JP2011217597A - バッテリパックのための平衡システム - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリパックのための平衡システム。
【解決手段】第１の平衡段と、第２の平衡段と、を含むバッテリパックのための平衡システムである。バッテリパックは、複数のモジュールを含み、バッテリパックにおけるモジュールの各々は、セルからなるサブセットを含む。第１の平衡段は、不平衡モジュールを平衡にすることができる。第１の平衡段に接続されている第２の平衡段は、モジュールにおける不平衡セルを平衡にすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリパックのための平衡システムに関する。

現在、Ｌｉ−ｉｏｎバッテリは、電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）のような“環境に優しい”自動車に使用されている。Ｌｉ−ｉｏｎバッテリにおける単一セルの電圧は、約３〜４ボルトであるが、ＥＶおよびＨＥＶは一般的に、１００ボルトより高い電圧を必要とする。通常、直列に結合された複数のセルを含むバッテリパックは、ＥＶおよびＨＥＶを駆動するために使用される。

バッテリの管理を容易にするために、バッテリパックのセルは、複数のモジュールとして配置され、それらモジュールの各々は、特定数のセルを含む。しかし、この種のバッテリパックは、不平衡状態に敏感であり、バッテリパックの能力に悪影響を及ぼす。

米国仮特許出願第６１／３１９３９６号明細書

１つの実施形態において、バッテリパックのための平衡システムは、第１の平衡段および第２の平衡段を含む。バッテリパックは、複数のモジュールを含み、バッテリパックの各モジュールは、セルからなるサブセットを含む。第１の平衡段は、不平衡モジュールを平衡にすることができる。第１の平衡段に結合された第２の平衡段は、モジュールの不平衡セルを平衡にすることができる。

課題に対する実施形態の特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面を参照することで明らかとなり、同じ参照番号は、同じ部分を示す。

図１は、本発明の１つの実施形態によるバッテリパックのモジュールのための平衡回路を示すブロック図である。 図２は、本発明のもう１つの実施形態によるバッテリパックのサブモジュールのための平衡回路を示すブロック図である。 図３は、本発明のもう１つの実施形態によるバッテリパックのサブモジュールのための平衡回路を示すブロック図である。 図４は、本発明のもう１つの実施形態によるバッテリパックのサブモジュールのための平衡回路を示すブロック図である。 図５は、本発明のもう１つの実施形態によるバッテリパックのサブモジュールのための平衡回路を示すブロック図である。 図６は、本発明の１つの実施形態によるバッテリパックのための平衡システムを示すブロック図である。 図７は、本発明の１つの実施形態によるバッテリパックの平衡を制御するための方法のフローチャートである。

ここで、本発明の実施形態を詳細に参照する。本発明は、これらの実施形態と共に説明されるが、本発明をこれらの実施形態に限定するものではないことが分かる。反対に、本発明は、特許請求の範囲で定義された本発明の精神および範囲内に含まれることができる代替物、修正物および均等物に及ぶことを意図する。

しかし、これらのおよび類似の用語の全ては、適切な物理量に関連付けられており、これらの物理量に適用される単に便利なラベルであることが分かる。以下の検討から明らかなように、特に言及する場合を除き、本願全体を通じて、“判断”、“平衡”、“カウント”、“比較”、“接続”、“結合”、“転送”等のような用語を利用する検討は、コンピュータシステムのレジスタおよびメモリ内の物理（電子）量として示されたデータを扱ってコンピュータシステムメモリまたはレジスタまたはそのような情報記憶、伝送または表示装置内の物理量として類似に示された他のデータに変換するコンピュータシステムまたは類似の電子計算装置の行動および処理に言及する。

また、本発明の以下の詳細な説明において、複数の特定の詳細は、本発明の十分な理解を提供するために説明される。しかし、当業者であれば、本発明は、これらの特定の詳細がなくても実施できることが分かる。他の例において、周知方法、手順、構成要素および回路は、本発明の局面を不必要に曖昧にしないように、詳細に説明されない。

本発明による実施形態は、多段平衡システムを有するバッテリパックを含む。有利な点として、複数の変圧器は、１つの実施形態において多段平衡システムに採用される。結果として、バッテリパックの不平衡状態は、検出および調整されることができる。

図１は、本発明の１つの実施形態による複数のモジュールを備えたバッテリパックのモジュール１００のための平衡回路を示す。図１の例において、モジュールの１００の複数のセルは、複数のサブモジュールとして配置される。モジュール１００は、サブモジュール１２０、１４０および１６０、フライバック変圧器の２次側によって形成される調整器、およびスイッチ１５６を含む。各サブモジュールは、複数のセル、およびＡＦＥ装置１２２、１４２および１６２等のアナログフロントエンド（ＡＦＥ）装置を含む。１つの実施形態では、フライバック変圧器は、１次巻線１８８、コア１８０、および２次巻線１８２、１８４および１８６を含む。２次巻線１８２は、ダイオード１２６を介してＡＦＥ装置１２２に結合される。１つの実施形態では、キャパシタ１２５は、ＡＦＥ装置１２２と並行に結合される。類似の方法では、２次巻線１８４は、ダイオード１４６を介してＡＦＥ装置１４２に結合される。キャパシタ１４５は、ＡＦＥ装置１４２と並行に結合される。２次巻線１８６は、ダイオード１６６を介してＡＦＥ装置１６２に結合される。キャパシタ１６５は、ＡＦＥ装置１６２と並行に結合される。このように、２次巻線１８２、１８４および１８６を含む調整器は、形成される。調整器は、ＡＦＥ装置１２２、１４２および１６２をそれぞれ介してサブモジュール１２０、１４０および１６０に結合される。３つのサブモジュールが図１に示されるが、本発明は、それに限定されない。

各ＡＦＥ装置１２２、１４２および１６２は、スイッチアレイ、例えば１つの実施形態においてマルチプレクサ（ＭＵＸ）１２７、１４７または１６７を含む。各ＡＦＥ装置はまた、１つのサブモジュールから異なるポテンシャルレベルにあるもう１つのサブモジュールへ情報を上下に転送する垂直通信バス１７０を有する。垂直通信バスを用いて、複数のサブモジュール間の通信および複数のモジュール間の通信が達成されることができる。動作中、各ＡＦＥ装置は、対応するサブモジュールの不平衡状態を検出するために動作可能である。

１つの実施形態では、ＡＦＥ装置１２２は、マルチプレクサ１２７、１４７および１６７およびスイッチ１５６を制御するために制御信号を送信する。不平衡状態が存在する場合、マルチプレクサ１２７、１４７および１６７およびスイッチ１５６は、アクティブバランス（ａｃｔｉｖｅ ｂａｌａｎｃｅ）を行うために制御される。例えば、ＡＦＥ装置１４２がサブモジュール１４０で不平衡セルを検出する場合、サブモジュール１４０の不平衡状態を示す警告信号は、垂直通信バス１７０を介して下部ＡＦＥ装置１２２に送信される。下部ＡＦＥ装置１２２は、ＡＦＥ装置１４２に制御信号を送信することができる。それに応じて、ＡＦＥ装置１４２のマルチプレクサ１４７は、不平衡セルを選択し、不平衡セルを２次巻線１８４に結合することができる。サブモジュール１２０および１６０に不平衡セルがない場合、マルチプレクサ１２７および１６７は、セルを選択せず、サブモジュール１２０および１６０は、ＡＦＥ装置１２２および１６２をそれぞれ介して２次巻線１８２および１８６に結合される。１つの実施形態では、下部ＡＦＥ装置１２２はまた、パルス幅偏重（ＰＷＭ）ドライバを含むことができる。警告信号に応じて、ＰＷＭドライバは、アクティブバランスが完了／終了するまで、スイッチ１５６を交互にオンおよびオフに切り替えるために、パルス信号、例えばＰＷＭ信号を出力する。

アクティブバランスは、複数のサイクルを含み、各サイクルは、１つの実施形態において、スイッチ１５６のオンおよびオフ期間を含む。スイッチ１５６は、１つの実施形態において、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）を含む。スイッチ１５６がオンに切り替えられる時、１次巻線１８８を介して流れる電流は、増え、１次巻線１８８は、ローカルモジュール１００から送られたエネルギを貯蔵し、逆バイアスダイオード１２６、１４６および１６６によって２次巻線１８２、１８４および１８６を介して電流が流れない。スイッチ１５６がオフに切り替えられる時、１次巻線１８８を介して流れる電流は、減り、故に全ての２次巻線１８２、１８４および１８６は、ダイオード１２６、１４６および１６６をそれぞれ順バイアスにするために正の電圧を得る。このように、２次巻線１８２、１８４および１８６を介して流れる電流は、生成され、１次巻線１８８に貯蔵されたエネルギは、２次巻線１８２、１８４および１８６に転送される。上記説明の通り、サブモジュール１４０の不平衡セルは、２次巻線１８４に結合される。故に、２次巻線１８４によって得られたエネルギはまた、不平衡セルに送られる。サブモジュール１２０および１６０は、２次巻線１８２および１８６にそれぞれ結合される。故に、２次巻線１８２および１８６によって得られたエネルギはまた、サブモジュール１２０および１６０にそれぞれ送られる。

即ち、アクティブバランスのサイクルにおいて、フライバック変圧器の１次巻線１８８は、スイッチ１５６のオン期間の間に、ローカルモジュール１００からエネルギを受けて、スイッチ１５６のオフ期間の間に、ローカルモジュール１００からサブモジュール１４０の不平衡セルへ、およびサブモジュール１２０および１６０へエネルギを転送する。サブモジュール１４０の不平衡セルが平衡にされるまで、アクティブバランスのサイクルは、続く。不平衡セルが平衡にされる時、ＡＦＥ装置１４２は、垂直通信バス１７０を介してＡＦＥ装置１２２にサブモジュール１４０の平衡状態を知らせる。それに応じて、ＡＦＥ装置１２２は、モジュール１００のマルチプレクサ１２７、１４７および１６７およびスイッチ１５６を無効にするために制御信号を送信することができる。故に、アクティブバランスは、終了する。

有利な点として、全体モジュール１００からのエネルギは、個々の不平衡セルを平衡にするために使用され、平衡処理は、比較的早い速度で完了することができる。また、１つよりも多いサブモジュールが不平衡セルを含む場合、これらの不平衡セルのアクティブバランスは、同時に行われることができる。サブモジュールが１つよりも多い不平衡セルを含む場合、複数の平衡処理は、１つずつ不平衡セルを平衡にするために使用される。より具体的に、サブモジュールのマルチプレクサは、第１の平衡処理においてアクティブバランスを行うために第１の不平衡セルを選択し、第２の平衡処理においてアクティブバランスを行うために第２の不平衡セルを選択する。

１つの実施形態では、もう１つのスイッチアレイ（図示せず）は、図１の各ＡＦＥ装置のスイッチアレイと並列に結合されることができる。このように、比較的大きな電流は、平衡処理の間に２次巻線を介して流れるために生成されることができるので、平衡処理は、なお比較的早い速度で完了されることができる。

１つの実施形態では、ＡＦＥ装置１２２は、セルを介して流れる電流を監視し、過電流状態が存在するかを判断する。監視された電流が特定の／閾値電流よりも高い場合、ＡＦＥ装置１２２は、過電流状態が存在することを判断する。この場合、ＡＦＥ装置１２２は、スイッチ１５６に送信されるＰＷＭ信号の負荷サイクルを減らすことができる。故に、セルを介して流れる電流は、相応に減る。

モジュール１００はまた、スイッチ１５２および１５４、レジスタ１９４および１９６、ダイオード１１４、キャパシタ１１６、および端子Ｐ＋およびＰ−を含み、その動作は、図６と共に説明される。図６は、本発明の１つの実施形態によるバッテリパックのための平衡システムのブロック図を示す。図６の例において、バッテリパック６００の複数のセルは、複数のモジュールとして配置される。バッテリパック６００は、モジュール１００、１０２および１０４、フライバック変圧器の２次側によって形成された調整器、スイッチ６５０、および制御ユニット６８０を含む。モジュール１０２および１０４は本質的に、モジュール１００と同じである。３つのモジュールは、図６に示すように使用されるが、本発明は、それに限定されない。１つの実施形態では、フライバック変圧器は、１次巻線６６８、コア６６０、および２次巻線６６２、６６４および６６６を含む。２次巻線６６２、６６４および６６６は、モジュール１００、１０２および１０４にそれぞれ結合される。１つの実施形態では、制御ユニット６８０は、ＣＥＣＵ（中央電子制御ユニット）である。

１つの実施形態では、モジュール１００、１０２および１０４は、同じ構成を有する。図６の各２次巻線は、ダイオード１１４およびスイッチ１５２を介して対応するモジュールに結合される。このように、２次巻線６６２、６６４および６６６を含む調整器は、形成される。

上記説明の通り、モジュール１００、１０２および１０４間の通信は、垂直通信バスによって実現されることができる。制御ユニット６８０は、モジュール１００に結合される。故に、制御ユニット６８０は、モジュール１００、１０２および１０４の不平衡状態を検出することができ、即ち、任意の２つのモジュール間における電圧差が閾値を下回るかを検出することができる。また、制御ユニット６８０は、バッテリパック６００の各セルの不平衡状態を検出することができる。

１つの実施形態では、制御ユニット６８０は、スイッチ１５４およびスイッチ６５０を制御するために、制御信号を送信する。スイッチ１５４およびスイッチ６５０は、バッテリパック６００の不平衡モジュールを平衡にするために制御される。例えば、モジュール１００が不平衡であると制御ユニット６８０が検出する場合、制御ユニット６８０は、モジュール１００に制御信号を送信し、スイッチ６５０にパルス信号、例えばＰＷＭ信号を送信する。それに応じて、図１に戻って参照すると、モジュール１００のスイッチ１５４は、制御ユニット６８０から送信された制御信号によってオンに切り替えられることができる。相応して、スイッチ１５２のゲート−ソース電圧に等しいレジスタ１９４にわたる電圧降下は、生成される。故に、スイッチ１５２は、オンに切り替えられ、モジュール１００は、端子Ｐ＋およびＰ−を介して図６に示される対応する２次巻線６６２に結合される。

スイッチ６５０は、アクティブバランスが完了／終了されるまで、ＰＷＭ信号によって交互にオンおよびオフに切り替えられる。アクティブバランスは、複数のサイクルを含み、各サイクルは、１つの実施形態において、スイッチ６５０のオンおよびオフ期間を含む。スイッチ６５０は、１つの実施形態でＮ型ＭＯＳＦＥＴを含む。スイッチ６５０がオンに切り替えられる時、１次巻線６６８を介して流れる電流は、増えて、１次巻線６６８は、バッテリパック６００から送られたエネルギを格納し、図１の逆バイアスダイオード１１４によって、２次巻線６６２を介して電流が流れない。スイッチ６５０がオフに切り替えられる時、１次巻線６６８を介して流れる電流は、減り、故に、２次巻線６６２は、ダイオード１１４を順バイアスにするために正の電圧を得る。スイッチ１５２が不平衡モジュール１００でオンに切り替えられるので、２次巻線６６２を介して流れる電流は、生成され、１次巻線６６８に格納されたエネルギは、２次巻線６６２に転送され、次いで不平衡モジュール１００に転送される。

アクティブバランスのサイクルは、バッテリパック６００の不平衡モジュール１００が平衡にされるまで続く。不平衡モジュールが平衡にされたことを制御ユニット６８０が検出する時、制御ユニット６８０は、各モジュールにおける図１のスイッチ１５４のようなスイッチおよびスイッチ６５０を無効にするために制御信号を送信することができる。故に、アクティブバランスは、終了される。

有利な点として、バッテリパック６００が１つより多い不平衡モジュールを含む場合、これらの不平衡モジュールのアクティブバランスは、同時に行われることができる。故に、迅速な平衡を達成することができる。

図１および図６に関して説明した平衡回路は、多段または多段平衡回路と呼ぶことができる。より詳細に、図１に示す平衡回路は、モジュール内の２段平衡を実行し、図６に示す平衡システムは、モジュール間の１段平衡を実行する。即ち、平衡システム６００は、図６に示すスイッチ６５０および変圧器を含む第１の平衡段を含むことができる。第１の平衡段は、バッテリパックの不平衡モジュールを平衡にすることができる。平衡システム６００はまた、図１に示すスイッチ１５６および変圧器を含む第２の平衡段を含むことができる。第２の平衡段は、不平衡モジュール内の不平衡セルを平衡にすることができる。

また、制御ユニット６８０は、モジュール１００に結合され、垂直通信バスによって平衡システム６００の任意のモジュールと通信することができる。例えば、制御ユニット６８０から送信された制御信号は、モジュール１００に転送されることができ、モジュール１００は順番に、制御信号をモジュール１０２に転送し、モジュール１０２は順番に、それらのモジュール間の垂直通信バスによって制御信号をモジュール１０４に転送する。

有利な点として、図６では、モジュール１００、１０２および１０４は、縦列接続（ｃａｓｃａｄｅ）され、不平衡モジュール／複数のモジュールは、変圧器および比較的信頼できるスイッチ６５０によって平衡にされることができる。もう１つの実施形態では、図６の変圧器は、存在せず、各モジュールは、上記第１の平衡段を形成する変圧器を含む。この例では、各モジュールの変圧器の１次巻線は、バッテリパックに結合され、変圧器の２次巻線は、モジュールのセルに結合されるが、これは、さらに電気的接続を必要とするので、図６に示す実施形態は、比較的信頼性がある。

１つの実施形態では、制御ユニット６８０は先ず、バッテリパック６００の任意のモジュールが不平衡セルを有するかを判断する。モジュールが不平衡セルを有する場合、不平衡セルは、上記第２の平衡段によって平衡にされることができる。モジュールの不平衡セルの数が閾値を超える場合、制御ユニット６８０は、モジュールが不平衡であると判断する。モジュールが不平衡であると制御ユニット６８０が結論する場合、モジュールは、上記第１の平衡段によって平衡にされることができる。

１つの実施形態では、バッテリパック６００に結合されている代わりに、１次巻線６６８は、１２Ｖまたは４２Ｖバッテリパック等、低電圧バッテリシステム（図６に図示せず）に結合される。このように、スイッチ６５０のための降伏電圧は、比較的低く、スイッチ６５０の制御を比較的し易い。

図１に戻って参照すると、スイッチ１５２および１５４およびレジスタ１９４および１９６は、図６の対応する２次巻線にモジュール１００を結合するために共に機能する。代わりに、１つのみのスイッチは、図６の対応する２次巻線にモジュール１００を結合するために採用されても良い。この例では、スイッチは、サブモジュール１２０および図１の端子Ｐ−間で結合されることができる。

１つの実施形態では、スイッチ１５２は、存在せず、ダイオード１１４のカソードは、１次巻線１８８およびレジスタ１９４の共通ノードに直接結合される。この例では、モジュール１００が不平衡であってその電圧レベルが図６のバッテリパック６００の他のモジュールよりも高い場合、スイッチ１５４は、上記説明の通りにオンに切り替えられ、モジュール１００の電気エネルギは、レジスタ１９４および１９６によって形成されたパッシブブリーディングパス（ｐａｓｓｉｖｅ ｂｌｅｅｄｉｎｇ ｐａｔｈ）によって消費されることができる。結果として、モジュール１００の電圧レベルは、平衡電圧レベルに下がることができる。

図２は、本発明のもう１つの実施形態によるバッテリパックのサブモジュール２００のための平衡回路を示す。図１と同じ番号の構成要素は、類似の機能を有する。図２は、図１と共に説明される。図２の例において、サブモジュール２００は、２次巻線１８２に結合され、複数のセル、ＡＦＥ装置２２０、マルチプレクサ２４０のようなスイッチアレイ、ダイオード１２６およびキャパシタ１２５を含む。サブモジュール２００に類似したサブモジュールは、それぞれ図１の２次巻線１８４および１８６に類似に結合されることができる。

図２の例では、スイッチアレイ（例えば、マルチプレクサ２４０）は、ＡＦＥ装置２２０の外に位置する。マルチプレクサ２４０は、１つの実施形態において、図１の各サブモジュールのマルチプレクサに類似する。有利な点として、平衡処理のための最大電流は、マルチプレクサ２４０の異なるレーティングのスイッチの使用によって変更されることができる。また、平衡処理を完了するのに必要な時間は、調整されることができる。例えば、平衡処理が比較的早く完了される場合、その後高い電流レーティングを備えたスイッチは、使用されることができる。

図２の例では、ＡＦＥ装置２２０は、平衡ＡＦＥ部２２２およびアドバンストＡＦＥ部２２４を含む。平衡ＡＦＥ部２２２は、１つの実施形態において平衡処理のマルチプレクサ２４０を制御することができる。アドバンストＡＦＥ部２２４は、アナログ信号からデジタル信号へ各セルの状態を変換するためのＡＤＣ（アナログ−デジタル変換器）を含むことができ、デジタル信号は、プロセッサ（図２に示さず）に提供されることができる。プロセッサは、各種信号処理目的でデジタル信号を処理することができる。

マルチプレクサ２４０の第１組のスイッチは、１つの実施形態において、複数のセルの正端子を１つずつ、２次巻線１８２の１側に結合する。マルチプレクサ２４０の第２組のスイッチは、１つの実施形態において、複数のセルの負端子を１つずつ、２次巻線１８２のもう１側に結合する。故に、マルチプレクサ２４０は、アクティブバランスを行うために各セルを選択することができる。

ＡＦＥ装置２２０は、１つの実施形態において、ＩＣチップとして形成されることができる。この例では、ＡＦＥ装置２２０の複数のピンからの信号は、セルを２次巻線１８２に結合するためにマルチプレクサ２４０のスイッチを制御することができる。図２の例において、セル２０６は、サブシステム２００の全てのセルのうちのグランドと比べて最高の電圧レベルを有し、セル２０２は、サブシステム２００の全てのセルのうちグランドと比べて最低の電圧レベルを有し、セル２０４は、セル２０６の電圧レベルとセル２０２の電圧レベルとの間の電圧レベルを有する。スイッチＳＰ（Ｋ）およびＳＮ（Ｋ）は、セル２０６を巻線１８２に結合し、それぞれ平衡ＡＦＥ部２２２のピンＣＢＴおよびＣＢ（Ｋ）からの信号によって制御されることができる。スイッチＳＰ（１）およびＳＮ（１）は、セル２０２を巻線１８２に結合し、それぞれ平衡ＡＦＥ部２２２のピンＣＢ（１）およびＣＢＢからの信号によって制御されることができる。スイッチＳＰ（Ｋ−１）およびＳＮ（Ｋ−１）は、セル２０４を巻線１８２に結合し、平衡ＡＦＥ部２２２のピンＣＢ（Ｋ−１）からの信号によって制御されることができる。この例において、スイッチＳＰ（Ｋ−１）およびＳＮ（Ｋ−１）は、ユニゾンでオンまたはオフに切り替えられることができる。

従って、平衡ＡＦＥ部２２２からの信号は、１つの実施形態において、平衡処理の間マルチプレクサ２４０のスイッチをオン／オフに切り替えることができる。サブモジュール２００が不平衡セルを有する場合、対応するピンからの信号は、平衡処理の不平衡セルの正および負端子に結合されるスイッチをオンに切り替える。故に、不平衡セルは、２次巻線１８２にそれを結合することによってアクティブバランスを行うために選択されることができる。逆に、サブモジュール２００が不平衡セルを有さない場合、ピンＣＢＴおよびＣＢＢからの信号は、平衡処理の２次巻線１８２にサブモジュール２００を結合するために、スイッチＳＰ（Ｋ）およびＳＮ（１）をオンに切り替える。

平衡ＡＦＥ部２２２のピンＢＵＳ Ｉ／Ｆは、１つの実施形態において、Ｉ／Ｏ（入力／出力）インタフェースである。ピンＢＵＳ Ｉ／Ｆの信号は、何れの方向で送信されることができる。例えば、アドバンストＡＦＥ部２２４に、または上記の垂直通信バスを介して他のサブモジュールのＡＦＥ装置に送信されることができる。ピンＢＵＳ＿ＣＦＧの信号は、ピンＢＵＳ Ｉ／Ｆの信号を送信するための方向を示すために使用されることができる。

１つの実施形態では、もう１つのスイッチアレイ（図示せず）は、ＡＦＥ装置２２０の外でスイッチアレイ２４０と並列に結合されることができる。このように、比較的大きな電流は、平衡処理の間に２次巻線１８２を介して流れるために生成されることができるので、平衡処理は、なお比較的早い速度で完了されることができる。

図３は、本発明のもう１つの実施形態による複数のモジュールを備えたバッテリパックのサブモジュール３００のための平衡回路を示す。図２と同じ番号の構成要素は、類似の機能を有する。図３の例において、サブモジュール３００は、複数のセル、ＡＦＥ装置３２０、マルチプレクサ３４０のようなスイッチアレイおよび変圧器を含む。ＡＦＥ装置３２０は、平衡ＡＦＥ部３２２およびアドバンストＡＦＥ部２２４を含むことができる。変圧器は、１次巻線３３８、巻線３３２、３３４および３３６のような複数の２次巻線、およびコア３３０を含む。平衡回路は、サブモジュール３００のローカルアクティブバランスを支援する。

サブモジュール３００の各セルは、１つの実施形態において、マルチプレクサ３４０によって変圧器の各２次巻線に結合される。有利な点として、サブモジュール３００の１つより多いセルが不平衡である場合、これらの不平衡セルのアクティブバランスは、同時に行われることができる。また、図２のマルチプレクサ２４０のスイッチと比べて、より少ないスイッチは、図３の実施形態で使用される。

マルチプレクサ３４０のスイッチＳＢ（１）は、セル２０２を２次巻線３３２に結合する。類似に、スイッチＳＢ（Ｋ−１）は、セル２０４を２次巻線３３４に結合し、スイッチＳＢ（Ｋ）は、セル２０６を２次巻線３３６に結合する。スイッチＳＢ（１）．．．ＳＢ（Ｋ−１）およびＳＢ（Ｋ）は、１つの実施形態においてそれぞれ、ＡＦＥ装置３２０のピンＣＢ（１）．．．ＣＢ（Ｋ−１）およびＣＢ（Ｋ）からの信号によって制御されることができる。スイッチＳ（０）は、変圧器の１次巻線３３８にサブモジュール３００を結合し、ピンＣＢＢからの信号によって制御されることができる。

マルチプレクサ３４０のスイッチは、平衡処理の間にパルス信号によって制御されることができる。例えば、セル２０２が不平衡である場合、スイッチＳ（０）は、ピンＣＢＢからのパルス信号によって制御されることができ、スイッチＳＢ（１）は、平衡処理の間にピンＣＢ（１）からのパルス信号によって制御されることができる。平衡処理の間、スイッチＳ（０）およびＳＢ（１）は、交互にオンに切り替えられ、即ち、スイッチＳ（０）がオンに切り替えられる時、スイッチＳＢ（１）がオフであり、スイッチＳ（０）がオンに切り替えられる時、スイッチＳＢ（１）がオフである。

有利な点として、エネルギフローは、図３の実施形態において、双方向にすることができる。より具体的に、セル２０２が不平衡でありその電圧レベルがモジュールの他のセルよりも低い場合、サブモジュール１００の電気エネルギは、アクティブバランスを行うために使用されることができる。即ち、１次巻線３３８からのエネルギは、平衡処理の間にセル２０２へ結合された２次巻線３３２に送られる。セル２０２が不平衡でありその電圧レベルがモジュールの他のセルよりも高い場合、２次巻線３３２からのエネルギは、平衡処理の間に１次巻線３３８に送られる。

セル２０２および２０４が不平衡である場合、スイッチＳ（０）は、ピンＣＢＢからのパルス信号によって制御されることができ、スイッチＳＢ（１）およびＳＢ（Ｋ−１）は、平衡処理においてピンＣＢ（１）およびＣＢ（Ｋ−１）からのパルス信号によって制御されることができる。即ち、サブモジュール３００が１つよりも多い不平衡セルを有する場合、これらの不平衡セルのアクティブバランスは、同時に行われることができる。故に、迅速なバランスを達成することができる。

図３の例において、１次巻線３３８は、サブモジュール３００の全てのセルに結合されることができる。故に、ローカルサブモジュール３００からのエネルギは、サブモジュール３００の不平衡セルを平衡にするために使用される。代わりに、１次巻線３３８は、サブモジュール、例えばサブモジュール３００を含むモジュールの１つよりも多くに結合されることができる。この例では、１次巻線３３８およびスイッチＳ（０）は、それぞれ図１の１次巻線１８８およびスイッチ１５６として機能する。故に、モジュールからのエネルギは、不平衡セルを平衡にするために使用される。

サブモジュール３００は、以下の方法で図１のモジュール１００に組み込まれることができる。図１に戻って参照すると、各サブモジュール１２０、１４０および１６０は、図３に示すサブモジュール３００で置き換えられ、図１の変圧器およびスイッチ１５６は、１つの実施形態で除去されることができる。この例では、図１のサブモジュールで１つよりも多いセルが不平衡である場合、これらの不平衡セルのアクティブバランスは、上記のように同時に行われることができる。また、図１の１つよりも多いサブモジュールが不平衡セルを有する場合、これらの不平衡セルのアクティブバランスは、同時に行われることができる。

図４は、本発明のもう１つの実施形態によるバッテリパックのサブモジュール４００のための平衡回路を示す。図４の例において、サブモジュール４００は、複数のセル、ＡＦＥ装置４２０、マルチプレクサ４４０のようなスイッチアレイ、および２つの変圧器を含む。ＡＦＥ装置４２０は、平衡ＡＦＥ部４２２およびアドバンストＡＦＥ部２２４を含むことができる。

図４の例において、複数のセルは、２つのグループとして配置され、各グループは、変圧器の２次巻線に結合される。１つよりも多い変圧器を使用することで、各２次巻線は、対応する変圧器のコア中心（ｃｏｒｅ ｃｅｎｔｅｒ）のできるだけ近くに置かれることができる。このように、２次巻線の電磁結合は、比較的良好である。図４の例において、サブモジュール４００の境界に位置するセル４０８および４０２は、それぞれスイッチＳＢ（Ｋ）およびＳＢ（１）を介して２次巻線４５４および４３２に結合される。２次巻線４５４および４３２は、図３のサブモジュール３００の境界に位置する２次巻線よりも良好な電磁結合を有することができる。このように、セル４０８またはセル４０２が不平衡である場合、セル４０８またはセル４０２のための平衡処理は、良好に実行される。

マルチプレクサ４４０の第１組のスイッチは、第１の変圧器の２次巻線に第１グループのセルを結合する。例えば、スイッチＳＢ（１）は、セル４０２を２次巻線４３２に結合し、スイッチＳＢ（Ｉ）は、セル４０４を２次巻線４３４に結合する。類似に、マルチプレクサ４４０の第２組のスイッチは、第２グループのセルを第２の変圧器の２次巻線に結合する。例えば、スイッチＳＢ（Ｉ＋１）は、セル４０６を２次巻線４５２に結合し、スイッチＳＢ（Ｋ）は、セル４０８を２次巻線４５４に結合する。１つの実施形態では、スイッチＳＣ（１）は、第１の変圧器の１次巻線４３０をサブモジュール４００の全てのセルに結合し、スイッチＳＣ（２）は、第２の変圧器の１次巻線４５０をサブモジュール４００の全てのセルに結合する。

サブモジュール４００のセルが２つのグループとして配置されることで２つの変圧器が図４に示すように使用されるが、本発明は、それに限定されない。サブモジュール４００のセルは、２つよりも多いグループとして配置されることができるので、２つよりも多い変圧器が１つの実施形態で使用される。

類似に、図１に示すモジュール１００のサブモジュールは、２つ以上のグループとして配置されることができるので、２つ以上の変圧器が使用される。故に、サブモジュール１２０またはサブモジュール１４０の不平衡セルのための平衡処理を良好に達成することができる。

図４に戻って参照すると、１つの実施形態において、第１のグループが不平衡セルを有する場合、スイッチＳＣ（１）、ＳＢ（１）．．．ＳＢ（Ｉ）は、不平衡セルを平衡にするためにＡＦＥ装置４２０のピンＣＣ（１）、ＣＢ（１）．．．ＣＢ（Ｉ）からの信号によって制御されることができる。類似に、第２のグループが不平衡セルを有する場合、スイッチＳＣ２、ＳＢ（Ｉ＋１）．．．ＳＢ（Ｋ）は、不平衡セルを平衡にするためにＡＦＥ装置４２０のピンＣＣ（２）、ＣＢ（Ｉ＋１）．．．ＣＢ（Ｋ）からの信号によって制御されることができる。有利な点として、エネルギフローは、双方向にすることができる。

図４の例において、１次巻線４３０および４５０は、サブモジュール４００の全てのセルに結合される。代わりに、１次巻線４３０および４５０は、サブモジュール、例えばサブモジュール４００を含むモジュールの１つよりも多くに結合されることができる。

サブモジュール４００は、以下の方法で図１のモジュール１００に組み込まれることができる。図１に戻って参照すると、各サブモジュール１２０、１４０および１６０は、図４に示すサブモジュール４００によって置き換えられることができ、図１の変圧器およびスイッチ１５６は、１つの実施形態において除去されることができる。この例では、図１のサブモジュールの１つよりも多くのセルが不平衡である場合、これらの不平衡セルのアクティブバランスは、上記のように同時に行われることができる。また、図１の１つよりも多くのサブモジュールが不平衡セルを有する場合、これらの不平衡セルのアクティブバランスは、同時に行われることができる。

図５は、本発明のもう１つの実施形態による、バッテリパックのサブモジュール５００のための平衡回路を示す。図４と同じ番号の構成要素は、類似の機能を有する。図５の例において、サブモジュール５００は、複数のセル、ＡＦＥ装置４２０、マルチプレクサ５４０のようなスイッチアレイ、および２つの変圧器を含む。複数のセルは、マルチプレクサ５４０のスイッチによって２つの変圧器に結合される。

１つの実施形態では、サブモジュール５００は、図４に示すサブモジュール４００と類似する。複数のセルは、２つのグループとして配置され、第１グループのセルは、マルチプレクサ５４０によって第１の変圧器の２次巻線に結合され、第２グループのセルは、マルチプレクサ５４０によって第２の変圧器の２次巻線に結合される。

各グループの２つのセル毎に、対応する変圧器の２次巻線を結合する。より具体的に、例えば、セル５１２および５１４は、第１の変圧器の２次巻線５３２に結合され、セル５１６および５１８は、第１の変圧器の２次巻線５３４に結合される。類似に、セル５２２および５２４は、第２の変圧器の２次巻線５５２に結合され、セル５２６および５２８は、第２の変圧器の２次巻線５５４に結合される。従って、図４のサブモジュール４００と比べて、サブモジュール５００は、低減された数の２次巻線を採用する。

セルを２次巻線に結合するための２つのスイッチは、ＡＦＥ装置４２０のピンからの信号によって制御されることができる。例えば、セル５２８を２次巻線５５４に結合するための２つのスイッチは、ピンＣＢ（Ｋ）からの信号によって制御されることができ、セル５２６を２次巻線５５４に結合するための２つのスイッチは、ピンＣＢ（Ｋ−１）からの信号によって制御されることができる。有利な点として、エネルギフローは、双方向にすることができる。

図５の例において、１次巻線５３０および５５０は、サブモジュール５００の全てのセルに結合される。代わりに、１次巻線５３０および５５０は、サブモジュール、例えばサブモジュール５００を含むモジュールの１つよりも多くに結合されることができる。

サブモジュール５００のセルが２つのグループとして配置されて図５の例における２つの変圧器に結合されるが、本発明は、それに限定されない。また、２つのセル毎に、図５の例における変圧器の各２次巻線を結合するが、本発明は、それに限定されない。２つよりも多くのセルは、変圧器の各２次巻線に結合されることができる。

サブモジュール５００は、以下の方法で図１のモジュール１００に組み込まれることができる。図１に戻って参照すると、各サブモジュール１２０、１４０および１６０は、図５に示すサブモジュール５００によって置き換えられることができ、図１の変圧器およびスイッチ１５６は、１つの実施形態において除去されることができる。この例では、図１のサブモジュールの１つより多くのセルが不平衡である場合、これらの不平衡セルのアクティブバランスは、上記のように同時に行われることができる。また、図１の１つよりも多くのサブモジュールが不平衡セルを有する場合、これらの不平衡セルのアクティブバランスは、同時に行われることができる。

図７は、本発明の１つの実施形態によるバッテリパックの平衡を制御するための方法のフローチャート７００を示す。図７は、図１および図６と共に説明される。

ブロック７０２で、制御ユニット６８０は、バッテリパック６００のモジュールが不平衡セルを有するかを判断することができる。制御ユニット６８０は、モジュール１００のＡＦＥ装置と通信することができ、垂直通信バスを介してモジュール１０２および１０４のＡＦＥ装置と通信することができる。故に、制御ユニット６８０は、各セルの状態、例えば各セルの電圧レベルにアクセスすることができ、不平衡セルを検出することができる。

ブロック７０４で、不平衡セル／複数のセルは、第２の平衡段によって平衡にされることができる。第２の平衡段の例は、図１に示される。モジュール１００が不平衡セル／複数のセルを有する場合、不平衡セル／複数のセルは、１つの実施形態で上記説明の通り、図１の変圧器によって平衡にされることができる。

ブロック７０６で、制御ユニット６８０は、バッテリパック６００が不平衡モジュールを有するかを判断することができる。１つの実施形態では、制御ユニット６８０は、各モジュールの状態、例えば各モジュールの電圧レベルにアクセスすることができ、不平衡モジュールを検出することができる。もう１つの実施形態では、制御ユニット６８０は先ず、任意のモジュールが不平衡セルを有するかを判断し、モジュールの不平衡セルの数が閾値を越える場合、制御ユニット６８０はまた、モジュールが不平衡であることを判断する。

ブロック７０８で、不平衡モジュール／複数のモジュールは、第１の平衡段によって平衡にされることができる。第１の平衡段の例は、図６に示される。１つの実施形態では、不平衡モジュール／複数のモジュールは、上記説明の通り図６の変圧器によって平衡にされることができる。

上記説明および図は、本発明の実施形態を示す一方で、修正および代替は、添付の請求の範囲で定義される本発明の原則の精神および範囲から逸脱しない範囲で行うことができる。当業者であれば、本発明は、形式、構造、配置、割合、材料、要素、および構成要素に対する複数の修正により使用されてもよく、さもなければ、本発明の原則から逸脱しないで、特定の環境および動作条件に特に適合される本発明の実施形態で使用されてもよい。ここで開示されている実施形態は故に、あらゆる点で限定的ではなく例示として記載され、添付の請求の範囲およびその均等物によって示される本発明の範囲は、上記説明に限定されない。

２２２ 平衡ＡＦＥ
２２４ アドバンストＡＦＥ

Claims (23)

1. バッテリパックのための平衡システムであって、
   前記バッテリパックの複数のモジュールの第１の不平衡モジュールを平衡にするように動作可能であり、前記バッテリパックは、複数のセルを含み、前記モジュールの各々は、前記セルのサブセットを含む、第１の平衡段と、
   前記第１の平衡段に結合され、前記モジュールの第１のモジュールの第１の不平衡セルを平衡にするように動作可能な、第２の平衡段と
   を具備することを特徴とする平衡システム。
2. 前記第１の平衡段は、同時に前記モジュールの第２の不平衡モジュールおよび前記第１の不平衡モジュールを平衡にするようにさらに動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の平衡システム。
3. 前記第２の平衡段は、同時に前記モジュールの第２のモジュールの第２の不平衡セルおよび前記第１の不平衡セルを平衡にするようにさらに動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の平衡システム。
4. 前記モジュールの各々は、複数のサブモジュールを含み、前記サブモジュールの各々は、セルの前記サブセットのサブセットを含み、前記第２の平衡段は、同時に前記第１のモジュールの第２の不平衡セルおよび前記第１の不平衡セルを平行にするようにさらに動作可能であり、前記第１の不平衡セルおよび前記第２の不平衡セルは、前記第１のモジュールの同じサブモジュールであることを特徴とする請求項１に記載の平衡システム。
5. 前記モジュールの各々は、複数のサブモジュールを含み、前記サブモジュールの各々は、セルの前記サブセットのサブセットを含み、前記第２の平衡段は、同時に前記第１のモジュールの第２の不平衡セルおよび前記第１の不平衡セルを平衡にするようにさらに動作可能であり、前記第１の不平衡セルおよび前記第２の不平衡セルは、前記第１のモジュールの異なるサブモジュールであることを特徴とする請求項１に記載の平衡システム。
6. 前記バッテリパックの電圧は、変圧器を介して前記第１の不平衡モジュールを平衡にするために使用されることを特徴とする請求項１に記載の平衡システム。
7. 前記第１のモジュールの電圧は、変圧器を介して前記第１の不平衡セルを平衡にするために使用されることを特徴とする請求項１に記載の平衡システム。
8. セルを含むバッテリパックの平衡を制御するための回路であって、
   第１の１次巻線および第１の複数の２次巻線を含む第１の変圧器と、
   直列に前記第１の１次巻線に複数の前記セルを結合するように動作可能な第１のスイッチと、を具備し、
   前記バッテリパックの第１の不平衡セルの検出に応じて、前記第１の不平衡セルは、前記第１の複数の２次巻線に結合され、前記第１のスイッチは、前記複数の前記セルから前記第１の不平衡セルにエネルギを転送するために交互にオンおよびオフに切り替えられることを特徴とする回路。
9. 前記バッテリパックの第２の不平衡セルの検出に応じて、前記第２の不平衡セルは、前記第１の複数の２次巻線に結合され、前記第１のスイッチは、前記複数の前記セルから前記第１の不平衡セルおよび前記第２の不平衡セルにエネルギを転送するために交互にオンおよびオフに切り替えられることを特徴とする請求項８に記載の回路。
10. 前記バッテリパックは、複数のモジュールを含み、前記モジュールの各々は、前記セルのサブセットを含み、前記第１の不平衡セルおよび前記第２の不平衡セルは、同じモジュールであることを特徴とする請求項９に記載の回路。
11. 前記バッテリパックは、複数のモジュールを含み、前記モジュールの各々は、前記セルのサブセットを含み、前記モジュールの各々は、複数のサブモジュールを含み、前記サブモジュールの各々は、セルの前記サブセットのサブセットを含み、前記第１の不平衡セルおよび前記第２の不平衡セルは、同じサブモジュールであることを特徴とする請求項９に記載の回路。
12. 前記バッテリパックは、複数のモジュールを含み、前記モジュールの各々は、前記セルのサブセットを含み、前記モジュールの各々は、複数のサブモジュールを含み、前記サブモジュールの各々は、セルの前記サブセットのサブセットを含み、前記第１の不平衡セルおよび前記第２の不平衡セルは、モジュールの異なるサブモジュールであることを特徴とする請求項９に記載の回路。
13. 第２の１次巻線および第２の複数の２次巻線を有する第２の変圧器と、
    直列に前記第２の１次巻線に前記複数の前記セルを結合するように動作可能な第２のスイッチと、をさらに具備し、
    前記バッテリパックの第２の不平衡セルの検出に応じて、前記不平衡セルは、前記第２の複数の２次巻線に結合され、前記第２のスイッチは、前記第２の不平衡セルに前記複数の前記セルからエネルギを転送するために交互にオンおよびオフに切り替えられることを特徴とする請求項８に記載の回路。
14. 前記バッテリパックは、複数のモジュールを含み、前記モジュールの各々は、前記セルのサブセットを含み、前記モジュールの各々は、複数のサブモジュールを含み、前記サブモジュールの各々は、セルの前記サブセットのサブセットを含み、前記第１の不平衡セルおよび前記第２の不平衡セルは、モジュールの異なるサブモジュールであることを特徴とする請求項１３に記載の回路。
15. 前記バッテリパックは、複数のモジュールを含み、前記モジュールの各々は、前記セルのサブセットを含み、前記モジュールの各々は、複数のサブモジュールを含み、前記サブモジュールの各々は、セルの前記サブセットのサブセットを含み、前記第１の不平衡セルおよび前記第２の不平衡セルは、同じサブモジュールであることを特徴とする請求項１３に記載の回路。
16. 第２の１次巻線および第２の複数の２次巻線を有する第２の変圧器と、
    直列に前記第２の１次巻線に前記バッテリパックを結合するように動作可能な第２のスイッチと、をさらに具備し、
    前記バッテリパックは、複数のモジュールを含み、前記モジュールの各々は、前記セルのサブセットを含み、前記バッテリパックの第１の不平衡モジュールの検出に応じて、前記第１の不平衡モジュールは、前記第２の複数の２次巻線に結合され、前記第２のスイッチは、前記第１の不平衡モジュールに前記バッテリパックからエネルギを転送するために交互にオンおよびオフに切り替えられることを特徴とする請求項８に記載の回路。
17. 前記バッテリパックの第２の不平衡モジュールの検出に応じて、前記第２の不平衡モジュールは、前記第２の複数の２次巻線に結合され、前記第２のスイッチは、前記第１の不平衡モジュールおよび前記第２の不平衡モジュールに前記バッテリパックからエネルギを転送するために交互にオンおよびオフに切り替えられることを特徴とする請求項１６に記載の回路。
18. バッテリパックの平衡を制御するための方法であって、
    前記バッテリパックのモジュールが不平衡なセルを有するかを判断し、前記バッテリパックは、複数のセルを含み、前記モジュールは、前記セルのサブセットを含む、過程と、
    不平衡セルがある場合、その後前記不平衡セルを平衡にする過程と、
    前記バッテリパックが不平衡なモジュールを有するかを判断する過程と、
    不平衡モジュールがある場合、その後前記不平衡モジュールを平衡にする過程と
    を具備することを特徴とする方法。
19. 前記モジュールの不平衡セルの数をカウントする過程と、
    前記モジュールが不平衡であるかを判断するために閾値と前記数とを比べる過程と
    をさらに具備することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記不平衡セルを前記平衡にする過程は、
    変圧器の２次巻線に前記不平衡セルを結合する過程と、
    前記変圧器の１次巻線に対して交互に、前記不平衡セルを含む前記モジュールを接続し、前記不平衡セルを含む前記モジュールを接続解除する過程と、
    前記不平衡セルに前記不平衡セルを含む前記モジュールからエネルギを転送する過程と
    を具備することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
21. 前記不平衡セルを前記平衡にする過程は、
    変圧器の２次巻線に前記不平衡セルを結合する過程と、
    前記変圧器の１次巻線に対して交互に、前記不平衡セルを含む前記モジュールを接続し、前記不平衡セルを含む前記モジュールを接続解除する過程と、
    前記不平衡セルを含む前記モジュールに前記不平衡セルからエネルギを転送する過程と
    を具備することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
22. 前記不平衡モジュールを前記平衡にする過程は、
    変圧器の２次巻線に前記不平衡モジュールを結合する過程と、
    前記変圧器の１次巻線に対して交互に、前記バッテリパックを接続し、前記バッテリパックを接続解除する過程と、
    前記不平衡モジュールに前記バッテリパックからエネルギを転送する過程と
    を具備することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
23. 前記不平衡モジュールを前記平衡にする過程は、
    変圧器の２次巻線に前記不平衡モジュールを結合する過程と、
    前記変圧器の１次巻線に対して交互に、前記バッテリパックを接続し、前記バッテリパックを接続解除する過程と、
    前記バッテリパックに前記不平衡モジュールからエネルギを転送する過程と
    を具備することを特徴とする請求項１８に記載の方法。

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