JP2008508685A - マルチセルリチウム電池システムのセル平衡化の方法及び装置 - Google Patents

Abstract

マルチセルリチウム電池システムにおけるセル間不平衡を均等化する方法及び装置を開示する。平衡化時間パラメータは各セルに対して充電開始時に計算され、充電開始時に正の平衡化時間を有する各セルに対して平衡化が起こる。または、平衡化時間パラメータは、電池システムの電池稼働中に計算され、平衡化時間値に基づいて、その場でセルの均等化が起こる。

Description

本発明は、一般的にはマルチセルリチウム電池システムに関し、より詳しくはセル平衡化の方法及び装置に関する。

充電可能なマルチセル電池システムは数１０年既知となっており、これらは、鉛−酸（ＰｂＡ）、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）、リチウムイオン（ＬｉＩｏｎ）、リチウムポリマー（ＬｉＰｏ）を含むさまざまな化学的性質を基礎としてきた。各電池技術の重要な成果の観点は、どのように充電（過充電）をなし得るか、及び不可避のセルの不平衡にどのように取り組むかに関するものである。

従来、例えば、鉛蓄電池におけるセル間の不平衡は過充電を制御することで解決されている。鉛蓄電池は恒久的な電池のダメージなく過充電状態に至らしめることができる。これは、ガスを発することにより、余分なエネルギーが放出されるからである。このガス発生のメカニズムは直列につないだ鉛蓄電池セルを平衡化する自然発生的な方法である。他の化学的性質、例えばニッケル金属水素化物は同様のセル間平衡化メカニズムを示す。

しかしながら、リチウムイオンやリチウムポリマー電池の化学的性質は、活物質にダメージを与えずに過充電することはできない。電解液を破壊する電圧は、危険にもフル充電端子電圧に近い。それゆえ、いかなる単一のセルも過剰な充電によって過電圧となることを回避するよう、注意深い監視と制御が実行されなければならない。リチウム電池は過充電され得ないので、セル均等化について自然発生的なメカニズムは存在しない。

電池システムが単一セルであるか複数のセルであるかによって、より大きな問題が存在する。リチウムを基礎とする単一のセルは、セル電圧が化学的に規定される限界を超えないように監視を必要とする。しかしながら、直列に接続されたリチウムセルはより複雑な問題を提議する。すなわち、一連の各セルは監視され制御されなければならないということである。システムの電圧が許容範囲内であるとしても、直列に並ぶひとつのセルはセル間不平衡によりダメージ電圧に陥っているかもしれない。前述した以上のことはないが、これに基づいて、電池システムの最大使用可能出力は得られないかもしれない。なぜなら、充電中に不平衡なセルは充電電圧の限界に早まって到達し、充電器の電源を遮断するきっかけになるかもしれない（すなわち、前述したとおり過充電によりセルをダメージから保護するためである）。

前述の問題点に関する先行技術においてとられた一つの取り組みは、セル平衡化の概念を含む。セル平衡化は、他のセルがより高い電圧セルに追いつくまでより高い電圧セルを制御するのに有効である。この方法で、充電器はセルが事実上全体として充電終了に到達するまで電源がオフにされることはない。より詳しくは、セルは最初充電され、そして、充電終了の間及び充電終了時に平衡化される。

セル平衡化の取り組みの一例はエネルギー消費を含む。例えば、分流抵抗器は各セルに平行して選別的に連結してもよい。セルがフル充電することによりシステムがより活動状態になる結果、この取り組みは各セルが充電終了状態に到達するように過剰なエネルギーを分流させる。合計ｎ個のセルシステムにおけるフル充電に先だって、（ｎ−１）セルは最後のセルが充電終了に到達するように均等化エネルギーを散逸する。この状態は、熱の形で無駄なエネルギーを積み上げることに帰結するが、これは熱制御を誘発しうる（すなわち、熱が冷めるまで充電は一時的に中断する）。これらの制御は電池システムに対する充電時間全体を長引かせる。

したがって、前述した問題の１つ又はそれ以上を最小化する又は排除する電池システムを操作する方法及び装置が必要である。

本発明の一つの利点は、マルチセルリチウム電池システムの充電及び平衡化に必要な時間を軽減することである。本発明のもう一つの利点は、従来のシステムにおいて平衡化の間に時々起こる温度ピークを軽減することである。温度ピークは、温度が許容範囲まで低下してくるまで平衡化サイクルを停止させる原因となりうる。

これら及び他の特徴、利点及び目的は、本発明のとおりに電池システムを操作する方法によって達成される。

本発明の第１の観点において、本発明の方法は充電開始（ＢＯＣ）の時を含む充電及び平衡化サイクルを有する電池システムの操作方法を提供する。電池システムは複数のセルを有する。この方法は、充電開始（ＢＯＣ）の時に複数のセルの充電を開始するステップを含む。さらにこの方法は、少なくとも第１のセルに対して予測される平衡化パラメータに基づいて、上述充電ステップ中に少なくとも最初の１つのセルを平衡化するステップを含む。１つの実施形態において、最も高く充電されるセルは充電開始（ＢＯＣ）の時に認識され、充電プロセスの初期に選択的に放電される（平衡化される）。最も高いセルのこの事前の放電は、充電終了時にこれらのセルを均等化待ち状態に置く必要性を最小化又は排除する。

本発明の第２の観点において、本発明の方法は複数のセルを有する電池システムを操作する方法を提供する。この方法は、電池稼働サイクルの間にセルから電力を引き出すステップを含む。さらに、電池稼働サイクルの初期（又はその間）に少なくとも最初の１つのセルが、過充電を示す基準を満たすかどうかと、次の充電及び平衡化サイクルの間に平衡化することが望ましいかどうかを認識するステップを、この方法は含む。最後に、充電及び平衡化サイクルに先立って、電池稼働サイクル中に認識されたセルを平衡化させるステップを、この方法は含む。認識されたセルは、あらかじめ設定された平衡化パラメータに基づいて平衡化される。１つの実施形態において、本発明は充電／平衡化の間に後に平衡化が必要なセルを検出する。また、充電／平衡化の前に、電池稼働サイクルの間にこれらのセルを先取り的に平衡化する。

図面を参照するが、その中で、さまざまな意図において符号は同一の構成要素を認識するように使用される。図１（Ａ）は、複数の典型的なアプリケーション１２の１つ又はそれ以上との接続に使用するのに好適な本発明に関する電池システム１０を簡素化した、概略図及び構成図である。例示の実施形態におけるアプリケーション１２は、回転電機１４を利用してよいタイプのものであり、下記の操作に対して選択的に構成されてよい。（ｉ）回転電機１４が推進トルクに使用される第１のモード、（ｉｉ）回転電機１４が再生エネルギーの生産のために使用される第１のモードとは異なる第２のモード（すなわち、回転電機１４が発電機として配置される）。例えば、このようなアプリケーションは、自動推進式車両のアプリケーションを含んでもよいが、これに限定することはない。他方、全く固定の他のアプリケーション（慣性による荷重を有する回転システム等）もまた本発明の趣旨及び範囲に含まれる。回転電機１４は、例えばＡＣ又はＤＣ電気モータ、ブラシ又はブラシレス電気モータ、電磁石又は永久磁石電気モータ、磁気抵抗電気モータ等のような公知の従来型装置から構成されてもよい。前述したことが単に典型例であり全く限定されないことは、明白に理解される必要がある。他のアプリケーション１２は、本発明に関する再充電可能な電池システム１０から便益がもたらされるかもしれない、より静的な状況を含んでもよい。

図１（Ａ）を続けて参照する。電池システム１０は入出力端子１６を含んでもよい。パワーバス１８は、アプリケーション１２がそのように求めるとき、電池システム１０から電力を引き出されることを可能にするよう構成される。アプリケーション１４がこのように配置されるならば、パワーバス１８は代替的に構成されてもよいし、再生エネルギー生産モード（発電機として）で操作されるとき、回転電機１４によって生産される電気エネルギー、ここでは再生エネルギーと呼ばれる、を伝送するのに使用されてもよい。さらに例示される実施形態では、電池システム１０は図１（Ａ）において”ＴＸ／ＲＸ”（送信／受信）として明示される通信回線２０に接続するために構成される通信ポートを含んでもよい。アプリケーション１２がそのように構成されているならば、通信回線２０は双方向通信用に構成されてもよい、例えば、電池システム１０とアプリケーション１２の間における制御信号又は制御メッセージの転送は双方向通信の例である。

図１（Ａ）は、典型的な類型として壁付きコンセント（図示せず）等に接続するための従来型電気差込み２４を含む電池充電器２２も示す。充電器２２は、電池システム１０を充電（又は再充電）するために構成される。充電器２２は、蓄電池セルを充電（又は再充電）するために、電池システム１０と接続するために構成される充電電力線２６を含む。単純化のためだが、電力線２６は端子１６に接続されているように示される。さらに、充電器２２は制御信号を受信するよう構成された入力を有していてもよい。電池システム１０から制御線２８における充電終了信号のような制御信号である。制御線２８における充電終了信号は、充電器２２に対して電池システム１０を充電することを続けない（すなわち、充電の停止）ように構成される。例えば、電池システム１０がすでに充電されているときである。代替的に、充電器２２は可変式の充電器２２であってもよい。そこでは、制御線２８の制御信号が充電電流を中断するだけでなく充電電流を調節するために働く。充電器２２は、公知技術である通常の充電部材を含んでもよい。

例示の実施形態において、電池システム１０は、１個又はそれ以上の蓄電池セル３０_１、３０_２、・・・３０_ｎ、少なくとも１個の電圧センサ３２であるが好ましくは複数の電圧センサ３２_１、３２_２、・・・３２_ｎ、複数の平衡化抵抗器３４_１、３４_２、・・・３４_ｎ、対応する複数の制御スイッチ３６_１、３６_２、・・・３６_ｎ、少なくとも１個の電流センサ３８及び電池制御ユニット（ＢＣＵ）４０を含む。ＢＣＵ４０は、中央処理装置（ＣＰＵ）４２、充電コントローラ４４及びメモリ４６を含んでもよい。

セル３０_１、３０_２、・・・３０_ｎは電力を作り出すように構成され、電流Ｉとして示される集合的な出力は、例示の実施形態のように入出力端子１６で供給されるよう配置されてもよい。通常の電流は端子１６から負荷（すなわち、アプリケーション１２）に流出する。セル３０_１、３０_２、・・・３０_ｎは、例えば、電池システム１０の通常の電流を入出力端子１６で受け入れることによって、再充電されるように構成される。再充電電流は、充電器２２又は発電機として作動する回転電機１４のいずれからであってもよい。セル３０_１、３０_２、・・・３０_ｎは、公知の電池技術に関する従来装置から構成されてもよい。例えば背景技術に記載されているようなエネルギー蓄積の公知技術として知られるさまざまなリチウム化学作用である。例示の実施形態において、セル３０_１、３０_２、・・・３０_ｎは直流（ＤＣ）の出力を所定の名目レベルで集合的に作り出すように配置されている（例えば、構成された実施形態において、直列２０セル、充電状態１００％として名目的に各４ボルトとして計８０ボルト）。

複数の電圧センサ３２_１、３２_２、・・・３２_ｎは、各セルに対する個別の電圧レベルを検出し、検出される電圧に対応する電圧表示信号を生み出す。１つの実施形態において、複数の電圧センサ３２は電池システム１０に含まれる個々のセルごとに少なくとも１個用いられる。代替の実施形態において、１個の電圧センサは、所定の時間に各セルの電圧をサンプリングとして取り出せるよう構成される多重の配列の組合せで備えられてよい。これは多重センサ３２を備えるのと同一の効果がある。前述の多重センサ取り組みにより、優れた判断及び充電戦略は実行されてよい。これは公知技術として理解されており、下記において詳細に説明される。電圧センサ３２_１、３２_２、・・・３２_ｎは、公知の従来装置から構成されてもよい。

電池システム１０は、セル間の充電平衡化を実行する装置及び機能性を含む。例示の実施形態において、エネルギー散逸機構が示され、複数の平衡化抵抗器３４_１、３４_２、・・・３４_ｎと対応する複数の制御スイッチ３６_１、３６_２、・・・３６_ｎが含まれる。エネルギー散逸平衡化の取り組みは選択的に最も高く充電されたセルから充電を除くために選択された値の抵抗器で選択されたセルに、最も低く充電されたセルの充電に合致させるまで分流する。さらに、他のセル平衡化の取り組みが既知であって、エネルギー散逸取り組みの代わりに使用されることができる。能動的な充電分流やエネルギー変換装置、例えば切替変圧器、共用変圧器、多重変圧器等の公知の技術を使う充電往復を含むが限定されない。１つの実施形態において、４０Ｗの平衡化抵抗器が使用されるが、これは名目セル電圧をおよそ３．６５Ｖと仮定すると、およそ０．０９１２５Ａ（およそ９０ｍＡ）の散逸率を達成することができる。

電流センサ３８は、端子１６を経て電池システム１０から（又は電池システム１０に）流出（又は流入）する電流のレベル及び電流の極性を探知し、電流のレベルと極性の双方を表す電流表示信号を応答して生み出すように構成される。電流センサ３８は、公知の従来装置から構成されてもよい。

電池制御ユニット（ＢＣＵ）４０は、本発明に関する平衡化戦略の制御を含む電池システム１０の操作全般を制御するために構成される。ＢＣＵ４０は、中央処理装置（ＣＰＵ）４２、複数のタイマ４３_１、４３_２、・・・４３_ｎ、充電コントローラ４４及びメモリ４６を含んでもよい。

ＣＰＵ４２は、公知技術である従来処理装置から構成されてもよい。この処理装置は、この文書に記載される機能性にすべて一致し、メモリ４６に格納されあらかじめ設定された指示を実行することができる。すなわち、このアプリケーションに記載されたプロセスは、ＣＰＵ４２により実行されるためメモリ４６に格納され、結果としてもたらされるソフトウェアコードによってプログラムされることが意図される。この有効な文書の観点で、ソフトウェアにおける本発明の方法ロジックの実施は、プログラミングスキルのルーチンアプリケーション以上のことを要求しない。メモリ４６は、ＣＰＵ４２と一対であり、通常のメモリ装置から構成されてもよい。例えば、揮発性及び不揮発性メモリの適切な組合せであれば、主要なソフトウェアは格納され得、ダイナミックに生成されるデータ及び／又は信号の格納や処理を許容することができる。

図１（Ｂ）は、電池システム１０における各セルに対応するタイマ４３_１、４３_２、・・・４３_ｎの配列を示す。タイマは、ソフトウェアタイマとして、あるいは（例えば、抵抗器ベースの）ハードウェアとして実施されてもよい。あるいは又、タイマ４３_１、４３_２、・・・４３_ｎは別のハードウェアから構成されてもよい。タイマ４３_１、４３_２、・・・４３_ｎは、予測平衡化パラメータを導入して構成される。１つの実施形態において、予測平衡化パラメータは、対応するセルに関連する平衡化までの時間値である。次に、タイマがいかに使用されるか詳細に説明する。

充電コントローラ４４もまたＣＰＵ４２と一対であり、ＣＰＵ４２を充電終了電圧にあらかじめセットしておくように構成されるので、センサ３２_１、３２_２、・・・３２_ｎからの実際の電圧レベルがそれぞれの充電終了電圧に到達すると、コントローラ４４は制御線２８で上述の充電終了信号を発してもよいし、及び／又は代替的に個別のセルに対する分流／散逸エネルギーに平衡化抵抗器を作動してもよい。この制御信号は、上述したとおり、外部充電器２２を停止するように作用してもよい。充電コントローラ４４は、例示されているとおり、個別のユニット又は回路として構成されてもよいし、ＣＰＵ４２上で実行されるソフトウェアにおいて実行されてもよい。

背景技術に記述したとおり、リチウム化学電池は比較的過充電に耐えられない。それゆえ、効果的なセル間平衡化が行われなければ、最も強いセルが最大充電に到達するとき、そのセルの損傷を避けるために充電（再充電）が停止されなければならないであろう。より弱いセルは実際に追加の充電を必要とするので、この早計な中断は、電池システムが供給することができる全体の容量を低減する。しかしながら、従来の平衡化取り組みの欠点は、充電及び平衡化に必要な総時間が長いことにある。その上、従来の取り組みはまた、局部的温度が上昇することにより、熱という形でエネルギーの比較的大きな散逸に帰着する。極端な場合、限界温度に到達すると、電池システムが冷却させられている間、充電／平衡化は中断する。このシナリオは、また充電／平衡化の総時間を延ばすことになる。

本発明の第１の観点では、マルチセル電池システムの操作方法が、その方法において、最も高く充電されるセルが、従来の充電の終わりではなく充電及び平衡化サイクルの開始時に予測されることを備えることである。充電及び平衡化サイクルの初期（又はむしろ開始時）のこの確定は、本発明によって設定される制御が、充電及び平衡化サイクルの間にこれらの高く充電されたセルの過剰エネルギーの散逸を直ちに停止することを可能にする。したがって、これらの高く充電されたセルは、従来の方法のように、充電終了時まで平衡化待ち状態に置かれることはないであろう。これは、待ち時間を最小化又は排除し、それによって全体の充電及び平衡化サイクルを短縮する。さらに、これらの高く充電されたセルに蓄積される過剰エネルギーの散逸が早い時期に開始することにより、散逸される全体の熱はより長い時間（すなわち、単なる平衡化時間に対する充電及び平衡化時間）をかけて放散する。これは全体の温度を下げるかもしれない。なぜなら、熱は電池システムからより長い時間をかけて周囲に散逸することができるからである。また、これは、電池システムが冷却させられている間に、充電／平衡化プロセスの中止を要求するピーク温度に到達する可能性を軽減又は排除する。

本発明の第２の観点は、高く充電されるセルの識別とよく似た判断（すなわち、後続の平衡化を要求するであろうセルを認識すること）が、電池システムの電池稼働サイクルの間になされるということである。それから、この方法は、電池システムが充電及び平衡化サイクルに置かれる前に、電池システムの電池稼働サイクルの間に高く充電されたこれらのセルを均等化するように進める。充電が始まると、セルはすべて電荷がほぼ同一となり、こうして充電は一斉に起こり、平衡化を最小化又は排除し、所要時間を軽減する。

ここで使用されているとおり、充電開始（ＢＯＣ）の時の発生は、電池システムが完全に放電されていることを必ずしも要求しないということが理解されるべきである。事実、システムはフル充電又はこれに近い状態にあってもよい。充電開始（ＢＯＣ）の時は、単に充電が開始する（例えば、充電器にプラグを差し込んだ）時である。

ここで使用されているとおり、充電終了（ＥＯＣ）の時の発生は、（ｉ）個々のセルのすべてがそれぞれ充電率（ＳＯＣ）１００％である、又は（ｉｉ）すべてのセルが同一の充電率レベルに充電されているということを必ずしも意味しないということがさらに理解されるべきである。

例えば、あるアプリケーションにおいて、再生産エネルギーはセルを充電するのに利用できることが予想される。このようなアプリケーションにおいて、技術背景にも記載したとおりリチウム化学電池が過充電に耐えられないことを評価して、この再生産エネルギーの受入を可能にするために、一定の余裕が設けられる。例えば、再生産エネルギーの受入のための全容量中２０％を予備とするなどして、セルは充電率（ＳＯＣ）８０％にそれぞれ充電されてもよい。

本発明はまた、すべてのセルが充電終了（ＥＯＣ）の時に同一のＳＯＣレベルを有することを求めることはない。ある状況下において、セル個別の性質に基づいて各セルそれぞれ異なった充電レベルの最終状態を設定してもよい。例えば、私の米国における特許共同出願で審査中の、米国出願番号１０／９１６，７８５、２００４年８月１２日出願「リチウム電池に対するセル平衡化方法」（代理人抄本７８９２−８／ＤＰ−３０７，７６９）と名付けられたものの全体を参照して取り込む。

図２及び図３を参照する。図２は、本発明の実施に使用される典型的なデータを含む表である。図３は、本発明の第１及び第２の観点に使用される予測平衡化パラメータ（例えば、平衡化時間）を計算する主要なプロセスを示すフローチャートである。一度この説明がなされると、どのように予測平衡化パラメータが使用されてよいかの詳細な理由が明示されるであろう。図２の表は、メモリ４６にある１又は２以上のデータ構造として実施されてもよい。データ構造の内容は、ＣＰＵ４２で利用可能である。図２の表は、前述のデータが格納される追加列（左から右に）とともに、近くのセルを識別する第１列を含む。

図２において、列４８には各セルごとの充電率（ＳＯＣ）が入る。列５０には各セルに関する絶対容量（例えば、Ａ−ｈ）情報が入る。列５２には、各セルごとのフル充電（すなわち、充電終了）状態又は状況に届くために必要な充電が入る。列５４には、各セルごとの充電差が入る。列５６には、本発明の平衡化方法のアプリケーションを別とすれば、どのような順番で各セルが充電を終えるかの順位が入る。列５８には、セルごとの平衡化時間が入る。

図３は、記載されたタイプのデータを図２の表に入力するプロセスにおおまかに対応するステップ６０、６２、６４、６６及び６８を示す。続く本文は図２の表の進行基準としての方法を表す。

図３はステップ６２を示す。ステップ６２において、本実施形態の方法（すなわち、ＢＣＵ４０のプログラムされた操作を通して実施されるような）は充電率（ＳＯＣ）やセルごとの絶対容量を判断するように構成される。

充電率（ＳＯＣ）は、個別のセル自身の充電レベルを表示するパラメータである。１つの実施形態において、１個のセルのＳＯＣパラメータは、セルに対して測定される開路電圧（ＯＣＶ）の知識により獲得されてもよい。図２において、列４８は、百分率及び表示の簡素化のために括弧書きで容量の任意の単位の両方で表現される充電率を示す。

図４は、セル３０の開路電圧とこれに対応する充電率（このセルに対する最大ＳＯＣの百分率で示される）の間の典型的な関係、線７０を示す。単体セルのＳＯＣを判断するためのこの取り組み（すなわち、経験的取り組み）は、本発明の使用に好適である。しかしながら、再充電可能なセルの充電率を査定したり判断したりするための公知である他の方法が存在することは理解されるべきである。このような既知の又は今後開発される他の方法は、明確に本発明の趣旨と範囲内にあると考えられる。

絶対容量は、蓄積及び個々のセルから回復される充電についてその時点で最大になっている容量を示唆するパラメータである。図２の列５０は、理解しやすい任意の単位で表現される値からなる。もっとも、容量計測の通常単位はアンペア時（Ａ−ｈ）である。セルの絶対容量は時間の経過により変化する。これは、セルの内部インピーダンスの変化や「老化」（充電／放電サイクルの回数に関してのみならず、計時的感覚においてもである）による。例として５．０が製造時のすべてのセルの名目的な最大絶対容量であったと仮定すると、図２に記載されるセル３０_１、３０_２、３０_３及び３０_ｎはまだ最大容量（＠５．０）を有しているが、セル３０_４及び３０_５の最大容量は低下している（それぞれ、４．９と４．８）。マルチセルリチウム電池システムの個別セルの絶対容量を計算したり追跡する公知のさまざまな取り組みがあり、本発明はいかなる特定の取り組みにも限定されない。この観点から、電池制御ユニット（ＢＣＵ）４０は、（１）セルの充電率の値、及び（２）セルの絶対容量の値の両方を定める既知のアルゴリズムで事前に構成される。

図３を続けて参照する。その後、方法はステップ６０からステップ６２に進む。その後、ステップ６２において、（ＢＣＵ４０のあらかじめ設定された動作を通して実施される）方法はセルごとの必要な充電容量を計算する。充電はアンペア時（Ａ−ｈ）単位で指定されてもよい。このステップは、下記の計算式（１）に明記された単純な演算を使用して実施されてもよい。また、セル｛ｎ｝ごとに計算されてもよい｛１１｝セルがあると仮定する。
（１）Ah_Required｛ｎ｝＝（１−SOC｛ｎ｝）＊（Cell_Capacity_Ah｛ｎ｝）
ここでｎは、電池内セルの最大数である。

本発明の第１の観点（すなわち、充電中の初期平衡化）において、ＳＯＣが判断される時は充電開始（ＢＯＣ）の時であることに注目されたい。本発明の第２の観点（すなわち、電池稼働中のその場で平衡化）において、ＳＯＣが判断される時は（１）第１の実施形態においては、操作の開始前又は開始する時、（２）第２の実施形態においては、ＳＯＣについてＢＣＵ４０による定期的なアップデートがとにかく有効であるかもしれない通常の電池稼働中、のいずれであってもよい。必要充電量（図２の列５２）は、ＥＯＣ状態（フル充電）に到達するためセルそれぞれについて必要な充電量を表示するパラメータである。パラメータは、列４８（ＳＯＣ）及び列５０（絶対容量）を含む事前に定められるデータに基づく。

続けて図２及び図３を参照する。それから図３に示される方法はステップ６２からステップ６４に進む。本実施形態の方法（すなわち、ＢＣＵ４０のプログラムされた動作を経て実施される）はフル充電するために最大充電を要求するセル、及びフル充電（“最小必要充電”又はＭｉｎ＿Ａｈ）となるに最小の充電量を要求するそのセルに必要な充電を下記の数式（２）及び（３）により判断する（ステップ６４）。
（２）Max_Ah＝max（Ah_Required｛ｎ｝）
（３）Min_Ah＝min（Ah_Required｛ｎ｝）
ここで、ｍａｘ（）は配列における要素値すべての最大値を反する関数である。またｍｉｎ（）は配列における要素値すべての最小値を反する関数である。

続けて図２の表を参照する。列５２において、最大必要充電は点線枠で囲まれて５２_ｍａｘで示され、他方、最小必要充電もまた点線枠で囲まれ５２_ｍｉｎで示される。また、すべてのセル間には必要な充電に不平衡があり、不平衡が範囲内である間、電池システムの容量をより確かに利用するために平衡化は要求される。

続けて図２及び図３を参照する。その後、図３に示される方法はステップ６４からステップ６６に進む。ステップ６６において、本実施形態の方法（すなわち、ＢＣＵ４０のあらかじめ設定された動作を経て実行される）は各セルに対する充電差を判断する。この充電差は、充電最大量（Ｍａｘ＿Ａｈ）を要求するセルと各セル自身が必要な充電量（数式（ｉ）により決定される）との差であり、下記数式（４）により表される。
（４）Difference_Ah｛ｎ｝＝Max_Ah−Ah_Required｛ｎ｝
図２の列５４で表される列はすべてのセルに対する充電差値を含む。

続けて図２及び図３を参照する。その後、図３に示される方法はステップ６６からステップ６８に進む。ステップ６８において、本実施形態の方法（すなわち、ＢＣＵ４０のプログラムされた動作を経て実行される）は対応する充電差に基づいて各セルに対するそれぞれの平衡化時間を判断する。それによって予測平衡化パラメータを定義することとなる。平衡化時間は、他のセルと一緒に平衡化するため各セル｛ｎ｝が平衡化されるに必要な総時間である。１個のセルは０の平衡化時間が必要となるが、このセルが最も弱いセルとなることに注目されたい。最も弱いセルはＥＯＣに達する最後のセルであるか、又はフル充電されるであろう。フル充電される最初のセルは（すなわち、本発明を別とすれば）最も長い平衡化時間を必要とすることになるだろう。各セルに対する平衡化時間は数式（５）により計算されてよい。
（５）Time_to_Balance｛ｎ｝＝Difference_Ah｛ｎ｝／Dissipation_Rate
ここでの散逸率は、アンペアで表される平衡化回路のエネルギー散逸率である。

上述したとおり、１つの実施形態において、平衡化抵抗器３４_１、３４_２、・・・３４_ｎはそれぞれ約４０Ｗであり、名目的セル電圧が３．６５ボルトであるとすると、エネルギー散逸率は平均して約０．０９１２５ｍＡである。平衡化時間は、散逸回路に依存する。

図２に示すように、セルの配列順位は、例として、セル３０_２はＥＯＣ（フル充電）に到達した最初のセルであり、したがって最も大きな平衡化が要求されることを示す。セル３０_１はＥＯＣ（フル充電）に到達する最も大きな充電を必要とし、したがって最も弱いセルであり、またＥＯＣに到達するセルの中で最後のセルとなるであろう。すなわち、平衡化時間は必要がない。二つのセル３０２と３０１の間において、各セルはそれぞれ平衡化時間が計算されるが、これは最大時間から最小の平衡化時間の順に示される。すなわち、セル３０_２、３０_４、３０_５、３０_ｎ、３０_３に対しそれぞれｔ_５、ｔ_４、ｔ_３、ｔ_２、ｔ_１となる。それによって、各セルに対する平衡化時間は本発明により実質的充電に先立って計算されることができる。（充電初期及び充電中の）予測平衡化を許容し、又は実質的な充放電に先立って（電池稼働中の）その場で平衡化を許容する。

予測セル平衡化
本発明の第１の観点において、前述のコアプロセスは、充電と同時に起こりうる予測セル平衡化に使用されることができる。

図５はステップ７２、７４、７６に示されるように基本的方法論のフローチャートである。充電開始（ＢＯＣ）としてここに言及される時点をもって、本実施形態の方法はステップ７２で開始する。相対的タイミングの枠組みを設けるために、タイミング図である図６を参照する。電池システム１０のための２つの主要な時期は、符号７８で示されるいわゆる電池稼働サイクル、符号８０で示される充電及び平衡化サイクルである。明瞭にするため、不働時間は図６に示されていないことに注目されたい。下記に示す本発明の第２の観点（その場で平衡化）は、電池稼働サイクル７８中の平衡化に関する。充電及び平衡化サイクル８０は充電開始（ＢＯＣ）８２と呼ばれる開始時と充電終了（ＥＯＣ）８４と呼ばれる終了時を有する。参照するこの枠組みで、この後この方法はステップ７４に進む。

続けて図５を参照する。ＢＯＣ時８２における各セルの平衡化時間値は上述プロセスを使用して計算される。平衡化時間値は、電池制御ユニット４０（すなわち、これらのタイマは各平衡化時間値とともにロードされる）において各タイマ４３_１、４３_２、・・・４３_ｎを構成して使用される。これらのタイマはソフトウェアベースのタイマであってもよいし、ハードウェアタイマの配列（ＣＰＵ４２に埋め込まれていたり、または分離したハードウェアの構成要素として）から構成されてもよい。ステップ７４においてＢＯＣ時８２にどちらの方法でも電池システム１０の充電は開始される。その後、この方法はステップ７６に進む。

ステップ７６において、この方法は電池システム１０の充電時に少なくとも最初のセルを平衡化することを含む。充電開始時に、少なくとも１個のセル、及び好ましくは正の平衡化時間値を有するセルグループのセルすべて（“平衡化グループ”）は、平衡化の対象となる。充電が始まると、ＢＣＵ４０の制御の下で、セルの平衡化グループの各セルは、対応するスイッチ３６_１、３６_２、・・・３６_ｎを選択的に閉じることを通じて連動させる平衡化抵抗器３４_１、３４_２、・・・３４_ｎを有する。電池システム１０の少なくとも１個のセルは本発明の方法論のもとで平衡化時間値０を有することになり、０でない正の値にロードされる関連したタイマは有さない（すなわち、平衡化されない）ことに注目されたい。タイマ４３_１、４３_２、・・・４３_ｎは０方向に減少するよう配列され、ＢＯＣ時の発生でスタートする。セルに付随したタイマがゼロに減少するとき、ＢＣＵ４０制御の下、対応するスイッチの選択的開放によりセルの平衡化抵抗器はオフとなる。そのセルについての平衡化は停止する。

図６は、図２の表に示される代表的な値に対するこの取り組みを例示する。図６において、最も弱いセル（セル＃１）は充電及び平衡化サイクル８０を通して継続的に充電される。したがって、セル＃１に対する平衡化抵抗器３４_１は、この例において作動しない。

次に弱いセル（セル＃３）は次いで大きな充電量が必要であり、逆に言えば最も少ない平衡化時間が必要となる。セル＃３は図６におけるｔ_１に等しい時間の平衡化を必要とする。ｔ_１に等しい時間でタイマは０となり、セル＃３に対する平衡化抵抗器３４_３は切断されて、セル＃３は充電が許容される。

次に弱いセル（セル＃ｎ）は次いで大きな充電量が必要であり、逆に言えば次に最も少ない平衡化時間が必要である。セル＃ｎは図６におけるｔ_２に等しい時間の平衡化を必要とする。ｔ_２に等しい時間でタイマは０となり、セル＃ｎに対する平衡化抵抗器３４_ｎは切断されて、セル＃ｎは充電が許容される。

その後、前述したプロセスは、時間ｔ_３、ｔ_５、ｔ_６に対するそれぞれセル＃５、セル＃４、セル＃２について適用される。時間ｔ５後（すなわち、すべての平衡化が完遂した後）、すべてのセルは、既存の通常平衡化アルゴリズムの下で一緒に充電を完遂する。

本発明の観点の代替の実施形態において、熱散逸レベルの制御のために、正の平衡化時間値を有するあらかじめ定められた数のセルのみが平衡化のため選択される。このセル数は、セルグループにおける全セル数より少ない。例えば、１個のセルが最弱で他の１９のセルは平衡化が必要であるような２０のセルを有する実施形態において、最も高い等級の平衡化時間値を有するあらかじめ定められた数のセルのみ（例えば、８）が平衡化される（すなわち、その平衡化抵抗器が動作させられる）。これは、平衡化抵抗器において散逸する熱量を減じるであろう。その代わり、電池システムにおいて、周囲に対し熱をさらに散逸するための時間がかかる。事前に定められた数のセルは、その／それらの選択されるセルを平衡化する結果として生ずることが期待される熱効果に基づいて選択されてもよい。

前述したことを通して、最弱のセルはＥＯＣに近づき始めるにつれて、平衡化されつつある他のセルは充電においてほとんど同一になる。それによって、最終的な平衡化を最小化又は不要にする。また、熱形体での過剰エネルギーの散逸を含む平衡化は、より長い期間をかけてなされるので、上昇する温度が原因の熱遮断状態は回避され得る（例えば、通常、充電時間対平衡化時間は、３：１であってもよい）。

その場での均等化
本発明の第２の観点において、平衡化時間値を計算する主要な方法（図３）はその場での均等化（すなわち、電池稼働中の平衡化である）として用いることができる。

図７は、ステップ８６、８８、９０、９２に示される基本的方法のフローチャートである。ステップ８６において、本実施形態の方法は、図８における参照符号９４に示される電池稼働開始（ＢＯＯ）で始まる上述したように、電池システム１０に対する２つの主要な時期はいわゆる電池稼働サイクル７８と充電及び平衡化サイクル８０である（不働時間は示されない）。本発明の第２の観点は、電池稼働サイクル７８における平衡化に関する。その後、この方法はステップ８８に進む。

ステップ８８において、アプリケーション１２は電池システム１０から（すなわち、セル３０から）電力を引き出すように作用する。これは電池稼働サイクル７８を定義する。その後、この方法はステップ９０に進む。

ステップ９０において、本実施形態の方法は、平衡化のための少なくとも１個の最初のセルを識別することが含まれる。１つの実施形態において、このステップは電池稼働サイクル（ＢＯＯ）の初期に実行される。この方法は、セルに対してそれぞれの平衡化時間値を決定するために、図３に関連して上述された主要なアルゴリズムを実施することによりこの識別を完遂する。代替の実施形態において、平衡化時間値は電池稼働サイクルが始まった後更新される。例えば、各セルに対するＳＯＣの更新された評価は、電池システム１０の通常の電池稼働制御を通してＢＣＵ４０から有効となってもよい。その後、平衡化時間値をもって、この方法はステップ９２に進む。

ステップ９２において、本実施形態の方法は、識別されたセルを平衡化するステップを含む。このステップは、タイマ、スイッチ、平衡化抵抗器を使って、図５６に関連して上述された同一の方法を実行する。

図８は、図２の表に示される典型的な値に対するその場での平衡化を説明する。図８において、最弱のセル（セル＃１）は電池稼働サイクル７８を通して及びその間、電池に分路電流なく電力が継続的に供給される。したがって、セル＃１に対する平衡化抵抗器３４_１は、この例では作動されない。

次に弱いセル（セル＃３）は最少の平衡化時間を必要とする。セル＃３は図８においてｔ_１に等しい時間の平衡化を必要とする。その時タイマは０になり、セル＃３に対する平衡化抵抗器３４_３は切断され、セル＃３は電流を分流することなく電力が供給されることが可能となる。

次に弱いセル（セル＃ｎ）は次に最少の平衡化時間を必要とする。セル＃ｎは図８においてｔ_２に等しい時間の平衡化を必要とする。その時タイマは０になり、セル＃ｎに対する平衡化抵抗器３４_ｎは切断され、セル＃ｎは電流を分流することなく電力が供給されることが可能となる。

その後、ちょうど前述したプロセスは、時間ｔ_３、ｔ_５、ｔ_６に対するそれぞれセル＃５、セル＃４、セル＃２について適用される。時間ｔ_５の後（すべての平衡化が完遂された後）、すべてのセルはいかなる電流の分路（すなわち、平衡化）なく一斉に電力を供給されることを可能にする。この時点で、各セル３０はフル充電状態に達する充電量と同一量を必要とする。こうして、充電及び平衡化サイクル８０が実際にスタートすると、セル間充電を平衡化するのに費やされる時間量は最小化又は排除することができる。

上述した本発明の第１の観点において、さらなる代替の実施形態として、熱散逸レベルの制御のために、正の平衡化時間値を有するあらかじめ定められたセル数のみが平衡化のため選択される。このセル数は、セルグループにおける全セル数より少ない。例えば、１個のセルが最弱で他の１９のセルは平衡化が必要であるような２０のセルを有する実施形態において、最も高い等級の平衡化時間値を有するあらかじめ定められたセル数のみ（例えば、８）が平衡化される（これらの平衡化抵抗器が動作させられる）。これは、周囲に対して熱をより散逸するための時間で電池システム１０を備えることにより、平衡化抵抗器における散逸する熱量を減じる。

前述したことは全く制限的であるというよりもむしろ代表的なものとして理解されるべきである。本発明の趣旨及び範囲内にとどまり、代替または変更はあり得る。

（Ａ）は、本発明に関するマルチセル電池システムの簡素化した概略図及び構成図である。（Ｂ）は、本発明に関する平衡化計画を実行することに使用されるタイマの配列を示す。 メモリの一部に記憶され、図１に示される電池制御ユニット（ＢＣＵ）により使用されるさまざまな管理パラメータを示す表である。 予測したその場でのセル間平衡化に使用する、各セルに対する平衡化までの時間を決定する主要なプロセスを示すフローチャートである。 典型的なセルに対する簡素化した電圧対充電率（ＳＯＣ）のグラフである。 充電及び平衡化サイクル中における予測セル間平衡化のための本発明の第１の特徴を説明するフローチャートである。 図６は、図５の方法の１つの実施形態の詳細を示す時間調整の予定表である。 図７は、電池稼働サイクル期間におけるその場でのセル間平衡化のための本発明の第２の特徴を説明するフローチャートである。 図８は、図７の方法の１つの実施形態の詳細を示す時間調整の予定表である。

Claims (24)

1. 充電開始（ＢＯＣ）の時を含む充電及び平衡化サイクルを有する電池システムの操作方法であって、前記システムは複数のセルを有し、
   充電開始（ＢＯＣ）の時に開始する複数のセルを充電する充電ステップと、
   前記充電ステップの間に、複数のセルのうち少なくとも最初の１個を、前記少なくとも最初のセルに対して決定された予測平衡化パラメータに基づいて平衡化する平衡化ステップと
   を備えることを特徴とする電池システムの操作方法。
2. 前記平衡化ステップは、放電のため前記最初のセルに平衡化抵抗器を接続するサブステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. セルのそれぞれに対して、充電終了（ＥＯＣ）状態に到達するために必要な充電量を示すそれぞれに必要な充電量を決定するステップと、
   前記セルに対して決定された必要な充電量から最大必要充電を計算するステップと、
   最大必要充電と各セルに対する決定されたそれぞれの必要充電量の差を表現する各セルに対する充電差を決定するステップと、
   前記平衡化パラメータを定義するために対応する充電差に基づいて各セルに対するそれぞれの平衡化時間を決定するステップとをさらに備え、
   前記平衡化ステップは、前記最初の１個のセルに随伴する決定された平衡化時間のために実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 正の平衡化時間を有するセルグループから前記少なくとも最初のセルを識別するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記平衡化ステップは充電開始（ＢＯＣ）の時に開始し、前記最初の１個のセルに随伴する決定された平衡化時間を持続することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記平衡化ステップは、正の平衡化時間を有する前記セルグループから追加のセルに対して実行され、前記平衡化ステップは、前記それぞれの平衡化時間に対応する時間に各追加セルに対して持続することを特徴とする請求項４に記載の方法。
7. 前記充電ステップは、前記対応する平衡化時間の満了時に前記平衡化ステップがそれぞれ停止されるときに、前記追加セルに対して実行されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記平衡化ステップは、正の平衡化時間を有する前記グループのすべてのセルに対する充電開始（ＢＯＣ）の時に開始することを特徴とする請求項６に記載の方法。
9. 前記平衡化ステップは、正の平衡化時間を有する前記グループのセルすべてよりも数が少ないセルの部分集合に対する充電開始（ＢＯＣ）の時に開始することを特徴とする請求項６に記載の方法。
10. 前記セルに随伴する前記平衡化時間の長さに基づく正の平衡化時間を有するすべてのセルの前記グループから、前記部分集合に含まれるものとしてセルを選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記セルを選択するステップは、さらにあらかじめ決定された温度基準に基づいて実行されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 正の平衡化時間を有するすべてのセルの前記グループから、前記部分集合に含まれるものとして、それぞれの平衡化時間の最高値を有するあらかじめ決定された数のセルを選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 電池稼働サイクル中に電池システムのセルから電力を引き出すステップと、
    次の充電及び平衡化サイクル中の予期される過充電を示すあらかじめ決定された基準を満たす、前記電池稼働中に前記複数のセルのうち少なくとも最初のセルを識別する識別ステップと、
    前記充電及び平衡化サイクルに先立って電池稼働サイクル中に前記識別された少なくとも最初のセルを平衡化する平衡化ステップと、
    を備えることを特徴とする複数のセルを有する電池システムの操作方法
14. 前記識別ステップは、前記電池稼働サイクルの開始時に実行されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記識別ステップは、前記電池稼働サイクル中でその開始後に実行されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 前記平衡化ステップは、放電のため前記識別された最初のセルに平衡化抵抗器を接続するサブステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. 前記識別ステップは、
    複数のセルのそれぞれに対して、充電終了（ＥＯＣ）状態に到達するために必要な充電量を示す各必要充電量を決定するサブステップと、
    前記セルに対して決定された前記必要充電量から最大必要充電を計算するサブステップと、
    前記必要充電と各セルに対して決定された前記それぞれの必要充電量の差を表す各セルに対する充電差を決定するサブステップと、
    前記各充電差に基づいて各セルに対する平衡化時間を決定するサブステップと、
    正の平衡化時間を有するグループセルから平衡化のための前記少なくとも最初のセルを選択するサブステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
18. 前記平衡化ステップは前記電池稼働サイクルの開始時に開始し、前記少なくとも最初の１個のセルに随伴する前記決定された平衡化時間の間持続することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記平衡化ステップは、正の平衡化時間を有する前記セルグループから追加のセルに対して実行され、前記平衡化ステップは、前記それぞれの平衡化時間に対応する時間の間各追加セルに対して持続することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
20. 前記平衡化ステップは、正の平衡化時間を有する前記グループのすべてのセルに対して前記電池稼働サイクルの開始時に開始することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
21. 前記平衡化ステップは、正の平衡化時間を有する前記グループのセルすべてよりも数が少ないセルの部分集合に対する前記電池稼働サイクルの開始時に開始することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 前記セルに随伴する前記平衡化時間の長さに基づく正の平衡化時間を有するすべてのセルの前記グループから、前記部分集合に含まれるものとしてセルを選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 前記セルを選択するステップは、さらにあらかじめ決定された温度基準に基づいて実行されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 正の平衡化時間を有するすべてのセルの前記グループから、前記部分集合に含まれるものとして、それぞれの平衡化時間の最高値を有するあらかじめ決定された数のセルを選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。