(57)【要約】複数の直列接続された貯蔵ユニット１０５間で充電状態を平衡化するシステムおよび方法である。個々の貯蔵ユニットは、充電状態を観測し、平衡化する半導体スイッチ３００によって選択的に接続される。選択されたユニットの充電状態が目標の充電状態と異なる場合、選択されたユニットとその貯蔵ユニット列１００の間でエネルギーを転送することによって、選択されたユニットの充電状態を目標の充電状態に収束させる。充電状態を決定し、複数の直列接続された貯蔵ユニットの間で充電状態を平衡化するためのシステムおよび方法も提供される。無損失な方法で充電状態を目標の充電状態に均等化する電力コンバータも提供される。
2006507790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の直列接続の電気エネルギー貯蔵ユニットの間で充電状態を平衡化するシステムであって、
各貯蔵ユニットがある一定の充電状態を有する、電気エネルギー貯蔵ユニット列と、
前記各貯蔵ユニットの充電状態を選択的に監視する回路と、を備え、
選択された選択ユニットの前記充電状態が目標充電状態より大きいとき、前記回路が前記選択ユニットから前記貯蔵ユニット列にエネルギーを転送することによって、前記選択ユニットの充電状態を前記目標充電状態に収束させる、平衡化システム。
【請求項２】
請求項１において、前記選択ユニットの充電状態が前記目標充電状態より小さいとき、前記回路が前記貯蔵ユニット列から選択ユニットにエネルギーを転送することによって、前記選択ユニットの充電状態を前記目標充電状態に収束させる、平衡化システム。
【請求項３】
請求項１において、前記回路は電力コンバータを備え。
前記選択ユニットの充電状態が前記目標充電状態より大きいとき、前記電力コンバータは前記選択ユニットから前記貯蔵ユニット列にエネルギーを転送し、
前記選択ユニットの充電状態が前記目標充電状態より小さいとき、前記電力コンバータが前記貯蔵ユニット列から前記選択ユニットにエネルギーを転送する、平衡化システム。
【請求項４】
請求項３において、前記電力コンバータは、
前記選択ユニットからエネルギーを転送して前記貯蔵ユニット列を充電するアップコンバータと、
前記貯蔵ユニット列からエネルギーを転送して前記選択ユニットを充電するダウンコンバータと、を備えている平衡化システム。
【請求項５】
請求項３において、前記電力コンバータは、
前記選択ユニットの充電状態が前記目標充電状態より小さいとき、前記貯蔵ユニット列からエネルギーを転送して前記選択ユニットを充電するダウンコンバータとして使用される一般的な変圧器を備え、
前記一般的な変圧器は、前記選択ユニットの充電状態が前記目標充電状態より大きいとき、前記選択ユニットから前記貯蔵ユニット列にエネルギーを転送するアップコンバータとして使用される、平衡化システム。
【請求項６】
請求項３において、前記回路はさらに、
前記選択ユニットに前記電力コンバータを選択的に接続する複数の半導体スイッチを含む平衡化システム。
【請求項７】
請求項６において、前記複数の半導体スイッチは双方向性であり、
前記選択ユニットの充電状態が前記目標充電状態より大きいとき、ペアの複数の双方向スイッチが前記電力コンバータを前記選択ユニットに電気的に接続して、その選択ユニットを放電させ、
前記選択ユニットの充電状態が前記目標充電状態より小さいとき、前記ペアの複数の双方向スイッチが前記電力コンバータを前記選択ユニットに電気的に接続して、その選択ユニットを充電させる、平衡化システム。
【請求項８】
請求項７において、さらに、前記ペアの複数の双方向スイッチを前記電力コンバータに接続する極性セレクタを備えている平衡化システム。
【請求項９】
請求項６において、前記複数の半導体スイッチが単方向性であり、
前記選択ユニットの充電状態が前記目標充電状態より大きいとき、第１のペアの複数の単方向スイッチが前記電力コンバータを前記選択ユニットに電気的に接続して、そのユニットを放電させること、
前記選択ユニットの充電状態が前記目標充電状態より小さいとき、第２のペアの複数の単方向スイッチが前記電力コンバータを前記選択ユニットに電気的に接続して、そのユニットを充電させること、を含む平衡化システム。
【請求項１０】
請求項３において、前記回路はさらに、
各貯蔵ユニットの充電状態を選択的に監視するコントローラを備え、
このコントローラは、前記電力コンバータに指令を出して前記選択ユニットと前記貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送し、前記選択ユニットの充電状態を前記目標充電状態に収束させる、平衡化システム。
【請求項１１】
請求項１０において、前記回路はさらに、前記選択ユニットの電圧と電流のデータを検出する第１センサーを備え、
前記コントローラは前記第１センサーからの電圧および電流のデータを利用して、前記選択ユニットの充電状態を監視する、平衡化システム。
【請求項１２】
請求項１０において、前記回路がさらに、
前記貯蔵ユニット列の全電流データを検出する第２センサーを備え、
前記コントローラは前記第２センサーからの全電流データを利用して、前記目標充電状態を決定する、平衡化システム。
【請求項１３】
請求項１において、さらに、
各貯蔵ユニットが一定の充電状態を有する、直列接続された複数の電気貯蔵ユニット列と、
対応する電気貯蔵ユニット列中の各貯蔵ユニットの充電状態を選択的に監視する対応する回路と、を備え、
前記の複数の貯蔵ユニット列のそれぞれについて、選択されたユニットの充電状態が目標充電状態と異なるとき、前記対応する回路が前記選択ユニットと前記対応する貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送することによって、前記選択ユニットの充電状態を前記目標充電状態に収束させる、平衡化システム。
【請求項１４】
請求項１３において、さらに、マスターコントローラを備え、
前記複数の貯蔵ユニット列の各々について、前記マスターコントローラは対応する目標充電状態を決定し、
前記コントローラは前記対応する回路の各々に指令を出して、選択されたユニットと前記対応する貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送することによって、前記選択ユニットの充電状態を前記対応する目標充電状態に収束させる、平衡化システム。
【請求項１５】
請求項１４において、前記対応する回路のそれぞれは電力コンバータを備え、
この電力コンバータは、
前記選択ユニットの充電状態が前記対応する目標充電状態より大きいとき、前記選択ユニットからエネルギーを転送して、前記対応する貯蔵ユニット列を充電し、
前記選択ユニットの充電状態が前記対応する目標充電状態より小さいとき、前記対応する貯蔵ユニット列からエネルギーを転送して、前記選択ユニットを充電する、平衡化システム。
【請求項１６】
請求項１５において、前記対応する回路のそれぞれは、前記電力コンバータを選択的に接続する複数の半導体スイッチを備える平衡化システム。
【請求項１７】
請求項１３において、さらに、共通の目標充電状態を決定するマスターコントローラを備え、
このマスターコントローラは、前記対応する回路のそれぞれに指令を出して、選択されたユニットと前記対応する貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送することによって、前記選択ユニットの充電状態を前記共通の目標充電状態に収束させる、平衡化システム。
【請求項１８】
請求項１において、各貯蔵ユニットは貯蔵セルである平衡化システム。
【請求項１９】
請求項１において、各貯蔵ユニットはセル列を有するバッテリーモジュールである平衡化システム。
【請求項２０】
請求項１において、バッテリーパックが、１つまたは複数の貯蔵ユニットを含む平衡化システム。
【請求項２１】
請求項１において、前記貯蔵ユニット列がバッテリーモジュール内にあり、複数のバッテリーモジュールがバッテリーパックを形成している平衡化システム。
【請求項２２】
複数の直列接続された電気エネルギー貯蔵ユニットの間で充電状態を平衡化するシステムであって、
各貯蔵ユニットがある一定の充電状態を有する、電気エネルギー貯蔵ユニット列と、
前記各貯蔵ユニットの充電状態を選択的に監視する回路と、を備え、
選択されたユニットの前記充電状態が目標充電状態より大きいとき、前記回路が前記選択ユニットから無損失負荷にエネルギーを転送することによって、前記選択ユニットの充電状態を前記目標充電状態に収束させる、平衡化システム。
【請求項２３】
請求項２２において、
前記選択ユニットの充電状態が前記目標充電状態より小さいとき、前記回路が前記無損失負荷から選択ユニットにエネルギーを転送することによって、前記選択ユニットの充電状態を前記目標充電状態に収束させる平衡化システム。
【請求項２４】
複数の直列接続された電気エネルギー貯蔵ユニットの間で充電状態を平衡化するシステムであって、
各貯蔵ユニットがある一定の充電状態を有する、電気エネルギー貯蔵ユニット列と、
負荷状態における各貯蔵ユニットの充電状態を選択的に監視する回路と、を備え、
選択されたユニットの充電状態が目標充電状態と異なるとき、前記回路が前記選択ユニットと前記貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送することによって、前記選択ユニットの充電状態を前記目標充電状態に収束させる、平衡化システム。
【請求項２５】
複数の直列接続された電気エネルギー貯蔵ユニットの間で充電状態を平衡化する方法であって、
電気エネルギー貯蔵ユニット列中の各貯蔵ユニットの充電状態を選択的に監視し、
選択されたユニットの充電状態が目標充電状態より大きいとき、前記選択ユニットから前記貯蔵ユニット列にエネルギーを転送することによって、前記選択ユニットの充電状態を前記目標充電状態に収束させることを含む、平衡化方法。
【請求項２６】
請求項２５において、さらに、前記選択ユニットの充電状態が前記目標充電状態より小さいとき、前記貯蔵ユニット列から前記選択ユニットにエネルギーを転送することによって、前記選択ユニットの充電状態を前記目標充電状態に収束させることを含む、平衡化方法。
【請求項２７】
請求項２６において、前記エネルギーが電力コンバータによって転送される、平衡化方法。
【請求項２８】
請求項２７において、さらに、さらにペアの複数の半導体スイッチによって前記選択ユニットを前記電力コンバータに選択的に接続することを含む、平衡化方法。
【請求項２９】
請求項２８において、前記複数の半導体スイッチが双方向性であって、さらにこの半導体スイッチングは、
前記選択ユニットの充電状態が前記目標充電状態より大きいとき、ペアの前記複数の双方向スイッチをオンにして、前記電力コンバータを前記選択ユニットに電気的接続して、前記ユニットを放電し、
前記選択ユニットの充電状態が前記目標充電状態より小さいとき、前記ペアの複数の双方向スイッチをオンにして、前記電力コンバータを前記選択ユニットに電気的に接続して、前記ユニットを充電することを含む平衡化方法。
【請求項３０】
請求項２９において、さらに、極性セレクタを介して前記ペアの複数の双方向スイッチを前記電力コンバータに接続することを含む平衡化方法。
【請求項３１】
請求項２８において、前記複数の半導体スイッチは単方向性であって、前記選択ユニットの充電状態が前記目標充電状態より大きいとき、第１のペアの前記複数の単方向スイッチをオンにして、前記電力コンバータを前記選択ユニットに電気的に接続し、前記ユニットを放電し、
前記選択ユニットの充電状態が前記目標充電状態より小さいとき、第２のペアの複数の単方向スイッチをオンにして、前記電力コンバータを前記選択ユニットに電気的に接続し、前記ユニットを充電すること、を含む平衡化方法。
【請求項３２】
請求項２５において、さらに、前記選択された貯蔵ユニットの電圧と電流のデータを検出し、
前記電圧および電流のデータを利用して、前記選択ユニットの充電状態を監視すること、を含む平衡化方法。
【請求項３３】
請求項２５において、さらに、前記貯蔵ユニット列の全電流のデータを検出し、
前記全電流のデータを利用して、前記目標充電状態を決定すること、を含む平衡化方法。
【請求項３４】
請求項２５において、複数電気貯蔵ユニット列が直列に接続され、各貯蔵ユニットがある一定の充電状態を有しており、さらに、
対応する電気貯蔵ユニット列中の各貯蔵ユニットの前記充電状態を選択的に監視することを含み、
前記複数の貯蔵ユニット列の各々について、選択されたユニットの充電状態が目標充電状態と異なるとき、前記選択ユニットと前記対応する貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送することによって、前記選択ユニットの充電状態を前記目標充電状態に収束させること、を含む平衡化方法。
【請求項３５】
請求項３４において、さらに、前記複数の貯蔵ユニット列にそれぞれについて、対応する目標充電状態を決定し、
前記選択ユニットと前記対応する貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送することによって、前記選択ユニットの充電状態を前記対応する目標充電状態に収束させること、を含む平衡化方法。
【請求項３６】
請求項３４において、さらに、共通の目標充電状態を決定し、
前記選択ユニットと前記対応する貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送することによって、前記選択ユニットの充電状態を前記共通の目標充電状態に収束させること、を含む平衡化方法。
【請求項３７】
複数の直列接続された電気エネルギー貯蔵ユニットの間で充電状態を平衡化する方法であって、
電気エネルギー貯蔵ユニット列中の各貯蔵ユニットの充電状態を選択的に監視し、
選択されたユニットの充電状態が目標充電状態より大きいとき、前記選択ユニットから無損失負荷にエネルギーを転送することによって、前記選択ユニットの充電状態を前記目標充電状態に収束させること、を含む平衡化方法。
【請求項３８】
請求項３７において、さらに、前記選択ユニットの充電状態が前記目標充電状態より小さいとき、前記無損失負荷から前記選択ユニットにエネルギーを転送することによって、前記選択ユニットの充電状態を前記目標充電状態に収束させること、を含む平衡化方法。
【請求項３９】
複数の直列接続された電気エネルギー貯蔵ユニットの間で充電状態を平衡化する方法であって、
電気エネルギー貯蔵ユニット列中の各貯蔵ユニットの充電状態を選択的に監視することを含む方法であって、前記選択された貯蔵ユニットが負荷状態で監視され、
選択されたユニットの充電状態が目標充電状態と異なるとき、前記選択ユニットと前記貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送することによって、前記選択ユニットの充電状態を前記目標充電状態に収束させること、を含む平衡化方法。
【請求項４０】
複数の直列接続された電気エネルギー貯蔵ユニットの充電状態を決定する方法であって、電気エネルギー貯蔵ユニット列中の選択された貯蔵ユニットに無損失負荷をかけることによって、前記無損失負荷を介して前記選択ユニットと前記貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送し、
前記エネルギー転送から得る、前記選択貯蔵ユニットの電圧および電流データから前記選択ユニットの充電状態を決定すること、を含む充電状態を決定する方法。
【請求項４１】
請求項４０において、前記エネルギーがパルス電流によって転送される、充電状態を決定する方法。
【請求項４２】
請求項４０において、前記選択された貯蔵ユニットの充電状態の決定は、
前記エネルギー転送中に得られる電圧および電流データから前記選択貯蔵ユニットのインピーダンスを計算することを含む、充電状態を決定する方法。
【請求項４３】
複数の直列接続された電気エネルギー貯蔵ユニットの間で充電状態を平衡化する方法であって、
電気エネルギー貯蔵ユニット列中の選択された貯蔵ユニットに無損失負荷をかけることによって、前記無損失負荷を介して前記選択ユニットと前記貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送し、
前記エネルギー転送から得る、前記選択貯蔵ユニットの電圧および電流データから前記選択ユニットの充電状態を決定し、
前記選択ユニットの充電状態が目標充電状態と異なるとき、前記選択ユニットと前記貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送させることによって、前記選択ユニットの充電状態を前記目標充電状態に収束させること、を含む平衡化方法。
【請求項４４】
請求項４３において、前記選択貯蔵ユニットに対してアップコンバータを利用し、前記選択貯蔵ユニットから前記貯蔵ユニット列にエネルギーを転送することを含む平衡化方法。
【請求項４５】
請求項４３において、前記選択された貯蔵ユニットに対してダウンコンバータとして利用し、前記貯蔵ユニット列から前記選択貯蔵ユニットにエネルギーを転送することを含む平衡化方法。
【請求項４６】
請求項４３において、前記選択された貯蔵ユニットの充電状態の決定は、
前記のエネルギー転送中に得られる電圧および電流データから前記選択貯蔵ユニットのインピーダンスを計算することを含む平衡化方法。
【請求項４７】
請求項４６において、前記選択された貯蔵ユニットの充電状態の決定は、さらに、
前記選択貯蔵ユニットに前記損失負荷をかけ、
前記選択貯蔵ユニット両端の第１電圧を決定し、
前記選択貯蔵ユニットを流れる第１電流を決定し、
前記選択貯蔵ユニットの前記第１電流およびインピーダンスから第２電圧を決定し、
前記第１および第２電圧の間の電圧差に基づいて充電状態を決定すること、を含む平衡化方法。
【請求項４８】
請求項４３において、前記エネルギーがパルス電流によって転送される平衡化方法。
【請求項４９】
請求項４３において、前記貯蔵ユニットのそれぞれに貯蔵セルを用いる平衡化方法。
【請求項５０】
請求項４３において、前記貯蔵ユニットのそれぞれにバッテリーモジュールを用いる平衡化方法。
【請求項５１】
請求項４３において、１つまたは複数の前記貯蔵ユニットがバッテリーパックを構成する平衡化方法。
【請求項５２】
請求項４３において、複数の貯蔵ユニットを有する貯蔵ユニット列中の各貯蔵ユニットに対して、
選択された貯蔵ユニットに前記無損失負荷をかけることによって、前記無損失負荷を介して前記の選択貯蔵ユニットと前記貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送し、
前記エネルギー転送中に得られた、前記選択貯蔵ユニットの電圧および電流データから前記選択貯蔵ユニットのインピーダンスを決定すること、を含む平衡化方法。
【請求項５３】
請求項５２において、さらに、各貯蔵ユニットの決定されたインピーダンスから貯蔵ユニット列のインピーダンスを決定し、
前記貯蔵ユニット列から第１の貯蔵ユニット列の電圧および電流を決定し、
前記貯蔵ユニット列の電流およびインピーダンスから第２の貯蔵ユニット列の電圧を決定し、
前記第１と第２の貯蔵ユニット列間の電圧差を決定し、
前記貯蔵ユニット列間の電圧差と貯蔵ユニットの個数の比として、目標充電状態を決定すること、を含む平衡化方法。
【請求項５４】
請求項５３において、さらに、貯蔵ユニット列から前記目標充電状態と異なる充電状態を有する貯蔵ユニットを選択し、
前記選択されたユニットと前記貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送することによって、前記選択されたユニットの充電状態を前記目標充電状態に収束させること、を含む平衡化方法。
【請求項５５】
請求項５４において、前記目標充電状態とは異なる充電状態を有する貯蔵ユニット列から１つの貯蔵ユニットを選択することが、
個々の貯蔵ユニットの各充電状態を前記目標充電状態と比較し、
前記目標充電状態と最も異なる充電状態を有する貯蔵ユニットを選択すること、を含む平衡化方法。
【請求項５６】
請求項５４において、前記目標充電状態とは異なる充電状態を有する貯蔵ユニット列から１つの貯蔵ユニットを選択することが、
前記貯蔵ユニット列から、前記目標充電状態と異なる充電状態を有する貯蔵ユニットを順に選択することを含む平衡化方法。
【請求項５７】
請求項５４において、前記選択貯蔵ユニットと前記貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送することが、
前記選択された貯蔵ユニットの充電状態を前記目標充電状態と比較し、
前記充電状態が前記目標充電状態より小さいとき、前記貯蔵ユニット列からエネルギーを転送して、前記選択貯蔵ユニットを充電し、
前記充電状態が前記目標充電状態より大きいとき、前記選択貯蔵ユニットからエネルギーを転送して、前記貯蔵ユニット列を充電すること、を含む平衡化方法。
【請求項５８】
請求項５７において、前記充電状態が前記目標充電状態より小さいとき、前記貯蔵ユニット列からエネルギーを転送し、充電時間が終了するまで前記選択貯蔵ユニットを充電することを含む平衡化方法。
【請求項５９】
請求項５７において、前記充電状態が前記目標充電状態より大きいとき、前記選択貯蔵ユニットからエネルギーを転送し、放電時間が終了するまで前記貯蔵ユニットを充電することを含む平衡化方法。
【請求項６０】
複数の直列接続された電気エネルギー貯蔵ユニットの充電状態を決定するシステムであって、
電気エネルギー貯蔵ユニット列中の選択された貯蔵ユニットに無損失負荷をかけることによって、前記選択された貯蔵ユニットと前記貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送する、無損失負荷と、
このエネルギー転送から得られる、前記選択された貯蔵ユニットの電圧および電流データから前記選択されたユニットの充電状態を決定するコントローラと、を備えている充電状態を決定するシステム。
【請求項６１】
請求項６０において、前記エネルギーがパルス電流によって転送される、充電状態を決定するシステム。
【請求項６２】
請求項６０において、前記コントローラは、前記エネルギー転送中に得られる前記電圧および電流データから前記選択された貯蔵ユニットのインピーダンスを計算する、充電状態を決定するシステム。
【請求項６３】
複数の直列接続された電気エネルギー貯蔵ユニットの間で充電状態を平衡化するシステムであって、
電気エネルギー貯蔵ユニット列中の選択された貯蔵ユニットに無損失負荷をかけることによって、前記選択された貯蔵ユニットと前記貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送する、無損失負荷と、
このエネルギー転送から得られる、前記選択された貯蔵ユニットの電圧および電流データから前記選択されたユニットの充電状態を決定するコントローラと、を備え、
選択されたユニットの充電状態が目標充電状態と異なるとき、前記コントローラは前記の無損失負荷に指令を出して、前記貯蔵ユニットと前記貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送することにより、前記選択ユニットの充電状態を前記目標充電状態に収束させる、平衡化システム。
【請求項６４】
請求項６３において、前記無損失負荷が、前記選択された貯蔵ユニットから前記貯蔵ユニット列にエネルギーを転送するアップコンバータである平衡化システム。
【請求項６５】
請求項６３において、前記無損失負荷は、前記貯蔵ユニット列から前記選択された貯蔵ユニットにエネルギーを転送するダウンコンバータである平衡化システム。
【請求項６６】
請求項６３において、前記コントローラは、前記エネルギー転送中に得られる前記電圧および電流のデータから前記選択ユニットのインピーダンスを計算する平衡化システム。
【請求項６７】
請求項６６において、前記無損失負荷は前記選択貯蔵ユニットにかけられ、
前記コントローラは前記選択された貯蔵ユニットの両端の第１電圧を決定し、
前記コントローラは前記選択された貯蔵ユニットを通って流れる第１電流を決定し、
前記コントローラは前記選択された貯蔵ユニットの前記第１電流およびインピーダンスから第２電圧を決定し、
前記コントローラは前記第１および第２電圧の間の電圧差に基づいて充電状態を決定する平衡化システム。
【請求項６８】
請求項６３において、前記エネルギーはパルス電流によって転送される平衡化システム。
【請求項６９】
請求項６３において、前記貯蔵ユニットのそれぞれは貯蔵セルである平衡化システム。
【請求項７０】
請求項６３において、前記貯蔵ユニットのそれぞれはバッテリーモジュールである平衡化システム。
【請求項７１】
請求項６３において、１つまたは複数の前記貯蔵ユニットはバッテリーパックである平衡化システム。
【請求項７２】
請求項６３において、複数の貯蔵ユニットを有する前記貯蔵ユニット列中の各貯蔵ユニットに対し、
前記無損失負荷を選択された貯蔵ユニットに負荷としてかけることによって、前記選択貯蔵ユニットおよび前記貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送し、
前記コントローラは、前記エネルギー転送から得られる、前記選択貯蔵ユニットの電圧および電流データから前記選択貯蔵ユニットのインピーダンスを決定する、平衡化システム。
【請求項７３】
請求項７２において、前記コントローラは、各貯蔵ユニットの前記決定されたインピーダンスから貯蔵ユニット列のインピーダンスを決定し、
前記コントローラは、前記貯蔵ユニット列から第１の貯蔵ユニット列電圧および電流を決定し、
前記コントローラは、前記貯蔵ユニット列電流およびインピーダンスから第２の貯蔵ユニット列電圧を決定し、
前記コントローラは、前記第１の貯蔵ユニット列の電圧および前記第２の貯蔵ユニット列電圧の間の貯蔵ユニット列電圧差を決定し、
前記コントローラは、標準充電状態を前記貯蔵ユニット列電圧差と貯蔵ユニットの個数との比として決定する、平衡化システム。
【請求項７４】
請求項７３において、前記コントローラは、前記目標充電状態と異なる充電状態を有する貯蔵ユニットを前記貯蔵ユニット列から選択し、
前記コントローラは、前記無損失負荷に指令を出して、前記選択貯蔵ユニットと前記貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送して、前記選択ユニットの充電状態を前記目標充電状態に収束させる、平衡化システム。
【請求項７５】
請求項７４において、前記コントローラは個々の貯蔵ユニットの充電状態のそれぞれを前記目標充電状態と比較し、
前記コントローラは、前記目標充電状態と最も異なる充電状態を有する貯蔵ユニットを選択する、平衡化システム。
【請求項７６】
請求項７４において、前記コントローラは、前記目標充電状態と異なる充電状態を有する貯蔵ユニットを前記貯蔵ユニット列から順に選択する平衡化システム。
【請求項７７】
請求項７４において、前記コントロールは、前記選択された貯蔵ユニットの充電状態を前記目標充電状態に比較し、
前記充電状態が前記目標充電状態より小さいとき、前記コントローラは前記無損失負荷に指令を出して、前記貯蔵ユニット列からエネルギーを転送して、前記選択貯蔵ユニットを充電し、
前記充電状態が前記目標充電状態より大きいとき、前記コントローラは前記無損失負荷に指令を出して、前記選択貯蔵ユニットからエネルギーを転送して、前記貯蔵ユニット列を充電する、平衡化システム。
【請求項７８】
請求項７７において、前記充電状態が前記目標充電状態より小さいとき、前記コントローラは前記無損失負荷に指令を出し、前記貯蔵ユニット列からエネルギーを転送し、充電時間が終了するまで前記選択貯蔵ユニットを充電する、平衡化システム。
【請求項７９】
請求項７７において、前記充電状態が前記目標充電状態より大きいとき、前記コントローラは前記無損失負荷に指令を出して、前記選択貯蔵ユニットからエネルギーを転送し、放電時間が終了するまで前記貯蔵ユニット列を充電する、平衡化システム。
【請求項８０】
複数の直列接続された電気エネルギー貯蔵ユニットの間で充電状態を平衡化するシステムであって、
電気エネルギー貯蔵ユニット列と、
前記貯蔵ユニット列中の単一貯蔵ユニットに選択的に接続される電力コンバータと、を備え、
前記電力コンバータは前記単一貯蔵ユニットと前記貯蔵ユニット列との間で双方向にエネルギーを転送する、平衡化システム。
【請求項８１】
請求項８０において、前記電力コンバータは可変の転送速度でエネルギーを転送する平衡化システム。
【請求項８２】
請求項８０において、前記電力コンバータは、エネルギーの転送から得られる、前記単一貯蔵ユニットの電圧および電流データを監視する平衡化システム。
【請求項８３】
請求項８０において、前記電力コンバータは前記単一貯蔵ユニットと前記貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送する平衡化システム。
【請求項８４】
請求項８０において、前記の電力コンバータは、
１次インダクタと、
前記１次インダクタに磁気的に結合された第１の２次インダクタと、
前記単一貯蔵ユニットを前記１次インダクタに選択的に接続する第１のスイッチと、を含み、
前記第１の２次インダクタは出力コンデンサに接続され、
前記出力コンデンサは前記貯蔵ユニット列に並列に接続されている、平衡化システム。
【請求項８５】
請求項８４において、前記第１スイッチがオンのとき、エネルギーが前記単一貯蔵ユニットから転送されて、前記１次インダクタを充電し、
前記第１スイッチがオフのとき、エネルギーが前記第１の２次インダクタに放電されて、前記出力コンデンサを充電し、この出力コンデンサがエネルギーを前記貯蔵ユニット列に放出する、平衡化システム。
【請求項８６】
請求項８４において、さらに、前記第１のスイッチに第１イネーブル信号を提供する第1 パルス発生器を備え、
前記第１イネーブル信号に応答して、前記第１スイッチは前記単一の貯蔵ユニットを前記１次インダクタに接続し、その結果、前記単一の貯蔵ユニットから前記貯蔵ユニット列にエネルギーが転送される、平衡化システム。
【請求項８７】
請求項８６において、さらに、前記第１パルス発生器に第２イネーブル信号を提供する或る第２パルス発生器を備え、
前記の第２イネーブル信号に応答して、前記第１パルス発生器は第１イネーブル信号を提供し、前記第２イネーブル信号は、前記単一貯蔵ユニットから前記貯蔵ユニット列への可変速度でのエネルギーの転送を制御する、平衡化システム。
【請求項８８】
請求項８７において、さらに、前記単一貯蔵ユニットに接続される、２次側電圧を有する第２の２次インダクタを備え、
基準電圧および前記の２次側電圧が前記電圧比較器の入力である、平衡化システム。
【請求項８９】
請求項８８において、前記２次側電圧が前記基準電圧より大きいとき、前記第２パルス発生器が起動される平衡化システム。
【請求項９０】
請求項８８において、前記２次側電圧が前記基準電圧に達したとき、前記第２パルス発生器が停止される平衡化システム。
【請求項９１】
請求項８０において、さらに、１次インダクタと、
前記１次インダクタに磁気的に結合された第１の２次インダクタと、
前記第１の２次インダクタを前記貯蔵ユニット列に選択的に接続する第２スイッチと、を備え、
前記第２のスイッチがオンのとき、エネルギーが前記貯蔵ユニット列から転送されて、前記第１の２次インダクタを充電し、
前記第２のスイッチがオフのとき、エネルギーが前記１次インダクタに放電されて、前記単一貯蔵ユニットを充電する、平衡化システム。
【請求項９２】
請求項９１において、さらに、前記第２スイッチに第１イネーブル信号を提供する第１パルス発生器を備え、
前記第１イネーブル信号に応答して、前記第２のスイッチが前記貯蔵ユニット列を前記の第１の２次インダクタに接続し、その結果、エネルギーが前記貯蔵ユニット列から前記単一貯蔵ユニットに転送される、平衡化システム。
【請求項９３】
請求項９２において、さらに、前記第１パルス発生器に第２イネーブル信号を提供する第２パルス発生器を備え、
前記第２イネーブル信号に応答して、前記第１パルス発生器は第１イネーブル信号を提供し、前記第２イネーブル信号は、前記貯蔵ユニット列から前記単一貯蔵ユニットへのエネルギーの転送を可変の速度で制御する、平衡化システム。
【請求項９４】
請求項９３において、さらに
前記単一貯蔵ユニットに接続される、２次側電圧を有する第２の２次インダクタと、
電圧比較器と、を備え
基準電圧および前記２次側電圧が前記電圧比較器の入力である、平衡化システム。
【請求項９５】
請求項９４において、前記２次側電圧が前記基準電圧より小さいとき、前記第２パルス発生器が起動される平衡化システム。
【請求項９６】
請求項９４において、前記２次側電圧が前記基準電圧に達したとき、前記第２パルス発生器が停止される平衡化システム。
【請求項９７】
請求項８０において、前記の電力コンバータが、前記の単一の貯蔵ユニットから前記のストリングの貯蔵ユニットにエネルギーを転送する或るアップコンバータ、および前記のストリングの貯蔵ユニットから前記の単一の貯蔵ユニットにエネルギーを転送する或るダウンコンバータ、を含むことを特徴とする平衡化システム。
【請求項９８】
請求項９７において、前記電力コンバータは、
前記貯蔵ユニット列からエネルギーを転送して前記単一貯蔵ユニットを充電するダウンコンバータとして使用される一般的な変圧器を備え、
前記一般的な変圧器は、前記単一貯蔵ユニットから前記貯蔵ユニット列にエネルギーを転送するアップコンバータとしても使用される、平衡化システム。
【請求項９９】
請求項８０において、各貯蔵ユニットは貯蔵セルである平衡化システム。
【請求項１００】
請求項８０において、各貯蔵ユニットは貯蔵ユニット列を有するバッテリーモジュールである平衡化システム。
【請求項１０１】
請求項８０において、バッテリーパックは１つまたは複数の貯蔵ユニット列を含む平衡化システム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００３年４月１８日出願の米国特許仮出願第６０／４６９，３９１号ならびに２００２年１１月２５日出願の米国特許仮出願第６０／４２８，６６６号の利益を主張する。上記出願の全内容は参照により本明細書に引用したものとする。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車（HEV：Hybrid Electric Vehicle ）は、バッテリー搭載の従来の自動車の内燃エンジンと電気自動車の電気モータを組み合わせたものである。この組み合わせによって、顧客が従来の自動車で慣れている走行距離と短い燃料補給時間を提供する一方で、燃費の向上と排気ガスの減少を達成できる。
【０００３】
すでに販売されているHEVおよび近く販売されるHEV の典型的なデザインは、いわゆる「パラレル式」である。パラレル式HEV では、坂を上るときや急速な加速が必要なときに、エンジントルクを増大させるためにバッテリー駆動のモータが主に使用される。トルクを増大させる必要がないときは、エンジンは電気モータを発電機として駆動し、バッテリーを充電する。モータはまた、ブレーキが作動している間も、発電機として駆動され、従来の摩擦ブレーキの熱負荷を軽減し、自動車の運動エネルギーとポテンシャルエネルギーを回収してバッテリーに返還することを可能にする。
【０００４】
典型的なHEV のバッテリー「パック」は、直列接続された「セル」から成る１つまたは複数の「モジュール」で構成される。ニッケルカドミウム（NiCad ）セルおよびニッケル金属水素（NiMH ）セルは、最近販売されたHEV で使用されて成功しており、高性能のリチウムイオン（Li−ion ）セルの使用が、将来世代のデザインで考えられている。HEV の応用におけるバッテリーセルの望ましい特性は、高いピーク比出力（high-peak specific power）、パルス出力での高い比エネルギー、回生ブレーキの利用を最大限にする急速充電の取り込み、および長いカレンダー寿命と繰返し寿命である。HEV バッテリーパックの有利な寿命を達成するには、セルの充電状態とセルの充電および放電の制御を監視する何らかの手段を必要とし、これにより、パック内のすべてのセルを、例えば名目上均一な充電状態に、十分に「平衡化」または「均等化」されることを保証する必要がある。低コストで高信頼性の平衡化されたセル動作を達成する手段の開発は、特に新しいリチウムイオンセルにおいて重要な技術的課題である。
【０００５】
リチウムイオンバッテリーは、その高い比エネルギー密度のため、現在、ノートパソコンや携帯電話の製品で広く使用されている。これらはまた、高い比出力、高いエネルギー効率、優れた高温性能、および自己放電を有する。また、リチウムイオンバッテリーの構成要素はリサイクルが可能である。これらの特徴のため、リチウムイオンバッテリーはHEV への応用に適する。しかし、リチウムイオンバッテリーをHEV で商業的に実現するには、カレンダー寿命および繰返し寿命、および価格を改良するためのさらなる開発が必要である。
【発明の開示】
【０００６】
リチウムイオンバッテリーがHEV において好都合に使用される場合、単一バッテリーセルの充電状態を連続的に平衡化して、高いセルのカレンダー寿命とセル容量を維持する必要がある。セルの充電状態を目標の充電状態近くで均等化することにより、セルが均等にHEV の作動を支援する必要がある。さらに、単一セルがその安全限度を越えて充電されないこと保証する保護を採用する必要がある。充電状態は、開回路のセル電圧測定から、または負荷状態で、セルのインピーダンスおよび電流を含めたセル電圧の測定から決定できる。
【０００７】
リチウムイオンバッテリー技術の性能の有利性にもかかわらず、バッテリーの充電状態を均等化するのに必要な制御の複雑性が増加することに関連するコスト犠牲が生じる。低コストの解決策の達成は、極めて長い高電圧セル列がHEV に必要とされる場合には、特に難しい。本発明の第１態様は、複数の、直列に接続された電気的エネルギー貯蔵ユニットの間で充電の状態を平衡化するシステムおよび方法を含む。本発明の別の態様は、複数の、直列に接続された電気的エネルギー貯蔵ユニットの間で充電の状態を決定し、平衡化するシステムおよび方法を含む。本発明のさらに別の態様は、直列に接続された電気的エネルギー貯蔵ユニットの間で充電の状態を平衡化する双方向電力コンバータを含む。リチウムイオン以外のセル化学系（例えば、ニッケルカドミウム、鉛酸、ニッケル水素）も本発明の１つまたは複数の態様から恩恵を受ける可能性がある。
【０００８】
本発明の第１態様に関して、複数の、直列に接続された電気的エネルギー貯蔵ユニットの間で充電の状態を平衡化するシステムおよび方法が提供される。
【０００９】
１つの実施形態によれば、システムは一連の電気エネルギー貯蔵ユニット（注：貯蔵ユニット列）を含み、その中の各ユニットは一定の充電状態を有する。回路は各貯蔵ユニットの充電状態を選択的に監視する。選択されたユニットの充電状態が目標の充電状態より大きくなったとき、回路は選択されたユニットから前記貯蔵ユニット列にエネルギーを転送して、選択ユニットの充電状態が目標の充電状態に収束するようにする。選択されたユニットの充電状態が目標の充電状態より小さくなったときに、回路が貯蔵ユニット列から選択ユニットにエネルギーを転送して、選択ユニットの充電状態が目標の充電状態に収束するようにする。
【００１０】
特定の実施形態においては、回路は電力コンバータを含み、この電力コンバータは、選択されたユニットの充電状態が目標充電状態より大きくなったとき、選択ユニットからエネルギーを転送して貯蔵ユニット列を充電する。逆に、選択されたユニットの充電状態が目標充電状態より小さくなったとき、電力コンバータは貯蔵ユニット列からエネルギーを転送して選択ユニットを充電する。電力コンバータは、選択ユニットからエネルギーを転送して貯蔵ユニット列を充電するアップコンバータ、および貯蔵ユニット列からエネルギーを転送して選択ユニットを充電するダウンコンバータを含むことができる。電力コンバータはまた、選択されたユニットの充電状態に依存して、選択ユニットを充電するダウンコンバータ、および選択ユニットを放電するアップコンバータの両方として使用できる一般の変圧器であってもよい。
【００１１】
特定の実施形態においては、回路は、電力コンバータを選択された貯蔵ユニットに選択的に接続する半導体スイッチ類を含むこともできる。半導体スイッチは、双方向スイッチまたは単方向スイッチであってもよい。
【００１２】
双方向スイッチでは、同一対のスイッチを電力コンバータに電気的に接続して、選択貯蔵ユニットを充電または放電できる。また極性セレクタを組み込むことにより、ペアの双方向スイッチを電力コンバータに接続できる。
【００１３】
単方向スイッチの場合、異なる対のスイッチを使用して電力コンバータに電気的に接続することにより、選択貯蔵ユニットを充電または放電できる。例えば、選択されたユニットの充電状態が目標の充電状態より大きくなったとき、第１の対の単方向スイッチが電力コンバータを選択貯蔵ユニットに電気的に接続して、放電させる。逆に、選択ユニットの充電状態が目標充電状態より小さくなったとき、充電のため、第２の対の単方向スイッチが電力コンバータを選択貯蔵ユニットに電気的に接続して、充電する。
【００１４】
特定の実施形態においては、回路はコントローラを含むことができ、このコントローラは各貯蔵ユニットの充電状態を選択的に監視し、電力コンバータに指令を出して、選択されたユニットとユニット列の間でエネルギーを転送し、選択ユニットの充電状態を目標状態に収束させる。選択貯蔵ユニットの充電状態を監視するために、コントローラは、回路内の第１センサーによって検出される選択ユニットの電圧と電流のデータを利用できる。目標充電状態を決定するために、コントローラは、回路内の第２センサーによって検出される貯蔵ユニット列の全電流データを利用できる。
【００１５】
別の実施形態によれば、システムは複数の貯蔵ユニット列を備えることもでき、このユニット列は、一定の充電状態を有する各貯蔵ユニットと直列に接続される。対応する回路は、対応するユニット列中の各貯蔵ユニットの充電状態を選択的に監視する。ユニット列の各々に関して、選択ユニットの充電状態が目標充電状態と異なるときは、対応する回路が選択ユニットと対応するユニット列の間でエネルギーを転送することにより、選択ユニットの充電状態を目標充電状態に収束させる。
【００１６】
特定の実施形態においては、システムは各ユニット列の対応する目標充電状態を決定するマスターコントローラを備えることがでる。次に、マスターコントローラは、対応する回路のそれぞれを、選択されたユニットと対応するユニット列の間でエネルギーを転送するように指図し、選択ユニットの充電状態を対応する目標充電状態に収束させる。
【００１７】
対応する回路のそれぞれは電力コンバータを備えることができ、この電力コンバータは、選択されたユニットの充電が対応する目標充電状態より大きいときに、選択ユニットからエネルギーを転送して、対応するユニット列を充電する。逆に、電力コンバータは、選択されたユニットの充電状態が対応する目標充電状態より小さいときに、対応するユニット列からエネルギーを転送して、選択ユニットを充電する。
【００１８】
別の特定の実施形態では、マスターコントローラは、共通の目標充電状態を決定し、また対応する回路のそれぞれを、選択ユニットと対応するユニット列の間でエネルギーを転送するように指図し、選択ユニットの充電状態を対応する目標充電状態に収束させる。
【００１９】
別の実施形態によれば、システムには、各貯蔵ユニットが充電状態を有する一連の電気エネルギー貯蔵ユニットと、各貯蔵ユニットの充電状態を選択的に監視する回路とを備えることができる。選択されたユニットの充電状態が目標充電状態より大きいときは、回路がその選択ユニットから無損失負荷（non−dissipative load ）にエネルギーを転送して、選択ユニットの充電状態を目標充電状態に収束させる。選択されたユニットの充電状態が目標充電状態より小さいときは、回路が無損失負荷から選択ユニットにエネルギーを転送して、この選択ユニットの充電状態を目標充電状態に収束させる。
【００２０】
別の実施形態によれば、システムには、一連の電気エネルギー貯蔵ユニットを備えることができ、その各貯蔵ユニットは一定の充電状態を有する。負荷状態での各貯蔵ユニットの充電状態を選択的に監視する回路がある。選択されたユニットの充電状態が目標充電状態と異なるときは、回路はその選択ユニットとユニット列の間でエネルギーを転送して、選択ユニットの充電状態が目標充電状態に収束するようにする。
【００２１】
各貯蔵ユニットは、貯蔵セルまたはセル列を有するバッテリーモジュールであってもよい。１つまたは複数の貯蔵ユニットを含む貯蔵ユニット列であるバッテリーパックがある。さらに、ユニット列がバッテリーモジュール内にあるときは、バッテリーパックは複数のバッテリーモジュールから構成できる。
【００２２】
本発明の別の態様によれば、複数の直列に接続された電気エネルギー貯蔵ユニットの間での充電状態を決定し、平衡化するシステムおよび方法が提供される。
【００２３】
１つの実施形態によれば、充電状態は、（i）電気エネルギー貯蔵ユニット列中の選択されたユニットに無損失負荷をかけ、それにより、無損失負荷を介しその選択ユニットと貯蔵ユニット列の間でエネルギー転送を発生させること、および（ii）エネルギー転送から生じる選択されたユニットの電圧と電流のデータからその選択ユニットの充電状態を決定すること、から決定できる。特定の実施形態においては、充電状態は、エネルギー転送中に得られた選択ユニットの電圧と電流のデータから選択ユニットのインピーダンスを計算することによって決定できる。エネルギーはパルス電流によって転送できる。
【００２４】
１つの実施形態によれば、複数の直列に接続された電気エネルギー貯蔵ユニットの間で、充電状態を平衡化することができ、それには（i）電気エネルギー貯蔵ユニット列中の選択ユニットに無損失負荷をかけ、それにより、無損失負荷を介して選択ユニットと貯蔵ユニット列の間でエネルギー転送を発生させ、（ii）そのエネルギー転送から生じる選択ユニットの電圧と電流のデータから選択ユニットの充電状態を決定し、（iii）選択ユニットの充電状態が目標充電状態と異なるときは、選択ユニットとユニット列の間でエネルギーを転送することにより、選択ユニットの充電状態が目標充電状態に収束するようにする。
【００２５】
特定の実施形態においては、無損失負荷はアップコンバータであってよく、このアップコンバータは、選択ユニットから貯蔵ユニット列へのエネルギーユニットの転送の際に、選択貯蔵ユニットに対して利用される。別の実施形態においては、無損失負荷はダウンコンバータであってもよく、このアップコンバータは、貯蔵ユニット列から選択ユニットへのエネルギーユニットの転送の際に、選択貯蔵ユニットに対して利用される。
【００２６】
選択された貯蔵ユニットの充電状態は、エネルギー転送中に得られた電圧と電流のデータからその選択ユニットのインピーダンスを計算することによって決定できる。特定の実施形態では、充電状態は、（i）選択ユニットに無損失負荷をかけ、それにより、無損失負荷を介して選択ユニットと貯蔵ユニット列の間でエネルギー転送を発生させること、および（ii）エネルギー転送から生じる選択ユニットの電圧と電流のデータから選択ユニットの充電状態を決定すること、から決定できる。
【００２７】
特定の実施形態においては、選択貯蔵ユニットの充電状態は、（i）選択貯蔵ユニットに無損失負荷をかけ、（ii）選択貯蔵ユニットの第１の電圧を決定し、（iii）選択貯蔵ユニットを流れる第１の電流を決定し、（iv）選択貯蔵ユニットの第１電流とインピーダンスから第２の電圧を決定し、（v）第１電圧と第２電圧の電圧差に基づいて充電状態を決定すること、から決定できる。エネルギーはパルス電流によって転送できる。特定の実施形態においては、貯蔵ユニットのそれぞれは、貯蔵セルまたはバッテリーモジュールである。１つまたは複数の貯蔵ユニットが１つのバッテリーパックを構成できる。
【００２８】
特定の実施形態においては、目標充電状態は、（i）各貯蔵ユニットの決定されたインピーダンスから列インピーダンスを決定し、（ii）貯蔵ユニット列の第１列電圧と列電流を決定し、（iii）列電流と列インピーダンスから第２列電圧を決定し、（iv）第１および第２列電圧の間の列電圧差を決定し、（v）目標充電状態を、列電圧差と貯蔵ユニットの個数の比として決定すること、から決定できる。
【００２９】
特定の実施形態においては、充電状態を平衡化するシステムと方法には、（i）目標充電状態とは異なる充電状態を有する貯蔵ユニット列から１つの貯蔵ユニットを選択し、（ii）選択ユニットと貯蔵ユニット列の間でエネルギーを転送して、選択ユニットの充電状態を目標充電状態に収束させること、を含む。
【００３０】
特定の実施形態においては、貯蔵ユニットは貯蔵ユニット列から選択されるが、その選択は、（i）単一貯蔵ユニットの充電状態のそれぞれを目標充電状態と比較し、（ii）目標状態から最も異なる充電状態を有する貯蔵ユニットを選択する、ことを含む。別の実施形態では、上記充電状態とは異なる充電状態を有する複数の貯蔵ユニットが順に選択される。
【００３１】
特定の実施形態においては、エネルギーは、選択貯蔵ユニットと貯蔵ユニット列間で転送されるが、これは、（i）選択貯蔵ユニットの充電状態を目標充電状態と比較し、（ii）充電状態が目標状態より小さいときは、エネルギーが貯蔵ユニット列から転送されて、選択ユニットを充電し、（iii）充電状態が目標充電状態より大きいときは、エネルギーが選択ユニットから転送されて、貯蔵ユニット列を充電する、ことを含む。
【００３２】
特定の実施形態においては、充電状態が目標状態より小さいときは、充電時間が終了するまで、エネルギーが貯蔵ユニット列から選択貯蔵ユニットに転送される。逆に、充電状態が目標充電状態より大きいときは、放電時間が終了するまで、エネルギーが選択貯蔵ユニットから貯蔵ユニット列に転送される。
【００３３】
本発明の別の態様によれば、直列接続された電気エネルギー貯蔵ユニットの間で充電状態を平衡化する双方向電力コンバータが提供される。
【００３４】
１つの実施形態によれば、複数の直列接続された電気エネルギー貯蔵ユニットの間で充電状態を平衡化するシステムは電力コンバータを備え、この電力コンバータは、電気エネルギー貯蔵ユニット列の単一貯蔵ユニットに選択的に接続され、単一貯蔵ユニットと貯蔵ユニット列との間で双方向的にエネルギーを転送する。
【００３５】
特定の実施形態においては、電力コンバータは、可変の転送速度でエネルギーを転送できる。電力コンバータは、エネルギー転送後の貯蔵ユニットの電圧と電流を監視できる。電力コンバータは、単一貯蔵ユニットと貯蔵ユニット列との間でエネルギーを転送できる。
【００３６】
単一貯蔵ユニットから貯蔵ユニット列にエネルギーを転送する特定の実施形態においては、電力コンバータには、（i）１次インダクタ、（ii）１次インダクタに磁気的に結合された第１の２次インダクタ、（iii）単一貯蔵ユニットを1 次インダクタに選択的に接続する第１スイッチ、を含む。第１の２次インダクタはさらに、貯蔵ユニット列に並列に接続された出力キャパシタンスに接続している。第１スイッチがオンのとき、エネルギーは単一貯蔵ユニットから転送され、１次インダクタを充電する。第１スイッチがオフのとき、エネルギーは１次インダクタに放出され、出力キャパシタンスを充電し、出力キャパシタンスは貯蔵ユニット列にエネルギーを放出する。
【００３７】
特定の実施形態類においては、システムは第１パルス発生器を備え、このパルス発生器は第１スイッチに第１イネーブル信号を供給する。第１スイッチは、第１イネーブル信号に応答して、単一貯蔵ユニットを１次インダクタに接続し、単一貯蔵ユニットから貯蔵ユニット列にエネルギーが転送される。
【００３８】
システムはまた、第２パルス発生器を備えることもでき、この第２パルス発生器は第１パルス発生器に第２のイネーブル信号を送る。第２イネーブル信号は、可変速度での、単一貯蔵ユニットから貯蔵ユニット列へのエネルギーの転送を制御し、第１パルス発生器は第２イネーブル信号に応答して第１イネーブル信号を提供する。
【００３９】
特定の実施形態においては、システムはさらに第２の２次インダクタを備えることができ、この第２の２次インダクタは単一貯蔵ユニットを、第２電圧を有する第２の２次インダクタに結合している。電圧比較器の入力端は第２電圧および参照電圧を受け取る。第２電圧が参照電圧より大きいときは、第２パルス発生器が始動される。第２電圧が参照電圧に達したときには、第２パルス発生器は停止する。
【００４０】
貯蔵ユニット列から単一貯蔵ユニットにエネルギーを転送する特定の実施形態においては、システムは、（i）１次インダクタ、（ii）１次インダクタに磁気的に結合された、第１の２次インダクタ、および（iii）その第１の２次インダクタを貯蔵ユニット列に選択的に接続する第２スイッチ、を備えることができる。第２スイッチがオンのとき、貯蔵ユニット列からエネルギーが転送され、第１の２次インダクタを充電する。第２スイッチがオフのとき、エネルギーは１次インダクタに放出され、単一貯蔵ユニットを充電する。
【００４１】
特定の実施形態においては、システムは第１パルス発生器を備えることができ、この第１パルス発生器は第２スイッチに第１イネーブル信号を供給する。第２スイッチは、第１イネーブル信号に応答して、貯蔵ユニット列を第１の２次インダクタに接続し、それにより、エネルギーが貯蔵ユニット列から単一貯蔵ユニットに転送される。
【００４２】
システムはまた、第２パルス発生器を備えることができ、この第２パルス発生器は第１パルス発生器にイネーブル信号を送る。第２イネーブル信号は、可変速度での、貯蔵ユニット列から単一貯蔵ユニットへのエネルギーの転送を制御し、第１パルス発生器は第２イネーブル信号に応答して第１イネーブル信号を提供する。
【００４３】
特定の実施形態においては、該システムはさらに第２の２次インダクタを備えることができ、この第２の２次インダクタは単一貯蔵ユニットを、２次電圧を有する第２の２次インダクタに結合している。電圧比較器の入力端は２次電圧および参照電圧を受け取る。２次電圧が参照電圧より小さいときは、第２パルス発生器が始動される。２次電圧が参照電圧に達したときは、第２パルス発生器が停止される。
【００４４】
特定の実施形態においては、電力コンバータは、単一貯蔵ユニットから貯蔵ユニット列にエネルギーを転送するアップコンバータ、および貯蔵ユニット列から単一貯蔵ユニットにエネルギーを転送するダウンコンバータを備えることができる。別の特定の実施形態においては、電力コンバータは、単一貯蔵ユニットを充電するダウンコンバータとして使用でき、また単一貯蔵ユニットを放電するアップコンバータとしても使用できる共通の変圧器を備えることができる。
【００４５】
各貯蔵ユニットは、貯蔵セルまたは貯蔵ユニット列を有するバッテリーモジュールであってもよい。１つまたは複数の貯蔵ユニット列はバッテリーパックを備えることができる。
【００４６】
本発明の前述およびその他の目的、特徴、および利点は、添付の図面に示す本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な記述から明らかになるであろう。これら図面においては、同一の参照符号は、異なる図面においても同一の部品を指す。図面は必ずしも縮尺通りでなく、本発明の原理を説明することに重点が置かれている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
本発明の好ましい実施形態の説明を以下に示す。
【００４８】
図１は、１つの実施形態によるセル平衡化システムを示す図である。セル平衡化システム１はバッテリーパック１００を備え、このパックはさらに、エネルギーを貯蔵する直列接続された一連の貯蔵セル（貯蔵ユニット）１０５を含む。貯蔵ユニット列であるバッテリーパック１００は電源として作用し、例えば、ハイブリッド電気自動車（HEV）モータ２００に電力を供給する。バッテリーパック１００はまた、HEV モータ２００がHEV エンジンによって、またはブレーキ操作中に自動車の運動エネルギーおよびポテンシャルエネルギーによって発電機として駆動されたとき、HEV モータから充電を受けることもできる。
【００４９】
バッテリーパック１００は、さらにスイッチマトリクス３００に接続され、これにより、パック１００中の貯蔵セル１０５のそれぞれを、個々に選択し、また電圧、電流、および温度の監視および単一セルの充電状態を目標充電状態に均等化する均等化コンバータに電気的に接続することができる。特定の実施形態においては、スイッチマトリクス３００は半導体スイッチアセンブリであってもよく、これにより集積回路の設計を容易にし、製造コストを削減する。
【００５０】
コントロールユニット５００は、スイッチマトリクス３００に指令を出し、単一セルを均等化コンバータ４００に選択的に接続し、また均等化コンバータ４００との通信を介して単一セルの充電状態を監視する回路である。１つの実施形態によれば、コントロールユニット５００は、適切な分解能（例えば、１０ビット）と例えば毎秒１０００の変換速度を有する、オンチップのアナログ−ディジタルコンバータ（ADC ）を有するマイクロコントローラである。単一セルの充電状態が目標充電状態と異なるときは、コントロールユニット５００は均等化コンバータに指令を出して、単一セルとセル列１００の間でエネルギーを転送して、選択セルの充電状態を目標充電状態に収束させる。
【００５１】
例えば、選択セルの充電状態が目標充電状態より大きいときは、均等化コンバータ４００に指令を出して、セルから徐々に放電させ、セルから電流を引き出して、接続４０１を介してバッテリーパック１００に充電を戻す。逆に、選択セルの充電状態が目標より小さいときは、均等化コンバータ４００に指令を出して、セルを充電し、接続線４０１を介してバッテリーパック１００から電流を引き出して、選択セルにその電流を配給する。充電状態は、図７A−７D に示される、後に説明する方法を用いて、一定の負荷状態における電圧測定から決定できる。このような実施形態においては、単一セルは、無損失の方法で充電または放電できる。
【００５２】
別の実施形態によれば、選択セルから引き出される電流（すなわち、放電）は、別の無損失負荷に転送できる。負荷は、それを通るエネルギーの少なくとも８０％が保存されておれば、無損失負荷である。無損失負荷には、後にセル列または単一セルを充電する中間的エネルギー貯蔵緩衝器（例えば、コンデンサーまたは補助電源）を含むことができる。さらに別の実施形態によれば、このような無損失負荷には別の貯蔵セルを含むこともできる。エネルギーを他の貯蔵セルに転送するために、追加のスイッチおよび均等化コンバータを組み込む必要がある場合もある。
【００５３】
充電状態（SOC ）は、充電工程または放電工程後のセルの電気化学的状態の特徴を決定する尺度である。例えば、セルの全容量が「z」Ah（アンペア時）であると仮定する。フル充電状態から０．５z Ah の容量を放電後は、そのセルの充電状態は５０％である。同様に、フル充電状態から０．２５z Ah の容量を放電後は、そのセルの充電状態は２５％であり、その他も同様である。
【００５４】
セルの充電状態は、セルの電気化学的滴定によるセルの開放回路電圧に関連付けできる。近似として、セルの充電状態は、多くの場合、極めて遅い充電速度または放電速度での充電電圧プロファイルまたは放電電圧プロファイルでのセル電圧に関連している。セルの充電状態は電気化学的状態を反映しているため、セル寿命とセル安全性を向上するためにセルの充電状態を均等化することが重要である。
【００５５】
本発明の特定の実施形態によれば、充電状態は電圧、電流、およびインピーダンスを測定することによって決定される。負荷による電圧差を補正した後、単一セルの電圧を比較することによって充電状態が均等化される。
【００５６】
従来技術においては、充電が測定され、セル均等化の指標として使用される。しかし、アンペア時（Ah）で測定される充電は、充電状態（SOC ）とは全く異なる。同一充電を有するセルが同一の充電状態を有するとは限らないので、セルを均等化するために充電を測定するだけでは不十分である。
【００５７】
例えば、２ 個のセルが２０Ah の容量を有すると仮定する。このセルが２０Ah まで充電されたとき、どちらも４．２V の電位を有する。セルの全容量を利用できると仮定して、これらのセルを１０Ah まで均等化することによって、これらのセルを５０％の充電状態に均等化でき、その結果、４．２V より低いある一定の電圧になる。
【００５８】
しかし、これらの２つのセルの劣化が異なって、それぞれの劣化状態において、第１セルは１８Ah の最大容量を達成でき、第２セルは１５Ah の最大容量を達成できるとさらに仮定する。両方のセルが最大容量まで充電されたとき、両者は４．２V の電圧を有する。この場合、もしこれらの２個のセルが１０Ah の平衡充電に均等化された場合、第１セルから８Ah の放電がされ、第２セルから５Ah の放電がなされる。この結果、これらのセルが異なる充電状態（すなわち、５６％と６７％）になり、したがって２つの全く異なるセルの電圧となる。したがって、これらのセルは均等化されたと考えられない。
【００５９】
したがって、セル充電を均等化する方法は、劣化したセルまたは本質的に同等でないセルに関しては信頼性がない。このように充電状態を均等化できないため、バッテリー寿命が短くなり、安全性の問題を発生する。短い寿命の原因は、充電状態を決定できないことから起こる過放電や過充電である。さらに、特にリチウムイオンバッテリーに関して、過充電または過放電は、セルの内部短絡を発生する可能性のあるデンドライト（dendrite）形成に起因する、熱暴走を起こすことがある。
【００６０】
本発明の特定の実施形態によれば、セルのインピーダンス、したがって充電状態は、好ましくは、試験電流をセルに入出力して、その電圧を測定することによって測定できる。セルの抵抗値は、測定されたセルの電圧値を測定されたセルの電流値で割って決定される。より複雑なセルのインピーダンスに関する追加情報は、一定電流または電流プロファイルに応答する抵抗値の時間的変化を測定して決定される。
【００６１】
試験電流はコントローラによってプログラムできる可変電流であり、コンバータを介して無損失の方法で、セルから電流サンプルを取り出し、またはセルに電流サンプルを供給する。試験電流として、自動車にブレーキをかけるかまたは加速するとき、セル列に出入りする実際の負荷電流を利用することもできる。
【００６２】
可変電流の場合は、電流パルスの振幅と継続時間を調整して、インピーダンス測定を最適化できる。自動車の走行に起因する負荷電流の場合には、インピーダンス測定は最適化できず、測定の最適化は通常の自動車運転中に可能になる。
【００６３】
必要に応じて、両方式の試験電流インピーダンス測定を組み合わせることもできる。例えば、自動車が、そのバッテリースタックから軽負荷電流のみを引き出していて、特定のセルのインピーダンスを正確に測定するのに不十分な場合は、コンバータをプログラムして、正確な測定値を得るのに十分な余分の電流をセルから引き出すことができる。
【００６４】
バッテリーに関しては、セルの内部インピーダンスを決定するとき、好ましくは、システムの高速パルス中に電圧および電流を測定する。このインピーダンスは、いわゆる内部インピーダンスだけによるもので、バッテリー内の他の分極効果によるものではない。これはまた、運転中にバッテリーにかかる負荷を補正することによって、ある一定の充電状態に対応する電圧を計算するのに用いられるインピーダンスである。
【００６５】
図２は、１つの実施形態によるセル平衡化システムを示す詳細図である。この実施形態では、スイッチマトリクス３００は、２(N＋１)個の単方向スイッチのアセンブリ（図示なし）を含み、ここでN はバッテリーパック１００中のセル数である。単一セルを、例えば均等化コンバータ４００に電気的に接続するために、コントロールユニット５００がペアの単方向スイッチに電圧を印加し、これら単方向スイッチがコンバータ４００と単一セル１０５との間の導電路を提供する。特に、第１の選択されたペアのスイッチはセルを充電する導電路を提供し、第２の選択されたペアのスイッチはセルの監視および放電のための導電路を提供する。図４A および図４Bは、単方向スイッチを有するスイッチマトリクス３００の具体化が示されており、これについては以後に説明される。
【００６６】
選択されたセルの充電状態が目標充電状態と異なるとき、均等化コンバータ４００を用いて、単一セルとセル列１００の間でエネルギーを転送する。コントロールユニット５００はコンバータ４００を指令するコントロールシグナルを提供して、セル列１００から選択セルにエネルギーを転送するか、またはセルからセル列１００にエネルギーを転送する。コントロールユニット５００はさらに、セルへの電流およびセルからの電流を限度し、および目標充電状態（すなわち、セル電圧）を定義するコントロールシグナルを提供する。
【００６７】
均等化コンバータ４００はバックコンバータ４１２（ダウンコンバータとも呼ばれる）を含む。単一セルの充電状態が目標充電状態より小さいときは、コントロールユニット５００はバックコンバータ４１２に指令を出して、セル列から単一セルにエネルギーを転送する。
【００６８】
１つの実施形態によれば、バックコンバータ４１２は電気絶縁されたバックコンバータ回路で形成でき、この回路は、直列接続されたセルのパックまたはセルのバッテリーモジュール（例えば、５個の８０ボルトモジュールから成る４００ボルトバッテリーパック）から充電を受け取り、それを選択されたセルに供給する。バックコンバータの入力電圧範囲は、バッテリーモジュール（例えば、８０ボルト）内のセル列、またはバッテリーパック全体（例えば、４００ボルト）が発生する最大電圧に一致できる。バックコンバータの出力は、単一セルの電圧に一致する。コンバータの出力は、コントロールユニット５００によってプログラム可能な電圧制限値と電流制限値を有することができる。
【００６９】
バックコンバータの電力定格は、均等化充電電流の最大需要によって決定される。例えば、４ボルトで１０アンペアの最大均等化充電電流を提供するバックコンバータのピーク電力定格は４０ワットであり、その回路部品のサイズおよびコストは比較的小さくなる。バックコンバータはまた、セルの監視および均等化制御回路を作動するのに必要なわずかの制御電力を供給する。
【００７０】
１つの特定の実施形態においては、バックコンバータは、Beta Dyne 社の４０W Power  WattTM DC/DC コンバータである。別の特定の実施形態では、バックコンバータは、いずれの機能も実行できる組合せ型のバック／ブーストコンバータとして実現される。ブーストコンバータはパックに充電を戻す。１つの実施形態によるバックコンバータの動作が図８B に示されている。
【００７１】
均等化コンバータ４００はさらに、アップコンバータとも呼ばれるブースト均等化コンバータ４１４を含む。単一セルの充電状態が目標充電状態より高いときは、コントロールユニット５００はブーストコンバータ４１４に指令を出して、選択セルからセル列１００にエネルギーを転送する。
【００７２】
１つの実施形態によれば、ブーストコンバータ４１４は電気絶縁されたブーストコンバータ回路で形成でき、この回路は、選択されたセルから充電を受け取り、それをセルのパックまたはセルのモジュール（例えば、5 個の８０ボルトモジュールから成る４００ボルトバッテリーパック）に送る。ブーストコンバータの出力は、それが接続されるパックまたはモジュールの作動電圧範囲にわたって、最大の好ましい速度で確実に充電を受け入れら適正な電圧を有する電流源を提供する。
【００７３】
ブーストコンバータは、接続されていないときの過電圧を避けるために、その出力電圧を制限することができる。ブーストコンバータは、コントロールユニット５００によって決定される入力電圧と入力電流の制限値を有することができる。例えば、ブーストコンバータ入力は、予測されるセル電圧全体にわたり接続されたセルから充電を受け入れるように構成できる。ブーストコンバータの回路部品のサイズおよびコストは、バックコンバータと同様である。図８A には、１つの実施形態によるブーストコンバータの動作が示されている。
【００７４】
セル均等化システムにはさらに、第１センサーであるセル電圧および電流モニター４２０、および第２センサーである電流センサー４３０を含む。セル電圧および電流モニター４２０はセルの電圧と電流をコントロールユニット５００に伝達し、コントロールユニットで選択されたセルの充電状態を決定する。セル電圧および電流モニター４２０はまた、バッテリー電流センサー４３０を監視する。コントロールユニット５００はセルの電圧および電流データを利用して、目標充電状態を動的に決定する。セルの個々の充電状態がそれぞれ、目標充填状態に収束すると、セル列全体にわたって充電が均等化され、動作寿命およびカレンダー寿命を延ばすことになる。
【００７５】
図３A および図３B は、１つの実施形態による、均等化コンバータの双方向充電動作を示す概念図である。この概念レベルでは、バックコンバータ４１２およびブーストコンバータ４１４内で使用される変圧器結合手段（a、b）によって提供される電気絶縁に注目する。DC 入力およびDC 出力と変圧器とを整合させるのに必要なスイッチィング式電源回路が使用されるが、図示していない。
【００７６】
図３A では、バックコンバータ４１２が、コントロールユニット５００の指令を受けて選択されたセル（V3）にエネルギーを転送するとき、セル列１００からの電流はインダクタ素子「b」を通って取り出され、その結果、誘導電流がバックコンバータ４１２からインダクタ素子「a」を通って選択されたセル（V3）に送られる。例えば、図３A では、セル列に５個の貯蔵セルがあるが、セル列両端の電圧は、ほぼ単一セルの目標電圧まで、すなわちセル列電圧の約１/５までダウンコンバートされる必要がある。すべてのセルがほぼ同一のインピーダンスを有し、１A の誘導電流がバックコンバータ４１２から選択セルに送られると仮定すると、約１/５A がセル列から引き出される。その結果、充電されるセルを通る電流は、選択セルを充電する約（１A−１/５A）＝４/５A の電流となり、一方、１/５A の電流は残りのセルから放電される。
【００７７】
これに対し、図３B では、ブーストコンバータ４１４が、コントロールユニット５００の指令を受けて選択されたセルV3からエネルギーを転送するとき、この選択セルからの電流はインダクタ素子「a」を通って取り出され、その結果、誘導電流がブーストコンバータ４１４からインダクタ素子「b」を通ってセル列に送られる。例えば、図３B では、セル列に5 個の貯蔵セルがあるが、１A の誘導電流が均等化放電コンバータ４１４によって選択セルから引き出され、４/５A の電流（すなわち、１A−１/５A＝４/５A）が選択セルから放電され、一方、１/５A の電流は充電のために残りのセルに供給される。
【００７８】
図４Aおよび図４B は、単方向スイッチを有するスイッチマトリクスの動作を示す概略図である。スイッチマトリクスを作動することによって、セルを選択的に充電または放電し、またその電圧を監視できる。例えば図２に示すような、セル平衡化システムの実施形態については、N 個のセルのアセンブリは、２（N＋１）個の個別に制御される単方向スイッチSを必要とする。
【００７９】
これに限定するものではないが、図示した実施形態では、単方向スイッチはMOSFET スイッチSであり、このスイッチのそれぞれはブロッキングダイオードDに接続されている。単方向スイッチは、ペアのスイッチをオンにすることによって、選択セルを通る導電路を維持して、セルに入出力するエネルギーの監視および／または転送ができるように構成される。スイッチSは単方向性であるため、１つのペアスイッチは単一セルを選択的に充電でき、別のペアスイッチは上記セルの放電および監視をできるようにする。
【００８０】
例えば、図４A では、単方向MOSFET スイッチのＳ９ およびＳ１２をオンにすることにより、単一セルV1を選択的に充電できる。可変電流源Ｉ２により示されている、バックコンバータ４１２を介してバッテリーセルから取り出される電流は、スイッチＳ９およびダイオードＤ９からセルＶ１を通って流れ、スイッチＳ１２およびダイオードＤ１２によってスイッチマトリクス３００に戻る。この例では、Ｓ９およびＳ１２が導電中に、セルＶ１がＳ１０およびＳ１１の固有ボディダイオードを通して短絡するのを、ブロッキングダイオードＤ１０とＤ１１が防止している。例えば、スイッチＳ７の固有ボディダイオードｂｄ７が図４Ａに示されている。このダイオードによって、スイッチＳ７がゲート制御されたＯＦＦの場合でも、電流が右から左に流れることができる。ダイオードＤ７が所定の位置にない場合、この導通により、Ｖ２の陽極からＳ７の固有ボディダイオードおよびＯＮのスイッチＳ９を通る短絡回路が形成される。
【００８１】
同様に、図４Ｂでは、単方向ＭＯＳＦＥＴスイッチＳ１１およびＳ１０をオンにすることによって単一セルＶ１を放電できる。ブーストコンバータ４１４を通ってバッテリーセルに戻る充電（可変電流シンクＩ１で表示されている）は、スイッチＳ１１およびダイオードＤ１１からセルＶ１を通って流れ、スイッチＳ１０およびダイオードＤ１０よってスイッチマトリクス３００に戻る。あるいは、Ｉ１は電流制限電圧シンク（すなわち、可変電圧へのセル放電を可能にする）であってもよい。
【００８２】
上記のとおり、好ましくない導電路を阻止するために、単方向MOSFET スイッチのそれぞれに直列に接続されたダイオードを必要とする。ブロッキングダイオードの電圧降下を最小限にするために、ショットキーダイオードを使用することもできる。関連する電流が既知であるため、充電、放電、および作動の測定モードにおけるブロッキングダイオードによる電圧降下を補正できる。補正後の残りの非系統的電圧降下は、デバイス間のダイオード特性の変動のために生じるものであり、補正が不可能であるが、作動電圧に比較して小さい。単一の制御可能なスイッチマトリクスと充電／放電能力のこの組合せは、セル間で充電を選択的に転送することにより、セルの平衡化を実現する。
【００８３】
特定の実施形態によれば該単方向スイッチはまた、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）であってもよい。しかし、MOSFET 型トランジスタでは、IGBT の飽和電圧降下（Vce sat）に関連する導電損失を避けられる。MOSFET スイッチは、ON になったとき、低インピーダンスを提供する。特に、MOSFET の「オン抵抗」（RDS on）の電圧降下による損失は比較的小さく、デバイス間のMOSFET 「オン抵抗」の変動は小さく、また温度変動に関しては、スイッチマトリクス全体の全電圧測定における許容範囲内の誤差レベルを実現する。
【００８４】
MOSFET スイッチの絶縁ゲート駆動は、特定用途向け集積回路（ASIC ）の形態での実現を容易にする。１つの実施形態によれば、ゲートドライバは、電気絶縁された発光ダイオード（LED ）駆動の光電（PV）ゲートドライバである。これらのドライバによって達成される適度なターンオン／ターンオフ速度は、目的とする用途には十分に適する。
【００８５】
図５は、別の実施形態によるセル平衡化システムを示す詳細図である。この実施形態は図２の実施形態とほぼ同様であるが、異なる点は、スイッチマトリクス３００およびコントロールユニットによって制御される追加の極性セレクタ４４０の構成と動作である。極性セレクタ４４０は、スイッチマトリクス３００および均等化コンバータ４００の間に接続されている。
【００８６】
詳細には、スイッチマトリクス３００は、N+1個 の双方向スイッチ（図示なし）から成るバンクを含む。ここでN はバッテリーパック１００内のセル数である。単一セルを、例えば、均等化コンバータ４００に電気接続するために、コントロールユニット５００は、コンバータ４００とセルの間に導電路を提供するペアの双方向スイッチを作動させる。1個のペアスイッチを使用して、単一セルを選択的に充電または放電できる。
【００８７】
コントロールユニット５００は、選択されたセルの充電状態が目標充電状態より大きいか、または小さいかに基づいて、セルの充電または放電を決定する。充電状態が目標より大きいとき、コントロールユニット５００は均等化コンバータ４００に信号を送り、セルを放電させる。同時に、図６A で説明したように、コントロールユニット５００は極性セレクタ４４０に制御メッセージを送り、スイッチマトリクス３００に接続されたリンク４４５および４４７の極性を選択する。極性セレクタは、MOSFET スイッチおよび電気絶縁されたLED−PV ゲートドライバまたは電気機械リレーとで実現できる。極性セレクタは、当業者に公知の他の方法で実現することも可能である。
【００８８】
図６A および図６B は、１つの実施形態による双方向スイッチを有するスイッチマトリクスの動作を示す回路図である。スイッチマトリクスの動作によって、セルを選択的に充電または放電し、またその電圧を監視できる。この実施形態では、「逆並列」接続されたペアの単方向MOSFET が１つの双方向スイッチを構成している。これは図６B で詳細に説明されている。
【００８９】
図５に示されているようなセル平衡化システムの実施形態では、N 個のセルのアセンブリは（N+1）個の個別に制御される双方向スイッチを必要とする。したがって、スイッチ部品の数は、単方向スイッチを利用する実施形態より少なくなっている。この減少はまた、必要なゲートドライバの数の減少に対応している。双方向スイッチは、ペアのスイッチをオンにすることによって、選択セルを通る導電路を維持して、セルに入出力するエネルギーの監視および／または転送ができるように構成される。
【００９０】
スイッチは双方向性であるため、単一のペアスイッチが単一セルの充電と放電の両方を行うことができる。例えば、図６A では、スイッチM1/M2 とスイッチM3/M4 をオンにしてセルV5 を選択的に充電できる。セルを充電するために、均等化コンバータ４００は、電流をスイッチM1/M2 から充電するセルV5 の方向に流し、スイッチM3/M4 を通ってセル均等化回路に戻るようにする。詳細には、均等化回路４００の内部抵抗は抵抗によって表されており、セル列１００）はバッテリー記号で表されている。
【００９１】
同様に、セルV4 を選択的に充電するため、スイッチM5/M6 およびスイッチM3/M4 をオンにする必要がある。しかし、充電のために均等化コンバータ（４００）からセルV4 に電流を流すには、ペアのスイッチ両端の極性が反転する必要がある。この極性はコントロールユニット５００によって設定され、コントロールユニットは極性セレクタ４４０に制御信号を送り、リンク４４５および４４７の極性を設定する。極性の選択は、例えば、個々のセルに接続された双方向スイッチの特定の構成に基づく。極性セレクタをなくするために、双方向スイッチの他の構成を用いることもできる。
【００９２】
また、セルV5 を充電するのにオンにされたのと同じ双方向スイッチM1/M2 およびM3/M4 をオンにすることによって、セルV5 を選択的に放電できる。セルV5を放電するために、均等化コンバータ４００は電流をM3/M4 から反対方向に流し、セルV5 を放電させ、スイッチM1/M2 を通って、均等化回路に戻ってくるようにする。充電と同じ極性設定を放電に使用できる。
【００９３】
しかし、V4 を選択的に放電するには、スイッチM5/M6 およびM3/M4 をオンにし、ペアのスイッチの極性を反転する必要がある。したがって、均等化コンバータ４００はセルV4 から電流を引き出すことができ、これにより、電流がスイッチM5/M6 から流れてセルV4 を放電し、スイッチM3/M4 を通ってセル均等化回路に戻る。
【００９４】
図６B は、１つの実施形態による双方向スイッチの回路図である。この実施形態においては、双方向スイッチ３０５は、共通ゲート３０５ｇおよびソース３０５ｓを有するペアのディスクリートMOSFET スイッチ（M1、M2）である。双方向スイッチをオンにするために、電圧がゲート（３０５ｇ）にかけられる。１つの実施形態によれば、ゲートは、電気絶縁LED 光電（PV）ゲートドライバによって駆動される。電流は均等化コンバータ４００と、極性セレクタ４４０のリンク４４５および４４７により加えられるときの、端子d１およびｄ２に加えられた極性とによって決定された方向に流れる。
【００９５】
この構成では、順方向バイアスされた固有ボディダイオードｂｄ１またはｂｄ２は、電圧降下を生じず、セル電圧の測定精度を低下させるが、その理由は、電流が関連するMOSFET デバイスのチャネルを主に通り、そのチャネル抵抗の電圧降下がダイオード電圧降下よりかなり小さく、支配的だからである。さらに、双方向スイッチゲート駆動がオフのとき（すなわち、０ボルトまたは０に近いとき）、MOSFET スイッチペアは両方向の導通を阻止し、したがって図４A および図４B で示された単方向スイッチの実施形態で必要であったブロッキングダイオードの必要がなくなる。このように、スイッチの図示された実施形態は、回路中の電圧降下の悪影響が小さくなるため、より小さい電力損失を伴う低電圧降下スイッチングと、高精度のセル電圧および充電状態の推定とを可能にする。
【００９６】
特定の実施形態類によれば、双方向スイッチは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT ）デバイスまたは電気機械リレー、または半導体アシスト・リレースイッチ（Semiconductor Assisted Relay Switch ）で実現できる。IGBT スイッチには、固有の逆ダイオードがなく、単方向の導電のみを提供する。したがって、逆並列のIGBT スイッチを利用して上記の双方向スイッチを実現する場合は、各IGBT スイッチは逆電流を防ぐために、直列の阻止ダイオードを含まなければならない。
【００９７】
双方向性IGBT スイッチが電力スイッチング用途において利用されるが、導電状態のIGBT と逆ダイオードが、本発明で極めて望ましくない電圧降下の悪影響をもたらす。MOSFET スイッチはON のときのインピーダンスが小さく、この理由から、一般的に望ましい。ただし、MOSFET スイッチによって、電圧および電流定格の条件が手ごろな価格で満たされない場合には、IGBT およびダイオードの導電による電圧降下に対する補正がなされるならば、IGBT の実施形態の実用性がある。
【００９８】
電気機械リレーが適正な繰返し寿命を有し、それらのサイズおよび重量が問題にならない場合は、これらのリレーを使用して、MOSFET 双方向スイッチの代わりにセル選択スイッチマトリクスを実現でき、LED-PV ドライバの絶縁の必要性を避けられ、導電損失を事実上なくする有利性を有する。さらに別の実施形態によれば、双方向スイッチは、逆並列のシリコン制御整流素子（SCRｓ）で実現できる。
【００９９】
MOSFET スイッチの絶縁ゲート駆動およびMOSFET スイッチ自体によって、特定用途向け集積回路（ASIC）の形態での実現を容易にできる。さらに、複数の絶縁ゲート駆動の双方向スイッチを１つのASIC チップ上に集積できる可能性もある。１つの実施形態によれば、ゲートドライバは、電気絶縁されたLED 駆動される光電（PV）ゲートドライバである。スイッチON およびスイッチOFF の適度な速度が、意図する用途には適する。
【０１００】
図７A〜７D のフローチャートは、１つの実施形態よるセル平衡化システムの動作方法を示している。これに限定するものではないが、この方法は、コントロールユニット５００が以下の手順を実行するアルゴリズムとして実現できる。図７A を参照すると、プロセスは１０００で開始される。１０２０では、モータの状態が確認される。モータがオフならば、プロセス（方法）は１０００に戻り、モータの状態を再びチェックするまで待つ。モータがオンの場合には、１０４０でセル番号nを１に初期化し、バッテリーパック１００の第１セルを選択する。１０６０では、プロセスはサブルーチン「READ IMPEDANCE （インピーダンスの読取り）」を呼び出す。
【０１０１】
図７B を参照すると、２０００でサブルーチン「READ IMPEDANCE （インピーダンスの読取り）」が開始される。２０２０でペアのスイッチを駆動し、選択されたセル（すなわち, セルｎ＝１）を接続する。２０４０で選択セルの開放電圧が読み取られる。２０６０で選択セルに負荷がかけられ、電流が選択セルから流れ、セルの電圧が低下する。この加えられる負荷はブーストコンバータ４１４であってもよい。ブーストコンバータ４１４を使用することによって、セルからのエネルギーは、消費負荷に比べて失われない。逆に、ブーストコンバータ４１４はセルから放電された電流でバッテリー１００を再充電する。
【０１０２】
２０８０では、選択されたセルの負荷時電圧（Vload ）および電流（Icell ）を読取る。２１００で選択セルのインピーダンスが計算され、変数Rn2 に格納される。セルのインピーダンスRn2 は、負荷時電圧（Vload）と開放電流電圧（Vopen ）の間の電圧差をセルの電流（Icell ）によって割った比として計算される。以前に保存されたセルのインピーダンス値は変数Rn1 に格納される。
【０１０３】
セルインピーダンスはバッテリーパックの動的な使用量により変化する可能性があるため、ステップ２０６０および２０８０を複数回繰り返して、セルインピーダンスをより正確に決定できる。例えば、１つの実施形態によれば、図８A に関して考察されるように、一定振幅の電流パルス（すなわち、DC パルス）がセルから一定時間間隔、またはさまざまな時間間隔で引き出されるように、ブーストコンバータを作動させることができる。DC パルスがセルから引き出されているときは何時でも、負荷時電圧を測定でき、この結果、多数の回数の負荷時電圧測定値が得られる。DC パルスがセルから引き出されていないときは何時でも、開放電圧を測定でき、この結果、対応する回数の開放電圧の測定値が得られる。開放電圧と負荷時電圧の間の電圧差はリップル電圧と呼ばれる。一定時間内に得られるリップル電圧と対応する電流パルスから、より正確なセルインピーダンスを推定できる。この結果から得られたセルインピーダンスの値は変数Rn2 に格納できる。
【０１０４】
別の実施形態によれば、加えられる負荷はバックコンバータであってもよく、このバックコンバータは、一定振幅の電流パルス（すなわち、DC パルス）が一定時間間隔、またはさまざまな時間間隔でセルに供給されるように作動される。２１２０では、加えられた負荷が除かれる。２１４０で、その時点とそれ以前のセルのインピーダンス値（Rn2 、Rn1 ）の間のセルのインピーダンスの変化（ΔR）を計算する。２１６０で、その時点での値Rn2 が以前の値Rn1 から５０％以上変化したかどうかが決定される。５０％以上の変化があった場合は、２１８０でRETRY（再試行）コマンドが出され、プロセスが２０４０にループバックし、その時点でのセルのインピーダンスRn2 を再計算する。そうでない場合は、２２００で、以前のインピーダンス値Rn1 がその時点の値Rn2 で置き換えられる。２２２０で選択されたペアのスイッチへの電力が遮断され、選択されたセルをセル平衡化回路から切り離す。２２４０でサブルーチン「READ IMPEDANCE （インピーダンスの読取り）」に戻る。
【０１０５】
図７A に戻ると、１０８０で、セル番号「n」がパック内の全セル数（N）と比較され、現時点でのセルのインピーダンスがすべて決定されたかどうかを決定する。すべてが決定されていない場合は、１１００でセル番号「n」をインクリメントし、現時点でのすべてのセルのインピーダンス（R1,・・・RN）が決定されるまでサブルーチン「READ IMPEDANCE （インピーダンスの読取り）」が繰り返される。
【０１０６】
１１２０で、現時点でのセルのインピーダンス値の合計（ΣR）が計算される。１１４０でパック電圧Vpとパック電流Ipが読み取られる。パック電流は電流センサー４３０によって測定され、保存される。１１６０で、パック電圧Vpを平均化し、パック電流Ipと全セル数Nにわたるセルのインピーダンスの合計ΣRの積で差し引いて、設定点電圧Vset）が計算される。具体的には、パック電流がパックに入るときに、パック電流Ipは正の値を有する。逆に、パック電流がパックから出るとき、パック電流Ipは負の値を有する。設定点電圧は目標充電状態と呼ばれる。１１８０で、サブルーチン「SCAN CELLS （セルの走査）」を呼び出す。
【０１０７】
図７C を参照すると、３０００でサブルーチン「SCAN CELLS （セルの走査）」が開始される。３０２０でセル番号nを１に初期化し、パックの第１セルを選択する。３０４０で、回路に負荷がかけられる。加えられる負荷はブーストコンバータ４１４であってもよい。３０６０でペアのスイッチに電圧が供給され、選択されたセルをブーストコンバータ４１４に接続する。選択セルから電流が流れ、セルの電圧が低下する。３０８０で負荷電圧Vnとセル電流Inが読み取られる。３０１０で選択されたセルの充電状態が計算される。１つの実施形態によれば、充電状態Vcell は、負荷時電圧Vnと、セル電流Inおよび現時点のセルのインピーダンスRnの積との差である。具体的には、加えられた負荷（すなわち、ブーストコンバータ）がセルから電流を引き出す場合には、セル電流Inは負の値を有する。逆に、加えられた負荷（すなわち、バックコンバータ）がセルに電流を送る場合には、セル電流Inは正の値を有する。３１２０で充電状態Vcell は変数Vnに格納される。
【０１０８】
３１４０で選択されたペアのスイッチへの電力が遮断され、ブーストコンバータ４１４から選択されたセルが切り離される。３１６０でセル番号nが、パック内の全セル数（N）と比較され、充電状態（Vcell ）がパック内の各セルで計算されたかどうかを決定する。すべてが決定されていない場合は、３１８０でセル番号nをインクリメントし、次のペアのスイッチに電力が加えられ、次に選択されたセルに接続される。個々のセルのすべてが分析されるまでこれが繰り返される。３２００でサブルーチン「SCAN CELLS （セルの走査」に戻る。
【０１０９】
図７A に戻ると、１２００で個々のセルは、充電状態Vcellと目標充電状態Vsetの間の差に基づいて均等化するために優先順を決定される。１つの実施形態によれば、個々のセルは均等化のために分別され、最大の差を有する単一セルが最初に選択される。さらに１つのセルに充電する時間またはパックに充電を戻す時間は、この差の量に比例する。別の実施形態によれば、均等化のために個々のセルは順にアクセスされる。１２２０でサブルーチン「EQUALIZE （均等化）」を呼び出す。
【０１１０】
図７D を参照すると、４０００でサブルーチン「EQUALIZE （均等化）」が開始される。４０６０でペアのスイッチに電力が供給され、最も高い優先度を有する選択されたセルを接続する。４０８０で、選択されたセルに負荷をかけ、選択セルから電流が流され、セルの電圧が低下する。この加えられる負荷はブーストコンバータ４１４であってもよい。４０００でセルの負荷時電圧Vnとセル電流Inが読み取られる。４１２０で選択されたセルの充電状態Vcellが計算される。１つの実施形態によれば、充電状態Vcellは、セル電流Inと現時点のセルのインピーダンスRnの積と、負荷時電圧Vnとの差である。詳細には、加えられた負荷（すなわち、ブーストコンバータ）がセルから電流を引き出す場合には、セル電流Inは負の値を有する。逆に、加えられた負荷（すなわち、バックコンバータ）がセルに電流を送る場合には、セル電流Inは正の値を有する。４１４０で充電状態Vcell を計算した後、加えられた負荷が４１４０で除かれる。４１６０で選択セルの充電状態Vcell が目標充電状態Vsetと比較される。
【０１１１】
充電状態Vcellが目標充電状態Vsetより小さい場合、４１８０でバックコンバータ４１２が選択セルに負荷としてかけられる。４２００で、優先順位付けでの決定に従って充電時間が監視され、４２２０で加えられた電圧が監視される。充電時間が終了すると、４３２０で均等化充電回路が切り離される。充電時間が終了していないが、選択セルに加えられるバックコンバータからの電圧が高すぎる場合は、４２４０で充電電圧が下げられる。
【０１１２】
充電状態Vcell が目標充電状態Vset より大きい場合、４２６０でブーストコンバータ４１４が選択セルに負荷としてかけられる。４２８０で、優先順位付けの決定に従い放電時間が監視され、４３００で加えられた電圧が監視される。放電時間が終了すると、４３４０でブーストコンバータ４１４が切り離される。放電時間が終了していないが、ブーストコンバータの入力に選択されたセルに加えられる電圧が低すぎる場合は、４２４０で放電電流が減らされる。
【０１１３】
所定の不感帯内で、充電状態Vcell が目標充電状態Vset に等しい場合、４３４０で均等化コンバータ４００が選択セルから切り離される。４３６０で選択されたペアのスイッチから電力を遮断し、セル平衡化回路からセルを切り離す。４３４０でサブルーチン「EQUALIZE （均等化）」に戻る。
【０１１４】
図７A に戻ると、１２４０で、均等化時間を前もって決定された時間（例えば、５分）と比較する。均等化時間が、前もって決定された時間を超えない場合は、ルーチンは１１８０に戻り、別の均等化を準備するためにサブルーチン「SCAN CELLS （セルの走査）」を繰り返す。前もって決定された時間を超える場合は、１２６０で個々のセルの温度が走査される。１２８０で走査された各温度が、前もって設定された最高温度限度Tlim と比較される。走査された温度Tのいずれかが温度制限Tlimより高い場合は、１３２０でシステムが停止される。そうでない場合は、いずれかのセルの温度の変化（|ΔT|）が規定された温度増加Tc（例えば、５℃）以上であったかどうかが決定される。規定された温度増加を超えない場合には、ルーチンが１１８０に戻り、次の均等化の準備のためにサブルーチン「SCAN CELLS （セルの操作）」を繰り返す。規定された温度増加を超える場合には、ルーチンは１０４０に戻り、セル番号を１に初期化し、サブルーチン「READ IMPEDANCE （インピーダンスの読取り）」のプロセスを繰り返す。
【０１１５】
均等化コンバータ４００の実施形態では、分離または一体化されたバックコンバータおよびブーストコンバータを備えることにより、直列接続されたセル列中の単一の選択可能なセルの状態を監視できる。このような実施形態もまた、所望のセル均等化、例えば直列のセル列から単一セルを充電すること（バックモード）、または過剰充電されたセルから直列のセル列に過剰のエネルギーを転送すること（ブーストモード）を達成する。詳細には、無損失の方法で単一セルに充電を加えたり、差し引いたりできる。
【０１１６】
一般に監視に関しては、セルの充電状態の検査には、一定時間内における、温度測定、開放電圧測定、および一定の負荷がかけられた状態での電圧の測定が含まれる。一般には、使用される負荷電流は抵抗負荷への放電電流であり、その結果エネルギーを無駄（すなわち、消費）にする。セルに従来の消費負荷がかけられる場合、測定時間をできるだけ短く保ち、セルの放電を避けるのが通常である。
【０１１７】
セル平衡化システムにおいて均等化コンバータの実施形態を使用して、開放回路電圧および負荷時の電圧、ならびにこれらの電圧の時間変化の必要な測定を無損失な方法で実行できる。この測定は、正（充電）モードまたは負（放電）モードのいずれかでエネルギーを浪費せずにエネルギーを転送する間に、セルの両端のリップル電圧の振幅を監視することによってなされる。この無損失の方法は、これが正常なセル平衡化プロセスの一部として生じるために、この測定を無限に延長できる有利性がある。
【０１１８】
詳細には、均等化コンバータは、一定振幅の電流パルスをセルから引き出すか、またはセルに供給する。これらのパルス間の間隔中に、開放回路電圧が存在し、測定される。電流パルスのピークで、セルの内部抵抗が、電流の方向によってプラスまたはマイナスに電圧に影響を与える。開放回路電圧と負荷電圧との差がリップルである。リップル電圧を複数回測定することから、より正確なセルのインピーダンスが推定できる。これらの電流パルスが加えられる時間の長さが充電時間または放電時間である。
【０１１９】
さらに、均等化コンバータを単一セルに接続する、低抵抗の双方向セルセレクタスイッチは、セルの両端の電圧リップルの監視については、本質的に無損失の接続である。
【０１２０】
セルの充電状態の均等化に関しては、均等化コンバータ４００は、直列接続された貯蔵セル列（例えば、リチウムイオンセル）中の単一セルから複数の「パケット」にエネルギーを取り出し、そのエネルギーをまとめて前記の直列のセル列に転送する。これらのパケットの転送速度は転送される電力を表す。タイマーは、ある期間T1の間にインダクタ／変圧器の１次側を充電することによってパケットを生成する。第２タイマーは、1/T2 の速度で毎秒生成されるこれらのパケットの数を制御する。T1 の期間の直後に、インダクタ／変圧器に蓄えられたエネルギーを放電することによって、エネルギーがバッテリー列に転送される。コンバータの1 次側と2 次側は電気的に絶縁され、1 次側は任意のセルに切換えできる。エネルギーパケットのサイズは、T1 を変えることによって制御され、電力は期間T2 を変えることによって制御される。
【０１２１】
図８A は、１つの実施形態によるブーストコンバータの動作を示す回路図である。詳細には、ブーストコンバータは、セルから一定振幅の電流パルスを引き出し、その結果得られる「リップル」電圧を観測することによって、セルの充電状態の監視機能を向上させる。その結果得られる「リップル」電圧の振幅は、セルのインピーダンスを推定するのに利用できる。この方法は、平均セル電圧だけの測定に比べて充電状態のより正確な指標を提供する。この電流パルスは、より高い電圧に「アップコンバート」されて、ごくわずかな損失だけで、直列接続されたセル列に戻される。この方法は、選択されたセルに消費負荷をかけ、したがってエネルギーを消費する従来技術の均等化方法に比べて優れている。
【０１２２】
より詳細には、パルス発生器T1が一定時間長さT1 のパルスを発生し、このパルスを利用して、セルをインダクタLp に接続するスイッチS1 を閉じる。セルからの電流は、三角形の電流ランプ波でインダクタLp を充電する。この電流波形のピーク電流(Ipp) は以下の式で表される。
Ipp = Vcell×Lp/T1 
この結果のエネルギーパルス（Ep）はインダクタの磁界に蓄えられる。このパルスエネルギーは、Ep = 1/2 Lp × Ipp２の式で表される 。パルスT1 がlowになると、スイッチS1 はオフとなり、磁界は弱くなる。これによってエネルギーが変圧器の２次側Ls に放出される。2 次側巻線のピーク電流(Ips）は、損失が無視できると仮定して、以下の式で表される。
Ips = (２×Vbat/Ls)1/２ 
この２次側のピーク電流は、時間T3 の間、出力コンデンサC1 に放電する。ここでT3 は以下の式で表される。
T3 = (Vbat×Ls)/Ips 
【０１２３】
電力の出力は、１秒間当たりのT1 パルスの数、または１/T2 に比例するという結果になる。インダクタLs2 の両端の２次電圧が、基準電圧（Ref）によって決定される電圧に達すると、イネーブル信号がパルス発生器T2 から除かれるため、パルス発生器T2 はT1 パルスの発生を停止する。理想的には、上記第２の２次側インダクタは、第１の２次側Ls と同数の巻き数を有し、絶縁バリヤの両端の２次電圧を反映する。
【０１２４】
図８B は、１つの実施形態によるバックコンバータの動作を示す回路図である。詳細には、電流はバッテリースタック１００から引き出され、単一の選択されたセル１０５に供給される。図８A の回路の２次側にスイッチS2 を加え、１次側にダイオードD1 を加えることによって、バックコンバータへの変換が完了する。図８B に示されていないものは、絶縁バリヤ両端のスイッチS2 を駆動する絶縁回路である。さらに、電圧調整器とタイマーの部分のわずかな調整が必要なこともある。
【０１２５】
図示されているように、パルス発生器T1 は、固定時間長さT1 のパルスを発生し、このパルスを利用して、セル列をインダクタLs に接続するスイッチS2 を閉じる。セル列からの電流は、ピーク電流（Ip）に達する三角形状の電流ランプ波でインダクタ（Ls）を充電する。この結果のエネルギーパルス（Ep）はインダクタLs の磁界に蓄えられる。
【０１２６】
パルスT1 がlowになると、スイッチS1 がオフとなり、磁界は弱くなる。これによってエネルギーがインダクタLp に放電される。この２次側のピーク電流は、時間T3の間、出力コンデンサC1 に放電する。電力の出力は、１秒間当たりのT1 パルスの数、または１/T2 に比例するという結果になる。
【０１２７】
インダクタLs2 の両端の２次電圧が、基準電圧（Ref ）によって決定される電圧に達すると、イネーブル信号がパルス発生器T2 から除かれるため、パルス発生器T2 はT1 パルスの発生を停止する。理想的には、インダクタLs2はLs と同数の巻き数を有し、絶縁バリヤの両端の２次電圧を反映する。
【０１２８】
ダイオードD1および２次側の整流ダイオードは、N-チャンネルFET の大型サブストレート「固有」ダイオード（bulk substrate ”intrinsic” diodes ）であるため、スイッチS1 とS2 の一部として考えられる。これらの固有ダイオードは、高速ダイオードとして同類のFETS で現在、利用可能であり、回路のスイッチ効率を高める。ブースト回路が、２次側の整流器としてN チャンネルFET を用いて構成されると、その回路をバック回路に変更するのに追加の電力部品の必要がなくなり、スペースとパーツコストの節約をもたらす。
【０１２９】
図９は、１つの実施形態によるスイッチ阻止電圧要求値を低下するセル平衡化システムの図である。セル平衡化回路の実施形態のモジュラー特性により、スイッチマトリクスのスイッチデバイスの適合最大電圧は、複数のセル平衡化回路を直列に接続し、またHEV バッテリーパックを構成するセルの各モジュールに１つの回路を設けることによって、達成可能な、適度の定格に制限することができる。
【０１３０】
この実施形態では、複数のバッテリーモジュールユニット、すなわちモジュール１００a、１００bは、全電圧Vp を有するバッテリーパック１００を形成する。各バッテリーモジュールは、それぞれのスイッチマトリクス３００a、３００bによって対応する均等化コンバータ４００a、４００bに接続されている。均等化コンバータ４００a、４００bは直列接続されており、この結果、各コンバータは対応するバッテリーモジュール１００a、１００bの端子の両端に接続される。この構成は、スイッチ阻止電圧要求値をVp/M まで低下する。ここでM は直列接続されたバッテリーモジュールの個数である。図示された実施形態では、M=２ モジュールであり、各ユニットはそれぞれのバッテリーモジュール１００a、１００bのセル列の充電状態を均等化し、スイッチ阻止電圧要求値は半分に低下している。スイッチ阻止電圧を低下することによって、より低い電圧定格のスイッチ部品を使用できるため、コストの有利性がある。
【０１３１】
マスターコントロールユニット６００はローカルコントロールユニット５００a、５００bに指令を出して、前述のとおり、バッテリーモジュール１００a、１００bの個々のセルを選択的に監視し、均等化（すなわち、。充電と放電）する。マスターコントロールユニット６００とコントロールユニット５００a、５００bは、電気絶縁されたシリアルデータ通信リンクを介して通信する。詳細には、マスターコントロールユニット６００は、ローカルコントロールユニット５００a、５００bにパック電流および均等化の設定値（例えば、目標充電状態）を送る。同様に、ローカルコントロールユニットは、マスターコントロールユニット６００に状態の診断・予測情報（例えば、モジュールからの電圧、電流、温度）を送ることができる。
【０１３２】
図１０および図１１は、それぞれ単方向と双方向スイッチマトリクス構成を利用してスイッチ阻止電圧要求値を低下する、特定の実施形態を示している。このような実施形態では、対応するバッテリーモジュールの個々のセルは目標充電状態に均等化される。しかし、１つのバッテリーモジュール１００aの目標充電状態は、別のバッテリーモジュール１００bの目標充電状態と異なる場合がある。
【０１３３】
セル平衡化回路のモジュラーの特性により、多くの異なる構成を使用できる。例えば、１つのバッテリーパック中の１つまたは複数のバッテリーモジュールが、本発明のセル平衡化システムの実施形態により平衡化された充電状態を有し、一方、同一バッテリーパック中の他のバッテリーモジュールが、他の公知のセル平衡化システムを用いて平衡化されるような構成が可能である。さらに、ネスト化制御システムを使用することも可能であり、このネスト化システムでは、バッテリーパック中の１つまたは複数のバッテリーモジュールが、本発明のセル平衡化システムの実施形態によって個々に平衡化される充電状態を有し、またパック全体で充電状態を平衡化する２次的制御システムを有する。このような２次的制御システムは、本発明のセル平衡化システムの１つの実施形態であってもよく、あるいは異なるセル平衡化システムであってもよい。したがって、本発明のセル平衡化は、電気エネルギー貯蔵ユニットに利用できるが、このような電気エネルギー貯蔵ユニットは、セルまたは複数のセルから成るモジュールであってもよい。
【０１３４】
図１２は別の実施形態によるセル平衡化システムを示す図である。この図示された実施形態では、均等化コンバータ４００a、４００bは、M 個のバッテリーモジュールのバッテリーパック全体の端子に接続されており、その結果、各バッテリーモジュールの個々のセルは共通の目標充電状態に均等化される。しかし、この構成は、バッテリーパックの最大電圧に少なくとも等しいスイッチ阻止電圧要求値を必要とする。
【０１３５】
本発明の好ましい実施形態を参照して、本発明を詳細に示し、説明してきたが、当業者には、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態および細部に様々な変更を加えることができることを理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】１つの実施形態によるセル平衡化システムを示す図である。
【図２】１つの実施形態によるセル平衡化システムを示す詳細図である。
【図３Ａ】１つの実施形態による、均等化コンバータの双方向充電操作を示す概略図である。
【図３Ｂ】１つの実施形態による、均等化コンバータの双方向充電操作を示す概略図である。
【図４Ａ】単方向スイッチを有するスイッチマトリクスの動作を示す回路図である。
【図４Ｂ】単方向スイッチを有するスイッチマトリクスの動作を示す回路図である。
【図５】別の実施形態によるセル平衡化システムを示すブロック図である。
【図６Ａ】１つの実施形態による、双方向スイッチを有するスイッチマトリクスの動作を示す回路図である。
【図６Ｂ】１つの実施形態による、双方向スイッチを有するスイッチマトリクスの動作を示す回路図である。
【図７Ａ】１つの実施形態による、セル平衡化システムの動作方法を示すフローチャートの一部である。
【図７Ｂ】１つの実施形態による、セル平衡化システムの動作方法を示すフローチャートの一部である。
【図７Ｃ】１つの実施形態による、セル平衡化システムの動作方法を示すフローチャートの一部である。
【図７Ｄ】１つの実施形態による、セル平衡化システムの動作方法を示すフローチャートの一部である。
【図８Ａ】１つの実施形態による、ブーストコンバータの動作を示す回路図である。
【図８Ｂ】１つの実施形態による、バックコンバータの動作を示す回路図である。
【図９】１つの実施形態による、スイッチ遮断の必要条件を減らしたセル平衡化システムのブロック図である。
【図１０】単方向のスイッチマトリクス構成を利用して、スイッチ電圧遮断必要条件を減らす特定の実施形態を示すブロック図である。
【図１１】双方向のスイッチマトリクス構成を利用して、スイッチ電圧遮断必要条件を減らす特定の実施形態を示すブロック図である。
【図１２】別の実施形態によるセル平衡化システムを示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１３７】
１００・・・貯蔵ユニット列
１０５・・・貯蔵ユニット
３００a，３００ｂ・・・半導体スイッチ
４００・・・電力コンバータ
４２０・・・第１センサー
４３０・・・第２センサー
５００・・・監視する回路
【図１】
2006507790.tif 000003
【図２】
2006507790.tif 000004
【図３Ａ】
2006507790.tif 000005
【図３Ｂ】
2006507790.tif 000006
【図４Ａ】
2006507790.tif 000007
【図４Ｂ】
2006507790.tif 000008
【図５】
2006507790.tif 000009
【図６Ａ】
2006507790.tif 000010
【図６Ｂ】
2006507790.tif 000011
【図７Ａ】
2006507790.tif 000012
【図７Ｂ】
2006507790.tif 000013
【図７Ｃ】
2006507790.tif 000014
【図７Ｄ】
2006507790.tif 000015
【図８Ａ】
2006507790.tif 000016
【図８Ｂ】
2006507790.tif 000017
【図９】
2006507790.tif 000018
【図１０】
2006507790.tif 000019
【図１１】
2006507790.tif 000020
【図１２】
2006507790.tif 000021
【国際調査報告】
2006507790.tif 000022
2006507790.tif 000023
2006507790.tif 000024
2006507790.tif 000025