(57)【要約】  エネルギー貯蔵システムの個々のセル電圧が監視されるような方法およびシステムが記載される。測定されたセル電圧は、中央コントローラに報告し戻すことができる。システムの全体的な健全性などのパラメータに基づいて、このコントローラは、いずれのセルをいずれの方向に、および、随意選択的にどのくらい長く平衡させるかを決定するように適合させることができる。平衡化は、ハードウェアにおいて、すなわち１つまたは複数の回路として実装することができるセル監視および平衡化手段によって行うことができる。コントローラからの決定情報は、コマンドとしてセル監視および平衡化手段に報告することができる。セル監視および平衡化手段は、例えば、それに接続されたセルの電圧またはＳｏＣに関係なく、コマンドを実行することができる。
2019501616.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギー貯蔵システムにおける個々の電気エネルギー貯蔵セルの平衡化のためのシステムであって、
直列に接続された個々のエネルギー貯蔵装置と、
セルの健全性、電荷または充電状態に関連する個々のセルの電気的パラメータを測定する手段と、
コントローラと、
測定されたパラメータ値を前記コントローラに報告する手段であって、
前記コントローラは、１つまたは複数の個々のセルが平衡されるかべきか否か、および充電または放電のいずれの方向に平衡されるべきかを決定するように適合されており、前記決定は、測定されたパラメータに基づく、手段と、
平衡化ユニットであって、測定されるセルに接続されており、前記コントローラから平衡化コマンドを受信し、前記エネルギー貯蔵システムが全体として充電または放電されているかまたはアイドルであるかとは無関係に、前記平衡化ユニットに接続された前記セルのセル平衡を実行するように適合されている、平衡化ユニットとを備える、システム。
【請求項２】
前記システムの全体的な健全性を判定する手段をさらに備え、前記コントローラは、１つまたは複数の個々のエネルギー貯蔵装置の容量によって健全性を判定するように適合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
いずれの個々のエネルギー貯蔵装置を平衡させるかを決定する手段をさらに備え、いずれの個々のエネルギー貯蔵装置を平衡させるべきかは、充電および放電、または個々のエネルギー貯蔵装置の種類がバッテリまたはキャパシタセルであるかに依存する、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記決定は、平衡中に前記方向が充電であるべきかまたは放電であるべきかを決定する手段をさらに備え、前記方向が充電であるべきかまたは放電であるべきかは、バッテリまたはキャパシタセルに対して適合される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記平衡がどれくらい長く行われるべきかを決定する手段をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記平衡化ユニットは、個々のエネルギー貯蔵装置を監視することによって平衡を実行するように適合され、前記平衡化ユニットは、ハードウェアにおいて実装される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記コントローラから前記平衡化ユニットへと決定情報をコマンドとして報告する手段をさらに備え、前記コマンドの実行は、前記平衡化ユニットに接続された前記個々のエネルギー貯蔵装置の電圧またはＳｏＣに関係ない、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
セル平衡化は、以下のいずれかに従って実行することができる、すなわち、
（ｉ）いつでも、または
（ｉｉ）平衡化は、特定の状況の充電状態にある前記平衡化されるセルに限定されない、
個々の性能にかかわらず、または
（ｉｉｉ）より高いエネルギー貯蔵容量をもたらす最適なシステム性能に関して、
前記コントローラが、それぞれ最高または最低の個々のセル電圧に基づいて最大システム電圧または最小システム電圧を計算するように適合されることによって、セルの過電圧または不足電圧を防止するように、または
（ｉｖ）平衡化充電器を使用せずに、または
（ｖ）前記コントローラが電圧またはＳｏＣの予測においてセル容量および内部抵抗の差を考慮して、または
（ｖｉ）設定された期間にわたって、実行することができる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の平衡化のためのシステム。
【請求項９】
第１の平衡化ユニットが、前記エネルギー貯蔵システムが全体として充電または放電されているか、または、アイドルであるかとは無関係に、一方では、前記第１の平衡化ユニットに割り当てられた前記エネルギー貯蔵セルを充電するために、充電装置から、または、別の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵セルから電荷を転送し、他方では、前記第１の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵セルを放電するために、エネルギー充填装置へと、または、別の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵セルへと電荷を転送するための複数のスイッチを備える、任意の先行する請求項１に記載の平衡化のためのシステム。
【請求項１０】
エネルギー貯蔵装置の測定された電気パラメータを、対応する基準パラメータまたは閾値と比較するための比較器をさらに備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の平衡化のためのシステム。
【請求項１１】
前記電気的パラメータは、前記エネルギー貯蔵装置内の電荷の量または前記エネルギー貯蔵装置に残っている電荷の量または前記エネルギー貯蔵装置のＳｏＣなどの導出値とすることができる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の平衡化のためのシステム。
【請求項１２】
前記コントローラは、前記比較器によって生成される信号に基づいて前記スイッチを制御するように適合されている、請求項１０または１１に記載の平衡化のためのシステム。
【請求項１３】
前記コントローラは、前記充電式エネルギー貯蔵装置を過電圧および／または不足電圧から保護するように適合されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の平衡化のためのシステム。
【請求項１４】
直列に接続された個々のエネルギー貯蔵装置を備える電気エネルギー貯蔵システム内の個々の電気エネルギー貯蔵装置を平衡させる方法であって、
セルの健全性、電荷または充電状態に関連する個々のエネルギー貯蔵装置の電気的パラメータを測定するステップと、
１つまたは複数の個々のエネルギー貯蔵装置が平衡されるべきか否か、および充電または放電のいずれの方向に平衡されるべきかを決定するステップであって、前記決定は、前記測定されたパラメータ値に基づく、決定するステップと、
前記エネルギー貯蔵システムが全体として充電もしくは放電されているか、またはアイドル状態であるかにかかわらず、前記１つまたは複数のエネルギー貯蔵装置の平衡化を実行するステップとを含む、方法。
【請求項１５】
１つまたは複数の個々のエネルギー貯蔵装置の容量によって前記システムの全体的な健全性を判断するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
充電するかもしくは放電するか、または、バッテリであるかまたはキャパシタセルであるかに応じて、いずれの個々のエネルギー貯蔵装置を平衡させるかを決定するステップをさらに含む、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記個々のエネルギー貯蔵装置がバッテリであるかまたはキャパシタセルであるかに依存して、平衡化の間に充電または放電のいずれの方向が適用されるべきかを決定するステップおよび手段をさらに含む、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
充電または放電である前記平衡化をどれだけ長く行うかを決定するステップをさらに含む、請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
平衡化を可能にするためのスイッチを使用したセル監視によって平衡化を実行するステップをさらに含む、請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
セル監視および平衡化のための決定情報をコマンドとして報告し、平衡化される個々のエネルギー貯蔵装置の電圧またはＳｏＣにかかわらず前記コマンドを実行するステップをさらに含む、請求項１４〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記平衡化は、以下のいずれかに従って実行され、すなわち、
（ｉ）いつでも、または
（ｉｉ）平衡化は、特定の状況の充電状態にある前記平衡化されるエネルギー貯蔵装置に限定されない、または
（ｉｉｉ）個々の性能にかかわらず、または
（ｉｖ）より高いエネルギー貯蔵容量をもたらす最適なシステム性能に関して、または
（ｖ）前記コントローラが、それぞれ最高または最低の個々のセル電圧に基づいて最大システム電圧または最小システム電圧を計算するように適合されることによって、セルの過電圧または不足電圧を防止するように、または
（ｖｉ）平衡化充電器を使用せずに、または
（ｖｉｉ）前記コントローラが電圧またはＳｏＣの予測においてセル容量および内部抵抗の差を考慮して、または
（ｖｉｉｉ）設定された期間にわたって、実行される、請求項１４〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記エネルギー貯蔵システムが全体として充電または放電されているか、または、アイドルであるかとは無関係に、一方では、前記第１の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵装置を充電するために、充電装置から、または、別の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵装置から電荷を転送すること、および、他方では、前記第１の平衡化ユニットに割り当てられた前記エネルギー貯蔵装置を放電するために、前記充電装置へと、または、別の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵装置へと電荷を転送するステップをさらに含む、請求項１４〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
エネルギー貯蔵装置の測定された電気パラメータを、対応する基準パラメータまたは閾値と比較するステップをさらに含む、請求項１４〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記電気的パラメータは、前記エネルギー貯蔵装置内の電荷の量または前記エネルギー貯蔵装置に残っている電荷の量または前記エネルギー貯蔵装置のＳｏＣなどの導出値とすることができる、請求項１４〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記比較された測定電気的パラメータに基づいて前記スイッチを制御するステップをさらに含む、請求項２３または２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記充電式エネルギー貯蔵装置を過電圧および／または不足電圧から保護するステップをさらに含む、請求項１４〜２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
処理エンジン上で実行されると、請求項１４〜２６のいずれか一項に記載の方法を行なう、コンピュータプログラム製品。
【請求項２８】
随意選択的に前記コンピュータプログラム製品を記憶する非一時的信号記憶手段。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電気エネルギー貯蔵システムにおける個々の電気エネルギー貯蔵セルを平衡させるための方法、システムおよび／または装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
電気エネルギー貯蔵システムは、例えば（バッテリ）内の静電（キャパシタ）セルまたは電気化学セルなどのセルから構成される。好ましくは、セルは充電式である。そのようなシステムでは、システムの充電または放電は、これらのセルのいずれかが一杯または空になると終了することが多い。いくつかのシステムではいくつかのセルの過充電が可能であるが、過充電はセルに損傷を与え、または、セルの寿命を短くし、鉛蓄電池の場合は、可燃性ガスである水素を発生させる。したがって、システムの容量を最大限にするためには、すべてのセルの電荷を平衡させる必要がある。
【０００３】
セル内の充電レベルは、セル電圧、セルの充電状態［％］および／または放電深度によって特徴付けることができる。これを判定するために、測定値を電流測定値と組み合わせること、および、従来技術から知られているＳｏＣ推定技法を適用することによってそのまま使用することができるか、またはＳｏＣ（充電状態）に変換することができる、個々のセル電圧測定値を取得することができる。
【０００４】
セルが直列に接続されているとき、それらは等しい電流を見込める。セルは決して正確に等しくなく、相当性の欠如は使用期間と共に増加する可能性がある。このようなセル列の容量は、最小のセルが充電と放電の両方を制限する場合に最大になる。したがって、すべてのセルの充電レベルは、必要に応じてこれを保証するために監視し補正しなければならない。セル内の充電レベルの偏差は、自己放電、わずかな絶縁劣化、個々に接続された構成要素の公差などによって発生する可能性がある。
【０００５】
セルを平衡させなければ、セルが過充電または過放電になる場合がある。セルが電圧またはＳｏＣ制限に近づいたときにセルを平衡させても、平衡化電流は充電電流または放電電流よりもいくらか小さいことが多いため、電圧制限が守られることは保証されない。
【０００６】
平衡化は、従来、セルレベルで実行されている。電圧が測定され、一定の閾値を超えると措置が取られ、例えば、個々のセルが放電される。電圧が閾値に戻ると、措置は停止される。場合によっては、セルが等しい電圧に充電または放電されるため、平衡化は電気平衡化回路に固有のものである。他の場合には、セルは、電圧閾値に作用するコントローラの制御下で充電または放電することができる。他の場合には、例えば、ハードウェアは、一定電圧までの放電のみを可能にする。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の概要
本発明の実施形態によれば、エネルギー貯蔵システムの個々のセル電圧が監視されるような、方法、装置およびシステムが提案される。測定されたセル電圧は、中央コントローラに報告し戻すことができる。システムの全体的な健全性などのパラメータに基づいて、このコントローラは、いずれのセルをいずれの方向に、および、随意選択的にどのくらい長く平衡させるかを決定するように適合させることができる。平衡化は、ハードウェアにおいて、すなわち１つまたは複数の回路として実装することができるセル監視および平衡化手段によって行うことができる。コントローラからの決定情報は、コマンドとしてセル監視および平衡化手段に報告することができる。セル監視および平衡化手段は、例えば、それに接続されたセルの電圧またはＳｏＣに関係なく、コマンドを実行することができる。適切なセル監視および平衡回路、すなわちセルに接続するためのハードウェアは、その全体が参照により本明細書に組み込まれる国際公開第２０１１／０３６１４７号パンフレットに記載されている。
【０００８】
したがって、本発明は、システムの全体的な健全性を判定するための方法ステップおよび手段を提供することができる。例えば、コントローラは、１つまたは複数のセルの容量によって健全性を判定するように適合させることができる。
【０００９】
本発明は、例えば、充電および放電について、または、例えばバッテリまたはキャパシタセルについて、いずれのセルを平衡させるかを決定する方法ステップおよび手段を提供することができる。
【００１０】
本発明は、平衡させている間にいずれの方向、すなわち充電または放電を適用するかを決定する方法ステップおよび手段を提供することができる。これは、バッテリまたはキャパシタセルに適合させることができる。
【００１１】
本発明は、平衡（例えば、充電または放電）がどれだけ長く実行されるべきかを決定する方法ステップおよび手段を提供することができる。
【００１２】
本発明は、セル監視によって実行できる平衡化を実行する方法ステップおよび手段を提供することができ、それによって、平衡化手段がハードウェアにおいて、すなわち１つまたは複数の回路、例えば、平衡化を可能にするスイッチとして実装される。
【００１３】
本発明は、決定情報をコントローラからセル監視および平衡化手段にコマンドとして報告する方法ステップおよび手段を提供することができる。
【００１４】
本発明は、例えば、それに接続されたセルの電圧またはＳｏＣに関係なく、そのようなコマンドを実行することができるセル監視および平衡化を可能にする方法ステップおよび手段を提供することができる。
【００１５】
本発明の実施形態の利点は、以下の１つまたは複数またはすべてである。
・セル平衡化はいつでも実行することができる。平衡化は、特定の状況（例えば、満充電に近い）にあるセルに限定されない。したがって、平衡化時間が延長され、平衡化電力を低減することができる。これにより、スペースおよびコストが節約される。
【００１６】
・セルは、個々の性能に関して平衡化されるのではなく、より高いエネルギー貯蔵容量をもたらす最適なシステム性能に関して平衡化される。
【００１７】
・中央コントローラが最大個別電圧に基づいて最大システム電圧を計算できるため、セルの過電圧が防止される。最大システム電圧は、充電回路に通信される。不足電圧保護も同様に機能する。この保護方法により、安全マージンが排除され、したがってシステムの実際の貯蔵容量が増加する。
【００１８】
・平衡化充電器を使用しなくてもセル平衡化を行うことができる。これは、充電が再生可能エネルギーまたはブレーキエネルギーによって行われる場合に特に有用である。
【００１９】
・中央コントローラは、セル容量および内部抵抗の差を考慮に入れることができ、したがって、電圧またはＳｏＣのより正確な予測を可能にする。この情報は、各個々のセルが安全動作領域内に留まるように、システムのバルク充放電をより良好に制御するために使用される。
【００２０】
・装荷、例えば、放電または充電の制御によって、セルが不平衡である間にセルへの損傷が回避される。装荷、例えば、充電または放電は、全体的なバッテリ電圧または充電状態だけでなく、個々のセル電圧または充電状態を監視することにより行うことができる。
【００２１】
・キャパシタのバッテリの安全動作領域（電圧／充電など）は、すべてのセル状態（例えば、電圧または充電状態）に基づいて判定することができる。
【００２２】
第１の態様では、本発明は、複数の充電式エネルギー貯蔵装置または直列に結合されたセルの電荷平衡システムに関し、上記システムは、充電式エネルギー貯蔵装置またはセルの１つに各々割り当てられた複数の平衡化ユニットと、ＡＣ信号を複数の平衡化ユニットに供給するためのＡＣ信号発生器のような充電装置であって、各々が割り当てられた充電式エネルギー貯蔵装置またはセル上の電荷を平衡させ、それによって、システム全体が負荷を通じて放電されているか、または充電されているか、またはアイドル状態にあるかとは無関係にセルの平衡化が実行される、充電装置とを備える。
【００２３】
システム全体が負荷を通じて放電されているか、または充電されているかまたはアイドル状態であるかとは無関係に、平衡化決定を行い、平衡化させる時間を決定することは、セルの健全性を最適化することができることを意味する。
【００２４】
随意選択的に、ＡＣ信号発生器と、複数の平衡化ユニットのそれぞれとの間に、コモンモード阻止のための容量性または誘導性の結合が存在してもよい。１つまたは複数のＡＣ発生器を複数の平衡化ユニットに割り当てることができる。
【００２５】
本発明の実施形態によるシステムにおいて、以下、第１の平衡化ユニットと呼ばれる特定の平衡化ユニットは、一方では、第１の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵装置またはセルを充電するために、ＡＣ信号発生器のような充電装置から、または、別の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵装置もしくはセルから電荷を転送し、他方では、第１の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵装置またはセルを放電するために、ＡＣ信号発生器のような充電装置へと、または、別の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵装置もしくはセルへと電荷を転送するための複数のスイッチを備える。
【００２６】
本発明の特定の実施形態では、各平衡化ユニットには、第１の平衡化ユニットについて上述したような複数のスイッチが設けられている。
【００２７】
ＡＣ信号発生器のような充電装置から平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵装置もしくはセルへ、または、エネルギー貯蔵装置もしくはセルから充電装置へと電荷を転送するための複数のスイッチは能動スイッチを含んでもよく、能動スイッチであってもよい。
【００２８】
本発明の実施形態によるシステムは、充電式エネルギー貯蔵装置の電圧、電荷、充電状態、健康状態などの瞬間的な電気パラメータを、対応する基準パラメータまたは閾値と比較する比較器をさらに備えることができる。電圧は、マイクロコントローラによって測定されてもよく、基準パラメータ値との比較のためにメインコントローラに送信されてもよく、または所定の閾値とローカルに比較されてもよい。他のパラメータは、計算によって導き出すことができる。
【００２９】
電気的パラメータは、エネルギー貯蔵装置内の電荷の量またはエネルギー貯蔵装置に残っている電荷の量またはエネルギー貯蔵装置のＳｏＣなどの導出値とすることができる。
【００３０】
特定の実施形態では、平衡化ユニットは正確に２つのスイッチを備える。平衡化ユニットは、スイッチを制御するためのコントローラを備えていてもよく、または、コントローラは、平衡化ユニットのモジュールのために設けられてもよい。コントローラは、比較器によって生成される信号に基づいてスイッチを制御するように適合することができる。
【００３１】
本発明の実施形態によるシステムは、充電式エネルギー貯蔵装置のいずれが平衡化される必要があるかを制御するために、メインコントローラ、すなわち平衡化ユニットにローカルでないコントローラをさらに備えることができる。このとき、メインコントローラは、個々の平衡化ユニットごとに基準パラメータを決定するように適合することができる。
【００３２】
そのような実施形態では、平衡化システムは、平衡化ユニットのローカルコントローラとメインコントローラとの間、またはモジュールコントローラとメインコントローラとの間、例えば、好ましくは各平衡化ユニットのローカルコントローラとメインコントローラとの間の通信のためのデータバスをさらに備えることができる。
【００３３】
本発明の実施形態によれば、コントローラまたはメインコントローラは、好ましくは、過充電および／または不足電圧から充電式エネルギー貯蔵装置またはセルを保護するように適合される。これは、例えば、制動に由来するエネルギーがエネルギー貯蔵装置またはセルを充電するために使用される、電気制動中のエネルギー貯蔵システムを備えた車両について得ることができる。
【００３４】
本発明の実施形態によるシステムは、複数の平衡化回路に共通の単一のＡＣ信号発生器のような単一の充電装置を備えることができる。
【００３５】
本発明の第１の態様の実施形態によるシステムは、充電式エネルギー貯蔵システムに組み込むことができる。
【００３６】
第２の態様では、本発明は、直列に結合された一連の充電式エネルギー貯蔵装置と、本発明の第１の態様の実施形態による充電式エネルギー貯蔵装置の電荷を平衡させるためのシステムとを備える充電式エネルギー貯蔵システムを提供する。
【００３７】
第３の態様では、本発明は、複数の充電式エネルギー貯蔵装置または直列に接続されたセルの電荷を平衡させるための方法に関し、充電式エネルギー貯蔵装置またはセルが２つの端子を有し、上記方法は、エネルギー貯蔵装置またはセルの瞬時パラメータを測定するステップであって、パラメータは、エネルギー貯蔵装置またはセルから放出される電荷量またはエネルギー貯蔵装置またはセルに残っている電荷量、またはエネルギー貯蔵装置またはセルのＳｏＣなどの導出値である、測定するステップと、測定されたパラメータを所定のパラメータ値と比較するステップと、比較結果に応じて、システムが全体的に負荷へと放電されているか、または充填されているもしくはアイドルであるかにかかわらず、スイッチを作動させることによって、エネルギー貯蔵装置へと、または、エネルギー貯蔵装置から外方に電荷を転送するステップとを含む。
【００３８】
電荷を転送するステップは、随意選択的に、充電式エネルギー貯蔵装置またはセルに結合された平衡化ユニットにＡＣ信号を提供するステップであって、平衡化ユニットは、ＡＣ信号を充電式エネルギー貯蔵装置またはセルに印加し、または、比較結果に依存しない、提供するステップと、容量結合または誘導結合によるコモンモード除去を含め、電荷を転送するステップとを含む。
【００３９】
キャパシタセルを考慮する場合：
各充電式エネルギー貯蔵装置またはセルは最大安全電圧Ｖｍａｘを有し、ｎ番目のセルの実際の測定電圧はＶｎであり、Ｑｎは式（１）によって与えられる。
【００４０】
（Ｖｍａｘ−Ｖｎ）＊Ｃｎ＝Ｑｎ          （１）
式中、
Ｖｍａｘ＝最大許容セル電圧
Ｖｎ＝セルｎの電圧［Ｖ］
Ｃｎ＝セルｎの容量［Ｆ］
Ｑｎ＝許容できる電荷［Ｃ］
それによってＱｎの値は、セルを最大の電荷および電圧にするためにセルによって許容できる電荷に関係し、Ｑの最低値を有するセルが放電される。
【００４１】
したがって、Ｑの最低値を有するセルが選択され、これが、いずれのセルを平衡させるかを発見するステップであり、発見動作を実行するための手段である。
【００４２】
任意の式の値Ｃｎはセルの健全性に関係し、したがってＣｎを決定することは、セルの健全性を決定するステップであり、健全性を決定する手段を提供するステップでもある。
【００４３】
エネルギー貯蔵装置が負荷に放電しているか、または充電中であるかもしくはアイドル状態であるかに関係なく、セルは放電される。
【００４４】
Ｑ’はエネルギーセルに残っている電荷の量であり、Ｖｍｉｎは完全に有用に放電している最低許容電圧状態であり、Ｑｎは式（２）によって与えられる。
【００４５】
（Ｖｎ−Ｖｍｉｎ）＊Ｃｎ＝Ｑ’ｎ          （２）
エネルギー貯蔵装置が負荷に放電しているか、または充電中であるかもしくはアイドル状態であるかに関係なく、最低値のＱ’を有するセルが放電される。したがって、Ｑ’の最低値を有するセルが選択され、これが、いずれのセルを平衡させるかを発見するステップであり、発見動作を実行するための手段である。
【００４６】
式（１）は、ＶｎがＶｍａｘに近いときに評価することができ、またはＶｎがＶｍｉｎに近いときに式（２）を評価することができる。
【００４７】
さらなるステップとして、式（３）に従って閾値Ｖｔを計算することができる。
Ｖｔ＝Ｖｍａｘ−ｋ＊ｔ−Ｓ （３）
式中、
ｋ＝Ｖ／ｓで表される減衰定数（例えば、０．０１Ｖ／秒）
ｔ＝前回の評価からの経過時間。
【００４８】
Ｓ＝例えば、始動直後またはセル交換後の望ましくない挙動を避けるための安全マージンであり、ＶｎがＶｔを超える場合、式（１）が評価され、ｔが０にリセットされ、平衡化決定が行われる。
【００４９】
さらなるステップとして、式（４）に従って閾値Ｖ’ｔを計算することができる。
Ｖ’ｔ＝Ｖｍｉｎ＋ｋ＊ｔ＋Ｓ （４）
式中、
ｋ＝Ｖ／ｓで表される減衰定数（例えば、０．０１Ｖ／秒）
ｔ＝前回の評価からの経過時間。
【００５０】
Ｓ＝例えば、始動直後またはセル交換後の望ましくない挙動を避けるための安全マージンであり、ＶｎがＶ’ｔよりも低い場合、式（２）が評価され、ｔが０にリセットされ、平衡化決定が行われる。
【００５１】
バッテリセルを考慮する場合：
代替的に、ＱｎまたはＱ’ｎは、式（１’）および（２’）によってそれぞれ計算することができる。
【００５２】
（１−ＳｏＣ）＊Ｃｎ＝Ｑｎ          （１’）
（ＳｏＣ）＊Ｃｎ＝Ｑ’ｎ              （２’）
平衡化は、式（５）で定義されるように、セルごとに予め設定された時間にわたって開始することができる。
【００５３】
ｔｂａｌａｎｃｅ＝Ｑｎ／Ｉｂａｌａｎｃｅまたはｔｂａｌａｎｃｅ＝Ｑ’ｎ／Ｉｂａｌａｎｃｅ    （５）
式中、ｔｂａｌａｎｃｅは平衡化のために設定された時間であり、Ｉｂａｌａｎｃｅは使用される平衡化電流である。
【００５４】
これは、例えばバッテリセルについて、平衡化がどのくらい長く続くべきかを決定するための手段および方法ステップを開示している。
【００５５】
バッテリセルのセル平衡化：
（１−ＳｏＣ）＊Ｃｎ＝Ｑｎ            （１’）
（ＳｏＣ）＊Ｃｎ＝Ｑ’ｎ              （２’）
式中、ＣｎはＣまたはＡｓ単位のセル容量である。
【００５６】
上述のキャパシタの平衡化方法をバッテリに適用することができ、それによって、上述のような平衡の決定に使用されるＱｎまたはＱ’ｎの計算にＳｏＣを使用することができる。
【００５７】
好ましくは、セルの容量を考慮して最適なシステム性能が達成される。
さらなるステップは、個々のセル電圧を上限または下限に照らしてチェックし、電圧が限界を超えたときに充電または放電を中断することによって、充電および／または放電を終了すべきときを、バルク負荷または充電器に通信することであり得る。
【００５８】
さらに別のステップは、記憶装置への／からの電流が遮断されたときに、電圧が急激に変化し、それによって、セル電圧測定がないときに振動挙動を回避し、システム電圧を限界値と比較することであり得る。
【００５９】
キャパシタセルシステムの場合、限界値は次のように計算できる。
個々のセル容量が分からない場合、それらは等しいと考えられる。
【００６０】
Ｖｕｐｐｅｒｌｉｍｉｔ＝Ｖｓｙｓｔｅｍ＋Ｎ＊（Ｖｍａｘ−Ｖｎ）            （６）
式中、
Ｖｍａｘ＝セル電圧の上限であり、
Ｖｎ＝最高の個々のセル電圧であり、
個々のセルの容量が分かっている場合、
（１）を使用して、Ｑｎを計算し、最低値Ｑｌを保持し、
Ｖｕｐｐｅｒｌｉｍｉｔ＝Σｎ＝１．．Ｎ（Ｖｎ＋Ｑｌ／Ｃｎ）である。          （７）
バッテリセルシステムの場合、限界値は次のように計算される。
【００６１】
個々のセル容量が分からない場合、それらは（第１の近似と）等しいと考えることができ、式（８）を使用することができる。ＳｏＣとセル電圧との間の関係が分からない場合は、式（８）を使用することができる。
【００６２】
Ｖｕｐｐｅｒｌｉｍｉｔ＝Ｖｓｙｓｔｅｍ＋Ｎ＊（Ｖｍａｘ−Ｖｎ）          （８）
個々のセル容量が分かっており、例えば、ＳｏＣを決定するためのアルゴリズムの一部として、ＳｏＣとセル電圧との間の関係が分かっている場合、式（１’）を使用して、Ｑｎを計算し、最低値Ｑ１を保持し、すべてのセルに対して、Ｑ１を加算するときの予想電圧を計算する、
Ｖｎｆ＝ｌｏｏｋｕｐ＿ＥＭＦ（ＳｏＣ＋Ｑｌ／Ｃｎ）であり、
Ｖｕｐｐｅｒｌｉｍｉｔ＝Σｎ＝１．．Ｎ  Ｖｎｆである。
【００６３】
関数ｌｏｏｋｕｐ＿ＥＭＦは、ＳｏＣに基づいてセル電圧を決定することを可能にする。この関係は、一般にバッテリセルのデータシートの一部として供給され、時には「電圧対ＳＯＣ」曲線と呼ばれる。
【００６４】
本発明の実施形態の利点は、エネルギー貯蔵装置またはセルの大きな直列接続でさえも平衡化を改善するために使用できる電荷平衡化装置または方法を提供することである。本発明の実施形態の利点は、エネルギー貯蔵装置が平均セル電圧から逸脱した電圧を有する少数のセルのみを補修する必要があることである。本発明の実施形態の利点は、システム内の他のセルで起こっていることとは無関係に、低電圧のセルの電圧を増大させることと、高電圧のセルの電圧を低減することの両方ができることである。本発明の実施形態の利点は、すべてのセルが、一連のセルの任意の平均セル電圧に向けて充電または放電され得ることである。本発明の実施形態の利点は、セルの１つについて最大電圧レベルに達するときに充電を停止する必要のない電荷平衡化装置または方法を提供することである。本発明の実施形態の利点は、同時に複数のセルを充電平衡化のために補修することができること、および、同時にいくつかのセルを充電することができ、いくつかのセルを放電することができることである。本発明の実施形態の利点は、充電器または負荷と通信することによって過電圧および不足電圧からセルを保護することができることである。
【００６５】
さらなる態様において、本発明は、電気エネルギー貯蔵システムにおける個々の電気エネルギー貯蔵セルの平衡化を可能にし、電気エネルギー貯蔵システムは、
直列に接続された個々の電気エネルギー貯蔵セルと、
セルの健全性、電荷または充電状態に関連する個々のセルの電気的パラメータを測定する手段と、
コントローラと、
測定されたパラメータ値をコントローラに報告する手段と、
ここで、コントローラは、１つまたは複数の個々のセルが平衡されるかべきか否か、およびいずれの方向に平衡されるべきかを決定するように適合されており、決定は、測定されたパラメータに基づき、
平衡化ユニットであって、測定されるセルに接続されており、コントローラから平衡化コマンドを受信し、エネルギー貯蔵システムが全体として充電または放電されているかまたはアイドルであるかとは無関係に、平衡化ユニットに接続されたセルのセル平衡を実行するように適合されている、平衡化ユニットとを備える。
【００６６】
セル平衡化は、以下のいずれかに従って実行することができる、すなわち、
（ｉ）いつでも、または
（ｉｉ）平衡化は、特定の状況の充電状態にある平衡セルに限定されない、または
（ｉｉｉ）個々の性能にかかわらず、または
（ｉｖ）より高いエネルギー貯蔵容量をもたらす最適なシステム性能に関して、または
（ｖ）コントローラが、それぞれ最高または最低の個々のセル電圧に基づいて最大システム電圧または最小システム電圧を計算するように適合されることによって、セルの過電圧または不足電圧を防止するように、または
（ｖｉ）平衡化充電器を使用せずに、または
（ｖｉｉ）コントローラが電圧またはＳｏＣの予測においてセル容量および内部抵抗の差を考慮して、または
（ｖｉｉｉ）設定された期間にわたって、実行することができる。
【００６７】
第１の平衡化ユニットを提供することができ、第１の平衡化ユニットは、エネルギー貯蔵システムが全体として充電または放電されているか、または、アイドルであるかとは無関係に、一方では、第１の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵セルを充電するために、充電装置から、または、別の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵セルから電荷を転送し、他方では、第１の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵セルを放電するために、エネルギー充填装置へと、または、別の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵セルへと電荷を転送するための複数のスイッチを備える。
【００６８】
エネルギー貯蔵セルの測定された電気的パラメータを、対応する基準パラメータまたは閾値と比較するための比較器を設けることができる。電気的パラメータは、エネルギー貯蔵セル内の電荷の量またはエネルギー貯蔵装置に残っている電荷の量またはエネルギー貯蔵装置のＳｏＣなどの導出値とすることができる。
【００６９】
コントローラは、比較器によって生成される信号に基づいてスイッチを制御するように適合することができる。コントローラは、充電式エネルギー貯蔵装置を過電圧および／または不足電圧から保護するように適合させることができる。
【００７０】
別の態様では、電気エネルギー貯蔵システム内の個々の電気エネルギー貯蔵セルを平衡させる方法であって、システムは、直列に接続された個々のエネルギー貯蔵セルを含み、方法は、
セルの健全性、電荷または充電状態に関連する個々のセルの電気的パラメータを測定するステップと、
１つまたは複数の個々のセルが平衡されるべきか否か、およびいずれの方向に平衡されるべきかを決定するステップであって、決定は、測定されたパラメータ値に基づく、決定するステップと、
エネルギー貯蔵システムが全体として充電もしくは放電されているか、またはアイドル状態であるかにかかわらず、１つまたは複数のセルのセル平衡を実行するステップとを含む。
【００７１】
セル平衡化は、以下のいずれかに従って実行することができる。すなわち、
（ｉ）いつでも、または
（ｉｉ）平衡化は、特定の状況の充電状態にある平衡セルに限定されない、または
（ｉｉｉ）個々の性能にかかわらず、または
（ｉｖ）より高いエネルギー貯蔵容量をもたらす最適なシステム性能に関して、または
（ｖ）コントローラが、それぞれ最高または最低の個々のセル電圧に基づいて最大システム電圧または最小システム電圧を計算するように適合されることによって、セルの過電圧または不足電圧を防止するように、または
（ｖｉ）平衡化充電器を使用せずに、または
（ｖｉｉ）コントローラが電圧またはＳｏＣの予測においてセル容量および内部抵抗の差を考慮して、または
（ｖｉｉｉ）設定された期間にわたって、実行することができる。
【００７２】
方法は、エネルギー貯蔵システムが全体として充電または放電されているか、または、アイドルであるかとは無関係に、一方では、第１の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵セルを充電するために、充電装置から、または、別の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵セルから電荷を転送するステップと、他方では、第１の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵セルを放電するために、エネルギー充填装置へと、または、別の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵セルへと電荷を転送するステップとを含むことができる。
【００７３】
方法は、エネルギー貯蔵セルの測定された電気的パラメータを、対応する基準パラメータまたは閾値と比較するステップを含むことができる。
【００７４】
電気的パラメータは、エネルギー貯蔵セル内の電荷の量またはエネルギー貯蔵セルに残っている電荷の量またはエネルギー貯蔵セルのＳｏＣなどの導出値とすることができる。
【００７５】
方法は、比較器によって生成される信号に基づいてスイッチを制御するステップを含むことができる。さらなるステップは、充電式エネルギー貯蔵セルを過電圧および／または不足電圧から保護することであり得る。
【００７６】
本発明のさらなる態様は、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭまたはＤＶＤ−ＲＯＭ）、磁気ディスク、磁気テープ、フラッシュメモリなどのソリッドステートメモリなどの非一時的信号記憶手段に記憶することができるコンピュータプログラム製品である。コンピュータプログラム製品は、マイクロプロセッサまたはＦＰＧＡなどの処理エンジン上で実行されると、本発明の方法のいずれかを実装するソフトウェアを含む。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の一実施形態による平衡化システムの回路図である。
【図２】図１の回路図の詳細を示す図である。
【図３】本発明の別の実施形態による平衡化システムの回路図である。
【図４】本発明の一実施形態による制御回路の図である。
【図５】本発明の実施形態による、平衡化の間の垂直軸の電圧、電荷またはＳｏＣ、および水平軸に沿った時間のグラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００７８】
本発明は、特定の実施形態に関して、および特定の図面を参照して説明されるが、本発明はそれに限定されず、特許請求の範囲によってのみ限定される。記載された図面は概略的なものに過ぎず、限定ではない。
【００７９】
さらに、明細書および特許請求の範囲の第１、第２、第３などの用語は、類似の要素を区別するために使用され、必ずしも順次的または時間的な順序を説明するためではない。これらの用語は、適切な状況下で交換可能であり、本発明の実施形態は、本明細書に記載または図示されている以外の順序で動作することができる。
【００８０】
さらに、本明細書および特許請求の範囲における上部、下部、上、下などの用語は、説明目的で使用され、必ずしも相対的な位置を説明するためではない。そのように使用される用語は、適切な状況下で交換可能であり、本明細書に記載の本発明の実施形態は、本明細書に記載または図示されている以外の向きで動作することができる。特許請求の範囲で使用される用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、その後に列挙される手段に限定されるものとして解釈されるべきではなく、他の要素またはステップを排除するものではない。この用語は、言及した特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を参照されているように指定するものとして解釈される必要があるが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップもしくは構成要素、またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。したがって、「手段ＡおよびＢを備える装置」という表現の範囲は、構成要素ＡおよびＢのみからなる装置に限定されるべきではない。これは、本発明に関して、装置の関連するに過ぎない構成要素が、ＡおよびＢであることを意味する。同様に、同じく本明細書または特許請求の範囲において使用されている「結合されている（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語は、直接的な接続のみに限定されていると解釈されるべきではないことに留意すべきである。したがって、「装置Ｂに結合されている装置Ａ」という表現の範囲は、装置Ａの出力が装置Ｂの入力に直接接続される装置またはシステムに限定されるべきではない。これは、他の装置または手段を含む経路であってもよい、Ａの出力とＢの入力との間の経路が存在することを意味する。
【００８１】
ソフトウェアへの参照は、プロセッサによって直接的または間接的に実行可能な任意の言語の、任意の種類のプログラムを包含することができる。
【００８２】
論理、ハードウェア、プロセッサまたは回路への参照は、任意の度合いまで集積されている、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ディスクリートコンポーネントまたはトランジスタ論理ゲート限定されない、任意の種類の論理またはアナログ回路を含むことができる。
【００８３】
本出願は、すべての形態のキャパシタまたはバッテリセルに関する。特定のバッテリモデルは、主記憶素子としてキャパシタを使用する。しかし、精度が要求される動作領域（満杯に近い、空に近い）では、これは正確ではない可能性がある。
【００８４】
キャパシタセルの容量は、アンペア秒／ボルトすなわちＡｓ／Ｖまたはクーロン／ボルトすなわちＣ／Ｖと等価なファラッド単位で表すことができる。
【００８５】
バッテリセルの容量は、３６００Ａｓまたは３６００クーロンすなわち３６００Ｃに等しいアンペア時単位で表される。しかし、ＳＩ単位では、バッテリ容量はＡｓまたはクーロンＣ単位で表さなければならない。これにより、変換係数を必要としないため、単純な式を使用することができる。
【００８６】
第１の実施形態
本発明の第１の態様によれば、例えば直列に結合された複数の充電式エネルギー貯蔵装置にわたって電荷を平衡させるためのシステムおよび方法および構成部品が提供される。バッテリ（または蓄電装置）の管理には、次の２つの要件がある。
【００８７】
１．エネルギーを受け取りまたは送達し、これを負荷／充電器に伝達するシステム全体の能力を判定すること。
【００８８】
２．システムの全体的な性能が最大化され、個々のセルが誤用から保護されるように、個々のセルを管理する（平衡させる）こと。
【００８９】
図１は、本発明の一実施形態による充電式エネルギー貯蔵システム１０を示す。この貯蔵システム１０によって実行される方法は、第３の実施形態で定義される。中央コントローラ２０およびコントローラ１８が、この方法を実行するために協働する。
【００９０】
充電式エネルギー貯蔵システム１０は、セルとも呼ばれる複数のエネルギー貯蔵装置１２の直列１１を備える。エネルギー貯蔵装置１２は充電式である。各エネルギー貯蔵装置１２は、単一のエネルギー貯蔵セルまたは複数のエネルギー貯蔵セル（図示せず）の並列接続を含むことができる。直列に接続された充電式エネルギー貯蔵装置１２は、ともにバッテリ、パックまたはスタックを形成する。本発明の実施形態によれば、充電式エネルギー貯蔵装置１２は、任意のタイプの充電式エネルギー貯蔵装置であってもよい。しかしながら、本発明の装置および方法は、ウルトラキャパシタによって、特にリチウムキャパシタまたはリチウムバッテリによって使用されることが有利である。本発明の特定の実施形態によれば、エネルギー貯蔵装置１２は、スーパーキャパシタまたは電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）としても知られるウルトラキャパシタであってもよい。これらは、一般的なキャパシタに比べて異常に高い、典型的には高容量電解キャパシタより数千倍程度大きいエネルギー密度を有する静電キャパシタである。典型的なキャパシタンス値は、数ファラッド〜数千ファラッドに及び得る。代替的な実施形態では、充電式エネルギー貯蔵装置１２は、例えば、例としてリチウムまたはリチウムイオン（ＬｉＩｏｎ）バッテリのような高エネルギー密度バッテリなどのリチウムキャパシタまたはバッテリであってもよい。リチウムキャパシタはバッテリに比べてエネルギー密度が低く、過電圧または低電圧の両方の電圧条件に対して非常に脆弱であるため、充電と放電の両方による正確な平衡が必要である。他の種類の充電式エネルギー貯蔵装置も同様に使用することができる。好ましい用途は、平均電力定格と比較して非常に高い瞬間電力を必要とするエネルギー平滑化および瞬間負荷装置の分野にある。
【００９１】
本発明の実施形態によれば、各充電式エネルギー貯蔵装置１２は、例えば、２〜４Ｖの制限された動作電圧を有する。例えば車両用途におけるエネルギー源として有用な、例えば数十ボルト〜数百ボルトまたはさらにはそれ以上の有用な動作電圧を得るためには、複数の、時には多数の充電式エネルギー貯蔵装置１２を直列に結合する必要がある。列または直列結合におけるエネルギー貯蔵装置１２のわずかな差異が、セル電圧の不平衡を生じさせ、これによって列の充電容量を大きく減少させるおそれがある。
【００９２】
これを軽減するために、本発明の実施形態による充電式エネルギー貯蔵システム１０はまた、複数の充電式エネルギー貯蔵装置１２にわたる電荷を平衡させるためのシステム１３も備える。
【００９３】
電荷を平衡させるためのシステム１３は、複数の充電式エネルギー貯蔵装置１２のうちの１つまたは複数を充電または放電するＡＣ信号発生器１４を備える。システム１３は、複数の平衡化ユニット１５をさらに備える。各平衡化ユニット１５は、充電式エネルギー貯蔵装置１２のうちの１つに割り当てられる。最適な性能のために、各充電式エネルギー貯蔵装置１２には平衡化ユニット１５が割り当てられる。
【００９４】
列１１の各エネルギー貯蔵装置１２には、その正端子である第１の端子１６と、その負端子である第２の端子１７とが設けられる。エネルギー貯蔵装置１２は、第１のエネルギー貯蔵装置１２の正端子１６が第２のエネルギー貯蔵装置の負端子１７に接続され、以下同様であるように、列１１に結合される。列内のまさに最初のエネルギー貯蔵装置１２の負端子１７と、列内のまさに最後のエネルギー貯蔵装置１２の正端子１６とは、外部からアクセス可能である。
【００９５】
本発明の実施形態による平衡化ユニット１５は、図２に拡大された形式で概略的に示されている。平衡化ユニットは第１のデータ入力ポートＳ＋と第２のデータ入力ポートＳ−とを有する。エネルギー貯蔵装置１２の第１の端子１６および第２の端子１７は、そのエネルギー貯蔵装置１２に割り当てられた平衡化ユニット１５の第１のデータ入力ポートＳ＋および第２のデータ入力ポートＳ−に接続されており、それによって、エネルギー貯蔵装置１２の正端子１６は第１のデータ入力ポートＳ＋に接続され、エネルギー貯蔵装置１２の負端子１７は第２のデータ入力ポートＳ−に接続される。平衡化ユニット１５は、例えば、２つのデータ入力ポートＳ＋とＳ−との両端の電圧などの関連するエネルギー貯蔵装置１２の瞬間的な電気的パラメータを測定するように適合されている。これを得るために、平衡化ユニット１５は、適切な測定回路を設けられている。本発明の一実施形態では、この測定回路は、平衡化ユニット１５内に存在するローカルマイクロコントローラ１８のアナログ／デジタル変換器２１のアナログ入力である。測定された電圧から、以下に説明するように電荷値を計算することができる。代替的に、測定される瞬間的な電気的パラメータは電流であってもよい。測定された電流から、以下に説明するように電荷値を計算することができる。
【００９６】
本発明の実施形態による平衡化ユニット１５は、入力信号を受信する入力端子Ｐをさらに備える。この入力端子は、それぞれ第１のスイッチＳＷ１および第２のスイッチＳＷ２を介して第１のデータ入力ポートＳ＋および第２のデータ入力ポートＳ−に電気的に接続されている。入力信号は、ＡＣ信号発生器１４から受信される。平衡化ユニット１５は、入力端子Ｐにおける電圧レベルに応じて第１のスイッチＳＷ１および第２のスイッチＳＷ２を作動させるように適合されている。スイッチＳＷ１、ＳＷ２のこの作動はコントローラ１８によって制御される。コントローラ１８は、メインコントローラ２０と協働して動作することができる。制御機能は、１つのコントローラに集中していてもよく、２つ以上のレベルにわたって分散していてもよい。図１は２レベルのコントローラを示しているが、それ以上が使用されてもよい。
【００９７】
このコントローラまたはこれらのコントローラの構成および動作は、本発明の実施形態に関連する。
【００９８】
スイッチＳＷ１およびＳＷ２は、任意の適切な実装態様によって実装することができる。スイッチＳＷ１およびＳＷ２は能動スイッチとすることができる。能動スイッチの例は、トライアックまたはバイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタであってもよい。スイッチＳＷ１およびＳＷ２は、修正されていないエネルギー貯蔵装置の充電、放電または放置の要件に応じて、エネルギー貯蔵装置を流れる電流の方向を決定する。スイッチＳＷ１およびＳＷ２が能動スイッチである場合、それらはＡＣ信号発生器１４の周期ごとに制御することができる。一例として、それらのスイッチは、５０μｓの間は開いており、５０μｓの間は閉じており、以下同様である必要があり得る。これにより、能動スイッチを流れる制御電流が柔軟になる。
【００９９】
本発明の代替的な実施形態では、スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、例えば、図３に示すように、ダイオードＤ１、Ｄ２によって実装される受動スイッチであってもよい。修正されていないエネルギー貯蔵装置を充電、放電または放置するための命令に応じて、ダイオードを通る電流の方向を変えるために、図３のトランジスタＴによって示される、任意の適切な装置によって実装することができるさらなるスイッチを設けることができる。これは、充電または放電を含む平衡化を制御するための方法およびハードウェアを開示する。このさらなるスイッチの制御は、ＡＣ信号発生器１４の半周期当たりのさらなるスイッチを制御する必要がないためそれほど複雑ではなく、それにもかかわらず同じ柔軟性を有する。図示された事例ではトランジスタＴである、さらなるスイッチは、充電が開始されるとすぐにスイッチオンされ、充電が停止（平衡化）されるときに遮断（スイッチオフ）される。これは、例えば１時間後のようなものであり得る。
【０１００】
本発明の実施形態による平衡化ユニット１５は、少なくとも以下の機能を実行する。
例えば、関連するエネルギー貯蔵装置１２のデータ入力ポートＳ＋、Ｓ−にわたる電圧などの瞬時パラメータを測定すること、および
入力端子ＰにおいてＡＣ信号発生器１４から受け取られる電圧レベルに応じてスイッチＳＷ１、ＳＷ２を作動させること、
第３の実施形態の方法を実施するように、スイッチＳＷ１、ＳＷ２を作動させること。
【０１０１】
本発明の実施形態によれば、平衡化のためのシステム１３のすべての平衡化ユニット１５は、ＡＣ信号発生器１４に結合される。このＡＣ信号発生器１４は、ブロック波発生器、正弦波信号源、のこぎり波発生器、または任意の他のタイプのＡＣ信号発生器とすることができる。構成要素サイズが小さくなるため、ＡＣ信号発生器１４が高周波信号発生器であることが有利である。正弦波信号発生器は、より効率的であり、ピーク電流が低く、したがって発熱が低く、実質的にスイッチング損失を一切生じない。しかし、ブロック波発生器は、正弦波信号発生器よりも実装が容易である。ＡＣ信号発生器１４は、例えば充電器などの外部ソース（図示せず）、またはエネルギー貯蔵装置１２の直列１１から給電することができる。ＡＣ信号発生器１４は、メインコントローラ２０によって制御することができる。平衡化システム１３のための単一のＡＣ信号発生器１４を有することが有利である。この実施形態は、例えば、ＡＣ信号発生器が各平衡化ユニット内に必要とされる従来技術のソリューションとは異なる。
【０１０２】
本発明の実施形態によれば、複数のＡＣ信号発生器が設けられ（図示せず）、複数の平衡化ユニットがグループにグループ分けされ、１つのグループの平衡化ユニットがＡＣ信号発生器の１つに結合される。この場合においても、平衡化のためのシステムは、単一のＡＣ信号発生器を備え、それに結合された信号発生器および平衡化ユニットのグループが、平衡化のためのシステムを形成すると言える。平衡化ユニットには信号発生器は不要である。有利には、信号発生器および／またはコントローラのローカル電源におけるリップルを低減するために同期位相シフト信号を使用することができる。
【０１０３】
本発明の実施形態によれば、平衡化ユニット１５は、キャパシタ１９によってＡＣ信号発生器に結合される。キャパシタ１９によって提供される容量結合は、コモンモード電圧を阻止するために使用される。これは、エネルギー貯蔵装置１２が異なる、変動する電位レベルにあるために必要とされる。
【０１０４】
平衡化ユニット１５、またはひいては平衡化のためのシステム１３は、以下のように機能する。各平衡化回路１５は、第１に、例えば、その第１の端子１６および第２の端子１７にわたる局所電圧、すなわち、関連するエネルギー貯蔵装置１２にわたる電圧などの、関連するエネルギー貯蔵装置１２の局所的な瞬間的な電気的パラメータを測定する。本発明の実施形態によれば、この測定は、国際公開第２００６／０５８３９４号パンフレットに開示されている方法および装置を介して行うことができる。本発明の実施形態によれば、測定は、Ａ／Ｄ変換器、例えば、平衡化ユニット１５にローカルなローカルコントローラ１８の部分を形成するＡ／Ｄ変換器２１によって行うことができる。
【０１０５】
本発明の実施形態によれば、測定回路は、例えば電圧などの測定値をデジタル化し、図４のローカルコントローラＬＣ１にそれらを送信することができる。例えば電圧などの測定されたパラメータ値は、充電または放電が必要な領域においてセル１２が動作しているか否かを判定する。例えば電圧などの測定されたパラメータ値は、ローカルコントローラＬＣ１、メインコントローラ２０または関連するメモリ（図示せず）に記憶することができる、例えば電圧などの対応するローカル基準値と比較される。この比較は、セル１２が充電または放電を必要とするか否かを識別する。少なくとも第１の所定の閾値によって、例えば、電圧などの測定されたパラメータ値が、例えば電圧などのローカル基準値を超える場合、セル１２は放電する必要があり、例えば、電圧などの測定されたパラメータ値が、例えば電圧などの基準値を下回る少なくとも第２の所定の閾値である場合、セル１２は充電する必要がある。第１の閾値および第２の閾値は同じであってもよい。代替の実施形態では、それらは異なっていてもよい。
【０１０６】
上述したハードウェアによって実行される方法は、第３の実施形態のいずれかまたは一部またはすべての方法である。
【０１０７】
第２の実施形態
平衡化システムを説明する本発明の一実施形態は、１つまたは複数のマイクロプロセッサ、プロセッサ、コントローラ、または中央処理装置（ＣＰＵ）および／またはグラフィック処理装置（ＧＰＵ）、通信手段を含む処理能力を有するデジタル装置によって実施することができ、ソフトウェア、すなわち１つまたは複数のコンピュータプログラムでプログラムされることにより、それぞれの機能または試験を実行するように適合させることができる。
【０１０８】
そのような装置は、メモリ（非一時的コンピュータ可読媒体、ＲＡＭおよび／またはＲＯＭなど）、オペレーティングシステム、随意選択的にＯＬＥＤディスプレイのような固定フォーマットディスプレイのようなディスプレイ、キーボードのようなデータ入力装置、「マウス」などのポインタ装置、他のデバイスと通信するためのシリアルまたはパラレルポート、ネットワークに接続するためのネットワークカードおよび接続を有することができる。
【０１０９】
この実施形態による充電式エネルギー貯蔵システムのシステムアーキテクチャが図４に概略的に示されている。正確な平衡化決定を行うことを可能にする中央コントローラ内で実装されるプロセスを上述した。
【０１１０】
充電式エネルギー貯蔵システムは、図４には詳細に示されていない。これは、セルとも呼ばれる複数のエネルギー貯蔵装置の直列を含む。エネルギー貯蔵装置は充電式である。各エネルギー貯蔵装置は、単一のエネルギー貯蔵セルまたは複数のエネルギー貯蔵セルの並列接続を含むことができる。直列に接続された充電式エネルギー貯蔵装置は、ともにバッテリ、パックまたはスタック、すなわち、物理ユニットを形成する。本発明の実施形態によれば、充電式エネルギー貯蔵装置は、任意のタイプの充電式エネルギー貯蔵装置であってもよい。しかしながら、本発明の装置および方法は、ウルトラキャパシタによって、特にリチウムキャパシタまたはリチウムバッテリによって使用されることが有利である。本発明のこの実施形態によれば、エネルギー貯蔵装置は、スーパーキャパシタまたは電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）としても知られるウルトラキャパシタであってもよい。これらは、一般的なキャパシタに比べて異常に高い、典型的には高容量電解キャパシタより数千倍程度の大きいエネルギー密度を有する静電キャパシタである。典型的なキャパシタンス値は、数ファラッド〜数千ファラッドに及び得る。代替的な実施形態では、充電式エネルギー貯蔵装置は、例えば、例としてリチウムまたはリチウムイオン（ＬｉＩｏｎ）バッテリのような高エネルギー密度バッテリなどのバッテリまたはリチウムキャパシタであってもよい。リチウムキャパシタはバッテリに比べてエネルギー密度が低く、過電圧または低電圧の両方の条件に対して非常に脆弱であるため、充電と放電の両方による正確な平衡が必要である。他の種類の充電式エネルギー貯蔵装置も同様に使用することができる。好ましい用途は、平均電力定格と比較して非常に高い瞬間電力を必要とするエネルギー平滑化および瞬間負荷装置の分野にある。
【０１１１】
図４では、充電装置、放電するためのシステムに対する負荷、システムのユーザおよびアプリケーションのいずれかまたは一部またはすべてと通信する中央制御装置として、メインコントローラ（ＳＴＷと表示される）が設けられている。メインコントローラＳＴＷは、セル情報を個々の平衡化決定に統合し、セル情報を充電器、放電に対する負荷、ユーザおよびアプリケーションの過／不足電圧保護情報に統合する。
【０１１２】
メインコントローラＳＴＷにリンクされたバス上にあることができるマイクロコントローラ（例えばＰＩＣ１８などのマイクロコントローラなどＬＣ１などとラベル付けされた）のようなローカルコントローラが、セルレベルからトップレベルへ、およびその逆に、関連データを再送信するための中間ゲートウェイとして設けられる。これによって、メインコントローラＳＴＷの通信負荷が低減する。バスは、コントローラエリアネットワークまたはＣＡＮの一部分とすることができる。ＰＩＣ１８などのマイクロコントローラは、ＰＩＣ１８、ＬＣ１、ＬＣ２、ＬＣ３、ＬＣ４．．．．．．ＬＣ３２．．．．．．ＬＣｍなどのマイクロコントローラ（ローカルコントローラ（ＬＣ））を備えた他のモジュールとともにモジュールレベルにある。
【０１１３】
例えば、マイクロコントローラ（マイクロコントローラＰＩＣ１２のようなＶＢＵ１とラベル付けされた）などの電圧平衡化装置が、例えば１つのセルにつき１つ、監視および平衡化ユニットであるセルレベルにおいて提供される。マイクロコントローラＰＩＣ１２などの電圧平衡化ユニットＶＢＵ１、ＶＢＵ２．．．．ＶＢＵ３２．．．ＶＢＵｎは、セル１２が列内でリンクされているのとちょうど同様に、内部バスによって列内にリンクすることができる。この実施形態では、例えば、ＰＩＣ１２のようなマイクロコントローラなどの電圧平衡化ユニットＶＢＵ１、ＶＢＵ２．．．．ＶＢＵ３２．．．ＶＢＵｎは、低レベルの安全性を提供する以外は意思決定能力を含む必要はない。電圧平衡化ユニットは、例えば、ＰＩＣ１８のようなマイクロコントローラなどの中間ゲートウェイＬＣ１に情報を送信する。電圧平衡化ユニットは、例えば、例としてＰＩＣ１８のようなマイクロコントローラなどのＬＣ１を介して、メインコントローラＳＴＷから供給される平衡化コマンドを実行するように適合された手段を含む。
【０１１４】
組み合わされたコントローラＳＴＷ、および、例えば、ＰＩＣ１８のようなマイクロコントローラなどのＬＣ１、ＬＣ２、ＬＣ３、ＬＣ４．．．ＬＣ３２．．．．．．ＬＣｍのいずれか、ならびに、例えば、ＰＩＣ１２のようなマイクロコントローラなどの平衡化ユニットＶＢＵ１、ＶＢＵ２．．．．ＶＢＵ３２．．．ＶＢＵｎによって実行される方法は、第３の実施形態の方法のいずれかまたはすべてに従う。
【０１１５】
第３の実施形態
第３の実施形態で説明する方法は、第１の実施形態および第２の実施形態などのシステムの構成要素を説明するいずれかの実施形態によって実装される。
【０１１６】
第３の実施形態の方法は、いずれかの実施形態による電気エネルギー貯蔵システムにおける個々の電気エネルギー貯蔵セルを平衡させるためのシステムにおいて使用することができる。第３の実施形態の方法は、直列に接続された個々の電気エネルギー貯蔵セルと、
セルの健全性、電荷または充電状態に関連する個々のセルの電気的パラメータを測定する手段と、
コントローラと、
測定されたパラメータ値をコントローラに報告する手段であって、
コントローラは、１つまたは複数の個々のセルが平衡されるかべきか否か、およびいずれの方向に平衡されるべきかを決定するように適合されており、決定は、測定されたパラメータに基づく、手段と、
平衡化ユニットであって、測定されるセルに接続されており、コントローラから平衡化コマンドを受信し、エネルギー貯蔵システムが全体として充電または放電されているかまたはアイドルであるかとは無関係に、平衡化ユニットに接続されたセルのセル平衡を実行するように適合されている、平衡化ユニットとによって使用することができる。
【０１１７】
ここで、本発明のさらなる実施形態による、ローカルコントローラ１８（図１，２，３）またはＬＣ１（図４）およびメインコントローラ２０（図１）またはＳＴＷ（図４）および平衡回路（ＶＢＵ１、ＶＢＵ２．．．ＶＢＵ３２．．．ＶＢＵｎを含む、図１〜図４に示すものなど）およびユニットを説明する。本発明の実施形態による平衡化戦略は、平衡化されるべきセルの種類に依存する。この戦略では、平衡化決定を行うことおよび平衡化自体は２つの異なるプロセスであることを前提とする。
【０１１８】
キャパシタセルのセル平衡化：
各セルは、最大安全電圧Ｖｍａｘを有する。ｎ番目のセルの実測電圧はＶｎである。
【０１１９】
（Ｖｍａｘ−Ｖｎ）＊Ｃｎ＝Ｑｎ          （１）
式中、
Ｖｍａｘ＝最大許容セル電圧
Ｖｎ＝セルｎの電圧［Ｖ］
Ｃｎ＝セルｎの容量［Ｆ］
Ｑｎ＝許容できる電荷［Ｃ］
Ｑｎの値は、セルを最大の電荷および電圧にするためにセルによって許容できる電荷に関する。
【０１２０】
システム全体（直列セル列）の電圧、したがって貯蔵される電荷は、すべてのセル電圧の合計に等しい。したがって、すべてのセルが同時に最大電圧に達することが好ましい。１つのセルが最大電圧Ｖｍａｘに達するまでシステムを充電することができる。充電はその時点で停止する必要がある。次に、Ｑの値が最も低いセルが放電される。Ｑの最低値は、満充電に最も近いセルが放電されることを意味する。したがって、Ｑの最小値が増加し、したがってシステムの容量が増加する。システムがその時点で何を行っているかに関係なく、すなわち、エネルギー貯蔵装置が負荷に放電しているか、または充電されているかに関係なく、セルは放電される。したがって、Ｑの最低値を有するセルが選択され、これが、いずれのセルを平衡させるかを発見するステップであり、発見動作を実行するための手段である。
【０１２１】
同様に、リチウムイオンキャパシタの場合にそうであり得るように、エネルギー貯蔵セルを最小電圧限界に近いところで動作させる必要がある場合、Ｑ’の最小値を有するセルは充電を必要とする。Ｑ’は、エネルギーセルに残っている電荷量である。Ｖｍｉｎは、最低許容電圧であり、すなわち、完全に有用に放電している状態である。
【０１２２】
（Ｖｎ−Ｖｍｉｎ）＊Ｃｎ＝Ｑ’ｎ            （２）
したがって、充電を必要とするセルは、システムがその時点で何を行っているかに関係なく、すなわち、エネルギー貯蔵装置が負荷に放電しているか、または充電されているかに関係なく、充電される。
【０１２３】
充電または放電を必要とするセルは、必ずしも最低電圧または最高電圧のセルであるとは限らないことに留意されたい。セルの容量が異なる場合、小さなセルは大きなセルとは異なる方法で制御される。Ｃｎが最も低いセルは、そのＱ値またはＱ’値がより極端になる可能性があるため、平衡化の候補になることが多い。
【０１２４】
Ｃｎは使用年数とともに減少する。Ｃｎが正常に動作している間にＣｎを正確に判定することができない、または分からない場合、動作の誤差が発生することになる、これらの誤差の結果を制限するために、式（１）は、ＶｎがＶｍａｘに近いときに評価されるべきであり、または、式（２）の場合、Ｖｍｉｎに近いときに評価されるべきである。これを実装するために、閾値Ｖｔは、以下のように生成することができる。
【０１２５】
Ｖｔ＝Ｖｍａｘ−ｋ＊ｔ−Ｓ          （３）
式中、
ｋ＝Ｖ／ｓで表される減衰定数（例えば、０．０１Ｖ／秒）
ｔ＝前回の評価からの経過時間。
【０１２６】
Ｓ＝例えば、始動直後またはセル交換後の望ましくない行動を避けるための安全マージンである。
【０１２７】
任意のＶｎがＶｔを超える場合、式（１）が評価され、ｔが０にリセットされ、平衡化決定が行われる。同様にＶｍｉｎについて：
さらなるステップとして、式（４）に従って閾値Ｖ’ｔを計算することができる。
【０１２８】
Ｖ’ｔ＝Ｖｍｉｎ＋ｋ＊ｔ＋Ｓ          （４）
式中、
ｋ＝Ｖ／ｓで表される減衰定数（例えば、０．０１Ｖ／秒）
ｔ＝前回の評価からの経過時間。
【０１２９】
Ｓ＝例えば、始動直後またはセル交換後の望ましくない挙動を避けるための安全マージンであり、ＶｎがＶ’ｔよりも低い場合、式（２）が評価され、ｔが０にリセットされ、平衡化決定が行われる。
【０１３０】
この方法は、システムが限界近くで操作された場合、平衡化決定が頻繁に行われ、正確度が高いことを保証する。システムが中間電圧範囲で動作する場合、方程式（１）または（２）の正確度が低くなり、そのため、アルゴリズムはより長い時間にわたって以前の決定に依存する。
【０１３１】
本発明の実施形態では、平衡化決定が行われると、平衡化は、セルごとに予め設定された時間にわたって開始され得る。
【０１３２】
ｔｂａｌａｎｃｅ＝Ｑｎ／Ｉｂａｌａｎｃｅまたはｔｂａｌａｎｃｅ＝Ｑ’ｎ／Ｉｂａｌａｎｃｅ    （５）
式中、ｔｂａｌａｎｃｅは平衡化のために設定された時間であり、ＱｎおよびＱ’ｎは上記で説明されており、Ｉｂａｌａｎｃｅは使用される平衡化電流である。
【０１３３】
これは、例えばキャパシタセルについて、平衡化がどのくらい長く続くべきかを決定するための手段および方法ステップを開示している。
【０１３４】
バッテリセルのセル平衡化：
（１−ＳｏＣ）＊Ｃｎ＝Ｑｎ            （１’）
（ＳｏＣ）＊Ｃｎ＝Ｑ’ｎ            （２’）
式中、ＣｎはＣまたはＡｓ単位のセル容量である。
【０１３５】
本発明のこの実施形態によれば、上述のキャパシタの平衡化方法をバッテリに適用することができ、上述のような平衡の決定に使用されるＱｎまたはＱ’ｎの計算にＳｏＣを使用することができる。キャパシタ平衡化と同様に、好ましくは、セルの容量を考慮して最適なシステム性能が達成される。
【０１３６】
システム最適化−全体的なシステム容量
バッテリ管理システム（ＢＭＳ）は、充電および／または放電を終了すべきときに、バルク負荷または充電器と通信できる必要がある。これは、個々のセル電圧を上限または下限に照らしてチェックし、電圧が限界を超えたときに充電または放電を中断することによって行うことができる。しかし、蓄電装置への／からの間の電流が遮断されると、電圧が急激に変化する。すべての電圧が限界内の値に戻り、それによって負荷／充電器のスイッチがオンになり、限界値をすぐに再び超過したことが分かる。この挙動は望ましくない。この挙動を回避するために、セル電圧測定が行われない場合、システム電圧を使用して限界値と比較することができる。
【０１３７】
キャパシタセルシステムの場合、限界値は次のように計算できる。
個々のセル容量が分からない場合、それらは等しいと考えられる。
【０１３８】
Ｖｕｐｐｅｒｌｉｍｉｔ＝Ｖｓｙｓｔｅｍ＋Ｎ＊（Ｖｍａｘ−Ｖｎ）            （６）
式中、
Ｖｍａｘ＝セル電圧の上限であり、
Ｖｎ＝最高の個々のセル電圧であり、
個々のセルの容量が分かっている場合、
（１）を使用して、Ｑｎを計算し、最低値Ｑｌを保持し、
Ｖｕｐｐｅｒｌｉｍｉｔ＝Σ  ｎ＝１．．Ｎ（Ｖｎ＋Ｑｌ／Ｃｎ）である。            
【０１３９】
（７）
バッテリセルシステムの場合、限界値は次のように計算される。
【０１４０】
個々のセル容量が分からない場合、それらは（第１の近似と）等しいと考えることができ、式（８）を使用することができる。ＳｏＣとセル電圧との間の関係が分からない場合は、式（８）を使用することができる。
【０１４１】
Ｖｕｐｐｅｒｌｉｍｉｔ＝Ｖｓｙｓｔｅｍ＋Ｎ＊（Ｖｍａｘ−Ｖｎ）            （８）
個々のセル容量が分かっており、例えば、ＳｏＣを決定するためのアルゴリズムの一部として、ＳｏＣとセル電圧との間の関係が分かっている場合、式（１’）を使用して、Ｑｎを計算し、最低値Ｑ１を保持し、すべてのセルに対して、Ｑ１を加算するときの予想電圧を計算する、
Ｖｎｆ＝ｌｏｏｋｕｐ＿ＥＭＦ（ＳｏＣ＋Ｑｌ／Ｃｎ）であり、
Ｖｕｐｐｅｒｌｉｍｉｔ＝Σ  ｎ＝１．．Ｎ  Ｖｎｆである。
【０１４２】
関数ｌｏｏｋｕｐ＿ＥＭＦは、ＳｏＣに基づいてセル電圧を決定することを可能にする。この関係は、一般にバッテリセルのデータシートの一部として供給され、時には「電圧対ＳＯＣ」曲線と呼ばれる。
【０１４３】
Ｑ１は、最小のセルがいっぱいになるまで、バッテリシステムが貯蔵できる総充電量を表す。総充電量はＡｓ（アンペア秒）で表すことができるため、電流が分かれば、残りの充電時間を計算することができる。バッテリモデルを使用してセルＳｏＣおよびセル容量を推定する場合、このモデルは通常、内部抵抗を考慮して、測定電圧および予測電荷を予測電圧に変換することを可能にする。この電圧を上限電圧として使用する。
【０１４４】
前述の説明から、セルと主要意思決定アルゴリズムとの間でデータおよびコマンドを交換する必要があることは明らかである。本発明の一態様では、階層化されたアーキテクチャが提供される。
【０１４５】
１．第２の実施形態では、セルレベルにおいて、電圧および温度を測定し、充電または放電回路を作動させることができるモニタおよび平衡化ユニットが設けられる。
【０１４６】
２．第２の実施形態では、モジュールレベルにおいて、限られた数のセルからのデータをグループ化し、電荷平衡に必要な電力と共にこれらにコマンドを提供するコントローラが提供される。
【０１４７】
３．第２の実施形態では、システムレベルにおいて、モジュールコントローラから関連データのみを受信し、上述したように平衡化決定を行い、平衡化コマンドをモジュールコントローラに再送信し、負荷／充電器と通信するコントローラが設けられる。
【０１４８】
４．各モジュールは、選択された戦略に応じて、ＶｎまたはＱｎの上限および下限値をメインコントローラに再送信し、したがって、メインコントローラへのデータトラフィックを制限する。
【０１４９】
本発明の別の態様では、階層化されたアーキテクチャが提供される。
１．第１の実施形態では、セルレベルにおいて、電圧および温度を測定し、充電または放電回路を作動させることができるモニタおよび平衡化ユニットが設けられる。
【０１５０】
２．第１の実施形態では、モジュールレベルにおいて、限られた数のセルからのデータをグループ化し、電荷平衡に必要な電力と共にこれらにコマンドを提供するコントローラが提供される。したがって、コントローラは、第２の実施形態について上述したように平衡化決定を行い、平衡化コマンドをモニタおよび平衡化ユニットに送信し、負荷／充電器と通信する。
【０１５１】
図５は、本発明の実施形態による、平衡化の間の垂直軸の電圧、電荷またはＳｏＣ、および水平軸に沿った時間のグラフを示す。最大許容限界１００は、セルがこの最大値に達するとシステムの充電が終了することを意味する。平衡化に関する決定が行われるとき、閾値１０２が存在する。
【０１５２】
図５では、より急な傾斜は、電荷がセルに追加または除去されるにつれて電圧がより急速に変化することを意味する。容量の小さいセルの電圧は、より大きいセルの電圧よりも速く変化するため、傾斜はより急である。
【０１５３】
システムが充電中である場合、かつ、本発明の実施形態に従って放電との平衡が取れている場合、傾斜はより小さい。
【０１５４】
セル６０は平均よりも容量が小さいため、充電が高速になる。したがって、セル６０は、平均セル７０よりも早く決定閾値１０２に達し、セル６０についてステップ１０４において平衡化が開始される。平均セル７０は、ステップ１０６においてセル６０が最大に達したときに、より低い充電電圧またはＳｏＣに達する。これは、システムに未使用容量があることを意味する。
【０１５５】
システムがステップ１１４において放電しているとき、セル６０の平衡化は放電中に継続され、それによって、ステップ１１２において平衡が停止するときに勾配がより急峻になり、より浅くなる。急勾配の傾斜は、最初に、システムがステップ１１６において再び充電を開始するときに、セル６０が平均セル７０よりも低い電圧、充電またはＳｏＣに達することを意味する。セル６０はより低いレベルから充電を開始し、さらには傾斜が平均セル７０より急であるにもかかわらず、ステップ１１８において無駄な容量はない。ステップ１１６においてシステムの充電が最適に行われ、それによって、システム全体が充電中であるか、放電中であるか、またはアイドルであるかに関係なく、充電または放電による平衡を自由に選択することができる場合、最大値１１８において無駄な容量はない。
【０１５６】
本発明の実施形態によれば、追加のセル８０（二点鎖線）が平均セル７０から逸脱し、任意の時点で閾値１０２に交差する場合、そのセルについて平衡化に関する決定を行うことができる。これは、異なる時点になり、本発明の実施形態によれば、平衡化時間は異なり得、充電方向は異なる得る。例えば、平衡化はステップ１０８において開始し、ステップ１１０において停止する。
【０１５７】
この例では、充電することによって１つのセルの平衡化が行われ、一方で同時に放電することによって別のセルの平衡化が行われる。したがって、平衡化は、システム全体が充電中または放電中であるか、またはアイドル状態であるかに依存しない。
【０１５８】
実装態様
平衡化システムを説明する本発明の一実施形態は、１つまたは複数のマイクロプロセッサ、プロセッサ、コントローラ、または中央処理装置（ＣＰＵ）および／またはグラフィック処理装置（ＧＰＵ）、第１の実施形態および第２の実施形態を参照して説明したような通信手段を含む処理能力を有するデジタル装置によって実装することができ、これらのいずれかは、ソフトウェア、すなわち１つまたは複数のコンピュータプログラムでプログラムされることにより、それぞれの機能または試験を実行するように適合させることができる。
【０１５９】
そのような装置は、メモリ（非一時的コンピュータ可読媒体、ＲＡＭおよび／またはＲＯＭなど）、オペレーティングシステム、随意選択的にＯＬＥＤディスプレイのような固定フォーマットディスプレイのようなディスプレイ、キーボードのようなデータ入力装置、「マウス」などのポインタ装置、他のデバイスと通信するためのシリアルまたはパラレルポート、ネットワークに接続するためのネットワークカードおよび接続を有することができる。
【０１６０】
ソフトウェアは、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数のデバイスにロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどのような１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるときに、直列に接続された個々のエネルギー貯蔵装置を含む電気エネルギー貯蔵システム内の個々の電気エネルギー貯蔵装置を平衡させるための以下の機能を実行するように適合されたコンピュータプログラム製品において具現化することができる。
【０１６１】
装置の健全性、電荷または充電状態に関連する個々のエネルギー貯蔵装置の電気的パラメータを測定すること。
【０１６２】
ソフトウェアはコンピュータプログラム製品内に具現化され、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数の装置にロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるとき、以下の機能を実行するように適合される。
【０１６３】
１つまたは複数の個々のエネルギー貯蔵装置が平衡されるべきか、およびいずれの方向に平衡されるべきかを決定すること、決定は測定されたパラメータ値に基づく。
【０１６４】
ソフトウェアはコンピュータプログラム製品内に具現化され、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数の装置にロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるとき、以下の機能を実行するように適合される。
【０１６５】
エネルギー貯蔵システムが全体として充電または放電されているか、またはアイドル状態であるかに関係なく、１つまたは複数のエネルギー貯蔵装置の平衡化を実施すること。
【０１６６】
ソフトウェアはコンピュータプログラム製品内に具現化され、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数の装置にロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるとき、以下の機能を実行するように適合される。
【０１６７】
平衡化は、以下のいずれかに従って実行される。すなわち、
（ｉ）いつでも、または
（ｉｉ）平衡化は、特定の状況の充電状態にある平衡化されるエネルギー貯蔵装置に限定されない、または
（ｉｉｉ）個々の性能にかかわらず、または
（ｉｖ）より高いエネルギー貯蔵容量をもたらす最適なシステム性能に関して、または
（ｖ）コントローラが、それぞれ最高または最低の個々のセル電圧に基づいて最大システム電圧または最小システム電圧を計算するように適合されることによって、セルの過電圧または不足電圧を防止するように、または
（ｖｉ）平衡化充電器を使用せずに、または
（ｖｉｉ）コントローラが電圧またはＳｏＣの予測においてセル容量および内部抵抗の差を考慮して、または
（ｖｉｉｉ）設定された期間にわたって、実行される。
【０１６８】
ソフトウェアはコンピュータプログラム製品内に具現化され、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数の装置にロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるとき、以下の機能を実行するように適合される。
【０１６９】
エネルギー貯蔵システムが全体として充電または放電されているか、または、アイドルであるかとは無関係に、一方では、第１の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵装置を充電するために、充電装置から、または、別の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵装置から電荷を転送すること、および、他方では、第１の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵装置を放電するために、充電装置へと、または、別の平衡化ユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵装置へと電荷を転送すること。
【０１７０】
ソフトウェアはコンピュータプログラム製品内に具現化され、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数の装置にロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるとき、以下の機能を実行するように適合される。
【０１７１】
エネルギー貯蔵装置の測定された電気的パラメータを、対応する基準パラメータまたは閾値と比較すること、および／または
電気的パラメータは、エネルギー貯蔵装置内の電荷の量またはエネルギー貯蔵装置に残っている電荷の量またはエネルギー貯蔵装置のＳｏＣなどの導出値とすることができる。
【０１７２】
ソフトウェアはコンピュータプログラム製品内に具現化され、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数の装置にロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるとき、以下の機能を実行するように適合される。
【０１７３】
エネルギー貯蔵装置の測定された電気的パラメータを、対応する基準パラメータまたは閾値と比較すること、および／または
測定された電気的パラメータに従って生成された信号に基づいてスイッチを制御すること。
【０１７４】
ソフトウェアはコンピュータプログラム製品内に具現化され、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数の装置にロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるとき、以下の機能を実行するように適合される。
【０１７５】
充電式エネルギー貯蔵装置を過電圧および／または不足電圧から保護すること。
ソフトウェアはコンピュータプログラム製品内に具現化され、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数の装置にロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるとき、以下の機能を実行するように適合される。
【０１７６】
Ｑｎの計算：
各充電式エネルギー貯蔵装置またはセルは最大安全電圧Ｖｍａｘを有し、ｎ番目のセルの実際の測定電圧はＶｎであり、Ｑｎは式（１）によって与えられる。
【０１７７】
（Ｖｍａｘ−Ｖｎ）＊Ｃｎ＝Ｑｎ          （１）
式中、
Ｖｍａｘ＝最大許容セル電圧
Ｖｎ＝セルｎの電圧［Ｖ］
Ｃｎ＝セルｎの容量［Ｆ］
Ｑｎ＝許容できる電荷［Ｃ］
それによってＱｎの値は、セルを最大の電荷および電圧にするためにセルによって許容できる電荷に関係し、Ｑの最低値を有するセルが放電される。
【０１７８】
したがって、Ｑの最低値を有するセルが選択され、これが、いずれのセルを平衡させるかを発見するステップであり、発見動作を実行するための手段である。
【０１７９】
任意の式の値Ｃｎはセルの健全性に関係し、したがってＣｎを決定することは、セルの健全性を決定するステップであり、健全性を決定する手段を提供するステップでもある。
【０１８０】
エネルギー貯蔵装置が負荷に放電しているか、または充電中であるかもしくはアイドル状態であるかに関係なく、セルは放電される。
【０１８１】
ソフトウェアはコンピュータプログラム製品内に具現化され、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数の装置にロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるとき、以下の機能を実行するように適合される。
【０１８２】
Ｑ’ｎの計算：
Ｑ’はエネルギーセルに残っている電荷の量であり、Ｖｍｉｎは完全に有用に放電している最低許容電圧状態であり、Ｑｎは式（２）によって与えられる。
【０１８３】
（Ｖｎ−Ｖｍｉｎ）＊Ｃｎ＝Ｑ’ｎ            （２）
エネルギー貯蔵装置が負荷に放電しているか、または充電中であるかもしくはアイドル状態であるかに関係なく、最低値のＱ’を有するセルが放電される。
【０１８４】
したがって、Ｑ’の最低値を有するセルが選択され、これが、いずれのセルを平衡させるかを発見するステップであり、発見動作を実行するための手段である。
【０１８５】
ソフトウェアはコンピュータプログラム製品内に具現化され、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数の装置にロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるとき、以下の機能を実行するように適合される。
【０１８６】
式（１）は、ＶｎがＶｍａｘに近いときに評価することができ、またはＶｎがＶｍｉｎに近いときに式（２）を評価することができる。
【０１８７】
さらなるステップとして、式３に従って閾値Ｖｔを計算することができる。
Ｖｔ＝Ｖｍａｘ−ｋ＊ｔ−Ｓ            （３）
式中、
ｋ＝Ｖ／ｓで表される減衰定数（例えば、０．０１Ｖ／秒）
ｔ＝前回の評価からの経過時間。
【０１８８】
Ｓ＝例えば、始動直後またはセル交換後の望ましくない挙動を避けるための安全マージンであり、ＶｎがＶｔを超える場合、式（１）が評価され、ｔが０にリセットされ、平衡化決定が行われる。
【０１８９】
さらなるステップとして、式４に従って閾値Ｖ’ｔを計算することができる。
Ｖ’ｔ＝Ｖｍｉｎ＋ｋ＊ｔ＋Ｓ            （４）
式中、
ｋ＝Ｖ／ｓで表される減衰定数（例えば、０．０１Ｖ／秒）
ｔ＝前回の評価からの経過時間。
【０１９０】
Ｓ＝例えば、始動直後またはセル交換後の望ましくない挙動を避けるための安全マージンであり、ＶｎがＶ’ｔよりも低い場合、式（２）が評価され、ｔが０にリセットされ、平衡化決定が行われる。
【０１９１】
ソフトウェアはコンピュータプログラム製品内に具現化され、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数の装置にロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるとき、以下の機能を実行するように適合される。
【０１９２】
代替的に、ＱｎまたはＱ’ｎは、式（１’）および（２’）によってそれぞれ計算することができる。
【０１９３】
（１−ＳｏＣ）＊Ｃｎ＝Ｑｎ            （１’）
（ＳｏＣ）＊Ｃｎ＝Ｑ’ｎ            （２’）
ソフトウェアはコンピュータプログラム製品内に具現化され、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数の装置にロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるとき、以下の機能を実行するように適合される。
【０１９４】
平衡化は、式（５）で定義されるように、セルごとに予め設定された時間にわたって開始することができる。
【０１９５】
ｔｂａｌａｎｃｅ＝Ｑｎ／Ｉｂａｌａｎｃｅまたはｔｂａｌａｎｃｅ＝Ｑ’ｎ／Ｉｂａｌａｎｃｅ    （５）
式中、ｔｂａｌａｎｃｅは平衡化のために設定された時間であり、Ｉｂａｌａｎｃｅは使用される平衡化電流である。
【０１９６】
これは、平衡化がどのくらい長く続くべきかを決定するための手段および方法ステップを開示している。
【０１９７】
ソフトウェアはコンピュータプログラム製品内に具現化され、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数の装置にロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるとき、以下の機能を実行するように適合される。
【０１９８】
バッテリセルのセル平衡化：
（１−ＳｏＣ）  ＊  Ｃｎ  ＝  Ｑｎ            （１’）
（ＳｏＣ）  ＊  Ｃｎ  ＝  Ｑ’ｎ              （２’）
式中、ＣｎはＣまたはＡｓ単位のセル容量である。
【０１９９】
ソフトウェアはコンピュータプログラム製品内に具現化され、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数の装置にロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるとき、以下の機能を実行するように適合される。
【０２００】
上述のキャパシタの平衡化方法がバッテリに適用され、それによって、上記のような平衡の決定に使用されるＱｎまたはＱ’ｎの計算にＳｏＣを使用することができ、および／または
セルの容量を考慮して最適なシステム性能を達成すること。
【０２０１】
ソフトウェアはコンピュータプログラム製品内に具現化され、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数の装置にロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるとき、以下の機能を実行するように適合される。
【０２０２】
個々のセル電圧を上限または下限に照らしてチェックし、電圧が限界を超えたときに充電または放電を中断することによって、充電および／または放電を終了すべきときを、バルク負荷または充電器に通信すること。
【０２０３】
ソフトウェアはコンピュータプログラム製品内に具現化され、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数の装置にロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるとき、以下の機能を実行するように適合される。
【０２０４】
記憶装置への／からの電流が遮断されたときに、電圧が急激に変化し、それによって、セル電圧測定がないときに振動挙動を回避し、システム電圧を限界値と比較すること、および／または
キャパシタセルシステムの場合、限界値は次のように計算できる。
【０２０５】
個々のセル容量が分からない場合、それらは等しいと考えられる。
Ｖｕｐｐｅｒｌｉｍｉｔ＝Ｖｓｙｓｔｅｍ＋Ｎ＊（Ｖｍａｘ−Ｖｎ）            （６）
式中、
Ｖｍａｘ＝セル電圧の上限であり、
Ｖｎ＝最高の個々のセル電圧であり、
個々のセルの容量が分かっている場合、
（１）を使用して、Ｑｎを計算し、最低値Ｑｌを保持し、
Ｖｕｐｐｅｒｌｉｍｉｔ＝Σ  ｎ＝１．．Ｎ（Ｖｎ＋Ｑｌ／Ｃｎ）である。            
【０２０６】
（７）
ソフトウェアはコンピュータプログラム製品内に具現化され、ソフトウェアがそれぞれの１つまたは複数の装置にロードされ、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどの１つまたは複数の処理エンジン上で実行されるとき、以下の機能を実行するように適合される。
【０２０７】
バッテリセルシステムの場合、限界値は次のように計算される。
個々のセル容量が分からない場合、それらは（第１の近似と）等しいと考えることができ、式（８）を使用することができる。ＳｏＣとセル電圧との間の関係が分からない場合は、式（８）を使用することができる。
【０２０８】
Ｖｕｐｐｅｒｌｉｍｉｔ＝Ｖｓｙｓｔｅｍ＋Ｎ＊（Ｖｍａｘ−Ｖｎ）            （８）
個々のセル容量が分かっており、例えば、ＳｏＣを決定するためのアルゴリズムの一部として、ＳｏＣとセル電圧との間の関係が分かっている場合、式（１’）を使用して、Ｑｎを計算し、最低値Ｑ１を保持し、すべてのセルに対して、Ｑ１を加算するときの予想電圧を計算する、
Ｖｎｆ＝ｌｏｏｋｕｐ＿ＥＭＦ（ＳｏＣ＋Ｑｌ／Ｃｎ）であり、
Ｖｕｐｐｅｒｌｉｍｉｔ＝Σ  ｎ＝１．．Ｎ  Ｖｎｆである。
【０２０９】
関数ｌｏｏｋｕｐ＿ＥＭＦは、ＳｏＣに基づいてセル電圧を決定することを可能にする。この関係は、一般にバッテリセルのデータシートの一部として供給され、時には「電圧対ＳＯＣ」曲線と呼ばれる。
【０２１０】
コンピュータプログラム製品は、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭまたはＤＶＤ−ＲＯＭ、磁気ディスク、磁気テープ、フラッシュメモリなどのソリッドステートメモリなどの非一時的信号記憶手段に記憶することができる。
【図１】
2019501616.tif 000003
【図２】
2019501616.tif 000004
【図３】
2019501616.tif 000005
【図４】
2019501616.tif 000006
【図５】
2019501616.tif 000007
【国際調査報告】
2019501616.tif 000008
2019501616.tif 000009