JP2003518725A - バッテリパック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 バッテリパック（１０）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ（１６）と、少なくとも１つの１次電池から成る電池群（１４）を備える。ＤＣ−ＤＣコンバータは、１次電池群（１４）に動作可能に接続されている。１次電池群（１４）は、バッテリパック（１０）の定格電圧より高い、初期電圧を有する。ＤＣ−ＤＣコンバータ（１６）は、１次電池群（１４）の定格電圧より低い、調整された公称電圧に、電圧を変換する。バッテリ電圧を一定の電圧まで減少するよう調整することにより、各電池は最小電圧レベルまで放電できるようになり、電池群からの付加的なエネルギー転送を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、バッテリパックに関する。

【０００２】 現在、ビデオカメラや携帯電話などの電子機器に電力を供給するバッテリパッ
クには、リチウムイオン電池やニッケルカドミウム電池のような充電式電池が用
いられている。充電式電池には他に、ニッケル水素電池がある。これらの電池の
価格は高めの傾向にあり、時には使いにくいこともある。１次電池を用いた交換
可能なバッテリパック、すなわちアルカリ電池が使用可能で、ビデオカメラや携
帯電話などに電力を供給するバッテリパックも存在する。

【０００３】 本発明の１つの解決手段によれば、バッテリパックはＤＣ−ＤＣコンバータと
、少なくとも１つの１次電池から成り、ＤＣ−ＤＣコンバータに接続される電池
群とを備えている。

【０００４】 バッテリパックは、ステップダウンＤＣ−ＤＣコンバータを備えている。１次
電池群は、直列に接続された複数の電池を有している。ＤＣ−ＤＣコンバータは
、コントローラと、外部に接続されたスイッチトランジスタとを有している。バ
ッテリパックのＤＣ−ＤＣコンバータは、入力端が電池群の１つの端子に接続さ
れ、出力端はバッテリパックの１つの端子となっている。１次電池群は、取替え
可能であっても不可能であってもよい。バッテリパックは、ＤＣ−ＤＣコンバー
タと、１次電池群とを格納するケースを備えている。１次電池は並列に組み合わ
され、ステップアップコンバータと共に用いられることにより、より高い電圧を
出力するように構成されてもよい。

【０００５】 本発明の１つまたはより多くの解決手段により、以下の効果が得られる。

【０００６】 本発明は、アルカリ電池のような１次電池、およびリチウム二酸化マンガン電
池のような他のタイプの１次電池を有するバッテリパックを提供する。１次電池
は充電可能ではない。バッテリパックは、カートリッジに格納された１次電池群
と、ＤＣ−ＤＣコンバータとを備える。

【０００７】 バッテリパック内のＤＣ−ＤＣコンバータは、１次電池、例えばアルカリ電池
から、余分なエネルギーを抽出する。ＤＣ−ＤＣコンバータは、電圧が入力され
、通常は入力電圧より低い、異なる出力電圧を発生する。通常、「ステップダウ
ン電圧コンバータ」は、低い電圧を発生するのに用いられる。他の用途のために
は、ステップアップすなわち昇圧タイプのコンバータが用いられる。

【０００８】 図１は、バッテリパックケース１２と、直列、並列、または直列と並列を組み
合わせて接続されている１次電池群１４とを備える、バッテリパック１０を示す
。バッテリパックケース１２は箱状に表されているが、実際の実施の形態では、
１次電池群１４を格納するコンポーネントと、適当な方法で１次電池群１４を１
６ａ、１６ｂと表されるバッテリパックケース１２の外部接続電極に接続する内
部電極（図示せず）とを有する、例えばプラスチック製のハウジングを備えてい
る。１次電池群１４は、バッテリパックケース１２内で交換可能に配置されても
交換不可能に配置されてもよい。

【０００９】 １次電池群１４は、プラス端子およびマイナス端子１３ａ、１３ｂを有してい
る。１次電池群１４のプラス端子１３ａは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６の入力側
に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１６は、１次電池群１４からの電圧に
対しては、電圧調整器として動作する。ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側は、例え
ばビデオカメラや携帯電話などの装置１９に接続される２つの端子、例えばプラ
ス出力端子とマイナス出力端子になっている。１次電池は、ＤＣ−ＤＣコンバー
タを介して放電する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１６は、例えば比較的一定の状態に
調整された、出力電圧を、電源投入中の装置１９に印加し、一方で電池の電位は
、初期電圧から１次電池の端子電圧まで減少する。

【００１０】 例えば、携帯電話などの装置１９は、公称３．６ボルト、すなわち３．１５ボ
ルトから５．６ボルトの範囲で動作することができる。この電圧範囲で効果的に
使用できるよう、アルカリ電池のセットを接続するのは困難である。例えば、３
つの電池が直列に接続されている場合（公称総初期電圧は４．５ボルト）、携帯
電話は電池の最大容量を使用することができない。というのは、携帯電話は１電
池あたり１．０５ボルトで遮断するからである。この電圧レベルでは、それぞれ
の１次電池にはまだかなりのエネルギーが残されている。一方、４つの１次電池
が直接に接続されると、電池の総電圧（公称総初期電圧は６ボルト）は、携帯電
話の限界電圧５．６ボルトを越えてしまう。

【００１１】 ＤＣ−ＤＣコンバータ１６は、上限下限どちらの電圧問題も処理する。ＤＣか
らＤＣへのコンバータは、例えば直列に接続された５つのトリプルＡサイズの電
池からの出力電圧を調整するために用いることができる。ＤＣ−ＤＣコンバータ
１６は、電圧が調整された公称３．６ボルトの電圧に変換する。ＤＣ−ＤＣコン
バータ１６は、端子に余分な電圧が現れるのを防ぎ、バッテリ電圧を一定の３．
６ボルトに下げることにより、各電池は、ＤＣ−ＤＣコンバータが遮断する前に
放電電圧レベルを約０．７ボルトまたは０．８ボルトに下げ、これにより電池か
ら最大量のエネルギー移動を行うことができる。バッテリパックは余分の電池を
有することができ、より低い電圧で電池が放電できるようにする。各電池の遮断
電圧は、装置の遮断電圧を、電池の数で割ることによって得られる。

【００１２】 電力消費が低いほど、アルカリ電池の放電効率は恩恵を受ける。つまり、電池
の放電率が高い場合に比べると、低い場合の方がより多くのエネルギーを電池か
ら得ることができる。よって、１次電池のグループ電圧が高いと、電池１個当た
りの電流消費と電力消費が低くなる。このことにより、特定の所要電力に対して
は、放電効率が高くなる。ＤＣ−ＤＣ変換を行うことにより、電池群がバッテリ
パックの定格と比べて高い初期電圧を持っていてもよくなり、ＤＣ−ＤＣコンバ
ータが、最小電圧に到るまで電池にゆっくりと放電させる。より高い電圧および
より低い電流消費で放電することにより、各電池の放電効率は向上する。より多
くの電池を加えることにより、この効率は更に向上する。

【００１３】 図２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６の例を示す。ＤＣ−ＤＣコンバータは、リ
ニアテクノロジー社の品番ＬＴＣ１４７４のコントローラ装置Ｕ１を有する。コ
ントローラＵ１は、内部スイッチ（図示せず）を有し、低い静止電流が流れる。
しかし、コントローラＵ１には、携帯電話やビデオカメラのような装置を動作さ
せるのに十分な程の高い電流切替能力はない。これらの用途のために、ＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータは、外部トランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３を有する外部スイッチ装置
３１を備える。外部トランジスタにより、ＤＣ−ＤＣコンバータは、より高い電
流へ切替ることができるようになる。ビデオカメラや携帯電話への電力供給のよ
うな用途には、一般的にバッテリパックは定格電圧において０．７アンペアまた
は０．８アンペアの直流を供給する必要がある。

【００１４】 ＤＣ−ＤＣコンバータは、低域フィルタ３３を構成するインダクタＬ１と、コ
ンデンサＣ４，Ｃ５とを有している。端子Ｖｉｎが電池からの電圧を受ける。こ
の例では、電池は、直列に接続された５つのトリプルＡ電池である。この５つの
電池の公称初期出力電圧は、７．５ボルトである。ＤＣ−ＤＣコンバータを用い
ることにより、バッテリパック１０は、例えば３．６ボルトの一定電圧の出力を
得ることができる。ＤＣ−ＤＣコンバータ１６を用いることによって、各１次電
池の有効寿命が長くなる。よって、１次電池群１４の有効寿命は、約４ボルトの
電圧まで延ばされる。

【００１５】 ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１６は、端子Ｌ１における電圧を検出する。インダ
クタＬ１は、抵抗Ｒ３，Ｒ４と組み合わされることにより、分圧器３５を形成す
る。コンバータのコントローラＵ１で発生した基準電圧は、端子Ｖｆｂにフィー
ドバックされたＲ４の組み合わせにおける電圧と比較される。コントローラＵ１
は、抵抗Ｒ３、Ｒ４の間の分岐点において一定の出力電圧を保つ。この出力電圧
により、Ｖｏｕｔにおいて一定の電圧が保たれる。コントローラは、周期的に（
トランジスタＱ１，Ｑ２の動作により）オンオフする、トランジスタＱ３によっ
て入力電圧がチョップされるようにする。チョップされた信号は、Ｌ１の左側に
現れ、低域フィルタ３３に加えられて、ＡＣ成分が除去されることにより、端子
１６ａ、１６ｂでは、平滑化されたＤＣ出力電圧が得られる。

【００１６】 ＤＣ−ＤＣコンバータ１６は、ステップダウンコンバータである。Ｑ１がター
ンオンすると、Ｑ３を介してインダクタＬ１を充電し始める。インダクタＬ１は
、回路内のエネルギーを蓄え、トランジスタＱ３がオフになったときにこのエネ
ルギーを放出する。インダクタＬ１は、負荷を介し、ダイオードＤ２を介してＶ
ｏｕｔ端子に放電する。ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力電圧を下げて、より低い
出力電圧Ｖｏｕｔとし、一方コントローラＵ１は、適当なデューティーサイクル
、またはデューティーサイクルとトランジスタＱ３を切り替える切替周波数との
組み合わせを維持することにより、Ｖｏｕｔにおいて一定のＤＣ出力電圧が保た
れるようにする。トランジスタＱ１〜Ｑ３から成る、ＣＭＯＳ構成は、静止電流
を最小限にするために用いられる。

【００１７】 図３は、高効率、低ノイズで、良好な過渡応答を示すが、比較的静止電流が高
い（例えば、２００マイクロアンペア）、別のＤＣ−ＤＣコンバータ回路１６’
を示す。このＤＣ−ＤＣコンバータ回路１６’は、あまり望ましいとはいえない
。理想的には、ＤＣ−ＤＣコンバータの静止電流の配流は、ほとんど無視できる
ほど小さくあるべきである。このＤＣ−ＤＣコンバータ回路１６’は、一般的な
用途における電力変換の要求に応えることができる。また、このＤＣ−ＤＣコン
バータ回路１６’もステップダウンコンバータである。ＤＣ−ＤＣコンバータ回
路１６’は、印加された入力電圧を、トランジスタＱ１を介してチョップし、イ
ンダクタＬ１を充電する。インダクタＬ１とコンデンサＣ３，Ｃ７は、組み合わ
されることにより、ＡＣ成分を除去してＤＣ電圧を与えるフィルタとして動作す
る。

【００１８】 ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１６’は、コンバータ１６と同様に、抵抗Ｒ２、Ｒ
３の間の接続点からコントローラＵ２へのフィードバック接続を有している（図
３）。コンバータは、制御された方法で入力電圧を比例的に減少させ、調整され
たＤＣ出力電圧を発生する、スイッチ調整器として動作する。コントローラＵ２
は、カリフォルニア州サニーベイルの、マキシムインテグレートプロダクツ社製
の、品番ＭＡＸ１６２７でよい。

【００１９】 図４は、プラス端子１３ａと、マイナス端子１３ｂとの間に接続される、１次
電池群１４を示す。手動で動かされるスイッチ２０が、電池のプラス端子に接続
されている。スイッチの他方には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６が接続されている
。ＤＣ−ＤＣコンバータ１６の出力端は、バッテリパックの出力端子１６ａとな
っている。スイッチ２０は、電池とＤＣ−ＤＣコンバータ１６との接続を遮断し
て、バッテリパック１０が使われていないときに起こりうる、電池の消耗を無く
する。スイッチ２０は、ユーザの介入を必要とするようにしてもよいし、バッテ
リパック１０が電源投入中の装置（図示せず）に接続されたときに機能するよう
に設計されてもよい。

【００２０】 図５は、１次電池１４が不必要に充電されるのを防止する充電防止回路２１に
接続されている、１次電池の集合体を示す。充電防止回路２１は、信号調整回路
２４によって作動されるスイッチ２０’を有している。信号調整回路２４は、ア
ルカリ電池を流れる逆電流の存在を検知する。この状態が検知されると、信号調
整回路２４は、電池と、ＤＣ−ＤＣコンバータとの間の接続を開放する。スイッ
チ２０’は、安全のために配置される。充電式の電池を使用する多くの用途では
、充電式電池を充電するための充電回路を持つ装置に１次電池のバッテリパック
を接続する可能性がある。アルカリ電池のような１次電池は充電可能ではなく、
これらを充電しようとすることは危険である。信号調整回路２４は、手動式のリ
セット装置２７（図示したもの）または充電電流がなくなったときにトリガされ
る自動リセット装置を有する。

【００２１】 充電防止回路２１は、抵抗２６の電圧を検知する。この電圧は増幅され、スイ
ッチ２０’のドライバとなるコンパレータ２９（図５Ａ）を作動させるのに用い
られる。信号調整回路２４およびスイッチ２０’は、ＤＣ−ＤＣコンバータの一
部として含まれる。理想的には、電力消費を低くするために、全ての集積回路が
ＣＭＯＳ技術に基づいているとよい。

【００２２】 ＤＣ−ＤＣコンバータによって切り替えられるのに必要な電力レベル、すなわ
ち約２，３ワットでは、スイッチトランジスタはコントローラから切り離して設
けることができる。さらに、格納されるエネルギー量につりあうキャパシタンス
やインダクタンスは、別々のコンデンサおよびインダクタ装置として実現されて
もよい。

【００２３】 本発明は、発明の詳細な説明にあるように記載されているが、この記載は発明
の内容を例示するためのものであり、添付の請求項による本発明の範囲を限定す
るものではない。他の解決手段、効果、変更も、請求項の範囲内にある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 バッテリパックのブロック図。

【図２】 図１のバッテリパックに用いられるＤＣ−ＤＣコンバータの概略図。

【図３】 図１のバッテリパックに用いられるＤＣ−ＤＣコンバータの概略図。

【図４】 別のバッテリパックのブロック図。

【図５】 充電防止回路が組み込まれているバッテリパックのブロック図。

【図５Ａ】 充電防止回路の信号検出回路の実施の形態を示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 マシュー、ピー．ハル アメリカ合衆国ロードアイランド州、ジェ ームズタウン、ノース、メイン、ロード、 761 Ｆターム(参考） 5H040 AS12 AT01 AY02 AY03 AY08 DD26 GG09

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＤＣ−ＤＣコンバータと、 前記ＤＣ−ＤＣコンバータに接続された、少なくとも１つの１次電池からなる
   電池群と、 を備えている、バッテリパック。
2. 【請求項２】 前記電池群は、少なくとも２つの電池を有し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、
   ステップダウンコンバータである、請求項１に記載のバッテリパック。
3. 【請求項３】 前記１次電池群は、直列に接続された複数の電池を有する、請求項２に記載の
   バッテリパック。
4. 【請求項４】 前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、コントローラと、外部接続のスイッチトランジ
   スタを有する、請求項１に記載のバッテリパック。
5. 【請求項５】 前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記少なくとも１つの１次電池からなる電池群
   の１つの端子に接続される入力端と、前記バッテリパックの端子の１つとなる、
   出力端とを有する、請求項１に記載のバッテリパック。
6. 【請求項６】 前記少なくとも１つの１次電池からなる電池群は、交換可能である、請求項１
   に記載のバッテリパック。
7. 【請求項７】 前記少なくとも１つの１次電池からなる電池群は、交換可能ではない、請求項
   １に記載のバッテリパック。
8. 【請求項８】 前記ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記少なくとも１つの１次電池からなる電池群
   とを格納するケースをさらに備える、請求項１に記載のバッテリパック。
9. 【請求項９】 前記少なくとも１つの１次電池からなる電池群は、少なくとも２つの１次電池
   を有し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、ステップアップコンバータである、請求
   項１に記載のバッテリパック。
10. 【請求項１０】 前記１次電池群は、並列に接続された複数の電池を有する、請求項２に記載の
    バッテリパック。
11. 【請求項１１】 前記１次電池群は、初期定格電圧を有し、前記バッテリパックは、前記１次電
    池群より高い、初期定格電圧を有する、請求項１０に記載のバッテリパック。
12. 【請求項１２】 ＤＣ−ＤＣコンバータと、 少なくとも２つの１次電池からなる電池群と、 を備えるバッテリパックであって、 前記ＤＣ−ＤＣコンバータは前記１次電池群に動作可能に接続されており、 前記１次電池群は、前記バッテリパックの定格電圧より高い初期電圧を有する
    、バッテリパック。
13. 【請求項１３】 前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記１次電池群の電圧を、前記１次電池群の定
    格電圧より低い、調整された公称電圧に変換する、請求項１２に記載のバッテリ
    パック。
14. 【請求項１４】 前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記バッテリパックの端子に余分な電圧が現れ
    るのを防ぐ、請求項１２に記載のバッテリパック。
15. 【請求項１５】 バッテリ電圧を一定の電圧まで下がるように調整することによって、各電池が
    最小電圧レベルになるまで前記電池を放電できる、請求項１２に記載のバッテリ
    パック。
16. 【請求項１６】 各電池が前記最小電圧レベルになると、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを遮断する
    、請求項１５に記載のバッテリパック。
17. 【請求項１７】 各セルを最小電圧レベルにまで放電させることにより、前記１次電池群から付
    加的なエネルギー転送が得られる、請求項１６に記載のバッテリパック。
18. 【請求項１８】 前記１次電池群はプラス端子とマイナス端子とを有し、前記プラス端子は前記
    ＤＣ−ＤＣコンバータの入力側に接続されている、請求項１７に記載のバッテリ
    パック。
19. 【請求項１９】 前記ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記１次電池群とを格納するケースと、 前記ＤＣ−ＤＣコンバータに接続され、前記ケース上に置かれる１対の外部バ
    ッテリ端子と、 をさらに備える、請求項１８に記載のバッテリパック。