JPH0963597A - コンデンサーを内蔵するパック電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大容量のコンデンサーを電池と直列に接続し
て、大電流放電するときの出力電圧の低下を効果的に防
止し、さらに、コンデンサーの漏れ電流に起因する電池
の放電を防止する。 【解決手段】 コンデンサー１と電池２との間に、パッ
ク電池を電気機器４に装着した状態でオン、パック電池
を電気機器４から外した状態でオフとなるスイッチ３を
接続している。スイッチ３は、電気機器４に装着した状
態で、コンデンサー１と電池２とを並列に接続し、電気
機器４から外した状態では、コンデンサー１を電池２か
ら切り離す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電池と並列にコン
デンサーを接続しているパック電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】電池と並列にコンデンサーを接続してい
るパック電池は、たとえば特開平３−５５７６２号公報
に記載されている。この公報に記載されるパック電池
は、図１に示すように、電池２と並列に接続されたコン
デンサー１から電気機器に放電電流を供給する。この公
報に記載されるパック電池は、パック電池の放電を開始
した直後に、電池電圧が低下するのをコンデンサー１で
防止する。たとえば、塩化チオニル型リチウム電池は、
放電を開始した直後に電圧が低下する電圧遅延が発生す
る。それは、放電前のリチウム電極の表面に、内部抵抗
の大きいハロゲン化リチウム膜が形成されて、電池の内
部抵抗を大きくするからである。この膜は放電を開始す
ると薄くなって電池の内部抵抗を小さくするが、膜が薄
くなるまでは内部抵抗が大きくなって、パック電池の出
力電圧を低下させる。

【０００３】この弊害を防止するために、図１に示すパ
ック電池は、電池にコンデンサー１を並列に接続してい
る。コンデンサー１は、内部抵抗が小さいので、パック
電池の放電を開始した直後に放電して、パック電池の出
力電圧の低下を少なくできる。コンデンサー１は、パッ
ク電池を放電しないときに電池電圧まで充電されてい
る。このため、パック電池の放電を開始した直後に、コ
ンデンサーが放電して出力電圧の低下を少なくできる。

【０００４】さらに、電池２と並列にコンデンサー１を
接続しているパック電池は、一時的に大電流放電させる
パルス放電のときの出力電圧の低下も少なくできる。大
電流で放電するときに、内部抵抗の小さいコンデンサー
１から電流が供給されるからである。このため、コンデ
ンサーを内蔵するパック電池は、一時的に大電流を流す
パルス放電の負荷に使用して、実質的に出力電圧を高く
できる特長がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、コンデ
ンサーを電池に並列に接続するパック電池は、満充電し
た後、長い時間放電しないで放置すると、放電できる容
量が少なくなってしまう欠点がある。また、コンデンサ
ーによって内蔵される電池が過放電されて電池性能が低
下する弊害も発生する。それは、コンデンサーが微小な
漏れ電流で常時放電されるので、コンデンサーの放電を
補うために、電池からコンデンサーに充電電流が流れて
電池が連続的に放電されるからである。

【０００６】とくに、コンデンサーを接続する効果を大
きくする、いいかえると、大電流で放電したときの出力
電圧の低下を少なくするために、コンデンサーの静電容
量を大きくすると、この弊害は大きくなる。コンデンサ
ーの静電容量に比例して漏れ電流が大きくなり、コンデ
ンサーを充電するために電池が無駄に放電されるからで
ある。漏れ電流による弊害を少なくするために、電池に
接続するコンデンサーの静電容量を小さくすると、コン
デンサーの効果が極減される。コンデンサーに蓄えられ
るエネルギーが、コンデンサーの静電容量に比例するか
らである。このため、電池と並列に連結されるコンデン
サーは、たとえば、数百μＦ以上の大容量のものが使用
される。

【０００７】本発明は、コンデンサーを内蔵するパック
電池の欠点を解決することを目的に開発されたものであ
る。本発明の重要な目的は、大容量のコンデンサーを内
蔵して、大電流放電するときの出力電圧の低下を効果的
に防止して、しかもコンデンサーの漏れ電流に起因する
弊害を極減できるコンデンサーを内蔵するパック電池を
提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
されるパック電池は、瞬間的な過大電流を効率よく出力
するために、電池２と大容量のコンデンサー１を並列に
接続している。コンデンサー１と電池２との間には、パ
ック電池を電気機器４に装着するとオン、電気機器４か
ら外すとオフになるスイッチ３を接続している。このス
イッチ３は、電気機器４にパック電池を装着したとき
に、コンデンサー１を電池２と並列に接続するが、パッ
ク電池を電気機器４から外すと、コンデンサー１を電池
２から電気的に切り離す。電池２から切り離されたコン
デンサー１は、漏れ電流が流れても、電池２から充電電
流が供給されることがなく、電池２の無駄な放電を防止
できる。

【０００９】さらに、本発明の請求項２に記載されるパ
ック電池は、コンデンサー１と電池２との間に、コンデ
ンサー１の漏れ電流の無駄な消費を阻止するスイッチ３
として、スイッチング素子３Ａを接続している。スイッ
チング素子３Ａは、パック電池を電気機器４に装着され
たことを検出する制御回路５に接続して制御される。パ
ック電池が電気機器４に接続されると、制御回路５はス
イッチング素子３Ａをオンに切り換えて、コンデンサー
１を電池２と並列に接続する。パック電池が電気機器４
から外されると、制御回路５はスイッチング素子３Ａを
オフに切り換える。このため、パック電池が電気機器４
から外されると、コンデンサー１に漏れ電流が流れて
も、電池２はコンデンサー１を充電しない。

【００１０】さらに、本発明の請求項３に記載されるパ
ック電池は、スイッチング素子３Ａをオンオフに制御す
る制御回路に、パック電池を電気機器４から外した状態
で、電池２の短絡を阻止するショート防止回路６の制御
回路５を併用する。

【００１１】本発明のパック電池は、電気機器４に装着
されるとスイッチ３がオンになる。オン状態のスイッチ
３は、コンデンサー１を電池２と並列に接続する。この
状態で、コンデンサー１は電池電圧まで充電される。パ
ック電池が大電流でパルス放電されると、大電流が流れ
るときにコンデンサー１から負荷に電流が供給される。
コンデンサー１の内部抵抗が、電池２の内部抵抗よりも
相当に小さいからである。このため、図２に示すよう
に、大電流でパルス放電するとき、電池２のみでは出力
電圧が実線のように低下するのを、コンデンサー１を放
電することで、鎖線で示すように防止できる。ただし、
この図は、電池２にリチウムイオン二次電池を使用し、
電池２と並列に１０００μＦの電解コンデンサー１を接
続し、２００Ｈｚで１／８dutyのパルス放電をしたとき
の電圧特性を示す。ただし、パルス放電は、大電流を
１．５Ａ、小電流を０．１５Ａに設定している。

【００１２】コンデンサーに蓄えられるエネルギーは、
コンデンサーの静電容量と、コンデンサーの電圧の自乗
の積に比例する。したがって、コンデンサーの静電容量
を大きくすると、コンデンサーから負荷に供給できる電
力を大きくして、パック電池の出力電圧の低下を少なく
できる。

【００１３】パック電池を電気機器４から外すと、制御
回路５がこのことを検出してスイッチ３をオフに切り換
える。スイッチ３がオフになると、コンデンサー１は電
池２から切り離される。このため、電気機器４から外さ
れたパック電池は、コンデンサー１に充電電流が流れる
ことがなく、コンデンサー１の漏れ電流に起因する電池
の無駄な放電を防止できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態
は、本発明の技術思想を具体化するためのパック電池を
例示するものであって、本発明はパック電池を下記のも
のに特定しない。

【００１５】さらに、この明細書は、特許請求の範囲を
理解し易いように、実施の形態に示される部材に対応す
る番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解
決するための手段の欄」に示される部材に付記してい
る。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形
態の部材に特定するものでは決してない。

【００１６】図３に示すパック電池は、二次電池２と、
スイッチ３と、コンデンサー１と、制御回路５とを備え
る。二次電池２は、リチウムイオン二次電池、ニッケル
−カドミウム電池、ニッケル−水素電池等の充電できる
電池である。二次電池２にリチウムイオン二次電池を使
用するパック電池は、コンデンサー１で二次電池２の大
電流特性を特に好ましい状態に改善できる。リチウムイ
オン二次電池は、重量に対する容量は大きいが、ニッケ
ル−カドミウム電池のように、優れた大電流特性を示さ
ない。このため、電池にリチウムイオン二次電池を内蔵
するパック電池は、コンデンサーで大電流特性を改善す
ることにより、瞬間的な大電流のパルス放電に優れた放
電特性を示し、また容量も大きくできる特長がある。

【００１７】コンデンサー１には大容量の電解コンデン
サーが使用される。コンデンサー１の静電容量は、負荷
に供給する最大電流と、最大電流を流す時間とを考慮し
て最適値に設計される。大電流を長く流す負荷に使用す
るパック電池は、コンデンサー１の静電容量を大きくし
て、負荷に供給できる電力を大きくする。コンデンサー
１は負荷に電力を供給して放電されると次第に電圧が低
下する。コンデンサー１は、負荷に接続した瞬間から、
電池電圧に低下するまで、負荷に電力を供給し続ける。
コンデンサーに蓄えられる電力Ｗは、静電容量をＣ、コ
ンデンサーの電圧をＥとするとき、下記の式で示される
値となる。 Ｗ＝１／２×Ｃ×Ｅ²

【００１８】コンデンサーの静電容量を大きくすると、
蓄える電気エネルギーも大きくできる。ただ、コンデン
サーは静電容量を大きくすると大型になる。しだかっ
て、パック電池に内蔵されるコンデンサーは、大きさと
蓄えられるエネルギーとを考慮して最適値に決定され
る。コンデンサーの静電容量は、たとえば、１００μＦ
〜１Ｆ、好ましくは、２００〜１０，０００μＦ、さら
に好ましくは５００〜５０００μＦに決定される。コン
デンサー１には、小型で大容量で内部抵抗の小さい電解
コンデンサーが使用される。

【００１９】スイッチ３に使用されるスイッチング素子
３Ａには、ＦＥＴが最適である。ＦＥＴは、オン状態
で、電池２がコンデンサー１を充電し、オフ状態では、
コンデンサー１を充電しないように接続される。ＦＥＴ
は、寄生ダイオードＤによって、オンオフに関係なく、
逆向きに電流が流れる特性を示す。したがって、スイッ
チング素子３ＡにＦＥＴを使用するパック電池は、ＦＥ
Ｔがオフのときには、電池２がコンデンサー１を充電し
ないようにＦＥＴを接続する。この状態に接続されたＦ
ＥＴは、寄生ダイオードＤで、コンデンサー１から負荷
に電流を供給できる。すなわち、オン状態のＦＥＴでコ
ンデンサー１を充電し、寄生ダイオードＤでコンデンサ
ー１から負荷に電流を供給する。したがって、スイッチ
３にＦＥＴを使用するパック電池は、１個のＦＥＴで、
コンデンサー１の充電を制御できる特長がある。

【００２０】ただ、本発明はスイッチをＦＥＴに特定し
ない。スイッチには、図示しないが、ＦＥＴに代わっ
て、トランジスターも使用できる。トランジスターは逆
向きに電流が流れないので、トランジスターと逆並列に
ダイオードを接続し、ダイオードでコンデンサーを放電
し、オン状態のトランジスターでコンデンサーを充電す
る。また、スイッチにトランジスターを使用するパック
電池は、ＰＮＰトランジスターと、ＮＰＮトランジスタ
ーを並列に接続して、コンデンサーを充電し、また放電
させる。並列に接続される２個のトランジスターは、パ
ック電池が電気機器に装着されるとオン、電気機器から
外されるとオフに切り換えられる。

【００２１】スイッチング素子３Ａのオンオフは、制御
回路に制御される。図に示すパック電池は、＋−の端子
が短絡して、電池２に過大なショート電流が流れるのを
防止するショート防止回路６の制御回路５を、スイッチ
ング素子３Ａの制御回路に併用している。ショート防止
回路６は、電池２と直列に互いに逆に接続された２個の
ＦＥＴからなるスイッチング回路７と、このスイッチン
グ回路７をオンオフに制御する制御回路５とを備えてい
る。スイッチング回路７を構成する２個のＦＥＴは、パ
ック電池が電気機器４や充電器に装着されたときにオ
ン、パック電池が電気機器４や充電器から外されるとオ
フになって、電池２にショート電流が流れるのを防止す
る。スイッチング回路７を構成する２個のＦＥＴは、ソ
ースとドレインとを互いに逆になるように直列に接続し
たものである。２個のＦＥＴは、パック電池を電気機器
４に装着したときに、図において上のＦＥＴをオンとし
て、電池２とコンデンサー１を放電し、パック電池を充
電器に装着したときに、下のＦＥＴをオンにして、電池
２を充電する。スイッチング素子３ＡであるＦＥＴは、
ゲートを上のＦＥＴのゲートに接続して、上のＦＥＴと
一緒にオン、オフに制御される。

【００２２】制御回路５は、パック電池のコントロール
端子から入力される信号を検出して、スイッチング回路
７とスイッチング素子３Ａとをオンオフに切り換える。
図に示すパック電池は、電気機器４や充電器に装着され
ると、これらのプルアップ抵抗８から、コントロール端
子に＋電圧が入力される。制御回路５は、コントロール
端子に＋電圧が入力されると、スイッチング回路７とス
イッチング素子３Ａをオンに制御し、コントロール端子
に＋電圧が入力されない状態では、スイッチング回路７
とスイッチング素子３Ａをオフ状態とする。

【００２３】図の制御回路５は、プルアップ抵抗８で、
コントロール端子に＋電圧が入力されたときに、スイッ
チング回路７とスイッチ３をオンに制御する。本発明の
パック電池は、コントロール端子を、鎖線で示すよう
に、プルダウン抵抗９で−側に接続したときに、スイッ
チング回路７とスイッチング素子３Ａとをオンに制御す
ることもできる。

【００２４】さらに、本発明のパック電池は、コントロ
ール端子を使用しないで、電気機器や充電器に装着した
ことを検出することもできる。このパック電池は、たと
えば電気機器や充電器に装着したときにオン、機器から
外したときにオフになるリミットスイッチを内蔵させ
る。リミットスイッチを内蔵するパック電池は、図４に
示すように、電池２とコンデンサー１の間と、電池２と
出力端子との間にリミットスイッチ１０を接続する。さ
らに、パック電池は、図示しないがリミットスイッチに
代わって、リードリレー等のリレーを内蔵させることも
できる。リードリレーは、パック電池を電気機器等に装
着するとオン、機器から外すとオフになる。リードリレ
ーをオンオフに制御する電気機器や充電器は、パック電
池が装着されるとリードリレーをオンにする永久磁石を
内蔵している。

【００２５】

【発明の効果】本発明のパック電池は、大容量のコンデ
ンサーを電池と並列に接続して、大電流放電するときの
出力電圧の低下を効果的に阻止できるにもかかわらず、
電池と並列に接続されるコンデンサーの漏れ電流に起因
する、電池の無駄な放電を極減できる特長がある。それ
は、本発明のパック電池が、電池を放電するとき、いい
かえると、パック電池を電気機器に装着したときに限っ
て、コンデンサーを電池に接続し、パック電池を電気機
器から外したときには、コンデンサーと電池との間に接
続するスイッチをオフにして、電池がコンデンサーで放
電されるのを阻止するからである。電気機器から外した
ときにスイッチをオフにして、コンデンサーを電池から
電気的に切り離す本発明のパック電池は、コンデンサー
から漏れ電流が流れて放電しても、電池がコンデンサー
を充電することがない。このため、使用しないときに電
池が過放電されて、電池性能が低下するのも有効に防止
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のコンデンサーを内蔵するパック電池の回
路図

【図２】コンデンサーを電池と並列に接続するパック電
池と、コンデンサーのないパック電池の出力電圧を示す
グラフ

【図３】本発明の実施の形態にかかるパック電池の回路
図

【図４】本発明の他の実施の形態のパック電池の回路図

【符号の説明】 １…コンデンサー ２…電池 ３…スイッチ ３Ａ…スイッチング素子 ４…電気機器 ５…制御回路 ６…ショート防止回路 ７…スイッチング回路 ８…プルアップ抵抗 ９…プルダウン抵抗 １０…リミットスイッチ Ｄ…寄生ダイオード

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンデンサー(1)を内蔵し、このコンデ
   ンサー(1)が電池(2)と並列に接続されているパック電池
   において、 コンデンサー(1)と電池(2)との間に、パック電池を電気
   機器(4)に装着した状態でオン、パック電池を電気機器
   (4)から外した状態でオフとなるスイッチ(3)が接続され
   ており、このスイッチ(3)でもって、電気機器(4)に装着
   した状態でコンデンサー(1)が電池(2)と並列に接続さ
   れ、電気機器(4)から外された状態でコンデンサー(1)が
   電池(2)から電気的に切り離されるように構成されてな
   るコンデンサーを内蔵するパック電池。
2. 【請求項２】 コンデンサー(1)を内蔵し、このコンデ
   ンサー(1)が電池(2)と並列に接続されているパック電池
   において、 コンデンサー(1)と電池(2)との間に、コンデンサー(1)
   の充電電流を遮断するスイッチ(3)としてスイッチング
   素子(3A)が接続されており、このスイッチング素子(3A)
   は、パック電池が電気機器(4)に装着されたことを検出
   する制御回路(5)に接続されており、パック電池が電気
   機器(4)に接続されると、制御回路(5)がスイッチング素
   子(3A)をオン状態に切り換えて、電池(2)とコンデンサ
   ー(1)とが並列に接続されるように構成されてなること
   を特徴とするコンデンサーを内蔵するパック電池。
3. 【請求項３】 スイッチング素子(3A)をオンオフに制御
   する制御回路が、パック電池を電気機器(4)から外した
   状態で、電池(2)の短絡を阻止するショート防止回路(6)
   の制御回路(5)であることを特徴とする請求項２に記載
   のコンデンサーを内蔵するパック電池。