(57)【要約】【解決手段】複数の端子間に接続された複数の充電式バッテリセルと、前記複数の充電式バッテリセルに接続され、かつ前記複数の充電式バッテリセルのそれぞれの間で電気エネルギーを移動させる電荷移動回路と、を備え、前記電荷移動回路は、前記複数の充電式バッテリセルのうちの１つから第１の電圧において電気エネルギーを受け取り、受け取った電気エネルギーを、前記第１の電圧よりも高い第２の電圧において他の充電式バッテリセルに供給する、ことを特徴とする充電式バッテリシステム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の端子間に接続された複数の充電式バッテリセルと、
前記複数の充電式バッテリセルに接続され、かつ前記複数の充電式バッテリセルのそれぞれの間で電気エネルギーを移動させる電荷移動回路と、を備え、
前記電荷移動回路は、前記複数の充電式バッテリセルのうちの１つから第１の電圧において電気エネルギーを受け取り、受け取った電気エネルギーを、前記第１の電圧よりも高い第２の電圧において他の充電式バッテリセルに供給する、
ことを特徴とする充電式バッテリシステム。
【請求項２】
請求項１記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記電荷移動回路は、前記複数の充電式バッテリセルのうちの１つから電気エネルギーを受け取ってこれを蓄積し、蓄積した電気エネルギーを他の充電式バッテリセルに供給する蓄積回路を備えている充電式バッテリシステム。
【請求項３】
請求項２記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記蓄積回路は、複数の蓄積素子を備えており、この複数の蓄積素子は、前記複数の充電式バッテリセルの１つに並列接続され、かつ、他の充電式バッテリセルに直列接続されている充電式バッテリシステム。
【請求項４】
請求項３記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記複数の蓄積素子のそれぞれはキャパシタからなる充電式バッテリシステム。
【請求項５】
請求項２記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記蓄積回路は、異なる時間的瞬間に、前記複数の充電式バッテリセルのうちの１つの充電式バッテリセルと他の充電式バッテリセルに接続される充電式バッテリシステム。
【請求項６】
請求項１記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記電荷移動回路は、前記複数の充電式バッテリセルのうちの１つの充電式バッテリセルと他の充電式バッテリセルの間で電気エネルギーを移動させることにより、前記電荷移動回路による電気エネルギーの移動を行わない場合と比較して、前記複数の充電式バッテリセルのうちの１つの充電式バッテリセルと他の充電式バッテリセルの間の充電状態のバランスを向上させる充電式バッテリシステム。
【請求項７】
請求項１記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記複数の充電式バッテリセルのうちの１つの充電式バッテリセルと他の充電式バッテリセルは、前記電気エネルギーの移動を行っている間、実質的に同じ電圧を有している充電式バッテリシステム。
【請求項８】
請求項１記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記充電式バッテリセルはリチウムからなる充電式バッテリシステム。
【請求項９】
請求項１記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記複数の充電式バッテリセルのうちの１つの充電式バッテリセルから他の充電式バッテリセルへの電気エネルギーの移動が行われる前には、前記１つの充電式バッテリセルは、他の充電式バッテリセルよりも高い充電状態を有している充電式バッテリシステム。
【請求項１０】
請求項９記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記複数の充電式バッテリセルのうち、前記１つの充電式バッテリセルは最高充電状態を有しており、前記他の充電式バッテリセルは最低充電状態を有している充電式バッテリシステム。
【請求項１１】
請求項９記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記複数の充電式バッテリセルの充電状態をモニタリングし、このモニタリングの結果として前記１つの充電式バッテリセルと前記他の充電式バッテリセルを選択し、前記１つの充電式バッテリセルと前記他の充電式バッテリセルへの前記電荷移動回路の接続を制御する制御回路をさらに備える充電式バッテリシステム。
【請求項１２】
請求項１記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記充電式バッテリセルと前記電荷移動回路は、モジュール内に実装されており、前記充電式バッテリシステムは、複数の追加モジュールを有している充電式バッテリシステム。
【請求項１３】
請求項１記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記電荷移動回路は、前記複数の充電式バッテリセルの充電中において、前記１つの充電式バッテリセルと前記他の充電式バッテリセルの間で電気エネルギーを移動させる充電式バッテリシステム。
【請求項１４】
請求項１記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記電荷移動回路は、前記複数の充電式バッテリセルの放電中において、前記１つの充電式バッテリセルと前記他の充電式バッテリセルの間で電気エネルギーを移動させる充電式バッテリシステム。
【請求項１５】
バッテリシステムの複数の充電式バッテリセルのうち、１つの充電式バッテリセルから他の充電式バッテリセルに電気エネルギーを伝送することにより、該電気エネルギーの伝送を行わない場合と比較して、前記複数の充電式バッテリセルの充電状態のバランスを向上させるステップを含み、
前記電気エネルギーを伝送するステップは、前記複数の充電式バッテリセルのうちの１つから第１の電圧において電気エネルギーを受け取り、受け取った電気エネルギーを、前記第１の電圧よりも高い第２の電圧において他の充電式バッテリセルに供給するステップにより実行する、
ことを特徴とする充電式バッテリシステムの作動方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記電気エネルギーを伝送するステップは、前記複数の充電式バッテリセルのうちの１つからの電気エネルギーを蓄積し、蓄積した電気エネルギーを他の充電式バッテリセルに供給するステップにより実行する充電式バッテリシステムの作動方法。
【請求項１７】
請求項１６記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記電気エネルギーを蓄積するステップは、前記１つの充電式バッテリセルと並列接続された複数の蓄積素子を用いて実行され、前記電気エネルギーを供給するステップは、前記他の充電式バッテリセルと直列接続された前記蓄積素子を用いて実行される、充電式バッテリシステムの作動方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記電気エネルギーを蓄積するステップは、キャパシタからなる前記蓄積素子を用いて実行される充電式バッテリシステムの作動方法。
【請求項１９】
請求項１５記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記電気エネルギーを伝送するステップは、実質的に同じ電圧を有する前記１つの充電式バッテリセルと他の充電式バッテリセルの間で電気エネルギーを伝送することにより実行される充電式バッテリシステムの作動方法。
【請求項２０】
請求項１５記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記電気エネルギーを伝送するステップは、リチウムからなる前記１つの充電式バッテリセルと他の充電式バッテリセルの間で電気エネルギーを伝送することにより実行される充電式バッテリシステムの作動方法。
【請求項２１】
請求項１５記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記電気エネルギーを伝送するステップは、該電気エネルギーの伝送前において、より高い充電状態を有する前記１つの充電式バッテリセルと、より低い充電状態を有する前記他の充電式バッテリセルとの間で実行される充電式バッテリシステムの作動方法。
【請求項２２】
請求項１５記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記電気エネルギーを伝送するステップは、該電気エネルギーの伝送前において、最高充電状態を有する前記１つの充電式バッテリセルと、最低充電状態を有する前記他の充電式バッテリセルとの間で実行される充電式バッテリシステムの作動方法。
【請求項２３】
請求項１５記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記複数の充電式バッテリセルの充電状態をモニタリングするステップと、
前記モニタリングの結果として、前記１つの充電式バッテリセルと前記他の充電式バッテリセルを選択するステップと、をさらに含み、
前記電気エネルギーを伝送するステップは、前記選択の結果として実行される充電式バッテリシステムの作動方法。
【請求項２４】
請求項１５記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記電気エネルギーを伝送するステップは、前記複数の充電式バッテリセルの充電中に実行される充電式バッテリシステムの作動方法。
【請求項２５】
請求項１５記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記電気エネルギーを伝送するステップは、前記複数の充電式バッテリセルの放電中に実行される充電式バッテリシステムの作動方法。
【請求項２６】
複数の端子間に接続された複数の充電式バッテリセルと、
前記複数の充電式バッテリセルの少なくとも１つの回りに充電電気エネルギーを分流するシャント回路と、
第１の充電式バッテリセルと第２の充電式バッテリセルに接続され、かつ前記第１の充電式バッテリセルから前記第２の充電式バッテリセルに電気エネルギーを移動させる電荷移動回路と、
を備えることを特徴とする充電式バッテリシステム。
【請求項２７】
請求項２６記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記シャント回路は、前記複数の充電式バッテリセルの少なくとも１つの充電状態の結果として、該少なくとも１つの充電式バッテリセルの回りに充電電気エネルギーを分流し、
前記電荷移動回路は、前記第１の充電式バッテリセルと前記第２の充電式バッテリセルの充電状態の結果として、前記第１の充電式バッテリセルから前記第２の充電式バッテリセルに電気エネルギーを移動させる、充電式バッテリシステム。
【請求項２８】
請求項２６記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記シャント回路は、前記複数の充電式バッテリセルのうち、他の充電式バッテリセルよりも高い充電状態を有する前記少なくとも１つの充電式バッテリセルの回りに充電電気エネルギーを分流する充電式バッテリシステム。
【請求項２９】
請求項２６記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記シャント回路は、複数のシャント素子を備えており、この複数のシャント素子のそれぞれは、前記複数の充電式バッテリセルのそれぞれの回りに充電電気エネルギーを分流する充電式バッテリシステム。
【請求項３０】
請求項２６記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記シャント回路は、前記複数の充電式バッテリセルが実質的な放電状態から実質的な満充電状態に移行する間に、前記充電電気エネルギーの分流を実行する充電式バッテリシステム。
【請求項３１】
請求項２６記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記電荷移動回路は、前記第１の充電式バッテリセルから第１の電圧において電気エネルギーを受け取り、受け取った電気エネルギーを、前記第１の電圧よりも高い第２の電圧において前記第２の充電式バッテリセルに供給する充電式バッテリシステム。
【請求項３２】
請求項２６記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記電荷移動回路は、前記第２の充電式バッテリセルの充電状態よりも高い充電状態を有する前記第１の充電式バッテリセルの結果として、前記電気エネルギーの移動を実行する充電式バッテリシステム。
【請求項３３】
請求項２６記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記シャント回路が充電電気エネルギーの分流を実行し且つ前記電荷移動回路が電気エネルギーの移動を実行することにより、前記充電電気エネルギーの分流と前記電気エネルギーの移動を実行していない場合と比較して、前記複数の充電式バッテリセルの充電状態のバランスを向上させる充電式バッテリシステム。
【請求項３４】
複数の充電式バッテリセルを充電するステップと、
前記充電の間、前記複数の充電式バッテリセルの少なくとも１つの回りに充電電気エネルギーを分流するステップと、
前記充電の間、第１の充電式バッテリセルから第２の充電式バッテリセルに電気エネルギーを移動させるステップと、
を有することを特徴とする充電式バッテリシステムの作動方法。
【請求項３５】
請求項３４記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記充電電気エネルギーを分流するステップは、他の充電式バッテリセルの充電状態よりも高い充電状態を有する前記少なくとも１つの充電式バッテリセルの結果として、前記少なくとも１つの充電式バッテリセルの回りに充電電気エネルギーを分流することにより実行される充電式バッテリシステムの作動方法。
【請求項３６】
請求項３４記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記充電電気エネルギーを分流するステップは、前記複数の充電式バッテリセルが実質的な放電状態から実質的な満充電状態に移行する間に実行される充電式バッテリシステムの作動方法。
【請求項３７】
請求項３４記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記電気エネルギーを移動させるステップは、移動される電気エネルギーが前記第２の充電式バッテリセルに供給される前に、移動される電気エネルギーの電圧を上げることにより実行される充電式バッテリシステムの作動方法。
【請求項３８】
請求項３４記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記電気エネルギーを移動させるステップは、前記第２の充電式バッテリセルの充電状態よりも高い充電状態を有する前記第１の充電式バッテリセルの結果として実行される充電式バッテリシステムの作動方法。
【請求項３９】
請求項３４記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記充電電気エネルギーの分流を実行し且つ前記電気エネルギーの移動を実行することにより、前記充電電気エネルギーの分流と前記電気エネルギーの移動を実行していない場合と比較して、前記複数の充電式バッテリセルの充電状態のバランスを向上させる充電式バッテリシステムの作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１１年１月２０日に出願された米国特許出願第１３／０１０７３３号に基づく優先権の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、充電式バッテリシステム及びその作動方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
充電式バッテリは、電気エネルギーのための異なる要求に応じて様々な用途で設計及び使用される。充電式バッテリシステムは充電式セルを有しており、この充電式セルは、充電動作時に電気エネルギーを受け取り、放電動作時に電気エネルギーを負荷に供給する。充電式セルは、異なる化学的性質を有することができ、一例ではリチウムセルを含むことができる。様々な用途で使用される充電式セルの数は、負荷の要求に応じて変動し、セルの数は、例えば輸送設備の実装などの幾つかの実装場面において非常に多くなる。
【０００４】
一般的に、個々のバッテリセルは作動電圧を持っており、例えばリチウムバッテリセルの作動電圧は３．２ＶＤＣである。個々のバッテリセルは、その用途に応じて、負荷に適切な電圧を掛けるために直列に接続することができる。個々のバッテリセルは、所望の電荷容量を供給するために並列に接続することができる。
【０００５】
個々のバッテリセルの特性が異なるため、複数のバッテリセルをバランスさせることが問題となることがある。加えて、バッテリセルは、その電圧が高く又は低くなりすぎたときに損傷し、一旦損傷すると充電不能となることがある。
【０００６】
本発明の少なくとも幾つかの態様は、このような充電式バッテリシステムとその方法に向けられたものである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本発明の例示の実施形態を、以下の図面を参照しながら説明する。
【図１】一実施形態による充電式バッテリシステムの構成を示す機能ブロック図である。
【図２】一実施形態による充電式バッテリシステムの構成を示す機能ブロック図である。
【図３】一実施形態による複数の充電式バッテリモジュールを示す図である。
【図４】一実施形態による充電式セルモジュールを示す図である。
【図５】一実施形態による充電式バッテリセルに対する電圧−充電（電荷）特性を描いたグラフである。
【図６】一実施形態による異なる充電式バッテリセルの電気エネルギーの分流（分路）を描いたグラフである。
【図７】一実施形態によるキャパシタモジュールの構成を示す機能ブロック図である。
【図８】一実施形態による複数の充電式バッテリモジュールの複数のセルの充電バランスを描いた図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に参照により組み込まれた共通の出願人による出願に注意が向けられる。
【０００９】
「充電式バッテリシステム及び充電式バッテリシステムの作動方法」と題した米国特許出願代理人整理番号ＶＡ２４−００１とＶＡ２４−００３の出願が本出願と同日付けで提出されている。両出願の発明者はいずれもピーター  ナイセン（Ｐｅｔｅｒ  Ｎｙｓｅｎ）である。
【００１０】
一実施形態によれば、充電式バッテリシステムは、複数の端子間に接続された複数の充電式バッテリセルと、前記複数の充電式バッテリセルに接続され、かつ前記複数の充電式バッテリセルのそれぞれの間で電気エネルギーを移動させる電荷移動回路と、を備え、前記電荷移動回路は、前記複数の充電式バッテリセルのうちの１つから第１の電圧において電気エネルギーを受け取り、受け取った電気エネルギーを、前記第１の電圧よりも高い第２の電圧において他の充電式バッテリセルに供給するものである。
【００１１】
追加の実施形態によれば、充電式バッテリシステムの作動方法は、バッテリシステムの複数の充電式バッテリセルのうち、１つの充電式バッテリセルから他の充電式バッテリセルに電気エネルギーを伝送することにより、該電気エネルギーの伝送を行わない場合と比較して、前記複数の充電式バッテリセルの充電状態のバランスを向上させるステップを含み、前記電気エネルギーを伝送するステップは、前記複数の充電式バッテリセルのうちの１つから第１の電圧において電気エネルギーを受け取り、受け取った電気エネルギーを、前記第１の電圧よりも高い第２の電圧において他の充電式バッテリセルに供給するステップにより実行するものである。
【００１２】
さらに追加の実施形態によれば、充電式バッテリシステムは、複数の端子間に接続された複数の充電式バッテリセルと、前記複数の充電式バッテリセルの少なくとも１つの回りに充電電気エネルギーを分流するシャント回路と、第１の充電式バッテリセルと第２の充電式バッテリセルに接続され、かつ前記第１の充電式バッテリセルから前記第２の充電式バッテリセルに電気エネルギーを移動させる電荷移動回路と、を備えるものである。
【００１３】
さらに追加の実施形態によれば、充電式バッテリシステムの作動方法は、複数の充電式バッテリセルを充電するステップと、前記充電の間、前記複数の充電式バッテリセルの少なくとも１つの回りに充電電気エネルギーを分流するステップと、前記充電の間、第１の充電式バッテリセルから第２の充電式バッテリセルに電気エネルギーを移動させるステップと、を有するものである。
【００１４】
図１には充電式バッテリシステム１０の一実施形態が示されている。この実施形態では、充電式バッテリシステム１０は、複数の充電式バッテリセル１２と、充電回路１６と、充電バランス回路１８と、制御回路２０とを含んでいる。他の実施形態では、より多い構成要素、より少ない構成要素、及び／又は代替の構成要素を含むことができる。
【００１５】
充電式バッテリセル１２は、バッテリシステム１０の放電動作の間、電源負荷１４が使用する電気エネルギーを蓄積する。一実施形態では、充電式バッテリセル１２はリチウムセルを含んでいる。充電式バッテリセル１２は、異なる電力仕様を持つ異なる電源負荷１４に電力を供給できるように、異なる構成で直列接続または並列接続されてパック内に配置される。以下に説明する幾つかの実施形態では、充電式バッテリセル１２は、複数のモジュール内に実装されてもよい。
【００１６】
充電回路１６は、バッテリシステム１０の充電動作の間、充電式バッテリセル１２に対して充電電気エネルギーを供給する。充電回路１６は、幾つかの例では、ＡＣ電源、太陽光、化石燃料、水または風などの任意の適切な供給源から充電電気エネルギーを供給することができる。
【００１７】
充電バランス回路１８は、充電式セル１２の充電状態のバランスを増加（向上）させるための動作を行う。以下に説明する幾つかの実施形態では、充電バランス回路１８は、電荷分流回路を備えている。この電荷分流回路は、複数の充電式セル１２のうち、他の充電式セルよりも充電状態が良好な１つの充電式セルを選択し、その選択した１つの充電式セルの回りに充電電気エネルギーを分流する。充電バランス回路１８は、幾つかの実施形態では、電荷移動回路を備えている。以下に詳細に説明するように、充電バランス回路１８の電荷移動回路は、複数の充電式セル１２のうちから選択したものの間で電気エネルギーを移動させる。
【００１８】
制御回路２０は、バッテリシステム１０の動作をモニタリング及び制御する。例えば、制御回路２０は、充電式バッテリセル１２の充電状態をモニタリングし、そのモニタリングの結果として、充電回路１６及び充電バランス回路１８の動作を制御する。
【００１９】
制御回路２０は、少なくとも１つの実施形態では、適切なメディアから提供される所望のプログラミングを実行するように構成されている。例えば、制御回路２０は、例えばソフトウェア命令及び／又はファームウェア命令のような実行可能な命令を実行する１つ以上のプロセッサ及び／又はその他の構造物、及び／又はハードウェア回路として実装することができる。以下に詳細に説明する幾つかの実施形態のように、制御回路２０は、システムコントローラ２１と、複数のモジュールコントローラ１２０とを備えている。制御回路２０の例示的な実施形態は、ハードウェアロジック、ＰＧＡ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、状態機械、及び／又はその他の構造物のいずれかを単独で、あるいはこれらをプロセッサと組み合わせて実現することができる。制御回路２０のこれらの実施形態は、例示のためのものであり、他の構成も可能である。
【００２０】
制御回路２０は、蓄積回路（図示せず）を含むか、あるいは蓄積回路（図示せず）にアクセス可能となっている。この蓄積回路は、実行可能なコードまたは命令（例えばソフトウェア及び／又はファームウェア）、電子データ、データベース、充電状態情報、閾値、その他のデジタルデータといったプログラムと、プロセッサ使用可能媒体とを蓄積している。プロセッサ使用可能媒体は、任意のコンピュータプログラム製品または製造物に搭載されている。コンピュータプログラム製品または製造物は、例示的な実施形態における制御回路を含む命令実行システムにより又はこれに接続されて使用されることで、プログラム、データ及び／又はデジタル情報を、含み、蓄積し又は維持することができる。例えば、プロセッサ使用可能媒体は、電気、磁気、光学、電磁気、赤外線または半導体媒体などの物理的媒体のいずれか１つを含むことができる。プロセッサ使用可能媒体は、幾つかのより具体的な例として、フロッピー（登録商標）ディスク、ＺＩＰディスク、ハードドライブ、ランダムアクセスメモリ、読み出し専用メモリ、フラッシュメモリ、キャッシュメモリ等の携帯式磁気コンピュータディスケット、及び／又はプログラミングその他のデジタル情報を蓄積可能なその他の構成物とすることができるが、これらに限定されるものではない。
【００２１】
ここで説明した少なくとも幾つかの実施形態は、適切な蓄積回路内に蓄積されたプログラムを用いて実行され、制御回路２０を適切に制御することができる。例えば、プログラムは、例えば上述したメディア媒体内に搭載され、適切な製造物を介して提供される。
【００２２】
図２には、充電式バッテリシステム１０の一実施形態をさらに詳細に示してある。図示実施形態では、電源負荷１４に電気エネルギーを供給するために、充電式バッテリセル１２が適切なパックに配置されている。
【００２３】
制御回路２０は、システムレベルでバッテリシステム１２を監視及び制御するシステムコントローラ２１を備えている。システムコントローラ２１は、一実施形態では、複数の充電式バッテリモジュールの複数のモジュールコントローラ１２０と通信することができる（図７を参照して以下で説明する）。システムコントローラ２１は、充電式バッテリセル１２から負荷１４に供給される電気エネルギーの量、及び／又は充電回路１６からセル１２に供給される電気エネルギーの量を、電流センサ３１を介してモニタリングする。さらに、システムコントローラ２１は、以下に述べる複数のスイッチ２４、２６、２８、３０を制御する。
【００２４】
ユーザインタフェース２２は、ユーザとの間で情報のやりとりを行うためのものである。ユーザインタフェース２２は、ユーザに対して、データ（ユーザにより観察画像を表示するためのデータ、可聴データ等）を送るとともに、ユーザから、データ（手動入力データ、音声入力データ）を受け取る。したがって、例示的な一実施形態では、ユーザインタフェースは、視覚情報を表現するディスプレイ（ブラウン管、ＬＣＤ等）、オーディオシステム、キーボード、マウス、及び／又はその他の入力装置を含むことができる。ユーザとの間で情報をやりとりするための任意の他の適切な装置を利用することもできる。一実施形態では、ユーザがユーザインタフェース２２を介して、命令を入力し、バッテリシステム１０の動作をモニタリングすることができる。
【００２５】
一実施形態では、システムコントローラ２１が、充電式バッテリセル１２の充電動作を制御するように構成されている。システムコントローラ２１は、スイッチ（充電リレー）２４を制御することにより、充電式バッテリセル１２を充電するべき適切なタイミングで、充電回路１６を充電式バッテリセル１２のパックのプラス端子に選択的に接続する。充電回路１６は、例示的な実施形態では、電圧または電流を制御できるようにプログラム可能な電源として実装することができる。
【００２６】
図示実施形態では、バッテリシステム１０は、スイッチ（プリチャージリレー）２６と、ポジティブスイッチ（ハイパワーリレー）２８と、ネガティブスイッチ（ハイパワーリレー）３０とを備えている。まず、負荷１４は、負荷１４が充電式バッテリシステム１０に接続されている間は、スイッチ２６、２８、３０により、充電式バッテリセル１２のパックから分離されている。負荷１４と充電式バッテリシステム１０の接続に続いて、スイッチ２６、２８がシステムコントローラ２１によって閉じられ、バッテリシステム１０が大きな電流スパイクから保護される。例えば、スイッチ２６は、適切な抵抗負荷のようなプリチャージ負荷３２と接続されており、これにより、負荷１４に過電流が流れるのを防止することができる。その後、スイッチ３０が閉じられ、負荷１４が充電式バッテリセル１２のパックと完全に接続される。充電式バッテリシステム１０が短絡すること、負荷１４にその他の障害が発生することを防止するために、適切なヒューズ３４を使用することができる。
【００２７】
図３には、バッテリシステム１０の複数の充電式バッテリモジュール４０の一実施形態が示されている。
【００２８】
図示実施形態では、充電式バッテリモジュール４０のそれぞれがプラス端子５０とマイナス端子５２を含んでおり、充電式バッテリモジュール４０が直列接続されている。下方のモジュール４０のプラス端子５０は、複数の充電式バッテリセル１２のパックのプラス端子であり、上方のモジュール４０のマイナス端子５２は、複数の充電式バッテリセル１２のパックのマイナス端子であり、このプラス端子とマイナス端子がそれぞれ負荷１４に接続される。加えて、上方のモジュール４０のプラス端子５０と下方のモジュール４０のマイナス端子５２が互いに接続されることで、図示実施形態のように、モジュール４０が直列接続される。バッテリシステム１０の他の例では、追加の充電式バッテリモジュール４０を充電式バッテリパックに設けてもよい。さらに、他の実施形態では、モジュール４０を用いることなく、充電式バッテリセル１２をパック内に実装してもよい。
【００２９】
充電式バッテリモジュール４０は、それぞれ、以下に図４を例に挙げて詳細に説明する複数の充電式セルモジュール４１を備えている。各充電式セルモジュール４１は、該充電式セルモジュール４１の複数の端子の間に接続される充電式バッテリセル１２を含んでいる。加えて、モジュール４０の充電式セルモジュール４１は、モジュール端子５０、５２の間に直列接続されている。図示実施形態では、充電式バッテリモジュール４０内で４つの充電式セルモジュール４１が直列接続されているが、他の実施形態では、充電式バッテリモジュール４０内で直列接続する充電式セルモジュール４１の数を増減してもよい。
【００３０】
図３、図４に示すように、各充電式セルモジュール４１は、キャパシタ端子Ｃを備えている。充電式セルモジュール４１のキャパシタ端子は、各充電式バッテリモジュール４０のキャパシタバス４２の正極キャパシタ端子４４と負極キャパシタ端子４６に交互に接続されている。キャパシタバス４２の正極キャパシタ端子４４と負極キャパシタ端子４６は、各充電式バッテリモジュール４０内で、キャパシタモジュール４８の各端子Ｐ１、Ｎ１にそれぞれ接続されている。キャパシタバス４２とキャパシタモジュール４８は、以下の一実施形態説明する電荷移動回路６４の一部をなす。一実施形態において、電荷移動回路６４は、充電式セルモジュール４１の１つから他の充電式セルモジュール４１へ、及び／又は、充電式バッテリモジュール４０間で、電気エネルギーを移動させる。一実施形態において、充電式バッテリモジュール４０のキャパシタモジュール４８は、各端子Ｐ２、Ｎ２を介して互いに並列接続される。
【００３１】
図４には、充電式セルモジュール４１の一実施形態が示されている。同図に示す充電式セルモジュール４１は、セルモジュール４１のプラス端子とマイナス端子に接続される充電式バッテリセル１２を含んでいる。充電式セルモジュール４１は、以下で説明する制御回路２０のモジュールコントローラ（例えば図７のモジュールコントローラ１２０）に接続される温度センサ６６を含んでいる。この温度センサ６６は、図示実施形態において、充電式バッテリセル１２の温度に関する信号を供給する。一実施形態において、制御回路２０は、充電式バッテリセル１２の温度が所望の動作範囲の上限または下限を超えた場合（この場合はセル１２が損傷する可能性がある）、バッテリシステム１０をシステム停止状態にする。充電式バッテリセル１２がリチウムを含む一実施形態では、充電時のセルの温度が０℃〜４５℃に維持されることが望ましく、放電時のセルの温度が−１０℃〜５０℃に維持されることが望ましく、保管時のセルの温度が−４０℃から５０℃に維持されることが望ましい。さらに、制御回路２０は、セル１２の温度に関する情報を利用して、セル１２の充電状態を判定する。これは、幾つかのセル構造において、把握される充電状態がセル１２の温度によって変動するためである。
【００３２】
充電式セルモジュール４１は、充電バランス回路６０を含んでいる。この充電バランス回路６０は、シャント回路６２と電荷移動回路６４を含んでいる。充電バランス回路６０は、バッテリシステム１２が動作している間、充電式バッテリモジュール４０の充電式バッテリセル１２の充電状態をバランスさせようとする。すなわち、充電バランス回路６０は、複数の充電式バッテリセル１２を実質的に同じ充電状態にしようとする。
【００３３】
幾つかの実施形態に関連して上述したように、充電式バッテリセル１２は、リチウムセルとして実装することができる。従って、幾つかの実施形態において、１つ以上の充電式バッテリセル１２の電圧が、セル１２の損傷を引き起こす作動電圧の閾値を上回る又は下回るのを避けることが望ましい。バッテリシステム１０の充電動作及び放電動作の間、複数の充電式バッテリセル１２が実質的にバランスした（同じ）充電状態であることが望ましい。その結果、以下で説明する放電動作の間、充電式バッテリセル１２のパックから取り出すエネルギー量を最大化してバッテリシステム１０を完全充電状態にするための充電レートを増大することができる。
【００３４】
一実施形態において、シャント回路６２と移動回路６４は、充電式バッテリセル１２の充電状態をバランスさせるために、制御回路２０の各モジュールコントローラの制御を選択的に可能／不能にする。図示実施形態において、シャント回路６２は、充電回路１６からの充電電気エネルギーを、充電式バッテリセル１２の回りに分流（分路）する。電荷移動回路６４は、以下にさらに詳細に説明する電荷移動動作の間、充電式バッテリセル１２に電気エネルギーを供給し、または充電式バッテリセル１２から電気エネルギーを除去する。
【００３５】
シャント回路６２の例示的な動作を以下で説明する。上述したように、シャント回路６２は、充電式バッテリセル１２の回りに充電電気エネルギーを選択的に分流（分路）するように構成されている。充電動作の間、バッテリモジュール４０内の充電式バッテリセル１２は、例えば充電式バッテリセル１２の製造に起因する異なる内部抵抗といった異なる特性によって、異なるレートで充電される。従って、１つ以上の充電式バッテリセル１２が他の充電式セル１２よりも高速で充電されることになる。各セル１２の過充電を避けるために、シャント回路６２は、各充電式セルモジュール４１の各充電式バッテリセル１２の回りに、充電電気エネルギーの少なくとも一部または全部を分流する。幾つかの実施形態では、制御回路２０のモジュールコントローラが、各モジュール４１の充電式バッテリセル１２の電圧をモニタリングし、シャント回路６２を次のように制御する。すなわち、制御回路２０のモジュールコントローラの制御によって、シャント回路６２は、モジュール４０の複数の充電式バッテリセル１２のうち、他のセルよりも充電状態が高い１つ以上の充電式バッテリセル１２の回りに、充電電気エネルギーを分流させる。
【００３６】
図５は、典型的なリチウムセル１２の電圧−充電（電荷）特性を描いたグラフ１４０である。リチウムセル１２は、セル１２の異なる充電状態に対応した複数の異なる作動状態を有している。グラフ１４０に示すように、リチウムセル１２は、実質的な放電状態１４２、中間充電状態１４４及び実質的な満充電状態１４６を含んでいる。中間充電状態１４４は、セル１２の異なる充電状態の大部分に対して比較的平坦な電圧カーブを有している。これに対し、実質的な放電状態１４２と実質的な満充電状態１４６は急峻な電圧カーブを有している。中間充電状態１４４に対応する電圧を有する充電式バッテリセル１２の充電状態を正確に判定することは、実質的な放電状態１４２と実質的な満充電状態１４６の場合のそれと比べてより難しい。これは、グラフ１４０が中間充電状態１４４のときに比較的平坦な電圧カーブを描くためである。
【００３７】
充電電気エネルギーを分流することについては幾つかの欠点がある。それは、充電動作の効率が低下することにより幾らかのエネルギーが浪費されること、過剰に熱が発生すること、分流による実行バランス動作が比較的遅くなってしまうことである。幾つかの構成では、複数のセル１２の充電レートを増加させた状態でバランスさせるために、充電式バッテリセル１２が全ての動作状態１４２、１４４、１４６にある間に、最も高い充電状態を持つ１つ以上の充電式バッテリセル１２の回りに充電電気エネルギーを分流する。
【００３８】
より具体的な一実施形態では、充電式バッテリセル１２が、実質的な放電状態１４２、中間充電状態１４４及び実質的な満充電状態１４６を含む全ての異なる動作状態にある間に、制御回路２０が、各モジュール４０の各充電式バッテリセル１２の充電状態をモニタリングする。また制御回路２０は、セル１２を異なる動作状態１４２、１４４、１４６のそれぞれで充電している間、各モジュール４０について、他のセル１２よりも高い充電状態を持つ充電式バッテリセル１２の各々の充電電気エネルギーの分流を制御する。
【００３９】
たとえシャント回路６２の使用の実行バランスが他のバランス技術と比較して遅いものだとしても、充電式バッテリモジュール４０の充電式バッテリセル１２の充電サイクル（実質的な放電状態１４２から中間充電状態１４４、実質的な放電状態１４２から実質的な満充電状態１４６）の全体を通じた分流動作の実行は、全体のバランス動作の速度を向上させる。これは、より高い充電状態を持つ１つ以上の充電式バッテリセルの過充電を防止するために充電サイクルの最後に分流動作を実行するだけの装置と比較して、長い時間を掛けて分流動作を実行するからである。
【００４０】
一実施形態では、充電式セル１２の異なる動作状態１４２、１４４、１４６のそれぞれの間に、シャント回路６２による充電電気エネルギーの分流動作を実行し、その結果、充電式バッテリセル１２を実質的な満充電状態にすることができる。この充電式バッテリセル１２の実質的な満充電状態１４６では、１つ以上のセルが過充電状態になるのを防止するためにセルが実質的な満充電状態にあるときにだけ分流を実行する場合または全く分流を実行しない場合と比較して、各充電式バッテリセル１２の互いの充電状態を互いに近付けることができる（充電バランスを向上させることができる）。
【００４１】
一実施形態のセル１２の異なる動作状態１４２、１４４、１４６の間の分流動作の実行により、セルが実質的に満充電されたときにのみ分流を実行する場合と比較して、減少したデューティサイクル（例えば０％〜５０％のデューティサイクル）を使用した分流が可能になる。より具体的には、複数の動作状態１４２、１４４、１４６の間の分流により、セルが実質的に満充電されたときにのみ分流を実行する場合と比較して、より長い期間の分流動作が可能になる。したがって、セル１２のバランス動作の間、パルス幅変調信号のデューティサイクルが減少し、シャント回路６２の発熱が抑えられる。
【００４２】
図４に示すように、例示的な実施形態において、各充電式バッテリモジュール４１のシャント回路６２は、シャント素子（例えばスイッチ）７０と、分離回路７２と、負荷７４と、温度センサ７６とを含んでいる。制御回路２０のモジュールコントローラは、分離回路７２を介して、適切な制御信号を送信する。分離回路７２は、例示的な実施形態における光結合もしくはトランス結合により実装されており、または直流的に絶縁されている。制御信号によってシャント素子７０は、選択的に、充電電気エネルギーの少なくとも幾らかが充電式バッテリセル１２の回り且つ負荷７４（一実施形態では電流抵抗）を通過しているときに分流動作を実行することができる。別の実施形態では、シャント回路７０をダーリントントランジスタとして実装して、負荷７４を省略することができる。
【００４３】
一実施形態において、制御回路２０のモジュールコントローラは、温度センサ７６を介して、負荷７４（または図示しないダーリントントランジスタ）の温度をモニタリングしている。制御回路２０は、負荷７４の温度が閾値を超えたときに、各シャント素子７０の分流動作を不能にする。例示した実施形態では、シャント回路６２の最高動作温度は、シャント素子７０の最高動作温度、及び／又は負荷７４の最高動作温度に対応している。シャント素子７０は、シャント素子７０の温度が異なる温度の閾値（例えば、分流動作を不能にするための上記閾値よりも５℃低い）を下回るまで、上記分流動作の不能状態を維持する。シャント素子７０は、各シャント素子７０の温度が低温側の閾値を下回ったときに、分流動作を再開する。幾つかの実施形態では、シャント回路６２は、該シャント回路６２の冷却を促進するためのヒートシンク（図示せず）を含んでいてもよい。
【００４４】
一実施形態では、分流の制御に使用するパルス幅変調信号のデューティサイクルが、各シャント回路６２の温度のモニタリング結果に応じて変動する。例えば、各シャント回路６２の温度が温度閾値に近付いたときには、１つのシャント回路６２のためのパルス幅変調信号のデューティサイクルが減少する。デューティサイクルの減少はシャント回路６２の温度の低下を助長する。
【００４５】
さらに、モジュールコントローラは、上述したようにセル１２の温度を所望の閾値範囲内にしてセル１２の損傷を防止することを確認するために、温度センサ６６を介して、充電式バッテリセル１２の温度をモニタリングしている。例示的な実施形態において、モジュールコントローラは、その温度が閾値を超えたセル１２に関して、充電動作または放電動作についての警告または時には遮断を開始する。
【００４６】
前述したように、制御回路２０のモジュールコントローラは、シャント回路６２の分流動作を制御する。より具体的に、制御回路２０は、充電式バッテリセル１２の充電状態に基づいて各セル１２の異なる分流量を提供するために、異なる充電式セルモジュール４１のシャント回路６２を制御する。例えば、図６を参照すると、グラフ１５０が、充電式バッテリモジュール４０の充電サイクルの間における共通の瞬間に、異なる充電状態を持つモジュール４０の異なるセル１２を描いている。より高い充電状態の充電式バッテリセル１２を持つ充電式セルモジュール４１のシャント回路６２は、それよりも低い充電状態のモジュール４０の充電式バッテリセルと比較して、増加した分流量を実現するように制御される。
【００４７】
一実施形態では、制御回路２０のモジュールコントローラは、個々の充電式セルモジュール４１のシャント回路６２を制御するためのパルス幅変調信号を提供するように構成されている。制御回路２０は、モジュール４０の各充電式バッテリセル１２の充電状態に基づいて、個々の充電式バッテリモジュール４０の他のセルと比較して、バッテリセルモジュール４１の異なるシャント回路６２のための制御信号のデューティサイクルを０％〜１００％（図６の例では０％〜５０％）の範囲内で変動させる。
【００４８】
シャント素子７０に対する制御信号のデューティサイクルを増加させることで、各充電式バッテリセル１２の回りへの充電電気エネルギーの分流が増加し、より小さいデューティサイクルの制御信号を使用して分流された他のセル１２に比較してセル１２の充電レートが減少する。
【００４９】
一実施形態では、充電式バッテリモジュール４０のための最も高い充電状態および最も低い充電状態を持つセル１２が、実質的な直線状の傾きを規定するように使用されている。最も高い充電状態を持つセル１２が最も多い分流量（５０％のデューティサイクル）であり、最も低い充電状態を持つセル１２が最も低い分流量（０％のデューティサイクル）である。他のセル１２の分流を制御するためのパルス幅変調信号は、最大充電状態のセル１２と最低充電状態のセル１２との間のセル１２の各充電状態に基づいて調整することができる。
【００５０】
一実施形態では、セル１２の異なる充電状態に応じた分流を実行するために、異なる範囲のデューティサイクルが使用される。より具体的な実施形態では、実質的な放電状態または中間充電状態にあるセル１２に対しては０％〜５０％のデューティサイクル範囲で分流を実行し、実質的な満充電状態にあるセル１２に対しては０％〜１００％のデューティサイクル範囲で分流を実行する。
【００５１】
一実施形態では、各充電式バッテリモジュール４０のモジュールコントローラが、上述した手法に従って、各充電式セルモジュール４１のシャント回路６２を制御するための適切なパルス幅変調信号を決定する。
【００５２】
加えて、一実施形態では、セル１２の充電中に、セル１２の充電状態が複数の閾値を基準として制御回路２０によってモニタリングされる。この複数の閾値は、バッテリシステム１０に実装されるセル１２のタイプに対応している。制御回路２０は、セル１２の充電状態に応じた異なる態様で、セル１２の充電を制御する。一実施形態では、制御回路２０が、初期設定された過電圧閾値に関して、各セル１２の充電状態をモニタリングする。もし全てのモジュール４０の全てのセル１２が初期設定された過電圧閾値を下回っていれば、制御回路２０は、最大電流を用いた最大充電レートでモジュール４０のセル１２を充電するように、充電回路１６を制御する。
【００５３】
最も充電状態が高い１つのセル１２が初期設定された過電圧閾値を超える結果、制御回路２０は、充電回路１６を制御して、モジュール４０のセル１２に対する充電電気エネルギーの電流を減らしてこれを最大充電電流よりも小さくする。もしセル１２の１つが別の電圧閾値（初期設定された過電圧閾値よりも高い）を超えれば、制御回路２０は、充電回路１６を制御して、モジュール４０のセル１２に対する充電電気エネルギーの電流をさらに減らす。もしセル１２の１つが故障制限閾値（これまでに述べた閾値よりも高い充電状態を示す）を超えれば、制御回路２０は、充電回路１６を制御して、モジュール４０のセル１２に充電電気エネルギーを供給するのを停止する。
【００５４】
一実施形態では、制御回路２０が、最も充電状態が高い（１つ又は複数の）セル１２の充電状態が各閾値を下回るように、モジュール４１の各シャント回路６２を制御する。制御回路２０は、故障制限閾値を超える（１つ又は複数の）セル１２に対して最大分流量を提供するように、シャント回路６２を制御する。例えば、適切なシャント回路６２のシャント素子は、継続的な最大分流量を提供するように、変調を行うことなく、十分な分流動作を実行する。図示実施形態では、最も高い充電状態のセル１２が最も低い充電状態のセル１２よりも低い充電状態になったとき又は時間切れとなったとき、充電が再開される。
【００５５】
したがって、分流により、より低い充電状態のセル１２がより高い充電状態のセル１２よりも高速充電されるように、バッテリモジュール４０の異なる充電式バッテリセル１２が異なる充電レートで充電される。上述したように、異なる動作状態１４２、１４４、１４６の間における各充電式セルモジュール４１のシャント回路６２の動作は、異なる動作状態１４２、１４４、１４６の間に分流を実行しない場合と比較して、複数の充電式バッテリセル１２の充電バランスを向上させる。一実施形態では、分流動作によって充電式バッテリモジュール４０の各充電式バッテリセル１２が、分流動作を実行していない場合と比較して、完全な充電状態に早く到達することができる。なぜなら、実質的な満充電状態に到達するに連れて充電式セル１２の充電状態が互いに近付き、実質的な満充電状態となった複数のセル１２の充電バランスが向上し（比較的ゆっくりとしたプロセスである）、セル１２の異なる動作状態１４２、１４４、１４６の間における分流を実行する必要が無くなるからである。
【００５６】
しかし、幾つかの状況では、セル１２の異なる動作状態１４２、１４４、１４６のそれぞれの間に分流を実行したにもかかわらず、１つ以上の充電式バッテリセル１２が他のセル１２とのバランスを著しく欠くことがある。例えば、欠陥品（不良品）の充電式バッテリセル１２を含む充電式セルモジュール４１は、充電式バッテリモジュール４０から取り除かれ、他のセル１２とのバランスを著しく欠いた代替のモジュール４１がモジュール４０に挿入される。一実施形態では、選択した充電式バッテリセル１２の間で電気エネルギーを伝送するために（例えば充電バランスを欠いたセル１２を急速に充電するために）、電荷移動回路６４が使用される。例示的な実施形態では、電荷移動回路６４が、単独で使用され（例えば電荷分流回路６２が省力され若しくは使用されないとしたら）、又は、ハイブリッド配置若しくは他の充電バランス回路においてシャント回路６２と組み合わせて使用される。
【００５７】
図示実施形態では、各充電式セルモジュール４１が電荷移動回路６４を含んでいる。前述したように、電荷移動回路６４は、モジュール４１のマイナス端子とＣ端子との間に介在している。以下に述べるように、電荷移動回路６４は、モジュールコントローラによって、異なる瞬間に、キャパシタバス４２を介して充電式バッテリセル１２の１つに選択的に結合できるようになっている。これにより、充電式バッテリセル１２の異なる相互間で電気エネルギーを移動させることができる。モジュールコントローラは、分離回路８２（例えば、光、トランス結合、ガルバニック絶縁）を介して制御信号を出力することにより、各充電式バッテリセル１２をキャパシタバス４６に選択的に結合するように、スイッチ８０を制御する。スイッチ８０は、電荷移動回路６４を通じた双方向に電流を流すことを許容する。これは、代替の充電式バッテリセル１２が充電式セルモジュール４１のＣ端子によってキャパシタバス４２に関して逆向きにされており、電荷移動動作の間に各セル１２との間で電気エネルギーが伝送されるからである。図示実施形態では、スイッチ８０が電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）として実装されているが、スイッチ８０は、例えば単一のリレー等の他の代替的な構成を用いて実装することができる。一実施形態では、所望の電流量を提供するために、スイッチ８０の制御信号が制御回路２０によってパルス幅変調される。
【００５８】
一実施形態では、セル１２がショートするのを防止するために、１つの充電式バッテリセル１２だけが与えられた瞬間にキャパシタバス１４に結合されている。モジュールコントローラは、各充電式バッテリモジュール４０の充電式バッテリセル１２の充電状態をモニタリングするように構成されている。モジュールコントローラは、充電式セルモジュール４１の移動回路６４を適切に制御して、モジュール４０の最高充電状態の充電式バッテリセル１２から、モジュール４０の最低充電状態の充電式バッテリセル１２へ、移動電気エネルギーを伝送する。別の実施形態では、移動回路６４が、充電動作及び／又は放電動作の間、電気エネルギーを移動させるように動作する。
【００５９】
より具体的な一実施形態では、モジュールコントローラが、充電式セルモジュール４１のＣ端子とスイッチ８０を使用して、最高充電状態の充電式バッテリセル１２をキャパシタバス４２に初期結合する。使用する充電式セルモジュール４１は、最高充電状態のセル１２、及び調整モジュール４１のＣ端子とスイッチ８０を含んでおり、最高充電状態のセル１２を含むモジュール４１のプラス端子と結合されている。右端の充電式セルモジュール４１のプラス端子は、キャパシタモジュール４８に直接的に結合されている。右端の充電式セルモジュール４１のマイナス端子は、キャパシタバス４２にそのＣ端子とスイッチ８０を介して結合されており、これにより、右端のモジュール４１が、キャパシタモジュール４８に対して電気エネルギーを伝送することができる。
【００６０】
以下に述べる一実施形態では、最高充電状態のセル１２からの電気エネルギーが、キャパシタモジュール４８に伝送されてそこに蓄積される。そして、キャパシタモジュール４８への電荷の伝送が終わった後、Ｃ端子を停止することにより、充電式バッテリセル１２とキャパシタバス４８の結合が解除される。
【００６１】
充電式バッテリセル１２の結合解除に続いて、キャパシタモジュール４８内に蓄積された電気エネルギーを受け取るために、充電式セルモジュール４１のＣ端子とスイッチ８０を使用して、モジュール４０の最低充電状態の充電式バッテリセル１２がキャパシタバス４２に結合される。使用する充電式セルモジュール４１は、最低充電状態の充電式バッテリセル１２、及び調整モジュール４１のＣ端子とスイッチ８０を含んでおり、最低充電状態のセル１２を含むモジュール４１のプラス端子と結合されている。セル１２の充電状態を増加（向上）させるために、キャパシタモジュール４８からセル１２に電気エネルギーが伝送される。
【００６２】
電荷移動動作の結果として、最低充電状態の充電式バッテリセル１２の充電状態が増加し、最高充電状態の充電式バッテリセル１２の充電状態が減少し、これにより、最低充電状態と最高充電状態の２つのセル１２の充電バランスが向上する。電荷移動動作は、充放電動作モードにおいて、充電式バッテリセル１２の異なる動作状態１４２、１４４、１４６の間に継続的に実行される。電荷移動動作は、シャント回路６２を使用する場合よりも迅速かつ効率的に、他のセル１２とのバランスを著しく欠いた１つ以上の充電式バッテリセル１２の充電状態をバランスさせるように動作する。さらに、以下に述べる幾つかの実施形態のように、キャパシタモジュール４８は、他の充電式バッテリモジュール４０の他のキャパシタモジュール４８に関して、電気エネルギーを伝送することもできる。
【００６３】
上述した一実施形態では、シャント回路６２の温度が閾値を超えたときに、分流動作が一時停止される。しかし、温度条件の範囲外の１つ以上のセルについて分流動作が不能な場合であっても、電荷移動動作は継続して実行される（例えば、最高充電状態と最低充電状態のセル１２の間での電荷移動動作）。より具体的な一実施形態では、そのシャント回路６２が動作不能に陥ったセル１２に関して、電荷移動動作を実行することができる。
【００６４】
したがって、一実施形態では、モジュールコントローラが、移動回路６４を制御して、該移動回路６４を、異なる時間的瞬間に、キャパシタバス４２を介して、適切な充電式バッテリセル１２に結合させる。移動回路６４に結合された充電式バッテリセル１２は、キャパシタモジュール４８との間で電気エネルギーを伝送する。
【００６５】
図７は、１つの充電式バッテリモジュール４０のキャパシタモジュール４８の例示的な実施形態を示している。より多い構成要素、より少ない構成要素、及び／又は代替的な構成要素を含む別実施形態も可能である。
【００６６】
キャパシタモジュール４８は、モジュールコントローラ１２０を備えている。モジュールコントローラ１２０は、上述した例示的な実施形態における制御回路２０の一部を構成している。キャパシタモジュール４８は、システムコントローラ２１と同じように、各充電式バッテリモジュール４０の充電式セルモジュール４１に接続されたバッテリハブとして機能する。加えて、キャパシタモジュール４８は、各モジュール４０の充電式バッテリセル１２の電圧をモニタリングすると同時に、以下に述べる電荷移動動作を実行するために各モジュール４０の蓄積回路９０の電荷蓄積を制御する。キャパシタモジュール４８は、スイッチの直並列接続、温度制御、及びスイッチを制御するためのデータ信号を提供し、各充電式バッテリモジュール４０の温度をモニタリングし、システムコントローラ２１との通信を行うために使用される。充電式バッテリモジュール４０のキャパシタモジュール４８は、複数の充電式バッテリモジュール４０を結合する（例えば図８に示す大規模バランス動作を実行する）ために使用することができる。
【００６７】
モジュールコントローラ１２０は、充電式バッテリモジュール４０の充電式セルモジュール４１とキャパシタモジュール４８の動作をモニタリング及び制御することを含む、充電式バッテリモジュール４０の様々な動作をモニタリング及び制御するように構成されている。例えば、図示実施形態では、モジュールコントローラ１２０は、キャパシタモジュール４８内の移動回路６４の抵抗値を制御する。モジュールコントローラ１２０によるこの制御は、各充電式セルモジュール４１の移動回路６４を制御する（例えばスイッチ８０を切り替えて適切な充電式バッテリセル１２とキャパシタバス４２を選択的に接続する）場合と同様である。加えて、モジュールコントローラ１２０は、セル１２の充電状態に基づいて、シャント回路６２の分流動作を制御する（例えばスイッチ７０を切り替えて複数の充電式バッテリセル１２の各々の回りに充電電気エネルギーを選択的に分流する）。
【００６８】
モジュールコントローラ１２０は、各温度センサ６６を介して充電式バッテリセル１２の温度をモニタリングするとともに、各温度センサ７６を介してシャント回路６２の温度をモニタリングする。またモジュールコントローラ１２０は、以下にさらに説明するように、充電式バッテリセル１２の電圧（及び充電状態）をモニタリングする。
【００６９】
上述したように、一実施形態では、モジュールコントローラ１２０が、システムコントローラ２１と通信可能に構成されている。システムコントローラ２１は、モジュールコントローラ１２０との通信を介して、各充電式バッテリモジュール４０の充電式バッテリセル１２の充電状態をモニタリングし、モジュールコントローラ１２０の動作を制御するための制御信号を出力する（例えば大規模バランス動作）。
【００７０】
モジュールコントローラ１２０は、該モジュールコントローラ１２０による動作を実行するためのプログラムを記憶した適切なメモリ１２２を備えている。一実施形態では、メモリ１２２は、製品毎の値の誤差に起因する電圧モニタリングの調整を工場で行うための調整情報を含むことができる。
【００７１】
一実施形態では、キャパシタモジュール４８が、複数の蓄積素子９２（例えばキャパシタ）を含む蓄積回路９０の態様で、電荷移動回路６４の一部分を含んでいる。蓄積素子９２は、キャパシタバス４２を介して充電式セルモジュール４１の１つから受け取った電気エネルギーを蓄積し、その電気エネルギーを、キャパシタバス４２を介して別の充電式セルモジュール４１に供給して電荷移動動作を実行するように構成されている。
【００７２】
モジュールコントローラ１２０は、キャパシタモジュール４８の各種動作を制御するために、スイッチ制御部１００に接続されている。モジュールコントローラ１２０は、スイッチ９４と９９を制御することで、キャパシタモジュール４８を、充電式バッテリモジュール４１の異なるキャパシタバス４２に接続する。モジュールコントローラ１２０は、各充電式セルモジュール４１のスイッチ８０とＣ端子を介した充電式バッテリセル１２とキャパシタバス４２の接続の極性に基づいて、スイッチ９５と９８を制御することにより、充電式バッテリセル１２とキャパシタバス４２の接続の極性を制御する。スイッチ９７は、蓄積回路９０をモジュール４０のキャパシタバス４２から分離するために制御され、これにより、電圧モニタリング回路１０２を用いたセル１２の電圧のモニタリングが可能になる。
【００７３】
一実施形態では、キャパシタモジュール４８が、充電式バッテリモジュール４０のプラス端子に接続されている。モジュールコントローラ１２０は、適切な分離回路１２４（例えば、光、トランス結合、ガルバニック絶縁）を介して、スイッチ１１０を選択的に制御することで、コネクタ１１２を介してプラス端子５０を蓄積回路９０に選択的に接続する。例えば、電荷移動動作中に、図３中の右端の充電式バッテリモジュール４１との間で電気エネルギーのやりとりが可能になる。
【００７４】
一実施形態では、キャパシタモジュール４８が電圧増幅回路を含んでいる。この電圧増幅回路は、電気エネルギーの電圧を増加させ且つこの電圧が増加した電気エネルギーを他のモジュール４１に伝送するために、複数のセル１２の１つから第１の電圧の電気エネルギーを受け取る。
【００７５】
より具体的に、蓄積素子９２とキャパシタバス４２を並列接続または直列接続するために、クロスオーバースイッチ９６が使用される。電荷移動動作の間、並列接続または直列接続の制御が電圧増幅回路（電圧ダブラー）を提供する。例えば、２つの充電式バッテリセル１２が異なる充電状態であったとしても（例えば両方のセル１２が中間充電状態１４４の異なる充電状態であったとしても）、これら２つの充電式バッテリセル１２は似たような電圧を有している。より高い充電状態を持つ充電式バッテリセル１２からより低い充電状態を持つ充電式バッテリセル１２への電気エネルギーの流れを制御するために、電荷移動回路６４が電圧倍増機能を実装するように構成されている。この構成により、以下に詳細に説明するように、同じような電圧を持つセル１２の間で比較的高い電流の流れが可能になる。
【００７６】
一実施形態では、より高い充電状態の充電式バッテリセル１２の１つからの電気エネルギーが受け取られたときに、モジュールコントローラ１２０が、クロスオーバースイッチ９６を制御して、蓄積素子９２を互いに並列接続する。さらに、蓄積された電気エネルギーの電圧を増加して、キャパシタバス４２に接続されたより低い充電状態の充電式バッテリセル１２の１つに電気エネルギーを流すために、蓄積素子９２が互いに直列接続される。蓄積回路９０は、該蓄積回路９０に流れ込む電流の流れ及び該蓄積回路９０から流れ出る電流の流れを制限するために、抵抗負荷９１に接続されている。
【００７７】
ここで例示的に説明した構成は、電圧増幅回路を備えない構成と比較して、より高い充電状態のセル１２からより低い充電状態のセル１２への電荷移動動作の間、より増加した電流の流れを提供することができる。より具体的に、セル１２の間の電圧差が減少するのに従って、セル１２の間を流れる電流が減少する。しかし、開示した一実施形態の電圧増幅回路は、上述した電圧増幅を使用しない構成と比較して、（たとえ増幅を行うことなく複数のセル１２が実質的に同じ電圧を有していたとしても、）セル１２の間の電圧差を増加させ、セル１２の間の電荷移動動作における電流の流れを増加させる。
【００７８】
一実施形態では、キャパシタモジュール４８が、電圧モニタリング回路１０２を介して、充電式バッテリセル１２の電圧モニタリング動作を実行するように構成されている。モジュールコントローラ１２０は、充電式バッテリセル１２の電圧モニタリングの結果を使用した充電状態情報を決定する。
【００７９】
例示的な実施形態では、モジュールコントローラ１２０が、スイッチ１０８を制御することにより、キャパシタ１０４をキャパシタバス４２に選択的に並列接続し、キャパシタバス４２に接続されたモジュール４１のセル１２の電圧をモニタリングする。モジュールコントローラ１２０は、セル１２の充電状態を判定するために、キャパシタ１０４とインタフェース回路１０６を介して、異なる時間的瞬間に、キャパシタバス４２に接続された各充電式バッテリセル１２の電圧をモニタリングする。蓄積回路９０のスイッチとスイッチ９７は、電圧モニタリング動作が行われている間、蓄積素子９２とキャパシタバス４２の接続を解除するために開放される。電圧モニタリング回路１０２は、セル１２とキャパシタバス４２の接続が解除された状態で、蓄積素子９２の電圧をモニタリングするために使用される。
【００８０】
セル１２の充電状態を算出するためには任意の適切な方法を用いることができる。一実施形態では、充電式バッテリセル１２の充電状態を判定するために、電流センサ３１からの情報及び充電式バッテリセル１２の電圧を用いることができる。システムコントローラ２１またはモジュールコントローラ１２０は、セル１２の充電状態を算出することができる。一例を挙げると、制御回路２０は、センサ３１（図２）からの電流情報を用いたクーロンカウンティング（Coulomb counting）を採用することができる。さらに、モニタリングしたセル１２の温度情報を使用することにより、バッテリシステム１０の温度の影響を打ち消して、充電状態の判定の一助とすることができる。他の実施形態では、セル１２の充電状態を算出するために、セル１２からの消費パワーをモニタリングするといった他の適切な方法を使用することができる。
【００８１】
一実施形態では、セル１２の電圧モニタリングの間、シャント回路６２の動作が考慮に入れられる。例えば、分流が行われていないセル１２だけが最も充電状態が低いセル１２であると考えられ、その他のセル１２は充電状態が高いセル１２であると考えられる。
【００８２】
図８には、電荷移動を用いた充電式バッテリセルのバランス方法の１つが示されている。同図では例示的に、充電式バッテリセル１２のパックの２つの充電式バッテリモジュール４０を描き、この２つのモジュール４０がそれぞれ、４つの充電式バッテリセルＡ１〜Ａ４とＢ１〜Ｂ４を含んでいる。一実施形態では、システムコントローラ２１が、上述したバランス動作を実行するために、充電式バッテリモジュール４０の各モジュールコントローラ１２０からの情報を使用した適切なプログラムを実行する。他の実施形態では、追加のモジュール４０をバランスさせる方法も可能である。
【００８３】
図８の例では、バランス動作は上から下に向かって進んでおり、一番上の図は、バランス動作が開始されたときの充電状態を描いていている。真ん中の図は、モジュール４０の充電式バッテリセルを他のバッテリセルとバランスさせるために実行される第１のバランス動作を描いている。以下に述べるように、第１のバランス動作の結果、モジュール４０中の充電式バッテリセルの１つが、同じモジュール４０中の他のセルとのバランスを欠いている。従って、電荷移動回路６４が、複数のモジュール４０の充電状態を互いにバランスさせるために第２の充電動作を実行する。
【００８４】
電荷移動回路６４は、充電式バッテリモジュール４０のそれぞれに対して、第１の充電バランス動作を実行する。この第１の充電バランス動作は、１つの充電式バッテリモジュール４０の充電式バッテリセルの充電状態のバランスを、第１の充電バランス動作を行っていない他の各充電式バッテリモジュール４０の充電式バッテリセルの充電状態のバランスよりも向上させる。また充電バランス回路６４は、第２の充電バランス動作を実行する。この第２の充電バランス動作は、充電式バッテリモジュール４０の相互間の充電バランスを、第２の充電バランス動作を行っていない充電式バッテリモジュール４０の充電状態のバランスよりも向上させる。
【００８５】
図示した方法では、両方の充電式バッテリモジュール４０の全てのセルの充電状態に基づいて、充電状態の全体平均（global average）１３０が決定される。加えて、各モジュール４０のセルの充電状態の局所平均（local average）１３２も示されている。左側のモジュール４０の局所平均１３２は、全体平均１３０よりも低くなっており、右側のモジュール４０の局所平均１３２は、全体平均１３０よりも高くなっている。
【００８６】
図８の真ん中の図の例では、第１のバランス動作によって、各充電式バッテリモジュール４０の全てのセルのうちの１つを除いて、その充電状態がバランスしている。もし、モジュール４０の局所平均１３２が全体平均１３０よりも低いときには、モジュール４０が、他のモジュール４０のパックから電気エネルギーを受け取り、１つのセル（Ａ１）を充電不足状態として、他のセル（Ａ２〜Ａ４）の充電状態を実質的にバランスさせる。もし、モジュール４０の局所平均１３２が全体平均１３０よりも高いときには、モジュール４０が、余剰な電気エネルギーを他のモジュール４０に伝送し、１つのセル（Ｂ１）を過充電状態として、他のセル（Ｂ２〜Ｂ４）の充電状態を実質的にバランスさせる。上述した両方のモジュール４０においてセルの充電状態をバランスさせるための第１の充電バランス動作は、第２の充電バランス動作に先んじて同時に実行するのがよい。
【００８７】
図８の真ん中の図をさらに詳細に参照する。元々最大の充電状態であったセルＡ３からの電気エネルギーが他のセルＡ１〜Ａ２及びＡ４に回され、セルＡ２〜Ａ４の充電状態が全体平均１３０となっている。セルＢ１及びＢ４から他のセルＢ２及びＢ３に電気エネルギーが回され、セルＢ２〜Ｂ４の充電状態が全体平均１３０となっている。この電気エネルギーの移動により、セルＡ１の充電状態が全体平均よりも下回っており、セルＢ１の充電状態が全体平均よりも上回っている。
【００８８】
図８の一番下の図の例では、第２のバランス動作の間に、モジュールＢ１からモジュールＡ１に電気エネルギーが回され、セルＡ１の充電状態が増加し、セルＢ１の充電状態が減少する。その結果、両方のモジュール４０の全てのセルの充電状態が全体平均１３０となって実質的にバランスする。一実施形態では、セルＡ１〜Ａ４及びセルＢ１〜Ｂ４を含む適切なモジュール４０のキャパシタモジュール４８が、セルＢ１からセルＡ１に電気エネルギーを伝送する。
【００８９】
一実施形態では、システムコントローラ２１（図２）が、図８に例示して説明したような方法を実行するように構成されている。システムコントローラ２１は、各モジュールコントローラ１２０からの複数のモジュール４０のセルの充電状態に関する情報にアクセスし、全体的な充電状態と局所的な充電状態を算出し、モジュールコントローラ１２０に所望のバランス動作を実行するための命令（例えば一実施形態では全体的な充電状態と局所的な充電状態を示す情報を使用する）を発する。さらに、システムコントローラ２１は、負荷１４のような外部システムとの間でステータス情報の通信を行う。
【００９０】
ここで、幾つかのタイプの充電式バッテリセル１２を過充電すること、及び／又は、充電式バッテリセル１２が完全に消耗することを防止するのが望ましい。例えば、リチウムセルを使用する場合、過充電または完全な消耗はセル１２を損傷させる。
【００９１】
一実施形態では、充電回路１６（図１及び図２）が、制御回路２０によって制御されるプログラム可能な電源を使用している。幾つかの実施形態では、セル１２の充電状態が増加するに従って、そのセル１２への充電回路１６からの充電電気エネルギーの量が減少する。制御回路２０は、上述した１つ以上の閾値との関係で充電式バッテリセル１２の電圧をモニタリングし、セル１２の電圧が完全充電状態に近づいていることを示す閾値を超えると、充電回路１６からの電流量を減少させる。一実施形態では、シャント回路６２を使用して安全に分流できるレベルまで電流量を低下させる。電圧または電流が制御された充電器を含む異なる構成の充電回路１６も可能である。
【００９２】
幾つかの実施形態では、制御回路２０が充電回路１６をモニタリングする。例えば、制御回路２０は、充電動作中の温度をモニタリングし、充電回路１６が適切な動作を行なえるように制御する。一例では、もし温度が初期閾値を超えたときには、充電回路１６の温度を下げるために、ファン又は冷却システムが制御される。もし、充電回路１６の温度がより高い閾値に到達したときには、制御回路２０が、動作温度が通常の動作レベルに戻るまで充電不能状態にするといった異なる動作を実行することができる。
【００９３】
電荷移動回路６４は、電荷移動動作を用いていない構成と比較して、充電式バッテリセル１２のパックの放電動作の間において充電式バッテリセル１２からより多くの電気エネルギーを抽出するために使用される。上述したように、幾つかのタイプの充電式バッテリセル１２（例えばリチウムセル）はこれが完全に消耗するのを防止することが望ましい。さらにセル１２は充電能力が異なる幾つかの構成を持つ。放電動作の間、充電能力が低いセル１２は、他の充電能力が高いセル１２よりも前に、セル１２の損傷を防止するために設定された最低充電状態の閾値に到達する。一実施形態では、電荷移動回路６４が、セル１２が最低充電状態の閾値に到達する前に、最も高い充電状態の充電式バッテリセル１２から最も低い充電状態の充電式バッテリセル１２に対して電気エネルギーを移動させるために使用される。これにより、追加の電気エネルギーを充電式バッテリセル１２のパックから放電させることができ、充電式バッテリセル１２のパック内における電気エネルギーの消費効率を向上させることができる。
【００９４】
セル１２の幾つかの構成（例えばリチウムを含むセル）では、セル１２が一旦放電状態１４２になると、セル１２の電圧が急速に低下する。最低充電状態のセル１２への電気エネルギーの移動により、バッテリシステム１０が、そのセル１２を比較的平坦な中間充電状態１４４に保ち、長期間に亘ってより高い合計のパック電圧を維持することができる。全てのセル１２が最低充電状態の閾値を超えて電荷移動が維持できなくなるまで、放電動作が継続され、これにより、１つ以上のセル１２の損傷を防止した放電動作が可能になる。
【００９５】
開示した少なくとも幾つかの実施形態は、他のバッテリシステムの構成と比較して改善した有用性を提供している。例えば、幾つかの実施形態においてシステムコントローラや複数のモジュールコントローラといった異なるレベルの制御回路を含む階層を使用することで、例えば、１つのモジュールコントローラ１２０が複数の充電式セルモジュール４１を制御することによるコスト削減効果を得ることができる。幾つかの実施形態では、比較的多数の充電式セルモジュール４１（例えば１６又は３２）が、単一の充電式バッテリモジュール４０内に含まれており、単一のモジュールコントローラ１２０と通信している。充電式バッテリセル４０のセル毎のコストは、モジュール４０内に含まれる充電式セルモジュール４１の数で割ることで算出することができる。
【００９６】
開示した幾つかの構成は、複数の充電式バッテリセルの充電状態のバランスを向上させるための充電バランス回路及び／又は充電バランス方法を含んでいる。例えば、幾つかの実施形態で述べたように、バッテリシステムは、分流動作及び／又は電荷移動動作を使用することにより、バッテリシステムの異なる動作状況において、複数の充電式バッテリセルの充電状態のバランスを向上させている。一例では、他のセルと比較して充電バランスを著しく欠いた１つの充電式バッテリセルに対する電気エネルギーの移動は、分流といった単一のバランス手順のみを使用する構成と比較して、セルをバランスさせるために要する時間を減少させる。
【００９７】
上述したように、分流は、充電動作の間に、主要なセルの間で比較的厳密なバランスをとるために使用される。開示した幾つかの実施形態では、複数の充電式バッテリセル（リチウムセル）が複数の動作状態にあるときに、分流バランス動作を実行している。例えば、セルが実質的な放電状態、中間充電状態または実質的な満充電状態にあるときに、分流が実行される。この例示したバランス方法によれば、セルが殆ど完全に充電された場合において充電サイクルの最後に分流を実行するような構成と比較して、充電プロセスの間に複数のセルの充電状態を互いに近付けることができる。
【００９８】
上述した幾つかの実施形態は、多くの異なる用途において装置又は方法での構成を許容するモジュール式で実装されており、異なるパワー仕様を持つ多くの異なるタイプの負荷に対して動作エネルギーを供給することができる。これらのバッテリシステムは、異なる用途にも簡単に転用することができる。さらに、１つ以上のモジュールコントローラは、複数の充電式バッテリセルのそれぞれの動作をモニタリング及び制御することができる。幾つかの実装態様では、高レベルシステム制御部が、モジュールコントローラのそれぞれの動作をモニタリング及び制御することができる。
【００９９】
法律にしたがい、本発明を、構造的特徴および方法的特徴に関して多かれ少なかれ特定の言語で説明してきた。しかしながら、本明細書に開示される手段が本発明に効果をもたらす好ましい形態を備えているため、本発明が図示して説明した特別な特徴に限定されないことは言うまでもない。したがって、本発明は、均等論にしたがって適切に解釈される添付の請求項の適切な範囲内において、その任意の形態で或いは変形例で主張される。
【０１００】
また、本明細書中の態様は、開示内容の例示的実施形態の構成及び／又は動作における指針として示してきた。本出願人は、これらの記載された例示的実施形態をはっきりと開示された発明態様に加えて更なる発明態様を含み、開示し、説明するものと考えている。例えば、更なる発明態様は、例示的実施形態に記載される特徴よりも少ない、多い及び／又は他の特徴を含んでいてもよい。より具体的な例において、本出願人は、はっきりと開示された方法ステップよりも少ない、多い及び／又は他のステップを含む方法並びにはっきりと開示された構造よりも少ない、多い及び／又は他の構造を含む装置を含み、開示し、説明するものと開示内容を考えている。
【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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【国際調査報告】
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