(57)【要約】バッテリセル（Ｃ1、Ｃ2、・・・Ｃn）の１つまたは複数の直列に接続された列（Ｓ1、Ｓ2、・・・Ｓn）を有するエネルギーシステム（２３０）の電流または充電量の状態（ＳＯＣ）を監視する装置。各バッテリセルは、各セルに並列に選択的に接続可能であるエネルギー散逸装置（Ｄ1、Ｄ2、・・・Ｄn）であって列内のセル電圧を均衡化するエネルギー散逸装置を有する。散逸装置は、予め決められた一般に同じインピーダンス値である。各セルの両端の電圧（Ｖc1、Ｖc2、・・・Ｖcn）は、別々に監視可能であり、それによって、セルに並列に接続された散逸装置のインピーダンス値で監視されたセルの両端の電圧を割ることで、散逸電流が決定される。全ての散逸電流の合計によって誤差値が生成され、この誤差値は次いで、バッテリセルと散逸装置との組み合わせに流れる測定された総電流（Ｉbat）から除去されて修正された電流値（Ｉbatnet）を生成する。修正されたＳＯＣ値（Ｑnet）が同様の方法で得られる。
2010541520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のバッテリセル（Ｃ1、Ｃ2、・・Ｃn）の直列配列（Ｓ1、Ｓ2、・・Ｓn）と、
複数の個々のエネルギー散逸装置（Ｄ1、Ｄ2、・・Ｄn）であって、各エネルギー散逸装置が、複数のバッテリセル（Ｃ1、Ｃ2、・・Ｃn）の各バッテリセルに付随しており、選択的に各バッテリセルに並列に接続可能および切断可能（ＳＷ1、ＳＷ2、・・ＳＷn）である、複数の個々のエネルギー散逸装置（Ｄ1、Ｄ2、・・Ｄn）と、
複数のバッテリセル（Ｃ1、Ｃ2、・・Ｃn）の各バッテリセルの両端の電圧（Ｖcell_i）を測定する回路（２４０、Ｖc1、Ｖc2、・・Ｖcn）と、
複数のバッテリセルの直列配列と各バッテリセルに並列に接続された全てのエネルギー散逸装置とに流れる電流（Ｉbat）の大きさおよび方向を測定する回路（２４０、３６）と、
を備える再充電可能なエネルギー貯蔵システム（２３０）において、実質的に複数のバッテリセルだけに流れる電流（Ｉbatnet）の測定値を提供する方法であって、
ａ）  各エネルギー散逸装置（Ｄ1、Ｄ2、・・Ｄn）についてそれぞれ予め決められたインピーダンス（Ｒ）を確定し、
ｂ）  複数の個々のエネルギー散逸装置（Ｄ1、Ｄ2、・・Ｄn）のうちのどのエネルギー散逸装置が実際にバッテリセル（Ｃ1、Ｃ2、・・Ｃn）の各バッテリセルに並列に接続されているかを決定し（２４０、２４６、ＳＷ1、ＳＷ2、・・・ＳＷn）、
ｃ）  エネルギー散逸装置が実際に並列に接続されている各バッテリセルの両端の電圧を決定し（２４０、３１０、２４４、Ｖc1、Ｖc2、・・Ｖcn）、
ｄ）  前記の接続されている各エネルギー散逸装置の電流（Ｉdis）を決定し（２４０、４２０）、
ｅ）  前記の接続されている各エネルギー散逸装置の電流（Ｉdis）を合計して（２４０、４３０）、合計散逸電流の測定値（Ｉdistot）を提供し、
ｆ）  複数のバッテリセルの直列配列と各バッテリセルに並列に接続された全てのエネルギー散逸装置との組み合わせに流れる測定された電流（Ｉbat）から前記の接続されているエネルギー散逸装置の合計散逸電流（Ｉdistot）を差し引いて（２４０、４６０）、実質的に複数のバッテリセルの直列配列だけに流れる電流（Ｉbatnet）の補正された測定値を提供する、
ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
各エネルギー散逸装置（Ｄ1、Ｄ2、・・Ｄn）についてそれぞれ予め決められたインピーダンス（Ｒ）は同じであり、前記の接続されている各エネルギー散逸装置の電流（Ｉdis）を決定することは、各バッテリセルの電圧（Ｖcell_i）をインピーダンス（Ｒ）で割る（２４０、４２０）ことを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
複数のバッテリセル（Ｃ1、Ｃ2、・・Ｃn）の直列配列（Ｓ1、Ｓ2、・・Ｓn）と、
複数の個々のエネルギー散逸装置（Ｄ1、Ｄ2、・・Ｄn）であって、各エネルギー散逸装置が、複数のバッテリセル（Ｃ1、Ｃ2、・・Ｃn）の各バッテリセルに付随しており、選択的に各バッテリセルに並列に接続可能および切断可能（ＳＷ1、ＳＷ2、・・ＳＷn）である、複数の個々のエネルギー散逸装置（Ｄ1、Ｄ2、・・Ｄn）と、
複数のバッテリセル（Ｃ1、Ｃ2、・・Ｃn）の各バッテリセルの両端の電圧（Ｖcell_i）を測定する回路（２４０、Ｖc1、Ｖc2、・・Ｖcn）と、
複数のバッテリセルの直列配列と各バッテリセルに並列に接続された全てのエネルギー散逸装置とに流れる電流（Ｉbat）の大きさおよび方向を測定する回路（２４０、３６）と、
を備える再充電可能なエネルギー貯蔵システム（２３０）において、実質的に複数のバッテリセルだけに対する正味の充電量（Ｑnet）の測定値を提供する方法であって、
ａ）  各エネルギー散逸装置（Ｄ1、Ｄ2、・・Ｄn）についてそれぞれ予め決められたインピーダンス（Ｒ）を確定し、
ｂ）  複数の個々のエネルギー散逸装置（Ｄ1、Ｄ2、・・Ｄn）のうちのどのエネルギー散逸装置が実際にバッテリセル（Ｃ1、Ｃ2、・・Ｃn）の各バッテリセルに並列に接続されているかを決定し（２４０、２４６、ＳＷ1、ＳＷ2、・・・ＳＷn）、
ｃ）  エネルギー散逸装置が実際に並列に接続されている各バッテリセルの両端の電圧（Ｖcell_i）を決定し（２４０、３１０、２４４、Ｖc1、Ｖc2、・・Ｖcn）、
ｄ）  前記の接続されている各エネルギー散逸装置で散逸する散逸充電量（Ｑcell）を決定し（２４０、３２０）、
ｅ）  前記の接続されている各エネルギー散逸装置の散逸充電量（Ｑcell）を合計して（２４０、３３０）、合計散逸充電量の測定値（Ｑtot）を提供し、
ｆ）  複数のバッテリセルの直列配列と各バッテリセルに並列に接続された全てのエネルギー散逸装置とに流れる電流（Ｉbat）の大きさおよび方向の測定値から、総充電量（Ｑgross）を決定し（２４０、３５０）、
ｇ）  複数のバッテリセルの直列配列と各バッテリセルに並列に接続された全てのエネルギー散逸装置との組み合わせについて決定された総充電量（Ｑgross）から前記の接続されているエネルギー散逸装置の合計散逸充電量（Ｑtot）を差し引いて（２４０、３６０）、実質的に複数のバッテリセルの直列配列だけについての充電量（Ｑnet）の補正された測定値を提供する、
ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
各エネルギー散逸装置（Ｄ1、Ｄ2、・・Ｄn）についてそれぞれ予め決められたインピーダンス（Ｒ）は同じであり、前記の接続されている各エネルギー散逸装置で散逸する散逸充電量（Ｑcell）を決定することは、各バッテリセル電圧の時間積分（∫Ｖcell_i・ｄｔ）をインピーダンス（Ｒ）で割る（２４０、３２０）ことを含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
総充電量（Ｑgross）を決定する（３５０）ことは、複数のバッテリセルの直列配列と各バッテリセルに並列に接続された全てのエネルギー散逸装置とに流れる電流（Ｉbat）の大きさおよび方向の時間積分（∫Ｉbat・ｄｔ）を決定することを含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項６】
複数のバッテリセル（Ｃ1、Ｃ2、・・Ｃn）の直列配列（Ｓ1、Ｓ2、・・Ｓn）と、
複数の個々のエネルギー散逸装置（Ｄ1、Ｄ2、・・Ｄn）であって、各エネルギー散逸装置が、複数のバッテリセル（Ｃ1、Ｃ2、・・Ｃn）の各バッテリセルに付随しており、選択的に各バッテリセルに並列に接続可能および切断可能（ＳＷ1、ＳＷ2、・・ＳＷn）である、複数の個々のエネルギー散逸装置（Ｄ1、Ｄ2、・・Ｄn）と、
複数のバッテリセル（Ｃ1、Ｃ2、・・Ｃn）の各バッテリセルの両端の電圧（Ｖcell_i）を測定する回路（２４０、Ｖc1、Ｖc2、・・Ｖcn）と、
複数のバッテリセルの直列配列と各バッテリセルに並列に接続された全てのエネルギー散逸装置とに流れる電流（Ｉbat）の大きさおよび方向を測定する回路（２４０、３６）と、
を備える再充電可能なエネルギー貯蔵システム（２３０）において、改良は、
ａ）  各エネルギー散逸装置（Ｄ1、Ｄ2、・・Ｄn）は、それぞれ予め決められたインピーダンス（Ｒ）であり、
ｂ）  回路（２４０、２４６、ＳＷ1、ＳＷ2、・・・ＳＷn）は、複数の個々のエネルギー散逸装置（Ｄ1、Ｄ2、・・Ｄn）のうちのどのエネルギー散逸装置が実際にバッテリセル（Ｃ1、Ｃ2、・・Ｃn）の各バッテリセルに並列に接続されているかを決定するように構成され、
ｃ）  回路（２４０、３１０、２４４、Ｖc1、Ｖc2、・・Ｖcn）は、エネルギー散逸装置が実際に並列に接続されている各バッテリセルの両端の電圧を決定するように構成され、
ｄ）  回路（２４０、４２０）は、前記の接続されている各エネルギー散逸装置の電流（Ｉdis）を決定するように構成され、
ｅ）  回路（２４０、４３０）は、前記の接続されている各エネルギー散逸装置の電流（Ｉdis）を合計して、合計散逸電流の測定値（Ｉdistot）を提供するように構成され、
ｆ）  回路（２４０、４６０）は、複数のバッテリセルの直列配列と各バッテリセルに並列に接続された全てのエネルギー散逸装置との組み合わせに流れる測定された電流（Ｉbat）から前記の接続されているエネルギー散逸装置の合計散逸電流（Ｉdistot）を差し引き、それによって、実質的に複数のバッテリセルの直列配列だけに流れる電流（Ｉbatnet）の補正された測定値を提供するように構成される、
ことを特徴とする再充電可能なエネルギー貯蔵システム（２３０）。
【請求項７】
各エネルギー散逸装置（Ｄ1、Ｄ2、・・Ｄn）は同じ値の抵抗であることを特徴とする請求項６記載の再充電可能なエネルギー貯蔵システム（２３０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電気エネルギー貯蔵システムに関し、より詳細には、セル均衡化を有する多セルエネルギー貯蔵システムに関する。さらに詳細には本開示は、セル均衡化を有する多セル電気エネルギー貯蔵システム用の充電量状態の計算に関する。
【０００２】
本発明は、米国空軍と結ばれた契約ＦＡ８６５０−０６−２−２６０１による米国政府の援助のもとでなされた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
バッテリその他などの電気エネルギー貯蔵システム（あるいは単にエネルギー貯蔵システム）には、多数のさまざまな用途での応用が見出されている。これらの例としてはとりわけ、コンピュータなどの電源バックアップシステム、電動モータの電源などの自動車用のエネルギー貯蔵バッテリ、燃料電池による過渡応答を容易にするエネルギー貯蔵システムなどが挙げられる。
【０００４】
このようなエネルギー貯蔵システムの大部分は、負荷に電流を供給可能であるばかりでなく、別の電流供給源から再充電も可能である。エネルギー貯蔵システムの充電および放電両方の処理をうまく行うには、エネルギー貯蔵システムの充電量の状態（ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ）（ＳＯＣ）を監視するのが都合がよいし、あるいは必要でさえある。エネルギー貯蔵システムのＳＯＣを知得および／または追跡することによって、エネルギー残存量を決定し、エネルギー貯蔵システムにさらに充電するか否かを決定できる。
【０００５】
このようなシステムのＳＯＣを決定および／または監視するさまざまな手段や技術がある。以下の説明に潜在的に含まれているのは、ここでは説明しないが、少なくとも最初のＳＯＣレベルを正確に決定する独立した能力であり、本開示の焦点は、エネルギー貯蔵装置が、負荷に電流を供給することにより放電し、あるいは、電流源から電流を受け取ることにより充電される際に、そのＳＯＣを正確に追跡することにある。エネルギー貯蔵システムのＳＯＣが出力増加過渡時に負荷に必要な電力を供給するには低すぎずかつ出力減少過渡時に負荷から充電電流を受け取るには高すぎないことを確実に実現するには、エネルギー貯蔵システムのＳＯＣの知得および／または制御が有用かつ必要である。例えば、６０％〜８０％の充電量である公称ＳＯＣ範囲近辺で作動させて、過渡時にさらに充放電可能にするのが望ましいであろう。
【０００６】
図１は、燃料電池と共に使用されるエネルギー貯蔵システムのＳＯＣを監視する従来技術による装置の簡単な例を示している。燃料電池１０は、負荷２０に供給する直流電力を生成する。燃料電池１０は、電圧調整器として作動するＤＣ−ＤＣコンバータ２２を介して負荷２０に接続される。特に電気負荷の変化によって生じる過渡時に、負荷２０への均一かつ十分な電力の供給を確実に維持するためには、ここでは再充電可能バッテリ３０として図示されているエネルギー貯蔵システムで、応答の遅い燃料電池１０を補助するのが望ましい。ここに示した例のバッテリ３０は公称上、約２８Ｖdcの電圧を供給しており、従って、各バッテリセルがより低いおそらく３Ｖdcの電圧を有する、多数の直列に接続されたバッテリセルＣ1、Ｃ2、・・Ｃnの列（ｓｔｒｉｎｇ）Ｓ1から成る。用途に応じて他の電圧レベルが可能であり、例えば、４００Ｖdc、７００Ｖdcが挙げられる。さらに、過渡時などに燃料電池１０を補助するのに必要な電流／電力容量を提供するためには、相互に並列に接続された多数の、直列に接続されたバッテリセルの列Ｓ1、Ｓ2、・・Ｓnが一般的であろう。ここで使用する際にさらに参照し、区別するために、燃料電池は、「燃料電池」と呼び、共同してバッテリまたはエネルギー貯蔵装置を構成する個々のセルは、「バッテリセル」あるいは単に「セル」と呼ぶ。
【０００７】
上述したバッテリ３０の構成だけを仮定すると、電流センサまたはモニタ３６によるバッテリから流出しかつバッテリへ流入する対応する放電電流および充電電流Ｉbatの測定によってこのバッテリのＳＯＣを監視するのは比較的簡単なことであった。電流センサ３６は、バッテリ３０と直列に接続されており、電流Ｉbatの大きさばかりでなく、その向きすなわち充電対放電も決定可能である。充電かまたは放電かというこの単一の電流パラメータを仮定し、また、ＳＯＣの正確なレベルの最初の決定を仮定すると、作動中に継続してＳＯＣを決定することは、複雑さの異なるいくつかのアルゴリズムによって可能となる。最も簡単には、充電量Ｑは、電流Ｉの時間ｔについての積分、すなわち、Ｑ＝∫Ｉ・ｄｔ、である。これは従来のアンペア時間積分技法であり、電流Ｉは、バッテリが放電するか、充電されるかに応じて、正または負の向き（値）を有する。このさらなる例は、米国特許第５，５７８，９１５号、第５，７３９，６７０号に見られる。
【０００８】
図１は、従来技術の単純化された例を示しているが、おそらくより一般的な装置は、多数のバッテリセルの直列の列内の個々のセルの電圧を均衡化する設備が含まれている装置である。この要求は、多数のセルが直列に付加されているときに、各セルを流れる電流は同じであるが、各セルの特性すなわち「健康状態」が異なり、上述したように公称電圧が約３．０Ｖである各セルの両端の電圧が０．１Ｖ〜０．５Ｖ程度だけ変動する傾向があるために生じるものである。他の公称セル電圧も使用可能であり、本開示の目的および範囲内に含まれる。このような場合、健康な１つまたは複数のセルは、不健康なセルを「支える」ことでストレスを受けることがある。従って、各セルがほぼ同じ電圧で作動するのが望ましく、これは、図２に図示された従来技術による既知のセル均衡化技術で実現される。
【０００９】
図２を参照すると、図１、図２の２つの装置で同一または実質的に同一の構成要素について、図１の参照符号と同一の参照符号が図２でも使用されている。しかしながら、本開示により生じる何らかの機能、構成、あるいは構造上の相違があっても図２の構成要素が図１の構成要素に類似したままの場合は、先頭に「１」を追加した同じ参照符号を図２の構成要素に付与する。この簡単な説明では、図２の従来技術の例の特性、構造、および／または機能上の相違点を強調し、図１に関して行った説明と重複する説明の繰り返しは、最小限に抑える。
【００１０】
図２のバッテリ１３０は、図１のバッテリ３０と類似しているが、さらに、それぞれ選択的に作動可能なスイッチＳＷ1、ＳＷ2・・・ＳＷnを介して各バッテリセルＣ1、Ｃ2・・・Ｃnと並列に付随して接続可能な抵抗器Ｄ1、Ｄ2、・・・Ｄnなどのエネルギー散逸装置を含む。制御回路（図２には図示せず）は、１つまたは複数の高インピーダンス増幅器その他などによって、直列の列Ｓ1・・・Ｓnそれぞれの各セルＣ1、Ｃ2・・・Ｃnの両端の電圧を検出する能力を含み、さらに、必要に応じて個々のスイッチＳＷ1、ＳＷ2・・・ＳＷnを選択的に閉（または開）にする能力を含む。より詳細には、各エネルギー散逸装置Ｄ1、Ｄ2、・・・Ｄnは、便宜上同じ抵抗またはインピーダンス値を有し、従って、それぞれ対応するスイッチを閉にすることによって特定のセルに並列に接続されるとき、粗いが許容可能である、そのセルの電圧の下方調節が可能となり、また、スイッチを開にすることによってその逆が可能となる。バッテリセルの特定のセルに付随するエネルギー散逸装置を選択的に作動させることで、各セルの両端の電圧をさらにほぼ一定の値に維持し、それによって、バッテリ１３０の寿命を延ばすことができる。同様のセル均衡化の装置例は、米国特許第６，８７３，１３４号、第７，２４５，１０８号に開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図２のセル均衡化装置によって、バッテリ１３０の多数のセルをほぼ同一の電圧に維持する利点が得られるが、同時に、バッテリのＳＯＣの正確な監視または計算に複雑さが持ち込まれる。図１の例では、ＳＯＣであるＱは単に、所定期間、放電電流および充電電流の流れを追跡することで監視できたけれども、今度は、１つの電流センサ３６に流れるＩbat電流の一部は、各スイッチが閉にされる限り、それぞれ対応する電池に並列に接続されたさまざまなエネルギー散逸装置Ｄ1、Ｄ2、・・・Ｄnの１つまたは複数に流れる。このため、電流センサ３６に流れる電流Ｉbatの一部はもはやセルの充放電に関係せず、エネルギー散逸装置に流れるので、単に、電流センサ３６に流れる電流Ｉbatを監視することではもはやバッテリ１３０のＳＯＣを正確に監視することはできない。
【００１２】
バッテリが、１つまたは複数の、直列に接続されたセルの列から構成されかつ各セルに列内のセル電圧を均衡化する対応するエネルギー散逸装置が設けられた、バッテリなどのエネルギー貯蔵システムのＳＯＣを正確に監視または測定する装置が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の開示は、バッテリが１つまたは複数の、直列に接続されたセルの列から構成されかつ各セルに並列に選択的に接続可能である対応するエネルギー散逸装置であって列内のセル電圧を均衡化するエネルギー散逸装置が各セルに設けられた、バッテリなどのエネルギー貯蔵システムのＳＯＣを従来技術より高い正確さで監視または測定する装置を提供する。
【００１４】
エネルギー散逸装置は一般に抵抗器であり、それぞれ既知の抵抗またはインピーダンスを有し、これらは、一般に同じ値である。さらに、各セルの両端の電圧を検出または監視する能力が存在する。従って、散逸装置がセルに並列に接続されたときにセルの両端で検出される電圧を仮定し、さらに、散逸装置の抵抗／インピーダンスを知得することで、オームの法則によってこの散逸装置に流れる電流を決定可能である。実際に各セルに並列に接続される各散逸装置についてこの電流Ｉdis_iの決定が実行されかつ実行可能であると仮定すると、これらの電流の合計Ｉdistotは、ＳＯＣをＱ＝∫Ｉ・ｄｔであると決定する際の電流Ｉの測定値として電流センサ３６によって測定されたＩbatに散逸装置が持ち込んだ誤差を示すのに役立つ。従って、Ｉbat電流は次いで、この合計誤差値Ｉdistotを差し引くことによって修正され、修正されたＩbatnetは次いで、ＳＯＣであるＱの決定の際のＩの値として、あるいは、正味のまたは修正された電流Ｉの値が必要とされるその他の同様な用途におけるＩの値として役立つことができる。次いで、測定されたＩbat電流により示される信号のこの修正または補正によって、セル均衡化を有する従来システムが提供していたより正確なＳＯＣの決定が可能となる。
【００１５】
上述の特徴は単に、その後に正確なＳＯＣその他を決定する際にその修正値が使用可能となるようにＩbatを修正する文脈で説明したが、結果がＱの修正値であるＱnetとなるように、大抵は充電量またはＳＯＣ領域Ｑにおいて、同様の操作を実行可能でもある。そのような場合、バッテリセル電圧の検出または監視および累積電流Ｉbatの検出または監視は上述したものと同じであるが、セル電圧の時間積分は、既知のインピーダンス／抵抗で割られて、並列に接続された均衡化インピーダンスを有する特定のセルについての散逸充電量成分としてＱcellを生成する。Ｑcell値は次いで、接続されたインピーダンスを有するそのようないくつかのセルについて合計されて、このいくつかのセルについて合計散逸充電量Ｑtotを与える。測定されたバッテリ電流Ｉbatの時間積分を行うことによって、システムの全体の充電量Ｑgrossの同様の決定値が得られる。次いで、合計により、システムの全体の充電量Ｑgrossから合計散逸充電量Ｑtotを除去してＱnetを生成することによって充電量の修正値Ｑnetが得られる。
【００１６】
上述した累積電流値Ｉbatを修正して修正値Ｉbatnetを生成する処理、または、測定および計算された全体の充電量Ｑgrossを修正して修正充電量Ｑnetを生成する処理は、適切にプログラムされたプロセッサ／コントローラ回路などの適切な回路で実施するのが便利である。
【００１７】
本開示の上述した特徴、利点は、添付の図面に示された本開示の例示的な実施例の以下の詳細な説明に照らしてより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来技術による、燃料電池と共に使用される多セルエネルギー貯蔵システムのＳＯＣを監視する装置の簡単な例を示す図。
【図２】従来技術による、燃料電池と共に使用されかつセル均衡化能力を有する多セルエネルギー貯蔵システムのＳＯＣを監視する装置の簡単な例を示す図。
【図３】本開示による、燃料電池と共に使用されるように図示された、セル均衡化能力を有する多セルエネルギー貯蔵システムのＩbat電流および／またはＳＯＣを、向上した正確さで示す装置を図３Ａとの組み合わせで示す図。
【図３Ａ】本開示による、燃料電池と共に使用されるように図示された、セル均衡化能力を有する多セルエネルギー貯蔵システムのＩbat電流および／またはＳＯＣを、向上した正確さで示す装置を図３との組み合わせで示す図。
【図４】図３の装置によって実行される、Ｉbat電流の値および／または、散逸電流について修正または補正されたＳＯＣの値を提供するプログラムステップを示す流れ図。
【図５】図４の流れ図と同様であるが、修正Ｉbatをその後の修正ＳＯＣの決定用に最初に提供するように単純化された流れ図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
上述の背景技術の欄を参照すると、エネルギー貯蔵装置またはバッテリの充電量の状態（ＳＯＣ）を決定／監視する際に使用するために、エネルギー貯蔵装置またはバッテリへ流入しあるいはエネルギー貯蔵装置またはバッテリから流出する電流を示す信号を提供する従来技術の２つの例がある。これら２つの例は、燃料電池と共に使用するように図示されている。図１の例には、セル均衡化のない、直列したバッテリセルの列のより簡単な場合が示されており、図２には、利益は伴うがバッテリのＳＯＣの決定／監視について制限のあるセル均衡化を含む、より複雑な場合が示されている。
【００２０】
図３、図３Ａを組み合わせて参照すると、２つの装置のいずれかで同一または実質的に同一の構成要素について、図１および／または図２の参照符号と同一の参照符号が図３、図３Ａでも使用されている。しかしながら、本開示により生じる何らかの機能、構成、あるいは構造上の相違があっても図３、図３Ａの構成要素が図１または図２の構成要素に類似したままの場合は、先頭に「２」を追加した同じ参照符号を図３、図３Ａの構成要素に付与する。この簡単な説明では、図３、図３Ａの実施例の特性、構造、および／または機能上の相違点を強調し、図１または図２に関して行った説明と重複する説明の繰り返しは、最小限に抑える。
【００２１】
図１、図２を参照したように、図３を参照すると、燃料電池１０などの主電源が、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を介して負荷２０に接続されており、燃料電池１０はさらに、コンバータ２２と負荷２０の間にエネルギー貯蔵システムまたはバッテリ２３０を備える。負荷２０はもちろん複数の別々の負荷から構成されることがある。図２の例のように、複数のバッテリセルＣ1、Ｃ2、・・・Ｃnから成る直列の列Ｓ1であって、コンバータ２２の出力の両端に（並列に）接続された少なくとも１つの直列の列Ｓ1があり、一般に複数のこのような列Ｓ2、・・・Ｓnは相互に並列に接続されている。さらに、各バッテリセルＣ1、Ｃ2、・・・Ｃnは、必要に応じてセル電圧を均衡化する目的でそれぞれ選択的に作動可能なスイッチまたはリレーＳＷ1、ＳＷ2、・・・ＳＷnを介して各バッテリセルＣ1、Ｃ2、・・・Ｃnの両端に選択的に接続可能な各抵抗器Ｄ1、Ｄ2、・・・Ｄnなどのエネルギー散逸装置を有する。各エネルギー散逸装置のインピーダンスまたは抵抗値は、予め決められており、一定のままである。さらに、簡単にするためにこれらの各装置の値は同一にすれば十分であることが分かっており、それで均衡化機能に何らかのばらつきが生じることがあっても、そのようなばらつきは小さく、許容できると思われる。セル均衡化機能とともに、各セルＣ1、Ｃ2、・・・Ｃnの両端の電圧を検出／監視する装置が設けられており、図３の図示を簡単にするために、この装置は単に、各電圧検出ポートまたは端子Ｖc1、Ｖc2、・・・Ｖcnによって示されている。
【００２２】
充電または放電により直列の列に流れる合計電流Ｉbatは、適切な計測器または測定装置３６により検出および測定されて、電流の大きさおよび方向（充電対放電）両方の示度を提供する。複数のバッテリセルから成る、並列に接続された複数の直列の列Ｓ1、Ｓ2、・・・Ｓnを仮定すると、電流測定装置３６は、通常１つであり、キルヒホッフの法則により全ての直列の列Ｓ1、Ｓ2、・・・Ｓnの電流の合計を測定するように接続される。
【００２３】
図３Ａを参照すると、図３Ａは当然、図３に接続された図３の補助図と見なされるが、十分かつ適切な能力を有するプロセッサ／コントローラ２４０が、ここで説明される回路および機能の必要な制御および処理を提供するように構成／プログラムされる。プロセッサ／コントローラ２４０は好ましくは、ＣＰＵ、クロック、ＲＯＭ、ＲＡＭ、必要に応じてＤ／Ａ、Ａ／Ｄポートを含む別個のＩ／Ｏポートを備える。簡単にするために、図３Ａの図では、プロセッサ／コントローラ２４０の外部に「Ｉbatから」と付されたリード線２４２、「Ｖc1、Ｖc2・・・Ｖcnから」と付されたリード線２４４、「スイッチＳＷ1、ＳＷ2、・・・ＳＷnの制御」と付されたリード線２４６、「ＳＯＣ」と付されたリード線２４８を備えるような信号経路および制御機能だけが示されているが、他の信号経路（図示せず）も同様に存在し得ることは理解されるであろう。
【００２４】
リード線２４２は、計測器またはセンサ３６から累積電流信号Ｉbatを受け取る。リード線２４４は、実際は複数のリード線または電気接続機器になるであろうが、ここでは、１本の線で示されており、各バッテリセルの両端の電圧を監視するために各バッテリセルＣ1、Ｃ2、・・・Ｃnに関連する各電圧ポートＶc1、Ｖc2、・・・Ｖcnとプロセッサ２４０とを接続する。この監視機能は一般に、１つまたは複数の高インピーダンス増幅器または他の適切な電圧モニタによって行われる。リード線２４６は、実際は複数のリード線または電気接続機器になるであろうが、ここでは、１本の線で示されており、リード線２４４を介して各セルの両端で測定された電圧測定値に応答して、適切にスイッチまたはリレーＳＷ1、ＳＷ2、・・・ＳＷnのいくつかを選択的に作動させるように機能する。例えば、セルＣ1の両端の電圧ＶC1が比較的高い３ボルトであるが、直列の列内の１つまたは複数の他のセル、例えばセルＣ2の両端の電圧がそれほど高くない２．７ボルトである場合、高い電圧を有するセル（例えばセルＣ1）の両端の電圧は、セルＣ1に並列に散逸装置Ｄ1を配置するように適切なスイッチ（例えばＳＷ1）を作動させることで下げられる。このようにして直列電流は、セルＣ1とその散逸抵抗器Ｄ1との間で分割または配分されるので、今やこの配分の結果、セルＣ1の両端の電圧は低下し、従って、いくぶん低い１つまたは複数の電圧を有する１つまたは複数のセルの電圧により近づくことになる。
【００２５】
バッテリセルの選択されたいくつかのセルの両端の電圧を選択的に低下させるようにエネルギー散逸装置を使用する上述した処理から始まり、次いでセルの電圧ポートで決定されたセルの両端の電圧情報（例えばＶc1）と組み合わせたこの散逸装置の既知または所定の抵抗値に基づいて、この電圧を抵抗値で割ることで抵抗器Ｄ1に流れる散逸電流を決定できる。このようにして、対応するスイッチが閉じられて散逸電流が抜き出される各セルについて散逸電流を決定できる。この散逸電流は、時間について積分されると、散逸充電量の成分を示す。従って、最初に合計Ｉbatを用いて総充電量を決定し、次に、積分により決定された合計散逸充電量成分を算術合計または単に「合計」によって差し引くことで総充電量を修正して、正味のまたは修正されたＳＯＣを決定できる。
【００２６】
代替として、合計によりＩbatの総計値から全体の散逸電流成分を除去することでＩbatの総計値を単に修正して、正味のＩbatを生成し、次いでこの正味のＩbatを用いて修正ＳＯＣを決定できる。
【００２７】
図４を参照すると、図３のプロセッサ／コントローラ２４０によって実行される、Ｉbat電流の値および／または、散逸電流について修正または補正されたＳＯＣの値を提供するプログラムステップを示す簡単な流れ図が示されている。ブロック３１０は、センサ３６で測定された電流Ｉbatに寄与する、各直列の列Ｓ1、Ｓ2、・・・Ｓn内の各バッテリセルＣ1、Ｃ2、・・・Ｃnについてセル電圧Ｖc1、Ｖc2、・・・Ｖcnを測定するプログラムルーチンを示している。この図で使用するように、下付き文字「cell_i」は、１〜ｎのセルの列内の個々のセル「ｉ」のことを指す。ブロック３１０でのセル電圧の決定の結果、おそらく最初の方の繰り返しにおいて、閾値より大きい電圧を有するようなセルについての１つまたは複数のそれぞれのスイッチは、閉じられることになるかあるいは閉じられてしまっていることになる。従って、散逸電流は、そのようなエネルギー散逸装置または抵抗に流れることになり、ブロック３２０においてそのような各セルについて対応したセル充電量損の決定がなされる。セル充電量損の決定では、（１／Ｒ）∫Ｖcell_i・ｄｔとして、セル充電量の測定値Ｑcell_iを提供する適切なプログラムが使用され、ここで、Ｒは、各散逸装置Ｄ1・・・Ｄnの予め決められたまたは既知の抵抗であり、Ｖcell_iは、対応する各セルの測定された電圧Ｖc1、Ｖc2、・・・Ｖcnである。各セルの電圧は、時間について積分され、結果として得られる充電量Ｑcell-iは、オームの法則からＶ／Ｒにより決定される電流の関数である。各スイッチが閉にされないような各セルについてのセル充電量損は、ゼロであると仮定される。機能ブロック３３０は、エネルギー散逸装置によりエネルギーが散逸した各セルについての合計セル充電量損の単なる合計であり、Ｑtot＝Σi=1nＱcell_iとなる。これは、合計散逸損を示す。
【００２８】
同様に、ブロック３４０は、対応するスイッチＳＷが閉じられている全てのエネルギー散逸装置Ｄを含む、セルから成る全ての直列の列Ｓ1、Ｓ2、・・・Ｓnに流れる合計電流について、センサ３６を介してバッテリ電流Ｉbatを測定するプログラムルーチンを示している。次のブロック３５０では、この測定された合計バッテリ電流Ｉbatを用いて、Ｑgross＝∫Ｉbat・ｄｔとして、合計バッテリ電流を時間について積分することで、総充電量Ｑgrossが計算される。
【００２９】
接続点３６０では、ブロック３３０の合計充電量損Ｑtotが、ブロック３５０の総充電量Ｑgrossから、これら２つの値の算術合計により除去または差し引かれる。この結果として、バッテリ２３０の修正された充電量の状態（ＳＯＣ）値ＱまたはＱnetが得られる。
【００３０】
図５を参照すると、図３のプロセッサ／コントローラ２４０によって実行される、散逸電流について修正または補正されたＩbat電流の値Ｉbatnetを提供するプログラムステップを示す簡単な流れ図が示されている。これは、大部分は図４のルーチンに類似しているが、散逸充電量損を決定して、修正されていないＩbatから決定された総充電量値から散逸充電量損を差し引くのではなく、このルーチンは、後での修正ＳＯＣの決定のために修正されたＩbatを最初に提供するように単純化されている。図４、図５の２つの装置で同一または実質的に同一の機能またはルーチンについて、図４の参照符号と同一の参照符号が図５でも使用されている。しかしながら、図５のブロックに何らかの機能上の相違があっても図４の相当物に類似したままの場合は、先頭に「３」ではなく「４」を追加した同じ下二桁の数字を図５に付与する。この簡単な説明では、図５の実施例の特性および／または機能上の相違点を強調し、図４に関して行った説明と重複する説明の繰り返しは、最小限に抑える。
【００３１】
機能ブロック３１０では、セル電圧が測定され、次いで機能ブロック４２０では、これら測定されたセル電圧から各散逸電流Ｉdisが決定され、ここで、Ｉdis＝Ｖ／ＲDであり、Ｖは、並列に接続された散逸抵抗値ＲDを有する各セルの両端の電圧である。上述したように、対応するスイッチが開にされているセルのＩdisはゼロである。次いでブロック４３０において、エネルギー散逸装置Ｄが作動しているさまざまなセルのＩdis値全てを合計して、累積または合計Ｉdistotが得られる。
【００３２】
同様に、ブロック３４０は、対応するスイッチＳＷが閉じられている全てのエネルギー散逸装置Ｄを含む、セルから成る全ての直列の列Ｓ1、Ｓ2、・・・Ｓnに流れる合計電流について、センサ３６を介してバッテリ電流Ｉbatを測定するプログラムルーチンを示している。この値Ｉbatは、修正されていない電流測定値の合計であり、接続点４６０において機能ブロック４３０からの値Ｉdistotと直接算術合計され、前者から後者が除去または差し引かれて、Ｉbatnet呼ばれる修正されたＩbatが得られる。そういうわけでこの値Ｉbatnetは、実質的にバッテリセルそのものだけに流れる電流の修正測定値であり、その後、充電量Ｑを電流の時間積分として決定するＳＯＣアルゴリズムにおいて修正された電流値として使用可能である。
【００３３】
例示的な実施例に関連させて本開示を説明、図示してきたが、当業者ならば、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、上述したものを含めさまざまな他の変更、省略、追加が可能であると分かるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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