JP3883183B2

JP3883183B2 - 二次電池装置

Info

Publication number: JP3883183B2
Application number: JP2001378936A
Authority: JP
Inventors: 基寛三好
Original assignee: 三洋ジ−エスソフトエナジー株式会社
Priority date: 2001-01-24
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2021-12-12
Also published as: EP1227533A2; JP2002300732A; KR20020062819A; US6518728B2; US20020158608A1; CN1372346A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過放電保護手段を備えた二次電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば複数の単位電池を直列接続してなる二次電池装置において、各単位電池の容量や内部インピーダンスのばらつきによって一部の単位電池が過充電または過充電される可能性がある。例えば、リチウムイオン電池の単位電池を許容電圧を超えて過充電すると、有機電解液の分解反応が進行したり、過放電すると内部抵抗の増加等が起こるなどして、電池の性能劣化や安全性の低下などの一因になる。
【０００３】
そこで、一般に電池装置には保護回路が内蔵されており、保護回路を介して単位電池群と負荷もしくは充電器などの外部回路とが電気的に接続されるよう構成されている。この保護回路は、各単位電池の端子電圧を個別に監視し、それらのうち１つの単位電池でも所定の基準電圧を越えるとＦＥＴ素子などで外部回路との接続を遮断して充電又は放電を強制的に停止させることで過充電・過放電を未然に防止し単位電池を保護するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば携帯用パソコンにおいて、ＣＰＵが例えばデータの読み込みなど所定の動作状態にあるときに電源が強制的に切られるとハードディスクの故障等の不具合が生じるおそれがあり、このような強制的な放電の停止は極力避けるべきである。また、例えば携帯電話においても通話中に電源が強制的に切れるのは不都合である。
【０００５】
ところが、上述した従来の二次電池装置において、単位電池間の端子電圧が大きくばらついた場合に、二次電池装置の合計電池電圧は、パソコン本体等の本体機器が動作するに足りる電力供給が可能な正常範囲内であっても１つの単位電池の過放電を防止するために、保護回路により本体機器への放電が遮断されてしまう。その結果、上記のパソコンのＣＰＵの所定動作中や、携帯電話の通話中でも電源が強制的に切られる可能性が高く好ましくない。もちろん、各単位電池を過放電等から保護する必要はあるが、負荷における所定の動作状態の継続を優先すべき場合も少なくない。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、負荷の所定の動作状態中に電源が切れるといった不具合・不都合を極力少なくすることが可能な二次電池装置を提供するところにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明に係る二次電池装置は、複数の単位電池を直列に接続してなり、負荷回路への電力供給を行う二次電池と、各単位電池にそれぞれ接続され、各単位電池の端子電圧によってそれらの放電状態を検出して、各単位電池のいずれかが所定の過放電状態となったときに二次電池からの放電を遮断する過放電保護手段とを備えた二次電池装置において、負荷回路の動作状態を判別する負荷状態判別手段と、複数の単位電池の合計端子電圧を検出する合計電圧検出手段とを設けて、負荷状態判別手段により負荷回路が電源保護を要する所定の動作状態にあると判断されたときには、複数の単位電池のうちいずれかの端子電圧が所定の単位基準電圧を下回っても合計端子電圧が所定の合計基準電圧以上であるときは二次電池からの放電を遮断せずに負荷回路への電力供給を継続するところに特徴を有する。
【０００９】
なお、本発明において「負荷回路が電源保護を要する所定の動作状態」は、下記のいずれの状態に設定してもよく、どの状態に設定するかは使用する者の任意の選択に任せても良く、また予め製造者側で一律の状態に設定しておいても良い。
（１）強制的に電源が切られることで負荷回路又はそれに連なる種々の機器に不具合が生じる可能性のある状態。
具体的には、例えば携帯用パソコン等に本発明に係る二次電池装置を適用する場合には、下記の▲１▼〜▲４▼のうちいずれかの状態に設定しても良い。
▲１▼ハードディスクが駆動している状態。
▲２▼アプリケーションの起動中であって、キー操作等による入力信号に基づいてＣＰＵがアプリケーションプログラムを実行している、いわゆるアクティブ状態。
▲３▼アプリケーションの起動中であって、上記のアクティブ状態終了後、次の入力信号を待っている処理待ち状態。
▲４▼上記の処理待ち状態が所定時間継続したときに、消費電力を抑えるために移行する低消費電力の処理待ち状態、いわゆるスリープ状態。
（２）上記（１）のような不具合は生じないまでも、強制的に電源が切られることで負荷回路又はそれに連なる種々の機器が使用不可となる等の不都合が生じる状態
具体的には、
▲１▼携帯電話に本発明に係る二次電池装置を適用する場合、通信信号を受けて呼出動作が行われている呼出状態、及びオフフックされてからオンフックされるまでの通話状態。
▲２▼データ通信端末に本発明に係る二次電池装置を適用する場合、基地局との通信中。
【００１０】
また、本発明において「単位電池」には、１個の単電池（電池セル）からなるものだけでなく、複数個の単電池（電池セル）を並列接続してなるものも含まれる。
【００１２】
【発明の作用及び効果】
＜請求項１の発明＞
請求項１の構成によれば、負荷状態判別手段により負荷回路が電源保護を要する所定の動作状態にあると判断されたときには、複数の単位電池のうちいずれかの端子電圧が所定の単位基準電圧を下回っても合計端子電圧が所定の合計基準値以上であるときは二次電池への放電を遮断せずに負荷回路への電力供給が継続される。従って、上記請求項１の発明の効果に加えて、負荷回路側に過放電防止機能が搭載されていなくとも、合計端子電圧が所定の合計基準値を下回るほどに過放電に至る危険を二次電池装置単独で回避することができる。
【００１３】
なお、二次電池の端子電圧が所定値を下回るほどに過放電に至る危険については、負荷回路側に過放電防止機能を搭載しておくことで防止することができる。また、負荷回路の所定の動作状態中に過放電状態となることもあるが、負荷回路が電源保護を要する所定の動作状態にあるのは短時間であると考えられる。従って、当該二次電池が過放電であることを例えばパソコンの表示画面に表示させたり警告音を鳴らすなどして外部に報知させる構成を用いることで、負荷回路側を極力早期に正常終了させれば、過放電の継続による異常な状態には至らず、その後の充電により正常な端子電圧に回復することが期待できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態を図１及び図２を参照しつつ説明する。
本実施形態に係る二次電池装置１は、例えば携帯用パソコンの電源として使用されるものであり、図１には、その電気的構成が示されている。本発明の「単位電池」に相当する４個の単電池２（２ａ〜２ｄ）を直列接続してなる二次電池３（公称電圧１４．８Ｖ（＝３．７×４））は、その正極側が例えばＦＥＴ等のスイッチ素子４を介して電源端子５に接続され、負極側がグランド端子６に接続されている。そして、スイッチ素子４をオンすることで、電源端子５及びグランド端子６間に連なる図示しないパソコン本体（本発明の「負荷回路」に相当する）への電力供給を行う一方で、スイッチ素子４をオフすることでパソコン本体への放電が遮断され電力供給が停止される。また、制御部７は、後述するように単電池２の端子電圧等に基づいてスイッチ素子４のオンオフ制御を行うものであり、スイッチ素子４と共に本発明の「過放電保護手段」を構成している。
【００１７】
また、信号端子８（本発明の「負荷状態判別手段」に相当する）は、パソコン本体が下記のいずれかの状態▲１▼▲２▼（本発明の「電源保護を要する所定の動作状態」に相当する）にあるときはローレベル信号、それらのいずれの状態▲１▼▲２▼にもないときはハイレベル信号がパソコン本体側の図示しない検出回路から入力されるように設定されており、それらの信号は次述する合計電圧検出部１０及びＡＮＤゲート１２に与えられる。
▲１▼ハードディスクが駆動している状態。
▲２▼アプリケーションの起動中であって、キー操作等による入力信号に基づいてＣＰＵがアプリケーションプログラムを実行している、いわゆるアクティブ状態。
【００１８】
次に制御部７の内部構成について説明する。制御部７内には、各単電池２の端子電圧を検出する４つの電圧検出部９ａ〜９ｄ、全単電池２の合計端子電圧を検出する合計電圧検出部１０、ＯＲゲート１１、ＡＮＤゲート１２及びＮＯＲゲート１３で構成されている。このうち電圧検出部９ａ〜９ｄは、各単電池２ごとに設けられて各端子電圧を個別に検出し、検出電圧が単位基準電圧（例えば２.５Ｖ）を下回ったときにハイレベル信号をＡＮＤゲート１２に与える。一方、合計電圧検出部１０は、両端の単電池２ａ,２ｄの正極又は負極に接続されて全単電池２の合計端子電圧を検出し、合計基準電圧と比較する。そして、検出電圧が、合計基準電圧以上のときにローレベル信号を出力し、合計基準電圧を下回ったときにハイレベル信号を出力してＮＯＲゲート１３に与える。
【００１９】
ここで、前記合計基準電圧は２つ選択可能に設けられており、信号端子８からローレベル信号を受けている（パソコン本体が上記▲１▼又は▲２▼の状態）ときは第１合計基準電圧（例えば１１.２Ｖ）が設定される。一方、信号端子８からハイレベル信号を受けている（パソコン本体が上記▲１▼又は▲２▼状態以外の状態。例えば後述するスリープ状態）ときは第２合計基準電圧（例えば１３.２Ｖ）が設定されるのである。
なお、上記第１及び第２合計基準電圧は同じ値であっても異なる値であってもよい。但し、上記▲１▼▲２▼以外の動作状態においては、▲１▼▲２▼の動作状態に比べて放電電流が小さいため、電圧ドロップが小さく、検出電圧は開路電圧に近い値で放電停止になる。これに対して▲１▼▲２▼の動作状態においては電圧ドロップが大きく、開路電圧よりもかなり低い値で放電停止となる。従って、同じ値に設定すると▲１▼▲２▼以外の動作状態の方がより深く過放電されることになる。そこで、これを避けるために、本実施形態では▲１▼▲２▼の動作状態における第１合計基準電圧（例えば１１.２Ｖ）を、▲１▼▲２▼以外の動作状態における第２合計基準電圧（例えば１３.２Ｖ）より低い値に設定して、パソコン本体が▲１▼▲２▼以外の動作状態にあるときには早めに保護過放電保護手段を作動させるのが好ましい。
【００２０】
また、ＯＲゲート１１の入力端子には電圧検出部９ａ〜９ｄの出力が接続され、電圧検出部９ａ〜９ｄによって検出された単電池２の端子電圧のいずれかが２.５Ｖを下回ったとき、ＡＮＤゲート１２の入力にハイレベル信号を与える。次いで、ＡＮＤゲート１２は、ＯＲゲート１１からの出力及び信号端子８からの出力の両方がハイレベルであるときにハイレベル信号を出力し、それ以外の場合はローレベルとなる。そして、ＮＯＲゲート１３は、ＡＮＤゲート１２からの出力がハイレベルとなるか、又は合計電圧検出部１０の検出電圧が１１．３Ｖ又は１３．２Ｖを下回ったことを示すハイレベル信号が入力されたときに、パソコン本体と単電池２との接続を遮断する信号（ローレベル信号）をスイッチ素子４に出力する。
【００２１】
次に、上記構成からなる本実施形態の動作を図２に示す動作状態表を参照しつつ説明する。
パソコンには、上述したハードディスクが駆動している状態やアクティブ状態の他、アプリケーションの起動中で入力信号を待っている処理待ち状態等さまざまな動作状態があり、それぞれに要する供給電流値が異なる。
例えばアプリケーションが起動された状態で、上記処理待ち状態が所定時間継続すると、例えばディスプレイへの画面表示を消すと共にＣＰＵの動作速度を落とすなどしてパソコンの消費電力を抑えるべく低消費電力の処理待ち状態、いわゆるスリープ状態に移行する。このようなスリープ状態であっても数ｍＡの供給電流が常時二次電池３からパソコン本体側に流れているから、二次電池３は徐々に放電しており、このため二次電池３の各単電池２の容量のバラツキ等によって一部の単電池２の端子電圧が２．５Ｖを下回ることがある。
【００２２】
そうすると、図２（パターン１〜４）に示すように、信号端子８からの入力が常にハイレベルとなっているから、上記一部の単電池２の端子電圧が２．５Ｖを下回ってＯＲゲート１１がハイレベルを出力した段階でＡＮＤゲート１２の出力がハイレベルとなる。そしてＮＯＲゲート１３からのローレベル信号によりスイッチ素子４がオフする（パターン２，４）。即ち、全単電池２の合計端子電圧如何に関わらず、パソコン本体との接続が遮断され強制的に電源が切られることになり優先的に各単電池２の過放電が防止され、これにより二次電池３の性能劣化や寿命低下を抑制することができる。
【００２３】
なお、このようにスリープ状態で強制的に電源が切られると、その時点で保存されていないデータが失われることがある。しかし、スリープ状態は使用者が所定時間以上パソコンを使用していないときに移行するものであり、長時間放置されることも多々ある。このように長時間放置される可能性がある動作状態については、やはり過放電防止を優先するのが望ましいため本実施形態では上記いずれかの単電池２の端子電圧が２．５Ｖを下回ったときには強制的に電源を切る構成とした。
【００２４】
また、全単電池が２．５Ｖ以上を示していてＡＮＤゲート１２の出力がローレベルとなっていても、合計端子電圧が１３．２Ｖを下回ったときにはＮＯＲゲート１３からローレベル信号が出力されてスイッチ素子４がオフする（パターン３）。従って、やはりパソコン本体との接続が遮断されるので、長期放置下でも過放電による電解液の分解を防止し、電池の安全性及び特性を維持することができる。
【００２５】
一方、例えば上記スリープ状態に入る前にキー操作等の入力信号をＣＰＵが受けてパソコン本体が上述のアクティブ状態になると、大きな負荷電流が二次電池３からパソコン本体側に流れる。すると、やはりたとえ短時間であっても二次電池３の各単電池の容量のバラツキ等によって一部の単電池２の端子電圧が２．５Ｖを下回ることがある。
そうすると、図２（パターン５〜８）に示すように、信号端子８からの信号が常にローレベルとなっているから、たとえ前記一部の単電池２の端子電圧が２．５Ｖを下回ってＯＲゲート１１がハイレベル信号を出力しても、ＡＮＤゲート１２の出力はローレベルとなる。従って、全単電池２の合計端子電圧が１１．２Ｖを下回らない限り、ＮＯＲゲート１３からはハイレベル信号が出力されスイッチ素子４はオン状態を維持し電力供給が継続される（パターン６）。従って、この間前記一部の単電池２は更に放電が継続されることになるが、このアクティブ状態は通常短時間で終了し、再び処理待ち状態になる。その後、前記スリープ状態と同様に、一部の単電池２の端子電圧が２．５Ｖを下回っていることで強制的に電源が切られることになる。このようにアクティブ状態で強制的に電源が切られるのを極力回避することでハードディスクの不具合が生じるのを防止することができるのである。
【００２６】
なお、大量のデータを保存するときなどアクティブ状態が長時間継続することもあるが、この場合には、例えば当該単電池２が過放電であることをパソコンの表示画面に表示させたり警告音を鳴らすなど外部に報知させる構成とし、アクティブ状態を中止させて処理待ち状態にすることでアクティブ状態で強制的に電源が切られるのを極力回避することができる。そしてその後充電すれば前記一部の単電池２の端子電圧は回復するので支障はないと考えられる。また、合計端子電圧が１１．２Ｖを下回るほど異常に放電したときは、ＡＮＤゲート１２の出力に関わらずＮＯＲゲート１３からローレベル信号が出力されスイッチ素子４がオフする（パターン７，８）ので、電解液の漏れなどの心配はない。
【００２７】
このように、ハードディスクが駆動している状態、或いはパソコン本体のＣＰＵがアクティブ状態にある間は、単電池２のいずれかの端子電圧が２．５Ｖを下回っても二次電池３の合計端子電圧が１１．２Ｖを下回らない限り、パソコン本体への放電が継続され強制的に電源が切られることはない。従って、電源が強制的に切れることでハードディスクに不具合が生じるのを極力回避することができる。
【００２８】
＜第２実施形態＞
図３は第２実施形態を示す。上記第１実施形態とは、負荷状態判別手段の構成が相違し、その他の点は前記第１実施形態と同様である。従って、第１実施形態と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。
【００２９】
二次電池装置１からパソコン本体に供給される負荷電流値は、当該パソコン本体の動作状態によって異なる。具体的には、電源オフ時は数ｍＡ（３ｍＡ程度）以下、アイドル状態では数十ｍＡ（７５ｍＡ程度）、ＯＳのみが起動した状態では平均１Ａ程度、またアプリケーションが起動している時はピークで１．５Ａ程度である。そこで、本実施形態では、上記信号端子８の代わりに単電池２の正極側と電源端子５との間に電流検出回路１４が設けられている。この電流検出回路１４は、パソコン本体への放電時におけて電源供給ラインに流れる負荷電流量を検出し、これが所定の基準値（例えば７０ｍＡ）を上回るときはローレベル信号を、下回るときはハイレベル信号を合計電圧検出部１０及びＡＮＤゲート１２に与える。なお、これらの信号レベル変化に基づく制御部７の動作は、上記第１実施形態の信号端子８の信号レベル変化に基づく動作と同様である。
このような構成であれば、パソコン本体から動作状態を知らせる信号を受ける等の構成を用いることなくパソコン本体の動作状態を二次電池装置単独で判別することが可能になる。
【００３０】
＜他の実施形態＞
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記各実施形態では、４個の単電池２（２ａ〜２ｄ）からなる二次電池３を備えた二次電池装置１を例に挙げて説明したが、これに限らず、例えば２個または３個の単電池、或いは５個以上の単電池からなる二次電池を備えたものであっても良い。
【００３１】
（２）上記各実施形態では、携帯用パソコンに適用した例を説明したが、これに限らず、二次電池装置により給電される種々の装置（例えば携帯電話等）に対して本発明の効果を得ることができる。
【００３２】
（３）上記第１実施形態では、「負荷回路が電源保護を要する所定の動作状態」は、ハードディスク駆動状態及びアクティブ状態に設定したが、これに限らず、いずれか一方の状態を設定してもよく、またこれらの状態に処理待ち状態（スリープ状態を除く）も含めて設定しもよい。また、どの状態に設定するかは、予め製造者側で一律の状態に設定しておいても良く、或いは、信号端子８に入力されるパソコン本体から信号レベルを変更するためのレベル変更手段を設けて使用する者の任意の選択により設定するものであっても良い。
【００３３】
（４）上記第２実施形態では、「負荷回路が電源保護を要する所定の動作状態」は、負荷電流値が例えば７０ｍＡ以上である状態、即ちアイドル状態、ＯＳのみが起動した状態、またはアプリケーションが起動している状態に設定したが、これに限らず、電流検出回路１４の所定の基準値を変更することで様々な状態に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る二次電池装置の電気的構成を示したブロック図
【図２】その動作状態表
【図３】第２実施形態に係る二次電池装置の電気的構成を示したブロック図
【符号の説明】
１…二次電池装置
２（２ａ〜２ｄ）…単電池（単位電池）
３…二次電池
４…スイッチ素子
７…制御部
８…信号端子
９ａ〜９ｄ…電圧検出部
１０…合計電圧検出部
１１…ＯＲゲート
１２…ＡＮＤゲート
１３…ＮＯＲゲート
１４…電流検出回路

Claims

複数の単位電池を直列に接続してなり、負荷回路への電力供給を行う二次電池と、前記各単位電池にそれぞれ接続され、各単位電池の端子電圧によってそれらの放電状態を検出して、前記各単位電池のいずれかが所定の過放電状態となったときに前記二次電池からの放電を遮断する過放電保護手段とを備えた二次電池装置において、
前記負荷回路の動作状態を判別する負荷状態判別手段と、
前記複数の単位電池の合計端子電圧を検出する合計電圧検出手段とを設けて、
前記負荷状態判別手段により前記負荷回路が電源保護を要する所定の動作状態にあると判断されたときには、前記複数の単位電池のうちいずれかの端子電圧が所定の単位基準電圧を下回っても前記合計端子電圧が所定の合計基準電圧以上であるときは前記二次電池からの放電を遮断せずに前記負荷回路への電力供給を継続することを特徴とする二次電池装置。