JP2013520947A - バッテリセルコンバータ管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】１又はそれ以上のＤＣ／ＤＣコンバータに結合された１又はそれ以上のエネルギー蓄積バッテリセルを含むバッテリセルコンバータ（ＢＣＣ）ユニットを開示する。
【解決手段】管理ユニットが、各セルの電圧及び充電状態をモニタすること、並びにＤＣ／ＤＣコンバータの切り替えを制御することを含め、各バッテリセルの充電及び放電をモニタして制御することができる。電力切り替えとセル切り替えを組み合わせたアルゴリズムが、バッテリセルの充電及び放電過程を最適化する。高い有効コンバータ出力電圧を実現するために、直列にスタックされたＢＣＣを備えた複合バッテリセルコンバータシステムも開示する。この新たな提案するバッテリセルコンバータアーキテクチャにより、バッテリパックの使用効率を改善し、充電当たりのバッテリパックの使用可能時間を増やし、バッテリパックの寿命を延ばし、バッテリパックの製造コストを削減することができる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、一般に、再充電可能バッテリの複数の電圧／電流コンバータユニットに結合又は統合された複数のバッテリセルからバッテリユニットを構築するシステム及び方法に関する。

高エネルギーバッテリ式用途の要件が高まるともに、マルチセルバッテリパックの需要が急激に伸びてきた。一部のバッテリ用途の高容量／高エネルギー要件を満たすにはマルチセルが必要である。通常、マルチセルバッテリパック内には、直列に接続された１つよりも多くのセルが存在する。例えば、直列に接続された４つの１．２ボルトセルを有するバッテリパックは、４．８Ｖの公称電圧を供給する（図１）。ラップトップコンピュータのバッテリパックなどのその他の応用は、直列に接続された４つの３．６ボルトセルを有して、１４．４Ｖの公称バッテリパック出力電圧を供給することができる（図２）。また、このような４セルストリングのうちの２つを並列に接続して、容量を２０００ミリアンペア時（ｍＡｈ）から４０００ｍＡｈに増加させることができる。一般に、当業界では、この構成は４Ｓ２Ｐ又は４直列２並列として知られている。今現在、ハンドヘルド機器、コンピュータ、電力ツールなどで使用される一般的なマルチセル再充電可能バッテリパックはかなり高価であり、パック内のセル数及びこれらのそれぞれの容量に応じて３０ＵＳドル〜３００ＵＳドル、又は数千ＵＳドルにまで及ぶ。

バッテリセルは、過度に高電圧に充電されること、又は過度に低電圧に放電されることにより破損する恐れがある。このことは、特にリチウムイオンバッテリ及びリチウムポリマー系バッテリに当てはまる。通常、高電圧カットオフ及び低電圧カットオフは、それぞれ約４．２Ｖ及び約２．７Ｖである。Ｌｉイオンバッテリの特性を図３に示す。バッテリは、約２．７〜３．０Ｖまで放電した後に急速に衰え、破損することもある。

従って、パック内のバッテリセルの過充電、過放電、及び過熱保護、並びにＳＯＣ（充電状態）のモニタを支援する高性能バッテリ管理システムを備えた再充電可能バッテリパックを提供することが極めて重要である。その利点は、バッテリセルの過充電又は過放電が、バッテリ容量の低下、バッテリ寿命の短縮につながり、火災及び爆発などの危険な状態さえも引き起こしかねないという事実により、さらに有益となる。

マルチセルバッテリユニットの充電／放電における主要課題の１つは、製造公差に起因するパック内のバッテリセルの不均一性に関するものである。バッテリセルの不一致の種類は複数存在する。図４ｂを参照すると、バッテリセルパック４０が、セル４１、４２、及び４３を含んでいる。セル４２の容量はセル４１及び４３よりも小さく、図４ｂには、セル４２の「容器サイズ」を小さくすることによってこのことを象徴的に示している。完全に充電された場合、セル４２は、動作中にセル４１及び４３よりも少ない電荷しか供給しない。セル４１０、４２０、及び４３０を含むバッテリセルパック４００では、セル４１０及び４３０が完全に充電されるのに対し、セル４２０は完全に充電されていない。従って、セル４１０、４３０とセル４２０の間にはＳＯＣの不一致が存在する。

バッテリパックユニット全体の総容量は、最も脆弱なバッテリセルによって制限される傾向にある。従って、より厳しい公差を確実にするには、特別な製造過程が必要となる。このような特別な製造過程の一例は、セルの容量特性に基づいてセルをビニング及びグルーピングするものである。同じビンからのセルをパックに使用する。しかしながら、このような余分なステップは製造コストを増加させる。さらに、充電／放電サイクル後にセル間の不一致が増し、工場におけるビニングの利点が減少する。コストのかかるビニング過程を踏まない工場は、バッテリセルの収益が深刻な影響を受ける。さらに、規格外セルを廃棄することにより、製造施設の汚染面積が増加する恐れがある。

セルの不一致は、複数の充電／放電サイクル後に悪化する傾向にあるので、このビニングステップは強引な方法であり、セルの不一致の問題をある程度しか緩和しないことは明らかである。また、不一致は、動作環境内の異なるセル温度によって生じる場合もある。この結果、バッテリセルの製造及び品質管理中には、不一致による劣化に容易に対処することができない。

また、一連のスタック型バッテリセルを含むバッテリパックは、図４ａに示す場合のようにスタック内のいずれかの所与のセルが重度に劣化した場合、もはや機能しなくなる。換言すれば、この場合、たった１つの損傷したセルによってバッテリパックの寿命が縮む。

従って、安全を保証し、バッテリ寿命を延ばし、バッテリ製造コストを削減できる高性能バッテリ管理システムを有することが不可欠と言える。

通常、Ｌｉイオンバッテリの充電過程では、第１段階で中程度の精度の定電流（ＣＣ）充電を使用し、第２段階で高精度の定電圧（ＣＶ）充電に移行する。これは、セルが過充電されるのを防ぎながら、所望の電圧まで完全に充電できるようにするためである。このような充電制御は、単一のバッテリセルでは容易であるが、一連のバッテリセルストリングでセルが十分に一致していない場合には複雑な作業となる。このため、充電中のセルバランシングを使用して、セルの各々が過充電されないことを確実にすると同時に、各セルをそれぞれの容量近くまで充電できるようにする。セル「バランシング」という概念は、（今日の設計では、一般に直列に接続されたセルを含む）バッテリパック内のセルの各々に蓄積された電荷をモニタして調整し、従ってセルの各々の端子電圧及び容量を電圧限界内でバランス調整し、燃料測度を通じてセルのＳＯＣを管理する過程を意味する。セルは全く同じものではなく必ず不一致があるので、バランシング過程では、セルの過充電を避けるとともに、所与の充電段階において全てのセル間のＳＯＣを均等化するために、端子電圧又はＳＯＣの高い一部のセルに蓄積されたエネルギーを意図的に放散させることができる。或いは、充電量の多いセルから充電量の少ないセルに電荷を移動させて、セル間のＳＯＣを均等化することができる。

いくつかの従来の方法には、主にマルチセルバッテリパック内に弱ったセルを構成するセルが存在しないことを確実にするための均一充電に焦点を置く一方で、放電サイクル中に生じた不一致を無視するバッテリセルの充電方法が記載されている。従来の方法には、弱ったセルに起因する動作限界を緩和するために、マルチセルバッテリパック内の強力なセルから脆弱なセルに電荷を転送する方法を検討しているものもある。ただし、通常、電荷転送型バッテリセルのバランシングの現実的な実装では、電荷転送が隣接セルに制限され、任意の２つのセルが電荷転送経路を有することを可能にするマトリクス状の電荷転送回路を実装することは非現実的である。また、電荷バランシングに伴う損失もある。

また、多くのマルチセルバッテリパックは、図２に示すような直列並列方式で構成される。個々のセルに不具合が生じると、一連の直列にスタックされたセル全体を使用することができず、マルチセルバッテリユニットの容量がたちまち半減する。

Ｒｏｂｅｒｔ Ｗ．Ｅｒｉｃｋｓｏｎ及びＤｒａｇａｎ Ｍａｋｓｉｍｏｖｉｃ著、「電力工学の基礎（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｃｉｓ）」

新たな再充電可能バッテリユニット構築方法は、電力コンバータと電荷蓄積バッテリセルを組み合わせて統合する解決策の利点を探ることによるものである。この新たなトポロジーは、ａ）所与のバッテリパック内により良好に一致するセルを選択するための、バッテリパックの製造中の特別なセルビニング手順の必要性、及びｂ）バッテリパックの充電及び／又は放電中の特別なセルバランシング手順の必要性を排除する（これにより、セルバランシング動作に必要なインダクタ、キャパシタ又はレジスタなどの外部構成要素も排除される）ことにより、バッテリの充電当たりの使用時間、バッテリパックの寿命、及びバッテリパックの製造コストを改善する。この新たなＢＣＣアーキテクチャは、パック内に著しく劣化したバッテリセルが存在する場合にも、マルチセルバッテリパックが実質的にほぼ通常動作で機能し続けられるようにする。この新たなＢＣＣアーキテクチャは、他の個々のセルの容量が異なるかどうか又は低いかどうかに関わらず、マルチセルバッテリパック内の個々のセルが、利用可能な蓄積エネルギーを全て送出できるようにする。

セルが直列構成でスタックされた従来のマルチセルバッテリ配列を示す図である。 （セルが直列にスタックされ、これらのスタックが並列に配置された）直列並列配列の従来のマルチセルバッテリを示す図である。 リチウムイオンバッテリセルの特性を示す図である。 劣化したバッテリセルがバッテリパックの寿命を制限する図である。 バッテリセルの不一致を示す図である。 バッテリセルコンバータのブロック図である。 提案するマルチセルバッテリセルコンバータ構成の１つを示す図である。 バッテリセルコンバータで使用する降圧／昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータの例である。 バッテリセルコンバータで使用する降圧ＤＣ／ＤＣコンバータの例である。 バッテリセルコンバータで使用する昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータの例である。 ２つのセルと、部品を共有するＤＣ／ＤＣコンバータとを使用するバッテリセルコンバータの例である。 スタック型バッテリセルを有する２セルバッテリセルコンバータの簡略図である。 並列バッテリセルを有する２セルバッテリセルコンバータの簡略図である。 ２つのＤＣ／ＤＣコンバータ又は２相式ＤＣ／ＤＣコンバータに結合された単一セルを使用する２相式バッテリセルコンバータの例である。 各々が２相式ＤＣ／ＤＣコンバータの専用相に結合された１組の結合インダクタを有する２相式バッテリセルコンバータの例である。 複数の並列接続セルを有する、局所的セル冗長性及び包括的セル冗長性を伴う２相式バッテリセルコンバータの例である。 冗長性を伴うバッテリセルコンバータを示す図である。 スタック型バッテリセルコンバータを示す図である。 局所モニタ制御ユニット及び中央モニタ制御ユニットを有するスタック型バッテリセルコンバータを示す図である。 モニタ、制御ユニットを有するスタック型バッテリセルコンバータを示す図である。 バッテリセルコンバータのスタック内の個々のバッテリセルを充電する図である。

本明細書では、１又はそれ以上のＤＣ／ＤＣコンバータを１又はそれ以上のバッテリセルに結合することを含む一連の新たなシステム構成及び新たな方法論を例示的な実施形態で開示する。本明細書においてバッテリセルコンバータ（ＢＣＣ）と呼ぶこれらのシステム構成は、ほぼ一定の電圧出力又はほぼ一定の複数の電圧出力、或いはプログラム可能な固定レベルの又は時間によって変化するレベルの出力電圧を供給し、このシステムトポロジー及びアルゴリズムは、個々のバッテリセルのみならず全体的なバッテリパックシステムの使用法及び信頼性も最適化する。

図５ａに、マルチセルＢＣＣシステムのブロック図を示す。ＢＣＣユニット５０ａは、１又はそれ以上のエネルギー蓄積バッテリセル５１ａと、各々が入力端子及び出力端子を有する１又はそれ以上のＤＣ／ＤＣコンバータ５２ａとを備え、エネルギー蓄積バッテリセルの端子は、５３ａ内の１又はそれ以上の電気接続部を介して前記ＤＣ／ＤＣコンバータのうちの１又はそれ以上の入力端子に結合又は統合される。

ＤＣ／ＤＣコンバータの出力でもある１又はそれ以上のＢＣＣシステム出力（Ｖ１、Ｖ２、・・・）、並びにモニタ及び制御ユニット５４ａも存在する。ＢＣＣユニット５０ａを充電するには、外部充電源５５ａを使用する。ＢＢＣシステムユニットを充電するには、一例として、モニタ及び制御ユニットが作動中の外部充電源の存在を検出すると、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力がこの流入する外部充電源に切り替わる。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ（又はＢＣＣ）の出力を利用し続けることができる。その間、モニタ及び制御ユニットにより、外部電源から流入するエネルギーの一部がバッテリセルの各々の充電に転用される。或いは、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２ａのうちの１又はそれ以上の１又はそれ以上の出力に電源を印加することができる。その後、これらのＤＣ／ＤＣコンバータが負の順電力で動作して、５１ａ内の１又はそれ以上のバッテリセルに電力を送出し、これらのセルを再充電することができる。

図５ｂに、マルチセルＢＣＣユニット５０のシステム構成の１つを示す。本明細書及び添付図面に示すエネルギー蓄積装置はバッテリセルであるが、バッテリの代わりに又はバッテリと組み合わせてスーパーキャパシタ又はウルトラキャパシタなどのキャパシタを使用することもできる。バッテリセル５６は、スイッチ５５を介してレール５１及び５２に接続される（本開示において「エネルギー蓄積装置」とも呼ぶ「セル」は、単一のセル、或いは並列又は直列に直接接続された一群のバッテリセルと見なされる）。なお、スイッチ５５は、バッテリセル５６と直列に存在して低電圧レール５１に接続することができ、又はバッテリセル５６と直列に存在して高電圧レールに接続することができ、図５ｂには高電圧レール５２への接続を示している。スイッチは、制御ユニット５７によって制御され、図５ｂにはこのことを破線矢印で象徴的に示している。図５ｂでは、１つのスイッチのみが閉じ、その他のスイッチは開いている。代替例では、１つよりも多くのスイッチを同時に閉じることができる。オン／オフ切り替えメカニズムは、特定の用途に適用可能なＢＣＣ制御アルゴリズムにより、又は負荷依存型の適応的アルゴリズムにより制御される。バッテリセルを横切る電圧Ｖｂは、セルによって異なることができ、また各バッテリセルの放電状態によって異なることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ５４は、電圧Ｖｂを、プログラム可能な所定の又は時間によって変化する電圧Ｖｏｕｔに変換し、マルチセルバッテリコンバータユニット５０のほぼ一定の出力電圧、又は十分に調整された、プログラム可能な、時間によって変化する出力電圧を供給する。Ｖｏｕｔは、Ｖｂより高くても又は低くてもよい。図５ｂに示すようなバッテリセルコンバータ構成では、スイッチ５５の切り替えシーケンス制御アルゴリズムによって決定される数多くの動作モードが存在することができる。

例えば、
ａ）１度に１つのセル５６が接続される。制御ユニット５７が電圧Ｖｂをモニタし、電圧が所定の閾値よりも降下した場合、制御ユニット５７が、接続されたセル５６が「放電した」と見なす。この結果、対応するスイッチ５５が開く一方で、別のスイッチが「非放電」セルをレール５２に接続する。
ｂ）各バッテリセルに付随するスイッチ５５が、順次ラウンドロビン構成でオンになる。１つの考えられる構成は、スイッチ５５の各々が切り替えサイクルごとに順次オンになるというものである。各セル５６の電圧Ｖｂがモニタされ、セル電圧が所定の閾値よりも降下した場合、制御ユニット５７が、接続されたセル５６が「放電した」と見なす。対応するスイッチ５５が開き、バッテリが再び充電されるまでこの「放電した」セルを切断する。１又はそれ以上の「放電した」セルが切断された状態で、残りのセルの各々が「放電する」まで又はバッテリが再び充電されるまで、残りのセルがオン及びオフに切り替えられ続ける。
ｃ）各バッテリセルに付随するスイッチが、セルのＳＯＣに従って及びこれに比例してオンになる。このモードは、放電中に様々なセル間のＳＯＣを均等化する役に立つ。
ｄ）全てのセルに付随するスイッチ５５が、ある時間にわたる同じ時間間隔中にオンになり、その後個々のスイッチ５５がオフになって、それぞれのセルから電力を引き出すこと又はこれらのセルを再充電することを停止する。

切り替え構成の多様性及び柔軟性に注目されたい。異なる切り替えアルゴリズムを使用して、異なる用途のシナリオ及び目的を最適化することができる。

セルの端子電圧とＳＯＣの間の関係がセルの電流と動作温度の関数であることを強調することが重要である。セルのＳＯＣは、セルの端子電圧に、セルの電流及び温度に依存する一定の補正係数を使用することより推測することができる。或いは、セルの電流を測定して時間で積分することによる「クーロン計数」を使用してＳＯＣを測定することもできる。モニタ、制御及び充電管理ユニットは、セルのＳＯＣを測定して評価するための様々な方法を適用することができる。また、開回路のセル電圧を測定するために、個々のセルが、セル電圧の測定中にスイッチ５５を開かせることもできる。

例示を目的として、本明細書におけるいくつかの説明は、簡略化したＤＣ／ＤＣコンバータの回路図に基づき、特定の切り替えシーケンス制御波形を使用する。本明細書に示す開示及び教示に基づけば、当業者には、様々なシステムの利点をもたらすｄｃ／ｄｃ切り替えトポロジー及び切り替えシーケンスの選択肢が数多く存在し得ることが明らかである。バッテリセルと電力コンバータを組み合わせるという新たな概念により、バッテリパックの使用効率を改善し、充電当たりのバッテリパックの使用可能時間を増やし、バッテリパックの寿命を延ばし、バッテリパックの製造コストを削減することができる。

図６ａに、昇圧／降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の例を示す。ＤＣ／ＤＣコンバータは、インダクタ６１、キャパシタ６２、接続スイッチ６３、及び均等化スイッチ６４を含む。スイッチ６３及び６４が、非重複クロックを使用して動作する一方で、このようなクロックのデューティサイクルにより、出力電圧Ｖｏｕｔと入力電圧Ｖｉｎの比率が決まる。図６ａのＤＣ／ＤＣコンバータ、及びその他のコンバータの詳細な動作は、Ｒｏｂｅｒｔ Ｗ．Ｅｒｉｃｋｓｏｎ及びＤｒａｇａｎ Ｍａｋｓｉｍｏｖｉｃ著、「電力工学の基礎（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｃｉｓ）」などの電力工学の教科書に見出すことができる。図６ｂには降圧ＤＣ／ＤＣコンバータを、図６ｃには昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータを示しており、これらの両方は、図６ａのコンバータと同様のものである。当業者には、降圧コンバータは入力電圧以下の出力電圧しか有することができず、昇圧コンバータは入力電圧以上の出力電圧しか有することができないという理解の下、本発明では、図６ａ〜図６ｃに示す全ての種類のＤＣ／ＤＣコンバータを使用できることが明らかであろう。ＢＣＣの固有の特徴は、バッテリセルとｄｃ／ｄｃコンバータの間に結合されたスイッチがバッテリセルを接続及び切断するために使用され、またＤＣ／ＤＣコンバータの一部としても使用されることにより、これらのスイッチが二重機能を提供できる点である。換言すれば、バッテリセルの切り替えとＤＣ／ＤＣコンバータが１つの構築ブロック内に統合される。また、ＢＣＣユニットを、１又は複数の電圧出力を有する１又は複数のＤＣ／ＤＣコンバータに結合された１又は複数のバッテリセルを有するように一般化することもできる。ＢＣＣの別の特徴は、ＤＣ／ＤＣコンバータ内の電流及び電力の流れ方向に応じて、バッテリセルから電力を送出すること、及びこれらの電力をバッテリセルに送出することによってバッテリセルを再充電することの両方に、同じＤＣ／ＤＣコンバータ又はその一部を使用できる点である。

本開示において上述したように、バッテリセルとｄｃ／ｄｃコンバータの間に結合されたスイッチの切り替えシーケンスは柔軟性に富む。この柔軟性を応用して、ＢＣＣユニット内でＤＣ／ＤＣコンバータを共有する１つの方法を、インダクタ７１及びキャパシタ７２を有するシステム７０を示す図７に示している。図７には、インダクタ７１、キャパシタ７２、及びスイッチ７３、７４、７５、７６を備えたＤＣ／ＤＣコンバータを共有するシステム７０の例を示す。このＤＣ／ＤＣコンバータは、２つのバッテリセル７７と７８の間で共有される。スイッチ制御ユニット７９は、スイッチが動作して所望の出力電圧Ｖｏｕｔが保証されることを確実にする。図７に示す一例では、スイッチ７３〜７６が４つのクロック位相シーケンスで動作し、スイッチ７４は、１クロック位相シーケンスおきに閉じる。図７に示すクロック波形は、昇圧コンバータの切り替えシーケンスに対応する。当業者には、降圧コンバータとしての電力コンバータ、又はその他のクロック位相シーケンスを有する電力コンバータを動作させるような他のクロック位相の構成でもスイッチが動作できることが明らかである。なお、クロック位相７５／７３が高くなってその後に７４が高くなる際には、バッテリセル７７からの電荷の抽出が利用され、シーケンス７６／７３が高くなってその後に７４が高くなる際には、バッテリセル７８からの電荷の抽出が利用される。或いは、スイッチ７５と７６を組み合わせて同じクロック７３を使用することもできる。本発明の別の例では、制御ユニット７９が２つのバッテリのＳＯＣを測定して、いずれのバッテリの電荷を出力に抽出すべきかを判断することができる。例えば、バッテリセル７７のＳＯＣがバッテリセル７８のＳＯＣよりも低い場合、制御ユニットは、連続クロックシーケンスで７６／７３を高くした後に７４を高くすることにより、７５／７３を高状態にアサートすることなくバッテリセル７８から電荷を抽出する。この結果、バッテリセル７８のＳＯＣは、バッテリセル７７のＳＯＣと基本的に等しくなるまで低下し、この時点で、制御ユニット７９は２つのバッテリセルから交互に電荷を抽出する。従って、この方法では、バッテリセルがより均等に放電され、パック内の１つのバッテリセルのＳＯＣが残りのバッテリセルのＳＯＣよりも実質的に低くならないことが保証される。リチウムイオンバッテリなどの特定の再充電可能バッテリでは、バッテリセルを頻繁に充電して完全放電サイクルを避けることによりバッテリセルの寿命を延ばすことができるので、セルを均等に放電させる能力は重要である。また、ＤＣ／ＤＣコンバータの開閉の切り替えに関連して使用される切り替えアルゴリズムでは、別個の特定の外部構成要素及び放電中の特定のセルバランシング手順の必要性が排除される。

本明細書に示す開示及び教示に基づけば、当業者には、システム７０の説明を２つよりも多くのバッテリセルの事例に一般化できることが明らかである。さらに、システム７０の説明を、バッテリセル７７及び／又は７８が、直列に接続された１つよりも多くのバッテリセルを含む事例に一般化することもできる。

バッテリセルコンバータユニットの充電も、インダクタ８１、キャパシタ８２、スイッチ８３、８４ａ／ｂ、８５、８６、及びバッテリセル８７、８８を含むマルチセルバッテリユニット８０を示した図８ｂに示すように安全に行うことができる。この理由は、バッテリセル８７、８８の各々が、その他のいずれのセルにも直列に接続されておらず、従ってＣＶ充電モードの最終充電段階において各々に正確な電圧を印加できるからである。従って、ＢＣＣトポロジーでは、特定のオンチップ及びオフチップ部品、並びに充電過程中のセルバランシングのための特定の手順の必要性が排除される。或いは、ＢＣＣが、その独自の切り替え調整器を使用してＶｏｕｔから電力を引き出し、バッテリセルの制御された再充電を行うこともできる。

別のＢＢＣ構成は、通常は開いているスイッチを各バッテリセルに並列に配置する点を除き、従来型に近いスタック型バッテリセルトポロジーを使用するものである。図８ａに、２スタック型セルのＢＣＣの例を示す。セル８７ａの正端子は、スイッチ８５ａを介してＤＣ／ＤＣコンバータの入力に結合される。セル８７ａ及び８８ａには、スイッチ８６ａ及び８６ｂがそれぞれ並列に接続される。２つのスタック型セルの一方が実質的に劣化した場合、対応する並列スイッチが閉じられる（正負のセル端子を短絡させる）。例えば、セル８７ａが劣化して、もはや正しく充電できないものとする。この場合、モニタ及び制御ユニット（図８ａには図示せず）が８６ａをオンにする。バッテリセルはＤＣ／ＤＣコンバータに結合されているので、ＢＣＣの出力は所望のＶｏｕｔ値のままとなる。理解できるように、この方法では、マルチセルバッテリセルパックの実用寿命を延ばすことができ、ＢＣＣアーキテクチャは、各セルが古くなっても所望の出力電圧を供給する。この特徴により、ＢＣＣユニットの（単複の）出力により給電を受ける電子機器が供給電圧の大きな変化に耐える必要性が排除され、従って電気的要件が緩和される。他の並列接続セルトポロジーと比較すると、このセルスタック構成は、通例のセルの不一致問題に関する望ましくない特徴を抱え、充電及び放電のサイクル中のセルバランシングを可能にするために追加の回路が必要になる。

図９ｃに、２相式ＢＣＣシステム９０を示す。システム９０は、インダクタ９１ａ及び９１ｂ、バッテリセル９２ａ及び９２ｂ、スイッチ９３ａ及び９３ｂ、９４ａ及び９４ｂ、９５ａ及び９５ｂ、９６ａ及び９６ｂをそれぞれ有する２つのＤＣ／ＤＣコンバータ又は単一の２相式コンバータと、ＢＣＣシステム９０の出力に結合された共通の共有キャパシタ９７と、多相制御ユニット９８とを含む。多相制御ユニット９８は、システムが正しい２相サイクルで確実に動作するようにスイッチのクロック位相を制御する。ユニット９８がＢＣＣシステム９０内のスイッチ動作を制御することを矢印で象徴的に示している。スイッチは、そのクロックが高い時に「短絡」状態にあり、そのクロックが低い時に「切断」状態にあるという理解の下、図９ｃには、例示的なスイッチクロック制御図も示している。２相式ＤＣ／ＤＣコンバータが同じバッテリセル９２に結合された２相式ＢＣＣシステム９０の変形例を図９ａに示す。また、２相式ＢＣＣシステム９０のさらに別の変形例を図９ｂに示す。この図では、図９ｃと比較すると、２つの別個のインダクタが、起動時間の速いより効率的なＤＣ／ＤＣコンバータの動作を可能にする結合インダクタユニット９１に置き換えられている。なお、図９ａ／図９ｂ／図９ｃの例示的な実施形態に対して単純な一般化を行うこともできる。例えば、結合インダクタシステム内で共有バッテリを使用することもできる。２相式システムを、（単複の）多相式ＤＣ／ＤＣコンバータの実装に関する追加のハードウェアを用いて、あらゆる数の相を有するＢＣＣシステムに一般化することもできる。

多相式ＢＣＣシステムでも、さらなるバッテリ寿命延長の柔軟性及び能力が実現される。例えば、４相式ＢＣＣシステム内のバッテリセルの１つに不具合が生じた場合、システム制御ユニットがこれを認識し、セルが並列モードで接続されている場合には不具合のあるセルをシステムから切断する。或いは、電力コンバータの各相の入力の各々にセルが一意に接続されている場合、制御ユニットは、４相式システムを３相式システムに再構成することができる。このように、ＢＣＣシステムの、セルのいくつかに不具合が生じてもバッテリパックが動作し続けるようにする能力を理解することができる。

また、負荷依存型及びＳＯＣ依存型の適応的自動構成マルチセル多相式ＢＣＣシステムをサポートするために、切り替えアルゴリズムを使用する。これにより、システムがシステム消費電力を最適化し、バッテリパックの充電当たりの使用時間を延ばす能力をさらに高めることが可能になる。

図１０は、２相式ＢＣＣシステム１００における異なる種類の充電セル冗長性を示す例である。セル１０２ａ及び１０２ａｂは、インダクタ１０１ａ、スイッチ１０３ａ、１０４ａ、１０５ａ、及び１０６ａを含む、出力キャパシタ１０７に電荷を送出するＤＣ／ＤＣコンバータに同時に結合される。セル１０２ａｂをセル１０２ａと並列に接続することにより、動作中のセル１０２ａの放電速度が減少する。インダクタ１０１ｂ、スイッチ１０３ｂ、１０３ｂｂ、１０４ｂ、１０５ｂ、及び１０６ｂを含む、出力キャパシタ１０７に電荷を送出する第２のＤＣ／ＤＣコンバータ又はこの第２の相に結合されたセルには局所的冗長性が示される。バッテリセル１０２ｂ及び１０２ｂｂは、別個のスイッチ１０３ｂ及び１０３ｂｂに接続され、従って（並列に「直接」接続されたセル１０２ａ及び１０２ａｂとは異なり）１つずつ動作させることができる。例えば、バッテリセル１０２ｂの充電が切れた場合、さらなる動作ではセル１０２ｂｂを使用して、ＢＣＣシステムが引き続き機能するようにすることができる。或いは、スイッチ１０３ｂと１０３ｂｂを時分割することにより、デューティサイクルによるクロック制御シーケンスに基づいてセル１０２ｂ及び１０２ｂｂからそれぞれ電荷を引き出すこともできる。バッテリセル１０２ｂｂは、セル１０２ｂしか「救済する」ことができず、セル１０２ａ／１０２ａｂを救済できないことが明らかなので、「局所的」冗長性という名称を使用している。最後に、いずれかのバッテリセルが故障した場合、スイッチ１０８ａ及び１０８ｂに接続されたバッテリセル１０２ｃが、この特定のセルに置き換わることができるので、このセル１０２ｃが包括的冗長性を実現する。多相クロック及び冗長性制御ユニット１０９は、図９ａ／図９ｂ／図９ｃに関連して上述した動作を確実にするように２相式ＢＣＣシステム１００のクロックを制御する。また、多相クロック及び冗長性制御ユニット１０９は冗長セル接続を制御し、すなわちインダクタ１０１ｂに電荷を送出する場合にスイッチ１０３ｂ、１０３ｂｂ、又は１０８ｂのいずれを閉じるべきか、及びインダクタ１０１ａに電荷を送出する場合に１０３ａと１０８ａのいずれのスイッチを閉じるべきかを判断する。１つの例示的な実施形態では、クロック及び冗長性制御ユニットが、電圧出力及び充電燃料測度をモニタすることによりバッテリセルのＳＯＣをモニタして、関連するスイッチの動作を、最も強力なセルが最初に電荷を送出するように、すなわちセルのＳＯＣ放電速度が均等化されるように制御する。

当業者には、図９ａ／図９ｂ／図９ｃに関連して説明したような、多相動作で機能し、共有バッテリセルを有し、及び／又は結合インダクタを有するＢＣＣシステムにも、並列セル接続、局所的冗長性及び包括的冗長性の概念、並びに冗長性制御を適用できることが明らかである。

４８Ｖ以上などの高出力電圧が望ましい場合、従来の解決策では、一連のバッテリセルを単純にスタックする。直列接続されたセルの数が増えるにつれ、充電及び放電中のセルの不一致に関する問題が飛躍的に増幅されることは明らかである。すなわち、１つのセルが不良化した場合、直列スタック型セルチェーン全体が不具合となる。スタック型ＢＣＣ構造は、従来の方法におけるこれらの望ましくない特徴の多くを排除する（これについては、本明細書の後の部分でさらに説明する）。ＤＣ／ＤＣコンバータの効率は、変換率が大きいと悪化するので、出力電圧を増加させるためには、ＤＣ／ＤＣコンバータを単純に使用するよりもスタック型ＢＣＣの方法が望ましい。例えば、変換率が２以下の場合、〜９５％の効率を達成することが現実的である。しかしながら、変換率が１０に上昇した場合、恐らく効率は８０％以下に悪化する。図１１に、各々がＶ１〜Ｖ４ボルトの一定の出力電圧をそれぞれ有する４つのスタック型ＢＣＣサブユニット１１１〜１１４を含むＢＣＣユニット１１０を示す。数値Ｖ１、・・・、Ｖ４は、必ずしも互いに等しくない。ＢＣＣシステムの出力電圧がＶ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４であることは明らかである。さらに、特定のＢＣＣサブユニット（例えばサブユニット１１２）内の全てのセルの充電が予定より早く切れた場合、このサブユニットを並列スイッチによって単純に迂回すると同時に、Ｖ１＋Ｖ３＋Ｖ４が元々の所定値に等しくなるように残りのＶ１、Ｖ３、Ｖ４を調整することができる。スタック型ＢＣＣトポロジーを使用する副次的利点は、各ＢＣＣが総出力電圧よりも実質的に低い電圧を生成するので、高電圧出力をサポートするために超高電圧シリコン処理が不要な点である。このことが、処理技術の選択可能性を広げ、高度に統合された効率的な電力コンバータの設計を可能にする。

図１２ｂに、各々がＶ１〜Ｖ４の出力電圧をそれぞれ有する４つのスタック型ＢＣＣサブユニット１２１〜１２４を含むＢＣＣユニットの別の実施形態１２０を示す。制御ユニット１２５は、１２１〜１２４内のＤＣ／ＤＣコンバータの設定を制御することにより電圧Ｖ１〜Ｖ４を制御する。制御ユニット１２５は、ユニット１２１〜１２４内の動作バッテリセルのＳＯＣを測定することにより、ＢＣＣユニットのＳＯＣに比例して設定されるように出力電圧を調整する。にもかかわらず、Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４の合計を一定のままに制御することができる。このような動作により、最も脆弱なバッテリセルでの電力排出が低減され、スタック型セルバッテリシステム１２０全体の寿命が延びる。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ内のパルシングスイッチにより、マルチセルバッテリユニットの出力に擬似ノイズが生じる。スタック型セル内では、電圧ノイズは線形に増す。

図１２ａには、各スタック型ＢＢＣユニット１２１ａ〜１２４ａが、独自の局所モニタ、並びに制御及び充電管理ユニット１２５ａ−１、１２５ａ−２、１２５ａ−３、及び１２５ａ−４をそれぞれ有することを示している。ユニット１２５ａ−１〜１２５ａ−４は、集中コントローラ１２５ａに接続される。なお、インターフェイス信号を正しく定義することにより、コントローラ１２５ａのみが高電圧をサポートすれば済むようになる。このアーキテクチャでは、スタック型ＢＣＣユニットをモジュールベースとし、これがメインコントローラ１２５ａと通信できる設計が可能になる。

図１２ｂ及び図１２ａに示すスタック型ＢＣＣアーキテクチャでは、各スタックレベルにおけるコントローラを位相同期させて、各スタックにおけるＤＣ／ＤＣコンバータを異なる位相で実行することができ、出力リプル電圧を無効にした状態で、最終的なスタック出力に対して多相コンバータと同等の解決策を実現することができる。

本明細書に示す開示及び教示に基づけば、当業者には、図１１、図１２ｂ、及び図１２ａの説明をあらゆる数のスタック型ＢＣＣサブユニットに一般化できることが明らかである。

別の実施形態では、制御ユニット１２５又は１２５ａが、スタック全体の出力電圧ノイズをより高い周波数に分散させ、又はより広範囲の周波数にわたって分散させるために、スタック内の各個々のＤＣ／ＤＣコンバータのパルス位相をずらし又はディザリングする。

上述したように、マルチセルユニット又は単一セルユニットのスタック型ＢＣＣトポロジーは、本明細書で説明したようなバッテリセルの充電及び放電の課題を緩和する。この理由は、スタック型ＢＣＣ構造内のセルの各々を常に個別に充電できるからである。図１３に一例を示す。ＢＣＣシステム１３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータに結合されたマルチセルバッテリ１３０ａ及び１３０ｂを有する２つのスタック型ＢＣＣサブユニットを含み、これらのサブユニットの各々は、インダクタ１３１ａ及び１３１ｂ、キャパシタ１３２ａ及び１３２ｂ、スイッチ１３３ａ及び１３３ｂ、１３４ａａ及び１３４ａｂ、１３４ｂａ及び１３４ｂｂ、１３５ａ及び１３５ｂ、１３６ａ及び１３６ｂ、バッテリセル１３７ａ及び１３７ｂ、並びに１３８ａ、１３８ａｂ、１３８ｂをそれぞれ有する。スタック型ＢＢＣユニットの各々の充電メカニズムは、本開示で上述した非スタック型ＢＣＣユニットのものと同様である。当業者には、バッテリセルの個々の充電を、各々が任意の適当な数のバッテリセルを有するあらゆる数のスタック型ＢＣＣユニットに一般化できることが明らかである。

個々のＢＣＣ又はＢＣＣのスタックを並列に配置して、各スタックの電流出力が、モジュールのバッテリセルの状態及び能力に従って、各モジュールから引き出した適当な所望の電力を供給するように制御することもできる。出力電圧を調整しながら各スタックからの適当な電流を維持するために、様々な異なる制御アルゴリズムを使用することができる。例えば、各モジュールに、プログラム可能な同等の出力抵抗によって所望の電圧を生成するように命令することができる。

図１２ａには、各スタック型ＢＢＣユニット１２１ａ〜１２４ａが、独自の局所モニタ（図１１及び図１２ｂの簡略図には示さず）、並びに制御及び充電管理ユニット１２５ａ−１、１２５ａ−２、１２５ａ−３、及び１２５ａ−４をそれぞれ有することを示している。ユニット１２５ａ−１〜１２５ａ−４は、集中コントローラ１２５ａに接続される。なお、インターフェイス信号を正しく定義することにより、コントローラ１２５ａのみが高電圧をサポートすれば済むようになる。このアーキテクチャでは、スタック型ＢＣＣユニットをモジュールベースとし、これがメインコントローラ１２５ａと通信できる設計が可能になる。

Claims (28)

1. 少なくともひとつの電気エネルギ源記憶装置を備えたセルコンバータ管理機器であって、各装置は少なくともひとつのセルを備え、
   少なくともひとつの電気エネルギ源記憶装置と、少なくともひとつのＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、
   前記少なくともひとつの電気エネルギ源記憶装置と前記少なくともひとつのＤＣ／ＤＣコンバータと、前記装置の中で充電する間と前記装置の中で放出する間、それぞれの装置とＤＣ／ＤＣコンバータを別々にをモニタし制御するよう調整された少なくともひとつのモニタと制御モジュールに接続された機器。
2. 各セルが電池またはコンデンサである、請求項１に記載の機器。
3. 各装置内の前記セルは、いかなるタイプもの連続および／または平行の組合せによって互いに接続している、請求項２に記載の機器。
4. 前記モニタ及び制御モジュールは、
   電流、
   充電状態、
   劣化状態、
   電圧、
   充電燃料測度、
   温度、及び
   上記特徴のいずれかの履歴、
   からなる群からの特徴に基づいて、少なくともひとつの装置をモニタおよび／または制御するようにされる、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 各装置が少なくともひとつのスイッチを介してＤＣ／ＤＣコンバータに接続される、請求項１に記載の機器。
6. 各スイッチがひとつの装置に対応する専用のスイッチである、請求項５に記載の機器。
7. 各装置は、
   対応するＤＣ／ＤＣコンバータが装置から負荷まで出力パワーを届けるのと共に装置を充電する充電回路、
   装置を充電するＤＣ／ＤＣコンバータ、
   といった上記の技術の群からの技術によって充電される、請求項１に記載の機器
8. 少なくともひとつのモニタおよび制御モジュールは、
   第一装置および他の装置および／またはＤＣ／ＤＣコンバータの間に直列に接続されている、少なくともひとつのスイッチをオフにすることによって、
   そして、回路を完了するために前記他の装置をひとつ以上のＤＣ／ＤＣコンバータに連結して、選択的に他のスイッチを起動させることによって、
   選択的に適応された他の装置から第一装置を分離、および／または少なくともひとつのＤＣ／ＤＣコンバータを選択的に、分離するために構成される、請求項１に記載の機器。
9. 少なくともひとつのモニタおよび制御モジュールは、
   装置およびＤＣ／ＤＣコンバータ間の結合スイッチの開閉、
   ＤＣ／ＤＣコンバータの範囲内のスイッチの接続、
   少なくともひとつのＤＣ／ＤＣコンバータの範囲内の切換位相、
   から成る機能の群から少なくともひとつの機能を制御する、請求項１に記載の機器。
10. 少なくともひとつのモニタおよび制御モジュールは
    電流、
    充電状態、
    劣化状態、
    電圧、
    充電燃料測度、
    温度、及び
    上記特徴のいずれかの履歴、
    からなる群からの特徴に基づいて、それによって装置がＤＣ／ＤＣコンバータに連結する、アクセス・タイムのアクセス・シーケンスおよび長さを制御するのに適している請求項１に記載の機器
11. 各ＤＣ／ＤＣコンバータは、
    単相のコンバータ、
    多相コンバータ、
    のタイプからなる、請求項１に記載の機器。
12. 少なくともひとつのＤＣ／ＤＣコンバータは多相コンバータであり、モニタおよび制御モジュールはコンバータの位相のオン／オフ動作のデューティサイクルの位相関係を制御して、定めるのに適している、請求項１に記載の機器。
13. 複数の装置を有し、少なくともひとつのコンバータは多相コンバータであり、下記の、
    コンバータは、端末の共通セットで前記装置の全てに接続される、
    コンバータの異なる位相は、装置の対応する異なる専用のサブセットに平行に接続される、
    コンバータの各相は、スイッチを介して、前記コンバータが接続されている装置を変更する、
    のいずれかひとつの手段によって装置に接続される、請求項１に記載の機器。
14. 少なくともひとつのコンバータは多相コンバータであり、少なくともひとつのモニタおよび制御モジュールは、下記の、
    コンバータの位相管理を変える、
    コンバータのデューティサイクルを変える、
    コンバータの位相の数を変える、
    コンバータの所望の出力電圧を変える、
    コンバータの所望の出力電流を変える、
    コンバータの個々の位相の所望の電流を変える、
    という機能の群から少なくともひとつの機能を実行するよう調整された、請求項１に記載の機器。
15. モニタおよび制御モジュールは、
    劣化状態、
    充電状態、
    充電燃料測度、
    温度、
    上記特徴のいずれかの履歴、
    のうちの少なくとも１つの状況で、個々の装置の状態に応じて前記機能を実行するよう調整された、請求項１４に記載の機器
16. セルコンバータ管理システムは、複数のセルコンバータ管理機器がシステムの出力電圧が個々の機器の出力電圧の合計と等しくなるよう、直列に積み重ねられた、請求項１に記載の機器の管理システム。
17. 前記機器の出力電圧の合計は、システムの所望の出力値に等しくなるよう、少なくともひとつの電圧制御ユニットは各機器の出力電圧をセットする、請求項１６に記載のシステム。
18. 電圧制御ユニットは、出力電圧を各機器の、
    劣化状態、
    充電状態、
    電圧、
    充電燃料測度、
    温度、
    上記特徴のいずれかの履歴、
    のうち、少なくとも１つの状態に基づいて設定する、請求項１７に記載のシステム。
19. 通信接続チャネルは、各機器の少なくともひとつのモニタおよび制御モジュールに接続する、請求項１６に記載のシステム。
20. マスター・システム制御ユニットは、通信接続チャネルを介して各機器の少なくともひとつのモニタおよび制御モジュールに接続され、
    各機器に含まれる装置の状態に基づいて、各機器への出力電力を設定する、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記機器のＤＣ／ＤＣコンバータ・スイッチング位相が制御位相関係の各々と同期する、請求項１６に記載のシステム。
22. セル寿命を延長する方法で、
    いかなる単一デバイスも、過剰な放出を防ぐために最小化する、
    装置の放出の深さを減らすかまたは増加させる、
    装置の充電の率を低下させるかまたは上昇させる、
    再充電した後に装置の充電の最終的な様相を減らすかまたは増加させる、
    放電レートおよび装置の充電の様相のバランスをとる、
    放電レートおよび装置の充電の様相を最適化する、
    という工程のうち、少なくともひとつの工程を含んでいる、
    請求項１に記載の機器のセル寿命を延長する方法。
23. セル寿命を延長する方法で、
    少なくとも２つのセルを平行に接続する、
    前記装置と少なくともひとつのＤＣ／ＤＣコンバータか少なくともひとつのほかの装置の間に接続されたスイッチをオフにすることによって、あるいは、実質的に劣化する装置に接続された多相ＤＣ／ＤＣコンバータの付随する位相を使用不能にすることによって、実質的に劣化する装置を遮断する、
    他の装置に新たに接続することによって、ひとつ以上の接続されていない装置に接続を換える、
    という工程のうち、少なくともひとつの工程を含んでいる、
    請求項１に記載の機器のセル寿命を延長する方法。
24. 少なくとも２つのセルは、直列に接続され、
    装置が実質的に劣化するときに、スイッチは装置を回避するために装置と並列に接続される、請求項１に記載の機器。
25. 前記装置と並列に接続されるバイパススイッチを介して劣化する装置を回避することから成る前記方法であり、請求項１に記載の機器のセル寿命を延長する方法。
26. 劣化するセルの置換において、スイッチを介して余剰のセルを加えるステップを含んでいる前記方法であり、請求項１に記載の機器のセル寿命を延長する方法。
27. セルコンバータ管理システムは、
    連続および／または平行した、いかなる組み合わせによって互いに接続される、
    複数の、請求項１に記載の機器からなるシステム。
28. 各機器は、個々の機器から、また各装置から、引き出される力を制御するために、全体のシステム出力電流および／または電圧のプログラム可能なシェアを提供するようにプログラムされる、請求項２７に記載のシステム。

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