JP4189987B2 - 電池パック及び該電池パックを電源とする外部ホスト機器システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス放電の大電流期間に対応した電池パック及び該電池パックを電源とする外部ホスト機器システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来の電池パックの構成概要を示す図であり、１１は二次電池、１２はモニタ回路、１３は制御回路、１４は充放電用ＦＥＴ、１７は通信ライン、１８はバス、１９はコネクタを示す。
【０００３】
電池パックは、例えば図３に示すように充電式の二次電池１１、それらをモニタするモニタ回路１２、外部との通信や電池パック内の制御を行う制御回路１３、充放電を直接制御するスイッチ素子である充放電用ＦＥＴ１４、外部との接続を行うコネクタ１９等からなる。
【０００４】
モニタ回路１２は、二次電池１１の充放電状態を監視するものであり、例えば電圧検出回路、温度検出回路などを有し、異常電圧や異常温度を検出した場合には充放電用ＦＥＴ１４を制御して充放電電流を遮断し過充電保護、過放電保護を行う。
【０００５】
制御回路１３は、モニタ回路１２で検出した充放電状態を示すデータを取り込み、外部ホスト機器システムとの通信によりデータやコマンドを授受し充放電用ＦＥＴ１４を制御する例えば制御ＩＣである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
電池パックの放電容量は、放電電流をできるだけ一定にし、電池電圧の変動を抑えた方が大きくとれるが、パルス放電した場合には、大電流放電時、電池電圧が低下するため放電時間が減少するという問題がある。また、低温時においては、電池の内部インピーダンスが大きくなるため、本来の放電容量を取り出せなくなる。このように電池パックでは、高負荷接続時や低温時、放電容量の低下時の内部インピーダンス等の影響により急激な出力低下が生じ、二次電池の放電容量を有効に使い切ることができないなどの問題がある。
【０００７】
そこで、従来の二次電池を供給源とする電池パックにおいては、電圧が低下しても二次電池の放電容量を有効に使えるようにするため、二次電池の電圧を昇圧した後レギュレータで調整して使用するように昇圧回路を設けて対応する提案がなされている（例えば特開平６−２９１７１０号公報、特開平７−３３４２５７号公報参照）。しかし、このような昇圧回路とレギュレータを組み合わせた従来の対応では、回路構成及び制御が煩雑になるという問題がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、簡単な回路構成と制御によりパルス放電の大電流期間の電圧低下を抑え、放電容量を有効に引き出すようにするものである。
【０００９】
そのために本発明は、二次電池と、該二次電池の充放電電流をオン／オフする制御スイッチと、コンデンサとリアクトルとスイッチ素子からなり前記二次電池から一時的に電力を蓄えて前記制御スイッチを通る放電電流経路と並列に出力する一時電力貯蔵回路と、外部ホスト機器からの制御信号に基づき前記制御スイッチ及び一時電力貯蔵回路を制御する制御回路とを備え、前記制御スイッチは、充電ＦＥＴと放電ＦＥＴからなり、前記制御回路は、前記一時電力貯蔵回路のコンデンサに電力を蓄えてから前記外部ホスト機器からの制御信号に基づき前記コンデンサの電力を前記リアクトルに蓄えて出力するように前記スイッチ素子を制御すると共に、前記充電ＦＥＴをオフにして前記制御スイッチを通る放電電流経路と並列に前記一時電力貯蔵回路から電力を出力することを特徴とするものである。
【００１１】
また、電池パックと該電池パックから電源供給を受ける外部ホスト機器からなる外部ホスト機器システムとして、電池パックと該電池パックから電源供給を受ける外部ホスト機器からなる外部ホスト機器システムにおいて、前記電池パックは、二次電池と、該二次電池の充放電電流をオン／オフする制御スイッチと、コンデンサとリアクトルとスイッチ素子からなり前記二次電池から一時的に電力を蓄えて前記制御スイッチを通る放電電流経路と並列に出力する一時電力貯蔵回路と、前記外部ホスト機器からの制御信号に基づき前記制御スイッチ及び一時電力貯蔵回路を制御する制御回路とを備え、前記外部ホスト機器は、パルス放電の大電流期間の直前に前記制御信号を前記電池パックに与え、前記制御回路は、前記一時電力貯蔵回路のコンデンサに電力を蓄えてから前記制御信号に基づき前記コンデンサの電力を前記リアクトルに蓄えて出力するように前記スイッチ素子を制御することを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る電池パックの実施の形態を示す図であり、１は二次電池、２は制御ＩＣ、３は放電ＦＥＴ、４は充電ＦＥＴ、Ｃ１はコンデンサ、Ｌ１はリアクトル、Ｒ１は抵抗、ＳＷ１、ＳＷ２はスイッチ、ＺＤ１はツェナーダイオードを示す。
【００１３】
図１において、二次電池１は、リチウムイオン電池やリチウムポリマー電池などの化学セルである。制御ＩＣ２は、過充電や過放電の保護を行うため電池電圧を検出し、電池電圧が予め設定されたある一定の電圧（設定電圧）以上か、あるいは一定の電圧以下か、に応じて放電ＦＥＴ３のオン／オフ、充電ＦＥＴ４のオン／オフを制御することにより、過充電や過放電のとき充放電電流を遮断し過充電保護、過放電保護を行う保護回路である。
【００１４】
コンデンサＣ１、リアクトルＬ１、スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、二次電池１から一時的に電力を蓄え、放電ＦＥＴ３、充電ＦＥＴ４からなる制御スイッチを通る放電電流経路と並列に出力する一時電力貯蔵回路を構成するものであり、抵抗Ｒ１は、電流制限用抵抗である。この一時電力貯蔵回路は、抵抗Ｒ１とともにスイッチＳＷ１とリアクトルＬ１とツェナーダイオードＺＤ１との直列回路を放電ＦＥＴ３と充電ＦＥＴ４との直列回路に並列に接続し、リアクトルＬ１の入力側と−側との間にコンデンサＣ１を接続し、出力側と−側との間にスイッチＳＷ２を接続して、ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させている。
【００１５】
上記一時電力貯蔵回路に対して、制御ＩＣ２は、スイッチＳＷ１をオン、スイッチＳＷ２をオフにすることにより二次電池からコンデンサＣ１に電力を蓄える。そして、パルス放電を行う大電流期間の直前に外部ホスト機器からＰＤ信号を受けてスイッチＳＷ１をオフ、スイッチＳＷ２をオンにし、コンデンサＣ１の電力をリアクトルＬ１に蓄え、パルス放電の大電流が流れ始める時点をＰＤ信号の立ち下がりとしてスイッチＳＷ２をオフにすることにより、ツェナーダイオードＺＤ１を通してリアクトルＬ１に蓄えた電力を出力する。
【００１６】
図２は図１に示す回路の動作タイミングを説明するための図である。上記の動作をさらに具体的に説明する。いま、外部ホスト機器における放電電流は、小電流が流れつつ大電流期間が図２（Ａ）に示すようにある。外部ホスト機器から大電流期間の直前に図２（Ｆ）に示すようなパルスのＰＤ信号が制御ＩＣ２に与えられる。このＰＤ信号に対応して、制御ＩＣ２は、その立ち上がりで図２（Ｃ）に示すようにスイッチＳＷ２をオンにする。スイッチＳＷ２のオンにより、コンデンサＣ１からリアクトルＬ１にスイッチＳＷ２を通して図２（Ｄ）に示すように電流が流れ増大する。
【００１７】
次に、ＰＤ信号が立ち下がり大電流期間になると、ＰＤ信号の立ち下がりで図２（Ｃ）に示すようにスイッチＳＷ２をオフにする。このスイッチＳＷ２がオフになったことにより、それまでスイッチＳＷ２に流れていたリアクトルＬ１の電流は、図２（Ｅ）に示すようにツェナーダイオードＺＤ１を通して出力され、外部ホスト機器へ供給される。したがって、このツェナーダイオードＺＤ１を通して出力される電流により、大電流期間に二次電池１から放電ＦＥＴ３を通して直接外部ホスト機器へ供給する電流を少なくすることができるので、電池電圧は、図２（Ｂ）に示す実線から点線のように大電流期間における低下を小さくすることができる。
【００１８】
なお、スイッチＳＷ１は、コンデンサＣ１に電力を蓄えるためオンにするので、スイッチＳＷ２がオフの間に、コンデンサＣ１に電力を蓄えるのに必要な一定期間だけオンにするように制御してもよいし、スイッチＳＷ２がオンからオフになった後、図２（Ｃ）に示すように大電流期間の経過後からスイッチＳＷ２がオンになる直前までオンにするように制御してもよい。
【００１９】
また、制御ＩＣ２は、電池電圧が所定値以上である場合に、スイッチＳＷ２をオフのままとし、リアクトルＬ１への電力の貯蔵は行わず、所定値未満になると、上記のように外部ホスト機器からのＰＤ信号の立ち上がりに応じてスイッチＳＷ１をオフ、スイッチＳＷ２をオンにするように制御してもよい。これによって、スイッチＳＷ２に電流が流れ、コンデンサＣ１からリアクトルＬ１に電力が蓄えられ、ＰＤ信号が立ち下がると、スイッチＳＷ２をオフにする。このとき、リアクトルＬ１には逆起電力が発生し、ツェナーダイオードＺＤ１に電流が流れ、パルス放電の大電流を部分的に補うことができる。
【００２０】
さらに、電池に密着させてサーミスタを設け、このサーミスタの抵抗値を計測することによって、電池の温度を検出し、電池の温度が所定値、例えば０℃以下でかつ電池電圧が所定値、例えば３Ｖ以下になったときスイッチＳＷ２を数十ｋＨｚでオン／オフし、ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させて電池電圧を昇圧するように制御してもよい。この場合においても、外部ホスト機器の入力部には、通常コンデンサが挿入されているため、出力電圧は安定する。
【００２１】
このとき、制御ＩＣの過放電検出電圧を電池温度に応じて、例えば通常２．５Ｖとすると、０℃では２Ｖとするように、電池電圧が低くなればなるほど過放電検出電圧を低くするように変化させると、電池の内部インピーダンスが高くなったとしても電池に蓄えられているエネルギーを取り出すことができる。
【００２２】
スイッチＳＷ２をオフにする時には、充電ＦＥＴ４もオフにすると、二次電池１が再充電されるのを防ぐことができ、外部ホスト機器へ電流が供給されるようになる。そして、所定の期間が経過した時点で、充電ＦＥＴ４をオン、スイッチＳＷ１をオンにし、コンデンサＣ１に電荷を蓄える。このようにすることによって、小電流期間に過大な負荷がかからずにコンデンサＣ１に電荷を蓄えることができる。
【００２３】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、放電ＦＥＴ３と充電ＦＥＴ４を＋側に挿入しているが、これを−側に挿入した形態でもよい。また、一時電力貯蔵回路の出力側にツェナーダイオードを接続したが、ダイオードその他の整流素子を用いてもよい。外部ホスト機器からのＰＤ信号は、パルス信号を用いてスイッチＳＷ２を、その立ち上がりでオンにし、立ち下がりでオフにしたが、外部ホスト機器から１つのタイミング信号だけ受けて、その後は一定の設定されたタイムスケジュールにしたがってオフのタイミング、また、スイッチＳＷ１のオン／オフのタイミングを制御してもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、二次電池と、該二次電池の充放電電流をオン／オフする制御スイッチと、コンデンサとリアクトルとスイッチ素子からなり二次電池から一時的に電力を蓄えて制御スイッチを通る放電電流経路と並列に出力する一時電力貯蔵回路と、外部ホスト機器からの制御信号に基づき制御スイッチ及び一時電力貯蔵回路を制御する制御回路とを備え、制御スイッチは、充電ＦＥＴと放電ＦＥＴからなり、制御回路は、一時電力貯蔵回路のコンデンサに電力を蓄えてから外部ホスト機器からの制御信号に基づきコンデンサの電力をリアクトルに蓄えて出力するようにスイッチ素子を制御すると共に、充電ＦＥＴをオフにして制御スイッチを通る放電電流経路と並列に一時電力貯蔵回路から電力を出力し、また、電池パックと該電池パックから電源供給を受ける外部ホスト機器からなる外部ホスト機器システムとして、電池パックと該電池パックから電源供給を受ける外部ホスト機器からなる外部ホスト機器システムにおいて、電池パックは、二次電池と、該二次電池の充放電電流をオン／オフする制御スイッチと、コンデンサとリアクトルとスイッチ素子からなり二次電池から一時的に電力を蓄えて制御スイッチを通る放電電流経路と並列に出力する一時電力貯蔵回路と、外部ホスト機器からの制御信号に基づき制御スイッチ及び一時電力貯蔵回路を制御する制御回路とを備え、外部ホスト機器は、パルス放電の大電流期間の直前に制御信号を電池パックに与え、制御回路は、一時電力貯蔵回路のコンデンサに電力を蓄えてから制御信号に基づきコンデンサの電力をリアクトルに蓄えて出力するようにスイッチ素子を制御するので、簡単な回路構成と制御によりパルス放電の大電流期間に二次電池の出力と併せて一時電力貯蔵回路の出力も使うことができ、電池電圧の低下を抑え、二次電池の放電容量を有効に引き出すことができる。
【００２５】
しかも、一時電力貯蔵回路の電力を無駄にすることなく、有効に使うことができ、また、電池温度や電池電圧に応じた制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る電池パックの実施の形態を示す図である。
【図２】 図１に示す回路の動作タイミングを説明するための図である。
【図３】 従来の電池パックの構成概要を示す図である。
【符号の説明】
１…二次電池、２…制御ＩＣ、３…放電ＦＥＴ、４…充電ＦＥＴ、Ｃ１…コンデンサ、Ｌ１…リアクトル、Ｒ１…抵抗、ＳＷ１、ＳＷ２…スイッチ、ＺＤ１…ツェナーダイオード

Claims (2)

1. 二次電池と、
   該二次電池の充放電電流をオン／オフする制御スイッチと、
   コンデンサとリアクトルとスイッチ素子からなり前記二次電池から一時的に電力を蓄えて前記制御スイッチを通る放電電流経路と並列に出力する一時電力貯蔵回路と、
   外部ホスト機器からの制御信号に基づき前記制御スイッチ及び一時電力貯蔵回路を制御する制御回路と
   を備え、前記制御スイッチは、充電ＦＥＴと放電ＦＥＴからなり、前記制御回路は、前記一時電力貯蔵回路のコンデンサに電力を蓄えてから前記外部ホスト機器からの制御信号に基づき前記コンデンサの電力を前記リアクトルに蓄えて出力するように前記スイッチ素子を制御すると共に、前記充電ＦＥＴをオフにして前記制御スイッチを通る放電電流経路と並列に前記一時電力貯蔵回路から電力を出力することを特徴とする電池パック。
2. 電池パックと該電池パックから電源供給を受ける外部ホスト機器からなる外部ホスト機器システムにおいて、
   前記電池パックは、
   二次電池と、
   該二次電池の充放電電流をオン／オフする制御スイッチと、
   コンデンサとリアクトルとスイッチ素子からなり前記二次電池から一時的に電力を蓄えて前記制御スイッチを通る放電電流経路と並列に出力する一時電力貯蔵回路と、
   前記外部ホスト機器からの制御信号に基づき前記制御スイッチ及び一時電力貯蔵回路を制御する制御回路とを備え、
   前記外部ホスト機器は、パルス放電の大電流期間の直前に前記制御信号を前記電池パックに与え、
   前記制御回路は、前記一時電力貯蔵回路のコンデンサに電力を蓄えてから前記制御信号に基づき前記コンデンサの電力を前記リアクトルに蓄えて出力するように前記スイッチ素子を制御することを特徴とする電池パックを電源とする外部ホスト機器システム。

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