(57)【要約】【課題】セル平衡電池パックおよび電池のセルを平衡させる方法を提供する。【解決手段】電池セル電荷の放電を調整する電池平衡アセンブリ２７を備えた電池１０、および電池セル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を一様に放電させる方法であって、電池１０は、複数のセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を備えている。平衡アセンブリ２７は、スイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）がセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を正規の構成および平衡構成で構成することができるよう、セルとセルの間に配置されたスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を備えている。正規の構成では、複数のセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を電子デバイス１６に接続することができ、また、平衡構成では、複数のセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）は平衡回路２０に接続される。平衡回路２０は、セルの充電に先立って、複数のセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）の電荷を平衡させる役割を果たしている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷を貯蔵し、かつ、負荷１６に電荷を提供するための蓄電池１０であって、
前記負荷１６に接続されるべく配置された複数のセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）と、
前記複数のセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）と前記負荷１６の間の複数のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）であって、電流が流れる閉状態および電流が流れない開状態の位置に前記スイッチの各々を配置することができ、前記複数のスイッチが、前記複数のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）が前記セル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を直列に接続する正規の構成、および前記複数のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）が前記セル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を並列に接続する平衡構成を有する複数のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）と、
前記複数のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）の構成が平衡構成である場合に、前記複数のセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）に並列に接続される平衡回路２０と
を備えた蓄電池１０。
【請求項２】
前記平衡回路２０が定電流定電圧放電負荷２２を備えた、請求項１記載の電池。
【請求項３】
前記開状態と閉状態の間の前記スイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）の移動を制御するコントローラ２８をさらに備え、前記コントローラが、前記複数のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を動作させて前記平衡構成にし、前記平衡回路を前記複数のセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）に選択的に接続する、請求項２記載の電池。
【請求項４】
前記スイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）の構成を切り換えるべく前記コントローラ２８が手動で動作する、請求項３記載の電池。
【請求項５】
前記スイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）の構成を切り換えるべく前記コントローラ２８がソフトウェアを使用する、請求項３記載の電池。
【請求項６】
前記複数のセルが複数のリチウムイオンセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）である、請求項２記載の電池。
【請求項７】
前記正規の構成および前記平衡構成が、少なくとも１つのスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を開状態にし、かつ、少なくとも１つのスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を閉状態にすることによって構成される、請求項６記載の電池。
【請求項８】
電池１０として電力を提供するように構成された複数の電気セル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を一様に放電させる方法であって、
前記複数の電気セル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を、電流を引き出すプログラム可能負荷２２を備えた平衡回路２０に取り付ける段階と、
個々のセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）の電圧が最小放電電圧に達するまで前記プログラム可能負荷２２を動作させる段階と、
セル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）毎の最小推奨放電電圧を維持するために、前記電流の変化に応じて前記プログラム可能負荷２２の抵抗を大きくする段階と、
個々のセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）から引き出される電流が所定の閾値電流未満に漸減するまで前記セル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を放電させる段階と
を含む方法。
【請求項９】
前記セル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）の放電によって、電圧、電荷状態および残留容量が化学放電点で強制的に平衡する、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
セル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）毎の前記残留セル容量が、充電および放電サイクルを通して一定に維持される、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、蓄電池および蓄電池のためのエネルギーセルの分野に関する。より具体的には、本開示は、電池セルの放電を平衡させるための回路および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池は、多くのタイプの携帯型エレクトロニクスおよび／または移動エレクトロニクスのための便利な電気エネルギー源である。典型的な電池は、直列構成で接続された多数の電気セルを接続することによって形成されている。多くのタイプの電池は、外部エネルギー源が電池セルに印加されると、そのエネルギーがセルに蓄積されるよう、充電可能セルを備えている。電池セルの陰極および陽極には多くの化学的組合せが存在しているが、広く使用されている組合せには、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）およびリチウムイオン（Ｌｉ−Ｉｏｎ）組成などがある。
【０００３】
蓄電池セルは、便利な電力源を提供しているが、蓄電池セルの寿命は有限であり、セルが電荷を保持する能力は、電池の寿命と共に低下する。また、非使用期間すなわち保管期間の間に電池セルからエネルギーがリークし、電荷が損失する。これらの非使用期間は、セルが製造者によって保持され、電池としてアセンブルされる以前にも生じる可能性があり、あるいは電池にアセンブルされた後、その電池が販売されるまでの間に生じることもある。また、消費者が長期間にわたって電池を使用しない場合もある。セルのリークは、熱が存在するといっそう悪化し、温度が制御された環境で電池が保管されていない場合、電池に悪影響を及ぼすことになることがある。また、熱によるセルのリークは、正規に動作している、熱を放出する他の電気回路のすぐ近くに保持されているバックアップ電池などの電池にも悪影響を及ぼすことになるおそれがある。さらに、電池セルは、電池の内部抵抗のため、電池内で一様に放電することができない。これらのすべての要因により、個々の電池セルは、電池内の他のセルに対して互いに異なるレベルの電荷を保持している。異なるレベルのこれらの電荷は、電池が予測不可能に低電池表示になる原因になり、場合によってはうかつな電力停止の原因になることがある。
【０００４】
すべての電池セルの総電荷および個々のセルの電荷の両方をモニタすることによって残りの電池放電時間をモニタするための電池モニタが使用されている。通常、総電池電荷および個々のセル電荷の両方に対して所定の最小電荷閾値が設定されている。どちらかの測値が対応する所定の最小閾値未満になると、電池は放電を終了し、電子デバイスへの電力を遮断する。通常、個々のセルの所定の閾値には、個々のセルに、所定の総電池電荷閾値に対するそのセルの割当て分未満の電荷レベルで動作させることにより、あり得るセル不平衡が考慮されている。たとえば、電池が３つのセルを有し、所定の電池セル最小電荷が９ボルトの場合、個々のセルの所定の最小電荷は、合計９ボルトの１／３である３ボルトの代わりに２．４ボルトにすることができる。また、電池は、残りの電池電荷を表示することも可能であるが、この表示は、すべての電池セルの総セル電荷を使用して決定される。したがってセルが不平衡である場合、総電池電荷が総電池電荷最小閾値に達する前に、１つのセルが個々のセル電荷閾値未満になる可能性がある。１つのセルが個々のセル電荷閾値未満になると、電池は、総電池電荷が最小閾値に達する前に電荷の供給を終了する。そのため、充電と充電の間の動作可能電池時間が短く、また、電池放電の終了が予測不可能になっている。
【０００５】
同様に、電池を充電する場合、セルは、セルの総電荷が閾値に達するまで充電される。また、充電は、個々のセルのいずれか１つの電荷が所定の最大電荷閾値に達すると終了する。したがってセルが不平衡である場合、電池の総電荷がフル電池充電に到達する前に、１つのセルが個々のセルの最大電荷閾値に達する可能性がある。そのため、電池がそのフル充電電位まで充電されず、充電と充電の間の動作可能電池時間が短くなっている。
【０００６】
セル不平衡の問題の解決を試行するための方法およびシステムが開発されている。個々のセルをアセンブルして電池にする際に、それらの電荷状態を測定し、かつ、類似した電荷を備えたセルを整合させる手動プロセスは、不正確で、かつ、極めて時間のかかるプロセスである。また、この手動プロセスは、アセンブル後の電池に生じる可能性のあるセルのリークには一切対処していない。別法としては、個々のセルに並列に配置される、電池セルを充電している間、電流を分流する負荷抵抗およびトランジスタの直列結合を使用して能動セル平衡化を実施することも可能である。このタイプのセル平衡化は、複雑な制御アルゴリズムを使用したソフトウェアによって達成されるが、固有のセル電荷平衡を強制するのではなく、ただ単にセル電荷平衡をエミュレートしているにすぎず、したがって初期セル電荷およびセル開放電圧などの多くの誤差源に対して敏感である。
【特許文献１】米国特許第７１２６３１２号
【特許文献２】米国特許第７０８１７３７号
【特許文献３】米国特許第６８７３１３４号
【特許文献４】米国特許第６８４４７０３号
【特許文献５】米国特許第６７０１１５０号
【特許文献６】米国特許第６６２４６１２号
【特許文献７】米国特許第６２７８６０４号
【特許文献８】米国特許第６１１４８３５号
【特許文献９】米国特許第５９２０１７９号
【特許文献１０】米国特許第５２９３００７号
【特許文献１１】米国特許第４６９８１４４号
【特許文献１２】米国特許出願公開第２００６０２５５７６９号
【特許文献１３】米国特許出願公開第２００６００７１６４３号
【特許文献１４】米国特許出願公開第２００６００３３４７５号
【特許文献１５】米国特許出願公開第２００５０２６９９８９号
【特許文献１６】米国特許出願公開第２００５０２６９９８８号
【特許文献１７】米国特許出願公開第２００５０２２１８３９号
【特許文献１８】米国特許出願公開第２００５００７７８７５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって蓄電池の分野では、動作可能電池放電時間を最大化するために、個々のセルの電荷を平衡させることができる電池が提供されることが望ましい。また、固有のセル平衡の強制をエミュレートするために複雑なソフトウェアアルゴリズムに頼ることなくセル電荷平衡化を達成する電池が望ましい。また、セル平衡化を達成し、かつ、セル特性の測定値を使用してセル平衡化を制御する電池が望ましい。さらに、電池のセルの電荷を平衡させるための方法が望ましい。また、セルをアセンブルして電池にする前に使用することができる方法、または電池が構築された後に使用することができる方法が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示における電池の一実施形態は、電池電荷を生成する複数のセルを備えており、また、電池は、電池セルと負荷の間に接続された複数のスイッチを備えている。スイッチは、電池セルが正規の構成で接続され、あるいは平衡構成で接続されるように構成されている。
【０００９】
他の実施形態では、セルが平衡構成で構成されると、セルは放電負荷に接続される。一実施形態では、放電負荷は、定電流定電圧放電負荷を備えている。
【００１０】
他の実施形態では、放電負荷は、電池セルが放電している間、放電負荷の電気特性を修正することができるよう、制御回路に接続されている。
【００１１】
本開示における方法の一実施形態では、平衡回路は、少なくとも１つの電気セルに取り付けられており、プログラム可能負荷および電圧モニタを備えている。
【００１２】
他の実施形態では、プログラム可能負荷は、少なくとも１つのセルの電圧が最小推奨放電電圧に到達するまで、少なくとも１つのセルの最大推奨放電電流に基づいて電流を引き出すように動作している。
【００１３】
本開示における方法の他の実施形態では、本開示における方法は、セルが電池にアセンブルされる前に実行される。
【００１４】
さらに他の実施形態では、本開示における方法は、電池が充電される前に実行される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１ａ〜ｃは、直列に接続された電気セルＣ１、Ｃ２およびＣ３を備えた電池１０の一連の略図を示したものである。電池１０は、正の端子１２および負の端子１４を備えている。電池１０の総電荷は、正の端子１２と負の端子１４の間の電圧である。電子デバイス１６または他のタイプの電気負荷が負荷スイッチ１８によって電池１０に正の端子１２および負の端子１４で接続されている。負荷スイッチ１８は、別法として、電子デバイス１６とそれぞれ端子１２および１４の間の他の形態の適切な電気接続であってもよく、必ずしもスイッチである必要はない。電池１０が電子デバイス１６に接続されると、電池１０は、電子デバイス１６に電荷を提供する。電子デバイス１６は、この電荷を使用して動作する。
【００１６】
セルＣ１、Ｃ２およびＣ３は直列に接続されているため、個々のセルの個々の電圧が合計され、それにより電池１０の総電圧が決定される。電池１０の電荷または電圧は、通常、クーロンカウンタおよび電圧モニタからなるヒューエルゲージ（図示せず）によってモニタされ、電池１０が放電したことが決定される。この決定は、電池１０の電圧が所定の電池最小電圧閾値未満に降下した場合になされる。電池電圧が最小電圧閾値未満になったことが検出されると、電池１０が放電を終了し、電子デバイス１６に電力が供給されないよう、一方のスイッチ１８が開く。別法としては、電池１０は、セルＣ１、Ｃ２またはＣ３のうちのいずれか１つの電荷が所定のセル電圧閾値未満になったことが検出されると、電池放電を終了することができる。充電中、電池１０は、正の端子１２と負の端子１４の間の総電池電圧が所定の最大電圧閾値に到達すると、充電されたことが決定される。この最大電圧閾値に到達すると、電池は、それ以上の電荷を受け取らない。同様に、セルＣ１、Ｃ２またはＣ３のうちのいずれか１つの電圧が所定のセル最大電圧閾値に到達すると、電池１０の充電が終了する。
【００１７】
例示的説明として、図１ａに示すセルＣ１、Ｃ２およびＣ３の各々には仮の電圧が示されている。この実施例では、電池放電最小電圧閾値は９．０ボルトであり、セル放電最小電圧は２．４ボルトである。図１ａに示すように、セルＣ１、Ｃ２およびＣ３の電圧は比較的平衡しており、総電池電圧は８．９ボルトである。８．９ボルトは、電池放電閾値電圧である９．０ボルトより低いため、電池は、放電したことが決定され、電池放電が終了して、電子デバイス１６には電力は供給されない。図１ａに示す電池１０は、電池１０が動作している間、個々のセルのすべての電荷、または実質的にすべての電荷を使用する。したがって、個々のセルの放電が一様であるため、電池１０の電荷の寿命が最大化されており、電池の残りの動作時間を比較的正確に予測することができる。
【００１８】
図１ｂは、セルＣ１、Ｃ２およびＣ３が不平衡である電池１０を示したもので、Ｃ１が２．３ボルト、Ｃ２が３．５ボルト、Ｃ３が３．４ボルトを有している。図１ｂに示す実施例では、総電池電圧は９．２ボルトであり、電池放電最小閾値である９．０ボルトより高いが、Ｃ１の電荷が２．３ボルトであり、セル放電最小電圧閾値である２．４ボルトより低い。したがって電池１０は、電子デバイス１６への電荷の供給を終了する。この動作は、電池１０によって利用されない実質的な量の電荷がセルＣ２およびＣ３に残留することになるため、有効な動作ではない。したがって電池電荷の寿命は、電池に必ず必要な寿命より短く、より頻繁に電池１０を充電しなければならない。また、図１ｂに示す電池１０の総電池電圧は９．２ボルトであり、電池放電電圧閾値より依然として高い。これは、電池電圧が電池放電電圧閾値より依然として高く、まだ電池が放電を終了しているため、残りの動作時間の予測が誤った予測になる可能性がある。電池１０によって電力が供給されている電子デバイスが予測動作時間より早く電力の供給を遮断する場合、残りの動作時間のこの不正確な予測は、望ましくない結果または潜在的に危険な結果をもたらす可能性がある。
【００１９】
また、図１ｃに示すように、不平衡セル電荷は、電池１０の充電にも悪影響を及ぼす。図１ｃに示す実施例では、電池電荷最大電圧閾値は１２．３ボルトであり、一方、セル電荷最大電圧は４．３５ボルトである。図１ｃに示すように、電池電圧は１２ボルトしかなく、電池電荷最大電圧閾値である１２．３ボルトより低い。しかしながら、セルＣ１が４．４ボルトのレベルまで充電されているため、電池１０は、電池の充電サイクルを完了している。したがって電池１０は、電池１０が完全に充電される前に充電を完了している。したがってセルＣ２およびＣ３の電圧に対するＣ１の電圧の不平衡は、電池１０の充電をフル充電未満の充電レベルに制限している。
【００２０】
この電池充電の制限は、電池１０の充電状態と放電状態の間の動作時間をさらに短くし、延いては電池１０の動作寿命を短くしている。個々のセルの電荷は、電池１０による電荷の供給が早期に放電したセルによって早期に終了することがないよう、また、充電中に電池１０に付与される総電荷量が個々のセルのいずれかに残留している追加電荷によって減少することがないよう、平衡していることが望ましい。
【００２１】
図２は、端子１２および１４に接続された負荷スイッチ１８によって平衡回路２０に接続されたセルＣ１、Ｃ２およびＣ３を備えた電池１０の略図である。平衡回路２０は、定電流定電圧（ＣＣＣＶ）負荷からの同じ電圧がセルＣ１、Ｃ２およびＣ３の各々に印加されるよう、セルＣ１、Ｃ２およびＣ３に並列に接続されたＣＣＣＶ負荷を備えることができる。ＣＣＣＶ負荷は、プログラム可能負荷２２であってもよい。プログラム可能負荷２２は、電流シンクまたは可変抵抗を備えることができるが、適切な他の多くの電気コンポーネントを使用することができることを理解されたい。平衡回路２０は、さらに、プログラム可能負荷２２の両端間の電圧をモニタするための電圧モニタ２４を備えることができる。平衡回路２０にセルＣ１、Ｃ２およびＣ３を並列に接続することにより、いくつかのセル特性を有するセルＣ１、Ｃ２およびＣ３の平衡が強制される。これらの特性には、セル電圧、電荷状態および残留セル容量などがある。セルＣ１、Ｃ２およびＣ３が平衡回路２０に接続されると、すべてのセルがプログラム可能負荷２２を使用して化学的に放電し、平衡回路２０を構築している電圧モニタ２４によってモニタされる。
【００２２】
プログラム可能負荷２２は、負荷２２を介して引き出される放電電流を制御するように調整し、あるいはプログラムすることができる。プログラム可能負荷２２によって引き出される電流は、電池１０内のセル毎に、セル製造者の最大放電電流に基づいていてもよい。放電電流は、セル電圧がセル製造者の最小放電電圧に達するまで引き出される。セル電圧がセル製造者の最小放電電圧に達すると、放電電流が定義済み電流レベルまで漸減するまでの間、セル製造者の最小放電電圧に等しい一定の電圧を維持するべく放電電流が減少する。このプロセスにより、内部セルインピーダンスによる影響が最も小さい化学放電電圧閾値における、電圧、電荷状態および残留容量の固有平衡が提供される。また、このプロセスおよび回路によれば、セル製造者の最大放電電流推奨値または最小放電電圧推奨値を遵守しつつ、最短の時間で平衡が達成される。製造中に一旦平衡させると、そのセルを直列接続で再構成して電池を画定することができる。
【００２３】
図３は、電池平衡アセンブリ２７を備えた電池２６を示したものである。電池平衡アセンブリは、セルＣ１、Ｃ２およびＣ３の各々に接続された複数のスイッチＳ１、Ｓ２およびＳ３を備えている。電池平衡アセンブリ２７の一実施形態では、スイッチはＭＯＳＦＥＴを備えることができるが、適切な他の多くの回路コンポーネントおよび構成をこれらのスイッチに使用することができる。スイッチは、コントローラ２８によって制御されており、スイッチを開き、あるいは閉じることにより、場合によっては正規の構成であり、あるいは平衡構成である所望の構成で電池平衡アセンブリ２７が構成される。正規の構成では、セルＣ１、Ｃ２およびＣ３は、正の端子１２と負の端子１４の間に直列に接続され、負荷スイッチ１８は電池を電子デバイス１６に接続する。平衡構成では、セルＣ１、Ｃ２およびＣ３は、正の端子１２と負の端子１４の間に並列に接続され、負荷スイッチ１８は電池を平衡回路２０に接続する。
【００２４】
正の端子１２および負の端子１４は、負荷スイッチ１８が負荷端子３０と平衡端子３２の間をトグルすることができるように負荷スイッチ１８に接続されている。負荷端子３０は、電子デバイス１６または電池２６によって電力が供給される他のタイプの負荷に接続されている。平衡端子３２は、プログラム可能負荷２２および電圧モニタ２４を備えた平衡回路２０に接続されている。コントローラ２８は、スイッチＳ２、Ｓ２およびＳ３、負荷スイッチ１８、プログラム可能負荷２２ならびに電圧モニタ２４に接続することができる。コントローラ２８は、コントローラ２８とコンポーネントを接続している適切なリード線３４を介してこれらのコンポーネントの各々に制御信号を送信することによってこれらの様々なコンポーネントを制御することができる。図３に示す実施形態では、コントローラ２８は、手動で操作して電池２６を動作構成と放電構成の間で切り換えることができる押しボタン（図示せず）を備えている。別法としては、電池２６の企図されている一実施形態では、コントローラ２８は、動作構成と放電構成の間の切換えを制御するソフトウェアを備えている。このソフトウェアは、電圧センサ（図示せず）によって取得される電池電圧の知覚値または１つまたは複数のセルの両端間の個々の電圧を使用して、電池２６の適切な構成を決定することができる。
【００２５】
図４は、コントローラ２８が電池２６を正規の構成で動作させるための制御信号を送信した後の電池２６を示したものである。コントローラ２８は、スイッチＳ１およびＳ２を通って電流が流れないよう、スイッチを開状態にする制御信号を既にスイッチＳ１およびＳ２に送信している。図４に破線で示されているスイッチＳ１およびＳ２は、非起動状態を表している。また、コントローラ２８は、電流がスイッチＳ３を通って流れるよう、スイッチＳ３を閉状態にする制御信号を既にスイッチＳ３に送信している。スイッチＳ１およびＳ２の開状態とスイッチＳ３の閉状態が相俟って、セルＣ１、Ｃ２およびＣ３を正の端子１４および負の端子１４に直列に接続している。
【００２６】
コントローラ２８は、正の端子１２および負の端子１４を負荷端子３０に接続するように負荷スイッチ１８を制御している。セルＣ１、Ｃ２およびＣ３からの結合電荷が電子デバイス１６に直列に提供される。この動作構成により、電池２６から電子デバイス１６へ電荷が供給される。この動作構成は、本発明の分野で広く知られている電圧センサを備えることができる検出回路（図示せず）が、電池の総電荷が最小電池閾値電圧未満になったこと、またはセルＣ１、Ｃ２またはＣ３の電圧が最小セル閾値電圧未満になったことのいずれかを決定するまで、この動作を継続することができる。いずれか一方の最小閾値を交差すると、電池は、電子デバイス１６への電荷の供給を終了することになる。図に示す実施形態では、コントローラ２８は、負荷端子３０の係合を解除するように負荷スイッチ１８を制御している。
【００２７】
電池２６のセルＣ１、Ｃ２およびＣ３の充電に先立って電池２６が電子デバイス１６への電荷の提供を停止すると、コントローラ２８は、スイッチＳ１、Ｓ２およびＳ３ならびに負荷スイッチ１８の構成を図５に示す平衡構成に切り換える。図５は、コントローラ２８が、スイッチＳ１およびＳ２を閉状態にし、かつ、スイッチＳ３を開状態へ変化させるための制御信号をリード線３４を介してスイッチＳ１、Ｓ２およびＳ３に送信した後の電池２６の略図を示したものである。スイッチ状態のこの組合せにより、電池２６のセルＣ１、Ｃ２およびＣ３の構成が平衡構成になり、セルＣ１、Ｃ２およびＣ３が正の端子１２および負の端子１４に並列に接続される。コントローラ２８は、さらに、正の端子１２および負の端子１４をそれぞれ平衡端子３２に接続するように負荷スイッチ１８を制御している。平衡端子３２は、プログラム可能負荷２２および電圧モニタ２４を備えた平衡回路２０に接続されている。したがってセルＣ１、Ｃ２およびＣ３は、プログラム可能負荷２２および電圧モニタ２４に並列に接続される。
【００２８】
セルＣ１、Ｃ２およびＣ３が並列平衡構成で接続されると、セルＣ１、Ｃ２およびＣ３の電荷が平衡してセルが一様に放電し、これらのセルの充電に先立って化学的に完全に放電するようにプログラム可能負荷２２を動作させることができる。プログラム可能負荷２２は、プログラム可能負荷２２に接続されているリード線３４を介してコントローラ２８から制御信号を受け取ることができる。電圧モニタ２４は、プログラム可能負荷２２の両端間の電圧を表す信号をリード線３６を介してコントローラ２８に送信することができる。コントローラ２８は、プログラム可能負荷２２の抵抗値を制御し、延いてはプログラム可能負荷２２によって引き出される電流を制御するために、モニタ電圧に基づく制御信号をプログラム可能負荷２２に送信することができる。
【００２９】
コントローラ２８は、プログラム可能負荷２２の抵抗が変化して、セルＣ１、Ｃ２およびＣ３毎の最大推奨放電電流に基づく一定の電流が電池２６から引き出されるようにプログラム可能負荷２２に制御信号を送信することができる。放電電流は、個々のセル毎の最大推奨放電電流に、平衡回路２０に並列に接続されるセルの総数を掛け合わせた値としてコントローラ２８によって決定することができる。別法としては、調整可能負荷２２によって引き出される放電電流は、電池２６に利用されるセル毎の最大推奨放電電流の合計であってもよい。放電電流は、並列セルＣ１、Ｃ２またはＣ３のうちの少なくとも１つの電圧がそのセルの最小推奨放電電圧に達するまで引き出すことができる。最小推奨放電電圧に達したことが検出されると、コントローラ２８は、調整可能負荷２２の抵抗が徐々に増加し、並列セルの両端間の個々のセルのセル製造者の最小放電電圧と等しい一定の電圧を維持するよう、調整可能負荷２２に制御信号を送信することができる。抵抗が徐々に増加することにより、プログラム可能負荷２２によってセルから引き出される電流の減少に逆らって一定の電圧が維持される。この抵抗の緩やかな増加は、電流が定義済み電流リミットまで漸減するまで継続させることができる。一実施形態では、電流リミットを０．０５Ｃミリアンペアにすることができる。Ｃは１時間放電速度である。しかしながら、このリミットは、説明されている実施形態と共に使用すべき電流閾値を何ら制限するものではなく、この電流閾値は、放電させるべきセルの数および製造者のセル特性に基づいて任意の電流値にすることができる。調整可能負荷２２によって引き出される電流が閾値電流値未満に漸減すると、セルＣ１、Ｃ２およびＣ３は、完全に放電したことが決定され、放電が終了する。残留容量および電荷状態などのセル特性は、製造者の推奨放電電圧に極めて近いポイントで平衡している。また、そのために、化学放電の臨界点でセル平衡が得られる。次に、セルＣ１、Ｃ２およびＣ３をそれらの全軽減定格容量まで充電することができる。
【００３０】
軽減定格（de-rating）は、製造者によって推奨されている最大電圧容量未満の規定の電圧まで蓄電池が充電されるプロセスである。たとえば電池セルは、製造者によって推奨されている４．２Ｖまで充電することができるが、軽減定格電圧は、場合によってはせいぜい４．１ボルトである。軽減定格電池は、動作寿命が若干短くなるが、通常、この損失は、総電池動作寿命の１０％以下である。電池を軽減定格にすることにより、その全寿命の間に電池を充電することができる回数が改善され、また、充電中の電池の安全上の考察事項が改善される。
【００３１】
電池の一実施形態の製造に際しては、金属ニッケルからなっていてもよい導電性条片を使用して、複数のセルを一体に溶接することができる。ニッケル条片の溶接に先立って、セルが平衡回路に並列に配置され、したがって電池のアンブリに先立ってセルが平衡するよう、セル平衡回路の中にセルを配置することができる。別法としては、電池のアンブリに先立って個々のセルが実質的に同じ電荷状態で配置されるよう、個々のセルを個別に平衡回路と共に配置することも可能である。他の実施形態では、コントローラ２８は使用されず、人間による観察および入力を使用して、平衡回路２０への電池２６の接続およびプログラム可能負荷２２の制御が制御されている。
【００３２】
医療分野では、携帯型または移動形態であることが望ましい多くのデバイスが利用されている。携帯型電子デバイスまたは移動電子デバイスは、複数のセルを備えた電池を主電源として利用することができ、あるいはこれらおよび他の電子デバイスを動作させるためのバックアップ電源として電池を使用することができる。これらの電子医療デバイスのいくつかを使用して、患者の生理パラメータをモニタすることができ、あるいは換気、栄養または他のライフサポートを引き渡すことができる。したがって、これらの医療用デバイスの動作および患者の安寧のためには、適切な電源が非常に重要である。本明細書において開示されている電池の実施形態は、必要な充電と充電の間のより長い電池寿命を可能にする利点を提供することができ、また、残りの電池電荷のより正確な予測を提供することができる。電池が不平衡セルを利用しており、したがって複数のセルのうちの１つがセル放電最小電圧閾値未満になったことによって電池が既に電荷の供給を終了しているにもかかわらず電池に電荷が残っていることを電池が示す可能性がある場合、危険な結果を招く可能性がある。さらに、電源として電池を利用することができる医療用デバイスの安全規格は、電源に残っている電池電荷が５分であることが決定されると、警告を表示することを要求している。電池が予測停止時間より早く電荷の供給を終了すると、その電池は、安全規格を満足することができない。したがって電池が放電した後にセルを平衡させることにより、より高い信頼性でこの安全規格を達成することができ、適切な５分警告の提供を仕損じる可能性を小さくすることができる。
【００３３】
本明細書において開示されている電池の実施形態は、リチウムイオン（Ｌｉ−Ｉｏｎ）セルを電池に使用することができる。
【００３４】
上で説明した電池の他の実施形態は、特定の電池設計に必要な任意の数のセルおよびセルの構成を制御するために必要な任意の数のスイッチを使用することができる。以上の説明にはすべて、３つのセルおよび３つのスイッチを備えた電池が利用されているが、本開示の範囲内においては、任意の数の電池セルを組み合わせて使用することができることを良く理解されたい。また、直列セルの数が増加すると、スイッチの数も必然的に増加することになることを理解されたく、また、本開示にはそれが企図されている。
【００３５】
電池の実施形態は、電池をアセンブルする前の初期放電時、または電池が放電する毎に、電池の充電に先立ってセルを平衡化させることができるため、他の蓄電池に勝る改善された電池寿命および／または電荷容量の利点を示している。
【００３６】
電池の実施形態によれば、さらに、電池電圧放電の臨界点における正確な平衡を提供する利点が提供される。電池放電電圧は指数的速度で放電するため、セルが放電最小電圧閾値に接近する際のすべてのセルのあらゆる不平衡はさらに悪化する。平衡回路により、セル製造者の放電電圧でセルの電荷平衡が達成される。そのため、セルは、セル化学放電の臨界点を通り越して一様に放電するために、次の動作サイクルで一様に放電することができる。
【００３７】
電池の実施形態によれば、さらに、セル不平衡によるうかつな電力停止がより少なくなるよう、より信頼性の高いセル放電の利点が提供され、電池は、残りの電池電荷のより正確な予測を提供することができる。残りの電池電荷の予測は、予測が最も重要である低レベルの電池電荷でより正確である。
【００３８】
本明細書には、最良モードを始めとする実施形態の特徴を開示するために、また、当業者による本発明の構築および使用を可能にするために実施例が使用されている。特許請求が可能な範囲は特許請求の範囲で定義されており、その中には、当業者に思い浮かぶであろう他の実施例が包含されている。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言語と同じ構造要素を有している場合、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言語とは実体のない相違を有する等価構造要素を備えている場合、特許請求の範囲の範疇に属するものとする。
【００３９】
本発明と見なされる主題をとりわけ指し示し、かつ、権利を主張した特許請求の範囲に包含される様々な代替形態および実施形態が企図されている。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１ａ】様々な電荷平衡状態および電荷不平衡状態における電池のセルの略図である。
【図１ｂ】様々な電荷平衡状態および電荷不平衡状態における電池のセルの略図である。
【図１ｃ】様々な電荷平衡状態および電荷不平衡状態における電池のセルの略図である。
【図２】セル平衡回路の一実施形態の略図である。
【図３】セル平衡電池の一実施形態を示す図である。
【図４】正規の構成のセル平衡電池の一実施形態の略図である。
【図５】平衡構成のセル平衡電池の一実施形態の略図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  電池
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３  セル
１２  正の端子
１４  負の端子
１６  電子デバイス
１８  負荷スイッチ
２０  平衡回路
２２  プログラム可能負荷
２４  電圧モニタ
２６  制御回路を備えた電池
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３  スイッチ対
２７  平衡アセンブリ
２８  コントローラ
３０  負荷端子
３２  平衡端子
３４、３６  リード線
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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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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