JP2016005322A - Protection circuit, battery unit and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、保護回路、並びにこれを備える電池ユニット及び電子機器に関する。 The present invention relates to a protection circuit, a battery unit including the protection circuit, and an electronic device.
電子機器に用いられる二次電池は、一般に、過充電及び過放電が行われないよう保護される。例えば、特許文献1に記載されている電池パックは、二次電池の電圧が過充電検出電圧以上になると、二次電池に供給される充電電流を遮断し、二次電池の過充電を防止する。また、この電池パックは、二次電池の電圧が過放電検出電圧以下になると、二次電池と電子機器との接続を遮断し、二次電池の過放電を防止する。
Secondary batteries used in electronic devices are generally protected from being overcharged and overdischarged. For example, in the battery pack described in
ところで、特許文献1の電池パックは、二次電池の電圧が過放電検出電圧からさらに低下し、再充電禁止電圧以下になると、二次電池の再充電ができなくなるように構成されている。これにより、電池内部の金属イオンがデンドライト状の結晶となって析出し、内部短絡が生じるのが防止される。
By the way, the battery pack of
しかしながら、このような構成において、二次電池を小型化し、二次電池の容量が小さくなった場合、二次電池の電圧が過放電検出電圧から再充電禁止電圧に達するまでの期間が短くなるという問題がある。この場合、二次電池を再充電することができなくなる事態を防止するためには、長期間使用しない場合であっても二次電池を頻繁に充電する必要があり、利用者に不便を強いることとなる。 However, in such a configuration, when the secondary battery is downsized and the capacity of the secondary battery is reduced, the period until the voltage of the secondary battery reaches the recharge inhibition voltage from the overdischarge detection voltage is shortened. There's a problem. In this case, in order to prevent a situation in which the secondary battery cannot be recharged, it is necessary to charge the secondary battery frequently even when it is not used for a long period of time, which inconveniences the user. It becomes.
そこで、本発明は、二次電池と電子機器との電気的な接続が遮断された後、二次電池の電圧が再充電禁止電圧に至るまでの期間を確保することが可能な保護回路、並びにこれを備える電池ユニット及び電子機器を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention provides a protection circuit capable of securing a period until the voltage of the secondary battery reaches the recharge prohibition voltage after the electrical connection between the secondary battery and the electronic device is interrupted, and It is an object to provide a battery unit and an electronic device including the above.
本発明は、従来は充電する事によって長期保管を行っていたものを、放電する事によって長期保管可能とする、従来とは全く逆転の発想により上記課題を解決したものである。すなわち、本発明は、電子機器と電気的に接続される二次電池用の保護回路であって、通常の放電レートよりも高い放電レートで二次電池を放電させる放電手段と、二次電池の電圧が所定の電圧以下になると、電子機器及び放電手段と二次電池との電気的な接続を遮断する回路本体と、を備え、通常の放電レートは、電子機器と二次電池とが電気的に接続され且つ電子機器が通常動作している状態における最も高い放電レートである。 The present invention solves the above-mentioned problem by the idea of completely reversing the conventional one, which enables long-term storage by discharging what has been conventionally stored by charging. That is, the present invention is a protection circuit for a secondary battery that is electrically connected to an electronic device, and includes discharge means for discharging the secondary battery at a discharge rate higher than a normal discharge rate, and a secondary battery And a circuit body that cuts off the electrical connection between the electronic device and the discharging means and the secondary battery when the voltage falls below a predetermined voltage, and the electronic device and the secondary battery are electrically connected at a normal discharge rate. And the highest discharge rate when the electronic device is normally operating.
二次電池が放電し、その電圧が所定の電圧以下に低下したときに二次電池を電子機器等の負荷から電気的に切り離すと、分極して低下していた二次電池の電圧は回復(上昇)する。この二次電池の電圧の回復量は、放電レートが高ければ分極が大きくなるとともに大きくなる。上記保護回路では、放電手段によって通常の放電レートよりも高い放電レートで二次電池を放電するため、通常の放電レートで二次電池が放電した場合と比較して、電子機器及び放電手段から電気的に切り離された後の二次電池の電圧の回復量が大きい。よって、上記保護回路によれば、二次電池が電子機器及び放電手段から切り離された後、二次電池の電圧が再充電禁止電圧に至るまでの期間を長く確保することができる。その結果、充電せずとも長期保管を可能とする事ができる。 When the secondary battery is discharged and its voltage drops below a predetermined voltage, if the secondary battery is electrically disconnected from the load such as an electronic device, the voltage of the secondary battery that has been reduced due to polarization is recovered ( To rise. The amount of voltage recovery of the secondary battery increases as the polarization increases as the discharge rate increases. In the above protective circuit, the secondary battery is discharged at a discharge rate higher than the normal discharge rate by the discharging means, so that the electric device and the discharging means are more electrically connected than when the secondary battery is discharged at the normal discharge rate. The amount of voltage recovery of the secondary battery after being disconnected is large. Therefore, according to the protection circuit, it is possible to ensure a long period until the voltage of the secondary battery reaches the recharge prohibition voltage after the secondary battery is disconnected from the electronic device and the discharging unit. As a result, long-term storage can be achieved without charging.
また、過放電防止の回路は、通常、二次電池を用いる場合には備えられているものであるため、上記の高い放電レートでの強制放電の保護回路構成を付加するのみという簡単な変更で長期保管を可能とする事ができる。 In addition, since the overdischarge prevention circuit is usually provided when a secondary battery is used, it can be simply changed by adding a protective circuit configuration for forced discharge at the above high discharge rate. Long-term storage is possible.
上記保護回路は、さらに、二次電池と放電手段との間に設けられ、二次電池と放電手段との電気的な接続及び非接続を切り替えるスイッチ素子、を備えていてもよい。この構成によれば、放電手段による通常の放電レートよりも高いレートでの放電と、放電手段によらない通常の放電レートでの放電とを適宜切り替えることができる。 The protection circuit may further include a switch element that is provided between the secondary battery and the discharge unit and switches electrical connection and disconnection between the secondary battery and the discharge unit. According to this configuration, it is possible to appropriately switch between discharge at a rate higher than the normal discharge rate by the discharge unit and discharge at a normal discharge rate not by the discharge unit.
上記保護回路において、放電手段は、回路本体によって電子機器及び当該放電手段と二次電池との電気的な接続が遮断された後において、二次電池の全容量に対する残存容量の比率が10%以上となるように二次電池を放電させるよう構成されていてもよい。この構成によれば、二次電池が電子機器及び放電手段から電気的に切り離された後、二次電池の電圧が再充電禁止電圧に至るまでの期間をより確実に確保することができる。なお、本発明において、「全容量」とは公称容量を意味し、「残存容量」とは、電子機器及び放電手段と二次電池との電気的な接続が遮断され、電圧が回復した後の二次電池の残存容量のことをいう。また、二次電池の容量は、放電電流と放電終止電圧に達するまでの時間との積であり、二次電池の全容量に対する残存容量の比率の算出に際しては、「全容量」及び「最大容量」の計算に用いる放電電流及び放電終止電圧の値を統一する。 In the protection circuit, the discharging means has a ratio of the remaining capacity to the total capacity of the secondary battery of 10% or more after the electrical connection between the electronic device and the discharging means and the secondary battery is interrupted by the circuit body. The secondary battery may be configured to be discharged. According to this configuration, after the secondary battery is electrically disconnected from the electronic device and the discharging unit, it is possible to more reliably ensure a period until the voltage of the secondary battery reaches the recharge prohibition voltage. In the present invention, “total capacity” means nominal capacity, and “remaining capacity” means that the electrical connection between the electronic device and the discharging means and the secondary battery is interrupted and the voltage is restored. The remaining capacity of the secondary battery. The capacity of the secondary battery is the product of the discharge current and the time to reach the discharge end voltage. In calculating the ratio of the remaining capacity to the total capacity of the secondary battery, the “total capacity” and “maximum capacity” The values of discharge current and end-of-discharge voltage used in the calculation of "
本発明に係る電池ユニットは、上記保護回路と、保護回路に電気的に接続される二次電池と、を備えている。 The battery unit according to the present invention includes the protection circuit and a secondary battery that is electrically connected to the protection circuit.
また、本発明に係る電子機器は、上記保護回路と、保護回路に電気的に接続される機器本体と、を備えている。 An electronic device according to the present invention includes the protection circuit and a device main body electrically connected to the protection circuit.
上記電池ユニット及び電子機器は、上記保護回路を備えているため、上述した通り、二次電池が電子機器及び放電手段から電気的に切り離された後、二次電池の電圧が再充電禁止電圧に至るまでの期間を長く確保することができる。 Since the battery unit and the electronic device include the protection circuit, as described above, after the secondary battery is electrically disconnected from the electronic device and the discharging unit, the voltage of the secondary battery becomes the recharge prohibition voltage. A long period can be secured.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、同一の構成及び相当する構成については、同一の符号を付して同じ説明を繰り返さない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, about the same structure and a corresponding structure, the same code | symbol is attached | subjected and the same description is not repeated.
[全体構成]
本実施形態に係る電池ユニット10は、図1に示すように、電子機器20に装着される。電池ユニット10は、保護回路11と、電子機器20の機器本体21に電力を供給する二次電池12と、を備えている。なお、保護回路11は、図2に示すように、電子機器20に備えられていてもよい。
[overall structure]
As shown in FIG. 1, the
保護回路11は、機器本体21と二次電池12との電気的な接続状態を制御し、二次電池12の過放電及び再充電を禁止する。保護回路11は、放電手段111と、スイッチ素子112と、回路本体113と、を備えている。
The protection circuit 11 controls the electrical connection state between the device
放電手段111は、二次電池12に与えられる負荷(抵抗)であり、二次電池1の正極及び負極に接続される。放電手段111と二次電池12の正極との間には、スイッチ素子112が設けられ、放電手段111と二次電池12の負極との間には、回路本体113が設けられる。スイッチ素子112は、二次電池12と放電手段111との電気的な接続及び非接続を切り替える。
The
放電手段111は、通常の放電レートよりも高い放電レートで二次電池12を放電させる。なお、通常の放電レートとは、電子機器20を含むすべての負荷と二次電池12とが電気的に接続され、且つ電子機器20が通常動作している状態における二次電池12の放電レートをいう。放電手段111は、スイッチ素子112がONの場合に二次電池12と導通し、通常の放電レートよりも高い放電レートで二次電池12を放電させる。スイッチ素子112がOFFの場合は、二次電池12と放電手段111とは非導通となるため、電子機器20を含むすべての負荷と二次電池12とが電気的に接続され且つ電子機器20が動作している状態であれば、二次電池12は通常の放電レートで放電する。
The discharge means 111 discharges the
ここで、「通常の放電レートよりも高い放電レート」と「通常の放電レート」との電流値を比較した場合、「通常の放電レートよりも高い放電レート」の電流値は、「通常の放電レート」の電流値の2倍以上が好ましく、さらに好ましくは10倍以上である。 Here, when comparing the current values of “discharge rate higher than normal discharge rate” and “normal discharge rate”, the current value of “discharge rate higher than normal discharge rate” is “normal discharge rate”. The current value of “rate” is preferably 2 times or more, more preferably 10 times or more.
放電レートが高い程、分極が大きくなり、残存容量を大きく残した状態で、過放電禁止電圧とする事が出来る。このため、残存容量を大きく残した状態で、電子機器20との二次電池12との電気的な接続を遮断出来る。一方、放電レートが高すぎると二次電池12に悪影響を与えてしまう可能性があるため、「通常の放電レートよりも高い放電レート」は、5C以下が好ましく、3C以下である事がより好ましい。なお、1Cとは、電池の定格容量を1時間で放電するための電流値をいう。
The higher the discharge rate, the greater the polarization, and the overdischarge inhibition voltage can be achieved with a large remaining capacity. For this reason, the electrical connection with the
また、「通常の放電レートよりも高い放電レート」は、電子機器20が保護回路11で消費する電流値をIとした場合、100I以上の電流値であることが好ましく、より好ましくは、1000I以上の電流値である。
The “discharge rate higher than the normal discharge rate” is preferably a current value of 100 I or more, more preferably 1000 I or more, where I is the current value consumed by the
回路本体113は、二次電池12の電圧を監視する電圧監視部113Aと、二次電池12と機器本体21及び放電手段111との電気的な接続状態を制御する制御部113Bと、を備えている。回路本体113は、特に図示しないが、電池ユニット10又は電子機器20内の温度を監視する温度監視部や、二次電池12に流れる過電流を検出する過電流検出部等をさらに備えていてもよい。
The
電圧監視部113Aは、二次電池12の電圧を監視し、二次電池12の電圧が所定の電圧(過放電禁止電圧)以下まで低下したときに、二次電池12の過放電を停止するための制御信号(過放電禁止信号)SODを制御部113Bに出力する。電圧監視部113Aは、二次電池12の電圧が過放電禁止電圧からさらに低下し、所定の電圧(再充電禁止電圧)以下になったときに、再充電禁止信号SRを制御部113Bに出力する。
The
制御部113Bは、過放電禁止信号SODが入力されない間は、機器本体21と二次電池12との間に設けられたスイッチ素子(不図示)をONにし、機器本体21と二次電池12との電気的な接続を維持している。
制御部113Bは、過放電禁止信号SODが入力されると、機器本体21と二次電池12との間に設けられたスイッチ素子(不図示)をOFFにし、機器本体21と二次電池12との電気的な接続を遮断する。このとき、制御部113Bは、図示しない充電回路やDC/DCコンバータ等の負荷と二次電池12との電気的な接続も遮断する。さらに、制御部113Bは、二次電池12と放電手段111との電気的な接続を遮断する。すなわち、制御部113Bは、回路本体113を除くすべての負荷と二次電池12との電気的な接続を遮断する。
When the overdischarge inhibition signal SOD is input, the
制御部113Bは、再充電禁止信号SRが入力されると、図示しない充電機器等からの二次電池12に対する充電電流の供給を遮断することにより、二次電池12の充電を禁止する。その後、二次電池12を再度充電することはできなくなる。
[高放電レートでの二次電池の放電]
次に、通常の放電レートよりも高い放電レートで二次電池12を放電させる場合における電池ユニット10の動作について説明する。なお、以下の説明では、電子機器20は動作していない状態にあるものとする。
[Discharge of secondary battery at high discharge rate]
Next, the operation of the
スイッチ素子112がOFFになっている場合、二次電池12と放電手段111との電気的な接続は遮断されている。また、機器本体21と二次電池12との間に設けられたスイッチ素子(不図示)がONになっている場合、機器本体21と二次電池12との電気的な接続は維持されている。このとき、二次電池12は通常の放電レートで放電されている。
When the
上記の状態において、利用者の操作等によってスイッチ素子112がONにされると、二次電池12と放電手段111とが電気的に接続され、通常の放電レートよりも高い放電レートでの二次電池12の放電が開始される。なお、後述する通り、放電手段111による放電終了後、二次電池12の電圧は回復する。放電手段111による二次電池12の放電レートは、電圧回復後における二次電池12の全容量に対する残存容量の比率が10%以上となるように設定されていることが好ましい。
In the above state, when the
二次電池12の放電が進み、二次電池12の電圧が過放電禁止電圧に到達すると、電圧監視部113Aは、過放電禁止信号SODを制御部113Bに出力する。これにより、制御部113Bは、二次電池12と放電手段111との電気的な接続を遮断する。また、制御部113Bは、機器本体21と二次電池12との電気的な接続も遮断する。制御部113Bは、放電手段111及び機器本体21以外の負荷と二次電池12との電気的な接続も遮断する。すなわち、制御部113Bは、回路本体113以外のすべての負荷と二次電池12との電気的な接続も遮断する。
When discharging of the
各負荷と二次電池12との電気的な接続が遮断された直後、分極により低下していた二次電池12の電圧は、過放電禁止電圧から回復(上昇)する。その後、二次電池12の電圧は、自己放電及び保護回路11の消費電流により、再充電禁止電圧まで徐々に低下する。
Immediately after the electrical connection between each load and the
ここで、図3において、通常の放電レートで二次電池12の放電を行った場合の放電曲線CN、及び通常の放電レートよりも高い放電レートで二次電池12の放電を行った場合の放電曲線CHを例示する。図3に示すように、放電曲線CHの方が放電曲線CNよりも過放電禁止電圧VODに到達するまでの勾配が大きくなる。二次電池12の電圧は、一旦過放電禁止電圧VODに到達するが、放電を止める事で分極によって低下していた電圧が回復する。放電曲線CHの回復量RHは放電曲線CNの回復量RNよりも大きい。すなわち、過放電禁止状態になった後の二次電池12の最大電圧は、通常の放電レートよりも高い放電レートで放電を行った方が、通常の放電レートで放電を行うよりも大きくなる。したがって、過放電禁止状態になった後、二次電池12の電圧が再充電禁止電圧VRに至るまでの期間は、通常の放電レートよりも高い放電レートで放電を行った場合の期間PHの方が、通常の放電レートで放電を行った場合の期間PNよりも長くなる。これは、高い放電レートで放電した方が二次電池12の全容量に対する残存容量が大きい事を意味している。
Here, in FIG. 3, when the
以上のように、本実施形態では、通常の放電レートよりも高い放電レートで二次電池12の放電を行うことにより、二次電池12の電圧が過放電禁止電圧に至った直後における二次電池12の電圧の回復量が大きく、残存容量が大きくなる。この結果、二次電池12の電圧が過放電禁止電圧に至った後から再充電禁止電圧に低下するまでの期間を長く確保することができるため、二次電池12の小型化を図ることが可能となる。
As described above, in the present embodiment, the
ここで、小型化された二次電池は、例えば、その容量が500mAより小さい扁平形二次電池である事が望ましい。容量の大きな電池の場合には、残存容量が大きい為、本発明における問題は生じにくいが、容量の小さな電池においては、この問題が顕著となる為である。 Here, the miniaturized secondary battery is preferably a flat secondary battery having a capacity of less than 500 mA, for example. In the case of a battery having a large capacity, since the remaining capacity is large, the problem in the present invention hardly occurs. However, in a battery having a small capacity, this problem becomes significant.
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
[放電実験]
直径20mm、厚み2.0mm、定格容量30mAhの5つの扁平形二次電池12(No.1〜No.5)を準備し、各二次電池12に50Ωの抵抗(放電手段111)を接続して、2C(60mA)の放電レートで放電実験を行った。実験開始前における各二次電池12の電圧は3.80±0.03Vであった(表1)。なお、二次電池12に接続される保護回路11の最大消費電流は0.3μAである。
[Discharge experiment]
Five flat secondary batteries 12 (No. 1 to No. 5) having a diameter of 20 mm, a thickness of 2.0 mm, and a rated capacity of 30 mAh are prepared, and a 50Ω resistor (discharge means 111) is connected to each
各二次電池12の電圧が過放電禁止電圧2.7Vに到達するまで2Cの放電レートで放電を行った後、各二次電池12を放電手段111から切り離し、実験開始から2時間が経過するまで各二次電池2の電圧をモニタリングした。図4に実験中の各二次電池12の電圧の遷移を示す。その後、各二次電池12を一瞬充電して過放電禁止状態を解除し、各二次電池12の残存容量を確認した。
After discharging at the discharge rate of 2C until the voltage of each
[評価]
実験終了後の各二次電池12の最高電圧及び残存容量を表1に示す。各二次電池12の電圧は、過放電禁止電圧に至った後で回復し、最高値が約3.7Vとなった。電圧回復後における各二次電池12の残存容量(放電レート0.2C、放電終止電圧2.7V)は、約3.0〜3.5mAhとなった。なお、残存容量の測定後、再充電禁止電圧として想定している終止電圧の0.95Vまで、自己放電と保護回路の消費電流を元に想定して放電した場合の容量は約0.6mAhである。このため、本実施例では、再充電禁止電圧までの残存容量を最低でも3.6mAh以上残すことができた。
[Evaluation]
Table 1 shows the maximum voltage and remaining capacity of each
保護回路11がスタンバイ状態(二次電池12と回路本体113以外のすべての負荷とが切り離された状態)であれば、二次電池12の消費容量は、自己放電及び保護回路11の消費電流のみに起因する。保護回路11がスタンバイ状態における二次電池12の1日当たりの消費容量、及びその消費容量の場合に残存容量3.6mAhを消費する日数を計算した結果を表2に示す。表2に示すように、保護回路11の消費電流を最大値である0.3μAとした場合、二次電池12の1日当たりの消費容量は0.010mAhとなり、3.6mAhの残存容量の消費日数は375となる。また、保護回路11の消費電流を公称値である0.05μAとした場合は、二次電池12の1日当たりの消費容量は0.004mAhであり、3.6mAhの残存容量の消費日数は874であった。
If the protection circuit 11 is in a standby state (a state where all the loads other than the
以上のように、通常の放電レートよりも高い放電レート2Cで二次電池12の放電を行うと、二次電池12が過放電禁止状態となった後、その電圧が再充電禁止電圧0.95Vに至るまでの期間を1年以上確保することができる。
As described above, when the
10 電池ユニット
11 保護回路
111 放電手段
112 スイッチ素子
113 回路本体
12 二次電池
20 電子機器
21 機器本体
DESCRIPTION OF
Claims (5)
通常の放電レートよりも高い放電レートで前記二次電池を放電させる放電手段と、
前記二次電池の電圧が所定の電圧以下になると、前記電子機器及び前記放電手段と前記二次電池との電気的な接続を遮断する回路本体と、
を備え、
前記通常の放電レートは、前記電子機器と前記二次電池とが電気的に接続され且つ前記電子機器が通常動作している状態における放電レートである、保護回路。 A protection circuit for a secondary battery that is electrically connected to an electronic device,
Discharging means for discharging the secondary battery at a discharge rate higher than a normal discharge rate;
When the voltage of the secondary battery is equal to or lower than a predetermined voltage, a circuit body that cuts off the electrical connection between the electronic device and the discharging means and the secondary battery;
With
The normal discharge rate is a protection circuit that is a discharge rate in a state where the electronic device and the secondary battery are electrically connected and the electronic device is normally operating.
前記二次電池と前記放電手段との間に設けられ、前記二次電池と前記放電手段との電気的な接続及び非接続を切り替えるスイッチ素子、
を備える、保護回路。 The protection circuit according to claim 1, further comprising:
A switch element provided between the secondary battery and the discharge means, and for switching between electrical connection and disconnection between the secondary battery and the discharge means;
A protection circuit.
前記放電手段は、前記回路本体によって前記電子機器及び当該放電手段と前記二次電池との電気的な接続が遮断された後において、前記二次電池の全容量に対する残存容量の比率が10%以上となるように前記二次電池を放電させる、保護回路。 The protection circuit according to claim 1 or 2,
The discharging means has a ratio of the remaining capacity to the total capacity of the secondary battery of 10% or more after electrical connection between the electronic device and the discharging means and the secondary battery is interrupted by the circuit body. A protection circuit for discharging the secondary battery so that
前記保護回路に電気的に接続される二次電池と、
を備える、電池ユニット。 The protection circuit according to any one of claims 1 to 3,
A secondary battery electrically connected to the protection circuit;
A battery unit.
前記保護回路に電気的に接続される機器本体と、
を備える電子機器。 The protection circuit according to any one of claims 1 to 3,
A device body electrically connected to the protection circuit;
Electronic equipment comprising.
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