JP2013123357A

JP2013123357A - バッテリー・パックの電力状態及び関連するスマートバッテリー・デバイスを制御する方法

Info

Publication number: JP2013123357A
Application number: JP2012071320A
Authority: JP
Inventors: Jun-Myong Jin; 俊銘陳; Tiong Hock Ha; 長福夏
Original assignee: Powerflash Technology Corp
Current assignee: Powerflash Technology Corp
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-06-20
Also published as: TW201325018A; US20130147433A1; CN103166277A

Abstract

【課題】本発明は、バッテリー・パックの電力状態を制御する方法に関する。
【解決手段】スマートバッテリー・デバイスにおいて、複数のバッテリー・セルを有するバッテリー・パックが提供される。充電中、各バッテリー・セルの電圧が、単一のバッテリー・セルに関連する最大動作電圧を超えない場合、そのバッテリー・パックは第1電圧で充電される。いずれかのバッテリー・セルの電圧が、単一のバッテリー・セルに関連する最大動作電圧よりも小さくない場合、そのバッテリー・パックは、第1電圧よりも小さい第2電圧で充電される。
【選択図】図3

Description

本出願は、2011年12月12日に出願された米国特許仮出願第61／569,760号の出願日の優先権を主張し、その内容は本文献に参考として取り入れられる。

本発明は、バッテリー・パックの電力状態及び関連するスマートバッテリー・デバイスを制御する方法に関し、より詳しくは、増加した寿命を持つバッテリー・パック及び関連するスマートバッテリー・デバイスの電力状態を制御する方法に関する。

パーソナル・デジタル・アシスタント（PDA）、デジタルカメラ、携帯型メディア・プレーヤー及びノート型パソコン／平面パネル・コンピュータなどの携帯機器がよりさらに普及して来ている。携帯性を提供するために、これらの携帯機器は、通常、再充電可能なバッテリーによって動く。再充電可能なバッテリーは、特別の充電器によって充電されてよく、あるいは、ACメインにその携帯機器を接続することによって充電されてよい。個別のバッテリー・セルの限られた容量により、複数のバッテリー・セルを含むバッテリー・パックは、ノート型パソコンなどの電子機器において一般に使用される。

バッテリーの寿命は、それがアクティブな使用（繰り返して充電及び放電されている）においても非アクティブな使用においても、再充電可能なバッテリーが使用不可になる前に経過する時間である。バッテリーの寿命に影響を与える2つの主要な要因があり、すなわち、それは、バッテリー・セルの物理的特徴及び充電方法である。一般に、より高く充電する電流／電圧は、必要な充電時間を短縮するが、そのバッテリー寿命も減少する。過充電又は過放電は、さらにバッテリー容量を使用する可能性があるが、そのバッテリー寿命も縮小する。従って、バッテリー製造者は、一般的に、製品仕様において最大動作電圧及び最小動作電圧を示す。

図1は、バッテリー・パックの従来技術の充電方法を示す概略図である。図1における曲線は、従来技術におけるバッテリー・パックの充電電圧と充電時間との間の関係を描く。例証目的で、その従来技術のバッテリー・パックは、直列に接続された3つのバッテリー・セルC1‐C3を含む。V_c1‐V_c3は、バッテリー・セルC1‐C3にそれぞれ設定した電圧を表わす。V_{PACK_MAX}は、そのバッテリー・パックの最大動作電圧を表わし、V_{PACK_MIN}は、そのバッテリー・パックの最小動作電圧を表わす。V_{CELL_MAX}は、個別のバッテリー・セルの最大動作電圧を表わし、V_{CELL_MIN}は、個別のバッテリー・セルの最小動作電圧を表わす。V_PACKは、そのバッテリー・セルに設定された電圧を表わし、（V_C1+V_C2＋V_C3）に等しい。図1に示されるように、そのバッテリー・パックの充電期間は、定電流期間T_i及び定電圧期間T_vを含む。その定電流期間T_iの間に、その充電器は、一定の充電電流を供給するように構成され、そのバッテリー・パックに設定された電圧V_PACKは、その充電器の電圧に影響を与えない一定の充電電圧V_CHGよりも低い状態で残る。電圧V_PACKがその一定の充電電圧V_CHGに達するとき、充電器は、その充電期間が終了するまでその一定の充電電圧V_CHGを供給するために定電圧期間T_vへと入る。従来技術において、V_CHGは、一般的にV_{PACK_MAX}に設定され、それは、V_{CELL_MAX}を直列に接続されたバッテリー・セルの数によって乗じたものに等しい。例えば、そのバッテリー・パックが直列に接続された3つのバッテリー・セルを含む場合、V_{PACK_MAX}は、3*V_{CELL_MAX}に等しい。

バッテリー・パックは、より良い電力効率のために、似た物理的特性を持つ複数のバッテリー・セルを含むのが望ましい。しかし、そのバッテリー・パックにおける各バッテリー・セルの物理的特性及び劣化率は、プロセス変動が原因で、それでも変動する可能性がある。従って、個別のバッテリー・セルの充電／放電特性における相違は、そのバッテリー・パックが時間とともにアクティブな使用状態にあるとより大きくなる。初期の推奨電圧V_{PACK_MAX}及びV_{PACK_MIN}は、最終的に、そのバッテリー・パックが過充電／過放電されることを防止できない。

例えば、その電圧V_C1は、そのバッテリー・セルC1‐C3の充電特性における相違が原因で最大動作電圧V_{CELL_MAX}を超えてもよい。言い換えると、従来技術のバッテリー・セルC1は、図1に示されるように、定電圧期間T_vの間に過充電される。放電期間の間にT1において、電圧V_C1は、バッテリー・セルC1‐C3の放電特性における相違が原因で、最小動作電圧V_{CELL_MIN}未満に低下する可能性がある。言い換えると、従来技術のバッテリー・セルC1は、図2に示されるように、その放電期間の間にT1とT2との間で過放電される。ある一定期間の後に、異なる充電／放電状態が、個別のバッテリー・セルの間における特性相違を増やし、最も小さい容量を持つバッテリー・セルが先立って機能しなくなるようにする。より大きい容量を持つ他のバッテリー・セルがいまだに普通に機能していても、そのバッテリー・パックの全体のパフォーマンス及び寿命は、それでも大幅に影響を受ける。

従来技術のバッテリー・パックにおいて、各バッテリー・セルには、並列平衡回路が備えられる。その並列平衡回路は、対応するバッテリー・セルが、余分なエネルギーを熱エネルギーに変換することによって完全に充電された後に過充電状態に入ることを防ぐ。そのような従来技術のバッテリー・パックは、回路複雑度及び構成部品費用を増やす余分な平衡回路を必要とする。

もう1つの従来技術のバッテリー・パックにおいて、より低い充電電流が、そのバッテリー・セルの劣化率を低減するために使用される。しかし、そのような従来技術は、その複数のバッテリー・セルの各々が、直列に接続されるときにまだ過充電／過放電されている可能性があることから、直列構成を持つバッテリー・パックに対して機能しない。

本発明は、バッテリー・パックの電力状態を制御する方法を提供する。

当該方法は、そのバッテリー・パックにおける複数のバッテリー・セルにおいてそれぞれ設定された電圧を測定するステップ；各バッテリー・セルの電圧が単一のバッテリー・セルに関連する最大動作電圧よりも大きくない場合、そのバッテリー・パックを第1電圧で充電するステップ；及び、いずれかのバッテリー・セルの電圧が、単一のバッテリー・セルに関連する最大動作電圧よりも小さくない場合、第1電圧よりも小さい第2電圧でそのバッテリー・セルを充電するステップ；を含む。

本発明は、また、複数のバッテリー・セル及びその複数のバッテリー・セルに設定された電圧を測定し、それに応じてスマート充電器を制御するように構成されたバッテリー管理集積回路を含むスマートバッテリー・デバイスも提供する。そのスマート充電器は、各バッテリー・セルにおいて設定された電圧が、単一のバッテリーに関連する最大動作電圧よりも大きくない場合、そのバッテリー・パックを第1電圧で充電するように構成されている。そのスマート充電器は、いずれかのバッテリー・セルにおいて設定された電圧が、単一のバッテリーに関連する最大動作電圧よりも小さくない場合、第1電圧よりも小さい第2電圧でそのバッテリー・パックを充電するように構成されている。

本発明のこれら及び他の目的は、当業者が、以下の様々な図表に示される望ましい実施形態の詳細な記載を読んだ上で明確になるはずである。

バッテリー・パックの従来技術の充電方法を示す概略図である。バッテリー・パックの従来技術の放電方法を示す概略図である。本発明に従って、スマートバッテリー・デバイスを示す機能図である。本発明に従って、バッテリー・パックの電力状態を制御する方法を示すフローチャートである。本発明に従って、バッテリー・パックの充電電圧と充電時間との間の関係を示す概略図である。本発明に従って、バッテリー・パックの放電電圧と放電時間との間の関係を示す概略図である。

図3は、本発明によるスマートバッテリー・デバイス100を示す機能図である。そのスマートバッテリー・デバイス100は、バッテリー・パック10、バッテリー管理集積回路20、フューズ30、スイッチ40、電流感知抵抗50、サーミスタ60、表示ユニット70、及びシステム管理バス（SMB）80を含む。

バッテリー・パック10は、望ましい電圧、容量又は出力密度を電子機器に供給するために、並列、直列又は両方の混合において構成されてよい。図3は、直列構成の実施形態を描く。V_PACKは、バッテリー・パック10において設定された全体の電圧を表わす。V_C1‐V_CNは、バッテリー・セルC1‐CNにそれぞれ設定された電圧を表わす。I_PACKは、バッテリー・パック10の中を流れる電流を表わす。バッテリー・パック10の正極は、フューズ30及びスイッチ40によってスマート充電器200に電気接続されてよい。バッテリー・パック10の陰極は、電流感知抵抗50によってスマート充電器200に電気接続されてよい。

バッテリー管理集積回路20は、アナログ・デジタル変換器（ADC）12、クーロン・カウンター14、スイッチ制御回路16、メモリ18、及びマイクロプロセッサ22を含む。そのADC12は、バッテリー・セルC1‐CNにおいてそれぞれ設定された電圧V_C1‐V_CN及びサーミスタ60（バッテリー・パック10の温度に関連する）に設定された電圧を監視するように構成されている。そのクーロン・カウンター14は、電流感知抵抗50（バッテリー・パック10の電流I_PACKに関連する）において設定された電圧を監視するように構成されている。従って、マイクロプロセッサ22は、スイッチ制御回路16の動作をそれに応じて制御してよい。そのスイッチ制御回路16は、突然の過電流、過電圧又は過剰温度がバッテリー・パック10に損傷を与えることを防止するために、フューズ30及びスイッチ40を制御するように構成されている。その一方で、そのバッテリー管理集積回路20は、スマート充電器200がその出力をそれに応じて調整するように、SMB80を通してバッテリー・パック情報（電圧、電流、温度又は容量など）を提供してよい。メモリ18は、そのバッテリー・パック10の充電特性、使用履歴、ファームウェア及びデータベースを保管するために使用してよい。表示ユニット70は、バッテリー・パック10の容量又は状態を表示するために複数の発光ダイオードを含んでよい。

図4は、バッテリー・パック10の電力状態を制御する方法を説明するフローチャートであり、以下のステップを含む：
ステップ410：バッテリー・パック10においてバッテリー・セルC1‐CNにおいて設定された電圧V_C1‐V_CNを測定する。
ステップ420：バッテリー・パック10が充電モードにあるか決定する：充電モードにある場合、ステップ430を実行し；充電モードにない場合、ステップ460を実行する。
ステップ430：電圧V_C1‐V_CNの各々が最大動作電圧V_{CELL_MAX}より小さいか決定する：小さい場合、ステップ440を実行する；小さくない場合、ステップ450を実行する。
ステップ440：スマート充電器220の充電電圧を最大動作電圧V_{PACK_MAX}に設定する。
ステップ450：スマート充電器200の充電電圧を現在の電圧V_C1‐V_CNの合計に設定する。
ステップ460：電圧V_C1‐V_CNの各々が、最小動作電圧V_{CELL_MIN}よりも大きいか決定する：大きい場合、ステップ470を実行する；大きくない場合、ステップ480を実行する。
ステップ470：バッテリー・パックが放電することを可能にするためにスイッチ40を短絡させる。
ステップ480：バッテリー・パックが放電することを防止するためにスイッチ40を開にする。

本発明の方法における上記のステップは、バッテリー管理集積回路20、スマート充電器200又はSMB80に接続された他のホストにおいて定期的に（一秒おきなどに）実施されてよい。最初に、バッテリー・セルC1‐CNにおいて設定された電圧V_C1‐V_CNは、ステップ410において測定される。次に、バッテリー・パック10が現在充電されているかが決定される。

バッテリー・パック10が、充電モードにある場合、本発明の方法のステップ430、440又は450が実行される。図5は、本発明に従って、バッテリー・パック10の充電電圧と充電電流との間の関係を示す概略図である。例証目的で、本発明のバッテリー・パック10が直列に接続された3つのバッテリー・セルC1‐C3を含むと推定する。そのバッテリー・パック10の充電期間は、定電流期間T_i及び定電圧期間T_vを含む。V_{PACK_MAX}は、バッテリー・パック10の最大動作電圧を表わし、V_{PACK_MIN}は、バッテリー・パック10の最小動作電圧を表わす。V_{CELL_MAX}は、個別のバッテリー・セルの最大動作電圧を表わし、V_{CELL_MIN}は、個別のバッテリー・セルの最小動作電圧を表わす。

定電流期間Tiの間に、スマート充電器200は、一定の充電電流I_PACKを供給するか、又はその出力電流をバッテリー管理集積回路20からSMB80を通して受け取る情報に従って調整するように構成されている。この期間の間に、電圧V_PACK及びV_C1‐V_C3は、徐々に時間と共に増加する。

電圧V_C1‐V_C3のうち1つが最大動作電圧V_{CELL_MAX}に達するとき、V_PACKは、（V_C1+V_C2+V_C3）に等しく、定電圧期間T_iが開始する。そのスマート充電器200は、現在のバッテリー・セル電圧V_C1‐V_C3の合計に等しい一定の充電電圧V_CHGを、その定電圧期間T_iが終了するまで供給するように構成されている。この期間の間、バッテリー・パック10において設定された電圧V_PACKは、図5に示されるようにV_CHGに等しく、V_PACK □ V_{PACK_MAX}である。従って、本発明は、バッテリー・セルC1が過充電されることを防止し、それによって、そのバッテリー・パック10の寿命を増加させる。

バッテリー・パック10が充電モードに無い場合、本発明の方法のステップ460が実行される。図6は、本発明に従って、バッテリー・パック10の放電電圧と放電時間との間の関係を示す概略図である。電圧V_C1‐V_C3のうち1つが最小動作電圧V_{CELL_MIN}に低下するとき、図6に示されるように、バッテリー・パック10がさらに放電することを防止するためにステップ480が実行される。例えば、バッテリー管理集積回路20は、スイッチ40を開回路にすることによって、バッテリー・パック10の放電経路をブロックしてよい。従って、本発明は、バッテリー・セルC1が過放電することを防止し、それによって、そのバッテリー・パック10の寿命を増加させる。

結論として、本発明は、バッテリー・パック10における全てのバッテリー・セルが過充電／過放電することを防止し、それによってそのバッテリー・パック10の寿命を増やす。

当業者は、本発明の教示を維持する一方で、その装置及び方法の多数の改良形及び変化形が作成されてよいことは、容易に理解するであろう。従って、上記の開示は、添付の請求項の境界によってのみ限定されるとして解釈されるべきである。

Claims

バッテリー・パックの電力状態を制御する方法であり：
該バッテリー・パックにおける複数のバッテリー・セルにおいて設定された電圧をそれぞれ測定するステップ；
各バッテリー・セルの電圧が、単一のバッテリー・セルに関連する最大動作電圧よりも大きくない場合、第1電圧で前記バッテリー・パックを充電するステップ；及び
いずれかのバッテリー・セルの電圧が、前記単一のバッテリー・セルに関連する最大動作電圧よりも小さくない場合、第1電圧よりも小さい第2電圧で前記バッテリー・パックを充電するステップ；
を含む、方法。
請求項1に記載の方法であり、いずれかのバッテリー・セルの電圧が、前記単一のバッテリー・セルに関連する最大動作電圧よりも小さくない場合、前記第1電圧は、前記バッテリー・パックの最大動作電圧であり、前記第2電圧は、前記バッテリー・パックにおいて直列に接続された全てのバッテリー・セルにおいて設定された電圧の合計である、方法。
請求項1に記載の方法であり：
各バッテリー・セルにおいて設定された電圧が、前記単一のバッテリー・セルに関連する最小動作電圧よりも大きい場合、前記バッテリー・パックを放電するステップ；及び
いずれかのバッテリー・セルにおいて設定された電圧が、前記単一のバッテリー・セルに関連する最小動作電圧よりも大きくない場合、前記バッテリー・パックの放電を停止するステップ；
をさらに含む、方法。
複数のバッテリー・セルを含むバッテリー・パック；及び
前記複数のバッテリー・セルにおいて設定された電圧を測定し、スマート充電器をそれに応じて制御するように構成されたバッテリー管理集積回路、を含むスマートバッテリー・デバイスであり：
前記スマート充電器は、各バッテリー・セルにおいて設定された電圧が単一のバッテリーに関連する最大動作電圧よりも大きくない場合、第1電圧で前記バッテリー・パックを充電するように構成され；且つ
前記スマート充電器は、いずれかのバッテリー・セルにおいて設定された電圧が、前記単一のバッテリーに関連する最大動作電圧よりも小さくない場合、前記第1電圧よりも小さい第2電圧で前記バッテリー・パックを充電するように構成されている、
スマートバッテリー・デバイス。
請求項4に記載のスマートバッテリー・デバイスであり、いずれかのバッテリー・セルの電圧が、前記単一のバッテリー・セルに関連する最大動作電圧よりも小さくない場合、前記第1電圧は、前記バッテリー・パックの最大動作電圧であり、前記第2電圧は、前記バッテリー・パックにおいて直列に接続された全てのバッテリー・セルにおいて設定された全ての電圧の合計である、スマートバッテリー・デバイス。
請求項4に記載のスマートバッテリー・デバイスであり、前記バッテリー管理集積回路は、いずれかのバッテリー・セルにおいて設定された電圧が、前記単一のバッテリー・セルに関連する最小動作電圧よりも大きくない場合、前記バッテリー・パックの放電経路をブロックするようにさらに構成されている、スマートバッテリー・デバイス。
請求項4に記載のスマートバッテリー・デバイスであり：
前記バッテリー・パックと前記スマート充電器との間に配置されたスイッチ又はフューズ；
前記バッテリー・パックと前記スマート充電器との間に前記バッテリー・パックの中を流れる電流を検出するために配置された電流感知抵抗；及び
前記バッテリー・パックの温度を検出するためのサーミスタ；
をさらに含む、スマートバッテリー・デバイス。
請求項7に記載のスマートバッテリー・デバイスであり、前記バッテリー管理集積回路は：
前記バッテリー・セルにおいて設定された電圧及び前記サーミスタにおいて設定された電圧を検出するように構成されたアナログ・デジタル変換器；
前記電流感知抵抗において設定された電圧を検出するように構成されたクーロン・カウンター；
突然の過電流、突然の過電圧、又は突然の過剰温度が前記バッテリー・パックに損傷を与えることを防止するために前記フューズ又は前記スイッチを制御するように構成されたスイッチ制御回路；及び
前記アナログ・デジタル変換器によって集められた情報を分析するように構成されたマイクロプロセッサ及び前記スイッチ制御回路をそれに応じ制御するためのクーロン・カウンター；
をさらに含む、スマートバッテリー・デバイス。
請求項7に記載のスマートバッテリー・デバイスであり、前記スイッチ制御回路は、前記サーミスタにおいて設定された電圧、前記電流感知抵抗において設定された電圧、前記バッテリー・パックにおいて設定された電圧、又は前記複数のバッテリー・セルにおいて設定された電圧に従って、前記フューズ又は前記スイッチを制御するようにさらに構成された、スマートバッテリー・デバイス。
請求項4に記載のスマートバッテリー・デバイスであり、前記バッテリー管理集積回路と前記スマート充電器との間に配置されたシステム管理バスをさらに含む、スマートバッテリー・デバイス。