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

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 Download PDF

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Abstract

【課題】セルの充放電の際に安全に動作し、バランシング回路のサイズおよびコストを最適化する。
【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

発明の詳細な説明
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。
背景
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。
こうして、バランシングの際にBSMによる電池セル電圧測定を可能にし、かつバランシングの際の測定誤差を解消する(たとえば、セルフロート電圧の誤り補償)のニーズであって、バランシング回路がセルの充電および放電の際に安全に動作し、バランシングデューティサイクルを高め、ならびにバランシング回路のサイズおよびコストを最適化することができるニーズがある。
概要
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。
上記の包括的局面は、以下の特徴を含み得る。モニタリング装置はBSMと電池スタックとの間にあってもよく、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さらに含むことができ、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み得る。ハンドシェイク電圧はBSMによる測定読取の精度を定め得る。
当該モニタリング装置は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含むことができ、メモリはさらに、プロセッサに、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。モニタリング装置はモノリシックフライバックDC/DCコンバータを含むことができる。メモリはさらに、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モニタリング装置を活性化させ、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、時間窓の間、入力端子のネガティブパルスの数を数え、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、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さらに記憶する。
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することができ、電池スタックへの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電池スタックへのVcell接続と共通の経路を共有する。メモリはさらにプロセッサに、以下の式
に基づいて開放セル電圧を計算することを実行させる実行可能な命令を記憶し、式において、Vn,Aは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、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は複数のセルを同時に流れる電流である。
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することができ、電池スタックへのモニタリング装置の接地接続は、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、第2のモニタリング装置は当該モニタリング回路に隣接し、かつ下にある。メモリは、さらにプロセッサに、以下の式:
に基づいてモニタリング回路に対応づけられるインピーダンスを計算することを実行させる実行可能な命令をさらに記憶し、式においてVn,MODE0は、モニタリング装置が不能化されて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、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(DCR)および接続抵抗である。
メモリは、さらにプロセッサに、2本線の電池接続で、以下の式
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ことができ、式においてVn,Aは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、Iは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は複数のセルを同時に流れる電流である。
メモリはさらに、プロセッサに、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、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。電圧垂下は、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ことができる。
別の包括的局面において、本願はシステムを記載し、当該システムは、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、上記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、システムはさらに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、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、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。
別の包括的局面において、本願はIR補償アクティブセルバランシング方法を記載し、当該方法は、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、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、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、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。
上記の包括的局面は以下の特徴を含むことができる。当該方法はさらに、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ことを備え、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み得る。当該方法はさらに、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含み得る。
モニタリング装置はモノリシックフライバックDC/DCコンバータを含み得る。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むことができ、当該方法はさらに、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。開放セル電圧の計算は以下の式
に基づき、開放電圧を計算することを含み得る。式において、Vn,Aは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、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、モニタリング装置およびBSMを含むモジュールにおいて、複数のセルを同時に流れる電流である。
本方法はさらに、以下の式
に基づき、開放セル電圧を計算するために、モニタリング回路に対応づけられるインピーダンスを計算するステップを備え、式において、Vn,MODE0は、モニタリング装置が不能化されて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、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。
開放セル電圧を計算するステップは、以下の式
に基づき開放電圧を計算することを含み、式において、Vn,Aは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、Iは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はモニタリング装置およびBSMを含むモジュールにおいて、複数のセルを同時に流れる電流である。
別の包括的局面において、本願はモニタリング装置を記載し、この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、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、計算された容量に基づき、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、計算された蓄積電荷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を計算することは並行に行なわれる。
メモリはさらに、プロセッサに、以下の式
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な命令をさらに記憶し、式においてΔQnはある時間内で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は複数のセルのうちの1つのセルの容量を表わす。
開放セル電圧を計算するために、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することができ、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。本メモリはさらに、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は複数のセルのうちの1つのセルの容量を表わす。
上記の包括的および特定的局面は、システム、方法、もしくはコンピュータプログラム、またはシステム、方法、およびコンピュータプログラムの任意の組合せを用いて、実施することができる。
1つ以上の実施の詳細は添付の図面および以下の明細書に記載されている。他の特徴は、明細書、図面、および特許請求の範囲から明らかとなる。
図面の簡単な説明
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。
例示的電池管理システム(BMS)を示す図である。 図1に示される例示的モニタリング集積回路の例示的構成を示す図である。 図1に示されるモニタリング集積回路をプログラミングするために用いることができる例示的基本コミュニケーションアーキテクチャを示す図である。 図1に示されるモニタリング集積回路をプログラミングするために用いることができる例示的基本コミュニケーションアーキテクチャを示す図である。 図1に示されるモニタリング集積回路をプログラミングするために用いることができる例示的基本コミュニケーションアーキテクチャを示す図である。 図1に示される強調されたモニタリング集積回路から所与のパラメータVPARを得るための例示的方法を示す図である。 一度にモジュールあたり第4チャネルずつ測定する、図1に示されるモニタリング集積回路のハンドシェイク電圧を定めるための例示的プロセスを示す図である。 一度にモジュールあたり第3チャネルずつ測定する、図1に示されるモニタリング集積回路のハンドシェイク電圧を定めるための例示的プロセスを示す図である。 図1に示されるモニタリング集積回路と電池スタックとの1本線の電池接続を示す図である。 モニタリング集積回路と電池スタックとの2本線の電池接続を示す図である。 図1に示される1本線の構成を有するモニタリング集積回路のチャネルインピーダンスを計算する図式を表す図である。 図1に示される1本線の構成を有するモニタリング集積回路のチャネルインピーダンスを計算する図式を表す図である。 図1に示される1本線の構成を有するモニタリング集積回路のチャネルインピーダンスを計算する図式を表す図である。 2つ以上のモジュールを有するスタック全体のマクロ図である。 2本線の構成を有するモニタリング集積回路のチャネルインピーダンスを計算する図式を表す図である。 電池スタックのESRを計算するための例示的回路を示す図である。 1本線構成の回路において開放接続上のセルをオンにした結果を示す図である。 1本線構成の回路において開放接続下のセルをオンにした結果を示す図である。 開放または欠けているセルを検出するために、電池スタックに負荷を与えることを示す図である。 開放または欠けているセルを検出するために、電池スタックに電荷を与えることを示す図である。 共通モード補正向けのマルチADCアーキテクチャの利点を示す図である。 電池スタックを電池管理システム(BMS)基板にホットスワップすることから保護するための機械的解決策を与える例示的ホットスワップ保護回路を示す図である。 13Aおよび13Bは電池スタックをBMS基板にホットスワップすることから保護するためのアクティブな解決策を各々が与える、2つの例示的ホットスワップ保護回路を示す図である。 モニタリング回路を変圧器に接続するスイッチがモニタリング回路の外に配置される例示的回路を示す図である。 図14に示されるモニタリング集積回路によって能動化されたエネルギの二方向伝達を示す図である。 図1に示されるモニタリング集積回路によって能動化されたエネルギの一方向伝達を示す図である。 DC/DCコンバータスイッチが電池スタック側にあり、ダイオードが個々のセルを駆動させる状態の一方向チャージャを示す図である。 電池端子でのバランシングの影響を示す図である。 電池端子でのバランシングの影響を示す図である。 電圧垂下を考慮するための導関数アプローチを示す図である。 一方向ディスチャージャとして構成されるフライバックコンバータを有する状態であって、コンバータが一方向チャージャまたは二方向コンバータとして構成され得、モジュール−スタックバランサの使用を示す図である。 複数の平行スレーブバランサを示す図である。 複数の平行マスタバランサを示す図である。 開放セル電圧を充電状態(SOC)に関連付ける特定の曲線とともに、装荷端子電圧および電池スタックモニタ(BSM)測定電圧を示す図である。 異なる満充電容量を有する3つのセルの充電傾斜を示す図である。 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ブロック図である。
詳細な説明
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。
本願のモニタリング集積回路は、電池スタックのバランシング、負荷、および充電の際に、開放セル電圧を正確にモニタするために構成され得る。モニタリング集積回路は、高い電圧の電池スタックをアクティブにバランシングするよう設計されているモノリシックフライバックDC/DCコンバータであり得る。一実施において、DC/DCコンバータはフライバックコンバータの任意の構成を含み得るが、これに限定されない。スイッチングレギュレータの高い効率は、放熱を低減させながら達成できるバランシング電流を著しく増加させ得る。アクティブバランシングにより不一致の電池のスタックでの容量回復を可能にし、これはパッシブなバランシングシステムでは達成できないかもしれない。典型的なシステムでは、総電池容量の99%よりも多くの容量を回復することができる。個々のセルから取出された電荷はスタックのトップに、任意の組合せのセルに、または外部レールに戻すことができる。
モニタリング集積回路は統合された6A、50Vのパワースイッチを含むことができ、応用回路の設計上の複雑性を低減させる。モニタリング集積回路は、放電しているセルから完全に切離されて動くことができ、一般に外部のパワースイッチで必要な複雑なバイアススキームの必要をなくす。モニタリング集積回路はアナログマルチプレクサ(MUX)を含み、電池スタックとBSMとの間に配置され得る。モニタリング集積回路のイネーブルピン(DIN)はBSMでシームレスな態様で動くよう設計され得る。モニタリング集積回路は、BSMの入力にいくつかの測定可能なパラメータを与えることができる。測定可能なパラメータは、バランシングが不能化された状態でのセル電圧、バランシングが能動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、バランサの内部ダイ温度に比例する電圧、および/またはいくつかの基準電圧を含み得る。モニタリング集積回路は、セル電圧、バランシング/放電電流、冗長基準、内部誤りモード、セルインピーダンス、ケーブルインピーダンス、配線インピーダンス、および/またはバランシングの際の開放セル電圧の測定および/または計算を可能にする。
添付の図面に示される実施例を詳細に参照して、以下に記載する。
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。
BSMチップ130は、1つの具体的実施例において、電圧モニタリングICのLTC680x群を含み、これは電池スタックモジュール120の12個の電池セルを測定するための12個のチャネルと、アナログ入力またはデジタル入力または出力として構成され得るいくつかの汎用入力/出力(GPIO)チャネルとを有する。BSMチップ130の12個のチャネルの各々は2つのピンを含む。当該2つのピンはCピン132およびSピン134を含む。Cピン132はモニタリング集積回路110からの電池セル測定パラメータを読出すためにある。Sピン134はモニタリング集積回路110を能動化しおよび通信するためにある。モニタリング集積回路110はアクティブなまたはパッシブなバランシング回路であり得る。MOSFETおよび抵抗器で実施されるパッシブなバランシング回路は、特定のしきい値より高い電圧を有するセルからエネルギを出すことにより、電圧をバランシングするために用いられる。このため、パッシブなバランシングは大量の熱を放出して、エネルギ回復を利用できないかもしれない。さらに、パッシブなバランシング回路の抵抗器は高温になり、限定された量の電流しか放電できない。さらに、パッシブなバランシング回路は、電池スタックモジュール120の電池セルから取出すことができる電荷量を著しく低減する。
別の実施において、パッシブなバランシング回路の代わりに、モニタリング集積回路110はアクティブなバランシング回路であってもよい。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との間に配置され、出力ピン112および入力ピン114を含む。入力ピン114はBSMチップ130のSピン134に接続され、Sピン134からイネーブル信号を受け取るよう構成されている。出力ピン112はCピン132に接続され、Cピン132を介してさまざまな測定値をBSMチップ130に出力するよう構成されている。さまざまな測定値は、モニタリング集積回路110がオンの状態での、電池セルから取出された電圧もしくは放電電流、またはモニタリング集積回路110がオフの状態での電圧を含む。モニタリング集積回路110がオンまたはオフでの状態の電圧測定値およびセル放電の際の電流測定値により、プロセッサはモニタリング集積回路110と電池セルとの間の接続のインピーダンスを定めることができる。
モニタリング集積回路110は、電池スタックのバランシング、装荷、および充電の際の開放セル電圧をモニタリングするよう構成されている。現在、開放セル電圧をアクティブにモニタリングしながらバランシングを行なうことができる機構は現在知られていない。これは、モニタリング集積回路110と電池スタックモジュール120との間の接続に伴うIR降下によって電圧測定に入る著しい誤差による。モニタリング集積回路110はIR降下を測定することができ、そのIR降下を補償することにより、セル電圧を正確に測定することができる。モニタリング集積回路110はバランシング電流をアクティブにモニタすることができ、IR降下を計算することにより、電池スタックモジュール120での電池セルの過充電または充電不足を回避することができる。同様に、モニタリング集積回路110は電池スタックモジュール120の電池セルから特定のしきい値より多くのまたは少ない量を取出すことも回避できる。個々のセルから取出された電荷はスタックのトップに、任意の組合せのセルに、または外部レールに戻すことができる。
1つの具体例を示すために、電池スタックモジュール120において他のセルよりも古い弱いセルがあるとする。充電処理の際、弱いセルもおそらくは充電され、衰えにより電荷を保持する容量が他のセルよりも劣るので、他のセルよりも前に過充電される場合もある。弱いセルの電荷が特定のしきい値を超えると、モニタリング集積回路110がなければ、その充電動作は中断され、弱いセルが過充電されて電池スタックモジュール120が損傷するのを回避する。その結果、弱いセルは許容可能なしきい値内で充電されるが、電池スタックモジュール120の残りのセルは十分に充電されないことになる。充電動作を中断する代わりに、弱いセルに対するモニタリング集積回路110はその弱いセルからのエネルギを電池スタックモジュール110全体に再配分する。モニタリング集積回路110は、すべてのセルが許容可能なしきい値内に充電されるまで、この処理を続けることができる。同様に、電池が放電される場合、弱いセルは電池スタックモジュール110の他のセルよりも早く放電され得る。このシナリオでは、モニタリング集積回路110は電池スタックモジュール120の他のセルからの電荷を再配分し、すべてのセルが許容可能なしきい値内で放電されるまで、他のすべてのセルに配分し、スタックのすべての電荷が使用できるようにする。
一具体的実施例において、モニタリング集積回路110は、高い電圧の電池スタックをアクティブにバランシングするよう設計されているモノリシックフライバックDC/DCコンバータである。スイッチングレギュレータの高い効率は、放熱を低減させながら達成できるバランシング電流を著しく増加させる。このため、モニタリング集積回路110のアクティブなバランシングは、従来のパッシブなバランシング回路よりも優れている。アクティブなバランシングは不一致の電池のスタックでの容量回復も可能にし、これはパッシブなバランスシステムでは達成できないものである。典型的なシステムでは、総電池容量の99%より多くの容量を回復することができる。モニタリング集積回路110は統合された6A、50Vパワースイッチを含み、応用回路の設計上の複雑度を低減させる。この部分は放電されている回路と完全に切離されて動くことができ、外部パワースイッチで一般に必要な複雑なバイアススキームの必要をなくす。当該部分のイネーブルピン(DIN)は、任意の電池スタック電圧モニタリングICでシームレスに動くよう設計されている。
図2は、モニタリング集積回路の例示的構成を示す図である。モニタリング集積回路210は、セル電圧、バランシング/放電電流、冗長基準、内部誤りモード、セルインピーダンス、ケーブルインピーダンス、配線インピーダンス、およびバランシングの際の開放セル電圧の測定および/または計算を可能にするよう構成されている。
モニタリング集積回路210は、BSM230に接続され、出力ピン212、入力ピン214、抵抗器タイマ216、カウンタ218、アナログmux240、および制御部242を含む。出力ピン212はBSM′230パッシブバランシングポート(たとえば、232としてC1、C2などと示されているCポート)のCポート232に接続され、選択される。入力ピン214は、BSM230のSI、S2などと示された任意のSポート234に接続される。入力ピン214は、市場で、任意のBSM230と統合され得る。モニタリング集積回路210をプログラミングするために入力ピン214を用いることができる。アナログmuxへの入力は、市場で任意のBSM230と統合することができる。プログラム命令は、BSM230のSピン234から送られてもよい。カウンタ218は、BSM230から受け取られた入力信号のネガティブエッジの数を数え、その数を制御部242に渡すよう構成されている。制御部242はその数値に基づき、アナログmux240の可能な出力のうちのいずれか1つを選択する。アナログmuxの出力は、VSNS(バランシング電流に比例する電圧)、VTEMP(温度に比例する電圧)、Vin−0.2v、Vin−0.4v、Vin−0.6v Vin−0.8v、Vin−1.2vおよびVin−1.4v、またはVCELLを含む。
モニタリング集積回路210はさらに、一次巻線282および二次巻線284を有する変圧器280に結合されるスイッチピン270を含む。一次巻線282の一方端はスイッチピン270に接続され、他方端は抵抗器Rsnsを介して電池スタック220のある電池セルのプラス端子に接続される。二次巻線284の一方端は電池スタック220のネガティブ端子に接続され、他方端は直列接続ダイオード285を介して電池スタック220の正端子に接続される。
図3Aから図3Cは、モニタリング集積回路210をプログラミングするために使用することができる例示的基本通信アーキテクチャを示す。しかし、提示された開示はモニタリング集積回路210をプログラミングするために他の通信方法にも適用できる。図3Aを参照すると、BSM230とモニタリング回路210との間の通信は、入力ピン214信号がハイで始まり得る。ハイである入力ピン214信号は、モニタリング集積回路210をシャットダウンモードに保つ。入力ピン214の最初のネガティブエッジは、モニタリング集積回路210を活性化し、内部デコードウインドウTWを開始させる。図3Bを参照すると、内部デコードウインドウTWは、モニタリング集積回路210がピン214でアクティブにネガティブエッジを数える時間窓を規定する。これにより、その部分をリセットすることなく、入力ピン214がシリアルデータを通信するために、トグルで切換えできる。内部デコードウインドウTWはRタイマピン216を用いて調整することができる。一実施例において、Rタイマピン216の抵抗は100kであり、これは公称値として16.3ミリ秒の内部デコードウインドウTWとなる。Rタイマピン216の抵抗が大きくなるにつれ、内部デコードウインドウTWも長くなる。たとえば、Rタイマピン216の抵抗が200kに増加すると、内部デコードウインドウTWは公称値として32.6ミリ秒に延びる。
図3Cを参照すると、内部デコードウインドウTWの間、モニタリング集積回路210は、カウンタ218を用いて、BSM230のSピンから入力ピン214で受け取られたパルスを数え、制御部242を用いて出力ピン212でのアナログmux240のハンドシェイク電圧の出力を制御する。内部デコードウインドウTWが終了すると、モニタリング集積回路210は最後に数えた数値を固定し、アナログMUX電圧を出力ピン212に出力する。表1で示すように、ユーザが選択できるアクティブモードは4つある。
表1 シリアルモード状態
ハンドシェイクは出力ピン212のアナログ電圧を読取ることによって達成される。ハンドシェイク電圧は入力ピン214信号のネガティブエッジでアサートされ、シリアルデコードカウントに対応する。カウント0は、第1のネガティブ電圧が入力信号214で見られたときに始まる。このシナリオでは、mux出力電圧はVin−1.4Vであり、ハンドシェイク電圧は1.4Vである。カウント1では、mux出力電圧はVin−0.2Vであり、ハンドシェイク電圧は0.2Vである。カウント2では、mux出力電圧はVin−0.4Vであり、ハンドシェイク電圧は0.4Vである。カウント3では、mux出力電圧はVin−0.6Vであり、ハンドシェイク電圧は0.6Vである。カウント4では、ハンドシェイク電圧はVin−0.8Vであり、ハンドシェイク電圧は0.8Vである。デコードウインドウTWが終了し、RTMRピンが接地に戻ると、3つの動作が開始される。すなわち出力ピン212は所望の測定に切換えられ、モニタリング集積回路210は表1の選択されたモードに応じて、接続されたセルの放電を開始し、入力パワーラッチは不能化される。一実施において、モニタリング集積回路210は、デコードウインドウTWが終了し、入力ピン214がハイとなった後のみ、不能化され得る。
人が電圧の精度に大いに依存する自動車の用途では、モニタリング集積回路210から出力されたハンドシェイク電圧は、BSM230の精度を調べる基準として用いられ得る。ハンドシェイク電圧はモニタリング集積回路210で予め設定され、BSM230から出力される電圧が正確であるか否かを判断するための基準として用いることができる。
ハンドシェイク電圧、VSNSおよびVTEMPを含むすべてのパラメータは、2つの連続する測定値を取り、引き算を行なうことによって差分的に抽出される。これはBSM230が内部の最大電圧しきい値を超えないよう保護するために行なわれ得る。BSM230はCピン232への入力用にほぼ最大の定格を有し得る。多くのBSMの典型的なしきい値限界である、このしきい値(たとえば8ボルト)を超えると、BSMは損傷され得る。したがって、モニタリング集積回路210からの測定出力は、BSM230のしきい値電圧を超えないよう、Vcellと参照させられる。モニタリング集積回路210の出力電圧がVcellを基準とするので、モニタリング集積回路210から所望の電圧(たとえば、ハンドシェイク電圧、バランシング電流に比例する電圧、温度に比例する電圧)を得るために、差分測定をとるべきである。差分測定は、アナログ−デジタルコンバータ236によって行なわれ、隣接するモニタリング集積回路210からアナログ電圧測定値を取り、デジタル化された電圧測定値を出力する。
図4は、強調されたモニタリング集積回路から所与のパラメータVPARを得るための例示的方法を示す。測定されているモニタリング集積回路410のすぐ下のモニタリング集積回路410はVcell(MODE0またはMODE1)を選択するよう強制され、両方の連続測定値の負の基準となる。第1の測定にVcellを選択することは、MODE0(バランサ不能化)またはMODE1(バランサ能動化)のどちらかを入力することによって行なうことができる。表2は、所与のパラメータの基準としてどのVcellであるかを定めるために参照することができる。
表2.差分測定の際のMODE選択
PAR=第1の測定−(第2の測定)=VCELL−(VCELL−VPAR)(式1)
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。
図5Aから図5Bは、モニタリング集積回路510のハンドシェイク電圧を定めるための例示的プロセスを示す。ハンドシェイク電圧は、BSMの内部基準がすべての入力チャネルに対して正しく働いていることを確認するために用いることができる。510の内部の基準電圧は、BSMのICと独立しており、互いに排他的であるので、忠実な冗長性を与える。各ハンドシェイクレベルは温度に対して2.5%の精度であり得る。ハンドシェイク電圧を特定するために、モニタリング集積回路510は、後のSピンパルスを送ることなく、DINピンでロー(Sピンアサート)を取ることによってオンとなり得る。これにより、モニタリング集積回路510が誤りモードに保たれ、1.4Vのハンドシェイクが出力ピンでアサートされる。このハンドシェイクはデコードウインドウの間出力ピンに留まり、デコードウインドウが終了するとラッチングされ得る。誤りモードは、デコードウインドウが終了した後、Sピンをハイにすることにより取除くことができる。この場合、1.4vのハンドシェイク電圧レベルが基準として用いられるが、他のレベルのハンドシェイク電圧も基準として用いることができる。
一度にBSMモジュールにつき、第4チャネルごとに測定することができる。図5Aは4つのスタックからなる測定を用いてすべてのハンドシェイク電圧を効率よく測定するためのアルゴリズムを示す。この方法は、複数のBSMモジュールシステムであって、12セルの各BSMから第4チャネル、第8チャネル、および第12チャネルのすべてが第1のスタックの測定値として同時に読取られるシステムに適用される。同様に、第2のスタック測定値として、スタックのすべてのBSMモジュールから、第3チャネル、第7チャネルおよび第11チャネルごとに、すべてが同時に読出される。このスタガード方法は、電流、温度、およびバランサがオンの状態でのセル電圧を含む他のパラメータを読出す場合にも適用できる。図5Bは、第3チャネルごとのバランシング電流が能動化される代替の測定方法を示す。図5Bの方法ではすべてのパラメータを得るのに、3つのスタックからの測定値だけが必要となる。これはより早く取得するために用いることができるが、共通モード誤りを被り得る。バランサがオフ状態でのチャネルセル電圧すべてを同時に読取ることができる。
測定されている電池セルの電圧が、モニタリング集積回路110の電流放電によるIR降下を考慮した実際の電圧を表わしていることが重要である。モニタリング集積回路110が能動化され、対応するチャネルがバランシングされる場合、そのチャネルの測定された電圧は、そのチャネルに対応する実際の電圧よりも低くなる。さらに、モニタリング集積回路110が能動化されている状態のアクティブセルの左のセルおよび/または右のセルは、これらのセルに対応する測定された電圧よりもわずかに高い電圧を有し得る。1つの具体的実施例を示すために、電池スタックが3つのセル、すなわちセル1、セル2およびセル3を含むとする。セル1はセル2の下にあり、セル2はセル1とセル3との間にあり、セル3はセル2の上にある。これら3つのセルすべては3ボルトの最大しきい値電池レベルにあるので、どのセルもバランシングする必要がないと仮定する。セル2に対応する電圧が何らかの理由により突然3.2ボルトに増加すると、セル2は電圧を3ボルト以下のしきい値レベルに減少させるためにバランシングする必要がある。このため、セル2に接続されるモニタリング集積回路が活性化され得る。セル1およびセル3のモニタリング集積回路は、電圧がまだ3ボルトのレベルにあるので、オフのままであってもよい。
セル2のモニタリング集積回路がオンとなり、セル2の電圧が測定されると、その電圧は3ボルトとして測定され得る。しかし実際には、電圧はまだ3.2のままである。なぜなら、エネルギはセル2から他のセルにまたは電池スタックの外の他の場所に移されていないからである。3ボルトの測定された電圧は、活性化されたモニタリング集積回路に対応するIR降下によるものである。BSMは3ボルトを読取り、バランシングの必要がないと判断し、そのモニタリング集積回路を不活性化する。モニタリング集積回路がオフとなると、セル2の電圧は再度3.2に飛び上がり、これはモニタリング集積回路を再度オン状態にし、システムは活性化されたモニタリング集積回路に伴うインピーダンスによって引起されるIR降下を考慮していないので、無限ループに引っ掛かってしまう。セル1は、セル2のモニタリング集積回路が活性化された場合、実際には3.1ボルトを読取るかもしれない。したがって、セル1のバランシング集積回路は活性化されるが、実際にはセル1はバランシングを必要としない。なぜなら、その余分な電圧は、セル2のモニタリング集積回路が活性化されたことによるものだからである。
より正確なバランシングおよび測定を提供するためのいくつかの方法がある。まず、バランシングおよび電圧測定を分ける。システムはバランシングを行ない、バランシングをオフにし、次に電圧を測定する。これは、活性化されたモニタリング集積回路のインピーダンスに伴うIR降下による、測定された電圧に不正確さが入ることを回避する助けとなる。しかし、本実施では、BSMと電池スタックとの間に一定の可視性がないかもしれない。したがって、この実施はセルのオーバーシュートの可能性を引起し、実際に必要なバランシングの量を増加させ、バランシング時間を増加させてしまうことになり、特にセル端子電圧の安定化の時間が長くなり得る。
別の実施において、バランシングおよび測定は並行に行なわれながら、活性化された集積モニタリング回路のインピーダンスに伴うIR降下を考慮する。このシステムは、IR降下を正確に計算し、測定の間このIR降下を補償する。こうして、セルの実際の電圧を決定し、測定された電圧の代わりに実際の電圧に基づいて、バランシングを行なうことができる。前の実施例に沿って、セル2の、モニタリング集積回路が活性化されたときの3.0ボルトの測定された電圧の代わりに、実際の3.2ボルトの電圧を用いて、バランシングを行なうことができる。このため、モニタリング集積回路は、電圧を測定するときにオフにする必要はない。この実施において、BSMは電池スタックに対して一定の可視性を有し、バランシング時間を拡張することができ、バランシング電流およびバランサの重みを低減させ、セルをオーバーシュートする可能性を著しく低くできる。
モニタリング集積回路に伴うインピーダンスを計算するアルゴリズムは、当該モニタリング集積回路を電池スタックに接続するために用いられる方法に依存し得る。モニタリング集積回路を電池スタックに接続するために用いられる方法が2つある。これら2つの方法は、1本線の電池接続および2本線の電池接続を含む。
図6Aは、モニタリング集積回路610と電池スタック620との間の1本線の電池接続600Aを示す。図6Bはモニタリング集積回路610と電池スタック620との間の2本線の電池接続600Bを示す。1本線接続600Aは、配線接続インピーダンスの完全なシステム可視性により、奨励される。1本線接続600Aはさらに、配線接続がより少ないので、安価であり、かつより確実である。1本線接続600Aでは、電池スタック620へのモニタリング集積回路610の接地接続は、電池スタック620への隣接するモニタリング集積回路610のVcell接続と共通の経路を共有する。2本線接続600Bでは、電池スタック620へのモニタリング集積回路610の接地接続は、電池スタック620への隣接するモニタリング集積回路610のVcell接続と別である。
2本線接続の方式では、配線インピーダンスを計算する場合には接地接続インピーダンスは定めることができず、BSM630にとっては不可視である。C0以外では、他のセルに対するモニタリング集積回路610の接地または電池セルのマイナス電位の接続は隣接するセルと共有されず、これは1本線接続方式ではBSM630によって測定される。こうして、BSM630は接地接続インピーダンスの可視性を失う。フリップ側では、2本線接続インピーダンスを演算し、放電の際の開放セル電圧を逆算するアルゴリズムは、1本線接続インピーダンスを演算し、放電の際に開放セル電圧を逆算するアルゴリズムよりも容易である。2本線の方法は、1本線方式の場合のように開放接続の際に2つのセルの可視性を失うのではなく、1つのセルの可視性を失うという利点がある。
図7Aから図7Cは、1本線構成を有するモニタリング集積回路のセルおよびチャネルインピーダンスを計算する図式を表し、図7Dは2つ以上のモジュールを有するスタック全体のマクロ図を示す。具体的に、図7Aはセルインピーダンスを計算するための図式を示す。図7Bは、電池セルのプラス端子をモニタリング集積回路に接続する線のチャネルインピーダンスを計算するための図式を表す。図7Cは電池セルの接地またはマイナス端子をモニタリング集積回路に接続する線のチャネルインピーダンスを計算するための図式を表す。図7Aから図7Cにおいて、電池スタック720は4つのセル722、724、726および728を含むよう示されている。図示されていないが、電池スタック720は他のセルを含むことができる。各セルはモニタリング集積回路710と対応づけられ得る。図示される実施において、セル724のモニタリング集積回路710はオンであるので、図7Aから図7Cにおいて示される。セル722、726および728のモニタリング集積回路はオフであるので、図7Aから図7Cでは示されていない。
モニタリング集積回路710がオンである場合、電流はモニタリング集積回路710に対応づけられる相互接続される抵抗器(たとえば、抵抗器R4,B、R3,AおよびR6,CELL)を通って流れる。抵抗器R4,Bは図2に示されるように、電池セル724のプラス端子をモニタリング集積回路のVcell244に接続する線の抵抗に対応する。抵抗器R3,Aは図2に示されるように、電池セル724のマイナス端子をモニタリング集積回路の接地246に接続する線の抵抗に対応する。R6,CELLはセルインピーダンスと呼ばれ、隣接するチャネルに共通でない、チャネル6だけが有する他のすべてのインピーダンスを含む。たとえば、印刷回路基板(PCB)上かつスタック接続内に、チャネル6だけが出合う領域があり得る。前の実施例はチャネル4に対して記載されているが、この方法は各チャネルに伴うインピーダンスを得るために、スタックのすべてのチャネルに適用することができる。IRTNの730は、DC/DCコンバータであって、この場合、回路110のフライバックコンバータを介してモジュールに戻されるすべての電荷を表わす。電流IRTNは、図1に示されるように、検知抵抗器142および回路140が回路130のアナログ入力チャネル136を駆動している状態で、測定される。
モニタリング集積回路710に対応づけられる各抵抗器の抵抗を計算するために、図5Aに示されるスタック測定方法を用いて、1本線構成用に以下の式2を用いることができる:
本アルゴリズムにより、アクティブなバランサに伴うインピーダンスを正確に考慮して、バランシング、スタック装荷、およびスタック充電動作の際に開放セル電圧(フロート電圧)を計算することができる。こうして、システムの可視性はセルバランシングの際失われず、バランサのデューティサイクルを大きく増加させることができる。
開放セル電圧(VN,A)補正計算は、各電池接続に対して2つの測定されたインピーダンスの使用を必要とし得る。これは、各隣接するチャネル間の相対的な電流測定誤差による。この1インピーダンス方法は、インピーダンスを計算するのに用いられた電流が唯一の活性電流経路に対応する場合、うまく働く。たとえば、Rを測定するためにセル4が用いられ、セル4のみがオンの場合、補正されたセル電圧は非常に正確なものであり得る。しかし、セル5が同時にオンとなる、またはそれ自体だけでも、チャネル4の補正されたセル電圧は5mVまでの誤差を含み得る。最悪の場合は、セル4の電流誤差が最も低い誤差しきい値であり、セル5の電流誤差が最大のしきい値である場合である。
上記の式は、現在の精度誤差を補正されたセル電圧計算から取除く手段を提供する。アクティブセルで3つのインピーダンス値Rn-1,A、Rn,B、およびRn,CELLが得られる。アクティブセルの上のセル、下のセル、および当該アクティブセルのセル電圧が記録され、インピーダンスを計算するために用いられる。セルインピーダンスと呼ばれる3つ目のインピーダンスは、上または下のセルと共通の経路を有さないすべてのインピーダンスを考慮する。これは、内部電池インピーダンスおよび電池間の接続を含む。R0およびR12は特殊な場合であり、セットAおよびセットBからの式を合成することによって計算することができる。IMOD,mはモジュール内のすべてのセルを同時に流れるモジュール電流であり、ここでmは図5aに示される測定ステップを示し、図5aにおいて1のmは第1のスタックを示し、2のmは第2のスタックを示し、3のmは第3のスタックを示す。IMOD,mはISTK742+IRTN730と等しく、ここで(図7Dに示される)ISTKは、電池スタック全体のすべてのセルに共通の電流であり、IRTNはモジュールに戻されるDC/DCコンバータ出力電流である。電池スタック全体が装荷または充電されない場合(ISTK=0)では、IMOD,mはIRTN,mとなる。すべてのインピーダンスが計算されると、以下の式3を用いてバランサが動作している間VCELLを補正することができる:
この(式3)において、Vn,Aは、セルnに対応づけられる実際のセル電圧であり、Vn,BはMODE1で測定されたセル電圧である。Rn-1,AおよびRn-1,Bは、モニタリング装置の接地端子をセルn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n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はセルn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はセルnに対応づけられるバランシング電流であり、In-1はセルn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はセルnの上のセルに対応づけられるバランシング電流であり、IMODは複数のセルを同時に流れる電流である。Rn-1,A、Rn-1,B、Rn,AおよびRn,Bは式2に示される式を用いて計算することができる。Inは集積モニタリング装置を用いて特定のセルから測定することができる。IMONは図1の回路140および142を用いて測定されたモジュール電流である。
この3−インピーダンス方法は取得時間に影響しない。なぜなら12チャネルすべては各スタック測定で変換されるからである。しかし、プロセッサを用いて新しいインピーダンスを計算するにはさらなる時間が必要となる。最後に、システムが報告するインピーダンスは、2つの測定されたインピーダンスの平均値であるべきである。
このアプローチにより、バランシングによるIR降下を計算し、実際の電圧を計算するときに考慮に入れることができる。したがって、モニタリング集積回路は電圧を読取るためにオフする必要はなく、バランシング時間を最大限にすることができる。さらに、このアプローチにより、セルが損傷する可能性も低減する。なぜなら、スタックでの可視性はバランシングの際に失われず、より多くのエネルギを電池スタックから安全に回復することができるからである。
図8は、2本線構成を有するモニタリング集積回路のチャネルインピーダンスを計算する図式を表す。2本線構成は、モニタリング集積回路810、電池スタック820、およびBSM830を含み、これはモニタリング集積回路110、電池スタック120およびBSM130と類似しているので、その重複する局面はより詳細には記載されない。しかし、モニタリング集積回路810は、図1で記載した1本線構成の代わりに、電池スタックに対して2本線構成の接続を有する。2本線電池接続構成でのIR補正アルゴリズムはより容易である。なぜなら、各チャネルは隣接するチャネルと分離され、電池スタックへの共通接続を共有しないからである。所与のチャネルの電圧測定はすぐ下のチャネルに依存する。図8は、各チャネルの正セル接続の測定を示す(なお、各チャネルの接地接続抵抗は2本線構成では測定できない)。図5のどちらかの方法を用いて、各正チャネル接続抵抗を計算するために、以下の式が用いられる:
被測定チャネルは、隣接する下のチャネルがMODE0でVCELLを選択し得る。下のチャネルは、バランシング電流を測定するための負の基準である。フロート電圧または開放セル電圧を計算するための一般式は、被測定チャネルの下のチャネルにより変更を考慮する:
この(式5)において、Vn,AはMODE0(バランシング不能化)で測定される、特定のセルnの開放セル電圧またはフロート電圧であり、Vn,BはMODE1(バランシング能動化)で測定される、特定のセルnのセル電圧であり、In-1・Rn-1は、被測定セルの下のセルによるIR降下である。Rn,CELL項は、DCRならびにモジュール電流IMODおよびバランシング電流Inによって影響される電池間の接続を考慮する。電池の等価直列抵抗(ESR)はESRテスト回路を用いて得ることができる。ほとんどの電池のESRはかなり低く、通常は1桁のミリオーム範囲にある。電池接続インピーダンス測定は、この電池ESRパラメータを含み得る。
図9は、電池スタックのRn,CELLを測定する例示的回路900を示す。回路900は、モニタリング集積回路910、電池スタック920、BSM930、ワンショット回路940および950、負荷抵抗器Rload、およびMOSFET M1を含む。モニタリング集積回路910、電池スタック920およびBSM930は、図1で記載したモニタリング集積回路110、電池スタック120およびBSM130に類似している。したがって、重複する局面はより詳細には記載されない。BSM930は幾つかのGPIOチャネル(たとえば、GPIO1)を含むことができ、これを用いて電池Rn,CELLを測定する目的のために、電池スタック920の一番上および一番下から既知の電流を得る。GPIO 1を用いてワンショット回路950の入力をトグルで切換えることもでき、これによりワンショット回路940を駆動し、これはMOSFET M1のゲートを駆動するゲートドライバであり、オンに保つ。
Rloadの一方端は電池スタック920の正端子に接続され、他の端部はMOSFET M1に接続される。MOSFET M1の一方端はRloadに接続され、他方端は電池スタック920の負の端子に接続される。MOSFET M1のゲートはゲートドライバ回路940の出力ピンに接続される。ゲートドライバ回路940の入力ピンは、ワンショット回路950の出力ピンに接続される。ワンショット回路950の入力ピンは、BSM930のGPIO1に接続される。各回路940および950のV+モジュールは、BSM930の規制された電圧出力に接続される。各回路940および950の接地モジュールはBSM930のV−とともに、電池スタック920の負の端子に接続される。
ワンショット回路950は3つの外部抵抗器を用いたプログラマブルワンショットであり得る。回路900にこれを入れる理由は、MOSFET M1が常時オンであることを避けるために、誤動作の場合の安全のためにある。誤動作は大電流をもたらしMOSFET M1を損傷させる。ワンショット回路950はハードウェアの安全策として加えられ、一実施ではMOSFET M1がしきい値時間だけオンであることを可能にする。このしきい値時間は0.5ミリ秒から100ミリ秒の間であり得る。ソフトウェアの誤動作があれば、ゲートドライバ回路950の入力にはトグルによる切換は見られない(たとえば、BSM930の出力GPIO1)。正確性のために、短い期間の大電流(RLOAD用に小さい値の抵抗)を用いることができる。この電流は約10Aであり得るが、用いられる電池の容量に依存し、かつ比例する。スタックの各電池のRn,CELLまたはDCRを定めるために、以下の式を用いることができる:
この(式6)において、VCELL(OFF)はM1がオフの状態である、MODE0でのモニタリング集積回路であり、VCELL(ON)はM1がオンの状態である、MODE0であり、VMODULEはMODULE+マイナスMODULE−である。Rn,CELLは式3、4および5において用いられる。セル抵抗の式を計算するために、図7Aから図7Dで記載した方法の代わりに、図9の方法を用いることができる。図5Aのパラメータアルゴリズムを用いてセットAの抵抗およびセットBの抵抗の式を解くことができ、取得時間はほぼ3分の1となる。各セルのDCRを測定することに加えて、ワンショット回路を短い期間に設定し、1kHzから10kHzのレートで、周期的にトリガできる。これにより、セルのESRまたはAC抵抗を測定することができる。等価RLOADは、M1のオン時間からM1のオフ時間の比率がRLOADの大きさによって乗算されるものとなる。
n,CELLまたはDCRを計算することは、電池スタック920が悪くなっているのか、または接触抵抗が悪くなっているのかを判断する助けとなる。電池スタック920が数回充電および放電されると、電池スタック920の接触抵抗は増加し得る。DCRを計算することにより、ユーザは誤っている測定が悪い電池スタック920に伴うものなのか、悪い接触に伴うものなのかを判断することができる。計算されたDCRがしきい値よりも高ければ、電池スタック920の不備と見られる。しかし、計算されたDCRがしきい値よりも低ければ、電池スタック920は大丈夫であると見なされ、問題は電池スタック920の連続する充電および放電による悪い接触に伴うものであり得る。
具体的実施例において、RLOADの抵抗器は、大きい、短い時間の10Aパルスを扱うためにパルス定格化され得る。12セルのモジュールでは、RLOADのよい選択とは、6個の平行な24ΩCRM直列抵抗器である。MOSFET M1として、Fairchild FDMC86102Lまたはその等価物を用いることができる。ワンショット回路950には、LTC6993−4、または等価な単安定パルスジェネレータがMOSFETのパルス期間を20msに制限するために用いることができる。1.5A単一チャネルゲートドライバであるLTC1693−3(940)を用いて、MOSFET M1の適切なターンオフおよびターンオン時間を与え、任意の等価なゲートドライバと置き換えることができる。キャパシタンスC2は、パワー入力ピンを2つのワンショット回路940および950にフィルタ処理するためのバイパスキャパシタである。パワー入力ピンはBSM930から出力された5ボルトに規制された電圧によって駆動される。
複数のモジュールシステムにおいて、モジュールを互いにバランシングする必要があり得る。各モジュールは複数のセルを含む電池スタック920に対応し得る。各セルは、あるモニタリング集積回路910に接続され得る。モニタリング回路910はBSM930に接続され得る。各モジュールにおいて、エネルギは1つのセルから取出され、電池スタック920の12個のセルすべてに配分されて、モジュールを許容可能なしきい値内にバランシングすることができる。代替的に、または付加的に、エネルギは11個のセルから取出され、電池スタック920の12個のセルすべてに配分されて、電池スタック920のうちの1つのセルをバランシングすることができる。これにより、モジュール内にバランスの取れたセルとなる。しかし、モジュールがバランシングされたとしても、バランシングされたモジュール間で何らかの電圧差があり得る。複数のモジュールを有するシステム、たとえば各々が12個の電池セルを有する10個のモジュールを含み得る自動車において、モジュールを互いに対してバランシングするために、回路900を用いることができる。あるモジュールでのRloadはオンされ、第2のモジュールに対して許容可能なしきい値レベルに達するまで、そのモジュールの電圧を低減させる。この処理の間、モジュールのモニタリング集積回路910をオフにし、MOSFET M1をオンおよびオフにする。この処理により、モジュール間の不一致を回避または低減でき、1つのモジュールが10個のモジュールからなる電池システム全体の容量を決定することを防ぐ。
上記の実施例において、自動車が修理に出され、10個のモジュールの電池システムの中でモジュール5が不良であると判断されたとする。モジュール5は新しいモジュールで置き換えられる。新しいモジュールは当然電池システムの残りのモジュールよりも高い容量を有する。モジュール5が残りのモジュールの残りの容量を決定するとしたら、より小さい容量を有する他のモジュールの一部が過充電される危険性がある。したがって、回路900を用いてモジュール5が完全に充電されるまで、残りのモジュールからエネルギを出力させることができる。
1本線構成では、開放接続は、その接続を共有する2つの接続の測定に影響する。影響されたチャネルのどちらにも負荷がない場合、電圧は2つのセル電圧の合計のほぼ中間点にあり得る。正確な値は、VINキャパシタの漏れのうちの割合であり、大きく変動し得る。開放接続は、特定セルのバランサをオンにする前および後で、Vcellを測定することによって検出することができる。
図10Aおよび図10Bは、1本線構成回路1000Aの開放接続上のセルをオンにしした結果、および1本線構成回路1000Bの開放接続下のセルをオンにした結果をそれぞれ示す。回路1000Aおよび1000Bは類似しており、モニタリング集積回路1010、電池スタック1020、およびBSM1030を含む同じコンポーネントを備える。モニタリング集積回路1010、電池スタック1020およびBSM1030は、図1に記載したモニタリング集積回路110、電池スタック120およびBSM130と類似しているので、より詳細には説明しない。回路1000Aと回路1000Bとの違いは、回路1000Aでは、開放接続1040上のセルのモニタリング集積回路1010がオンにされるのに対して、回路1000Bでは、開放接続1040下のセルのモニタリング集積回路1010がオンにされて、電圧を測定し、開放接続があるか否かを判断する。
本実施例では、開放接続1040は、電池セル8の正端子とセル9のモニタリング集積回路1010の接地またはセル8のモニタリング集積回路1010のVinとの間にある。開放接続1040のそれぞれ下および上にある影響を受けたセル8および9は、特定の接続が損なわれたことを保証するためにテストするべきである。以下のアルゴリズムを用いて開放接続を判断することができる。
1.) MODE0ですべてのセル電圧を測定する
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。
200mVのしきい値は、測定誤差に許容を提供するために選択される。開放接続1040の決定は多くの顧客にとって重要であり得る。なぜなら、BSM1030による不正確な読取が異常な電池スタック1020に関連するのかまたは電池スタック1020をBSM1030に接続する異常な配線によるものなのかを判断する助けとなるからである。開放接続1040の決定は、対応するモニタリング集積回路スイッチがオフである場合に電圧を保持する、キャパシタ1050と、モニタリング集積回路1010内のスイッチとの助けにより、行なうことができる。キャパシタ1050はモニタリング集積回路1010の外部コンポーネントであり、モニタリング集積回路1010のスイッチングコンバータに対してバイパスキャパシタである。
通常の動作では、各セルはVcellを読取る。しかし、開放接続があると、上の影響を受けたセルのモニタリング集積回路1010はキャパシタ1050を放電させ、これはセル電圧(たとえばVcell)にされる。電圧が、モニタICの不足電圧しきい値に近い、一例では2ボルトに到達すると、モニタリング集積回路1010は電圧が低すぎることを検出し、キャパシタ1050の放電を停止し、シャットダウンモードになると2ボルトを出力する。このような読取は、回路1000Aに開放接続があることを示すものである。これはどのリチウムイオン電池でも最小電池電圧が2.5ボルトだからである。このため、かつ通常の状況では、モニタリング集積回路1010の出力電圧は2.5ボルト以下であってはならない。この場合、しかし、開放接続1040により、上セル9のモニタリング集積回路1010の出力電圧は2ボルトである。回路1000Aの下セル8のモニタリング集積回路1010の電圧出力は、Vcell8+Vcell9−2ボルトであり、実際のVcellよりも高い。
同様に、下セル8のモニタリング集積回路1010がオンになり上セル9のモニタリング集積回路1010がオフとなった場合、セル8の測定された電圧は約2ボルトであり、セル9の測定された電圧は約Vcell8+Vcell9−2ボルトである。このような読取は、回路1000Aおよび回路1000Bに開放接続があることを示すものである。
2本線システムでは、隣接するCVINキャパシタ間の接続は、接続が開放されると切断される。VVINはおそらくはその特定のチャネルのダイオードの下にあり、OUTピンはハイインピーダンスとなる。2本線構成は、開放接続を検出するために、当該方法がLTC680xデータシートに記述されることを必要とする。この方法はCピンを駆動するのに100uA電流源を使用する。なお、1本線構成では、モニタリング集積回路出力とそのCピンとの間に開放があることを検出するためには、LTC680x開放接続検出スキームを必要とする。
アクティブバランシング回路における開放接続検出に加えて、開放セルも存在し得る。開放セルは、その開放セルを有する特定のチャネルのみに影響する。開放セルに掛かる測定された電圧は、電池スタックの電流方向に依存する。電池スタックが負荷を与えるのなら、電圧はダイオード、すなわち外部TVSダイオード(ホットスワップまたはホットプラグ保護向け)またはモニタリング集積回路VCELLもしくはVINピンの内部基板ダイオードの負の順方向電圧にクランプされる。同様に、電池スタックが充電されるのなら、開放セル電圧は、最大セル電圧よりも大きく設定される、TVSダイオードのツェナー電圧にクランプされる。
図11Aおよび図11Bは、スタックが負荷されるまたは充電された状態の、チャネル9の開放セルの影響を示す。具体的に、図11Aは電池スタックが負荷を与えて、チャネル9の開放セルの影響を示す。図11Bは、電池スタックが充電されて、チャネル9の開放セルの影響を示す。回路1100Aおよび1100Bは、モニタリング集積回路1110、電池スタック1120、BSM1130、外部ダイオード1140および内部ダイオード1150を含む同じコンポーネントを有する。しかし、回路1100Aでは、電池スタック1120が放電され、回路1100Bでは、電池スタック1120が充電される。回路1100Aおよび1100Bは、そのチャネル9内に開放セル1160を含む。
開放セル1160に掛かる測定された電圧は、電池スタック1120の電流の方向に依存する。電池スタック1120が図11Aに示されるように負荷を与えているのなら、電圧はダイオードの負の順方向電圧にクランプされる。ダイオード、外部TVSダイオード1140(ホットスワップまたはホットプラグ保護向け)またはモニタリング集積回路1110VcellもしくはVinピンの内部基板ダイオード1150のどちらかを含み得る。同様に、電池スタック1120が充電されるのなら、開放セル電圧は、TVSダイオード1140のツェナー電圧にクランプされ、これは最大セル電圧よりも大きく設定され得る。
開放セルは、電池セル1120の全体のシリーズスタックに負荷を置くことなく、テストすることができる。充電電流は、それぞれのディスチャージャが能動化された、12−セルモジュール内の他のチャネルからの電流源であり得る。パッシブ/アクティブモジュール間ディスチャージャまたは電池ESRパルス回路を用いて、開放セルを含むモジュールを放電することができる。
図4に示されるモニタリング集積回路から大部分のパラメータを得るためには、2つの連続測定が必要である。この測定方法は、連続する読取間で負荷がスイッチオンされた場合に、誤りやすい。この誤りは負荷電流によって導入された共通モードシフトを検出および補正することによって緩和できる。
VPAR =第1の測定値 - (第2の測定値)
= 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。
図11Cは、BSM ICが複数のチャネルを同時に測定する、同じシステムクロックによってクロック動作されたいくつかのADCチャネルを含み得ることを示す。スタック全体の他のチャネルの読取は、異なる時間ステップで取得される。異なる時間ステップで取得されたチャネルの共通モード電圧を比較することは大きな誤差をもたらし得る。こうして、共通モード情報は同じ時間ステップで取られたチャネルに与えられなければならない。図5Aに示される抽出アルゴリズムは2チャネルBSM ADCアーキテクチャでうまく働くので、共通モード情報は第1のADCで抽出されながら第2のADCは命令されたセルパラメータを抽出する。VCMは、1つ目の測定のスタック1のVcell測定値を2つ目の測定のスタック1のVcell測定値と比較し、その差をVCMとして特定することによって計算できる。
電池スタックがBMS基板に接続されると、BMSの容量の結果としてサージ電流が生成され得る。サージ電流の経路の配線および経路付けインダクタンスにより、後のサージ電圧はBSMの最大入力電圧を超え、それによりBSMを損ない得る。具体的に、大電流は、電池の低いESRに結合された大きな入力バルク容量により、電池をアナログBSM用途にホットスワップした場合に生成される。モニタリング集積回路実施の場合、モニタリング集積回路は大量の入来電流の後にくるオーバーシュート電圧を処理するのに問題はない。しかし、下流BSMでは、損傷を受け得る可能性があり、これはホットスワップに対して保護するために、付加的ステップおよび/または回路を必要とする。電池スタックをBMS基板にホットスワップすることに対する保護にはいくつかの方法がある。具体的には、機械的解決策およびアクティブ解決策がある。
図12は電池スタックをBMS基板にホットスワップすることから保護するための機械的解決策を提供する例示的ホットスワップ保護回路1200を示す。機械的なアプローチは最も費用効果のよい解決策となり得る。回路1200は、モニタリング集積回路1210、電池セル1220、抵抗器1230、およびキャパシタ1240を含む。抵抗器1230はCVINキャパシタ1240を電池電圧に予め充電するために用いられる10Ω抵抗器であってもよく、入来電流を制限する。抵抗器1230がなければ、唯一の抵抗は配線抵抗となり、これはBSMの入力への大きな入来電流をもたらし、BSMを損傷させる。CVINキャパシタ1240が充電された後、機械的スイッチ1232が抵抗器1230にわたって接続され、すべての正常な動作においてそのまま残る。機械的ショート1232に対して3つの進められる解決策がある:1)>3A定格のジャンパを使用する、2)機械的スイッチを使用する、または3)スタガードピン電池用コネクタを使用する。スタガードピン接続では、長いピンが10Ω抵抗器1230を介してモニタリング集積回路1210に接続され、キャパシタ1240に電荷を与える。短いピンはモニタリング集積回路1210に直接接続され、10Ω抵抗器1230を短絡させる。通常の挿入では、回路への長いピンの接続と短いピンの接続との間におよそミリ秒の遅延があり、それによりCVIN1240は機械的短絡がなされる前に充電される。
図13Aおよび13Bは、2つの例示的ホットスワップ保護回路1300Aおよび1300Bを示し、各々は電池スタックをBMS基板にホットスワップすることから保護するためのアクティブ解決策を与える。アクティブ解決策は自動的ホットスワップ保護(たとえば、電池を接続する場合に付加的工程は必要ない)という付加的利点を有し得る。図13Aは例示的ホットスワップ保護回路1300Aを示し、これはモニタリング集積回路1310、電池スタック1320、抵抗器1330、およびキャパシタ1340を含む。ホットスワップ保護回路1300Aはホットスワップ保護回路1200と類似しているが、ホットスワップ保護回路1300Aでは、機械スイッチ1232はMOSFET M1 1332と置き換えられ、これはキャパシタ1334および抵抗器1336を用いて自動的にオンされて抵抗器1330を短絡させる。電池スタック1320がまず各チャネルに接続された場合、キャパシタ1334は放電または短絡されるので、MOSFET M1 1332はオフとなる。これは、すべての電流が抵抗器1330を通ってキャパシタ1340を充電することを意味する。電池スタック1320をホットスワップしたすぐ後で、抵抗器1336はキャパシタ1334の充電を開始し、ある遅延の後、MOSFET M1 1332をオンにし、これは抵抗器1330を短絡させる。抵抗器1330はBMSの残りの正常動作の間、短絡されたままとなり得る。回路1300AはヒューズF1による付加的過電圧保護およびダイオード1338を有する。ダイオード1338はツェナーダイオードであってもよく、図13Bにおいてより詳細に記載される。回路1300Aは効率が低くかつコストが高くなるという不利点を有し得る。一具体的実施例では、MOSFET M1 1332は、コンバータ効率を最大にするために低いRTS,ONを有し、1.25V VGSしきい値未満である。キャパシタ1336のサイズは、M1がオンされる時間遅延がキャパシタ1340を十分に充電する時間よりも長いものとなる。
図13Bは例示的ホットスワップ保護回路1300Bを示し、これはモニタリング集積回路1310、電池スタック1320、キャパシタ1350、ならびにダイオード1360および1370を含む。回路1300Aの抵抗器1320の代わりに、回路1300Bはダイオード1360および1370を含む。ダイオード1360および1370は過渡電圧抑制器であってもよく、これは低いインピーダンスのツェナーダイオードであり得る。ツェナーダイオードは典型的に数百アンペアを扱うことができながら、そのツェナー電圧に非常に近くあり得る。ツェナーダイオードは、モニタリング集積回路1310およびBSM回路で許される最大電圧よりも低くなるよう選択できる。一具体的実施例において、ダイオード1360のツェナーダイオードは6.8ボルトであり得る。ダイオード1360はすべての突入電流を吸収し、モニタリング集積回路1310に与えられる電荷が6.8ボルトよりも高くならないようにする。ダイオード1370はBSMの入力に対して2つ目の保護層を与える。
提案しているフロート電圧補償の実施は、通信アーキテクチャおよび構成、ならびに電流検知増幅器および電池電圧検知回路の組合せに依存して、変わり得る。これはシステムのすべてのIR降下を補償し、電池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提案されている方法を無効にするものではない。当該アルゴリズムは、各配線/コネクタインピーダンスを2回測定することにより、電流検知増幅器の小さな不正確さを考慮に入れており、これは各隣接する電流検知増幅器およびバランシング経路、すなわち測定されるインピーダンスの上および下のものを用いる。電流検知増幅器に大きな誤りがないのなら、各配線/コネクタの測定は、一方だけの隣接する電流検知増幅器およびバランシング経路回、すなわち被測定配線/コネクタの上または下だけの組で行なうことが考えられる。
BMSのフィーチャの一部は、モニタリング集積回路の1本線通信を含み、これにより正確に電圧降下を測定し、LTC6804を用いて非常に正確にバランシングしながらバランシング電流を測定することを可能にする。他の試みはより複雑かつより不正確となり得る(たとえば、電圧を測定するためにバランサをオフにすると、フロート電圧に安定する前に電池電圧変動により、誤差を引起す)。さらに、バランシング経路の直列抵抗を計算するために独自のアルゴリズムおよび方法を用いることができ、モニタリング集積回路のアナログマルチプレクサを使用する。さらに、独自のファームウェアアルゴリズムを用いて、セル電圧のより迅速なロギングのために、速い期間で、IR降下補償、共通モード補償、および電圧垂下補償(フロート電圧補償)を行なうことができる。内部的にトリミングされた電流検知増幅器を用いて、非常に正確なバランシング電流測定により、バランシングしきい値範囲のより高い分解能が可能となる。BMSシステム設計の付加的安全特性は、BSMの各チャネルが正しく動作していることを確認するために、モニタリング集積回路のハンドシェイク電圧を用いた異なるICの基準冗長性、開路検出、コンバータスイッチ保護、および電池スタック共通モード補正を含む。
他の実施も考えられる。たとえば、システムは各チャネルのスイッチ−モードコンバータ用にスイッチ保護を含み得る。図2を再度参照すると、恒久的な損傷からモニタリング集積回路210の内部パワースイッチを守るために、いくつかの保護特性を含むことができる:短絡検出器、ハイインピーダンス検出器、およびスイッチ過電圧保護(OVP)。これらは、誤りにより放電コンバータの整合性が損なわれた場合に、ユーザに知らせ得る。スイッチングは誤りのある状態では不能化され得る。短絡検出器は、変圧器の一次側巻線の短絡により、パワースイッチが早期にオフになった場合を検出できる。電流比較器が550ns短絡検出タイムアウトの前にトリップすると、スイッチエラーラッチがトリップする。出力ピン212はスイッチエラーの際、Vin−1.2V、VSW、ERRに駆動される。その部分は、スイッチエラー誤りをクリアするためにリセットされなければならない。
ハイインピーダンス検出器は、モニタリング集積回路210のパワースイッチがどれだけオンになっているかをモニタすることができる。スイッチがスイッチ最大オン時間の50μsよりも長くオンとなると、スイッチエラーラッチが設定され、出力ピン212はVin−1.2V、VSW、ERRに駆動される。その部分は、スイッチエラー誤りをクリアするためにリセットされなければならない。OVP回路は、NPNコレクタのSWピンを50Vに動的にクランプし得る。これは内部パワースイッチが機能停止し、恒久的な損傷を引起すことから守る。当該クランプは一次側スナバとして用いて、漏れインダクタンスエネルギを吸収することができる。200nsのスイッチクランプ消去時間は、クランプが漏れスパイクを吸収しているのか、または変圧器の二次側がオープンであるのに対してスイッチはオフとなるのかを判断する。スイッチクランプが約200nsよりも長くオンとなっているのなら、スイッチエラーラッチが設定される。この部分は、スイッチエラー誤りをクリアするために、リセットされなければならない。
別の実施例として、モニタリング集積回路はスイッチを収納しないよう設計でき、これは一次側変圧器巻線に接続される。代わりに、スイッチはモニタリング集積回路の外部に収容され得る。スイッチをモニタリング集積回路の外に配置することにより、モニタリング集積回路はより大きい電流を扱うことができるようになる。1つの具体的実施例を示すと、モニタリング集積回路は2.5アンペアまでの平均電流を取扱うことができるのに対して、LTC3300は10アンペアまでのより大きい電流を扱うことができる。
図14は、モニタリング回路を変圧器に接続するスイッチがモニタリング回路の外に配置される例示的回路1400を示す。回路1400は、モニタリング集積回路1410、電池スタック1420、変圧器1430、複数の第1のスイッチ1442、および複数の第2のスイッチ1444を含む。モニタリング集積回路1410はLTC3300を含む。各チャネルにおいて、モニタリング集積回路1410は変圧器1430を介して、電池スタック1420内のあるセルに接続される。変圧器1430は一次巻線1432および二次巻線1434を含む。一次巻線1432の一方端は電池スタック1420のセルのプラス側に接続され、他方側は第1のスイッチ1442のドレインに接続される。スイッチ1442のゲートは、モニタリング集積回路1410に接続され、そのソースは抵抗器を介して電池スタック1420のセルの負端子に接続される。二次巻線1434の一方端は、電池スタック1420の正端子に接続され、他方端は第2のスイッチ1444のドレインに接続される。第2のスイッチ1444のゲートは、モニタリング集積回路1410に接続され、第2のスイッチ1444のソースは、抵抗器を介して電池スタック1420の負端子に接続される。
図14に示されるモニタリング集積回路1410が図2に示されるモニタリング集積回路210よりも有利であるのは、モニタリング集積回路1410が図15Aに示されるように、エネルギの二方向伝達を可能にするのに対して、モニタリング集積回路210は、図15Bに示されるように、エネルギの一方向伝達しかできないことである。たとえば、放電の際、電池スタック220の高いエネルギを有する特定のセルに対するモニタリング集積回路210はオンとなり、一次巻線を用いてセルからエネルギを取出し、二次巻線を用いてエネルギを電池スタック220に戻す。同じセルの充電の際、他のセルに対応するモニタリング集積回路210はオンとなり、一次巻線を用いてこれらセルからエネルギを取出し、二次巻線を用いて電池スタック220にエネルギを戻す。これに対して、充電の際、モニタリング集積回路1410は充電される必要がある特定のセルを充電し、エネルギを電池スタック全体に戻す必要はない。すなわち、モニタリング集積回路1410はその二次巻線を用いて電池スタック1420からエネルギを取出し、それを充電する必要がある特定セルに戻すことができる。図15Cは、DC/DCコンバータスイッチが電池スタック側にあり、ダイオードが個別のセルを駆動している、一方向チャージャを示す。
電圧垂下は、特定のセル内の化学的反応による現象である。必要な電圧を生成するために必要である、特定のセル内の化学反応は、セルがオンされると、セルの端子での一時的な電圧降下をもたらす。セルがオフとなると、セル電圧はセル内のイオンの拡散が等しくなるので、上昇する。電荷は瞬時に作成することはできず、所与の時間の間、有限量しか生成できない。電池セルはさらに、短期の瞬時電荷送りを可能にする何らかの容量性効果を有する。ある時点で、特定の電圧を維持するのに必要な充電生成レートは、セルから取出される電荷と等しくなる。バランシングの際にセルから外部的に取出される電荷は、電荷の純損失として見ることができ、それゆえ電圧降下となる。リチウムイオン電池の開放セル電圧は、セルの充電状態(SOC)を示すものであり、これはセルの端子電圧に等しいまたは等しくないことがある。式8はこれを示し、Capacityは特定のセルの容量をクーロンで表わし、VRANGEは最大可能セル電圧マイナス最小可能セル電圧である。
IR補償はすべてのIR降下を補正し、端子および内部配線構造の抵抗による、IR降下を含む、電圧の端子での電圧をもたらし得る。電圧垂下現象により、実際の開放セル電圧は電池の端子での電圧よりも高い。こうして、VDROOPを補正しなければ、IR補償は本当の開放セル電圧をもたらし得ない。
図16Aおよび図16Bは電池端子のバランシングの効果を示す。図16Aは、バランサがオンとなった場合のセルの電圧垂下を示す。上記のように、この垂下は一時的であり、セル内の化学反応によるものであり、バランサがオフとなった後になくなる。したがって、電圧垂下補正がなければ、バランシングアルゴリズムは、セル電圧が垂下し、その後回復するにつれ、変動する。これは、バランサでの測定セル電圧が、電圧垂下により、セルの実際の電圧よりも低いからである。なお、電圧垂下は典型的に約10または20mVである。図16Bは垂下を連続的に測定し、各時点で補正することにより、電圧垂下を補正する1つの方法を示す。これにより閉ループバランシングアルゴリズムを安定化させ、フィードフォワード補償を有効に加え、セルの内部電荷生成に伴う低い周波数極を打ち消す。このため、必要な補正ファクタ1610はバランサがオンである間に示される。バランサがオフとなると、補正ファクタは次第に消える。しかし、電圧垂下に対して各データ点で補正するための処理パワー量は実現不可能となり得る(一部の電池スタックは100個のセルを超える)。その代わりに、別のアプローチとして、時間による電圧の変化率を辿ることである。
図17は電圧垂下を考慮した前の例の導関数アプローチを示す。バランシングアルゴリズムの変動を取除くために、特定セルの垂下量を知らなければならない。このため、セルはバランシングアルゴリズムが開始される前に少なくとも1回実施されることを必要とし、その値は後で使用するために記憶される。図17のVDROOP補償は、数分掛かり得る遷移する事象の際にSOCにおいて無視できる変化があると見なす。セル装荷の際、以下のアルゴリズムが用いられる:
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。
装荷の際:典型的にVDROOPがIR降下補償Vn,A電圧に加えられ、バランシングアルゴリズムで用いられる。
遷移終了:VCELLの時間導関数が最小しきい値、おそらく、サンプル間で1または2mV、に達するまで、VB(直前のVn,A+VDROOP測定)がバランシングアルゴリズムにおいて用いられる。
装荷の後(バランサがオフされる):IR補償VCELL、Vn,Aに戻る。電圧垂下が著しく変わらないので、電圧垂下が初期化の期間に判断されると、電圧垂下を再度計算することなく、その電圧垂下をバランシングの際に用いることができる。代替的に、さらに精度を上げるために、電圧垂下を時々計算し、新しく計算された電圧垂下をたとえば30分ごとに、バランシングで用いられる。もちろん、システムダイナミックが変わると、電圧垂下は変わったときに計算でき、新たに計算された電圧垂下をバランシングで用いることができる。
電圧垂下の再計算:電圧垂下は、式9を用いて、図17の点VBおよびVCを用いて再度計算することができる。セル電圧測定間の時間を延ばし、移動平均技術を用いることによって、より精密な分解能を達成することができる。しきい値時間は調整可能である。一具体的実施例において、しきい値時間は差分セル電圧が設定されたしきい値以内になるまで、20ミリ秒ごとに設定することができる。典型的には、これは垂下が起こる1分または2分内である。
DROOP=VC−VB(式9)
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。
n,ESR=Vn,DROOP/I(式10)
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。
さらに進むと、シリーズスタックドリチウムイオン電池パックのいくつかの市場用途では、電池が装置全体で均等に配分されることを必要とし得る。他の用途では、電池パックの容易な修理を必要とし得る。これらの用途のどちらにおいても、モジュラに基づくアプローチによって益を得ることができ、電池パックは12個のセルの自己保有モジュールを用いて構成される。12個のセルを選択することは12チャネルのBSM ICでうまく働くが、当該概念はモジュール当たり任意の数のセルでもうまく働く。モジュール自体は図1のように構成され、セルバランシングはモジュール内に含まれる。図1に示されるように、一方向ディスチャージャの構成を用いることができる。代替的に、一方向または二方向のチャージャ構成を用いることもできる。これはモジュールをパッシブにバランシングするよりもはるかに効率がよく、はるかに高いバランシング電流を可能にする。各セルの電荷は12個のセルからなるモジュール全体から取出されるまたは戻され、MODULE+およびMODULE−と示される。
電荷は複数の直列接続12セルモジュールからなる全体のスタック電圧から取出すまたは戻すことができるが、モジュールには高い電圧があり、メンテナンスの際の安全性にリスクを課する。さらに、重さを均等にするためにモジュールが全体に分散されている装置で高い電圧配線を経路付ける場合にも、リスクが高まる。個別のセルのバランシングがモジュールに含まれる場合、電池スタック全体を含む複数のモジュール間で電荷をバランスするために、第2段のバランシングが必要となり得る。これは特に新しいモジュールが損傷されたモジュールに置き換える場合に明らかであり、電池スタックの他のすべてのモジュールよりも大きい容量を有する。
図18は別の例示的BSM 1800を示す。BSM1800はモジュール−スタックバランスである。このため、BSM1800は複数のモジュール1−Nおよびモジュール−スタックバランサ1830を含む。モジュール1−Nのうちの各モジュールは、BSMチップ1830に接続される、図1に示されるBSM100に対応し得る。モジュール1−Nのうちの各モジュールは特定のモジュールでバランシングすることができるためのイネーブル信号を必要とし、これは図18でENと示され、その特定のモジュール−スタックバランサ、典型的にはBSM IC1830からのGPIOチャネルに接続される電池モジュールから送られる。決定は、BSM IC通信ポートへのプロセッサ接続でプログラミングされたアルゴリズムを使って行なわれる。決定は、相対的モジュール電圧を電池スタック全体の平均モジュール電圧と比較することに基づく。図18の場合、平均モジュール電圧および/または平均蓄積電荷プラスバランシングしきい値より高い電圧および/または高い蓄積電荷を有するすべてのモジュールは、そのモジュール−スタックバランサが放電を能動化するよう命令する。
図18はフライバックコンバータが一方向ディスチャージャとして構成された、モジュール−スタックバランサの使用を示すが、コンバータは一方向チャージャまたは二方向コンバータとして構成され得る。電荷は各個別のモジュールから移されて全体の電池スタックSTACK+およびSTACK−に戻される。すべての高電圧線はモジュール−スタックコンバータに含まれるが、モジュール置き換えの際にMODULE+およびMODULE-端子に高電圧が掛かるのを防ぐために、電圧クランプが各モジュールに平行に配置されるべきである。
一部の用途では、単一のモニタリング集積回路が許すバランシング電流よりも多くの電流を必要とし得る。単一のモニタリング集積回路は2.5アンペアまでのバランシング電流を許容し得る。したがって、より大きい容量またはより小さいバランシング時間により、2.5アンペアよりも高いバランシング電流(たとえば5アンペア)を必要とする用途では、2つ以上の集積モニタリング回路を並列に、スレーブまたはマスタとして、追加し得る。これは、各セルから取出される放電電流量を増加させ得る。このため、各チャネルのバランサは複数の並列のより小さいバランサからなり得る。バランサは、LT8584のようにバランサICにパワースイッチが統合されるモノリシックである、またはLTC3300、LT3751またはLT3750解決策のように外部の個別パワースイッチを有するコントローラであり得る。
図19Aは複数の平行スレーブバランサを示す。図19Bは複数の平行なマスタバランサを示す。図19Aでは、個別のバランサはマルチフェーズ型であり得る。図19Aに示されるマスタ/スレーブアプローチは、1つ以上のスレーブバランサを能動化する単一のマスタバランサを使用し得る。このアーキテクチャは以下のように構成できる:
図19Bにおいてすべてのマスタバランサは、各バランサが同じイネーブル信号によって並列に制御されることを示す。並列イネーブル信号は、前の表で示されるモノリシックまたはコントローラ型のパワーコンバータの任意の組合せを制御し得る。
別の実施において、電圧補償バランシングの代わりに、システムはシリーズスタックドセル内の各セルの充電状態(SOC)に基づきシリーズスタックドセルをバランシングするよう構成され得る。電圧バランシングは有利であるが、究極の目的は各セルの蓄積された電荷をバランシングすることである。電荷のバランシングはより効率がよく、バランシングシステムの安定性を高める。これは、電荷バランシングにおいて、セルに送るべきまたは出力されるべき量を決定した上で、開放セル電圧をずっとモニタし続けることなく、その特定の電荷量が送られるまで、バランサがオンのままであるからである。これに対して、電圧補償バランシングでは、目標値に到達するまで、開放セル電圧はモニタし続けなければならない(たとえば、開放セル電圧は電池スタック内でバランシングされる)。しかし、開放セル電圧を測定するために用いられるコンポーネントのうちの一部のコンポーネントは、バランシングの間安定した値を持たないかもしれない。たとえば、図17に示される電圧垂下コンポーネントでは、開放セル電圧は正確なものではなく、特定のしきい値時間内に所望の値に収束しないかもしれないからである。それでもなお、電圧補償バランシングを用いてシリーズスタックドセルをバランシングして蓄積された電荷すべてを引き出すことができる。絶対セル電圧に基づきバランシングを行なうためにいくつかの方法がある。この方法は、充電/放電サイクルのどちらかの終わりに蓄積された電荷を最大にした場合に用いることができる。電池パックの他の動作の際、バランシングは電池のSOC、特に絶対蓄積電荷に基づいて、行なわれ得る。
必要なピークバランシング電流を低減するために、蓄積された電荷に基づきバランシングを行なうことは有利であり得る。式11は、時間とバランシング電流との関係を示し、不一致は全体の容量のパーセンテージで示される。たとえば、セルの容量が80%であると計算されるのなら、不一致は20%である。電圧補償バランシングは、放電または充電サイクルの大部分でのバランシングを可能にし、必要なバランシング電流を最小に抑えることができる。このため、DC/DCコンバータのサイズ、重量、およびコストを低減することができる。
時間(hr)=不一致・容量/IBAL (式11)
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。
割合に基づくSOC曲線は、経年劣化してもなお、電池スタックの各セルに対して実質的に同一であり得る。特定セルの経年劣化はそのセルの絶対容量を変え、それによりバランシングが必要となる。SOCルックアップテーブルは、一定のセル温度に基づく開放セル電圧曲線または点のグループを必要とし得る。各セル温度はNTCまたは2N3904トランジスタのような埋込ジャンクションダイオードを用いて測定することができる。各セル温度センサは、BSMのGPIOピン1個を駆動するマルチインプットアナログMUXを用いて、BSM ICによって読取ることができる。代替的に、補助チャネルに対応するさらなる外部ピンを、モニタリング集積装置のアナログMUX(図2の回路240)に加えて、各セル温度センサを測定することができる。
SOCルックアップテーブルはさらに一定セル負荷電流に基づき、開放セル電圧曲線または点のグループを必要とし得る。各セルの全体の電流は、集積モニタ装置を用いて測定されたセル放電電流、図1の回路140を用いて測定されたモジュール電流、および図18に示される、CPUに繋がるホール効果電流センサまたはシャント抵抗回路を用いて測定されたスタック電流を含む調和した電流によって定められる。代わりの方法では、電圧垂下補償を用いて、一定負荷電流群の曲線を定めるまたは生成する。
SOCルックアップテーブルはさらに放電/充電ヒステリシスに基づき、開放セル電圧曲線または点のグループを必要とし得る。代替的に、ヒステリシスは経験上のデータに基づく関数または分析的解法であり得る。式12にあるような電荷傾斜測定を用いて、ヒステリシスの存在を判断することができる。
クーロンカウントは、電池スタックの他のすべてのセルに対する特定セルの相対的容量を定めるために必要となり得る。図21は異なる満充電容量を有する3つのセルの電荷傾斜の部分のスナップショットを示す。各線の傾斜は式xとして表わすことができ、nは特定のセルである。
傾斜n=ΔVn/ΔQn(式12)
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:
(式13)において、Inは集積モニタリング装置を用いて特定のセルから測定された平均放電またはバランシング電流であり、IMON,mは図1の回路140および142を用いて測定されたモジュール電流であり、ISTKはBSMのGPIOポートに繋がるホール効果または電流検知回路を用いて測定されたスタック電流である。したがって、電荷を計算するにはさらにもう1つのパラメータが必要であり、そのパラメータtは時間である。時間パラメータは対象の合計時間であり、特に特定のセルの蓄積された電荷を測定するために用いられる2つの点の間である。時間は、BMSを制御するために用いられるマイクロプロセッサを用いてトラッキングすることができる。
電流測定誤差は、蓄積電荷計算の精度に直接影響し得る。たとえば、3%の電流測定誤差は、蓄積電荷計算に3%の誤差を引起し得る。特定のモジュール内の相対的誤差は、IR降下補償で用いられる測定値を駆使することにより1%未満に減らすことができる。電流測定値は修正因子によって調整することができる。
(式14)において、In,Aは修正された電流測定であり、In,Bはモニタリング装置を用いて測定された電流であり、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する抵抗である。絶対電流測定誤差は、各モジュールのセル1に接続されるモニタリング装置の電流測定を、1%以下の公差を有する既知の抵抗器に対応させることにより、減少できる。
各セルの電荷傾斜は、その容量を計算するために測定することができる。電荷傾斜測定は、開放セル電圧であるVOCV,nに基づき、パーセントSOCルックアップテーブルに関連させたクーロン計数を必要とする。開放セル電圧は、複合IR降下、電圧垂下、および共通モード補償を用いて得ることができる。式15では容量は特定のセルnに対応づけられる。典型的に、容量計算により大きい変化の%SOCが用いられると、容量測定がより正確になる。
Capacityn=(1/Δ%SOCn)・ΔQ (式15)
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。
n=%SOCn・Capacityn(式16)
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。
したがって、上記の概略的に述べられている電圧補償アクティブセルバランシング方法であって、IR補償、電圧垂下補償、および共通モード補償を含むがこれらに限定されない方法の局面がプログラミングで実現できる。当該技術のプログラムの局面は、実行可能なコードおよび/または一種のマシン読取可能媒体で実施または実現化される関連データの形が典型的にある「製品」または「製造品」であると考えられる。「記憶型」媒体は、コンピュータ、プロセッサなどの有形のメモリのいずれかまたはすべてを含むことができ、さらにさまざまな半導体メモリ、テープドライブ、ディスクドライブなどであって、ソフトウェアプログラミング用に何時でも非遷移記憶を提供し得るものを含む。マシン読取可能媒体はさまざまな形を含み、これは有形の記憶媒体、搬送波媒体、または物理的伝送媒体を含むが、これらに限定されない。
他の実施も考えられる。たとえば、モニタリング集積回路は局所的安全パラメータを含むことができる。局所的最大および最小セル電圧、最大バランス時間、ならびに最大基板レベルICレベル温度およびセル温度安全パラメータがあり、出くわすとBMS/バランサ回路の局所的シャットダウンを引起す。これらの値は電池化学ごとに代わり得るので、パラメータはユーザ側で構成可能である。最大セル電圧はセルが特定のしきい値を超えて充電できないようにする。これらセルは過充電されるべきではない。なぜなら、過充電されるとシステムに致命的な誤りをもたらし、場合によっては火災を引起すからである。このため、システムはしきい値に到達または超えると、すべてがオフとなり、セルが充電されなくなるよう、しきい値を設定するためのプログラム可能機能を有し得る。したがって、さらなるバランシングは起こらず、誤り信号を生成してシステムオペレータに電圧しきい値が侵されたことを知らせることができる。
同様に、最小のセル電圧はセルが特定のしきい値を超えて放電することを防止し得る。セルは、その電圧が特定のしきい値以下である場合には、放電されるべきではない。なぜなら、放電されるとシステムに致命的な誤りをもたらし、電池の寿命を短くしてしまうすからである。このため、システムはしきい値に到達または超えると、すべてがオフとなり、セルが放電されなくなるよう、しきい値を設定するためのプログラム可能機能を有し得る。したがって、さらなるバランシングは起こらず、誤り信号を生成してシステムオペレータに電圧しきい値が侵されたことを知らせることができる。
最大バランス時間は、セルをバランシングするためにモニタリング集積回路がオンであり得る最大時間を規定し得る。バランシングには2つのモードがあり、これは手動バランシングおよび自動バランシングである。手動モードでは、BMSオペレータはバランシング用のセルを選択することができる。このモードでは、最大バランス時間は、バランサをオフにすることを失念したBMSオペレータへの保護となる。このような態様で、本システムはセルを完全に放電し、電池を損傷することを避ける。
自動バランシングは、システム全体、または個別のモジュールおよびユーザ決定しきい値のどちらかの平均電圧または平均蓄積電荷に基づき得る。セルが平均電圧または平均蓄積電荷+/−このユーザしきい値を超えるまたは下がるのなら、そのセルをバランシングの対象にできる。セルが平均電圧または蓄積電圧+ユーザしきい値より上であれば、バランシングのためにオンにされる。これは有効な測定電圧を直ちに降下させ、典型的なシステムではこれは当該チャネルをバランシングしきい値範囲から外れさせる。しかし、BMSは計算された配線インピーダンス、セルインピーダンス、および電池ESRを用いて、セルのフロート電圧を定め得る。この逆算されたまたは補償電圧はヒステリシス値とともに用いられて、高いセルをいつオフにするべきかを決定する。この逆算された電圧値を用いて、BMSの平均電圧および蓄積電圧を計算することができる。オンされたユニットのすぐ隣のセルは、実際のフロート電圧よりも高い有効測定電圧を示し得る。計算された配線インピーダンス、セルインピーダンス、および電池ESRを用いることにより、このようなセルの実際のフロート電圧を定めることができる。この逆算された電圧値を用いて、システムの平均電圧、および蓄積された電荷およびSOCを計算するために用いられ得る。当該逆算された電圧値は、セルが実際にバランシングを必要とするか否かを判断するために用いることができる。
セルが平均電圧または蓄積電荷、すなわちユーザしきい値、よりも低い場合、当該セルは充電用にマーキングされ得る。あるモジュール内で、充電するためにユニットがマーキングされた場合、充電用にマークされたユニットを除くすべてのセルをオンに切換えることができる。オンとなったユニットのすぐ隣のセルは、実際のフロート電圧よりも高い有効測定電圧を示し得る。計算された配線インピーダンス、セルインピーダンス、および電池ESRを用いることにより、このようなセルの実際のフロート電圧を定めることができる。この逆算された電圧値を用いて、システムの平均電圧を計算する。この逆算された電圧値をさらに用いて、開放セル電圧に基づいてSOCを調べることにより、セルが実際に充電する必要があるか否かを判断する。オンになったセルは、そのセルの実際のフロート電圧よりも低い有効測定電圧を示す。しかし、システムは計算された配線インピーダンス、セルインピーダンス、および電池ESRを用いてこれらのセルのフロート電圧を定める。この逆算された電圧およびヒステリシス値を用いて、充電が必要であるのなら、これらのセルをいつオフにするかを定めることができる。この逆算された電圧値はシステムの平均電圧およびSOCを計算するためにも用いることができる。
別の実施例において、本システムは共通モードシフト補償を含むことができる。この共通モードシフト補償は、システムの突然のロードスパイクを補償するよう構成されている。このようなロードスパイクは共通モードシフトを引起し、これは潜在的に偽のハンドシェイクポジティブまたは偽のハンドシェイクネガティブを引起す。チャネルがオンまたはオフになったことにより影響を受けるべきでないチャネルを確認することにより、共通モードシフトが起こったかどうかを確立することができる。前および後でチャネルを確認することにより、起こったずれが容易に示され、単にそのずれを他のチャネルに加えることで、そのずれを補償することになる。
別の実施例では、システムは一度に複数のチャネルを測定することができる。隣接するチャネルは、電圧差を引起すハンドシェイクプロトコルにより、同時にモード切換えできない。しかし、1つずつ各チャネルをオンおよびオフにするアルゴリズムは非常に長い時間かかるので、このようなアルゴリズムはすべてのハンドシェイク窓の合計を取ることとなる。これを避けるために、マルチステップチャネルスイッチを用いることができ、基板は異なるセクション(典型的には、図5Aおよび図5Bのような、第3または第4チャネルごと)に分割され、各個別のセクションのハンドシェイク窓が終わった後、異なるセクションに次々と切換える。これは大型のチャネルブロックでモードを変更するための時間を減らすことができる。
別の実施例として、測定処理の速度を上げるために、電流、温度、または負荷電圧を測定する場合に、一度に3つのチャネルを測定することができる。共通モードシフト補償を可能にしながら測定でのチャネル間の影響を避けるために、一度に測定するのは最大3つのチャネルである。あるチャネルがオンの場合、このチャネルはすぐ上およびすぐ下のチャネルに影響を与え、電流によるずれを引起し得る。一度に3つのチャネルにすることにより、ずれを回避するためにチャネル間に十分な緩衝があり、温度、電流および負荷電圧を計算するために信頼性のある測定値を用いることができ、今度はこれを用いてセルインピーダンス、配線インピーダンス、電池ESRおよび補償インピーダンスといった値を測定することができる。
別の例として、さまざまなコンポーネントが別個のもの(たとえば、BSMチップ130およびモニタリング集積回路110)であると示されているが、これらは一緒にしてもよい。別の実施例では、本願の実施はリチウムイオン電池をバランシングするよう記載されているが、超コンデンサおよびリチウムイオンキャパシタをバランシングするためにも用いることができる。
上記では最良のモードおよび/または他の実施例であると考えられているものが記載されているが、さまざまな変形は可能であり、ここに開示されている主題はさまざまな形および実施例で実施することができ、その教示はさまざまな用途で適用することができ、ここではその一部しか示されていない。特許請求の範囲は、本教示の真の範囲内に入る任意のおよびすべての用途、変更、および変形を示すことが意図される。
特に言わない限り、添付の特許請求の範囲を含めて、本明細書に記載されているすべての測定値、値、比率、位置、大きさ、サイズ、および他の仕様書は、概略的なものであり、そのままのものではない。これらは関連する機能に対応し、かつ関連する技術において一般的な妥当な範囲を有することが意図される。
権利化の範囲は添付の請求項によってのみ限定される。その範囲は、本明細書および後の審査履歴に照らして解釈された場合に、請求項で用いられる文言の通常の意味と一致するかぎり広く解釈されことが意図され、またそのように解釈されるべきであり、すべての構造的および機能的等価物を含む。どの請求項も特許法第101条、第102条、または第103条の要件を満たさない主題を含むことは意図されず、またこのような態様で解釈されるべきではない。このような主題の意図されない含有はここで放棄される。
上記で述べていないかぎりにおいて、請求項に記載されているか否かに係わらず、記載または図示されているもののいずれも、任意のコンポーネント、工程、特徴、目的、利益、利点、または一般に等価であるものに制限することは意図されずまたはそのように解釈されてはならない。
ここで用いられる用語および表現は、具体的意味がここに記載されていないもの以外は、対応するそれぞれの対象および研究の領域について、このような用語および表現に与えられる通常の意味を有する。第1および第2といった関係を示す用語は、実際にこのような関係またはこのような実体もしくは動作の間での順序を必ずしも必要とするまたは意味することなく、1つの実体または動作を他のものと区別するためにのみ用いられている。「含む」、「備える」または他の変形は、非限定的な含有を網羅することが意図され、いくつかのエレメントを含むプロセス、方法、物品または装置はこれらのエレメントしか含まないのではなく、このようなプロセス、方法、物品または装置に明記または固有のものとされない他のエレメントを含み得る。さらにaまたはanが前にあるエレメントは、そのプロセス、方法、物品または装置において付加的な同じエレメントの存在を除外するものではない。
本開示のアブストラクトは技術的開示の本質を読み手が迅速に確定できるように提示されている。これは請求の範囲または意味を解釈または制限するために用いられるものではないと理解されている。さらに、詳細な説明では、さまざまな特徴は、本開示の主流を保つ目的のために、さまざまな実施の形態にまとめられていることがわかる。このように開示しているとしても、クレームに記載の実施の形態は各請求項で記載されているものより多くの特徴を要件とする意図を反映しているものであると解釈されてはならない。むしろ、添付の請求の範囲が反映するように、発明の主題は単一の開示されている実施の形態のすべての特徴以内にある。したがって、以下の請求項は詳細な説明の中に援用され、各請求項は別個にクレームされた主題として単独にある。

Claims (26)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 前記メモリはさらに前記プロセッサに、以下の式
    に基づいて開放セル電圧を計算することを実行させる実行可能な命令を記憶し、式において、
    n,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、
    n,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、
    n-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、
    n,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、
    n,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、
    n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、
    n+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、
    MOD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。
  9. 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。
  10. 前記メモリは、さらに前記プロセッサに、以下の式
    に基づいてモニタリング回路に対応づけられるインピーダンスを計算することを実行させる実行可能な命令をさらに記憶し、式において
    n,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、
    n,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、
    n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、
    MODは前記複数のセルを同時に流れる電流であり、
    n,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。
  11. 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
    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し、式において
    n,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、
    n,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、
    n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、
    n-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、
    n,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、
    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、
    n-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、
    MOD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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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。
  18. 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。
  19. 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。
  20. 前記開放セル電圧の計算は、以下の式
    に基づき、開放電圧を計算することを含み、式において、
    n,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、
    n,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、
    n-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、
    n,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、
    n,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、
    n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、
    n-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、
    n+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、
    MOD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。
  21. さらに、以下の式
    に基づき、開放セル電圧を計算するために、モニタリング回路に対応づけられるインピーダンスを計算するステップを備え、式において、
    n,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、
    n,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、
    n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、
    MODは前記複数のセルを同時に流れる電流であり、
    n,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。
  22. 開放セル電圧を計算するステップは、以下の式
    に基づき開放電圧を計算することを含み、式において、
    n,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、
    n,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、
    n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、
    n-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、
    n,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、
    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、
    n-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、
    MOD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。
  23. 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。
  24. 前記メモリはさらに、前記プロセッサに、以下の式
    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な命令をさらに記憶し、式において、
    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。
  25. 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。
  26. 前記メモリはさらに前記プロセッサに、以下の式:
    n=%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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