JP6944553B2 - 鉛蓄電池の交換のためのシステム - Google Patents

Description

関連出願
この出願は、２０１９年１月１５日に出願された、ゴルフカート用のリチウム電池に関する米国仮出願第６２／７９２，６３０号の非仮出願である。

本発明は、電池に関し、より具体的には、リチウム技術に基づく電池に関する。

鉛蓄電池は、最も一般的な電池であり、幅広い用途で使用されている。鉛蓄電池は、通常、充電プロセスを開始する前に電池の状態をチェックする特別な充電器を使用して充電される。この電池の幅広い使用及び充電設備への投資のため、これらの鉛蓄電池を新しいリチウムベースの電池に交換しようとすると、高価な提案になる。

従って、リチウム電池が鉛蓄電池の規格と機械的に互換性があるだけでなく、既存の鉛蓄電池の充電器と電気的に互換性があるように、独自の充電回路設計を電池管理システムに組み込むことが望ましい。

一実施形態では、本発明は、直列に接続された複数の電池セルと、電池管理ユニットとを含むリチウム電池を提供する。電池管理ユニットは、コントローラ、複数の電池セル及びコントローラに接続された感知ユニット、コントローラに接続された充電制御ユニット、及びコントローラに接続された放電制御ユニットを含み、感知ユニットは、リチウム電池の端子出力で第１の電圧を感知し、第１の電圧が第１の閾値電圧を下回ると、リチウム電池は第１の保護モードに入り、放電制御ユニットは、複数の電池セルの出力を出力端子から切り離し、且つパルスモードで第１のシミュレートされた出力電圧を出力する。

別の実施形態では、本発明は、鉛蓄電池をエミュレートするために、複数の電池セル、コントローラ、感知ユニット、充電制御ユニット、及び放電制御ユニットを含むリチウム電池のための方法を提供する。この方法は、感知ユニットにより、リチウム電池の出力端子における第１の電圧を検出するステップと、放電制御ユニットにより、第１の電圧が第１の電圧を下回ると、リチウム電池を第１の保護モードに移行させるステップと、放電制御ユニットにより、複数の電池セルの出力を出力端子から切り離すステップと、放電制御ユニットにより、パルスモードで第１のシミュレートされた出力電圧を出力端子に出力するステップと、を含む。

さらに別の実施形態では、本発明は、リチウム電池が鉛蓄電池をエミュレートするのを可能にするためのコンピュータプログラムを記憶するコンピュータ可読媒体を提供し、リチウム電池は、複数の電池セル、コントローラ、感知ユニット、充電制御ユニット、及び放電制御ユニットを含む。コンピュータプログラムはコンピュータ命令を含み、命令がコンピュータ装置によって実行されると、感知ユニットにより、リチウム電池の出力端子における第１の電圧を検出するステップと、放電制御ユニットにより、第１の電圧が第１の閾値電圧を下回ると、リチウム電池を第１の保護モードに移行させるステップと、放電制御ユニットにより、複数の電池セルの出力を出力端子から切り離すステップと、放電制御ユニットにより、パルスモードで第１のシミュレートされた出力電圧を出力端子に出力するステップと、を含む。

従って、本システム及び方法は、リチウムイオン電池による鉛蓄電池のシームレスな交換を可能にするので有利である。本発明の他の利点及び特徴は、以下に記載する図面の簡単な説明、発明の詳細な説明、及び特許請求の範囲を検討した後に明らかになろう。

本発明の実施形態の特徴及び利点は、以下の詳細な説明が進むにつれて明らかになろう。また、図面を参照すると、同様の数字が同様の要素を表す。
電池交換の図１００である。 電池交換のためのアーキテクチャ１５０を示す図である。 充放電回路を示す回路図２００である。 コントローラチップのアーキテクチャ３００を示す図である。 保護モードを示す回路図４００である。 電荷供給プロセスのフローチャート５００である。 電池充電プロセスのフローチャート６００である。 保護モードのフローチャート７００である。

この説明において、本明細書で使用される「アプリケーション」という用語は、実行可能な及び非実行可能なソフトウェアファイル、生データ、集約データ、パッチ、及び他のコードセグメントを包含することを意図している。「例示的」という用語は、単なる例を意味しており、説明する実施形態又は要素に対する選好を示すものではない。さらに、同様の数字はいくつかの図を通して同様の要素を指し、冠詞「１つの（a）」及び「その（the）」は、説明において特に明記しない限り、複数の参照を含む。リチウムベースの電池、リチウムイオン電池、リン酸鉄リチウム電池、及びリチウム電池という用語は同じ意味で使用され、「電池」及び「電池パック」は同じ意味で使用される。この仕様のリチウム電池は、あらゆるタイプのリチウム電池を指す。アプリケーションで使用される保護モードは、低電圧（under voltage）保護モード又は過電圧（over voltage）保護モードを指し、保護モードはスリープモードとも呼ばれ得る。

概要では、本発明は、鉛蓄電池用に設計された同じ充電システムを維持しながら、リチウムベース電池による鉛蓄電池の容易な交換を可能にするシステム及び方法を提供する。
ａ．本発明の充電式電池モジュールは、図２、図３、及び図４で後述するように、メイン制御モジュール、直列及び並列の充電式電池ユニット、充電制御スイッチ、放電制御スイッチ、放電補助スイッチ、単一電池の電圧取得モジュール、電池モジュールの電流取得モジュール、及びポートコンデンサを含む。
ｂ．充電式電池モジュールは、図２及び図４の説明で後述するように、出力ポートを介して、鉛蓄電池の充電器及び／又は鉛蓄電池負荷に通常接続される負荷に直接電気的に接続される。
ｃ．メイン制御モジュールは、図４及び関連する説明により明らかになるように、Ｃ６６のＰＷＭ出力及び電圧平滑化機能によって制御される放電モジュールの開閉により、出力ポートにおける鉛蓄電池の通常の動作電圧を有効にし、こうして元の鉛蓄電池システムの充電システムが充電式電池モジュールと共に動作するのを可能にする。
ｄ．メイン制御モジュールは、図２及び関連する記載によって説明するように、直列負荷及びポート負荷の部分負荷によって放電補助スイッチの開閉を制御することにより、出力ポートにおける鉛蓄電池の通常の動作電圧を有効にし、元の鉛蓄電池システムが充電式電池モジュールを識別して受け入れるのを可能にする。
ｅ．メイン制御モジュールは、図４及び関連する記載によって説明するように、充電式電池モジュールを模倣するようにＰＷＭによる充電及び制御スイッチのオン及びオフを制御し、充電プロセス中の鉛蓄電池の電圧及び電流特性をシミュレートし、元の鉛蓄電池システムが充電式電池モジュールを識別して受け入れるのを可能にする。
ｆ．充電式二次電池モジュールの放電制御スイッチは、図２に示されるようにダイオードと並列に接続される。充電モードでは、放電制御スイッチは切り離され、電池モジュールが充電されると、充電電流がダイオードに流れ、並列で使用される電池同士の間の相互絶縁が実現される。電流が設定されたダイオード動作電流制限（ＩＲＥＦ）よりも大きい場合に、比較器Ｕ１１Ａが放電スイッチを開けるように動作して、ダイオード電流が範囲外に流れないようにする。電流がＩＲＥＦより小さい場合に、放電制御スイッチは自動的にオフになり、並列に接続された電池モジュール同士の間での潜在的な相互充電を防ぐ。
ｇ．充電式二次電池モジュールの充電制御スイッチは、図２に示されるようにダイオードと並列に接続される。放電モードでは、充電制御スイッチが切り離され、放電電流がダイオードに流れ、並列に接続された電池同士の間の相互絶縁が実現される。電池モジュールの放電電流がダイオード動作電流制限（ＩＲＥＦ）のときよりも大きい場合に、比較器Ｕ１１Ｂは放電スイッチをオンにして、ダイオード電流が許容範囲を超えないようにする。電流がＩＲＥＦ未満である場合に、充電制御スイッチは自動的にオフになり、並列に接続された電池モジュール同士の間での潜在的な放電を防ぐ。

図１Ａの図１００は、本発明の目的を示している。接続図１００は、電源（図示せず）及び鉛蓄電池１０４に接続された充電器１０２を示しており、鉛蓄電池１０４は、負荷（図示せず）に接続される。本発明のシステムによって、同じ充電器１０２を使用している間に、鉛蓄電池１０４をリチウムイオン電池１０６で置き換えることが可能になる。鉛蓄電池１０４をリチウムイオン電池１０６に交換する場合に、交換用リチウムイオン電池１０６は、充電器１０２及び負荷（図示せず）が鉛蓄電池とインターフェイスするように、通常の動作電圧内で鉛蓄電池１０４として振る舞わなければならない。

図１Ｂは、交換用リチウムイオン電池１０６のアーキテクチャ１５０を示す。交換用リチウムイオン電池１０６は、電池管理システム１５４に接続された複数の電池セル１５２から構成される。電池管理システム１５４は、感知ユニット１５６、充電制御ユニット１５８、及び放電制御ユニット１６０を有する。電池管理システム１５４は、感知ユニット１５６を介して、電池セル１５２の出力コネクタ１６２、１６４の電圧及び電流を監視するとともに、各電池セルの電圧及び温度も監視する。電池管理システム１５４は、出力コネクタ１６６、１６８に供給される電圧も監視する。電池管理システム１５４の感知ユニット１５６、充電制御ユニット１５８、及び放電制御ユニット１６０は、コントローラによって制御される。

放電中に、リチウムイオン電池の電圧が特定のレベルを下回ると、リチウムイオン電池は通常シャットダウンし、通常の電池保護手順の一部として電圧の出力を停止する一方、鉛蓄電池の電圧降下は連続しており、鉛蓄電池は出力電圧をシャットダウンしない。リチウムイオン電池が鉛蓄電池をエミュレートするには、出力コネクタ１６２、１６４の電圧レベルが低い場合であっても、リチウムイオン電池は出力電圧を供給する必要がある。このエミュレーションを達成するために、出力コネクタ１６２、１６４における出力電圧が閾値レベルを下回ると、放電制御ユニット１６０は、鉛蓄電池の出力電圧をエミュレートする出力電圧を出力コネクタ１６６、１６８に供給するように作動する。

電池充電プロセス中に、リチウムイオン電池は、出力コネクタ１６２、１６４の電圧が特定のレベルを超える場合に、端子１６６及び１６８への接続を遮断することにより充電プロセスを中断して、電池セル１５２への損傷を防止する一方、鉛蓄電池は、その電池セル同士の間の接続をその出力端子に提供し続ける。エミュレーションの目的で、出力コネクタ１６２、１６４における電圧が予め規定された閾値レベルを超えている場合、つまり電池セルが略完全に充電されている場合に、充電制御ユニット１５８は、電池セル１５２が大きな電圧を出力する及び隣接する電池セルを充電するのを防ぐように作動される。

鉛蓄電池のバンクを複数のリチウムイオン電池のバンクと交換する場合に、これらのリチウムイオン電池の制御が問題になり得る。複数のリチウムイオン電池の直接的な並列接続は、リチウムイオン電池の内部抵抗が小さいため、電池同士の間の充電状態の違いにより制御が難しい場合があり、１つの電池の充電電流及び放電電流が別の電池を損傷させる可能性がある。本発明の電池管理システムによって、リチウムイオン電池が鉛蓄電池の特性をエミュレートすることが可能になり、こうして、リチウムイオン電池による鉛蓄電池電池の直接的な交換や、充電器及び他のインフラの再利用が可能になる。

既存の鉛蓄電池システムの充電器は、一般に、最初に電池の電圧をチェックし、電池電圧が鉛蓄電池の正常範囲内にある場合にのみ、充電シーケンスが開始される。鉛蓄電池が充電器に直接接続されるため、鉛蓄電池は、鉛蓄電池及び充電器を保護する方法として上記のアプローチを採用している。鉛蓄電池も過充電及び過放電から保護する必要があり、この保護の一般的な方法は、充電器及び負荷から切り離すことである。リチウムイオン電池の過充電及び過放電も、同様の安全性の懸念を有する。

リチウムイオン電池を既存の鉛蓄電池の充電器で確実に使用できることを保証するために、電池管理システムは、リチウムイオン電池の充電を制御するためにタイミングパルス制御技術を使用する。本発明の電池管理システムは、充電器が電池を検出できるように、出力端子で周期的に出力される電圧を可能にするタイミング制御モードも採用する。例えば、電池管理システムは、２４０秒毎に放電回路を１０秒開く。電池の充電残量が少ないときに連続的な出力ではなく周期的な出力を可能にすると、リチウムイオン電池の寿命が長くなる。電池管理システムは、抵抗及びＭＯＳＦＥＴの使用により、パルス幅変調（ＰＷＭ）モード（パルスモード）で出力電圧をエミュレートするため、鉛蓄電池の出力電圧と同様の出力電圧が、リチウムイオン電池の出力端子で利用できる。電池管理システムは、リチウム電池が低電圧保護状態になると、リチウム電池がパルスモードで出力電圧を周期的に有効にするように交換用リチウム電池を制御し、こうして、リチウム電池が充電されるまで、リチウム電池がその電荷を保存し、長期間に亘って動作するのを可能にする。

本発明の電池管理システムは、リチウム電池内の電池セルと直列に接続されたＭＯＳＦＥＴ充電制御ユニット１５８及びＭＯＳＦＥＴ放電制御ユニット１６０を使用する。リチウム電池を充電するとき、充電制御ユニット１５８のＭＯＳＦＥＴのみがオンになるため、並列接続されたリチウムイオン電池セルの充電を実現でき、並列接続されたリチウムイオン電池同士の間の充放電を防止でき、各リチウム電池の独立性が確保される。同様に、放電プロセス中に、放電制御ユニット１６０のＭＯＳＦＥＴのみが直列回路においてオンにされ、電池同士の間の充放電を回避することができる。

鉛蓄電池のバンクをリチウムイオン電池のバンクと交換するときに、鉛蓄電池の電圧レベルと同様のいくつかのリチウムイオン電池が並列に接続され、過充電保護回路が使用されるため、鉛蓄電池の充電器は、過充電することなく、リチウムイオン電池パックの充電機能を完了できる。

図２は、本発明による１つの電池パックのための電池充電／放電制御システムのアーキテクチャ２００である。図２は、１つの電池の制御を示しており、複数の電池を組み合わせて電池バンクを形成することができる。各電池は、直列に接続された複数の電池セル２０２から構成される。これらの電池セルは、レベルシフター２０４によって個別に監視され、レベルシフター２０４は、各電池セルの電圧及び温度情報をコントローラ２１６に送信する。コントローラ２１６は、アドレス選択により、どのセルを監視するかを指定できる。複数の電池が、それぞれの電池の２つのコネクタ２１８、２２０を介して充電器（図示せず）に並列に接続される。電池が並列に接続されており、電池の電圧が異なる場合があるため、ある電池が別の電池を充電するのを防止するように特に注意する必要がある。この防止は、充電制御ユニットＭＯＳＦＥＴ２１０及び放電制御ユニットＭＯＳＦＥＴ２１２によって達成される。充電プロセス中に、充電制御ＭＯＳＦＥＴ２１０は、充電プロセスの状態に応じてオン又はオフであり、一方放電制御ユニットＭＯＳＦＥＴ２１２は常にオンである。充電電流が小さい場合に、充電電流は、充電制御ユニットＭＯＳＦＥＴ２１０に並列に接続されたダイオードを通過する。充電電流が大きい場合に、充電制御ＭＯＳＦＥＴ２１０は充電スイッチ２０８によりオンになり、それによって大きな充電電流が充電制御ＭＯＳＦＥＴ２１０を通過し、ダイオード２１０の過熱が防止される。充電スイッチ２０８は、充電電圧を基準電圧と比較し、電圧差が所定の差を超える場合に、充電制御ＭＯＳＦＥＴ２１０をオンにする。充電制御ＭＯＳＦＥＴ２１０がオンにされた後に、大きな充電電流が充電制御ＭＯＳＦＥＴ２１０を通過する。充電動作の開始時に、電池セル２０２の電圧が低く、電池セル２０２と基準電圧との間の差が大きい場合に、充電スイッチ２０８はＭＯＳＦＥＴ２１０をオンにするため、大きな充電電流が流れる。電池セル２０２が充電されるにつれ、電池セル２０２と基準電圧との間の電圧差は小さくなり、充電スイッチ２０８はＭＯＳＦＥＴ２１０をオフにし、小さな充電電流が、ＭＯＳＦＥＴ２１０に並列に接続されたダイオードを通過する。

放電電流が小さい場合に、放電電流は、放電制御ＭＯＳＦＥＴ２１２に並列に接続されたダイオードを通って流れる。放電電流が大きい場合に、ダイオードの過熱及び劣化を防ぐために、放電スイッチ２１４によって放電制御ＭＯＳＦＥＴ２１２がオンになり、放電電流が放電制御ＭＯＳＦＥＴ２１２に流れる。予め規定された基準電圧と電池セル２０２からの電圧との間の、放電スイッチ２１４によって測定された電圧差が予め規定された値よりも大きい場合に、放電制御ＭＯＳＦＥＴ２１２はオンになる。

本発明のシステムは、放電中の電池パック同士の間の相互充電も防止する。放電中に、電池の電圧及び電流が他の隣接する電池よりも高い場合に、放電電流が低い電池がその放電ＭＯＳＦＥＴ２１２をオフにし、且つ小さい放電電流が放電ＭＯＳＦＥＴ２１２と並列に接続されたダイオードを通過しているため、より高い電圧の別の電池パックによる電池の充電が防止される。

図３は、コントローラ２１６のアーキテクチャ３００を示す。コントローラ２１６は、ステータス表示ユニット３０２、起動ユニット３０４、レベルシフトユニット３０８、通信ユニット３１２、シャント抵抗器ユニット３１０、スイッチングコントローラ３１４、メインコントローラ３０６、ユーザインターフェイスユニット３１８、及び記憶ユニット３２０を有する。コントローラ２１６は、接続ポート３１６を介して外界と通信する。メインコントローラ３０６は、通信ユニット３１２を使用して命令を受信し、データを他の装置に送信し得る。メインコントローラ３０６は、ステータス表示ユニット３０２を介してステータス情報も表示する。ステータス表示ユニット３０２は、ＬＥＤディスプレイ又は他の適切な手段であってもよい。起動ユニット３０４は、コマンドを受信し、命令をメインコントローラ３０６に送信する。レベルシフトユニット３０８は、レベルシフター２０４を接続及び制御する。シャント抵抗器ユニット３１０は、シャント抵抗器２０６を接続及び制御する。メインコントローラ３０６は、スイッチングコントローラ３１４によって充電制御ＭＯＳＦＥＴ２１４及び放電制御ＭＯＳＦＥＴ２０８を制御する。ユーザインターフェイスユニット３１８は、ユーザがコマンドを入力して電池を保護モードから起動するか、保護モードの設定を調整するのを可能にする。記憶ユニット３２０は、ソフトウェアコマンドプログラム及びデータを記憶する。メインコントローラ３０６は、ソフトウェアコマンドプログラムを実行して、電池管理システムを制御する。

図２の電池充電／放電制御システムは、通常、図４に示されるように電池の充電器４１２に接続される。充電器４１２は、外部電源（図示せず）に接続される。リチウム電池が電気モーター等の負荷に接続される場合に、電池セル２０２による電流の供給は、放電制御ＭＯＳＦＥＴ２１２によって制御される。充電器４１２が電池セル２０２を充電するために外部電源に接続される場合に、充電動作は、充電制御ＭＯＳＦＥＴ２１０によって制御される。

本発明の電池充電／放電制御システムは、リチウム電池による鉛蓄電池の円滑な交換を提供するように設計されており、この目的を達成するために、充電及び放電動作中に、リチウム電池が鉛蓄電池と同様に振る舞うことが必要である。鉛蓄電池の通常の動作中に、鉛蓄電池の出力電圧は、充電器及び負荷の動作に影響を与える。リチウム電池で鉛蓄電池を交換する場合に、リチウム電池の出力電圧は同じでなければならない。

鉛蓄電池が電流を負荷に供給し続けるにつれ、鉛蓄電池の出力電圧は降下する。４８Ｖの鉛蓄電池の場合に、通常の動作範囲は３６Ｖ〜５７．６Ｖであり、２４Ｖの鉛蓄電池の場合に、通常の動作範囲は１８Ｖ〜２８．８Ｖである。従って、交換用リチウム電池もこれらの範囲内で動作する必要がある。しかしながら、リチウム電池の出力電圧が特定の閾値を下回ると、リチウム電池は、低電圧保護（ＵＶＰ）モードに入り、出力電圧又は電流が特定のレベルを下回ると、出力をオフにする。通常、リチウム電池がＵＶＰモードに入り、出力が遮断されると、負荷又は充電器は出力電圧を検出できず、その結果、充電器又は負荷は正常に動作できない。同様に、リチウム電池の電圧が充電動作中に特定の閾値を超えると、リチウム電池は過電圧保護（ＯＶＰ）モードに入り、入力をオフにする。各リチウム電池がＵＶＰモード又はＯＶＰモードに入る電圧レベルは、各リチウム電池の特性によって異なる。

リチウム電池が鉛蓄電池システムと互換性のある方法で動作できることを保証するために、本発明の電池管理システムは、リチウム電池に、鉛蓄電池の通常の動作範囲内である出力電圧を生成させる必要があり、これは、リチウム電池が保護モードにある間に、リチウム電池の出力電圧を適応的に有効にする電池管理システムによって達成される。コントローラ２１６は、図４に示される回路によって、鉛蓄電池の正常な動作範囲内でシミュレートされた出力電圧を有効にする。シミュレートされた出力電圧を供給することにより、充電動作が有効になり、充電器４１２がリチウム電池セル２０２を充電できるようになる。充電動作は上記と同じである。同様に、コントローラ２１６は、リチウム電池が鉛蓄電池と同様の方法で放電できるようにするシミュレートされた出力電圧も有効にする。

リチウムイオン電池が、保護モードに入り、コネクタ２１８とコネクタ２２０との間の電圧出力を停止すると、コントローラ２１６は、ＰＷＭの原理に従って電池が予め規定された出力電圧を断続的に供給できるようにする。予め規定された出力電圧は、電池の特性に従って調整される。例えば、放電中に、電池セル２０２の出力電圧が所定のレベルを下回ると抵抗器２０６を通る電流によって測定されるときに、電池は低電圧保護モードに入るので、電池セル２０２は完全に消耗せず、こうして損傷を受けない。低電圧保護モードにあるとき、ＭＯＳＦＥＴ２１２はシャットダウンされ（閉じられ）、電圧は出力されない。コントローラ２１６は、エミュレータＭＯＳＦＥＴ４０２を制御し、エミュレータＭＯＳＦＥＴ４０２を周期的に開き、それにより、電圧が端子２１８及び２２０において利用可能になる。電池セル２０２からの電流は、パルスモードでエミュレータＭＯＳＦＥＴ４０２及び抵抗器４０４を通過する。コンデンサ４１０が、端子２１８と端子２２０との間の電圧変動を減衰させるために使用される。コントローラ２１６がエミュレータＭＯＳＦＥＴ４０２の制御を調整するため、適切な電圧及び供給される電圧の持続時間は、リチウムイオン電池がエミュレートしている鉛蓄電池の特性に応じて調整できる。出力電圧の持続時間及びレベルは、コントローラ２１６によって調整することができる。コントローラ２１６は、以下の式に従って制御機能を調整する。

制御（Ｆ）＝（電池セル電圧、電池セル温度、外部電圧、電池セル電流）
電池セル電圧−各電池セルにおける電圧
電池セル温度−各電池セルの温度
外部電圧−電池の出力端子における電圧
電池セル電流−抵抗器２０６で測定された電流

出力端子２１８と出力端子２２０との間にシミュレートされた出力電圧を供給することにより、電池は、電池バンクの電池部分を形成し、充電器によって検出可能にしながら、その電荷を保存する。

別の例では、充電プロセス中に、電池セル２０２の電圧が予め規定されたレベルに達すると、電池は過電圧保護モードに入るので、電池セル２０２は過充電されず、従って損傷を受けない。過電圧保護モードの場合に、ＭＯＳＦＥＴ２１０はシャットダウンされ（閉じられ）、電圧は出力されない。コントローラ２１６は、エミュレータＭＯＳＦＥＴ４０２を制御し、エミュレータＭＯＳＦＥＴ４０２を周期的に開き、それにより、電圧が端子２１８及び２２０において利用可能になる。電池セル２０２からの電流は、パルスモードでエミュレータＭＯＳＦＥＴ４０２及び抵抗器４０４を通過する。コンデンサ４１０が、端子２１８と端子２２０との間の電圧変動を減衰させるために使用される。コントローラ２１６は、上述したのと同様の方法でエミュレータＭＯＳＦＥＴ４０２の制御を調整し、それによって充電器によって適切な電圧を検出でき、電池が継続して電池バンクの一部になる。

図５は、放電動作のフローチャート５００である。電池が負荷に接続されると、ステップ５０２において、電池が電荷を負荷に供給する。電池によって負荷が駆動されると、電荷が負荷に供給され、電池の電圧が降下する。ステップ５０４において、電池の電池管理の放電制御ユニットは、出力電圧を継続的に監視する。ステップ５０６において、出力電圧が予め規定された閾値レベルを下回ると、ステップ５０８において、電池管理システムの放電制御ユニットは、電荷供給プロセスを停止するので、電池セルが完全に消耗し且つ損傷を受けることはない。電池によって負荷の駆動が停止されると、ステップ５１０において、電池管理システムは電池を低電圧保護モードに移行させる。この低電圧保護モードでは、電池は、短時間に亘ってパルスモードで予め規定された電圧を出力するので、電池の寿命をより長く延ばすことができ、電池が後で充電器に接続されると、充電器は、電池の存在を検出し、充電プロセスを開始する。

図６は、充電動作のフローチャート６００である。ステップ６０２において、充電器は、電池を検出し、充電動作を開始する前に、電池が予想される電気的特性を有することを確認する。ステップ６０４において、電池管理システムの充電制御ユニットは、電池セルを継続的に監視し、これには、電池セルの電圧のチェックが含まれる。ステップ６０６において、電池セルの電圧が予め規定された閾値電圧を超えている場合に、ステップ６０８において、電池管理システムの充電制御ユニットは充電プロセスを停止し、電池セルを出力端子から分離し、且つ出力端子の電圧をエミュレートすることにより過電圧保護モードに入る。出力端子が、充電器に接続されており、且つ高い充電電圧を有しているが、電池は過電圧保護モードになっているため、電池セルは電圧を出力できなくなり、こうして並列に接続された別の電池を充電できなくなる。

電池の充電が消耗し、電池が低電圧保護モードに入ると、電池管理システムによって、電池が出力端子で低電圧を周期的に出力することが可能になる。低電圧保護モードの持続時間を制御するために、ユーザがユーザインターフェイスユニット３１８を介してタイマーを設定することができる。タイマーが終了すると、電池は保護モードを終了し、電池管理システムは電池をシャットダウンするため、電池セルは損傷を受けない。ユーザは、ユーザインターフェイスユニットを使用して出力電圧の周波数を設定できるので、電池の充電（電荷）をより長期間維持することができる。あるいはまた、ユーザは、電池をシャットダウンするためにユーザインターフェイスユニット３１８を使用してもよい。ユーザは、ユーザインターフェイスユニットを使用して、電池を低電圧保護モードから起動させることもできる。ユーザは、ユーザインターフェイスユニットを介して選択することにより、個々の電池セルのステータスを確認でき、選択された電池セルのステータスは、ステータス表示ユニット３０２により表示される。

図７は、電池管理システムの例示的な動作７００を示している。ステップ７０２において、電池管理システムが、端子２１８、２２０における出力電圧が予め規定された閾値電圧を下回ることを検出すると、ステップ７０６において、電池管理システムは、電池を低電圧保護モードに移行させる。端子電圧が予め規定された閾値電圧を上回ると、ステップ７０４において、電池の通常動作が続行される。低電圧保護モードでは、電池管理システムは、低電圧を周期的に（パルスモードで）出力することにより、電池に鉛蓄電池をエミュレートさせる。このバースト低電圧は、このバースト電圧によって充電器が電池の存在を検出できるため重要である。ステップ７０８において、電池が充電器に接続されること、すなわち出力端子の電圧が所定の電圧よりも高いことを電池管理システムが検出すると、ステップ７１４において、電池管理システムは電池を低電圧保護モードから終了させ、そして充電動作が開始される。電池が低電圧保護モードに入ると、タイマーが開始される。ステップ７１０において、タイマーが終了すると、ステップ７１２において、電池管理システムは動作を停止する。タイマーは、電池セルの完全な消耗を回避するために使用され、電池セルが損傷を受けるのを回避する。タイマー及び電圧出力の周波数は、ユーザインターフェイスを介してユーザが調整できる。ユーザは、出力電圧の周波数を下げてタイマーを延長するように選択できるので、電池は出力電圧を端末に供給する頻度が低くなるが、より長い期間に亘って供給することになる。

低電圧保護モードにある間に、電池管理システムは、電池が保護モードにあることを示す。ユーザは、ユーザインターフェイスユニット３１８を介してコマンドを入力することにより、電池を「起動」させることができる。起動コマンドによって、電池管理システムに、保護モードを中断するよう指示する。

ステータス表示ユニット３０２は、ＬＥＤディスプレイに接続されており、電池状態、充電段階、動作モード、充電状態、及びエラーコードを表示する。

使用中に、本発明の電池管理システムを備えたリチウム電池は、それぞれの出力コネクタ２１８、２２０を介して外部負荷に並列に接続することができ、こうして大きな結合電流の供給が可能になる。充電プロセス中に、充電器４１２は、リチウム電池のそれぞれに充電電流を供給する。充電電流は、出力コネクタ２１８、電池セル２０２、シャント抵抗２０６、ＭＯＳＦＥＴ２１０、２１２を通って流れ、出力コネクタ２２０から出る。電池セルが消耗すると、充電電流は定電流となり、電池セルが充電されるにつれ、充電電流は徐々に減少する。充電電流は、シャント抵抗器２０６によって検出され、シャント抵抗器における電圧降下は、ＭＯＳＦＥＴ２１０を制御する比較器２０８の基準電圧と比較される。充電電流が大きく、電圧降下が基準電圧よりも大きい場合に、ＭＯＳＦＥＴ２１０がオンになり、充電電流がＭＯＳＦＥＴ２１０を通って流れる。

電池セルが充電されているために充電電流が小さい場合に、比較器２０８は、シャント抵抗２０６における電圧降下が小さいことを検出し、ＭＯＳＦＥＴ２１０をオフにする。ＭＯＳＦＥＴ２１０がオフの場合に、小さな充電電流が、ＭＯＳＦＥＴ２１０に並列に接続されたダイオードを流れる。充電プロセス中に、ＭＯＳＦＥＴ２１２はオンである。ＭＯＳＦＥＴ２１０がオフであり、小さな充電電流がダイオードを流れ続けるので、これにより、このリチウム電池が誤って放電し、同様に接続された隣接するリチウム電池を損傷することが防止される。

放電プロセス中に、放電電流は逆方向に流れる。放電電流は、電池セル２０２から出力コネクタ２１８、外部負荷を通って流れ、出力コネクタ２２０、ＭＯＳＦＥＴ２１２、２１０、及びシャント抵抗器２０６に戻る。放電電流は、最初大きく、徐々に減少する。ＭＯＳＦＥＴ２１２は、放電電流が大きくなるとオンになり、シャント抵抗器２０６によって検出される放電電流が減少すると、比較器２１４によってオフにされる。放電プロセス中に、ＭＯＳＦＥＴ２１０はオンである。

放電電流が低レベルに低下すると、電池セル２０２への損傷を防ぐために、ＭＯＳＦＥＴ２１２がオフになり、小さな放電電流が、ＭＯＳＦＥＴ２１２に並列に接続されたダイオードを通過する。小さな電流により、充電器４１２がリチウム電池の存在を検出することができる。上述したように、ＰＷＭモード又はＰＦＭモードで小さな電流を出力できるため、リチウム電池の寿命を延ばすことができる。

ＭＯＳＦＥＴ２１０、２１２は、リチウム電池を流れる電流の経路を制御し、それらの動作は、コントローラ２１６及び比較器２０８、２１４によって制御される。ＭＯＳＦＥＴの動作は、以下の表に要約することができる。

放電プロセスの終わりに、各電池セルが消耗すると、ＭＯＳＦＥＴ２１０はオフになる。ＭＯＳＦＥＴ２１０がオフになると、エミュレータＭＯＳＦＥＴ４０２は、上述したようにパルスモードで周期的にオンになり、抵抗器４０４、４０６、４０８は並列になり、電圧を出力コネクタ２１８、２２０に供給する。適切な抵抗器を選択することにより、リチウム電池は、充電器が、充電プロセスを開始する前に、検出するよう予期する特定の電圧をエミュレートするように設計できる。

電池が製造後に出荷されるとき、電池を出荷モードに設定でき、端子２１８、２２０には出力電圧がない。電池が充電器４１２に接続される又はコマンドをユーザインターフェイスユニット３１８から受信した場合に、電池は出荷モードを終了する。電池が出荷モードを終了すると、エミュレータＭＯＳＦＥＴ４０２は上述したようにパルスモードで周期的にオンになり、パルスモードの周波数はユーザコマンドによって調整できる。パルスモードを調整することにより、電池の保管寿命を延ばすことができる。出力端子で電圧を利用可能にすることにより、電池が使用状態に置かれると、電池の可用性を負荷又は充電器によって検出できる。パルスモードで電圧を出力する持続時間は、前述したようにタイマーで調整できる。

本発明について、その好ましい実施形態を参照して具体的に示し説明してきたが、以下の特許請求の範囲に記載されている本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明について形態及び詳細の様々な変更を行うことができることを当業者は理解するであろう。さらに、本発明の要素は単数形で説明し又は特許請求の範囲に記載されているが、単数形への限定が明示的に述べられていない限り、複数形が考慮される。本明細書の異なる実施形態で説明する異なる特徴の組合せは予測可能であり、本発明の範囲内にある。

図５〜図７の文脈では、図のステップは特定の動作順序を必要とせず、暗示していない。動作は、順次に実行することも、並行して実行することもできる。この方法は、機械可読命令のシーケンスを実行することで実施できる。命令は、様々なタイプの信号伝達媒体又はデータ記憶媒体に記憶できる。

Claims (20)

1. 複数の出力端子を含むリチウム電池であって、当該リチウム電池は、
   直列に接続された複数の電池セルと；
   電池管理ユニットと、を有しており、
   該電池管理ユニットは、
   コントローラと、
   前記複数の電池セル及び前記コントローラに接続された感知ユニットと、
   第１のＭＯＳＦＥＴと、該第１のＭＯＳＦＥＴと並列に接続された第１のダイオードとを含み、前記コントローラに接続される充電制御ユニットと、
   第２のＭＯＳＦＥＴと、該第２のＭＯＳＦＥＴと並列に接続された第２のダイオードとを含み、前記コントローラに接続される放電制御ユニットと、を含み、
   前記感知ユニットは、前記リチウム電池の前記出力端子における第１の電圧を感知し、
   該第１の電圧が第１の閾値電圧を超えると、前記第１のＭＯＳＦＥＴはオンになり、
   前記第１の電圧が前記第１の閾値電圧を下回ると、前記第１のＭＯＳＦＥＴはオフになる、
   リチウム電池。
2. 前記第１の電圧が前記第１の閾値電圧を下回り、且つ前記第１のＭＯＳＦＥＴがオフになるときに、小さな電流が前記第１のダイオードを流れる、請求項１に記載のリチウム電池。
3. 前記感知ユニットは、前記リチウム電池の前記出力端子における第２の電圧を感知し、
   前記第２の電圧が第２の閾値電圧を超えると、前記第２のＭＯＳＦＥＴはオンになり、
   前記第２の電圧が前記第２の閾値電圧を下回ると、前記第２のＭＯＳＦＥＴはオフになる、請求項１に記載のリチウム電池。
4. 前記第２の電圧が前記第２の閾値電圧を下回り、且つ前記第２のＭＯＳＦＥＴがオフになるときに、小さな電流が前記第２のダイオードを流れる、請求項３に記載のリチウム電池。
5. 電池管理システムと通信するステータス表示ユニットをさらに有しており、該ステータス表示ユニットは、前記電池管理システムの状態を表示する、請求項１に記載のリチウム電池。
6. 電池管理システムと通信するユーザインターフェイスユニットをさらに有しており、該ユーザインターフェイスユニットは、ユーザからコマンドを受信する、請求項１に記載のリチウム電池。
7. 前記ユーザから受信したコマンドによって、当該リチウム電池に、パルスモードで第１のシミュレートされた出力電圧を出力させる、請求項６に記載のリチウム電池。
8. 前記ユーザから受信したコマンドによって、前記第１のシミュレートされた出力電圧の周波数を変更する、請求項７に記載のリチウム電池。
9. 前記コントローラに接続されたエミュレータＭＯＳＦＥＴをさらに有しており、前記コントローラは、前記放電制御ユニットと前記充電制御ユニットとの両方がオフにされるときに、パルスモードで前記エミュレータＭＯＳＦＥＴをオン及びオフにする、請求項１に記載のリチウム電池。
10. 前記パルスモードの周波数は、前記コントローラによって調整される、請求項９に記載のリチウム電池。
11. タイマーをさらに有しており、該タイマーは、前記エミュレータＭＯＳＦＥＴが前記コントローラによってオン及びオフにされると開始され、前記コントローラは、前記タイマーが終了するときに、前記エミュレータＭＯＳＦＥＴのオン及びオフを停止する、請求項９に記載のリチウム電池。
12. 前記感知ユニットは、各電池セルの温度及び電圧を感知する、請求項１に記載のリチウム電池。
13. 鉛蓄電池をエミュレートするために、複数の電池セル、コントローラ、感知ユニット、第１のＭＯＳＦＥＴを含む充電制御ユニット、及び第２のＭＯＳＦＥＴを含む放電制御ユニットを有するリチウム電池の方法であって、当該方法は、
    前記感知ユニットにより、前記リチウム電池の出力端子における第１の電圧を感知するステップと、
    前記充電制御ユニットにより、前記第１の電圧が第１の閾値電圧を超えると、前記第１のＭＯＳＦＥＴをオフにするステップと、
    前記充電制御ユニットにより、前記第１の電圧が前記第１の閾値電圧を下回ると、前記第１のＭＯＳＦＥＴをオンにするステップと、を含む、
    方法。
14. 前記感知ユニットにより、前記リチウム電池の出力端子における第２の電圧を感知するステップと、
    前記放電制御ユニットにより、前記第２の電圧が第２の閾値電圧を超えると、前記第２のＭＯＳＦＥＴをオンにするステップと、
    前記放電制御ユニットにより、前記第２の電圧が前記第２の閾値電圧を下回ると、前記第２のＭＯＳＦＥＴをオフにするステップと、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. パルスモードで出力電圧を出力するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. ユーザインターフェイスユニットにより、コマンドを受信するステップと、
    前記コントローラにより、前記パルスモードでの前記出力電圧の出力を停止するステップと、をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. ユーザインターフェイスユニットにより、コマンドを受信するステップと、
    前記コントローラにより、前記出力電圧の前記パルスモードの周波数を変更するステップと、をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記感知ユニットにより、前記複数の電池セルからステータス情報を受信するステップと、
    ステータス表示ユニットにより、前記ステータス情報を表示するステップと、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
19. 前記パルスモードで前記出力電圧が開始されたときに、タイマーを開始するステップと、
    該タイマーが終了すると、前記パルスモードの前記出力電圧を停止するステップと、をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
20. 各電池セルの温度及び電圧を感知するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。

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