JP7768965B2 - Power System - Google Patents
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Description
本出願は、2017年12月22日に出願された国際出願第PCT/US2017/068301号の国内段階出願である2020年4月30日に出願された米国特許出願第16/760,762号の一部継続出願であり、これらは両方とも参照により本明細書に組み込まれる。 This application is a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 16/760,762, filed April 30, 2020, which is a national stage application of International Application No. PCT/US2017/068301, filed December 22, 2017, both of which are incorporated herein by reference.
本開示は、一般に、電源技術に関し、特に、配電バスに接続されたときに、バッテリーセルを監視し、その放電を制御するためのシステムに関する。 This disclosure relates generally to power supply technology, and more particularly to a system for monitoring and controlling the discharge of battery cells when connected to a power distribution bus.
このセクションは、本開示の例示的な実施形態に関連付けられ得る、当技術分野の様々な態様を紹介することを意図している。この説明は、本開示の特定の態様のより良い理解を容易にするためのフレームワークを提供することを助けると考えられる。したがって、このセクションは、この観点から読まれるべきであり、必ずしも従来技術の承認として読まれるべきではないことを理解されたい。 This section is intended to introduce various aspects of the art that may be related to example embodiments of the present disclosure. This discussion is believed to help provide a framework to facilitate a better understanding of certain aspects of the present disclosure. Accordingly, it should be understood that this section should be read in this light, and not necessarily as admissions of prior art.
現代の情報技術および電気通信システムは、様々な配電バス電圧で動作する配電バスを含む。たとえば、コンピュータサーバは、一般に、12ボルト(「V」)を、メモリ、プロセッサ、ストレージ、冷却ファン、およびI/Oなどの内部サブシステムに分配する(配電バスが供給電圧を提供するそのような内部サブシステムは、本明細書では「負荷回路」、または単に「負荷」と呼ばれる)。有線電気通信システムは、一般に、48V配電バス電圧レベルを使用し、ワイヤレス電気通信およびセルサイトシステムは、それらの内部電力配分バス電圧レベルとして24Vを使用することが多い。配電バス電圧レベルが異なるとしても、上述のシステムのすべては、これらの配電バスが、通常の動作下で数十アンペア(「A」)または数百アンペア(「A」)の電流を運ぶことができるという点で、いくつかの共通の特性を共有し、一般に、バス上の最大電圧エクスカーションが所望の公称値を上回るかまたは下回る固定値に制限されることを確実にするために、これらのバス上の電圧が調整されるという要件を有する。調整された配電バスは、その公称値に指定された電圧許容差が適用される。たとえば、+/-10%の許容差を有する12V配電バスは、13.2Vの最大レベルから10.8Vの最小レベルまでの範囲の動作エンベロープを有する。 Modern information technology and telecommunications systems include power distribution buses that operate at a variety of power distribution bus voltages. For example, computer servers typically distribute 12 volts ("V") to internal subsystems such as memory, processors, storage, cooling fans, and I/O (such internal subsystems to which a power distribution bus provides supply voltage are referred to herein as "load circuits," or simply "loads"). Wired telecommunications systems typically use a 48V power distribution bus voltage level, while wireless telecommunications and cell site systems often use 24V as their internal power distribution bus voltage level. Despite the different power distribution bus voltage levels, all of the above systems share some common characteristics in that these power distribution buses can carry tens or hundreds of amperes ("A") of current under normal operation and generally have a requirement that the voltage on these buses be regulated to ensure that the maximum voltage excursion on the bus is limited to a fixed value above or below a desired nominal value. A regulated power distribution bus is subject to a specified voltage tolerance around its nominal value. For example, a 12V power distribution bus with a tolerance of +/-10% has an operating envelope ranging from a maximum level of 13.2V to a minimum level of 10.8V.
過去10年以内に、短時間に非常に高い電流を供給するために最適化されたバッテリーシステムが開発された。バッテリーシステムは、典型的には、1つまたは複数のバッテリーセルを含む(本明細書では、「バッテリー」および「セル」という用語は、交換可能に使用され得る)。小型であるため、これらは、AC主電源の停電の場合に機器の短期的な電気的バックアップの役割を果たす従来の無停電電源装置(「UPS」)に取って代わる目的で、いくつかの機器タイプにおいて魅力的になっている。これらの高電力バッテリーシステムは、非常に高い放電電流を供給する能力が特有であるが、充電電流をゆっくりとしか受け入れることができないという欠点を有する。放電電流対充電電流のこの比率は、現在市販されている技術では、30:1、または40:1にもなり得る。 Within the past decade, battery systems optimized for delivering very high currents for short periods of time have been developed. Battery systems typically contain one or more battery cells (the terms "battery" and "cell" may be used interchangeably herein). Their compact size makes them attractive for some equipment types to replace traditional uninterruptible power supplies ("UPS"), which serve as short-term electrical backup for equipment in the event of an AC mains power outage. These high-power battery systems are unique in their ability to deliver very high discharge currents, but suffer from the drawback of only being able to accept charge currents slowly. This ratio of discharge current to charge current can be as high as 30:1 or even 40:1 with currently commercially available technology.
短時間のバックアップの用途に今日使用されている高電力バッテリーシステムは、典型的には、バッテリーシステムの出力電圧を配電バス電圧に整合させ、配電バスからバッテリーへの電流の逆流を防止するために、高エネルギーを処理することができるDC-DCコンバータ形式の出力レギュレータ(たとえば、出力DC-DCコンバータ)を使用し、これは、安全でない充電電流をもたらし、安全上の危険を表す。今日のシステムの多くでは、充電電流は、放電電流とは別個のパスを介して提供され、別個の低電力充電DC-DCコンバータによって提供され得る。したがって、そのような高電力出力DC-DCコンバータをなくすか、または、より高い電気効率およびより低いコストを有する異なる方式に置き換えることができる場合、コスト低減および電気効率改善の機会が存在し、この改善された方式を介してバッテリーシステムを配電バスに直接接続することが可能になる。 High-power battery systems used today for short-term backup applications typically use output regulators in the form of DC-DC converters capable of handling high energy (e.g., output DC-DC converters) to match the battery system's output voltage to the power distribution bus voltage and prevent reverse current flow from the power distribution bus to the battery, resulting in unsafe charging currents and representing a safety hazard. In many of today's systems, charging current is provided via a path separate from the discharge current and may be provided by a separate, low-power charging DC-DC converter. Therefore, an opportunity exists for cost reduction and electrical efficiency improvement if such high-power output DC-DC converters can be eliminated or replaced with a different approach having higher electrical efficiency and lower cost, allowing the battery system to be directly connected to the power distribution bus via this improved approach.
今日、バッテリーシステムを電気バスに直接接続するための従来技術が存在し、そのほとんどすべてが、充放電電流のオン/オフ制御のためにスイッチ素子(本明細書では単に「スイッチ」とも呼ばれる)として機能するハイサイドまたはローサイドの金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(「MOSFET」)対を使用している。MOSFETは、それらの製造プロセスの性質によって、MOSFETがオフに切り替えられたときでもMOSFETを通って一方向に電流が流れることを可能にするダイオード(すなわち、寄生ボディダイオード)を含むので、これらの用途において一般的に使用される。このボディダイオードは、多くの用途において問題となるが、実際には、本開示の実施形態における利点として利用される。 Today, conventional technology exists for directly connecting battery systems to electric buses, almost all of which utilizes a pair of high-side or low-side metal-oxide-semiconductor field-effect transistors ("MOSFETs") that function as switching elements (also referred to herein simply as "switches") for on/off control of charge and discharge currents. MOSFETs are commonly used in these applications because, by the nature of their manufacturing process, they contain a diode (i.e., a parasitic body diode) that allows current to flow in one direction through the MOSFET even when the MOSFET is switched off. While this body diode presents a problem in many applications, it is actually utilized as an advantage in embodiments of the present disclosure.
今日のバッテリーシステムの多くは、背中合わせに配置された2つのスイッチを利用し、その各々は、各スイッチと並列の寄生ボディダイオード、またはスイッチを超えた外部ダイオードのいずれかを含む。前向きダイオード(バッテリーから負荷に向く)を有するスイッチは、「充電」スイッチ(オフ状態では、任意の充電電流を遮断する)と見なされ、他方のスイッチは、「放電」スイッチ(オフ状態では、任意の放電電流を遮断する)である。この方式は、以下の条件が満たされる低電力配電バスに対して機能する。(1)バスの総電流容量(バス上で利用可能であるか、またはバスに結合された負荷によって消費されるかのいずれか)が、バッテリーの安全な充電または放電電流を超えない、(2)配電バス電圧は、バッテリーが放電された後に完全充電を受けるように、必要なときに十分に高くされ得るように制御可能である、および(3)負荷回路の許容動作電圧は、バッテリーが完全に放電されたとき(すなわち、0%の充電状態)の最小バッテリー端子電圧と、バッテリーが完全に充電されたとき(すなわち、100%の充電状態)の最大バッテリー端子電圧との間であるか、またはそれらを含む。しかしながら、配電バスに結合された負荷回路によって必要とされる電圧許容差が、配電バスに供給される電圧がバッテリーの完全充電電圧未満のままでなければならないような厳しい調整を必要とするとき、このアプローチを使用することは実用的ではなく、また、バスから通常利用可能な電流がバッテリーの安全な充電電流レベルを超えるときに使用することができない。 Many of today's battery systems utilize two switches arranged back-to-back, each containing either a parasitic body diode in parallel with the switch or an external diode across the switch. The switch with the forward-facing diode (pointing from the battery to the load) is considered the "charge" switch (when in the off state, it blocks any charging current), and the other switch is the "discharge" switch (when in the off state, it blocks any discharging current). This scheme works for low-power distribution buses where the following conditions are met: (1) the total current capacity of the bus (either available on the bus or consumed by loads coupled to the bus) does not exceed the safe charging or discharging current of the battery, (2) the distribution bus voltage is controllable so that it can be made high enough when necessary so that the battery receives a full charge after being discharged, and (3) the allowable operating voltage of the load circuit is between or includes the minimum battery terminal voltage when the battery is fully discharged (i.e., 0% state of charge) and the maximum battery terminal voltage when the battery is fully charged (i.e., 100% state of charge). However, this approach is impractical when the voltage tolerances required by the load circuits coupled to the power distribution bus require tight regulation such that the voltage supplied to the power distribution bus must remain below the battery's fully charged voltage, and cannot be used when the current normally available from the bus exceeds the battery's safe charging current level.
ノートブックおよびタブレットコンピュータ、ならびに携帯電話のために実装されるような低電力システムには、配電バスへの単セルまたは多セルのバッテリーシステムの直接接続のための業界標準が見られる。これらのデバイスは、充放電制御のために、前述の単一トランジスタスイッチの「背中合わせ」構成を使用する。図2は、スイッチQ1およびQ2(たとえば、MOSFET)が、バッテリーの高電圧側(+側)に接続されるように配置される、スイッチの「ハイサイド」構成を示す。スイッチQ1およびQ2は、2つのスイッチのうちのどちらがオンに切り替えられるかに応じて、バッテリーを充電および放電することができるように接続される。コントローラは、スイッチの各々に結合され、どの条件下で、どの持続時間、どのスイッチがオンに切り替えられるかを制御する。このように、コントローラによる充放電制御が行われる。コントローラは、バッテリーの健全性状態、充電レベル、瞬間容量、電圧、電流、温度、または設計者が選択することができる任意の他のパラメータに基づいて、充電または放電を許可または却下し得る。スイッチ、それらの寄生ボディダイオード、およびコントローラの組合せは、充電制御(配電バスからバッテリーへの充電の流れを禁止する)、放電制御(バッテリーから配電バスへの充電の流れを禁止する)、または配電バスからのバッテリー端子の完全な電気的絶縁(いずれの方向への充電の流れも禁止する)を可能にする。 Low-power systems, such as those implemented for notebook and tablet computers and mobile phones, have industry standards for direct connection of single-cell or multi-cell battery systems to a power distribution bus. These devices use the aforementioned single-transistor switch “back-to-back” configuration for charge and discharge control. Figure 2 shows a “high-side” switch configuration in which switches Q1 and Q2 (e.g., MOSFETs) are positioned to connect to the high-voltage side (+) of the battery. Switches Q1 and Q2 are connected so that the battery can be charged and discharged depending on which of the two switches is switched on. A controller is coupled to each of the switches and controls which switch is switched on under which conditions and for which duration. In this manner, charge and discharge control by the controller is achieved. The controller may permit or disallow charging or discharging based on the battery’s state of health, charge level, instantaneous capacity, voltage, current, temperature, or any other parameter the designer can select. The combination of the switches, their parasitic body diodes, and the controller allows for controlled charging (prohibiting the flow of charge from the power distribution bus to the battery), controlled discharging (prohibiting the flow of charge from the battery to the power distribution bus), or complete electrical isolation of the battery terminals from the power distribution bus (prohibiting the flow of charge in either direction).
このデュアルスイッチ制御方式は、許容可能な充電電流、放電電流、および利用可能なバス電流の大きさが近い、または許容可能な充電電流が利用可能なバス電流よりもかなり高い、多くのバッテリー用途で機能する。ラップトップコンピュータバッテリーは、充電レートが放電レートにほぼ等しい、たとえば、ほぼ1C(すなわち、公称バッテリー容量Cの1倍)である、典型的な設計点を有する。携帯電話のバッテリーは、より高い充電レート(たとえば、4Cまで)を有するように設計され得るが、典型的には、非常に低い放電レートを有する。これにより、電話機を迅速に充電することができ、同時に、単一回の充電で長い動作寿命を有することができる。これらの低い充放電レートでは、スイッチの寄生ボディダイオードは、必要な充放電電流を最小限の温度上昇および電力損失で通過させるのに十分な熱および電力能力を有する。 This dual-switch control scheme works for many battery applications where the allowable charge current, discharge current, and available bus current are close in magnitude, or where the allowable charge current is significantly higher than the available bus current. Laptop computer batteries have a typical design point where the charge rate is approximately equal to the discharge rate, e.g., approximately 1 C (i.e., 1 x the nominal battery capacity C). Cell phone batteries may be designed to have higher charge rates (e.g., up to 4 C), but typically have a very low discharge rate. This allows the phone to charge quickly while also having a long operating life on a single charge. At these low charge and discharge rates, the parasitic body diodes of the switches have sufficient thermal and power capabilities to pass the required charge and discharge currents with minimal temperature rise and power loss.
しかしながら、許容放電レートが許容充電レートをはるかに超えるバッテリー充電-放電非対称性を有する現実世界のシステムの例が増加している。たとえば、電気バックアップデューティを果たすバッテリーは、一般に、60~90分の充電時間と、60~90秒でバッテリーを完全に消耗させることができる高速放電時間のために設計されている。通常の充電電流と通常の放電電流との間のこの非常に大きい不均衡(すなわち、大きい充電-放電電流非対称性)によって、図2のデュアルスイッチ制御方式は非実用的である。具体的には、充電制御スイッチQ1に見られるボディダイオードは、その電圧降下および電力損失がシステムの動作に悪影響を及ぼすので、そのような方式が使用された場合に見る放電電流を運ぶにはまったく不適切である。加えて、エネルギー蓄積デバイスとしてリチウムイオンバッテリーを有する、厳しく調整された+12V配電バスの例では、そのような用途のために選択されるバッテリーは、+12V(たとえば、セル当たり4.0Vに充電された3つまたは4つの直列接続セル)に可能な限り近づける必要がある。当業者にはわかるように、低い順方向電圧特性(通常、従来のMOSFETの寄生ボディダイオードに見られるような)を有する絶縁ダイオードを介して+12Vの電源からこのバッテリーを完全に充電することは不可能である。 However, there are increasing examples of real-world systems with battery charge-discharge asymmetries where the allowable discharge rate far exceeds the allowable charge rate. For example, batteries performing electrical backup duty are typically designed for a 60-90 minute charge time and a fast discharge time that can completely deplete the battery in 60-90 seconds. This very large imbalance between the normal charge current and the normal discharge current (i.e., the large charge-discharge current asymmetry) makes the dual-switch control scheme of Figure 2 impractical. Specifically, the body diode found in the charge control switch Q1 is completely inadequate to carry the discharge current seen when such a scheme is used, as its voltage drop and power loss would adversely affect system operation. Additionally, in the example of a tightly regulated +12V distribution bus with lithium-ion batteries as the energy storage device, the batteries selected for such an application should be as close as possible to +12V (e.g., three or four series-connected cells charged to 4.0V per cell). As those skilled in the art will appreciate, it is not possible to fully charge this battery from a +12V supply through an isolation diode with low forward voltage characteristics (as typically found in the parasitic body diode of a conventional MOSFET).
前述の絶縁スイッチに加えて、調整システムは、バッテリー電圧をある電圧レベルから別の電圧レベルに変換して電力バスに安全に接続するときに電気出力を制御するように設計されている。たとえば、リニアレギュレータを使用して、特定の値または設定点で均一な電圧出力を提供することができる。図3を参照すると、直列パス素子(たとえば、ダイオードを並列に有するトランジスタ)を駆動する演算増幅器(「OPAMP」)を含むフィードバック回路が示されている。そのような調整システムでは、図3の回路は、本質的に図2の放電制御スイッチQ2に取って代わり、直列パス素子にわたる最小電圧降下が、負荷端子における電圧を負荷回路の指定された動作電圧しきい値(たとえば、最小許容動作電圧レベル)内に下げるのに十分な、リニアレギュレータへの入力とその出力との間(すなわち、バッテリー端子と負荷端子との間)に電圧降下を生成する交差点まで、負荷における調整された電圧出力を提供する。 In addition to the isolation switch mentioned above, regulated systems are designed to convert battery voltage from one voltage level to another to control electrical output when safely connecting to a power bus. For example, a linear regulator can be used to provide a uniform voltage output at a specific value or set point. Referring to FIG. 3, a feedback circuit including an operational amplifier ("OPAMP") driving a series pass element (e.g., a transistor with a diode in parallel) is shown. In such a regulated system, the circuit of FIG. 3 essentially replaces the discharge control switch Q2 of FIG. 2 and provides a regulated voltage output at the load up to a crossover point where a minimum voltage drop across the series pass element creates a voltage drop between the input to the linear regulator and its output (i.e., between the battery terminals and the load terminals) sufficient to reduce the voltage at the load terminals to within the load circuit's specified operating voltage threshold (e.g., minimum allowable operating voltage level).
そのようなリニアレギュレータは、低電力デバイスのために実装されるとき、満足に働き得る。しかしながら、電力レベルが増加するにつれて生じる多くの欠陥が存在する。第1に、直列パス素子は、その線形モードで動作され、入力電圧と出力電圧との間の電圧差が直列パス素子に課され、高電流の場合、非常に高い電力損失およびV*Iベースの発熱を生成する。この生成された熱は、環境に伝達されなければならず、またはさもなければ、デバイスから除去されなければならず、さもなければ、この熱は、直列パス素子パッケージ内に集中し、高出力トランジスタでさえも、すぐにオーバーヒートし、故障する。この電力損失から生成された熱に対処することができるパッケージは、直付けヒートシンク、およびデバイスを冷却するための大きいエアフローを有する非常に大きい物理的パッケージを必要とする。大部分の高出力バッテリーシステムは、このタイプのトランジスタパッケージングの使用を妨げる物理的空間制限および製造制約を有する。さらに、そのプリント回路基板(「PCB」)の接点を介して十分な熱を放散することができる、実用的である表面実装トランジスタ(「SMT」)を見つけることは困難である。 Such linear regulators can work satisfactorily when implemented for low-power devices. However, there are many deficiencies that arise as power levels increase. First, the series pass element is operated in its linear mode, and the voltage difference between the input and output voltages is imposed on the series pass element, generating very high power dissipation and V*I-based heat at high currents. This generated heat must be transferred to the environment or otherwise removed from the device; otherwise, it concentrates within the series pass element package, causing even high-power transistors to quickly overheat and fail. Packages capable of handling the heat generated from this power dissipation require very large physical packages with direct-attached heat sinks and significant airflow to cool the device. Most high-power battery systems have physical space limitations and manufacturing constraints that prevent the use of this type of transistor packaging. Furthermore, it is difficult to find practical surface-mount transistors ("SMT") that can dissipate sufficient heat through their printed circuit board ("PCB") contacts.
スイッチングレギュレータはまた、バッテリー電圧を固定バス電圧に変換するために使用され、それらは、その動作モードのためにはるかに電気的に効率的であり得る。一般に、降圧または「バック」コンバータは、動作のためにその出力電圧よりも高い入力電圧を必要とし、その入力電圧以上の出力電圧を生成することができない。バックコンバータの典型的な入出力電圧関係を図4に示す。これは、高効率および管理可能な切替えデューティサイクルを達成するために必要な要求レベルまでコンバータへの入力電圧を上昇させるために、より高い直列セル数を有する直列接続されたバッテリースタックを必要とする。しかしながら、そのようにセル数が高いと、コスト、回路の複雑さ、総回路パッケージング量、ならびにバッテリー管理システム(「BMS」)構成要素数および複雑さを増加させる可能性がある。図5には、DC-DCコンバータが「バックブースト」コンバータとして実装される代替が示されており、入力電圧が一定の出力電圧よりも低いか、等しいか、または高いかにかかわらず、一定の出力電圧を生成することができ、入力電圧が下がりすぎた場合、入力電流などのコンバータ動作パラメータが大きくなりすぎて、安全動作を継続できない可能性があることが認識されている。この理由から、ほとんどのバックブーストコンバータは、コンバータの損傷を防ぐために、入力不足電圧保護限界、すなわち「UVシャットダウン」限界を含む。バックブーストコンバータは、バックコンバータで達成可能であるよりも直列セル数を少なくすることはできるが、バックブーストコンバータの制御回路の中心を形成する集積回路は、バックコンバータの制御集積回路(「IC」)よりも見つけるのが困難であり、一般に高価である。バックブーストコンバータの典型的な入出力電圧関係を図5に示す。リニア、スイッチングバック、またはスイッチングバックブーストのどのDC-DC構成が、現在の最新の構成で使用されるかにかかわらず、DC-DCコンバータは、バッテリーシステムの最大出力電力を処理するために、電気的と熱的の両方で設計されなければならないことに留意されたい。たとえば、1500ワットの出力電力の定格を有するバッテリーシステムは、バッテリーが供給できる1500ワットをフルに処理するように設計されたDC-DCコンバータを必要とする。そのため、バッテリーと負荷回路との間に大型で高価なDC-DCコンバータが結合されなければならない。これを図6に示し、バッテリー(+)端子と出力電圧端子Voとの間に配置されたDC-DCコンバータを示す。バッテリーから出力電圧端子Voに供給されるすべての電力は、DC-DCコンバータを介して処理されなければならないので、DC-DCコンバータは、供給されることが期待される最大電力を安全に処理するようなサイズでなければならない。 Switching regulators are also used to convert battery voltages to fixed bus voltages, and they can be much more electrically efficient due to their operating mode. Generally, step-down or "buck" converters require a higher input voltage than their output voltage to operate and cannot generate an output voltage above that input voltage. A typical input-output voltage relationship for a buck converter is shown in Figure 4. This requires a series-connected battery stack with a higher series cell count to raise the input voltage to the converter to the required level necessary to achieve high efficiency and a manageable switching duty cycle. However, such a high cell count can increase cost, circuit complexity, total circuit packaging, and battery management system ("BMS") component count and complexity. Figure 5 shows an alternative implementation of a DC-DC converter as a "buck-boost" converter, which can generate a constant output voltage regardless of whether the input voltage is lower than, equal to, or higher than the constant output voltage, recognizing that if the input voltage drops too low, converter operating parameters such as input current may become too large to continue safe operation. For this reason, most buck-boost converters include an input undervoltage protection limit, or "UV shutdown," to prevent damage to the converter. While a buck-boost converter can accommodate fewer series cells than is achievable with a buck converter, the integrated circuit that forms the heart of a buck-boost converter's control circuitry is more difficult to find and generally more expensive than a buck converter's control integrated circuit ("IC"). A typical input/output voltage relationship for a buck-boost converter is shown in Figure 5. Regardless of which DC-DC topology—linear, switching buck, or switching buck-boost—is used in today's modern configurations, it's important to note that the DC-DC converter must be designed, both electrically and thermally, to handle the maximum output power of the battery system. For example, a battery system rated for 1500 watts of output power requires a DC-DC converter designed to handle the full 1500 watts the battery can deliver. Consequently, a large and expensive DC-DC converter must be coupled between the battery and the load circuit. This is illustrated in Figure 6, which shows the DC-DC converter placed between the battery (+) terminal and the output voltage terminal, V. Because all power delivered from the battery to the output voltage terminal, V, must be processed through the DC-DC converter, the DC-DC converter must be sized to safely handle the maximum power expected to be delivered.
本明細書に記載される特定の実施形態は、例示のために示され、本開示の実施形態の限定として示されないことが理解されよう。本開示の主な特徴は、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な実施形態において採用することができる。 It will be understood that the specific embodiments described herein are shown by way of example and not as limitations on the embodiments of the present disclosure. The principal features of the present disclosure can be employed in various embodiments without departing from the scope of the present disclosure.
慣例により、回路図および方程式における電流は、記号iで参照され、アンペア、または(「A」)の単位で表される。 By convention, current in circuit diagrams and equations is referred to by the symbol i and is measured in units of amperes, or ("A").
リニアまたはスイッチングレギュレータの代替として、米国公開特許出願第2020/0350779号内に開示されるシステムは、負荷回路(たとえば、図7を参照)が接続され得る出力(たとえば、配電バス)に電源(たとえば、バッテリー端子電圧)を接続する、個別に制御されるスイッチのセットを提供する。MOSFETがスイッチとして利用されるとき、MOSFETは、所定の(たとえば、プログラムされた)方法で動作して、MOSFETのボディダイオードの固有の順方向電圧降下および/または各MOSFETと直列に結合された外部抵抗(たとえば、抵抗素子)を利用して、バッテリーからの出力電圧および電流の供給を調整することができる。そのような回路は、バッテリー放電DC-DCコンバータに取って代わり、高い放電電流に耐え、かつ/または高電力で動作するリニアまたはスイッチングレギュレータと比較して、多くの動作モードでより効率的に動作するように構成され得る。 As an alternative to linear or switching regulators, the system disclosed in U.S. Published Patent Application No. 2020/0350779 provides a set of individually controlled switches that connect a power source (e.g., a battery terminal voltage) to an output (e.g., a power distribution bus) to which a load circuit (see, e.g., FIG. 7) can be connected. When MOSFETs are utilized as switches, the MOSFETs can operate in a predetermined (e.g., programmed) manner to regulate the output voltage and current supply from the battery using the inherent forward voltage drop of the MOSFET's body diode and/or an external resistor (e.g., a resistive element) coupled in series with each MOSFET. Such a circuit can be configured to replace a battery discharge DC-DC converter, withstand high discharge currents, and/or operate more efficiently in many operating modes compared to linear or switching regulators operating at high power.
放電制御スイッチの並列接続により、バッテリー放電電圧の印加を制御することができ、かつ等価出力電圧調整を提供することができる方法を理解するために、次に、例示的なバッテリーの特性動作について説明する。 To understand how the parallel connection of discharge control switches can control the application of battery discharge voltage and provide equivalent output voltage regulation, the characteristic behavior of an example battery will now be described.
リチウムイオン(「Li-ion」)ベースの充電式バッテリーなどの充電式バッテリーは、各バッテリーセルの動作電圧範囲、最大放電電流、内部インピーダンス、および比容量を定義する、異なる内部材料および特定の化学組成で構成され得る。これらのパラメータの各々は、各タイプのセルに固有の放電電圧対放電電流曲線(「V-I曲線」とも呼ばれる)のファミリーを定義する。 Rechargeable batteries, such as lithium-ion ("Li-ion")-based rechargeable batteries, can be constructed with different internal materials and specific chemical compositions that define each battery cell's operating voltage range, maximum discharge current, internal impedance, and specific capacity. Each of these parameters defines a family of discharge voltage versus discharge current curves (also called "V-I curves") that are unique to each type of cell.
バッテリーは、バッテリーの各セル内に含まれる活性化学物質の有限の重量または体積によって決定される一定の化学エネルギー容量で構成されてもよい。容量は、所与の電流での放電によって測定され、時間は、ある最小電圧が達成されるまで測定される。容量は、典型的には、ミリアンペア時(「mAh」)またはアンペア時(「Ah」)で報告される。この容量は、本明細書では、バッテリーが100%充電状態(「SOC」)(すなわち、最大許容電圧まで完全に充電された)の状態から0%SOC(すなわち、最小許容電圧まで完全に放電された)の状態まで放電する1時間にわたるバッテリーから利用可能な連続電流に対応する文字「C」によって表される。任意の所与の放電電流に対して、バッテリーの端子電圧は、そのSOCに応じて降下する。バッテリーの化学容量が枯渇するにつれて、SOCは、100%から0%に減少する。 A battery may be configured with a fixed chemical energy capacity determined by the finite weight or volume of active chemicals contained within each cell of the battery. Capacity is measured by discharge at a given current and time until a certain minimum voltage is achieved. Capacity is typically reported in milliampere-hours ("mAh") or ampere-hours ("Ah"). This capacity is represented herein by the letter "C," which corresponds to the continuous current available from a battery over one hour as the battery discharges from 100% state of charge ("SOC") (i.e., fully charged to the maximum allowable voltage) to 0% SOC (i.e., fully discharged to the minimum allowable voltage). For any given discharge current, the battery's terminal voltage drops according to its SOC. As the battery's chemical capacity is depleted, the SOC decreases from 100% to 0%.
図8は、ニッケルマンガンコバルト(「NMC」)化学を使用した、4つの直列接続されたリチウムイオン充電式セルの例示的なバッテリーについての、異なる可能な負荷電流における電圧曲線対SOCのファミリーのプロット(すなわち、V-I曲線)を示す。これらの曲線は、バッテリー電圧がバッテリー電流およびSOCの様々な条件に対して動作し得る例示的な動作エンベロープを定義する。より具体的には、図8のプロットは、10A、12A、15A、および20Aの電流需要中にバッテリーが1Ahの容量を有する異なる負荷電流における電圧曲線対SOCを表す。 Figure 8 shows a family of plots (i.e., V-I curves) of voltage curves versus SOC at different possible load currents for an exemplary battery of four series-connected lithium-ion rechargeable cells using nickel manganese cobalt ("NMC") chemistry. These curves define an exemplary operating envelope within which the battery voltage may operate for various conditions of battery current and SOC. More specifically, the plots in Figure 8 represent voltage curves versus SOC at different load currents where the battery has a capacity of 1 Ah during current demands of 10 A, 12 A, 15 A, and 20 A.
容易にわかるように、任意の所与のSOCにおけるバッテリーの端子電圧は、電流需要の増加に応じてより低くシフトする。電流需要が増加するにつれて、電圧スケール上の曲線間の距離が離れるのは、バッテリーセルの内部抵抗またはインピーダンスに起因する。内部インピーダンスが高いほど、バッテリー出力端子に存在する所与の印加放電電流に対するバッテリー端子電圧は低くなる。したがって、所与のSOCにおけるバッテリー端子電圧は、SOCだけでなく、放電電流需要にも依存し、特性曲線によって定義される動作エンベロープ内に存在する。 As can be easily seen, the terminal voltage of a battery at any given SOC shifts lower as current demand increases. The distance between the curves on the voltage scale increases as current demand increases is due to the internal resistance or impedance of the battery cell. The higher the internal impedance, the lower the battery terminal voltage for a given applied discharge current present at the battery output terminals. Therefore, the battery terminal voltage at a given SOC depends not only on the SOC but also on the discharge current demand, and lies within the operating envelope defined by the characteristic curve.
図8の図から理解され得るように、典型的なバッテリーの出力(放電)電圧は一定ではなく、バッテリー出力端子およびSOCに存在する放電電流とともに可変であり、したがって、典型的なバッテリー自体は、蓄えられたエネルギーがバッテリーから消耗されるのにかかる時間にわたって、または負荷電流が変化するのに伴って、特定の電圧範囲内でその放電電圧を調整または維持する固有の能力を有していない。しかしながら、本明細書で前述したように、配電バスに電力を供給する任意のソースが、配電バス上の最大および最小電圧エクスカーションを、所望の公称値、すなわち、指定された(たとえば、エラーフリー)動作を保証するために、配電バスに結合された負荷によって許容され得る電圧の許容範囲(本明細書では「指定された負荷電圧許容範囲」と呼ばれる)よりも上または下の指定された値に制限することを保証するように、配電バスに供給される電圧を調整することが必要であるということが、電力システムにおいて非常に一般的である。これは、配電バスに(たとえば、バッテリーまたは他の電源によって)供給される出力電圧を、そのような指定された負荷電圧許容範囲内に維持するために、前述のような電圧レギュレータまたはDC-DCコンバータが実装されている理由の1つである。 As can be seen from the diagram in FIG. 8, the output (discharge) voltage of a typical battery is not constant but rather varies with the discharge current present at the battery output terminals and SOC. Therefore, a typical battery itself does not have the inherent ability to regulate or maintain its discharge voltage within a specific voltage range over the time it takes for stored energy to be depleted from the battery or as the load current changes. However, as previously described herein, it is very common in power systems for any source supplying power to a power distribution bus to regulate the voltage supplied to the power distribution bus to ensure that maximum and minimum voltage excursions on the power distribution bus are limited to a desired nominal value, i.e., a specified value above or below a voltage tolerance range (referred to herein as a "specified load voltage tolerance") that can be tolerated by a load coupled to the power distribution bus to ensure specified (e.g., error-free) operation. This is one reason why voltage regulators or DC-DC converters, such as those described above, are implemented to maintain the output voltage supplied to the power distribution bus (e.g., by a battery or other power source) within such specified load voltage tolerance range.
再び図8を参照すると、本開示の実施形態を説明するために、特定の負荷に対する放電バッテリーのための動作エンベロープは、いくつかの領域、この例では、領域1、2、3、および4に分割され得る。領域1エリアは、負荷の指定された負荷電圧許容範囲を下回るSOC曲線に対するバッテリー端子電圧上の動作点を定義する。領域2エリアは、指定された負荷電圧許容範囲内にあるSOC曲線に対するバッテリー端子電圧上の動作点を定義する。領域3エリアは、指定された負荷電圧許容範囲を上回るSOC曲線に対するバッテリー端子電圧上のいくつかの動作点を定義する。本明細書でさらに説明されるように、この領域3エリア内で動作する間、本開示の実施形態は、N-FET/抵抗器対ネットワーク(N FET/resistor pair network)(たとえば、図9を参照)を利用して、負荷に提供される出力電圧のより微細な制御を提供するように構成される。本開示の例示的な実施形態によれば、領域3エリアの上部境界は、領域2エリアの上部境界よりも、負荷電圧の公称値の約5%未満だけ上にある(たとえば、12V公称負荷電圧の場合は0.6V、24V公称負荷電圧の場合は1.2Vなど)。領域4エリアは、領域3エリアよりも上にあるSOC曲線に対するバッテリー端子電圧上の動作点を定義する。図10に関して説明した例示的なバッテリーの動作エンベロープも同様の領域に分割される。 Referring again to FIG. 8, for purposes of illustrating embodiments of the present disclosure, the operating envelope for a discharging battery to a particular load may be divided into several regions, in this example, Regions 1, 2, 3, and 4. The Region 1 area defines operating points on the battery terminal voltage for an SOC curve that is below the load's specified load voltage tolerance. The Region 2 area defines operating points on the battery terminal voltage for an SOC curve that is within the specified load voltage tolerance. The Region 3 area defines several operating points on the battery terminal voltage for an SOC curve that is above the specified load voltage tolerance. As described further herein, while operating within this Region 3 area, embodiments of the present disclosure are configured to provide finer control of the output voltage provided to the load by utilizing an N-FET/resistor pair network (e.g., see FIG. 9). According to an exemplary embodiment of the present disclosure, the upper boundary of the Region 3 area is less than about 5% above the upper boundary of the Region 2 area for the nominal value of the load voltage (e.g., 0.6 V for a 12 V nominal load voltage, 1.2 V for a 24 V nominal load voltage, etc.). The Region 4 area defines operating points on the battery terminal voltage for the SOC curve that are above the Region 3 area. The operating envelope of the exemplary battery described with respect to FIG. 10 is also divided into similar regions.
図7は、米国特許出願第2020/0350779号内に開示されたシステム700の回路ブロック図である。システム700は、N(ただしN≧2)個の並列接続された放電スイッチ710a~710d(たとえば、MOSFET)のネットワークを含む定義されたスイッチング構成を介して、バッテリー708の出力端子を配電バス704に選択的に結合するように構成されたバッテリーシステム706を使用し、各スイッチは、抵抗器750a~750dと直列に結合されて、N個のFET/抵抗器対のネットワークを形成する。 Figure 7 is a circuit block diagram of a system 700 disclosed in U.S. Patent Application Publication No. 2020/0350779. System 700 uses a battery system 706 configured to selectively couple the output terminals of a battery 708 to a power distribution bus 704 via a defined switching arrangement including a network of N (where N >= 2) parallel-connected discharge switches 710a-710d (e.g., MOSFETs), each coupled in series with a resistor 750a-750d to form a network of N FET/resistor pairs.
システム700は、指定された負荷電圧許容範囲(たとえば、負荷705によって要求される、たとえば、図8の例に示される領域2エリアを参照)を超えて広がるバッテリー端子電圧を有するバッテリーに利用され得る。本明細書で説明するように、典型的なバッテリーは、多くの負荷によって必要とされる、そのような狭く指定された負荷電圧許容範囲外にいくつかの動作点において端子電圧を有する。したがって、システム700は、バッテリー708の端子に存在する電圧がこの領域2の範囲を上回っているにもかかわらず、図8の領域2エリアに示されるように、実質的に12V+/-5%のこの指定された負荷電圧許容範囲内で、配電バス704への供給電圧を調整するために使用され得る。バッテリー708の端子に存在する電圧は、いくつかのSOCおよびバッテリー電流条件において、配電バス704の指定された負荷電圧許容範囲(たとえば、図8の例に示される領域3および領域4エリアを参照)の上にあるように構成され得、一方、負荷705に供給される電圧は、領域2エリアなどの他のSOCまたはバッテリー電流条件の下で、配電バス704の指定された負荷電圧許容範囲に実質的に一致するように調整される。 System 700 may be utilized with batteries having battery terminal voltages that extend beyond a specified load voltage tolerance (e.g., as required by load 705; see, e.g., the Region 2 area shown in the example of FIG. 8). As described herein, typical batteries have terminal voltages at some operating points outside of such narrowly specified load voltage tolerances required by many loads. Therefore, system 700 may be used to regulate the supply voltage to power distribution bus 704 substantially within this specified load voltage tolerance of 12V +/- 5%, as shown in the Region 2 area of FIG. 8, even though the voltage present at the terminals of battery 708 exceeds this Region 2 range. The voltage present at the terminals of battery 708 may be configured to be above the specified load voltage tolerance of power distribution bus 704 (e.g., see the Region 3 and Region 4 areas shown in the example of FIG. 8) under some SOC and battery current conditions, while the voltage supplied to load 705 is regulated to substantially match the specified load voltage tolerance of power distribution bus 704 under other SOC or battery current conditions, such as the Region 2 area.
抵抗器750a~750dの各々は、異なる抵抗値で構成されてもよく、直列750a~750dの各抵抗器の抵抗値が、直列の前の抵抗器よりも低くなるように構成されてもよい(たとえば、抵抗器750bは、抵抗器750aよりも低い抵抗値を有し、抵抗器750cは、抵抗器750bよりも低い抵抗値を有する、など)。FET/抵抗器対は、配電バス704から直接バッテリーの充電を防止する別のスイッチング素子(たとえば、MOSFET)711を介してバッテリー端子と配電バス704との間に並列に接続されてもよく、N個のFET710a~710dおよびその対になった抵抗器の各々、ならびにFET711は、制御線721a~721eを介してコントローラ702によって独立して制御される。しかしながら、実施形態は、実質的に同等の抵抗値を有する抵抗器750a~750dのうちの1つまたは複数で実装され得る。 Resistors 750a-750d may each be configured with a different resistance value, or may be configured so that the resistance value of each resistor in series 750a-750d is lower than the previous resistor in the series (e.g., resistor 750b has a lower resistance value than resistor 750a, resistor 750c has a lower resistance value than resistor 750b, etc.). The FET/resistor pairs may be connected in parallel between the battery terminals and the power distribution bus 704 via another switching element (e.g., MOSFET) 711 that prevents charging of the battery directly from the power distribution bus 704, and the N FETs 710a-710d and each of their paired resistors, as well as the FET 711, are independently controlled by the controller 702 via control lines 721a-721e. However, embodiments may be implemented with one or more of resistors 750a-750d having substantially equivalent resistance values.
並列接続された放電制御FET/抵抗器対の数Nは、コントローラ702によって実際に制御することができる2から任意の数に及び得る。放電制御FET/抵抗器対の数Nは、一般に、バッテリー708から利用可能な最小および最大電圧、最小および最大出力電流の予想範囲、ならびに必要な最小および最大出力電圧範囲(たとえば、指定された負荷電圧許容範囲(たとえば、図8の例に示される領域2エリアを参照)によって決定される)など、いくつかの要因によって決定され得る。 The number N of parallel-connected discharge control FET/resistor pairs can range from 2 to any number that can be practically controlled by the controller 702. The number N of discharge control FET/resistor pairs can generally be determined by several factors, such as the minimum and maximum voltage available from the battery 708, the expected range of minimum and maximum output current, and the required minimum and maximum output voltage range (e.g., as determined by a specified load voltage tolerance (e.g., see area 2 shown in the example of Figure 8)).
バッテリー708は、最高抵抗値抵抗器750aと対にされ得るFET710aで始まるような所定の方法(たとえば、順次、バイナリカウントシーケンス、または任意の他のシーケンス)で、コントローラ702によってN個のFET710a~710dのうちの1つまたは複数をアクティブ化する(たとえば、オンに切り替える)ことによって、配電バス704に結合され得る。FET710aがオンに切り替わると、負荷705に電流が流れ始め、バッテリーインピーダンス特性曲線(たとえば、図8および図10を参照)に従って、バッテリー708の端子電圧が降下し始める。FET/抵抗器対710a/750aの直列組合せを通して負荷705に供給される電流が十分に高い場合、FET/抵抗器対710a/750aの直列組合せにわたる電圧降下は、負荷705に供給される電圧が所定のしきい値まで降下するまで増加し、これは、負荷705の最小規制点仕様(たとえば、指定された負荷電圧許容範囲の下限)に従って(たとえば、コントローラ702内で)設定され得る。このしきい値に達し、出力電圧センサ741を介してコントローラ702によって感知されると、コントローラ702は、FET/抵抗器対710a/750aをオフに切り替え、一連の抵抗器750a~750dの中で次に最も高い抵抗値を有し得る抵抗器750bと対になるFETをオンに切り替えるように構成され得る。FET710bと直列の抵抗器750bは、抵抗器750aのものよりも著しく小さい抵抗値を有するように構成することができ、したがって、FET710bと抵抗器750bとの直列組合せにわたる電圧降下は、FET710aと抵抗器750aとの直列組合せにわたるものよりも低くなる。この効果は、負荷705に供給される出力電圧を、負荷705の最小調整点仕様(たとえば、指定された負荷電圧許容範囲の下限)に関連する前述のしきい値よりも高くし、したがって、負荷705に供給される出力電圧を、この最小の所定のしきい値よりも高く保つことである。このようにして、負荷705に供給される出力電圧は、コントローラ702がN個のFET710a~710dを選択的にアクティブ化して(たとえば、上向きバイナリカウントシーケンスまたは他の適切なシーケンスで)負荷705に供給される電圧を上昇させる、またはN個のFET710a~710dを選択的に非アクティブ化して(たとえば、下向きのバイナリカウントシーケンスで)負荷705に供給される電圧を減少させることによって、バッテリー電圧センサ742、出力電圧センサ741、および電流センサ707を介してコントローラ702によって感知される、変化するバッテリー端子電圧および負荷電流の下で、コントローラ702によって、アプリケーション規制ウィンドウ内(たとえば、指定された負荷電圧許容範囲(たとえば、図8の例に示す領域2エリアを参照))に維持することができ、FET710aは、バイナリ順次カウンタの最下位ビットに関連付けられ、FET710d(またはそれ以上)は最上位ビットに関連付けられる。 The battery 708 may be coupled to the power distribution bus 704 by the controller 702 activating (e.g., switching on) one or more of the N FETs 710a-710d in a predetermined manner (e.g., sequentially, in a binary count sequence, or in any other sequence), beginning with the FET 710a, which may be paired with the highest resistance value resistor 750a. When the FET 710a is switched on, current begins to flow through the load 705, and the terminal voltage of the battery 708 begins to drop according to the battery impedance characteristic curve (see, e.g., Figures 8 and 10). If the current supplied to load 705 through the series combination of FET/resistor pair 710a/750a is sufficiently high, the voltage drop across the series combination of FET/resistor pair 710a/750a will increase until the voltage supplied to load 705 drops to a predetermined threshold, which may be set (e.g., within controller 702) according to a minimum regulation point specification (e.g., the lower limit of a specified load voltage tolerance) of load 705. When this threshold is reached and sensed by controller 702 via output voltage sensor 741, controller 702 may be configured to switch off FET/resistor pair 710a/750a and switch on the FET paired with resistor 750b, which may have the next highest resistance value in the series of resistors 750a-750d. Resistor 750b in series with FET 710b can be configured to have a significantly smaller resistance than that of resistor 750a, such that the voltage drop across the series combination of FET 710b and resistor 750b is lower than that across the series combination of FET 710a and resistor 750a. The effect of this is to raise the output voltage delivered to load 705 above the aforementioned threshold associated with the minimum regulation point specification of load 705 (e.g., the lower limit of a specified load voltage tolerance), thus keeping the output voltage delivered to load 705 above this minimum predetermined threshold. In this manner, the output voltage supplied to the load 705 can be maintained by the controller 702 within an application regulatory window (e.g., a specified load voltage tolerance range (e.g., see the region 2 area shown in the example of FIG. 8 )) under varying battery terminal voltages and load currents sensed by the controller 702 via the battery voltage sensor 742, the output voltage sensor 741, and the current sensor 707 by the controller 702 selectively activating the N FETs 710a-710d (e.g., in an upward binary count sequence or other suitable sequence) to increase the voltage supplied to the load 705 or selectively deactivating the N FETs 710a-710d (e.g., in a downward binary count sequence) to decrease the voltage supplied to the load 705, where FET 710a is associated with the least significant bit of the binary sequential counter and FET 710d (or higher) is associated with the most significant bit.
コントローラ702内に実装され得る調整方式の非限定的な例が図9に示されており、N個のFET710a~710dのコントローラ702による選択的アクティブ化のためのバイナリカウントシーケンスに応じて、並列接続されたFET/抵抗器対にわたる総電圧降下を示す。わかるように、FET/抵抗器対ネットワークにわたる電圧降下は、N2個の離散ステップ(たとえば、N=4のとき16)で、本質的に0Vから何らかの所望の最大電圧(この例では、約3.0V)までの範囲に制御され得る。バッテリー708の出力端子と負荷705の入力端子Voとの間のバッテリーシステム706内のその配置により、負荷705は、その入力電圧を、バッテリー708の端子電圧からFET/抵抗器対ネットワークにわたる電圧降下を差し引いたものと見なす。この技法によって、FET/抵抗器対ネットワークにわたるインピーダンス(すなわち、したがって、電圧降下)を調整するために、N個のFET710a~710dのオン/オフをコントローラ702によって切り替えることによって、負荷705に供給される電圧の調整(たとえば、実質的に、指定された負荷電圧許容範囲内)が達成され、維持され得る。 9, which shows the total voltage drop across the parallel-connected FET/resistor pairs in response to a binary count sequence for selective activation by controller 702 of N FETs 710a-710d. As can be seen, the voltage drop across the FET/resistor pair network can be controlled in N discrete steps (e.g., 16 when N=4) ranging from essentially 0 V to some desired maximum voltage (approximately 3.0 V in this example). Due to its placement within battery system 706 between the output terminal of battery 708 and the input terminal V o of load 705, load 705 sees its input voltage as the terminal voltage of battery 708 minus the voltage drop across the FET/resistor pair network. By this technique, regulation of the voltage supplied to the load 705 (e.g., substantially within a specified load voltage tolerance) can be achieved and maintained by the controller 702 switching the N FETs 710a-710d on/off to regulate the impedance (i.e., and therefore the voltage drop) across the FET/resistor pair network.
N個の並列放電スイッチング素子(すなわち、N個のFET/抵抗器対)のそのようなネットワークは、(たとえば、コントローラ702から受信された命令に応答して)高電流デジタルアナログ変換器として動作するように構成され得、ここで、電源電圧(すなわち、バッテリー708からの)は、経時的に一定ではなく(たとえば、図8を参照)、負荷電流およびSOCとともに変化する。この構成では、電圧センサ741、742および電流センサ707からの情報は、入力電圧と出力電圧(すなわち、バッテリー708および負荷705)の両方の変動を補償するために、コントローラ702によって利用され得る。 Such a network of N parallel discharge switching elements (i.e., N FET/resistor pairs) can be configured (e.g., in response to instructions received from controller 702) to operate as a high-current digital-to-analog converter where the power supply voltage (i.e., from battery 708) is not constant over time (e.g., see FIG. 8) but varies with load current and SOC. In this configuration, information from voltage sensors 741, 742 and current sensor 707 can be utilized by controller 702 to compensate for variations in both the input and output voltages (i.e., battery 708 and load 705).
したがって、結果として生じるシステム700は、N個の固定インピーダンス要素(すなわち、N個のFET710a~710dおよび関連する抵抗器750a~750d)のネットワークとして構成され、これらは、入力(すなわち、バッテリー708)および出力(すなわち、負荷705)上の電圧の変化を補償するために、コントローラ702によってネットワークの内外に切り替えられ得る。抵抗器750a~750dの抵抗値を変化させることにより、個々の素子インピーダンスが定義される。各FET/抵抗器対は、所定の印加電流における特定の電圧降下で構成することができる。結果として、システム700は、バッテリー708と負荷705との間の可変の制御可能なインピーダンスを定義する要素のネットワークを制御するように構成され得る。負荷705の電圧が増加するにつれて、ネットワークは、総インピーダンスが増加し、負荷705に供給される電圧が低下するように、コントローラ702によって調整される。バッテリー708の電圧が低下すると、ネットワークは、総インピーダンスが低下し、したがって、ネットワークにわたる電圧も低下するように、コントローラ702によって再構成され、その結果、負荷705に供給される電圧を所望の範囲内(たとえば、実質的に指定された負荷電圧許容範囲内)に維持する働きをする。次いで、バッテリー電圧から差し引かれる、ネットワークにわたる補償電圧降下は、負荷705に供給される結果として生じる電圧が、システム700内の様々なN個のFET/抵抗器対のシーケンスによって制御されて、(たとえば、図8に示されるように)バッテリー動作点が領域1、2、または3動作範囲内に存在する(たとえば、理由は何であれドリフトする)ときはいつでも、高分解能電圧整合を提供するように、任意の数の異なる制御技法を使用してコントローラ702によって制御され得る。 The resulting system 700 is thus configured as a network of N fixed impedance elements (i.e., N FETs 710a-710d and associated resistors 750a-750d), which can be switched in and out of the network by the controller 702 to compensate for changes in voltage on the input (i.e., battery 708) and output (i.e., load 705). By varying the resistance of the resistors 750a-750d, individual element impedances are defined. Each FET/resistor pair can be configured with a specific voltage drop at a given applied current. As a result, the system 700 can be configured to control a network of elements that defines a variable, controllable impedance between the battery 708 and the load 705. As the voltage on the load 705 increases, the network is adjusted by the controller 702 so that the total impedance increases and the voltage delivered to the load 705 decreases. As the voltage of the battery 708 drops, the network is reconfigured by the controller 702 so that the total impedance drops, and therefore the voltage across the network, thereby serving to maintain the voltage delivered to the load 705 within a desired range (e.g., substantially within a specified load voltage tolerance). The compensating voltage drop across the network, which is subtracted from the battery voltage, can then be controlled by the controller 702 using any number of different control techniques, such that the resulting voltage delivered to the load 705 is controlled by the sequencing of the various N FET/resistor pairs in the system 700 to provide high-resolution voltage matching whenever the battery operating point lies within (e.g., drifts for whatever reason) Region 1, 2, or 3 operating ranges (e.g., as shown in FIG. 8).
システム700は、供給されたバッテリー電圧を、負荷705によって必要とされる何らかのより低い電圧に低減することしかできないので、たとえば、図8に示されるように、領域1エリアに対応する、使用不可能であるバッテリー特性曲線のいくつかのエリアが存在する。領域1エリアに含まれる任意のエネルギーは、システム700によって使用することができず、本質的に行き詰まる。領域1エリアは、V-I曲線のこのファミリーによって表される総バッテリーエネルギーのごく一部しか含まないが、他のバッテリーの化学的タイプおよび構成は、使用不可能な領域1エリアにおいて著しく多くのエネルギーが行き詰まる可能性がある(たとえば、図10を参照されたい)。 Because system 700 can only reduce the supplied battery voltage to some lower voltage required by load 705, there are some areas of the battery characteristic curve that are unusable, corresponding to the Region 1 area, for example, as shown in FIG. 8. Any energy contained in the Region 1 area cannot be used by system 700 and is essentially stalled. While the Region 1 area contains only a small portion of the total battery energy represented by this family of V-I curves, other battery chemistry types and configurations may have significantly more energy stalled in the unusable Region 1 area (see, for example, FIG. 10).
図1は、本開示の実施形態に従って構成されたシステム100の回路ブロック図を示す。システム100は、1次電源の故障があるとき、2次電源から配電バスを介して負荷に電力を供給するように構成され得る。本開示の実施形態は、そのような構成に限定されないが、1次電源は、AC電源に結合された電源ユニットであってもよく、2次電源は、バッテリーであってもよい。 FIG. 1 shows a circuit block diagram of a system 100 configured in accordance with an embodiment of the present disclosure. System 100 may be configured to supply power to a load from a secondary power source via a power distribution bus when there is a failure of the primary power source. Although embodiments of the present disclosure are not limited to such a configuration, the primary power source may be a power supply unit coupled to an AC power source, and the secondary power source may be a battery.
図1に関して示される非限定的な例示的な実施形態では、システム100は、コントローラ102の制御下で、バッテリー108の出力端子を、DC-DCコンバータ170を介して配電バス104に選択的に結合するように構成されたバッテリーシステム106と、N個の(ただしN≧1)並列接続された放電スイッチ110b~110d(たとえば、MOSFET)のネットワークを含むスイッチング構成とを使用し、各々は、抵抗器150b~150dと直列に結合されて、N個のFET/抵抗器対のネットワーク(本明細書では「N-FET/抵抗器対ネットワーク」とも呼ばれる)が形成される。 In the non-limiting exemplary embodiment shown with respect to FIG. 1, the system 100 uses a battery system 106 configured to selectively couple the output terminals of the battery 108 to the power distribution bus 104 via a DC-DC converter 170 under the control of a controller 102, and a switching configuration including a network of N (where N≧1) parallel-connected discharge switches 110b-110d (e.g., MOSFETs), each coupled in series with a resistor 150b-150d to form a network of N FET/resistor pairs (also referred to herein as an "N-FET/resistor pair network").
抵抗器150b~150dの各々は、異なる抵抗値で構成されてもよく、直列150b~150dの各抵抗器の抵抗値が、直列の前の抵抗よりも低くなるように構成されてもよい(たとえば、抵抗器150cは、抵抗器150bよりも低い抵抗値を有し、抵抗器150dは、抵抗器150cよりも低い抵抗値を有する、など)。しかしながら、実施形態は、実質的に同等の抵抗値を有する抵抗器150b~150dのうちの1つまたは複数で実装され得る。 Resistors 150b-150d may each be configured with a different resistance value, or may be configured so that the resistance value of each resistor in series 150b-150d is lower than the previous resistor in the series (e.g., resistor 150c has a lower resistance value than resistor 150b, resistor 150d has a lower resistance value than resistor 150c, etc.). However, embodiments may be implemented with one or more of resistors 150b-150d having substantially equivalent resistance values.
N個のFET/抵抗器対は、配電バス104から直接バッテリー108の充電を防止するように実装され得る別のスイッチング要素(たとえば、MOSFET)111を介してバッテリー108の正端子と配電バス104との間に並列に接続され、同様に、介在され得、N個のFET110b~110dの各々、ならびにFET111は、制御線121b~121eを介してコントローラ102によって選択的かつ独立して制御される。 The N FET/resistor pairs may be connected in parallel between the positive terminal of the battery 108 and the power distribution bus 104 via another switching element (e.g., a MOSFET) 111, which may be implemented to prevent charging of the battery 108 directly from the power distribution bus 104, and may also be interposed, with each of the N FETs 110b-110d, as well as FET 111, being selectively and independently controlled by the controller 102 via control lines 121b-121e.
並列接続された放電制御FET/抵抗器対の数Nは、1から、コントローラ102によって実際に制御され得る任意の数までの範囲であり得、一般に、バッテリー108から利用可能な最小および最大電圧、最小および最大出力電流の予想範囲、ならびに必要な最小および最大出力電圧範囲(たとえば、指定された負荷電圧許容範囲(たとえば、図8の例に示される領域2エリアを参照)によって決定される)など、1つまたは複数の要因によって決定され得る。バッテリー108の端子電圧および負荷電流の変化は、バッテリー電圧センサ142および電流センサ107を介してコントローラ102によって感知され得る。 The number N of parallel-connected discharge control FET/resistor pairs can range from 1 to any number that can be practically controlled by the controller 102 and can generally be determined by one or more factors, such as the minimum and maximum voltage available from the battery 108, the expected range of minimum and maximum output current, and the required minimum and maximum output voltage range (e.g., as determined by a specified load voltage tolerance (e.g., see the Region 2 area shown in the example of FIG. 8)). Changes in the battery 108 terminal voltage and load current can be sensed by the controller 102 via the battery voltage sensor 142 and current sensor 107.
システム100は、指定された負荷電圧許容範囲(たとえば、負荷105によって要求されるなど、たとえば、領域1、3、および4に含まれるものなど、領域2エリア外にあるものを含むバッテリー動作点の全範囲と比較して、図8の例に示される領域2エリアを参照)を超えて広がる有効動作点におけるバッテリー端子電圧を有するバッテリーに利用され得る。本明細書で説明するように、典型的なバッテリーまたは直列接続バッテリーは、ほとんどすべての場合において、ほとんどの負荷によって必要とされる、より狭く厳しく制限された指定された負荷電圧許容範囲外にあるいくつかの動作点において、端子電圧を有する。したがって、システム100は、供給されるバッテリー電圧を、実質的にこの指定された負荷電圧許容範囲内に調整するために使用することができる。バッテリー108の電圧は、いくつかのSOCおよびバッテリー電流条件において、配電バス104の指定された負荷電圧許容範囲(たとえば、図8の例に示される領域3および領域4エリアを参照)の上にあり、他のSOCまたはバッテリー電流条件の下で配電バス104の指定された負荷電圧許容範囲(図8の例に示される領域2エリアを参照)に実質的に一致するように構成され得る。 System 100 may be utilized with batteries having battery terminal voltages at useful operating points that extend beyond a specified load voltage tolerance (e.g., as required by load 105, as compared to the full range of battery operating points, including those outside of Region 2, e.g., those included in Regions 1, 3, and 4, see Region 2 area shown in the example of FIG. 8). As described herein, a typical battery or series-connected batteries will, in almost all cases, have terminal voltages at some operating points that fall outside the narrower, more tightly restricted specified load voltage tolerance required by most loads. Therefore, system 100 can be used to regulate the supplied battery voltage substantially within this specified load voltage tolerance. Battery 108 voltage may be configured to be above the specified load voltage tolerance of power distribution bus 104 (e.g., see Region 3 and Region 4 areas shown in the example of FIG. 8) under some SOC and battery current conditions, and to substantially match the specified load voltage tolerance of power distribution bus 104 (see Region 2 area shown in the example of FIG. 8) under other SOC or battery current conditions.
システム100の動作は、システム100内に実装されたDC-DCコンバータ170のタイプのVIN対VOUTおよび出力電流制限特性(たとえば、図11を参照)に従って実装されたDC-DCコンバータ170を有するシステム700の動作と同様であり、負荷105が低電流を要求しており(すなわち、負荷105によって必要とされ得る最大電流の約25%未満)、バッテリー108が高充電状態(たとえば、約70%を超えるSOC値)で動作しているとき、たとえば、図8または図10に示されるように、領域4エリアにおけるシステム100の動作に対応するとき、負荷105への電流の供給を処理することができるように構成され得る。 Operation of system 100 will be similar to that of system 700 having a DC-DC converter 170 implemented in accordance with the V IN vs. V OUT and output current limit characteristics (see, e.g., FIG. 11 ) of the type of DC-DC converter 170 implemented in system 100, and may be configured to be able to handle the supply of current to load 105 when load 105 is requesting low current (i.e., less than about 25% of the maximum current that may be required by load 105) and battery 108 is operating at a high state of charge (e.g., an SOC value greater than about 70%), e.g., corresponding to operation of system 100 in the Region 4 area as shown in FIG. 8 or FIG. 10 .
DC-DCコンバータ170は、限定はしないが、図4、図5、および図11に関連して説明されるものを含む、本明細書で説明されるタイプのうちのいずれか(たとえば、リニアレギュレータ、スイッチングバック、スイッチングバックブーストなど)であってもよい。DC-DCコンバータ170は、従来技術の実装形態のようにバッテリーの最大出力電力を扱うように構成される(たとえば、サイズ設定される)必要はなく、むしろ、システム100において、出力電力のバランスが、本明細書でさらに説明されるように、N-FET/抵抗器対ネットワークによって供給されるので、バッテリーの最大出力電力の約25%~30%を処理することができるように構成され得る。これは、DC-DCコンバータの相対的コストおよびサイズが、同様の電力供給能力のFET/抵抗器対のネットワークの相対的コストおよびサイズよりも実質的に高いので、DC-DCコンバータを使用するそのような従来技術の実装よりもシステム100の利点を提供する。 DC-DC converter 170 may be any of the types described herein (e.g., linear regulator, switching buck, switching buck-boost, etc.), including, but not limited to, those described in connection with FIGS. 4, 5, and 11. DC-DC converter 170 need not be configured (e.g., sized) to handle the battery's maximum output power as in prior art implementations; rather, in system 100, the balance of the output power is supplied by an N-FET/resistor pair network, as described further herein, so it may be configured to be able to handle approximately 25% to 30% of the battery's maximum output power. This provides an advantage of system 100 over such prior art implementations that use DC-DC converters, as the relative cost and size of a DC-DC converter are substantially higher than the relative cost and size of a FET/resistor pair network of similar power supply capability.
図4は、システム100内のDC-DCコンバータ170として実装するのに適したスイッチングバックコンバータの非限定的な例の入力対出力電圧(VIN対VOUT)特性を示す。VIN>VOUT設定点の場合、DC-DCコンバータは通常のバックコンバータとして動作し、出力電圧VOUTをVOUT設定点とほぼ同じになるように維持する。しかしながら、入力電圧VINがVOUT設定点と交差するように降下すると、出力電圧VOUTは、VOUT設定点を下回り、この例では11Vとして示される何らかのしきい値に達するまで、入力電圧VINを本質的に追跡することができる。これは、「低ドロップアウト」特性と呼ばれ、これは、リニアレギュレータ設計において一般的に見られる。VOUT設定点はまた、本明細書では、バッテリーDC-DCコンバータ設定点(たとえば、図12を参照)とも呼ばれ、本明細書で図12および図19に関してさらに説明するように、PSU101の故障後にDC-DCコンバータ170が負荷105に電流を供給し始めるように構成される電圧レベルであるようにあらかじめ決定され得る。 FIG. 4 shows the input-to-output voltage ( VIN vs. VOUT ) characteristics of a non-limiting example of a switching buck converter suitable for implementation as DC-DC converter 170 in system 100. When VIN > VOUT set point, the DC-DC converter operates as a normal buck converter, maintaining the output voltage VOUT approximately equal to the VOUT set point. However, if the input voltage VIN drops so that it intersects the VOUT set point, the output voltage VOUT may essentially track the input voltage VIN until it falls below the VOUT set point and reaches some threshold, shown as 11 V in this example. This is referred to as a "low dropout" characteristic, which is commonly found in linear regulator designs. The VOUT set point, also referred to herein as the battery DC-DC converter set point (e.g., see FIG. 12), may be predetermined to be a voltage level at which DC-DC converter 170 is configured to begin supplying current to load 105 after a failure of PSU 101, as further described herein with respect to FIGS. 12 and 19.
図5は、バックブーストコンバータの非限定的な例の入力対出力電圧(VIN対VOUT)特性を示しており、これは、システム100内のDC-DCコンバータ170としての実装にも適しており、上述の「低ドロップアウト」特性は必要とされず、DC-DCコンバータは、VIN<VOUT設定点のときに、バックモード(VIN>VOUT設定点)からブーストモードに自動的に切り替わり、したがって、UVシャットダウン入力電圧に達するまで、入力電圧VINにかかわらず、出力電圧VOUTをVOUT設定点に等しくなるように維持する。 FIG. 5 shows the input to output voltage (V IN vs. V OUT ) characteristics of a non-limiting example of a buck-boost converter, which is also suitable for implementation as DC-DC converter 170 in system 100, where the above-mentioned "low dropout" characteristic is not required and the DC-DC converter automatically switches from buck mode (V IN >V OUT set point) to boost mode when V IN <V OUT set point, thus maintaining the output voltage V OUT equal to the V OUT set point regardless of the input voltage V IN until the UV shutdown input voltage is reached.
図11は、システム100内に実装されたDC-DCコンバータの電流制限特性を示し、x軸が時間を表す。電流制限遷移点(DC-DCコンバータの出力電圧が定電圧から定電流に変わる)と呼ばれる出力電流値以下のすべてのDC-DCコンバータ出力電流Ioに対して、DC-DCコンバータは、DC-DCコンバータの出力電圧VOUTを一定に維持するように構成される。DC-DCコンバータの出力電流Io(図11の破線で表される)が電流制限遷移点(Ilimit(A))に達すると、出力電圧VOUTはわずかに降下するか、または「ドループする」と言われる。これは、DC-DCコンバータの「定電圧」モードから「ドループ電流制限」モードへの遷移を表し、出力電圧VOUTは、Ilimit(A)とIlimit(A)+数パーセントとの間の狭い範囲の出力電流値に対して、VOUT設定点を下回ることが許容される。言い換えれば、0からIlimit(A)までの任意の電流値について、DC-DCコンバータの出力電圧VOUTがVOUT設定点に維持される。Ilimit(A)に達すると、出力電圧VOUTがドループし始め、このドループは、出力電流が上昇し続けるにつれて強調され続ける(Ilimit(A)における電流の傾きはフラットに見えるが、実際にはわずかに正である)。 FIG. 11 illustrates the current-limit characteristic of the DC-DC converter implemented in system 100, with the x-axis representing time. The DC-DC converter is configured to maintain the DC-DC converter's output voltage VOUT constant for all DC-DC converter output currents I0 below an output current value referred to as the current-limit transition point (where the DC-DC converter's output voltage changes from a constant voltage to a constant current). When the DC-DC converter's output current I0 (represented by the dashed line in FIG. 11) reaches the current-limit transition point ( Ilimit(A) ), the output voltage VOUT drops slightly, or is said to "droop." This represents the DC-DC converter's transition from "constant voltage" mode to "droop current-limit" mode, where the output voltage VOUT is allowed to fall below the VOUT set point for a narrow range of output current values between Ilimit (A) and Ilimit (A) plus a few percent. In other words, for any current value between 0 and Ilimit(A) , the DC-DC converter's output voltage VOUT is maintained at the VOUT set point. Once I limit(A) is reached, the output voltage V OUT begins to droop, and this droop continues to accentuate as the output current continues to rise (the current slope at I limit(A) appears flat, but is actually slightly positive).
バッテリー108が配電バス104に放電するようにシステム100を動作させる、PSU101内のハードウェア障害またはAC停電(本明細書では一般に、PSU101の障害と呼ばれる)などの事象の間、バッテリー108の電圧は、放電電流が増加するにつれて降下し(たとえば、図8および図10に示されるように)、低電圧になるほど、異なる特性曲線によってトレースされるように、電流の漸増が存在する。バッテリー放電電流が増加するにつれて、バッテリー108の電圧がこのように低下することは、各バッテリーセルの内部抵抗またはインピーダンスによって引き起こされ得る。バッテリー108の電圧降下の量は、バッテリー108によって負荷105に供給される電流の大きさと、バッテリー108内の各セルの内部インピーダンスとに依存する。バッテリー108のセルの化学組成は、放電事象中に配電バス104をその電圧限界内(たとえば、実質的に指定された負荷電圧許容範囲内など)に保つのに十分に小さい電圧降下を維持しながら、それらが結合される配電バス104の全電力要件をサポートすることができるように、それらの電圧、電流能力、およびインピーダンス特性について選択され得る。 During an event such as a hardware failure in the PSU 101 or an AC outage (generally referred to herein as a PSU 101 failure) that operates the system 100 such that the battery 108 discharges onto the power distribution bus 104, the voltage of the battery 108 drops as the discharge current increases (e.g., as shown in FIGS. 8 and 10 ), with a gradual increase in current as traced by different characteristic curves at lower voltages. This drop in the voltage of the battery 108 as the battery discharge current increases may be caused by the internal resistance or impedance of each battery cell. The amount of voltage drop of the battery 108 depends on the magnitude of the current supplied by the battery 108 to the load 105 and the internal impedance of each cell within the battery 108. The chemical composition of the cells of the battery 108 may be selected for their voltage, current capability, and impedance characteristics such that they can support the full power requirements of the power distribution bus 104 to which they are coupled, while maintaining a voltage drop small enough to keep the power distribution bus 104 within its voltage limits (e.g., substantially within a specified load voltage tolerance) during a discharge event.
本開示の実施形態によれば、システム100は、DC-DCコンバータ170の電流制限遷移点(図11に示されるIlimit(A)を参照)を下回り、バッテリー108の高充電状態にある負荷105に供給される電流の値において、電流が、DC-DCコンバータ170によってのみ、またはバッテリー108のV-I曲線のファミリーの瞬間動作点に応じてN-FET/抵抗器対ネットワーク内のいくつかの所定の数のFET/抵抗器対と組み合わせて、DC-DCコンバータ170によって負荷105に供給され得るように構成され得る。 According to embodiments of the present disclosure, system 100 may be configured such that at values of current supplied to load 105 that are below the current limit transition point of DC-DC converter 170 (see I limit(A) shown in FIG. 11 ) and where the battery 108 is in a high state of charge, current may be supplied to load 105 by DC-DC converter 170 alone or in combination with some predetermined number of FET/resistor pairs in the N-FET/resistor pair network depending on the instantaneous operating point of the family of VI curves of battery 108.
ここで、本開示の実施形態は、コントローラ102が、指定された負荷電圧許容範囲内で負荷105に電力を供給するように構成される、システム100の非限定的な例示的用途および動作に関して説明される。そのような指定された負荷電圧許容範囲は、本明細書では、特定の最終用途に関連付けられた負荷によって要求され得る電圧範囲を定義する、アプリケーション規制ウィンドウと呼ばれることもある。そのような指定された負荷電圧許容範囲は、公称の、または所望の出力電圧Voと、+/-パーセンテージ範囲とから構成され得る。 Embodiments of the present disclosure will now be described with respect to a non-limiting example application and operation of system 100 in which controller 102 is configured to supply power to load 105 within a specified load voltage tolerance. Such specified load voltage tolerance is sometimes referred to herein as an application regulation window, which defines the voltage range that may be required by a load associated with a particular end application. Such specified load voltage tolerance may consist of a nominal, or desired, output voltage V o and a +/- percentage range.
図12は、所望の出力電圧Vo(たとえば、12V)および指定された負荷電圧許容範囲(たとえば、+/-5%)に基づいて、システム100において実装され得る様々な設定点およびしきい値の非限定的な例のグラフ表示を示す。単に本開示の実施形態を説明するために、図8の非限定的な例示的なV-I曲線を参照する。指定された負荷電圧許容範囲が示され、下限規制限界(この例では12V-5%=11.4V)から上限規制限界(この例では12V+5%=12.6V)まで拡張される。本開示の実施形態によれば、コントローラ102は、指定された負荷電圧許容範囲を定義する上限規制限界と下限規制限界との間で負荷105に供給される電圧を維持するように構成され得る。図12はまた、上限および下限規制限界内で、いくつかの他のしきい値および設定点がシステム100の設計内で構成され得ることを示す。(たとえば、負荷の動的特性の機能、PSU制御ループの応答などに応じて)システム100の設計中にあらかじめ決定され得る、PSU101のPSU出力電圧設定点が存在し得、この例では、12.35V(図12に示される実線2で示されるように)になるように選択される。PSU101のPSU出力電圧設定点の値は、PSU101によって供給される通常動作出力電圧として選択されてもよく、指定された負荷電圧許容範囲内になるように選択される。DC-DCコンバータ170のバッテリーDC-DCコンバータ設定点があり得、これはPSU出力電圧設定点よりも低く設定され、この例では、12.0V(図12に示される破線3で示されるように)に選択される。2つの制御しきい値設定点、すなわち、PSU出力電圧設定点とバッテリーDC-DCコンバータ設定点(この例では12.3Vに選択される)との間に設定される上側制御しきい値(「UCT」)と、バッテリーDC-DCコンバータ設定点よりも低く、下限規制限界(この例では、LCTは11.9Vに選択される)よりも高く設定される下側制御しきい値(「LCT」)とが存在し得る。UCT値およびLCT値は、図14および図15に関してさらに説明される。これらのしきい値および設定点の利用については、本明細書でさらに説明する。 FIG. 12 shows a non-limiting example graphical representation of various set points and thresholds that may be implemented in system 100 based on a desired output voltage V (e.g., 12V) and a specified load voltage tolerance (e.g., ±5%). Reference is made to the non-limiting example VI curve of FIG. 8 solely for purposes of illustrating embodiments of the present disclosure. The specified load voltage tolerance is shown, extending from a lower regulatory limit (12V-5%=11.4V in this example) to an upper regulatory limit (12V+5%=12.6V in this example). According to embodiments of the present disclosure, controller 102 may be configured to maintain the voltage supplied to load 105 between the upper and lower regulatory limits that define the specified load voltage tolerance. FIG. 12 also illustrates that several other thresholds and set points may be configured within the design of system 100, within the upper and lower regulatory limits. There may be a PSU output voltage set point for PSU 101, which may be predetermined during the design of system 100 (e.g., as a function of load dynamics, PSU control loop response, etc.), and in this example is selected to be 12.35V (as shown by solid line 2 in FIG. 12 ). The value of the PSU output voltage set point for PSU 101 may be selected as the normal operating output voltage supplied by PSU 101, and is selected to be within a specified load voltage tolerance. There may be a battery DC-DC converter set point for DC-DC converter 170, which is set lower than the PSU output voltage set point, and in this example is selected to be 12.0V (as shown by dashed line 3 in FIG. 12 ). There may be two control threshold set points: an upper control threshold ("UCT") set between the PSU output voltage set point and the battery DC-DC converter set point (selected at 12.3V in this example), and a lower control threshold ("LCT") set below the battery DC-DC converter set point and above the lower regulatory limit (LCT selected at 11.9V in this example). UCT and LCT values are further described with respect to Figures 14 and 15. The utilization of these thresholds and set points is further described herein.
バッテリーDC-DCコンバータ設定点は、指定された負荷電圧許容範囲内であり、PSU出力電圧設定点よりも低く、LCTよりも高くなるように選択され、システム100の動的特性を分析することによって最適化され得る。上限および下限規制限界(すなわち、指定された負荷電圧許容範囲)の選択は、負荷105の仕様および要件に応じて決定され得る。UCTの値は、UCT未満の出力電圧Voの低下の監視が、PSU101の故障があり得ること、またはバッテリーシステム106によって負荷105に供給される出力電圧Voが過度に増加し、指定された負荷電圧許容範囲外に潜在的に増加し得ることをバッテリーシステム106に示すように、PSU出力電圧設定点未満の何らかの適切な値で選択され得る。LCTよりも低い出力電圧Voの低下の監視が、より多くの電流がバッテリー108からN-FET/抵抗器対ネットワークを介して負荷105に供給される必要があることをバッテリーシステム106に示すように、LCTの値は、バッテリーDC-DCコンバータ設定点よりも低い何らかの適切な値で選択されてもよい。指定された負荷電圧許容範囲内にあるUCTおよびLCTの値のシステム100の設計者による選択は、バッテリー108の特定の特性(たとえば、端子電圧、特性曲線など)、負荷105の動的特性(たとえば、動的負荷電流の大きさならびに立上り時間および立下り時間)、およびCLOAD160として示されるシステム100の実効容量によって決まり得る。このシステムキャパシタンスCLOAD160は、システム100内の出力ノードVoに結合されたキャパシタンス(たとえば、PSU101のフィードバック制御ループの安定化を助けるために含まれているPSU101内に存在する任意の出力キャパシタ、過渡応答を改善する、またはDC-DCコンバータ170の制御ループの安定化を助けるためにDC-DCコンバータ170の出力に存在する任意の出力キャパシタ、負荷105に関連付けられた任意のキャパシタンス、およびバッテリーシステム106の設計者によって追加された任意の他のキャパシタンス)の合計を表し得る。 The battery DC-DC converter setpoint may be selected to be within a specified load voltage tolerance, lower than the PSU output voltage setpoint, and higher than the LCT, and may be optimized by analyzing the dynamic characteristics of the system 100. The selection of the upper and lower regulatory limits (i.e., the specified load voltage tolerance) may be determined according to the specifications and requirements of the load 105. The value of the UCT may be selected at any appropriate value below the PSU output voltage setpoint so that monitoring a drop in the output voltage V below the UCT indicates to the battery system 106 that there may be a failure of the PSU 101 or that the output voltage V supplied by the battery system 106 to the load 105 may be increasing excessively, potentially outside the specified load voltage tolerance. The value of the LCT may be selected at any appropriate value below the battery DC-DC converter setpoint so that monitoring a drop in the output voltage V below the LCT indicates to the battery system 106 that more current needs to be supplied from the battery 108 to the load 105 through the N-FET/resistor pair network. The system 100 designer's selection of UCT and LCT values that fall within a specified load voltage tolerance may depend on the particular characteristics of the battery 108 (e.g., terminal voltage, characteristic curves, etc.), the dynamic characteristics of the load 105 (e.g., dynamic load current magnitude and rise and fall times), and the effective capacitance of the system 100, shown as C LOAD 160. This system capacitance C LOAD 160 may represent the sum of the capacitances coupled to the output node V o in the system 100 (e.g., any output capacitors present in the PSU 101 that are included to help stabilize the feedback control loop of the PSU 101, any output capacitors present at the output of the DC-DC converter 170 to improve transient response or help stabilize the control loop of the DC-DC converter 170, any capacitance associated with the load 105, and any other capacitance added by the designer of the battery system 106).
図13は、システム100の簡略ブロック図を示し、これは、本明細書でさらに説明されるように、本開示の実施形態に従って、出力ノードVoにおける電圧の監視が、バッテリー108と負荷105との間に挿入されるインピーダンスの量を調整するために、コントローラ102によってどのように利用されるかを説明するために提示される。バッテリーシステム106およびPSU101は、出力ノードVoにおいて配電バス104に結合される。出力ノードVoにおいて、配電バス104には、負荷105およびシステムキャパシタンスCLOAD160も結合される。 13 shows a simplified block diagram of system 100, which is presented to illustrate how monitoring of the voltage at output node V o is utilized by controller 102 to adjust the amount of impedance inserted between battery 108 and load 105, according to embodiments of the present disclosure, as described further herein. Battery system 106 and PSU 101 are coupled to power distribution bus 104 at output node V o . Also coupled to power distribution bus 104 at output node V o are load 105 and system capacitance C LOAD 160.
周知の回路理論によれば、システム内の任意のノードにおける任意の電流の合計はゼロでなければならない。したがって、ノードVoに存在する電流の合計は、以下の通りである。
iBatt+iPSU-iCapacitance-iLoad=0
iCapacitanceを解くと、以下の通りである。
(iBatt+iPSU)-iLoad=iCapacitance
キャパシタの特性方程式を考慮すると、以下の通りである。
iCapacitance=C*dVCapacitance/dt
式中、dVCapacitance/dt=dVo/dtである。
Well-known circuit theory dictates that the sum of any currents at any node in a system must be zero. Therefore, the sum of the currents present at node V is:
i Batt +i PSU -i Capacitance -i Load =0
Solving for i Capacitance gives:
(i Batt +i PSU )-i Load =i Capacitance
Considering the characteristic equation of a capacitor, it is as follows:
i Capacitance =C*dV Capacitance /dt
where dV Capacitance /dt=dV o /dt.
上記の式から、(iBatt+iPSU)がiLoadに等しい場合、iCapacitanceは時間に関してゼロになり、dVCapacitance/dtもゼロになると結論付けることができる。したがって、出力ノードVoにおける電圧は変化しない。(iBatt+iPSU)>iLoadである場合、iCapacitanceは正になり(すなわち、システムキャパシタンスCLOAD160は充電している)、dVCapacitance/dtも正になり、出力ノードVoにおける電圧は時間に関して増加する。対応して、(iBatt+iPSU)<iLoadである場合、iCapacitanceは負になり(すなわち、システムキャパシタンスCLOAD160は負荷105に放電している)、dVCapacitance/dtも負になり、出力ノードVoにおける電圧は時間に関して減少する。これらの変数、システムキャパシタンスCLOAD160にわたる電圧(すなわち、Vo)およびシステムキャパシタンスCLOAD160内の電流(C*dVCapacitance/dt)は、システム100の状態変数のセットを表し、本明細書に記載される本開示の実施形態内で利用される。C*dVCapacitance/dtは、正または負であり得、アンペア(電流)の単位を有し、dVCapacitance/dtは、正または負であり得、ボルト/時間の単位を有することに留意されたい。dVCapacitance/dtもdVo/dtに等しく、同じ状態変数を表すことにも留意されたい。 From the above equation, we can conclude that when (i Batt +i PSU ) equals i Load , i Capacitance is zero with respect to time, and dV Capacitance /dt is also zero. Therefore, the voltage at the output node Vo does not change. If (i Batt +i PSU )>i Load , i Capacitance is positive (i.e., the system capacitance C LOAD 160 is charging), dV Capacitance /dt is also positive, and the voltage at the output node Vo increases with respect to time. Correspondingly, if (i Batt +i PSU )<i Load , i Capacitance is negative (i.e., the system capacitance C LOAD 160 is discharging into the load 105), dV Capacitance /dt is also negative, and the voltage at the output node Vo decreases with respect to time. These variables, the voltage across the system capacitance C LOAD 160 (i.e., V o ) and the current in the system capacitance C LOAD 160 (C*dV Capacitance /dt), represent a set of state variables of the system 100 and are utilized within the embodiments of the present disclosure described herein. Note that C*dV Capacitance /dt can be positive or negative and has units of amperes (current), and dV Capacitance /dt can be positive or negative and has units of volts/hour. Note also that dV Capacitance /dt is equal to dV o /dt and represents the same state variable.
図14は、システム100の状態変数(すなわち、VoおよびdVo/dt)を表す値を決定するように構成され得る、状態決定システム141(図1を参照)のための非限定的な実装形態のブロック図を示す。しきい値検出器1401は、出力電圧Voを入力として受信し、VoをUCTおよびLCT限界と比較する(図12を参照)。しきい値検出器1401の動作の真理値表を図16の表16aに示す。出力電圧VoがUCTを上回る電圧レベルにある場合、信号の上側制御しきい値超過(「UCTE」)信号は論理レベル1に設定され、出力電圧VoがUCTを下回ると、UCTEは論理レベル0にリセットされる。出力電圧VoがLCTを下回る電圧レベルにある場合、下側制御しきい値超過(「LCTE」)信号が論理レベル1に設定され、出力電圧VoがLCTを上回ると、LCTE信号は論理レベル0にリセットされる。 FIG. 14 shows a block diagram of a non-limiting implementation for state determination system 141 (see FIG. 1), which may be configured to determine values representing state variables (i.e., V o and dV o /dt) of system 100. Threshold detector 1401 receives output voltage V o as an input and compares V o to the UCT and LCT limits (see FIG. 12). A truth table for the operation of threshold detector 1401 is shown in Table 16a of FIG. 16. When output voltage V o is at a voltage level above the UCT, the signal Upper Control Threshold Exceeded ("UCTE") is set to logic level 1; when output voltage V o falls below the UCT, UCTE is reset to logic level 0. When output voltage V o is at a voltage level below the LCT, the signal Lower Control Threshold Exceeded ("LCTE") is set to logic level 1; when output voltage V o exceeds the LCT, the LCTE signal is reset to logic level 0.
微分器1402は、出力電圧Voを入力として受信し、dVo/dtの符号を決定し、dVo/dt>0のときはいつでも論理レベル1に設定されるdVo/dt Positive信号と、dVo/dt>0のときはいつでも論理レベル1に設定されるdVo/dt Negative信号とを生成し、したがって、状態変数dVo/dtの瞬時符号をコントローラ102に提供する。差分器1402の動作の真理値表を図16の表16bに示す。UCTE、LCTE、dVo/dt Negative、およびdVo/dt Positive信号(本明細書ではまとめて「状態決定信号」とも呼ぶ)は、状態決定システム141から信号線180を介してコントローラ102に供給される。真理値表16aおよび表16bは、許容されないまたは不可能として示されるエントリを含むことに留意されたい。たとえば、出力電圧Voは、同時にUCTを上回り、LCTを下回ることは不可能であり、このため、条件UTCE=1およびLTCE=1は、同時に起こり得ない。 Differentiator 1402 receives output voltage V o as an input, determines the sign of dV o /dt, and generates a dV o /dt Positive signal that is set to logic level 1 whenever dV o /dt > 0 and a dV o /dt Negative signal that is set to logic level 1 whenever dV o / dt > 0, thus providing the instantaneous sign of state variable dV o /dt to controller 102. A truth table for the operation of differentiator 1402 is shown in Table 16b of FIG. 16. The UCTE, LCTE, dV o /dt Negative, and dV o /dt Positive signals (collectively also referred to herein as "state determination signals") are provided to controller 102 from state determination system 141 via signal line 180. Note that truth tables 16a and 16b include entries that are designated as not allowed or not possible. For example, the output voltage V o cannot be above UCT and below LCT at the same time, so the conditions UTCE=1 and LTCE=1 cannot occur simultaneously.
コントローラ102は、状態決定システム141から状態決定信号を受信し、図18のシステムおよびプロセス1800に関してさらに説明されるように、図16の表16cに記載される真理値表に従って動作を実行するように構成される。図15は、状態決定システム141が、図16の表16cに示される真理値表を生成するために、どのように演算増幅器(OP1)および電圧比較器(CMP1~CMP4)を用いて実装され得るかの非限定的な例の概略図を示し、比較器基準値は、図12に関して提供される例に関係する。 The controller 102 is configured to receive a state determination signal from the state determination system 141 and perform operations according to the truth table set forth in Table 16c of FIG. 16, as further described with respect to the system and process 1800 of FIG. 18. FIG. 15 shows a schematic diagram of a non-limiting example of how the state determination system 141 can be implemented using an operational amplifier (OP1) and voltage comparators (CMP1-CMP4) to generate the truth table shown in Table 16c of FIG. 16, with the comparator reference values relating to the example provided with respect to FIG. 12.
図8に関して説明したようなバッテリー108を用いて実装されたシステム100の非限定的な例を考慮すると、領域4エリアで動作するとき、DC-DCコンバータ170を含めることは、図7のシステム700に関して以前に利用可能であったものよりも、ゼロ(0)バッテリー放電電流までの、より広い範囲の電流にわたる正確な入力/出力電圧差に対するより高い電気効率ならびにより高い精度の制御を提供する。これは、図9を検査することによって明らかである。本明細書で説明するように、任意の数N個のFET/抵抗器対について、利用可能なN2個の個別制御ステップがある。システム700内の抵抗器710a~710dの抵抗値が減少する性質のため、制御ステップの粒度は動作範囲にわたって一定ではなく、領域3エリア(図8を参照)で動作している間、微細な制御が利用可能であることがわかる(図9では、利用可能な制御ステップの70%が0.5V以下のVBAT-Vo差の範囲に存在することに留意されたい)が、VBAT-Vo差が0.5Vから3.0Vの範囲である領域4エリアで動作しているとき、利用可能な制御ステップの数が少ないため、非常に粗く不正確な制御しか利用できない。この範囲にあるとき、抵抗素子において高いV-I損失が存在するので、領域4エリアは、電気効率が悪い動作範囲である。したがって、領域4エリアは、DC-DCコンバータ170を組み込むことによって出力電圧Voの粗い制御が提供されるエリアであり、DC-DCコンバータは、このエリアにおいて高効率を有することを特に意図しているので、そのような効率の問題を軽減する。したがって、システム700は、領域4エリアにおいて効率および制御が悪く、一方、システム100は、DC-DCコンバータ170を組み込むことによってこれらの問題を軽減し、これは、領域4エリアにおいて性能を著しく改善し、一方、出力電圧Voのより微細な制御は、図18に関して本明細書でさらに説明するように、N-FET/抵抗器対ネットワークの総インピーダンスを制御することによって提供され得る。 Considering the non-limiting example of system 100 implemented with battery 108 as described with respect to Figure 8, when operating in the Region 4 area, the inclusion of DC-DC converter 170 provides higher electrical efficiency as well as more precise control over the exact input/output voltage differential over a wider range of currents, down to zero (0) battery discharge current, than was previously available with respect to system 700 of Figure 7. This is evident by inspecting Figure 9. As described herein, for any number N of FET/resistor pairs, there are N2 individual control steps available. Due to the decreasing resistance nature of resistors 710a-710d in system 700, the granularity of the control steps is not constant across the operating range; while operating in Region 3 (see FIG. 8), it can be seen that fine control is available (note in FIG. 9 that 70% of the available control steps are in the range of a V BAT -V o difference of 0.5V or less), but when operating in Region 4, where the V BAT -V o difference is in the range of 0.5V to 3.0V, only very coarse and imprecise control is available due to the small number of available control steps. Region 4 is an operating range with poor electrical efficiency due to the high VI losses in the resistive elements in this range. Region 4 is therefore an area where coarse control of the output voltage V o is provided by incorporating DC-DC converter 170, which is specifically intended to have high efficiency in this area, thereby mitigating such efficiency issues. Thus, system 700 suffers from poor efficiency and control in the Region 4 area, while system 100 alleviates these problems by incorporating DC-DC converter 170, which significantly improves performance in the Region 4 area, while finer control of the output voltage V o can be provided by controlling the total impedance of the N-FET/resistor pair network, as further described herein with respect to FIG. 18.
標準的なバックDC-DCコンバータまたはバックブーストDC-DCコンバータを使用する選択は、システム100によって電力供給される負荷105の要件、ならびにバッテリー108の特定の化学および構成のためのV-I曲線によって決定され得る。図7に関して本明細書で説明するように、システム700は、バッテリー電圧未満の電圧でのみ負荷705に電流を供給することができる。その結果、多くの場合、利用することができないエネルギーがバッテリー708内に存在することになる。図8を参照すると、領域1エリアは、負荷に対する指定された負荷電圧許容範囲未満にあるバッテリー動作点を識別する。バッテリー動作点がV-I曲線のファミリーの領域1エリアに存在するときはいつでも、バッテリーエネルギーを利用することができない。したがって、この領域1エリア内にあるV-I曲線の結果として生じる部分は、非常に小さく、SOCがほぼゼロである非常に低い充電状態においてのみ存在する。多くのエンドユーザアプリケーションの場合、この利用不可能な領域1エネルギーは、単に無視することができる。しかしながら、図8に示されるV-I曲線を、図10に示されるような異なるバッテリー構成の動作と比較し、これは、1Aと60Aとの間の電流で動作する、リン酸鉄バッテリーセルの4直列セル構成のV-I曲線を表す。図10のリン酸鉄バッテリーシステムの領域4エリア動作は、図8のニッケルマンガンコバルトシステムよりも、面積がかなり小さいことがわかる。これは、12Vシステムに好適であり得ることに留意されたい。しかしながら、図10のリン酸鉄バッテリーシステムの領域1エリアに存在する曲線の面積は、図8のニッケルマンガンコバルトシステムのものよりもかなり大きいことに留意されたい(たとえば、60Aの最大負荷で動作するとき、約40%までのSOC)。これは、前述のように領域1エリアに含まれるかなりの量の使用不可能なエネルギーを表し、そのようなバッテリーシステムによって電力供給されることが望まれる特定の用途には許容できない場合がある。潜在的な解決策は、図7のバッテリーシステム706を、DC-DCコンバータ170のための適切な最大電力および電流制限設定を有するDC-DCコンバータ設計(たとえば、バックブーストDC-DCコンバータ)を実装する図1のバッテリーシステム106で置き換えることであり、このタイプのコンバータは、指定された負荷電圧許容範囲内の電圧よりも低いバッテリー電圧を、指定された負荷電圧許容範囲に適合する出力電圧まで昇圧することができるためである。DC-DCコンバータ170がバッテリー108によって供給される電圧を上回る出力電圧を昇圧しているときに、出力からバッテリー(入力)への電力循環を防ぐために、DC-DCコンバータ170にバックブーストコンバータを使用するときには、注意が必要な場合があることに留意されたい。これを防止するために、DC-DCコンバータ170の出力の接続点は、(トランジスタ111のソース側に結合されるFET/抵抗器対110b~110dおよび150b~150dと比較して)トランジスタ111のドレイン側に移動され得る。ブーストモードで動作するとき、トランジスタ111はオフに切り替えられ、したがって、DC-DCコンバータ170の出力からバッテリー108への任意の電力循環を遮断する。ブーストモードにおけるDC-DCコンバータ170の動作の結果は、バッテリー108が領域4エリアで放電している間に供給される出力電力の100%が、N-FET/抵抗器対ネットワークを介さず、DC-DCコンバータ170を介して供給されるべきであるということである。これは、領域4エリアにおけるシステム100の動作が、DC-DCコンバータ170の電力限界および電流限界遷移点(Ilimit(A))以下の電力レベルであるべきであることを意味する。しかしながら、システム100がコンピュータサーバに利用される用途では、低SOCでのバッテリー108からのこの「電力低減」動作が特に許可されることは珍しいことではない。 The choice of using a standard buck DC-DC converter or a buck-boost DC-DC converter may be determined by the requirements of the load 105 powered by the system 100, as well as the VI curve for the particular chemistry and configuration of the battery 108. As described herein with respect to FIG. 7, the system 700 can only supply current to the load 705 at voltages below the battery voltage. As a result, there is often unavailable energy in the battery 708. With reference to FIG. 8, the Region 1 area identifies battery operating points that are below the specified load voltage tolerance for the load. Whenever a battery operating point falls within the Region 1 area of the family of VI curves, battery energy is unavailable. Therefore, the resulting portion of the VI curve that falls within this Region 1 area is very small and exists only at very low states of charge where the SOC is near zero. For many end-user applications, this unavailable Region 1 energy can simply be ignored. However, compare the VI curves shown in FIG. 8 with the operation of different battery configurations as shown in FIG. 10, which represents the VI curves for a four-series cell configuration of iron phosphate battery cells operating at currents between 1 A and 60 A. It can be seen that the Region 4 area of operation for the iron phosphate battery system of FIG. 10 is significantly smaller in area than the nickel manganese cobalt system of FIG. 8 . Note that this may be suitable for a 12V system. However, note that the area of the curve present in the Region 1 area for the iron phosphate battery system of FIG. 10 is significantly larger than that for the nickel manganese cobalt system of FIG. 8 (e.g., up to approximately 40% SOC when operating at a maximum load of 60 A). This represents a significant amount of unusable energy contained in the Region 1 area, as discussed above, and may be unacceptable for certain applications desired to be powered by such a battery system. A potential solution is to replace the battery system 706 of FIG. 7 with the battery system 106 of FIG. 1 that implements a DC-DC converter design (e.g., a buck-boost DC-DC converter) with appropriate maximum power and current limit settings for the DC-DC converter 170, as this type of converter can boost battery voltages lower than those within the specified load voltage tolerance range to an output voltage that meets the specified load voltage tolerance range. It should be noted that care may be needed when using a buck-boost converter for DC-DC converter 170 to prevent power cycling from the output to the battery (input) when DC-DC converter 170 is boosting an output voltage above the voltage supplied by battery 108. To prevent this, the connection point of the output of DC-DC converter 170 may be moved to the drain side of transistor 111 (compared to FET/resistor pairs 110b-110d and 150b-150d being coupled to the source side of transistor 111). When operating in boost mode, transistor 111 is switched off, thus blocking any power cycling from the output of DC-DC converter 170 to battery 108. The result of operating DC-DC converter 170 in boost mode is that 100% of the output power supplied while battery 108 is discharging in Region 4 should be supplied through DC-DC converter 170, not through the N-FET/resistor pair network. This means that operation of system 100 in the Region 4 area should be at a power level below the power limit and current limit transition point (I limit(A) ) of DC-DC converter 170. However, in applications where system 100 is utilized as a computer server, it is not uncommon to specifically allow this "power-down" operation from battery 108 at low SOC.
図17は、特定のバッテリーおよび負荷特性および要件に応じてコントローラ102内に実装され得る、FET/抵抗器のアクティブ化/非アクティブ化シーケンスのいくつかの非限定的な例を示す。表17aは、コントローラ102内に実装され得る、図9に関して説明されたものと同様のバイナリカウントシーケンスを表す。FET110b、110c、および110dは、バイナリ上向きカウントシーケンスでオンに切り替えられ得、FET110bは最下位ビットを表し、FET110dは最上位ビットを表し、各後続の2進数字は、N-FET/抵抗器対ネットワークの減少する総インピーダンスを表す。したがって、一度に1つの2進数字をカウントアップすることは、N-FET/抵抗器対ネットワークの総インピーダンスを減少させることになり、一度に1つの数字をカウントダウンすることは、N-FET/抵抗器対ネットワークの総インピーダンスを増加させることになる。表17bは、N-FET/抵抗器対ネットワークの総インピーダンスを減少させるために、第1のFET110bがオンに切り替えられ、次いで、FET110cがオンに切り替えられ(最初にFET110bをオフに切り替えることなく)、最後にFET110dがオンに切り替えられるように、バイナリカウントモードではなく、FETが順次オン/オフに切り替えられ得るシーケンシャルシーケンスを表す。同様に、N-FET/抵抗器対ネットワークのインピーダンスを増加させるために、コントローラ102は、最上位ビット位置でFETをオフに切り替え、次いで、次の最上位ビット位置でFETをオフに切り替え、以下同様に、すべてのFETがオフに切り替えられるまでオフに切り替えるように構成され得る。このシーケンシャルシーケンスは、より少ない離散インピーダンスステップをもたらすが、任意の所与のインピーダンス値から開始するとき、最小または最大インピーダンス値への到達が早くなる。 FIG. 17 shows some non-limiting examples of FET/resistor activation/deactivation sequences that may be implemented within the controller 102 depending on particular battery and load characteristics and requirements. Table 17a represents a binary counting sequence similar to that described with respect to FIG. 9 that may be implemented within the controller 102. FETs 110b, 110c, and 110d may be switched on in a binary count-up sequence, with FET 110b representing the least significant bit and FET 110d representing the most significant bit, and each subsequent binary digit representing a decreasing total impedance of the N-FET/resistor pair network. Thus, counting up one binary digit at a time will decrease the total impedance of the N-FET/resistor pair network, and counting down one digit at a time will increase the total impedance of the N-FET/resistor pair network. Table 17b shows a sequential sequence in which the FETs may be switched on and off, rather than in a binary counting mode, so that the first FET 110b is switched on, then FET 110c is switched on (without first switching FET 110b off), and finally FET 110d is switched on, to decrease the total impedance of the N-FET/resistor pair network. Similarly, to increase the impedance of the N-FET/resistor pair network, the controller 102 may be configured to switch off the FET in the most significant bit position, then the FET in the next most significant bit position, and so on, until all FETs are switched off. This sequential sequence results in fewer discrete impedance steps, but when starting from any given impedance value, the minimum or maximum impedance value is reached more quickly.
本開示の実施形態によれば、表17aに表されるバイナリカウントシーケンスは、バッテリー108が、図8に表されるものなどのNMCバッテリーセルから構成されるときに、コントローラ102内に実装され得、最小電流V-I曲線および最大電流V-I曲線によってトレースされるエリアの約20%のみが領域2エリア内にあり、領域2エリア外のエリアの大部分は、領域2エリアより上の領域3および4に位置する。本開示の実施形態によれば、表17bのシーケンシャルシーケンスは、バッテリー108が図10に表されるようなリン酸鉄バッテリーセルから構成されるとき、コントローラ102内に実装され得る。ここで、最小電流V-I曲線および最大電流V-I曲線によってトレースされるエリアは、領域2エリア内で約60%であり、領域2エリアより上の領域3および4には約30%しか存在しない。 According to an embodiment of the present disclosure, the binary count sequence shown in Table 17a can be implemented in the controller 102 when the battery 108 is composed of NMC battery cells such as those shown in FIG. 8, where only about 20% of the area traced by the minimum current V-I curve and the maximum current V-I curve is within Region 2, with most of the area outside Region 2 located in Regions 3 and 4 above Region 2. According to an embodiment of the present disclosure, the sequential sequence shown in Table 17b can be implemented in the controller 102 when the battery 108 is composed of iron phosphate battery cells such as those shown in FIG. 10, where the area traced by the minimum current V-I curve and the maximum current V-I curve is within Region 2, with only about 30% in Regions 3 and 4 above Region 2.
代替的なバイナリ/シーケンシャルまたは「ハイブリッド」カウントアプローチが表17cに示されており、バイナリカウントシーケンスおよびシーケンシャルシーケンスが組み合わされ、FET110bおよび110cはバイナリシーケンスで動作し、FET110dはFET110bおよび110cが最大バイナリ値に達した後にシーケンシャルシーケンスで追加される。 An alternative binary/sequential or "hybrid" counting approach is shown in Table 17c, where the binary counting sequence and sequential sequence are combined, with FETs 110b and 110c operating in binary sequence and FET 110d being added in sequential sequence after FETs 110b and 110c reach their maximum binary values.
本開示の実施形態は、以下の実施例によってさらに例示され、これは、本開示の主題を例示するために記載され、限定として解釈されないものとする。 Embodiments of the present disclosure are further illustrated by the following examples, which are provided to illustrate the subject matter of the present disclosure and are not to be construed as limiting.
次に、システム100の実装の非限定的な例について説明する。この12Vの例(Vo=12V)では、上限規制限界は12.6V、下限規制限界は11.4Vであり、指定された負荷電圧許容範囲を定義する。例示的なバッテリー108は、図10に示される4直列セルのリン酸鉄バッテリーに基づいており、最大負荷電流は60アンペアであり、最小負荷電流は1アンペアである。DC-DCコンバータ170は、適切なバックDC-DCコンバータ(図4に示すような特性を有する)として構成され、図11のような電流制限遷移点Ilimit(A)は、15アンペア、すなわち負荷105の最大電流の25%となるように選択される。図12に示すように、バッテリーDC-DCコンバータ設定点は12.0Vに設定され、PSU出力電圧設定点は12.35Vに設定され、UCTは12.3Vに設定され、LCTは11.9Vに設定される。コントローラ102は、図17の表17bに示すように、N-FET/抵抗器対ネットワークのインピーダンスを順に昇圧および降圧するように構成される。抵抗器150bは、すべての抵抗器150b~150dの中で最も高い抵抗値で構成されてもよい。本開示の実施形態によれば、抵抗器150bのこの抵抗値は、最小および最大負荷電流設計点の許容V-I曲線によってトレースされるバッテリー180の電圧の最大値によって決定され得る。この例では、この抵抗値は、図10に示される点A(13.4V)によって識別され、図10に示される点Bによって表される、12.0VであるバッテリーDC-DCコンバータ設定点の値を減算することができる。次いで、その結果をDC-DCコンバータ170の電流制限遷移点(Ilimit(A)、すなわち15A)で除算し、抵抗器150bに所望の抵抗値を提供する。これらの値を使用すると、結果は以下の通りである。
素子150bの抵抗値=(13.4V-12.0V)/15A
素子150bの抵抗値=93ミリオーム
A non-limiting example implementation of system 100 will now be described. In this 12V example (V o =12V), the upper regulation limit is 12.6V and the lower regulation limit is 11.4V, defining a specified load voltage tolerance range. The exemplary battery 108 is based on a four-series cell iron phosphate battery shown in FIG. 10, with a maximum load current of 60 amps and a minimum load current of 1 amp. The DC-DC converter 170 is configured as a suitable buck DC-DC converter (with characteristics as shown in FIG. 4), and the current limit transition point I limit (A) , as shown in FIG. 11, is selected to be 15 amps, or 25% of the maximum current of the load 105. As shown in FIG. 12, the battery DC-DC converter set point is set to 12.0V, the PSU output voltage set point is set to 12.35V, the UCT is set to 12.3V, and the LCT is set to 11.9V. The controller 102 is configured to sequentially step up and step down the impedance of the N-FET/resistor pair network as shown in Table 17b of FIG. 17. Resistor 150b may be configured with the highest resistance value of all resistors 150b-150d. According to embodiments of the present disclosure, this resistance value for resistor 150b may be determined by the maximum value of the battery 180 voltage traced by the allowable VI curves for the minimum and maximum load current design points. In this example, this resistance value is identified by point A (13.4 V) shown in FIG. 10, and can be subtracted from the value of the battery DC-DC converter set point, which is 12.0 V, represented by point B shown in FIG. 10. The result is then divided by the current limit transition point of DC-DC converter 170 (I limit(A) , i.e., 15 A) to provide the desired resistance value for resistor 150b. Using these values, the result is as follows:
Resistance value of element 150b = (13.4V - 12.0V) / 15A
Resistance of element 150b = 93 milliohms
抵抗器150cは、シーケンス内で次に低い抵抗値を有するように構成され得、抵抗器150bの抵抗値の1/10(たとえば、9ミリオーム)に等しいかまたはそれよりわずかに小さい抵抗値を有するように構成され得る。抵抗器150dは、抵抗器150cの1/10に等しいかまたはそれよりわずかに小さい抵抗値(たとえば、0.9ミリオーム)を有するように構成され得る。その結果、すべてのFETがオンに切り替えられたときのN-FET/抵抗器対ネットワークの全抵抗は、0.8ミリオームである。これは、60Aの最大負荷で、N-FET/抵抗器対ネットワークにわたって48ミリボルトの総電圧降下を提供する。 Resistor 150c may be configured to have the next lowest resistance in the sequence, and may be configured to have a resistance equal to or slightly less than 1/10 the resistance of resistor 150b (e.g., 9 milliohms). Resistor 150d may be configured to have a resistance equal to or slightly less than 1/10 the resistance of resistor 150c (e.g., 0.9 milliohms). As a result, the total resistance of the N-FET/resistor pair network when all FETs are switched on is 0.8 milliohms. This provides a total voltage drop of 48 millivolts across the N-FET/resistor pair network at a maximum load of 60 A.
図10に示されるように、リン酸鉄セル特性V-I曲線は、15Aの電流制限遷移点Ilimit(A)を上回り、60Aの最大定義負荷電流を下回る電流値の領域2動作範囲内に大部分存在するので、システム100は、前述のように、比較的少ない並列のFET/抵抗器対、順次FETアクティブ化シーケンス、順次対ごとの抵抗値を比較的積極的な低減で構成され得る。システム100が、図8によって表されるものなどのNMCセルから構成されるバッテリー108を用いて構成されている場合、図8に示されるように、V-I曲線の比較的より大きい部分が、領域2の動作範囲(すなわち、指定された負荷電圧許容範囲)を超えて存在するので、システム100は、並列のより多数のFET/抵抗器対、バイナリカウントシーケンス、および順次対ごとの抵抗値のより緩やかな低減で構成されてもよい。 10, the iron phosphate cell characteristic VI curve lies largely within the Region 2 operating range of current values above the current limit transition point I limit (A) of 15 A and below the maximum defined load current of 60 A, so system 100 may be configured with fewer parallel FET/resistor pairs, a sequential FET activation sequence, and a more aggressive reduction in resistance value per sequential pair, as previously described. If system 100 is configured with a battery 108 comprised of NMC cells such as those represented by FIG. 8, a relatively larger portion of the VI curve lies beyond the Region 2 operating range (i.e., the specified load voltage tolerance), as shown in FIG. 8, so system 100 may be configured with a larger number of parallel FET/resistor pairs, a binary count sequence, and a more gradual reduction in resistance value per sequential pair.
再び図1を参照すると、適切に動作するとき(すなわち、AC入力電力が存在し、指定された値内にあり、かつ/またはPSU101内にハードウェア故障が存在しないとき)、PSU101は、負荷105に全負荷電流を供給するのに十分な出力電流容量を有するように設計される。PSU101へのAC入力の障害がある場合、またはPSU101内にハードウェア障害がある場合、PSU101は、負荷105への電流の供給を停止し、バッテリーシステム106は、バッテリー108からのエネルギーを放電して、負荷105に電流を供給する。 Referring again to FIG. 1, when operating properly (i.e., when AC input power is present and within specified values, and/or there are no hardware faults within the PSU 101), the PSU 101 is designed to have sufficient output current capacity to supply full load current to the load 105. If there is a failure of the AC input to the PSU 101 or if there is a hardware fault within the PSU 101, the PSU 101 will stop supplying current to the load 105, and the battery system 106 will discharge energy from the battery 108 to supply current to the load 105.
本開示の実施形態によれば、バッテリーシステム106は、出力ノードVoにおける電圧を、図12に示されるような上限および下限規制限界によって区切られた指定された負荷電圧許容範囲内になるように維持するように、N-FET/抵抗器対ネットワークと組み合わせて、DC-DCコンバータ170によって提供される電流経路間でバッテリー108から電流を供給するように構成される。負荷105の需要を満たすために必要とされる電流に応じて、電流は、DC-DCコンバータ170とN-FET/抵抗器対ネットワークの要素との任意の組合せを通って流れることができる。コントローラ102は、負荷105に供給される電圧が、上限および下限規制限界の間(すなわち、指定された負荷電圧許容範囲内)に調整されるように、DC-DCコンバータ170とN-FET/抵抗器対ネットワークとの間のように、放電バッテリー108からの出力電流の平衡を制御するように構成され得る。以下の説明は、電流平衡化および電圧調整プロセスの一部として起こり得る例示的な遷移を表す。 According to an embodiment of the present disclosure, the battery system 106 is configured to source current from the battery 108 between current paths provided by the DC- DC converter 170 in combination with the N-FET/resistor pair network to maintain the voltage at the output node V o within a specified load voltage tolerance range bounded by upper and lower regulatory limits as shown in FIG. 12 . Depending on the current required to meet the demands of the load 105, the current can flow through any combination of elements of the DC-DC converter 170 and the N-FET/resistor pair network. The controller 102 can be configured to control the balancing of the output current from the discharging battery 108 between the DC-DC converter 170 and the N-FET/resistor pair network such that the voltage supplied to the load 105 is regulated between the upper and lower regulatory limits (i.e., within the specified load voltage tolerance range). The following description represents example transitions that may occur as part of the current balancing and voltage regulation process.
本開示の実施形態による、バッテリーシステム106によってバッテリー108から負荷105に電流を供給するための非限定的な例示的プロセスについて、コントローラ102内の動作のために実装され得る、図18のシステムおよびプロセス1800に関してここで説明する。この例では、DC-DCコンバータ170は、図4に従って動作し、状態決定システム141は、図16の表16aおよび16bに記載される真理値表に従って動作するように構成され、コントローラ102は、図16の表16cに記載される真理値表および図17の表17bに記載されるFETシーケンスに従って動作するように構成される。表16aおよび表16bに記載される真理値表に従って状態決定システム141によって生成された信号は、信号線180を介してコントローラ102によって受信される。 A non-limiting exemplary process for supplying current from the battery 108 to the load 105 by the battery system 106 according to an embodiment of the present disclosure will now be described with reference to the system and process 1800 of FIG. 18, which may be implemented for operation within the controller 102. In this example, the DC-DC converter 170 operates according to FIG. 4, the state determination system 141 is configured to operate according to the truth tables set forth in Tables 16a and 16b of FIG. 16, and the controller 102 is configured to operate according to the truth tables set forth in Table 16c of FIG. 16 and the FET sequence set forth in Table 17b of FIG. 17. The signal generated by the state determination system 141 according to the truth tables set forth in Tables 16a and 16b is received by the controller 102 via signal line 180.
図19~図20は、バッテリー108およびPSU101から出力ノードVoへの出力電圧の供給のシステム100の例示的な動作と、状態決定システム141からコントローラ102に提供される信号の対応する遷移とを示す時間領域分析を示す。図19は、時間間隔t0~t10の間の例示的な時間領域分析を示し、図20は、時間間隔t10~t21の間の例示的な時間領域分析を示す。システムおよびプロセス1800の例示的な動作は、図19および図20の時間インスタンスを参照して説明され、各時間インスタンスの瞬間および各時間インスタンスの間の時間間隔の間に何が起こるかを説明する。図19および図20は、縮尺通りに描かれておらず、示されているいくつかの時間間隔は、マイクロ秒単位で測定され得、他の時間間隔は、秒または分単位で測定され得ることに留意されたい。 19-20 illustrate time domain analyses illustrating an example operation of system 100 of the delivery of output voltages from battery 108 and PSU 101 to output node V o and corresponding transitions in signals provided from state determination system 141 to controller 102. FIG. 19 illustrates an example time domain analysis for time interval t 0 -t 10 , and FIG. 20 illustrates an example time domain analysis for time interval t 10 -t 21. The example operation of system and process 1800 is described with reference to the time instances in FIGS. 19 and 20 to describe what happens at the moment of each time instance and during the time intervals between each time instance. Note that FIGS. 19 and 20 are not drawn to scale, and some of the time intervals shown may be measured in microseconds, while other time intervals may be measured in seconds or minutes.
プロセスブロック1801において、PSU101は、適切に動作しており、以前のある時間期間にオンになっていたかもしれない。この例では、PSU101の出力電圧設定点は12.35Vであり、負荷105に全負荷電流を供給する。また、前のある時間期間において、バッテリーシステム106の構成要素が初期化される(プロセスブロック1802~1805の周りの破線によって表される)。コントローラ102は、プロセスブロック1802において(たとえば、AC_OK信号を受信すると)初期化され得る。プロセスブロック1803において、コントローラ102は、それぞれ信号線171および121b~121dを介して、DC-DCコンバータ170およびすべてのFET110b~101dをオフに切り替える。プロセスブロック1804において、コントローラ102は、出力ノードVoに存在する電圧がPSU出力電圧設定点に等しいこと(たとえば、バッテリー電圧センサ142と同様の方法で、状態決定システム141内に実装された電圧センサによって、出力電圧Voの感知されたレベルが信号線180を介してコントローラ102に提供される)、および信号線112上のAC_OK信号が存在すること(たとえば、論理レベル1が受信されていること)を検証するように構成され得る。 In process block 1801, PSU 101 is operating properly and may have been on for some previous period of time. In this example, the output voltage set point of PSU 101 is 12.35V and supplies full load current to load 105. Also, for some previous period of time, components of battery system 106 are initialized (represented by the dashed lines around process blocks 1802-1805). Controller 102 may be initialized in process block 1802 (e.g., upon receiving an AC_OK signal). In process block 1803, controller 102 switches off DC-DC converter 170 and all FETs 110b-101d via signal lines 171 and 121b-121d, respectively. In process block 1804, controller 102 may be configured to verify that the voltage present at output node V o is equal to the PSU output voltage set point (e.g., a sensed level of output voltage V o is provided to controller 102 via signal line 180 by a voltage sensor implemented within state determination system 141 in a manner similar to battery voltage sensor 142), and that the AC_OK signal on signal line 112 is present (e.g., a logic level 1 is received).
プロセスブロック1805において、DC-DCコンバータ170は、制御信号171を介してオンにされ、それによって、DC-DCコンバータ170は、その出力をそのバッテリーDC-DCコンバータ設定点(この例では、12.0V)に安定させる。しかしながら、出力ノードVoの電圧は、PSU101によって12.35Vに保持されているので、DC-DCコンバータ170から電流は流れず、負荷105へのすべての電流は、PSU101によって供給される。DC-DCコンバータ170がその出力を安定化した後のある時点において、システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1806に進み、信号線180を介して状態決定システム141からコントローラ102によって受信されたUCTEまたはLCTE信号のいずれかの立上りエッジ遷移によって生成された割込みを待つ。この待機条件は、定常状態条件を表しており、この例では、図19の時刻t0に示すシステム状態として表されている。さらに説明されるように、コントローラ102は、UCTE信号(たとえば、図19の1901を参照)またはLCTE信号(たとえば、図19および図20の1902を参照)のいずれかの立上りエッジ(論理レベル0から論理レベル1への遷移)を受信すると割込みを生成するように構成され得る。この割込みによって、システムおよびプロセス1800はプロセスブロック1806からプロセスブロック1807に遷移し、ここで、状態決定システム141からの状態決定信号が評価されて、本明細書でさらに説明するように、N-FET/抵抗器対ネットワークのインピーダンスを上または下のいずれかに調整するために、任意のFET制御アクションが必要であるかどうかを決定する。 In process block 1805, DC-DC converter 170 is turned on via control signal 171, causing DC-DC converter 170 to regulate its output at its battery DC-DC converter set point (12.0 V in this example). However, because the voltage at output node Vo is held at 12.35 V by PSU 101, no current flows from DC-DC converter 170 and all current to load 105 is supplied by PSU 101. At some point after DC-DC converter 170 has regulated its output, system and process 1800 proceed to process block 1806 and wait for an interrupt generated by a rising edge transition of either the UCTE or LCTE signal received by controller 102 from state determination system 141 via signal line 180. This wait condition represents a steady state condition and, in this example, is represented as the system state shown in FIG. 19 at time t0 . As will be described further, the controller 102 may be configured to generate an interrupt upon receiving a rising edge (a transition from logic level 0 to logic level 1) of either the UCTE signal (e.g., see 1901 in FIG. 19) or the LCTE signal (e.g., see 1902 in FIGS. 19 and 20). This interrupt causes the system and process 1800 to transition from process block 1806 to process block 1807, where the state determination signal from the state determination system 141 is evaluated to determine whether any FET control action is required to adjust the impedance of the N-FET/resistor pair network either up or down, as will be described further herein.
時間間隔t0~t1の間、プロセスブロック1806におけるこの定常状態条件は継続する。コントローラ102は、FET110b~110dのスイッチをオフに維持する。すべての負荷電流は、DC-DCコンバータ170のバッテリーDC-DCコンバータ設定点より上の点で出力ノードVoに供給される電圧を規制しているPSU101によって供給され続ける。出力ノードVoに供給される電圧はUCTよりも高いので、UCTE信号は論理レベル1にあり(図16の表16aを参照)、電圧Voは変化しないので、状態決定システム141は、dVo/dt PositiveおよびdVo/dt Negativeの信号を論理レベル0の値に維持する(図16の表16bを参照)。プロセスブロック1806では、コントローラ102がまだUCTE信号またはLCTE信号のいずれかの立上りエッジを待っているので、割込みは生成されていない。 This steady-state condition continues in process block 1806 during time interval t0 to t1 . Controller 102 maintains the switches of FETs 110b-110d switched off. All load current continues to be supplied by PSU 101, which is regulating the voltage supplied to output node V0 at a point above the battery DC-DC converter set point of DC-DC converter 170. Because the voltage supplied to output node V0 is higher than UCT, the UCTE signal is at logic level 1 (see Table 16a in FIG. 16), and because voltage V0 does not change, state determination system 141 maintains the dV0 /dt Positive and dV0 /dt Negative signals at logic level 0 values (see Table 16b in FIG. 16). In process block 1806, no interrupt is generated because controller 102 is still waiting for a rising edge of either the UCTE or LCTE signal.
この例では、何らかの後続の時間期間において、(AC_OK信号112を介してコントローラ102にシグナリングされる)ACライン障害またはPSU101のハードウェア障害のいずれかが発生すると考える。これを時刻t1として図19に示す。最終的に、PSU101の出力電圧は12.35Vから降下し始める。電圧Voが降下すると、CLOAD160は、次に、放電し、負荷105に電流の一部を供給し、PSU101は、電流の残りを供給する。時刻t1において電圧Voが降下し始めると、これは、状態決定システム141によって感知され、論理レベル0から論理レベル1へのdVo/dt Negative信号の遷移をもたらす(図16の表16bを参照)。時刻t1に続いて、電圧Voは、UCTを下回るように十分に減少し、状態決定システム141は、UCTE信号を論理レベル1から論理レベル0に遷移させる。プロセスブロック1806は、UCTE信号またはLCTE信号のいずれかが論理レベル0から論理レベル1に遷移することによって引き起こされる割込みを依然として待っている。より多くのエネルギーがCLOAD160から負荷105に供給され得るので、電圧Voの減少は、時間間隔t1からt2の間継続する。 In this example, consider that at some subsequent time period, either an AC line fault (signaled to the controller 102 via the AC_OK signal 112) or a hardware failure of the PSU 101 occurs. This is shown in FIG. 19 as time t1 . Eventually, the output voltage of the PSU 101 begins to drop from 12.35V. As the voltage V drops, the C LOAD 160 then discharges and supplies some of the current to the load 105, while the PSU 101 supplies the remainder of the current. When the voltage V begins to drop at time t1 , this is sensed by the state determination system 141, causing the dV o /dt Negative signal to transition from logic level 0 to logic level 1 (see Table 16b in FIG. 16). Following time t1 , the voltage V o decreases sufficiently to fall below UCT, causing the state determination system 141 to transition the UCTE signal from logic level 1 to logic level 0. Process block 1806 is still waiting for an interrupt caused by either the UCTE signal or the LCTE signal transitioning from logic level 0 to logic level 1. The decrease in voltage V continues during time interval t1 to t2 as more energy can be supplied from C LOAD 160 to load 105.
時刻t2において、電圧Voは、12.0Vに設定されたDC-DCコンバータ170のバッテリーDC-DCコンバータ設定点に達するまで降下している。時間間隔t2~t3の間、電流は、DC-DCコンバータ170を介してバッテリー108から供給されており、DC-DCコンバータ170によって供給される電流が、時刻t2におけるゼロ電流から時刻t3における電流制限遷移点Ilimit(A)まで上昇するにつれて、電圧Voを一定に保持する。時間間隔t2~t3の間の出力電圧Voのこの不変の値に応答して、状態決定システム141からコントローラ102によって受信されたdVo/dt Negative信号は、論理0値に戻る(図16の表16bを参照)。 At time t2 , the voltage V o drops until it reaches the battery DC-DC converter set point of DC-DC converter 170, which is set at 12.0 V. During time interval t2 - t3 , current is sourced from battery 108 through DC-DC converter 170, holding voltage V o constant as the current sourced by DC-DC converter 170 rises from zero current at time t2 to a current limit transition point I limit (A) at time t3 . In response to this unchanged value of output voltage V o during time interval t2 - t3 , the dV o /dt Negative signal received by controller 102 from state determination system 141 returns to a logic 0 value (see Table 16b of FIG. 16).
時点t3で電流制限遷移点Ilimit(A)に達すると、DC-DCコンバータ170は、その電圧「ドループ」モード(図11を参照)に入り、CLOAD160が再び負荷105にエネルギーを供給し始めるにつれて、出力電圧Voが減少し始め、これは、図19の時間間隔t3~t4の間に見ることができる。状態決定システム141からコントローラ102に供給されるdVo/dt Negative信号は、この時間間隔中に論理レベル1に遷移する。しかしながら、プロセスブロック1806では、割込みはまだ生成されない。したがって、コントローラ102は、図16の表16cの真理値表に従って、(図17の表17bに記載されるインピーダンスシーケンス0に対応する)FET110b~110dのスイッチオフを維持する。 Upon reaching the current limit transition point I limit (A) at time t3 , DC-DC converter 170 enters its voltage "droop" mode (see FIG. 11), and output voltage V o begins to decrease as C LOAD 160 again begins to supply energy to load 105, which can be seen during time interval t3 - t4 in FIG. 19. The dV o /dt Negative signal provided from state determination system 141 to controller 102 transitions to logic level 1 during this time interval. However, no interrupt is yet generated at process block 1806. Therefore, controller 102 keeps FETs 110b-110d switched off (corresponding to impedance sequence 0 set forth in Table 17b of FIG. 17) in accordance with the truth table of Table 16c of FIG. 16.
時刻t4において、出力電圧VoがLCTを下回り、状態決定システム141に、LCTE信号を論理レベル0から論理レベル1に遷移させ(図19に時刻t4で1902として示される)、プロセスブロック1806によって割込みが生成される。システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1807に進み、状態決定システム141から受信された状態決定信号のレベルが、コントローラ102によって読み取られる。図16の表16aおよび16bの真理値表によれば、信号のレベルは、UCTE=0、LCTE=1、dVo/dt Positive=0、およびdVo/dt Negative=1である。システムおよびプロセス1800は、次いで、プロセスブロック1808に進み、これらの信号レベルが、図16の表16cの真理値表に記載される条件2bまたは3cのいずれかに対応するかどうかを決定する。この例では、時刻t4において、状態決定信号のレベルが表16cの条件3cに対応すると決定されるので、システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1810に進み、コントローラ102は、N-FET/抵抗器対ネットワークのインピーダンスが減少する必要があると決定する。N-FET/抵抗器対ネットワークが現在インピーダンスシーケンス0にある(すなわち、すべてのFETがオフに切り替えられる)ので、減少したインピーダンスを表す図17の表17bの次のステップは、インピーダンスシーケンス1として識別される。プロセスブロック1810において、コントローラ102は、制御信号121bを介してFET110bをオンに切り替えて、N-FET/抵抗器対ネットワークをインピーダンスシーケンス1の構成に構成する。 At time t4 , the output voltage V₀ falls below LCT, causing the state determination system 141 to transition the LCTE signal from logic level 0 to logic level 1 (shown as 1902 in FIG. 19 at time t4), and an interrupt is generated by process block 1806. The system and process 1800 proceeds to process block 1807, where the levels of the state determination signals received from the state determination system 141 are read by the controller 102. According to the truth tables of Tables 16a and 16b of FIG. 16, the signal levels are UCTE=0, LCTE=1, dV₀ /dt Positive=0, and dV₀ /dt Negative=1. The system and process 1800 then proceeds to process block 1808, where it determines whether these signal levels correspond to either condition 2b or 3c set forth in the truth table of Table 16c of FIG. 16. In this example, at time t4 , the level of the state-determining signal is determined to correspond to condition 3c in Table 16c, so system and process 1800 proceeds to process block 1810, where controller 102 determines that the impedance of the N-FET/resistor pair network needs to decrease. Because the N-FET/resistor pair network is currently in impedance sequence 0 (i.e., all FETs are switched off), the next step in Table 17b of FIG. 17, representing decreased impedance, is identified as impedance sequence 1. In process block 1810, controller 102 switches on FET 110b via control signal 121b to configure the N-FET/resistor pair network into the impedance sequence 1 configuration.
時間間隔t4~t5は、FET110bに送られるスイッチON信号の制御線121bに沿った伝搬遅延が存在し得ることを表す。そのような伝搬遅延は、時刻t4の割込みの処理におけるプロセスブロック1806の処理時間、プロセスブロック1807、1808、1810の実行時間、コントローラ102からFET110bへのON信号の伝搬に要する信号伝搬時間、およびFET110bのスイッチング時間から構成されてもよい。この伝搬時間は、比較的短い(たとえば、マイクロ秒程度)ことがあるが、インピーダンス変化の必要性が最初に認識された時刻t4と、N-FET/抵抗器対ネットワークのインピーダンス状態が実際に変化し、システム状態変数が応答する時刻t5との間に、測定可能な時間遅延が存在することがある。N-FET/抵抗器対ネットワークの過剰補正を防止するために、システムおよびプロセス1800がプロセスブロック1807に戻り、状態決定信号の状態を再度リセットする前に、時間遅延(たとえば、伝搬遅延の可能な限り長い値に等しい)を挿入するために、プロセスブロック1811が任意選択で含まれてもよい。時刻t5は、伝搬遅延期間の終了を表し、この時点で、システム状態が、時刻t4で取られる制御アクション(すなわち、電圧Voの増加)に応答したことがわかる。したがって、時刻t5の後、システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1807に戻る。 The time interval t4 - t5 represents the possible propagation delay along control line 121b of the switch ON signal sent to FET 110b. Such propagation delay may consist of the processing time of process block 1806 in processing the interrupt at time t4 , the execution time of process blocks 1807, 1808, and 1810, the signal propagation time required to propagate the ON signal from controller 102 to FET 110b, and the switching time of FET 110b. Although this propagation time may be relatively short (e.g., on the order of microseconds), there may be a measurable time delay between time t4 , when the need for an impedance change is first recognized, and time t5 , when the impedance state of the N-FET/resistor pair network actually changes and the system state variables respond. To prevent overcompensation of the N-FET/resistor pair network, process block 1811 may optionally be included to insert a time delay (e.g., equal to the longest possible value of the propagation delay) before the system and process 1800 returns to process block 1807 and again resets the state of the state determination signal. Time t5 represents the end of the propagation delay period, at which point it is known that the system state has responded to the control action taken at time t4 (i.e., increasing voltage V0 ). Thus, after time t5 , the system and process 1800 returns to process block 1807.
時刻t5において、プロセスブロック1811の任意選択の伝搬遅延が完了し、FET110bがここでオンに切り替えられる。以前はもっぱらDC-DCコンバータ170を介して負荷105に流れていたバッテリー108によって生成された電流は、ここで、すなわち、FET110bおよび抵抗器150bを介する負荷105への第2のパスを有する。その結果、DC-DCコンバータ170の電流は、電流がDC-DCコンバータ170から分流され、DC-DCコンバータ170の出力電圧、したがって、出力電圧Voがその12.0V設定点に向かって上昇して戻るにつれて、電流制限遷移点を下回る。 At time t5 , the optional propagation delay of process block 1811 is complete and FET 110b is now switched on. The current generated by battery 108, which previously flowed solely through DC-DC converter 170 to load 105, now has a second path to load 105, namely through FET 110b and resistor 150b. As a result, the current in DC-DC converter 170 falls below the current limit transition point as current is diverted from DC-DC converter 170 and the output voltage of DC-DC converter 170, and therefore the output voltage V o , rises back towards its 12.0V set point.
時刻t5に続いて、プロセスブロック1807において、コントローラ102は、状態決定信号を再度読み取り、制御をプロセスブロック1808に渡す。図19に示される例によって示されるように、時間間隔t5~t6の間、電圧VoはLCTを下回るが、電圧Voは上昇しており、状態決定システム141から受信された状態決定信号によって、N-FET/抵抗器対ネットワークがプロセスブロック1808から出る「どちらでもない」パスに対応する条件3b(図16の表16cを参照)に従って動作していることを、プロセスブロック1808において、コントローラ102が決定することになる。プロセスブロック1812では、信号UCTEおよびLCTEは各々、論理レベル1についてコントローラ102によって評価される。LCTE信号は論理レベル1のままであるので、システムおよびプロセス1800は、立上り出力電圧VoがLCTしきい値を超える(時刻t6に生じるように示される)まで、プロセスブロック1812からプロセスブロック1807、プロセスブロック1808、プロセスブロック1812に戻るように連続的にループし、その結果、LCTE信号が論理レベル1から論理レベル0に遷移する。 Following time t5 , in process block 1807, controller 102 again reads the state determination signal and passes control to process block 1808. As illustrated by the example shown in FIG. 19, during time interval t5 - t6 , voltage V o is below LCT, but voltage V o is rising, and the state determination signal received from state determination system 141 causes controller 102 to determine in process block 1808 that the N-FET/resistor pair network is operating in accordance with condition 3b (see Table 16c of FIG. 16), which corresponds to the "neither" path out of process block 1808. In process block 1812, signals UCTE and LCTE are each evaluated by controller 102 for a logic level 1. Because the LCTE signal remains at logic level 1, the system and process 1800 continuously loop from process block 1812 to process block 1807 to process block 1808 to process block 1812 back to process block 1812 until the rising output voltage V exceeds the LCT threshold (shown to occur at time t6 ), resulting in the LCTE signal transitioning from logic level 1 to logic level 0.
時刻t6において、DC-DCコンバータ170からの出力電流が増加し続けるので、出力電圧Voは上昇し続ける。LCTE信号が論理レベル0に遷移した後、プロセスブロック1812が最初に呼び出されると、システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1812を出て、プロセスブロック1806に戻り、UCTE信号またはLCTE信号のいずれかの立上りエッジによってトリガされる割込みの待機状態を再係合にする。 At time t6 , the output voltage V o continues to rise as the output current from DC-DC converter 170 continues to increase. When process block 1812 is first invoked after the LCTE signal transitions to logic level 0, the system and process 1800 exit process block 1812 and return to process block 1806 to re-engage the wait for an interrupt triggered by the rising edge of either the UCTE or LCTE signal.
再び図19を参照すると、時間間隔t6~t7の第1の部分の間、出力電圧Voは、出力電流がDC-DCコンバータ170内で上昇するにつれて、12.0VのバッテリーDC-DCコンバータ設定点に向かって増加し続ける。最終的に、時刻t6とt7との間のほぼ中間点に示される電流限界遷移点に到達する。この時点で、DC-DCコンバータ170は再び「ドループ」モードに入り、出力電圧Voが低下し始める(図11を参照)。このdVo/dtの反転は、時刻t6とt7との間の中間で生じるdVo/dt PositiveおよびdVo/dt Negativeの信号レベルの変化に示される。時間間隔t6~t7の間、UCTE信号またはLCTE信号のいずれにも立上りエッジがないため、割込みは生成されず、システムおよびプロセス1800はプロセスブロック1806に留まる。 Referring again to FIG. 19, during a first portion of the time interval t6 - t7 , the output voltage V0 continues to increase toward the battery DC-DC converter set point of 12.0 V as the output current ramps up within the DC-DC converter 170. Eventually, a current-limit transition point is reached, shown approximately halfway between times t6 and t7 . At this point, the DC-DC converter 170 again enters "droop" mode, and the output voltage V0 begins to decrease (see FIG. 11). This reversal of dV0 /dt is indicated by the change in the signal levels of dV0 /dt Positive and dV0 /dt Negative, which occurs halfway between times t6 and t7 . Because there are no rising edges in either the UCTE or LCTE signals during the time interval t6 - t7 , no interrupt is generated, and the system and process 1800 remain at process block 1806.
時刻t7において、出力電圧Voは、LCTを超えて下降し、LCTE信号(図19に時刻t7で1902として示される)上に立上りエッジ、および割込みが生成され、システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1806からプロセスブロック1807に進み、コントローラ102は、状態決定システム141から受信された状態決定信号を読み取る。システムおよびプロセス1800は、次いで、プロセスブロック1808に進み、状態決定信号を評価し、UCTE=0、LCTE=1、dVo/dt Positive=0、およびdVo/dt Negative=1の組合せが、表16cの条件3cに対応することを示す。結果として、システムおよびプロセス1800は、次いで、プロセスブロック1810に進み、N-FET/抵抗器対ネットワークが、表17bの真理値表に従ってインピーダンスシーケンス1に構成されているので、条件3cに対応するインピーダンスシーケンスの次のステップは、インピーダンスシーケンス2であると決定される。これを達成するために、コントローラ102は、FET110bをスイッチオンに維持し、制御信号121cを介してFET110cをオンに切り替え、次いで、プロセスブロック1810を出て、プロセスブロック1811に進む。時間間隔t7~t8の間、システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1811に留まり、FET110cがオンに切り替わるのを待ち得る。 At time t7 , the output voltage V₀ falls beyond LCT, generating a rising edge on the LCTE signal (shown as 1902 in FIG. 19 at time t7 ) and an interrupt, and system and process 1800 proceeds from process block 1806 to process block 1807, where the controller 102 reads the state determination signal received from the state determination system 141. System and process 1800 then proceeds to process block 1808, where it evaluates the state determination signal and indicates that the combination of UCTE=0, LCTE=1, dV₀ /dt Positive=0, and dV₀ /dt Negative=1 corresponds to condition 3c in Table 16c. As a result, system and process 1800 then proceeds to process block 1810, where it is determined that the next step in the impedance sequence corresponding to condition 3c is impedance sequence 2 because the N-FET/resistor pair network is configured in impedance sequence 1 according to the truth table in Table 17b. To accomplish this, controller 102 keeps FET 110b switched on and switches FET 110c on via control signal 121c, then exits process block 1810 and proceeds to process block 1811. During time interval t7 - t8 , the system and process 1800 may remain in process block 1811 waiting for FET 110c to switch on.
時刻t8において、FET110cがスイッチオンであるとき、バッテリー108によって生成された電流は、次に、DC-DCコンバータ170、FET110b/抵抗器150b対、およびFET110c/抵抗器150c対を通る導電性経路を有する。FET110c/抵抗器150c対を通る導電性経路と、この新しい導電性経路のはるかに低いインピーダンスとを追加すると、より多くの電流がDC-DCコンバータ170から迂回し、その電流をIlimit(A)未満のレベルに下げ、したがって、現在低減された電流で動作するDC-DCコンバータ170が、そのバッテリーDC-DCコンバータ設定点(この例では、12.0V)でその出力を調整しようと試みるにつれて、出力電圧Voは、再び増加し始める。システムおよびプロセス1800は、次いで、プロセスブロック1807に進み、それによって、コントローラ102は、状態決定信号を読み取る。プロセスブロック1808において、コントローラ102は、UCTE=0、LCTE=1、dVo/dt Positive=1、dVo/dt Negative=0と決定された状態決定信号のレベルを評価する。状態決定信号のレベルのこの組合せは、表16cに記載される条件3bに対応し、必要とされるインピーダンスアクションは「なし」である。次いで、システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1812に進み、電圧VoがLCT未満であるので、LCTE=1であり、システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1812からプロセスブロック1807、プロセスブロック1808、次いで、プロセスブロック1812にループし、電圧VoがLCTを超えて増加するまで、このループのままである。 At time t8 , when FET 110c is switched on, the current generated by the battery 108 now has a conductive path through the DC-DC converter 170, the FET 110b/resistor 150b pair, and the FET 110c/resistor 150c pair. The addition of the conductive path through the FET 110c/resistor 150c pair, along with the much lower impedance of this new conductive path, diverts more current from the DC-DC converter 170, reducing its current to a level below I limit (A). Thus, the output voltage V o begins to increase again as the DC-DC converter 170, now operating at a reduced current, attempts to regulate its output at its battery DC-DC converter set point (12.0 V in this example). The system and process 1800 then proceeds to process block 1807, whereby the controller 102 reads the state determination signal. In process block 1808, the controller 102 evaluates the levels of the state-determining signals, which are determined to be UCTE=0, LCTE=1, dVo /dt Positive=1, and dVo /dt Negative=0. This combination of state-determining signal levels corresponds to condition 3b listed in Table 16c, and the required impedance action is "none." The system and process 1800 then proceed to process block 1812, and because the voltage Vo is less than the LCT, LCTE=1, and the system and process 1800 loop from process block 1812 to process block 1807, process block 1808, and then process block 1812, remaining in this loop until the voltage Vo increases above the LCT.
図19を参照すると、時刻t9は、出力電圧Voが上昇してLCTを超え、LCTE信号を論理レベル0にリセットさせたことを示す(表16aを参照)。LCTE信号の論理レベル0への遷移に続いて、システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1812を次回通過する際にプロセスブロック1806に進む。システムおよびプロセス1800は、UCTE信号またはLCTE信号のいずれかの立上りエッジによって引き起こされる次の割込みまで、プロセスブロック1806に留まる。 19, time t9 indicates that the output voltage V o rises and exceeds LCT, causing the LCTE signal to be reset to logic level 0 (see Table 16a). Following the transition of the LCTE signal to logic level 0, the system and process 1800 proceeds to process block 1806 on the next pass through process block 1812. The system and process 1800 remain in process block 1806 until the next interrupt caused by the rising edge of either the UCTE or LCTE signal.
図19に示すように、t8~t10を含む時間間隔は、負荷105への電流が一定レベルに保たれ、バッテリー108がゆっくり放電している定常状態の状態を表す。コントローラ102は、N-FET/抵抗器対ネットワークをインピーダンス条件2構成に維持する。 19, the time interval including t8 to t10 represents a steady-state condition where the current to the load 105 is maintained at a constant level and the battery 108 is slowly discharging. The controller 102 maintains the N-FET/resistor pair network in the Impedance Condition 2 configuration.
この例では、時刻t10は、dVo/dtが比較的小さい正の値から比較的大きい正の値に急激に増加する、出力電圧Voの軌跡の不連続の発生を示している。この種の不連続を引き起こし得る条件は、負荷105への電流の急激な減少であり、CLOAD160への正電流およびdVo/dtの対応する変化(増加)をもたらす。 In this example, time t10 indicates the occurrence of a discontinuity in the trajectory of the output voltage Vo, where dVo /dt suddenly increases from a relatively small positive value to a relatively large positive value. A condition that can cause this type of discontinuity is a sudden decrease in current to the load 105, resulting in a positive current to CLOAD 160 and a corresponding change (increase) in dVo /dt.
図20を参照すると、時間間隔t10~t11の間、出力電圧Voの値は増加しており、システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1806で割込みを待っている。 Referring to FIG. 20, during time interval t 10 -t 11 , the value of the output voltage V o is increasing and the system and process 1800 is waiting for an interrupt at process block 1806 .
時刻t11は、出力電圧VoがUCTを超えて上昇し、UCTE信号の立上りエッジを引き起こし(図20に時刻t11で1901として示される)、プロセスブロック1806において割込みを生成する状況を示す。システムおよびプロセス1800は、次いで、プロセスブロック1807に進み、状態決定システム141から受信された状態決定信号が、コントローラ102によって受信される。プロセスブロック1808において、コントローラ102は、この状況では状態決定システム141(図16の表16aおよび表16bを参照)によって生成された受信信号を、UCTE=1、LCTE=0、dVo/dt Positive=1、およびdVo/dt Negative=0と評価する。表16cによれば、コントローラ102は、信号の組合せが条件2bであると決定する。したがって、システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1809に進み、コントローラ102は、N-FET/抵抗器対ネットワークのインピーダンスが増加する必要があると決定する。N-FET/抵抗器対ネットワークは、現在、インピーダンスシーケンス2(すなわち、FET110bがオンに切り替えられ、FET110cがオンに切り替えられ、FET110dがオフに切り替えられている)に構成されているので、コントローラ102は、インピーダンスの増加が、インピーダンスシーケンス1に構成されたN-FET/抵抗器対ネットワークをもたらすことを表17bから決定する。したがって、コントローラ102は、制御線121cを介してFET110cをオフに切り替えて、N-FET/抵抗器対ネットワークをインピーダンスシーケンス1の構成に構成する。システムおよびプロセス1800は、次いで、プロセスブロック1811に進み、本明細書で前述したように、最大伝搬遅延に等しい任意選択の待機状態に入る。 Time t11 illustrates a situation in which the output voltage V o rises above UCT, causing a rising edge of the UCTE signal (shown as 1901 in FIG. 20 at time t11 ), generating an interrupt at process block 1806. The system and process 1800 then proceeds to process block 1807, where the state determination signals received from the state determination system 141 are received by the controller 102. At process block 1808, the controller 102 evaluates the received signals generated by the state determination system 141 (see Tables 16a and 16b in FIG. 16) in this situation as follows: UCTE=1, LCTE=0, dV o /dt Positive=1, and dV o /dt Negative=0. According to Table 16c, the controller 102 determines that the signal combination is Condition 2b. Accordingly, system and process 1800 proceeds to process block 1809, where controller 102 determines that the impedance of the N-FET/resistor pair network needs to increase. Because the N-FET/resistor pair network is currently configured in impedance sequence 2 (i.e., FET 110b is switched on, FET 110c is switched on, and FET 110d is switched off), controller 102 determines from Table 17b that increasing the impedance will result in the N-FET/resistor pair network being configured in impedance sequence 1. Therefore, controller 102 switches FET 110c off via control line 121c, configuring the N-FET/resistor pair network into the impedance sequence 1 configuration. System and process 1800 then proceeds to process block 1811, where it enters an optional wait state equal to the maximum propagation delay, as previously described herein.
再び図20を参照すると、時刻t12は、dVo/dtの符号を変化させ、dVo/dt Positive信号およびdVo/dt Negative信号の論理レベルを反転させるインピーダンス増加の効果を示す。システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1807に進み、状態決定システム141から受信された状態決定信号のレベルが、コントローラ102によって受信され、読み取られる。プロセスブロック1808において、コントローラ102は、この状況では状態決定システム141(図16の表16aおよび16b参照)によって生成された受信信号を、UCTE=1、LCTE=0、dVo/dt Positive=0、およびdVo/dt Negative=1と評価する。表16cによれば、コントローラ102は、信号の組合せが条件2cであると決定する。プロセスブロック1808は、「どちらでもない」パスで終了し、システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1812に進む。UCTE信号は論理レベル1のままであるので、システムおよびプロセス1800は、次いで、出力電圧VoがUCT(図20に時刻t13で示される)を下回り、UCTE信号を論理レベル1から論理レベル0に遷移させる(表16aを参照)まで、プロセスブロック1807、1808を通り、プロセスブロック1812に戻ってループする。プロセスブロック1812が次に処理されるとき、UCTE信号またはLCTE信号のいずれも論理レベル1ではないので、システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1812を出て、プロセスブロック1806に進み、ここで、システムおよびプロセス1800は、再び割込みを待つ。 Referring again to FIG. 20, time t12 illustrates the effect of increasing impedance, changing the sign of dVo /dt and inverting the logic levels of the dVo /dt Positive and dVo /dt Negative signals. System and process 1800 proceeds to process block 1807, where the levels of the state determination signals received from state determination system 141 are received and read by controller 102. In process block 1808, controller 102 evaluates the received signals generated by state determination system 141 (see Tables 16a and 16b of FIG. 16) in this situation as follows: UCTE=1, LCTE=0, dVo /dt Positive=0, and dVo /dt Negative=1. According to Table 16c, controller 102 determines that the signal combination is condition 2c. Process block 1808 completes via the "neither" path, and system and process 1800 proceeds to process block 1812. Because the UCTE signal remains at logic level 1, the system and process 1800 then loops through process blocks 1807, 1808, and back to process block 1812 until the output voltage V o falls below UCT (shown in FIG. 20 at time t13 ), causing the UCTE signal to transition from logic level 1 to logic level 0 (see Table 16a). The next time process block 1812 is processed, neither the UCTE nor the LCTE signal is at logic level 1, so the system and process 1800 exits process block 1812 and proceeds to process block 1806, where it again waits for an interrupt.
時刻t14は、出力電圧VoがLCTを下回り、その結果、LCTE信号が論理レベル0から論理レベル1(図20に時刻t14で1902として示される)に遷移し、プロセスブロック1806において割込みが生成される状況を示す。システムおよびプロセス1800は、次いで、プロセスブロック1807に進み、状態決定システム141から受信された状態決定信号のレベルが、コントローラ102によって受信され、読み取られる。プロセスブロック1808において、コントローラ102は、この状況では状態決定システム141(図16の表16aおよび表16bを参照)によって生成された受信信号を、UCTE=0、LCTE=1、dVo/dt Positive=0、およびdVo/dt Negative=1と評価する。表16cによれば、コントローラ102は、信号の組合せが条件3cであると決定する。システムおよびプロセス1800は、次いで、プロセスブロック1810に進み、N-FET/抵抗器対ネットワークが、表17bの真理値表に従ってインピーダンスシーケンス1に構成されているので、条件3cに対応するインピーダンスシーケンスの次のステップは、インピーダンスシーケンス2であると決定される。これを達成するために、コントローラ102は、FET110bをスイッチオンに維持し、制御信号121cを介してFET110cをオンに切り替え、次いで、プロセスブロック1810を出て、プロセスブロック1811に進む。プロセスブロック1811では、任意選択の適切な伝搬遅延時間が生じ得る。 Time t14 illustrates a situation where the output voltage V o falls below LCT, resulting in the LCTE signal transitioning from logic level 0 to logic level 1 (shown as 1902 in FIG. 20 at time t14) and generating an interrupt at process block 1806. The system and process 1800 then proceeds to process block 1807, where the levels of the state determination signals received from the state determination system 141 are received and read by the controller 102. At process block 1808, the controller 102 evaluates the received signals generated by the state determination system 141 (see Tables 16a and 16b in FIG. 16) in this situation as follows: UCTE=0, LCTE=1, dV o /dt Positive=0, and dV o /dt Negative=1. According to Table 16c, the controller 102 determines that the signal combination is Condition 3c. System and process 1800 then proceeds to process block 1810, where it is determined that because the N-FET/resistor pair network is configured in impedance sequence 1 according to the truth table of Table 17b, the next step in the impedance sequence corresponding to condition 3c is impedance sequence 2. To accomplish this, controller 102 keeps FET 110b switched on and switches FET 110c on via control signal 121c, then exits process block 1810 and proceeds to process block 1811. In process block 1811, an optional appropriate propagation delay time may occur.
プロセスブロック1807において、コントローラ102は、時刻t15の直後に状態決定システム141から受信された状態決定信号を読み取る。プロセスブロック1808において、コントローラ102は、この状況では状態決定システム141(図16の表16aおよび表16bを参照)によって生成された受信信号を評価し、状態決定信号が時刻t14においてUCTE=0、LCTE=1、dVo/dt Positive=0、およびdVo/dt Negative=1となった構成のままであると決定する。表16cによれば、コントローラ102は、信号の組合せが条件3cのままであると決定する。システムおよびプロセス1800は、次いで、プロセスブロック1810に進み、N-FET/抵抗器対ネットワークが、インピーダンスシーケンス2に構成されているので、条件3cに対応するインピーダンスシーケンスの次のステップは、インピーダンスシーケンス3であると決定される。これを達成するために、コントローラ102は、FET110bおよび110cをスイッチオンで維持し、コントローラ102は、制御信号121dを介してFET110dをオンに切り替える。この非限定的な例によれば、N-FET/抵抗器対ネットワークは、現在最低インピーダンス状態にある。システムおよびプロセス1800は、次いで、プロセスブロック1810を出て、プロセスブロック1811に進み、任意選択で、時刻t16まで、1つまたは複数の伝搬遅延時間間隔を待つことができる。 At process block 1807, controller 102 reads the state determination signal received from state determination system 141 shortly after time t15 . At process block 1808, controller 102 evaluates the received signal generated by state determination system 141 (see Tables 16a and 16b of FIG. 16) for this situation and determines that the state determination signal remains in the configuration that it had at time t14 , where UCTE=0, LCTE=1, dVo /dt Positive=0, and dVo /dt Negative=1. According to Table 16c, controller 102 determines that the signal combination remains for condition 3c. The system and process 1800 then proceed to process block 1810, where it is determined that because the N-FET/resistor pair network is configured in impedance sequence 2, the next step in the impedance sequence corresponding to condition 3c is impedance sequence 3. To accomplish this, controller 102 keeps FETs 110b and 110c switched on, and controller 102 switches FET 110d on via control signal 121d. According to this non-limiting example, the N-FET/resistor pair network is now in its lowest impedance state. System and process 1800 then exits process block 1810 and proceeds to process block 1811, where it can optionally wait one or more propagation delay time intervals until time t16 .
時刻t16の後、システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1811からプロセスブロック1807に進み、状態決定システム141によって生成された状態決定信号がコントローラ102によって受信される。プロセスブロック1808において、コントローラ102は、受信信号を評価し、状態決定信号をUCTE=0、LCTE=1、dVo/dt Positive=1、dVo/dt Negative=0と決定する。表16cによれば、コントローラ102は、信号の組合せが条件3bであると決定する。システムおよびプロセス1800は、インピーダンスアクションを取らず、「どちらでもない」とマークされたパスを通ってプロセスブロック1808を出て、プロセスブロック1812に進み、LCTE信号が評価され、論理レベル1であると決定される。次いで、システムおよびプロセス1800は、時刻t17に示されるように、出力電圧VoがLCTを超えるまで、プロセスブロック1807、1808を通って、プロセスブロック1812に戻るように連続的にループする。この時点で、LCTE信号およびUCTE信号は、両方とも論理レベル0であり、プロセスブロック1812を次回通過すると、システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1806に出て、そこで次の割込みを待つ。 After time t16 , the system and process 1800 proceeds from process block 1811 to process block 1807, where the state determination signals generated by the state determination system 141 are received by the controller 102. In process block 1808, the controller 102 evaluates the received signals and determines the state determination signals as follows: UCTE=0, LCTE=1, dVo /dt Positive=1, and dVo /dt Negative=0. According to Table 16c, the controller 102 determines that the signal combination is condition 3b. The system and process 1800 takes no impedance action and exits process block 1808 via the path marked "neither" to process block 1812, where the LCTE signal is evaluated and determined to be a logic level 1. The system and process 1800 then continuously loops through process blocks 1807, 1808, and back to process block 1812 until the output voltage V exceeds LCT, as shown at time t17 . At this point, the LCTE and UCTE signals are both logic level 0, and the next pass through process block 1812 will cause the system and process 1800 to exit to process block 1806 where it will wait for the next interrupt.
時刻t18は、負荷電流の増加などの事象に起因し得るdVo/dtの変化を示す。出力電圧Voは、UCTおよびLCTによって設定された範囲内にあるので、プロセスブロック1806において割込みは生成されず、システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1806に留まる。時刻t19は、負荷105に供給される電流が減少したときに、システム100の動作中に発生し得る別の事象を表す。出力電圧Voは、依然としてUCTおよびLCTによって設定された範囲内にあるので、プロセスブロック1806において割込みは生成されない。システムおよびプロセス1800は、プロセスブロック1806で割込みを待っているままである。 Time t18 represents a change in dVo /dt that may be due to an event such as an increase in load current. Because the output voltage Vo is within the range set by the UCT and LCT, no interrupt is generated at process block 1806, and the system and process 1800 remain at process block 1806. Time t19 represents another event that may occur during operation of the system 100 when the current delivered to the load 105 decreases. Because the output voltage Vo is still within the range set by the UCT and LCT, no interrupt is generated at process block 1806. The system and process 1800 remain at process block 1806 waiting for an interrupt.
時刻t20は、出力電圧VoがUCTを超えて上昇し、UCTE信号の立上りエッジを引き起こし(図20に時刻t20で1901として示される)、結果としてプロセスブロック1806において割込みを生成するときを表す。システムおよびプロセス1800は、次いで、プロセスブロック1807に進み、状態決定システム141から受信された状態決定信号のレベルが、コントローラ102によって受信され、読み取られる。プロセスブロック1808において、コントローラ102は、この状況では状態決定システム141(図16の表16aおよび表16bを参照)によって生成された受信信号を、UCTE=1、LCTE=0、dVo/dt Positive=1、およびdVo/dt Negative=0と評価する。表16cによれば、コントローラ102は、信号の組合せが条件2bであると決定する。プロセスブロック1808は、パス2bを介して出て、プロセスブロック1809が実行される。プロセスブロック1809では、コントローラ102は、N-FET/抵抗器対ネットワークのインピーダンスが増加する必要があると決定し、N-FET/抵抗器対ネットワークは、インピーダンスシーケンス3に従って現在構成されているので、増加したインピーダンスを表す図17の表17bの次のステップは、インピーダンスシーケンス2であると決定される。その結果、コントローラ102は、制御線121dを介してFET110dをオフに切り替えて、インピーダンスシーケンス2に従ってN-FET/抵抗器対ネットワークを構成する。システムおよびプロセス1800は、次いで、プロセスブロック1811に進み、本明細書で前述したように、最大伝搬遅延(時間間隔t20~t21として表される)に等しい任意選択の待機状態に入る。 Time t20 represents when the output voltage V o rises above UCT, causing a rising edge of the UCTE signal (shown as 1901 in FIG. 20 at time t20), resulting in the generation of an interrupt at process block 1806. The system and process 1800 then proceeds to process block 1807, where the levels of the state determination signals received from the state determination system 141 are received and read by the controller 102. At process block 1808, the controller 102 evaluates the received signals generated by the state determination system 141 (see Tables 16a and 16b in FIG. 16) in this situation as follows: UCTE=1, LCTE=0, dV o /dt Positive=1, and dV o /dt Negative=0. According to Table 16c, the controller 102 determines that the signal combination is condition 2b. Process block 1808 is exited via path 2b, and process block 1809 is executed. In process block 1809, controller 102 determines that the impedance of the N-FET/resistor pair network needs to increase, and because the N-FET/resistor pair network is currently configured according to impedance sequence 3, it determines that the next step in table 17b of FIG. 17, representing the increased impedance, is impedance sequence 2. As a result, controller 102 switches off FET 110d via control line 121d to configure the N-FET/resistor pair network according to impedance sequence 2. System and process 1800 then proceed to process block 1811 and enter an optional wait state equal to the maximum propagation delay (represented as the time interval t20 to t21 ), as previously described herein.
バッテリーシステム106は、バッテリー108のエネルギーが枯渇し、バッテリーシステム106がシャットオフするまで、またはAC電力が回復され、PSU101が動作に戻るまで、システムおよびプロセス1800に従って出力電圧Voを調整しながら、バッテリー108を放電し続け得る。本開示の実施形態によれば、そのような状況では、コントローラ102は、すべてのFETがオフに切り替わるまで、N-FET/抵抗器対ネットワークのインピーダンスを増分的に(たとえば、図17の表17bに従って段階的に)増加させるように構成され得る。この時点で、DC-DCコンバータ170がオフに切り替えられてもよい。加えて、ある時点において、充電器103を介してバッテリー108に充電を回復させることができる。バッテリー108のエネルギーが枯渇した状況(電圧センサ147を介して感知されるバッテリー108の端子電圧が、図10の領域2および領域1の境界にある電圧に等しいレベルまで降下したときなど)では、コントローラ102は、たとえば、N-FET/抵抗器対ネットワーク内のFETのすべてをオフに切り替え、DC-DCコンバータ170をオフに切り替えることによって、バッテリーシステムをオフにするように構成され得る。 The battery system 106 may continue discharging the battery 108 while regulating the output voltage V o according to system and process 1800 until the battery 108's energy is depleted and the battery system 106 shuts off, or until AC power is restored and the PSU 101 returns to operation. According to embodiments of the present disclosure, in such a situation, the controller 102 may be configured to incrementally increase the impedance of the N-FET/resistor pair network (e.g., stepwise according to Table 17b of FIG. 17 ) until all FETs are switched off. At this point, the DC-DC converter 170 may be switched off. Additionally, at some point, charge may be restored to the battery 108 via the charger 103. In a situation where the battery 108 is depleted of energy (such as when the terminal voltage of the battery 108, as sensed via the voltage sensor 147, drops to a level equal to the voltage at the boundary between Region 2 and Region 1 in FIG. 10), the controller 102 may be configured to turn off the battery system, for example, by switching off all of the FETs in the N-FET/resistor pair network and switching off the DC-DC converter 170.
図18の例示的な動作に関して説明したように、N-FET/抵抗器対ネットワークは、いくつかの端子構成に従って動作させることができる。一構成では、N-FET/抵抗器対ネットワーク内のすべてのFET/抵抗器対がオフに切り替えられ、その結果、N-FET/抵抗器対ネットワークを流れる電流がなくなる。たとえば、これは、N-FET/抵抗器対ネットワークを介してバッテリー108から負荷105に電流が供給されていないシステム100の初期状態中に起こり得る。この場合、バッテリー108からの電流は、DC-DCコンバータ170のみを介して供給され、これは、負荷105に供給される電流が電流制限遷移点Ilimit(A)に達するまで増加し、DC-DCコンバータ170の出力電圧がドループする時点まで、出力電圧VoをUCTとLCTとの間の範囲内になるように調整する。DC-DCコンバータ170の出力電圧がLCTを下回ると、コントローラ102は、N-FET/抵抗器対ネットワークのインピーダンスを減少させ、N-FET/抵抗器対ネットワーク内のFET/抵抗器対のすべてがオフに切り替えられるので、N-FET/抵抗器対ネットワークは、コントローラ102に利用可能なインピーダンス減少アクションの全範囲(たとえば、図17の表17a、表17b、表17cを参照)を有する。コントローラ102がN-FET/抵抗器対ネットワークのインピーダンスを増加させる必要があり(たとえば、必要な負荷電流の減少に応じて)、UCTEが十分な回数トリガされて、すべてのFET/抵抗器対がオフに切り替えられると、DC-DCコンバータ170が、N-FET/抵抗器対ネットワークを介して電流のために設けられたいかなる追加の伝導経路もなしに、出力電圧Voを再び調整することができるように、負荷105への電流が十分に降下したので、負荷105への残りの電流がDC-DCコンバータ170によって供給され得る。 As described with respect to the exemplary operation of FIG. 18 , the N-FET/resistor pair network can be operated according to several terminal configurations. In one configuration, all FET/resistor pairs in the N-FET/resistor pair network are switched off, resulting in no current flowing through the N-FET/resistor pair network. For example, this may occur during the initial state of system 100, when no current is being supplied from battery 108 to load 105 through the N-FET/resistor pair network. In this case, current from battery 108 is supplied solely through DC-DC converter 170, which regulates output voltage V o to be within the range between UCT and LCT until the current supplied to load 105 increases and reaches a current limit transition point I limit (A) , at which point the output voltage of DC-DC converter 170 droops. When the output voltage of DC-DC converter 170 falls below the LCT, controller 102 decreases the impedance of the N-FET/resistor pair network, and all of the FET/resistor pairs in the N-FET/resistor pair network are switched off so that the N-FET/resistor pair network has a full range of impedance reduction actions available to controller 102 (see, for example, Tables 17a, 17b, and 17c of FIG. 17 ). If controller 102 needs to increase the impedance of the N-FET/resistor pair network (e.g., in response to a decrease in required load current), and the UCTE has been triggered enough times to switch all of the FET/resistor pairs off, the current to load 105 has dropped sufficiently so that DC-DC converter 170 can again regulate the output voltage V o without any additional conduction path provided for the current through the N-FET/resistor pair network, so that the remaining current to load 105 can be supplied by DC-DC converter 170.
別の端子構成では、N-FET/抵抗器対ネットワーク内のFET/抵抗器対のすべてがオンに切り替えられ、コントローラがN-FET/抵抗器対ネットワークのインピーダンスをさらに低減することができない状況が発生し得る(たとえば、図17の表17a、表17b、表17cに記載されるインピーダンスシーケンスのいずれか1つに従って)。たとえば、これは、V-I曲線上のバッテリー108の動作点が領域2の下限に存在するときなど、高負荷電流および/または低バッテリー充電状態の条件で起こり得る(たとえば、図8および図10を参照)。そのような状況では、DC-DCコンバータ170としてリニアレギュレータまたはバックコンバータを使用し、バッテリー108を放電することによって、その動作点が領域2エリアと領域1エリアとの間の境界線に近づいたとき、コントローラ102は、負荷105に供給される電流を低減する必要があるか、または出力電圧Voがより低い規制限界値(たとえば、図12を参照)を下回ることを回避するためにシステム100の動作を停止する必要があり得る。バック-ブーストコンバータがDC-DCコンバータ170として使用される場合、負荷105に供給される電流が電流制限遷移点を下回る値に低減される場合、追加のオプションがあり得る。これが行われる場合、システム100の動作は、バッテリー108の動作点が、許容される最小バッテリー電圧を表す領域1エリアの底部境界に達するまで、DC-DCコンバータ170を介してバッテリー108の放電を継続することができる。これが起こり得る別の状況は、負荷105における短絡、またはシステム100の設計点を超える他の過負荷であり、したがって、バッテリー動作点は、バッテリー108の許容特性V-I曲線の外側の電流レベルに存在する。この状況が生じた場合、システム100は、たとえば、バッテリー108と負荷105との間のすべての電流経路を終端することによって(たとえば、N-FET/抵抗器対ネットワーク内のすべてのFET/抵抗器対をオフに切り替えることによって)それ自体を保護するように構成され得る。DC-DCコンバータ170はまた、その制御線171を介してオフに切り替えられてもよいが、DC-DCコンバータ170がその電流制限特性によって保護され得るので、これは厳密には必要ではない。 In another terminal configuration, a situation may arise in which all of the FET/resistor pairs in the N-FET/resistor pair network are switched on and the controller is unable to further reduce the impedance of the N-FET/resistor pair network (e.g., according to any one of the impedance sequences set forth in Tables 17a, 17b, and 17c of FIG. 17). For example, this may occur under conditions of high load current and/or low battery state-of-charge, such as when the operating point of the battery 108 on the VI curve is at the lower end of Region 2 (see, e.g., FIGS. 8 and 10). In such a situation, when using a linear regulator or buck converter as DC-DC converter 170 and discharging battery 108 causes its operating point to approach the boundary between the Region 2 and Region 1 areas, controller 102 may need to reduce the current supplied to load 105 or shut down system 100 to prevent output voltage V from falling below a lower regulatory limit (see, e.g., FIG. 12). When a buck-boost converter is used as DC-DC converter 170, there may be an additional option if the current supplied to load 105 is reduced to a value below the current limit transition point. If this occurs, operation of system 100 can continue discharging battery 108 via DC-DC converter 170 until the operating point of battery 108 reaches the bottom boundary of Region 1, which represents the minimum allowable battery voltage. Another situation in which this may occur is a short circuit in load 105 or other overload that exceeds the design point of system 100, and therefore the battery operating point is at a current level outside the allowable characteristic VI curve of battery 108. If this situation occurs, system 100 may be configured to protect itself, for example, by terminating all current paths between battery 108 and load 105 (e.g., by switching off all FET/resistor pairs in the N-FET/resistor pair network). DC-DC converter 170 may also be switched off via its control line 171, although this is not strictly necessary since DC-DC converter 170 can be protected by its current limiting characteristic.
前述の説明の結果として、システム100は、システム100を電圧レギュレータとして(たとえば、バッテリーバックアップユニットまたはDC UPSとして利用するために)実装することができるように、そのような出力電圧を、必要な動作電圧範囲内(たとえば、実質的に指定された負荷電圧許容範囲内)に維持することを含めて、バッテリー108から負荷105に提供される出力電圧を、バッテリー108が放電しているときの所望の電圧範囲内に維持するように構成することができることを容易に理解することができる。 As a result of the foregoing, it can be readily appreciated that system 100 can be configured to maintain the output voltage provided from battery 108 to load 105 within a desired voltage range when battery 108 is discharging, including maintaining such output voltage within a required operating voltage range (e.g., substantially within a specified load voltage tolerance), such that system 100 can be implemented as a voltage regulator (e.g., for use as a battery backup unit or DC UPS).
本開示の実施形態は、(たとえば、バッテリーバックアップのために)電源としてバッテリーを利用するものとして本明細書に開示されるが、本開示の実施形態は、任意の適切なタイプの電源を利用するように構成され得る。それに対応して、システム100は、調整されていない出力電圧を有する(たとえば、そのような電源の出力電圧が、特定の配電バスおよびその関連する負荷のための指定された負荷電圧許容範囲外で変化する)任意のタイプの電源(バッテリーの代わりに)とともに利用するのに適している。 Although embodiments of the present disclosure are disclosed herein as utilizing a battery as a power source (e.g., for battery backup), embodiments of the present disclosure may be configured to utilize any suitable type of power source. Correspondingly, system 100 is suitable for use with any type of power source (instead of a battery) that has an unregulated output voltage (e.g., the output voltage of such a power source varies outside of a specified load voltage tolerance for a particular power distribution bus and its associated load).
当業者によって諒解されるように、本開示の態様(たとえば、システムおよびプロセス1800)は、システム、方法、および/またはプログラム製品として具現化されてもよい。したがって、本開示の態様(たとえば、システムおよびプロセス1800)、ならびに図14に示すしきい値検出および微分器ブロックは、完全にハードウェアの実施形態、完全にソフトウェアの実施形態(ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む)、またはソフトウェアおよびハードウェアの態様を組み合わせた実施形態の形態を取り得、これらはすべて一般に本明細書において「回路」、「回路構成」、「モジュール」、「システム」と呼ばれ得る。さらに、本開示の態様は、その上に具現化されたコンピュータ可読プログラムコードを有する1つまたは複数のコンピュータ可読記憶媒体において具現化されたプログラム製品の形態をとってもよい(しかしながら、1つまたは複数のコンピュータ可読媒体の任意の組合せが利用されてもよい。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ可読信号媒体またはコンピュータ可読記憶媒体であってもよい)。 As will be appreciated by those skilled in the art, aspects of the present disclosure (e.g., system and process 1800) may be embodied as a system, method, and/or program product. Accordingly, aspects of the present disclosure (e.g., system and process 1800), as well as the threshold detection and differentiator blocks illustrated in FIG. 14, may take the form of an entirely hardware embodiment, an entirely software embodiment (including firmware, resident software, microcode, etc.), or an embodiment combining software and hardware aspects, all of which may be generally referred to herein as a "circuit," "circuitry," "module," or "system." Furthermore, aspects of the present disclosure may take the form of a program product embodied in one or more computer-readable storage media having computer-readable program code embodied thereon (although any combination of one or more computer-readable media may be utilized; the computer-readable medium may be a computer-readable signal medium or a computer-readable storage medium).
また、図1および図18の図に表された回路ブロック図および/または機能の各ブロック、ならびに図14および図15の図に表された回路ブロック図および/または機能のブロックの組合せは、指定された機能または行為を行う専用のハードウェアベースのシステム、または専用のハードウェアとコンピュータ命令の組合せによって実装できることに留意されたい。たとえば、モジュール(たとえば、コントローラ102)は、カスタムVLSI回路またはゲートアレイ、論理チップなどの既製の半導体、トランジスタ、コントローラ、または他の個別構成要素を含むハードウェア回路として実装され得る。モジュール(たとえば、コントローラ102)はまた、フィールドプログラマブルゲートアレイ、プログラマブルアレイロジック、プログラマブルロジックデバイスなどのプログラマブルハードウェアデバイスに実装され得る。 It should also be noted that each of the circuit block diagrams and/or functional blocks illustrated in the diagrams of FIGS. 1 and 18, and combinations of the circuit block diagrams and/or functional blocks illustrated in the diagrams of FIGS. 14 and 15, can be implemented by a dedicated hardware-based system that performs the specified functions or acts, or a combination of dedicated hardware and computer instructions. For example, a module (e.g., controller 102) can be implemented as a hardware circuit including custom VLSI circuits or gate arrays, off-the-shelf semiconductors such as logic chips, transistors, controllers, or other discrete components. A module (e.g., controller 102) can also be implemented in a programmable hardware device such as a field programmable gate array, programmable array logic, or programmable logic device.
別段に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術的および科学的用語は、現在開示されている主題が属する当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。特許請求の範囲を含む、本出願において使用する「a」および「an」という用語は、「1つまたは複数」を意味する。 Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the presently disclosed subject matter belongs. As used in this application, including the claims, the terms "a" and "an" mean "one or more."
本明細書で使用する「約」という用語は、所与の値が終点の「少し上」または「少し下」であり得ることを提供することによって、数値範囲終点に柔軟性を提供するために使用される。 As used herein, the term "about" is used to provide flexibility for the endpoints of numerical ranges by providing that a given value may be "slightly above" or "slightly below" the endpoint.
本明細書で使用する「実質的に」という用語は、アクション、特性、性質、状態、構造、項目、または結果の完全なもしくはほぼ完全な範囲または程度を指す。たとえば、「実質的に」密閉された物体は、物体が完全に密閉されているか、またはほぼ完全に密閉されていることを意味する。絶対的完全性からの正確な許容可能な偏差の程度は、場合によっては、特定の状況に依存し得る。しかしながら、一般的に言えば、完成の近さは、絶対的および完全な完成が得られた場合と同じような全体的な結果を有するようになる。「実質的に」の使用は、アクション、特性、性質、状態、構造、項目、または結果の完全なもしくはほぼ完全な欠如を指すために否定的な意味で使用されるときにも、等しく適用可能である。 As used herein, the term "substantially" refers to the complete or nearly complete extent or degree of an action, characteristic, quality, state, structure, item, or result. For example, a "substantially" sealed object means that the object is completely sealed or nearly completely sealed. The exact acceptable degree of deviation from absolute perfection may, in some cases, depend on the particular situation. Generally speaking, however, the proximity of perfection results in an overall result similar to that which would result if absolute and complete perfection were achieved. The use of "substantially" is equally applicable when used in a negative sense to refer to the complete or nearly complete absence of an action, characteristic, quality, state, structure, item, or result.
本明細書で使用する「および/または」という用語および2つの単語間の「/」文字は、エンティティのリストの文脈で使用される場合、単独でまたは組み合わせて存在するエンティティを指す。したがって、たとえば、「A、B、C、および/またはD」という語句は、A、B、C、およびDを個々に含むが、A、B、C、およびDの任意のおよびすべての組合せおよび下位組合せも含む。 As used herein, the term "and/or" and the "/" character between two words, when used in the context of a list of entities, refer to the entities present either singly or in combination. Thus, for example, the phrase "A, B, C, and/or D" includes A, B, C, and D individually, but also any and all combinations and subcombinations of A, B, C, and D.
本明細書で使用する「電気的に結合される」または「結合される」という用語は、電気回路または電子回路の経路を説明するために使用される場合、構成要素間の少なくとも1つの方向に電気エネルギー(すなわち、電流)の伝導経路を有する構成要素を指す。電流は、結合または電気的に結合される構成要素のための伝導経路に沿って流れる必要はない。構成要素は、低インピーダンスワイヤなどのみを含む伝導経路と直接結合されてもよく、または、電気エネルギーが伝導経路に沿って流れることを可能にする半導体またはより高いインピーダンス構成要素と間接的に結合されてもよい。 As used herein, the terms "electrically coupled" or "coupled," when used to describe a path in an electric or electronic circuit, refer to components that have a conduction path for electrical energy (i.e., current) in at least one direction between the components. Current does not have to flow along the conduction path for components to be coupled or electrically coupled. Components may be directly coupled with a conduction path that includes only low-impedance wires, etc., or may be indirectly coupled with semiconductors or higher impedance components that allow electrical energy to flow along the conduction path.
100 システム
102 コントローラ
103 充電器
104 配電バス
105 負荷
106 バッテリーシステム
108 バッテリー
110b~110d FET/抵抗器対
111 トランジスタ
141 状態決定システム
147 電圧センサ
150b~150d 抵抗器
160 CLOAD
170 DC-DCコンバータ
180 信号線
700 システム
702 コントローラ
704 配電バス
705 負荷
706 バッテリーシステム
707 電流センサ
708 バッテリー
710a~710d 放電スイッチ
711 スイッチング素子
721a~721e 制御線
741 電圧センサ
742 電圧センサ
750a~750d 抵抗器
1401 しきい値検出器
1402 微分器
100 systems
102 Controller
103 Charger
104 Power Distribution Bus
105 Load
106 Battery System
108 Battery
110b to 110d FET/Resistor Pairs
111 Transistor
141 State Determination System
147 Voltage Sensor
150b~150d resistor
160 C LOAD
170 DC-DC converter
180 signal line
700 System
702 Controller
704 Power Distribution Bus
705 Load
706 Battery System
707 Current Sensor
708 Battery
710a to 710d Discharge switch
711 Switching element
721a to 721e control lines
741 Voltage Sensor
742 Voltage Sensor
750a~750d resistor
1401 Threshold Detector
1402 Differentiator
Claims (18)
前記配電バスに供給される出力電圧を監視するステップであって、前記出力電圧が、第1の電源による前記配電バスへの電流の供給から生じる、ステップと、
前記監視された出力電圧が、DC-DCコンバータの電圧調整設定点に等しいレベルまで減少するとき、前記DC-DCコンバータを介して第2の電源から前記配電バスに電流を供給するステップであって、前記DC-DCコンバータが、前記第2の電源と前記配電バスとの間のN個のFET/抵抗器対(ただしN≧1)のネットワークと並列に結合される、ステップと
を含む方法。 1. A method for regulating power supplied to a power distribution bus, comprising:
monitoring an output voltage provided to the power distribution bus, the output voltage resulting from a supply of current to the power distribution bus by a first power source;
when the monitored output voltage decreases to a level equal to a voltage regulation set point of a DC-DC converter, supplying current from a second power source to the power distribution bus via the DC-DC converter, the DC-DC converter being coupled in parallel with a network of N FET/resistor pairs, where N≧1, between the second power source and the power distribution bus.
前記配電バスへの電圧供給を監視するステップと、
前記電源と前記配電バスとの間に並列に結合された第1の導電性経路および第2の導電性経路の各々を介して、前記電源から前記配電バスにどれだけの電流が供給されるかを制御することによって、指定された負荷電圧許容範囲内に前記電圧を維持するステップであって、前記第1の導電性経路がDC-DCコンバータを含み、前記第2の導電性経路が、前記電源と前記配電バスとの間に並列に結合されたN個のFET/抵抗器対のネットワークを含み、前記N個のFET/抵抗器対の各々が、抵抗器と直列に結合されたFETを含む、ステップと
を含む方法。 1. A method for regulating a delivery of current from a power source to a load over a power distribution bus, comprising:
monitoring a voltage supply to the power distribution bus;
maintaining the voltage within a specified load voltage tolerance by controlling how much current is provided from the power source to the power distribution bus through each of a first conductive path and a second conductive path coupled in parallel between the power source and the power distribution bus, wherein the first conductive path includes a DC-DC converter and the second conductive path includes a network of N FET/resistor pairs coupled in parallel between the power source and the power distribution bus, each of the N FET/resistor pairs including a FET coupled in series with a resistor.
前記電圧が第1の所定のしきい値未満であり、前記電圧が経時的に減少しているとき、前記総インピーダンスを減少させるステップと、
前記電圧が第2の所定のしきい値よりも大きく、前記電圧が経時的に増加しているとき、前記総インピーダンスを増加させるステップであって、前記第1の所定のしきい値および前記第2の所定のしきい値が、前記指定された負荷電圧許容範囲内にある、ステップと、
を含む、請求項9に記載の方法。 modifying the total impedance of the network of N FET/resistor pairs;
decreasing the total impedance when the voltage is below a first predetermined threshold and the voltage is decreasing over time;
increasing the total impedance when the voltage is greater than a second predetermined threshold and the voltage is increasing over time, the first predetermined threshold and the second predetermined threshold being within the specified load voltage tolerance range;
10. The method of claim 9, comprising:
電源と、
前記電源の出力端子と前記配電バスとの間に結合されたN個(ただしN>1)のトランジスタのネットワークであって、前記N個のトランジスタの各々が抵抗器と直列に結合されている、ネットワークと、
前記電源の前記出力端子と前記配電バスとの間のN個のトランジスタの前記ネットワークと並列に結合されたDC-DCコンバータと、
前記DC-DCコンバータおよびN個のトランジスタの前記ネットワークのアクティブ化/非アクティブ化に応じて調整された出力電圧レベルで、前記電源が前記配電バスを介して前記負荷に電力供給することを可能にするために、前記DC-DCコンバータおよびN個のトランジスタの前記ネットワークを選択的かつ独立してアクティブ化/非アクティブ化するように構成されたコントローラと
を含む電力システム。 1. A power system for supplying power to a load over a power distribution bus, comprising:
Power supply and
a network of N transistors (where N>1) coupled between an output terminal of the power supply and the power distribution bus, each of the N transistors coupled in series with a resistor;
a DC-DC converter coupled in parallel with the network of N transistors between the output terminal of the power supply and the power distribution bus;
a controller configured to selectively and independently activate/deactivate the DC-DC converter and the network of N transistors to enable the power supply to power the load via the power distribution bus at an output voltage level adjusted responsive to activation/deactivation of the DC-DC converter and the network of N transistors.
前記出力電圧レベルが第1の所定のしきい値よりも大きく、第2の所定のしきい値未満であるときを決定するように構成されたしきい値検出器であって、前記コントローラが、前記所定のシーケンスに従って、前記N個の並列接続されたトランジスタ/抵抗器対のうちの特定の数を選択的かつ独立してアクティブ化/非アクティブ化することによって、前記指定された負荷電圧許容範囲内に前記出力電圧レベルを調整するように構成されている、しきい値検出器と
を含む状態決定システムをさらに含む、請求項15に記載のシステム。 a differentiator configured to determine whether the output voltage level is increasing or decreasing over time;
16. The system of claim 15, further comprising: a state determination system including: a threshold detector configured to determine when the output voltage level is greater than a first predetermined threshold and less than a second predetermined threshold, wherein the controller is configured to regulate the output voltage level within the specified load voltage tolerance range by selectively and independently activating/deactivating a certain number of the N parallel-connected transistor/resistor pairs according to the predetermined sequence.
前記出力電圧レベルが前記第2の所定のしきい値未満であり、前記出力電圧レベルが経時的に減少しているとき、前記ネットワークの総インピーダンスを減少させるように構成された回路と、
前記出力電圧レベルが前記第1の所定のしきい値よりも大きく、前記出力電圧レベルが経時的に増加しているとき、前記総インピーダンスを増加させるように構成された回路と
を含む、請求項16に記載のシステム。 The controller:
circuitry configured to reduce a total impedance of the network when the output voltage level is below the second predetermined threshold and the output voltage level is decreasing over time;
and circuitry configured to increase the total impedance when the output voltage level is greater than the first predetermined threshold and the output voltage level is increasing over time.
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