JP5602348B2 - 充電式バッテリーを充電する装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、モジュラー電子システムに関し、特に、モジュラー周辺デバイスのための給電管理システムに関する。

携帯用コンピュータ、携帯型情報機器、セルラーフォン、ページャー、計算器、およびこの種の携帯型電子装置はありふれたものである。これらの携帯電子装置がどうしてそんなに人気があるかという理由の１つは、それらの使用の場所に関して利用者に自由を与えるからである。これらのデバイスは、標準のＡＣアウトレット、ＡＣ（電気設備）から給電されるが、給電は都合よくないこと或いは容易に利用できないことがしばしばある（例えば旅行中など）。従って、持ち運びできるバッテリーは、非常に重要な特徴である。

初期の携帯用装置は鉛蓄電池に依存していた。しかしながら、携帯用コンピュータのような、或る種の装置については、パワーの必要性が極めて大きく、装置「オン時間」、すなわち、充電と充電との間の使用可能なバッテリーの寿命はほんの１時間にすぎないこともよくあった。また、初期の再充電可能なバッテリーは再充電の効率が悪く、充電と充電との間の有効な寿命の長さよりも３倍から４倍も長い充電時間が必要であった。これは、日中の１時間かそこいらの有効な寿命を得るために一晩中の充電になった。

先に説明したように鉛蓄電池の時期以来、バッテリーの技術には著しい改良があった。現在、充電パックとしばしば呼ばれる大抵の再充電可能なバッテリーは、ニッケルカドミウム（ＮｉＣａｄ（商標））とニッケル水素電池（ＮｉＭＨ）であり、両方とも適正に再充電するのに一定電流を必要とする。一方、リチウム−イオン（Ｌｉ−Ｉｏｎ）電池は適正に再充電するのに一定電圧を必要とする。さらに、異なる形式の充電システムは、異なる状態の下で充電を終了する。すなわち、ＮｉＣａｄ（商標）電池の再充電システムでは、端子電圧の負の変化を検出して充電を終了し、ＮｉＭＨ電池の再充電システムでは、温度の勾配を検出して充電を終了し、Ｌｉ−Ｉｏｎ電池の再充電システムでは、所定の端子電圧を検出して充電を終了する。

次に、関連の問題に移ると、モジュラー電子システムのための回路カードの相互接続に使用されるフォーマットを標準化する動きがあった。特に、ＰＣＭＣＩＡは、コンピュータと他の型式の電子装置の間において集積回路カードとメモリカードの相互変換性を促進することを目的として設立された。この目的に向けて、ＰＣＭＣＩＡは、異なる装置においてカードを使用することができることを確実にするために、物理的並びに電気的な標準を公表した。これらの標準（規格）に従って構成されたデータ保存、メモリ、周辺装置の拡大、Ｉ／Ｏ（入出力）カード形式は、このような規格に一致しているコネクタを使用して、互いに相互接続されたり、またはネットワークで接続される。このＰＣＭＣＩＡコネクタは、後に「ＰＣカード（ＰＣ Ｃａｒｄ）」として知られるようになった。従って、ＰＣＭＣＩＡ／ＰＣ Ｃａｒｄ フォーマットを使用するコンピュータ・システムでは、モジュールの相互変換を行うことができ、その結果、ホスト・コンピュータ・システム、特に携帯用ホスト・コンピュータ・システムまたはホスト・ディジタル・システムの機能を拡張することができるようになった。システムバスではなくて、ＺＶバスを介してＶＧＡコントローラに直接ビデオ・データを書き込むための「ズームド ビデオ（Ｚｏｏｍｅｄ Ｖｉｄｅｏ：ＺＶ）規格」は、ＰＣカード規格の一変形例であり、ＰＣカード規格の他の変形例と同様に、ＰＣＭＣＩＡ／ＰＣカード コネクタとして本明細書中では考えられている。

従って、ＰＣカードは、携帯型情報機器および娯楽情報機器に周辺装置を追加するための一般的な手段になってきた。メモリまたは通信装置、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ブルーツース通信機能またはワイヤレスＬＡＮのような回路機能は、例えば、他の装置との通信またはインターネットへアクセスするために、ＰＣＭＣＩＡ／ＰＣカード・インタフェースを有するＰＣカード上に配置する事が出来る。このように、ユーザが、プラグ‐イン（Ｐｌｕｇ−ｉｎ）モジュールにより与えられる付加的の機能を変更したり、追加したいとき、この規格フォーマットを持ったプラグ‐イン・モジュールは互いに交換可能である。さらに、娯楽情報機器である現在の装置は、他のＰＣＭＣＩＡ／ＰＣ Ｃａｒｄインタフェース付随の装置、例えば、ハード・ディスク・ドライブ、ワイヤレス・モデム、赤外線（ＩＲ）受信機、ＴＶまたはＡＭ−ＦＭチューナ、現在Ｚｉｐ（登録商標）ドライブと呼ばれている取り外しできるディスク・ドライブ、またはＤＶＤ／ＣＤプレイヤーなどと一緒に使用することができる。ＤＶＤ／ＣＤプレイヤーまたは同様のものと一緒に使用するとき、ワイヤまたはワイヤレス・モデムにより接続されているかどうかに関係なく、ＤＶＤ／ＣＤプレイヤーまたは他のビデオ・ストリーミング・マルチメディア装置からのビデオ、或いは適当なＩＲ受信機を有する娯楽情報機器の場合はＩＲ送信機からのビデオについて、娯楽情報機器はＬＣＤ表示装置として動作することができる。

ＰＣカードは、例えば、ＰＣＭＣＩＡ／ＰＣカード・コネクタを介して、動作上接続されているホスト装置により給電される。この接続形態は、ＰＣカードが電力供給源に接続されているホスト装置と一緒に用いられる場合、何ら問題を生じない。しかし、この接続形態は、ＰＣカードが、例えば、携帯用パーソナル・コンピュータと共に用いられる場合に、問題を引き起こす。例えば、或る種の携帯用パーソナル・コンピュータは、再充電可能な２つのＡＡサイズのバッテリーにより給電され、従って、ＰＣカードに電力を供給する余分の電流容量がほとんど無い。この余分の電力容量の不足は、或る種の携帯用コンピュータと一緒に使用されるＰＣカードの形式を制限することになる。

さらに、電子装置が更に小型化されるようになるにつれて、プラグ‐イン・モジュールによる使用のために、ホスト電子装置からの利用可能な電力は更に制限されるようになった。この制限は、パーソナル・コンピュータがラップトップ・コンピュータに小型化されたり、バッテリーの大きさについて更に制限を課したり、プラグ‐イン・モジュールに給電するために利用可能な電力について更に制限を課した携帯用コンピュータの小型化により最もよく例証される。

しばしば、バッテリー・パックを有するＰＣカードは、ホストパーソナル・コンピュータまたはそれ自身のバッテリー・パックの何れかにより選択的に給電することができる。このことは、給電管理に融通性を与えるものである。携帯用パーソナル・コンピュータが外部の電源には接続されているときのように、携帯用パーソナル・コンピュータが多量の電力を持っていれば、携帯用パーソナル・コンピュータはＰＣカードに電力を供給することができる。これにより、壁のコンセントが近くにあるとき、ＰＣカードのバッテリー・パックは電荷を貯えることができる。逆の場合、米国特許第５，８９６，５７４号は、ＰＣＭＣＩＡ／ＰＣカード・コネクタを介してホスト装置に給電するのに役立つプラグ‐イン・カードのバッテリー電源を開示するものである。

明らかなことであるが、電子装置の電池が使い尽くされたとき、電池は再充電されるか取り替えられなければならない。複数の電子装置が動作上共に接続されている場合、協同動作をしている装置の電池が使い尽くされると、この協同動作は崩れてしまう。従って、この種の協同電子装置の場合、動作状態を維持する、より多くの電力を持った装置は、使い尽くされた電池が原因で動作できなくなリ、電力が無くなった装置との依存関係が原因で動作が妨げられることがある。さらに、このような状態の場合、各電池により給電される装置内における電力消費は、その特定電池の給電期間を長引かせて、その装置を動作状態に保持するために、特定の装置内で管理することができる。しかしながら、すべての周辺装置が同じ電力を引き出すわけではなく、或る種の周辺装置は他の周辺装置よりもより多く使われ、このより多く使われる周辺装置における電池はより多く取り替えられたり、再充電されたりしなければならないという問題を持っている。この問題は、他の装置、例えば、めったに使われないような装置或いは低電力を引き出す装置が使用できる電池を持っているような場合でも発生する。この問題は、各装置が互いにどのように接続されているかに関係なく、例えば、連鎖式に接続された構成或いはハブとスポークの構成において、例えば、ＰＣＭＣＩＡ／ＰＣカード・コネクタ、ＵＳＢ、Ｆｉｒｅｗｉｒｅ １３９４などにより一緒に接続されている装置で起きる。

従って、モジュラー電子システムにおいて、電力を管理するための改良された装置および方法を提供する事が望ましい。また、相互接続された装置またはネットワークで接続された装置において、協同して使用可能な寿命を増大する上で助けとなる電力管理システムを備えたプラグ‐インのモジュール・システムを提供する事が有利である。

（発明の概要）
簡単に説明すると、第１のデバイスが第１の再充電可能なバッテリーにより給電されるモジュラー型電子システムが開示される。コネクタが、第２の再充電可能なバッテリーにより給電される第２のデバイスに第１のデバイスを動作上接続する。充電制御回路が、第１の再充電可能なバッテリーの充電状態を判定し、第２の再充電可能なバッテリーの充電状態を判定するために、第１のデバイスに設けられる。充電制御回路は、より高い充電状態にあると判定された電池で、より低い充電状態にあると判定された電池を充電する手段を含む。

図１は、再充電可能なバッテリー２２、マイクロプロセッサ２４、給電／充電コントローラ２６を有する携帯用パーソナル・コンピュータ／ホスト装置２０のブロック図を示す。ホスト装置２０に差し込まれるＰＣカード２８は、再充電可能なバッテリー３０とマイクロプロセッサ３１を含む。ホスト装置２０とＰＣカード２８は、コネクタにより互いに接続される。例示した実施例におけるコネクタは、ＰＣＭＣＩＡ／ＰＣカード・コネクタ３２である。ホスト装置２０とＰＣカード２８はそれぞれマイクロプロセッサとよく知られたソフトウエアを含んでおり、ＰＣＭＣＩＡ／ＰＣカード・コネクタ３２を介して互いに動作する。ＰＣＭＣＩＡ／ＰＣカード・コネクタ３２は、ホスト装置２０、補助装置２８の一方に直接接続し、他方に複数のワイヤ・ケーブル３４、３６を介して接続することができる。代替構成として、補助装置２８をＰＣＭＣＩＡ／ＰＣ カード・コネクタ３２を介してホスト装置２０に直接接続することができ、例えば、ＰＣカード２８は、ＰＣＭＣＩＡ／ＰＣカード・コネクタ３２を使ってホスト装置２０のスロット（図示せず）に差し込まれる。また、例示したコネクタ３２は、単一のコネクタとして示されるが、複数の個別の部材から成るコネクタを使用することもできる。

給電／充電コントローラ２６は、ＰＣＭＣＩＡ／ＰＣカード・コネクタ３２、ＰＣカード２８を介してホスト装置２０における給電を制御する。ホスト装置２０が、ＰＣカード２８を駆動するのに十分な電力を持っているとき、ＰＣカード２８の動作に電池３０は必要でない場合があることに注意されたい。このことは、例えば、ホスト装置２０が壁のコンセント・アダプター（図示せず）に接続されているときに起こる。

給電／充電コントローラ２６は、電力を供給するのにどの装置を利用できるかを識別するために、電子装置から情報を集める。この種の情報には、ＰＣカード２８の端子電源電圧を測定したり、或いはマイクロプロセッサ３１のＲＯＭ部分から供給される情報を読み取ったり、さもなければ、ＰＣカード２８の動作特性を記述するＣＩＳ（カード情報構造）と呼ばれる情報を読み取ったりすることなどが含まれる。また、この種の情報は、例えば、電池の両端間に瞬間の負荷を掛けないで、電池の端子電圧を測定したり、或いは瞬間の負荷を掛けたときに、電池の端子電圧の変化または引き出される電流を測定することにより決定される電池の放電情報を含んでいる。電池の端子電圧の測定は、電池の端子間で直接行わなければならないものではなく、例えば、電池により給電される回路における電圧を測定してもよく、この場合、測定電圧の値は、例えば、抵抗による分圧器のように、電池の実際の端子電圧と或る相関関係にあり、このような測定法も本発明の考案範囲内にあるものである。本発明の実施例は、補助装置２８の電池の充電状態がコネクタ３２を介して行われているが、補助装置２８の電池の充電状態はコネクタ３２を介することなく、例えば、情報の無線伝送により確認されるものも本発明の考案範囲内にあるものである。

ホスト装置２０の電池２２とＰＣカード２８の電池３０の両方の公称電圧は、同じであることが好ましい。しかしながら、より高い電圧の電池が、かなり使い尽くされるならば、より低い公称電圧の電池により充電されるのが最も良い。この場合、より高い電圧の電池を十分に充電しないであろうが、このような状況で実行され、相当に使い果たされた電池を備えた装置を使用できる状態に維持するのに役立つ充電電流で依然として役立つことが最高である。しかしながら、電池３０が電池２０よりも高い公称電圧を有するとき、電池３０を再充電するために、ホスト装置２０がインバータ（図示せず）を備えていることも本発明の考案の範囲内にある。

例示した実施例は、ＰＣＭＣＩＡコネクタを使用するものであるが、本発明は、ＰＣＭＣＩＡコネクタに制限されるものではなく、他の適当な種類のコネクタも使用し得るものであることは、本発明の考案の範囲内にある。

次に、図２を参照すると、給電／充電コントローラ２６は、先に説明した態様で、６０において、ホスト装置２０の再充電可能なバッテリー２２の充電状態を測定し、コネクタ３２の適当なコンタクト／ピンを使って、６２で、補助装置２８の再充電可能なバッテリー３０の充電の状態を同様に測定する。一方の電池が他方の電池よりも低いと６４で判定されると、より高い充電状態の電池を使って充電が始まり、ブロック６６と６８に従って、より低い充電状態の電池が充電される。充電の制御は、よく知られた方法で行われ、例えば、演算増幅器（図示せず）を使ったり、またはダイオード（図示せず）のバイアス状態を使って、種々のタイプの再充電可能なバッテリーの充電に関連して先に説明した基準に基づいて、充電電流の流れの方向および／または量を制御する。明らかなことではあるが、リチウム・イオン電池が端子電圧をモニターするだけでよいから、充電制御を実行するにはリチウム・イオン電池がより易しい。

例示的実施例のコネクタ３２は、接続された装置の電源をモニターするために指定されたピン／コンタクト６２と６３を通常有するＰＣＭＣＩＡ／ＰＣカード・コネクタである。ＰＣＭＣＩＡ／ＰＣカードのピン／コンタクトは、適度な電流、例えば、約５００ミリアンペアを流す定格である。同様に、ＵＳＢコネクタとＦｉｒｅｗｉｒｅコネクタは、同様に適度な電流量を流す定格のピン（ｐｉｎ）／コンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）を有する。本発明の特徴によると、電池３０を有するカード２８がコネクタ３２に差し込まれるとき、ホスト装置２０は、カード２８を認識し、それで、接続された装置の電源間で充電電流が流れるように、コネクタの両側において、ＰＣＭＣＩＡ／ＰＣカード・コネクタ３２のピン／コンタクト６２と６３を再割当てする。マイクロプロセッサ２４の制御および／または開始の下に、もし、他のコネクタのピン／コンタクトが他の目的のために必要とされていなければ、これら他のコネクタのピン／コンタクトを、もし必要であれば、電源供給のために、コネクタ３２の両側において、再割当てすることができることは、本発明の企図した範囲内にある。この再割当て（ｒｅｍａｐｐｉｎｇ）は、給電／充電コントローラ２６の開始時に、マイクロプロセッサ２４により７０で行われる。このマイクロプロセッサ２４は、よく知られた方法で、使われているコネクタのタイプに従って、該コネクタのピン（ｐｉｎ）／コンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）をその動作のために初期マップ（ｍａｐ）するようにプログラムされている。

図１は、給電／充電の管理構成を含んでいる、本発明の特徴に従う装置構成を表すブロック図を示す。 図２は、図１の給電／充電の管理構成の動作のフローチャートである。

Claims (6)

1. 第１の充電式バッテリーによりパワーを与えられる第１のデバイスと、
   第２の充電式バッテリーによりパワーを与えられる第２のデバイスに前記第１のデバイスを動作上結合させるコネクタであって、ある規格に従ってそれぞれの機能が指定された複数の接点を有する前記コネクタと、
   前記第２のデバイスが前記第１のデバイスに前記コネクタを介して接続されると、前記接点のうち前記規格に従ってパワーモニター用に指定された少なくとも１つの接点をバッテリー充電のために再割当てする制御手段と、
   前記再割当てされた前記少なくとも１つの接点を介して、前記第１の充電式バッテリーの充電状態を判定し、且つ前記第２の充電式バッテリーの充電状態を判定するための手段と、
   より高い充電状態にあると判定された充電式バッテリーから、より低い充電状態にあると判定された充電式バッテリーを前記再割当てされた前記少なくとも１つの接点を介して充電するための手段と、
   を備える装置。
2. ある規格に従ってそれぞれの機能が指定された複数の接点を有するコネクタを介して第１のデバイスに動作上結合される第２のデバイスを備えるシステムにおいて使用されるための方法であって、
   前記第２のデバイスが前記第１のデバイスに前記コネクタを介して接続されると、前記コネクタの前記接点のうちの前記規格に従ってパワーモニター用に指定された前記少なくとも１つの接点をバッテリー充電のために再割当てするステップと、
   前記第１のデバイスにパワーを与える第１の充電式バッテリーの充電状態を判定し、且つ、前記第２のデバイスにパワーを与える第２の充電式バッテリーの充電状態を判定するステップであって、これらの判定が、前記コネクタの前記再割当てされた前記少なくとも１つの接点を介して、行われる、前記ステップと、
   より高い充電状態にあると判定された前記充電式バッテリーから、より低い充電状態にあると判定された前記充電式バッテリーを前記コネクタの前記接点のうちの前記再割当てされた前記少なくとも１つの接点を介して充電するステップと、
   を含む、前記方法。
3. 前記第１および第２のデバイスの少なくとも１つが、携帯用電子機器である、請求項２記載の方法。
4. 前記コネクタが、ＰＣＭＣＩＡ／ＰＣ Ｃａｒｄから成るコネクタである、請求項２記載の方法。
5. 前記第１および第２の充電式バッテリーが同じ公称電圧を有する、請求項２記載の方法。
6. より高い充電状態のバッテリーから、より低い充電状態のバッテリーへの充電が、充電制御回路により制御される、請求項２記載の方法。

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