JPH0538064A - 携帯用電子機器の電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電池残存容量があるうちに電池が放電末期にな
ったことが検知することができ、残存容量が少なくなっ
てもある程度の時間は機器を使用できる携帯用電子機器
の電源装置を提供することを目的とする。 【構成】リチウム、リチウム合金またはリチウムを含む
化合物からなる負極と、放電作動電圧の異なる２種類以
上の正極活物質からなる正極及び非水溶媒中に電解質を
溶解した電解液をそれぞれ有する複数の非水溶媒二次電
池１１ａ〜１１ｎと、電池１１ａ〜１１ｂの合成電圧を
検出する電圧検出回路１３と、この電圧検出回路１３に
より検出された電圧が設定下限値に達したとき電池の接
続状態を並列接続から直列接続に切り替えるスイッチン
グ回路１２とを有する電源装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、携帯用電子機器の電源
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】携帯電話機、携帯無線機その他の携帯用
電子機器においては、電源として従来よりマンガン電
池、アルカリマンガン電池などの一次電池や、ニッケル
カドミウム電池、鉛電池などの二次電池が使用されてい
る。特に最近では、経済性と便利さから二次電池の利用
が増大している。これらの電池は放電末期には電圧が急
激に低下しやがて使用できなくなることから、機器の使
用中、すなわち電池が完全に消耗する前に、電池残存容
量を検知して放電末期に達したことを知ることが望まれ
ている。

【０００３】電池の残存容量が残っているうちに放電末
期を検知することは難しいため、電池電圧や電池使用履
歴により電池残存容量を予測することが行われている。
しかしながら、電池電圧は放電電流によって異なり、ま
た電池使用履歴を調べるには電流値、電圧値および温度
を常に記憶させておかなければならない。このようなこ
とから電池が放電末期に達し、電池交換または充電を行
うべき時期を知ることが明確に知ることができず、機器
の使用中に電池残存容量がなくなってしまい、機器を使
用することができなくなるという問題がしばしば起こっ
ている。特に、携帯電話機では通話中に電池残存容量が
なくなると通話が中断されてしまい、大きな問題となっ
ている。

【０００４】また、携帯電話機はユーザーによって使用
頻度が種々異なるため、要求される電池容量も様々であ
る。この要求に応えるために、複数種類の容量の電池が
用意され、電池パックの交換によって所望の電池容量を
選べるようになっている。しかし、この方式では多種類
の容量の電池を用意しようとすると、それに伴って異な
る電池パックを多品種製造しなくてはならないので、生
産コストが高くなってしまう。

【０００５】一方、電池の高エネルギー密度化が電池の
小型化の鍵であることはいうまでもない。これまで各種
の電池が開発されているが、民生用として利用が可能な
電池の中で、現在最もエネルギー密度が大きい電池はリ
チウム電池である。しかし、リチウム電池を携帯電話機
のような大電流を必要とする機器に使用するには、難点
がある。リチウム電池は大電流で長時間放電すると、発
熱が大きくなる。このため、リチウム電池は現状ではカ
メラのフィルム巻取りモータのような間欠使用の用途に
専ら利用されており、連続使用される携帯電話機などに
は安全性の観点から使われていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の技術では電池を使用した携帯用電子機器において電池
の消耗状態を残存容量があるうちに検知することができ
ないため、機器の使用中に電池残存容量がなくなって機
器が使用不能となる場合があった。

【０００７】また、従来の技術では使用頻度の種々異な
るユーザに対応するため、電池容量の異なる多種類の電
池パックを用意する必要があり、生産コストが高くなる
という問題があった。

【０００８】さらに、従来の技術ではリチウム電池のよ
うな高エネルギー密度の小型化に適した電池を大電流を
必要とする携帯用電子機器に使用することは発熱の問題
から困難であった。

【０００９】本発明は、電池残存容量があるうちに電池
が放電末期になったことが検知することができ、残存容
量が少なくなってもある程度の時間は機器を使用できる
携帯用電子機器の電源装置を提供することを第１の目的
とする。

【００１０】本発明は、電源として使用する電池容量を
ユーザの希望に応じて任意に設定でき、しかも高エネル
ギー密度の電池を使用しても発熱が少なく安全性に優れ
た携帯用電子機器の電源装置を提供することを第２の目
的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は第１の目的を達
成するため、リチウム、リチウム合金またはリチウムを
含む化合物からなる負極と、放電作動電圧の異なる２種
類以上の正極活物質からなる正極および非水溶媒中に電
解質を溶解した電解液をそれぞれ有する複数の非水溶媒
二次電池と、これら複数の二次電池の合成電圧を検出す
る電圧検出回路と、この電圧検出回路により検出された
電圧が設定下限値に達したとき少なくとも一部の二次電
池を並列接続から直列接続に切り替えるスイッチング回
路とを具備することを特徴とする。

【００１２】ここで、上記電池の負極を構成するリチウ
ム合金としては、例えばＬｉＡｌ，ＬｉＰｂ，ＬｉＳ
ｎ，ＬｉＢｉ等を挙げることができ、またリチウムを含
む化合物としては、例えばリチウムイオンをドープした
ポリアセタール，ポリアセチレン，ポリピロールなどの
導電性高分子、リチウムイオンをドープさせた有機物焼
成体からなる炭素材等を挙げることができる。

【００１３】また、上記電池の正極活物質としては、例
えば４Ｖ系ではＬｉＣｏＯ₂ ，ＬｉＮｉＯ₂ およびＬｉ
Ｍｎ₂ Ｏ₄ 等、３Ｖ系ではＭｎＯ₂ ，Ｖ₂ Ｏ₅ ，ＬｉＭ
ｎ₂Ｏ₄ およびＣｒ₃ Ｏ₈ 等、２系ではＴｉＳ₂ ，Ｍｏ
Ｓ₂ ，Ｖ₆ Ｏ₁₃，ＭｏＯ₃ 等をそれぞれ挙げることがで
きる。

【００１４】上記電池の正極としては、例えば４Ｖ系正
極活物質から選ばれた少なくとも１種と３Ｖ系正極活物
質から選ばれた少なくとも１種との混合物を主成分と
し、これと導電材および結着材とにより構成されたも
の、例えば４Ｖ系正極活物質から選ばれた少なくとも１
種と２Ｖ系正極活物質から選ばれた少なくとも１種との
混合物を主成分とし、これと導電材および結着材とによ
り構成されたもの等を挙げることができる。

【００１５】上記電池の電解液を構成する非水溶媒とし
ては、例えば、エチレンカーボネート，2-メチルテトラ
ヒドロフラン，1,2-ジメトキシエタン、ジエトキシエタ
ン，1,3-ジオキソラン，1,3-ジメトキシプロパンおよび
プロピレンカーボネートから選ばれる１種または２種以
上の混合物を挙げることができる。また、この電解液を
構成する電解質としては、例えば、ＬｉＢＦ₄ ，ＬｉＰ
Ｆ₆ ，ＬｉＣｌＯ₄ ，ＬｉＡｓＦ₆ ，ＬｉＣＦ₃ ＳＯ₃
およびＬｉＡｌＣ_l4 から選ばれる１種または２種以上
のリチウム塩を用いることができる。このリチウム塩
は、前記の非水溶媒中に０．５〜１．５モル／ｌ溶解さ
せることが望ましい。

【００１６】また、本発明は第２の目的を達成するた
め、積層配置され、かつ直列接続された複数の電池と、
これら複数の電池の合成電圧をこれより低電圧に変換し
て電源出力とする降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータとを具備
することを特徴とする。

【００１７】

【作用】本発明においては、二次電池に放電作動電圧の
異なる２種類以上の正極活物質から構成される正極を用
いることにより、放電電圧は放電末期において一旦急激
に低下した後、ある時間は電圧を維持し、再び低下する
ような二段階の変化を示す。この場合、１回目の急激な
電圧変化を示した後は、電池にある程度の容量は残って
おり、この時点での電池残存容量は予め定量された低電
圧正極活物質の容量により決まる。

【００１８】従って、電池の合成電圧が例えば携帯用電
子機器の動作可能下限電圧値に相当する設定下限値に低
下したとき、スイッチング回路により複数の電池の少な
くとも一部の接続状態を並列接続から直列接続に切り替
えて合成電圧を上昇させることにより、その合成電圧、
つまり機器に供給される電源電圧は機器の動作可能下限
電圧値以上に短時間の間は保たれることになる。

【００１９】また、本発明では複数の電池を積層配置す
ることにより、積層数を変えることで容易に全体の電池
容量を変えることができる。さらに、これら複数の電池
を直列接続した上で、その合成電圧を降圧形ＤＣ−ＤＣ
コンバータで降圧して機器に電源として供給することに
よって、個々の電池からの放電電流は減少する。これに
より電池の発熱が減少し、リチウム電池のような高エネ
ルギー密度の電池でも安全に使用することが可能とな
る。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は、本発明の一実施例に係る電源装置のブロ
ック図である。

【００２１】図１において、電源部１１は複数の電池１
１ａ〜１１ｎを有し、スイッチング回路１２に接続され
ている。スイッチング回路１２は電池１１ａ〜１１ｎの
接続状態を並列接続と直列接続とに切り替え、電池１１
ａ〜１１ｎの並列または直列合成電圧を出力する回路で
あり、電子的制御によりオン・オフが可能な複数のスイ
ッチ素子により構成される。但し、スイッチング回路１
２は通常の状態では電池１１ａ〜１１ｎの接続状態を並
列接続にしているものとする。

【００２２】スイッチング回路１２の出力は電圧検出回
路１３に入力されると共に、電源出力端子１４ａ，１４
ｎを介して携帯電話機本体１５の電源入力端に供給され
る。電圧検出回路１３は、スイッチング回路１２から出
力される電池１１ａ〜１１ｎの合成電圧を検出し、それ
が設定下限値、例えば３Ｖ以下に低下したときスイッチ
ング回路１２に制御信号を供給し、電池１１ａ〜１１ｎ
の接続状態を並列接続から直列接続へと切り替える制御
を行う。電圧検出回路１３は例えば電圧比較器により実
現することができる。

【００２３】図３は、図１における電池１１ａ〜１１ｎ
として用いる二次電池の断面図である。図３において
は、底部に絶縁体２が配置された有底円筒状のステンレ
ス容器１内に、電極群３が収納されている。この電極群
３は、正極４、セパレータ５および負極６をこの順序で
積層した帯状物を負極６が外側に位置するように渦巻状
に巻回した構造となっている。正極４には、次のような
方法により作製したものを用い、セパレータ５にはポリ
プロピレン製多孔質フィルム、負極６には帯状リチウム
箔をそれぞれ用いた。

【００２４】まず、炭酸リチウム（Ｌｉ₂ Ｏ₃ ）と炭酸
コバルト（ＣｏＣＯ₃ ）とをモル比１：２となるように
配合し、十分に混合した後、空気中９００℃で１０時間
熱処理した。得られた生成物はＸ線回折によりＬｉＣｏ
Ｏ₂ であることが確認された。次に、五酸化バナジウム
Ｖ₂ Ｏ₅ と五酸化リン（Ｐ₂ Ｏ₅ ）とをモル比９５：５
となるように配合し、十分に混合した後、白金るつぼで
９００℃で溶解させ、回転しているステンレス製のロー
ル上にこの溶解物を滴下して急冷させた。得られた生成
物はＸ線回折測定によりアモルファスであることが確認
された。続いて、先のＬｉＣｏＯ₂ とＶ₂ Ｏ₅ とをモル
比９：１で混合し、この混合物８０重量％をアセチレン
ブラック１５重量％およびポリテトラフルオロエチレン
粉末５重量％と共に混合した後、シート化し、エキスパ
ンドメタル集電体に圧着することによって、幅４０mm、
長さ２００mmの帯状正極を作製した。

【００２５】また、容器１内にはプロピレンカーボネー
トと1,2-ジメトキシエタンとの体積比１：１の混合溶媒
に１モル／ｌ濃度の六弗化砒酸リチウム（ＬｉＡｓ
Ｆ₆ ）を溶解した電解液が収納されている。電極群３上
には、中央部が開口された絶縁紙７が載置されている。
さらに、容器１の上部開口部には絶縁封口板８が容器１
へのかしめ加工等により液密に設けられており、この絶
縁封口板８の中央に正極端子９が嵌合されている。この
正極端子９は、電極群３の正極４に正極リード１０を介
して接続されている。なお、電極群３の負極６は図示し
ない負極リードを介して負極端子である容器１に接続さ
れている。

【００２６】（比較例）電池の正極活物質としてＬｉＣ
ｏＯ₂ のみを用い、図３の実施例の電池と同様にして電
池を作製した。この比較例の電池を図１の電池１１ａ〜
１１ｎとして用いた。そして、実施例の電池と比較例の
電池を放電電流２００ｍＡで放電したときの電源部１１
の放電電圧を測定した。その結果を図２に示す。図２中
のＡは実施例の電池の放電特性、Ｂは比較例の電池の放
電特性を示す。但し、Ａ，Ｂはいずれも電池１１ａ〜１
１ｎを並列接続した状態での特性である。

【００２７】図２から明らかなように、実施例の電池を
用いた場合は、放電末期で一旦電圧が急激に低下した
後、一定時間電圧を維持するように電圧が二段階にわた
って変化する。また、電圧急変後の放電時間は低電圧の
正極活物質の量により決まる。この電圧急変後に電圧が
維持されている期間中に、電池１１ａ〜１１ｎの合成電
圧は設定下限値に達するので、これを電圧検出回路１３
により検出することができる。電池１１ａ〜１１ｎの合
成電圧が設定下限値に達したことを電圧検出回路１３が
検出すると、スイッチング回路１２によって電池１１ａ
〜１１ｎの接続状態が直列接続に切り替えられる。

【００２８】こうして電池１１ａ〜１１ｎの接続状態が
直列接続に切り替わると、この時点では電池１１ａ〜１
１ｎの残存容量がある程度あるため、スイッチング回路
１２を介して出力される電池１１ａ〜１１ｎの合成電圧
は図３のＣのように上昇し、携帯電話機本体１５の電源
電圧は動作可能下限電圧値以上にある期間は保持され
る。従って、携帯電話機本体１５の使用をその間続行す
ることができる。

【００２９】一方、比較例の電池を使用した場合は、放
電末期には電圧が急激に低下すると共に、電池残存容量
がほとんど零になってしまうため、電圧変化からは電池
残存容量が残っているうちに放電末期を検知することは
できないので、放電末期になると直ちに機器の使用が不
可能となってしまう。

【００３０】このように本実施例によれば、放電末期に
達した後も一定時間継続して機器を使用することがで
き、例えば携帯電話機において通話中に突然通話が不能
になるといった事態を避けることができる。また、電圧
検出回路１３により電池１１ａ〜１１ｎの合成電圧が設
定下限値に達したとき、電池１１ａ〜１１ｎの接続状態
を直列接続に切り替えると同時に、アラームや表示によ
り電池残存容量が少なくなったことをユーザーに知ら
せ、電池の充電や交換を促すようにすることも可能であ
る。

【００３１】なお、上記の実施例では電池１１ａ〜１１
ｎを常時は並列接続とし、電圧検出回路１３の出力によ
って直列接続にするものと説明したが、電池が３個以上
の場合、一部だけ直列接続にするようにしてもよく、要
は電圧検出回路１３により充電末期を検出したとき電池
１１ａ〜１１ｎの合成電圧が上昇するように接続状態を
切り替えれば所期の目的を達成することできる。

【００３２】次に、本発明の他の実施例を説明する。図
４は、本発明の他の実施例に係る携帯電話機の概略図で
ある。携帯用電話機本体２１の底面に降圧形ＤＣ−ＤＣ
コンバータ２２が配置され、その下部に複数（この例で
は２個）の板状電池２３ａ，２３ｂが積層され、最下層
の電池２３ｂの下部にボトムキャップ２４が設けられて
いる。電池２３ａ，２３ｂは例えば図３に示したような
二次電池が用いられるが、他の電池を用いても構わな
い。

【００３３】電池２３ａ，２３ｂはボトムキャップ２４
を介してＤＣ−ＤＣコンバータ２２の入力端子対間に直
列接続され、その直列合成電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ
２２に入力される。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は降圧形
であるため、入力された直流電圧をこれより低い電圧に
変換して出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の出力電
圧は、携帯電話機本体２１の電源入力に供給される。

【００３４】このように構成された携帯電話機では、複
数の電池２３ａ，２３ｂが積層された構成となっている
ため、その積層数を変えることにより、ユーザーの希望
に応じて全体の電池容量を任意に増減させることができ
る。例えば長時間の使用が想定される場合は積層数を大
きくし、短時間の使用には積層数を少なくして全体を軽
量化することができる。

【００３５】また、電池２３ａ，２３ｂを直列接続して
電池単体よりも高い電圧を発生させた上で、その合成電
圧をＤＣ−ＤＣコンバータ２２により降圧して携帯電話
機本体２１に供給するため、電池２３ａ，２３ｂの放電
電流は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の変換効率にもよる
が、携帯電話機本体２１が必要とする電源電流よりも小
さくなる。従って、電池２３ａ，２３ｂにリチウム電池
のようなエネルギー密度の高い電池を使用しても発熱は
抑えられ、安全性が向上する。

【００３６】さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の出力
電圧を可変とすることにより、携帯電話機の送信電力や
動作可能時間を変えることできる。すなわち、ＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータ２２の出力電圧を高くすれば、送信電力が
増大し、出力電圧を低くすれば動作可能時間を延ばし、
電池寿命を実質的に長くすることが可能である。これら
はユーザーが携帯電話機の利用形態に応じて選ぶことが
できる。

【００３７】図５は、図４の要部の構造を詳細に示す断
面図であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２と電池２３ａ，
２３ｂおよびボトムキャップ２４の相互の電気的な結合
状態を示している。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の底面に
は、入力端子対として陽極側端子３１，３２が設けられ
ている。電池２３ａ，２３ｂの上面には一方側に偏移し
た位置に陽極３３がそれぞれ設けられ、電池２３ａ，２
３ｂの下面の陽極３３直下の位置には陰極３４がそれぞ
れ設けられている。陽極３３の表面は凸状に形成され、
また陰極３４の表面は陽極３３の表面の凸状に合致する
凹状に形成されている。

【００３８】さらに、電池２３ａ，２３ｂの陽極３３お
よび陰極３４が設けられた側と反対側に、棒状の貫通電
極３５が表裏面を貫通してそれぞれ設けられている。貫
通電極３５の周囲には、絶縁筒３６が配置されている。
貫通電極３５の上端には凸部３５ａが形成され、下端に
は該凸部３５ａに合致する形状の凹部３５ｂが形成され
ている。これらの凸部３５ａ，３５ｂは、貫通電極３５
相互間および貫通電極３５とＤＣ−ＤＣコンバータ２２
やボトムキャップ２４との間の接触を良好にするための
緩衝電極として用いられる。

【００３９】一方、ボトムキャップ２４の最下層の電池
２３ｂの陰極３４に対応する位置には、陰極３４と合致
する形状の陰極受け電極３７が形成され、また電池２３
ｂ内の貫通電極３５の下端（凹部３５ｂ）に対応する位
置には、凹部３５ｂと合致する形状の陰極立ち上げ電極
３８が形成されている。さらに、これら陰極受け電極３
７と陰極立ち上げ電極３８間を連絡する連絡電極３９が
ボトムキャップ２４内に設けられている。

【００４０】図５のように電池２３ａ，２３ｂをＤＣ−
ＤＣコンバータ２２の下部に積層すし、さらに電池２３
ｂの下部にボトムキャップ２４を取り付けると、ＤＣ−
ＤＣコンバータ２２の陽極側端子３１と電池２３ａの陽
極３３が接触し、電池２３ａの陰極３４と電池２３ｂの
陽極３３が接触し、電池２３ｂの陰極３４とボトムキャ
ップ２４上の陰極受け電極３７が接触し、ボトムキャッ
プ２４上の陰極立ち上げ電極３８と電池２３ｂ内の貫通
電極３５の下端とが接触し、電池２３ｂ内の貫通電極３
５の上端と電池２３ａ内の貫通電極３５の下端が接触
し、電池２３ａ内の貫通電極３５の上端とＤＣ−ＤＣコ
ンバータ２２の陰極側端子３２とが接触する。これによ
りＤＣ−ＤＣコンバータ２２の陽極側端子３１と陰極側
端子３２間に、電池２３ａ，２３ｂが直列に接続される
ことになる。

【００４１】このような構造とすれば、電池２３ａ，２
３ｂ，…の積層数を容易に増減できる。また、電池２３
ａ，２３ｂは同一構造であるため、電池の生産コストを
下げることができる。

【００４２】なお、図４および図５では図示してない
が、携帯電話機本体２１、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２、
電池２３ａ，２３ｂおよびポトムキャップ２４を機械的
に一体化し、かつ少なくともＤＣ−ＤＣコンバータ２２
と電池２３ａ，２３ｂおよびポトムキャップ２４間をワ
ンタッチで切り離せることができるような保持具を備え
ていもよい。以上の実施例では本発明を携帯電話機に適
用した例について説明したが、本発明はページャその他
の携帯用電子機器にも適用することができる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、放電作動電圧の異なる
２種類以上の正極活物質から構成される正極を有する二
次電池を複数個用い、これらの電池の合成電圧が設定下
限値に低下したとき、複数の電池の少なくとも一部の接
続状態を並列接続から直列接続に切り替えて合成電圧を
上昇させることにより、電池の放電末期において携帯電
話機などの携帯用電子機器に供給する電源電圧を動作可
能下限電圧値以上に所定期間保つことで、通話が不意に
中断されるような事態を避けることができる。

【００４４】また、本発明では複数の電池を積層配置す
ることにより、ユーザーの希望に応じて容易に全体の電
池容量を変えることが可能であり、さらに複数の電池を
直列接続しその合成電圧を降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータ
で降圧して機器に電源として供給することで、個々の電
池からの放電電流を減少させて発熱を少なくし、リチウ
ム電池のような高エネルギー密度の電池を用いた場合で
も高い安全性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図

【図２】同実施例で用いた電池および比較例の電池の放
電特性を示す図

【図３】同実施例で用いた電池の構成を示す断面図

【図４】本発明の他の実施例を示す概略構成図

【図５】同実施例の要部の構成を示す断面図

【符号の説明】

１…容器 ３…電極群 ４…正極 ５…セパレータ ６…負極 ８…封口板 ９…正極端子 １１…電源部 １１ａ〜１１ｎ…電池 １２…スイッチン
グ回路 １３…電圧検出回路 １４ａ，１４ｂ…
電源出力端子 １５…携帯電話機本体 ２１…携帯電話機
本体 ２２…ＤＣ−ＤＣコンバータ ２３ａ，２３ｂ…
電池 ２４…ボトムキャップ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】リチウム、リチウム合金またはリチウムを
   含む化合物からなる負極と、放電作動電圧の異なる２種
   類以上の正極活物質からなる正極および非水溶媒中に電
   解質を溶解した電解液をそれぞれ有する複数の非水溶媒
   二次電池と、 これら複数の二次電池の合成電圧を検出する電圧検出回
   路と、 この電圧検出回路により検出された電圧が設定下限値に
   達したとき少なくとも一部の二次電池を並列接続から直
   列接続に切り替えるスイッチング回路とを具備すること
   を特徴とする携帯用電子機器の電源装置。
2. 【請求項２】積層配置され、かつ直列接続された複数の
   電池と、 これら複数の電池の合成電圧をこれより低電圧に変換し
   て電源出力とする降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータとを具備
   することを特徴とする携帯用電子機器の電源装置。