(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端子（２２）、第２の端子（２４）、第１のバッテリ電極（２６）、および第２のバッテリ電極（２８）を有するバッテリ保護システム（２０）であって、
制御電極、前記バッテリ保護システム（２０）の前記第１の端子（２２）に結合された第１の電流導通電極、および第２の電流導通電極を有する第１のスイッチ（３１）、
前記第１のスイッチ（３１）の前記第２の電流導通電極に結合された第１の電極および前記バッテリ保護システム（２０）の前記第１のバッテリ電極（２６）に結合された第２の電極を有するインダクタ（３４）、
前記バッテリ保護システム（２０）の前記第２のバッテリ電極（２８）に結合された第１の電極および前記バッテリ保護システム（２０）の前記第２の端子（２４）に結合された第２の電極を有する抵抗（３６）、
前記抵抗（３６）の前記第２の電極に結合された第１の電極および前記インダクタ（３４）の前記第１の電極に結合された第２の電極を有する整流器（３８）、
前記抵抗（３６）の前記第１の電極に結合された第１の入力、前記抵抗（３６）の前記第２の電極に結合された第２の入力、および前記第１のスイッチ（３１）の前記制御電極に結合された出力を有する第１の比較器（５４）であって、前記第１のスイッチ（３１）をイネーブルおよびディスエーブルして前記第１のバッテリ電極（２６）に供給される充電電流の平均値を制御するもの、そして
複数の入力および第１の出力（４８）を有するバッテリ監視回路（４０）であって、前記複数の入力の内の第１の入力（４１）は前記インダクタ（３４）の前記第２の電極に結合され、前記複数の入力の内の第２の入力（４５）は前記抵抗（３６）の前記第１の電極に結合され、そして前記第１の出力（４８）は前記第１のスイッチ（３１）の前記制御電極に結合されているもの、
を具備するバッテリ保護システム（２０）。
【請求項２】
前記第１の比較器（５４）はヒステリシス比較器である、請求項１に記載のバッテリ保護システム（２０）。
【請求項３】
前記第１の比較器（５４）はさらにイネーブル端子を含み、かつ前記バッテリ保護システム（２０）はさらに前記抵抗（３６）の前記第１の電極に結合された第１の入力、前記抵抗（３６）の前記第２の電極に結合された第２の入力、そして前記第１の比較器（５４）の前記イネーブル端子に結合された出力を有する第２の比較器（５２）を具備する、請求項１に記載のバッテリ保護システム（２０）。
【請求項４】
前記インダクタ（３４）の前記第１の電極は第２のスイッチ（３２）を介して前記第１のスイッチ（３１）の前記第２の電流導通電極に結合され、前記第２のスイッチ（３２）は制御電極、前記インダクタ（３４）の前記第１の電極に結合された第１の電流導通電極、および前記第１のスイッチ（３１）の前記第２の電流導通電極に結合された第２の電流導通電極を有し、かつ前記バッテリ監視回路（４０）はさらに前記第２のスイッチ（３２）の前記制御電極に結合された第２の出力（４９）を含む、請求項１に記載のバッテリ保護システム（２０）。
【請求項５】
再充電可能なバッテリシステム（１０）であって、
第１の端子および第２の端子を有する再充電可能なバッテリパック（１５）、
前記再充電可能なバッテリパック（１５）の前記第１の端子に結合された第１の電極、および第２の電極を有するインダクタ（３４）、
ゲート電極、ソース電極、および前記インダクタ（３４）の前記第２の電極に結合されたドレイン電極を有する第１の電界効果トランジスタ（３１）、
前記再充電可能なバッテリパック（１５）の前記第２の端子に結合された第１の電極、および第２の電極を有する電流検知用素子（３６）、
前記電流検知用素子（３６）の前記第２の電極に結合された第１の電極および前記インダクタ（３４）の前記第２の電極に結合された第２の電極を有する整流器（３８）、
前記電流検知用素子（３６）の前記第１の電極に結合された第１の入力、前記電流検知用素子（３６）の前記第２の電極に結合された第２の入力、そして出力を有するヒステリシス比較器（５４）、
複数の入力および第１の出力（４８）を有するバッテリ監視回路（４０）であって、前記複数の入力の内の第１の入力（４１）は前記再充電可能なバッテリパック（１５）の前記第１の端子に結合され、かつ前記複数の入力の内の第２の入力（４５）は前記再充電可能なバッテリパック（１５）の前記第２の端子に結合されているもの、そして
前記ヒステリシス比較器（５４）の前記出力に結合された第１の入力、前記バッテリ監視回路（４０）の前記第１の出力に結合された第２の入力、そして前記第１の電界効果トランジスタ（３１）の前記ゲート電極に結合された出力を有するトランジスタドライバ（５６）、
を具備する再充電可能なバッテリシステム（１０）。
【請求項６】
前記再充電可能なバッテリシステム（１０）はさらに、前記電流検知用素子（３６）の前記第１の電極に結合された第１の入力、前記電流検知用素子（３６）の前記第２の電極に結合された第２の入力、そして出力を有する比較器（５２）を具備し、そして
前記ヒステリシス比較器（５４）はさらに前記比較器（５２）の出力に結合されたイネーブル端子を含む、請求項５に記載の再充電可能なバッテリシステム（１０）。
【請求項７】
前記再充電可能なバッテリパック（１５）は複数の再充電可能なバッテリセル（１２，１４，１６，１８）を含み、
前記複数の再充電可能なバッテリセル（１２，１４，１６，１８）の内の第１の再充電可能なバッテリセル（１２）は前記再充電可能なバッテリパック（１５）の前記第１の端子に結合された第１の電極および前記バッテリ監視回路（４０）の前記複数の入力の内の第３の入力（４２）に結合された第２の電極を有し、そして
前記複数の再充電可能なバッテリセル（１２，１４，１６，１８）の内の第２の再充電可能なバッテリセル（１４）は前記第１の再充電可能なバッテリセル（１２）の前記第２の電極に結合された第１の電極、および前記再充電可能なバッテリパック（１５）の前記第２の端子に結合された第２の電極を有する、請求項５に記載の再充電可能なバッテリシステム（１０）。
【請求項８】
バッテリの充電方法（６０）であって、
前記バッテリを通って流れる充電電流を発生する段階（６１）、
前記充電電流を検知する段階（６３）、
前記充電電流が第１の電流値より大きいことに応じて前記充電電流を中断する段階（６４）、
前記充電電流が中断されたことに応じて第２の電流を前記バッテリを通って流す段階（６５）、
前記第２の電流が第２の電流値より小さいことに応じて前記充電電流を再発生する段階（６７）であって、前記第２の電流値は前記第１の電流値より小さい、段階、
前記バッテリにかかる電圧を検知する段階（６８）、そして
前記電圧がある電圧値より小さいことに応じて前記充電電流を発生する段階（６１）、前記充電電流を検知する段階（６３）、および前記バッテリにかかる電圧を検知する段階（６８）を反復する段階、
を具備する、バッテリの充電方法（６０）。
【請求項９】
前記第２の電流を流す段階（６５）はさらに整流器を介して前記バッテリの負電圧端子から前記バッテリの正電圧端子へと導通経路を確立する段階を含む、請求項８に記載の方法（６０）。
【請求項１０】
前記バッテリにかかる電圧を検知する段階はさらに、
前記充電電流を中断する段階、そして
前記第２の電流が実質的にゼロである場合に前記バッテリにおける複数の直列接続されたバッテリセルの内のあるバッテリセルにかかるオープン回路電圧を検知する段階、
を含む、請求項８に記載の方法（６０）。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、一般的には、バッテリシステムに関し、かつより特定的には再充電可能なバッテリを監視しかつ保護することに関する。
背景技術
リチウムイオンバッテリはニッケル・カドミウム（ｎｉｃｋｅｌ−ｃａｄｍｉｕｍ）バッテリおよびニッケル水素（ｎｉｃｋｅｌ  ｍｅｔａｌ−ｈｙｄｒｉｄｅ）バッテリのような他の形式の再充電可能なバッテリよりも携帯用電子装置のための用途において好ましく、それはそれらの軽い重量および高いエネルギ密度のためである。しかしながら、リチウムイオンバッテリは過充電に対して非常に敏感であり、かつそれらを使用する上で安全性が主な関心事である。例えば、リチウムイオンバッテリに伴う安全性の関心事はそれが過充電された時に金属リチウムがバッテリセル内の電極の１つに付着する（ｐｌａｔｅ）可能性があることである。付着したリチウムは金属リチウムの可燃性のために火災の危険を引き起す。他の安全性についての関心事はバッテリセルの温度が高くなりすぎた場合に有害なガスを放出することである。さらに、過放電の状態において、リチウムイオンバッテリのセルにわたる電圧が下限電圧限界（ｕｎｄｅｒ−ｖｏｌｔａｇｅ  ｌｉｍｉｔ）より低く低下し、バッテリセルの電解質の化学組成の変化を生じる結果となる。そのため、バッテリセルの寿命が大幅に短縮される可能性がある。したがって、リチウムイオンバッテリを正確に監視しかつそれらが安全動作領域内で動作することを保証するバッテリ保護システムを持つことが重要である。
伝統的には、リチウムイオンバッテリを充電することは専用のリチウムバッテリ充電器を必要とする。充電されているリチウムイオンバッテリの電圧が該バッテリの完全に充電された電圧（ｆｕｌｌｙ  ｃｈａｒｇｅｄ  ｖｏｌｔａｇｅ）より大幅に低い場合は、前記専用のリチウムバッテリ充電器は定電流モードで動作しかつバッテリを一定の充電電流で充電する。バッテリ電圧が該バッテリの完全に充電された電圧に近い場合は、前記専用のリチウムバッテリ充電器は定電圧モードに切り替える。定電圧モードの下では、バッテリに流れる充電電流はバッテリ電圧が完全に充電された電圧に接近するに応じて指数関数的に減少し、それによってバッテリが過充電されることを防止する。前記専用のリチウムバッテリ充電器は前記専用のリチウムバッテリ充電器がいつ定電流モードから定電圧モードへと切り替えるか、定電圧モードの間にバッテリにどれだけ多くの充電電流が流れているか、そしてバッテリが完全に充電されたことを判定する充電制御回路を含んでいる。バッテリをその最大容量まで充電しかつ効果的に過充電を防止するため、前記充電制御回路は非常に正確になるよう設計される。典型的には、前記充電制御回路の電圧変動は１パーセント（％）より小さくされる。
高度に正確な充電制御回路は前記専用のリチウムバッテリ充電器のコストを大幅に増大しかつ、従って、リチウムイオンバッテリを使用するコストを増大させる。さらに、定電圧モードにおいてはバッテリに流れ込む充電電流はバッテリ電圧が完全に充電された電圧に接近するに応じて指数関数的に低下するから、充電プロセスは時間効率が悪い。例えば、リチウムバッテリは通常１〜２時間に及ぶ時間インターバルで定電流モードの動作の間にその容量の８０％まで充電される。次に、前記専用のリチウムバッテリ充電器は定電圧モードへと切り替わりかつリチウムバッテリをその最大容量まで充電するのに少なくともさらに３時間を必要とする。
特許文献１
特開平８−２５１８２９号公報
発明の開示
したがって、バッテリを充電するためのバッテリ保護システムおよびプロセスを持つことが有利であろう。該システムおよび該充電プロセスはコスト効率が良いことが望ましい。また、前記充電プロセスは便利でありかつ時間効率が良いことが望ましい。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係わるバッテリシステムのブロック図であり、そして
図２は、本発明に係わるバッテリを充電するためのプロセスを示すフローチャートである。
発明を実施するための形態
一般に、本発明はバッテリ保護システムおよびバッテリを充電するためのプロセスまたは方法を提供する。本発明によれば、前記バッテリ保護システムはバッテリ充電プロセスを制御すると共にバッテリを保護するための正確な制御回路を含む。したがって、本発明は専用のバッテリ充電器の必要性を除去しかつ、従って、バッテリを使用するコストを低減する。さらに、本発明の充電プロセスは従来技術の定電流／定電圧充電プロセスと比較して時間効率が良い。
図１は、本発明に係わるバッテリシステム１０のブロック図である。バッテリシステム１０は４個の直列接続された再充電可能なリチウムイオンバッテリセル１２，１４，１６および１８からなるバッテリパック１５を含む。したがって、バッテリシステム１０はまた再充電可能なバッテリシステムと称され、かつバッテリパック１５はまた再充電可能なバッテリパックと称される。バッテリシステム１０はまたバッテリパック１５を監視しかつ適切な動作を行ないバッテリパック１５がその安全動作領域内で動作することを保証するバッテリ保護システム２０を含む。バッテリ保護システム２０は正電圧端子２２および負電圧端子２４を有し、これらはそれぞれバッテリシステム１０の正および負電圧端子として作用する。バッテリ保護システム２０はまた正バッテリ電極２６および負バッテリ電極２８を有し、これらはそれぞれバッテリパック１５の前記正電圧および負電圧端子に接続される。好ましくは、バッテリシステム１０は一体型のバッテリパッケージであり、かつバッテリパック１５およびバッテリ保護システム２０は一体化されたバッテリパッケージ内に組み立てられる。
バッテリ保護システム２０はｐチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＦＥＴｓ）３１および３２、インダクタ３４、電流検知用抵抗３６、ツェナーダイオード３７とショットキダイオード３９からなる整流器３８を含む。ツェナーダイオード３７のアノードおよびショットキダイオード３９のアノードは一緒に接続されて整流器３８のアノード電極を形成する。ツェナーダイオード３７のカソードおよびショットキダイオード３９のカソードは一緒に接続されて整流器３８のカソード電極を形成する。ＦＥＴ３１はバッテリ保護システム２０の正電圧端子２２に接続されたソース電極、およびＦＥＴ３２のドレイン電極に接続されたドレイン電極を有する。インダクタ３４はＦＥＴ３２のソース電極にかつ整流器３８のカソード電極に接続された第１の電極、およびバッテリ保護システム２０の正電圧バッテリ電極２６に接続された第２の電極を有する。電流検知用抵抗３６はバッテリ保護システム２０の負電圧バッテリ電極２８に接続された第１の電極、および整流器３８のアノード電極にかつバッテリ保護システム２０の負電圧端子２４に接続された第２の電極を有する。
バッテリ保護システム２０はまた電圧検知用入力４１，４２，４３，４４および４５、電流検知用入力４６および４７、そして出力および４８および４９を有するバッテリ監視回路４０を含む。電圧検知用入力４１はバッテリセル１２の正電極に接続されている。電圧検知用入力４２はバッテリセル１２の負電極にかつバッテリセル１４の正電極に接続されている。電圧検知用入力４３はバッテリセル１４の負電極にかつバッテリセル１６の正電極に接続されている。電圧検知用入力４４はバッテリセル１６の負電極にかつバッテリセル１８の正電極に接続されている。電圧検知用入力４５はバッテリセル１８の負電極に接続されている。電流検知用入力４６および４７はそれぞれ電流検知用抵抗３６の第１および第２の電極に接続されている。出力４９はＦＥＴ３２のゲート電極に接続されている。
バッテリ保護システム２０はさらに比較器５２、ヒステリシス比較器５４、およびＦＥＴドライバ５６を含む。比較器５２はそれぞれ電流検知用抵抗３６の第１および第２の電極に接続された非反転入力および反転入力を有する。ヒステリシス比較器５４はそれぞれ電流検知用抵抗３６の前記第１および第２の電極に接続された非反転入力および反転入力を有する。比較器５２の出力はヒステリシス比較器５４のイネーブル端子に接続されている。ヒステリシス比較器５４の出力はＦＥＴドライバ５６の第１の入力に接続されている。ＦＥＴドライバ５６の第２の入力はバッテリ監視回路４０の出力４８に接続されている。ＦＥＴドライバ５６の出力はＦＥＴ３１のゲート電極に接続されている。
図１は４個のバッテリセルを有するバッテリパック１５を示しているが、これは本発明を限定するものでないことが理解されるべきである。本発明によれば、バッテリパック１５は、１個、２個、３個、５個、６個、その他のような、任意の数のバッテリセルを含むことができる。好ましくは、バッテリ監視回路４０の電圧検知入力の数はバッテリパック１５の各々のバッテリセルの電圧が測定できるものとされる。また、バッテリセル１２，１４，１６および１８はリチウムイオンバッテリセルであることに限定されないことも理解されるべきである。それらは、例えば、ニッケル・カドミウムバッテリセル、ニッケル水素バッテリセル、その他のような他の形式のバッテリセルで置き換えることができる。
バッテリ保護システム２０においては、ＦＥＴ３１および３２はそれぞれ過充電および過放電状態が生じた場合にバッテリパック１５を通って流れる、それぞれ、充電および放電電流を中断または停止するためのスイッチとして作用する。それらのボディダイオード（ｂｏｄｙ  ｄｉｏｄｅｓ）のため、ＦＥＴ３１はオフにスイッチングされた時にのみ充電電流を中断しかつＦＥＴ３２はオフにスイッチングされた場合にのみ放電電流を中断する。充電電流はバッテリパック１５を通ってその正電圧端子からその負電圧端子へと流れる電流である。放電電流はバッテリパック１５を通ってその負電圧端子からその正電圧端子へと流れる電流である。ＦＥＴ３１および３２は絶縁ゲート型ＦＥＴであることに限定されないことが理解されるべきである。制御電極および２つの電流導通電極を有する任意のスイッチングデバイスをＦＥＴ３１またはＦＥＴ３２と置き換えることができる。当業者が理解するように、ＦＥＴがスイッチとして作用する場合、該ＦＥＴのゲート電極は該スイッチの制御電極として機能し、かつ該ＦＥＴのソースおよびドレイン電極は該スイッチの電流導通電極として機能する。
また、バッテリ保護システム２０はバッテリパック１５を保護するために、ＦＥＴ３１および３２のような、ハイ側スイッチまたは高電圧側スイッチ（ｈｉｇｈ  ｓｉｄｅ  ｓｗｉｔｃｈｅｓ）を使用することに限定されないことも理解されるべきである。別の実施形態では、バッテリ保護システム２０はそれぞれ過充電および過放電状態が発生した場合にバッテリパック１５を通って流れる、それぞれ、充電および放電電流を中断するために電流検知用抵抗３６と負電圧端子２４との間に結合された（図示しない）２つのロー側スイッチまたは低電圧側スイッチ（ｌｏｗ  ｓｉｄｅ  ｓｗｉｔｃｈｅｓ）を含む。他の実施形態では、バッテリ保護システム２０はそれぞれ過充電および過放電状態が生じた場合にバッテリパック１５を通って流れる充電電流を阻止するための、ＦＥＴ３１のような、高電圧側スイッチおよび放電電流を阻止するための電流検知用抵抗３６と負電圧端子２４との間に結合された（図示しない）低電圧側スイッチを含むことができる。さらに別の実施形態では、バッテリ保護システム２０はそれぞれ過放電および過充電状態が生じた場合にバッテリパック１５を通って流れる放電電流を阻止するための、ＦＥＴ３２のような、高電圧側スイッチおよび充電電流を阻止するための電流検知用抵抗３６と負電圧端子２４との間に結合された（図示しない）低電圧側スイッチを含むことができる。好ましくは、ＦＥＴ３１またはＦＥＴ３２のような、高電圧側スイッチはｐチャネル絶縁ゲートＦＥＴを含み、かつ低電圧側スイッチはｎチャネル絶縁ゲートＦＥＴを含む。
電流検知用抵抗３６は電流がそこを通って流れる場合にその２つの電極の間に電圧を生じる。それは他の形式の電流検知用エレメント、例えば、フィラメント、その他によって置き換えることができる。バッテリシステム１０が端子２２および２４の間に結合された（図示しない）負荷にエネルギを供給する場合に電力損失を最小にするため、電流検知用抵抗３６は好ましくは小さな抵抗、例えば、ほぼ１オーム（Ω）より小さい抵抗を有するものとされる。本発明の好ましい実施形態では、電流検知用抵抗３６の抵抗値はほぼ１０ミリオーム（ｍΩ）である。
整流器３８においては、ツェナーダイオード３７はバッテリパック１５において流れる大きな放電電流が阻止された場合に大きな過渡電圧降下がＦＥＴ３１にわたって生じるのを防止し、かつショットキダイオード３９は順方向バイアスの場合に低抵抗の導通経路を提供しかつ、従って、整流器３８の電力消費を最小にする。好ましくは、ツェナーダイオード３７はバッテリパック１５の完全に充電された電圧より大きなブレークダウン電圧を有する。整流器３８は他の形式の整流装置および回路エレメントによって置き換えできることが理解されるべきである。例えば、整流器３８はバッテリパック１５の完全に充電された電圧より大きなブレークダウン電圧を有する単一のダイオードを含むことができる。
比較器５２はバッテリパック１５を通って充電電流が流れている場合にのみヒステリシス比較器５４をターンオンしかつ充電制御回路をイネーブルする。バッテリパック１５を通って流れる放電電流が存在する場合あるいはバッテリパック１５がアイドルである場合、比較器５２はその出力に論理ローの電圧レベルを発生する。この論理ローの電圧レベルはヒステリシス比較器５４のイネーブル端子に送られかつヒステリシス比較器５４をターンオフし、それによって充電制御回路をディスエーブルしかつバッテリシステム１０の電流消費を最小にする。比較器５２は、好ましいが、本発明の任意選択的な特徴的事項であることが理解されるべきである。
ヒステリシス比較器５４はバッテリパック１５に流れる充電電流がある上限を超えた時にＦＥＴドライバ５６によってＦＥＴ３１をオフに切り換える。ヒステリシス比較器５４は電流検知用抵抗３６における電圧降下を検知することによりバッテリパック１５に流れる充電電流を検知する。前に述べたように、電流検知用抵抗３６は小さな抵抗値を有することが好ましい。したがって、ヒステリシス比較器５４は該ヒステリシス比較器５４の入力における小さな入力信号、例えば、１０ミリボルト（ｍＶ）のオーダの電圧を有する入力信号に応答してＦＥＴドライバ５６を介してＦＥＴ３１をオフにスイッチングできることが好ましい。さらに、ヒステリシス比較器５４は温度補償回路（図示せず）を含むことができ、それによってバッテリシステム１０における温度変化に対して充電電流に対し安定な上限を提供することができる。
ＦＥＴドライバ５６はバッテリ監視回路４０およびヒステリシス比較器５４からＦＥＴドライバ５６の２つの入力に伝送される信号に応じてＦＥＴ３１をオンおよびオフにスイッチングするバッファとして作用する。好ましくは、ＦＥＴドライバ５６は、例えば、ほぼ１００キロヘルツ（ｋＨｚ）またはそれ以上のような高周波でＦＥＴ３１をオンおよびオフにスイッチングできるものである。ＦＥＴドライバ５６はバッテリ保護システム２０においては任意選択的なものであることが理解されるべきである。本発明の別の実施形態では、ヒステリシス比較器５４の出力およびバッテリ監視回路４０の出力４８はＦＥＴ３１のゲート電極に直接結合される。バッテリパック１５を充電するプロセスの間にＦＥＴ３１がオンおよびオフにスイッチングされる周波数はインダクタ３４のインダクタンスによって決定される。より大きなインダクタンスはＦＥＴ３１がより低い周波数でスイッチングできるようにするが、インダクタ３４のサイズ、重量およびコストを増大する。好ましくは、インダクタ３４のインダクタンスはほぼ１マイクロヘンリー（μＨ）とほぼ１００μＨの間の範囲にあるものとされる。インダクタ３４のインダクタンスの公称値はほぼ１０μＨである。
バッテリ監視回路は４０は周期的にバッテリパック１５に関する安全監視動作を行なう。電圧検知入力４１，４２，４３，４４および４５によって、バッテリ監視回路４０はバッテリパック１５におけるバッテリセル１２，１４，１６および１８の各々の電圧を測定する。電流検知入力４６および４７によって、バッテリ監視回路４０は電流検知用抵抗３６にわたる電圧を測定することによりバッテリパック１５に流れる電流を測定する。これらの測定に基づき、バッテリ監視回路４０における制御論理回路５０がバッテリパック１５がその安全動作領域内で動作することを保証するための適切な動作を行なう。
前記安全動作領域はバッテリパック１５におけるバッテリセル１２，１４，１６および１８の各々にわたる電圧に対する上限および下限を含む。それはまたバッテリパック１５を通って流れる充電および放電電流の上限を含む。もしいずれかの安全動作限界が超過すれば、制御論理回路５０は対応するパラメータがそれらの限界内になるよう調整するかあるいは対応するパラメータがそれらの安全動作限界を超えるようにさせた状態を終了させる。例えば、もし過電圧状態が検出されれば、制御論理回路５０はＦＥＴ３１をオフにスイッチングしかつ、もし必要であれば、バッテリパック１５に関してバッテリセルの平衡化動作またはバランス動作（ｂａｌａｎｃｉｎｇ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ）を行なう。もし過小電圧（ｕｎｄｅｒ−ｖｏｌｔａｇｅ）状態が検出されれば、ＦＥＴ３２はオフにスイッチングされ、かつバッテリ保護システム２０は極度に低い電力消費によって特徴付けられる冬眠状態（ｈｉｂｅｒｎａｔｉｏｎ  ｓｔａｔｅ）に入る。バッテリ保護システム２０は正電圧端子２２へ流れる電流が検出された場合に目覚め、すなわち、冬眠状態を去りかつその通常動作状態に戻る。もし過電流状態が検出されれば、制御論理回路５０はＦＥＴ３１またはＦＥＴ３２をオフにスイッチングし過電流状態を終了させる。もし前記過電流がバッテリパック１５において正バッテリ電極２６から負バッテリ電極２８の方向に流れていればＦＥＴ３１がオフにスイッチングされ、かつもしバッテリパック１５において過電流が負バッテリ電極２８から正バッテリ電極２６の方向に流れていればＦＥＴ３２がオフにスイッチングされることに注目すべきである。バッテリパック１５の安全動作を保証しかつ最大エネルギ効率を達成するために、バッテリ監視回路４０の制御論理回路５０は非常に正確に設計される。典型的には、制御論理回路５０の電圧変動は好ましくはほぼ１パーセント（％）より小さくされる。
バッテリ監視回路４０は各々のバッテリセルの電圧およびバッテリパック１５に流れる電流を監視するものに限定されないことが理解されるべきである。本発明の別の実施形態では、バッテリ監視回路４０はまたバッテリパック１５の周囲温度を監視する。本発明のさらに別の実施形態では、バッテリ監視回路４０はバッテリパック１５におけるバッテリセルの数を検出する（図示しない）バッテリセル検出回路を含むことができる。バッテリ監視回路４０のようなバッテリ制御回路の動作は、同時係属の米国特許出願第０８／３９８，２５５号、代理人整理番号ＳＣ０９０７８Ｃ、発明の名称「バッテリ充電制御のための回路および方法（ＣＩＲＣＵＩＴ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＢＡＴＴＥＲＹ  ＣＨＡＲＧＥ  ＣＯＮＴＲＯＬ）」、トロイ・エル・ストックスタッド他、モトローラ・インコーポレイテッドに譲渡、に記載されている。米国特許出願第０８／３９８，２５５号は参照のためここに導入される。
図２は、本発明に係わるバッテリを充電するためのプロセスのフローチャート６０を示す。一例として、該バッテリはバッテリ保護システム２０に結合されたバッテリパック１５として図１に示されたものである。
図１のバッテリシステム１０におけるバッテリパック１５を充電するため、電源（図示せず）の正電圧端子および負電圧端子がバッテリシステム１０の、それぞれ、正電圧端子２２および負電圧端子２４に接続される。ＦＥＴ３１はそのゲート電極における論理ローの電圧レベルによってオンにスイッチングされる。充電電流が発生され（図２における参照数字６１）かつ電源（図示せず）の正電圧端子から導通しているＦＥＴ３１、ＦＥＴ３２、インダクタ３４、バッテリパック１５および電流検知用抵抗３６を通って電源（図示せず）の負電圧端子へと流れる。整流器３８は逆バイアスされかつ非導通である。インダクタ３４のため、前記充電電流はゼロから徐々に増大する。さらに、前記充電電流における電気的エネルギの一部は電磁エネルギに変換される。言い換えれば、前記充電電流を使用して電磁エネルギが発生され（図２の参照数字６２）かつインダクタ３４に蓄積される。
前記充電電流は電流検知用抵抗３６にわたり電圧差を発生させる。比較器５２は電流検知用抵抗３６にわたる電圧差を検知する。その反転入力よりも高い電圧レベルがその非反転入力にあるため、比較器５２はその出力に論理ハイの電圧レベルを発生する。該論理ハイの電圧レベルはヒステリシス比較器５４のイネーブル端子に送られる。ヒステリシス比較器５４はイネーブルされかつその２つの入力の間の電圧差を検知し、それによってバッテリパック１５および電流検知用抵抗３６に流れる充電電流を検知する（図２の参照数字６３）。
ヒステリシス比較器５４の２つの入力の間の電圧差はバッテリパック１５に流れる電流に比例する。バッテリパック１５を通って流れる充電電流が所定の電流値、例えば、ほぼ３アンペア（Ａ）より小さい場合は、ヒステリシス比較器５４の２つの入力の間の電圧差はヒステリシス比較器５４の第１のしきい値電圧値、例えば、３０ｍＶ、より小さい。ヒステリシス比較器５４はその出力に論理ローの電圧レベルを発生する。該論理ローの電圧レベルはＦＥＴドライバ５６を介してＦＥＴ３１のゲート電極に伝送される。ＦＥＴ３１は導通状態にとどまり、かつ充電電流はバッテリパック１５を通って流れ続ける。充電電流が所定の電流値、例えば、ほぼ３Ａ、を超えて上昇した時、ヒステリシス比較器５４の非反転入力の電圧レベルはヒステリシス比較器５４の反転入力の電圧より高くなりかつ前記電圧差は前記第１のしきい値電圧値、例えば、ほぼ３０ｍＶ、より大きくなる。ヒステリシス比較器５４はその出力に論理ハイの電圧レベルを発生する。ＦＥＴドライバ５６はその論理ハイの電圧レベルをＦＥＴ３１のゲート電極に伝送し、該ＦＥＴ３１はオフにスイッチングされて充電電流が電源（図示せず）からバッテリパック１５に流れるのを停止する（図２の参照数字６４）。
ＦＥＴ３１がオフにスイッチングされかつ充電電流が中断されたことに応じて、インダクタ３４に蓄積された電磁エネルギが開放されてバッテリパック１５、電流検知用抵抗３６および順方向バイアスされた整流器３８を通って流れる過渡電流を発生する（図２の参照数字６５）。ヒステリシス比較器５４はその２つの入力の間の電圧差を検知し続けかつ、従って、バッテリパック１５に流れる過渡電流を検知する（図２の参照数字６６）。該過渡電流が他の所定の電流値、例えば、実質的にゼロに等しい電流値、へと低下した時、ヒステリシス比較器５４の２つの入力の間の電圧差は、ヒステリシス比較器５４の第２のしきい値電圧より低い、対応する電圧値、例えば、実質的にゼロに等しい電圧値、へと低下する。ヒステリシス比較器５４の出力の電圧レベルは論理ローの電圧レベルへと戻される。該論理ローの電圧レベルはＦＥＴドライバ５６を介してＦＥＴ３１のゲート電極へと伝送され、それによってＦＥＴ３１をオンにスイッチングしかつ導通しているＦＥＴ３１を介して電源（図示せず）からバッテリパック１５へと流れる充電電流を再発生する（図２の参照数字６７）。次に、インダクタ３４は前記充電電流を使用して電磁エネルギを発生するステップを繰り返し（図２の参照数字６２）、かつヒステリシス比較器５４はバッテリパック１５に流れる充電電流を検知するステップを繰り返す（図２の参照数字６３）。
前に述べたように、充電プロセスの間にバッテリパック１５に流れる電流はＦＥＴ３１、インダクタ３４およびヒステリシス比較器５４によって変調されたパルス化された（ｐｕｌｓｅｄ）電流である。充電電流が中断されかつ再発生される周波数はインダクタ３４のインダクタンス、正電圧端子２２および負電圧端子２４に結合された電源（図示せず）によって供給される充電電圧、バッテリパック１５の電圧、およびヒステリシス比較器５４がその出力電圧レベルを切り換える前記しきい値電圧に依存する。一般に、小さなインダクタンスおよび／または前記充電電圧とバッテリパック１５の電圧との間の大きな電圧差は結果として充電電流が中断されかつ再発生される高い周波数を生じることになる。典型的には、該周波数はほぼ５０キロヘルツとほぼ２００キロヘルツの間である。公称周波数はほぼ１００キロヘルツである。
充電プロセスの間に、バッテリ監視回路４０の制御論理回路５０は周期的に論理ハイの電圧レベルを出力４８に発生する。出力４８における該論理ハイの電圧レベルはＦＥＴドライバ５６を介してＦＥＴ３１のゲート電極に伝送されかつＦＥＴ３１をオフにスイッチングし、それによってバッテリパック１５に流れる充電電流を中断する。好ましくは、ＦＥＴ３１はバッテリパック１５に流れる過渡電流が実質的にゼロに低減するのに十分長い時間インターバルの間非導通にとどまっている。バッテリ監視回路４０は次にバッテリパック１５におけるバッテリセル１２，１４，１６および１８の各々の間の電圧を検知する（図２の参照数字６８）。バッテリパック１５に流れる電流は実質的にゼロであるから、バッテリ監視回路４０によって検知されるバッテリセル１２，１４，１６および１８の各々の電圧はそれぞれのバッテリセルのオープン回路電圧に実質的に等しい。バッテリセル１２，１４，１６および１８の各々の検知された電圧は制御論理回路５０において基準電圧と比較される（図２の参照数字６９）。好ましくは、該基準電圧はバッテリセル１２，１４，１６および１８の各々の完全に充電された電圧に等しくされる。
もしバッテリセル１２，１４，１６および１８の各々の前記検知された電圧が前記基準電圧より低ければ、制御論理回路５０は出力４８に論理ローの電圧レベルを発生する。該論理ローの電圧レベルはＦＥＴドライバ５６を介してＦＥＴ３１のゲート電極に伝送される。ＦＥＴ３１はオンにスイッチングされ、かつ充電電流を発生し、電磁エネルギを発生し、充電電流を検知し、かつバッテリセル１２，１４，１６および１８の各々の間の電圧を検知するステップ（それぞれ、図２の参照数字６１，６２，６３および６８）が反復される。
もしバッテリパック１５のあるバッテリセルの検知された電圧が実質的に前記基準電圧に等しいかあるいはそれより高い場合は、バッテリ監視回路４０の出力４８における電圧レベルは論理ハイの電圧レベルにとどまっている。ＦＥＴ３１はオフにラッチされ（ｌａｔｃｈｅｄ  ｏｆｆ）かつ充電プロセスは終了する（図２の参照数字７０）。もし必要であれば、バッテリ監視回路４０は最も高い電圧を有するバッテリセルを放電することによってバッテリパック１５に関するバッテリセルのバランス動作を行なう。バッテリセルのバランス動作の後に、バッテリ監視回路４０はバッテリパック１５のバッテリセル１２，１４，１６および１８の各々の電圧が制御論理回路５０の基準電圧より低ければＦＥＴ３１をオンにスイッチングすることによって充電プロセスを再開することができる。
充電プロセスの間にバッテリ監視回路４０がＦＥＴ３１をオフにしかつバッテリパック１５におけるバッテリセル１２，１４，１６および１８の各々にわたる電圧を検知する周波数または頻度は制御論理回路５０におけるタイマ（図示せず）によって決定される。該タイマはまたＦＥＴ３１がバッテリ監視回路４０によってオフにスイッチングされる度毎にＦＥＴ３１がどれだけ長く非導通にとどまっているかを決定する。一例として、バッテリ監視回路４０は充電プロセスの間にほぼ１秒の時間周期に一度ＦＥＴ３１をオフにスイッチングする。さらに、ＦＥＴ３１はそれがバッテリ監視回路４０によってオフにスイッチングされる度毎にほぼ２０ミリセカンド（ｍｓ）の時間インターバルの間非導通にとどまっている。しかしながら、ＦＥＴ３１がバッテリ監視回路４０によって充電プロセスの間にオフにスイッチングされる周波数および時間インターバルはこれらの値に限定されないことが理解されるべきである。本発明の別の実施形態では、ＦＥＴ３１はバッテリ監視回路４０によってバッテリシステムを充電するプロセスの間に一度１０ミリセカンド、１５ミリセカンドまたは２５ミリセカンドの時間インターバルの間、０．５秒、１．５秒または２秒の周期で、オフにスイッチングすることができる。ＦＥＴ３１をより高い周波数でかつより長い時間インターバルの間オフにスイッチングすることにより、バッテリセル１２，１４，１６および１８の各々の電圧はより緊密にかつ正確に監視することができ、バッテリパック１５が安全動作領域で動作することを保証する。しかしながら、充電プロセスは時間効率が低くなるであろう。
したがって、ＦＥＴ３１、インダクタ３４、電流検知用抵抗３６、整流器３８、バッテリ監視回路４０、比較器５２、ヒステリシス比較器５４、およびＦＥＴドライバ５６はバッテリシステム１０においてバッテリパック１５を充電するプロセスの間にバッテリパック１５に流れる充電電流を制御するために協働する。言い換えれば、バッテリ監視回路４０の制御論理回路５０は充電プロセスを制御すると共にバッテリパック１５を保護するよう作用する。したがって、極めて正確な充電制御回路を含む専用のリチウムバッテリの充電器の必要性が除去される。バッテリシステム１０はバッテリパック１５を充電するために安定化されていない（ｕｎｒｅｇｕｌａｔｅｄ）電源に結合することができる。言い換えれば、従来技術の充電プロセスにおいて必要とされた、一方はバッテリ保護システムにおいてかつ他方は専用のリチウムバッテリ充電器において、２つの正確な制御回路を持つ冗長性が除去される。バッテリ保護システム２０に結合されかつバッテリシステム１０にパッケージングされたリチウムイオンバッテリパックを使用するコストは従来技術のバッテリ保護システムに結合されたリチウムイオンバッテリパックを使用するコストと比較して大幅に低減される。さらに、充電プロセスの間にバッテリパック１５に流れる電流はパルス電流である。バッテリパック１５に流れる平均の充電電流は従来技術の定電流／定電圧充電プロセスにおける平均の充電電流より大きい。したがって、本発明に係わるバッテリシステム１０を充電するプロセスは従来技術の定電流／定電圧充電プロセスよりも時間効率が良い。
発明の効果
以上から、バッテリ保護システムおよびバッテリを充電するためのプロセスまたは方法が提供されたことが理解されるべきである。本発明によれば、バッテリ保護システムにおける正確な制御回路がバッテリ充電プロセスを制御しかつバッテリパックを保護し、それによって専用のバッテリ充電器の必要性を除去する。バッテリは、低価格であり、広く入手可能であり、かつ使用するのが容易な、安定化されていない電源を使用して充電できる。したがって、本発明に従ってバッテリを充電することは簡便でありかつコスト効率が良い。さらに、本発明の充電プロセスは従来技術の定電流／定電圧充電プロセスよりも時間効率が良い。
【図１】
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【図２】
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