JP2016005322A - 保護回路、電池ユニット、及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】電子機器２０と電気的に接続される二次電池１２用の保護回路１１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１２を放電させる放電手段１１１と、二次電池１２の電圧が所定の電圧以下になると、電子機器２０及び放電手段１１１と二次電池１２との電気的な接続を遮断する回路本体１１３と、を備える。通常の放電レートは、電子機器２０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放電レートである。
【選択図】図１

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。

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。

特開２０１２−８５４８７号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の一実施形態に係る電池ユニットの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る電子機器の構成を示すブロック図である。 上記実施形態に係る二次電池の放電曲線の例を示すグラフである。 本発明の実施例における二次電池の放電曲線を示すグラフである。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）Ｓ_ＯＤ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Ｓ_Ｒを制御部１１３Ｂに出力する。

制御部１１３Ｂは、過放電禁止信号Ｓ_ＯＤ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Ｓ_ＯＤ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。

制御部１１３Ｂは、再充電禁止信号Ｓ_Ｒ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。

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。

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。

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Ｓ_ＯＤ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。

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。

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Ｃ_Ｎ、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Ｃ_Ｈを例示する。図３に示すように、放電曲線Ｃ_Ｈの方が放電曲線Ｃ_Ｎよりも過放電禁止電圧Ｖ_ＯＤ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Ｖ_ＯＤ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Ｃ_Ｈの回復量Ｒ_Ｈは放電曲線Ｃ_Ｎの回復量Ｒ_Ｎ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Ｖ_Ｒ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Ｐ_Ｈの方が、通常の放電レートで放電を行った場合の期間Ｐ_Ｎ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。

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。

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。

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。

［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。

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。

［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。

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。

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。

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

Claims (5)

1. 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。
2. 請求項１に記載の保護回路であって、さらに、
   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。
3. 請求項１又は２に記載の保護回路であって、
   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。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の保護回路と、
   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。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載の保護回路と、
   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。

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