JP2012105533A - 電池管理のシステムおよび方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】対応するコントローラが各電池モジュールに割り当てられているため、電池パック内の電池モジュールの数が増加するにしたがってコントローラの数も増加する。
【解決手段】電池管理システムはスイッチアレーと第1及び第2コントローラとを含んでいる。スイッチアレーはこのスイッチアレーの導電状態に基づき電池パック内の複数の電池モジュールから1個の電池モジュールを選択する。第1コントローラはスイッチアレーを介して電池パック内の単電池の測定値情報を受信する。第2コントローラはスイッチアレーと第1コントローラとに接続され、スイッチアレーの導電状態を制御するための制御信号を供給する。第1コントローラは、測定値情報に基づき選択された電池モジュールがバランスを欠いた電池モジュールとして識別された場合、選択された電池モジュールのバランスを取るように、電池パックに接続されたバランス回路をさらに制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池管理のシステムおよび方法に関する。
電子デバイスに対する要求が拡大し、電池パック、例えば、充電可能電池パックの迅速な開発を駆り立てている。バッテリパックにはリチウムイオン電池や鉛蓄電池などの様々なタイプのものがある。電池パックは直列に接続された複数の電池モジュールを含むことが可能であり、このモジュールのそれぞれは複数の単電池および2個の端子をさらに含むことが可能である。各電池モジュールにかかるモジュール電圧はこれら2個の端子を介してモニタ可能である。電池モジュールに1つまたは複数の欠陥のある単電池が含まれている場合、その電池モジュールは問題を起こす。したがって、電池パック全体が悪影響を受けることもある。加えて、電池モジュール内のいずれか2個の単電池の間でバランスを欠いた場合、電池パックの老化の過程が加速され、そのため、電池パックの寿命は短くなってしまう。
この問題に対する従来の解決策は、この複数の電池モジュールに複数のコントローラをそれぞれ1個ずつ割り当てることである。各コントローラは対応する電池モジュールを専用にモニタする。各コントローラは対応する電池モジュール内の各単電池をモニタし、かつ、対応する電池モジュール内の単電池のバランスを取るように対応するバランス回路を制御する。したがって、電池パック内の複数の電池モジュール間のバランスは、複数のコントローラを使用することによって達成される。各電池モジュールには対応するコントローラが割り当てられているため、電池パック内の電池モジュールの数が増加するに従ってコントローラの数も増加する。そのため、電池管理システムのコストが増加してしまう。
一実施形態において、電池管理システムはスイッチアレーと、第1のコントローラと、第2のコントローラと、を含んでいる。スイッチアレーは、スイッチアレーの導電状態に基づき電池パック内の複数の電池モジュールから1個の電池モジュールを選択する。第1のコントローラはスイッチアレーに接続され、スイッチアレーを介して電池パック内の単電池の測定値情報を受信する。第2のコントローラはスイッチアレーおよび第1のコントローラに接続され、スイッチアレーの導電状態を制御するための制御信号を供給する。さらに、選択された電池モジュールに関した測定値情報に基づき、選択された電池モジュールがバランスを欠いた電池モジュールとして識別されると、第1のコントローラは、選択された電池モジュールのバランスを取るように電池パックに接続されたバランス回路を制御する。
請求されている発明の対象の実施形態の特徴および長所は以下の詳細な説明を読み、同じ参照番号が同じ部分を示す各図面を参照すると明らかになる。
本発明の一実施形態による電池管理システムのブロック図である。 本発明の一実施形態による図1の電池パックの一例を示す図である。 本発明の一実施形態による電池管理システムのブロック図である。 本発明の他の実施形態による電池管理システムのブロック図である。 本発明の一実施形態による図4の電池モジュールのための電池管理回路の概略図である。 本発明の一実施形態による図5のバランスサブ回路の概略図である。 本発明の他の実施形態による電池管理システムのブロック図である。 本発明の一実施形態による電池パックを管理するための方法のフロー図である。 本発明の一実施形態による電池管理システムを有する電気自動車を示す図である。
本発明の実施形態をここに詳細に参照する。本発明はこれらの実施形態に関して説明される一方で、それらの実施形態が本発明をそれらの実施形態に限定するようには意図されていないことを理解されよう。逆に、本発明は、従属する特許請求の範囲によって定義された本発明の精神および範囲に含まれる可能性のある変形例、変更例および等価物を網羅することが意図されている。
さらに、本発明の以下の詳細な説明においては、本発明の完全な理解をもたらすために多くの特定の詳細が述べられている。しかし、当業者には、本発明がこれらの特定の詳細を用いずに実施可能であることが理解されよう。それ以外の場合では、本発明の態様を不必要に不明瞭にしないために、よく知られている方法、手順、構成部分および回路は詳細には説明しない。
本開示による実施形態は電池管理システムを提供する。この電池管理システムはスイッチアレー、第1のコントローラおよび第2のコントローラを含んでいる。スイッチアレーは、スイッチアレーの導電状態に基づき電池パック内の複数の電池モジュールから1個の電池モジュールを選択する。第1のコントローラはスイッチアレーに接続され、スイッチアレーを介して電池パック内の単電池の測定値情報を受信する。第2のコントローラはスイッチアレーおよび第1のコントローラに接続され、スイッチアレーの導電状態を制御するための制御信号を供給する。さらに、選択された電池モジュールに関した測定値情報に基づき、選択された電池モジュールがバランスを欠いた電池モジュールとして識別されると、第1のコントローラは、選択された電池モジュールのバランスを取るように電池パックに接続されたバランス回路を制御する。
図1は本発明の一実施形態による電池管理システム100のブロック図である。電池管理システム100内の電池パック110は、リチウムイオン電池または鉛蓄電池であってもよいが、これらに限定されない。一実施形態において、電池パック110は複数の電池モジュールを含み、電池モジュールのそれぞれは1つまたは複数の単電池を含んでいる。図1の例において、電池管理システム100は、電池パック110に接続されたスイッチアレー130と、スイッチアレー130に接続された第1のコントローラ140と、第1のコントローラ140とスイッチアレー130の両方に接続された第2のコントローラ150と、第1のコントローラ140に接続されたバランス回路120と、を含んでいる。図1の例において、バランス回路120はスイッチアレー130を介して第1のコントローラ140に接続されている。代案として、バランス回路120は第1のコントローラ140に直接接続可能であり、スイッチアレー130はバランス回路120を介して第1のコントローラ140に接続されている。
一実施形態において、スイッチアレー130は、スイッチアレーの導電状態に基づき、第1のコントローラ140に接続されるべき電池パック110内の電池モジュールを選択する。第1のコントローラ140はスイッチアレー130を介して電池パック110内の単電池の測定値情報を受信し、さらに、第2のコントローラ150に測定値情報を供給する。一実施形態において、測定値情報は電圧情報および温度情報を含むが、これらに限定されない。第2のコントローラ150は、スイッチアレー130の導電状態を制御するためにスイッチアレー130に制御信号を送り、スイッチアレー130は、これを受けて、電池パック110内の対応する電池モジュールを第1のコントローラ140に接続する。電池モジュールが選択されると、選択された電池モジュール内の単電池の間でバランスを欠いている場合、すなわち、選択された電池モジュールに関した測定値情報に基づき、選択された電池モジュールがバランスを欠いた電池モジュールとして識別された場合、第1のコントローラ140は選択された電池モジュールのバランスを取るようにバランス回路120を制御可能である。このため、電池パック110のバランスが達成される。
一実施形態において、第2のコントローラ150は、例えばバランスを欠いた電池モジュールとして識別された1つまたは複数の電池モジュールのバランスを取るために、測定値情報に基づき時間区間を割り当てるためのタイマを含んでいる。このため、電池パック110のバランス化はさらに効率的に遂行可能となる。これは図3を参照して説明する。
第1のコントローラ140が、例えば接続されている順に、電池パック110の複数の電池モジュールのバランスを取るので、従来の手法のように各電池モジュールに個別のコントローラを割り当てることは不要となる。このため、本発明の実施形態における電池管理システムのコストは低減される。
図2は本発明の一実施形態による図1の電池パック110の一例を示す図である。図2に示すように、電池パック110は直列に接続された電池モジュール101から104を含んでいる。電池モジュール101から104のそれぞれは、複数の単電池、例えば、電池モジュール101内には単電池111、112から116、電池モジュール102内には単電池211、212から216、電池モジュール103内には単電池311、312から316、かつ、電池モジュール104内には単電池411、412から416を含んでいる。各単電池は陽極端子および陰極端子を有している。例えば、1個の電池モジュール内の単電池は端子190、191から196を有し、ここで、端子190または196は隣接する電池モジュールの陰極または陽極のモジュール端子に接続可能である。電池モジュール101から104に関しては、モジュール端子が端子180から184を含み、ここで、図2の例では端子180および184が陽極および陰極のパック端子としてさらに使用可能である。例として、各単電池の電圧が約2Vである場合、各電池モジュールにかかるモジュール電圧は12Vである。例示であって限定ではない目的で、6個の単電池を備えた電池モジュールを図2に示す。電池モジュールの数と各電池モジュール内の単電池の数は様々な応用例によって変更可能である。
図3は本発明の一実施形態による電池管理システム300のブロック図である。図1および2と同様に番号付けされた要素は同様の機能を有する。図3の例において、バランス回路120は複数のバランスユニット121から124を含み、各バランスユニットは電池パック110内の電池モジュール101から104の1つに対応している。各バランスユニットは複数のバランスサブ回路を含み、各バランスサブ回路は対応する電池モジュール内の単電池の1個に対応する。これは図5を参照してさらに説明する。さらに、バランス回路120と第1のコントローラ140の間に接続されたスイッチアレー330は複数のスイッチユニット131から134を含み、各スイッチユニットは電池パック110内の電池モジュール101から104の1個に対応している。
一実施形態において、第2のコントローラ150はスイッチユニット131から134の1個をオンに切り替え、それによって、オンに切り替えられたスイッチユニットに対応する電池モジュールが選択される。例えば、スイッチユニット131から133は、電池モジュール101から104内の単電池の電圧が第1のコントローラ140によってサンプリングされるように、電池管理システム300の初期走査段階において順にオンに切り替えられる。電池モジュール101から104の単電池電圧情報は、第1のコントローラ140から第2のコントローラ150にさらに送信される。一実施形態において、単電池電圧情報に基づき、第2のコントローラ150は電池モジュール101から104のバランスレベルを決定し、これらのバランスレベルに従って電池モジュール101から104に個々に時間区間を割り当てる。
より詳細には、電池パック110内の単電池の電圧に基づき、第1のコントローラ140は各電池モジュール内の単電池間の単電池電圧差を計算し、各電池モジュール内でバランスを欠いているか否かを決定する。一実施形態では、電池モジュール内のいずれか2個の単電池間の単電池電圧差が所定の閾値VTHMを超えた場合に、その電池モジュールはバランスを欠いた電池モジュールとして識別可能となる。
さらに、一実施形態において、第2のコントローラ150は、各電池モジュールに対する最大単電池電圧差に基づき電池モジュール101から104のバランスレベルを決定する。例えば、電池モジュール102に対する最大単電池電圧差が電池モジュール101から104に対する最大単電池電圧差のうちで最大である場合、第2のコントローラ150は、電池モジュール102が最低のバランスレベルを有すると決定する。これに対して、電池モジュール103に対する最大電圧差が全ての最大電圧差のうちで最小、例えば、所定の閾値VTHMより低いと、第2のコントローラ150は、電池モジュール103が最高のバランスレベルを有すると、例えば、バランスされたと決定する。
一実施形態では、あるバランスサイクルにおいて、第1のコントローラ140に例えば順に接続するために、電池モジュール101から104が選択され、かつ、バランスサイクルに対する総バランス時間が予め決定されている。バランスレベルに基づき、第2のコントローラ150は総バランス時間を異なった時間区間に分割し、異なった時間区間を個々の電池モジュールに割り当てる。例えば、最高のバランスレベルを有する電池モジュールには最短の継続時間を有する時間区間が割り当てられる一方、最低のバランスレベルを有する電池モジュールには最長の継続時間を有する時間区間が割り当てられる。すなわち、電池モジュールのバランスレベルが悪化すればするほど、その電池モジュールにはより長い時間が割り当てられる。電池モジュールが健全なバランスレベルを有すると、例えばバランスされていると、その電池モジュールに割り当てられた時間区間は相対的に短くなる。なぜなら、そのバランスされている電池モジュールには、何らのバランス化も必要ないからである。一実施形態では、バランスサイクルにおいて、バランスを欠いた電池モジュールが識別された場合、対応する電池モジュールに単電池バランス化を行うために、第1のコントローラ140は対応するバランスユニットを制御し、かつ、この電池モジュールのための割り当て時間区間中に単電池バランス化が行われた後で更新済みの単電池電圧情報をサンプリングする。一実施形態において、(例えば、前のバランスサイクル中に第1のコントローラによってサンプリングされた電池モジュールの単電池電圧情報に従って)対応する電池モジュールのバランスが取られた場合、第1のコントローラはバランス化を行うようにはバランスモジュールを制御しないが、比較的短い対応する割り当て時間区間中にこの電池モジュールの単電池電圧情報をサンプリングする。このため、バランス化手順はさらに効率的に行われる。したがって、電池バック110が、それでもバランスを欠いた状態にあれば、更新済みの単電池電圧情報に基づき、第2のコントローラ150は次のバランスサイクルにおいて各電池モジュールに対する時間区間を決定可能である。
電池モジュール102を例に取る。バランスサイクルにおいて電池モジュール102に対する時間区間が到来すると、第2のコントローラ150は、第1のコントローラ140に電池モジュール102を接続するためにスイッチユニット132をオンに切り替える。電池モジュール102がバランスを欠いた電池モジュールとして識別された場合、電圧情報に基づき、第1のコントローラ140は電池モジュール102のバランスを取るようにバランスユニット122を制御し、単電池バランス化が行われた後で電池モジュール102の更新済み単電池電圧情報をさらにサンプリングする。しかし、電池モジュール102のバランスが取れていれば、バランスユニット122による単電池バランス化は行われず、第1のコントローラは電池モジュール102の更新済み単電池電圧情報をサンプリングする。電池モジュール102の更新済み単電池電圧情報は、次のバランスサイクルにおける電池モジュール102に対する時間区間を決定するために使用可能である。電池モジュール102に対する割り当て時間区間が満了すると、スイッチユニット132はオフに切り替えられ、スイッチユニット133がオンに切り替えられる。その結果、電池モジュール102に対する時間区間は終了し、次の電池モジュール、例えば電池モジュール103に対する時間区間が後に続く。
異なったバランスレベルを有する電池モジュールにはバランス化のために異なった時間区間が割り当てられているため、各バランスサイクルはさらに効率的な方法で実行される。このため、電池管理システム300のバランス効率は向上されている。
図4は本発明の他の実施形態による電池管理システム400のブロック図である。図1から3と同様に番号付けされた要素は同様の機能を有する。図3の電池管理システム300とは異なり、電池パック110内の単電池は重なり合う電池モジュール101’から105’に分割されている。例えば、隣接する電池モジュールは1個または複数の単電池を共有しており、これは以下重なり単電池と呼ぶ。同様に、バランス回路120内のバランスサブ回路は重なりバランスユニット121’から125’にグループ分けされ、各バランスユニットは重なり電池モジュール101’から105’の1個に対応している。さらに、スイッチユニット131’から135’を含んだスイッチアレー130’は、重なり電池モジュール101’から105’の1個を選択するために使用される。
電池管理システム400は、図3を参照して検討されたシステムと同じ方法で動作するが、電池管理システム400は、電池パック110内の異なった電池モジュール間のバランスを達成するための参照電圧として1個の重なり単電池の単電池電圧をさらに使用する。例えば、電池モジュール101’のバランスが取れていると、重なり単電池114から116の単電池電圧は、電池モジュール102’のバランスを取る時に参照電圧として使用される。このため、電池モジュール102’に対するバランスが行われた時、これに従って、隣接する電池モジュール101’および102’間のバランスが達成される。
図5は本発明の一実施形態による図4の電池モジュール103’を管理するための電池管理回路500の概略図の一例を示す図である。図3および4と同様に番号付けされた要素は同様の機能を有する。図5の例において、電池管理回路500はバランスユニット123’、スイッチユニット133’、第1のコントローラ140、および、第2のコントローラ150を含んでいる。バランスユニット123’は、単電池213から216および311から312それぞれのバランスを取るためのバランスサブ回路501から506をさらに含んでいる。スイッチユニット133’は、トランジスタQ11からQ27、抵抗181から182、およびダイオードD30およびD31を含んでいる。図3および4の各電池モジュールに対する電池管理回路は、電池管理回路500と同様とすることが可能である。
一実施形態において、スイッチユニット133’は第2のコントローラ150からの制御信号によってオンとオフとに切り替えられる。より詳細には、トランジスタQ27は第2のコントローラ150に接続され、第2のコントローラ150からの制御信号によってオンとオフとに切り替えられる。一実施形態において、トランジスタQ27のエミッタは陽極モジュール端子(単電池213の陽極端子)に接続され、トランジスタQ27のベースは、直列に接続された抵抗R181およびダイオードD31を介して第2のコントローラ150の端子(例えば、入出力端子)に接続され、かつ、トランジスタQ27のコレクタは直列に接続された抵抗R173からR180およびR123に接続されている。抵抗R182はトランジスタQ27のベースとエミッタの間に接続されている。第2のコントローラ150からの制御信号が低い電圧(論理0)を有していると、抵抗R182にはトランジスタQ27をオンに切り替えるための電圧が生じる。この制御信号が高い電圧(論理1)を有していると、抵抗R182には何らの電圧も発生せず、したがって、トランジスタQ27はオフに切り替えられる。
トランジスタQ13からQ24は電池モジュール103’内の単電池と第1のコントローラ140の間に接続されている。トランジスタQ13からQ24がオンに切り替えられると、電池モジュール103’内の単電池の単電池電圧は、これらのトランジスタを介して第1のコントローラ140に送られる。一実施形態において、トランジスタQ13からQ24は複数のトランジスタセットにグループ分けされ、各トランジスタセットは単電池の1個と第1のコントローラ140の間に接続されている。図5の例において、トランジスタQ13およびQ14のトランジスタセットはP型金属酸化物半導体(PMOS)トランジスタである。残りのトランジスタセット、例えば、トランジスタQ15からQ24は、N型金属酸化物半導体(NMOS)トランジスタである。
PMOSトランジスタQ13およびQ14に関して、トランジスタQ13のドレインはバランスサブ回路501に接続され、トランジスタQ14のドレインは第1のコントローラ140に接続されている。さらに、トランジスタQ13およびQ14のゲートは、直列に接続された抵抗R174およびダイオードD30を介して第2のコントローラ150の端子にともに接続され、トランジスタQ13およびQ14のソースは、抵抗R173を介してこれらのゲートにともに接続されている。一実施形態において、第2のコントローラ150からの制御信号が論理1であると、抵抗R173には何らの電圧も発生せず、したがって、トランジスタQ13およびQ14はオフに切り替えられる。第2のコントローラ150からの制御信号が論理0であると、抵抗R173には電圧が発生し、したがって、トランジスタQ13およびQ14はオンに切り替えられる。
NMOSトランジスタセット、例えば、Q15およびQ16に関して、トランジスタQ15のドレインはバランスサブ回路502に接続され、トランジスタQ14のドレインは第1のコントローラ140に接続されている。さらに、トランジスタQ15およびQ16のゲートは互いに接続され、トランジスタQ15およびQ16のソースは抵抗R175を介してこれらのゲートにともに接続されている。第2のコントローラ150からの制御信号によってトランジスタQ27がオンに切り替えられると、これに従って、トランジスタQ15およびQ16をオンに切り替えるための電圧が抵抗R175に発生する。第2のコントローラ150からの制御信号によってトランジスタQ27がオフに切り替えられると、抵抗R175には何らの電圧も発生せず、したがって、トランジスタQ15およびQ16はオフに切り替えられる。Q17からQ24を含むトランジスタセットは同様の接続を有し、かつQ15およびQ16を含むトランジスタセットとしての動作を有する。
トランジスタQ11およびQ12は第1のコントローラ140の電力端子に接続され、かつ電池モジュール103’の陽極モジュール端子(単電池213の陽極端子)にも接続されている。トランジスタQ25およびQ26は第1のコントローラ140の接地端子に接続され、かつ電池モジュール103’の陰極モジュール端子(単電池312の陰極端子)にも接続されている。トランジスタQ11、Q12、Q25、およびQ26がオンに切り替えられると、電池モジュール103’にかかるモジュール電圧は第1のコントローラ140の電力端子に印加される。図5の例において、トランジスタQ11およびQ12はPMOSトランジスタであり、かつQ13およびQ14を含むトランジスタセットと同様の接続および動作を有している。トランジスタQ25およびQ26はNMOSトランジスタであり、かつQ15およびQ16を含むトランジスタセットと同様の接続および動作を有している。
したがって、トランジスタQ11からQ27は3つの範疇に分割可能である。トランジスタQ11、Q12、Q25、およびQ26を含む第1の範疇は、電力経路を提供するための電力経路スイッチと呼ぶ。電力経路が導電性であると、第1のコントローラ140は電池モジュール103’にかかるモジュール電圧によって電力を供給され、このモジュール電圧は電力経路を介してコントローラ140の電力端子に印加される。トランジスタQ13からQ24を含む第2の範疇は、第1のコントローラ140に単電池電圧を送るための経路を供給するための単電池経路スイッチと呼ぶ。トランジスタQ27を含む第3の範疇は、少なくとも部分的に、他のスイッチ、例えば単電池経路スイッチの導電状態を決定するために第2のコントローラ150によって制御される制御スイッチと呼ぶ。さらに、図5はスイッチユニット133’の一例を示している。第1のコントローラ140には選択された電池モジュールによって電力が供給可能であり、選択された電池モジュールの単電池電圧が第1のコントローラ140によってサンプリング可能である限り、このスイッチユニットに含まれているトランジスタは異なった数、構造、および配線接続を有することが可能である。
一実施形態において、単電池経路スイッチがオンに切り替えられると、第1のコントローラ140は、電池モジュール103’内の単電池のバランスをそれぞれ取るようにバランスユニット123’内のバランスサブ回路501から506を制御する。例えば、単電池214のバランスを取る時、第1のコントローラ140は単電池のバランス化を行うようにバランスサブ回路502を制御する。
さらに、バランスユニット123’によって電池モジュール103’のバランスが取られた後に、次の電池モジュール、例えば、電池モジュール104’に対する時間区間が到来する。電池モジュール104’にバランス化を行う時は、重なり単電池312の電圧が参照電圧として使用される。このため、残りの単電池313から316および411は、電池モジュール104’のバランス化が完了すると参照電圧のところにバランスを取られ、したがって、隣接した電池モジュール103’および104’間のバランスも達成される。その結果、これに従って、電池パック110内の複数の電池モジュールのバランスが取られる。
図6は本発明の一実施形態によるバランスサブ回路502の概略図の一例を示している。一実施形態において、単電池214とスイッチユニット133’の間に接続されたバランスサブ回路502は、直列に接続された抵抗R2およびトランジスタQ2を含んでいる。トランジスタQ2のエミッタは単電池214の陽極端子に接続され、抵抗R27を介してスイッチユニット133’内のトランジスタQ15にさらに接続されている。トランジスタQ2のコレクタは、抵抗R2の一端子に接続され、トランジスタQ2のベースは抵抗R28を介してスイッチユニット133’内のトランジスタQ15に接続されている。抵抗R27の他方の端子は単電池214の陰極端子に接続されている。トランジスタQ15およびQ16がオンに切り替えられると、第1のコントローラ140は、単電池214のバランスを取る場合に、トランジスタQ2がオンに切り替えられるようにこれを制御する。より詳細には、第1のコントローラ140は、例えば単電池電圧が比較的高いために単電池214のバランスを取る場合に、トランジスタQ2をオンに切り替えるために抵抗R27を介して電流が流れることを可能にする。トランジスタQ2がオンに切り替えられると、電池モジュール103’内の他の単電池とバランスが取れるように単電池214の電圧が低減するように、単電池214はトランジスタQ2および抵抗R2を介して放電する。
一実施形態において、バランスサブ回路502はダイオードD2をさらに含んでいる。ダイオードD2の陰極は抵抗R2に接続され、単電池214の陰極端子にも接続されている。ダイオードD2の陽極はトランジスタQ17に接続されている。ダイオードD2を使用することによって、第1のコントローラ140からの比較的小さな電流がトランジスタQ2をオフに切り替えることが可能となるように、トランジスタQ2のコレクタは比較的高い電圧にクランプされる。このように、比較的安価なトランジスタQ2は、バランス機能を達成するためにダイオードD2とともに使用可能である。
図7は本発明の他の実施形態による電池管理システム700のブロック図である。図1から6と同様に番号付けされた要素は同様の機能を有する。詳細には、バランス回路120、スイッチアレー130、第1のコントローラ140、および第2のコントローラ150は図1から6に示されたものと同じ構造を有することが可能である。
電池管理システム700は、電池パック110の陽極パック端子と陰極パック端子の間に接続された充電器790をさらに含んでいる。充電器790は第2のコントローラ150の制御のもとで電池パック110を充電する。さらに、電池管理システム700は放電スイッチ770をさらに含んでいる。放電スイッチ770の一端子は電池パック110の陰極パック端子に接続され、負荷780が放電スイッチ770の他方の端子と電池パック110の陽極パック端子の間に接続されている。放電スイッチ770は第2のコントローラ150の制御のもとで電池パック110の放電を制御する。一実施形態において、放電スイッチ770は金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)を備えている。電池パック110が異常な状態にあることを第1のコントローラ140が検出すると、第1のコントローラ140は、これに従って保護対策を実施可能にするよう第2のコントローラ150に指示する。このように、電池パック110は、異常または不要な状態のために損害を受けることから保護される。
異常な状態は、過電圧(OV)状態、不足電圧(UV)状態、および温度過昇(OT)状態を含むが、これらに限定されない。電池パック110が異常な状態になっていると、第1のコントローラ140は電池パック110の測定値情報を取得し、その測定値情報に基づき警告信号を発生する。この警告信号は第2のコントローラ150にさらに送信され、このコントローラ150が警告信号に基づき保護対策を実施可能にする。
例えば、電池パック110がOV状態になっていると、第2のコントローラ150は充電工程を終了するように充電器790に指示する。電池パック110がUV状態となっていると、第2のコントローラ150は放電工程を終了するために放電スイッチ770をオフに切り替える。一実施形態において、第2のコントローラ150は充電工程を開始させるように充電器790にさらに指示する。電池パック110がOT状態となっていると、第2のコントローラ150は異なった電池温度に基づき熱補償を実行する。例えば、保護手順を実行するように、例えば、高温になっている単電池の充電または放電の電流を低減するように、およびこれらの単電池の充電および放電の工程を終了すらさせるように、バランス回路120は制御可能である。一実施形態において、複数の単電池に異常な状態が発生した場合、第2のコントローラ150は、複数の単電池に同時に保護手順を実行するようにバランス回路120を制御可能である。このように、電池管理システム700は電池パック110を管理する効率が高められている。
第2のコントローラ150は第1のコントローラ140からデータを受信し、それらのデータを処理する。これらのデータは単電池電圧、温度、および異常状態を示す警告信号を含むが、これらに限定されない。一実施形態において、第2のコントローラ150はこれらのデータを表示し、かつ/またはさらなる処理のためのデバイスにこれらのデータを送信する。
一実施形態において、電池管理システム700は、第1のコントローラ140と第2のコントローラ150の間に接続された断路器760を含んでいる。第1のコントローラ140は断路器760を介して第2のコントローラ150から電気的に隔離されている。
図8は本発明の一実施形態による電池パックを管理するための方法のフロー図800である。一実施形態において、電池管理システム700は電池パック110を管理するためにフロー図800に従って動作する。電池パック110は複数の電池モジュールを含み、各電池モジュールは1個または複数の単電池をさらに含んでいる。図8を図3、4、および7と組み合わせて説明する。図8では特定のステップが開示されているが、そのようなステップは例である。すなわち、本発明は、様々な他のステップまたは図8に述べられたステップの変形例を実行するためにも十分に適している。
ブロック802において、第1のコントローラは、電池パックの電池モジュール内の単電池の測定値情報、例えば単電池電圧および/または温度などを取得する。例えば、第1のコントローラ140は、初期走査段階において電池パック110の電池モジュール101から104内の単電池の測定値情報を取得する。さらに、第1のコントローラ140は、バランスサイクルにおいて、電池モジュール101から104内の単電池の更新済み測定値情報を取得可能である。したがって、電池モジュール101から104のバランスレベルが測定値情報に基づいて決定可能となる。
ブロック804では、バランスサイクルにおいて、電池パックの1個の電池モジュールが、対応する時間区間中に第1のコントローラに接続される(例えば、電気的に接続される)ために選択される。異なった時間区間中には異なった電池モジュールが第1のコントローラに接続される。一実施形態において、電池モジュール101から104は、異なった時間区間中に、対応するスイッチユニット131から134がオンに切り替えられると、第1のコントローラ140に電気的に接続される。さらに、電池モジュール101から104のバランスレベルによって、異なった時間区間が決定される。
ブロック806において、選択された電池モジュールに関した測定値情報に基づき選択された電池モジュールがバランスを欠いた電池モジュールとして識別されると、選択された電池モジュール内の単電池のバランスが取られる。一実施形態において、選択された電池モジュール内の単電池電圧差が所定の閾値VTHMを超えると、その電池モジュールはバランスを欠く。この例では、選択された電池モジュールに対して、対応するバランスユニットが単電池バランス化を実行する。
図9は本発明の一実施形態による電気自動車900を示す図である。図1と同様に番号付けされた要素は同様の機能を有する。一実施形態において、電気自動車900は、車体910、複数の車輪920、電池システム930、およびエンジン940を含んでいる。車体910は電池システム930およびエンジン940を収納している。電池システム930は電池パック110および電池管理システム100 (または、電池管理システム300もしくは400)を含んでいる。電池システム930はエンジン940に電力を供給し、電池システム930に接続されたエンジン940は、電気自動車900が移動するように、電力を、車輪を推進させるための運動エネルギーにさらに変換する。
前述の説明および図面が本発明の実施形態を示している一方、本発明には、本発明の原理の精神および範囲から逸脱せずに様々な追加、変更、および置換を行うことが可能であることが理解されよう。当業者には、本発明が、形態、構造、配置、比率、材料、要素、および構成部分の多くの変形例とともにでも、さもなくば本発明の原理から逸脱せずに特定の環境および動作要件に特に適合された本発明の実施においてでも使用可能であることが理解されよう。したがって、ここに開示された実施形態は、全ての点において例示的であり、制限的ではなく、かつ、上記説明に限定されないと考えられたい。
100 電池管理システム
110 電池パック
120 バランス回路
130 スイッチアレー
131’、132’、133’、134’、135’ スイッチユニット
140 第1のコントローラ
150 第2のコントローラ

Claims (22)

  1. スイッチアレーの導電状態に基づき電池パック内の複数の電池モジュールから1個の電池モジュールを選択するために動作可能な前記スイッチアレーと、
    前記スイッチアレーに接続され、かつ前記スイッチアレーを介して前記電池パック内の電池の測定値情報を受信するために動作可能な第1のコントローラと、
    前記スイッチアレーと前記第1のコントローラとに接続され、かつ前記スイッチアレーの前記導電状態を制御するための制御信号を供給するために動作可能な第2のコントローラと、を備え、
    前記第1のコントローラは、選択された電池モジュールに関した測定値情報に基づき前記選択された電池モジュールがバランスを欠いた電池モジュールとして識別された場合、前記選択された電池モジュールのバランスを取るように、前記電池パックに接続されたバランス回路をさらに制御する電池管理システム。
  2. 前記スイッチアレーは前記電池モジュールに対応する複数のスイッチユニットを含み、
    前記スイッチユニットのそれぞれは単電池経路スイッチおよび電力経路スイッチを備えている、請求項1に記載の電池管理システム。
  3. 前記単電池経路スイッチは、前記選択された電池モジュール内の複数の単電池と前記第1のコントローラとの間に接続され、かつ前記選択された電池モジュール内の前記単電池の単電池電圧を前記第1のコントローラに送るために動作可能である、請求項2に記載の電池管理システム。
  4. 前記電力経路スイッチは、前記第1のコントローラの電力端子に接続され、かつ前記選択された電池モジュールにかかるモジュール電圧を前記第1のコントローラに印加するために動作可能である、請求項2に記載の電池管理システム。
  5. 前記スイッチユニットは前記第2のコントローラに接続された制御スイッチをさらに備え、
    前記制御信号は前記制御スイッチの導電状態を決定し、かつ、
    前記制御スイッチの前記導電状態は、少なくとも部分的に、前記単電池経路スイッチの導電状態を決定する、請求項3に記載の電池管理システム。
  6. 前記電池パック内の隣接した電池モジュールは重なり単電池を共有する、請求項1に記載の電池管理システム。
  7. 前記重なり単電池の電圧は、前記隣接した電池モジュール間のバランスを達成するための参照電圧として使用される、請求項6に記載の電池管理システム。
  8. 前記第2のコントローラは、前記第1のコントローラから前記電池パック内の前記単電池の前記測定値情報を受信する、請求項1に記載の電池管理システム。
  9. 前記第2のコントローラは、前記測定値情報に基づき前記電池モジュールのバランスレベルを決定し、かつ、
    前記第2のコントローラは、前記バランスレベルに基づき前記電池モジュールに時間区間を割り当てる、請求項8に記載の電池管理システム。
  10. 前記第2のコントローラと前記電池パックに接続された充電器をさらに備え、
    前記第2のコントローラは前記測定値情報に基づき前記充電器を制御する、請求項9に記載の電池管理システム。
  11. 前記第2のコントローラと、前記電池パックとに接続された放電スイッチをさらに備え、
    前記第2のコントローラは前記測定値情報に基づき前記放電スイッチの導電状態を制御する、請求項9に記載の電池管理システム。
  12. 前記第2のコントローラは前記測定値情報に基づき前記電池パックの異常状態を識別し、かつ、
    前記異常状態は、過電圧状態、不足電圧状態、および、温度過昇状態からなる一群から選択された状態である、請求項9に記載の電池管理システム。
  13. 前記第1のコントローラと前記第2のコントローラとの間に接続され、かつ前記第2のコントローラを前記第1のコントローラから電気的に隔離するために動作可能である遮路器をさらに備えている、請求項1に記載の電池管理システム。
  14. 前記バランス回路は複数のバランスユニットを備え、
    前記バランスユニットは前記電池モジュールの1つにそれぞれ対応し、かつ、
    前記第1のコントローラは前記バランスを欠いた電池モジュールのために単電池バランス化を実行するように、対応するバランスユニットを制御する、請求項1に記載の電池管理システム。
  15. 複数の電池モジュールを備えた電池パックを管理するための方法であって、
    第1のコントローラによって、前記電池パックの前記複数の電池モジュール内の単電池の測定値情報を取得する段階と、
    複数の時間区間中に前記第1のコントローラに接続されるための前記複数の電池モジュールを選択する段階であって、前記電池モジュールのそれぞれは対応する時間区間中に前記第1のコントローラに電気的に接続される段階と、
    選択された電池モジュールが、前記選択された電池モジュールに関した測定値情報に基づきバランスを欠いた電池モジュールとして識別されると、前記選択された電池モジュール内の単電池のバランスを取る段階と、を備えた方法。
  16. 前記複数の電池モジュール内の単電池の前記測定値情報に基づき前記複数の電池モジュールのバランスレベルを決定する段階と、
    前記バランスレベルに基づき前記複数の時間区間を前記複数の電池モジュールに割り当てる段階と、をさらに備えた請求項15に記載の方法。
  17. 前記複数の電池モジュールのうちの隣接した電池モジュールによって重なり単電池を共有する段階と、
    前記隣接した電池モジュールのバランスを取るための参照電圧として前記重なり単電池の電圧を使用する段階と、をさらに備えた請求項15に記載の方法。
  18. 前記選択された電池モジュールにかかるモジュール電圧によって前記第1のコントローラに通電する段階をさらに備えた、請求項15に記載の方法。
  19. 前記複数の電池モジュール内の単電池の前記測定値情報に基づき前記電池パックに接続された放電スイッチを制御する段階をさらに備えた、請求項15に記載の方法。
  20. 前記複数の電池モジュール内の単電池の前記測定値情報に基づき前記電池パックに接続された充電器を制御する段階をさらに備えた、請求項15に記載の方法。
  21. 前記複数の電池モジュール内の単電池の前記測定値情報に基づき前記電池パック異常状態を識別する段階をさらに備え、
    前記異常状態は、過電圧状態、不足電圧状態、および温度過昇状態からなる一群から選択された、請求項15に記載の方法。
  22. 車両であって、
    電力を供給するための電池システムと、
    前記電池システムに接続され、かつ前記電力を運動エネルギーに変換するためのエンジンと、
    前記電池システムおよび前記エンジンを収納するための車体と、
    前記車体の下にあり、前記エンジンからの前記運動エネルギーによって推進されると前記電気自動車を移動させるための複数の車輪と、を備え、
    前記電池システムは
    電池パックと
    スイッチアレーの導電状態に基づき、前記電池パック内の複数の電池モジュールの電池モジュールを選択するために動作可能な前記スイッチアレーと、
    前記スイッチアレーに接続され、かつ前記スイッチアレーを介して前記電池パック内の単電池の測定値情報を受信するために動作可能な第1のコントローラと、
    前記スイッチアレーと前記第1のコントローラとに接続され、かつ前記スイッチアレーの前記導電状態を制御するための制御信号を供給するために動作可能な第2のコントローラと、を備え、
    前記第1のコントローラは、選択された電池モジュールに関した測定値情報に基づき前記選択された電池モジュールがバランスを欠いた電池モジュールとして識別された場合、前記選択された電池モジュールのバランスを取るように、電池パックに接続されたバランス回路をさらに制御する自動車。
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