(57)【要約】マルチ・セル・バッテリ(10)の個々のセル(12-1,12-n)の過充電をモニタし保護する回路であって、セルの健全状態の様々な特性を決定するために使用されるデータを得る回路は、バッテリが充電されるとき、マルチ・セル・バッテリの個々のセル(12)に接続される。回路は、充電電流をセルからバイパスさせる部分(Q1-R5)を含み、この部分は、セルに対する所望の高い電圧(V-By)制限より上の電流をバイパスさせるように、可変に予め設定可能である。バッテリが充電される場合、バイパス回路は、プリ・セット高電圧レベルを超えるときにセルの周りの電流を遮断し、従って、セルへのダメージを防ぐ。回路(Q2)は、電流のパルスを生成するように動作可能であり、電流の変化に応じるモニタされるセルの電圧変化、ｄＶ／ｄＩは、セルの内部抵抗を決定するために使用することができる。セルの分極抵抗もまた、決定することができる。得られたデータは、セルの充電深度（ＳＯＣ）及び健全状態に関係する因子を決定するために使用することができる。プログラム可能なコントローラ(C)は、すべての回路を制御し、また、複数の回路から生成されるデータを得る。
2004527995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流ソースから充電されるマルチ・セル・バッテリの１つのセルをモニタする回路であって、
充電中のセルに対して予め決定される高い制限電圧を可変に設定する手段と、
セルに接続され、バッテリが充電されるときのセルの電圧を１つの入力として受け取り、前記高い制限電圧をもう１つの入力として受け取る第１アンプであって、高い制限電圧を超えるセル電圧上に出力信号を生成する第１アンプと、
セルに接続され、セルの周りの充電電流をパイパスさせるために、第１アンプによって生成された出力信号を受け取ることによって作動するバイパス回路と、
を備える回路。
【請求項２】
請求項１に記載の回路であって、
前記バイパス回路は、バイパスされる電流が流れる抵抗を備え、
該回路はさらに、
前記抵抗に接続され、バイパス電流の大きさに対応する出力電圧を生成する第２アンプを、
備える回路。
【請求項３】
請求項１に記載の回路であって、前記第１アンプはさらに、セルの両端に接続される電圧分割器を備え、前記第１アンプへの前記１つの入力が、前記電圧分割器上のポイントから得られる、回路。
【請求項４】
請求項１に記載の回路であって、前記予め決定される高い制限レベルを可変に設定する前記手段が、プログラム可能なコントローラを備える、回路。
【請求項５】
請求項２に記載の回路であって、該回路はさらに、
放電電流のパルスを生成するために前記バイパス回路を動作させるスイッチ手段と、
セルの両端に接続され、電流パルスに応じてセルの電圧を測定する第３アンプと、
前記第２アンプ及び前記第３アンプの出力を受け取り、バイパス電流パルス及びセルの電圧応答の関数としてセルの内部抵抗を決定する手段と、
を備える回路。
【請求項６】
請求項５に記載の回路であって、
前記スイッチ回路は、セルの内部抵抗が決定された後に、電流パルスの時間を延ばすように動作し、
該回路はさらに、
前記第２アンプ及び第３アンプの出力を使用し、セルの分極抵抗を決定する手段を、
備える回路。
【請求項７】
請求項５に記載の回路であって、該回路はさらに、
前記スイッチ手段を動作させるコントローラを、
備える回路。
【請求項８】
請求項７に記載の回路であって、
前記スイッチ手段は、
電流パルスの継続期間に対応する継続期間の光を生成するために前記コントローラによって動作される光ソースと、
前記バイパス回路を作動するために前記第１アンプを動作させる信号を生成するために光に応答する光カプラと、
を備える、回路。
【請求項９】
請求項８に記載の回路であって、前記第１アンプはさらに、セルの両端に接続される電圧分割器を備え、前記第１アンプへの前記１つの入力が、前記分割抵抗器上のポイントから得られ、前記光カプラは、出力信号を生成するように前記第１アンプを動作するために前記電圧分割器の一部の両端に接続される、回路。
【請求項１０】
請求項５に記載の回路であって、該回路はさらに、
前記第１アンプに接続され、前記第１アンプが前記電流バイパス回路を作動させるための出力信号を生成することを妨げる第２スイッチ手段と、
前記スイッチ手段を動作させるコントローラと、
を備える回路。
【請求項１１】
請求項１０に記載の回路であって、
前記第２スイッチ手段は、
光を生成するために前記コントローラによって動作される光ソースと、
前記第１アンプ手段が出力信号を生成することを妨げるように前記第１アンプを動作させる信号を生成するために光に応答する光カプラと、
を備える、回路。
【請求項１２】
請求項１１に記載の回路であって、第１アンプはさらに、セルの両端に接続される電圧分割器を備え、前記第１アンプへの前記１つの入力が、前記電圧分割器上のポイントから得られ、前記光カプラは、前記第１アンプが出力信号の生成を妨げるように動作するために前記電圧分割器の一部の両端に接続される、回路。
【請求項１３】
個々のセル又はマルチ・セル・バッテリをモニタする回路であって、前記マルチ・セル・バッテリは、電流ソースに直列に接続され、該回路はさらに、
モニタされる個々のセルの両端子に接続される電源入力を有する第１アンプと、
前記個々のセルの上に連続するセルに接続される第１電源入力と前記個々のセルの下に連続するセルに接続される第２電源入力を有して前記第１アンプに対するダイナミック動作レンジを提供する第２アンプであって、前記個々のセルに対して高い電圧制限を決定するための信号入力を有し、前記第１アンプの信号入力に接続される出力を有する第２アンプと、
を備える回路。
【請求項１４】
請求項１３に記載の回路であって、該回路はさらに、
前記個々のセルの両端に接続されるバイパス回路であって、抵抗と前記第２アンプの出力に接続されるバイパス・スイッチとを含むバイパス回路を、
含む回路。
【請求項１５】
請求項１４に記載の回路であって、該回路はさらに、前記抵抗に接続される第３アンプを備える回路。
【請求項１６】
請求項１４に記載の回路であって、前記回路はさらに、
モニタされる前記個々のセルの両端に接続される電圧分割器を、
備え、
前記第１アンプがさらに、前記電圧分割器上のポイントに接続される信号入力を有する、回路。
【請求項１７】
請求項１６に記載の回路であって、該回路はさらに、
前記電圧分割器に接続され、前記第１アンプの動作を動作又は妨げるための第１及び第２スイッチ手段を、
備える回路。
【請求項１８】
請求項１７に記載の回路であって、前記第１及び第２のスイッチ手段のそれぞれが、前記電圧分割器の一部の両端に接続される光カプラを備える、回路。
【請求項１９】
請求項１３に記載の回路であって、該回路はさらに、
前記第１アンプの出力と前記第２アンプの出力が接続される前記第１アンプの前記信号入力との間に接続される抵抗及びコンデンサの並列接続ネットワークを、
備える回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電中のマルチ・セル・バッテリの個々のセルの電圧及び電流をモニタする回路と、変化可能なプリ・セット値を超える充電電流をバイパスさせる回路とに関連する。
【背景技術】
【０００２】
（政府言明）
本発明のすべて又は一部は、政府契約第３３６１５−９８−Ｃ−２８９８号の下で、ヤーデニィ及び米国空軍のために開発された。米国政府は、契約条項の下で、この発明に対して幾つかの権利を持ち得る。
【０００３】
（発明の背景）
例えばリチウム・イオン型などのマルチ・セル再充電可能バッテリは、例えば無停電電源アプリケーション及び様々な軍事アプリケーションなどの任務ロール・アプリケーションに、しばしば用いられている。このようなバッテリの出力電圧は、直列に接続されたセルの数とそのセル用に選択された特定の化学的性質とに依存する。
【０００４】
いくつかのアプリケーションにおいて、４００Ｖ程度の高さの電圧を達成するために、十分な数のセルを接続することができる。
マルチ・セル・バッテリが充電又は再充電されているとき、電流源は、直列接続されるセルのすべてに渡って接続される。充電中、個々のセルは、充電電流に対して異なる反応をするだろう。特に、セルは、過充電されないことを望まれる。なぜならば、過充電は、セルにダメージを与え、おそらくバッテリにもダメージを与えるからである。
【０００５】
様々な回路は、セルが壊れないように、過剰な電流が充電サイクル中の個々のセルに到達することを避けてバイパスさせるために用いられている。また、バッテリ個々のセル及び合成バッテリのそれぞれの健全状態をモニタすることが望ましい。これは、例えば、内部抵抗、分極抵抗、及び、しばしば充電深度（ＳＯＣ）と呼ばれるアンペア時間内に測定されるオリジナル容量のパーセンテージのようなバッテリの各セルの残留容量などのパラメータを決定すること含む。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（発明の概要）
本発明は、マルチ・セル・バッテリの個々のセルの過充電をモニタし、個々のセルを過充電から保護し、また、セルの健全状態の様々な特性を決定するために用いられるデータ・パラメータを得ることができる回路に関連する。
【０００７】
本発明に従う回路は、バッテリが充電されるときにモニタされるマルチ・セル・バッテリの個々のセルに、接続される。
回路は、セルから充電電流をバイパスさせる部分を含み、この部分は、セル用の所望の高電圧制限を越える電流をバイパスさせるために様々な方法で予め設定可能である。バッテリが充電されるとき、バイパス回路は、その予め設定された電圧レベルを超えるときにセルの周囲の電流を遮断し、したがって、セルに対する何れのダメージも回避する。
【０００８】
本発明のもう１つの形態において、回路は、放電電流のパルスを生成するように動作することができる。これが実行されるとき、電流における変化に応じるモニタされるセルの電圧における変化、ｄＶ／ｄＩは、セルの内部抵抗を決定するために用いることができる。セルの分極抵抗もまた、放電パルスを広げることによって、決定することができる。得られるデータは、セルの充電深度（ＳＯＣ）に関連する因子とセルの健全状態とを決定することに用いることができる。
【０００９】
（本発明の目的）
本発明の目的は、動作中のマルチ・セル・バッテリの個々のセルのすべてをモニタする回路を提供することである。
【００１０】
追加的な目的は、充電中のマルチ・セル・バッテリの個々のセルをモニタする回路であって、バッテリ充電中にセルの予め設定された上限を越えるときに充電電圧をパイパスさせると同時に予め設定された電圧制限に届いていない他のセルの充電を許可する回路を提供することである。
【００１１】
もう１つの目的は、マルチ・セル・バッテリの個々のセル用のモニタ回路であって、セルがバッテリ・パックに追加されるとき、セル用のモニタ回路が、モジュール形式で追加され、モジュール形式でコントローラにインターフェースされる、モニタ回路を提供することである。
【００１２】
さらにもう１つの目的は、マルチ・セル・バッテリの個々のセルをモニタする回路であって、セルの健全状態及び充電深度を示すセルのデータを得るように動作できる回路を提供することである。
【００１３】
さらなる目的は、マルチ・セル・バッテリの各セル用のモニタ回路であって、セルが予め設定された上限電圧まで充電された後に電流をバイパスさせることによってセルを過充電に対して保護し、また、セルの充電深度及び健全状態を判定するために用いられるデータを得るように動作できるモニタ回路を提供することである。
【００１４】
なお、本発明の他の目的及び利点は、以下の説明及び添付の図面を参照することによって、より明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（発明の詳細な説明）
図１を参照すると、左側に、バッテリ・パックのバッテリ１０の個々のセル１２−１．．．１２−ｎが示されている。セル１２は、（バッテリ・パックの外部にある得り、例えば太陽電池アレイである得る）電流充電ソースＩと参照電位（例えばグランド１４）との間で、直列に接続されている。直列接続されるセル１２が多くなればなる程、所望の出力電圧を有するバッテリを形成することが必要とされる。
【００１６】
本発明は、リチウム・イオン型のバッテリに関して実例として説明される。しなしながら、本発明は、多のタイプの再充電可能なバッテリ、例えば鉛−酸、ニッケル−カドニウムにも、適用できる。このようなバッテリにおいて、セルは、直列に接続され、特定の出力電圧を持つバッテリを得ることができる。例えば：リチウム・セル電圧の平均は３．５Ｖなので、８つのセルを直列に接続することにより、２８Ｖバッテリを作り出す。２８Ｖバッテリは、３６Ｖの上限値を持ち、２０Ｖの放電電圧を有するかも知れない。例えばリチウム・イオン型のバッテリは、注意深いモニタリングとある上限電圧及びある下限電圧へのコントロールとが必要である。従って、バッテリの各々の個々のセル１２は、その電圧を測定するために、充電中、モニタされることになる。また、以下で説明するように、各セルの充電深度及び健全状態もまた、判定される。
【００１７】
図１において、モニタ回路Ｍの入力リード１６及び１８は、バッテリのセル（実例として１２−３）の正電極及び負電極の端子に接続されるように、実例として示される。各々のセルに対して離れたモニタ回路Ｍがある。バッテリ１０のセル１２及び複数の回路Ｍは、好ましくは、バッテリ・パック内にパッケージされる。バッテリ・パックがより多くのセルで拡張される場合、対応する追加的な回路Ｍが提供される。セル・モニタ回路Ｍは、セル１２自身から電力を供給される。回路Ｍは、できるだけ小さいエネルギを消費するように設計されており、バッテリ１０の電力を保持する。
【００１８】
回路Ｍの動作は、ブロックＣによって図示されるコントローラにより制御される。コントローラＣは、プログラム可能又は予めプログラムされたマイクロプロセッサとすることができ、以下に述べるように、回路Ｍへのアナログ出力及び回路Ｍからのアナログ入力を有する。コントローラＣは、複数のモニタ回路Ｍとともに、バッテリ・パックの中に組み込まれる。
【００１９】
コントローラＣは、様々な動作点を設定し、充電及び放電電流をモニタし、外部の充電ソースに情報を提供し、また、バッテリ・スイッチを切断して過剰な充電及び放電を保護するように制御するために、複数の回路Ｍのそれぞれにインターフェースされる。コントローラＣは、概してＨとして示されるホスト・コンピュータと通信するためのシリアル・インターフェースを有する。コントローラは、モニタ回路Ｍとインターフェースするために、必然的なＡＤＣコンバータ及びＤＡＣコンバータを有することができる。コントローラＣは、ＡＤＣ及びＤＡＣコンバータをもっぱらモニタ回路Ｍとインターフェースするために使用する。ＤＡＣからのアナログ出力もまた、バッテリ充電器電流を制御するために提供される。好ましくは、バッテリの外側のホスト・コンピュータへのすべての通信は、シリアル・インターフェースによって行われる。また、バッテリ充電器は、ＤＡＣ出力の代わりにシリアル・インターフェースを使用することも可能である。
【００２０】
典型的なアプリケーションにおいて、ホスト・コンピュータは、バッテリに信頼を置き、バッテリを利用してシステムのコンポーネントのすべてを制御する。ホスト・コンピュータは、情報でプログラムされ、その結果、それは、バッテリ１０内の残りの蓄積エネルギをどのようにしてベストに利用するのかに関して、ロード・シェディング（ｌｏａｄ  ｓｈｅｄｄｉｎｇ）を実行し又は他の決断を実行することができる。例えば、コントローラＣを備えるバッテリ・パックは、衛星内に置くこともでき、充電電流ソースＩは、太陽電池であり得る。ホスト・コンピュータは、衛星供給源のすべての充電において、第１オンボード・コンピュータである得るであろう。ホスト・コンピュータＨは、さらにデータをコントローラＣに提供し、バッテリ１０の様々な動作モードを利用することができる。一般に、衛星及びその他の宇宙輸送手段は、それ自身の中央コンピュータを有する。バッテリ内のコントローラＣは、バッテリに関する優れた知識を有していると仮定される。それは、衛星又は他の輸送手段のホスト・コンピュータＨに情報を提供する。一般的なアプリケーションにおいて、例えば、ホスト・コンピュータが、指令の残余期間を指定し、不必要なバッテリ寿命を犠牲にすると同時に最大の電力を望む場合、コントローラＣは、目的を達成する方法を決定するであろう。衛星アプリケーションにおいて、衛星地上制御システムは、一般に、バッテリ動作をコントロールしない。このような詳細な動作は、極端な緊急手段の下でのみ起こる。もちろん、そのアプリケーションにおいて、バッテリ・パックが地上の通常の電力ソースから充電され、ホスト・コンピュータ及びコントローラは、互いに固く配線される。
【００２１】
回路Ｍによってモニタされるセル１２−３の端から端のリード１６及び１８は、抵抗Ｒ１及びＲ２によって形成される抵抗分割器の上部及び下部の両端に、接続される。これは、その二つの抵抗の接点からオペアンプＡ２の非反転（＋）入力への入力用に、モニタされるセル１２−３の電圧を小さく分割する。抵抗Ｒ１及びＲ２は、好ましくは高精度（例えば０．０１％）である。
【００２２】
その電力入力において、アンプＡ２は、ライン１８の向こうでモニタされるセルの負の端子からの負のレール電圧とライン１６の向こうのセルの正の端子からの正の電圧とを得る。アペアンプＡ２は、好ましくは高ＤＣゲインと低バンド幅とを有する。アンプＡ２用の入力電圧範囲は、そのアンプ用の負の供給参照を含む。リチウム・イオン・バッテリの場合、セルの電圧範囲は、２．５Ｖから４．５Ｖであり、セルの充電深度（ＳＯＣ）に依存する。アンプＡ２のハンド幅は、抵抗Ｒ３及びコンデンサＣ１の並列接続ネットワークによる出力端子とアンプの反転入力（−）端子との間に供給されるフィードバック信号によって決定される。
【００２３】
アンプＡ２の動作電圧は、アンプが、モニタされるセルからの所定電圧を下回る電圧に対してディスイネーブルされるように、選択され、所定の電圧は、リチウム・イオン・バッテリの例として説明される場合に約３．５Ｖである。これは、アンプＡ２によってドレインされる電流を最小にする。以下に述べるように、アンプＡ２をディスイネーブルできる特徴のため、バイパス回路は、モニタされるセルの低い電圧において偶然に電源をＯＮされることがない。バイパス回路は、モニタされるセルの指定電圧範囲、例えば、例としてのリチウム・イオン・セルの場合の３．５Ｖと４．５Ｖとの間を超える電流を遮断するために必要とされるだけである。
【００２４】
Ａ２の出力は、抵抗Ｒ４を介して、ダーリントン（Ｄａｒｌｉｎｇｔｏｎ）トランジスタＱ１のベースに接続される。このトランジスタＱ１は、コモン・エミッタ・アンプとして構成されている。Ｑ１のコレクタは、抵抗Ｒ５を介して、ライン１６の向こうでモニタされるセルの正の端子に接続される。抵抗Ｒ５は、多目的に機能する。まず、Ｒ５は、負荷として働き、バイパスされる電流のすべてを消費することをＱ１要求するのではなく、パイパスされる電流を消費することができる。第２に、以下に述べるように、Ｒ５は、精密な電流器として働き、バイパスされる電流量を測定することができる。Ｒ５の値は、バイパス電流が安全な上限を超えないように、選択される。一般的なアプリケーションにおいて、バイパス電流の安全な上限は、０．１Ｃ（最大充電電流の１０％）として、選択される。上限は、様々な条件の下で、異なる種類のセルに対して変化する。また、最も大きく予想される上限は、Ｒ５の値によって設定され、下限は、コントローラＣのプログラムによって、制御される。
【００２５】
アンプＡ１は、非反転入力（＋）において、信号入力Ｖ−Ｂｙを有する。入力Ｖ−Ｂｙは、コントローラＣの電子機器の論理グランドに参照されるコントローラＣ内の制御電子機器からの所定の可変値を持つ差動信号である。アンプＡ１の反転（−）信号入力は、ポイント２５で、モニタ回路の論理グランドに接続される。電圧Ｖ−Ｂｙは、セル１２のそれぞれが設定される高電圧上限を指定するために、制御電子機器によって設定される。アンプＡ１は、好ましくは、ハイ・コモン・モードで、単一ゲインを持つ、精密な差動アンプであり、セル１２から電力を供給される。必要とされるダイナミックレンジを提供するために、アンプＡ１は、モニタしているセルよりも２つのセル電圧より高く及び２つのセル電圧よりも低い、ライン２３及び２４の向こうの電源入力から、電源を供給される。スタックの上端のセルにおけるモニタ回路の場合、電圧変換器が、増大された電圧を生成するために追加される。なぜならば、上部セルから、より高い電圧を得るためのセルが、残されていないからである。グランド１４近くの最初の２つのセルの場合、Ａ１アンプは、外部の電圧ソース（図示せず）の負の電圧供給（ＮＩＳＴ）（例えば１５Ｖ）に接続された負の電源供給端子を有する。なぜならば、スタックの底部に、より低い電圧の２つのセルが、ないからである。
【００２６】
アンプＡ１は、差動出力を有し、その負の参照ＶＯＬは、ライン１８に接続され、セルの負の端子は、モニタされている。Ａ１の他の出力ＶＯＨは、アンプＡ２の反転（−）信号入力に、接続されている。アンプＡ１は、バイパス設定ポイント電圧Ｖ−Ｂｙを、コントローラＣのグランド参照からモニタされるセルの参照に変換する。コモン・モード差動電圧は、リチウム・イオン・バッテリにおいて、ほぼ４００Ｖの電圧である。
【００２７】
アンプＡ２は、分割器Ｒ１−Ｒ２によって調整され且つ分割器の接点から得られる、Ａ２の非反転（＋）入力に適用されるモニタ・セル１２−３の電圧を、反転（−）入力においてＶＯＨとして適用される、アンプＡ１からのプリ・セットＶ−Ｂｙレベル設定ポイント電圧と比較する。Ｖ−Ｂｙ制限が測定されるセルの電圧によって超えるとき、Ａ２は、Ｑ１バイパス・トランジスタをつける信号を生成する。トランジスタＱ１が付けられたとき、セル充電電流は、リード１６及び１８の向こうのモニタされるセル１２−３の周りでＱ１を介して及び電流分路抵抗Ｒ５を介してバイパスされる。バイパス電流は、Ｉ  Ｂｙｐａｓｓと呼ばれる。これは、正確で強固な電流制限を、モニタされるセル１２−３の電圧上に有効に作る。
【００２８】
なお、Ｖ−Ｂｙは、コントローラＣを介して回路Ｍの外側から調整可能であり、設定される。これは、ホスト・コンピュータによって実行され得る。このようにして、設定ポイントは、プログラム可能であり、変更可能である。例えば、衛星のメイン・コンピュータによって設定される、可変設定ポイントは、セルに対してより高い電圧の選択を可能とする。これは、バッテリの寿命を短くさせる一方、これは、指令の有効期間がとくかく成し遂げられるときに理にかなった交換条件となる。
【００２９】
もう１つの例として、異なる衛星軌道に対する太陽電池によるバッテリ１０の充電は、太陽電池が太陽を見ることができないときに太陽電池のダーク・タイムを補償するために異なるフル充電制限を使用することを望ましくし得る。可変設定ポイントの準備は、このような交換条件を、リモート・ホスト・コンピュータによって動的に制御することを可能にする。
【００３０】
電流バイパス抵抗Ｒ５は、バイパスされる電流Ｉ  Ｂｙｐａｓｓを電圧に変換する正確な抵抗である。Ｒ５の最大正電圧端における電圧は、アンプＡ３の非反転（＋）入力に加えられ、Ｒ５の低い電圧は、Ａ３の反転（−）入力に加えられる。好ましくは、アンプＡ３は、単一のゲインで、ハイ・コモン・モードで、高精度な差動アンプである。アンプＡ３は、コントローラ・ロジック回路グランドを基準として例えばプラス・マイナス１５ボルトの外部の電圧ソース（図示せず）から動く。アンプＡ３の電圧出力ＩＢＰは、バイパス電流Ｉ  Ｂｙｐａｓｓの測定値である。即ち、アンプＡ３は、セルの参照電圧レベルからの電流測定Ｉ  Ｂｙｐａｓｓを変換し、それをコントローラＣ及び／又はホスト・コンピュータによる使用のために、コントローラＣのロジック・グランドの基準とする。
【００３１】
示したように、コントローラＣは、充電電流Ｉの値を設定する。バッテリ１０の充電電流Ｉは、コントローラＣに知られている値の電圧による値である。コントローラ電子機器、例えばそのマイクロコンピュータは、モニタされるセル１２−３を充電する正味の電流を決定するために、コントローラに知られているバッテリ充電電流Ｉから、Ａ３のＩＢＰ出力電圧で表される、Ｑ１によってバイパスされる電流を減算する。コントローラＣは、Ｉ  Ｂｙｐａｓｓが、バッテリ・セル化学用の制御アルゴリズムによって決定される指定量よりも大きくなったとき、充電電流Ｉを減少させるように動作する。
【００３２】
説明したように、セル・モニタリング回路Ｍは、セルの電圧と充電期間中のすべてのパイパス電流とを測定する。セルが過充電されるとき、電流はバイパスされ、セル電圧は、プリセット高電圧制限を超えないように保たれる。好ましくは、バイパス回路が充電電流の一部を消費することが不必要になるように、充電電流をいつ減少させるのかを充電器に告げるコントローラ内の充電制御アルゴリズムが存在する。充電アルゴリズムの仕様は、回路をバッテリ・パックにインターフェースすることに向けられた本出願の目的ではない。
【００３３】
ハイ・コモン・モードで単一ゲインで高精度ゲイン差動アンプであることが好ましいアンプＡ４は、モニタされるセル１２−３のライン１６及び１８に接続される非反転（−）及び反転（＋）入力を有する。また、アンプＡ４は、コントローラＣのロジック回路のグランドを基準として例えばプラス（ＰＩＳＶ）マイナス（ＮＩＳＶ）１５ボルトの外部の電源ソース（図示せず）から動作する。好ましくは、アンプＡ４は、非常に安定で、（０．０２％）で達成される高精度なアンプである。それは、特定の場所のセル１２−３の電圧を、コントローラによる測定用のグランド参照信号信号に変換する。コントローラは、Ａ４の出力電圧を使用して、充電深度及びセルの健全状態の様々な特性を決定するために用いられるデータを生成する。セル用の温度センサは、示されていない。充電深度は、セルの温度に対して補償される。
【００３４】
一般に、セル１２の充電深度は、フル充電のパーセンテージで表される。バッテリ・セルが、その上限の電圧制限にあるときフル充電は起こり、１００％のフル充電即ち１００％ＳＯＣである。フル放電又は０％ＳＯＣは、セルに対する低い許容電圧で起こる。セル電圧がこれらの２つの電圧の中間にあるとき、５０％ＳＯＣである。
【００３５】
光カプラＱ２は、Ｒ１の端から端で接続され、光カプラＱ３は、Ｒ２の端から端で接続される。Ｑ２及びＱ３のぞれぞれの伝導状態は、コントローラＣからの制御信号Ｓ１及びＳ２によって決定され、その信号は、それぞれＬＥＤＬ１及びＬ２を制御する。光カプラが本発明の好ましい実施形態で示される一方、任意の他の変換タイプのスイッチング構成（例えば、直接信号によって駆動されるトランジスタ）を使用できることが理解される。
【００３６】
光カプラＱ２が、コントローラからのパルス型信号によって、好ましくは短い時間だけつけられたとき、ＬＥＤＬ１は、光を放出するように電圧を加えられる。Ｌ１からの光に応じて、光カプラＱ２は、Ｒ１を伝導し、短絡させる。これは、正に振る舞う信号をＡ２の非反転（＋）入力に印加させ、Ｉ  ｂｙｐａｓｓ用の最大許容値までＱ１をつける、Ａ２の出力における信号を生成する。Ｑ１からの電流のパルスは、Ｒ５の両端で生じ、Ａ３に加えられ、コントローラＣに加えられるＡ３からのＩＢＰの電圧パルス出力を生じさせる。
【００３７】
Ｒ５内の電流パルスはまた、モニタされるセル１２−３の電圧における降下を生じさせる。この降下は、アンプＡ４への入力であるライン１６及び１８上で表れる。Ａ４の出力は、電圧ＶＣＰである。Ａ３及びＡ４の出力における電圧は、コントローラＣに加えられ、セルの内部抵抗を判定するために使用される。セルの内部抵抗（ＩＲ）は、Ｑ１の電流パルスＳ１に応じてｄＶ（Ａ４の出力）をｄＩ（Ａ３の出力）割算することによって決定される。コントローラＣは、ＩＲを計算するようにプログラムされ、又はこれを実行するためにホスト・コンピュータにデータを送信する。
【００３８】
セル分極抵抗（ＰＲ）は、電流パルスの長さ、即ちＬＥＤ１からの光のパルスの継続期間を延ばすことによって、決定することができる。電流パルスは、セルのＩＲが高い値まで上がるように、時間の長さが拡張される。電流パルスは、セルの内部抵抗が新しい高い値の抵抗で安定した後に、終了する。抵抗の最終値引く抵抗の内部値は、分極抵抗を決定する。ここでもまた、コントローラＣは、ＰＲを計算するようにプログラム可能であり、又はこれを実行するためにホスト・コンピュータにデータを送信する。
【００３９】
対応するモニタ回路を介して、コントローラＣは、バッテリ・パック内の各セル１２上のデータを集めることができる。セルが頻繁な充電及び放電サイクルの中の動くとき、各セルの内部抵抗の変化及び各セル毎のセルによって送られるアンペア時間数の変化は、上側の充電電圧制限から最も低く許容放電電圧まで、測定され、また、特徴づけられる。このデータは、セルの様々な特性を計算するために用いることができる。例えば、内部抵抗の増加及びアンペア時間の減少は、システム内の有効な残留期間の見込みを特定するためのパーセンテージとしてオリジナル容量に対してセルの残留容量を提供するために使用される。
【００４０】
光カプラＱ３は、ロジック制御信号Ｓ２によって付けられ、Ｌ２からの光のパルスを生成してＱ３にＲ２を伝導および短絡させる。これは、Ｑ１をオフ状態に保持し、電流がパイパスされることを防ぐ。この特徴は、セルの健全状態を決定するために使用される。
【００４１】
セルの健全状態は、オリジナルの製造されたセルの容量からの劣化を特徴づける様々なパラメータによって、決定される。この決定は、オリジナルの既知の値から電流アンペア時間容量の変化を決定することによって、行うことができる。任意の一定の充電又は放電サイクルにおいて、コントローラＣは、セルの現在におけるフル充電パーセンテージの指示を測定し、計算する。これを実行するアルゴリズムは、本発明の要素ではない。
【００４２】
セルの上側の電圧制限が届いたときに、充電深度が１００％であることを確かめることは十分である。セルが低い許容制限まで放電されるとき、充電深度は、０％である。セルの電圧を電流バイパスと等しくしないことにより、セルの充電の最終状態の発散は、健全状態の判定を可能にする。
【００４３】
この準備は、アルゴルズムの最初の拡張に用いることができる。例えば、個々のセルは、バイパス回路が充電中のセルを等しくさせないようにされる。充電中に特定のセル以外を等しくすることにより、セルのパラメータ（例えばセルが充電を受け入れる速度）における測定される変化は、等価回路の有効性を特徴づけるために使用することができる。
【００４４】
パーセンテージ値を提供することに加えて、コントローラは、バッテリ・セルを通過する電流に基づいて充電又は放電に到達する概算時間を提供するようにプログラムすることができる。これらの因子は、セルの健全状態及び充電深度のリアルタイム・ビューを与える。
【００４５】
本発明の特定の複数の特徴は、便宜のみのために図面に示され、各特徴は、本発明に従う他の特徴と結びつけることができる。代替的な実施形態は、当業者によって認知され、特許請求の範囲内に含まれることを意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に従う回路であって、充電されるときにマルチ・セル・バッテリの１つのセルをモニタし、所定のレベルを超える電流をパイパスさせる回路の概略図である。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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