(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に収容された複数の電気化学セルを有するリチウム金属ポリマー電池に対する電池コントローラ・システムであって、
前記電気化学セルの温度を検出するよう配置された複数の温度センサと、
前記電気化学セルを加熱するよう配置された複数の加熱素子と、
前記温度センサから信号を受取って、前記電気化学セルの各々を所定の温度に維持するように前記加熱素子へ供給される電流を制御する加熱素子コントローラであって、前記所定の温度が、前記電池が電力供給可能な状態を維持する浮動モード温度と、前記電池が充電されている充電温度と、前記電池が電力を供給する電源故障モード温度とのうちから選択される加熱素子コントローラと、
前記電池からの電力需要を検出し、前記電池に又は該電池から供給される電力のレベル及び／又はエネルギ量に応答して前記所定の温度を設定する電力モード・コントローラであって、少なくとも前記浮動モード温度と前記充電温度と前記電源故障モード温度とを設定する電力モード・コントローラと、
を備える電池コントローラ・システム。
【請求項２】
前記加熱素子が平坦な柱状のセル間に設けられたシート状の加熱素子を含む、請求項１記載のコントローラ・システム。
【請求項３】
前記加熱素子が、少なくとも１つの印刷回路抵抗加熱素子を載置したプラスチック・シートを含む、請求項２記載のコントローラ・システム。
【請求項４】
前記プラスチック・シートがカプトン（登録商標）から作られる、請求項３記載のコントローラ・システム。
【請求項５】
前記電池が平坦な柱状のセルのスタックを含み、
前記温度センサが前記スタックの端部と前記スタックの中間部付近とに配置され、
前記加熱素子が前記セルの少なくとも１つおきに設けられ、
前記加熱素子コントローラが、前記スタックの前記端部と前記中間部とに対して独立的に前記加熱素子に対する電流の供給を制御する、
請求項２記載のコントローラ・システム。
【請求項６】
前記電池が平坦な柱状のセルのスタックを含み、
前記温度センサが前記スタックの端部と前記スタックの中間部付近とに配置され、
前記加熱素子が前記セルの少なくとも１つおきに設けられ、
前記加熱素子コントローラが、前記スタックの前記端部と前記中間部とに対して独立的に前記加熱素子に対する電流の供給を制御する、
請求項３記載のコントローラ・システム。
【請求項７】
更に、
前記電池の少なくとも電圧を検出する電圧センサ回路と、
前記電圧センサからの信号を解釈して評価信号を生成する電池性能評価回路と、
前記評価信号をネットワークに中継する通信回路と、
を備える、請求項１記載のコントローラ・システム。
【請求項８】
更に、
使用期間において前記セルにより供給される電流を検出する電流センサと、
前記電流を解釈して過大電流条件が存在するか否かを判定する手段と、
過大電流条件に応答して前記電池を給電結線から切り離し、過大電流条件が終わると前記電池を自動的に再接続する手段と、
を備える、請求項１記載のコントローラ・システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、制御された高温度で使用されるリチウム−ポリマー電池のような固体ポリマー電解質電池のための電池コントローラ及び監視システムに関する。特に、本発明は、無停電電源（ＵＰＳ）電池コントローラに関する。
発明の背景
近年は、充電可能な電池がますます広く利用されている。これらの電池は、中長期において電気エネルギ蓄積を行う経済的方法を提供し、異なる産業分野において用途を見出している。
【０００２】
可充電電池が使用される用途の１つは、電源故障の場合でも継続的に給電されねばならない今日のコンピュータ及び電気通信装置に対して用いられる無停電電源（ＵＰＳ）の分野である。ＵＰＳシステムは、グリッド電力が利用可能である充電過程にある可充電電池を備えるが、この電池は、これに接続される電子装置に対して、電源故障が検出されると直ちに電力を供給し始める。
【０００３】
このようなＵＰＳシステムは、その性能及び寿命を改善するために電池コントローラを必要とする。電池コントローラは、電池を充電する過程を制御し、電池の放電状態を監視する。一部のＵＰＳシステムにおいては、電池の充電あるいは迂回を制御するために充電中の電池の温度検知が行われる。大型コンピュータシステムあるいは電気通信装置のバックアップ電源用の従来のＵＰＳシステムにおいては、通常は鉛蓄電池がエネルギ蓄積手段として使用される。
【０００４】
伝統的な鉛蓄電池に勝る改善されたエネルギ蓄積容量、エネルギ蓄積密度及び電源／充電率レベルの特性を約束する新規な電池技術が開発されてきた。例えば、金属／金属水素化物電池は効率のよいエネルギ蓄積源であることを証明しており、このような市販形態の電池がＮｉ−ＭＨ電池のように優れていることを証明した。
【０００５】
非常に優れたエネルギ蓄積特性を約束する新規な電池技術の一形態は、リチウム−ポリマー電池（ＬＰＢ）である。この電池は固体の電解質を有し、蓄積手段における相変化の結果として、蒸気を生じることなくエネルギを蓄積あるいは放出する。ＬＰＢのエネルギ密度（Ｗ・ｈ／ｌ）及び比エネルギ（Ｗ・ｈ／ｋｇ）は、他の電池技術に比して非常に高い。
【０００６】
しかし、ＬＰＢは、室温より高く上昇した温度で動作し、温度に依存する電力分配特性又は電荷受取り特性を有する。ＬＰＢの開回路電圧もまた放電の関数として著しく変化する。即ち、セルが完全充電状態から最小充電状態まで放電されるときセル電圧は１０％ないし３０％だけ（例えば、３．２Ｖから２．０Ｖまで）低下する。従って、比較的安定な室内条件から異なる気候条件における非常に不安定な戸外条件へ変わり得る条件下の場面で働くＵＰＳのような信頼性を必要とする用途においては、従来のＬＰＢを利用することは実行可能ではない。
発明の概要
本発明の広い目的は、電池を信頼性高く据付け且つ使用することができるように電池動作のニーズを管理することが可能である、ＬＰＢのような固体電池のための電池コントローラを提供することにある。
【０００７】
本発明の第１の目的は、電池の所要の動作モードに対して適切な温度に電池を維持する電池コントローラを提供することにある。
【０００８】
本発明の第２の目的は、個々のセル電圧を監視し、電池への連続的な電流供給が電池内のセルを破壊するおそれがあることをセル電圧が示すとき、電池への又は電池からの電流供給を遮断する電池コントローラを提供することにある。
【０００９】
本発明の第３の目的は、過大電流条件を検出して電流の全供給を遮断できるように温度と電流とのレベルを監視する、ＬＰＢのような固体電池のための電池コントローラを提供することにある。
【００１０】
本発明の第４の目的は、電池性能評価データをサービス・センタ又はユーザへ通信する通信手段を含む電池コントローラを提供することにある。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、リチウム−ポリマー電池その他の温度及び電流制御の必要性を有する他の電池の動作状態及び使用状態を制御して監視するためのネットワーク給電システム（ＮＰＳ）電池コントローラを提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、電池の状態及び該電池によりそのとき行われている仕事に依存して電池システムの温度を調整することにより、電池システムの性能を制御する方法を提供することにある。電池の内部温度は電池動作モードに依存して電池コントローラにより調整され、用途の種類に依存して特定の温度に設定される。本発明の好ましい実施の形態においては、２つの特定の温度、特に４０℃と６０℃とが用いられ、電池コントローラは電池動作モードに依存して電池の内部温度をこれら２つの温度の１つになるように設定する。
【００１３】
本発明の別の目的は、パーソナル・コンピュータのようなデータ取得・制御・監視ステーションからネットワークを介して電池コントローラを遠隔制御する方法を提供することにある。この遠隔ステーションから種々のタスクが実行されるが、これらは結局は、設定を変え又はセットアップするために管理者が局所的に電池コントローラに対して行うことができる同じ仕事であり得る。
【００１４】
本発明の好ましい実施の形態においては、電池コントローラにより制御される電池システムは、３．１ボルト／セルの最高電圧を有する直列に接続された１組又は一連の９つのセルであり、これにより２８Ｖの最高電池電圧を提供する。しかし、種々の電圧を持つ異なる数の内部セルを有する他の組の電池もまた、この発明の電池コントローラによって制御することができる。
【００１５】
本発明によれば、ハウジング内に収容配列された複数のセルを有する金属及び固体電解質の電池に対する電池コントローラ・システムが提供され、該システムは、前記セルの温度を検出するように配列された複数の温度センサと、前記セルを加熱するように配列された複数の加熱素子と、前記温度センサから信号を受取って前記セルの各々を所定の温度に維持するよう前記加熱素子に供給される電流を制御する加熱素子コントローラと、電池からの電力需要を検出して前記電池に又は該電池から供給される電力のレベル及び／又はエネルギ量に応答して前記所定の温度を設定する電力モード・コントローラとを備えており、電力モード・コントローラは少なくとも浮動温度と充電温度と電源温度とを設定する。
【００１６】
望ましくは、前記加熱素子は、平坦な柱状のセル間に設けられたシート状加熱素子を含む。特に、この加熱素子は、少なくとも１つの印刷回路抵抗の加熱素子が載置されたプラスチック・シートを含むことが望ましい。このプラスチック・シートは、カプトン（Ｋａｐｔｏｎ。登録商標）から作られることが望ましい。また望ましくは、前記温度センサがセル・スタックの端部及びこのスタックの中間部付近に配置され、少なくとも１つおきのセル間に加熱素子が設けられ、前記加熱素子コントローラがセル・スタックの端部及び中間部とは独立して加熱素子に対する電流の供給を制御する。
【００１７】
本発明によれば、直列に接続された複数のセルと、使用期間においてセルの各々の電圧を検出する電圧センサと、検出された電圧を解釈していずれかのセルが連続使用により破損を受けやすいか否かを判定する手段と、セルの１つが破損したとの判定に応答して電池を給電結線から遮断する手段を有する、金属及び固体電解質電池に対する電池コントローラ・システムもまた提供される。
【００１８】
本発明は、添付図面に関する好ましい実施の形態についての以降の記述によって一層良好に理解されよう。
好ましい実施の形態の詳細な記述
本発明の好ましい実施の形態において、電池は、通信装置又は電子装置に対する無停電電源（ＵＰＳ）を提供するため、ネットワーク給電システム（ＮＰＳ）の可充電電池列において使用される。ＮＰＳ電池には、電池の動作状態及び使用条件を制御し監視するコントローラ型の回路カード組立体が装備される。電子的コントローラ及び該コントローラが電池の制御のため使用する方法が、本発明の主な目的の１つである。本発明による電池及び電池コントローラ・システムはＮＰＳあるいはＵＰＳの用途に限定されるものでないことに注意すべきである。
【００１９】
電池１５はリチウム−ポリマー・セルを含み、該セルは、当技術において公知であり且つ特に出願人自身の発行された特許出願、許与された特許及び公報から公知である構成を有する。図１に示されるように、電池ハウジング１７は、現場に据付けられるよう設計され、堅牢なプラスチック外殻を持つ自立装置である。ハウジングの外殻は、リチウム−ポリマー電池を大気に露呈しないよう保護するため密閉される。２個のターミナル・ポスト１８、１８′がハウジング１７から突起し、２５Ｖの直流（ＤＣ）を供給する。あるいは、ＮＰＳの用途に対しては、５０Ｖｄｃを供給するようにバッテリ１５を構成することが可能である。２個のネットワーク・ケーブル・コネクタ・ジャック１９、１９′が、電池１５の通信インターフェースを通信網及び他の電池とチェーン接続するためにハウジング１７に設けられる。
【００２０】
電池１５内部には、複数のリチウム−ポリマー・セル２２が所要の供給電圧を構成するように直列に接続され、例えば、（充電条件に従って）２．０ボルトと３．２ボルトとの間で変動する電圧を有する９つのセルが公称電圧２４Ｖを供給するように直列に接続される。電池１５は、個々のセル２２のサイズ及び電池１５の所要の供給電流及び蓄積容量特性に依存して、このような単一の列２０を含む。図２において、ハウジング１７に含まれるセル２２の列２０が示されるが、より高い供給電圧を生じるように２つの機械的に個別の列２０を電気的に直列に接続してもよく、あるいはまた、２つ（以上）の機械的に別個の列又はスタックが、同じ供給電圧を保持しながら一層大きなエネルギ蓄積を提供するように並列対（即ち、ｎ対）で接続された個々のセルを有してもよい。各セル２２は、リチウム−ポリマー電池膜の平坦ロール又は柱状スタックから形成される。このようなセル構造は当技術において公知であり、また個々のシート、円筒状ロール、平坦な矩形状ロール、折り畳まれたスタック等の形態を取り得る。セル２２の列２０は、熱損失を防止するためハウジング１７内で断熱される。
【００２１】
図３に示されるように、セル２２は電気的に直列に接続され、長形のスタックとしてチェーン状に配置される。好ましい実施の形態において、セルの列２０は、リチウム−ポリマー電池技術において周知のように、約１５ｐｓｉ（１００ｋＰａ）の最小圧力を生じるよう機械的に一体に圧縮される。図３及び図４に示されるように、セル２２間に、加熱素子２６がセル２２を所要の動作温度に加熱するため規則的な間隔で挿入される。
【００２２】
温度制御は、リチウム−ポリマー電池においては重要である。従来のバックアップ電池は、通常の使用のためには加熱あるいは冷却を必要としない。当該実施の形態において使用されるリチウム−ポリマー電池は、（周囲温度とは独立的に）動作を開始するため４０℃の温度で動作することを必要とする。この温度は、更に大きな電力を送出する（あるいは、充電中は受取る）ことができるように６０℃まで上昇させられる必要がある。更にまた、電池が放電されるとき、電池温度は、停電が３０分以上続くならば上昇されねばならない。
【００２３】
図２に概略的に示されるように、サーミスタその他の種類の温度センサのような温度センサ２４が、複数の個所においてバッテリの温度を検出する。温度センサ回路３２による温度センサの抵抗値の温度値への変換方法は、当技術において周知である。加熱素子コントローラ３４が温度値を分析し、セル２２を所要の温度に維持するように加熱素子２６の動作のデューティ・サイクルを調整する。望ましい実施の形態における加熱素子２６は電気的に駆動され、例えばカプトン（登録商標、図４参照）から作られたプラスチック・フィルム上に印刷抵抗素子として設けられ、セル２２からは電気的に絶縁されている。加熱素子２６におけるリード線はこの素子の頂面に置かれ、温度センサ２４は最高温度を検出するためリード線の１つに近接して配置される。望ましい実施の形態による加熱素子２６は軽量であり、多くの体積をとらず、良好な熱伝達特性を持ち、特に高温で使用されるときには電池の不活性ガスを汚染し得る物質を生じない。加熱素子２６は、この加熱素子を低温始動から使用してセル２２をウォームアップすることができるよう、電池の公称動作電圧で動作する。加熱素子２６は、各セル２２間、１つおきのセル２２間、あるいは更に離れて配置することができる。セル２２間の加熱素子を用いる利点は、生成された熱がセル２２の本体へ直接伝達されることである。セルの機械的圧縮が、優れた熱的接触を保証する。「ホット・スポット」の発生を避け、所要の温度まで迅速且つ有効に電池を加熱することができる加熱を行うことが重要である。
【００２４】
直列に接続されたセル２２の四角柱２０の熱損失は、セル群の中間部より端部において大きい。この理由から、中間部より多くのヒータを列２０の端部に設けることが望ましい。好ましい実施の形態においては、セルのスタック即ちセル群の各端部及び中間部における個々の温度制御が提供される。好ましい実施の形態による列２０の内部における最大許容温度変動は±２℃である。当該好ましい実施の形態では、端部と中間部における列２０の温度を監視するため、（３つの区域を代表する）６つの温度センサが配置される。温度センサの個数を倍にすると、信頼性が改善される。
【００２５】
所要の温度は、電力モード・コントローラ３０によって決定される。各モードは、所定の温度設定値を有する。「休止」モードにおいては、温度制御システムは不作動であり、このモードは「待機」モードと見なされる。「待機」モードでは、整流機電圧が検出され、短期間後に「コールド・モード」に移動する旨の判定がなされる。「コールド・モード」において、電池制御システムは、電池セルを６０℃に加熱するため整流電力を用いて加熱素子コントローラに給電する。６０℃の温度に達すると、このシステムは「充電モード」へ切換わり、このモードでは電源スイッチ３５が閉じ、電池は電圧が等しくなるまで整流器から充電される。整流器が充電中に故障すると、システムは「ホット電源故障」へ切換わり、電池は６０℃に保持される。充電の完了前に整流器が故障しなければ、システムは「浮動」モードに入る。このモードでは、温度は４０℃まで低下させられ、電池は整流器の故障が生じると直ちに給電する。整流器の故障が生じると、システムは「電源故障」モードへ入り、電池温度を４０℃に維持する。この温度では、ＬＰＢはそのエネルギ容量の５０％を供給することができる。好ましい実施の形態における正常な放電時には、電池１５は少なくとも３０分間４０℃を保持する。３０分後に、電池は「ホット電源故障」モードに入る。このモードでは放電が続き、電池温度は６０℃まで上昇させられる。６０℃においては、好ましい実施の形態における電池はそのエネルギ容量の全てを供給することができる。浮動状態で全エネルギ容量が利用できない更に低い温度に電池を維持すると、電池寿命が延びる。電源故障が続く場合に要求されるようにバッテリ温度を上昇させることにより、全エネルギ容量及び電池の長寿命が達成される。
【００２６】
電力モード・コントローラは、ターミナル・ポスト１８、１８′における電圧を検出すると共に、電流検出器３９からの読みを用いて、供給される電流を検出する。コントローラ３０は、電流モードに適切な温度を設定するよう、温度設定信号を加熱素子コントローラ３４へ出力する。好ましい実施の形態による簡略化された温度制御方式においては、通常のバックアップ用の最初の３０分間は温度は４０℃に維持され、次いで、電池が部分的に放電されたとしても継続した電力供給ができるよう、電池温度は６０℃まで上昇される。代わりに、コントローラ３０は、電池エネルギが放電されるに伴い徐々に電池の温度を上昇させ得る。コールド・モードと待機モードとの間の切換えに対する制御もまた、インターフェース４０を用いてオペレータにより決定される。
【００２７】
好ましい実施の形態による制御システムには、多くの安全及び動作監視の特徴が盛込まれる。第一に、各セル２２の電圧は、バス２８とセル電圧測定及び監視回路３６とを用いて測定される。リチウム−ポリマー電池の場合は、個々のセルは放電における或る時点で電力を供給する容量を失い、その結果、その電圧は更に急激に低下する。個々のセルの電圧を測定して絶対スケール（即ち、ボルト単位における電圧）と比較し、あるいは、測定された電圧を他のセルと対比することができる。１つのセル２２が許容値より著しく低い電圧、例えば２．０Ｖ又は他のセル電圧の所与のパーセントの値を持つことが検出されると、回路３６はリレー・スイッチ３７を開くことによりセルの列２０を切り離すよう決定する。セルの列２０の連続的な使用を停止することにより、低電圧を持つ個々のセル２２に対する破損が防止される。しかし、セル２０の均等化の前に行われる列の完全充電は低電圧セル２２を回復させ、以降のサイクルに有用とさせる。電池の均等化とは、個々のセルが同じ電圧に充電されることを意味する。この目的のため、個々のセル電圧モニタは、各セル２２が共通電圧、例えば３．２Ｖに達するまでこれらセルを個々に充電するための電流をバス２８に供給する特殊な能動的充電モードを有する。
【００２８】
第二に、電池に供給される電流はセンサ３９を用いて監視される。典型的には外部短絡条件の結果生じる過大電流が検出され、コントローラ３８がリレー・スイッチ３５を開く。電池１５における列２０が１つしかなければ、スイッチ３７及び３５は同じスイッチとなる。コントローラ３８がターミナル・ポスト１８、１８′における電圧を検出し、電圧がゼロより高くなると、スイッチ３５が閉じられ、電力供給が復帰する。このようにして、電力スイッチ３５の循環動作が防止される。
【００２９】
第三に、加熱素子コントローラ３４は、過剰温度条件、例えば８０℃を越える温度を検出し、温度が４０℃の値まで低下するまで電池の列２０をターミナル・ポスト１８、１８′から切り離す。過剰温度を防止するための電気ヒータの電子的制御に加えて、電池温度が９３℃に達すると加熱素子２６から電力供給を遮断する熱断ヒューズが設けられる。熱断ヒューズは、ハウジングにおける最も熱くなりやすいと思われる地点に配置される。熱断ヒューズは、ＮＴＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社製のＮＴＥ−８０９０を含む。リチウムは（１８０℃で）液化し得、空気に曝されると気化し得るので、極端な過剰温度は危険である。
【００３０】
遠隔監視インターフェース４０は、性能及び動作のレポートを編集するために電圧、電流、温度及び電力の諸モードのデータを収集する。インターフェース４０は、電子的な状態レポートを送るため通信装置サイトで電話回線にモデムを介して直接接続される。状態レポートは、規則的な間隔ばかりでなく、問題が検出されると常に送出され得る。また、レポートが送られているときのみでなく遠隔要求時にも、インターフェース４０に対する遠隔アクセスを行うことができる。即ち、インターフェース４０は通信網を介して情報を提供し、又は送られた指令を受入れることができる。インターフェース４０が接続する通信網は、インターネット又は専用パケット交換データ網のようなデータ網であってよい。
【００３１】
ＮＰＳの場合、曖昧ではあるが電池に対して決定的には有害でない電池セル電圧又は温度の条件下で電池からの電力供給を停止する決定は、通信サービス・プロバイダの遠隔の中央決定ステーションにおいて、あるいは、電池１５と並列に接続された他の電池装置の（インターフェース４０を介する通信により取得された）動作状態データを考慮に入れる（インターフェース４０で又は電池１５におけるコントローラの１つで動作する）アルゴリズムの結果として行われる。電池１５が通信装置のサービスの維持において重要でなければ、望ましいが恐らくはオプションの運転停止がなされるべきである。
【００３２】
動作の概念
図５は、通信装置と格子電力整流器との間に接続されたＮＰＳ電池システムを示している。電池・コントローラ・システムは、電力スイッチ（Ｓｗpower）とヒータとヒータ制御スイッチ（ＳＷheater）とスイッチ電圧、電流及び電池温度を監視する３つのセンサとを有するバッテリ自体からなる。一例として、電池は、２８ボルト／電池の最高電圧を生じるため直列に接続された９つのセル（Ｖcell＝３．１ボルト）から成る。
【００３３】
所要の性能及び動作条件を得るため、電池ヒータは、電池の動作モードに応じて内部温度を４０℃（浮動温度）あるいは６０℃（充電温度）のようなバッテリの最高性能に更に適する特定温度に維持するために使用される。なお、当該用途において用いられる温度は単に一例として示されており、本発明の範囲を限定するものでない。他の温度あるいは温度範囲も同様に用いることができる。例えば、２つより多い異なる温度を用いるシステムが、本発明の同じ原理を用いることができる。
【００３４】
図６の状態図に示されるように、電池を動作状態におくと、電池温度は電池の再充電のため６０℃まで上昇される。電池が完全に再充電されると、電池は浮動モードになり、電池温度は４０℃まで低下される。電源故障が生じると、電池は最初の３０分間４０℃に維持され、次いで、ホット電源故障モードになり、温度は６０℃に上昇される。
【００３５】
電池は接続されるかぎりは稼働状態にあり、接続されなければ待機モードへ戻る。更に、電源故障の期間、電池は、各セルの内部電圧が２ボルトより高いかぎり稼働状態に止まっており、温度は８０℃より低く、あるいは電流は短絡状態より小さい。１つのセルの電圧が２ボルトに達すると直ちに、電力スイッチ及びヒータ・スイッチが開かれ、電池は電力が回復して動作サイクルを反復するまで待機モードへ戻る。
【００３６】
最初に、ＮＰＳソフトウエアは待機モードで開始し、接続が行われると次の動作モードへ進むだけである。図６に示されるように、１つの状態から他の状態への遷移は特定の事象及び／又は動作条件によって支配される。
【００３７】
短絡モードと過剰温度モードは故障状態と関連している。待機モード及びコールド・モードでは電池電力はオフであり（ＳＷpowerが開かれ）、他の全部のモードでは電池電力はオンである（ＳＷpowerが閉じられる）。
【００３８】
過剰温度の検出は、電力スイッチの状態を監視することにより電池の内部温度及び短絡を監視することによってなされる。電力スイッチは電流が５０アンペアを越えるとき該スイッチを自動的に開く検出回路を備えるので、電力スイッチが閉じた後は、ソフトウエアは、電力スイッチが検出回路により開かれたことを検出すると、短絡モードに直接進む。
【００３９】
待機モードにおいては、ＮＰＳ回路カードは稼動状態に置かれる（接続される）のを待機し、電池とヒータ・スイッチは開いた状態に保持される。このモードにおいては、ソフトウエアはスイッチ（Ｖswitch）における電圧を監視し、Ｖswitchの読みが負であれば、整流器が電池に接続されていること及び電池電圧が整流器電圧より低いことを意味するので、ソフトウエアはコールド・モードへ進む。Ｖswitchの読みがゼロであれば、電池が接続されていないか整流器電圧が電池電圧に等しいことを意味するので、ソフトウエアは瞬時にヒータを閉じ、スイッチに結果として生じる電圧を確かめる。Ｖswitchがゼロのままであると、整流器は電池に接続され、ソフトウエアはコールド・モードへ進む。そうでなければ、電池はスタンドアロンの状態であり、ソフトウエアは待機モードに止まる。Ｖswitchの読みが正であれば、電池は接続されるが外部電力が電池へ印加されないことを意味するので、温度が４０℃に等しいかこれより高ければ、ソフトウエアは待機モードに止まり、電池は電源故障モードへ切換わる。
【００４０】
コールド・モード又はウォームアップ・モードにおいては、電池の電力スイッチは開いた状態に保持され、ヒータがオンにされる。ウォームアップ・プロセスは、再充電前に電池温度を６０℃まで高めるために用いられる。コールド・モードから出ると、電池の電力スイッチを閉じる前に、短絡条件がすでに存在するかどうかを判定するための確認が行われなければならない。
【００４１】
充電モードにおいては、電力スイッチが閉じられ、電池温度は６０℃に保持される。電池は、その電圧が整流器の電圧に達する（即ち、Ｖswitch＝０）まで再充電される。電池が完全に再充電されると、電池温度の設定点は４０℃に設定され、電池は浮動モードへ進む。電池の充電中に、（１）電源故障が生じると、電池温度はすでに６０℃であるので、ソフトウエアは直接にホット電源故障モードへ進み、（２）電池が切り離されていると、電池は待機モードへ戻る。
【００４２】
浮動モードにおいては電力スイッチは閉じられ、電池温度は４０℃に維持される。電池は、切り離されるまで、又は、電源故障、短絡又は過剰温度条件が生じるまで、このモードに止まる。
【００４３】
コントローラのソフトウエア・モジュールは、スイッチにおける電圧と電流を連続的に監視しており、電流が０より大きくなるときには常に、電池が切り離されてしまい又は電源故障が生じている。ヒータをオフにすることにより、電流がゼロまで低減すると、電池は切り離され、ソフトウエアは待機モードへ進む。さもなければ、電流が０より大きいままであり、ソフトウエアは電源故障モードへ進む。
【００４４】
電源故障モードにおいては、電力スイッチが閉じられたままであり、電池温度は４０℃に保持される。整流器電力がなくなると直ちに、電池は電源故障モードに入る。電池がこのモードに止まるのは、（１）わずか３０分だけ、あるいは、（２）整流器電力が回復され、温度が８０℃に達し、電池が切り離され又は個々のセルにおける電圧が２ボルト以下に低下するまでである。３０分の遅延に達すると、電池温度の設定点は６０℃に上昇され、電池はホット電源故障モードに入る。電力が回復されると、電池は充電モードへ直接戻る。電池が切り離されるかセル電圧が２ボルト以下に低下すると、ヒータと電源スイッチとが開かれ、電池は待機モードに入る。
【００４５】
ホット電源故障モードにおいては、電力スイッチは閉じられた状態に保持され、電池温度は６０℃に保持される。ソフトウエアがこのモードに止まるのは、（１）電力が回復されない場合、（２）電池が遮断されている場合、（３）セル電圧の１つが２ボルトに達するまで、あるいは、（４）過剰温度又は短絡状態が検出された場合である。電力が回復されると、電池は充電モードへ直接進む。
【００４６】
短絡モードにおいては、電力スイッチが過剰電流検出回路により自動的に開かれ、ヒータがオフにされる。短絡状態が直されないかぎり、電池は当該モードに止まる。短絡状態が直ると、電池はコールド・モードへ戻る。
【００４７】
図５において、短絡が電池の外部ポストに生じると、スイッチにおける電圧の読みは電池電圧に等しくなる。この電圧の読みがゼロより大きいかぎり、ソフトウエアは短絡モードに止まる。電圧がゼロになると、ソフトウエアはコールド・モードへ戻る。
【００４８】
電池温度が８０℃に達し、電池が過剰温度モードになり、電池の電力スイッチが開かれると常に、ヒータがオフにされ、ソフトウエアは過剰温度モードに入る。電池温度が４０℃より高いかぎり、電池はこのモードに止まる。電池温度が４０℃に達するかあるいはこれより低いと、電池は待機モードへ進む。
【００４９】
図７は、ＮＰＳのエンティティ関係を示す。ＮＰＳソフトウエアは、電池のスイッチ、セルの電圧センサ及び加熱システムとのインターフェースを行う。また、当該ソフトウエアは、電池動作を指令制御すると共に電池監視情報を送出するユーザ・インターフェースをも提供する。
【００５０】
ＮＰＳ電池システムはシリアル・インターフェースを用いて外部装置と通信する。スクリプト指令を用いると、情報について照会し、あるいはソフトウエア機能パラメータを変更することが可能である。
【００５１】
電池の電力スイッチ（ＳＷpower）は、短絡状態が存在して電子回路がソフトウエア指令を無効にするときを除いて、ソフトウエアによって活性化され、開かれ又は閉じられる。閉じられると、検知回路（ハードウエア）は電力スイッチに流れる電流を監視し、この電流が５０アンペアを越えるとき電力スイッチを自動的に開く。この検知回路はまた、スイッチの状態（オン／オフ）、電圧及び電流を戻す。この状態はディジタル入力値であり、電流及び電圧は０ボルトと５ボルトとの間のアナログ値である。両信号がＡ／Ｄコンバータ・チャネルへ送られ、ソフトウエアにより読み取られる。
【００５２】
ヒータは、動作モードに従って内部電池温度を所要動作レベルへ調整するために用いられる。待機モードでは、ヒータ・スイッチが整流器又は負荷の存在を判定するためオン／オフされる。短絡モード及び過剰温度モードにおいては、ヒータはオフにされる。コールド・モード、浮動モード及び電源故障モードでは、温度の設定点は４０℃である。充電モード及びホット電源故障モードでは、温度設定点は６０℃である。
【００５３】
ＮＰＳ電池システムは、直列に接続された９つのセルから成る。各セルの出力電圧はアナログ・マルチプレクサへ送られ、該マルチプレクサからＡ／Ｄコンバータへ送られる。これは、マルチプレクサにおける適切なチャネルを選択することにより、及び、Ａ／Ｄコンバータにおける変換結果を読み取ることにより、ソフトウエアが個々のセルの出力電圧を測定することができることを意味する。
【００５４】
ソフトウエアは各セルを連続的に監視し、いずれかのセル電圧が２ボルトに達すると常に、電池の電力スイッチと電池が待機モードに戻される。
【００５５】
ＮＰＳシステムは、モトローラ社のマイクロコントローラ６８ＨＣ１１Ｆ１をベースとする。このマイクロコントローラは拡張モードで用いられ、６８ＨＣ１１Ｆ１資源、即ち、
８ビット・データ及び１６ビット・アドレスのバス（６４Ｋアドレス・スペース）としての２４個のＩ／Ｏポート、
５１２バイトＥＥＰＲＯＭ、
１０２４バイトＲＡＭ、
非同期シリアル通信インターフェース（ＳＣＩ）（全２重、ＮＲＺ）、
同期シリアル周辺インターフェース（ＳＰＩ）、
１４個のＩ／Ｏポート
を用いることができる。
【００５６】
図８に示されるように、ＮＰＳ電池システムに対して下記の資源、即ち、
３２ＫバイトＲＡＭ、
１６チャネルのマルチプレクサ、
１２ビットのＡ／Ｄコンバータ、
全２重電流ループ・インターフェース・アダプタ回路、
電池スイッチ回路、
抵抗温度検出器（ＲＴＤ）
が６８ＨＣ１１Ｆ１へ追加される。
【００５７】
オペレーティング・システム・サービス及びハードウエア資源
ＮＰＳソフトウエアは、いかなるオペレーティング・システムにも依存しない。このソフトウエアは、割込み駆動された事象を用いてタスク間で切換わる。事象の２つのソースは、ＳＣＩ通信割込みと実時間クロック割込みである。
【００５８】
ＮＰＳソフトウエアは、電池パラメータの監視とモード管理のためのタスク・スケジューラとして実時間クロックを使用する。６８ＨＣ１１ブーストラップ・モードはプログラムを内部６８ＨＣ１１の１ＫバイトＲＡＭへダウンロードするために用いられる。ダウンロード・プロセスが完了すると、６８ＨＣ１１は当該プログラムの実行を自動的に開始する。
【００５９】
ＮＰＳプロジェクトについては、このモードは、アプリケーションを３２Ｋバイトの不揮発性スタティックＲＡＭメモリへロードするユーティリティ・プログラムをダウンロードするために用いられる。この目的のため、ブーストラップ・ソフトウエアは通信コントローラを初期設定し、６８ＨＣ１１のＩ／Ｏピンの構成を適切な条件に設定する。初期設定プロセスが完了した後、ダウンロード・ユーティリティがＳＣＩを受信モードに設定し、アプリケーション・プログラム・ダウンロード・ファイルを待機する。ダウンロード・ファイル・フォーマットは、モトローラＳ１コードでなければならない。
【００６０】
アプリケーション・プログラムがメモリへダウンロードされた後、ブーストラップ・モードを外し、ボードをリセットしてアプリケーションを開始させる。
【００６１】
拡張モードは、ＮＰＳアプリケーション・ソフトウエアを実行するために用いられる。このモードは、非多重１６ビット・アドレス・バスと８ビット・データ・バスとを提供する。更に、ソフトウエアは、
同期ＳＰＩ転送のためのポートＤビット４、３，２、
ＳＣＩ通信のためのポートＤビット２−１、
実時間タイマ、
プログラム・チップ選択（ＰＧ７）、
入力／出力ポート（ＰＧ５−０及びＰＡ）
の使用を要求する。
【００６２】
依存性の記述
図９は、ＮＰＳソフトウエア・コンポーネントのデータ・フロー図を示している。セル電圧読取りの機能は、アナログ・マルチプレクサを用いて所与の電池セルと１２ビットＡ／Ｄコンバータを選択し、電圧の読みを取得する。呼出されると、この機能は１０個のセルの電圧を読取り、結果をＳＣＩインターフェースにより送出する。更に、どれかのセルの電圧の読みが２ボルト以下であれば、警報が発されて故障条件を知らせる。
【００６３】
スイッチ回路が、その状態（オン／オフ）、電圧及び電流のフィードバックを提供する。状態は入力ポートＰＡ−２を読出すことにより取得され、スイッチ電圧及び電流はマルチプレクサ・チャネル１０、１１における１２ビット・アナログ／ディジタル変換によってそれぞれ取得される。
【００６４】
ヒータ制御の機能は、所望のレベルに電池温度を保持するため用いられる。この機能は、温度設定点と不感帯値とを受取る。温度が温度設定点から不感帯値を差し引いた値以下であると常に、ヒータはオンにされる。他方、温度が温度設定点に不感帯値を加えた値以上であれば、ヒータはオフにされる。
【００６５】
ヒータ制御の機能は、マルチプレクサ・チャネル１２で１２ビットＡ／Ｄ変換から温度の読みを取得する。温度信号は、温度レベルに比例する電圧の読みを与える抵抗温度検出器（ＲＴＤ）回路から得られる。
【００６６】
環境制御の機能は電池パラメータの監視を行い、電力スイッチからの電圧及び電流の読みに従って電池動作モードを設定する。この機能はまた、過剰温度及び短絡条件の監視を行い、それに応じて電力スイッチとヒータ・スイッチとを制御する。
【００６７】
ユーザ・インターフェースの機能は、一連の制御・照会指令を提供して動作パラメータを変化させ、あるいは監視情報の照会を行う。スイッチ設定の機能は、電池の電力スイッチを制御するために用いられる。この機能は、活性化されると、電力スイッチ検知回路からのフィードバックを読取り、発された指令と共にスイッチの状態を確認する。
【００６８】
電池コントローラのソフトウエア・モジュール
電池コントローラ・カード上に種々のタスクを行う複数のソフトウエア・モジュールが存在する。一例として、当該モジュールの一部については次のパラグラフにおいて記述される。
【００６９】
論理値１が６８ＨＣ１１の入力ピンＭＯＤＡ及びＭＯＤＢにあると、マイクロコントローラが拡張モードで自動的に始動する。これは、Ｉ／ＯポートＢ、Ｆ、Ｃはそれぞれ１６ビット・アドレス・バス、８ビット・データ・バスとして構成され、他の全てのＩ／Ｏポートは入力ポートとして構成されていることを意味する。
【００７０】
この機能は、ポートＡ及びＧにおける出力ピンを初期設定し、それらの各値を下表に従って設定する。
【００７１】
【表１】
0004965763.tif 000002
【００７２】
電池コントローラ取得システムは、１６チャネルのアナログ・マルチプレクサを有する外部１２ビットＡ／Ｄコンバータをベースとする。外部Ａ／Ｄコンバータは、モトローラ社のＳＰＩ通信プロトコルと互換性のある同期インターフェースを用いてデータを送受する。
【００７３】
電池セルは１６チャネルのアナログ・マルチプレクサＭＡＸ３０６の最初の１０チャネルに接続され、ＭＡＸ３０６の出力は信号変換のためＡ／Ｄコンバータ（ＬＴＣ１２８６）へ送られる。セル１〜９はチャネル０〜８に接続される。チャネル選択は出力ポートＰＡ−４〜ＰＡ−７によって行われる。チャネルが選択されると、アナログ／ディジタル変換前に安定化するように、少なくとも５ミリ秒の遅延が対応する信号に対して与えられる。
【００７４】
電池の電力スイッチの相対電圧及び流れる電流に対する電圧信号及び電流信号もまた、Ａ／Ｄコンバータ（ＬＴＣ１２８６）により変換のためアナログ・マルチプレクサへ送られる。スイッチ電圧は、チャネル１１において得られ、スイッチ電流はチャネル１１において得られる。
【００７５】
スイッチ電圧及び電流取得の機能は、変換のため各チャネルを選択し、Ａ／Ｄコンバータからの結果を２つの変数で記録する。
【００７６】
温度は、電池内部に配置されたＲＴＤセンサにより得られる。ＲＴＤ値は電圧相当値へ変換され、アナログ・マルチプレクサのチャネル１２へ送られる。温度は、Ａ／Ｄコンバータ（ＬＴＣ１２８６）によりＲＴＤ信号を変換することによって得られる。温度の読みは、（変換されず）そのまま呼出しルーチンへ返される。
【００７７】
ユーザ・インターフェースの機能は、通信チャネルで受取られたメッセージを処理し、ポーリング要求を返す。
【００７８】
スケジューラは、６８ＨＣ１１実時間タイマ割込みに接続される。スケジューラは電池パラメータを確認し、図６に示される状態図に従ってソフトウエアを適切な動作モードへ設定する。８ＭＨzの水晶クロックにより、実時間タイマは３２．７７ミリ秒ごとに割込み（タイマ計時）を生成するように設定され、これはスケジューラが約３０Ｈzの速度で実行されることを意味する。スケジューラ・ハンドラは、実行される毎に、タイマ計時カウントを所望の遅れまで増分する。遅延に達すると、対応する機能（又はタスク）が実行され、カウントはこのプロセスを再開するようにリセットされる。
【００７９】
電池コントローラの遠隔アクセス及び制御
先に述べた電池コントローラには、遠隔コンピュータ・システムから遠隔的に制御されるように、インターネット網などのネットワークを介して到達できる。図７は、遠隔データ取得、制御及び監視ステーションからアクセスされ制御される複数の電池コントローラの全体的表示を示す。
【００８０】
ネットワークを介して電池コントローラに遠隔的にアクセスするため、ＴＣＰ／ＩＰ又はＵＤＰなどの種々のプロトコルが用いられる。制御ステーションと電池コントローラとの間に確立された通信リンクは、暗号化及びパスワード保護を用いることにより、データのセキュリティを提供する。ＵＰＳ制御装置もまた、ユーザにより要求されるとき、ＦＴＰ転送用のデータ記録能力を提供する。電池コントローラを遠隔的にアクセスするために、他の通信機能も同様に用いることができる。インターネット網その他の広域ネットワークを用いるので、データの取得、制御及び監視システムをどこにでも配置することができる。
【００８１】
図１２に示されるような全ＮＰＳシステムは、（１）遠隔ノードとの通信リンクを提供するＮＰＳ通信コントローラ、（２）２つの電池の列に対する監視機能を提供するＮＰＳ電流制限器、及び、（３）各電池において要求される監視及び制御を提供するＮＰＳ電池コントローラから成る。
【００８２】
遠隔ＮＰＳ監視ステーションは、ＮＰＳ通信コントローラにより記録されるログ・ファイルを取得し、ＮＰＳシステムのヒストグラム及び現状を表示する監視機能を提供する。
【００８３】
なお、図１２はＮＰＳシステム構成の一例を示すに過ぎない。電池コントローラの数、ならびに、ＮＰＳ電流制限器の数及び種類は、電池の出力電圧に依存して用途毎に変わる。
【００８４】
電池コントローラ管理者は、ＮＰＳシステムの状態を局所的に監視するため、及び、必要な機能を提供してＮＰＳシステム・コンポーネントに使えるようにするために、可搬型ＮＰＳサービス・ステーションを用いることができる。特に、このステーションは、ソフトウエア／ファームウエアを更新し、動作パラメータを修正し、ＮＰＳシステムのログ・ファイルをＮＰＳ通信コントローラからダウンロードするために用いられる。
【００８５】
結局、同じタスクを実施するために２つのステーション（即ち、可搬型ステーション及び遠隔ステーション）が設定される。
【００８６】
図１２に更によく示されるように、電池コントローラの場所において局所通信サーバとして機能する局所コンピュータ・ステーションが必要とされる。このＵＰＳ通信コントローラは、電池コントローラと遠隔の取得・制御・監視ステーションとの間のインターフェースとして用いられる。そのタスクは、通信網（インターネットその他）上で遠隔ステーション間でデータを送受することである。一例として、但しこれに限定するものではないが、ＵＰＳ通信コントローラは、下記の特徴、即ち、
ウインドウズ９５／ＮＴオペレーティング・システムを用いること、
Ｌｏｎｗｏｒｋｓ  ＦＴＴ−１０の７８Ｋビット通信インターフェースを備えること、
Ｌｏｎｔａｌｋファイル転送サービスを提供すること、
データ・ロギング及びプログラム・スペースに対する大量のディスク・スペースを有すること、
を具備する。
【００８７】
本発明について望ましい実施の形態に関して記述したが、本文の記述は望ましい実施の形態を教示することを意図するものであって、本発明の範囲を頭書の請求の範囲で定義される種々の実施の形態を包含しないよう限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  好ましい実施の形態に係る電池ユニットの斜視図である。
【図２】  好ましい実施の形態に係る電池ユニットに対する制御システムの概略ブロック図である。
【図３】  好ましい実施の形態に係るリチウム−ポリマー電池の一部を示す概略側面図である。
【図４】  好ましい実施の形態に係る電池におけるセル間に配置するための加熱素子を示す。
【図５】  ＮＰＳ電池システムの一般的な図を示す。
【図６】  電池コントローラの状態図を示しており、１つの状態から別の状態へ進む矢印はコントローラの動作状態を変更するため満たされねばならない条件を表わしている。
【図７】  ＮＰＳコントローラのエンティティ関係図を示す。
【図８】  ＮＰＳコントローラのブロック図を示す。
【図９】  ＮＰＳコントローラのデータ・フロー図を示す。
【図１０】  この発明のコントローラのソフトウエア・ブロック図である。
【図１１】  遠隔取得・制御・監視ステーションが網上で複数の電池コントローラを制御し得る方法を示す。
【図１２】  複数の電池を制御し監視するために複数の電池コントローラが用いられ、これらコントローラが遠隔監視ステーションにより遠隔的に監視される構成の一例を示す。
【図１】
0004965763.tif 000003
【図２】
0004965763.tif 000004
【図３】
0004965763.tif 000005
【図４】
0004965763.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
0004965763.tif 000009
【図８】
0004965763.tif 000010
【図９】
0004965763.tif 000011
【図１０】
0004965763.tif 000012
【図１１】
0004965763.tif 000013
【図１２】
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