(57)【要約】      （修正有）【課題】重く、高価なパワーエレクトロニクスに基づいた製品に匹敵するかもしくは超越することを達成するための方法と装置を提供する。【解決手段】補完スイッチ５０３，５０８で，５０３が閉じられ５０８が開かれている場合，エネルギー貯蔵装置５２１と５２２がクルーピング全体の出力から取り除かれる。これにより，望ましいエネルギー貯蔵装置５２１がバイパスされ不使用とされることが可能となる。一方で貯蔵装置５２２もまた不所望に取り除かれている状態にすることが可能となる。貯蔵装置５２１をバイパスすることによってエネルギー貯蔵装置５２０と５２２が正確に直列に接続される場合，５２０と５２２の有効な出力電圧は反対となる。【選択図】図５Ａ
2019110750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１または複数のエネルギーモジュールを含み、
前記エネルギーモジュールは、
相互に接続された複数の回路であって、各回路が入力端子または出力端子として機能可能な少なくとも２つの入力／出力端子を有する、複数の回路と、
正極端子および負極端子を有するエネルギー貯蔵ユニットであって、前記正極端子および負極端子のいずれか一方が前記入力／出力端子の間に介装可能である、エネルギー貯蔵ユニットと、
２ｎ＋２個のスイッチを有するスイッチモジュールであって、ｎが１以上であって２つの前記入力／出力端子の間に接続されているエネルギー蓄積ユニットの数に基づいており、直列および／またはバイパス接続性を提供し、かつ、前記エネルギー貯蔵装置において極性を反対にする能力を有効にする、スイッチモジュールと、
前記エネルギーモジュールにおける前記エネルギー貯蔵ユニットの動作状態に従って前記複数の回路に接続される際に、バイパス、前記エネルギー貯蔵装置の直列接続および／または前記エネルギー貯蔵ユニットの極性の変更のために、前記動作状態を監視かつ前記スイッチを制御する制御ユニットであって、前記複数の回路における前記エネルギー貯蔵ユニットから使用可能な前記エネルギーユニットの数を決定する、制御ユニットとを含む、再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
【請求項２】
前記スイッチモジュールは、少なくとも４つのスイッチを含み、逆Ｈブリッジに基づいている、請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
【請求項３】
前記制御ユニットは、前記エネルギー貯蔵システムの充電状態（state-of-charge）、劣化状態（state-of-health）、寿命状態（state-of-life）および故障予測を監視する、請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
【請求項４】
前記制御ユニットは、前記エネルギー貯蔵システムの充電状態（state-of-charge）、劣化状態（state-of-health）、寿命状態（state-of-life）および故障予測についての情報を監視し、前記エネルギー貯蔵システムが充電又は放電されるときに、前記エネルギー貯蔵ユニットの使用に優先順位を付けて、前記複数のエネルギー貯蔵ユニット充電状態を平衡させるために、前記情報を採用する、請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
【請求項５】
各エネルギー貯蔵セル群は、電圧出力要求を満たすように配列されたエネルギー貯蔵ユニットのストリングを含む、請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
【請求項６】
前記制御ユニットは、所定の出力のための電圧出力要求を受け、前記所定の出力のための電圧出力要求を満たす電圧を出力する回路構成を形成するために、前記複数のエネルギー貯蔵回路における前記スイッチモジュールを構成する、請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
【請求項７】
補助電源は、前記再構成可能なエネルギー蓄積システムから電力制御回路、監視回路および他の固定電圧デバイスに誘導される、請求項１に記載の再構成可能なエネルギー蓄積システム。
【請求項８】
前記スイッチモジュールは、逆Ｈブリッジの設計に基づいており、１以上のエネルギーモジュールがある場合、スイッチの数が４ｎであって、ｎが前記エネルギーモジュールの個数である、請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
【請求項９】
前記エネルギー貯蔵ユニットは、バッテリセル、エネルギー貯蔵セル、燃料電池およびキャパシタのグループから選択から選択される、請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
【請求項１０】
前記エネルギー貯蔵ユニットは、再充電可能なシステムである、請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
【請求項１１】
前記スイッチモジュールは、２ｎ＋２個のスイッチを有する交流回路に基づいており、ｎがエネルギー貯蔵ユニットの個数である、請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
【請求項１２】
前記スイッチモジュールは、２ｎ＋２個のスイッチを有する交流回路に基づいており、ｎがエネルギー貯蔵ユニットの個数であり、２以上のエネルギー貯蔵ユニットがあり、隣接するエネルギー貯蔵ユニットが逆極性を有するように配列されている、請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
【請求項１３】
前記制御ユニットは、電圧出力要求を満たすために必要とされる、直列に配列されるいくつかのエネルギー貯蔵ユニットグループを決定し、使用可能なエネルギー貯蔵ユニットの数から互いに並列に配列されるいくつかのエネルギー貯蔵ユニットを決定することにより、前記複数のエネルギー貯蔵回路において前記スイッチモジュールを構成し、各エネルギー貯蔵セルグループが出力電圧要求を満たす直列に配置されたエネルギー貯蔵ユニットのストリングを含む、請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
【請求項１４】
前記制御ユニットは、いくつかの並列セルグルーピングを受け、回路装置内でバイパスされる使用可能なエネルギー貯蔵ユニットの数が最小となる回路装置を形成するために、複数のエネルギー貯蔵回路内にスイッチモジュールを構成する、請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
【請求項１５】
前記制御ユニットは、前記制御システムによって認識されている温度、電圧、電流、充電状態（state-of-charge）、劣化状態（state-of-health）、寿命状態（state-of-life）、セル膨張、ガス放出、または短絡もしくはオープン回路状態を含む極値であって、検出または予測された極値によって引き起こされ得る故障を有する故障セルを絶縁するために、複数のスイッチを制御することにより、故障を検出および絶縁する、請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システム。
【請求項１６】
請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システムが組み込まれた電力管理システムであって、
前記制御システムは、充電源を検出し、前記充電源が、単一のエネルギー蓄積ユニットの電圧に等しい電圧から直列に接続されたエネルギー蓄積ユニットの電圧の合計までの範囲の電圧幅で１または複数の位相を含む交流変化または直流変化からなる場合に、充電を調節するために前記複数のセルを配列する、電力管理システム。
【請求項１７】
請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システムが組み込まれた電力管理システムであって、
前記制御システムは、負荷を検出し、単一のエネルギー蓄積ユニットの電圧に等しい電圧から直列に接続されたエネルギー蓄積ユニットの電圧の合計までの範囲の電圧幅で１または複数の位相を含む交流タイプまたは直流タイプの負荷要求を調節するために前記複数のセルを構成する、電力管理システム。
【請求項１８】
請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システムが組み込まれた電力管理システムであって、
充電源は、電圧および位相の変化、風力発電、太陽光発電、熱電性もしくは原子核を含むグリッド電力システム、または、誘導性電源、共振誘導性電源もしくは無線周波数を含む他のワイヤレス充電源を含むグループから選択される、電力管理システム。
【請求項１９】
請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システムが組み込まれた電力管理システムであって、
負荷は、多数の電気自動車、グリッドおよびバックアップ貯蔵ユニット、航空宇宙アプリケーション、携帯機器、ならびに、家庭用電子装置を含む、二次バッテリの使用を必要とするアプリケーションからなるグループから選択される、電力管理システム。
【請求項２０】
１または複数の他の請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システムと接続された請求項１に記載の再構成可能なエネルギー貯蔵システムであって、
各システムの前記制御ユニットは、各システム間における協力的な電力交換を可能にする、再構成可能なエネルギー貯蔵システム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリセルと関連して用いるための電力管理システムであって、バッテリセルおよびバッテリを可変エネルギー貯蔵源に変えることができ、例えば電気自動車またはグリッドストレージといった装置で使用することができる電力管理システムに関する。より具体的には、本発明は、２ｎ＋２個のスイッチを有するスイッチモジュールを用いるプラットフォームであって、ｎは１以上であってエネルギーモジュールの数に基づいており、後述するが、リアルタイム監視、管理、制御およびエネルギーモジュールの構成を可能とするソフトウエアと組み合わせた、逆Ｈブリッジ回路に基づくスイッチモジュールおよび交替極性を有するスイッチモジュールを含む。
【０００２】
バッテリ駆動アプリケーションは、例えば１２０Ｖ、６０Ｈｚの壁コンセントなどの交流電源をバッテリの充電に適した直流レベルに変換するＡＣ−ＤＣコンバータ、または、例えばソーラーパネルなどの直流電源を、バッテリパックの充電に適したレベルに変換するＤＣ−ＤＣコンバータの一方を含む。バッテリ駆動アプリケーションはさらに、負荷アプリケーションに電力を与えるコンバータ／インバータを含み、負荷は電気自動車における直流モータなどの直流またはファン用の交流モータなどの交流であってもよい。ＤＣ−ＡＣインバータは、直流供給電圧に生じる電圧変動を補償するように構成されなければならない。かかる電圧変動は、動作中にバッテリセルが放電することによって生じる可能性がある。ＤＣ−ＤＣコンバータは、バッテリ配列とＤＣ−ＡＣインバータとの間に接続されることがある。ＤＣ−ＤＣコンバータは、一定の直流供給電圧をＤＣ−ＡＣインバータに供給するように構成されて、バッテリ配列によって供給される電圧における電圧変動を補償する。残念ながら、ＤＣ−ＤＣコンバータを設けることは、システムをより複雑にする。また、ＤＣ−ＤＣコンバータは、不必要な電力損失および／またはシステムの均衡における追加の付帯的要件を与える可能性がある。
【０００３】
バッテリ配列は、多数のバッテリセルを含み、多数のバッテリセルは、リチウムイオン電池などの再充電可能電池である。これらの電池は、グランドを共用するように接続される。多数のバッテリセルは、直列または並列に接続されて、この直列配列により直流充電電圧が与えられる。高電圧バッテリもまた、他の目的のための多くのセルまたはセルモジュールの接続を伴うことがある。例えば、高電圧バッテリの使用には、航空宇宙／宇宙飛行体用途、通信用電源装置、コンピュータ電源装置、無停電電源装置、電気事業エネルギー貯蔵、商用用途、ソーラーエネルギー貯蔵、風力エネルギー貯蔵などのためのバッテリセルアレイが含まれる。高電圧バッテリは、リチウムイオン電池、燃料電池、他の電気化学電池などを含む異なる種類のものであってもよい。
【０００４】
また、リチウムイオン電池などの蓄電池のほとんどのタイプは、劣化または損傷を防止するために、下限電圧より低く放電または上限電圧よりも高く充電されるべきではない。個別の蓄電池の不適切な放電または充電を防止するために、セルバランシング配列が適用される。かかるバランシング配列は、相対的に少ない充電量のセルのために相対的に多い充電量のセルを放電させるか、または、充電の場合には、相対的に多い充電量のセルのために相対的に少ない充電量のセルを充電することを伴う。セルバランシング配列を実行する回路構成は、ＤＣ−ＡＣインバータ充電器に加えて必要とされる。
【０００５】
バッテリを交換する費用を減らすために、バッテリ管理システムを単純化させること、およびバッテリ電池の経年劣化を低減して寿命をできるだけ伸ばすことは非常に望ましい。さらに、当該技術では、充電中のダメージを軽減して貯蔵デバイスの寿命を延ばすように、バッテリセルおよび他の蓄電デバイスの再充電を注意深く制御して最適化するシステムの必要性がある。同様に、これらの同一の要求は、放電および充電と放電との相互作用にも適用される。セル寿命およびバッテリ管理システムに関連する別の懸念は、寄生損失、内部放電および特定の用途に付帯的に供給される不必要な電力レベルである。
【０００６】
従来技術のシステムでは、セル監視およびセルバランシングは、各セルに複雑な電子回路を含むか、または、外部回路に電池を監視および平衡化させるための多数の接点を有する電気コネクタを含むことによって得られる。各セルにおける複雑な回路は、本質的に信頼性が低い。多数の接続が必要である場合、コネクタは、電気ショックの安全上の問題を呈する。コネクタが重い場合には、そのコネクタは、航空宇宙、宇宙飛行体および他の携帯用用途に適さないかもしれない。
【０００７】
いくつかの用途では、外部充電器および外部セル充電測定サブシステムなどの別々のバッテリシステム部品を提供することが好ましいかもしれない。個々のバッテリセルを監視する能力を与えるためには、バッテリ上にマルチピンコネクタおよび追加のワイヤまたはセンス線が必要とされる。大型の高電圧バッテリでは、そのようなコネクタは、いくつかの難点を有する。コネクタは、セル毎に少なくとも１つのピンを必要とする。バッテリが高電圧を生成することができるため、コネクタの使用時にグランド従事者または仲間を高電圧に曝すことを避けるために、センス線は、安全な切断または電気絶縁を必要とする。バッテリが高電流を生成することができるため、センス線はさらに、何らかのヒューズまたは他のワイヤ保護をも必要とする。
【０００８】
安全上の懸念、規定遵守、緊急管理手順に対処することもまた、追加の監視、制御、追加の構成部品を導入する安全スイッチ、故障ポイントおよび費用を必要とする。
【０００９】
バッテリ充電およびシステムを管理する問題を解決する努力を示す特許には、２００６年１２月１２日に発行されたＢｕｒａｎｙらの米国特許第７，１４８，６５４号が含まれ、その特許は、直列に接続されて電池スタックを形成する複数の電気化学電池のセル電圧を監視するシステムおよび方法を開示する。その方法は、電池を少なくとも２つのセルグループに分割することと、各セルグループにわたる電圧を測定することと、平均セルスタック電圧および各グループ内の欠損セルの予想数に基づいて各グループの最小セル電圧を予想することを含む。そして、電池スタック全体についての最も低い最小セル電圧が次に判定される。
【００１０】
２００６年７月２５日に発行されたＬｉｕらの米国特許第７，０８１，７３７号は、アナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）およびプロセッサを含むバッテリパックの各複数のバッテリセルからの電圧レベルを監視するための監視回路を開示する。ＡＤＣは、複数のバッテリセルのそれぞれからアナログ電圧信号を受けて、各アナログ電圧信号を各バッテリセルの正確な電圧レベルを表すデジタル信号に変換するように構成されている。プロセッサは、そのデジタル信号を受け取り、少なくとも１つの信号に基づいて安全警告信号を出力する。ＡＤＣ分解能は、調節可能であってもよい。２つのセル間の電圧差がバッテリセル平衡閾値よりも大きいことをデジタル信号の少なくとも２つが示す場合は、バランシング回路がバランシング信号を出力する。また、かかる監視およびバランシング回路を含む電子装置が提供されている。
【００１１】
２００６年１月３日に発行されたＢｕｒｎｓの米国特許第６，９８３，２１２号は、バッテリストリングにおける個別のセルを制御するためのバッテリ管理システムを開示する。バッテリ管理システムは、充電器、電圧計、選択回路およびマイクロプロセッサを含む。マイクロプロセッサの制御下にて、選択回路はバッテリストリングの各セルを充電器および電圧計に接続する。バッテリ性能に関する情報は、記録および分析される。分析は、バッテリが動作する状況によって左右される。異なる状況下でバッテリ性能を監視することで、個別のセルにおける問題が判定および修正可能となる。
【００１２】
２００５年１月１８日に発行されたＣａｎｔｅｒの米国特許第６，８４４，７０３号は、複数のセルを有するバッテリのためのバッテリセルバランシングシステムを開示する。システムは、電源と、セルに電気的に接続される複数の変圧／整流回路とを含む。最も低い充電状態を有するセルが優先的に充電される。少なくとも１つの電流制限装置が変圧／整流回路および電源に電気的に接続される。電流制限装置は、複数のセルの少なくとも１つの反射電圧から電源電圧を緩和する。
【００１３】
２００４年１０月１２日に発行されたＧｏｔｔｌｉｅｂらの米国特許第６，８０３，６７８号は、負荷にバックアップ電力を提供するＵＰＳシステムであって、電力入力と、複数のバッテリと、それぞれが複数のバッテリのうちの１つを含み、バッテリが並列に連結される複数のバッテリハウジングと、複数のバッテリモニタプロセッサであって、各モニタが対応する１つのバッテリハウジング内に設けられて対応するバッテリに連結される複数のバッテリモニタプロセッサと、複数のバッテリモニタプロセッサからモニタデータを受信するように連結されて構成されるＵＰＳプロセッサと、ＵＰＳプロセッサを含み、バッテリハウジングから取り外されたＵＰＳプロセッサハウジングと、電力入力およびバッテリのうちの１つと連結して、そこから選択的に電力を提供するように構成される電力出力と、を含むＵＰＳシステムを開示する。
【００１４】
２００３年１２月１６日に発行されたＫｕｔｋｕｔの米国特許第６，６６４，７６２号は、ＤＣ−ＡＣコンバータを含む高電圧バッテリストリングを充電するためのバッテリ充電器を開示し、バッテリ充電器は、複数の二次側を有する変圧器の一次側を駆動する。各二次巻線は、整流回路、出力インダクタおよび出力キャパシタから形成される対応する出力段を有する。出力段の出力端子は、並列または直列のいずれかで接続可能である。いずれの構成においても、インダクタ電流およびキャパシタ電圧は、出力段回路の間で自動的に平衡を保つ。コントローラは、通常、電圧モードで動作することで出力端子電圧を調整するが、インダクタ電流の平均が特定の限度を超過すると電流モードで動作して電流を制限する。並列から直列への再構成またはその逆は、出力段端子の物理的な再接続および単一電圧フィードバック倍率の調整を得る。高電圧出力を生成するために出力段を直列に接続することは、整流回路にかかる電圧ストレスを減少させ、逆回復の問題を回避するためにショットキーダイオードを用いることを有効とする。
【００１５】
２００３年６月２４日に発行されたＢａｌｄｗｉｎの米国特許第６，５８３，６０３号
は、バックアップ電源として使用される一連のバッテリの個別のバッテリセルまたはバッテリセルのグループを、制御可能に充電および放電する装置ならびに方法を開示する。装置は、負荷バスおよび一次電源から少なくとも部分的にバッテリストリングを絶縁するためのバッテリ供給モジュールを含む。部分的な絶縁は、並列に配置される２つの制御されたスイッチを含むスイッチングネットワークの影響を受け、バッテリのストリングを選択的に絶縁する。特定の開示される実施形態では、制御されたスイッチの一方は、他方の制御されたスイッチが閉じるまで、バッテリのストリングを負荷バスに接続するためにオンにされる。システムは、各バッテリ供給モジュールにおけるレギュレタに、バッテリストリングを充電するために用いられる電力バスと、各バッテリ供給モジュールにバッテリを放電するための放電バスと、を供給する主電源を含む。
【００１６】
２００１年７月３１日に発行されたＢｅａｒｆｉｅｌｄの米国特許第６，２６８，７１１号は、複数のバッテリ、バッテリセルまたは他の形態の電源を個別に直列および／または並列に電力外部装置に切り替える能力を提供するバッテリ管理装置を開示する。その装置は、典型的に電子ベースであり、各電源を基準電圧と比較するための電圧レベル検知回路、スイッチングマトリクスを制御するためのＦＥＴ制御論理および出力電源を提供するために必要な電源の構成を実現するスイッチングマトリクスからなる。本発明は、出力電力モニタ、ＤＣ／ＤＣコンバータおよび内部スイッチングを増大させる制御信号を追加することによって拡張可能である。実施要件によっては、バッテリ管理装置は単一の集積回路の形態であってもよい。
【００１７】
２００１年１月３０日に発行されたＣｈｅｎの米国特許第６，１８１，１０３号は、スマートバッテリパックを取り外し可能かつデータアクセス可能（ＲＡＤＡ）バッテリパックに変換するシステム、およびホストコンピュータに埋め込まれたインテリジェント電力管理アルゴリズムを開示する。ＲＡＤＡバッテリパックは、温度センサ、表示ユニットおよびメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）を含む。ホストコンピュータ側に搭載された周辺機器は、ＡＩＣＰＭシステムに対する取り外しおよびデータアクセス動作に対処するために用いられる、制御ユニット、充電ユニット、負荷回路、分圧器、電流検出器、温調回路およびデータバスを含む。取り外し可能およびデータアクセス可能バッテリパックは、この発明によって提供される機能を、バッテリパックについてのデータ、例えば使用回数、残容量、使用可能時間および公称容量の読み取り、更新および記録するために利用する。また、これらのデータをＲＡＤＡバッテリパックのＥＥＰＲＯＭに記憶して、バッテリパックが次回使用されるときに、ＡＩＣＰＭシステムがこれらのデータをＥＥＰＲＯＭから読み出して、バッテリパックの新情報として用いることができるようにする。
【００１８】
２０００年２月２９日に発行されたＷｉｌｅｙらの米国特許第６，０３１，３５４号は、個別のセルおよびバッテリバンク動作パラメータを識別して算出する、複数のバッテリセルを監視するためのオンラインバッテリ管理および監視システムを開示する。そのシステムは、それぞれが複数のバッテリセルを監視する複数のコントローラが接続される中央監視ステーションを備える。その発明の特徴は以下を含む：それぞれのコントローラに接続されるバッテリセルのそれぞれについての測定およびアラーム状態データの表示、バッテリ状態に依頼する表示色による、バッテリセルについてのデータのカラーコード表示、データ解析の実行および維持管理の必要性示唆、自動ローカルモード、自動遠隔モードまたは維持管理モードでのコントローラ操作、コントローラから中央監視ステーションへの周期的コールの規定ならびに中央監視ステーションとコントローラとの間での赤アラームコール、黄アラームコール、下層アラームコールおよび診断的なコールの生成。
【００１９】
１９９９年１１月９日に発行されたＳｔｕａｒｔの米国特許第５，９８２，１４３号は、バッテリパックにおける複数の直列接続バッテリの電圧を均等化する電子バッテリの等価回路を開示する。電流波形は、ゼロ電流スイッチングを提供するために傾斜状の形状を有する。変圧器は一次巻線回路、および少なくとも１つの二次巻線回路を有する。一実施形態では、各二次巻線は異なるバッテリの対と接続される。等化電流は、充電サイクルの半分の間に、バッテリパックの半分における最も低い電圧バッテリに与えられる。同等化電流は次に、充電サイクルの残りの半分の間にバッテリパックの残りの半分における最も低い電圧バッテリに与えられる。別の実施形態では、各二次巻線は、異なる単一電池に接続される。等化電流はスイッチングサイクルの各半分の間にバッテリパックにおける最も低い電圧バッテリに供給される。電池等化回路はまた、等化電流供給源からの電流を制御するための一次巻線に結合されるフィードバック制御回路を含む。別の実施形態では、光学結合スイッチは、バッテリパックにおける偶数番および奇数番のバッテリの最も低い電圧に等化電流を与えるために、バッテリ電圧モニタに接続される。
【００２０】
１９９９年７月１３日に発行されたＳｉｄｅｒｉｓらの米国特許第５，９２３，１４８号は、各電池およびバッテリバンクの動作パラメータを特定し計算する、複数のバッテリセルを監視するためのオンラインバッテリモニタシステムを開示する。システムは、監視する所定のバッテリセルを特定する制御装置と、監視する所定のバッテリセルを選択するまたはモニタするバッテリパックを選択するために、制御装置による指示に反応するマルチプレクサと、所定のバッテリセルのパラメータ（電圧、温度など）の測定の出力表示を与える、所定のバッテリセルから電気信号を受信するためのアナログ基板と、バッテリパックの正極および負極端子を介して現れる電圧を検出する電圧検出回路と、負荷テスト、バッテリバンク充電または共通モード電圧測定を選択的に初期化するためのアドレス情報に反応する制御基板と、を備える。
【００２１】
１９９９年６月２２日に発行されたＢｅｃｋｅｒ−Ｉｒｖｉｎの米国特許第５，９１４，６０６号は、１つまたは両方の測点が典型的な差動アンプによって許容される電圧を超過する電圧にあるときに電位差測定を行う回路および方法であって、再充電可能バッテリを構成するいくつかの直列接続された電池の個別のセル電圧であって、いくつかのセル電圧は高コモンモード電圧の存在下で測定されなければならない場合に監視する上で、特に有用である回路および方法を開示する。各測点は対応する分割器の入力に接続され、すべての分割器出力は２つの出力を有するマルチプレクサに接続される。２つのマルチプレクサ出力は差動アンプに接続される。分割器が「密接に整合する」ときに、差動アンプの出力は、分割器が接続される点の対の間の差動電圧と直接的に比例し、これら２点間の差動電圧は正確に判定される。分割器は各測点の電圧を、従来の差動アンプに入力できるだけの十分に低い電圧となるように、低く分割する。各分割器の「比率」を選択することで、回路は差動電圧を測定するために、ほとんどのコモンモード電圧の存在下で用いることができる。発明は、従来の二重電源で電力供給される単一の差動アンプを必要とする。
【００２２】
１９９７年９月９日に発行されたＢｏｕｒｂｅａｕの米国特許第５，６６６，０４０号は、安全な低コストのバッテリモニタおよび制御システムを開示する。電子モジュールは、直列ストリングを形成する対応するバッテリの端子に接続される。各モジュールは、単一の３線ＬＡＮを介して各モジュールに接続されるネットワークコントローラによって読み取られる過電圧、低電圧、過温度および浮動電圧の４つのバッテリ状態のそれぞれに対するオンオフ信号を発生する。受信された情報に基づいて、コントローラは列への充電電流を調節する、充電サイクルを停止する、使用中に列から引き込まれる電流制限する、または電力を与えているシステムから列を接断することができる。コントローラは、各バッテリの充電および放電活動の履歴を記録することができ、これによって列全体を解体する代わりに一番弱いバッテリを識別して交換することができる。システムは、バッテリの端子を介してバイパス回路を接続して、過電圧条件が検出されたときに充電電流を減らす、またはストリングへの充電電流を減らすことで、充電サイクル中に各バッテリに送られる充電電流を制御して各バッテリが過充電または低充電とならないように保証する。バッテリの電圧測定は、温度依存性限度と正確に比較可能となるように温度補償される。アドレス指定可能なスイッチは双方向性であり、これによってコントローラは、例えば、寒い環境下でバッテリを温めるために、選択されたバッテリを介して接続するようにバイパスレジスタを強制することができる。
【００２３】
２００７年１２月６日に公開されたＡｌｔｅｍｏｓｅらの米国特許公開第２００７／０２７９００３号公報は、蓄電池内の複数の蓄積バッテリセル間での電荷を平衡化させるシステムを開示する。バッテリ平衡化システムセンスは、環境上の影響によって引き起こされる場合があり、バッテリ平衡システム内に含まれる負荷平衡回路の全体的な共振振動数において変化する。位相ロックループベースのコントローラを用いて、バッテリ平衡システムは共振振動数における変化を、バッテリ平衡回路の実際に感知された共振振動数に一致する周波数でバッテリ平衡回路を駆動することで補償する。
【００２４】
米国特許第７，４８９，１０７号は、蓄電装置を充電するおよびその寿命を延長するためのシステムおよび方法であって、蓄電装置の電池モデル構造を開発すること、構造の電圧値を充電−放電の動きに基づいて測定し、測定された電圧値から瞬間損傷率を得ることによって、構造の充電−放電データについてのモデルパラメータを判定する、および瞬間損傷率に基づいて充電プロファイルを開発するように電圧−充電面における充電−放電の動きを判定して、充電プロファイルがサイクルごとの損傷に対する充電電流を最適化することを提供する方法を教示する。そのシステムおよび方法は、蓄電装置の全体的な寿命を延ばすためのハイブリッドモデルアプローチを利用する。
【００２５】
米国特許公開第２０１１／０１９８９３６号は、マルチレベルコンバータを含む回路構成を教示する。マルチレベルコンバータは、交流出力電圧を与えるのに適した電圧供給端子と、電荷保管ユニットが接続されるように適合される入力端子、出力端子、および入力端子と出力端子との間に接続されて制御信号を受け取るのに適し、制御信号に依存して出力端子でデューティサイクルを持つパルス幅変調出力電圧を与えるのに適するスイッチ構成をそれぞれが含む少なくとも２つのコンバータユニットであって、電圧供給端子間で互いに直列に接続される少なくとも２つのコンバータユニットと、少なくとも２つのコンバータユニットのための制御信号を生成して、少なくとも２つのコンバータユニットの出力電圧のデューティサイクルが交流出力電圧の所望の周波数に依存し、少なくとも１つのサイクルパラメータまたは電荷保管ユニットの充電状態に依存するように適合される制御回路と、を含む。
【００２６】
米国特許第８，１８３，８７０号は、バッテリセルと相互接続される複数の変圧器を利用するバッテリシステムを教示する。変圧器はそれぞれ、少なくとも磁束が第１の方向にある第１の磁性状態および磁束が第２の方向にある第２の磁性状態において磁化するために動作可能な変圧器磁心を少なくとも１つ有する。変圧器磁心は第１の磁性状態および第２の磁性状態を、複数の変圧器を通る電流無しで保持する。電気回路は、第１および第２の磁性状態の間で、電圧を感知するおよび／または特定のセルまたは特定のセルのバンクを平衡化するために選択された変圧器磁心を切り替えるために利用される。
【００２７】
バッテリによって電力が与えられる用途では、最近、バッテリ管理および充電の目的で逆Ｈブリッジ構造を利用する努力がなされている。例えば、Ａｓａｎｏらの米国特許第４，４６７，４０７号は、直列接続される３つ以上の直流電源のグループからなるマルチレベルインバータが、所望の電圧レベルをとる複数の端子を含むグループと、所望電圧レベルに対応する端子に接続されたスイッチの接触をマルチレベルの電圧を負荷に出力するために閉じるためのスイッチのグループと、を備えるマルチレベルインバータトポロジーを教示する。Ａｓａｎｏシステムは制御回路をも含み、電圧を多相負荷に提供する方法を提供する。
【００２８】
Ｐｅｎｇらの米国特許第５，６４２，２７５号は、複数の直流源を有するマルチレベルでカスケード接続された電圧源インバータであって、これによってインバータが高電圧用途に適用可能となることを教示する。このインバータは少なくとも１つの位相からなり、各位相は独立した直流源（すなわち、バッテリ）を有する複数のフルブリッジインバータを有し、インバータは正弦波の近似値を得て、インバータは電圧平衡化および無効電力を補償する用途のために特に設計されている。
【００２９】
Ｋｉｍらの米国特許第８，３３０，４１９号は、大規模バッテリシステムの管理のための動的に再構成可能な構造を教示する。この構造は、電池故障から回復するためにどのようにバッテリセルが使用またはバイパスされるべきかを統治する１組のルール上で機能する。Ｋｉｍは、さまざまな用途で電力を供給する定電圧保持方針および動的電圧許容方針を議論し、電圧出力要件、およびバッテリストリングから電池を絶縁／除外することに焦点を当てている。
【００３０】
Ｋｉｍらの米国特許第８，５０８，１９１号は、バッテリにおける充電スケジューリングのためのシステムを、バッテリ動作をバッテリの劣化状態および負荷需要に基づいて動的に適合することでバッテリの寿命を延ばす目的で議論する。この特許はフィルタリング技術を提案し、それによって負荷需要が扱われ、またバッテリが同時に充電および放電されることを許容する「スケジューラ」を提案する。Ｋｉｍはバッテリパックを、充電される部分と、放電される部分とに分割することに焦点を当てている。これを実現するために、ＫｉｍはバッテリのＳＯＣ（充電状態）を判定する方法を提案し、フィルタリング方法を提供する。提案された発明は、バッテリのＳＯＣを検知し、それを用いて所定のセルが使用可能かを判定する方法をも提案するが、さらに負荷制御、スケーリング、および充電源の柔軟性（すなわち、ＡＣ／ＤＣ）の適用を述べるところまで進んでいる。提案された方法はまた、この著述には含まれていない故障検知および軽減をも議論する。
【００３１】
Ｇｒａｏｖａｃらの米国特許公開第２０１１／０１９８９３６号公報は、交流モータがバッテリパックなどの直流源によって駆動される必要がある用途で用いるためのマルチレベルコンバータを含む回路構成を開示する。これは、マルチレベルコンバータトポロジーを用いて、エネルギー貯蔵装置のローカル化スイッチに指令することで電荷に交流電圧を与えるべく周知のマルチレベルコンバータブリッジトポロジーに焦点を当てるＰｅｎｇらの米国特許第５，６４２，２７５号に類似する交流正弦波を構成する方法を提案する。Ｇｏｌｌｏｂらの米国特許公開第２０１１／０２６７００５号公報は、組み合わされた電気スイッチトポロジーに基づくアクティブ充電平衡回路およびエネルギー貯蔵構成方法、ならびに所定のセルがバイパスされる、または電流が所定の電池の収集にて反転されてもよいように、スイッチを制御する関連制御回路を教示する。
【００３２】
センス線にヒューズを取り付ける必要を有さないこと、各セルの電気的絶縁、セル上の制限されたリーク電流ドレイン、および個別のバッテリセルについての過充電率の制限など、最小限の複雑さを有するバッテリおよび／またはセル監視管理システムを提供することが望ましい。
【発明の概要】
【００３３】
本発明は、個々にフローティングかつ制御可能なエネルギーモジュールを含む動的再構成可能なエネルギー源を作り出す方法および装置を示し、エネルギーモジュールを測定および管理し、再構成を容易にするソフトウエアによってサポートされる。本発明は、エネルギー貯蔵装置で使用されるハードウエアを含むシステムであり、ハードウェアは、複数のエネルギー貯蔵回路と、入出力端子と、エネルギー貯蔵手段と、多重センサと、制御ユニットと、２ｎ＋２個のスイッチを有し、ここでｎは１以上でエネルギー貯蔵ユニットの数に基づいており、逆Ｈブリッジ回路または交替極性スイッチ構成に基づき、さらに後述するように、リアルタイムの管理監視制御およびスイッチングモジュールの構成を可能にするソフトウエアと併用されるスイッチングモジュールとを含む。また、ハードウエアは、制御監視回路と同様に補助装置に電力を供給する手段を提供する。ソフトウエアルゴリズムとローカル電子スイッチの組み合わせを使用することにより、本発明の性能および機能性は、充電、バッテリ管理、電源の転換や、モータもしくは負荷制御のために使用される、従来の大きく、重く、高価なパワーエレクトロニクスに基づいた製品の性能および機能性に匹敵または超越し得る。全体的に、システムは、任意の数の個別のエネルギーモジュールからなる「パック」と呼ばれ、バッテリセル（リチウム電池、鉛蓄電池またはその種の他のものであってもよい）、コンデンサまたは類似したエネルギー貯蔵装置を含む。
【００３４】
ここで使用されるように、次の定義は、本発明に適用する。
【００３５】
「動的」は、リアルタイム、連続的、もしくは瞬間的な機能性、例えば、即座に故障を検出および同程度に対策処理を行い、および／またはエネルギーモジュールを制御する能力を意味する。
【００３６】
「再構成可能」は、１つのバッテリセルなどのエネルギー貯蔵装置が、例えば電子スイッチのソフトウエア制御によって切り替えられる正極端子と負極端子の極性を有してもよいことを意味する。例えば、再構成可能なバッテリセルは、正極性、負極性、開回路、バイパス回路の4つの選択肢を有するであろう。その構成は、エネルギー貯蔵素子またはセルが搭載された追加の電子装置の動作を制御する、いくつかのソフトウエアに基づいた制御信号に依存する。
【００３７】
「システム」は、ハードウエアとソフトウエア双方に適用する。
【００３８】
「ハードウエア」は、すべてのスイッチング、検出ならびに実装デバイス、コネクタ、配線および物理チップを含む物理的な配線に適用する。
【００３９】
「ソフトウエア」は、タイミング、スイッチング、ハードウエア装置による測定から得たフィードバックまたは予測モデルのいずれかに基づいた意思決定過程を支配し制御する、制御アルゴリズムに適用する。
【００４０】
「エネルギー貯蔵装置」は、個々のバッテリセル、コンデンサ、燃料電池またはそれらの組み合わせなどその他同種のものを含む任意のエネルギー貯蔵媒体に適用する。
【００４１】
「エネルギーモジュール」もしくは単に「モジュール」は、本発明によると、2つの端子に関して、正出力、負出力、オープンまたはバイパスを提供するためのソフトウエア制御アルゴリズムおよびローカル電子機器によって制御される単一のバッテリセルのようなフローティングエネルギー貯蔵装置を含む個々のユニットに適用する。各エネルギーモジュールは、バッテリセル、ＭＯＳＦＥＴｓ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）や絶縁型制御信号、絶縁型エネルギー移送方法および絶縁型測定信号（電圧）などの電子スイッチ、といったエネルギー貯蔵装置からなる。
【００４２】
「内部エネルギー貯蔵装置」は、エネルギーモジュール内で管理および利用されているエネルギー貯蔵装置に適用する。
【００４３】
「ローカルエネルギー貯蔵装置」は、エネルギーモジュールの電源スイッチを駆動するための外部から提供されるエネルギーを貯蔵するために用いられる、追加のエネルギー貯蔵装置に適用する。
【００４４】
「パック」は、直列／並列構成の任意の組み合わせで接続されたエネルギーモジュールの集積に適用する。
【００４５】
「ストリング」は、限られた数の直列接続エネルギーモジュールに適用する。
【００４６】
「コントローラ」は、ソフトウエア制御とモニタリングプロセッサを含むマイクロプロセッサ装置に適用する。
【００４７】
「スタック」は、互いに１つまたは複数のモジュールを物理的に接続する行為に適用する。本用語は、直列または並列接続に適用することが可能で、そのように示される。
【００４８】
「ピラミッド管理構成」とは、任意のパックを管理に用いられる管理アーキテクチャに適用する。
【００４９】
「マネージャ」は、マネージャが引き受けているタスクに関連するソフトウエアでプログラムされたマイクロプロセッサに適用する。
【００５０】
「グループコントローラ」は、直列で接続された端子を有する１つまたは複数のエネルギーモジュールのグルーピングを管理するマネージャに適用する。グループコントローラは、直列接続の各先端にある単一の開放端子に２つ以上のエネルギーモジュールを有する。
【００５１】
「ストリングコントローラ」は、開放端子が直列に接続されており、１つまたは複数のグループコントローラの制御をしているマネージャに適用する。また、ちょうどグループコントローラと同様に、直列接続の各先端に単一の開放端子で２つのエネルギーモジュールが存在する。
【００５２】
「並列ストリングコントローラ」は、並列に接続されたいくつかのストリングコントローラを制御するマネージャに適用する。各ストリングコントローラは、各ストリングコントローラのストリング内に直列に設置されたスイッチを介して他から分離され得る。
【００５３】
「充電状態アルゴリズム」は、電池内で利用可能な現在のエネルギーを決定するのに用いられるモデルアルゴリズムに適用する。そのようなアルゴリズムは、その技術において知られている。１つのそのようなアルゴリズムは、ここで参考文献として含まれる米国特許第７，４８９，１０７号に開示されている。
【００５４】
「劣化状態アルゴリズム」は、ある特定の動作がセルに引き起こす損害を決定する方法を提供するアルゴリズムに適用する。そのようなアルゴリズムは、その技術において知られている。１つのそのようなアルゴリズムは、ここで参考文献として含まれる米国特許第７，４８９，１０７号に開示されている。
【００５５】
「故障予測アルゴリズム」は、エネルギー貯蔵装置が故障した場合に決定するために健全状態アルゴリズム（例えば損害率センサ）から与えられたパラメータを使うアルゴリズムに適用する。
【００５６】
「スイッチングアルゴリズム」は、各エネルギーモジュールで電力スイッチを制御することに関連した任意のアルゴリズムに適用する。これらのアルゴリズムは、本発明のエネルギーモジュール制御システムに付加されることができる他の外部センサと同様に、入力源、または電圧、電流、周波数、その他同種類のものなどの望ましい出力、ある特定のエネルギーモジュール内の利用可能エネルギー、またはエネルギーモジュールの内部エネルギー貯蔵装置の劣化状態に基づくことができる。
【００５７】
「通信プロトコル」は、ピラミッドアーキテクチャで述べたとおり、様々な管理階層の各々の間で通信するのに用いられるプロトコルに適用する。
【００５８】
「処理ユニット」は、マイクロプロセッサまたはＦＰＧＡまたは任意の計算装置に適用する。
【００５９】
エネルギーモジュールに関連する場合の「フローティング」は、接続されていない、もしくは切断されている、またはエネルギー装置を別の装置と接続するための電気スイッチが開くことによって他の装置から分離されているエネルギー貯蔵装置に適用する。しかし、そのようなエネルギーモジュールは分離されるか分離状態になることができる。すべてのモジュールがバイパスされた場合には、すべてがフローティング状態である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
本発明の上記および他の特徴と利点は下記の付随する図に関連する説明を読むことにより本発明に関連する当業者に明らかになるであろう。
【図１】図１は逆Ｈブリッジエネルギー貯蔵装置の回路図であり、外部電池故障を絶縁する能力を提供している追加スイッチもまた示されている。
【図２】図２は逆Ｈブリッジエネルギー貯蔵装置の一般的なグルーピング化された接続の回路図である。
【図３】図３はエネルギー貯蔵装置に接続された交替極性を持つエネルギーモジュールの回路図である。
【図４】図４はエネルギー貯蔵装置に接続された交替極性の一般的なグルーピング化された接続の回路図である。
【図５Ａ】図５Ａ，Ｂ，Ｃは出力を介して４×Ｖｄｃの出力をするよう構成された交替極性構成内の４つのグルーピング化されたエネルギー貯蔵装置の部分回路図であり、エネルギー貯蔵装置をバイパスするための構成を示している。
【図５Ｂ】図５Ａ，Ｂ，Ｃは出力を介して４×Ｖｄｃの出力をするよう構成された交替極性構成内の４つのグルーピング化されたエネルギー貯蔵装置の部分回路図であり、エネルギー貯蔵装置をバイパスするための構成を示している。
【図５Ｃ】図５Ａ，Ｂ，Ｃは出力を介して４×Ｖｄｃの出力をするよう構成された交替極性構成内の４つのグルーピング化されたエネルギー貯蔵装置の部分回路図であり、エネルギー貯蔵装置をバイパスするための構成を示している。
【図６】図６は内部および外部のローカルエネルギー貯蔵電源からのエネルギー経由の逆Ｈブリッジトポロジーの絶縁された制御と電力の回路図である。
【図７】図７はブリッジ回路への電力供給を絶縁する方法の回路図である。
【図８】図８は電力補助回路に使われているエネルギー貯蔵装置を用いたアクティブなエネルギー移送回路を持つ直列に接続されている逆Ｈブリッジモジュールを示す回路図である。
【図９】図９は補助回路への電力供給を可能にする受動回路を持つ直列に接続されている逆Ｈブリッジモジュールを示す回路図である。
【図１０】図１０は直接物理的接続経由のエネルギーモジュール内からの内部エネルギー貯蔵装置の並行配置を示す回路図である。
【図１１】図１１はエネルギーモジュール内からの内部エネルギー貯蔵装置の並行配置を示す回路図である。各エネルギー貯蔵装置は特定の貯蔵装置を取り除く能力を与える個々のスイッチに接続されている。
【図１２】図１２。
【図１３】図１３は複数のグループコントローラを制御するストリングコントローラである。
【図１４】図１４はディレクタ、コーディネータ、並列ストリングコントローラ、ストリングコントローラを持つマスタコントローラを含む制御アーキテクチャ階層の図である。
【図１５】図１５は放電にともなうエネルギーモジュールパックの操作のフローチャートである。
【図１６】図１６は充電にともなうエネルギーモジュールパックの操作のフローチャートである。
【図１７】図１７は一般化された階段波形の回路図である。
【図１８】図１８は可変直流電源の能力を可能にする共通の参照地点を持つ複数の直列接続エネルギーモジュールを示す回路図である。
【図１９】図１９はエネルギーモジュールパック内の圧力を感知する光センサを示す図である。
【図２０】図２０は２つの直列接続エネルギーモジュールが並行に接続されている接続を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６１】
本発明は、エネルギー貯蔵装置がリアルタイムで可変出力電源を生成するように配置できる完全に構成可能なエネルギーユニットになるように、絶縁エネルギー貯蔵装置における充電と負荷を管理するために、ｎが１以上であって貯蔵ユニットの数に基づく場合、電源管理システムが、２ｎ＋２個のスイッチを有するスイッチモジュールの設計に基づくことができるという発見の結果である。同様に、絶縁エネルギー貯蔵装置は、最適かつ直流または交流の外部入力電源からエネルギーを受けるよう再構成可能である。本発明が携帯用電子機器、無停電電源装置、電気自動車の電源システム、風力発電システム、太陽光発電システム、グリッドエネルギー貯蔵システムのような様々な電力供給管理システムに適用できることが高く評価されるであろう。
【００６２】
本発明は、エネルギーモジュール回路中に使用されるスイッチのフェイルセーフ動作を提供する機器および方法と、制御されたエネルギー貯蔵の用途におけるローカルの補助電源に電力を供給する機器および方法と、直列接続されたエネルギー貯蔵装置にエネルギーを移送する機器および方法と、逆Ｈブリッジトポロジー上で動的に構成可能なエネルギー貯蔵アプリケーションに必要なスイッチを減少させる機器および方法とを含む、貯蔵装置の監視、管理および制御のための様々な方法と用途を含む。本発明のエネルギー移送方法と機器は、バッテリパックのリアルタイムの充電および放電の均等化のため、制御装置を採用しないエネルギー貯蔵装置の初期構成を設定するため、異なる接地基準のバッテリ電圧を測定するため、および並列エネルギー貯蔵装置を制御するために採用されている。本発明の機器と方法はまた、動的に再構成可能なエネルギー貯蔵装置に自動的に適応する追加の受動回路が、監視、制御または他の補助装置、付随システム、および／または電気回路に補助電力を供給することを可能にする。本発明のソフトウエア管理構造は動的に再構成可能なエネルギー貯蔵装置を可能にし、電力を異なる接地基準のコントローラと電気装置へと移送する方法を可能にし、バッテリ管理および制御のためのピラミッド型スイッチング構造の用途を可能にする。本発明の機器と方法は、漏電発生後にパックの機能性を有効にするためのバッテリパックの漏電保護、動的に再構成可能なエネルギー貯蔵装置を可能にする通信プロトコル、および１つのバッテリパックから複合的で可変の直流電源を作り出す方法を提供する。本発明はまた直流および／または交流電源から素早く充電する方法も提供している。
【００６３】
本発明の基本的な基礎的要素は、図１と図３に示されるエネルギーモジュールである。エネルギーモジュールは、単一のエネルギー貯蔵装置１０、ハードウエア電子機器、およびハードウエア電子機器を制御するために使用されるソフトウエア制御信号から構成されることができる。また図１には、制御されたエネルギー貯蔵装置を使用から除外することを可能とするために冗長能力を提供する任意選択絶縁スイッチ１５と１６が描かれている。絶縁スイッチ１５は、残りのエネルギーモジュールからエネルギー貯蔵装置への電気接続を開く状態にする。絶縁スイッチ１６は、一方で接続ポイントＩＯＡとＩＯＢを短絡させる。これらは、機械式リレーおよびマイクロ電気機械式リレーなどの絶縁スイッチにより実現することができる。エネルギーモジュールの中心的構成要素は、点線内に含まれており、１７として示されている。スイッチ構成要素１５は、エネルギーモジュールの任意選択部品であり、後により詳しく説明する。本発明は、図２および４に示されるように、非常に大きい（１００，０００＋モジュール）または非常に小さい（＜１００モジュール）かのどちらかであり、各サイズがその中間であるエネルギーモジュール配列と同じ設計に基づいて縮尺されている複数のエネルギーモジュールの能力を提供する。エネルギーモジュールは、図１および３に示されるように、その出力を再構成するよう制御される。
【００６４】
図１および３において、出力端子はＩＯＡおよびＩＯＢとして表示されている。図１は、逆Ｈブリッジに基づいたエネルギーモジュール構成を示し、エネルギーモジュール逆Ｈブリッジ（またはＥＭ−ＩＨ）として指定設計される。図３は、交替極性を可能にし、エネルギーモジュール交替極性（またはＥＭ−ＡＰ）として指定されるであろう回路に基づいたエネルギーモジュールを示す。これらのエネルギーモジュール２ｎ＋２スイッチ、ここでｎは１以上であってエネルギーモジュールの数に基づいている。複数のエネルギーモジュール配列において、ＥＭ−ＩＨ構成の場合、スイッチの数は２（ｎ＝１）＋２からはじまる４ｎであろう。ＥＭ−ＡＰ構成の場合、スイッチの数は２ｎ＋２の数列に従って連続するであろう。ＥＭ−ＩＨは、ｎが１の場合最少で４つのスイッチを有し、モジュールが下記構成の出力ができるようにする（４つのスイッチは図１に示される１１、１２、１３および１４として指定されている）：
【００６５】
１．ＩＯＡおよびＩＯＢ出力端子に関して正分極化した出力電圧（１２と１３は開、１１と１４は閉）
２．ＩＯＡおよびＩＯＢ出力端子に関して負分極化した出力の電圧（１１と１４は開、１２と１３は閉）
３．バイパス（１１と１３は閉、１２と１４は開）または（１２と１４は閉、１１と１３は開）
４．開放（１１、１２、１３、１４全て開）
５．短絡（１１と１２が閉、または１３と１４が閉）この構成は電池が完全に開いているかまたは電池の配線中にヒューズがある場合にのみ用いられることに注意。この状態はヒューズを飛ばしエネルギー貯蔵装置をパックから意図的に取り除く大容量の電流を誘導する誘因となることができる。
【００６６】
エネルギーモジュールのグルーピングを形成するために、１つのモジュールのＩＯＢが別のＥＭ−ＩＨのＩＯＡと接続するような２つ以上のＥＭ−ＩＨを接続することによってこれが完遂できる。可変出力の電圧は、図２に示されるように、ＥＭ−ＩＨのグルーピングから発生させることができる。直接的に発生することができる可変出力の電圧は、エネルギーモジュール内の各内部エネルギー貯蔵装置から供給される可能な出力の組み合わせから構成される離散化された電圧段階としての電圧である。この構成で内部エネルギー貯蔵装置の数が「ｎ」であり、それらの内部エネルギー貯蔵装置のいずれも並列に接続されていない場合、このエネルギーモジュール構成と可変出力の電圧を実行するために４×ｎのスイッチを使用する必要があるであろう。
【００６７】
エネルギーモジュールのグルーピングに変量を与える代替の選択肢が必要なスイッチの減少を可能にすることが以下のとおり開示される。この構成は、エネルギーモジュール−交替極性（ＥＭ−ＡＰ）としてより詳細に示される。スイッチの減少を達成するため、図３に見られるように、極性が交替する内部エネルギー貯蔵装置が少なくとも２つ必要である。この構成において、前記のＥＭ−ＩＨ構成において述べられたとおり同じ離散化された可変電圧出力が発生され得る。このタイプの構成を使用する主な利点は、ｎがグルーピング中の内部エネルギー貯蔵装置の数である場合、スイッチの数が２（ｎ−１）＋４（簡約すれば２ｎ＋２）に減少することである。２（ｎ−１）＋４の式は、この形式において、図４に描かれているとおり、ＥＭ−ＡＰ構成の発生形式で必要なスイッチの数と数学的に相関させるために書かれている。「２（ｎ−１）」は、２つのスイッチがすべての「ｎ」個の内部エネルギー貯蔵装置の間に接続されていることを表す。「＋４項」の数に関して、この数は２組がグルーピング全体の各端にある４つの追加スイッチを表している。それぞれ隣接する内部貯蔵装置が反対の極性であるよう配置され、ゆえにエネルギーモジュール−交替極性が設計されるよう各内部貯蔵装置が配置されている。図３に示されるスイッチは、３１、３２、３３、３４、３５および３６として示されている。スイッチ位置の構成に基づき、端子ＩＯａおよびＩＯｂに現れる電圧は下記のいずれかである。
【００６８】
１）正極性：
ａ．＋２Ｖｃｅｌｌ（アクティブスイッチ３４，３２，および３６がＯＮの状態）
ｂ．＋Ｖｃｅｌｌ，この出力状態は２つの異なるスイッチングの組み合わせによって誘導することができる。
ｉ．３４，３２，および３３がＯＮの状態
ｉｉ．３１，３２，および３６がＯＮの状態
【００６９】
２）負極性：
ａ．−２Ｖｃｅｌｌ，能動スイッチ３１，３５，および３３がＯＮの状態
ｂ．−Ｖｃｅｌｌ：この出力状態は２つの異なるスイッチングの組み合わせによって誘導することができる。
ｉ．３１，３５，および３６がＯＮの状態
ｉｉ．３４，３５，および３３がＯＮの状態
【００７０】
３）バイパス：〜０  この出力状態は２つの異なるスイッチングの組み合わせによって誘導することができる。
ａ．３１，３２，および３３がＯＮの状態
ｂ．３４，３５，および３６がＯＮの状態
【００７１】
４）開路：
ａ．３１および３４がＯＦＦの状態
ｂ．３２および３５がＯＦＦの状態
ｃ．３３および３６がＯＦＦの状態
【００７２】
５）短絡：この構成は電池が完全に開いているかまたは電池の配線中にヒューズがある場合にのみ用いられる。この状態はヒューズを飛ばしエネルギー貯蔵装置をパックから意図的に取り除く大容量の電流を誘導する誘因となることができる。
ａ．３１および３４がＯＮの状態
ｂ．３２および３５がＯＮの状態
ｃ．３３および３６がＯＮの状態
【００７３】
ここで、Ｖｃｅｌｌは、セルの電圧である。
【００７４】
図４は、ｎ個の電源を採用することによってＶｄｃの段階により（−２ｎＶｄｃから＋２ｎＶｄｃ）の範囲を有する出力電圧を制御するための２ｎ＋２個のスイッチが必要とされることを示す。（これは各内部電源の電圧がＶｄｃの値と同じであるという仮定においてである。異なる電圧を有する場合は、異なる内部エネルギー貯蔵装置の電圧により幅と段階が単純に異なる。）表１は、スイッチの数とＥＭ−ＩＰコンバータトポロジーと比較したＥＭ−ＡＰ新規トポロジーにおける可能な電圧レベルを描いている。表１からは、ＥＭ−ＡＰが同じ電圧を出力する能力を維持しながらＥＭ−ＩＨグルーピングの概念より少ない２ｎ−２スイッチを必要とすることが分かる。必要なスイッチ数が少ない場合、各スイッチを介して電圧の低下数が減り、今度は効率を向上させる。スイッチの減少はまた、起こり得るスイッチ故障の数を減らすことによって信頼性を向上させる。ＥＭ−ＩＨグルーピングとＥＭ−ＡＰグルーピングとの主たる差異の１つは、仮に一方のエネルギー貯蔵装置がＥＭ−ＡＰグルーピング内からの操作から取り除かれる必要がある場合、グルーピングが機能性を継続できるよう隣接するセルもまたバイパスされなければならないという点である。
【００７５】
これはエネルギー貯蔵装置の交替極性が保持されることを可能にすることが必要である。同数の隣接するエネルギー貯蔵装置は取り除かれなければならない。この説明に明確性を提供する助けとなるようセルの除去の一例が以下に続く。
【００７６】
【表１】
2019110750.tif 000003
【００７７】
図５は、それぞれ５２０、５２１、５２２、５２３と符号が付され、任意の電圧「Ｖｄｃ」を有する４つのエネルギー貯蔵装置の使用法を示す。強調された線とスイッチは、グルーピングの出力が出力電圧として４ｘＶｄｃであるように構成されている。エネルギー貯蔵装置５２１がグルーピングから取り除かれる必要があると仮定する。２つの選択肢がある：第一の選択肢は図５Ｂに示されているように取り除かれるべき望ましいエネルギー貯蔵装置の右側のスイッチングの条件を変えることである。５０３と５０８は補完スイッチであるため、５０３が閉じられ５０８が開かれている場合、エネルギー貯蔵装置５２１と５２２がグルーピング全体の出力から取り除かれる。これにより、望ましいエネルギー貯蔵装置５２１がバイパスされ不使用とされることが可能となるが、一方で貯蔵装置５２２もまた不所望に取り除かれている状態にすることが可能となる。貯蔵装置５２１をバイパスすることによってエネルギー貯蔵装置５２０と５２２が正確に直列に接続される場合、５２０と５２２の有効な出力電圧は反対となり、その結果互いに打ち消し合うことに注意。エネルギー貯蔵装置５２０と５２２の電圧が相殺する場合、グループからの最大電圧出力はエネルギー貯蔵装置５２３の電圧となるであろう。しかし、２つのエネルギー貯蔵装置（５２１と５２３）を共にバイパスすることによって、グルーピングからの最大出力電圧がエネルギー貯蔵装置５２０と５２３の出力から入手可能となる。第二の選択肢は図５Ｃに示されているように取り除かれるべきエネルギー貯蔵装置の左側のスイッチング構成を単に変えることである。ある特定の望ましい出力のためにセルを除去する必要がある他の条件においても同様の手法を使うことができる。ＥＭ−ＩＨ構成と対照的に、１つのセルのみを一度に除去すべきであり、従って１つの電圧出力のみがＥＭ−ＩＨグルーピングからの最大出力電圧から取り除かれる。
【００７８】
前述のとおり、離散化された出力電圧のみがエネルギーモジュール（グルーピング内における内部エネルギー貯蔵装置の電圧の組み合わせを含む）のグルーピングからの出力となることができる。この概念の一例として、電圧１Ｖ、１．５Ｖ、２Ｖを有する３つのバッテリセルを含む仮想のエネルギーモジュールグルーピングがある場合、グルーピングからの可能な出力電圧は次の値の正と負の値である：０Ｖ、１Ｖ、１．５Ｖ、２Ｖ、２．５Ｖ、３Ｖ、３．５Ｖ、４．５Ｖ。フィルター要素（例えばキャパシタ、インダクタおよび／または活性フィルター要素など）の追加使用と選択したフィルター要素のために設計されたスイッチングの頻度にともなって、離散化された値以上に追加電圧が発生することができる。２つの離散段階の間のスイッチング（例えば正極化とバイパスの間の単一のエネルギーモジュールの状態のスイッチング）によって離散段階の間の追加出力電圧が可能となる。例えば、５０％デューティサイクル（すなわちＯＮが５０％、ＯＦＦが５０％）の高頻度での正極化とバイパスの間のエネルギーモジュールのスイッチングは、内部エネルギー貯蔵装置５０％の出力電圧を可能とするであろう。もちろんこれは、回路の設計が簡単であり文献において周知である適切に設計されたローパスフィルターネットワークを仮定している。これは、ある固定時間内のオン時間とオフ時間との割合を基本的に制御するパルス幅変調として知られている。エネルギーモジュールのグルーピングの場合、パルス幅変調は１つまたは複数の内部エネルギー貯蔵電圧の割合である出力電圧段階を達成することを可能にする。１Ｖ、１．５Ｖおよび２Ｖの電圧を有するバッテリセルを有するエネルギーモジュールグルーピングのもとの例にもどる。８０％のデューティサイクルで１Ｖでありエネルギーモジュールグルーピングの出力上にローパスフィルターがあるエネルギーモジュールのパルス幅変調を用いて、０．８Ｖの電圧出力が達成できる。本発明の当該概念を用いることにより、さらに大きな幅での出力電圧が達成できる。
【００７９】
これは、セル自体の増加分の間の電圧を可能にするので、全電圧に対してより細かな制御が要求された場合にそれが要求される。例えば、この概念に該当しないグルーピングの各電池が３Ｖであった場合、選択肢はモータを３Ｖ（１つの電池）、６Ｖ（２つの電池）または９Ｖ（３つの電池）で走らせることである。より精度の高い出力電圧またはスピード制御のためには、エネルギーモジュールが効果的な１．５Ｖで出力されるような５０％デューティサイクルの１つのエネルギーモジュールに切り替えることが好ましいといえる。また、デューティサイクルへのスイッチングと同時に、熱に関するスイッチング損失がある。エネルギーモジュールが実際にデューティサイクルスイッチングを実行するラウンドロビン型の選択を実施することによって、いくつかのエネルギーモジュールに放熱を分散させることができ、より小さなヒートシンクを可能にする。さらに、そのような出力電圧の精度の高い調整は、下流の電圧調節をなくし、全体の性能を向上させ、効率を上げてシステムの平衡性を低減させる。
【００８０】
大きなエネルギー貯蔵システムを形成するためにエネルギーモジュールを合わせて接続した場合、エネルギーモジュールグルーピング内の各スイッチを適切に駆動するために絶縁したスイッチで駆動する電気回路または電圧レベルシフト回路の必要性が要求される。本発明は、エネルギーモジュール回路のフェイルセーフ動作の提供方法と制御されたエネルギー貯蔵用途におけるローカル的な補助電源への電力供給方法を提供する。これは、絶縁制御システムのインテリジェントマネージメントと制御がシステムの追加の特徴と故障への耐性を提供する一方で、エネルギー貯蔵システムの結果のスケーラビリティを可能にする。
【００８１】
エネルギーモジュールのスイッチは、内部エネルギー貯蔵装置または外部電源のいずれかによって駆動および電力供給を受けることができる。図１に示されるように、エネルギーモジュールはエネルギー貯蔵装置と、４つのスイッチ１１，１２，１３，１４と、２つの入力／出力ポイントＩＯＡ，ＩＯＢとを含む。スイッチがエネルギーモジュールの内部貯蔵装置から駆動および電力を受ける場合、内部貯蔵装置が低電圧状態または低充電状態に陥ったときに問題が生じる。これはエネルギーモジュールのスイッチを制御する電力が十分にない、という結果になる。エネルギーモジュールを制御する論理は、アプリケーションの実行を中止または低充電状態の特定のエネルギーモジュールを飛ばすことにより、その問題が生じることを防止できるはずである。しかし、セルの欠陥（例えば、回路を開くことの失敗や短絡）によりセルが故障した場合、スイッチへの電力供給に関する問題が残る。
【００８２】
また、それらのスイッチは、外部電源から駆動されてもよい。外部源でスイッチが駆動されることによって、エネルギーモジュールのエネルギー貯蔵装置の充電状態にかかわらず、スイッチを制御することができる。「外部動力」スイッチとは、スイッチ駆動回路が内部エネルギー貯蔵装置以外の別の独立した電源から電力を受けていることを意味する。言い換えれば、独立した外部エネルギー貯蔵装置がスイッチ回路への電力供給およびスイッチ回路の駆動に使われるであろう。これは、具体的にスイッチの駆動に使用または貯蔵するために外部電源がエネルギーモジュールにエネルギーを送ることを意味できる。別の選択肢は、代わりに本質的に外部から駆動するスイッチを使用することである。この一例は、メカニカルスイッチ（例えば、機械式リレーまたはリードスイッチ）であろう。メカニカルスイッチは、エネルギーモジュールの貯蔵装置の状態に関わらず外部から制御することができる。しかし、メカニカルスイッチは、スイッチの速度や比較的高い消費電力などの性能の限界を有する。ソリッドステートリレーまたはＭＥＭＳリレーは、スピードの要求とより低消費電力に応じることができ得る代替選択肢でもある。
【００８３】
故障したまたは低電圧のエネルギーモジュールのエネルギー貯蔵装置を迂回する手段なくして、エネルギーモジュールの電源スイッチは制御できない。電源スイッチが制御できない場合は、特定のエネルギーモジュールが状態を変えるよう指令を受けることができないであろう。電源スイッチが半導体装置である場合は、充電／放電する能力に影響を及ぼすであろう。半導体装置は、スイッチとして使用される時に端子において適切に作動するための特定の電圧または電流バイアスを要求するため、充電／放電機能が影響を受ける。適切なバイアスが与えられていないと、半導体電源スイッチは、開閉スイッチ指令の制御信号に関係のない不明な状態に切り替わることがある。ここで、ＥＭ−ＩＨ構成が示され説明されているが、前記の説明はＥＭ−ＡＰ構成にでも適用できることに注意。従って、追加の概念がＥＭ−ＩＨ構成に関して説明される時、他に断りがない限りこれらの概念は簡単にＥＭ−ＡＰ概念にも引き継がれ適用されることができる。
【００８４】
エネルギーを外部電源からエネルギーモジュールに送る概念を広げるために、図６はこの機能を提供する回路を示す。描かれているのはエネルギーモジュールの貯蔵装置と外部電源を用いたハイブリッドである。追加の、比較的小さなローカルエネルギー貯蔵装置が、ゲート駆動回路に電力を供給するために使用できる。図６は、前記４つの電源絶縁スイッチの組とエネルギー貯蔵装置を含むシステムを示す。これらの基本的構成部品に加えて、図には４つのスイッチの組のための駆動回路とゲート駆動回路がそこから電力を得る追加の「ローカルエネルギー貯蔵装置」も示されている。このローカルエネルギー貯蔵装置は、図で示されたパルス変圧器経由または図６に示されている内部エネルギー貯蔵装置へのダイオード接続経由で外部電源から電力を受ける。追加のローカルエネルギー貯蔵装置に電力を送るために、関与する過程には電力の「パケット」をコントローラ自体のエネルギー貯蔵から送るための変圧器のパルシング（pulsing）が含まれる。エネルギー移送率はコントローラ（または他の任意の計算装置）を通して制御される。あるいは、エネルギーモジュールの内部エネルギー貯蔵装置が充分な高圧電位を有する場合、図６に示されるダイオード接続経由で電力をローカルエネルギー貯蔵装置に移送するであろう。ローカルエネルギー貯蔵装置において利用可能な電力とマイクロコントローラから供給される電気絶縁された制御信号の組み合わせを用いて、エネルギーモジュールの電源スイッチは制御可能である。言い換えれば、ローカルエネルギー貯蔵装置経由で順に電力を得ているエネルギーモジュールの電源スイッチ駆動回路を制御するために絶縁型信号が使用される。
【００８５】
これらの追加のローカルエネルギー貯蔵装置は、米国特許第８，２６９，４５５号における開示を含む１つのエネルギー貯蔵装置から別のエネルギー貯蔵装置への電力移送に関係しローカルエネルギー貯蔵への比較的低容量の移送能力を教示する参考として取り入れられた発明を含む既知の方法と同様に他の外部絶縁電力移送方法によっても駆動させることができる。本発明では、エネルギーモジュールの出力構成を制御するために、順にスイッチ駆動回路に電力を供給するために用いられる。基本的なＨブリッジ構造が知られており、米国特許第４，４６７，４０７号および米国特許第５，６４２，２７５号に示され、同様にそれぞれ参考として取り入れられている米国特許公開第２０１１／００２５２５８号公報；２０１１／０１９８９３６号公報および２０１１／０２６７００５号公報に示されている。本発明は、システム内の故障への耐性およびフェイルセーフ操作を成し遂げるだけでなく、故障を避けるために単一のバッテリセルをバイパスする方法、およびセルの絶縁またはスイッチの外部電力を処理する方法を提供しているため、本発明でのＨブリッジ回路の使用は異なっている。既知の先行技術を用いたシステムでは、それらは外部動力であらねばならず、さもなければ機能することができない。さらに、本発明はセルレベルで電流を測定し、充電状態（またはＳＯＣ）を測定するためのリアルタイムモデル化法を用いている。本発明は既知の、例えば参考として取り入れられ、ＳＯＣ検知法およびシステム管理方法を教示する米国特許第７，４８９，１０７号に開示されているバッテリセル変動のリアルタイムモデル化法を活かす能力を有する。
【００８６】
この追加の「ローカルエネルギー貯蔵装置」を必要としない「外部電力」絶縁スイッチのもう１つの代替方法が図７に示される。変圧器は１つの一次巻線と２つの二次巻線とを採用する。再び、図７は前記４つの電源スイッチと内部エネルギー貯蔵装置のセットを含む。変圧器の一次巻線は正極または負極のどちらかのパルスが送られる。一次側へのパルスの極性が、各半ブリッジのスイッチがＯＮの電源スイッチの上部または下部のいずれかを決定する。本質的に、この構成はこれら４つの（パルス変圧器経由の）絶縁制御信号を通じた電源スイッチの代替的制御方法を可能にする。この代替方法においては、スイッチは外部電源経由で直接駆動される。望ましいエネルギーモジュールの出力によって、入力１および入力２が高くまたは低く構成される。図に描かれているように、各入力、入力１および入力２は別々のＮＯＴゲートから単に入力される。これらのＮＯＴゲートは電圧源、すなわちＶＤＤから順に電力を受ける。ＶＤＤは、絶縁されており、入力１および入力２に信号を提供する外部コントローラ（例えばマイクロコントローラまたはＦＰＧＡ装置など）と同じ接地基準を有する。さらに、ＶＤＤがＮＯＴゲートへのスイッチをＯＮまたはＯＦＦにすることを可能とするＮＯＴゲートの電力端子に接続されているスイッチがある。ＶＤＤがＮＯＴゲートへのスイッチをＯＮにすると、コイルはそれを介して電位を有し、電流は入力１および入力２の値によって誘導される。ＶＤＤがＮＯＴゲートへのスイッチをＯＦＦにすると、ＮＯＴゲート出力は高インピーダンス状態となり、従ってそれ以上駆動できない。この状態では、電流は誘導されない。望ましいエネルギーモジュールの状態は次の：バイパスされ、負極の出力を有し、または（前記のとおり）正極の出力を有する状態、のみである場合、２つの独立信号の最小値がこれらのスイッチを駆動するよう要求される。これが図７に描かれている構成である。電源スイッチをアクティブに駆動するために、ＶＤＤのスイッチは、変圧器内の電流を誘導し絶縁した故障物を介して電源スイッチを駆動するための電力を移送するようＯＮおよびＯＦＦのパルスを送られなければならない。ＶＤＤが双方のＮＯＴゲートにパルスを送る限り、エネルギーモジュールの状態を変えることができる。状態は次に入力１および入力２の値に単に依存する。入力１が高く入力２が低い場合、正極の出力状態はアクティブである。同様に、入力１が低く入力２が高い場合、負極の出力状態がアクティブである。最後に、入力１と入力２が共に低いか共に高い場合、バイパス状態がアクティブである。
【００８７】
ある種の計算装置またはコントローラがエネルギーモジュールとその使用についての前記の説明に暗に言及されている。このコントローラは直列に接続されているエネルギーモジュールのグルーピングを監視および管理する。監視は、エネルギーモジュールの劣化状態と貯蔵された電力の点検を含み、制御はエネルギーモジュールの出力構成の変更を含む。複数のエネルギーモジュールのグルーピングはさらに詳しく後述される。制御装置および／または他の補助装置に電力を供給するために追加のバッテリセルなどの追加電源を供給する必要がないことが有利な点であろう。追加電源は管理、充電および監視の必要があるだろう。あるいは、必要な電力を直接供給するために、１つのエネルギーモジュール内部の１つまたは複数の内部エネルギー貯蔵装置を使用することが可能であろう。しかし、このケースでは、たとえエネルギーモジュールグルーピングが稼働しているアプリケーションが用いられていない場合でも、他より大きな電力が特定のエネルギーモジュール内部エネルギー貯蔵装置から直接引き込むであろう。これは、エネルギーモジュールのグルーピングが長期間にわたって充電されないという非理想的な状態となるであろう。これは、貯蔵装置が故障を有しかつ制御装置に電力を供給し続けるには電力が十分でない時点でエネルギーモジュールの内部エネルギー貯蔵装置が破損するまで過放電する結果になる可能性がある。他のエネルギーモジュール貯蔵装置よりもはるかに大きい電力をコントローラに供給するために用いられているエネルギー貯蔵装置の大きさを変えることは可能であるが、グルーピングが一定期間充電されない場合は同じ問題に到達するだけであろう。この構成における追加電源の需要またはエネルギーモジュール内部貯蔵装置の１つを直接利用する必要性を取り除くために、複合エネルギーモジュール自体のグルーピングから電力を得ることができることは有利な点であろう。エネルギーモジュールのグルーピングからエネルギーを供給する能動的な方法と受動的な方法が開示されるであろう。
【００８８】
下記はグループ内の１つまたは複数のエネルギーモジュールからもう１つの別のエネルギー貯蔵装置へ電力を移送する能動的な方法であり、追加の回路が要求される。４つの追加スイッチ、インダクタおよびエネルギーモジュールグループの出力を介したダイオードを加えることにより、１つまたは複数のセルから図８の点線で描かれた枠内に示され８０１が付されているような別のエネルギー貯蔵装置へと電力が移送されることができる。この電力は、電力制御および監視回路、またはエネルギーモジュールグルーピング全体の出力によって直接に駆動されない他の任意の電気回路に利用される補助電力を供給するために使用されることができる。一例として、エネルギーモジュールのグルーピングがゴルフカート内のモータを直接駆動するために使用される場合、補助電力は制御装置、＋１２Ｖのラジオ、ヘッドランプ、および他の付属品に電力を送るために使われるであろう。少なくとも１つのエネルギーモジュールが直列に接続されたエネルギーモジュールストリング内のエネルギーモジュールの端子を介して正極または負極の出力に接続されていると仮定すると、この出力の潜在能力は別のエネルギー貯蔵装置に電力を移送するのに使用されることができる。この点線で描かれた枠内の電気回路は基本的にＨブリッジ回路およびバックコンバータである。Ｈブリッジの部分は、エネルギーモジュールのグルーピングから流入する電力が別のエネルギー貯蔵装置を充電するために望ましい極性に切り替えられることを可能にする。インダクタとダイオードは電流と別のエネルギー貯蔵装置の充電を調整するバックコンバータを形成する。また、切り離されたエネルギー貯蔵装置内の電力は、電力コントローラまたはエネルギーモジュールが管理している監視および制御を提供するのに使用される任意の電気回路に特に使われる。コントローラはエネルギーモジュールの管理しているエネルギーモジュールの出力構成の管理を支配することになるため、コントローラが電力を得ている別のエネルギー貯蔵装置を充電するためにＨブリッジ回路をどちらに切り替えるかが分かるであろう。エネルギーモジュールトポロジーの性質上、パック内には一貫した接地基準は存在しないため、この考えは価値がある。従って数個のコントローラを有することができる非常に大きなエネルギーモジュールパック内において、エネルギーモジュールパック内の制御装置に電力を送るための追加の外部電源を有さず、なおスケーラビリティを簡易にすること（追加の電力供給方法を提供しそれぞれ追加の制御装置を管理する必要なく）は有利な点である。
【００８９】
下記は、グルーピング化された構成内の１つまたは複数のエネルギーモジュールから電力を転送し、再び前記補助エネルギーを供給する受動的な方法である。受動回路は１つのエネルギーモジュールにつき２つのダイオードの追加で構成される。これは図９にグルーピングに接続されたエネルギーモジュールの一般化された符号とともに描かれている。第一のダイオードのアノードは内部エネルギー貯蔵装置の正極端子に接続されており、第二のダイオードのカソードは電池の負極端子に接続されている。図９に示されるとおり、それぞれのエネルギー貯蔵装置の正極端子に接続されたすべてのダイオードは、それらのカソードにつながれている。同様に、それぞれのエネルギー貯蔵装置の負極端子がオフのすべてのダイオードは、アノードにつながれている。共通の接続点９０３および接続点９０４は、それぞれ補助電力回路のための正極接続点および負極接続点である。これらの２つの共通の接続点は９０６によって示される補助回路に接続している。補助回路が含むことのできる要素の例：補助電力についての前記説明で述べた任意の他の補助装置と同様に、制御および監視装置に電力を送るために使用することができるであろう調整回路（すなわち、リニアレギュレータまたはＤＣ／ＤＣコンバータ）。
【００９０】
９０３および９０４間にどのくらいの電圧が発生するかについて、３つのケースが考えられる。これらの３つのケースはグルーピング内のエネルギーモジュールの構成および出力端子９０１および９０２への出力の集合結果に相関する。一般的な負荷が９０５として示されている（例えばモータ、ＬＥＤランプ、ＡＣ装置など）。参照および説明のために、９０１と９０２はそれぞれ正極と負極として示されている。考えるべき第一のケースは、９０１および９０２を介して正極出力においてある特定の強度の出力をするようエネルギーモジュールが構成されている場合である。第二のケースは、９０１および９０２を介して負極においてある特定の強度の出力をするようエネルギーモジュールが構成されている場合である。第三のケースは、９０１および９０２を介する出力電圧がない場合（すべてのエネルギーモジュールがバイパス状態または開路の状態である場合）である。
【００９１】
正極の出力が９０１および９０２端子でなされる第一のケースにおいて、補助回路入力端子９０３および９０４を介して発生する電圧の極性もまた正極となる。補助回路入力端子９０３および９０４を介して発生する電圧の強度は、負荷出力端子９０１および９０２に向かう出力に依存する。個々のエネルギーモジュールの構成に依存して、「Ｖｃｅｌｌ」が各エネルギー貯蔵装置からの公称電圧で「ｎ」がエネルギーモジュールの総数である場合補助回路の入力端子への強度は［＋（Ｖｃｅｌｌ），＋（ｎ×Ｖｃｅｌｌ）］の幅となる。補助回路は、この正極で変化している強度を取って、それ自体の構成要素にＤＣ／ＤＣコンバータ経由で電力を送るためにその強度を必要な望ましい電圧に転換するよう設計されるであろう。
【００９２】
負極の出力が負荷端子９０１および９０２でなされる第二のケースにおいて、補助回路入力端子９０３および９０４を介して発生する電圧の極性もまた偶然に正極のままである。この特徴の結果、第二のケースは第一のケースと同じ動きをし、そしてさらに個々のエネルギーモジュールの構成に依存して、補助回路の入力端子への強度は［＋（Ｖｃｅｌｌ），＋（ｎ×Ｖｃｅｌｌ）］の幅となる。またこの正極で変化している強度はＤＣ／ＤＣコンバータ経由で補助回路の構成要素によって必要に応じて転換されることができる。
【００９３】
第三のケースでは、すべてのエネルギーモジュールが開路の状態またはバイパスの状態であり、エネルギー貯蔵装置が互いに並列に有効に接続されている。すべてのエネルギー貯蔵装置の電圧が等しいという前提の下のケースである。しかし、１つのエネルギー貯蔵装置が他よりも高い電圧が生じた場合は、すべてのエネルギー貯蔵装置のうち個々の最も高い電圧が補助入力端子９０３および９０４を介して発生するであろう。これは、補助電力回路に電力を供給するためにエネルギー貯蔵装置の最大電圧を使用することによってエネルギー貯蔵装置がセルフバランスであることができる大変有益な特徴を提供する。エネルギー貯蔵装置の最大電圧は、（貯蔵された電力量の減少のために）それ自体の電圧が下がるまで使用され続けるであろう。二番目に高く充電されたエネルギー貯蔵装置の電圧と等しくなる点まで下がり続けるであろう。この時点で、両装置の電圧は次に高いエネルギー貯蔵装置の電圧と等しくなるまで共に下がるであろう。すべてのエネルギー貯蔵装置の電圧が最も低いエネルギー貯蔵装置の電圧に下がるまでこれが続くであろう。その時点ですべてのエネルギー貯蔵装置が並列に接続されるであろう。
【００９４】
受動的な概念をまとめると、２つの主たる利点がある：１）（最も高く充電されている装置と相関する）最高電圧のエネルギー貯蔵装置の使用を強制するためにすべてのエネルギーモジュールがバイパス状態または開路の状態にある場合に、自動的に受動的エネルギー貯蔵装置の充電平準装置になる。２）自動的に固定する極性を有し、他の装置に与える電力に使うことのできる強度が変わる電圧出力を作り出す。
【００９５】
本発明において、制御信号が取り除かれるか失われた場合、「構成スイッチ」（すなわちディップスイッチ、プログラム可能なラッチ、ジャンパなど）がエネルギーモジュールが４つの前記構成（開路、バイパス、正極出力または負極出力）のうち１つを初期設定にできるよう採用されることができる。これらの「構成スイッチ」は電源スイッチを望ましい出力構成で初期設定できるようにしている。これは、エネルギーモジュールがソフトウエアコントローラ（および制御信号にともなう追加の電力消費）の必要なく、この初期構成で使われることを可能にする。これらの「構成スイッチ」は、（半ブリッジが半導体スイッチにより実行されると仮定して）それぞれ半ブリッジをプルアップするかプルダウンするかどちらかを単に制御するであろう。従って、本発明は、エネルギーモジュールが能動的に制御されていなくても制御装置を採用せずにエネルギー貯蔵装置の初期構成を設定する方法を提供する。同様に、必要な場合は外部での「オーバーライド」または「シャットオフ」制御にも適用することができる。
【００９６】
エネルギー貯蔵装置は最大電流の限界を有する−より高い電流が必要とされる場合、エネルギーモジュール内に並列の追加の内部エネルギー貯蔵装置を追加することによって対処されることができる。図１０および図１１は、本発明がエネルギー貯蔵装置に並ぶ制御方法をどのように提供するかを示す。これらの各図は、それぞれ直接接続またはスイッチでの接続のいずれかにより、内部エネルギー貯蔵装置が並んで接続されているエネルギーモジュールを表す。図１０は、エネルギーモジュールの内部エネルギー貯蔵装置が数個の直接電気接続された並列のエネルギー貯蔵装置からなる構成を表す。図１１は、一方で内部エネルギー貯蔵装置がなお並列に接続されている構成を表す。しかし、各エネルギー貯蔵装置の片側のみ直接電気接続がなされている。各エネルギー貯蔵装置の反対側は制御可能なスイッチ１１０１経由で接続されている。図１０の直接接続方法は、物理的にエネルギー貯蔵装置を直接並列に接続することによってより高い電流を可能にする。エネルギー貯蔵装置が並列に接続されているため、エネルギーモジュールのスイッチは内部エネルギー貯蔵装置が１つしかない場合と全く同じように作動することができる。図１１の切換接続の方法は、エネルギー貯蔵装置を並列に配置することにより高い電流を可能にするが、各並列貯蔵装置が並列接続をスイッチインおよびスイッチアウトできる。この方法は、並列に接続されたエネルギー貯蔵装置のグルーピング内で故障と検知されたエネルギー貯蔵装置の絶縁と除去の能力を提供する。
【００９７】
様々な並列または直列構成のエネルギーモジュールの接続のスケーラビリティと柔軟性を可能にするため、本発明はこれらの構成に適用でき、それゆえエネルギー貯蔵装置の動的な再構成を可能とする管理アーキテクチャを採用している。この管理アーキテクチャが本発明の鍵である。この管理構造によって、システムの入出力が制御され、エネルギーモジュールの状態（開路、バイパス、正出力、負出力）のリアルタイム構成やパックの交流／直流入出力の構成および一般的な電力管理能力を含む前述の結果が作り出される。
【００９８】
本発明はモジュールのスケールアップを容易にし、図２はエネルギーモジュールのグルーピングを示す。グループコントローラは単一のグループを形成するエネルギーモジュールのセットを管理する。グループコントローラは図１２に表されているマイクロコントローラの単なる延長であろうが、むしろ電圧測定と同様にグループ内の各エネルギーモジュールのための電源スイッチ制御信号（エネルギーモジュールのゲート駆動信号としても参照されている）であろう。各エネルギーモジュールの内部エネルギー貯蔵装置が変動しているため電圧測定は１つの挑戦である。各エネルギーモジュールは電流スイッチ構成により、異なる接地基準を有することができ、よって異なる参照地点を有することができる。この計測能力をいつでも可能にするため、光アイソレータへ電力を注いでいる電圧‐頻度コンバータまたは搭載されたアナログ−デジタルコンバータを用いて光アイソレータ経由でデジタル信号を送っているローカルで電力を受けているマイクロプロセッサのような絶縁した方法により各エネルギーモジュールの電圧は監視されている。高電圧コモンモード差動増幅器に使うことができる絶縁していない代替方法である。これらの装置は高い差動電圧が作動増幅器の母線より一層測定されることを可能にする。グループコントローラもまた温度とストリングに出入りする電流を測定するであろう。温度センサは電気絶縁には必ずしも必要でないことを注意されるべきであり（例えばグループコントローラの参照基準と同じ基準にある）、ローカル電源によって電力を供給されることができる。エネルギーモジュールの全直列ストリングのために電流が一度測定される。各エネルギーモジュールは図２に表されるように物理的に接続されており、グループ内で選択されたエネルギーモジュールの数に依存し、グループで得られた最高電圧は内部の個々のエネルギー貯蔵装置の電圧の合計の公称電圧である。図１３に示されるように、ストリングコントローラは順に単一のストリングを形成するグルーピング化されたエネルギーモジュールの２つ以上のセットを管理する。従って、１つのグループコントローラのエネルギーモジュールと次のグループコントローラのエネルギーモジュールとの接続がストリングを形成する。ストリングから利用可能な最高電圧が各グループコントローラのグループの内部のすべての各セルの合計の公称電圧である。図１４に示されるように、並列のストリングコントローラがこれらのストリングの複合回路を並列構成において接続することを可能にするいくつかのストリングを管理している。単一のストリングはある特定のエネルギー貯蔵装置から得られることができる電流量において（エネルギー貯蔵装置の製造者によって定義される）物理的な制限に限定される。より多くの電流が必要な場合、追加の並列ストリングがある特定の並列ストリングコントローラが必要な電流に十分であるための必要なストリングの数を管理するであろう時点で追加される。
【００９９】
コーディネータの目的は、図１４にも示されているが、並列ストリングコントローラの複合回路を管理することである。電流の流入が必要とされる場合、コーディネータが現時点で管理し各並列ストリングコントローラからいくつのストリングが使われるかの確認を要求する並列ストリングコントローラを検査するであろう。単一のコーディネータが扱う並列ストリングコントローラの数が多すぎる場合は、複数のコーディネータが必要である。ディレクタを通して階層が続くことが図１４にも示されている。図１４に示されているように最上位には単一のマスタコントローラが位置し、その下の多くて「Ｘ」数の管理部位を監視する。各アプリケーションは単一のマスタコントローラを有する。マスタコントローラは入力電源を監視し同様にエネルギーモジュールのパック全体からの電力出力全体を制御する。
【０１００】
マスタコントローラと他の階層コントローラはまた光ファイバーセンサおよび他の圧力センサ、オフガスセンサおよび電気絶縁を要求することも要求しないこともできる他の外部センサにも提供することができる。さらに、本発明のリアルタイムコントローラは他の外部制御システムおよび／または他の用途に関係することができる。
【０１０１】
エネルギーモジュールの単一のグルーピングのみへの小さなアプリケーションにおいて、マスタコントローラは単なるグループコントローラになれる可能性がある。あるいは、パック全体の大きさによって、マスタコントローラは単なる単一のストリングコントローラまたは単一の並列ストリングコントローラなどであることができる。さらに、マスタコントローラが「Ｘ」個の直接報告を監督するだけの場合は、マスタコントローラは前記より低い管理階層のいずれかに位置することができる。「Ｘ」個より多い「直接報告」がある場合、その「直接報告」の数はディレクタの階層の中で細分化されることができる。必要な場合「直接報告」の数が単一のマスタコントローラと結びつくことができるまでディレクタの階層の数が加えられることができる。マスタコントローラによって直接見られる通信量を制限するために行われる。
【０１０２】
電池（Ｃ）がどのように数多くの（「Ａ」）電池とともにグルーピング化されるかについてより詳しく説明するために（またはさらに一般的に任意のエネルギー貯蔵装置が「セル」という語が使われる文書においてそれが任意の種類のエネルギー貯蔵装置と置き換えることのできる）。「Ａ」の最大数は、単一のプロセス装置によって監視されることができるセルの数によって課される実用限界に基づいている。さらに、これらのセルは同じ化学的タイプ、大きさである必要性はなく、またはエネルギー貯蔵装置とですら同じである必要はない。また、本明細書の残りの部分において単一のセルについて言及される場合、図１０または図１１に示される並列セルに置き換えられることができる。
【０１０３】
グルーピングの表記法は｛Ｃ［１］，Ｃ［２］，・・・，Ｃ［Ａ］｝と与えられる。各グループは必ずしも「Ａ」個のセルを含む必要はなく、「Ａ」（この値はある特定の用途に適応するために柔軟性を有する）個より少ない数を含むことができる。しかし、均整を保つために各グループにある「Ａ」個のセルについて説明を続けよう。
【０１０４】
グループコントローラ：「ＧＣ」
単一のグループコントローラは「Ａ」個のセルのこれらのグルーピングをそれぞれ管理する。この「Ａ」個のセルのグルーピングは図２に示される逆Ｈブリッジモジュールのストリングとして物理的に接続されている。グループコントローラは個々のセルの特徴を（電圧、温度、電流を測定し、充電状態、劣化状態、寿命状態、故障検知などを決定するリアルタイムモデリング実行することによって）監視および管理するであろう。
【０１０５】
例：
グループコントローラがそのグループ内に「Ａ」個のセルを有する場合、それは次のように示される：
【数１】
2019110750.tif 000004
マトリクス１：「Ａ」個のセルのグルーピングの単一のグループコントローラ
【０１０６】
１つのストリングコントローラがいくつかのグループコントローラを管理する。ストリングコントローラは多くて「Ｂ」個のこれらのグループコントローラを担当する。また、「Ｂ」という数はシステムの実行に使用されるハードウエアの実用限界から来ている。従って各ストリングコントローラは最大「Ｂ」個のグルーピングを管理するだろう（しかしまた、「Ｂ」個より少ないグルーピングも単一のストリングコントローラで管理することができる）。これは「ストリングコントローラ」であるため、ある特定のストリングコントローラの下で管理されている各グループコントローラは互いに接続されている。言い換えれば、同じストリングコントローラによって管理されている場合、１つのグループコントローラからのセルは別のグループコントローラのセルの逆Ｈブリッジモジュールと同じ直列のストリング内にある。
【０１０７】
これはセルの直列ストリングが最大Ａ×Ｂ個（１つのグループコントローラに管理されるセルの最大数×グループコントローラの総数）のストリング内セルの数まで大きくなることを可能にする。
【数２】
2019110750.tif 000005
マトリクス２：２つのストリングコントローラがそれぞれ「Ｂ」個のグループコントローラを管理し、それぞれのグループコントローラは順に「Ａ」個のセルを管理している。
【０１０８】
サブストリングコントローラ：「ＳＳＣ」
ある特定の用途が単一のストリングコントローラが自身で管理できる数（「Ａ」×「Ｂ」個のセル数より大きい）より多くのグループコントローラを必要とする場合、サブストリングコントローラが導入される。サブストリングコントローラは多くて「Ｃ」個のグループコントローラを管理するであろう、という点を除いて（「Ｂ」は「Ｃ」と等しいことが可能であるが必ずしも等しくなくてよい）ストリングコントローラと同じ動作をする。サブストリングコントローラの数はある特定の用途のためのストリングに必要であろうセルの総数によって規定されるであろう。さらに、最大数「Ｃ」はシステムを実行するためのハードウエアの実用限界から来ている（しかしまた、「Ｃ」個より少ないグルーピングが単一のサブストリングコントローラによって管理されることができる）。
【０１０９】
サブストリングコントローラは適用範囲内にある全てのグループコントローラを直接管理するであろう。サブストリングコントローラは順にストリングコントローラに報告するであろう。これによって総ストリングコントローラに管理されている装置が「Ｂ」個の装置のみに限定できることになる。
【数３】
2019110750.tif 000006
マトリクス３：「Ｂ」個のサブストリングコントローラを監視している単一のストリングコントローラ
【０１１０】
サブストリングコントローラの階層
必要な追加サブストリングコントローラの階層がストリングコントローラが多くて「Ｂ」個の装置を管理することを確実にするため、また任意のサブストリングコントローラの階層（Ｘ）が多くて「ＢＸ」個のセルを管理していることを確実にするために導入される場合
サブストリングコントローラ階層１：「ＳＳＣ＿１」
サブストリングコントローラ階層２：「ＳＳＣ＿２」
サブストリングコントローラ階層Ｘ−１：「ＳＳＣ＿（Ｘ−１）」
サブストリングコントローラ階層Ｘ：「ＳＳＣ＿（Ｘ）」
【数４】
2019110750.tif 000007
マトリクス４：自身のグループコントローラのセットを順に管理する「Ｂ２」個の階層２のコントローラを順に管理する「Ｂ１」個のサブストリング階層１のコントローラを順に管理する単一のストリングコントローラ
並列ストリングコントローラ：「ＰＳＣ」
並列ストリングコントローラは「Ｄ」個までの個々のストリングコントローラを管理する。さらに、数「Ｄ」はシステムを実行するためのハードウエアの実用限界から来ている（しかしまた、「Ｄ」個より少ないグルーピングが単一の並列ストリングコントローラに管理されることができる）。
【数５】
2019110750.tif 000008
マトリクス５：「Ｄ」個より多い数のストリングコントローラを管理している単一の並列ストリングコントローラ。
【０１１１】
コーディネータ「ＣＤ」
コーディネータは「Ｅ」個の並列ストリングコントローラを制御する。
【数６】
2019110750.tif 000009
マトリクス５：コーディネータは「Ｅ」個までの並列ストリングコントローラを制御する。
【０１１２】
この管理階層まで、それぞれ増加している管理階層は、物理特性を持った管理されているバッテリパックに相当している。例えば、１つのグループコントローラはエネルギーモジュールの１つの物理的なグルーピングを管理した。１つのストリングコントローラはエネルギーモジュールの直列ストリングを形成するためにいくつかの物理的なグループを管理した（あるいは単一のストリングが内部に有するエネルギーモジュールの数が多すぎる場合、ストリングコントローラがグループコントローラを管理するのではなく代わりにいくつかのサブストリングコントローラを管理する地点において、サブストリングコントローラがいくつかのグループコントローラを管理するために導入される）。並列ストリングコントローラは順にいくつかの物理的ストリングコントローラを管理し、その管理は基本的にいくつかの並列の物理的ストリングの管理である。物理的に並列のエネルギーモジュールストリングのいくつかのグルーピングであるいくつかの並列ストリングコントローラをコーディネータは管理するであろう。しかし、管理階層のコーディネータの後に、それぞれ増加している階層がその下位の他のグルーピングのグルーピングを基本的に管理している。従って、コーディネータの階層の上位の管理階層は最上位の管理階層によって監督される「直接報告」の量を制限するために使われる。物理的にこれは、関連する通信量とある特定の通信バスに見られるであろうトラフィック量とに結びついている。
ディレクタ階層１「Ｄ１」
ディレクタは「Ｆ」個のコーディネータを管理する。
ディレクタ階層２「Ｄ２」
ディレクタは「Ｇ」個のディレクタ階層{１} を管理する。
・
・
・
ディレクタ階層Ｘ「ＤＸ」
ディレクタは「Ｙ」個のディレクタ階層{Ｘ−１} を管理する。
マスタコントローラ
【０１１３】
最上位には単一のマスタコントローラが位置し、その下の多くて「Ｚ」個の管理部位を監視する。各アプリケーションは単一のマスタコントローラを有する。
【０１１４】
単一の「Ａ」個のセルのグルーピングしかない小さなアプリケーションにおいては、マスタコントローラは潜在的に単に１つのグループコントローラになれる可能性がある。
【０１１５】
マスタコントローラは単一のストリングコントローラであることも、または単一の並列ストリングコントローラなどであることもできる。
【０１１６】
基本的に、「Ｚ」個のみの下位の「直接報告」を監督するだけの場合（Ｚ≧Ｆ、Ｚ≧Ｅ、Ｚ≧Ｄ、Ｚ≧Ｃ、Ｚ≧Ｂ、Ｚ≧Ａの場合）、マスタコントローラは任意の管理階層にあることができる。
【０１１７】
「Ｚ」個より多い「直接報告」がある場合、「直接報告」の数はディレクタの階層の中で細分化されることができる。必要であれば、ディレクタ階層の数は「直接報告」の数が単一のマスタコントローラに結びつくことができるまで追加されることができる。
【０１１８】
劣化状態、寿命状態、充電状態を正確に測定するために、ある特定のエネルギーモジュールの内部エネルギー貯蔵装置のパラメータとエネルギー貯蔵装置の動作の正確なモデルが必要である。バッテリセルのような貯蔵装置のこれらのパラメータを決定するための単なる測定基準として電圧を利用する場合、電圧レベルに影響を与える多くの要素、例えば温度、バッテリに出入りする消費電流、老朽化、製造トレランスなどが原因で、電圧は不正確である可能性がある。本発明では、モデル化の方法は重要ではなく任意の方法を採用することができる。モデル化の方法の１つの例は、米国特許第７，４８９，１０７号に記載されている方法であり、これらのパラメータのモデル化に使用することができる。モデルへの入力はセルの温度、セルの電圧、およびセルの消費電流である。モデルからの出力は、先に述べたパラメータ（劣化状態、寿命状態、充電状態）である。
【０１１９】
さらに、電圧と電流の絶縁測定は本発明において重要であるが、システムではシステムの劣化状態を測定するのに利用できる他の補助的な測定は可能である。例えば、内部でガスを発生しそのために膨張した故障のあるセルを検知することが可能である。これは温度測定、光ファイバーまたは他の圧力センサ、ガスセンサおよび他のセンサによってなされることができるが、これらのセンサは必ずしも絶縁されている必要はない。別の方法で、故障のあるセルからの圧力または放出ガスを感知することであろう。図１９はリアルタイム光圧力センサを示している。これは、拡張または膨張しているセルの特定と絶縁に際して高レベルの正確性を可能にする。図１９に示すとおり、ガラス（シリカ）またはプラスチックのいずれかであり、より低い屈折率の透過性のある金属をかぶせた素材に周囲を覆われている透明なコアを有する光ファイバーが光を透過させ内部屈折よってコアに光を留まらせることができる。そのような光ファイバーが当業界において良く知られている。単一の光ファイバーストランドは全てのパウチセルと筐体の外部ケーシングとの間に置かれ、パック全体をめぐる連続するループを形成する。セルの膨張などの圧力がファイバーに適用される場合、この変化は屈折率の変化および波長および／または光ファイバーストランドを通る信号の増幅の原因となる。信号はレーザーまたはＬＥＤダイオードを利用して発生し、ケーブルの端に到達した時点で光検知器を用いて検知される。光ファイバーの信号の速度のせいで、信号がリアルタイムで受け取られ監視される。ファイバーの長さに基づいて、温度、電圧、電流の一般的な測定方法を使用することが常に可能とは限らないが、歪みを特定することが可能である。これがセルの膨張と変形についてのリアルタイムデータに変えられ、従って劣化状態における追加の指標として働く。「コアの切換機能性」に関しては光圧力センサもガス漏れセンサも重要ではないが、制御システム全体の中の一部として採用されることはできる。
【０１２０】
マスタコントローラは従ってエネルギー貯蔵装置測定（例えば電圧や電流）および外部入力（例えば圧力センサ、オフガスセンサ、温度）のスイッチングの決定を行う。内部データはリアルタイムでエネルギーモジュール、ファームウエアルゴリズムなどから得ており、外部データは他のセンサシステムとの直接接続によってまたは自動車業界のＣＡＮポートや公益事業におけるＳＣＡＤＡインターフェースのような外部通信インターフェースを経由して得られる。従って追加のまたは外部のセンサシステムおよび／または制御インターフェースの利用は緊急事態において個別のセルまたはセルのグループを消去したりシステムをシャットダウンする決定をする手助けをする。すなわち、本発明は、本発明の任意のセルおよび制御システムに対して追加のセンサおよび／または他の外部電源または判断を下す制御システムに適用することができる制御システムを提供することができる。
【０１２１】
図１５は、負荷に放出しているエネルギーモジュールパックを管理するために使用されるアルゴリズムのフローチャートを示す。マスタコントローラは外部アプリケーションにインターフェースで接続するであろう（例えば、ゴルフカートの用途：マスタはアクセルペダルおよび電源オンオフスイッチにインターフェースで接続している）。外部適用の電力要求に基づき、マスタコントローラはエネルギーモジュールパク内の内部エネルギー貯蔵装置の状態を決定するために下位の管理階層（例えば、並列ストリングコントローラ、ストリングコントローラなど）と共に働く。アプリケーションを実行するのに十分な電力がある場合、マスタコントローラはそのアプリケーションに対して電力を出力するための最も多く充電されたエネルギーモジュールを構成するためにその下位の管理階層とともに働き続けるであろう。任意の時点で任意のグループコントローラが過温度（エネルギー貯蔵装置の製造者の評価によって推奨されるより高い温度）、過電圧（推奨される電圧より高い電圧）または過電流（内部エネルギー貯蔵装置から引かれる推奨される電流より高い電流）を検知した場合、故障状況が信号にて知らされるであろう。コントローラは、アプリケーションを残りの機能しているエネルギーモジュールとともに存続させるよう不健全な特徴（エネルギー貯蔵装置の操作のための予想される温度や電流など）がバイパスされることを確保するために共働する。
【０１２２】
マスタコントローラは、アプリケーションが手近な用途の要求を満たすよう構成されることができる十分な電力を貯蔵した充分なエネルギーモジュールがある限り作動し続けることを可能にするであろう。放電の段階全体を通して、マスタコントローラはアプリケーションのための電力出力がエネルギーモジュールの中で均等に分配されることを確実にするためにより下位の管理階層とともに働くことを試みるだろう。これはエネルギーモジュールが、アプリケーションが作動している同じ電力階層に近接するであろうことを確実にするであろう。すべてのエネルギーモジュールの電力階層がエネルギー貯蔵装置の製造者によって決められた下限に当たる場合、マスタコントローラはアプリケーションを駆動させ続けることができるが、性能は低下する。これは低電力で動くゴルフカートのようないくつかのアプリケーションにおいて好都合であろう。このアプリケーションの利用者はスピードが落ちても走り続けて利用者を充電所まで戻すことを望むかもしれない。このアプリケーションが内部エネルギー貯蔵装置からの電力を引きすぎずには駆動できなくなった場合、これはエネルギー貯蔵装置の故障が原因であろうが、マスタコントローラは充電源がエネルギーモジュールパックに再び充電できるまでアプリケーションを無効にする。
【０１２３】
図１６は、電源から充電されているエネルギーモジュールパックを管理するために使用されるアルゴリズムのフローチャートである。エネルギーモジュールの放電と同様に、マスタコントローラは入力電源とインターフェースで接続するであろう。マスタは電源が交流か直流か、強度はどのくらいか、交流入力の場合は位相、直流入力の場合は強度のみを決定する。エネルギーモジュールが入力エネルギー源を提供するために構成されることができる場合、マスタコントローラはエネルギーモジュールを入力電源に適応するよう構成するためより下位の管理階層とともに働く。
【０１２４】
マスタは構成されたエネルギーモジュールパックへと切り替えることによって入力電源を有効にする。マスタコントローラとより下位の管理階層は入力源からの電力を調整するために継続的にエネルギーモジュールを再構成する。マスタとより下位の管理階層は流入電力がエネルギーモジュール内の健全な内部エネルギー貯蔵装置に均等に配布されることを確実にするために共に働く。これはエネルギーモジュール内のすべてのエネルギー貯蔵装置が、製造者が推奨する最大限に充電されるまで続く。また、放電の説明中に述べた過温度、過電圧、過電流と同じ故障状態が、同じ方法で検知され処理される。エネルギーモジュールが故障した内部エネルギー貯蔵装置を有すると検知された場合、マスタは任意の故障したエネルギーモジュールを絶縁し利用を制限することによってエネルギーモジュールパックの操作を続けるよう試みる。
【０１２５】
システムは、デジタルからアナログへの変換器と同じ原理に基づく交流出力を生成し、そのシステムでは、個別のセルが正弦波出力を作り出すためにスタックされている。この処理のためのスイッチング制御は重要である−ソフトウエアルゴリズムの重要性に通じる。セルはエネルギーモジュールグルーピング内のエネルギーモジュールの制御および切り替えによって接続される。エネルギーモジュールのグルーピングの出力端子から正弦波状の適正な電圧が出力されるように時間が定められ、構成された９つの可能な出力レベルを示す図１７には、ＥＭ−ＡＰ構成が示される。図に示される例においては、４つのエネルギー貯蔵装置を利用して行われているが、正弦波の電圧強度を増すために任意の数のエネルギー貯蔵装置を利用することができる。明白なことだが、正弦波もまたスイッチのタイミングを単に制御することによって望ましい周波数を有することができる。この方法では、可変周波数が切換制御によって達成でき、任意の周波数（例えば６０Ｈｚ、５０Ｈｚなど）が生成できる。切換制御と選択されたエネルギー貯蔵装置の仕様書による充電と放電過程の慎重な管理によって、充電と放電は電池に損傷を与えることなく行われることができる。従って、この方法は標準化と認証を援助することができる。以前は、電力供給が一度認証されると変えることができなかった。よって、本発明はモーターコントローラや変換器などの外部エネルギーコントローラの需要を低減するであろう。周波数と電圧を変える能力で、本発明はモーターコントローラまたは他の誘導性負荷の需要を取り除くことができ、外部充電器、充電ステーションおよび／または専用充電基盤の需要を取り除くことができ、そして充電制御装置の需要を取り除くことができる。
【０１２６】
現行のシステムは機能していない／故障が発生したセルに対する耐性がない。これは単一のセルの故障が、システムが連続して機能性を失うストリング全体の切断を引き起こし、パック全体を置き換える必要性が生じることを含意する。本発明により、完全な「スワップアウト」または不良セルを使用しない能力がソフトウエアにおいてのみ可能である。この能力で、それぞれ個別のセルの寿命は延長される可能性があり、従ってシステム全体の寿命が延び信頼性が高まる。システムはまたパックから損傷のあるセルを消去し適切な矯正動作のためにすべての故障状況を報告することができる。これはセル管理目的のピラミッド型切換構造のアプリケーションを説明している。
【０１２７】
例として、９つのバッテリを有する前記ピラミッドシステムを考える。セル１が１００％の充電状態、セル２が８８％、残りが９０％の場合、「より低い」セルが使用されている時間の合計が制御できる。すなわち、より低い充電状態のエネルギー貯蔵装置を含むエネルギーモジュールが切り換えによりパックから取り除かれ、より高く充電されたエネルギー貯蔵装置を有するより少ないエネルギーモジュールが利用されるであろう。最も低充電のエネルギーモジュールが最も低充電でなくなるまでこれが続く。このように操作を続けることで、アプリケーションの電力要求がエネルギーモジュールが均衡するまで最も高充電のエネルギーモジュールによって提供されることができる。このバランシングアルゴリズムはそれぞれのエネルギー貯蔵装置の電圧、温度、および操作電流を入力として得て、バッテリの劣化状態の指標および利用可能な電力を出力する。この出力情報を用いて、管理アルゴリズムは「電力供給」（バッテリパック）全体の劣化状態と長命を最大化するためにバッテリを整列させ組織化されたスロットに入れる。同様に、追加のセンサがコア制御およびガスの監視、セル膨張などのような管理システムを助けるために追加されることができる。
【０１２８】
図１は、故障発生後にパックの機能性を有効にするバッテリパックの故障防止法を提供する絶縁スイッチ１５，１６を追加するオプションを示している。図１に示される回路は、追加の故障防止に要するアプリケーションに用いる２つの追加メカニカルスイッチを含む。この構成において、任意のエネルギーモジュールはバッテリパックの残りの使用から除外されることができる。これらの追加スイッチは、補助電力供給から電力を得ており、（より低い電力消費のために）通常は閉に保持されるであろう。２つのメカニカルスイッチは、セルと直列のスイッチおよび逆Ｈブリッジ全体をバイパスするためのもう１つのスイッチから構成されている。このため、逆Ｈブリッジモジュール内の任意のスイッチに故障が発生した場合でも、セルは絶縁したままであることができ、故障のあるエネルギーモジュールが対処されるようになるまである特定のストリングに接続された残りのエネルギーモジュールが機能し続けることを可能にできることを確実にするであろう。
【０１２９】
本発明は、動的に再構成可能なエネルギー貯蔵装置を有効にするための通信プロトコルを提供する。以下の方法が採用されない場合は、該機能は可能ではないかもしれない。本発明の機能性においてタイミングが重要な要素である。例えば、単一のセルも開いている状態で１つのスイッチが開かれた場合、パック全体の電圧は単一スイッチを介して生じることになり、従ってシステム故障の原因となる。タイミングの問題は前に詳細に述べられたアーキテクチャの管理によって一部は処理される。このシステム内では、エネルギーモジュールの追加を説明するものとして待機時間が加えられるであろう。さらに、それぞれ後続のコントローラ（ディレクタ、コーディネータなど）が同じスケジュールであり、通信していることを確実にするためにタイミングストロボがマスタコントローラに採用されなければならない。長パケットは重要な情報を通し、短パケットは情報をできるだけ速く送るよう、プロトコルは長パケットおよび短パケット双方を有するであろう。
【０１３０】
長パケットは下記のように機能する：
マスタコントローラ
１．パケットの終了
ａ．パケットが送信された時に必ずすべてをリセットする。
２．モジュール識別子
ａ．マネージャによってモジュールに与えられる連続番号である。
ｂ．２バイト
３．長パケットコード
ａ．２−４バイト
４．送信バイト数
ａ．１バイト
５．日付／時間
ａ．４バイト
ｂ．セルがＲＴＣを有する場合のみ重要である。
６．アクションコード
ａ．データ読み込み
ｂ．データ書き込み
ｃ．状況報告
ｄ．セルの強制停止
ｅ．モジュールの強制停止
ｆ．温度読み込み
ｇ．電圧読み込み
ｈ．電流読み込み
ｉ．ＳＯＣ読み込み
ｊ．同期カウントのリセット
ｋ．同期カウントの読み込み
ｌ．最終メッセージの再送信
７．あればアクションコードのデータ
８．チェックサムまたはハッシュ
９．パケットの終了
【０１３１】
スレーブ
１．送信バイト数
ａ．１バイト
２．アクションコードの確認
３．報告データ
４．チェックサムまたはハッシュ
５．パケットの終了
【０１３２】
短パケットの説明
マスタコントローラ
１．モジュール識別子
２．短パケットコード
ａ．１−２バイト
３．短アクションコード
ａ．セルの強制停止
ｂ．モジュールの強制停止    ｃ．パックの強制停止
ｄ．新規ピラミッドポジションの設定
ｅ．ピラミッドポジションの稼働
ｆ．ピラミッドのセル数の設定
【０１３３】
スレーブ
１．マネージャの識別子
２．短パケットコード
３．受信確認
ａ．メッセージ受信と実行
ｂ．メッセージ受信するも実行できず
【０１３４】
アクションコードの説明
下記が「長い」アクションコードとその動作の一覧である：
・データ読み込み−（０ｘ０１）：このコードは情報を要求するためマスタコントローラからモジュールへデータを要求する。一般データのために留保されている予約である。
・データ書き込み−（０ｘ０２）：一般データがモジュール上で不正であると判明した場合、マスタコントローラはそのデータを変更または修正することができる。
・状況報告−（０ｘ０３）：マスタコントローラからの要求に応じてモジュールの現況報告を行う。
ａ．コードを返信
ｂ．全てＯＫ
ｃ．低電圧のセルがある
ｄ．要求される電圧を生成できない
ｅ．非作動のセルがある
・セルの強制停止−（０ｘ０４）：マスタコントローラに個々のセルを取り除く能力を与える。モジュールがすべての情報を有するためストリングに決定力をゆだねる。緊急用に留保されている。
・モジュールの強制停止−（０ｘ０５）：ストリングを強制停止信号である。緊急時またはストリングのシャットダウンが要求された場合のために提供される。より速くシャットダウンさせるために、緊急時には短コードを使う方がよい手法であろう。
・温度読み込み−（０ｘ０６）：ストリングから温度を獲得する。マスタコントローラが報告するために使用され、緊急時のみ作動する。
・電圧読み込み−（０ｘ０７）：ストリングの全電圧を読み込む。パック電圧を得るために、セルがストリングにいくつ割り当てられればよいかの概算見積もりとしてマスタコントローラに使われることができる。
・電流読み込み−（０ｘ０８）：ストリングが放電している電流を獲得する。これは実行されてもされなくてもよい。システム全体が電流にマスタコントローラのレベル（充電レベル）またはストリングレベルにおいて電流を読ませている。
・ＳＯＣ読み込み−（０ｘ０９）：ストリングのＳＯＣを与える。マスタコントローラが必要な電圧に到達するための正しい量のセルを備えるモジュールを「ロード」する手助けをする。
・同期カウントのリセット−（０ｘ０Ａ）：すべてのストリングは電流同期カウントのカウンタを維持する。マスタコントローラは特別な機会に同期カウントをリセットすることができる。
・同期カウントの読み込み−（０ｘ０Ｂ）：ストリングが正しく同期していることを確実にするために電流同期カウントを見る能力をマスタコントローラに与える。
・最後の送信の再送−（０ｘ０Ｆ）：チェックサムまたはハッシュが一列に並ばない場合マスタが別の応答を要求することができる。
【０１３５】
下記はすべての「短い」アクションコードとその動作の一覧である。短アクションコードは少ない待機時間で流れる素早いパケットとなるよう意味づけられている：
・セルの強制停止−（０ｘ０４）：マスタコントローラに個々のセルを強制停止する（使用をやめる）能力を与える。ストリングがすべての情報を有するためモジュールに決定力をゆだねる。緊急用に留保されている。
・モジュールの強制停止−（０ｘ０５）：ストリングを強制停止する信号である。緊急時または特定のストリングのシャットダウンが要求された場合のために提供される。
・パックの強制停止−（０ｘ０Ｃ）：このコードはすべての回線上のストリングに互いに強制停止させるよう一斉同報する。
・新規ピラミッドポジションの設定−（０ｘ０Ｄ）：ストリングに自身がピラミッドのどの位置にあるか教える。
・ピラミッドポジションをアクティブにする−（０ｘ０Ｅ）：モジュールがピラミッド内の正しい位置にあることを確認するためにストリングのアクティブポジションを返す。
・ピラミッドのセル数の設定−（０ｘ１０）：エネルギーストリングに、ピラミッド内のいくつのセルがアクティブであるか教える。例えば、セル数が２であった場合、モジュール内の１１セルのうち多くて２セルだけが同時に稼働している。
・カウントの稼働−（０ｘ１１）：これは新規構成が同期カウント＝稼働カウントを変える際の将来の同期カウントである。
・カウント稼働の中止−（０ｘ１２）：過去の稼働カウントをキャンセルし現在の構成に変化を与えない。
【０１３６】
複合的で可変のバッテリパックからの直流電源または複合交流電源の生成方法
図１８は、複合的可変直流電源または多相交流電源の作成のための本発明のアプリケーションを示している。本発明によって複合的可変直流電源を作成するために、エネルギーモジュールのストリング中の中間点が選択される。この点が接地点として設定される。この接地点の右側に、モジュールは＋Ｖｄｃ＿Ａから−Ｖｄｃ＿Ａの幅で変えられることができ、左側は共通の参照地点から複合的可変直流電源を設置するために＋Ｖｄｃ＿Ｃから−Ｖｄｃ＿Ｃへと切り替えることができる。接地点の上部および下部では次の電圧が得られ、それぞれ＋Ｖｄｃ＿Ｂから−Ｖｄｃ＿Ｂへ、＋Ｖｄｃ＿Ｄから−Ｖｄｃ＿Ｄへ、となる。一般性を失うことなく、Ｖｄ＿Ａの強度はＶｄｃ＿Ｂ、Ｖｄｃ＿ＣまたはＶｄｃ＿Ｄの強度と同一または異なるようにすることができる。
【０１３７】
この方法の用途の例は以下を含む：
ａ．このハードウエア構成によって独立して駆動される各車輪におけるダイレクトモータ駆動方式の四輪自動車
ｂ．様々な電圧が要求される任意のシステム
ｃ．三相交流電源を作成するために、Ｖｓｓが中性線として利用でき、Ｖａ、ＶｂおよびＶｃ中のエネルギーモジュールがそれぞれの交流信号の間の望ましい位相オフセットの交流正弦波を発生させるために制御されることができる。
【０１３８】
フェイルセーフ法を使用する適用例及びエネルギーモジュールパックを有する追加ローカルエネルギー貯蔵装置：
一例として、図２の縮尺版として示される一連の５つのエネルギーモジュール直列接続を挙げる。この例では、各エネルギーモジュールがそれらの内部エネルギー貯蔵装置としてリチウムセルを有すると仮定する。この例では、各エネルギーモジュールは、図６に示されるように、追加のローカルエネルギー貯蔵装置および回路を有する。各エネルギーモジュールのローカルエネルギー貯蔵装置は、単なるキャパシタである。エネルギーモジュール内のリチウムセルが、十分に高い貯蔵電荷を有して正常に機能する場合、リチウムセルはキャパシタにエネルギーを移送させる。マイクロコントローラなどの計算装置は、２つの絶縁された制御信号を各エネルギーモジュールに与え、各モジュールの出力構成を所望のように変化させる。
【０１３９】
各リチウムセルが引き続き正常に動作し続け、十分に高い電荷を有する場合、スイッチ駆動回路は適切に動作し続けることができる。しかしながら、リチウムセルのうちの１つがそのエネルギーモジュールに対応するキャパシタにダイオードパスを通って十分なエネルギーが移動するのを阻止する方法で故障した場合、エネルギーモジュールの電源スイッチはその適切なバイアスを失う。スイッチの適切なバイアスが適切に適合されなければ、電源スイッチの信頼できる制御は得られない。ここで、マイクロコントローラからエネルギーモジュールのローカルエネルギー貯蔵装置への絶縁によりエネルギーを移動させる能力が有利となる。これにより、何らかの内部エネルギー貯蔵装置の故障が発生したときに電源スイッチを制御することが可能になる。
【０１４０】
この例では、直列接続のエネルギーモジュールのリチウムセルのうちの１つが、追加ローカルエネルギー貯蔵装置がスイッチ駆動回路に電源を与えるために利用可能でない状態で故障した場合に、その特定のエネルギーモジュールをバイパス構成に入れることはできない。これが発生した場合、その故障したセルではその一連のエネルギーモジュール全体が破損し、一連のエネルギーモジュール全体の出力端子（図２における各端の出力端子）で利用可能な出力が行われない。セルが故障したときに電源スイッチが引き続き動作できることに加えて、特定の用途ではさらなる故障の分離が望まれる場合がある（例えば、軍事及び医療などの本質的に安全なフェイルセーフ仕様を有する用途、または熱暴走すると見られるセル化学を有する用途）。
【０１４１】
この例では、故障したセルにて完全な絶縁を、図１に示すように、内部貯蔵装置と直列でノーマルクローズメカニカルスイッチを与えることで得られ得る。セル故障の発生時には、そのセルを絶縁するために、直列で接続されたスイッチはそれを管理するマイクロコントローラによって強制的に開かれてもよい。これは追加の電力消費を伴うが、故障したセルを完全に外すことを可能とする。故障したセルが、直列接続のノーマルクローズメカニカルスイッチによって絶縁されて外されれば、現在故障しているエネルギーモジュールは２つの選択肢のうちの１つによってバイパス可能となる。１つ目の選択肢は、上記の局所的に動力供給された電源スイッチを引き続き使用して、故障したエネルギーモジュールをバイパス状態に構成することである。２つ目の選択肢である、エネルギーモジュールと並列のノーマルオープンメカニカルスイッチ（図１の下部）は、１つ目の選択肢の代わりとなってもよく、または故障エネルギーモジュールがバイパスされることを確実とするための冗長性として用いられてもよい。また、直列接続されるノーマルクローズメカニカルスイッチの場合と同様に、この２つ目の機械スイッチもまた、追加の電力消費を伴って採用される。
【０１４２】
エネルギーモジュールを有するＯＥＭ用途の別の例：
ゴルフカートは、セルによって動力を供給することができる。エネルギー源は、１２０Ｖの交流電源または３６Ｖの直流ソーラーパネルのいずれかから充電される、３６Ｖモータ動作に対応するオンボードのエネルギー源であると推定される。直列接続される６０個のエネルギーモジュールのセットが使用され、エネルギーモジュール内の内部エネルギー貯蔵装置は、名目的には３．３Ｖのセルバッテリセルである。６０個のエネルギーモジュールのうちの５２個が適切なスイッチ構成を介して直列に接続されるならば、得られ得る最大公称電圧は１７１．６Ｖとなる。追加の８個のエネルギーモジュールは、セルが低劣化状態である場合に冗長性を持たせ、セルの充電状態を平衡化させるときにより柔軟性を持たせる。５２個のエネルギーモジュールの公称値は、グルーピングが標準の１２０ＶｒｍｓＡＣコンセントに直接接続させ、図１７（同一概念の縮小版）に示すように各エネルギーモジュールが適切にスイッチ切り替えされることで、それらは交流電源から直接充電可能である。これら６０個のエネルギーモジュールを管理するアーキテクチャは、以下に記載する。
【０１４３】
エネルギーモジュールは５つのグループに細分化され（グループ毎に１２個のエネルギーモジュールを有する）、それぞれは１つのグループコントローラで管理される。１２個のグルーピングは、グループコントローラのために設計された回路がそのグループコントローラがいくつのエネルギーモジュールを管理するかで実際の制限を有するという意味で、任意である。いかなる場合でも、この例では、単一のグループコントローラによって１２個のエネルギーモジュールが管理されている。各グループコントローラは、そのグループコントローラが管理する各エネルギーモジュール内のエネルギー貯蔵装置の充電条件及び状態を知っている。単一のストリングコントローラは順に５個のグループコントローラを管理する。ストリングコントローラは、それらのエネルギーモジュールのそれぞれについての情報を得られるようにグループコントローラを作動させる。ストリングコントローラは、流入及び流出エネルギーがどこに移動されるのか、及び、どのグループコントローラのエネルギーモジュールに向かうのかまたはどのグループコントローラのエネルギーモジュールから来たのか、を管理する。管理構造の最上部には、ストリングコントローラに直接インターフェースで接続するマスタコントローラが存在する。マスタコントローラはストリングコントローラに、外部源からの流入エネルギーまたは流出エネルギーの需要についての情報を提供する。充電及び放電プロセスのより深い記載は、以下の項で提供する。
【０１４４】
充電モードにあるときは、マスタコントローラは、利用可能エネルギーについて、入力エネルギー源端子を監視する。これは、電源が直流、交流のいずれであるかを判定し、電圧強度をサンプリングする。一度マスタコントローラが入力源の種類を判定すると、マスタコントローラはストリングコントローラとインターフェースで接続し始め、これによってグループコントローラともインターフェースで接続し、個別のエネルギーブロックに電荷を供給するための適切なアルゴリズムを適用する。これらのアルゴリズムの全体的な目標は、各エネルギー貯蔵装置をその最適な電荷レベルに充電することである。これは、各エネルギー貯蔵装置の充電状態、その劣化状態（すなわち、セルの電圧及び温度が許容範囲内であること）、及び入力源エネルギーの現在の電圧強度を監視することによって行われる。この情報を考慮して、マスタコントローラはストリングコントローラに、入力エネルギー源に順応する特定の構成を生成するように命令する。ストリングコントローラはこれを受けて、グループコントローラに自身のエネルギーブロックを管理するように（各エネルギーモジュールに、バイパス、正極または負極であるように命令することで）要求し、その要求が成功したことを認証する。これは、エネルギーブロックがそれらのエネルギー貯蔵装置をその内部で充電するまで繰り返される。
【０１４５】
放電モードにあるときは、マスタコントローラは様々な命令信号、すなわち、ブレーキ信号（適用または未適用）、アクセル（どれだけアクセルが押し下げられているかに相関するアナログ信号）、及び前進または後退スイッチ（所望のゴルフカートの方向を示す）とインターフェースで接続する。マスタコントローラは、アクセルが押し下げられていると判定したときに、その方向を確認する。どれだけアクセルが押されているかによって、マスタコントローラはストリングコントローラに十分なエネルギーモジュールを直列で接続して、モータを駆動するようにスイッチを介してこのエネルギーを向けるように要求する。エネルギーモジュールが接続される極性は方向スイッチに依存する（例えば、方向が前進である場合、エネルギーモジュールはプラスに接続され、方向が後退である場合、それらはマイナスに接続される）。接続されるエネルギーモジュールの数は、どれだけアクセルが押し下げられているかに依存する。ストリングコントローラは、モータを駆動する所望の電圧を生成するために、最も高く充電されたエネルギーモジュールを選択する。マスタコントローラは、およその範囲内の電圧（０Ｖ〜３６Ｖ）のみを印加するように、ストリングコントローラに要求する。この要求がストリングコントローラに与えられた後に、ストリングコントローラは次にグループコントローラにインターフェースを介して接続し、どのセルが所望の出力を与えることができるかを判定する。要求はグループコントローラとストリングコントローラとの間で行われ、ストリングコントローラはマスタコントローラに要求された命令が成功したことを通知する。ストリングコントローラが所定の時間内に返答しなかった場合は、マスタコントローラは、ユーザに可能性のある故障／エラー状態（例えば、故障したエネルギー貯蔵装置、低電荷、高温など）を提供できるよう、潜在的な故障のためにストリングコントローラに作動させようとする。
【０１４６】
以下の充電例のセットは、本発明で充電するときの柔軟性を示すために与えられている。これらの充電例については、以下の並行エネルギーモジュール構成が用いられる：
【０１４７】
例は、図２０に示されるように、直列接続エネルギーモジュールの２つの並行接続されたグルーピングに基づいており、各ストリングは、エネルギーモジュールの総称数ｎを含む。ＥＭ−ＩＨシステムを説明するが、これはＥＭ−ＡＰシステムにも適用される。エネルギーモジュール構成の種類にかかわらず、このシステムは上述の制御階層で制御される。図２０は直列接続エネルギーモジュールの２つのグルーピングのそれぞれの各端にある、２０１で示される２つの追加スイッチを示す。これらの追加スイッチは、各並行ストリングと、２０２及び２０３で示される構成全体での出力との接続をマスタが制御できるようにする。
【０１４８】
交流電源を用いた充電
充電源は、交流電源または直流電源であってもよい。交流電源である場合は、マスタデバイスは、交流電源の強度を検知して、交流電源と一致してそこから充電するようにエネルギーモジュールを制御する交流充電モードに入れられてもよい。開示するとおり、個別のエネルギーモジュールのパルス幅変調は、入力交流電源を追跡するように採用可能であり、これによって構造は、エネルギーモジュールのグルーピングへの充電電流を制御することができるようになる。これは、エネルギーモジュールの数であるｎが、交流電源の最大電圧強度に一致するだけ大きいという仮定の下にある。
【０１４９】
固定直流電源を用いた充電
固定の直流入力充電源の場合では、その電源は固定直流充電装置（例えば、市販のリチウムセル充電器）であってもよい。マスタは、直流電源の強度を検知できるモードに入れられてもよい。直流電源からの最大電圧を検知すると、一度に充電できる直列接続エネルギーモジュールの最大数を判定することができる。次に、この例では、その直列接続エネルギーモジュールの最大数がエネルギーモジュールの各並行ストリング内で選択される。次に両方のセットが、並行接続スイッチを介して並行に接続される。マスタは次にラウンドロビン方式でエネルギーモジュールのセットを変えて、それらの充電状態及び劣化状態に基づいて必要に応じてエネルギーモジュールを交換して、すべてのエネルギーモジュールの充電を最適化する。
【０１５０】
可変直流電源を用いた充電
ソーラーパネルまたは風車などの可変直流電源の場合は、マスタは、直流電源の充電電圧を変えて流入電流を最大化することを可能とするモードに入れられてもよい。本質的に、電流と電圧の両方を最大化することで、得られる最大の動力も得られる。これは業界内で、「最大電力点追従制御」または「入力源の特性インピーダンスを整合する」としても知られている。典型的には、最大電力点追従制御は、制御回路を用いることを通して実現され、このことによって、それぞれの感知されたパラメータが与えられることでパネルがバッテリパックに一致するように、ＤＣ−ＤＣスイッチングコンバータ内のデューティサイクルが変動する。入力直流電源を所定数の直列接続エネルギーモジュールに接続して、次に流入電流及び直列ストリングの電圧を測定することで、マスタはそのエネルギーモジュールの数についての動力を判定することができる。次に、この数字を単純に増加させるまたは低下させて電流及び電圧測定を繰り返すことで、マスタはそれぞれの直列接続エネルギーモジュールの数での利用可能な動力を比べることができる。マスタはこのようにして探し続けて、流入動力が最も高い数字を見つけることができる。任意に、最大動力動作点電圧を見つける上での分解能を向上させるには、マスタは、個別のエネルギーモジュールをパルス幅変調し始めて、入力直流電源が、２つのエネルギーモジュール間の電圧の間で動作するようにすることができる。これは、本発明に固有の、最大電力点追従制御の新しい方法である。
【０１５１】
無線充電システムからの充電
本発明はさらに、誘導的、共振誘導的、及び無線周波数（ＲＦ）を含む多種多様な無線充電システムに適用されてもよい。この用途では、本発明は、無線の動力受信機の動力変換段階（例えば、ダイオード整流器またはチャージポンプ）にインターフェースを介して接続してもよく、またはエネルギー取得装置（例えば装荷コイルまたはアンテナ）との直接的なインターフェースを介した接続を有して、そのようなシステムの設計と代替的に一体化可能である。前の部分での「可変直流電源」で充電する場合とほぼ同様に、エネルギーモジュールのグループピングは全体的なグループピングの直列電圧を動的に再構成することができ、電源の電流を判定し、再度、動作動力点を最大化する。これは、ＲＦまたは誘導充電システムとインターフェースを介して接続するときに重要である。
【０１５２】
直列接続エネルギーモジュールストリングの別のグルーピングからの充電
直列接続されたエネルギーモジュールストリングの２つの独立したグルーピングは、図２０に示すようにまるで並列に接続されるかのように接続されてもよい。議論の便宜上、一方のエネルギーモジュール直列接続ストリングをストリング−１と示し、他方をストリング−２と示す。ストリング−１における１つ以上のエネルギー貯蔵装置の組み合わせがストリング−２におけるどの個別のエネルギー貯蔵装置よりもより高い潜在性を有するという条件の下で、エネルギーはストリング−１からストリング−２に移動可能であり、その逆もしかりである。実際の例としては、両方が本発明を含む２つの電気自動車におけるバッテリシステムであって、２つのバッテリシステムのうちの１つが低エネルギー状態で走行している場合にエネルギーを交換することができるバッテリシステムが挙げられる。各バッテリシステムにおけるマスタは、２つのシステム間での協調的なエネルギーの交換を可能とするモードに入れられてもよい。マスタは、そのエネルギー交換の方向を単に必要とするだけである。本発明の柔軟な性質によって、２つのシステムは同数のエネルギーモジュールまたは同じ大きさのエネルギー貯蔵装置を有する必要はない。各システムは交換を行うために、直列に接続されたエネルギーモジュールの数を変更してもよい。これは２つのエネルギーモジュール系システムの間でエネルギーを交換する概念を開示するが、これは同時に２つより多くのエネルギーモジュール系システムでも行うことができるであろう。
【０１５３】
本発明は、具体的な例及び実施形態を参照して詳細に説明しているが、本明細書に含まれる例及び実施形態は単に図示的であり、徹底的な列挙ではない。本発明の変更及び変形は当業者であれば容易に想定されるであろう。本発明は、かかる変形及び等価物のすべてを含む。請求項は単独で、本発明の限定を記載する意図がある。
【図１】
2019110750.tif 000010
【図２】
2019110750.tif 000011
【図３】
2019110750.tif 000012
【図４】
2019110750.tif 000013
【図５Ａ】
2019110750.tif 000014
【図５Ｂ】
2019110750.tif 000015
【図５Ｃ】
2019110750.tif 000016
【図６】
2019110750.tif 000017
【図７】
2019110750.tif 000018
【図８】
2019110750.tif 000019
【図９】
2019110750.tif 000020
【図１０】
2019110750.tif 000021
【図１１】
2019110750.tif 000022
【図１２】
2019110750.tif 000023
【図１３】
2019110750.tif 000024
【図１４】
2019110750.tif 000025
【図１５】
2019110750.tif 000026
【図１６】
2019110750.tif 000027
【図１７】
2019110750.tif 000028
【図１８】
2019110750.tif 000029
【図１９】
2019110750.tif 000030
【図２０】
2019110750.tif 000031
【外国語明細書】
2019110750000001.pdf