JP5049066B2 - 電気機器、及び電池パック - Google Patents

Description

本発明は、電池を用いる電気機器、及び電池パックに関する。

従来から、電気機器の電源として電池が広く用いられている。このような電池を電源として使用する電気機器としては、例えば一次電池を収容する収容部を備えて一次電池を交換可能な構造を有するものや、本体内に充電可能な二次電池を備えたもの等がある。

また、携帯電話やデジタルカメラなどに代表される携帯型電気機器は、高機能化が追求され、機器の消費電力が増大する傾向にある。そのため、このような高機能化された携帯型電気機器の主電源は、大容量、高エネルギー密度であることが望ましい。携帯型電気機器の主電源は二次電池が主流であるが、二次電池は商用交流電源に接続された充電装置により充電したり、商用交流電源電圧を充電用の直流電圧に変換するいわゆるＡＣアダプタと呼ばれる電源装置により充電したりする必要があり、屋外に持ち出してしまうと二次電池を充電することができず、不便である。そこで、近年、このような携帯型電気機器に脱着可能な補助電源を用いて、二次電池を充電するようにしたものが知られている。このような補助電源としては、一次電池が用いられる。

しかしながら、上述のような電気機器に、主電源として用いられる一次電池や二次電池、及び補助電源として用いられる一次電池は、電気機器の回路に接続されたままになっていると、漏れ電流による放電が継続し、過放電状態になるおそれがある。そして、これらの電池は、過放電状態になると劣化して漏液や急激な温度上昇が発生するおそれがあるという課題がある。

図６は、一次電池の一例であるアルカリ電池が、定電流連続放電した場合における、出力電圧及び電極電位（ＨｇＯ／Ｈｇに対する電位）の変化を示すグラフである。図６（ａ）は、アルカリ電池の出力電圧の変化を示し、図６（ｂ）は、アルカリ電池の正極電位及び負極電位の変化を示している。

アルカリ電池の場合、正極はマンガン極、負極は亜鉛極にされている。また、図６（ｂ）に示すマンガン極の電位と亜鉛極の電位との差が、図６（ａ）に示すアルカリ電池の出力電圧に対応している。そして、アルカリ電池の放電に伴い、マンガン極の電位が徐々に低下、亜鉛極の電位が徐々に上昇して出力電圧が低下し、出力電圧が安全に放電できる電圧の最低値である放電終止電圧に達すると、亜鉛極の電位が水素ガス発生電位を超えて亜鉛極から水素ガスが発生する。

さらに、アルカリ電池の放電が継続すると、マンガン極の電位が緩やかに低下する一方、亜鉛極の電位は急激に増大し、亜鉛極から水素ガスが発生し続ける。そして、マンガン極の電位は−０．４Ｖ〜−０．３Ｖの一定範囲で安定するが、亜鉛極の電位はさらに増大し、マンガン極よりも亜鉛極の電位が高くなる結果、マンガン極が負極となり、亜鉛極が正極となるいわゆる転極が発生し、アルカリ電池の出力電圧がマイナスとなる。そうすると、負極となったマンガン極の電位が水素ガス発生電位より高いために、マンガン極から水素ガスが発生する。

このように、アルカリ電池が回路の漏れ電流により放電を継続すると、電池内部で水素ガスが発生し、電池の圧力が増大して液漏れを起こすおそれがある。

図７は、一次電池の一例であるリチウム電池が、定電流連続放電した場合における、出力電圧の変化を示すグラフである。リチウム電池の場合、正極はマンガン極、負極はリチウム極にされている。そして、リチウム電池の放電に伴い、出力電圧が徐々に低下する。そして、電池の出力電圧が０Ｖに達するまでの間、リチウム極の溶解が生じるもののマンガン極上へのリチウムデンドライトの析出は生じない。

電池の出力電圧が０Ｖを下回り、転極が生じると、マンガン極上へのリチウムデンドライトの析出が生じ、さらにリチウム極とマンガン極との両方でリチウムの溶解析出反応が起こる。その後、リチウムの溶解析出反応が、リチウム極とマンガン極とで平衡に達し、電池電圧が一時的に一定になる。この場合、転極が生じた後、析出したリチウムデンドライトがセパレータを貫通し、リチウム極とマンガン極とが短絡して短絡電流が流れ、リチウム電池が急激に温度上昇するおそれがある。

さらに、上記転極状態のリチウム電池において、電池電圧が一定になっている間にリチウム電池が短絡しなかった場合でも、リチウム電池の放電が継続すると、リチウム電池のケースや集電体等から鉄（Ｆｅ）の溶解、及び鉄の析出が生じる。そうすると、析出した鉄がセパレータを貫通し、リチウム極とマンガン極とが短絡して短絡電流が流れ、リチウム電池が急激に温度上昇するおそれがある。

以上のように、電池が過放電状態にされると漏液や急激な温度上昇が生じるおそれがあるため、その対策として種々の方法が提案されている。例えば、過放電保護回路を電池内部に組み込むことで、電池の過放電を防止するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、アルカリ電池の過放電による漏液を抑制する方法として、電池内部から発生する水素ガスを吸収する方法が挙げられ、例えばアルカリ電池の外装体の内面に水素吸着物質を用いるもの（例えば、特許文献２参照。）や、例えばアルカリ電池の内部に水素吸着触媒を用いるもの（例えば、特許文献３参照。）が提案されている。
特表２００２−５２５８０６号公報 特開平０７−２７２７７０号公報 特開２００４−５０２２８０号公報

しかしながら、特許文献１のように、過放電保護回路を用いて過放電を防止するものは、過放電保護回路が作動した電池は確かに高抵抗体になるが、電池内を極微量の電流が流れ続ける可能性があった。そのため、複数個の電池を直列に接続して使用した場合、どれか一つの電池で過放電保護回路が作動した状態で直列回路がつながったままになっていると、その他の容量が残っている電池につられて、放電され続けるという問題があった。

また、特許文献２や特許文献３に記載の技術のように、アルカリ電池の内部から発生する水素ガスを吸収するものは、水素吸着物質の水素吸着能力を超えて水素ガスが発生した場合、水素ガスを完全に吸収することができないため、吸収できなかった水素ガスにより電池の圧力が上昇し、漏液が発生するおそれがあるという不都合があった。

本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、電池の急激な温度上昇や漏液が発生するおそれを低減することができる電気機器、及び電池パックを提供することを目的とする。

本発明に係る電気機器は、電池の正極に接続するための正極端子と、前記電池の負極に接続するための負極端子と、電池が接続された前記正極端子と前記負極端子とから、電力を供給される負荷回路と、前記正極端子と前記負極端子との間の電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部により検出された電圧が、予め設定された設定電圧以下となった場合、前記正極端子と前記負極端子とを短絡させる短絡部とを備えている。

この構成によれば、正極端子及び負極端子に電池が接続された場合、電池から、正極端子と負極端子とを介して負荷回路に電力が供給される。そして、正極端子と負極端子との間の電圧、すなわち電池の出力電圧が電圧検出部により検出される。さらに、電圧検出部により検出された電圧が、予め設定された設定電圧以下の場合、短絡部によって、正極端子と負極端子とが短絡されるので、正極端子と負極端子とに接続された電池が放電され、電池の正極と負極とが同電位にされて転極の発生が抑制される結果、電池の急激な温度上昇や漏液が発生するおそれを低減することができる。

また、電力を蓄える蓄電素子をさらに備え、前記負荷回路は、前記正極端子と前記負極端子との間に接続される電池の出力電力に基づき、前記蓄電素子を充電する充電部を含むようにしてもよい。この構成によれば、負荷回路の主電源として用いられる蓄電素子を充電するための、補助電源として用いられる電池の急激な温度上昇や漏液が発生するおそれを低減することができる。

また、前記蓄電素子は、前記電圧検出部の動作用電源電圧を供給することが好ましい。この構成によれば、短絡部により正極端子と負極端子とが短絡されて、電池の出力電力が得られなくなっても、電圧検出部の動作用電源電圧は蓄電素子から供給される。従って、短絡部により正極端子と負極端子とが短絡された場合であっても、電圧検出部への動作用電源電圧の供給が途絶えることがなく、電圧検出部による正極端子と負極端子との間の電圧検出が継続する結果、短絡部による正極端子と負極端子との短絡動作を維持することが可能となる。

また、前記設定電圧は、前記電池の放電終止電圧に設定されていることが好ましい。この構成によれば、電池の出力電圧が電池の使用に適さない放電終止電圧になるまで電池を使用した後、短絡部によって、正極端子と負極端子とが短絡されて電池が放電され、電池の正極と負極とが同電位にされて転極の発生が抑制されるので、電池容量を無駄なく使用しつつ、電池の急激な温度上昇や漏液が発生するおそれを低減することができる。

また、前記設定電圧は、前記充電部が前記電池の出力電圧に基づき前記蓄電素子を充電することが可能な当該出力電圧の下限値である充電下限電圧に設定されているようにしてもよい。

この構成によれば、電池の出力電圧が、充電部により蓄電素子を充電できない充電下限電圧になるまで電池を使用した後、短絡部によって、正極端子と負極端子とが短絡されて電池が放電され、電池の正極と負極とが同電位にされて転極の発生が抑制されるので、電池容量を無駄なく蓄電素子の充電に利用しつつ、電池の急激な温度上昇や漏液が発生するおそれを低減することができる。

また、前記電池は、アルカリ一次電池であることが好ましい。この構成によれば、アルカリ一次電池の出力電圧が、予め設定された設定電圧以下の場合、短絡部によって、正極端子と負極端子とが短絡されるので、正極端子と負極端子とに接続されたアルカリ一次電池が放電され、アルカリ一次電池の正極と負極とが同電位にされて転極の発生が抑制される結果、アルカリ一次電池の内部で水素ガスが発生して電池の圧力が増大し、液漏れを起こすおそれが低減される。

また、前記電池は、リチウム電池であってもよい。この構成によれば、リチウム電池の出力電圧が、予め設定された設定電圧以下の場合、短絡部によって、正極端子と負極端子とが短絡されるので、正極端子と負極端子とに接続されたリチウム電池が放電され、リチウム電池の正極と負極とが同電位にされて転極の発生が抑制される結果、リチウムデンドライトの析出が低減されて、リチウムデンドライトによりリチウム極とマンガン極とが短絡して短絡電流が流れ、リチウム電池が急激に温度上昇するおそれが低減される。

また、前記短絡部は、前記電圧検出部により検出された電圧が前記設定電圧に等しい場合に、前記電池の公称容量に対して１μＣ以上、１Ｃ以下の時間率電流を流す抵抗を介して、前記正極端子と前記負極端子とを短絡することが好ましい。

この構成によれば、少なくとも、短絡部によって正極端子と負極端子とが短絡されて電池の放電が開始される際に、抵抗により放電電流が過度にならない程度に制限しつつ、電池の公称容量に対して１μＣ以上、１Ｃ以下の時間率電流を流すことができるので、特に正極端子と負極端子との間にリチウム電池が接続された場合には、リチウムの析出を効果的に低減することができる結果、リチウムデンドライトによりリチウム極とマンガン極とが短絡して短絡電流が流れ、リチウム電池が急激に温度上昇するおそれが低減される。

また、前記電池は、単一のセルにより構成されていることが好ましい。前記電池が、複数のセルが直列接続されて構成されている場合には、正極端子と負極端子とが短絡されても直列接続された一部のセルで転極が発生するおそれがある。しかし、この構成によれば、前記電池は単一のセルにより構成されているので、正極端子と負極端子とが短絡されることにより、転極が防止されることの確実性が増大される。

また、前記電池は、複数のセルが並列接続されて構成されていてもよい。前記電池が、複数のセルが直列接続されて構成されている場合には、正極端子と負極端子とが短絡されても直列接続された一部のセルで転極が発生するおそれがある。しかし、この構成によれば、前記電池は複数のセルが並列接続されて構成されているので、正極端子と負極端子とが短絡されることにより、転極が防止されることの確実性が増大される。

また、本発明に係る電池パックは、電池と、前記電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部により検出された電圧が、予め設定された設定電圧以下の場合、前記電池を短絡させる短絡部と、前記電池の出力電力を外部へ出力するための外部出力端子とを備える。

この構成によれば、外部出力端子を介して外部へ電力を出力する電池の出力電圧が電圧検出部により検出される。そして、電圧検出部により検出された電圧が、予め設定された設定電圧以下の場合、短絡部によって、電池が短絡される結果、電池が放電され、電池の正極と負極とが同電位にされて転極の発生が抑制されるので、電池の急激な温度上昇や漏液が発生するおそれを低減することができる。

このような構成の電気機器及び電池パックは、電池の出力電圧が予め設定された設定電圧に満たない場合、短絡部によって、電池が短絡される結果、電池が放電され、電池の正極と負極とが同電位にされて転極の発生が抑制されるので、電池の急激な温度上昇や漏液が発生するおそれを低減することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る電気機器の構成の一例を示すブロック図である。図１に示す電気機器１は、例えば携帯電話機やデジタルカメラ等の二次電池を電源として用いる携帯型の電気機器である。図１に示す電気機器１は、例えば、正極端子１１、負極端子１２、外部電源接続端子１３、短絡部２、電圧検出部３、充電回路４（充電部）、及び二次電池５を備えている。また、電気機器１は、正極端子１１及び負極端子１２によって外部に接続された補助電源である一次電池６（電池）からの出力電力によって、主電源となる二次電池５を充電することができるようになっている。

二次電池５は、例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル亜鉛電池、酸化銀電池など、充放電サイクル使用が可能な二次電池である。この場合、二次電池５は、蓄電素子の一例に相当している。なお、蓄電素子は、二次電池に限らず、例えば電気二重層コンデンサ等のキャパシタであってもよい。二次電池５は、電気機器１の主電源として用いられ、電気機器１を、例えば携帯電話機やデジタルカメラ等として動作させるための図略の負荷回路へ電力を供給する。

外部電源接続端子１３は、例えばＡＣアダプタ７を脱着可能に構成されたコネクタである。ＡＣアダプタ７は、例えばＡＣ１００Ｖの商用交流電源電圧ＡＣを、二次電池５の充電用の直流電圧に変換して外部電源接続端子１３を介して二次電池５へ出力し、二次電池５を充電する電源回路である。ユーザは、例えば自宅やオフィス等、商用交流電源を使用できる場合には、ＡＣアダプタ７を外部電源接続端子１３に接続して、ＡＣアダプタ７により二次電池５を充電させることができる。

一次電池６は、アルカリマンガン電池、ニッケルマンガン電池、空気亜鉛電池、酸化銀電池等のアルカリ系の電池であってもよく、二酸化マンガンリチウム電池、フッ化黒鉛リチウム電池等のリチウム系の電池であってもよい。一次電池６は、例えば電気機器１に脱着可能に構成された図略の電池ホルダに収容されて用いられ、例えば一次電池６を収容した図略の電池ホルダを電気機器１に取り付けることにより、一次電池６の正極が、正極端子１１を介して短絡部２、電圧検出部３、及び充電回路４と接続され、一次電池６の負極が、負極端子１２を介してグラウンドに接続されるようになっている。

充電回路４は、例えばＤＣ−ＤＣコンバータを用いて構成されており、一次電池６から出力された電力を、正極端子１１、負極端子１２を介して受電し、二次電池５の充電に適した電圧に変換して二次電池５を充電する。充電回路４が動作して二次電池５を充電するためには、正極端子１１、負極端子１２端子間の電圧、すなわち一次電池６の出力電圧Ｖ１が、一定の電圧範囲内にあることが必要である。

ここで、充電回路４が動作して二次電池５を充電することができる電圧の下限値を、充電下限電圧Ｖｌｉｍとする。そして、一次電池６の出力電圧Ｖ１が、充電下限電圧Ｖｌｉｍを超えていれば、充電回路４によって、二次電池５を充電するための電流が一次電池６から充電回路４へ流される。一方、一次電池６の出力電圧Ｖ１が、充電下限電圧Ｖｌｉｍ以下であれば、充電回路４は、二次電池５の充電動作を停止する。そうすると、一次電池６から充電回路４へ流れる電流は、充電回路４の漏れ電流のみとなり、一次電池６から充電回路４へ、微少な電流が流れ続ける。充電下限電圧Ｖｌｉｍは、例えば一次電池６の放電終止電圧に設定されている。この場合、充電回路４は、負荷回路の一例に相当している。

短絡部２は、抵抗Ｒ６とトランジスタＴｒ２との直列回路が、正極端子１１と負極端子１２との間に接続されて構成されており、トランジスタＴｒ２がオンすると、抵抗Ｒ６を介して一次電池６を放電させる短絡経路を生じるようになっている。トランジスタＴｒ２としては、双方向に電流を流すことができる電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が用いられる。なお、トランジスタＴｒ２の代わりに、例えばリレースイッチを用いてもよい。

抵抗Ｒ６は、一次電池６の放電電流による急激な温度上昇を防止するための電流制限抵抗であり、一次電池６が急激に温度上昇しない程度の放電電流に抑えつつ、可能な限り小さい抵抗値に設定されることが望ましい。また、一次電池６がリチウム電池の場合、リチウム電池の公称容量に対して１μＣ以上、１Ｃ以下の時間率電流を流すと、リチウムの溶解析出を効果的に低減できる。そこで、例えば一次電池６の公称容量が３０００ｍＡｈであり、充電下限電圧Ｖｌｉｍが１．０Ｖである場合、抵抗Ｒ６としては、例えば１．０Ｖにおいてリチウム電池の公称容量に対して１μＣ以上、１Ｃ以下の時間率電流を流すことができる抵抗値、例えば１００Ω以下の抵抗値が設定されている。ここで、Ｃは、電池の放電電流の大きさを表し、Ｃ＝Ｉｔである。

これにより、トランジスタＴｒ２がオンすると、正極端子１１と負極端子１２とが抵抗Ｒ６を介して短絡され、正極端子１１、負極端子１２に接続された一次電池６の正極と負極とが、抵抗Ｒ６を介して短絡されて略等電位に維持されるので、正極電位が負極電位より低くなって転極が生じることが抑制される。

電圧検出部３は、正極端子１１、負極端子１２に接続された一次電池６の出力電圧Ｖ１を検出し、出力電圧Ｖ１が充電下限電圧Ｖｌｉｍ（設定電圧）以下の場合に短絡部２に短絡動作をさせるべく、その検出信号を短絡部２へ出力する。具体的には、電圧検出部３は、例えば、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５、オペアンプＯＰ１、及びトランジスタＴｒ１を備えて構成されている。オペアンプＯＰ１の動作用電源電圧は、二次電池５から供給されている。また、二次電池５の出力電圧は、抵抗Ｒ１，Ｒ２によって分圧されて、基準電圧Ｖｒｅｆにされる。抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値は、基準電圧Ｖｒｅｆが充電下限電圧Ｖｌｉｍの例えば１／２となるように、予め設定されている。

そして、抵抗Ｒ１，Ｒ２により得られた基準電圧Ｖｒｅｆが、オペアンプＯＰ１の反転入力端子に印加される。また、正極端子１１、負極端子１２間の電圧、すなわち一次電池６の出力電圧Ｖ１は、抵抗Ｒ３，Ｒ４によって分圧され、その分圧電圧Ｖ２が、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子に印加される。抵抗Ｒ３，Ｒ４は、分圧電圧Ｖ２が、出力電圧Ｖ１の例えば１／２になるように、予め抵抗値が設定されている。

この場合、二次電池５の出力電圧や一次電池６の出力電圧Ｖ１が、オペアンプＯＰ１により処理可能な電圧を超える場合であっても、二次電池５の出力電圧を抵抗Ｒ１，Ｒ２により分圧し、一次電池６の出力電圧Ｖ１を抵抗Ｒ３，Ｒ４で分圧することにより、オペアンプＯＰ１で処理可能な電圧レベルに降圧することができる。

なお、必ずしも二次電池５の出力電圧を抵抗Ｒ１，Ｒ２で分圧して基準電圧Ｖｒｅｆを生成する必要はなく、定電圧回路を用いて基準電圧Ｖｒｅｆを生成してもよい。また、一次電池６の出力電圧Ｖ１が、オペアンプＯＰ１により処理可能な電圧レベルの範囲内であれば、必ずしも抵抗Ｒ３，Ｒ４で分圧する必要はなく、出力電圧Ｖ１を直接オペアンプＯＰ１の非反転入力端子へ印加してもよい。この場合、定電圧回路を用いて充電下限電圧Ｖｌｉｍを生成し、オペアンプＯＰ１の反転入力端子へ印加してもよい。

トランジスタＴｒ１のエミッタは二次電池５の正極に接続され、トランジスタＴｒ１のコレクタはトランジスタＴｒ２のゲートに接続されると共に、抵抗Ｒ５を介してグラウンドに接続され、トランジスタＴｒ１のベースはオペアンプＯＰ１の出力端子に接続されている。

次に、上述のように構成された電気機器１の動作について説明する。図２は、一次電池６の出力電圧Ｖ１とトランジスタＴｒ２のオン、オフ動作との関係を示す説明図である。図３は、一次電池６の出力電圧Ｖ１と、一次電池６の放電電流との関係を示す説明図である。まず、ユーザが、例えば屋外等、商用交流電源やＡＣアダプタ７を使用できない環境で、二次電池５を充電するべく一次電池６を正極端子１１、負極端子１２に接続すると、一次電池６の出力電圧Ｖ１が、充電回路４、電圧検出部３、及び短絡部２へ印加される。

そして、一次電池６の出力電圧Ｖ１が充電下限電圧Ｖｌｉｍを超えており、例えば１．０Ｖを超えていれば、分圧電圧Ｖ２もまた基準電圧Ｖｒｅｆを超えて、オペアンプＯＰ１の出力信号がハイレベルでトランジスタＴｒ１のベースへ出力され、トランジスタＴｒ１がオフしてトランジスタＴｒ２のゲート電圧が抵抗Ｒ５によりローレベルにされる。そうすると、出力電圧Ｖ１が充電下限電圧Ｖｌｉｍを超える場合、図２に示すようにトランジスタＴｒ２はオフする。すると、図３に示すように、一次電池６は放電されず、短絡部２を流れる放電電流は、略ゼロとなる。この場合、一次電池６の出力電圧Ｖ１が充電下限電圧Ｖｌｉｍを超えているので、充電回路４によって、一次電池６の出力電力に基づき二次電池５が充電される。

一方、一次電池６の出力電圧Ｖ１が充電下限電圧Ｖｌｉｍ、例えば１．０Ｖ以下の電圧となると、分圧電圧Ｖ２もまた基準電圧Ｖｒｅｆ以下となるので、オペアンプＯＰ１の出力信号がローレベルでトランジスタＴｒ１のベースへ出力され、トランジスタＴｒ１がオンし、トランジスタＴｒ２のゲート電圧がハイレベルにされる。そうすると、図２に示すように、出力電圧Ｖ１が充電下限電圧Ｖｌｉｍ以下の場合、トランジスタＴｒ２がオンする。そうすると、図３に示すように短絡部２により一次電池６が放電され、放電に伴い出力電圧Ｖ１が低下し、出力電圧Ｖ１の低下に伴い一次電池６の放電電流が減少する。そして、出力電圧Ｖ１が０Ｖになると、短絡部２を流れる放電電流もまた０Ａとなる。

図４は、一次電池６としてアルカリ電池を用いた場合の、出力電圧Ｖ１及び一次電池６の電極電位（ＨｇＯ／Ｈｇに対する電位）の変化を示すグラフである。図４（ａ）は、出力電圧Ｖ１の変化を示し、図４（ｂ）は、一次電池６の正極であるマンガン極の電位及び負極である亜鉛極の電位の変化を示している。また、図４（ａ）において、一次電池６の充電終止電圧は例えば１．０Ｖであり、充電下限電圧Ｖｌｉｍは、一次電池６の充電終止電圧に等しい１．０Ｖに設定されている。

図４（ｂ）に示すマンガン極の電位と亜鉛極の電位との差は、図４（ａ）に示す一次電池６の出力電圧Ｖ１に対応している。そして、一次電池６から充電回路４への電力供給に伴い、マンガン極の電位が徐々に低下、亜鉛極の電位が徐々に上昇して出力電圧Ｖ１が徐々に低下する。そして、出力電圧Ｖ１が、充電下限電圧Ｖｌｉｍすなわち１．０Ｖ以下になると、分圧電圧Ｖ２もまた基準電圧Ｖｒｅｆ以下になるので、オペアンプＯＰ１の出力信号がローレベルでトランジスタＴｒ１のベースへ出力され、トランジスタＴｒ１がオンし、トランジスタＴｒ２のゲート電圧がハイレベルにされる。

そうすると、トランジスタＴｒ２がオンして一次電池６が放電される。そして、マンガン極（正極）の電位が低下し、亜鉛極（負極）の電位は一時的に上昇する。さらに、一次電池６の放電が進んで出力電圧Ｖ１が０Ｖになると、トランジスタＴｒ２は電界効果トランジスタであって、双方向に電流を流すから、出力電圧Ｖ１が０Ｖを下回ってマイナスになると逆方向に電流が流れることになる結果、出力電圧Ｖ１は０Ｖのまま維持される。そうすると、マンガン極と亜鉛極のインピーダンスが徐々に増加し、一次電池６の出力電流が徐々に減少する。

一次電池６の出力電流が減少すると、亜鉛極の電位は低下し、亜鉛極の電位変化につられてマンガン極の電位も低下し、共に水素ガス発生電位より高い電位で一定となる。このような電位変化は、亜鉛極の放電反応が、亜鉛極の亜鉛が酸化亜鉛へ酸化される不均一反応であるために亜鉛極内部に未反応の亜鉛が少なからず残り、電流の減少に伴い亜鉛極の電位が未反応の亜鉛の電位に回復することから生じるものである。これにより、マンガン極と亜鉛極の電位を水素ガス発生電位よりも高い電位に維持することで水素ガスの発生を抑制し、電池の漏液が発生するおそれを低減することができる。

また、一次電池６としてリチウム電池を用いた場合も同様に、出力電圧Ｖ１が充電下限電圧Ｖｌｉｍ以下の電圧になって、電圧検出部３によってトランジスタＴｒ２がオンされ、一次電池６の放電が進んで出力電圧Ｖ１が０Ｖになると、トランジスタＴｒ２は双方向に電流を流すから、出力電圧Ｖ１が０Ｖを下回ってマイナスになると逆方向に電流が流れることになる結果、出力電圧Ｖ１はマイナスになることなく０Ｖのまま維持される。そうすると、マンガン極（正極）の電位とリチウム極（負極）の電位とが逆転することが抑制されるので、リチウム極の溶解が抑制される結果、マンガン極やリチウム極におけるリチウムデンドライトの析出が抑制される。これにより、析出したリチウムデンドライトによりリチウム極とマンガン極とが短絡されて短絡電流が流れ、リチウム電池が急激に温度上昇するおそれが低減される。

さらに、マンガン極（正極）の電位とリチウム極（負極）の電位とが逆転することが抑制されることにより、リチウム電池のケースや集電体等からの鉄（Ｆｅ）の溶解、及び鉄の析出が抑制され、析出した鉄によりリチウム極とマンガン極とが短絡して短絡電流が流れる結果、リチウム電池が急激に温度上昇するおそれが低減される。

なお、一次電池６は、単一のセルにより構成されるか、あるいは複数のセルが並列接続されて構成されることが望ましい。一次電池６が、例えば複数のセルが直列接続されて構成されている場合には、一次電池６の出力端子間を短絡部２により短絡した場合であっても、直列接続された一部のセルで転極が発生するおそれがある。

なお、図５に示すように、図１に示す一次電池６と、短絡部２と、電圧検出部３とを一の筐体に収容して電池パック８として構成してもよい。図５に示す電池パック８は、一次電池６の出力電力を外部へ出力するための外部出力端子１４，１５と、電圧検出部３の動作用電力を電気機器１ａから受電して、電圧検出部３へ供給する接続端子１６とを備えている。

また、電池パック８を用いる電気機器は、図５に示す電気機器１ａのように、図１に示す電気機器１から短絡部２、及び電圧検出部３を取り除き、接続端子１７，１８，１９を備えて構成してもよい。この場合、電池パック８は、電気機器１ａに取り付け可能に構成されており、電池パック８が、電気機器１ａに取り付けられると、外部出力端子１４，１５が接続端子１７，１８とそれぞれ接続され、接続端子１６が接続端子１９と接続されるようになっている。そして、電池パック８が、電気機器１ａに取り付けられることにより、図１に示す電気機器１と同様の回路が構成されるので、図１に示す電気機器１と同様に、電池の漏液や急激な温度上昇が発生するおそれを低減することができる。

なお、電気機器１は、主電源を充電する補助電源として一次電池６を用いる例を示したが、補助電源を用いず、従って充電回路４を備えない構成としてもよい。具体的には、例えば、短絡部２は、二次電池５の正極と負極との間を短絡するように構成され、電圧検出部３は、二次電池５の出力電圧が放電終止電圧に満たない場合にトランジスタＴｒ２をオンするように構成してもよい。この場合、二次電池５が請求項に係る電池の一例に相当する。
また、このような補助電源を用いない構成において、二次電池５の代わりに一次電池を主電源として用いてもよい。この場合、二次電池５や一次電池等の電池で構成された主電源の出力電圧が放電終止電圧を下回ると、短絡部２によって抵抗Ｒ６を介して主電源の電池が短絡されて転極の発生が抑制されるので、電池が液漏れしたり急激に温度上昇したりするおそれが低減される。

電池を用いる電気機器、及びこのような電気機器に用いられる電池パックに適用することができる。

本発明の一実施形態に係る電気機器の構成の一例を示すブロック図である。 図１に示す一次電池の出力電圧とトランジスタのオン、オフ動作との関係を示す説明図である。 図１に示す一次電池の出力電圧と一次電池の放電電流との関係を示す説明図である。 図１に示す一次電池としてアルカリ電池を用いた場合の、出力電圧及び一次電池の電極電位（ＨｇＯ／Ｈｇに対する電位）の変化を示すグラフである。（ａ）は、出力電圧の変化を示し、（ｂ）は、一次電池の正極であるマンガン極の電位及び負極である亜鉛極の電位の変化を示している。 本発明の一実施形態に係る電池パックの構成の一例を示すブロック図である。 背景技術に係るアルカリ電池が、回路の漏れ電流により放電した場合における、出力電圧及び電極電位（ＨｇＯ／Ｈｇに対する電位）の変化を示すグラフである。（ａ）は、アルカリ電池の出力電圧の変化を示し、（ｂ）は、アルカリ電池の正極電位及び負極電位の変化を示している。 背景技術に係るリチウム電池が、回路の漏れ電流により放電した場合における、出力電圧の変化を示すグラフである。

符号の説明

１，１ａ 電気機器
２ 短絡部
３ 電圧検出部
４ 充電回路
５ 二次電池
６ 一次電池
８ 電池パック
１１ 正極端子
１２ 負極端子
１３ 外部電源接続端子
１４，１５ 外部出力端子
１６，１７，１８，１９ 接続端子
ＯＰ１ オペアンプ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６ 抵抗
Ｔｒ１，Ｔｒ２ トランジスタ

Claims (11)

1. 電池の正極に接続するための正極端子と、
   前記電池の負極に接続するための負極端子と、
   電池が接続された前記正極端子と前記負極端子とから、電力を供給される負荷回路と、
   前記正極端子と前記負極端子との間の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部により検出された電圧が、予め設定された設定電圧以下となった場合、前記正極端子と前記負極端子とを短絡させる短絡部と
   を備えることを特徴とする電気機器。
2. 電力を蓄える蓄電素子をさらに備え、
   前記負荷回路は、前記正極端子と前記負極端子との間に接続される電池の出力電力に基づき、前記蓄電素子を充電する充電部を含むこと
   を特徴とする請求項１記載の電気機器。
3. 前記蓄電素子は、前記電圧検出部の動作用電源電圧を供給すること
   を特徴とする請求項２記載の電気機器。
4. 前記設定電圧は、前記電池の放電終止電圧に設定されていること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気機器。
5. 前記設定電圧は、前記充電部が前記電池の出力電圧に基づき前記蓄電素子を充電することが可能な当該出力電圧の下限値である充電下限電圧に設定されていること
   を特徴とする請求項２又は３記載の電気機器。
6. 前記電池は、アルカリ一次電池であること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気機器。
7. 前記電池は、リチウム電池であること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気機器。
8. 前記短絡部は、前記電圧検出部により検出された電圧が前記設定電圧に等しい場合に、前記電池の公称容量に対して１μＣ以上、１Ｃ以下の時間率電流を流す抵抗を介して、前記正極端子と前記負極端子とを短絡すること
   を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気機器。
9. 前記電池は、単一のセルにより構成されていること
   を特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気機器。
10. 前記電池は、複数のセルが並列接続されて構成されていること
    を特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気機器。
11. 電池と、
    前記電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、
    前記電圧検出部により検出された電圧が、予め設定された設定電圧以下の場合、前記電池を短絡させる短絡部と、
    前記電池の出力電力を外部へ出力するための外部出力端子と
    を備えることを特徴とする電池パック。

Images