JP2005528070A - 再充電可能な複数のバッテリ素子から成るバッテリパック用の充電制御回路 - Google Patents

Abstract

本発明によれば、バッテリ電圧源における並列回路の個々の並列分岐（３）に配置されている再充電可能な複数のバッテリ素子（９）から成るバッテリパック用の充電制御回路に関する。この場合、各並列分岐（３）に状態監視手段（１１，１３，１７）が割り当てられており、この状態監視手段はバッテリパックの充電過程中、バッテリ状態を監視する。さらに個々の並列分岐（３）にはこの状態監視手段（１１，１３，１７）により制御可能な個々のスイッチ（１５）が設けられており、このスイッチ（１５）により並列分岐（３）を流れる充電電流がバッテリ状態に従い遮断または通電される。本発明はさらに放電制御回路、ならびに充放電制御回路の組み込まれたバッテリパックにも関する。

Description

本発明は、再充電可能な複数のバッテリ素子から成るバッテリパック用の充電制御回路に関する。この場合、バッテリ素子はバッテリ電圧源の並列回路における個々の並列分岐に配置されている。

周知のように、再充電可能な複数のバッテリ素子をまとめて再充電可能な１つのバッテリパックにまとめることができ、これをたとえば作業機器、小型車両、電動ボート等のための牽引バッテリとして利用することができる。十分に大きいバッテリ容量が得られるようにするために等しい定格電圧のバッテリ電圧源を並列に接続することができ、この場合、理論的にはバッテリ電圧源の個別容量の総計がバッテリパックの全容量に対応する。さてここで並列回路として相互に設けるべきバッテリ電圧源に、利用可能ないしは選択可能な個別バッテリ素子の定格電圧よりも大きい定格電圧をもたせようとするならば、それら個別バッテリ素子をグループにして直列回路にまとめることが可能であり、その結果、各グループにより複数のバッテリ電圧源から成る並列回路の並列分岐が形成される。各グループの定格電圧は、それらのグループにおいて直列接続された個別バッテリの定格電圧の合計によって得られる。

したがって比較的大きい所要エネルギーの電気負荷に給電する目的で、たとえばニッケルカドミウムバッテリ素子（ＮｉＣｄ）またはニッケルメタルハイブリッドバッテリ素子（ＭｉＭＨ）から成るバッテリパックを、慣用のバッテリブロックと置き換え可能に構成することができる。

慣用の鉛バッテリブロックに対して、ＮｉＣｄ素子またはＮｉＭＨ素子から成るこの種のバッテリパックは著しい利点をもつことが判明した。つまりＮｉＣｄバッテリシステムおよびＮｉＭＨバッテリシステムは同じ容量で鉛バッテリよりも高いエネルギー密度をもち、したがってそれ相応に僅かな場所もしくは組み込みスペースしか必要としない。また、ＮｉＣｄバッテリシステムおよびＮｉＭＨバッテリシステムの場合には充電プロセスに関して、対応する容量の鉛バッテリよりも著しく僅かな時間しか必要としない。さらにＮｉＣｄ素子またはＮｉＭＨ素子から成る再充電可能なバッテリパックは、同じ容量の鉛バッテリよりも著しく僅かな重量である。

しかも本来は個別に取り扱い可能な複数のバッテリ素子から成るバッテリパックは、定格電圧やバッテリ容量に関して個別の要求に合わせてフレキシブルに用意することができる。

一例としてバッテリパックに２４Ｖの定格電圧をもたせようとするならば、たとえば個々の定格電圧が１．２Ｖである２０個のＮｉＣｄ個別バッテリを直列に接続することによってこのことを実現できる。このようにすれば２４Ｖの定格電圧をもつバッテリブロックが得られる。要求されるバッテリ容量に従い、それ相応に多くの個数のこの種の２４Ｖバッテリブロックを並列に接続することができる。

しかしながら、並列接続された複数のバッテリ電圧源から成るこの種のバッテリパックを用い、それら複数のバッテリ電圧源自体を直列接続された複数のバッテリ素子から成るグループによって構成可能な実験によって判明したことは、殊にいっそう大きい容量のバッテリパックつまり並列接続された多数のバッテリブロックを備えたバッテリパックであると、バッテリの寿命が比較的短くなり、しかも電気的な特性の劣化が生じることである。その原因は殊に、充電状態がそれぞれ異なることに起因して並列接続されたバッテリブロックが相互に望ましくない影響を及ぼし合うことであった。つまりバッテリパックの放電時に負荷を介して各個別ブロック間に、許容できないほど強いバッテリパックの加熱を引き起こす著しく大きい電流を検出することができ、これによってバッテリの老化が加速される。

この点にこの種のバッテリパックの根本的な問題点がある。個々のバッテリ素子もしくはバッテリセルはたとえば製造偏差などに起因して製品ごとにばらつきを有しており、したがってそれらの製品はそれぞれ異なる特性をもつようになり、しかもこれに加えてバッテリ特性はバッテリ温度にかなり左右される。このままでは回避できない各バッテリセル間の不所望な相違によって、それらのバッテリセルにより形成され並列回路として互いに結合されたバッテリ電圧ブロックの電気特性がそれぞれ異なることになる。問題となるのは殊に、個々のバッテリ電圧ブロックの充填特性に関する相違点である。したがっていくつかのブロックが最適なフル充電状態を上回って充電されるようなことが生じる可能性があり、この場合、それらのブロックに供給される電気エネルギーは大部分、熱に変換される一方、バッテリパックにおける他のバッテリブロックは自身の最適なフル充電状態にはまだ達していないことになる。過充電されたバッテリブロックの領域では著しい温度上昇が引き起こされ、これによってバッテリパックの老化が加速される。

本発明の課題は、複数のバッテリ電圧源から成る並列回路の個々の並列分岐に配置された再充電可能な複数のバッテリ素子から成るバッテリパック用の充電制御回路および放電制御回路を提供することにあり、それによって並列接続された多数のバッテリブロックを備えたいっそう大きい容量のバッテリパックを電気エネルギー源として高い信頼性かつ長い寿命で稼働させることができるようにすることである。

充電制御回路を提供するという観点において上記の課題を解決するため本発明によれば、各並列分岐に状態監視手段が設けられており、この状態監視手段はバッテリパックの充電過程中、並列分岐のバッテリ状態を監視し、各並列分岐に、状態監視手段により制御可能な固有のスイッチが設けられており、このスイッチにより、並列分岐を流れる電流がバッテリ状態に従い遮断または通電される。

該当する並列分岐のスイッチオン／スイッチオフのために並列回路内に設けられている制御可能なスイッチの制御を、まえもって定められた充電プログラムに従って行うことができ、この充填プログラムは、充電過程全体にわたり個々の並列分岐間で比較的大きな充電状態の相違が生じないようにすることを目指している。１つの可能性として挙げられるのは、特定の充電状態に達した並列分岐を、すべての並列分岐がこの充電状態に達するまで遮断することであり、すべての並列分岐がこの充電状態に達すれば並列回路内のすべての並列分岐を再びスイッチオンして次の充電レベルに到達させることができるようになり、このときに再び相応の補償調整を実行できるようになる。このことは、すべての並列分岐が等しい充電状態に達するまで、並列分岐をこの充電レベルに到達した順序に従いそのレベルに達したときに遮断することによって行われる。

本発明による充電制御回路に関する１つの有利な実施形態によれば各並列分岐における状態監視手段は、「並列分岐内のバッテリが最適に充電されている」状態を検出し、この状態を検出するとその並列分岐の制御可能なスイッチを遮断状態に切り替えるように構成されている。ここで「遮断」とはたとえば、半導体スイッチがハイインピーダンス状態に切り替えられることである。

このようにして充電過程において、最初にすべての並列分岐を並列に充電することができる。この並列分岐各々は自身の状態監視手段によって、最適なフル充電状態に達したかについて個々に監視される。最適に充電された各並列分岐は制御可能なスイッチの操作により遮断され、それによって並列回路に接続されている充電装置から切り離されるので、その並列分岐が過充電され、それにより許容できないほど加熱してしまうことがもはや起こる可能性はない。本発明に従いこのように駆動されるバッテリパックはかなり長いバッテリ持続時間をもつ。

有利には並列分岐は、互いに直列にかつ個々の制御可能なスイッチに対し直列に接続された複数のバッテリ素子から成る同種のグループにより形成されている。バッテリ素子をたとえば標準ＮｉＣｄ素子または標準ＮｉＭＨ素子とすることができる。上述のように直列に接続するバッテリ素子の個数によって、該当する並列分岐（バッテリ電圧ブロック）の定格電圧を定めることができる。

「並列分岐が最適に充電されている」という充電状態の個々の監視は、温度測定および／または充電電流測定によって間接的に行うことができる。

本発明の１つの実施形態によれば、状態監視手段はバッテリ温度を捕捉する温度センサを有しており、有利であるのはこれにより個々の並列分岐における平均バッテリ温度を捕捉することである。

上述の実施形態のもつ動作形式によれば、並列分岐におけるバッテリ温度があらかじめ決められた温度値たとえば５０゜Ｃ〜６０゜Ｃまでの範囲内にある温度値を超えたとき、該当する並列分岐の状態監視手段によりその並列分岐における制御可能なスイッチが遮断状態に切り替えられる。あらかじめ決められたこの温度を超えると、このことは並列分岐がいまや最適にフル充電されていることの合図であると評価される。

有利には状態監視手段は、個々の並列分岐を流れる電流を捕捉する電流測定装置を有している。充電制御回路の１つの動作形式によれば、並列分岐を流れる充電電流があらかじめ決められたタイムインターバルの期間にわたりまえもって決められた電流値を超えたとき、該当する並列分岐の状態監視手段により制御可能なスイッチが遮断状態に切り替えられる。したがって該当する並列分岐の平均充電電流が２秒の期間にわたり１０Ａという値を超えたとき、その並列分岐が遮断されるように構成することができる。あらかじめ決められたタイムインターバルにわたりこのように高い電流が流れたことは、「並列分岐が最適に充電されている」状態に達した合図であると評価される。

「並列分岐が最適に充電されている」バッテリ状態を間接的に検出するためのさらに別の可能性として挙げられるのは、該当する並列分岐における単位時間あたりの温度変化を監視することである。したがって本発明の１つの実施形態によれば該当する並列分岐の状態監視手段を、単位時間あたりのバッテリ温度の変化が個々の充電電流に依存する比較値を超えたとき、その並列分岐における制御可能なスイッチを遮断状態に切り替えるように構成することができる。この点においてたとえば充電制御回路の１つの動作形式において、個々の充電電流に依存するタイムインターバルにわたり温度の平均値が形成されるように構成することができる。そしてこの場合、相前後する２つの温度平均値からたとえばそのつど１゜Ｃよりも大きい個々の温度上昇が識別されたならば、このことを「並列分岐が最適に充電されている」バッテリ状態に達したことの合図であると評価することができ、その結果、制御可能なスイッチがアクティブ状態にされて並列分岐が遮断され、それにより充電装置から分離されることになる。温度平均値形成のために平均値形成タイムインターバルは、該当する並列分岐を流れる測定充電電流に依存する。つまりたとえば５Ａの充電電流のときの平均値形成タイムインターバルを６０秒とすることができる一方、１．２５Ａの充電電流ときにはそれを２４０秒とすることができる。

本発明による充電制御回路のさらに別の実施形態によれば、状態監視手段は並列分岐ごとに安全時間設定器を有しており、この場合、状態監視手段は、該当する並列分岐を流れる充電電流に従い時間設定器により定められた充電時間インターバルが経過するとただちに、その並列分岐における制御可能なスイッチを遮断状態に切り替えるように構成されている。平均充電電流が５Ａであれば充電時間インターバルは１．２×６０分後に経過するのに対し、平均充電電流が１．２５Ａであれば充電時間インターバルは１．２×２４０分後にはじめて経過する。充電時間インターバルの経過は、「並列分岐が最適に充電された」バッテリ状態に到達したものと評価される。

本発明による充電制御回路の１つの格別有利な実施形態によれば状態監視手段は、複数の判定基準たとえば先に挙げた判定基準すべてに従って「並列分岐が最適に充電された」状態を監視するように構成されており、つまりたとえば温度超過、単位時間あたりの温度差値の超過、決められたタイムインターバルにわたる充電電流値の超過、ならびに充電電流に依存する充電時間インターバルの経過、という判定基準に従い監視するように構成されている。これらの判定基準のうちの１つに従い最適なフル充電状態が検出されて、該当する並列分岐における制御可能なスイッチがそれに基づき遮断状態に切り替えられると、並列分岐は通常、バッテリが放電されるまで、つまり電気負荷の給電に利用されるまで、遮断状態にとどまる。

殊に有利には状態監視手段は並列分岐ごとに、該当する並列分岐内に設けられた制御可能なスイッチを制御する個々のマイクロプロセッサを有している。これを小さく安価な低電力マイクロプロセッサとすることができる。なぜならばそれらはたいして高い要求を果たす必要はないからである。有利にはこれらのマイクロプロセッサの各々は、割り当てられた並列分岐内の１つまたは複数の温度センサの測定信号を評価するために用いられ、さらに割り当てられた並列分岐における平均充電電流を捕捉する測定装置の要素でもある。

本発明の１つの実施形態によれば、これらのマイクロプロセッサは互いに結線されており、それによって相互にデータを交換することができる。

本発明のさらに別の実施形態によれば、個々の並列分岐に割り当てられたマイクロプロセッサに加えて、データ伝送が行われるよう接続された１つの高性能マイクロプロセッサが設けられており、この高性能マイクロプロセッサはバッテリパックの充電過程における制御の役割を担っており、充電過程中または放電過程中に求められた結果のドキュメンテーションに利用することができる。さらにこの種のメインプロセッサを本発明において、要求に応じてバッテリの現在容量をそのつど表示するよう構成しておくことができる。

さらに本発明は、複数のバッテリ電圧源から成る並列回路の個々の並列分岐内に配置されている再充電可能な複数のバッテリ素子により構成されたバッテリパック用の放電制御回路にも関する。この場合、各並列分岐は、１つまたは複数のバッテリ素子により構成されそれらの並列分岐を成すバッテリ電圧源に対し直列に、制御可能な個々のスイッチを有しており、このスイッチにはダイオードが組み込まれているかまたはこのスイッチに並列にダイオードが接続されており、このダイオードは放電電流方向で導通状態となる。さらに状態監視手段が設けられており、最小電流強度の放電電流がダイオードを流れたとき、制御可能なスイッチがこの手段によりハイインピーダンス状態からローインピーダンス状態に切り替えられる。

本発明による放電制御回路によれば、以下で図面を参照しながら詳しく説明するように、他よりも弱く充電された並列分岐（バッテリブロック）がそれよりも強く充電されたバッテリブロックによって、制御されない状態で充電されてしまわないよう、バッテリパックの放電が行われる。

有利であるのはこの放電制御回路を本発明による充電制御回路と組み合わせることであり、それによって各並列分岐内のそれぞれ制御可能なスイッチが放電制御回路にも充電制御回路にも属するようになる。同様のことは他の電気素子たとえばマイクロプロセッサについてもあてはまる。

さらに本発明はバッテリ制御回路を備えたバッテリパックにも関し、このバッテリ制御回路は本発明による充電制御回路およびこれと組み合わせられた放電制御回路から成る。

したがってこのバッテリパックは、再充電可能な複数のバッテリ素子とバッテリ制御回路の電子コンポーネントと導電接続部分とが結線された構成を成しており、その際、再充電可能な複数のバッテリ素子は、複数のバッテリ電圧源から成る並列回路における個々の並列分岐内に配置されている。各バッテリ電圧源を、直列に接続された複数の個別バッテリ素子を含む１つのバッテリブロックから構成すると有利である。このバッテリパックに、バッテリ制御回路に属する電子コンポーネントを伴うバッテリブロック用の支持構造体および／またはそのための共通のケーシングを設けることができる。バッテリ制御回路に属する該当コンポーネントを伴うバッテリブロックを、交換可能な状態で並列回路に組み込み可能なモジュールとして用意しておくことができる。

１つのバッテリパックに組み合わせられるバッテリブロックの個数が可変であると有利であり、そのようにすれば並列回路へバッテリブロックを追加したり、あるいは必要に応じて並列回路からバッテリブロックを取り出したりすることにより、バッテリ容量を個々の利用状況に合わせてそれ相応に整合させることができる。

次に、図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。

図１は、バッテリパックおよびそれに組み込まれた本発明による充電制御回路および放電制御回路を示す概略図である。

図２は、図１による実施例を示すものであるがいくらか詳しく表した概略図である。

バッテリパック１は複数のブロック３から成り、一般にはもっと著しく多くの個数のブロックから成るが、図１ではそれらの代表として５つのブロックが示されている。ブロック３は並列回路の並列分岐として表されており、この並列分岐は充電装置または電気負荷と接続するための電気的接続部５および７を有している。各ブロック３（並列分岐）は直列接続された複数の個別バッテリ素子９によって形成されており、これらをたとえば標準仕様のＮｉＣｄバッテリセルまたはＮｉＭＨバッテリセルとすることができる。図１の実施例の場合、各ブロック３内には５つの個別バッテリが書き込まれている。ただしブロック３の所要定格電圧に応じて、並列分岐あたりこれよりも多いまたは少ない個別バッテリを設けてもよい。

さらに各ブロック３には温度センサ１１が含まれており、これは個々のブロック３全体に対する温度を捕捉することができる。温度センサとして温度測定抵抗たとえばＮＴＣ温度測定抵抗を用いると有利である。温度センサはマイクロプロセッサ１３と接続されており、その動作についてはあとで図２を参照しながらさらに詳しく説明する。すでに図１からわかるように、本発明のこの実施例によればバッテリブロック３ごとに固有のマイクロプロセッサ１３が設けられており、これにより個々の電子スイッチ１５が制御される。スイッチ１５はそれぞれが属するブロック３の個別バッテリ素子９に直列に接続されており、したがって（ハイインピーダンスの）遮断状態において電子スイッチ１５はブロック３（並列分岐）を流れる電流を阻止する。

図２には、図１に示した実施例がいくらか詳しく描かれている。図２によれば、バッテリパック１には目下、バッテリパック１を充電する目的で充電装置１４が接続されている。

スイッチ１５はこの実施例ではＭＯＳＦＥＴトランジスタである。各並列回路３において個々のスイッチ１５に直列に電流測定抵抗１７が接続されている。マイクロプロセッサ１３は電流測定抵抗における電圧降下を測定することができ、その結果から該当するバッテリブロック３を流れる充電電流を求めることができる。

図２の参照符号１９には別個のマイクロプロセッサが示されており、これはバッテリブロック３の個々のマイクロプロセッサ１３と接続されており、さらに充填装置１４と接続されている。

マイクロプロセッサ１３および１９に対し調整された給電電圧を供給するために、電圧調整器２１が設けられている。

有利な充電動作モードにおいて図２による回路は以下のように機能する。

充電装置１４へバッテリパック１が接続された後、対応する温度センサ１１からプロセッサ１３へ温度値が供給されるよう、すべてのマイクロプロセッサ１３が初期化される。１つまたは複数のバッテリブロック３の温度が充電始動フェーズ中、０゜Ｃ〜４０゜Ｃの温度範囲外になると、メインマイクロプロセッサ１９が充電停止信号を充電装置１４へ送出し、それに応じて充電装置１４は充電過程を中央で遮断する。この遮断は、すべてのバッテリブロック３の温度が再び０゜Ｃ〜４０゜Ｃの範囲内に収まるまでの期間にわたり持続し、その際に５゜Ｃのヒステリシスを設けると有利であって、そのようにすればバッテリブロック３の温度が４０゜Ｃを超え、この温度上昇により充電過程の遮断が引き起こされた場合、バッテリブロック３の温度が再び３５゜Ｃよりも下がってからはじめて、充電過程が継続される。

始動フェーズ中、バッテリブロック３の温度が０゜Ｃ〜４０゜Ｃの安全温度範囲内に保たれているかぎり、充電過程は継続される。

マイクロプロセッサ１３およびそれに接続されているセンサ素子つまり温度センサ１１ならびに電流測定抵抗１７は、個々のバッテリブロック各々に固有に割り当てられた状態監視手段に含まれる。充電過程中、マイクロプロセッサ１３は、個々のバッテリブロック３の温度および個々のバッテリブロック３における各々の充電電流を監視する目的で、センサ素子１１，１７の信号を評価する。

充電過程の始動フェーズ経過後、あるバッテリブロック３において測定された温度が５５゜Ｃの値を超えた場合、これは該当するバッテリブロック３の遮断に対する条件であり、この場合、バッテリブロック３に割り当てられたマイクロプロセッサ１３によりスイッチ１５が遮断状態に切り替えられる。この場合、遮断されたバッテリブロック３に関して、これが最適なフル充電状態に達したものとされる。該当するバッテリブロック３の最適なフル充電状態に達したことを表すさらに別の判定基準も存在する。あるバッテリブロック３において割り当てられたマイクロプロセッサ１３により監視される平均充電電流が２秒の期間を超えて２Ｃという値たとえば１０Ａを超えたならば、該当するマイクロプロセッサ１３はそのバッテリブロック３の制御可能なスイッチ１５を遮断状態に切り替える。この場合、バッテリブロック３は最適に充電されたとみなされる（充電電流はしばしば単位Ｃに合わせて規格化される。たとえば１Ａｈの容量をもつバッテリを１Ａの充電電流で充電した場合、充電電流１Ｃによる充電と称する）。

マイクロプロセッサ１３はさらに、考察しているバッテリブロック３の測定充電電流に依存するタイムインターバルにわたって測定温度値の平均値形成を実行する。充電電流がたとえば１Ｃ（つまりこの実施例では５Ａ）になると、６０秒という個々のタイムインターバルにわたり測定値から温度平均値が計算される。測定された充電電流が０．２５Ｃ（１．２５Ａ）でしかなければ、２４０秒ごとに平均温度が求められる。相前後して生じる２つの温度平均値からそのつど１゜Ｃよりも高い温度上昇が認められるという条件が満たされた場合、該当するマイクロプロセッサ１３は自身が制御するスイッチ１５を遮断状態に切り替える。この場合、バッテリブロックは最適に充電された状態に達したものとされる。ここでさらに言及しておくと、マイクロプロセッサ１３はタイマ機能も担っており、殊にセーフティタイマの機能も果たし、このタイマにより測定充電電流に依存する充電時間インターバルが決定される。平均充電電流が１Ｃ（この実施例では５Ａ）であれば、この時間インターバルは１．２×６０分後に経過する。平均充電電流が０．２５Ｃ（１．２５Ａ）であれば、充電時間インターバルは１．２×２４０分後に経過する。本発明による１つの特別な実施形態によれば、マイクロプロセッサ１３により平均充電電流の変化が考慮され、それに応じて充電時間インターバルが整合されるように構成することができる。個々の充電時間インターバルの経過後、該当するマイクロプロセッサ１３は自身が制御するシリアルスイッチ１５を遮断状態に切り替え、該当するバッテリブロックが最適に充電された状態に達したものとされる。

個々のマイクロプロセッサ１３が自身の監視するバッテリブロック３について最適に充電された状態に達したことを検出すると、これは低エネルギーモード（"low power-mode"）へ移行し、このモードにおいてマイクロプロセッサは著しく僅かな所要エネルギーしか有しておらず、自身のバッテリブロックが放電過程にあるまでこのモードにとどまる。低エネルギーモード中、マイクロプロセッサ１３は該当するセンサ１１，１７による温度測定または電流測定を実施しない。本発明の択一的な実施形態の場合、低エネルギーモードを、該当するマイクロプロセッサが引き続き温度測定値または電流測定値を捕捉はするけれども著しく頻度を低減してこれを行うモードとすることもできる。

メインマイクロプロセッサ１９はたとえば、いくつのバッテリブロック３がそのつど充電装置１４に接続されているかを確認する役割を果たす。これについての情報は個々のマイクロプロセッサ１３から得られる。図示されている実施例の場合、メインマイクロプロセッサ１９はバッテリ充電装置１４を、この充電装置１４に接続されているバッテリブロック３の個数に依存する最大値に合わせて充電電流が制限されるよう制御する。そしてあるマイクロプロセッサ１３からメインマイクロプロセッサ１９へ、該当するバッテリブロック３が最適なフル充電状態に達したことが通報されると、メインマイクロプロセッサ１９は充電装置１４を制御して充電電流制限を低減させる。これに応じたやり方で、さらに別のバッテリブロック３がそれらの最適なフル充電状態に達したときに、充電電流は段階的にいっそう小さい値に制限される。

以下、オプションとしての特徴を挙げておく。あとは所定の最小数のバッテリブロック３たとえば１０個のバッテリブロック３だけしか充電されないことがメインマイクロプロセッサ１９により検出されると、メインマイクロプロセッサ１９はそれら残されたバッテリブロック３に対する充電過程が同時に遮断されるよう指示を出し、これによってそれらのバッテリブロック３におけるすべてのスイッチ１５が遮断状態に移される。

このようにした場合、バッテリパック１が全体的にフル充電されているとみなされる状況がもたらされる。並列回路内部における個々のバッテリブロックのクリティカルな充電条件の個々の監視すなわち温度特性および充電電流の監視、ならびに最適なフル充電状態の検出されたこの種のバッテリブロックの個々の遮断によって、バッテリパック全体がいたわられながら効率的に充電され、老化を加速する作用が抑圧される。

本発明の有利な実施形態によれば、並列分岐を成しているバッテリブロック３は一般に個別に取り扱い可能なユニットとして構成されており、これらのユニットはそれぞれが温度測定センサ１１、スイッチ１５、電流測定抵抗１７、マイクロプロセッサ１３ならびにその他の電子素子を有しており、したがってこれらのユニットを実質的に１回の接続過程たとえば差込過程によって電気的に適正に接続して並列回路に接続することができる。なお、メインマイクロプロセッサ１９を省略した実施形態も考えられる。メインマイクロプロセッサ１９の機能を省きたくないのであれば、それらの機能をマイクロプロセッサ１３のうちの１つまたは複数が担うことができる。他方、別の実施形態として考えられるのは、各バッテリブロックが固有のマイクロプロセッサ１３を有するのではなく、１つまたは複数の中央プロセッサを設けることであり、この中央マイクロプロセッサによって該当する複数の温度センサ１１ならびに電流測定センサ１７からの測定値が監視され、スイッチ１５が制御される。

図２に示されている回路によれば、補償調整されたバッテリ充電過程が可能になるだけでなく、バッテリパックの放電駆動をいたわることもできる。この目的で充電装置１４の代わりに、バッテリパックから電気エネルギーを給電すべき電気負荷がバッテリパック１の外部端子５，７へ接続される。このかぎりではバッテリパックは、充電動作用のためと放電動作用のためとに２つの外部端子があればよい。放電制御回路によれば、バッテリブロック３はそれらの充電（電圧）の強さの順序で相前後して並列回路に付加接続されて、放電過程に加わるようになる。すべてのバッテリブロック３がそれぞれ異なる強さで充電されているようなケースでは、最初に最も強く充電されたバッテリブロック３が負荷に給電するために付加接続される。付加接続されたこのバッテリブロック３が放電により、２番目に強く充電されたバッテリブロック３の充電状態に達すると、２番目に強く充電されたこのバッテリブロック３が並列回路に付加接続されて放電過程に加わるようになり、その結果、接続されている負荷を介してこんどは２つのバッテリブロック３が放電されるようになる。放電過程にすでに加わっているバッテリブロック３が３番目もしくはさらにそれに続くバッテリブロック３の充電状態に到達するまで放電するとただちに、それらのバッテリブロック３が加えられる、という具合である。このことは、すべてのバッテリブロック３が並列回路に付加接続されて電気負荷に給電するまで続けられる。このような放電ストラテジによって、比較的強く充電されたバッテリブロック３によって場合によってはそれよりも弱く充電されているバッテリブロック３が電気負荷給電中に充電されてしまい、それにより不所望に高い電流が流れて、老化を加速するバッテリパックの温度上昇が引き起こされかねない状況が回避される。

図２による実施例の場合、放電制御回路は並列分岐ごとにすなわちバッテリパック３ごとに、放電電流方向で導通状態となるダイオード２３を有している。この種のダイオードを、代替的にスイッチ１５のダイオード区間により実現することができる。

充電過程における充電電流に関して、ダイオード２３は阻止方向に極性づけられている。放電時にバッテリブロック３を流れる放電電流に関して、ダイオード２３は順方向に極性づけられている。

さて、バッテリパックのフル充電後はすべてのスイッチ（電界効果トランジスタ）１５がハイインピーダンスの遮断状態であるという状況から出発して、電気負荷が充電装置１４の代わりに端子５，７に接続されると、個々の並列分岐の充電状態がそれぞれ異なる強さであれば、最初に最も強く充電されたバッテリパック３が自身のダイオード２３および電気負荷を介して放電電流を流すようことになる。割り当てられたマイクロプロセッサ１３は該当するダイオード２３を流れる放電電流を、スイッチ１５における所定の電圧変化（たとえば約０．３Ｖという電圧値への到達）の検出により捕捉する。マイクロプロセッサ１３は、最小電流強度の放電電流が生じたことをこのようにして捕捉すると該当するバッテリブロック３のスイッチ１５をローインピーダンス状態に切り替えるようプログラミングされている。このように強く充電され放電過程に１番目として取り込まれるバッテリブロック３が、最初はまだそれよりも弱い充電状態である他の並列接続されているバッテリブロック３を不所望に充電してしまう可能性がない。その理由は、それら残りのバッテリブロック３のスイッチ１５がまだ先行の充電過程によりハイインピーダンス状態で接続されており、スイッチ１５と並列に接続されているダイオード２３が充電電流方向で阻止状態にあるからである。最初に最も強く充電され１番目として放電過程に取り込まれたバッテリブロック３が、その充電状態が並列回路における他のバッテリブロック３のうちの１つと実質的に一致するまで放電して、その別のバッテリブロック３がダイオード２３および接続された負荷を介して放電電流を流せるようになってはじめて、割り当てられているマイクロプロセッサ１３が放電電流検出時に該当するスイッチ１５をローインピーダンス状態に切り替え、その結果、こんどはその別のバッテリブロックも負荷の給電に関与するようになる。このことは、最終的にバッテリパックにおけるすべてのバッテリブロック３が付加接続されて、接続されている負荷を給電するようになるまで続けられる。

充電過程後のバッテリブロック３の充電状態に応じて、複数のバッテリブロック３が同時に放電過程に取り込まれる可能性もあり、これはそれらのバッテリブロック３が等しい充電状態にあるときである。

放電電流が個々のダイオード２３を流れたことが上述のようにして検出されたとき、スイッチ１５における電圧を監視していた低エネルギーモードから通常動作モードへマイクロプロセッサ１３を切り替えることができ、これによって該当するバッテリブロック３のバッテリ状態を監視し、場合によってはメインマイクロプロセッサ１９と（これが設けられているならば）通信することができる。図２に示されている回路をたとえば、１つまたは複数のバッテリブロック３において望ましくないかたちで放電電流が流れている一方、他のバッテリブロックでは充電電流３が流れていないかをチェックするように構成することができる。この状態が認められたならばこの回路によって、充電電流の検出されたバッテリブロック３においてただちにスイッチ１５が再びハイインピーダンスの遮断状態に切り替えられる。該当するバッテリブロック３の充電状態バランスが、負荷が接続されているときにそれぞれ放電電流が流れるまで再び補償調整されてはじめて、個々のバッテリブロック３が負荷接続されて放電過程に加わるようになる。

バッテリパックおよびそれに組み込まれた本発明による充電制御回路および放電制御回路を示す概略図である。

図１による実施例を示すものであるがいくらか詳しく表した概略図である。

Claims (15)

1. バッテリ電圧源における並列回路の個々の並列分岐（３）に配置されている複数の再充電可能なバッテリ素子（９）から成るバッテリパック用の充電制御回路において、
   各並列分岐（３）に状態監視手段（１１，１３，１７）が設けられており、該状態監視手段（１１，１３，１７）は、バッテリパックの充電過程中、前記並列分岐（３）により形成されているバッテリ電圧源のバッテリ状態を監視し、
   各並列分岐（３）に、前記状態監視手段（１１，１３，１７）により制御可能な個々のスイッチ（１５）が設けられており、該スイッチ（１５）により、並列分岐（３）を流れる充電電流がバッテリ状態に従い遮断または通電されることを特徴とする、
   バッテリパック用の充電制御回路。
2. 前記並列分岐（３）の状態監視手段（１１，１３，１７）は、バッテリ状態「並列分岐がフル充電」を検出すると、前記制御可能なスイッチ（１５）を遮断状態に切り替える、請求項１記載の充電制御回路。
3. 前記並列分岐（３）は、互いに直列にかつ個々の制御可能なスイッチ（１５）と直列に接続された複数のバッテリ素子（９）から成る同種のグループによって形成されている、請求項１記載の充電制御回路。
4. 前記状態監視手段（１１，１３，１７）は、個々の並列分岐（３）内のバッテリ温度を捕捉する温度センサ（１１）を有している、請求項１から３のいずれか１項記載の充電制御回路。
5. 該当する並列分岐（３）の状態監視手段（１１，１３，１７）は、前記温度センサ（１１）により捕捉された並列分岐（３）内のバッテリ温度がまえもって定められた温度値を超えたとき、該並列分岐（３）の制御可能なスイッチ（１５）を遮断状態に切り替える、請求項４記載の充電制御回路。
6. 前記状態監視手段（１１，１３，１７）は、個々の並列分岐（３）を流れる電流を捕捉する電流測定装置（１３，１７）を有する、請求項１から５のいずれか１項記載の充電制御回路。
7. 前記状態監視手段（１１，１３，１７）は、前記並列分岐（３）を流れる電流がまえもって定められたタイムインターバルの期間にわたりまえもって定められた電流値を超えたとき、該当する並列分岐の制御可能なスイッチ（１５）を遮断状態に切り替える、請求項６記載の充電制御回路。
8. 前記状態監視手段（１１，１３，１７）は、単位時間あたりのバッテリ温度の変化が並列分岐（３）を流れる個々の充電電流に依存する比較値を超えたとき、個々の並列分岐（３）の制御可能なスイッチ（１５）を遮断状態に切り替える、請求項１から７のいずれか１項記載の充電制御回路。
9. 前記状態監視手段（１１，１３，１７）は安全時間設定器（１３）を有しており、前記状態監視手段（１１，１３，１７）は、該当する並列分岐（３）を流れる充電電流に従い該安全時間設定器（１３）により定められた充電時間インターバルが経過したとき、個々の並列分岐における制御可能なスイッチ（１５）を遮断状態に切り替える、請求項１から８のいずれか１項記載の充電制御回路。
10. 前記状態監視手段（１１，１３，１７）は並列分岐（３）ごとに個々のスイッチ（１５）を制御する個々のマイクロプロセッサ（１３）を有している、請求項１から９のいずれか１項記載の充電制御回路。
11. バッテリ電圧源における並列回路の個々の並列分岐（３）に配置されている複数の再充電可能なバッテリ素子（９）から成るバッテリパック用の放電制御回路において、
    各並列分岐は、該並列分岐により形成され１つまたは複数のバッテリ素子（９）から成るバッテリ電圧源（３）に直列に、制御可能な個々のスイッチ（１５）を有しており、該制御可能なスイッチ（１５）は、一体化されまたは該スイッチに並列に接続され放電電流方向で導通状態となるダイオード（２３）を備え、
    状態監視手段（１３）が設けられており、該状態監視手段（１３）は、最小電流強度の放電電流が前記ダイオード（２３）を流れたとき、前記制御可能なスイッチ（１５）をハイインピーダンス状態からローインピーダンス状態に切り替えることを特徴とする、
    バッテリパック用の放電制御回路。
12. 前記制御可能なスイッチ（１５）はトランジスタたとえば電界効果トランジスタである、請求項１１記載の放電制御回路。
13. 前記状態監視手段は少なくとも１つのマイクロプロセッサ（１３，１９）たとえば各並列分岐（３）用に少なくともそれぞれ１つのマイクロプロセッサ（１３）を有している、請求項１１または１２記載の放電制御回路。
14. 請求項１から１０のいずれか１項記載の充電制御回路および該充電制御回路と組み合わせられた請求項１１から１３のいずれか１項記載の放電制御回路から成るバッテリ制御回路。
15. 請求項１から１０のいずれか１項記載の充電制御回路および／または請求項１１から１３のいずれか１項記載の放電制御回路が組み込まれたバッテリパック。

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