JP4750225B2 - バッテリ電圧監視システム - Google Patents

Description

本発明は、一端で基準電圧に接続された、直列の２つよりも多いバッテリのバッテリ装置のバッテリ電圧を監視するバッテリ電圧監視システムであって、前記監視システムが、前記バッテリ装置の少なくとも一部と並列に設けられ、一端で基準電圧に、他端で前記バッテリ装置中のノードに接続された、第１及び第２の抵抗要素を有する分圧器を有するバッテリ電圧監視システムに関する。

電気器具が例えば複数のリチウムイオンバッテリを備える場合には、多少なりとも複雑なバッテリ管理システムが必要とされる。リチウムバッテリ及びリチウムポリマは、充電の間、過度の電圧（＜４．２Ｖ）に対して保護されなければならない。電気器具の使用の間、バッテリは、放電されるだろう。装置中のいずれかのバッテリのバッテリ電圧が或る低い境界、例えば２．７Ｖを通過する場合には、電気器具は、バッテリがアンダーチャージ（under charge）になるのを阻止するために積極的にオフにされなければならない。さもなければ、これは、バッテリに対して永久的な損傷をもたらす。他の化学構造（例えばＮｉＭＨ）をもつバッテリは、自己の他の固有の電圧レベルを有する。バッテリ装置は、一端で基準電圧に接続される。基準電圧に接続された単一のバッテリ又は直列の最初のバッテリに関しては、バッテリ電圧が直接的に測定され得る。２つよりも多いバッテリの直列装置に関しては、より複雑なスキームが必要とされる。バッテリ装置の少なくとも一部と並列に設けられた分圧器を用いることが知られている。これは、バッテリの直列接続装置の一部に渡る電圧、即ち、２、３又はそれよりも多いバッテリに対する全体電圧を測定することを可能にする。

しかしながら、既知のスキームを用いることで、測定の誤差は、より多くバッテリが使用されるにつれて増大する。それぞれの測定は、複数のバッテリに渡る電圧を提供する。特定のバッテリのためのバッテリ電圧は、種々の測定に基づいて計算されるべきである。これは誤差をもたらす。斯様な誤差は、バッテリに対する予期しない損傷をもたらし得るか、又は、安全マージンが適用されたとしても、２．７Ｖよりも大幅に高い実際の電圧でデバイスをオフにするか、若しくは、４．２Ｖよりも大幅に低い電圧でバッテリの充電を終了することをもたらし得る。

本発明の目的は、電圧測定の精度が増大される改良されたバッテリ電圧監視システムを提供することにある。この発明は、直列に接続されたバッテリ装置の個々のバッテリ電圧を正確に監視することを目的としている。

この目的を達成するために、本発明によるバッテリ電圧監視システムは、第１及び第２の抵抗要素の間にトランジスタが設けられ、前記トランジスタのベースが、ダイオードを介して、バッテリの直列装置における他のノードに接続され、スイッチング回路が前記トランジスタをアドレスするために設けられる。

トランジスタがアドレスされたときには、第１の抵抗間の電圧は、バッテリ装置における２つのノード間の電圧と実質的に同等になる。これは、個々のバッテリに渡って電圧の差分を直接的に測定することを可能にし、それ故、誤差の原因を除去する。

好ましい実施形態において、２又はそれ以上の分圧器は、共通の抵抗を有する。共通の抵抗の使用は、測定誤差を削減する。

好ましい実施形態において、ダイオードは、分圧器中のトランジスタに適合するトランジスタで構成される。これは、誤差を削減する。

実施形態においては、トランジスタはＰＮＰトランジスタであり、他の実施形態においては、ＮＰＮトランジスタである。

これら及び本発明の他の態様は、例により、及び、図面を参照して、より詳細に説明されるだろう。

バッテリシステムにおけるバッテリ電圧を測定する標準的な構成を示している。 ＭＯＳＦＥＴを用いた国際公開第２００５／１１７２３２号パンフレットからの既知の構成を示している。 図１及び図２の標準的な構成との比較について示している。 図１及び図２の標準的な構成との比較について示している。 図１及び図２の標準的な構成との比較について示している。 本発明の一実施形態を示している。 本発明の好ましい実施形態を示している。 本発明の好ましい実施形態を示している。 本発明の好ましい実施形態を示している。 リングカウンタが用いられた図７Ａの実施形態のバリエーションを示している。 図７に示されたデバイスの単純化されたバージョンを示している。 ＮＰＮトランジスタを用いた一実施形態を示している。

図面は実寸で描かれていない。概して、同一の部品は、図中において同一の参照符号で示される。

図１において、一般的なリチウムイオンバッテリ管理システムが示されている。低電圧パワープラグ（又は"アダプタ"）、直列接続のリチウムイオンバッテリ（この例においては５つのバッテリ）、コントローラ、オン／オフスイッチ、及び、電圧を測定するための手段がある。ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ５）により、充電電流が遮断され得る。ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ６）により、オン／オフスイッチが制御されるときに電気器具がオン及びオフにされ得る。

〔充電〕
バッテリ式の電気器具（携帯型電気掃除機、動力工具等）は、パワープラグ電圧ＵＰｌｕｇの存在が入力Ｉ２でコントローラにより検出された場合に充電されるだろう。バッテリが低充電状態である場合には、コントローラは、出力Ｏ５を"低"から"高"の状態に切り替える。これは、トランジスタＱ５及びＰＭＯＳＦＥＴ（Ｍ５）をオンにする。抵抗Ｒ１５は、充電電流を制限する。充電の間、個々のバッテリのそれぞれの電圧は増大するだろう。個々のバッテリ（Ｕ１〜Ｕ５）のそれぞれの電圧は監視されなければならない。バッテリ電圧が４．２Ｖの境界を超える場合には、バッテリの寿命が低減されるだろう。充電／放電サイクルの数を増加させるために、最大の電圧閾値は、より低い値、例えば３．８Ｖに制限されるだろう。

バッテリＵ５が基準電圧ライン、この例においてはグラウンドを基準とされるので、Ｕ５のセル電圧は、アナログ入力Ａ５でコントローラにより直接的に監視され得る。バッテリＵ１〜Ｕ４の電圧は、４つの分圧器Ｒ１／Ｒ５，Ｒ２／Ｒ６，Ｒ３／Ｒ７及びＲ４／Ｒ８により直接的に監視されなければならない。これらの４つは、基準電圧ライン（この例においてはグラウンド）に、及び、バッテリ装置内のノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４にそれぞれ接続される。４つの分圧器は、個々の分圧器のそれぞれの大きさに依存して、電圧を２Ｖ〜３Ｖの範囲内のアナログ入力Ａ１，Ａ２，Ａ３及びＡ４に縮小する。この電圧範囲は、電圧基準Ｕｒｅｆの大きさと同程度である。

例えばバッテリＵ１の電圧を測定するためには、入力Ａ１及びＡ２での双方の電圧が、測定されて電圧基準Ｕｒｅｆと比較される必要がある。電圧ＵＡ１及びＵＡ２に対して、

を得る。バッテリ電圧Ｕ１に対して、

が書かれ得る。

この計算は、コントローラにより実行される。従って、電圧Ｕ１を正確に測定するためには、コントローラは、減衰Ｘ１及びＸ２を考慮に入れなければならない。更に、分圧器の抵抗及び基準電圧の許容誤差が、Ａ／Ｄ変換プロセスの要求された分解能を決定するために同様に考慮されなければならない。バッテリＵ２，Ｕ３及びＵ４の電圧は、同様の手法で測定され得るが、それぞれのアナログ入力チャンネルは、異なる減衰ファクタを考慮に入れなければならない。

コントローラが、３．８Ｖよりも高い個々のバッテリのバッテリ電圧を測定する場合には、充電プロセスが停止される。コントローラは、出力Ｏ５を"高"から"低"に切り替えて、ＰＭＯＳＦＥＴ（Ｍ５）をオフにする。ダイオードＤ５は、バッテリ電流が電源に逆流し得ることを禁止するために挿入される。

この電圧監視システムの他の欠点は、充電後に、分圧器ネットワークがバッテリに接続されたままであることである。通常、高オーム抵抗が用いられるが、依然としてかなりの量の電流がバッテリからリークするだろう。より多くのバッテリが直列に接続されると、より多くの分圧器が必要とされ、より多くのリークが生じるだろう。

〔放電〕
バッテリ式の電気器具（携帯型電気掃除機、動力工具等）は、オン／オフスイッチを押すことによりオンにされる。コントローラは、出力Ｏ６を"低"から"高"の状態に切り替える。これは、ＮＭＯＳＦＥＴ（Ｍ６）をオンにし、ＤＣモータが稼動を開始する。ＤＣモータの動作の間、バッテリが放電されるだろう。バッテリのうちの１つの個々のバッテリ電圧が２．７Ｖの最小閾値を通過する場合には、ＤＣモータはオフにされなければならない。これは、リチウムイオンバッテリが永久的な損傷を受けるのを阻止する。コントローラは、出力Ｏ６を"高"から"低"の状態に切り替えて、ＮＭＯＳＦＥＴ（Ｍ６）をオフにする。放電の間において個々のバッテリ電圧を監視する原理は、バッテリの充電の間のものとまさに同一である。

図２において、リチウムイオンバッテリ装置の従来のバッテリ電圧監視システムが示されている（ミルウォーキー；国際公開第２００５／１１７２３２号パンフレット）。この従来のシステムは、フル充電サイクル後にバッテリからの電流リークの問題について対処している。それぞれの分圧器は、ＮＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３及びＭ４）を備えている。このＮＭＯＳＦＥＴのRds_onは、電圧監視システムの精度に影響を及ぼさないように選択される（典型的にはＲ４の０．１％）。

充電の間、コントローラは、出力Ｏ１を"低"にし、Ｑ１のコレクタでの電圧は、"高"の状態になるだろう。これは、ＮＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１〜Ｍ４）をオンにして、分圧器が正常に動作され得る。電圧の監視は、既に述べられたのと同様である。フル充電サイクルの後、分圧器は、ＮＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１〜Ｍ４）をオフにすることによりバッテリから接続解除される（出力Ｏ１＝"高"）。このシステムの利点は、高オーム抵抗が分圧器において必要とされないことである。これは、システムをノイズに対して低感度にさせ、結果として、より正確な測定を可能にする。

それ故、この従来のシステムは精度を増大させるが、間接的なバッテリ電圧測定の基本的な問題、即ち、４つの異なる減衰ファクタの必要性、及び、バッテリ電圧の計算の間の丸め誤差を除去していない。

図３は、部分Ａ及びＢにおいて、図１及び図２に示された監視システムの基本的な構成要素を示し、部分Ｃにおいて、本発明による監視システムに関する基本的な構成要素を示している。単純化のために、説明に関係しないコントローラの入力又は出力（Ａ２，Ａ３等）は、図３において描かれていない。

トランジスタＱ１１は、分圧器における抵抗Ｒ１及びＲ２の間に配置され、そのベースは、ダイオードＤ１を介してバッテリ装置のノードＮ２に接続される。ダイオードＤ１の機能は、ベースをＱ１１からノードＮ２を接続解除することである。スイッチング要素、この例においてはトランジスタＱ１が導通状態にある場合には、トランジスタＱ１１がアドレスされて、抵抗Ｒ１間の電圧が、

になる。

の場合には、この方程式は、

になる。

それ故、Ｒ１間の電圧は、トランジスタＱ１が導通状態にある場合にはバッテリ電圧Ｕ１に比例する。この原理によれば、バッテリ電圧Ｕ１は、比例電流Ie（Ｑ１１）に置き換えられる。電流Ie（Ｑ１１）は、グラウンドを基準とした抵抗Ｒ５に対して下流方向に流れ、Ｒ５間の電圧をバッテリ電圧Ｕ１にほぼ比例させる。これは、電圧Ｕ１の直接的な測定を可能にし、それ故、種々の減衰ファクタを考慮に入れる必要性を除去し、これにより、個々のバッテリ電圧の測定の精度を増大させる。また、図３の部分Ａに示された標準的な構成と比較して、リーク電流が削減され、図３の部分Ｂの構成と比較して、より単純でよりコストをかけずに、依然としてより正確な測定が提供される。

図４は、本発明による監視システムの一実施形態を示している。

トランジスタＱ１１〜Ｑ１４は、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３及びＲ４とそれぞれ抵抗Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７及びＲ８との間に設けられる。トランジスタＱ１１〜Ｑ１４のベースは、ダイオードＤ１〜Ｄ４を介して、バッテリ装置内のノードに接続されている。トランジスタをアドレスするためのスイッチング要素は、トランジスタＱ１〜Ｑ４により設けられる。

トランジスタＱ１〜Ｑ４をアドレスすることにより、個々のバッテリのそれぞれのバッテリ電圧は、減衰ファクタの必要性なく、アナログ入力Ａ１〜Ａ５によりコントローラで読みだされ得る。従って、丸め誤差は引き起こされず、リーク電流経路は発生しない。

図５は、本発明の好ましい実施形態を示している。

図３の部分Ｃのスキームにおいて、Ｕｂｅ（Ｑ１１）がＵａｋ（Ｄ１）に等しくない場合には誤差が残る。図５において、ダイオードは、ＰＮＰトランジスタＱ１１に適合するトランジスタＴ１１の部分を形成し、これにより、Ｕｂｅ（Ｑ１１）とＵａｋ（Ｄ１）との不一致による測定誤差を取り消す。全体の精度は、１％の抵抗が用いられる場合には２．５％よりも良くなる。この図３において、説明に関連しないコントローラの入力及び出力は描かれていない。

図６は、本発明の好ましい実施形態を示している。この実施形態において、種々の分圧器は、共通の抵抗Ｒ５を共有する。共通の抵抗を用いることで、誤差を削減し、システムを単純化する（必要とされたアナログ入力が少ない）。トランジスタＱ１〜Ｑ４を連続してアドレスすることは、個々のバッテリのそれぞれのバッテリ電圧を読み出すのに非常に役立つ。充電プロセスが比較的遅いことから、個々のバッテリのそれぞれのバッテリの連続的な読み出しは問題にならない。

図７Ａ及び７Ｂは、図５及び６の態様が組み合わせられた実施形態を示している。図７Ａは、２つの態様の率直な組み合わせである。図７Ｂにおいて、トランジスタＱ１〜Ｑ４の単純化されたアドレッシングシステムが示される。コントローラは、どの個々のバッテリのバッテリ電圧のどのバッテリ電圧が低又は高電圧の保護レベルを通過するかを"知る"ことを必要とされない。それ故、トランジスタＱ１〜Ｑ４のアドレッシングは、単純で安価なリングカウンタ（HEF4017等）により実行され得る。特に、大きな列のバッテリが直列に接続されるときには、これは、コントローラの要求された出力の数の削減を意味する。これは、コストのかからないコントローラの使用を可能にする。

図８は、３つのバッテリだけが存在する、図７Ａに示されたスキームの単純化されたバージョンである。

前の図においては、ＰＮＰトランジスタが用いられた。実施形態において、ＮＰＮトランジスタが用いられてもよい。斯様な構成は、図９に示されている。基準電圧は、前の図のようなグラウンドの代わりに、正電圧ラインを有する。コントローラは、プラスラインを基準として用いる。本発明の原理は、同等に適用可能である。

要するに、本発明は、以下によって示され得る。バッテリ電圧監視システムは、直列の２よりも多いバッテリ（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４，Ｕ５）の装置の電圧を監視する。本システムは、バッテリ装置の少なくとも一部と並列に設けられ、基準電圧ライン及びバッテリ電圧内のノード（Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４）に接続された第１（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５）及び第２（Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８）の抵抗要素を有する分圧器を有する。第１（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５）及び第２（Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８）の抵抗要素の間において、トランジスタ（Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４）が設けられる。トランジスタのベースは、ダイオード（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４）を介して、バッテリの直列装置内の他のノード（Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４，Ｎ５）に接続され、スイッチング要素（Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４）が、トランジスタ（Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４）をアドレスするために設けられる。

上述した実施形態は、本発明を限定するよりはむしろ例示であり、当業者は、特許請求の範囲から逸脱することなく多くの代替実施形態を設計可能であることが留意されるべきである。例えば、例においてＮＰＮ又はＰＮＰトランジスタが用いられたが、実施形態においてこれらのタイプのトランジスタの双方を用いてもよい。

特許請求の範囲において、括弧内の参照符号は、特許請求の範囲を限定するものとして考慮されるべきではない。

"有する"という単語は、特許請求の範囲に記載されたもの以外の他の要素又はステップの存在を除外するものではない。本発明は、上述された種々異なる好ましい実施形態の特徴の如何なる組み合わせによっても実行され得る。

Claims (7)

1. 一端で基準電圧ラインに接続された直列の２よりも多いバッテリのバッテリ装置のバッテリ電圧を監視するバッテリ電圧監視システムであって、
   前記バッテリ装置の少なくとも一部と並列に設けられ、一端で前記基準電圧に、他端で前記バッテリ装置内のノードに接続された第１及び第２の抵抗要素を有する分圧器を有し、
   前記第１及び第２の抵抗要素の間にトランジスタが設けられ、
   前記トランジスタのベースは、ダイオードを介して、前記バッテリ装置内の他のノードに接続され、
   スイッチング要素が、前記トランジスタをアドレスするために設けられる、バッテリ電圧監視システム。
2. 前記ダイオードは、前記分圧器内の前記トランジスタに適合するトランジスタで構成される、請求項１に記載のバッテリ電圧監視システム。
3. ２又はそれ以上の分圧器は、共通の抵抗を有する、請求項１又は請求項２に記載のバッテリ電圧監視システム。
4. 前記分圧器内の前記トランジスタは、ＮＰＮトランジスタである、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のバッテリ電圧監視システム。
5. 前記分圧器内の前記トランジスタは、ＰＮＰトランジスタである、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のバッテリ電圧監視システム。
6. リングカウンタを有する、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載のバッテリ電圧監視システム。
7. 請求項１〜６のうちいずれか一項に記載のバッテリ電圧監視システムを有する、バッテリ駆動可能なデバイス。

Images