(57)【要約】【課題】低温環境下において１次電池を使用する際に、電池の残量を正確に判断し、電池の長寿命化を図ることができる電池使用機器を提供する。【解決手段】アルカリ電池１の電圧を測定することによって、アルカリ電池１の残量を判断し、アルカリ電池１の電圧が閾値電圧ＶＴＨ以下になるとアルカリ電池１の放電を停止する電池使用機器１００において、アルカリ電池１の温度が低下すると、閾値電圧ＶＴＨを低下させる。電池使用機器１００の起動処理時のみ閾値電圧ＶＴＨの低下が行なわれ、起動処理時のアルカリ電池１の電圧測定が、ダミーロード８により負荷をかけた状態で行なわれる。【選択図】図１
2008262815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次電池の電圧を測定することによって、前記１次電池の残量を判断し、前記１次電池の電圧が、閾値電圧以下になると前記１次電池の放電を停止する電池使用機器において、
前記１次電池の温度が低下すると、前記閾値電圧を低下させることを特徴とする電池使用機器。
【請求項２】
請求項１に記載の電池使用機器おいて、
前記閾値電圧の低下が、前記電池使用機器の起動処理時に行なわれることを特徴とする電池使用機器。
【請求項３】
請求項２に記載の電池使用機器おいて、
前記起動処理時の１次電池の電圧測定が、ダミーロードによる負荷をかけた状態で行なわれることを特徴とする電池使用機器。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の電池使用機器おいて、
前記１次電池がアルカリ電池であることを特徴とする電池使用機器。
【請求項５】
アルカリ電池の電圧を測定することによって、前記アルカリ電池の残量を判断し、前記アルカリ電池の電圧が閾値電圧以下になると前記アルカリ電池の放電を停止する電池使用機器において、
前記アルカリ電池の温度を検出する温度検出素子と、
前記アルカリ電池の電圧を検出し、電池の残量判断をするマイクロコンピュータと、
前記マイクロコンピュータにより制御されるスイッチング素子と、
を備え、
前記マイクロコンピュータは、前記温度検出素子で検出された前記アルカリ電池の温度が低下すると、前記電池使用機器の起動処理時に、前記閾値電圧を低下させるとともに、前記スイッチング素子をオンにして前記アルカリ電池にダミーロードを接続し、
前記起動処理時のアルカリ電池の電圧測定が、前記ダミーロードにより負荷をかけた状態で行なわれることを特徴とする電池使用機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池使用機器に関し、より詳細には、低温環境下におけるアルカリ電池の長寿命化ができる電池使用機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電池使用機器では、電池の残量と電池電圧との関連性を利用して、電池残量を電池電圧に基づいて判断することが行なわれている。
電池残量を正確に計測するために、ダミーロードによる負荷をかけた状態で、電池電圧を検出する場合がある。これは、電池の内部抵抗に電流が流れた場合の当該内部抵抗による電圧降下を考慮して、正確に残量を検出するためである。特に、アルカリ電池は内部抵抗が大きいので、内部抵抗による電池電圧降下が大きくなる。したがって、負荷を開放した状態で電池電圧を検出すると、正確に残量を判断できない。
【０００３】
このように実際にモータ等の負荷をかける前に、ダミーロードによる負荷をかけて正確に残量を判断するのは、大きな電流を必要とする起動処理、例えば、ハードディスクなどに内蔵されているモータの駆動などの機械的動作が発生する際は、電池に大きな電流が流れるので内部抵抗による電圧降下が大きく、電池電圧が低下するからである。電池電圧が低下して、急に電源が遮断されると、故障などが生じる虞もある。
【０００４】
また、電池はその化学的特性のため、低温環境下での電圧低下が著しく大きく、放電特性が悪くなる。このような低温環境下での放電特性の低下は、１次電池、２次電池に関わらず発生するが、１次電池、特にアルカリ電池は、低温環境下における内部抵抗の上昇が大きい。したがって、アルカリ電池を低温環境下で使用すると、大電流放電時に電池電圧が著しく低下する。
【０００５】
このように低温環境下においてアルカリ電池の内部抵抗が常温時よりもさらに大きくなった状態で、ダミーロードによる負荷をかけてアルカリ電池の残量を検出すると、アルカリ電池、すなわち内部抵抗に大きな電流が流れるので、この内部抵抗による電圧降下が大きく、残量が極めて低く検出される。
【０００６】
一方で、低温環境下であっても、アルカリ電池に電流が流れると内部抵抗でジュール熱が発生することによって、電池温度が上昇し、電池内部が活性化する。
【０００７】
したがって、初期状態のみ内部抵抗による電池の電圧降下が大きく、その後、使用中は電池が活性化されるので、実際には相当程度使用できるにも関わらず、低温環境下の内部抵抗が大きい状態で、ダミーロードに負荷をかけて電流を流し、電池電圧を検出すると、電池が使用できないと判定される。
また、１次電池は、２次電池と異なり、充電し再使用されることがないので、過放電による電池の劣化は考慮する必要がない。そのため、全容量を使い切るほうがよい。
【０００８】
また、一次電池は、ユーザが一旦使用できないと判断すると、通常は再び使用されることはない。したがって、低温環境下で、内部抵抗が大きいために、容量が残っている状態で使用済みと判断されると、その後、常温に戻り電池内部が活性化し、電池が使用できるようになっても、使用されずに、電池が本来有する容量が使われないことになる。
【０００９】
特許文献１には、電池パック又は電子装置内に内蔵した温度検出素子で電池の温度を検出し、当該検出温度に応じて電池残量の警告表示が出力される電池電圧の設定値を変化させる電池駆動式電子装置が提案されている。
この電池駆動式電子装置では、例えば、常温と判断した場合には、残量警告表示電圧を６.５Ｖに設定し、低温と判断した場合には、６.１Ｖとしている。そして、電源シャットオフ電圧は常温、低温いずれの場合も６.０Ｖである。
【００１０】
特許文献２には、電池が使用される電子機器の消費電流が変化する場合や、電池の周囲温度が変化する場合に、電池残量表示の補正を行なう電池残量判定装置が提案されている。
【００１１】
特許文献３には、接続された電池の種類の判別を行ない、電池の種類に応じてバッテリチェック動作のパラメータを切り換えて、電池の放電停止の電圧を変化させるカメラが提案されている。このパラメータは、ダミーロード電流の大きさ、ダミーロード抵抗、電池残量の判定電圧等である。
【００１２】
特許文献４には、温度センサが検出した温度を、所定の閾値と比較することで、検出温度が閾値よりも高いときは通常動作モードとし、検出温度が閾値よりも低いときは省電力動作モードとするディジタルカメラが提案されている。
【００１３】
【特許文献１】特開平１０−２３３０９号公報
【特許文献２】特開２００１−１２６７７８号公報
【特許文献３】特開平８−６２６６３号公報
【特許文献４】特開２００４−７４６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献１に記載の電池駆動式電子装置では、警告表示段階の温度を対象としており、電池の放電停止電圧は変化させていない。したがって、残り時間の警告は正しく表示されるが、放電停止電圧は同じであり、実質的な使用時間は何ら変化してない。
このため、実際には使用できるにも関わらず、電池が放電停止となる。この現象は、低温環境下で、消費電流が大きい起動処理時に、特に著しくなる。
【００１５】
また、特許文献２に記載の電池残量判定装置では、消費電流や電池の環境温度に応じて、残量表示を変化させているが、放電停止電圧についてはなんら考慮されていない。この場合、２次電池では、放電停止電圧を低くすると電池の劣化を招く場合がある。一方、放電停止電圧が高い状態のままでは、使用できるにも関わらず放電停止となる。しかし、１次電池では、充電し再使用することは考えられないので、放電停止電圧は低くするほうがよい。
【００１６】
また、１次電池、特にアルカリ電池では、ニッケル水素電池等の２次電池と比較して低温環境下ではさらに内部抵抗が大きくなる。このため、低温環境下で、起動時に大きな電流が流れると、電池が活性化されるとともに、モータの駆動等、大きな電流が必要な起動処理が終わると消費電流が小さくなり、相当程度使用できるようになる。この場合、起動処理時に放電停止電圧を下げればよいが、特許文献２では起動処理時に残量表示を変化させてはいない。また、ダミーロードによって電池の残量の正確に検出することは行なっていない。
【００１７】
特許文献３に記載のバッテリチェックを行なうカメラでは、電池種別を判断するために、温度を検出した状態で、バッテリチェックの電圧レベルを検出しているが、電池の放電停止電圧の閾値は変更していない。
したがって、ダミーロードによる負荷がかかった状態で大きな消費電流が流れた場合には、放電停止がされる。
【００１８】
特許文献４に記載のディジタルカメラでは、電池の温度が低温になるとディジタルカメラを省電力モードに移行することで、消費電流を小さくしているが、電池の放電停止電圧を下げてはいない。したがって、モータの駆動等、比較的大きな電流が必要な動作の場合は、放電が停止される場合がある。また、省電力モードである場合は、これらモータの駆動等の動作を行なうことができない。
【００１９】
本発明は、このような事情に鑑み、低温環境下において１次電池を使用する際に、電池の残量を正確に判断し、電池の長寿命化を図ることができる電池使用機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成すべく本発明は次の技術的手段を講じた。
本発明に係る電池使用機器では、１次電池の電圧を測定することによって、１次電池の残量を判断し、１次電池の電圧が、閾値電圧以下になると１次電池の放電を停止する電池使用機器において、１次電池の温度が低下すると、この閾値電圧を低下させる。
このようにすると、低温環境下で、１次電池の電圧が低く検出される場合であっても、放電停止の閾値電圧が低くなっているので、電池容量が残っているにも関わらず、放電停止となることが低減される。
また、この電池使用機器のユーザが１次電池を使用できないと判断すると、通常はその後使用されないが、このように閾値電圧を下げると、電池の容量がなくなり使用済みであると誤って判断されることも少なくできる。
【００２１】
本発明に係る電池使用機器では、閾値電圧の低下が、この電池使用機器の起動処理時に行なわれることが好ましい。
電池使用機器の起動処理時は、モータの駆動電流のような比較的大きな電流が流れることがある。このように大電流が流れると、例えば、ハードディスクの起動の途中で、電池容量がなくなり電源が突然遮断される等、電池使用機器に不都合が生じる。その一方で、起動処理後は、電池が活性化されるので、十分に使用できるようになる。
また、電池使用機器の起動処理が行なわれないと、つまり、電源をオンさせても、何も動作しない状態であると、この電池使用機器のユーザは、誤って電池使用機器に使われている電池を使用済み電池であると判断したり、当該電池使用機器の故障であると判断したりする可能性もある。したがって、このように起動処理時に放電停止の閾値電圧を低下させて、起動処理を正確に行なうと、使用済みであると判断したり、電池使用機器の故障であると判断したりすることが低減される。
【００２２】
本発明に係る電池使用機器では、起動処理時の１次電池の電圧測定が、ダミーロードによる負荷をかけた状態で行なわれることが好ましい。
電池の内部抵抗は、電池の種類や電池の温度によっても大きく異なる。また、同じ環境温度での同種類の電池でも使用状態等によって内部抵抗は異なる。
このため、負荷を開放した状態での電池電圧と、実際に使用されている状態の電池電圧すなわち負荷をかけた状態の電池電圧とは、電池種類、電池温度、使用状態によって異なる。
ダミーロードによって実際に負荷をかけた状態と同じ状態を仮想的に作り、内部抵抗による電圧降下を考慮して電池電圧を測定すると、正確に電池残量を測定することができる。
【００２３】
本発明は、１次電池がアルカリ電池である場合に特に有意義である。
アルカリ電池は、低温時に内部抵抗が極めて大きく、この内部抵抗による電圧降下で放電電圧が著しく低下するため、誤った残量判断が行なわれ、電池の残量が十分にあるにも関わらず、電池が低温であるために電池使用機器が動作しなくなる場合が多い。
しかし、電池使用開始時には電池電圧が低くても、電池の使用を続けると、電池が使用されることによってジュール熱が発生し電池の温度が上昇すると共に、電池内部が活性化するので、その後は、相当程度使用できる。
したがって、アルカリ電池が低温の場合に、放電停止電圧を下げると、電池寿命の長寿命化を図ることができ、電池使用機器が十分に使えるようになる。
【００２４】
本発明の典型的な実施形態に係る電池使用機器では、アルカリ電池の電圧を測定することによって、このアルカリ電池の残量を判断し、アルカリ電池の電圧が閾値電圧以下になるとアルカリ電池の放電を停止する電池使用機器において、アルカリ電池の温度を検出する温度検出素子と、このアルカリ電池の電圧を検出し、電池の残量判断をするマイクロコンピュータと、このマイクロコンピュータにより制御されるスイッチング素子とが設けられる。マイクロコンピュータは、温度検出素子で検出されたアルカリ電池の温度が低下すると、電池使用機器の起動処理時に、閾値電圧を低下させるとともに、スイッチング素子をオンにしてアルカリ電池にダミーロードを接続する。そして、起動処理時のアルカリ電池の電圧測定が、ダミーロードにより負荷をかけた状態で行なわれる。
このようにすると、温度検出素子で電池の温度が検出でき、この検出された電池温度に応じて、マイクロコンピュータによって放電停止の閾値電圧を変化させることができる。
起動処理時に、電池の放電停止電圧を低下させておくと、その後は、電池が活性化されて、電池電圧が上昇する。また、起動処理時には、モータの駆動電流のような比較的大きな電流が必要とされる場合が多いので、起動処理時にこの放電停止の閾値電圧を下げておくと、その後は、消費電流が小さくなって相当程度使用できる。
そして、電池の残量がなくなって電池電圧が低下した場合と、単に低温で電池電圧が低下した場合とを区別しつつ、電池の長寿命化を図ることができる。
また、低温時に特に内部抵抗が高くなり、電池電圧が低くなるアルカリ電池の残量が、ダミーロードにより、正確に検出される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、低温環境下において１次電池を使用する際に、電池の残量を正確に判断し、電池の長寿命化を図ることができる電池使用機器を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る電池使用機器の放電制御回路を示す図である。図１に示すように、この電池使用機器１００の電池には１次電池が使用され、本実施形態では、２つのアルカリ電池１が直列に接続されている。なお、分かり易くするために、内部抵抗２を図示している。
アルカリ電池１は内部抵抗２が大きく、電流が流れるとこの内部抵抗２で大きな電圧降下が発生し、電池電圧が低下する。
【００２７】
直列に接続されたアルカリ電池１の電池電圧検出は、電池電圧検出用ＡＤＣ（Analog-Digital  Converter）３で行なっており、この電池電圧のアナログ信号をデジタル信号に変換した後、マイクロコンピュータ（以下「マイコン」という）４に入力している。
マイコン４は、直列に接続されたアルカリ電池１の電圧が所定の閾値電圧ＶＴＨ以下、例えば、常温時（２０℃）には２.１Ｖ以下になると放電制御スイッチ５をオフにして、アルカリ電池１の放電を停止させる。この放電制御スイッチ５には、ＭＯＳＦＥＴが使用されている。このＭＯＳＦＥＴは、トランジスタやリレー等の他のスイッチング素子であってもよい。
【００２８】
アルカリ電池１の温度検出は、サーミスタ６によって、アルカリ電池１の環境温度を検出することで行なっている。このため、サーミスタ６は、電池使用機器１００の電池ボックス内部における電池の近傍に配置される。サーミスタ６で検出された温度（アナログ信号）は温度検出用ＡＤＣ７に入力され、デジタル信号に変換された後、マイコン４に入力される。このサーミスタ６は、温度センサ等、他の温度検出素子であってもよい。
【００２９】
アルカリ電池１は、ニッケル水素電池と互換性が高く、この電池使用機器１００も、アルカリ電池１とニッケル水素電池を併用できる。
しかし、アルカリ電池１はニッケル水素電池と比較し、内部抵抗２が大きい。このため、負荷をかけて内部抵抗２に電流を流した状態で電池電圧を検出すると、負荷を開放し内部抵抗２に電流が流れない状態で電池電圧を検出する場合よりも、電圧降下が大きいので、電池電圧検出用ＡＤＣ３で検出される電池電圧は、低くなる。さらに、アルカリ電池１の内部抵抗２は、低温環境下で著しく大きくなるので、低温環境下においては、アルカリ電池１に負荷をかけて電池電圧を検出すると、電圧が極めて低く検出される。
【００３０】
例えばＰＤＡや携帯電話等の電池使用機器１００の起動処理時には、モータが駆動される場合など、大電流が流れることも多く、この場合の電圧降下が著しい。そして、起動処理時に電圧降下が大きいと、電源が急に遮断され、故障等が発生する場合もある。
【００３１】
このため、起動処理時には、負荷がかかった状態のアルカリ電池１の電圧を検出するために、スイッチング素子としてのトランジスタ９をオンさせて、ダミーロード８による負荷をかけてマイコン４で電池電圧を検出する。ダミーロード８には、例えば４Ωの比較的小さな抵抗が使用され、これに大きな電流を流す。このトランジスタ９もＦＥＴやリレー等の他のスイッチング素子であってもよい。
【００３２】
アルカリ電池１の場合は、起動処理時に、ダミーロード８により負荷をかけた状態で、電池電圧を検出し、その後は、電源回路１０を介して、実際にかかる負荷によって、電池の消費電流が決まるので、ダミーロード８に接続されているトランジスタ９はオフされる。
電源回路１０からは、例えば直流５Ｖ、３.３Ｖ等の定電圧が出力され、この定電圧出力は、電池使用機器１００の例えばモータ、液晶等の電源として使用される。
【００３３】
図２は、本実施形態に係る放電のタイムチャートを示す図である。まず、起動処理について説明する。起動処理では、ユーザが電源をオンする（Ｓ１）と、マイコン４が電池の種類を判別する（Ｓ２）。ここでは、ニッケル水素電池であるか、アルカリ電池１かを判別する。この電池種類を判別するには、負荷をかけるので電池電圧が若干低下する。
【００３４】
次に、マイコン４は電池の残量を判断する（Ｓ３）。残量判断は、電池ボックスに入れられている電池がニッケル水素電池であるか、アルカリ電池１であるかによって異なる。
ニッケル水素電池は、内部抵抗が小さいために、ダミーロード８による負荷をかけた状態で行なう必要はない（Ｓ３Ａ）。したがって、このステップＳ３Ａは、ニッケル水素電池の場合の残量判断である。
その後、マイコン４はトランジスタ９をオンさせて、ダミーロード８による負荷をかけた状態で、アルカリ電池１の残量を判断する（Ｓ３Ｂ）。
【００３５】
アルカリ電池１の内部抵抗２は大きいので、ダミーロード８に電流が流れると、内部抵抗２における電圧降下によって、マイコン４で検出される電池電圧が大きく低下する。したがって、放電停止の閾値電圧ＶＴＨを、電池の環境温度が下がるにつれて、表１のように低下させる。
【表１】
2008262815.tif 000003
この場合、ステップＳ３Ｂでは、アルカリ電池１の環境温度が１０℃以下になると閾値電圧ＶＴＨを２．１０Ｖから２.０５Ｖに低下させ、０℃以下になると閾値電圧ＶＴＨを２.０５Ｖから２.００Ｖに低下させる。
【００３６】
アルカリ電池１の内部抵抗２は、ニッケル水素電池と比較して大きい。特に、低温環境下では、内部抵抗２が大きくなり、この内部抵抗２による電圧降下のため、ダミーロード８による負荷をかけると電池が使えないと判断されるが、実際には、その後、モータの駆動、液晶の点灯（Ｓ４）がされると、アルカリ電池１に電流が流れることによってジュール熱が発生し、電池温度が上昇すると共に、アルカリ電池１内部が活性化され、電池電圧が上昇する。
このように放電停止の閾値電圧ＶＴＨを下げると、ダミーロード８による負荷がかかったときに、電池残量が残っているにも関わらず、残量がないと判断され放電が停止されることが低減される。
【００３７】
モータの駆動、液晶の点灯（Ｓ４）がされた後は、大きな消費電流が流れない通常モード（Ｓ５）に移り、アルカリ電池１の電圧が比較的高い状態に維持される。
また、通常処理の期間中にもマイコン４は電池の残量判断をしており（Ｓ５）、所定の放電停止電圧以下に達した場合には、別の検出方法により放電が停止される。
【００３８】
図３は、本実施形態に係る電池使用機器１００におけるアルカリ電池１の温度特性の実験結果を示す図である。
図３は、アルカリ電池１の起動処理と一定の通常処理とを繰り返した場合の実験結果である。つまり、表１に従い、放電停止の閾値電圧ＶＴＨを変更した状態で、電源をオンして起動処理を行ない、所定の通常処理後に、電源をオフし、再度、電源をオンして起動処理を行なうことを繰り返した場合の起動回数（回）と環境温度（℃）との関係を示している。
【００３９】
図３に示すように、環境温度、すなわちアルカリ電池１の温度が１０℃の場合は放電停止閾値電圧を低下させない場合よりも、起動回数が１割程度増加し、０℃の場合には、放電停止閾値電圧を低下させない場合よりも起動回数が７割程度増加し、非常に良好な結果が得られた。このように、起動回数が多くなると、ユーザが誤って電池を使いきったと判断することも少なくなる。
以上のように、本実施形態では、電池の放電停止の閾値電圧ＶＴＨを低温環境下で低下させることによって、電池の長寿命化を図ることができる。
【００４０】
本発明は、上述した実施形態に限られない。図１の回路構成は本発明の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、図１では２つのアルカリ電池１の電池電圧を直列状態で検出しているが、各電池の電圧を個別に検出してもよい。
また、アルカリ電池１は１つでもよく、あるいは３個以上でもよい。
さらに、閾値を示す表１は、例示であり、アルカリ電池１の放電停止の閾値電圧ＶＴＨに若干の変更を加えてもよく、その他、１次電池の種類によって、閾値電圧ＶＴＨを適宜変更してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】電池使用機器の放電制御回路を示す図である。
【図２】放電のタイムチャートを示す図である。
【図３】電池使用機器におけるアルカリ電池の温度特性の実験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１      アルカリ電池
４      マイクロコンピュータ
６      サーミスタ
８      ダミーロード
９      トランジスタ（スイッチング素子）
１００  電池使用機器
【図１】
2008262815.tif 000004
【図２】
2008262815.tif 000005
【図３】
2008262815.tif 000006