JP2011083187A - バッテリを流れる電流を制御するための回路及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリを流れる電流を制御するための回路及び方法を提供すること。
【解決手段】バッテリを流れる電流を制御するための回路は、ドライバと、該ドライバに結合されたフィルタとを備える。上記ドライバは、バッテリを流れる電流を制御するために、第１動作モードでパルス信号を発生させ、第２動作モードで第１信号を発生させる。上記フィルタは、第１動作モードにおいて、上記パルス信号をフィルタリングし、上記パルス信号のデューティサイクルに基づき上記バッテリに直列接続されたスイッチのオン抵抗を調整する。上記フィルタは、第２動作モードにおいて、上記第１信号を受け取り、線形領域で上記スイッチを駆動するための第２信号を供給する。
【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリを流れる電流を制御するための回路及び方法に関する。

現在、例えばリチウムイオン電池などのバッテリは、ノートブックコンピュータ、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、動力工具(power tool)などのような種々の電子機器に電力を供給するために広く使用されている。バッテリパックの充電及び／又は放電を制御するために、典型的には回路が使用される。

図１は、バッテリパックの充電および放電を制御するための従来回路１００を示す。このバッテリパックは、バッテリ１１０と端子ＰＡＣＫ＋及びＰＡＣＫ−を備える。回路１００は、放電用ＭＯＳＦＥＴ(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)１４２、充電用ＭＯＳＦＥＴ１２２、トリクル放電用ＭＯＳＦＥＴ１４４、トリクル充電用ＭＯＳＦＥＴ１２４、抵抗１８４、抵抗１８６、保護回路（例えば、保護集積回路（ＩＣ））１６０を備える。

充電期間中には、充電器が端子ＰＡＣＫ＋及びＰＡＣＫ−に結合されてバッテリ１１０を充電する。通常の充電モードでは、充電用ＭＯＳＦＥＴ１２２は充電電流を制御する。トリクル充電モードでは、例えば、バッテリ１００からの電流の引き出しが過剰になる場合、トリクル充電用ＭＯＳＦＥＴ１２４が完全にオン状態になって、バッテリ１１０を充電するのに比較的小さい電流を許容し、バッテリパックがダメージを受けることを防止する。抵抗１８６は、トリクル充電モードにおける充電電流のレベルを制限するために使用される。典型的には、トリクル充電モードにおける充電電流はトリクル充電電流と呼ばれる。

放電期間中には、バッテリ１１０は、端子ＰＡＣＫ＋及びＰＡＣＫ−に結合された負荷に給電するために放電される。放電用ＭＯＳＦＥＴ１４２は、通常の放電モードにおいて放電電流を制御する。トリクル放電モードでは、例えば、負荷に対して開回路または短絡回路が発生したときに、負荷に対する突入電流を回避するため、または負荷の状態を検出するために、トリクル放電ＭＯＳＦＥＴ１４４は、完全にオン状態になって、比較的小さい放電電流が負荷に流れ込むことを許容する。抵抗１８４は、トリクル放電モードにおいて放電電流を制限するために使用される。典型的には、トリクル放電モードにおける放電電流はトリクル放電電流と呼ばれる。

少なくとも４個のＭＯＳＦＥＴが使用されるので、回路１００のコストは比較的高くなる。その上、ＭＯＳＦＥＴ１２２，１２４，１４２，１４４のそれぞれは、ドライバブロック１６２における個々のドライバによって個別に駆動される。換言すれば、ドライバブロック１６２は、多数のドライバを備える必要があり、保護ＩＣ１６０（それには、ドライバブロック１６２が組み込まれている）はＭＯＳＦＥＴを駆動するための多数のピンを備え、それは保護ＩＣ１６０のコストを増加させる。更に、バッテリ１１０の端子間の電圧は、トリクル充電が進むにつれて増加し、従って抵抗１８６の端子間の電圧は低下する。よって、トリクル充電電流は減少し、このことは、一層長い充電過程をもたらす。

一実施形態において、バッテリを流れる電流を制御するための回路は、ドライバと、前記ドライバに結合されたフィルタとを備える。前記ドライバは、第１動作モードにおいてパルス信号を発生させ、そして第２動作モードにおいて第１信号を発生させて前記バッテリを流れる前期電流を制御することができる。前記フィルタは、前記パルス信号をフィルタリングして、前記第１動作モードにおける前記パルス信号のデューティサイクルに基づいて前記バッテリと直列のスイッチのオン抵抗を調整するためのフィルタリングされたＤＣ信号を供給することができる。前記フィルタは、前記第１信号を受信して、そして、前記第２動作モードにおいて線形領域で前記スイッチを駆動するための第２信号を供給することができる。

本願請求項に記載された主題の実施形態の特徴および利点は、以下の詳細な説明の進行に従って明らかになり、図面の参照において、同様の番号は同様の要素を表わす。

バッテリパックの充電および放電を制御するための従来回路を示す図である。 本発明の一実施形態によるバッテリを流れる電流を制御するためのブロック構成を示す図である。 本発明の一実施形態によるバッテリの充電を制御するための回路を示す図である。 本発明の他の実施形態によるバッテリの充電を制御するための回路を示す図である。 本発明の他の実施形態によるバッテリの充電を制御するための回路を示す図である。 本発明の一実施形態によるバッテリの放電を制御するための回路を示す図である。 本発明の一実施形態によるバッテリシステムを示す図である。 ほはの一実施形態によるバッテリを流れる電流を制御するための方法のフローチャートを示す図である。

本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明は、これらの実施形態とともに説明されるが、それらは、本発明がそれらの実施形態に限定されることを意図したものではないことが理解されるであろう。逆に本発明は、代替物、変形物および均等物にまで及ぶものであり、それらは添付の請求項により規定されるような本発明の精神および範囲に含まれる。

更に、本発明の以下の詳細な説明において、多くの特定的な詳細は、本発明の完全な理解を提供するために述べられる。しかしながら、当業者であれば、本発明がこれらの特定の詳細によらずに実施できることを理解するであろう。また、公知の方法、手順、構成要素、及び回路は、本発明の態様を不必要に不明確にしないために、詳細に説明しない。

本発明による実施形態は、バッテリを流れる電流、例えば充電電流または放電電流を制御するための回路を提供する。一実施形態において、回路におけるドライバは、バッテリと直列に結合されたスイッチ、例えば充電スイッチまたは放電スイッチを制御するための駆動信号を発生させる。上記回路は、バッテリを充電または放電させるために、第１動作モード（例えば、トリクル充電モードまたはトリクル放電モード）または第２動作モード（例えば、通常充電モードまたは通常放電モード）で選択的に動作することができる。第１動作モードでは、上記駆動信号は、パルス信号、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を含むことができる。フィルタは、上記ＰＷＭ信号をフィルタリングし、上記スイッチのオン抵抗を調整するために実質的に一定のレベルを有するフィルタリングされたＤＣ信号を供給することができる。第１動作モードにおいて上記バッテリを流れる電流（例えば、トリクル充電電流またはトリクル放電電流）は、上記ＰＷＭ信号のデューティサイクルによって定められる。有利には、上記トリクル充電および通常充電は、同一の充電スイッチを介して制御されることができ、トリクル放電および通常放電は、同一の放電スイッチを介して制御されることができる。従って、上記回路のコストを低減することができる。

図２は、本発明の一実施形態によるバッテリを流れる電流を制御するための回路２００のブロック図を示す。図２の実施形態において、回路２００は、スイッチ（例えばＭＯＳＦＥＴ）２４０、ドライバ２２０、フィルタ２６０を備える。バッテリパックは、バッテリ２１０と、端子ＰＡＣＫ＋およびＰＡＣＫ−を備える。図２には一つのバッテリセルが示されているが、バッテリ２１０は、複数のバッテリセルを含むことができる。スイッチ２４０は、バッテリ２１０と直列に結合され、バッテリ２１０を流れる電流（例えば充電電流または放電電流）を制御する。一実施形態において、回路２００は、バッテリパックに組み込まれることができる。

ドライバ２２０は、フィルタ２６０を介してスイッチ２６０を制御することができ、これにより、バッテリ２１０を流れる電流を制御する。動作において、制御信号２３２がドライバ２２０に入力される。ドライバ２２０は、上記制御信号２３２に基づいて駆動信号２３６を発生させることができる。一実施形態において、バッテリ２１０の動作は、少なくとも、駆動電流２３６に基づいて第１動作モード（例えばトリクル充電モードまたは通常充電モード）と第２動作モード（例えばトリクル放電モードまたは通常放電モード）との間で切り換えられることができる。第１動作モードでは、駆動信号２３６は、パルス信号、例えばＰＷＭ（パルス幅変調）信号であり得る。フィルタ２６０は、上記パルス信号をフィルタリングして、スイッチ２４０を制御するためのフィルタリングされた信号を発生させる。上記フィルタリングされた信号は、実質的に一定であることができる。本実施形態では、「実質的に一定」は、電子的構成要素の非同一性(unideality)に起因して信号が僅かに一定とはならないが、この信号によって駆動されるスイッチが比較的安定したオン抵抗を有することを意味する。より具体的には、フィルタリングされたＤＣ信号は、第１動作モードにおいて上記パルス信号のデューティサイクルに基づいてスイッチ２４０のオン抵抗を調整する。従って、スイッチ２４０は、飽和領域で動作する。一実施形態において、駆動信号２３６は、第２動作モードでは、第１ＤＣ信号（例えば論理１）であり得る。フィルタ２６０は、上記第１ＤＣ信号を受け取って、スイッチ２４０を駆動するための第２ＤＣ信号を供給する。より具体的には、第２ＤＣ信号は、線形領域、例えばスイッチ２４０が完全にオン状態になる領域でスイッチ２４０を制御する。従って、第１動作モードにおいてバッテリ２１０を流れる電流は、第２動作モードにおいてバッテリ２１０を流れる電流よりも少ない。代替的に、第２動作モードにおいて、駆動信号２３６は、パルス信号、例えばＰＷＭ信号であり得る。一実施形態において、ＰＷＭ信号である駆動信号２３６は、フィルタ２６０を通過することなく、線形領域で直接的にスイッチ２４０を制御することができる。

一実施形態において、第１動作モードはトリクル充電モードであることができ、第２動作モードは通常充電モードであることができる。従って、スイッチ２４０（充電スイッチ）を制御することにより、バッテリ２１０は、トリクル充電電流または通常充電電流によって充電されることができる。トリクル充電電流は、駆動信号２３６のデューティサイクルにより調整される。他の実施形態では、第１動作モード、トリクル放電モードであることができ、第２動作モードは通常放電モードであることができる。したがって、スイッチ２４０（放電スイッチ）を制御することにより、トリクル放電電流または通常放電電流により放電されることができる。トリクル放電電流は、駆動信号２３６のデューティサイクルにより調整される。

有利には、通常充電とトリクル充電の両方において、同一の充電スイッチを使用することができる。同様に、通常放電とトリクル放電の両方において、同一の放電スイッチを使用することができる。低減された個数のスイッチは、低減された個数のドライバと、このドライバ２２０が組み込まれて低減されたピン数の保護ＩＣをもたらすことができる。結果として、回路２００のコストが低減される。さらに、トリクル充電／放電電流は、種々のアプリケーションにおけるバッテリの安全な使用の達成を支援するように調整されることができる。

図３は、本発明の一実施形態によるバッテリの充電を制御するための回路３００の回路図を示す。図３の例では、回路３００は、スイッチ３４０、ドライバ３２０、およびフィルタを備える。
充電スイッチ３４０は、ＰＭＯＳＦＥＴから構成されることができる。ＰＭＯＳＦＥＴ３４０のドレイン及びソースは、それぞれ、バッテリ２１０の制御端子および端子ＰＡＣＫ＋に結合される。ＰＭＯＳＦＥＴ３４０のゲートはドライバ３２０に結合される。

ドライバ３２０は、モード選択信号３３４および制御信号３３２を受け取って、駆動信号３３６を発生させる。モード選択信号３３４は、通常充電モードとトリクル充電モードとの間でモードを選択することができる。通常充電モードでは、制御信号３３２は、実質的に一定のＤＣ信号（例えば論理１）であり得る。しかしながら、本発明は、それに限定されるものではなく、通常充電モードにおいて、制御信号３３２は、また、パルス信号（例えばＰＷＭ信号）であり得る。トリクル充電モードでは、制御信号３３２は、調整可能なデューティサイクルを有するＰＷＭ信号であり得る。フィルタ（例えば、抵抗３２７，３６２，３６６、キャパシタ３６４、および充電スイッチ３４０のゲートキャパシタンスを備える）は、ドライバ３２０から駆動信号３３６を受け取り、充電スイッチ３４０を制御するための平滑化されたＤＣ信号を供給する。充電スイッチ３４０は、通常充電モードおよびトリクル充電モードにおいて、それぞれ、線形領域および飽和領域で動作する。

図３の例では、ドライバ３２０は、ＯＲゲート３２８、バッファ３２４、ＰＭＯＳＦＥＴ３２２、ＮＭＯＳＦＥＴ３２６、抵抗３２７を備える。制御信号３３２は、バッファ３２４およびＯＲゲート３２８に入力される。モード選択信号３３４は、ＯＲゲート３２８に入力される。駆動信号３３６はドライバ３２０によって発生され、フィルタに出力される。

上記フィルタは、１次フィルタおよび２次フィルタを含むことができる。図３の例では、１次フィルタは、抵抗３２７，３６２，３６６とキャパシタ３６４によって構成される。２次フィルタは、抵抗３２７，３６２，３６６と、充電スイッチ３４０のゲートキャパシタンスによって構成される。抵抗３６６は、充電スイッチ３４０のゲートとソースとの間に結合される。従って、抵抗３６６での電圧降下は、充電スイッチ３４０のゲート・ソース電圧Ｖ_ｇｓを制御することができる。一実施形態において、抵抗３６６での電圧降下は、充電スイッチ３４０のゲート・ソース電圧Ｖ_ｇｓと等価である。

一実施形態において、トリクル充電モードでは、モード選択信号３３４は、実質的に一定のＤＣ電圧、例えば論理１（ハイレベル）に設定され、制御信号３３２はＰＷＭ信号である。この例では、ＯＲゲート３２８の出力は、ＰＭＯＳＦＥＴ３２２をターンオフさせるような論理１（ハイレベル）である。制御信号３３２は、ＰＷＭ信号であり、ＮＭＯＳＦＥＴ３２６を駆動するためにバッファ３２４を通る。このように、ノード３２９は、方形波の形式で駆動信号３３６を出力する。換言すれば、ノード３２９は、また、ＰＷＭ信号を出力する。さらに、ＰＷＭ信号である駆動信号３３６のデューティサイクルは、制御信号３３２のデューティサイクルによって定められる。

フィルタは、駆動信号３３６の方形波を平滑化して、低減されたリップルを有する平滑化されたＤＣ電圧を発生させる。一実施形態において、１次フィルタおよび２次フィルタを含む上記フィルタは、ＰＷＭ信号である駆動信号３３６を平滑化して、実質的に一定のＤＣ電圧信号３７０を発生させる。一実施形態において、ＤＣ電圧信号３７０は、抵抗３６６での電圧降下であり、それは、充電スイッチ３４０のゲート・ソース電圧Ｖ_ｇｓを制御することができる。

一実施形態において、ＤＣ電圧信号３７０は、飽和領域で動作するように充電スイッチ３４０を駆動し、ここで、充電スイッチ３４０を流れる電流は、充電スイッチ３４０の電圧Ｖ_ｇｓによって定められる。換言すれば、充電スイッチ３４０のオン抵抗は、抵抗３６６でのＤＣ電圧信号３７０を調節(regulate)することにより調整されることができ、この抵抗３６６でのＤＣ電圧信号３７０は、充電スイッチ３４０のゲート・ソース電圧Ｖｇｓと等価な電圧を有する。一実施形態において、ＤＣ電圧信号３７０は、駆動信号３３６のデューティサイクルによって定められ、さらにそれは制御信号３３２のデューティサイクルによって定められる。このように、トリクル充電モードでは、充電スイッチ３４０を流れるトリクル充電電流は制御信号３３２のデューティサイクルによって定められる。

バッテリ２１０の端子間の電圧は、トリクル充電が進むにつれて上昇する。バッテリ２１０での電圧が所定値に到達すると、バッテリ２１０の充電は、通常充電モードに切り換えられることができる。一実施形態において、通常充電モードでは、制御信号３３２は、実質的に一定のＤＣ電圧、例えば論理１（ハイレベル）に設定され、モード選択信号３３４は、実質的に一定のＤＣ電圧、例えば論理０（ロウレベル）に設定される。この例では、ＯＲゲート３２８の出力は、ＰＭＯＳＦＥＴ３２２をターンオフさせるような論理１（ハイレベル）である。論理１である制御信号３３２は、バッファ３２４を通じてＮＭＯＳＦＥＴ３２６をターンオンさせる。このように、ＤＣ電圧信号３７０の電圧は、充電スイッチ３４０のゲート・ソース電圧Ｖ_ｇｓに等しく、次の式（１）によって与えることができる。
V₃₇₀ = V_gs = V_PACK+*R₁/(R₁+R₂+R₃) (1)
ここで、Ｖ_３７０は、ＤＣ電圧信号３７０の電圧であり、Ｖ_{ＰＡＣＫ＋}は、端子ＰＡＣＫ＋での電圧であり、Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３は、それぞれ、抵抗３６６，３６２，３２７の抵抗である。一実施形態において、ＤＣ電圧信号３７０は、線形領域で（完全にオン状態で）動作するように充電スイッチ３４０を駆動する。

他の実施形態において、制御信号３３２はＰＷＭ信号であり、モード選択信号３３４は、通常動作モードでは、実質的に一定のＤＣ電圧、例えば論理１（ハイレベル）に設定される。この例では、ＯＲゲート３２８の出力は、ＰＭＯＳＦＥＴ３２２をターンオフさせるような論理１（ハイレベル）である。制御信号３３２は、ＰＷＭ信号であり、バッファ３２４を通してＮＭＯＳＦＥＴ３２６を駆動する。このように、ノード３２９は、駆動信号３３６、例えばＰＷＭ信号を出力する。一実施形態において、通常充電モードでは、駆動信号３３６は、抵抗３６２およびキャパシタ３６４を通ることなく、線形領域で（例えば完全オン状態で）充電スイッチ３４０を直接的に制御することができる。

一実施形態において、バッテリ２１０の充電を終了させるために、制御信号３３２は論理０（ロウレベル）に設定され、そしてモード選択信号３３４は論理０（ロウレベル）に設定される。この例では、ＯＲゲート３２８の出力は、ＰＭＯＳＦＥＴ３２２をターンオンさせるような論理０（ロウレベル）である。従って、ＰＭＯＳＦＥＴ３２２のターンオン抵抗は、比較的小さく、抵抗３６２および抵抗３６６と並列に結合される。このように、ＰＭＯＳＦＥＴ３２２、抵抗３６２，３６６、キャパシタ３６４を備える回路のＲＣ時定数は比較的小さい。その結果、充電スイッチ３４０を駆動するゲート・ソース電圧は、充電スイッチ３４０を比較的速やかにターンオフさせるような或る電圧に減少することができる。

一実施形態において、抵抗３６２，３６６の抵抗値およびキャパシタ３６８の容量値は、ＤＣ電圧信号３７０のリップルを更に低減するために、充電スイッチ３４０のゲート容量値とＰＷＭ信号の周波数に応じて調整されることができる。

有利には、バッテリ２１０の通常充電およびトリクル充電は、制御信号３３２に従って同一の充電スイッチ３４０によって制御される。充電スイッチ３４０を制御するために単一のドライバ３２０が使用される。このようにして、回路３００のダイ面積(die area)およびコストを低減することができる。さらに、バッテリパックの放電は、図３に関して説明したものと同様の構成を採用することにより制御されることができ、これにより、バッテリ放電を制御するために回路のコストを低減することができる。

図４は、本発明の他の実施形態によるバッテリの充電を制御するための回路４００を示す。図３におけるものと同じ符号が付された要素は、同様の機能を有する。図４の例では、充電回路４００は、充電スイッチ３４０、ドライバ４２０、およびフィルタを備える。

図４の例では、ドライバ４２０は、ＯＲゲート３２８、ゲート３２４、ＰＭＯＳＦＥＴ３２２、ＮＭＯＳＦＥＴ３２６、抵抗３２７、インバータゲート４２４、ＮＯＲゲート４２８、およびＮＭＯＳＦＥＴ４２６を備える。制御信号３３２は、ＯＲゲート３２８、ゲート３２４、およびインバータゲート４２４に入力される。モード選択信号３３４は、ＯＲゲート３２８およびＮＯＲゲート４２８に入力される。インバータゲート４２４は、信号をＮＯＲゲート４２８に出力する。ＮＭＯＳＦＥＴ４２６のドレイン及びソースは、それぞれ、ノード３２９及びＮＭＯＳＦＥＴ３２６のソースに結合される。ＮＭＯＳＦＥＴ４２６のゲートはインバータゲート４２８に結合される。

トリクル充電の動作は図３における例と同様であり、ここでは詳細に説明しない。有利には、一実施形態において、通常充電モードでは、インバータゲート４２４、ＮＯＲゲート４２８、およびＮＭＯＳＦＥＴ４２６を使用することにより、充電スイッチ３４０が比較的速やかにターンオンされる。通常充電モードでは、制御信号３３２は、実質的に一定の電圧、例えば論理１（ハイレベル）に設定され、モード選択信号３３４は、実質的に一定の電圧、例えば論理０（ロウレベル）に設定される。従って、ＮＯＲゲート４２８の出力電圧はハイに駆動される。よって、ＮＭＯＳＦＥＴ４２６のゲート電圧は、ＮＭＯＳＦＥＴ４２６をターンオンさせるようなハイに駆動される。ＮＭＯＳＦＥＴ４２６のターンオン抵抗は、比較的小さく、抵抗３２７およびＮＭＯＳＦＥＴ３２６のターンオン抵抗と並列に結合される。従って、抵抗３２７、ＮＭＯＳＦＥＴ３２６，４２６、抵抗３６２，３６６、およびキャパシタ３６４を備える回路のＲＣ時定数は比較的小さい。このように、充電スイッチ３４０を駆動するゲート・ソース電圧は、比較的速やかに増加して充電スイッチ３４０をターンオンさせる。

一実施形態において、図４に関して述べたものと同様の構成を採用することにより、放電スイッチが比較的速やかにターンオンされることができる。

図５は、本発明の他の実施形態によるバッテリの充電を制御するための回路５００を示す。図３におけるものと同様の符号が付された要素は同様の機能を有している。図５の実施形態では、充電回路５００は、充電スイッチ５４０、ドライバ３２０、フィルタ、スイッチ５４２、および抵抗５６６，５６２を備える。一実施形態において、スイッチ５４２は小信号モデルＭＯＳＦＥＴであり、充電スイッチ５４０はパワーＭＯＳＦＥＴである。

図５の例では、充電スイッチ５４０はＮＭＯＳＦＥＴから構成される。ＮＭＯＳＦＥＴ５４０のソース及びドレインは、それぞれ、端子ＰＡＣＫ−およびバッテリ２１０の負端子に結合される。ＮＭＯＳＦＥＴ５４０のゲートは、抵抗５６２及び抵抗５６６の接続ノードに結合される。

図５の例では、スイッチ５４２はＰＭＯＳＦＥＴから構成される。ＰＭＯＳＦＥＴ５４２のソース及びドレインは、それぞれ、端子ＰＡＣＫ＋及び充電スイッチ５４０に結合される。スイッチ５４２のゲートは、抵抗３２７，３６２，３６６、キャパシタ３６４、スイッチ５４２のゲートキャパシタンスから構成されるフィルタに結合される。制御信号３３２は、スイッチ５４２および充電スイッチ５４０を制御することができる。

一実施形態において、トリクル充電モードでは、モード選択信号３３４は、実質的に一定の電圧、例えば論理１（ハイレベル）に設定され、制御信号３３２はＰＷＭ信号である。従って、駆動信号３３６もまたＰＷＭ信号である。フィルタは、駆動信号３３６をフィルタリングして、図３におけるＤＣ電圧信号３７０と同様の、実質的に一定のＤＣ電圧信号５７０を供給することができる。図５の例では、ＤＣ電圧信号５７０は、抵抗３６６の端子間の電圧であり、スイッチ５４２のゲート・ソース電圧Ｖ_ｇｓに等しい電圧レベルを有する。一実施形態において、ＤＣ電圧信号５７０は、飽和領域でスイッチ５４２を駆動することができる。スイッチ５４２を流れる電流は、制御信号３３２のデューティサイクルによって定められる。スイッチ５４２を流れる電流は抵抗５６２に流れるので、充電スイッチ５４０のゲート・ソース電圧Ｖ_ｇｓに等しい抵抗５６２の端子間の電圧は、制御信号３３２のデューティサイクルによって定められる。一実施形態において、抵抗５６２の端子間の電圧は、飽和領域で充電スイッチ５４０を駆動することができる。このように、トリクル充電モードでは、充電スイッチ５４０を流れるトリクル充電電流は、制御信号３３２のデューティサイクルによって定められる。

一実施形態において、通常充電モードでは、制御信号３３２は、実質的に一定の電圧、例えば論理１（ハイレベル）に設定され、モード選択信号３３４は、実質的に一定の電圧、例えば論理０（ロウレベル）に設定される。この例では、ＯＲゲート３２８の出力は、ＰＭＯＳＦＥＴ３２２をターンオフさせるような論理１（ハイレベル）に設定される。論理１の制御信号３３２は、バッファ３２４を通じてＮＭＯＳＦＥＴ３２６をターンオンさせる。従って、抵抗３６６の端子間で実質的に一定のＤＣ電圧信号５７０が発生される。一実施形態において、ＤＣ電圧信号５７０は、線形領域でスイッチ５４２を駆動することができる。スイッチ５４２を流れる電流は、抵抗５６２の端子間に電圧降下を発生させることができる。一実施形態において、抵抗５６２の端子間での電圧降下は、線形領域で充電スイッチ５４０を駆動することができる。

他の実施形態において、制御信号３３２はＰＷＭ信号であり、モード選択信号３３４は、通常充電モードでは、実質的に一定の電圧、例えば論理１（ハイレベル）に設定される。この例では、ＯＲゲート３２８の出力は、ＰＭＯＳＦＥＴ３２２をターンオフさせるような論理１（ハイレベル）である。制御信号３３２は、ＰＷＭ信号であり、バッファ３２４を通じてＮＭＯＳＦＥＴ３２６を駆動する。このように、ノード３２９は、ＰＷＭ信号である駆動信号３３６を出力する。一実施形態において、通常充電モードでは、駆動信号３３６は、抵抗３６２およびキャパシタ３６４を通ることなく、線形領域で（例えば完全にオン状態で）スイッチ５４２を直接的に制御することができる。スイッチ５４２を流れる電流は、抵抗５６２の端子間に電圧降下を発生させることができる。一実施形態において、抵抗５６２の端子間の電圧降下は、線形領域で充電スイッチ５４０を駆動することができる。

一実施形態において、放電スイッチは、ＮＭＯＳＦＥＴから構成されることができ、バッテリの放電は、図５に関して述べたものと同様の構成を採用することにより制御されることができる。

図６は、本発明の一実施形態によるバッテリの放電を制御するための回路６００を示す。図３におけるものと同様の符号が付された要素は同様の機能を有している。図６の例では、回路６００は、放電スイッチ６４０、ドライバ６２０、およびフィルタを備える。放電スイッチ６４０はＮＭＯＳＦＥＴから構成される。ＮＭＯＳＦＥＴ６４０のドレインおよびソースは、それぞれ、端子ＰＡＣＫ−およびバッテリ６１０の負端子に結合される。このＮＭＯＳＦＥＴのゲートはドライバ６２０に結合される。

図６の例では、ドライバ６２０は、ＮＯＲゲート６２８、インバータゲート６２４、ＮＭＯＳＦＥＴ６２２、ＰＭＯＳＦＥＴ６２６、および抵抗６２７を備える。制御信号６３２は、インバータゲート６２４およびＮＯＲゲート６２８に入力される。モード選択信号６３４はＮＯＲゲート６２８に入力される。駆動信号６３６は、ドライバ６２０によって発生されて、抵抗６２７，３６２，３６６、キャパシタ３６４、および放電スイッチ６４０のゲートキャパシタンスから構成されるフィルタに出力される。

一実施形態において、トリクル放電モードでは、モード選択信号６３４は、実質的に一定のＤＣ電圧、例えば論理１（ハイレベル）に設定され、制御信号６３２はＰＷＭ信号である。この例では、ドライバ６２０は、方形波の形式でノード６２９に駆動信号６３６を出力する。換言すれば、駆動信号６３６は、制御信号６３２のデューティサイクルによって定められる。

上記フィルタは、ＰＷＭ信号の駆動信号６３６をフィルタリングして、実質的に一定のＤＣ電圧信号６７０を供給する。図６の例では、ＤＣ電圧信号６７０は、抵抗３６６の端子間の電圧であり、従って放電スイッチ６４０のゲート・ソース電圧Ｖ_ｇｓに等しい電圧を有する。一実施形態において、ＤＣ電圧信号６７０は、飽和領域で放電スイッチ６４０を駆動し、ここで、放電スイッチ６４０を流れる電流は、ＤＣ電圧信号６７０によって定められる。ＤＣ電圧信号６７０は、駆動信号６３６のデューティサイクルによって定められ、それはさらに制御信号６３２のデューティサイクルによって定められる。このように、トリクル放電モードでは、放電スイッチ６４０を流れるトリクル放電電流は、制御信号６３２のデューティサイクルによって定められる。

トリクル放電が進むにつれて、バッテリ６１０の電圧が所定値にまで低下すると、バッテリ６１０の放電が通常放電モードに切り換えられることができる。一実施形態において、通常放電モードでは、制御信号６３２は、実質的に一定の電圧、例えば論理１（ハイレベル）に設定され、モード選択信号６３４は、実質的に一定の電圧、例えば論理０（ロウレベル）に設定される。この例では、ＮＭＯＳＦＥＴ６２２はターンオフされ、ＰＭＯＳＦＥＴ６２６がターンオンされることができる。従って、放電スイッチ６４０のゲート・ソース電圧Ｖ_ｇｓに等しい電圧を有する抵抗３６６の端子間の実質的に一定のＤＣ電圧信号６７０が発生されることができる。一実施形態において、ＤＣ電圧信号６７０は、線形領域で放電スイッチ６４０を駆動する。

他の実施形態において、制御信号６３２はＰＷＭ信号であり、通常放電モードでは、モード選択信号６３４は論理１（ハイレベル）に設定される。この例では、ドライバ６２０は、駆動信号６３６、例えばＰＷＭ信号をノード６２９に出力する。一実施形態において、通常放電モードでは、駆動信号６３６は、抵抗３６２及びキャパシタ３６４を通ることなく、線形領域で（例えば完全オン状態で）放電スイッチ６４０を直接的に制御することができる。

一実施形態において、放電スイッチ６４０を比較的速やかにターンオンさせるために、図４のインバータゲート４２４、ＮＯＲゲート４２８、およびＮＭＯＳＦＥＴ４２６から構成される経路と同様の追加の経路がドライバ６３０に追加されることができる。

図７は、本発明の一実施形態によるバッテリシステム７００を示す。図７は、図２、図３、および図６と共に説明される。図７の例において、バッテリシステム７００は、複数のセルを有するバッテリパック７１０、充電スイッチ７４０、放電スイッチ７４２、保護回路７２０、フィルタ７６０，７６２、および抵抗７３０を備える。図７の例では、保護回路７２０は、ドライバユニット７２２、制御ロジック７２４、プロセッサ７２６、モニタリングブロック（例えば、マルチプレクサ（ＭＵＸ））７２８、電圧アナログ／デジタル変換器（ＶＡＤＣ）７２９、および電流アナログ／デジタル変換器（ＣＡＤＣ）７２７を備える。バッテリシステム７００は、端子ＰＡＣＫ＋およびＰＡＣＫ−を介して充電器または負荷と結合されることができる。

保護回路７２０におけるドライバユニット７２２は、充電スイッチ７４０を制御するための充電制御信号（例えば図３における駆動信号３３６）を発生させることができ、これにより、図３において述べたような通常充電モードまたはトリクル充電モードでバッテリパック７１０を充電することができる。同様に、ドライバユニット７２２は、放電スイッチ７４２を制御するための放電制御信号（例えば図６における駆動信号６３６）を発生させることができ、これにより、図６において述べたような通常放電モードまたはトリクル放電モードでバッテリパック７１０を放電させることができる。

一実施形態において、モニタリングブロック７２８は、バッテリパック７１０における個々のセルの状態を示すモニタリング信号を出力することができる。例えば、モニタリングブロック７２８は、バッテリパック７１０における個々のセルの各セル電圧を示すアナログ電圧信号を発生させてＶＡＤＣ７２９に供給する。抵抗７３０は、バッテリパック７１０を流れる電流を示すアナログ電圧信号を生成する。ＶＡＤＣ７２９およびＣＡＤＣ７２７は、それぞれ、上記アナログ信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号をプロセッサ７２６に出力する。プロセッサ７２６は、このデジタル信号に基づいてコマンドを制御ロジック７２４に出力する。プロセッサ７２６に結合された制御ロジック７２４は、ドライバ制御信号（例えば図２における制御信号２３２）を発生させることができ、そして、このドライバ制御信号を、上記コマンドに応答してドライバユニット７２２に供給する。ドライバユニット７２２は、スイッチ７４０およびスイッチ７４２をそれぞれ駆動するための充電制御信号および放電制御信号（例えば図３における駆動信号３３６と、図６における駆動信号６３６）を発生させることができる。フィルタ７６０は、図３に関連して説明したように充電スイッチ７４０を制御するために、上記充電制御信号をフィルタリングして実質的に一定のＤＣ電圧信号を供給することができる。同様に、フィルタ７６２は、図６に関連して説明したように放電スイッチ７４２を制御するために、上記放電制御信号をフィルタリングして実質的に一定のＤＣ電圧信号を供給することができる。

トリクル充電／放電モードにおいて、制御ロジック７２４によって発生されるドライバ制御信号はＰＷＭ信号である。有利には、このＰＷＭ信号のデューティサイクルは、トリクル充電／放電電流を調節(regulate)するために、上記モニタリング信号に基づいて調整されることができる。

一実施形態において、ＰＷＭ信号のデューティサイクルは、バッテリパック７１０を流れるモニタされた電流に基づいて調整されることができる。例えば、もし抵抗７３０によってモニタされる電流が所定の電流Ｉ_ＰＲＥにヒステリシスＩ_ＨＹＳをプラスしたものよりも大きければ、プロセッサ７２６は、制御ロジック７２４にコマンドを出力する。これに応答して、制御ロジック７２４によって発生されるＰＷＭ信号のデューティサイクルが減少されることができる。もし抵抗７３０によってモニタされる電流が、所定の電流Ｉ_ＰＲＥからヒステリシスＩ_ＨＹＳをマイナスしたものよりも小さければ、制御ロジック７２４によって発生されるＰＷＭ信号のデューティサイクルが増加されることができる。一実施形態において、もし上記電流が（Ｉ_ＰＲＥ−Ｉ_ＨＹＳ）から（Ｉ_ＰＲＥ＋Ｉ_ＨＹＳ）の範囲にあれば、上記デューティサイクルは変えられずに維持されるであろう。

他の実施形態において、ＰＷＭ信号のデューティサイクルは、バッテリパック７１０の端子間でモニタされる電圧に基づいて調整されることができる。例えば、もしモニタリングブロック７２８によってモニタされる電圧が増加すれば、トリクル充電モードにおけるＰＷＭ信号のデューティサイクルは増加される。

図８は、本発明の一実施形態によるバッテリを流れる電流、例えば充電電流または放電電流を制御するための方法のフローチャート８００を示す。図８は、図２および図７と組み合わせて説明される。

８０２では、第１動作モード、例えばトリクル充電またはトリクル放電モードにおいてパルス信号が発生される。一実施形態において、ドライバ２２０は、制御信号３３２に基づいて、パルス信号、例えばＰＷＭ信号を発生させることができる。一実施形態において、第１動作モードでは、ドライバ２２０に入力される制御信号２３２は、パルス信号、例えばＰＷＭ信号である。さらに、上記パルス信号のデューティサイクルは、上記制御信号２３２のデューティサイクルによって定められ、バッテリの電流またはバッテリの電圧に基づいて調整されることができる。

８０４では、上記パルス信号は、フィルタリングされたＤＣ信号を供給するために、フィルタリングされる。一実施形態において、上記フィルタリングされたＤＣ信号は、実質的に一定のレベルを有し、それは駆動信号２３６のデューティサイクルによって定められ、さらにそれは制御信号２３２のデューティサイクルによって定められる。

８０６では、バッテリ２１０と直列のスイッチ、例えばスイッチ２４０のオン抵抗が第１モードで調整される。一実施形態において、上記フィルタリングされたＤＣ信号は、スイッチ２４０のゲート・ソース電圧Ｖ_ｇｓを制御することができる。さらに詳しくは、フィルタＤＣ信号は、駆動信号２３６のデューティサイクルに基づいてスイッチ２４０のオン抵抗を調整する。従って、スイッチ２４０は飽和領域で動作し、このスイッチ２４０を流れる電流は、駆動信号２３６のデューティサイクルに応じて調整されることができる。

８０８では、スイッチ、例えばスイッチ２４０は、第２モード、例えば通常充電または通常放電モードで、線形領域で（例えば完全オン状態で）駆動されることができる。一実施形態において、ドライバ２２０は、制御信号２３２に基づいて駆動信号２３６を発生させる。駆動信号２３６は、実質的に一定のＤＣ信号（例えば論理１）であることができる。或いは、駆動信号２３６は、パルス信号、例えばＰＷＭ信号であることができる。従って、飽和領域または線形領域でスイッチ２４０を制御することにより、バッテリ２１０を流れる電流が制御されることができる。有利には、トリクル充電および通常充電は、同一の充電スイッチを介して制御されることができ、トリクル放電および通常放電は、堂居るの放電スイッチを介して制御されることができる。従って、回路のコストを低減することができる。

上述の説明および図面は本発明の実施形態を表すが、添付の請求項において規定されるような本発明の原理の範囲および精神を逸脱することなく、種々の付加、変形および代替が可能であることが理解されるであろう。当業者であれば、本発明が、本発明の実施において使用される形式、構造、配列、比率、材料、素子、構成要素などの多くの修正とともに使用できることを理解し、それは、とりわけ、本発明の原理を逸脱することなく特定の環境および動作要件に採用される。従って、ここに開示された実施形態は、全ての局面において例示的なものであって制限的なものではなく、本発明の範囲は、添付の請求項と、それらの均等物によって示され、前述の実施形態に限定されるものではない。

２００：回路
２１０：バッテリ
２２０：ドライバ
２４０：スイッチ
２６０：フィルタ
３００：回路
３２０：ドライバ
３２２：ＰＭＯＳＦＥＴ
３２４：バッファ
３２６：ＮＭＯＳＦＥＴ
３２７，３６２，３６６：抵抗
３２８：ＯＲゲート
３４０：充電スイッチ（ＰＭＯＳＦＥＴ）
３６４：キャパシタ
４００：回路
４２０：ドライバ
４２４：インバータゲート
４２６：ＮＭＯＳＦＥＴ
４２８：ＮＯＲゲート
５００：回路
５４０：充電スイッチ（ＮＭＯＳＦＥＴ）
５４２：スイッチ
５６２，５６６：抵抗
６００：回路
６１０：バッテリ
６２０：ドライバ
６２２：ＮＭＯＳＦＥＴ
６２４：インバータゲート
６２６：ＰＭＯＳＦＥＴ
６２７：抵抗
６２８：ＮＯＲゲート
６４０：放電スイッチ（ＮＭＯＳＦＥＴ）
７００：バッテリシステム
７１０：バッテリパック
７２０：保護回路
７２２：ドライバユニット
７２４：制御ロジック
７２６：プロセッサ
７２７：電流アナログ／デジタル変換器（ＣＡＤＣ）
７２８：モニタリングブロック（ＭＵＸ）
７２９：電圧アナログ／デジタル変換器（ＶＡＤＣ）
７３０：抵抗
７４０：充電スイッチ
７４２：放電スイッチ
７６０，７６２：フィルタ
ＰＡＣＫ＋，ＰＡＣＫ−：端子

Claims (25)

1. バッテリを流れる電流を制御するための回路であって、
   第１動作モードにおいてパルス信号を発生させるように機能すると共に、第２動作モードにおいて第１信号を発生させるように機能し、前記バッテリを流れる前記電流を制御するドライバと、
   前記ドライバに結合され、前記第１動作モードにおいて、前記パルス信号をフィルタリングし、前記パルス信号のデューティサイクルに基づいて前記バッテリと直列接続された第１スイッチのオン抵抗を調整するための、フィルタリングされたＤＣ信号を供給するように機能し、前記第２動作モードにおいて、前記第１信号を受け取り、前記第１スイッチを線形領域で駆動するための第２信号を供給するように機能するフィルタと
   を備えた回路。
2. 前記第１動作モードにおける前記電流は、前記第２動作モードにおける前記電流よりも小さい請求項１記載の回路。
3. 前記第１動作モードはトリクル充電モードからなり、前記第２動作モードは通常充電モードからなる請求項１記載の回路。
4. 前記第１動作モードはトリクル放電モードからなり、前記第２動作モードは通常放電モードからなる請求項１記載の回路。
5. 前記フィルタは、前記第１スイッチのゲートキャパシタンスと、前記ゲートキャパシタンスに直列接続された抵抗とからなり、前記フィルタリングされたＤＣ信号は実質的に一定である請求項１記載の回路。
6. 前記ドライバは制御信号を受け取り、前記第１動作モードにおいて前記制御信号はパルス幅変調（ＰＷＭ）信号からなり、前記第２動作モードにおいて前記制御信号は実質的に一定のＤＣ信号からなる請求項１記載の回路。
7. 前記ドライバは、前記回路が前記第１動作モードにあるか又は前記第２動作モードにあるかどうかを示すモード選択信号を受け取る請求項１記載の回路。
8. 前記ドライバは制御信号を受け取り、前記第１動作モードにおいて前記制御信号は第１パルス幅変調（ＰＷＭ）信号からなり、前記第２動作モードにおいて前記制御信号は、第２ＰＷＭ信号からなる請求項１記載の回路。
9. 前記ドライバは、
   制御信号を受け取るための第２スイッチと、
   前記第２スイッチに結合され、前記制御信号に応じて、前記第１動作モードにおいて前記パルス信号を供給し、前記第２動作モードにおいて前記第１信号を供給するように機能する抵抗と
   を備えた請求項１記載の回路。
10. 前記制御信号は、前記第１動作モードにおいてＰＷＭ信号からなり、前記第２動作モードにおいて実質的に一定のＤＣ信号からなる請求項９記載の回路。
11. 前記制御信号は、前記第１動作モードにおいて第１ＰＷＭ信号からなり、前記制御信号は、前記第２動作モードにおいて第２ＰＷＭ信号からなる請求項９記載の回路。
12. 前記ドライバは、前記第１スイッチおよび前記フィルタに結合された第３スイッチを更に備え、前記フィルタに結合されたターンオン抵抗を発生させるように機能し、前記第３スイッチは、前記バッテリを流れる前記電流を無効化するためにターンオンされる請求項９記載の回路。
13. 前記ドライバは、前記抵抗および前記第２スイッチと並列接続されたターンオン抵抗を発生させるように機能する第３スイッチを更に備え、前記第３スイッチは、前記バッテリを流れる前期電流を有効化するためにターンオンされる請求項９記載の回路。
14. 前記パルス信号の前記デューティサイクルは、前記バッテリの状態に基づいて調整される請求項１記載の回路。
15. バッテリと、
    前記バッテリに直列接続されたスイッチと、
    前記バッテリおよび前記スイッチに結合され、前記バッテリを流れる電流を調整するために、第１動作モードおよび第２動作モードにおいて選択的に動作して、それぞれ、飽和領域および線形領域で動作するように前記スイッチを駆動するように機能する回路と
    を備え、
    前記回路は、
    前記第１動作モードにおいて第１パルス幅変調（ＰＷＭ）信号を発生させるように機能するドライバと、
    前記ドライバに結合され、前記第１ＰＷＭ信号を受け取って、前記飽和領域で前記スイッチを制御するための、実質的に一定のＤＣ信号を発生させるように機能するフィルタと
    を備えたバッテリシステム。
16. 前記第１ＰＷＭ信号のデューティサイクルは、前記バッテリの状態に基づいて調整される請求項１５記載のシステム。
17. 前記バッテリに結合され、前記バッテリを流れる前記電流を示す信号を発生させるように機能する電流モニタリング回路と、
    前記バッテリに結合され、前記バッテリの端子間の電圧を示す信号を発生させるように機能する電圧モニタリング回路と
    を更に備えた請求項１５記載のシステム。
18. 前記フィルタは、前記スイッチのゲートキャパシタンスと、前記ゲートキャパシタンスと直列接続された抵抗とからなる請求項１５記載のシステム。
19. 前記ドライバは制御信号を受け取り、前記第１動作モードにおいて前記制御信号は第２パルス幅変調（ＰＷＭ）信号からなり、前記第２動作モードにおいて前記制御信号は実質的に一定のＤＣ信号からなる請求項１５記載のシステム。
20. 前記ドライバは、前記回路が前記第１動作モードにあるか又は前記第２動作モードにあるかどうかを示すモード選択信号を受け取る請求項１５記載のシステム。
21. 前記ドライバは制御信号を受け取り、前記第１動作モードにおいて前記制御信号は第２パルス幅変調（ＰＷＭ）信号からなり、前記第２動作モードにおいて前記制御信号は、第３ＰＷＭ信号からなる請求項１５記載のシステム。
22. バッテリを流れる電流を制御するための方法であって、
    第１動作モードにおいてパルス信号を発生させる段階と、
    前記パルス信号をフィルタリングして、前記パルス信号のデューティサイクルによって定められる実質的に一定のレベルを有するフィルタリングされたＤＣ信号を供給する段階と、
    前記第１動作モードにおいて、前記フィルタリングされたＤＣ信号により、前記バッテリと直列接続されたスイッチのオン抵抗を調整する段階と、
    第２動作モードにおいて線形領域で前記スイッチを駆動する段階と
    を含む方法。
23. 前記バッテリの電流に基づいて前記パルス信号の前記デューティサイクルを調整する段階を更に含む請求項２２記載の方法。
24. 前記バッテリの電圧に基づいて前記パルス信号の前記デューティサイクルを調整する段階を更に含む請求項２２記載の方法。
25. 前記パルス信号は、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号からなる請求項２２記載の方法。

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