JP5118637B2 - Ｌｉイオン電池用制御電子回路 - Google Patents

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Description

（関連出願）
本願は、2005年7月14日に出願され、本明細書において参照によりその全教示が援用される米国特許仮出願第60/699,088号の利益を主張する。
（発明の背景）
携帯電子装置のLiイオン電池は、通常、そのユーザーにより異なる充電、放電、および蓄電作業を受ける。比較的長いカレンダー（もしくは保存）寿命および／またはサイクル寿命の電池を有することは有利なことではあるが、通常、部分的に電池の化学的な劣化ならびに電極の呼吸性質（breathing nature）、リチウムインターカレーションおよび除去の際のその厚みの変化によって生じる機械的な劣化のために、電池は限界カレンダー(calendar)寿命およびサイクル寿命を有する。例えば、マンガン酸塩スピネル系正極物質を用いたLiイオン電池は、一般的に、LiCoO2系正極物質を用いたものに比べ、より高い安全性、より高い電気出力（power capability）およびより低い製造コストを有するが、比較的低いサイクル寿命およびカレンダー寿命を有する。また、同じ型の電池の中でも、それらのカレンダー寿命およびサイクル寿命は、それらがユーザーによって受ける充電、放電および蓄電作業に依存して、それぞれ異なり得る。
一般的に、電池のカレンダー寿命には二つの特性が考慮される。第一の特性は、蓄電時の自己放電による電池の消費容量に関する。充電能力のない蓄電される電池がある程度その電荷を失い得ることは電池産業において周知である。一般的に、充電消失のレベルは化学的安定性、温度および蓄電時間などの要素に依存する。Liイオン電池は、一般的に蓄電時の自己放電により容量を失うような電池の一例である。Liイオン電池の消費容量は、蓄電中に電池が受ける相対的な充電状態の変化（または電圧変化）として測定され得る。第二の特性は、電池の回復容量および非回復性の永久劣化に関する。回復容量は、完全充電／放電サイクル時の最初の容量と蓄電されている電池の完全充電／放電サイクルの容量を関連付けることにより測定され得る。電池の消費容量は、電池のサイクリングによって生じる劣化とは異なり、蓄電時の電池の化学的劣化に関係すると考えられる。電池のサイクリングにより生じる劣化には、電極の呼吸性質により生じる劣化が含まれると考えられる。にもかかわらず、長期間の使用の結果の電池の劣化は、多くの電子装置、特にリチウムイオン電池を使用したものに広く浸透した課題である。
そのため、Liイオン電池などの電池のカレンダー寿命および／またはサイクル寿命を増加させる方法を開発する必要がある。
（発明の概要）
一般的に、本発明は、電池または電池パックの蓄電圧(storage voltage)を制御して、好ましくない電圧域または好ましくない電圧を避けるためにその蓄電圧を調整し、それにより、電池または電池パックが好ましくない電圧域または好ましくない電圧で費やす時間を最小限にする方法および電子装置に関する。
ここで、出願人等は、Liイオン電池、特にコバルト酸リチウムおよびマンガン酸塩スピネルの混合物を含むLiイオン電池について、所定の電池（またはセル）の蓄電圧レベルが電池のカレンダー寿命の決定的要因であることを発見した。また、ここで出願人等は、リチウムイオン電池がより早く劣化する特定の蓄電圧域が存在することを発見した。これらの発見に基づいて、制御電子回路(control electronics)により電池パックの蓄電圧を制御する方法；電子装置、電池パック、ならびに該電子装置および電池パックにつながれた制御電子回路を含むシステム；パックハウジング（pack housing）、パックハウジング中の少なくとも１つのセルおよび該パックハウジング中の制御電子回路を含む電池パック；ならびに制御電子回路を含む制御電子回路装置が本明細書に開示される。
一態様において、本発明は制御電子回路により電池パックの蓄電圧を制御する方法に関する。該方法は、電池パックの蓄電圧を検知する工程、および放電機構を誘導して、蓄電圧が所定の範囲の電圧内にある場合に電池パックの蓄電圧を所定の範囲の電圧より低く調整するか、または蓄電圧が所定の電圧であるかもしくはそれを超える場合に電池パックの蓄電圧を所定の電圧より低く調整する工程を含む。好ましくは、制御電子回路および電池パックは電子装置につながれる。
別の態様において、本発明は、電子装置、電池パックならびに該電子装置および電池パックにつながれた制御電子回路を含有するシステムに関する。該制御電子回路は電池パックの蓄電圧を検知し、放電機構を誘導して、蓄電圧が所定の範囲の電圧内にある場合に電池パックの蓄電圧を所定の範囲の電圧より低く調整するか、または蓄電圧が所定の電圧であるかもしくはそれを超える場合に電池パックの蓄電圧を所定の電圧より低く調整する。
さらに別の態様において、本発明は電池パックの蓄電圧を検知し、放電機構を誘導して、蓄電圧が所定の範囲の電圧内にある場合に電池パックの蓄電圧を所定の範囲の電圧より低く調整するか、または蓄電圧が所定の電圧であるかもしくはそれを超える場合に電池パックの蓄電圧を所定の電圧より低く調整する、パックハウジング、パックハウジング中の少なくとも１つのセルおよびパックハウジング中の制御電子回路を含む電池パックに関する。
また、本発明は、電池パックの蓄電圧を検知し、放電機構を誘導して蓄電圧が所定の範囲の電圧内にある場合に電池パックの蓄電圧を所定の範囲の電圧より低く調整するか、または蓄電圧が所定の電圧であるかもしくはそれを超える場合に電池パックの蓄電圧を所定の電圧より低く調整する、装置ハウジング、および装置ハウジング中の制御電子回路を含む、制御電子回路装置を含む。
本発明は、電池のカレンダー寿命および/またはサイクル寿命を効果的に向上し得る。通常、携帯電子装置中のリチウムイオン電池は、そのユーザーにより異なる充電、放電、蓄電作業を受ける。例えば、あるユーザーは、毎日のように、朝電池を完全に充電してから続けてデバイスを使用し、再び電池を完全に充電するために、一日の終わりにデバイスを充電器に差し込む。他のユーザーは、完全に充電されたデバイスを外部電源に繋ぎっぱなしにして電池を完全充電状態(full state-of-charge)にし得、時々デバイスのプラグを抜いて電池を使い切り得る。また、電池は、ある程度の充電の状態で、数時間から数日間、または時には数週間から数ヶ月間も蓄電され得る。本発明により、積極的に使用されていない間のかかる電池の電圧、すなわち電池の蓄電圧を制御して、電池のカレンダー寿命にとって不都合であり得る所定の範囲の電圧を回避し得、それにより電池のカレンダー寿命を向上し得る。本発明は、長いカレンダー寿命を要するHEVアプリケーション、ならびに長寿命携帯デバイスに特に有用である。
（発明の詳細な説明）
前記のことは、同様の参照特性が異なる観点を通じて同一の部分に言及する、添付の図面に例証されるように、以下の本発明の実施態様のより具体的な記載から明らかとなろう。図面は必ずしも同じ縮尺ではないが、代わりに本発明の態様を例証する際に強調がなされる。
本明細書で使用する場合、用語「蓄電圧」は、経時的な電圧の変化が１日当り約0.05V以下である場合の電池パックまたは電池の実質的に一定な電圧を意味する。従って、経時的な蓄電圧の任意の電圧の変化は、電子装置の稼動のための消耗によってではなく、自己放電によって生じる。例えば、電池パックまたは電池が、少なくとも約30分、少なくとも約1時間、または少なくとも約2時間などの実質的な時間、積極的には使用されていない場合、電池パックまたは電池は蓄電圧にある。かかる事態は、電池パックまたは電池につながれた電子装置がオフになっている場合、または電池パックにつながれた電子装置が実質的な時間（例えば、少なくとも約30分、少なくとも約1時間、または少なくとも約2時間）ユーザーと相互作用していない場合、あるいは外部電源が電子装置のために使用されている場合に見出され得、電池パックまたは電池の電圧が、例えば実質的な時間（例えば、少なくとも約30分、少なくとも約1時間、または少なくとも約2時間）完全充電状態（例えば4.2V）で、実質的に一定な電圧に保たれるようになる。
本明細書で使用される場合、用語「完全充電状態の電池パックまたは電池」は、直列セルのブロック当り例えば4.2Vの最大電圧にある電池パックまたは電池を意味するが、ブロックとは１つ以上の並列なセルである。
図１は、電子装置12、電池パック（または電池）14、ならびに電子装置12および電池パック14につながれた制御電子回路16を含む本発明のシステム10を示す。この態様において、制御電子回路16は電池パック14内に設けられるかまたは組み込まれる。
制御電子回路16は、通常電池パック14の蓄電圧を検知し、放電機構を誘導して蓄電圧が（１つ以上の）所定範囲の電圧（例えば、約3.85V〜約3.95Vの間および／または約4.15V〜約4.20Vの間）内である場合に蓄電圧を所定の範囲の電圧より低く調整するか、または蓄電圧が完全充電状態（例えば、4.2V）など、所定の電圧であるかもしくはそれを超える場合に蓄電圧を所定の電圧より低く調整する。好ましくは、この誘導される放電機構は、一定時間が経過した場合に生じる。
本発明において、１つより多い所定の範囲および／または１つより多い所定の電圧が使用され得る。一態様において、それぞれが放電機構を誘導する、１つより多い所定の範囲の電圧が存在する。別の態様において、それぞれが放電機構を誘導する１つより多い所定の範囲の電圧が存在し、それぞれが放電機構を誘導する１つ以上の所定の電圧が存在する。
該放電は、当該分野に公知の任意の適当な方法、例えば、蓄電圧が所定の範囲の電圧または所定の電圧より低くなるまで負荷抵抗によってなされ得る。放電の停止は、放電の際の電池パック14の電圧を検知することによりなされ得、電圧が所定の範囲の電圧または所定の電圧より低い電圧値に達すると放電は停止する。好ましくは、放電が停止する電圧値は、セル当り約3.0V以上である。より好ましくは、各個のセルまたはセルの並列ブロックについて、放電が停止する電圧値は、約3.8Vなどの約3.75V〜約3.85Vの間、または約4.1Vなどの約3.95V〜約4.15Vの間の範囲内である。一般に、適当な放電速度は約10mA〜約50mAの間の範囲である。
図１に示すように、好ましい態様において、制御電子回路16は、電池パック14の電圧および経時的な電圧変化を検知するための検出回路（circuit）18および電池パック14の電圧を制御するための制御回路20を含む。
好ましくは、検出回路18は電圧検知器および時間検知器、または電圧検知器および時間検知器を合わせたものを含む。（１つ以上の）かかる検知器によって、制御電子回路16は周期的に、電池パック14の（１つ以上の）セルjの時間（ti）および電圧（Vij）を時間tiで検知し得る。好ましくは、制御回路20は、電圧検知器および電流検知器、または電圧検知器および電流検知器を合わせたものを含む。（１つ以上の）かかる検知によって、制御回路20は、電池パック14を放電して、それにより電池パック14の（１つ以上の）セルjの電圧（Vij）を所定の範囲の電圧または所定の電圧より低く調整し得る。
放電機構が誘導される場合、電子装置はオンまたはオフであり得る。さらに、放電機構が誘導される際に、電子装置は外部電源を利用して積極的に使用され得る。あるいは、電子装置は使用されていないがオンであるか、または作動中であり得る（すなわち、放電機構が誘導される際に積極的には使用されていない）。同様に、デバイスが外部電源につながっているかどうかに関係なく、電子装置は切れていながら放電機構が誘導され得る。
具体的な態様において、検出回路18は、電子装置12がユーザーと相互作用していない時間を検知して、検出回路18が制御回路20を誘導して放電機構を開始する時間の任意の時点において、該時間が所定の値よりも長いかどうか、および蓄電圧が所定の範囲の電圧内であるかまたは所定の電圧もしくはそれを超えるかどうかを測定する。好ましくは、所定の時間値は約30分、好適には1時間、より好適には約2時間である。
別の具体的な態様において、検出回路18は、電池パック14が充電モードであるかどうかを検知し、充電時間を検知する。より具体的な態様において、検出回路18はまた、電池パック14の電圧が所定の値であるかまたはそれを超えるかを検知する。充電時間が所定の値よりも長い場合、および電池パック14の電圧が所定の値であるかまたはそれを超える場合、検出回路18は制御回路20を誘導して放電機構を開始させることで電圧を所定の電圧より低く調整する。放電機構は、充電をオフにすることおよび放電を開始することで操作され得る。好ましくは、所定の時間値は約30分、好適には1時間、より好適には約2時間である。
さらに別の具体的な態様において、検出回路18は、電池パック14の蓄電圧が、約30分よりも長く、好ましくは1時間よりも長く、より好ましくは約2時間よりも長くなど、所定の時間値よりも長く、完全充電状態で維持されるかどうかを測定する。このことは、電子装置12が外部電源により操作されており、電池パック14は、使用されないで完全充電状態で維持されることを示す。電池を完全充電状態で長時間維持することは電池のサイクル寿命および安全性を減少させ得るので、かかる状況を避けることが有利である。電池パック14の蓄電圧が、完全充電状態で所定の時間値よりも長く維持されることが測定された場合、検出回路18は制御回路20を誘導して放電機構を開始する。好ましくは、所定の時間値は約30分、好適には約1時間、より好適には約2時間である。
再び図１を参照すると、図１の態様において、制御電子回路16は電池パック14内に設けられるかまたは組み込まれる。本発明のかかる電池パックの具体例を図に示す。図２に示すように、電池パック14は、パックハウジング22およびパックハウジング22中の１つ以上のセル24を含む。１つ以上の制御電子回路16は、セル24と連結している。電池パック14は、さらにセル24を充電／再充電するための充電器26を含む。好ましくは、充電器26は制御電子回路16につながれている。
あるいは、制御電子回路16は、図３に示すように、電子装置12内に与えられ得るかまたは組み込まれ得る。図４および５は、制御電子回路16の１つのコンポーネントが電池パック14内に設けられるかまたは組み込まれ、制御電子回路16の１つのコンポーネントが電子装置12内に設けられるかまたは組み込まれる他の態様を示す。具体的に、図４は、検出回路18が電池パック14内に設けられるかまたは組み込まれ、制御回路20が電子装置12内に設けられるかまたは組み込まれる本発明のシステム40を示す。図５は、検出回路18が電子装置12内に設けられるかまたは組み込まれ、制御回路20が電池パック14内に設けられるかまたは組み込まれる本発明のシステム50を示す。
さらに他の態様において、図６に示すように、制御電子回路16は、装置ハウジング72および装置ハウジング72中に制御電子回路16を含む、離れた制御電子回路装置70内に設けられるかまたは組み込まれる。
制御電子回路16が電子装置12または電池パック14中に設けられるかまたは組み込まれる場合、制御電子回路16は任意に、電子装置12または電池パック14の内側に配置されたマイクロプロセッサー内に設置される。図６に示すように、制御電子回路16が離れた制御電子回路装置70内に設けられるかまたは組み込まれる場合、制御電子回路16は、当該分野に公知の直列連結ポート74、例えば直列連結ポートSMBC/SMBDを介して、ラップトップコンピューターなどの電子装置12および電池パック14と連結し得る。
図７Ａおよび７Ｂは、電池パック14および電子装置12につながれた制御電子回路16により電池パック14の蓄電圧を制御する本発明の一態様のフローチャートを示す。図７Ｃおよび７Ｄは、電池パック14および電子装置12につながれた制御電子回路16により電池パック14の蓄電圧を制御する本発明の別の態様のフローチャートを示す。
図７Ａおよび７Ｃに示されるように、工程102または工程202において、制御電子回路16は、時間tiにおける個々のセルまたは電池パック14のセルのブロックの時間ti、電圧Vij（（１つ以上の）セルj）を読み、任意に電池パック14の充電モードの状態（図７Ａおよび７Ｃでは「充電フラッグ(flag)」と呼ぶ）を読む。例えば、電池パック14が充電モードである場合充電フラッグはオンであり、電池パックが電子装置12の電源として使用されている場合充電フラッグはオフである。
充電フラッグがオンでない場合、制御電子回路16、例えば制御電子回路16の検出回路18は、電池パック14のセルのいずれかのセルまたはブロックのVij（（１つ以上の）セルj）を読む。一態様において、図７Ａの工程106に示すように、制御電子回路16は、i) Vijが所定の範囲内、すなわち約3.85V〜約3.95の間であるかを測定し、また、ii) Vijが所定の範囲内である総時間ttot（すなわちt2-t1）が、例えば約1〜2時間の間で設定され得る所定の時間値tsetよりも大きいかどうかを測定する。あるいは、図７Ｃの工程206に示されるように、制御電子回路16は、i) Vijが所定の範囲内、すなわち約3.85V〜約3.95の間であるかを測定し、また、ii)経時的な任意の電圧変化（|(Vi=t2-Vi=t1)j|/ t2-t1）が約0.05V/日以下、好ましくは約0.03V/日以下、より好ましくは約0.01V/日以下であるかどうかを測定する。工程106または206の両方の条件i)およびii)がmetである場合、制御電子回路16の検出回路18は、制御電子回路の制御回路20を誘導してVijが例えば3.85Vになるまで、（１つ以上の）セルjの放電を開始する（図７Ａの工程108、図７Ｃの工程208）。
工程206のさらに別の代替的な態様において（図示せず）、経時的な電圧変化（|(Vi=t2-Vi=t1)j|/ t2-t1）が約0.05V/日以下、好ましくは約0.03V/日以下、より好ましくは約0.01V/日以下であると測定された際には、Vijが所定の範囲内である総時間ttot（すなわちt2-t1）も所定の時間値tsetより大きい場合にのみ、放電が誘導され得る。
工程106において、Viが所定の範囲内、すなわち約3.85V〜約3.95Vにない場合、またはViは所定の範囲内にあるが、Viが所定の範囲内にある総時間ttotが所定の時間値tset以下の場合であっても、制御電子回路16は工程110に移行する。同様に、工程206において、Vijは所定の範囲内にあるが、任意の経時的な電圧変化（|(Vi=t2-Vi=t1)j|/ t2-t1）が約0.03V/日より大きいか、または約0.01V/日より大きいなど約0.05V/日より大きい場合においても、制御電子回路16は工程110に移行する。
図７Ａの工程110に示すように、制御電子回路16、例えば制御電子回路16の検出回路18は、i) Vijが第二の所定の範囲内、すなわち約4.15V〜約4.20Vの範囲内にあるかどうか測定し、また、ii) Vijが所定の範囲内にある総時間ttotが所定の時間値tsetよりも大きいかどうかを測定する。あるいは、図７Ｃの工程210に示されるように、制御電子回路16、例えば制御電子回路16の検出回路18は、i) Vijが第二の所定の範囲内、すなわち約4.15V〜約4.20Vの範囲内にあるかどうか測定し、また、ii)任意の経時的な時間変化（|(Vi=t2-Vi=t1)j|/ t2-t1）が約0.05V/日以下、好ましくは約0.03V/日以下、より好ましくは約0.01V/日以下であるかどうかを測定する。工程110または210において、これらi)およびii)の条件がmetである場合、制御電子回路16の検出回路18は、制御電子回路の制御回路20を誘導して、Vijが4.15Vより低く、例えば4.10Vになるまで（１つ以上の）セルjの放電を開始する（図７Ａの工程110および112、図７Ｃの工程210および212）。
工程210のさらに別の態様において（図示せず）、経時的な電圧変化（|(Vi=t2-Vi=t1)j|/ t2-t1）が約0.05V/日以下、好ましくは約0.03V/日以下、より好ましくは約0.01V/日以下であると測定される際には、Vijが所定の範囲内である総時間ttot（すなわちt2-t1）も所定の時間値tsetより大きい場合にのみ、放電が誘導され得る。
工程110の条件i)およびii)が満たされていない場合、制御電子回路16は工程102に移行する。同様に、工程210の条件i)およびii)が満たされていない場合、制御電子回路16は工程202に移行する。
図７Ａの工程104および図７Ｃの工程204のそれぞれにおいて、充電フラッグがオンである場合、制御電子回路は図７Ｂまたは図７Ｄに示されるシナリオＢに続く。シナリオＢでは、制御電子回路16の検出回路18は、充電モード下の個々のセルまたは電池パック14のセルのブロックの時間tiおよび電圧Vij（（１つ以上の）セルj）を読み、総充電時間tc totが所定の充電時間値tc setよりも大きいかどうかを測定する（図７Ｂの工程116、図７Ｄの工程216）。総充電時間tc totが所定の充電時間値tc setよりも大きい場合、制御電子回路16の検出回路18は、電子制御回路16の制御回路20を誘導して、Vijが4.10Vになるまで（１つ以上の）セルjの放電を開始する（図７Ｂの工程118、図７Ｄの工程218）。別の方法において、制御電子回路16の検出回路18は、制御電子回路16につながれた充電器（例えば図２の充電器26）を誘導して、Vijが4.10Vになるまで（１つ以上の）セルjを充電する。総充電時間tc totが所定の充電時間値tc set以下である場合には、Vijが最大電圧、例えば4.20Vになるまで、（１つ以上の）セルjの充電は続く（図７Ｂの工程120、図７Ｄの工程220）。Vijが完全に充電される（図７Ｂの工程120、図７Ｄの工程220）かまたはVi=4.10Vまで充電される（図７Ｂの工程118、図７Ｄの工程218）と、制御電子回路16は図７Ａまたは図７Ｃに示されるシナリオＡを再開する。
（１つ以上の）セルjの充電は当該分野に公知の任意の適当な方法、例えば図２に示すように充電器26によってなされ得る。電池についての通常の充電電流は、約0.7C〜約1Cの間の範囲である。かかる充電電流は最大電圧（Vmax）に達するまで、例えば4.2Vまでそのままである。一旦Vmaxに到達すると、充電電流は、電池パック14のどのセルも4.2Vよりも高い電圧レベルにならないように、制御充電回路構成により低下される。この型の機能性を管理する電子回路（electronic circuit）は当該分野、例えば、代理人整理番号第3853.1008-000で2006年6月28日に出願され、本明細書において参照によりその全教示が援用される、発明の名称「Special Function Battery Pack B」の米国仮特許出願）に公知である。任意に、比較的高い充電電流を使用する高速充電プロセスは、発明の名称「Special Function Battery Pack B」の米国仮特許出願に記載されるように、電池パックの充電器26中に設けられ得る。
工程106および110の所定の時間値tsetならびに工程116の所定の時間値tc setは、それぞれ独立して異なり得るかまたは同一であり得る。tsetおよびtc setの例としては、約40分〜約2時間または約1時間〜約2時間など、約30分〜約2時間の範囲の任意の時間値が含まれる。
当該分野に公知の任意の適当な電子回路が本発明に使用され得、例えば本発明のシステム10、30、40、50および60内に設けられるように、本発明の制御電子回路16の所望の適用に適したパラメータにより適切にプログラミングされ得る。一般的に製造されるそれぞれの電池は、長いサイクル寿命、長い蓄電寿命、高い容量および高い安全性を提供するために、最良の形態においてどのように使用され得るかという特有の化学的性質および解釈を有する。
該回路構成により制御され得るパラメータの一つは、（１つ以上の）所定の範囲の電圧である。回路構成により制御され得る他のパラメータとしては、自己放電による経時的な電圧変化、充電のための所定の時間値、電池パック14の蓄電圧が完全充電状態で維持される所定の時間値、完全充電状態の電圧、電子装置12がユーザーと相互作用しない所定の時間値、放電速度、放電を停止する（１つ以上の）電圧レベルが挙げられる。一般的に、これらのパラメータは電池パック14の特定の型の（１つ以上の）セルに依存する。
本発明と共に使用するのに適した電子回路の模式図の例を図８Ａ〜８Ｃに示す。図８Ａは、マイクロプロセッサーにより制御される充電／放電FET（ti.comより入手可能）と相互作用する、Texas instrumentsの適当な電池充電／放電制御チップセット（bq29312）の例を示す。Texas instrumentsのチップセットにおいて、bq29312（図８Ａ中で囲まれる）は、3.3V,25mA低ドロップアウト制御装置（DO）を組み込んだ、2、3または4セルリチウムイオン電池パック保護アナログフロントエンド（AFE）ICである。bq29312はまた、電池パラメータ（例えばセル電圧および制御出力状態）を抽出するためのI2C互換インターフェイスを組み込む。電流保護閾値および遅延もbq29312にプログラミングされ得る。該回路構成は、電池情報へのアクセスも可能にする互換性ユーザーインターフェイスを有する。本発明から選択される所定のレベルの電圧および時間パラメータは、個々のセルまたはセルブロックの電圧および時間の応答に依存して、交互にFETのオフ、オンの切り替えを制御するマイクロプロセッサーにプログラミングされ得る。
図８Ｂは、Texas instrumentsのセルバランスを支持するチップセット（ti.comより入手可能）の参照デザインを示す。放電抵抗器を図８Ｂ中で囲む。本発明のもとで、マイクロプロセッサーは、ハイライトされる外部放電抵抗器を介して所定の電圧および時間レベル内にあるセルを放電するようにプログラミングされる。
図８Ｃは、当該分野で公知の、チップセットの機能性ブロックの簡略化された模式図を示す。該ファームウェア制御プログラムは、本発明により時間および電圧レベルを読み、制御し得る。セルは適格であり、負荷抵抗器を介して放電され得る。
図８Ａ〜８Ｃのデザインにおいて、FETはチップの内部にある。放電についてより高い電流を可能にするために、FETは任意にチップセットの外部に移動され得る。このことにより、高電流により生じる発熱としての熱を管理するためのより簡単な手段が提供される。
一態様において、電池パック14は少なくとも一つのリチウムイオンセルを含む。この態様において、好ましくは、放電機構を誘導する（１つ以上の）所定の範囲の電圧は、約3.85V〜約3.95V、または約4.15V〜約4.20Vであり、所定の電圧は約4.20Vである。具体的な態様において、それぞれが放電機構を誘導する２種類の所定の範囲の電圧、すなわち約3.85V〜約3.95V、および約4.15V〜約4.20Vの範囲が使用される。より具体的な態様において、２種類の所定の範囲に加えて、それぞれ放電機構を誘導する所定の電圧も使用される。
好ましい態様において、電池パック14は、4.2Vの完全充電状態を有する少なくとも一つのリチウムイオンセルを含む。
電池パック14用のセルまたは電池は、円筒形または角柱形（積層したまたは巻かれた）、好ましくは角柱形、およびより好ましくは横長の角柱形である。本発明はあらゆる型の角柱形セルまたは電池を使用し得るが、横長（oblong）の形状が好ましい。
図２を参照すると、本発明のいくつかの態様において、電池パック14は、互いに直列につながれた複数のリチウムイオン電池（またはセル）（例えば2〜5個のセル）を含む。あるいは、電池パック14は、互いに並列、または直列および並列につながれた複数のリチウムイオン電池（またはセル）を含み得る。
また、本発明は、上述のように、電池パック14などの制御電子回路16を含む電池パックを含む。上述のような、装置ハウジングおよび制御電子回路16を含む制御電子回路装置、例えば制御電子回路装置70も本発明に包含される。
リチウムイオン電池（またはセル）の陽極の適切な陽極活物質としては、当該分野に公知の任意の物質、例えばニッケル酸リチウム（例えばLiNiM'O2）、コバルト酸リチウム（例えばLiCoO2）、カンラン石型化合物（olivine-type compounds）（例えば、LiFePO4）、マンガン酸塩スピネル（例えば、Li1+xMn2-xO4またはLi1+x1(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1）およびそれらの組合せが挙げられる。適当な陽極活物質の種々の例は、国際出願PCT/US2005/047383および代理人整理番号第3853.1001-006で2006年6月28日に出願され、本明細書において参照によりその全教示が援用される、発明の名称「Lithium-ion Secondary Battery」の米国特許出願に見出され得る。
一態様において、電池パック14に含まれるそれぞれのリチウムイオンセルは、マンガン酸塩スピネルを含む活性正極の混合物を含む。好ましい態様において、マンガン酸塩スピネルは、実験式Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1、式中：
x1およびx2がそれぞれ独立して0.01以上、0.3以下である；
y1およびy2がそれぞれ独立して0.0以上、0.3以下である；
z1が3.9以上、4.1以下である；ならびに
A'がマグネシウム、アルミニウム、コバルト、ニッケルおよびクロムからなる群の少なくとも１種である、
によって表される。
１つの特に好ましい態様において、マンガン酸塩スピネルは、実験式Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1、式中A'はAl3+、Co3+、Ni3+およびCr3+などのM3+イオン、より好ましくはAl3+を含む、で表される。別の具体的な態様において、マンガン酸塩スピネルは、y2が0である実験式Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1で表される。より好ましくは、本発明のマンガン酸塩スピネルは、実験式Li(1+x1)Mn2Oz1、式中x1およびz1はそれぞれ独立して上述されるものと同一のものである、で表される化合物を含む。あるいは、本発明のマンガン酸塩スピネルは、実験式Li(1+x1)Mn2-x2Oz1、式中x1、x2およびz1はそれぞれ独立して上述されるものと同一のものである、で表される化合物を含む。
本発明に使用され得るマンガン酸塩スピネルの具体例としては、LiMn1.9Al0.1O4、Li1+x1Mn2O4、Li1+x1Mn2-x2O4、ならびにAlおよびMg修飾物質を有するモディファイアが挙げられる。Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1型マンガン酸塩スピネル化合物の種々の他の例は、米国特許第4,366,215号、5,196,270号、および5,316,877号（その全教示は本明細書において参照により援用される）中に見出され得る。
別の態様において、電池パック14に含まれる各リチウムイオンセルは、マンガン酸塩スピネルおよびコバルト酸リチウムを含む活性正極混合物を含む。マンガン酸塩スピネルの適当な例は上記のとおりである。
本発明に使用され得るコバルト酸リチウムの適当な例としては、LiおよびCo原子の変更剤(modifier)の少なくとも１種によって変更されたLiCoO2が挙げられる。Liモディファイアの例としては、バリウム(Ba)、マグネシウム(Mg)およびカルシウム(Ca)が挙げられる。Coモディファイアの例としては、Liおよびアルミニウム(Al)、マンガン(Mn)およびホウ素(B)のモディファイアが挙げられる。他の例としては、ニッケル(Ni)およびチタン(Ti)が挙げられる。特に、Lix6M'(1-y6)Co(1-z6)M''z6O2（式中、x6は0.05より大きく1.2未満である；y6は0以上であり0.1未満である、z6は0以上であり0.5未満である；M'は、マグネシウム(Mg)およびナトリウム(Na) の少なくとも１種である、ならびにM''は、マンガン(Mn)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)およびストロンチウム(Sr)からなる群の少なくとも１種である）の実験式で表されるコバルト酸リチウムが、本発明に使用され得る。本発明に使用され得るコバルト酸リチウムの別の例としては、LiCoO2が挙げられる。
具体的な態様において、本発明のコバルト酸リチウムおよびマンガン酸塩スピネルは、コバルト酸リチウム ：マンガン酸塩スピネルが約0.95:0.05〜約0.55:0.45、好ましくは約0.9:0.1〜約0.6:0.4、より好ましくは約0.8:0.2〜約0.6:0.4、さらにより好ましくは、約0.7:0.3などの約0.75:0.25〜約0.65:0.45の重量比である。
より具体的な態様において、コバルト酸リチウムは、Mgがドープされた、および／またはZrO2もしくはAl2(PO4)3などの屈折性のオキシドまたはリン酸塩でコートされたLiCoO2である。別のより具体的な態様において、コバルト酸リチウムは、モディファイアを含まないLiCoO2である。
さらにより具体的な態様において、電池パック14内に含まれる各リチウムイオンセルは、Li(1+x1)Mn2Oz1、好ましくは Li1+x1Mn204およびLiCoO2を含む活性正極混合物を含む。別のさらにより具体的な態様において、電池パック14内に含まれる各リチウムイオンセルとしては、Li1+x1Mn2-x2Oz1、好ましくは、Li1+x1Mn2-x2O4およびLiCoO2を含む活性正極混合物が挙げられる。
本発明のための電子装置12の適当な例としては、限定されないが、携帯用コンピュータ、電動工具、玩具、携帯電話、カムコーダー、PDAなどの携帯用動力装置(power device)およびHEV(ハイブリッド電気自動車)が挙げられる。好ましくは、HEVが使用される１つの態様において、電池パック14に選択される中間(midpoint)電圧は、約3.85V〜約3.95Vなどの上記の所定の範囲の電圧を避ける。HEV適用における中間電圧は、電池パックの高い放電電力を供給する能力、および回生制動(regenerative breaking)中、高い充電電力を採用する能力の両方に基づいて選択される。中間は、典型的には、約50〜60%充電状態となるように選択される。次いで、この充電状態の設定は、電池内の化学反応に依存するある特定の電圧に対応する。具体的な態様において、約3.85Vより低い電圧が動作の中間電圧に選択される。別の具体的な態様において、約3.95Vより高い電圧が動作の中間電圧に選択される。
本発明のリチウムイオンセル(または電池)は、当該技術分野で知られた適当な方法によって作製され得る。典型的には、リチウムイオンセル(または電池)は、セルケーシング内に正極、負極および電解質を含む。かかる正極および負極ならびに電解質は、当該技術分野で知られた適当な方法によって形成され得る。
例えば、正極は、上記の正極活物質(例えば、Li1+x1Mn2O4およびLiCoO2)を特定の比で混合することにより作製され得る。次いで、このブレンドの90wt%を導電剤として5wt%のアセチレンブラックおよびバインダーとして5wt%のPVDFと一緒に混合する。スラリーを調製するため、このミックスを溶媒としてのN-メチル-2-ピロリドン(NMP)中に分散させる。次いで、このスラリーを、約20umの典型的な厚さを有するアルミニウムカレントコレクタホイルの両面に適用し、約100〜150℃で乾燥させる。次いで、乾燥させた電極をロールプレスによってカレンダー加工し、 圧縮正極を得る。
負極は、例えば、負極活物質として93Wt%の黒鉛、3wt%のアセチレンブラックおよびバインダーとして4wt%のPVDFを混合することにより作製され得る。スラリーを調製するため、負極ミックスもまた溶媒としてのN-メチル-2-ピロリドン中に分散させた。負極ミックスのスラリーを、約10umの典型的な厚さを有する細片様銅負極カレントコレクタホイルの両面に均一に適用した。次いで、乾燥させた電極をロールプレスによってカレンダー加工し、高密度の負極を得る。
負極および正極ならびに微細孔を有するポリエチレン膜で形成された厚さ25umのセパレーターは、一般的に積層し、らせん状に巻いてらせん型電極エレメントを作製する。
負極用の適当な負極活物質の例としては、リチウムが該物質内にまたは該物質からドープまたは非ドープされるのを可能にする任意の材料が挙げられる。かかる材料の例としては、炭素質材料、例えば、非黒鉛型炭素、人造炭素、人造黒鉛、天然黒鉛、熱分解炭素、ピッチコークス、針状コークス、石油コークスなどのコークス、黒鉛、ガラス質炭素、またはフェノール樹脂、フラン樹脂もしくは同様のものを炭化することによって得られる熱処理有機ポリマー化合物、炭素繊維、ならびに活性炭が挙げられる。さらに、金属リチウム、リチウム合金およびその合金または化合物は、負極活物質として使用可能である。特に、リチウムとの合金または化合物の形成を可能にする金属元素または半導体元素は、限定されないが、ケイ素またはスズなどの第IV族金属元素または半導体元素であり得る。特に、コバルトまたは鉄/ニッケルなどの遷移金属がドープされたアモルファススズは、これらの型の電池の負極材料に非常に有望な金属である。リチウムが比較的基底電位で酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化チタンおよび酸化スズなどの酸化物ならびに窒化物内にまたは該酸化物ならびに窒化物からドープまたは非ドープされるのを可能にする酸化物は、負極活物質として同様に使用可能であり得る。
適当な非水性電解質の例としては、電解質塩を非水性溶媒に溶解することにより作製される非水性電解液、固体電解質(電解質塩を含有する無機電解質またはポリマー電解質)、および電解質をポリマー化合物中に混合または溶解することにより作製される固体またはゲル様電解質などが挙げられる。
非水性電解液は、典型的には、塩を有機溶媒に溶解することにより作製される。有機溶媒としては、この型の電池に一般的に使用されている任意の適当な型が挙げられ得る。かかる有機溶媒の例としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエタン、γ-ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、1,3-ジオキソラン、4-メチル-1,3-ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、アニソール、アセテート、ブチレート、プロピオネートなどが挙げられる。プロピレンカーボネートなどの環状カーボネート、またはジメチルカーボネートおよびジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネートを使用することが好ましい。これらの有機溶媒は、単独または2種類以上組合せて使用され得る。
また、VC(ビニルカーボネート)、VEC(ビニルエチレンカーボネート)、EA(エチレンアセテート)、TPP(トリフェニルリン酸塩)、ホスファゼン、ビフェニル(BP)、リチウムビス(オキサラト)ボレート(LiBoB)、エチレンスルフェート(ES)およびプロピレンスルフェートなどの添加剤または安定剤が電解質中に存在し得る。これらの添加剤は負極および正極安定剤または難燃剤として使用され、電池が、形成、サイクル効率、安全性および寿命に関してより高性能を有するようにし得る。
固体電解質としては、材料がリチウムイオン導電性を有する限り、無機電解質、ポリマー電解質などが挙げられ得る。無機電解質としては、例えば、窒化リチウム、ヨウ化リチウムなどが挙げられ得る。ポリマー電解質は、電解質塩および電解質塩が溶解されたポリマー化合物で構成される。ポリマー電解質に使用されるポリマー化合物の例としては、ポリエチレンオキシドおよび架橋ポリエチレンオキシドなどのエーテル系ポリマー、ポリメタクリレートエステル系ポリマー、アクリレート系ポリマーなどが挙げられる。これらの ポリマーは、単独、または２種類以上の混合物もしくはコポリマーの形態で使用され得る。
ゲル電解質のマトリックスは、ポリマーが上記の非水性電解液を吸収することによってゲル化される限り、任意のポリマーであり得る。ゲル電解質に使用されるポリマーの例としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニリデン-コ-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)などのフルオロカーボンポリマーが挙げられる。
また、ゲル電解質に使用されるポリマーの例としては、ポリアクリロニトリルおよびポリアクリロニトリルのコポリマーが挙げられる。共重合に使用されるモノマー(ビニル系モノマー)の例としては、酢酸ビニル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸(methacylate)ブチル、アクリル酸メチル、アクリル酸ブチル、イタコン酸、水素化アクリル酸メチル、水素化アクリル酸エチル、アクリルアミド(acrlyamide)、塩化ビニル、フッ化ビニリデン、および塩化ビニリデンが挙げられる。ゲル電解質に使用されるポリマーの例としては、さらに、アクリロニトリル-ブタジエンコポリマーゴム、アクリロニトリル-ブタジエン--スチレンコポリマー樹脂、アクリロニトリル-塩素化ポリエチレン-プロピレンジエン-スチレンコポリマー樹脂、アクリロニトリル-塩化ビニルコポリマー樹脂、アクリロニトリル-メタクリレート樹脂、およびアクリロ(acrlylo)ニトリル-アクリレートコポリマー樹脂が挙げられる。
ゲル電解質に使用されるポリマーの例としては、ポリエチレンオキシド、ポリエチレンオキシドのコポリマー、および架橋ポリエチレンオキシドなどのエーテル系ポリマーが挙げられる。共重合に使用されるモノマーの例としては、ポリプロピレンオキシド、メタクリル酸メチル、メタクリル酸ブチル、アクリル酸メチル、アクリル酸ブチルが挙げられる。
特に、酸化-還元安定性の観点から、フルオロカーボンポリマーがゲル電解質のマトリックスに好ましく使用され得る。
電解質に使用される電解質塩は、この型の電池に適当な任意の電解質塩であり得る。電解質塩の例としては、LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF4、LiB(C6H5)4、LiB(C2O4)2、CH3SO3Li、CF3SO3Li、LiCl、LiBrなどが挙げられる。一般的に、セパレーターは、電池の正極を負極から分離する。セパレーターとしては、この型の非水性電解質二次電池のセパレーターを形成するために一般的に使用される任意の膜様材料、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレンまたはこの２つの層状の組合せで作製された微細孔ポリマー膜が挙げられ得る。また、固体電解質またはゲル電解質が電池の電解質として使用される場合、セパレーターは、必ずしも提供される必要はない。また、ガラス繊維またはセルロース材料で作製された微細孔セパレーターは、ある特定の場合において使用され得る。セパレーターの厚さは典型的には9〜25μmである。
次いで、リチウムイオン電池のセルケーシングに電解質を真空充填し、ここで、セルケーシングはらせん状に巻かれた「ゼリーロール」を有する。例えばアルミニウムで作製された１つ以上の正極リード細片を、正極電流電極に取り付け、次いで、電池の正極端子に電気的に接続する。例えばニッケル金属で作製された負極リードを負極に接続し、次いで、例えば、当該技術分野で知られたフィードスルーデバイスによって負極端子に取り付ける。
実施例：種々の電圧で保存したLiイオンセルの安定性および容量
この実施例では、Liイオン電池、特に、コバルト酸リチウムおよびマンガン酸塩スピネルの混合物を含有するLiイオン電池では、あるセルの電圧レベルは、セルのカレンダー寿命の決定因子であることが示される。この実施例は、Li-イオンセルがより高速で劣化する特定の電圧域があることを示す。したがって、電池のカレンダー寿命をできるだけ増強するためには、これらの特徴を有する電池の使用または保存中、この電圧域を回避することが望ましい。特に、正極にスピネルを有する混合物および黒鉛負極を含有する電池では、およそ3.85V〜3.95Vの蓄電圧域がカレンダー寿命に有害であることがわかった。また、4.15V〜4.20Vの電圧域もまた、劣化の増大を有することがわかった。これは、正極構造、特に、スピネル構造の酸化マンガンを含有する正極の金属イオンを溶解する非常に低速の化学反応のためと考えられる。この溶解時、電極の構造の完全さは徐々に破壊され、容量が低下する。
試験手順
当該技術分野で知られた方法、例えば、すべてのその全教示は参照により本明細書に援用されるPCT/US2005/047383および代理人整理番号3853.1001-006で6月23 日に出願された「リチウムイオン二次電池(Lithium-ion Secondary Battery)」の名称である米国特許出願に開示された方法によってセルを作製した。LiCoO2(70wt%)およびLi1+x1MnO4(30wt%)の混合物をこれらのセルの正極活物質として使用した。セル内の充電状態を代表的に選択した種々の電圧で60℃にて２週間セルを保存した。60℃は、室温での測定より高い温度のほうがより高速な劣化を促進し得るため選択した。次いで、セルを完全に放電させ、セル内の残存容量を試験した。復元可能容量を確認するため、次いで、セルを完全充電状態(4.2V)まで再充電し、再度放電させてセルの復元可能容量を試験した。
セルの容量に加え、厚さの増加の相対変化もまた、これが、正極電極からのリチウムの復元不可能な減少によるガス発生量の目安であると考えられ、電圧安定性に関係し得るため、セルにおいて測定した。
表1は、これらの測定で観察された値の要約である。上記の表1に示すように、保持容量は、最大でおよそ3.95V〜4.15Vであることがわかった。4.1Vより高い電圧では保持容量は低下し、3.9V未満の電圧では容量は有意に低下した。セルの厚さの相対増加は、4.1Vより上の電圧および3.9V未満の電圧で厚さの増加が大きくなるという復元可能容量の傾向に従った。これは、少なくとも一部は、ガス発生型反応ならびにリチウムが結晶構造の内外を移動するため、活物質の結晶格子パラメータが変化することによる電極の規則的な膨張/収縮の両方によるものであり得る。この膨張/収縮作用は、電極厚さの永続的な増加を引き起こし、セル厚さの正味の膨張をもたらす。したがって、限定的に増加したガス発生は、約4.15〜4.2Vおよび約3.85〜3.95Vの２つの範囲の間で起こっていると仮定することが妥当である。そのため、電極材料および電解質間の界面における化学的および物理的特徴により、反応性の増強が見込まれ、したがって、特定の電圧域における保持容量および復元可能容量の低下もまた見込まれると思われる。保持容量の低下は、界面上の反応生成物に対するリチウムの永続的な減少およびガスによりもたらされるが、復元可能容量の低下は、活物質中のリチウムの正味の減少をもたらさない自己放電機構による。ある特定の電圧域での界面におけるこの反応性の増加の別の結果は、ガス発生の増大であり、これはセル内部の圧力を徐々に増大させる。復元容量は、3.9Vでの測定で低く、約3.85V〜約3.95Vの電圧域はカレンダー寿命に特に悪いと結論づけた。
均等物
本発明を、その好ましい態様を参照して具体的に示し、記載したが、形態および詳細における種々の変形が、添付の特許請求の範囲によって包含される本発明の範囲から逸脱せずになされ得ることは、当業者によって理解されよう。
図１は、本発明の態様の模式的な表示であり、電子装置、電池パック、および該電子装置につながれた制御電子回路を含み、該制御電子回路が電池パック内に設けられる本発明のシステムを示す。 図２は、電池パックの蓄電圧を制御する制御電子回路を含む本発明の電池パックの模式的な表示である。 図３は、本発明の態様の模式的な表示であり、電子装置、電池パック、および該電子装置につながれた制御電子回路を含み、該制御電子回路が電子装置内に設けられる本発明のシステムを示す。 図４は、本発明の態様の模式的な表示であり、電子装置、電池パック、および該電子装置につながれた制御電子回路を含み、該制御電子回路のコンポーネントが電池(batter)パックに含まれ、制御電子回路のコンポーネントは電子装置内に設けられる本発明のシステムを示す。 図５は、本発明の別の態様の模式的な表示であり、電子装置、電池パック、および該電子装置につながれた電池パックを含み、制御電子回路のコンポーネントが電池パックに含まれ、制御電子回路のコンポーネントが電子装置内に設けられる本発明のシステムを示す。 図６は、本発明の態様の模式的な表示であり、電子装置、電池パック、および該電子装置につながれた制御電子回路を含み、制御電子回路が電池パックおよび電子装置から離れた制御電子回路装置内に設けられる本発明のシステムを示す。 図７Ａは、本発明の制御電子回路の方法工程の一態様の模式的な表示である。 図７Ｂは、本発明の制御電子回路の方法工程の一態様の模式的な表示である。 図７Ｃは、本発明の制御電子回路の方法工程の別の態様の模式的な表示である。 図７Ｄは、本発明の制御電子回路の方法工程の別の態様の模式的な表示である。 図８Ａは、本発明の電池パックの蓄電圧を制御する電子回路に使用され得る、セルバランスを支持するTexas Instrumentsの電池充電チップセットの例の模式的な表示である。 図８Ｂは、本発明の電池パックの蓄電圧を制御する電子回路に使用され得る、セルバランスを支持するTexas Instrumentsの電池充電チップセットの別の例の模式的な表示である（外部放電抵抗器を囲む）。 図８Ｃは、本発明の電池パックの蓄電圧を制御する電子回路に使用され得るファームウェアを有する、セルバランス回路のブロック図である。 図８Ｂ−１は、本発明の電池パックの蓄電圧を制御する電子回路に使用され得る、セルバランスを支持するTexas Instrumentsの電池充電チップセットの別の例の模式的な表示である（外部放電抵抗器を囲む）。 図８Ｂ−２は、本発明の電池パックの蓄電圧を制御する電子回路に使用され得る、セルバランスを支持するTexas Instrumentsの電池充電チップセットの別の例の模式的な表示である（外部放電抵抗器を囲む）。 図８Ｂ−３は、本発明の電池パックの蓄電圧を制御する電子回路に使用され得る、セルバランスを支持するTexas Instrumentsの電池充電チップセットの別の例の模式的な表示である（外部放電抵抗器を囲む）。 図８Ｂ−４は、本発明の電池パックの蓄電圧を制御する電子回路に使用され得る、セルバランスを支持するTexas Instrumentsの電池充電チップセットの別の例の模式的な表示である（外部放電抵抗器を囲む）。 図８Ｂ−５は、本発明の電池パックの蓄電圧を制御する電子回路に使用され得る、セルバランスを支持するTexas Instrumentsの電池充電チップセットの別の例の模式的な表示である（外部放電抵抗器を囲む）。 図８Ｂ−６は、本発明の電池パックの蓄電圧を制御する電子回路に使用され得る、セルバランスを支持するTexas Instrumentsの電池充電チップセットの別の例の模式的な表示である（外部放電抵抗器を囲む）。 図８Ｂ−７は、本発明の電池パックの蓄電圧を制御する電子回路に使用され得る、セルバランスを支持するTexas Instrumentsの電池充電チップセットの別の例の模式的な表示である（外部放電抵抗器を囲む）。

Claims (30)

  1. a) 電池パックの蓄電圧を検知する工程；
    b) 電子装置がユーザーと相互作用していない時間を検知する工程；
    c) i) 該時間が所定の時間値より長いかどうか、ii) 該時間中の任意の時点で蓄電圧が所定の電圧域内であるかどうか、およびiii) 該時間中の任意の時点で蓄電圧が所定の電圧以上であるかどうかを決定する工程；ならびに
    d) i) 該時間が所定の時間値より長く、蓄電圧が該時間中の任意の時点で所定の電圧域内である場合、放電機構を起動し、それにより電池パックの蓄電圧を所定の電圧域未満に調整する工程;または
    ii) 該時間が所定の時間値より長く、蓄電圧が該時間中の任意の時点で所定の電圧以上である場合、放電機構を起動し、それにより電池パックの蓄電圧を所定の電圧未満に調整する工程
    を含む、電子装置のための制御電子回路により電池パックの蓄電圧を制御する方法。
  2. 所定の蓄電圧が完全充電状態の電圧である、請求項１記載の方法。
  3. 所定の時間値が約1時間である、請求項１または２記載の方法。
  4. 所定の時間値が約2時間である、請求項３記載の方法。
  5. 電池パックが少なくとも１つのリチウムイオンセルを含む、請求項１記載の方法。
  6. 所定の電圧域が約3.85V〜約3.95Vおよび約4.15V〜約4.20Vからなる群より選択され、所定の電圧が約4.20Vである、請求項５記載の方法。
  7. a) 電子装置;
    b) 電池パック；ならびに
    c) 電子装置および電池パックに接続された制御電子回路
    を含むシステムであって、該制御電子回路は、
    i) 電池パックの蓄電圧を検知する；
    ii) 電子装置がユーザーと相互作用していない時間を検知する；
    iii) 1) 該時間が所定の時間値より長いかどうか、2) 該時間中の任意の時点で蓄電圧が所定の電圧域内であるかどうか、および3) 該時間中の任意の時点で蓄電圧が所定の電圧以上であるかどうかを決定し、それにより放電機構を起動する；ならびに
    iv) 1) 該時間が所定の時間値より長く、蓄電圧が該時間中の任意の時点で所定の電圧域内である場合、放電機構を起動し、それにより電池パックの蓄電圧を所定の電圧域未満に調整する;または
    2) 該時間が所定の時間値より長く、蓄電圧が該時間中の任意の時点で所定の電圧以上である場合、放電機構を起動し、それにより電池パックの蓄電圧を所定の電圧未満に調整する、システム。
  8. 制御電子回路が、
    a) 電池パックの電圧および時間を検知するための検出回路；および
    b) 電池パックの電圧および電流を制御するための制御回路
    を含む、請求項７記載のシステム。
  9. 制御電子回路が電池パック内に実装される、請求項８記載のシステム。
  10. 制御電子回路が電子装置内に実装される、請求項８記載のシステム。
  11. 検出回路および制御回路の一方が電池パック内に実装され、検出回路および制御回路の一方が電子装置内に実装される、請求項８記載のシステム。
  12. 電池パックが負荷抵抗を含み、該抵抗によって電池パックの蓄電圧が放電される、請求項７記載のシステム。
  13. 所定の蓄電圧が完全充電状態の電圧である、請求項７記載のシステム。
  14. 所定の時間値が約1時間である、請求項７または１３記載のシステム。
  15. 外部電源から電池パックを充電するための充電回路をさらに含み、該充電回路が制御電子回路に接続されている、請求項７記載のシステム。
  16. 充電回路が電池パック内にある、請求項１５記載のシステム。
  17. 電池パックが少なくとも１つのリチウムイオンセルを含む、請求項７記載のシステム。
  18. 所定の電圧域が約3.85V〜約3.95Vおよび約4.15V〜約4.20Vからなる群より選択され、所定の電圧が約4.20Vである、請求項１７記載のシステム。
  19. 各リチウムイオンセルが、
    Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1（式中:
    x1およびx2は各々独立して、0.01以上0.3以下である;
    y1およびy2は各々独立して0.0以上0.3以下である;
    z1は3.9以上4.1以下である;および
    A’は、マグネシウム、アルミニウム、コバルト、ニッケルおよびクロムからなる群の少なくとも１種類である）
    の実験式で表されるマンガン酸塩スピネルを含む活性正極混合物を含む、請求項１８記載のシステム。
  20. 正極混合物がコバルト酸リチウムをさらに含む、請求項１９記載のシステム。
  21. コバルト酸リチウムおよびマンガン酸塩スピネルが、コバルト酸リチウム:マンガン酸塩スピネル約0.95:0.05〜約0.55:0.45の重量比である、請求項２０記載のシステム。
  22. a) パックハウジング;
    b) パックハウジング内の少なくとも１つのセル；および
    c) パックハウジング内の制御電子回路
    を含む電池パックであって、該制御電子回路は、
    i) 電池パックの蓄電圧を検知する；
    ii) 電子装置がユーザーと相互作用していない時間を検知する；
    iii) 1) 該時間が所定の時間値より長いかどうか、2) 該時間中の任意の時点で蓄電圧が所定の電圧域内であるかどうか、および3) 該時間中の任意の時点で蓄電圧が所定の電圧以上であるかどうかを決定し、それにより放電機構を起動する；ならびに
    iv) 1) 該時間が所定の時間値より長く、蓄電圧が該時間中の任意の時点で所定の電圧域内である場合、放電機構を起動し、それにより電池パックの蓄電圧を所定の電圧域未満に調整する;または
    2) 該時間が所定の時間値より長く、蓄電圧が該時間中の任意の時点で所定の電圧以上である場合、放電機構を起動し、それにより電池パックの蓄電圧を所定の電圧未満に調整する、電池パック。
  23. 制御電子回路が、
    a) 電池パックの電圧および時間を検知するための検出回路；および
    b) 電池パックの電圧および電流を制御するための制御回路
    を含む、請求項２２記載の電池パック。
  24. 外部電源から電池パックを充電するための充電回路をさらに含み、該充電回路が制御電子回路に接続されている、請求項２２記載の電池パック。
  25. 電池パックが少なくとも１つのリチウムイオンセルを含む、請求項２２記載の電池パック。
  26. 所定の電圧域が約3.85V〜約3.95Vおよび約4.15V〜約4.20Vからなる群より選択され、所定の電圧が約4.20Vである、請求項２５記載の電池パック。
  27. 各リチウムイオンセルが、
    Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1（式中:
    x1およびx2は各々独立して、0.01以上0.3以下である;
    y1およびy2は各々独立して0.0以上0.3以下である;
    z1は3.9以上4.1以下である;および
    A’は、マグネシウム、アルミニウム、コバルト、ニッケルおよびクロムからなる群の少なくとも１種類である）
    の実験式で表されるマンガン酸塩スピネルを含む活性正極混合物を含む、請求項２６記載の電池パック。
  28. 正極混合物がコバルト酸リチウムをさらに含む、請求項２７記載の電池パック。
  29. コバルト酸リチウムおよびマンガン酸塩スピネルが、コバルト酸リチウム:マンガン酸塩スピネル約0.95:0.05〜約0.55:0.45の重量比である、請求項２８記載の電池パック。
  30. a) 装置ハウジング;
    b) 装置ハウジング内の制御電子回路
    を含む制御電子装置であって、該制御電子回路は、
    i) 電池パックの蓄電圧を検知する；
    ii) 電子装置がユーザーと相互作用していない時間を検知する；
    iii) 1) 該時間が所定の時間値より長いかどうか、2) 該時間中の任意の時点で蓄電圧が所定の電圧域内であるかどうか、および3) 該時間中の任意の時点で蓄電圧が所定の電圧以上であるかどうかを決定し、それにより放電機構を起動する；ならびに
    iv) 1) 該時間が所定の時間値より長く、蓄電圧が該時間中の任意の時点で所定の電圧域内である場合、放電機構を起動し、それにより電池パックの蓄電圧を所定の電圧域未満に調整する;または
    2) 該時間が所定の時間値より長く、蓄電圧が該時間中の任意の時点で所定の電圧以上である場合、放電機構を起動し、それにより電池パックの蓄電圧を所定の電圧未満に調整する、制御電子装置。
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