(57)【要約】【課題】セルのバランスをとるための回路及び方法を提供する。【解決手段】本発明の一実施例によれば、第１のセル、及び第１のセルに隣接する第２のセルを含む複数のセルのバランスをとるために使用されるセルバランシング回路が提供される。前記セルバランシング回路は、前記第１のセルのシャント電流を使用可能にするための、前記第１のセルに並列に連結された第１のシャント経路と、前記第２のセルのシャント電流を使用可能にするための、前記第２のセルに並列に連結された第２のシャント経路とを備える。前記セルバランシング回路は、更に、前記第１のシャント経路及び前記第２のシャント経路に連結された制御装置を備える。前記制御装置は、もし前記第１のセルと前記第２のセルとが不平衡状態であるならば、前記第１のシャント経路及び前記第２のシャント経路を交互に導通状態にするように動作可能である。【選択図】図９
2010187534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のセル、及び前記第１のセルに隣接する第２のセルのバランスをとるためのセルバランシング回路であって、前記セルバランシング回路が、
前記第１のセルのシャント電流を使用可能にするための、前記第１のセルに並列に連結された第１のシャント経路と、
前記第２のセルのシャント電流を使用可能にするための、前記第２のセルに並列に連結された第２のシャント経路と、
前記第１のシャント経路及び前記第２のシャント経路に連結されると共に、もし前記第１のセルと前記第２のセルとが不平衡状態であるならば、前記第１のシャント経路及び前記第２のシャント経路を交互に導通状態にするように動作可能な制御装置と
を備えることを特徴とするセルバランシング回路。
【請求項２】
前記制御装置が、
第１の一連の離散時刻スロットにおいて、前記第１のシャント経路を導通状態にするように動作可能であると共に、
第２の一連の離散時刻スロットにおいて、前記第２のシャント経路を導通状態にするように動作可能であり、
前記第１の一連の離散時刻スロットと前記第２の一連の離散時刻スロットが、相互に排他的である
ことを特徴とする請求項１に記載のセルバランシング回路。
【請求項３】
前記制御装置が、
第１の時刻スロットにおいて、前記第１のシャント経路を導通状態にし、前記第２のシャント経路を遮断状態にするように動作可能であると共に、
第２の時刻スロットにおいて、前記第１のシャント経路を遮断状態にし、前記第２のシャント経路を導通状態にするように動作可能である
ことを特徴とする請求項１に記載のセルバランシング回路。
【請求項４】
前記制御装置が、
その中を通って第１の制御電流が流れることを可能にすることによって、前記第１のシャント経路の導通状態を制御するための、前記第１のシャント経路に連結された第１のスイッチと、
その中を通って第２の制御電流が流れることを可能にすることによって、前記第２のシャント経路の導通状態を制御するための、前記第２のシャント経路に連結された第２のスイッチとを備え、
前記制御装置が、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとを交互にターンオンするように動作可能である
ことを特徴とする請求項１に記載のセルバランシング回路。
【請求項５】
前記第１のシャント経路と前記第１のスイッチとの間に連結された第１の抵抗器を更に備え、
前記第１の抵抗器に電圧降下を生じさせるように、前記第１の制御電流が、前記第１の抵抗器を通って流れると共に、
前記第１のシャント経路の導通状態が、前記電圧降下によって決定される
ことを特徴とする請求項４に記載のセルバランシング回路。
【請求項６】
前記第１のシャント経路が、放出制御スイッチを備えると共に、
前記放出制御スイッチの導通状態が、前記電圧降下によって決定される
ことを特徴とする請求項５に記載のセルバランシング回路。
【請求項７】
第１のセル、及び前記第１のセルに隣接する第２のセルを含む複数のセルを充電するための充電器と、
前記セルを監視すると共に、前記セルの不平衡状態を検出するための、前記セルに連結された監視回路と、
前記セルのバランスをとるための、前記監視回路に連結されたセルバランシング回路とを備え、
前記セルバランシング回路が、
前記第１のセルのシャント電流を使用可能にするための、前記第１のセルに並列に連結された第１のシャント経路と、
前記第２のセルのシャント電流を使用可能にするための、前記第２のセルに並列に連結された第２のシャント経路と、
前記第１のシャント経路及び前記第２のシャント経路に連結されると共に、もし前記第１のセルと前記第２のセルとが不平衡状態であるならば、前記第１のシャント経路及び前記第２のシャント経路を交互に導通状態にするように動作可能な制御装置とを備える
ことを特徴とする電池管理システム。
【請求項８】
前記制御装置が、
第１の一連の離散時刻スロットにおいて、前記第１のシャント経路を導通状態にするように動作可能であると共に、
第２の一連の離散時刻スロットにおいて、前記第２のシャント経路を導通状態にするように動作可能であり、
前記第１の一連の離散時刻スロットと前記第２の一連の離散時刻スロットが、相互に排他的である
ことを特徴とする請求項７に記載の電池管理システム。
【請求項９】
前記制御装置が、
第１の時刻スロットにおいて、前記第１のシャント経路を導通状態にし、前記第２のシャント経路を遮断状態にするように動作可能であると共に、
第２の時刻スロットにおいて、前記第１のシャント経路を遮断状態にし、前記第２のシャント経路を導通状態にするように動作可能である
ことを特徴とする請求項７に記載の電池管理システム。
【請求項１０】
前記制御装置が、
その中を通って第１の制御電流が前記第１のセルの正極端子から前記第１のセルの負極端子へ流れることを可能にすることによって、前記第１のシャント経路の導通状態を制御するための、前記第１のシャント経路に連結された第１のスイッチと、
その中を通って第２の制御電流が前記第２のセルの正極端子から前記第２のセルの負極端子へ流れることを可能にすることによって、前記第２のシャント経路の導通状態を制御するための、前記第２のシャント経路に連結された第２のスイッチとを更に備え、
前記制御装置が、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとを交互にターンオンするように動作可能である
ことを特徴とする請求項７に記載の電池管理システム。
【請求項１１】
前記第１のシャント経路と前記第１のスイッチとの間に連結された第１の抵抗器を更に備え、
前記第１の抵抗器に電圧降下を生じさせるように、前記第１の制御電流が、前記第１の抵抗器を通って流れると共に、
前記第１のシャント経路の導通状態が、前記電圧降下によって決定される
ことを特徴とする請求項１０に記載の電池管理システム。
【請求項１２】
前記第１のシャント経路が、放出制御スイッチを備えると共に、
前記放出制御スイッチの導通状態が、前記電圧降下によって決定される
ことを特徴とする請求項１１に記載の電池管理システム。
【請求項１３】
複数のセルのバランスをとるための方法であって、
前記複数のセルを第１のグループと第２のグループに分類するステップと、
前記複数のセルの不平衡状態を監視するステップと、
前記第１のグループが提供する第１の複数の不平衡状態のセルに関するシャント電流と、前記第２のグループが提供する第２の複数の不平衡状態のセルに関するシャント電流とを、交互に使用可能にするステップと
を含み、
前記第１のグループが提供する各セルが、前記第２のグループが提供する少なくとも１つのセルに隣接する
ことを特徴とする方法。
【請求項１４】
第１の一連の離散時刻スロットにおいて、前記第１のグループが提供する前記第１の複数の不平衡状態のセルのバランスをとるステップと、
第２の一連の離散時刻スロットにおいて、前記第２のグループが提供する前記第２の複数の不平衡状態のセルのバランスをとるステップとを更に含み、
前記第１の一連の離散時刻スロットと前記第２の一連の離散時刻スロットが、相互に排他的である
ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
第１の一連の離散時刻スロットにおいて、それぞれが前記第１のグループが提供する前記第１の複数の不平衡状態のセルに連結された複数のシャント経路を導通状態にするステップと、
第２の一連の離散時刻スロットにおいて、それぞれが前記第２のグループが提供する前記第２の複数の不平衡状態のセルに連結された複数のシャント経路を導通状態にするステップとを更に含み、
前記第１の一連の離散時刻スロットと前記第２の一連の離散時刻スロットが、相互に排他的である
ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
第１のセルに対応する第１の制御電流と、第２のセルに対応する第２の制御電流を、交互に使用可能にするステップと、
前記第１の制御電流に応答して、前記第１のセルに連結された第１のシャント経路を導通状態にするステップと、
前記第２の制御電流に応答して、前記第２のセルに連結された第２のシャント経路を導通状態にするステップと
を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の制御電流によって前記第１のシャント経路に連結された抵抗器に電圧降下を生じさせるステップを更に含み、
前記第１の制御電流が、前記抵抗器を通って流れる
ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１のシャント経路を導通状態にするために、前記電圧降下に応答して、前記第１のシャント経路内の放出制御スイッチをターンオンするステップを更に含む
ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
もし前記セルの電圧が所定のしきい値より大きいならば、セルが不平衡状態であると判定するステップを更に含む
ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
もし前記セルの第１のセル電圧と別のセルの第２のセル電圧との間の電圧差が所定のしきい値より大きいならば、セルが不平衡状態であると判定するステップを更に含む
ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルのバランスをとるための回路及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この出願は、その全体が参照によってここに組み込まれると共に、米国仮特許出願番号60/998,104号に対してそれ自体が優先権を主張する、“Battery Cell Balancing Systems Using Current Regulators”と題名をつけられて２００７年１２月２７日に出願された同時係属中である米国出願シリアル番号12/005,507号の一部継続である。
【０００３】
ＤＣ電圧電源として使用される、典型的なリチウム−イオン（Ｌｉ−Ｉｏｎ）電池パックは、通常、直列に連結された一群の電池セルを備えている。通常動作において電池パックを充電及び放電することは、時を経て、セル電圧におけるセル間の偏差になり得る。直列の一続きの状態のセルにおいて、１つ以上のセルを、他のセルより速くまたは遅く充電するとき、不平衡状態が発生し得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１は、従来のセルバランシング回路を例証する。直列に接続された複数のセルは、第１のセル１０２、及び第２のセル１０３を含む。セル１０２の正極端子（アノード）は、抵抗器１０８を通して、端子ＢＡＴ１において、制御装置１１０に連結される。セル１０２の負極端子（カソード）は、抵抗器１０６を通して、端子ＢＡＴ０において、制御装置１１０に連結される。外部のシャント経路（バイパス経路）は、セル１０２と並列に接続される。シャント経路は、電流制限抵抗器１０１を含むことができると共に、放出（bleeding）制御スイッチ１０４が、電流制限抵抗器１０１と直列に接続される。放出制御スイッチ１０４は、専用のピンＣＢ１を経由して制御装置１１０によって制御される。同様に、セル１０３の正極端子は、抵抗器１１２を通して、端子ＢＡＴ２において、制御装置１１０に連結される。セル１０３の負極端子は、抵抗器１０８を通して、端子ＢＡＴ１において、制御装置１１０に連結される。外部のシャント経路（バイパス経路）は、セル１０３と並列に接続される。シャント経路は、電流制限抵抗器１１４を含むことができると共に、放出制御スイッチ１１６が、電流制限抵抗器１１４と直列に接続される。放出制御スイッチ１１６は、専用のピンＣＢ２を経由して制御装置１１０によって制御される。
【０００５】
不平衡状態が発生するとき、例えばセル１０２の電圧が電池パック内のその他のセルの電圧より高いとき、制御装置１１０は、シャント電流が外部のシャント経路を通って流れることを可能にするために、スイッチ１０４をターンオンすることができ、従って、セル１０２の充電が減速され得ると共に、電池パックにおいてセル電圧はバランスがとられ得る。この方法の欠点の内の１つは、各セルが、対応する放出制御スイッチを制御するのに余分なピン（例えば、セル１０２のためのＣＢ１、セル１０３のためのＣＢ２）を必要とし、それがコストを増大させ得ることである。
【０００６】
図２は、別の従来のセルバランシング回路を示す。図１と同じ符号で分類された構成要素は、同様の機能を有している。制御装置２１０において、内部スイッチ２１２が、端子ＢＡＴ１と端子ＢＡＴ０との間に連結される。内部スイッチ２１６は、端子ＢＡＴ２と端子ＢＡＴ１との間に連結される。内部スイッチ２１２及び内部スイッチ２１６は、同様に制御装置２１０内に配置されている内部スイッチ制御ユニット２１４の制御下にある。
【０００７】
図２において、セル１０２のシャント経路を導通状態にするために、内部スイッチ２１２は、電流Ｉ２が、セル１０２の正極端子から、抵抗器１０８、端子ＢＡＴ１、及び内部スイッチ２１２を通って、ＢＡＴ０まで流れ、そして抵抗器１０６を通って、セル１０２の負極端子まで流れることを可能にするために、ターンオンされる必要がある。セル１０３のシャント経路を導通状態にするために、内部スイッチ２１６は、電流Ｉ３が、セル１０３の正極端子から、抵抗器１１２、端子ＢＡＴ２、及び内部スイッチ２１６を通って、ＢＡＴ１まで流れ、そして抵抗器１０８を通って、セル１０３の負極端子まで流れることを可能にするために、ターンオンされる必要がある。その結果、抵抗器１０８を流れる電流に関して、電流方向の衝突が存在し得る。もしＩ２のレベルとＩ３のレベルとが同じであるならば、Ｉ２とＩ３とが逆方向に流れるので、放出制御スイッチ１１６がターンオンできないように、抵抗器１０８を横断する電圧降下がゼロになるであろう。従って、この方法は、直列に接続された一群のセルのバランスをとることには適当でない可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施例によれば、第１のセル、及び第１のセルに隣接する第２のセルを含む複数のセルのバランスをとるために使用されるセルバランシング回路が提供される。前記セルバランシング回路は、前記第１のセルのシャント電流を使用可能にするための、前記第１のセルに並列に連結された第１のシャント経路と、前記第２のセルのシャント電流を使用可能にするための、前記第２のセルに並列に連結された第２のシャント経路とを備える。前記セルバランシング回路は、更に、前記第１のシャント経路及び前記第２のシャント経路に連結された制御装置を備える。前記制御装置は、もし前記第１のセルと前記第２のセルとが不平衡状態であるならば、前記第１のシャント経路及び前記第２のシャント経路を交互に導通状態にするように動作可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】シャント経路を使用可能にするか、または使用不能にするために、専用のピンを使用する従来のセルバランシング回路を例証する図である。
【図２】内部スイッチによって制御された放出制御スイッチを備える別の従来のセルバランシング回路を例証する図である。
【図３】本発明の一実施例による電気システムを例証する図である。
【図４】本発明の一実施例によるセルバランシング回路を例証する図である。
【図５】本発明の一実施例によるセルバランシング回路を例証する図である。
【図６】本発明の一実施例による一群のセルのバランスをとるためのセルバランシング回路を例証する図である。
【図７】本発明の一実施例による一群のセルのバランスをとるためのセルバランシング回路を例証する図である。
【図８】本発明の一実施例によるセルのバランスをとるための方法のフローチャートを例証する図である。
【図９】本発明の一実施例によるセルバランシング回路を例証する図である。
【図１０】図９における制御装置によって使用される時間多重化アルゴリズムを例証する図である。
【図１１】本発明の一実施例による電池管理システムを例証する図である。
【図１２】本発明の一実施例による複数のセルのバランスをとるための方法のフローチャートを例証する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
特許請求の範囲に記載された主題の実施例の特徴及び利点は、以下の詳細な説明の進行に従って、そして同様の参照符号が同様の構成要素を描写する図面に対する参照によって明白になる。
【００１１】
これから、本発明の実施例について、詳細に言及する。本発明はこれらの実施例に関連して説明されるが、これらの実施例が本発明をこれらの実施例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。
【００１２】
ここで説明された実施例は、１つ以上のコンピュータまたは他の装置によって実行されるプログラムモジュールのような、何らかのコンピュータ読み取り可能な媒体上に存在するコンピュータが実行可能な命令の一般的な文脈において論じられ得る。一般的に、プログラムモジュールは、特別なタスクを行うか、もしくは特別な抽象データ型を実装する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等含む。様々な実施例における要求通りに、プログラムモジュールの機能性は、併有され得るか、もしくは分散され得る。
【００１３】
以下の詳細な説明のいくらかの部分は、コンピュータメモリ内のデータビットに対する操作の手順、論理ブロック、処理、及び他の記号表現の観点から提示される。これらの記述及び表現は、データ処理技術に熟練した当業者によって、彼らの業績の趣旨を他の当業者に最も効果的に伝達するために使用される手段である。本願において、手順、論理ブロック、プロセス等は、望ましい結果につながるステップまたは命令の首尾一貫した系列であると考えられる。それらのステップは、物理量の物理的操作を必要とするステップである。通常、必ずではないが、これらの量は、コンピュータシステムにおいて、格納されて、転送されて、結合されて、比較されて、そして他の場合は操作されることが可能である電気信号もしくは磁気信号の形式をとる。
【００１４】
しかしながら、これら及び同様の用語全ては、適切な物理量と関連付けられるべきであり、そして、単にこれらの量に適用された便利なラベルであるということが留意されるべきである。以下の討論から明白であるので、明確に別の方法で表明されない限り、本願の初めから終わりまで、“分類する”、“監視する”、“可能にする”、“バランスをとる（バランシング）”、“導通状態にする”、“生じさせる”、“ターンオンする”、“判定する”等の用語を使用する討論は、コンピュータシステムまたは同様の電子計算装置の動作または処理のことを指すと共に、コンピュータシステムまたは同様の電子計算装置は、コンピュータシステムのレジスタまたはメモリの中の物理的な（電子的な）量として表されたデータを、コンピュータシステムのメモリまたはレジスタあるいは他のそのような情報記憶装置、転送装置、または表示装置の中の同様に物理的な量として表された他のデータに、処理して変換する、ということが理解される。
【００１５】
限定ではなく、一例として、コンピュータ読み取り可能な媒体は、コンピュータ記憶媒体及び通信媒体を含み得る。コンピュータ記憶媒体は、コンピュータ読み取り可能な命令、データ構造、プログラムモジュール、または他のデータのような情報の記憶のためのあらゆる方法または技術において実現された、揮発性媒体及び不揮発性媒体、取り外し可能な媒体または取り外し不可能な媒体を含む。コンピュータ記憶媒体は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、電気的に消去可能なプログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリまたは他のメモリ技術、コンパクトディスクＲＯＭ（ＣＤＲＯＭ）、デジタル汎用ディスク（ＤＶＤ）または他の光記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置または他の磁気記憶装置、もしくは所望の情報を格納するために使用され得る他の媒体、を含むが、しかしそれに制限されない。
【００１６】
通信媒体は、搬送波のような変調されたデータ信号もしくは他の伝送機構において、コンピュータ読み取り可能な命令、データ構造、プログラムモジュール、または他のデータを具体化し得ると共に、あらゆる情報送達媒体を含む。用語“変調されたデータ信号”は、信号内の符号化情報に応じるような方法で設定または変更される１つ以上のその特性を有する信号を意味する。限定ではなく、一例として、通信媒体は、有線ネットワークまたは直接的な配線接続のような有線媒体、そして音波、無線周波数（ＲＦ）、赤外線、及び他の無線媒体のような無線媒体を含む。上記のうちのあらゆるものの組み合わせが、コンピュータ読み取り可能な媒体の範囲内に同様に含まれるべきである。
【００１７】
更に、本発明の以下の詳細な説明において、多数の具体的な詳細が本発明の完全な理解を提供するために説明される。しかしながら、本発明はそれらの具体的な詳細がなくても実施され得るということが当業者によって識別されることになる。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。
【００１８】
図３は、機能モジュール３０２、及び電池パック３０４を含む電気システム３００を例証する。電池パック３０４は、一群の電池セルを備える。機能モジュール３０２は、電池パック３０４によって電力を供給されると共に、１つ以上の機能を実行し得る。電気システム３００は、コンピュータシステム、車両、電気自転車、無停電電源装置等を含み得るが、しかしそれに制限されない。一実施例において、機能モジュール３０２は、コンピュータシステムの中央演算処理装置（ＣＰＵ）を含む。一実施例において、機能モジュール３０２は、車両の車両モータを含む。
【００１９】
本発明の一実施例によれば、電池パック３０４のための電池セルバランシング回路が提供されると共に、それは、ピン数を減少させると共に、電池セル電圧が比較的低いとしても、動作可能であり得る。一実施例において、セルバランシング回路は、電池セルのシャント経路を制御するために電流調整器（電流レギュレータ）を使用する。有利に、電池セルのシャント経路を導通状態にするための放出制御スイッチは、様々なタイプを有していることができ、そして、比較的低いしきい値電圧（例えば、１［Ｖ］）を有するスイッチに限定されない。更に、一実施例において、電池セルバランシング回路は、同時に複数のセルのバランスをとること、例えば同時に隣接したセルのバランスをとることができる。
【００２０】
図４は、本発明の一実施例によるセルバランシング回路４００を例証する。一実施例において、図４におけるバランシング回路４００は、セルＣＥＬＬ−１のシャント経路の導通状態を制御するために、定電流調整器、例えば内部電流シンク４１４を利用する。一実施例において、電流調整器４１４は、シャント経路の導通状態を制御するための電流を生じさせるように、シャント経路に連結される。一実施例において、シャント経路は、電流調整器４１４によって作られた電流に応答して、導通状態にされる（ターンオンされる）。
【００２１】
電池パックにおけるセルＣＥＬＬ−１の正極端子（アノード）は、第１の抵抗器４０８を通して、端子ＢＡＴ１において、制御装置４１０に連結される。セルＣＥＬＬ−１の負極端子（カソード）は、第２の抵抗器４０６を通して、端子ＢＡＴ０において、制御装置４１０に連結される。シャント経路は、セルＣＥＬＬ−１のシャント電流を使用可能にするように、セルＣＥＬＬ−１と並列に接続される。
【００２２】
一実施例において、シャント経路は、放出（バランス）制御スイッチ４０４を含むと共に、電流制限抵抗器４０１が、直列に連結される。一実施例において、放出制御スイッチ４０４は、Ｐチャンネル金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＰＭＯＳＦＥＴ）であり得る。放出制御スイッチ４０４は、電流調整器４１４によって作られた電流に応答して、シャント経路を導通状態にすることができる。一実施例において、抵抗器４０８は、シャント経路と電流シンク４１４との間に連結される。図４の例において、放出制御スイッチ４０４の導通状態は、抵抗器４０８上の電圧降下に実質的に等しい、放出制御スイッチ４０４のゲート−ソース間電圧Ｖｇｓによって決定される。一実施例において、制御装置４１０は、電池パックの充電及び／または放電を制御するために使用され得ると共に、電池パックに関する様々な保護機能（例えば、過電圧保護、過電流保護、不足電圧保護、セルバランシング）を実行するために使用され得る。制御装置４１０は、電池パック内に統合され得る。制御装置４１０は、端子ＢＡＴ１とグランド（アース）との間に連結された電流シンク４１４として示される電流調整器を含み得る。電流シンク４１４は、セルＣＥＬＬ−１の正極端子から抵抗器４０８を通ってグランドに流れるシンク電流を提供するように、そしてシャント経路の導通状態を制御するように動作可能である。すなわち、電流シンク４１４は、セルＣＥＬＬ−１の正極端子から電流を吸い込む。シンク電流は、抵抗器４０８を通って流れると共に、それによって抵抗器４０８上に電圧降下を生じさせる。従って、シャント経路の導通状態は、抵抗器４０８を横断する電圧降下によって決定され得る。
【００２３】
制御装置４１０は、更に、電流シンク４１４を制御する（例えば有効にする／無効にする）ように動作可能である電流シンク制御ユニット４１２を備え得る。一実施例において、電流シンク制御ユニット４１２は、セルＣＥＬＬ−１を監視すると共に、もしセルＣＥＬＬ−１が不平衡状態であるならば、電流シンク４１４を有効にする。一実施例において、もしセルＣＥＬＬ−１の電圧が所定のしきい値より大きいならば、セルＣＥＬＬ−１は不平衡状態である。代替実施例において、もしセルＣＥＬＬ−１の電圧と同じ電池パックにおける別のセル（簡潔にすると共に明確にする目的のために図４には図示されない）の電圧との間の差異が所定のしきい値より大きいならば、セルＣＥＬＬ−１は不平衡状態である。代替実施例において、セルＣＥＬＬ−１のシャント経路は、制御装置４１０の中に構築され得る。
【００２４】
例示の目的のために、抵抗器４０８の抵抗値が１［ＫΩ］であり、電流シンク４１４によって提供されるシンク電流が３［ｍＡ］であり、そして放出制御スイッチ４０４のしきい値電圧が−１［Ｖ］であるということが仮定される。しかしながら、本開示におけるセルバランシング回路は、そのような特定の値に限定されない。
【００２５】
動作中、（例えば、電池パックの充電／放電／スタンバイ段階の間に、）もし不平衡状態が発生するならば、電流シンク４１４は、シンク電流、例えばセルＣＥＬＬ−１の正極端子から抵抗器４０８を通ってグランドに流れる３［ｍＡ］の電流を提供するために、電流シンク制御ユニット４１２によって有効にされ得る。従って、抵抗器４０８上の電圧降下は、３［Ｖ］である。それ故に、一実施例において、放出制御スイッチ４０４のゲート−ソース間電圧Ｖｇｓは、−３［Ｖ］になり、そして放出制御スイッチ４０４は、ターンオンされる。一度、放出制御スイッチ４０４がターンオンされれば、対応するシャント経路が導通状態にされる（ターンオンされる）。その結果、シャント電流（バランシング電流）がシャント経路を通って流れ得ると共に、従って、セルＣＥＬＬ−１と他のセルとのバランスがとられる。例えば、電池充電段階の間、もしシャント電流がセルＣＥＬＬ−１に関して使用可能にされるならば、セルＣＥＬＬ−１の充電電流の一部分は、シャント経路を経由して分流させられることができ、従って、セルＣＥＬＬ−１の充電が減速され得ると共に、一定期間の間バランスをとった後で、セルの不平衡は縮小され得る／取り除かれ得る。一実施例において、そのような期間は、電流シンク制御ユニット４１２によって決定され得る。
【００２６】
図５は、本発明の一実施例によるセルバランシング回路５００を例証する。図４と同じ符号で分類された構成要素は、同様の機能を有している。一実施例において、図５におけるバランシング回路５００は、電池パックにおけるセルＣＥＬＬ−１のシャント経路の導通状態を制御するために、定電流調整器、例えば内部電流ソース５１４を利用する。一実施例において、電流調整器５１４は、シャント経路の導通状態を制御するための電流を生じさせるように、シャント経路に連結される。一実施例において、シャント経路は、電流調整器５１４によって作られた電流に応答して、導通状態にされる（ターンオンされる）。
【００２７】
一実施例において、放出制御スイッチ５０４は、Ｎチャンネル金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＮＭＯＳＦＥＴ）であり得る。放出制御スイッチ５０４は、電流調整器５１４によって作られた電流に応答して、シャント経路を導通状態にすることができる。セルＣＥＬＬ−１の正極端子は、第１の抵抗器４０８を通して、端子ＢＡＴ１において、制御装置５１０に連結される。セルＣＥＬＬ−１の負極端子は、第２の抵抗器４０６を通して、端子ＢＡＴ０において、制御装置５１０に連結される。図５の例において、放出制御スイッチ５０４の導通状態は、抵抗器４０６上の電圧降下に実質的に等しい、放出制御スイッチ５０４のゲート−ソース間電圧Ｖｇｓによって決定される。一実施例において、制御装置５１０は、電池パックの充電及び／または放電を制御するために使用され得ると共に、電池パックに関する様々な保護機能（例えば、過電圧保護、過電流保護、不足電圧保護、セルバランシング）を実行するために使用され得る。制御装置５１０は、電池パック内に統合され得る。一実施例において、制御装置５１０は、端子ＢＡＴ０と電源Ｖｃｃ５１３との間に連結された電流ソース５１４として示される電流調整器を含み得る。電流ソース５１４は、電源５１３から抵抗器４０６を通ってセルＣＥＬＬ−１の負極端子に流れるソース電流を提供するように、そしてシャント経路の導通状態を制御するように動作可能である。すなわち、電流ソース５１４は、セルＣＥＬＬ−１の負極端子に電流を供給する。ソース電流は、抵抗器４０６を通って流れると共に、それによって抵抗器４０６上に電圧降下を生じさせる。従って、シャント経路の導通状態は、抵抗器４０６を横断する電圧降下によって決定され得る。
【００２８】
制御装置５１０は、更に、電流ソース５１４を制御する（例えば有効にする／無効にする）ように動作可能である電流ソース制御ユニット５１２を備え得る。一実施例において、電流ソース制御ユニット５１２は、セルＣＥＬＬ−１を監視すると共に、もしセルＣＥＬＬ−１が不平衡状態であるならば、電流ソース５１４を有効にする。一実施例において、もしセルＣＥＬＬ−１の電圧が所定のしきい値より大きいならば、セルＣＥＬＬ−１は不平衡状態である。代替実施例において、もしセルＣＥＬＬ−１の電圧と同じ電池パックにおける別のセル（簡潔にすると共に明確にする目的のために図５には図示されない）の電圧との間の差異が所定のしきい値より大きいならば、セルＣＥＬＬ−１は不平衡状態である。代替実施例において、セルＣＥＬＬ−１のシャント経路は、制御装置５１０の中に構築され得る。
【００２９】
例示の目的のために、抵抗器４０６の抵抗値が１［ＫΩ］であり、電流ソース５１４によって提供されるソース電流が３［ｍＡ］であり、そして放出制御スイッチ５０４のしきい値電圧が１［Ｖ］であるということが仮定される。しかしながら、本開示におけるセルバランシング回路は、そのような特定の値に限定されない。
【００３０】
もし不平衡状態が発生するならば、電流ソース５１４は、ソース電流、例えば電源５１３から抵抗器４０６を通ってセルＣＥＬＬ−１の負極端子に流れる３［ｍＡ］の電流を提供するために、電流ソース制御ユニット５１２によって有効にされ得る。従って、抵抗器４０６を横断する電圧降下は、３［Ｖ］である。それ故に、一実施例において、放出制御スイッチ５０４のゲート−ソース間電圧Ｖｇｓは、３［Ｖ］になり、そして放出制御スイッチ５０４は、ターンオンされる。一度、放出制御スイッチ５０４がターンオンされれば、対応するシャント経路が導通状態にされる（ターンオンされる）。その結果として、シャント電流（バランシング電流）がシャント経路を通って流れ得ると共に、従って、セルＣＥＬＬ−１と他のセルとのバランスがとられる。一実施例において、放出の期間は、電流ソース制御ユニット５１２によって決定され得る。
【００３１】
図６は、本発明の一実施例による、電池パック内の一群の直列に接続されたセルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎのバランスをとるためのセルバランシング回路を例証する。セルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎは、直列に連結される。簡潔にすると共に明確にする目的のために、全てのセルが図６において示されるとは限らない。複数のシャント経路が、それぞれ並列にセルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎに連結されると共に、シャント経路のそれぞれは、対応するセルのシャント電流を使用可能にするように動作可能である。一実施例において、各シャント経路は、対応する放出制御スイッチＱ１−１〜Ｑ１−Ｎと、直列に連結された対応する抵抗器Ｒｃ−１〜Ｒｃ−Ｎとを含み得る。従って、シャント経路の導通状態は、対応する放出制御スイッチＱ１−１〜Ｑ１−Ｎの導通状態によって決定される。放出制御スイッチＱ１−１〜Ｑ１−Ｎのそれぞれは、ＰＭＯＳＦＥＴであり得る。簡潔にすると共に明確にする目的のために、全ての放出制御スイッチ及び抵抗器が図６において示されるとは限らない。
【００３２】
制御装置６１０は、複数のセルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎのバランスをとるために、複数のセルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎに連結される。制御装置６１０は、複数の電流調整器、例えば複数のシャント経路にそれぞれ連結される電流シンク６１４−１〜６１４−Ｎを備える。電流調整器６１４−１〜６１４−Ｎのそれぞれは、対応するシャント経路の導通状態を制御するために、対応するセルの正極端子からグランドに流れる電流を生じさせるように動作可能であると共に、対応するシャント経路は、電流に応答して導通状態にされる（ターンオンされる）。各放出制御スイッチＱ１−１〜Ｑ１−Ｎは、対応する電流調整器６１４−１〜６１４−Ｎから作られた電流に応答して、対応するシャント経路を導通状態にする（ターンオンする）ことができる。セルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎの端子は、抵抗器Ｒ０−０〜Ｒ０−Ｎを通して、それぞれ端子ＢＡＴ０〜ＢＡＴＮにおいて、制御装置６１０に連結される。一実施例において、端子ＢＡＴ１〜ＢＡＴＮは、制御装置６１０内で、電流シンク６１４−１〜６１４−Ｎを通してグランドに連結される。簡潔にすると共に明確にする目的のために、全ての端子、抵抗器、及び電流シンクが図６において示されるとは限らない。一実施例において、電流調整器６１４−１〜６１４−Ｎのそれぞれは、対応する抵抗器Ｒ０−１〜Ｒ０−Ｎを流れる電流を生じさせるように動作可能であると共に、抵抗器Ｒ０−１〜Ｒ０−Ｎを流れる電流は、対応する抵抗器Ｒ０−１〜Ｒ０−Ｎ上で電圧降下を生じさせる。一実施例において、対応する放出制御スイッチＱ１−１〜Ｑ１−Ｎの導通状態は、対応する抵抗器Ｒ０−１〜Ｒ０−Ｎ上の電圧降下によって決定される。
【００３３】
一実施例において、制御装置６１０は、電流シンク６１４−１〜６１４−Ｎを制御するように動作可能である電流シンク制御ユニット６１２を備え得る。一実施例において、制御装置６１０における電流シンク制御ユニット６１２は、もし対応するセルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎが不平衡状態であるならば、対応する電流シンク６１４−１〜６１４−Ｎを有効にする。電流シンク６１４−１〜６１４−Ｎは、電流シンク制御ユニット６１２によって、独立して、もしくは同時に、有効にされ得るか、もしくは無効にされ得る。その結果として、バランシング回路は、各セルの状態に従って、一群のセルのバランスをとるように動作可能であり得る。
【００３４】
図７は、本発明の一実施例による、電池パック内の一群の直列に接続されたセルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎのバランスをとるためのセルバランシング回路を例証する。セルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎは、直列に連結される。簡潔にすると共に明確にする目的のために、全てのセルが図７において示されるとは限らない。複数のシャント経路が、それぞれ並列にセルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎに連結されると共に、シャント経路のそれぞれは、対応するセルのシャント電流を使用可能にするように動作可能である。一実施例において、各シャント経路は、対応する放出制御スイッチＱ１−１〜Ｑ１−Ｎと、直列に連結された対応する抵抗器Ｒｃ−１〜Ｒｃ−Ｎとを含み得る。従って、シャント経路の導通状態は、対応する放出制御スイッチＱ１−１〜Ｑ１−Ｎの導通状態によって決定される。放出制御スイッチＱ１−１〜Ｑ１−Ｎのそれぞれは、ＮＭＯＳＦＥＴであり得る。簡潔にすると共に明確にする目的のために、全ての放出制御スイッチ及び抵抗器が図７において示されるとは限らない。
【００３５】
制御装置７１０は、複数のセルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎのバランスをとるために、複数のセルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎに連結される。制御装置７１０は、複数の電流調整器、例えば複数のシャント経路にそれぞれ連結される電流ソース７１４−１〜７１４−Ｎを備える。電流調整器７１４−１〜７１４−Ｎのそれぞれは、対応するシャント経路の導通状態を制御するために、電源７１８から対応するセルの負極端子に流れる電流を生じさせるように動作可能であると共に、対応するシャント経路は、電流に応答して導通状態にされる（ターンオンされる）。各放出制御スイッチＱ１−１〜Ｑ１−Ｎは、対応する電流調整器７１４−１〜７１４−Ｎから作られた電流に応答して、対応するシャント経路を導通状態にする（ターンオンする）ことができる。セルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎの端子は、抵抗器Ｒ０−０〜Ｒ０−Ｎを通して、それぞれ端子ＢＡＴ０〜ＢＡＴＮにおいて、制御装置７１０に連結される。一実施例において、端子ＢＡＴ０〜ＢＡＴＮ−１は、制御装置７１０内で、電流ソース７１４−１〜７１４−Ｎを通して電源Ｖｃｃ７１８に連結される。簡潔にすると共に明確にする目的のために、全ての端子、抵抗器、及び電流ソースが図７において示されるとは限らない。一実施例において、電流調整器７１４−１〜７１４−Ｎのそれぞれは、対応する抵抗器Ｒ０−０〜Ｒ０−Ｎ−１を流れる電流を生じさせるように動作可能であると共に、抵抗器Ｒ０−０〜Ｒ０−Ｎ−１を流れる電流は、対応する抵抗器Ｒ０−０〜Ｒ０−Ｎ−１上で電圧降下を生じさせる。一実施例において、対応する放出制御スイッチＱ１−１〜Ｑ１−Ｎの導通状態は、対応する抵抗器Ｒ０−０〜Ｒ０−Ｎ−１上の電圧降下によって決定される。
【００３６】
一実施例において、制御装置７１０は、電流ソース７１４−１〜７１４−Ｎを制御するように動作可能である電流ソース制御ユニット７１２を備え得る。一実施例において、制御装置７１０における電流ソース制御ユニット７１２は、もし対応するセルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎが不平衡状態であるならば、対応する電流ソース７１４−１〜７１４−Ｎを有効にする。電流ソース７１４−１〜７１４−Ｎは、電流ソース制御ユニット７１２によって、独立して、もしくは同時に、有効にされ得るか、もしくは無効にされ得る。その結果として、バランシング回路は、各セルの状態に従って、一群のセルのバランスをとるように動作可能であり得る。
【００３７】
図８は、本発明の一実施例によるセルのバランスをとるための方法のフローチャート８００を例証する。図８は、図４及び図５と組み合わせて説明される。ブロック８０２において、もしセルＣＥＬＬ−１が不平衡状態であるならば、電流が、電流調整器、例えば電流シンク４１４または電流ソース５１４によって生成される。従って、シャント経路と電流調整器との間に連結された抵抗器４０８／４０６上に電圧降下が生じ得る（図８にステップは示されない）。一実施例において、放出制御スイッチ４０４／５０４は、抵抗器４０８／４０６上の電圧降下に応答して、ターンオンにされ得る（図８にステップは示されない）。それ故に、ブロック８０４において、セルＣＥＬＬ−１に連結されたシャント経路は、電流調整器によって生成された電流に応答して、導通状態にされる（ターンオンされる）。ブロック８０６において、シャント電流がシャント経路を通って流れることを可能にされる。
【００３８】
前述の実施例において使用されるＰＭＯＳＦＥＴ及びＮＭＯＳＦＥＴは、本開示の範囲からはずれずに、その導通状態が電圧降下によって制御され得るあらゆる他のタイプのスイッチと交換され得る。その抵抗器は、同様に、本開示の範囲からはずれずに、電流の流れによってそれを横断する電圧降下が生み出され得る、抵抗成分またはインピーダンスを有するあらゆる他のタイプの構成要素に交換され得る。本発明は、それらの同等の実施例を包含することを意図する。
【００３９】
有利に、本発明によれば、そのコストが削減され得るように、シャント経路を制御するための余分なピンは必要とされない。更に、本発明におけるセルバランシング回路は、放出制御スイッチの導通状態がセル電圧によって影響を受けないので、様々なタイプの電池セルに対してに適用でき得る。一実施例において、本発明は、更に、同時に隣接するセルのバランスをとることが可能である。本発明の一実施例によれば、電流調整器は、制御装置に流れ込む（図６のように電流シンクが使用された場合）か、または制御装置から流れ出す（図７のように電流ソースが使用された場合）、同じ方向を有する電流を生成する。従って、そこには電流方向の衝突が存在しない。その結果として、一実施例において、隣接するセルまたは隣接しないセルを問わず、複数のセルが、単一の制御装置によって、同時にバランスがとられ得る。一実施例において、セルバランシング回路は、電池の充電状態、電池の放電状態、及びスタンバイ状態において、使用され得る。
【００４０】
図９は、本発明の一実施例による、電池パック内の一群の直列に接続されたセルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎのバランスをとるためのセルバランシング回路９００を例証する。簡潔にすると共に明確にする目的のために、全てのセルが図９において示されるとは限らない。図９の例におけるバランシング回路９００は、図２において発生する可能性がある電流方向の衝突を回避するために、時間多重化アルゴリズムを使用してセルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎのバランスをとるように動作可能である制御装置９１０を備える。
【００４１】
セルバランシング回路９００は、それぞれ並列にセルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎに連結された複数のシャント経路を備える。各シャント経路は、対応するセルのシャント電流を使用可能にするように動作可能である。一実施例において、各シャント経路は、対応する放出制御スイッチＱ１−１〜Ｑ１−Ｎと、直列に連結された対応する抵抗器Ｒｃ−１〜Ｒｃ−Ｎとを含み得る。例えば、セルＣＥＬＬ−１に連結されたシャント経路は、放出制御スイッチＱ１−１、及び抵抗器Ｒｃ−１を含む。簡潔にすると共に明確にする目的のために、全ての放出制御スイッチ及び抵抗器が図９において示されるとは限らない。シャント経路の導通状態は、対応する放出制御スイッチＱ１−１〜Ｑ１−Ｎの導通状態によって決定され得る。一実施例において、放出制御スイッチＱ１−１〜Ｑ１−Ｎのそれぞれは、Ｐチャンネル金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＰＭＯＳＦＥＴ）であり得る。放出制御スイッチＱ１−１〜Ｑ１−Ｎの導通状態は、対応する抵抗器Ｒ０−０〜Ｒ０−Ｎ上の電圧降下に実質的に等しい、放出制御スイッチＱ１−１〜Ｑ１−Ｎのゲート−ソース間電圧Ｖｇｓによって決定される。
【００４２】
セルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎの端子は、抵抗器Ｒ０−０〜Ｒ０−Ｎを通して、それぞれ端子ＢＡＴ０〜ＢＡＴＮにおいて、制御装置９１０に連結される。一実施例において、制御装置９１０は、複数の内部スイッチＱ２−１〜Ｑ２−Ｎを備える。内部スイッチＱ２−１〜Ｑ２−Ｎのそれぞれは、制御装置９１０の２つの対応する端子の間に連結される。例えば、内部スイッチＱ２−１は、端子ＢＡＴ０と端子ＢＡＴ１との間に連結される。内部スイッチＱ２−２は、端子ＢＡＴ１と端子ＢＡＴ２との間に連結される。内部スイッチＱ２−Ｎは、端子ＢＡＴＮ−１と端子ＢＡＴＮとの間に連結される。内部スイッチＱ２−１〜Ｑ２−Ｎのそれぞれのオン／オフの状態は、対応するシャント経路の導通状態を決定し得る。簡潔にすると共に明確にする目的のために、全ての内部スイッチが図９において示されるとは限らない。一実施例において、制御装置９１０は、更に、内部スイッチＱ２−１〜Ｑ２−Ｎのそれぞれのオン／オフ状態を制御するための内部スイッチ制御ユニット９１２を備え得る。
【００４３】
動作中、もしセルＣＥＬＬ−１のバランスがとられる必要があるならば（例えば、セルＣＥＬＬ−１の電圧と別のセルの電圧との間の差異が所定のしきい値より大きいならば）、対応する内部スイッチＱ２−１は、セルＣＥＬＬ−１の正極端子から内部スイッチＱ２−１を通ってセルＣＥＬＬ−１の負極端子に流れる第１の制御電流を使用可能にするために、（例えば内部スイッチ制御ユニット９１２によって）ターンオンされ得る。その結果、放出制御スイッチＱ１−１が電圧降下に応答してターンオンされ得るように、電圧降下が抵抗器Ｒ０−１を横断して生成され得る。放出制御スイッチＱ１−１がターンオンされるとき、セルＣＥＬＬ−１に連結された対応するシャント経路が導通状態にされる。シャント電流がシャント経路を通って流れ得ると共に、従って、セルＣＥＬＬ−１と他のセルとのバランスがとられる。例えば、電池充電段階の間、もしシャント電流がセルＣＥＬＬ−１に関して使用可能にされるならば、セルＣＥＬＬ−１の充電電流の一部分は、シャント経路を経由して分流させられることができ、従って、セルＣＥＬＬ−１の充電が減速され得る。
【００４４】
同様に、もしセルＣＥＬＬ−２のバランスがとられる必要があるならば、対応する内部スイッチＱ２−２は、セルＣＥＬＬ−２の正極端子から内部スイッチＱ２−２を通ってセルＣＥＬＬ−２の負極端子に流れる第２の制御電流を使用可能にするために、（例えば内部スイッチ制御ユニット９１２によって）ターンオンされ得る。その結果、放出制御スイッチＱ１−２が電圧降下に応答してターンオンされ得るように、電圧降下が抵抗器Ｒ０−２を横断して生成され得る。
【００４５】
一実施例において、時間多重化アルゴリズムを使用して制御装置９１０によってセルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎのバランスをとるために、セルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎは、複数のグループ、例えば第１のグループ及び第２のグループに分類され得る。図９の例において、セルの総数（数Ｎ）は偶数であると仮定する。第１のグループは、奇数の番号が付与されたセルＣＥＬＬ−１、ＣＥＬＬ−３、ＣＥＬＬ−５、・・・及びＣＥＬＬ−Ｎ−１を含むことができる。第２のグループは、偶数の番号が付与されたセルＣＥＬＬ−２、ＣＥＬＬ−４、ＣＥＬＬ−６、・・・及びＣＥＬＬ−Ｎを含むことができる。従って、第１のグループが提供する各セルは、第２のグループが提供する少なくとも１つのセルに隣接する。同様に、第２のグループが提供する各セルは、第１のグループが提供する少なくとも１つのセルに隣接する。
【００４６】
動作中、制御装置９１０は、第１のグループが提供する不平衡状態のセルと第２のグループが提供する不平衡状態のセルのバランスを交互にとることができる。更に具体的には、第１の一連の離散時刻スロットにおいて、第１のグループが提供する不平衡状態のセルに連結されたシャント経路を導通状態にするように、そして、第２の一連の離散時刻スロットにおいて、第２のグループが提供する不平衡状態のセルに連結されたシャント経路を導通状態にするように、制御装置９１０は、内部スイッチ制御ユニット９１２を通して、内部スイッチＱ２−１〜Ｑ２−Ｎのオン／オフの状態を制御し得る。一実施例において、第１の一連の離散時刻スロットと第２の一連の離散時刻スロットは、相互に排他的である。有利に、第１のグループが提供する不平衡状態のセルと第２のグループが提供する不平衡状態のセルのバランスを交互にとることによって、図２におけるセルバランシング回路で発生する可能性がある制御電流の電流方向の衝突は回避され得る。
【００４７】
前述の実施例において使用されるＰＭＯＳＦＥＴは、本開示の範囲からはずれずに、その導通状態が電圧降下によって制御され得るあらゆる他のタイプのスイッチと交換され得る。その抵抗器は、同様に、本開示の範囲からはずれずに、電流の流れによってそれを横断する電圧降下が生み出され得る、抵抗成分またはインピーダンスを有するあらゆる他のタイプの構成要素に交換され得る。本発明は、それらの同等の実施例を包含することを意図する。
【００４８】
図１０は、第１のグループが提供する不平衡状態のセルと第２のグループが提供する不平衡状態のセルのバランスを交互にとるために図９における制御装置によって使用される時間多重化アルゴリズムの例を例証する。図１０は、図９と組み合わせて説明される。
【００４９】
セルＣＥＬＬ−１、ＣＥＬＬ−２、ＣＥＬＬ−３、ＣＥＬＬ−４が不平衡状態であると仮定する。セルＣＥＬＬ−１及びＣＥＬＬ−３は、第１のグループに属していると共に、セルＣＥＬＬ−２及びＣＥＬＬ−４は、第２のグループに属している。一実施例において、ＴＳ１という符号で分類された時刻スロットを含む第１の一連の離散時刻スロットは、第１のグループに割り当てられ得ると共に、ＴＳ２という符号で分類された時刻スロットを含む第２の一連の離散時刻スロットは、第２のグループに割り当てられ得る。図１０において示されたように、第１の一連の離散時刻スロットと第２の一連の離散時刻スロットは、相互に排他的である。
【００５０】
更に具体的には、ＴＳ１という符号で分類された時刻スロットにおいて、制御装置９１０は、バランスをとるために第１のグループを選択すると共に、第２のグループのバランスをとるのを止める。一実施例において、制御装置９１０は、時刻スロットＴＳ１の間に、セルＣＥＬＬ−１とＣＥＬＬ−３のバランスをとるために、セルＣＥＬＬ−１とＣＥＬＬ−３に連結されたシャント経路を導通状態にすることができ、そして、セルＣＥＬＬ−２とＣＥＬＬ−４のバランスをとるのを止めるために、セルＣＥＬＬ−２とＣＥＬＬ−４に連結されたシャント経路を遮断状態にすることができる。一実施例において、制御装置９１０は、セルＣＥＬＬ−１とＣＥＬＬ−３に連結されたシャント経路をそれぞれ導通状態にするために、内部スイッチＱ２−１とＱ２−３をターンオンし得る。
【００５１】
内部スイッチＱ２−１がターンオンされるとき、制御電流は、セルＣＥＬＬ−１の正極端子から抵抗器Ｒ０−１、内部スイッチＱ２−１、及び抵抗器Ｒ０−０を通ってセルＣＥＬＬ−１の負極端子に流れることを可能にされ得る。従って、電圧降下が、抵抗器Ｒ０−１を横断して生成され得る。放出制御スイッチＱ１−１は、セルＣＥＬＬ−１に関するシャント電流が使用可能にされ得るように、抵抗器Ｒ０−１を横断する電圧降下に応答してターンオンされ得る。
【００５２】
内部スイッチＱ２−３がターンオンされるとき、制御電流は、セルＣＥＬＬ−３の正極端子から抵抗器Ｒ０−３、内部スイッチＱ２−３、及び抵抗器Ｒ０−２を通ってセルＣＥＬＬ−３の負極端子に流れることを可能にされ得る。従って、電圧降下が、抵抗器Ｒ０−３を横断して生成され得る。放出制御スイッチＱ１−３は、セルＣＥＬＬ−３に関するシャント電流が使用可能にされ得るように、抵抗器Ｒ０−３を横断する電圧降下に応答してターンオンされ得る。
【００５３】
ＴＳ２という符号で分類された時刻スロットにおいて、制御装置９１０は、バランスをとるために第２のグループを選択すると共に、第１のグループのバランスをとるのを止める。一実施例において、制御装置９１０は、セルＣＥＬＬ−２とＣＥＬＬ−４のバランスをとるために、セルＣＥＬＬ−２とＣＥＬＬ−４に連結されたシャント経路を導通状態にすることができ、そして、セルＣＥＬＬ−１とＣＥＬＬ−３のバランスをとるのを止めるために、セルＣＥＬＬ−１とＣＥＬＬ−３に連結されたシャント経路を遮断状態にすることができる。一実施例において、制御装置９１０は、セルＣＥＬＬ−２とＣＥＬＬ−４に連結されたシャント経路をそれぞれ導通状態にするために、内部スイッチＱ２−２とＱ２−４をターンオンし得る。
【００５４】
内部スイッチＱ２−２がターンオンされるとき、制御電流は、セルＣＥＬＬ−２の正極端子から抵抗器Ｒ０−２、内部スイッチＱ２−２、及び抵抗器Ｒ０−１を通ってセルＣＥＬＬ−２の負極端子に流れることを可能にされ得る。従って、電圧降下が、抵抗器Ｒ０−２を横断して生成され得る。放出制御スイッチＱ１−２は、セルＣＥＬＬ−２に関するシャント電流が使用可能にされ得るように、抵抗器Ｒ０−２を横断する電圧降下に応答してターンオンされ得る。
【００５５】
内部スイッチＱ２−４がターンオンされるとき、制御電流は、セルＣＥＬＬ−４の正極端子から抵抗器Ｒ０−４、内部スイッチＱ２−４、及び抵抗器Ｒ０−３を通ってセルＣＥＬＬ−４の負極端子に流れることを可能にされ得る。従って、電圧降下が、抵抗器Ｒ０−４を横断して生成され得る。放出制御スイッチＱ１−４は、セルＣＥＬＬ−４に関するシャント電流が使用可能にされ得るように、抵抗器Ｒ０−４を横断する電圧降下に応答してターンオンされ得る。
【００５６】
この時間多重アルゴリズムを使用することによって、隣接のセルのシャント電流は、交互に使用可能にされ得る。従って、電流方向の衝突は、回避され得る。例えば、抵抗器Ｒ０−１を流れる制御電流を考察する。ＴＳ１という符号で分類された時刻スロットにおいて、制御電流は、セルＣＥＬＬ−１のシャント経路を導通状態にするように、セルＣＥＬＬ−１の正極端子から抵抗器Ｒ０−１を通ってセルＣＥＬＬ−１の負極端子に流れる（制御装置９０１に流れ込む）。ＴＳ２という符号で分類された時刻スロットにおいて、制御電流は、セルＣＥＬＬ−２のシャント経路を導通状態にするように、セルＣＥＬＬ−２の正極端子から抵抗器Ｒ０−１を通ってセルＣＥＬＬ−２の負極端子に流れる（制御装置９０１から流れ出す）。
【００５７】
一実施例において、各時刻スロットの長さは、５［ｍｓ］のように、比較的短くて良い。その結果、制御電流の電流方向の衝突が回避され得る一方、第１のグループが提供する不平衡状態のセルと第２のグループが提供する不平衡状態のセルは、実質的に同時にバランスがとられ得る。
【００５８】
上述の時間多重化アルゴリズムは、異なる構成を有することができる様々な種類のセルバラシング回路によって使用され得ると共に、図９の例において示された構成に限定されない。
【００５９】
図１１は、本発明の一実施例による電池管理システム１１００を例証する。図９と同じ符号で分類された構成要素は、同様の機能を有している。
【００６０】
電池管理システム１１００は、電池パック１１０６内の複数のセルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎを充電するための充電器１１０２と、セルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎを監視すると共に、不平衡状態を検出するための監視回路１１０４と、図１０において例証された時間多重アルゴリズムを使用してセルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎのバランスをとるための制御装置９１０とを備える。セルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎは、複数のグループ、例えば奇数の番号が付与されたセルを含む第１のグループ及び偶数の番号が付与されたセルを含む第２のグループに分類され得る。一実施例において、制御装置９１０は、更に、セルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎにそれぞれ連結された複数のシャント経路を導通状態にするように複数の内部スイッチＱ２−１〜Ｑ２−Ｎを制御するための内部スイッチ制御ユニット９１２を備え得る。図１１の例において、監視回路１１０４は、制御装置９１０の外に実装される。別の実施例において、監視回路１１０４は、制御装置９１０の中側に構築され得る。
【００６１】
動作中、充電器１１０２は、セルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎを充電する。不平衡状態は、充電中に発生する可能性がある。監視回路１１０４は、状態、例えば各セルのセル電圧を監視すると共に、監視された情報を制御装置９１０に送信する。一実施例において、もしセルの電圧が所定のしきい値より大きいならば、セルは不平衡状態である。代替実施例において、もしセルの電圧と同じ電池パックにおける別のセルの電圧との間の差異が所定のしきい値より大きいならば、セルは不平衡状態である。
【００６２】
制御装置９１０は、第１のグループが提供する不平衡状態のセルと第２のグループが提供する不平衡状態のセルのバランスを交互にとるために、図１０において例証された時間多重化アルゴリズムを使用し得る。一実施例において、不平衡状態のセルのバランスをとるために、制御装置９１０は、シャント電流を使用可能にするように、対応するシャント経路を導通状態にすることができる。一実施例において、制御装置９１０は、抵抗器を横断する電圧降下を生成するために、抵抗器、例えば抵抗器Ｒ０−１〜Ｒ０−Ｎを通って流れる制御電流を使用可能にするように、内部スイッチ、例えば内部スイッチＱ２−１〜Ｑ２−Ｎをターンオンし得る。対応する放出制御スイッチ、例えばシャント経路内の放出制御スイッチＱ１−１〜Ｑ１−Ｎは、シャント経路が導通状態にされ得るように、電圧降下に応答してターンオンされ得る。
【００６３】
図１２は、本発明の一実施例による複数のセルのバランスをとるための方法のフローチャート１２００を例証する。図１２は、図１０及び図１１と組み合わせて説明される。図１２の例において、電池充電中のセルバランシングが例証される。しかしながら、本発明におけるセルバランシングは、電池の放電段階及び電池のスタンバイ段階のような多くの他の動作段階で使用され得る。
【００６４】
ブロック１２０２において、充電器１１０２は、複数のセルＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎを充電し始める。不平衡状態は、充電中に発生する可能性がある。ブロック１２０４において、各セルが、例えば監視回路１１０４によって監視される。監視された情報は、制御装置９１０に送信される。ブロック１２０６において、制御装置９１０は、セルが他のセルと不平衡状態にあるかどうかを判定し得る。一実施例において、もしセルの電圧が所定のしきい値より大きいならば、セルは不平衡状態である。別の実施例において、もしセルの第１のセル電圧と別のセルの第２のセル電圧との間の電圧差異が所定のしきい値より大きいならば、セルは不平衡状態である。
【００６５】
もしバランスをとる必要があるセルが存在しないならば、フローチャート１２００は、各セルを監視し続けるように、ブロック１２０４に戻る。もしセル、例えばセルＣＥＬＬ−ｉのバランスをとる必要があるならば、フローチャート１２００は、セルＣＥＬＬ−ｉが、第１のグループに属しているか、または第２のグループに属しているかを判定するために、ブロック１２０８に進行する。制御装置９１０は、セルＣＥＬＬ−ｉが、第１のグループに属しているか、または第２のグループに属しているかの判定に基づいて、図１０において例証された時間多重化アルゴリズムを使用してセルのバランスをとることができる。ブロック１２０８において、もしセルＣＥＬＬ−ｉが第１のグループに属しているならば（例えば、ｉが奇数であるとき）、フローチャート１２００は、ブロック１２１０に進行すると共に、セルＣＥＬＬ−ｉのためのバランス用時刻ＴＢＡＬＡＮＣＥに、図１０においてＴＳ１という符号で分類された時刻スロットのような、第１の一連の離散時刻スロットが割り当てられる。ブロック１２０８において、もしセルＣＥＬＬ−ｉが第２のグループに属しているならば（例えば、ｉが偶数であるとき）、フローチャート１２００は、ブロック１２１２に進行すると共に、セルＣＥＬＬ−ｉのためのバランス用時刻ＴＢＡＬＡＮＣＥに、図１０においてＴＳ２という符号で分類された時刻スロットのような、第２の一連の離散時刻スロットが割り当てられる。第１の一連の離散時刻スロットと第２の一連の離散時刻スロットは、相互に排他的である。フローチャート１２００は、バランス用時刻ＴＢＡＬＡＮＣＥにおいてセルＣＥＬＬ−ｉのバランスをとるために、ブロック１２１４に進行する。
【００６６】
一実施例において、セルＣＥＬＬ−ｉのバランスをとるために、セルＣＥＬＬ−ｉに連結されたシャント経路は、シャント経路を流れるシャント電流を使用可能にするように、導通状態にされる。ブロック１２１６において、セルＣＥＬＬ−ｉは、セルＣＥＬＬ−ｉに関するバランシングが終了したかどうかを判定するために、例えば監視回路１１０４によって監視される。もしセルＣＥＬＬ−ｉがまだバランスをとる必要があるならば、フローチャート１２００は、各セルを監視し続けるためにブロック１２０４に戻る。もしセルＣＥＬＬ−ｉが他のセルとバランスがとられたならば、フローチャート１２００は、セルＣＥＬＬ−ｉに関するバランシングを終了するためにブロック１２１８に進行する。続いて、フローチャート１２００は、各セルを監視し続けるために、ブロック１２０４に戻ることができる。
【００６７】
有利に、本発明の一実施例によれば、そのコストが削減され得るように、シャント経路を制御するための余分なピンは省略される。更に、電流方向の衝突は、時間多重化アルゴリズムを使用することによって回避され得る。その結果として、一実施例において、複数のセルは、単一の制御装置によって、実質的に同時にバランスがとられ得る。一実施例において、セルバランシング回路は、電池の充電状態、電池の放電状態、またはスタンバイ状態において、使用され得る。
【００６８】
ここで使用されたそれらの用語及び表現は、限定ではなく、記述の用語として使用され、そのような用語及び表現の使用において、示されると共に説明されたあらゆる特徴（またはその一部分）と同等なものを除外する意図はなく、そして様々な修正物が請求項の範囲内で可能であることが認識される。他の修正物、変化物、及び代替物が、同様に可能である。従って、請求項は、全てのそのような等価物を包含することを意図している。
【符号の説明】
【００６９】
１０２    第１のセル
１０３    第２のセル
１０６、１０８、１１２    抵抗器
１１０    制御装置
１０１、１１４    電流制限抵抗器
１０４、１１６    放出（bleeding）制御スイッチ
２１０    制御装置
２１２、２１６    内部スイッチ
２１４    内部スイッチ制御ユニット
３００    電気システム
３０２    機能モジュール
３０４    電池パック
４００    セルバランシング回路
４０１    電流制限抵抗器
４０４    放出（バランス）制御スイッチ
４０６    第２の抵抗器
４０８    第１の抵抗器
４１０    制御装置
４１２    電流シンク制御ユニット
４１４    電流調整器（内部電流シンク）
５００    セルバランシング回路
５０４    放出制御スイッチ
５１０    制御装置
５１２    電流ソース制御ユニット
５１３    電源Ｖｃｃ
５１４    定電流調整器（内部電流ソース）
６１０    制御装置
６１２    電流シンク制御ユニット
６１４−１〜６１４−Ｎ    電流調整器（電流シンク）
７１０    制御装置
７１２    電流ソース制御ユニット
７１４−１〜７１４−Ｎ    電流調整器（電流ソース）
７１８    電源Ｖｃｃ
９００    セルバランシング回路
９１０    制御装置
９１２    内部スイッチ制御ユニット
１１００    電池管理システム
１１０２    充電器
１１０４    監視回路
１１０６    電池パック
ＣＥＬＬ−１〜ＣＥＬＬ−Ｎ    セル
Ｑ１−１〜Ｑ１−Ｎ    放出制御スイッチ
Ｑ２−１〜Ｑ２−Ｎ    内部スイッチ
Ｒｃ−１〜Ｒｃ−Ｎ    抵抗器
Ｒ０−０〜Ｒ０−Ｎ    抵抗器
ＢＡＴ０〜ＢＡＴＮ    端子
ＣＢ１、ＣＢ２    専用のピン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
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