JP6174084B2 - 電池パックおよびその制御方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、外部負荷を接続するための電池パックおよびその制御方法に関する。
従来、高出力の電池パックは、安全のために内部電池と外部負荷の間に開閉器を備えており、電池パックを使用しない場合、開閉器を開いて主回路を外部負荷から遮断することが知られている(例えば、特許文献1を参照)。
また、電池パックを使用する場合、開閉器を閉じることによって、電池パック内の内部電池と外部負荷を接続することができる。しかしながら、内部電池と外部負荷の電圧差(以下、「内外電圧差」と称す。)が大きい場合、接続時に大きな電流が流れるため、例えば、開閉器等の部品が破損する場合がある。
そこで、例えば、特許文献1に示すように、接続時における大きな電流を抑制するために、内外電圧差を測定し、測定された内外電圧差が所定値よりも大きい場合、外部負荷に出力される出力電流を制限するための出力制限抵抗を介して外部負荷を接続し、内外電圧差が小さくなった場合、開閉器を閉じるような制御手法が知られている。
具体的に、この従来の制御手法について、図6を参照して簡単に説明する。図6は、従来の電池パック60と、電池パック60に接続される外部負荷部80との回路例を示している。なお、電池パック60は、図6に示すような回路の他に、回路を構成する各要素を制御するための制御部(図示せず)を備えている。
電池パック60は、例えば、リチウムイオン電池等の電池パックに相当する。電池パック60は、内部電池部61、開閉器SW0、内部電圧測定部65、外部電圧測定部66、電流測定部67、正極端子68、負極端子69、および、出力制限抵抗部70を備える。
また、内部電池部61は、内部電池62および内部電池抵抗63を備える。出力制限抵抗部70は、抵抗値R01の出力制限抵抗72および出力制限抵抗用開閉器SW1を備える。
一方、電池パック60に接続される外部負荷部80は、電池負荷部82および抵抗/コイル/容量負荷部83を備える。また、電池負荷部82は、外部電池85および外部電池抵抗84を備える。抵抗/コイル/容量負荷部83は、抵抗負荷、コイル負荷、または容量負荷の何れかである抵抗/コイル/容量負荷86を備える。例えば、コイル負荷は、車両等に設けられたスタータ等のコイル負荷である。
このような構成では、外部負荷部80に電池負荷部82が含まれていることによって、電池負荷部82に含まれている内部電圧測定部65によって計測される内部電圧V1と、外部電圧測定部66によって計測される外部電圧Vとの間に電圧差(V1−V)(以下、「内外電圧差」と称する。)が生じる。
この内外電圧差は、図7に示すように時間経過とともに解消する。図7は、外部負荷部80が電池負荷部82を有している場合において、出力制限抵抗SW1を閉じた場合における内部電圧V1および外部電圧Vの電圧変化の時間推移を模式的に示したグラフの一例である。
初め、内部電圧V1は12Vを示しており、外部電圧Vは8Vを示しているため、内外電圧差が生じていることがわかる。そして、電流測定部67によって計測される電流I1が出力制限抵抗部70を介して流れることによって、次第に内外電圧差が解消される。そして、数十時間(例えば10時間)経過した後、内外電圧差が解消され、開閉器SW0を閉じることによって、電池パック60と外部負荷部80との間の接続が完了する。
しかしながら、上述したような従来の制御手法を用いた場合でも、内外電圧差が大きい場合、電池パック60を外部負荷部80に接続すると、大きな電流が流れうるという問題がある。
また、外部負荷が電池負荷、コイル負荷、または容量負荷であれば、上述したように出力制限抵抗を介して内外電圧差を解消することができる。しかしながら、図8に示すように外部負荷部90が、抵抗負荷部92または定電流負荷部93を有している場合、図9および図10に示すように内外電圧差が一定値を取り続ける。そのため、内外電圧差が一定値以内で解消せず、時間が経過した場合でも、開閉器SW0を閉じることができない場合がある。
例えば、図8に示すように、外部負荷部90が、抵抗94等を有する抵抗負荷部92および定電流源95等を有する定電流負荷を備える場合を想定する。また、開閉器SW0を閉じるか否かを判定するための閉判定条件として内外電圧差のみを用いるような従来の制御方法を想定する。このような場合、例えば、安全に開閉器SW0を閉じることができるような場合でも、内外電圧差が一定値を取り続けるため、開閉器SW0を閉じることができないと判定されるという問題がある。
例えば、図9は、外部負荷部90が抵抗負荷部92を有している場合において、出力制限抵抗SW1を閉じた場合における内部電圧V1および外部電圧Vの電圧変化の時間推移を模式的に示したグラフの一例である。
図9に示すように、例えば、内部電圧V1は10Vを示しており、外部電圧Vは約6.5Vを示しており、時間が経過した場合でも内外電圧V1及び外部電圧Vは一定値を取り続ける。そのため、内外電圧差が解消されないため、開閉器SW0を閉じることができず、抵抗負荷を接続することができない。
同様に、図10は、外部負荷部90が定電流負荷部93を有している場合において、出力制限抵抗SW1を閉じた場合における内部電圧V1および外部電圧Vの電圧変化の時間推移を模式的に示したグラフの一例である。
図10に示すように、例えば、内部電圧V1は10Vを示しており、外部電圧Vは約9.5Vを示しており、時間が経過した場合でも内外電圧V1及び外部電圧Vは一定値を取り続ける。そのため、内外電圧差が解消されず、開閉器SW0を閉じることができず、定電流負荷を接続することができないという問題がある。
この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、安全にかつ確実に外部負荷と接続するための電池パックおよびその制御方法を提供することにある。
実施形態の電池パックは、開閉器を介して外部負荷を接続するための電池パックであって、電池パック内の内部電池と外部負荷との間に設けられており、外部負荷に出力される出力電流値を制限するために用いられ、第1、第2、および第3の3つの異なる抵抗値を実現する出力制限抵抗と、出力制限抵抗の抵抗値を第1、第2、および第3の抵抗値の何れかに切替える切替手段と、第1、第2、および第3の抵抗値の各々に対して、出力電流値および外部負荷の電圧値を計測する計測手段と、計測の結果に基づき推定される外部負荷に応じて、出力制限抵抗を介さずに、開閉器を介して電池パックに外部負荷を接続するための制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とする。
以下、図面を参照してこの発明に係る実施形態を説明する。
図1は、本実施形態の電池パック8の構成例を示すブロック図である。電池パック8は、制御部10と、回路部20とを備えている。なお、電池パック8は、例えば、リチウムイオン電池を備えた電池パック、車両等に搭載されるエンジン起動用のバッテリとして用いられる電池パック、または、携帯用のバッテリとして使用される電池パックが想定される。
図1は、本実施形態の電池パック8の構成例を示すブロック図である。電池パック8は、制御部10と、回路部20とを備えている。なお、電池パック8は、例えば、リチウムイオン電池を備えた電池パック、車両等に搭載されるエンジン起動用のバッテリとして用いられる電池パック、または、携帯用のバッテリとして使用される電池パックが想定される。
図2は、外部負荷部80に接続された本実施形態の回路部20の一例を示す回路構成図である。
制御部10は、例えば、回路部20を制御するためのバッテリーマネジメントシステム(BMS)として実現される。なお、制御部10は、電池パック8の内部に備えられているものに限らず、電池パック8の外部に設けられていてもよい。
制御部10は、回路部20の開閉器SW0を介して回路部20を外部負荷部80に接続するための制御を行う。制御部10は、この制御を実現するために、MPU12およびアナログ−デジタル変換器(ADC)14を備える。
MPU12は、Serial Peripheral Interface(SPI)等によってADC14と接続されており、ADC14を介して、回路部20内の内部電圧測定部65、外部電圧測定部66、および電流測定部67と接続されている。
また、MPU12は、内部電圧測定部65、外部電圧測定部66、および電流測定部67のそれぞれによって測定された内部電圧(V1)、外部電圧(V)、および電流(I1)を示す情報(以下、「測定情報」と称す。)を、ADC14を介して取得する。
また、MPU12は、例えばGeneral Purpose Input/Output(GPIO)によって、回路部20内の開閉器SW0、出力制限抵抗用開閉器SW1,SW2,SW3と接続されている。なお、図2の回路構成図に示すように、出力制限抵抗器SW1,SW2,SW3の各々は、回路部20内の内部電池62と外部負荷部80との間に設けられており、外部負荷部80に出力される出力電流を制限するために用いられ、3つの異なる抵抗値R01,R02,R03を実現する出力制限抵抗(プリチャージ)の各々を制御するためのスイッチである。なお、出力電流値は、例えば電流(I1)の値である。また、出力制限抵抗器SW1,SW2,SW3の各々は、3つの異なる抵抗値を実現する出力制限抵抗の各々に対応付けられている。
そして、MPU12は、開閉器SW0、出力制限抵抗用開閉器SW1,SW2,SW3の各々に対して、例えば測定情報に基づき、各々の開閉器を制御するための制御信号を送る。これを実現するために、MPU12は、例えば、切替部16、計測部17、算出部18、及び推定部19を備える。
切替部16は、出力制限抵抗の抵抗値を3つの異なる抵抗値の何れかに切替えるための制御を行う。例えば、3つの異なる抵抗値に対応付けられた出力制限抵抗用開閉器SW1,SW2,SW3を切替えるための制御を行う。また、後述する計測部17からの抵抗値を切替えるための指示に応じて、出力制限抵抗用開閉器SW1,SW2,SW3を切替えるための制御を行う。また、後述する推定部19からの開閉器SW0を閉じるための指示に応じて、開閉器SW0を閉じるための制御を行う。
計測部17は、切替部16によって切替えられた3つの異なる抵抗値の各々に対して、少なくとも、測定情報に含まれる出力電流値および外部負荷部80の電圧値を計測するための制御を行う。例えば、切替部16によって切替えられた出力制限抵抗用開閉器SW1,SW2,SW3の各々に対応付けられている各出力制限抵抗に関して、測定情報を取得するために、ADC14を介して、内部電圧測定部65、外部電圧測定部66、および電流測定部67のそれぞれに対して、各測定情報を測定させるための制御を行う。
そして、計測部17は、ADC14を介して、内部電圧測定部65、外部電圧測定部66、および電流測定部67から測定情報を取得する。また、測定情報が取得されたことに応じて、取得された測定情報と異なる測定情報を取得するために、切替部16に対して、出力制限抵抗の抵抗値を切替えるための指示を送る。
算出部18は、計測部17によって取得された測定情報に基づき、後述する3つの不明な値、すなわち未知数である、外部電池85に対応する電圧値E2、外部電池抵抗84に対応する抵抗値R2、および抵抗負荷94に対応する抵抗値R3を算出する。なお、本実施形態では、従来技術のように外部負荷部80が有している負荷が予め分かっているのではなく、外部負荷部80が有している負荷が分からないような場合を想定している。そのため、このような未知数を算出する必要がある。
また、算出部18は、測定情報に基づき、出力制限抵抗を介さずに開閉器SW0を介して回路部20に外部負荷部80を接続する前における出力電流値(以下、「推定出力電流値」と称す。)を算出する。換言すると、仮に開閉器SW0を閉じた場合における出力電流値を算出する。
推定部19は、算出部18によって算出された電圧値E2、抵抗値R2、および抵抗値R3に基づき、外部負荷部80の負荷値または外部負荷部80が有する外部負荷の種類を推定する。以下、このような推定部19による推定の結果として外部負荷を判定することを「負荷判定」と称す。また、負荷値は、例えば、外部負荷部80が有する外部負荷に対応付けられた電圧値E2、抵抗値R2、または抵抗値R3等の値である。なお、このような負荷判定等の外部負荷に関する推定方法および判定方法の詳細については図4等を参照して後述する。
また、推定部19は、推定結果に基づき、開閉器SW0を閉じるか否かの判定も行う。例えば、算出部18によって算出された電圧値E2、抵抗値R2、および抵抗値R3に基づき、外部負荷部80の負荷値を推定し、推定された負荷値に応じて、外部負荷部80が有する外部負荷の種類を推定する。そして、推定される外部負荷の種類と、算出された推定出力電流値とに基づき、回路部20と外部負荷部80とを開閉器SW0を介して接続してもよいか否か、すなわち開閉器SW0を閉じるか否かを判定する。
そして、MPU12は、例えば、推定された負荷値または外部負荷の種類、または、推定出力電流値に応じて、出力制限抵抗を介さずに、開閉器SW0を介して回路部20に外部負荷部80を接続するための制御を行う。
例えば、推定部19は、推定出力電流値が回路部20の許容電流値よりも小さい場合、開閉器SW0を閉じてもよいと判定し、切替部16に対して開閉器SW0を閉じるための指示を行う。
次に、図2を参照して、回路部20および外部負荷部80の回路構成例について説明する。なお、図6または図8と同様の構成または内容については説明を省略する。
回路部20は、図6および図8に示すような従来技術の電池パック60と異なり、複数の出力制限抵抗を備えている。例えば、出力制限抵抗部30が、抵抗値R01の出力制限抵抗72および出力制限抵抗用開閉器SW1に加えて、さらに、抵抗値R02の出力制限抵抗34および出力制限抵抗用開閉器SW2、並びに、抵抗値R03の出力制限抵抗36および出力制限抵抗用開閉器SW3を備える。ここで、抵抗値R01,R02,R03はR01>R02>R03の関係を有し、例えば、それぞれ約30Ω、20Ω、10Ωであるが、外部負荷部80,90における外部電池電圧85、外部電池抵抗84、または抵抗94の値に応じて、抵抗値R01,R02,R03が変更されうる。
出力制限抵抗用開閉器SW1,SW2,SW3は、それぞれ、出力制限抵抗72,34,36の各々を制御するための開閉器である。
開閉器SW0は、出力制限抵抗部30と並列に接続されており、出力制限抵抗72,34,36を介さずに、回路部20と外部負荷部80とを接続するためのスイッチである。つまり、開閉器SW0は、出力制限抵抗値が0Ωであることと等価である。
内部電池部61は、電圧値E1の内部電池62と、内部電池62に接続された抵抗値R1の内部電池抵抗63を備える。電圧値E1は、例えば、約10Vまたは20Vを想定している。
内部電圧測定部65は、グラウンドに対する内部電池部61の電圧である内部電圧(V1)を測定する。
外部電圧測定部66は、グラウンドに対する外部負荷部80の電圧、すなわち正極端子68と負極端子69との間の電圧である外部電圧(V)を測定する。
電流測定部67は、内部電池部61と、出力制限抵抗部30または開閉器SW0との間に接続されており、外部負荷部80への出力電流(I1)を測定する。
一方、外部負荷部80は、電圧値E2の外部電池85、外部電池85と直列に接続されている抵抗値R2の外部電池抵抗84、および、外部電池85および外部電池抵抗84と並列に接続されている抵抗値R3の抵抗負荷94、の3つのパラメータからなるモデル化された回路を含む。
出力制限抵抗部30によって実現される抵抗値の数は、これらパラメータの数に等しくなるように設定する。すなわち、外部負荷部80が、前述したように3つのパラメータからなるモデル化された回路である場合、出力制限抵抗72,34,36等を用いて実現される抵抗値の数も3つとする。
3つの抵抗値を実現するために、図2に示す回路構成例では、選択的に使用される3つの並列接続された固定の抵抗値R01,R02,R03を示している。しかしながら、3つの抵抗値を実現するための回路は、このような構成に限られるものではない。
例えば、図2では、3つの出力制限抵抗72、出力制限抵抗34、および出力制限抵抗36を示しているが、少なくとも2つの出力制限抵抗を備えていればよい。例えば、出力制限抵抗34および出力制限抵抗36を備えていれば、抵抗値R02と、抵抗値R03と、抵抗値R02および抵抗値R03の合成抵抗値とによって、3つの抵抗値を実現することができるからである。
または、1つの可変抵抗を備え、この抵抗値を適宜変化させることによって、3つの抵抗値を実現するようにしても良い。
また、図8に示されているような定電流負荷部93を有している外部負荷部90であっても、定電流負荷部93を図2の電池負荷部82内の電池部電圧E2をマイナス値として取り扱うことにより、やはり図2の外部負荷部80のようなモデルとして取り扱うことができる。
なお、上述したように、外部電池電圧85、外部電池抵抗84、または抵抗94の値に応じて、すなわち電圧値E2、抵抗値R2、または抵抗値R3に応じて、抵抗値R01,R02,R03を変更してもよい。換言すると、外部負荷部80の負荷値を想定した値に応じて、抵抗値R01,R02,R03を変更してもよい。
例えば、抵抗値R2または抵抗値R3がミリオームオーダーの値であることが予め分かっているような場合を想定する。このような場合、例えば、電流値I1がアンペアオーダーの値(例えば、10A)になるような抵抗値の範囲において、抵抗値R01,R02,R03の各々の値の差を小さくするように、抵抗値R01,R02,R03を変更してもよい。具体的には、抵抗値R01,R02,R03が30Ω、20Ω、10Ωである場合、抵抗値R01,R02,R03を25Ω、20Ω、15Ωに変更してもよい。
次に、図3を参照して、電池パック8による電池制御方法の手順について説明する。
まず、本実施形態の電池制御方法の概要について説明する。まず、切替部16によって出力制限抵抗72,34,36が、例えば抵抗値が大きい順に切替えられる。そして、各々の接続状態において測定された内部電圧(V1)、外部電圧(V)、および出力電流(I1)に基づいて、算出部18によって、モデル化された回路の3つのパラメータである電圧値E2、抵抗値R2、および抵抗値R3が算出される。
まず、本実施形態の電池制御方法の概要について説明する。まず、切替部16によって出力制限抵抗72,34,36が、例えば抵抗値が大きい順に切替えられる。そして、各々の接続状態において測定された内部電圧(V1)、外部電圧(V)、および出力電流(I1)に基づいて、算出部18によって、モデル化された回路の3つのパラメータである電圧値E2、抵抗値R2、および抵抗値R3が算出される。
次に、算出部18によって、推定出力電流値として、開閉器SW0が閉じられた場合における電流値I1が算出される。そして、推定部19によって、算出された電流値I1が規定値以下であるか否かが判定される。算出された電流値I1が規定値以下である場合、切替部16によって、開閉器SW0が閉じられる。
次に、具体的に、電池制御方法の手順について説明する。
まず、切替部16によって、開閉器SW0および出力制限抵抗用開閉器SW1,SW2,SW3が開かれる(ステップS30)。次に、開閉器SW0、出力制限抵抗用開閉器SW2,SW3が開かれたまま、出力制限抵抗用開閉器SW1が閉じられる(ステップS32)。。
まず、切替部16によって、開閉器SW0および出力制限抵抗用開閉器SW1,SW2,SW3が開かれる(ステップS30)。次に、開閉器SW0、出力制限抵抗用開閉器SW2,SW3が開かれたまま、出力制限抵抗用開閉器SW1が閉じられる(ステップS32)。。
そして、出力制限抵抗用開閉器SW1が閉じられた状態で、内部電圧(V1)、外部電圧(V)、および出力電流(I1)が計測される(ステップS32)。この計測によって得られる内部電圧(V1)、外部電圧(V)、および出力電流(I1)を、それぞれ、内部電圧(V1_1)、外部電圧(V_1)、および出力電流(I1_1)とする。
同様に、出力制限抵抗用開閉器SW2に関して、開閉器SW0、出力制限抵抗用開閉器SW1,SW3が開かれたまま、出力制限抵抗用開閉器SW2が閉じられる(ステップS34)。
そして、出力制限抵抗用開閉器SW2が閉じられた状態で、内部電圧(V1)、外部電圧(V)、および出力電流(I1)が計測される(ステップS34)。この計測によって得られる内部電圧(V1)、外部電圧(V)、および出力電流(I1)を、それぞれ、内部電圧(V1_2)、外部電圧(V_2)、および出力電流(I1_2)とする。
同様に、出力制限抵抗用開閉器SW3に関して、開閉器SW0、出力制限抵抗用開閉器SW1,SW2が開かれたまま、出力制限抵抗用開閉器SW3が閉じられる(ステップS36)。
そして、出力制限抵抗用開閉器SW3が閉じられた状態で、内部電圧(V1)、外部電圧(V)、および出力電流(I1)が計測される(ステップS36)。この計測によって得られる内部電圧(V1)、外部電圧(V)、および出力電流(I1)を、それぞれ、内部電圧(V1_3)、外部電圧(V_3)、および出力電流(I1_3)とする。
次に、ステップS32,S34,S36において計測された内部電圧(V1_1,V1_2,V1_3)、外部電圧(V_1,V_2,V_3)、および出力電流(I1_1,I1_2,I1_3)に基づき、推定出力電流値が算出される。
ここで、具体的な推定出力電流値の算出方法について説明する。
内部電圧(V1_1,V1_2,V1_3)、外部電圧(V_1,V_2,V_3)、および出力電流(I1_1,I1_2,I1_3)は、未知数である電圧値E2、抵抗値R2、および抵抗値R3との間に、I1=(V−E2)/R2+V/R3の方程式が成り立つ。したがって、I1_1=(V_1−E2)/R2+V/R3、I1_2=(V_2−E2)/R2+V/R3、およびI1_3=(V_3−E2)/R2+V/R3の3つの連立方程式が成り立つ。よって、これら3つの連立方程式を解くことにより、電圧値E2、抵抗値R2、および抵抗値R3が算出される。
内部電圧(V1_1,V1_2,V1_3)、外部電圧(V_1,V_2,V_3)、および出力電流(I1_1,I1_2,I1_3)は、未知数である電圧値E2、抵抗値R2、および抵抗値R3との間に、I1=(V−E2)/R2+V/R3の方程式が成り立つ。したがって、I1_1=(V_1−E2)/R2+V/R3、I1_2=(V_2−E2)/R2+V/R3、およびI1_3=(V_3−E2)/R2+V/R3の3つの連立方程式が成り立つ。よって、これら3つの連立方程式を解くことにより、電圧値E2、抵抗値R2、および抵抗値R3が算出される。
また、(E1−V)/R1=(V−E2)/R2+V/R3の方程式も成り立つ。この方程式に、算出された電圧値E2、抵抗値R2、および抵抗値R3を代入することにより、開閉器SW0が閉じられた場合における外部電圧V(V_0)が算出される。そして、開閉器SW0が閉じられた場合における最大の推定出力電流(I1max_0)が、I1max_0=(V_0−E2)/R2+V_0/R3の方程式から求められる。
このように、出力制限抵抗用開閉器SW1,SW2,SW3が開かれた状態で、開閉器SW0が閉じられた場合に推定される最大の推定出力電流値(I1max_0)が算出される(ステップS38)。
次に、算出された最大の推定出力電流値(I1max_0)が、開閉器SW0が有する固有の値である最大電流許容値(I1max_SW0)よりも小さいか否かが判定される(ステップS40)。
I1max_0<I1max_SW0と判定されなかった場合(ステップS40:NO)、出力制限抵抗用開閉器SW3が閉じられた状態を維持したまま、内外電圧差(V1−V)を解消させるために一定時間(例えば、60秒)待機する(ステップS42)。そして、一定時間経過した後、ステップS32に戻る。
一方、I1max_0<I1max_SW0と判定された場合(ステップS40:YES)、すなわち、開閉器SW0を介して回路部20に外部負荷部80を接続してもよいと判定された場合、開閉器SW0が閉じられる(ステップS44)。そして、出力制限抵抗用開閉器SW3が開かれる(ステップS46)。このように、出力制限抵抗用開閉器SW1,SW2,SW3が開かれた状態で、開閉器SW0閉じられた状態になる(ステップS48)。
なお、ステップS42において一定時間待機することによって、例えば、外部負荷部80の状態が変化することがある。例えば、外部負荷部80が定電流負荷部93を有している場合、一定時間経過する間、外部負荷部80の電源がオフになることによって定電流負荷部93が外部負荷部80を有さなくなることがある。他の例として、外部負荷部80が電池負荷部82を有している場合、外部電池85が消費されることもありうる。さらに他の例として、発熱によって抵抗値が変化するようなヒューズ等を外部負荷部80が有している場合、例えば出力制限抵抗用開閉器SW1,SW2,SW3の何れかを閉じたことによって、外部負荷部80の負荷値である抵抗値が変化することもありうる。このような場合、その後のステップS40においては、判定条件が満足され、ステップS44に進むようになることもありうる。
次に、図4を参照して、開閉器SW0を閉じ得るか否かの判定結果について説明する。図4は、開閉器SW0を閉じ得るか否かの可否を示している開閉器閉判定達成可否表50の一例である。
開閉器閉判定達成可否表50は、開閉器SW0を閉じるか否かの判定条件を示す開閉器閉判定条件項目a、並びに、外部負荷部80が有していると推定される各外部負荷の種類を示す定電流負荷項目b、抵抗負荷項目c、および電池負荷項目dを有する。また、各項目は、従来技術の開閉器閉判定条件と、本実施形態における開閉器閉判定条件と、に関して区別して示されている。
従来技術では、従来技術に対応する開閉器閉判定条件項目aに示すように、内外電圧差(V1−V)の絶対値が所定の電位差ΔVよりも小さいか否か、すなわち|V1−V|<ΔV、を開閉器閉判定条件としている。また、上述したように、従来技術では、外部負荷部80の負荷値、または、外部負荷部80が有している外部負荷の種類が予め分かる場合しか想定できない。
一方、本実施形態では、本実施形態に対応する開閉器閉判定条件項目aに示すように、I1max_0<I1max_SW0を開閉器閉判定条件としている。また、上述したように、本実施形態では、外部負荷部80の負荷値、または、外部負荷部80が有している外部負荷の種類が予め分からないような場合も想定可能である。
次に、定電流負荷項目aについて、従来技術では、内外電圧差(V1−V)の絶対値が一定値(R1*I1)を維持するため、従来の開閉器閉判定条件の判定基準を満たさない場合がある。このような場合、電池パック60を外部負荷部80に接続することができない。
一方、本実施形態では、負荷判定を行うことによって外部負荷部80が定電流負荷部93を有すると判定された場合、内外電圧差(V1−V)が生じていた場合でも、例えば時間が経過することにより、本実施形態の開閉器閉判定条件を満たすようになる。そのため、従来技術では電池パック60を外部負荷部80に接続するができないような場合でも、本実施形態では電池パック60を外部負荷部80に接続することが可能となる。
ここで、負荷判定等の外部負荷に関する推定方法および判定方法の詳細について説明する。
例えば、算出された電圧値E2が負の値(例えば、−100V)であり、算出された抵抗値R2が約11Ωである場合、外部負荷部80が有する外部負荷の種類が定電流負荷部93であると推定されうる。また、例えば、算出された推定出力電流値が数十アンペアオーダーの値であれば、推定された定電流負荷93の負荷値も数十アンペアオーダーの値であることが推定されうる。なお、定電流負荷93の負荷値が数十アンペアオーダーであることは、電池パック8が例えばリチウムイオン電池を備えた電池パックである場合を想定すると、比較的小さい電流値であることを意味する。そして、このような場合、開閉器SW0を閉じた場合でも大きな電流が流れないと推定されるため、回路部20と外部負荷部80とを開閉器SW0を介して接続してもよいと判定されうる。
例えば、算出された電圧値E2が負の値(例えば、−100V)であり、算出された抵抗値R2が約11Ωである場合、外部負荷部80が有する外部負荷の種類が定電流負荷部93であると推定されうる。また、例えば、算出された推定出力電流値が数十アンペアオーダーの値であれば、推定された定電流負荷93の負荷値も数十アンペアオーダーの値であることが推定されうる。なお、定電流負荷93の負荷値が数十アンペアオーダーであることは、電池パック8が例えばリチウムイオン電池を備えた電池パックである場合を想定すると、比較的小さい電流値であることを意味する。そして、このような場合、開閉器SW0を閉じた場合でも大きな電流が流れないと推定されるため、回路部20と外部負荷部80とを開閉器SW0を介して接続してもよいと判定されうる。
また、例えば、算出された抵抗値R3がメガオーダーの値(例えば、1MΩ)である場合、外部負荷部80が有する外部負荷の種類が抵抗負荷部92であると推定されうる。また、例えば、算出された抵抗値R3がメガオーダーの値であるため、推定された抵抗負荷部92の負荷値もメガオーダーの抵抗値を示すことが推定される。そして、このような場合、抵抗値R3が大きいため開閉器SW0を閉じた場合でも大きな電流が流れないと推定され、回路部20と外部負荷部80とを開閉器SW0を介して接続してもよいと判定されうる。
また、例えば、算出された電圧値E2が20Vであり、算出された抵抗値R2がミリオーダーの値(例えば10mΩ)である場合、外部負荷部80が有する外部負荷の種類が電池負荷部82であると推定されうる。また、例えば、算出された抵抗値R2がミリオーダーの値であるため、推定された電池負荷部82の負荷値もミリオーダーの抵抗値を示すことが推定されうる。なお、このように外部負荷部80が電池負荷部82を有する場合、出力制限抵抗72,34,36等に関する発熱を防ぐために時間を掛けて内外電圧差(V1−V)を減少させる必要があるため、後述するように、内外電圧差(V1−V)が減少した後でなければ、開閉器SW0を閉じることができない。
図4を再び参照して、抵抗負荷項目bについて説明する。
従来技術では、内外電圧差(V1−V)の絶対値が一定値(E1−E1(R3/(R1+R3)))を維持するため、従来の開閉器閉判定条件の判定基準を満たさない場合がある。このような場合、電池パック60を外部負荷部80に接続することができない。
従来技術では、内外電圧差(V1−V)の絶対値が一定値(E1−E1(R3/(R1+R3)))を維持するため、従来の開閉器閉判定条件の判定基準を満たさない場合がある。このような場合、電池パック60を外部負荷部80に接続することができない。
一方、本実施形態では、負荷判定を行うことによって外部負荷部80が抵抗負荷部92を有すると判定された場合、内外電圧差(V1−V)が生じていた場合でも、例えば時間が経過することにより、本実施形態の開閉器閉判定条件を満たすようになる。そのため、従来技術では電池パック60を外部負荷部80に接続するができないような場合でも、本実施形態では電池パック60を外部負荷部80に接続することができる。
次に、電池負荷項目cについて、従来技術では、時間が経過するにつれて、内外電圧差(V1−V)の絶対値が減少する。そのため、図7を参照して上述したように、数十時間経過した後、最終的に、開閉器SW0を介して、電池パック60を外部負荷部80に接続することができる。
一方、本実施形態では、負荷判定を行うことによって外部負荷部80が電池負荷部82を有すると判定された場合、時間が経過するにつれて、内外電圧差(V1−V)の絶対値が減少する。そのため、最終的に、開閉器SW0を介して、電池パック60を外部負荷部80に接続することができる。
さらに、本実施形態では、従来技術とは異なり、負荷判定により負荷値として抵抗値R2が推定される。また、推定出力電流値が算出される。そして、例えば、抵抗値R2が大きいような場合、推定出力電流値は小さい値が算出される。そのため、従来のように、数十時間よりも短い時間経過した後、開閉器SW0を介して、電池パック60を外部負荷部80に接続することが可能となる。
次に、図5を参照して、本実施形態の電池パック8の制御方法を適用し、外部負荷部90が抵抗負荷部92を有している場合において、開閉器SW0を閉じた場合における内部電圧V1および外部電圧Vの電圧変化の時間推移の一例を模式的に示したグラフである。
図5では、横軸が秒オーダーの時間を示しており、縦軸が電圧(V)を示している。初め、内部電圧V1は10Vを示しており、外部電圧Vは約6.5Vを示している。その後、本実施形態の電池パック8の制御方法を適用することにより、例えば、秒オーダーで十数秒後(図5では、10秒後)に、開閉器SW0を閉じることができる。その後、内部電圧V1および外部電圧Vは、一定値(図5では、約8.3V)になることが示されている。
以上のような本実施形態によって、次のような効果を得ることができる。
外部負荷部80を電圧値E2、抵抗値R2、および抵抗値R3からなる3つのパラメータを使ってモデル化し、それに合わせて3つの出力制限抵抗部72,34,36を抵抗値が大きい順に切替えることによって計測された内部電圧(V1)、外部電圧(V)、および出力電流(I1)を用いた方程式から、3つのパラメータを算出することにより、安全に電池パック8を外部負荷部80に接続する判定を行うことが可能となる。具体的には、外部負荷部80が有する外部負荷の種類や、開閉器SW0を閉じた場合における出力電流値である推定出力電流値を推定することができる。そのため、例えば、内外電圧差(V1−V)が大きい場合でも、推定される外部負荷が(1)内部抵抗の大きい電池負荷部82、(2)大きい抵抗値を有する抵抗負荷部92、または(3)小さい電流値を示す定電流負荷部93、の何れかであると判定された場合、開閉器SW0を閉じることが可能となる。
外部負荷部80を電圧値E2、抵抗値R2、および抵抗値R3からなる3つのパラメータを使ってモデル化し、それに合わせて3つの出力制限抵抗部72,34,36を抵抗値が大きい順に切替えることによって計測された内部電圧(V1)、外部電圧(V)、および出力電流(I1)を用いた方程式から、3つのパラメータを算出することにより、安全に電池パック8を外部負荷部80に接続する判定を行うことが可能となる。具体的には、外部負荷部80が有する外部負荷の種類や、開閉器SW0を閉じた場合における出力電流値である推定出力電流値を推定することができる。そのため、例えば、内外電圧差(V1−V)が大きい場合でも、推定される外部負荷が(1)内部抵抗の大きい電池負荷部82、(2)大きい抵抗値を有する抵抗負荷部92、または(3)小さい電流値を示す定電流負荷部93、の何れかであると判定された場合、開閉器SW0を閉じることが可能となる。
また、電池パック8に備えられた制御部10によって、接続しようとしている外部負荷を推定することが可能となるため、従来技術よりも短時間に外部負荷部80との安全で確実な接続が可能となる。
より詳細には、外部負荷部80が抵抗負荷部92を有している場合において、安全に開閉器SW0を閉じることができるような場合でも、従来技術では内部電圧差(V1−V)が解消しないため、開閉器SW0を閉じることができない。しかしながら、本実施形態では、少なくとも数十秒後には、外部負荷の種類を推定し、安全に開閉器SW0を閉じることができると判定された場合には、開閉器SW0を閉じることが可能となる。
また、前述したように外部負荷部80を3つのパラメータを使ってモデル化することにより、例えば外部負荷部80が定電流負荷部93を有しているような場合でも、外部負荷の種類を推定することが可能となる。そして、このような場合でも、安全に開閉器SW0を閉じることができると判定された場合は、開閉器SW0を閉じることが可能となる。
また、外部負荷の種類等が分からないような場合でも、安全に電池パック8を外部負荷部80に接続することが可能となる。換言すると、例えばリチウムイオン電池等の電池パック8を多目的な用途で使用することが可能となる。
以上のように、本発明によれば、安全に外部負荷を接続するための電池パックおよびその制御方法が提供される。
要するにこの発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
8…電池パック、10…制御部、12…MPU、14…ADC、16…切替部、17…計測部、18…算出部、19…推定部、20…回路部、30…出力制限抵抗部、34…出力制限抵抗、36…出力制限抵抗、50…開閉器閉判定達成可否表、60…電池パック、61…内部電池部、62…内部電池、63…内部電池抵抗、65…内部電圧測定部(V1)、66…外部電圧測定部(V)、67…電流測定部(I1)、68…正極端子、69…負極端子、70…出力制限抵抗部、72…出力制限抵抗、80…外部負荷部、82…電池負荷部、83…抵抗/コイル/容量負荷部、84…外部電池抵抗、85…外部電池、86…抵抗/コイル/容量負荷、90…外部負荷部、92…抵抗負荷部、93…定電流負荷部、94…抵抗負荷、95…定電流源、SW0…開閉器、SW1,SW2,SW3…出力制限抵抗用開閉器。
Claims (7)
- 開閉器を介して外部負荷を接続するための電池パックであって、
前記電池パック内の内部電池と前記外部負荷との間に設けられており、前記外部負荷に出力される出力電流値を制限するために用いられ、第1、第2、および第3の3つの異なる抵抗値を実現する出力制限抵抗と、
前記出力制限抵抗の抵抗値を前記第1、第2、および第3の抵抗値の何れかに切替える切替手段と、
前記第1、第2、および第3の抵抗値の各々に対して、前記出力電流値および前記外部負荷の電圧値を計測する計測手段と、
前記計測の結果に基づき推定される外部負荷に応じて、前記出力制限抵抗を介さずに、前記開閉器を介して前記電池パックに前記外部負荷を接続するための制御を行う制御手段と、
を備える電池パック。 - 前記第1の抵抗値は前記第2の抵抗値よりも大きく、前記第2の抵抗値は前記第3の抵抗値よりも大きく、
前記切替手段は、前記第1、第2、第3の抵抗値の順に切替えるようにした、請求項1記載の電池パック。 - 前記外部負荷は、外部電池、前記外部電池と直列に接続されている外部電池抵抗、および、前記外部電池および前記外部電池抵抗と並列に接続されている抵抗負荷、の3つのパラメータからなるモデル化された回路を含み、
前記パラメータの数は、前記出力制限抵抗によって実現される抵抗値の数に等しい、請求項1または2記載の電池パック。 - 前記制御手段は、前記出力制限抵抗を介さずに前記開閉器を介して前記電池パックに前記外部負荷を接続する前における前記出力電流値を算出し、前記算出された出力電流値が前記電池パックに関する許容電流値よりも小さい場合、前記電池パックに前記外部負荷を接続する請求項1乃至3の何れか1項に記載の電池パック。
- 前記外部負荷は、電池負荷、抵抗負荷、および定電流負荷のうちの少なくとも1つを含む請求項1乃至4の何れか1項に記載の電池パック。
- 前記出力制限抵抗は、少なくとも2つの並列接続された固定抵抗、または可変抵抗である請求項1乃至5の何れか1項に記載の電池パック。
- 開閉器を介して外部負荷を接続するための電池パックの制御方法であって、
前記電池パック内の内部電池と前記外部負荷との間に設けられており、前記外部負荷に出力される出力電流値を制限するために用いられ、第1、第2、および第3の3つの異なる抵抗値を実現する出力制限抵抗の抵抗値を前記第1、第2、および第3の抵抗値の何れかに切替え、
前記第1、第2、および第3の抵抗値の各々に対して、前記出力電流値および前記外部負荷の電圧値を計測し、
前記計測の結果に基づき推定される外部負荷に応じて、前記出力制限抵抗を介さずに、前記開閉器を介して前記電池パックに前記外部負荷を接続するための制御を行う、
制御方法。
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