JP2011503559A - 電池縦続接続体を有する回路構成 - Google Patents

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Abstract

電池縦続接続体によって負荷が供給を受ける電気装置においては、充電状態の均等化を開始させ、かつ不足電圧又は過電圧を防止するために、電池縦続接続体の各電池の電圧は、高精度で測定されなければならず、可能な場合、適した構成要素が同時に使用されるべきである。この問題は、電池縦続接続体を有するある回路構成を提案することで解決され、その回路構成は、負極が接地電位(GND)を有する第1の電池(A1)と、負極が第1の電池の正極に結合された第2の電池(A2)とを備え、第1の側においては抵抗器(R1)を介して第1の電池の正極に結合されており、また、第2の側においては第1のスイッチ(S1)を介して接地電位(GND)に加えられコンデンサ(C1)を更に備えている。更に、第2の電池(A2)の正極は、第2のスイッチ(S2)を介して抵抗器(R1)とコンデンサ(C2)との間に結合される。コンデンサ(C1)は第1の電池の電圧(V1)に充電されることができ、また、電池縦続接続体全体とコンデンサ(C1)との差動電圧のみが測定されなければならない。

Description

本発明は、電池縦続接続体を有する回路構成に関する。
電池縦続接続体を有する回路構成は通常、電池縦続接続体の個々の電池の充電状態が異なることを防止し、したがって電池が早期に性能低下することを防止するために使用される。
電池縦続接続体を有する回路構成が、ドイツ特許第39 40 929(C1)号に記載されており、この特許において、電池縦続接続体の電池の極接続部に各々が取り付けられた直列回路の対を、制御回路が接続しており、したがって、並列に接続されたコンデンサ(capacitances)にそれぞれの電池が接続されている。コンデンサとコンデンサに接続された電池との間の電圧の差異に応じて、電荷の交換及び電荷の均等化が生じる。各電池は比較器回路に接続され、比較器回路は、実電圧をそれぞれの電池の目標電圧と比較し、制御回路に差動電圧を印加する。電荷を均等化するために、十分に充電された電池の回路対がまず閉鎖され、十分に充電されたコンデンサの電圧を有するまでコンデンサが充電されて十分に充電されたコンデンサの電圧を有する。その後、この回路対は開放され、十分に充電されていない回路対が閉鎖される。次いで、電荷がコンデンサから、十分に充電されていない電池に流れる。
この説明した回路構成の欠点として、この回路構成は、個々の電池電圧を測定するために各電池ごとに比較器回路を必要とし、また、電圧を均等化するための複数のコンデンサを備えた更なる回路を必要とする。
ドイツ特許第39 40 929(C1)号
本発明の目的は、簡潔な回路構成を用いて電池縦続接続体内で電圧の正確な測定が可能となり、かつ、別々に充電される電池の間で電圧の均等化が可能となる回路構成及び方法を提供することである。
この問題は、請求項1に記載の特徴を備えた回路構成、及び請求項10に記載の特徴を備えた方法によって解決される。更なる実施形態が、従属の請求項に示されている。
請求項1に記載の回路構成により、第1の電池の電圧が記憶されるために、電池縦続接続体の第2の電池の電圧の測定が可能となり、したがって、電池縦続接続体全体の電圧とコンデンサの電圧との差が、接地電位に対して測定される。これにより、各電池が、割り当てられた独立した測定回路を有することが不要となり、また、第2の電池の極における電圧値の差異ではなく差動電圧のみを接地電位に対して測定すればよいので、電池縦続接続体の合計電圧に対応して設計されていない測定回路を使用することも可能となる。リチウムイオン電池を備える電池縦続接続体の典型的な電圧値は、第1の電池の正極においては約4.0ボルト(V)、第2の電池の正極においては8.0Vとなる。本発明の回路構成において、第2の電池の電圧は、接地電位に対して8.0V、及び接地電位に対して4.0Vの差異として測定されなくてもよく、4.0Vの差動電圧が直接接地電位に対して測定される。
本回路構成の更なる実施形態において、直接第1の入力を介して第1の電池の電圧を供給される測定回路が存在し、測定回路の第2の入力は、充電状態にあるコンデンサの電圧と電池縦続接続体の総電圧との電圧差を供給される。この回路構成の特性により、ある測定回路、例えば、約5.5Vの最大電圧に対応して設計された市販の経済的なマイクロコントローラが、この目的で使用される。
別の実施形態において、測定回路は、供給されたアナログ電圧値をデジタル電圧値に変換できるアナログ・デジタルコンバータと、メモリーとを有する。デジタル電圧値は、例えば互いに比較するために、あるいは時間の経過に伴う電圧上昇を後の解析に利用できるようにするために、メモリーに保存される。アナログ・デジタルコンバータは、測定回路の第1の入力からのアナログ信号又は第2の入力からのアナログ信号のいずれをも受信することができ、したがって、2つのアナログ・デジタルコンバータが設けられる必要はなく、また、1つのアナログ・デジタルコンバータのみを用いると、各変換は同じ誤差を受け、その結果、2つの変換値の差異を計算する際、誤差は基本的に減じられることになる。メモリーは、1つのデジタル値用のメモリーとしても、複数のデジタル値用のメモリーとしても設計される。
一実施形態において、測定回路は、更に別の比較ユニットを有し、その比較ユニットは、規定の電圧値を現在の電圧値と比較するために使用される。
更なる実施形態において、第1の回路及び第2の回路が測定回路によって制御される。
更に別の実施形態において、第2の電池の正極は、第3の回路を介して測定回路に結合される。このようにして、測定回路は、電池縦続接続体を介してエネルギーを供給される。
一実施形態において、測定回路は内部基準電圧を有する。これにより電圧値を絶対的に測定することができ、それによって、特に、それぞれの電池の不足電圧又は過電圧を判断することが可能となる。更に、基準電圧により、より高精度な測定も可能となる。
更なる実施形態において、電池縦続接続体は充電回路に接続され、その結果、電池は充電回路を介して充電される。充電回路は測定回路によって制御されることができ、その結果、不足電圧が生じると、電池は自動的に充電される。
説明した回路構成は、特に、電池によって供給を受ける電気装置において使用される。そのような電気装置は、特に、携帯電話、電動歯ブラシ、かみそり若しくは脱毛器、手持型ミキサーなどのワイヤレスで操作される家庭用装置、又はコードレススクリュードライバなどのワイヤレスで操作される工具である。したがって、本発明はまた、そのような回路構成を特徴とする電気装置に関する。
更に、本発明は、電池縦続接続体の電圧を測定する方法に関する。その方法は、
・接地電位にある電池縦続接続体の第1のコンデンサを構成する、接地電位にあるコンデンサを、第1の電池の電圧が所望の精度でそのコンデンサの電圧と同じになるまで充電する工程と、
・特に、高インピーダンス(例えば数メガオーム)の抵抗器がコンデンサと接地電位との間に接続されているときに生じる、接地電位からコンデンサの結合を解除する工程と、
・コンデンサにおける電圧と総電圧との差異が接地電位に対して測定されるように、電池縦続接続体の総電圧をコンデンサに印加する工程、とからなる。
この方法の更なる実施形態において、第2の電池は抵抗器を介して部分的に放電されるか、あるいは、電池が充電されるとき、充電電流が抵抗器を介して第2の電池に部分的に供給される。これにより、第1の電池の電圧と比較して高い電圧が第2の電池において検出されるたびに、これらの電圧が均等化されるまで、第2の電池は、抵抗器を介して部分的に放電されるか、あるいは、第1の電池と同様に、充電電流の放電を介して徐々に充電されることが可能となる。
この方法の更なる別の実施形態において、測定回路は第1の電池のみを介して供給を受ける。この場合、第2の電池の電圧と比較して高い電圧が第1の電池において検出されると、測定回路の供給のため、第1の電池は第2の電池よりも迅速に放電されることになり、その結果、これらの電圧が均等化される。
本発明について、例示的実施形態の議論によって、また図を参照して、更に詳細に説明する。これに関連して、
電池縦続接続体内の電圧を測定するための回路構成。 図1と比較して更なる構成要素によって発展された回路構成。 回路構成を有する電気装置の概略図。
図1に従う回路構成は、第1の電池A1と第2の電池A2とを有する電池縦続接続体を有している。第1の電池A1は電圧V1を有し、第2の電池A2は電圧V2を有している。電圧値は、電池のそれぞれの充電状態によって決まる。第1の電池A1の負極は、接地電位、例えば地電位又は他の接地電位に接続されている。第1の電池A1の正極は、第2の電池A2の負極と抵抗器R1の双方に接続されている。抵抗器R1はコンデンサC1に接続されており、次にこのコンデンサC1は、第1のスイッチS1が閉鎖状態で、第1のスイッチS1を介して接地電位に接続される。第2の電池A2の正極は、第2のスイッチS2を介してコンデンサC1と抵抗器R1との間に結合されている。測定回路μCが破線で示されている。同じように、第1の入力AD1及び第2の入力AD2を測定するための電圧値が、測定回路μCに供給される。電池縦続接続体は、周知の方式で充電回路DCに接続されることができ、この充電回路DCを用いて電池縦続接続体を充電回路DCを介して放電させることはできないが、この充電回路DCを介して電池縦続接続体をおそらくは充電することができる。測定回路μCはまた、第2のスイッチS2を制御するように働き、これが点線で示されている。第1のスイッチS1は、ここでは測定回路μCの構成要素として設計されており、コンデンサは、測定回路の第2の入力AD2によって接地電位側に結合される。しかしながら、第1のスイッチS1はまた、測定回路μCによって制御される外部スイッチであることも可能である。スイッチの高精度を達成するために、第2のスイッチS2は、特に電圧降下の低い(若しくは実際的に電圧降下のない)スイッチとして、例えばFET又はMOS−FETとして設計されることができる。
電池がリチウムイオン電池である場合、電圧V1及びV2は、充電状態に応じて、例えば動作状態で2.5〜4.2ボルト(V)の値を取ることができる。第1の電池A1の正極におけるタップにより、第1の電池V1の電圧V1を直接測定することが可能となっている。そのようなタップが、ここでは測定回路μCの第1の入力AD1に接続されている。測定回路μCは、供給されたアナログ電圧値を、例えばアナログ・デジタルコンバータADCを介してデジタル電圧値に変換することができ、それにより、10ビットのアナログ・デジタルコンバータで、基準電圧の約1000分の1の精度が可能となる。デジタル電圧値は、更なる用途に、例えば(以下で説明するように)電圧値の比較用に、あるいは時間の経過と共に電圧V1を与えるために、測定回路μCのメモリーMに保存される。
図示の回路構成により、以下に説明する様々な種類の用途が可能となる。これらの用途には、
a)電池縦続接続体の電圧を測定するための回路構成としての使用、並びに
b)第1及び第2の電池の充電状態を均一化するための回路構成としての使用、が含まれる。
用途a)における図1に従う回路構成の機能は、以下の通りである。まず、第1の電池A1の電圧V1が、第1の電池A1の正極のタップを介して、第1の入力AD1にて測定回路μCに供給される。第1の入力AD1は、アナログ電圧値をデジタル電圧値に変換する測定回路μCのアナログ・デジタルコンバータACDに供給され、ここで、説明する実施形態におけるアナログ・デジタルコンバータADCは、10ビットの分解能を有しており、したがって、分割される最大電圧はリチウムイオン電池の最大電圧に対応するので、約4mVの精度が達成される。次の工程において、第1のスイッチS1が閉鎖され、第2のスイッチS2が開放される。次いで、第1の電池A1が、抵抗器R1を介してコンデンサC1を充電する。コンデンサC1(静電容量C)及び抵抗器R1(オーム抵抗R)を適切な大きさにすることにより、充電時間定数Tが、コンデンサC1の静電容量Cと抵抗器R1のオーム抵抗R1の積から得られる(T=R×C)ものとして定義されることができ、その結果、コンデンサC1に蓄えられた電圧は、数ミリ秒間の充電時間以内に約0.1%の精度(アナログ・デジタルコンバータADCが電圧値をデジタル化する大きさに対応する)で、第1の電池A1に蓄えられた電圧V1に対応する。より高い精度又はより低い精度で電圧値に対応することは、より長い充電時間又はより短い充電時間で達成される。このように、コンデンサC1における電圧の所望の精度が達成された場合、第1のスイッチS1が開放され、その結果、コンデンサC1の放電が基本的に禁じられ(第1のスイッチS1が開放されると、第2の入力は、メグオーム範囲(MΩ)の非常に高いインピーダンスを有する)、コンデンサC1の漏れ抵抗を介した低漏れ電流のみが、コンデンサC1の緩慢な放電をもたらす。次いで第2のスイッチS2が閉鎖され、その結果、第1の電池A1の電圧V1と第2の電池A2の電圧V2との和と、コンデンサC1の電圧V1’(V1’≒V1)との差に対応する電圧値が、測定回路μCの第2の入力AD2に供給され、したがって、電圧V=(V1+V2)−(V1’)=V2’が接地電位に対して測定される。
第2の入力AD2の電圧Vは、したがって、第1の電池A1の電圧V1を基準としたコンデンサC1の電圧V1’の精度によって示される精度で、電圧V2に対応する。コンデンサC1の充電時間を増加させることにより、この電圧の精度は向上する。第1のスイッチS1が開放されているとき、コンデンサC1は実際的には放電されず(これは、適した高品質のコンデンサを選択することによって保証される)、また、電圧測定値は、第2のスイッチS2を閉鎖した後、基本的に遅延を伴うことなく測定されるという事実により、コンデンサの自己放電もまた、電圧測定の精度には重要でない。第2の入力AD2の電圧値は、アナログ電圧値をデジタル電圧値に変換するアナログ・デジタルコンバータADCに供給される。アナログ・デジタルコンバータADCは、ここでは、第1の入力AD1を介して電圧値が同様に供給されるアナログ・デジタルコンバータと同じものであるが、測定回路μCは複数のアナログ・デジタルコンバータを有することもできる。
測定回路μCの供給電圧(図1に示す実施形態の外部電圧源から与えられる)が一定であり続けるという条件下で、第1の電池A1の電圧V1に対応する、記憶された第1のデジタル電圧値と、第2の電池の電圧V2に対応する第2のデジタル電圧値との相対比較が、例えば、測定回路μCの比較ユニットCPを使用してなされる。比較した電圧の差異は、2つの電池のうちの一方がもう一方よりも強く放電していることを示唆する。次いで、第1の電池A1の充電状態と第2の電池A2の充電状態を均一化するための対応する工程が取り入れられる。
測定回路μCが、一定の内部基準電圧Uref(図2を参照)を与える場合、電圧値は、互いに絶対的に比較されることができ、また、特に、それらの電圧値が、対応する電池がほぼ完全に放電したことに対応する臨界低電圧値に近いものであるか否かが判断される。次いで、完全な放電を防止するために必要な工程が導入される(既知の方式で達成される、放電の警告及び/又は装置の実負荷の未供給を表示するものである)。また、電池が充電されているとき、電池のそれぞれの電圧が臨界上限値に近づいており、電池の充電が停止される可能性があるか否かが判断される。また、言うまでもなく、基準電圧が外部的に与えられる。
説明した回路構成では、測定回路μCの使用が可能となっているが、この測定回路μCは、第1の電池A1の電圧V1と第2の電池A2の電圧V2との合計電圧V=V1+V2に対応して設計されたものではない。したがって、約5.5Vの最大電圧に対応して設計されたマイクロコントローラが測定回路として使用されることができ、合計電圧V=V1+V2は、完全に充電された電池を用いると約8.4Vとなる。また、この回路構成により、電池縦続接続体の電池の電圧を正確に(相対的にかつ/又は絶対的に)測定すること、並びに2つの電圧V1及びV2を正確に比較することが可能となる。測定の間、コンデンサC1を介して電流が流れないので、第1のスイッチS1の伝達抵抗と第2のスイッチS2の伝達抵抗は無関係であり、経済的な構成要素が使用される。基本的に、構成要素の高度な品質は、コンデンサC1にのみ必要となる。したがって、例えば、コンデンサC1の自己放電性を保つために、漏れ抵抗の高い紙又はプラスチック箔コンデンサが使用されることができ、このコンデンサは、ここでは、1つの電圧値、超低に対するメモリーとして使用されている。
用途b)における図1に従う回路構成の機能は、以下の通りである。電圧の比較により、第2の電池A2の電圧V2が第1の電池A1の電圧V1よりも高い、つまりV2>V1であると判断された場合、第2のスイッチS2が閉鎖され、第2の電池が抵抗器R1を介して放電されるような方式で、充電状態の均等化が生じる。一実施形態において、測定回路μCは、電圧値の測定を規則的に実施するので、抵抗器R1を介した第2の電池A2の部分放電は、第2の電池の電圧V2が、第1の電池A1の電圧V1と同じに、つまりV2=V1となったときに、第2のスイッチを開放することによって停止される。装置が充電している場合、第2のスイッチS2を閉鎖すると、電流の一部が、第2の電池A2を通さずに抵抗器R1を介して流れるようになり、その結果、第1の電池A1は、第2の電池A2よりも迅速に充電され、したがって、第2の電池A2の電圧V2と第1の電池A1の電圧V1が均等化される。また、測定回路μCは、電池の充電の間、電圧値V1及びV2を測定し、それに応じて第2のスイッチを開閉することができる。第1の電池A1の電圧V1が第2の電池A2の電圧V2よりも高い、つまりV1>V2と判断された場合、第1の電池は測定回路μCに供給するために使用されることができ、その結果、負荷への供給を伴わない、電池の休止モードにおける自己放電は、マイクロアンペア範囲(μA)で存在するのに対して、第1の電池A1は、測定回路μCへの供給によってミリアンペア範囲(mA)の電流を伴って放電される。これについて、以下で図2を参照して説明する。
図1と同じ構成要素が、基本的に、図2に従う回路構成に含まれており、それゆえに、これらの構成要素に関して、図1の説明を参照する。しかしながら、図2に従う回路構成は、図1に従う回路構成と比較して拡張されたものである。第1の電池の正極は、第1のダイオードD1を介して測定回路μCの供給入力に接続されている。更に、第2の電池A2の正極は、第3のスイッチS3を介して更なる抵抗器R2に接続されている。第3のスイッチS3は、測定回路μCによって制御されることができ、このことが点線で示されている。更なる抵抗器R2は、ツェナーダイオードを介して接地電位に接続されており、また、更なる抵抗器R2は、第2のダイオードD2を介して測定回路μCの供給入力に接続されている。この回路構成により、回路構成の第3の用途、つまり電池縦続接続体による測定回路μCへの供給が可能となる。測定回路μCはまた、図1に関連して前述したように供給電圧値を絶対的に測定するために使用される内部基準電圧Urefを有しており、その結果、不足電圧の発生を認識することができ、したがって、電池を不足電圧から保護することができ、それによって電池の推定寿命が増加する。
図2に従う実施形態において、測定回路μCは、電池を介して供給を受ける。第3のスイッチS3が閉鎖されると、測定回路μCは、第2のダイオードD2を介して電池縦続接続体の両電池から供給を受ける。更なる抵抗器R2及びツェナーダイオードZD1は、測定回路μCの動作電圧(約5.5V)を超える両電池の合計電圧においても、測定回路μCには、測定回路μCが設計された対象である電圧のみが供給されるように選択されている。電池縦続接続体の両電池から供給を受けるとき、測定回路は、電池の電圧がそれぞれ約2.5Vの不足電圧限界に近い場合でも、依然として完全な性能を発揮することができる。更に、大きな負荷が原因で結果として生じる電圧降下が測定回路μCの不足電圧につながることがないので、測定回路μCはまた、供給を受ける装置(図示しないが、かみそり又は家庭用装置で、測定回路μCは負荷、典型的にはモーターを扱う)の負荷を介して大きな負荷が電池に加えられる間、確実に供給を受けることができる。図1に関連して前述したように、測定回路μCは、第1の電池A1の電圧V1が第2の電池A2の電圧V2よりも高い、つまりV1>V2であれば、第1の電池A1のみによって供給を受けることもできる。この目的で、第2のスイッチは開放される。また、装置の待機動作において、測定回路μCは、第1のダイオードD1を介して供給を受け、第3のスイッチS3は依然として開放されている。この種の動作において、更なる抵抗器R2及びツェナーダイオードZD1を介した電圧調整の必要はなく、数マイクロアンペア(μA)のみが用いられる。
説明した回路構成により、高コストな構成要素を使用することなく、数ミリボルトの高度な測定精度が可能となる。実際に、経済的な市販のマイクロコントローラが測定回路μCとして使用される。
図3において、本発明に従う回路構成を有する電気装置100が示されている。この回路構成は、第1の電池A1と、第2の電池A2と、電子部品ELとからなる。電池は、電気装置100の負荷Lに供給する。そのような負荷は、例えばモーターであることがあり、このモーターは応用機構Aを駆動する。そのような応用機構Aは、例えば、電気かみそりの剪断刃、脱毛器の毛抜き要素、電気ドリルのドリルヘッド、又は手持型ミキサーの切刃である。携帯電話において、負荷は、ディスプレイと送受信ユニットとからなる。電気装置100の電池は、既知の方式で、非接触式充電によって又は直接接触を介して、充電ステーションLSにて充電される。この目的で、電気装置100は電子充電器を含んでいる。

Claims (13)

  1. 電池縦続接続体の電池のそれぞれの電圧を測定するのに適した回路構成であって、
    負極が接地電位(GND)に接続された第1の電池(A1)と、
    負極が前記第1の電池の正極に結合された第2の電池(A2)と、
    第1の側において、抵抗器(R1)を介して前記第1の電池(A1)の前記正極に結合されており、また、第2の側において、第1のスイッチ(S1)を介して前記接地電位(GND)に接続されるコンデンサ(C1)とを備え、
    前記第2の電池(A2)の正極が、第2のスイッチS2を介して前記抵抗器(R1)と前記コンデンサ(C1)との間に結合される、回路構成。
  2. 測定された電圧を評価するための測定回路(μC)を有し、前記第1の電池(A1)の前記正極が、前記測定回路(μC)の第1の入力(AD1)に結合されており、また、前記コンデンサ(C1)の前記第2の側が、前記測定回路(μC)の第2の入力(AD2)に結合されている、請求項1に記載の回路構成。
  3. 前記測定回路(μC)が、供給されたアナログ電圧値をデジタル化するためのアナログ・デジタルコンバータ(ADC)と、少なくとも1つのデジタル電圧値を記憶するためのメモリー(M)と、を有する、請求項2に記載の回路構成。
  4. 前記測定回路(μC)が、2つの電圧値を比較するための比較ユニット(CP)を有する、請求項2又は3に記載の回路構成。
  5. 前記第1のスイッチ(S1)及び前記第2のスイッチ(S2)が、前記測定回路(μC)によって制御される、請求項2〜4のいずれか一項に記載の回路構成。
  6. 前記第2の電池(A2)の前記正極が、第3のスイッチ(S3)を介して前記測定回路(μC)に結合される、請求項2〜5のいずれか一項に記載の回路構成。
  7. 前記測定回路(μC)が、電圧値の絶対的測定のための内部基準電圧(Uref)を有する、請求項2〜6のいずれか一項に記載の回路構成。
  8. 前記第1の電池(A1)の前記負極及び前記第2の電池(A2)の前記正極が、充電電流(DC)に結合されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の回路構成。
  9. 前記電池縦続接続体が、電気装置(100)の負荷(L)を供給するように働く、請求項1〜8のいずれか一項に記載の回路構成を有する電気装置(100)。
  10. 電池縦続接続体の電池の電圧に対する測定値である電圧を提供するための方法であって、
    接地電位(GND)に接続された前記電池縦続接続体の第1の電池(A1)の電圧(V1)が所定の精度でコンデンサ(C1)の電圧に近づくまで、接地電位に接続されたコンデンサ(C1)に充電する工程と、
    前記コンデンサ(C1)と接地電位(GND)との間の高インピーダンスを切り替えることによって、前記接地電位(GND)から前記コンデンサ(C1)の結合を解除する工程と、
    電池縦続接続体の前記第1の電池(A1)の電圧(V1)と第2の電池(A2)の電圧(V2)の総電圧を前記コンデンサ(C1)に印加する工程と、からなる方法。
  11. 更なる工程として、前記第2の電池(A2)の部分放電が、抵抗器(R1)を介して実施される、請求項10に記載の方法。
  12. 前記電池縦続接続体に充電する際の更なる工程として、前記第2の電池(A2)の充電電流の一部が、抵抗器(R1)を介して通電される、請求項10に記載の方法。
  13. 更なる工程として、測定回路(μC)に供給することが、前記第1の電池(A1)を介してのみ実施される、請求項10〜12のいずれか一項に記載の方法。
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