(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
再構成可能なバッテリシステムであって、
互いに相互接続された複数のバッテリ回路を含み、各回路が、
入力端子と、
出力端子と、
前記入力端子および前記出力端子間に介在する正端子および負端子付きバッテリセルと、
前記入力端子および前記バッテリセルの前記負端子間に接続された入力スイッチと、
前記出力端子および前記バッテリセルの前記正端子間に接続された並列スイッチと、
前記バッテリセルの前記負端子と前記隣接バッテリ回路の負端子間に接続されたバイパススイッチと、
前記バッテリセルの前記正端子と前記隣接バッテリ回路の前記負端子間に接続された直列スイッチと、を有し、さらに、
複数のバッテリ回路内の前記バッテリセルの動作状態を監視して前記複数のバッテリ回路内のスイッチを前記動作状態に従ってコントロールするコントロールユニット、を含む再構成可能なバッテリシステム。
【請求項２】
請求項１記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記コントロールユニットは前記複数の前記バッテリ回路内の前記バッテリセルからいくつかの使用可能なバッテリセルを決定する再構成可能なバッテリシステム。
【請求項３】
請求項２記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記コントロールユニットは前記バッテリシステムに対する電圧出力要求条件を受信し、前記複数のバッテリ回路内の前記スイッチを前記電圧出力要求条件を満たす電圧を出力する回路配置を形成するように構成する再構成可能なバッテリシステム。
【請求項４】
請求項３記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記コントロールユニットはいくつかの直列配置されたバッテリセルが前記電圧出力要求条件を満たす必要があると決定し、かつ互いに並列配置することができるいくつかのバッテリセルグループを前記いくつかの使用可能なバッテリセルから決定することにより前記複数のバッテリ回路内の前記スイッチを構成し、ここに、各バッテリセルグループは前記電圧出力要求条件を満たす直列配置された一連のバッテリセルにより構成される再構成可能なバッテリシステム。
【請求項５】
請求項２記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記コントロールユニットは並列配置されたバッテリセルグループの個数が与えられると、回路配置内でバイパスされる前記いくつかの使用可能なバッテリセルを最小限に抑える前記回路配置を形成するように前記複数のバッテリ回路内の前記スイッチを構成する再構成可能なバッテリシステム。
【請求項６】
請求項２記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記コントロールユニットは前記いくつかの使用可能なバッテリセルの個数を前記並列配置されたバッテリセルグループの個数で除算して各並列配置されたバッテリセルグループを構成するいくつかのセルの個数を決定し、並列配置されたバッテリセルグループ構成する前記セルは互いに直列配置される再構成可能なバッテリシステム。
【請求項７】
再構成可能なバッテリシステムであって、
互いに隣接する複数のバッテリ回路を含み、各バッテリ回路が、
入力端子と、
出力端子と、
前記入力端子および前記出力端子間に介在する正端子および負端子付きバッテリセルと、
前記バッテリセルを隣接回路内のバッテリセルと相互接続する複数のスイッチであって、前記バッテリセルを前記隣接バッテリ回路内の前記バッテリセルと直列に配置する、前記バッテリセルを前記隣接バッテリ回路内の前記バッテリセルと並列に配置する、または前記バッテリセルを前記隣接回路内の前記バッテリセルから切断するように構成可能な複数のスイッチと、を有し、さらに、
出力基準を受信し、回路配置により供給される電力を実質的に最大化しながら前記出力基準を満たす前記回路配置を形成するように前記各バッテリ回路内のスイッチをコントロールするコントロールユニットを有し、前記出力基準は前記回路配置に対するいくつかの出力と各出力に対する電圧要求条件を定義するものである、再構成可能なバッテリシステム。
【請求項８】
請求項７記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記コントロールユニットはいくつかの使用可能なバッテリセルの個数を前記複数の前記バッテリ回路内の前記バッテリセルから決定し、前記使用可能なバッテリセルを前記出力基準により定義された各出力へ割り当てる再構成可能なバッテリシステム。
【請求項９】
請求項８記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記コントロールユニットは定められた出力に対する前記電圧出力要求条件を受信し、前記定められた出力に対する前記電圧出力要求条件を満たす電圧を出力する回路配置を形成するように前記複数のバッテリ回路内の前記スイッチを構成する再構成可能なバッテリシステム。
【請求項１０】
請求項９記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記定められた出力に割り当てられるいくつかのバッテリセルを決定する前記コントロールユニットはいくつかの直列配置されたバッテリセルが前記電圧出力要求条件を満たす必要があると決定し、かつ前記定められた出力に割り当てられた前記いくつかのバッテリセルから互いに並列配置することができるいくつかのバッテリセルグループを決定し、各バッテリセルグループは前記電圧出力要求条件を満たす直列配置された一連のバッテリセルにより構成される再構成可能なバッテリシステム。
【請求項１１】
請求項１０記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記コントロールユニットは前記いくつかのバッテリセルグループの個数が前記電圧出力要求条件を満たす直列配置された前記いくつかのバッテリセルの個数を超える場合に、前記電圧出力要求条件を満たす電圧を出力する回路配置を形成するように前記複数のバッテリ回路内の前記スイッチを構成する再構成可能なバッテリシステム。
【請求項１２】
請求項９記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記コントロールユニットは定められた出力に対する並列配置されたバッテリセルグループの個数が与えられると、回路配置内のバイパスされる前記いくつかの使用可能なバッテリセルを最小限に抑える前記回路配置を形成するように前記複数のバッテリ回路内の前記スイッチを構成する再構成可能なバッテリシステム。
【請求項１３】
請求項１２記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記コントロールユニットは前記定められた出力に割り当てられる前記いくつかのバッテリセルの個数を前記いくつかの並列配置されたバッテリセルグループの個数で除算することにより各並列配置されたバッテリセルグループを構成するいくつかのセルの個数を決定し、並列配置されたバッテリセルフループを構成する前記セルは互いに直列配置される再構成可能なバッテリシステム。
【請求項１４】
請求項１３記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記コントロールユニットは各並列配置されたバッテリセルグループを構成する前記いくつかのセルの個数が前記いくつかの並列配置されたバッテリセルグループの個数を超える時に前記いくつかの使用可能なバッテリセルの個数を最小限に抑える回路配置を形成するように前記複数のバッテリ回路内の前記スイッチを構成する再構成可能なバッテリシステム。
【請求項１５】
請求項７記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記複数のスイッチは、さらに、前記入力端子および前記バッテリセルの前記負端子間に接続される入力スイッチとして定義され、前記出力端子および前記バッテリセルの前記正端子間に並列スイッチが接続され、前記バッテリセルの前記負端子および隣接バッテリ回路の負端子間にバイパススイッチが接続され、前記バッテリセルの前記正端子および前記隣接バッテリ回路の前記負端子間に直列スイッチが接続される再構成可能なバッテリシステム。
【請求項１６】
再構成可能なバッテリシステムであって、
互いに隣接する複数のバッテリ回路を含み、各バッテリ回路が、
入力端子と、
出力端子と、
前記入力端子および前記出力端子間に介在する正端子および負端子付きバッテリセルと、
前記バッテリセルを隣接回路内のバッテリセルと相互接続する複数のスイッチを有し、前記複数のスイッチは、前記バッテリセルの正端子を前記隣接バッテリ回路内の前記バッテリセルの負端子と直列に配置し、前記バッテリセルの正端子を前記隣接バッテリ回路内の前記バッテリセルの正端子と並列に配置する、または前記バッテリセルを前記隣接回路内の前記バッテリセルから切断するように構成可能であって、前記複数のスイッチは前記入力端子および前記隣接バッテリ回路の入力端子間に介在する入力端子スイッチと前記出力端子および前記隣接バッテリ回路の出力端子間に介在する出力端子スイッチを含み、さらに、前記バッテリシステムは、
前記各バッテリコントロール回路内の前記複数のスイッチをコントロールするコントロールユニットを含む再構成可能なバッテリシステム。
【請求項１７】
請求項１６記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記複数のスイッチは、前記入力端子および前記バッテリセルの前記負端子間に接続された入力スイッチと、前記出力端子および前記バッテリセルの前記正端子間に接続された並列スイッチと、前記バッテリセルの前記負端子と隣接バッテリ回路の負端子間に接続されたバイパススイッチと、前記バッテリセルの前記正端子と前記隣接バッテリ回路の前記負端子間に接続された直列スイッチと、を含む再構成可能なバッテリシステム。
【請求項１８】
請求項１６記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記コントロールユニットは前記複数の前記バッテリ回路内の前記バッテリセルからいくつかの使用可能なバッテリセルの個数を決定する再構成可能なバッテリシステム。
【請求項１９】
請求項１８記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記コントロールユニットは前記バッテリシステムに対する電圧出力要求条件を受信し、前記電圧出力要求条件を満たす電圧を出力する回路配置を形成するように前記複数のバッテリ回路内の前記スイッチを構成する再構成可能なバッテリシステム。
【請求項２０】
請求項１９記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記コントロールユニットは直列配置されたいくつかのバッテリセルが前記電圧出力要求条件を満たす必要があると決定し、かつ前記いくつかの使用可能なバッテリセルから互いに並列配置することができるいくつかのバッテリセルグループを決定することにより前記複数のバッテリ回路内の前記スイッチを構成し、ここに、各バッテリセルグループは前記電圧出力要求条件を満たす直列配置された一連のバッテリセルにより構成される再構成可能なバッテリシステム。
【請求項２１】
請求項２０記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記コントロールユニットはいくつかの並列配置されたバッテリセルグループの個数が与えられると、回路配置内でバイパスされる前記いくつかの使用可能なバッテリセルの個数を最小限に抑える前記回路配置を形成するように前記複数のバッテリ回路内の前記スイッチを構成する再構成可能なバッテリシステム。
【請求項２２】
請求項２１記載の再構成可能なバッテリシステムであって、前記コントロールユニットは前記いくつかの使用可能なバッテリセルの個数を前記いくつかの並列配置されたバッテリセルフループの個数で除算して並列配置されたバッテリセルグループを構成するいくつかのセルの個数を決定し、並列配置されたバッテリセルグループを構成する前記セルは互いに直列配置される再構成可能なバッテリシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は２００９年４月１０日に出願された米国仮特許出願第６１／１６８，４７２号の利益を請求する。前記した出願の全体開示が参照としてここに組み入れられている。
【背景技術】
【０００２】
（分野）
本開示はバッテリ管理に関するものであり、特に、大規模バッテリシステムのための動的に再構成可能な構造に関する。
【０００３】
（背景）
主として燃料価格の最近の急騰によりハイブリッド駆動系を搭載した電気自動車の需要が世界的に急増している。石油埋蔵量は減少し続けて原油価格が上昇し、実行可能な代替燃料技術が明らかになってこないため、ハイブリッド駆動系を搭載した電気自動車の需要だけが増加している。最近の調査によると、２００８年だけでも、世界中で３６．０％の運転者はハイブリッド駆動系を搭載した車を購入したいと思っており、４５．８％は完全電気自動車の購入に興味を示している。電気自動車は数万個のバッテリセルからの電気エネルギですべて動かされる。これらのバッテリセルは分類され１組のバッテリパックとして組み立てられる。過酷な環境に曝されその中で作動しなければならないパック内の個別のセルは、それらの製造公差の違い、パック全体での不均一な温度条件、または不均一な老化パターンにより異なる動作特性を有する。これらのさまざまな設定は、次に、バッテリセルの充放電に決定的な影響を与える。バッテリセルの直列チェーン内で、低容量の弱いバッテリセルはチェーン内の残りのバッテリセルよりもかなり前にそのフル充電状態に達する。一方、高い自己放電および／または短絡セルのせいで弱いセルがそのフル充電に達することができなければ、良好なバッテリセルは過充電することがある。バッテリセルの直列チェーン内で、開路セルによりチェーン内の他のセルも開路される。これら全ての現象により最終的にはバッテリセル障害を生じ、それは特に大規模バッテリパックでは避けられない。
【０００４】
大規模バッテリシステムを管理するための最も一般的に使用される方法はモジュールベースであり、バッテリセルはそのより小さなモジュールに分類され、１群のモジュールがグローバルコントローラにより管理される間、その各々が対応するローカルコントローラにより監視、コントロール、および平衡される。このようなモジュラーバッテリ管理システムでは、個別の電子コントロールユニット（ＥＣＵ）が各バッテリセルに接続されたイコライザを介してそれらの直列接続されたバッテリパック上のセル電圧および電流、温度、等の情報を集め、次に集められた情報を処理してローカルＥＣＵを必要に応じて機能させる責任のあるセントラルＥＣＵに報告する。
【０００５】
個別のバッテリセルはその周りのスイッチを介して別々に充放電することができる。しかしながら、別々の放電すなわち特定セルのバイパスを行うには、それらの特性（たとえば、セル電圧平衡および容量効率）を考慮しながらバッテリセル配置およびバッテリ力学のきめ細かい管理が必要である。
【０００６】
バッテリセル障害は、特に、大規模バッテリに対しては避けられないものであり、マルチセル・バッテリパックに対する故障率はセル間の相互作用および依存関係のため各セルのそれよりも遥かに高い。携帯電子装置に使用されるバッテリパックとは異なり、電気自動車環境はバッテリセルとそれらの管理に多くの厳しい要求条件を課す。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】“Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｏｆ  ｇａｌｖａｎｏｓｔａｔｉｃ  ｃｈａｎｇｅ  ａｎｄ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｌｉｔｈｉｕｍ／ｐｏｌｙｍｅｒ／ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ  ｃｅｌｌ”Ｊ．ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ，１４０（６）：１５２６−１５３３，２００３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
大規模バッテリ管理システムのための動的再構成構造の開発には２つの大きな課題がある。第１に、バッテリセル障害を検出したら、構造はバッテリ接続性をオンラインで再構成できなければならない。健全なバッテリセルは恐らく接続性の２つの階層の形、各パック内のバッテリセル（セルレベル）および全体バッテリシステム内のパック（パックレベル）、で使用し続けなければならない。第２に、バッテリ駆動携帯装置とは異なり、特に電気自動車用の、大規模バッテリ管理システムは異なるアプリケーションおよび／または装置に対して異なる電圧を供給する電源の複数の出力端子（バッテリパックからの）を必要とする。しかしながら、バッテリパックの物理的分離は主としてコストの理由でめったに選択肢とはならない。
【０００９】
この章はかならずしも従来技術ではない本開示に関する背景情報を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（概要）
再構成可能なバッテリシステムには互いに隣接する複数のバッテリ回路が設けられている。バッテリ回路は入力端子、出力端子、入力端子および出力端子間に介在する正端子および負端子付きバッテリセル、およびバッテリセルを隣接回路内のバッテリセルと相互接続する複数のスイッチを含んでいる。複数のスイッチはバッテリセルを隣接バッテリセル内のバッテリセルと直列に配置する、バッテリセルを隣接バッテリ回路内のバッテリセルと並列に配置する、またはバッテリセルを隣接回路内のバッテリセルから切り離すように構成することができる。コントロールユニットが出力基準を受信して、回路配置により供給される電力を実質的に最大化しながら出力基準を満たす回路配置を形成するように各バッテリ回路内のスイッチをコントロールし、出力基準は回路配置のためのいくつかの出力および各出力に対する電圧要求条件を定義する。
【００１１】
複数のスイッチは入力端子およびバッテリセルの負端子間に接続された入力スイッチ、出力端子およびバッテリセルの正端子間に接続された並列スイッチ、バッテリセルの負端子および隣接バッテリ回路の負端子間に接続されたバイパススイッチ、およびバッテリセルの正端子および隣接バッテリ回路の負端子間に接続された直列スイッチを含んでいる。複数のスイッチは、さらに、出力端子および隣接バッテリ回路の出力端子間に介在する出力端子スイッチだけでなく、入力端子および隣接バッテリ回路の入力端子間に介在する入力端子スイッチを含んでいる。
【００１２】
ここに提供される説明からさらなる適用分野が明らかとなる。この概要における説明および特定例は例示だけを目的とするものであり、本発明の範囲を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】再構成可能なバッテリシステムのための典型的な配置を示す線図である。
【図２】定電圧方針下でのバッテリセルの再構成を示す線図である。
【図３】動的電圧許容方針下でのバッテリセルの再構成を示す線図である。
【図４】バッテリの寿命に関する再構成スキームとレガシースキーム間の違いを示すグラフである。
【図５】直列チェーン内のバッテリセル数の関数として再構成により達成されるバッテリ寿命利得を示すグラフである。
【図６】需要電圧の変化と対応する電力の提示を示すグラフである。
【図７】最大供給可能電力での動的電圧許容および定電圧保持方針の比較を示すグラフである。
【図８Ａ】異なる放電率に関して電圧需要に従う動的再構成を示すグラフである。
【図８Ｂ】異なる放電率に関して電圧需要に従う動的再構成を示すグラフである。
【図８Ｃ】異なる放電率に関して電圧需要に従う動的再構成を示すグラフである。
【図８Ｄ】異なる放電率に関して電圧需要に従う動的再構成を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（詳細な説明）
ここに記載された図面は可能な全ての実施例ではなく選出された実施例の例示だけを目的とするものであり、本開示の範囲を制限するものではない。いくつかの図面を通して対応する参照番号は対応する部分を示す。再構成可能なバッテリセルは化学エネルギを電気エネルギに変換できる任意のセルとすることができ、その逆もある。典型的に、これは電気化学酸化および還元反応により達成される。これらの反応はバッテリセル内側の２つの電極内の電気活性種間で負荷を介して電子を交換することで、電流を発生することを伴う。理想的には、バッテリセルからの電流単位の総数、すなわちクーロン、はそのライフサイクル全体を通して常に同じである。しかしながら、現実には、反応速度および拡散過程の不確実性および／または時間をかけたバッテリセル内の活物質の溶解のため、バッテリセルの特性はどこでも理想に近いものではない。典型的なバッテリセルはニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）、リチウムイオン、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）、リチウムイオンリン酸塩、リチウム硫黄、チタン酸リチウム、ニッケル水素、ニッケル金属水素化物、ニッケルイオン、ナトリウム硫黄、バナジウムレドックス、および充電式アルカリを含むことができる。後述するアーキテクチュアは他種の充電式バッテリセルだけでなくこれらにも応用することができる。
【００１５】
充電式バッテリセルは実際には異なる特性を示す。たとえば、バッテリ端子電圧はその放電中に一定ではなく、電圧は放電率とは非線形に降下する。放電率が高いほど、電圧降下は急峻となる。このような理由で、供給電圧をシフトして安定化させるためにＤＣ−ＤＣコンバータを使用することができる。第２に、バッテリ容量は放電率と共に変動し、放電率が高いほど、バッテリ容量は低くなる。第３に、バッテリは高い放電率において制限された充電回復効果を有する。短時間の高い負荷電流により電気活性種間により高い濃度勾配を生じ、反応および拡散率間の遅れにより使用されない充電を利用できなくする。こうして、バッテリが低（またはゼロ）充電率でしばらく休める時に、一時的に降下した電圧が上昇してしまう。最後に、温度は内部抵抗およびフル充電容量にも影響を及ぼす。温度が低いほど、内部抵抗は高くなりフル充電容量を低下させる。一方、高温により自己放電が生じて実際の供給容量を低下させる。これらの特性の他に、いくつかのバッテリ、たとえばＮｉＣｄバッテリ、はリチウムイオンバッテリには無いメモリ効果を有することが知られている。
【００１６】
前記したバッテリ容量の一時的な変化は別として、バッテリは電解質の分解、活性材料の溶解、および不動態皮膜の形成を含む望ましくない副反応によりある程度容量を失うことがあり、内部抵抗が高くなって最終的にバッテリセル障害を来たす。いくつかの可能な障害が存在し、バッテリセルの挙動の予測を困難にする。第１に、開路は他のバッテリセルへのさらなる損傷を制限するため、開路したバッテリセルを含む直列チェーン内の他のバッテリセルに対するフェイルセーフモードとなることができる。しかしながら、直列チェーン内の全バッテリセルが開路して使用不能となることがあるため、この障害モードはアプリケーションに対して有用とならないことがある。第２に、全バッテリパック（すなわち、１組のバッテリセル）が機能し続ける間チェーン内の残りのバッテリセルに幾分過負荷をかけられるように、異常に低い電気抵抗を有する短絡はほとんど電圧降下を来たすことがない。最後に、爆発の可能性は極端に高い電流を検出して停止させる保護回路を介して回避される。
【００１７】
図１は再構成可能なバッテリシステム１０に対する典型的な配置を示す。再構成可能なバッテリシステム１０は、一般的に、互いに隣接配置された複数のバッテリ回路３０ａ−３０ｎにより構成される。各バッテリ回路３０ａ−３０ｎは関連するコントロールモジュール２０ａ−２０ｎを有する。典型的な実施例では、コントロールモジュール２０ａ−２０ｎはコントローラ５０により実現されるが、コントロールモジュール２０ａ−２０ｎ（またはその部分）によりサポートされる機能が複数のコントローラ間で分割されることも考えられる。ここで使用されているように、モジュールという用語は１つ以上のソフトウエアまたはファームウエアプログラムを実行する特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）、電子回路、プロセッサ（共有、専用、またはグループ）および／またはメモリ（共有、専用、またはグループ）、組合せ論理回路、および／または記載された機能性を提供する他の適切なコンポーネント、その一部、またはそれを含むものとすることができる。ソフトウエアまたはファームウエアプログラムはコンピュータメモリ内に常駐するコンピュータ実行可能命令として実現され、コンピュータプロセッサにより実行されることを理解しなければならない。
【００１８】
バッテリ回路３０ａ−３０ｎは入力端子３６ａ、出力端子３４ａ、および入力端子３６ａと出力端子３４ａ間に介在するバッテリセル３２ａにより構成される。動的再構成構造の設計は、任意のバッテリセルをバイパスできなければならない、という原理によって導かれる。さらに、コストを最小限に抑えて信頼性を改善するために定められたバッテリセルの周りに出来るだけ少数のスイッチを配置しなければならない。典型的な実施例では、各バッテリ回路は、さらに、４つのスイッチを含んでおり、入力端子３６ａとバッテリセル３２ａの負端子間に接続された入力スイッチ３８ａ（ＳＩとも呼ばれる）、出力端子３４ａとバッテリセルの正端子間に接続された並列スイッチ４４ａ（ＳＰとも呼ばれる）、バッテリセルの負端子と隣接バッテリ回路の負端子間に接続されたバイパススイッチ４０ａ（ＳＢとも呼ばれる）、およびバッテリセル３２ａの正端子と隣接バッテリ回路の負端子間に接続された直列スイッチ４２ａ（ＳＳとも呼ばれる）である。バッテリ回路３０ａ−３０ｎは、後述するように、バッテリシステムが複数の端子を提供できるようにする入力端子スイッチ４６ａ−４６ｎおよび出力端子スイッチ４８ａ−４８ｎ（それぞれ、ＳＩＴおよびＳＯＴとも呼ばれる）により相互接続される。特定のスイッチ配置を参照しているが、他のスイッチ配置も本開示のより広い局面に入る。
【００１９】
コントロールユニット２０ａ−２０ｎは複数のバッテリ回路内のスイッチを異なる回路配置を形成するように構成する。たとえば、バッテリセルは定められたバッテリ回路内３０ａ内のスイッチを次のように設定することにより、直列配置に構成することができる、すなわち、入力スイッチ３８ａがオフに設定され、直列スイッチ４２ａがオンに設定され、バイパススイッチ４０ａがオフに設定され、そして並列スイッチ４４ａがオフに設定され、ここでオンはスイッチ両端間の閉路でありオフはスイッチ両端間の開路である。複数のセルが直列配置されると、スイッチを次のように設定することによりセル３２ａをバイパスすることができる、すなわち、入力スイッチ３８ａがオフに設定され、直列スイッチ４２ａがオフに設定され、バイパススイッチ４０ａがオンに設定され、そして並列スイッチ４４ａがオフに設定される。直列ストリングのいずれか一端のバッテリ回路内のスイッチは各セルを直列ストリング内に配置する、またはバイパスされるように構成できることが容易に理解される。
【００２０】
バッテリセルを互いに並列に構成するために、定められたバッテリ回路３０ａ内のスイッチは次のように構成される、すなわち、入力スイッチ３８ａがオンに設定され、直列スイッチ４２ａがオフに設定され、バイパススイッチ４０ａがオフに設定され、そして並列スイッチ４４ａがオンに設定される。同様に、並列グルーピングのいずれか一端のバッテリ回路内のスイッチは各セルを残りのセルと並列に配置するように構成することができる。複数のセルが並列に配置される時は、定められたバッテリ回路内の全スイッチをオフに設定してセルをバイパスすることができる。
【００２１】
動的再構成可能バッテリシステム１０のアーキテクチュアはΨ＝（Ｅ，Ｆ，Ｓ，Ｄ）のように表わすことができ、ここに、Ｅはセンサのアレイであり、｛Ｅ１，．．．，Ｅｉ，．．．，Ｅｋ｝その各々が対応するバッテリセルの電圧および電流を読み出す。Ｆは、コントローラがどのセルをバイパスすべきかの決定を維持する、フィードバックスイッチのアレイを示す、｛Ｆ１，．．．，Ｆｉ，．．．，Ｆｋ｝。デバイスｉ内でバッテリセル障害が検出されると、（Ｆｉ，Ｏｎ）がターン（ｔｕｒｎｅｄ）される。Ｓはスイッチのアレイを示し、｛Ｓ１，．．．，Ｓｉ，．．．，Ｓｋ｝、ここに、ＳｉはＳｉ，Ｉ、Ｓｉ，０、Ｓｉ，Ｂ、Ｓｉ，Ｓ、Ｓｉ，Ｐ、Ｓｉ，ＩＴ、およびＳｉ，ＯＴにより構成される。Ｄは１組のバッテリ装置である、｛Ｄ１，．．．，Ｄｉ，．．．，Ｄｋ｝。これらのデバイスの接続性はｎｓ×ｎｐマトリクスとして考えられる。
【数１】
0005722875.tif 000002
ここに、ｎｓは直列チェーン内に接続されたバッテリセルの数であり、ｎｐは並列接続された直列チェーンの数である。用語ＶｄおよびＶａは、それぞれ、バッテリセル（または１組のバッテリパック）の電圧需要および平均電圧を示す。電圧需要は応用によって決定される。同様に、ｆＮは次のように定義される。
【数２】
0005722875.tif 000003
ここに、（Ｆｉ）は指示関数（ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）である、すなわち、（Ｆｉ，Ｏｆｆ）が成り立ち、関数は１へ戻り、さもなくば０へ戻る。
【００２２】
動作中に、定められたバッテリ回路に対するコントロールユニットはバッテリ回路内のバッテリセルの動作状態を監視して、バッテリ回路内のスイッチを動作状態に従ってコントロールする。典型的な実施例では、コントロールユニット２０ａ−２０ｎは２つのセンサ５４ａ−５４ｎおよび５６ａ−５６ｎと通信してバッテリ状態を監視する。たとえば、コントロールユニット２０ａ−２０ｎはそのバッテリセルの充電状態（ＳＯＣ）および電圧の変化を感知装置５４ａ−５４ｎおよび５６ａ−５６ｎを介して感知する。バッテリセルのＳＯＣはバッテリセル３２ａ−３２ｎに流入および流出する電流を時間をかけて測定し積分して推定することができ、クーロンカウントと呼ばれる。実際には、電圧および温度もバッテリ変数として計算に入れることができる。こうして、クーロンカウントの内容に基づく、関数ｆＶ，Ｔ（ＳＯＣ，∫Ｉｄｔ）はＳＯＣへ戻る。一方、一般的に、直接電圧測定値はその放電率および温度への依存によりインジケータとして使用するのに十分なほど正確ではない。いくつかの実施例では、カルマンフィルタを適用して電圧を推定することができる。あるいは、統合された機能的関数ｆＶ，Ｉ，Ｔ（ＳＯＣ，∫Ｉｄｔ）が与えられ［Ｖ，ＳＯＣ］へ戻ると仮定することができる。バッテリセルの充電状態および／または電圧を決定するための他の技術も本開示の範囲内である。バッテリ状態を監視するのに異なるタイプのセンサを使用できることが容易に理解される。
【００２３】
周期的監視間隔（Δｔ）で、コントローラ５０は各バッテリセルのＳＯＣを対応するコントロールユニット２０ａ−２０ｎを介してチェックし、たとえ、
【数３】
0005722875.tif 000004
が成り立つ場合でも回転（ｒｏｔａｔｉｏｎ）をトリガーし、ここに、δはＳＯＣの最大変動の境界を決める閾値を示す。δが大きいほど、より多くのバッテリセルが不平衡になる。さらに、Δｔが大きいほど変動が大きいため、変動はΔｔと一緒に、δで調節する必要がある。特に、Δｔは放電率に反比例する。回転イベントはセルを健全に保つ目的で健全なバッテリセルが他の健全なバッテリセルと一緒に回転されるバッテリパック内の調節である。
【００２４】
検討の目的で、故障セルは８０％公称容量までしか充電出来ないおよび／またはフル充電状態においてカットオフ電圧までの低電圧を有することがあるバッテリセルと見なすことができる。こうして、バッテリセルｉが故障と決定されると、コントロールユニットｉ内で（Ｆｉ，Ｏｎ）がターンされる。故障セルを決定する他の基準も考えられる。
【００２５】
各監視間隔（Δｔ）において、コントローラ５０は平均電圧もチェックし、
【数４】
0005722875.tif 000005
が成り立たなければ、再構成イベントをトリガーし、ここに、αは電圧不平衡の上限を指定する。αは供給電圧内の粒度に基づいて調整されることが観察できる。再構成イベントによりコントローラはバッテリ回路のトポロジを変える。再構成イベントは典型的にバッテリセルが故障していると決定される時に生じる。再構成イベントは追加アプリケーションが電圧供給を必要とし、したがって、複数端子構成を要求する時にも生じることがある。他のタイプのトリガリング再構成イベントも本開示により考えられる。
【００２６】
バッテリセル障害またはもう１つのトリガリング再構成イベントが発生した場合、セマンティックバイパス機構がバッテリ接続性を構成する。一般的に、セマンティックバイパス機構は直列チェーンの並列グループ全体の電圧平衡に従いながら広範な電圧を供給する方針を実現する。典型的な実施例では、他の方針も本開示により考えられるが、２つの方針がセマンティックバイパス機構により実現される。セマンティックバイパス機構はコントローラにより実現される。
【００２７】
第１に、定電圧保持方針（ｃｏｎｓｔａｎｔ−ｖｏｌｔａｇｅ−ｋｅｅｐｉｎｇ  ｐｏｌｉｃｙ）ではバッテリセル障害にもかかわらず供給電圧をバッテリの寿命にわたってできるだけ一定に保持するように指定される。この目的のために、故障バッテリセルを含む直列チェーンがバイパスされる。しかしながら、直列チェーン内の健全な使用および非使用バッテリセルの両方の電圧が時間をかけて離れ離れとなり、直列チェーン内のバッテリセル間に不平衡電圧を生じる。このような理由で、監視中に回転イベントがトリガされ、バッテリセル接続性を再構成する。接続性再構成に対して、それらのＳＯＣの最低レベルのバッテリセルが第１に選び出される。
【００２８】
図２は定電圧保持方針下での直列チェーン内のバッテリセルの再構成を例示している。図２には、２つの構成６０ａおよび６０ｂが示されている。第１の構成６０ａでは、最後の４つのバッテリセルが直列接続されている。第２の構成６０ｂでは、コントローラ５２が定電圧保持方針に従って中央の４つのバッテリセルを直列に接続している。図からお判りのように、健全なバッテリセルは回転されており、したがって、電圧を一定に保持している。図から観察できるように、故障セル６２は両方の構成から除外されている。
【００２９】
定電圧保持方針を実現するために、コントローラ５２はどれだけ多くのバッテリセルをバイパスしなければならないかを決定しなければならない。バイパスすべきバッテリセルの数は次のように計算される。Ｖｄが与えられると、最初にｎｓが
0005722875.tif 000006
により計算され、Ｖａの使用によりそれらの寿命中の非線形電圧降下が相殺される。次に、
0005722875.tif 000007
からｎＰが導き出され、ここに、ｆＮ（Ψ）は使用できるバッテリセルの総数を示す／戻す。この方程式は（ｆＮ（Ψ）−ｎｓ・ｎｐ）のバイパスすべき健全なバッテリセルに通じる。この手順は定期的間隔（Δｔ）または再構成イベントの開始時に繰り返される。
【００３０】
あるいは、必要なだけ多くのアプリケーションをサポートし、かつ、利用可能なバッテリセルが与えられると、単一バッテリセル電圧に対応する電圧降下を犠牲にして最大供給可能電力を改善するように動的電圧許容方針（ｄｙｎａｍｉｃ−ｖｏｌｔａｇｅ−ａｌｌｏｗｉｎｇ  ｐｏｌｉｃｙ）が定義される。動的電圧許容方針下で、直列チェーン内の１つ以上の健全なバッテリセルを図３に示すように選び出すことができる。この方針を適用するために、ｎｐはアプリケーション要求条件に従って固定されたままとされ、次に、
0005722875.tif 000008
によりｎｓが計算され、その結果（ｆＮ（Ψ）−ｎｓ・ｎｐ）のバイパスすべき健全なバッテリセルとなる。定電圧保持方針と同様に、バッテリセルはそれらのＳＯＣに基づいて選び出される。同様に、この手順は定期的監視間隔（Δｔ）または再構成イベントの開始時に繰り返される。
【００３１】
これら２つの方針は、さらに、後述する例から理解することができる。各々が４つの直列バッテリセルを有する３つの並列グループを仮定すると、構成は次のように表わされ、
0005722875.tif 000009
ここに、Ｏは対応するセルのいずれが使用されているかを示す。各直列ストリングが４Ｖを出力するように、各セルの電圧は１Ｖに等しいものと仮定する。Ｃ６およびＣ８が故障するものと仮定すると、他のグループ内の２つのセルはグループ全体の電圧を平衡させるために休まなければならず、その結果この構成となる。
0005722875.tif 000010
ここに、Ｘは対応するセルが故障することを示し、‐‐はセルが休むことを示す。
【００３２】
セマンティックバイパス機構は２つの方針の一方に従ってバッテリ接続性を再構成する。定電圧保持方針が適用される場合（すなわち、需要電圧が４Ｖ）、最終的構成は次のようになり、
0005722875.tif 000011
この構成により出力される電力は４Ｖ＊２（＝８Ｐ）となる。
一方、動的電圧許容方針が適用されると、最終的構成は次のようになり、
0005722875.tif 000012
この構成により出力される電力は３Ｖ＊３（＝９Ｐ）である。動的電圧許容方針では、並列グループの数（ｎｐ）は変わらない。代わりに、出力電圧をｎｓで調節することにより、供給可能電力を増加することができる。
【００３３】
これら２つの方針は補足しあってバッテリの使い易さを最大とする。特に、特定用途の負荷需要に従って、必要ならばいつでも定電圧保持方針が適用される。たとえば、動的電圧スケーリングをサポートするシステムは低需要を有する場合にそのシステム電圧を軽減する。これを行うために、システムはしばしば降圧ＤＣ−ＤＣコンバータを使用する。ＤＣ−ＤＣコンバータは変換が行われているうちにエネルギを消費することがある。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用する代わりに、定電圧保持方針を再構成可能なシステムに適用すればさらなる省エネが可能である。一方、動的電圧保持方針は複数のアプリケーションを同時に収容すべき時に適用される。異なる電圧および電力を必要とするアプリケーションは特定の容量を必要とし、それ故並列グループ数ｎｐの定義が必要でありそれらは固定される。
【００３４】
ｎｓおよびｎｐが適用された方針に従って決定されると、コントローラ５０は接続性構成アルゴリズムを適用して所望の回路配置を達成する。典型的な構成アルゴリズムが以下に記載されている。
0005722875.tif 000013
システム内のどのセルが使用できるかを決定することにより接続性構成アルゴリズムが開始する。第ｋローカルコントロールユニットがセル故障をコントローラに報告すると、コントローラはそのデータ構造ＰＢを更新しＰＢ（ｋ）を１に設定することにより故障セルを永久にバイパスし、ここに、ＰＢはバッテリセルの総数に等しいサイズのビットベクトルであり、ｋはビットベクトルの第ｋビットである。セル故障が発生すると各並列グループ内の健全なセルは不活性となる、すなわち、それを一時的にバイパスすることが必要となる。この意図的バイパスは一時的バイパスのためのもう１つのデータ構造ＴＢを維持するコントローラによって追跡され、ここに、ＴＢはＰＢのそれに等しいサイズのビットベクトルである。
【００３５】
使用可能な最初のセルで始まって、並列接続グループがアルゴリズムにより構成される。各セルは順番に評価される。健全セルは直列接続され、不健全すなわち故障セルまたはＴＢにより反映される健全セルはバイパスされる。この手順はｎｓの健全セルが直列接続されるまで繰り返され、並列接続グループが形成される。このプロセスは次の並列接続グループへ移動しｎｐの並列接続グループが形成されるまで繰り返される。他のプロセスを使用してセルを接続し所望の回路配置を達成することも考えられる。
【００３６】
理想的セルとは異なり、セルの出力電圧はそれらの放電中に一定ではない。すなわち、ｎｓ×Ｖａは非線形に低下してＶｄから逸脱する。偏差はＤＣ−ＤＣコンバータを使用して処理することができる。しかしながら、ＤＣ−ＤＣコンバータは発熱の形でエネルギを放散する。エネルギ放散はＥＦＦＤＣ−ＤＣ＝（ＩＯＵＴ×ＶＯＵＴ）／（ＩＩＮ×ＶＩＮ）で与えられるＤＣ−ＤＣコンバータに対する変換効率（ＥＦＦＤＣ−ＤＣ）で測定され、ＩＩＮおよびＶＩＮは、それぞれ、ＤＣ−ＤＣコンバータへの入力電流および電圧であり、ＩＯＵＴおよびＶＯＵＴは、それぞれ、そこからの出力電流および電圧である。入力変動が極端でなければ、ＥＦＦＤＣ−ＤＣは７５−９５％の間に近似することができ、ＤＣ−ＤＣコンバータは入力電圧が出力電圧に最も近い場合に最も効率的である。電力放散を最小限に抑えるために再構成可のための適切な時点を見つけることが重要である。電力の関数を定義する、ｆＤＣ−ＤＣ：ＶＩＮ×ＶＯＵＴ→ＥＦＦＤＣ−ＤＣ。次に、電力放散がＰＤ＝（１−ｆＤＣ−ＤＣ（ＶＩＮ，ＶＯＵＴ））×ＶＩＮ×ＩＩＮにより与えられる。ＶＩＮが決定されると、定電圧保持方針が適用される。
【００３７】
電力放散を最小限に抑えるために、セル接続性を再構成してＶＩＮをＶｄに調節する。再構成オーバヘッドがスイッチングオーバヘッドにより制限されるものと仮定すると、スイッチングオーバヘッドはスイッチに信号を送ってスイッチをオン／オフさせる消費電力を含んでいる。離散時間におけるこのオーバヘッドはめったに変動せず一定に近似され、連続時間におけるエネルギ放散に比べて、無視できる電力放散量となる。事前の電力放散がスイッチングオーバヘッドを含む事後電力放散（再構成後）よりも大きい時、すなわち、下記の条件を満たす時は常にコントローラはセル配置を自己構成する、
0005722875.tif 000014
ここに、ＶＣは事前端子電圧を示し、Ｖ＊ｄは需要電圧Ｖｄの近似であり、αはスイッチングオーバヘッドである。Ｖ＊ｄによりコントローラはｎｓおよびｎｐを再計算する。この基準によりコントローラはセル接続性をリアルタイムで自己再構成することができる。
【００３８】
前記したアーキテクチュアは、前記したように、各バッテリパックが再構成可能なバッテリシステム１０により構成される複数のバッテリパックへ拡張することができる。言い換えると、各バッテリパックは複数のバッテリ回路およびバッテリ回路の動作をコントロールするローカルコントローラにより構成される。この拡張されたアーキテクチュアは、さらに、各ローカルコントローラとデータ通信を行ってバッテリパック間で機能を調整するグローバルコントローラを含んでいる。動的再構成構造の複数のバッテリパックへの拡張はＹ＝（Ｅ，Ｆ，Ｓ，Ψ）として表わされ、ここに、Ψ＝｛Ψ１，．．．，Ψ２，．．．，Ψｋ｝である。Ｙはローカルコントローラと協力するグローバルコントローラにより構成され、各Ψｉはその各ローカルコントローラを介して構成される。前記した２つの方針はグローバルコントローラ内に実現されそれにより適用される。
【００３９】
グローバルコントローラはローカルコントローラと一緒にＹ内のバッテリセルを再構成し、負荷に対する広範な供給電圧を発生する。Ｖｄが与えられると、グローバルコントローラは直列接続されるバッテリセルの数ΨｋおよびＹを計算する、すなわち、
【数５】
0005722875.tif 000015
ここに、
0005722875.tif 000016
はΨｋ内の直列チェーン内のバッテリセル数であり、
0005722875.tif 000017
はＹ内の直列チェーン内のバッテリセル数である。この方程式は
0005722875.tif 000018
ならば
0005722875.tif 000019
または
0005722875.tif 000020
ならば
0005722875.tif 000021
という条件で成り立つ。ｎｓおよびＮＳが条件に対して解決された後で、Ψｋの中のｎｐが
0005722875.tif 000022
により計算される。同様に、γ内のＮｐ（並列接続された直列チェーン数）が
0005722875.tif 000023
により計算される。その結果、ローカルコントローラおよびグローバルコントローラは、それぞれ、（Ψ，ｎｓ，ｎｐ）および（γ，ＮＳ，ＮＰ）の引数付き接続性構成アルゴリズムを適用し、バッテリパック内外の全バッテリセルがタンデムに構成される。
【００４０】
複数のバッテリパックが並列に配置される場合、バッテリパックが故障バッテリセルを含んでおればバッテリパックの１つをバイパスさせることが必要となる場合がある。ローカルコントローラと同様に、グローバルコントローラは（Ｆｉ，Ｏｎ）が検出されるとΨｉを故障と決定する。しかしながら、Ψｉが単にバイパスされると、Ψｉ内のいくつかのバッテリセルは使用できなくなる可能性がある。この問題に対処するために、グローバルコントローラはパックレベルバイパス決定アルゴリズムを実施する。このアルゴリズムにおいて、グローバルコントローラはパック全体で使用可能な最小セル数を見つけてｎｍとして示し、次に、ｎｍの前の値に基づいて各パック内でどれだけ多くのセルがバイパスされるか計算する。この決定は下記の決定関数を介してグローバルコントローラにより体系的に行われる。
0005722875.tif 000024
【００４１】
この決定関数をよりよく理解するために２つの例が提供される。第１の例では、各々が最初に６セルを有する４つのバッテリパックがあるものと仮定する。すなわち、［６，６，６，６］。１，２，および２セルが、それぞれ、パック１，２，および３において故障していると、（［５，４，４，６］で示される）、ｎｍ＝４が得られる。各パック内のバイパスすべきセルの数（ｎｂとして示す）、すなわち、（１，０，０，および２）の和はｎｍ×２よりも小さく、アルゴリズムはパック２および３をバイパスしない。代わりに、パック１内の２セルおよびパック４内の１セルをバイパスすると決定する。第２の例では、［４，２，３，６］を仮定する。この例では、ｎｍ＝２である。ｎｂ＝７（すなわち、２＋０＋１＋４）はｎｍよりも大きいため、パック２はバイパスされて［４，３，６］となる。このステップにおいて、ｎｍ＝３である。ｎｂ＝４（すなわち、１＋３）はｎｍ＋ｎｍ＊（前のｎｍ）よりも小さいため、アルゴリズムはｎｍ（すなわち、最後のｎｍ）へ戻る。次に、各パックはｎｍに基づいてそのセルをバイパスする。すなわち、それぞれ、パック１，２，３，および４内の１，２，０，および３セルがバイパスされる。このように、グローバルコントローラはいつどのようにバッテリパックをバイパスするか決定することができる。各パック内のローカルコントローラがグローバルコントローラからｎｍの最新値を受信すると、各ローカルコントローラはｎｍに基づいて定電圧保持方針を適用する。
【００４２】
前記した再構成可能な構造を使用して、１つのアプリケーションがバッテリシステムからの電力を必要とする、複数のアプリケーションをサポートすることもできる。たとえば、車両内で、始動モータ、フロントグラスワイパーおよびラジオは全てバッテリシステムからの電力を必要とすることがある。各アプリケーションは出力電圧要求条件Ｖｄを定義し優先順位を割り当てられることがある。アプリケーションｋに対する出力電圧要求条件Ｖｄが要求条件を満たすのに必要な直列Ｎｓ，ｋ内のセル数を決定する。Ｎｐ，１，Ｎｐ，２，．．．，Ｎｐ，ｋ，の和が健全なバッテリセルの総数を与える。Ｎ（γ）は全アプリケーションに対するｑ並列グループとなる。
【００４３】
次に、バッテリセルを要求する各アプリケーションに割り当てることができる。アプリケーション要求条件を満たすのに必要なバッテリセル数が使用可能なバッテリセル数を超える場合、アプリケーションに割り当てられる優先順位に基づいて使用可能なバッテリセルがアプリケーションに割り当てられる。使用可能なバッテリセル数がアプリケーション要求条件を満たすのに必要なバッテリセル数を超える場合、コントローラは残りのセルを割り当てることができる。いずれの場合も、使用可能なバッテリセルは最初に優先順位の高いアプリケーション、すなわち、需要電圧の高いアプリケーションへ分布される。この分布は残りのセルが分布されるのに十分ではなくなるまで続く。典型的な割当て方針は次のように定義される。
複数端子ベース組分け
0005722875.tif 000025
このように、コントローラはＮｓ，ｋ×Ｎｐ，ｋの電源を各アプリケーションｋに割り当てる。拡張された再構成可能な構造の場合、割当て方針はグローバルコントローラによりを実現される。
【００４４】
バッテリセルが割り当てられると、コントローラはそれに合わせてバッテリシステムを構成する。バッテリシステムは最初に割り当てられたバッテリセルを有する各アプリケーションに対する入力端子および出力端子を提供するように構成される。そうするために、入力端子スイッチ４６ａ−４６ｎおよび出力端子スイッチ４８ａ−４８ｎは複数の端子を提供するように制御される。たとえば、入力端子スイッチ（Ｓｉ，I，Ｏｎ）および出力端子スイッチ（Ｓｉ，Ｐ，Ｏｎ）が全バッテリ回路３０ａ−３０ｎに対して停止すると、バッテリパックに対するインターフェイスは単一入力端子および単一出力端子を有する。逆に、バッテリ回路３０ａ−３０ｎをセグメント化して複数の端子を提供するために、入力端子スイッチおよび出力端子スイッチ選択をオフに設定することができる。各アプリケーションセグメントに対して、次に、バッテリシステムは前記したセマンティックバイパス機構を使用してアプリケーション要求条件を満たすように構成される。
【００４５】
たとえば、ＥＶおよびＨＥＶに対する大規模バッテリセルは、ｎｓバッテリセルが直列接続されて必要な供給電圧を提供し、ｎｐ並列グループが並列接続されて電流（Ｉ）の流れを決定し、必要な容量となるように詰め込まれる。バッテリの非線形性のため、理想的バッテリ容量方程式により単純に容量を導出することはできず、
【数６】
0005722875.tif 000026
ここに、Ｔは放電時間（バッテリ寿命）である。代わりに、経験的ポイカートの関係はＣ≡Ｔ・Ｉαのような経験的パラメータを導入することにより定電流の場合の非線形性をモデル化し、ここに、α＞１はポイカートの値と呼ばれ、典型的には１．２と１．４の間の範囲である。
【００４６】
再構成可能なバッテリ管理システムの目的のために、電流の流れの離散化を使用して非線形性をモデル化することができる。すなわち、時間をかけて変動する負荷により実世界システムが特徴づけられる。このような可変負荷は１組のＭ電流レベル（ｉ１，．．．，ｉＭ）により表わされるピース単位の一定負荷により近似することができ、Ｍは負荷を特徴づけるのに使用され、総運転時間Ｔの端数である量子化間隔、Δｔ（≡ｔｉ−ｔｉ＋１）により決定される。すなわち、
0005722875.tif 000027
であり、ここに、１Ａ（ｔ）は定義関数である。そのため、Δｔが小さいほど負荷の特徴づけにおける精度は高くなる。Δｔ≡Ｔである場合、負荷は一定である。負荷のパターンは経験的測定を介して得られ、バッテリセルまたはバッテリセルのパックに対する放電プロファイルとなる。こうして、方程式（６）のモデルは次のように一般化される。
【数７】
0005722875.tif 000028
【００４７】
総負荷は個別の並列グループから装荷される電流の和であり、すなわち、Ｉ＝Ｉ１＋．．．＋Ｉｉ＋．．．＋Ｉｎｐであり、不一致の特定の許容閾値内のある時点において均一に分布され、Ｉ＝ｎｐ・Ｉｉとなる。その結果、次式が得られる。
【数８】
0005722875.tif 000029
【００４８】
セル故障が発生すると、使用可能な並列グループ数はｎｐ−Ｎ（ｔ）に等しくなり、ここに、Ｎ（ｔ）は時間ｔまでにバッテリセルアレイ内で生じた故障の総数である。ＡＢＳにおいて、使用可能な並列グループ数は次のように定義される。
【数９】
0005722875.tif 000030
【００４９】
ばらばらの時間間隔で生じるこれらの障害の数は独立しているため、Ｎ（ｔ）はバッテリセル故障率λが分布されたポアソン分布である。そのため、時間ｔまでに生じるセル故障の平均総数はｔに比例し、λ・ｔとなる。この方程式は方程式（９）に適用されて次式が得られ、
【数１０】
0005722875.tif 000031
ここに、
0005722875.tif 000032
である。
【００５０】
一方、レガシースキームでは、運用バッテリセルの直列チェーンに対する負荷はｎｐ並列グループ全体のセル故障の総数に比例して次式のように増加する。
【数１１】
0005722875.tif 000033
【００５１】
負荷の線形増加は故障セルを含む直列チェーン内の任意の健全なバッテリセルを再利用するのに失敗するという事実による。そのため、レガシースキームに従って使用可能な容量は次式により計算され、
【数１２】
0005722875.tif 000034
ここに、
0005722875.tif 000035
である。したがって、λが高いほどレガシースキーム上の寿命利得は多くなり、それも直列のバッテリセル数ｎｓに逆比例する。
【００５２】
バッテリセル接続性の構成に基づいて前記した２つの方針のいずれかが適用される。バッテリセルの使用率を最大化するために、全バッテリセルが供給する電力の容量が２つの方針を比較する基準として選択される。ｍ×ｎマトリクスが直列チェーン内のｎｓバッテリセルの組合せを表しｎｐ並列グループがある場合、マトリクス内のバッテリセルの任意のエレメントが他から独立して不良になると仮定される。たとえば、１つのバッテリセルが故障すると、動的電圧許容方針に基づいて電力の（ｎｓ−１）・ｎｐが提供される。簡単にするために、定電圧保持方針に基づく電力のｎｓ・（ｎｐ−１）の間に、各バッテリセルのエレメントは１Ｖおよび１Ａが可能であるものと仮定する。そこで、ｎｓ＝・ｎｐである時に方針選択における損益分岐点が見つけられる。２つ以上のバッテリセルが故障する時は、故障セル迂回により使用されないままとされるバッテリセルの数は容量の基準を反映している。言い換えれば、マトリクス内の故障セル上の列数（ｃ）と行数（ｗ）の比（ｒ）は、マトリクスの合計サイズに匹敵する、判断を行う時の要因となることができる。そこで、損益分岐点は次式により決定され、
【数１３】
0005722875.tif 000036
ここに、
0005722875.tif 000037
であれば、動的電圧許容方針が選択され、定電圧保持方針よりも多くの電力容量が提供される。
【００５３】
最初に評価方法が説明され、次に、説明したアーキテクチュアの性能がバッテリセル接続性をオンラインで構成できないレガシースキームと比較して評価される。バッテリ性能の評価に使用されるメトリクスはバッテリ寿命および供給電圧を含んでいる。寿命はバッテリセル／パックの総容量に比例し、供給電圧は供給可能な電力を決定する。複数バッテリシステムを設計するのに広く使用されるＤｕａｌｆｏｉｌを使用してバッテリ動力学がシミュレートされた。Ｄｕａｌｆｏｉｌのより詳細な説明については、非特許文献１を参照されたい。Ｄｕａｌｆｏｉｌを使用することはバッテリ接続性が動的に再構成される方法を示すのに十分である。
【００５４】
再構成構造はバッテリセル故障の影響を効果的にマスクして、バッテリ寿命を拡張するが、レガシースキームはバッテリ容量の損失を著しく被り、したがって、寿命が低下する。バッテリ寿命は最大供給可能電力およびバッテリパックから絶えず引き出される電流の量により計算される。明らかに、バッテリセルが故障するほど、バッテリ寿命の低下は高くなる。図４はバッテリ寿命の比較結果を示す。明らかに、レガシースキームは故障バッテリセル数が増すにつれ寿命のかなりの量を失う。その理由は１つのバッテリセルの故障により故障バッテリセルを含む直列チェーンが失われることである。対照的に、再構成構造は直列チェーン内の残りの健全なバッテリセルをバックアップセルとして再利用する。そのため、他のチェーン内でさらにバッテリセル故障があっても、それらは生き残った健全なバッテリセルと置換される。図４は提案された再構成構造のフォールトトレランス機能を示す。たとえば、λ・ｔ≡６から９かつλ・ｔ≡１２から１５であれば、バッテリセル故障数の増加にかかわらずバッテリパックの寿命は一定のままである。２つの機構間の寿命の差はバッテリセル故障頻度が高くなるほど大きくなる。図５から判るように、再構成構造により達成される寿命利得は各並列グループ内の直列チェーン内のバッテリセル数（ｎｓ）の増加と共に実質的に大きくなり、バックアップバッテリセルの可用性を高める。これは２つのバッテリセルを直列接続した場合（すなわち、ｎｓ＝２）でも有効であり、５の利得係数が達成される。明らかに、直列のバッテリセルが多いほど、利得は大きい。
【００５５】
動的電圧許容方針は供給可能な電力を最大に維持しながら異なるアプリケーションからの広範な供給電圧の需要を満たすことを目指している。図６は需要電圧と各バッテリセルの実際の供給電圧および容量を２．５％の許容ジッターで、それぞれ、３．６Ｖおよび１．３ＡＨに設定する構成に基づく２５バッテリセルパックから生じる対応する最大供給可能電力の変化を示している。最大供給可能電力は推定された１１４Ｗおよび１２０Ｗ間に制限される。この電力は各グループ内の直列チェーンの５つの並列グループと５つのバッテリセルの組合せ（すなわち．．，（５，５））、または直列２５のバッテリセルを有する１つの並列グループ（すなわち、２５，１）で供給することができる。興味深いことに、図６に円で囲んだグループに対応する、供給電圧の良い範囲は最大供給可能電力を適当に一定に保っている間に提供される。これはバッテリ接続を適切に変えると、基礎となるアプリケーションの需要を満たしながらバッテリセルの利用を改善できることを意味する。一方で、（９，２）または（１３，１）の接続性はバッテリセルの利用に関して効率が悪いように見える。しかしながら、任意のバッテリセルの故障または電圧降下はそれらを実質的にバックアップバッテリセルで置換し、必要な電圧レベルを維持して解決することができる。
【００５６】
動的電圧許容および定電圧保持方針は異なる目的に対して考案され、前者は幅広い供給電圧の需要を満たすことを目指しており、後者はバッテリ寿命中のバッテリ故障または可能な電圧降下に対して供給電圧の許容範囲を維持することを目指しており、共に供給可能電力は最大に維持される。そのため、２つの方針は供給可能電力に関して比較することができる。図７は定電圧保持および動的電圧許容方針間の電力の大きさの分布を示す。バッテリ接続性において、ｎｓ＞ｎｐであれば、動的電圧許容方針は最大供給可能電力の供給において効果的であり、ｎｐ＞ｎｓであれば、定電圧保持方針がより良い選択肢となる。この理由は使用されないバッテリセル／パックが利用されることである。明らかに、損益分岐点はｎｓ=ｎｐである時に生じる。
【００５７】
前記したように、電圧降下は避けられないため、供給電圧が監視されている間供給電圧を需要電圧以上に維持するのに定電圧保持方針が適用される。監視間隔（Δｔ）は需要以下に電圧降下するためにシステムが被る度合いに直接関連付けられる。監視の頻度が高いほど、アプリケーションが被る時間は短いが、監視のオーバヘッドは高くなる。図８Ａは７００バッテリセルパックの寿命中の２つの異なる放電率での供給電圧の変化を示す。４．３Ｖの出力電圧と１．３ＡＨの公称容量を提供する構成でシミュレートされるリチウムイオンバッテリ放電の分布に続いて、各バッテリセルは独立して放電されるものと仮定する。アプリケーションに対する需要電圧（Ｖｄ）は６００Ｖと仮定する。図８Ｂにおいて、バッテリパックがＣレートで放電される場合、バッテリパックがΔｔ（＝１０）毎に監視されると、１０−ｔｈ時間間隔で供給電圧がＶｄ以下に降下する時が検出され、バッテリパック接続性は直列チェーン内の１４３バッテリセルを有する４つの並列グループへ再構成され、すなわち（１４３，４）、推定された６０４Ｖが提供される。Ｃ２レートの場合、図８Ｃにおいて、基礎となるアプリケーションは正規の放電率におけるよりも５倍多いバッテリ容量損失を被る。特に、供給電圧降下がより急峻であれば、供給および需要電圧間の差は大きくなる。このケースは監視間隔（Δｔ＝１０）を減らして改善することができる。図８Ｄに示すように、監視間隔を半分にすると（Δｔ＝５）、電圧降下のオンタイム検出は６７％だけ改善される。
【００５８】
実施例の前記した説明は例示および説明の目的で提供されている。全てを網羅するものではなく、本発明を限定するものでもない。特定実施例の個別のエレメントまたは機能は一般的にその特定実施例に限定はされず、適用可能であれば、特別に図示または記載されていなくても、互換性があり選択された実施例において使用することができる。同じものを多くの方法で変更することができる。このような変更は本発明を逸脱するものとは見なされず、このような修正は本発明の範囲内に入るものとする。
【００５９】
実施例は本開示が完璧なものであり、当業者に発明の範囲を完全に伝えるために提供される。本開示の実施例の完璧な理解を提供するために、特定コンポーネント、デバイス、および方法の例等の多くの特定の詳細が記載されている。当業者ならば、特定の詳細は採用する必要はなく、実施例は多くの異なる形で具体化することができ、どちらも開示の範囲を限定するものと解釈すべきではないことが明らかである。いくつかの実施例では、既知のプロセス、既知のデバイス構造、および既知の技術は詳細に説明されていない。
【００６０】
ここで使用される技術は特定の実施例を説明することだけを目的としており、限定する意図はない。ここで使用されるように、単数形“ａ”、“ａｎ”、および“ｔｈｅ”は特記無き限り複数形も含むものとする。“ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ”、”ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”、“ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ”、および“ｈａｖｉｎｇ”という用語は包括的であるため述べられた特徴、完全体（ｉｎｔｅｇｅｒｓ）、ステップ、動作、エレメント、および／またはコンポーネントの存在を指定するが、１つ以上の他の特徴、完全体、ステップ、動作、エレメント、コンポーネントおよび／またはそのグループの存在や追加を排除しない。ここに記載された方法ステップ、プロセス、および動作は、パフォーマンスの順番として特記されていなければ、検討または例示された特定の順番で必ずそれらのパフォーマンスを必要とするものと解釈すべきではない。追加または代替ステップを採用できることも理解される。
【図４】
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【図５】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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