JP2008541687A - 過放電状態における電池電力管理 - Google Patents

Abstract

電池電力管理装置（ＰＭＵ）を過放電状態において動作させる方法を開示する。更に、電力管理装置（ＰＭＵ）及び電力管理装置（ＰＭＵ）を具えるデバイスを開示する。電力管理装置（ＰＭＵ）は電池および前記電池に接続された安全回路を具えるシステムの一部である。前記電池の安全回路の状態を決定し、前記安全回路がアクティブである間、前記デバイスのオン／オフ制御を不作動にする。これにより、電池がまだそのノーマル動作モードに戻らない時点に、デバイス上で実行されるアプリケーションが、アクティブ状態になる、即ちターンオンすることが避けられる。

Description

本発明は、電池電力管理装置（ＰＭＵ）に関し、特に過放電状態における電池電力管理装置の動作に関する。

携帯電話などの携帯アプリケーション用の電池は、電池を過充電及び過放電から保護する安全回路を内蔵している。安全回路が過放電により駆動されると、内蔵直列スイッチが開放される。その結果、電池は充電しかできなくなる。電池が十分高い電圧に再充電されるときにのみ、安全回路は再びノーマル状態に戻る。しかし、電池がまだノーマル動作モードに戻らないときに携帯アプリケーションがアクティブ状態、即ちターンオンされると、問題が起きる。この場合にはスイッチオン突入電流を供給する電池の緩衝能力が得られない。その結果、アクティブ状態への移行が失敗し、アプリケーションを使用できない。

本発明の目的は電力管理装置を動作させる改善された方法及びシステムを提供することにある。本発明は独立請求項に特定されている。

本発明者は、携帯電話製造業者が、もとの電池より、安全モードからリセットする高い電圧レベルを有する、新たに開発した電池パックを使用する際に問題が生じ得ることに気が付いた。

好適実施例では、最初にデバイスがオフ状態にあることを検出する。デバイスがオフ状態で充電器に接続されるとき、電力管理装置はアクティブ状態であるか、非アクティブ状態である。電力管理装置は規定の電池電圧監視レベル（Ｖbvm）を有する。電力管理装置は、実際の電池電圧がＶbvmを超えるとき、アクティブ状態にスイッチする。電力管理装置は、電力管理装置が安全モードからリセットすべき時点を指示するプリセットリセット電圧も有する。電力管理装置は、電池が充電される間電池の充電を制御し、その電圧（Ｖbat）は上昇する。

本発明は、携帯電話製造業者が、安全モードからリセットする高い電圧レベル（Ｖreset）を有する、新たに開発した電池パックを使用する際に生じる問題を解決するため、本発明の好適実施例は特に有利であるがこれに限定されない。

本発明の他の有利な実施例は、通常の充電回路に加えて、小数の(内部)構成要素のみを用いて実現でき、追加の外部構成要素を必要としない。外部構成要素はコストの増加と物理的空間を必要とするため、追加の外部構成要素を必要としないことは重要である。更に、本発明の方法は、安全スイッチが実際に開いているときにのみ動作するため、デバイスの動作に対してロバストであり、ノーマル動作に何の影響も与えない。更に、本発明の方法は電池状態に関する情報を与えるため、電池状態をユーザに報告することができ、例えばスイッチが開いた状態での電池の充電は通常より長くなるという情報を伝えることができる。更に、本発明の方法は、安全回路の特定のパラメータセットと無関係に、任意の種類の安全回路に適用できる利点を有するとともに、本発明の方法は特定の電池形式の実際のＶresetと無関係に動作する利点を有する。

従属請求項に記載の選択的特徴は本発明の有利な実施例を記載している。

本発明の他の態様によれば、電池電力管理装置及び電池電力管理装置を具えるデバイスが提供され、前記装置及び前記デバイス内の電力管理装置は本発明の第１の態様の方法に従って動作する。一般に、本発明の種々の態様は本発明の範囲内において任意に組み合わせ、結合することができる。

本願発明のこれらの及び他の態様、特徴及び／又は利点は以下に記載する実施例を参照すると明らかになる。

本発明は、携帯電話、ディジタルカメラ、携帯オーディオ／ビデオアプリケーション等の携帯電気デバイスを充電しながら安全スイッチの状態を検出し監視する簡単な方法を開示する。安全スイッチの状態情報は、安全回路がアクティブに維持されている間、デバイスのオン／オフ制御を不作動にするのに使用される。この点に関して重要なことは、安全スイッチが開いること及びそれが再び閉じるとき、これを知ることにある。本発明は、電力管理装置（ＭＰＵ）によりスイッチの状態を定期的に試験させる。スイッチが開であることが検出される限り、電力管理装置はアクティブ状態になることが禁止される。

電池パック内部の安全スイッチが開いるとともに、プリセットリセット電圧Ｖresetが所定の電池電圧監視レベルＶbvmより高い場合には、電力管理装置がアクティブ状態へスイッチする試みは、短い瞬時に流れる大きな突入電流のために、失敗する。これは電池電圧Ｖbatの急降下を生じ、システムはスタンバイ状態に戻る。充電プロセスが、ＶbatがＶbvmに再び到達するまで、再開される。次いでアクティブ状態へスイッチする試みが再び開始する。この状態が無限に繰り返される。安全スイッチが閉じた状態の下では、突入電流が電池から供給され、何の問題も起こらない。

図１は本発明の電力管理装置を適用できる全体システムのセットアップを示す。電力管理装置（ＰＭＵ）は電池パックＢＰに接続される。電力管理装置は複数のシステムチップＳＣ１，ＳＣ２，ＳＣｘにも接続される。充電状態では、電池パックは電力管理装置ＰＭＵを経てＤＣ充電器ＤＣ−Ｃに接続される。電力管理装置内のスイッチがオン／オフ及び充電電流の値を制御する。電力管理装置及びシステムチップは通常同じプリント回路板上にあり、分離できない。電池パック及び壁プラグ（充電器プラグ）はデバイスから取り外せる。

図２は、電力管理装置と一緒に使用される慣用の保護回路図の一例が示されて、図には電池３の周囲に安全回路が示されている。電力管理装置は数個のブロックを具えるワンチップデバイスであり、電池３から物理的に分離される。電池３は、安全回路と一緒に密閉された、一つの物理的ユニットであり、目的のアプリケーション、すなわちデバイスに接続することができる。

保護回路は端子１，２を具え、これらの端子を経て負荷を電池３に接続することができる。安全制御回路ＳＣＣはライン９，１０を経て端子１，２に接続されるため、安全制御回路ＳＣＣは端子１，２間の電圧差を監視することができる。安全制御回路ＳＣＣはライン９，１１を経て電池３にも接続されるため、安全制御回路ＳＣＣは電池３間の電圧差Ｖcellを監視することができる。安全制御回路ＳＣＣはスイッチＴ１，Ｔ２の状態を制御する。

スイッチＴ１の機能は過充電を保護することにあり、スイッチＴ２の機能は過放電を保護することにある。スイッチＴ１，Ｔ２の一つが非導通状態のとき（即ち開のとき）、ノーマル動作が禁止され、この状態では安全回路はアクティブである。両スイッチが導通状態のとき（即ち閉のとき）、安全回路は「リセット」され、「ノーマルモード」になる。スイッチＴ２が非導通状態のとき、その寄生ダイオード７が電池を充電可能である。その結果として、端子電圧Ｖbatはセル電圧Ｖcellより〜０．６Ｖ高くなる。この０．６Ｖは物理的性質により与えられる特性であって、半導体デバイスに使用されるシリコン材料に対する代表値である。スイッチT１及びＴ２は保護回路に集積化できる。

リチウムイオンセル型の電池に対する過放電保護機能の代表的なパラメータレンジは以下の通りである。
Ｖopen Ｔ２が開く場合のセル電圧 ２−３Ｖ
Ｖclose Ｔ２が再び閉じる場合のセル電圧差 ０−0.7Ｖ
Ｖreset Ｔ２が再び閉じる場合の端子電圧 2.6Ｖ−4.3Ｖ

電池パックは密閉され、安全回路の状態への直接アクセスはできない。

図３は、過放電状態において電力管理装置を動作させる実施例のフローチャートを示し、本例では安全回路の状態を決定し、安全回路の状態への直接アクセスが回避される。図３は、電池の充電がデバイスのオン／オフ制御に関連して制御される状態を示している。

充電制御は、ステップ２０において電池充電器が接続されているか検出することにより開始され、それと同時にシステムはスタンバイ状態（エンドユーザに対してオフ状態）になる。

ステップ２１において、電力管理装置の状態が決定され、即ち電池の安全回路の状態が検出される。電力管理装置がアクティブである場合、ライン２２を辿り、システムをステップ２３でアクティブにすることができ、即ちシステムをユーザが必要に応じターンオンすることができる。従って、オン／オフ制御が可能であり、システムは充電処理を完全に制御する。

しかし、電力管理装置が不作動である場合には、ライン２４を辿り、ステップ２５で電池状態が試験される。この試験は、
・ 充電処理を短時間（Ｔtest）の間一時的に停止させ、
・ 電池に試験電流（Ｉtest）を負荷し、
・ Ｖbatを固定の試験電圧（Ｖtest）と照合する、
ステップからなる。

電池端子１，２間の電圧を選択ステップ２６で試験電圧と比較する。Ｖbatが試験電圧より小さい場合、これは安全スイッチＴ２が開であり、システムは開充電状態２００にセットされる。

電池充電ステップ２７において、電池はプリセット時間（Ｔint）の間、制御された充電電流（Ｉoc）で充電される。この方法は所定の充電電流と無関係に働き、所定の充電電流は必要に応じ選択することができる。プリセット時間後に、ライン２８を辿り、安全回路の状態が再試験される。従って、ステップ２５において、電池の充電後に得られた電池端子１，２間の電圧を試験電圧と比較することによって電池状態が試験される。異なる実施例では、電池状態試験は電池充電ステップＣＢ２７の後に実行してもよい。

安全回路の状態は周期的に決定され、電池状態試験後の電池電圧が試験電圧より大きくなるまで、電池の充電が繰り返され、試験電圧より大きくなると、ライン２９を辿る。その閾値は精密である必要はない。開いた安全スイッチは状態試験後にほぼ零のＶbatを生じる。閉じたスイッチは状態試験後にＶtestより大きい電圧を生じる。試験電圧はリチウムイオンセルに対して通常２．２Ｖ又はそれより大きい値にする。Ｖbat＞Ｖtestの場合には、システムはプリチャージ状態２０１に入る。電圧Ｖbat＞Ｖtestは安全スイッチＴ２を閉じることを直接指示し、従って開充電状態２００は試験が安全スイッチの閉成を示すときにのみ中止される。

プリチャージ状態２０１では、電池は、ステップ２０２において、電池端子間の電圧が所定の電池電圧監視レベルＶbvmに達するまで規定の電流Ｉpcで充電される。ＶbatがＶbvmに等しくなると、電力管理装置はアクティブ状態２０３に入り、システムをアクティブにすることができ、即ちオン・オフ制御を行うことができる。

図４は充電サイクル中における電池電圧Ｖbatの時間展開の一例を図式的に示す。安全スイッチは開始時に開いており、即ち過放電状態にあるものとする。電池端子１，２間の電圧Ｖbatはｙ軸に沿って示し、ｘ軸３１は時間軸ｔを示す。

電池電圧の展開は８つの一連の事象Ａ−Ｈに関連して説明される。
Ａ）充電器の接続前の実際の電池電圧Ｖbatは、安全スイッチが開のとき通常０Ｖである。電池電圧は必ずしも積極的に０Ｖに引き下げる必要はない。履歴に応じてフローティングにしてもよい。
Ｂ）充電器を接続する（ステップ２０）。電池状態試験２５はＶbat＝０Ｖをもたらす。
Ｃ）電池は充電ステップ２７で充電され、電池電圧は上昇する。次に、電池状態が新たに試験される。電池状態試験中、充電は短時間の間停止され、小負荷が電池に接続される。スイッチＴ２は開いているため、負荷は電圧を零にし（３２）、電池の充電が継続する（２７）。初期電圧は電池のセル電圧＋順方向バイアスダイオード７の電圧である。
Ｄ）電池状態試験後の電池電圧がＶtest以下であるかぎり、試験２５がＴintの時間インバータで周期的に繰り返される（２８）。
Ｅ）電池電圧Ｖbatが電圧Ｖresetに達するとき、安全スイッチＴ２は閉じる。
Ｆ）スイッチＴ２が閉じる結果、電圧Ｖbatは〜０．６Ｖ低下する。
Ｇ）スイッチＴ２が閉じるため、電池電圧は殆ど低下しない。電池セル３は今や電流Ｉtestを供給することができ、従ってＶbatはＶtestより高いままになる。（３３）。この試験は最終電池状態試験であり、プリチャージ状態を開始する。
Ｈ）Ｖbvmレベルに到達し、システムはアクティブ状態に進む。突入電流のためにＶbatに小さいディップが生じるが、これは電池から供給される。

本発明を好適実施例と関連して説明したが、本発明はここに記載した特定の実施例に限定されず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

本明細書において、開示の実施例の特定の詳細は発明を限定するためではなく発明の明確で完全な理解を与える目的のために記載されている。しかし、本発明は、当業者によって、特許請求の範囲により特定される範囲から逸脱することなく、ここに詳述された実施例と異なる他の実施例に実現することが容易にできることを理解すべきである。更に、この点に関連して、説明を簡潔且明確するため、公知の装置、回路及び方法の詳細な説明を省略して不必要な詳細及び混同を回避するようにした。

特許請求の範囲に参照符号が挿入されているが、参照符号の挿入は明瞭のためであり、請求の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。「具えている」および「具える」などの単語は、請求項あるいは本明細書に列記されていない要素またはステップの存在を除外するものではない。単数形で述べる要素は複数の要素を除外するものではない。本発明はいくつかの個別素子を具えるハードウェアによって、及び／又は、適切にプログラムされたプログラムによって実現してもよい。いくつかの手段を列挙している装置請求項において、これらの手段のいくつかは、ハードウェアあるいはソフトウェアの同一の要素によって具現化できる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に引用されているが、このことは、これらの手段の組合せが有利に使用できないことを示すものではない。

本発明の電力管理装置を提供し得る全体システムのセットアップを示す。 電力管理装置用に慣用されている保護回路の一例を示す。 本発明の一実施例のフローチャートを示す。 充電サイクル中における電池電圧の時間展開の一例を図式的に示す。

Claims (8)

1. 電池および前記電池に接続された安全回路を具えるシステムの一部である電池電力管理装置を過放電状態において動作させる方法であって、
   前記電池により給電されるデバイスのオフ状態を検出するステップと、
   前記電力管理装置の状態を検出するステップと、
   前記電池の安全回路の状態を決定するステップとを具え、
   前記安全回路がアクティブである間、前記デバイスのオン／オフ制御を不作動にする、
   ことを特徴とする電池電力管理装置の動作方法。
2. 前記安全回路の状態は、前記電池の充電を停止させ、次いで前記電池に試験電流を負荷し、得られた電池電圧を試験電圧と比較することによって決定することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記試験電流はプリセット時間間隔中に供給することを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記デバイスのオン／オフ制御は、前記電池電圧が前記試験電圧より低い間不作動に維持され、且つ前記デバイスのオン／オフ制御は、前記電池電圧が前記試験電圧以上である間アクティブにされることを特徴とする請求項２記載の方法。
5. 前記安全回路がアクティブ状態にある間、前記安全回路の状態をプリセット時間周期で周期的に決定することを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記安全回路の状態がアクティブであることが決定されると、前記システムをアクティブ状態に設定する前に、前記電池をプリセットレベルまでプリチャージすることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 電池及び前記電池に接続された安全回路と電気的に接続可能な電池電力管理装置であって、
   前記電池により給電されるデバイスのオフ状態を検出するオン／オフ検出器と、
   前記電力管理装置の状態を検出する電力管理状態検出器とを具え、
   前記電池の安全回路の状態を決定し、前記安全回路がアクティブである間、前記デバイスのオン／オフ制御を不作動にするように構成された電池電力管理装置。
8. 電池と、前記電池に接続された安全回路と、前記電池及び前記安全回路と電気的に接続された請求項７に記載された電池電力管理装置とを具えるデバイス。

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