(57)【要約】【課題】電池セルのバランスをとるためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】セルバランシング用のシステムは、電池モジュールおよび制御装置を備える。電池モジュールの各々は、電池セル、バランス回路および電池管理モジュールを備える。電池モジュールの各々における電池管理モジュールは、電池セルのセル電圧を収集するために、電池セルに結合されている。バランス回路は、電池管理モジュールの制御を受けて電池セルに対してバランス操作を行うために、電池セルに結合されている。制御装置は、電池モジュールの各々によって供給されるセル電圧に基づいて基準信号を生成するために、電池モジュールに結合されている。電池モジュールの各々における電池管理モジュールは、基準信号に従って電池セルのバランスをとるようにバランス回路を制御することができ、それによって、電池モジュール間のセルバランスを実現する。【選択図】図2
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セル、前記電池セルのセル電圧を収集するために前記電池セルに結合された電池管理モジュール、及び前記電池管理モジュールの制御を受けて前記電池セルに対してバランス操作を行うために前記電池セルに結合された複数のバランス回路、をそれぞれ備える複数の電池モジュールと、
前記電池モジュールの各々によって供給される前記セル電圧に基づいて基準信号を生成するために、前記電池モジュールに結合された制御装置と、
を備え、
前記電池モジュールの各々における前記電池管理モジュールが、前記基準信号に従って前記電池セルのバランスをとるように前記バランス回路を制御し、それによって、前記電池モジュール間のセルバランスを実現する、セルバランシングシステム。
【請求項２】
前記電池モジュールの各々が、前記セル電圧を監視するために、前記電池セルと前記電池管理モジュールとの間に結合された複数の電圧サンプリング回路をさらに備える、請求項1に記載のシステム。
【請求項３】
前記基準信号が、前記電池モジュールの各々によって供給される前記セル電圧の最小電圧値を示す、請求項1に記載のシステム。
【請求項４】
前記制御装置が、前記電池モジュールから前記セル電圧を受け取り、前記セル電圧を比較して前記基準信号を生成する、請求項1に記載のシステム。
【請求項５】
前記制御装置が、前記電池モジュールの最小セル電圧をそれぞれ受け取り、前記最小セル電圧を比較して前記基準信号を生成する、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のうちの1つにおける前記電池管理モジュールが、前記電池モジュールのうちの対応する電池モジュールの前記セル電圧を比較して前記最小セル電圧のうちの1つを生成するためのプロセッサをさらに備える、請求項5に記載のシステム。
【請求項７】
前記制御装置が、前記基準信号に基づいてバランス制御信号を生成し、前記バランス制御信号を前記電池モジュールに供給する、請求項1に記載のシステム。
【請求項８】
前記バランス制御信号は、前記バランス操作がどのセルに対して行われるかを決定する、請求項7に記載のシステム。
【請求項９】
前記電池モジュールは、前記基準信号を受け取り、さらに前記基準信号に基づいて、前記バランス操作がどのセルに対して行われるかを決定する、請求項1に記載のシステム。
【請求項１０】
前記セルのうちの1つのセルの対応するセル電圧と前記基準信号との差が所定の閾値よりも大きい場合、前記バランス操作が、前記1つのセルに対して行われる、請求項1に記載のシステム。
【請求項１１】
複数の電池モジュールのバランスをとるための方法であって、
前記電池モジュールの各々における複数の電池セルのセル電圧を監視するステップと、
前記電池モジュールが提供する前記セル電圧を比較して基準信号を生成するステップと、
前記基準信号に基づいて前記電池モジュールの各々においてバランス操作がどのセルに対して行われるかを識別するステップと、
前記電池モジュールの各々における識別されたセルに対して前記バランス操作を行い、それによって、前記基準信号に基づいて前記電池モジュール間のセルバランスを実現するステップと、
を含む方法。
【請求項１２】
前記識別するステップが、
前記電池セルの前記セル電圧を前記基準信号の電圧とそれぞれ比較するステップと、
1つのセルの対応するセル電圧と前記基準信号の電圧との電圧差が所定の閾値よりも大きい場合、前記1つのセルを識別するステップと、を含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１３】
前記バランス操作を行うステップが、
前記基準信号に基づいて複数のセルバランシング回路を活性化するステップと、
前記セルバランシング回路によって、前記識別されたセルの電流をバイパスさせるステップと、を含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１４】
前記基準信号が、前記電池モジュールの各々によって供給される前記セル電圧の最小電圧値を示す、請求項11に記載の方法。
【請求項１５】
複数の電池モジュールのバランスをとるためのセルバランシングシステムであって、
前記電池モジュールの各々における複数の電池セルのセル電圧をそれぞれ監視するための複数の電池管理モジュールと、
前記電池管理モジュールの制御を受けて前記電池セルに対してバランス操作を行うために前記電池セルにそれぞれ結合された複数のバランス回路と、
前記電池モジュールの各々によって供給される前記セル電圧に基づいて基準信号を生成するために、前記電池モジュールに結合された制御装置と、を備え、
前記電池管理モジュールが、前記基準信号に従って前記電池セルのバランスをとるように前記バランス回路をそれぞれ制御し、それによって、前記電池モジュール間のセルバランスを実現する、セルバランシングシステム。
【請求項１６】
前記制御装置が、前記電池モジュールから前記セル電圧を受け取り、前記セル電圧を比較して前記基準信号を生成する、請求項15に記載のシステム。
【請求項１７】
前記制御装置が、前記電池モジュールの最小セル電圧をそれぞれ受け取り、前記最小セル電圧を比較して前記基準信号を生成する、請求項15に記載のシステム。
【請求項１８】
前記制御装置が、前記基準信号に基づいてバランス制御信号を生成し、前記バランス制御信号を前記電池モジュールに供給する、請求項15に記載のシステム。
【請求項１９】
前記バランス制御信号は、前記バランス操作がどのセルに対して行われるかを決定する、請求項18に記載のシステム。
【請求項２０】
前記電池モジュールが、前記基準信号を受け取り、さらに前記基準信号に基づいて、前記バランス操作がどのセルに対して行われるかを決定する、請求項15に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池セルのバランスをとるためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セルバランシングは、複数のセルを含む電池パックに使用されることができる。直列接続されたセルの中の最も弱いセルの容量が全パック容量を決定し得るので、電池セルのバランスがとれていないと、電池パックの利用可能容量がより小さくなることがある。セル電圧の差がある特定のレベルよりも大きいとき、アンバランスが起こることがある。電池システムでは、チップ上の回路またはプリント回路基板(PCB)上の回路を使って電池セル情報を測定することができる。電池管理基板は、測定された電池セル情報に従ってセルのバランスをとることができる。多くの電池モジュールを含む比較的大きな電池管理システムでは、電池セルバランシングを各電池モジュールで実現することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
図1は、電池セルのバランスをとるための従来のシステム100を示すブロック図である。システム100は、同様な構造を持つ電池モジュール182および184を含む。電池モジュール182は、電池セル102および104、セルバランシング回路122および124、セル電圧サンプリング回路132、134、136および138、モジュールバランシング回路112、ならびに電池管理モジュール162を含む。電池モジュール184は、電池セル106および108、セルバランシング回路126および128、セル電圧サンプリング回路142、144、146および148、モジュールバランシング回路114、ならびに電池管理モジュール166を含む。
【０００４】
セル電圧サンプリング回路132、134、136および138は、電池セル102および104の両端間の電圧を監視する。電池管理モジュール162は、セル電圧サンプリング回路132、134、136および138からサンプル電圧を収集し、サンプル電圧から基準セル電圧(例えば、最小電圧)を選び、さらに基準セル電圧をサンプルセル電圧とそれぞれ比較する。基準セル電圧と電池セル、例えば電池セル102または104のセル電圧との差が所定の閾値よりも大きい場合には、電池管理モジュール162は、電池セルの電流をバイパスさせるようにセルバランシング回路を制御する。したがって、電池モジュール182の中で、基準セル電圧に従って電池セル102および104の電圧をバランスさせることができる。同様なやり方で、電池セル106および108の電圧をバランスさせることができる。
【０００５】
システム100では、電池モジュール182および184は、各個々のモジュールの中でセルバランシングを行う。電池モジュール182と184との間にアンバランスが生じた場合には、電池モジュール全体の電流をバイパスさせるためにモジュールバランス回路112および114が使用される。しかし、電池システムの効率が低下することがある。さらに、セルバランシングのために電池モジュール全体を流れる電流をバイパスさせるので、電力消費が増加することがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態では、セルバランシング用のシステムは、電池モジュールおよび制御装置を備える。電池モジュールは、電池セル、バランス回路および電池管理モジュールを備える。電池モジュールの各々における電池管理モジュールは、電池セルのセル電圧を収集するために、電池セルに結合されている。バランス回路は、電池管理モジュールの制御を受けて電池セルに対してバランス操作を行うために、電池セルに結合されている。制御装置は、電池モジュールの各々によって供給されるセル電圧に基づいて基準信号を生成するために、電池モジュールに結合されている。電池モジュールの各々における電池管理モジュールは、基準信号に従って電池セルのバランスをとるようにバランス回路を制御することができ、それによって、電池モジュール間のセルバランスを実現する。
【０００７】
本発明の他の目的、有利点、および新規な特徴は、添付の図面に関連して解釈されるとき以下の詳細な説明からいっそう明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】電池セルのバランスをとるための従来のシステムを示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に従った、電池セルのバランスをとるためのシステムを示す図である。
【図３】本発明の他の実施形態に従った、電池セルのバランスをとるためのシステムを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に従った、セルのバランスをとるための方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
これから、本発明の実施形態、すなわちセルバランシング用のシステムおよび方法について詳細に言及する。本発明は実施形態に関連して説明されるが、これらの実施形態が本発明をこれらの実施形態に限定することを意図しないことは、理解されるであろう。それどころか、本発明は、添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の精神および範囲内に含まれる可能性のある代替物、修正物および同等物を含むことを意図する。
【００１０】
さらに、本発明の以下の詳細な説明では、本発明の徹底的な理解を可能にするために、数多くの特定の詳細が説明される。しかし、当業者は認めることであろうが、本発明は、これらの特定の詳細なしに実施することができる。他の例では、よく知られた方法、手順、コンポーネント、および回路は、本発明の態様を不必要に曖昧にしないように詳細に説明されていない。
【００１１】
図2は、本発明の一実施形態に従った、電池セルのバランスをとるためのシステム200のブロック図を示す。図2の例では、システム200は、電池モジュール282および284と、制御装置、例えば中央電気制御装置(CECU)280とを含む。システム200は、異なる応用要件に従って任意の数の電池モジュールを含むことができる。
【００１２】
一実施形態では、電池モジュール282は、電池セル202および204、セルバランシング回路222および224、セル電圧サンプリング回路232、234、236および238、ならびに電池管理モジュール262を含む。一実施形態では、電池モジュール284は、電池セル206および208、セルバランシング回路226および228、セル電圧サンプリング回路242、244、246および248、ならびに電池管理モジュール272を含む。電池モジュール282および284は、異なる応用要件に従って任意の数の電池セルを含むことができる。電池モジュール282の構造は、電池モジュール284の構造に似ている。
【００１３】
一実施形態では、電池管理モジュール262は、電池セル202および204に結合され、セルバランシングドライバ264およびマイクロプロセッサ266を含む。電池管理モジュール262は、リチュウムイオン(Liイオン)またはニッケル水素(NiMH)電池パックなどの電池パックを管理するための保護監視集積回路(IC)であり得る。電池管理モジュール262は、循環走査タイムスロット法を使用して、セル電圧サンプリング回路232、234、236および238を介して電池セル202および204のセル電圧を監視することができる。電池管理モジュール262は、予め決められた走査速度で電池セル202および204の電圧を周期的に測定することができる。測定周期中に、セル電圧は、1つずつ連続して測定され得る。一実施形態では、電池管理モジュール262は、電池セル202および204のセル電圧の測定のほかに、充電/放電電流およびパック/セル温度を常に監視して、過電圧、不足電圧、過電流、短絡、過温度および不足温度の安全保護を含むがこれらに限定されない保護機能を提供することができる。
【００１４】
電池管理モジュール262は、電池セル202および204のセル電圧を監視することによって、セル電圧の情報を得ることができる。同様に、電池管理モジュール272は、電池セル206および208のセル電圧の情報を得ることができる。一実施形態では、電池セル202、204、206および208のセル電圧は、通信バス286を介してCECU280に送信され得る。通信バス286は、電圧信号および制御信号などの様々な信号を伝送することができる。CECU280は、受信されたセル電圧を比較して基準信号を生成する。一実施形態では、基準信号は、電池セル202、204、206および208の最小セル電圧Vminを示すことができる。最小セル電圧Vminを示す基準信号は、通信バス286を介して電池管理モジュール262および272に帰還され得る。
【００１５】
他の実施形態では、通信バス286の負荷を減少させるために、電池管理モジュール262(272)は、電池モジュール282(284)の最小セル電圧を示す信号を、通信バス286を介してCECU280に送ることができる。マイクロプロセッサ266は、セルバランシングアルゴリズムに従って、電池モジュール282内の電池セルのセル電圧を比較して電池モジュール282の最小セル電圧を得ることができる。セルバランシングアルゴリズムは、電池管理モジュール262に格納され得る。同様に、電池管理モジュール272は、電池モジュール284内の電池セルのセル電圧を比較して電池モジュール284の最小セル電圧を得ることができる。したがって、電池モジュール284の最小セル電圧を示す信号は、同様に、通信バス286を介してCECU280に送られる。その上、異常または望ましくない状態が起こった場合、通信バス286は、電池モジュール282および284からCECU280を分離することができる。CECU280は、電池管理モジュール262および272が提供する最小セル電圧を比較して、基準信号を生成することができ、この基準信号は、この例では、電池セル202、204、206および208の最小電圧Vminを示す。
【００１６】
電池管理モジュール262のマイクロプロセッサ266および電池管理モジュール272のマイクロプロセッサ276は、さらに、バランス操作がどの電池セルに対して行われるかを決定するために、各電池セルのセル電圧を最小電圧Vminと比較することができる。一実施形態では、マイクロプロセッサ266または276で使用されるセルバランシングアルゴリズムは、所定の閾値ΔVを決めることができる。他の実施形態では、所定の閾値ΔVは、使用者によって設定され得る。一実施形態では、最小電圧Vminと電池セルのセル電圧との差が所定の閾値ΔVよりも大きい場合、対応する電池セルに対してセルバランシングが実行されることになる。
【００１７】
例えば、電池セル202が、バランスさせるべきものと決定された場合、セルバランシングドライバ264はセルバランシング回路222を活性化して、電池セル202の電流をバイパスさせることになる。同様に、セルバランシング回路224は、セルバランシングドライバ264によって活性化されて電池セル204の電流をバイパスさせることができ、セルバランシング回路226および228は、セルバランシングドライバ274によって活性化されて、電池セル206および208それぞれのバランスをとることができる。
【００１８】
有利なことには、一実施形態では、電池システム200は、共通基準信号に基づいて、セルバランスをとられ得る。より具体的には、CECU280は、電池システム200内の異なる電池モジュールのセル電圧を比較することによって、各電池モジュール内でのセルバランス操作用の基準電圧信号を生成することができる。したがって、異なる電池モジュール間のセルバランスは、共通基準信号を使用して実現されることができる。
【００１９】
図3は、本発明の他の実施形態に従った、電池セルのバランスをとるためのシステム300を示す図である。
【００２０】
一実施形態では、システム300は、電池モジュール382および384と、中央電気制御装置(CECU)380とを含む。一実施形態では、電池モジュール382は、電池セル302および304、セルバランシング回路322および324、セル電圧サンプリング回路332、334、336および338、ならびに電池管理モジュール362を含む。電池モジュール384は、電池セル306および308、セルバランシング回路326および328、セル電圧サンプリング回路342、344、346および348、ならびに電池管理モジュール372を含む。電池モジュール382の構造は、電池モジュール384の構造に似ている。
【００２１】
一実施形態では、電池管理モジュール362は、電池セル302および304に結合され、そしてセルバランシングドライバ364を含んでいる。電池管理モジュール362は、電池パックを管理するための保護監視ICであり得る。電池管理モジュール362は、セル電圧サンプリング回路332、334、336および338を介して電池セル302および304のセル電圧を監視することができる。一実施形態では、電池管理モジュール362は、電池セル302および304の電圧の測定のほかに、充電/放電電流およびパック/セル温度を常に監視して、過電圧、不足電圧、過電流、短絡、過温度および不足温度の安全保護のような様々な保護機能を提供することができる。
【００２２】
電池管理モジュール362は、電池セル302および304の電圧を監視することによって、セル電圧の情報をCECU380に送ることができる。同様に、電池管理モジュール372は、電池セル306および308のセル電圧の情報をCECU380に送ることができる。CECU380は、通信バス386を介して電池管理モジュール362および372に結合されている。通信バス386は、電圧信号および制御信号のような様々な信号を伝送することができる。その上、通信バス386は、異常または望ましくない状態が起こった場合に、電池モジュール382および384からCECU380を分離することができる。
【００２３】
セルバランシングアルゴリズムを含むCECU380は、電池管理モジュール362および372から電池セル302、304、306および308のセル電圧を得る。CECU380は、セルバランシングアルゴリズムを使用して、電池セル302、304、306および308の電圧値を比較して基準信号を生成する。一実施形態では、基準信号は、電池モジュール382および384内の電池セルの最小電圧Vminを示すことができる。さらに、CECU380は、最小電圧Vminを電池セル302、304、306および308の各セル電圧と比較することができる。最小電圧Vminと電池セルのセル電圧との差が所定の閾値ΔVよりも大きい場合には、対応する電池セルに対してセルバランシングが実行されることになる。一実施形態では、所定の閾値ΔVは、セルバランシングアルゴリズムによって決定され得る。他の実施形態では、所定の閾値ΔVは、更に、使用者によって設定され得る。例えば、電池セル302のセル電圧と最小電圧Vminとの差が所定の閾値ΔVよりも大きい場合、CECU380は、通信バス386を介して電池管理モジュール362に対する制御信号を生成する。電池管理モジュール362のセルバランシングドライバ364は、CECU380が提供する制御信号に応答して、セルバランシング回路322を活性化して電池セルのバランスをとるように電池セル302の電流をバイパスさせることができる。
【００２４】
図4は、本発明の一実施形態に従った、セルのバランスをとるための方法を示すフローチャートである。図4は、図2と組み合わせて説明される。
【００２５】
ブロック402で、電池セルのセル電圧が電池管理モジュールによって監視される。例えば、電池モジュール282および284の電池セル202、204、206および208のセル電圧が監視される。例えば、電池セル202のセル電圧は、セル電圧サンプリング回路232および234を介して電池管理モジュール262によって監視され得る。電池管理モジュール262は、予め決められた走査速度で電池セル202および204のセル電圧を周期的に測定することができる。
【００２６】
ブロック404で、電池モジュールが提供するセル電圧が比較されて基準信号が生成され得る。例えば、電池モジュール282および284が提供する電池セル202、204、206および208のセル電圧が比較されて、基準信号が生成される。一実施形態では、基準信号は、電池セル202、204、206および208のセル電圧の最小セル電圧Vminを示すことができる。
【００２７】
ブロック406で、基準信号に基づいて、セルバランス操作を行う必要のあるセルが識別され得る。例えば、電池セル202、204、206および208のセル電圧の各々が、セルバランシングアルゴリズムに従って基準信号と比較され得る。セルバランシングアルゴリズムは、所定の閾値ΔVを決めることができる。最小電圧Vminとセルの電池セル電圧との差が所定の閾値ΔVよりも大きい場合、対応する電池セルに対してセルバランシングが実行されることになる。
【００２８】
ブロック408で、電池モジュールの各々における識別されたセルに対して、バランス操作が実行され得る。例えば、セルバランシングドライバ264または274は、バランス操作を行うために、対応するセルバランシング回路、例えばセルバランシング回路222、224、226または228を活性化することができる。例えば、バランスさせるべきものとして電池セル202が識別された場合、電池管理モジュール262のセルバランシングドライバ264はセルバランシング回路222を活性化して、電池セルのバランスをとるように電池セル202の電流をバイパスさせることができる。
【００２９】
上述の説明および図面は本発明の実施形態を表すが、添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の原理の精神および範囲から逸脱することなしに、様々な追加、修正および置換がこれらの実施形態に加えられる可能性があることは、理解されるであろう。当業者は理解することであろうが、本発明の実施において形、構造、配列、割合、材料、要素、およびコンポーネントおよびその他についての多くの修正が使用された状態で、本発明が使用される可能性があり、これらの多くの修正は、本発明の原理から逸脱することなしに、特に、特定の環境および動作要件に適合されている。したがって、ここで開示された実施形態は、全ての点において例示であり限定でないと考えられるべきであり、本発明の範囲は上述の説明に限定されない。
【符号の説明】
【００３０】
200、300：セルのバランスをとるためのシステム
202、204、206、208、302、304、306、308：電池セル
222、224、226、228、322、324、326、328：セルバランシング回路
232、234、236、238、242、244、246、248、332、334、336、338、342、344、346、348：セル電圧サンプリング回路
262、272、362、372：電池管理モジュール
264、274、364、374：セルバランシングドライバ
266、276：マイクロプロセッサ
282、284、382、384：電池モジュール
286、386：通信バス
280、380：中央電気制御装置(CECU)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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