JP2014226029A - モニタリング装置、システム、およびir補償アクティブセルバランシング方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】モニタリング装置は、電池システム管理部(BSM230)から入力信号を受け取るよう構成されている入力端子214と、入力信号に基づき、モニタリング装置に接続された電池スタック220内の複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられる開放セル電圧を決定するために用いられるセルパラメータを出力する出力端子212と、プロセッサと、命令を記憶するメモリとを備える。電池スタック内の複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられるセル電圧を測定し、測定されたバランシング電流と対応づけられる電圧降下を測定し、測定された電圧降下に基づき測定されたセル電圧を調整することにより開放セル電圧を計算し、それに基づき、電池スタックをバランシングすることを実行させる。バランシングおよび開放セル電圧の計算は並行して行なわれる。
【選択図】図2
Description
関連出願
本願は、2013年4月5日に出願され、「フロート電圧補償アクティブセルバランサは電池容量回復を最大限にし、電池スタックモジュールデザインの安全性を向上させる」と題される、米国特許仮出願第61/809,192号の優先権を主張し、その開示はここに引用により援用される。
ほとんどの電池スタックモニタ(BSM)は直接電池スタックに接続され、個々の電池セル電圧しか測定できない。MOSFETおよび抵抗器によるパッシブなバランシングが一般的に用いられて、セル電圧および/またはセル蓄積電荷をバランシングさせる。セルバランシングは、BSMによる電池セル電圧測定の際にはオフにしなければならない。さもなければ、著しい読取エラーが入ってしまう。これは、ケーブルインピーダンス、配線インピーダンス、セルインピーダンス、および内部電池ESRのIR降下が原因であり得る。これらのIR降下により、セルバランシングデューティサイクルは減少し、場合によってはバランシングが不可能になることもある。アクティブまたはパッシブなバランシングの際に電池フロート電圧を正確に計算するために、電池等価直列抵抗(ESR)、ケーブルワイヤ、およびコネクタの間でIR降下を補償する代替の方法は知られていない。電池スタック全体を充電および放電するときに電池ESRを補償することによりフロート電圧を計算する方法は当該業界にはあるが、電池セル測定の際のバランシングには適用できない。
ある包括的局面において、本願は電池スタックバランシングの際に開放セル電圧をモニタするよう構成されているモニタリング装置を記載する。モニタリング装置は、電池システム管理部(BSM)から入力信号を受け取るよう構成されている入力端子と、BSMから受け取られた入力信号に基づき、モニタリング装置に接続された電池スタック内の複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられる開放セル電圧を決定するために用いられるセルパラメータを出力するよう構成されている出力端子と、プロセッサと、実行可能な命令を記憶するメモリとを備え、実行可能な命令により、プロセッサに:電池スタック内の複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられるセル電圧を測定し、測定されたバランシング電流と対応づけられる電圧降下を測定し、測定された電圧降下に基づき測定されたセル電圧を調整することにより開放セル電圧を計算し、計算された開放セル電圧に基づき、電池スタックをバランシングすることを実行させ、バランシングおよび開放セル電圧の計算は並行に行なわれる。
図面の数字は本教示に従う1つ以上の実施の形態を示し、これらは一例であって、限定するものではない。図面において、同様の参照符号は同じまたは類似したエレメントを示す。
以下の詳細な説明において、関連する教示を完全に理解するために、例示によっていくつかの具体的詳細が記載されている。しかし、本教示はこのような詳細がなくても実施できることは明らかである。他の事例では、周知の方法、プロシージャ、コンポーネント、および/または回路は、本教示を不必要に曖昧にすることを避けるために、詳細を伴わずに相対的に高いレベルで記載されている。
図1は例示的電池管理システム(BMS)100を示す。BMS100は、モニタリング集積回路110、BSMチップ130、およびモジュール電流検知増幅器140を含む。モニタリング集積回路110は、電池スタックモジュール120とBSMチップ130と連絡する。BSMチップ130は正確な電圧計であると考えられ、電池スタックモジュール120の電池セルのアナログ電圧およびモジュール電流検知増幅器140のアナログ出力を、CPUまたはマイクロプロセッサによって読取ることができるデジタルデータに変換するよう構成されている。モニタリング集積回路110は1つの具体的実施例では、LT8584を含む。しかし、BSMチップ130とモニタリング集積回路110との間の伝達は、LT8584を用いる方式に限定されず、モニタリング集積回路110とBSMチップ130との間の他の種類の伝達も用いることができる。
図4を再度参照すると、測定されているチャネル上のBSMチャネルは、標準セルの電圧よりも高い電圧を有する。モニタリング集積回路410は、BSMの430C入力を保護し、その絶対最大定格を超えるストレスを受けないよう確実にするために構成され得る。
2.) 上の影響されたセルを少なくとも2msオンにする
3.) 上の影響されたセルをオフにする
4.) MODE0ですべてセル電圧を測定する
5.) 下の影響されたセルを少なくとも2msオンにする
6.) 下の影響されたセルをオフにする
7.) MODE0ですべてのセル電圧を測定する
8.) ステップ1−ステップ4>200mVかつステップ4−ステップ7>200mVであるのなら、開放がある。
= VCELL - (VCELL - V’PAR + VCM)
= V’PAR - VCM(式7)、ここでVparは所望の測定パラメータであり、VCMは共通モードシフトである。最もよい精度は、同じ時点で測定されたチャネルを用いることによって得られる。
初期遷移:Va(遷移前の直前の測定)は、VCELLの時間導関数が最小しきい値に到達するまで、バランシングアルゴリズムにおいて用いられる。最小しきい値は端子電圧が等価となったときを判断するために用いられ、サンプル間で、1または2mVに設定できる。しかし、他の数値に設定されてもよい。
電圧垂下の大きさは、電流が増えると増加する。スケール係数を計算し、異なる負荷状態での電圧垂下補償を調整するために用いることができる。式10は利用できるスケール係数を生成することができ、電圧降下対負荷電流の線形的関係を取る。曲線適合を用いて負荷電流の電圧垂下ベースをスケーリングするために用いることができ、非線形関係を考慮し、全体的精度を上げる。
電圧降下補償は、システムの安定性をも高める。電圧垂下補償に加えて、移動平均を実施して、バランシング応答における誘起されたリンギングからノイズおよびシステム摂動を減らす。リンギングは過度の効率損失および低減された電荷回復を引起し得る。システムの安定性は電池パックの動作時間を延ばし、セルの蓄積された電荷のバランスが収束するのではなく離反することを防ぐために必要であり得る。
蓄積された電荷に基づくバランシングでは、開放セル電圧をSOCに関連付けるセルデータおよびクーロンカウントを必要とする。図20は、開放セル電圧をSOCに関連付ける特定の曲線、ならびに装荷端子電圧およびBSM測定電圧を示す。開放セル曲線からのいくつかの点をルックアップテーブルに記憶することができる。たとえば10%ごとまたは1%ごとの点を記憶して、開放セル電圧に基づいてSOCの割合を定めることができる。開放セル電圧は、図1から図19を参照して上記のIR、電圧垂下、および共通モード補償の組合せを用いて得ることができる。
個別のバランシング電流を正確に測定できることは、セルから取出された電荷量を測定する手段およびセルに蓄積される残りの電荷を測定する手段をユーザに提供する。以下の式13は、電荷(Q)の関係を示し、クーロン(C)で表わされる:
最終の目的は、任意の時に各セルの蓄積電荷を得ることである。これはバランシングアルゴリズムが開放セル電圧ではなく、蓄積電荷をバランシングするべきパラメータとして使用できるようにし、バランシング効率を高めることとなる。蓄積された電荷に基づくバランシングされたシステムは、蓄積パッケージの正常な動作範囲の間互いに異なる開放セル電圧を有し得るが、開放セル電圧は、セルのシリーズスタックを0%SOCに放電する場合に、収束して等しくなる。同様に、開放セル電圧は、セルのシリーズスタックを100%SOCに充電する場合に、収束して等しくなる。この瞬時の蓄積電荷を支配する式は、特定のセルnに対する式16が対応する。
図22は本願のモニタリング集積回路に対応するファームウェアの機能的ブロック図である。当該技術分野の当業者はこのようなコンピュータ装置の構造、プログラミング、および一般的動作には慣れているので、その結果図面はそのまま説明的である。たとえば、ファームウェアは、パケットデータ通信用のデータ通信インターフェイスを含む。ファームウェハはさらに、1つ以上のプロセッサの形で、プログラム命令を実行するために、中央処理装置(CPU)を含む。ファームウェアプラットフォームは、典型的に内部通信バス、プログラムストレージおよびさまざまなデータファイル用のデータストレージを含み、処理されるおよび/またはファームウェアからBSMに通信されるが、ファームウェアはBSMを介してデータを受け取る。ハードウェアエレメント、オペレーティングシステム、およびプログラミング言語は本質的に従来のものであり、当業者ならこれらに適切に馴染みがあることが想定される。
Claims (26)
- 電池スタックバランシングの際に開放セル電圧をモニタするよう構成されているモニタリング装置であって、前記モニタリング装置は:
電池システム管理部(BSM)から入力信号を受け取るよう構成されている入力端子と、
BSMから受け取られた入力信号に基づき、モニタリング装置に接続された電池スタック内の複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられる開放セル電圧を決定するために用いられるセルパラメータを出力するよう構成されている出力端子と、
プロセッサと、
実行可能な命令を記憶するメモリとを備え、実行可能な命令により、プロセッサに:
電池スタック内の前記複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられるセル電圧を測定し、
測定されたバランシング電流と対応づけられる電圧降下を測定し、
測定された電圧降下に基づき測定されたセル電圧を調整することにより開放セル電圧を計算し、
計算された開放セル電圧に基づき、前記電池スタックをバランシングすることを実行させ、バランシングおよび前記開放セル電圧の計算は並行に行なわれる、モニタリング装置。 - 前記モニタリング装置は前記BSMおよび前記電池スタックの間にあり、さらに
統合されたパワースイッチと、
入力端子で受け取られた入力信号に基づき、測定可能なパラメータを出力端子に出力するよう構成されているアナログマルチプレクサとを備え、前記測定パラメータは、バランシングが能動化された状態での電池スタック内の前記複数のセルのうちの1つのセルのセル電圧、バランシングが不能化された状態でのセル電圧、バランシング電流に比例する電圧、前記モニタリング装置の内部ダイ温度に比例する電圧、および/またはハンドシェイク電圧を含む、請求項1に記載のモニタリング装置。 - 前記ハンドシェイク電圧は、前記BSMによる測定読取の精度を定める、請求項2に記載のモニタリング装置。
- バランシング電流を測定するための電流検知増幅器をさらに備え、メモリはさらに、前記プロセッサに、前記モニタリング装置のバランシング電流をアクティブにモニタし、モニタされたバランシング電流に基づき電圧降下を計算して、バランシングの際に前記複数のセルのうちの1つのセルが過充電または十分に充電されないのを避けることを実行させさせるための実行可能な命令を記憶する、請求項1に記載のモニタリング装置。
- 前記モニタリング装置はモノリシックフライバックDC/DCコンバータを含む、請求項1に記載のモニタリング装置。
- 前記メモリはさらに、前記プロセッサに:
入力端子で受け取られた入力信号の第1のネガティブエッジで前記モニタリング装置を活性化させ、
前記モニタリング装置が活性である間の時間の窓を規定する時間窓を開始し、
前記時間窓の間、入力端子のネガティブパルスの数を数え、
前記入力端子のネガティブパルスの最後に数えられた数に対応して、ハンドシェイク電圧を出力端子に出力し、
前記時間窓が終了すると数えられたネガティブパルスの数に基づき、セルパラメータに比例する電圧を出力することを実行させる実行可能な命令を記憶する、請求項1に記載のモニタリング装置。 - 前記モニタリング装置は、1本線の電池接続を介して電池スタックに接続され、前記電池スタックへの前記モニタリング装置の接地接続は、別のモニタリング装置の前記電池スタックへのVcell接続と共通の経路を共有する、請求項1に記載のモニタリング装置。
- 前記メモリはさらに前記プロセッサに、以下の式
Vn,Aは前記複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられる開放セル電圧であり、
Vn,Bは前記複数のセルのうちの1つのセルについて、前記モニタリング装置によって測定されたセル電圧であり、
Rn-1,AおよびRn-1,Bは、前記モニタリング装置の接地端子をセルのネガティブ端子に接続する線に対応づけられる抵抗であり、
Rn,AおよびRn,Bは前記モニタリング回路のVcellピンをセルのプラス端子に接続する線に対応づけられる抵抗であり、
Rn,CELLは前記複数のセルのうちの1つのセルより下のセルおよび上のセルと共通した経路を有さないすべてのインピーダンスを考慮した抵抗であり、
Inは前記複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、 In-1は前記複数のセルのうちの1つのセルの下のセルに対応づけられるバランシング電流であり、
In+1は前記複数のセルのうちの1つのセル上のセルに対応づけられるバランシング電流であり、
IMODは前記複数のセルを同時に流れる電流である、請求項7に記載のモニタリング装置。 - 前記モニタリング装置は、2本線の電池接続を介して電池スタックに接続され、電池スタックへの前記モニタリング装置の接地接続は、前記電池スタックへの第2のモニタリング装置のVcell接続と共通の経路を共有せず、前記第2のモニタリング装置は前記モニタリング回路に隣接し、かつ下にある、請求項1に記載のモニタリング装置。
- 前記メモリは、さらに前記プロセッサに、以下の式
Vn,MODE0は、前記モニタリング装置が不能化されて、前記複数のセルのうちの1つのセルのセル電圧に対応し、
Vn,MODE1は、前記モニタリング装置が能動化されて、前記複数のセルのうちの1つのセルのセル電圧に対応し、
Inは前記複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、
IMODは前記複数のセルを同時に流れる電流であり、
Rn,CELLは前記複数のセルのうちの1つのセルの直接電流抵抗(DCR)および接続抵抗である、請求項9に記載のモニタリング装置。 - 前記メモリは、さらに前記プロセッサに、2本線の電池接続で、以下の式
Vn,Aは前記複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられる開放セル電圧であり、
Vn,Bは前記複数のセルのうちの1つのセルについて、前記モニタリング装置によって測定されたセル電圧であり、
Rnは前記複数のセルのうちの1つのセルに接続されるモニタリング装置のVCELLピンに対応づけられるインピーダンスであり、
Rn-1は前記複数のセルのうちの1つのセルの下のセルに接続されるモニタリング装置に対応づけられるインピーダンスであり、
Rn,CELLは前記複数のセルのうちの1つのセルのDCRおよび接続抵抗であり、
Inは前記複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、
In-1は前記複数のセルのうちの1つのセルの下のセルに対応づけられるバランシング電流であり、
IMODは前記複数のセルを同時に流れる電流である、請求項10に記載のモニタリング装置。 - 前記メモリはさらに前記プロセッサに、前記複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられる電圧垂下を測定し、前記電圧垂下および電圧降下に基づき開放セル電圧を計算することを実行させる実行可能命令をさらに記憶する、請求項1に記載のモニタリング装置。
- 前記電圧垂下は、前記複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられるモニタリング装置のしきい値時間がオンになった後、開放セル電圧を計算する際に電圧降下に加える、請求項1に記載のモニタリング装置。
- システムであって、複数のモジュールを備え、各モジュールは電池スタックと、電池スタックの複数のセルのうちの1つのセルをバランシングするための、請求項1のモニタリング回路と、開放電圧を測定するためのモジュールシステム管理部とを含み、開放セル電圧の測定およびセルのバランシングは並行に行なわれ、さらに
前記複数のモジュールに結合されたモジュール−スタックバランサを備え、前記モジュール−スタックバランサは、複数のバランサを含み、各バランサは複数のモジュールのうちの1つのモジュールに対応づけられ、前記モジュール−スタックバランサは、モジュール間で電圧または蓄積された電荷をバランシングするよう構成されている、システム。 - IR補償アクティブセルバランシング方法であって、前記方法は:
モニタリング装置の入力端子において、電池システム管理部(BSM)から入力信号を受け取るステップと、
入力信号に応答して、モニタリング装置を活性化して、モニタリング装置に結合された電池スタック内の複数のセルのうちの1つのセルをバランシングするステップと、
前記複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられるセル電圧を測定するステップと、
測定されたバランシング電流に対応づけられる電圧降下を測定するステップと、
前記測定された電圧降下に基づき、測定されたセル電圧を調整することにより、前記複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられる開放セル電圧をプロセッサによって計算するステップと、
プロセッサが計算した開放セル電圧に基づき、電池スタックをバランシングするステップとを備え、バランシングおよび開放セル電圧を計算することは並行に行なわれる、方法。 - さらに、入力端子で受け取られた入力信号に基づき、測定可能なパラメータを出力端子に出力するステップを備え、前記測定パラメータは、バランシングが能動化された状態での、電池スタック内の複数のセルのうちの1つのセルのセル電圧、バランシングが不能化された状態でのセル電圧、バランシング電流に比例する電圧、モニタリング装置の内部ダイ温度に比例する電圧、および/またはハンドシェイク電圧を含む、請求項15に記載の方法。
- 前記モニタリング装置のバランシング電流をアクティブにモニタするステップと、
モニタされたバランシング電流に基づき電圧降下を計算して、バランシングの際に複数のセルのうちの1つのセルが過充電または十分に充電されないのを避けるステップとを備える、請求項15に記載の方法。 - 前記モニタリング装置はモノリシックフライバックDC/DCコンバータを含む、請求項15に記載の方法。
- 前記モニタリング装置の活性化は、入力端子で受け取られた入力信号の第1のネガティブエッジでモニタリング装置を活性化することを含み、前記方法はさらに、
前記モニタリング装置が活性である時間の窓を規定する時間窓を開始するステップ、
時間窓の間入力端子のネガティブパルスの数を数えるステップ、および
入力端子のネガティブパルスの最後に数えたものに対応して、出力端子にハンドシェイク電圧を出力するステップ、および
前記時間窓が終了すると、数えたネガティブパルスの数に基づきセルパラメータに比例する電圧を出力するステップをさらに備える、請求項15に記載の方法。 - 前記開放セル電圧の計算は、以下の式
Vn,Aは前記複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられる開放セル電圧であり、
Vn,Bは前記複数のセルのうちの1つのセルについて、モニタリング装置によって測定されたセル電圧であり、
Rn-1,AおよびRn-1,Bは、前記モニタリング装置の接地端子をセルのネガティブ端子に接続する線に対応づけられる抵抗であり、
Rn,AおよびRn,Bはモニタリング回路のVcellピンをセルのプラス端子に接続する線に対応づけられる抵抗であり、
Rn,CELLは複数のセルのうちの1つのセルより下のセルおよび上のセルと共通した経路を有さないすべてのインピーダンスを考慮した抵抗であり、
Inは前記複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、
In-1は前記複数のセルのうちの1つのセルの下のセルに対応づけられるバランシング電流であり、
In+1は前記複数のセルのうちの1つのセル上のセルに対応づけられるバランシング電流であり、
IMODは、前記モニタリング装置およびBSMを含むモジュールにおいて、前記複数のセルを同時に流れる電流である、請求項15に記載の方法。 - さらに、以下の式
Vn,MODE0は、モニタリング装置が不能化されて、前記複数のセルのうちの1つのセルのセル電圧に対応し、
Vn,MODE1は、モニタリング装置が能動化されて、前記複数のセルのうちの1つのセルのセル電圧に対応し、
Inは前記複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、
IMODは前記複数のセルを同時に流れる電流であり、
Rn,CELLは複数のセルのうちの1つのセルの直接電流抵抗および接続抵抗である、請求項15に記載の方法。 - 開放セル電圧を計算するステップは、以下の式
Vn,Aは前記複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられる開放セル電圧であり、
Vn,Bは前記複数のセルのうちの1つのセルについて、モニタリング装置によって測定されたセル電圧であり、
Rnは前記複数のセルのうちの1つのセルに接続されるモニタリング装置のVCELLピンに対応づけられるインピーダンスであり、
Rn-1は前記複数のセルのうちの1つのセルの下のセルに接続されるモニタリング装置に対応づけられるインピーダンスであり、
Rn,CELLは前記複数のセルのうちの1つのセルのDCRおよび接続抵抗であり、
Inは前記複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられるバランシング電流であり、
In-1は前記複数のセルのうちの1つのセルの下のセルに対応づけられるバランシング電流であり、
IMODは前記モニタリング装置およびBSMを含むモジュールにおいて、前記複数のセルを同時に流れる電流である、請求項21に記載の方法。 - モニタリング装置であって、
電池システム管理部(BSM)から入力信号を受け取るよう構成されている入力端子と、
前記BSMから受け取られた入力信号に基づき、モニタリング装置に接続された電池スタック内の複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられる開放セル電圧を決定するために用いられるセルパラメータを出力するよう構成されている出力端子と、
プロセッサと、
実行可能な命令を記憶するメモリとを備え、実行可能な命令により、プロセッサに:
電池スタック内の前記複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられるセル電圧を測定し、
測定されたバランシング電流と対応づけられる電圧降下を測定し、
前記測定された電圧降下に基づき測定されたセル電圧を調整することにより開放セル電圧を計算し、
前記複数のセルのうちの1つのセルに対応づけられる容量を計算し、
前記計算された容量に基づき、前記複数のセルのうちの1つのセルの蓄積された電荷を計算し、
前記計算された蓄積電荷に基づき前記電池スタックをバランシングすることを実行させ、バランシングおよび開放セル電圧を計算することは並行に行なわれる、モニタリング装置。 - 前記メモリはさらに、前記プロセッサに、以下の式
ΔQnはある時間内で前記複数のセルのうちの1つのセルにおける蓄積された電荷の変化量を表わし、
Δ%SOCnは時間内で前記複数のセルのうちの1つのセルの充電状態(SOC)のパーセンテージ変化を表わし、
Capacitynは前記複数のセルのうちの1つのセルの容量を表わす、請求項23に記載のモニタリング装置。 - 前記開放セル電圧を計算するために、前記メモリは、第1の開放セル電圧および第2の開放セル電圧を計算し、SOCのパーセンテージ変化を計算するための実行可能な命令をさらに記憶し、前記メモリはさらに、第1の開放セル電圧を第1のパーセンテージSOCに相関させ、第2の開放セル電圧を第2のパーセンテージSOCに相関させ、第1のパーセンテージSOCと第2のパーセンテージSOCとの差はSOCのパーセンテージ変化に対応するよう構成されているルックアップテーブルを使用するための実行可能な命令を記憶する、請求項24に記載のモニタリング装置。
- 前記メモリはさらに前記プロセッサに、以下の式:
Qn=%SOCn・Capacitynに基づき容量を計算することを実行させるための実行可能命令をさらに記憶し、式において
%SOCnは前記複数のセルのうちの1つのセルのパーセンテージSOCを表わし、
Capacitynは前記複数のセルのうちの1つのセルの容量を表わす、請求項25に記載のモニタリング装置。
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