(57)【要約】  直列に接続された一連の充電不足のセルを充電するためのシステムと方法とは、充電回路を利用する。充電回路は、一連のセルの全てから電流を受け取った後、電流を充電不足のセルに供給するインダクタを含む。スイッチをオン／オフして、インダクタに流入し充電不足のセルに供給される電流を制御するために、パルス幅変調が利用される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された複数のセルの充電状態（ＳＯＣ）を均一化する方法であって、
充電するために前記複数のセルの中から充電不足のセルを特定する工程と、
前記充電不足のセルの正の側に正バスを電気的に接続する工程と、
前記充電不足のセルの負の側に負バスを電気的に接続する工程と、
第１期間の間、インダクタを電圧源に電気的に接続する工程と、
前記第１期間の経過に応答して前記インダクタを前記電圧源から電気的に切断する工程と、
前記充電不足のセルに前記インダクタがエネルギーを放電するために必要な時間と概ね一致する第２期間の間、前記複数のセルからの前記インダクタの切断状態を維持する工程と、
を有する方法。
【請求項２】
前記電圧源が、前記複数のセルであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電圧源が、外部システムであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記インダクタを介して流れる電流を感知する工程をさらに有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記インダクタを前記電圧源から電気的に切断する前記工程が、前記インダクタを介して流れる前記電流の所定水準への到達に応答して前記インダクタを前記電圧源から電気的に切断する工程であることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記充電不足のセルが、前記複数のセルの他のセルに対して充電不足であるかどうかを判別する工程をさらに有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
インダクタを電気的に接続する前記工程と、電流を感知する前記工程と、前記インダクタを電気的に切断する前記工程と、前記充電不足のセルが前記複数のセルに対して充電不足のままであることに応答して切断を維持する工程とを繰り返す工程をさらに有する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
直列に接続された複数のセルの充電状態（ＳＯＣ）を均一化するためのシステムであって、
正バスと負バスと、
前記正バスを前記セルのうち１つの正の側に電気的に接続するために、各正バススイッチが前記正バスと前記セルのうち１つに電気的に接続された複数の正バススイッチと、
前記負バスを前記セルのうち１つの負の側に電気的に接続するために、各負バススイッチが前記正バスと前記セルのうち１つに電気的に接続された複数の負バススイッチと、
前記複数のセルのうち充電不足のセルを充電するために、電圧源と前記両バスとに電気的に接続された充電回路であって、
前記負バスに電気的に接続された第１の側と、前記正バスに電気的に接続された第２の側とを有するインダクタと、
前記インダクタの前記第１の側と前記電圧源の正極端子とに電気的に接続された第１スイッチと、
前記インダクタの前記第２の側と前記電圧源の負極端子とに電気的に接続された第２スイッチと、
を有する充電回路と、
前記第１および第２スイッチを入れてエネルギーを前記電圧源から前記インダクタに輸送し、前記第１および第２スイッチを切ってエネルギーを前記インダクタから前記複数のセルのうち充電不足のセルに輸送するために、前記第１および第２スイッチと連絡している制御器と、
を有するシステム。
【請求項９】
前記インダクタを介して流れる電流量を感知するために、前記第２スイッチと前記電圧源の負の側との間に電気的に接続され、かつ、前記制御器に連絡している電流センサをさらに有する、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記インダクタの前記第２の側に電気的に接続された陽極と前記正バスに電気的に接続された陰極とを有する充電ダイオードを、前記充電回路がさらに有することを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
前記正バスと前記負バスとの間に電気的に接続されたキャパシタを、前記充電回路がさらに有することを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記制御器に電気的に接続されたゲートと、前記電圧源の正の側に電気的に接続されたソースと、前記インダクタの前記第１の側に電気的に接続されたドレインとを有する第１ＭＯＳＦＥＴとして、前記第１スイッチがさらに定義されることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
【請求項１３】
前記制御器に電気的に接続されたゲートと、前記インダクタの前記第２の側に電気的に接続されたソースと、前記電圧源の前記負の側に電気的に接続されたドレインとを有する第２ＭＯＳＦＥＴとして、前記第２スイッチがさらに定義されることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
【請求項１４】
前記セルのうち１つから前記正バスへの電流の流入を防ぐために、各正バスダイオードが前記正バスと前記セルのうち１つとの間に電気的に接続される、複数の正バスダイオードをさらに有する、請求項７に記載のシステム。
【請求項１５】
前記セルのうち１つから前記負バスへの電流の流入を防ぐために、各負バスダイオードが前記負バスと前記セルのうち１つとの間に電気的に接続される、複数の負バスダイオードをさらに有する、請求項７に記載のシステム。
【請求項１６】
前記正バスに電気的に接続された正バストランスファースイッチと、前記負バスに電気的に接続された負バストランスファースイッチとを、前記両バスを一連の外部セルと外部システムとの一方あるいは両方に電気的に接続するためにさらに有する、請求項７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本特許出願は、２００７年３月２０日に出願された米国特許仮出願第６０／８９５，７６８号の優先権を主張する。これは、本明細書に参照によって組み込まれる。
【０００２】
本願発明は、概して、直列に接続された複数のセルの充電状態（ＳＯＣ）を均一化するシステムと方法とに関する。
【背景技術】
【０００３】
電気自動車やハイブリッド電気自動車は、一般的に、多数のセル（即ち、バッテリ）を利用して、駆動モータや他の電気装置などの負荷に電力を供給する。当業者にとっては極めて周知のことだが、高電圧を提供するため、これらのセルはしばしば互いに直列関係で接続される。
【０００４】
こうした直列接続セルは、個別のセルの間のばらつきがあるせいで、安定した電圧を維持し初期不良を防ぎ最大の電力を負荷に供給するために、定期的な均一化、即ち、電荷の平均化を必要とする。この必要に応えるために、これまでさまざまなシステムと技術が開発されてきた。例えば、作動セルの均一化法は、満充電セルの周囲では電流が短絡される電荷短絡法、電荷が一方のセルから取り除かれ他方のセルへ送られる電荷往還法、インダクタもしくは変圧器が１つのセルあるいは１群のセルから別のセルあるいは別の群のセルにエネルギーを動かすエネルギー変換器、最大充電のセルから電荷を取り除くエネルギー散逸法を含む。
【０００５】
特に、電流を個別のセルの間で往復させる誘電電荷往還法のようなエネルギー変換器を使用する方法が一般的に用いられる。しかし、誘電電荷往還法は、典型的に、「開ループ」法である。即ち、充電予定のセルに運ばれる電流は、インダクタの容量に基づき、一般的に可変ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
セルの現在の充電量に基づいてセルに供給する電流量を変更することは有利であるので、セルの現在の充電量に基づいてセルの充電状態を均一化するための方法とシステムとには可能性が残されている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願発明は、直列に接続された複数のセルの充電状態（ＳＯＣ）を均一化するシステムを含む。本システムは正バスと負バスとを含む。また、本システムは、正バスをセルのうち１つの正の側に電気的に接続するために、各正バススイッチが正バスとセルのうち１つとに電気的に接続された複数の正バススイッチを含む。本システムはさらに、負バスをセルのうち１つの負の側に電気的に接続するために、各負バススイッチが負バスとセルのうち１つとに電気的に接続された複数の負バススイッチを含む。充電回路は、複数のセルのうち充電不足のセルを充電するために、電圧源と両バスとに電気的に接続されている。この充電回路は、負バスに電気的に接続された第１の側と、正バスに電気的に接続された第２の側とを有するインダクタを含む。第１スイッチは、インダクタの第１の側と電圧源の正極端子とに電気的に接続される。第２スイッチは、インダクタの第２の側と電圧源の負極端子とに電気的に接続される。また、本システムは、第１および第２スイッチを入れてエネルギーを電圧源からインダクタに輸送し、第１および第２スイッチを切ってエネルギーをインダクタから複数のセルのうち充電不足のセルに輸送するために、第１および第２スイッチと連絡している制御器を含む。
【０００８】
また、本願発明は、直列に接続された複数のセルの充電状態（ＳＯＣ）を均一化する方法を提供する。本方法は、充電するために前記複数のセルの中から充電不足のセルを特定する工程を含む。また、本方法は、充電不足のセルの正の側を正バスに電気的に接続する工程と、充電不足のセルの負の側を負バスに電気的に接続する工程とを含む。インダクタは、第１期間の間、電圧源に電気的に接続される。インダクタは、第１期間の経過に応答して電圧源から電気的に切断される。また、本方法は、充電不足のセルにインダクタがエネルギーを放電するために必要な時間と概ね一致する第２期間の間、複数のセルからのインダクタの切断状態を維持する工程を含む。
【０００９】
インダクタを電圧源から選択的に接続したり切断したりすることで、本願発明のシステムと方法とは、充電不足のセルを充電するために制御された電流量を提供する。この制御された電流量は充電不足のセルの充電量に基づいて変更され得る。したがって、充電不足のセルが充電される速度は先行技術の速度を上回る。さらに、本願発明のシステムと方法とでは電荷短絡法あるいはエネルギー散逸法で生じるエネルギーが無駄にならない。
【００１０】
本発明の他の有利な点は容易に認められることと思うが、添付図面との関連を念頭に以下の詳細な記述を参照することでいっそうの理解を得られるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】複数のセルと正バスと負バスと複数のバススイッチと複数のバスダイオードとを示す本システムの電気接続ブロック模式図である。
【図２】制御器と充電回路とを示す本システムの電気接続ブロック模式図である。
【図３】本願発明に係る方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面を参照しながら、直列に接続された複数のセル１２の充電状態（ＳＯＣ）を均一化するためのシステム１０と方法１００とを示す。このとき同種の数字は複数の図面に渡って対応する部品を表す。当業者であれば、”セル”が一般的には”バッテリ”として言及されていることを理解しているだろう。本明細書では、一貫性を保つために、セル１２という用語が全体にわたって使用されているが、このことは、いかなる点においても本願発明を制限するものとみなされるべきではない。
【００１３】
当業者にとっては周知のことだが、各セル１２は正の側（即ち、正極）と負の側（即ち、負極）とを含む。図１を参照すると、多数のセル１２が共に直列して電気的に接続される。具体的には、第１セル１２Ａの負の側が第２セル１２Ｂの正の側に電気的に接続され、第２セル１２Ｂの負の側が第３セル１２Ｃの正の側に電気的に接続され、というように繰り返される。さらに、各セル１２は実際には複数の物理セル１２を直列と並列との一方のあるいは両方の方式で接続したものであってもよい。セル１２は、電気自動車やハイブリッド電気自動車などの車両（図示せず）に実装され得る。しかし、当業者であれば、セル１２が、非車両用途を含む他の環境にも実装され得ることを理解するであろう。
【００１４】
本発明の例示的実施形態では、５つのセル１２が直列に接続され、第１セル１２Ａから第５セル１２Ｅまで順番にラベルされている。言うまでもないが、セル１２の数あるいは種類および容量はいかなるものでも本願発明に利用され得るので、例示的実施形態においてセル１２を５個使用したことは、本願発明を制限するものとみなされるべきではない。システム１０は、各セル１２の電圧を感知するためにセル１２に電気的に接続された１つ以上の電圧センサ（図示せず）を含んでもよい。電圧センサは、代わりに、この例示的実施形態のシステム１０と連絡している外部装置（図示せず）の一部であってもよい。
【００１５】
この例示的実施形態では、システム１０は正バス１４と負バス１６とを含む。複数の正バススイッチ１８は正バス１４と電気的に接続され、複数の負バススイッチ２０は負バス１６と電気的に接続される。したがって、正バス１４は、正バススイッチ１８間の電気的接続として実装され得、負バス１６は、負バススイッチ２０間の電気的接続として実装され得る。
【００１６】
バススイッチ１８，２０はバス１４，１６をセルに電気的に接続する働きをする。具体的には、この例示的実施形態では、各正バススイッチ１８は正バス１４をセル１２のうち１つの正の側に電気的に接続し、各負バススイッチ２０は負バス１６をセル１２のうち１つの負の側に電気的に接続する。
【００１７】
バススイッチ１８，２０は、図１では、一般的な電気スイッチ記号で示されている。好ましくは、バススイッチ１８，２０は金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などのトランジスタとともに実装される。言うまでもないことだが、当業者であれば、バススイッチ１８，２０を実装する代替的な技術として、これに限定されないが、機械式スイッチなどがあることを理解するであろう。
【００１８】
この例示的実施形態では、また、システム１０は複数の正バスダイオード２２と複数の負バスダイオード２４とを含む。各正バスダイオード２２は、正バス１４からセル１２へ電流が流れるようにするため、各正バススイッチ１８と各セル１２との間に電気的に接続される。各負バスダイオード２４は、セル１２から負バス１６へ電流が流れるようにするため、各負バススイッチ２０と各セル１２との間に電気的に接続される。説明を目的に、正バススイッチ１８は第１正バススイッチ１８Ａから第６正バススイッチ１８Ｆまで順番にラベルされており、負バススイッチ２０は第１負バススイッチ２０Ａから第６負バススイッチ２０Ｆまで順番にラベルされている。正バスダイオード２２は第１正バスダイオード２２Ａから第６正バスダイオード２２Ｆまで順番にラベルされており、負バスダイオード２４は第１負バスダイオード２４Ａから第６負バスダイオード２４Ｆまで順番にラベルされている。図１では、バスダイオード２２，２４はツェナーダイオードとして示されている。しかし、また、他の適切な種類のダイオードであっても許容され得る。
【００１９】
代替的実施形態（図示せず）では、システム１０は、例示的実施形態のダイオード２２，２４の代わりに複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）（図示せず）を含む。具体的には、ＦＥＴは、各バススイッチ１８，２０と各セル１２との間に電気的に接続される。この代替的実施形態の構成は、セル１２とバス１４，１６との間で電流が両方向に流れることを可能にする。これによってセル１２間の電流の往還が可能となる。好ましくは、ＦＥＴは、当業者にとっては周知であるが、高速ＦＥＴである。
【００２０】
また、例示的実施形態のシステム１０は、セル１２のＳＯＣの均一性を制御するための、即ち、充電および放電のための制御器２８を含む。当業者にとっては極めて周知のことだが、制御器２８は、複数の電子装置とともに実装されても、あるいは、１つのマイクロチップにパッケージ化されてもよい。
【００２１】
また、システム１０は充電回路３０を含む。充電回路３０はさまざまなセル１２の充電を促進する。充電回路３０は、電流を受け取るために、電圧源３２に電気的に接続されている。電圧源３２は正極端子３４と負極端子３６とを含む。この例示的実施形態では、直列に接続されたセル１２は電圧源３２として機能を果たす。しかし、他の実施形態では、電圧源３２は、他のバッテリパックや電力供給装置などの外部電源（図示せず）であってもよい。また、充電回路３０はバス１４，１６に電気的に接続されている。充電回路３０は、以下で詳述するように、充電不足のセル１２の充電のために、バス１４，１６に電流を供給する。
【００２２】
充電回路３０は、第１の側４０と第２の側４２とを有するインダクタ３８を含む。第１の側４０は、負バス１６に電気的に接続されており、第２の側４２は正バス１４に電気的に接続されている。インダクタ３８は、直列に接続された１組のインダクタとして実装されてもよい。適切なインダクタ３８の一つとしては、クーパーバスマン社製のＤＲＩ２５−４７０のような約４７μＨのインダクタンスを有するものが挙げられる。
【００２３】
また、充電回路３０は、第１スイッチ４４と第２スイッチ４６とを含む。第１スイッチ４４はインダクタ３８の第１の側４０と電圧源３２の正極端子３４との間に電気的に接続される。このようにして、第１スイッチ４４は、インダクタ３８を電圧源３２と接続したり切断したりする。第２スイッチ４６は、インダクタ３８の第２の側４２と電圧源３２の負極端子３６との間に電気的に接続される。したがって、第２スイッチ３６もまた、インダクタ３８を電圧源３２と接続したり切断したりする。制御器２８は、第１および第２スイッチ４４，４６を入れてエネルギーを電圧源３２からインダクタ３８に輸送するために、第１および第２スイッチ４４，４６と連絡している。また、制御器２８は、以下でさらに記述するように、第１および第２スイッチ４４，４６を切ってエネルギーをインダクタ３８から複数のセル１２の充電不足のセル１２の輸送を制御する。
【００２４】
好ましくは、第１および第２スイッチ４４，４６は、ゲートとソースとドレインとを有するＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタとともに実装される。第１スイッチ４４に関して、ゲートは制御器３２に電気的に接続され、ソースは電圧源３２の正極端子３４に電気的に接続され、ドレインはインダクタ３８の第１の側４０に電気的に接続される。第２スイッチ４６に関して、ゲートは制御器３２に電気的に接続され、ソースはインダクタ３８の第２の側４２に電気的に接続され、ドレインは電圧源３２の負極端子３６に電気的に接続される。
【００２５】
充電回路３０は、さらに、第２スイッチ４６と電圧源３２の負極端子３６との間に電気的に接続される電流センサ４８を含む。電流センサ４８は、インダクタ３８を介して流れる電流の量を感知するために、制御器２８と連絡している。このようにして、充電不足のセル１２へ送られるべき電流の量は制御され得る。
【００２６】
この例示的実施形態では、電流センサ４８はレジスタ４０として実装される。このレジスタ５０は、当業者には”電流測定レジスタ”と呼ばれる。レジスタ４０全体の電圧は制御器２８に伝達される。次に、制御器はレジスタ４０を介して流れる電流、つまり一般にインダクタ３８を介して流れる電流を計算する。
【００２７】
また、この例示的実施形態では、充電回路３０は充電ダイオード５４を含む。充電ダイオード５２は、インダクタ３８の第２の側４２に電気的に接続された陽極（番号を付せず）と、正バス１４に電気的に接続された陰極（番号を付せず）とを有する。充電ダイオード５２は、インダクタ３８から正バス１４への電流の流入を許容するが、ほとんどの場合、正バス１４からインダクタ３８への電流の流入は防止する。充電ダイオード５２は、好ましくは、ツェナーダイオードとして実装されるが、他の種類のダイオードも許容され得る。また、この例示的実施形態では、充電回路３０は、正バス１４と負バス１６との間に電気的に接続されたキャパシタ５４を含む。
【００２８】
また、システム１０は正バストランスファースイッチ５６と負バストランスファースイッチ５８とを含んでもよい。正バストランスファースイッチ５６は正バス１４に電気的に接続され、負バストランスファースイッチ５８は負バス１６に電気的に接続される。これらのトランスファースイッチ５６，５８はバス１４，１６を一連の外部セル（図示せず）に電気的に接続するために利用され得る。そのため、セル１２は他の外部セルを充電するために使用され得る。また、トランスファースイッチ５６，５８は、エネルギー、即ち電流を外部システム（図示せず）に輸送するために使用され得る。さらに、トランスファースイッチ５６，５８は外部システム（図示せず）からエネルギーを集めるために利用され得る。
【００２９】
本願発明の方法１００は上記のシステム１０を利用してもよい。しかし、当業者であれば方法１００を実行するための代替技術が存在することを理解するだろう。そのため、本願明細書に記載した方法１００は、本願明細書に記載のシステム１０を使用するためのみに限定されると解釈されるべきではない。
【００３０】
方法１００は、充電のため複数のセル１２の中から充電不足のセル１２を特定する工程１０２を含む。すなわち、セル１２の中のどれが最も充電を必要としているかを判定する。当業者であれば、この工程を実行するための複数の技術を把握しているだろう。技術の一つは、各セル１２に電気的に接続された電圧検出回路（図示せず）を利用することである。こうした電圧検出回路は各セル１２の電圧を判定し、制御器と連絡している。
【００３１】
セル１２のどれを充電すべきかが判定されると、本方法は充電不足のセル１２の正の側を正バス１４に電気的に接続する工程１０４に続く。この工程１０４は、正バス１４から充電不足のセル１２へ電流が流れるように、充電不足のセル１２の正の側に電気的に接続された正バススイッチ１８を閉じることで実行され得る。
【００３２】
また本方法は充電不足のセル１２の負の側を負バス１６に電気的に接続する工程１０６を含む。先と同様に、この工程１０６は、充電不足のセル１２の負の側に電気的に接続された負バススイッチ２０を閉じることで実行され得る。
【００３３】
さらに、本方法は、第１期間の間、インダクタ３８を電圧源３２に電気的に接続する工程１０８を含む。このようにして、インダクタ３８は電圧源３２から電流を受け取る。具体的には、電流は、インダクタ３８の第１の側４０から第２の側４２へ流れる。この工程１０８は、第１および第２スイッチ４４，４６を閉じることで、それらを介して電流が流れること、即ちＭＯＳＦＥＴを起動することで実行される。
【００３４】
また、本方法は、第１期間の経過に応答してインダクタ３８を電圧源３２から電気的に切断する工程１１０を含む。これは、第１および第２スイッチ４４，４６を開き、即ちＭＯＳＦＥＴを停止し、そして電流の流れを止めることで実行される。
【００３５】
第１期間は、通常は充電回路３０を、場合によってはインダクタ３８を介して流れる電流量により判定される。別の方式では、第１および第２スイッチ４４，４６は、電流の流出を、所定水準に達するまで、許可する。所定水準は、充電不足のセル１２を充電するために望ましい電流流出の速度に等しい。また、本方法１００は、インダクタを介して流れる電流量を判定するため、インダクタ３８を介して流れる電流を感知する工程１１２を含む。この例示的実施形態では、この工程１１２は、第２スイッチ４６と電圧源３２の第２端子３６との間に電気的に接続される電流センサ４８として実装される。
【００３６】
さらに、本方法１００は、第２期間の間、複数のセル１２からのインダクタ３８の切断状態を維持する工程１１４を含む。第２期間は、充電不足のセル１２にインダクタ３８がエネルギーを放電するために必要な時間と概ね一致する。好ましくは、第２期間は、他のセル１２と比較して充電不足のセル１２の電圧に基づいて調整され得る。
【００３７】
インダクタ３８を電気的に接続し、電流を感知し、インダクタ３８を電気的に切断し、充電不足のセル１２が複数のセル１２に対して充電不足のままであることに応答して切断を維持するという工程１０４，１０６，１０８，１１０，１１２，１１４は充電不足のセル１２を完全に充電するまで繰り返される。第１期間および第２期間は、充電不足のセル１２の電荷の変化に基づいて変更され得る。このようにして、充電不足のセル１２の充電に基づいたパルス幅変調（ＰＷＭ）が、充電回路３０によって実行される。
【００３８】
本発明を本明細書中で例示的に示してきたが、使用された用語が意図するところは、制限を設けることではなく、記述中のことばの本質にあると解されるべきである。自明なことではあるが以上の教示を参考に、本発明の多くの修正形態と変形例とが可能である。本発明は、添付請求項の範囲で具体的に記述された以上の他にも、実用的であり得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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