(57)【要約】  バッテリーセルバランスシステム（１８）は、セル間の電圧センサ（２１０）とバランスレッグ（２１２）の電流センサ（２１８）とを使用するスイッチモード回路を含み、バッテリー充電中に信頼性が高く効率的なセルバランシングを可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに電気的に直列に配置され、一次充電／放電経路を規定する少なくとも第１及び第２リチウムイオンバッテリーセルと、
前記一次充電／放電経路と電気的に並列に配置されたバランス回路と、を備える装置であって、、前記バランス回路は、
各正ノード及び各負ノードと、各隣接するセル間の少なくとも１つのセル接合部とを含むバランス線と、
各セルと電気的に並列に前記バランス線に存在し、各セル間の電圧を表す信号を生成する各電圧センサと、
各バランスレッグを介して、各電圧センサと電気的に並列な前記バランス線の各セル接合部に接続された各スイッチモード分割器（ＳＭＤ）と、
各バランスレッグに電気的に接続されており、また前記電流センサが接続されている前記バランスレッグを通る電流を前記各ＳＭＤが制限可能とするのに有用な各電流センサと、
各セル間の電圧を均等化するよう前記ＳＭＤを制御する少なくとも１つのコントローラと、を備える、装置。
【請求項２】
前記各ＳＭＤの制御出力Ｖｏは前記各バランスレッグに接続され、第１ＳＭＤは前記負ノードに接続された負側Ｖ−を含み、前記第１ＳＭＤの前記各制御出力Ｖｏは第２ＳＭＤの負側に接続される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第３ＳＭＤは前記正ノードに結合された正側を含み、前記第３ＳＭＤの前記各制御出力は隣接するＳＭＤの正側に電気的に接続される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記電流センサは、前記電流センサが接続された前記バランスレッグを通る電流を表す信号を生成し、前記電流センサからの前記信号は前記コントローラに提供される、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記コントローラは、前記電流センサからの信号に基づいて前記ＳＭＤを変調して、しきい値電流の大きさを超えないように前記バランスレッグを通る電流を制限する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記コントローラは、前記電流センサからの信号に基づいて前記ＳＭＤを変調して、少なくとも１つのセルがバッテリー充電中に満充電電圧に達したときにのみ、しきい値電流の大きさを超えないように前記バランスレッグを通る電流を制限する、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記コントローラは、前記ＳＭＤを制御してバッテリー充電中にセル間の電圧を均等化するよう構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記コントローラは、前記ＳＭＤを制御してバッテリー放電中にセル間の電圧を均等化するよう構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
少なくとも１つの各バッテリーセルに並列に接続可能であり、前記セルの充電中に複数のセル間の電圧を均等化するように動作可能な少なくとも１つのスイッチモード分割器（ＳＭＤ）と、
充電中に前記ＳＭＤから前記セルのうちの少なくとも１つへの電流を前記ＳＭＤが制限できるよう、前記少なくとも１つのＳＭＤの制御出力電圧に関連付けられた少なくとも１つの電流センサと、を備えるアセンブリ。
【請求項１０】
前記バッテリーセルを含み、前記バッテリーセルがリチウムイオンセルを含む、請求項９に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
各セルと各ＳＭＤのそれぞれのバランスレッグにおける各電流センサとに関連付けられた複数のＳＭＤと、前記ＳＭＤを変調してセル電圧を均等化する少なくとも１つのコントローラと、を備え、前記コントローラは前記電流センサから情報を受信する、請求項９に記載のアセンブリ。
【請求項１２】
少なくとも１つの電流センサが少なくとも第１ＳＭＤに関連付けられ、また前記コントローラは前記ＳＭＤを変調して、しきい値を満たした状態で前記電流センサが示す電流を維持するように動作可能である、請求項１１に記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記バッテリーセルは、互いに電気的に直列に配置され、一次充電／放電経路を規定し、前記ＳＭＤ及び電流センサは、前記一次充電／放電経路と電気的に並列に配置されたバランス回路の構成要素であり、前記バランス回路は、
各正ノードと、各負ノードと、前記正ノードと前記負ノードとの間のセル接合部と、各セルと並列にバランス線に存在して各セル間の電圧を表す信号を生成する各電圧センサと、を含むバランス線と、
各バランスレッグを介して、各電圧センサと電気的に並列な前記バランス線の各セル接合部に接続された各ＳＭＤと、を含み、前記各電流センサは各セルごとに前記バランスレッグに電気的に接続されて、電流制限構成要素が接続された前記バランスレッグを通る電流を前記各ＳＭＤが制限可能とするのに有用である、請求項１２に記載のアセンブリ。
【請求項１４】
第１ＳＭＤの正側が前記正ノードに結合され、前記第１ＳＭＤの各制御出力電圧が隣接するＳＭＤの正側に接続されている、請求項１３に記載のアセンブリ。
【請求項１５】
第２ＳＭＤの負側が前記負ノードに結合され、前記第２ＳＭＤの制御出力が隣接するＳＭＤの負側に接続されている、請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項１６】
前記コントローラは、前記ＳＭＤを変調して、少なくとも１つのセルがバッテリー充電中に満充電電圧に到達することに応答してのみしきい値を満たす前記電流センサによって示される電流を維持するように動作可能である、請求項１２に記載のアセンブリ。
【請求項１７】
方法であって、
各バッテリーセルに関連付けられた少なくとも１つのスイッチモード分割器（ＳＭＤ）を変調してバッテリー充電中に前記セル間の電圧を均等化することと、
前記少なくとも１つのＳＭＤに関連付けられた少なくとも１つのバランスレッグの電流を制限してしきい値を満たすことと、を含む方法。
【請求項１８】
少なくとも前記制限は、バッテリー充電中に少なくとも１つのセルが満セル電圧に達した後にのみ実行される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのＳＭＤに関連付けられた少なくとも１つのバランスレッグの電流を制限して、コントローラに入力を提供する電流センサを使用し、また前記ＳＭＤを変調して前記電流センサからの前記入力に基づいて前記少なくとも１つのバランスレッグの電流をしきい値に制限するコントローラを使用して、少なくともある程度しきい値を満たすことを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのＳＭＤに関連付けられた少なくとも１つのバランスレッグの電流を制限して、バッテリー放電中にしきい値を満たすことを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記コントローラは、前記電流センサからの信号に基づいて前記ＳＭＤを変調し、少なくとも１つのセルがバッテリー充電中に満充電電圧に達する前に、前記バランスレッグを通る電流をしきい値電流の大きさを超えないように制限する、請求項５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、一般に、充放電中のバッテリーセルのバランシングに関する。
【背景技術】
【０００２】
充電式バッテリーで直列接続されたセルは、充電／放電サイクルを繰り返したり、長時間充電しないで放置したりすると、バランスを崩した状態になりやすい。この問題は、充電式バッテリーシステムでは一般的であり、特にリチウムイオンバッテリー（ＬＩＢ）で顕著である。このバランス崩れの問題を軽減しようとする現状の試みでは、限られた成功しか収めていない。
【発明の概要】
【０００３】
したがって、装置は、互いに電気的に直列に配置され、一次充電／放電経路を規定するリチウムイオンセルなどの少なくとも第１及び第２バッテリーセルを含む。バランス回路は、一次充電／放電経路と電気的に並列に配置される。さらに、バランス回路は、２つの各セル間のセル接合部を含むバランス線と、各セル間の電圧を示す信号を生成する各セル接合部間のバランス線の各電圧センサとを含む。各セル接合部には、各スイッチモード分割器（ＳＭＤ）が、各セルの電圧センサと電気的に並列に各バランスレッグを介して接続されている。さらに、各電流センサは各バランスレッグにおいて電気的に直列になっており、電流センサが接続されているバランスレッグを通る電流を各ＳＭＤで制限させるのに有用である。ＳＭＤを制御して各セルの電圧を均等化するために、少なくとも１つのコントローラが提供されている。
【０００４】
電流センサからの信号がコントローラに提供され、これにより電流センサからの信号に基づいてＳＭＤが変調され、バランスレッグを流れる電流はしきい値電流の大きさ以下に制限される。
【０００５】
例では、コントローラは、電流センサからの信号に基づいてＳＭＤを変調し、バッテリーの充電中に少なくとも１つのセルが満セル電圧に達したときにのみ、バランスレッグを通る電流をしきい値電流以下に制限する。
【０００６】
別の態様では、アセンブリは、少なくとも１つの各バッテリーセルに並列に接続可能で、セルの充電中に複数のセル間の電圧を均等化するよう動作可能な少なくとも１つのスイッチモード分割器（ＳＭＤ）を含んでいる。少なくとも１つの電流センサはＳＭＤの制御出力電圧と関連付けられており、充電中にＳＭＤから少なくとも１つのセルへの電流をＳＭＤに制限させることが可能である。
【０００７】
別の態様では、方法は、各セルに関連付けられた複数のスイッチモード分割器（ＳＭＤ）を変調して、バッテリーの充電又は放電中にセル間の電圧を均等化することを含んでいる。方法はさらに、少なくとも１つのＳＭＤに関連付けられた少なくとも１つのバランスレッグの電流を制限して、しきい値を満たすことを含む。しきい値は、バランスレッグをいずれの方向にも通ることのできる電流（正又は負の電流）の最大の大きさを指定する。
【０００８】
本出願の詳細は、その構造及び動作の両方に関して、添付の図面を参照することにより最もよく理解され、以下の図面では同様の参照番号は同様の部品を指している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本原理に沿った例示的なシステムのブロック図である。
【図２】複数のセルを直列に配置したリチウムイオンバッテリーなどのバッテリーの充電中にセル電圧のバランスを取る回路の概略図である。
【図３】例示的な実施形態による例示的なロジックのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示は、一般にバッテリーの充電に関し、特に動的インピーダンスが低いセルを使用する充電式バッテリーの充電に関連するものであり、その一例がリチウムイオンバッテリーである。本明細書のシステムは、バッテリーと、バッテリーによって電力供給される構成要素と、充電を制御する１つ以上の計算構成要素を含むことができる充電アセンブリとを含んでいてよい。充電アセンブリは、本原理に沿った充電を制御するようにアセンブリを構成する命令を実行する１つ以上のプロセッサを含むことができる。本明細書で使用されているように、命令は、システムで情報を処理するためのコンピュータ実施ステップを指す。命令は、ソフトウェア、ファームウェア、又はハードウェアで実施でき、またシステムの構成要素によって実行されるいずれかの種類のプログラム済みステップを含んでいる。
【００１１】
プロセッサは、アドレス線、データ線、及び制御線などの様々な線と、レジスタと、シフトレジスタとによってロジックを実行できる従来の汎用シングルチップ又はマルチチッププロセッサであってもよい。
【００１２】
本明細書のフローチャート及びユーザインターフェースによって説明されるソフトウェアモジュールは、様々なサブルーチン、手順などを含むことができる。本開示を限定することなく、特定のモジュールによって実行されると記載されているロジックは、他のソフトウェアモジュールに再配布可能であり、及び／又は単一のモジュールと組み合わせることが可能であり、及び／又は共有可能ライブラリで利用可能である。
【００１３】
本明細書で説明する本原理は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はそれらの組み合わせとして実施可能であり、よって、実例となる構成要素、ブロック、モジュール、回路、及びステップの機能性について説明する。
【００１４】
上記で言及したことに加えて、以下で説明する論理ブロック、モジュール、及び回路は、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）もしくは他のプログラマブル論理デバイス、又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ディスクリートゲートもしくはトランジスタロジック、ディスクリートハードウェア構成要素、又は本明細書に記載の機能を実行するよう設計されたこれらのいかなる組合せでも実施又は実行することができる。プロセッサは、コントローラ、又はステートマシン、又は計算機器の組み合わせによって実施することができる。
【００１５】
以下に説明する機能及び方法は、ソフトウェアで実施される場合、限定されるわけではないがＣ＃やＣ＋＋などの適切な言語で記述でき、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）もしくはデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）などの他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置もしくは取外し可能サムドライブを含む他の磁気記憶装置などのコンピュータ可読記憶媒体に保存又はこれらを介して送信することができる。接続によって、コンピュータ可読媒体を確立してもよい。そのような接続には、例として、光ファイバー及び同軸ワイヤーを含む実配線ケーブル、デジタル加入者線（ＤＳＬ）、ツイストペア線が含まれ得る。
【００１６】
一実施形態に含まれる構成要素は、任意の適切な組み合わせで他の実施形態で使用することができる。例えば、本明細書に記載され、及び／又は図に示される様々な構成要素はいずれも、他の実施形態と組み合わせたり、交換したり、あるいは除外したりすることができる。
【００１７】
「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」（同様に、「Ａ、Ｂ、又はＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」及び「Ａ、Ｂ、Ｃのうちの少なくとも１つを有するシステム」）は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡとＢを共に、ＡとＣを共に、ＢとＣを共に、及び／又はＡとＢとＣを共に、などを有するシステムを含んでいる。
【００１８】
本明細書では、以下の用語を使用することがある。
バッテリー容量−バッテリーで利用可能なエネルギーの量であり、通常、より大きなバッテリーの場合はアンペア時（Ａｈ）又はワット時（Ｗｈ）で表される。
【００１９】
セル−は通常、アノード、カソード、電解質、及びセパレータで構成される電気エネルギー貯蔵ユニットである。バッテリーは、単一のセル又は直列及び／もしくは並列に接続された多数のセルで構成することができる。バッテリーのバランスを取る場合、並列に接続されたセルのグループは、単一の大きなセルとして扱われる。
【００２０】
充電状態（ＳＯＣ）−ある瞬間にセル又はバッテリーで利用可能なエネルギー量であり、通常、満バッテリー容量（ＦＢＣ）のパーセントとして表される。
【００２１】
健全性（ＳＯＨ）−新品のときのバッテリーの公称バッテリー容量に対するバッテリーの現在の満バッテリー容量（ＦＢＣ）の指標。例えば、バッテリーの公称容量（新品の場合）が２００Ａｈで、一定期間使用した後、ＦＢＣが１６０Ａｈに低下した場合、バッテリーのＳＯＨは８０％になる。
【００２２】
一次充電経路−一連のバッテリーセルをまっすぐに下る充電経路を指す。
【００２３】
バランス−充電の最終段階で、セル電圧が均等化されてすべてのセル（「セル」は並列に接続された個々のセルのグループである場合もある）が満充電電圧にあり、その後、さらに以下で説明するように、バランス電流がバッテリーのバランスが取れるしきい値低レベルに低下するまで、通常、充電が継続された場合、バッテリーのバランスは取れている
【００２４】
均等化−バッテリーのバランスを取ることを目的とする充電及びバランスプロセス中にセル電圧の差を減らすプロセスを説明するために使用される。
【００２５】
「バランスが取れている」及び「バランスが崩れている」は相対的な用語であることに留意されたい。本趣旨からして、バッテリー内の全セルのＳＯＣが互いに約±１％以内であれば、バッテリーはバランスが取れていると見なされる。
【００２６】
バランス電流−セルのバランスを取るためにバッテリーのセルの部分集合に印加される充電（又は放電）電流の差を指す。
【００２７】
バランスレッグ−一次充電経路から外れ、バッテリーのバランスを取るためにセルの部分集合に充電又は放電電流を印加するのに使用される導電経路を指す。
【００２８】
真のバッテリー容量−バッテリーのすべてのセルが１００％ＳＯＣまで充電されたときのバッテリーの容量である。
【００２９】
利用可能バッテリー容量−ある瞬間におけるバッテリーの容量。
【００３０】
公称バッテリー容量−新品時のバッテリーの公称容量を指す。
【００３１】
満バッテリー容量−充電システムがシステムで可能な限り完全にバッテリーを充電した後のバッテリーの利用可能な容量を指す。
【００３２】
真のバッテリー容量対満バッテリー容量−完全充電サイクルの終わりに、充電システムがすべてのセルを１００％ＳＯＣにできない場合、又はそうしない場合、満バッテリー容量は、真のバッテリー容量より少なくなる。
【００３３】
セル電圧−ある瞬間のセルの電圧。
【００３４】
公称電圧−放電曲線の平坦な領域におけるセル又はバッテリーの平均又は中間電圧。
【００３５】
満充電電圧−充電サイクルの最後にセル又はバッテリーが達する電圧。
【００３６】
セルインピーダンス−セル電流で割ったセル電圧を指す。
【００３７】
動的インピーダンス−電流に対する電圧の１次導関数−ｄＶ／ｄＩ。
【００３８】
ここで、具体的には図１を参照すると、例示的なシステム１０が示されており、これは上述した例示的なデバイスのうちの１つ以上を含み、本原理に従って以下にさらに説明することができる。システム１０に含まれる最初の例示的なデバイスは、例えば、タブレットコンピュータ、ノート型コンピュータ、ウェアラブル電子化デバイス、電子化インターネット対応ブレスレット、他の電子化インターネット対応デバイス、電子化インターネット対応音楽プレーヤー、電子化インターネット対応ヘッドホン、埋込型スキンデバイスなどの電子化インターネット対応埋込型デバイスといった消費家電（ＣＥ）デバイスなどのデバイス１２である。他の例示的なデバイス１２は、電気自動車のエネルギー貯蔵モジュール（バッテリーアレイなど）、産業用電力システム、及び送電網又は構造電気システムで使用される蓄電デバイスを含む。
【００３９】
デバイス１２は、互いに電気的に直列に接続された複数のセル１６を有するリチウムイオンバッテリーなどの充電式バッテリー１４によって電力供給されてもよく、バッテリー１４とデバイス１２との間には単一の接続部１８のみが示されているが、通常は２本以上の電線がバッテリーをデバイスに接続することが理解される。バッテリー１４は、デバイス１２のハウジングに着脱可能又は非着脱可能に結合されていてもよい。リチウムイオンバッテリーは、リチウム鉄リン酸塩、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物、リチウムイオンマンガン酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物、リチウムチタン酸塩、又はリチウムイオンを使用する電解質を有する他のバッテリーケミストリのようなリチウム系電解質を使用するいずれかのバッテリーによって実現することができる。本原理は、例示的な実施形態では、リチウムイオンバッテリーに関連した使用を想定しているが、本原理は、適切な蓄積エネルギー源又は蓄電素子、特に（限定的ではないが）充電／放電中に低動的インピーダンス特性を示すものでの使用を想定している。
【００４０】
以下でさらに説明するように、バランスシステム１８は、バッテリー１４を充電又は放電しながらバッテリー１４に電気的に接続することができる。バランスシステム１８は、デバイス１２のハウジング内に全部又は一部を組み込むことができ、又はそれとは別個であってもよい。バランスシステム１８は、バッテリーケース内に封入することができるか、又はバッテリーケース外に配設することができる。
【００４１】
以下にさらに詳細に開示するバランスシステム１８の構成要素の中には、少なくとも１つのコントローラ２０と少なくとも１つのデータ記憶媒体２２とがある。所望であれば、バランスシステム１８はまた、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などの１つ以上のディスプレイ２４と、ネットワークインターフェース、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ポート、キー入力装置などの１つ以上の入力装置２６とを含んでもよい。ネットワークインターフェースは、インターネット、広域もしくはローカルエリアネットワーク、Ｗｉ−Ｆｉネットワーク、無線電話ネットワーク、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈネットワークなどの１つ以上のネットワーク上での通信を提供してもよい。
【００４２】
データメモリ２２は、限度なく、一時的な信号ではないディスクベース又はソリッドステートの記憶装置であってよい。メモリはリムーバブルメディアであってもよい。
【００４３】
いずれの場合においても、後述するように、バランスシステム１８は、充電電源２８からの充電中に、個々のセル１６の電圧を均等化するように作用する。
【００４４】
次に、例示的なバランスシステム１８をより詳細に示す図２を参照すると、バランスシステム１８は、複数のスイッチモード分割器（ＳＭＤ）２００を含んでいる。本明細書で理解されるように、ＳＭＤ２００を使用するバランスシステムは、効率の悪いバランスシステムの限界を克服することができる。スイッチモード設計の低インピーダンス電流経路により大幅に改善された効率が提供されるが、これにより制御システムのループゲインが高くなり、制御ループはセル１６のわずかな電圧差にも非常に敏感になる。バランスシステム１８の後述のバランスレッグ２１２内の電流センサ２１８は、バランスレッグ２１２内の電流が、バランスシステム１８の後述のしきい値（複数可）によって規定されるしきい値範囲内にあるか否かを判断するために使用される。この電流測定により、バランスシステム１８は回路のループゲインを制限することができ、その結果、高ゲインループをより効果的に制御することができる。
【００４５】
一般的に、バランスシステム１８の詳細を説明する前に、ＳＭＤ２００は、高電力（低インピーダンス）の分圧器である。制御出力電圧Ｖｏは、駆動波形のデューティサイクルと高及び低レール電圧との関数である。
【００４６】
スイッチモード回路技術に従って、各ＳＭＤ２００は、固有のオン時間とオフ時間とを有する一定周期信号によって駆動され、この２つの時間の合計は、本質的に常に総一定周期に等しい。ＳＭＤ変調は、パルス幅変調の形をとっており、総周期に対するオン時間（デューティサイクルとも定義される）の比率を調整して、制御出力電圧Ｖｏを直接対応させて変化させる。
【００４７】
デューティサイクルが５０％の場合、出力電圧は高レール電圧と低レール電圧の間の中間点になる。ＳＭＤベースのバランスシステム１８のインピーダンスが低いため、比較的大きなバランス電流レベルを非常に効率良くセル１６に印加することができる。ＳＭＤ  ２００とリチウムイオンセル１６は共に、基本的に並列に接続されている非常に低いインピーダンスのデバイスであるため、デューティサイクルの非常に小さな変化によって小さな電圧差が生じ、比較的高い対応レベルの差動バランスレッグ電流が生成される。低インピーダンスセルの電圧を変化させて充電及び／又はバランスを取る場合、結果として生じる高ゲイン応答により、バランスシステムのフィードバックが不安定になる可能性があり、この問題はバランスレッグ２１２における後述の電流センサ２１８を使用することによって対処される。
【００４８】
従って、図２の細部を参照すると、複数のバッテリーセル１６は、４つのバッテリーセルが示されている例においては、図示のように互いに電気的に直列に配置されて、一次充電／放電経路２０２を規定する。バランス回路１８は、図示するように、一次充電／放電経路２０２と電気的に並列に配置される。
【００４９】
バランス回路１８は、一次充電／放電経路２０２に並列なバランス線２０４を含む。バランス線２０４は、第１ＳＭＤ２００の「高」又は正側（図２では最上段に表示されるＶ＋）が電気的に結合される正ノード２０６と、最後のＳＭＤ２００の「低」又は負側（図２では最下段に表示されるＶ−）が電気的に結合される負ノード２０７とを含む。各ＳＭＤ２００の制御出力ＶＯは、各電流センサ２１８を含み、図示のように隣接するセル１６間の各セル接合部２０８で終端する各バランスレッグ２１２に接続される。例示的な実施形態では、Ｎ個のセル１６に対して合計Ｎ−１個のＳＭＤ２００が提供されていることに留意されたい。さらに、上から下まで順に、最上段のＳＭＤ２００の負側（Ｖ−）は、次の（図示の例では中段の）ＳＭＤ２００の制御出力電圧Ｖｏに接続され、中段のＳＭＤ２００の正側Ｖ＋は、最上段のＳＭＤの制御出力電圧Ｖｏに接続され、このパターンは図示のようにＳＭＤの下方まで広がっていることに留意されたい。
【００５０】
換言すれば、各ＳＭＤ２００の正レール（Ｖ＋）は、直列の中で次に高いバランスレッグ２１２に接続されるか、又は直列の中でより高いバランスレッグがない場合には正ノード２０６に接続される。各ＳＭＤ２００の負レール（Ｖ−）は、直列の中で次に低いバランスレッグ２１２に接続されるか、又は直列においてより低いバランスレッグがない場合、負ノード２０７に接続される。各ＳＭＤ２００の制御出力電圧Ｖｏは、電流センサを通って各セル接合部２０８に至るバランスレッグ２１２に接続される。
【００５１】
各電圧センサ２１０は、各セル１６と電気的に並列で、各セル接合部２０８の間のバランス線２０４内にあり、各セル１６間の電圧を表す信号を生成する。電圧センサ２１０は後述するコントローラ２２０に通信可能に結合されているので、コントローラ２２０は各電圧センサ２１０から電圧情報を受信する。
【００５２】
各ＳＭＤ２００の制御出力電圧Ｖｏは、各バランスレッグ２１２を介して、各セルの電圧センサ２１０と電気的に並列なバランス線の各セル接合部２０８に接続される。いくつかの例では、バランスレッグ２１２は、図においてＶｏを各セル接合部２０８に接続するノード間に示す電気回路から構成されている。各電流センサ２１８は、各ＳＭＤ２００からの制御出力電圧Ｖｏと各セル接合部２０８との間で電気的に直列にバランスレッグ２１２に電気的に接続され、各バランスレッグ２１２を通る電流を表す信号を生成する。図２に示す正ノード２０６を含む最上部の正の線上の電流センサ２１８は任意であることに留意されたい。各電流センサ２１８が後述するコントローラ２２０と通信可能に結合されているので、コントローラは電流センサ２１８からバランスレッグ電流情報を受信する。
【００５３】
したがって、少なくとも１つのコントローラ２２０、好ましくは、デジタルマイクロコントローラはＳＭＤ２００に接続され、ＳＭＤ２００を変調して、各セル１６の一次充電経路２０２の電圧を増減する各ＳＭＤ２００の制御出力電圧Ｖｏを確立し、以下でさらに説明するようにバランスレッグ２１２の電流を一定の制限内に維持する。
【００５４】
制御出力電圧Ｖｏを確立する際、上述及び以下でさらに説明するように、ＳＭＤ２００のデューティサイクルを上げて出力電圧を上昇させ、また下げて出力電圧を低下させる。
【００５５】
図３は、図２に示されるバランスシステム１８の動作を示す。プロセスは、開始状態３００で始まる。バッテリー充電は、ブロック３０２において、バッテリー１４の各セル１６が何らかのＳＯＣにあり、かつセル１６がバランスの取れた又はバランス崩れの状態、通常は満充電電圧を下回る状態で開始される。ブロック３０４は、好ましくは最大しきい値レベルで、一次充電／放電経路２０２の正端子から負端子に流れる充電電流を印加することによって充電が開始されることを示す。一次充電経路電流の最大しきい値レベルは、バランスレッグしきい値電流と同一である必要はない。２つのしきい値電流は、いずれかの特定の実装形態では同一であってもよいし、異なっていてもよい。
【００５６】
各セル１６の電圧は各電圧センサ２１０を使用して監視され、判断ダイヤモンド３０６で少なくとも１つのセル１６が満充電電圧（ＦＣＶ）に到達又は超過したと判断された場合、ロジックはブロック３０８に進み、ＳＭＤ２００を変調してセル電圧を均等化する。すなわち、例示的な実装形態では、後述する電流制限動作を伴うセル均等化は、最初のセルがＦＣＶに達したときにのみ開始される。他の実施形態では、電流センサからの入力はコントローラによって使用され、少なくとも１つのセルがバッテリー充電中に満充電電圧に達する前に、バランスレッグを通る電流をしきい値電流の大きさ以下となるよう制限する。
【００５７】
セル１６の各電圧センサ２１０によって示すように、セル１６が満充電電圧を超える電圧に達した場合、コントローラ２２０は、過電圧セル１６に関連付けられるＳＭＤ２００を変調することによってセル１６の電圧を下げ、電圧がＦＣＶ以下になるまで、制御された速度でセルの電圧を均等化する。
【００５８】
ＳＭＤ  ２００を使用してセル電圧を変調しているため、いずれかのバランスレッグ電流センサ２１８で測定される電流の大きさ（正又は負）がしきい値、通常は最大許容電流の大きさ以上であるか否かをロジックは判断ダイヤモンド３１０で判断する。これは、バランス電流がどちらの方向にも流れる可能性があるため、負と正の両方の電流を制限するのに適用される。１つのしきい値を負の電流に対して使用し、別の異なるしきい値を正の電流に対して使用してもよいし、又は１つのしきい値を両方に適用してもよいことに留意されたい。例えば、ブロック３０８で変調を過度の変化率で適用した結果、例えば、判断ダイヤモンド３１０においてしきい値以上になることによって、いずれかのバランスレッグ電流の大きさがしきい値を満たす場合、ロジックはブロック３１２に移動し、ＳＭＤ２００を変調して隣接するセル１６の電圧を調整し、バランスレッグ電流の大きさをしきい値以下に維持させつつ、セル１６間の電圧差を減少させる。
【００５９】
言い換えると、バランスプロセス中はいつでも、セル電圧を均等化するための制御出力電圧Ｖｏの制御が、いずれかのバランスレッグ２１２内の電流の大きさを限界しきい値以上にするように調整される場合、過電流を有するバランスレッグ２１２に位置する及び／又は隣接するＳＭＤ２００の変調が調整されて、過大なバランス電流を有するセル１６と隣接する片方又は両方のセル１６との間の電圧差を減少させる。
【００６０】
コントローラ２２０は、好ましくは、最大許容しきい値を常に下回るものの、バランス電流の許容される大きさを可能な限り確立し、バランスレッグ電流の大きさのしきい値を超えることなく、最速の充電とバランシングを提供する。したがって、例示的な実施形態では、バランス電流の大きさは、セル１６を損傷するか、又は安全上の危険をもたらす可能性がある過電流状態を防止するようしきい値以下の高レベルに維持される。
【００６１】
上記の電圧及び電流データとＳＭＤ変調の監視は、好ましくは、少なくとも１つ、より好ましくは２つの条件が満たされるまで継続される。判断ダイヤモンド３１４で示すように、すべてのセル１６がＦＣＶに達したかどうか判断する。達していない場合、プロセスはブロック３０８に戻る。すべてのセルがＦＣＶに達した場合、ロジックは判断ダイヤモンド３１４から判断ダイヤモンド３１５に移動して、各セルへの電流が、真のバッテリー容量に達したバッテリー１４を表すレベルまで低下したかを判断する。低下した場合は、プロセスは状態３１６で終了する。そうでない場合、ロジックはブロック３０８に戻る。
【００６２】
ＳＭＤ２００を変調する際に、コントローラ２２０が、バランスレッグ電流センサ２１８からの信号に基づいて、バランスレッグ２１２を流れる電流が（ＳＭＤ２００から各セル１６に向かう）正の方向において（例えば、しきい値を超えて）高すぎると判断した場合、ＳＭＤ２００のデューティサイクルを下げて、その制御出力電圧Ｖｏを低下させる。一方、バランスレッグ２１２の電流が負の方向に大きすぎる場合、コントローラはＳＭＤ２００を変調してそのデューティサイクルを上げて、それによりその制御出力電圧ＶＯを上昇させる。
【００６３】
コントローラ２２０は、ＳＭＤ２００の進行中の変調について電圧センサ２１０で示されるすべてのセル電圧をサンプリングして、バランスレッグ電流の大きさをバランス電流のしきい値以下に維持しつつセル電圧を均等化することに留意されたい。いずれか１つのセル１６のＳＭＤ制御出力電圧Ｖｏが変更されると、セル１６が直列に接続されているために隣接するセル１６と隣接するバランスレッグ電流とが影響されるので、ＳＭＤ  ２００の出力電圧の変調と調整は、通常は、バランスシステム１８が作動している間の進行中のプロセスとなる。
【００６４】
所望であれば、バランスレッグ電流のしきい値の大きさは、バッテリー容量、バッテリーの化学的性質、バッテリーの設計、望ましいバランス範囲、及び使用環境の関数として設定してもよい。一般に、バランスレッグ電流のしきい値の大きさは、バッテリーシステムの設計目標に基づいて、適切な割合の最大許容充電電流になるように選択される。バランス電流しきい値が高いほど、セル１６はより短時間でバランスの取れた状態に到達できるが、しきい値が高すぎるとセルが損傷する可能性があるため、バランスレッグ２１２の電流がセルのストレスレベルを確実に下回るようにしきい値は設定される。
【００６５】
一例として、より大きなバッテリーでは、最大一次充電電流の５％から１０％のバランス電流範囲しきい値で通常は十分であり、通常生じるバッテリー１４及びセル１６の状態において、１〜２時間以内に１００％のバランスを確保する。セル１６のＳＯＣが互いに近いほど、ある期間にわたって完全なバランスを達成するのに必要なバランス範囲は低くなる。設計者によっては、例えば、コストを節約するために、２％から３％の低い範囲を選択することもあるが、システムコストよりも高速なバランス時間が重要な場合には、より高い範囲（例えば、２０％や３０％）を選択することもある。
【００６６】
ここで、バランスレッグ２１２上の電流は、一次充電経路２０２内の各セル１６への充電電流の代わりとしても利用できることが理解され得る。本明細書で理解されるように、バランスレッグ２１２の電流は一次充電経路２０２上の主充電電流と密接に相関しているので、各セル１６が１００％ＳＯＣに達した時期を判断するのに使用できる。これにより、電流センサ２１８をバランスレッグ２１２上に設置することができ、一次充電経路２０２上の電流を感知するのに必要とされるものよりもはるかに低い電流定格の電流センサ２１８を使用することができる。２つの入力−バランスレッグ２１２の電流と各セル１６の電圧−を使用すると、（スイッチモード回路により）効率が大きく高まり、（電流センサ２１８の追加により）安定性が非常に優れたものになる。さらに、回路１８は、あらゆる完全充電サイクルの終了時に、バッテリー１４内のすべてのセル１６を確実に、効率的に、かつ正確に１００％ＳＯＣまで到達させることができる。言い換えれば、セル電圧とバランスレッグ電流とを監視することにより、コントローラ２２０は、セル１６が満充電電圧に達し、その後１００％ＳＯＣに達する時期を検出することができる。セル１６が最初に満充電電圧に達したとき、普通はまだ１００％ＳＯＣになっていないため、通常は満充電電圧後にセルを１００％ＳＯＣにするための追加の充電が必要であるが、これはバランスレッグ電流センサ２１８の入力によって可能になり、これによってセル１６が１００％ＳＯＣに達した時期を正確かつ確実に判断することができる。各電圧センサ２１０が示すようにセル１６が満充電電圧にあり、セル１６に関連付けられた電流センサ２１８が示すようにセル１６への電流が非常に低いレベル、通常は約０．０５Ｃから最低０．０１Ｃまで低下したとき、１００％ＳＯＣが表示されるが、ここで「Ｃ」はセルの容量に対する電流率の単位である。
【００６７】
さらに、電流センサ２１８をバランスレッグ２１２上に設置すると、バッテリーの一次充電経路２０２への損傷を防ぐことになる。
【００６８】
様々なセル１６間の電圧降下の固有差の管理を可能にすることに加えて、コントローラ２２０が使用するフィードバックループへの入力としてバランス電流を使用すると、低インピーダンスＳＭＤ２００構成のすべての付加的な利点を維持しつつ、その構成の不安定性の欠点を軽減することになる。電流センサ２１８を使用しているので、セル電圧は概算で測定するだけでよく、一方で、バランスレッグ２１２の電流を有限最大レベルに制限することで、高ゲイン充電システムの潜在的な制御不能を効果的になくすことになる。
【００６９】
さらに、電圧及び電流測定の精度（又は分解能）は、予想される逃走電流状態を検出し、それを防止するための補正を行い、セル１６が満充電電圧を超えて上昇させず、及び／又は最大セル電圧（セルに損傷のリスクを負わせることなく、セルが充電できる最大電圧）に近づかせないように十分優れていればよいので、比較的低い精度（電圧センサ２１０の最大セル電圧の２％及び電流センサ２１８の０．０３Ｃの典型的な精度）の電流センサ及び電圧センサで十分である。
【００７０】
また、バランスレッグ２１２上の電流センサ２１８は、一次充電経路２０２内に設置され得る電流センサと比較して、比較的小型で安価であると評価でき、バランスレッグ２１２上の電流センサ２１８は、一次充電経路２０２からエネルギーを吸い上げてシステムの効率を低下させることはなく、また一次充電経路上のより大きな電流センサとは異なり、バランスレッグ電流センサは過度の熱を発生しない。
【００７１】
充電サイクル全体を通して高充電電流を効率的かつ安全に印加でき、各セル１６が満充電電圧に達すると充電電流が低レベルに下がるため、現在提供されているよりも速い充電サイクルが回路１８によって実現される。さらに、バランス回路１８は、著しくバランスを崩したセル１６のバランスを取ることができる。セル１６に欠陥がない限り（本質的に、すべてのセルが充電可能である限り）、バランス回路１８は、充電サイクルの開始時の各セル１６のＳＯＣに関係なく、バッテリー１４内のすべてのセル１６を１００％のＳＯＣまで引き上げ、バッテリー１４内の他のすべてのセル１６とバランスを取ることができる。
【００７２】
セル特性の変動は、バランス回路１８のバランシング性能に影響を与えない。言い換えれば、バランス回路１８は、セル特性の変動にかかわらず、バッテリーを完全に充電してバランスを取ることができる。
【００７３】
ＳＭＤ２００はコントローラ２２０によって変調され、各セル１６が満充電電圧及び高インピーダンスに達するまで、各セル１６への充電電流を独立して調節するが、その時点で各セル１６は１００％のＳＯＣに達している。非限定的な実施形態では、これは、高電圧セル１６を降圧させるのではなく、セルへのストレスを最小化しつつ、ＳＭＤ２００を変調して低電圧セル１６を昇圧させるセル電圧を確立することで実現され、セル１６間の電流分流を最小限に抑えることができる。一般に、ただしこれに限定されないが、充電中のバランシング方法の一部として、個々のセル１６からの放電がほとんど又は全くない状態で、一定上昇充電サイクルにおいてセル１６を放電状態から満充電状態にすることができる。
【００７４】
上記の利点に加えて、本バランス回路１８は、バランスを維持するために負荷抵抗器を介してセル１６を放電する必要をなくし、また一部のシステムに内在するバランス範囲の制約を克服している。本バランス回路１８は、少なくとも１つのセル１６が満充電電圧に達したときにのみバランス回路１８をオンにして、充電サイクルの大部分において全主充電電流を印加することができるので、バッテリーの電流容量のごく一部に対して定格された電流センサ２１８を使用することができ、これにより電流検出システムのコストを削減する。このとき、他のセル１６もしばらくの間充電されており、通常は満充電電圧に近い。したがって、例示的な実施形態では、セル１６のすべてが満充電電圧に近く、またセル１６を迅速にバランスさせて、そのすべてを１００％ＳＯＣにするのにわずかなバランス電流量のみが必要である場合に、各充電サイクルの終わり近くでのみ、瞬間バランス回路１８によってセルのバランシングが実行される。
【００７５】
上述のバランシングプロセスは、バッテリー充電中のセル均等化を想定しているが、同じ原理をバッテリー放電中にも使用することができる。一実施形態では、コントローラ２２０内のロジックは、放電サイクル中に（通常、バッテリー１４が負荷に電力を供給しているとき）、バッテリー１４内のセル１６のバランスを取る。したがって、バランスレッグ２１２上の電流を制限しながらセル電圧を均等化するロジックは、充電サイクルの間だけでなく、放電サイクル中にも使用され得る。
【００７６】
本明細書で理解されるように、放電サイクル中のバランシングにより、バッテリー１４の利用可能容量を増加させることができる。バッテリー１４内のセル１６の容量に大きな差がある場合（例えば、最小セルが最大セルの９０％以下の容量を有する場合）、一般的にバッテリーに提供されている管理システムは、最小セルが最小セル電圧に達したときに、バッテリーを負荷から電気的に切断する。一方、放電中にバッテリーのバランスが取れていれば、より大きな容量のセルに蓄えられたエネルギーが最も小さな容量のセルに移動し、それによって利用可能なバッテリー容量が増加する。
【００７７】
本バランス回路１８では、ＳＯＣの推定に固有の不正確さを軽減するために、バッテリーの充放電サイクルに関するデータを収集し、保存し、分析する必要はない。
【００７８】
上記の方法は、プロセッサ、適切に構成された特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）もしくはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）モジュールなどのコントローラ２２０によって実行されるソフトウェア命令として、又は当業者によって理解される他の便利な方法として実施されてもよい。使用される場合、ソフトウェア命令は、ＣＤ  ＲＯＭ又はフラッシュドライブなどの非一時的デバイスで具現できる。ソフトウェアコード命令は、無線又は光信号などの一時的構成において、又はインターネットからのダウンロードを介して代替的に具現化されてもよい。
【００７９】
本原理をいくつかの例示的な実施形態を参照して説明したが、これらは限定することを意図したものではなく、本明細書で主張されている主題を実施するために様々な代替構成を使用できることが理解されよう。
【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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