JP2011101572A - セルバランス機能を備えた充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】セルバランス機能を備えた充電システムを提供する。
【解決手段】電力変換器において、一次巻線が入力電力を受電する。加えて、複数の二次巻線が、上記入力電力を、パスのセットを介してセルのセットを充電するための複数の充電電流に変換する。複数の二次巻線は、更に、上記充電電流に基づいて上記セルのセットをバランスさせる。上記二次巻線の第１の二次巻線の第１の巻き数と上記二次巻線の第２の二次巻線の第２の巻き数との間の比は、前記セルのセットのうちの対応する二つのセル間の公称電圧比により決定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、セルバランス機能を備えた充電システムに関する。

バッテリパックを充電するために使用される従来の充電システムでは、バッテリパックにおけるセルのバランスをとるために、バッテリパックのセルに複数のバイパスが接続されている。例えば、セルの一つが他のセルの電圧よりも高い電圧を有している場合、最も高い電圧を有するセルを放電させるために、対応のバイパスがターンオンされる。セルの電圧に応じてバイパスを選択的にターンオンさせることにより、セルのバランスがとられる。しかしながら、このバイパスを通じた電力損失は比較的大きい。加えて、セルの電圧を示すフィードバック信号に応じてバイパスを制御するためのバイパスコントローラが必要になり、それは、セルをバランスさせるのに必要な時間を増加させると共に、電力損失を増大させる。

一実施形態において、電力変換器は、一次巻線と複数の二次巻線を備える。一次巻線は入力電力を受電する。複数の二次巻線は、上記入力電力を、パスのセットを介してセルのセットを充電するための複数の充電電流に変換する。複数の二次巻線は、更に、上記充電電流に基づいて上記セルのセットをバランスさせる。上記二次巻線のうちの第１の二次巻線の第１の巻き数と上記二次巻線のうちの第２の二次巻線の第２の巻き数との比は、上記セルのセットのうちの二つの対応セル間の公称電圧比によって決定される。

本発明の実施形態の特徴および利点は、図面を参照して、以下の詳細な説明を読み進めるにつれて明らかになるであろう。ここで、図面において、同様の数字は同様の要素を示す。

本発明の一実施形態による電力変換器の例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による入力電流、出力電流、および充電電流についてのプロットの例を示す図である。 本発明の一実施形態による充電システムの例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による充電システムの例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による充電システムの例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による充電システムの例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による充電システムにより実施される動作の例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明は、その実施形態とともに説明されるが、本発明をこの実施形態に限定することを意図したものでないことが理解されるであろう。逆に、本発明は、代替物、変形、および均等物に及ぶものであり、それらは、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神と範囲に含まれる。

また、以下の本発明の詳細な説明において、多くの特定的な細部は、本発明の完全な理解を提供するために説明される。しかしながら、当業者であれば、本発明は、これらの細部を用いずに実施できることが分かるであろう。例えば、周知の手法、手順、構成要素、および回路は、本発明の態様を不必要に分かりにくくしないために、詳細に説明しない。

一実施形態において、本発明は、バッテリセルのセットを充電するための充電システムを提供する。充電中に、セルのセットは自動的にバランスされる。更に詳しくは、本充電システムは、入力電力を複数の充電電流に変換するための、例えば変圧器などの電力変換器を備える。その一方、セルが他のセルに対してバランスされるように、各充電電流が対応セルの端子間電圧に応じて変化する。セルがバランスされた後、本充電システムは、更に、各セルの端子間電圧に応じて入力電力を制御することにより、充電電流の和を調整する。

図１Ａは、本発明の一実施形態による電力変換器の例を示すブロック図である。この電力変換器１００は、例えばフライバックコンバータ(flyback converter)であるが、これに限定されるものではない。具体的には、電力変換器１００は変圧器１０２を備える。この変圧器１０２は、供給端子１２０とグランドとの間にスイッチ１０８を介して接続された一次巻線１０４を備える。加えて、変圧器１０２は、ダイオード１１２を介して容量１２４および負荷１１０と並列に接続された二次巻線１０６を備える。負荷１１０は、例えば再充電可能なバッテリであるが、これに限定されない。

一実施形態において、抵抗１１４の端子間の電圧Ｖ_１１４が、一次巻線１０４を通じて流れる入力電流Ｉ_ｐを示すように、抵抗１１４などの電流センサが一次巻線１０４と直接に接続され、例えば、Ｖ_１１４＝Ｉ_Ｐ＊Ｒ_１１４であり、ここで、Ｒ_１１４は抵抗１１４の抵抗値を表す。比較器１１６は、電圧Ｖ_１１４と参照電圧Ｖ_ＲＥＦとを比較して比較結果信号１１８を発生させ、これを制御器１３０に与える。制御器１３０は、上記比較の結果に従ってスイッチ１０８を制御するための制御信号１２２を発生させる。

供給端子１２０は、電圧Ｖ_ＩＮを有する電源（図１Ａには示されていない）に接続されることができる。スイッチ１０８が制御信号１２２によりターンオンされると、入力電流ＩＰが、供給端子１２０からグランドへ一次巻線１０４を通して流れることができる。一方、ダイオード１１２は逆バイアス（カットオフ）され、二次巻線１０６が一次巻線１０４からエネルギーを受け取る。スイッチ１０８がターンオフされると、入力電流Ｉ_Ｐがゼロになる。一方、ダイオード１１２が順バイアス（ターンオン）される。従って、二次巻線１０６によって受け取られるエネルギーは、出力電流Ｉ_Ｓに変換され、そしてバッテリ１１０が充電電流Ｉ_Ｏにより充電されることができる。充電電流Ｉ_Ｏは、出力電流Ｉ_Ｓの等価電流Ｉ_ＳＥＱＶに等しい。

図１Ｂは、本発明の一実施形態による、入力電流Ｉ_Ｐ、出力電流Ｉ_Ｓ、および充電電流Ｉ_Ｏについてのプロット１００’の例を示す。図１Ｂは、図１Ａと組み合わせて説明される。

図１Ｂに示されるように、第１期間Ｔ_１で入力電流Ｉ_Ｐがゼロからピーク電流レベルＩ_ＰＰに増加するように、スイッチ１０８が時間点ｔ_０でターンオンされる。一実施形態において、供給端子１２０の電圧Ｖ_ＩＮと比較すれば、電圧Ｖ_１１４は比較的小さく、無視できる。従って、ピーク電流レベルＩ_ＰＰは次の式で与えることができる。

ここで、Ｌ_Ｐは、一次巻線１０４のインダクタンスを表す。第１期間Ｔ_１で、変圧器１０２の入力エネルギーＥ_ＩＮは、次の式で与えられる。

E_IN=(I_PP ²*L_P)/2 …(2)

第１期間Ｔ_１が過ぎると（例えば、時間点ｔ_１で）、スイッチ１０８がターンオフされる。第２期間Ｔ_２で、二次巻線１０６を通じて流れる出力電流Ｉ_Ｓは、ピーク電流レベルＩ_ＳＰからゼロに減少することができる。一次巻線１０４の巻き数をｎ_Ｐとし、二次巻線の巻き数をｎ_Ｓとすれば、ピーク電流レベルＩ_ＳＰは、次の式で与えることができる。

I_SP=I_PP*(n_P/n_S) …(3)

また、出力電流Ｉ_Ｓがゼロに減少すると（例えば、時間点ｔ_２で）、スイッチ１０８は、第３期間Ｔ_３で依然としてオフである。この第３期間Ｔ_３では、ダイオード１１２はカットオフされ、出力電流Ｉ_Ｓはゼロである。

Ｔ_ＴＯＴは、期間Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３の総期間であり、例えば、Ｔ_ＴＯＴ＝Ｔ_１＋Ｔ_２＋Ｔ_３である。一実施形態において、入力電流Ｉ_Ｐは、第１期間Ｔ_１において、ゼロからピーク電流レベルＩ_ＰＰに増加し、第２期間Ｔ_２と第３期間Ｔ_３ではゼロである。従って、総期間Ｔ_ＴＯＴでの入力電流Ｉ_Ｐの等価電流Ｉ_ＰＥＱＶは、次の式で与えられる。

I_PEQV=(I_PP/2)*(T₁/T_TOT) …(4)

同様に、出力電流Ｉ_Ｓは、第１期間Ｔ_１でゼロであり、第２期間Ｔ_２でピーク電流レベルＩ_ＳＰからゼロに減少し、そして第３期間Ｔ_３ではゼロである。従って、総期間Ｔ_ＴＯＴでの出力電流Ｉ_Ｓの等価電流Ｔ_ＳＥＱＶは、次の式で与えられる。

I_SEQV=(I_SP/2)*(T₂/T_TOT) …(5)

バッテリ１１０に流れる充電電流Ｉ_Ｏは、出力電流Ｉ_Ｓの等価電流Ｉ_ＳＥＱＶに等しく、例えば、Ｉ_Ｏ＝Ｉ_ＳＥＱＶである。従って、式（３）および（５）に基づいて、充電電流Ｉ_Ｏは次の式で与えられる。

I_O=(n_P/n_S)*(I_PP/2)*(T₂/T_TOT) …(6)

図１Ａを参照すると、Ｖ_Ｏは、バッテリ１１０の端子間の電圧であり、Ｖ_Ｄは、ダイオード１１２の順バイアス電圧である。総期間Ｔ_ＴＯＴでダイオード１１２およびバッテリ１１０に伝送される出力エネルギーをＥ_ＯＵＴとすれば、この出力エネルギーＥ_ＯＵＴは、次の式で与えられる。

E_OUT=(V_O+V_D)*I_SEQV*T_TOT=(V_O+V_D)*I_O*T_TOT …(7)

入力エネルギーE_INから出力エネルギーE_OUTへのエネルギー変換効率をηと仮定すれば、例えば、Ｅ_ＯＵＴ=η＊Ｅ_ＩＮである。一実施形態において、エネルギー変換損失は比較的小さく、無視できる。従って、エネルギー変換効率ηは１に等しいと考えることができ、例えば、η＝１である。出力エネルギーＥ_ＯＵＴは入力エネルギーＥ_ＩＮに等しいと考えることができ、例えば、Ｅ_ＯＵＴ＝Ｅ_ＩＮである。式（２）および（７）により、次の式が得られる。

I_O=(I_PP ²*L_P*f_SW)/{2*(V_O+V_D)} …(8)

ここで、ｆ_ＳＷはスイッチ１０８のスイッチング周波数を表し、１／Ｔ_ＴＯＴに等しい。式（１）および（４）に基づいて、式（８）は、次のように書き換えられる。

I_O=(I_PEQV*V_IN)/(V_O+V_D) …(9)

制御器１３０は、バッテリ電圧Ｖ_Ｏの変動に応じて入力電流Ｉ_Ｐを調整することにより充電電流Ｉ_Ｏを特定のレベルに調整または維持する。具体的には、バッテリ１１０の端子間の電圧Ｖ_Ｏは充電放電動作中に変化する。バッテリモニタ（図１Ａには示されていない）は、バッテリ電圧Ｖ_Ｏをモニタし、このバッテリ電圧Ｖ_Ｏを示すフィードバック信号を生成して制御器１３０に与える。式（８）に基づいて、制御器１３０は、バッテリ電圧Ｖ_Ｏが増加するとピーク電流レベルＩ_ＰＰを増加させ、バッテリ電圧Ｖ_Ｏが減少するとピーク電流レベルＩ_ＰＰを減少させる。

更に詳しくは、制御器１３０は、所定の周波数、例えばｆ_ＳＷを有する内部クロック信号（図１Ａには示されていない）を発生させる。一実施形態において、スイッチ１０８は、ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスター（ＮＭＯＳＦＥＴ）である。制御信号１２２は、各パルスに応答して、例えば内部クロック信号の各立ち上がりエッジに応答して、論理ハイに設定される。加えて、制御信号１２２は、各パルスに応答して、例えば比較結果信号１１８の各立ち上がりエッジに応答して、論理ローに設定される。例えば、上記内部クロック信号のパルスの立ち上がりエッジが時間点ｔ_０（図１Ｂに示される）で発生した場合、スイッチ１０８が論理ハイの制御信号１２２によりターンオンされ、入力電流Ｉ_Ｐが例えばゼロから増加し始める。時間点ｔ_１で、入力電流Ｉ_ＰがＶ_ＲＥＦ／Ｒ_１１４のレベルにまで増加し、例えば、抵抗１１４の端子間の電圧Ｖ_１１４が参照電圧Ｖ_ＲＥＦにまで増加し、従って、比較器１１６が論理ハイの比較結果信号１１８を出力する。その結果、スイッチ１０８が論理ローの制御信号１２２によりターンオフされ、入力電流Ｉ_Ｐがゼロになる。時間点ｔ_２で、内部クロック信号のクロックサイクルＴ_ＴＯＴが終了し、従って、この内部クロック信号の他のパルスの立ち上がりエッジが発生する。その結果、スイッチ１０８が再びターンオンされる。従って、各クロックサイクルＴ_ＴＯＴにおいて、ピーク電流レベルＩ_ＰＰがＶ_ＲＥＦ／Ｒ_１１４のレベルに調整され、例えば、Ｉ_ＰＰ＝Ｖ_ＲＥＦ／Ｒ_１１４である。充電電流Ｉ_Ｏの所定／所望の電流レベルをＩ_ＰＲＥと仮定する。式（８）に基づいて、次の式が得られる。

I_PRE={(V_REF/R₁₁₄)²*L_P*f_SW}/{2*(V_O+V_D)} …(10)

式（１０）は、次のように書き換えられる。

V_REF ²={2*R₁₁₄ ²*I_PRE*(V_O+V_D)}/(L_P*f_SW) …(11)

制御器１３０は、充電電流Ｉ_ＯがレベルＩ_ＰＲＥに調整されるように、例えばＩ_Ｏ＝Ｉ_ＰＲＥとなるように、式（１１）に基づいて参照電圧Ｖ_ＲＥＦを設定する。また、式（９）に基づいて、制御器１３０は、バッテリ電圧Ｖ_Ｏが増加すると等価電流Ｉ_ＰＥＱＶを増加させ、バッテリ電圧Ｖ_Ｏが減少すると等価電流Ｉ_ＰＥＱＶを減少させることができ、それにより、充電電流Ｉ_ＯがレベルＩ_ＰＲＥに調整または維持される。

図１Ａの例では、一次巻線１０４は、ＮＭＯＳＦＥＴであるスイッチ１０８を介してグランドに接続される。しかしながら、他の実施形態では、一次巻線１０４は、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＰＭＯＳＦＥＴ）であるスイッチ（図１Ａには示されていない）を介して供給端子１２０に接続され、ＮＭＯＳＦＥＴ１０８が省略される。ＰＭＯＳＦＥＴは、制御信号１２２により制御されることができる。このような一実施形態では、制御信号１２２は、内部クロック信号の各パルスに応答して論理ローに設定され、比較結果信号１１８の各パルスに応答して論理ハイに設定される。

図２は、本発明の一実施形態による、バッテリパック２１０を充電するための充電システム２００の例のブロック図である。バッテリパック２１０は、直列接続されたセル２１０＿１，２１０＿２，…，２１０＿Ｎのセットを備える。本充電システム２００は、制御器２３０と、例えば変圧器などの変換器２０２を備える。電力変換器２０２は、例えばダイオードのセットなどのパス２１２＿１，２１２＿２，…２１２＿Ｎのセットを介して、それぞれ、セル２１０＿１−２１０＿Ｎを充電するための複数の充電電流Ｉ_Ｏ１，Ｉ_Ｏ２，…Ｉ_ＯＮを供給することができる。

電力変換器２０２は、一次巻線２０４と、複数の二次巻線２０６＿１，２０６＿２，…２０６＿Ｎとを備える。一次巻線２０４は、供給端子２２０とグランドとの間に入力スイッチ２０８を介して接続され、供給端子２２０から入力電力を受電する。二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎは、それぞれ、セル２１０＿１−２１０＿Ｎと並列に接続され、入力電力を、パス２１２＿１−２１２＿Ｎを介してセル２１０＿１−２１０＿Ｎをそれぞれ充電するための充電電流Ｉ_Ｏ１−Ｉ_ＯＮに変換するために使用される。また、二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎは、充電電流Ｉ_Ｏ１−Ｉ_ＯＮに基づいて、セル２１０＿１−２１０＿Ｎのセル電圧Ｖ_Ｏ１，Ｖ_Ｏ２，…Ｖ_ＯＮをバランスさせることができる。

具体的には、二次巻線２０６＿１−２０６＿のうちの第１の二次巻線の第１の巻き数（即ち、第１の二次巻線の巻き数）と、二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎのうちの第２の二次巻線の第２の巻き数（即ち、第２の二次巻線の巻き数）との巻き数比(turn ratio)は、セル２１０＿１−２１０＿Ｎのうちの二つの対応セル間の公称電圧比によって決定され、例えば、この公称電圧比に概ね等しい。ここで、「概ね等しい」は、巻き数比と対応公称電圧比との差が比較的小さく無視できる限りにおいて、この差が許容されることを意味する。例えば、二次巻線２０６＿Ａの巻き数をｎ_{２０６＿Ａ}とし、二次巻線２０６＿Ｂの巻き数をｎ_{２０６＿Ｂ}とすれば（ただし、Ａ＝１，２，…Ｎ；Ｂ＝１，２，…Ｎ；Ａ≠Ｂ）、巻き数ｎ_{２０６＿Ａ}と巻き数ｎ_{２０６＿Ｂ}との比は、ｎ_{２０６＿Ａ}／ｎ_{２０６＿Ｂ}に等しい。セル２１０＿Ａの公称電圧をＶ_{ＮＯＭ＿Ａ}とし、セル２１０＿Ｂの公称電圧をＶ_{ＮＯＭ＿Ｂ}とすれば、セル２１０＿Ａとセル２１０＿Ｂとの間の公称電圧比は、Ｖ_{ＮＯＭ＿Ａ}／Ｖ_{ＮＯＭ＿Ｂ}に等しい。巻き数比ｎ_{２０６＿Ａ}／ｎ_{２０６＿Ｂ}は公称電圧比Ｖ_{ＮＯＭ＿Ａ}／Ｖ_{ＮＯＭ＿Ｂ}に等しく、例えば、ｎ_{２０６＿Ａ}／ｎ_{２０６＿Ｂ}は、＝Ｖ_{ＮＯＭ＿Ａ}／Ｖ_{ＮＯＭ＿Ｂ}である。ここで、セルの「公称電圧」は、セルが満充電されているときのセルの端子間の電圧である。換言すれば、セルの「公称電圧」は、セルが定電圧充電モードで充電されており、かつ充電電流が所定閾値よりも小さいときのセルの端子間の電圧に等しい。

図２に示されるように、各パス２１２＿１−２１２＿Ｎは、対応する二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎと対応するセル２１０＿１−２１０＿Ｎに直列に接続されたダイオードを含む。一実施形態において、セル２１０＿１−２１０＿Ｎは、同じ公称電圧、例えばＶ_ＮＯＭを有する。例えば、各セル２１０＿１−２１０＿Ｎは同一の材料から同じように構成される。このような一実施形態において、二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎは、逆バイアス（カットオフ）され、従って、各パス２１２＿１−２１２＿Ｎが無効化(disabled)される。一方、各二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎは、一次巻線２０４を通って流れる入力電流Ｉ_Ｐにより、一次巻線２０４からエネルギーを受け取る。二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎにより受け取られる各エネルギーは、巻き数ｎ_２０６が同じであるために、同じであり得る。スイッチ２０８がターンオフすると、各パス２１２＿１−２１２＿Ｎにおけるダイオードは順バイアス（ターンオン）され、従って、各パス２１２＿１−２１２＿Ｎが有効化(enabled)される。一方、各二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎは、エネルギーを、対応する充電電流Ｉ_Ｏ１またはＩ_Ｏ２…またはＩ_ＯＮに変換する。

有利には、このような一実施形態において、もし第１のセルの端子間の第１の電圧（例えば、セル２１０＿１の端子間の電圧Ｖ_Ｏ１）が第２のセルの端子間の第２の電圧（例えば、セル２１０＿２の端子間の電圧Ｖ_Ｏ２）よりも大きければ、第１のセルを充電するための第１の充電電流（例えば、充電電流Ｉ_Ｏ１）は第２のセルを充電するための第２の充電電流（例えば、充電電流Ｉ_Ｏ２）よりも小さい。従って、第１のセル電圧Ｖ_Ｏ１は、第２のセル電圧Ｖ_Ｏ２よりもゆっくりと増加する。逆に、もし第１のセル電圧Ｖ_Ｏ１が第２のセル電圧Ｖ_Ｏ２よりも小さければ、第１の充電電流Ｉ_Ｏ１は第２の充電電流Ｉ_Ｏ２よりも大きく、従って、第１のセル電圧Ｖ_Ｏ１は、第２のセル電圧Ｖ_Ｏ２よりも速やかに増加する。換言すれば、充電電流Ｉ_Ｏ１−Ｉ_ＯＮは、セル２１０＿１−２１０＿Ｎのセル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮに応じて自動的に調整される。その結果、セル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮは、同じ電圧レベルに調整される。セル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮのみならず、セル電流Ｉ_Ｏ１−Ｉ_ＯＮもバランスされる。このような一実施形態において、従来のバイパスおよび従来のバイパスコントローラが省略され、これは、充電システム２００の消費電力を低減させる。加えて、セルのバランスに要する時間が低減される。

更に詳しくは、このような一実施形態において、二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎは、それぞれ同じ巻き数ｎ_２０６を有するので、二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎの各端子間の電圧Ｖ_Ｓ１，Ｖ_Ｓ２，…Ｖ_ＳＮは、同じピーク電圧、例えばＶ_ＳＰを有する。Ｔ’_２は、二次巻線２０６＿１の出力電流Ｉ_Ｓ１がピーク電流レベルＩ_ＳＰからゼロに減少するのに要する時間（期間）であり、Ｔ’’_２は、二次巻線２０６＿２の出力電流Ｉ_Ｓ２がピーク電流レベルＩ_ＳＰからゼロに減少するのに要する時間（期間）である。もしセル電圧Ｖ_Ｏ１がセル電圧Ｖ_Ｏ２よりも大きければ、Ｖ_Ｏ１とＶ_ＳＰとの間の差分は、Ｖ_Ｏ２とＶ_ＳＰとの間の差分よりも小さい。従って、セル電圧Ｖ_Ｏ１と二次巻線２０６＿１の端子間の電圧Ｖ_Ｓ１は、セル電圧Ｖ_Ｏ２と二次巻線２０６＿２の端子間の電圧Ｖ_Ｓ２のバランスよりも速くバランスされる。換言すれば、期間Ｔ’_２は、期間Ｔ’’_２よりも短い。同様にして、セル電圧Ｖ_Ｏ１がセル電圧Ｖ_Ｏ２よりも小さければ、期間Ｔ’_２は期間Ｔ’’_２よりも長い。式（６）によれば、充電電流Ｉ_Ｏは第２期間Ｔ_２に直接的に比例する。同様に、充電電流Ｉ_Ｏ１は期間Ｔ’_２に直接的に比例し、充電電流Ｉ_Ｏ２は期間Ｔ’’_２に直接的に比例する。従って、もしセル電圧Ｖ_Ｏ１がセル電圧Ｖ_Ｏ２よりも大きければ、充電電流Ｉ_Ｏ１は充電電流Ｉ_Ｏ２よりも小さく、もしセル電圧Ｖ_Ｏ１がセル電圧Ｖ_Ｏ２よりも小さければ、充電電流Ｉ_Ｏ１は充電電流Ｉ_Ｏ２よりも大きい。

制御器２３０は、入力スイッチ２０８に接続され、このスイッチ２０８を制御することにより、入力電力を充電電流Ｉ_Ｏ１−Ｉ_ＯＮに変換するように二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎを制御する。図２に示されるように、制御器２３０は、入力電流Ｉ_Ｐをモニタするための、例えば検出抵抗２１４などの電流検出器に接続された電流モニタ２３４を備える。また、制御器２３０は、セル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮをモニタするための、セル２１０＿１−２１０＿Ｎに接続された電圧モニタ２３６を備える。制御器２３０は、更に、電流モニタ２３４から入力電流Ｉ_Ｐを示す電流情報をサンプリング／受信すると共に、電圧モニタ２３６からセル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮを示す電圧情報をサンプリング／受信するためのステージ制御器２３２を備える。ステージ制御器２３２は、上記電流情報および電圧情報に応じてスイッチ２０８を制御するためのパルス幅変調（ＰＷＭ）信号２２２を発生させることができる。発振器２３８は、ステージ制御器２３２の動作のためにステージ制御器２３２へクロック信号を供給することができる。例えば、ステージ制御器２３２は、上記クロック信号の立ち上がり／立下りエッジで上記電流情報および電圧情報をサンプリングすることができる。加えて、ステージ制御器２３２は、上記クロック信号の各パルスに応答して、制御信号２２２を論理ハイに設定することができる。ステージ制御器２３２は、また、入力電流Ｉ_Ｐが所定レベル以上であることを示す例えば電流モニタ２３４からのフィードバック信号に応答して、制御信号２２２を論理ローに設定することができる。

Ｐ_Ｏｉは、セル２１０＿ｉ（Ｉ＝１，２，…Ｎ）に伝送される電力、例えば、Ｐ_Ｏｉ＝Ｖ_Ｏｉ＊Ｉ_Ｏｉであり、Ｉ_ＳＵＭは、充電電流Ｉ_Ｏ１−Ｉ_ＯＮの和、例えば、

である。和Ｉ_ＳＵＭは次の式により与えられる。

I_SUM=I_O1+I_O2…+I_ON=(P_O1/V_O1)+(P_O2/V_O2)…+(P_ON/V_ON) …(12)

セル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮが相互にバランスされていれば、各セル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮは、セル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮの平均電圧Ｖ_ＯＡＶＥに概ね等しく、例えば、Ｖ_Ｏ１＝Ｖ_Ｏ２…＝Ｖ_ＯＮ＝Ｖ_ＯＡＶＥ＝（Ｖ_Ｏ１＋Ｖ_Ｏ２…＋Ｖ_ＯＮ）／Ｎである。従って、式（１２）は、次のように書き換えられる。

ここで、「概ね等しい」は、各セル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮと平均電圧Ｖ_ＯＡＶＥとの間の差分が比較的小さく、無視できる限りにおいて、この差分が容認できることを意味する。

期間Ｔ_ＴＯＴにおいてダイオード２１２＿１−２１２＿Ｎおよびセル２１０＿１−２１０＿Ｎに伝送される出力エネルギーをＥ’_ＯＵＴとすれば、であれば、この出力エネルギーＥ’_ＯＵＴは、次の式で与えられる。

電力変換器２０２の出力エネルギーＥ’_ＯＵＴは、電力変換器２０２の入力エネルギーＥ_ＩＮに等しいと考えられ、例えばＥ’_ＯＵＴ＝Ｅ_ＩＮであるので、式（２）および（１４）に基づいて、次の式が得られる。

I_SUM=(I_PP ²*L_P*f_SW)/{2*(V_OAVE+V_D)} …(15)

電流モニタ２３４は、電流検出比較器（図１Ａに示される比較器１１６と同様のもの）を備えることができ、この電流検出比較器は、入力電流Ｉ_Ｐを示す例えば検出抵抗２１４の端子間の電圧Ｖ_２１４などの検出信号と参照電圧Ｖ_ＲＥＦとを比較するためのである。制御器２３０は、ピーク電流レベルＩ_ＰＰをレベルＶ_ＲＥＦ／Ｒ_２１４に調整することができ、例えば、Ｉ_ＰＰ＝Ｖ_ＲＥＦ／Ｒ_２１４であり、ここで、Ｒ_２１４は、検出抵抗２１４の抵抗値を表す。Ｉ_ＰＲＥは、和Ｉ_ＳＵＭの所定／所望の電流レベルである。式（１５）に基づいて、制御器２３０は、参照電圧Ｖ_ＲＥＦを計算し、次の式に従って参照電圧Ｖ_ＲＥＦを設定することができる。

V_REF ²={2*R₁₁₄ ²*I_PRE*(V_OAVE+V_D)}/(L_P*f_SW) …(16)

換言すれば、制御器２３０は、入力電流Ｉ_Ｐを調整することができ、例えば、和Ｉ_ＳＵＭが所望のレベルＩ_ＰＲＥに調整または維持されるように、例えばＩ_ＳＵＭ＝Ｉ_ＰＲＥとなるように、各セル２１０＿１−２１０＿Ｎの電圧（Ｖ_Ｏ１，またはＶ_Ｏ２，…またはＶ_ＯＮ）に従って参照電圧Ｖ_ＲＥＦを調整することができる。このような実施形態では、充電電流Ｉ_Ｏ１−Ｉ_ＯＮが相互にバランスされるので、全ての充電電流Ｉ_Ｏ１−Ｉ_ＯＮは、レベルＩ_ＰＲＥ／Ｎに調整される。

図１Ａに関連する説明と同様に、式（１）および（４）により、式（１５）は次のように書き換えられる。

I_SUM=(I_PEQV*V_IN)/(V_OAVE+V_D) …(17)

制御器２３０は、また、和Ｉ_ＳＵＭが所望のレベルＩ_ＰＲＥに調整または維持されるように、平均電圧Ｖ_ＯＡＶＥが増加すると等価電流Ｉ_ＰＥＱＶを増加させ、平均電圧Ｖ_ＯＡＶＥが減少すると等価電流Ｉ_ＰＥＱＶを減少させることができる。

一実施形態において、セル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮおよび入力電流Ｉ_Ｐに応じて、充電システム２００は、選択されたモード、例えば、プリコンディション(precondition)／プリ充電(pre-charge)モード、定電流充電モード、定電圧充電モード、充電終了モードなどで動作する。

例えば、もしセル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮのうちのどれかが第１の所定参照Ｖ_ＰＲＥ１よりも小さければ、充電システム２００はプリ充電モードで動作する。プリ充電モードでは、制御器２３０は、充電電流Ｉ_Ｏ１−Ｉ_ＯＮが比較的小さくなるように、入力電流Ｉ_Ｐのピーク電流レベルＩ_ＰＰ（または等価電流Ｉ_ＰＥＱＶ）を比較的低いレベルに調整する。図２の例では、スイッチ２０８はＮＭＯＳＦＥＴである。従って、ステージ制御器２３２は、ＰＷＭ信号２２２のデューティサイクルを比較的低く設定することにより、ピーク電流レベルＩ_ＰＰ（または等価電流Ｉ_ＰＥＱＶ）を比較的低いレベルに調整する。代替の実施形態では、供給端子２２０と一次巻線２０４との間にＰＭＯＳＦＥＴが接続され、このＰＭＯＳＦＥＴはＰＷＭ信号２２２によって制御される。このような一実施形態では、ＮＭＯＳＦＥＴ２０８は省略され、一次巻線２０４が検出抵抗２１４に直接的に接続されることができる。ステージ制御器２３２は、ピーク電流レベルＩ_ＰＰ（または等価電流Ｉ_ＰＥＱＶ）を比較的低いレベルに調整するために、ＰＷＭ信号２２２のデューティサイクルを比較的高く設定することができる。更に他の実施形態では、制御器２３０は、参照電圧Ｖ_ＲＥＦを比較的低いレベルに設定することにより、ピーク電流Ｉ_ＰＰを比較的低いレベルに調整する。

もし各セル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮが第１の所定の参照電圧Ｖ_ＰＲＥ１よりも大きく、平均セル電圧Ｖ_ＯＡＶＥが第２の所定の参照電圧Ｖ_ＰＲＥ２（Ｖ_ＰＲＥ１＜Ｖ_ＰＲＥ２）よりも小さければ、充電システム２００は、定電流充電モードで動作する。定電流充電モードでは、ステージ制御器２３２は、和Ｉ_ＳＵＭを規定の電流レベルＩ_ＰＲＥに維持するために、セル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮに応じて入力電流Ｉ_Ｐを調整する。例えば、参照電圧Ｖ_ＲＥＦは、式（１６）に基づいてセル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮに応じて調整される。

もし、平均セル電圧Ｖ_ＯＡＶＥが第２の所定の参照電圧Ｖ_ＰＲＥ２以上であれば、充電システム２００は定電圧充電モードで動作する。定電圧充電モードでは、平均セル電圧Ｖ_ＯＡＶＥは実質的に一定を保持し、例えば、第２の所定の参照電圧Ｖ_ＰＲＥ２に等しい。一方、ステージ制御器２３２は、徐々に和Ｉ_ＳＵＭを減少させる（例えば、所定のレートで減少させる）。例えば、ＮＭＯＳＦＥＴ２０８について、ステージ制御器２３２は、ＰＷＭ信号２２２のデューティサイクルを徐々に減少させる。上述したＰＭＯＳＦＥＴについては、ステージ制御器２３２は、ＰＷＭ信号２２２のデューティサイクルを徐々に増加させる。また、ステージ制御器２３２は、所定のレートで参照電圧Ｖ_ＲＥＦを減少させることにより、和Ｉ_ＳＵＭを徐々に減少させることができる。有利には、セル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮは、プリ充電モード、定電流充電モード、愛知電圧充電モードの期間中に自動的にバランスされることができる。結果として、各セル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮは、第２の所定の参照電圧Ｖ_ＰＲＥ２に概ね等しくなることができる。一実施形態において、第２の所定の参照電圧Ｖ_ＰＲＥ２は、セル２１０＿１−２１０＿Ｎの公称電圧Ｂ_ＮＯＭに等しい。

加えて、定電圧充電モードの期間では、もし和Ｉ_ＳＵＭが電流閾値Ｉ_ＯＴＨ（Ｉ_ＯＴＨ＜Ｉ_ＰＲＥ）に減少すれば、バッテリパック２１０は、完全に充電されたと考えることができ、充電システム２００は充電終了モードで動作する。充電終了モードでは、ステージ制御器２３２は、一実施形態において、スイッチ２０８を無効化(disable)することにより、バッテリパック２１０の充電を終了する。他の実施形態では、ステージ制御器２３２は、電源Ｖ_ＩＮから供給端子２２０を切断することにより、バッテリパック２１０の充電を終了させる。

また、充電システム２００は、もし好ましくない状態（例えば、過電圧状態、過温度状態）が発生すれば、充電終了モードで動作する。例えば、もしセル２１０＿１−２１０＿Ｎのうちの或るセルが所定の電圧閾値Ｖ_ＯＴＨ（Ｖ_ＰＲＥ１＜Ｖ_ＰＲＥ２＜Ｖ_ＯＴＨ）よりも大きなセル電圧を有していれば、過電圧状態が発生しており、制御器２３０は、バッテリ充電を終了させる。他の例について、温度検出器(図２では示されていない）が、バッテリパック２１０の温度を検出するために使用される。もしバッテリパック２１０の温度が所定の温度閾値よりも大きければ、過温度状態(over-temperature condition)が起こっており、バッテリ充電が終了される。

上述したように、一実施形態において、セル２１０＿１−２１０＿Ｎは同一の公称電圧Ｖ_ＮＯＭを有し、二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎは同一の巻き数ｎ_２０６を有している。しかしながら、他の実施形態では、二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎは、異なる巻き数を有してもよい。

図２の例では、セル２１０＿１は、単一のセルである。他の実施形態では、セル２１０＿１は、直列に接続された二つのサブセル（図２では示されていない）を備えたセルグループであり得る。同様に、セル２１０＿２は、直列に接続された三つのサブセルを備えたセルグループであり得る。セルグループ２１０＿１におけるサブセルのそれぞれは、セルグループ２１０＿２におけるサブセルのそれぞれと同一である。このように、セルグループ２１０＿１の公称電圧Ｖ_{ＮＯＭ＿１}とパックセル２１０＿２の公称電圧Ｖ_{ＮＯＭ＿２}との間の公称電圧比は、２／３に等しい（例えば、Ｖ_{ＮＯＭ＿１}／Ｖ_{ＮＯＭ＿２}＝２／３）。公称電圧Ｖ_{ＮＯＭ＿１}およびＶ_{ＮＯＭ＿２}と比較して、ダイオード２１２＿１および２１２＿２での電圧は比較的小さく、無視することができる。セル２１０＿１と２１０＿２との間の巻き数比ｎ_{２０６＿１}／ｎ_{２０６＿２}はＶ_{ＮＯＭ＿１}／Ｖ_{ＮＯＭ＿２}に等しい（例えば、ｎ_{２０６＿１}／ｎ_{２０６＿２}＝２／３）。このような一実施形態では、セルグループ２１０＿１におけるサブセルと、セルグループ２１０＿２におけるサブセルは、充電／バランス動作の期間中にバランスされることができる。同様に、一実施形態において、各セル２１０＿１−２１０＿Ｎは、異なる個数Ｎ_ＣＥＬＬの同一のサブセルを備えるセルグループであり得る。各二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎの巻き数は、対応セルグループ２１０＿１−２１０＿Ｎにおけるサブセルのセル数Ｎ_ＣＥＬＬに応じて選択される。このような一実施形態では、セルグループ２１０＿１−２１０＿Ｎにおけるサブセルは、充電／バランス動作の期間中に相互にバランスされることができる。

図３は、本発明の一実施形態による充電システム３００の例の他のブロック図である。図２と同じ符号が付された要素は同様の機能を有している。図３に示されるように、二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎは、パス３１２＿１−３１２＿Ｎのセットを介して、それぞれ、セル２１０＿１−２１０＿Ｎに接続されている。パス３１２＿１−３１２＿Ｎのセットの各パスは、出力スイッチを備えている。各出力スイッチ３１２＿１−３１２＿Ｎは、ボディダイオードを有するＭＯＳＦＥＴであり得る。このような一実施形態では、ＭＯＳＦＥＴ３１２＿１−３１２＿Ｎにおけるボディダイオードは、図２のダイオード２１２＿１−２１２＿Ｎの機能と同様の機能を有し、図３ではダイオード２１２＿１−２１２＿Ｎは省略されている。制御器２３０は、更に、スイッチ２０８を制御するための制御信号２２２を発生させると共にスイッチ３１２＿１−３１２＿Ｎを制御するための制御信号３２２＿１−３２２＿Ｎを発生させるためのスイッチ制御器３４０を備えることができる。

一実施形態において、スイッチ３１２＿１−３１２＿Ｎにおけるボディダイオードは、図２のダイオード２１２＿１−２１２＿Ｎの機能と同様の機能を有しており、スイッチ３１２＿１−３１２＿Ｎは、充電／バランス動作の期間中にターンオフされることができる。更に詳しくは、スイッチ２０８がターンオンまたはターンオフされようが、スイッチ３１２＿１−３１２＿Ｎはターンオフされる。

他の実施形態では、スイッチ制御器３４０は、スイッチ２０８の状態に基づいて、出力スイッチ３１２＿１−３１２＿Ｎを制御する。具体的には、スイッチ３１２＿１−３１２＿Ｎは、セルバランスのために必要とされる時間を低減するために、選択的にターンオンされることができる。例えば、上述したように、各クロックサイクルＴ_ＴＯＴの期間で、スイッチ２０８は、第１期間Ｔ_１の間、ターンオンされ、第２期間Ｔ_２および第３期間Ｔ_３の間、ターンオフされる。第１期間Ｔ_１では、出力スイッチ３１２＿１−３１２＿Ｎはターンオフされる。第２期間Ｔ_２では、もしセル２１０＿ｍ（ｍ＝１，２，…またはＮ）がセル２１０＿１−２１０＿Ｎのうちの最低電圧を有していれば、スイッチ制御器３４０は、セル２１０＿ｍに接続されたスイッチ３１２＿ｍをターンオンさせる。従って、スイッチ３１２＿ｍでの電圧損失が低減される。セル２１０＿ｍを充電するための充電電流Ｉ_Ｏｍを増加させることができる。スイッチ制御器３４０は、セル２１０＿ｍがスイッチ３１２＿ｍを介して二次巻線２０６＿ｍに放電することを防止するために、例えば第２期間Ｔ_２よりも短い比較的短時間でスイッチ３１２＿ｍをターンオンさせる。他の例について、もしセル２１０＿ｎ（ｎ＝１，２，…またはＮ）が、所定電圧、例えばセル２１０＿１−２１０＿Ｎの平均セル電圧Ｖ_ＯＡＶＥよりも低い電圧Ｖ_{ＬＯＷＥＲ}を有しており、且つ、所定電圧Ｖ_ＯＡＶＥが電圧閾値Ｖ_{ＤＩＦ＿ＴＨ}よりも大きければ、スイッチ制御器３４０は、セル２１０＿ｎに接続されたスイッチ３１２＿ｎをターンオンさせる。従って、セル２１０＿ｎを充電するための充電電流Ｉ_Ｏｎを増加させることができる。同様に、スイッチ制御器３４０は、セル２１０＿ｎがスイッチ３１２＿ｎを介して二次巻線２０６＿ｎに放電することを防止するために、比較的短い時間でスイッチ３１２＿ｎをターンオンさせる。その結果、セルバランスに必要な時間を低減することができる。

更に、他の実施形態では、スイッチ２０８がターンオンされると、スイッチ３１２＿１−３１２＿Ｎがターンオフされる。スイッチ２０８がターンオフされると、スイッチ３１２＿１−３１２＿Ｎがターンオンされる。従って、スイッチ３１２＿１−３１２＿Ｎにおけるボディダイオードでの電圧損失が低減され、セルバランスに必要とされる時間もまた低減される。このような一実施形態では、スイッチ２０８がターンオフされると、セル２１０＿１−２１０＿Ｎがスイッチ３１２＿１−３１２＿Ｎを介して二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎに放電することを防止するために、スイッチ３１２＿１−３１２＿Ｎが比較的短時間でターンされる。

図４は、本発明の一実施形態による充電システム４００の例の他のブロック図である。図２と同じ符号が付された要素は同様の機能を有する。図４に示されるように、充電システム４００は、電力変換器２０２とバッテリパック２１０を備える。また、充電システム４００は、セル２１０＿１−２１０＿Ｎのセル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮをモニタするためのバッテリモニタ４３６を備える。バッテリモニタ４３６は、セル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮに基づいて参照電圧Ｖ_ＲＥＦを計算し、そして、参照電圧Ｖ_ＲＥＦを示す参照信号を発生させて、例えばシリアル通信バスなどのバス４４８に与える。バッテリモニタ４３６は、更に、セル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮに基づいて、バッテリ充電処理を有効化(enabling)／無効化(disabling)するための制御信号を発生させてバス４４８に与える。充電システム４００は、更に、バッテリモニタ４３６からの参照信号と検出抵抗２１４からの電流情報に基づいてスイッチ２０８を制御するための制御器４３０を備える。

更に具体的には、制御器４３０は、シリアル通信回路４３２、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）４３４、比較器４３６、ＲＳ(reset-set)フリップフロップ４４０、発振器（ＯＳＣ）４３８、アンド（ＡＮＤ）ゲート４４２、ドライバ（ＤＲＶ）４４４を備える。シリアル通信回路４３２は、バス４４８を介して参照信号を受信し、そして、計算された参照電圧Ｖ_ＲＥＦを示すデジタル信号をＤＡＣ４３４に出力する。ＤＡＣ４３４は、参照電圧信号Ｖ_ＲＥＦを発生させて比較器４３６に与える。

比較器４３６は、参照電圧Ｖ_ＲＥＦと検出抵抗２１４の端子間電圧Ｖ_２１４を比較して、比較結果信号Ｒ_ＩＮを発生させ、これをＲＳフリップフロップ４４０のリセット端子Ｒに与える。加えて、発振器４３８は、クロック信号Ｓ_ＩＮを発生させて、ＲＳフリップフロップ４４０のセット端子Ｓに与える。クロック信号Ｓ_ＩＮは所定の周波数ｆ_ＳＷを有する。一実施形態では、ＲＳフリップフロップ４４０は、信号Ｓ_ＩＮおよびＲ_ＩＮの立ち上がりエッジでトリガされる。例えば、ＲＳフリップフロップ４４０の出力信号Ｑ_ＯＵＴは、信号Ｓ_ＩＮのパルスの立ち上がりエッジが発生すると、論理ハイに設定され、信号Ｒ_ＩＮのパルスの立ち上がりエッジが発生すると、論理ローに設定される。アンドゲート４４２は、上記出力信号Ｑ_ＯＵＴと、上記クロック信号Ｓ_ＩＮと、シリアル通信回路４３２からのイネーブル信号ＥＮ_Ｓを受け取る。従って、発振器４３８がパルスＳ_ＩＮを発生させてＲＳフリップフロップ４４０に与え、且つ、イネーブル信号ＥＮ_Ｓが論理ハイであれば、アンドゲート４４２は、論理ハイの信号を発生させてドライバ４４４に与え、スイッチ２０８をターンオンさせる。入力電流Ｉ_ＰがレベルＶ_ＲＥＦ／Ｒ_２１４に増加すると、比較器４３６は、パルスＲ_ＩＮを発生させてＲＳフリップフロップ４４０に与え、従って、アンドゲート４４２は、論理ローの信号を発生させてドライバ４４４に与え、スイッチ２０８をターンオフさせる。クロック信号Ｓ_ＩＮのクロックサイクルＴ_ＴＯＴが終了すると、出力信号Ｑ_ＯＵＴは他のパルスＳ_ＩＮにより再び論理ハイに設定される。

図４の例では、アンドゲート４４２の入力信号は、クロック信号Ｓ_ＩＮを含んでいる。従って、例えば、比較器４３６がパルスＲ_ＩＮを発生させてＲＳフリップフロップ４４０に与える前に、例えば、入力電流Ｉ_ＰがレベルＶ_ＲＥＦ／Ｒ_２１４に増加する前に、各クロックサイクルで、クロック信号Ｓ_ＩＮが論理ローにならないように、クロック信号Ｓ_ＩＮのデューティサイクルは、例えば、比較的高く（例えば５０％、６０％）なるように選択される。その結果、スイッチ２０８は、クロック信号Ｓ_ＩＮの立ち上がりエッジが発生するとターンオンされ、そして、比較結果信号Ｒ_ＩＮの立ち上がりエッジが発生するまでオン状態に保持される。有利には、もし比較器４３６が無効化(disabled)され、または好ましくない状態（例えば、比較器４３６が故障し、またはＤＡＣ ４３４が故障するなど）が発生すれば、アンドゲート４４２は、クロック信号Ｓ_ＩＮに従って出力信号を発生させることができる。スイッチ２０８は、充電システム４００が引き続き適切に動作するように、クロック信号Ｓ_ＩＮにより周期的にターンオンされる。

更に、セル２１０＿１−２１０＿Ｎが満充電されると、または何らかの好ましくない状態（例えば、過電圧状態、過電流状態、過温度状態）が発生すると、バッテリモニタ４３６は、スイッチ２０８を無効化するためにイネーブル信号ＥＮ_Ｓが論理ローに設定されるように制御信号を発生させてバス４４８を介してシリアル通信回路４３２に与える。

供給端子２２０は、異なる電源から電力を受電することができる。例えば、供給端子２２０は、電源４１０に接続される。電源４１０は、予備電源や太陽電池パネルなどであってもよく、これに限定されない。他の例では、供給端子２２０は、バッテリパック２１０に接続される。この例では、電力変換器２０２は、複数のセル２１０＿１−２１０＿Ｎからエネルギーを受け取り、そして、このエネルギーをセル２１０＿１−２１０＿Ｎに分配する。セル２１０＿１−２１０＿Ｎは、セル２１０＿１−２１０＿Ｎからのエネルギーに基づいて相互にバランスされる。その結果、セル２１０＿１−２１０＿Ｎのセル電圧Ｖ’_Ｏ１−Ｖ’_ＯＮ（バランス処理後の電圧）は、実質的に、セル電圧Ｖ_Ｏ１−Ｖ_ＯＮ（バランス処理前の電圧）の平均電圧Ｖ_ＯＡＶＥに等しく、例えば、Ｖ’_Ｏ１＝Ｖ’_Ｏ２…＝Ｖ’_ＯＮ＝Ｖ_ＯＡＶＥである。

図５は、本発明の一実施形態による充電システム５００の例の他のブロック図である。図２および図４と同一の符号が付された要素は同様の機能を有する。図５に示されるように、充電システム５００は、複数のバッテリパック５１０＿１，５１０＿２，…５１０＿Ｎにおけるセルを充電／バランスさせることができる。

更に詳しくは、二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎは、複数のスイッチマトリックス５５０＿１，５５０＿２，…５５０＿Ｎを介して、それぞれ、バッテリパック５１０＿１−５１０＿Ｎに接続される。各バッテリパック５１０＿１−５１０＿Ｎは、複数のセルを備える。従って、各スイッチマトリックス５５０＿１−５５０＿Ｎは、複数対のスイッチを有し、スイッチの各対は、対応するセルと対応する二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎとの間を接続／切断するために使用される。複数のスイッチ制御器５５２＿１，５５２＿２，…５５２＿Ｎ、例えばシリアル通信および電源スイッチデコーダは、それぞれ、シリアル通信バス４４８からの制御信号５５４に基づいてスイッチマトリックス５５０＿１−５５０＿Ｎにおけるスイッチを制御するために使用される。制御信号５５４は、バッテリパック５１０＿１−５１０＿Ｎにおけるセルをモニタするバッテリモニタ５３６からのものであることができる。有利には、スイッチマトリックス５５０＿１−５５０＿Ｎを適切に制御することにより、バッテリパック５１０＿１−５１０＿Ｎにおけるセルは、相互にバランスされることができる。

例えば、各スイッチ制御器５５２＿１−５５２＿Ｎは、対応のバッテリパック５１０＿１−５１０＿Ｎにおけるセルにエネルギーが順次的に伝送されるように、対応のスイッチマトリックス５５０＿１−５５０＿Ｎにおけるスイッチ対を順次的にターンオンさせることができる。各スイッチ制御器５５２＿１−５５２＿Ｎは、また、例えば、対応のバッテリパック５１０＿１−５１０＿Ｎにおけるセルの状態、例えばセル電圧に基づいて、スイッチの対を選択的にターンオンさせることができる。例えば、もしバッテリパック５１０＿ｋ（ｋ＝１，２，…Ｎ）におけるセルが、バッテリパック５１０＿ｋにおけるセルのうち、最低セル電圧を有するものであれば、スイッチ制御器５５０＿ｋは、スイッチの対応の対をターンオンさせて、エネルギーを上記最低電圧を有するセルに伝送させる。その結果、複数回にわたってスイッチマトリックス５５０＿１−５５０＿Ｎにおけるスイッチを選択的にターンオンさせることにより、バッテリパック５１０＿１−５１０＿Ｎにおけるセルは相互にバランスされることができる。

図５の例では、複数の分離されたスイッチ制御器５５２＿１−５５２＿Ｎが、スイッチマトリックス５５０＿１−５５０＿Ｎを制御するために使用される。しかしながら、他の実施形態では、スイッチマトリックス５５０＿１−５５０＿Ｎの全てを制御するために、分離したスイッチ制御器５５２＿１−５５２＿Ｎの代わりに、単一のスイッチ制御器（図５には示されていない）を使用することができる。図５の例では、単一のバッテリモニタ５３６が、バッテリパック５１０＿１−５１０＿Ｎにおけるセルの全てをモニタする。しかしながら、他の実施形態では、複数の分離されたバッテリモニタ（図５では示されていない）が、それぞれ、バッテリパック５１０＿１−５１０＿Ｎにおけるセルをモニタするために、代わりに使用されることができる。

図６は、本発明の一実施形態による充電システム（２００、または３００、または４００、または５００）によって実行される動作例のフローチャート６００を示す。図６は、図２、図３、図４および図５と組み合わせて説明される。

ブロック６０２では、一次巻線２０４が、供給端子２２０から入力電力を受電する。

ブロック６０４では、複数の二次巻線２０６＿１−２０６＿Ｎが、入力電力を複数の充電電流Ｉ_Ｏ１−Ｉ_ＯＮに変換する。このような一実施形態では、第１の二次巻線（例えば２０６＿Ａ）の第１の巻き数（例えば、ｎ_{２０６＿Ａ}）と第２の二次巻線（例えば２０６＿Ｂ）の第２の巻き数（例えばｎ_{２０６＿Ｂ}）との間の比は、セル２１０＿１−２１０＿Ｎのセットのうちの二つの対応セルの間の公称電圧比によって決定される（ただし、Ａ＝１，２，…Ｎ；Ｂ＝１，２，…Ｎ；且つＡ≠Ｂ）。

ブロック６０６では、充電電流Ｉ_Ｏ１−Ｉ_ＯＮは、例えばダイオードのセットなどのパス２１２＿１−２１２＿Ｎのセットを介して、それぞれ、セル２１０＿１−２１０＿Ｎのセットを充電する。

加えて、ブロック６０８に示されるように、セル２１０＿１−２１０＿Ｎのセットは、充電電流Ｉ_Ｏ１−Ｉ_ＯＮに基づいてバランスされる。

要約すると、本発明による実施形態は、電力変換器と、この電力変換器を使用する充電システムを提供する。電力変換器は、スイッチを介してグランドと供給端子に接続された一次巻線を備える。電力変換器は、更に、例えば、ダイオードのセットを含むパスのセットを介してセルのセットに接続された複数の二次巻線を備える。この電力変換器を使用することにより、本充電システムは、セルのセットを充電することができると共に、セルのセットを同時にバランスさせることができる。更に、本充電システムは、セルの端子間電圧に応じて入力スイッチを制御することにより、セルのセットに対する充電電流を所望のレベルに調整することができる。

上述の説明および図面が、本発明の実施形態を表すが、本発明の原理の範囲および精神を逸脱することなく、種々の付加、変形、置き換えがなされ得ることが理解されるであろう。当業者であれば、本発明が、本発明の実施において使用される、形式、構造、配置、プロパティ、材料、ソース信号推定値、および構成要素、その他と共に使用されることが分かり、それらは、とりわけ、本発明の原理を逸脱することなく特定の環境および動作要件に適合される。従って、ここに開示された実施形態は、全ての点において例示的なものであって、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲は、添付の請求項と、それらの合法的な均等物により示され、前述の説明に制限されない。

１００ 電力変換器
１０２ 変圧器
１０４ 一次巻線
１０６ 二次巻線
１０８ スイッチ
１１０ バッテリ
１１２ ダイオード
１１４ 抵抗
１１６ 比較器
１２０ 供給端子
１２４ 容量
１３０ 制御器
２００ 充電システム
２０２ 変換器
２１０ バッテリパック
２２０ 供給端子
２３０ 制御器
３００ 充電システム
４００ 充電システム
４１０ 電源
４３０ 制御器
４３６ バッテリモニタ
５００ 充電システム
５１０ バッテリパック
５３６ バッテリモニタ
５５０ スイッチマトリックス

Claims (23)

1. 入力電力を受電するための一次巻線と、
   前記入力電力を、複数のパスを介して複数のセルを充電するための複数の充電電流に変換すると共に、前記充電電流に基づいて前記複数のセルをバランスさせるための複数の二次巻線とを備え、
   前記二次巻線のうちの第１の二次巻線の第１の巻き数と前記二次巻線のうちの第２の二次巻線の第２の巻き数との間の比が、前記複数のセルのうちの対応する二つのセル間の公称電圧比によって決定される電力変換器。
2. 前記複数のパスのそれぞれは、前記一次巻線に直列に接続された入力スイッチがターンオンされたときに無効化され、前記入力スイッチがターンオフされたときに有効化される請求項１記載の電力変換器。
3. 前記複数のパスのそれぞれは、前記二次巻線のうちの対応する二次巻線と前記複数のセルのうちの対応するセルとに直列に接続されたダイオードを含む請求項１記載の電力変換器。
4. 前記複数のパスのそれぞれが出力スイッチを備えた請求項１記載の電力変換器。
5. スイッチ制御器は、前記一次巻線に直列に接続された入力スイッチの状態に基づいて前記出力スイッチを制御する請求項４記載の電力変換器。
6. 前記複数のセルのうちの第１のセルの端子間の第１の電圧が前記複数のセルのうちの第２のセルの端子間の第２の電圧よりも大きければ、前記第１のセルを充電するための第１の充電電流は、前記第２のセルを充電するための第２の充電電流よりも小さい請求項１記載の電力変換器。
7. 前記第１の巻き数と前記第２の巻き数との間の前記比は、前記二つの対応するセルの間の前記公称電圧比に概ね等しい請求項１記載の電力変換器。
8. 複数のセルを充電するための方法であって、
   電力変換器の一次巻線で入力電力を受電するステップと、
   前記入力電力を、前記電力変換器の複数の二次巻線により複数の充電電流に変換するステップと、
   複数のパスを介して前記充電電流により前記複数のセルを充電するステップと、
   前記充電電流に基づいて前記複数のセルをバランスさせるステップとを含み、
   前記二次巻線のうちの第１の二次巻線の第１の巻き数と前記二次巻線のうちの第２の二次巻線の第２の巻き数との間の比が、前記複数のセルのうちの対応する二つのセル間の公称電圧比によって決定される方法。
9. 前記一次巻線に直列に接続された入力スイッチがターンオンされたときに、前記複数のパスのそれぞれを無効化するステップと、
   前記入力スイッチがターンオフされたときに、前記複数のパスのそれぞれを有効化するステップとを更に含む請求項８記載の方法。
10. 前記複数のパスのそれぞれがダイオードを備えた請求項８記載の方法。
11. 前記複数のパスのそれぞれが出力スイッチを備えた請求項８記載の方法。
12. 前記一次巻線に直列に接続された入力スイッチの状態に基づいて前記出力スイッチを制御するステップを更に含む請求項８記載の方法。
13. 前記複数のセルのうちの第１のセルの端子間の第１の電圧が前記複数のセルのうちの第２のセルの端子間の第２の電圧よりも大きければ、前記第１のセルを充電するための第１の充電電流は、前記第２のセルを充電するための第２の充電電流よりも小さい請求項８記載の方法。
14. 前記第１の巻き数と前記第２の巻き数との間の前記比は、前記対応する二つのセル間の前記公称電圧比に概ね等しい請求項８記載の方法。
15. 複数のパスを介して複数のセルを充電するための複数の充電電流を供給するための電力変換器を備え、前記電力変換器は、
    入力スイッチを介してグランド端子と供給端子との間に接続され、前記供給端子から入力電力を受電する一次巻線と、
    前記入力電力を前記充電電流に変換すると共に、前記充電電流に基づいて前記複数のセルをバランスさせるための複数の二次巻線と、
    前記入力スイッチに接続され、前記入力スイッチを制御することにより前記入力電力を前記充電電流に変換するように前記二次巻線を制御するための制御器とを備えた充電システム。
16. 前記入力スイッチがターンオンされたときに、前記複数の二次巻線の各二次巻線が前記一次巻線からエネルギーを受け取り、前記入力スイッチがターンオフされたときに、前記複数の二次巻線の各二次巻線が前記エネルギーを前記複数の充電電流のうちの対応する充電電流に変換する請求項１５記載の充電システム。
17. 前記複数のパスのそれぞれは、前記複数の二次巻線のうちの対応する二次巻線と前記複数のセルのうちの対応するセルとに直列に接続されたダイオードを備えた請求項１５記載の充電システム。
18. 前記複数のセルのうちの第１のセルの端子間の第１の電圧が前記複数のセルのうちの第２のセルの端子間の第２の電圧よりも大きければ、前記第１のセルを充電するための第１の充電電流は、前記第２のセルを充電するための第２の充電電流よりも小さい請求項１５記載の充電システム。
19. 前記第１の巻き数と前記第２の巻き数との間の前記比は、前記対応する二つのセル間の前記公称電圧比に概ね等しい請求項１５記載の充電システム。
20. 前記制御器は、前記複数のセルの各セルの端子間の電圧に応じて、前記一次巻線を通して流れる入力電流を調整する請求項１５記載の充電システム。
21. 前記制御器は、前記一次巻線を通して流れる入力電流を示す検出信号を参照信号とを比較するための比較器を備えた請求項１５記載の充電システム。
22. 前記制御器は、前記参照信号を調整することにより前記複数の充電電流の和を所定のレベルに調整する請求項２１記載の充電システム。
23. 前記制御器は、前記複数のセルの各セルの端子間の電圧に応じて前記参照信号を調整する請求項２１記載の充電システム。

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