(57)【要約】      （修正有）【課題】バッテリーのセルの充電の均衡を保つ変換器（コンバーター）を提供する。【解決手段】電気バッテリーの複数のセルＣの均衡化を図る変換器であり、該変換器は、非消散型のものであって複数のセルに接続されたスイッチ・マトリックスＭＣとスイッチ・マトリックスＭＣに接続され、スイッチ・マトリックスＭＣの制御を介して複数のセルＣの各１つを充電及び／または放電することができる均衡化手段とを備える。変換器は、さらに、スイッチ型構造のスイッチ・マトリックスＭＣに接続された診断手段ＤＩＡを有する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気バッテリーの複数のセルの均衡化を図る変換器であって、前記複数のセル（Ｃ）に接続された複数のスイッチを有するスイッチ・マトリックス（ＭＣ）と、前記スイッチ・マトリックス（ＭＣ）に接続され、前記スイッチ・マトリックス（ＭＣ）の制御を介して前記複数のセル（Ｃ）の各１つを充電及び／または放電することができる均衡化手段（ＥＱＵ）と、を有する変換器において、
セル（Ｃ）診断手段（ＤＩＡ）をも備え、前記診断手段（ＤＩＡ）は、診断されるべき任意のセルに対してスイッチ制御が前記診断手段（ＤＩＡ）を接続することができるように、前記スイッチ・マトリックス（ＭＣ）に接続されていることを特徴とする、変換器。
【請求項２】
前記診断手段（ＤＩＡ）は、特に、前記少なくとも１つのセルの充電状態及び／又は劣化状態を判定する、請求項１に記載の変換器。
【請求項３】
前記診断手段（ＤＩＡ）は、電気化学的インピーダンス・スペクトロスコピーを実行することができる、請求項１または２に記載の変換器。
【請求項４】
前記診断手段（ＤＩＡ）は、電流源（Ｓ）と電圧センサー（Ｖ）とを有する少なくとも１つの回路からなる、請求項３に記載の変換器。
【請求項５】
前記電流源（Ｓ）は前記バッテリーによって供給される、請求項４に記載の変換器。
【請求項６】
前記均衡化手段（ＥＱＵ）は、セルからセルへのタイプの、または、セルからバッテリーへのタイプの、または、バッテリーからセルへのタイプの、または、双方向のタイプの静止型変換器を有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の変換器。
【請求項７】
前記スイッチは、特にＭＯＳ−ＦＥＴ型である半導体スイッチであるか、または無接点リレーである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の変換器。
【請求項８】
前記均衡化手段（ＥＱＵ）と前記診断手段（ＤＩＡ）とが交互に使用される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の変換器。
【請求項９】
充電の均衡化が、既になされた少なくとも１回の診断に基づいて実行される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の変換器。
【請求項１０】
前記バッテリーは複数のリチウム・イオン・セル（Ｃ）からなる、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の変換器。
【請求項１１】
複数のセルから構成される電気バッテリーを備える、特にモーター車両である電気またはハイブリッド車両において、前記セルの充電を均衡化させる請求項１乃至１０のいずれか１項に記載された均衡化変換器を備えることを特徴とする、電気またはハイブリッド車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気バッテリーの充電の均衡を保つことの分野に関し、特に、電気モーター車両またはハイブリッド・モーター・車両のために電気バッテリーの充電の均衡を保つことに関する。
【背景技術】
【０００２】
特に電気車両またはハイブリッド車両においてバッテリーが使用されるとき、そのバッテリーを構成する複数のセルは、充電及び放電の複数のサイクルを被る。種々のセルの特性のばらつき、特にファラデー効率のばらつきは、バッテリーの寿命の間に、充電の不均衡をもたらす。ところでセルは、明確に定義された動作範囲内に留まっていなければならない。
【０００３】
バッテリーの寿命とその安全な使用を延長しつつバッテリーの容量を維持するためには、バッテリーを構成する種々のセルの均衡化を図ることが不可欠である。均衡化(balancing)は、セルの全てが同じ充電状態となるようにセル間で電気量を移すことにある。実際、１つのセルがその動作範囲から外れるや否や、影響を受けるものはバッテリーの全体となる。最良のバッテリー性能を維持するために、各セルにおいて均衡化システムが関与する必要がある。ところで電圧低下は、エネルギーの変換に関し、負の要因である。さらに、均衡化システムが効率的であるためには、各セルの充電状態が知られていなければならない。
【０００４】
文献では、バッテリーのセルの均衡化を図るためのいくつかの解決策が与えられている。これらの解決策は、２つの種類、すなわち消散的(dissipative)と非消散的(non-dissipative)とに分類することができる。
【０００５】
最初の種類の場合、実装は簡単であり、最も充電されているセルのエネルギーの一部が、例えば抵抗において、消散される。これは、それらのセルの充電量を減少させ、したがってバッテリーの充電量も減少させる。
【０００６】
非消散型システムの場合、セルの放電又は充電を通じて、１つのセルから次のセルへと電気量が移される。このような非消散型システムは、３つのカテゴリに分類することができる。それらのシステムは、「スイッチ型」と呼ばれる構造を備えるシステムと、「直列」構造を備えるシステムと、「並列」構造を備えるシステムとである。
【０００７】
「スイッチ型」と呼ばれる構造を備えるシステムは、スイッチ・マトリックスとも呼ばれる制御される複数のスイッチのマトリックス（あるいは集合）を用いて、単一の静止型(static)変換器（コンバーター）の出力を所望のセルに接続する経路を定めることにある。この技術は、限られた数の部品を使用し、これは、それ自体のサイズを小さくすることを可能にする。この種の構造は、特に、以下の文献において説明されている：
Fast battery equalization with isolated bidirectional DC-DC converter for PHEV applications（ＰＨＥＶへの応用のための絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣ変換器を用いた高速バッテリー均衡化）, Ziling Nie and Chris Mi, Department of electrical and computer engineering, University of Michigan Dearborn, Journal IEEE 2009（非特許文献１）；及び
Battery Cell Balancing: What to Balance and How（バッテリー・セルの均衡化：何をどのように均衡化すべきか）, Yevgen Barsukov, Texas Instruments（非特許文献２）。
【０００８】
「直列」構造の原理は、２つ連続するセルの間に静止型変換器を配置することにある。一般にこの構造は、膨大な数の部品を備え、連続するセル間での電気量の移動を可能にするのみである。
【０００９】
「並列」構造では、ガルバニック絶縁を介して複数の静止型変換器が全てのセルの相互間での直接接続を可能にする。一般にこれらの構造は、１つの変換器がいくつかのセルを制御しかつ絶縁トランスを用いることを必要とするので、動作するには複雑すぎるものとなる。この絶縁トランスは、重いという欠点を有し、これは、車両上に搭載して統合することとはほとんど両立しない。この欠点を克服するために、スイッチング周波数を高くすることが検討されてきたが、この方法は、スイッチング損失及び伝導損失とともに電磁干渉を大幅に大きくする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】仏国特許公開第ＦＲ  ２９５６７４３Ａ号
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】NIE, Ziling; MI, Chris. Fast battery equalization with isolated bidirectional DC-DC converter for PHEV applications. In: Vehicle Power and Propulsion Conference, 2009. VPPC'09. IEEE. IEEE, 2009. p. 78-81
【非特許文献２】BARSUKOV, Yevgen. Battery cell balancing: what to balance and how. [online], 2005年, Texas Instruments, インターネット〈ＵＲＬ：http://focus.ti.com/download/trng/docs/seminar/Topic 2 - Battery Cell Balancing - What to Balance and How.pdf〉
【非特許文献３】VINH, Dinh. Diagnostic de batteries Lithium ion dans des applications embarquees. PhD Thesis. [online], 2010年, Universite de Technologie de Compiegne, インターネット〈ＵＲＬ：http://www.utc.fr/lec/theses/manuscrits/THESE_DO.pdf〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
消散型であろうと非消散型であろうとも、均衡化システムは、各バッテリーに対してなされるべき診断を行うことができない。実際のところ、インピーダンス・スペクトロスコピー（インピーダンス分光法）のような現在使用されている診断ツールは、車両に搭載して据え付けることができない。これらの診断ツールは、かさばっており、均衡化システムからは物質的に独立していることを必要とする。
【００１３】
これらの欠点を克服するために、本発明は、バッテリーの複数のセルを均衡化するための変換器（コンバーター）に関する。変換器は、非消散型のものであってスイッチ型構造を備え、さらに、スイッチ型構造のスイッチ・マトリックスに接続される診断手段を備えている。その結果、診断手段を車載で使用することができ、限定的な空間要求の下で、全てのセルの診断と均衡化のために、スイッチ・マトリックスを使用することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、電気バッテリーの複数のセルの均衡化を図る変換器に関する。前記変換器は、前記複数のセルに接続された複数のスイッチを有するスイッチ・マトリックスと、前記スイッチ・マトリックスに接続され、前記スイッチ・マトリックスの制御を介して前記複数のセルの各１つを充電及び／または放電することができる均衡化手段と、を有する。変換器は、セル診断手段をも備える。前記診断手段は、診断されるべき任意のセルに対してスイッチ制御が前記診断手段を接続することができるように、前記スイッチ・マトリックスに接続されている。
【００１５】
本発明によれば、前記診断手段は、特に、前記少なくとも１つのセルの充電状態及び／又は劣化状態を判定する。
【００１６】
有利なことには、前記診断手段は、電気化学的インピーダンス・スペクトロスコピーを実行することができる。
【００１７】
好ましくは、前記診断手段は、電流源と電圧センサーとを有する少なくとも１つの回路からなる。
【００１８】
有利なことには、前記電流源は前記バッテリーによって供給される。
【００１９】
本発明の一実施態様によれば、前記均衡化手段は、セルからセルへのタイプの、または、セルからバッテリーへのタイプの、または、バッテリーからセルへのタイプの、または、双方向のタイプの静止型変換器を有する。
【００２０】
さらに、前記スイッチは、特にＭＯＳ−ＦＥＴ型である半導体スイッチであるか、または無接点リレーであることができる。
【００２１】
有利なことには、前記均衡化手段と前記診断手段とが交互に使用される。
【００２２】
有利なことには、充電の均衡化は、既になされた少なくとも１回の診断に基づいて実行される。
【００２３】
本発明の一実施態様によれば、前記バッテリーは複数のリチウム・イオン・セルからなる。
【００２４】
本発明はまた、複数のセルから構成される電気バッテリーを備える、特にモーター車両である電気またはハイブリッド車両に関する。車両は、前記セルの充電を均衡化させる、上記に定義された均衡化変換器を備える。
【００２５】
本発明に基づく方法の他の特徴及び利点は、下記に説明するような添付の図面を参照して、限定することを意図しない例によって与えられた実施形態についての以下の説明を読むことによって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明に基づく均衡化変換器を示す図である。
【図２】図２は、本発明の基づく装置によって使用されるＤＣ−ＤＣ（直流−直流）変換器を示す。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態に基づく均衡化変換器のためのスイッチ・マトリックス及び均衡化手段を示す。
【図４】図４は、本発明の第２の実施形態に基づく均衡化変換器のためのスイッチ・マトリックス及び均衡化手段を示す。
【図５】図５は、本発明の第３の実施形態に基づく均衡化変換器のためのスイッチ・マトリックス及び均衡化手段を示す。
【図６】図６は、本発明の基づく均衡化変換器のための診断手段を示す。
【図７】図７は、本発明の第１の実施形態に基づく均衡化変換器を示す。
【図８】図８は、本発明の第２の実施形態に基づく均衡化変換器を示す。
【図９】図９は、本発明の第４の実施形態に基づく均衡化変換器を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、本発明に基づく均衡化変換器を図式的に示している。本発明に基づく変換器（コンバーター）は、バッテリー（ＢＡＴ）の複数のセル（Ｃ）の充電を均衡化することを可能にする。変換器は、制御される複数のスイッチからなり複数のセル（Ｃ）に接続されたスイッチ・マトリックス（ＭＣ）と、スイッチ・マトリックス（ＭＣ）に接続されて各セル（Ｃ）を充電及び／又は放電することができる均衡化手段（ＥＱＵ）と、を備えている。本発明に基づけば、変換器は非消散型のものであって、その構造は、「スイッチ型(switched)」と呼ばれる。スイッチ・マトリックス（ＭＣ）の複数のスイッチは、セル（Ｃ）を充電又は放電するために制御される。その上、本発明に基づく変換器は、バッテリー（ＢＡＴ）の少なくとも１つのセル（Ｃ）を診断するための診断手段（ＤＩＡ）を備える。本発明に基づく組立体は、スイッチ・マトリックス（ＭＣ）を介して、均衡化されるべきセル上を“滑って動く”単一の絶縁型の静止型(static)変換器を含んでおり、その動作は、診断されるべきセルに関して同様である。スイッチ手段のこの相互化を介して、診断手段を車載形態に統合することができ、使用される部品の個数が限定されたものとなり、均衡化変換器の寸法が小さくなる。
【００２８】
診断手段（ＤＩＡ）は、特にＳｏＣ(state of charge)と記されるセルの充電状態とＳｏＨ(state of health)と記されてセルの経年を示すセルの劣化状態との決定によって、バッテリー（ＢＡＴ）のセル（Ｃ）の状態の試験を行うことができる手段であると理解される。好ましくは、この充電状態及びこの劣化状態の決定のために、電気化学的インピーダンス・スペクトロスコピー（ＥＩＳ：electrochemical impedance spectroscopy）技術によって、インピーダンスが測定される。セルの電気化学的インピーダンスは、セルの端子での電位差とそこを流れる電流との間の伝達関数として定義される。これは、励起信号への応答の周波数解析によって一般に決定される複素量である。実際には、任意のタイプの励起を使用できる。文献には、本発明に基づく診断手段に適した、特に興味深い３つのタイプの励起が記載されている。それらのタイプは以下に示すものである。
【００２９】
ａ）異なる周波数での正弦波励起信号。
【００３０】
【数１】
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【００３１】
を計算して、以下の種類の式
【００３２】
【数２】
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【００３３】
を用いるインピーダンスを求める。
【００３４】
ｂ）インパルス信号。したがって測定は、インパルス・インピーダンス測定と呼ばれる。文献：Diagnostic de batteries Lithium-ion dans des applications embarquees, Dinh Vinh Do, Laboratoires d'electromecanique de Compiegne, 2010は、このタイプの励起を用いる方法を説明している。
【００３５】
ｃ）セル内に存在する雑音に基づくランダム励起信号。特許出願ＦＲ２９５６７４３Ａは、この技術を用いる方法を説明している。
【００３６】
図６は、本発明に基づく均衡化変換器に関して使用できる診断手段（ＤＩＡ）を示している。図示されるように、診断手段（ＤＩＡ）は、（例えば、正弦波又はインパルス信号を生成することによる）励起のための電流源Ｓと、電圧を測定するための電圧センサー又は電圧計（Ｖ）とを使用する電気化学的インピーダンス・スペクトロスコピーを実行することができる。好ましくは、電流源（Ｓ）は、バッテリーによって供給される。次にインピーダンスが信号の解析によって求められ、そこから充電状態ＳｏＣ及び劣化状態ＳｏＨが推定される。
【００３７】
スイッチ・マトリックスは「時空(spatiotemporal)」多重を行うことができるので、均衡化機能及び診断機能の統合が許される。一方で、空間多重はこれら２つの機能が交互に達成されることを可能にし、他方で、これらの機能が同時に達成される必要がないことから、時間多重が使用される。
【００３８】
本発明に基づけば、均衡化手段（ＥＱＵ）は、４つの均衡化技術、すなわち、セルからセルへ、セルからバッテリーへ、バッテリーからセルへ、及び、双方向、のうちの１つの技術を実行することができる。選択された均衡化技術に基づいて、エネルギー移動に適した静止型変換器が定義される。図２に示される静止型変換器は、電力源（Ｓｅ）を所与の受容体あるいは出力源（Ｓｓ）に適合させることを可能にするシステムであることが想起される。随意にガルバニック絶縁を備えていてもよいＤＣ−ＤＣ静止型変換器は、固定電圧源から、調節可能な平均値を有するリップル電圧を得ることを可能にする。このタイプの静止型変換器は、チョッパーとも呼ばれる。
【００３９】
接続されるべき入力（Ｓｅ）源及び出力（Ｓｓ）源（図２参照）の種類に依存して、以下のように４種類のＤＣ−ＤＣ変換器が存在する：
・入力電圧源を出力電流源に接続するための直列チョッパー；
・入力電流源を出力電圧源に接続するための並列チョッパー；
・２つの電流源を接続するための容量性蓄積チョッパー；
・２つの電圧源を接続するための誘導性蓄積チョッパー。
【００４０】
静止型変換器の特徴は均衡化技術に依存し、それらは表１に要約されている。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
図３〜図５は、その静止型変換器と関連付けられた、異なるエネルギー移動技術のための種々のスイッチ・マトリックスを示している。これらの図において、また、図７〜図９において、３個の結び付けられていない点からなる組は、回路の一方の部分または他方の部分と閉じることができるスイッチの存在を示している。
【００４３】
セルＸから任意のセルＹへのエネルギー移動のために図２の構成を使用することができ、ここではスイッチ・マトリックス（ＭＣ）は、Ｎ個のセル（Ｃ）に対して２Ｎ＋２個のスイッチから成り立っている。この実施形態に基づいて、最も充電されていないセルの充電と最も充電されたセルの放電とを可能とするために、最も充電されていないセルを最も充電されたセルに接続するように、スイッチ・マトリックス（ＭＣ）のスイッチが閉成される。この実施形態のために、スイッチ・マトリックス（ＭＣ）のスイッチのうちの２つを閉成することを介して、放電されるべきセルに静止型変換器（ＤＣ−ＤＣ）の入口を接続することができ、スイッチ・マトリックス（ＭＣ）のスイッチのうちの２つを閉成することを介して、充電されるべきセルに静止型変換器（ＤＣ−ＤＣ）の出口を接続することができる。不可逆型の静止型ＤＣ−ＤＣ変換器は、全ての所望のエネルギー移動を可能にする。なおこの構成では、静止型ＤＣ−ＤＣ変換器の大きさを適切なものとすることとスイッチ・マトリックスの適切な制御とを用いることによって、バッテリーからセルへのエネルギー移動を行うこととその逆を行うことも可能である。
【００４４】
あるいは、バッテリーからセルへのエネルギー移動のみが実行されるのであれば、図４の構成がより適切である。この解決策は、上記の解決策に関連して、スイッチ・マトリックス（ＭＣ）のためにより限られた数のスイッチを使用する。この実施形態に関して、Ｎ個のセル（Ｃ）に対してＮ＋１個のスイッチが使用される。さらに、静止型変換器の入口はバッテリー（すなわち全てのセル）に接続され、その出口を、２つのスイッチを閉成することを通じて、充電されるべきセル（Ｃ）に接続することができる。双方向のエネルギー移動が望まれるのであれば、可逆型の静止型ＤＣ−ＤＣ変換器が使用される。あるいは、エネルギー移動が一方向のみに起こるのであれば、非可逆型の静止型ＤＣ−ＤＣ変換器が使用される。
【００４５】
本発明の第３の実施形態に基づくと、スイッチ・マトリックス（ＭＣ）に接続された、（０Ｖバッテリーに関連して）基準を定められない(non-referenced)静止型ＤＣ−ＤＣ変換器を用いることができる。この種類の変換器は、（２つのセル間の電位差に対応する）低い電圧に対して大きさが適合されるという有利な点を与える。図４は、この実施形態に基づく均衡化手段の配置を示しており、スイッチ・マトリックス（ＭＣ）は、この場合、Ｎ個のセル（Ｃ）に対して２Ｎ個のスイッチを有する。
【００４６】
スイッチ・マトリックス（ＭＣ）は、
ＭＯＳＦＥＴ型の半導体スイッチ（すなわち、金属−酸化物―半導体電界効果トランジスタ）、または、
１Ａまでの全体として絶縁された安価なスイッチであって、２または４個のスイッチを有する集積回路として販売されている無接点(static)リレー（あるいはソリッド・ステート・リレー（ＳＳＲ：Solid State Relay））、
から構成されることができる。
【００４７】
この両方の場合において、スイッチ・マトリックス（ＭＣ）の大きさは、Ｉeq_max／Ｑeq_max比、すなわち、セルあたりの移動されるべき最大電荷量に対する最大均衡化電流の比に依存する。
【００４８】
図７〜図９は、種々の均衡化手段を備える本発明に基づく均衡化変調器を示している。
【００４９】
図７は、図６に示される診断手段（ＤＩＡ）が加えられた図３（セルからセルへのエネルギー移動）に示す第１の実施形態に対応する。
【００５０】
図８は、図６に示される診断手段（ＤＩＡ）が加えられた図４（バッテリーからセルへのエネルギー移動）に示す第２の実施形態に対応する。
【００５１】
本発明は、（バッテリーによって供給されることができる）単一の強力な励起源と単一の静止型変換器とを有することの有利点を与える。しかしながら、診断電子回路と均衡化電子回路との相互化を可能にするいくつかのスイッチ・マトリックス（ＭＣ）の構成がある。
【００５２】
もしスイッチ・マトリックス（ＭＣ）が許すのであれば、２（またはそれ以上）のインピーダンス測定を同時に実行することも考慮してもよい。したがって診断手段は、２つの回路からなることができ、その各々は、電流源Ｓと、電圧センサー又は電流計（Ｖ）とから構成される。図９は、（図３に対応する）セルからセルへの均衡化のための、２つの回路からなる診断手段の図である。この第４の実施形態は、特に、診断の間に時間を節約することを可能にする。
【００５３】
セルの充電を均衡化し、かつ診断を実行するために、スイッチ・マトリックス（ＭＣ）のスイッチが制御される。均衡化の場合において、スイッチ・マトリックス（ＭＣ）のスイッチの開放と閉成とを制御するために、種々のアルゴリズムを使用することができる。最も充電されたセルと最も充電されていないセルとを特に検出することができ、最も充電されていないセルが最も充電されているセルによって充電される。この動作は、種々のセル間の充電の差が所与のしきい値を下回るまで繰り返される。セルの充電状態のこの検出は、診断手段（ＤＩＡ）を用いて既に取得された診断結果を使用する。診断の場合において、スイッチ・マトリックス（ＭＣ）のスイッチを制御することに関し、異なる診断戦略を考えることができる。各セルは、例えば、順々に（あるいは事前に定めた順番で）診断されることができ、（サイクル下でのセルの挙動である）ログにしたがって、あるセルを最初に診断することができる。スイッチ・マトリックスのこの制御は、バッテリー管理システム（ＢＭＳ：Battery Management System）によって達成される。
【００５４】
本発明に基づく均衡化変換器は、任意の種類のバッテリーに対して使用することができるが、特に、リチウム・イオン・バッテリーによく適合している。実際、この技術に関し、十分に制御されていない充電は、蓄電池の破壊をもたらす可能性がある。
【００５５】
本発明は、バッテリーを有する電気車両またはハイブリッド車両に車載形態に統合されることができ、これらの車両は特にモーター車両である。
【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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