JP5230563B2 - 制御可能なアダプタ出力を備えたバッテリ管理システム - Google Patents

Description

この出願は、２００７年３月７日に出願された米国仮特許出願番号６０／９０５６７９に基づく優先権を主張し、本明細書中では、その全体を参考のために示す。

本発明は、バッテリ管理システムに関し、具体的には、制御可能なアダプタ出力を備えたバッテリ管理システムに関する。

図１は、従来のバッテリ充電回路１００のブロック図を示す。図１に示す通り、バッテリ充電回路１００は、アダプタ１０２、パルス幅変調制御器１０８、充電制御器１１０及びバッテリパック１０４内のバッテリ保護回路（図示せず）によって実行される。アダプタ１０２は、固定電圧を出力し、充電器１０６（パルス幅変調制御器１０８及び充電制御器１１０で示す）は、ブロック１１２内の電力スイッチ及び降圧変換器を制御することによってアダプタ１０２の出力電圧を下げる。結果として、従来のバッテリ充電回路は、比較的大きくコストがかかることになる。

図２は、もう一つの従来の充電回路２００のブロック図を示す。充電回路２００は、制御可能なアダプタ２０２と充電制御器２１０で示す外部制御チップとを含む。外部制御チップ（充電制御器２１０）は、バッテリパック２０４の電流／電圧に従って制御可能なアダプタ２０２の出力電力を制御する。また、図２に示す通り、充電回路２００は、バッテリパック２０４の充電電流を制御するために外部スイッチ２１２を必要とする。結果として、当該バッテリ充電回路も、比較的大きくコストがかかる。

また、従来の充電回路において、不平衡問題（例えば、バッテリパック内の電池が異なる電圧／容量を有することがある）に起因して、いくつかの電池は、たとえ他の電池が完全に充電されていなくても、過電圧状況に到達することがある。電池平衡回路は、当該不平衡問題から電池を救済するのに使用可能だが、電池の平衡は、バッテリがほぼ完全に充電される時のみ通常有効にされて過度の発熱を回避する。限定的な平衡時間の結果として、電池平衡回路は、非効率な可能性がある。即ち、充電過程は、全ての電池に対して十分正確ではない。

バッテリ管理システムは、制御回路及びアダプタを具備する。制御回路は、バッテリパックにおける複数の電池の各電池の状態に従って制御信号を生成するように使用されることができる。アダプタは、制御信号を受信し、バッテリパックを充電する。アダプタの出力電力は、制御信号に従って調節される。

特許請求の範囲に記載された発明の要旨に関する実施形態の特徴及び利点は、以下の詳細な説明に従って、及び図面を参照して明らかとなり、同一参照番号は、同一の部分を表す。

以下、本発明の実施形態に対して詳細に言及する。本発明がこれらの実施形態に関連して説明されるが、それは、これらの実施形態に限定することを目的としないことが分かる。一方、本発明は、代替、改良及び均等に及び、それは、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲の中に含まれることができる。

また、本発明の実施形態に対する以下の説明において、多数の特定の詳細は、本発明の十分な理解を提供するために説明される。しかし、当業者であれば、本発明がこれらの特定の詳細がなくても実施可能であることが分かる。他の例において、周知の方法、手段、要素及び回路は、本発明の実施形態を不必要に曖昧にしないように詳細に説明されない。

一つの実施形態において、本発明は、制御可能なアダプタ出力を備えたバッテリ管理システムを提供する。当該実施形態において、バッテリ管理システムは、バッテリパックに統合された制御回路によって個々の電池状態（例えば、電池電圧、電池電流、電池温度及び電池容量）に従ってアダプタ出力（例えば、アダプタ出力電力、アダプタ出力電圧及びアダプタ出力電流）を調節することができ、スペースを節約しコストを低減する。結果として、本発明のバッテリ管理システムは、個々の電池状態に従って多数の充電モード（例えば、標準定電流充電モード、軽定電流充電モード、標準定電圧充電モード、軽定電圧充電モード）を有効にすることができる。一つの実施形態において、バッテリ充電は、全ての電池が完全に充電される時に終了するので、任意の好ましくない状況（例えば、過電圧、過充電、過電流）が回避できる。

図３は、本発明の一つの実施形態による、バッテリ管理システム３００のブロック図を示す。バッテリ管理システム３００は、複数の電池３１０＿１、３１０＿２、・・・、３１０＿ｎを有するバッテリパック３０４を充電するためのアダプタ３０２（例えば、制御可能なアダプタ）を含む。

一つの実施形態において、制御回路３２０は、バッテリパック３０４を監視して制御信号３５０を生成するのに使用されることができ、制御信号は、アダプタ３０２の出力電力を制御して多数の充電モードを有効にする。特に、制御回路３２０は、バッテリパック３０４内の複数の電池３１０＿１〜３１０＿ｎの各電池に関する状態（例えば、電池電圧、電池電流、電池温度及び電池容量）に従って制御信号３５０を生成するのに使用されることができる。一つの実施形態において、制御回路３２０に接続されたアダプタ３０２は、バッテリパック３０４を充電する。有利なことに、アダプタ３０２の出力３４０における出力電力は、制御信号３５０に従って調節される。

一つの実施形態において、制御回路３２０は、バッテリパック３０４に統合される。そのように、バッテリパック３０４は、個々の電池状態に従って直接、制御可能なアダプタ３０２の出力３４０を制御することができる。故に、外部制御チップ（例えば、充電制御器）及び外部電力スイッチは、除去されることができる。

一つの実施形態において、制御回路３２０は、標準定電流充電モードＣＣ_ｎ（ｎ＝０）、軽定電流充電モードＣＣ_ｎ（ｎ＝１、２、・・・、ｍａｘ、ここでｍａｘは、所定の最大数ｎであり、異なる軽定電流充電モードの数を示す）、標準定電圧充電モードＣＶ_ｍ（ｍ＝０）、軽定電圧充電モードＣＶ_ｍ（ｍ＝１、２、・・・、ｍａｘ´、ここでｍａｘ´は、所定の最大数ｍであり、異なる軽定電圧モードの数を示す）及び充電終了モードに限定しないが、これらを有効にする。一つの実施形態において、軽定電流充電モード又は軽定電圧充電モードは、不平衡状況が発生する時に有効にされることができる。一つの実施形態において、充電終了モードは、任意の好ましくない／誤り状況が発生する時、又は全ての電池が完全に充電される時に有効にされることができる。

有利なことに、一つの実施形態において、標準定電流充電モードＣＣ_０は、制御信号３５０がアダプタ３０２を制御する時に有効にされて出力３４０で定充電電流Ｉ_０を提供する。そのように、バッテリパック３０４は、定充電電流Ｉ_０によって充電される。一つの実施形態において、軽定電流充電モードＣＣ_ｎ（ｎ＝１、２、・・・、ｍａｘ）は、制御信号３５０がアダプタ３０２を制御する時に有効にされて出力３４０で定軽充電電流Ｉ_ｎ（ｎ＝１、２、・・・、ｍａｘ）を提供する。そのように、バッテリパック３０４は、定軽充電電流Ｉ_ｎ（ｎ＝１、２、・・・、ｍａｘ）によって充電される。一つの実施形態において、Ｉ_０＞Ｉ_１＞Ｉ_２＞・・・＞Ｉ_ｍａｘである。

同様に、一つの実施形態において、標準定電圧充電モードＣＶ_０は、制御信号３５０がアダプタ３０２を制御する時に有効にされて出力３４０で定充電電圧Ｖ_０を提供する。そのように、バッテリパック３０４は、定充電電圧Ｖ_０によって充電される。一つの実施形態において、軽定電圧充電モードＣＶ_ｍ（ｍ＝１、２、・・・、ｍａｘ´）は、制御信号３５０がアダプタ３０２を制御する時に有効にされて出力３４０で定軽充電電圧Ｖ_ｍ（ｍ＝１、２、・・・、ｍａｘ´）を提供する。そのように、バッテリパック３０４は、定軽充電電圧Ｖ_ｍ（ｍ＝１、２、・・・、ｍａｘ´）によって充電される。一つの実施形態において、Ｖ_０＞Ｖ_１＞Ｖ_２＞・・・＞Ｖ_ｍａｘ´である。

有利なことに、個々の電池状態に従って異なる充電モード（ＣＣ_０、ＣＣ_１、・・・、ＣＣ_ｍａｘ及びＣＶ_０、ＣＶ_１、・・・、ＣＶ_ｍａｘ´）を有効にすることによって、全ての電池は、完全に充電されることができ、任意の好ましくない状況が回避できるので、バッテリ寿命を延ばす。

上記の通り、一つの実施形態において、制御回路３２０は、個々の電池状態を監視し、アダプタ３０２の出力電力を制御して多数の充電モード（ＣＣ_０、ＣＣ_１、・・・、ＣＣ_ｍａｘ及びＣＶ_０、ＣＶ_１、・・・、ＣＶ_ｍａｘ´）を有効にする。もう一つの実施形態において、制御回路はまた、バッテリパック３０４の外で実行されることができ、バッテリパック３０４（例えば、バッテリパック電圧及びバッテリパック電流）を監視し、制御信号を生成して多数の充電モード（ＣＣ_０、ＣＣ_１、・・・、ＣＣ_ｍａｘ及びＣＶ_０、ＣＶ_１、・・・、ＣＶ_ｍａｘ´）を有効にする。

図４は、本発明の一つの実施形態による、バッテリ管理システム４００のもう一つのブロック図を示す。図３と同一に表示された要素は、同様な機能を有し、簡潔性及び明確性のために本明細書で繰返し説明されない。図４の例において、バッテリパック３０４は、３つの電池３１０＿１、３１０＿２及び３１０＿３を含む。

図４において、監視回路４２４（例えば、ガス計量回路）は、それぞれ個々の電池３１０＿１〜３１０＿３に対する電池状態（例えば、電池電圧、電池電流、電池温度及び電池容量）を監視するように、及び任意の好ましくない状況（例えば、過電圧、過電流、過温度及び過充電）から各電池３１０＿１〜３１０＿３を保護するように設定される。一つの実施形態において、監視回路４２４は、各電池３１０＿１〜３１０＿３を監視し、電池状態を示す監視信号を電池３１０＿１〜３１０＿３毎に生成する。

例えば、監視回路４２４は、電池３１０＿１〜３１０＿３の電圧を監視し、電池３１０＿１〜３１０＿３の電圧をそれぞれ示す監視信号４９０＿１〜４９０＿３を生成する。一つの実施形態において、全ての電池３１０＿１〜３１０＿３が同一の電流を有するので、監視回路４２４は、検出レジスタ４７０を介してバッテリ電流を監視し、バッテリ電流を示す監視信号４９２を生成する。一つの実施形態において、監視回路４２４はまた、温度センサ４７２を介してバッテリ温度を監視し、バッテリ温度を示す監視信号４９４を生成する。一つの実施形態において、監視回路はまた、電池３１０＿１〜３１０＿３の容量を監視することができ、電池３１０＿１〜３１０＿３の容量をそれぞれ示す監視信号（図示せず）を生成する。

有利なことに、一つの実施形態において、監視回路４２４に接続されたコマンド変換器４２６は、監視信号４９０＿１〜４９０＿３、４９２及び４９４に従って制御信号３５０を生成する。特に、バッテリパック３０４に統合されたコマンド変換器４２６は、個々の電池状態に基づきアダプタ３０２の出力電力を制御するための制御信号３５０を生成するのに使用されることができる。従って、一つの実施形態において、異なる充電モードは、個々の電池状態に従って有効にされることができる。一つの実施形態において、コマンド変換器４２６は、バッテリパック３０４の外で実行される。当該実施形態において、コマンド変換器４２６は、コマンド変換器４２６とバッテリパック３０４との間に接続されたシリアルバス、例えば１ワイヤバス又は２ワイヤバス（例えば、ＳＭＢｕｓバス及びＩ２Ｃバス等）を介して監視信号４９０＿１〜４９０＿３、４９２及び４９４を受信することができる。

一つの実施形態において、コマンド変換器４２６は、プロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ）又は状態機械によって実行されることができる。一つの実施形態において、コマンド変換器４２６は、標準定電流充電モードＣＣ_ｎ（ｎ＝０）、軽定電流充電モードＣＣ_ｎ（ｎ＝１、２、・・・、ｍａｘ）、標準定電圧充電モードＣＶ_ｍ（ｍ＝０）、軽定電圧充電モードＣＶ_ｍ（ｍ＝１、２、・・・、ｍａｘ´）及び充電終了モードに限定されないが、これらを有効にする。

一つの実施形態において、制御信号３５０は、アナログ制御信号である。アナログ制御信号３５０は、パルス幅変調信号生成器４８０によって生成されたパルス幅変調信号のデューティサイクルを制御するのに使用されることができる。一つの実施形態において、パルス幅変調信号生成器４８０は、アダプタ３０２内にある。パルス幅変調信号のデューティサイクルを調節することによって、出力３４０におけるアダプタ３０２の出力電力は、それ相応に調節されることができる。即ち、一つの実施形態において、異なる充電モードは、アダプタ３０２でパルス幅変調信号のデューティサイクルを制御することによって有効にされることができる。例えば、標準定電流充電モード（ＣＣ_０）が個々の電池状態に従って有効にされることが必要な場合、アナログ制御信号は、アダプタ３０２が定電流Ｉ_０を出力するようにパルス幅変調信号のデューティサイクルを調節する。

一つの実施形態において、制御信号３５０は、デジタル制御信号である。一つの実施形態において、デコーダは、デジタル制御信号３５０をアナログ制御信号に変換してアダプタ３０２でパルス幅変調信号のデューティサイクルを制御するようにアダプタ３０２内で実行されることができる。

さらに、一つの実施形態において、コマンド変換器４２６はまた、バッテリパック３０４内で充電スイッチ４３０及び放電スイッチ４３２を制御する。一つの実施形態において、バッテリ充電は、充電スイッチ４３０がスイッチオフされる時に終了する。一つの実施形態において、放電スイッチ４３２は、バッテリパック３０４がシステム負荷（図示せず）に電力を提供する時にスイッチオンされる。

一つの実施形態において、電池３１０＿１〜３１０＿３を平衡にするための電池平衡回路４２８は、バッテリパック３０４に含まれて電池３１０＿１〜３１０＿３の性能を向上する。電池平衡回路４２８は、監視回路４２４の外、又は監視回路４２４の中で実行されることができる。一つの実施形態において、ブリーディング電流（バイパス電流）は、不平衡な電池に対して電池平衡回路４２８によって有効にされて不平衡な電池を介して流れる電流を低減することができる。電池平衡回路４２８に示す通り、電池３１０＿１のブリーディング電流は、スイッチ４１０＿１がスイッチオンされる時に有効にされる。電池３１０＿２のブリーディング電流は、スイッチ４１０＿２がスイッチオンされる時に有効にされる。電池３１０＿３のブリーディング電流は、スイッチ４１０＿３がスイッチオンされる時に有効にされる。スイッチ４１０＿１〜４１０＿３は、監視回路４２４又はコマンド変換器４２６によって制御されることができる。そのように、電池平衡回路４２８は、監視回路４２４又はコマンド変換器４２６によって制御されることができる。

電池不平衡状況は、以下の状況を含むことがあるがそれに限定されない。一つの実施形態において、電池は、電池が任意の他の電池に対して電圧差を有する時にその電位差が所定の電圧差ΔＶを超える場合、不平衡になる。もう一つの実施形態において、電池は、電池が所定のしきい電圧Ｖ_{ｂａｌａｎｃｅ}を超える電圧を有する時に不平衡になる。さらにもう一つの実施形態において、電池は、電池が所定のしきい値（ｄｖ／ｄｔ）_ｔｈを超えるｄＶ／ｄｔ（充電時間の微分に対する電池電圧の微分）を有する時に不平衡になる。さらにもう一つの実施形態において、電池は、電池が任意の他の電池に対して容量差を有する時にその容量差が所定の容量差ΔＣを超える場合、不平衡になる。

代わりに、上記の通り、アダプタ３０４は、不平衡状況が発生する時、比較的小さい充電電流（軽定電流充電モード）でバッテリパック３０４を充電する。故に、電池平衡回路４２８は、全ての電池を完全に充電するために、（ブリーディング電流を有効にすることによって）電池平衡を達成する比較的長い時間を有する。

図５は、本発明の一つの実施形態による、バッテリ管理システムによって実行される動作のフローチャート５００を示す。一つの実施形態において、コマンド変換器４２６は、図４のバッテリ管理システムがフローチャート５００に示す方法で動作するように設定されることができる。特に、一つの実施形態において、フローチャート５００は、異なる電池状態に従ってコマンド変換器４２６によってどの充電モードが有効にされるのかを示す。図５は、図３及び４とともに説明される。

図５の例で、先ず、バッテリ管理システムは、一つの実施形態において、標準定電流充電モードＣＣ_０でバッテリパック３０４を充電する。一つの実施形態において、バッテリ管理システムは、任意の不平衡状況が発生する場合、軽定電流充電モードＣＣ_ｎ（ｎ＝１、２、・・・、ｍａｘ）でバッテリパック３０４を充電する。一つの実施形態において、バッテリパック３０４の最大電池電圧（例えば、電池３１０＿１が３．８０Ｖの電圧を有し、電池３１０＿２が３．９０Ｖの電圧を有し、電池３１０＿３が４．０５Ｖの電圧を有する場合、その時最大電池電圧は、４．０５Ｖに等しくなる）がプリセット電圧Ｖ１（例えば、リチウムイオン電池に対して３．９Ｖ）よりも大きい場合、バッテリ管理システムは、任意の不平衡状況があるかを確認する不平衡チェックを実行する。一つの実施形態において、不平衡状況がある時、バッテリ管理システムは、電池平衡回路４２８によって任意の不平衡電池に対するブリーディング電流を有効にするだけでなく、バッテリパック３０４の充電電流を調節（例えば、低減）する。一つの実施形態において、バッテリパック３０４の平均電池電圧がプリセット電圧レベルＶ２（例えば、リチウムイオン電池に対して４．２Ｖ）よりも大きい場合、バッテリ管理システムは、定電圧充電モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０）でバッテリパック３０４を充電する。また、一つの実施形態において、バッテリ管理システムは、保護チェックを実行する。

ブロック５０２で、バッテリ管理システムは、バッテリパック３０４の充電を開始し、ｎ（異なる定電流充電モードを示す）は、０に初期化される。ブロック５０４で、定電流充電モードＣＣ_ｎは、制御信号３５０によって有効にされる。例えば、ｎが０に設定される時、標準電流充電モードＣＣ_０は、有効にされる。ｎが１とｍａｘとの間にある時、軽電流充電モードＣＣ_ｎ（ｎ＝１、２、・・・、ｍａｘ）は、有効にされる。ブロック５０６で、保護チェックが実行される。例えば、一つの実施形態において、コマンド変換器４２６は、監視回路４２４から監視信号を受信し、任意の好ましくない状況（例えば、過電圧、過電流及び過温度）が発生したかが判断される。任意の好ましくない状況がある場合、フローチャートは、ブロック５３０に進んでバッテリ充電を終了する（充電終了モード）。そのように、コマンド変換器４２６は、充電スイッチ４３０をスイッチオフしてバッテリ充電を終了する。好ましくない状況がない場合、フローチャートは、ブロック５０８に進む。

ブロック５０８で、バッテリパック３０４の平均電池電圧は、例えばコマンド変換器４２６によってプリセット電圧レベルＶ２（例えば、リチウムイオン電池に対して４．２Ｖ）と比較されて定電圧充電モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０）が有効にできるか否かが判断される。一つの実施形態において、バッテリパック３０４の平均電池電圧がプリセット電圧レベルＶ２よりも大きく、バッテリパック３０４が定電圧充電モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０）で充電できることを示す場合、フローチャートは、ブロック５２４に進む。

ブロック５２４で、定電圧充電モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０）は、制御信号３５０によって有効にされる。ブロック５２６で、保護チェック（ブロック５０６と同様）が実行される。任意の好ましくない状況がある場合、フローチャートは、ブロック５３０に進んでバッテリ充電を終了する（充電終了モード）。そうでなければ、フローチャートは、ブロック５２８に進む。

ブロック５２８で、バッテリパック３０４の全ての電池が完全に充電される場合、フローチャートは、ブロック５３０に進んで充電を終了する（充電終了モード）。そうでなければ、フローチャートは、ブロック５２４に戻り、バッテリパック３０４は、ブロック５２４に示す通り定電圧充電モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０）下で充電され続ける。一つの実施形態において、コマンド変換器４２６は、監視回路４２４から電圧監視信号を受信して、全ての電池が完全に充電されているかが判断される。

ブロック５０８に戻り、バッテリパックの平均電池電圧が所定の電圧レベルＶ２未満で、バッテリパック３０４が標準／軽定電流充電モードで充電できることを示す場合、フローチャートは、ブロック５１０に進む。

ブロック５１０で、最大電池電圧は、例えばコマンド変換器４２６によってプリセット電圧Ｖ１（例えば、リチウムイオン電池に対して３．９Ｖ）と比較される。プリセット電圧Ｖ１は、不平衡チェックを実行するかを判断するのに使用される。一つの実施形態において、最大電池電圧がプリセット電圧Ｖ１よりも大きい場合、不平衡チェックが実行され、フローチャートは、ブロック５１２に進む。最大電池電圧がプリセット電圧Ｖ１未満の場合、フローチャートは、ブロック５０４に戻る。上記ブロック５０４に続く説明の繰返しは、明確性及び簡潔性のために本明細書では省略される。

ブロック５１２で、不平衡チェックは、実行される。不平衡状況がない場合、フローチャートは、ブロック５０４に戻る。任意の不平衡状況がある場合、ブリーディング電流は、任意の不平衡電池に対して有効にされ（フローチャート５００で示されないステップ）、フローチャートは、ブロック５１４に進む。

ブロック５１４で、タイマーが開始する。ブロック５１６で、バッテリパック３０４の平均電池電圧は、例えばコマンド変換器４２６によってプリセット電圧レベルＶ２（ブロック５０８と同様）と比較されて、定電圧充電モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０）が有効にできるか否かが判断される。一つの実施形態において、バッテリパック３０４の平均電池電圧がプリセット電圧レベルＶ２よりも大きく、バッテリパック３０４が定電圧充電モード（例えば、標準定電圧モードＣＶ_０）で充電できることを示す場合、フローチャートは、ブロック５２４に進む。上記ブロック５２４に続く説明の繰返しは、明確性及び簡潔性のために本明細書中では省略される。

ブロック５１６に戻り、バッテリパック３０４の平均電池電圧がプリセット電圧レベルＶ２未満で、バッテリパック３０４が標準／軽定電流充電モードで充電できることを示す場合、フローチャートは、ブロック５１８に進む。ブロック５１８で、タイマーが終了する（例えば、タイマーが所定時間に達する）場合、フローチャートは、ブロック５２０に進む。タイマーが終了しない場合、フローチャートは、ブロック５１６に戻る。

ブロック５２０で、ｎは、例えばコマンド変換器４２６によって所定の最大数ｍａｘと比較される。ｎが所定の最大数ｍａｘと等しい場合、フローチャートは、ブロック５０４に戻り軽定電流モードＣＣ_ｍａｘを続ける。そうでなければ、フローチャートは、ブロック５２２に進む。ブロック５２２で、ｎは、１だけ増やされ、フローチャートは、ブロック５０４に戻る。上記ブロック５０４に続く説明の繰返しは、明確性及び簡潔性のために本明細書中では省略される。

図６は、本発明の一つの実施形態による、バッテリ管理システムによって実行される動作のもう一つのフローチャート６００を示す。一つの実施形態において、コマンド変換器４２６は、図４のバッテリ管理システムがフローチャート６００に示す方法で動作するように設定されることができる。図６は、図３及び４とともに説明される。

図６の例で、先ず、バッテリ管理システムは、一つの実施形態において、標準定電流充電モードＣＣ_０でバッテリパック３０４を充電する。一つの実施形態において、バッテリ管理システムは、任意の不平衡状況が発生する場合、軽定電流充電モードＣＣ_ｎ（ｎ＝１、２、・・・、ｍａｘ）でバッテリパック３０４を充電する。一つの実施形態において、バッテリパック３０４の平均電池電圧がプリセット電圧レベルＶ２（例えば、リチウムイオン電池に対して４．２Ｖ）よりも大きい場合、バッテリ管理システムは、定電圧充電モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０）でバッテリパック３０４を充電する。一つの実施形態において、バッテリパック３０４の最大電池電圧がプリセット電圧Ｖ３（例えば、リチウムイオン電池に対して４．３Ｖ）よりも大きく平均電池電圧がプリセット電圧Ｖ２未満の場合、バッテリ管理システムは、ＣＣ_ｎからＣＣ_ｎ＋１に定電流充電モードを変更するので、充電電流を低減して過電圧保護を有効にする。また、一つの実施形態において、バッテリ管理システムは、保護チェックを実行する。

ブロック６０２で、バッテリ管理システムは、バッテリパック３０４の充電を開始し、ｎ（異なる定充電電流モードを示す）は、０に初期化される。ブロック６０４で、定電流充電モードＣＣ_ｎは、制御信号３５０によって有効にされる。例えば、ｎが０に設定される時、標準電流充電モードＣＣ_０は、有効にされる。ｎが１とｍａｘとの間にある時、軽電流充電モードＣＣ_ｎ（ｎ＝１、２、・・・、ｍａｘ）は、有効にされる。ブロック６０６で、保護チェックが実行される。例えば、一つの実施形態において、コマンド変換器４２６は、監視回路４２４から監視信号を受信し、任意の好ましくない状況（例えば、過電圧、過電流及び過温度）が発生したかが判断される。任意の好ましくない状況がある場合、フローチャートは、ブロック６３６に進んでバッテリ充電を終了する（充電終了モード）。そのようにコマンド変換器４２６は、充電スイッチ４３０をスイッチオフしてバッテリ充電を終了する。好ましくない状況がない場合、フローチャートは、ブロック６０８に進む。

ブロック６０８で、最大電池電圧は、例えばコマンド変換器４２６によってプリセット電圧Ｖ３と比較されて任意の過電圧状況があるかがチェックされる。最大電池電圧がプリセット電圧Ｖ３よりも大きい（過電圧状況があることを示す）場合、フローチャートは、ブロック６１４に進む。ブロック６１４で、ｎは、１だけ増やされる。フローチャートは、ブロック６２４に進んで定電圧充電モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０）が有効にできるか否かがチェックされる。最大電池電圧がプリセット電圧Ｖ３未満である（過電圧状況がないことを示す）場合、フローチャートは、ブロック６１０に進む。

ブロック６１０で、不平衡チェックが実行される。不平衡状況がない場合、フローチャートは、６２４に進み定電圧充電モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０）が有効にできるか否かがチェックされる。任意の不平衡状況がある場合、ブリーディング電流は、任意の不平衡電池に対して有効にされ（フローチャート６００に示されないステップ）、フローチャートは、ブロック６１５に進む。

ブロック６１５で、タイマーが開始する。ブロック６１６で、タイマーが終了する時、フローチャートは、ブロック６１８に進み、ｎは、１だけ増やされる。フローチャートは、ブロック６２４に進み定電圧充電モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０）が有効にできるか否かがチェックされる。

ブロック６２４で、平均電池電圧は、例えばコマンド変換器４２６によってプリセット電圧Ｖ２と比較され定電圧充電モードが有効にできるか否かが判断される。平均電池電圧がプリセット電圧Ｖ２未満の場合、フローチャートは、ブロック６０４に戻る。上記ブロック６０４に続く説明の繰返しは、明確性及び簡潔性のために本明細書では省略される。

平均電圧がプリセット電圧Ｖ２よりも大きい場合、フローチャートは、ブロック６２６に進み定電圧充電モード（例えば、標準定電圧モードＣＶ_０）を有効にする。

ブロック６１６に戻り、タイマーが終了しない場合、フローチャートは、ブロック６２２（ブロック６２４と同様）に進み定電圧モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０）が有効にできるか否かがチェックされる。ブロック６２２で、平均電池電圧は、例えばコマンド変換器４２６によってプリセット電圧Ｖ２と比較される。平均電池電圧がプリセット電圧Ｖ２未満の場合、フローチャートは、ブロック６１６に戻る。上記ブロック６１６に続く説明の繰返しは、明確性及び簡潔性のために本明細書では省略される。平均電池電圧がプリセット電圧Ｖ２よりも大きい場合、フローチャートは、ブロック６２６に進み定電圧充電モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０）を有効にする。

ブロック６２８で、保護チェックが実行される（ブロック６０６と同様）。任意の好ましくない状況がある場合、フローチャートは、ブロック６３６に進みバッテリ充電を終了する（充電終了モード）。好ましくない状況がない場合、フローチャートは、ブロック６３０に進む。ブロック６３０で、最大電池電圧は、例えばコマンド変換器４２６によってプリセット電圧Ｖ３（ブロック６０８と同様）と比較されて任意の過電圧状況があるかチェックされる。最大電池電圧がプリセット電圧Ｖ３よりも大きい（過電圧状況があることを示す）場合、フローチャートは、ブロック６３４に進む。ブロック６３４で、ｎは、所定の最大値ｍａｘに設定され、フローチャートは、ブロック６０４に戻る。そのように、最小充電電流Ｉ_ｍａｘ（Ｉ_０＞Ｉ_１＞Ｉ_２＞・・・・＞Ｉ_ｍａｘ）は、有効にされる。最大電池電圧がプリセット電圧Ｖ１未満である（過電圧状況がないことを示す）場合、フローチャートは、ブロック６３２に進む。ブロック６３２で、全ての電池が完全に充電される場合、フローチャートは、ブロック６３６に進み充電を終了する。そうでなければ、フローチャートは、ブロック６２６に戻り定電圧充電モードを続ける。上記ブロック６２６に続く説明の繰返しは、明確性及び簡潔性のために本明細書では省略される。

図７は、本発明の一つの実施形態による、バッテリ管理システムによって実行される動作のもう一つのフローチャート７００を示す。一つの実施形態において、リン酸リチウムイオンバッテリ電池に関して、電池の電圧は、電池がある電圧しきい値に到達した後、急激に増加する（“電圧ジャンプ”と呼ばれる）。そのように、一つの実施形態において、フローチャート７００は、“電圧ジャンプ”が発生する時、充電電流を低減することによってリン酸リチウムイオンバッテリ電池を充電するように実行されることができる。一つの実施形態において、コマンド変換器４２６は、図４のバッテリ管理システムがフローチャート７００で示す方法で動作するように設定されることができる。図７は、図３及び４をとともに説明される。

図７の例で、先ず、バッテリ管理システムは、一つの実施形態において、標準定電流充電モードＣＣ_０でバッテリパック３０４を充電する。一つの実施形態において、バッテリ管理システムは、任意の過電圧状況が発生する場合、軽定電流充電モードＣＣ_ｎ（ｎ＝１、２、・・・、ｍａｘ）でバッテリパック３０４を充電する。一つの実施形態において、過電圧状況は、バッテリパック３０４の最大電池電圧がプリセット電圧Ｖ３（例えば、リチウムイオン電池に対して４．３Ｖ）よりも大きい場合に発生する。一つの実施形態において、“電圧ジャンプ”がある場合、バッテリ管理システムは、軽定電流充電モード（例えば、最小充電電流Ｉ_ｍａｘ（Ｉ_０＞Ｉ_１＞Ｉ_２＞・・・＞Ｉ_ｍａｘ）のＣＣ_ｍａｘ）でバッテリパック３０４を充電する。一つの実施形態において、“電圧ジャンプ”は、時間周期ΔＶ／Δｔ上の電圧（例えば、個々の電池電圧又は平均電池電圧）の増加がしきいレベルΔｔｈよりも大きい時に検出される。一つの実施形態において、バッテリパック３０４の平均電池電圧がプリセット電圧レベルＶ２（例えば、リチウムイオン電池に対して４．２Ｖ）よりも大きい場合、バッテリ管理システムは、定電圧充電モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０）でバッテリパック３０４を充電する。また、一つの実施形態において、バッテリ管理システムは、保護チェックを実行する。

ブロック７０２で、バッテリ管理システムは、バッテリパック３０４の充電を開始し、ｎ（異なる定充電電流モードを示す）は、０に初期化される。ブロック７０４で、定電流充電モードＣＣ_ｎは、制御信号３５０によって有効にされる。例えば、ｎが０に設定される時、標準電流充電モードＣＣ_０は、有効にされる。ｎが１とｍａｘとの間にある時、軽電流充電モードＣＣ_ｎ（ｎ＝１、２、・・・、ｍａｘ）は、有効にされる。保護チェックは、ブロック７０６で実行される。例えば、一つの実施形態において、コマンド変換器４２６は、監視回路４２４から監視信号を受信し、任意の好ましくない状況（例えば、過電圧、過電流及び過温度）が発生したかを判断する。任意の好ましくない状況がある場合、フローチャートは、ブロック７２８に進みバッテリ充電を終了する（充電終了モード）。そのように、コマンド変換器４２６は、充電スイッチ４３０をスイッチオフしてバッテリ充電を終了する。好ましくない状況がない場合、フローチャートは、ブロック７０８に進む。

ブロック７０８で、最大電池電圧は、例えばコマンド変換器４２６によってプリセット電圧Ｖ３と比較され任意の過電圧状況があるかが判断される。最大電池電圧がプリセット電圧Ｖ３よりも大きい（過電圧状況があることを示す）場合、フローチャートは、ブロック７１０に進む。ブロック７１０で、ｎが１だけ増やされる。その後フローチャートは、ブロック７１２に進み“電圧ジャンプ”チェックを実行する。最大電池電圧がプリセット電圧Ｖ３未満である（過電圧状況がないことを示す）場合、フローチャートは、直接ブロック７１２に進む。

ブロック７１４で、時間周期ΔＶ／Δｔ上の電圧（例えば、個々の電池電圧又は平均電池電圧）の増加がしきいレベルΔｔｈ未満である場合、フローチャートは、ブロック７０４に戻る。上記ブロック７０４に続く説明の繰返しは、明確性及び簡潔性のために本明細書では省略される。

ブロック７１６で、時間周期ΔＶ／Δｔ上の電圧（例えば、個々の電池電圧又は平均電池電圧）の増加がしきいレベルΔｔｈよりも大きい場合、バッテリパック３０４は、軽定電流充電モード（例えば、ＣＣ_ｍａｘ）下で充電される。一つの実施形態において、制御信号３５０は、アダプタ３０２を制御して定充電電流（Ｉ_ｍａｘ）を出力してバッテリ３０４を充電する。

ブロック７２０で、定電圧充電モード（ＣＶ）チェックが実行される。具体的に、バッテリパック３０４の平均電圧は、プリセット電圧レベルＶ２と比較されて定電圧充電モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０）が有効にできるかが判断される。ブロック７２０で、バッテリパック３０４の平均電圧がプリセット電圧レベルＶ２未満で、バッテリパック３０４が軽定電流モードで充電できることを示す場合、フローチャートは、ブロック７１６に戻る。

ブロック７２０で、バッテリパック３０４の平均電圧がプリセット電圧レベルＶ２よりも大きい場合、バッテリパック３０４は、ブロック７２２で定電圧充電モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０）下で充電される。フローチャートは、ブロック７２４に進み全ての電池が完全に充電されているかが判断される。

ブロック７２４で、全ての電池が完全に充電される場合、充電過程は、ブロック７２８で終了する（充電終了モード）。そうでなければ、フローチャートは、ブロック７２２に戻り定電圧充電モード下でバッテリパック１０２の充電を続ける。

図５〜７に関して説明した通り、一つの実施形態において、バッテリパック３０４は、多数の定電流充電モード（例えば、標準定電流充電モードＣＣ_０、軽定電流充電モードＣＣ_１〜ＣＣ_ｍａｘ）及び定電圧充電モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０）下で充電される。他の充電モードは、コマンド変換器４２６を設定／プログラムすることによって実行されることができる。例えば、一つの実施形態において、バッテリパック３０４は、定電流充電モード（例えば、標準定電流充電モードＣＣ_０）及び多数の定電圧充電モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０、軽定電圧充電モードＣＶ_１〜ＣＶ_ｍａｘ）下で充電されることができる。また、一つの実施形態において、バッテリパック３０４は、多数の定電流充電モード（例えば、標準定電流充電モードＣＣ_０、軽定電流充電モードＣＣ_１〜ＣＣ_ｍａｘ）及び多数の定電圧充電モード（例えば、標準定電圧充電モードＣＶ_０、軽定電圧充電モードＣＶ_１〜ＣＶ_ｍａｘ）下で充電されることができる。

図８は、本発明の一つの実施形態による、バッテリ管理システムによって実行される動作のフローチャート８００を示す。図８は、図３及び４とともに説明される。

図８に示す通り、ブロック８０２で、バッテリ管理システムは、バッテリパック３０４における複数の電池の各電池を監視する。例えば、監視回路４２４は、電池電圧、電流及び温度等を監視し、各電池の状態を示す各電池に対する監視信号を生成する。

ブロック８０４で、バッテリ管理システムは、バッテリパック３０４における複数の電池の各電池の状態に従って制御信号３５０を生成する。例えば、制御信号３５０は、図４に示す通り監視信号４９０＿１〜４９０＿３、４９２及び４９４に従って生成される。

ブロック８０６で、バッテリ管理システムは、制御信号３５０に従ってアダプタ３０２の出力電力を調節する。例えば、バッテリ管理システムは、アダプタ３０２でパルス幅変調信号のデューティサイクルを制御することによってアダプタ３０２の出力電力を調節する。

従って、バッテリ管理システムが提供される。当該実施形態において、バッテリパックは、バッテリパックに統合された制御回路によって直接アダプタの出力電力を調節することができる。有利なことに、アダプタの出力電力は、個々の電池状態に従って調節される。故に、一つの実施形態において、多数の充電モードは、個々の電池状態に従って有効にされることができる。そのように、一つの実施形態において、バッテリ充電は、全ての電池が完全に充電される時に終了することができ、任意の好ましくない状況が回避されうる。

また、一つの実施形態において、多数の充電モードは、バッテリパックの状態に従って有効にされることができる。例えば、標準定電流充電モードは、充電の開始時に有効にされることができる。一つの実施形態において、軽定電流充電モードは、バッテリパック電圧が第１のしきい値よりも大きい時に有効にされることができる。また、軽定電流充電モードは、時間周期上のバッテリ電圧の増加が第２のしきい値よりも大きい時に有効にされることができる。一つの実施形態において、定電圧充電モードは、バッテリパック電圧が第３のしきい値よりも大きい時に有効にされることができる。

上記説明及び図面は、本発明の実施形態を示す一方、添付の特許請求の範囲で定義された本発明の原理の精神及び範囲から逸脱することなく、各種変更及び置換が本明細書において可能であることが分かる。当業者であれば、多様な形式、構造、配置、比率、材料、要素及び成分で本発明が使用可能であり、それ以外に本発明の原理から逸脱することなく特定の環境及び具体的な要求に対して特に適合される本発明の実施に使用可能であることが分かる。故に、ここで開示された実施形態は、限定的ではなく例示的なものとして、すべての点で考慮されるべきであり、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその法的均等物で示され、上記説明に限定されない。

図１は、従来のバッテリ充電回路のブロック図を示す。 図２は、従来の充電回路のブロック図を示す。 図３は、本発明の一つの実施形態による、バッテリ管理システムのブロック図を示す。 図４は、本発明の一つの実施形態による、バッテリ管理システムのもう一つのブロック図を示す。 図５は、本発明の一つの実施形態による、バッテリ管理システムによって実行される動作のフローチャートを示す。 図６は、本発明の一つの実施形態による、バッテリ管理システムによって実行される動作のもう一つのフローチャートを示す。 図７は、本発明の一つの実施形態による、バッテリ管理システムによって実行される動作のもう一つのフローチャートを示す。 図８は、本発明の一つの実施形態による、バッテリ管理システムによって実行される動作のフローチャートを示す。

３００ バッテリ管理システム
３０２ アダプタ
３０４ バッテリパック
３４０ 出力
３５０ 制御信号

Claims (22)

1. バッテリパックに統合され、前記バッテリパックにおける複数の電池の各電池の状態に従って制御信号を生成するように動作可能な制御回路と、
   前記制御信号を受信するように、及び前記バッテリパックを充電するように動作可能な前記制御回路に接続されるアダプタとを具備し、
   前記制御信号は、前記複数の電池の各電池の前記状態に従って多数の充電モードを有効にするように前記アダプタの出力電力を制御し、
   前記多数の充電モードは、標準定電流充電モード、軽定電流充電モード、標準定電圧充電モード及び軽定電圧充電モードを含み、
   前記標準定電流充電モードの充電電流は、前記軽定電流充電モードの充電電流より大きく、
   前記標準定電圧充電モードの充電電圧は、前記軽定電圧充電モードの充電電圧より大きく、
   平均電池電圧がプリセット電圧よりも大きい場合、前記標準定電圧充電モードが有効にされ、前記平均電池電圧が前記プリセット電圧よりも小さく、かつ不平衡状態の場合、前記軽定電流充電モードによって制御されることを特徴とするバッテリ管理システム。
2. 前記各電池を監視するように、及び前記状態を示す前記各電池に対する監視信号を生成するように動作可能な監視回路をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のバッテリ管理システム。
3. 前記監視回路に接続され、前記監視信号に従って前記制御信号を生成するように動作可能なコマンド変換器をさらに具備することを特徴とする請求項２に記載のバッテリ管理システム。
4. 前記コマンド変換器は、プロセッサを具備することを特徴とする請求項３に記載のバッテリ管理システム。
5. 前記コマンド変換器は、状態機械を具備することを特徴とする請求項３に記載のバッテリ管理システム。
6. パルス幅変調信号を生成するように動作可能なパルス幅変調信号生成器をさらに具備し、前記パルス幅変調信号のデューティサイクルは、前記制御信号によって制御されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ管理システム。
7. 前記制御信号は、アナログ制御信号を具備することを特徴とする請求項１に記載のバッテリ管理システム。
8. 前記制御信号は、デジタル制御信号を具備することを特徴とする請求項１に記載のバッテリ管理システム。
9. 前記複数の電池を平衡にするように動作可能な前記バッテリパックに電池平衡回路をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のバッテリ管理システム。
10. 前記状態は、各電池の電圧を具備することを特徴とする請求項１に記載のバッテリ管理システム。
11. 前記状態は、各電池の電流を具備することを特徴とする請求項１に記載のバッテリ管理システム。
12. 前記状態は、各電池の温度を具備することを特徴とする請求項１に記載のバッテリ管理システム。
13. バッテリパックにおける複数の電池の各電池の状態に従って制御信号を生成する過程と、
    前記複数の電池の各電池の前記状態に従って多数の充電モードを有効にするように前記制御信号に従ってアダプタの出力電力を調節する過程とを具備し、
    前記多数の充電モードは、標準定電流充電モード、軽定電流充電モード、標準定電圧充電モード及び軽定電圧充電モードを含み、
    前記標準定電流充電モードの充電電流は、前記軽定電流充電モードの充電電流より大きく、
    前記標準定電圧充電モードの充電電圧は、前記軽定電圧充電モードの充電電圧より大きく、
    平均電池電圧がプリセット電圧よりも大きい場合、前記標準定電圧充電モードが有効にされ、前記平均電池電圧が前記プリセット電圧よりも小さく、かつ不平衡状態の場合、前記軽定電流充電モードによって制御されることを特徴とするバッテリパック充電方法。
14. 前記状態を示す各電池に対する監視信号を生成する過程をさらに具備することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記制御信号に従ってパルス幅変調信号のデューティサイクルを制御する過程をさらに具備することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 各電池の電流を監視する過程をさらに具備することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. 各電池の電圧を監視する過程をさらに具備することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
18. 各電池の温度を監視する過程をさらに具備することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
19. 複数の電池と、
    前記複数の電池に接続され、前記各電池の状態を示す前記複数の電池の各電池に対する監視信号を生成するように動作可能な監視回路と、
    前記監視回路に接続され、前記複数の電池の各電池の前記状態に従って多数の充電モードを有効にするようにアダプタの出力電力を制御するために制御信号を生成するように動作可能なコマンド変換器とを具備し、
    前記制御信号は、前記監視信号に従って生成され、
    前記多数の充電モードは、標準定電流充電モード、軽定電流充電モード、標準定電圧充電モード及び軽定電圧充電モードを含み、
    前記標準定電流充電モードの充電電流は、前記軽定電流充電モードの充電電流より大きく、
    前記標準定電圧充電モードの充電電圧は、前記軽定電圧充電モードの充電電圧より大きく、
    平均電池電圧がプリセット電圧よりも大きい場合、前記標準定電圧充電モードが有効にされ、前記平均電池電圧が前記プリセット電圧よりも小さく、かつ不平衡状態の場合、前記軽定電流充電モードによって制御されることを特徴とするバッテリパック。
20. 前記コマンド変換器は、プロセッサを具備することを特徴とする請求項１９に記載のバッテリパック。
21. 前記コマンド変換器は、状態機械を具備することを特徴とする請求項１９に記載のバッテリパック。
22. 前記制御信号は、アナログ制御信号を具備することを特徴とする請求項１９に記載のバッテリパック。

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