JP2013529455A

JP2013529455A - 高度蓄電池システム

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Publication number: JP2013529455A
Application number: JP2013512623A
Authority: JP
Inventors: チャン、チュン−チエ; チャン、ツン−ユ
Original assignee: チャン、チュン−チエ; チャン、ツン−ユ
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2031-04-07
Also published as: US8159191B2; US20100253278A1; CN103038974B; RU2526854C2; WO2011149594A1; HK1183981A1; RU2012149928A; ES2751992T3; EP2577840B1; EP2577840A4; EP2577840A1; JP5547342B2; TW201203781A; TWI436549B; CN103038974A

Abstract

高電圧の用途のために、直列回路内に複数のセルを有する蓄電池システム。直列回路内のセル、セルセットおよびセルパックは、自己放電装置を用いて過充電から保護される。蓄電池システムは過充電および過放電から保護され、充電は、過充電／過放電プリント回路基板または充電器によって再開されるように制御される。

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２００８年９月８日に出願された米国特許出願１２／２３１，９２０号の一部継続出願であって、該出願は、２００７年５月２４日に出願された米国特許出願１１／８０５，７８６号の一部継続出願であり、２００７年４月１７日出願の米国特許出願６０／９２３，７４７号および２００７年５月１８日出願の米国特許出願６０／９３０，６４６号の優先権を主張する。

［技術分野］
本発明は、蓄電池に関し、特に、蓄電池の再充電に関する。

１）車両のスタータや電動式自転車、電動式自動二輪車、電動式またはハイブリッド車両などの用途に用いられる電池には、効率改善とコスト軽減のために高電圧が必須である。電圧を増加するためには電池の直列接続が必要である。

２）直列接続の電池に関連する問題は、
ａ）１つの電池が他の電池よりも低容量であると、電池セット全体としての容量は、その低容量の電池に影響される；
ｂ）低容量の電池を充電中に完全に充電できない場合、電池セット全体の性能は、その低容量電池のために低下する。これは技術分野においてセル・インバランス（cell imbalance）として知られている；
ｃ）ある特定の電池の低容量は、高自己放電または電池製造中の不具合により引き起こされ得る。

３）そのセル・インバランス問題を解決するための従来の方法は、
ａ）直列接続された電池の不整合を避けるために、電池を並べ替える；
ｂ）上述した問題を克服するために、電池を別々に充電する（たとえば、特許文献１）。しかし、それぞれの電池を完全に充電するためには低電圧が必要とされ（たとえば、リチウム鉄電池は３．６５Ｖに充電される）、この低電圧充電は、通常の高電圧のＡＣ電源から低電圧のＤＣ電源への変換のため、エネルギー効率が良くない。

充電中に電池を平衡化するために用いられる、多くの先行技術のシステムや方法が、充電されていない電池を検出し、平衡化するために、複雑な回路部品を用いている（特許文献１〜１３）。

今日、蓄電池は、その顕著な電力容量、向上したサイクル寿命および環境にやさしい性質のため、携帯電話またはラップトップコンピュータなどの従来の消費者用電子機器以外の広い範囲の用途に対して、一層重要になりつつある。かかる変化の主な理由は、人々がホームエネルギーセービングシステムなどのヘビーデューティー用途または電気自動車用途のより大きな電池システムの構築を開始することを可能にするより優れたサイクル寿命により蓄電池への信頼性がより向上しつつあるためである。しかしながら、直列および並列に接続されたより多くの電池セルによって、サイズが増大するにつれて、得られる電池システムの耐用年数が予測不能となり、さらには信頼性がなくなる。一つの例としては、カソードとして、以前に特許を取得したリチウム鉄リン酸化物（ＬｉＦｅ_(1-x)ＭｘＰ_(1-x)Ｏ_2(2-x)）材料を用いて構成された電池セルが挙げられる。単一の電池は、８０％を超える容量を残したまま、容易に１０００サイクル機能するが、（直列および並列に接続されたより多くの電池セルを伴う）サイズの増大は、電池システム全体の耐用年数を、数十サイクルから数千サイクルまで変動させる場合がある。サイクル寿命を強化するための鍵は、充電時ごとに実施される電池セルの容量の平衡化である。この観点から電池セルのバランスは、電池セルに実施されている協調制御、および利用されている充電方法に大きく依存する。本発明において電池システムは、電池セルに対する適切な制限および制御、ならびに電池システム全体のサイクル寿命の延長をもたらす電池セル・バランス（cell balance）の最良の実施を確実にする充電器または充電システムを説明することによって紹介される。

米国特許第６，５８６，９０９号明細書米国特許第７，０６８，０１１号明細書米国特許第７，０６１，２０７号明細書米国特許第６，８８２，１２９号明細書米国特許第６，８４１，９７１号明細書米国特許第６，８２５，６３８号明細書米国特許第６，８０１，０１４号明細書米国特許第６，７８４，６３８号明細書米国特許第６，７７７，９０８号明細書米国特許第６，７００，３５０号明細書米国特許第６，６４２，６９３号明細書米国特許第６，５１１，７６４号明細書米国特許第６，２７１，６４５号明細書

本発明の目的は、電池パックと、延長したサイクル寿命を備える優れた性能を有する電池パックをもたらす充電器（または充電システム）とを含む電池システムを提供することである。開示される電池システムでは、従来のリチウムイオン電池で必要であったような、定電圧や定電流充電の制限は必要ない。

本発明は、複数のセルを有する蓄電池システム、および蓄電池システムを充電するための充電手段である。蓄電池システムは、蓄電池システムを形成するために電気的に接続された複数のセル；直列回路内のセル、直列回路内のセルセット、および直列回路内のセルパックの少なくとも１つと並列接続される、自己放電電圧を継続して測定する自己放電電圧測定手段および対応する自己放電手段；直列回路内のセル、直列回路内のセルセット、および直列回路内のセルパックの少なくとも１つにかかる過充電電圧を、継続して測定する過充電電圧測定手段；蓄電池システムのセル全てを充電するために、蓄電池システムに直列接続される充電手段；充電手段にかかるシステム電圧を継続して測定するシステム電圧測定手段；蓄電池システムの充電電流を制限する制限手段；および蓄電池システムを制御する制御手段を有する。蓄電池システムの操作は、以下の通りである。
（ａ）充電中、いずれか１つの自己放電電圧測定手段によって測定される自己放電電圧が設定自己放電電圧以上である場合、対応する自己放電手段が、測定される自己放電電圧が設定自己放電電圧と等しくなるまで作動し、その後、対応する自己放電手段は作動しなくなる。
（ｂ）充電中、測定された過充電電圧のいずれかが設定過充電電圧を超える場合、蓄電池システムへの充電電流が制限され、その後、測定される過充電電圧が全て設定第１再開電圧以下になると、蓄電池システムへの充電電流は制限されなくなる。
（ｃ）充電中、測定されたシステム電圧が設定全体電圧を超える場合、蓄電池システムへの充電電流が制限され、その後、測定されるシステム電圧が設定第２再開電圧以下になると、蓄電池システムへの充電電流は制限されなくなる。
（ｄ）充電中、蓄電池システムへの充電電流が制限されている時間が、設定時間を過ぎると、蓄電池システムへの充電電流は制限されなくなる。

本発明は、図面を伴った単なる例により以下に示される説明から直ちに明らかになるであろう。

本発明に係る電池アセンブリの多種の実施形態の概略図である。本発明に係る電池アセンブリの多種の実施形態の概略図である。本発明に係る電池アセンブリの多種の実施形態の概略図である。本発明に係る電池アセンブリの多種の実施形態の概略図である。本発明に係る電池アセンブリの多種の実施形態の概略図である。本発明に係る自己放電回路の拡大図をともなった本発明に係る電池アセンブリの概略図である。本発明に係る自己放電回路の他の実施形態の拡大図をともなった本発明に係る電池アセンブリの概略図である。電池ケース上に配置された自己放電回路を有する本発明に係る電池アセンブリの概略図である。本発明に係る電池アセンブリを有する電力供給システムの概略図である。本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）および図６（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）および図６（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）および図６（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）および図６（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）および図６（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）、図６（ａ）〜（ｅ）および図７（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）、図６（ａ）〜（ｅ）および図７（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）、図６（ａ）〜（ｅ）および図７（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）、図６（ａ）〜（ｅ）および図７（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）、図６（ａ）〜（ｅ）および図７（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックアセンブリの概略図である。本発明の実施例３による電池アセンブリを有する電池システムの概略図である。本発明の実施例５による電池アセンブリを有する電池システムの概略図である。本発明の実施例６による電池アセンブリを有する電池システムの概略図である。実施例６の実験結果を示す。実施例６の実験結果を示す。実施例６の実験結果を示す。実施例６の実験結果を示す。セル、セルセットまたはパックの自己放電を制御するための本発明の装置のフローチャートを示す。再開機能を備える本発明の過充電／過放電制御基板のフローチャートを示す。実施例７の実験結果を示す。実施例７の実験結果を示す。実施例７の実験結果を示す。実施例７の実験結果を示す。実施例７で用いられた電池システムの放電容量である。

本発明は、直列接続された電池によって引き起こされる問題を解決するために特に重要である。充電中のセル・バランス問題は、充電されている電池からの電流（エネルギー）をリークさせる装置や方法を作りだすことによって軽減され得る。過充電を防ぐ非常に高価な装置や方法を用いる代わりに、先行技術の装置や方法に見られるような、電池の平衡化を達成するために、本発明は、過充電されている直列回路内の電池に供給される電流を少なくする方法および装置を用いる。そのような方法や装置は、直列接続された電池、電池セットまたは電池パックのそれぞれに対して実行され得る。単一の電池ユニットは、「電池」または「セル」という。本明細書全体にわたって用いられる用語「電池セット」または「セルセット」は、並列、直列、並直列または直並列に接続された多数の電池を意味する。本明細書全体にわたって用いられる用語「電池パック」または「セルパック」は、並列、直列、並直列または直並列に接続された多数の電池セットを意味する。本明細書全体にわたって用いられる用語「アセンブリ」は、電池（またはセル）が過充電されるときにおける電池（またはセル）、電池セット（またはセルセット）または電池パック（またはセルパック）の自己放電手段を伴った電池（またはセル）、電池セット（またはセルセット）または電池パック（またはセルパック）を意味する。

本発明では、過充電されると電池は自己放電する。電池、電池セットまたは電池パックのそれぞれは「自己放電」手段が供されるので、充電中にまたは充電後でさえも、電圧が設定パラメータに達すると、セル・バランス問題は除去され得る。

図１（ａ）は「電池アセンブリ」の構造を示す。図１（ｂ）は「並列電池セットアセンブリ」の構造を示す。図１（ｃ）は「直列電池セットアセンブリ」の構造を示す。図１（ｄ）は「並直列電池セットアセンブリ」の構造を示す。図１（ｅ）は「直並列電池セットアセンブリ」の構造を示す。これらのアセンブリは、電池パックの提供における使用のための基本単位である。後に続く図と同様にこれらの図において、個々の蓄電池は符号１で示され、蓄電池を自己放電する回路は符号３で示される。

セル・インバランス問題を解決する本方法は、図２（ａ）に示される。図２（ａ）に示されるように、それぞれの電池は、電池と並列する装置２に接続されている。その装置は、スイッチ要素６と、抵抗要素７と、電圧検出要素５ａと、スイッチ要素６を開閉するスイッチ要素制御器５ｂとから構成されている。電圧検出要素は、電池の電圧を検出し、スイッチ要素の「開」状態または「閉」状態を制御するスイッチ要素制御器とともにある。スイッチ要素、抵抗要素、電圧検出要素およびスイッチ要素制御器はプリント回路基板上に配列され得る。しかしながら、トランジスタは、電圧検出要素、制御器、スイッチ要素および抵抗要素の組み合わせとして機能することができるので、図２（ａ）に示される装置は、トランジスタまたは（抵抗調節のために）並列接続された多数のトランジスタに置き換えられ得る。他に、図２（ｂ）に示されるように、レジスタ７に直列接続された１つのトランジスタ８があり得る。図２（ｂ）に示されるようにトランジスタとレジスタとが直列接続されている場合、レジスタによってもたらされ、そのためにトランジスタの電圧検出に影響する電圧降下を最小にするため、レジスタの抵抗は小さくするべきである。図２（ｂ）の配置は、ＬＥＤのようなダイオード、あるいはスイッチ要素と制御器のみからなるプリント回路基板に適用可能でもある。

電池が充電されると、複数の電池のなかの１つの電池の電圧が設定された上限より高い場合、電池に電気的に並列接続された装置のスイッチ要素は閉じ、したがって、電流をレジスタに流れさせる。これによって、設定された上限電圧を過ぎた電池への充電電流は、電池に並列接続された装置の存在により減少する。その減少は後述の実施例１に示される。そのような条件下では、他の電池は通常の電流の流れにおいて充電されるが、電圧の上限を過ぎたものは充電減少動作を有する。これは、電池の過充電を防ぐための本発明の基本的なメカニズムである。抵抗要素は充分な抵抗を有する電気的な構成要素であってもよいということが言及されるべきである。たとえば、白熱電球が抵抗源として用いられ得る。

装置の要素は半導体チップ２上にあってもよく、これらは電池の近くのどこにでも配列され得る。図３は、電池ケースの蓋上に組み込まれた半導体チップ２の可能性を示す。また、たとえば、チップはカソード（ケース）１１とアノード（負端子）１２のあいだに配置され得る。また、チップは電池ケースの内側にあってもよい。

レジスタは、より正確な抵抗の制御が必要とされる場合、変えることができる。充電中のそれぞれの電池についての電流変化の詳細は、以下でさらに述べられる。

実施例１セルの平衡化がどのように達成されるかについての理論的実証
仮定条件：
１．４つの電池アセンブリは図２（ａ）に示されるように直列接続される。
２．電池（１）、（３）、（４）は５ミリオームの内部抵抗を有し、電池（２）は１０ミリオームの内部抵抗を有する。
３．電池（１）、（３）、（４）は３．３Ｖの開放電圧を有し、電池（２）は３．６Ｖの開放電圧を有する。
４．それぞれの電池アセンブリに対して、１．０オームのレジスタが電池に並列接続される。
５．１５Ｖの電力源が、直列接続された４つの電池アセンブリに適用される。

演算例１（並列レジスタがすべて開いているとき）
４つの電池アセンブリの充電中、それぞれの電池の電圧は、以下に表される。
電池（１）：Ｖ₁＝Ｖｏ₁＋Ｉ₁Ｒ₁
Ｖ₁は充電中の電池（１）の電圧であり、Ｖｏ₁は電池（１）の開放電圧であり、Ｉ₁は電池（１）を通過する電流であり、Ｒ₁は電池（１）の内部抵抗である。
電池（２）：Ｖ₂＝Ｖｏ₂＋Ｉ₂Ｒ₂
電池（３）：Ｖ₃＝Ｖｏ₃＋Ｉ₃Ｒ₃
電池（４）：Ｖ₄＝Ｖｏ₄＋Ｉ₄Ｒ₄

ほかのレジスタは接続されないので、Ｉ₁＝Ｉ₂＝Ｉ₃＝Ｉ₄＝Ｉ
１５＝（Ｖ₁＋Ｖ₂＋Ｖ₃＋Ｖ₄）＝（Ｖｏ₁＋Ｖｏ₂＋Ｖｏ₃＋Ｖｏ₄）＋Ｉ（Ｒ₁＋Ｒ₂＋Ｒ₃＋Ｒ₄）
１５−（Ｖｏ₁＋Ｖｏ₂＋Ｖｏ₃＋Ｖｏ₄）＝Ｉ（Ｒ₁＋Ｒ₂＋Ｒ₃＋Ｒ₄）
１５−３．３−３．６−３．３−３．３＝Ｉ（０．００５＋０．０１＋０．００５＋０．００５）
Ｉ＝６０アンペア・・・それぞれの電池を通過する電流

演算例２（電池（２）の並列レジスタ回路が閉じているとき）
Ｉ’はレジスタを通過する電流であり、Ｒ’はレジスタの抵抗であると仮定する。
そのとき、
Ｖ₂＝Ｉ’Ｒ’，Ｉ’＝Ｖ₂／Ｒ’
Ｖ₂＝Ｖｏ₂＋Ｉ₂Ｒ₂
電流バランスを考慮して：（Ｉ’＋Ｉ₂）＝Ｉ₁＝Ｉ₃＝Ｉ₄＝Ｉ
なので、
Ｖ₂＝Ｖｏ₂＋（Ｉ−Ｉ’）Ｒ₂＝Ｖｏ₂＋（Ｉ−Ｖ₂／Ｒ’）Ｒ₂
再配列すると、
Ｖ₂＝（Ｖｏ₂＋ＩＲ₂）／（１＋Ｒ₂／Ｒ’）
が得られ、したがって、
１５＝（Ｖ₁＋Ｖ₂＋Ｖ₃＋Ｖ₄）＝（Ｖｏ₁＋Ｖｏ₃＋Ｖｏ₄）＋Ｉ（Ｒ₁＋Ｒ₃＋Ｒ₄）＋（Ｖｏ₂＋ＩＲ₂）／（１＋Ｒ₂／Ｒ’）
なので、
Ｉ＝６１．６７２（Ａ）、
Ｖ₂＝（Ｖｏ₂＋ＩＲ₂）／（１＋Ｒ₂／Ｒ’）＝４．１７５（Ｖ）、
Ｉ’＝Ｖ₂／Ｒ’＝４．１７５（Ａ）、
Ｉ₂＝Ｉ−Ｉ’＝５７．４９７（Ａ）

１０オームのレジスタが代入されると、
Ｉ＝６０．１６８（Ａ）、
Ｖ₂＝Ｖｏ₂＋（Ｉ−Ｖ₂／Ｒ’）Ｒ₂＝４．１９７５（Ｖ）、
Ｉ’＝Ｖ₂／Ｒ’＝０．４１９８（Ａ）、
Ｉ₂＝Ｉ−Ｉ’＝５９．７４８（Ａ）

演算からの結論
１．図２（ａ）の電池アセンブリに関して、並列回路におけるレジスタのスイッチが閉じているとき、電流はレジスタに流れ、電池（２）に対する充電電流は減少する。
２．並列レジスタ回路のスイッチが、図２（ａ）の電池アセンブリに対して閉じているあいだ、他の電池（１）、（３）、（４）の充電電流は増加する。
３．レジスタの抵抗は、電池（２）に対する電流減少の大きさを規定する。抵抗が小さくなるほど、電流減少の大きさは大きくなる。
４．したがって、直列接続されたそれぞれの電池にレジスタを組み込む思想は、より高い容量を有する電池の充電電流を減少することによって、また、より低い容量を有する他の電池の充電電流を増加することによって、すべての電池の容量のバランスをとる点で効果的である。
５．電池に並列接続されたレジスタは、充分なセル・バランス機能を有すべきであることは明らかである。電圧検知機能と抵抗源供給機能を満たす電子装置または構成要素は、本発明の焦点の範囲内である。

実施例２電池アセンブリを充電する方法を実証する理論的演算
仮定条件：
１．４つの電池アセンブリは図２（ａ）に示されるように直列接続される。
２．電池（１）、（３）、（４）は５ミリオームの内部抵抗を有し、電池（２）は１０ミリオームの内部抵抗を有する。
３．電池（１）、（３）、（４）は３．３Ｖの開放電圧を有し、電池（２）は３．６Ｖの開放電圧を有する。
４．電池（１）、（２）、（３）および（４）は、定電流充電を受ける。電流は２Ａである。
５．実証の目的のために、電池は調査され、電池（２）、１．０オームのレジスタは電池に並列接続され、回路スイッチは閉じている。

演算：
電流バランスを考慮して：（Ｉ’＋Ｉ₂）＝Ｉ₁＝Ｉ₃＝Ｉ₄＝Ｉ＝２（Ａ）
Ｖ₂＝Ｖｏ₂＋（Ｉ−Ｉ’）Ｒ₂＝Ｖｏ₂＋（Ｉ−Ｖ₂／Ｒ’）Ｒ₂
再配列すると、
Ｖ₂＝（Ｖｏ₂＋ＩＲ₂）／（１＋Ｒ₂／Ｒ’）
が得られ、
Ｖｏ₂＝３．６（Ｖ）、Ｉ＝２（Ａ）、Ｒ₂＝０．０１オーム、Ｒ’＝１オームを代入すると、
Ｖ₂＝３．５８４２（Ｖ）
Ｉ’＝Ｖ₂／Ｒ’＝３．５８４２（Ａ）、
Ｉ₂＝Ｉ−Ｉ’＝２−３．５８４２＝−１．５８４２（Ａ）＜０
が得られる。

演算からの結論
１．過充電される電池は、回路電流（Ｉ）がレジスタを通る電流（Ｉ’）より低いとき、放電される。すなわち、（Ｉ−Ｉ’＜０）である。
２．過充電された電池が放電すると、セル・バランスは達成される。
３．実施例１と実施例２に示される演算結果を組み合わせると、セル・バランス充電方法は、定電圧モード（しかし、必要とされる充電時間はＩ＜Ｉ’の条件に対して必要とされる時間より長くすべきである）、または、レジスタを通る電流（Ｉ’）より低い電流（Ｉ）を通すことによる定電流モードとして実行され得ると結論することもできる。
４．さらに、充電器は充電のための２つのモードを有するように設計され得ると結論することができる。一方のモードは、電池システムの通常の使用（充電の終了は所定の充電時間を設定することによって実行される）のための通常の定電流／定電圧充電モードである。他方のモードは、電池システムが通常の使用能力よりも低容量を有するときに用いられるセル・バランスモード（定電流充電）である。

実施例３電池パックおよび電池システム
上述したように、電池パックは、図１（ａ）〜（ｅ）に示されるように、電池セットまたは電池セットアセンブリから構成される。本発明では、電池パックは、「電池パックアセンブリ」を形成するために、スイッチ要素、電圧検出要素、制御器および抵抗要素を含む並列回路に接続されても良い。電池セットアセンブリを用いて構築される電池パックの構造は、図５（ａ）〜（ｅ）、図６（ａ）〜（ｅ）、図７（ａ）〜（ｅ）および図８（ａ）〜（ｅ）に示されるものであり得る。これらの図は、多様な回路配列に接続されている図１（ａ）〜（ｅ）に示される５つの単位構造を表すものである。その接続は、直列（図５（ａ）〜（ｅ））、並列（図６（ａ）〜（ｅ））、並直列（図７（ａ）〜（ｅ））および直並列（図８（ａ）〜（ｅ））である。図５、６、７および８に示される場合のそれぞれにおいても、「電池パックアセンブリ」を形成するために、スイッチ要素、制御器、電圧検出要素および抵抗要素を含む並列回路と再度結合され得る。「電池パックアセンブリ」の例は図９に示される。

電池セットまたは電池セットアセンブリから構成される電池パックとしての場合と同様に、電池システムは電池パックまたは電池パックアセンブリから構成される。ここでも、電池パックアセンブリを用いて構築される電池システムの構造は、直列、並列、並直列および直並列であり得る。「電池システム」の例は図１０に示される。

実用的な事例の１つがここで述べられる。すなわち、電動自動二輪車の電池システムの例である。図１０を参照すると、典型的な電動自動二輪車は、５３Ｖおよび４０Ａｈを有する電池システムを用いる。電池システムは、直列接続された４つの電池パック（１３．３Ｖ）から構成される。電池パックのそれぞれは、直列接続された４つのリチウム鉄電池セット（３．３３Ｖ）からなる。そして、電池セットのそれぞれは、並列接続された４つの１０Ａｈ電池からなる。この場合、電池システムの最良の構造は、電池システムのための構成ブロックとしての、電池パックアセンブリおよび電池セットアセンブリの利用である。その配列では、電池パックの過充電および電池セットの過充電は防がれ得る。電池システムが電池パックアセンブリを用いて構築されているが、パックアセンブリは電池セットのみによって構築されている場合、電池セットにおける過充電が、長時間のサイクリングの後に起こるかも知れない。電池システムが電池パックのみを用いて構築され、電池パックが電池セットアセンブリではなく電池セットを用いて構築されている場合、充電中の過充電を伴ったセル・インバランスが起こり得る。

実施例４好ましい電力供給システム
電力供給システムは、図４に示されるように、充電器４、電池システム（パックまたはセット）、制御盤１０および回路遮断器９を含む構成要素の集積化である。ここでも、本発明の４つの電池アセンブリは実証のための最も単純な例として直列接続されている。図４を参照すると、それぞれの電池は、図２（ａ）または（ｂ）に示されるように、構成要素からなる回路に並列接続されていることがわかる。制御盤は、それぞれの電池のそれぞれの端子に通じる導電体に接続されている。これらの導電体は電圧検出供給手段として機能する。制御盤の他方の端部は、回路遮断器が接続されている。充電器は、電気的に直列接続された電池の２つの端部に直接接続されている。通常の充電中（定電流／定電圧）、電池のいずれかが設定過充電電圧を超えると、制御盤は、充電を終了するための信号を回路遮断器に送る。同様に、放電中、電池のいずれかが設定終了電圧を下回ると、制御盤は、放電を終了するための信号を回路遮断器に送る。これら２種類の動作は、過充電および過放電を避けるための電池保護機能を果たす。通常の充電中、設定時間中は充電動作を認める（たとえば、定電圧充電の１．５時間後に終了）。そのとき、電池はよりバランスのとれたものになるかも知れないし、そうでないかも知れない。しかしながら、すべての電池が平衡化されるまで定電流充電を可能にする、数回の充電の後、または、まさにバランス充電（小電流定数、電流充電、電流の大きさＩ＜Ｉ’）モードを開始することによって電池は平衡化されることができる。

この場合、制御盤は、直列接続されたそれぞれの電池の電圧を検出し、充電または放電動作の終了のための信号を回路遮断器に送る非常に単純な装置であり得る。このように、制御盤の単純さは、電池は充電中に電流をリークさせるので、本発明の電池の特性によって役立てられる。本発明において、充電の遮断は、電力の入力または出力を切る電磁継電器によってなされるのが好ましい。この電磁継電器はアイドル状態のあいだ、好ましくは電力消費を必要とせず、制御盤によって発生するパルス信号は継電器の回路開閉状態を決定し、したがって、電池の充電のオンとオフとを決定する。

実施例５実施例１で述べたセル平衡を達成するための方法
図１１を参照すると、本実施例では全部で８つある１０Ａｈのリチウム鉄電池は、充電方法および充電中の電池のセル・バランス特性の実証に用いられる。まず、２つのセルは並列電池セットを形成するために並列接続される。次に、電池のセットのそれぞれは、電池アセンブリを形成するために電池セットに電気的に並列接続された回路（たとえば、プリント回路基板）に接続される。それから、４つの電池アセンブリは直列接続される。この場合、明確性のために、直列接続される４つの電池セットアセンブリは第１のセット、第２のセット、第３のセットおよび第４のセットと称される。まず、４つすべてのセットアセンブリは、１００％完全に充電される。次に、第１の電池セットアセンブリは１０％容量（２Ａｈ）の放電がなされる。この後、４つすべての電池セットアセンブリは直列接続され、このセットアップは電池パックとされる。設定自己放電作動電圧は、この場合３．７５Ｖに設定される。それぞれの電池セットに並列する自己放電回路は、２オームの抵抗を有する。上述した手順の後、電池パックは１．７Ａの定電流充電を受ける。電池の各セットに対する電圧変化対時間は表１に示される。表１から、第２、第３および第４の電池セットアセンブリは、初期状態において３．７５Ｖを超える電圧増加があったことがわかる。５分後、第２、第３および第４の電池セットアセンブリは、３．７５Ｖで安定するよう回復した。このとき、レジスタを通過する電流は１．８Ａであることが測定される。

電池セットアセンブリの第１のセットは、その電圧を徐々に増加させ、８０分後には３．７５Ｖであり、これは充電平衡動作の終了である。本実験では、Ｉ（電力供給電流）はＩ’（レジスタを通る電流）より低く設定される。結果として、電池セットアセンブリの第２、第３および第４のセットに対する電圧は、充電中３．７５Ｖで安定した。電池セットアセンブリの４つのセットの完全な平衡は、所定時間経過後に達成された。電流Ｉが電流Ｉ’（この場合、１．８Ａ）よりわずかに大きく設定されるとき、第２、第３および第４の電池セットの電圧は、定電流充電のあいだ、３．７５Ｖより高くなり得ることが観察された。しかしながら、定電圧充電が第２段階の充電として１５Ｖに設定されるとき、第２、第３および第４の電池セットの電圧減少が観察され（電流Ｉが電流Ｉ’未満に減少し始めるとき）、電池セットアセンブリの４つのセットは最終的に平衡化されるが、長時間を必要とする。

上述の自己放電セットアップおよびメカニズムに加え、所定条件の下で自己放電されている充電の量を制御するタイマー（時間カウンター）または充電カウンターを付加することにより、図２（ａ）および（ｂ）に示される自己放電セットアップに別の特徴が組み込まれ得る。タイマーまたは充電カウンターを付加することの中核の考えは、直列接続されている電池、電池セットまたは電池パックが長期にわたる定電圧充電により充電され得ない、すなわち、充電器またはあらゆる充電手段（例えば、太陽光や風車による充電）が長期および安定した定電圧充電を提供しない場合の問題を解決することである。長期にわたる定電圧充電なしに、直列接続された電池を平衡化するために、自己充電セットアップはタイマーを備える。タイマーの機能は、所定の条件が存在する場合に、自己放電される電池内の電荷の所定量を設定することである。電池が設定電圧Ｖ’まで過充電されると同時に、自己放電機構はトリガーされる。自己放電動作は、電池の電圧が設定電圧Ｖ’を下回るまで継続し、それからタイマーが、一定期間のさらなる自己放電のためにトリガーされる（例えば、電池容量の２％、これは電池をその容量の２％放電するために必要な時間である）。２％が好ましい量として示されているが、本発明の実施においては、電池容量の約２％から２０％までの放電量が可能である。この方法の利点は以下のことを含んでいる。（１）この自己放電時間遅延セットアップは、上記実施例５に関して上述した機能、すなわち、電圧が設定電圧Ｖ’を超え、直列接続されている電池セットアセンブリが１つでも自己放電される場合に、直列接続されている電池セットアセンブリの全てが、長期の定電圧充電後に最終的に平衡化されるという機能を提供する。（２）再生可能エネルギー電力源充電（例えば、ソーラーパネルや風車など）または長期にわたる定電圧充電を提供しない他の充電器など、不安定な充電条件であっても、電池セル・バランスの性能（機能）を維持しつつ、依然として電池の充電に有用である。これは、上記実施例５に記載のものと同一の電池セットアセンブリを用いて理解され得る。一例として、所定の電圧まで充電され、カットオフが定電圧充電を伴わずに行われる。すでに設定値の上限電圧Ｖ’を超えたことがある、直列接続されている電池セットアセンブリは放電され続け、電池の電圧が設定電圧Ｖ’未満に下がった場合でもさらに自己放電が行われる。すでに設定電圧Ｖ’を超えているこれらの電池セットアセンブリに行われる付加的な自己放電により、定電圧充電に利用される時間が不十分な場合に、カットオフ前にＶ’を超える電池セットアセンブリ（自己放電がトリガーされる）と、カットオフ前にＶ’を下回る電池セットアセンブリ（自己放電がトリガーされていない）との間の容量における差は縮まる。（３）定電圧充電は、以下の実施例６でより詳細に説明されるような、いくつかの電圧カットオフ充電方法に置き換えられ得る。

実施例６長期の定電圧充電を伴わずに電池セル平衡を達成するための方法
本実施例の目的は、定電圧充電のための時間を長く有さずに電池セル・バランス状態を達成する自己放電セットアップのための本発明の時間遅延機能の必要性を実証することである。

図２を参照すると、本実施例では、充電方法および充電中の電池のセル平衡化特性を実証するために、合計４つの１０Ａｈリチウム鉄電池が用いられる。各電池１は、電池アセンブリ３を形成するために電池に電気的に並列接続されている回路２に接続される。各回路２は、電圧検出器５ａ、１０オームのレジスタ７、および電池の電圧が３．６５Ｖ以上になると電池を自己放電させ、その後電池の電圧が３．６５Ｖを下回るとさらに１５分という期間の自己放電をさせるタイマー１３を含んでいる。４つの電池アセンブリは直列接続されている。本実施例において、図１２の４つの電池アセンブリは（１）、（２）、（３）および（４）と番号を付けられた電池を有する。各電池アセンブリの電圧変化対時間は、図１３（ａ）〜図１２（ｄ）に示される。直列の４つの電池アセンブリを含む電池パックに関する電流対時間は、図１３（ｅ）に示される。４つの電池アセンブリは全て最初に容量の１００％まで充電され、最初は平衡化されている（図１３（ａ）から（ｄ）に示すように、３．６５Ｖ±０．０３Ｖ）。第１の電池アセンブリ（電池（１））は、５オームのレジスタを用いて１時間にわたり６．６％容量（０．６６Ａｈ）の放電がなされる。この手順の後、直列接続された４つの電池アセンブリを含む電池パックは、１４．７Ｖに設定された定電圧充電を受ける。しかしながら充電器は、電池アセンブリが１つでも３．７０Ｖを超えて充電されるとカットオフするように設定されている。図１３（ａ）〜（ｄ）から、第２、第３および第４の電池アセンブリ（電池（２）、（３）および（４））が、充電器が充電を開始するとすぐに電圧を迅速に増やすことが分かる。充電器は、作動後ほぼ直ぐに充電を停止する。しかしながら、第２、第３および第４の電池アセンブリは３．６５Ｖにあらかじめ設定された自己放電電圧をトリガーするので、充電器のカットオフの後でも各電池アセンブリに継続的な電圧の低下が見られる。この第２、第３および第４の電池アセンブリに比べて、第１の電池アセンブリは、充電器のカットオフ後の自己放電は全くないのでより平坦な電圧プロフィールが見られる。８サイクルの充電後、第１の電池アセンブリが、自己放電を行い（３．６５Ｖを超える電圧の上昇）、電圧が３．７０Ｖを超えると充電工程をカットオフする唯一の電池アセンブリとなることが観察された。この結果は、カットオフとして電圧を設定することにより、セル・バランスが複数の充電により達成され得るということを示唆している。６．６％の電池容量の差の回復は、各電池に対してセットアップされた自己放電遅延時間を利用する複数の充電段階を用いて補われ得る。各電池に対する自己放電セットアップを取り除き１４．７Ｖで直列する４つの電池の充電をさらに行うことで、電流ゼロまでに総容量の３．７％の入力が得られる。これは全ての電池が、長期の定電圧充電がなくても８回の連続する充電後に、完全に充電された状態に近づくことを暗示している。示される実験結果によれば、時間遅延自己放電機構に用いられる構成部品についての厳しい制限はない。あらゆる集積回路、トランジスタ、さらには、電圧センサー、レジスタ、およびタイマーまたは充電カウンターを含む部品を手動で組み込むセットアップも、長期の定電圧充電を伴わずに、直列接続された電池を平衡化するという目的を達成できる。

実施例６は、図１２に示されるように直列接続された４つの電池アセンブリのためのものであるが、本発明の方法は、図５（ａ）〜図１１に示されるように配置された電池や、これらの配置が拡大された場合にも適合する。

前述のように、単一の電池ユニットは、「電池」または「セル」という。本明細書全体にわたって用いられる用語「電池セット」または「セルセット」は、並列、直列、並直列または直並列に接続された多数の電池を意味する。本明細書全体にわたって用いられる用語「電池パック」または「セルパック」は、並列、直列、並直列または直並列に接続された多数の電池セットを意味する。本明細書全体にわたって用いられる用語「アセンブリ」は、電池（またはセル）が過充電されるときにおける電池（またはセル）、電池セット（またはセルセット）または電池パック（またはセルパック）の自己放電手段を伴った電池（またはセル）、電池セット（またはセルセット）または電池パック（またはセルパック）を意味する。電池システムは、１つまたは複数のセルパックを用いて構成され得る。電池システムは通常、充電／放電サイクルに対して準備が整っている完成された形態のものをいう。

３つの重要な制御は、以下の最初の３つのパートに示される。最後のパート（パートＩＶ）は、高度な電池システムの構成を導入するために用いられ、いくつかの例が説明されている。

パートＩ．バランサー
バランサーの最も重要な構想は、セルを放電するために電圧と時間の二重制御を用いることである。図１４は、セルを放電する典型的なバランサーのフローチャートを示す。１つ（またはいくつか）のＩＣ（集積回路）は、各セルの電圧および各セルの放電時間を監視するように設計される。典型的な例は、８つのチャネルを同時に制御するプリント回路基板上のＩＣである。各チャネルの電圧が個別に監視され、セルを放電する時間も個別に計測される。１つのチャネルを例にとると、セルの電圧が閾値電圧を超えるとセルの放電が開始される。放電動作は、セルの電圧が所定時間の間、閾値電圧を下回った場合にのみ終了される。この継続時間は、用途によって数分程度の短い時間から数時間程度の長い時間までで設定され得る。典型的なケースでは、１０Ａｈと評価される容量のセルは、電圧が３．５Ｖを超えると放電を開始する。外付けの１０オームのレジスタがセルを放電するために利用され、放電動作は、１時間の間、電圧が３．５Ｖを下回ると終了される。

パートＩＩ．過充電／過放電保護
各セルのための、典型的な過充電／過放電保護のフローチャートが図１５に示される。パートＩで紹介されたバランサーと同様に、ＩＣが各セルの過充電／過放電状態の監視において選定される。典型的な例は、８つのチャネルを同時に制御するプリント回路基板上のＩＣである。セルについて過充電条件が満たされると（典型的には４．０Ｖ）、セルの過充電を防止するために、充電器からの電流入力を終了する継電器（通常、ラッチ式の電磁継電器）にパルスが送られる。３００Ｖ以上で作動するプラグインハイブリッド車両などの、高電圧用途の場合には、充電動作を即時終了させる継電器を使用する代わりに、モータや発電セットなどの基板上の他の電気機器の損傷を防ぐために充電作業を終了させる車両のＥＣＵ（電子制御ユニット）に、過充電信号が送られる。

本発明に不可欠な過充電制御の最も重要な特徴の１つは、継電器の「自動再開（automatic resume）」機能である。典型的な例は、８つのチャネルを同時に制御するＩＣである。セルの１つに関して過充電条件が満たされると、セルの過充電を防止するために、充電器からの電流入力を終了させる継電器（通常、ラッチ式の電磁継電器）にパルスが送られる。この充電は、「全ての」セルの電圧が設定電圧まで下がると再開される。これは、「全ての」セルの電圧が設定電圧（図１５を参照）を下回る場合に充電動作が再開されることを意味する。リチウム鉄リン酸化物や他のＬｉＦｅＰＯ₄タイプのセルの場合、この電圧は典型的には３．４Ｖとすることができる。

パートＩＩＩ．充電器
本発明に不可欠なもう１つの重要な特徴は、充電器の制御である。従来、リチウムイオンセルは、定電流充電段階で開始し、その後設定電圧で長期にわたって定電圧充電する充電条件に適している。本発明では、充電器は電圧が設定電圧（典型的にはより高い電圧）に達すると充電動作を終了する。そして、電圧が別の設定電圧（典型的にはより低い電圧）未満に下がると、充電動作の再開が行われる。また、設定時間がある場合もある。２つの設定電圧間における充電器の「終了」および「再開」の機能は、本発明において定電流充電が必要ないということを意味している。

充電動作を終了および再開させる時、切断時に電気アークを生じるおそれのあるＤＣ端（電流出力端）での継電器の切断の代わりに、充電器からの充電の終了はＡＣ端（電流入力端）で行われ得る。このような手順は、継電器で生じている電気アークの防止を助けるので、継電器の安全性および耐用年数を向上させる。例えば、３００Ｖ以上で作動するプラグインハイブリッド車両など、高電圧用途の場合には、安全面の理由から充電の終了は充電器のＡＣ端で行われるべきである。どちらにしても、「再開電圧」条件が達成されることを可能にする、制御手段による充電電流の最小化は、継電器を用いる直接的なカットオフと同一の結果をもたらす。

パートＩＶ．電池システム
背景技術で記載したような電池システムの定義によれば、電池システムは、充電器に接続する準備の整った１つ以上のセルパック（電池パック）の組み合わせである。以下の実施例は、１．平衡化のための放電機構、２．再開機能による過充電保護、および３．高電圧カットオフおよび再開（より低い電圧または設定時間）機能を用いる充電器端末の適切な制御によって、電池システムがどのようにうまく機能するかを実証する。

実施例７直列する２つのセルパックを含む５２Ｖの電池システム
本実施例においては、実証のために５２Ｖの電池システムが用いられる。この５２Ｖの電池システムは、それぞれが２６Ｖを示す直列する２つのセルパックから構成される。各セルパックは直列する８つのセルセットを含み、各セルセットにおいて８つのセルが並列する。各セルは１０Ａｈの容量を有する。

この電池システムにおいて、セルセットの電圧が３．５Ｖを超えると、各セルセットは５オームのレジスタを用いて放電される。セルセットの電圧が３．５Ｖ未満に下がると、１時間の継続時間が計られ、放電の最後で放電の終了が行われる。

過充電条件は、各セルセットに対して４．１５Ｖに設定される。監視される「全ての」セルセットが３．６５Ｖを下回る場合には、再開充電電圧は３．６５Ｖに設定される。この場合、８つのチャネルの過充電／過放電プリント回路基板が、８つのセルセットの電圧を監視し、４．１５Ｖ（セットが１つでもこの電圧に達したとき）および３．６５Ｖ（８つのセルセット全てがこの電圧を下回るとき）で「充電終了」および「充電再開」をそれぞれ行うために用いられる。過充電／過放電基板によりトリガーされる継電器は、セルパックのそれぞれに配置される。

本実施例で用いられる充電器は、一定の電力出力を行う従来の鉛酸電池充電器である。本実施例ではカットオフ電圧は５６．５Ｖに設定され、再開電圧は５３．８Ｖに設定される。カットオフ電圧に達すると、ＡＣ端部に配置された継電器が開放する（５６．５Ｖ）。同様に、再開電圧（５３．８Ｖ）に達すると、継電器は再び閉鎖する。

セルパックは最初に、容量の０％まで放電された。セルセットの１つは、直列する２つのセルパックを充電する前に、その公称容量（８Ａｈ）の１０％まで前充電された。図１６（ａ）は記録された電池システムの電圧を示し、図１６（ｂ）は充電電流を示し、図１６（ｃ）は電池システム容量を示す。図１６（ｄ）は比較のために、１０％前充電されたセルセットおよび前充電のない通常のセルセットの電圧を示す。これらの図は全て同一の時間スケールで示されているので、これらの図は比較のために重ね合わされ得る。図１６（ａ）〜（ｄ）から、いくつかの態様が以下のように結論付けられ得る。

１．過充電／過放電基板により設定された４．１５Ｖのカットオフ条件は、充電器により設定された５６．５Ｖのカットオフ電圧よりも先に達せられる。この期間の間、継電器の状態「閉鎖」または「開放」は、各図で「過充電／過放電基板により制御される充電」と示されるように、最初に過充電／過放電基板によって決定される。トリガーされている継電器は、電池モジュールに配置されているものである。

２．「過充電／過放電基板により制御される充電」の期間中、電池アセンブリ全体の電圧は、充電器のカットオフ電圧へと徐々に上昇する。５６．５Ｖに達すると、充電器上の継電器が充電手順を命令し始める。これは各図（図１６（ａ）〜（ｄ））において「充電器に与えられた設定電圧範囲により制御される充電」として表される。この期間中にトリガーされている継電器は、充電器に配置されているものである。

３．バランサーがなければ、セル容量が充電期間を通して平衡化される機会がない。

４．過充電／過放電基板がなければ、充電中にセルを過充電する危険がある。これは、電池システム電圧がまだ５５Ｖの時に４．１５Ｖのカットオフが到達されている３（ａ）から明らかである。充電器によって５６．５Ｖに達することを強いられる場合には、４．１５を上回るセル電圧が確実に生じる。セルの過充電は、多数のセル（またはセルセット、またはセルパック）が直列接続されている場合に、より生じやすいことも特筆に値するだろう。これは電気自動車（EV）またはプラグインハイブリッド車両での適用に特に深刻である（実施例７を参照のこと）。

５．ゆえに定電圧および定電流での充電という制約のない繰り返し充電を備える充電器が、セル全ての「過充電」のリスクを冒すこと無くリチウムイオン電池に対して許されることになる。

図１６（ａ）〜（ｄ）に示されるように充電されている電池システムは後に放電され、容量対時間は図１７に示される。これは、８０Ａｈの全容量が、制御された繰り返し充電の後に回復可能であることを証明している。

本発明のより総合的な説明を以下に示す。

１．ａ）．平衡化のための放電機構、ｂ）．再開機能による過充電保護、およびｃ）．高電圧カットオフおよび再開機能を備える充電器端末の制御により、不安定な電圧および電流出力（または電池システムに対する入力）を有するあらゆる再生可能なエネルギー源が、電池システム中のセルまたはセルセットのバランスを維持したまま、（例えば、セルまたはセルセットの充電を行う）電池システムの損傷リスクを一切負うことのない、電池システムの充電に用いられ得る。言い換えれば、再生可能エネルギーの電力源が、電池システムを充電するための充電電力源になり得る。

２．充電動作の終了は、システムの設計に応じて、電池システム側、充電器側（または再生可能エネルギーの出力側）、またはその両方で行われ得る。

３．充電動作の終了（充電のない状態）は、少ない電流入力によって置き換えられ得る。この電流の大きさは、セルまたはセルセットを放電する電流と等しいか、それよりも少ない。しかしながら、（その後に制限された電流量が続く）高電圧カットオフ、および（低電圧または設定時間によりトリガーされる）再開機能を備える充電器端末は、電池システムが充電の繰り返しを経て完全に充電されることを確実にする。いくつかの詳細は実施例ＩＩで見られる。

実施例８直列する６つのセルパックを含む３１２Ｖの電池システム
本実施例においては、例示のために３１２Ｖの電池システムが構成される。この３１２Ｖの電池システムは、それぞれが５２Ｖを示す、直列する６つのセルパックから構成される。各セルパックは直列する１６のセルセットを含み、各セルセットにおいて３つのセルが並列している。各セルは１８Ａｈの容量を有する。合計１５ｋＷｈのエネルギーがプラグインハイブリッド用途のために蓄えられている。

過充電条件は、各セルセットに対して４．１５Ｖに設定される。監視される「全ての」セルセットが３．６５Ｖを下回る場合には、再開充電電圧は３．６５Ｖに設定される。この場合、８つのチャネルの過充電／過放電プリント回路基板の２つが、各セルパック中の１６のセルセットの電圧を監視するために用いられる。過充電／過放電基板のチャネルのいずれかが、４．１５Ｖ（セットが１つでもこの電圧に達した場合）および３．６５Ｖ（８つのセルセット全てがこの電圧を下回る場合）それぞれでトリガーされる「充電終了」および「充電再開」の状態にあるときに、過充電／過放電基板は車両のＥＣＵに信号を送る。ＥＣＵはその後、バランサーを通過する電流未満かそれと等しい大きさに充電電流を最小化するために、コントローラー・エリア・ネットワーク（ＣＡＮ）メッセージを充電器に送る。この場合電流ゼロが可能であり、これは実施例７に記載された「終了」条件と同様のものである。さらに、「終了」は電源のＡＣ端を切断することによっても達成され、これにより上記の電流量を最小にする方法と同一の効果に達することも言及されるべきである。

ＥＣＵがセルセットのいずれかから「過充電」信号を受信するか、電池システムの電圧が３３６Ｖ（１つのパックに５６個のセルが存在し、６つのセルパックが直列していると仮定）を超えたことを検出する時はいつでも、充電電流は終了させられるか、１時間の継続時間（バランサーの作動時間と同じ）最小化される。再開される充電はゆえに、「過充電による損傷」状態に陥るリスクなしに数時間で完全に充電される電池システムを保証する。もちろん、充電器により検出される低い再開電圧に達すると（３１８Ｖ、１つのパックが５３Ｖで、６つのパックが直列していると仮定）、充電は（上記のように設定された）１時間の制限前にも再開され得る。

繰り返すが、本発明において導入される３つの主要な制御、すなわちａ）．平衡化のための放電機構、ｂ）．再開機能による過充電保護、およびｃ）．高電圧カットオフおよび（電圧または時間により再開される）再開機能を有する充電器端末は、プラグインハイブリッド車両用途など、大きなシステムでの適用においても短時間で完全に充電され、なおかつ平衡化される電池システムを保証する。

本発明は、複数のセルを有する蓄電池システム、および蓄電池システムを充電するための充電手段である。蓄電池システムは、蓄電池システムを形成するために電気的に接続された複数のセル；直列回路内のセル、直列回路内のセルセット、および直列回路内のセルパックの少なくとも１つと並列接続される、自己放電電圧を継続して測定する自己放電電圧測定手段および対応する自己放電手段；直列回路内のセル、直列回路内のセルセット、および直列回路内のセルパックの少なくとも１つにかかる過充電電圧を、継続して測定する過充電電圧測定手段；蓄電池システムのセル全てを充電するために、蓄電池システムに直列接続される充電手段；充電手段にかかるシステム電圧を継続して測定するシステム電圧測定手段；蓄電池システムの充電電流を制限する制限手段；および蓄電池システムを制御する制御手段を有する。蓄電池システムの操作は、以下の通りである。
（ａ）充電中、いずれか１つの自己放電電圧測定手段によって測定される自己放電電圧が設定自己放電電圧以上である場合、対応する自己放電手段が、測定される自己放電電圧が設定自己放電電圧より小さくなるまで作動し、その後、対応する自己放電手段は作動しなくなる。
（ｂ）充電中、測定された過充電電圧のいずれかが設定過充電電圧を超える場合、蓄電池システムへの充電電流が制限され、その後、測定される過充電電圧が全て設定第１再開電圧以下になると、蓄電池システムへの充電電流は制限されなくなる。
（ｃ）充電中、測定されたシステム電圧が設定全体電圧を超える場合、蓄電池システムへの充電電流が制限され、その後、測定されるシステム電圧が設定第２再開電圧以下になると、蓄電池システムへの充電電流は制限されなくなる。
（ｄ）充電中、蓄電池システムへの充電電流が制限されている時間が、設定システム時間を過ぎると、蓄電池システムへの充電電流は制限されなくなる。

本発明に係る電池アセンブリの多種の実施形態の概略図である。本発明に係る電池アセンブリの多種の実施形態の概略図である。本発明に係る電池アセンブリの多種の実施形態の概略図である。本発明に係る電池アセンブリの多種の実施形態の概略図である。本発明に係る電池アセンブリの多種の実施形態の概略図である。本発明に係る自己放電回路の拡大図をともなった本発明に係る電池アセンブリの概略図である。本発明に係る自己放電回路の他の実施形態の拡大図をともなった本発明に係る電池アセンブリの概略図である。電池ケース上に配置された自己放電回路を有する本発明に係る電池アセンブリの概略図である。本発明に係る電池アセンブリを有する電力供給システムの概略図である。本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）および図６（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）および図６（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）および図６（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）および図６（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）および図６（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）、図６（ａ）〜（ｅ）および図７（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）、図６（ａ）〜（ｅ）および図７（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）、図６（ａ）〜（ｅ）および図７（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）、図６（ａ）〜（ｅ）および図７（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。図５（ａ）〜（ｅ）、図６（ａ）〜（ｅ）および図７（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックアセンブリの概略図である。本発明の実施例３による電池アセンブリを有する電池システムの概略図である。本発明の実施例５による電池アセンブリを有する電池システムの概略図である。本発明の実施例６による電池アセンブリを有する電池システムの概略図である。実施例６の実験結果を示す。実施例６の実験結果を示す。実施例６の実験結果を示す。実施例６の実験結果を示す。実施例６の実験結果を示す。セル、セルセットまたはパックの自己放電を制御するための本発明の装置のフローチャートを示す。再開機能を備える本発明の過充電／過放電制御基板のフローチャートを示す。実施例７の実験結果を示す。実施例７の実験結果を示す。実施例７の実験結果を示す。実施例７の実験結果を示す。実施例７で用いられた電池システムの放電容量である。

図１２を参照すると、本実施例では、充電方法および充電中の電池のセル平衡化特性を実証するために、合計４つの１０Ａｈリチウム鉄電池が用いられる。各電池１は、電池アセンブリ３を形成するために電池に電気的に並列接続されている回路２に接続される。各回路２は、電圧検出器５ａ、１０オームのレジスタ７、および電池の電圧が３．６５Ｖ以上になると電池を自己放電させ、その後電池の電圧が３．６５Ｖを下回るとさらに１５分という期間の自己放電をさせるタイマー１３を含んでいる。４つの電池アセンブリは直列接続されている。本実施例において、図１２の４つの電池アセンブリは（１）、（２）、（３）および（４）と番号を付けられた電池を有する。各電池アセンブリの電圧変化対時間は、図１３（ａ）〜図１３（ｄ）に示される。直列の４つの電池アセンブリを含む電池パックに関する電流対時間は、図１３（ｅ）に示される。４つの電池アセンブリは全て最初に容量の１００％まで充電され、最初は平衡化されている（図１３（ａ）から（ｄ）に示すように、３．６５Ｖ±０．０３Ｖ）。第１の電池アセンブリ（電池（１））は、５オームのレジスタを用いて１時間にわたり６．６％容量（０．６６Ａｈ）の放電がなされる。この手順の後、直列接続された４つの電池アセンブリを含む電池パックは、１４．７Ｖに設定された定電圧充電を受ける。しかしながら充電器は、電池アセンブリが１つでも３．７０Ｖを超えて充電されるとカットオフするように設定されている。図１３（ａ）〜（ｄ）から、第２、第３および第４の電池アセンブリ（電池（２）、（３）および（４））が、充電器が充電を開始するとすぐに電圧を迅速に増やすことが分かる。充電器は、作動後ほぼ直ぐに充電を停止する。しかしながら、第２、第３および第４の電池アセンブリは３．６５Ｖにあらかじめ設定された自己放電電圧をトリガーするので、充電器のカットオフの後でも各電池アセンブリに継続的な電圧の低下が見られる。この第２、第３および第４の電池アセンブリに比べて、第１の電池アセンブリは、充電器のカットオフ後の自己放電は全くないのでより平坦な電圧プロフィールが見られる。８サイクルの充電後、第１の電池アセンブリが、自己放電を行い（３．６５Ｖを超える電圧の上昇）、電圧が３．７０Ｖを超えると充電工程をカットオフする唯一の電池アセンブリとなることが観察された。この結果は、カットオフとして電圧を設定することにより、セル・バランスが複数の充電により達成され得るということを示唆している。６．６％の電池容量の差の回復は、各電池に対してセットアップされた自己放電遅延時間を利用する複数の充電段階を用いて補われ得る。各電池に対する自己放電セットアップを取り除き１４．７Ｖで直列する４つの電池の充電をさらに行うことで、電流ゼロまでに総容量の３．７％の入力が得られる。これは全ての電池が、長期の定電圧充電がなくても８回の連続する充電後に、完全に充電された状態に近づくことを暗示している。示される実験結果によれば、時間遅延自己放電機構に用いられる構成部品についての厳しい制限はない。あらゆる集積回路、トランジスタ、さらには、電圧センサー、レジスタ、およびタイマーまたは充電カウンターを含む部品を手動で組み込むセットアップも、長期の定電圧充電を伴わずに、直列接続された電池を平衡化するという目的を達成できる。

４．過充電／過放電基板がなければ、充電中にセルを過充電する危険がある。これは、電池システム電圧がまだ５５Ｖの時に４．１５Ｖのカットオフが到達されている図１６（ａ）から明らかである。充電器によって５６．５Ｖに達することを強いられる場合には、４．１５Ｖを上回るセル電圧が確実に生じる。セルの過充電は、多数のセル（またはセルセット、またはセルパック）が直列接続されている場合に、より生じやすいことも特筆に値するだろう。これは電気自動車（EV）またはプラグインハイブリッド車両での適用に特に深刻である（実施例７を参照のこと）。

３．充電動作の終了（充電のない状態）は、少ない電流入力によって置き換えられ得る。この電流の大きさは、セルまたはセルセットを放電する電流と等しいか、それよりも少ない。しかしながら、（その後に制限された電流量が続く）高電圧カットオフ、および（低電圧または設定時間によりトリガーされる）再開機能を備える充電器端末は、電池システムが充電の繰り返しを経て完全に充電されることを確実にする。いくつかの詳細はパートＩＩで見られる。

Claims

複数のセル、および、蓄電池システムを充電するための充電手段を有する蓄電池システムであって、
前記蓄電池システムを形成するために電気的に接続される複数のセルと、
直列回路内のセル、直列回路内のセルセット、および直列回路内のセルパックの少なくとも１つに並列に、共に接続される、自己放電電圧を継続して測定する自己放電電圧測定手段および対応する自己放電手段と、
直列回路内のセル、直列回路内のセルセット、および直列回路内のセルパックの少なくとも１つの過充電電圧を継続して測定する過充電電圧測定手段と、
前記蓄電池システムの前記セル全てを充電するために前記蓄電池システムに直列に接続される充電手段と、
前記充電手段のシステム電圧を継続して測定するシステム電圧測定手段と、
前記蓄電池システムの充電電流を制限する制限手段と
前記蓄電池システムを制御する制御手段と
を含んでおり、
（ａ）充電中、前記自己放電電圧測定手段のいずれか１つによって測定された前記自己放電電圧が設定自己放電電圧以上である場合、測定された前記自己放電電圧が前記設定自己放電電圧と等しくなるまで前記対応する自己放電手段が作動し、その後、前記対応する自己放電手段は作動しなくなり、
（ｂ）充電中、測定された前記過充電電圧のいずれかが設定過充電電圧を超える場合、前記蓄電池システムへの前記充電電流が制限され、その後、測定された前記過充電電圧が全て設定第１再開電圧以下になると、前記蓄電池システムへの前記充電電流は制限されなくなり、
（ｃ）充電中、測定された前記システム電圧が設定全体電圧を超える場合、前記蓄電池システムへの前記充電電流が制限され、その後、測定された前記システム電圧が設定第２再開電圧以下になると、前記蓄電池システムへの前記充電電流は制限されなくなり、
（ｄ）充電中、前記蓄電池システムへの前記充電電流が制限されている時間が設定時間を過ぎると、前記蓄電池システムへの前記充電電流は制限されなくなる
蓄電池システム。
（ａ）において、測定された前記自己放電電圧が前記設定自己放電電圧と等しくなるまで前記自己放電手段が作動するときに、前記自己放電手段がさらに設定時間のあいだ作動する請求項１記載の蓄電池システム。
前記設定時間が、直列回路内のセル、直列回路内のセルセット、および直列回路内のセルパックの少なくとも１つのそれぞれの充電容量の設定された割合の放電を与える時間である請求項２記載の蓄電池システム。
前記充電容量の前記設定された割合が０．１〜２０パーセントの範囲にある請求項３記載の蓄電池システム。
前記充電手段が、再生可能エネルギーの電力源装置である請求項１または２記載の蓄電池システム。
前記充電手段が、太陽電池による充電器、風力による充電器および内燃機関による充電器の少なくとも１つである請求項１または２記載の蓄電池システム。
（ｂ）および（ｃ）において、前記蓄電池システムへの充電電流が制限されるときに、前記充電電流がゼロに制限される請求項１または２記載の蓄電池システム。
前記制限手段が、前記充電手段と前記蓄電池システムとの直列回路内における回路遮断器、前記充電手段のＤＣ出力における回路遮断器、および、前記充電手段のＡＣ入力における回路遮断器の少なくとも１つである請求項７記載の蓄電池システム。
（ｂ）および（ｃ）において、前記蓄電池システムへの前記充電電流が制限されるときに、前記充電電流が、直列回路内のセル、直列回路内のセルセット、および直列回路内のセルパックの少なくとも１つを放電する電流と等しいか、それ未満の大きさに制限される請求項１または２記載の蓄電池システム。
前記蓄電池システムを制御する前記制御手段が、集積回路およびプリント回路基板の少なくとも１つである請求項１または２記載の蓄電池システム。
（ｄ）において、制限されている、前記蓄電池システムへの前記充電電流についての前記設定時間が、０．５〜１．５時間の範囲内である請求項１または２記載の蓄電池システム。
電気モータおよび該電気モータに電気エネルギーを供給する請求項１または２の蓄電池システムを含む車両。
複数のセルおよび蓄電池システムを充電するための充電手段を有する蓄電池システムを充電する方法であって、
前記蓄電池システムを形成するために電気的に接続された複数のセルを準備することと、
直列回路内のセル、直列回路内のセルセット、および直列回路内のセルパックの少なくとも１つに並列に、共に接続される、自己放電電圧を継続して測定する自己放電電圧測定手段および対応する自己放電手段を準備することと、
直列回路内のセル、直列回路内のセルセット、および直列回路内のセルパックの少なくとも１つの過充電電圧を継続して測定する過充電電圧測定手段を準備することと、
前記蓄電池システムの前記セル全てを充電するために前記蓄電池システムに直列に接続される充電手段を準備することと、
前記充電手段のシステム電圧を継続して測定するシステム電圧測定手段を準備することと、
前記蓄電池システムの充電を制限する制限手段を準備することと、
前記蓄電池システムを制御する制御手段を準備することと、
充電を開始することと
を含んでおり、
（ａ）充電中、前記自己放電電圧測定手段のいずれか１つによって測定された自己放電電圧が設定自己放電電圧以上である場合、前記対応する自己放電手段を、測定された前記自己放電電圧が前記設定自己放電電圧と等しくなるまで作動させ、その後、前記対応する自己放電手段の作動を停止し、
（ｂ）充電中、測定された前記過充電電圧のいずれかが設定過充電電圧を超える場合、前記蓄電池システムへの前記充電電流を制限し、その後、測定された前記過充電電圧が全て設定第１再開電圧以下になると、前記蓄電池システムへの前記充電電流の制限を停止し、
（ｃ）充電中、測定された前記システム電圧が設定全体電圧を超える場合、前記蓄電池システムへの前記充電電流を制限し、その後、測定された前記システム電圧が設定第２再開電圧以下になると、前記蓄電池システムへの前記充電電流の制限を停止し、
（ｄ）充電中、前記蓄電池システムへの前記充電電流が制限されている時間が設定時間を過ぎると、前記蓄電池システムへの前記充電電流の制限を停止する
方法。
（ａ）において、測定された前記自己放電電圧が前記設定自己放電電圧と等しくなるまで前記自己放電手段を作動させるときに、前記自己放電手段をさらに設定時間のあいだ作動させる請求項１３記載の蓄電池システムを充電する方法。
前記設定時間が、直列回路内のセル、直列回路内のセルセット、および直列回路内のセルパックの少なくとも１つのそれぞれの充電容量の設定された割合の放電を与える時間である請求項１３記載の蓄電池システムを充電する方法。
前記充電容量の前記設定された割合が０．１〜２０の範囲にある請求項１３記載の蓄電池システムを充電する方法。
（ｂ）および（ｃ）において、前記蓄電池システムへの充電電流が制限される場合、前記充電電流がゼロに制限される請求項１３記載の蓄電池システムを充電する方法。
（ｂ）および（ｃ）において、前記蓄電池システムへの前記充電電流が制限されるときに、前記充電電流が、直列回路内のセル、直列回路内のセルセット、および直列回路内のセルパックの少なくとも１つを放電する電流と等しいか、それ未満の大きさに制限される請求項１３記載の蓄電池システムを充電する方法。
（ｄ）において、制限されている、前記蓄電池システムへの前記充電電流についての前記設定時間が、０．５〜１．５時間の範囲内である請求項１３記載の蓄電池システムを充電する方法。