(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一セットのセルを相互に接続する際に使用するスイッチチップであり、
主要負極端子と、
カスケード接続用負極端子と、
主要正極端子と、
カスケード接続用正極端子と、
複数のセル端子と、
複数のスイッチと
を備え、
一セットのセルが前記複数のセル端子を介して前記スイッチチップに接続され、かつ、前記複数のスイッチの第１副次セットが閉じており前記複数のスイッチのうち残余のスイッチが開いている場合、
前記一セットのセルが互いに並列に接続され、かつ、
電流は前記主要正極端子から流れ出ることができるが、前記カスケード接続用正極端子から流れ出ることはできない、
一セットのセルが前記複数のセル端子を介して前記スイッチチップに接続され、かつ、前記複数のスイッチの第２副次セットが閉じており前記複数のスイッチのうち残余のスイッチが開いている場合、
前記一セットのセルが互いに直列に接続され、かつ、
電流は前記主要正極端子から流れ出ることができるが、前記カスケード接続用正極端子から流れ出ることはできない、
一セットのセルが前記複数のセル端子を介して前記スイッチチップに接続され、かつ、前記複数のスイッチの第３副次セットが閉じており前記複数のスイッチのうち残余のスイッチが開いている場合、
前記一セットのセルのうち少なくとも２個のセルが互いに直列に接続され、かつ、
電流は前記カスケード接続用正極端子から流れ出ることができるが、前記主要正極端子から流れ出ることはできない、
一セットのセルが前記複数のセル端子を介して前記スイッチチップに接続され、かつ、前記複数のスイッチの第４副次セットが閉じており前記複数のスイッチのうち残余のスイッチが開いている場合、
副次セット１つ分のセルは互いに並列に接続され、
少なくとも１個のセルが他のセルそれぞれから電気的に切断され、かつ、
電流は前記主要正極端子から流れ出ることができるが、前記カスケード接続用正極端子から流れ出ることはできない、
一セットのセルが前記複数のセル端子を介して前記スイッチチップに接続され、かつ、前記複数のスイッチの第５副次セットが閉じており前記複数のスイッチのうち残余のスイッチが開いている場合、
１）前記一セットのセルの副次セット１つ分のセルは互いに直列に接続され、かつ、
２）前記一セットのセルに含まれるが、前記一セットのセルの副次セット１つ分のセルには含まれないセルは、前記一セットのセルに含まれる他のセル全てから電気的に切断されているように構成されているスイッチチップ。
【請求項２】
さらに、送信機と、受信機とを有する通信回路を備え、
隣接するスイッチチップの制御部又は送信機から送信されたスイッチングコマンドを、前記受信機が受信するように動作可能に、前記受信機は前記隣接するスイッチチップの前記制御部又は前記送信機に通信可能に接続される、請求項１に記載のスイッチチップ。
【請求項３】
さらに、前記通信回路が前記制御部又は別のスイッチチップから受信したコマンドのエラーをチェックし、かつ、エラーのあるコマンドを遮断するように構成されているコマンドデコーダを備える、請求項２に記載のスイッチチップ。
【請求項４】
さらに、前記コマンドデコーダに接続されており、かつ、
前記通信回路が前記制御部から受信したコマンドを、電池モジュール内のスイッチング素子用のスイッチオン・オフコマンドに変換するように構成されている
スイッチング制御ロジックを備える、請求項３に記載のスイッチチップ。
【請求項５】
さらに、前記スイッチング制御ロジックから前記オン・オフコマンドを受信するように構成されており、かつ、
受信した前記オン・オフコマンドに基づいて、正確な順序で正確な時間で１又は複数の前記スイッチを開閉するように構成されている
安全スイッチングシーケンサーを備える、請求項４に記載のスイッチチップ。
【請求項６】
さらに
スレーブ入力端子と、
マスター出力端子と、
スレーブ通信モジュールブロックと、
マスター通信モジュールブロックと、
コマンドデコーダブロックと、
スイッチング制御ロジックブロックと、
安全スイッチングシーケンサーブロックと
を備える、請求項１に記載のスイッチチップ。
【請求項７】
複数のパワー酸化金属半導体電界効果トランジスター（ＭＯＳＦＥＴ）を備える、請求項１に記載のスイッチチップ。
【請求項８】
電池モジュールであって、
複数のスイッチと、主要正極端子と、主要負極端子と、カスケード接続用正極端子と、カスケード接続用負極端子とを含むスイッチチップと、
（ｉ）正極端子と負極端子を有し、
前記正極端子は前記スイッチチップの第１セル端子に接続されており、
前記負極端子は前記スイッチチップの第２セル端子に接続されている第１セルと、
（ｉｉ）正極端子と負極端子を有し、
前記正極端子は前記スイッチチップの第３セル端子に接続されており、
前記負極端子は前記スイッチチップの第４セル端子に接続されている第２セルとを含む
一セットのセルと
を備え、
前記スイッチチップは、
（ｉ）前記複数のスイッチを、
（ａ）前記一セットのセルは直列に接続され、
（ｂ）電流は、前記主要正極端子を介して前記スイッチチップから流れ出ることは可能であるが、前記カスケード接続用正極端子を介して前記スイッチチップから流れ出ることは不可能であり、
（ｃ）電流は、前記主要負極端子を介して前記スイッチチップに流れ込むことは可能であるが、前記カスケード接続用負極端子を介して前記スイッチチップに流れ込むことは不可能である
ように構成するように、
（ｉｉ）前記複数のスイッチを、
（ａ）前記一セットのセルは直列に接続され、
（ｂ）電流は、前記カスケード接続用正極端子を介して前記スイッチチップから流れ出すことは可能であるが、前記主要正極端子を介して前記スイッチチップから流れ出すことは不可能であり、
（ｃ）電流は、前記カスケード接続用負極端子を介して前記スイッチチップに流れ込むことは可能であるが、前記主要負極端子を介して前記スイッチチップに流れ込むことは不可能である
ように構成するように、
（ｉｉｉ）前記複数のスイッチを、
（ａ）前記一セットのセルは並列に接続され、
（ｂ）電流は、前記主要正極端子を介して前記スイッチチップから流れ出ることは可能であるが、前記カスケード接続用正極端子を介して前記スイッチチップから流れ出ることは不可能であり、
（ｃ）電流は、前記主要負極端子を介して前記スイッチチップに流れ込むことは可能であるが、前記カスケード接続用負極端子を介して前記スイッチチップに流れ込むことは不可能である
ように構成するように
動作可能な、電池モジュール。
【請求項９】
前記スイッチチップは、制御部から送信されたスイッチングコマンドを受信するための通信回路をさらに備える、請求項８に記載の電池モジュール。
【請求項１０】
前記スイッチチップは、さらに、前記通信回路が前記制御部又は別のスイッチチップから受信したコマンドのエラーをチェックし、かつ、エラーのあるコマンドを遮断するように構成されているコマンドデコーダを備える、請求項９に記載の電池モジュール。
【請求項１１】
前記スイッチチップは、さらに、
前記コマンドデコーダに接続され、かつ、
前記通信回路が前記制御部から受信したコマンドを、前記電池モジュール内のスイッチング素子用のスイッチオン・オフコマンドに変換するように構成されているスイッチング制御ロジックを備える、請求項１０に記載の電池モジュール。
【請求項１２】
前記スイッチチップは、さらに、
前記スイッチング制御ロジックから前記オン・オフコマンドを受信するように構成され、かつ、
受信した前記オン・オフコマンドに基づいて、正確な順序と正確な時間で１又は複数の前記スイッチを開閉するように構成されている安全スイッチングシーケンサーを備える、請求項１１に記載の電池モジュール。
【請求項１３】
前記第１セルは小型セルであり、前記第２セルは小型セルである、請求項８に記載の電池モジュール。
【請求項１４】
前記スイッチチップは、３個より多く１７個より少ない単一セル電池を制御する、請求項８に記載の電池モジュール。
【請求項１５】
前記スイッチチップは、７個より多く１３個より少ない単一セル電池を制御する、請求項８に記載の電池モジュール。
【請求項１６】
電池パックシステムであって、
電池パックを備え、
前記電池パックは、
電池モジュールの第１コラムと電池モジュールの第２コラムとを有する電池モジュールの第１クラスターと、
電池モジュールの前記第１コラムを電池モジュールの前記第２コラムに並列に接続するための第１回路と、
電池モジュールの前記第１コラムを電池モジュールの前記第２コラムと直列に接続するための第２回路と、
電池モジュールの第３コラムと電池モジュールの第４コラムとを有する電池モジュールの第２クラスターと、
電池モジュールの前記第３コラムを電池モジュールの前記第４コラムと並列に接続するための第３回路と、
電池モジュールの前記第３コラムを電池モジュールの前記第４コラムと直列に接続するための第４回路とを備え、
前記第１コラムにおける前記電池モジュールの少なくとも１つは、
（ｉ）前記電池モジュールの主要出力を前記第１回路に接続、または、同回路から切り離すためのスイッチと、
（ｉｉ）前記電池モジュールのカスケード出力を前記第２回路に接続、または、同回路から切り離すためのスイッチとを備え、
前記第２コラムにおける前記電池モジュールの少なくとも１つは、
（ｉ）前記電池モジュールの主要出力を前記第１回路に接続、または、同回路から切り離すためのスイッチと、
（ｉｉ）前記電池モジュールのカスケード出力を前記第２回路に接続、または、同回路から切り離すためのスイッチとを備え、
前記第３コラムにおける前記電池モジュールの少なくとも１つは、
（ｉ）前記電池モジュールの主要出力を前記第３回路に接続、または、同回路から切り離すためのスイッチと、
（ｉｉ）前記電池モジュールのカスケード出力を前記第４回路に接続、または、同回路から切り離すためのスイッチとを備え、
前記第４コラムにおける前記電池モジュールの少なくとも１つは、
（ｉ）前記電池モジュールの主要出力を前記第３回路に接続、または、同回路から切り離すためのスイッチと、
（ｉｉ）前記電池モジュールのカスケード出力を前記第４回路に接続、または、同回路から切り離すためのスイッチとを備える
電池パックシステム。
【請求項１７】
さらに、前記電池パックを制御するための制御部を備える、請求項１６に記載の電池パックシステム。
【請求項１８】
前記制御部は、
（ａ）前記電池パックを、前記電池パックが出力する電圧がＶ１である第１動作モードに設定するように、および、
（ｂ）Ｖ２＞Ｖ１とした場合、前記電池パックを、前記電池パックが出力する電圧がＶ２である第２動作モードに設定するように
動作可能である、請求項１７に記載の電池パックシステム。
【請求項１９】
Ｖ２が（ｎ）（３．６）Ｖ１以上である、ただしｎは１以上の数である、請求項１８に記載の電池パックシステム。
【請求項２０】
前記電池モジュールのうち少なくとも１つは、
複数のスイッチと、主要正極端子と、主要負極端子と、カスケード接続用正極端子と、カスケード接続用負極端子とを含むスイッチチップと、
（ｉ）正極端子と負極端子を有する第１セルであって、
前記正極端子は前記スイッチチップの第１セル端子に接続されており、
前記負極端子は前記スイッチチップの第２セル端子に接続されている第１セルと、
（ｉｉ）正極端子と負極端子を有する第２セルであって、
前記正極端子は前記スイッチチップの第３セル端子に接続されており、
前記負極端子は前記スイッチチップの第４セル端子に接続されている第２セルと
を含む一セットのセル
とを備える、請求項１８に記載の電池パックシステム。
【請求項２１】
前記制御部は、
（ｉ）前記電池モジュールに前記複数のスイッチを
（ａ）前記一セットのセルは直列に接続され、
（ｂ）電流は、前記主要正極端子を介して前記スイッチチップから流れ出ることは可能であるが、前記カスケード接続用正極端子を介して前記スイッチチップから流れ出ることは不可能であり、
（ｃ）電流は、前記主要負極端子を介して前記スイッチチップに流れ込むことは可能であるが、前記カスケード接続用負極端子を介して前記スイッチチップに流れ込むことは不可能である
よう、構成させるように、
（ｉｉ）前記電池モジュールに前記複数のスイッチを
（ａ）前記一セットのセルは直列に接続され、
（ｂ）電流は、前記カスケード接続用正極端子を介して前記スイッチチップから流れ出すことは可能であるが、前記主要正極端子を介して前記スイッチチップから流れ出すことは不可能であり、
（ｃ）電流は、前記カスケード接続用負極端子を介して前記スイッチチップに流れ込むことは可能であるが、前記主要負極端子を介して前記スイッチチップに流れ込むことは不可能である
よう、構成させるように、
（ｉｉｉ）前記電池モジュールに前記複数のスイッチを
（ａ）前記一セットのセルは並列に接続され、
（ｂ）電流は、前記主要正極端子を介して前記スイッチチップから流れ出ることは可能であるが、前記カスケード接続用正極端子を介して前記スイッチチップから流れ出ることは不可能であり、
（ｃ）電流は、前記主要負極端子を介して前記スイッチチップに流れ込むことは可能であるが、前記カスケード接続用負極端子を介して前記スイッチチップに流れ込むことは不可能である
よう、構成させるように
動作可能である、請求項２０に記載の電池パックシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電池パックシステムの分野に関する。一部の実施形態においては、電気自動車（ＥＶ）用電池パックシステム及び電気自動車用パワートレインシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車用電池パックは、通常、幾つかの電池モジュールを備え、各電池モジュールは、硬質の容器に収められた幾つかの電池（例：幾つかの単一セル電池）を備える。この電池パックの仕様は自動車製造メーカーによって定められ、これにはエンジンの極端な要求と求められた環境条件が考慮される。このため、仕様においては通常、余分な電池モジュール及び／又は製造時の欠陥や時間の経過に伴って劣化する電池を補うためにセルに追加する電解質などの余分な物質が必要となる。また、電気自動車用電池パックでは電流と電圧の出力は固定されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
電気エンジンは、高速度を実現する高トルク・高電圧を生み出すために大電流を必要とするので、自動車が高加速状態から高速走行状態に移るにつれて、エンジンの電池パックへの要求は時間の経過に伴って変化する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書では、改良された電池パックシステムについて記載する。一の態様においては、改良された電池パックシステムは、制御部に繋がれたスイッチインググリッドを備える電池パックを有する。一部の実施形態においては、スイッチインググリッドは、複数の電池モジュールと、電池モジュール及び／又は電池パック内の複数の電池（例：複数のセル）の構成を制御部に変更可能とする配線構造とを有する。スイッチインググリッドは、エンジンのその時点での要求に適合するように電池パックの出力を変更するために使用される。改良された電池パックは、電池の履歴情報や製造メーカーの推奨事項だけでなく、電池パック内の各電池で同時に起きている状態や環境条件を考慮するように構成してもよい。
【０００５】
特定の一態様においては、一セットのセルを相互に接続する際に使用するスイッチチップを提供する。一部の実施形態においては、スイッチチップは、主要負極端子と、カスケード接続用負極端子と、主要正極端子と、カスケード接続用正極端子と、複数のセル端子と、複数のスイッチとを有する。
【０００６】
スイッチチップは以下のように構成してもよい。（ａ）一セットのセルが複数のセル端子を介してスイッチチップに接続され、かつ、複数のスイッチの第１副次セットが閉じており複数のスイッチのうち残余のスイッチが開いている場合、一セットのセルが互いに並列に接続され、かつ、電流は主要正極端子から流れ出ることができるが、カスケード接続用正極端子から流れ出ることはできない、（ｂ）一セットのセルが複数のセル端子を介してスイッチチップに接続され、かつ、複数のスイッチの第２副次セットが閉じており複数のスイッチのうち残余のスイッチが開いている場合、一セットのセルが互いに直列に接続され、かつ、電流は主要正極端子から流れ出ることができるが、カスケード接続用正極端子から流れ出ることはできない、（ｃ）一セットのセルが複数のセル端子を介してスイッチチップに接続され、かつ、複数のスイッチの第３副次セットが閉じており複数のスイッチのうち残余のスイッチが開いている場合、一セットのセルのうち少なくとも２個のセルが互いに直列に接続され、かつ、電流はカスケード接続用正極端子から流れ出ることができるが、主要正極端子から流れ出ることはできない、（ｄ）一セットのセルが複数のセル端子を介してスイッチチップに接続され、かつ、複数のスイッチの第４副次セットが閉じており複数のスイッチのうち残余のスイッチが開いている場合、副次セット１つ分のセルは互いに並列に接続され、少なくとも１個のセルが他のセルそれぞれから電気的に切断され、かつ、電流は主要正極端子から流れ出ることができるが、カスケード接続用正極端子から流れ出ることはできない、（ｅ）一セットのセルが複数のセル端子を介してスイッチチップに接続され、かつ、複数のスイッチの第５副次セットが閉じており複数のスイッチのうち残余のスイッチが開いている場合、副次セット１つ分のセルは互いに直列に接続され、かつ、副次セット１つ分のセルのうち少なくとも１個のセルは副次セット１つ分のセルの他のセルそれぞれから電気的に切断されている。
【０００７】
一部の実施形態においては、スイッチチップは、送信機と、受信機とを有する通信回路をさらに備える。隣接するスイッチチップの制御部又は送信機から送信されたスイッチングコマンドを、受信機が受信するように動作可能に、受信機は隣接するスイッチチップの制御部又は送信機に通信可能に接続される。
【０００８】
一部の実施形態においては、スイッチは、さらに、通信回路が制御部又は別のスイッチチップから受信したコマンドのエラーをチェックし、かつ、エラーのあるコマンドを遮断するように構成されているコマンドデコーダを備える。
【０００９】
一部の実施形態においては、スイッチは、さらに、コマンドデコーダに接続されており、かつ、通信回路が制御部から受信したコマンドを、電池モジュール内のスイッチング素子用のスイッチオン・オフコマンドに変換するように構成されているスイッチング制御ロジックを備える。
【００１０】
一部の実施形態においては、スイッチは、さらに、スイッチング制御ロジックからオン・オフコマンドを受信するように構成されており、かつ、受信したオン・オフコマンドに基づいて、正確な順序で正確な時間で１又は複数のスイッチを開閉するように構成されている安全スイッチングシーケンサーを備える。
【００１１】
一部の実施形態においては、スイッチは、さらにスレーブ入力端子と、マスター出力端子と、スレーブ通信モジュールブロックと、マスター通信モジュールブロックと、コマンドデコーダブロックと、スイッチング制御ロジックブロックと、安全スイッチングシーケンサーブロックとを備える。
【００１２】
一部の実施形態においては、複数のスイッチは、複数のパワー酸化金属半導体電界効果トランジスター（ＭＯＳＦＥＴ）を備える。
【００１３】
別の態様においては、電池モジュールを提供する。一部の実施形態においては、電池モジュールは、複数のスイッチと、主要正極端子と、主要負極端子と、カスケード接続用正極端子と、カスケード接続用負極端子とを含むスイッチチップと、（ｉ）正極端子と負極端子を有し、正極端子はスイッチチップの第１セル端子に接続されており、負極端子はスイッチチップの第２セル端子に接続されている第１セルと、（ｉｉ）正極端子と負極端子を有し、正極端子はスイッチチップの第３セル端子に接続されており、負極端子はスイッチチップの第４セル端子に接続されている第２セルとを含む一セットのセルとを備え、スイッチチップは、（ｉ）複数のスイッチを、（ａ）一セットのセルは直列に接続され、（ｂ）電流は、主要正極端子を介してスイッチチップから流れ出ることは可能であるが、カスケード接続用正極端子を介してスイッチチップから流れ出ることは不可能であり、（ｃ）電流は、主要負極端子を介してスイッチチップに流れ込むことは可能であるが、カスケード接続用負極端子を介してスイッチチップに流れ込むことは不可能であるように構成するように、（ｉｉ）複数のスイッチを、（ａ）一セットのセルは直列に接続され、（ｂ）電流は、カスケード接続用正極端子を介してスイッチチップから流れ出すことは可能であるが、主要正極端子を介してスイッチチップから流れ出すことは不可能であり、（ｃ）電流は、カスケード接続用負極端子を介してスイッチチップに流れ込むことは可能であるが、主要負極端子を介してスイッチチップに流れ込むことは不可能であるように構成するように、（ｉｉｉ）複数のスイッチを、（ａ）一セットのセルは並列に接続され、（ｂ）電流は、主要正極端子を介してスイッチチップから流れ出ることは可能であるが、カスケード接続用正極端子を介してスイッチチップから流れ出ることは不可能であり、（ｃ）電流は、主要負極端子を介してスイッチチップに流れ込むことは可能であるが、カスケード接続用負極端子を介してスイッチチップに流れ込むことは不可能であるように構成するように動作可能である。
【００１４】
一部の実施形態においては、スイッチチップは、制御部から送信されたスイッチングコマンドを受信するための通信回路をさらに備える。一部の実施形態においては、スイッチチップは、コマンドデコーダであって、通信回路が制御部又は別のスイッチチップから受信したコマンドのエラーをチェックし、かつ、エラーのあるコマンドを遮断するように構成されたコマンドデコーダをさらに備える。一部の実施形態においては、スイッチチップは、スイッチング制御ロジックを備える。スイッチング制御ロジックはコマンドデコーダに接続されており、かつ、スイッチング制御ロジックは、通信回路が制御部から受信したコマンドを、電池モジュール内のスイッチング素子用のスイッチオン・オフコマンドに変換するように構成されている。一部の実施形態においては、スイッチチップは、さらに安全スイッチングシーケンサーを備え、安全スイッチングシーケンサーは、スイッチング制御ロジックからオン・オフコマンドを受信するように構成されており、かつ、受信したオン・オフコマンドに基づいて、正確な順序で正確な時間で１又は複数のスイッチを開閉するように構成されている。
【００１５】
一部の実施形態においては、第１セルは小型セルであり、第２セルは小型セルである。一部の実施形態においては、スイッチチップは、３個より多く１７個より少ない単一セル電池を制御する。一部の実施形態においては、スイッチチップは、７個より多く１３個より少ない単一セル電池を制御する。
【００１６】
別の態様においては、電池パックシステムを提供する。一部の実施形態においては、電池パックシステムは電池パックを備える。電池パックは、電池モジュールの第１コラムと電池モジュールの第２コラムとを有する電池モジュールの第１クラスターと、電池モジュールの第１コラムを電池モジュールの第２コラムに並列に接続するための第１回路と、電池モジュールの第１コラムを電池モジュールの第２コラムと直列に接続するための第２回路と、電池モジュールの第３コラムと電池モジュールの第４コラムとを有する電池モジュールの第２クラスターと、電池モジュールの第３コラムを電池モジュールの第４コラムと並列に接続するための第３回路と、電池モジュールの第３コラムを電池モジュールの第４コラムと直列に接続するための第４回路とを備える。このとき、第１コラムにおける電池モジュールの少なくとも１つは、（ｉ）電池モジュールの主要出力を第１回路に接続、または、同回路から切り離すためのスイッチと、（ｉｉ）電池モジュールのカスケード出力を第２回路に接続、または、同回路から切り離すためのスイッチとを備え、第２コラムにおける電池モジュールの少なくとも１つは、（ｉ）電池モジュールの主要出力を第１回路に接続、または、同回路から切り離すためのスイッチと、（ｉｉ）電池モジュールのカスケード出力を第２回路に接続、または、同回路から切り離すためのスイッチとを備え、第３コラムにおける電池モジュールの少なくとも１つは、（ｉ）電池モジュールの主要出力を第３回路に接続、または、同回路から切り離すためのスイッチと、（ｉｉ）電池モジュールのカスケード出力を第４回路に接続、または、同回路から切り離すためのスイッチとを備え、第４コラムにおける電池モジュールの少なくとも１つは、（ｉ）電池モジュールの主要出力を第３回路に接続、または、同回路から切り離すためのスイッチと、（ｉｉ）電池モジュールのカスケード出力を第４回路に接続、または、同回路から切り離すためのスイッチとを備える。
【００１７】
一部の実施形態においては、電池パックシステムは、電池パックを制御するための制御部をさらに備える。制御部は、（ａ）電池パックを、電池パックが出力する電圧がＶ１である第１動作モードに設定するように、および、（ｂ）Ｖ２＞Ｖ１とした場合、電池パックを、電池パックが出力する電圧がＶ２である第２動作モードに設定するように動作可能である。Ｖ２が（ｎ）（３．６）Ｖ１以上である、ただしｎは１以上の数である。一部の実施形態においては、電池モジュールのうち少なくとも１つは、複数のスイッチと、主要正極端子と、主要負極端子と、カスケード接続用正極端子と、カスケード接続用負極端子とを含むスイッチチップと、（ｉ）正極端子と負極端子を有する第１セルであって、正極端子はスイッチチップの第１セル端子に接続されており、負極端子はスイッチチップの第２セル端子に接続されている第１セルと、（ｉｉ）正極端子と負極端子を有する第２セルであって、正極端子はスイッチチップの第３セル端子に接続されており、負極端子はスイッチチップの第４セル端子に接続されている第２セルとを含む一セットのセルとを備える。
【００１８】
一部の実施形態においては、制御部は、（ｉ）電池モジュールに複数のスイッチを（ａ）一セットのセルは直列に接続され、（ｂ）電流は、主要正極端子を介してスイッチチップから流れ出ることは可能であるが、カスケード接続用正極端子を介してスイッチチップから流れ出ることは不可能であり、（ｃ）電流は、主要負極端子を介してスイッチチップに流れ込むことは可能であるが、カスケード接続用負極端子を介してスイッチチップに流れ込むことは不可能であるよう、構成させるように、（ｉｉ）電池モジュールに複数のスイッチを（ａ）一セットのセルは直列に接続され、（ｂ）電流は、カスケード接続用正極端子を介してスイッチチップから流れ出すことは可能であるが、主要正極端子を介してスイッチチップから流れ出すことは不可能であり、（ｃ）電流は、カスケード接続用負極端子を介してスイッチチップに流れ込むことは可能であるが、主要負極端子を介してスイッチチップに流れ込むことは不可能であるよう、構成させるように、（ｉｉｉ）電池モジュールに複数のスイッチを（ａ）一セットのセルは並列に接続され、（ｂ）電流は、主要正極端子を介してスイッチチップから流れ出ることは可能であるが、カスケード接続用正極端子を介してスイッチチップから流れ出ることは不可能であり、（ｃ）電流は、主要負極端子を介してスイッチチップに流れ込むことは可能であるが、カスケード接続用負極端子を介してスイッチチップに流れ込むことは不可能であるよう、構成させるように動作可能である。
【００１９】
他の特徴については、以下に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、一部の実施形態に係る電池パックシステムの一例を示す。
【図２】図２は、電池パックシステムのもう一つの一例を示しており、電子モータを有する乗物で利用される電池パックシステムを示す。
【図３】図３は、一部の実施形態に係る電池パックの一例を示す。
【図４】図４は、一部の実施形態に係る電池モジュールの一例を示す。
【図５】図５は、一部の実施形態に係る電池モジュールの一例を示す。
【図６】図６は、一部の実施形態に係る電池モジュールの一例を示す。
【図７】図７は、一部の実施形態に係る電池モジュールの一例を示す。
【図８】図８は、一部の実施形態に係る電池モジュールの一例を示す。
【図９】図９は、一部の実施形態に係る電池パックの別の例を示す。
【図１０】図１０は、一部の実施形態に係る、特殊な専用チップに基づく電池モジュールの別の例を示す。
【図１１】図１１は、一部の実施形態に係る主要制御部の機能ブロック図である。
【図１２】図１２は、一部の実施形態に係る電池パックシステムが使用される可能性のある環境を示す。
【図１３】図１３は、別の実施形態に係る電池モジュールを示す。
【図１４】図１４は、さらに別の実施形態に係る電池モジュールを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
従来、電池パックシステムには適度な数の電池と幾つかの制御部が備えられている。これらの制御部はそれぞれ、主に安全上の理由から、前述の電池のうちの一群の電池を監視する（例：前述の電池のうち１０個）。このような制御部は、前述の電池の一群における各電池の電圧、温度、電流を検知する。また、電池パックが通常動作中に、過充電された電池を放電することにより各電池の充電量を揃える。緊急時（例：特定のセルの温度又は電圧が予め定められた値に達した場合）には、制御部は、統括制御部に信号を送信し、主電源スイッチをオフにして電気エンジンから電池パックを切断する。このようなメカニズムは安全上適しているが、電池パックが必要としているその他のパラメータには当てはまらない。
【００２２】
業界においては、セルの公称電圧が、セルを製造するために使用される化学物質の各種電気化学的パラメータであるセルの化学的性質によって決まることはよく知られている。しかし、使用時においては、セル端子の実際の電圧は、時間の経過とともに変化し、かつ、セルの内部インピーダンスに影響を与える様々なパラメータに依存する。このパラメータとしては、負荷電流の実際値が挙げられ、ほか周囲温度、セルの充電状態、セルの使用期間がある。
【００２３】
電気自動車用電池パックの場合は、リチウムイオンが最も普及しており、各セルの公称電圧値は３．６Ｖである。電気エンジンは、列車や潜水艦のような多くの運搬用乗物で一般に利用されている。これらのエンジンは、非常に高効率で、エンジンに供給される電圧及び電流に応じて段階的な出力が得られる。電圧及び電流は数百の単位の範囲にあり、電圧によりモータの回転速度が影響される一方、電流によりトルクが決まる。モータの出力の馬力は、トルクと回転速度の積に正比例する。
【００２４】
数百ボルトの範囲に到達するためには、数十個のセルを直列に接続し、そして鎖状にしたもの数十個を並列に接続し、ピーク電流の供給に対応する。セルは比較的大容量を持つように製造されているので、特定のセルが動作不良を起こした場合、電池パック全体の性能に与える影響は重大である。さらに、電池パックの構成は定まっていてかつ予め定義されているので、この動作不良セルが電池の出力性能に悪影響を与える場合であっても、このセルを該電池パックの構成から電気的に取り除くことができない。
【００２５】
電池のパラメータは、時間の経過とともに、および、環境条件及び使用条件に関連して変化するという事実にさらなる条件を加える。また、その構造は製造工程において予め定義されており定まっているので、最適ではないが固定された構成で接続されているセルに追加物質を補う必要がある。実際に、このことが原因で、電気自動車用電池製造メーカーは前述の問題に対処するために、電池パック設計・製造において６０％を超える容量を割り当てることになる。
【００２６】
ここでは図１を参照する。図１は、従来型の電池パックシステムが有する不備の少なくとも一部に対処した、一部の実施形態に係る電池パックシステム１００を示す図である。
【００２７】
図１に示すように、電池パックシステム１００は電池パック１０４を有し、この電池パック１０４は（ｉ）幾つかの電池１０１（例：幾つかの単一セル電池、以下「セル」と呼ぶ）と、（ｉｉ）前述のセル１０１を種々異なるモードで接続可能にする電池スイッチインググリッド１０２（周知の「３Ｄ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  Ｇｒｉｄ（商標）」３０２）とを有する。一部の実施形態においては、３Ｄ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  Ｇｒｉｄは複数の安価なチップ（周知の「スイッチチップ」）を有し、このチップはそれぞれ、電池パックのセルの特定の副次セットを構成する役割を担っている。また、このチップはそれぞれ、セルの特定の副次セットに接続された１セットのスイッチと、これらスイッチを制御する回路ロジックを備えている。電池パックシステム１００は、さらに主要制御部１０６（周知のＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒ（商標））を備えてもよい。この主要制御部は、各セルの特定のパラメータ（例：充電状態、電圧、電流、温度、圧力等）を検知することによってこれらセルの状態を監視し、かつ、その時点でのエンジンの要求と検知したパラメータに少なくとも部分的には基づいてスイッチインググリッドを制御する。さらに、該制御部について、セルの使用歴、製造メーカーが有するモータ挙動図表、運転者の運転歴や好みを考慮してもよい。そうすれば、電池パックシステム１００ではセルの出力をより効率よく利用可能となり、安全性が向上する。さらに、それぞれ異なるモータに対して、かつ、そのモータからのその時点での要求に対して、運転者の挙動や指示及び運転環境に基づいて最適な動力源を提供する。一部の実施形態においては、ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒは、電池パック１０４内に組み込まれている。
【００２８】
一部の実施形態においては、図１に示すように、電池パックシステム１００は幾つかのセルを備えている。これらのセルはそれぞれ個別に監視されており、かつ、自動車のエンジンで使用されている間や充電中において、様々なモード（例：並列、直列、その他の構造）で互いに電気的に接続することができる。セルを互いに電気的に接続する前述の方法については、自動車からの実際の要求に最適化するように、前述のＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒによって定期的に変化させてもよい（例：高トルクが必要な場合、電流が最大量となるように電池システムを構成できる）。セルそれぞれの具体的な構成は、環境条件を始め、その時点での当該セルの状態、使用歴、その時点でセルが行っている作業により決まる。
【００２９】
例えば、電池パックシステム１００を低温条件において動作させなければならない場合、より多くのセルを直列に接続させ、各セルが寄与する電圧の劣化の埋め合わせをするようにできる。この方法は、時間的な劣化の埋め合わせの場合にも適用可能である。別の例として、あるセルが動作不良を起こしている場合に、この動作不良セルを電池パックの構成から電気的に取り除いてもよく、この場合はその動作不良による悪影響は防止される。
【００３０】
一部の実施形態においては、セルは比較的小型なものでもよく（例えば、２０Ａｈに対して２Ａｈのようにセルが比較的小容量であってもよい）、このようなセルは小型セルと呼ぶことがある。小型セルを使用すると、適切な細かさで管理作業を行うことができる。電池製造メーカーは、より一層適切な態様に電池を設計することができ、かつ、時間が経過した時点でより大容量・高性能な状態を、同一重量及び体積で実現できる。小型セルを利用することの利点としては、より小さいことにより、小型セルはより使用可能なサイクル数を増やすことができ、かつ、小型セルからの放熱性を改善できる。
【００３１】
電気自動車用電池パックは、自動車の空間と重量の大部分を占める非常に大きな物体である。電池パックの設計に関しては、エネルギー容量と、空間占有率と、重量の間でトレードオフがなされる。つまり、エネルギー容量を増やすためには電池パックを大きくする必要があるが、高価な材料を使用するとコストが嵩み、車内のスペースも犠牲になり、また、車両の重量も増える。従来型の電池パックは、使用する電気エンジンで必要な最大電圧及び電流と、電池寿命を確保するために必要であり、かつ、充電されるまでの間に必要なエネルギー容量を提供できるように設計されている。
【００３２】
今日ある電気自動車用電池パックのほとんどはリチウムイオン電池のセルを利用したものであるので、セルを過熱及び過充電について監視する必要があり、さもなければセルが爆発する可能性がある。４．２ｖ又は製造メーカーが定めた指定温度に達すると、電池セルは危険と見なされ、これにより主電池スイッチが閉じて自動車は直ちに停止する。自動車においてリチウムイオンの利用を可能にするには、このような動作モードは不可欠である。
【００３３】
従来型の電池パックの設計を改良するには、単一の安価なチップを複数実際に含んでいるスイッチインググリッド（周知の３Ｄ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  Ｇｒｉｄ）を追加する。前述の安価なチップにより、制御部１０６は電池パック内の各セルを個別に管理することができる。ここで図２を参照する。図２は、３Ｄスイッチインググリッドの概念を示す。図２に示すように、電池パック１０４は、セル１０１の集合だけではなく、スイッチ２０２の集合も持つ。図２の実施形態にさらに示すように、セル１０１一つ一つに対し少なくとも２個のスイッチがついている。図示の例においては、スイッチ２０２ａ及びスイッチ２０２ｂは、（１）セル１０１ａを他のセルと直列に接続するため、又は、（２）セル１０１ａを他のセル全てから電気的に切断するために使用されている。このように、電池パック１０４内の各セルを、当該電池パックに電気的に含んだり、電気的に当該電池パックから取り除いたりすることができる。
【００３４】
スイッチインググリッドによれば、より高い電圧又はより大きなピーク電流を供給する構造、又は、セル順序を変えられる構造を取ることが可能となる。また、スイッチインググリッドによれば、セルを充電する順序を変えることが可能となり、使用状況が異なる場合においても一部又は全てのセルを使用することが可能になり、これにより電池の経年劣化を最適化する。また、スイッチインググリッドによれば、全ての電池のスイッチを切って自動車を停止させなくても、問題が発生した状況の早期の段階で電池パック１０４から動作不良セルを一時的又は永久に電気的に取り除くことができるので、より安全な方法で使用することができる。
【００３５】
ここでは図３を参照する。図３には、一部の実施形態に係る電池パック１０４の構造例を示す。図３に示すように、例示した電池パック１０４は、電池モジュール３０１のクラスターを２個有する。第１クラスター（クラスター１）は、Ｍ個の電池モジュールの組（又は「コラム」）２個（コラム１ａ及びコラム１ｂ）と、コラム１ａとコラム１ｂを直列に接続するために使用されるカスケード接続線５８５からなる。同様に、第２クラスター（クラスター２）は、Ｍ個の電池モジュールの組（又は「コラム」）２個（コラム２ａ及びコラム２ｂ）と、コラム２ａとコラム２ｂを直列に接続するために使用されるカスケード接続線からなる。図３に記載の例においては、Ｍ＝３である。一部の実施形態においては、電池モジュール３０１は、一セットのセル（例：セル４個、セル８個、又は、その他の個数のセル）と、スイッチインググリッド１０２となる部品（例：一セットのスイッチを有する前述のスイッチチップの一つ）とを有する。
【００３６】
電池モジュール３０１ａ及び３０１ｂ内にスイッチをどのように構成するかにより、コラム１ａをコラム１ｂと並列にするか、直列にするかが決まる。同様に、電池モジュール３０１ｃ及び３０１ｄ内にスイッチをどのように構成するかにより、コラム２ａをコラム２ｂと並列にするか直列にするかが決まる。このように、クラスターそれぞれについて、当該クラスター内のコラムは並列に接続されてもよく、また、直列に接続されてもよい。しかしながら、例示した実施形態では、クラスター１のコラムはいずれも、クラスター２のコラムに直列に接続することはできない。このため、電池パック１０４では、少なくとも２つの動作モードをとることができる。一方は、各クラスターのコラムを並列に接続するものであり、もう一方は、各クラスターのコラムを直列に接続するものである。ただし、ある一つのクラスターの全てのコラムが直列又は並列に接続される必要はない。例えば、４個のコラムを有するクラスターの場合は、以下のように構成してもよい。コラム１とコラム２が直列に並ぶことにより第１メタコラムを形成し、コラム３とコラム４が直列に並ぶことにより第２メタコラムを形成し、該第１メタコラムが該第２メタコラムと並列に並ぶ。電池モジュールのセルが直列又は並列のいずれで接続されるかに応じて該電池モジュール３０１の出力する電圧がＶａボルト又はＶｂボルトとなるように各電池モジュール３０１を構成することができるので、後述するように、動作モードをさらに追加してもよい。各電池モジュールの出力する電圧がＶｉボルト（例：Ｖａ又はＶｂ）であり、かつ、各クラスターの全てのコラムが並列に接続されている場合、電池パック１０４の出力する電圧はＭ×Ｖｉボルトとなる。しかしながら、各電池モジュールの出力する電圧がＶｉボルトであり、かつ、各クラスター内のコラムが直列に接続されている場合、電池パック１０４の出力する電圧はＢ×Ｍ×Ｖａボルトとなる。ここでＢはクラスター内のコラムの個数である。本明細書に記載のとおり、主要制御部は、例えば、エンジンからの要求や環境に関するデータに基づいて電池パック１０４を構成してもよい。よって、エンジンが高電圧を必要とする場合は、主要制御部が１又は複数のコマンドを電池パックに送信してもよい。この１又は複数のコマンドは、電池パックにおいて各クラスター内のコラムを直列に接続させるか、各電池モジュール内のセルを直列に接続させるか、又は、その両方を行う。同様に、エンジンが大きなピーク電流を必要とする場合は、主要制御部が１又は複数のコマンドを電池パックに送信してもよい。この１又は複数のコマンドは、電池パックにおいて各クラスター内のコラムを並列に接続させるか、各電池モジュール内のセルを並列に接続させるか、又は、その両方を行う。
【００３７】
上記の構造においては、コラム内の１つ又は幾つかの電池モジュールが動作不良を起こした場合、これらの電池モジュールの電池パック全体に対する影響は、電池モジュール内のスイッチを用いて当該電池モジュールを一時的又は永久に迂回することにより削減できる。さらに上記の構造は別の利点があり、製造メーカーが設計したエネルギー容量の冗長性を、電池パック内に適切に拡張することができ、かつ、エンジンの任意の時点における実際の要求に応じて電流や電圧を増大させることに利用できる。
【００３８】
ここでは図４〜８を参照する。図４〜８は、電池モジュール３０１の一例を示し、この電池モジュール３０１は４個の電池ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４（例：４個の小型セル）と、一セットのスイッチ（ｓ０〜ｓ１４）と、主要正極端子４０２と、主要負極端子４０４と、カスケード接続用正極端子５８２と、カスケード接続用負極端子５８１とを有する。簡明にするために、電池ｃ１〜ｃ４は単セル装置に限定されないとの理解の元に、当該電池ｃ１〜ｃ４をセルと呼ぶものとする。
【００３９】
スイッチｓ１〜ｓ４、ｓ６〜ｓ８、ｓ１０〜ｓ１３はセルｃ１〜ｃ４を相互に接続するために使用され、一方、スイッチｓ０、ｓ５、ｓ９、ｓ１４はクラスターのコラムをカスケード接続するために使用される。すなわち、スイッチｓ０、ｓ５、ｓ９、ｓ１４により、電池モジュールを、同一クラスターの隣接コラム内にある別の電池モジュールに直列に接続することができる。例えば、端子５８１と５８２はそれぞれ、別々のカスケード接続線に接続されている。カスケード接続線の他端は、隣接するコラムにある電池モジュールの、対応するカスケード接続用端子に接続される。例えば、図３に示すように、電池モジュール３０１ａの端子５８１はカスケード接続線５８５に接続され、このカスケード接続線の他端は電池モジュール３０１ｂの端子５８２に接続される。コラム１ａをコラム１ｂに直列に接続するには、（Ａ）電池モジュール３０１ａにおいては、スイッチｓ４〜ｓ８を閉じてそれ以外のスイッチを開くように構成し、かつ、（Ｂ）電池モジュール３０１ｂにおいては、スイッチｓ６〜ｓ１０を閉じてそれ以外のスイッチを開くように構成する。
【００４０】
図４〜８に示すように、本発明の様々な実施形態に係る電池モジュール（その各部分は単一のチップ上に形成されてもよい）においては、Ｃ個のセルをオンオフすることができ、これらＣ個のセルは、直列又は並列に接続されたり、グリッドから取り除いたりすることができる。例えば、電池モジュールにおいては、Ｃ個のセルを電気的に並列又は直列に接続することができる。別の例としては、Ｃ個のセルそれぞれについて、電池モジュールは、当該セルを電池モジュール内の他の全てのセルから電気的に切り離すことができる。このように、電池モジュールは、電池パック内のＣ個のセルを管轄する。
【００４１】
このように、電池モジュール内の１つ又は幾つかのセルが動作不良を起こした場合、これらのセルの電池パック全体に対する影響は、電池モジュール内のスイッチを用いて当該セルを一時的又は永久に迂回することにより削減することができる。さらに上記の構造は別の利点があり、製造メーカーが設計したエネルギー容量の冗長性を、電池パック内に適切に拡張することができ、かつ、エンジンの任意の時点における実際の要求に応じて電流や電圧を増大させることに利用できる。
【００４２】
上に述べたように、電池モジュール３０１の素子は、集積回路又は「マイクロチップ」（省略して「チップ」と呼ぶ）としてこれを実装してもよい。すなわち、一部の実施形態においては、電池モジュール３０１は、チップと、このチップに接続された一セットのセルを有する。該チップは、一セットのセルを構成する役割を担う。例えば、該チップはセルを互いに直列又は並列に接続する役割を担う。チップは、デジタル素子、アナログ素子、及び、通信素子を備えてもよい。また、承認を受けていない設計者が電池モジュールを利用することを防ぎ、かつ、起こりうる制御エラーを自動車として要求されるレベルまで減らすノイズ耐性通信モジュールがあるが、チップはこのような通信モジュールを利用してもよい。一部の実施形態においては、チップのスイッチング素子にパワーＦＥＴ技術を利用することで、オン抵抗を非常に小さくすることが可能となり、エネルギー効率上必要とされている、自己電力消費を低く抑えることが可能となる。チップは、安全スイッチングシーケンサーを備えてもよい。この安全スイッチングシーケンサーは、セル一つ一つの正確なスイッチング順序及び正確なスイッチング時間を管理して危険な状況を防ぐものである。一部の実施形態においては、チップは、小型のＣＰＵとソフトウェアコードとを有してもよい。この小型のＣＰＵ及びソフトウェアコードは、制御部から受信したコマンドに応答して動作するだけでなく、決まった作業については制御部のように動作することもできる。また、特定の局所的な状況に応答して特定の動作を自動的に行うこと、例えば、チップが動作不良を検知したあるセル又は幾つかのセルを直ちに切り離すことなどができる。
【００４３】
前述のスイッチング素子は、電池を使用する用途に応じたスイッチング時間に対応する必要がある。電気自動車の場合は、必要なスイッチング時間は比較的遅く、スイッチング素子、例えば前述のパワーＭＯＳＦＥＴを必要とすることはあまりない。
【００４４】
スイッチング素子を電池モジュール内に配する配列により、電池スイッチインググリッドを構築する際の柔軟性のレベルが決まる。経済的解決法となる設計を可能にするには、電池モジュール１個あたりのスイッチング素子の個数をできる限り少なくすることが望ましい。さらに、スイッチング素子のそれぞれが１×Ｉの電流のみに耐える必要があり、スイッチング素子を比較的小型にできることが望ましい。幾つかのセルから電流を集める接続は電池モジュールのチップ外で行うものとし、これにはチップの端子の幾つかを利用する。
【００４５】
図５は、電池モジュール内のセルが全て互いに並列に接続されるように構成された電池モジュールを示している。すなわち、ｃ１はｃ２と並列であり、ｃ２はｃ３と並列であり、ｃ３はｃ４と並列である。この構成は、スイッチｓ１〜ｓ４、ｓ１０〜ｓ１３を閉じ、かつ、残りのスイッチを開いたままにすることにより実現する。図６は、セルｃ１を前述の並列回路から取り除くように構成された電池モジュールを示している。この構成は、スイッチｓ２〜ｓ４、ｓ１１〜ｓ１３を閉じ、かつ、残りのスイッチを開いたままにすることにより実現する。
【００４６】
図７は、電池モジュール内のセルが全て直列に接続されるように構成された電池モジュールを示している。すなわち、ｃ１はｃ２に直列であり、ｃ２はｃ３に直列であり、ｃ３はｃ４に直列である。この構成は、スイッチｓ４、ｓ６〜ｓ８、ｓ１０を閉じ、かつ、残りのスイッチを開いたままにすることにより実現する。この構成においては、電流（例：従来型の電流）は主要正極端子４０２から流れ出ることができ、主要負極端子４０４に流れ込むことができる。カスケード接続が必要な場合は、スイッチｓ５とｓ９を閉じ、かつ、スイッチｓ４とｓ１０を開く。このカスケード接続構成においては、電流は、カスケード接続用正極端子５８２から入って、セルｃ１〜ｃ４を通り、カスケード接続用負極端子５８１に流れ出すことができる。図８は、セルｃ１を前述の直列回路から取り除くように構成された電池モジュールを示している。この構成は、スイッチｓ４、ｓ７、ｓ８、ｓ１１を閉じ、かつ、残りのスイッチを開いたままにすることにより実現する。
【００４７】
図６及び図８に記載されるように、前述のスイッチは、問題のあるセルを該電池モジュールから完全に取り除きつつも残りのセルのほとんどを利用できるような態様で接続されている。これらのスイッチ（例：パワーＦＥＴ）については、スイッチオフ時のインピーダンスが非常に高く、主スイッチ１２１０（図２又は図１２参照）を作動させて自動車を停止させなくても安全に動作不良セルを取り除けることが好ましい。
【００４８】
電気エンジンは、高速度を実現する高トルク・高電圧を生み出すために大電流を必要とするので、大電流を必要とする自動車の発進時から、該エンジンが高電圧を必要とする自動車がスピードを上げなければならない状態に亘って、電池からの要求は変化している。必要とされる電圧の通常の範囲は４８〜８００ボルトであり、電流は数アンペア〜３００アンペアの範囲で変化する。この構成では１：Ｃの動的な出力領域が可能である。ここでは、Ｃは各電池モジュールが扱うセルの個数を指し、基本となる電流のＣ倍か、基本となる電圧のＣ倍か、その間のいずれかの値で運転可能であることを意味する。
【００４９】
上に述べたように、図４に示す電池モジュール３０１の例では、電池モジュールは４個のセル（ｃ１〜ｃ４）を管轄しており、該電池モジュールがこれらのセルを並列又は直列に接続可能な態様で、スイッチは接続されている。さらに、上に述べたように、残りのスイッチは、より高い電池電圧に対応する構造において、コラムのカスケード接続を可能にする。この構造の利点は、スイッチの個数を相対的に少なくし単純な経路構造を維持しながらも、非常に柔軟性が高い。この構成は特徴的であるが、その理由は、各支線から電流を集めるのを電池モジュール外部の配線において行っているからである。これは、各パワーＦＥＴが１×Ｉだけの電流を流せるように設計することを可能にし、チップの面積をできる限り小型化し、価格も最も抑制できている。
【００５０】
ここでは図１３を参照する。図１３は、別の実施形態に係る電池モジュール３０１の構成を示す。この例では、簡潔にするために３個のセルが示されている。本実施形態においては、セルｃ１〜ｃ４の相互接続に、スイッチｓ１〜ｓ８とｓ１０〜ｓ１２が使われており、クラスター内のコラムのカスケード接続に、スイッチｓ９とｓ１３が使われている。本実施形態においては、電池モジュールは直列配置となっているときに、セルそれぞれを個別に残りのセルから切り離すことができる。例えば、これらのセルが直列に接続されており、かつ、セルｃ２が不良であることが確認された場合、スイッチｓ８を開きスイッチｓ１１を閉じることにより、ｃ２を切り離すことができる。
【００５１】
ここでは図１４ａ〜図１４ｃを参照する。これらの図は、図３の実施形態と類似の電池モジュール３０１の実施形態を示している。一つの相違点は、中央のセルがないことと、使用しているセルの電流容量が図３の実施形態で使用しているセルよりも大きいことである。この実施形態では、図３の電池モジュールで使用しているものと同じチップが他の構成を実現するのに再利用可能なことを示している。
【００５２】
ここでは図３を再び参照する。図３はクラスターを２個だけ有する電池パックの一例を示すが、他の実施形態に従う電池パックはより多くのクラスターを有してもよい。同様に、図３は、クラスター１個当たりコラムは２個のみであり、コラム１個当たり電池モジュール３０１の個数が３個の電池パックの一例を示すが、他の実施形態では他の構成であってもよい。
【００５３】
例えば、図９は電池パック１０４の実施形態である。この電池パック１０４は、電池モジュールのクラスターをＮ個有し、各クラスターは電池モジュールのコラムをＢ個有し、各コラムは電池モジュールをＭ個有しており、合計でＮ×Ｂ×Ｍ個の電池モジュールを有する。電池パックはそれぞれ、Ｃ、Ｍ、Ｂ、Ｎの異なるパラメータにより設計可能であり、これにより特定の自動車又は生産ラインの要求に最適化させる。ある配置では、クラスター同士は互いに並列に接続されている。各クラスターにおいては、クラスター内のコラムを、並列又は直列に接続してもよい。また、各コラムにおいては、コラム内の電池モジュールを直列に接続することができる。
【００５４】
この構造における利点は、電池モジュール内の各パワーＦＥＴを流れる電流を１×Ｉに制限できることである。ここでＩは特定の設計に対応している最大電流である。つまり、電池モジュールのスイッチング制御がどのような構成であるかを問わず、電池モジュール自体の外にある特別な配線構造により電流が集められ、経済的に問題の解決を図ることができる。経済的な配列としては、Ｃ＝４〜１６とした場合に対応する個数のスイッチから構成されることが現在のところ分かっている。用途によっては、Ｃが８〜１２の範囲にあるほうがより好ましい。
【００５５】
並列構造を多く採用すれば、オン抵抗を抑制するとともに小電流・低電圧を指定可能な比較的小型のパワーＦＥＴが使用可能になる。よって、電力の損失がより少なくなり、エネルギー効率が向上する。
【００５６】
具体的に、この構造では、Ｃ×Ｂ×Ｎ個のセルを並列に接続して、全てのセルからＩ×（Ｃ×Ｂ×Ｎ）の最大電流を取り出して供給することができる。また、制御を変更することにより、Ｃ×Ｍ×Ｂ個のセルを直列に接続して、Ｖ×（Ｃ×Ｍ×Ｂ）ボルトに到達することができる。各クラスター内のコラムをカスケード接続することは、電池モジュールの相互接続に使用するスイッチを配置することにより可能となる（図３参照）。このように大電流を取り出し超高電圧を達成することが可能となることにより、自動車製造メーカーは、定まった電池構造の制限を受けずに管理実績を向上させることが可能となる。また、電池モジュール外の３Ｄ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  Ｇｒｉｄの特定の経路設計を実現するとともに、電池モジュール内のスイッチング素子を配列できる。
【００５７】
図１０は、一部の実施形態に係る電池モジュール３０１の一例のブロック図である。本実施形態においては、電池モジュール３０１は、（ａ）スイッチと制御回路を有するチップ１００２と、（ｂ）セル１００４のモジュールとを備える（この例ではセルのモジュールはセルを４個有するが、別の構成も可能である。例えば、セルを８個とすることは経済的であることが分かっている）。図１０に示すチップ１００２の例は、アナログ部分とデジタル部分よりなる。アナログ部分は、前述のような特殊な配列に配置されたパワーＭＯＳＦＥＴから構成される。一つの実施形態では、スイッチ（例：パワーＭＯＳＦＥＴ）の個数は、３＋３×８＝２７である。
【００５８】
これらのアナログスイッチは、幾つかのブロックを有するチップ１００２のデジタル部分により制御される。この幾つかのブロックのうちの一つに、自動車の安全基準を満たすエラー耐性のある方式でＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒからスイッチングコマンドを受信することができる通信モジュールがある。この通信モジュールはマスター（例：送信機）とスレーブ（例：受信機）から構成されており、１つの電池モジュールと他の電池モジュールとの間でコマンドを直列伝送することが可能であり、それにより、電池パック内でスイッチングコマンドが有線伝送される回数は最小となる。一部の実施形態においては、スイッチチップ１００２のスレーブ通信ユニットは、（ｉ）上流側にあるスイッチチップ１００２のマスター通信ユニットからスイッチング情報を受信し、（ｉｉ）自分宛のスイッチング情報を選択し、（ｉｉｉ）上流側にあるチップから受信したスイッチング情報の残余の部分を、マスター通信ユニットを介して通信チェーン内の隣接するチップに送信する。このような態様で、スイッチングコマンドを伝送するために電池内に敷設される通信線の数を抑制する。すなわち、例えば、電池モジュールは、デイジーチェーン配置に構成されてもよい。つまり、電池モジュールの１つが外部の制御部からスイッチング情報を受信してこのスイッチング情報のうちの一部又は全てを通信チェーン内の隣接する電池モジュールに引き渡す、又は、いずれも引き渡さず、通信チェーン内の隣接する電池モジュール等においても同様の動作が行われるように構成されてもよい。
【００５９】
受信したコマンドは、コマンドデコーダがチェックし、電池モジュール内にスイッチングにおける望ましくない状況を引き起こすか、又は、電池モジュール又は電池パック内でより大規模に望ましくない状況を引き起こす可能性のある起こりうる機能エラーを除去する。コマンドデコーダは、スイッチング制御ロジック用にコマンドを変更する。
【００６０】
前述のスイッチング制御ロジックは、スイッチング順序を電池モジュール内の各スイッチング素子を実際にオン・オフする順序に分割する。
【００６１】
安全スイッチングシーケンサーは、各スイッチのオン・オフコマンドを受け取る。そして、パワーＦＥＴそれぞれがスイッチされなければならない正確な順序及びタイミングを決定する。これには、スイッチング素子の速さと、スイッチングシーケンサー動作時におけるエネルギー消費を考慮する。言うまでもなく、いかなるセルも短絡させないことや、電池モジュール又は電池パック内にアンバランスな構造を一瞬たりとも生じさせないことなど、安全上の理由も考慮する。
【００６２】
ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒ１０６―高性能・高出力を有する制御部
小型の電池セルを多数使用するという思想は、各時点で必要な作業と使用方法に応じたスイッチング方法の実現を効率的に処理可能な、特別に高出力なチップを使用することに組み込まれている。
【００６３】
図１１は、ここで提案するＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒ１０６の機能ブロック図である。
【００６４】
このＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒは、高性能のアルゴリズムを実行できる処理装置に基づいている。また、この処理装置は、電気エンジンが電気自動車用電池を効率的に利用するため、かつ、電池寿命を延ばし安全性を高めることを可能にするために必要な計算処理について、この処理に最適な種々異なるアクセラレータを活用できる。
【００６５】
前述のＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒは、電池モジュール内の各セルを管理可能な制御アルゴリズムと「劣化」アルゴリズムを実装している。電池セルを管理するこの画期的な方法により、電池のエネルギー効率を向上させて自動車の走行距離を伸ばすことができ、また、電池コストが抑制される。前述の解決法ではさらに、自動車を停止させずに電池パックから動作不良のセルを個別に切り離すことにより、電池使用時における安全性を向上させる。同様の理由から、「充電に失敗した状態」という第二種の過誤も減少する。
【００６６】
前述のＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒは、別個のソフトウェア（ＳＷ）モデルを２つ実行する。そのうち１つはＳｍａｒｔＬｏａｄ（商標）であり、これは個々のセルをあらゆる条件において管理し、かつ、電池パックの性能を著しく向上させる素子である。もう１つはＤｙｎａｍｉｃＰｏｗｅｒ（商標）であり、これは車両システム供給用素子である。これは、電気自動車のインバーター１２０２に最適な方式で、エンジンからのその時点で特定の要求に合う電圧及び電流条件を供給するように設計されている（図１２参照）。
【００６７】
ＳｍａｒｔＬｏａｄは、電池パック全体としてではなくセルを個々に取り扱う点で、既存の電気自動車用電池よりも一歩進んだ独立型電池システムブースターである。一方、ＤｙｎａｍｉｃＰｏｗｅｒは自動車メーカーとの提携が必要である。また、エネルギーを節約できるだけでなく、簡易でより安価なインバーター１２０２を使用しても走行性能が上げられることを示している。
【００６８】
前述のＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒは、アナログ又はデジタル入力を用いて電池セルを検知でき、セルスイッチインググリッド（例：電池パック１０４内のスイッチ）をデジタル出力を用いて管理でき、拡張用のポートを介してデバイスを追加して接続できる。また、内部メモリやフラッシュメモリを利用して電池履歴や各セルの統計データを保持することができ、このデータベースを外部メモリに拡張できる。また、ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒを特定のバスを介して外部のエンジンに接続することができ、例えば電池を保管することなどのために、自動車の主要制御部や他のデバイスと有線又は無線接続で通信できる。
【００６９】
環境やエンジンからの要求の変化に最適化させ、かつ、時間的な劣化状態の違いや一部のセルの動作不良に対処することが可能な動的な方式で、電池の構造を動作途中でも変更可能であることにより、電池仕様が再定義される。また、このことは、パラメータや環境を変えた様々な状況、特に温度変化に対応して、電池を使用できるかどうかに、主として影響する。
【００７０】
図１２は、本明細書に記載の電池パックシステム１００の実施形態を含む電気自動車用パワートレインシステム１２００の一例である。図に示すように、このシステム１２００はインバーター１２０２に接続されたモータ１２０４を備えている。このインバーター１２０２は、電池パック１０４の出力端子に電気的に接続されており、これにより電池パック１０４から電流出力を受け取る。システム１２００は、さらに、主要制御部１２０６と、各構成部を通信可能にするバス１２０８とを備える。例えば、ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒは、バスを利用して、主要制御部からデータを取得したり、電池パック１０４内の電池モジュール３０１にコマンドを送信したりすることができる。また、ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒを、制御用ソフトウェアやアルゴリズムの形態で、電池パック１０４内に又は主要制御部１２０６の一部として搭載することができる。
【００７１】
実施例
１．セルが出力する電圧が定格電圧よりも低い
化学的構造のため、電池パック内の一部のセルが不良となる場合がある。例えば、製造時のミスのために、出力する電圧が定格電圧よりも低くなる。電池パックのその時点での構造では、この不良セルが鎖状の直列構造に存在し続ける。この結果、当該電池から出力される電圧は常にこの分だけ減少することになる。時間の経過とともに、出力する電圧が下がるセルが増えていき、電池が出力する電圧は著しく低下する。
【００７２】
この問題に対処するために、製造メーカーは予備のセルを直列に追加して使用して実際に必要な電圧よりも電圧を高くして、このようにシステムに組み込んでいる。
【００７３】
本明細書に記載のシステムでは、一定の時間間隔で、ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒがその時点でのエンジン速度を読み取り、この速度に最も適した電圧を決定し、この最適電圧を供給するために必要な、直列接続セル数を算出する。これは、それぞれの速度における最適電圧を指定したエンジンの製造情報を利用することにより実現できる。そして、ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒはセル履歴データベースを読み取り、各セルの使用サイクル回数を確認する。ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒは、さらに、各セルのその時点での電圧を読み取り、次の該一定時間においてどのセルを使うか、次の該一定時間において何個のセルを直列又は並列に接続するかを決定する。
【００７４】
一部の実施形態においては、大型のセルの代わりに多数の小型セルを使用して、プロセッサが非常に細かく電池電圧を制御できるようにする。一部のセルが動作不良となって除外された場合であっても、当該電池容量に対する全影響は無視することができる。
【００７５】
定期的に繰り返されるこのような処理の結果、電池が出力する電圧を時間が経過しても一定とすることができ、鎖状部内の一部の電池セルの劣化が原因で電圧を損失するという問題に対処することができる。
【００７６】
そして、電池製造メーカーは、電池構造内の冗長セルを減らすように定めることができる。その理由は、常時直列接続されるセルを減らし、代わりに、必要なピーク電流を供給する並列構造にこの追加分のセルによって対応できるからである。
【００７７】
２．環境温度による電圧降下
周囲温度が著しく低下した場合に電池が出力する電圧は低くなることはよく知られている。この問題に対処するために、製造メーカーは、直列接続セルを追加する仕様にしている。必要な電圧よりも大きい電圧が通常の周囲温度において出力するこの追加分のセルを、システムに組み込んでいる。
【００７８】
本明細書に記載のシステムでは、一定の時間間隔で、ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒがその時点でのエンジン速度を読み取り、最適電圧を供給するために必要な、直列接続セルの量を算出する。そして、ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒはセル履歴データベースを読み取り、各セルの使用サイクル回数を確認する。ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒは、さらに、その時点での周囲温度に対する各セルの実電圧を読み取り、次の該一定時間においてどのセルを使うか、次の該一定時間において何個のセルを直列又は並列に接続するかを決定する。
【００７９】
３．電池を効率的に充電すること
多数のセルを有し、長期間に亘って（リチウムイオン自動車電池においては５年）良好に動作する必要がある大型の電池の場合、充電作業が電池の寿命と利用者の安全のために重要となっている。電池の電流を一定とする構造では、全ての電池セルを一度に処理する充電処理となっている。この充電処理は、一部のセルが過充電された場合、有害となることがある。そのため、当該セルを特定の電圧値まで放電させるレベリング用安全機構を設け、全てのセルの電圧を予め定められた電圧範囲に維持している。
【００８０】
本明細書に記載のシステムでは、一定の充電時間間隔で、ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒが、各セルの実際の電圧とセル履歴データベースを読み取り、セルが既に行った充電サイクルの回数を確認する。そして、次の充電時間においてどのセルを充電するか、次の充電時間において最適な充電電流を生じるために何個のセルを直列又は並列に接続するかを、ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒは決定する。許容最大電圧に達したセルは除外され、残りのセルは充電を継続する。これにより、全てのセルがその最大容量まで充電できる。このように、電池の容量を充分に利用することができる。
【００８１】
この充電処理の結果、充電不要のセルは充電鎖状部から除外され、不必要な充電により劣化せずにすむ。これらのセルはまた、過充電状態に曝されることが少ないので、電池はより一層安全に使用される。より多くのセルを並列に充電するので、総充電時間はＮ分の一に短くすることができ、セル１個当たりの充電電流が低くても充電でき、電池の寿命が長くなる。そして、電池製造メーカーは、電池構造内のセルの数を減らすように定めることができる。その理由は、常時直列接続されるセルを減らし、代わりに、劣化によるトラブルに対処し、かつ、必要なピーク電流を供給する並列構造にこの追加分のセルによって対応できるからである。
【００８２】
４．電池を効率的に放電すること
多数のセルを有し、長期間に亘って（リチウムイオン自動車電池においては５年）良好に動作する必要がある大型の電池の場合、放電作業が電池の寿命のために重要となっている。リチウムイオンの化学的性質により、セルの充電は最小２．５Ｖまでに制限されている。電池をそれよりも低い値まで放電すると、セルに回復不可能な損傷を与えることになり、電池パック全体が使用できなくなる。電池の電流を一定とする構造では、全ての電池セルを一度に処理する放電処理となっている。この放電処理は、一部のセルが過放電された場合、有害となることがある。そのため、２．５Ｖに達したセルが１つでもあれば電池パック全体の放電を停止する仕組みを設けている。この仕組みにより、それぞれのセルを限界容量まで利用することができなくなり、電池パック内の最も弱いセルによって容量が制限されてしまう。２００サイクル充電しただけで、電池パック内の各セル間の状態の差は大きくなっており、そのため電池容量を効率的に利用できなくなることがよく知られている。
【００８３】
本明細書に記載のシステムでは、一定の充電時間間隔で、ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒが各セルの実際の電圧を読み取る。そして、次の充電時間においてどのセルを放電するか、次の充電時間において最適な放電電流を生じるために何個のセルを直列又は並列に接続するかを、ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒは決定する。許容最小電圧の２．５Ｖに達したセルは除外され（例：前述のように電気的に切り離される）、残りのセルは放電を継続する。これにより、全てのセルがその最小容量まで放電できる。このように、電池の全容量を利用することができる。
【００８４】
この放電処理の結果、放電サイクルが終了したセルは放電鎖状部から除外され、残りのセルの放電の継続を制限しない。これらのセルはまた、過放電状態に曝されることが少ないので、電池は一層安定した状態で使用されることになり電池の寿命が長くなる。そして、電池製造メーカーは、電池構造内のセルの数を減らすように定めることができる。その理由は、常時接続されるセルを減らし、劣化によるトラブルに対処し、電池の総コストを減らすことができるからである。
【００８５】
５．最適化されたＥＶモータ性能
多数のセルを有し、長期間に亘って良好に動作する必要がある大型の電池パックの場合、モータからの変化し続ける要求に応じて最適値の電流／電圧を供給することは難度の高い作業である。電池の電流を一定とする構造では、必要なトルク性能のために必要な最大電流に対応するために並列接続された十分な数のセルを有する構造に電池パックを組み立てることが、製造メーカーに提起される。同時に、必要な馬力に対応するために必要される最高電圧に対応するために十分な数のセルを直列に組み上げることが、製造メーカーに提起される。このような設計工程は、電池パックの重量とコストによって制限を受け、製造メーカーに自動車性能の値での妥協を強いることになる。
【００８６】
本明細書に記載のシステムでは、一定の時間間隔で、ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒが、データベースに保存された自動車製造メーカーのエンジンに関する図表と、各セルの実際の電圧とを、セル履歴データベースと同様に読み取り、セルが既に行った充電サイクルの回数を確認する。そして、次の該一定時間においてどのセルを使うか、次の該一定時間において何個のセルを直列又は並列に接続して最適な構造を作り必要なモータ電圧及び電流に対応するかを、ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒは決定する。柔軟に対応可能な構造でセルを使用するこのような方法によれば、製造メーカーは、電池の構造設計において新たな自由度を獲得する。また、同一の電池コストで、トルクや馬力といったモータ関連の数値をより向上でき、利用者にはより高性能の自動車が提供される。
【００８７】
電池製造メーカーはまた、電池構造内のセルの数を減らすように定めることができる。その理由は、異なる時間に必要とされる極端な電流又は電圧に対応するために、異なるセル構造を使用できるからである。
【００８８】
インバーターは、電池の直流固定出力からモータが必要とする交流を得ることに対応しなければならないが、その構造に対して今日投資される多大なコストやエネルギー、構造の複雑さが、前述のような電池の出力利用の先進的なケースでは、回避される。ＥＶＰｒｏｃｅｓｓｏｒでは、その時々刻々の電圧を生じさせるために直列接続されたセルの量を変え続けることによって必要とされる交流出力を生み出すことで、インバーターの機能に取って代わることができる。
【００８９】
電池のその他の用途
本発明の主たる目的は電気自動車用電池パックをより活用されるようにすることであるが、電池パックシステム１００を、携帯電話やラップトップ型コンピュータのような異なる用途に使用することもできる。もちろん、それぞれの利用状況における経済性は異なる。しかし、電池をセルに分割し、これらを３Ｄ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  Ｇｒｉｄの電池スイッチインググリッドで接続し、高性能のマイクロマネジメント及び制御方法を採用する基本的な実施方法は、すべての状況に適合可能である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ−１４Ｃ】
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