電源から各充電池への電力供給が行われておらず、各充電池から負荷１５への電力供給も行われていない場合であっても、第１充電池１１と第２充電池１２の間で循環電流が流れる場合があるため、充電回路１３はこのような電流制御を行う必要がある。

充電回路１３による具体的な電流制御の内容について、図２を用いて説明する。図２は並列接続された第１充電池１１及び第２充電池１２に流れる電流を概念的に説明する図である。以下では、充電回路１３が計測する第１充電池１１の電池電圧をＶｂ１、第２充電池１２の電池電圧をＶｂ２と表記する。また、内部抵抗による電圧変動を除外した第１充電池１１内部の電圧をＶｉ１、第２充電池１２内部の電圧Ｖｉ２と表記する。また、ここでは第１充電池１１の内部抵抗をＲｂ１＝０．２Ωとし、第２充電池１２の内部抵抗をＲｂ２＝０．１Ωとする。さらに、第１充電池１１の最大充電電流Ｉｃ１及び最大放電電流Ｉｄ１をともに０．１Ａとし、第２充電池１２の最大充電電流Ｉｃ２及び最大放電電流Ｉｄ２をともに１Ａとする。また、説明の便宜のため、ここでは各電流制限回路の抵抗値は無視できるものとする。

まず第１の状態として、第１充電池１１及び第２充電池１２の全体としては充電も放電も行っておらず、両者野間で循環電流が生じるだけの場合であって、かつ、第１充電池１１よりも第２充電池１２の電池電圧の方が高い状態における制御について説明する。この状態では、第２充電池１２から第１充電池１１に循環電流が流れ、第２充電池１２が放電、第１充電池１１が充電される。一例として、Ｖｉ１＝３．６Ｖ、Ｖｉ２＝４．２Ｖであるものとする。このとき、仮に各電流制限回路が存在せず第１充電池１１と第２充電池１２とが直接接続されたとすると、循環電流の大きさは
（４．２Ｖ−３．６Ｖ）／（０．２Ω＋０．１Ω）＝２Ａ
と計算できる。つまり、第１充電池１１の最大充電電流０．１Ａ、及び第２充電池１２の最大放電電流１Ａを超える２Ａの電流が第２充電池１２から第１充電池１１に流れてしまうことになる。

そこで充電回路１３は、第１の状態においては、第１充電電流制限回路１３ｂを動作させて、第１充電池１１に流れる充電電流が０．１Ａになるよう制御する。このとき、第２充電池１２から流れる放電電流も０．１Ａになり、第２充電池１２の最大放電電流Ｉｄ２以下になるので、第２放電電流制限回路１３ｃによる電流制限は必要ない。そのため充電回路１３は、第１放電電流制限回路１３ａ、第２放電電流制限回路１３ｃ、及び第２充電電流制限回路１３ｄについては、単に内部のＦＥＴをオンにして電流を流すだけで、電流制限は実行させない。

次に、第２の状態として、第１の状態と同じく充電も放電も行われておらず、第１充電池１１の方が第２充電池１２よりも電池電圧が高い状態における制御について説明する。この状態では、第１充電池１１から第２充電池１２に向けて循環電流が流れる。具体例として、第１の例と逆にＶｉ１＝４．２Ｖ、Ｖｉ２＝３．６Ｖとすると、電流制限回路が存在しない場合、電流の大きさ自体は前述した第１の状態の例と同じく２Ａとなる。

この第２の状態では、充電回路１３は、第１放電電流制限回路１３ａを動作させて、第１充電池１１から流れる電流Ｉ１の大きさが０．１Ａになるよう制御する。これにより、第２充電池１２に流れる充電電流も０．１Ａに制限されることになるので、第２充電電流制限回路１３ｄによる電流制限は必要ない。そのため充電回路１３は、第１充電電流制限回路１３ｂ、第２放電電流制限回路１３ｃ、及び第２充電電流制限回路１３ｄについては、電流制限を実行させる必要はなく、充電回路１３は単にこれらの電流制限回路の内部のＦＥＴをオンにして、そのまま電流が流れる状態にする。

次に、第３の状態として、負荷１５が電力を消費して動作する状態における制御について説明する。ここでは具体例として、負荷１５の抵抗値を１．８Ωとする。ここで、Ｖｉ１＝Ｖｉ２＝４．２Ｖとすると、電流制限回路が存在しない場合、負荷１５に入力される電圧は４．０５Ｖになり、電流Ｉ１の大きさが０．７５Ａ、電流Ｉ２の大きさが１．５Ａ、負荷１５に流れる電流の大きさは両者の合計で２．２５Ａと計算される。この場合、Ｉ１、及びＩ２がともに各充電池の最大放電電流を超えてしまうことになる。

そこで充電回路１３は、第１放電電流制限回路１３ａを動作させて電流Ｉ１の大きさが０．１Ａになるよう制御する。また、併せて第２放電電流制限回路１３ｃを動作させて電流Ｉ２が１Ａになるよう制御する。これにより、各充電池から最大放電電流を超える電流が流れないようにすることができる。このとき負荷１５には、最大で１．１Ａの電流が流れることになる。

以上説明したように、電気機器１ａに外部電源が接続されていない場合、充電回路１３は負荷１５の動作状況及び各充電池の電池電圧に応じて第１〜第３の状態のいずれかに遷移し、それぞれの状態に応じて電流制限回路を動作させる。これにより、常に各充電池に最大充電電流及び最大放電電流を超える電流が流れないようにすることができる。

続いて、電源端子１４に外部電源が接続され、外部電源から供給される電力によって第１充電池１１及び第２充電池１２が充電される状態における制御について、説明する。まず、第４の状態として、外部電源が接続され、かつ第２充電池１２の電池電圧Ｖｂ２が第１充電池１１の電池電圧Ｖｂ１以上の場合について、説明する。この状態において充電回路１３は、第１充電電流制限回路１３ｂを動作させて、第１充電池１１に流れる充電電流が最大充電電流Ｉｃ１を超えないように制御する。

さらにこの状態において、充電回路１３は、第２充電電流制限回路１３ｄを動作させて、第２充電池１２に流れる充電電流が最大充電電流Ｉｃ２を超えないように制御してもよい。しかしながら、そもそも充電回路１３は、充電時にはトランジスタスイッチＴｒ１〜Ｔｒ４を用いて全体の充電制御を行っているので、必ずしも第２充電電流制限回路１３ｄを動作させる必要はない。この場合、充電回路１３は、第２充電池１２に流れる電流Ｉ２が所定値（最大充電電流Ｉｃ２に一致する値、又はそれ以下の値）になるように、トランジスタスイッチＴｒ１〜Ｔｒ４を制御して出力電圧Ｖｓを調整する。これにより、第２充電電流制限回路１３ｄを動作させなくとも、最大充電電流Ｉｃ２を超えない値に充電電流を維持しながら、第２充電池１２を充電することができる。

この状態において充電回路１３は、一般的な充電シーケンスと同様の手順で第２充電池１２を充電することができる。例えば充電回路１３は、第１充電電流制限回路１３ｂによる電流制限のもとで第１充電池１１を充電しながら、同時に第２充電池１２を定電流充電し、電池電圧Ｖｂ２が目標値に達した後は定電圧充電に移行する。この状態では、第２充電池１２に流れる電流Ｉ２は徐々に減少していくため、充電電流が定電流充電時の電流値を超えるおそれはない。そして、電流Ｉ２が所定値以下になると、充電回路１３は第２充電電流制限回路１３ｄ内のＦＥＴをオフに切り替えることで、第２充電池１２の充電を停止する。その後は、同様の手順で第１充電池１１の充電を行う。すなわち、第１充電電流制限回路１３ｂによる電流制限を行いながら、第１充電池１１の定電流充電を続け、電池電圧Ｖｂ１が目標値に達した後は定電圧充電に移行する。その後、電流Ｉ１が所定値以下になると、充電回路１３は第１充電電流制限回路１３ｂ内のＦＥＴをオフに切り替えて、第１充電池１１の充電を停止する。なお、このようにして両者の充電を行っている途中で電池電圧Ｖｂ１が電池電圧Ｖｂ２を上回る状態になった場合、次に説明する第５の状態に移行する。

次に第５の状態として、外部電源が接続され、かつ第１充電池１１の電池電圧Ｖｂ１が第２充電池１２の電池電圧Ｖｂ２よりも高い場合について、説明する。この場合には、充電回路１３は、第１放電電流制限回路１３ａ及び第１充電電流制限回路１３ｂ内のＦＥＴをオフに切り替えて、第１充電池１１に対する充電を停止する。そして、第４の状態と同様に、最大充電電流Ｉｃ２を超える充電電流が流れないようにしながら第２充電池１２を充電する。なお、第２充電池１２の充電が進行してその電池電圧Ｖｂ２が第１充電池１１の電池電圧Ｖｂ１以上になった場合には、前述した第４の状態に移行する。

なお、これまで説明した各状態間の遷移を行うためには、充電回路１３は第１充電池１１及び第２充電池１２それぞれの電池電圧を計測する必要がある。このとき、全ての電流制限回路に電流制限を実行させずにそのまま第１充電池１１と第２充電池１２とを並列接続した状態では、循環電流が生じるため、各充電池の電池電圧を独立して計測することができない。そのため充電回路１３は、例えば工場出荷時や充電池の交換が行われたときなど、初期状態においては、全ての電流制限回路に含まれるＦＥＴをオフにして、第１充電池１１及び第２充電池１２の電池電圧を独立に計測する。そして、計測された電池電圧を比較することによって、どの状態に遷移するかを決定する。その後は、第１〜第５の状態のいずれにおいても、いずれかの電流制限回路による電流制限が実行されるか、またはいずれかの電流制限回路に含まれるＦＥＴがオフになるので、充電回路１３は各充電池の電池電圧を独立に計測することができる。各状態において充電回路１３は、定期的に第１充電池１１の電池電圧Ｖｂ１、及び第２充電池１２の電池電圧Ｖｂ２を計測し、計測結果に応じて他の状態に遷移する。

以上説明したように、本実施形態に係る電気機器１ａによれば、各充電池に個別に接続される電流制限回路を設けることによって、各充電池に流れる充電電流及び放電電流がそれぞれの充電池の最大充電電流、及び最大放電電流を超えないようにすることができる。

なお、以上の説明では各電流制限回路は充電回路１３に内蔵されているものとしたが、これらの電流制限回路は充電回路１３の外部に配置されてもよい。その場合、充電回路１３、またはその他の制御回路が、各充電池の電池電圧、及び各充電池に流れる電流を監視し、その結果に基づいて各電流制限回路の動作を制御する。

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態に係る電気機器１ｂの概略の回路構成を示す図である。本実施形態では、第１の実施形態と比較して、第２放電電流制限回路１３ｃ、及び第２充電電流制限回路１３ｄが存在せず、その代わりにＦＥＴ１３ｅが第２充電池１２に直列に接続されている点が異なっているが、その他の構成要素は第１の実施形態と類似している。以下では、第１の実施形態と同様に機能する構成要素については、同一の符号を付与して、その詳細な説明を省略する。また、本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、第１充電池１１よりも第２充電池１２の方が最大放電電流及び最大充電電流が大きいものとしている。

前述したように、第１の実施形態に係る電気機器１ａにおいて、第２充電池１２に流れる充電電流を充電回路１３自体が制御可能な場合には、第２充電池１２の充電をする際に、第２充電電流制限回路１３ｄを動作させる必要はない。また、第２充電池１２の最大充電電流が第１充電池１１の最大放電電流よりも大きければ、前述した第２の状態においても第２充電電流制限回路１３ｄを動作させる必要はない。そこで本実施形態では、第２充電電流制限回路１３ｄが存在しない構成としている。充電回路１３は、第２充電池１２の充電を行う場合（前述した第４又は第５の状態にある場合）には、第２充電池１２に流れる電流Ｉ２が所定値（第２充電池１２の最大充電電流Ｉｃ２に一致する値、又はそれ以下の値）になるように、トランジスタスイッチＴｒ１〜Ｔｒ４を制御して出力電圧Ｖｓを調整する。

また、一般的に、電気機器の回路設計時には、負荷の動作に必要な電流の大きさが、電池が供給可能な電流の大きさを超えないように設計される。第１の実施形態に係る電気機器１ａでも、負荷１５が要求する電流の大きさが第２充電池１２の最大放電電流Ｉｄ２を超えないのであれば、第２放電電流制限回路１３ｃによる電流制限は不要になる。そこで本実施形態では、第２放電電流制限回路１３ｃが存在しない構成としている。本実施形態において負荷１５を動作させる場合（前述した第３の状態にある場合）、第１放電電流制限回路１３ａを動作させて、第１充電池１１から流れる放電電流の大きさを最大放電電流Ｉｄ１以下に制限する。このとき、第２充電池１２から流れる放電電流の大きさは、負荷１５が要求する電流の大きさを超えることはないため、最大放電電流Ｉｄ２以下に抑えられることになる。

充電回路１３は、第１の実施形態と同様、外部電源が接続されていない間、定期的に電池電圧Ｖｂ１及びＶｂ２を計測する。そして、計測の結果、Ｖｂ１＜Ｖｂ２であれば、ＦＥＴ１３ｅ、及び第１放電電流制限回路１３ａ内のＦＥＴをオンにするとともに、第１充電電流制限回路１３ｂを動作させて、第２充電池１２から第１充電池１１に流れる電流を最大充電電流Ｉｃ１以下に制限する。また、Ｖｂ１≧Ｖｂ２の場合には、ＦＥＴ１３ｅ、及び第１充電電流制限回路１３ｂ内のＦＥＴをオンにするとともに、第１放電電流制限回路１３ａを動作させて、第１充電池１１から第２充電池１２に流れる電流を最大放電電流Ｉｄ１以下に制限する。

また、外部電源が接続されているときには、充電回路１３は、第１の実施形態に係る電気機器１ａと同様に、第１充電池１１及び第２充電池１２の充電を行う。充電回路１３は、第２充電池１２の充電を終了する時にはＦＥＴ１３ｅをオフに切り替えて第２充電池１２に電流が流れないようにする。

以上説明したように、第２の実施形態に係る電気機器１ｂによれば、第１の実施形態と同様に、各充電池に流れる充電電流及び放電電流がそれぞれの充電池の最大充電電流、及び最大放電電流を超えないようにすることができる。また、第１の実施形態と比較して、最大充電電流及び最大放電電流の値が第１充電池１１よりも大きな第２充電池１２に対しては、個別にその充電電流や放電電流を制限する電流制限回路を設ける必要がない。

［第３の実施形態］
図４は、本発明の第３の実施形態に係る電気機器１ｃの概略の回路構成を示す図である。本実施形態では、第２の実施形態と比較して、第１充電電流制限回路１３ｂ、及びＦＥＴ１３ｅの接続位置が異なっているが、その他の構成要素は第２の実施形態と類似している。以下では、第２の実施形態と同様に機能する構成要素については、同一の符号を付与して、その詳細な説明を省略する。また、本実施形態でも、第１及び第２の実施形態と同様に、第１充電池１１よりも第２充電池１２の方が最大放電電流及び最大充電電流が大きいものとしている。

本実施形態では、第１充電電流制限回路１３ｂが第１充電池１１の負極側に接続されている。また、ＦＥＴ１３ｅも第２充電池１２の負極側に接続されている。充電回路１３は、第１充電池１１の正極側の電圧Ｖ１ｐ、及び負極側の電圧Ｖ１ｎ、並びに第２充電池１２の正極側の電圧Ｖ２ｐ、及び負極側の電圧Ｖ２ｎを定期的に計測する。そして、これらの計測結果に基づいて、第１充電池１１の電池電圧Ｖｂ１（＝Ｖ１ｐ−Ｖ１ｎ）及び第２充電池１２の電池電圧Ｖｂ２（＝Ｖ２ｐ−Ｖ２ｎ）を算出する。各充電池の電池電圧が算出できれば、以降は第２の実施形態と同様にして各充電池に流れる電流を制御することができる。

なお、ここでは第２充電池１２の負極側にＦＥＴ１３ｅを接続することとしたが、第１の実施形態における第２充電電流制限回路１３ｄと同様に機能する電流制限回路を接続してもよい。

本実施形態に係る電気機器１ｃによれば、第１及び第２の実施形態と同様に、各充電池に流れる電流がそれぞれの充電池の最大充電電流及び最大放電電流を超えないように制御することができる。さらに本実施形態では、第１充電電流制限回路１３ｂに内蔵されるＦＥＴや、ＦＥＴ１３ｅを、直列接続された充電池の保護回路としても機能させることができる。

［第４の実施形態］
図５は、本発明の第４の実施形態に係る電気機器１ｄの概略の回路構成を示す図である。図５に示されるように、本実施形態に係る電気機器１ｄは、第１充電池１１及び第２充電池１２を内蔵可能に構成され、電源端子１４と、負荷１５と、第１充電回路１６と、第２充電回路１７と、第１容量演算回路１８と、第２容量演算回路１９と、第１放電電流制限回路２０と、第２放電電流制限回路２１と、切替回路２２と、制御回路２３と、を含んで構成されている。本実施形態でも、これまで説明した実施形態と同様に機能する構成要素については、同一の符号を付与して、その詳細な説明を省略する。また、本実施形態でも、第１及び第２の実施形態と同様に、第１充電池１１よりも第２充電池１２の方が最大放電電流及び最大充電電流が大きいものとしている。

本実施形態では、これまでの実施形態と異なり、通常時には、第１充電池１１と第２充電池１２とが互いに独立に充放電される。そのため、前述した第１及び第２の状態のように、充電も放電も行われていないが第１充電池１１と第２充電池１２との間で循環電流が流れる状態は発生しないようになっている。

図５に示されるように、本実施形態では、これまでの説明における充電回路１３の代わりに、各充電池を独立に充電するために、第１充電回路１６及び第２充電回路１７が配置されている。第１充電回路１６及び第２充電回路１７は、それぞれ独立した集積回路等であってよい。第１充電回路１６及び第２充電回路１７それぞれの入力側には、電源端子１４が接続されており、出力側にはコイルＬ２又はコイルＬ３を介して負荷１５が接続されている。また、第１充電回路１６には抵抗器Ｒ１を介して第１充電池１１が、第２充電回路１７には抵抗器Ｒ２を介して第２充電池１２が、それぞれ接続されている。

具体的に、第１充電回路１６は、外部電源から供給される電力を出力電圧Ｖｓ１に変換して出力することによって、第１充電池１１を充電する。第１充電回路１６は第１充電池１１に直列に接続されるＦＥＴ１６ａを含んでおり、このＦＥＴ１６ａに流れる電流が第１充電池１１の最大充電電流Ｉｃ１を超えないように、出力電圧Ｖｓ１を制御する。第１充電池１１の充電が完了すると、第１充電回路１６はＦＥＴ１６ａをオフに切り替える。

同様に、第２充電回路１７は、外部電源から供給される電力を出力電圧Ｖｓ２に変換して出力することによって、第２充電池１２を充電する。第２充電回路１７は第２充電池１２に直列に接続されるＦＥＴ１７ａを内蔵しており、このＦＥＴ１７ａに流れる電流が第２充電池１２の最大充電電流Ｉｃ２を超えないように出力電圧Ｖｓ２を制御する。そして、第２充電池１２の充電が完了すると、第２充電回路１７はＦＥＴ１７ａをオフに切り替える。このように本実施形態では、各充電回路が互いに独立に自身に接続された充電池を充電するので、充電時に各充電池に流れる電流が最大充電電流を超えないようにすることができる。

第１容量演算回路１８及び第２容量演算回路１９は、それぞれ対応する充電池の容量を演算する。具体的に第１容量演算回路１８は、抵抗器Ｒ１に並列に接続されており、抵抗器Ｒ１に流れる電流Ｉ１、及び第１充電池１１の電池電圧Ｖｂ１を計測する。そして、これらの計測結果に基づいて計測時点における第１充電池１１の電池容量を算出する。また、第２容量演算回路１９は、抵抗器Ｒ２に並列に接続されており、抵抗器Ｒ２に流れる電流Ｉ２、及び第２充電池１２の電池電圧Ｖｂ２を計測する。そして、これらの計測結果に基づいて計測時点における第２充電池１２の電池容量を算出する。

第１放電電流制限回路２０は、ＦＥＴを含んで構成されており、第１充電池１１から負荷１５に流れる電流Ｉｓ１を監視する。そして、電流Ｉｓ１の大きさが所与の上限値Ｉｔ１を超えた場合には、その旨を制御回路２３に通知する。ここで上限値Ｉｔ１は、第１充電池１１の最大放電電流Ｉｄ１以下の値である。第２放電電流制限回路２１も、第１放電電流制限回路２０と同様にＦＥＴを含んで構成されており、第２充電池１２から負荷１５に流れる電流Ｉｓ２を監視する。そして、電流Ｉｓ２の大きさが所与の上限値Ｉｔ２を超えた場合には、その旨を制御回路２３に通知する。ここで上限値Ｉｔ２は、第２充電池１２の最大放電電流Ｉｄ２以下の値である。なお、これらの電流制限回路による電流制限の具体的な方法については、後述する。

切替回路２２は、スイッチ素子として機能するＦＥＴ２２ａ及び２２ｂを内蔵している。ＦＥＴ２２ａは第１放電電流制限回路２０の出力と接続されており、ＦＥＴ２２ｂは第２放電電流制限回路２１の出力と接続されている。また、切替回路２２の出力は、電力供給路１５ａに接続されており、第１充電池１１及び／又は第２充電池１２から供給される電力がこの電力供給路１５ａを経由して負荷１５に入力される。切替回路２２は、制御回路２３からの指示に応じてこれらのＦＥＴのオン／オフを切り替えることによって、負荷１５に対する電力の供給元を第１充電池１１と第２充電池１２との間で切り替える。

以下、制御回路２３による切り替え制御の具体的な内容について、説明する。負荷１５が動作している間、制御回路２３は、第１放電電流制限回路２０の出力側の電圧Ｖｔ１、及び第２放電電流制限回路２１の出力側の電圧Ｖｔ２の情報を、これらの電流制限回路から定期的に取得する。これらの電圧Ｖｔ１及びＶｔ２は、対応する充電池の電池電圧に対応して変動している。そこで制御回路２３は、取得した電圧の情報を用いて、負荷１５に対する入力を第１充電池１１及び第２充電池１２のいずれかに切り替える。

具体的に制御回路２３は、負荷１５に電力を供給する際には、電池電圧が高い充電池から電力を供給するように入力の切り替えを行う。すなわち、Ｖｔ１＞Ｖｔ２の場合にはＦＥＴ２２ａをオン、ＦＥＴ２２ｂをオフに切り替える。これにより、負荷１５は第１充電池１１から供給される電力によって動作する。逆にＶｔ１＜Ｖｔ２のときには、切替回路２２はＦＥＴ２２ａをオフ、ＦＥＴ２２ｂをオンに切り替える。これにより負荷１５は第２充電池１２から供給される電力により動作する。なお、入力の切り替えを行うか否かの判定に利用する電圧Ｖｔ１及びＶｔ２の値は、複数回の測定結果を移動平均するなどして算出された値であってもよい。

さらに、現在放電中の充電池の電池電圧が低下して他方の充電池の電池電圧を下回った場合、制御回路２３は電力供給元の充電池を切り替える。このときには、頻繁に切り替えが行われないようにするため、電圧差が所定の閾値Ｖｔｈ以上になったタイミングで切り替えを行うこととする。具体例として、第１充電池１１からの電力で負荷１５を動作させている際に、第１充電池１１の電池電圧が低下し、Ｖｔ１＜Ｖｔ２−Ｖｔｈを満たす状態になった場合、制御回路２３は電力の供給元を第１充電池１１から第２充電池１２に切り替える。逆に第２充電池１２からの電力で負荷１５を動作させている間に、第２充電池１２の電池電圧が低下し、Ｖｔ２＜Ｖｔ１−Ｖｔｈを満たす状態になった場合、制御回路２３は電力の供給元を第２充電池１２から第１充電池１１に切り替える。これにより、第１充電池１１と第２充電池１２とを交互に切り替えながら、これらの充電池から供給される電力によって負荷１５を動作させることができる。

図６は、以上説明した電力供給元の切替制御の内容を模式的に説明するグラフである。このグラフでは、横軸が時間、縦軸が電圧を示している。なお、ここでは測定される電圧Ｖｔ１、Ｖｔ２、及び負荷１５に対する供給電圧Ｖｓの変動が簡略化して示されている。また、ここではＦＥＴ等による電圧降下は無視されている。図中では、時刻ｔ１において第１充電池１１から第２充電池１２へ電力供給元が切り替えられており、時刻ｔ２ではその逆の切り替えが行われている。

充電池による放電が継続されると、その電池電圧が次第に低下し、終止電圧（電気機器１ｄの動作に最低限必要な動作可能電圧）に近づくことになる。そこで、一方の充電池からの電力で負荷１５を動作させている間にその電池電圧が終止電圧以下になった場合、制御回路２３は、強制的に電力の供給元を他方の充電池に切り替えることとする。なお、両方の充電池が終止電圧に到達した場合、電気機器１ｄは電池切れの状態となる。

以上説明した放電時の制御中には、第１放電電流制限回路２０及び第２放電電流制限回路２１のそれぞれに内蔵されているＦＥＴはオン状態になっており、そのＦＥＴを流れる電流が監視されている。ここで、各電流制限回路を流れる電流の大きさが所与の上限値を超えた場合、制御回路２３は、対応する電流制限回路を制御して対応する充電池から上限値を超える電流が流れないよう制限する。以下、電流制限回路によって電流を制限する制御のいくつかの具体例について、説明する。

第１の例として、制御回路２３は、電流制限回路を流れる電流の大きさが上限値を超えた場合、その電流制限回路に内蔵されるＦＥＴをオフに切り替えて、電力供給元の充電池を切り替えてもよい。具体的に、第１充電池１１からの電力で負荷１５を動作させている間に、第１放電電流制限回路２０を流れる電流Ｉｓ１の大きさが上限値Ｉｔ１を超えた場合、制御回路２３は、第１放電電流制限回路２０のＦＥＴをオフにするとともに、切替回路２２のＦＥＴ２２ａをオフ、ＦＥＴ２２ｂをオンに切り替える。これにより、それ以降は第２充電池１２から供給される電力によって負荷１５が動作するようになり、第１放電電流制限回路２０に上限値Ｉｔ１を超える電流が流れないようにすることができる。

この第１の例では、その後の負荷１５の動作状況等によって、制御回路２３は第１充電池１１からの電力供給を再開する。具体的に、例えば制御回路２３は、第２放電電流制限回路２１に流れる電流Ｉｓ２を監視し、その大きさが第１放電電流制限回路２０における電流の上限値Ｉｔ１以下になった場合には、第１放電電流制限回路２０のＦＥＴをオンにして、第１充電池１１からの電力供給を再開する。なお、この場合に上限値Ｉｔ１と比較する電流Ｉｓ２の値は、複数回の測定結果を移動平均するなどして算出された値であってもよい。あるいは制御回路２３は、定期的に第１放電電流制限回路２０のＦＥＴ、及び切替回路２２のＦＥＴ２２ａをオンにして流れる電流の大きさを計測してもよい。計測された電流Ｉｓ１が上限値Ｉｔ１を超えていれば、再びこれらのＦＥＴをオフに戻して第２充電池１２からの電力供給を継続する。一方、計測された電流Ｉｓ１が上限値Ｉｔ１以下になった場合には、ＦＥＴをオンのままにし、第１充電池１１からの電力供給を再開する。

第２の例として、第１放電電流制限回路２０及び第２放電電流制限回路２１が定電流回路として機能する例について説明する。この例では、例えば第１充電池１１からの電力供給による動作中、第１放電電流制限回路２０を流れる電流Ｉｓ１の大きさが上限値Ｉｔ１以下の状態であれば、第１放電電流制限回路２０は特に制限をせずにそのまま電流を流す。これに対して、負荷１５の要求する電流が増大して第１放電電流制限回路２０を流れる電流Ｉｓ１の大きさが上限値Ｉｔ１を超えようとすると、第１放電電流制限回路２０が定電流回路として機能し、電流の大きさを上限値Ｉｔ１に制限する。

なお、このような電流制限を行うと、それに伴って電圧降下が生じることになる。その結果、電圧Ｖｔ１が電圧Ｖｔ２−Ｖｔｈを下回った場合、制御回路２３は、前述したように切替回路２２のＦＥＴ２２ａをオフ、ＦＥＴ２２ｂをオンにして、電力供給元を第２充電池１２に切り替える。

以上の説明では常に第１充電池１１及び第２充電池１２のいずれか一方から負荷１５に対して電力を供給することとしたが、電圧Ｖｔ１と電圧Ｖｔ２とが同電位に近い場合、同時に両方の充電池から負荷１５に電力を供給してもよい。また、特に負荷１５が要求する電流が大きい状態において、このような同時供給を行ってもよい。これにより、電源効率を上げることができる。

具体例として、制御回路２３は、Ｖｔ１とＶｔ２との差が所与の閾値Ｖｔｈ２未満になり、かつ、負荷１５が要求する電流が所定の閾値Ｉｔｈ１以上になった場合に、ＦＥＴ２２ａ及び２２ｂの双方をオンに切り替えて、両方から電力が供給されるようにする。なお、この閾値Ｖｔｈ２は、双方の充電池を接続した際に生じる循環電流が双方の充電池の最大放電電流、及び最大充電電流を超えないような値に定められる。この状態において負荷１５が要求する電流が所定の閾値Ｉｔｈ２未満になった場合、制御回路２３は、双方の充電池からの電力供給を中断し、その時点の電圧Ｖｔ１及びＶｔ２に基づいて決定されるいずれかの充電池単体から電力供給を行うように切り替える。このとき、閾値Ｉｔｈ１及びＩｔｈ２は、頻繁に電力供給元の切り替えが行われないようにヒステリシスを持った値とすることが望ましい。

制御回路２３は、充電中にも以上説明したような切替制御を実行してもよい。また、本実施形態に係る電気機器１ｄは、外部電源が接続されている間、複数の充電池を同時に充電してもよいが、一度に一つずつ充電を行ってもよい。この場合、例えば制御回路２３が、各充電池の電池電圧の情報を取得し、この情報に基づいてどちらの充電池を充電するか選択する。具体的には、電池電圧が低い方の充電池を優先的に充電することとする。そして、現在充電中の充電池の電池電圧が、他方の電池電圧を閾値Ｖｔｈ３以上上回れば、充電対象とする充電池を切り替える。このような制御を繰り返すことで、両方の充電池の電池電圧を近い値に保ったまま定電流充電を行うことができる。複数の充電池がともに定電圧充電を行うべき電池電圧に到達したら、両方の充電池を同時に定電圧充電する。このような制御によれば、最初から両方の充電池を同時に充電する場合と比較して、必要な外部電源の電力供給能力を抑えることができる。また、充電回路による発熱を抑えることができる。なお、ここでは電池電圧を比較してどちらの充電池を充電するか決定することとしたが、これに代えて、第１容量演算回路１８及び第２容量演算回路１９によって算出された各充電池の電池容量の絶対値（Ａｈ）や容量率（％）を比較してもよい。

なお、本実施形態においても、第２の実施形態と同様、負荷１５の要求する電流の大きさが第２充電池１２の最大放電電流Ｉｄ２を超えないのであれば、第２放電電流制限回路２１は必須ではない。

以上説明したように、本発明の各実施形態に係る電気機器によれば、複数の充電池を併用する場合に、それぞれの充電池に流れる充電電流、及びそれぞれの充電池から流れる放電電流が充電池の最大充電電流や最大放電電流を超えないように制御することができる。

なお、本発明の実施の形態は、以上説明したものに限られない。例えば以上の説明におけるＦＥＴの代わりにその他のスイッチ素子を利用してもよい。また、以上の説明では各充電回路はＤＣ／ＤＣコンバータタイプのものとであることとしたが、ＬＤＯタイプなど、その他の方式のものであってもよい。さらに、以上の説明で互いに独立した複数の集積回路で実現することとした機能は、一つの集積回路によって実現されてもよい。逆に、一つの集積回路によって実現することとした機能を、複数の集積回路に分散して実現してもよい。その他、電気機器の回路構成は以上説明したものに限られず、同様の機能を発揮する各種の構成であってよい。

また、以上の説明では２個の充電池のみを充電制御の対象としたが、３個以上の充電池を対象に同様の制御を行ってもよい。この場合も、複数の充電池のうち、少なくとも一部の充電池に対して直列に接続される充電電流制限回路や放電電流制限回路を設けることで、各充電池に流れる電流が最大充電電流や最大放電電流を超えないようにすることができる。

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ電気機器、１１第１充電池、１２第２充電池、１３充電回路、１３ａ第１放電電流制限回路、１３ｂ第１充電電流制限回路、１３ｃ第２放電電流制限回路、１３ｄ第２充電電流制限回路、１４電源端子、１５負荷、１５ａ電力供給路、１６第１充電回路、１７第２充電回路、１８第１容量演算回路、１９第２容量演算回路、２０第１放電電流制限回路、２１第２放電電流制限回路、２２切替回路、２３制御回路。

Claims

第１充電池と、当該第１充電池に並列接続され、許容される最大放電電流、及び最大充電電流が当該第１充電池よりも大きい第２充電池と、を内蔵する電気機器であって、
前記第１充電池、及び前記第２充電池から供給される電力を負荷に入力する電力供給路と、
前記第１充電池に直列に接続され、前記第１充電池から前記第２充電池及び／又は前記電力供給路に流れる放電電流が当該第１充電池の最大放電電流を超えないよう制御する放電電流制限回路と、
前記第１充電池に直列に接続され、外部の電力供給源、及び／又は前記第２充電池から前記第１充電池に流れる充電電流が当該第１充電池の最大充電電流を超えないよう制御する充電電流制限回路と、
前記外部の電力供給源から供給される電力を所与の出力電圧に変換して前記第１充電池及び前記第２充電池の双方に対して供給し、前記第１充電池及び前記第２充電池の双方を充電する充電回路と、
を備え、
前記負荷に対する放電、及び外部の電力供給源からの充電のいずれも行っていない場合に、前記第１充電池の電池電圧が前記第２充電池の電池電圧よりも高ければ前記放電電流制限回路を動作させ、前記第２充電池の電池電圧が前記第１充電池の電池電圧よりも高ければ前記充電電流制限回路を動作させ、
前記充電回路は、前記第２充電池に流れる充電電流が前記第２充電池の最大充電電流以下になるように前記出力電圧を制御する
ことを特徴とする電気機器。
請求項１に記載の電気機器において、
前記負荷の動作によって前記第１充電池から前記電力供給路に流れる放電電流が最大放電電流を超えようとする場合に、前記放電電流制限回路を動作させる
ことを特徴とする電気機器。
請求項１又は２に記載の電気機器において、
前記第１充電池及び前記第２充電池の双方を充電する場合に、前記充電電流制限回路を動作させる
ことを特徴とする電気機器。