(57)【要約】      （修正有）【解決手段】バッテリーモジュール２０は、再充電可能なバッテリー３２と、再充電可能なバッテリー用の充電回路２４と、再充電可能なバッテリーを充電回路またはバッテリーシステムの出力端子に接続するスイッチ２８とを備えている。スイッチは、充電回路の入力端子に印加された電圧によってスイッチ状態を変更する。【効果】複数のバッテリーモジュール内のスイッチの制御を分散することにより、１群のバッテリーモジュールに対して１つのバッテリーモジュールを追加したり取り外したりすることが容易になる。【選択図】図１
2020022341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリーモジュールであって、
ａ）再充電可能なバッテリーと、
ｂ）前記再充電可能なバッテリー用の充電回路と、
ｃ）前記再充電可能なバッテリーを前記充電回路または前記バッテリーモジュールの出力端子に接続するように構成されたスイッチと、
を備え、
前記スイッチは前記充電回路の入力端子に印加された電圧によってスイッチ状態を変更するように構成されている、バッテリーモジュール。
【請求項２】
前記スイッチは２極双投（ＤＰＤＴ）タイプであり、前記スイッチの２つの入力端子は前記再充電可能なバッテリーの正の端子および負の端子にそれぞれ接続されており、前記スイッチの出力端子の第１のセットは前記バッテリーモジュールの前記出力端子に接続されており、前記スイッチの出力端子の第２のセットは前記充電回路の出力端子に接続されている、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
【請求項３】
前記スイッチは、前記充電回路の前記入力端子に接続された入力を有するリレーを備えている、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
【請求項４】
前記スイッチは、前記充電回路の前記入力端子に接続された入力を有するトランジスタ回路を備えている、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
【請求項５】
前記スイッチは１極双投（ＳＰＤＴ）タイプであり、前記スイッチの入力端子は前記再充電可能なバッテリーの正の端子に接続されており、前記スイッチの第１の出力端子は前記バッテリーモジュールの前記出力端子の一方に接続されており、前記スイッチの第２の出力端子は前記充電回路の前記出力端子の一方に接続されており、前記バッテリーモジュールは前記再充電可能なバッテリーの負の端子と前記充電回路の前記出力端子の他方との間に連結されたトランジスタをさらに備えている、請求項１に記載のバッテリーモジュール。
【請求項６】
前記トランジスタはＰＮＰ型ＢＪＴまたはＰチャネルＭＯＳＦＥＴである、請求項５に記載のバッテリーモジュール。
【請求項７】
前記トランジスタはツェナーダイオードに連結されている、請求項５に記載のバッテリーモジュール。
【請求項８】
請求項１に記載のバッテリーモジュールを複数含むバッテリーシステムであって、
前記各バッテリーモジュールの充電回路の入力端子が共通の入力に接続され、前記複数のバッテリーモジュールの出力端子が直列または並列に接続されている、バッテリーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギー保存デバイスに関し、特にバッテリーおよび充電回路に対するバッテリーの接続に関する。
【背景技術】
【０００２】
再充電可能なバッテリーは人間の生活の様々な局面で用いられており、たとえば乗り物、パワーツール、おもちゃ、パーソナルコミュニケーションデバイスなどで用いられている。バッテリーが電気器具の一体部分である場合、通常、バッテリー用に充電回路が構成されている。それにより、外部電源（たとえば、電線からの電気（mains electricity）)が入手可能であればいつでも電気器具はバッテリーを充電することができる。この場合、電気器具は外部電源によって電力を供給されるからである。単一の電気器具用に複数のバッテリーモジュールを設けることにより、単一のバッテリーモジュールでは提供不可能なより高い電圧またはより大きな電流という要件を満たすことも一般的である。
【０００３】
しかしながら、電気器具における複数のバッテリーモジュールの場合、バッテリー／バッテリーセルの充電は同時にいくつかの問題点を提起する。これまで、セルの充放電サイクルに対応するために非常に高度なバッテリー管理回路が開発されてきた。これらのバッテリー管理回路はカスタマイズされた回路であることが多く、電気器具に対してバッテリーモジュールを追加したり取り除いたりする柔軟性はない。なぜならそんなことをすれば、バッテリー管理回路は変更後のバッテリーシステムに適用不能となるからである。そのため、バッテリーモジュールに欠陥があれば、電気器具内のすべてのバッテリーモジュールを交換する必要が常にある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記の背景を鑑みて、上記の技術的問題を排除する、あるいは少なくとも緩和する別のバッテリーモジュールおよびバッテリーシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的は、独立請求項の特徴の組み合わせにより達成される。従属請求項は本発明のさらなる有利な実施形態を開示する。
【０００６】
当業者であれば、以下の記載から本発明の他の目的を引き出す。したがって上記目的に関する記載は目的を限定するものではなく、本発明の多くの目的のいくつかを例示するためのものにすぎない。
【０００７】
したがって本発明は一局面において、再充電可能なバッテリーと、再充電可能なバッテリー用の充電回路と、再充電可能なバッテリーを充電回路またはバッテリーモジュールの出力端子に接続するように構成されたスイッチとを備えているバッテリーモジュールである。スイッチは充電回路の入力端子に印加された電圧によってスイッチ状態を変更するように構成されている。
【０００８】
好ましくは、スイッチは、２極双投（ＤＰＤＴ）タイプである。スイッチの２つの入力端子は、再充電可能なバッテリーの正の端子および負の端子にそれぞれ接続されている。スイッチの出力端子の第１のセットは、バッテリーモジュールの出力端子に接続されている。スイッチの出力端子の第２のセットは、充電回路の出力端子に接続されている。
【０００９】
より好ましくは、スイッチは、充電回路の入力端子に接続された入力を有するリレーを備えている。
【００１０】
あるいは、スイッチは、充電回路の入力端子に接続された入力を有するトランジスタ回路を備えている。
【００１１】
好ましい実施形態の変形例によると、スイッチは、１極双投（ＳＰＤＴ）タイプである。スイッチの入力端子は、再充電可能なバッテリーの正の端子に接続されている。スイッチの第１の出力端子は、バッテリーモジュールの出力端子の一方に接続されている。スイッチの第２の出力端子は、充電回路の出力端子の一方に接続されている。バッテリーモジュールは、再充電可能なバッテリーの負の端子と充電回路の出力端子の他方との間に連結されたトランジスタをさらに備えている。
【００１２】
好ましくは、トランジスタは、ＰＮＰ型ＢＪＴまたはＰチャネルＭＯＳＦＥＴである。
【００１３】
好ましい実施形態の別の変形例によると、トランジスタは、ツェナーダイオードに連結されている。
【００１４】
本発明は別の局面において、上記したものに類似のバッテリーモジュールを複数含むバッテリーシステムを提供する。各バッテリーモジュールの充電回路の入力端子が共通の入力に接続されている。複数のバッテリーモジュールの出力端子が直列または並列に接続されている。
【００１５】
本発明の利点は数多くある。各バッテリーモジュールにおいて複雑なバッテリー管理ユニットはなく、スイッチは充電回路に印加された電圧によって制御されてバッテリーを充電モードまたは放電モードにする。これにより、複数のバッテリーモジュールの動作は容易に同期し得る。なぜなら、バッテリーモジュールにおいて複数の充電回路に同一の充電電圧を同時に印加し得、そのため、すべてのバッテリーモジュールのスイッチの状態を変更するからである。このようなバッテリーシステムはあまり複雑ではなく、故障の可能性が低い。
【００１６】
本発明の別の利点は、複数のバッテリーモジュール用の信号線として機能する、共通の充電用電圧線を有することにより、バッテリーシステムに対して１以上のバッテリーモジュールを追加したり取り外したりすることが容易になったことである。バッテリーモジュールの追加または取り外しはシステム内の他のバッテリーモジュールの動作に全く干渉せず、唯一必要であるのは、バッテリーシステムの共通の入力端子および出力端子に対して特定のバッテリーモジュールを接続すること／接続を断つことである。バッテリーシステムに対する構造または接続上の変更はこれ以外には不要である。
【００１７】
本発明の上記および他の特徴は以下の好ましい実施形態の記載により明らかとなる。以下の好ましい実施形態は添付の図面に関連して例示としてのみ提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュールの模式図である。
【００１９】
【図２】図２は、本発明の別の実施形態による、直列接続された複数のバッテリーモジュールを示す図である。
【００２０】
【図３】図３は、本発明の別の実施形態による、並列接続された複数のバッテリーモジュールを示す図である。
【００２１】
【図４】図４は、本発明の別の実施形態による、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴと接続されたバッテリーモジュールの模式図である。
【００２２】
【図５】図５は、本発明の別の実施形態による、ＰＮＰ型トランジスタと接続されたバッテリーモジュールの模式図である。
【００２３】
【図６】図６は、本発明の別の実施形態による、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴおよびツェナーダイオードと接続されたバッテリーモジュールの模式図である。
【００２４】
【図７】図７は、本発明の別の実施形態による、ＰＮＰ型トランジスタおよびツェナーダイオードと接続されたバッテリーモジュールの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図面において、本明細書に記載するいくつかの実施形態を通じて同様の部分は同様の参照符号で示す。
【００２６】
以下の請求の範囲およびその前に述べる本発明の記載において、明確な文言および必要な示唆により文脈上、他の意味に解される場合を除いて、用語「備える」またはその変形、例えば「備え」、「備えている」などは包括的な意味で用いる。すなわちこれらの用語は、記載した特徴の存在を特定するが、本発明の様々な実施形態において他の特徴の存在または追加を排除するものではない。
【００２７】
本明細書および請求の範囲において「連結（couple）」または「接続（connect）」は、特に断りのない限り、１以上の電気的手段による直接的または間接的な電気的連結または接続を意味する。
【００２８】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態は、電気器具（図示せず）に電力を供給することが可能なバッテリーモジュール２０である。バッテリーモジュール２０は、電気器具の取り外し不能な一体部分であってもよいし、あるいはバッテリーパックなどの、電気器具に取り外し可能に接続された別体のコンポーネントという形態であってもよい。バッテリーモジュール２０には４つの端子があり、バッテリーモジュール２０はこれらの端子を介して、他の回路、コンポーネントおよび／または装置に接続し得る。特に、バッテリーモジュール２０の充電回路２４の入力端子２２ａ、２２ｂはバッテリーモジュール２０の入力端子でもある。入力端子２２ａは正の充電電圧に接続するものであり、入力端子２２ｂはコモングラウンドに接続するものである。正の充電電圧もコモングラウンドも図１には示していないが、後に参照する他の図面に示していることに留意されたい。
【００２９】
充電回路２４はスイッチ２８の状態に応じて、スイッチ２８を介してバッテリー３２に接続される。スイッチ２８は１対の入力端子ＸおよびＹを含み、入力端子ＸおよびＹはバッテリー３２の正の端子および負の端子にそれぞれ接続されている。出力端子の第１のセットＸ１、Ｙ１は充電回路２４の対応する出力端子にそれぞれ接続されている。出力端子の第２のセットＸ０、Ｙ０はバッテリーモジュール２０の出力端子３４ａ、３４ｂに接続されている。したがってスイッチ２８はＤＰＤＴスイッチである。
【００３０】
さらに図１には、入力端子２２ａ、２２ｂからスイッチ２８への信号リンク２６が示されている。信号リンク２６は、充電回路２４に印加された充電電圧を示し、スイッチ２８の状態を変更する信号としても機能する。ある実施形態では、スイッチは充電電圧によって直接制御されるリレーを含む。あるいは別の実施形態では、スイッチ２８は、スイッチとして構成され充電電圧によって制御されて同一の結果をもたらすトランジスタ回路を含む。但しいずれにしてもスイッチ２８の動作を制御するマイクロコントローラやバス接続はない。
【００３１】
ここで、上記のデバイスの動作に戻る。図１は、バッテリーモジュール２０の入力端子２２ａに充電電圧が印加されていない場合のスイッチ２８の状態を示している。この状態では、バッテリーモジュール２０は放電モードに保持されており、入力端子ＸおよびＹは出力端子の第２のセットＸ０、Ｙ０に電気的に接続されている。したがってバッテリー３２はバッテリーモジュール２０の出力端子３４ａ、３４ｂに直接接続されており、そのため、出力端子３４ａ、３４ｂに接続された電気器具などの負荷はバッテリー３２によって電力を供給され得る。しかしながら、入力端子２２ａに正の充電電圧が印加されると、スイッチ２８はこの充電電圧によってその状態を変える。特に、スイッチ２８の入力端子ＸおよびＹは出力端子の第２のセットＸ０およびＹ０とは電気的に接続されなくなり、入力端子ＸおよびＹは出力端子の第１のセットＸ１およびＹ１と接続状態になる。これにより、充電回路２４はバッテリー３２と接続され、充電モードにあるバッテリー３２は必要に応じて充電回路２４によって再充電可能となる。入力端子２２ａに対する充電電圧がなくなると、スイッチ２８はその状態を再び変えて図１に示す状態に戻り、バッテリー３２は放電モードになる。
【００３２】
図２は、本発明の別の実施形態による、直列接続されたｎ個のバッテリーモジュール１２４ａ、１２４ｂ、．．．１２４ｎを示す。バッテリーモジュール１２４ａ、１２４ｂ、．．．１２４ｎの各々は、図１に示す構造に類似の構造を有する。バッテリーモジュール１２４ａ、１２４ｂ、．．．１２４ｎのすべての入力端子は２本のコモンラインに接続されている。２本のコモンラインのうち一方はコモン充電電圧線１２２ａであり、他方はコモングラウンド線１２２ｂである。バッテリーモジュール１２４ａ、１２４ｂ、．．．１２４ｎはそれぞれ、バッテリー１３２ａ、１３２ｂ、．．．１３２ｎを有する。バッテリーモジュール１２４ａ、１２４ｂ、．．．１２４ｎが出力端子で互いに直列接続されているため、バッテリー１３２ａ、１３２ｂ、．．．１３２ｎは全体で、単一のバッテリーモジュールが出力する電圧のｎ倍に等しい電圧を出力することが可能である。バッテリーモジュール１２４ａ、１２４ｂ、．．．１２４ｎの各々は、上記したように放電モードと充電モードとの間で切り換え可能であるが、その切り換え動作は同期することに留意されたい。なぜなら、バッテリーモジュール１２４ａ、１２４ｂ、．．．１２４ｎのすべてに、コモン充電電圧線１２２ａおよびコモングラウンド線１２２ｂを介して同一の充電電圧が同時に印加されるからである。バッテリーモジュール１２４ａ、１２４ｂ、．．．１２４ｎの各々から充電電圧がなくなるのも同時である。
【００３３】
図３は、本発明の別の実施形態による、並列接続されたｎ個のバッテリーモジュール２２４ａ、２２４ｂ、．．．２２４ｎを示す。バッテリーモジュール２２４ａ、２２４ｂ、．．．２２４ｎの各々は、図１に示す構造に類似の構造を有する。バッテリーモジュール２２４ａ、２２４ｂ、．．．２２４ｎのすべての入力端子は２本のコモンラインに接続されている。２本のコモンラインのうち一方はコモン充電電圧線２２２ａであり、他方はコモングラウンド線２２２ｂである。バッテリーモジュール２２４ａ、２２４ｂ、．．．２２４ｎはそれぞれ、バッテリー２３２ａ、２３２ｂ、．．．２３２ｎを有する。バッテリーモジュール２２４ａ、２２４ｂ、．．．２２４ｎが出力端子で互いに並列接続されているため、バッテリー２３２ａ、２３２ｂ、．．．２３２ｎは全体で、単一のバッテリーモジュールが出力する電流のｎ倍に等しい電流を出力することが可能である。バッテリーモジュール２２４ａ、２２４ｂ、．．．２２４ｎの各々は、上記した放電モードと充電モードとの間で切り換え可能であるが、その切り換え動作は同期することに留意されたい。なぜなら、バッテリーモジュール２２４ａ、２２４ｂ、．．．２２４ｎのすべてに、コモン充電電圧線２２２ａおよびコモングラウンド線２２２ｂを介して同一の充電電圧が同時に印加されるからである。バッテリーモジュール２２４ａ、２２４ｂ、．．．２２４ｎの各々から充電電圧がなくなるのも同時である。
【００３４】
本発明の上記の実施形態は、直列または並列に接続された１群のバッテリーモジュールのうち単一のバッテリーモジュールを搭載するまたは取り外す容易な方法を提供していることがわかる。取り外したバッテリーモジュールはその後容易に修理またはメンテナンスされ得る。中央制御装置がないため、１群のバッテリーモジュールのうちいずれのバッテリーモジュールも都合よく搭載または取り外すことが可能であり、その際に上記１群のバッテリーモジュールの動作を邪魔することがないことが顕著なことである。したがってこれはバッテリーモジュールにおけるスイッチの分散型制御である。スイッチの制御は各バッテリーモジュール内で行われる。充電端子に十分な充電電圧があればいつでも、スイッチはバッテリーを充電モードにする。このように、多くの類似のバッテリーモジュールを互いに接続し得る方法に制限はない。たとえばシステム制御のメインバスサイズやシステム制御のモジュール容量など、上記方法を制限する要素は他にない。さらに、すべてのバッテリーモジュールの充放電サイクルを処理するのは容易である。なぜなら、充電端子に低い充電電圧が印加されているときはいつでも、１群のバッテリーモジュールは同一のスイッチ状態に切り換わるからである。
【００３５】
図４は、本発明の別に実施形態によるバッテリーモジュール３２０を示す。簡潔化のため、バッテリーモジュール３２０については図１に示すバッテリーモジュールとの相違点のみを記載し、共通する部分または同一の部分は記載しないことに留意されたい。バッテリーモジュール３２０では、ＤＰＤＴスイッチに代えて１極双投（ＳＰＤＴ）スイッチ３２８を用いてバッテリー３３２を他のコンポーネントに連結している。特に、バッテリー３３２の正の端子はスイッチ３２８の入力端子Ｘに接続されている。スイッチ３２８の第１の出力端子Ｘ１は充電回路３２４に接続されており、第２の出力端子Ｘ０はバッテリーモジュール３２０の出力端子Ｂ＋に接続されている。他方、バッテリー３３２の負の端子はＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３３０に接続されており、特にＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３３０のソースピンに直接接続され、かつ、レジスタＲを介してＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３３０のゲートピンにも接続されている。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３３０のドレインピンはＹ１で充電回路３２４に接続されている。
【００３６】
動作中、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３３０はバッテリー３３２の負の端子の接続状態によって制御される。バッテリー３３２の負の端子が他のバッテリーモジュール（図示せず）の正の端子に接続されていないか、あるいはコモングラウンドに接続されている場合、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３３０は導電性であり、そのため、バッテリー３３２の負の端子は充電回路３２４の出力端子Ｙ１に接続される。したがってバッテリーモジュール３２０が他のバッテリーモジュールに直列接続されていれば（図２に示したものに類似の状態）、隣接するバッテリーモジュールの正の端子がこの隣接バッテリーモジュールの充電回路に切り換わり、そのためバッテリー３３２の負の端子には接続されていない場合、バッテリー３３２の負の端子はＹ１にのみ接続される。あるいは隣接バッテリーモジュールの正の端子がバッテリー３３２の負の端子に接続される場合、バッテリー３３２の負の端子は充電回路３２４の出力端子Ｙ１から絶縁される。このように、バッテリーモジュール３２０にＳＰＤＴスイッチ３２８が設けられてさえいれば、バッテリーモジュール３２０が他のバッテリーモジュールに直列接続されたときにバッテリー３３２の負の端子もまた自動的に切り換わることができる。
【００３７】
しかしながら、バッテリーモジュール３２０が他のバッテリーモジュールに並列接続している場合、バッテリー３３２の負の端子は常に充電回路３２４の出力端子Ｙ１に接続することになる。なぜなら、バッテリー３３２の負の端子は常にコモングラウンドに接続しているからである。
【００３８】
図５は本発明の別の実施形態を示す。ここではＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３３０に代えて、ＰＮＰ型のバイポーラジャンクショントランジスタ（ＢＪＴ）４３０を用いる。バッテリーモジュールの他のすべてのコンポーネントは図４に示すものと同じであり、ここではこれ以上詳細には記載しない。バッテリー４３２の負の端子は、ＢＪＴ４３０のエミッタピンに直接接続されており、さらにレジスタＲを介してＢＪＴ４３０のベースピンに接続されている。ＢＪＴ４３０のコレクタピンは充電回路４２４に接続されている。図５に示すバッテリーモジュールの動作は図４のバッテリーモジュールの動作に類似であり、ここでは詳細に記載しない。
【００３９】
図６に示すように、本発明の別の実施形態では、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ５３０がツェナーダイオード５３１に連結されている。バッテリーモジュールの他のすべてのコンポーネントは図４に示すものと同じであり、ここではこれ以上詳細には記載しない。ツェナーダイオード５３１はＰチャネルＭＯＳＦＥＴ５３０のドレインピンとゲートピンとの間に接続されている。図６のバッテリーモジュールの動作は図４のバッテリーモジュールの動作に類似であり、ここではこれ以上詳細には記載しない。ツェナーダイオード５３１は、複数の同様のバッテリーモジュールを直列接続したことによるダメージからＰチャネルＭＯＳＦＥＴ５３０を保護するものである。ツェナーダイオード５３１は図４を参照して記載したスイッチの動作に影響を与えない。
【００４０】
図７に示すように、本発明の別の実施形態では、ＰＮＰ型ＢＪＴ６３０がツェナーダイオード６３１に連結されている。バッテリーモジュールの他のすべてのコンポーネントは図５に示すものと同じであり、ここではこれ以上詳細には記載しない。ツェナーダイオード６３１はＰＮＰ型ＢＪＴ６３０のベースピンとコレクタピンとの間に接続されている。図７のバッテリーモジュールの動作は図５のバッテリーモジュールの動作に類似であり、ここではこれ以上詳細には記載しない。ツェナーダイオード６３１は、複数の同様のバッテリーモジュールを直列接続したことによるダメージからＰＮＰ型ＢＪＴ６３０を保護するものである。ツェナーダイオード６３１は図５に示したスイッチの動作に影響を与えない。
【００４１】
本発明の一例としての実施形態を十分に述べた。上記記載は特定の実施形態に関してのものであるが、本発明はこれらの具体的詳細が変更されても実施可能であることは当業者には明らかである。したがって本発明は上記の実施形態に限定されると解釈すべきではない。
【００４２】
図面および上記の記載により本発明を詳細に示し述べてきたが、図面および上記記載は一例にすぎず本発明を限定する性質のものではない。一例としての実施形態を示し述べたにすぎず、上記は本発明の範囲を限定するものではないことが理解される。本明細書に記載した特徴のいずれもが如何なる実施形態とも共に用いられ得ることが理解される。一例としての実施形態は互いに排他的ではなく、本明細書に記載していない他の実施形態とも組み合わせることができる。したがって本発明は、上記に記載した一例としての実施形態の１以上の組み合わせを含む実施形態をも提供する。本明細書に記載した本発明は、その思想および範囲から逸脱しない限り様々な変形および改変が可能であり、そしてそれゆえに、本発明は請求の範囲によってのみ限定される。
【図１】
2020022341.tif 000003
【図２】
2020022341.tif 000004
【図３】
2020022341.tif 000005
【図４】
2020022341.tif 000006
【図５】
2020022341.tif 000007
【図６】
2020022341.tif 000008
【図７】
2020022341.tif 000009