JP2008516197A - バッテリパックのバッテリセルを監視するための方法及び装置及び充電中バッテリセル電圧を平衡化させるための方法及び構成 - Google Patents

Abstract

コードレス電動工具に電力を供給するように構成されるバッテリパックのバッテリ監視装置は、集積回路の外部にあるパックのマイクロプロセッサに接続されかつパックのＮ個のバッテリセルの各々に接続される集積回路を含むことができる。個々のセル電圧またはパックの全てのセルについての全パック電圧のうちの１つを含むサンプル値を単独でまたは順次読み取るように集積回路を構成することができる。サンプル値はマイクロプロセッサによって読み取られる前に集積回路においてフィルタリングされる。

Description

本発明は、コードレス電動工具に電力を供給するように構成されるバッテリパックのバッテリセルを監視するための方法及び装置、及び充電中セル電圧を平衡化させるための方法及び構成に関するものである。

充電式バッテリを使用するコードレス製品または装置は職場及び家庭全体に普及している。コンピュータ製品及び／または家庭用品から電動工具に至るまで数多くの装置に充電式バッテリを使用できる。これらの装置には、ニッケルカドミウム、ニッケル水素バッテリ及び／またはリチウムイオン電池を使用することができる。装置は複数のバッテリセルを使用するので、バッテリセルは、通常バッテリパックとしてパッケージされる。コードレス装置にこの種のバッテリパックを固定するためにバッテリパックを装置と結合することができる。例えば、バッテリパックをコードレス装置から取り外してバッテリ充電器でこれを充電するか、またはコードレス装置内部でこれを充電することができる。

本発明の１つの実施態様例は、コードレス電動工具に電力を供給するように構成されるバッテリパックのバッテリ監視装置に関するものである。この装置は、集積回路の外部にあるバッテリパックのマイクロプロセッサに接続されかつバッテリパックのＮ個のバッテリセルの各々に接続される集積回路を含むことができる。個々のセル電圧またはパックの全てのセルの全パック電圧のうちの１つを含むサンプル値を単独でまたは順次読み取るように集積回路を構成することができる。サンプル値はマイクロプロセッサによって読み取られる前に集積回路においてフィルタリングされる。

本発明の別の実施態様例は、コードレス電動工具に電力を供給するように構成されるバッテリパックのバッテリセルを監視するための方法に関するものである。この方法において、１つまたはそれ以上のセルに接続されるチャネルから電圧測定値を得るための第一のシリアルデータコマンドをパックのマイクロプロセッサから受け取ることができる。個々のセルで測定される差動電圧値またはパックの全電圧を反映するために全てのセルで測定される差動電圧値として電圧測定値を表すことができる。電圧測定値をキャパシタに記憶し、所定のセルについてまたはパックの全てのセルについて差動電圧値の平均までキャパシタを充電するように電圧測定値をフィルタリングすることができる。マイクロプロセッサがキャパシタから平均電圧値を読み取れるようにキャパシタを緩衝増幅器に接続するための第二のシリアルデータコマンドを受け取ることができる。

本発明の別の実施態様例は、パックの複数のセルの充電中セル電圧を平衡化させるためのバッテリパックの構成に関するものである。構成は、マイクロプロセッサ及びマイクロプロセッサと有効に通信しかつセルの各々に接続される集積回路を含むことができる。マイクロプロセッサは、充電中ずっと周期的且つ連続的にパックの各々のセルのセル電圧及び全パック電圧を順次測定するよう集積回路に指示することができる。集積回路は測定された個々のセル電圧及び全てのセルの現在の平均セル電圧をマイクロプロセッサに通信する。現在の平均セル電圧を決定するために、測定された全パック電圧は自動的に集積回路内のセルの数で割られる。マイクロプロセッサは、測定された個々の各セル電圧及び決定された現在の平均セル電圧に基づいて、充電中セル電圧の各々の平衡化を制御する。

本発明の別の実施態様例は、バッテリパックの充電中バッテリパックの複数のセルのセル電圧を適応平衡化させるための方法に関するものである。この方法は、継続的にパックの各セルのセル電圧を順次監視するステップ及び１つまたはそれ以上のセルについて電圧差を検出するステップを含む。電圧差は、所定の測定セル電圧が継続的な監視ステップから算定される現在の平均セル電圧を上回る差として表すことができる。充電中、電圧差が検出されたセルを、このセルの測定セル電圧が平均セル電圧に等しくなるように低下するまで放電することによって、セル電圧を平衡化させることができる。

本発明の別の実施態様例は、その中のセルの電圧を監視するように構成されるバッテリパックに関するものであり、バッテリパックはコードレス電動工具に有効に取り付け可能である。バッテリパックは、マイクロプロセッサ及びマイクロプロセッサから受け取るコマンドに基づいてパックの放電中少なくともＮ個の個々のセルのセル電圧及び全パック電圧を監視するためにマイクロプロセッサと有効に通信する集積回路を含む。バッテリパックは、マイクロプロセッサによって有効に制御されるモータ制御半導体装置を含む。バッテリパックがコードレス電動工具に係合されて、電動工具のトリガが初期作動されると、マイクロプロセッサは全てのセルの個々のセル電圧を順次測定するよう集積回路に指示する。決定された個別のセル電圧が所定の電圧閾値と比較して許容できるものである場合、決定された個々のセル電圧が所定の電圧閾値と比べて許容できるものである場合、マイクロプロセッサはモータ制御半導体装置に動力を与えて、バッテリ電流が電動工具のモータへ流れられるようにする。

本発明の実施態様例は、単なる例として示され本発明の実施態様を限定しない下の詳細な説明及び添付図面からさらによく理解できるだろう。図面において同様の素子は同様の参照番号によって表される。

図１は、本発明の１つの実施態様例に従ったバッテリパラメータを開始するための構成のブロック図を示している。個々のセル電圧及び／またはパックの全スタック電圧など特定のバッテリパラメータを検出するように図１のバッテリ監視構成２００を構成することができる。

バッテリ監視構成２００は、コードレス電動工具システムに電力を供給するのに適する取り外し可能な電源の一部とすることができる。コードレス電動工具の例には、電動丸のこ１０（図６）、往復のこ２０（図７）及びドリル３０（図８）が含まれる。工具１０、２０及び３０は、各々所定の公称定格電圧を有する電源から電力を受けるのに適する従来のＤＣモーター（図には示されていない）を含むことができる。実施態様例において、少なくとも１８ボルトの公称定格電圧を有する取り外し可能な電源によって工具１０、２０及び３０を駆動することができる。本発明は図に示される特定のタイプの工具あるいは例として下に示される特定の電圧に限定されないことが当業者には明らかであろう。この点に関して、本発明の教示はほぼどのようなコードレス電動工具及び供給電圧にも適用できる。

バッテリパラメータを監視するために中にバッテリ監視構成２００を含むハウジングを有するバッテリパック４０として取り外し可能な電源を実現することができる。バッテリパックは充電式バッテリパック４０とすることができる。バッテリパック４０は、ハウジング内に直列に接続される複数のバッテリセル及び／または複数の直列接続セル列（セル列は相互に並列である）を含むことができる。

この実施態様例の説明において、バッテリパック４０は、例えばリチウムイオン電池の化学構成を有する複数のセルから構成される。この実施態様例はリチウムイオン電池テクノロジーを用いる従来の低電圧装置（ラップトップコンピュータ及び携帯電話）よりずっと高い定格電圧を持つ電源を必要とするコードレス電動工具環境において使用するためのバッテリ監視構成２００に関するものなので、バッテリパック４０の公称定格電圧は少なくとも１８Ｖである。

ただし、例えばパック４０の個々のセル、電極及び電解液の化学構成に関して、リチウム金属またはリチウムポリマーなどリチウムを原材料とする他の化学構成またはニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）及び鉛酸など他の化学構成でバッテリパック４０を構成することができる。

図１を参照すると、構成２００はバッテリパック４０の一部を成すことができ、バッテリ監視装置２２０を含む。図１において単一の集積回路（ＩＣ）として示される装置２２０は、バッテリパック４０のハウジング内のパックコントローラ及び最高Ｎ個のバッテリセルのスタック２１０と連絡し及び／またはこれと有効に通信する。パックコントローラを、以後デジタルマイクロプロセッサ２５０と呼ぶことができる。１つの例において、Ｎ個のセルは少なくとも５個のセルであり、スタック２１０は約５から２０個までの範囲の数のバッテリセルで構成される。他の例において、７個セル構成、１４個セル構成及び／または図１に示される１０個セル構成によってスタック２１０を実現することができる。以上の例の各々において、バッテリパック４０は、約１８−４０ボルトの範囲の出力電圧を、これに取り付けられるコードレス電動工具に与えることができる。さらなる例において、約２５から３６ボルトまでのパック電圧を実現するためにバッテリパック４０を７−１４個のセルの範囲内で構成することができる。パック４０に関するこれらの電圧及びセル数は単なる例であり、本発明は上記のセル構成及び／または定格電圧に限定されない。

下に説明する通り、例えば三線シリアル通信などのデジタル通信を用いることによって、マイクロプロセッサ２５０はＩＣ２２０へコマンドを送りこれからコマンドを受けることができる。下でさらに詳しく説明する通り、マイクロプロセッサ２５０によってシリアルデータライン２１５を通じて送られる１つまたはそれ以上のシリアルデータコマンドを通じて、スタック２１０のバッテリセルに対応するチャネルを順次サンプリングし、かつサンプル読取値の各々をＡ／Ｄピンを通じて緩衝増幅器２２７におけるマイクロプロセッサ２５０への緩衝出力へレベルシフトして、サンプル値を測定するように、ＩＣ２２０に指示することができる。下記のことから判るとおり、ＩＣ２２０は、マイクロプロセッサによるコマンド通りに、内部平衡化半導体装置を通じて個々のまたは複数のセルを放電することもできる。

図１において、構成２００のブロック図は、図６−８のうちのいずれかに示されるバッテリパック４０の内部回路構成の一部しか表していない場合がある。バッテリパック４０は、他のマイクロプロセッサまたはコントローラ、電流センサ、パック温度センサ、パック識別コンポーネント、電流制限装置、ヒューズなどその他の保護回路及び／または説明を簡明にするために本明細書において示されていないその他の内部コンポーネントなど、付加的機能またはコンポーネントを含むことができる。

図１においてＩＣ２２０は単一の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として示されているが、ハードウェアまたはソフトウェアにおいて、バッテリ監視装置をデジタルマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、アナログ回路、デジタル信号プロセッサとしてまたは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）など１つまたはそれ以上のデジタルＩＣによって実現することができる。

図１に示されるパックコントローラは、以後デジタルマイクロプロセッサ２５０として説明されており、Ｉｎｔｅｌ（登録商標）のＰｅｎｔｉｕｍ（登録商標）プロセッサとしてこれを実現することができる。その代わりに、このコントローラをアナログ回路、デジタル信号プロセッサとして構成し、及び／または例えば特定用向け集積回路（ＡＳＩＣ）など１つまたはそれ以上のデジタルＩＣとして実現することができる。実施態様例において、以後説明する通り、マイクロプロセッサ２５０はバッテリパック４０のハウジング内に別個に存在し一連のシリアルデータライン２１５を通じてＩＣ２２０と通信するので、マイクロプロセッサ２５０はＩＣ２２０の外部にあり、ＩＣ２２０の一部ではない。

スタック２１０のバッテリセル例の各々は、対応する選択可能チャネルＣｈ１からｃｈ１０までを有する。チャネルはＩＣ２２０のピンを表す。例えば、Ｃｈ０はバッテリスタック２１０の下側すなわち底部のセル（セル１）のマイナス側に接続されるＡＳＩＣピンであり、ＣＨ１はセル１のプラス側及びセル２のマイナス側に接続されるピンであり、以下同様である。ＦＥＴ１からＦＥＴ１０までで示されるピンは対応する半導体装置のピン（電界効果トランジスタＦＥＴ１からＦＥＴ１０まで）を表し、セル１−１０のプラス側に接続される。ＦＥＴ１−１０の機能については、下でさらに詳しく説明する。ＩＣ２２０はスタック２１０の各セルの対応するチャネルに有効に接続される。このように、その対応するセルからＩＣ２２０へチャネル入力を与えるように各チャネルを構成することができる。

構成２００は、ＩＣ２２０及びマイクロプロセッサ２５０へ内部制御電圧（低電圧Ｖｃｃ）を与える電圧調整器２３０を含むことができる。例えば、取り付けられる電動工具のトリガスイッチ２０５が閉じられるとき、バッテリセルのスタック２１０（または、充電器）は調整器２３０へ所定の入力電圧Ｖｉｎを与えることができ、調整器はＩＣ２２０及びマイクロプロセッサ２５０へ降圧された内部制御電圧Ｖｃｃを与える。フィルタリング回路２３１を含めるなどによって、ＩＣ２２０へ与えられるＶｃｃをフィルタリングすることができる。電力が調整器２３０において散逸しないように、調整器バイパストランジスタを配備して電力を散逸させることができる。電圧調整器２３０からのＰＳＣ信号は、既知の通りＶＣＣが希望の安定範囲内にとどまるようにトランジスタ２６０の基部電流を制御する。調整器２３０よりマイクロプロセッサ２５０に与えられる基準電圧（Ｖｒｅｆ）は、マイクロプロセッサ２５０のＡ／Ｄコンバータ（図には示されていない）にとって定数Ｖｒｅｆである。

従って、ＩＣ２２０は、マイクロプロセッサ２５０と最高Ｎ個のバッテリセルのスタック２１０とのインターフェイスになるためのものである。例えば三線シリアル通信を用いて、マイクロプロセッサ２５０はＩＣ２２０へコマンドを送りこれからコマンドを受けることができる。ＩＣ２２０装置はバッテリセルのスタック２１０に接続され、各セル電圧にアクセスできる。ＩＣ２２０の電力は低電圧Ｖｃｃピン及び高電圧ＶｉｎピンまたはＶｉｎ電力端子から受けることができる。Ｖｉｎ電力端子はＣｈ１０端子と別個のものとすることができる。フィルタリング回路２１２を含めるなどによってＶｉｎ電力端子をフィルタリングして、受ける電圧変動を小さくすることができる。ＰＳＣピンを開いたままにする場合、ＩＣ２２０は、Ｖｃｃピンで外部Ｖｃｃ電力を受けることもできる。Ｒｓｅｎｓｅの電圧を読み取ることによって、ＩＣ２２０はバイパストランジスタ２６０を通る電流を制限することができる。Ｖｃｃが確立されると、ＩＣ２２０はマイクロプロセッサ２５０のＡ／Ｄコンバータのために温度安定Ｖｒｅｆを生成する。

適切なインターフェイスを用いて直列伝送を通じてデータ通信を実現することができる。ＩＣ２２０は、マイクロプロセッサ２５０とＩＣ２２０との間のデータ通信のための論理コントローラ２２２を含むことができる。例えば、シリアル周辺装置インターフェイス（ＳＰＩ）論理コントローラとして論理コントローラ２２２を実現することができる。

一般的に言って、マイクロプロセッサ２５０などホストプロセッサとＩＣ２２０の中の論理コントローラ２２２など周辺装置との間の同期シリアル通信のためにＳＰＩを使用することができる。ＳＰＩは、一般に２本の制御ライン、チップセレクト（ＣＳ）及びクロック（ＳＣＫ）及び２本のデータライン、シリアルデータイン（ＳＤＩ）及びシリアルデータアウト（ＳＤＯ）で構成される。ＳＤＩ及びＳＤＯピンについては１方向しか示されていないが、マイクロプロセッサ２５０もＩＣ２２０もそれぞれＳＤＩ及びＳＤＯピンを有する。従って、既知の通り、データフローをコントローラ２５０のＳＤＯピンからＩＣ２２０のＳＤＩピンへ送り、及び／またはＩＣ２２０のＳＤＯピンからコントローラ２５０のＳＤＩピンへ送ることができる。ＣＳピンによって該当する周辺装置が選択される。このピンは、主にアクティブローである。未選択状態において、ＳＤＯラインは高インピーダンス状態（ｈｉ−Ｚ）にあり、従ってインアクティブである。選択されるか否かに関係なくＳＣＫラインは装置（ＩＣ２２０）へ導かれる。ＳＣＫ信号はデータ通信の同期化に役立つ。

一般的ＳＰＩ動作において、主装置（マイクロプロセッサ２５０）はどの周辺装置（すなわちＩＣ２２０）と通信したいかを決定する。主装置は、クロック信号ＳＣＫを与え、チップセレクト（ＣＳ）ラインの状態を決定する。すなわち、それが通信したいスレーブ（ＩＣ２２０）をアクティブにする。従ってＣＳ及びＳＣＫは出力である。スレーブ装置（ＩＣ２２０など）は入力としてＳＣＫ及びＣＳセレクトを受け取る。すなわち、主装置は１つであるのに対して、スレーブの数はチップセレクトの数によってのみ制限される。ＳＰＩ装置が選択されない場合、そのデータ出力（ＳＤＯ）は高インピーダンス状態（ｈｉ−Ｚ）になるので、現在選択されている装置に干渉しない。

ＳＰＩ装置は独立サブシステムに適する単純なシフトレジスタとすることができる。シフトレジスタの長さは装置によって変わり得る。通常、シフトレジスタは８ビットまたはその整数倍とすることができる。奇数ビットのシフトレジスタも存在する。例えば、２カスケード９ビットＥＥＰＲＯＮは１８ビットデータを記憶することができる。

上に説明されるマイクロプロセッサ２５０とＩＣ２２０との間のシリアル通信はＳＰＩ論理コントローラ２２２例に基づいているが、この配列は、図１のＳＰＩ論理コントローラの代りにインターＩＣ（Ｉ²Ｃ）及びまたはユニバーサル非同期送受信機（ＵＳＡＲＴ）インターフェイス及び／またはチップコンポーネントを用いて装置間の望ましいシリアル通信を得ることができることが、当業者には明らかであろう。

ＳＰＩ論理コントローラ２２２は、マイクロプロセッサ２５０とＩＣ２２０との間の通信のためのインターフェイスとなるだけでなく、ＩＣ２２０の各種の付加的コンポーネントと有効に通信する。例えば、ＳＰＩ論理コントローラ２２２は、ゲート駆動回路２２４及び／またはスイッチマトリックス２２５を駆動するために（マイクロプロセッサ２５０から受け取るコマンドに基づいて）制御信号を出力することができる。ゲート駆動回路２２４を含むコンポーネント構成は技術上既知であるので、説明を簡潔にするために本出願においてはこれについて説明しない。例において、アナログマルチプレクサとしてスイッチマトリックスを実現することができる。スイッチマトリックス２２５の機能は、ＳＰＩ論理コントローラ２２２から受け取る制御信号に基づいてバッテリパックパラメータをサンプリングし捕捉するために所定のチャネルを選択することである。（制御信号はマイクロプロセッサ２５０から受け取る所定のデータコマンドに対応する）。

マイクロプロセッサ２５０から受け取ったコマンドに基づいて、ＳＰＩ論理コントローラ２２２は、半導体装置スタック２２８内の所定の半導体装置（ＦＥＴ）をＯＮまたはＯＦＦへ切替えるために、ゲート駆動回路２２４を駆動するためにも制御信号を出力することができる。所定のセルの放電を選択的に可能にするために（または可能にしないように）ＳＰＩ論理コントローラ２２２及びゲート駆動回路２２４を通じてＦＥＴを制御することができるので、ＦＥＴ１から１０までを時には「バランスＦＥＴ」と呼ぶことができる。各チャネルは、スタック２２８内の対応するバランスＦＥＴと接続される。スタック２２８内のバランスＦＥＴの制御及び動作については、下でさらに詳しく説明する。

別の例として、マイクロプロセッサ２５０から受け取ったコマンドに基づいて、ＳＰＩ論理コントローラ２２２は、所定のチャネルのバッテリパラメータを監視し、及び／または順次及び／またはある所定の時間（または継続的に）チャネルからチャネルへ切替えて全バッテリスタック電圧（例えば、全バッテリパック電圧）を含めてＮ個のセル各々の特定のバッテリパラメータを監視するようスイッチマトリックス２２５に指示する制御信号を出力することができる。従って、マイクロプロセッサ２５０から受け取ったデジタルデータコマンドに基づいて、選択された個々のセルのセル電圧、全パック電圧（すなわち全バッテリスタック電圧）、内部または外部基準電圧、パック温度を含めて（ただしこれに限定されない）各種バッテリパラメータを監視し、及び／またはエラー修正のためにアース−アース間接続を監視するためにチャネルを選択するよう、スイッチマトリックス２２５に指示することができる（ＳＰＩ論理コントローラ２２２からの制御信号を通じて）。

一般に、受け取ったコマンドに基づいて、スイッチマトリックス２２５は、対象となるバッテリパラメータをサンプリングするために指定されるチャネルを選択する。サンプリング及び取得プロセスについては下でさらに詳しく説明するが、一般的に言ってサンプリング対象のセルのサンプル値またはパラメータ（この例においてはセル電圧値）は、まず図１においてＣ２０３として示される外部キャパシタに平均電圧値として記憶される。フィルタ周波数のサイズを定める際に回路設計者が融通性を持てるようにキャパシタ２０３をＩＣ２２０の外部にある。キャパシタＣ２０３が充電されるとき、スイッチマトリックス２２５の出力（図１または表１に示される通り対象となる所定のセルのそれぞれの側で１つずつ２つのチャネルから測定される差動電圧値）は、図１においてキャパシタＣ２０３及び内部レジスタＲ１によって構成されるＲＣフィルタリング回路を通じてデジタルフィルタリングされる。

フィルタリングは、高周波ノイズ（バッテリパックの放電によりまたはスイッチマトリックス２２５から生じる可能性がある）を望ましく除去する。フィルタリングによって、Ｃ２０３が充電されるとき記憶される信号は対象となるセルの平均電圧値（例えば、セルをつなぐ２つのチャネルから得られる差動セル電圧の平均）となる。これによって、より正確な測定値を例えばマイクロプロセッサ２５０のＡ／Ｄコンバータに与えることができる。

このように、ＲＣフィルタリング回路（Ｒ１及びＣ２０３）によるフィルタリングによって、Ｃ２０３はセルの平均電圧まで充電される。Ｃ２０３を充電できるようにするためのソフトウェア制御された遅延の後、マイクロプロセッサ２５０から受け取った別のデータコマンドに基づいて、キャパシタＣ２０３はスイッチマトリックス２２５から切断されて、緩衝増幅器２２７に接続される。緩衝増幅器２２７はＣ２０３から記憶された平均電圧値すなわちアナログ電圧信号を受け取る。緩衝増幅器２２７は、マイクロプロセッサ２５０が測定を行う間キャパシタＣ２０３から電流を抜き取らないように配備される。マイクロプロセッサ２５０のＡ／Ｄコンバータへ（緩衝増幅器２２７を通じて）送られるＶｏｕｔは、フィルタリングを受けないものと比べて、測定されるセル電圧をもっとずっと明白に表すアナログ信号である。

図１に示される通り、デジタル電圧値へアナログ−デジタル変換するために任意の外部フィルタまたはコンディショニング回路２３３を通じてマイクロプロセッサ２５０内のＡ／Ｄコンバータへ緩衝増幅器２２７の出力Ｖｏｕｔを送ることができる。正確なセル電圧を検出（測定）するために、マイクロプロセッサ２５０においてＶｏｕｔのデジタル電圧値へのオフセット修正を行う必要はない。Ｃ２０３は図１に示される通りスイッチＳＷ２ＤＢ２を通じてアースに結合されるので、選択されたセルの平均電圧のＣ２０３におけるコピーはアースと参照され、緩衝増幅器２２７からのＶｏｕｔとしてマイクロプロセッサ２５０のＡ／Ｄコンバータ２５０による読取の準備が整う。

このように、ＳＤＩラインを通じてマイクロプロセッサ２５０によって送られる各種の８ビットコマンドは、測定を行いかつＶｏｕｔピンを通じてコンディショニング回路２３３を経てマイクロプロセッサ２５０デジタル変換及び検出（測定）へアナログ測定値を出力するようＩＣ２２０にコマンドを送ることができる。これによって、セル電圧を決定（測定）するために２回またはそれ以上のシングルエンド測定及び／またはデジタルサブトラクションまたはオフセット修正を実施する必要なく、マイクロプロセッサ２５０がスタック２１０内の個々のセル電圧を読み取ることができるようにする。

従って、個々のセル電圧などバッテリパックパラメータをサンプリングするために、図１を参照すると、マイクロプロセッサからＳＰＩ論理コントローラ２２２へコマンドが送られる。一方、ＳＰＩ論理コントローラ２２２は、スイッチマトリックス２２５を閉じてＩＣ２２０のＤＢ１及びＤＢ２ピンへ通じる所定のチャネルを選択し、サンプリングのためにスイッチポジション（短絡又は開放）を整合させるために、制御信号を送る。例えば、キャパシタＣ２０３が抵抗器Ｒ１を通じて充電されるときサンプル値を読み取るために、スイッチＳＷ２ＤＢ１、ＳＷ２ＤＢ２、ＤＢ１ＳＥＬＧＮＤ及びＤＢ１ＳＥＬＧＮＤは、全て論理ロー状態（＝０）すなわち開放状態を有し、スイッチＳＷ１＝１（短絡）である。

ソフトウェア制御された遅延（数ミリ秒程度）の後、ＳＰＩ論理コントローラ２２２は、スイッチマトリックス２２５を開き、スイッチＳＷ１を開き、ＳＷ２ＤＢ１、ＳＷ２ＤＢ２、ＤＢ１ＳＥＬＧＮＤ及びＤＢ１ＳＥＬＧＮＤの各々を閉じる（論理ハイ＝１）ための別のコマンドをマイクロプロセッサ２５０から受け取ることができる。これによって、Ｖｏｕｔ例えばセルのアナログ平均電圧値としてマイクロプロセッサ２５０へ出力するためにＣ２０３は緩衝増幅器２２７に接続される。

外部抵抗器２１３によって設定される特定の電流を流出させようとする場合、他のコマンドが所定のチャネルの所定のバランスＦＥＴを使用可能及び（または）使用不能にすることができる。下にさらに詳しく示される通り、マイクロプロセッサ２５０は、スイッチマトリックス２２５の出力において自動的に１０で割って全スタック電圧を読み取るようＩＣ２２０に指示するためにコマンドを送ることができる。

表１は、マイクロプロセッサ２５０がＳＤＩラインを通じてＩＣ２２０へ送ることができる８ビットコマンドのリスト例である。表１の最上列には、８ビットコマンド（データライン）、ＩＣ２２０のＤＢ１及びＤＢ２ピンに選択されるもの、スイッチＳＷ１、ＳＷ２（ＤＢ１及びＤＢ２）、ＳＷ３、ＳＷ４及びＳＷ５のスイッチポジション及びＦＥＴスタック２２８における所定のＦＥＴの動作が示されている。
表−コマンド構造の例
データライン ＤＢ１ ＤＢ２ Ｓ１ Ｓ２ Ｓ３ Ｓ４ Ｓ５ ＦＥＴ動作
0000 0000 Gnd Gnd 開 短絡 開 開 開 変化なし
0000 0001 Ch1 Ch0 短絡 開 開 開 開 変化なし
0000 0010 Ch2 Ch1 短絡 開 開 開 開 変化なし
0000 0011 Ch3 Ch2 短絡 開 開 開 開 変化なし
0000 0100 Ch4 Ch3 短絡 開 開 開 開 変化なし
0000 0101 Ch5 Ch4 短絡 開 開 開 開 変化なし
0000 0110 Ch6 Ch5 短絡 開 開 開 開 変化なし
0000 0111 Ch7 Ch6 短絡 開 開 開 開 変化なし
0000 1000 Ch8 Ch7 短絡 開 開 開 開 変化なし
0000 1001 Ch9 Ch8 短絡 開 開 開 開 変化なし
0000 1010 Ch10 Ch9 短絡 開 開 開 開 変化なし
0000 1011 Vcc Gnd 開 開 開 開 開 変化なし
0000 1100 Vref Gnd 開 開 開 開 開 変化なし
0000 1101 Gnd Gnd 開 開 開 短絡 開 変化なし
0000 1110 Gnd Gnd 開 開 開 開 短絡 変化なし
0000 1111 Ch10 Ch0 短絡 短絡 短絡 開 開 変化なし
0010 0001 Ch1 Ch0 短絡 開 開 開 開 FET1 On
0010 0010 Ch2 Ch1 短絡 開 開 開 開 FET2 On
0010 0011 Ch3 Ch2 短絡 開 開 開 開 FET3 On
0010 0100 Ch4 Ch3 短絡 開 開 開 開 FET4 On
0010 0101 Ch5 Ch4 短絡 開 開 開 開 FET5 On
0010 0110 Ch6 Ch5 短絡 開 開 開 開 FET6 On
0010 0111 Ch7 Ch6 短絡 開 開 開 開 FET7 On
0010 1000 Ch8 Ch7 短絡 開 開 開 開 FET8 On
0010 1001 Ch9 Ch8 短絡 開 開 開 開 FET9 On
0010 1010 Ch10 Ch9 短絡 開 開 開 開 FET10 On
0010 1111 Ch10 Ch0 短絡 短絡 短絡 開 開 全FET On
0011 0001 Ch1 Ch0 短絡 開 開 開 開 FET1 Off
0011 0010 Ch2 Ch1 短絡 開 開 開 開 FET2 Off
0011 0011 Ch3 Ch2 短絡 開 開 開 開 FET3 Off
0011 0100 Ch4 Ch3 短絡 開 開 開 開 FET4 Off
0011 0101 Ch5 Ch4 短絡 開 開 開 開 FET5 Off
0011 0110 Ch6 Ch5 短絡 開 開 開 開 FET6 Off
0011 0111 Ch7 Ch6 短絡 開 開 開 開 FET7 Off
0011 1000 Ch8 Ch7 短絡 開 開 開 開 FET8 Off
0011 1001 Ch9 Ch8 短絡 開 開 開 開 FET9 Off
0011 1010 Ch10 Ch9 短絡 開 開 開 開 FET10 Off
0011 1011 “ウェイクアップ” 短絡 短絡 開 開 開 全FET Off
0011 1110 スリープモード 開 開 開 開 開 全FET Off
0011 1111 Ch10 Ch0 短絡 短絡 短絡 開 開 全FET Off

図１に示される通り、ピンＤＢ１及びＤＢ２に接続可能な外部装置用の補助回路（スイッチＤＢ１ＳＥＬＶｃｃ、ＤＢ１ＳＥＬＶｒｅｆ、ＤＢ１ＳＥＬＧＮＤ及びＤＢ２ＳＥＬＧＮＤから成る）が配備される。１つの例において、外部装置は高電圧差動増幅器であり、ＩＣ２２０のスイッチＳＷ１−ＳＷ５及びＣ２０３のスイッチ−キャパシタ構成（例えば、スイッチ−キャパシタ構成）に取って代わるためまたはスイッチ−キャパシタ構成が故障した場合の予備バッテリ監視手段とするために、これを追加することができる。従って、外部差動増幅器はスイッチマトリックス２５の出力に接続されて、直接マイクロプロセッサ２５０のＡ／Ｄコンバータへ差動電圧測定値を与える。

コマンド“０００１ １１０１”を用いかつＶｏｕｔで電圧を読み取ることによって、マイクロプロセッサ２５０は外部増幅器がＤＢ１及びＤＢ２に接続されているか否かを決定することができる。１つの例において、外部装置が使用される場合、電圧値は接地電位（ＧＮＤ）となる。ＩＣ２２０が使用される場合、電圧値は５ボルトとなる。外部増幅器が使用される場合捕捉のためにコマンド“００００ ００００”は使用されない。

個々のセル電圧の測定
表１を参照すると、１つの例において、コマンド“００００ ０１１１”がマイクロプロセッサ２５０からＩＣ２５０へ送られるとする。これは、チャネルＣｈ６とＣｈ７との間のセル６のセル電圧を測定するためのコマンドである。表１から判る通り、このコマンドはスタック２２８のバランスＦＥＴのどれの状態にも変化を与えなかった。コマンドはＳＰＩ論理コントローラ２２２によって処理されて、次のバイト転送中確認のためにＳＤＯラインを通じてマイクロプロセッサ２５０へ返される。これは、オリジナルのコマンド直後、論理コントローラ２２２が確認のためにオリジナルのコマンドを送り返す間、マイクロプロセッサ２５０は引き続きＳＣＫラインをトグルで切り替えるからである。

読み取ってしまうと、ＳＰＩ論理コントローラ２２２は、セル６のセル電圧を表す差動電圧をサンプリングするために、ＤＢ１ピンに対してＣｈ７を選択しかつＤＢ２ピンに対してＣｈ６を選択するようにスイッチマトリックス２２５を制御する。同時に、ＳＷ１は、Ｒ１及びＣ２０３によって構成されるＲＣネットワークを通じてピンＤＢ１とＤＢ２に架かるキャパシタＣ２０３を充電し始めるために閉じる。従って、ＲＣネットワークのフィルタリングによって、キャパシタＣ２０３は、充電／放電電流が変化すると大きく変動する可能性のあるセル６の直接の差動電圧ではなく、セル６の差動電圧の平均を記憶する。

ソフトウェア制御された遅延の後、マクロプロセッサは第二のコマンド００００ ００００を送る。表１に示される通り、このコマンドはスイッチマトリックス２２５及びスイッチＳＷ１を開き、スイッチＳＷ２ＤＢ１、ＳＷ２ＤＢ２、ＤＢ１ＳＥＬＧＮＤ及びＤＢ１ＳＥＬＧＮＤの各々を閉じる（論理ハイ＝１）。これによって、Ｃ２０３は緩衝増幅器２２７に接続され、マイクロプロセッサ２５０のＡ／ＤコンバータへＶｏｕｔを送る。スタック２１０の残りのセルを同様に読み取ることができる。

全スタック電圧測定
マイクロプロセッサは全スタック電圧を読み取るためにコマンドを使用することができる。全スタック電圧を測定するために、マイクロプロセッサ２５０はコマンド“００００ １１１１”をＩＣ２２０へ送る。これは、Ｃｈ０とＣｈ１０との間の全スタック電圧を測定するためのコマンドである。このコマンドはＳＰＩ論理コントローラ２２２によって処理されて、次のバイト転送中確認のためにＳＤＯラインを通じてマイクロプロセッサ２５０へ返される。表１に示される通り、また図１を参照すると、ＳＰＩ論理コントローラ２２２は、バッテリパックの全スタック電圧を表す差動電圧をサンプリングするために、ＤＢピンに対してＣｈ１０を選択しかつＤＢ２ピンに対してＣｈ０を選択するようにスイッチマトリックス２２５を制御する。同時に、スイッチＳＷ１、ＳＷ２及びＳＷ３は、１０：１の比率でキャパシタをスタックの平均電圧まで充電するＲ１及びＲ２によって構成される分圧回路を通じてピンＤＢ１及びＤＢ２に架かるキャパシタＣ２０３を充電し始めるために閉じる。このように１０：１の比率はＲ１及びＲ２の値によって設定される。

全スタック電圧の平均電圧値を得るために、キャパシタに記憶される電圧値は、Ｒ１及びＣ２０３によって構成されるＲＣネットワークを通じてフィルタリングされる。ソフトウェア制御された遅延の後、マイクロプロセッサ２５０は、マイクロプロセッサ２５０のＡ／ＤコンバータへＶｏｕｔを送るためにＣ２０３を緩衝増幅器２２７に接続するためのコマンド００００ ００００を送ることができる。ただし、スイッチＳＷ２は全スタック電圧のサンプリング及びデータ取得中閉じられるので、マイクロプロセッサ２５０のＡ／Ｄは継続的に全スタック電圧を測定することができる。

スイッチマトリックス２２５は、セル電圧を不足させることなく任意のチャネルから任意の他のチャネルへ変えることができる。通常、セル電圧の不足はシュートスルー（shoot-through）状態を引き起こす。シュートスルーは、スイッチがある接続から別の接続へ移行するときに通常生じる状態である。スイッチがある回路の別の分岐との接触を切断する前に第二の分岐と接触すると、電流が第一の分岐から第二の分岐へ流れる可能性がある。これは望ましくない状態なので、ほとんどのスイッチは「接触する前に切断する」接触システムを持つよう設計される。従ってスイッチマトリックス２２５の出力は緩衝増幅器２２７に入る前にＲＣ回路によってフィルタリングされる。

図１において、ＣＳピンはチップセレクトである。ローに引っ張られるとＳＰＩ論理コントローラ２２２は通常に機能する。ハイに引っ張られると、ＳＰＩ論理コントローラ２２２の送受論理はリセットされる。この機能は、パケット／バイト同期化がＩＣ２２０ビットカウンタをマスタクロックと同期に維持するのに役立つ。既知の通り、このリセット中ＳＤＯピンをトライステートに設定することができる。

ＩＣ２２０は、全体として２３６として示されるスリープピンを含むことができる。図１及び表１を参照すると、スリープコマンド００１１ １１１０が与えられると、ＩＣ２２０は低出力スリープモードに切り替えられる。このようにスリープピン２３６がローに引っ張られると、ＩＣ２２０は低出力スリープモードに切り替えられる。スタック２２８の全てのＦＥＴは使用不能にされ、Ｖｏｕｔは使用不能にされて、ハイＺ状態に切り替えられる。論理コントローラ２２２のＳＰＩ論理もスリープモード中使用不能にされ、ＳＤＯピンはトライステートに設定される。

また、表１において、ＩＣ２２０をスリープモードから出すために特殊な“ウェイクアップ”コマンド００１１ １０１１が与えられる。スリープモードから出ると、ＳＰＩ論理はＣＳピンの状態に関係なくリセットされる。ウェイクアップされるとスタック２２８のバランスＦＥＴも“ＯＦＦ”状態にリセットされる。

図２は、本発明の実施態様例に従った、図１のマイクロプロセッサ２５０とＩＣ２２０との間の全体的データの流れを示す流れ図である。一般的に言って、マイクロプロセッサ２５０は、ＳＣＫピンをクロッキングしてＩＣ２２０のＳＤＩピンが受け取る８ビットデータコマンドをそのＳＤＯピンで送ることによって、ＩＣ２２０へコマンド（Ｓ２１０）を送る。ＩＣ２２０はコマンド（Ｓ２２０）を受け取り、アナログ出力を処理する。マイクロプロセッサ２５０は、ＩＣ２２０が正確なコマンドを理解し実行したことを確認するために、マイクロプロセッサ２５０のＳＤＩピンを通じてＩＣ２２０からオリジナルコマンドを受け取るために、ＳＣＫピン（２３０）をクロッキングする。

応答コマンドがオリジナルコマンドと異なる場合、マイクロプロセッサ２５０のＡ／Ｄ読取値（ＩＣ２２０から受け取った検出値または測定値）は廃棄され、オリジナルコマンドを再送信することができる。この２バイト転送は、電気的に静かでノイズのない環境において使用するには過剰と見なされる場合がある。このような場合、ハンドシェークがバイトごとではなくビットごとに行われる標準のＳＰＩプロトコルを使用することができる。ハンドシェークは、信号を受け取りかつ確認のためにこれを発信元に送り返す行為として定義することができる。

図３は、本発明の１つの実施態様例に従ったバッテリパック例のコンポーネント及び端子を示すブロック図である。図４は、本発明の１つの実施態様例に従ったバッテリパック例とバッテリ充電器例との間のコンポーネント及び接続を示すブロック図である。

実施例として、図１の構成２００は、図３及び４において示される通り、バッテリパック３００の環境の中で説明されている。説明を明白にするために、バッテリパック３００のブロック図は、構成２００の顕著な特徴のみを示している。バッテリパック３００は例えば電流センサ、温度センサ、パックＩＤ装置、限流装置などマイクロプロセッサ２５０と有効に通信する付加的検出コンポーネントを持つことができると、理解することができる。下に、充電及び放電サイクル中のＩＣ２２０の特徴及び機能の例について説明する。

図３を参照すると、バッテリパック３００は、どのような電気装置にも接続されていないインアクティブ状態で示されている。図３においては４つの端子（端子１−４）が示されている。しかし、実施態様例はこの端子構成に限定されず、バッテリパック３００と電動工具または充電器など別の接続可能な電気装置との間で送られる希望の情報に応じてこれより多いまたは少ない端子を含めることができる。

バッテリスタック２１０のセルは、この例においてバッテリパック３００は用いられず休んでいて、完全にデッド状態（０ボルト）である。図３に示される通り、調整器２３０には電力が供給されていないので、ＩＣ２２０及びマイクロプロセッサ２５０はアイドル状態であり、何も活動していない。バッテリパック３００が充電器４００（図４）に入れられることによって、下記の出来事が生じる：
（ｉ）充電器４００は電源電圧（ここでは例として１５ボルトと示されている）をバイパストランジスタ２６０及びＶｉｎピンに供給し、ＶｉｎピンはＰＳＣピンを通じて調整器２３０を制御する。
（ii）調整器２３０は例えば５ボルト（Ｖｃｃ）をマイクロプロセッサ２５０及びＩＣ２２０（低電圧Ｖｃｃピン）に供給する。
（iii ）マイクロプロセッサ２５０は自身のプログラムパラメータをリセットし、その初期化を開始する。リセット及び初期化ルーチンは、例えばスタートアップ時にＰＣまたはラップトップのマイクロプロセッサが行うルーチンと同様とすることができ、これらの手順は本発明の中心事項ではないので、詳細に説明しない。
（iv）初期化後、マイクロプロセッサ２５０はシリアル通信（簡明にするために図には示されていない）を通じて充電器４００（充電制御４２０を持つものなど）と通信する。
（ｖ）マイクロプロセッサ２５０はバッテリパック３００が電動工具にではなく充電器４００に接続されているとすでに決定しているので、マイクロプロセッサ２５０はＦＥＴ２４０をＯＦＦに維持する。

充電制御
図４を参照すると、充電を開始する前に、Ａ／Ｄ値（セル電圧の値）が判っていなければならない。マイクロプロセッサ２５０はコマンド００００ ０００１をＩＣ２２０へ送って第一のセル（図チャネル１においてＣｈ０とＣｈ１との間のセル）を選ぶことができる。データがＩＣ２２０へクロックアウトされ、短い待ち時間の後、マイクロプロセッサ２５０はリターンバイトをクロックバックすることができる。通信が有効であったら、リターンバイトはオリジナルコマンドと合致するはずである。

マイクロプロセッサ２５０が返されたコマンドを確認している間、ＩＣ２２０はそのＤＢ１及びＤＢ２ピンに第一のセルの電圧を与える。外部キャパシタＣ２０３は内部抵抗器Ｒ１を通じて充電される。ソフトウェア制御された遅延の後、マイクロプロセッサ２５０は、キャパシタＣ２０３を緩衝増幅器２２７に接続してＶｏｕｔをマイクロプロセッサ２５０のＡ／Ｄコンバータへ送るために第二のコマンド００００ ００００を送る。スタック２１０の残りのセルを同様に読み取ることができる。セル電圧が判ったら、バッテリパック３００のマイクロプロセッサは充電器４００に充電を開始するよう命じることができる。

充電中の動的セル平衡化
スタック２１０のセルは充電されると電圧を増す。セルの全てが同じキャパシティを持つわけではないので、一部のセルの電圧は他のセルの電圧より大きい。過充電が生じる可能性を阻止するために、マイクロプロセッサ２５０は電圧差を検出するために必要な頻度で順次かつ継続的にセルを監視することができる。例えば、マイクロプロセッサ２５０は、約１０ミリ秒でセルスタック２１０全体をスキャンするようＩＣ２２０に指示することができるが、充電が緩慢なので、もっと長いサイクル時間を採用することができる。いずれにしても、充電中セル電圧全てを実質的に平衡に維持するために必要に応じて充電中ずっとセル電圧の測定、閾値と突き合わせたセル電圧の評価、その平衡化を反復することができる。

このようにして、マイクロプロセッサ２５０はＩＣ２２０へ送られるデータコマンドを通じて各セルをサンプリングすることができ、検出または測定された値はマイクロプロセッサ２５０の関係する内部または外部記憶装置に記憶される。例えば、完全なスキャンが行われると、１１番目の測定として全スタック電圧を得ることができる。この値は、キャパシタＣ２０３が全てのセルの平均セル電圧まで充電されるように、分圧回路（Ｒ１及びＲ２）を通じてＩＣ２２０において自動的に１０で割られる。個々のセル電圧測定値全てが加算されと、測定値の合計は平均セル電圧の１０倍になるはずである。例えばシステム整合性に関するエラーチェックとしてこの手順を使用することができる。

さらに、運転、相対基準値または閾値として平均セル電圧を使用することもできる。この閾値は、どのセルが充電中キャパシティが小さくて残りのセルより充電が早いかを決定することができる。このキャパシティが小さいセルは、充電中気を付けないと問題を生じる可能性がある。例えば、リチウムイオン電池の場合、過充電状態は電池にとって非常に望ましくない。図１の例において、セルのうち９つは４ボルトであり、１０番目のセルが４．２ボルト（最大電圧）である場合、全スタック２１０電圧値は僅か４０．２ボルトである。これは、充電が継続されると４．２ボルトのセルは損傷を受けるので、充電を継続することが許容されることを意味するものではない。従って、１０番目のセル（または、例えば、６番目、４番目のセルなど）が全てのセルの平均セル電圧より高い電圧にならないように充電中能動的なセル平衡化が行われることが望ましい。このようにして、スタック２１０の全てのセルは一緒にピーク電圧に達する。

マイクロプロセッサ２５０は、継続的にセルの各々を順次監視して、検出される個々のセル電圧と全てのセルの平均セル電圧との間の電圧差を検出するために個々の電圧及び全スタック電圧を測定するよう、ＩＣ２２０に命じることができる。平均セル電圧は全スタック電圧を自動的に１０で割ることによって決定される。特定の例において、図１を参照すると、セル番号４（Ｃｈ３とＣｈ４との間）の検出電圧は、基準値例えばスタック２１０の全てのセルについて決定された平均セル電圧より僅かに高い。セルの平衡化を速めるために、マイクロプロセッサ２５０は、表１のコマンド００１０ ０１００から記憶されたセルのＡ／Ｄ値（例えば、セル４について検出されたセル電圧値）とコマンド００００ １１１１によって指示された通りに全スタック電圧をサンプリングするときＩＣ２２０によって測定された記憶されている平均セル電圧Ａ／Ｄ値との間のデジタル比較に基づくこの電圧差を動的に検出することができる。

このように、構成２００は全てのセル電圧測定を約１０ミリ秒で一巡するように構成され、測定された個々のセルＡ／Ｄ値を測定された平均セル電圧Ａ／Ｄ値と比較して、「非平衡」セルを動的に決定することができる。セル４の電圧がスタック２１０の全セルの平均セル電圧より僅かに高いとマイクロプロセッサ２５０が決定する場合、マイクロプロセッサ２５０はＩＣ２２０へデータコマンド００１０ ０１００を発する。このコマンドは、半導体装置スタック２２８のバランスＦＥＴ４をＯＮ状態にするようＩＣ２２０に命じる。セル４を除いてセルは全て同じ速度で充電され、セル４の充電速度はＦＥＴ４がＯＮにされて放電速度分だけ低下する。これによって、セル４の個別のセル電圧がスタック２１０の平均セル電圧に一致するように低下するので、他のセルはセル４に「追いつく」ことができる。

これまで、パック３００において平衡化セル電圧を得るために充電中特定のセルを放電すべきかどうかの決定について、基準線または基準値として（例えば閾値として）スタック２１０の全てのセルの平均セル電圧を用いて説明した。しかし、スタック２１０の平均セル電圧からの最大差動電圧を有するセルの放電は閾値の一例に過ぎない。代替形態において、マイクロプロセッサ２５０からのデータコマンドの指示に基づいてＩＣ２００が個々のセル電圧測定の各サイクルを実行した後、マイクロプロセッサ２５０は個々のセル電圧測定から明白な最高電圧のセルを放電するようＩＣ２２０へコマンドを発することができる。別の代替形態において、所定の（または、各）測定サイクルにおいて受け取った電圧測定値に基づいて、マイクロプロセッサ２５０は、個々のセル電圧測定から明白なＸ個の最高電圧セルなど複数のセルを放電するようＩＣ２２０へコマンドを発することができる。さらなる代替形態において、マイクロプロセッサ２５０は、事前に設定できるＹ掛けるセルの最小電圧（Ｙは１以上の整数）など所定の電圧閾値を上回るセル電圧測定値を有するセルを放電するようＩＣ２２０へ特殊なコマンドを発することができる。これらの方法は、充電中及び充電完了時に均等にセル電圧を平衡化させるために、充電中パック３００の１つまたはそれ以上のセルを放電するための他のタイプの基準閾値の例を代表する。

充電中のセルスタックの全スタック電圧の決定
上述の通り、個々のセル電圧の監視のほかに、コマンド００００ １１１１によってスタック２１０の全スタック電圧を測定するようＩＣ２２０へコマンドを送ることができる。前述のとおり、ＩＣ２２０内部で自動的に全スタック電圧を１０で割ることができ、これによってスタック２１０のセルの平均セル電圧が得られる。マイクロプロセッサ２５０が受け取る個々のＡ／Ｄ値は、足すと、マイクロプロセッサ２５０のＡ／ＤピンへＶｏｕｔとして送られるスタックＡ／Ｄ測定値（すなわち、継続的にスタック２１０のセルの各々について電圧差を決定するためにマイクロプロセッサ２５０によって使用される平均セル電圧）の１０倍になるはずである。過充電を防止するためのセルチェックのバックアップとしてこの機能を実施することができる。

追加例−セル平衡化
充電中の時間の経過に伴い、１つまたはそれ以上の付加的セルがセルの平均セル電圧より僅かに高い電圧を持ち始める可能性がある。ＩＣ２２０は、マイクロプロセッサ２５０から放電のコマンドを受けた後、このような付加的なセルをセル４と同時に放電することができる。これはセル４について説明されるのと同様に実施される。放電されているセル（例えば、セル４）をスキャンするとき、データコマンド００１１ ０１００によってセル４について最も正確な測定を行うことができる。このコマンドは、セル４の電圧を出力するようＩＣ２２０に指示するが、同時にこのセルのバランスＦＥＴ（ＦＥＴ４）をオフ（アンラッチ）にする。電流が放電されていないので、セル４の電圧はその充電状態の妥当な信頼できる指針である。チャネルの読取が完了したら、コマンド００１０ ０１００によってバランスＦＥＴをオンに戻すことができる（必要と見なされる場合には）。

その後の充電において、セル４の電圧はスタック２１０の平均セル電圧まで低下している。マイクロプロセッサ２５０はこれをセル４の放電を停止するためのトリガとして決定する。セル４のセル電圧を測定してバランスＦＥＴ４をアンラッチするために同じコマンド００１１ ０１００をＩＣ２２０へ送ることができる。こうして、セル４は、残りのセルが受け取っている全充電電流を受け取ることができる。

充電の終了
結局、スタック２１０のセルは全て、充電を終了することが望ましいある電圧に達する。マイクロプロセッサ２５０は、様々な方法でこの決定を下すことができるが、終了計画は本発明の範囲外なのでここでは論じない。充電電流を一次停止するように、マイクロプロセッサ２５０は充電器と通信できる（すなわち、シリアルデータ通信によって）。この例において、各セルは、完全に充電されると、ほぼ４．２ボルトを有する。従って、Ｃｈ１０における電圧はアースに対して約４２ボルトである。Ｖｉｎピン及び調整器２３０は充電器４００の１５ボルトの供給を受ける。

パック３００を充電器４００から外して、しばらくの間工具箱（またはその他の保管エリア）に収納することができる。スタック２１０のバッテリセルは、まだその電圧をＩＣ２２０に加えるが、Ｖｃｃピンには電力が与えられずＶｉｎはゼロボルトなので、ＩＣ２２０は停止され、セルにおける電流の漏れは僅かしかない。

放電サイクル−電動工具に取り付けられたバッテリパックの動作
図５は、本発明の実施態様例に従ったバッテリパック例と電動工具例との間のコンポーネント及び接続を示すブロック図である。

１つの例において、１日が始まるときなど、図５に示される通りバッテリパック３００を工具５００に配置することができる。工具のトリガスイッチ５１０が作動されると、パック３００のセルスタック２１０電圧がＩＣ２２０の調整器２３０及びＶｉｎピンに加えられる。初期化時間後、マイクロプロセッサ２５０は工具の中に（充電器の中ではなく）あることを認識して、セル電圧をチェックする。全ての測定値が許容できるものである場合、工具モータ５２０への電流の流れを可能にするためにモータ制御ＦＥＴ２４０がオンにされる。例えば、全てのセル電圧が、これに達しないとセルが不足電圧状態になる所定の臨界電圧など所定の電圧レベルまたは閾値電圧を上回る場合、測定値は許容可能である。

充電中と同様、マイクロプロセッサ２５０はスタック２１０の放電中のセル電圧を監視する。トリガスイッチ５１０が解除される場合、Ｖｉｎにおける電圧及びマイクロプロセッサ２５０及びＩＣ２２０へ供給される調整電圧（５Ｖ）はアースへ消失する。電力供給がないと、マイクロプロセッサ２５０は停止し、モータ制御ＦＥＴ２４０はオフになる。

トリガスイッチ５１０が再び引かれると、ＩＣ２２０に電力が供給され、工具モータ５２０の動作が継続する。工具モータ５２０は、トリガスイッチ５１０が引っ張られ、セル電圧が所定の電圧レベルまたは閾値電圧より大きい限り使用可能である。スタック２１０のあるセルが例えば臨界電圧など低閾値電圧に達すると、マイクロプロセッサ２５０はオフにするようモータ制御ＦＥＴ２４０にコマンドを送ることができる。この動作は、スタック２１０のセルが過放電にならないようにして、セルの寿命を延ばす。

トリガスイッチ５１０がオンのままである場合（ユーザがトリガにテープを巻いた場合など）、マイクロプロセッサ２５０は継続的にセル電圧を監視するように続けてコマンドをＩＣ２２０へ送るが、モータ制御ＦＥＴ２４０をオフ状態に維持する。全スタック電圧が閾値例（この例において２５ボルト）（バッテリ回路に電力を供給するために多少の放電電流が必要なため）より下まで低下すると、マイクロプロセッサ２５０はＳＬＥＥＰピン２３６を通じてスリープモードになるようＩＣ２２０に指示することができる。この動作は、バッテリパック３００内部の電力消費を大幅に減少することができる。ＩＣ２２０は、マイクロプロセッサ２５０がリセットされるまでこのモードのままである。最終的にバッテリパック３００を工具５００から取り外して、放電状態で棚に戻すことができる。

上記の充電／放電サイクルの例は、セルの寿命を延ばすためにマイクロプロセッサ２５０と共にＩＣ２２０がどのように動作できるかを示している。過充電保護、過放電保護及び充電中バッテリパック内でセル適応平衡化を行う能力は、全て、例えばＩＣ２２０及びマイクロプロセッサ２５０を含む構成２００を有するバッテリパックにおいて得ることができる。

上述の本発明の実施態様例を多様に変化させることができることは明白であろう。この種の変化は本発明の実施態様例の精神及び範囲からの逸脱と見なされるべきではなく、当業者には明白な通り、これらの全ての修正は特許請求の範囲の中に含まれるべきものである。

本発明の１つの実施態様例に従ったバッテリパラメータを監視するための構成のブロック図である。 本発明の１つの実施態様例に従った、図１のマイクロプロセッサとＡＳＩＣとの間のデータの流れを示すフロー図である。 本発明の１つの実施態様例に従ったバッテリパック例のコンポーネント及び端子を示すブロック図である。 本発明の１つの実施態様例に従ったバッテリパック例とバッテリ充電器例との間のコンポーネント及び接続を示すブロック図である。 本発明の１つの実施態様例に従ったバッテリパック例と電動工具例との間のコンポーネント及び接続を示すブロック図である。 本発明に従ったバッテリパック例から電力を受けるように構成されるコードレス電動工具の例を示す図である。 本発明に従ったバッテリパック例から電力を受けるように構成されるコードレス電動工具の例を示す図である。 本発明に従ったバッテリパック例から電力を受けるように構成されるコードレス電動工具の例を示す図である。

Claims (33)

1. コードレス電動工具に電力を供給するように構成されるバッテリパックのバッテリ監視装置であって、
   集積回路の外部にあるパックのマイクロプロセッサに接続され、前記パックのＮ個のバッテリセルの各々に接続される集積回路であり、前記集積回路が個々のセル電圧またはパックの全てのセルの全パック電圧のうちの１つを含むサンプル値を単独でまたは順次読み取るように構成され、前記サンプル値が前記マイクロプロセッサによって読み取られる前に該集積回路においてフィルタリングされる、
   を有することを特徴とする装置。
2. 前記集積回路が、さらに前記バッテリパックが充電されているとき前記Ｎ個のセルのうち１つまたはそれ以上を選択的に放電するように構成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記マイクロプロセッサが個々のセル電圧及び全パック電圧を順次かつ周期的に測定し、前記パックが充電されるとき前記集積回路から受け取る測定された個々のセル電圧値を所定の閾値と比較し、及び前記閾値を満たさないセルを選択的に放電するためのコマンドを発する、請求項２に記載の装置。
4. 前記閾値が前記集積回路によって測定された前記全パック電圧から決定される全てのセルの平均セル電圧であり、前記平均セル電圧が充電中マイクロプロセッサに記憶及び更新される、請求項３に記載の装置。
5. 平均セル電圧を上回る最大差動電圧を有するセルが、その測定セル電圧が前記平均セル電圧に等しくなるように低下するまで、前記充電中放電される、請求項４に記載の装置。
6. 前記平均セル電圧を上回るセルが、そのそれぞれの測定セル電圧が前記平均セル電圧に等しくなるように低下するまで、充電中放電される、請求項４に記載の装置。
7. 前記閾値が所定の測定サイクルにおいて測定される最高電圧セルとして設定され、前記マイクロプロセッサが前記所定の測定サイクルから明らかな最高電圧セルを放電するためのコマンドを前記集積回路へ発する、請求項３に記載の装置。
8. 前記閾値が所定の測定サイクルにおいて測定されるＸ個の最高電圧セルとして設定され、前記マイクロプロセッサが前記所定の測定サイクルから明らかなＸ個の最高電圧セルを放電するためのコマンドを前記集積回路に発する、請求項３に記載の装置。
9. 前記閾値が事前に設定される整数Ｙ（Ｙ≧１）に前記セルの最小電圧を掛けたものであり、前記マイクロプロセッサが予め設定された最小電圧Ｙ^*を上回るセルを放電するためのコマンドを前記集積回路へ発する、請求項３に記載の装置。
10. Ｎは５以上である、請求項１に記載の装置。
11. 前記集積回路が、前記マイクロプロセッサと通信しかつＮ個のセルのうち１つまたはそれ以上からサンプル値を読み取るために前記マイクロプロセッサから受け取る所定のシリアルデータコマンドを処理、またはＮ個のセルのうち１つまたはそれ以上の選択的放電を指示するように構成される論理コントローラを含む、請求項１に記載の装置。
12. 前記集積回路が前記バッテリパックの各セルの対応するチャネルに接続され、各チャネルがそのセルから前記集積回路へのチャネル入力を有し、
    前記集積回路がさらに複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のうち１つまたはそれ以上を制御するために前記論理コントローラと通信するゲート駆動回路を含み、各ＦＥＴが所定のチャネルに対応しかつ前記マイクロプロセッサから受け取る所定のデータコマンドに基づいてその対応するセルを選択的に放電するよう機能する、請求項１１に記載の装置。
13. 前記集積回路が前記バッテリパックの各セルの対応するチャネルに有効に接続され、各チャネルがそのセルから前記集積回路へのチャネル入力を有し、
    前記集積回路が、
    前記チャネルの各々に接続されかつ前記論理コントローラと通信し、かつ前記論理コントローラからの制御信号に基づいてサンプル値を出力するための所定のチャネルを選択するのに適するスイッチマトリックスと、
    前記サンプリング値を記憶するために前記スイッチマトリックスの出力に接続されるキャパシタであり、平均電圧値が前記キャパシタに記憶されるように前記キャパシタが充電されているとき前記サンプル値がデジタルフィルタリングされ、前記キャパシタが充電できるようにするための制御された遅延の後、前記キャパシタに記憶された前記平均電圧値が前記マイクロプロセッサによる読取のために前記集積回路から出力される、
    を含む、請求項１１に記載の装置。
14. 所定のセル電圧または全パック電圧を測定するために受け取ったデータコマンドに基づいて、前記論理コントローラが、前記スイッチマトリックスを閉じ且つサンプル値を読み取るために所定のチャネルを選択し、及び前記キャパシタが前記サンプル値に従って充電されるとき出力をフィルタリングするために前記キャパシタが前記スイッチマトリックスの出力においてＲＣフィルタリング回路の一部となるように一群のスイッチのスイッチポジションを整合するために、制御信号を送る、請求項１３に記載の装置。
15. 前記集積回路が、さらに、外部差動増幅器への接続のために前記スイッチマトリックスの前記出力に接続される補助回路を含み、サンプル値を読み取るための前記キャパシタの代替手段とするために前記外部増幅器を前記スイッチマトリックスの出力に選択的に接続できる、請求項１３に記載の装置。
16. 前記バッテリパックの前記セルがリチウムイオン電池の化学構造を有する、請求項１に記載の装置。
17. 前記バッテリパックの公称定格電圧が少なくとも１８Ｖである、請求項１に記載の装置。
18. コードレス電動工具に電力を供給するように構成されるバッテリパックのバッテリセルを監視するための方法であって、
    前記セルのうち１つまたはそれ以上に接続されるチャネルから電圧測定値を得るために前記パックのマイクロプロセッサから第一のシリアルデータコマンドを受け取り、前記電圧測定が個々のセルで測定される差動電圧値または全パック電圧を反映するために全てのセルで測定される差動電圧値として実現され、
    前記電圧測定値をキャパシタに記憶し、前記キャパシタが所定のセルまたは前記パックの全てのセルの前記差動電圧値の平均まで充電されるように前記電圧測定値がフィルタリングされ、
    前記マイクロプロセッサが前記キャパシタから前記平均電圧値を読み取れるように前記キャパシタを緩衝増幅器に接続するための第二のシリアルデータコマンドを受け取る、
    ステップを含むことを特徴とする方法。
19. バッテリパックの複数のセルを充電しながらセル電圧を平衡化させるための方法であって、
    周期的に前記パックの各セルのセル電圧及び全パック電圧を順次測定し、
    前記測定された全パック電圧に基づいて前記パックの全てのセルの現在の平均セル電圧を決定し、前記現在の平均セル電圧が閾値を表し、
    各測定されたセル電圧を前記閾値と比較し、
    充電中の所定の時間に前記閾値を上回る測定セル電圧を有する１つまたはそれ以上のセルを放電する、
    ステップを含むことを特徴とする方法。
20. 前記所定の時間が、放電セルの前記測定セル電圧が前記決定された平均セル電圧に等しくなるように低下するまでに経過する時間として定義される、請求項１９に記載の方法。
21. 充電中個々のセル電圧を実質的に平衡に維持するために周期的に測定し、閾値としての前記現在の平均セル電圧を決定し、及び比較及び放電の機能を充電中反復するステップをさらに有する、請求項１９に記載の方法。
22. 前記現在の平均セル電圧を決定するステップが、全てのセルの前記現在の平均セル電圧を計算するために前記パックのセルの数で前記測定された全パック電圧を自動的に割るステップを含む、請求項１９に記載の方法。
23. 前記パックの複数のセルの充電中セル電圧を平衡化させるためのバッテリパックの構成であって、
    マイクロプロセッサと、
    前記マイクロプロセッサと有効に通信し且つ前記セルの各々に接続される集積回路と、を有し、
    前記マイクロプロセッサが充電中周期的に前記パックの各セルの前記セル電圧及び前記全パック電圧を順次測定するよう前記集積回路に指示し、
    前記集積回路が前記測定された個々のセル電圧及び全てのセルの現在の平均セル電圧を前記プロセッサに通信し、前記測定された全パック電圧が前記現在の平均セル電圧を決定するために前記集積回路内のセルの数で自動的に割られ、
    前記マイクロプロセッサが各測定された個々のセル電圧及び前記決定された現在の平均セル電圧に基づいて前記セル電圧の各々の平衡化を制御する、
    を特徴する構成。
24. 前記マイクロプロセッサが、各測定された個々のセル電圧を前記現在の平均セル電圧と比較することによってセル電圧の平衡化を制御し、
    充電中の所定の時間に前記現在の平均セル電圧を上回る測定された個々のセル電圧を有する１つまたはそれ以上のセルを放電するよう前記集積回路に指示する、請求項２３に記載の構成。
25. 前記集積回路が、各々前記パックの対応するセルに接続される複数の半導体装置を含み、
    前記集積回路が、対応するセルが前記現在の平均セル電圧より大きい測定された個々のセル電圧を有する場合、前記所定の時間に前記対応するセルの放電を可能にするために半導体装置にエネルギーを与える、請求項２３に記載の構成。
26. 前記所定の時間が、放電セルの前記測定されたセル電圧が前記決定された平均セル電圧に等しくなるように低下するまでに経過する時間として定義される、請求項２４に記載の構成。
27. 個々のセル電圧を充電中実質的に平衡に維持するために前記マイクロプロセッサまたは集積回路によって実施される周期的測定、平均セル電圧の決定、比較及び平衡化の機能が前記充電中反復される、請求項２３に記載の構成。
28. バッテリパックの充電中前記バッテリパックの複数のセルのセル電圧を適応平衡化させるための方法であって、
    継続的に前記パックの各セルのセル電圧を順次監視し、
    １つまたはそれ以上のセルの電圧差を検出し、前記電圧差は所定の測定セル電圧が継続的に監視するステップから算定される現在の平均セル電圧値を上回る差として定義され、
    前記放電セルの測定されたセル電圧が前記平均セル電圧に等しくなるように低下するまで、検出された電圧差を有するセルを放電することによって前記充電中セル電圧を平衡化させる、
    ステップを有することを特徴とする方法。
29. セルの電圧を監視するように構成されるバッテリパックであって、前記バッテリパックがコードレス電動工具に有効に取り付け可能であり、
    マイクロプロセッサと、
    前記パックの放電中少なくともＮ個の個々のセルのセル電圧及び全パック電圧を監視するために前記マイクロプロセッサと有効に通信する集積回路と、
    前記マイクロプロセッサによって有効に制御されるモータ制御半導体装置と、を有し、
    前記バッテリパックがコードレス電動工具に係合され、前記電動工具のトリガが初期作動されると、前記マイクロプロセッサが全てのセルの個々のセル電圧を順次測定するように前記集積回路に指示し、
    前記決定された個々のセル電圧が所定の電圧閾値と比較して許容可能である場合、前記マイクロプロセッサが、バッテリ電流が前記電動工具のモータへ流れることができるようにするために、前記モータ制御半導体装置にエネルギーを与える、
    ことを特徴とするバッテリパック。
30. 前記トリガが再作動されると、前記セルが前記工具に電流を放電するとき前記パックの個々の各セル電圧を順次監視するよう前記集積回路が前記マイクロプロセッサより指示を受け、
    前記集積回路によって測定され前記マイクロプロセッサに通信されるセル電圧が所定の遮断電圧以下になるまで前記工具モータが前記バッテリパックからの電流で使用可能であり続ける、請求項２９に記載のバッテリパック。
31. 前記集積回路によって測定される任意の個々のセル電圧が所定の遮断電圧以下である場合、前記マイクロプロセッサが前記工具モータへの電流の流れを終了するために前記モータ制御半導体装置へのエネルギー供給を停止する、請求項３０に記載のバッテリパック。
32. 前記トリガが再作動されて、作動アクティブ状態のままである場合、前記マイクロプロセッサが、前記セルが前記工具に電流を放電するとき前記パックの個々の各セル電圧を順次監視するよう前記集積回路に指示し続け、
    全パック電圧が所定の遮断電圧より低くなったら、前記バッテリパックの内部電力消費を減少するために前記マイクロプロセッサが前記集積回路をスリープモードにする、請求項２９に記載のバッテリパック。
33. Ｎは５以上である、請求項２９に記載のバッテリパック。

Images