JP2010518357A - 直列接続セル電圧計測と計測精度検証のためのシステムと方法 - Google Patents

Abstract

直列に接続された個別のセルの電圧を計測するためのシステムと方法であり、単一のフライングキャパシタを含む。このキャパシタはセルのうち１つの電荷を蓄えるので、このキャパシタに接続された第１アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）は、計測中のセルの電圧を反映したものを処理できる。第２ＡＤＣは計測中のセルに直接に接続される。そして、第１と第２ＡＤＣの計測値はフライングキャパシタの精度を検証するために比較される。
【選択図】図１

Description

（関連出願の相互参照）
本特許出願は、２００７年１月７日に出願された米国特許仮出願第６０／８８３，７９５号の優先権を主張する。これは、本明細書に参照によって組み込まれる。

本願発明は、直列に接続された複数のバッテリセルの各セルの電圧を判定し、その判定した電圧の精度を検証するためのシステムと方法とに関する。

電気自動車やハイブリッド電気自動車は、一般的に、複数のセル（即ち、バッテリ）を利用して、電気駆動モーターや他の電気装置に電力を供給する。当業者にとっては極めて周知のことだが、高電圧を提供するため、これらのセルはしばしば互いに直列関係で接続される。

こうした直列接続セルは、個別のセルの間のばらつきがあるせいで、安定した電圧を維持し初期不良を防ぐために、定期的な均一化、即ち、電荷の平均化を必要とする。セルの均一化の難点のひとつは、どの１つまたは複数のセルが個別に充電や置換を必要としているのかを判定することである。そこで、各セルの電圧を判定するためのシステムを提供することが要求される。

この要求に応えるために、これまで数多くのシステムと技術が開発されてきた。先行技術のシステムでは、より安定かつ精確な電圧が計測できるように、セルと増幅器との間に配置された１つ以上のキャパシタがしばしば利用される。例えば、シマモトらの特許文献１は、さまざまなセルに接続された複数のセルスイッチと、このセルスイッチに接続された１つのキャパシタと、このキャパシタに接続された増幅器とを有するシステムを開示する。ヤザキ株式会社の特許文献２は、直列に接続された複数のセルの中の個別のセルの電圧を計測するためのシステムを開示する。このシステムは、各セルの各面に１つのスイッチが接続された複数のセルに電気的に接続された複数のセルスイッチを含む。

米国特許第６，３６２，６２７号明細書 特開２００３−２４０８０６号公報

残念なことに、これらのキャパシタに基づく先行技術システムを用いたセル計測は、回路の機能不全、欠陥、および、素子劣化のため、必ずしも精確というわけではない。別の言い方をすれば、こうした問題が生じているとしても、それらは、キャパシタを介したセル電圧の計測に反映されないかもしれない。そこで、直列に接続された個別のセルの電圧を計測するためのシステムと方法とには、改善する余地が残されている。

本願発明は、直列に接続された複数のセルの中の個別のセルの電圧を計測するためのシステムを提供する。このシステムは、セルのうち少なくとも１つの電荷を蓄えるためのキャパシタを含む。少なくとも１つのスイッチは、セルのうち少なくとも１つをキャパシタに選択的に接続するために、キャパシタに電気的に接続される。またシステムは、キャパシタと連絡している入力を有する第１アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）を含む。この第１ＡＤＣは、キャパシタから供給されるアナログ電圧を受け取り、キャパシタから供給されたこのアナログ電圧を第１デジタル電圧データに変換する。またシステムは、セルのうち少なくとも１つと連絡している入力を有する第２アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）を含む。この第２ＡＤＣは、セルから供給されるアナログ電圧を受け取り、セルから供給されたこのアナログ電圧を第２デジタル電圧データに変換する。

本願発明はまた、キャパシタと第１ＡＤＣと第２ＡＤＣとを含むシステムを利用して直列に接続された複数のセルの中の個別のセルの電圧を計測する方法を提供する。この方法は、セルのうち１つをキャパシタに電気的に接続する工程を含む。このキャパシタは、続いて、所定の充電時間で充電される。この方法は、所定の充電時間の経過に応答して、第１ＡＤＣを用いて、キャパシタからのアナログ電圧を、キャパシタの電圧に対応する第１デジタル電圧信号に変換する工程を含む。この方法は、さらに、第２ＡＤＣを用いて、セルのうち１つからのアナログ電圧をそのセルの電圧に対応する第２デジタル電圧信号に変換する工程を含む。

本願発明は先行技術に勝る利点を提供する。具体的には、本願発明は、キャパシタと第１ＡＤＣとを介して受け取ったセル電圧の精度検査を提供する。さらに具体的には、第２ＡＤＣは、制御器が、キャパシタから受け取った電圧が実際のセル電圧と一致するかどうかを検証することを可能にする。これにより、意図せぬ回路の機能不全、キャパシタの故障、および、不精確なセル計測を招きかねない他のシステム異常を自動的に検出することが可能となる。

本発明の他の有利な点は容易に認められることと思うが、添付図面との関連を念頭に以下の詳細な記述を参照することでいっそうの理解を得られるだろう。

本発明に係るシステムの例示的実施形態の電気ブロック図であり、複数のセル、および、１つのフライングキャパシタと１つの第１アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）と第２ＡＤＣとを有する個別の各セルの電圧を計測するためのシステムを示すものである。 セルの電圧を計測し、その計測精度を検証するための方法の実施形態を表すフローチャート図である。

図面を参照しながら、直列に接続された複数のセルの中の個別のセル１２の電圧を計測するためのシステム１０と方法１００を示す。このとき同種の数字は複数の図面に渡って対応する部品を表す。当業者であれば、“セル”が一般的には“バッテリ”と言われることを理解しているだろう。本明細書では、しかし、一貫性を保つために、セル１２という用語が全体にわたって使用されているが、このことは、いかなる点においても本願発明を制限するものとみなされるべきではない。

図１は、本発明に係るシステム１０の実施形態を示している。電気装置、例えば、これらに限定されるわけではないが、電気自動車（ＥＶ）あるいはハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）に電力を供給するために、１０個のセル１２が直列に接続されている。各セルは、好ましくは、約４ボルト（Ｖ）の充電電圧を有するリチウムセルであり、合計で約４０Ｖの電圧を供給する。言うまでもないが、セル１２の数あるいは型・容量はいかなるものでも本願発明に利用され得るので、例示的実施形態においてリチウム型で４Ｖのセル１２を１０個使用したことは、本願発明を制限するとみなされるべきではない。さらに、複数のセル１２は、自動車を除く他の用途でも使用され得る。記述を明確にするため、セル１２は、さまざまな図で１番目のセル１２Ａから１０番目のセル１２Ｊまで順番に記されている。

当業者にとっては周知のことだが、各セル１２は正の側（即ち、正極）と負の側（即ち、負極）とを含む。複数のセル１２は共に直列して電気的に接続される。具体的には、１番目のセル１２Ａの正の側が２番目のセル１２Ｂの負の側に電気的に接続され、２番目のセル１２Ｂの正の側が３番目のセル１２Ｃの負の側に電気的に接続され、というように繰り返される。一般的に、セル１２が自動車に配置される場合、１番目のセル１２Ａの負の側がシャーシ・グラウンド、即ち、自動車の金属フレームに電気的に接続される。しかし、１番目のセル１２Ａの負の側がシャーシ・グラウンドから電気的に絶縁されている場合もあり得る。

当業者であれば、各セル１２が実際は、直列に接続された複数のセル１２の全体の電流容量を増加するために、複数の物理セル１２を並列に接続し均一な電圧レベルで作動するようにしたものであってもよいことは理解できるだろう。さらに、各セル１２は実際には複数の物理セルを直列に接続したものであってもよい。

例示的実施形態において、システム１０は、複数のセルスイッチ１４を含む。各セルスイッチ１４は、セルスイッチ１４が入れられているときに電子が両側の間で流れるように、第１の側（番号を付せず）と第２の側（番号を付せず）とを有する。セルスイッチ１４が切られているときは、対照的に、電子が両側の間を流れることは全体として妨げられる。

セルスイッチ１４により実行される電気的スイッチ切り替えが可動部品なしで（即ち、“半導体”実装で）行うことができるように、好ましくは、セルスイッチ１４はトランジスタを利用して実装される。さらに好ましくは、セルスイッチ１４は、１組の金属‐酸化物‐半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）として実装される。この組となった各ＭＯＳＦＥＴは、好ましくは、電子メーカーの数多くから購入できるＢＳＳ８４Ｐチャネル型である。この組の各ＭＯＳＦＥＴの電源は互いに電気的に接続され、また各ＭＯＳＦＥＴのゲートは互いに電気的に接続される。一方のＭＯＳＦＥＴのドレインはセルスイッチ１４の第１の側として働き、他方のＭＯＳＦＥＴのドレインはセルスイッチ１４の第２の側として働く。機械的スイッチあるいはリレースイッチの代わりにＭＯＳＦＥＴを使用することで、システム１０の実装費用は大きく減少し、一方セル１２計測のサイクル速度は増加する。

しかし、当業者であれば、各スイッチの代わりに、単一のＭＯＳＦＥＴ、もしくは、１つまたは複数の異なる型のトランジスタ、異なる型の電界効果トランジスタ、１つのリレー、他の適切なスイッチング装置を実装してもよいことが理解できるだろう。さらにここで、セルスイッチ１４（と他のスイッチと）の操作は本明細書中で“開いている”あるいは“開いた”、“閉じた”、“閉じている”などとして言及されるが、これは機械型スイッチの慣例にならった。しかしこれは利便性のために行われたに過ぎず、セルスイッチ１４（と他のスイッチと）を機械型スイッチに限定するものと解釈すべきではない。

セルスイッチ１４の数は、好ましくは、計測すべきセル１２の数に等しいように設けられる。そこで、１０個のセル１２が直列に接続されるこの例示的実施形態では、１０個のセルスイッチ１４が利用される。記述を明確にするため、１０個のセルスイッチ１４は１番目のセルスイッチ１４Ａから１０番目のセルスイッチ１４Ｉまで順番にラベルされている。各セルスイッチ１４の第１の側はセル１２の正極面のうち１つに電気的に接続可能である。

また記述を明確にするため、１番目のセルスイッチ１４Ａの第１の側は１番目のセル１２Ａの正の側に電気的に接続され、２番目のセルスイッチ１４Ｂの第２の側は２番目のセル１２Ｂの正の側に電気的に接続され、というように繰り返される。セル１２は直列に電気的に接続されているので、１番目のセルスイッチ１４Ａの第１の側は、１番目のセル１２Ａの正の側と２番目のセル１２Ｂの負の側との両方に電気的に接続されている。同様の理屈が他のセルスイッチ１４にも当てはまる。

システム１０は、複数のセルスイッチ操作回路（図示せず）を含んでもよい。各セルスイッチ操作回路は、少なくとも１つのセルスイッチ１４を入れるために、少なくとも１つのセルスイッチ１４に電気的に接続される。この例示的実施形態では、各セルスイッチ操作回路は１組のセルスイッチ１４を操作し得る。

再び図１を参照するが、この例示的実施形態のシステム１０は、また、第１バス１８と第２バス２０とを含む。第１バス１８は、セルスイッチ１４をひとつおきに、即ち、セルスイッチ１４を交互に電気的に接続することで形成される。第２バス２０は、第１バス１８に接続されていない全てのセルスイッチ１４を電気的に接続することで形成される。この例示的実施形態では、図１で示すように、第１バス１８は、１，３，５，７，９番目のセルスイッチ１４Ａ，１４Ｃ，１４Ｅ，１４Ｇ，１４Ｉの第２の側を電気的に接続する。第２バス２０は、２，４，６，８，１０番目のセルスイッチ１４Ｂ，１４Ｄ，１４Ｆ，１４Ｈ，１４Ｊの第２の側を電気的に接続する。

システム１０は、セル１２のうち１つの電圧に対応する電荷を保持するためのキャパシタ２２含む。キャパシタ２２は１組の端子を含む（番号を付せず）。利便性のため、以降、これらの端子を正極端子および負極端子として言及する。この例示的実施形態では、キャパシタ２２は１μＦ（マイクロファラッド）の静電容量を有する。条件を満たすキャパシタ２２の１つとしてはパナソニックの製造するＥＣＷＵ１１０５ＫＣＶが挙げられ、これは定格直流１００ボルト（静電容量の誤差±１０％）である。言うまでもないが、異なる静電容量と他の物理的および電気的性質とを有する他のキャパシタ２２もまた条件を満たし得る。キャパシタ２２は、以下でより詳細に記述されるように、複数のセルのそれぞれによって充電される。そこで、キャパシタ２２は、“フライングキャパシタ”として当業者には言及される。

この例示的実施形態のシステム１０はキャパシタ２２の充電と絶縁とを調整するための４つのバススイッチ２４，２６，２８，３０をさらに含む。セルスイッチ１４と同様に、これらスイッチ２４，２６，２８，３０のそれぞれは第１の側と第２の側とを有する。さらに、各バススイッチ２４，２６，２８，３０は、好ましくは、１組のＭＯＳＦＥＴとして実装され、上述のセルスイッチ１４と同様に構成される。

複数のバススイッチ２４，２６，２８，３０は第１バス正極スイッチ２４と、第２バス正極スイッチ２６と、第１バス負極スイッチ２８と、第２バス負極スイッチ３０とを含む。第１バス正極スイッチ２４と第１バス負極スイッチ２８との第１の側は第１バス１８へ電気的に接続される。第２バス正極スイッチ２６と第２バス負極スイッチ３０との第１の側は第２バス２０へ電気的に接続される。第１バス正極スイッチ２４と第２バス正極スイッチとの第２の側はキャパシタ２２の正極端子へ電気的に接続される。第１バス負極スイッチ２８と第２バス負極スイッチ３０との第２の側はキャパシタ２２の負極端子へ電気的に接続される。

また、システム１０は接地スイッチ３２を含む。接地スイッチ３２の一面はキャパシタ２２の負極端子へ電気的に接続され、他面は接地へ電気的に接続される。システム１０が自動車に実装される場合、接地は一般的にシャーシ・グラウンドである。この好ましい実施形態では、負極接地スイッチ３２はＢＳＳ１４５型ＭＯＳＦＥＴとして実装されるが、他の適切なＭＯＳＦＥＴを使用してもよい。ＭＯＳＦＥＴの電源は接地へ電気的に接続され、ドレインはキャパシタ２２の負極端子へ電気的に接続される。

またシステム１０は、キャパシタ２２と連絡している第１アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）３４を含む。別の言い方をすれば、第１ＡＤＣ３４は、キャパシタ２２に蓄えられた電荷（電圧）と対応する信号を受け取る。さらに具体的には、第１ＡＤＣ３４は、キャパシタ２２から供給されるアナログ電圧を受け取り、このアナログ電圧を第１デジタル電圧データに変換する。この例示的実施形態では、第１ＡＤＣ３４は、アナログ電圧を受け取るための入力３６と第１デジタル電圧データを担うデジタル信号を供給するための出力３８とを含む。

１番目の第１ＡＤＣ３４を実装するための最適な装置の１つとしては、テキサス州ダラスのテキサス・インスツルメンツが製造するＡＤＳ７８２９ＩＤＲＢＲが挙げられる。この第１ＡＤＣ３４のデジタル信号は１２ビットの分解能を有し、連続して出力３８に渡される。

システム１０は、好ましくは、キャパシタ２２に蓄えられた電荷を増幅するための増幅器４０を含む。増幅器４０は、キャパシタ２２と第１ＡＤＣ３４との間に電気的に接続されている。このようにして、増幅器４０は、キャパシタ２２から供給されるアナログ電圧を受け取り、増幅されたアナログ電圧信号を生成する。この増幅されたアナログ電圧信号は第１ＡＤＣ３４によって受け取られる。この第１ＡＤＣ３４は上記のようにデジタル信号を生成する。

この例示的実施形態では、増幅器４０は演算増幅器（オペアンプ）４０である。利便性のため、以降、オペアンプ４０という用語は増幅器４０という用語の代わりに使用されるが、これは本発明を制限するものと解釈されるべきではない。オペアンプ４０は２つの入力（一般的に非反転入力および反転入力と言われる）（番号を付せず）と１つの出力（番号を付せず）とを含む。この例示的実施形態では、オペアンプ４０は各入力から１の出力へ増幅利得を提供し、単一利得増幅器という別名で言及されることもある。適切なオペアンプ４０の１つとしては、カリフォルニア州ミルピタスのリニアテクノロジー株式会社から入手可能なＬＴ１６３６が挙げられる。しかしまた、他の適切なオペアンプ４０あるいは他の型の増幅器４０を実装してもよい。

この例示的実施形態では、第１ＡＤＣ３４の入力３６はオペアンプ４０の出力に電気的に接続される。第１ＡＤＣ３４は、入力３６で増幅された電圧信号を受け取り、増幅された電圧信号に対応するデジタル信号を生成する。そこで、デジタル信号が運ぶ第１デジタル電圧データはキャパシタ２２とキャパシタ２２を充電するセル１２との電圧に比例して応答する。

この例示的実施形態では、オペアンプ４０の非反転入力はキャパシタ１２の正極端子へ電気的に接続され、オペアンプ４０の反転入力はキャパシタ２２の負極端子へ電気的に接続される。オペアンプ４０はキャパシタ２２の電圧を増幅し、増幅された電圧信号を生成する。増幅された電圧信号は、オペアンプ４０の出力から得られ、キャパシタ２２の電圧に比例して応答する。またキャパシタ２２を充電するセル１２に関しても同様である。

システム１０は、システム１０のさまざまな部品の制御操作用の制御器４２をさらに含む。制御器４２はマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、あるいは、コンピュータ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、当業者にとって周知の他の同様の装置であってもよい。例示的実施形態では、制御器４２は、テキサス州オースチンに本社を置くフリースケール・セミコンダクタが製造する６８ＨＣ９０８ＧＲ３２Ａ型マイクロコントローラである。言うまでもないことだが、他の制御器でも適切なものであればよい。

制御器４２は、第１ＡＤＣ３４から第１デジタル電圧データを受け取るために第１ＡＤＣ３４と連絡している。具体的には、例示的実施形態では、制御器４２は複数の入力と出力とを含む（番号を付せず）。このとき複数の入力は、第１デジタル電圧信号を受け取るための第１計測入力を含む。第１計測入力は第１ＡＤＣ３４の出力へ電気的に接続されているので、キャパシタ２２（および各セル１２）の電圧に対応する第１デジタル電圧データは制御器４２によって受け取られる。当業者にとっては周知のことだが、多くの制御器は１つ以上の内部ＡＤＣを有する。そこで、別の実施形態（図示せず）では第１ＡＤＣ３４が制御器４２内に集積していてもよい。

メモリ４４はデータを蓄えるために制御器４２と連絡している。このデータは、各セル１２の電圧に対応する第１デジタル電圧データを含むが、これに限定されない。メモリ４４は、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、フラッシュ・メモリ、ハード・ディスク、フロッピー・ディスク、コンパクト・ディスク、あるいは、当業者にとって周知の他の記憶装置でもよい。さらに、この例示的実施形態でそうであるように、メモリ４４は制御器４２に内蔵されていてもよい。

この例示的実施形態では、制御器４２は、スイッチ１４，２４，２６，２８，３０，３２の動作を制御するためスイッチ１４，２４，２６，２８，３０，３２と連絡している。セルスイッチ１４に関して，制御器４２の４つの出力が、好ましくは、デコーダ４６へ電気的に接続されている。デコーダ４６は、好ましくは、ＢＣＤ（二進化十進数）を十進数に変換するデコーダ４６、例えば７４ＨＣ４０２８である。好ましいデコーダ４６は、制御器４２へ電気的に接続された４つの入力と１０個の出力（即ち、１番目のデコーダ出力から１０番目のデコーダ出力まで）とを含む。デコーダ４６の出力の１つのみが、制御器４２によってデコーダ４６の入力へ供給されたＢＣＤに基づき起動される。１０個の出力のそれぞれは、少なくとも１つのセルスイッチ１４を操作するため、セルスイッチ操作回路の１つに電気的に接続される。この例示的実施形態では、１番目のデコーダ出力は１番目のセルスイッチ１４を操作し、２番目のデコーダ出力は１番目と２番目のセルスイッチ２４を操作し、３番目のデコーダ出力は２番目と３番目のセルスイッチ２４を操作しと、１０番目のデコーダ出力が９番目と１０番目のセルスイッチ２４を操作するまで続く。

この例示的実施形態では、制御器４２の少なくとも１つの出力４２はバススイッチ２４，２６，２８，３０の操作を制御するために利用される。セレクタ４８は、バススイッチ２４，２６ ２８，３０を制御するため、制御器４２とバススイッチ２４，２６，２８，３０との間に実装される。さらに、制御器４２の出力の少なくとも１つは接地スイッチ３２の作動を制御するために接地スイッチ３２に電気的に接続されている。

また、システム１０は第２ＡＤＣ５０を含む。第２ＡＤＣは、セル１２のうち少なくとも１つと電気的に連絡している入力５２を含む。この第２ＡＤＣ５０は、セル１２から供給されるアナログ電圧を受け取り、このアナログ電圧を第２デジタル電圧データに変換する。また第２ＡＤＣ５０は、制御器４２と電気的に連絡している出力５４を含む。第２ＡＤＣ５０は、第２デジタル電圧データを符号化している第２デジタル電圧信号を生成し、この第２デジタル電圧信号を計測入力のうち１つを介して制御器４２へ送る。

そこで、制御器４２は第１と第２デジタル電圧データの両方を利用することができる。制御器４２は、キャパシタ２２の電圧を反映する第１デジタル電圧データを、セル１２のうち１つの電圧を反映する第２デジタル電圧データと比較する。さらに具体的には、この比較が行われるのは、第２ＡＤＣ５０に接続されたセルの電圧を使用してキャパシタ２２を充電したときである。これによって、計測中のセル１２の精確な電圧計測をキャパシタ２２が提供していることを制御器４２で検証することが可能となる。そこで、キャパシタ２２と第１ＡＤＣ３６が残りのセル１２の精確な電圧計測を提供していることが仮定し得る。

図１に示すこの例示的実施形態では、第２ＡＤＣ５０は１番目のセル１２Ａに電気的に接続されている。さらに具体的には、第２ＡＤＣ５０の入力５２は１番目のセルスイッチ１４Ａの第１の側に電気的に接続されている。しかし、第２ＡＤＣ５０は他のセル１２Ｂ〜１２Ｊあるいは他のセルスイッチ１４Ｂ〜１４Ｊのいずれかに電気的に接続されてもよい。

１番目の代替実施形態（図示せず）では、複数の第２ＡＤＣ５０が、各第２ＡＤＣ５０が異なるセル１２に電気的に接続されるように実装されてもよい。２番目の代替実施形態（図示せず）では、複数のセル１２を第２ＡＤＣ５０に接続するために、マルチプレクサ（図示せず）が使用されてもよい。これらの代替実施形態はそれぞれ、キャパシタ２２から読み取った電圧が正しく精確であることの追加の検証を提供する。しかし、これらの代替実施形態はそれぞれ、一般的に、追加の装置を必要とするため、実装が割高になる。別の言い方をすれば、キャパシタ２２の電圧計測を検証するために単一の第２ＡＤＣ５０を使用することは、多重化された第２ＡＤＣ５０を使用したり、複数の第２ＡＤＣ５０を使用したりするよりも費用対効果が高い。

システム１０のさまざまな構成要素は、当業者にとって周知のように、プリント回路基板（ＰＣＢ）に載置されてもよい。ＰＣＢは、マスクを用いて導電性材料を一面あるは両面にプリントされている。導電性材料はさまざまな構成要素を構成要素間の多数の配線が必要ないように電気的に接続する。言うまでもないが、上述の装置の他、さまざまな別の電気的あるいは電子的装置がシステム１０の実装に用いられてもよい。当業者にとっては周知のことだが、これら装置は、レジスタ、ダイオード、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、およびキャパシタを含んでもよいが、これらに限定されない。

本発明の機能性，優位性，正確性，および効率性は、セル１２の電圧の判定の方法１００を精査することで、よりよく理解されるだろう。この方法１００は、図２に部分的に示されている。以降、利便性のために、方法１００はシステム１０のさまざまな構成要素に関して記述される。しかし、方法１００は、ここで主張され記載されるように、本願記載のシステム１０を除いた状況下で実践されてもよい。

方法１００は、セル１２のうち１つをキャパシタ２２に電気的に接続する工程１０２を含む。システム１０の例示的実施形態では、制御器４２は、被選択セル１２に基づくさまざまなスイッチ１４，２４，２６，２８，３０，３２を操作することで、キャパシタ２２の正極端子は被選択セル１２の正の側に電気的に接続され、キャパシタ２２の負極端子は被選択セル１２の負の側へ電気的に接続される。セルスイッチ１４あるいは被選択セル１２に対応するセルスイッチ１４を操作するため、制御器４２はデコーダ４６を利用する。適切なバススイッチ２４，２６，２８，３０を操作するため、この制御器はセレクタ４８を利用する。

例えば、１番目のセル１２Ａの電圧を判定する際、キャパシタ２２は１番目のセル１２Ａの電圧で充電される必要がある。そこで、１番目のセルスイッチ１４Ａは閉じ、一方、他のセルスイッチ１４Ｂ〜１４Ｊは開く。しかし、この例示的実施形態では、１番目のセル１２Ａの負の側は接地されているので、制御器は接地スイッチ３２を閉じる。第２バス正極スイッチ２６と第１バス負極スイッチ２８とが開く一方で、第１バス正極スイッチ２４と第２バス負極スイッチ３０とが閉じる。そこで、キャパシタ２２は１番目のセル１２Ａの電圧レベルで充電される。

さらに例えば、２番目のセル１２Ｂが選択されると、１番目と２番目のセルスイッチ１４Ａ，１４Ｂは閉じるが、他のセルスイッチ１４Ｃ〜１４Ｊは開く。第２バス正極スイッチ２６と第１バス負極スイッチ２８とは閉じる一方で、第１バス正極スイッチ２４と第２バス負極スイッチ３０と接地スイッチ３２とは開く。そこで、キャパシタ２２は２番目のセル１２Ｂの電圧レベルで充電される。３番目のセル１２Ｃが選択されると、２番目と３番目のセルスイッチ１４Ｂ，１４Ｃは閉じる一方で、他のセルスイッチ１４Ａ，１４Ｄ〜１４Ｊは開く。第１バス正極スイッチ２４と第２バス負極スイッチ３０とが閉じる一方で、第２バス正極スイッチ２６と第１バス負極スイッチ２８と接地スイッチ３２とは開く。そこで、キャパシタ２２は３番目のセル１２Ｃの電圧レベルで充電される。自明なことではあるが、当業者であれば同様の方法論を用いて相互のセル１２を開閉するための適切なスイッチ１４を判定できるだろう。

次に、方法１００は、キャパシタ２２の電圧レベルが計測中のセル１２の電圧レベルに実質的に一致するように、所定の充電時間でキャパシタを充電する工程１０４へと続く。したがって、所定の充電時間は、セル１２とキャパシタ２２との電気的性質に基づいており、好ましくは制御器４２によって追跡される。

次に、方法１００は、好ましくは、所定の充電時間の経過に応答して、セル１２をキャパシタ２２から電気的に切断する工程（図示せず）へと続く。具体的には、システム１０の例示的実施形態では、スイッチ１４，２４，２６，２８，３０，３２は、キャパシタ２２がセル１２から電気的に切断され、そして、第１ＡＤＣ３４の入力に電気的に接続されるように操作される。好ましくは、キャパシタ２２の負極端子とオペアンプ４０の反転入力とが両方とも接地されるように、セルスイッチ１２の全てとバススイッチ２４，２６，２８，３０とが開き、接地スイッチ３２は閉じる。

方法１００は、キャパシタ２２の電圧を計測することで、次の工程へと続く。さらに具体的には、方法１００は、所定の充電時間の経過に応答して第１ＡＤＣ３４を使用して、充電されたキャパシタ２２からのアナログ電圧をキャパシタの電圧に対応する第１デジタル電圧信号に変換する工程１０６を含む。キャパシタ２２と第１ＡＤＣ３４とを利用して計測されるセル１２が第２ＡＤＣ５０に電気的に接続されるセルである場合、本方法はそのセル１２の電圧の計測を含む。具体的には、本方法は、第２ＡＤＣ５０を使用して、セル１２からのアナログ電圧をセル１２の電圧に対応する第２デジタル電圧信号に変換する工程１０８を含む。

また、本方法は、制御器４２で第１デジタル電圧信号を受け取る工程１１０、および、制御器４２で第２デジタル電圧信号を受け取る工程１１２を含む。いったん両方のデジタル電圧信号が受け取られると、本方法は、デジタル電圧信号間のばらつきを判定するために、第１デジタル電圧信号を第２デジタル電圧信号と比較する工程１１４に続く。もしばらつきが所定の値、即ち、許容可能なばらつきよりも大きい場合、このばらつきは、計測のうち１回の誤差あるいは故障を示している。一般的に、こうした誤差あるいは故障はキャパシタ２２の電圧の計測において生じる。

本方法は、デジタル電圧信号間のばらつきが許容可能なばらつきよりも大きい場合、機能不全を伝える工程１１６に続く。そこで、このシステムの使用者、例えばシステム１０を利用する車両の運転手、あるいは、技術者はシステム１０によって潜在的な問題について警告される。補正をしない場合、システム１０の問題はセル１２の不均等な充電、および、セル１２の寿命の短縮を招きかねない。

キャパシタ２２の電圧読み取りが所定の電圧レベルよりも高い場合、機能不全を伝達する代わりに、この工程を数回繰り返してもよい。例えば、システムは、第１と第２ＡＤＣ３４，５０の両方から新しい計測結果を得てもよい。１回以上反復した後で、測定値間のばらつきがそれでも許容可能なばらつきよりも大きい場合、方法１００は伝達工程１１６に進み得る。

またシステム１０は、セル１２の平衡を保つための、即ち、各セル１２の電圧が実質的に等しくなるように各セル１２の電圧を調節するための、１つ以上の抵抗による平衡回路（図示せず）を含む。セル１２のこの調節は、好ましくは、上記のように各セル１２から得られた電圧読み取りに基づく。

本発明を本明細書中で例示的に示してきたが、使用された用語が意図するところは、制限を設けることではなく、記述中のことばの本質にあると解されるべきである。自明なことではあるが以上の教示を参考に、本発明の多くの修正形態と変形例とが可能である。本発明は別の点で、添付請求項の範囲で具体的に記述された以上に、実用的であり得る。

Claims (11)

1. 直列に接続された複数のセルの中の個別のセルの電圧を計測するためのシステムにおいて、
   前記セルのうち少なくとも１つの電荷を蓄えるキャパシタと、
   前記セルのうち少なくとも１つを前記キャパシタに選択的に接続するための前記キャパシタに電気的に接続された少なくとも１つのスイッチと、
   前記キャパシタによって供給されるアナログ電圧を受け取り、該アナログ電圧を第１デジタル電圧データに変換するための、前記キャパシタと電気的に連絡する入力、を有する第１アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）と、
   前記セルによって供給されるアナログ電圧を受け取り、該アナログ電圧を第２デジタル電圧データに変換するための、前記セルのうち少なくとも１つと電気的に連絡する入力、を有する第２ＡＤＣと、
   を含むシステム。
2. 前記第１ＡＤＣと前記第２ＡＤＣとから前記第１デジタル電圧データを受け取るために前記第１ＡＤＣと前記第２ＡＤＣとに連絡する制御器をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記制御器が、さらに、データ間のばらつきを判定するために、前記第１デジタル電圧データと前記第２デジタル電圧データとの比較を行うことを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
4. 前記複数のセルは１番目のセルを含み、前記少なくとも１つのスイッチは、第１の側と第２の側とを有する１番目のセルスイッチを含み、前記第１の側は前記１番目のセルに電気的に接続されている、ことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
5. 前記第２ＡＤＣの前記入力が前記１番目のセルスイッチの前記第１の側に電気的に接続されていることを特徴とする、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第２ＡＤＣが複数の第２ＡＤＣであり、各第２ＡＤＣが前記セルのうち１つに電気的に接続可能であることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
7. 前記キャパシタに蓄えられた電荷を増幅し、前記アナログ電圧を前記第１ＡＤＣに供給するための、前記キャパシタと前記第１ＡＤＣとの間に電気的に接続された増幅器をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
8. 直列に接続された複数のセルの中の個別のセルの電圧を計測し、キャパシタと第１アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）と第２ＡＤＣとを含むシステムを利用して計測精度を検証するための方法において、
   前記セルのうち１つを前記キャパシタに電気的に接続する工程と、
   所定の充電時間で前記キャパシタを充電する工程と、
   前記所定の充電時間の経過に応答して、第１ＡＤＣを使用して、前記充電されたキャパシタからのアナログ電圧を、前記キャパシタの電圧に対応する第１デジタル電圧信号に変換する工程と、
   第２ＡＤＣを使用して、前記セルのうち１つからのアナログ電圧を、該セルの電圧と対応する第２デジタル電圧信号に変換する工程と、
   を含む方法。
9. 前記第１デジタル電圧信号を受け取る工程と、前記第２デジタル電圧信号を受け取る工程とをさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記デジタル電圧信号間のばらつきを判定するために、前記第１デジタル電圧信号を前記第２デジタル電圧信号と比較する工程をさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記デジタル電圧信号間のばらつきが許容可能なばらつきよりも大きい場合、機能不全を伝える工程をさらに含む、請求項１０に記載の方法。

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