(57)【要約】      （修正有）【課題】セルの充放電の際に安全に動作し、バランシング回路のサイズおよびコストを最適化する。【解決手段】モニタリング装置は、電池システム管理部（ＢＳＭ２３０）から入力信号を受け取るよう構成されている入力端子２１４と、入力信号に基づき、モニタリング装置に接続された電池スタック２２０内の複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる開放セル電圧を決定するために用いられるセルパラメータを出力する出力端子２１２と、プロセッサと、命令を記憶するメモリとを備える。電池スタック内の複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるセル電圧を測定し、測定されたバランシング電流と対応づけられる電圧降下を測定し、測定された電圧降下に基づき測定されたセル電圧を調整することにより開放セル電圧を計算し、それに基づき、電池スタックをバランシングすることを実行させる。バランシングおよび開放セル電圧の計算は並行して行なわれる。【選択図】図２
2014226029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池スタックバランシングの際に開放セル電圧をモニタするよう構成されているモニタリング装置であって、前記モニタリング装置は：
電池システム管理部（ＢＳＭ）から入力信号を受け取るよう構成されている入力端子と、
ＢＳＭから受け取られた入力信号に基づき、モニタリング装置に接続された電池スタック内の複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる開放セル電圧を決定するために用いられるセルパラメータを出力するよう構成されている出力端子と、
プロセッサと、
実行可能な命令を記憶するメモリとを備え、実行可能な命令により、プロセッサに：
電池スタック内の前記複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるセル電圧を測定し、
測定されたバランシング電流と対応づけられる電圧降下を測定し、
測定された電圧降下に基づき測定されたセル電圧を調整することにより開放セル電圧を計算し、
計算された開放セル電圧に基づき、前記電池スタックをバランシングすることを実行させ、バランシングおよび前記開放セル電圧の計算は並行に行なわれる、モニタリング装置。
【請求項２】
前記モニタリング装置は前記ＢＳＭおよび前記電池スタックの間にあり、さらに
統合されたパワースイッチと、
入力端子で受け取られた入力信号に基づき、測定可能なパラメータを出力端子に出力するよう構成されているアナログマルチプレクサとを備え、前記測定パラメータは、バランシングが能動化された状態での電池スタック内の前記複数のセルのうちの１つのセルのセル電圧、バランシングが不能化された状態でのセル電圧、バランシング電流に比例する電圧、前記モニタリング装置の内部ダイ温度に比例する電圧、および／またはハンドシェイク電圧を含む、請求項１に記載のモニタリング装置。
【請求項３】
前記ハンドシェイク電圧は、前記ＢＳＭによる測定読取の精度を定める、請求項２に記載のモニタリング装置。
【請求項４】
バランシング電流を測定するための電流検知増幅器をさらに備え、メモリはさらに、前記プロセッサに、前記モニタリング装置のバランシング電流をアクティブにモニタし、モニタされたバランシング電流に基づき電圧降下を計算して、バランシングの際に前記複数のセルのうちの１つのセルが過充電または十分に充電されないのを避けることを実行させさせるための実行可能な命令を記憶する、請求項１に記載のモニタリング装置。
【請求項５】
前記モニタリング装置はモノリシックフライバックＤＣ／ＤＣコンバータを含む、請求項１に記載のモニタリング装置。
【請求項６】
前記メモリはさらに、前記プロセッサに：
入力端子で受け取られた入力信号の第１のネガティブエッジで前記モニタリング装置を活性化させ、
前記モニタリング装置が活性である間の時間の窓を規定する時間窓を開始し、
前記時間窓の間、入力端子のネガティブパルスの数を数え、
前記入力端子のネガティブパルスの最後に数えられた数に対応して、ハンドシェイク電圧を出力端子に出力し、
前記時間窓が終了すると数えられたネガティブパルスの数に基づき、セルパラメータに比例する電圧を出力することを実行させる実行可能な命令を記憶する、請求項１に記載のモニタリング装置。
【請求項７】
前記モニタリング装置は、1本線の電池接続を介して電池スタックに接続され、前記電池スタックへの前記モニタリング装置の接地接続は、別のモニタリング装置の前記電池スタックへのVcell接続と共通の経路を共有する、請求項１に記載のモニタリング装置。
【請求項８】
前記メモリはさらに前記プロセッサに、以下の式
【数１】
2014226029.tif 000021
に基づいて開放セル電圧を計算することを実行させる実行可能な命令を記憶し、式において、
Ｖn,Aは前記複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる開放セル電圧であり、
Ｖn,Bは前記複数のセルのうちの１つのセルについて、前記モニタリング装置によって測定されたセル電圧であり、
Ｒn-1,AおよびＲn-1,Bは、前記モニタリング装置の接地端子をセルのネガティブ端子に接続する線に対応づけられる抵抗であり、
Ｒn,AおよびＲn,Bは前記モニタリング回路のVcellピンをセルのプラス端子に接続する線に対応づけられる抵抗であり、
Ｒn,CELLは前記複数のセルのうちの１つのセルより下のセルおよび上のセルと共通した経路を有さないすべてのインピーダンスを考慮した抵抗であり、
Ｉnは前記複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、  Ｉn-1は前記複数のセルのうちの１つのセルの下のセルに対応づけられるバランシング電流であり、
Ｉn+1は前記複数のセルのうちの１つのセル上のセルに対応づけられるバランシング電流であり、
ＩMODは前記複数のセルを同時に流れる電流である、請求項７に記載のモニタリング装置。
【請求項９】
前記モニタリング装置は、２本線の電池接続を介して電池スタックに接続され、電池スタックへの前記モニタリング装置の接地接続は、前記電池スタックへの第２のモニタリング装置のVcell接続と共通の経路を共有せず、前記第２のモニタリング装置は前記モニタリング回路に隣接し、かつ下にある、請求項１に記載のモニタリング装置。
【請求項１０】
前記メモリは、さらに前記プロセッサに、以下の式
【数２】
2014226029.tif 000022
に基づいてモニタリング回路に対応づけられるインピーダンスを計算することを実行させる実行可能な命令をさらに記憶し、式において
Ｖn,MODE0は、前記モニタリング装置が不能化されて、前記複数のセルのうちの１つのセルのセル電圧に対応し、
Ｖn,MODE1は、前記モニタリング装置が能動化されて、前記複数のセルのうちの１つのセルのセル電圧に対応し、
Ｉnは前記複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、
ＩMODは前記複数のセルを同時に流れる電流であり、
Ｒn,CELLは前記複数のセルのうちの１つのセルの直接電流抵抗（ＤＣＲ）および接続抵抗である、請求項９に記載のモニタリング装置。
【請求項１１】
前記メモリは、さらに前記プロセッサに、２本線の電池接続で、以下の式
【数３】
2014226029.tif 000023
に基づき開放セル電圧を計算することを実行させる実行可能命令をさらに記憶し、式において
Ｖn,Aは前記複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる開放セル電圧であり、
Ｖn,Bは前記複数のセルのうちの１つのセルについて、前記モニタリング装置によって測定されたセル電圧であり、
Ｒnは前記複数のセルのうちの１つのセルに接続されるモニタリング装置のＶCELLピンに対応づけられるインピーダンスであり、
Ｒn-1は前記複数のセルのうちの１つのセルの下のセルに接続されるモニタリング装置に対応づけられるインピーダンスであり、
Ｒn,CELLは前記複数のセルのうちの１つのセルのＤＣＲおよび接続抵抗であり、
Ｉｎは前記複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、
Ｉn-1は前記複数のセルのうちの１つのセルの下のセルに対応づけられるバランシング電流であり、
ＩMODは前記複数のセルを同時に流れる電流である、請求項１０に記載のモニタリング装置。
【請求項１２】
前記メモリはさらに前記プロセッサに、前記複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる電圧垂下を測定し、前記電圧垂下および電圧降下に基づき開放セル電圧を計算することを実行させる実行可能命令をさらに記憶する、請求項１に記載のモニタリング装置。
【請求項１３】
前記電圧垂下は、前記複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるモニタリング装置のしきい値時間がオンになった後、開放セル電圧を計算する際に電圧降下に加える、請求項１に記載のモニタリング装置。
【請求項１４】
システムであって、複数のモジュールを備え、各モジュールは電池スタックと、電池スタックの複数のセルのうちの１つのセルをバランシングするための、請求項１のモニタリング回路と、開放電圧を測定するためのモジュールシステム管理部とを含み、開放セル電圧の測定およびセルのバランシングは並行に行なわれ、さらに
前記複数のモジュールに結合されたモジュール−スタックバランサを備え、前記モジュール−スタックバランサは、複数のバランサを含み、各バランサは複数のモジュールのうちの１つのモジュールに対応づけられ、前記モジュール−スタックバランサは、モジュール間で電圧または蓄積された電荷をバランシングするよう構成されている、システム。
【請求項１５】
ＩＲ補償アクティブセルバランシング方法であって、前記方法は：  
モニタリング装置の入力端子において、電池システム管理部（ＢＳＭ）から入力信号を受け取るステップと、
入力信号に応答して、モニタリング装置を活性化して、モニタリング装置に結合された電池スタック内の複数のセルのうちの１つのセルをバランシングするステップと、
前記複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるセル電圧を測定するステップと、
測定されたバランシング電流に対応づけられる電圧降下を測定するステップと、
前記測定された電圧降下に基づき、測定されたセル電圧を調整することにより、前記複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる開放セル電圧をプロセッサによって計算するステップと、
プロセッサが計算した開放セル電圧に基づき、電池スタックをバランシングするステップとを備え、バランシングおよび開放セル電圧を計算することは並行に行なわれる、方法。
【請求項１６】
さらに、入力端子で受け取られた入力信号に基づき、測定可能なパラメータを出力端子に出力するステップを備え、前記測定パラメータは、バランシングが能動化された状態での、電池スタック内の複数のセルのうちの１つのセルのセル電圧、バランシングが不能化された状態でのセル電圧、バランシング電流に比例する電圧、モニタリング装置の内部ダイ温度に比例する電圧、および／またはハンドシェイク電圧を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記モニタリング装置のバランシング電流をアクティブにモニタするステップと、
モニタされたバランシング電流に基づき電圧降下を計算して、バランシングの際に複数のセルのうちの１つのセルが過充電または十分に充電されないのを避けるステップとを備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記モニタリング装置はモノリシックフライバックＤＣ／ＤＣコンバータを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記モニタリング装置の活性化は、入力端子で受け取られた入力信号の第１のネガティブエッジでモニタリング装置を活性化することを含み、前記方法はさらに、
前記モニタリング装置が活性である時間の窓を規定する時間窓を開始するステップ、
時間窓の間入力端子のネガティブパルスの数を数えるステップ、および
入力端子のネガティブパルスの最後に数えたものに対応して、出力端子にハンドシェイク電圧を出力するステップ、および
前記時間窓が終了すると、数えたネガティブパルスの数に基づきセルパラメータに比例する電圧を出力するステップをさらに備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記開放セル電圧の計算は、以下の式
【数４】
2014226029.tif 000024
に基づき、開放電圧を計算することを含み、式において、
Ｖn,Aは前記複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる開放セル電圧であり、
Ｖn,Bは前記複数のセルのうちの１つのセルについて、モニタリング装置によって測定されたセル電圧であり、
Ｒn-1,AおよびＲn-1,Bは、前記モニタリング装置の接地端子をセルのネガティブ端子に接続する線に対応づけられる抵抗であり、
Ｒn,AおよびＲn,Bはモニタリング回路のVcellピンをセルのプラス端子に接続する線に対応づけられる抵抗であり、
Ｒn,CELLは複数のセルのうちの１つのセルより下のセルおよび上のセルと共通した経路を有さないすべてのインピーダンスを考慮した抵抗であり、
Ｉnは前記複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、
Ｉn-1は前記複数のセルのうちの１つのセルの下のセルに対応づけられるバランシング電流であり、
Ｉn+1は前記複数のセルのうちの１つのセル上のセルに対応づけられるバランシング電流であり、
ＩMODは、前記モニタリング装置およびＢＳＭを含むモジュールにおいて、前記複数のセルを同時に流れる電流である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
さらに、以下の式
【数５】
2014226029.tif 000025
に基づき、開放セル電圧を計算するために、モニタリング回路に対応づけられるインピーダンスを計算するステップを備え、式において、
Ｖn,MODE0は、モニタリング装置が不能化されて、前記複数のセルのうちの１つのセルのセル電圧に対応し、
Ｖn,MODE1は、モニタリング装置が能動化されて、前記複数のセルのうちの１つのセルのセル電圧に対応し、
Ｉnは前記複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、
ＩMODは前記複数のセルを同時に流れる電流であり、
Ｒn,CELLは複数のセルのうちの１つのセルの直接電流抵抗および接続抵抗である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
開放セル電圧を計算するステップは、以下の式
【数６】
2014226029.tif 000026
に基づき開放電圧を計算することを含み、式において、
Ｖn,Aは前記複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる開放セル電圧であり、
Ｖn,Bは前記複数のセルのうちの１つのセルについて、モニタリング装置によって測定されたセル電圧であり、
Ｒnは前記複数のセルのうちの１つのセルに接続されるモニタリング装置のＶCELLピンに対応づけられるインピーダンスであり、
Ｒn-1は前記複数のセルのうちの１つのセルの下のセルに接続されるモニタリング装置に対応づけられるインピーダンスであり、
Ｒn,CELLは前記複数のセルのうちの１つのセルのＤＣＲおよび接続抵抗であり、
Ｉｎは前記複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、
Ｉn-1は前記複数のセルのうちの１つのセルの下のセルに対応づけられるバランシング電流であり、
ＩMODは前記モニタリング装置およびＢＳＭを含むモジュールにおいて、前記複数のセルを同時に流れる電流である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
モニタリング装置であって、
電池システム管理部（ＢＳＭ）から入力信号を受け取るよう構成されている入力端子と、
前記ＢＳＭから受け取られた入力信号に基づき、モニタリング装置に接続された電池スタック内の複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる開放セル電圧を決定するために用いられるセルパラメータを出力するよう構成されている出力端子と、
プロセッサと、
実行可能な命令を記憶するメモリとを備え、実行可能な命令により、プロセッサに：
電池スタック内の前記複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるセル電圧を測定し、
測定されたバランシング電流と対応づけられる電圧降下を測定し、
前記測定された電圧降下に基づき測定されたセル電圧を調整することにより開放セル電圧を計算し、
前記複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる容量を計算し、
前記計算された容量に基づき、前記複数のセルのうちの１つのセルの蓄積された電荷を計算し、
前記計算された蓄積電荷に基づき前記電池スタックをバランシングすることを実行させ、バランシングおよび開放セル電圧を計算することは並行に行なわれる、モニタリング装置。
【請求項２４】
前記メモリはさらに、前記プロセッサに、以下の式
【数７】
2014226029.tif 000027
に基づき容量を計算することを実行させるための実行可能な命令をさらに記憶し、式において、  
ΔＱnはある時間内で前記複数のセルのうちの１つのセルにおける蓄積された電荷の変化量を表わし、
Δ％ＳＯＣnは時間内で前記複数のセルのうちの１つのセルの充電状態（ＳＯＣ）のパーセンテージ変化を表わし、
Capacitynは前記複数のセルのうちの１つのセルの容量を表わす、請求項２３に記載のモニタリング装置。
【請求項２５】
前記開放セル電圧を計算するために、前記メモリは、第１の開放セル電圧および第２の開放セル電圧を計算し、ＳＯＣのパーセンテージ変化を計算するための実行可能な命令をさらに記憶し、前記メモリはさらに、第１の開放セル電圧を第１のパーセンテージＳＯＣに相関させ、第２の開放セル電圧を第２のパーセンテージＳＯＣに相関させ、第１のパーセンテージＳＯＣと第２のパーセンテージＳＯＣとの差はＳＯＣのパーセンテージ変化に対応するよう構成されているルックアップテーブルを使用するための実行可能な命令を記憶する、請求項２４に記載のモニタリング装置。
【請求項２６】
前記メモリはさらに前記プロセッサに、以下の式：
Ｑn＝％ＳＯＣn・Capacitynに基づき容量を計算することを実行させるための実行可能命令をさらに記憶し、式において
％ＳＯＣnは前記複数のセルのうちの１つのセルのパーセンテージＳＯＣを表わし、
Capacitynは前記複数のセルのうちの１つのセルの容量を表わす、請求項２５に記載のモニタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の詳細な説明
関連出願
本願は、２０１３年４月５日に出願され、「フロート電圧補償アクティブセルバランサは電池容量回復を最大限にし、電池スタックモジュールデザインの安全性を向上させる」と題される、米国特許仮出願第６１／８０９，１９２号の優先権を主張し、その開示はここに引用により援用される。
【背景技術】
【０００２】
背景
ほとんどの電池スタックモニタ（ＢＳＭ）は直接電池スタックに接続され、個々の電池セル電圧しか測定できない。ＭＯＳＦＥＴおよび抵抗器によるパッシブなバランシングが一般的に用いられて、セル電圧および／またはセル蓄積電荷をバランシングさせる。セルバランシングは、ＢＳＭによる電池セル電圧測定の際にはオフにしなければならない。さもなければ、著しい読取エラーが入ってしまう。これは、ケーブルインピーダンス、配線インピーダンス、セルインピーダンス、および内部電池ＥＳＲのＩＲ降下が原因であり得る。これらのＩＲ降下により、セルバランシングデューティサイクルは減少し、場合によってはバランシングが不可能になることもある。アクティブまたはパッシブなバランシングの際に電池フロート電圧を正確に計算するために、電池等価直列抵抗（ＥＳＲ）、ケーブルワイヤ、およびコネクタの間でＩＲ降下を補償する代替の方法は知られていない。電池スタック全体を充電および放電するときに電池ＥＳＲを補償することによりフロート電圧を計算する方法は当該業界にはあるが、電池セル測定の際のバランシングには適用できない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
こうして、バランシングの際にＢＳＭによる電池セル電圧測定を可能にし、かつバランシングの際の測定誤差を解消する（たとえば、セルフロート電圧の誤り補償）のニーズであって、バランシング回路がセルの充電および放電の際に安全に動作し、バランシングデューティサイクルを高め、ならびにバランシング回路のサイズおよびコストを最適化することができるニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
概要
ある包括的局面において、本願は電池スタックバランシングの際に開放セル電圧をモニタするよう構成されているモニタリング装置を記載する。モニタリング装置は、電池システム管理部（ＢＳＭ）から入力信号を受け取るよう構成されている入力端子と、ＢＳＭから受け取られた入力信号に基づき、モニタリング装置に接続された電池スタック内の複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる開放セル電圧を決定するために用いられるセルパラメータを出力するよう構成されている出力端子と、プロセッサと、実行可能な命令を記憶するメモリとを備え、実行可能な命令により、プロセッサに：電池スタック内の複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるセル電圧を測定し、測定されたバランシング電流と対応づけられる電圧降下を測定し、測定された電圧降下に基づき測定されたセル電圧を調整することにより開放セル電圧を計算し、計算された開放セル電圧に基づき、電池スタックをバランシングすることを実行させ、バランシングおよび開放セル電圧の計算は並行に行なわれる。
【０００５】
上記の包括的局面は、以下の特徴を含み得る。モニタリング装置はＢＳＭと電池スタックとの間にあってもよく、さらに統合されたパワースイッチと、入力端子で受け取られた入力信号に基づき、測定可能なパラメータを出力端子に出力するよう構成されているアナログマルチプレクサとをさらに含むことができ、測定パラメータは、バランシングが能動化された状態での電池スタック内の複数のセルのうちの１つのセルのセル電圧、バランシングが不能化された状態でのセル電圧、バランシング電流に比例する電圧、モニタリング装置の内部ダイ温度に比例する電圧、および／またはハンドシェイク電圧を含み得る。ハンドシェイク電圧はＢＳＭによる測定読取の精度を定め得る。
【０００６】
当該モニタリング装置はバランシング電流を測定するための電流検知増幅器をさらに含むことができ、メモリはさらに、プロセッサに、モニタリング装置のバランシング電流をアクティブにモニタし、モニタされたバランシング電流に基づき電圧降下を計算して、バランシングの際に複数のセルのうちの１つのセルが過充電または十分に充電されないのを避けることを実行させさせるための実行可能な命令を記憶する。モニタリング装置はモノリシックフライバックＤＣ/ＤＣコンバータを含むことができる。メモリはさらに、プロセッサに、入力端子で受け取られた入力信号の第１のネガティブエッジでモニタリング装置を活性化させ、モニタリング装置が活性である間の時間の窓を規定する時間窓を開始し、時間窓の間、入力端子のネガティブパルスの数を数え、入力端子のネガティブパルスの最後に数えられた数に対応して、ハンドシェイク電圧を出力端子に出力し、時間窓が終了すると数えられたネガティブパルスの数に基づき、セルパラメータに比例する電圧を出力することを実行させる実行可能な命令をさらに記憶する。
【０００７】
モニタリング装置は、1本線の電池接続を介して電池スタックに接続することができ、電池スタックへのモニタリング装置の接地接続は、別のモニタリング装置の電池スタックへのVcell接続と共通の経路を共有する。メモリはさらにプロセッサに、以下の式
【０００８】
【数１】
2014226029.tif 000003
【０００９】
に基づいて開放セル電圧を計算することを実行させる実行可能な命令を記憶し、式において、Ｖn,Aは複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる開放セル電圧であり、Ｖn,Bは複数のセルのうちの１つのセルについて、モニタリング装置によって測定されたセル電圧であり、Ｒn-1,AおよびＲn-1,Bは、モニタリング装置の接地端子をセルのネガティブ端子に接続する線に対応づけられる抵抗であり、Ｒn,AおよびＲn,Bはモニタリング回路のVcellピンをセルのプラス端子に接続する線に対応づけられる抵抗であり、Ｒn,CELLは複数のセルのうちの１つのセルより下のセルおよび上のセルと共通した経路を有さないすべてのインピーダンスを考慮した抵抗であり、Ｉnは複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、Ｉn-1は複数のセルのうちの１つのセルの下のセルに対応づけられるバランシング電流であり、Ｉn+1は複数のセルのうちの１つのセル上のセルに対応づけられるバランシング電流であり、ＩMODは複数のセルを同時に流れる電流である。
【００１０】
モニタリング装置は２本線の電池接続を介して電池スタックに接続することができ、電池スタックへのモニタリング装置の接地接続は、電池スタックへの第２のモニタリング装置のVcell接続と共通の経路を共有せず、第２のモニタリング装置は当該モニタリング回路に隣接し、かつ下にある。メモリは、さらにプロセッサに、以下の式：
【００１１】
【数２】
2014226029.tif 000004
【００１２】
に基づいてモニタリング回路に対応づけられるインピーダンスを計算することを実行させる実行可能な命令をさらに記憶し、式においてＶn,MODE0は、モニタリング装置が不能化されて複数のセルのうちの１つのセルのセル電圧に対応し、Ｖn,MODE1は、モニタリング装置が能動化されて、複数のセルのうちの１つのセルのセル電圧に対応し、Ｉnは複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、ＩMODは複数のセルを同時に流れる電流であり、Ｒn,CELLは複数のセルのうちの１つのセルの直接電流抵抗（ＤＣＲ）および接続抵抗である。
【００１３】
メモリは、さらにプロセッサに、２本線の電池接続で、以下の式
【００１４】
【数３】
2014226029.tif 000005
【００１５】
に基づき開放セル電圧を計算することを実行させる実行可能命令をさらに記憶することができ、式においてＶn,Aは複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる開放セル電圧であり、Ｖn,Bは複数のセルのうちの１つのセルについて、モニタリング装置によって測定されたセル電圧であり、Ｒnは複数のセルのうちの１つのセルに接続されるモニタリング装置のＶCELLピンに対応づけられるインピーダンスであり、Ｒn-1は複数のセルのうちの１つのセルの下のセルに接続されるモニタリング装置に対応づけられるインピーダンスであり、Ｒn,CELLは複数のセルのうちの１つのセルのＤＣＲおよび接続抵抗であり、Ｉｎは複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、Ｉn-1は複数のセルのうちの１つのセルの下のセルに対応づけられるバランシング電流であり、ＩMODは複数のセルを同時に流れる電流である。
【００１６】
メモリはさらに、プロセッサに、複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる電圧垂下を測定し、電圧垂下および電圧降下に基づき開放セル電圧を計算することを実行させる実行可能命令をさらに記憶する。電圧垂下は、複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるモニタリング装置のしきい値時間がオンになった後、開放セル電圧を計算する際に電圧降下に加えることができる。
【００１７】
別の包括的局面において、本願はシステムを記載し、当該システムは、複数のモジュールを備え、各モジュールは電池スタックと、電池スタックの複数のセルのうちの１つのセルをバランシングするための、上記のモニタリング回路と、開放電圧を測定するためのモジュールシステム管理部とを含み、開放セル電圧の測定およびセルのバランシングは並行に行なわれ、システムはさらに複数のモジュールに結合されたモジュール−スタックバランサを備え、モジュール−スタックバランサは、複数のバランサを含み、各バランサは複数のモジュールのうちの１つのモジュールに対応づけられ、モジュール−スタックバランサは、モジュール間で電圧または蓄積された電荷をバランシングするよう構成されている。
【００１８】
別の包括的局面において、本願はＩＲ補償アクティブセルバランシング方法を記載し、当該方法は、モニタリング装置の入力端子において、電池システム管理部（ＢＳＭ）から入力信号を受け取るステップと、入力信号に応答して、モニタリング装置を活性化して、モニタリング装置に結合された電池スタック内の複数のセルのうちの１つのセルをバランシングするステップと、複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるセル電圧を測定するステップと、測定されたバランシング電流に対応づけられる電圧降下を測定するステップと、測定された電圧降下に基づき、測定されたセル電圧を調整することにより、複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる開放セル電圧をプロセッサによって計算するステップと、プロセッサが計算した開放セル電圧に基づき、電池スタックをバランシングするステップとを備え、バランシングおよび開放セル電圧を計算することは並行に行なわれる。
【００１９】
上記の包括的局面は以下の特徴を含むことができる。当該方法はさらに、入力端子で受け取られた入力信号に基づき、測定可能なパラメータを出力端子に出力することを備え、測定パラメータは、バランシングが能動化された状態での、電池スタック内の複数のセルのうちの１つのセルのセル電圧、バランシングが不能化された状態でのセル電圧、バランシング電流に比例する電圧、モニタリング装置の内部ダイ温度に比例する電圧、および／またはハンドシェイク電圧を含み得る。当該方法はさらに、モニタリング装置のバランシング電流をアクティブにモニタし、モニタされたバランシング電流に基づき電圧降下を計算して、バランシングの際に複数のセルのうちの１つのセルが過充電または十分に充電されないのを避けることを含み得る。
【００２０】
モニタリング装置はモノリシックフライバックＤＣ／ＤＣコンバータを含み得る。モニタリング装置の活性化は、入力端子で受け取られた入力信号の第１のネガティブエッジでモニタリング装置を活性化することを含むことができ、当該方法はさらに、モニタリング装置が活性である時間の窓を規定する時間窓を開始するステップ、時間窓の間入力端子のネガティブパルスの数を数えるステップ、および入力端子のネガティブパルスの最後に数えたものに対応して、出力端子にハンドシェイク電圧を出力するステップ、および時間窓が終了すると、数えたネガティブパルスの数に基づきセルパラメータに比例する電圧を出力するステップをさらに備える。開放セル電圧の計算は以下の式
【００２１】
【数４】
2014226029.tif 000006
【００２２】
に基づき、開放電圧を計算することを含み得る。式において、Ｖn,Aは複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる開放セル電圧であり、Ｖn,Bは複数のセルのうちの１つのセルについて、モニタリング装置によって測定されたセル電圧であり、Ｒn-1,AおよびＲn-1,Bは、モニタリング装置の接地端子をセルのネガティブ端子に接続する線に対応づけられる抵抗であり、Ｒn,AおよびＲn,Bはモニタリング回路のVcellピンをセルのプラス端子に接続する線に対応づけられる抵抗であり、Ｒn,CELLは複数のセルのうちの１つのセルより下のセルおよび上のセルと共通した経路を有さないすべてのインピーダンスを考慮した抵抗であり、Ｉnは複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、Ｉn-1は複数のセルのうちの１つのセルの下のセルに対応づけられるバランシング電流であり、Ｉn+1は複数のセルのうちの１つのセル上のセルに対応づけられるバランシング電流であり、ＩMODは、モニタリング装置およびＢＳＭを含むモジュールにおいて、複数のセルを同時に流れる電流である。
【００２３】
本方法はさらに、以下の式
【００２４】
【数５】
2014226029.tif 000007
【００２５】
に基づき、開放セル電圧を計算するために、モニタリング回路に対応づけられるインピーダンスを計算するステップを備え、式において、Ｖn,MODE0は、モニタリング装置が不能化されて複数のセルのうちの１つのセルのセル電圧に対応し、Ｖn,MODE1は、モニタリング装置が能動化されて、複数のセルのうちの１つのセルのセル電圧に対応し、Ｉnは複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、ＩMODは複数のセルを同時に流れる電流であり、Ｒn,CELLは複数のセルのうちの１つのセルの直接電流抵抗および接続抵抗である。
【００２６】
開放セル電圧を計算するステップは、以下の式
【００２７】
【数６】
2014226029.tif 000008
【００２８】
に基づき開放電圧を計算することを含み、式において、Ｖn,Aは複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる開放セル電圧であり、Ｖn,Bは複数のセルのうちの１つのセルについて、モニタリング装置によって測定されたセル電圧であり、Ｒnは複数のセルのうちの１つのセルに接続されるモニタリング装置のＶCELLピンに対応づけられるインピーダンスであり、Ｒn-1は複数のセルのうちの１つのセルの下のセルに接続されるモニタリング装置に対応づけられるインピーダンスであり、Ｒn,CELLは複数のセルのうちの１つのセルのＤＣＲおよび接続抵抗であり、Ｉｎは複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、Ｉn-1は複数のセルのうちの１つのセルの下のセルに対応づけられるバランシング電流であり、ＩMODはモニタリング装置およびＢＳＭを含むモジュールにおいて、複数のセルを同時に流れる電流である。
【００２９】
別の包括的局面において、本願はモニタリング装置を記載し、このモニタリング装置は、電池システム管理部（ＢＳＭ）から入力信号を受け取るよう構成されている入力端子と、ＢＳＭから受け取られた入力信号に基づき、モニタリング装置に接続された電池スタック内の複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる開放セル電圧を決定するために用いられるセルパラメータを出力するよう構成されている出力端子と、プロセッサと、実行可能な命令を記憶するメモリとを備え、実行可能な命令により、プロセッサに：電池スタック内の複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられるセル電圧を測定し、測定されたバランシング電流と対応づけられる電圧降下を測定し、測定された電圧降下に基づき測定されたセル電圧を調整することにより開放セル電圧を計算し、複数のセルのうちの１つのセルに対応づけられる容量を計算し、計算された容量に基づき、複数のセルのうちの１つのセルの蓄積された電荷を計算し、計算された蓄積電荷に基づき電池スタックをバランシングすることを実行させ、バランシングおよび開放セル電圧を計算することは並行に行なわれる。
【００３０】
メモリはさらに、プロセッサに、以下の式
【００３１】
【数７】
2014226029.tif 000009
【００３２】
に基づき容量を計算することを実行させるための実行可能な命令をさらに記憶し、式においてΔＱnはある時間内で複数のセルのうちの１つのセルにおける蓄積された電荷の変化量を表わし、Δ％ＳＯＣnは時間内で複数のセルのうちの１つのセルの充電状態（ＳＯＣ）のパーセンテージ変化を表わし、Capacitynは複数のセルのうちの１つのセルの容量を表わす。
【００３３】
開放セル電圧を計算するために、メモリは、第１の開放セル電圧および第２の開放セル電圧を計算し、ＳＯＣのパーセンテージ変化を計算するための実行可能な命令をさらに記憶することができ、メモリはさらに、第１の開放セル電圧を第１のパーセンテージＳＯＣに相関させ、第２の開放セル電圧を第２のパーセンテージＳＯＣに相関させ、第１のパーセンテージＳＯＣと第２のパーセンテージＳＯＣとの差はＳＯＣのパーセンテージ変化に対応するよう構成されているルックアップテーブルを使用するための実行可能な命令を記憶する。本メモリはさらに、プロセッサに、以下の式：Ｑn＝％ＳＯＣn・Capacitynに基づき容量を計算することを実行させるための実行可能命令をさらに記憶し、式において％ＳＯＣnは複数のセルのうちの１つのセルのパーセンテージＳＯＣを表わし、Capacitynは複数のセルのうちの１つのセルの容量を表わす。
【００３４】
上記の包括的および特定的局面は、システム、方法、もしくはコンピュータプログラム、またはシステム、方法、およびコンピュータプログラムの任意の組合せを用いて、実施することができる。
【００３５】
１つ以上の実施の詳細は添付の図面および以下の明細書に記載されている。他の特徴は、明細書、図面、および特許請求の範囲から明らかとなる。
【００３６】
図面の簡単な説明
図面の数字は本教示に従う１つ以上の実施の形態を示し、これらは一例であって、限定するものではない。図面において、同様の参照符号は同じまたは類似したエレメントを示す。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】例示的電池管理システム（ＢＭＳ）を示す図である。
【図２】図１に示される例示的モニタリング集積回路の例示的構成を示す図である。
【図３Ａ】図１に示されるモニタリング集積回路をプログラミングするために用いることができる例示的基本コミュニケーションアーキテクチャを示す図である。
【図３Ｂ】図１に示されるモニタリング集積回路をプログラミングするために用いることができる例示的基本コミュニケーションアーキテクチャを示す図である。
【図３Ｃ】図１に示されるモニタリング集積回路をプログラミングするために用いることができる例示的基本コミュニケーションアーキテクチャを示す図である。
【図４】図１に示される強調されたモニタリング集積回路から所与のパラメータＶPARを得るための例示的方法を示す図である。
【図５Ａ】一度にモジュールあたり第４チャネルずつ測定する、図１に示されるモニタリング集積回路のハンドシェイク電圧を定めるための例示的プロセスを示す図である。
【図５Ｂ】一度にモジュールあたり第３チャネルずつ測定する、図１に示されるモニタリング集積回路のハンドシェイク電圧を定めるための例示的プロセスを示す図である。
【図６Ａ】図１に示されるモニタリング集積回路と電池スタックとの１本線の電池接続を示す図である。
【図６Ｂ】モニタリング集積回路と電池スタックとの２本線の電池接続を示す図である。
【図７Ａ】図１に示される１本線の構成を有するモニタリング集積回路のチャネルインピーダンスを計算する図式を表す図である。
【図７Ｂ】図１に示される１本線の構成を有するモニタリング集積回路のチャネルインピーダンスを計算する図式を表す図である。
【図７Ｃ】図１に示される１本線の構成を有するモニタリング集積回路のチャネルインピーダンスを計算する図式を表す図である。
【図７Ｄ】２つ以上のモジュールを有するスタック全体のマクロ図である。
【図８】２本線の構成を有するモニタリング集積回路のチャネルインピーダンスを計算する図式を表す図である。
【図９】電池スタックのＥＳＲを計算するための例示的回路を示す図である。
【図１０Ａ】１本線構成の回路において開放接続上のセルをオンにした結果を示す図である。
【図１０Ｂ】１本線構成の回路において開放接続下のセルをオンにした結果を示す図である。
【図１１Ａ】開放または欠けているセルを検出するために、電池スタックに負荷を与えることを示す図である。
【図１１Ｂ】開放または欠けているセルを検出するために、電池スタックに電荷を与えることを示す図である。
【図１１Ｃ】共通モード補正向けのマルチＡＤＣアーキテクチャの利点を示す図である。
【図１２】電池スタックを電池管理システム（ＢＭＳ）基板にホットスワップすることから保護するための機械的解決策を与える例示的ホットスワップ保護回路を示す図である。
【図１３】１３Ａおよび１３Ｂは電池スタックをＢＭＳ基板にホットスワップすることから保護するためのアクティブな解決策を各々が与える、２つの例示的ホットスワップ保護回路を示す図である。
【図１４】モニタリング回路を変圧器に接続するスイッチがモニタリング回路の外に配置される例示的回路を示す図である。
【図１５Ａ】図１４に示されるモニタリング集積回路によって能動化されたエネルギの二方向伝達を示す図である。
【図１５Ｂ】図１に示されるモニタリング集積回路によって能動化されたエネルギの一方向伝達を示す図である。
【図１５Ｃ】ＤＣ／ＤＣコンバータスイッチが電池スタック側にあり、ダイオードが個々のセルを駆動させる状態の一方向チャージャを示す図である。
【図１６Ａ】電池端子でのバランシングの影響を示す図である。
【図１６Ｂ】電池端子でのバランシングの影響を示す図である。
【図１７】電圧垂下を考慮するための導関数アプローチを示す図である。
【図１８】一方向ディスチャージャとして構成されるフライバックコンバータを有する状態であって、コンバータが一方向チャージャまたは二方向コンバータとして構成され得、モジュール−スタックバランサの使用を示す図である。
【図１９Ａ】複数の平行スレーブバランサを示す図である。
【図１９Ｂ】複数の平行マスタバランサを示す図である。
【図２０】開放セル電圧を充電状態（ＳＯＣ）に関連付ける特定の曲線とともに、装荷端子電圧および電池スタックモニタ（ＢＳＭ）測定電圧を示す図である。
【図２１】異なる満充電容量を有する３つのセルの充電傾斜を示す図である。
【図２２】本願のモニタリング集積回路に対応するファームウェアの機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
詳細な説明
以下の詳細な説明において、関連する教示を完全に理解するために、例示によっていくつかの具体的詳細が記載されている。しかし、本教示はこのような詳細がなくても実施できることは明らかである。他の事例では、周知の方法、プロシージャ、コンポーネント、および／または回路は、本教示を不必要に曖昧にすることを避けるために、詳細を伴わずに相対的に高いレベルで記載されている。
【００３９】
本願のモニタリング集積回路は、電池スタックのバランシング、負荷、および充電の際に、開放セル電圧を正確にモニタするために構成され得る。モニタリング集積回路は、高い電圧の電池スタックをアクティブにバランシングするよう設計されているモノリシックフライバックＤＣ／ＤＣコンバータであり得る。一実施において、ＤＣ／ＤＣコンバータはフライバックコンバータの任意の構成を含み得るが、これに限定されない。スイッチングレギュレータの高い効率は、放熱を低減させながら達成できるバランシング電流を著しく増加させ得る。アクティブバランシングにより不一致の電池のスタックでの容量回復を可能にし、これはパッシブなバランシングシステムでは達成できないかもしれない。典型的なシステムでは、総電池容量の９９％よりも多くの容量を回復することができる。個々のセルから取出された電荷はスタックのトップに、任意の組合せのセルに、または外部レールに戻すことができる。
【００４０】
モニタリング集積回路は統合された６Ａ、５０Ｖのパワースイッチを含むことができ、応用回路の設計上の複雑性を低減させる。モニタリング集積回路は、放電しているセルから完全に切離されて動くことができ、一般に外部のパワースイッチで必要な複雑なバイアススキームの必要をなくす。モニタリング集積回路はアナログマルチプレクサ（ＭＵＸ）を含み、電池スタックとＢＳＭとの間に配置され得る。モニタリング集積回路のイネーブルピン（ＤＩＮ）はＢＳＭでシームレスな態様で動くよう設計され得る。モニタリング集積回路は、ＢＳＭの入力にいくつかの測定可能なパラメータを与えることができる。測定可能なパラメータは、バランシングが不能化された状態でのセル電圧、バランシングが能動化された状態でのセル電圧、バランシング電流に比例する電圧、バランサの内部ダイ温度に比例する電圧、および／またはいくつかの基準電圧を含み得る。モニタリング集積回路は、セル電圧、バランシング／放電電流、冗長基準、内部誤りモード、セルインピーダンス、ケーブルインピーダンス、配線インピーダンス、および／またはバランシングの際の開放セル電圧の測定および／または計算を可能にする。
【００４１】
添付の図面に示される実施例を詳細に参照して、以下に記載する。
図１は例示的電池管理システム（ＢＭＳ）１００を示す。ＢＭＳ１００は、モニタリング集積回路１１０、ＢＳＭチップ１３０、およびモジュール電流検知増幅器１４０を含む。モニタリング集積回路１１０は、電池スタックモジュール１２０とＢＳＭチップ１３０と連絡する。ＢＳＭチップ１３０は正確な電圧計であると考えられ、電池スタックモジュール１２０の電池セルのアナログ電圧およびモジュール電流検知増幅器１４０のアナログ出力を、ＣＰＵまたはマイクロプロセッサによって読取ることができるデジタルデータに変換するよう構成されている。モニタリング集積回路１１０は１つの具体的実施例では、ＬＴ８５８４を含む。しかし、ＢＳＭチップ１３０とモニタリング集積回路１１０との間の伝達は、ＬＴ８５８４を用いる方式に限定されず、モニタリング集積回路１１０とＢＳＭチップ１３０との間の他の種類の伝達も用いることができる。
【００４２】
ＢＳＭチップ１３０は、１つの具体的実施例において、電圧モニタリングＩＣのＬＴＣ６８０ｘ群を含み、これは電池スタックモジュール１２０の１２個の電池セルを測定するための１２個のチャネルと、アナログ入力またはデジタル入力または出力として構成され得るいくつかの汎用入力／出力（ＧＰＩＯ）チャネルとを有する。ＢＳＭチップ１３０の１２個のチャネルの各々は２つのピンを含む。当該２つのピンはＣピン１３２およびＳピン１３４を含む。Ｃピン１３２はモニタリング集積回路１１０からの電池セル測定パラメータを読出すためにある。Ｓピン１３４はモニタリング集積回路１１０を能動化しおよび通信するためにある。モニタリング集積回路１１０はアクティブなまたはパッシブなバランシング回路であり得る。ＭＯＳＦＥＴおよび抵抗器で実施されるパッシブなバランシング回路は、特定のしきい値より高い電圧を有するセルからエネルギを出すことにより、電圧をバランシングするために用いられる。このため、パッシブなバランシングは大量の熱を放出して、エネルギ回復を利用できないかもしれない。さらに、パッシブなバランシング回路の抵抗器は高温になり、限定された量の電流しか放電できない。さらに、パッシブなバランシング回路は、電池スタックモジュール１２０の電池セルから取出すことができる電荷量を著しく低減する。
【００４３】
別の実施において、パッシブなバランシング回路の代わりに、モニタリング集積回路１１０はアクティブなバランシング回路であってもよい。モニタリング集積回路１１０は電池スタックモジュール１２０とＢＳＭチップ１３０との間に配置され、出力ピン１１２および入力ピン１１４を含む。入力ピン１１４はＢＳＭチップ１３０のＳピン１３４に接続され、Ｓピン１３４からイネーブル信号を受け取るよう構成されている。出力ピン１１２はＣピン１３２に接続され、Ｃピン１３２を介してさまざまな測定値をＢＳＭチップ１３０に出力するよう構成されている。さまざまな測定値は、モニタリング集積回路１１０がオンの状態での、電池セルから取出された電圧もしくは放電電流、またはモニタリング集積回路１１０がオフの状態での電圧を含む。モニタリング集積回路１１０がオンまたはオフでの状態の電圧測定値およびセル放電の際の電流測定値により、プロセッサはモニタリング集積回路１１０と電池セルとの間の接続のインピーダンスを定めることができる。
【００４４】
モニタリング集積回路１１０は、電池スタックのバランシング、装荷、および充電の際の開放セル電圧をモニタリングするよう構成されている。現在、開放セル電圧をアクティブにモニタリングしながらバランシングを行なうことができる機構は現在知られていない。これは、モニタリング集積回路１１０と電池スタックモジュール１２０との間の接続に伴うＩＲ降下によって電圧測定に入る著しい誤差による。モニタリング集積回路１１０はＩＲ降下を測定することができ、そのＩＲ降下を補償することにより、セル電圧を正確に測定することができる。モニタリング集積回路１１０はバランシング電流をアクティブにモニタすることができ、ＩＲ降下を計算することにより、電池スタックモジュール１２０での電池セルの過充電または充電不足を回避することができる。同様に、モニタリング集積回路１１０は電池スタックモジュール１２０の電池セルから特定のしきい値より多くのまたは少ない量を取出すことも回避できる。個々のセルから取出された電荷はスタックのトップに、任意の組合せのセルに、または外部レールに戻すことができる。
【００４５】
１つの具体例を示すために、電池スタックモジュール１２０において他のセルよりも古い弱いセルがあるとする。充電処理の際、弱いセルもおそらくは充電され、衰えにより電荷を保持する容量が他のセルよりも劣るので、他のセルよりも前に過充電される場合もある。弱いセルの電荷が特定のしきい値を超えると、モニタリング集積回路１１０がなければ、その充電動作は中断され、弱いセルが過充電されて電池スタックモジュール１２０が損傷するのを回避する。その結果、弱いセルは許容可能なしきい値内で充電されるが、電池スタックモジュール１２０の残りのセルは十分に充電されないことになる。充電動作を中断する代わりに、弱いセルに対するモニタリング集積回路１１０はその弱いセルからのエネルギを電池スタックモジュール１１０全体に再配分する。モニタリング集積回路１１０は、すべてのセルが許容可能なしきい値内に充電されるまで、この処理を続けることができる。同様に、電池が放電される場合、弱いセルは電池スタックモジュール１１０の他のセルよりも早く放電され得る。このシナリオでは、モニタリング集積回路１１０は電池スタックモジュール１２０の他のセルからの電荷を再配分し、すべてのセルが許容可能なしきい値内で放電されるまで、他のすべてのセルに配分し、スタックのすべての電荷が使用できるようにする。
【００４６】
一具体的実施例において、モニタリング集積回路１１０は、高い電圧の電池スタックをアクティブにバランシングするよう設計されているモノリシックフライバックＤＣ／ＤＣコンバータである。スイッチングレギュレータの高い効率は、放熱を低減させながら達成できるバランシング電流を著しく増加させる。このため、モニタリング集積回路１１０のアクティブなバランシングは、従来のパッシブなバランシング回路よりも優れている。アクティブなバランシングは不一致の電池のスタックでの容量回復も可能にし、これはパッシブなバランスシステムでは達成できないものである。典型的なシステムでは、総電池容量の９９％より多くの容量を回復することができる。モニタリング集積回路１１０は統合された６Ａ、５０Ｖパワースイッチを含み、応用回路の設計上の複雑度を低減させる。この部分は放電されている回路と完全に切離されて動くことができ、外部パワースイッチで一般に必要な複雑なバイアススキームの必要をなくす。当該部分のイネーブルピン（ＤＩＮ）は、任意の電池スタック電圧モニタリングＩＣでシームレスに動くよう設計されている。
【００４７】
図２は、モニタリング集積回路の例示的構成を示す図である。モニタリング集積回路２１０は、セル電圧、バランシング／放電電流、冗長基準、内部誤りモード、セルインピーダンス、ケーブルインピーダンス、配線インピーダンス、およびバランシングの際の開放セル電圧の測定および／または計算を可能にするよう構成されている。
【００４８】
モニタリング集積回路２１０は、ＢＳＭ２３０に接続され、出力ピン２１２、入力ピン２１４、抵抗器タイマ２１６、カウンタ２１８、アナログｍｕｘ２４０、および制御部２４２を含む。出力ピン２１２はＢＳＭ′２３０パッシブバランシングポート（たとえば、２３２としてＣ１、Ｃ２などと示されているＣポート）のＣポート２３２に接続され、選択される。入力ピン２１４は、ＢＳＭ２３０のＳＩ、Ｓ２などと示された任意のＳポート２３４に接続される。入力ピン２１４は、市場で、任意のＢＳＭ２３０と統合され得る。モニタリング集積回路２１０をプログラミングするために入力ピン２１４を用いることができる。アナログｍｕｘへの入力は、市場で任意のＢＳＭ２３０と統合することができる。プログラム命令は、ＢＳＭ２３０のＳピン２３４から送られてもよい。カウンタ２１８は、ＢＳＭ２３０から受け取られた入力信号のネガティブエッジの数を数え、その数を制御部２４２に渡すよう構成されている。制御部２４２はその数値に基づき、アナログｍｕｘ２４０の可能な出力のうちのいずれか１つを選択する。アナログｍｕｘの出力は、ＶＳＮＳ（バランシング電流に比例する電圧）、ＶＴＥＭＰ（温度に比例する電圧）、Vin−０．２ｖ、Vin−０．４ｖ、Vin−０．６ｖ  Vin−０．８ｖ、Vin−１．２ｖおよびVin−１．４ｖ、またはＶＣＥＬＬを含む。
【００４９】
モニタリング集積回路２１０はさらに、一次巻線２８２および二次巻線２８４を有する変圧器２８０に結合されるスイッチピン２７０を含む。一次巻線２８２の一方端はスイッチピン２７０に接続され、他方端は抵抗器Rsnsを介して電池スタック２２０のある電池セルのプラス端子に接続される。二次巻線２８４の一方端は電池スタック２２０のネガティブ端子に接続され、他方端は直列接続ダイオード２８５を介して電池スタック２２０の正端子に接続される。
【００５０】
図３Ａから図３Ｃは、モニタリング集積回路２１０をプログラミングするために使用することができる例示的基本通信アーキテクチャを示す。しかし、提示された開示はモニタリング集積回路２１０をプログラミングするために他の通信方法にも適用できる。図３Ａを参照すると、ＢＳＭ２３０とモニタリング回路２１０との間の通信は、入力ピン２１４信号がハイで始まり得る。ハイである入力ピン２１４信号は、モニタリング集積回路２１０をシャットダウンモードに保つ。入力ピン２１４の最初のネガティブエッジは、モニタリング集積回路２１０を活性化し、内部デコードウインドウＴＷを開始させる。図３Ｂを参照すると、内部デコードウインドウＴＷは、モニタリング集積回路２１０がピン２１４でアクティブにネガティブエッジを数える時間窓を規定する。これにより、その部分をリセットすることなく、入力ピン２１４がシリアルデータを通信するために、トグルで切換えできる。内部デコードウインドウＴＷはＲタイマピン２１６を用いて調整することができる。一実施例において、Ｒタイマピン２１６の抵抗は１００ｋであり、これは公称値として１６．３ミリ秒の内部デコードウインドウＴＷとなる。Ｒタイマピン２１６の抵抗が大きくなるにつれ、内部デコードウインドウＴＷも長くなる。たとえば、Ｒタイマピン２１６の抵抗が２００ｋに増加すると、内部デコードウインドウＴＷは公称値として３２．６ミリ秒に延びる。
【００５１】
図３Ｃを参照すると、内部デコードウインドウＴＷの間、モニタリング集積回路２１０は、カウンタ２１８を用いて、ＢＳＭ２３０のＳピンから入力ピン２１４で受け取られたパルスを数え、制御部２４２を用いて出力ピン２１２でのアナログｍｕｘ２４０のハンドシェイク電圧の出力を制御する。内部デコードウインドウＴＷが終了すると、モニタリング集積回路２１０は最後に数えた数値を固定し、アナログＭＵＸ電圧を出力ピン２１２に出力する。表１で示すように、ユーザが選択できるアクティブモードは４つある。
【００５２】
表１  シリアルモード状態
【００５３】
【表１】
2014226029.tif 000010
【００５４】
ハンドシェイクは出力ピン２１２のアナログ電圧を読取ることによって達成される。ハンドシェイク電圧は入力ピン２１４信号のネガティブエッジでアサートされ、シリアルデコードカウントに対応する。カウント０は、第１のネガティブ電圧が入力信号２１４で見られたときに始まる。このシナリオでは、ｍｕｘ出力電圧はVin−１．４Ｖであり、ハンドシェイク電圧は１．４Ｖである。カウント１では、ｍｕｘ出力電圧はVin−０．２Ｖであり、ハンドシェイク電圧は０．２Ｖである。カウント２では、ｍｕｘ出力電圧はVin−０．４Ｖであり、ハンドシェイク電圧は０．４Ｖである。カウント３では、ｍｕｘ出力電圧はVin−０．６Ｖであり、ハンドシェイク電圧は０．６Ｖである。カウント４では、ハンドシェイク電圧はVin−０．８Ｖであり、ハンドシェイク電圧は０．８Ｖである。デコードウインドウＴＷが終了し、ＲＴＭＲピンが接地に戻ると、３つの動作が開始される。すなわち出力ピン２１２は所望の測定に切換えられ、モニタリング集積回路２１０は表１の選択されたモードに応じて、接続されたセルの放電を開始し、入力パワーラッチは不能化される。一実施において、モニタリング集積回路２１０は、デコードウインドウＴＷが終了し、入力ピン２１４がハイとなった後のみ、不能化され得る。
【００５５】
人が電圧の精度に大いに依存する自動車の用途では、モニタリング集積回路２１０から出力されたハンドシェイク電圧は、ＢＳＭ２３０の精度を調べる基準として用いられ得る。ハンドシェイク電圧はモニタリング集積回路２１０で予め設定され、ＢＳＭ２３０から出力される電圧が正確であるか否かを判断するための基準として用いることができる。
【００５６】
ハンドシェイク電圧、ＶＳＮＳおよびＶＴＥＭＰを含むすべてのパラメータは、２つの連続する測定値を取り、引き算を行なうことによって差分的に抽出される。これはＢＳＭ２３０が内部の最大電圧しきい値を超えないよう保護するために行なわれ得る。ＢＳＭ２３０はＣピン２３２への入力用にほぼ最大の定格を有し得る。多くのＢＳＭの典型的なしきい値限界である、このしきい値（たとえば８ボルト）を超えると、ＢＳＭは損傷され得る。したがって、モニタリング集積回路２１０からの測定出力は、ＢＳＭ２３０のしきい値電圧を超えないよう、Vcellと参照させられる。モニタリング集積回路２１０の出力電圧がVcellを基準とするので、モニタリング集積回路２１０から所望の電圧（たとえば、ハンドシェイク電圧、バランシング電流に比例する電圧、温度に比例する電圧）を得るために、差分測定をとるべきである。差分測定は、アナログ−デジタルコンバータ２３６によって行なわれ、隣接するモニタリング集積回路２１０からアナログ電圧測定値を取り、デジタル化された電圧測定値を出力する。
【００５７】
図４は、強調されたモニタリング集積回路から所与のパラメータＶPARを得るための例示的方法を示す。測定されているモニタリング集積回路４１０のすぐ下のモニタリング集積回路４１０はVcell（MODE0またはMODE1）を選択するよう強制され、両方の連続測定値の負の基準となる。第１の測定にVcellを選択することは、MODE0（バランサ不能化）またはMODE1（バランサ能動化）のどちらかを入力することによって行なうことができる。表２は、所与のパラメータの基準としてどのVcellであるかを定めるために参照することができる。
【００５８】
表２．差分測定の際のＭＯＤＥ選択
【００５９】
【表２】
2014226029.tif 000011
【００６０】
ＶPAR＝第１の測定−（第２の測定）＝ＶＣＥＬＬ−（ＶＣＥＬＬ−ＶPAR）（式１）
図４を再度参照すると、測定されているチャネル上のＢＳＭチャネルは、標準セルの電圧よりも高い電圧を有する。モニタリング集積回路４１０は、ＢＳＭの４３０Ｃ入力を保護し、その絶対最大定格を超えるストレスを受けないよう確実にするために構成され得る。
【００６１】
図５Ａから図５Ｂは、モニタリング集積回路５１０のハンドシェイク電圧を定めるための例示的プロセスを示す。ハンドシェイク電圧は、ＢＳＭの内部基準がすべての入力チャネルに対して正しく働いていることを確認するために用いることができる。５１０の内部の基準電圧は、ＢＳＭのＩＣと独立しており、互いに排他的であるので、忠実な冗長性を与える。各ハンドシェイクレベルは温度に対して２．５％の精度であり得る。ハンドシェイク電圧を特定するために、モニタリング集積回路５１０は、後のＳピンパルスを送ることなく、ＤＩＮピンでロー（Ｓピンアサート）を取ることによってオンとなり得る。これにより、モニタリング集積回路５１０が誤りモードに保たれ、１．４Ｖのハンドシェイクが出力ピンでアサートされる。このハンドシェイクはデコードウインドウの間出力ピンに留まり、デコードウインドウが終了するとラッチングされ得る。誤りモードは、デコードウインドウが終了した後、Ｓピンをハイにすることにより取除くことができる。この場合、１．４ｖのハンドシェイク電圧レベルが基準として用いられるが、他のレベルのハンドシェイク電圧も基準として用いることができる。
【００６２】
一度にＢＳＭモジュールにつき、第４チャネルごとに測定することができる。図５Ａは４つのスタックからなる測定を用いてすべてのハンドシェイク電圧を効率よく測定するためのアルゴリズムを示す。この方法は、複数のＢＳＭモジュールシステムであって、１２セルの各ＢＳＭから第４チャネル、第８チャネル、および第１２チャネルのすべてが第１のスタックの測定値として同時に読取られるシステムに適用される。同様に、第２のスタック測定値として、スタックのすべてのＢＳＭモジュールから、第３チャネル、第７チャネルおよび第１１チャネルごとに、すべてが同時に読出される。このスタガード方法は、電流、温度、およびバランサがオンの状態でのセル電圧を含む他のパラメータを読出す場合にも適用できる。図５Ｂは、第３チャネルごとのバランシング電流が能動化される代替の測定方法を示す。図５Ｂの方法ではすべてのパラメータを得るのに、３つのスタックからの測定値だけが必要となる。これはより早く取得するために用いることができるが、共通モード誤りを被り得る。バランサがオフ状態でのチャネルセル電圧すべてを同時に読取ることができる。
【００６３】
測定されている電池セルの電圧が、モニタリング集積回路１１０の電流放電によるＩＲ降下を考慮した実際の電圧を表わしていることが重要である。モニタリング集積回路１１０が能動化され、対応するチャネルがバランシングされる場合、そのチャネルの測定された電圧は、そのチャネルに対応する実際の電圧よりも低くなる。さらに、モニタリング集積回路１１０が能動化されている状態のアクティブセルの左のセルおよび／または右のセルは、これらのセルに対応する測定された電圧よりもわずかに高い電圧を有し得る。１つの具体的実施例を示すために、電池スタックが３つのセル、すなわちセル１、セル２およびセル３を含むとする。セル１はセル２の下にあり、セル２はセル１とセル３との間にあり、セル３はセル２の上にある。これら３つのセルすべては３ボルトの最大しきい値電池レベルにあるので、どのセルもバランシングする必要がないと仮定する。セル２に対応する電圧が何らかの理由により突然３．２ボルトに増加すると、セル２は電圧を３ボルト以下のしきい値レベルに減少させるためにバランシングする必要がある。このため、セル２に接続されるモニタリング集積回路が活性化され得る。セル１およびセル３のモニタリング集積回路は、電圧がまだ３ボルトのレベルにあるので、オフのままであってもよい。
【００６４】
セル２のモニタリング集積回路がオンとなり、セル２の電圧が測定されると、その電圧は３ボルトとして測定され得る。しかし実際には、電圧はまだ３．２のままである。なぜなら、エネルギはセル２から他のセルにまたは電池スタックの外の他の場所に移されていないからである。３ボルトの測定された電圧は、活性化されたモニタリング集積回路に対応するＩＲ降下によるものである。ＢＳＭは３ボルトを読取り、バランシングの必要がないと判断し、そのモニタリング集積回路を不活性化する。モニタリング集積回路がオフとなると、セル２の電圧は再度３．２に飛び上がり、これはモニタリング集積回路を再度オン状態にし、システムは活性化されたモニタリング集積回路に伴うインピーダンスによって引起されるＩＲ降下を考慮していないので、無限ループに引っ掛かってしまう。セル１は、セル２のモニタリング集積回路が活性化された場合、実際には３．１ボルトを読取るかもしれない。したがって、セル１のバランシング集積回路は活性化されるが、実際にはセル１はバランシングを必要としない。なぜなら、その余分な電圧は、セル２のモニタリング集積回路が活性化されたことによるものだからである。
【００６５】
より正確なバランシングおよび測定を提供するためのいくつかの方法がある。まず、バランシングおよび電圧測定を分ける。システムはバランシングを行ない、バランシングをオフにし、次に電圧を測定する。これは、活性化されたモニタリング集積回路のインピーダンスに伴うＩＲ降下による、測定された電圧に不正確さが入ることを回避する助けとなる。しかし、本実施では、ＢＳＭと電池スタックとの間に一定の可視性がないかもしれない。したがって、この実施はセルのオーバーシュートの可能性を引起し、実際に必要なバランシングの量を増加させ、バランシング時間を増加させてしまうことになり、特にセル端子電圧の安定化の時間が長くなり得る。
【００６６】
別の実施において、バランシングおよび測定は並行に行なわれながら、活性化された集積モニタリング回路のインピーダンスに伴うＩＲ降下を考慮する。このシステムは、ＩＲ降下を正確に計算し、測定の間このＩＲ降下を補償する。こうして、セルの実際の電圧を決定し、測定された電圧の代わりに実際の電圧に基づいて、バランシングを行なうことができる。前の実施例に沿って、セル２の、モニタリング集積回路が活性化されたときの３．０ボルトの測定された電圧の代わりに、実際の３．２ボルトの電圧を用いて、バランシングを行なうことができる。このため、モニタリング集積回路は、電圧を測定するときにオフにする必要はない。この実施において、ＢＳＭは電池スタックに対して一定の可視性を有し、バランシング時間を拡張することができ、バランシング電流およびバランサの重みを低減させ、セルをオーバーシュートする可能性を著しく低くできる。
【００６７】
モニタリング集積回路に伴うインピーダンスを計算するアルゴリズムは、当該モニタリング集積回路を電池スタックに接続するために用いられる方法に依存し得る。モニタリング集積回路を電池スタックに接続するために用いられる方法が２つある。これら２つの方法は、１本線の電池接続および２本線の電池接続を含む。
【００６８】
図６Ａは、モニタリング集積回路６１０と電池スタック６２０との間の１本線の電池接続６００Ａを示す。図６Ｂはモニタリング集積回路６１０と電池スタック６２０との間の２本線の電池接続６００Ｂを示す。１本線接続６００Ａは、配線接続インピーダンスの完全なシステム可視性により、奨励される。１本線接続６００Ａはさらに、配線接続がより少ないので、安価であり、かつより確実である。１本線接続６００Ａでは、電池スタック６２０へのモニタリング集積回路６１０の接地接続は、電池スタック６２０への隣接するモニタリング集積回路６１０のVcell接続と共通の経路を共有する。２本線接続６００Ｂでは、電池スタック６２０へのモニタリング集積回路６1０の接地接続は、電池スタック６２０への隣接するモニタリング集積回路６１０のVcell接続と別である。
【００６９】
２本線接続の方式では、配線インピーダンスを計算する場合には接地接続インピーダンスは定めることができず、ＢＳＭ６３０にとっては不可視である。Ｃ０以外では、他のセルに対するモニタリング集積回路６１０の接地または電池セルのマイナス電位の接続は隣接するセルと共有されず、これは１本線接続方式ではＢＳＭ６３０によって測定される。こうして、ＢＳＭ６３０は接地接続インピーダンスの可視性を失う。フリップ側では、２本線接続インピーダンスを演算し、放電の際の開放セル電圧を逆算するアルゴリズムは、１本線接続インピーダンスを演算し、放電の際に開放セル電圧を逆算するアルゴリズムよりも容易である。２本線の方法は、１本線方式の場合のように開放接続の際に２つのセルの可視性を失うのではなく、１つのセルの可視性を失うという利点がある。
【００７０】
図７Ａから図７Ｃは、１本線構成を有するモニタリング集積回路のセルおよびチャネルインピーダンスを計算する図式を表し、図７Ｄは２つ以上のモジュールを有するスタック全体のマクロ図を示す。具体的に、図７Ａはセルインピーダンスを計算するための図式を示す。図７Ｂは、電池セルのプラス端子をモニタリング集積回路に接続する線のチャネルインピーダンスを計算するための図式を表す。図７Ｃは電池セルの接地またはマイナス端子をモニタリング集積回路に接続する線のチャネルインピーダンスを計算するための図式を表す。図７Ａから図７Ｃにおいて、電池スタック７２０は４つのセル７２２、７２４、７２６および７２８を含むよう示されている。図示されていないが、電池スタック７２０は他のセルを含むことができる。各セルはモニタリング集積回路７１０と対応づけられ得る。図示される実施において、セル７２４のモニタリング集積回路７１０はオンであるので、図７Ａから図７Ｃにおいて示される。セル７２２、７２６および７２８のモニタリング集積回路はオフであるので、図７Ａから図７Ｃでは示されていない。
【００７１】
モニタリング集積回路７１０がオンである場合、電流はモニタリング集積回路７１０に対応づけられる相互接続される抵抗器（たとえば、抵抗器Ｒ４，Ｂ、Ｒ３，ＡおよびＲ６，ＣＥＬＬ）を通って流れる。抵抗器Ｒ４，Ｂは図２に示されるように、電池セル７２４のプラス端子をモニタリング集積回路のVcell２４４に接続する線の抵抗に対応する。抵抗器Ｒ３，Ａは図２に示されるように、電池セル７２４のマイナス端子をモニタリング集積回路の接地２４６に接続する線の抵抗に対応する。Ｒ６，ＣＥＬＬはセルインピーダンスと呼ばれ、隣接するチャネルに共通でない、チャネル６だけが有する他のすべてのインピーダンスを含む。たとえば、印刷回路基板（ＰＣＢ）上かつスタック接続内に、チャネル６だけが出合う領域があり得る。前の実施例はチャネル４に対して記載されているが、この方法は各チャネルに伴うインピーダンスを得るために、スタックのすべてのチャネルに適用することができる。ＩRTNの７３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータであって、この場合、回路１１０のフライバックコンバータを介してモジュールに戻されるすべての電荷を表わす。電流ＩRTNは、図１に示されるように、検知抵抗器１４２および回路１４０が回路１３０のアナログ入力チャネル１３６を駆動している状態で、測定される。
【００７２】
モニタリング集積回路７１０に対応づけられる各抵抗器の抵抗を計算するために、図５Ａに示されるスタック測定方法を用いて、１本線構成用に以下の式２を用いることができる：
【００７３】
【表３】
2014226029.tif 000012
【００７４】
本アルゴリズムにより、アクティブなバランサに伴うインピーダンスを正確に考慮して、バランシング、スタック装荷、およびスタック充電動作の際に開放セル電圧（フロート電圧）を計算することができる。こうして、システムの可視性はセルバランシングの際失われず、バランサのデューティサイクルを大きく増加させることができる。
【００７５】
開放セル電圧（ＶN,A）補正計算は、各電池接続に対して２つの測定されたインピーダンスの使用を必要とし得る。これは、各隣接するチャネル間の相対的な電流測定誤差による。この１インピーダンス方法は、インピーダンスを計算するのに用いられた電流が唯一の活性電流経路に対応する場合、うまく働く。たとえば、Ｒ４を測定するためにセル４が用いられ、セル４のみがオンの場合、補正されたセル電圧は非常に正確なものであり得る。しかし、セル５が同時にオンとなる、またはそれ自体だけでも、チャネル４の補正されたセル電圧は５ｍＶまでの誤差を含み得る。最悪の場合は、セル４の電流誤差が最も低い誤差しきい値であり、セル５の電流誤差が最大のしきい値である場合である。
【００７６】
上記の式は、現在の精度誤差を補正されたセル電圧計算から取除く手段を提供する。アクティブセルで３つのインピーダンス値Ｒn-1,A、Ｒn,B、およびＲn,CELLが得られる。アクティブセルの上のセル、下のセル、および当該アクティブセルのセル電圧が記録され、インピーダンスを計算するために用いられる。セルインピーダンスと呼ばれる３つ目のインピーダンスは、上または下のセルと共通の経路を有さないすべてのインピーダンスを考慮する。これは、内部電池インピーダンスおよび電池間の接続を含む。Ｒ0およびＲ12は特殊な場合であり、セットＡおよびセットＢからの式を合成することによって計算することができる。ＩMOD,mはモジュール内のすべてのセルを同時に流れるモジュール電流であり、ここでｍは図５ａに示される測定ステップを示し、図５ａにおいて１のｍは第１のスタックを示し、２のｍは第２のスタックを示し、３のｍは第３のスタックを示す。ＩMOD,mはＩSTK７４２+ＩRTN７３０と等しく、ここで（図７Ｄに示される）ＩSTKは、電池スタック全体のすべてのセルに共通の電流であり、ＩRTNはモジュールに戻されるＤＣ/ＤＣコンバータ出力電流である。電池スタック全体が装荷または充電されない場合（ＩSTK＝０）では、ＩMOD,mはＩRTN,mとなる。すべてのインピーダンスが計算されると、以下の式３を用いてバランサが動作している間ＶＣＥＬＬを補正することができる：
【００７７】
【数８】
2014226029.tif 000013
【００７８】
この（式３）において、Ｖn,Aは、セルｎに対応づけられる実際のセル電圧であり、Ｖn,BはMODE1で測定されたセル電圧である。Ｒn-1,AおよびＲn-1,Bは、モニタリング装置の接地端子をセルｎのネガティブ端子に接続する線に対応づけられる抵抗であり、Ｒn,AおよびＲn,Bはモニタリング回路のVcellピンをセルｎのプラス端子に接続する線に対応づけられる抵抗であり、Ｒn,CELLはセルｎより下のセルおよび上のセルと共通した経路を有さないすべてのインピーダンスを考慮した抵抗であり、Ｉnはセルｎに対応づけられるバランシング電流であり、Ｉn-1はセルｎの下のセルに対応づけられるバランシング電流であり、Ｉn+1はセルｎの上のセルに対応づけられるバランシング電流であり、ＩMODは複数のセルを同時に流れる電流である。Ｒn-1,A、Ｒn-1,B、Ｒn,AおよびＲn,Bは式２に示される式を用いて計算することができる。Ｉnは集積モニタリング装置を用いて特定のセルから測定することができる。ＩMONは図１の回路１４０および１４２を用いて測定されたモジュール電流である。
【００７９】
この３−インピーダンス方法は取得時間に影響しない。なぜなら１２チャネルすべては各スタック測定で変換されるからである。しかし、プロセッサを用いて新しいインピーダンスを計算するにはさらなる時間が必要となる。最後に、システムが報告するインピーダンスは、２つの測定されたインピーダンスの平均値であるべきである。
【００８０】
このアプローチにより、バランシングによるＩＲ降下を計算し、実際の電圧を計算するときに考慮に入れることができる。したがって、モニタリング集積回路は電圧を読取るためにオフする必要はなく、バランシング時間を最大限にすることができる。さらに、このアプローチにより、セルが損傷する可能性も低減する。なぜなら、スタックでの可視性はバランシングの際に失われず、より多くのエネルギを電池スタックから安全に回復することができるからである。
【００８１】
図８は、２本線構成を有するモニタリング集積回路のチャネルインピーダンスを計算する図式を表す。２本線構成は、モニタリング集積回路８１０、電池スタック８２０、およびＢＳＭ８３０を含み、これはモニタリング集積回路１１０、電池スタック１２０およびＢＳＭ１３０と類似しているので、その重複する局面はより詳細には記載されない。しかし、モニタリング集積回路８１０は、図１で記載した１本線構成の代わりに、電池スタックに対して２本線構成の接続を有する。２本線電池接続構成でのＩＲ補正アルゴリズムはより容易である。なぜなら、各チャネルは隣接するチャネルと分離され、電池スタックへの共通接続を共有しないからである。所与のチャネルの電圧測定はすぐ下のチャネルに依存する。図８は、各チャネルの正セル接続の測定を示す（なお、各チャネルの接地接続抵抗は２本線構成では測定できない）。図５のどちらかの方法を用いて、各正チャネル接続抵抗を計算するために、以下の式が用いられる：
【００８２】
【数９】
2014226029.tif 000014
【００８３】
被測定チャネルは、隣接する下のチャネルがMODE0でＶＣＥＬＬを選択し得る。下のチャネルは、バランシング電流を測定するための負の基準である。フロート電圧または開放セル電圧を計算するための一般式は、被測定チャネルの下のチャネルにより変更を考慮する：
【００８４】
【数１０】
2014226029.tif 000015
【００８５】
この（式５）において、Ｖn,AはMODE0（バランシング不能化）で測定される、特定のセルｎの開放セル電圧またはフロート電圧であり、Ｖn,BはMODE1（バランシング能動化）で測定される、特定のセルｎのセル電圧であり、Ｉn-1・Ｒn-1は、被測定セルの下のセルによるＩＲ降下である。Ｒn,CELL項は、ＤＣＲならびにモジュール電流ＩMODおよびバランシング電流Ｉnによって影響される電池間の接続を考慮する。電池の等価直列抵抗（ＥＳＲ）はＥＳＲテスト回路を用いて得ることができる。ほとんどの電池のＥＳＲはかなり低く、通常は１桁のミリオーム範囲にある。電池接続インピーダンス測定は、この電池ＥＳＲパラメータを含み得る。
【００８６】
図９は、電池スタックのＲn,CELLを測定する例示的回路９００を示す。回路９００は、モニタリング集積回路９１０、電池スタック９２０、ＢＳＭ９３０、ワンショット回路９４０および９５０、負荷抵抗器Rload、およびＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１を含む。モニタリング集積回路９１０、電池スタック９２０およびＢＳＭ９３０は、図１で記載したモニタリング集積回路１１０、電池スタック１２０およびＢＳＭ１３０に類似している。したがって、重複する局面はより詳細には記載されない。ＢＳＭ９３０は幾つかのＧＰＩＯチャネル（たとえば、ＧＰＩＯ１）を含むことができ、これを用いて電池Ｒn,CELLを測定する目的のために、電池スタック９２０の一番上および一番下から既知の電流を得る。ＧＰＩＯ  １を用いてワンショット回路９５０の入力をトグルで切換えることもでき、これによりワンショット回路９４０を駆動し、これはＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１のゲートを駆動するゲートドライバであり、オンに保つ。
【００８７】
Rloadの一方端は電池スタック９２０の正端子に接続され、他の端部はＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１に接続される。ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１の一方端はRloadに接続され、他方端は電池スタック９２０の負の端子に接続される。ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１のゲートはゲートドライバ回路９４０の出力ピンに接続される。ゲートドライバ回路９４０の入力ピンは、ワンショット回路９５０の出力ピンに接続される。ワンショット回路９５０の入力ピンは、ＢＳＭ９３０のＧＰＩＯ１に接続される。各回路９４０および９５０のＶ＋モジュールは、ＢＳＭ９３０の規制された電圧出力に接続される。各回路９４０および９５０の接地モジュールはＢＳＭ９３０のＶ−とともに、電池スタック９２０の負の端子に接続される。
【００８８】
ワンショット回路９５０は３つの外部抵抗器を用いたプログラマブルワンショットであり得る。回路９００にこれを入れる理由は、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１が常時オンであることを避けるために、誤動作の場合の安全のためにある。誤動作は大電流をもたらしＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１を損傷させる。ワンショット回路９５０はハードウェアの安全策として加えられ、一実施ではＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１がしきい値時間だけオンであることを可能にする。このしきい値時間は０．５ミリ秒から１００ミリ秒の間であり得る。ソフトウェアの誤動作があれば、ゲートドライバ回路９５０の入力にはトグルによる切換は見られない（たとえば、ＢＳＭ９３０の出力ＧＰＩＯ１）。正確性のために、短い期間の大電流（ＲLOAD用に小さい値の抵抗）を用いることができる。この電流は約１０Ａであり得るが、用いられる電池の容量に依存し、かつ比例する。スタックの各電池のＲn,CELLまたはＤＣＲを定めるために、以下の式を用いることができる：
【００８９】
【数１１】
2014226029.tif 000016
【００９０】
この（式６）において、ＶＣＥＬＬ(OFF)はＭ１がオフの状態である、MODE0でのモニタリング集積回路であり、ＶＣＥＬＬ(ON)はＭ１がオンの状態である、MODE0であり、ＶMODULEはＭＯＤＵＬＥ＋マイナスＭＯＤＵＬＥ−である。Ｒn,CELLは式３、４および５において用いられる。セル抵抗の式を計算するために、図７Ａから図７Ｄで記載した方法の代わりに、図９の方法を用いることができる。図５Ａのパラメータアルゴリズムを用いてセットＡの抵抗およびセットＢの抵抗の式を解くことができ、取得時間はほぼ３分の１となる。各セルのＤＣＲを測定することに加えて、ワンショット回路を短い期間に設定し、１ｋＨｚから１０ｋＨｚのレートで、周期的にトリガできる。これにより、セルのＥＳＲまたはＡＣ抵抗を測定することができる。等価ＲLOADは、Ｍ１のオン時間からＭ１のオフ時間の比率がＲLOADの大きさによって乗算されるものとなる。
【００９１】
Ｒn,CELLまたはＤＣＲを計算することは、電池スタック９２０が悪くなっているのか、または接触抵抗が悪くなっているのかを判断する助けとなる。電池スタック９２０が数回充電および放電されると、電池スタック９２０の接触抵抗は増加し得る。ＤＣＲを計算することにより、ユーザは誤っている測定が悪い電池スタック９２０に伴うものなのか、悪い接触に伴うものなのかを判断することができる。計算されたＤＣＲがしきい値よりも高ければ、電池スタック９２０の不備と見られる。しかし、計算されたＤＣＲがしきい値よりも低ければ、電池スタック９２０は大丈夫であると見なされ、問題は電池スタック９２０の連続する充電および放電による悪い接触に伴うものであり得る。
【００９２】
具体的実施例において、ＲLOADの抵抗器は、大きい、短い時間の１０Ａパルスを扱うためにパルス定格化され得る。１２セルのモジュールでは、ＲLOADのよい選択とは、６個の平行な２４ΩＣＲＭ直列抵抗器である。ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１として、Fairchild ＦＤＭＣ８６１０２Ｌまたはその等価物を用いることができる。ワンショット回路９５０には、ＬＴＣ６９９３−４、または等価な単安定パルスジェネレータがＭＯＳＦＥＴのパルス期間を２０ｍｓに制限するために用いることができる。１．５Ａ単一チャネルゲートドライバであるＬＴＣ１６９３−３（９４０）を用いて、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１の適切なターンオフおよびターンオン時間を与え、任意の等価なゲートドライバと置き換えることができる。キャパシタンスＣ２は、パワー入力ピンを２つのワンショット回路９４０および９５０にフィルタ処理するためのバイパスキャパシタである。パワー入力ピンはＢＳＭ９３０から出力された５ボルトに規制された電圧によって駆動される。
【００９３】
複数のモジュールシステムにおいて、モジュールを互いにバランシングする必要があり得る。各モジュールは複数のセルを含む電池スタック９２０に対応し得る。各セルは、あるモニタリング集積回路９１０に接続され得る。モニタリング回路９１０はＢＳＭ９３０に接続され得る。各モジュールにおいて、エネルギは１つのセルから取出され、電池スタック９２０の１２個のセルすべてに配分されて、モジュールを許容可能なしきい値内にバランシングすることができる。代替的に、または付加的に、エネルギは１１個のセルから取出され、電池スタック９２０の１２個のセルすべてに配分されて、電池スタック９２０のうちの１つのセルをバランシングすることができる。これにより、モジュール内にバランスの取れたセルとなる。しかし、モジュールがバランシングされたとしても、バランシングされたモジュール間で何らかの電圧差があり得る。複数のモジュールを有するシステム、たとえば各々が１２個の電池セルを有する１０個のモジュールを含み得る自動車において、モジュールを互いに対してバランシングするために、回路９００を用いることができる。あるモジュールでのRloadはオンされ、第２のモジュールに対して許容可能なしきい値レベルに達するまで、そのモジュールの電圧を低減させる。この処理の間、モジュールのモニタリング集積回路９１０をオフにし、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１をオンおよびオフにする。この処理により、モジュール間の不一致を回避または低減でき、１つのモジュールが１０個のモジュールからなる電池システム全体の容量を決定することを防ぐ。
【００９４】
上記の実施例において、自動車が修理に出され、１０個のモジュールの電池システムの中でモジュール５が不良であると判断されたとする。モジュール５は新しいモジュールで置き換えられる。新しいモジュールは当然電池システムの残りのモジュールよりも高い容量を有する。モジュール５が残りのモジュールの残りの容量を決定するとしたら、より小さい容量を有する他のモジュールの一部が過充電される危険性がある。したがって、回路９００を用いてモジュール５が完全に充電されるまで、残りのモジュールからエネルギを出力させることができる。
【００９５】
１本線構成では、開放接続は、その接続を共有する２つの接続の測定に影響する。影響されたチャネルのどちらにも負荷がない場合、電圧は２つのセル電圧の合計のほぼ中間点にあり得る。正確な値は、ＶINキャパシタの漏れのうちの割合であり、大きく変動し得る。開放接続は、特定セルのバランサをオンにする前および後で、Vcellを測定することによって検出することができる。
【００９６】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、１本線構成回路１０００Ａの開放接続上のセルをオンにしした結果、および１本線構成回路１０００Ｂの開放接続下のセルをオンにした結果をそれぞれ示す。回路１０００Ａおよび１０００Ｂは類似しており、モニタリング集積回路１０１０、電池スタック１０２０、およびＢＳＭ１０３０を含む同じコンポーネントを備える。モニタリング集積回路１０１０、電池スタック１０２０およびＢＳＭ１０３０は、図１に記載したモニタリング集積回路１１０、電池スタック１２０およびＢＳＭ１３０と類似しているので、より詳細には説明しない。回路１０００Ａと回路１０００Ｂとの違いは、回路１０００Ａでは、開放接続１０４０上のセルのモニタリング集積回路１０１０がオンにされるのに対して、回路１０００Ｂでは、開放接続１０４０下のセルのモニタリング集積回路１０１０がオンにされて、電圧を測定し、開放接続があるか否かを判断する。
【００９７】
本実施例では、開放接続１０４０は、電池セル８の正端子とセル９のモニタリング集積回路１０１０の接地またはセル８のモニタリング集積回路１０１０のVinとの間にある。開放接続１０４０のそれぞれ下および上にある影響を受けたセル８および９は、特定の接続が損なわれたことを保証するためにテストするべきである。以下のアルゴリズムを用いて開放接続を判断することができる。
【００９８】
１．）  MODE0ですべてのセル電圧を測定する
２．）  上の影響されたセルを少なくとも２ｍｓオンにする
３．）  上の影響されたセルをオフにする
４．）  MODE0ですべてセル電圧を測定する
５．）  下の影響されたセルを少なくとも２ｍｓオンにする
６．）  下の影響されたセルをオフにする
７．）  MODE0ですべてのセル電圧を測定する
８．）  ステップ１−ステップ４＞２００ｍＶかつステップ４−ステップ７＞２００ｍＶであるのなら、開放がある。
【００９９】
２００ｍＶのしきい値は、測定誤差に許容を提供するために選択される。開放接続１０４０の決定は多くの顧客にとって重要であり得る。なぜなら、ＢＳＭ１０３０による不正確な読取が異常な電池スタック１０２０に関連するのかまたは電池スタック１０２０をＢＳＭ１０３０に接続する異常な配線によるものなのかを判断する助けとなるからである。開放接続１０４０の決定は、対応するモニタリング集積回路スイッチがオフである場合に電圧を保持する、キャパシタ１０５０と、モニタリング集積回路１０１０内のスイッチとの助けにより、行なうことができる。キャパシタ１０５０はモニタリング集積回路１０１０の外部コンポーネントであり、モニタリング集積回路１０１０のスイッチングコンバータに対してバイパスキャパシタである。
【０１００】
通常の動作では、各セルはVcellを読取る。しかし、開放接続があると、上の影響を受けたセルのモニタリング集積回路１０１０はキャパシタ１０５０を放電させ、これはセル電圧（たとえばVcell）にされる。電圧が、モニタＩＣの不足電圧しきい値に近い、一例では２ボルトに到達すると、モニタリング集積回路１０１０は電圧が低すぎることを検出し、キャパシタ１０５０の放電を停止し、シャットダウンモードになると２ボルトを出力する。このような読取は、回路１０００Ａに開放接続があることを示すものである。これはどのリチウムイオン電池でも最小電池電圧が２．５ボルトだからである。このため、かつ通常の状況では、モニタリング集積回路１０１０の出力電圧は２．５ボルト以下であってはならない。この場合、しかし、開放接続１０４０により、上セル９のモニタリング集積回路１０１０の出力電圧は２ボルトである。回路１０００Ａの下セル８のモニタリング集積回路１０１０の電圧出力は、Vcell8＋Vcell9−２ボルトであり、実際のVcellよりも高い。
【０１０１】
同様に、下セル８のモニタリング集積回路１０１０がオンになり上セル９のモニタリング集積回路１０１０がオフとなった場合、セル８の測定された電圧は約２ボルトであり、セル９の測定された電圧は約Vcell8＋Vcell9−２ボルトである。このような読取は、回路１０００Ａおよび回路１０００Ｂに開放接続があることを示すものである。
【０１０２】
２本線システムでは、隣接するＣVINキャパシタ間の接続は、接続が開放されると切断される。ＶVINはおそらくはその特定のチャネルのダイオードの下にあり、ＯＵＴピンはハイインピーダンスとなる。２本線構成は、開放接続を検出するために、当該方法がＬＴＣ６８０ｘデータシートに記述されることを必要とする。この方法はＣピンを駆動するのに１００ｕＡ電流源を使用する。なお、１本線構成では、モニタリング集積回路出力とそのＣピンとの間に開放があることを検出するためには、ＬＴＣ６８０ｘ開放接続検出スキームを必要とする。
【０１０３】
アクティブバランシング回路における開放接続検出に加えて、開放セルも存在し得る。開放セルは、その開放セルを有する特定のチャネルのみに影響する。開放セルに掛かる測定された電圧は、電池スタックの電流方向に依存する。電池スタックが負荷を与えるのなら、電圧はダイオード、すなわち外部ＴＶＳダイオード（ホットスワップまたはホットプラグ保護向け）またはモニタリング集積回路ＶＣＥＬＬもしくはＶＩＮピンの内部基板ダイオードの負の順方向電圧にクランプされる。同様に、電池スタックが充電されるのなら、開放セル電圧は、最大セル電圧よりも大きく設定される、ＴＶＳダイオードのツェナー電圧にクランプされる。
【０１０４】
図１１Ａおよび図１１Ｂは、スタックが負荷されるまたは充電された状態の、チャネル９の開放セルの影響を示す。具体的に、図１１Ａは電池スタックが負荷を与えて、チャネル９の開放セルの影響を示す。図１１Ｂは、電池スタックが充電されて、チャネル９の開放セルの影響を示す。回路１１００Ａおよび１１００Ｂは、モニタリング集積回路１１１０、電池スタック１１２０、ＢＳＭ１１３０、外部ダイオード１１４０および内部ダイオード１１５０を含む同じコンポーネントを有する。しかし、回路１１００Ａでは、電池スタック１１２０が放電され、回路１１００Ｂでは、電池スタック１１２０が充電される。回路１１００Ａおよび１１００Ｂは、そのチャネル９内に開放セル１１６０を含む。
【０１０５】
開放セル１１６０に掛かる測定された電圧は、電池スタック１１２０の電流の方向に依存する。電池スタック１１２０が図１１Ａに示されるように負荷を与えているのなら、電圧はダイオードの負の順方向電圧にクランプされる。ダイオード、外部ＴＶＳダイオード１１４０（ホットスワップまたはホットプラグ保護向け）またはモニタリング集積回路１１１０VcellもしくはVinピンの内部基板ダイオード１１５０のどちらかを含み得る。同様に、電池スタック１１２０が充電されるのなら、開放セル電圧は、ＴＶＳダイオード１１４０のツェナー電圧にクランプされ、これは最大セル電圧よりも大きく設定され得る。
【０１０６】
開放セルは、電池セル１１２０の全体のシリーズスタックに負荷を置くことなく、テストすることができる。充電電流は、それぞれのディスチャージャが能動化された、１２−セルモジュール内の他のチャネルからの電流源であり得る。パッシブ／アクティブモジュール間ディスチャージャまたは電池ＥＳＲパルス回路を用いて、開放セルを含むモジュールを放電することができる。
【０１０７】
図４に示されるモニタリング集積回路から大部分のパラメータを得るためには、２つの連続測定が必要である。この測定方法は、連続する読取間で負荷がスイッチオンされた場合に、誤りやすい。この誤りは負荷電流によって導入された共通モードシフトを検出および補正することによって緩和できる。
【０１０８】
VPAR =第１の測定値 - (第２の測定値)
= VCELL - (VCELL - V’PAR + VCM) 
= V’PAR - VCM（式７）、ここでVparは所望の測定パラメータであり、VCMは共通モードシフトである。最もよい精度は、同じ時点で測定されたチャネルを用いることによって得られる。
【０１０９】
図１１Ｃは、ＢＳＭ  ＩＣが複数のチャネルを同時に測定する、同じシステムクロックによってクロック動作されたいくつかのＡＤＣチャネルを含み得ることを示す。スタック全体の他のチャネルの読取は、異なる時間ステップで取得される。異なる時間ステップで取得されたチャネルの共通モード電圧を比較することは大きな誤差をもたらし得る。こうして、共通モード情報は同じ時間ステップで取られたチャネルに与えられなければならない。図５Ａに示される抽出アルゴリズムは２チャネルＢＳＭ  ＡＤＣアーキテクチャでうまく働くので、共通モード情報は第１のＡＤＣで抽出されながら第２のＡＤＣは命令されたセルパラメータを抽出する。ＶCMは、１つ目の測定のスタック１のVcell測定値を２つ目の測定のスタック１のVcell測定値と比較し、その差をＶCMとして特定することによって計算できる。
【０１１０】
電池スタックがＢＭＳ基板に接続されると、ＢＭＳの容量の結果としてサージ電流が生成され得る。サージ電流の経路の配線および経路付けインダクタンスにより、後のサージ電圧はＢＳＭの最大入力電圧を超え、それによりＢＳＭを損ない得る。具体的に、大電流は、電池の低いＥＳＲに結合された大きな入力バルク容量により、電池をアナログＢＳＭ用途にホットスワップした場合に生成される。モニタリング集積回路実施の場合、モニタリング集積回路は大量の入来電流の後にくるオーバーシュート電圧を処理するのに問題はない。しかし、下流ＢＳＭでは、損傷を受け得る可能性があり、これはホットスワップに対して保護するために、付加的ステップおよび／または回路を必要とする。電池スタックをＢＭＳ基板にホットスワップすることに対する保護にはいくつかの方法がある。具体的には、機械的解決策およびアクティブ解決策がある。
【０１１１】
図１２は電池スタックをＢＭＳ基板にホットスワップすることから保護するための機械的解決策を提供する例示的ホットスワップ保護回路１２００を示す。機械的なアプローチは最も費用効果のよい解決策となり得る。回路１２００は、モニタリング集積回路１２１０、電池セル１２２０、抵抗器１２３０、およびキャパシタ１２４０を含む。抵抗器１２３０はＣVINキャパシタ１２４０を電池電圧に予め充電するために用いられる１０Ω抵抗器であってもよく、入来電流を制限する。抵抗器１２３０がなければ、唯一の抵抗は配線抵抗となり、これはＢＳＭの入力への大きな入来電流をもたらし、ＢＳＭを損傷させる。ＣVINキャパシタ１２４０が充電された後、機械的スイッチ１２３２が抵抗器１２３０にわたって接続され、すべての正常な動作においてそのまま残る。機械的ショート１２３２に対して３つの進められる解決策がある：１）＞３Ａ定格のジャンパを使用する、２）機械的スイッチを使用する、または３）スタガードピン電池用コネクタを使用する。スタガードピン接続では、長いピンが１０Ω抵抗器１２３０を介してモニタリング集積回路１２１０に接続され、キャパシタ１２４０に電荷を与える。短いピンはモニタリング集積回路１２１０に直接接続され、１０Ω抵抗器１２３０を短絡させる。通常の挿入では、回路への長いピンの接続と短いピンの接続との間におよそミリ秒の遅延があり、それによりＣVIN１２４０は機械的短絡がなされる前に充電される。
【０１１２】
図１３Ａおよび１３Ｂは、２つの例示的ホットスワップ保護回路１３００Ａおよび１３００Ｂを示し、各々は電池スタックをＢＭＳ基板にホットスワップすることから保護するためのアクティブ解決策を与える。アクティブ解決策は自動的ホットスワップ保護（たとえば、電池を接続する場合に付加的工程は必要ない）という付加的利点を有し得る。図１３Ａは例示的ホットスワップ保護回路１３００Ａを示し、これはモニタリング集積回路１３１０、電池スタック１３２０、抵抗器１３３０、およびキャパシタ１３４０を含む。ホットスワップ保護回路１３００Ａはホットスワップ保護回路１２００と類似しているが、ホットスワップ保護回路１３００Ａでは、機械スイッチ１２３２はＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１  １３３２と置き換えられ、これはキャパシタ１３３４および抵抗器１３３６を用いて自動的にオンされて抵抗器１３３０を短絡させる。電池スタック１３２０がまず各チャネルに接続された場合、キャパシタ１３３４は放電または短絡されるので、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１  １３３２はオフとなる。これは、すべての電流が抵抗器１３３０を通ってキャパシタ１３４０を充電することを意味する。電池スタック１３２０をホットスワップしたすぐ後で、抵抗器１３３６はキャパシタ１３３４の充電を開始し、ある遅延の後、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１  １３３２をオンにし、これは抵抗器１３３０を短絡させる。抵抗器１３３０はＢＭＳの残りの正常動作の間、短絡されたままとなり得る。回路１３００ＡはヒューズＦ１による付加的過電圧保護およびダイオード１３３８を有する。ダイオード１３３８はツェナーダイオードであってもよく、図１３Ｂにおいてより詳細に記載される。回路１３００Ａは効率が低くかつコストが高くなるという不利点を有し得る。一具体的実施例では、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１  １３３２は、コンバータ効率を最大にするために低いＲTS,ONを有し、１．２５Ｖ  ＶGSしきい値未満である。キャパシタ１３３６のサイズは、Ｍ１がオンされる時間遅延がキャパシタ１３４０を十分に充電する時間よりも長いものとなる。
【０１１３】
図１３Ｂは例示的ホットスワップ保護回路１３００Ｂを示し、これはモニタリング集積回路１３１０、電池スタック１３２０、キャパシタ１３５０、ならびにダイオード１３６０および１３７０を含む。回路１３００Ａの抵抗器１３２０の代わりに、回路１３００Ｂはダイオード１３６０および１３７０を含む。ダイオード１３６０および１３７０は過渡電圧抑制器であってもよく、これは低いインピーダンスのツェナーダイオードであり得る。ツェナーダイオードは典型的に数百アンペアを扱うことができながら、そのツェナー電圧に非常に近くあり得る。ツェナーダイオードは、モニタリング集積回路１３１０およびＢＳＭ回路で許される最大電圧よりも低くなるよう選択できる。一具体的実施例において、ダイオード１３６０のツェナーダイオードは６．８ボルトであり得る。ダイオード１３６０はすべての突入電流を吸収し、モニタリング集積回路１３１０に与えられる電荷が６．８ボルトよりも高くならないようにする。ダイオード１３７０はＢＳＭの入力に対して２つ目の保護層を与える。
【０１１４】
提案しているフロート電圧補償の実施は、通信アーキテクチャおよび構成、ならびに電流検知増幅器および電池電圧検知回路の組合せに依存して、変わり得る。これはシステムのすべてのＩＲ降下を補償し、電池バランシングの際に電池フロート電圧を正確に計算する提案されている方法を無効にするものではない。当該アルゴリズムは、各配線／コネクタインピーダンスを２回測定することにより、電流検知増幅器の小さな不正確さを考慮に入れており、これは各隣接する電流検知増幅器およびバランシング経路、すなわち測定されるインピーダンスの上および下のものを用いる。電流検知増幅器に大きな誤りがないのなら、各配線／コネクタの測定は、一方だけの隣接する電流検知増幅器およびバランシング経路回、すなわち被測定配線／コネクタの上または下だけの組で行なうことが考えられる。
【０１１５】
ＢＭＳのフィーチャの一部は、モニタリング集積回路の１本線通信を含み、これにより正確に電圧降下を測定し、ＬＴＣ６８０４を用いて非常に正確にバランシングしながらバランシング電流を測定することを可能にする。他の試みはより複雑かつより不正確となり得る（たとえば、電圧を測定するためにバランサをオフにすると、フロート電圧に安定する前に電池電圧変動により、誤差を引起す）。さらに、バランシング経路の直列抵抗を計算するために独自のアルゴリズムおよび方法を用いることができ、モニタリング集積回路のアナログマルチプレクサを使用する。さらに、独自のファームウェアアルゴリズムを用いて、セル電圧のより迅速なロギングのために、速い期間で、ＩＲ降下補償、共通モード補償、および電圧垂下補償（フロート電圧補償）を行なうことができる。内部的にトリミングされた電流検知増幅器を用いて、非常に正確なバランシング電流測定により、バランシングしきい値範囲のより高い分解能が可能となる。ＢＭＳシステム設計の付加的安全特性は、ＢＳＭの各チャネルが正しく動作していることを確認するために、モニタリング集積回路のハンドシェイク電圧を用いた異なるＩＣの基準冗長性、開路検出、コンバータスイッチ保護、および電池スタック共通モード補正を含む。
【０１１６】
他の実施も考えられる。たとえば、システムは各チャネルのスイッチ−モードコンバータ用にスイッチ保護を含み得る。図２を再度参照すると、恒久的な損傷からモニタリング集積回路２１０の内部パワースイッチを守るために、いくつかの保護特性を含むことができる：短絡検出器、ハイインピーダンス検出器、およびスイッチ過電圧保護（ＯＶＰ）。これらは、誤りにより放電コンバータの整合性が損なわれた場合に、ユーザに知らせ得る。スイッチングは誤りのある状態では不能化され得る。短絡検出器は、変圧器の一次側巻線の短絡により、パワースイッチが早期にオフになった場合を検出できる。電流比較器が５５０ｎｓ短絡検出タイムアウトの前にトリップすると、スイッチエラーラッチがトリップする。出力ピン２１２はスイッチエラーの際、Vin−１．２Ｖ、ＶＳＷ、ＥＲＲに駆動される。その部分は、スイッチエラー誤りをクリアするためにリセットされなければならない。
【０１１７】
ハイインピーダンス検出器は、モニタリング集積回路２１０のパワースイッチがどれだけオンになっているかをモニタすることができる。スイッチがスイッチ最大オン時間の５０μｓよりも長くオンとなると、スイッチエラーラッチが設定され、出力ピン２１２はVin−１．２Ｖ、ＶＳＷ、ＥＲＲに駆動される。その部分は、スイッチエラー誤りをクリアするためにリセットされなければならない。ＯＶＰ回路は、ＮＰＮコレクタのＳＷピンを５０Ｖに動的にクランプし得る。これは内部パワースイッチが機能停止し、恒久的な損傷を引起すことから守る。当該クランプは一次側スナバとして用いて、漏れインダクタンスエネルギを吸収することができる。２００ｎｓのスイッチクランプ消去時間は、クランプが漏れスパイクを吸収しているのか、または変圧器の二次側がオープンであるのに対してスイッチはオフとなるのかを判断する。スイッチクランプが約２００ｎｓよりも長くオンとなっているのなら、スイッチエラーラッチが設定される。この部分は、スイッチエラー誤りをクリアするために、リセットされなければならない。
【０１１８】
別の実施例として、モニタリング集積回路はスイッチを収納しないよう設計でき、これは一次側変圧器巻線に接続される。代わりに、スイッチはモニタリング集積回路の外部に収容され得る。スイッチをモニタリング集積回路の外に配置することにより、モニタリング集積回路はより大きい電流を扱うことができるようになる。１つの具体的実施例を示すと、モニタリング集積回路は２．５アンペアまでの平均電流を取扱うことができるのに対して、ＬＴＣ３３００は１０アンペアまでのより大きい電流を扱うことができる。
【０１１９】
図１４は、モニタリング回路を変圧器に接続するスイッチがモニタリング回路の外に配置される例示的回路１４００を示す。回路１４００は、モニタリング集積回路１４１０、電池スタック１４２０、変圧器１４３０、複数の第１のスイッチ１４４２、および複数の第２のスイッチ１４４４を含む。モニタリング集積回路１４１０はＬＴＣ３３００を含む。各チャネルにおいて、モニタリング集積回路１４１０は変圧器１４３０を介して、電池スタック１４２０内のあるセルに接続される。変圧器１４３０は一次巻線１４３２および二次巻線１４３４を含む。一次巻線１４３２の一方端は電池スタック１４２０のセルのプラス側に接続され、他方側は第１のスイッチ１４４２のドレインに接続される。スイッチ１４４２のゲートは、モニタリング集積回路１４１０に接続され、そのソースは抵抗器を介して電池スタック１４２０のセルの負端子に接続される。二次巻線１４３４の一方端は、電池スタック１４２０の正端子に接続され、他方端は第２のスイッチ１４４４のドレインに接続される。第２のスイッチ１４４４のゲートは、モニタリング集積回路１４１０に接続され、第２のスイッチ１４４４のソースは、抵抗器を介して電池スタック１４２０の負端子に接続される。
【０１２０】
図１４に示されるモニタリング集積回路１４１０が図２に示されるモニタリング集積回路２１０よりも有利であるのは、モニタリング集積回路１４１０が図１５Ａに示されるように、エネルギの二方向伝達を可能にするのに対して、モニタリング集積回路２１０は、図１５Ｂに示されるように、エネルギの一方向伝達しかできないことである。たとえば、放電の際、電池スタック２２０の高いエネルギを有する特定のセルに対するモニタリング集積回路２１０はオンとなり、一次巻線を用いてセルからエネルギを取出し、二次巻線を用いてエネルギを電池スタック２２０に戻す。同じセルの充電の際、他のセルに対応するモニタリング集積回路２１０はオンとなり、一次巻線を用いてこれらセルからエネルギを取出し、二次巻線を用いて電池スタック２２０にエネルギを戻す。これに対して、充電の際、モニタリング集積回路１４１０は充電される必要がある特定のセルを充電し、エネルギを電池スタック全体に戻す必要はない。すなわち、モニタリング集積回路１４１０はその二次巻線を用いて電池スタック１４２０からエネルギを取出し、それを充電する必要がある特定セルに戻すことができる。図１５Ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータスイッチが電池スタック側にあり、ダイオードが個別のセルを駆動している、一方向チャージャを示す。
【０１２１】
電圧垂下は、特定のセル内の化学的反応による現象である。必要な電圧を生成するために必要である、特定のセル内の化学反応は、セルがオンされると、セルの端子での一時的な電圧降下をもたらす。セルがオフとなると、セル電圧はセル内のイオンの拡散が等しくなるので、上昇する。電荷は瞬時に作成することはできず、所与の時間の間、有限量しか生成できない。電池セルはさらに、短期の瞬時電荷送りを可能にする何らかの容量性効果を有する。ある時点で、特定の電圧を維持するのに必要な充電生成レートは、セルから取出される電荷と等しくなる。バランシングの際にセルから外部的に取出される電荷は、電荷の純損失として見ることができ、それゆえ電圧降下となる。リチウムイオン電池の開放セル電圧は、セルの充電状態（ＳＯＣ）を示すものであり、これはセルの端子電圧に等しいまたは等しくないことがある。式８はこれを示し、Capacityは特定のセルの容量をクーロンで表わし、ＶRANGEは最大可能セル電圧マイナス最小可能セル電圧である。
【０１２２】
【数１２】
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【０１２３】
ＩＲ補償はすべてのＩＲ降下を補正し、端子および内部配線構造の抵抗による、ＩＲ降下を含む、電圧の端子での電圧をもたらし得る。電圧垂下現象により、実際の開放セル電圧は電池の端子での電圧よりも高い。こうして、ＶDROOPを補正しなければ、ＩＲ補償は本当の開放セル電圧をもたらし得ない。
【０１２４】
図１６Ａおよび図１６Ｂは電池端子のバランシングの効果を示す。図１６Ａは、バランサがオンとなった場合のセルの電圧垂下を示す。上記のように、この垂下は一時的であり、セル内の化学反応によるものであり、バランサがオフとなった後になくなる。したがって、電圧垂下補正がなければ、バランシングアルゴリズムは、セル電圧が垂下し、その後回復するにつれ、変動する。これは、バランサでの測定セル電圧が、電圧垂下により、セルの実際の電圧よりも低いからである。なお、電圧垂下は典型的に約１０または２０ｍＶである。図１６Ｂは垂下を連続的に測定し、各時点で補正することにより、電圧垂下を補正する１つの方法を示す。これにより閉ループバランシングアルゴリズムを安定化させ、フィードフォワード補償を有効に加え、セルの内部電荷生成に伴う低い周波数極を打ち消す。このため、必要な補正ファクタ１６１０はバランサがオンである間に示される。バランサがオフとなると、補正ファクタは次第に消える。しかし、電圧垂下に対して各データ点で補正するための処理パワー量は実現不可能となり得る（一部の電池スタックは１００個のセルを超える）。その代わりに、別のアプローチとして、時間による電圧の変化率を辿ることである。
【０１２５】
図１７は電圧垂下を考慮した前の例の導関数アプローチを示す。バランシングアルゴリズムの変動を取除くために、特定セルの垂下量を知らなければならない。このため、セルはバランシングアルゴリズムが開始される前に少なくとも１回実施されることを必要とし、その値は後で使用するために記憶される。図１７のＶDROOP補償は、数分掛かり得る遷移する事象の際にＳＯＣにおいて無視できる変化があると見なす。セル装荷の際、以下のアルゴリズムが用いられる：
初期遷移：Ｖａ（遷移前の直前の測定）は、ＶCELLの時間導関数が最小しきい値に到達するまで、バランシングアルゴリズムにおいて用いられる。最小しきい値は端子電圧が等価となったときを判断するために用いられ、サンプル間で、１または２ｍＶに設定できる。しかし、他の数値に設定されてもよい。
【０１２６】
装荷の際：典型的にＶDROOPがＩＲ降下補償Ｖn,A電圧に加えられ、バランシングアルゴリズムで用いられる。
【０１２７】
遷移終了：ＶCELLの時間導関数が最小しきい値、おそらく、サンプル間で１または２ｍＶ、に達するまで、ＶB（直前のＶn,A＋ＶDROOP測定）がバランシングアルゴリズムにおいて用いられる。
【０１２８】
装荷の後（バランサがオフされる）：ＩＲ補償ＶCELL、Ｖn,Aに戻る。電圧垂下が著しく変わらないので、電圧垂下が初期化の期間に判断されると、電圧垂下を再度計算することなく、その電圧垂下をバランシングの際に用いることができる。代替的に、さらに精度を上げるために、電圧垂下を時々計算し、新しく計算された電圧垂下をたとえば３０分ごとに、バランシングで用いられる。もちろん、システムダイナミックが変わると、電圧垂下は変わったときに計算でき、新たに計算された電圧垂下をバランシングで用いることができる。
【０１２９】
電圧垂下の再計算：電圧垂下は、式９を用いて、図１７の点ＶBおよびＶCを用いて再度計算することができる。セル電圧測定間の時間を延ばし、移動平均技術を用いることによって、より精密な分解能を達成することができる。しきい値時間は調整可能である。一具体的実施例において、しきい値時間は差分セル電圧が設定されたしきい値以内になるまで、２０ミリ秒ごとに設定することができる。典型的には、これは垂下が起こる１分または２分内である。
【０１３０】
ＶDROOP＝ＶC−ＶB（式９）
電圧垂下の大きさは、電流が増えると増加する。スケール係数を計算し、異なる負荷状態での電圧垂下補償を調整するために用いることができる。式１０は利用できるスケール係数を生成することができ、電圧降下対負荷電流の線形的関係を取る。曲線適合を用いて負荷電流の電圧垂下ベースをスケーリングするために用いることができ、非線形関係を考慮し、全体的精度を上げる。
【０１３１】
Ｒn,ESR＝Ｖn,DROOP／Ｉｎ（式１０）
電圧降下補償は、システムの安定性をも高める。電圧垂下補償に加えて、移動平均を実施して、バランシング応答における誘起されたリンギングからノイズおよびシステム摂動を減らす。リンギングは過度の効率損失および低減された電荷回復を引起し得る。システムの安定性は電池パックの動作時間を延ばし、セルの蓄積された電荷のバランスが収束するのではなく離反することを防ぐために必要であり得る。
【０１３２】
さらに進むと、シリーズスタックドリチウムイオン電池パックのいくつかの市場用途では、電池が装置全体で均等に配分されることを必要とし得る。他の用途では、電池パックの容易な修理を必要とし得る。これらの用途のどちらにおいても、モジュラに基づくアプローチによって益を得ることができ、電池パックは１２個のセルの自己保有モジュールを用いて構成される。１２個のセルを選択することは１２チャネルのＢＳＭ  ＩＣでうまく働くが、当該概念はモジュール当たり任意の数のセルでもうまく働く。モジュール自体は図１のように構成され、セルバランシングはモジュール内に含まれる。図１に示されるように、一方向ディスチャージャの構成を用いることができる。代替的に、一方向または二方向のチャージャ構成を用いることもできる。これはモジュールをパッシブにバランシングするよりもはるかに効率がよく、はるかに高いバランシング電流を可能にする。各セルの電荷は１２個のセルからなるモジュール全体から取出されるまたは戻され、ＭＯＤＵＬＥ＋およびＭＯＤＵＬＥ−と示される。
【０１３３】
電荷は複数の直列接続１２セルモジュールからなる全体のスタック電圧から取出すまたは戻すことができるが、モジュールには高い電圧があり、メンテナンスの際の安全性にリスクを課する。さらに、重さを均等にするためにモジュールが全体に分散されている装置で高い電圧配線を経路付ける場合にも、リスクが高まる。個別のセルのバランシングがモジュールに含まれる場合、電池スタック全体を含む複数のモジュール間で電荷をバランスするために、第２段のバランシングが必要となり得る。これは特に新しいモジュールが損傷されたモジュールに置き換える場合に明らかであり、電池スタックの他のすべてのモジュールよりも大きい容量を有する。
【０１３４】
図１８は別の例示的ＢＳＭ  １８００を示す。ＢＳＭ１８００はモジュール−スタックバランスである。このため、ＢＳＭ１８００は複数のモジュール１−Ｎおよびモジュール−スタックバランサ１８３０を含む。モジュール１−Ｎのうちの各モジュールは、ＢＳＭチップ１８３０に接続される、図１に示されるＢＳＭ１００に対応し得る。モジュール１−Ｎのうちの各モジュールは特定のモジュールでバランシングすることができるためのイネーブル信号を必要とし、これは図１８でＥＮと示され、その特定のモジュール−スタックバランサ、典型的にはＢＳＭ  ＩＣ１８３０からのＧＰＩＯチャネルに接続される電池モジュールから送られる。決定は、ＢＳＭ  ＩＣ通信ポートへのプロセッサ接続でプログラミングされたアルゴリズムを使って行なわれる。決定は、相対的モジュール電圧を電池スタック全体の平均モジュール電圧と比較することに基づく。図１８の場合、平均モジュール電圧および／または平均蓄積電荷プラスバランシングしきい値より高い電圧および／または高い蓄積電荷を有するすべてのモジュールは、そのモジュール−スタックバランサが放電を能動化するよう命令する。
【０１３５】
図１８はフライバックコンバータが一方向ディスチャージャとして構成された、モジュール−スタックバランサの使用を示すが、コンバータは一方向チャージャまたは二方向コンバータとして構成され得る。電荷は各個別のモジュールから移されて全体の電池スタックＳＴＡＣＫ＋およびＳＴＡＣＫ−に戻される。すべての高電圧線はモジュール−スタックコンバータに含まれるが、モジュール置き換えの際にMODULE+およびMODULE-端子に高電圧が掛かるのを防ぐために、電圧クランプが各モジュールに平行に配置されるべきである。
【０１３６】
一部の用途では、単一のモニタリング集積回路が許すバランシング電流よりも多くの電流を必要とし得る。単一のモニタリング集積回路は２．５アンペアまでのバランシング電流を許容し得る。したがって、より大きい容量またはより小さいバランシング時間により、２．５アンペアよりも高いバランシング電流（たとえば５アンペア）を必要とする用途では、２つ以上の集積モニタリング回路を並列に、スレーブまたはマスタとして、追加し得る。これは、各セルから取出される放電電流量を増加させ得る。このため、各チャネルのバランサは複数の並列のより小さいバランサからなり得る。バランサは、ＬＴ８５８４のようにバランサＩＣにパワースイッチが統合されるモノリシックである、またはＬＴＣ３３００、ＬＴ３７５１またはＬＴ３７５０解決策のように外部の個別パワースイッチを有するコントローラであり得る。
【０１３７】
図１９Ａは複数の平行スレーブバランサを示す。図１９Ｂは複数の平行なマスタバランサを示す。図１９Ａでは、個別のバランサはマルチフェーズ型であり得る。図１９Ａに示されるマスタ／スレーブアプローチは、１つ以上のスレーブバランサを能動化する単一のマスタバランサを使用し得る。このアーキテクチャは以下のように構成できる：
【０１３８】
【表４】
2014226029.tif 000018
【０１３９】
図１９Ｂにおいてすべてのマスタバランサは、各バランサが同じイネーブル信号によって並列に制御されることを示す。並列イネーブル信号は、前の表で示されるモノリシックまたはコントローラ型のパワーコンバータの任意の組合せを制御し得る。
【０１４０】
別の実施において、電圧補償バランシングの代わりに、システムはシリーズスタックドセル内の各セルの充電状態（ＳＯＣ）に基づきシリーズスタックドセルをバランシングするよう構成され得る。電圧バランシングは有利であるが、究極の目的は各セルの蓄積された電荷をバランシングすることである。電荷のバランシングはより効率がよく、バランシングシステムの安定性を高める。これは、電荷バランシングにおいて、セルに送るべきまたは出力されるべき量を決定した上で、開放セル電圧をずっとモニタし続けることなく、その特定の電荷量が送られるまで、バランサがオンのままであるからである。これに対して、電圧補償バランシングでは、目標値に到達するまで、開放セル電圧はモニタし続けなければならない（たとえば、開放セル電圧は電池スタック内でバランシングされる）。しかし、開放セル電圧を測定するために用いられるコンポーネントのうちの一部のコンポーネントは、バランシングの間安定した値を持たないかもしれない。たとえば、図１７に示される電圧垂下コンポーネントでは、開放セル電圧は正確なものではなく、特定のしきい値時間内に所望の値に収束しないかもしれないからである。それでもなお、電圧補償バランシングを用いてシリーズスタックドセルをバランシングして蓄積された電荷すべてを引き出すことができる。絶対セル電圧に基づきバランシングを行なうためにいくつかの方法がある。この方法は、充電／放電サイクルのどちらかの終わりに蓄積された電荷を最大にした場合に用いることができる。電池パックの他の動作の際、バランシングは電池のＳＯＣ、特に絶対蓄積電荷に基づいて、行なわれ得る。
【０１４１】
必要なピークバランシング電流を低減するために、蓄積された電荷に基づきバランシングを行なうことは有利であり得る。式１１は、時間とバランシング電流との関係を示し、不一致は全体の容量のパーセンテージで示される。たとえば、セルの容量が８０％であると計算されるのなら、不一致は２０％である。電圧補償バランシングは、放電または充電サイクルの大部分でのバランシングを可能にし、必要なバランシング電流を最小に抑えることができる。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータのサイズ、重量、およびコストを低減することができる。
【０１４２】
時間（ｈｒ）＝不一致・容量／IBAL  （式１１）
蓄積された電荷に基づくバランシングでは、開放セル電圧をＳＯＣに関連付けるセルデータおよびクーロンカウントを必要とする。図２０は、開放セル電圧をＳＯＣに関連付ける特定の曲線、ならびに装荷端子電圧およびＢＳＭ測定電圧を示す。開放セル曲線からのいくつかの点をルックアップテーブルに記憶することができる。たとえば１０％ごとまたは１％ごとの点を記憶して、開放セル電圧に基づいてＳＯＣの割合を定めることができる。開放セル電圧は、図１から図１９を参照して上記のＩＲ、電圧垂下、および共通モード補償の組合せを用いて得ることができる。
【０１４３】
割合に基づくＳＯＣ曲線は、経年劣化してもなお、電池スタックの各セルに対して実質的に同一であり得る。特定セルの経年劣化はそのセルの絶対容量を変え、それによりバランシングが必要となる。ＳＯＣルックアップテーブルは、一定のセル温度に基づく開放セル電圧曲線または点のグループを必要とし得る。各セル温度はＮＴＣまたは２Ｎ３９０４トランジスタのような埋込ジャンクションダイオードを用いて測定することができる。各セル温度センサは、ＢＳＭのＧＰＩＯピン１個を駆動するマルチインプットアナログＭＵＸを用いて、ＢＳＭ  ＩＣによって読取ることができる。代替的に、補助チャネルに対応するさらなる外部ピンを、モニタリング集積装置のアナログＭＵＸ（図２の回路２４０）に加えて、各セル温度センサを測定することができる。
【０１４４】
ＳＯＣルックアップテーブルはさらに一定セル負荷電流に基づき、開放セル電圧曲線または点のグループを必要とし得る。各セルの全体の電流は、集積モニタ装置を用いて測定されたセル放電電流、図１の回路１４０を用いて測定されたモジュール電流、および図１８に示される、ＣＰＵに繋がるホール効果電流センサまたはシャント抵抗回路を用いて測定されたスタック電流を含む調和した電流によって定められる。代わりの方法では、電圧垂下補償を用いて、一定負荷電流群の曲線を定めるまたは生成する。
【０１４５】
ＳＯＣルックアップテーブルはさらに放電／充電ヒステリシスに基づき、開放セル電圧曲線または点のグループを必要とし得る。代替的に、ヒステリシスは経験上のデータに基づく関数または分析的解法であり得る。式１２にあるような電荷傾斜測定を用いて、ヒステリシスの存在を判断することができる。
【０１４６】
クーロンカウントは、電池スタックの他のすべてのセルに対する特定セルの相対的容量を定めるために必要となり得る。図２１は異なる満充電容量を有する３つのセルの電荷傾斜の部分のスナップショットを示す。各線の傾斜は式ｘとして表わすことができ、ｎは特定のセルである。
【０１４７】
傾斜n＝ΔＶn／ΔＱn（式１２）
個別のバランシング電流を正確に測定できることは、セルから取出された電荷量を測定する手段およびセルに蓄積される残りの電荷を測定する手段をユーザに提供する。以下の式１３は、電荷（Ｑ）の関係を示し、クーロン（Ｃ）で表わされる：
【０１４８】
【数１３】
2014226029.tif 000019
【０１４９】
（式１３）において、Ｉnは集積モニタリング装置を用いて特定のセルから測定された平均放電またはバランシング電流であり、ＩMON,mは図１の回路１４０および１４２を用いて測定されたモジュール電流であり、ＩSTKはＢＳＭのＧＰＩＯポートに繋がるホール効果または電流検知回路を用いて測定されたスタック電流である。したがって、電荷を計算するにはさらにもう１つのパラメータが必要であり、そのパラメータｔは時間である。時間パラメータは対象の合計時間であり、特に特定のセルの蓄積された電荷を測定するために用いられる２つの点の間である。時間は、ＢＭＳを制御するために用いられるマイクロプロセッサを用いてトラッキングすることができる。
【０１５０】
電流測定誤差は、蓄積電荷計算の精度に直接影響し得る。たとえば、３％の電流測定誤差は、蓄積電荷計算に３％の誤差を引起し得る。特定のモジュール内の相対的誤差は、ＩＲ降下補償で用いられる測定値を駆使することにより１％未満に減らすことができる。電流測定値は修正因子によって調整することができる。
【０１５１】
【数１４】
2014226029.tif 000020
【０１５２】
（式１４）において、Ｉn,Aは修正された電流測定であり、Ｉn,Bはモニタリング装置を用いて測定された電流であり、Ｒn,AおよびＲn,Bは、モニタリング回路のVcellピンをセルのプラス端子に接続する線に対応する抵抗である。絶対電流測定誤差は、各モジュールのセル１に接続されるモニタリング装置の電流測定を、１％以下の公差を有する既知の抵抗器に対応させることにより、減少できる。
【０１５３】
各セルの電荷傾斜は、その容量を計算するために測定することができる。電荷傾斜測定は、開放セル電圧であるＶOCV,nに基づき、パーセントＳＯＣルックアップテーブルに関連させたクーロン計数を必要とする。開放セル電圧は、複合ＩＲ降下、電圧垂下、および共通モード補償を用いて得ることができる。式１５では容量は特定のセルｎに対応づけられる。典型的に、容量計算により大きい変化の％ＳＯＣが用いられると、容量測定がより正確になる。
【０１５４】
Capacityn=（１／Δ％ＳＯＣn）・ΔＱｎ    （式１５）
最終の目的は、任意の時に各セルの蓄積電荷を得ることである。これはバランシングアルゴリズムが開放セル電圧ではなく、蓄積電荷をバランシングするべきパラメータとして使用できるようにし、バランシング効率を高めることとなる。蓄積された電荷に基づくバランシングされたシステムは、蓄積パッケージの正常な動作範囲の間互いに異なる開放セル電圧を有し得るが、開放セル電圧は、セルのシリーズスタックを０％ＳＯＣに放電する場合に、収束して等しくなる。同様に、開放セル電圧は、セルのシリーズスタックを１００％ＳＯＣに充電する場合に、収束して等しくなる。この瞬時の蓄積電荷を支配する式は、特定のセルｎに対する式１６が対応する。
【０１５５】
Ｑn＝％ＳＯＣn・Capacityn（式１６）
図２２は本願のモニタリング集積回路に対応するファームウェアの機能的ブロック図である。当該技術分野の当業者はこのようなコンピュータ装置の構造、プログラミング、および一般的動作には慣れているので、その結果図面はそのまま説明的である。たとえば、ファームウェアは、パケットデータ通信用のデータ通信インターフェイスを含む。ファームウェハはさらに、１つ以上のプロセッサの形で、プログラム命令を実行するために、中央処理装置（ＣＰＵ）を含む。ファームウェアプラットフォームは、典型的に内部通信バス、プログラムストレージおよびさまざまなデータファイル用のデータストレージを含み、処理されるおよび／またはファームウェアからＢＳＭに通信されるが、ファームウェアはＢＳＭを介してデータを受け取る。ハードウェアエレメント、オペレーティングシステム、およびプログラミング言語は本質的に従来のものであり、当業者ならこれらに適切に馴染みがあることが想定される。
【０１５６】
したがって、上記の概略的に述べられている電圧補償アクティブセルバランシング方法であって、ＩＲ補償、電圧垂下補償、および共通モード補償を含むがこれらに限定されない方法の局面がプログラミングで実現できる。当該技術のプログラムの局面は、実行可能なコードおよび／または一種のマシン読取可能媒体で実施または実現化される関連データの形が典型的にある「製品」または「製造品」であると考えられる。「記憶型」媒体は、コンピュータ、プロセッサなどの有形のメモリのいずれかまたはすべてを含むことができ、さらにさまざまな半導体メモリ、テープドライブ、ディスクドライブなどであって、ソフトウェアプログラミング用に何時でも非遷移記憶を提供し得るものを含む。マシン読取可能媒体はさまざまな形を含み、これは有形の記憶媒体、搬送波媒体、または物理的伝送媒体を含むが、これらに限定されない。
【０１５７】
他の実施も考えられる。たとえば、モニタリング集積回路は局所的安全パラメータを含むことができる。局所的最大および最小セル電圧、最大バランス時間、ならびに最大基板レベルＩＣレベル温度およびセル温度安全パラメータがあり、出くわすとＢＭＳ／バランサ回路の局所的シャットダウンを引起す。これらの値は電池化学ごとに代わり得るので、パラメータはユーザ側で構成可能である。最大セル電圧はセルが特定のしきい値を超えて充電できないようにする。これらセルは過充電されるべきではない。なぜなら、過充電されるとシステムに致命的な誤りをもたらし、場合によっては火災を引起すからである。このため、システムはしきい値に到達または超えると、すべてがオフとなり、セルが充電されなくなるよう、しきい値を設定するためのプログラム可能機能を有し得る。したがって、さらなるバランシングは起こらず、誤り信号を生成してシステムオペレータに電圧しきい値が侵されたことを知らせることができる。
【０１５８】
同様に、最小のセル電圧はセルが特定のしきい値を超えて放電することを防止し得る。セルは、その電圧が特定のしきい値以下である場合には、放電されるべきではない。なぜなら、放電されるとシステムに致命的な誤りをもたらし、電池の寿命を短くしてしまうすからである。このため、システムはしきい値に到達または超えると、すべてがオフとなり、セルが放電されなくなるよう、しきい値を設定するためのプログラム可能機能を有し得る。したがって、さらなるバランシングは起こらず、誤り信号を生成してシステムオペレータに電圧しきい値が侵されたことを知らせることができる。
【０１５９】
最大バランス時間は、セルをバランシングするためにモニタリング集積回路がオンであり得る最大時間を規定し得る。バランシングには２つのモードがあり、これは手動バランシングおよび自動バランシングである。手動モードでは、ＢＭＳオペレータはバランシング用のセルを選択することができる。このモードでは、最大バランス時間は、バランサをオフにすることを失念したＢＭＳオペレータへの保護となる。このような態様で、本システムはセルを完全に放電し、電池を損傷することを避ける。
【０１６０】
自動バランシングは、システム全体、または個別のモジュールおよびユーザ決定しきい値のどちらかの平均電圧または平均蓄積電荷に基づき得る。セルが平均電圧または平均蓄積電荷＋／−このユーザしきい値を超えるまたは下がるのなら、そのセルをバランシングの対象にできる。セルが平均電圧または蓄積電圧＋ユーザしきい値より上であれば、バランシングのためにオンにされる。これは有効な測定電圧を直ちに降下させ、典型的なシステムではこれは当該チャネルをバランシングしきい値範囲から外れさせる。しかし、ＢＭＳは計算された配線インピーダンス、セルインピーダンス、および電池ＥＳＲを用いて、セルのフロート電圧を定め得る。この逆算されたまたは補償電圧はヒステリシス値とともに用いられて、高いセルをいつオフにするべきかを決定する。この逆算された電圧値を用いて、ＢＭＳの平均電圧および蓄積電圧を計算することができる。オンされたユニットのすぐ隣のセルは、実際のフロート電圧よりも高い有効測定電圧を示し得る。計算された配線インピーダンス、セルインピーダンス、および電池ＥＳＲを用いることにより、このようなセルの実際のフロート電圧を定めることができる。この逆算された電圧値を用いて、システムの平均電圧、および蓄積された電荷およびＳＯＣを計算するために用いられ得る。当該逆算された電圧値は、セルが実際にバランシングを必要とするか否かを判断するために用いることができる。
【０１６１】
セルが平均電圧または蓄積電荷、すなわちユーザしきい値、よりも低い場合、当該セルは充電用にマーキングされ得る。あるモジュール内で、充電するためにユニットがマーキングされた場合、充電用にマークされたユニットを除くすべてのセルをオンに切換えることができる。オンとなったユニットのすぐ隣のセルは、実際のフロート電圧よりも高い有効測定電圧を示し得る。計算された配線インピーダンス、セルインピーダンス、および電池ＥＳＲを用いることにより、このようなセルの実際のフロート電圧を定めることができる。この逆算された電圧値を用いて、システムの平均電圧を計算する。この逆算された電圧値をさらに用いて、開放セル電圧に基づいてＳＯＣを調べることにより、セルが実際に充電する必要があるか否かを判断する。オンになったセルは、そのセルの実際のフロート電圧よりも低い有効測定電圧を示す。しかし、システムは計算された配線インピーダンス、セルインピーダンス、および電池ＥＳＲを用いてこれらのセルのフロート電圧を定める。この逆算された電圧およびヒステリシス値を用いて、充電が必要であるのなら、これらのセルをいつオフにするかを定めることができる。この逆算された電圧値はシステムの平均電圧およびＳＯＣを計算するためにも用いることができる。
【０１６２】
別の実施例において、本システムは共通モードシフト補償を含むことができる。この共通モードシフト補償は、システムの突然のロードスパイクを補償するよう構成されている。このようなロードスパイクは共通モードシフトを引起し、これは潜在的に偽のハンドシェイクポジティブまたは偽のハンドシェイクネガティブを引起す。チャネルがオンまたはオフになったことにより影響を受けるべきでないチャネルを確認することにより、共通モードシフトが起こったかどうかを確立することができる。前および後でチャネルを確認することにより、起こったずれが容易に示され、単にそのずれを他のチャネルに加えることで、そのずれを補償することになる。
【０１６３】
別の実施例では、システムは一度に複数のチャネルを測定することができる。隣接するチャネルは、電圧差を引起すハンドシェイクプロトコルにより、同時にモード切換えできない。しかし、１つずつ各チャネルをオンおよびオフにするアルゴリズムは非常に長い時間かかるので、このようなアルゴリズムはすべてのハンドシェイク窓の合計を取ることとなる。これを避けるために、マルチステップチャネルスイッチを用いることができ、基板は異なるセクション（典型的には、図５Ａおよび図５Ｂのような、第３または第４チャネルごと）に分割され、各個別のセクションのハンドシェイク窓が終わった後、異なるセクションに次々と切換える。これは大型のチャネルブロックでモードを変更するための時間を減らすことができる。
【０１６４】
別の実施例として、測定処理の速度を上げるために、電流、温度、または負荷電圧を測定する場合に、一度に３つのチャネルを測定することができる。共通モードシフト補償を可能にしながら測定でのチャネル間の影響を避けるために、一度に測定するのは最大３つのチャネルである。あるチャネルがオンの場合、このチャネルはすぐ上およびすぐ下のチャネルに影響を与え、電流によるずれを引起し得る。一度に３つのチャネルにすることにより、ずれを回避するためにチャネル間に十分な緩衝があり、温度、電流および負荷電圧を計算するために信頼性のある測定値を用いることができ、今度はこれを用いてセルインピーダンス、配線インピーダンス、電池ＥＳＲおよび補償インピーダンスといった値を測定することができる。
【０１６５】
別の例として、さまざまなコンポーネントが別個のもの（たとえば、ＢＳＭチップ１３０およびモニタリング集積回路１１０）であると示されているが、これらは一緒にしてもよい。別の実施例では、本願の実施はリチウムイオン電池をバランシングするよう記載されているが、超コンデンサおよびリチウムイオンキャパシタをバランシングするためにも用いることができる。
【０１６６】
上記では最良のモードおよび／または他の実施例であると考えられているものが記載されているが、さまざまな変形は可能であり、ここに開示されている主題はさまざまな形および実施例で実施することができ、その教示はさまざまな用途で適用することができ、ここではその一部しか示されていない。特許請求の範囲は、本教示の真の範囲内に入る任意のおよびすべての用途、変更、および変形を示すことが意図される。
【０１６７】
特に言わない限り、添付の特許請求の範囲を含めて、本明細書に記載されているすべての測定値、値、比率、位置、大きさ、サイズ、および他の仕様書は、概略的なものであり、そのままのものではない。これらは関連する機能に対応し、かつ関連する技術において一般的な妥当な範囲を有することが意図される。
【０１６８】
権利化の範囲は添付の請求項によってのみ限定される。その範囲は、本明細書および後の審査履歴に照らして解釈された場合に、請求項で用いられる文言の通常の意味と一致するかぎり広く解釈されことが意図され、またそのように解釈されるべきであり、すべての構造的および機能的等価物を含む。どの請求項も特許法第１０１条、第１０２条、または第１０３条の要件を満たさない主題を含むことは意図されず、またこのような態様で解釈されるべきではない。このような主題の意図されない含有はここで放棄される。
【０１６９】
上記で述べていないかぎりにおいて、請求項に記載されているか否かに係わらず、記載または図示されているもののいずれも、任意のコンポーネント、工程、特徴、目的、利益、利点、または一般に等価であるものに制限することは意図されずまたはそのように解釈されてはならない。
【０１７０】
ここで用いられる用語および表現は、具体的意味がここに記載されていないもの以外は、対応するそれぞれの対象および研究の領域について、このような用語および表現に与えられる通常の意味を有する。第１および第２といった関係を示す用語は、実際にこのような関係またはこのような実体もしくは動作の間での順序を必ずしも必要とするまたは意味することなく、１つの実体または動作を他のものと区別するためにのみ用いられている。「含む」、「備える」または他の変形は、非限定的な含有を網羅することが意図され、いくつかのエレメントを含むプロセス、方法、物品または装置はこれらのエレメントしか含まないのではなく、このようなプロセス、方法、物品または装置に明記または固有のものとされない他のエレメントを含み得る。さらにａまたはanが前にあるエレメントは、そのプロセス、方法、物品または装置において付加的な同じエレメントの存在を除外するものではない。
【０１７１】
本開示のアブストラクトは技術的開示の本質を読み手が迅速に確定できるように提示されている。これは請求の範囲または意味を解釈または制限するために用いられるものではないと理解されている。さらに、詳細な説明では、さまざまな特徴は、本開示の主流を保つ目的のために、さまざまな実施の形態にまとめられていることがわかる。このように開示しているとしても、クレームに記載の実施の形態は各請求項で記載されているものより多くの特徴を要件とする意図を反映しているものであると解釈されてはならない。むしろ、添付の請求の範囲が反映するように、発明の主題は単一の開示されている実施の形態のすべての特徴以内にある。したがって、以下の請求項は詳細な説明の中に援用され、各請求項は別個にクレームされた主題として単独にある。
【図１】
2014226029.tif 000028
【図２】
2014226029.tif 000029
【図３Ａ】
2014226029.tif 000030
【図３Ｂ】
2014226029.tif 000031
【図３Ｃ】
2014226029.tif 000032
【図４】
2014226029.tif 000033
【図５Ａ】
2014226029.tif 000034
【図５Ｂ】
2014226029.tif 000035
【図６Ａ】
2014226029.tif 000036
【図６Ｂ】
2014226029.tif 000037
【図７Ａ】
2014226029.tif 000038
【図７Ｂ】
2014226029.tif 000039
【図７Ｃ】
2014226029.tif 000040
【図７Ｄ】
2014226029.tif 000041
【図８】
2014226029.tif 000042
【図９】
2014226029.tif 000043
【図１０Ａ】
2014226029.tif 000044
【図１０Ｂ】
2014226029.tif 000045
【図１１Ａ】
2014226029.tif 000046
【図１１Ｂ】
2014226029.tif 000047
【図１１Ｃ】
2014226029.tif 000048
【図１２】
2014226029.tif 000049
【図１３】
2014226029.tif 000050
【図１４】
2014226029.tif 000051
【図１５Ａ】
2014226029.tif 000052
【図１５Ｂ】
2014226029.tif 000053
【図１５Ｃ】
2014226029.tif 000054
【図１６Ａ】
2014226029.tif 000055
【図１６Ｂ】
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【図１７】
2014226029.tif 000057
【図１８】
2014226029.tif 000058
【図１９Ａ】
2014226029.tif 000059
【図１９Ｂ】
2014226029.tif 000060
【図２０】
2014226029.tif 000061
【図２１】
2014226029.tif 000062
【図２２】
2014226029.tif 000063
【外国語明細書】
2014226029000001.pdf