JP3329858B2 - バッテリシステム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はバッテリに関し、特に例
えばニッケルカドミウムバッテリ、メタルハライドバッ
テリその他の充電型バッテリおよび充電方法に関する。
本発明はこのようなバッテリおよびバッテリ保護回路を
含むバッテリパックにも関連する。本発明はさらにバッ
テリ状態の表示や制御を行うシステムを含む充電型もし
くは非充電型バッテリを含むシステムにも関連する。

【０００２】例えばニッケルカドミウムバッテリを充電
する場合、バッテリケーシング内の圧力が増大しバッテ
リが全充電に達すると特にきびしくなる。バッテリを低
もしくはトリクル電流で充電する場合、バッテリは充電
による圧力増大に耐えるように設計される。しかしなが
ら、大電流を必要とする高速充電の場合、バッテリが全
充電に達ししかも高速充電電流が維持されるとバッテリ
が爆発する危険が高くなる。このため、代表的に高速充
電器では全充電によるバッテリ温度上昇を検出すると、
充電電流を少くとも安全なトリクルレベルまで低減する
ようにされている。より精巧な充電器では全充電による
セル電圧降下を検出して充電電流の低減をトリガーして
安全レベルとし、この技術は負デルタ電圧（−ΔＶ）制
御として知られている。

【０００３】したがって、被充電バッテリに対して適切
な種類および定格の充電器を使用しなければならないこ
とが判る。例えばニッケルハイドライド型バッテリをニ
ッケルカドミウム型充電器で充電する危険性があり、例
えば大衆がこのような充電器をメタルハライドバッテリ
に使用することによる危険性によりこの種のバッテリの
市場導入が悪影響を受けている。この危険性は新しいバ
ッテリ技術が開発されると増大するものと思われる。

【０００４】ニッケルカドミウム型（および充電器）が
既に採用されているビデオカメラ等の共通装置の標準嵌
合フットプリントにより例えばメタルハイドライドバッ
テリを製造する場合、このような危険は特に大きい。

【０００５】ニッケルカドミウムセル用過充電保護バッ
テリ充電器はバッテリベース動作制御システムの例であ
る。さまざまな種類のバッテリに対して他の保護方式を
使用することもできる。また、例えば簡単な電圧測定を
行うことによりバッテリの現在状態の表示を与える構成
も知られている。

【０００６】ここでバッテリシステムとしては例えば負
荷に接続されたバッテリ、充電器に接続されたバッテ
リ、バッテリ状態モニターに接続されたバッテリおよび
（例えば鉛−酸バッテリに使用する）電圧で充電電流を
低減する回路等もしくは（例えばニッケルカドミウムバ
ッテリに使用する）ある温度に達したら充電電流を切る
充電経路内のバッテリ温度感知バイメタル片等のバッテ
リ充電器の一部を形成する簡単な過充電保護構成に接続
されるバッテリが含まれる、本発明の特徴はこのシステ
ム観点からバッテリを考慮することにより得られた。

【０００７】本発明の一つの特徴により、バッテリシス
テム内のバッテリに付随する装置が提供され、それはバ
ッテリ動作パラメータを感知し前記バッテリ動作による
バッテリ特性の変化に応答して前記バッテリシステムを
適応させるようにされている。

【０００８】感知できる一つの動作パラメータは実質的
な全充電の開始であり行われる一つの適応は前記開始に
続く充電電流の分流である。

【０００９】パラメータを感知してバッテリもしくはバ
ッテリパックの現在の残留電荷レベルを計算しこのよう
な残留電荷を示す値を適応させることができる。この値
は例えばバッテリパック上の表示器に表示したり例えば
ホスト装置へ送って表示したり警告、バッテリ経済機能
等の他の機能に使用することができる。

【００１０】

【実施例】図１に過充電保護を行うバッテリパックを示
す。バッテリパックは例えば直列配線され正のバッテリ
パック端子１４および凾体１０内の負端子１５に接続さ
れた２個のニッケルカドミウムセル１１，１２を含んで
いる。ニッケルカドミウムセルおよび特にメタルハイド
ライドもしくはリチウムベースバッテリ等の新しいバッ
テリ技術により、セル寿命（すなわち、破損するまでの
放充電サイクル数）を低下させることなく高速大電流充
電方式を提供するのに問題が生じる。バッテリ寿命およ
び場合によっては安全性をも確保するのに全充電検出お
よび高速充電電流の即時停止は絶対必要である。全充電
時には、セル内に熱が発生して温度が上昇しセル電圧が
変化する（ＮｉＣｄ−ｖｅΔυ現象）。

【００１１】したがって、本発明によりもう１個の抵抗
Ｒ₂ と協働する負温度係数抵抗Ｒθ、電圧吸収抵抗
Ｒ₁ 、および電力スイッチングトランジスタＴ₁ がバッ
テリパック内に含められる。Ｒθはセルと熱接触するよ
うにされる。バッテリパックは電流源１７を含むバッテ
リ充電器１６に接続される。充電器１６は高速充電方式
のニッケルカドミウムセルに使用するのに適した種類の
ものである。それは比較的大電流を給送する定電流源１
６であり、被充電セルと接触し（全充電を表わす）所定
のセル温度に達すると電流源を断路する温度センサー１
８が設けられている。

【００１２】ＲθおよびＲ₂ は所定の温度Ｔ₁ で導通開
始するように規定されている。次に大充電電流（急速充
電電流）がセルからＴ₁ へ転流される、すなわちセルか
ら分路されるＲ₁ に熱が発生して熱結合によりバッテリ
パックの温度が上昇しセンサー１８と凾体１０の接触に
より外部充電器の高速充電電流阻止の温度もしくはデル
タ温度機能を機能させることができる。代表的には、例
えば２〜３ＷまでＲ₁から放射することができ、（バッ
テリ寿命の点で）許容できるバッテリ動作温度となる。
Ｒ₁ とＲθとの間に例えば物理的レイアウトにより強化
された適切な熱抵抗が必要である。場合によっては、全
充電電流を分路してそれ自体に全充電保護がなされてい
ない充電器でも安全に高速充電できるようにする。

【００１３】安全動作はセルの種別の関数ではなく、例
えばメタルハイドライドセルをニッケルカドミウム構成
充電器で使用することができる。一つのセル種別が他を
模擬することができるようにすれば、充電器種別を交換
することができ前例のように既存の充電器を安全に使用
することができる。

【００１４】別の実施例を図２に示し図１と同じもしく
は同等な部品には共通の番号が付けられている。セル給
電線には感知抵抗Ｒ_s があり、もう一つのスイッチング
トランジスタＱ₁ もある。図１に較べて主分路トランジ
スタＱ₂ はダーリントン構成とされている。

【００１５】この構成が作動充電器に接続されるものと
する、すなわちセルへ電流が流れるものとする。する
と、Ｒ₀ が感知する充電による温度上昇によってＱ₁ お
よびＱ ₂ がオンとされる。前記したようにＱ₂ は分路を
提供する。セルが冷却してＲθの抵抗値が増大すると、
Ｑ₁ がオフとされて充電方式が再確立される。したがっ
て、この構成によりバッテリパックの関数として充電制
御を行って広範な種類の充電器を使用することができ、
ほとんどいかなる電流源でも適切となる。

【００１６】設計上、ＲおよびＲθ（負の温度係数）は
所定の温度においてトランジスタが確実にオンとなる直
流バイアスを与えるように選定される。スイッチングに
関しては、利得は次のようになる。

【００１７】充電電流の増分を次のようにする。

【数１】 ここに、Ｖ_RSはＲ_S 両端間電圧。すると、分流の変化は
次のようになる。

【数２】 したがって、

【数３】

【００１８】次にバッテリパックが負荷に接続される、
すなわちセルからの正味の電流があるものとする。Ｒ_S
両端間電圧によりＱ₁ がオフとされて電流は分流されな
くなる。

【００１９】電流方向へ適応する能力は特に興味ある特
徴であり、次にこの概念をさらに利用する構成について
考える。実施例を図３に示し前と同じく共通の参照番号
を使用している。

【００２０】負の給電線３０にセンス抵抗器Ｒ_S があ
る。このセンサーは信号調整回路３１およびマルチプレ
クサ３２へ差入力を与えるのに使用される。セルと接触
している伝熱部材３４とぴったり接触している温度セン
サー３３もマルチプレクサ３２へ信号を与える。マルチ
プレクサ３２にはさらにセルアレイの全正電圧線に接続
された入力線３５を介した入力も供給される。したがっ
て、マルチプレクサ３２の入力に存在する信号の一つを
選択して基準電圧３７で作動するアナログ／デジタルコ
ンバータ３６へ加えることができる。Ａ／Ｄコンバータ
３６の出力はＲＯＭ３９およびＲＡＭ３００を含むマイ
クロプロセッサ構成のＣＰＵ３８へデータとして送られ
る。プロセッサ３８はプログラマブル論理アレイ３０１
を制御しそれによりディスプレイ３０２が起動されかつ
電力ドライバー構成３０３が制御されてパワートランジ
スタ３０４をスイッチして音響装置３０５を起動するこ
とができる。パワートランジスタ３０４は抵抗素子３０
６，３０７と接続されて前の実施例について前記したよ
うに充電電流を分流する。抵抗器３０７はヒートシンク
３０８を有するパワー抵抗器である。プロセッサ３８に
はタイマー３０９が付随している。図には作動信号経路
および部品接続を示し、データバス、アドレスバス、制
御およびタイミング信号接続は明瞭にするためのに省か
れている。

【００２１】前記構成では、センサーＲ_S から引き出さ
れる信号は直接回路部品として使用されるのではなく処
理構成に信号を与える手段として使用されそれによりバ
ッテリシステムの適応を制御することができる。

【００２２】図３の構成は過充電保護および充電測定を
行うような構成とすることができる。

【００２３】Ｒ_S 両端間電圧はバッテリ電流の大きさと
方向のセンス抵抗器決定を表わす。この抵抗器の替りに
ホール効果装置を使用してバッテリ負荷を同じままとし
インピーダンスを不変とすることができる。プロセッサ
はＲＯＭおよびＲＡＭを有しおそらくはセル温度および
バッテリパック電流の大きさおよび方向を周期的に測定
する非揮発性記憶装置入力用ＥＰＲＯＭを有するセンサ
型マイクロプロセッサ（マイクロコントローラ）であ
る。適切なタイプはＴＳＳ４００（テキサスインスツル
メンツ）である。

【００２４】次に、実施例の動作について検討する。

【００２５】トランジスタ３０４をオンとする信号を使
用して例えばコントローラが追跡する温度プロファイル
すなわち−ΔＶを検出することによりバッテリ全充電基
準が与えられる。２つの基準点（全充電および無充電）
が固定しておりかつセルへ出入りする電流はコントロー
ラおよびＲ_S により測定かつ追跡できるため、セルの電
流状態に対するバッテリ容量が判る。全充電の検出が行
われるたびに全充電基準を更新することができバッテリ
容量の経時変化はＥＡＲＯＭに記憶することにより追跡
することができ、たとえセルが暫時中間値に充電されて
もセルに出入りする電流の監視に基いて実際のバッテリ
容量を知ることができる。バッテリ電圧が例えば（セル
種別ごとに所定の）１Ｖ／セルよりも低くなると、セル
は完全放電したものと考えられゼロ充電基準が与えられ
る。これらの基準は非揮発性リライタブルメモリ内で更
新され、確立されたゼロおよび全充電基準に対して現在
の総バッテリ容量を計算することができる。

【００２６】プロセッサのメモリに予めプログラムされ
たバッテリ情報がロードされる。種別、日付、現在容量
等を各充電サイクルの開始時に例えば５秒間ディスプレ
イ３０２内でフラッシュさせることができる。この情報
は充電の進行と共に更新して周期的もしくは必要に応じ
て表示することができる。

【００２７】ディスプレイ３０２は液晶型とすることが
できかつ“バッテリ充電中”等のユーザが関心のある他
のメッセージを表示するのに使用することもできる。デ
ィスプレイは全充電セルおよび／もしくはバッテリパッ
クの最終充電サイクル中に確立された実容量の計算値に
関する測定充電レベルの計算値を表示するようにプログ
ラムすることもできる。電流をソースする際、現在の負
荷で放電を完了する時間は例えば“残り分”として表示
することができる。同様に、充電中は“全充電までの
分”を表示することができる。例えば可聴警告装置を使
用して低充電状態の開始もしくは充電サイクルの終りを
警告することができる。

【００２８】プロセッサ３８が実施するプログラムにお
いて、セル放電電流および温度による放電電流の大きさ
を考慮して記憶されるバッテリ充電状態情報の精度を向
上させることができる。現在の充電状態に到達するため
に、センス抵抗器を流れるヒストリカル電流を積分して
記憶されたバッテリパラメータに対して評価することが
できる。したがって、充電時、ロード時、非作動時にか
かわらずバッテリパックセルの状態を常に追跡する充電
計を設けることができる。Ｒ_S を電流が流れないことが
検出されると、プロセッサ構成を低電流スタンバイモー
ドとして電力を節減することができ、このモードは分路
スイッチングトランジスタがオフとされることを確実に
保証する構成とすることもできる。他の動作方式では、
セルに対していずれかの方向へ出入りする電流をＲ_S に
より監視することができる。容量性電荷蓄積装置を設け
てバッテリの完全放電後にある限定時間だけプロセッサ
構成を作動させて、関連メモリの非揮発性部分に記憶さ
れるデータの安全を保証することができる。

【００２９】本構成は時間によるセル温度変化のプロセ
ッサ監視によりセルを過充電から保護する能力があるこ
とがお判りと思う。例えば温度測定値を５〜１０秒ごと
の間隔でログし、実質的に全充電を示す記憶プロファイ
ルと一致するプロファイルを識別したら、トランジスタ
をスイッチして充電電流を分路することができる。次
に、抵抗Ｒ内で消費される熱によりバッテリパックの温
度が上昇するため、バッテリ充電器の温度により簡単に
全充電検出を行って適切な種別の充電器の高速充電電流
を終止させることができる。プロセッサは温度上昇が充
電電流（すなわち、セルへ流入する電流）による場合だ
けこの過充電保護が行われるように構成することができ
る。しかしながら、後の能力のない充電器であっても、
分流により過充電保護を行うことができる。これは、非
常に低廉な充電器回路を使用することができ、さらに不
適切な充電器を接続した場合でも保護を行えることを意
味する。また過剰電流が分流されるため、高速充電器を
接続した場合でもバッテリパックを安全に接続したまま
とすることができる。さらにもしくは替りに、充電流路
と直列なリレーを制御することにより保護を行うことが
できる。

【００３０】図３の保護および測定回路は集積すること
ができ、薄い影付き素子はマイクロコントローラとして
集積することができまた影付き素子全部を集積すること
もできる。本発明により外部大電流スイッチを有するシ
ングルチップ構成の可能性が生じる。これにより、稠密
な実装条件が満されるだけでなくコスト低減もはかれ
る。

【００３１】次に、マイクロコントローラベースシステ
ムの実施例について詳細に検討する。

【００３２】システムは（例えば、テキサスインスツル
メンツ社のＴＳＳ４００シリーズの一つである）‘セン
サー’型マイクロコントローラ、バッテリセル温度セン
サー、大電流分流トランジスタ、分散放熱抵抗器、電流
センス抵抗器およびディスプレイおよびオーディオビー
パーを含み、全てバッテリパック内に装備されている。

【００３３】（ニッケルカドミウム、ニッケルハイドラ
イド等の）セルのバッテリ技術に対しては、全充電に達
するバッテリ種別の特性温度プロファイルがマイクロコ
ントローラの非揮発性ＲＯＭ内に記憶されている。周期
的ベースで、電流センス抵抗を流れる電流（バッテリ出
力端子に直列な０．０２５Ωではセル内部インピーダン
スが著しく乱されることはない）が監視され電流の方向
および振幅が現在のセル温度と同じくリアルタイムで確
認される。

【００３４】バッテリ種別に対する実質的な全充電を示
す形式の温度上昇が検出されると、マイクロコントロー
ラは記憶データにより充電電流の大きさが全充電監視も
しくは制御を要する閾値よりも小さいかどうかを調べ、
小さい場合には全充電に達すると充電電流の分流は必要
ではない。しかしながら充電電流が全充電監視を必要と
する程大きい場合には、分流すべき充電電流の大きさを
計算してセルへの流入電流は正味Ｃ／１０（もしくはバ
ッテリメーカの推奨値）とされ、Ｃは指定される全高速
充電電流である。例えば大容量バッテリにはバッテリと
充電回路間にフェイルセーフ充電器制御プロトコル（デ
ータ交換）を存在させることができる付加端子を設けて
充電電流の直接制御を行うことができる。

【００３５】“分流”期間中に、セルへ流入する電流は
マイクロコントローラにより継続的に監視されその大き
さが全充電検出後の許容値と比較され、Ｃ／１０プラス
最大可能分流よりも大きければ、（ビープやフラッシュ
ディスプレイ等の）アラームにより充電工程を停止する
ようユーザに知らせる（これは分流容量を越えたため推
奨定格以外の充電器が使用されることを示す）。

【００３６】また、分流期間中に、分流素子により熱が
発生していかなるセル種別であってもＮｉ−Ｃｄセルの
動作が模擬され温度感知付充電器がこの温度上昇を検出
して高速充電電流の送出を停止する。また、バッテリか
ら例えば１Ｃを分流すると、バッテリ端子間に電圧降下
が生じこれは−ΔＶとして検出されてＮｉ−Ｃｄ特性が
再び模擬されこのように制御される充電器をトリガーす
ることができる。したがって、このように制御されるバ
ッテリは充電制御が自律的であり、危険なセル温度によ
り全分流が行われ警報信号が出される。

【００３７】充放電電流の監視により、マイクロコント
ローラはバッテリの充電状態を計算し、セル温度および
セルからの電流の大きさを修正し次に結果を表示するこ
とができる。例えば低充電および全充電警告ビープ等の
プリセット充電レベルに基づくオプショナルな警告音も
マイクロコントローラで制御される。分流回路はマイク
ロコントローラの制御下でバッテリの“自動調整”を行
う、すなわち完全放電後に全充電を行うようにもプログ
ラムされている。この特徴もユーザ起動としたりユーザ
起動専門とすることができる。さもなくば、コントロー
ラは自動調整の必要性を表示したり周期的に実行するよ
うにプログラムすることができる。

【００３８】次にマイクロコンピュータが実施するよう
にプログラムされているいくつかの分析および望ましい
動作手順について説明を行い、３つのバッテリ作動方式
を識別する。

【００３９】停止モード ここではバッテリの端子間に負荷は接続されず充電電流
も流入しない。この状態でＮｉ−Ｃｄはセル温度の関数
であるＩ_sdに等しい電流でゆるやかに自己放電する。し
たがって、初期電荷Ｑ_irに対する停止モード時の電荷Ｑ
_r は次式のようになる。

【数４】Ｑ_r ＝Ｑ_ir−Σ｛Ｉ_sd（Ｔ）｝δｔ、停止モ
ード時間にわたって加算

【００４０】放電 ここではバッテリセルからの正味の電流はＩ_ddである。

【００４１】放電時にはバッテリ電圧は正規動作範囲で
なければならず、この絶対電圧はセル温度の関数であ
る。実際値がこの低閾値電圧よりも低ければ、バッテリ
は完全放電したものと考えられそのようなバッテリ状態
が表示される。これは低基準点を固定するのにも使用さ
れる。

【００４２】正規の温度補償動作電圧範囲（すなわち、
特定作動状態）での放電に対しては、バッテリの残留電
荷Ｑ_d はバッテリからの電流の大きさＩ_mdおよびセル温
度の関数となる。

【数５】 Ｑ_d ＝Ｑ_i −Σ｛Ｉ_dd（Ｉ_md，Ｔ）＋Ｉ_sd（Ｔ）｝δｔ， 全放電時間にわたり加算 大きい放電電流に対しては、自己放電電流は相対的に小
さくなり無視できる。

【００４３】充電 ここでは、バッテリへの流入電流はＩ_ccである。

【００４４】完全放電セルの充電が終るとバッテリ電圧
が正規動作範囲に入るまでの待ち時間がある。したがっ
て、マイクロコントローラはこれが発生するのを待って
ゼロ充電状態を定めなければならない。正規の絶対作動
電圧はセル温度の関数である。

【００４５】セルの正規温度補償動作範囲内の放電に対
しては、バッテリの残留電荷Ｑ_c はセル充電電流の大き
さＩ_mcおよびその温度の関数となる。

【数６】 Ｑ_c ＝Ｑ_i ＋Σ｛Ｉ_cc（Ｉ_mc，Ｔ）−Ｉ_sd（Ｔ）｝δｔ， 充電時間にわたって加算 次に前記３つのモードにおけるマイクロコントローラ機
能について検討する。

【００４６】モード１ バッテリ非使用−停止モード このモードでは、自己放電加算レジスタ（ＳＤＲ）がバ
ッテリの自己放電による消失電荷の時間および温度修正
値を表わす値を与えるように定義される。 １．マイクロプロセッサはパワーダウンモードでありク
ロック機能が作動している。 ２．例えば３０秒ごとにセル温度が周期的に測定されモ
ード−１自己放電正規化温度が計算され自己放電加算レ
ジスタＳＤＲへ加えられる。 ３．（バッテリ電流センス抵抗器）Ｒ_s 両端間電圧が
（プロセッサはフルパワーとする必要があるため１０秒
ごとに）周期的に監視され、（例えばゼロ電流を表わす
と考えられる）例えば２０ｍＡよりも低い場合にはマイ
クロプロセッサはパワーダウンモードへ戻る。

【００４７】バッテリ停止時の残容量Ｃ_r の代表的モデ
ルは次式で表わされる。 Ｃ_r ＝Ｃ_a ^* _exp （−ｔ／Ｔ）、ここに Ｃ_a ＝実もしくは初期容量 Ｔ＝（３６．８％Ｃ_a に対する）時定数（日） ｔ＝開路停止時間（日） 本式もしくはそれを表わす表をプロセッサ内にプログラ
ムしてバッテリ充電状態を表示することができる。

【００４８】モード−２ バッテリ放電、すなわち正味
出力電流 このモードでは、バッテリ放電レジスタを使用して自己
放電による消失電荷の温度修正値プラス（Ｒ_s 両端間の
電圧降下から算出される）バッテリから引き出される電
荷の時間、温度および振幅（対時間）修正値が与えられ
る。本方式では、 １．Ｒ_s 両端間電圧の振幅が例えば４００μＶを越える
時にマイクロプロセッサは完全にパワーアップする。 ２．セル温度が例えば５秒毎に周期的に測定されモード
−１自己放電正規化温度が計算されて自己放電加算レジ
スタＳＤＲへ加えられる。 ３．（バッテリ電流センス抵抗器）Ｒ_s 両端間電圧が周
期的（１秒毎）に監視され例えば４００μＶよりも大き
い場合はマイクロプロセッサはパワーアップ状態にとど
まりバッテリからの電荷および残留電荷の電流計算値に
バッテリ放電レジスタを修正する温度および振幅を監視
し続ける。 ４．モード２動作の終りであっても、完全（すなわち毎
秒）監視がおよそ２時間行われ短い散発的使用による測
定誤差が回避される。

【００４９】モード−３ バッテリ充電、すなわち正味
入力電流 本モードでは、バッテリ充電レジスタが自己放電による
消失電荷の温度修正値プラス（Ｒ_s 両端間電圧降下から
計算される）バッテリへの流入電荷の時間、温度および
振幅（対時間）修正値を与えるようにされる。充電電流
を検出すると、マイクロプロセッサのメモリ内に予めプ
ログラムされたバッテリ特性が所与の時間表示され、ま
たオプショナルなバッテリ状態釦押下時にディスプレイ
を起動させることもでき、両方を組み合せることもでき
る。

【００５０】温度感知や−ΔＶ点遭遇もしくはその両方
により時間に対する所定の温度プロファイルが検出され
ると、バッテリはセル種別に応じて全充電のある％にあ
るとみなされ充電電流分流トランジスタが計算分流離値
によりオンとされていっぱいの充電が行われる。例え
ば、ニッケル−カドミウムセルは代表的におよそ９０％
充電時に表示を与える。次に電流をトリクルレベルへ低
下することができる。メタルハイドライド型では、計算
されたトリクル電流を計算時間一杯に加えてセルを充電
することができる。全充電後、この種に対するトリクル
電流を分流によりゼロへ低減してセル破損を防止する。

【００５１】予めプログラムされたセル温度範囲外であ
れば、分流はセルへ（セル種別に対して適切な）正味の
トリクル電流が流入するように指令される。これによ
り、正規の動作限界を外れた場合の破損や予期せぬ挙動
が防止される。本方式では、 １．Ｒ_s 両端間電圧の振幅が例えば４００μＶを越える
とマイクロプロセッサが完全にパワーアップする。外部
ソースからの給電等によりセルを正味電流で充電する限
り、マイクロプロセッサに給電し続けることができる。 ２．セル温度が例えば５秒毎に周期的に測定され温度正
規化モード−１自己放電を算出して自己放電加算レジス
タＳＤＲに加えられる。 ３．（バッテリ電流センス抵抗）Ｒ_s 両端間電圧が周期
的（毎秒）監視され例えば４００μＶよりも大きければ
マイクロプロセッサはパワーアップの状態にとどまりバ
ッテリからの電荷を監視し残留電荷の最も最近の計算値
によりバッテリ放電レジスタの温度および振幅修正を行
う。次にこのバッテリ残留電荷により表示が更新され
る。 ４．分流中に、Ｒ_s を断続的に監視してバッテリへ出入
りする電流を考慮しそれに従ってバッテリ充電レジスタ
を更新する。温度プロファイル検出後にバッテリへ流入
する平均電荷の計算値に基いて全充電が表示される。

【００５２】前記したことから、バッテリエネルギーを
節減するように監視方式および周期性を選定しその程度
に応じてプロセッサに給電して所要の機能を実施しなけ
ればならないことが判る。

【００５３】さらに、自己放電レジスタ（ＳＤＲ）、バ
ッテリ放電レジスタ（ＢＤＲ）、バッテリ充電レジスタ
（ＢＣＲ）の内容を組み合せることにより任意の時点で
バッテリ充電状態を引き出すことができる。

【００５４】次に、図８および図９に示すフロー図を参
照して前記実施例のマイクロコントローラ内へプログラ
ムすることができる充電方式について説明する。

【００５５】最初に、マイクロコントローラはパワーダ
ウン省エネルギーモード８０にあるものとする。センス
抵抗器を監視することにより充電電流が検出されると、
マイクロコントローラは完全に給電される。分流開始ま
での残り時間を定めるタイマーがリセットされる。セル
両端間電圧が読み取られ記憶される。３０秒の休止後、
再び電圧を読み取って記憶する。これにより、マイクロ
コントローラを最後に励起してからバッテリから放電し
たかどうかを判断する（８１）情報が与えられる。バッ
テリが放電しておれば、カウンタが増分され非揮発性メ
モリ内に記憶されこれまでのバッテリの総サイクル数が
表示される。ボックス８２において、バッテリ電圧が信
頼度の高い測定を行うのに充分かどうか判断される。こ
のような測定が行われない場合には、ループカウンタが
増分されそれが過剰になっていなければ、１分間の休止
後にバッテリ電圧の２回目の読取りが試行される。この
ループに１１回以上入ると、セルの性能は正規動作に一
致しないため故障ルーチン８１０へコントロールが渡さ
れる。

【００５６】信頼度の高い読取値が得られると（レベル
６）、センス抵抗両端間電圧が測定されそれからバッテ
リ電流方向が計算される。電流が流れていない場合には
（８４）、前記した停止モードへ入る（８５）。充電電
流でない場合（すなわち、バッテリパックからの場
合）、放電方式８６へ入りこの方式の機能については前
記した。しかしながら、充電電流が存在すると電流の大
きさが計算されて記憶される。充電電流の大きさがバッ
テリパック内のセルに対して大き過ぎる場合には、アラ
ームルーチン８８に入り、それには分流構成を永久にス
イッチングしてセルに到達する実際の充電電流を最少限
に抑えるだけでなく危険状態の可視および可聴警告が含
まれる。

【００５７】図９のフロー図のその部分に続いて、現在
のバッテリ充電状態が非揮発性メモリから呼び出され電
流遮断タイマはセルへ通される全充電（高速充電）電流
に対する安定時限が設定される。その後、セル温度が読
み出されて記憶され時間に対するセル温度プロファイル
を確立することができる。セル温度が高速充電に適切な
範囲内であれば（８９）、現在までに確立されたセル温
度プロファイルを調べて全充電セルアレイ（８００）の
プロファイルと同等であるかを決定することができる。
そうでない場合には、１分間の休止後に分流までの高速
充電時限を設定したタイマーが時間切れしていないもの
として（８０１）、コントロールループはレベル（ｂ）
点へ戻りそこで前記制御方式の一部が繰り返される。こ
の繰返しにより時間に対するセル温度の繰返しサンプル
が記憶されプロファイルが確立されていずれ全充電プロ
ファイルと等化される（ステップ８００）。温度および
セルが絶対的に全充電される前に表示される充電度を考
慮して調整を行い（８０３）、次に充電レジスタは優勢
なセル状態に対して全充電に設定される（８０４）。全
充電に達したかどうかにかかわらず、予め記憶されたバ
ッテリ充電状態に対して発生した充電に基いて充電レベ
ルが表示される。この点（８０５）において、分流トラ
ンジスタがオンとされ（例えば、ニッケル−カドミウム
セルの場合）セル端子にはトリクル電流しか残らない。

【００５８】セル温度が高速充電を安全に適用できる
（８９）範囲外であれば、ディスプレイおよび可聴警告
に続いて、このトリクル充電モードに入る。いずれにせ
よ、１／２分間の休止後にセンス抵抗両端間電圧が再測
定され充電電流がオフとされているかどうか判断され
る。オフとされていなければ、コントロールはレベル
（ａ）へ戻る。

【００５９】充電電流が存在しなくなると、放電方式に
入るか（８０８）あるいはマイクロコントローラを節電
停止モード（８０９）へパワーダウンさせ次の充電電流
検出に備えて再び制御方式を呼び出すかどうかが判断さ
れる（８０７）。

【００６０】本発明の実施例の物理的な部品構成を図６
に示し、できるだけ他の図面と共通の参照番号を使用し
ている。次にこの実施例について説明を行う。

【００６１】充電式セル１１，６６，６７，６８および
１２のアレイが熱および電気絶縁体６０内に収納され、
熱センサー３３がセルアレイと接触しオーディオアナン
シェータ装置３０５および５×７セグメント液晶装置と
して形成されたディスプレイ３０２を含む全部品を搭載
する印刷回路板２６上に搭載されている。この構成には
バッテリ状態をディスプレイ３０２上に表示する必要が
ある場合に押下する釦６１も含まれている。印刷回路板
２６上には発光ダイオードも設けられそれはケース６４
を通して見ることができセルの残留電荷が所定値よりも
低下する時にフラッシュするようにされている。実施例
のパワー部品（例えば、分流器）は印刷回路板２６の領
域６３に収納され、ネジもしくはスナップフイッチング
６５によりケース６４内のキャリア部材６９に固定され
ている。

【００６２】これまで述べた実施例ではセルに対する電
流を感知する抵抗が使用されているが、（例えば、ホー
ル効果等の）他のセンサーを使用することもできる。応
用によっては既存の“サーモスタット”を使用して部品
を付加せずにセンス素子を提供することができる。

【００６３】サーモスタットは代表的にセルと熱接触を
行いながら電気的に直列接続されたバイメタル片コンタ
クタである。極端な温度が存在する場合に接点が開いて
セルを断路するようにされている。この装置は抵抗を有
ししたがって電流感知手段が提供される。サーモスタッ
トは自己加熱して過剰電流に対して開路するようにする
ことができる。ここでは、抵抗値はエネルギセル定格に
適切なように選定される。

【００６４】また、図１２の構成を使用することもで
き、それは接点１５０、入力１５１および出力１５４を
有するサーモスタットを示す。バイメタル素子１５３は
抵抗Ｒ _s を有している。第３の端子１５２および端子１
５４を使用して接触抵抗変化に影響されないセンス素子
を提供することができる。

【００６５】本発明の別の実施例を図４に示し、ここで
も同じ部品には同じ参照番号が付されている。特に図３
の実施例に関して、本実施例は周囲温度情報をマルチプ
レクサ３２を介してプロセッサ３８へさらにｄコンバー
タ３６へ通す温度センサ４０を具備している。例えば、
バッテリ充電状態の計算に周囲温度の影響を含めること
ができるため、これにより計算精度がさらに高くなる。
本構成にはＥＥＰＲＯＭ４２も含まれそれはバッテリ特
性追跡パラメータ専用としてバッテリ状態に関する情報
をプロセッサ３８により記憶および回復することができ
る。またこれにより、セルが完全充電期間を終了して他
に使用可能な電源が無い場合でも情報を得ることができ
る。

【００６６】本実施例には外部装置に接続されてプロセ
ッサ３８と外部装置間でデータ転送を行うことができる
双方向データ入出力バス４１も設けられている。例え
ば、バッテリ給電される装置はセル状態および寿命に関
する情報を受信しそれを内部制御の基礎として使用する
ことができる。また、バッテリパックに対して最適充電
方式を提供するように構成もしくは自己構成することが
できる適切に装備された充電器へアイディンティティ情
報を通すこともできる。したがって、本実施例はさまざ
まな保護方式に容易に適応され例えばインテリジェント
充電器もしくは最適充電電流プロファイルに対する応用
によるダウンローディングによりある程度外部で再プロ
グラムすることができる。

【００６７】本実施例には前記実施例の充電電流分流構
成に替るものとして充電方式制御構成が設けられてい
る。しかしながら充電制御構成および前記分流構成を一
つのバッテリパックに一緒に設けることもできる。

【００６８】本実施例は正負セル端子１４，１５の他に
充電器を接続できる入力４５を有している。本構成の利
点はスイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２を設ければ３
つの充電方式を利用できることである。両トランジスタ
がオフであれば、抵抗Ｒ₁ を介してトリクル充電経路が
提供される。線４３を介してプロセッサから制御信号が
送られてＱ２が導通状態とされると、Ｑ２および抵抗Ｒ
₂ を介してもう一つの急速充電中間電流経路が提供され
る。同様に線４４上に信号が発生するとトランジスタＱ
１がオンとされ全電流高速充電経路が提供される。次
に、充電制御構成の回路図である図５を参照して本構成
の動作について詳細に検討する。プロセッサ３８から線
４３を介して端子５０へ急速充電信号が送られる。高速
充電信号は線４４を介して端子５１に接続されＱ４を介
してＱ１を制御する。（図４に図示せぬ）プロセッサか
らの信号により励起されると別の端子５４は調整放電方
式を提供することができ、例えばニッケルカドミウムセ
ルは全充電容量の継続使用を防止する“メモリ効果”を
示しこれはバッテリを実質的に全放電状態へ定期的にラ
ンさせ次にセルを全充電することにより克服される。両
トランジスタＱ１，Ｑ２がオフであれば、Ｑ８をスイッ
チングさせて幾分制御することにより、抵抗５２，５３
を介したトリクル充電経路が提供される。

【００６９】本構成には択一的バッテリ充電器があり、
それは（ニッケルカドミウムセルで現在使用される）高
インピーダンス充電器および（現在鉛酸セルで使用され
る）電圧源充電器５６である。したがって、セル種別が
変っても制御構成により実質的に任意の種別の充電器を
使用することができる。全充電の開始は充電器断路とい
う可聴および可視警告により表示することができる。

【００７０】次に本構成のさまざまな条件下での動作に
ついて説明する。

【００７１】放電 例えば毎秒１回の周期的ベースで電流センス抵抗Ｒ_s を
流れる電流（５セルバッテリパックに対してセルの内部
インピーダンスと直列の０．０２０Ωによる付加電力損
失は０．５％よりも少い）、セル電圧、セルケース温度
および周囲温度が測定され記憶される。

【００７２】応用に接続されると、放電電流が流れ、前
記測定データによりマイクロコントローラは（温度正規
化された）デルタ電荷損失を計算して前に表示されてい
る電荷から減算し、次にバッテリの残留電荷をＬＣＤも
はくＬＥＤ上に表示し、グラフィック５ステップディス
プレイは±１０％の全体精度を示す。大放電電流に対し
てはセル温度修正されたセル内部抵抗両端間の電圧降下
をセルの端子電圧から減じて、特にセルの低もしくは無
充電閾値を示すように絶対電圧レベルがプログラムされ
る時に、セルの利用可能な起電力を決定する。

【００７３】低電流放電 ２つの電流カテゴリーを考えなければならない、すなわ
ちバッテリパックが開路している時のセルの（電荷測定
システムが取り込む電流も含む）自己放電電流、および
代表的に“オフ”もしくは“スタンバイ”状態を適用す
ることによりバッテリパックから取り込む小さな“漏洩
電流”である。自己放電電流はその大きさがセル内に存
在する電荷の関数であるため一般的に時間に対しては指
数的となる。セル技術に対する時定数入力を使用するよ
うに等式や表をプログラムすることができ、測定システ
ムはバッテリパックが開路状態である時間に対応する電
荷損失を含むことができる。

【００７４】Ｒ_s （０．０２０Ω）と一緒に１２ビット
Ａ／Ｄコンバータが使用する電圧範囲によりマイクロコ
ントローラは±１０ｍＡよりも大きい電流を測定するこ
とができる。セルの非常に低い内部インピーダンスを流
れる（例えば、スイッチオン時にビデオカメラが取り込
む“漏洩”電流である）振幅がこれ以下の電流による電
圧損失は無視できる。セルに対する比較的予測可能な温
度修正デルタ“開路”電圧対“デルタ電荷損”則（代表
的放電レベルの１５〜８５％の範囲）を低放電電流電荷
損失の決定に使用することができる。例えば測定分解能
が０．２ｍＶであれば、マイクロコントローラはこのデ
ルタ開路電圧方式を使用してセルからの低電流に対応す
る電荷損を計算し次に結果が計算された自己放電電荷損
と対応する期間に対する１０ｍＡの電流（最小電流分解
能）に等しい電荷損との間に来ることを保証する。この
方法により測定システムの電流分解能を±１０ｍＡより
も細くする必要がなくなる。

【００７５】充電 充電器が無く、セルが調整されていない場合には、マイ
クロコントローラによりＱ４，Ｑ５，Ｑ６はオフに保持
される。バッテリパックの充電器端子に充電器が接続さ
れると、Ｑ７のエミッタ電圧はそのベース（バッテリパ
ック）電圧よりも高くなってＱ７がオンとされ、Ｑ７の
コレクタ“ハイ”電圧は分圧器Ｒ１３，Ｒ１４により分
割されマイクロコントローラがスタンバイモードを抜け
出すようにされる。後者は即座にセルの充電制御を行
う。

【００７６】Ｑ８によりマイクロコントローラおよびそ
の支持回路はバッテリパックのセルもしくは充電源から
給電され、セルが完全に放電していても充電制御が保証
される。

【００７７】計算された平均充電電流の関数としての最
大高速および急速充電時間がマイクロコントローラによ
り各充電に対して設定され、この間隔の後、Ｑ１および
Ｑ２がオフとされてトリクル充電電流だけがセルへ流入
することができる。これは安全策である。さらに安全と
してセルを保護するために、マイクロコントローラは全
充電容量の９０％（変更可能）を越えて充電されている
バッテリパックを高速充電せず、トリクルトップアップ
充電により全充電を保証するようにプログラムされてい
る。

【００７８】セルメーカは高速すなわち急速充電を行う
ことができる温度限界を設定することもでき、それらを
マイクロコントローラのソフトウェアルーチンへプログ
ラムすることもできる。またセル種別ごとに最大ピーク
および最大平均高速充電電流を定義することもできる。
同じでない場合には、大電流を指定値へ平均化するパル
ス幅変調が使用される。例えば、大電流から中電流もし
くはトリクル電流へ周期的にスイッチングを行いそれを
繰り返すことにより平均電流の計算値が得られる。

【００７９】急速充電 バッテリパックに充電器を接続すると、マイクロコント
ローラは限流抵抗Ｒ６を介してＱ４のベースへ“ハイ”
電圧を出力することにより急速充電トランジスタＱ１を
即座にオンとし、ＬＥＤ Ｄ１が照光し高速充電電流で
あることを知らせる。Ｒ_S を流れる電流の計算値がセル
種別に対する最大値よりも小さくかつプログラムされた
平均充電電流限界よりも小さければ、Ｑ１は“全充電”
検出もしくは時間限れまでずっとオンである。長い間使
われなかったバッテリは内部抵抗が増大しており、この
状態で高速充電を行うとバッテリ寿命が短くなることが
ある。したがって、セル電圧が記憶された上限と比較さ
れそれを越えておれば、Ｑ１，Ｑ２がオフとされてトリ
クル充電しか行えないようにされる（セルメーカが指定
しておれば急速充電も可能）。

【００８０】しかしながら、Ｒ_s を流れる電流の計算値
がセル種別に対する最大ピークよりも小さいが予めプロ
グラムされた平均充電電流よりも大きければ、Ｑ１は最
初に少くとも３秒間オンとされて開路最大電圧検出器を
有する高速充電器はセルの存在を確認することができ、
次にマイクロコントローラはＱ１をサイクリックにオン
オフして充電電流のパルス幅変調を行い平均充電電流を
安全かつ有効な充電を行うための最大値よりも低く維持
する。例えば４秒サイクルを使用しかつ“１Ｃ”平均充
電電流が推奨されておれば、代表的な高速充電操作は
“１Ｃ”直流充電器に対してＱ１を連続的にオンとし、
“２Ｃ”直流充電器に対してはＱ１は２秒オンとされ２
秒オフとされ、“４Ｃ”充電器に対してはＱ１は１秒オ
ンとされ３秒オフとされる。各高速電流パルスの終りに
即座にケース温度測定値が得られる。

【００８１】急速充電 充電電流計算値がセルに対して設定された最大ピーク限
界を越える場合には、Ｑ１およびＬＥＤ Ｄ１はオンの
ミリ秒内でオフとされてセルの破損を回避し、次にＱ２
がオンとされ、こうすることによりＬＥＤ Ｄ２を照光
して“急速充電”進行中を表示する。パックの充電入力
における電力が電流源であっても電圧源であっても、Ｑ
２−Ｒ２，Ｑ３−Ｒ３抵抗器構成によりセルへの急速充
電電流はおよそ３００ｍＡに制限される。抵抗Ｒ１には
２つの役割りがあり、それはａ）トランジスタＱ１，Ｑ
２がオフである場合のトリクル充電電流経路となり、
ｂ）パックの充電入力の電圧を計算できることである。
Ｑ２−Ｒ２の電流限界が判れば、セルへ流入する総電流
はＩ−Ｑ２Ｒ２プラスＲ１両端間電圧降下による電流Ｉ
−Ｒ１となり、したがってセル電流データから充電電圧
を計算することができる。鉛酸カーバッテリの全充電電
圧に対応する予めプログラムされた限界を越えると、Ｑ
２がオフとされて自己過熱が回避される。

【００８２】トリクル充電 Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６がオフとされかつ電源が充電入力にあ
る場合には、トリクル電流はＲ１両端間の電圧降下によ
り定義され、充電入力電圧を１６Ｖ絶対最大値に指定す
れば完全放電セルに対する最大トリクル電流は８０ｍＡ
となり、バッテリパックの電圧が７Ｖの時は４５ｍＡと
なる。代表的に５セル充電器は１０Ｖ領域に電圧クラン
プされ最大５０ｍＡ（ゼロセル電圧）および１５ｍＡト
リクル電流（バッテリパックにおける７Ｖ）が得られ
る。Ｒ１も使用するセル技術のトリクル充電電流条件に
合致するように再定義することができる。

【００８３】セルメーカが推奨する場合には、トリクル
充電電流および電圧状態を調べ次に急速充電状態へ進み
最後に高速充電状態へ達するアルゴリズムを実施するこ
ともできる。

【００８４】全充電検出 “全充電”基準のための２つの手段がプログラムされて
いる。充電中に、セルケース温度プロファィルおよび端
子電圧プロファィルがメモリ内に記憶されセル種別に対
する全充電開始を表わすものと比較される。次に充電電
流の計算値が全充電監視を要する閾値よりも低ければ、
充電電流は変更されずそうでない場合には充電電流はＱ
１，Ｑ２のスイッチングによりトリクル電流へ低減され
る。全充電開始に対応する電荷がマイクロコントローラ
システムのメモリ内に記憶され、したがって、計算され
た時間だけトップアップトリクル充電を行うことにより
セルの最大電荷に到達する。トリクル充電電流はセルの
自己放電電流よりも大きいため、電荷が引き出されるま
でバッテリパックは“フル”と考えられる。

【００８５】バッテリ調整 マイクロコントローラが例えば１０％の予めプログラム
された限界に対応するセル電圧を測定し、セルには電荷
が残って電流が引き出されない場合、セルはゆるやかに
所定の電圧レベルへ放電される。これにより任意のメモ
リ効果が緩和されバッテリパックの効率が向上する。図
５において、ダーリントントランジスタであるＱ６がオ
ンとされＲ１１およびＬＥＤ Ｄ３へ調整電流が流れ
る。Ｒ１１が１００Ωであるセルバッテリパックでは、
調整電流はおよそ５０ｍＡである。バッテリパックに出
入りする外部電流を感知すると、調整電流は即座にオフ
とされる。

【００８６】もう一つの調整方式は放電の後で高速充電
を行うことである。いずれの場合にも、プロセッサによ
る充電追跡により工程の全段階においてバッテリ容量を
知ることができる。

【００８７】総セル電圧が回路素子の動作範囲内にとど
まれば、本発明の実施例は“ソフトウェア”の変更によ
りさまざまなバッテリ技術に対処することができる。例
えば、同じ実施例で３．８Ｖの“ゼロ充電”電圧と１８
Ｖの最大全充電電圧（急速充電電圧降下を含む）に対処
することができる。

【００８８】また図４には図１３に示すタイプのサーモ
スタット／センサー組合せが占有する位置（４００）が
示されている。

【００８９】図１０はマイクロコントローラおよびその
支援素子の詳細回路図である。主ブロックはＬＣＤディ
スプレイＬＣＤ１を有するマイクロコントローラであ
る。集積回路Ｕ２は現在システムの全ソフトウェアを含
むＥ２ＰＲＯＭであり、したがってデバックにはハード
ウェアマスク変更を必要とせず全マスク構成が考えられ
る。温度センサＲＴ１，ＲＴ２はシリコンダイオード型
であり温度測定中に定電流が通される。バッテリ電圧が
（３．５Ｖの調整されたＶ_ddに対してはおよそ３．７Ｖ
である）予めプログラムされたレベルよりも降下すると
リセット回路はマイクロコントローラへ論理“０”信号
を与へ、次にそのヒステリシスによりバッテリが最初の
閾値電圧よりも例えば２００ｍＶ高くならないうちは論
理“１”へ戻さない。

【００９０】調整器はマイクロ電流オペアンプＵ３Ａお
よびマイクロパワー電圧調整器Ｄ２により構成される。
電圧調整はバッテリ電圧が調整されたＶ_dd電圧よりも２
００ｍＶ高い場合でも行われる。オペアンプおよび電圧
調整器を調整電圧からバイアスすることによりさらに節
電が行われる（Ｑ３のベースと接地間の始動抵抗が必
要）。

【００９１】例えばテキサスインスツルメンツの２ミク
ロジェネリックから例えばＬｉｎＢｉＣＭＯＳへ技術転
換することにより、オンチップ電圧調整器スーパーバイ
ザ、Ｅ２ＰＲＯＭおよび他の個別部品を有するワンチッ
プ充電計の設計が可能となり、コストおよびスペースが
著しく低減される。

【００９２】次に図１１のフロー図を参照して本実施例
の動作説明を行う。変数名は次のとおりである。 Ｒ_s バッテリパック直列電流センス抵抗 Ｖ_rs センス抵抗Ｒ_s 両端間の測定電圧 Ｉ_fpwm ＰＷＭサイクル中のＡ_v 高速充電電流 Ｉ_rsf 高速充電電流 Ｉ_rsfmax 最大高速充電電流 Ｉ_rst トリクル充電電流 Ｉ_rstmax 最大トリクル充電電流 Ｉ_rsq 急速充電電流 Ｉ_rsqmax 最大プログラム急速充電電流 Ｉ_maxpk 最大許容ピーク充電電流 Ｖ_pak 全セル両端間電圧 Ｖ_cel Ａυセル数で除した全セル両端間電圧 Ｖ_celmax 最大許容セル電圧（Ｉ_rs＜Ｉ_maxpk ） Ｔ_sfc 所与のバッテリ容量に対する最大高速充電時
間ベース実充電率および計算充電率 θ_amb 周囲温度 θ_cell セルケース温度

【００９３】前記したように、動作はマイクロコントロ
ーラを停止モードとして開始される（１０００）。充電
器接続が感知され（１０２４）かつセンス抵抗に電流が
流れない場合（１０２５）、マイクロコントローラは１
秒間停止モードへ戻る。この前のステップの実施回数が
１０，０００回よりも少なければコントロールループは
（ａ）点へ戻り、１０，０００回を越えておれば停止モ
ード期間は１０秒へ延ばされる（１００２）。

【００９４】１０２５で検出される電流が充電電流でな
ければ（１０２６）、前記したようにコントロールは放
電方式へ渡される（１００３）。さもなくば、Ｑ１がオ
ンとされパラメータＩ_rsf 、Ｖ_celav 、θ_amb 、θ
_cells が決定される（１００４）。次にセル電圧読取値
が温度および振幅正規化される（１００５）。周囲温度
（θ_amb ）が安全に高速充電を行える範囲外であれば
（１００６）、コントロールはトランジスタＱ１をオフ
とし急速充電トランジスタＱ２をオンとすることによる
急速充電方式の確立（１０１０）へ渡される。同時に、
Ｉ_rsq が測定され正規化される。平均セル電圧
（Ｖ_clav）が最大許容セル電圧を越えるか（１０１１）
もしくは感知電流が最大許容値を越えると、コントロー
ルは両トランジスタＱ１，Ｑ２をオフとすることによる
トリクル充電状態へ渡される（１０１３）。さもなくば
延長急速充電モードへ入り（１０１４）、ここでは急速
充電インジケータが照光され、電流が感知され、毎秒充
電率が計算され、バッテリ状態および／もしくは時間表
示が更新される。測定されたセル温度プロファイルが全
充電を示すものと同じであれば（１０１５）、再びトリ
クル充電モードへ入り（１０１３）この時充電レジスタ
は９５％に設定される（１０１４）。全充電に到達する
ことなく最大急速充電時間が経過すると（１０１６）、
やはりトリクル充電モードに入るが（１０１３）充電レ
ジスタは９５％に設定されるのではなく計算値とされ
る。急速充電時間を越えない場合、１秒の遅延後に再測
定を行う（１０１７）。

【００９５】周囲温度が高速充電範囲内であれば（１０
０６）、感知電流が最大許容電流を越えるかどうか調べ
られ（１００７）、セル電圧が最大許容電圧を越えるか
どうかが調べられる（１００８）。これらのいずれかの
状態が真であれば、ステップ１０１０を介して高速充電
モードではなく急速充電モードへ入る。逆に、安全に高
速充電が行われる場合には高速充電トランジスタＱ１が
オンとされ高速充電インジケータは３秒間照光し（１０
０９）、次にマイクロコントローラは温度プロファイル
を計算設定し、所要パラメータを測定してパルス幅デュ
ーティを計算し適切な高速充電電流に到達するようにプ
ログラムされる。開始されるパルス幅変調電流サイクル
だけでなく測定電荷および全充電時間によりディスプレ
イも更新される。許容最大高速充電時間を越えると（１
０１９）、トリクル充電方式に入る（１０１３）。全充
電に到達していない場合には（１０２０）、コントロー
ルループはステップ１０１８へ戻り測定値を更新し、新
たに計算およびパルス幅変調を行う。

【００９６】記録された時間に対する温度プロファイル
が全充電を示す場合（１０２０）、充電レジスタは９５
％に設定され（１０１４）、トリクル充電方式に入る
（１０１３）。センス抵抗Ｒ_s を流れる電流が再測定さ
れ最大値を越えておれば警告／緊急手順に入る（１０２
２）。さもなくば、トリクル充電が維持されトリクル充
電表示器が照光する。トップアップ充電を行うための計
算された時間の後で、充電表示器が更新され充電レジス
タは所定のバッテリ容量に対する全充電に設定される
（１０２３）。

【００９７】評価できる特徴は校正に関するものであ
る。本発明の実施例はコストをかけずに計装増幅器に基
づくアナログ構成で得られるものと同等の驚くべき測定
精度を有する最初の組立体に対して校正を行うことがで
きる。校正に関連するマイクロコントローラの構成を図
１３に示す。

【００９８】マイクロコントローラ１６００は（前記）
アナログ／デジタルコンバータ１６０１および電流発生
器１６０２を含んでいる。端子１６０４，１６０５との
接続がなくかつ（例えば、最初の組立体に対して）校正
を要する場合、電流源が励起されＲ_biasを介してシステ
ム接地へ電流が流れる（１６０７）。コンバータ入力の
電圧が測定されゼロセル電圧を表わす値としてＰＲＯＭ
１６０６に記憶され、セルは全充電されている。校正を
完了させるために（公知の校正源１６０８を接続して供
給される）公知の電流が供給され再度測定が行われる。
こうして２つの固定点により測定システムのオフセット
および利得を計算できるため校正が行われる。

【００９９】また本構成はＰＲＯＭ１６０６に記憶され
た値により電圧および温度に対しても校正される。校正
は外部計装なしで組立ての一部として行われることをお
判り願いたい。適切な代替品が接続されておれば、セル
無しで校正を行うこともできる。

【０１００】電流校正の例に続いて、電流発生器１６０
２をオンとして測定される変換値がゼロとして定義さ
れ、１２ビットコンバータにより２０４８ステップが正
（充電）となり２０４８ステップが負（放電）となるよ
うにされる。２ステップのガードバンドが採用される。
最大可変換値に指定される実際値は公知の（比較的高
い）電流源１６０２を接続して決定される。

【０１０１】公知の電流発生器１６０２を使用してゼロ
の値を真のゼロからシフトさせ（いずれかの測定値を使
用する場合に特に問題となる）オフセット効果を解消
し、調整を行うことなく信頼度の高い工場校正を自動的
に行うようにすることをお判り願いたい。

【０１０２】また、低抵抗のセンス抵抗（２０ｍΩ）に
より（例えば、３５０μＶステップの）高分解能が得ら
れる。これにより、７Ａのバッテリ電流において消費電
力１Ｗという設計ゴールが達成されるためこれは有利で
ある。また校正により絶対値は重要でないためこの値の
センス抵抗は集積可能となる。

【０１０３】前記実施例の物理的実現を図７に示す。サ
ーミスタ７１、マイクロコントローラ７２、パワー部品
７３、ディスプレイ７４、発光ダイオード７０１および
スイッチ７００を含む実施例を構成する部品を搭載した
印刷回路板７０に充電式セル１１が接続される。セル１
１および回路板７０は２面７６，７７を有する凾体７５
内に配置され各面はそれぞれ例えばビデオカメラ等の被
給電装置および充電器に接続されるようにされており、
誤接続を防止するためにキーイングを使用することがで
きる。嵌合フランジ７８内の金属面を介して電気的接続
を行ってバッテリパックと被給電装置および／もしくは
充電器間の接続を行うことができる。接続には電源接
続、充電接続およびデータ接続が含まれる。ここでは、
組立ての便宜上２分割凾体を示す。

【０１０４】本発明によりセル種別と“両立しない”充
電器でも使用できるため、標準フットプリントを有する
ケースも使用できる。これにより元々Ｎｉ−Ｃｄバッテ
リパックおよび標準もしくは注文フットプリント充電器
から給電される既存の装置に最新のバッテリ技術（例え
ば、メタルハイドライド）を使用することができる。さ
まざまな種別の充電器にパックを使用できるためさまざ
まなフットプリントのさまざまな充電器に適合するよう
にされたケースを使用することができる。“充電”面も
しくはフットプリントおよび“アプリケーション”面も
しくはフットプリントを有するパックも考えられる。

【０１０５】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。（１）．セルもしくはバッテリを形成するセル構成
と、バッテリ動作パラメータを感知する手段と、前記感
知されたパラメータを受信しそれに応答してバッテリシ
ステムの適応を行うように構成されたマイクロコントロ
ーラを含む、バッテリシステム。

【０１０６】（２）．第（１）項記載のバッテリシステ
ムにおいて、感知されるパラメータはセル構成に対して
出入りする電流である、バッテリシステム。

【０１０７】（３）．第（１）項もしくは第（２）項記
載のバッテリシステムにおいて、感知されるパラメータ
はセル温度であるバッテリシステム。

【０１０８】（４）．前記いずれかの項記載のバッテリ
システムにおいて、供給もしくは蓄積電荷に基づいてデ
ィスプレイを更新する適応がなされるバッテリシステ
ム。

【０１０９】（５）．前記いずれかの項記載のバッテリ
システムにおいて、充電電流を制御する適応がなされる
バッテリシステム。

【０１１０】（６）．第（５）項記載のバッテリシステ
ムにおいて、マイクロコントローラで制御されるスイッ
チング素子を含むバッテリシステム。

【０１１１】（７）．前記いずれかの項記載のバッテリ
システムにおいて、マイクロコントローラは所定のセル
情報を含むメモリへアクセスするバッテリシステム。

【０１１２】（８）．第（７）項記載のバッテリシステ
ムにおいて、前記所定のセル情報は全充電を示す特性で
あるバッテリシステム。

【０１１３】（９）．前記いずれかの項記載のバッテリ
システムにおいて、前記マイクロコントローラは現在の
バッテリ状態を記憶することができる非揮発性メモリへ
のアクセスを有するバッテリシステム。

【０１１４】（１０）．前記いずれかの項記載のバッテ
リシステムにおいて、マイクロコントローラは充電サイ
クル終了点に基いて実際のバッテリ容量の計算を行うよ
うにされているバッテリシステム。

【０１１５】（１１）．前記いずれかの項記載のバッテ
リシステムにおいて、マイクロコントローラはセル構成
に対して充放電方式を実施することによりバッテリ調整
を行うようにされているバッテリシステム。

【０１１６】（１２）．バッテリシステム内のバッテリ
に関連する装置において、該装置はバッテリ動作パラメ
ータを感知し前記バッテリ動作によるバッテリ特性変化
に応答して前記バッテリシステムの適応を行う装置。

【０１１７】（１３）．前記いずれかの項記載のバッテ
リシステムもしくは装置において、前記パラメータはサ
ーモスタットの付随もしくは一部をなす素子により感知
されるバッテリシステムもしくは装置。

【０１１８】（１４）．充電保護回路を含むバッテリパ
ックが開示され、実質的な全充電検出に応答した充電電
流分流、バッテリ特性模擬および充電監視バッテリセル
調整が行われる。充電制御および電荷測定も行われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】バッテリ、充電器および保護回路を表わす図。

【図２】図１と同様な別の実施例を示す図。

【図３】バッテリパック構成の模式図。

【図４】バッテリパック構成の模式図。

【図５】図４の回路の拡大詳細図。

【図６】バッテリパックレイアウト図。

【図７】バッテリパックレイアウト図。

【図８】代表的動作のフロー図。

【図９】代表的動作のフロー図。

【図１０】回路図。

【図１１】動作フロー図。

【図１２】電流感知素子を示す図。

【図１３】校正構成図。

【符号の説明】

１０ 凾体 １１ Ｎｉ−Ｃｄセル １２ Ｎｉ−Ｃｄセル １４ バッテリパック端子 １５ 負端子 １６ 充電器 １７ 電流源 １８ 温度センサー ３０ 負給電線 ３１ 信号調整回路 ３２ マルチプレクサ ３３ 温度センサー ３４ 伝熱部材 ３５ 入力線 ３６ Ａ／Ｄコンバータ ３７ 基準電圧 ３８ ＣＰＵ ３９ ＲＯＭ ３００ ＲＡＭ ３０１ プログマブル論理アレイ ３０２ ディスプレイ ３０３ 電力ドライバ構成 ３０４ パワートランジスタ ３０５ 音響装置 ３０６ 抵抗素子 ３０７ 抵抗器 ３０８ ヒートシンク ３０９ タイマー ４０ 温度センサー ４１ データ入出力バス ４２ ＥＥＰＲＯＭ ４３ 線 ４４ 線 ４５ 入力 ５０ 端子 ５１ 端子 ５２ 抵抗器 ５３ 抵抗器 ５４ 端子 ５５ 充電器 ５６ 電圧源充電器 ６０ 電気絶縁体 ６１ 釦 ６４ ケース ６５ スナップフィッチング ６６ 充電式セル ６７ 充電式セル ６８ 充電式セル ６９ キャリア部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02J 7/00 - 7/12 H02J 7/34 - 7/36

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バッテリを形成するセル（１１，１２）
   配置と、バッテリ動作パラメータを検知する検知手段
   （Ｒθ又はＲｓ）と，選択電流分路回路（Ｒ１とＴ１）
   を含むバッテリパック（１０）であって、 前記検知手段（Ｒθ又はＲｓ）がセル動作についての所
   定のパラメータを検出した時、スイッチング要素（Ｔ
   １）でスイッチされた分路抵抗（Ｒ１）を通して流され
   る前記セルのバイパス電流によって前記選択電流分路回
   路が作動され、それによって通常の充電器（１６）の温
   度検知要素（１８）近くの前記バッテリパック（１０）
   の温度が上昇させられる、ことを特徴とする前記バッテ
   リパック。
2. 【請求項２】 マイクロコントローラＣＰＵ（３８）を
   更に有し、これがスイッチング要素（３０４又はＱ１と
   Ｑ２）を制御する、ことを特徴とする請求項１記載のバ
   ッテリパック。