(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の電池を充電及び放電するシステム及び方法を提供する。【解決手段】電池形成システム３００は、電池モジュール３３０と、電池モジュールに電気的に結合され、エネルギーが、第１動作状態と第２動作状態とにおいて動作可能であるエネルギーストレージシステム３２０と、エネルギーストレージシステムに電気的に結合され、且つ、エネルギーストレージシステム内の保存されているエネルギーの量に基づいてエネルギーを電源からエネルギーストレージシステムに転送する電源３１０と、電池モジュールに動作自在に結合されると共に電池モジュールの充電状態を監視及び制御するように構成されたコントローラ３４０と、を含む。【選択図】図３
2020184880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池形成システムであって、
電池モジュールと、
前記電池モジュールに電気的に結合されたエネルギーストレージシステムであって、エネルギーが、前記電池モジュールを充電するべく、前記エネルギーストレージシステムから前記電池モジュールに転送される第１動作状態と、エネルギーが、前記電池モジュールを放電するべく、前記電池モジュールから前記エネルギーストレージシステムに転送される第２動作状態と、において動作可能であるエネルギーストレージシステムと、
前記エネルギーストレージシステムに電気的に結合され、且つ、前記エネルギーストレージシステム内の保存されているエネルギーの量に基づいてエネルギーを電源から前記エネルギーストレージシステムに転送するように構成された電源と、
前記電池モジュールに動作自在に結合されると共に前記電池モジュールの充電状態を監視及び制御するように構成されたコントローラと、
を含むシステム。
【請求項２】
前記電池モジュールは、直列状態において接続された複数の電池を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記電池モジュールは、複数の電池に電気的に結合されるように構成されたセル固定具を更に含み、前記セル固定具は、前記複数の電池を直列状態において接続するよう構成されている請求項１に記載システム。
【請求項４】
前記電池モジュールは、複数の電池に電気的に結合されるように構成されたセル固定具を更に含み、前記セル固定具は、複数の構成において前記複数の電池を接続するように構成されている請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記複数の構成のうちの１つは、直列構成である請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記電池モジュールは、前記電池モジュールの無線充電のために構成されたドッキングステーションを更に含む請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記エネルギーストレージシステムは、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）、リチウムイオンコンデンサ、ハイブリッドコンデンサ、フライホイール、及び超伝導コイルのうちの少なくとも１つにより、エネルギーを保存するように構成されている請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記エネルギーストレージシステムは、上昇した流体、加熱された流体、又は圧縮された流体の形態においてエネルギーを保存するように構成されている請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記電源は、前記エネルギーストレージシステム内における保存されているエネルギーの量が閾値レベルを下回っている際に、エネルギーを前記エネルギーストレージシステムに転送するように更に構成されている請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記エネルギーストレージシステム及び前記電池モジュールに電気的に結合されたパワーコンバータであって、前記第１及び第２動作状態において直流（ＤＣ）電圧を調節するように構成されたパワーコンバータを更に含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記コントローラは、前記エネルギーストレージシステムに動作自在に結合され、且つ、前記エネルギーストレージシステムの充電状態を監視及び制御するように構成されている請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
電池形成方法であって、
第１電池モジュールを充電するべく、エネルギーをエネルギーストレージシステムから第１電池モジュールに転送するステップと、
前記第１電池モジュールに動作自在に結合された第１コントローラにより、前記第１電池モジュールの充電状態を監視するステップと、
前記第１電池モジュールを放電させるべく、エネルギーを前記第１電池モジュールから前記エネルギーストレージシステムに転送するステップと、
第２電池モジュールを充電するべく、エネルギーを前記エネルギーストレージシステムから前記第２電池モジュールに転送するステップと、
前記第２電池モジュールに動作自在に結合された第２コントローラにより、前記第２電池モジュールの充電状態を監視するステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
前記第１電池モジュールから転送された前記エネルギーを前記エネルギーストレージシステムに保存するステップを更に含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２電池モジュールを放電させるべく、エネルギーを前記第２電池モジュールから前記エネルギーストレージシステムに転送するステップを更に含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１電池モジュールから転送された前記エネルギー及び／又は前記第２電池モジュールから転送された前記エネルギーを前記エネルギーストレージシステムに保存するステップを更に含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記エネルギーストレージシステム内の保存されているエネルギーの量を監視するステップと、
前記保存されているエネルギーの量が閾値未満に低下した場合に、エネルギーを電源から前記エネルギーストレージシステムに転送するステップと、
を更に含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
エネルギーは、第１期間においては、前記エネルギーストレージシステムから前記第１電池モジュールに転送され、エネルギーは、第２期間においては、前記第１電池モジュールから転送され、且つ、エネルギーは、第３期間においては、前記エネルギーストレージシステムから前記第２電池モジュールに転送される請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１期間の少なくとも一部分は、前記第３期間の少なくとも一部分と同時に発生している請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２期間の少なくとも一部分は、前記第３期間の少なくとも一部分と同時に発生している請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
定電圧充電、定電流充電、テーパー電流充電、パルス化充電、バープ充電、ＩＵＩ充電、トリクル充電、及び／又はフロート充電という充電方式のうちの少なくとも１つを実現するべく、前記第１コントローラにより、前記第１電池モジュールの前記充電状態を制御し、且つ／又は、前記第２コントローラにより、前記第２電池モジュールの前記充電状態を制御するステップを更に含む請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年１０月１３日付けで出願された「Systems and Methods for Series Battery Charging」という名称の米国仮特許出願第６２／０６３，１６７号に対する優先権及びその利益を主張するものであり、この特許文献の開示内容は、引用により、そのすべてが本明細書に包含される。
【０００２】
背景
本明細書において記述されている実施形態は、一般に、１つ又は複数の電池を充電するシステム及び方法に関し、且つ、更に詳しくは、直列状態において１つに結合された複数の電池を充電するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
充電式電池の製造プロセスにおける第１ステップは、通常、電池形成ステップを含む。セル形成とは、新しいセルの活性材料をその使用可能な形態に変換するプロセスである。電解液又は電極の初期結晶構造は、これらのコンポーネントが製造された製造プロセスと、電極を形成するプロセスと、により、決定されるが、これは、セルの内部インピーダンスを極小化する最適な構造でない場合があり、且つ、電解液と電極の間の最適な接触を付与しない場合もある。セルを通じた電流の通過と、セルの加熱及び冷却と、が、活性化学物質の微細構造及び形態のわずかな変化をもたらし、且つ、電極−電解液の界面を不動態化しうるのみならず、副反応をも妨げうる安定した固体電解質界面（ＳＥＩ：Solid Electrolyte Interface）を生成する。通常、必要とされている仕様の電池の容量及び性能による充足を保証するべく、電池の充電及び放電のいくつかのサイクルが実行されている。充電及び放電の際に、電池は、通常、それらのプロセスに伴う高エネルギー密度に起因して、監視及び制御されている。既存の電池システム及びモジュールは、通常、統合型の電圧検知、温度検知、及び安全制御電子回路を有する。更には、電池モジュール及びパックは、通常、既に形成済みのセルを使用することにより、組立及び統合されている。
【発明の概要】
【０００４】
本明細書には、複数の電池を充電及び放電するシステム及び方法について記述されている。いくつかの実施形態においては、システムは、電池モジュールと、電池モジュールに電気的に結合されたエネルギーストレージシステムと、電源と、コントローラと、を含む。エネルギーストレージシステムは、電池モジュールを充電するべく、エネルギーがエネルギーストレージシステムから電池モジュールに転送される第１動作状態と、電池モジュールを放電させるべく、エネルギーが電池モジュールからエネルギーストレージシステムに転送される第２動作状態と、において動作可能である。電源は、エネルギーストレージシステムに電気的に結合され、且つ、エネルギーストレージシステム内の保存されているエネルギーの量に基づいて、エネルギーを電源からエネルギーストレージシステムに転送するように構成されている。コントローラは、電池モジュールに動作自在に結合され、且つ、電池モジュールの充電状態を監視及び制御するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】様々な実施形態による電池形成システムの概略図である。
【図２】図１に示されているもののような電池形成システムにおいて使用されうる電池モジュールを示す。
【図３】様々な実施形態による直列電池を有する電池形成システムを示す。
【図４】様々な実施形態による電池形成の方法を示すフローチャートである。
【図５】様々な実施形態による電池形成方法を示すフローチャートを示す。
【図６】様々な実施形態による複数の電池モジュール用の電池形成方法を示す。
【図７】様々な実施形態による直列電池用の電池形成方法のフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
詳細な説明
本明細書には、複数の電池を充電及び放電するシステム及び方法について記述されている。いくつかの実施形態においては、システムは、電池モジュールと、電池モジュールに電気的に結合されたエネルギーストレージシステムと、コントローラと、を含む。エネルギーストレージシステムは、電池モジュールを充電するべく、エネルギーがエネルギーストレージシステムから電池モジュールに転送される第１動作状態と、電池モジュールを放電させるべく、エネルギーが電池モジュールからエネルギーストレージシステムに転送される第２動作状態と、において動作可能である。電源は、エネルギーストレージシステムに電気的に結合され、且つ、エネルギーストレージシステム内の保存されているエネルギーの量に基づいて、エネルギーを電源からエネルギーストレージシステムに転送するように構成されている。コントローラは、電池モジュールに動作自在に結合され、且つ、電池モジュールの充電状態を監視及び制御するように構成されている。いくつかの実施形態においては、電池モジュールは、直列状態において接続された複数の電池を含むことができる。いくつかの実施形態においては、システムは、複数の電池を直列状態において接続するように構成されたセル固定具を更に含むことができる。
【０００７】
いくつかのその他の実施形態においては、電池形成方法は、第１電池モジュールを充電するべく、エネルギーをエネルギーストレージシステムから第１電池モジュールに転送するステップと、第１電池モジュールに動作自在に結合された第１コントローラにより、第１電池モジュールの充電状態を監視するステップと、第１電池モジュールを放電させるべく、エネルギーを第１電池モジュールからエネルギーストレージシステムに転送するステップと、第２電池モジュールを充電するべく、エネルギーをエネルギーストレージシステムから第２電池モジュールに転送するステップと、第２電池モジュールに動作自在に結合された第２コントローラにより、第２電池モジュールの充電状態を監視するステップと、を含む。いくつかの実施形態においては、形成方法は、エネルギーストレージシステム内の保存されているエネルギーの量を監視するステップと、保存されているエネルギーの量が閾値未満に低下した場合に、エネルギーを電源からエネルギーストレージシステムに転送するステップと、を更に含むことができる。いくつかの実施形態においては、エネルギーは、第１期間において、エネルギーストレージシステムから第１電池モジュールに転送され、エネルギーは、第２期間において、第１電池モジュールから転送され、且つ、エネルギーは、第３期間において、エネルギーストレージシステムから第２電池モジュールに転送されている。第１期間の少なくとも一部分は、第３期間の少なくとも一部分と同時に発生しうる。第２期間の少なくとも一部分は、第３期間の少なくとも一部分と同時に発生しうる。
【０００８】
本明細書及び添付の請求項において使用されている「１つの（a）」、「１つの（an）」、及び「その（the）」という単数形は、そうではない旨を文脈が明示的に示していない限り、複数の対象物を含む。従って、例えば、「１つの部材」という用語は、単一の部材又は部材の組合せを意味するべく意図されており、「１つの材料」は、１つ又は複数の材料又はその組合せを意味するべく意図されている。
【０００９】
本明細書において使用されている「組（set）」という用語は、複数の特徴、或いは、複数の部分を有する単一の特徴を意味しうる。例えば、電池モジュールの組を参照した際に、このモジュールの組は、別個の部分（例えば、セル固定具、ワイヤ、コネクタなど）を有する１つのモジュールと見なすことも可能であり、或いは、このモジュールの組は、複数のモジュールと見なすこともできる。同様に、モノリシックな方式で構築された物品も、モジュールの組を含みうる。このようなモジュールの組は、例えば、互いに不連続である複数の部分を含みうる。又、モジュールの組は、別個に製造されると共に（例えば、溶接、接着剤、又は任意の適切な方法を介して）後から１つに結合された複数の物品から製造することもできる。
【００１０】
本明細書において使用されている「約（about）」、「ほぼ（approximately）」、及び「実質的に（substantially）」という用語は、数値との関連において使用された際には、このように定義された値が、公称的に、記述されている値であることを伝達するべく意図されている。換言すれば、約、ほぼ、及び実質的に、という用語は、数値との関連において使用された際に、一般に、記述されている値に所与の許容範囲をプラス又はマイナスしたものを含む。例えば、いくつかの例においては、適切な許容範囲は、記述されている値のプラス又はマイナス１０％であってもよく、従って、約０．５は、０．４５及び０．５５を含むことになり、約１０は、９〜１１を含むことになり、約１０００は、９００〜１１００を含むことになろう。その他の例においては、適切な許容範囲は、記述されている値の最小桁の数字に受け入れ可能な百分率をプラス又はマイナスしたものであってよい。例えば、適切な許容範囲は、最小桁の数字の±１０％であってもよく、従って、約１０．１は、１０．０９及び１０．１１を含むことになり、ほぼ２５は、２４．５及び２５．５を含むことになろう。このような変動は、製造公差又はその他の実際的な考慮事項（例えば、製造装置と関連した公差、受け入れ可能なヒューマンエラー、或いは、これに類似したものなど）の結果としてもたらされうる。
【００１１】
充電式電池又はセルは、通常、電気的に不活性な化合物によって製造されている。電池が完全に組み立てられた後に、電気的に不活性な化合物は、形成（本明細書においては、「電池形成」、「セル形成」、及び／又は「モジュール形成」とも呼称される）と呼称されるプロセスにおいて、電気活性種に変換されている。形成とは、基本的に、コンポーネントの望ましい微細構造及びその間の接触を生成するべく、電流、温度、及び持続時間の慎重に制御された条件下において、セル製造者の工場において実行される最初の充電である。形成プロセスは、一般に、２つのフェーズに分割することができる。第１に、定電流が、最大で既定の電圧限度まで、セル又は電池に対して印加される。既定の電圧限度に到達したら、電圧は、一定値において維持され、且つ、印加電流が、次第に小さな値に低減される。次いで、充電電流がセルの内部抵抗値に伴って減少するのに伴って、セル又はセルのグループ内に印加されているアンペア時の合計数に基づいて、或いは、電流限度に基づいて、形成プロセスを終了させることができる。
【００１２】
従来のシステムにおいては、電池形成は、通常、１セル／チャネルにより、且つ、Ｃ／１０などの低速のレート（即ち、セルのＡ−ｈｒ定格の１／１０）において実行されている。チャネルは、通常、すべてのセルに跨って定電圧が存在するように、並列状態において互いに接続されている。この並列構成は、いくつかの欠点を有する可能性がある。例えば、並列充電−放電システムの構築のために、大きな先行的資本支出が所要されることになり、その理由は、システム内のそれぞれのチャネルが互いに独立しており、且つ、充電が上述のような低速レートにおいて実行されるからである。同様に、独立したチャネルが、多数のチャネルを同時にサポート及び管理するべく、更なる補助コンポーネント（例えば、診断システム、データ送信、電池制御、膨大な量の個別のセルコンテナなど）を必要とする可能性もある。更には、同一の電圧がすべての電池に対して印加されることから、過充電又は充電不足を防止するのが困難であり、従って、その結果、セル製造工場の歩留まりに悪影響が及ぶ場合もある。
【００１３】
又、セル形成は、非常にエネルギー集約的なプロセスでありうると共に、セル製造工場において、大きなエネルギー消費量の問題を生成する可能性もある。例えば、工場が、１年当たりに５００ＭＷｈの電池容量の製造をターゲットとしている場合に、形成プロセスのみにより、一年当たりに５００ＭＷｈ超のエネルギーを消費する可能性があり、その理由は、それぞれの電池が、通常、少なくとも１つの完全な充電−放電サイクルを経験するからである。換言すれば、充電プロセスにおいて消費されるエネルギーは、通常、電池容量の試験の際に、放電され、且つ、熱として散逸され、従って、これにより、エネルギーが浪費される。いくつかの化学組成によれば、電池がそのフルパワー又は容量を供給可能となる前に、１０回以上の充電−放電サイクルを所要しうる。従って、エネルギー消費量の問題は、電池形成における反復的な充電及び放電サイクルにより、或いは、電池による仕様要件の充足を確実にするために電池容量を試験するべく、或いは、流通のために電池を異なるカテゴリに分類するべく、更に悪化する可能性がある。従って、電池形成は、エネルギー集約的であるのみならず、資本集約的なものでもありうる。
【００１４】
図１は、従来の電池形成システムの欠点に少なくとも部分的に対処しうる電池形成システムを示している。いくつかの実施形態においては、電池形成システム１００は、電源１１０と、エネルギーストレージシステム１２０と、１つ又は複数の電池モジュール１３０と、コントローラ１４０と、を含む。電池モジュール１３０は、モジュール１３０を形成するべく、個々のセル、個々の電池、モジュール（例えば、例えば、直列又は並列状態において接続された複数の個々のセル）、或いは、電池パック（例えば、例えば、直列又は並列状態において接続された複数のモジュール）を含むことができる。例えば、電池モジュール１３０は、直列状態において接続された１２個の電池を含むことが可能であり、これらの電池のそれぞれは、１８ボルトモジュールを形成するべく、１．５Ｖの規定電圧を有する。別の例として、電池モジュール１３０は、１４．４Ｖを実現するべく、直列状態の４つの３．６Ｖリチウムイオンセルと、容量を、例えば、２４００ｍＡｈから４８００ｍＡｈに増大させるべく、並列状態のこれらの４つのセルの２つのストリングと、を含むこともできる。
【００１５】
いくつかの実施形態においては、電池モジュール１３０は、充電及び放電のために（本明細書においては、電池とも呼称される）複数のセルを接続するように構成されたセル固定具（図示せず）を含むことができる。例えば、セル固定具は、複数のセルを少なくとも３つの構成において接続するように構成することができる。第１構成においては、セル固定具は、それぞれの個々のセル電圧の合計である電圧を実現するべく、定電流が複数のセルに跨って流れるように、複数のセルを直列状態において接続するべく構成することができる。第２構成においては、セル固定具は、定電圧が複数の個々のセルに跨って印加されるように、複数のセルを並列状態において接続するべく構成されている。この構成においては、放電の際に、相対的に大きな電流を電池モジュール１３０からエネルギーストレージシステム１２０に転送することができる。第３構成においては、セル固定具は、直列及び並列の両方の組合せ（直列／並列構成とも呼称される）において、複数のセルを接続するように構成することができる。この第３構成においては、セルの組は、ストリングとして直列状態において接続され、且つ、次いで、これらのストリングが、並列状態において接続される。この第３の「ハイブリッド」構成は、異なる仕様の複数の電池を充電するための設計の柔軟性を許容することができる。
【００１６】
いくつかの実施形態においては、セル固定具は、電池モジュール１３０の無線充電を許容するべく、ドッキングステーション（図示せず）によって置換又は補完することができる。ドッキングステーション内の電気コネクタは、十分に封止することができることから、誘導充電は、例えば、酸素、水、化学物質によって誘発される腐食又は危険性から逃れることができる。
【００１７】
エネルギーストレージシステム１２０は、電池モジュール１３０に電気的に結合され、且つ、エネルギーストレージシステム１２０と電池モジュール１３０の間のエネルギーの双方向転送を許容するように構成されている。１つの動作状態においては、エネルギーストレージシステム１２０は、電池モジュール１３０を充電するべく、エネルギーをエネルギーストレージシステム１２０から電池モジュール１３０に転送するように構成されている。第２の動作状態においては、エネルギーストレージシステム１２０は、電池モジュール１３０を放電させるべく、エネルギーを電池モジュール１３０からエネルギーストレージシステム１２０に転送するように構成されている。電池モジュール１３０からエネルギーストレージシステム１２０に転送されたエネルギーは、例えば、電池形成又は試験のための電池モジュール１３０の充電を含む将来の使用のために、保存することができる。電池の放電からのエネルギーの再利用を通じて、電池形成システム１００と、従って、全体的な電池製造プロセスと、のエネルギー消費量を低減することができる。
【００１８】
いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステム１２０は、実質的に同時に、複数の電池モジュール１３０を充電し、且つ、次いで、後の時点において、同一の複数の電池モジュール１３０を放電するように、構成することができる。いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステムは、実質的に同時に、第１電池モジュール１３０（或いは、電池モジュールの第１の組１３０）を充電し、且つ、第２電池モジュール１３０（或いは、電池モジュールの第２の組１３０）を放電するように、構成することができる。エネルギーストレージシステム１２０は、任意の数の電池モジュール１３０を実質的に同時に充電及び／又は放電するように構成することができる。換言すれば、エネルギーストレージシステム１２０は、複数の個々の電池モジュール１３０又は電池モジュール１３０の複数の組に電気的に結合することが可能であり、且つ、それぞれの電池モジュール１３０又はモジュールの組は、複数のモジュール１３０のうちの残りの部分の充電状態とは独立した状態において、充電又は放電することができる。
【００１９】
形成システム１００において使用されているエネルギーストレージシステム１２０は、様々な選択肢から選択することができる。いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステム１２０は、例えば、リチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）、ニッケルカドミニウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）、密封型鉛酸（ＳＬＡ：Sealed Lead Acid）、硫化ナトリウム（ＮＡＳ）、或いは、当技術分野において既知の任意のその他のタイプの充電式電池などの充電式電池の１つ又は複数のアレイを含むことができる。本明細書において記述されている充電式電池のアレイは、充電のためにエネルギーを電池モジュール１３０に供給し、且つ、放電の際に、エネルギーを受領及び保存するように、構成することができる。現時点の技術は、リチウムイオンセルを使用することにより、１ＭＷｈ超の出力容量を有するエネルギーストレージシステム１２０を製造することができる。
【００２０】
いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステム１２０は、フロー電池を含むことができる。フロー電池によれば、ユーザーが、電池の仕様を特定の用途及び状況に対してチューニングしうるように、電池のパワーを電池の容量から結合解除することができる。エネルギーストレージシステム１２０を構築するべく使用されるフロー電池は、リチウムイオンフローセル、電気化学成分が電解液中において溶解したレドックスセル、固体層として堆積された１つ又は複数の電気活性成分を有するハイブリッドセル、エネルギーを保存又は放出するべく電気化学反応を経験するためにラミナーフローを利用しているメンブレインレスセル、電荷担体として、例えば、9,10-anthraquinone-2,7-disulphonic acid（ＡＱＤＳ）などの炭素に基づいた分子を使用しうる有機セル、金属水素化物ストレージ電極をリバーシブルなプロトン交換メンブレイン燃料電池に統合した金属水素化物セル、並びに、ナノ粒子のネットワーク内において配置されたリチウム硫黄成分を使用するナノネットワークセルというセルのうちの１つ又は複数から製造することができる。フロー電池内のエネルギーストレージ媒体は、例えば、臭素−水素、鉄−すず、鉄−チタニウム、鉄−クローム、バナジウム−バナジウム（硫酸塩）、バナジウム−バナジウム（臭化物）、多硫化ナトリウム／臭素、亜鉛−臭素、鉛−酸、亜鉛−セリウム、又はこれらの組合せであってもよい。
【００２１】
いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステム１２０は、１つ又は複数の電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ：Electrical Double-Layer Capacitor）、リチウムイオンコンデンサ、又はハイブリッドコンデンサを含むことが可能であり、ハイブリッドコンデンサは、２つのエネルギーストレージメカニズムを利用することができる。第１のストレージメカニズムは、導電体電極の表面と電解液の電解質の間の界面におけるヘルムホルツ二重層内の電荷の分離によって実現される電気エネルギーの静電気ストレージであってもよい。二重層構造内の分離距離は、１ナノメートル未満であってもよい。これに加えて、エネルギーは、電気化学反応を通じて、更に詳しくは、電極上におけるリバーシブルなファラデー電荷転送を結果的にもたらす本質的に吸収されたイオンによる電極表面上におけるレドックス反応の電気収着又は挿入を通じて、保存及び放出することができる。
【００２２】
いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステム１２０は、フライホイールエネルギーストレージ（ＦＥＳ：Flywheel Energy Storage）を含むことができる。この例においては、エネルギーストレージシステム１２０は、回転子（フライホイール）を高速に加速することにより、その電気エネルギーを機械的エネルギー（更に詳しくは、回転エネルギー）として保存することが可能であり、且つ、回転するフライホイールを使用して発電機を駆動することにより、その保存されたエネルギーを供給することができる。摩擦を低減し、且つ、従って、エネルギー保存効率を増大させるべく、回転子のために、磁気軸受を使用することができる。回転子を製造するべく、回転子の強度対密度比を増大させるべく、且つ、効率を更に増大させるべく、炭素繊維複合体などの複合材料が使用される。
【００２３】
いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステム１２０は、パワーを保存及び供給するべく、超伝導磁気エネルギーストレージ（ＳＭＥＳ：Superconducting Magnetic Energy Storage）を含むことができる。エネルギーシステム１２０は、この例においては、エネルギーを保存するための超伝導コイルと、パワーの保存及び放出を調整するためのパワーコンディショニングシステムと、超伝導コイルをその超伝導臨界温度未満において冷却するための冷却システムと、を含むことができる。電気エネルギーは、超伝導コイル内の直流の流れによって生成される磁界内において保存することが可能であり、超伝導コイルは、ほぼゼロの抵抗を有し、且つ、従って、保存されているエネルギーを減衰させることにならない。電力系統又は電池充電モジュールへの磁気エネルギーの放出は、コイルを放電させることにより、実現することができる。
【００２４】
いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステム１２０は、水力発電（例えば、揚水発電）エネルギーストレージを含むことができる。電気は、水又はその他のタイプの流体を相対的に高いレベルに位置したリザーバにポンプ移送することにより、保存することが可能であり、且つ、保存されているエネルギーは、水力発電所における発電と同様に、流体を使用して発電機を駆動することにより、後の時点において、放出することができる。
【００２５】
いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステム１２０は、熱電気エネルギーストレージ（ＴＥＥＳ：ThermoElectric Energy Storage）を含むことができる。例えば、エネルギーストレージシステム１２０は、流体（例えば、油）を加熱するべく、電気を使用することが可能であり、流体は、低熱損失を伴って高温において維持することができる。エネルギーの放出が必要とされる際には、加熱された流体により、火力発電所における発電と同様に、電気を生成するべく、蒸気タービン、ガスタービン、又はこれに類似したものを駆動することができる。
【００２６】
いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステム１２０は、圧縮空気エネルギーストレージ（ＣＡＥＳ：Compressed Air Energy Storage）を含むことができる。例えば、エネルギーストレージシステム１２０は、空気を加圧すると共に圧縮された空気をストレージ空洞又はタンク内にポンプ移送するべく、コンプレッサを使用することができる。エネルギーが必要とされる際には、発電するべく、圧縮空気を放出することが可能であり、（任意選択によって）加熱することが可能であり、且つ、タービンに強制入力することができる。圧縮の際に生成される熱を保存することが可能であり、且つ、膨張の際に、ストレージ効率を更に増大させるべく、使用することができる。ＣＡＥＳシステムは、当技術分野において容易に理解されるように、断熱モード、非断熱モード、及び等温モードを含むいくつかのモードにおいて動作することができる。
【００２７】
いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステム１２０は、上述の複数のタイプのエネルギーストレージ方式を組み合わせたハイブリッドシステムであってもよい。例えば、エネルギーストレージシステム１２０は、電池システムと、燃料電池と、を含むことができる。
【００２８】
電源１１０は、エネルギーストレージシステム１２０に電気的に結合され、且つ、エネルギーストレージシステム内の保存されているエネルギーの量に基づいて、エネルギーを電源からエネルギーストレージシステムに転送するように構成されている。例えば、電源１１０は、起動エネルギーが再利用される充電及び放電サイクルを開始するべく、このエネルギーストレージシステム１２０用の起動エネルギーを提供することができる。更には、エネルギーストレージシステム１２０内において利用可能なエネルギーの量が、充電及び放電サイクルにおいて、閾値レベル未満に低下した際には、電源１１０は、形成システム１００の適切な動作を保証するべく補完エネルギーをエネルギーストレージシステム１２０に転送するように、構成することもできる。換言すれば、電源１１０は、エネルギーストレージシステム１２０内のエネルギー損失について補償することができる。例えば、充電式電池アレイを含むエネルギーストレージシステム１２０は、熱の生成及び散逸を通じてエネルギーストレージの一部分を失う場合がある。別の例においては、フライホイールエネルギーストレージ（ＦＥＳ）を含むエネルギーストレージシステム１２０は、フライホイールの摩擦に起因したエネルギー損失を補償するべく、補充パワーを必要としている場合がある。
【００２９】
いくつかの実施形態においては、電源１１０とエネルギーストレージシステム１２０の間のエネルギー転送は、双方向となるように構成することができる。例えば、電源１１０が電力系統である場合には、エネルギーストレージシステム１２０は、エネルギー使用のピーク時間において電力系統にパワーを提供するべく、その保存されているエネルギーを使用してもよく、且つ、次いで、オフピーク時間においては、「補充」パワーを受け取ってもよい。換言すれば、エネルギーストレージシステム１２０は、電力系統の負荷バランシングのために使用することができる。別の例においては、エネルギーストレージシステム１２０は、予想されていない停電の際に、或いは、その他の緊急事態において、電池からエネルギーを抽出することにより、バックアップ電源として機能することができる。
【００３０】
いくつかの実施形態においては、電源１１０とエネルギーストレージシステム１２０の間のエネルギー転送は、単方向となるように構成することができる。例えば、電源１１０が間欠型の電源（例えば、太陽光や風力などの再生可能なエネルギー生成）である場合には、双方向のエネルギー転送の利用が不可能である場合がある。但し、いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステム１２０は、利用可能な際には再生可能なパワーを利用するべく、再生可能な供給が利用不能である際には電力系統のパワーを利用するべく、且つ、場合によっては、生成が需要を上回っている際には（例えば、風力タービンの場合に、夜間に風が吹いている際には）再生可能なエネルギーを保存及び転送する（例えば、バランスさせる）べく、複数の電源１１０（例えば、太陽光、風力、及び電力系統）に電気的に結合することができる。
【００３１】
コントローラ１４０は、電池モジュール１３０に動作自在に結合され、且つ、電池モジュールの充電状態を監視及び制御するように構成されている。更には、コントローラ１４０は、エネルギーストレージシステム１２０に動作自在に結合することも可能であり、且つ、エネルギーストレージシステムの充電状態を監視及び制御するように構成することもできる。
【００３２】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０は、システム１００のそれぞれのレベルにおいて充電状態を監視及び制御するように構成することができる。システムレベルにおいて、コントローラ１４０は、電力系統などの外部コンポーネントとの間においてシステム１００を調整することができる。例えば、コントローラ１４０は、その保存されているネルギーを送るべき時期及び場所を判定することができる。モジュールレベルにおいては、コントローラ１４０は、例えば、電池モジュール１３０、エネルギーストレージシステム１２０、及び電源１１０などの間において動作を調整することができる。又、コントローラ１４０は、例えば、充電又は放電のタイミング、充電又は放電される電池モジュール、或いは、保存又は放出されるエネルギーの量を調節することもできる。電池レベルにおいては、コントローラ１４０は、例えば、不良又は異常セルを検出するように、セルをバランスさせるように、或いは、選択された電池を接続／接続解除し、その結果、これにより、例えば、電池形成プロセスを最適化するように、それぞれの電池を調節することができる。本明細書において使用されている異常セルとは、充電及び／又は放電の際に、その他のセルとは異なる方式で動作する（例えば、充電及び／又は放電されない、或いは、その他のセルとは異なるレートで充電及び／又は放電する）セルである。
【００３３】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０は、それぞれ、充電状態を監視及び制御するべく、診断ユニット（図示せず）及び制御ユニット（図示せず）という２つの機能ユニットを含むことができる。コントローラによって監視及び／又は制御されうる充電状態は、例えば、電圧、温度、充電状態、健康状態、冷媒の流れ、及び電流を含むことができる。診断ユニットは、いくつかの方法を介して充電状態を取得することができる。例えば、化学的な方法においては、充電状態は、電解液の特定の比重又はｐＨ値から導出することができる。電圧法においては、電池の電圧を計測することが可能であり、且つ、電池の放電曲線を使用することにより、充電の状態に変換することができる。同様に、クーロンカウンティング法とも呼称される電流積算法と同様に、電池電流の計測及び計測された電流データの時間に伴う積算により、充電状態に関する情報を提供することもできる。未加工のデータを相対的に正確な方法で解釈することにより、電圧法及び電流積算法の精度を改善するべく、カルマンフィルタを使用することができる。ＮｉＭＨ電池などのいくつかのタイプの電池の場合には、電池が充電されるのに伴って、内部圧力が増大することになり、従って、これにより、圧力法と同様に、内部圧力に基づいた充電状態の導出が可能となる。
【００３４】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０の診断ユニットによって取得された充電状態を使用することにより、コントローラ１４０の制御ユニットが対応する調節を実施するように、制御信号を生成することができる。例えば、特定のセル上における平均を上回る電圧は、潜在的な過充電を通知している場合があり、且つ、しばらくの間、セルを接続解除するように、制御ユニットに通知しうる。別の例においては、既定の範囲外の温度は、低充電効率又は潜在的な危険を通知している場合があり、その場合には、制御ユニットは、予め設定された範囲に温度を戻すように、相応して動作することができる。
【００３５】
又、いくつかの実施形態においては、制御ユニットは、外部信号に基づいて充電状態を調節することができる。例えば、エネルギーストレージシステム１２０が、バックアップエネルギー供給源として機能している際には、コントローラ１４０は、予想されていない停電の際に、継続中の充電サイクルを放電サイクルにスイッチングすることができる。動作の際には、システム１００の内部及び外部の両方から制御信号を受信し且つ分析すると共に自動化された動作を実現するべく、コントローラ１４０をコンピュータソフトウェアと統合することができる。
【００３６】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０は、電池の充電状態を監視及び制御するべく、既存の電池管理システム（ＢＭＳ：Battery Management System）を活用することができる。コントローラ１４０内において使用されるＢＭＳは、例えば、セル保護、充電制御、需要管理、充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）判定、健康状態（ＳＯＨ：State Of Health）判定、セルバランシング、履歴ログ、及び通信というモジュールのうちの１つ又は複数を含むことができる。
【００３７】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０は、充電又は放電の際の過大な電流、短絡回路、過電圧（充電）、電圧不足（予め設定された放電限度の深さを超過している）、高周辺温度、過熱（セル温度限度を超過している）、セル内の圧力蓄積、事故又は乱用の場合のシステム隔離という望ましくないイベント又は状態のうちの１つ又は複数に対処するべく、セル保護モジュールを含むことができる。セル保護モジュールは、セルを許容範囲外の周辺又は動作状態から保護すると共に電池障害の結果からユーザーを保護するように、有用な監視及び制御を提供することができる。保護は、第１の例においては、周辺温度が、予め設定された限度を超過した際に、電池をシャットダウンしうる温度ヒューズによって実現することができる。第２の例においては、温度の変化に応答して、その抵抗を調節するべく、サーミスタを使用することができる。第３の例においては、電池上の過電流保護を提供すると共に、障害状態が除去されたら、ヒューズ自体をリセットするべく、リセット可能なヒューズを使用することができる。
【００３８】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０は、充電制御モジュールを含むことが可能であり、充電制御モジュールは、電池の充電方式を構成及び実装することができる。この充電制御ユニットは、電池形成の場合に、且つ／又は、複数の充電及び放電サイクルを所要する試験の場合に、特に有用でありうる。コントローラ１４０は、例えば、定電圧充電、定電流充電、テーパー電流充電、パルス化充電、バープ（burp）充電（リフレックス充電又は負パルス充電とも呼称される）、ＩＵＩ充電、トリクル充電、フロート充電、ランダム充電という充電方式を少なくとも実現するように構成することができる。
【００３９】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０は、定電圧充電方式を実装するように構成することが可能であり、この場合に、電池は、予め設定された充電状態に到達する時点まで、定電圧によって充電される。同様に、コントローラ１４０は、定電流充電方式を実装するように構成することが可能であり、定電流充電方式は、電池が、予め設定された充電の状態に到達する時点まで、充電のために、電池に跨って定電流の流れを印加する。更には、コントローラ１４０は、テーパー電流充電方式を実装するように構成することも可能であり、テーパー電流充電方式は、充電のために、未加工の調節されていない定電圧供給源を利用しており、且つ、電流は、セル電圧が蓄積するのに伴って減少する。
【００４０】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０は、パルス化充電方式を実装するように構成することが可能であり、パルス化充電方式は、パルスの形態において、充電電流を電池に供給する。充電レート（平均電流に基づいたもの）は、通常は、約１秒であるパルスの幅を変化させることにより、正確に制御することができる。充電プロセスにおいては、パルスの間の２０〜３０ミリ秒の短い休止期間により、充電を再開する前に電極の容積全体を通じて反応を等化することにより、電池内の化学的作用を安定化させることができる。又、これにより、電池内の化学反応が、電気エネルギーの入力レートとの間においてペースを維持できるようにしてもよい。
【００４１】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０は、バープ充電方式を実装するように構成することが可能であり、バープ充電方式は、通常、セルを脱分極させるべく、充電休止期間において、５ミリ秒にわたって、通常は、充電電流の２〜３倍である、非常に短い放電パルスを印加している。これらのパルスは、高速充電の際に電極上において蓄積される気泡を除去し、その結果、これにより、安定化プロセスと、従って、全体的な充電プロセスと、を加速させることができる。気泡の放出及び拡散は、「バーピング（burping）」と呼称される。
【００４２】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０は、ＩＵＩ充電方式を実装するように構成することができる。通常のＩＵＩ充電方式においては、電池は、まず、セル電圧が、予め設定された値―通常は、ガスが発生する電圧近傍の電圧―に到達する時点まで、一定（Ｉ）レートにおいて充電される。この充電サイクルの第１の部分は、バルク充電フェーズと呼称されている。予め設定された電圧に到達した際に、充電は、定電圧（Ｕ）フェーズにスイッチングし、且つ、電池によって引き出される電流は、別の予め設定されたレベルに到達する時点まで、徐々に低下する。このサイクルの第２の部分は、低速で減少するレートにおいて、電池の正常な充電を完了させる。最後に、充電は、再度、定電流モード（Ｉ）に戻るようにスイッチングされ、且つ、電圧は、新しく且つ相対的に大きな予め設定された限度まで上昇を継続し、その時点において、充電が終了する。この最後のフェーズは、電池内の個々のセル上における充電を等化させて電池寿命を極大化させるべく、使用されている。
【００４３】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０は、トリクル充電方式を実装するように構成することが可能であり、トリクル充電方式は、電池の自己放電について補償することができる。充電レートは、放電の周波数及び振幅に従って変化しうる。いくつかの用途においては、充電は、電池がフル充電された際にトリクル充電モードにスイッチングするように、設計することができる。
【００４４】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０は、フロート充電方式を実装するように構成することが可能であり、この場合に、電池及び負荷は、ＤＣ充電供給源に跨って並列状態において永久的に接続され、且つ、電池の電圧上限未満の定電圧において保持されている。この方法は、緊急事態パワーバックアップシステムのために使用することができる。
【００４５】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０は、ランダム充電モードを実装するように構成することが可能であり、この場合に、電池の充電は、なんらかのランダムな且つ／又は制御されていない方法による。この方法は、電気エネルギーを機械エネルギーとして保存する特定のエネルギーストレージシステム１２０（例えば、フライホイールエネルギーストレージ）に対して適用することが可能であり、且つ、ホイールの速度に応じたレートにおいて、その保存されているエネルギーを供給することできる。又、この方法は、電源１１０が、例えば、通常は晴れている際にエネルギーを提供する太陽光発電プラントである際に、使用することができる。
【００４６】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０は、充電効率を改善するべく複数の充電方式を実装するように、構成することができる。例えば、定電圧充電には、電池の自発的な放電を補償するべく、トリクル充電が後続していてもよい。或いは、電源１１０は、太陽光発電プラントと電力系統の両方を含むことが可能であり、従って、これにより、潜在的に、定電圧充電とランダム充電の組合せが有利になる。
【００４７】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０は、エネルギー消費量を最適化すると共に電池形成又は試験手順の混乱を低減するべく、需要管理モジュールを含むことができる。例えば、コントローラ１４０は、パワーに対する即座の需要を有する回路の一部分に対してのみパワーを供給すると共に一時的にアイドル状態にあってもよい回路を減速させるか又はその回路に対するパワーをスイッチオフすることにより、全体的なパワー消費量を低減するように、構成することができる。
【００４８】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０は、充電状態（ＳＯＣ）モジュールを含むことができる。なんらの理論又は動作モードによる拘束をも伴うことなしに、充電状態（ＳＯＣ）は、例えば、定格容量又は電流容量でありうるいくつかの基準の百分率として表現された利用可能な容量として、定義することができる。電池内の残っているエネルギー量に関する知識は、電池の充電を調節するための１つの基礎を提供することができる。
【００４９】
いくつかの実施形態においては、コントローラは、健康状態（ＳＯＨ）モジュールを含むことができる。健康状態（ＳＯＨ）は、その規定された出力を提供するための電池の能力の尺度として定義することができる。ＳＯＨに関する知識は、特に、緊急事態パワー出力の準備状況を査定するために有用でありうる。但し、ＳＯＨは、異なる人々が異なる計測可能な電池性能パラメータから導出しているという点において、主観的な尺度でありうる。ＳＯＨは、計測値ではなく、推定値であってもよい。従って、一貫性を有する規則の組が、推定を相対的に意味のあるものにする際に有用な場合がある。例えば、ＳＯＨは、セルインピーダンス又はコンダクタンスを基準として使用することにより、推定することができる。
【００５０】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０は、セルバランシングモジュールを含むことができる。マルチセル電池チェーン又はマルチ電池モジュールにおいては、製造公差又は動作状態に起因したセルの間のわずかな差が、それぞれの充電及び放電サイクルに伴って拡大される傾向を有する。例えば、相対的に弱いセルは、充電の際に、過大な応力が印加された状態になり、これにより、これらのセルは、最終的に障害が発生する時点まで、更に弱い状態となる。セルバランシングは、チェーン内の相対的に強いセルの充電を減速させることにより、相対的に弱いセルの容量を極大化させる１つの方法である。
【００５１】
コントローラ１４０は、例えば、能動的バランシング、受動的バランシング、充電シャンティング、充電制限、及び無損失バランシングを含むいくつかの方式を通じて、セルバランシングを実現するように構成することができる。能動的セルバランシングによれば、１つ又は複数の高セルから電荷を除去することが可能であり、且つ、電荷を１つ又は複数の低セルに供給することが可能であり、その結果、これにより、セルの等化が実現される。受動型のバランシング技法は、相対的に大きなセル電圧によって示されるパック内の最高の充電を有するセルを見出し、且つ、電圧又は充電が、相対的に弱いセル上の電圧とマッチングする時点まで、バイパス抵抗器を通じて過剰なエネルギーを除去している。充電シャンティング法においては、セル上の定格電圧に到達したら、相対的に弱いセルがフル電圧に到達する時点まで、フル電流が、フル充電されたセルをバイパスしている。これは、高速なものであることが可能であり、且つ、最大ストレージを許容しうる。セルバランシングにおける充電制限法によれば、第１セルが、予め設定された電圧に到達した際に、充電システムがスイッチオフされている。又、この方法によれば、セルを保護することができるが、セルのすべてがフル充電に到達する前に、充電を終了させることもできる。
【００５２】
いくつかの実施形態においては、セルバランシングモジュールは、例えば、その他のものが追い付く時点まで、相対的に大きなＳＯＣを有するセルの休止期間を増大させ、その結果、これにより、過充電を回避するコンピュータソフトウェアを含むことができる。但し、放電の際には、相対的に小さなＳＯＣを有するセルについては、休止期間を増大させることが可能であり、その結果、これにより、過放電が回避される。散逸することになる過剰な電荷が存在していないことから、この方法は、無損失となりうる。
【００５３】
その他の実施形態においては、コントローラ１４０は、それぞれの電池の性能に関する履歴データを提供し、その結果、これにより、相対的に正確な方法で健康状態を規定するように、履歴ログモジュールを含むことができる。又、電池性能の相対的に広範な状況を示すべく、電池によって実行される充電−放電サイクルの数に加えて、電池が経験する極端な動作状態を記録することもできる。計測されたパラメータの重み付けされた平均値を使用することにより、このデータから、ＳＯＨを表す図を判定することができる。又、電池の使用（又は、乱用）データをメモリ内において保存することも可能であり、且つ、必要とされる際に、ダウンロードすることもできる。
【００５４】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０は、特に、例えば、性能を監視し、データを記録し、システムパラメータを設定し、或いは、システム制御信号を搬送するべく、通信モジュールを含むことができる。通信モジュールは、ＲＳ２３２接続、ＥＩＡ−４８５接続、集積回路間（Ｉ２Ｃ）バス、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ：Universal Series Bus）、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ：Controller Area Network）バス、ローカル管理ネットワーク（ＬＩＮ）バス、ＦｌｅｘＲａｙバス、システム管理（ＳＭ：System Management）バス、又はこれらの組合せを通じて、信号を搬送することができる。
【００５５】
いくつかの実施形態においては、上述のモジュール（セル保護、充電制御、需要管理、充電状態（ＳＯＣ）判定、健康状態（ＳＯＨ）判定、セルバランシング、履歴ログ、及び通信）は、放電プロセスに対しても同様に適用されている。例えば、コントローラ１４０は、予め設定された値を上回る放電深度（ＤＯＤ：Depth Of Discharge）を有する電池を検出することが可能であり、且つ、過放電を回避するべく、これらの電池を隔離することができる。又、別の例においては、コントローラ１４０の充電制御モジュールは、外部負荷回路を調節することにより、定電圧、定電流、テーパー電流などの様々な放電方式を実装することができる。
【００５６】
いくつかの実施形態においては、コントローラ１４０内の上述のモジュールは、電池形成システム１００全体の動作を最適化するように、エネルギーストレージシステム１２０及び電源１１０を含む電池形成システム１００内のその他のコンポーネントに動作自在に結合することができる。例えば、コントローラ１４０の需要管理モジュールは、エネルギーストレージシステム１２０と外部のエネルギー需要の間のエネルギー転送を調整し、これにより、電池形成とエネルギーバックアップの両方の動作を合理化することができる。
【００５７】
次に図２を参照すれば、例示用の一実施形態による電池形成システム（例えば、電池形成システム１００）内において使用されうる電池モジュール２３０が示されている。電池モジュール２３０は、コネクタのペア２３１ａ及び２３１ｂ（集合的に、コネクタ２３１と呼称される）と、セル固定具２３２と、診断ユニット２３４と、を含む。診断ユニット２３４は、図１に示されているコントローラ１４０のようなコントローラの一部分であってもよい。いくつかの実施形態においては、既存の電池管理システム（ＢＭＳ）又はＢＭＳの一部分を診断ユニット２３４として利用することができる。コネクタ２３１は、セル固定具２３２及び診断ユニット２３４をエネルギーストレージシステム（図示せず）に接続しており、エネルギーストレージシステムは、例えば、図１に示されているエネルギーストレージシステム１２０に類似したものであってもよい。従って、本明細書においては、エネルギーストレージシステムに関する更に詳細な説明を省略することとし、且つ、これは、そうではない旨が明示的に記述されていない限り、エネルギーストレージシステム１２０と同一のものであるものと見なされたい。又、コネクタ２３１は、セル固定具２３２及び診断ユニット２３４を制御ユニット（図示せず）に接続することも可能であり、制御ユニットは、診断ユニット２３４によって取得された充電状態を取得することが可能であり、且つ、セル固定具２３２を調節することにより、相応して機能することができる。
【００５８】
セル固定具２３２は、複数の電池２３３（１）〜２３３（Ｎ）（集合的に、２３３と呼称される）に電気的に結合されており、この場合に、Ｎは、セル固定具２３２内の電池の数である。セル固定具２３２は、例えば、直列状態において、複数の電池を接続するように構成されている。いくつかの実施形態においては、セル固定具２３２は、複数のスロットを含むことが可能であり、これらのスロットのそれぞれは、電池の挿入及び置換を促進するように、充電のために電池を受け入れることができる。いくつかの実施形態においては、セル固定具２３２は、複数の電池が単一のスロット内においてフィットしうるように、充電対象の電池よりも少ない数のスロットを含むことができる。いくつかの実施形態においては、セル固定具２３２は、無線充電又は誘導充電のために、電池を受け入れるべく、複数のドッキングステーションを含むことができる。
【００５９】
診断ユニット２３４（例えば、ＢＭＳ）は、セル固定具２３２に電気的に結合され、且つ、セル固定具２３２内のそれぞれの電池の充電状態を取得するように構成されている。診断ユニット２３４は、電圧監視モジュール２３４ａと、セルバランシングモジュール２３４ｂと、健康状態（ＳＯＨ）モジュール２３４ｃと、温度監視モジュール２３４ｄと、を含む。
【００６０】
いくつかの実施形態においては、電圧モジュール２３４ａは、多重化アーキテクチャを含むことが可能であり、多重化アーキテクチャは、それぞれのセルからの電圧を順番に単一のアナログ又はデジタル出力ラインに対してスイッチングする。アナログ制御及び／又はデジタルサンプリング回路の数を低減することにより、費用の節約を実現することができる。それぞれのセルのほぼ同時の電圧状態を取得するべく、高速スイッチングメカニズムを使用することにより、大きな電圧変化が発生する前に、すべてのセルが監視されうるように、出力ラインをそれぞれのセルにスイッチングすることができる。
【００６１】
いくつかの実施形態においては、セルバランシングモジュール２３４ｂは、複数のスイッチを含むことが可能であり、これらのスイッチのそれぞれは、セル固定具２３２内の電池に電気的に結合することができる。これらのスイッチは、予め設定された値を上回る電圧を有する特定の電池或いは問題を有するセル又は電池を接続解除することが可能であり、且つ、相対的に低電圧を有する電池のうちの残りのものに対して充電を制御し、その結果、これにより、能動的なセルバランシングを実現することができる。
【００６２】
いくつかの実施形態においては、セルバランシングモジュール２３４ｂは、複数のバイパス抵抗器を含むことが可能であり、これらのバイパス抵抗器のそれぞれは、セル固定具２３２内の電池に結合することができる。バイバス抵抗器は、電池のうちの残りのものが追い付く時点まで、電池のうちの残りのものよりも高い電圧を有する特定の電池から、過剰なエネルギーを除去又は散逸させ、その結果、これにより、受動型のセルバランシングを実現することができる。又、バイパス抵抗器は、相対的に弱いセルがフル充電に到達する時点まで、特定の電池がフル充電された際に、それらの電池から過剰な電荷を除去し、これにより、最大エネルギーストレージを許容することもできる。
【００６３】
いくつかの実施形態においては、セルバランシングモジュール２３４ｂは、自動化された動作を実現するべく、コンピュータソフトウェアを含むことができる。例えば、ソフトウェアは、その他のものが追い付く時点まで、相対的に大きなＳＯＣを有するセルの休止期間を増大させ、従って、これにより、過充電を回避するように、プログラムすることができる。但し、放電の際には、相対的に小さなＳＯＣを有するセルについては、休止期間を増大させ、従って、これにより、過放電を回避することができる。散逸することになる過剰な充電が存在していないことから、この方法は、無損失でありうる。
【００６４】
いくつかの実施形態においては、ＳＯＨモジュール２３４ｃは、ＳＯＨデータの取得を促進するべく、プロセッサと、メモリと、ファジーロジック回路と、を含むことができる。ＳＯＨモジュール２３４ｃは、関連する要因の組合せからＳＯＨの推定値を生成するべく、容量、内部抵抗、自己放電、電荷受容性、放電能力、電解液の移動度、並びに、可能な場合に、サイクルカウンティングを含むいくつかの電池要因を計測することができる。これらの未加工データは、プロセッサによって処理することができる。自動化された計測及び推定のために、初期状態と、「経験」とも呼称される後続の状態と、をメモリ内において保存することができる。ファジーロジック回路は、学習プロセスに基づいて推定を改善するべく、「経験」と、新たに計測されたデータと、を組み合わせることができる。
【００６５】
いくつかの実施形態においては、温度監視モジュール２３４ｄは、それぞれの電池の２つの端子に電気的に接続された交流（ＡＣ：Alternating Current）供給源を含むことができる。ＡＣ供給源は、小振幅のＡＣ電流によって電池の端子を混乱させ、且つ、結果的に得られる電池の電圧出力の位相シフトを生成する可能性がある。この位相シフトは、電池のアノード及びカソードの温度に直接的に関係しうる。温度監視モジュール２３４ｄは、電池が充電、放電、又は休止状態にある際に、内部電池の温度を計測することができる。いくつかの実施形態においては、温度監視モジュール２３４ｄは、電池の冷却のために、セル固定具２３２全体の全体的温度、或いは、空気の取入口又は排出口の温度を監視することができる。いくつかの実施形態においては、温度監視モジュール２３４ｄは、温度を直接的に計測するべく、電池端子又は電池本体の近傍の位置において局所的に装着された複数のサーミスタを含むことができる。
【００６６】
図３は、一実施形態による、電源３１０と、エネルギーストレージシステム３２０と、電池モジュールのペア３３０ａ及び３３０ｂ（集合的に３３０と呼称される）と、コントローラ３４０と、パワーコンバータ３５０と、を含む電池形成システム３００を示している。いくつかの実施形態においては、任意の数（例えば、３個、４個、５個など）の電池モジュール３３０及びコントローラ３４０（図２に示されているもののようなＢＭＳ診断ユニットを含む）を電池形成システム３００に電気的に結合することができる。
【００６７】
電源３１０は、電池の充電のために、エネルギーストレージシステム３２０に電気的に結合され、且つ、エネルギーを電源３１０からエネルギーストレージシステム３２０に転送するように構成されている。電源３１０は、風力発電プラント３１２、太陽光発電プラント３１４、及び電力系統３１６を含むことができる。いくつかの実施形態においては、風力発電プラント３１２は、十分な風力が利用可能であるが、電力系統からのエネルギー需要が小さい際に、エネルギーをエネルギー転送システム３２０に転送することができる。同様に、太陽光発電プラント３１４は、日中に、エネルギー需要がエネルギー生成ほどに多くはない際に、エネルギーをエネルギーストレージシステム３２０に転送することができる。転送されたエネルギーは、エネルギー需要が、風力発電プラント３１２又は太陽光発電プラント３１６からのエネルギー生成を超過した際に、電池形成のために、或いは、夜間又はその他の時点において電力系統３１６を補完するべく、使用することができる。いくつかの実施形態においては、電源３１０は、図１を参照して上述した電源１１０に実質的に類似したものであってもよく、且つ／又は、これと同一のものであってもよい。従って、本明細書においては、電源３１０に関する更に詳細な説明を省略することとし、これは、そうではない旨が明示的に記述されない限り、電源１１０と同一のものであるものと見なされたい。
【００６８】
エネルギーストレージシステム３２０は、電池モジュール３３０ａ及び３３０ｂに電気的に結合され、且つ、エネルギーストレージシステム３２０と電池モジュール３３０の間のエネルギーの双方向転送を許容するように構成されている。１つの動作状態において、エネルギーストレージシステム３２０は、電池モジュール３３０を充電するべく、エネルギーをエネルギーストレージシステム３２０から電池モジュール３３０に転送するように構成されている。第２の動作状態においては、エネルギーストレージシステム３２０は、電池モジュール３３０を放電させるべく、エネルギーを電池モジュール３３０からエネルギーストレージシステム３２０に転送するように構成されている。電池モジュール３３０からエネルギーストレージシステム３２０に転送されたエネルギーは、例えば、電池形成又は試験のための電池モジュール３３０の充電を含む将来の使用のために、保存することができる。電池の放電からのエネルギーの再利用を通じて、電池形成システム３００と、従って、全体的な電池製造プロセスと、のエネルギー消費量を低減することができる。
【００６９】
いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステム３２０は、実質的に同時に複数の電池モジュール３３０を充電した後に、同一の複数の電池モジュール３３０を放電させるように、構成することができる。いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステムは、実質的に同時に第１電池モジュール３３０ａを充電すると共に第２電池モジュール３３０ｂを放電するように構成することができる。
【００７０】
いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステム３２０は、電池トレーラー、フロー電池、電気二重層コンデンサ、フライホイールエネルギーストレージ、超伝導磁気エネルギーストレージ、熱電エネルギーストレージ、水力発電エネルギーストレージ、圧縮空気エネルギーストレージ、或いは、当技術分野において既知のその他のエネルギーストレージ方式を含む異なるエネルギーストレージ方式を含むことができる。又、エネルギーストレージシステム３２０は、ストレージ効率を改善するべく、異なるエネルギーストレージ方式の組合せを利用することもできる。いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステム３２０は、図１を参照して上述したエネルギーストレージシステム１２０に実質的に類似したものであってもよく、且つ／又は、これと同一のものであってもよい。従って、本明細書においては、エネルギーストレージシステム３２０に関する更に詳細は説明を省略することとし、これは、そうではない旨が明示的に記述されていない限り、エネルギーストレージシステム１２０と同一のものであるものと見なされたい。
【００７１】
電池モジュール３３０ａ及び３３０ｂは、エネルギーストレージシステムに電気的に結合され、且つ、複数の電池３３３（１）〜３３３（Ｎ）を受け入れると共にセル固定具３３２を通じて直列状態において接続するように構成されている。いくつかの実施形態においては、２つの電池モジュール３３０ａ及び３３０ｂは、同一の構造を有することができる。いくつかのその他の実施形態においては、２つの電池モジュール３３０ａ及び３３０ｂは、わずかに異なる構造を有することができる。例えば、異なる電池モジュール内のセル固定具３３２は、異なる数又は異なるタイプを受け入れるように設計することができる。
【００７２】
それぞれの電池モジュール３３０は、コントローラ３４０に電気的に結合されており、コントローラ３４０は、それぞれ、電池モジュール３３０内のそれぞれの電池３３３の充電状態を制御及び監視するべく、２つの機能ユニット―制御ユニット３４２及び診断ユニット３４４―を含む。既存の電池管理システム（ＢＭＳ）を利用しうる診断ユニット３４４は、電圧監視モジュールと、バランシングモジュールと、ＳＯＨモジュールと、を含む。診断ユニット３４４によって取得されたデータは、制御ユニット３４２用の制御信号を生成するべく、使用することができる。いくつかの実施形態においては、制御ユニット３４０は、複数のスイッチ３４３を含んでおり、これらのスイッチのそれぞれは、電池モジュール３３０内の電池に接続されている。いくつかの実施形態においては、システムを単純化するべく、更に少ない数のスイッチを使用することも可能であり、或いは、スイッチを利用しなくてもよい。
【００７３】
いくつかの実施形態においては、コントローラ３４０は、特定の電池の電圧が、予め設定された公称電圧に到達した際に、スイッチ３４３を通じてそれら電池をシステムから接続解除するように、構成されている。又、スイッチ３４３は、能動的なセルバランシングを実現するべく、相対的に低い電圧を有する電池のうちの残りのものに対して、充電を制御することもできる。いくつかの実施形態においては、コントローラ３４０は、特定の電池の電圧が、充電の際に電池のうちの残りのものを上回っている際に、或いは、放電の際に電池のうちの残りのものを下回っている際に、それらの電池を一時的に接続解除するように構成されている。次いで、コントローラ３４０は、電池のうちの残りのものの電圧が、類似のレベルに上昇した際に、それらの電池を再度接続することができる。いくつかの実施形態においては、コントローラ３４０は、図１を参照して上述したコントローラ１４０に実質的に類似したものであってもよく、且つ／又は、これと同一のものであってもよい。従って、本明細書においては、コントローラ３４０についての更に詳細な説明は省略することとし、これは、そうではない旨が明示的に記述されない限り、コントローラ１４０と同一のものであるものと見なされたい。
【００７４】
いくつかの実施形態においては、電池形成システム３００は、エネルギーストレージシステム３２０及び電池モジュール３３０に電気的に結合されると共にエネルギーストレージシステム３２０の第１及び第２動作状態における直流（ＤＣ）電圧を調節するように構成されたパワーコンバータ３５０を含むことができる。第１動作状態において、エネルギーストレージシステム３２０が、電池モジュール３３０を充電するべく、エネルギーを電池モジュール３３０に転送するように構成された際に、パワーコンバータ３５０は、充電のための電池モジュールからの充電要件を充足するべく、エネルギーストレージシステム３２０から電圧を受け取ることが可能であり、且つ、電圧を別の電圧に変換することができる。第２動作状態において、エネルギーストレージシステム３２０が、電池モジュールを放電させるべく、電池モジュール３３０からエネルギーを受け取るように構成された際には、パワーコンバータ３５０は、パワーストレージのためのエネルギーストレージシステム３２０の仕様にフィットするように、電池モジュール３３０から電圧を受け取ることが可能であり、且つ、電圧を別の電圧に変換することができる。例えば、エネルギーストレージシステム３２０は、２００Ｖの動作電圧を有していてもよく、電池モジュールは、１６個の１．５Ｖ電池を含む。パワーコンバータ３５０は、エネルギーストレージシステム３２０内においてエネルギーを保存するべく、エネルギーストレージシステム３２０からの２００Ｖエネルギーを、電池を充電するための２４Ｖに変換することが可能であり、且つ、電池モジュールからの２４Ｖエネルギーを２００Ｖに変換することができる。
【００７５】
いくつかの実施形態においては、パワーコンバータ３５０は、隔離されたタイプであってもよく、この場合に、パワーコンバータ３５０の２つの側部―入力側及び出力側―は、例えば、磁気変圧器により、隔離されている。隔離されたタイプのパワーコンバータは、ノイズの低減及び動作の安全性を改善することができる。いくつかのその他の実施形態においては、パワーコンバータ３５０は、変換効率を改善するべく、隔離されたタイプでなくてもよい。
【００７６】
いくつかの実施形態においては、パワーコンバータ３５０は、装置の電圧又は電流がゼロである際に、好ましい条件下においてスイッチング遷移を実現し、その結果、これにより、スイッチング損失を低減するように、パワー金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）、或いは、ダイオードと並列状態の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）などのソフトスイッチングを含むことができる。又、ソフトスイッチングは、スイッチ応力、電磁干渉（ＥＭＩ：Electromagnetic Interference）、及び／又は熱応力を低減することができる。いくつかの実施形態においては、パワーコンバータ３５０は、負荷電流及び／又は電圧を成形してコンバータをゼロ電圧又はゼロ電流においてターンオン又はターンオフし、その結果、無視可能なスイッチング損失を有する共振動作をもたらすように、１つ又は複数のＬＣタンク回路を含むことができる。
【００７７】
いくつかの実施形態において、パワーコンバータ３５０は、電圧及び電流の立ち上がり及び立ち下がり時間を制御するように、プログラム可能であってもよい。この結果、例えば、バープ充電、トリクル充電、又はランダム充電などの異なる充電モードを実装するべく、複雑なＤＣ過渡応答の構築が可能となる。
【００７８】
いくつかの実施形態においては、パワーコンバータ３５０は、出力タイミング信号を供給するべく、出力インターフェイスを含むことができる。出力タイミング信号は、正確なイベントキャプチャリング及びその他の装置との間の統合を許容することができる。例えば、パワーコンバータ３５０は、エネルギーストレージシステム内のエネルギーレベルが閾値レベル未満に低下した際に、パワーをエネルギーストレージシステム３２０に供給するように、出力タイミング信号を使用することにより、電力系統３１６をトリガすることができる。
【００７９】
いくつかの実施形態においては、パワーコンバータ３５０は、電圧識別（ＶＩＤ：Voltage Identification）制御モジュールを含むことが可能であり、電圧識別モジュールは、電圧レギュレータモジュール（ＶＲＭ：Voltage Regulator Module）と、プロセッサと、を含む。正しい供給電圧は、ＶＩＤと呼称されるいくつかのビットを介して、起動の際に、プロセッサにより、ＶＲＭに伝達することができる。具体的には、ＶＲＭは、まず、標準供給電圧をＶＩＤロジックに提供することが可能であり、ＶＩＤロジックは、プロセッサの一部分であってもよく、このプロセッサの一部分の機能は、後でＶＩＤをＶＲＭに送信するというものである。ＶＲＭは、必要とされる供給電圧を識別するＶＩＤを受信した際に、必要とされる定電圧供給をプロセッサに提供することができる。なんらかの固定電圧を生成する電源ユニットを有する代わりに、プロセッサは、望ましい電圧レベルについてオンボードパワーコンバータに命令するべく、デジタル信号の小さな組、即ち、ＶＩＤライン、を使用することもできる。
【００８０】
いくつかの実施形態においては、パワーコンバータ３５０は、パワーコンバータ３５０との間のユーザーのやり取りを促進するように、ソフトウェアパネルを含むことができる。例えば、ソフトウェアパネルは、単純且つ効率的な制御及びデータ収集を許容する高機能なＬａｂｖｉｅｗグラフィカル制御パネルを含むことができる。
【００８１】
いくつかの実施形態においては、パワーコンバータ３５０は、電流共有モジュールを含むことができる。電流共有は、電圧又は電流優先モードにおいて動作している際に複数のユニットが並列接続されうるように、出力電圧を微細チューニングするアナログ制御機能でありうる。この結果、同一の電圧定格を有するモデルは、参加しているユニットの間において公平に電流を共有することができる。例えば、複数の電池モジュールは、電流共有動作下において１つのパワーコンバータを共有することができる。
【００８２】
いくつかの実施形態においては、パワーコンバータ３５０は、Ｎ＋１冗長方式を使用することが可能であり、この場合に、コンポーネント（Ｎ）は、コンポーネント障害の場合にシステムの可用性を保証するべく、少なくとも１つの独立的なバックアップコンポーネント（＋１）を有する。コンポーネントは、例えば、変圧器又はコネクタであってもよい。
【００８３】
ある実施形態においては、電池形成システム３００は、データ視覚化ユニットを含むことが可能であり、データ視覚化ユニットは、充電状態又は動作管理のためのその他のパラメータを表示することができる。例えば、データ視覚化ユニットは、操作者が潜在的な不良又は異常セルを識別することができるように、電池モジュール内のそれぞれの電池の温度、電圧、及び／又は電流を操作者に示すことができる。別の例においては、データ視覚化システムは、電力系統からのエネルギー需要を表示し、従って、これにより、操作者がエネルギーストレージシステムの動作状態をスイッチングできるようにすることができる。
【００８４】
いくつかの実施形態においては、電池形成システム３００は、アラートユニットを含むことが可能であり、アラートユニットは、電池の充電状態を取得することが可能であり、且つ、いくつかの電池の充電状態が安全範囲を超過した際に、アラート信号を生成することができる。アラート信号は、制御ユニット３４２に供給するべく、使用することが可能であり、制御ユニット３４２は、例えば、緊急事態の際にシステムをシャットダウンすることができる。或いは、アラート信号は、応答するように操作者に対してリマインドするべく、オーディオ又は視覚的信号であってもよい。
【００８５】
いくつかの実施形態においては、電池形成システム３００は、不良又は「異常」セル又は電池を修理する補修ステーションを含むことができる。補修ステーションは、コントローラ３４０が不良又は異常セルを識別した際に、補修ステーションが、補修のためにそのセルを取得し、且つ、次いで、修理済みのセルを充電のために電池モジュールに送り返すことができるように、コントローラ３４０に対して動作自在に結合させることができる。
【００８６】
図４は、例示用の一実施形態による電池形成方法４００を示している。この方法において、電源は、ステップ４１０において、電池形成手順を開始するべく、なんらかの起動エネルギーをエネルギーストレージシステムに転送するべく、利用されている。ステップ４２０において、エネルギーストレージシステムが電池モジュールを充電しており、電池モジュールは、複数の電池を含むことができる。電池モジュールの充電状態は、コントローラによって制御及び監視することが可能であり、その結果、これにより、ステップ４３０において、電池が十分に充電されているかどうかについての判定が可能となる。電池が十分に充電されていない場合には、エネルギーストレージシステムは、電池モジュールの充電を継続することができる。電池が十分に充電されている場合には、コントローラは、ステップ４４０において、例えば、電池形成又は試験からの要件に起因して、電池の放電が必要とされているかどうかについて判定している。放電が必要とされていない場合には、十分に充電された電池は、ステップ４５０における電池の格付け又は分類などの次のステップに伝達することができる。放電が必要とされている場合には、電池は、ステップ４６０において放電させることが可能であり、この場合に、放電されたエネルギーは、エネルギーストレージシステムに転送して戻される。放電の後に、コントローラは、ステップ４７０において、例えば、電池の健康状態（ＳＯＨ）に基づいて、電池形成又は試験のために充電が必要とされているかどうかについて判定することができる。必要とされている場合には、電池は、ステップ４２０に送り返すことが可能であり、この場合に、エネルギーストレージシステムは、ステップ４６０における電池放電からのエネルギーを使用することにより、電池を充電する。電池充電が必要とされていない場合には、電池は、格付け及び分類のために、ステップ４５０に移動させることができる。
【００８７】
いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステム及びコントローラは、図１を参照して上述したエネルギーストレージシステム１２０及びコントローラ１４０に実質的に類似したものであってもよく、且つ／又は、これと同一のものであってもよい。従って、本明細書においては、エネルギーストレージシステム及びコントローラに関する更に詳細な説明を省略することとし、これは、そうではない旨が明示的に記述されていない限り、エネルギーストレージシステム１２０及びコントローラ１４０と同一のものであるものと見なされたい。
【００８８】
いくつかの実施形態においては、電源は、電池充電又は放電の際に、エネルギーをエネルギーストレージシステムに転送することができる。例えば、電源は、コントローラが、エネルギーストレージシステム内のエネルギーの量が閾値未満に低下したことを検出した場合に、補充パワーをエネルギーストレージシステムに提供することができる。別の例においては、放電の際に、コントローラは、放電から放出されるエネルギーの量を推定することが可能であり、且つ、そのエネルギーの量が次回の電池充電のために十分であるかどうかを判定することができる。十分ではない場合には、コントローラは、補完エネルギーをエネルギーストレージシステムに転送するように、電源を制御することができる。
【００８９】
次に図５を参照すれば、例示用の一実施形態による電池充電方法５００が提供されている。方法５００において、電源は、ステップ５１０において、充電手順を開始するためのエネルギーをエネルギーストレージシステムに転送するべく、利用されている。次いで、エネルギーストレージシステムは、ステップ５２０において、電池モジュールを充電することができる。充電の際には、コントローラは、ステップ５３０において、電池の充電状態のみならず、外部電力系統からの任意の制御信号をも監視するべく、利用することができる。例えば、予想されていない停電又は曇りの日の太陽光発電プラントの小さなエネルギー生成レートに起因して、バックアップパワーが必要とされている場合には、コントローラは、ステップ５４０におけるように、電池を放電し、且つ、放電されたエネルギーをエネルギーストレージシステム内において保存するように、電池モジュールを制御することができる。次いで、エネルギーストレージシステムは、ステップ５５０において、保存されているエネルギーを電源に転送することにより、外部電気系統に電力供給するように電源を補完することができる。
【００９０】
いくつかの実施形態においては、エネルギーストレージシステム内において保存されているエネルギーの量が十分である場合には、ステップ５２０における電池充電及びステップ５５０における電源へのエネルギー転送は、同時に実行することができる。例えば、電源は、太陽光発電プラントであってもよく、太陽光発電プラントは、需要が相対的に小さい状態においては、日中に豊富なエネルギーを生成することができる。この電源は、電池充電とパワーバックアップの両方のために、過剰なエネルギーをエネルギーストレージステム内に保存することができる。
【００９１】
図６は、例示用の一実施形態による複数の電池モジュールを充電及び／又は放電するステップを含む電池形成方法６００を示している。この方法においては、電源は、まず、ステップ６１０において、形成手順を開始するためのエネルギーをエネルギーストレージシステムに転送するべく、利用されており、これには、ステップ６２０におけるエネルギーストレージシステムを使用した複数の電池モジュールの充電ステップが後続している。コントローラは、ステップ６３０において、それぞれの電池モジュールの充填状態を監視すると共に、いずれかの電池モジュールが十分に充電されているかどうかを判定するべく、利用されている。電池モジュールは、例えば、電圧が、予め設定された値を上回っている際に、十分に充電されたものと見なすことができる。十分に充電されていないモジュールがステップ６３０において見出された場合には、エネルギーストレージシステムは、電池モジュールの充電を継続することができる。その一方において、１つ又は複数のモジュールが十分に充電されている場合には、コントローラは、ステップ６４０において、すべてのモジュールが十分に充電されているかどうかを判定している。すべてのモジュールが十分に充電されている場合には、コントローラは、ステップ６５０におけるように、電池を放電させると共に放電エネルギーをエネルギーストレージシステム内において保存するように、電池モジュールを制御することができる。いくつかの電池モジュールが十分に充電されているが、その他のものがそうではない場合には、コントローラは、それらの十分に充電されている電池モジュールを放電させると共に放電エネルギーをエネルギーストレージシステム内において保存するように、電池モジュールを制御することが可能であり、且つ、エネルギーストレージシステムは、ステップ６６０において、十分に充電されていない電池モジュールを同時に充電することができる。
【００９２】
いくつかの実施形態においては、コントローラは、ステップ６５０及び／又は６６０において、特定の十分に充電された電池モジュールを選択的に放電及び／又は充電することができる。例えば、コントローラは、それぞれの電池モジュール内の電池の容量を監視することが可能であり、且つ、予め設定された値を上回る容量を有する電池モジュールの充電／放電サイクルを終了させることができる。
【００９３】
図７は、例示用の一実施形態による、例えば、直列状態において接続されうる複数の電池又は電池セルを充電するステップを含む電池形成方法７００を示している。この方法においては、エネルギーストレージシステムは、ステップ７１０において直列電池を充電するべく、使用されている。それぞれの電池の充電状態は、ステップ７２０において、コントローラにより、監視されている。取得された充電状態に基づいて、コントローラは、ステップ７３０において、欠陥を有するセルを識別することができる。不良又は異常セルが検出されない場合には、エネルギーストレージシステムは、電池の充電を維持することができる。コントローラが特定の不良又は異常セルを識別した状況においては、コントローラは、ステップ７４０において、不良又は異常セルをセルのうちの残りのものから隔離することができる。不良又は異常セルは、ステップ７５０において、欠陥が補修プロセスによって補正可能であるかどうかを判定するべく、評価することができる。欠陥が補正可能ではない場合には、コントローラは、ステップ７６０において、不良又は異常セルを除去した状態において、セルのうちの残りのものの充電を維持するように、エネルギーストレージシステムを制御することができる。但し、欠陥が補正可能である場合には、不良又は異常セルを修理するべく、補修ステップを実行することが可能であり、これには、ステップ７７０における修理済みのセルを充電のためにシステムに配置して戻すステップが後続している。
【００９４】
いくつかの実施形態においては、ステップ７３０、７４０、及び７５０は、電池形成システムを混乱させることなしに、オンライン状態において実行することができる。例えば、不良又は異常セルの検出は、電池電圧に基づいたものであってもよく、これは、図１を参照して上述したように、ＡＣ電流摂動法を介して評価することができる。いくつかの実施形態においては、コントローラは、不良又は異常セルの除去及び／又は修理済みのセルの挿入に対応するように、エネルギーストレージシステムからの出力電圧を調節することができる。
【図１】
2020184880.tif 000003
【図２】
2020184880.tif 000004
【図３】
2020184880.tif 000005
【図４】
2020184880.tif 000006
【図５】
2020184880.tif 000007
【図６】
2020184880.tif 000008
【図７】
2020184880.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】令和2年8月11日(2020.8.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池形成システムであって、
複数のセルを含む電池モジュールであって、（ａ）前記複数のセルの充電状態を計測し、（ｂ）前記複数のセルから欠陥のあるセルを識別するように構成された診断ユニットを含む、電池モジュールと、
前記電池モジュールに電気的に結合されたエネルギーストレージシステムであって、前記エネルギーストレージシステムから前記電池モジュールにエネルギーを転送するように構成されたエネルギーストレージシステムと、
前記エネルギーストレージシステムを電源に電気的に結合する電気接続と、
前記電池モジュール及び前記エネルギーストレージシステムに動作自在に結合されたコントローラであって、前記電池モジュールの充電状態を制御するように構成されたコントローラと、
を含むシステム。
【請求項２】
前記電源から前記エネルギーストレージシステムへのエネルギーの前記転送は、前記エネルギーストレージシステム内に保存されているエネルギーの量に基づく、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記診断ユニットは、前記電池モジュールへのエネルギー転送のレートに対して調節を実施するべく、制御信号を生成するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記エネルギーストレージシステム及び前記電池モジュールに電気的に結合されたパワーコンバータであって、前記複数のセルに跨る直流（ＤＣ）電圧を調節するように構成されたパワーコンバータを更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記コントローラは、セルバランシングモジュールを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記電池モジュールは、直列状態において接続された複数の電池を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記電池モジュールは、複数の電池に電気的に結合されるように構成されたセル固定具を更に含み、前記セル固定具は、複数の構成において前記複数の電池を接続するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記複数の構成のうちの１つは、直列構成である、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記エネルギーストレージシステムは、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）、リチウムイオンコンデンサ、ハイブリッドコンデンサ、フライホイール、及び超伝導コイルのうちの少なくとも１つにより、エネルギーを保存するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記診断ユニットは、前記欠陥のあるセルが修理できないと判定すると、前記複数のセルのうちの残りのセルの充電を継続するように前記エネルギーストレージシステムを制御する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記診断ユニットは、前記欠陥のあるセルを修理するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
電池形成システムであって、
複数の電池モジュールと、
（ａ）複数のセルの充電状態を計測し、（ｂ）前記複数のセルから欠陥のあるセルを識別するように構成された診断ユニットと、
前記複数の電池モジュールに結合された集中型エネルギーストレージシステムであって、前記複数の電池モジュールを充電するべく、前記集中型エネルギーストレージシステムから前記複数の電池モジュールにエネルギーを転送するように構成された集中型エネルギーストレージシステムと、
前記集中型エネルギーストレージシステムを電源に電気的に結合する電気接続と、
前記複数の電池モジュール及び前記集中型エネルギーストレージシステムに動作自在に結合されたコントローラであって、前記複数の電池モジュールの充電状態を制御するように構成されたコントローラと、
を含むシステム。
【請求項１３】
前記コントローラは、前記集中型エネルギーストレージシステムの充電状態を制御するように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記エネルギーストレージシステムは、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）、リチウムイオンコンデンサ、ハイブリッドコンデンサ、フライホイール、及び／又は超伝導コイルにより、エネルギーを保存するように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記診断ユニットは、前記欠陥のあるセルが修理できないと判定すると、前記複数のセルのうちの残りのセルの充電を継続するように前記集中型エネルギーストレージシステムを制御する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
電池形成方法であって、
電池モジュールを充電するべく、エネルギーをエネルギーストレージシステムから前記電池モジュールに転送するステップであって、前記電池モジュールは複数のセルを含む、ステップと、
前記電池モジュールに動作自在に結合されたコントローラにより、前記電池モジュールの充電状態を監視するステップと、
前記電池モジュールを放電させるべく、前記エネルギーを前記電池モジュールから前記エネルギーストレージシステムに転送するステップと、
前記複数のセルから欠陥のあるセルを識別するステップと、
を含む方法。
【請求項１７】
エネルギーは、第１期間においては、前記エネルギーストレージシステムから前記電池モジュールに転送され、前記エネルギーは、第２期間においては、前記電池モジュールから前記エネルギーストレージシステムに転送される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１期間の少なくとも一部分は、前記第２期間の少なくとも一部分と同時に発生している、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記欠陥のあるセルが修理できないと判定すると、前記複数のセルのうちの残りのセルの充電を継続するように前記エネルギーストレージシステムを制御することを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記欠陥のあるセルを修理することを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
電池形成システムであって、
電池モジュールと、
前記電池モジュールに電気的に結合され、且つ、前記電池モジュールから、及び前記電池モジュールへと、エネルギーを双方向に転送するように構成されたエネルギーストレージシステムであって、前記エネルギーが、前記電池モジュールを充電するべく、前記エネルギーストレージシステムから前記電池モジュールに転送される第１動作状態と、前記エネルギーが、前記電池モジュールを放電するべく、前記電池モジュールから前記エネルギーストレージシステムに転送される第２動作状態と、において動作可能であるエネルギーストレージシステムと、
前記エネルギーストレージシステムを電源に電気的に結合する電気接続と、
前記電池モジュール及び前記エネルギーストレージシステムに動作自在に結合され、且つ、前記電池モジュールの充電状態を制御するように構成されたコントローラと、
を含むシステム。
【請求項２２】
前記電源から前記エネルギーストレージシステムへのエネルギーの前記転送は、前記エネルギーストレージシステム内に保存されているエネルギーの量に基づく、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記コントローラが対応する調節を実施するように、制御信号を生成するように構成された診断ユニットを更に含む、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記エネルギーストレージシステム及び前記電池モジュールに電気的に結合されたパワーコンバータであって、前記第１及び第２動作状態において直流（ＤＣ）電圧を調節するように構成されたパワーコンバータを更に含む、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２５】
前記電池モジュールの出力能力を計測するように構成された健康状態（ＳＯＨ）モジュールを更に含む、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２６】
前記コントローラは、セルバランシングモジュールを含む、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２７】
前記電池モジュールは、複数の電池に電気的に結合されるように構成されたセル固定具を更に含み、前記セル固定具は、前記複数の電池を直列状態において接続するように構成されている、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２８】
前記電池モジュールは、複数の電池に電気的に結合されるように構成されたセル固定具を更に含み、前記セル固定具は、複数の構成において前記複数の電池を接続するように構成されている、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２９】
前記複数の構成のうちの１つは、直列構成である、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記電池モジュールは、直列状態において接続された複数の電池を含む、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３１】
前記エネルギーストレージシステムは、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）、リチウムイオンコンデンサ、ハイブリッドコンデンサ、フライホイール、及び超伝導コイルのうちの少なくとも１つにより、エネルギーを保存するように構成されている、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３２】
電池形成システムであって、
複数の電池モジュールと、
前記複数の電池モジュールにエネルギーを送り、且つ前記複数の電池モジュールからエネルギーを受け取るべく、前記複数の電池モジュールに双方向に結合された集中型エネルギーストレージシステムであって、エネルギーが、前記複数の電池モジュールを充電するべく、前記集中型エネルギーストレージシステムから前記複数の電池モジュールに転送される第１動作状態と、前記エネルギーが、前記複数の電池モジュールを放電するべく、前記複数の電池モジュールから前記集中型エネルギーストレージシステムに転送される第２動作状態と、において動作可能である、集中型エネルギーストレージシステムと、
前記集中型エネルギーストレージシステムを電源に電気的に結合する電気接続と、
前記複数の電池モジュール及び前記集中型エネルギーストレージシステムに動作自在に結合され、前記複数の電池モジュールの充電状態を制御するように構成されたコントローラと、
を含むシステム。
【請求項３３】
前記エネルギーストレージシステムは、上昇した流体、加熱された流体、又は圧縮された流体の形態においてエネルギーを保存するように構成されている、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記エネルギーストレージシステムは、前記エネルギーストレージシステム内に保存されているエネルギーの量が閾値レベルを下回っている際に、エネルギーを前記電源から受け取るように構成されている、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３５】
前記コントローラは、前記エネルギーストレージシステムに動作自在に結合され、且つ、前記エネルギーストレージシステムの充電状態を制御するように構成されている、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３６】
前記エネルギーストレージシステムは、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）、リチウムイオンコンデンサ、ハイブリッドコンデンサ、フライホイール、及び／又は超伝導コイルにより、エネルギーを保存するように構成されている、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３７】
前記第１動作状態の少なくとも一部分は、前記第２動作状態の少なくとも一部分と同時に発生しうる、請求項３２に記載の方法。
【請求項３８】
電池形成方法であって、
第１電池モジュールを充電するべく、エネルギーをエネルギーストレージシステムから第１電池モジュールに転送するステップと、
前記第１電池モジュールに動作自在に結合された第１コントローラにより、前記第１電池モジュールの充電状態を監視するステップと、
前記第１電池モジュールを放電させるべく、前記エネルギーを前記第１電池モジュールから前記エネルギーストレージシステムに転送するステップと、
第２電池モジュールを充電するべく、前記エネルギーを前記エネルギーストレージシステムから前記第２電池モジュールに転送するステップと、
前記第２電池モジュールに動作自在に結合された第２コントローラにより、前記第２電池モジュールの充電状態を監視するステップと、
を含む方法。
【請求項３９】
前記第１電池モジュールから転送された前記エネルギーを前記エネルギーストレージシステムに保存するステップを更に含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記第２電池モジュールを放電させるべく、エネルギーを前記第２電池モジュールから前記エネルギーストレージシステムに転送するステップを更に含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
エネルギーは、第１期間においては、前記エネルギーストレージシステムから前記第１電池モジュールに転送され、エネルギーは、第３期間においては、前記エネルギーストレージシステムから前記第２電池モジュールに転送される、請求項３８に記載の方法。
【請求項４２】
エネルギーは、第１期間においては、前記エネルギーストレージシステムから前記第１電池モジュールに転送され、エネルギーは、第２期間においては、前記第１電池モジュールから転送され、且つ、エネルギーは、第３期間においては、前記エネルギーストレージシステムから前記第２電池モジュールに転送される、請求項３８に記載の方法。
【請求項４３】
前記第１期間の少なくとも一部分は、前記第３期間の少なくとも一部分と同時に発生しうる、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記第２期間の少なくとも一部分は、前記第３期間の少なくとも一部分と同時に発生しうる、請求項４２に記載の方法。
【外国語明細書】
2020184880000001.pdf