(57)【要約】【課題】直列接続された多数の電気化学セルの充電電圧を調整する装置および方法が開示される。電気化学セルの直列配列内に含まれた個々の電気化学セルに対して供給される充電電流の量を、直列配列を通る充電電流を中断せずに制御する等化回路が提供される。【解決手段】等化回路は、充電の間に、また必要であれば充電を開始する前に、各電気化学セルの電位を所定電圧設定値の許容範囲内に平衡化する。セル電位の等化は、充電サイクルの終了に向けてまたは充電サイクルの全体に渡って行われ得る。また直列接続体に連結された各電気化学セルに対して、過充電保護が提供される。一実施例に係る放電動作モードの間、等化回路は、電気化学セルの直列配列からの放電電流に関して実質的に非導通的である。他の実施例に依れば、セルの直列配列の等化は、放電モードの間に行われる。【選択図】図１
2008220167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電電流を提供する充電ユニットに対して連結された電圧等化装置であって、
直列接続された複数の電気化学セルと、
前記複数の電気化学セルに対して各々連結された複数の等化装置とを有し、
前記等化装置は、
前記電気化学セルの内の対応電気化学セルに連結された検出器であって、前記検出器は前記対応する電気化学セルと基準電圧との電圧差を決定する比較器を有し、前記検出器は前記電圧差に関係した出力信号を生成し、
前記検出器に連結され、前記検出器の出力信号に応答した制御信号を生成する信号生成器と、
前記対応する電気化学セルおよび前記信号生成器に連結されたバイパス回路であって、前記制御信号に応答して、前記複数の電気化学セルの他に提供される充電電流を中断することなく、前記対応する電気化学セルをバイパスすべく前記充電電流の少なくとも一部を導通するバイパス回路とを有する、電圧等化装置。
【請求項２】
前記信号生成器は周波数変調回路またはパルス幅変調回路の一方を有する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記信号生成器は、更に前記検出器と、前記バイパス回路に連結された単安定装置とに連結された電圧制御発振器を有する請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記信号生成器は、更に、
前記検出器に連結され、前記検出器の出力信号の大きさに関係して変化する周波数を有する出力信号を生成する電圧制御発振器と、
前記電圧制御発振器と前記バイパス回路とに連結され、前記電圧制御発振器の前記出力信号に応答して固定パルス幅を有する前記制御信号を生成する単安定装置とを有する請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記バイパス回路は、前記制御信号に応答して導通状態と非導通状態との間で変調するバイパススイッチを有し、前記バイパススイッチは、前記導通状態にあるときには充電電流の一部を対応する電気化学セルの周囲から前記複数の電気化学セルの他へ迂回させる請求項１〜４の何れか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記バイパス回路は前記対応する電気化学セルに並列連結されると共に、前記バイパス回路はトランジスタに連結されたインダクタを有し、前記インダクタおよびトランジスタは、前記制御信号に応答して前記充電電流の一部が導通されるバイパス電流経路を規定する請求項１〜５の何れか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記複数の電気化学セルは前記電圧等化装置に対して電力を提供する請求項１〜６の何れか一項に記載の装置。
【請求項８】
各等化装置は、前記複数の等化装置の他の１つに関連して自動的に動作される、請求項１〜７の何れか一項に記載の装置。
【請求項９】
各等化装置は、充電電流の一部を対応する電気化学セルの周囲から前記複数の電気化学セルの他へ迂回を制御するプロセッサを有する、請求項１〜８の何れか一項に記載の装置。
【請求項１０】
更に、前記等化装置のプロセッサの各々に連結されたシステムプロセッサを有する請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記等化装置の各々は、
対応する前記各電気化学セル装置の１つの間に連結された第１および第２の電圧入力を含み、前記対応する電気化学セル装置の電圧を検出するアナログ監視回路と、
バイパス電流経路を規定するために、前記アナログ監視回路の出力と連結されたゲート、前記対応する電気化学セル装置間に連結されたコレクタおよびエミッタとを有するパワートランジスタとを有し、前記第２の電圧に応答して前記アナログ監視回路は、前記バイパス電流経路を通過する電流の流れを適度にするために前記パワートランジスタの前記ゲートを制御し、
前記パワートランジスタによって放散される電力は、前記対応する電気化学セル装置の第２の電圧および充電電流に関して線形である、請求項１〜１０の何れか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記パワートランジスタによって放散される電力は、各々の前記等化装置の前記充電電流および、前記対応する電気化学セル装置と電圧設定値との電圧差に直接比例したものである、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
各々の前記等化装置と関連した実質的に全ての熱は、前記パワートランジスタによって生成される請求項１０又は１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記アナログ監視回路は、前記検知電圧に応答してスーパーツェナーダイオード特性曲線に従って、パワートランジスタのゲートを制御する請求項１０〜１３の何れか一項に記載の装置。
【請求項１５】
前記アナログ監視回路は、遠隔検知電圧増幅器および電流増幅器を有する請求項１０〜１４の何れか一項に記載の装置。
【請求項１６】
各々の前記等化装置は、制御器から電圧設定値に応じた設定制御を受ける請求項１０〜１５の何れか一項に記載の装置。
【請求項１７】
各々の前記等化装置は、前記対応する電気化学セル装置から電力供給を受ける請求項１〜１６の何れか一項に記載の装置。
【請求項１８】
前記等化回路間にオフセット電圧が誘導され、
各々の前記等化装置の電圧設定値は、前記オフセット電圧に対して独立した電流源によって、共通基準回路から転送される請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
各々の前記電気化学セルの検知電圧は、前記対応した電気化学セル装置の電圧に比例した電流源を用いて共通測定回路に転送される請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記複数の電気化学セルは角柱状薄膜電気化学セルを有する請求項１〜１９の何れか一項に記載の装置。
【請求項２１】
前記複数の電気化学セルは、各々が複数の薄膜電気化学セルを有するエネルギー蓄積モジュールを有する請求項１〜２０の何れか一項に記載の装置。
【請求項２２】
前記複数の電気化学セルは、電気的に独立した複数のセルパックを形成すべく並列関係に配置された複数の電気化学セルを有し、前記電気的に独立した複数のセルパックは直列関係に配置される請求項１〜２０の何れか一項に記載の装置。
【請求項２３】
更に、前記充電ユニットとは分離された、収納ハウジングを有し、前記電気化学セルおよび前記等化装置は、それぞれ、前記収納ハウジング内に提供される請求項１〜２２の何れか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は再充電可能エネルギー蓄積装置に関し、より詳細には直列接続されたエネルギー蓄積セルの電圧を充電の間に調整する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近では多くの先進バッテリ技術が開発されているが、それは例えば金属水素化物（例えばＮｉ−ＭＨ）、リチウム・イオンおよびリチウム・ポリマ・セル技術などであり、広範囲な商用的用途および消費者用途に対して高エネルギー生成を約束するものである。高エネルギー用途においては、通常高電圧および高電流を生成すべく相当に多数の別個のエネルギー蓄積装置もしくはセルが直列および並列接続されている。この様なセルの組合せは、エネルギー蓄積システムの電力容量を増大する。一例として電気自動車に給電するのに適したバッテリシステムでは、数百ボルトの定格電圧および数百アンペア（Ａ）の定格電流を有し得る。
【０００３】
再充電可能なエネルギー蓄積セルが直列に接続された用途においては、電気化学性および電圧／電流特性が等しいか、または極めて類似したセルを使用するのが望ましい。直列配列セルにおいてあるエネルギー蓄積セルが、直列接続された他の複数のエネルギー蓄積セルとは全く異なる特性を示す場合、充電および放電の間に不都合な結果に帰着することが知られている。例えば、ひとつの不都合な結果としては、直列接続体内における異常エネルギー蓄積セルの電圧が、充電の間において公称最大電圧限界を急速に超えることが挙げられる。このような過電圧もしくは過充電状態はセルを損傷し得ると共に、直列接続体におけるセルおよび他のセルの耐用期間を相当に減少することとなる。
【０００４】
大量生産されるエネルギー蓄積セルの特性は、所定の構築要件から種々の度合で逸脱することを理解されたい。更に、製造時点では容認可能と見なされたとしても、セル特性は経時的に種々の割合で製造仕様から逸脱する。直列接続されたセル間のセル化学および性能における僅かなもしくは顕著な差違に対応すべく、セルの直列配列を充電するときに典型的に生ずるセルの非均一性による悪影響に対処する幾つかの技術が開発されている。
【０００５】
バッテリなどの再充電可能エネルギー蓄積装置を充電の間に過充電状態から保護する従来の手法としては、バッテリの各端子間の電圧を制御することが挙げられる。この手法は単一のバッテリもしくは並列接続された複数個のバッテリに対して使用されるときには有用であるが、直列接続された個々のバッテリの電圧はこのような手法を使用しても制御され得ないので、直列接続された個々のバッテリに対しては効果が無い。充電制御回路内の不足電圧スイッチおよび過電圧スイッチを使用するという手法もまた、バッテリの直列配列内の個々のバッテリを保護する為には効果が無い。
【０００６】
過電圧スイッチおよび不足電圧スイッチを採用した他の従来の過充電保護スキーム(scheme)は、特に高い定格電流および定格電圧が関連するときには、別の大きな欠陥が問題となってしまう。このようなスキームにおける過電圧スイッチおよび不足電圧スイッチは、通常バッテリシステムの全体の放電および充電電流に耐えなければならない。数百アンペアの電流を生成して送ることを必要とする高エネルギー用途において、このようなスイッチは法外に高価であり、コスト効率を考慮した電力システムの設計に取り入れることは困難である。更に、直列接続された各セル又は各バッテリのひとつが完全充電状態となったとき、通常従来の過充電保護回路は、直列接続体内の他のセル又はバッテリの全てに対する充電電流を中断する。故に、直列接続されたセル又はバッテリの各々は異なる電位に充電され、不平衡なエネルギー蓄積システムに帰着する。
【０００７】
バッテリ製造業界においては、直列接続された多数のエネルギー蓄積装置を効果的に且つ安全に充電する装置および方法に対する要望が存在する。また、直列接続されたエネルギー蓄積装置の各電位を平衡化する方法に対する更なる要望も存在する。本発明はこれらのおよび他の要望を満足するものである。
【発明の開示】
【０００８】
本発明は、直列接続された多数の電気化学セルの充電電圧を調整する装置および方法に関する。電気化学セルの直列配列内に含まれた個々の電気化学セルに対して供給される充電電流の量を、直列配列を通る充電電流を中断せずに制御する等化回路(equalization circuitry)が提供される。等化回路は、充電の間に、また必要であれば充電を開始する前に、各電気化学セルの電位を所定電圧設定値の許容範囲内に平衡化する。セル電位の等化は、充電サイクルの終了に向けてまたは充電サイクルの全体に渡って行われ得る。また直列接続体に連結された各電気化学セルに対して、過充電保護が提供される。一実施例に係る放電動作モードの間、等化回路は、電気化学セルの直列配列からの放電電流に関して実質的に非導通的である。他の実施例に依れば、セルの直列配列の等化は、スタンバイ動作モードの間に行われ得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図面の内の特に図１を参照すると、本発明の原理に従って動作する等化回路を採用したエネルギー蓄積システムの実施例が示されている。図１に示されたエネルギー蓄積システムは、共通接続もしくはバス８５により正の端子８１と負の端子８３との間で直列接続された多数のエネルギー蓄積装置８０を含んでいる。等化ユニット８２は対応するエネルギー蓄積装置８０に結合され、通常対応するエネルギー蓄積装置８０と並列接続されている。
【００１０】
放電動作モードの間においてエネルギー蓄積装置８０は、負荷８４もしくは他のエネルギー消費要素に供給される放電電流ＩＤを生成する。等化ユニット８２の各々は、直列接続装置８０を通る放電電流ＩＤの流れを中断しない様に、非導通状態に留まる。故に等化ユニット８２は、放電動作モードの間においては直列接続装置８０の直列配置に関して電気的に分離されていると見なされ得る。
【００１１】
通常充電段階および等化段階を含む充電動作モードの間において、充電ユニット８４は、充電ユニット８４の正の端子から直列接続装置８０の配列を通り充電ユニット８４の負の端子へと戻る充電電流ＩＣを供給する。先ず充電処理の間において、充電ユニット８４により供給された充電電流の全ては各エネルギー蓄積装置８０へと供給されると共に、通常等化ユニット８２は装置８０に関して非導通的である。例えば一実施例に依れば、充電ユニット８４によりエネルギー蓄積装置の直列配列へと供給される充電電流は１９A 程度と極めて高いものである。正および負の端子８１、８３間の充電電圧は、通常直列接続装置の個数に依存して変化する。例えば図６に示されたエネルギー蓄積モジュールの実施例においては、モジュールの各端子間の充電電圧は合計で３６０〜４００ボルト程度である。
【００１２】
充電処理の間に直列接続体８５に連結された特定のエネルギー蓄積装置８０の電位が所定電圧設定値に到達したとき、対応する等化ユニット８２はそのエネルギー蓄積装置８０へ供給される充電電流ＩＣの量の制御を開始する。例えば図１に示された実施例に依れば、等化ユニット＃２  ８２は、充電電流ＩＣ２の全てもしくは一部が通過する制御可能なバイパス電流経路（ＩＥＱ２) を提供することにより、エネルギー蓄積装置＃２  ８０への充電電流ＩＣ２を制御する。エネルギー蓄積装置＃２  ８０が、エネルギー蓄積装置が完全に充電されたと見なされる電圧を表す設定値などの所定電圧設定値へ接近すると、等化ユニット＃２  ８２は充電電流ＩＣの多くをバイパス電流経路（ＩＥＱ２）に迂回させることにより、エネルギー蓄積装置＃２  ８０が受ける充電電流ＩＣ  の量を減少させる（即ち、ＩＣ２＝ＩＣ−ＩＥＱ２）。
【００１３】
等化ユニット８２の使用により促進されるこの等化もしくは平衡化処理は所定電圧設定値にてエネルギー蓄積装置８０の電圧が安定化するまで継続し、所定電圧設定値にては、充電電流ＩＣの全て（即ち１００％）がバイパスもしくは迂回せしめられ、充電電流ＩＣは全く（即ち０％）エネルギー蓄積装置８０を充電しない。故に、各装置がフル充電状態に接近かつ到達するに際して、エネルギー蓄積装置に供給される充電電流のレート(rate)を制御することにより、エネルギー蓄積装置が充電されるレートは適度なものとされ得る。
【００１４】
当業者であれば、本発明の原理に従う等化方法を採用することにより多数の大きな利点が実現され得ることを理解し得よう。このような利点のひとつは、上述の如く、直列接続体内の他のエネルギー蓄積装置に供給される充電電流を中断すること無く、エネルギー蓄積装置の直列体内に含まれた特定エネルギー蓄積装置に対して供給される充電電流を制御する機能に関している。別の大きな利点は、各装置８０が等しい仕様に従って動作すべく構築され得ることとは無関係に、直列接続エネルギー蓄積装置８０の各々の電位を独立に平衡化することにより、個々のエネルギー蓄積装置８０の固有の電気化学的特性に対処し得る、という機能に関している。
【００１５】
等化ユニット８２が他の等化ユニット８２に関して独自に動作する実施例においては、比較的に直接的で安価な等化方式が実現され得る。アナログ、デジタル又はハイブリッド回路方式が採用され得る。更に、図１に示された等化手法は例えば、４００A 程度のピーク動作電流および４００V 程度のピーク電圧を提供するような一連の高電力エネルギー蓄積装置の効率的な等化を提供する。
【００１６】
図１に示された等化手法はまた、直列接続エネルギー蓄積装置８０の各々に対する効果的な過充電保護も提供する。従来の技術の箇所で述べたように、直列配列内における他のエネルギー蓄積装置と比較して大きく変則的であり低い容量特性を示す異常エネルギー蓄積装置の電圧は、充電の間に更に急速に公称最大電圧限界を超える。本発明による等化方法は、各装置がフル充電状態に接近して到達するときに個々の直列接続エネルギー蓄積装置の充電電流を適度なものとすることにより、直列接続エネルギー蓄積装置において過充電状態が生ずるのを防止する。
【００１７】
図２には、正および負の端子９７、９９に関して並列関係で配置された電気化学セル９４の配列を含むエネルギー蓄積装置９０の実施例が示されている。電気化学セル９４の配列に対して並列に等化ユニット９２が接続される。電気化学セル配列９４が欠陥を起こしたときにエネルギー蓄積装置９０を通る短絡経路を提供する目的で、セル配列９４にはバイパス装置９６も並列接続され得る。本明細書中で使用されるセルという語句は、単一の電気化学セル、又は、セルパックを構成する８個の並列接続セルなどの一群の電気化学セルを表すことを理解されたい。
【００１８】
本発明の一実施例に依れば、図２に示された電気化学セル９４は図３乃至図４に示されたタイプの固体薄膜セルを構成し得る。このような薄膜電気化学セルは、例えば電気自動車などで使用されるような高電流高電圧エネルギー蓄積モジュールおよびバッテリを構成すべく使用されるのに特に適している。図３には、アノード接点１０２およびカソード接点１０４が各縁部に形成された角柱状(prismatic) 電気化学セル１００の実施例が示されている。
【００１９】
この実施例において電気化学セル１００は、約１３５mmの長さＬ、約１４９mmの高さＨ、および、約５．４mmもしくは発泡コア要素を含むときは約５．８６mmの幅Ｗｅｃを有すべく作製される。カソード接点１０４およびアノード接点１０２の幅ＷＣ  はそれぞれ約３．９mmである。このようなセル１００は、通常約３６．５Whの公称定格エネルギー、８０％の放電深度（ＤＯＤ）時における８７．０Wのピーク定格電力、１４．４Ahのセル容量、および、フル充電時における３．１V の公称定格電圧を示す。
【００２０】
図３に示された電気化学セルは、図４に示されたものと同様の構成を有し得る。この実施例において電気化学セル１２０は、平坦に巻かれた角柱形状を有すべく示されているが、これは、イオン搬送膜を構成する固体ポリマ電解質１２６と、リチウム製金属アノード１２４と、酸化バナジウム製カソード１２８と、中央電流コレクタ１２９とを取り入れている。またこれらの膜要素は、ポリプロピレン膜などの絶縁膜を含み得る薄膜積層角柱構造を形成すべく作製される。
【００２１】
アノード１２４およびカソード１２８のそれぞれの縁部１２５、１２３に沿って電流収集接点を形成すべく、公知のスパッタ金属被覆処理が採用される。金属溶射(metal-sprayed）接点は、アノードおよびカソード膜縁部１２５、１２３の長に沿い優れた電流収集を提供すると共に、良好な電気接触および熱伝導特性を示す。図３乃至図４に示された電気化学セルは、米国特許第５，４２３，１１０号、第５，４１５，９５４号および第４，８９７，９１７号に開示された方法に従って作製され得る。
【００２２】
図５には、図３乃至図４に示されたものと実質的に同一の構成を有する電気化学セルに対する電圧および容量の間の関係がグラフで示されている。個々の電気化学セルは、約２．０V 乃至３．１ Vの公称動作定格電圧を有することが理解される。従来の湿式および乾式のセル技術のような、本明細書中に記述された実施例で採用されたもの以外の技術を使用して作製されたエネルギー蓄積セルを特徴付けるために同様の電圧／容量曲線が展開され得ると共に、本発明の原理に従う効果的な等化方法を実施すべくこのような曲線を使用して適切な低電圧および高電圧設定値もしくは他の限界値が獲得され得ることを理解されたい。
【００２３】
所望の定格電圧および定格電流を達成すべく、多数の電気化学セルが並列および／または直列関係で選択的に相互連結され得る。例えば図６乃至図７を参照すると、多数の電気化学セル１３０がグループ化されるとともに共通の正および負の電力バスもしくはラインに対して並列に接続されることにより、セルパック１３２を形成する。次に多数の電気化学セルパック１３２が直列接続され、モジュール１３４を形成する。更に、多数の別体モジュール１３４が直列接続されてひとつのバッテリ１３６を構成する。
【００２４】
限定ではなく例示の目的で、図６に示された実施例は、広範囲な用途に対して所望の電力要件を達成する効果的手段を提供するモジュラーパッケージ化手法に従った電気化学セルの配置構成を示している。ここで示される実施例においては、８個の電気化学セル１３０がグループ化されると共に並列接続されてセルパック１３２を形成する。また、モジュール１３４は６個のセルパック１３２をグループ化して直列接続することにより構成される。更にバッテリ１３６は、直列接続された２４個のモジュール１３４を構成するものとして示されている。
【００２５】
これらの配置構成が与えられると共に、電気化学セル１３０の各々は図５に示されたものと等しい寸法および特性を有するとすれば、別個のセル１３０の各々は約３６．５Whの合計エネルギー出力を提供する。セルパック１３２の各々は約２９２Whの合計エネルギー出力を提供する一方、各モジュール１３４は１．７５kWh の合計エネルギー出力を提供する。図６の実施例に示されたような軸方向に４列で長手方向に６列で構成されたモジュール１３４が直列接続されることにより構成されるバッテリ１３６は、約４２kWh の合計エネルギー出力を提供する。セルパック１３２、モジュール１３４およびバッテリ１３６を形成する電気化学セル１３０の配置構成およびセル１３０の相互連結は図６に示された配置構成から変更され得ることを理解されたい。
【００２６】
図７においては、多数の電気化学セル、相互連結ハードウェア並びに制御ハードウェアおよびソフトウェアを収納するエネルギー蓄積モジュールの実施例の分解図が示されている。一実施例に依ればモジュール１３４は、電力ボード１３５を使用して相互連結された４８個の電気化学セル１３０を含む。電気化学セル１３０の積層体は６個のセルパック１３２に分離され、その全ては２本のバンド１３３と２枚の対向スラストプレート１３１を使用して一体的に結合されている。４８個の電気化学セル１３０は、バンド１３３／スラストプレート１３１と、セル１３０の各々の間に配置されたオプショナルな発泡体もしくはスプリング型のコア要素とを使用することにより生成される継続的な圧縮力を受けている。セル１３０の各々の中心に提供された発泡体もしくはスプリング型のコア要素は各セル１３０間に圧力を均等に分散する役割を果たすが、このことは充電および放電サイクルの間にセルの体積が変化するときに特に重要であることを銘記されたい。等化回路は、マイクロプロセッサなどの構成要素をも含み、通常電力ボード１３５上に提供されるが、制御ボード１３７、または電力ボード１３５と電気的に接続された他の外部ボード上に配置されても良い。
【００２７】
図８に示されたグラフにおいて、電流および電圧曲線が、本発明の原理に従う等化処理を受ける薄膜電気化学セルなどの再充電可能なエネルギー蓄積セルに対して与えられる。持続時間ＴＣにより表される充電期間の間、実質的に一定の充電電流１４０がエネルギー蓄積装置もしくはセルに対して供給される。持続時間ＴＣの間にセル電圧１４４は徐々に増加するが、セル電流１４２は実質的に一定に留まる。セル電圧１４４が所定電圧設定値に到達したとき、等化処理が開始され、その間にセル電圧が公称動作電圧へと平衡化される。セル電圧１４４を公称動作電圧にて安定化すべく、持続時間ＴＢで表されるセル平衡期間の間にセル電流１４２が制御されることが理解される。
【００２８】
図９には、本発明の実施例に係るエネルギー蓄積装置の直列配列内の個々のエネルギー蓄積装置を平衡化する更に詳細なプロセスがフローチャートとして示されている。図１０を参照すると、図９に示されたプロセスに依る充電および等化処理を受ける直列接続エネルギー蓄積装置のひとつに対する電流および電圧曲線が示されている。フル充電されたエネルギー蓄積装置又はセルは、最初にセル電流を負荷もしくは他のエネルギー消費装置に供給することにより放電される（１６０）。前述のように、等化回路はセル放電１６２の間においては直列接続体を通る電流に関して何ら影響を及さない。
【００２９】
ここに示された実施例において充電処理１６４は、図１０に示された低電圧設定値として示されたレベルにあるエネルギー蓄積装置の電圧と共に開始される。直列接続体内の各エネルギー蓄積装置の電圧状態に依存して、予備平衡処理が開始され得る（１６６、１６８）。予備平衡処理が必要か否かを決定する為に、直列配列内の各エネルギー蓄積装置の電圧が決定されると共に、最高および最低のサンプリング電圧値の間の電圧差ＶＤが決定される。
【００３０】
予備平衡処理の開始時において、各エネルギー蓄積装置の電位をサンプリングすることにより先に決定された最高電圧に等しい電圧設定値が確立される。エネルギー蓄積装置もしくはセルの直列配列の予備平衡は、充電処理の完了の間際で電位を平衡化すべく行われるのと実質的に同一の方法を使用して達成される。通常予備平衡処理の期間は、３０分程度、または定電圧予備充電の終了に到達したことを示す値へセル電流が到達するまでであるが、この値は図１０においてメンテナンス電流設定値として示されている。
【００３１】
予備平衡処理の完了時には、直列配列内のエネルギー蓄積装置の全てはほぼ同一の電位にある。予備平衡処理の完了時であって且つ充電処理の前に、緩和処理(relaxation procedure)が開始され得ることを銘記されたい。この緩和処理は、通常１分乃至数分程度の持続時間を有する緩和期間の間に、エネルギー蓄積装置に対する充電電流の供給の除去を行うものである。
【００３２】
通常充電処理は、直列接続エネルギー蓄積装置に対して実質的に一定の充電電流１５０を供給すること（１７０）を含んでいる。図１０に示された実施例において定電流充電段階は、約５時間の持続時間、またはセル平衡設定値に到達する（１７２）までである。図１０で特徴付けられたエネルギー蓄積装置の電圧１５２はセル平衡設定値に到達するまで時間の経過にしたがって増加し、到達した時点でセル平衡処理が開始される（１７５）。一般に、平衡化もしくは等化処理は、エネルギー蓄積装置電圧１５２が高電圧設定値を超えるときは常に行われるが、これはフル充電されたエネルギー蓄積装置に対して充電処理が偶発的に開始されたときに生じ得るものである。セル平衡処理の完了に引き続いて緩和処理が開始され、次に充電処理が終結する（１７８）。
【００３３】
図１１および図１２を参照すると、充電処理の充電段階および平衡段階に対する種々の処理段階が図６乃至図７に示されたタイプのエネルギー蓄積モジュールに対してそれぞれ示されている。ここに示される実施例において、モジュールは直列接続された６個のセルパックを含むと共に、各セルパックは並列接続された８個の電気化学セルを含むものとする。充電段階は、モジュールの電圧状態もしくは放電深度（ＤＯＤ）に拘わらず任意の時点で開始される（１８０）。充電処理タイマは、例えば８時間などの、充電処理（即ち充電段階および平衡段階）を定義する値に設定される。充電ユニットは最初予め確立された定電流レートに設定され（１８１）、つづいて直列接続セルパックに対して定充電電流が供給される（１８２）。６個のセルパックの各々は、セルパックのいずれかが３．１V の高電圧設定値などの所定電圧設定値に到達したか否かを決定するために監視される（１８３）。
【００３４】
各セルパックのいずれも電圧設定値に到達せず、且つ合計充電時間が満了していなければ（１８４）、セルパックの定電流充電は継続する。但し、６個のセルパックのいずれかの電圧が電圧設定値に到達したなら、充電ユニットにより供給される定充電電流は、短期間の遅延（１８８）の後に、１A などの所定量だけ減少される（１８６）。短期間の遅延は、電流変化の後にセル電圧が安定化するのを許容するものである。遅延の後、減少された電流レートにて定電流充電が再開されると共に、５A などの電流設定値に到達するまで上述の段階１８２〜１８８が反復され、到達した時点で、充電処理は充電段階から平衡化もしくは等化段階へと移行する（１８９／１９０）。
【００３５】
等化段階の開始（１９０）に際し、等化段階タイマは、例えば１時間などの等化段階の持続時間を定義する値に設定される。等化段階は、通常６個のセルパックの全てが電圧設定値に到達したときに開始することを銘記されたい。各セルパックに結合された等化ユニットは、セルパック電圧が電圧設定値に到達したときに起動される（１９１）。６個全てのセルパックの等化ユニットが起動される（１９２）以前においては、（例えば５A の）低電流設定値にて定電流充電は充電処理タイマおよび等化段階タイマが満了する（１９３）まで継続し、その時点で等化処理は終結される（１９４）。
【００３６】
６個全ての等化ユニットの起動に続き、充電ユニットは定電流充電モードから定電圧充電モードへと移行する。充電ユニットは６個のセルパック電圧の合計に等しい一定電圧ＶＣＨＡＲＧＥＲに設定されるが、これはここに示される実施例においては約１８．６V(即ち、３．１V に在る６個のセル) である。充電処理タイマおよび平衡段階タイマが未だ満了しない場合（１９７）、充電電流が最小電流設定値（例えばメンテナンス電流レベル）以上に留まる間、定電圧充電は継続する。充電処理は、充電電流が最小電流設定値以下に低下するか、または充電処理又は平衡段階タイマが満了したとき（１９７）に終結する（１９８）。
【００３７】
上述の等化方法は、セル平衡機能を提供することに加え、直列接続セルパックの各々に対して過電圧保護を提供することが理解され得る。特に、例えば特定セルパックの充電電圧がセル平衡設定値もしくは高電圧設定値のいずれかに接近するときに、そのセルパックに対する等化ユニットは起動され、特定セルパックに供給される充電電流の流れを制御する。故に、セルパックに印加される最大充電電圧は、高電圧設定値に対応する電圧に制限される。
【００３８】
図１３乃至図１４には、本発明の原理に従い動作する等化回路の実施例が示されている。ここに示される実施例においては３個の等化回路２０２、２０４、２０６が示され、その各々は対応する直列接続エネルギー蓄積装置もしくはセル２２３、２２５、２２７に接続される。３個以上のセルが直列接続され、各セルには対応する等化回路が結合され得ることを理解されたい。通常等化回路２０２、２０４、２０６は、相互に独自に動作する。
【００３９】
代替的に、等化回路２０２、２０４、２０６は、これらの動作を調整すると共に等化機能を実行する為の設定値パラメータおよび他の情報を提供するマイクロプロセッサなどの制御器２２９に接続され得る。このような制御器２２９を含む実施例は、好ましくは等化回路２０２、２０４、２０６およびセル２２３、２２５、２２７に関する動作およびステータス情報の獲得を考慮している。このような実施例は更に、エネルギー蓄積モジュール内に収納され得る制御器２２９と、バッテリシステムプラットフォーム上に提供され得るシステム制御器もしくはコンピュータと、の間におけるステータス情報および制御パラメータなどの情報の通信を考慮に入れている。
【００４０】
図１３において、エネルギー蓄積システムは、セル１  ２２３から負荷２１６へと流れてセルＮ  ２２７を介して戻る放電電流ＩＤを生成するものとして示される。図１４は、充電ユニット２１９により生成されると共にセル１  ２２３を介して直列配列へと供給され、セルＮ  ２２７を通り充電ユニット２１９へと戻る充電電流ＩＣを示している。一実施例において、図１３乃至図１４に示されたエネルギー蓄積システムは、４００A 程度のピーク放電電流ＩＤを生成し得る高電圧バッテリを構成すると共に、例えば電気自動車などの高エネルギー消費システムに特に良く適している。
【００４１】
セル１  ２２３などの、エネルギー蓄積セルの各々は、他の等化回路に関して独自に動作する回路２０２などの等化回路を備えている。等化回路２０２、２０４、２０６は、構成および機能に関して実質的に同一であることを銘記されたい。等化回路の各々は、電圧制御スイッチ２１０、信号ドライバ２１２およびバイパススイッチ２１４を含んでいる。対応するセルに並列接続される電圧制御スイッチ２１０は、そのセル間の電圧を検知すると共に、セル電圧がセル平衡設定値および／または過電圧設定値などの事前設定値に到達したときに起動信号を生成する。
【００４２】
電圧制御スイッチ２１０により生成された起動信号は信号ドライバ２１２に送信され、信号ドライバ２１２は、起動信号の大きさに比例して変化する周波数を有する制御信号を生成する。信号ドライバ２１２により生成された制御信号に応答してバイパススイッチ２１４は、バイパススイッチ２１４を通る過剰充電電流を迂回させることにより、セルに供給される充電電流の量を制御する。信号ドライバ２１２により生成された制御信号はバイパススイッチ２１４を変調することによりセルに対する充電電流を制御し、セル電圧を実質的に一定レベルに安定化させる。
【００４３】
図１５には、等化回路の実施例の概略が示されている。図１５に示された回路は例えば予備平衡段階などのセル充電の全ての段階の間で効果的に動作することが理解されるが、以下の説明は、標準的充電段階からセル平衡段階への動作の移行を含む、通常の充電処理の終了に向かう回路の動作に焦点を当てている。
【００４４】
等化回路２２０は差動増幅器２２２を含むが、差動増幅器２２２は、差動増幅器２２２の負および正の入力にそれぞれ印加されたセル２２３間の電圧Ｖ１と基準電圧Ｖｒｅｆとの間の電圧差を検知する。セル２２３間の電圧Ｖ１が基準電圧Ｖｒｅｆより低いとき、差動増幅器２２２の出力はｌｏｗである。基準電圧Ｖｒｅｆは、セルがフル充電されたと見なされる電圧（例えば、過充電保護の為）、または等化処理が開始されるべき電圧設定値を表し得る。基準電圧Ｖｒｅｆは、幾つかの基準設定値の任意のものの間で調節可能であることを銘記されたい。
【００４５】
差動増幅器２２２の出力がｌｏｗであるときは、電圧制御発振器（ＶＣＯ）２２４はｌｏｗであり、単安定装置２２６からは何の制御信号も生成されない。単安定装置２２６からのｌｏｗ出力に応答して、トランジスタ２２８は非導通的状態もしくはＯＦＦ状態で動作する。トランジスタ２２８が非導通状態である間、等化回路２２０はセル充電に関して実質的に非導通的のままであり、充電ユニット２３４により生成された充電電流の全てはセル２２３へ供給される。
【００４６】
図１５に示された等化回路の動作を更に記述する上では、図１６に示された波形を参照されたい。セル電圧Ｖ１  ２４２が等化設定値電圧２４０などの基準電圧Ｖｒｅｆと等しいかそれ以上であるとき、差動増幅器２２２の出力はｈｉｇｈ状態へと移行する。差動増幅器２２２の出力にて生成された信号の大きさは、セル２２３間の電圧Ｖ１と基準電圧Ｖｒｅｆとの間の電圧差に比例する。
【００４７】
ＶＣＯ  ２２４は差動増幅器の出力のｈｉｇｈ状態に応答し、差動増幅器２２２の出力で生成された差分信号の大きさに比例する周波数を有する信号２４４を生成する。一実施例においてＶＣＯ  ２２４は、差動増幅器２２２の出力に存在する差分信号の大きさに依存し、０〜１００kHz の間で変化する周波数を有する周波数変調（ＦｗＭ）信号を生成する。
【００４８】
ＶＣＯ  ２２４により生成された信号２４４に応答して単安定装置２２６は、ＶＣＯ  ２２４により生成された信号２４４のデューティサイクルに拘わらず、実質的に一定のパルス幅もしくはＯＮ時間Ｔｏｎを有する信号２４６を生成する。トランジスタ２２８は単安定装置２２６により生成された信号Ｔｏｎ２４６に応じて非導通状態から導通状態へと移行し、インダクタ２３０およびツェナーダイオード２３２の特性に依存したレートで充電電流がバイパス電流経路２４７を流れるのを許容する。単安定装置２２６により生成された制御信号２４６のパルス幅Ｔｏｎは、時間間隔Ｔｏｎの間においてインダクタ２３０を飽和させるのを回避すべく選択されるべきことを銘記されたい。
【００４９】
トランジスタ２２８が導通状態で動作している間、セル２２３内の電流２４８は減少され、セル電圧２４２の減少に帰着する。トランジスタ２２８が非導通状態へと移行したとき、セル電圧２４２が基準電圧２４０（例えば、等化設定値電圧など）に到達しもしくは基準電圧２４０を超えるまで、セル内の電流２４８は増加し、また、セル電圧２４２も増加する。セル電圧２４２が基準電圧Ｖｒｅｆ２４０に再度到達しもしくは基準電圧を超えたことに応答して、差動増幅器２２２は高出力差分信号を生成し、ＶＣＯ  ２２４に対して先に生成された信号２４４よりも通常低い値の周波数を有する信号２４４を生成させる。故に、ＶＣＯ２２４により生成された引き続く信号２４４の期間Ｔの持続時間は、通常先に生成された信号２４４の持続時間よりも短い。
【００５０】
より短い持続時間Ｔの付加的信号２４４に応答して単安定装置２２６は一定持続時間Ｔｏｎを有する更に頻度の高い制御信号２４６を生成し、これにより、トランジスタ２２８は導通状態もしくはＯＮ状態へと更なる頻度で移行する。上述した高周波切替処理は、実施例においては等化設定値電圧を表す基準電圧Ｖｒｅｆ２４０へセル電圧２４２が近づくまで継続することが理解され得る。
【００５１】
図１５に示された回路を採用することにより行われる等化処理の間、２種類の主要動作段階が観察され得る。第１の段階は、トランジスタ２２８が導通状態で動作する持続時間に関しており、この状態の等価回路は図１７Ａに示されている。問題となる第２の観察可能段階は、トランジスタ２２８が非導通状態である持続時間に関しており、この状態の等価回路は図１７Ｂに示されている。図１８は、単安定装置２２６により生成された制御信号２４６に応答するインダクタ２３０、トランジスタ２２８およびダイオード２３２のそれぞれに関する電流波形２６２、２６４、２６６を示している。また図１８には、単安定装置２２６により生成された制御信号２４６に応答したセル２２３の電圧の相対値を表す電圧信号波形２６８が示されている。
【００５２】
トランジスタ２２８が導通する時間Ｔｏｎの間、インダクタ２３０の電流２６２はピーク値Ｉｐｋへと増加する。インダクタ２３０におけるピーク電流の値Ｉｐｋは、以下の式［２］により定義されるような時間Ｔｏｎに依存する。期間Ｔｏｎの間、バイパス電流経路中の電流、即ちインダクタ２３０およびトランジスタ２２８を通る電流は増加するが、ダイオード２３２には電流２６６が通らないことが理解され得る。
【００５３】
問題となる第２段階は、トランジスタ２２８が非導通状態となる時間に関しており、その等価回路は図１７Ｂに示されている。期間Ｔｏｆｆの間においてトランジスタ２２８が非導通状態となると、インダクタ２３０の極性は逆転する。トランジスタ２２８間の電圧Ｖｄｓがツェナーダイオード２３２の電圧スレッショルド値に到達したとき、ダイオード２３２は電流の導通を開始し、これによりインダクタ２３０が消勢するのを許容する。ツェナーダイオードを通る電流が止まったとき、トランジスタ２２８間の電圧Ｖｄｓはセル２２３の電圧降下Ｖ１に等しくなる。
【００５４】
単安定装置２２６により生成された制御信号２４６に応答して次の等化サイクルが開始されるまで、セル２２３の充電が継続する。尚、単安定装置２２６により生成される信号２４６のパルス幅Ｔｏｎは固定であるので、次式により与えられるように、等化回路２２０を通過する平均バイパス電流はＶＣＯ  ２２４により生成された信号２４４の周波数に比例することを銘記されたい：
ＩＬ（ａｖｅｒａｇｅ）＝Ｋ・Ｆ                        ［１］
Ｉｐｋ＝（Ｖｃｅｌｌ・Ｔｏｎ）／Ｌｉ                  ［２］
但し、
Ｋ＝Ｉｐｋ＼２・（Ｔｏｎ＋ｄｔ）                ［３］
ここで、ＩＬ（ａｖｅｒａｇｅ）は、充電ユニットの平均定電流と等しい、インダクタ２３０を通り迂回された平均電流を表し、Ｉｐｋは、インダクタ２３０における電流のピーク値を表し、Ｔｏｎは、トランジスタ２２８が導通する時間を表し、および、Ｌｉはインダクタ２３０のインダクタンスを表す。
【００５５】
次に図１９Ａ乃至図１９Ｂを参照すると、本発明の原理に係る等化回路の他の実施例が示されている。ここに示される実施例において等化回路は、電力ボード２８０に連結された制御ボード２７０を含んでいる。尚、図１９Ａおよび図７のエネルギー蓄積モジュールの実施例において２つの別体のボードとして示された制御ボードおよび電力ボード２７０、２８０は、代替的に単一のボードで構成し得ることを理解されたい。図１９Ａに示された２部材からなる実施例は、好ましくは、制御ボード２７０のコントローラ２７２と、電力ボード２８０上に提供された等化回路との間の効果的な電圧分離を提供している。等化回路の更に詳細な回路図は図２０に提供される。
【００５６】
図１９乃至図２０に示された実施例に依れば、マイクロプロセッサなどの制御器２７２は、通常バッテリプラットフォームコントローラ（図示せず）と通信し、バッテリプラットフォームコントローラからは、充電処理を行う為の種々の電圧設定値および他のパラメータを受信する。このようなパラメータには、通常例えば図１０に示されたような低電圧および高電圧設定値およびセル平衡設定値などが挙げられる。制御ボード２７０は、電力ボード２８０上に提供された一個の等化回路または任意の個数の等化回路との動作を調整し得ることを理解されたい。
【００５７】
セルの直列配列内における各セル２７１には等化ユニットが結合されるが、等化ユニットは、セル電位を表すアナログ電圧信号を等価なデジタル電圧信号２７５へと変換するアナログ／デジタル回路（ＡＤＣ）２７９を含んでいる。一実施例において、ＡＤＣ  ２７９は１２ビットの±１  ＬＳＢまたは０．０２７％の正確性を有し、これは±１mVに相当する。各セル２７１に対するデジタル化されたセル電圧信号Ｖｃｅｌｌ２７５は、制御器２７２へ入力される。制御器２７２は事前設定電圧パラメータをセル電圧信号２７５と比較し、セル電圧Ｖｃｅｌｌと事前設定電圧パラメータとの間の電圧差を表す差分値を計算する。差分値は、制御信号２７６を生成するためにパルス幅変調（ＰＷＭ）回路２７４により使用され、制御信号２７６は、固定周期と、コントローラ２７２により計算された差分値の大きさに比例して変化するパルス幅（すなわちＴｏｎ）とを有する。
【００５８】
光学的分離装置を含む分離回路２７８は電力ボード２８０上に提供されて、制御ボード２７０から制御信号２７６を受信する。制御信号２７６は次に、等化回路２８４へと通信される。等化回路２８４は、制御信号２７６に応答して導通状態および非導通状態の間で変調されるパワーＭＯＳＦＥＴトランジスタ２７７を含んでいる。分離回路２７８とパワートランジスタ２７７との間には通常バッファ増幅器２８８が連結される。トランジスタ２７７の導通状態の間、過剰充電電流はバイパス電流経路２８６を介して迂回されることにより、充電処理の間におけるセル２７１の電圧を制御する。トランジスタ２７７の非導通状態の間、等化回路２８４は実質的に非導通的に留まると共に、セル２７１を通る充電電流に対しては認識可能な効果を有さない。
【００５９】
図１９乃至図２０に示されたＰＷＭ等化回路は、アナログ成分に対して、回路内のノイズレベルを好ましく低減するデジタル成分を代用する機会を提供する。故に、アナログ信号ではなくデジタル制御信号がコントローラ２７２と等化回路２８４との間で転送され、実質的にノイズのない信号送信方式が提供される。更に、ＰＷＭ方法によればコントローラ２７２内のソフトウェアは、電力ボード２８０上に提供された等化回路を効果的に制御することが可能となる。
【００６０】
故に図１９乃至図２０に示された実施例は、バイパス電流がゼロと最大電流との間でスイッチされるというスイッチモードの等化手法を示している。平均電流は、スイッチングのデューティサイクルにより決定される。ＰＷＭ信号がデューティサイクルを決定する。トランジスタがスイッチング作業を行うので、電力は殆ど消費されず、回路の信頼性は極めて高い。但しスイッチング処理は、一定のパラメータの正確な測定を行う為にはフィルタリングする必要のあるノイズを生成する。電圧決定がマイクロコントローラにより行われることから、比例−積分−微分（ＰＩＤ）ループを制御すべく極めて多様なソフトウェアが採用され得る。予測可能なスイッチング回路により生成されるノイズは、ソフトウェア制御式のスイッチモードの等化回路により容易に管理され得る。
【００６１】
図２１乃至図２２には、等化が充電サイクルの全てに渡り生ずるという等化方法の実施例が示されている。等化が充電サイクルの終了の付近で実行されるという前述の手法と対照的に、図２１乃至図２２に示された継続的等化スキームは、充電サイクルの持続時間全体を利用すると共に、前述の手法と比較して、相当に長い期間に渡ってバイパス電流を分路することに関連した合計エネルギーを効果的に広げる。結果として、単位時間当りの分路電流(shunt currert) の量は相当に少なくなり、セル等化の間における単位時間当りの消費電力も相当に少なくなる。この低電流等化手法に関する省電力要件は、発熱の減少および通常電子的構成要素のコストの減少に帰着する。
【００６２】
例えば、所定エネルギー蓄積モジュールに対する等化が８時間の充電サイクルの最後の１５分間に生ずるという処理に依れば、等化の間において充電器により供給される電力の多くは等化回路により熱として放散(dissipate）される。最大消費電力は相当となり、複数のセルを含む一個のエネルギー蓄積装置では１２０W 程度にもなり得る。低電流等化手法は、一個のエネルギー蓄積装置に対して１２W 程度となるように、最大消費電力を相当に減少させる。しかも、エネルギー蓄積装置の各セルが良好に平衡化されれば、電力消費は１個のモジュール当たり約１W などに更に減少されられる。
【００６３】
更に詳細には図２１を参照すると、それぞれ前述の等化処理および継続的等化処理に対応した２個の直列接続セルに対するプロットが行われている。図２１からは、低電圧ＶＢ１を有する直列接続セルはいずれの処理を用いても同一のレートで充電されることが理解される。高電圧ＶＢ２を有するセルは、当初前述の等化処理を使用して更に高速に且つ更に高い等化電流ＩＢ２（ｐｒｅｖ）にて充電される。継続的等化処理を採用したときには、高電圧セルの電圧ＶＢ２（ｃｏｎｔ）は更に低い等化電流ＩＢ２（ｃｏｎｔ）により更に安定して増加する。各電流曲線（ＩＢ２（ｃｏｎｔ）、ＩＢ２（ｐｒｅｖ）) における面積は同一であり、いずれの方法を使用しても放散されるエネルギーの合計量は同一であることを示していることが理解される。但し図２１は、継続的等化手法に伴う合計エネルギーは相当の持続時間に渡り展開されるので、等化回路の電力放散要件を減少していることを表している。
【００６４】
図２２は、図２１で特徴付けられた継続的等化処理の一実施例のフローチャートを示している。最初に、セルの直列配列の各ノードおよび端子ノードにおける電圧が測定される（４００）。この情報は、通常にバッテリ内ネットワークを介して多数のエネルギー蓄積モジュールと通信するマイクロコントローラもしくはマイクロプロセッサへと通信される。セルの全てが単一のハウジング内に収納されるという構成においては、ネットワーク上でバッテリプラットフォームコンピュータと通信する為に必要となる回路およびソフトウェアをマイクロコントローラが必要としないことが理解される。
【００６５】
マイクロコントローラは、最低電圧Ｖｌｏｗを有するセルを決定する（４１２）。直列配列の第１セルが次に選択され（４１３）、選択セルの電圧Ｖｍｅａｓが測定される（４１４）。セルの電圧Ｖｍｅａｓが、Ｖｌｏｗとスレッショルド電圧Ｖｔｈｒｅｓｈの和より大きい場合（４１６）、マイクロコントローラは制御信号を第１セルの等化回路へと送信することにより、回路に充電電流の一部分を第１セルの回りに分路させる。例えば制御信号は、ＰＷＭ信号又はＡ／Ｄ変換信号とされ得る。
【００６６】
第１セルの等化回路により迂回される充電電流Ｉｓｈｕｎｔの量は次式により与えられる：Ｉｓｈｕｎｔ＝ｋ（Ｖｍｅａｓ−Ｖｌｏｗ）、ここで、ｋはバイパスされることによって予想されるエネルギーおよび残存充電時間に関する定数である。それまでの性能に基づき、セルの容量が計算され得ると共に、Ｉｓｈｕｎｔの値はＩｓｈｕｎｔ＝０乃至Ｉｓｈｕｎｔ＝Ｉｍａｘ間の値に従い調節され得る。スレッショルド電圧Ｖｔｈｒｅｓｈは、通常各セル間に存在する小さな電圧不均衡に対処すべく必要とされることを銘記されたい。ノイズおよび入力電力変動などの幾つかの原因により、セル電圧には僅かな差が生じ得る。これらの小さな電圧差が無視される場合、等化回路は不適切に動作してセルを継続的に放電および充電することになる。
【００６７】
第１セルの電圧ＶｍａｓｓがＶｌｏｗ  ＋Ｖｔｈｒｅｓｈより大きくない場合、充電電流は分路されない（４１８）。直列配列の次のセルが選択される（４２２）と共に、比較および分路制御段階（４１４、４１６、４１８、４２０、４２２、４２４）が、直列配列内の全てのセルがポーリングされるまで反復される。全てのセルがフル充電されたなら（４２６）、充電および等化処理は終結される（４２８）。そうでなければ上述の等化段階は、全てのセルがフル充電されるまで直列配列に対して反復される。
【００６８】
図２３に示された回路は、上述されたタイプの等化手法で採用されることによりセルの直列配列の各セルに対して相当に正確な電圧測定を提供するものである。従来の測定技術に依れば、通常差分電圧は、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）に連結されたシングルエンド出力(single-ended output) を備えた計測増幅器機構における差動演算増幅器を使用して測定される。
【００６９】
当業者であれば、極めて高い共通モード除去比（ＣＭＲＲ）が必要とされる高精度用途において差動演算増幅器を使用することには問題があることを理解し得よう。例えば、２８V のダイナミックレンジに渡り１ミリボルト（０．００１V)の精度で電圧を測定する為には、８９dBのＣＭＲＲが必要とされる。これを、差動演算増幅器で達成するのは困難である。図２３に示された光学的分離ＡＤＣの手法は、このＣＭＲＲ要件を満足すべく採用され得る。
【００７０】
電圧測定回路４３０は、差動多重モード(differential multiplexing mode)で動作する２個のアナログスイッチ４３６を含んでいる。２個のＸ対１のアナログスイッチ４３６は、ブレーク・ビフォア・メイク(break-before-make) 特性により相互に組合せられ、セル間のスイッチング時にセルの高電流の短絡を防止する。ＡＤＣ  ４３４は実効差分入力を有し、入力は低域通過されて高電圧のスイッチングスパイクから保護されている。分離装置４３２は、ＡＤＣ  ４３４に対して電力を供給することを銘記されたい。
【００７１】
アナログ多重スイッチ４３６は、直列配列内の選択セル４３８の正および負の端子の両者を、それぞれ、ＡＤＣ  ４３４の正および負の入力へスイッチングすべく使用される。アナログスイッチ４３６のオン抵抗は分離装置４３２の漏れ抵抗よりも相当に低いことを銘記されたい。この配置構成に依れば、選択セル４３８の電圧が損失無くＡＤＣ  ４３４の入力に現れることが許容される。アナログ多重スイッチ４３６は、セル配列の各末端端子に適用された電圧分割抵抗回路ネットワークを使用することにより、セル配列の全体の電圧を測定すべく修正されることもできる。
【００７２】
光学的分離装置４３２は、実質的に無限大(infinite)のＣＭＲＲを提供する。ＡＤＣ  ４３４は、分離要件を最小化するシリアル通信配置構成で使用され得る。分離は論理信号上で提供され、通信スキームに依る一切のエラーを排除する。この用途に適したシリアル通信規格は、Ｍ６８ＨＣ１１マイクロコントローラ用のＭｏｔｏｒｏｌａ参照マニュアルで定義されたようなＳｅｒｉａｌ  Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ（ＳＰＩ）規格である。
【００７３】
次に図２４乃至図２７を参照すると、線形モードで動作する等化回路の実施例が示されている。線形等化動作モードにおいては、等化回路により放散された電力の量は、セル間の充電電流および電圧に直接的に比例する。一実施例において、線形等化回路は３V 程度のセル電圧を調整し、充電電流は約５A に制限される。故に、この構成は、セル当たり最大で約１５W を放散する。
【００７４】
一実施例において、等化回路は独自に動作して外部制御システムを要しない。より詳細には、各線形等化装置２５０は、他の等化装置２５０および外部コントローラもしくはプロセッサに関して独自に動作する。他の実施例において、外部コントローラは線形等化装置２５０の各々と通信し得る。例えば外部マイクロプロセッサは、通常等化装置２５０により使用される電圧設定値に代わるオーバーライド(override)設定値制御をモジュール内の全ての等化装置２５０へと送信し得る。これに加え、またマイクロコントローラはまた、特定用途の要件を満足すべくデータチャネル上で温度および電圧測定値を通信し得る。またマイクロコントローラは、エネルギー蓄積モジュールの種々の使用を監視すると共に、故障の場合における製品保証情報および妥当性検査情報（validation information）を記憶しても良い。
【００７５】
線形等化装置２５０の各々は線形モードで動作することから、“分路電圧レギュレータ”と見なされ得る。等化装置２５０のアナログフィードバック制御２５２は、関連セル２５６間の電圧を継続的に監視する。アナログフィードバック制御２５２がセルの電圧状態に反応する方法は、図２８に示されたような、スーパーツェナーダイオード曲線に酷似した特性曲線から読み取れる。この曲線は、セル２５６間の電圧に応じたアナログフィードバック制御２５２の挙動を特徴付けるものである。
【００７６】
アナログフィードバック制御２５２は、遠隔検知電圧増幅器および電流増幅器を含んでいる。アナログフィードバック制御２５２は、セル２５６の電圧状態（すなわちＶｉｎ）に応答してパワートランジスタ２５８を制御し、バイパス電流経路２６０を通る充電電流を適度なものとする。この配置構成において熱を放散する唯一の要素はパワートランジスタ２５８である。
【００７７】
各セル２５６は直列接続されることから、この配置構成は個々の等化装置２５０間にオフセット電圧を誘導する。このオフセット電圧の問題に対処する効果的な手法は、各等化装置２５０が他の等化装置２５０から独自に動作し、特定の等化装置２５０が連結された特定セル２５６により給電されるという等化手法を実施することである。また、動作設定値は、オフセット電圧から独立した電流源により共通基準回路から送信される。同様にして、セルの電圧は、セル電圧に比例する電流源を使用して共通測定回路へと送信される。定電流源を使用した設定値情報の受信および電圧情報の送信は、オフセット電圧問題に完全に対処する為に必要な回路を相当に簡略化する可能性を提供する。
【００７８】
高精度電圧基準は、絶対的電圧動作点を設定すべく使用される。電流源は、等化装置２５０の各々に割当てられる。各電流源は、オフセット電圧から独立すると共に基準電圧に比例する一定電流を生成する。図５に示されたようなリチウム・セルの特性充電曲線は、セル間の電圧がセルの充電状態の良好な示標であることを銘記されたい。
【００７９】
等しく充電された各セルを約１％の精度で維持すべく、個々のセルの電圧はフル充電時における合計３V に対して１０mV程度で合致される必要がある。故に、トリム調整を必要とせずに製造上の反復性を確かなものとするために、調整回路の精度は０．３％程度とする必要がある。等化装置２５０の各々は、静電的に電流を制限することにより破壊的な電力放散を防止する。これは、抵抗２５１を使用してパワー段階の駆動電流を抵抗的に制限することにより達成される。
【００８０】
融通性の為に、動作設定電圧は、任意の所望レベルに変更および設定され得る。またこの特徴は各セルをより低い設定値へ放電する為にも使用され得ることから、スタンバイ動作モードの間において各セル内で等化が生ずるのを許容する。通常動作設定電圧は、各セル２５６の有効電圧範囲の間で変更され得る。
【００８１】
一実施例において、ここで記述されたタイプの等化回路は、エネルギー蓄積モジュールの外側にパッケージ化されたエレクトロニックボード上に提供され得る。エレクトロニックボード、および特にパワートランジスタおよび／または負荷抵抗は、充電サイクルの間においてモジュールの熱放散を提供するモジュール用熱管理システムに取付けられ得る。電力信号および検知信号は、ガラス製シールコネクタを介してエレクトロニックボード上の要素へと送信され得る。他の実施例において等化回路が取付けられるエレクトロニックボードは、モジュールハウジングと一体化され、パワートランジスタおよび／または負荷抵抗はモジュール用熱管理システムのヒートシンク要素に機械的に固定される。
【００８２】
図２９乃至図３９を参照すると、高エネルギーの直列接続エネルギー蓄積セルに使用するに特に適した高電流等化回路の実施例が示されている。直列接続されたセルの配列（例えばモジュール又はバッテリ）を充電する為に必要な時間が特に重要な用途においては、等化の間において等化回路を通過する電流の量を最大化することが望ましいと思われる。等化回路の電流搬送容量を増大すれば、等化の間に増加した量の電流をセルの直列配列に流す機会が提供され、これに伴い、各セルをフル充電するに必要な時間長は減少する。但し、等化回路を介して大量のバイパス電流を通過させることは、等化回路内における熱生成の増加に帰着する。
【００８３】
多くの用途において特定の装置を通過可能な電流量は、その装置の生成熱を放散するその装置の機能により制限されることが多い。例えば相互接続ボード上に取付けられた等化回路を含む図７のエネルギー蓄積モジュールに関し、等化回路により生成された熱はモジュール用熱管理システムにより放散される。図２９乃至図３９に示されたような高電流等化スキームの一実施例において、等化回路は、約１５W の電力を放散する少なくとも５A の電流を通過させ得る。
【００８４】
例えば１つのモジュールに８個の等化回路が採用された構成において、モジュールの熱管理は、各等化回路により生成された合計１２０W(１５W ×８）の過剰熱を管理しなければならない。故にモジュール用熱管理システムの適性は、比較的に大きな電流をバイパスする等化スキームを採用するときには特に重要である。
【００８５】
次に図２９を参照すると、等化モジュール３０２と図２０に示されたマイクロコントローラ２１４のようなマイクロコントローラとを含む高電流等化回路３００の実施例が示されている。等化モジュール３０２は、エネルギー蓄積セル３０４と並列接続されたバイパススイッチ３０６を含んでいる。信号ドライバ３１０は、バイパススイッチ３０６に対して制御信号３１１を通信することによりバイパススイッチ３０６を制御する。アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）３０８は、セル３０４間の電圧を測定し、アナログ電圧信号を対応するデジタル電圧信号へと変換する。セル３０４と並列なバイパススイッチ３０６の構成により、セルは広範囲な電流での充電または放電が許容される。光学的分離装置３１２は、等化モジュール３０２とマイクロコントローラ３１４との間の電圧分離を提供する。故に等化モジュール３０２はマイクロコントローラ３１４から分離され、これによりマイクロコントローラ３１４は高電圧直列接続体に関連する有害な電圧レベルから保護される。
【００８６】
この実施例に依れば、マイクロコントローラ３１４は等化モジュール３０２が起動される電圧設定値もしくはレベルを確立する。一般にマイクロコントローラ３１４は、セル３０４の有効電圧範囲に渡り変更され得る電圧設定値を確立すると共に、測定電圧および電圧設定値に対応して計算されたＰＷＭ信号３１５を充電または放電サイクルの間の任意の時点で等化モジュール３０２へと送信する。
【００８７】
図２９に示された等化回路は、セル３０４に対する電圧平衡回路および過充電保護回路として動作する。通常充電または放電サイクルの間においてバイパススイッチ３０６は、ＡＤＣ  ３０８により測定されるセル３０４の電圧がマイクロコントローラ３１４により確立された所定電圧設定値を超えるまで、非導通状態である。例えばマイクロコントローラ３１４により低電圧設定値が確立されているとすれば、バイパススイッチ３０６は所定低電圧設定値に到達するまで非導通状態である。
【００８８】
更なる例として、セル３０４間の電圧が等化電圧設定値または過充電電圧設定値に到達したとき、マイクロコントローラ３１４はＰＷＭ制御信号３１５を生成しＰＷＭ制御信号は光学的分離装置３１２を介して通信されて信号ドライバ３１０により受信される。ＰＷＭ制御信号３１５に応答して信号ドライバ３１０は、バイパススイッチ３０６を駆動するデジタル制御信号３１１を生成する。セル３０４の電圧を一定レベルに維持すべく、マイクロコントローラ３１４はＰＷＭ制御信号３１５を等化モジュール３０２へと通信することにより、セル３０４へ通過させられると共にバイパス電流経路３１６を介して迂回される充電電流の量を制御する。通常マイクロコントローラ３１４は、各々が通常多数の等化器モジュール３０２を含む多数のエネルギー蓄積モジュールと通信することを銘記されたい。
【００８９】
相互接続された多数の独自のエネルギー蓄積モジュールを含むバッテリシステムの実施例に依れば、バッテリプラットフォームコンピュータは、各モジュール内に提供されたプロセッサもしくはコントローラ３１４からセル電圧情報を受信する。この構成において、通常バッテリプラットフォームコンピュータは各モジュールをポーリングし、セルまたはセルパックの電圧状態に関する情報を獲得する。獲得された電圧情報を使用してバッテリプラットフォームコンピュータは、例えば充電サイクルの終了時、充電サイクルより以前、又は、放電サイクルの開始もしくは終了時などのように、セルの等化が、いつ、どのような電圧レベルにて行われるべきかを決定する。
【００９０】
図３０には多数の個別の等化モジュール３０２が示されており、その各々は個別のエネルギー蓄積セル３０４に接続されている。各セル３０４は直列接続されて高電圧モジュールまたはバッテリを形成する。図３０は負荷３２０を通る放電電流を示す一方、図３１は充電器３２２により生成されてセル配列を通る充電電流を示している。図３０に示された放電サイクルの間、放電電流ＩＤ  はセル配列および負荷３２０を通過して流れる。通常各セル３０４間の初期電圧は所定等化設定値より低いことから、バイパススイッチ３０６の各々は非導通またはＯＦＦ状態である。故に、放電電流ＩＤ  は４００A ピークなどのように極めて大きい。
【００９１】
図３１に示されたような充電サイクルの間において充電電流ＩＣ  は、充電器３２２の正の端子からセル配列を通り、充電器３２２の負の端子へと戻るように流れる。充電サイクルの開始時には、充電電流の全ては各セル３０４へと供給されると共に等化モジュール３０２の各々は非起動状態である。故に充電電流ＩＣ  は、各等化モジュールが起動されるまで極めて高くなり得る。
【００９２】
各セル３０４間の電圧は、例えばシリアル１２ビットＡＤＣであり得る対応するＡＤＣ  ３０８により監視される。ＡＤＣ  ３０８は、光学的分離装置３１２により提供される分離接続(isolated connection) を介してマイクロコントローラ３１４へと電圧情報を通信する。コントローラ３１４は、等化モジュール３０２の各々へと通信されるＰＷＭ制御信号３１５を生成する。制御信号３１５に応答して個々の等化器モジュール３０２は、それらのそれぞれのセル３０４またはバイパス電流経路３１６を流れる電流を図２９に関して前述した手法により制御する。
【００９３】
図３２には、本発明の一実施例に係る等化モジュールが更に詳細に示されている。この実施例においてマイクロコントローラ（図示せず）は、等化電圧設定値を定義し、ＰＷＭ制御信号を生成し、およびセル電圧レベルを決定するなどして、等化モジュール３３０の動作を管理する。マイクロコントローラと等化器モジュール３３０との間の電圧分離は、光学的アイソレータＯＰＴＯ  １〜４により提供される。
【００９４】
マイクロコントローラは、セル３３２間の電位を決定するときに、等化モジュールのＣＬＫ／ＥおよびＣＯＮＶＥＲＴ入力３４０、３４１へと適切な信号を提供することによりＡＤＣ  ３３４を制御する。セル３３２の測定電圧を表す信号は、出力Ｄｏｕｔ３３８にて得られる。ＡＤＣ  ３３４により測定されたセル電圧が、予め確立された等化電圧設定値または過充電電圧設定値より低いことをマイクロコントローラが決定したとき、ＰＷＭ出力ノード３３６はｌｏｗであり、パワーＭＯＳＦＥＴトランジスタ３４２はＯＦＦもしくは非導通状態である。この期間、充電電流ＩＣの全てはセル３３２へと供給される。図３３Ｂは、トランジスタ３４２が非導通状態にあるときの等化モジュール３３０の等価回路を示している。
【００９５】
セル３３２間の電圧が電圧設定値に到達したとき、コントローラは、測定セル電圧と、等化電圧設定値、フィルタリング時間定数およびサンプリング周波数などの種々の充電パラメータのＰＩＤ関数であるデジタルＰＷＭ信号を生成する。図３３Ａは、トランジスタ３４２が導通状態にあるときの等化回路３３０の等価回路を示している。
【００９６】
図３３Ａに更に示されるように、トランジスタ３４２が導通しているときに充電電流は、バイパス電流経路３４６を規定する抵抗３４４およびトランジスタ３４２を介して迂回せしめられる。これに加え、セル３３２からの電流はバイパス電流経路３４６内に流入すると共に抵抗３４４およびトランジスタ３４２を介して導通される。トランジスタ３４２が導通している時間間隔の間、トランジスタ３４２により放散される電力は次式により与えられる：
ＰＴ−ａｖｅ  ＝ＲＤＳｏｎ・（Ｉｅｑｕａｌ−ａｖｅ）２          〔４〕
抵抗３４４はまた、次式により与えられる電力の殆ど全てを散逸する：
ＰＲ−ａｖｅ  ＝Ｒ１  ・（Ｉｅｑｕａｌ−ａｖｅ）２            〔５〕
ここで、ＰＴ−ａｖｅはトランジスタにより放散される平均電力を表し、ＲＤＳｏｎは導通状態にあるときのトランジスタのドレン−ソース抵抗を表し、Ｉｅｑｕａｌ−ａｖｅは等化のバイパス電流経路を通過する平均電流を表し、ＰＲ−ａｖｅは抵抗３４４により放散される平均電力を表し、およびＲ１は抵抗３４４の値を表す。
【００９７】
通常等化回路３３０を電流が通過することにより生成された熱は、等化回路３３０に連結された熱管理システムにより管理される。通常等化回路３３０、および特にトランジスタ３４２および抵抗３４４は、熱管理システムに連結された銅製のベースプレートまたは金属取付構造などのヒートシンクへ固定される。
【００９８】
充電器３２２がフル充電状態へと到達すると、トランジスタ３４２の導通デューティサイクルが増加することにより、充電電流の大部分をバイパス電流経路３４６を介してバイパスする。セルがフル充電状態に到達した後の平均等化電流Ｉｅｑｕａｌ−ａｖｅは次式により与えられる：
Ｉｅｑｕａｌ−ａｖｅ  ＝（Ｖｃｅｌｌ／Ｒ）・Ｄ            〔６〕
Ｄ＝Ｔｏｎ／Ｔ                                〔７〕
ここで、Ｄは、マイクロコントローラもしくは信号ドライバにより生成された制御信号のデューティサイクルを表す。セルを通る平均電流は次式により与えられる：
Ｉｃｅｌｌ−ａｖｅ＝Ｉｃｈａｒｇｅｒ  −Ｉｅｑｕａｌｉｚｅｒ          〔８〕
【００９９】
図３４に与えられたグラフは、等化処理の終了に向けたセル、等化回路および充電器に関する種々の電圧および電流波形を示している。グラフの領域１においては、セルは充電電流の全てを受けると共に、充電電流はまったく等化回路を介してバイパスされないことが理解され得る。グラフの領域２においては、等化回路は起動され、比較的少ない割合の充電電流が電流バイパス経路を介して迂回させられる。グラフの第３領域に示されるように、充電器から供給された電流の全ては等化回路を介してバイパスされる。
【０１００】
図３５は、本発明の一実施例に係る高電力等化処理を受けるセルに対する電圧波形のグラフである。充電パラメータＶｓｅｔは、等化が開始される等化電圧設定値を表す。充電パラメータ＋／−ＶＨ１は、等化電圧設定値Ｖｓｅｔに関する許容範囲帯域もしくはヒステリシスを表す。通常これらのパラメータはコントローラにより確立される。図３６は、バイパストランジスタを制御する、信号駆動回路により生成されたデジタル制御信号の図である。図３５乃至図３６には、６個の別個の関心領域が示されている。
【０１０１】
領域１においては、下側ヒステリシススレッショルド値−ＶＨ１を考慮しても、セル電圧は電圧基準Ｖｓｅｔより低い。このセル電位では、コントローラもしくは信号ドライバにより何らの制御信号も生成されず、故に、トランジスタ３４２はＯＦＦのままである。故に、充電電流の全てがセル３３２へと供給される。領域２に関し、セル電圧はヒステリシス帯域ＶＨ１（すなわち、〔Ｖｓｅｔ＋ＶＨ１〕と〔Ｖｓｅｔ−ＶＨ１〕との間) 内にある。このヒステリシス領域内にては、コントローラにより何らの制御信号も生成されず、トランジスタは非導通状態に留まる。領域３において、セル電圧は上側ヒステリシススレッショルド値＋ＶＨ１を超える。これに応答し、コントローラはＰＷＭパルスを生成すると共に信号ドライバは制御信号を生成し、これによりトランジスタは非導通状態と導通状態との間でスイッチングされる。故に、充電電流は電流バイパス経路３４６を介してバイパスされる。
【０１０２】
トランジスタ３４２が導通すると、セル電圧は減少する。範囲４に示されたように、セル電圧がヒステリシス帯域内にあるとき、制御信号のデューティサイクルは一定のままである。領域５に見られるように、セル電圧が下側ヒステリシススレッショルド値−ＶＨ１以下に低下すべく更に減少したとき、デューティサイクルは、セル電圧が値Ｖｃｅｌｌ＝Ｖｓｅｔ−ＶＨ１に到達するまで減少する。このとき、制御信号のデューティサイクルは再度一定となる。領域６に示されたように、充電電流の全てが電流バイパス経路３４６を介して迂回された（すなわちセルがフル充電された) とき、制御信号のデューティサイクルは一定かつ最小である。
【０１０３】
図３７には、図３５に与えられたグラフの領域３および領域６に関する多数の電流が示されている。より詳細には図３７は、信号ドライバにより生成された制御信号に応答した、トランジスタのゲート／ソース電圧（ＶＧＳ）、等化バイパス電流、および、セル電流に対応する電流波形を示している。図３５に示された電圧波形は、図３７に示された等化動作の電流パルスモードによるリプルがほとんど生じないことを明示している。
【０１０４】
図３８には、セル等化およびセルバイパス機能を実行する回路を含む等化およびバイパスモジュール３５０の実施例が示されている。起動されたときにバイパス装置は、欠陥セルもしくはセルパックを直列接続体から電気的に分離することを銘記されたい。通常バイパス装置は、破裂されたときに欠陥セルを直列接続体から効果的に分離すべく電気的にもしくは熱的に起動されるヒューズを含んでいる。
【０１０５】
等化およびバイパスモジュールは、熱放散を増大する目的でモジュールパッケージの分離領域もしくはチャンバ内に配置された電気制御ボード３５４を含んでいる。相互接続ボード上に取付けられたパワーＭＯＳＦＥＴトランジスタ３５６および負荷抵抗３５８もまた、銅製の熱伝導体に熱接触して載置される。上記モジュール３５０は、図３９に示された相互接続ボード３７０上に取付けられた銅金属製の正および負の端子３６２、３６０を含んでいる。この構成に依れば、等化およびバイパスモジュール３５０は、１５．８７５mm（０．６２５インチ）高さのハウジング３５２内にパッケージ化されて密閉シールされる。
【０１０６】
図３９は、図３８に示された等化およびバイパスモジュール３５０が取付けられる相互接続ボード３７０を示している。通常相互接続ボード３７０は、約１．２７mm（０．０５インチ）の厚みを有すると共にルート加工(root)もしくは機械圧延加工(machine mill)された銅プレートから作製される。相互接続ボード３７０は、通常他の直列接続エネルギー蓄積モジュールに対して連結された正および負の端子３７２、３７４を含んでいる。また相互接続ボード３７０には、対応するセル３０４に対して各々が直列接続された多数の別個ヒューズを含む一体化されたヒューズパック３７６が取付けられることが示されている。
【０１０７】
等化およびバイパスモジュール３５０により生成された熱は、モジュールパッケージ３５０の正および負の端子３６２、３６０を介し、相互接続ボード３７０の熱伝導表面に沿い、最終的にはエネルギー蓄積モジュールの熱管理システムへと導通されることを銘記されたい。この設計に依れば等化およびバイパスモジュール３５０は充電または放電サイクルの間に、少なくとも５Ａの電流をバイパスすると共に約１５W を放散できる。
【０１０８】
本明細書中で論じた種々の実施例に対し、本発明の範囲または精神から逸脱することなしに種々の改変および付加が為され得ることを当然に理解されたい。例えば、本発明の原理は、ニッケル金属水素化物（Ｎｉ−ＭＨ）、リチウム・イオン（Ｌｉイオン）および他の高エネルギーバッテリ技術などの、リチウム・ポリマ電解質を利用した以外のバッテリ技術と共に使用されるべく採用され得る。故に、本発明の範囲は上述した特定実施例に制限されるのでは無く、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ定義されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】直列接続された多数のエネルギー蓄積装置と、エネルギー蓄積装置に連結されて充電処理の間に電圧調整を提供する等化ユニットとを含むエネルギー蓄積システムを示す図である。
【図２】等化ユニットと並列接続されたエネルギー蓄積装置を形成する多数の電気化学セルを示す図である。
【図３】本発明の一実施例に係る、角柱形状を有する固体薄膜電気化学セルを示す図である。
【図４】図３に示された電気化学セルを構成する種々の膜層を示す図である。
【図５】本発明の一実施例に係るセル電圧および容量に関して電気化学セルを特徴付けるグラフである。
【図６】セルパック、モジュールおよびバッテリ構成などのエネルギー蓄積装置の種々のパッケージ構成を示す図である。
【図７】相互接続された多数の薄膜電気化学セルを含むエネルギー蓄積モジュールの分解図である。
【図８】本発明の実施例に係る、充電処理の間におけるセル電圧とセル電流との間の関係をグラフで示す図である。
【図９】本発明の実施例に係る充電および等化処理の種々の処理段階を示す図である。
【図１０】本発明の実施例に係る充電処理および等化処理を受けるエネルギー蓄積装置の電流と電圧との間の関係をグラフで示す図である。
【図１１】本発明の実施例に係る充電処理および等化処理の種々の段階のフローを示す図である。
【図１２】本発明の実施例に係る充電処理および等化処理の種々の段階のフローを示す図である。
【図１３】等化回路の代替実施例を示す図である。
【図１４】等化回路の代替実施例を示す図である。
【図１５】等化回路の更に他の実施例を示す図である。
【図１６】図１５の等化回路に示された種々の要素の動作を特徴付ける種々の波形を示す図である。
【図１７Ａ】図１５に示されたものの等価回路の１つの動作状態を示す図である。
【図１７Ｂ】図１５に示されたものの等価回路の１つの動作状態を示す図である。
【図１８】図１７Ａ乃至図１７Ｂに示された回路に関する種々の波形を示す図である。
【図１９Ａ】本発明の実施例に係る等化回路の実現方式の他実施例を示す図である。
【図１９Ｂ】本発明の実施例に係る等化回路の実現方式の他実施例を示す図である。
【図２０】本発明の実施例に係る等化回路の実現方式の他実施例を示す図である。
【図２１】本発明の２つの異なる等化スキームを採用したときの充電電圧および電流の差をグラフで示す図である。
【図２２】連続的等化方法を実施するときに等化回路により行われる種々の処理段階を示すフローチャートである。
【図２３】直列に接続された電気化学セルと共に使用される高精度電圧測定回路を示す図である。
【図２４】線形モード等化回路の実施例を示す図である。
【図２５】図２５Ａ、図２５Ｂおよび図２５Ｃの配列関係を示す図である。
【図２５Ａ】線形モード等化回路の実施例を示す図である。
【図２５Ｂ】線形モード等化回路の実施例を示す図である。
【図２５Ｃ】線形モード等化回路の実施例を示す図である。
【図２６】図２６Ａおよび図２６Ｂの配列関係を示す図である。
【図２６Ａ】線形モード等化回路の実施例を示す図である。
【図２６Ｂ】線形モード等化回路の実施例を示す図である。
【図２７】図２７Ａ、図２７Ｂおよび図２７Ｃの配列関係を示す図である。
【図２７Ａ】線形モード等化回路の実施例を示す図である。
【図２７Ｂ】線形モード等化回路の実施例を示す図である。
【図２７Ｃ】線形モード等化回路の実施例を示す図である。
【図２８】図２４乃至図２７に示された線形等化回路に関する電流と電圧との間の関係を示すグラフである。
【図２９】等化モジュールおよびマイクロコントローラを含む高電流等化回路の実施例を示す図である。
【図３０】マイクロコントローラと多数の直列接続電気化学セルとに連結された高電流等化回路の実施例を示す図である。
【図３１】マイクロコントローラと多数の直列接続電気化学セルとに連結された高電流等化回路の実施例を示す図である。
【図３２】高電流等化回路の概略図である。
【図３３Ａ】図３２に示されたものの等価回路を１つの動作状態で示す図である。
【図３３Ｂ】図３２に示されたものの等価回路を１つの動作状態で示す図である。
【図３４】等化処理の終了に向けての、セル、等化回路および充電器に関する種々の電圧および電流波形を示す図である。
【図３５】本発明の一実施例に係る高電力等化処理を受けるセルに対する電圧波形のグラフ表示である。
【図３６】高電流等化回路のバイパストランジスタを制御する、信号駆動回路により生成されるデジタル制御信号を示す図である。
【図３７】高電流等化回路の信号ドライバにより生成された制御信号に応答した、トランジスタのゲート−ソース電圧、等化バイパス電流、およびセル電流に対応する波形を示す図である。
【図３８】セル等化およびセルバイパス機能を実行する回路を含む、一体化された等化およびバイパスモジュールの実施例を示す図である。
【図３９】図３８に示された一体化された等化およびバイパスモジュールが取付けられる相互接続ボードを示す図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２６】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２７Ｃ】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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