JP2014506112A - セル平衡化モジュール、電圧バランサ装置、および電圧平衡化の方法、特に電池スタックの電圧平衡化の方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に電池スタックの電圧平衡化のためのセル平衡化モジュールに関する。セル平衡化モジュールは、コード化参照電圧（Ｖｒｅｆ）を入力するためのインターフェース（ＳＰＩ、ＶｒｅｆＨ、ＶｒｅｆＬ）と、エネルギー蓄積セル（ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎ）のスタックを接続するための入力ノード（Ｉｎ１、．．．、ＩｎＮ）とを備える。スイッチユニット（ＳＷ）が入力ノード（Ｉｎ１、．．．、ＩｎＮ）のそれぞれと、スイッチユニット（ＳＷ）およびインターフェース（ＳＰＩ、ＶｒｅｆＨ、ＶｒｅｆＬ）に接続された局部平衡化ユニット（ＬＯＣ）とに接続される。局部平衡化ユニット（ＬＯＣ）は、コード化参照電圧（Ｖｒｅｆ）を、接続されるべきエネルギー蓄積セル（ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎ）のスタックのセル電圧（ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎ）と比較するように設計され、また、コード化参照電圧（Ｖｒｅｆ）とセル電圧（ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎ）との比較に応じて、接続されるべきエネルギー蓄積セル（ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎ）のスタックを充電平衡させるように設計される。本発明はまた、特に電池スタックの電圧平衡化のための電圧平衡化装置およびセル平衡化の方法に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に電池スタックの電圧平衡化のためのセル平衡化モジュールおよび電圧バランサ装置に関する。さらに本発明は、電圧平衡化の方法、特に電池スタックの電圧平衡化の方法に関する。

電池は多くの分野の可搬電流供給源に不可欠である。これらには、いくつか例を挙げるとリチウムイオン、リチウムポリマー、ウルトラキャパシタおよび二重層キャパシタなどの様々なタイプのものがある。同様に、電池が使用される実現可能な応用例も多種多様である。所与の電流供給のニーズに対応するために、エネルギー蓄積ユニットは、通常、個別セルがスタックされたものになり、個別セルの合計の電圧は、所与の用途に必要なレベルになる。携帯用コンピュータ、電動工具および玩具では、最終スタック電圧は通常１２Ｖ前後の範囲にある。電動自転車は元々一般に２４Ｖを必要とする。ハイブリッド電気自動車を駆動するには約２００Ｖが必要であり、電気自動車では６００Ｖから１０００Ｖさえ必要になる。特に後者の電池パックは高価であり、長い電池寿命、健全性および安全性を確保するには電池の特性に応じた慎重な取扱いおよび充放電が必要である。

特に、複雑な電池スタックでは、電池パック内の個別セルの過充電または過放電を回避するために、精密な充電平衡化が必要とされる。このような充電平衡化は現在、高度な電池管理電子回路によって行われる。個別セルの電圧は、高精度データ取得装置によって測定される。これらの電圧は、レベルシフタまたはガルバニック絶縁を介して中央ユニットに報告され、このユニットは次に、個別セルごとに充電状態を計算する。一般的な充電平衡化法では、スタック内の最弱セルよりも多くの電荷を有するセルには、過剰な蓄積エネルギーを受動的に熱に変換するために、すべての電池セルが容量について最弱セルと釣り合うまで抵抗負荷がかけられる。

セル平衡化を管理し、集積回路での総合的な解決策を可能にするために、当技術分野ではソフトウェアアルゴリズムが開発されてきた。このような制御システムの特性により、電池は、ほぼその意図された蓄積容量でかなり安全に充放電することができる。しかし、これらの解決策は、複雑な電子回路、および複雑なアルゴリズムの実施を必要とする。結果として、従来技術のセル平衡化および電池管理ユニットは高価になり、また集積回路内に用いられる場合かなり広いスペースが必要になる。

本発明の目的は、より簡易な集積化をしつつ精密で高精度の充電平衡化が可能になるセル平衡化モジュール、電圧バランサ装置および電圧平衡化の方法を提供することである。

この目的は、独立請求項によって解決される。別の実施形態は従属請求項に従う。

一実施形態では、特に電池スタックの電圧平衡化のためのセル平衡化モジュールが、コード化参照電圧を入力するためのインターフェースを備える。このモジュールはさらに、エネルギー蓄積セルスタックを接続するための入力ノードを備える。スイッチユニットがこれらの入力ノードのそれぞれに接続される。局部平衡化ユニットはノードに接続され、かつスイッチユニットとインターフェースとに結合される。

セル平衡化モジュールの動作時には、エネルギー蓄積セルスタックが入力ノードに接続される。エネルギー蓄積セルスタックは、入力ノードに接続されるべき少なくとも２つのエネルギー蓄積セルを含む。好ましくは、エネルギー蓄積セルは充電式電池である。各エネルギー蓄積セルは、個別セル電圧を有する。サブスタックとは、複数のエネルギー蓄積セルからなる大型のスタックの一要素であるエネルギー蓄積セルスタックを意味する。その電圧は、以下ではサブスタック電圧を指す。総システム電圧は、スタック内の個別電池の直列接続による電圧を表す。

局部平衡化ユニットは、コード化参照電圧とエネルギー蓄積セルスタックのセル電圧とを比較するように設計される。別の方法として、または加えて、セル平衡化はまた、エネルギーセルの個別セル電圧の代わりにエネルギー蓄積セルの所与のサブスタック両端間のサブスタック電圧に対して行うこともできる。さらに、局部平衡化ユニットは、コード化参照電圧とセル電圧またはサブスタック電圧とを比較することによりエネルギー蓄積セルスタックの充電平衡をとる手段を備える。

電池スタックを充電して平衡させる際、セル平衡化モジュールはまず、エネルギー蓄積セル、または完全なスタックもしくはサブスタックのうちの所与の１つを充電または放電する量を決める。この量は、コード化参照電圧とセル電圧またはサブスタック電圧とを比較することにより決定される。この点において都合のよい参照電圧は、総システム電圧をスタック内のエネルギー蓄積セルの個数で割ったものと定義される平均セル電圧であり得る。好ましくは、生じ得るシステム充電損失または他の歪みが明示される。他の参照電圧としては、スタック内の所与の任意のエネルギー蓄積セルに対応する最小または最大のスタック電圧があり得る。一般に、ユーザによって決定される値が全く同様に可能である。

どちらにせよコード化参照電圧は、選択または測定された参照電圧から導出され、セル平衡化モジュール、すなわちより正確にはインターフェースに供給され得る。コード化参照電圧は、参照電圧のアナログ表現またはデジタル表現であり得る。好ましくは、コード化参照電圧は、実際の参照電圧を確実に再現することが可能なようにコード化される。例えば、信頼性およびデータ完全性は、巡回冗長検査または二項多項式などを用いることによって保持することができる。

好ましくは、セル平衡化モジュールは集積回路に組み込まれる。充電平衡化は、スイッチおよび比較器などの電子要素を使用して実施することができる。こうすることにより、最終ダイに対してかなり緩和されたスペース要件が可能になる。複数の入力ノードを使用することによって、全体的に連結された多数のエネルギー蓄積セルを接続することができる。さらに、好ましくはデジタルでコード化されているコード化参照電圧を用いることによって、セル平衡化モジュールは、コード化参照電圧の転送および受信中、ならびに充電平衡化それ自体の間中に電磁妨害の影響をほとんど受けなくなる。提案されたセル平衡化モジュールはまた、能動的な、または受動的な充電平衡化を共に使用することもできる。

別の一実施形態では、インターフェースはシリアルインターフェースであり、具体的にはシリアルペリフェラルインターフェースである。

シリアルプロトコルまたはシリアル標準に準じたインターフェースを使用することにより、セル平衡化モジュールへのコード化参照電圧の転送および受信は、電磁干渉および妨害の影響をほぼ受けないようになる。このことは、電気自動車内などの電子ノイズ環境中でエネルギー蓄積セルスタックを使用するときには特に重要である。精度をさらに改善するために、シリアルインターフェースの信頼性およびデータ完全性は、適切なＣＲＣ多項式（巡回冗長検査）を使用することによって保持され得る。対応する手段が局部平衡化ユニット内で実施され得る。

別の一実施形態では、局部セル平衡化ユニットは、第１の入力端を介してスイッチユニットに結合された少なくとも１つの比較器を備える。さらに、制御論理回路がインターフェース、少なくとも１つの比較器の出力端、およびスイッチユニットに接続される。

この少なくとも１つの比較器は、少なくとも１つの比較器の第２の入力端に供給されるべきコード化参照電圧と、接続されるべきエネルギー蓄積セルスタックのセル電圧またはサブスタック電圧とを比較する。この比較で論理信号が得られ、またはこの比較は、さらなる処理で用いられる比較電圧で表され得る。制御論理回路は、エネルギー蓄積セルスタックをそれぞれ少なくとも１つの比較器の第１の入力端に電気的に接続するように、スイッチユニットを制御する。

別の一実施形態では、局部平衡化ユニットはデジタル−アナログ変換器を備える。このデジタル−アナログ変換器は、少なくとも１つの比較器の第２の入力端に接続され、また制御チャネルを介して制御論理回路に接続される。デジタル−アナログ変換器は、コード化参照電圧を、少なくとも１つの比較器の第２の入力端に供給されるべきアナログ局部参照電圧に変換するように設計される。

あるいは、局部平衡化ユニットはアナログ−デジタル変換器を備えることがあり、この変換器は、セル電圧またはサブスタック電圧を、少なくとも１つの比較器の第１の入力端に供給されるべきデジタル局部セル電圧またはデジタル局部サブスタック電圧に変換するためにスイッチユニットに接続される。前記アナログ−デジタル変換器は、制御論理回路に制御可能に接続される。

デジタル−アナログ変換器またはアナログ−デジタル変換器のいずれかを使用することによって、アナログ比較またはデジタル比較をそれぞれ実施することができる。ノイズのある環境で使用される場合、または大型のエネルギー蓄積セルスタックと共に使用される場合、デジタル比較は、歪みおよび干渉の影響を受けにくいので好ましい。

別の一実施形態では、セル平衡化モジュールは、外部トリガ信号に応じてその動作を同期させるための手段を備える。トリガ信号は、インターフェースを介して加えることができ、あるいは外部または内部のコントローラモジュールから発生することもある。特に１つより多いセル平衡化モジュールの場合には、充電平衡化はトリガ信号に同期させることがあり、または、トリガ信号がより多くの平衡化モジュールに供給される場合には、充電平衡化は、いくつかのセル平衡化モジュール間で同期させることさえある。トリガによって同期させる動作には、例えば１つより多い比較器が使用される場合、単一のセル平衡化モジュール、または複数のセル平衡化モジュールにおける充電平衡化が含まれる。言い換えると、セル電圧を比較することによる平衡化は、各平衡化モジュール内だけでなくモジュール全体にわたって同期させることができる。

別の一実施形態では、インターフェースは、さらなるのセル平衡化モジュールとのデイジーチェーン接続を確立するための入力手段および出力手段を備える。デイジーチェーン接続により、複数の個別セル平衡化モジュールを接続することが可能になる。しかし、コード化参照電圧を受け取るためには、単一のモジュールしかコントローラまたは同様なユニットに接続されない。さらに、デイジーチェーン接続は、データをモジュール間で双方向に転送できるように、セル平衡化モジュールのインターフェースと一緒に機能するように設計される。

別の一実施形態では、局部平衡化ユニットは、エネルギー蓄積セルスタックのある量における充電平衡を得る手段を備える。このようにして、少なくとも１つの比較器の出力端に供給される局部平衡電圧に基づいて、エネルギー蓄積セルスタックを充電すべきか放電すべきかを決定することが可能になる。

好ましくは、少なくとも１つの比較器は、充電平衡する量を示す制御信号を供給する。この制御信号は、充電平衡する量に正比例させることができ、あるいは、例えばデジタル実施態様が用いられる場合には２値信号とすることができる。このようにして充電平衡する量は、充電および放電がその値で実行される固定値に設定することもできる。

一実施形態で、特に電池スタックの電圧平衡化のための電圧バランサ装置が、上述の原理による少なくとも１つのセル平衡化モジュールを備える。さらに、コード化参照電圧をコード化するためのコントローラモジュールなどの手段があり、これらは、少なくとも１つのセル平衡化モジュールにおいてインターフェースと接続される。

好ましくは、コード化参照電圧をコード化する手段は、総システム電圧を測定するように設計される。しかし別の方法として、最小または最大の目標平衡化電圧などの異なる電圧を規定することがまた可能であり得る。好ましくは、生じ得るシステム充電損失または他の歪みが明示される。他の参照電圧には、スタック内の所与の任意のエネルギー蓄積セルに対応する最小または最大のスタック電圧があり得る。ユーザによって決定された値が同様に可能である。

コード化参照電圧は、好ましくは電池コントローラによって選択または測定された参照電圧のうちの１つから導出される。セル平衡化モジュールにおけるコード化参照電圧が、適切な通信ラインにより、特にインターフェースへの接続を経由して供給される。コード化参照電圧は、参照電圧をアナログまたはデジタルのいずれかで表すものであり得る。好ましくは、コード化参照電圧は、実際の参照電圧を確実に再現するようにコード化される。例えば、信頼性およびデータ完全性は、巡回冗長検査または二項多項式などを用いることによって保持することができる。

好ましくは、セル平衡化モジュールは集積回路に組み込まれる。電圧バランサ装置の別の部分もまた、装置をモジュール式に構成するように集積化することができる。しかし、装置全部を単一のダイの中に集積することもまた可能である。

電圧バランサ装置によって実施される充電平衡化は、論理回路、スイッチおよび比較器などの電子部品を使用して構成することができる。こうすることにより、最終ダイに対してかなり緩和されたスペース要件が可能になる。複数の入力ノードを使用することにより、一般に、多数の連結エネルギー蓄積セルを接続することができる。さらに、好ましくはデジタルでコード化されているコード化参照電圧を用いることによって、セル平衡化モジュールは、コード化参照電圧の転送および受信中、ならびに充電平衡化それ自体の間中に電磁妨害の影響をほとんど受けなくなる。提案されたセル平衡化モジュールはまた、例えば抵抗の熱放散または電力変換それぞれによる、能動的または受動的な充電平衡化と共に使用することもできる。

別の一実施形態では、それぞれのインターフェースを介してデイジーチェーンにより相互接続された個数ｎのセル平衡化モジュールがある。これらｎ個のセル平衡化モジュールは、エネルギー蓄積セルのスタックまたはサブスタックに接続することができる。

別の一実施形態では、電圧バランサ装置は、ｎ個のセル平衡化モジュールからなるデイジーチェーン内のマスタモジュールになるように設計された第１のセル平衡化モジュールを備える。他のセル平衡化モジュールは、スレーブモジュールになるように設計されている。マスタモジュールとスレーブモジュールとの間の好ましいデイジーチェーン接続はシリアルインターフェース形であり、具体的には、シリアルペリフェラルインターフェースまたは任意のカスタムシリアルプロトコルに基づく同期シリアルデータバスである。

各モジュールはマスタ／スレーブモードで通信し、マスタモジュールがデータフレームを開始する。複数のスレーブ装置は相互接続される。各スレーブは、アドレス割当て手順によって固有のアドレスをマスタから割り当てられる。マスタは、コード化参照電圧を受け取り、次にその参照電圧をスレーブに転送することができる。スレーブは、同じインターフェースを用いてスレーブ受信を通知することができる。加えて、例えば充電平衡化の動作は、マスタモジュールによって同報通知されたトリガ信号を用い、インターフェースを介して同期させることができる。言い換えると、セル電圧を比較することによる平衡化は、各平衡化モジュール内だけでなくモジュール全体にわたって同期させることができる。

別の一実施形態では、マスタは、コード化参照電圧を各スレーブモジュールにデイジーチェーンを介して同時に送出するように、また充電平衡化モジュールにおける充電平衡化を、それぞれのインターフェースから加えられるトリガ信号を用いてスレーブモジュールを制御することによって同期させるように設計される。

別の一実施形態は、エネルギー蓄積セルスタックを充電するための電力変換器、および／またはエネルギー蓄積セルスタックを放電するための抵抗に関連する。電力変換器を使用することによって、例えばエネルギー蓄積セルまたはエネルギー蓄積セルスタックをある特定の量だけ充電することによって、能動的な充電平衡化を行うことが可能である。抵抗を使用して、例えばある特定の量の電荷を熱として抵抗内で消費することによって、受動的な充電平衡化を行うことが可能である。

別の一実施形態では、コード化参照電圧をコード化する手段は、接続されるべきエネルギー蓄積セルスタックの総システム電圧を求めるように設計された電圧測定回路を備える。また、この電圧測定回路に接続された、全電圧をデジタル表現に変換するように設計されている別のアナログ−デジタル変換器がある。制御回路が、この別のアナログ−デジタル変換器に接続される。別のアナログ−デジタル変換器は、コード化参照電圧をデジタル表現に基づいてコード化するように設計される。コード化手順は、例えばシリアルインターフェースプロトコル等のインターフェースの要件に関連する。制御回路は、コード化参照電圧を転送するために少なくとも１つのセル平衡化モジュールに接続される。

特に電池スタックの電圧平衡化のための、電圧平衡化の方法の一実施形態では、ある参照電圧がコード化される。次に、コード化参照電圧が、エネルギー蓄積セルスタックに接続された少なくとも１つのセル平衡化モジュールに転送される。少なくとも１つの平衡化モジュールにおいてエネルギー蓄積セルスタックのそれぞれのセル電圧またはサブスタック電圧が、コード化参照電圧と比較される。充電は、それぞれのセル電圧およびサブスタック電圧とコード化された参照電圧との比較に応じて、それぞれのセル電圧またはサブスタック電圧を調整することによって平衡化される。

別の一実施形態では、少なくとも１つのセル平衡化モジュールへの、またはさらなるのセル平衡化モジュールへのコード化参照電圧の転送を同期させる。また、セル平衡化も同期させることができる。同期信号として、外部または内部のトリガ信号が使用される。

同期化によって、充電平衡化が電磁妨害または電磁干渉の影響をほぼ受けないようにすることができる。これは主に、同一のコード化参照電圧と比較することによる。言い換えると、セル電圧を比較することによる平衡化は、各平衡化モジュール内だけでなくモジュール全体にわたって同期させることができる。

以下の本文では、例示的な諸実施形態を用い、図面を参照して本発明を詳細に説明する。同じ参照番号が、同様の要素を表示するために使用されることがあり、図についてのそれぞれの説明では繰り返されない。

以下では上記の原理を、例示的な実施形態が提示されている図面についてさらに詳細に説明する。同じ参照番号が、対応する同様の部分または要素を示す。

提案された原理によるセル平衡化モジュールの第１の例示的な実施形態の図である。 提案された原理によるセル平衡化モジュールの第２の例示的な実施形態の図である。 電圧バランサ装置の例示的な一実施形態の図である。 提案された原理によるセル平衡化モジュールの第３の例示的な実施形態の図である。

図１は、提案された原理によるセル平衡化モジュールの例示的な一実施形態を示す。この特定の事例は、単一モードモジュール動作を示す。セル平衡化モジュールＣＢＭは、局部平衡化ユニットＬＯＣ、スイッチユニットＳＷ、およびいくつかのコネクタノードを含む。具体的には、インターフェースＳＰＩ、ＶｒｅｆＨ、ＶｒｅｆＬが、コード化参照電圧Ｖｒｅｆ、または外部参照電圧を入力するために使用される。入力ノードＩｎ１、Ｉｎ２、ＩｎＮが、好ましくは電池ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎであるエネルギー蓄積セルスタックを接続するために使用される。それぞれの充電ノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４が、抵抗Ｒ１および電力コンバータＤＣＤＣを接続する手段になる。

より詳細には、局部平衡化ユニットＬＯＣは、制御論理回路ＬＯＧと、複数の比較器ＣＯＭＰと、必ずということではないがマルチプレクサＭＵＬＴに接続されたデジタル−アナログ変換器とを含む。制御論理回路ＬＯＧは、局部平衡化ユニットＬＯＣの制御ユニットを構成する。一方で制御論理回路ＬＯＧは、インターフェースＳＰＩに接続され、コード化参照電圧Ｖｒｅｆを受け取る。制御論理回路ＬＯＧはまた、比較器を制御するために複数の比較器ＣＯＭＰと接続される。しかし、制御論理回路ＬＯＧはまた、双方向通信路で比較器ＣＯＭＰから出力信号を受け取る。

制御論理回路ＬＯＧはまた、スイッチユニットＳＷを制御する。電池ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎは、入力ノードＩｎ１、Ｉｎ２、．．．、ＩｎＮに接続される。動作時、制御論理回路ＬＯＧは、個別セル電圧ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎが複数の比較器ＣＯＭＰに一度に、または順番に次々と接続されるようにスイッチユニットＳＷを制御する。適切なスイッチ手法により、制御論理回路ＬＯＧに供給され処理される電池スタックのセル電圧ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎが選択されることになる。

比較することにより制御論理回路ＬＯＧは、電池スタックの中から所与の電池ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎを充電すべきか放電すべきかを決定するように設計される。再び、スイッチユニットＳＷを制御することによって制御論理回路ＬＯＧは、電池スタックの中から所与の１つの電池ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎを充電ノードＮ１、Ｎ２を介して抵抗Ｒ１に電気的に接続することによって、または充電ノードＮ２、Ｎ３で電力変換器ＤＣＤＣに電気的に接続することによって、充電平衡化を開始する。このようにして、コード化参照電圧Ｖｒｅｆとの整合が得られるまで外部抵抗Ｒ１により電力を受動的に消費させることによって、受動的な充電平衡化を行うことが可能である。または、電池ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎのうちの特定の１つがコード化参照電圧よりも低い場合には、その電池は、制御論理回路ＬＯＣ内のスイッチを通してＤＣＤＣ電力変換器から能動的に電荷を受け取ることができる。セル電圧ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎのうち最大と最小との間のコード化参照電圧Ｖｒｅｆに短時間に達するために、電圧が低いセルをＤＣ−ＤＣにより充電すること、および電圧が高いセルを抵抗Ｒ１で放電することを一緒にすることもまた可能である。

比較器ＣＯＭＰは、充電平衡する量を示す制御信号を供給する。この制御信号は、充電平衡する量に正比例しても、２値信号であってもよい。このようにして充電平衡する量は、充電および放電がその値で実行される固定値に設定することもできる。好ましくは、ＤＣＤＣ電力変換器は、充電平衡の量を調整するために制御論理回路ＬＯＧに接続された制御ノードＦＤ＿ＯＵＴ、ＦＤ＿ＩＮを介して調整可能である。

コード化参照電圧Ｖｒｅｆを受け取るための代替的または補完的な方法では、インターフェースＶｒｅｆＨ、ＶｒｅｆＬは、外部のアナログまたはデジタルの参照電圧を受け取るように設計される。この外部参照電圧は、例えば、発生器ＧＥＮで発生させることができ、総システム電圧Ｖｂａｔから派生したもの、または安全なセル電圧限度値内の任意の電圧でよい。図示の実施形態では、セル平衡化モジュールはさらに、インターフェースＶｒｅｆＨ、ＶｒｅｆＬを介してアナログ参照電圧を受け取るように設計される。マルチプレクサＭＵＬＴと併せてデジタル−アナログ変換器ＤＡＣを使用することによって、制御論理回路ＬＯＧは、コード化参照電圧ＶＲＥＦのアナログ表現が比較器ＣＯＭＰに加えられるようにデジタル−アナログ変換を制御する。セルバランサモジュールＣＢＭに接続された各電池セルＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎの電圧は、外部から加えられる参照電圧Ｖｒｅｆと比較される。

このコード化参照電圧Ｖｒｅｆは、任意のエネルギー蓄積セルの安全動作電圧ウィンドウ内で任意の電圧とすることができる。コード化参照電圧Ｖｒｅｆは、アナログ信号として加えることができ、または別の方法として、マイクロコントローラまたは制御論理回路などの外部制御ユニットＣＴＲＬからのデジタル表現として加えることもできる。後者の場合、デジタル−アナログ変換器ＤＡＣによってアナログにローカルで変換が行われる。

図２は、提案された原理によるセル平衡化モジュールの第２の例示的な実施形態を示す。この実施形態では、２つのセル平衡化モジュールＣＢＭが、シリアルインターフェースＳＰＩによって相互接続される。２つのセル平衡化モジュールＣＢＭのそれぞれが、デジタル比較を行うように設計される。このため、セル平衡化モジュールは、セル電圧ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎをデジタルに変換するための、またデジタルコード化参照電圧Ｖｒｅｆとの比較を比較器ＣＯＭＰでするためのアナログ−デジタル変換器ＡＤＣを備える。

各セル電圧ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎは、制御論理回路ＬＯＧによって制御されるスイッチ論理回路ＳＷを経由して順次に測定される。各電圧は、マルチプレクサＭＵＬＴとアナログ−デジタル変換器ＡＤＣとの組合せによってデジタル形式に変換される。比較結果はレジスタセットＲＥＧに記録される。セル電圧ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎを測定するには個数ｎのＡＤＣが同時に必要であり、ここでｎは、バランサ回路によってサポートされるセルの数を表す。この事例は図示されていないが実施することができる。

エネルギーセル電圧ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎのデジタル表現は、マイクロコントローラまたはコントローラＣＴＲＬなどから供給されるコード化参照電圧Ｖｒｅｆと比較される。デジタル比較器ＣＯＭＰでの比較結果に基づいて、充電平衡化は、電力変換器ＤＣＤＣまたは抵抗Ｒ１による熱放散をそれぞれ用いる能動的平衡化または受動的平衡化によって行われる。

セル平衡化モジュールＣＢＭは、シリアルインターフェースによって相互接続される。インターフェースＳＰＩは、いくつかの制御ノードＢＤ＿ＩＮ、ＢＤ＿ＯＵＴ、ＣＶＴ＿ＮＯＫ＿ＩＮ、ＣＶＴ＿ＮＯＫ＿ＯＵＴ、ＣＬＫ＿ＩＮ、ＣＬＫ＿ＯＵＴ、ＴＲＩＧ＿ＩＮ、ＴＲＩＧ＿ＯＵＴを形成することができ、これらは、例えばシリアルインターフェースである使用されるインターフェースの種類に応じて決まる。インターフェースは、少なくとも２重の機能を有する。第１には、インターフェースを用いて、コード化参照電圧Ｖｒｅｆが、使用されるセル平衡化モジュールＣＢＭのそれぞれに供給される。第２には、適切な内部または外部のトリガ信号ＴＲＩＧ＿ＩＮ、ＴＲＩＧ＿ＯＵＴを用いて、セル平衡化ユニットＣＢＭの動作、および特に、制御論理回路ＬＯＧによって行われる充電平衡化は、同期させることができると共に、セルバランサモジュールＣＢＭのそれぞれで同時に行われる。

図３は、提示された原理による電圧平衡化装置の例示的な一実施形態を示す。制御スイッチＳＷ１に接続された電圧測定回路ＶＯＬが、電池ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎの全スタックの総電池電圧Ｖｂａｔを測定するために使用される。電圧測定回路ＶＯＬは、電圧分割器回路および制御スイッチＳＷ１、ならびにアナログ−デジタル変換器ＡＤＣを含み得る。ＡＤＣは、電池ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎのスタックの測定された総システム電圧Ｖｂａｔを受け取る電池コントローラＣＴＲＬに接続される。電池コントローラＣＴＲＬは、コード化参照電圧Ｖｒｅｆを総システム電圧Ｖｂａｔから計算する。具体的には、コード化参照電圧Ｖｒｅｆは、総システム電圧Ｖｂａｔを電池スタック内のセルＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎの個数で割ることによって計算することができる。計算時、システム内の損失が考慮され得る。次に、電池コントローラＣＴＲＬは、コード化参照電圧Ｖｒｅｆをすべての平衡化モジュールＣＢＭにわたって、例えばシリアルデジタルインターフェースであるインターフェースを介して転送する。電池コントローラＣＴＲＬはさらに、電池コントローラＣＴＲＬをさらに制御するシステムコントローラＳＹＳに接続される。

各セル平衡化モジュールＣＢＭは、デイジーチェーン式に相互接続されると共に、すべてのモジュールの同期クロック制御用の制御信号を受け取り、平衡化手順を同時にイネーブルおよび／またはディスエーブルし、かつすべてのセルが等しい電圧になったときを、すなわちコード化参照電圧Ｖｒｅｆに達したときを示すように、設計される。

デイジーチェーン化されたセル平衡化モジュールＣＢＭを動作させる少なくとも２つの動作モードがある。電池コントローラＣＴＲＬによって起動される第１の動作モードでは、コード化参照電圧Ｖｒｅｆがすべてのセル平衡化モジュールＣＢＭに送出される。この情報がすべての宛先セル平衡化モジュールＣＢＭで受信され、例えば巡回冗長検査ＣＲＣによってエラーなし受信がすべてのモジュールＣＢＭから通知されると、スイッチユニットＳＷの電子スイッチが第２の動作モードに切り替わる。このモードでは、充電平衡化が開始され、場合により内部または外部の連結トリガＴＲＩＧ＿ＩＮ、ＴＲＩＧ＿ＯＵＴ、および連結クロックＣＬＫ＿ＩＮ、ＣＬＫ＿ＯＵＴによって同期がとられる。インターフェース通信の信頼性およびデータ完全性は、必要な多項式のＣＲＣによって保持されることが好ましい。

インターフェース通信部は１つのマスタＭ、および多数のスレーブモジュールＳ１、Ｓ２、Ｓ３、．．．、ＳＮ−１、ＳＮを有する。各スレーブモジュールＳ１、Ｓ２、Ｓ３、．．．、ＳＮ−１、ＳＮは、マスタＭによって開始された特別アドレス割当て手順により構成時に割り当てられる固有のアドレスを有する。この割当ては、好ましくは制御論理回路ＬＯＧによって行うことができる。アドレス割当て手順では、マスタモジュールＭは最上位装置アドレスを送出し、各スレーブモジュールには、例えばインターフェースＳＰＩで論理値がゼロになるまで減算してアドレスを送信する。

電池コントローラＣＴＲＬは、計算されたコード化参照電圧Ｖｒｅｆを例えば標準バスインターフェースによってインターフェースを介してマスタモジュールＭに転送する。次に、マスタモジュールＭはさらに、書込み動作によって同報通知を開始し、コード化参照電圧ＶｒｅｆをすべてのスレーブモジュールＳ１、Ｓ２、Ｓ３、．．．、ＳＮ−１、ＳＮに転送する。このようにして、すべてのスレーブモジュールＳ１、Ｓ２、Ｓ３、．．．、ＳＮ−１、ＳＮが、コード化参照電圧Ｖｒｅｆを受け取る。コード化参照電圧Ｖｒｅｆは、各モジュールＣＢＭで局部デジタル−アナログ変換器ＤＡＣによってアナログ電圧に変換することができ、また同時に電池スタックの各セル電圧ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎと比較される。その後、上述した能動的または受動的平衡化技法によって充電平衡化が行われる。

シリアルプロトコルまたは標準規格に準じるインターフェースを使用することによって、セル平衡化モジュールへのコード化参照電圧の転送および受信は、電磁干渉および電磁妨害の影響をほぼ受けないようになる。このことは、電気自動車内などの電子ノイズ環境中でエネルギー蓄積セルスタックを使用するときには特に重要である。同時比較により、提示された電圧バランサ装置による充電平衡化の信頼性がさらに改善する。このようにして、大型でかなり複雑なエネルギー蓄積セルＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎのスタックは、長い電池寿命、健全性および安全性を確保するように動作させることができる。

インターフェースに関する高いロバスト性は、参照電圧Ｖｒｅｆを送出するシリアル通信が完了され、応答され（実際は、参照電圧Ｖｒｅｆの送出は複数回繰り返すこともできる）、セル平衡化モジュールＣＢＭ内に保存された後、システムが通信すなわち第１の動作モードをオフにし、充電平衡化すなわち第２の動作モードが始動する、ということに起因する。このモードでの平衡化では、トリガＴＲＩＧ＿ＩＮ、ＴＲＩＧ＿ＯＵＴを自律的に処理し、エラーが起こりやすいシリアル通信を続ける必要がない。平衡化モジュールＣＢＭは、好ましくはこの第２のモードで、連結トリガＴＲＩＧ＿ＩＮ、ＴＲＩＧ＿ＯＵＴ、および連結クロックＣＬＫ＿ＩＮ、ＣＬＫ＿ＯＵＴによって同期がとられて、セル電圧ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎを参照電圧Ｖｒｅｆと同時に比較することが可能になる。このようにして、例えばコモンモード妨害によって引き起こされる、連結エネルギー蓄積セルＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎに対する誤った平衡化判定が阻止される。

図４は、提案された原理によるセル平衡化モジュールの第３の例示的な実施形態を示す。この特定の実施形態では、２つのセル平衡化モジュールＣＢＭそれぞれが、図１に関して論じたアナログ比較のための複数の比較器ＣＯＭＰ、および対応するデジタル−アナログ変換器ＤＡＣを有する。セル平衡化モジュールＣＢＭは、図２および図３に示されたマスタＭとスレーブＳとしてデイジーチェーンの形で相互接続される。したがって、前記デイジーチェーンの機能は類似している。単一モジュールの動作は、図１についての記述と一致する。

ＡＤＣ アナログ−デジタル変換器
ＢＡＴ１ エネルギー蓄積セル
ＢＡＴｎ エネルギー蓄積セル
ＢＤ＿ＩＮ シリアル制御ノード
ＢＤ＿ＯＵＴ シリアル制御ノード
ＣＢＭ セル平衡化モジュール
ＣＬＫ＿ＩＮ シリアル制御ノード
ＣＬＫ＿ＯＵＴ シリアル制御ノード
ＣＯＭＰ 比較器
ＣＴＲＬ 制御ユニット
ＣＶＴ＿ＮＯＫ＿ＩＮ シリアル制御ノード
ＣＶＴ＿ＮＯＫ＿ＯＵＴ シリアル制御ノード
ＤＡＣ デジタル−アナログ変換器
ｄａｃ＿ｃｏｎｔｒｏｌ 制御信号
ＤＣＤＣ 電力コンバータ
ＦＤ＿ＩＮ 制御ノード
ＦＤ＿ＯＵＴ 制御ノード
ＧＥＮ 発生器
Ｉｎ１ 入力ノード
Ｉｎ２ 入力ノード
ＩｎＮ 入力ノード
ＬＯＣ 局部平衡化ユニット
ＬＯＧ 制御論理回路
Ｎ１ 充電／放電ノード
Ｎ２ 充電／放電ノード
Ｎ３ 充電／放電ノード
Ｎ４ 充電制御ノード
Ｍ マスタモジュール
Ｍｕｌｔ マルチプレクサ
ＯＰＴ 直流電気分離要素
Ｒ１ 抵抗
Ｒｅｇ レジスタ
S１ スレーブモジュール
S２ スレーブモジュール
S３ スレーブモジュール
ＳＮ スレーブモジュール
ＳＮ−１ スレーブモジュール
ＳＰＩ インターフェース
ＳＷ スイッチユニット
ＳＷ１ スイッチ
ＳＹＳ マイクロコントローラ
ＴＲＩＧ＿ＩＮ トリガ信号
ＴＲＩＧ＿ＯＵＴ トリガ信号
Ｖｂａｔ 総システム電圧
ＶＢＡＴ１ セル電圧
ＶＢＡＴｎ セル電圧
ＶＯＬ 電圧計
Ｖｒｅｆ コード化参照電圧
ＶＲＥＦＨ 外部参照電圧
ＶＲＥＦＬ 外部参照電圧

Claims (15)

1. 特に電池スタックの電圧平衡化のためのセル平衡化モジュールであって、
   少なくとも２つの参照電圧から導出されるコード化参照電圧（Ｖｒｅｆ）を入力するためのインターフェース（ＳＰＩ、ＶｒｅｆＨ、ＶｒｅｆＬ）と、
   エネルギー蓄積セル（ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎ）のスタックを接続するための入力ノード（Ｉｎ１、．．．、ＩｎＮ）と、
   前記入力ノード（Ｉｎ１、．．．、ＩｎＮ）のそれぞれに接続されたスイッチユニット（ＳＷ）と、
   前記スイッチユニット（ＳＷ）および前記インターフェース（ＳＰＩ、ＶｒｅｆＨ、ＶｒｅｆＬ）に結合される局部平衡化ユニット（ＬＯＣ）であって、前記コード化参照電圧（Ｖｒｅｆ）を、接続されるべき前記エネルギー蓄積セル（ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎ）のスタックのセル電圧（ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎ）と比較するように設計され、また、前記コード化参照電圧（Ｖｒｅｆ）と前記セル電圧（ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎ）との比較に応じて、接続されるべき前記エネルギー蓄積セル（ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎ）のスタックを充電または放電することによって充電平衡させるように設計される局部平衡化ユニット（ＬＯＣ）と
   を備える、セル平衡化モジュール。
2. 前記インターフェース（ＳＰＩ）がシリアルインターフェースである、具体的にはシリアルペリフェラルインターフェースである、請求項１に記載のセル平衡化モジュール。
3. 前記局部平衡化ユニット（ＬＯＣ）が、
   少なくとも１つの比較器（ＣＯＭＰ）の第２の入力端に供給されるべき前記コード化参照電圧（Ｖｒｅｆ）と、接続されるべき前記エネルギー蓄積セル（ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎ）のスタックの前記セル電圧（ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎ）との比較のために第１の入力端を介して前記スイッチユニット（ＳＷ）に結合される前記少なくとも１つの比較器（ＣＯＭＰ）と、
   前記インターフェース（ＳＰＩ）と、前記少なくとも１つの比較器（ＣＯＭＰ）の出力端と、前記スイッチユニット（ＳＷ）とに接続される制御論理回路（ＬＯＧ）であって、前記セル電圧（ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎ）をそれぞれ前記比較器（ＣＯＭＰ）の前記第１の入力端に電気的に接続するように前記スイッチユニット（ＳＷ）を制御する制御論理回路（ＬＯＧ）とを備える、請求項１または２に記載のセル平衡化モジュール。
4. 前記局部平衡化ユニット（ＬＯＣ）が、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）を備え、
   前記デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）が、前記少なくとも１つの比較器（ＣＯＭＰ）の前記第２の入力端に接続され、かつ制御チャネルを介して前記制御論理回路（ＬＯＧ）に接続され、さらに
   前記デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）が、前記コード化参照電圧（Ｖｒｅｆ）を、前記少なくとも１つの比較器（ＣＯＭＰ）の前記第２の入力端に供給されるべきアナログ局部参照電圧に変換するように設計され、
   または前記局部平衡化ユニット（ＬＯＣ）が、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を備え、
   前記アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）が、前記セル電圧（ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎ）を、前記少なくとも１つの比較器（ＣＯＭＰ）の前記第１の入力端に供給されるべきデジタル局部セル電圧に変換するように前記スイッチユニット（ＳＷ）に結合され、さらに
   前記アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）が、前記制御論理回路（ＬＯＧ）に制御可能に接続される、請求項３に記載のセル平衡化モジュール。
5. 前記インターフェース（ＳＰＩ）を介して加えられるべき外部トリガ信号（ＴＲＩＧ＿ＩＮ、ＴＲＩＧ＿ＯＵＴ）に応じて前記局部平衡化ユニット（ＬＯＣ）の動作を同期させる手段を備える、請求項１から４の１項に記載のセル平衡化モジュール。
6. 前記インターフェース（ＳＰＩ）が、さらなるのセル平衡化モジュール（ＣＢＭ）とのデイジーチェーン接続を確立するための入力手段および出力手段を備える、請求項１から５の１項に記載のセル平衡化モジュール。
7. 前記局部平衡化ユニット（ＬＯＣ）が、前記少なくとも１つの比較器（ＣＯＭＰ）の前記出力端に供給される平衡電圧（Ｖｏｕｔ）に基づいて前記エネルギー蓄積セル（ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎ）のスタックを充電すべきか放電すべきかを決定するように、前記エネルギー蓄積セル（ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎ）のスタックが充電平衡する量を得る手段を備える、請求項１から６の１項に記載のセル平衡化モジュール。
8. 特に電池スタックの電圧平衡化のための電圧バランサ装置であって、
   請求項１から７の１項に記載の少なくとも１つのセル平衡化モジュール（ＣＢＭ）と、
   少なくとも１つのセル平衡化モジュール（ＣＢＭ）の前記インターフェース（ＳＰＩ）に接続される前記コード化参照電圧（Ｖｒｅｆ）をコード化する手段（ＣＴＲＬ）と
   を備える、電圧バランサ装置。
9. 個数ｎのセル平衡化モジュール（ＣＢＭ）が、それぞれのインターフェース（ＳＰＩ）を介してデイジーチェーンによって相互接続される、請求項８に記載の電圧バランサ装置。
10. 第１のセル平衡化モジュール（Ｍ）が、ｎ個のセル平衡化モジュール（ＣＢＭ）の前記デイジーチェーン内のマスタモジュールになるように設計され、
    他の前記セル平衡化モジュール（ＣＢＭ）がスレーブモジュール（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、．．．、ＳＮ−１、ＳＮ）になるように設計され、
    前記マスタモジュール（Ｍ）とスレーブモジュール（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、．．．、ＳＮ−１、ＳＮ）との間のデイジーチェーン接続がシリアルインターフェースである、具体的にはシリアルペリフェラルインターフェースに基づく、請求項９に記載の電圧バランサ装置。
11. 前記マスタ（Ｍ）が同時に、
    前記コード化参照電圧（Ｖｒｅｆ）を前記デイジーチェーンを介して前記スレーブモジュール（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、．．．、ＳＮ−１、ＳＮ）に送出するように、また
    前記それぞれのインターフェース（ＳＰＩ）を介して加えられるべきトリガ信号（ＴＲＩＧ＿ＩＮ、ＴＲＩＧ＿ＯＵＴ）を用いて前記スレーブモジュール（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、．．．、ＳＮ−１、ＳＮ）を制御することによって、前記充電平衡化モジュール（ＣＢＭ）内の充電平衡化を同期させるように設計される、請求項１０に記載の電圧バランサ装置。
12. 充電ノード（Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３）が、
    充電するための電力変換器（ＤＣＤＣ）に接続され、かつ／または
    エネルギー蓄積セル（ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎ）のスタックを放電するための抵抗に接続される、請求項８から１１の１項に記載の電圧バランサ装置。
13. コード化参照電圧（Ｖｒｅｆ）をコード化する前記手段が、
    接続されるべき前記エネルギー蓄積セル（ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎ）のスタックの総システム電圧（ＶＢＡＴ）を決定するように設計された電圧測定回路（ＶＯＬ）と、
    前記電圧測定回路（ＶＯＬ）に接続され、前記総システム電圧（ＶＢＡＴ）をデジタル表現に変換するように設計されたさらなるのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）と、
    前記さらなるのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）に接続された制御ユニット（ＣＴＲＬ）であって、前記デジタル表現に基づく、かつ前記転送の手段によって転送されるべき前記コード化参照電圧（Ｖｒｅｆ）をコード化するように設計された制御ユニット（ＣＴＲＬ）とを備える、請求項９から１２の１項に記載の電圧バランサ装置。
14. 特に電池スタックの電圧平衡化のための電圧平衡化の方法であって、
    少なくとも２つの参照電圧からのコード化参照電圧（Ｖｒｅｆ）をコード化するステップと、
    前記コード化参照電圧（Ｖｒｅｆ）を、エネルギー蓄積セル（ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎ）のスタックに接続された少なくとも１つのセル平衡化モジュール（ＣＢＭ）に転送するステップと、
    前記少なくとも１つの平衡化モジュール（ＣＢＭ）において前記エネルギー蓄積セル（ＢＡＴ１、．．．、ＢＡＴｎ）のスタックのそれぞれのセル電圧（ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎ）を前記コード化参照電圧（Ｖｒｅｆ）と比較するステップと、
    前記それぞれのセル電圧（ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎ）が前記それぞれのスタック電圧（ＶＢＡＴ１、．．．、ＶＢＡＴｎ）と前記コード化参照電圧（Ｖｒｅｆ）との前記比較に応じて調整されるように、充電または放電によって充電平衡させるステップと
    を含む、電圧平衡化の方法。
15. 前記少なくとも１つのセル平衡化モジュール（ＣＢＭ）もしくはさらなるのセル平衡化モジュール（ＣＢＭ）への前記コード化参照電圧（Ｖｒｅｆ）の転送、および／または充電平衡化を、外部もしくは内部トリガ信号（ＴＲＩＧ＿ＩＮ、ＴＲＩＧ＿ＯＵＴ）と同期させるステップを含む、請求項１４に記載の電圧平衡化の方法。

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