JPH0433271A - 充電式電池装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は急速充電可能な充電式電池装置に関し、特に過
放電防止機能を有する電池装置に関する。

［発明の概要］ 本発明は、充電式電池装置において、電池の残容量が所
定値以下に少なくなったことを、該電池の電圧を検出す
ることによって検知し、放電回路を自動的に遮断する機
能を簡単な構成で、しかも非常に小さな電力損失で電池
装置自体で行い得るようにしたものである。

なお、本発明でいう電池とは、単一の電池のみらなず、
複数の電池を互いに接続した組電池、過充電、短絡等に
かかわる安全装置、残容量表示等の機能が付加された電
池および組電池をも包含する。

［従来の技術Ｊ ポータプル機器の発達にともない、ラジオ、ラジオ付き
カセットテープレコーダ、ポータプルＶＴＲ、ポータプ
ルコンピュータ等の電子機器、携帯電話等の通信機器お
よびポータプル電動工具等の動力危機等の電源に、−次
電池および二次電池が広く使われるようになっている。

特に、近年二次電池の使用が著しく増加している。

［発明が解決しようとする課題１ 従来、充電式電池装置を機器に装着して使用する場合に
は、しばしば、電池装置を機器に装着した状態で長期間
放置し、電池装置内の二次電池を完全に放電せしめる場
合があった。

ところが、二次電池を完全に放電せしめた場合、多くの
二次電池では性能の劣化が著しく、繰り返し使用に耐え
ない、しかも、多くの機器では、電池装置の過放電を防
止する機能を有しておらず、特に、様々な機器で使用さ
れる脱着式の充電式電池装置では、機器に装着されたま
まの状態で長期間放置され、電池装置内の電池部が過放
電に至ることを防止することができなかった。

特に、非水系二次電池では、−旦過放電に至ると、その
後の充電で電池内部で短絡を引き起こし、性能の劣化ば
かりではな（、破裂に至るというような安全上重大なト
ラブルを引き起こすことがあった。

本発明の目的は以上のような問題を解消し、充電式電池
装置において、機器に装着した状態で放置した場合に、
当該充電式電池装置内の二次電池の過放電を防止し、過
放電による二次電池の性能の劣化を防止することにある
。しかも、例えば脱着可能な充電式電池装置において、
どのような機器で、どのような使用のされ方をした場合
でも、当該電池装置内の二次電池の過放電を防止するこ
とにある。

［課題を解決するための手段１ 上記目的を達成するため本発明は、充電可能な電池と、
内部に寄生ダイオードを有し、前記電池の充放電回路に
直列に挿入したスイッチ手段と、前記電池の両端電圧を
検知し、当該検知結果に基づく出力電圧によって前記ス
イッチ手段のオン・オフを制御する電圧検知手段とから
なり、該電圧検知手段は、前記スイッチ手段をオンする
検知電圧が前記スイッチ手段をオフする検知電圧よりも
高（、前記寄生ダイオードは前記電池の充電回路の一部
を構成することを特徴とする。

なお、本発明でいうスイッチ手段としては、電力損失が
小さく、かつ遮断時のリーク電流が１００μＡ以下であ
り、かつ、消費電力を小さくするために電圧駆動型のス
イッチであることが好ましい、この条件を満足するデバ
イスとして、電界効果型のトランジスタ（ＦＥＴ）が好
ましい条件を備えているが、その中でもデバイスの内部
に寄生ダイオードを有するＭＯＳ　ＦＥＴを使用すると
回路を著しく簡略化および小型化できることを見出した
。すなわち、該ＭＯ３ＦＥＴの内部の寄生ダイオードを
電池の充電回路の一部として使用することで、電池装置
内の充電回路を簡略化でき、しかも電池装置を従来の電
池装置と同じように２端子の部品として使用でき、該電
池装置内の電圧検知手段のコントロールのための第３端
子等は必要としない。

そこで、放電回路の遮断スイッチとして使用するＭＯＳ
　ＦＥＴを検討した結果、ＭＯＳ　ＦＥＴとしてはドレ
イン・ソース間オン抵抗（Ｒｏｓ　ｌ＋ｎｌ　）が小さ
いものほど好ましく、ドレイン・ソース間オン抵抗（Ｒ
ｏｓ＋。。１）は該電池装置内の電池の内部抵抗と同程
度、もしくはそれよりも小さいことが望ましいことが分
かった。もちろん、ＭＯＳ　ＦＥＴは並列に使用しても
差し支えなく、この場合は、ＭＯＳ　ＦＥＴのドレイン
・ソース間オン抵抗（Ｒｏ、ｔ。＋ｎ）の合成抵抗値が
該電池装置内の電池の内部抵抗と同程度、もしくはそれ
よりも小さいことが必要である。　ＭＯＳ　ＦＥＴのド
レイン・ソース間オン抵抗（Ｒｏｓ　ｔａ＋＋　）が電
池装置内の電池の内部抵抗に比べて大きい場合は、ＭＯ
Ｓ　ＦＥＴによる電力損失が大きくなるばかりではなく
、その結果、電池装置内の温度が著しく上昇するおそれ
があり、好ましくない。

なお、スイッチ手段としては、内部に寄生ダイオードを
有するデバイスであっても、内部に寄生ダイオードを有
するＭＯＳ　ＦＥＴと同じように寄生ダイオードを充電
回路の一部として使用することによってＭＯＳ　ＦＥＴ
と同様に電池装置内の回路を簡略できる。

ところで、電圧検知手段として使用する電子回路は、バ
イポーラ、　ＩＣ，ＭＯＳ　ＩＣ，ＣＭＯＳ　ＩＣおよ
びハイブリッドＩＣ等で構成することができるが、消費
電流が小さいほうが好ましく、少なくとも、該電池装置
内の二次電池の自己放電電流よりも小さいことが必要不
可欠であり、特にポータプル機器用の小型の電池装置と
しては、１００μＡよりも小さいことが望ましい。すな
わち、消費電流が１００μＡを越えるような電圧検知手
段を使用した場合、ポータプル機器により用いられる１
、ＯＡｈ程度の電池装置では、過放電防止装置が作動し
、外部放電電流が遮断されたとしても、電圧検知手段の
消費電流で電池装置内の電池を数カ月で過放電に至らし
め、電池装置内の電池の過放電を防止するという機能を
満たすことができない。

さらに、電圧検知手段は検出電圧（■。、、）　（すな
わちスイッチ手段をオフする検知電圧）よりも高いリセ
ット電圧（■。。）（すなわちスイッチ手段をオンする
検知電、圧）を有することが必要であり、ヒステリシス
の大きさ（■。６−Ｖｏｆｆ）は０．０５Ｖ〜５．Ｏｖ
程度あることが好ましい、　０．０５Ｖよりも小さなヒ
ステリシスでは、放電電流の遮断による電池両端電圧の
回復によって再びリセット電圧を越えてしまう、その結
果、スイッチ手段がオンして電池装置は断続的に放電を
行うので、ヒステリシスが小さすぎるのは好ましくない
、一方、ヒステリシスが５．Ｏｖよりも大きな場合は、
電池装置が放電遮断状態から充電に入った場合、電池装
置内の電池の電圧がリセット電圧（Ｖ、、）を越えず、
電圧検知手段がリセットされないので、スイッチ手段が
オフ状態のまま、充電電流はスイッチ手段の寄生ダイオ
ードのみを流れるのでスイッチ手段での電力損失が大き
い状態が続く。すなわち、ヒステリシスが大きすぎるの
は好ましくなく、充電開始による電池電圧の上昇によっ
て、ただちに電圧検知手段がリセットされる程度のヒス
テリシスの大きさでなければならない。したがって、ヒ
ステリシスの大きさは０．０５Ｖ〜５．Ｏｖ程度である
ことが好ましい。

［作　用］ 本発明によれば、非常に簡単な構成で、通常の二次電池
と全く同じように使用でき、しかも正常な放電条件を越
えて電池が過放電される以前に電池装置の放電回路を遮
断し、電池装置内の電池を過放電から防止する。これに
よって、過放電による特性の劣化のない充電式電池装置
を提供することができる。

［実施例１ 以下、本発明による過放電防止機能を具備した電池装置
の実施例を図面により説明する。

第１図は本発明のブロック図を示す。第１図に示すよう
に、負荷もしくは充電器１は、電池装置２に接続される
。電池装置２は、電池３、スイッチ手段４および電圧検
知手段５から構成される。

ついで、第２図に過放電防止機能を具備した電池装置の
具体例を示す。第２図に示すようにスイッチ手段として
、内部寄生ダイオード４１Ａを有するＭＯＳ　ＦＥＴ４
１を用いる。電池３は単電池もしくは直列または並列に
接続された組電池からなる。

電圧検知手段５は、第２図に示すように、差動増幅器か
らなり、その反転および非反転入力端に電池３の両端を
接続する。電圧検知手段５の出力端はＭＯＳ　ＦＥＴ４
１のゲートに接続し、電池３の負極はＭＯＳ　ＦＥＴ４
１のソースに接続し、ＭＯＳ　ＦＥＴ４１のドレインは
電池装置２の負極端子７に接続し、電池３の正極は電池
装置２の正極端子６に接続する。電圧検知手段５の出カ
バターンを第３図に示す。第３図の（ａ）および（ｂ）
に示すように、電圧検知手段５の００時の出力電圧（Ｖ
ｏｕｔ　ｌｏｎ＋　）は、ＭＯＳ　ＦＥＴ４１のゲート
カットオフ電圧（Ｖａ−＋。、ｆ））よりも高く、しか
も電圧検知手段５のｏｆｆ時の出力電圧（Ｖｏｕｔ　＋
。１．））は、該ＭＯ３ＦＥＴ４１のゲートカットオフ
電圧（Ｖ（Ｂ　（ｏｔｔ＋　）よりも低いことが必要で
あるが、電圧検知手段５のｏｎ時の出力電圧（Ｖｏｕｔ
ｌ。。Ｉ）は第３図の（ａ）または（ｂ）どちらの出力
形式であっても差し支えない。

以上の構成によれば、電池３の両端電圧がある一定の電
圧（第３図Ｖ０ｅｔ）以下になると、電圧検知手段５の
出力電圧がオン状態（第３図ｖａｓ　ｊｏｆｆ１以上）
からオフ状態（第３図Ｖ。１ｏｆｆ１以下）になり、Ｍ
ＯＳ　ＦＥＴ４１が導通状態から遮断状態になり、電池
３の放電回路を遮断する。さらに、寄生ダイオード４１
Ａを介した充電によって電池３の両端電圧が前記■。１
．よりも高い電圧（第３図ｖ０゜）以上になると、電圧
検知手段５の出力電圧がオフ状態からオン状態になり、
ＭＯＳ　ＦＥＴ４１が遮断状態から導通状態となり、通
常の（低損失の）充電が行われる。

第４図に本発明の他の実施例として、さらにフユーズ、
ツェナーダイオードなどの他の素子を組み込んだ例を示
す。

第４図に示すように電池装置２の正極端子６゜負極端子
７間には、温度フユーズ１１．第１の二次電池８ａ、第
１の感温スイッチ９ａ、温度または電流フユーズ１２．
第２の二次電池８ｂ、第２の感温スイッチ９ｂおよび内
部に寄生ダイオード１３Ａを有するスイッチ手段として
のＭＯＳ　ＦＥＴ（ソース・ドレイン）１３からなる直
列回路が接続され、ツェナーダイオード１０のアノード
が第１の二次電池８ａの正極側にカソードが負極端子に
各々接続され、電圧検知手段としての電圧検出ＩＣ１４
の反転入力端がダイオード１５を介してＭＯＳ　ＦＥＴ
１３のソース側に、非反転入力端が正極端子６に各々接
続され、出力端が抵抗１６を介してＭＯＳ　ＦＥＴ１３
のゲートに接続されている。このような構成においても
、その基本的動作は第２図の装置と同様である。

なお、二次電池８ａ、　８ｂ　（以下８）として特開昭
６２−９０，８６３号に記載の二次電池を使用した場合
について具体的に説明する。該二次電池８の標準的な動
作電圧範囲は、１セルあたり２．７５Ｖ〜４．２■であ
り、第４図のように該二次電池８を２個直列に組み合わ
せた場合は、５．５ｖ〜８．４ｖになる。本実施例では
ビデオムービーの電源用として２．　ＯＡｈの容量を有
する電池装置を試作した。試作した電池装置は９０ｍｍ
Ｘ　４６ｍｍＸ　２６ｍｍの大きさを有し、０．１５Ω
〜０．３０Ωの内部抵抗を持つ。なお、該二次電池８の
単セルの内部抵抗は０．０２Ω〜０．０８Ωであり、２
５℃での自己放電電流は２００μＡ程度以上ある。とこ
ろで、該二次電池８は単セル電圧が約０．５ｖ以下にな
ると、通常のサイクル劣化より大きな性能の低下を引き
起こす、したがって、第４図のように２個を直列に組み
合わせた場合は、電池装置の開放電圧が少なくともＩＶ
以下にならないように電圧を保持する必要性がある。

ところで、例えばＭＯＳ　ＦＥＴ１３として、２３に１
２８６（ＮＥＣ）　、　２３に１１３６（三菱）、２Ｓ
Ｋ１１３７（三菱）、２３Ｋ１１１４（東芝）等を使用
すれば、ＭＯＳ　ＦＥＴのドレイン・ソース間オン抵抗
（Ｒ□（。＋ｎ）は、０．０４Ω〜０．１２Ωにするこ
とができる。もちろん、より定格の大きなＭＯＳ　ＦＥ
Ｔを使用すれば、さらにＭＯＳ　ＦＥＴのドレイン・ソ
ース間オン抵抗（Ｒｏｓ＋。ｎｌ）を小さ（することが
可能である。

また、電圧検出１．Ｃ，１４として、Ｓ−８０５ＡＬＹ
　（セイコー電子）を、ダイオード１５としては一般的
な整流用のダイオードを使用し、抵抗１６は１００にΩ
に設定した。このような電圧検知回路では、放電遮断電
圧（■。１．）を５．２０Ｖ〜５．５０Ｖ程度に設定す
ることができる。電圧検出１．Ｃ，１４の平均消費電流
は４．０μ八以下であり、電池装置を外部で短絡した場
合、ＭＯＳ　ＦＥＴ１３の遮断状態時の電池装置の外部
回路にリークする電流（Ｉｏｔａ）は１．０μＡ以下で
ある。さらに、この電池装置の最大充放電電流は２、Ｏ
Ａであり、５．５■〜８．４■の範囲の動作電圧域では
、単に、該二次電池８を２個直列に接続した場合と全く
同じように使用することが可能であり、該ＭＯＳ　ＦＥ
Ｔ１３における電力損失は、該電池装置の電力容量の３
％以下程度に抑えることができる。

また、該電池装置が機器に装着された状態で放置され、
該ＭＯＳ　ＦＥＴ１３が遮断状態になった場合でも、該
二次電池８を２個直列に接続した場合と全く同じように
充電を行うことができる。

そこで、本発明電池装置の外部端子６．７間に５Ωの抵
抗器を１週間接続し、電池装置を放電させ、前後の容量
を比較するというテストの方法で過放電に対する効果の
評価を行った。その結果、従来、該二次電池８を単に２
個直列に接続しただけの場合には、５％〜８０％の容量
低下が認められていたが、試作した本発明電池装置では
全（容量の低下はなかった。また、ビデオムービーを本
発明電池装置を放電させた後に、１ケ月間ビデオムービ
ーに装着したままの状態で放置した場合にも、従来、該
二次電池８を単に２個直列に接続しただけの場合には、
２％〜５０％の容量低下が認められていたが、試作した
本発明電池装置では全く容量の低下は認められなかった
。

【発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば、いかなる機器で使
用され、機器に長期間装着された状態で放置されても、
二次電池の過放電を防止し、特性の劣化が小さ（、安全
で、しかも通常の二次電池と全く同じように使用できる
充電式電池装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のブロック図、 第２図は本発明の実施例の回路図、 第３図（ａ）、（ｂ）は電圧検知回路の出カバターン例
を示す図、 第４図は本発明の他の実施例の回路図である。 ３・・・電池、 ４・・・スイッチ手段、 ５・・・電圧検知手段。 ψ…Ｖｏｎ Ｖ今一■− （（Ｌ〕 Ｃトン 第３図 手続補正書 平成２年１０月１９日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）充電可能な電池と、内部に寄生ダイオードを有し、
   前記電池の充放電回路に直列に挿入したスイッチ手段と
   、前記電池の両端電圧を検知し、当該検知結果に基づく
   出力電圧によって前記スイッチ手段のオン・オフを制御
   する電圧検知手段とからなり、該電圧検知手段は、前記
   スイッチ手段をオンする検知電圧が前記スイッチ手段を
   オフする検知電圧よりも高く、前記寄生ダイオードは前
   記電池の充電回路の一部を構成することを特徴とする充
   電式電池装置。 ２）請求項１において、前記スイッチ手段は電界効果型
   トランジスタであって、ソース・ドレイン間オン抵抗値
   が前記電池の内部抵抗値と同程度もしくはそれよりも小
   さいことを特徴とする充電式電池装置。 ３）請求項１において、前記電圧検知手段は、消費電流
   値が１００μＡ以下であることを特徴とする充電式電池
   装置。