(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
再充電可能バッテリと共に用いられ、前記再充電可能バッテリに関連する事象のために動作的にディセーブルされたバッテリ・コントローラに開始電圧を与える装置であって、前記再充電可能バッテリは充電システムによって充電され、少なくとも一つのセルと、充電電流を前記再充電可能バッテリに供給する充電端子と、情報を前記充電システムに供給するデータ端子とを含む、装置であって：
前記充電システムによって前記データ端子に印加される第１電圧を検出する少なくとも一つのスイッチ；
前記スイッチが起動されることにより、第２電圧を前記充電端子から前記バッテリ・コントローラに供給して、前記バッテリ・コントローラをイネーブルする結合手段；
によって構成され、
前記バッテリ・コントローラは、前記充電システムによって検出するために、前記少なくとも一つのセルの電位を前記充電端子に送出することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記データ端子は、充電情報を前記充電システムに送出することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも一つのセルは、リチウム・イオン・セルであることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記充電端子は、前記充電システムから前記少なくとも一つのセルに充電電圧を供給することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記結合手段は、複数のトランジスタからなることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】
携帯バッテリに関連する安全制御システムのためにディセーブルされたバッテリ・コントローラをイネーブルする方法であって、前記携帯バッテリは、前記携帯バッテリ内の少なくとも一つのセルに充電電流を供給する充電ノードと、情報を充電システムに伝えるデータ・ノードとを含む、方法であって：
前記携帯バッテリを前記充電システムに装着する段階；
前記充電システムにより前記データ・ノードで与えられる第１電圧を検出する段階；
前記データ・ノードからの前記第１電圧で、第１スイッチを起動する段階；
前記第１スイッチが起動されることにより、前記充電ノードを介して前記充電システムによって与えられる第２電圧で、前記バッテリ・コントローラをイネーブルする段階；および
前記充電システムによる検出のため、前記少なくとも一つのセルを前記充電ノードに接続する段階；
によって構成されることを特徴とする方法。
【請求項７】
前記イネーブルする段階は：
前記少なくとも一つのセルを前記充電ノードと接続する前記バッテリ・コントローラで、第２スイッチを起動する段階；
をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記情報は、前記少なくとも一つのセルに関連する充電情報であることを特徴とする請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、一般に、バッテリ再充電に関し、さらに詳しくは、バッテリ・セルを再充電するシステムに関する。
背景
現在、装置内のバッテリ・ソースで動作する携帯電子製品の数が増えている。これらの製品には、便利なように移動可能で、再充電可能なバッテリを利用して動作するセルラ電話，携帯無線装置，ページャおよびボイス・レコーダがある。再充電機能の必要性を満たす多くの異なるバッテリ化学作用が長年利用されてきた。おそらく最も一般的な化学作用には、ニッケル・カドミウムおよびニッケル金属水素（nickel metal hydride）がある。しかし、一般にリチルム・イオンと呼ばれる比較的新しい化学作用では、他の種類の再充電セルに比べて多くの利点を提供しつつ、セルを再充電できる。これらの利点は、高エネルギ密度と共に、小型軽量化に主に関する。リチウム・イオン・セルを利用する際に考慮すべき固有の事項は、その充電方式である。リチウム・イオン・セルは、ニッケル化学作用を利用するセルと同じように充電されない。
ニッケル・カドミウムおよびニッケル金属水素セルは、特定の事象が発生するまで一定の電流を印加することによって、急速充電（rapid charge）を利用して一般に充電される。この事象は、セルが所定の高電圧に達することや、所定の低電圧に低下することや、セルの温度の増加に関連する。これは、最適性能を達成するために二段階階充電プロセスを必要とするリチウム・イオン・セルとは対照的である。このプロセスの第１段階では、セルの電圧が所定の閾値以下のままで、バッテリ・チャージャが一定の電圧レベルを印加する。電圧がこの閾値まで増加すると、第２段階は、バッテリ・チャージャを閾値電圧に保持して、電流が低下できるようにする。電流が所望のレベルまで十分に低下すると、リチウム・イオン・セルは完全に再充電される。
この二段階プロセスは、ニッケル・システム用に設計されたチャージャでリチウム・イオン・セルを充電する際に問題が生じる。一般に、ニッケル・システム・チャージャは、セルの電圧を妨げずに上昇させる一定の電流のみを印加する。電圧は、バッテリが熱くなりすぎない、すなわち、望ましくない危険なレベルまで上昇しない限り、任意のレベルまで上昇することがある。ニッケル・システム・バッテリが熱くなると、チャージャはこの状態を検出して、急速高電流充電から、急速電流値の約５〜１０％の値に切り替える。この低い電流モードは、一般に細流電流（trickle current）または細流充電（trickle charge）という。
従って、現在のニッケル・システム・チャージャによって提供される充電方式は、リチウム・イオン・セルを適切に充電しない。ニッケル・システム・チャージャにリチウム・イオン・セルを装着したり、強制的に入れると、リチウム・イオン・セルは急速に過熱するため、危険になりうる。そのため、既存のリチウム・イオン・セルの制御回路に後付けでき、セルがニッケル・システム・チャージャを安全に利用できるようにする、バッテリ充電回路またはシステムが必要になる。
ニッケル・システム・チャージャを利用してリチウム・イオン・バッテリを再充電することを可能にする後付け可能な回路を供給するだけでなく、このようにリチウム・イオン・セルを再充電する際に安全性を確保するため追加システムを供給する完全なバッテリ・システムも有用である。
ニッケル・システム・チャージャでリチウム・イオン・セルを利用することに伴うさらに別の問題点は、バッテリ・システムの一部である回路が、セルを充電するために用いられる充電用端子からリチウム・イオン・セルを切断した場合に生じる。これは、高電流状態または高電圧状態のため、また動作電圧がないために生じることがあり、バッテリに関連する多くの制御システムおよび安全システムに電力が供給されなくなる。そのため、バッテリの充電用端子に電力がこない。
ニッケル方式のバッテリ充電システムが装着されたバッテリをいつ充電するのかを検出するのには２つの方法がある。その方法には、サーミスタの検出および／またはバッテリ上の電圧が含まれる。現在利用される多くの充電システムは、充電回路網へのバッテリの初期接続時にデータ・ラインが検出されると、極めて短いパルスを印加する。このパルスはバッテリ・コントローラをイネーブルまたはウェークアップするのに十分であるが、これは効果がないままである。従って、充電用コンタクトに電圧を復元するためにスタートアップまたは開始（initiation）電圧を内部システムに与えるために用いられる一つの方法は、「二重挿入方法（double insertion method）」と呼ばれる。これは、いったん挿入された後にバッテリを充電システムから実際に切り離し、２度目に再接続する。バッテリ・コントローラが起動して、バッテリ・コントローラがセル電圧を充電用コンタクトに印加できるようにするまでに、充電システムはバッテリが接続されないとすでに判断するため、バッテリを二度再接続しなければならない。従って、バッテリは、充電システムによる通知なしに充電システムに接続されたままであり、実際にはバッテリが単にディセーブルされているのに、利用者はバッテリが死んだと考えてしまう。しかし、バッテリを切り離し、再接続すると、バッテリ・コントローラは第１電圧またはパルスで再スタートしたので、チャージャは充電用端子の電位を認識する。
この「二重挿入方法」は面倒で、わかりにくく、再充電を開始する前に、ディセーブルされたバッテリを接続・再接続する必要がある。従って、充電システムにバッテリを接続／切断／再接続する面倒なしに、充電システムがディセーブルされたリチウム・イオン・バッテリ内のバッテリ・コントローラをイネーブルすることを可能にする装置および方法を提供する必要がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による高温シミュレータの動作を示すブロック図である。
第２図は、高電流源がある場合に用いられる高温シミュレータを示す、本発明の好適な実施例による部分的な概略図である。
第３図は、低電流源しかない場合に用いられる高温シミュレータを示す、本発明の好適な実施例による部分的な概略図である。
第４図は、第２図に示すものとは異なる高温シミュレータの別の実施例を示す、本発明の好適な実施例による部分的な概略図である。
第５図は、本発明によるリチウム・イオン・セルで用いられる後付け可能な充電および安全システムの動作を示すブロック図である。
第６図は、本発明の好適な実施例による不足電圧復帰パルス回路網を示す部分的な概略図である。
好適な実施例の詳細な説明
ここで第１図を参照して、高バッテリ温度状態をシミュレーションする再充電可能バッテリ・システム用の高温シミュレータの動作を説明するブロック図を示す。再充電可能バッテリは、一般にリチウム・イオン化学作用，リチウム・ポリマ化学作用または鉛酸化学作用に基づくものでもよい。高温シミュレータは、一般に整合性のない充電方式を有する異種充電システムまたは充電回路網を利用して、再充電可能バッテリを充電することを可能にする。異種充電システムとは、ニッケル・カドミウムまたはニッケル金属水素タイプのセルで用いられるもので、第１動作モードおよび第２動作モードを有する。第１動作モードは、一般に急速または高速モードで、第２モードは低速または細流充電モードである。これらの充電システムは、一般にニッケル・システム・バッテリ・チャージャと呼ばれ、ニッケル金属水素セルはニッケル・カドミウム・セルを充電するように構成される。
以下でさらに詳しく説明するように、本発明の好適な実施例は、ニッケル・システム・バッテリ・チャージャに備わる固有の特徴を利用する。この特徴は、適切な制御情報がバッテリから受信されると、再充電可能バッテリの急速充電は停止することを保証する。この制御情報は、急速充電中のバッテリの温度に関連する。所定の温度に達すると、ニッケル・システム・バッテリ・チャージャは低電流または細流充電状態に自動的に切り替わり、再充電バッテリをよりゆっくり充電できる。
本発明の好適な実施例は、再充電可能セル１０１を含むバッテリ１００を示す。上記のように、再充電可能セル１０１はリチウム・イオン化学作用などを有する一つまたはそれ以上のセルでもよい。制御回路１０３は、充電システム１０５による充電中に、再充電可能セル１０１の電圧を測定または監視する。充電システム１０５は、一般にニッケル・カドミウムまたはニッケル金属水素セル用に用いられるチャージャである。制御回路１０３は、Motorola Integrated Circuit Model No. SC371013F/FERなどの比較器回路などでもよい。所定の電圧レベルまたは電位に達したことを制御回路１０３が判定すると、制御回路１０３は制御ライン１０６上で制御信号を生成する。この所定の電圧は、一般に再充電可能セル１０１の動作電圧によって決まる選択された電圧リミットであり、特定のセル化学作用および／または関連充電アルゴリズムに依存してもよい。
制御ライン１０６は、制御回路１０３から低電圧スイッチ１０４，高電圧スイッチ１０７およびサーミスタ・スイッチ１１１などの温度シミュレータ・デバイスのそれぞれに制御信号を伝達するために用いられる。低電圧スイッチは、電圧が低くなりすぎると再充電可能セル１０１を切り離して、セルの破損を防ぐために用いられる。高電圧スイッチ１０７および遅延回路１０９は、充電システム１０５と直列に配置され、充電中に所定の電圧に達した場合に所望の遅延後にオープン回路にするために用いられる。遅延期間は、充電システム１０５が温度センサまたはサーミスタ１１３を介して電流の変化に応答できるようにするために用いられる。遅延がないと、充電システム１０５は高電圧スイッチ１０７のオープンを再充電可能セル１０１が切断されたと判断することがある。これが生じると、充電システム１０５はオフになることがある。
サーミスタ・スイッチ１１１は制御回路１０３に接続され、また制御ライン１０６を介して制御信号によってトリガされ、サーミスタ１１３をショート回路にする。当技術分野で周知なように、サーミスタ１１３の抵抗値または状態は、再充電可能セル１０１の温度変化に応答して変化する。従って、サーミスタ１１３に流れる電流は、サーミスタ１１３が晒される周囲環境に比例して変化する。この電流は、充電システム１０５によって温度値として解釈され、充電システム１０５はこの値を利用して、充電モードをいつ切り替えるのかを判断する。これらのモードは、充電レートが高レベルである高速または急速充電状態から、充電レートが低い低速充電状態に一般に切り替えられる。サーミスタ・スイッチ１１１はサーミスタ１１３に接続され、制御回路１０３によって制御される。サーミスタ・スイッチ１１１は、起動すると、サーミスタ１１３の電流または状態を変化させる。上記のように、サーミスタ１１３を流れる電流の増加は、高温状態として充電システム１０５によって検出される。従って、サーミスタ・スイッチ１１１は、サーミスタ１１３の動作状態を変更するための制御回路として機能する。そこで、サーミスタ・スイッチ１１１は、再充電可能セル１０１の高温状態をシミュレーションする。これに応答して、充電システム１０５は急速または実質的に高速充電モードから、低速の細流充電モードに切り替わる。再充電可能セル１０１は最初に所定の電圧、すなわち、充電方式の第１段階まで充電できたので、このとき細流充電モードにより、再充電可能セル１０１は充電方式の第２段階に従って充電できる。充電システム１０５が低電流に切り替わると、再充電可能セル１０１の電圧は、再充電可能セル１０１内に存在する内部抵抗のため、以前のレベルから若干低下する。この低い電流レベルにより、セルが完全に充電されるまで、電圧が閾値電圧レベル以下のままで、再充電可能セルの連続充電が可能になる。しかし、充電システム１０５を利用した充電は、理想的なリチウム・イオン充電方式を利用した場合に比べて、一般により時間がかかる。
第２図は、再充電可能バッテリ２００で一般に用いられる高温シミュレータ回路２０１の概略図を示し、ここで制御回路２０９は分離したあるいは仮想的なグランドに十分な電流を沈めることができる。第２図からわかるように、再充電可能バッテリ２００は、充電電圧ノード２０３，温度ノード２０５および仮想グランド・ノード２７０を一般に含む。動作中、充電電圧は充電電圧ノード２０３および仮想グランド・ノード２０７に接続される。バッテリ充電システム（図示せず）は、温度ノード２０５を介して温度を測定し、動作モードをいつ切り替えるのかを判断する。バッテリ充電システムは、ニッケル・カドミウム・セル，ニッケル金属水素セルなどのために設計されたものでもよい。上記のように、低電圧スイッチ２１０は、再充電可能セル２１１が選択された値以下に放電するのを防ぐために用いられる。逆に、再充電可能セル２１２が充電中に所定の高電圧に達したことを制御回路２０９が検出すると、制御ライン２１１を介して高温シミュレータ回路２０１と、遅延回路２１４を介して高電圧スイッチ２１７とに制御信号を送出する。高温シミュレータ回路２０１は、ダイオード２１３および抵抗器２１５によって構成される。制御信号が高温シミュレータ回路２０１および高電圧スイッチ２１７をイネーブルすると、温度ノード２０５における電圧を高レベルから仮想グランド・ノード２０７に切り替える。これは、電流が仮想グランド・ノード２０７に沈められるので、温度ノード２０５上の電圧を低い値に引き下げる効果を有する。従って、この低い電圧は、サーミスタ２１６の高温状態をシミュレーションする。これは、温度ノード２０５上で高温状態としてバッテリ充電システムによって検出され、それによりバッテリ充電システムはモードを切り替えることができる。ダイオード２１３は単独で利用できるが、抵抗器２１５は、バッテリ・チャージャの特定のばらつきがこれらの条件下でテスト・モードに入るので、温度ノード２０５上の電圧があまり低すぎる値まで低下しないようにするために用いられる。
第３図は、リチウム・イオン・バッテリなどの再充電可能バッテリ３００において一般に用いられる高温シミュレータ回路３０１の概略図を示す。高温シミュレータ回路３０１は、制御回路３１５が第２図に示す回路を利用可能にするために大量の電流を沈めることができない場合に用いられる。再充電可能セル３０４，低電圧スイッチ３０６および遅延回路３０８の機能および動作は、第１図および第２図で説明したものと同様であることが当業者に明白である。再充電可能バッテリ３００は、充電ノード３０２，温度ノード３０３および仮想グランド・ノード３０５を利用する。高温シミュレータ回路３０１は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０７，抵抗器３０９，抵抗器３１０，ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３０１および抵抗器３１３からなる。動作中、制御回路３１５が高電圧スイッチ３１７を起動すると、これはＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３１１のゲート・ソース間接合をバイアスする。抵抗器３１３は、制御回路３１５が破損した場合に、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０７のゲート上の電圧を引き上げるまたは増加するために用いられる。抵抗器３１３は、制御信号が制御回路３１５からイネーブルされた場合に、ほんのわずかな電流のみが充電ノード３０２から流れることを許す十分高い抵抗値を有する。これにより、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３１１は低い抵抗値となり、電流はＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３１１，抵抗器３０９および抵抗器３１０を流れる。またそれによって生じる電圧は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０７を低い抵抗状態にし、オン状態に切り替える。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０７がオンすると、抵抗器３１６は、高温状態が存在することをバッテリ充電システム（図示せず）に指示あるいはシミュレーションするために、温度ノード３０３上の電圧を十分低下させる機能を果たす。温度ノード３０３の電圧は、このノードに流れる電流が仮想グランド・ノード３０５に向かうまたは沈められるので、低く降下する。従って、サーミスタ３１４にて測定される電圧は、高温シミュレータ回路３０１を利用してシミュレーションされる。第３図に示す構成は、制御回路が装着された充電システムから沈めなければならない過剰な電流に対処できない場合にのみ利用できる。第３図に示す回路はより複雑であるが、制御信号が制御回路３１５からイネーブルされた場合に、わずかな量の電流のみが抵抗器３１３に流れるので、低電流という利点を有する。
第４図は、高温シミュレータ回路３２０の概略図を示す。高温シミュレータ回路３２０は、第２図に示したものに対する別の実施例であり、ここで装着された充電システムからの高電流源が存在する。再充電可能セル３２２，低電圧スイッチ３２４，高電圧スイッチ３２６および遅延回路３２８の機能および動作は、第１図，第２図および第３図で説明したものと同様であることが当業者に明白である。好適な実施例では、高温シミュレータ回路３２０は、インバータ・ゲート３２１，ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３２３および抵抗器３２５を含む。動作中、上記の他の実施例と同様に、制御回路３２７がセル３２９内の高電圧状態を検出すると、制御信号が制御ライン３３１上で送出される。これは、制御ライン３３１上の電圧を低状態まで引き下げ、これはインバータ・ゲート３２１の入力を低に制御する。これは、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３２３をバイアスして、オンする。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴがオンすると、温度ノード３３３は仮想グランド・ノード３３５に実質的に接続されるので、温度ノード３３３を低状態に引き下げる。抵抗器３２５の値は、装着されたバッテリ充電システムによって判断される所望の温度レベルを制御および／または選択するために用いられる。従って、温度ノード３３３に接続された装着バッテリ充電システムは、このノード上の低い電圧に基づいて高温を検出する。高温シミュレータ回路３２０は、疑似高温状態をシミュレーションまた生成する機能を果たす。
本発明を実施する好適な方法は、第１動作モードおよび第２動作モードを有し、充電方式が再充電可能バッテリ内の再充電可能セルと整合性がない再充電可能バッテリを充電することを含む。この方法は、充電装置から充電電流を再充電可能セルに印加する段階と、再充電可能セルの電位を検出する段階と、温度センサを利用して再充電可能セルの温度を測定し、所定の電位に達した場合に、温度センサが充電装置に対して高温をシミュレーションできるように、第１制御回路網から第２制御回路網に制御信号を送出する段階と、最後に、充電装置のシミュレーションされた高温を検出し、前記第１動作モードから第２動作モードに切り替えて、再充電可能セルがより低いレートで充電できるようにする段階とを含む。
従って、開示される高温バッテリ・シミュレータ装置および方法は、消費者がリチウム・イオン・セルなどの再充電可能セルを収容して再充電するために特殊なチャージャを購入することを負担せずに、新世代のリチウム・セルを利用することを可能にする。これは、所望の用途のためにまったく新しいチャージャおよびバッテリを購入することとは異なり、リチウム方式のセルを利用して、全体的なコストを低く抑えるという利点および長所をさらに大きく高める。
第５図は、リチウム・イオンバッテリの安全および制御回路プラットフォームまたはバッテリ・システム４００のブロック図を示す。このシステムは、将来のリチウム・イオン・バッテリ用として、また現在利用中のバッテリ用の後付けとして開発されたものである。このシステムは、ニッケル・バッテリ・システム専用に設計された既存のチャージャで充電できる有用で安全な再充電可能バッテリ・システムを提供するため、さまざまなユーザおよび製造業者の推奨に対処することを意図する。
携帯電子装置と用いられるバッテリ・システム４００は、一つまたはそれ以上のセル４０１の保護回路を含む。セル４０１は、一般にリチウム・イオンなどあり、動作端子４０３，４１１において電位を与える。動作端子４０３，４１１は、バッテリ・システム４００を電力源として利用する携帯製品（図示せず）に動作電圧を供給するために用いられる。システムは、セル４０１を再充電するために印加される充電電圧を受けるために用いられる充電端子４０５，４０７をさらに含む。データ端子４０９は、メモリ４１２から充電システムに情報を供給する。メモリ４１２は、ＲＯＭタイプのメモリなどで、「スマート・チャージャ」として知られるこのタイプのチャージャに情報を伝える。この情報は、バッテリを再充電する前に充電システムが知る必要があるバッテリ・タイプや充電方式に関する。最後に、温度端子４１３は、充電システムが再充電中にバッテリの温度を検出することを可能にするために用いられる。これは、再充電プロセス中に充電システムが正確なバッテリ温度を測定することを可能にするサーミスタ４１５などの装置を利用して達成される。サーミスタ制御４１７はサーミスタ４１５に取り付けられ、一次過電圧制御回路４１９および二次過電圧制御回路４２１によって制御され、サーミスタ４１５の周りの電流を変更または再配向させる。サーミスタ制御４１７については上で詳しく説明済みであり、セル４０１の高温状態をシミュレーションする効果を有する。その後、この状態は装着された充電システム（図示せず）によって検出され、高速充電からより遅い細流充電に動作モードを変更することを可能にする。
一次過電圧制御４１９はセル４０１に接続され、セルが選択された電圧以上に増加または上昇することを防ぐため、セル４０１上に存在する累積電圧を測定するために用いられる。一次過電圧制御４１９が破損したり動作不能になった場合、二次過電圧制御４２１が用いられ、各セル上の電圧を測定し、各セルが選択された電圧以上に増加または上昇することを防ぐ、一次過電圧制御４１９または二次過電圧制御４２１が起動すると、制御信号が一つまたはそれ以上の独立した過電圧スイッチ４２３に供給される。独立した過電圧スイッチ４２３のどれか一つでも起動すると、オープン回路となり、セル４０１を動作端子４０３，４１１から切り離す。各制御信号は、独立した過電圧スイッチ４２３を起動する前に制御信号を遅延する遅延素子４２５または４２７を利用して遅延される。遅延素子４２５，４２７は、独立した過電圧スイッチ４２３がイネーブルされ、充電電流をセル０１から切断する前に、サーミスタ制御４１７が制御信号を受信することを保証するために用いられる。これにより、装着された充電システムはセル４０１のシミュレーション温度変化を検出でき、また独立した過電圧スイッチ４２３を起動する前に動作モードを変更できる。同様に、不足電圧制御４２８は、セル４０１の累積電圧を測定し、この累積電圧が所定のレベル以下に低下した場合に、制御信号を不足電圧スイッチ４２９に与えるために用いられる。独立した過電圧スイッチ４２３と同様に、不足電圧スイッチ４２９はセル４０１と直列接続され、セルの電圧が望ましくない低レベルまで降下した場合に、セル４０１を切り離して、セル４０１の破損を防ぐ。
セル平衡制御（cell balancing control）４２２は、各セル４０１と並列に接続された負荷（図示せず）からなる。セル平衡制御４２２は、充電中に各セルをほぼ同じ電圧レベルで維持するために、セル両端の負荷を切り替えるべく機能する。負荷は、一つセルが他のセルに比べて若干高い電圧になった場合、このセルを若干放電するために用いられる。負荷は、セル電圧が他のセルと整合性のあるレベルまで低下したら切断される。
一次短絡プロテクタ４３１は、独立した過電圧スイッチ４２３および不足電圧スイッチ４２９の両方の電圧を測定するために用いられる。これらのスイッチは安定したＤＣ抵抗を固有に有するので、これらの電圧は、セル４０１が再充電される際に流れる電流に比例する。独立した過電圧スイッチ４２３および不足電圧スイッチ４２９に流れる電流が所定の、すなわち、過剰なレベルに達すると、これらのスイッチ両端の電圧も低下させる。独立した過電圧スイッチ４２３および不足電圧スイッチ４２９両端の選択された電圧降下に応答して、一次短絡プロテクタ４３１は制御信号を不足電圧スイッチ４２９に与える。これは、不足電圧スイッチ４２９がセル４０１を端子４０３〜４１１から切断して、過剰な高電流状態がなくなるまでさらなる放電を防ぐことを保証する。これは、きわめて高い負荷条件下でセルが過剰な熱を発生し、破損することを防ぐための安全機能として働く。
過充電電流プロテクタ４３３は、一次短絡プロテクタ４３１に流れる電流量を直接測定することにより、一次短絡プロテクタ４３１を補完する。電流が選択されたレベルに達すると、独立した過電圧スイッチ４２３に対して制御信号が過充電電流プロテクタ４３３によって生成され、この過電圧スイッチはセルを端子４０３〜４１１から切断する。さらに、過充電電流プロテクタ４３３は、充電電流を制限するために用いられる。セル４０１はリチウム・イオン・タイプのセルであり、ニッケル・セル用の充電方式で設計されたチャージャで用いられるため、リチウム・イオン・セルの最適レベルよりも高い電流レベルで充電する場合が多い。この場合、過充電電流プロテクタ４３３はこの高い電流レベルを検出して、高温状態をシミュレーションするため制御信号をサーミスタ制御４１７に与える。これはニッケル・システム・チャージャをだまして、強制的にリチウム・イオン・セルにより適した低電流または細流充電モードにする。
電子装置過電圧プロテクタ４３５は、セル４０１および充電端子４０５と直列接続され、独立した過電圧スイッチ４２３のいずれかが起動したときを判定するために用いられる。これらのスイッチの起動により、セル４０１の電圧は、動作端子４０３，４１１にてバッテリ・システム４００に装着された電子装置を破損するレベルまで増加または上昇するので、電子装置過電圧プロテクタ４３５は独立した過電圧スイッチ４２３の起動を検出し、それに応答して、動作端子４０３を充電端子４０５から切断し、動作端子４０３に装着された電子装置に対してチャージャが潜在的に危険な電圧を供給することを防ぐ。あるいは、電子装置過電圧プロテクタ４３５を利用しない場合、温度ヒューズ４３７を構成できる。温度ヒューズ４３７もセル４０１および充電端子４０５に直列接続され、一般に高電力ツェナ・ダイオード（図示せず）などである。ツェナ・ダイオードは、セル４０１が選択された電圧以上の場合に電流を分流させるべく機能するものであるが、このような場合に、動作端子４０３に装着された電子装置が破損する恐れがあるためである。
二次短絡プロテクタ４３９は電流検出素子として機能し、セル４０１と、動作端子４０３と、充電端子４０５との間で直列に接続される。二次短絡プロテクタ４３９はポリスイッチ（polyswitch）などで、一次短絡プロテクタ４３１または過充電電流プロテクタ４３３によって検出されない過剰な電流を検出するために用いられる。
最後に、電流ヒューズ４４１は電流検出素子として機能し、セル４０１と、動作端子４０３と充電端子４０５との間に直列に入れられ、電流が許容できないレベルまで上昇する破壊的な事態に備えた最後の手段または最終的なバックアップとして用いられる。一般に、このヒューズは、ランナ（runner）長さを最小限に抑えるため、セル４０１に近接して配置される。電流ヒューズ４４１は、好ましくは、リチウム・イオン・バッテリ・システム４００の他の電流保護システムと干渉しないように動作速度が遅いタイプである。
最後に、不足電圧復帰パルス回路網（undervoltage recovery pulse network）５００は、独立した過電圧スイッチ４２３のいずれか一つが起動され、セルが充電端子４０５に接続されなくなった場合に用いられる。これらの条件下では、バッテリが充電システム（図示せず）に最初に接続されると、充電システムはまず充電端子４０５，４０７上に存在する電圧を検出する。電圧が存在しなければ、充電システムはバッテリが接続されていないと判断し、充電電圧を動作端子４０３，４１１に供給しない。しかし、バッテリが最初に接続されると、所定の電圧および振幅の初期パルスが充電システムからデータ端子４０９に供給される。このパルスは、不足電圧復帰パルス回路網５００によって検出され、この回路網はこの電圧を利用して、独立した過電圧スイッチ４２３の動作を復帰させる。独立した過電圧スイッチ４２３の動作が復帰したら、適切なスイッチが閉じて、電子装置過電圧プロテクタ４３５を介してセル４０１と充電端子４０５との間の導通状態を回復する。従って、セル４０１の電圧は、発生した何らかの事象のためにバッテリ・システム４００がディセーブルされ、セルが切断されても、充電システムが動作端子４０３，４１１上のこの電圧を検出するのに十分高速に回復する。充電システムは、充電端子４０５，４０７上の電圧を認識し、充電電圧をこれらの端子に印加することにより充電サイクルを開始する。
第６図は、典型的なリチウム・イオン再充電可能バッテリ・システムにおいて用いられるような不足電圧復帰パルス回路網５００の概略図である。第５図で説明したように、このシステムは、特に、複数のセル５０１，バッテリ・コントローラ５０３，過電圧スイッチ５０５，不足電圧スイッチ５０７，比較器５０９，サーミスタ５１１およびサーミスタ制御５１３を含む。電子装置過電圧プロテクタ５１５は、前記過電圧スイッチ５０５の状態を監視して、セル５０１に装着された電子装置が破損することを防ぐためのトランジスタ５１６，５１８，５２０によって構成される。
不足電圧復帰パルス回路網５００は、抵抗器５２７，５２９，５３１，５３３およびキャパシタ５３２と共にトランジスタ５２３，５２５からなる。一次過電圧スイッチ５０５または二次過電圧スイッチ５０６が起動されるか、あるいは不足電圧スイッチ５０７が起動される事態をバッテリが経験したと仮定すると、セル５０１はもう充電端子５３５に接続されていない。バッテリを内蔵したセル５０１が充電回路網に接続されていても、充電サイクルを開始するための電圧は充電回路網によって検出されない。
これを防ぐため、不足電圧復帰パルス回路網５００は次のように機能する。携帯バッテリが充電回路網に最初に装着されたとき、充電回路網がこのように装備されている場合、低レベル電圧またはパルスがデータ端子５３７またはサーミスタ端子５３９に一般に印加される。サーミスタ端子５３９はダイオード５４１を介して充電端子５３５に接続されるので、一般に小さな電圧がすでに充電端子５３５上に存在する。電圧がデータ端子５３７上に存在すると仮定すると、この電圧は抵抗器５２９，５３１からなる分圧器に送られる。その結果、トランジスタ５２３およびトランジスタ５２５はオンされ、電圧を電子装置端子５３６から充電端子５３５に供給する。その後、充電回路網は、接続されたセルの電位を検出するため、検出パルスを充電端子５３５に印加する。検出パルスにより、電流は充電端子５３５からトランジスタ５２３を介して電子装置端子５３６に流れることができ、セル５０１を通過する。これは、比較器５０９をイネーブルする効果を有し、この比較器５０９はトランジスタからなる一次電圧スイッチ５０５をオンする。従って、トランジスタ５２３は、スタートアップ・パルスまたは開始電圧がバッテリ・コントローラ５０３を再起動することを可能にするため、電子装置過電圧プロテクタ５１５の一時的なバイパスとなる。電子装置過電圧プロテクタ５１５は、充電端子５３５上の充電電圧をトランジスタ５１８およびトランジスタ５２０を介して二次過電圧スイッチ５０６およびバッテリ・コントローラ５０３に結合あるいはバイパスするトランジスタ５１６を含む。これは、セル５０１が充電端子５３５に接続されていない場合にも生じる。バッテリ・コントローラ５０３が再起動されると、トランジスタ５４２は、電圧が約３．０ボルトに達すると、抵抗器５４３，５４４からなる分圧器によってオンされる。これにより、サーミスタ５１１の通常動作が可能になる。トランジスタ５２３はＮチャネルＭＯＳＦＥＴであり、電子装置端子５３６の電圧がデータ端子５３７上の電圧よりも大きい電圧、すなわち約５．０ボルトに達すると、オフ状態に切り替わる。抵抗器５３１およびキャパシタ５３２は、データ端子５３７を有していないが、充電出力キャパシタなどある種の出力パルスを与えるチャージャに、パルス結合経路を提供する。充電端子５３５上で電圧が検出されると、他のすべてのバッテリ・システムは通常動作を開始する。
本発明の好適な実施例について図説してきたが、本発明はそれに制限されないことが明白である。さまざまな修正，変更，変形，代替および等価は、請求の範囲によって定められる本発明の精神および範囲から逸脱せずに、当業者に想起される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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