JP2001524300A - バッテリ保護システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 バッテリ保護システム（２０）はバッテリパック（１５）を充電するためのプロセスを制御する。ヒステリシス比較器（５４）はバッテリパック（１５）を通って流れる充電電流を検知しかつ前記充電電流がある上限に到達した時前記充電電流を中断するため充電スイッチ（３１）をオフに切り換える。インダクタ（３４）によって次に過渡電流が発生される。ヒステリシス比較器（５４）がバッテリパック（１５）を通って流れる過渡電流を検知しかつ前記過渡電流が実質的にゼロに低下した時前記充電電流を再発生するために前記充電スイッチ（３１）をオンに切り換える。周期的に、バッテリ監視回路（４０）が前記充電スイッチ（３１）をオフに切り換えかつバッテリパック（１５）における各々のバッテリセルにかかるオープン回路電圧を測定する。あるバッテリセルのオープン回路電圧が完全に充電された電圧に到達したことに応じて、バッテリ監視回路（４０）は充電スイッチ（３１）をオフに切り換えて充電プロセスを終了する。

Description

【発明の詳細な説明】 バッテリ保護システム 発明の背景 本発明は、一般的には、バッテリシステムに関し、かつより特定的には再充電 可能なバッテリを監視しかつ保護することに関する。 リチウムイオンバッテリはニッケル・カドミウム（ｎｉｃｋｅｌ−ｃａｄｍｉ ｕｍ）バッテリおよびニッケル水素（ｎｉｃｋｅｌ ｍｅｔａｌ−ｈｙｄｒｉｄ ｅ）バッテリのような他の形式の再充電可能なバッテリよりも携帯用電子装置の ための用途において好ましく、それはそれらの軽い重量および高いエネルギ密度 のためである。しかしながら、リチウムイオンバッテリは過充電に対して非常に 敏感であり、かつそれらを使用する上で安全性が主な関心事である。例えば、リ チウムイオンバッテリに伴う安全性の関心事はそれが過充電された時に金属リチ ウムがバッテリセル内の電極の１つに付着する（ｐｌａｔｅ）可能性があること である。付着したリチウムは金属リチウムの可燃性のために火災の危険を引き起 す。他の安全性についての関心事はバッテリセルの温度が高くなりすぎた場合に 有害なガスを放出することである。さらに、過放電の状態において、リチウムイ オンバッテリのセルにわたる電圧が下限電圧限 界（ｕｎｄｅｒ−ｖｏｌｔａｇｅ ｌｉｍｉｔ）より低く低下し、バッテリセル の電解質の化学組成の変化を生じる結果となる。そのため、バッテリセルの寿命 が大幅に短縮される可能性がある。したがって、リチウムイオンバッテリを正確 に監視しかつそれらが安全動作領域内で動作することを保証するバッテリ保護シ ステムを持つことが重要である。 伝統的には、リチウムイオンバッテリを充電することは専用のリチウムバッテ リ充電器を必要とする。充電されているリチウムイオンバッテリの電圧が該バッ テリの完全に充電された電圧（ｆｕｌｌｙ ｃｈａｒｇｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ） より大幅に低い場合は、前記専用のリチウムバッテリ充電器は定電流モードで動 作しかつバッテリを一定の充電電流で充電する。バッテリ電圧が該バッテリの完 全に充電された電圧に近い場合は、前記専用のリチウムバッテリ充電器は定電圧 モードに切り替える。定電圧モードの下では、バッテリに流れる充電電流はバッ テリ電圧が完全に充電された電圧に接近するに応じて指数関数的に減少し、それ によってバッテリが過充電されることを防止する。前記専用のリチウムバッテリ 充電器は前記専用のリチウムバッテリ充電器がいつ定電流モードから定電圧モー ドへと切り替えるか、定電圧モードの間にバッテリにどれだけ多くの充電電流が 流れているか、そしてバッテリが完全に充電されたことを判定する充電制御回路 を含んでいる。バッテ リをその最大容量まで充電しかつ効果的に過充電を防止するため、前記充電制御 回路は非常に正確になるよう設計される。典型的には、前記充電制御回路の電圧 変動は１パーセント（％）より小さくされる。 高度に正確な充電制御回路は前記専用のリチウムバッテリ充電器のコストを大 幅に増大しかつ、従って、リチウムイオンバッテリを使用するコストを増大させ る。さらに、定電圧モードにおいてはバッテリに流れ込む充電電流はバッテリ電 圧が完全に充電された電圧に接近するに応じて指数関数的に低下するから、充電 プロセスは時間効率が悪い。例えば、リチウムバッテリは通常１〜２時間に及ぶ 時間インターバルで定電流モードの動作の間にその容量の８０％まで充電される 。次に、前記専用のリチウムバッテリ充電器は定電圧モードへと切り替わりかつ リチウムバッテリをその最大容量まで充電するのに少なくともさらに３時間を必 要とする。 したがって、バッテリを充電するためのバッテリ保護システムおよびプロセス を持つことが有利であろう。該システムおよび該充電プロセスはコスト効率が良 いことが望ましい。また、前記充電プロセスは便利でありかつ時間効率が良いこ とが望ましい。 図面の簡単な説明 図１は、本発明に係わるバッテリシステムのブロック図 であり、そして 図２は、本発明に係わるバッテリを充電するためのプロセスを示すフローチャ ートである。 図面の詳細な説明 一般に、本発明はバッテリ保護システムおよびバッテリを充電するためのプロ セスまたは方法を提供する。本発明によれば、前記バッテリ保護システムはバッ テリ充電プロセスを制御すると共にバッテリを保護するための正確な制御回路を 含む。したがって、本発明は専用のバッテリ充電器の必要性を除去しかつ、従っ て、バッテリを使用するコストを低減する。さらに、本発明の充電プロセスは従 来技術の定電流／定電圧充電プロセスと比較して時間効率が良い。 図１は、本発明に係わるバッテリシステム１０のブロック図である。バッテリ システム１０は４個の直列接続された再充電可能なリチウムイオンバッテリセル １２，１４，１６および１８からなるバッテリパック１５を含む。したがって、 バッテリシステム１０はまた再充電可能なバッテリシステムと称され、かつバッ テリパック１５はまた再充電可能なバッテリパックと称される。バッテリシステ ム１０はまたバッテリパック１５を監視しかつ適切な動作を行ないバッテリパッ ク１５がその安全動作領域内で動作することを保証するバッテリ保護システム２ ０を含む。バッテ リ保護システム２０は正電圧端子２２および負電圧端子２４を有し、これらはそ れぞれバッテリシステム１０の正および負電圧端子として作用する。バッテリ保 護システム２０はまた正バッテリ電極２６および負バッテリ電極２８を有し、こ れらはそれぞれバッテリパック１５の前記正電圧および負電圧端子に接続される 。好ましくは、バッテリシステム１０は一体型のバッテリパッケージであり、か つバッテリパック１５およびバッテリ保護システム２０は一体化されたバッテリ パッケージ内に組み立てられる。 バッテリ保護システム２０はｐチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタ（Ｆ ＥＴｓ）３１および３２、インダクタ３４、電流検知用抵抗３６、ツェナーダイ オード３７とショットキダイオード３９からなる整流器３８を含む。ツェナーダ イオード３７のアノードおよびショットキダイオード３９のアノードは一緒に接 続されて整流器３８のアノード電極を形成する。ツェナーダイオード３７のカソ ードおよびショットキダイオード３９のカソードは一緒に接続されて整流器３８ のカソード電極を形成する。ＦＥＴ３１はバッテリ保護システム２０の正電圧端 子２２に接続されたソース電極、およびＦＥＴ３２のドレイン電極に接続された ドレイン電極を有する。インダクタ３４はＦＥＴ３２のソース電極にかつ整流器 ３８のカソード電極に接続された第１の電極、およびバッテリ保護システム２０ の正電圧バッテリ電極２６に接続された第２の電極を有する。電流 検知用抵抗３６はバッテリ保護システム２０の負電圧バッテリ電極２８に接続さ れた第１の電極、および整流器３８のアノード電極にかつバッテリ保護システム ２０の負電圧端子２４に接続された第２の電極を有する。 バッテリ保護システム２０はまた電圧検知用入力４１，４２，４３，４４およ び４５、電流検知用入力４６および４７、そして出力および４８および４９を有 するバッテリ監視回路４０を含む。電圧検知用入力４１はバッテリセル１２の正 電極に接続されている。電圧検知用入力４２はバッテリセル１２の負電極にかつ バッテリセル１４の正電極に接続されている。電圧検知用入力４３はバッテリセ ル１４の負電極にかつバッテリセル１６の正電極に接続されている。電圧検知用 入力４４はバッテリセル１６の負電極にかつバッテリセル１８の正電極に接続さ れている。電圧検知用入力４５はバッテリセル１８の負電極に接続されている。 電流検知用入力４６および４７はそれぞれ電流検知用抵抗３６の第１および第２ の電極に接続されている。出力４９はＦＥＴ３２のゲート電極に接続されている 。 バッテリ保護システム２０はさらに比較器５２、ヒステリシス比較器５４、お よびＦＥＴドライバ５６を含む。比較器５２はそれぞれ電流検知用抵抗３６の第 １および第２の電極に接続された非反転入力および反転入力を有する。ヒステリ シス比較器５４はそれぞれ電流検知用抵抗３６の前記第１および第２の電極に接 続された非反転入力および 反転入力を有する。比較器５２の出力はヒステリシス比較器５４のイネーブル端 子に接続されている。ヒステリシス比較器５４の出力はＦＥＴドライバ５６の第 １の入力に接続されている。ＦＥＴドライバ５６の第２の入力はバッテリ監視回 路４０の出力４８に接続されている。ＦＥＴドライバ５６の出力はＦＥＴ３１の ゲート電極に接続されている。 図１は４個のバッテリセルを有するバッテリパック１５を示しているが、これ は本発明を限定するものでないことが理解されるべきである。本発明によれば、 バッテリパック１５は、１個、２個、３個、５個、６個、その他のような、任意 の数のバッテリセルを含むことができる。好ましくは、バッテリ監視回路４０の 電圧検知入力の数はバッテリパック１５の各々のバッテリセルの電圧が測定でき るものとされる。また、バッテリセル１２，１４，１６および１８はリチウムイ オンバッテリセルであることに限定されないことも理解されるべきである。それ らは、例えば、ニッケル・カドミウムバッテリセル、ニッケル水素バッテリセル 、その他のような他の形式のバッテリセルで置き換えることができる。 バッテリ保護システム２０においては、ＦＥＴ３１および３２はそれぞれ過充 電および過放電状態が生じた場合にバッテリパック１５を通って流れる、それぞ れ、充電および放電電流を中断または停止するためのスイッチとして作 用する。それらのボディダイオード（ｂｏｄｙ ｄｉｏｄｅｓ）のため、ＦＥＴ ３１はオフにスイッチングされた時にのみ充電電流を中断しかつＦＥＴ３２はオ フにスイッチングされた場合にのみ放電電流を中断する。充電電流はバッテリパ ック１５を通ってその正電圧端子からその負電圧端子へと流れる電流である。放 電電流はバッテリパック１５を通ってその負電圧端子からその正電圧端子へと流 れる電流である。ＦＥＴ３１および３２は絶縁ゲート型ＦＥＴであることに限定 されないことが理解されるべきである。制御電極および２つの電流導通電極を有 する任意のスイッチングデバイスをＦＥＴ３１またはＦＥＴ３２と置き換えるこ とができる。当業者が理解するように、ＦＥＴがスイッチとして作用する場合、 該ＦＥＴのゲート電極は該スイッチの制御電極として機能し、かつ該ＦＥＴのソ ースおよびドレイン電極は該スイッチの電流導通電極として機能する。 また、バッテリ保護システム２０はバッテリパック１５を保護するために、Ｆ ＥＴ３１および３２のような、ハイ側スイッチまたは高電圧側スイッチ（ｈｉｇ ｈ ｓｉｄｅ ｓｗｉｔｃｈｅｓ）を使用することに限定されないことも理解さ れるべきである。別の実施形態では、バッテリ保護システム２０はそれぞれ過充 電および過放電状態が発生した場合にバッテリパック１５を通って流れる、それ ぞれ、充電および放電電流を中断するために電流検知用抵抗３６ と負電圧端子２４との間に結合された（図示しない）２つのロー側スイッチまた は低電圧側スイッチ（ｌｏｗ ｓｉｄｅ ｓｗｉｔｃｈｅｓ）を含む。他の実施 形態では、バッテリ保護システム２０はそれぞれ過充電および過放電状態が生じ た場合にバッテリパック１５を通って流れる充電電流を阻止するための、ＦＥＴ ３１のような、高電圧側スイッチおよび放電電流を阻止するための電流検知用抵 抗３６と負電圧端子２４との間に結合された（図示しない）低電圧側スイッチを 含むことができる。さらに別の実施形態では、バッテリ保護システム２０はそれ ぞれ過放電および過充電状態が生じた場合にバッテリパック１５を通って流れる 放電電流を阻止するための、ＦＥＴ３２のような、高電圧側スイッチおよび充電 電流を阻止するための電流検知用抵抗３６と負電圧端子２４との間に結合された （図示しない）低電圧側スイッチを含むことができる。好ましくは、ＦＥＴ３１ またはＦＥＴ３２のような、高電圧側スイッチはｐチャネル絶縁ゲートＦＥＴを 含み、かつ低電圧側スイッチはｎチャネル絶縁ゲートＦＥＴを含む。 電流検知用抵抗３６は電流がそこを通って流れる場合にその２つの電極の間に 電圧を生じる。それは他の形式の電流検知用エレメント、例えば、フィラメント 、その他によって置き換えることができる。バッテリシステム１０が端子２２お よび２４の間に結合された（図示しない）負荷にエネルギを供給する場合に電力 損失を最小にするため、電 流検知用抵抗３６は好ましくは小さな抵抗、例えば、ほぼ１オーム（Ω）より小 さい抵抗を有するものとされる。本発明の好ましい実施形態では、電流検知用抵 抗３６の抵抗値はほぼ１０ミリオーム（ｍΩ）である。 整流器３８においては、ツェナーダイオード３７はバッテリパック１５におい て流れる大きな放電電流が阻止された場合に大きな過渡電圧降下がＦＥＴ３１に わたって生じるのを防止し、かつショットキダイオード３９は順方向バイアスの 場合に低抵抗の導通経路を提供しかつ、従って、整流器３８の電力消費を最小に する。好ましくは、ツェナーダイオード３７はバッテリパック１５の完全に充電 された電圧より大きなブレークダウン電圧を有する。整流器３８は他の形式の整 流装置および回路エレメントによって置き換えできることが理解されるべきであ る。例えば、整流器３８はバッテリパック１５の完全に充電された電圧より大き なブレークダウン電圧を有する単一のダイオードを含むことができる。 比較器５２はバッテリパック１５を通って充電電流が流れている場合にのみヒ ステリシス比較器５４をターンオンしかつ充電制御回路をイネーブルする。バッ テリパック１５を通って流れる放電電流が存在する場合あるいはバッテリパック １５がアイドルである場合、比較器５２はその出力に論理ローの電圧レベルを発 生する。この論理ローの電圧レベルはヒステリシス比較器５４のイネーブル端子 に送 られかつヒステリシス比較器５４をターンオフし、それによって充電制御回路を ディスエーブルしかつバッテリシステム１０の電流消費を最小にする。比較器５ ２は、好ましいが、本発明の任意選択的な特徴的事項であることが理解されるべ きである。 ヒステリシス比較器５４はバッテリパック１５に流れる充電電流がある上限を 超えた時にＦＥＴドライバ５６によってＦＥＴ３１をオフに切り換える。ヒステ リシス比較器５４は電流検知用抵抗３６における電圧降下を検知することにより バッテリパック１５に流れる充電電流を検知する。前に述べたように、電流検知 用抵抗３６は小さな抵抗値を有することが好ましい。したがって、ヒステリシス 比較器５４は該ヒステリシス比較器５４の入力における小さな入力信号、例えば 、１０ミリボルト（ｍＶ）のオーダの電圧を有する入力信号に応答してＦＥＴド ライバ５６を介してＦＥＴ３１をオフにスイッチングできることが好ましい。さ らに、ヒステリシス比較器５４は温度補償回路（図示せず）を含むことができ、 それによってバッテリシステム１０における温度変化に対して充電電流に対し安 定な上限を提供することができる。 ＦＥＴドライバ５６はバッテリ監視回路４０およびヒステリシス比較器５４か らＦＥＴドライバ５６の２つの入力に伝送される信号に応じてＦＥＴ３１をオン およびオフにスイッチングするバッファとして作用する。好ましくは、 ＦＥＴドライバ５６は、例えば、ほぼ１００キロヘルツ（ｋＨｚ）またはそれ以 上のような高周波でＦＥＴ３１をオンおよびオフにスイッチングできるものであ る。ＦＥＴドライバ５６はバッテリ保護システム２０においては任意選択的なも のであることが理解されるべきである。本発明の別の実施形態では、ヒステリシ ス比較器５４の出力およびバッテリ監視回路４０の出力４８はＦＥＴ３１のゲー ト電極に直接結合される。バッテリパック１５を充電するプロセスの間にＦＥＴ ３１がオンおよびオフにスイッチングされる周波数はインダクタ３４のインダク タンスによって決定される。より大きなインダクタンスはＦＥＴ３１がより低い 周波数でスイッチングできるようにするが、インダクタ３４のサイズ、重量およ びコストを増大する。好ましくは、インダクタ３４のインダクタンスはほぼ１マ イクロヘンリー（μＨ）とほぼ１００μＨの間の範囲にあるものとされる。イン ダクタ３４のインダクタンスの公称値はほぼ１０μＨである。 バッテリ監視回路は４０は周期的にバッテリパック１５に関する安全監視動作 を行なう。電圧検知入力４１，４２，４３，４４および４５によって、バッテリ 監視回路４０はバッテリパック１５におけるバッテリセル１２，１４，１６およ び１８の各々の電圧を測定する。電流検知入力４６および４７によって、バッテ リ監視回路４０は電流検知用抵抗３６にわたる電圧を測定することによりバッテ リパッ ク１５に流れる電流を測定する。これらの測定に基づき、バッテリ監視回路４０ における制御論理回路５０がバッテリパック１５がその安全動作領域内で動作す ることを保証するための適切な動作を行なう。 前記安全動作領域はバッテリパック１５におけるバッテリセル１２，１４，１ ６および１８の各々にわたる電圧に対する上限および下限を含む。それはまたバ ッテリパック１５を通って流れる充電および放電電流の上限を含む。もしいずれ かの安全動作限界が超過すれば、制御論理回路５０は対応するパラメータがそれ らの限界内になるよう調整するかあるいは対応するパラメータがそれらの安全動 作限界を超えるようにさせた状態を終了させる。例えば、もし過電圧状態が検出 されれば、制御論理回路５０はＦＥＴ３１をオフにスイッチングしかつ、もし必 要であれば、バッテリパック１５に関してバッテリセルの平衡化動作またはバラ ンス動作（ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ）を行なう。もし過小電 圧（ｕｎｄｅｒ−ｖｏｌｔａｇｅ）状態が検出されれば、ＦＥＴ３２はオフにス イッチングされ、かつバッテリ保護システム２０は極度に低い電力消費によって 特徴付けられる冬眠状態（ｈｉｂｅｒｎａｔｉｏｎ ｓｔａｔｅ）に入る。バッ テリ保護システム２０は正電圧端子２２へ流れる電流が検出された場合に目覚め 、すなわち、冬眠状態を去りかつその通常動作状態に戻る。もし過電流状態が検 出されれば、制御論理回路５０はＦＥ Ｔ３１またはＦＥＴ３２をオフにスイッチングし過電流状態を終了させる。もし 前記過電流がバッテリパック１５において正バッテリ電極２６から負バッテリ電 極２８の方向に流れていればＦＥＴ３１がオフにスイッチングされ、かつもしバ ッテリパック１５において過電流が負バッテリ電極２８から正バッテリ電極２６ の方向に流れていればＦＥＴ３２がオフにスイッチングされることに注目すべき である。バッテリパック１５の安全動作を保証しかつ最大エネルギ効率を達成す るために、バッテリ監視回路４０の制御論理回路５０は非常に正確に設計される 。典型的には、制御論理回路５０の電圧変動は好ましくはほぼ１パーセント（％ ）より小さくされる。 バッテリ監視回路４０は各々のバッテリセルの電圧およびバッテリパック１５ に流れる電流を監視するものに限定されないことが理解されるべきである。本発 明の別の実施形態では、バッテリ監視回路４０はまたバッテリパック１５の周囲 温度を監視する。本発明のさらに別の実施形態では、バッテリ監視回路４０はバ ッテリパック１５におけるバッテリセルの数を検出する（図示しない）バッテリ セル検出回路を含むことができる。バッテリ監視回路４０のようなバッテリ制御 回路の動作は、同時係属の米国特許出願第０８／３９８，２５５号、代理人整理 番号ＳＣ０９０７８Ｃ、発明の名称「バッテリ充電制御のための回路および方法 （ＣＩＲＣＵＩＴ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＢＡＴＴＥＲＹ ＣＨＡＲＧＥ ＣＯＮＴＲＯＬ）」、トロイ・エル・ストック スタッド他、モトローラ・インコーポレイテッドに譲渡、に記載されている。米 国特許出願第０８／３９８，２５５号は参照のためここに導入される。 図２は、本発明に係わるバッテリを充電するためのプロセスのフローチャート ６０を示す。一例として、該バッテリはバッテリ保護システム２０に結合された バッテリパック１５として図１に示されたものである。 図１のバッテリシステム１０におけるバッテリパック１５を充電するため、電 源（図示せず）の正電圧端子および負電圧端子がバッテリシステム１０の、それ ぞれ、正電圧端子２２および負電圧端子２４に接続される。ＦＥＴ３１はそのゲ ート電極における論理ローの電圧レベルによってオンにスイッチングされる。充 電電流が発生され（図２における参照数字６１）かつ電源（図示せず）の正電圧 端子から導通しているＦＥＴ３１、ＦＥＴ３２、インダクタ３４、バッテリパッ ク１５および電流検知用抵抗３６を通って電源（図示せず）の負電圧端子へと流 れる。整流器３８は逆バイアスされかつ非導通である。インダクタ３４のため、 前記充電電流はゼロから徐々に増大する。さらに、前記充電電流における電気的 エネルギの一部は電磁エネルギに変換される。言い換えれば、前記充電電流を使 用して電磁エネルギが発生され（図２の参照数字６２）かつインダクタ３４に蓄 積される。 前記充電電流は電流検知用抵抗３６にわたり電圧差を発生させる。比較器５２ は電流検知用抵抗３６にわたる電圧差を検知する。その反転入力よりも高い電圧 レベルがその非反転入力にあるため、比較器５２はその出力に論理ハイの電圧レ ベルを発生する。該論理ハイの電圧レベルはヒステリシス比較器５４のイネーブ ル端子に送られる。ヒステリシス比較器５４はイネーブルされかつその２つの入 力の間の電圧差を検知し、それによってバッテリパック１５および電流検知用抵 抗３６に流れる充電電流を検知する（図２の参照数字６３）。 ヒステリシス比較器５４の２つの入力の間の電圧差はバッテリパック１５に流 れる電流に比例する。バッテリパック１５を通って流れる充電電流が所定の電流 値、例えば、ほぼ３アンペア（Ａ）より小さい場合は、ヒステリシス比較器５４ の２つの入力の間の電圧差はヒステリシス比較器５４の第１のしきい値電圧値、 例えば、３０ｍＶ、より小さい。ヒステリシス比較器５４はその出力に論理ロー の電圧レベルを発生する。該論理ローの電圧レベルはＦＥＴドライバ５６を介し てＦＥＴ３１のゲート電極に伝送される。ＦＥＴ３１は導通状態にとどまり、か つ充電電流はバッテリパック１５を通って流れ続ける。充電電流が所定の電流値 、例えば、ほぼ３Ａ、を超えて上昇した時、ヒステリシス比較器５４の非反転入 力の電圧レベルはヒステリシス比較器５４の反転入力の電圧より高くなりかつ前 記電圧差は 前記第１のしきい値電圧値、例えば、ほぼ３０ｍＶ、より大きくなる。ヒステリ シス比較器５４はその出力に論理ハイの電圧レベルを発生する。ＦＥＴドライバ ５６はその論理ハイの電圧レベルをＦＥＴ３１のゲート電極に伝送し、該ＦＥＴ ３１はオフにスイッチングされて充電電流が電源（図示せず）からバッテリパッ ク１５に流れるのを停止する（図２の参照数字６４）。 ＦＥＴ３１がオフにスイッチングされかつ充電電流が中断されたことに応じて 、インダクタ３４に蓄積された電磁エネルギが開放されてバッテリパック１５、 電流検知用抵抗３６および順方向バイアスされた整流器３８を通って流れる過渡 電流を発生する（図２の参照数字６５）。ヒステリシス比較器５４はその２つの 入力の間の電圧差を検知し続けかつ、従って、バッテリパック１５に流れる過渡 電流を検知する（図２の参照数字６６）。該過渡電流が他の所定の電流値、例え ば、実質的にゼロに等しい電流値、へと低下した時、ヒステリシス比較器５４の ２つの入力の間の電圧差は、ヒステリシス比較器５４の第２のしきい値電圧より 低い、対応する電圧値、例えば、実質的にゼロに等しい電圧値、へと低下する。 ヒステリシス比較器５４の出力の電圧レベルは論理ローの電圧レベルへと戻され る。該論理ローの電圧レベルはＦＥＴドライバ５６を介してＦＥＴ３１のゲート 電極へと伝送され、それによってＦＥＴ３１をオンにスイッチングしかつ導通し ているＦＥＴ３１を介 して電源（図示せず）からバッテリパック１５へと流れる充電電流を再発生する （図２の参照数字６７）。次に、インダクタ３４は前記充電電流を使用して電磁 エネルギを発生するステップを繰り返し（図２の参照数字６２）、かつヒステリ シス比較器５４はバッテリパック１５に流れる充電電流を検知するステップを繰 り返す（図２の参照数字６３）。 前に述べたように、充電プロセスの間にバッテリパック１５に流れる電流はＦ ＥＴ３１、インダクタ３４およびヒステリシス比較器５４によって変調されたパ ルス化された（ｐｕｌｓｅｄ）電流である。充電電流が中断されかつ再発生され る周波数はインダクタ３４のインダクタンス、正電圧端子２２および負電圧端子 ２４に結合された電源（図示せず）によって供給される充電電圧、バッテリパッ ク１５の電圧、およびヒステリシス比較器５４がその出力電圧レベルを切り換え る前記しきい値電圧に依存する。一般に、小さなインダクタンスおよび／または 前記充電電圧とバッテリパック１５の電圧との間の大きな電圧差は結果として充 電電流が中断されかつ再発生される高い周波数を生じることになる。典型的には 、該周波数はほぼ５０キロヘルツとほぼ２００キロヘルツの間である。公称周波 数はほぼ１００キロヘルツである。 充電プロセスの間に、バッテリ監視回路４０の制御論理回路５０は周期的に論 理ハイの電圧レベルを出力４８に発 生する。出力４８における該論理ハイの電圧レベルはＦＥＴドライバ５６を介し てＦＥＴ３１のゲート電極に伝送されかつＦＥＴ３１をオフにスイッチングし、 それによってバッテリパック１５に流れる充電電流を中断する。好ましくは、Ｆ ＥＴ３１はバッテリパック１５に流れる過渡電流が実質的にゼロに低減するのに 十分長い時間インターバルの間非導通にとどまっている。バッテリ監視回路４０ は次にバッテリパック１５におけるバッテリセル１２，１４，１６および１８の 各々の間の電圧を検知する（図２の参照数字６８）。バッテリパック１５に流れ る電流は実質的にゼロであるから、バッテリ監視回路４０によって検知されるバ ッテリセル１２，１４，１６および１８の各々の電圧はそれぞれのバッテリセル のオープン回路電圧に実質的に等しい。バッテリセル１２，１４，１６および１ ８の各々の検知された電圧は制御論理回路５０において基準電圧と比較される（ 図２の参照数字６９）。好ましくは、該基準電圧はバッテリセル１２，１４，１ ６および１８の各々の完全に充電された電圧に等しくされる。 もしバッテリセル１２，１４，１６および１８の各々の前記検知された電圧が 前記基準電圧より低ければ、制御論理回路５０は出力４８に論理ローの電圧レベ ルを発生する。該論理ローの電圧レベルはＦＥＴドライバ５６を介してＦＥＴ３ １のゲート電極に伝送される。ＦＥＴ３１はオンにスイッチングされ、かつ充電 電流を発生し、電磁エネルギ を発生し、充電電流を検知し、かつバッテリセル１２，１４，１６および１８の 各々の間の電圧を検知するステップ（それぞれ、図２の参照数字６１，６２，６ ３および６８）が反復される。 もしバッテリパック１５のあるバッテリセルの検知された電圧が実質的に前記 基準電圧に等しいかあるいはそれより高い場合は、バッテリ監視回路４０の出力 ４８における電圧レベルは論理ハイの電圧レベルにとどまっている。ＦＥＴ３１ はオフにラッチされ（ｌａｔｃｈｅｄ ｏｆｆ）かつ充電プロセスは終了する（ 図２の参照数字７０）。もし必要であれば、バッテリ監視回路４０は最も高い電 圧を有するバッテリセルを放電することによってバッテリパック１５に関するバ ッテリセルのバランス動作を行なう。バッテリセルのバランス動作の後に、バッ テリ監視回路４０はバッテリパック１５のバッテリセル１２，１４，１６および １８の各々の電圧が制御論理回路５０の基準電圧より低ければＦＥＴ３１をオン にスイッチングすることによって充電プロセスを再開することができる。 充電プロセスの間にバッテリ監視回路４０がＦＥＴ３１をオフにしかつバッテ リパック１５におけるバッテリセル１２，１４，１６および１８の各々にわたる 電圧を検知する周波数または頻度は制御論理回路５０におけるタイマ（図示せず ）によって決定される。該タイマはまたＦＥＴ３１がバッテリ監視回路４０によ ってオフにスイッチング される度毎にＦＥＴ３１がどれだけ長く非導通にとどまっているかを決定する。 一例として、バッテリ監視回路４０は充電プロセスの間にほぼ１秒の時間周期に 一度ＦＥＴ３１をオフにスイッチングする。さらに、ＦＥＴ３１はそれがバッテ リ監視回路４０によってオフにスイッチングされる度毎にほぼ２０ミリセカンド （ｍｓ）の時間インターバルの間非導通にとどまっている。しかしながら、ＦＥ Ｔ３１がバッテリ監視回路４０によって充電プロセスの間にオフにスイッチング される周波数および時間インターバルはこれらの値に限定されないことが理解さ れるべきである。本発明の別の実施形態では、ＦＥＴ３１はバッテリ監視回路４ ０によってバッテリシステムを充電するプロセスの間に一度１０ミリセカンド、 １５ミリセカンドまたは２５ミリセカンドの時間インターバルの間、０．５秒、 １．５秒または２秒の周期で、オフにスイッチングすることができる。ＦＥＴ３ １をより高い周波数でかつより長い時間インターバルの間オフにスイッチングす ることにより、バッテリセル１２，１４，１６および１８の各々の電圧はより緊 密にかつ正確に監視することができ、バッテリパック１５が安全動作領域で動作 することを保証する。しかしながら、充電プロセスは時間効率が低くなるであろ う。 したがって、ＦＥＴ３１、インダクタ３４、電流検知用抵抗３６、整流器３８ 、バッテリ監視回路４０、比較器５２、ヒステリシス比較器５４、およびＦＥＴ ドライバ５６ はバッテリシステム１０においてバッテリパック１５を充電するプロセスの間に バッテリパック１５に流れる充電電流を制御するために協働する。言い換えれば 、バッテリ監視回路４０の制御論理回路５０は充電プロセスを制御すると共にバ ッテリパック１５を保護するよう作用する。したがって、極めて正確な充電制御 回路を含む専用のリチウムバッテリの充電器の必要性が除去される。バッテリシ ステム１０はバッテリパック１５を充電するために安定化されていない（ｕｎｒ ｅｇｕｌａｔｅｄ）電源に結合することができる。言い換えれば、従来技術の充 電プロセスにおいて必要とされた、一方はバッテリ保護システムにおいてかつ他 方は専用のリチウムバッテリ充電器において、２つの正確な制御回路を持つ冗長 性が除去される。バッテリ保護システム２０に結合されかつバッテリシステム１ ０にパッケージングされたリチウムイオンバッテリパックを使用するコストは従 来技術のバッテリ保護システムに結合されたリチウムイオンバッテリパックを使 用するコストと比較して大幅に低減される。さらに、充電プロセスの間にバッテ リパック１５に流れる電流はパルス電流である。バッテリパック１５に流れる平 均の充電電流は従来技術の定電流／定電圧充電プロセスにおける平均の充電電流 より大きい。したがって、本発明に係わるバッテリシステム１０を充電するプロ セスは従来技術の定電流／定電圧充電プロセスよりも時間効率が良い。 以上から、バッテリ保護システムおよびバッテリを充電するためのプロセスま たは方法が提供されたことが理解されるべきである。本発明によれば、バッテリ 保護システムにおける正確な制御回路がバッテリ充電プロセスを制御しかつバッ テリパックを保護し、それによって専用のバッテリ充電器の必要性を除去する。 バッテリは、低価格であり、広く入手可能であり、かつ使用するのが容易な、安 定化されていない電源を使用して充電できる。したがって、本発明に従ってバッ テリを充電することは簡便でありかつコスト効率が良い。さらに、本発明の充電 プロセスは従来技術の定電流／定電圧充電プロセスよりも時間効率が良い。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１の端子、第２の端子、第１のバッテリ電極、および第２のバッテリ電 極を有するバッテリ保護システムであって、 制御電極、前記バッテリ保護システムの前記第１の端子に結合された第１の電 流導通電極、および第２の電流導通電極、 前記第１のスイッチの前記第２の電流導通電極に結合された第１の電極および 前記バッテリ保護システムの前記第１のバッテリ電極に結合された第２の電極を 有するインダクタ、 前記バッテリ保護システムの前記第２のバッテリ電極に結合された第１の電極 および前記バッテリ保護システムの前記第２の端子に結合された第２の電極を有 する抵抗、 前記抵抗の前記第２の電極に結合された第１の電極および前記インダクタの前 記第１の電極に結合された第２の電極を有する整流器、 前記抵抗の前記第１の電極に結合された第１の入力、前記抵抗の前記第２の電 極に結合された第２の入力、および前記第１のスイッチの前記制御電極に結合さ れた出力を有する第１の比較器、そして 複数の入力および第１の出力を有するバッテリ監視回路であって、前記複数の 入力の内の第１の入力は前記インダ クタの前記第２の電極に結合され、前記複数の入力の内の第２の入力は前記抵抗 の前記第１の電極に結合され、そして前記第１の出力は前記第１のスイッチの前 記制御電極に結合されているもの、 を具備するバッテリ保護システム。 ２．前記第１の比較器はヒステリシス比較器である、請求項１に記載のバッテ リ保護システム。 ３．前記第１の比較器はさらにイネーブル端子を含み、かつ前記バッテリ保護 システムはさらに前記抵抗の前記第１の電極に結合された第１の入力、前記抵抗 の前記第２の電極に結合された第２の入力、そして前記第１の比較器の前記イネ ーブル端子に結合された出力を有する第２の比較器を具備する、請求項１に記載 のバッテリ保護システム。 ４．前記インダクタの前記第１の電極は第２のスイッチを介して前記第１のス イッチの前記第２の電流導通電極に結合され、前記第２のスイッチは制御電極、 前記インダクタの前記第１の電極に結合された第１の電流導通電極、および前記 第１のスイッチの前記第２の電流導通電極に結合された第２の電流導通電極を有 し、かつ前記バッテリ監視回路はさらに前記第２のスイッチの前記制御電極に結 合された第２の出力を含む、請求項１に記載のバッテリ保護システム。 ５．再充電可能なバッテリシステムであって、 第１の端子および第２の端子を有する再充電可能なバッ テリパック、 前記再充電可能なバッテリパックの前記第１の端子に結合された第１の電極、 および第２の電極を有するインダクタ、 ゲート電極、ソース電極、および前記インダクタの前記第２の電極に結合され たドレイン電極を有する第１の電界効果トランジスタ、 前記再充電可能なバッテリパックの前記第２の端子に結合された第１の電極、 および第２の電極を有する電流検知用素子、 前記電流検知用素子の前記第２の電極に結合された第１の電極および前記イン ダクタの前記第２の電極に結合された第２の電極を有する整流器、 前記電流検知用素子の前記第１の電極に結合された第１の入力、前記電流検知 用素子の前記第２の電極に結合された第２の入力、そして出力を有するヒステリ シス比較器、 複数の入力および第１の出力を有するバッテリ監視回路であって、前記複数の 入力の内の第１の入力は前記再充電可能なバッテリパックの前記第１の端子に結 合され、かつ前記複数の入力の内の第２の入力は前記再充電可能なバッテリパッ クの前記第２の端子に結合されているもの、そして 前記ヒステリシス比較器の前記出力に結合された第１の入力、前記バッテリ監 視回路の前記第１の出力に結合され た第２の入力、そして前記第１の電界効果トランジスタの前記ゲート電極に結合 された出力を有するトランジスタドライバ、 を具備する再充電可能なバッテリシステム。 ６．前記再充電可能なバッテリシステムはさらに、前記電流検知用素子の前記 第１の電極に結合された第１の入力、前記電流検知用素子の前記第２の電極に結 合された第２の入力、そして出力を有する比較器を具備し、そして 前記ヒステリシス比較器はさらに前記比較器の出力に結合されたイネーブル端 子を含む、請求項５に記載の再充電可能なバッテリシステム。 ７．前記再充電可能なバッテリパックは複数の再充電可能なバッテリセルを含 み、 前記複数の再充電可能なバッテリセルの内の第１の再充電可能なバッテリセル は前記再充電可能なバッテリパックの前記第１の端子に結合された第１の電極お よび前記バッテリ監視回路の前記複数の入力の内の第３の入力に結合された第２ の電極を有し、そして 前記複数の再充電可能なバッテリセルの内の第２の再充電可能なバッテリセル は前記第１の再充電可能なバッテリセルの前記第２の電極に結合された第１の電 極、および前記再充電可能なバッテリパックの前記第２の端子に結合された第２ の電極を有する、請求項５に記載の再充電可能なバッテリシステム。 ８．バッテリを充電するためのプロセスであって、 前記バッテリを通って流れる第１の電流を発生する段階、 前記第１の電流が第１の電流値より大きいことに応じて前記第１の電流を中断 する段階、 前記第１の電流が中断されたことに応じて第２の電流を前記バッテリを通って 流す段階、 前記第２の電流が第２の電流値より小さいことに応じて前記第１の電流を再発 生する段階であって、前記第２の電流値は前記第１の電流値より小さいもの、 前記バッテリにかかる電圧を検知する段階、そして 前記電圧がある電圧値より小さいことに応じて前記第１の電流を発生する段階 、前記電磁エネルギを発生する段階、前記第１の電流を検知する段階、および前 記バッテリにかかる電圧を検知する段階を反復する段階、 を具備する、バッテリを充電するためのプロセス。 ９．前記第２の電流を流す段階はさらに整流器を介して前記バッテリの負電圧 端子から前記バッテリの正電圧端子へと導通経路を確立する段階を含む、請求項 ８に記載のプロセス。 １０．前記バッテリにかかる電圧を検知する段階はさらに、 前記第１の電流を中断する段階、そして 前記第２の電流が実質的にゼロである場合に前記バッテリにおける複数の直列 接続されたバッテリセルの内のある バッテリセルにかかるオープン回路電圧を検知する段階、 を含む、請求項８に記載のプロセス。