(57)【要約】【課題】本発明は、高電圧電池管理及び平衡化回路並びにその応用を提供する。【解決手段】本発明は、電動バスの高電圧動力用電池システムの管理及び平衡化のために用いられるものであり、階層型電池管理システム及び電力平衡化システムを有し、複数の電池が直列接続される大型貯電システムを迅速且つ正確に管理し、また、充放電時に各電池セルに対して充電又放電の補償を行うことができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧電池管理及び平衡化回路であって、
複数の電池ユニットからなる電池キャビネットであって、該電池ユニットは、複数の電池グループからなり、該電池グループは、複数の電池モジュールからなり、該電池モジュールは、複数の電池セルからなる、電池キャビネット；
電池セル監視ユニット及び電池管理ユニットを有する階層型電力管理システム；及び
各電池セル、各電池モジュール及び各電池グループの電量平衡化動作をそれぞれ担当する電池セル平衡化回路、モジュール平衡化回路及び電池グループ平衡化回路を有する階層型エネルギー平衡化システムを含み、
前記電池セル平衡化回路の電量平衡化動作は、前記電池セル監視ユニットにより制御され、前記モジュール平衡化回路及び前記電池グループ平衡化回路の電量平衡化動作は、前記電池管理ユニットにより制御される、高電圧電池管理及び平衡化回路。
【請求項２】
請求項1に記載の高電圧電池管理及び平衡化回路であって、
前記電池セル監視ユニットは、全ての電池セルの電圧及び温度をモニタリングし、また、通信バスを介して前記電池管理ユニットと通信を行う、高電圧電池管理及び平衡化回路。
【請求項３】
請求項2に記載の高電圧電池管理及び平衡化回路であって、
前記電池管理ユニットは、全ての電池セルの電量及び充放電電圧と電流を検出及びモニタリングする、高電圧電池管理及び平衡化回路。
【請求項４】
請求項3に記載の高電圧電池管理及び平衡化回路であって、
前記電池管理ユニットは、前記電池セル監視ユニットにより提供された電池温度パラメータに基づいて、何れか１つの電池セルの温度が高すぎた時に保護動作を行う、高電圧電池管理及び平衡化回路。
【請求項５】
請求項1に記載の高電圧電池管理及び平衡化回路であって、
前記電池セル平衡化回路及びモジュール平衡化回路は、隔離型双方向フライバックコンバータを有する、高電圧電池管理及び平衡化回路。
【請求項６】
請求項1に記載の高電圧電池管理及び平衡化回路であって、
前記電池グループ平衡化回路は、隔離型双方向プッシュプルコンバータを有する、高電圧電池管理及び平衡化回路。
【請求項７】
請求項1に記載の高電圧電池管理及び平衡化回路であって、
前記電池セル平衡化回路は、放電制御端、充電制御端、及びライバックコンバータを有する、高電圧電池管理及び平衡化回路。
【請求項８】
請求項1に記載の高電圧電池管理及び平衡化回路であって、
前記モジュール平衡化回路は、放電制御端、充電制御端、フライバックコンバータ、電圧制御器、及び光カプラを有する、高電圧電池管理及び平衡化回路。
【請求項９】
請求項1に記載の高電圧電池管理及び平衡化回路であって、
前記電池グループ平衡化回路は、アクティブクランプ電流供給プッシュプルコンバータ及びフルブリッジコンバータを有し、前記アクティブクランプ電流供給プッシュプルコンバータには、電圧制御器、電流制御器、PWMスイッチ、アクティブクランプ素子、一次側スイッチ、二次側スイッチ、及びコイルを含み、前記フルブリッジコンバータは、同期整流器及び４つのスイッチを有する、高電圧電池管理及び平衡化回路。
【請求項１０】
請求項1に記載の高電圧電池管理及び平衡化回路における電池平衡化方法であって、
前記電池監視ユニットが、全ての電池セルの電圧をモニタリングして前記電池管理ユニットにフィードバックし；
前記電池管理ユニットが、前記電池セル平衡化回路、前記モジュール平衡化回路及び前記電池グループ平衡化回路の電量平衡化動作を同時に開始し、前記電池キャビネット内の全ての電池セルの電圧が一致するように達成させ；
前記電池キャビネット全体の充電又は放電動作を行い；及び
各電池セルの平衡状態を持続にモニタリングし、前記電池キャビネット中のある部分の不平衡状態が許容範囲を超えた場合、前記階層型エネルギー平衡化システム中の対応する階層の平衡化回路の電量平衡化動作を開始させるステップを含む、電池平衡化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動車技術に関し、特に、電動バス又は大型エネルギー貯蔵装置に用いる高電圧電池管理及び平衡化回路並びにその応用に関する。
【背景技術】
【０００２】
高電圧電池システムでは、多くの電池モジュールが直列接続されており、長期間使用及び繰り返し充放電のため、電池モジュールの貯電量の不一致が生じることがある。幾つかのモジュールが過充電になる可能性があり、幾つかのモジュールが過放電になる可能性があり、これにより、電池システム全体のSOC容量を低減し、ひいては電池モジュールの寿命を短縮することもある。電池管理システムを用いて電池状態を監視することで電池モジュールに対して適時に保護動作を行うことができるが、上述のような問題を解決するために、依然として、電池平衡化回路を用いて各電池の不一致を適時に解消することで電池モジュールの寿命及び容量を確保する必要がある。リチウムイオン電池パックにおける各電池セルの電圧の不平衡の問題を解決するために、電池パックに対して均衡化動作を行えなければならない。その目的は、直列接続型電池パックにおける各電池セルが同じ電量の状態にあるはずであるが、直列接続型電池パックにおける各電池セルの電圧が異なり又は電量が不均一なときに、比較的高い電量又は電圧の電池セルに対して比較的少ないエネルギーで充電を行い、逆に、比較的低い電圧又は電量の電池セルに対して比較的高いエネルギーで充電を行うことで、電池パックにおける電池セルの電圧の均衡化を達成することができるということにある。今のところ、電池均衡化技術は、主に、能動型技術及び受動型技術という２種類の平衡法がある。
【０００３】
受動型平衡技術は、主に、長時間過充電及び電池エネルギー消費という２種類の方法で平衡の効果を実現するものであり、直列接続型電池パックにおける最も低い電圧又は電量のシングル電池セルの電量を自発的にプルアップ（pull  up）しないため、受動型平衡法と称される。しかし、長時間過充電は、既に過充電電圧に達している電池セルの永久的且つ不可逆的な損傷を来すことができる。電池エネルギー消耗は、電池エネルギーを無意味に消費すると共に、貴重な平衡時間を浪費することもできる。例えば、平衡効率を強化して平衡時間を短縮しようとするために、負荷電力を上げなければならないが、このように装置の体積及び放熱メカニズムを設計することは、非常に困難である。よって、受動型平衡法は、電池平衡の効果を達成できるが、電池自身のエネルギー及び大切な時間を犠牲にしてしまい、全体的な効果について言えば、その平衡効率は、悪いものである。能動型平衡法は、電池パックにおける最も小さい電圧の電池セルに対して充電を行い、その電圧を最も大きい電圧と同じように上げ、その後、続いて他のセルに対して同様の操作を行い、また、すべての電池セルの電圧が平衡状態になるまでこのような処理を繰り返して行うものである。このような平衡法は、効率的に、電池パックが短時間でバランスを取るようにさせることができ、また、充電電流は、電源供給器の電力が十分に大きく且つ給電線が電流に耐えることができれば、電池平衡の速度を向上させることができる。長い待ち時間を要する受動型平衡法と異なり、能動型平衡法の効率は、受動型平衡法の効率よりも高い。
【０００４】
従来では、能動型平衡法は、主に、電池モジュール内の複数の電池セルの平衡化のためのものであり、その回路は、概して、次のように２種類に分かることができる。
【０００５】
＜A、インダクタ型平衡法及びコンデンサ型平衡法＞
インダクタ型平衡法又はコンデンサ型平衡法は、直列接続型電池パック中で、インダクタ又はコンデンサ、及びスイッチを有する均衡化副回路が並列接続され、最も高い電圧又は電量の電池セルを検出してそのエネルギーをインダクタ又はコンデンサに貯蓄し、そして、スイッチの効果により個別のセルに対して電量補償を行うことで、電池パック全体のバランスを取るものである。
【０００６】
＜B、独立型均衡化電源とスイッチ回路との組み合わせによる平衡法＞
独立した均衡化電源、及び切り替えにより任意のシングル電池セルに対応し得るスイッチ回路を用いて、均衡化を行う方法である。独立型電源は、外設の電源供給器を使用し、又は、フライバック型電力電子変換器を用いて同一の充電用電源を隔離して接地させ、電圧をシングル電池セルの充電電圧に変換し、そして、比較的低い電圧又は電量の電池セルに対して比較的大きいエネルギーの均衡充電を直接行い、最も小さい電圧又は電量の電池セルを持続的に検出してその電量を最も大きい電圧又は電量のシングル電池セルと同じようにプルアップすることで、短時間で平衡の効果を達成することができる。
【０００７】
しかし、上述の方法は、回路が耐える電圧及び電流により制限され、すべて、比較的小さい容量にのみ適しており、又は、モジュール内の電池セルの平衡化にのみ適しているため、多くの電池モジュールが直列接続されることで形成される高電圧電池システムに拡張し、各電池モジュール及び各電池セルのバランスを併せて配慮することができない。特に、電動バスの場合、多くの電池モジュールが直列接続された高電圧電池システムが用いられ、電池の数量が多く、システムの電圧や電流が大きく、制御の困難度もそれに伴って高くなるので、従来の能動型平衡法だけで、電動バスにおける高電圧電池システムのエネルギー平衡化及びインテリジェント管理のニーズを満足することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来技術の欠点を解決するために、本発明の目的は、電動バスの高電圧動力用電池システムの管理及び平衡化に用いる、高電圧電池管理及び平衡化回路並びにその応用を提供することにある。本発明は、階層型電池管理システム及び電力平衡化システムを有し、複数の電池が直列接続されることで形成される大型貯電システムを迅速且つ正確に管理し、また、充放電時に各電池セルに対して充電又は放電の補償を行うことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、高電圧電池管理及び平衡化回路を提供し、それは、複数の電池ユニットからなる電池キャビネットであって、該電池ユニットは、複数の電池グループからなり、該電池グループは、複数の電池モジュールからなり、該電池モジュールは、複数の電池セルからなる、電池キャビネット；電池セル監視ユニット(Cell  Monitor  Unit，CMU)及び電池管理ユニット(Battery  Management  Unit，BMU)を有する階層型電力管理システム(Hierarchical  Power  Management  System，HPMS)；及び、各電池セル、各電池モジュール、及び各電池グループの電量平衡化動作をそれぞれ担当する電池セル平衡化回路(cell  balance  circuit，CBC)、モジュール平衡化回路(module  balance  circuit，MBC)、及び電池グループ平衡化回路(battery  group  balance  circuit，GBC)を有する階層型エネルギー平衡化システム(Hierarchical  Energy  Balance  System，HEBS)を含み、そのうち、該電池セル平衡化回路の動作は、該電池セル監視ユニットにより制御され、該モジュール平衡化回路及び該電池グループ平衡化回路の動作は、該電池管理ユニットにより制御される。
【００１０】
本発明の一実施例では、該電池セル監視ユニットは、全ての電池セルの電圧及び温度をモニタリングし、また、通信バスにて該電池管理ユニットと通信を行う。該電池管理ユニットは、全ての電池セルの電量(State  of  Charge，SOC)及び充放電電圧と電流を検出及びモニタリングする。該電池管理ユニットは、該電池セル監視ユニットにより提供された電池温度パラメータを基づいて、何れか１つの電池セルの温度が高すぎたときに保護動作を行う。
【００１１】
本発明の一実施例では、該電池セル平衡化回路及びモジュール平衡化回路は、それぞれ、隔離型双方向フライバックコンバータを有する。該電池グループ平衡化回路は、隔離型双方向プッシュプルコンバータを有する。
【００１２】
本発明は、高電圧電池管理及び平衡化回路に用いる電池平衡化方法を提供し、該方法は、電池監視ユニット(CMU)が全ての電池セルの電圧を検出して電池管理ユニット(BMU)にフィードバックするステップS001；電池管理ユニット(BMU)が電池セル平衡化回路(CBC)、モジュール平衡化回路(MBC)、及び電池グループ平衡化回路(GBC)の電力平衡化動作を同時に開始し、電池キャビネット内の全ての電池セルの電圧が一致するように達成させるステップS002；電池キャビネット全体の充電又は放電動作を行うステップS003；各電池セルの平衡状態を持続にモニタリングし、該電池キャビネット中のある部分(何れか１つの電池グループ、電池モジュール又は電池セル)の不平衡状態が許容範囲を超えた場合、階層型エネルギー平衡化システム(HEBS)中の対応する階層の平衡化回路の電量平衡化動作を開始するステップS004を含む。
【００１３】
本発明の一実施例では、許容範囲は、電池セル間の電圧を比較して最高電圧と最低電圧との電圧差を取得し、そして、該電圧差と該最低電圧との割り算（該電圧差／該最低電圧）を行うことで得られた数値化後の百分比により、電池セル間の電圧平衡の差が所定の許容範囲を超えたかを判断する。本発明は、各電池グループや各電池モジュール間の平均電圧の差により、平衡化動作を行うかを判断することもできる。
【００１４】
以上の概要及び以下の詳細な説明と図面は、すべて、本発明が所定の目的を達成するために採用する方法、手段、及び機能をさらに説明するためのものである。また、本発明の他の目的及び利点については、後続の説明及び図面において詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による電池キャビネットの実施例の構成図である。
【図２】本発明による階層型電力管理システムの第一実施例の構成図である。
【図３】本発明による階層型電力管理システムの第二実施例の構成図である。
【図４】本発明による階層型電力管理システムの第三実施例の構成図である。
【図５】本発明による電池セル平衡化回路(CBC)の制御回路の実施例を示す図である。
【図６】本発明によるモジュール平衡化回路(MBC)の制御回路の実施例を示す図である。
【図７】本発明による電池グループ平衡化回路(GBC)の制御回路の実施例を示す図である。
【図８】高電圧電池管理及び平衡化回路に用いる電池平衡化方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明を実施するための好適な形態を詳細に説明する。なお、このような実施形態は、例示に過ぎず、本発明を限定するものでない。
【００１７】
図1は、本発明による電池キャビネットの実施例の構成図である。図に示すように、該電池キャビネットは、階層型電池構成を有し、電池キャビネット(battery  cabinet)1は、複数の電池ユニット(battery  unit)11、12からなり、電池ユニットは、複数の電池グループ(battery  group)111、112、…からなり、電池グループは、複数の電池モジュール(battery  module)111A、111B、111C、111Dからなる。なお、電池モジュールは、一般に知られている、複数の電池セル(battery  cell)が直列接続されることで構成される電池パックである。本発明の一実施例では、14.7V  4S4P  200Ah(50Ah*4)の電池モジュール(battery  module)を単位として電池管理を行っても良い。一例として、先ず、4組の電池モジュールにより１つの電池グループ(battery  group)を形成し、そして、10組の電池グループを直列接続することにより１つの600V/120kWhの直列接続型電池ユニット(battery  unit)を形成し、それから、2つの電池ユニットにより１つの240kWhの電池キャビネット(battery  cabinet)を構成することができる。
【００１８】
図2は、本発明による階層型電力管理システムの第一実施例の構成図である。図に示すように、該実施例は、本発明の電池グループ階層における管理及び平衡化回路を示す。電池ユニット(battery  unit)には、複数の電池グループが含まれ、各電池グループ211、212、213、…は、１組の電池グループ平衡化回路GBC_1、GBC_2、GBC_3、…を有し、各電池グループ平衡化回路は、隔離型双方向プッシュプルコンバータ(push-pull  converter)を有し、システムが充電又は放電を行うと同時に、電池グループの追加の充電及び放電電流を提供し、各電池グループ211、212、213、…の貯電のバランスを加速化することができる。該階層型電力管理システムHPMSは、各電池の電圧及び温度のモニタリングを担当し、また、通信インターフェースによりBMUとやり取り（通信）を行うための電池監視ユニットCMUを有し、電池管理ユニットBMUは、全ての電池の電量(State  of  Charge，SOC)の計算、充放電電圧及び電流の検出、モジュール温度保護、内部に対してCMUとの通信、外部に対して電池ユニット(battery  unit)階層全体の代表としてシステムとの通信などを担当する。なお、電池監視ユニットCMUの数量は、図に示す１組に限定されず、CMUは、電池セル(battery  cell)階層の状態を監視しなければならないので、実際には、複数の個別の制御ハードウェアCMU_1、CMU_2、…を含む可能性があり、これにより、すべての電池グループ中の各電池モジュールに対してそれぞれモニタリングを行い、電池グループ階層に対しての充放電管理及び平衡化動作を達成することができる。また、電池ユニット中の電池グループの数量も、使用者がニーズに応じて確定することができ、即ち、本発明に開示の態様に限定されない。
【００１９】
図3は、本発明による階層型電力管理システムの第二実施例の構成図である。図に示すように、該実施例は、本発明の電池モジュール(battery  module)階層における管理及び平衡化回路を示す。本実施例では、該電池グループ311に４つの電池モジュールが含まれ、各電池モジュール311A、311B、311C、311Dは、それぞれ、１組のモジュール平衡化回路MBC_1、MBC_2、MBC_3、MBC_4を有すると共に、電池監視ユニットCMU_1、CMU_2、CMU_3、CMU_4も有し、また、電池グループ311の貯電量の平衡化を担当する電池グループ平衡化回路GBC_1、及び電池管理ユニットBMUもあり、これにより、電池モジュール階層の充放電管理及び平衡化動作を達成することができる。該モジュール平衡化回路は、隔離型双方向フライバックコンバータ(flyback  converter)を採用し、システムが充電又は放電を行うと同時に、電池モジュールの追加の充電及び放電電流を提供し、各電池モジュールの貯電のバランスを加速化することができる。なお、各電池グループに含まれる電池モジュールの数量は、使用者がニーズに応じて確定することができ、本発明に開示の態様に限定されない。
【００２０】
図4は、本発明による階層型電力管理システムの第三実施例の構成図である。図に示すように、本実施例は、本発明の電池セル(battery  cell)階層における管理及び平衡化回路を示す。本実施例では、電池モジュール411Aに４つの電池セルが含まれ、各電池セル411A_1、411A_2、411A_3、411A_4は、それぞれ、1組の電池セル平衡化回路CBC_1、CBC_2、CBC_3、CBC_4を有し、また、電池モジュールに属するモジュール平衡化回路MBC_1、電池グループに属する電池グループ平衡モジュールGBC_1、電池監視ユニットCMU_1、及び電池管理ユニットBMUもある。該電池セル平衡化回路は、隔離型双方向フライバックコンバータ(flyback  converter)を採用し、システムが充電又は放電を行うと同時に、電池セルの追加の充電及び放電電流を提供し、各電池セルの貯電量のバランスを加速化することができる。なお、各電池モジュールに含まれる電池セルの数量は、使用者が必要に応じて確定することができ、即ち、本発明に開示の態様に限定されない。
【００２１】
本発明の一実施例では、複数組の電池セル平衡化回路(CBC)の出力が同一組のモジュール平衡化回路(MBC)の入力に接続され、複数組のモジュール平衡化回路(MBC)の出力が同一組の電池グループ平衡化回路(GBC)の入力に接続され、よって、モジュール平衡化回路(MBC)は、その担当する複数組の電池セル平衡化回路(CBC)間のエネルギー交換を提供し、電池グループ平衡化回路(GBC)は、その担当する複数組のモジュール平衡化回路(MBC)間のエネルギー交換を提供し、これらの階層の変換器により、各電池セルは、すべて、エネルギーを電池ユニットのエネルギープールに伝達し、電池ユニットのエネルギープールからエネルギーを得ることもでき、また、これらの平衡化回路の変換器が同時に動作し得るので、システム全体は、最速の方式で平衡を達成することができる。
【００２２】
図5は、本発明による電池セル平衡化回路(CBC)の制御回路の実施例を示す図である。図に示すように、電池セル平衡化回路(CBC)50は、CBC放電制御端51、CBC充電制御端52、及び変圧器を有するフライバックコンバータ53を含み、そのワーキング範囲は、例えば、15W、3.7V⇔15Vであり、フライバックコンバータ53は、その一次側及び二次側では、すべて、ピーク電流制御方法を採用し、受信した充電命令(Icc)又は放電命令(Idc)に基づいて、電池セル411A_1に対して充電又は放電動作を行い、また、充電動作を行う時に、二次側でのCBC充電制御端52のみが動作し、一次側でのスイッチS1がオフになり、そのバイパスにあるダイオードを用いて整流動作を行う。逆に、放電動作を行う時に、一次側でのCBC放電制御端51のみが動作し、二次側でのスイッチS2がオフになり、そのバイパスにあるダイオードを用いて整流動作を行う。なお、充電命令(Icc)又は放電命令(Idc)は、CMU(図未せず)により生成される。
【００２３】
図6は、本発明によるモジュール平衡化回路(MBC)の制御回路の実施例を示す図である。図に示すように、モジュール平衡化回路(MBC)は、MBC放電制御端61、MBC充電制御端62、変圧器を有するフライバックコンバータ63、電圧制御器64、及び光カプラ65を含み、その一次側及び二次側では、すべて、ピーク電流制御方法を採用し、MBCの制御の目的は、所在する電池モジュールの電力平衡を維持することにあり、その出力電圧(60V)は、GBCにより維持され、それ自身は、モジュールの入力電圧Vmoduleを維持する方式で、MBCが充電又は放電の動作を行うかを決定する。所在する電池モジュール内の電池セルCBCが電池平衡化のために放電を行う必要がある場合、電圧制御器64は、一次側放電電流命令(Idc)を生成して一次側のMBC放電制御端(ピーク電流制御器であっても良い)に送信することができ、所在する電池モジュール内の電池セルCBCが電池平衡化のために充電される必要がある場合、電圧制御器64は、二次側放電電流命令(Idc)を生成して光カプラ65を経由して二次側のMBC充電制御端62(ピーク電流制御器であってもよい)に送信することができる。なお、モジュールの電圧命令(Vmc)は、電池管理ユニット(BMU)(図示せず)により設定される。
【００２４】
図7は、本発明による電池グループ平衡化回路(GBC)の制御回路の実施例を示す図である。図に示すように、電池グループ平衡化回路(GBC)は、アクティブクランプ電流供給プッシュプルコンバータ(active-clamped  current-fed  push-pull  converter，ACCFPPC)71及びフルブリッジコンバータ72を有し、その回路の一次側では、アクティブクランプ電流供給プッシュプルコンバータ(active-clamped  current-fed  push-pull  converter，ACCFPPC)を採用し、二次側では、フルブリッジコンバータを同期整流回路として採用し、アクティブクランプ電流供給プッシュプルコンバータには、電圧制御器73、電流制御器74、PWMスイッチ75、アクティブクランプ素子76、一次側スイッチ(Q1，Q1p)、二次側スイッチ(Q2，Q2p)、及びコイルを含み、フルブリッジコンバータは、同期整流器77及び４つのスイッチを有し、このような設計は、一次側のスイッチが双方向電力潮流制御を行うように制御することができる。GBCの制御の目的は、所在する電池グループ(battery  group)の電力平衡を維持することにあり、その出力電圧(600V)は、直列接続型電池ユニット(battery  unit)の電圧であり、それ自身は、電池グループの入力電圧(Vgroup)を維持する方式でGBCが充電又は放電の動作を行うかを決定する。所在する電池グループ内の電池モジュールMBCが平衡化のために放電を行う必要がある場合、電圧制御器73は、正の電流命令(Ibc)を生成して電流制御器74に送信することができ、逆に、所在する電池グループ内の電池モジュールMBCが平衡化のために充電される必要がある場合、電圧制御器73は、負の電流命令(Ibc)を生成することができる。電流制御器74により、入力されたインダクタ電流を双方向に流せることができる。なお、電池グループの電圧命令(Vgc)は、電池管理ユニット(BMU)(図示せず)により設定される。
【００２５】
上述の各階層の平衡化回路により構成された階層型エネルギー平衡化システム(Hierarchical  Energy  Balance  System，HEBS)により、本発明は、電池ユニット(battery  unit)内の各階層の各電池セル、電池モジュール、電池グループが同時にエネルギー平衡化動作を行い、且つすべてのCBC、MBC、GBCが充電又は放電を許可する最大容量を有するようにさせることができるので、最速ですべての電池セルのエネルギーのバランスを取ることができる。しかし、回路がワーキングする時に依然として電力が消費されることを考慮して、本発明は、インテリジェントなエネルギー節約の判断、ワーキングモードを考慮した平衡化回路動作モードを加えることにより、電池の貯電能力及び寿命を向上させることができる。
【００２６】
本発明は、さらに、電動バスの修理工場などでのメンテナンスや充電時(非走行状態)の電池平衡化方法を提供する。電動バスの高電圧動力用電池システムを例とすれば、本発明による階層型電力管理システムHPMS(車に設けられる)は、階層型電力平衡化システムHEBS(修理工場などに設けられる)と分離し、修理工場などでの充電やメンテナンス時にのみ平衡化動作を行うことができる。HPMSは、電池の状態を持続に監視する必要があるので、車に設置しなければならないが、HEBSは、電池が不平衡になる時にのみワーキングするため、電池の平衡状態が良い場合、必ずしも車に設置する必要がない。本ワーキングモードの概念は、車が修理工場などでの充電やメンテナンスを行う時に、走行中の一時的な充電ステーションのようなところであっても、充電又はメンテナンス時に電池の平衡化動作が行われ、且つ修理工場などを出る時に電池の平衡状態が保証されれば、数十又は数百キロ内で電池が不平衡になる確率を最も低く抑えることができ、また、電池がずっと良好な状態にあるため、電池の容量及び電池の寿命を保証し得ることにある。
【００２７】
本発明は、高電圧電池管理及び平衡化回路に用いる電池平衡化方法を提供する。図8示すように、該方法は、電池監視ユニット(CMU)が全ての電池セルの電圧を検出し、そして、電池管理ユニット(BMU)にフィードバックし（S001）；電池管理ユニット(BMU)が同時に電池セル平衡化回路(CBC)、モジュール平衡化回路(MBC)及び電池グループ平衡化回路(GBC)の電力平衡化動作を開始し、電池キャビネット内の全ての電池セルの電圧が一致するように達成させ（S002）；電池キャビネット全体の充電又は放電動作を行い（S003）；持続に各電池セルの平衡状態をモニタリングし、該電池キャビネット中のある部分(ある電池グループ、電池モジュール又は電池セル)の不平衡状態が許容範囲を超えた場合、階層型エネルギー平衡化システム(HEBS)中の対応する階層の平衡化回路の平衡化動作を開始する（S004）ステップを含む。
【００２８】
以上のことから、本発明は、高電圧電池管理及び平衡化回路並びにその応用を提供し、本発明は、階層型電池管理システム及びエネルギー平衡化システムを有し、迅速且つ正確に電動バスの、複数の電池パックが直列接続されることで形成される高電圧動力用電池システムに対して平衡化のための充放電の補償を行うことができる。インテリジェントな電気エネルギー管理及び完備な電池平衡化回路により、すべての電池セルが直ぐにバランスを取ることができ、且つ充放電下ですべての電池セルが完全に保護され得るようにさせることで、電池システムの貯電及び充放電能力、寿命及び安全性を確保することができる。従来の技術に比べ、本発明は、高電圧電池システム中の任意の電池セルの充放電状態をより正確に把握し、また、より迅速に補償を行うことができる。本発明の階層型電池管理システム及び階層型エネルギー平衡化システムは、電池システムの電力消費を正確に管理し、補償用電力を制御及び節約する効果を実現することができ、また、単一装置(例えば、電動バス)又は異なる装置(例えば、電動バス、及び修理工場などにあるもの)に設けることができるので、利用上で高い柔軟性及び拡張性も有する。
【００２９】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更は本発明の技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００３０】
11、12  電池ユニット
111、112、211、212、213  電池グループ
111A、111B、111C、111D、311A、311B、311C、311D、411A  電池モジュール
411A_1、411A_2、411A_3、411A_4  電池セル
GBC_1、GBC_2、GBC_3  電池グループ平衡化回路
MBC_1、MBC_2、MBC_3、MBC_4  モジュール平衡化回路
CBC_1、CBC_2、CBC_3、CBC_4、50  電池セル平衡化回路
CMU、CMU_1、CMU_2、CMU_3、CMU_4  電池セル監視ユニット
BMU  電池管理ユニット
51  CBC放電制御端
52  CBC充電制御端
53、63  フライバックコンバータ
Icc  充電命令
Idc  放電命令
S1  一次側スイッチ
S2  二次側スイッチ
61  MBC放電制御端
62  MBC充電制御端
64、73  電圧制御器
65  光カプラ
71  アクティブクランプ電流供給プッシュプルコンバータ
72  フルブリッジコンバータ
74  電流制御器
75  PWMスイッチ
76  アクティブクランプ素子
Q1、Q1p  一次側スイッチ
Q2、Q2p  二次側スイッチ
S001〜S004  方法のステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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