(57)【要約】      （修正有）【課題】バッテリ監視集積回路に施される温度センサを用いてバッテリ温度を正確に測定する方法を提供する。【解決手段】較正を行うことでバッテリ監視集積回路１００とバッテリの端子１０８との間の熱抵抗を推計することと、温度センサ１０４を用いて温度を測定することと、電流を用いてバッテリを充電するか又はバッテリを放電させる際に端子又はバッテリ監視集積回路の電源ピン上の電圧を電圧センサ１０２で測定することと、電圧と電流を乗算することによって電力を計算することと、電力と熱抵抗を乗算することによって温度に対する自己発熱温度調節を計算することと、を含む。【選択図】図１
2020134512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリ監視集積回路に施される温度センサを用いてバッテリ温度を正確に測定する方法であって、
較正を行うことで前記バッテリ監視集積回路とバッテリの端子との間の熱抵抗を推計することと、
前記温度センサを用いて温度を測定することと、
電流を用いて前記バッテリを充電するか又は前記バッテリを放電させる際に、前記端子上又は前記バッテリ監視集積回路の電源ピン上の電圧を測定することと、
前記電圧と前記電流を乗算することによって電力を計算することと、
前記電力と前記熱抵抗を乗算することによって前記温度に対する自己発熱温度調節を計算することと、
を含む方法。
【請求項２】
前記較正を実行することは、前記バッテリ監視集積回路を前記端子に取り付けることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記較正を実行するステップは、前記バッテリから第１の電流Ｉ１を引き込み、前記温度センサを用いて第１の温度Ｔ１を測定することをさらに含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記較正を実行するステップは、前記バッテリから、前記第１の電流とは異なる第２の電流Ｉ２を引き込み、前記温度センサを用いて第２の温度Ｔ２を測定することをさらに含む請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記較正を実行することは、前記端子においてバッテリ電圧Ｖｂａｔを測定することをさらに含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記較正を実行することは、前記バッテリ監視集積回路と前記端子との間の熱抵抗を計算することをさらに含む請求項５に記載の方法。
【請求項７】
Ｒ２＝（Ｔ２−Ｔ１）／（Ｉ２−Ｉ１）×Ｖｂａｔという公式を用いて前記熱抵抗を計算する請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記熱抵抗を記憶することをさらに含む請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記熱抵抗を、前記バッテリ監視集積回路にカップリングされたバッテリパックコントローラに記憶させる請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記熱抵抗を前記バッテリ監視集積回路に記憶させる請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
バッテリ端子における電圧を測定するための電圧センサと、
前記バッテリ監視集積回路内部の温度を測定するための温度センサと、
請求項１に記載の方法を実行するように構成されたプロセッサと、
を備えるバッテリ監視集積回路。
【請求項１２】
前記電圧センサは前記バッテリ監視集積回路の一つの側に施され、且つ、前記温度センサは、前記電圧センサとは反対の側に施される請求項１１に記載のバッテリ監視集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバッテリに関し、特に、バッテリ温度の測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
動力車両を含む機器に動力を提供するバッテリパックは、複数のバッテリセルからなる。個々のバッテリセルの電圧を測定することは、バランスされたバッテリセルにとって重要であり、バランスされたバッテリセルは、個々のバッテリセルの電圧に基づいて充電電流の測定値を提供する。また、バッテリは使用過程において最適な温度に保たれる。従って、バッテリセルの温度を監視することが重要である。通常、負の温度係数（ＮＴＣ）抵抗を用いて温度を測定する。ＮＴＣは半導体材料から作製され、温度変化に伴って電気抵抗の変化を提供することができる。しかし、個々のバッテリセルにＮＴＣを取り付けるには、電圧監視アセンブリから中央監視システムまでの接続がすでにある場合には各ＮＴＣを中央監視システムに接続することを含む余分な労力が必要である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の内容を提供し、簡略化した形式でいくつかの概念を紹介し、これらの概念については、以下の明細書においてさらに記述する。本発明の内容は、保護を求める主題の重要な特徴又は必要な特徴を識別しようとするものではなく、保護を求める主題の範囲を限定するために用いようとするものでもない。
【０００４】
１つの実施例では、バッテリ監視集積回路に施される温度センサを用いてバッテリ温度を正確に測定するための方法を開示している。この方法は、較正を行うことでバッテリ監視集積回路とバッテリの端子との間の熱抵抗を推計することと、温度センサを用いて温度を測定することと、電流を用いてバッテリを充電するか又はバッテリを放電させる際にこの端子上又はバッテリ監視集積回路の電源ピン上の電圧を測定することと、電圧と電流を乗算することによって電力を計算することと、電力と熱抵抗を乗算することによって温度に対する自己発熱温度調節を計算することと、を含む。
【０００５】
別の実施例では、バッテリ監視集積回路を開示している。バッテリ監視集積回路は、バッテリ端子における電圧を測定するための電圧センサと、前記バッテリ監視集積回路内部の温度を測定するための温度センサと、方法を実行するように構成されたプロセッサと、を備える。この方法は、較正を行うことでバッテリ監視集積回路とバッテリの端子との間の熱抵抗を推計することと、温度センサを用いて温度を測定することと、電流を用いてバッテリを充電するか又はバッテリを放電させる際にこの端子上又はバッテリ監視集積回路の電源ピン上の電圧を測定することと、電圧と電流を乗算することによって電力を計算することと、電力と熱抵抗を乗算することによって温度に対する自己発熱温度調節を計算することと、を含む。
【０００６】
いくつかの例では、電圧センサはバッテリ監視集積回路の一つの側に施され、且つ、温度センサは、電圧センサとは反対の側に施される。
【０００７】
１つ又は複数の実施例では、較正は、バッテリ監視集積回路を端子に取り付けることを含む。較正ステップは、バッテリから第１の電流（Ｉ１）を引き込み、温度センサを用いて第１の温度（Ｔ１）を測定することと、バッテリから、第１の電流とは異なる第２の電流（Ｉ２）を引き込み、温度センサを用いて第２の温度（Ｔ２）を測定することをさらに含む。較正は、端子においてバッテリ電圧（Ｖｂａｔ）を測定し、バッテリ監視集積回路と端子との間の熱抵抗を計算することをさらに含む。
【０００８】
熱抵抗はメモリに記憶され、メモリは、バッテリ監視集積回路内に位置するか、又は、バッテリ監視集積回路にカップリングされたバッテリパックコントローラ内に位置していてよい。続いて、記憶された熱抵抗は、温度のずれを計算することで、バッテリ監視集積回路の、それ自身のアセンブリに起因する自らの発熱を説明するために用いられる。
【０００９】
本発明の上記特徴を詳しく理解することができるように、実施例を参照することによって本発明についてより詳しく記述することができ、上記で本発明について簡潔に概説しており、そのうちいくつかの実施例は図面に示している。しかしながら、図面は本発明の典型的な実施例を示しているに過ぎず、従って、本発明は他の同等の実施例を許容することができるので、図面が本発明の範囲に対する制限であると見なすべきではない、という点に留意しなければならない。図面を参照しながら本明細書を読めば、保護を求める主題の利点が当業者にとって自明となる。図面中で、同じ参照符号は同じ部品を表すために用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】バッテリ端子に取り付けられる温度及び電圧監視チップのブロック図を示している。
【図２】バッテリセルの温度及び電圧監視チップを較正するための方法のブロック図を示している。
【図３】熱抵抗に基づいて温度測定値を調節する方法のブロック図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面はスケールで描かれていないことに留意されたい。図が移行する間の中間ステップは、本開示を混乱させないように省略されている。これらの中間ステップは当業者にとって既知である。
【００１２】
本開示を混乱させないように、多くの公知の製造ステップ、部材、及びコネクタについては、記述の中で省略しているか、又は、詳しく記述していない。
【００１３】
本明細書が記述する実施例は、バッテリパック中のバッテリセルの電圧及び温度を測定するための集積回路（ＩＣ）を含む。さまざまなバッテリに接続されるＩＣは、通信リンクを介して互いに通信することができ、バッテリパックコントローラと通信することもできる。ＩＣは、通信モジュールを備えることでバッテリパックコントローラとの通信を実現する。ＩＣは、所定の間隔で温度及び電圧のデータを収集するとともにバッテリパックコントローラから受信した命令も実行するようにプログラミングされ得るコントローラをさらに備えることができる。
【００１４】
ＩＣ内のすべての回路が（一定の）電流を消費するので、内部の電力消費のため内部温度がバッテリ温度よりも高くなり、従って、正確な測定を行うことができない。熱カップリング／熱抵抗の質は事前には不明であり、個々のバッテリセルについては、いくらか異なる可能性がある。
【００１５】
単独のサーミスタ又はＮＴＣ及び関連する配線によりバッテリ温度を測定する必要がないため、本明細書が記述する実施例は有益である。温度は、同一のＩＣ内部に取り付けられた温度センサにより測定され、この温度センサは、電圧測定と、バッテリパックコントローラとの通信とに用いられる。しかしながら、ＩＣの内部部材が電流を消費することが原因で熱を放散するので、温度センサが検出する温度は、ＩＣの自己発熱に起因する温度上昇を含む。ＩＣの自己発熱により生じる温度を補償するため、較正過程において、ＩＣとバッテリ接点との間の熱抵抗を計算して記憶する。続いて、ＩＣ又はバッテリパックコントローラが熱抵抗を用いて、ＩＣの自己発熱に起因する温度上昇を低減することにより、バッテリ端子の正確な温度を得る。効率よく最適にバッテリを充電するために、正確な温度を測定しなければならない可能性がある。
【００１６】
図１は、金属リードフレーム１０６を介してバッテリ接続１０８に取り付けられるＩＣ１００のブロック図を示している。ＩＣ１００は電圧センサ１０２を備える。電圧センサ１０２は、電圧端子にカップリングされた抵抗上の電圧降下のデジタル出力を生成するアナログ／デジタル変換器を備えることができる。ＩＣ１００はオンチップデジタル温度センサ（ＤＴＳ）１０４をさらに備える。ＤＴＳは、ＩＣダイパッドの環境温度を表すデジタル出力を提供する。少なくとも、受け入れ可能な誤差の範囲内に概ねあり、ＤＴＳが検出する温度はバッテリ端子１０８における温度であってもよい。電圧センサ及びＤＴＳは本分野においては公知であるので、詳しい構造の記述を省略する。
【００１７】
しかしながら、電圧センサ１０２が動作する際、電圧センサ１０２に含まれるアセンブリと、ＩＣ１００の他のアセンブリとが、いくらかの熱を放散する可能性があり、ダイパッドの温度上昇につながることがある。少なくとも個々のバッテリセルの較正期間にこの温度上昇の値を計算しなければならない。いくつかの例では、ＩＣ１００が、緊密に熱接触するようにバッテリ端子１０８に取り付けられる場合であっても、１０ケルビン／ワットにも達する熱抵抗が依然として存在する可能性がある。線１１２が示すように、個々のバッテリセルは電圧センサ１０２からバッテリ端子１０８までの経路上にさまざまな熱抵抗を有することができる。取り付けられた個々のＩＣについてこの熱抵抗（Ｒ２）を計算しなければならない。熱抵抗Ｒ２は、単位時間内に単位熱量がＩＣ１００とバッテリ端子１０８とのカップリングを流れる際の、ＩＣ１００と、それとバッテリ端子１０８とのカップリングとの温度差である。それは熱伝導率の逆数である。
【００１８】
Ｒ２が判明している場合には、ＤＴＳ１０４の出力を調節することで、Ｒ２と、電圧センサ１０２により提供される電圧測定結果とが比例する自己発熱を補償することができる。バッテリ端子に取り付けられた個々のＩＣ１００に用いられるＲ２の値がバッテリパックコントローラに記憶されることが可能であることにより、バッテリパックコントローラは、ＤＴＳ１０４から受信した温度測定結果をＲ２と電圧測定結果とに基づいて調整することができる。
【００１９】
バッテリ充電システムは、制御されることでバッテリセルバランスを提供可能なプログラマブル電流源を備えており、電圧センサ１０２により提供される電圧測定結果に基づいて所定量の電流を使用することができる（例えば、バッテリセルを充電するために用いられる）。Ｒ２の初期計算では、温度Ｔ１は、電圧センサ１０２に印加することで電圧センサ１０２を作動させる電流Ｉ１の箇所でＤＴＳ１０４により測定されたものである。もう１つの温度Ｔ２は、電流Ｉ２が電圧センサ１０２に印加される際にＤＴＳ１０４により測定されたものである。続いて、Ｒ２＝（Ｔ２−Ｔ１）／（Ｉ２−Ｉ１）×Ｖｂａｔという公式を用いてサーミスタのＲ２を推計することができ、ここで、ＶｂａｔはＩＣ１００の電源電圧である。
【００２０】
電圧センサ１０２はデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）を備える。１つの例では、ＩＣの内部アセンブリは約１０〜３０ミリアンペアの電流を消費する。しかし、ＤＡＣは１５０〜３００ミリアンペアを消費する可能性がある。従って、ＤＡＣはＩＣ１００の自己発熱に対して、より顕著な影響を有している。較正ステップにおいて、いくつかの例では、ＩＣ１００が電圧測定に用いられておらずＤＡＣの電流の負荷がかかっているときに、プログラマブル電流源を用いて正常な電流下でＤＴＳ１０４を使って温度を測定する。Ｔ２電流の測定を行う前に、この過程は、予め選択した時間だけ待つことで温度を安定させる。いくつかの例では、電圧センサ１０２はダイパッド（すなわち、その上でＩＣ１００の各アセンブリを製造するシリコン）の一端に施され、且つ、ＤＴＳ１０４は、電圧センサ１０２とは反対の側に製造される。
【００２１】
自己加熱は通常、ＤＴＳ１０４が測定する温度を２〜４ケルビン上昇させることができる。しかし、多くのバッテリ応用で必要な温度精度は約１ケルビンである。本明細書に記載された実施例は少なくとも、大多数の典型的な応用の精度要件に適合する。
【００２２】
正常な操作条件の間にＩＣ１００の自己発熱によりもたらされる温度上昇を導き出すため、電圧センサ１０２の出力に、バッテリにより提供される電流を乗算することによって電力（Ｐ）を計算する。電流測定によってこの電流（若しくは、ＩＣ１００の電源電流を固定値として設計してもよい）を知ることができる。最後に、ΔＴ＝Ｐ×Ｒ２という公式を用いて、自己発熱によりもたらされる温度上昇を導き出すことができる。続いて、ＤＴＳ１０４が検出した温度からこの値を減算することで、バッテリ端子１０８の温度を得る。
【００２３】
図２は、ＩＣ１００を較正することでＩＣ１００とバッテリ端子１０８との間の熱抵抗を判定するための方法２００を示している。従って、ステップ２０２では、ＩＣ１０２がバッテリ端子１０８に取り付けられる。ステップ２０４では、電流Ｉ１を伝送することによってＩＣ１００が作動され、且つ、温度（Ｔ１）については、ＤＴＳ１０４によって測定を行う。ステップ２０６では、電流Ｉ１とは異なる電流Ｉ２を使用し、且つ、温度（Ｔ２）については、依然としてＤＴＳ１０４によって測定を行う。ステップ２０８では、電圧センサ１０２を用いてバッテリ電圧（Ｖｂａｔ）を測定する。ステップ２１０では、Ｒ２＝（Ｔ２−Ｔ１）／（Ｉ２−Ｉ１）×Ｖｂａｔ（すなわちＩＣ１００の電源電圧）という公式を用いて熱抵抗Ｒ２を推計する。ステップ２１２では、Ｒ２はＩＣ１００に記憶されるか又はＩＣ１００のバッテリパックコントローラにカップリングされる。
【００２４】
図３は、ＩＣ１００に記憶された熱抵抗Ｒ２を考慮して、ＤＴＳ１０４が測定して得た温度を調整するための方法３００である。従って、ステップ３０２では、ＤＴＳ１０４を用いて温度を測定する。この測定は、ＩＣ１００にカップリングされたバッテリパックコントローラからのリクエストを受信した際に実行することができる。別の例では、ＩＣ１００は、予め選んだ間隔で温度を測定して測定結果をバッテリパックコントローラに伝送するようにプログラミングされ得る。ステップ３０４では、電圧センサ１０２を用いてバッテリ端子１０８における電圧を測定する。バッテリを充電するための電流又はバッテリから引き込む電流は、電流センサを用いて測定することができるため既知である。ステップ３０６では、バッテリ電圧と電流を乗算することによって電力を計算する。ステップ３０８では、算出した電力に熱抵抗Ｒ２を乗算することで、ステップ３０２における温度測定に対する自己発熱の寄与（ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を得、さらに、ステップ３１０では、ステップ３０２で測定した温度から、自己発熱が寄与した温度を減算する。いくつかの例では、ＩＣ１００上ではなくバッテリパックコントローラにおいて上記計算を実行可能であることが分かる。いくつかの実施例では、ＩＣ１００は、プロセッサ１１４を任意に含むことで、上述の較正と温度調節の計算を実行することができる。他の例では、バッテリパックコントローラはプロセッサを含むことで、本明細書に記載された、いくつかの又はすべての計算を実行することができる。
【００２５】
例示した方式によって、且つ、具体的な実施形態に基づいて、１種又は複数種の実施形態を記述したが、１種又は複数種の実施形態は、開示された実施形態に限定されないことは理解しなければならない。逆に、本発明は、当業者にとって自明な各種の修正及び類似した構成を包含することを意図する。従って、添付された特許請求の範囲は、最も幅広い解釈を与えられることで、このようなすべての修正及び類似した構成を包含しなければならない。
【００２６】
主題を記述する前後の文章において（特に、添付された特許請求の範囲の前後の文章において）「１つの」及び「１種の」という用語と、類似した言い換えの使用は、本明細書で別途説明されているか又は前後の文章と明らかに矛盾していない限り、単数及び複数形式の複数を含むと解釈されるべきである。本明細書で別途説明されていない限り、本明細書中の値の範囲の表記は、単独の引用がこの範囲に該当する個々の単独の値の速記方法として用いることを意図するものであるに過ぎず、そして、個々の単独の値が、本明細書において単独で表記されているように本明細書に組み込まれる。また、先の記述は説明するためのものであって、限定するためのものではなく、求められる保護範囲は、特許請求の範囲と、特許請求の範囲の、権利を有する均等物とにより限定される。別途要求されていない限り、本明細書が提供するあらゆる例示又は例示的語句（例えば、「〜など」）の使用は、主題をより良く説明することを意図しているに過ぎず、且つ、主題の範囲に対して限定をなすことはない。特許請求の範囲及び本明細書の記述において、「〜に基づいて」という用語や、他の類似した語句は、結果を生じる条件の使用を表すが、この結果を生じる他の何らかの条件を排除することを意図しない。本明細書中のいかなる語句も、保護を求められている発明を実施するにあたって不可欠な、保護を要求されていない何らかの要素を指すと解釈されてはならない。
【００２７】
本明細書は、本発明者が既知の、保護を求める主題を実行するための最適な方式を含む好ましい実施例を記述している。当然ながら、これらの好ましい実施例の変更は、当業者にとっては、前記説明を読んだ後に自明となる。本発明者は、当業者がこのような変更を適切に採用することを期待するとともに、発明者は、保護を要求している主題を、本明細書の具体的な記述とは異なる方式で実践することを望む。従って、適用される法律が許容すれば、保護を要求しているこの主題は、添付された特許請求の範囲に記載された主題のすべての修正及び均等物を含む。しかも、本明細書が別途指摘しているか又は前後の文章と明らかに矛盾していない限り、上記要素の、そのすべての可能な変更における任意の組み合わせを含む。
【００２８】
本発明は、現在の具体的な実施例を参照して記述しているが、当業者は、以上の実施例は本発明を説明するために用いられるに過ぎず、本発明の趣旨から逸脱することなく、各種の同等な変更又は置換をさらに行うことができ、従って、本発明の実質的な趣旨の範囲内にありさえすれば、上記実施例に対する変更や変形はいずれも本願の特許請求の範囲の範囲に該当することを認識しなければならない。
【図１】
2020134512.tif 000003
【図２】
2020134512.tif 000004
【図３】
2020134512.tif 000005