JP7635336B2 - 電源システム - Google Patents

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Description

本発明は、電源システムに関連するものであり、特に、充電可能なバッテリーを有する電源システムに関するものである。
現在、充電可能なバッテリーは、ノートパソコン、携帯電話、携帯情報端末(personal digital assistant, PDA)、デジタル音楽プレーヤー、無線電動工具などのさまざまな携帯型電子機器に動力を供給するために、または自動車用電子機器に待機電源として動力を供給するために使用されている。既存のバッテリー保護板は、最高電圧(例えば、携帯型電子機器の場合は、19V、自動車用電子機器の場合は、58.8V)でバッテリー列から電源に電力を供給することによってすべての部品の電力を制御し、その後、電力変換回路によって部品が使用できる電圧(例えば、5Vおよび3.3V)に変換される。しかしながら、部品が使用する電圧は、バッテリー列の最大電圧よりもはるかに低く、バッテリー列の最大電圧から部品が使用する電圧に変換することによって電圧降下の損失が生じるため、バッテリーは、不必要な電圧降下によって生じる電力消費の損失を減らす。
本発明は、電圧変換によって生じる電圧降下の損失を減らし、電圧降下によって生じる電力消費の損失を減らすことのできる電源システムを提供する。
本発明における電源システムは、第1バッテリーパック、第2バッテリーパック、および電源管理回路を含む。第1バッテリーパックは、第1端および第2端を有し、第1バッテリー容量を有する。第2バッテリーパックは、第3端および第4端を有する。第3端は、第1バッテリーパックの第2端に結合され、低バッテリー電圧を提供する。第4端は、接地される。第2バッテリーパックは、第2バッテリー容量を有し、第2バッテリー容量は、第1バッテリー容量よりも大きい。電源管理回路は、第2バッテリーパックに結合され、低バッテリー電圧を受け取るとともに、低バッテリー電圧に基づいて、電子部品に部品動作電圧を提供する。
以上のように、本発明の実施形態の電源システムにおいて、電源管理回路は、最も高い電圧を有する正のバッテリーパック電圧を電子部品に供給する代わりに、低い電圧を有する低バッテリー電圧を電子部品用の部品動作電圧に変換する。その結果、電圧変換による電力消費の損失を減らすことができる。
上述した内容をより理解しやすくするために、以下、図面と併せたいくつかの実施形態について詳細に説明する。
添付の図面は、本発明の原理をさらに理解するために含まれており、本明細書に組み込まれ、かつその一部を構成するものである。図面は、本発明の実施形態を例示しており、説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たしている。
本発明の1つの実施形態に係る電源システムの概略図である。
従来の実践では、部品に提供される動作電圧(例えば、3.3Vまたは5V)は、バッテリーパックによって提供されるバッテリーパック電圧(例えば、58.8Vまたは19V)よりもはるかに低いため、バッテリーパック電圧を低動作電圧に変換することによって、電圧降下の損失が生じる。バッテリーパック内の不必要な電圧降下によって生じる電力消費の損失を減らすために、本発明は、バッテリー列を少なくとも2つのグループに分割して、低電位バッテリーパック内のバッテリー数を増やす。つまり、低電位バッテリーパックのバッテリー容量を増やし、その後、低電位バッテリーパックの電圧を使用して、部品の動作電圧を生成する。この方法により、バッテリーモジュールのバッテリー容量を消耗することなく、バッテリーパックの待機時間を延長することができる。
図1は、本発明の1つの実施形態に係る電源システムの概略図である。図1を参照すると、本発明の実施形態において、電源システム100は、例えば、携帯型電子機器(図示せず)のバッテリーモジュールである。すなわち、電源システム100は、例えば、正の入力/出力端Tio+および負の入力/出力端Tio-を含む。正の入力/出力端Tio+および負の入力/出力端Tio-は、携帯型電子機器(図示せず)に正のバッテリーパック電圧PACK+および負のバッテリーパック電圧PACK-を提供するために使用される。
本実施形態において、電源システム100は、第1バッテリーパックBP1、第2バッテリーパックBP2、および電源管理回路110を含む。第1バッテリーパックBP1および第2バッテリーパックBP2は、正の入力/出力端Tio+と負の入力/出力端Tio-の間に直列に接続される。
さらに、第1バッテリーパックBP1は、正の入力/出力端Tio+に結合された第1端aおよび第2端bを有し、第1バッテリー容量を有する。第1端aは、正のバッテリーパック電圧PACK+を提供する。第2バッテリーパックBP2は、第1バッテリーパックBP1に結合された第3端cおよび接地電圧ノードGND(すなわち、接地)に結合された第4端dを有し、第2バッテリー容量を有する。第3端cは、低バッテリー電圧BAT2+を提供し、接地電圧ノードGNDは、抵抗器を介して負の入力/出力端Tio-に結合され、第2バッテリー容量は、第1バッテリー容量よりも大きい。
電源管理回路110は、第1バッテリーパックBP1および第2バッテリーパックBP2に結合され、低バッテリー電圧BAT2+を受け取る。電源管理回路110は、低バッテリー電圧BAT2+に基づいて、電子部品に部品動作電圧を提供する。上記によれば、低バッテリー電圧BAT2+は、正のバッテリーパック電圧PACK+よりも小さいため、電圧変換によって生じる電圧降下の損失を減らし、電圧降下によって生じる電力消費の損失を減らすことができる。
本実施形態において、電源システム100は、さらに、充放電回路120を含むことができ、充放電回路120は、第1バッテリーパックBP1の第1端aと第2バッテリーパックBP2の第3端cの間に結合される。また、電源管理回路110は、例えば、アナログフロントエンド(analog front end, AFE)チップであり、システム低電圧ピンVSS、複数の電圧感知ピンVC0~VC16、システム高電圧ピンBAT、充電保護ピンCHG、放電保護ピンDSG、バイアス電圧ピンBREG、電圧調整入力ピンREGIN、電圧調整出力ピンREG1およびREG2、データピンSDA、およびクロックピンSCLを有する。
本実施形態において、システム低電圧ピンVSSは、接地電圧ノードGNDに結合される。本実施形態において、電源システム100は、さらに、ダイオードD1および抵抗器R1を含むことができ、システム高電圧ピンBATは、ダイオードD1および抵抗器R1を介して第1バッテリーパックBP1の第1端aに結合される。
本実施形態において、第1バッテリーパックBP1は、複数の第1バッテリーセルBC1を直列に接続することによって形成され、第2バッテリーパックBP2は、複数の第2バッテリーセルBC2を直列および並列に接続することによって形成される。本実施形態において、電源システム100は、さらに、複数の抵抗器R2およびR3を含むことができる。電圧感知ピンVC3~VC16は、複数の抵抗器R2を介して第1バッテリーセルBC1の接点に結合され、電圧感知ピンVC0~VC2は、複数の抵抗器R3を介して第2バッテリーセルBC2の接点に結合され、各接点の電圧を検出することにより、第1バッテリーパックBP1の第1電力、第2バッテリーパックBP2の第1電力、および第1バッテリーパックBP1と第2バッテリーパックBP2の充電状態および放電状態を検出する。第1バッテリーパックBP1は、直列および並列に接続された複数の第1バッテリーセルBC1で構成することができるが、本発明の実施形態はこれに限定されない。
本実施形態において、電源システム100は、さらに、充電保護トランジスタMCおよび放電保護トランジスタMDを含むことができる。電源管理回路110の充電保護ピンCHGは、充電保護トランジスタMCに結合され、電源管理回路110の放電保護ピンDSGは、放電保護トランジスタMDに結合される。電源管理回路110は、第1バッテリーパックBP1と第2バッテリーパックBP2の充電状態および放電状態に基づいて、充電保護信号Schgおよび放電保護信号Sdsgを提供する。さらに、電源管理回路110は、第1バッテリーパックBP1と第2バッテリーパックBP2の充電状態および放電状態に基づいて、第1バッテリーパックBP1および第2バッテリーパックBP2が過電圧であるか、または低電圧であるかどうかを判断し、それに応じて、充電保護信号Schgおよび放電保護信号Sdsgを提供することができる。
本実施形態において、電源システム100は、さらに、電圧調整回路130を含むことができる。電源管理回路110のバイアス電圧ピンBREGおよび電圧調整入力ピンREGINは、電圧調整回路130に結合される。バイアス電圧ピンBREGは、電圧調整回路130にバイアス電圧VB1を提供するために使用され、電圧調整入力ピンREGINは、電圧調整回路130によって送信された低バッテリー電圧BAT2+を受け取るために使用される。本実施形態において、電源システム100は、さらに、コントローラー140および通信回路150を含むことができる。1つの実施形態において、通信回路150は、携帯型電子機器内の制御回路(図示せず)と通信することができる。電源管理回路110は、低バッテリー電圧BAT2+に基づいて、電子部品(例えば、コントローラー140および通信回路150)に部品動作電圧(例えば、Vop1およびVop2)を提供する。コントローラー140に提供される部品動作電圧Vop1は、例えば、3.3Vであり、通信回路150に提供される部品動作電圧Vop2は、例えば、5Vであるが、電圧レベルは、部品の動作要件によるため、本発明の実施形態はこれに限定されない。詳しく説明すると、電源管理回路110の電圧調整出力ピンREG1は、コントローラー140に結合され、部品動作電圧Vop1を提供し、電源管理回路110の電圧調整出力ピンREG2は、通信回路150に結合され、部品動作電圧Vop2を提供する。
電源管理回路110のデータピンSDAおよびクロックピンSCLは、コントローラー140に結合され、電源管理回路110とコントローラー140の間の通信を行う。データピンSDAおよびクロックピンSCLは、インター・インテグレーテッド・サーキット(Inter-Integrated Circuit, I2C)通信プロトコルを実施するために使用することができるが、本発明の実施形態はこれに限定されない。さらに、コントローラー140は、さらに、充放電回路120に結合される。コントローラー140は、電源管理回路110から第1バッテリーパックBP1の第1電力および第2バッテリーパックBP2の第2電力を示す電力情報IFVCを受け取り、電力情報IFVCに基づいて、逆充電信号Schiを充放電回路120に提供する。
本実施形態において、充電保護トランジスタMCは、第1端aに結合された第1ソース/ドレイン、充電保護信号Schgを受け取る第1ゲート、および第2ソース/ドレインを有する。放電保護トランジスタMDは、充電保護トランジスタMCの第2ソース/ドレインに結合された第3ソース/ドレイン、放電保護信号Sdsgを受け取る第2ゲート、および正の入力/出力端Tio+に結合された第4ソース/ドレインを有する。
本実施形態において、電圧調整回路130は、電源管理回路110に低バッテリー電圧BAT2+を伝送するために、第3端cと電源管理回路110の間に結合される。電圧調整回路130は、例えば、バイポーラ接合トランジスタT1を含み、バイポーラ接合トランジスタT1は、低バッテリー電圧BAT2+を受け取るコレクタ、バイアス電圧VB1を受け取るベース、および電源管理回路110に結合されたエミッタを含む。電源システム100は、さらに、電圧調整および電圧バッファリングを行うために電源システム100内に配置された複数のキャパシタを含むことができる。
電源システム100が充電中のとき、第1バッテリーパックBP1の第1端aは、外部充電器(図示せず)からの外部充電電圧Vcheを受け取り、外部充電電圧Vcheを使用して直接充電する。さらに、充放電回路120は、外部充電電圧Vcheを使用して第2バッテリーパックBP2を追加で充電することができるため、異なるバッテリー電源を有する第1バッテリーパックBP1と第2バッテリーパックBP2を実質的に同時に充電することができる。
電源システム100が放電中のとき、第1バッテリーパックBP1の第1端aは、充電保護トランジスタMCおよび放電保護トランジスタMDを介して正の入力/出力端Tio+に正のバッテリーパック電圧PACK+を提供し、電源管理回路110は、低バッテリー電圧BAT2+を使用して部品動作電圧Vop1およびVop2を提供する。第1バッテリーパックBP1の第1電力が第2バッテリーパックBP2の第2電力よりも少なく、且つ限界電力に達したとき、電源管理回路110は、充放電回路120に逆充電信号Schiを提供し、充放電回路120は、逆充電信号Schiに基づいて、低バッテリー電圧BAT2+を使用して第1端aに逆充電電圧Vchgを提供し、第1バッテリーパックBP1を充電する。逆充電信号Schiは、インター・インテグレーテッド・サーキット(Inter-Integrated Circuit, I2C)信号であってもよいが、本発明の実施形態はこれに限定されない。
例えば、全体のシステムは、第1バッテリーパックBP1のバッテリー容量を15アンペア時(Ah)に設計し、第2バッテリーパックBP2内の並列の電池数を増やして、第2バッテリーパックBP2のバッテリー容量を20アンペア時に増やす。携帯型電子機器(図示せず)の待機電力消費が10ミリアンペア(mA)であり、その待機時間が1500時間(h)である場合、元の設計のバッテリー容量は、10アンペア時しかない。しかしながら、本発明の実施形態の電源システム100の待機時間(第2バッテリーパックBP2の電池を追加した場合)は、2000時間まで延長することができ、且つ最初の500時間は、第2バッテリーパックBP2の電力のみを使用するため、第1バッテリーパックBP1のバッテリー電力が減衰しない。つまり、元の設計の15アンペア時の第1バッテリーパックBP1のバッテリー電力は、維持される。
本実施形態において、第1バッテリーパックBP1と第2バッテリーパックBP2は、容量が不均衡なバッテリーパックの組み合わせであるが、充放電回路120を制御することによって、電力のバランスを達成することができる。以下の例は、第1バッテリーパックBP1のバッテリー容量が15アンペア時であり、第2バッテリーパックBP2のバッテリー容量を20アンペア時に増やした場合の例である。
全体のバッテリーパック(第1バッテリーパックBP1および第2バッテリーパックBP2)が0アンペア時のとき、充放電回路120の充電機能を活性化して、第2バッテリーパックBP2を5アンプの電流で充電する。そして、システム内の外部充電器(図示せず)を使用して15アンプを提供し、全体のバッテリーパック(第1バッテリーパックBP1および第2バッテリーパックBP2)を充電する。このようにして、第1バッテリーパックBP1の充電電流を15アンプに維持することができ、第2バッテリーパックBP2の充電電流を20アンプに維持することができるため、同時に完全に充電されることが予想される。
第2バッテリーパックBP2のバッテリー電力が5アンペア時で、第1バッテリーパックBP1のバッテリー電力が0アンペア時のとき、システム内の外部充電器(図示せず)によって提供された15アンプのみを使用することによって充電することができ、同時に完全に充電できることが予想される。
第2バッテリーパックBP2のバッテリー電力が7アンペア時で、第1バッテリーパックBP1のバッテリー電力が0アンペア時のとき、システム内の外部充電器(図示せず)によって提供された15アンプで充電する他に、充放電回路120のブースト負荷(boost load)機能をオンにして、第2バッテリーパックBP2のバッテリー電力(つまり、低バッテリー電圧BAT2+)を全体のバッテリーパックの正入力/出力端Tio+に逆充電する。つまり、正入力/出力端Tio+に逆充電電圧Vchgを提供して、第1バッテリーパックBP1のバッテリー電力と第2バッテリーパックBP2のバッテリー電力が均衡を保つまで第1バッテリーパックBP1を充電する。つまり、第1バッテリーパックBP1のバッテリー電力と第2バッテリーパックBP2のバッテリー電力の間の差がおよそデフォルトの差(例えば5アンペア時)になると、ブースト負荷機能がオフになる。
第2バッテリーパックBP2のバッテリー電力が10アンペア時で、第1バッテリーパックBP1のバッテリー電力が5アンペア時のとき、システム内の外部充電器(図示せず)によって提供された15アンプのみを使用することによって充電することができ、同時に完全に充電できることが予想される。
第2バッテリーパックBP2のバッテリー電力が18アンペア時で、第1バッテリーパックBP1のバッテリー電力が15アンペア時のとき、電源システム100の充電保護トランジスタMCがオフになるため、外部充電器(図示せず)は、第1バッテリーパックBP1を充電することができず、充放電回路120の充電機能は、第2バッテリーパックBP2を充電し続ける。
上記の充電および放電状態は、説明するための例であり、第1バッテリーパックBP1と第2バッテリーパックBP2の電圧、電流、温度、およびバッテリー電力のうちの少なくとも1つをコントローラー140によって監視してもよい。監視結果に基づいてコントローラー140を微調整し、第1バッテリーパックBP1および第2バッテリーパックBP2の充電を制御する。
上記に基づき、本発明の実施形態は、バッテリーパック内で最も高い電圧を有する正のバッテリーパック電圧PACK+(つまり、第1バッテリーパックBP1および第2バッテリーパックBP2)から電子部品に最初に提供された電力入力を、低い電位を有する第2バッテリーパックBP2に変更し、第2バッテリーパックBP2のバッテリー容量を増やして、外部部品の電力消費による第2バッテリーパックBP2の損失を相殺し、それにより、全体システムの待機時間を増やす。さらに、第2バッテリーパックBP2に対し、充放電回路120を電源システム100に追加することができるため、第2バッテリーパックBP2を追加で充電することができ、第2バッテリーパックBP2のバッテリー電力が充電中に第1バッテリーパックBP1のバッテリー電力よりも大きいとき、逆昇圧放電を行って、第2バッテリーパックBP2のバッテリー電力と第1バッテリーパックBP1のバッテリー電力を均衡に保つことができる。
以上のように、本発明の実施形態の電源システムにおいて、電源管理回路は、低い電圧を有する低バッテリー電圧を、最も高い電圧を有する正のバッテリーパック電圧の代わりに電子部品に提供される部品動作電圧に変換する。したがって、電圧変換によって生じる部品動作電圧の電圧降下を減らし、電圧降下によって生じる電力消費の損失を減らすことができる。
本発明の実施形態の電源システムは、携帯型電子機器およびその製造方法に適用することができる。
本分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の範囲または精神から逸脱せずに、開示された実施形態に対してさまざまな修正および変更が可能であることが理解されよう。これを考慮して、本発明は、以下の特許請求の範囲およびそれらの同等物の範囲内にある修正および変更を包含することが意図されている。
100 電源システム
110 電源管理回路
120 充放電回路
130 電圧調整回路
140 コントローラー
150 通信回路
a 第1端
b 第2端
BAT システム高電圧ピン
BAT2+ 低バッテリー電圧
BC1 第1バッテリーセル
BC2 第2バッテリーセル
BP1 第1バッテリーパック
BP2 第2バッテリーパック
BREG バイアス電圧ピン
c 第3端
CHG 充電保護ピン
d 第4端
D1 ダイオード
DSG 放電保護ピン
GND グラウンド電圧ノード
IFVC 電力情報
MC 充電保護トランジスタ
MD 放電保護トランジスタ
PACK- 負のバッテリーパック電圧
PACK+ 正のバッテリーパック電圧
R1、R2、R3 抵抗器
REG1、REG2 電圧調整出力ピン
REGIN 電圧調整入力ピン
Schg 充電保護信号
Schi 逆充電信号
SCL クロックピン
SDA データピン
Sdsg 放電保護信号
T1 バイポーラ接合トランジスタ
Tio- 負の入力/出力端
Tio+ 正の入力/出力端
VB1 バイアス電圧
VC0~VC16 電圧感知ピン
Vop1、Vop2 部品動作電圧
VSS システム低電圧ピン

Claims (9)

  1. 電源システムであって、
    第1端および第2端を有し、第1バッテリー容量を有する第1バッテリーパックと、
    前記第1バッテリーパックの前記第2端に結合され、低バッテリー電圧を提供する第3端および接地された第4端を有し、前記第1バッテリー容量よりも大きい第2バッテリー容量を有する第2バッテリーパックと、
    前記第2バッテリーパックに結合され、前記低バッテリー電圧を受け取るとともに、前記低バッテリー電圧に基づいて、電子部品に部品動作電圧を提供する電源管理回路と、
    を含み、
    前記第1端が、外部充電器から外部充電電圧を受け取り、前記電源システムが、さらに、
    前記第1バッテリーパックの前記第1端と前記第2バッテリーパックの前記第3端の間に結合された充放電回路を含み、前記充放電回路が、前記外部充電電圧に基づいて前記第2バッテリーパックを充電するとともに、前記第1バッテリーパックの第1電力が前記第2バッテリーパックの第2電力よりも少なく、且つ限界電力に達したときに、前記低バッテリー電圧に基づいて、前記第1端に逆充電電圧を提供し、前記第1バッテリーパックを充電するのに適した、電源システム。
  2. 前記電源管理回路が、さらに、前記第1バッテリーパックに結合され、前記第1バッテリーパックの前記第1電力および前記第2バッテリーパックの前記第2電力を検出する、請求項に記載の電源システム。
  3. 前記電源管理回路および前記充放電回路に結合されたコントローラーをさらに含み、前記コントローラーが、前記電源管理回路から前記第1電力および前記第2電力を示す電力情報を受け取るのに適しており、前記電力情報に基づいて、前記充放電回路に逆充電信号を提供し、
    前記充放電回路が、前記逆充電信号に基づいて、前記逆充電電圧を提供するのに適した、請求項に記載の電源システム。
  4. 前記第1バッテリーパックが、前記外部充電電圧を使用して充電される、請求項に記載の電源システム。
  5. 前記第2バッテリーパックの前記第3端と前記電源管理回路の間に結合され、前記電源管理回路に前記低バッテリー電圧を伝送するように構成された電圧調整回路をさらに含む、請求項1に記載の電源システム。
  6. 前記電圧調整回路が、バイポーラ接合トランジスタを含み、前記バイポーラ接合トランジスタが、前記低バッテリー電圧を受け取るコレクタ、バイアス電圧を受け取るベース、および前記電源管理回路に結合されたエミッタを含む、請求項に記載の電源システム。
  7. 前記第1端に結合された第1ソース/ドレイン、充電保護信号を受け取る第1ゲート、および第2ソース/ドレインを有する充電保護トランジスタと、
    前記充電保護トランジスタの前記第2ソース/ドレインに結合された第3ソース/ドレイン、放電保護信号を受け取る第2ゲート、および正の入力/出力端に結合された第4ソース/ドレインを有する放電保護トランジスタと、
    をさらに含み、前記電源管理回路が、さらに、前記第1バッテリーパック、前記充電保護トランジスタ、および前記放電保護トランジスタに結合され、前記第1バッテリーパックと前記第2バッテリーパックの充電状態および放電状態を検出し、前記充電状態および前記放電状態に基づいて、前記充電保護信号および前記放電保護信号を提供する、請求項1に記載の電源システム。
  8. 前記電子部品が、コントローラーおよび通信回路のうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の電源システム。
  9. 前記電源管理回路が、アナログフロントエンドチップを含む、請求項1に記載の電源システム。
JP2023184591A 2022-11-07 2023-10-27 電源システム Active JP7635336B2 (ja)

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