JP2004080992A - バッテリセル平衡システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、部品数が少く軽量で装置の構成が複雑でなく、廉価で信頼性の高いバッテリ平衡システムを提供することを目的とする。
【解決手段】システム12は、電源38と、複数のセルＢ1 ，Ｂ2 ，Ｂn に電気的に結合されて充電が最低状態を有する複数のセルの１つのセルを優先的に充電する複数の変成器／整流器回路34と、複数の変成器／整流器回路34および電源38に結合されている１以上の電流制限装置36とを具備している。この電流制限装置36は複数のセルの少なくとも１つのセルの整流された電圧から電源電圧をバッファしていることを特徴とする。バッテリの平衡を行う方法もまた提供される。
【選択図】　　　図２

Description

　本発明は、航空機のシステムに関し、特に、バッテリのセル電圧を平衡させるための方法およびシステムに関する。

　宇宙船は複数のリチウムイオンバッテリを有しており、そのそれぞれは約３０のセルを有している。セルは過充電および過放電に敏感であり、そのため複雑な保護回路が必要である。

　バッテリを充電し、各セルの充電を平衡させる通常の方法には、各セルに対して電源を使用し、全体で約１２０の電源を使用する方法が含まれている。技術的に知られているように、宇宙船では宇宙船システムの部品数を最少にし、重量を軽減することが望まれている。上述の方法は複雑でコストが高く、特に重量が軽いことが重要であり、パッケージの大きさに制限がある宇宙船における応用に対しては問題がある。

　また、宇宙船システムではシステムに対する信頼性が高いことが望まれる。バッテリシステムのコンポーネントの数が増加すると、バッテリシステムの信頼性に対して悪影響を与え、究極的に宇宙船自体の信頼性を低下させる。

　別のバッテリ充電方法は直列に接続されたセルに対して１次／冗長充電装置および１次／冗長放電装置を使用するものである。電圧クランプ回路を使用して過充電に対してセルを保護し、遮断スイッチおよびバイパススイッチを使用して過放電に対してセルを保護している。この方法もまた複雑で高価となる。セルの充電中、電圧クランプ回路が過充電に対してセルを保護しているとき、貴重なバス電力が消費される。また、クランプ回路は典型的に熱を放散させるために付加的なヒートシンクを必要とする。また、過放電に対してセルを保護するためには電子・機械的装置が必要であり、そのような装置はライフサイクルが制限されている。

　電力を消費するセル平衡方法が特許文献１に記載されており、それにおいてはリチウムイオンバッテリセルがコスト効率のよい方法で平衡されている。この方法は、各バッテリセルと並列に接続された抵抗を含んでいる。セルの両端の電圧がシステムオペレータまたはコンピュータによって監視される。抵抗は所望の電圧が関心のあるセルの両端間で得られたとき遮断される。この方法は有効ではあるが、監視のためのインテリジェンスな手段と決定を行う何らかの手段が必要である。この方法はコストの面では有効ではあるが、複雑な制御技術を必要とし、制御システムのインテリジェンスな手段に制限を与える。この方法は複雑なコンピュータソフトウエアを使用し、そのために機上プロセッサリソースを可成使用しなければならない。

　さらに、分布されたコンバータ方法が導入され、それはバッテリの各セルと関連する平衡スイッチおよび変成器／整流器回路を含んでいる。マルチプレクサが各セルの電圧を測定する。制御装置は平衡スイッチを動作させてそれによりセルの両端間の電圧が第１の予め定められた電圧より低いときには各スイッチをオン状態または充電状態とし、セル電圧が第２の予め定められた電圧より高いときには各スイッチをオフ状態または充電状態とする。この技術はコスト的には優れているが、制御素子を必要とするためにこれもまた複雑であり、プロセッサリソースを減少させる。
米国特許第９９００５２号明細書

　従来の最低の充電状態を有するセルを優先的に充電するバッテリ平衡技術はまた効率が悪い。単一のセルが充電できない場合に残りのセルが影響され、潜在的に充電されない。優先的な充電技術を使用する平衡システムは連続的にその充電できないセルの充電を試み、この充電できないセルよりも高い充電状態を有するが所望の充電状態よりも低い他のセルの充電を阻止してバッテリは動作できなくなる。

　また、バッテリの放電中にセル電圧がある値よりも低下したとき、セル電圧の反転が生じる可能性がある。セル電圧の反転が生じたとき、セルの電位は反転してセルは短絡されて、この場合にもまたバッテリは動作不能になる。

　それ故、システムコンポーネントの数が最少であり、重量が少く、コンポーネントおよび制御論理装置の複雑性を減少させ、コスト的に有効で信頼性の高いバッテリ平衡技術を提供することが望まれている。

　本発明は、バッテリのセル電圧を平衡させるための方法およびシステムを提供する。複数のセルを有するバッテリに対するバッテリセル平衡システムが提供される。このシステムは、電源と、セルとに電気的に結合されている複数の変成器／整流器回路とを備えている。優先的充電は最低の充電状態を有するセルに対して行われる。１以上の電流制限装置が変成器／整流器回路および電源に結合されている。この電流制限装置は複数のセルの少なくとも１つのセルの反射された電圧から電源電圧をバッファしている。このような動作を行う方法もまた提供される。

　本発明の利点の１つは、電源とバッテリ平衡システムの電力バスとの間に電流制限装置が設けられることである。このようにすることによって、本発明では、電力バスが実質上交流（ＡＣ）電流源として動作して、その結果、最低の充電状態を有するセルが最初に充電されるように変成器／整流器回路と組合わせられるときバッテリセルの優先的充電が行われる。

　本発明の別の利点は、優先的充電の制御が平衡されるべきセルの統計的な選択により自蔵されたランダム論理装置によって行われ、それによって従来のバッテリ平衡システムにまさる信頼性とバッテリ寿命の増加が得られる。本発明はセルを複数のサブグループに関連させ、各セルは複数のサブグループのメンバーであってもよく、各サブグループをランダムに平衡させる。サブグループへの関連は充電できない単一セルの影響を減少させ、他のセルの充電を可能にさせる。

　本発明およびその目的およびそれに付随する利点は、添付図面を参照にした以下の詳細な説明により当業者には明白になるであろう。

　本発明はバッテリセルを平衡させる方法およびシステムに関して記載されているが、本発明は、航空機システム、地上ベースシステム、商用システム、地上の工業システム、乗物システム、またはその他の応用および既知の技術のシステムを含む種々の応用およびシステムに適用されることができる。　
　以下の説明において種々の動作パラメータおよびコンポーネントが１つの構成された実施形態に対して記載されている。これらの特定のパラメータおよびコンポーネントは例示として記載されたものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

　図１を参照すると、本発明の１実施例のバッテリ平衡システム12を利用する衛星システム10の概略斜視図が示されている。このシステム10はトランシーバ20により衛星18に種々のチヤンネルで通信信号を送信する地上ステーション14を含んでいる。衛星18は受取った通信信号を多数のサイト22に再送信する。サイト22には業務用および居住用の両方のサイトが含まれている。衛星18は平衡システム12を含んている。もちろん、システム10は平衡システム12のバージョンを有し、多数の衛星、多数のトランシーバ、多数の地上ステーション14を有していてもよい。

　図２を参照すると、本発明の１実施例のバッテリ30のためのバッテリ平衡システム12の概略的なブロック図が示されている。バッテリ30は多数の電池セル32を有しており、それぞれ対応するセル電圧を有している。平衡システム12は多数の変成器／整流器回路34を含み、そのそれぞれはセル32の１つと関連している。電流制限装置36は電源38および電力バス40に電気的に結合され、その電力バス40は変成器／整流器回路34に電気的に結合されている。電流制限装置36はインダクタとして示されているが、任意の技術的に知られている電流制限抵抗や能動電子装置のような他の電流制限装置が使用されることができる。変成器／整流器回路34は電流制限装置36に対しては並列に電源38およびセル32と直列に配置されている。各変成器／整流器回路34は制御装置44を介して動作される関連するスイッチ42を有している。制御装置44はセル32が平衡されて、変成器／整流器回路34により優先的に充電できるようにするために平衡されるべきセルを決定してスイッチ42を動作させる。

　バッテリ30は任意の数のセル32を含むことができる。各セル32はリチウムイオンセルまたは技術的に知られている他の型式のセルであってもよい。本発明の１実施例では、バッテリ30は衛星システムで通常使用されているような２４個のリチウムイオンセルを含んでいる。

　変成器／整流器回路34は変成器46と１対のダイオード48を含んでいる。変成器46の１次巻線50はスイッチ42の１つと直列であり、そのスイッチ42を介して接地端子52に接続されている。１次巻線50とスイッチ42は電流制限装置36および電源38に対して並列である。１対のダイオード48は各ダイオード48の両端間の電圧差が対応するダイオードの順方向バイアス電圧より低くなったとき、関係するセル32に流れる電流を阻止する整流器として動作する。変成器46の各２次巻線54は中央タップ56により上半分58と下半分60とに分割されている。各ダイオード48は陽極端子62と陰極端子64とを有している。

　以下、第１の変成器67を含む第１の変成器／整流器回路66について説明するが、他の変成器／整流器回路34も同様である。第１のダイオード68の第１の陽極端子63と第１の陰極端子65とは２次巻線71の第１の端部70と関係する第１のセルＢ₁ の正の端子78とにそれぞれ電気的に結合されている。第２のダイオード78の第２の陽極端子74と第２の陰極端子76とは２次巻線54の第２の端部80と第１のセルＢ₁ の正の端子72とにそれぞれ電気的に結合されている。２次巻線71の第１の中心タップ84は第２の変成器／整流器回路86に電気的に結合されている。第１の中心タップ84は第２の変成器／整流器回路86の第１の陰極端子88と第２のセルＢ₂ の正の端子90とに電気的に結合されている。各セル32は第１のセルＢ₁ のそれと類似した関連する変成器／整流器回路34を有する。ｎ番目のセルＢ_n の中心タップ92はｎ番目のセルＢ_n のｎ番目の負の端子に電気的に結合され、ここでｎはバッテリ30中のセルの数である。

　電流制限装置36は電源38の電圧をセル32の少なくとも１つのセル電圧または反射された電圧からバッファする。電流制限装置36は電力バス40が交流（ＡＣ）電源として実質上動作することを可能にする。電流制限装置36はセルが放電中に短絡を生じるセル電圧の反転を阻止する。電流制限装置36は技術的に知られている種々のスタイルおよびタイプのものでよい。

　制御装置44はセル32のグループをランダムに選択するように多数の論理装置を含んでいることが好ましい。制御装置44は、中央処理装置、メモリ（ＲＡＭおよび、またはＲＯＭ）、および関連する入力および出力バスを有するコンピュータのようなマイクロプロセッサベースのものでよい。制御装置44は、中央ビークル主制御装置、相互対話ビークルダイナミックモジュール、または独立した制御装置の一部であってもよい。制御装置44は、平衡されるべきセルのサブグループをランダムに選択するように多数の論理装置を含んでいる。本発明の好ましい実施例では、システム12は制御装置44を使用するものとして説明されているが、システム12は制御装置44を使用しないで動作することもできる。制御装置44はセル32のサブグループを形成して平衡させるために使用されてもよく、それによりシステム12の信頼性は増加され、或いは技術的に知られている他のタスクが行われる。

　図３を参照すると、本発明の実施例によるセル32を平衡させる方法の論理フロー図が示されている。　
　ステップ100 で、電流制限装置36は電源電圧を少なくとも１つのセルの反射された電圧からバッファされる。

　ステップ102 で、制御装置44はどのセル32が平衡されるべきかを決定する。セル32はサブグループに分割される。例えば、各サブグループは４個のセルを有しており、それらは平衡中にスイッチ42により付勢される。サブグループはほぼ等しい時間量に対して平衡される。各セル32は１以上のサブグループのメンバーであってもよい。選択されることのできるｎ！／（ｎ−ｍ）！の可能なサブグループが存在し、ここでｎはセルの数であり、ｍはグループ当たりのセルの数である。各サブグループが平衡され、各サブグループが他のサブグループのメンバーでもあるメンバーを有しているから、正常に機能しているセル32は同じ電圧に対して平衡され、したがって同じ充電状態である。

　ステップ104 で、変成器／整流器回路34は、平衡するために決定されたサブグループ内の最低の充電状態を有するセルを優先的に充電する。この優先的な充電は最低の充電状態を有するセルによる電流ホッギングから生じる。最低の充電状態を有するセルは同じバッテリ中の他のセルと比較して、関係する差電圧が第１の予め定められた値よりも大きいとき充電される。変成器／整流器回路34は、関係する差電圧が第２の予め定められた値よりも小さいとき最低の充電状態を有しないセルが充電されることを阻止する。これについて以下さらに説明する。

　再び図２を参照する。例えば第１のセルＢ₁ が電圧３．５Ｖを有し、残りのセルの両端子間の電圧が４Ｖであると仮定し、さらに、第２のセルＢ₂ が充電中であると仮定する。回路の解析から、第１のダイオード68と第１の上半分58の両端間と第２のダイオード78と第１の上半分60の両端間との２次電圧Ｔ₁ は３．５Ｖより高い１ダイオードの電圧降下である。第１のダイオード68と第２のダイオード78の順方向バイアス電圧が約０．６Ｖと仮定すると、２次電圧Ｔ₁ は４．１Ｖである。第１の変成器67が１０に等しい巻線比Ｎを有するとき、各変成器／整流器回路34に共通である１次電圧は４１Ｖであり、すなわち、２次電圧Ｔ₁ と巻線比Ｎとの積である。

　各変成器／整流器回路34は共通の１次電圧を共用しているから、２次電圧Ｔ₂ 乃至Ｔ_N は４．１Ｖである。第１のセルＢ₁ 以外のセル32は４．０Ｖと仮定されているから、０．１Ｖがダイオード48の順方向バイアスに利用可能であり、したがって整流器はオフ状態にある。それ故、電力はシステム12により最低の充電状態を有するセル（この例では第１のセルＢ₁ ）に転送される。セル電圧は従来の平衡システムのように制御システムが介入しないで平衡される。ステップ104 が完了すると、システム12はステップ100 に戻る。

　上述のステップは例示的な実施例であることを意味し、ステップは応用に応じて、同期して、連続的に、または異なった順序で行われることができる。

　それ故、本発明はバッテリの寿命を増加させる効率的で信頼性のあるバッテリ平衡システムを提供する。このシステムは、１以上のセルが充電されることができない場合でさえも各セルを等しい充電状態にすることを可能にするランダムなサブグループの平衡を与える。本発明は、セル平衡を行うときにアドレスされる変数の数を減少させる。また、セルの平衡中に消費される電力はバッテリ中のセルの数に対するなサブグループのセルの数の比によって減少される。本発明のバッテリ平衡システムはシステムコンポーネントの数を最少にし、航空機の重量を軽減し、コンポーネントおよび制御論理装置の両者の複雑性を減少させて。コストを有効にする。

　上記の方法および装置は当業者により種々の応用およびシステムに適応されることが可能であり、その応用には航空システム、地上ベースのシステム、商業システム、地球工業システム、乗物システム、あるいは技術的に知られているその他の応用およびシステムが含まれる。説明された発明は特許請求の範囲に記載された本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変形、変更が可能である。

本発明の１実施形態によるバッテリ平衡システムを使用する衛星システムの概略図。 本発明の１実施形態によるバッテリ平衡システムの概略ブロック図。 本発明の１実施形態によるバッテリセルの平衡方法を示す論理フロー図。

Claims (20)

1. 　複数のセルを有するバッテリのバッテリセル平衡システムにおいて、
   　電源と、
   　複数のセルに電気的に結合されて前記複数のセル中の最低の充電状態を有する１つのセルを優先的に充電する複数の変成器／整流器回路と、
   　前記複数の変成器／整流器回路および電源に電気的に結合されている１以上の電流制限装置とを具備し、この電流制限装置は複数のセルの少なくとも１つのセルの反射された電圧から電源電圧をバッファしているバッテリセル平衡システム。
2. 　さらに、前記複数の変成器／整流器回路に電気的に結合されて、関連する差電圧が第１の予め定められた値よりも大きいときに少なくとも１つのセルの充電を可能にする複数の平衡スイッチと、
   　前記複数の平衡スイッチに電気的に結合されて複数のセルの中の平衡されるべきセルの決定に応答して前記複数の平衡スイッチを動作させる制御装置とを具備している請求項１記載のシステム。
3. 　前記複数の平衡スイッチは前記複数の変成器／整流器回路に電気的に結合されて、関連する差電圧が第１の予め定められた値よりも大きいときに少なくとも１つのセルの充電を可能にし、関連する差電圧が第２の予め定められた値よりも小さいとき少なくとも１つのセルの充電を阻止するように構成され、
   　制御装置は前記複数の平衡スイッチに電気的に結合され、複数のセルの中の平衡されるべきセルの決定に応答して前記複数の平衡スイッチを動作させるように構成されている請求項１記載のシステム。
4. 　複数のセルはサブグループに分割され、前記制御装置は前記サブグループ中の平衡されるべきサブグループを決定する請求項１記載のシステム。
5. 　複数のセル中の１つのセルは複数のサブグループのメンバーである請求項１記載のシステム。
6. 　複数のセルはサブグループに分割され、前記制御装置は平衡されるべきサブグループをランダムに決定する請求項１記載のシステム。
7. 　複数のセルはサブグループに分割され、前記制御装置は前記サブグループを等しい時間量に対して平衡させる請求項１記載のシステム。
8. 　前記制御装置は前記複数のセル中の平衡されるべきセルを決定し、前記選択されたセルの優先的充電を許容する請求項１記載のシステム。
9. 　前記変成器／整流器回路はそれぞれ前記複数のセル中の少なくとも１つのセルと関連されている請求項１記載のシステム。
10. 　前記平衡スイッチは前記複数の変成器／整流器回路中の少なくとも１つの変成器／整流器回路と関係している請求項１記載のシステム。
11. 　さらに、前記電源および複数のセルに電気的に結合された電力バスを備え、前記電力バスは交流電源として動作する請求項１記載のシステム。
12. 　複数のセルを有するバッテリのバッテリセルを平衡させる方法において、
    　複数のセルの少なくとも１つのセルの反射された電圧から電源電圧をバァファし、
    　最低の充電状態を有するセルを優先的に充電するバッテリセルの平衡方法。
13. 　関連する差電圧が第１の予め定められた値よりも大きいとき少なくとも１つのセルの充電を可能にし、
    　関連する差電圧が第２の予め定められた値よりも小さいとき少なくとも１つのセルの充電を阻止する請求項１２記載の方法。
14. 　さらに、関連する差電圧が第１の予め定められた値よりも大きいとき少なくとも１つのセルの充電を可能にする請求項１２記載の方法。
15. 　さらに、複数のセルの中の平衡されるべきセルを決定し、前記選択されたセルの優先的な充電を可能にする請求項１２記載の方法。
16. 　さらに、複数のセルをサブグループに分割し、どのサブグループを平衡させるかをランダムに決定する請求項１２記載の方法。
17. 　さらに、複数のセルをサブグループに分割し、前記サブグループを等しい時間量に対して平衡させる請求項１２記載の方法。
18. 　さらに、複数のセルをサブグループに分割し、複数のセル中の関心のあるセルを含んでいる第１のサブグループを平衡させ、
    　関心のある前記セルを含んでいる第２のサブグループを平衡させる請求項１２記載の方法。
19. 　複数のセルを有するバッテリのバッテリセル平衡システムにおいて、
    　複数のセルに電気的に結合されている複数の変成器／整流器回路と、
    　前記複数の変成器／整流器回路に電気的に結合されて、関連する差電圧が第１の予め定められた値よりも大きいとき複数のセルの中の少なくとも１つのセルの充電を可能にするように構成されている複数の平衡スイッチと、
    　前記複数の変成器／整流器回路および電源に電気的に結合されて複数のセルの少なくとも１つのセルの反射された電圧から電源電圧をバッファする１以上の電流制限装置と、
    　前記複数の平衡スイッチに電気的に結合されている制御装置とを具備し、この制御装置は複数のセルの中のどのセルが充電されるかの決定に応答して前記複数の平衡スイッチを動作させて複数のセルの優先的な充電を可能にするように構成されているバッテリセル平衡システム。
20. 　前記複数の変成器／整流器回路は、関連する差電圧が第１の予め定められた値よりも大きいとき少なくとも１つのセルの充電を可能にし、関連する差電圧が第２の予め定められた値よりも小さいとき少なくとも１つのセルの充電を阻止するように構成されている請求項１９記載のシステム。

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