JP2019162020A - 電池を保護するための回路、システム、および方法 - Google Patents

電池を保護するための回路、システム、および方法 Download PDF

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Abstract

【課題】従来の保護回路と比較して、より信頼性のある保護を電池パックに提供する。【解決手段】保護回路において、決定回路は、電池パックと関連する適用要件を示す構成信号を発生させ、電池パックのステータスを示す表示信号を発生させ、異常状況が検出されたならば、表示信号を第1の状態に設定し、電池パックが正常状況にあるならば、表示信号を第2の状態に設定する。制御回路は、スイッチの入力端子における電圧を示す供給信号を受け取り、スイッチを制御するために保護信号をスイッチの制御端子に提供し、表示および構成信号に従って保護信号を第1のレベルまたは第2のレベルに設定する。第1のレベルは供給信号のレベルに等しく、第2のレベルは供給信号から所定の電圧基準を引いたものに等しい。【選択図】図２

Description

関連出願
この出願は、2018年3月8日に英国特許庁に出願された、出願番号第GB1803737.4号への35U.S.C.第119条(a)の下での利益を主張し、これによって全体として参照により本明細書に組み込まれる。
電池管理システム(BMS)は、安全な応用環境を確実にするために、過電圧状況、過電流状況、短絡状況、および過大/過小温度状況などの、異常状況から電池セル/パックを保護する際に重要な役割を果たす。従来の電池管理システムは、一次保護回路および二次保護回路を含む。一次保護回路は、電池セルのステータスを監視し、一次保護を提供する。異常状況が検出されたならば、一次保護回路は電池セルを保護するために、活動を行い、例えば、充電スイッチをオフにする。一次保護回路が適切に機能しない場合は、二次保護が、電池のためにバックアップ保護を提供する。
図1は、電池110(例えば、1つまたは複数の電池セルを含む)を管理し、保護する従来の電池管理システム100のブロック図を例示する。電池管理システム100は、電池ステータスモニタ104(例えば、デジタルフロントエンドエンジンを含む)、一次保護回路106、およびスタンドアロン二次保護回路102を含む。一次保護回路106は、監視される情報を電池ステータスモニタ104から受け取り、監視される情報に基づいて充電スイッチCHG_FETおよび放電スイッチDSG_FETを制御する。二次保護回路102もまた、電池110の電圧を監視し、監視される電池電圧に基づいて保護スイッチPRO_NFETを制御する。それ故に、過電圧状況が電池110に存在するとき、一次保護回路106が適切に機能せず、充電スイッチをオフにしそこなうならば、二次保護回路102は電池110を保護するために保護スイッチPRO_NFETをオフにすることができる。しかしながら、従来の電池管理システム100はいくつかの欠点を有する。
従来の電池管理システム100においては、二次保護回路102は、電池110の電池電圧を監視するための監視回路を含み、また過電圧状況が、電池110に存在するかどうかを決定するための決定回路も含む。それ故に、二次保護回路102は、電池管理システム100のPCB(印刷回路基板)サイズ、コスト、および電力消費を増加させる。加えて、従来の二次保護回路102は電池110の電圧だけを監視し、従って非常に限られた保護を電池110に提供する。その上、二次保護回路102および電池110は同じ接地基準112を有する。二次保護回路102は、スイッチPRO_NFETのゲート電圧116を接地基準112に引っぱることによってスイッチPRO_NFETをオフにする。電池110の充電プロセスにおいては、電池110の充電電流は、電池110の負端子から電池パックの負端子PACK-に流れる。それ故に、接地基準112の電圧レベルは負端子PACK-の電圧レベルよりも大きい。これは、スイッチPRO_NFETのゲート電圧116がスイッチPRO_NFETのソース電圧114よりも大きくなる原因となることもあり、従ってスイッチPRO_NFETは完全にはオフにされない。それ故に、二次保護回路102によって電池110に提供される保護は信頼できないこともある。さらに、異なる電池パックは、異なる数の電池セル、異なる電池ケミストリ、および/または異なる適用要件を有することもある。異なる電池パック、異なる設計および/または異なる回路構造と互換性があることが、対応する二次保護回路102において必要とされることもある。これは、電池管理システム100のコストをさらに増加させることもある。
それ故に、上述の欠点に対処する電池管理システムは有益であるということになる。
一実施形態においては、電池パックを保護するための保護回路は、供給端子、保護端子、決定回路、および制御回路を含む。供給端子は、制御スイッチの入力端子における電圧を示す供給信号を受け取る。保護端子は、制御スイッチを制御するために保護信号を制御スイッチの制御端子に提供する。決定回路は、電池パックと関連する適用要件を示す構成信号を発生させ、電池パックのステータスを示す表示信号を発生させ、電池パックの異常状況が検出されたならば、表示信号を第1の状態に設定し、電池パックが正常状況にあることが検出されたならば、表示信号を第2の状態に設定する。制御回路は、供給端子、保護端子、および決定回路に結合され、表示信号および構成信号に従って保護信号を第1のレベルまたは第2のレベルに設定する。第1のレベルは供給信号のレベルに実質的に等しく、第2のレベルは供給信号のレベルから所定の電圧基準を引いたものに実質的に等しい。
特許請求される主題の実施形態の特徴および利点は、次に来る詳細な記述が進むにつれて、かつ類似の数字が、類似の部分を描写する、次に来る図面を参照することで、明らかになるであろう。
従来の電池管理システムのブロック図を例示する図である。 本発明の一実施形態における、電池保護回路を有する電池管理システムの一例のブロック図を例示する図である。 本発明の一実施形態における、電池保護回路を有する電池管理システムの一例のブロック図を例示する図である。 本発明の一実施形態における、電池保護回路を有する電池管理システムの一例のブロック図を例示する図である。 本発明の一実施形態における、電池保護回路を有する電池管理システムの一例のブロック図を例示する図である。 本発明の一実施形態における、電池保護回路を有する電池管理システムの一例のブロック図を例示する図である。 本発明の一実施形態における、電池保護回路を有する電池管理システムの一例のブロック図を例示する図である。 本発明の一実施形態における、電池保護回路を有する電池管理システムの一例のブロック図を例示する図である。 本発明の一実施形態における、電池保護回路を有する電池管理システムの一例のブロック図を例示する図である。 本発明の一実施形態における、電池を保護するための方法の一例の流れ図を例示する図である。
本発明の実施形態への言及が、今から詳細になされることになる。本発明は、これらの実施形態と併せて述べられることになるが、それらが、本発明をこれらの実施形態に限定することを目的としていないことは、理解されるであろう。反対に、本発明は、代替案、変更および等価物をカバーすることを目的とし、それらは、添付の請求項によって規定されるような本発明の趣旨および範囲内に含まれてもよい。
さらに、本発明の次に来る詳細な記述において、多数の具体的詳細が、本発明の完全な理解を提供するために説明される。しかしながら、本発明がこれらの具体的詳細なしに実施されてもよいことは、当業者によって認識されることになる。他の例では、良く知られた方法、手順、コンポーネント、および回路は、本発明の態様を不必要に分かりにくくしないように詳細に述べられていない。
本発明の一実施形態においては、電池管理システムは、監視回路、一次保護回路、および二次保護回路を含む。一次保護回路は、電池パックのステータスを示すステータス情報を監視回路から受け取り、ステータス情報に基づいて一次保護を電池パックに提供する。二次保護回路もまた、ステータス情報を監視回路から受け取り、ステータス情報に基づいて二次保護を電池パックに提供する。それ故に、従来のスタンドアロン二次保護回路と比較して、本発明の一実施形態における二次保護回路は追加の監視回路を含まず、従ってより小さいPCBを占有し、かかるコストがより少なく、より少ない電力を消費する。加えて、監視回路からのステータス情報は、電池電圧、各電池セルのセル電圧、充電電流、放電電流、温度、その他についての情報を含むことができる。ステータス情報に基づいて、二次保護回路はより広い範囲の保護を電池パックに提供することができる。その上、二次保護回路は、接地基準電圧の代わりに、二次保護回路の供給電圧に基づいて二次保護を行い、従って従来の保護回路と比較して、より信頼性のある保護を電池パックに提供する。さらに、本発明の一実施形態においては、二次保護回路はMCU(マイクロコントローラユニット)プログラミング能力を含み、従って例えば異なる数の電池セル、異なる電池の化学的性質、および/または異なる適用要件を有する異なる電池パックと互換性がある。
図2は、本発明の一実施形態における、電池パックのための電池管理システム200の一例のブロック図を例示する。電池パックは、電池管理システム200および電池210(例えば、1つまたは複数の電池セルを含む)を含む。電池管理システム200は電池210を管理し、保護する。一実施形態においては、電池210は、リチウム-イオン電池セルなどの再充電可能な電池セルを含む。他の実施形態においては、電池210は、ニッケル-カドミウム電池セル、鉛酸電池セル、太陽電池セル、または同様のものを含んでもよい。
図2に示されるように、電池管理システム200は、電池ステータス監視回路204、一次保護回路206、および二次保護回路248を含む。一実施形態においては、監視回路204は、通信チャネル218(例えば、I2C(集積回路間)バス、SPI(シリアル周辺機器インターフェース)バス、UART(汎用非同期受信機/送信機)、または同様のものを含む)にステータス情報を発生させるために、電池210のステータス(例えば、電池電圧、各電池セルのセル電圧、充電電流、放電電流、温度、その他を含む)を監視する/測定するデジタルフロントエンド(DFE)エンジンを含む。
一次保護回路206は、通信チャネル218を介してステータス情報を受け取り、異常状況が電池パックに存在するかどうかを決定するために、ステータス情報に基づいて、安全イベントチェックを行う。一次保護回路206が、異常状況が電池パックに存在すると決定するならば、一次保護回路206は、充電スイッチCHG_FETおよび放電スイッチDSG_FETを制御することによって一次保護を電池パックに提供する。充電スイッチCHG_FETは、電池パックの充電を制御する。放電スイッチDSG_FETは電池パックの放電を制御する。例として、異常状況は、過大/過小電圧状況、過電流状況、短絡状況、過大/過小温度状況、または同様のことを含むことができる。一次保護回路206が、異常状況が電池パックに存在すると決定するならば、一次保護回路206は、充電スイッチCHG_FETおよび/または放電スイッチDSG_FETをオフにする。
一実施形態においては、一次保護回路206は、ホストコントローラ208、例えば、MCU(マイクロコントローラユニット)またはプロセッサを含む。ホストコントローラ208は上述の安全イベントチェックおよび一次保護を行う。ホストコントローラ208はまた、充電状態(SOC)計算、電池動作ステータスチェック、その他などの電池管理タスクも行う。
二次保護回路248は、例えばホストコントローラ208内のMCUファームウェアが制御不能であり、FETドライバ244および/もしくはFETドライバ246が動作しそこね、かつ/または充電スイッチCHG_FETが機能しない(例えば、短絡している)ならば、バックアップ保護を提供し、従って有益である。
一実施形態においては、二次保護回路248および監視回路204は、PCBサイズをさらに低減するためにチップ202内に統合されてもよいが、しかし必ずしも統合されてなくてもよい。二次保護回路248は、電池パックのステータス情報SINFを監視回路204から受け取り、ステータス情報SINFに従って二次保護を電池パックに提供する。一実施形態においては、ステータス情報SINFは、電池電圧、各電池セルのセル電圧、充電電流、放電電流、および/または電池パック内の温度についての情報を含んでもよい。
より具体的には、一実施形態においては、二次保護回路248は、供給端子256、保護端子258、決定回路222、および制御回路228を含む。決定回路222は、電池パックと関連する適用要件を示す構成信号SCFGを信号ライン226に発生させることができ、電池のステータスを示す表示信号SCTRLを信号ライン224に発生させることができる。適用要件の種類は、以下でさらに述べられる(例えば、図3A、図3B、図4A、図4B、図4C、および図6の議論を参照のこと)。
決定回路222はまた、電池パックの異常状況が検出されたならば、表示信号SCTRLを第1の状態にあると設定することもでき、電池パックが正常状況にあることが検出されたならば、表示信号SCTRLを第2の状態にあると設定することもできる。本明細書で使用される場合、「正常状況」は、充電または放電電流、電池電圧、温度、その他などの、電池のパラメータが、それらの対応する正常動作範囲にあるという状況を意味する。一実施形態においては、第1および第2の状態は論理レベルを含むことができるが、しかしそれに限定されない。例えば、第1の状態は論理ハイを含み、第2の状態は論理ローを含む。代替例については、第1の状態は論理ローを含み、第2の状態は論理ハイを含む。他の実施形態においては、第1および第2の状態は、制御回路228によって認識できる他の種類の状態を含む。
供給端子256は、制御スイッチ(例えば、図3A内のスイッチQ2、図4A内のスイッチPFET1、図5内のスイッチQ3、または図6内のスイッチQ4)の入力端子における電圧を示す供給信号VCCを受け取るように構成される。供給信号VCCは、二次保護回路248に電力を供給する供給電圧とすることができる。保護端子258は、制御スイッチの導通ステータスを制御するために保護信号SSPOを制御スイッチの制御端子に提供するように構成される。制御回路228は、供給端子256を介して供給信号VCCを受け取ることができ、表示信号SCTRLおよび構成信号SCFGに従って保護信号SSPOを第1のレベルまたは第2のレベルに設定することができる。一実施形態においては、第1のレベルは、供給信号VCCのレベル(例えば、電圧レベル)に実質的に等しく、第2のレベルは、供給信号VCCのレベルから所定の電圧基準VDRVを引いたものに実質的に等しい。所定の電圧基準VDRVは電圧基準源230によって提供されてもよい。本明細書で使用される場合、「第1のレベルが、供給信号VCCのレベルに実質的に等しい」は、第1のレベルと供給信号VCCのレベルとの間の差が、比較的小さく、無視できる限り、その差が、制御回路228内の回路コンポーネントの非理想性に起因して許容できることを意味する。同様に、本明細書で使用される場合、「第2のレベルが、供給信号VCCのレベルから所定の電圧基準VDRVを引いたものに実質的に等しい」は、第2のレベルとVCC-VDRVのレベルとの間の差が、比較的小さく、無視できる限り、その差が、制御回路228内の回路コンポーネントの非理想性に起因して許容できることを意味する。
一実施形態においては、決定回路222は、電池パックと関連する適用要件に従って構成信号SCFGをアクティブ・ロー状態またはアクティブ・ハイ状態に設定する。構成信号SCFGがアクティブ・ロー状態にあるならば、制御回路228は、表示信号SCTRLが第2の状態にある(例えば、電池パックが正常状況にあることが検出されたことを表示する)とき、保護信号SSPOを第2のレベルVCC-VDRV(例えば、より低い電圧レベル)に設定し、表示信号SCTRLが第1の状態にある(例えば、電池パックの異常状況が検出されたことを表示する)とき、保護信号SSPOを第1のレベルVCC(例えば、より高い電圧レベル)に設定する。本明細書で使用される場合、「アクティブ・ロー状態」は、構成信号SCFGの制御下で、電池パックが正常状況にあるとき、電池管理システム200をアクティブに維持するために、保護信号SSPOが、より低い電圧レベル、例えば、VCC-VDRVに設定されることを意味する。同様に、構成信号SCFGがアクティブ・ハイ状態にあるならば、制御回路228は、表示信号SCTRLが第2の状態にある(例えば、電池パックが正常状況にあることが検出されたことを表示する)とき、保護信号SSPOを第1のレベル(例えば、より高い電圧レベル)に設定し、表示信号が第1の状態にある(例えば、電池の異常状況が検出されたことを表示する)とき、保護信号SSPOを第2のレベル(例えば、より低い電圧レベル)に設定する。本明細書で使用される場合、「アクティブ・ハイ状態」は、構成信号SCFGの制御下で、電池パックが正常状況にあるとき、電池管理システム200をアクティブに維持するために、保護信号SSPOがより高い電圧レベル、例えば、VCCに設定されることを意味する。
結果として、二次保護回路248は二次保護を電池パックに提供し、図1に関して述べられた従来のスタンドアロン二次保護回路102における欠点に対処する。例は、図3A、図3B、図4A、図4B、図4C、図5および図6に提示される。
一実施形態においては、二次保護回路248は、二次保護回路248と監視回路204との間に結合されるインターフェース220を介して監視回路204から電池パックについてのステータス情報SINFを受け取る。別の実施形態においては、二次保護回路248は通信チャネル218からステータス情報SINFを受け取る。一実施形態においては、ホストコントローラ208は、通信チャネル218を介して監視回路204および決定回路222と通信することができる。例えば、監視回路204は電池パックのステータスを定期的に測定することができ、監視回路204内のレジスタに記憶されるステータスについてのデータを定期的にリフレッシュする/更新することができる。正常動作モードでは、監視回路204は第1の頻度で電池のステータスを測定し、レジスタを更新してもよい。ホストコントローラ208は通信チャネル218をアクティブにし、通信チャネル218を介して監視回路204から電池のステータスデータを読み出すことができる。アイドルモードでは、ホストコントローラ208は、電力消費を低減するために通信チャネル218を非アクティブにすることができる。アイドルモードでは、監視回路204は、電力消費を低減するために、第1の頻度よりも少ない第2の頻度で電池のステータスを測定し、レジスタを更新してもよく、決定回路222は、インターフェース220を介して監視回路204からステータスデータSINFを読み出し、そのデータに基づいて二次保護を電池パックに提供することができる。
一実施形態においては、決定回路222は、インターフェース232を介して、通信チャネル218がアクティブかまたは非アクティブかを検出することによって、電池管理システム200が正常動作モードにあるかまたはアイドルモードにあるかを決定してもよい。加えて、一実施形態において、ホストコントローラ208は、通信チャネル218を介して決定回路222に保護パラメータ(例えば、過大電圧しきい値、過小電圧しきい値、過電流しきい値、過大温度しきい値、過小温度しきい値、その他を含む)を書き込んでもよい。結果として、電池管理システム200がアイドルモードにあるとき、ホストコントローラ208が保護を電池パックに提供しないならば、二次保護回路248は二次保護を電池パックに提供することができる。その上、電池管理システム200が正常動作モードにあるとき、ホストコントローラ208が例えば通信チャネル218と不完全な接続を有するならば、電池パックはなお、二次保護回路248によって保護することができる。
図3Aは、本発明の一実施形態における、電池管理システム300Aの一例のブロック図を例示する。図3Aは、図2と組み合わせて述べられる。図3Aの例では、二次保護を電池パックに提供するための適用要件は、異常状況が電池パックに存在するならば、保護スイッチPRO_NFET(例えば、電池210の負端子を介して電池210に直列に結合されかつ制御スイッチQ2に結合されるローサイドスイッチ)をオフにするために制御スイッチQ2をオフにすることを含む。それ故に、決定回路222は構成信号SCFGをアクティブ・ロー状態に設定する。言い換えれば、電池パックが正常状態にあるならば、保護信号SSPOは、より低い電圧レベル、例えば、VCC-VDRVに設定される。
より具体的には、図3Aの例では、制御スイッチQ2はPNPバイポーラトランジスタQ2を含む。それ故に、制御スイッチQ2のエミッタ-ベース接合に印加される電圧が、制御スイッチQ2のしきい電圧よりも大きいならば、制御スイッチQ2はオンにされる。図3Aに示されるように、供給端子256は、制御スイッチQ2の入力端子352における電圧(例えば、エミッタにおけるエミッタ電圧)を示す供給信号VCCを受け取る。例えば、供給信号VCCは、制御スイッチQ2が、オフにされるならば、制御スイッチQ2のエミッタ電圧に等しくすることができる。保護端子258は、スイッチQ2を制御するために制御スイッチQ2の制御端子354(例えば、ベース)に保護信号SSPOを提供する。一実施形態においては、上述の所定の電圧基準VDRVは、制御スイッチQ2のしきい電圧よりも大きい。第2のレベルVCC-VDRVにおける保護信号SSPOが、制御スイッチQ2のベース354に印加される(例えば、VDRVにおける電圧が、制御スイッチQ2のエミッタ-ベース接合に印加される)とき、制御スイッチQ2はオンにすることができる。それ故に、保護信号SSPOは、保護信号SSPOが第2のレベルVCC-VDRVにあるならば、制御スイッチQ2をオンにすることができ、保護信号SSPOが第1のレベルVCCにあるならば、制御スイッチQ2をオフにすることができる。
図3Aは、PNPバイポーラトランジスタを含む制御スイッチQ2を開示するが、本発明は、そのように限定されない。別の実施形態においては、制御スイッチは、p-チャネルMOSFET(金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)などの、別の種類のスイッチを含む。
一実施形態においては、ローサイドスイッチPRO_NFETはn-チャネルMOSFETを含み、ゲート端子を制御スイッチQ2に接続され、ドレイン端子を電池210の負端子に接続され、ソース端子を電池パックの負端子PACK-に結合されかつバイアス抵抗器RB2を介してゲート端子に結合される。それ故に、制御スイッチQ2が、電流ISPがバイアス抵抗器RB2を通って流れることを可能にするためにオンにされ、スイッチPRO_NFETのゲート-ソース電圧をそのしきい電圧よりも大きくするならば、そのとき、スイッチPRO_NFETはオンにされる。制御スイッチQ2が電流ISPを無効にするためにオフにされるならば、スイッチPRO_NFETのゲート端子は、負端子PACK-の電圧レベルに引き下げられ、従って、スイッチPRO_NFETは完全にオフにされる。
一実施形態においては、制御スイッチQ2の入力端子352と二次保護回路248の供給端子256との間に結合される、抵抗器RB1は、制御スイッチQ2を通って流れる電流ISPを予め設定された範囲内にまたは予め設定された値に制御することができる。より具体的には、制御スイッチQ2がオンにされるとき、制御スイッチQ2のエミッタ-ベース電圧VEBは、0.3Vまたは0.7Vに近似的に等しくすることができる。抵抗器RB1にわたる電圧VRB1は、VRB1=VDRV-VEBによって与えることができる。電流ISPは、(VDRV-VEB)/RB1に等しいと推定することができる。それ故に、電流ISPは、実際的要求に従って電圧VDRVおよび/または抵抗RB1を設定することによって設定することができる。例えば、電流ISPは、保護スイッチPRO_NFETをオンにするプロセスを速めるために、電圧VDRVを増加させるかつ/または抵抗RB1を減少させることによって増加させることができる。別の例として、電流ISPは、電池管理システム300Aの電力消費を低減するために、電圧VDRVを低減するかつ/または抵抗RB1を増加させることによって低減させることができる。
一実施形態においては、電池管理システム300Aはまた、充電スイッチおよび放電スイッチ(図2に示されるスイッチCHG_FETおよびDSG_FETに似た)も含む。充電スイッチおよび放電スイッチは図3Aに示されない。一実施形態においては、充電スイッチおよび放電スイッチは、電池210の負端子と電池パックの負端子PACK-との間の同じ電流経路に置かれてもよい。別の実施形態においては、充電スイッチおよび放電スイッチは、別個の電流経路に置かれてもよい。
図3Bは、本発明の一実施形態における、充電スイッチおよび放電スイッチが、異なる電流経路に置かれる、電池管理システム300Bの一例のブロック図を例示する。図3Bは、図2および図3Aと組み合わせて述べられる。
図3Bに示されるように、充電スイッチCHG_FETは、電池210の負端子と電池パックの負充電端子CHG-との間の電流経路に置かれ、保護スイッチPRO_NFETに直列に結合される。放電スイッチDSG_FETは、電池210の負端子と電池パックの負端子PACK-との間の電流経路に置かれる。
図4Aは、本発明の一実施形態における、電池管理システム400Aの一例のブロック図を例示する。図4Aは、図2と組み合わせて述べられる。図4Aの例では、二次保護を電池パックに提供するための適用要件は、異常状況が電池パックに存在するならば、制御スイッチPFET1(例えば、電池210の正端子を介して電池210に直列に結合されるハイサイドスイッチ)をオフにすることを含む。それ故に、決定回路222は構成信号SCFGをアクティブ・ロー状態に設定する。言い換えれば、電池パックが正常状態にあるならば、保護信号SSPOは、より低い電圧レベル、例えば、VCC-VDRVに設定される。
より具体的には、図4Aの例では、制御スイッチPFET1は、p-チャネルMOSFETを含む。それ故に、制御スイッチPFET1のソース-ゲート電圧VSGが、制御スイッチPFET1のしきい電圧よりも大きいならば、制御スイッチPFET1はオンにされる。図4Aに示されるように、供給端子256は、制御スイッチPFET1の入力端子452における電圧(例えば、ソース端子におけるソース電圧VS)を示す供給信号VCCを受け取る。例えば、ダイオードD2B(例えば、ショットキー型ダイオード)は、アノードを入力端子452に結合され、カソードを供給端子256に結合される。充電器が、電池210を充電するために正充電端子CHG+に接続されるならば、ダイオードD2Bはオンにすることができ、ダイオードD2Bの電圧降下は、0.3Vなどの知られた値を有することができる。それ故に、供給信号VCCは、ソース電圧VSから0.3Vを引いたものに近似的に等しくすることができる。
加えて、保護端子258は、スイッチPFET1を制御するために保護信号SSPOを制御スイッチPFET1の制御端子454(例えば、ゲート端子)に提供する。ダイオードD1(例えば、ショットキー型ダイオード)はアノードを制御端子454に結合され、カソードを保護端子258に結合される。ダイオードD1がオンにされるならば、ダイオードD1の電圧降下は、ダイオードD2Bのそれと実質的に同じとすることができる。本明細書で使用される場合、「実質的に同じ」は、ダイオードD1およびD2Bが同じ型のダイオードとすることができ、ダイオードD1およびD2Bの電圧降下間の差が比較的小さく、無視できる限り、その差がダイオードの非理想性に起因して許容できることを意味する。
一実施形態においては、所定の電圧基準VDRVは、制御スイッチPFET1のしきい電圧よりも大きい。第2のレベルVCC-VDRVにおける保護信号SSPOがダイオードD1のカソードに印加されるとき、ダイオードD1はオンにすることができ、制御スイッチPFET1のソース-ゲート電圧VSGは、しきい電圧よりも大きい電圧基準VDRVに近似的に等しくすることができる。それ故に、制御スイッチPFET1はオンにすることができる。第1のレベルVCCにおける保護信号SSOPがダイオードD1のカソードに印加されるとき、ダイオードD1がオンであろうとまたはオフであろうと、制御スイッチPFET1のゲート電圧は、制御スイッチPFET1のソース電圧VSに実質的に等しくすることができ、従って制御スイッチPFET1は完全にオフにすることができる。
一実施形態においては、二次保護回路は、回路248、制御スイッチPFET1、ダイオードD1、およびダイオードD2Bを含む。二次保護回路はまた、制御スイッチPFET1の入力端子452と制御端子454との間に結合されるバイアス抵抗器RB3、およびアノードを電池210の正端子に結合され、カソードを供給端子256に結合されるダイオードD2A(例えば、ショットキー型ダイオード)も含む。一実施形態においては、ダイオードD1は、保護端子258から充電端子CHG+に流れるリーク電流を阻止することができる。ダイオードD2AおよびD2Bは、電池パックの正端子PACK+と充電端子CHG+との間に流れるリーク電流を阻止することができる。バイアス抵抗器RB3は、制御スイッチPFET1をオンにまたはオフにするためのバイアス電圧を提供することができる。
加えて、一実施形態においては、二次保護回路は、制御スイッチPFET1のボディダイオードに逆結合されるダイオードを含み、それは、電池210から充電端子CHG+に流れるリーク電流を阻止する。本明細書で使用される場合、第1および第2のダイオードの両方のカソードが、ダイオード間(カソード間)の接続ノードに結合されるか、またはダイオードの両方のアノードが、ダイオード間(アノード間)の接続ノードに結合されるとき、第1のダイオードは第2のダイオード「に逆結合される」。例は、図4Bおよび図4Cに示される。
図4Bに示されるように、ダイオードDS(例えば、ショットキー型ダイオード)は、制御スイッチPFET1のボディダイオードに逆結合される。図4Bの例では、ダイオードDSのアノードおよびボディダイオードのアノードは、アノード間の接続ノード450に結合される。結果として、異常状況が電池パックに存在するならば、制御スイッチPFET1は、充電端子CHG+から電池210に流れる充電電流を無効にするためにオフにされ、ダイオードDSは、電池210から充電端子CHG+に流れるリーク電流を阻止する。
図4Cに示されるように、スイッチPFET2、例えば、p-チャネルMOSFETは、制御スイッチPFET1と充電端子CHG+との間に結合される。スイッチPFET2のボディダイオードは、制御スイッチPFET1のボディダイオードに逆結合される。電池パックが正常状況にあるならば、制御回路228は、電池210の充電を可能にするためにスイッチPFET1およびPFET2をオンにするために保護信号SSPOを第2のレベルVCC-VDRVに設定する。異常状況が電池パックに存在するならば、制御回路228は、スイッチPFET1およびPFET2をオフにするために保護信号SSPOを第1のレベルVCCに設定する。スイッチPFET1およびPFET2の逆結合されたボディダイオードは、電池210と充電端子CHG+との間の充電電流およびリーク電流を阻止する。
上記の例では、二次保護回路248は、電池パックを保護するために電池210に直列に結合されるスイッチ(例えば、図3A内のスイッチPRO_NFET、図4A内のスイッチPFET1、その他)をオフにすることができる。しかしながら、本発明は、そのように限定されない。別の実施形態においては、二次保護回路248は、外部回路(または内部回路)が、電池パックを保護するための行動を取ることができるように、異常状況が電池パックに存在するということを外部回路(または内部回路)に知らせることができる。一例は、図5に提示される。
図5の実施形態においては、二次保護回路248はさらに、制御スイッチQ3と端子PACK-との間に結合され、出力端子542に制御信号SRB5を発生させる抵抗器RB5を含む。一実施形態においては、制御スイッチQ3がオフにされるならば、制御信号SRB5は、抵抗器RB5によってより低い電圧レベル(例えば、端子PACK-における電圧)に引き下げられる。制御スイッチQ3がオンにされるならば、制御信号SRB5は、抵抗器RB5を通って流れる電流ISPに起因して、より高い電圧レベルに引き上げられる。上で述べられたように、電流ISPは、電圧基準VDRVおよび/または抵抗RB1を設定することによって設定することができる。結果として、制御信号SRB5のより高い電圧レベルもまた、設定することができる。
一実施形態においては、出力端子542は外部回路(図示されず)に結合することができ、外部回路と通信することができる。外部回路は、制御信号SRB5に従って電池パックを保護するための行動を取ることができる。例えば、電動工具に電力を供給するための高電力電池システムは、複数の電池モジュールを含んでもよい。各電池モジュールは、制御信号SRB5を発生させることができる。一実施形態においては、複数の電池モジュールから発生される制御信号SRB5は、セントラルコントローラが、制御信号SRB5に基づいて複数の電池モジュールを保護することができるように、セントラルコントローラに送られてもよい。別の実施形態においては、電池モジュールは積み重ね可能な応用に使用されてもよい。例えば、第1の電池モジュールからの第1の制御信号SRB5は第2の電池モジュールによって受け取られてもよく、第2の電池モジュールは第1の制御信号に従って第2の制御信号を発生させてもよい。第2の制御信号はまた、第3の電池モジュールによって受け取られてもよく、第3の電池モジュールは、第1および第2の制御信号に従って第3の制御信号を発生させてもよい。最後の電池モジュールによって発生される制御信号は、すべての電池モジュールを保護するためのデバイス、例えばヒューズを制御してもよい。
図5の例では、出力端子542はまた、信号ライン540を通じて制御信号SRB5をホストコントローラ208に提供もする。一実施形態においては、たとえホストコントローラ208が、監視回路204から保護警告を受け取らなくても(例えば、通信バス218は、ホストコントローラ208との不完全な接続を有するので)、ホストコントローラ208は、出力端子542から保護警告、例えば、制御信号SRB5を受け取ることができる。結果として、電池パックへの二次保護が、提供される。
図6は、本発明の一実施形態における、電池管理システム600の一例のブロック図を例示する。図6は、図2と組み合わせて述べられる。図6の例では、ヒューズ638は、電池210の負端子を介して電池210に直列に結合されかつ制御スイッチQ4に結合され、二次保護を電池パックに提供するための適用要件は、異常状況が電池パックに存在するならば、ヒューズ638をとばすこと(例えば、焼くことまたは溶かすこと)を含む。それ故に、決定回路222は構成信号SCFGをアクティブ・ハイ状態に設定する。言い換えれば、電池パックが正常状態にあるならば、保護信号SSPOは、より高い電圧レベル、例えば、VCCに設定される。
より具体的には、電池パックが正常状態にあるならば、保護信号SSPOは、制御スイッチQ4をオフにするために第1のレベルVCCに設定される。それ故に、ヒューズ638は、機能し、電流、例えば、充電電流または放電電流がそれを通って流れることを可能にする。異常状況(例えば、過充電、過放電、過電流、過大/過小温度、または同様のこと)が電池パックに存在するならば、保護信号SSPOは、制御スイッチQ4をオンにするために第2のレベルVCC-VDRVに設定される。それ故に、電流636は、ヒューズ638をとばすために、電池パックの正側から制御スイッチQ4を通って流れる。結果として、電池パックへの二次保護が提供される。本発明は、いま述べられたようなヒューズの使用に限定されず、ヒューズと同じ機能性を提供する要素が、代わりに使用されてもよい。
図7は、本発明の一実施形態における、電池を保護するための方法の一例の流れ図を例示する。図7は、図2、図3A、図3B、図4A、図4B、図4C、図5および図6と組み合わせて述べられる。具体的ステップが図7に開示されるが、そのようなステップは、説明に役立つための例である。すなわち、本発明による実施形態は、様々な他のステップまたは図7に列挙されるステップの変形を行うのによく適している。
ステップ702において、決定回路222は電池のステータスを示す表示信号SCTRLを発生させる。
ステップ704において、決定回路222は、電池パックの異常状況が検出されたならば、表示信号SCTRLを第1の状態に設定する。
ステップ706において、決定回路222は、電池パックが正常状況にあることが検出されたならば、表示信号SCTRLを第2の状態に設定する。
ステップ708において、制御回路228は、表示信号SCTRLに従って第1のレベルまたは第2のレベルにおいて保護信号SSPOを発生させ、電池パックと関連する適用要件を示す構成信号SCFGを発生させる。例として、図3Aおよび図3Bにおける適用要件はローサイドスイッチPRO_NFETをオフにすることを含み、図4A、図4Bおよび図4Cにおける適用要件は、ハイサイドスイッチPFET1をオフにすることを含み、図6における適用要件はヒューズ638をとばすことを含む。
ステップ710において、制御回路228は、制御スイッチを制御するために保護信号SSPOを制御スイッチ(例えば、図3Aおよび図3B内のスイッチQ2、図4A、図4Bおよび図4C内のスイッチPFET1、図5内のスイッチQ3、または図6内のスイッチQ4)の制御端子に提供する。一実施形態においては、第1のレベルは、制御スイッチの入力端子(例えば、図3A内の端子352または図4A内の端子452)における電圧を示す供給信号VCCのレベルに実質的に等しくすることができる。第2のレベルは、供給信号VCCのレベルから所定の電圧基準VDRVを引いたものに実質的に等しくすることができる。
要約すれば、本発明による実施形態は、電池を保護するために一次保護回路および二次保護回路を含む電池管理システムを提供する。電池管理システムは、対応する保護スイッチを完全にオフにするために供給電圧VCCに基づいて保護信号SSPOを発生させることができる。それ故に、本発明による実施形態における電池管理システムは、従来の保護回路と比較して、より信頼性のある保護を電池パックに提供する。加えて、一実施形態においては、保護スイッチは、電池パック内の電池セルの数および/または電池ケミストリにかかわらず、保護信号SSPOを第1のレベルVCCまたは第2のレベルVCC-VDRVに設定することによって制御することができる。それ故に、電池管理システムは、異なる数の電池セルおよび/または異なる電池ケミストリを有する異なる電池パックと互換性がある。その上、電池管理システムは、適用要件に従って構成信号SCFGをアクティブ・ロー状態またはアクティブ・ハイ状態に設定することができるので、電池管理システムは、異なる適用要件を有する異なる電池パックと互換性がある。
先の記述および図面は、本発明の実施形態を表すが、様々な追加、変更および置換が、添付の請求項に規定されるような本発明の原理の趣旨および範囲から逸脱することなくその中でなされてもよいことは、理解されるであろう。当業者は、本発明が、本発明の実施において使用される、形、構造、配置、割合、材料、要素、およびコンポーネントやその他の多くの変更とともに使用されてもよく、それらは特に、本発明の原理から逸脱することなく特定の環境および動作要件に適合されることを認識するであろう。現在開示される実施形態は従って、すべての点において説明に役立ちかつ制限するものでないと考えるべきであり、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの法的等価物によって示され、先の記述に限定されない。
100 従来の電池管理システム
102 スタンドアロン二次保護回路、二次保護回路
104 電池ステータスモニタ
106 一次保護回路
110 電池
112 接地基準
114 ソース電圧
116 ゲート電圧
200 電池管理システム
202 チップ
204 電池ステータス監視回路、監視回路
206 一次保護回路
208 ホストコントローラ
210 電池
218 通信チャネル
220 インターフェース
222 決定回路
224 信号ライン
226 信号ライン
228 制御回路
230 電圧基準源
232 インターフェース
244 FETドライバ
246 FETドライバ
248 二次保護回路
256 供給端子
258 保護端子
300A 電池管理システム
300B 電池管理システム
352 入力端子
354 制御端子、ベース
400A 電池管理システム
450 接続ノード
452 入力端子
454 制御端子
540 信号ライン
542 出力端子
600 電池管理システム
636 電流
638 ヒューズ
CHG_FET 充電スイッチ
CHG+ 正充電端子
ISP 電流
D1 ダイオード
D2A ダイオード
D2B ダイオード
DS ダイオード
DSG_FET 放電スイッチ
PRO_NFET 保護スイッチ
PACK- 電池パックの負端子
PACK+ 電池パックの正端子
PFET1 スイッチ
PFET2 スイッチ
Q2 スイッチ
Q3 スイッチ
Q4 スイッチ
RB1 抵抗器、抵抗
RB3 バイアス抵抗器
RB5 抵抗器
SCFG 構成信号
SCTRL 表示信号
SINF ステータス情報
SRB5 制御信号
SSPO 保護信号
VCC 供給信号
VEB エミッタ-ベース電圧
VDRV 所定の電圧基準
VRB1 抵抗器RB1にわたる電圧
VS ソース電圧

Claims (20)

  1. 電池パックのための保護回路であって、前記保護回路は、
    制御スイッチの入力端子における電圧を示す供給信号を受け取るように構成された供給端子と、
    前記制御スイッチを制御するために保護信号を前記制御スイッチの制御端子に提供するように構成された保護端子と、
    前記電池パックと関連する適用要件を示す構成信号を発生させ、前記電池パックのステータスを示す表示信号を発生させ、前記電池パックの異常状況が検出されたならば、前記表示信号を第1の状態に設定し、前記電池パックが正常状況にあることが検出されたならば、前記表示信号を第2の状態に設定するように構成された決定回路と、
    前記供給端子、前記保護端子、および前記決定回路に結合され、前記表示信号および前記構成信号に従って前記保護信号を第1のレベルと第2のレベルのうちの1つに設定するように構成された制御回路であって、前記第1のレベルは前記供給信号のレベルに実質的に等しく、前記第2のレベルは、前記供給信号のレベルから所定の電圧基準を引いたものに実質的に等しい、制御回路と、
    を備える、電池パックのための保護回路。
  2. 前記決定回路は、前記適用要件に従って前記構成信号をアクティブ・ロー状態またはアクティブ・ハイ状態に設定するように構成され、
    前記構成信号が前記アクティブ・ロー状態にあるならば、前記制御回路は、前記表示信号が、前記第1の状態にあるとき、前記保護信号を前記第1のレベルに設定し、前記表示信号が前記第2の状態にあるとき、前記保護信号を前記第2のレベルに設定するように構成され、
    前記構成信号が前記アクティブ・ハイ状態にあるならば、前記制御回路は、前記表示信号が、前記第1の状態にあるとき、前記保護信号を前記第2のレベルに設定し、前記表示信号が前記第2の状態にあるとき、前記保護信号を前記第1のレベルに設定するように構成された、請求項1に記載の保護回路。
  3. 前記電池パック内の電池の負端子に結合されかつ前記制御スイッチに結合されたローサイドスイッチをさらに備え、前記ローサイドスイッチは、前記制御スイッチがオンにされるならば、オンにされるように構成され、前記ローサイドスイッチは、前記制御スイッチがオフにされるならば、オフにされるように構成され、前記決定回路は、前記構成信号を前記アクティブ・ロー状態に設定するように構成された、請求項2に記載の保護回路。
  4. 前記制御スイッチの前記入力端子と前記供給端子との間に結合され、前記制御スイッチを通って流れる電流を予め設定された範囲内にあるように制御するように構成された抵抗器をさらに備える、請求項3に記載の保護回路。
  5. 前記制御スイッチは、前記電池パック内の電池の正端子に結合されたハイサイドスイッチを備え、前記決定回路は、前記構成信号を前記アクティブ・ロー状態に設定するように構成された、請求項2に記載の保護回路。
  6. 前記制御スイッチの前記入力端子と前記制御端子との間に結合されたバイアス抵抗器と、
    アノードが前記制御スイッチの前記制御端子に結合され、カソードが前記保護端子に結合された第1のダイオードと、
    アノードが前記電池の前記正端子に結合され、カソードが前記供給端子に結合された第2のダイオードと、
    アノードが前記制御スイッチの前記入力端子に結合され、カソードが前記供給端子に結合された第3のダイオードと、をさらに備える、請求項5に記載の保護回路。
  7. 前記ハイサイドスイッチのボディダイオードに逆結合された第4のダイオードをさらに備える、請求項6に記載の保護回路。
  8. 前記電池パック内の電池の負端子に結合されかつ前記制御スイッチに結合されたヒューズをさらに備え、前記保護回路は、前記制御スイッチがオンにされるならば、前記制御スイッチを通って流れる電流が、前記ヒューズをとばすように構成され、前記決定回路は、前記構成信号を前記アクティブ・ハイ状態に設定するように構成された、請求項2に記載の保護回路。
  9. 前記保護信号は、前記保護信号が前記第1のレベルにあるならば、前記制御スイッチをオフにするように構成され、前記保護信号は、前記保護信号が前記第2のレベルにあるならば、前記制御スイッチをオンにするように構成された、請求項1から8のいずれか一項に記載の保護回路。
  10. 前記供給信号は、前記保護回路の少なくとも一部に電力を供給するように構成された供給電圧を備える、請求項1から9のいずれか一項に記載の保護回路。
  11. 電池管理システムであって、
    ステータス情報を発生させるために電池パックのステータスを監視するように構成された監視回路と、
    前記監視回路に結合された一次保護回路であって、前記ステータス情報を受け取り、前記ステータス情報に基づいて異常状況が前記電池パックに存在すると前記一次保護回路が決定するならば、前記電池パックに一次保護を提供するように構成された、一次保護回路と、
    前記監視回路に結合された二次保護回路であって、前記ステータス情報を受け取り、前記ステータス情報に従って前記電池パックに二次保護を提供するように構成された二次保護回路と、を備え、
    前記二次保護回路は、
    前記電池パックと関連する適用要件を示す構成信号を発生させ、前記ステータス情報を示す表示信号を発生させ、前記電池パックの前記異常状況が検出されたならば、前記表示信号を第1の状態に設定し、前記電池パックが正常状況にあることが検出されたならば、前記表示信号を第2の状態に設定するように構成された決定回路と、
    前記決定回路に結合された制御回路であって、制御スイッチの入力端子における電圧を示す供給信号を受け取り、前記制御スイッチを制御するために保護信号を前記制御スイッチの制御端子に提供し、前記表示信号および前記構成信号に従って前記保護信号を第1のレベルと第2のレベルのうちの1つに設定するように構成され、前記第1のレベルは前記供給信号のレベルに実質的に等しく、前記第2のレベルは前記供給信号のレベルから所定の電圧基準を引いたものに実質的に等しい、制御回路と、
    を備える、電池管理システム。
  12. 前記一次保護回路は、前記ステータス情報に従って充電スイッチおよび放電スイッチを制御することによって前記一次保護を提供するように構成され、前記充電スイッチは前記電池パックの充電を制御するように構成され、前記放電スイッチは前記電池パックの放電を制御するように構成された、請求項11に記載の電池管理システム。
  13. 前記決定回路は、前記適用要件に従って前記構成信号をアクティブ・ロー状態とアクティブ・ハイ状態のうちの1つに設定するように構成され、
    前記構成信号が前記アクティブ・ロー状態にあるならば、前記制御回路は、前記表示信号が前記第1の状態にあるとき、前記保護信号を前記第1のレベルに設定し、前記表示信号が前記第2の状態にあるとき、前記保護信号を前記第2のレベルに設定するように構成され、
    前記構成信号が前記アクティブ・ハイ状態にあるならば、前記制御回路は、前記表示信号が前記第1の状態にあるとき、前記保護信号を前記第2のレベルに設定し、前記表示信号が前記第2の状態にあるとき、前記保護信号を前記第1のレベルに設定するように構成された、請求項11または請求項12に記載の電池管理システム。
  14. 前記二次保護回路はさらに、前記電池パック内の電池の負端子に結合され、前記制御スイッチにも結合されたローサイドスイッチを備え、前記ローサイドスイッチは、前記制御スイッチがオンにされるならば、オンにされるように構成され、前記ローサイドスイッチは、前記制御スイッチがオフにされるならば、オフにされるように構成され、前記決定回路は、前記構成信号を前記アクティブ・ロー状態に設定するように構成された、請求項13に記載の電池管理システム。
  15. 前記制御スイッチは、前記電池パック内の電池の正端子に結合されたハイサイドスイッチを備え、前記決定回路は、前記構成信号を前記アクティブ・ロー状態に設定するように構成された、請求項13に記載の電池管理システム。
  16. 前記二次保護回路はさらに、前記電池パック内の電池の負端子に結合され、前記制御スイッチにも結合されたヒューズを備え、前記制御スイッチを通って流れる電流は、前記制御スイッチがオンにされるならば、前記ヒューズをとばし、前記決定回路は、前記構成信号を前記アクティブ・ハイ状態に設定するように構成された、請求項13に記載の電池管理システム。
  17. 前記所定の電圧基準は、前記制御スイッチのしきい電圧よりも大きい、請求項11から16のいずれか一項に記載の電池管理システム。
  18. 電池パックを保護するための方法であって、
    前記電池パックのステータスを示す表示信号を発生させるステップと、
    前記電池パックの異常状況が検出されたならば、前記表示信号を第1の状態に設定するステップと、
    前記電池パックが正常状況にあることが検出されたならば、前記表示信号を第2の状態に設定するステップと、
    前記表示信号に従ってかつ前記電池パックと関連する適用要件を示す構成信号に従って第1のレベルまたは第2のレベルにおいて保護信号を発生させるステップと、
    制御スイッチを制御するために前記保護信号を前記制御スイッチの制御端子に提供するステップと、を含み、
    前記第1のレベルは、前記制御スイッチの入力端子における電圧を示す供給信号のレベルに実質的に等しく、前記第2のレベルは、前記供給信号のレベルから所定の電圧基準を引いたものに実質的に等しい、電池パックを保護するための方法。
  19. 前記適用要件に従って前記構成信号をアクティブ・ロー状態とアクティブ・ハイ状態のうちの1つに設定するステップと、
    前記構成信号が前記アクティブ・ロー状態にあり、前記表示信号が前記第1の状態にあるならば、前記保護信号を前記第1のレベルに設定し、
    前記構成信号が前記アクティブ・ロー状態にあり、前記表示信号が前記第2の状態にあるならば、前記保護信号を前記第2のレベルに設定し、
    前記構成信号が前記アクティブ・ハイ状態にあり、前記表示信号が前記第1の状態にあるならば、前記保護信号を前記第2のレベルに設定し、
    前記構成信号が前記アクティブ・ハイ状態にあり、前記表示信号が前記第2の状態にあるならば、前記保護信号を前記第1のレベルに設定するステップと、をさらに含む、請求項18に記載の方法。
  20. 前記保護信号が前記第1のレベルにあるならば、前記制御スイッチをオフにし、前記保護信号が前記第2のレベルにあるならば、前記制御スイッチをオンにするステップをさらに含む、請求項18または請求項19に記載の方法。
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