(57)【要約】  本発明は、セルの平滑化方法に関する。本発明は、各々のセルの充電状態（ＳＯＣ））推定値、各々の容量またはクーロン効率のような拡張デュアルカルマンフィルターより利用可能な他の情報を利用する。本発明は、最小と最大との間でＳＯＣの動作範囲を規定する。上記最小と最大は定数であるか、または他の変数の関数に基づいて動的であり得る。ＳＯＣは各セルの最大充電容量または最大放電容量に相対的に測定され得る。ＳＯＣが全てのセルにおいて一貫していない場合には、優先順位を付与する方式が、平滑化が要求されるセルを決定するのに用いられる。
2008520179.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個のセル各々の充電状態を決定する段階、
前記複数個のセル各々の充電容量と放電容量のうち少なくとも一つを決定する段階、並びに
複数個のセルのうち少なくとも一つのセルの充電容量が複数個のセルのうち他の一つのセルの充電容量より選択された臨界値以上少ない場合、及び複数個のセルのうち少なくとも一つのセルの放電容量が複数個のセルのうち他の一つのセルの放電容量より選択された臨界値以上少ない場合、の中で少なくとも一つの場合に、複数個のセルのうち少なくとも一つ以上を平滑化する段階、
を含むことを特徴とする、バッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項２】
前記充電容量の決定は、
前記各々のセルの選択された最大充電状態と上記各々のセルの現在充電状態間の差を演算することで行われることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項３】
前記充電容量の決定は、
前記各々のセルの全体容量を上記差に乗算して行われることを特徴とする、請求項２に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項４】
前記充電容量の決定は、
クーロン効率演算（Ｃｏｕｌｏｍｂｉｃ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ）を採用して行われることを特徴とする、請求項３に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項５】
前記充電容量の決定は、
前記各々のセルの名目容量を上記差に乗算して行われることを特徴とする、請求項２に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項６】
前記充電容量の決定は、
クーロン効率演算を採用して行われることを特徴とする、請求項５に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項７】
前記平滑化は、
前記複数個のセルから選択されたセルの充電容量より選択された臨界値以上少ない充電容量を有する上記複数個のセルのうち一つ以上のセルの充電量を消耗させることで行われることを特徴とする、請求項２に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項８】
前記複数個のセルから選択されたセルの充電容量より選択された臨界値以上少ない充電容量を有する上記複数個のセルのうち一つ以上のセルは、充電容量を基準にして上記複数個のセルをソーティング（ｓｏｒｔｉｎｇ）して決定されることを特徴とする、請求項７に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項９】
前記放電容量の決定は、
前記各々のセルの現在充電状態と上記各々のセルの選択された最小充電状態間の差を演算することで行われることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項１０】
前記放電容量の決定は、
前記各々のセルの全体容量を上記差に乗算して行うことを特徴とする、請求項９に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項１１】
前記放電容量の決定は、
前記各々のセルの名目容量を上記差に乗算して行われることを特徴とする、請求項９に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項１２】
前記平滑化は、
前記複数個のセルから選択された一つのセルの放電容量より選択された臨界値以上少ない放電容量を有する上記複数個のセルのうち一つ以上のセルに充電量を付加することで行われることを特徴とする、請求項９に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項１３】
前記複数個のセルから選択されたセルの放電容量より選択された臨界値以上少ない放電容量を有する上記複数個のセルのうち一つ以上のセルは、放電容量を基準にして上記複数個のセルをソーティングして決定されることを特徴とする、請求項１２に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項１４】
前記平滑化は、
上記複数個のセルのうち第一の一つ以上のセルから他の一つ以上のセルに充電容量を移動させることで行われることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項１５】
前記平滑化は、
前記複数個のセルの選択された最大充電状態と選択された最小充電状態との差が選択された臨界値と一致するか超過する場合に行われることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項１６】
充電状態は、
カルマンフィルター（Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ）、デュアルカルマンフィルター（ｄｕａｌ Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ）、拡張カルマンフィルター（ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ）、拡張デュアルカルマンフィルター（ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｄｕａｌ Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ）のうち少なくとも一つの形態を用いて決定されることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項１７】
前記平滑化は、
選択された充電状態の推定値が他の選択された充電状態の推定値の誤差限界を選択された臨界値以上外れた場合に行われることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項１８】
前記平滑化は、
選択された充電状態の推定値が他の選択された充電状態の推定値の誤差限界を選択された臨界値以上外れた場合に行われ、
前記誤差限界は、誤差共分散推定の充電状態の推定値を用いて演算されることを特徴とする、請求項１７に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項１９】
前記平滑化は、
選択された最大放電容量と選択された最小放電容量との差及び選択された最大充電容量と選択された最小充電容量との差が選択された臨界値以内の場合に中断されることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項２０】
前記平滑化は、
セルが充電追加及び充電消耗の両方の対象となる場合に中断されることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項２１】
複数個のセル各々の充電状態を決定する段階、
充電状態に従って前記複数個のセルの優先順位を決定する段階、及び
前記優先順位に従って前記複数個のセルを平滑化する段階、を含むバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項２２】
前記充電状態は、
カルマンフィルタリングの形態を用いて決定されることを特徴とする、請求項２１に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項２３】
前記充電状態は、
拡張カルマンフィルターを用いて決定されることを特徴とする、請求項２１に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項２４】
前記平滑化は、
前記複数個のセルの選択された最大充電状態と選択された最小充電状態との差が選択された臨界値と一致するか超過する場合に行われることを特徴とする、請求項２２に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化方法。
【請求項２５】
複数個のセルからなるバッテリーパック、
少なくとも二つのセル各々の充電状態の決定が容易になるように構成された前記複数個のセルのうち、前記少なくとも二つのセルと通信可能なセンサー、及び
前記センサーと前記複数個のセルと通信可能なコントローラー、を含み、
前記コントローラーは、複数個のセル各々の充電状態に基づいて複数個のセルのうち前記少なくとも二つのセルのうち一つのセル充電を平滑化するように構成されることを特徴とする、バッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項２６】
前記複数個のセルと上記コントローラーと通信可能であり、前記複数個のセルのうち少なくとも二つのセルのうち一つのセルの充電を平滑化するように構成された装置をさらに含むことを特徴とする、請求項２５に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項２７】
前記コントローラーは、
前記複数個のセル各々の充電容量と放電容量のうち少なくとも一つを決定し、
複数個のセルのうち少なくとも一つのセルの充電容量が複数個のセルのうち他の一つのセルの充電容量より選択された臨界値以上少ない場合、及び複数個のセルのうち少なくとも一つのセルの放電容量が複数個のセルのうち他の一つのセルの放電容量より選択された臨界値以上少ない場合、の中で少なくとも一つの場合に、複数個のセルのうち一つ以上を平滑化することを特徴とする、請求項２５に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項２８】
前記充電容量の決定は、
前記各々のセルの選択された最大充電状態と前記各々のセルの現在充電状態との差を演算することで行われることを特徴とする、請求項２７に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項２９】
前記充電容量の決定は、
前記各々のセルの全体容量を上記差に乗算して行われることを特徴とする、請求項２８に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項３０】
前記充電容量の決定は、
クーロン効率演算を採用して行われることを特徴とする、請求項２９に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項３１】
前記充電容量の決定は、
前記各々のセルの名目容量を上記差に乗算して行われることを特徴とする、請求項２７に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項３２】
前記充電容量の決定は、
クーロン効率演算を採用して行われることを特徴とする、請求項３１に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項３３】
前記平滑化は、
前記複数個のセルから選択されたセルの充電容量より選択された臨界値以上少ない充電容量を有する前記複数個のセルのうち一つ以上のセルの充電量を消耗させることで行われることを特徴とする、請求項２５に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項３４】
前記複数個のセルから選択されたセルの充電容量より選択された臨界値以上少ない充電容量を有する前記複数個のセルのうち一つ以上のセルは、充電容量を基準にして前記複数個のセルをソーティングして決定されることを特徴とする、請求項３３に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項３５】
前記放電容量の決定は、
前記少なくとも一つのセルの現在充電状態と前記各々のセルの選択された最小充電状態との差を演算することで行われることを特徴とする、請求項２５に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項３６】
前記放電容量の決定は、
前記各々のセルの全体容量を前記差に乗算して行われることを特徴とする、請求項３５に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項３７】
前記放電容量の決定は、
前記各々のセルの名目容量を前記差に乗算して行われることを特徴とする請求項２５に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項３８】
充電の平滑化は、
前記複数個のセルから選択された一つのセルの放電容量より選択された臨界値以上少ない放電容量を有する前記複数個のセルのうち一つ以上のセルに充電量を付加することで行われることを特徴とする、請求項３５に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項３９】
前記複数個のセルから選択されたセルの放電容量より選択された臨界値以上少ない放電容量を有する一つ以上のセルは、放電容量を基準にして上記複数個のセルをソーティングして決定されることを特徴とする請求項３８に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項４０】
前記充電の平滑化は、
前記複数個のセルのうち第一の一つ以上のセルから他の一つ以上のセルに充電量を移動させることで行われることを特徴とする、請求項２５に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項４１】
セルの充電平滑化は、
前記複数個のセルの選択された最大充電状態と選択された最小充電状態との差が選択された臨界値と一致するか超過される場合に行われることを特徴とする、請求項２５に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項４２】
充電状態は、
カルマンフィルター、デュアルカルマンフィルター、拡張カルマンフィルター、拡張デュアルカルマンフィルターのうち少なくとも一つの形態を用いて決定されることを特徴とする、請求項２５に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項４３】
充電の平滑化は、
選択された充電状態の推定値が他の選択された充電状態の推定値の誤差限界を選択された臨界値以上外れた場合に行われることを特徴とする、請求項２５に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項４４】
充電の平滑化は、
選択された充電状態の推定値が他の選択された充電状態の推定値の誤差限界を選択された臨界値を外れた場合に行われ、
前記誤差限界は、誤差共分散推定の充電状態の推定値を用いて演算されることを特徴とする、請求項４３に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項４５】
充電平滑化は、
選択された最大放電容量と選択された最小放電容量との差及び選択された最大充電容量と選択された最小充電容量との差が選択された臨界値以内の場合に中断されることを特徴とする、請求項２５に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項４６】
前記充電平滑化は、
セルが充電の追加及び充電の消耗に両方とも対象となる場合に中断されることを特徴とする、請求項２５に記載のバッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項４７】
複数個のセル各々の充電状態を決定するための手段、
複数個のセル各々の充電容量と放電容量のうち少なくとも一つを決定するための手段、並びに
複数個のセルのうち少なくとも一つのセルの充電容量が複数個のセルのうち他の一つのセルの充電容量より選択された臨界値以上少ない場合、及び複数個のセルのうち少なくとも一つのセルの放電容量が複数個のセルのうち他の一つのセルの放電容量より選択された臨界値以上少ない場合、の中で少なくとも一つの場合に、複数個のセルのうち一つ以上を平滑化する手段、を含む、バッテリーパックにおけるセル平滑化システム。
【請求項４８】
複数個のセル各々の充電状態を決定する段階、
前記複数個のセル各々の充電容量と放電容量のうち少なくとも一つを決定する段階、並びに
複数個のセルのうち少なくとも一つのセルの充電容量が複数個のセルのうち他の一つのセルの充電容量より選択された臨界値以上少ない場合、及び複数個のセルのうち少なくとも一つのセルの放電容量が複数個のセルのうち他の一つのセルの放電容量より選択された臨界値以上少ない場合、の中で少なくとも一つの場合に、複数個のセルのうち少なくとも一つ以上を平滑化する段階、を含むバッテリーパックにおけるセル平滑化方法を、コンピューターが行うようにする命令語を含む、機械により認識可能なコンピュータープログラムコードでコード化した貯蔵媒体。
【請求項４９】
複数個のセル各々の充電状態を決定する段階、
前記複数個のセル各々の充電容量と放電容量のうち少なくとも一つを決定する段階、並びに
複数個のセルのうち少なくとも一つのセルの充電容量が複数個のセルのうち他の一つのセルの充電容量より選択された臨界値以上少ない場合、及び複数個のセルのうち少なくとも一つのセルの放電容量が複数個のセルのうち他の一つのセルの放電容量より選択された臨界値以上少ない場合、の中で少なくとも一つの場合に、複数個のセルのうち少なくとも一つ以上を平滑化する段階、を含むバッテリーパックにおけるセル平滑化方法を、コンピューターが行うように構成されたコードを含む、コンピューターにより認識可能な媒体で実現するコンピューターデータ信号。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を用いた電池平滑化に関し、特に、多重‐電池バッテリーパックにおける電池平滑化に関する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリーは電子・電気分野で多様に、かつ幅広く用いられており、多重電池に再充電できるバッテリーパックに対してはバッテリーパックの電池を平滑化するかバランスを取ることが望ましく、例えば、直列で構成される一連の電池を平滑化するかバランスを取ることが望ましい。電池は、適切な電流電源とともにバッテリーパックが高電力水準を達成するために一連の直列（ｓｅｒｉｅｓ ｓｔｒｉｎｇｓ）で構成される。高電圧の直列ストリングは低い電流により同一の電力水準が達成可能にする。一般に、従来技術において、バランシング（ｂａｌａｎｃｉｎｇ）と平滑化（平均化、ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）という用語は、全ての電池の端子電圧が一定の水準になるようにする過程に関わる用語である。
【０００３】
時間が経過するにつれてバッテリーパックの電池はバランスを失う場合がある。主にクーロン効率及び容量による電池の個別的な動的状態における僅かな差が上記パックの作動によって充電状態を互いに異ならせる現象を誘発する。少なくとも一つ以上の電池が他の電池より遥かに低い状態の充電状態（ＳＯＣ）を有することで上記パックの放電能力を永久的に制限する場合もある。また、一つ以上の電池（セル、ｃｅｌｌ）が他のセルより遥かに高いＳＯＣを有することで上記パックの充電量を永久的に制限する場合もある。極端的な場合、すなわち、もし一つのセルが最低ＳＯＣ限界に該当するか他のセルが最高ＳＯＣ限界に該当すれば、全ての他のセルが適当なＳＯＣ値を有するにもかかわらず、上記パックは充電のみならず放電も行えなくなる場合がある。極めて低いＳＯＣを有しているセルには個別的な追加充電作業であるブースティング（ｂｏｏｓｔｉｎｇ）をするか、極めて高いＳＯＣを有しているセルには保有した充電量を放流（消耗）させる作業であるバッキング（ｂｕｃｋｉｎｇ）またはシャンティング（ｓｈｕｎｔｉｎｇ）を行うか、他のセルに充電量を移動させるシャッフリング（ｓｈｕｆｆｌｉｎｇ）を行うことで、上記パックを平滑化またはバランシングすることができる。
【０００４】
例えば、ある応用例において、完全充電に伴う長い放電期間を有する場合、平滑化は単に充電される過程の充電終了時点で行われ、上記パックが充分にバランスを取るまで持続される。しかし、他の応用例においては、上記パックは絶え間ない部分充電と部分放電の期間を経るべきであり、ゆえに平滑化はバッテリーパックのセルが自分の充電水準が充分にバランスを取ったパックに向けて絶えず調整されるパックの動作遂行過程によって行われる必要がある。平滑化は問題となるセルが十分なバランスに満足するほど近づけば中断されることができ、また上記セルのバランスが相当崩れたときに再び始まることができる。
【０００５】
従来、パックの平滑化においてセルの充電水準を調整すべきかの可否の決定は主にセル電圧のみに基づいてなされた。もし、全てのセル電圧が同一であるか適当な誤差範囲以内であれば、おそらく上記パックは適当なバランスを取ったとされる。もし、あるセルの電圧が高過ぎればそのセルの充電は消耗される必要があり、もし、あるセルの電圧が低過ぎる場合にはそのセルに充電を追加する必要がある。多様な電子機器は自動的にまたはマイクロプロセッサーの制御を通じて上記平滑化を行うことができ、充電の移動（ｓｈｕｆｆｌｉｎｇ ｃｈａｒｇｅ）、充電の消耗（ｄｅｐｌｅｔｉｎｇ ｃｈａｒｇｅ）及び充電の追加（ａｄｄｉｎｇ ｃｈａｒｇｅ）作業を含む。充電移動の場合、充電は極めて高い電圧を有している一つ以上のセルから極めて低い電圧を有する一つ以上のセルに移動する。スイッチキャパシタを用いることができ、トランスフォーマーワインディング（ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｗｉｎｄｉｎｇｓ）に基づいたエネルギー変換方法を用いることができる。充電消耗の場合、極めて高い電圧を有した一つ以上のセル（例えば、スイッチ抵抗を有しているセル）から充電は消滅される。充電追加の場合、充電は外部供給源またはパック自体（例えば、ＤＣ‐ＤＣ コンバータ）より供給することができる。平滑化を行いセルの平滑化を制御するとき、インジケータ（ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）としてセル電圧を用いる場合、バッテリーパックの性能が最大化できないという短所が存在する。
【０００６】
上記平滑化の目的は、充・放電力の最大水準の使用が可能な状態に上記バッテリーパックを維持することである。また、上記パックの有用性を最大化するためにセル充電のブースティング、バッキングまたはシャッフリングによるバッテリーパックの性能を改善する方法に対する必要性が台頭されている。
【発明の概要】
【０００７】
上記問題点と必要性を満足するためにセル平滑化のための多様な実施例の方法と装置が開示される。例えば、一実施態様において開示されるバッテリーパックにおけるセル平滑化方法は、複数個のセル各々の充電状態を決定する段階、充電状態に従って複数個のセルの優先順位を設定する段階、及び上記優先順位に従って複数個のセルを平滑化する段階、を含む。
【０００８】
他の実施態様において開示されるバッテリーパックにおけるセル平滑化方法は、複数個のセル各々の充電状態を決定する段階、上記複数個のセル各々の充電容量と放電容量のうち少なくとも一つを決定する段階、及び複数個のセルのうち少なくとも一つのセルの充電容量が複数個のセルのうち他の一つのセルの充電容量より選択された臨界値以上少ない場合及び複数個のセルのうち少なくとも一つのセルの放電容量が複数個のセルのうち他の一つのセルの放電容量より選択された臨界値以上少ない場合の中で少なくとも一つの場合に、複数個のセルのうち少なくとも一つ以上を平滑化する段階、を含む。
【０００９】
他の実施態様において開示されるバッテリーパックにおけるセル平滑化システムは、複数個のセルからなるバッテリーパック；少なくとも二つのセル各々の充電状態の決定が容易になるように構成された上記複数個のセルのうち上記少なくとも二つのセルと通信可能なセンサー、並びに上記センサー及び上記複数個のセルと通信可能なコントローラーを含み、上記コントローラーは、複数個のセル各々の充電状態に基づいて複数個のセルのうち上記少なくとも二つのセルのうち一つのセルの充電を平滑化するように構成される。
【００１０】
さらに他の実施態様において開示されるバッテリーパックにおけるセル平滑化システムは、複数個のセル各々の充電状態を決定するための手段、複数個のセル各々の充電容量と放電容量のうち少なくとも一つを決定するための手段、及び複数個のセルのうち少なくとも一つのセルの充電容量が複数個のセルのうち他の一つのセルの充電容量より選択された臨界値以上少ない場合及び複数個のセルのうち少なくとも一つのセルの放電容量が複数個のセルのうち他の一つのセルの放電容量より選択された臨界値以上少ない場合の中で少なくとも一つの場合に複数個のセルのうち一つ以上を平滑化する手段、を含む。
【００１１】
他の実施態様として、機械で認識可能なコンピュータープログラムコードでコード化された貯蔵媒体がさらに開示される。ここで貯蔵媒体は、バッテリーパックにおけるセル平滑化方法がコンピューターで行われるようにする命令語を含む。
【００１２】
さらに、バッテリーパックにおけるセル平滑化方法がコンピューターで行われるようにするコードを含むコンピューターで認識可能なコンピューターデータ信号に表現されるコンピューターデータ信号に関する他の実施態様において開示される。
【発明の実施のための最良の形態】
【００１３】
充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）を用いたセル平滑化システム及び方法が一つ以上の実施の形態として本明細書に開示される。特に、セル電圧のみならず各々のセルの充電状態の推定値（ｃｅｌｌ ＳＯＣ ｅｓｔｉｍａｔｅｓ）、可能な各々の容量またはセルクーロン効率（Ｃｏｕｌｏｍｂｉｃ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）のような追加的な情報を採用することで、複数個のセルの平滑化が可能である。さらに他の実施例において、標準またはデュアルカルマンフィルタリング（ｄｕａｌ Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）または拡張デュアルカルマンフィルター（ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｄｕａｌ Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ）などに基づいて演算されたＳＯＣをもってセル電圧の平滑化はさらに向上され、バッテリーパックの水準の充電及び放電電力を最大化する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施例によるセル平滑化システム１０の構成要素を示している。複数個のセル（例えば、バッテリー）を含む電気化学セルのパック２０は負荷回路に連結される。上記負荷回路３０は、例えば、電気輸送手段（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＥＶ）またはハイブリッド電気輸送手段（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＨＥＶ）に用いられるモーターであり得る。充電状態を測定する装置は参照符号４０として提供される。ＳＯＣ測定装置４０は、例えば、電圧計などのような電圧センサー４２からなるセル端子電圧の測定のための装置、電流計などのような電流センサー４４などのセル電流測定装置を含むが、これに限定されるのではない。選択的に、セル温度を温度計などのような温度センサー４６を用いて測定することができる。圧力またはインピーダンスセンサー４８も可能であり、セルの選択されたタイプによって採用されることができ、必要に応じて多様なセンサーがセルの特性と属性を評価するに採用されることができる。電圧、電流、選択的な温度及び他のセル特性に対する測定は、例えば、プロセッサやコンピューターなどの演算回路５０で行われ、セルのパラメーターと状態などを測定することになる。これはパック２０のセル２２各々の充電を操作するように構成された平滑化手段６０を命令するか含むことができる。上記システムは、当該技術の通常的な技術を有している者に公知されているコンピューターに利用可能な貯蔵媒体からなる貯蔵媒体５２を含むことができる。上記貯蔵媒体は、伝送信号５４に限らない多様な手段を採用して演算回路５０と通信することができる。
【００１５】
上記の機能と所望のプロセッシング及び計算（例えば、ここに言及されたセル平滑化）などを行うための演算回路５０は、プロセッサ、ゲートアレイ、カスタムロジッグ、コンピューター、メモリー、貯蔵媒体、記録媒体、タイミング、インタラプト、通信インターフェースと入出力信号インターフェース及び前述の要素の少なくとも一つからなる組み合わせなどを非制限的に含むことができる。演算回路５０は入力と入力信号フィルタリングなどを含むことができ、これを通じて通信インターフェースと入力からの信号獲得、コンバージョン、サンプリングなどを正確に行うことができる。演算回路５０のさらに他の特徴の詳細は後述する。
【００１６】
本発明の一つ以上の実施例においては、演算回路５０及び／または他のプロセッシングコントローラーにおいて実行される新規または更新されたソフトウェアとファームウェア（ｆｉｒｍｗａｒｅ）により具現することができる。しかし、ソフトウェア機能はファームウェアに限られるのではなく、ハードウェア、またはこれらの組み合わせなどを含むことができる。従って、本発明の優れた長所は、電気化学セルの充電及びコントロールのための現在及び／または新しいプロセッシングシステムを用いて具現ことができることである。
【００１７】
セル平滑化のための方法は図２に示されている。一実施態様において、平滑化を行うセルはバッテリーパックにおける利用電力を最大化するために決定される。一実施態様において、バッテリーパックのセルに対してＳＯＣが決定され、上記セルはその各々のＳＯＣに基づいて順位（ｒａｎｋ）が設定される。平滑化プロセスはこの順位に基づいてセルに適用される。Ｓ１０１段階において、各々のセルに対する上記ＳＯＣが決定され、ある実施例においては進行中のプロセスであり得る。ＳＯＣが決定された後、上記セルはＳ１０２段階において、各自のＳＯＣに基づいて順位が決定される。Ｓ１０３段階においては、この順位に基づいて上記セルに平滑化過程が適用される。例えば、充電の追加、減少、充電シャッフリング（ｓｈｕｆｆｌｉｎｇ）または適切な方式のエネルギー変換などにより平滑化は行われ得る。平滑化処理に対する決定は従来技術のように電圧水準ではなくＳＯＣに基づく。さらに、平滑化過程が充分であるか否かはＳＯＣの測定により決定される。
【００１８】
ＳＯＣ推定値の誤差範囲を用いることができれば、それらは平滑化をいつ中断するかを決定するのに用いることができる。一例として、カルマンフィルタリング（例えば、拡張カルマンフィルター）がＳＯＣを推定するのに用いられたら、誤差範囲はＳＯＣ推定誤差共分散（ＳＯＣ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ ｃｏｖａｒｉａｎｃｅ）の関数により計算することができ、一実施例として最大ＳＯＣと最小ＳＯＣとの差がＳＯＣ誤差範囲の関数範囲以内の場合、平滑化は中断される。
【００１９】
また、同一のセルがブースティングとバッキングの両方の対象になると、これはセルのＳＯＣが変化されるか否かに対する遂行が制限されるセルになる。従って、平滑化は中断されることができる。
【００２０】
図３は、本発明の他の実施態様による方法を説明するフロー図である。セルパックに対する本発明の実施態様を実施するにあたって、パックは直列に連結されているｋ個のセルからなるか、または並列に連結されたセルのモジュールとして仮定する。Ｓ２０１段階において、これらのセル（またはモジュール）各々のＳＯＣは公知の方法により決定され、ｚｋ（ｔ）で示す。ここで、ｔは時間を指す。
【００２１】
セルの充電状態を測定する方法は様々である。ＳＯＣは典型的にパーセントによる値であって、現在動作できるセル容量の部分を指す。ＳＯＣの測定には数多くの接近方法が採用されてきた。放電テスト、アンペアアワー（ａｍｐｅｒｅ‐ｈｏｕｒ）カウンティング（クーロンカウンティング）、電解質の測定、開放回路電圧の測定、線形／非線形回路モデリング、インピーダンス分光器、内在抵抗（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｇｉｓｔｏｒ）の測定、ｃｏｕｐ ｄｅ ｆｏｕｅｔ及びカルマンフィルタリングのいくつかの形態などがこれに該当する。このような方法のそれぞれは限界と利点を両方とも有している。
【００２２】
ＳＯＣを決定する他の方法は、Ｐｌｅｔｔの米国特許６,５３４,９５４号に開示されており、上記内容は参照さることにより本発明の開示の一部とされる。ＰｌｅｔｔによってＴＢＤに提出された代理人リストＮｏ.ＬＧＣ‐０００６、譲受人リストＮｏ.ＣＰＩ‐８の米国出願番号ｘｘ／ｘｘｘ,ｘｘｘに開示された内容に従ってＳＯＣは類似に計算されることができ、上記内容は参照さることにより本発明の開示の一部とされる。
【００２３】
これら例において、フィルター、望ましくは、カルマンフィルターがセル電圧、電流、温度の測定とセル動作の知られた数学的なモデルがＳＯＣを推定するのに用いられる。望ましくは、これら方法は直接的にセルの状態値を測定するが、ここでＳＯＣは上記状態のうち少なくとも一つになる。さらに、これら方法論はセルの平滑化のための終了条件の設定を容易にすることで開示された例示的な実施例の平滑化方法論を改善する。ＳＯＣの演算のための多数のよく知られた方法論が存在するということが公知されている。
【００２４】
一つの例示的な実施例において、ＳＯＣｚｋ（ｔ）がｚｍｉｎ<ｚｋ（ｔ）<ｚｍａｘの範囲内で維持されるようにする動作デザインの制限が存在する。ここでｚｍｉｎ、ｚｍａｘは定数であり得、他の変数（温度のような）の関数であり得る。また、他の制限が適用されない場合には、ｚｍｉｎ＝０％、ｚｍａｘ＝１００％として考えることができる。
【００２５】
続いて、図２の２０２段階において、ｚｋ（ｔ）レベルの各セルｋのＳＯＣに対して、このセルが上限からアンペアアワーで受容できる充電量は現在の充電容量を示すか、このセルが下限まで消耗することができる充電量は現在の放電容量を示す。上記上限の間隔（現在の充電容量）は以下のように表すことができる。
【００２６】
Ｃｋｃｈａｒｇｅ（ｔ）＝（ｚｍａｘ−ｚｋ（ｔ））Ｃｋ／ηｋ，（１）
【００２７】
そして、下限からのアンペアアワーにおける間隔（現在の放電容量）は以下のようである。
【００２８】
Ｃｋｄｉｓｃｈａｒｇｅ（ｔ）＝（ｚｋ（ｔ）−ｚｍｉｎ）Ｃｋ，（２）
【００２９】
ここで、Ｃｋはアンペアアワーにおけるセルｋの容量を意味し、ηｋはセルｋのクーロン効率を意味する。もし、全てのセルが実質的に等価的な現在の充電容量（Ｓ２０３段階のＣｋｃｈａｒｇｅ（ｔ））を有していれば（または、相互所定の臨界値の範囲内（例えば、５％以内））、何れのセルもパック充電容量を制限せず、Ｓ２０４段階に示されたように平滑化は要求されない。同様に、もし全てのセルが同一のＣｋｄｉｓｃｈａｒｇｅ（ｔ）（或いは、上記臨界値の範囲内）を有していればＳ２０４段階の平滑化は要求されず、何れのセルもパックの放電容量を制限しないであろう。本発明の実施例は本発明の範囲を脱しない範囲内で充電間隔または放電間隔（或いは、両方）を用いて運用することができることを理解されるべきである。
【００３０】
しかし、もし、少なくとも一つのセルのＣｋｃｈａｒｇｅ（ｔ）が他のセルのそれより小さければ（例えば、臨界値）、このセルは充電を受け入れるパックの能力を制限することになるので、平滑化が必要となる。同様に、もし一つのセルのＣｋｄｉｓｃｈｒｇｅ（ｔ）が他のセルのそれより小さければ（または類似性の許容可能な臨界範囲を脱するようになる場合）、このセルはパックが負荷に充電を提供する能力を制限することになるので平滑化が行わなければならない。
【００３１】
もし、平滑化が要求されたら上記間隔情報（ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）は次の例示的な方法論に従ってセルがＳ２５０において平滑化が必要なのかの可否及びＳ２０６の平滑化の適用可否などを決定するのに用いられる。
【００３２】
１．全てのセルに対するＣｋｄｉｓｃｈｒｇｅ（ｔ）を演算し最も小さいものから最も大きいもの順に整列させる。Ｃｋｄｉｓｃｈｒｇｅ（ｔ）の大きさによる逆順で優先順位が付与された最も小さい値を有するセルは、充電が消耗（バッキング、充電シャッフリングまたはエネルギー変換などを通じて）されるようにすることにおいて優先される。
【００３３】
２．全てのセルに対するＣｋｃｈｒｇｅ（ｔ）を演算し最も小さいものから最も大きいもの順に整列させる。Ｃｋｃｈｒｇｅ（ｔ）の大きさによる逆順で優先順位が付与された最も小さい値を有するセルは、充電が追加（ブースティング、充電シャッフリングまたはエネルギー変換などを通じて）されるようにすることにおいて優先される。
【００３４】
３．もし、チャージシャッフリングが利用可能であれば、最小のＣｋｃｈｒｇｅ（ｔ）を有したセルから最小のＣｋｄｉｓｃｈｒｇｅ（ｔ）を有したセルに至るまで対応する大きさに従って逆順で優先順位が付与されてシャッフルされる。
【００３５】
ＳＯＣ推定値の誤差範囲が利用可能であれば、いつ平滑化を中断するか決定するのに用いることができる。例えば、もし、カルマンフィルタリング（例えば、カルマンフィルター、拡張カルマンフィルターなど）のある形態がＳＯＣを推定するのに用いられたら、上記誤差範囲はＳＯＣ推定値誤差共分散の関数により演算することができる。例示的な具現において、最小と最大のＣｋｄｉｓｃｈｒｇｅ（ｔ）間の差と最小と最大のＣｋｃｈｒｇｅｔ）間の差が、上記ＳＯＣ誤差範囲の関数範囲以内に該当する場合に平滑化は中断することができる。さらに、あるセルがブースティングとバッキングの両方の対象であれば、ＳＯＣが変化されなければならないかの可否に対する遂行を制限するセルになる。
【００３６】
セルの容量情報が個別的に利用できなければ名目容量Ｃｎが用いられ得る。セルのクーロン効率情報が個別的に利用できなければ名目効率ηが用いられ得る。このような場合、上記過程がＳＯＣを平滑化することになる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
簡潔に述べると、本明細書は、直列連結された一連のセルまたはモジュールを有するバッテリーパックにおいてセルが平滑化されなければならないかの可否を決定する方法に対する多様な実施態様を開示する。ある実施態様においては、単なるセル電圧の平滑化のみならずパック利用可能性を最大化する。ある実施態様においては、利用可能であれば、セルの個別的な容量、クーロン効率などの情報を利用する。バッテリーパックのセルは時間が経つにつれて、それらの特性が同一ではなくなり、開示された実施態様のパックを用いることによって、さらに良好な性能を提供することになる。多様な実施態様は連続的なベースに基づいて一連のセルを平滑化する方法を含む。一つの例示的な環境はハイブリッド電気輸送手段（ＨＥＶ）である。本発明は、上記輸送手段の例に限られず、セル平滑化が必要な如何なる環境にも適用可能である。
【００３８】
開示された本発明の方法は、コンピューターで行われる手続きまたは上記手続きを行う装置の形態に具体化することができる。上記方法は、プロッピィーディスク、ＣＤ‐ＲＯＭ、ハードディスクまたはコンピューターで認識可能な貯蔵媒体などの有形媒体５２で具体化される命令語を含むコンピュータープログラムコードの形態でも実現することができる。ここで上記コンピュータープログラムコードは、コンピューター内にローディングされコンピューターによって実行され、上記コンピューターは上記方法の実行が可能な装備になる。本方法は、コンピュータープログラムの形態、例えば、貯蔵媒体に貯蔵された形態、コンピューターによってローディングおよび／または実行される形態、変調されたキャリアウエーブの形態、伝送媒体、電気配線またはケーブル、光ファイバ、電磁気放射の経由などの形態で伝送されるデータ信号５４などの形態でも実現することができる。ここで上記コンピュータープログラムコードはコンピューター内にローディングされコンピューターにより実行される。汎用マイクロプロセッサーで具現される場合、上記コンピュータープログラムコードセグメントは上記マイクロプロセッサーが特定の論理回路を作るように構成される。
【００３９】
類似な構成を示すための第一、第二または他の類似な名称の使用は、他の言及がないかぎり、ある特定の手順を暗示的または内包的に意図するものではない。
【００４０】
一実施態様を参照しながら本発明を説明したが、本発明の範囲を逸脱しない範囲で、均等な構成要素の代替、及び多様な変化が可能であることは、本発明が属する技術分野の当業者に理解されるであろう。また、多くの変形例が本発明の本質的領域を逸脱することなく本発明の教示に対する特別な状況と内容に適用されることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考慮された最も望ましい一実施態様として開示された特定の実施態様に限られず、請求項に記載の発明の範囲内にある全ての実施態様を含む。
【００４１】
本発明の多様な特徴・形態及び利点は発明の詳細な説明と添付された請求範囲及び図面を通じてさらに明確に理解されるであろう。また、図面において同一の符号は同一の構成要素を意味する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施態様におけるシステムを示す図面である。
【図２】本発明の一実施太陽における方法を説明するフロー図である。
【図３】本発明の他の実施態様における方法を説明するフロー図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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