JP2014507924A - 充電式バッテリシステム及びその作動方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の端子間に接続された複数の充電式バッテリセルと、前記複数の充電式バッテリセルを実質的な放電状態から実質的な満充電状態に移行させて該複数の充電式バッテリセルを充電する間に、各充電式バッテリセルの回りに充電電気エネルギーを分流するシャント回路と、を備えることを特徴とする充電式バッテリシステム。
【選択図】図1
【選択図】図1
Description
本出願は、2011年1月20日に出願された米国特許出願第13/010724号に基づく優先権の利益を主張するものである。
本発明は、充電式バッテリシステム及びその作動方法に関する。
充電式バッテリは、電気エネルギーのための異なる要求に応じて様々な用途で設計及び使用される。充電式バッテリシステムは充電式セルを有しており、この充電式セルは、充電動作時に電気エネルギーを受け取り、放電動作時に電気エネルギーを負荷に供給する。充電式セルは、異なる化学的性質を有することができ、一例ではリチウムセルを含むことができる。様々な用途で使用される充電式セルの数は、負荷の要求に応じて変動し、セルの数は、例えば輸送設備の実装などの幾つかの実装場面において非常に多くなる。
一般的に、個々のバッテリセルは作動電圧を持っており、例えばリチウムバッテリセルの作動電圧は3.2VDCである。個々のバッテリセルは、その用途に応じて、負荷に適切な電圧を掛けるために直列に接続することができる。個々のバッテリセルは、所望の電荷容量を供給するために並列に接続することができる。
個々のバッテリセルの特性が異なるため、複数のバッテリセルをバランスさせることが問題となることがある。加えて、バッテリセルは、その電圧が高く又は低くなりすぎたときに損傷し、一旦損傷すると充電不能となることがある。
本発明の少なくとも幾つかの態様は、このような充電式バッテリシステムとその方法に向けられたものである。
本発明の例示の実施形態を、以下の図面を参照しながら説明する。
一実施形態による充電式バッテリシステムの構成を示す機能ブロック図である。
一実施形態による充電式バッテリシステムの構成を示す機能ブロック図である。
一実施形態による複数の充電式バッテリモジュールを示す図である。
一実施形態による充電式セルモジュールを示す図である。
一実施形態による充電式バッテリセルに対する電圧−充電(電荷)特性を描いたグラフである。
一実施形態による異なる充電式バッテリセルの電気エネルギーの分流(分路)を描いたグラフである。
一実施形態によるキャパシタモジュールの構成を示す機能ブロック図である。
一実施形態による複数の充電式バッテリモジュールの複数のセルの充電バランスを描いた図である。
以下に参照により組み込まれた共通の出願人による出願に注意が向けられる。
「充電式バッテリシステム及び充電式バッテリシステムの作動方法」と題した米国特許出願代理人整理番号VA24−002とVA24−003の出願が本出願と同日付けで提出されている。両出願の発明者はいずれもピーター ナイセン(Peter Nysen)である。
一実施形態によれば、充電式バッテリシステムは、複数の端子間に接続された複数の充電式バッテリセルと、前記複数の充電式バッテリセルを実質的な放電状態から実質的な満充電状態に移行させて該複数の充電式バッテリセルを充電する間に、各充電式バッテリセルの回りに充電電気エネルギーを分流するシャント回路と、を備えている。
追加の実施形態によれば、充電式バッテリシステムの作動方法は、充電電気エネルギーを用いて、充電式バッテリシステムの複数の充電式バッテリセルを充電するステップであって、この充電は、実質的な放電状態、中間充電状態及び実質的な満充電状態を含む、前記複数の充電式バッテリセルの異なる作動状態の間に行われるステップと、実質的な放電状態、中間充電状態及び実質的な満充電状態を含む、前記複数の充電式バッテリセルの異なる作動状態の間に、前記複数の充電式バッテリセルのうちから選択した1つの充電式バッテリセルの回りに充電電気エネルギーを分流するステップと、を有している。
図1には充電式バッテリシステム10の一実施形態が示されている。この実施形態では、充電式バッテリシステム10は、複数の充電式バッテリセル12と、充電回路16と、充電バランス回路18と、制御回路20とを含んでいる。他の実施形態では、より多い構成要素、より少ない構成要素、及び/又は代替の構成要素を含むことができる。
充電式バッテリセル12は、バッテリシステム10の放電動作の間、電源負荷14が使用する電気エネルギーを蓄積する。一実施形態では、充電式バッテリセル12はリチウムセルを含んでいる。充電式バッテリセル12は、異なる電力仕様を持つ異なる電源負荷14に電力を供給できるように、異なる構成で直列接続または並列接続されてパック内に配置される。以下に説明する幾つかの実施形態では、充電式バッテリセル12は、複数のモジュール内に実装されてもよい。
充電回路16は、バッテリシステム10の充電動作の間、充電式バッテリセル12に対して充電電気エネルギーを供給する。充電回路16は、幾つかの例では、AC電源、太陽光、化石燃料、水または風などの任意の適切な供給源から充電電気エネルギーを供給することができる。
充電バランス回路18は、充電式セル12の充電状態のバランスを増加(向上)させるための動作を行う。以下に説明する幾つかの実施形態では、充電バランス回路18は、電荷分流回路を備えている。この電荷分流回路は、複数の充電式セル12のうち、他の充電式セルよりも充電状態が良好な1つの充電式セルを選択し、その選択した1つの充電式セルの回りに充電電気エネルギーを分流する。充電バランス回路18は、幾つかの実施形態では、電荷移動回路を備えている。以下に詳細に説明するように、充電バランス回路18の電荷移動回路は、複数の充電式セル12のうちから選択したものの間で電気エネルギーを移動させる。
制御回路20は、バッテリシステム10の動作をモニタリング及び制御する。例えば、制御回路20は、充電式バッテリセル12の充電状態をモニタリングし、そのモニタリングの結果として、充電回路16及び充電バランス回路18の動作を制御する。
制御回路20は、少なくとも1つの実施形態では、適切なメディアから提供される所望のプログラミングを実行するように構成されている。例えば、制御回路20は、例えばソフトウェア命令及び/又はファームウェア命令のような実行可能な命令を実行する1つ以上のプロセッサ及び/又はその他の構造物、及び/又はハードウェア回路として実装することができる。以下に詳細に説明する幾つかの実施形態のように、制御回路20は、システムコントローラ21と、複数のモジュールコントローラ120とを備えている。制御回路20の例示的な実施形態は、ハードウェアロジック、PGA、FPGA、ASIC、状態機械、及び/又はその他の構造物のいずれかを単独で、あるいはこれらをプロセッサと組み合わせて実現することができる。制御回路20のこれらの実施形態は、例示のためのものであり、他の構成も可能である。
制御回路20は、蓄積回路(図示せず)を含むか、あるいは蓄積回路(図示せず)にアクセス可能となっている。この蓄積回路は、実行可能なコードまたは命令(例えばソフトウェア及び/又はファームウェア)、電子データ、データベース、充電状態情報、閾値、その他のデジタルデータといったプログラムと、プロセッサ使用可能媒体とを蓄積している。プロセッサ使用可能媒体は、任意のコンピュータプログラム製品または製造物に搭載されている。コンピュータプログラム製品または製造物は、例示的な実施形態における制御回路を含む命令実行システムにより又はこれに接続されて使用されることで、プログラム、データ及び/又はデジタル情報を、含み、蓄積し又は維持することができる。例えば、プロセッサ使用可能媒体は、電気、磁気、光学、電磁気、赤外線または半導体媒体などの物理的媒体のいずれか1つを含むことができる。プロセッサ使用可能媒体は、幾つかのより具体的な例として、フロッピー(登録商標)ディスク、ZIPディスク、ハードドライブ、ランダムアクセスメモリ、読み出し専用メモリ、フラッシュメモリ、キャッシュメモリ等の携帯式磁気コンピュータディスケット、及び/又はプログラミングその他のデジタル情報を蓄積可能なその他の構成物とすることができるが、これらに限定されるものではない。
ここで説明した少なくとも幾つかの実施形態は、適切な蓄積回路内に蓄積されたプログラムを用いて実行され、制御回路20を適切に制御することができる。例えば、プログラムは、例えば上述したメディア媒体内に搭載され、適切な製造物を介して提供される。
図2には、充電式バッテリシステム10の一実施形態をさらに詳細に示してある。図示実施形態では、電源負荷14に電気エネルギーを供給するために、充電式バッテリセル12が適切なパックに配置されている。
制御回路20は、システムレベルでバッテリシステム12を監視及び制御するシステムコントローラ21を備えている。システムコントローラ21は、一実施形態では、複数の充電式バッテリモジュールの複数のモジュールコントローラ120と通信することができる(図7を参照して以下で説明する)。システムコントローラ21は、充電式バッテリセル12から負荷14に供給される電気エネルギーの量、及び/又は充電回路16からセル12に供給される電気エネルギーの量を、電流センサ31を介してモニタリングする。さらに、システムコントローラ21は、以下に述べる複数のスイッチ24、26、28、30を制御する。
ユーザインタフェース22は、ユーザとの間で情報のやりとりを行うためのものである。ユーザインタフェース22は、ユーザに対して、データ(ユーザにより観察画像を表示するためのデータ、可聴データ等)を送るとともに、ユーザから、データ(手動入力データ、音声入力データ)を受け取る。したがって、例示的な一実施形態では、ユーザインタフェースは、視覚情報を表現するディスプレイ(ブラウン管、LCD等)、オーディオシステム、キーボード、マウス、及び/又はその他の入力装置を含むことができる。ユーザとの間で情報をやりとりするための任意の他の適切な装置を利用することもできる。一実施形態では、ユーザがユーザインタフェース22を介して、命令を入力し、バッテリシステム10の動作をモニタリングすることができる。
一実施形態では、システムコントローラ21が、充電式バッテリセル12の充電動作を制御するように構成されている。システムコントローラ21は、スイッチ(充電リレー)24を制御することにより、充電式バッテリセル12を充電するべき適切なタイミングで、充電回路16を充電式バッテリセル12のパックのプラス端子に選択的に接続する。充電回路16は、例示的な実施形態では、電圧または電流を制御できるようにプログラム可能な電源として実装することができる。
図示実施形態では、バッテリシステム10は、スイッチ(プリチャージリレー)26と、ポジティブスイッチ(ハイパワーリレー)28と、ネガティブスイッチ(ハイパワーリレー)30とを備えている。まず、負荷14は、負荷14が充電式バッテリシステム10に接続されている間は、スイッチ26、28、30により、充電式バッテリセル12のパックから分離されている。負荷14と充電式バッテリシステム10の接続に続いて、スイッチ26、28がシステムコントローラ21によって閉じられ、バッテリシステム10が大きな電流スパイクから保護される。例えば、スイッチ26は、適切な抵抗負荷のようなプリチャージ負荷32と接続されており、これにより、負荷14に過電流が流れるのを防止することができる。その後、スイッチ30が閉じられ、負荷14が充電式バッテリセル12のパックと完全に接続される。充電式バッテリシステム10が短絡すること、負荷14にその他の障害が発生することを防止するために、適切なヒューズ34を使用することができる。
図3には、バッテリシステム10の複数の充電式バッテリモジュール40の一実施形態が示されている。
図示実施形態では、充電式バッテリモジュール40のそれぞれがプラス端子50とマイナス端子52を含んでおり、充電式バッテリモジュール40が直列接続されている。下方のモジュール40のプラス端子50は、複数の充電式バッテリセル12のパックのプラス端子であり、上方のモジュール40のマイナス端子52は、複数の充電式バッテリセル12のパックのマイナス端子であり、このプラス端子とマイナス端子がそれぞれ負荷14に接続される。加えて、上方のモジュール40のプラス端子50と下方のモジュール40のマイナス端子52が互いに接続されることで、図示実施形態のように、モジュール40が直列接続される。バッテリシステム10の他の例では、追加の充電式バッテリモジュール40を充電式バッテリパックに設けてもよい。さらに、他の実施形態では、モジュール40を用いることなく、充電式バッテリセル12をパック内に実装してもよい。
充電式バッテリモジュール40は、それぞれ、以下に図4を例に挙げて詳細に説明する複数の充電式セルモジュール41を備えている。各充電式セルモジュール41は、該充電式セルモジュール41の複数の端子の間に接続される充電式バッテリセル12を含んでいる。加えて、モジュール40の充電式セルモジュール41は、モジュール端子50、52の間に直列接続されている。図示実施形態では、充電式バッテリモジュール40内で4つの充電式セルモジュール41が直列接続されているが、他の実施形態では、充電式バッテリモジュール40内で直列接続する充電式セルモジュール41の数を増減してもよい。
図3、図4に示すように、各充電式セルモジュール41は、キャパシタ端子Cを備えている。充電式セルモジュール41のキャパシタ端子は、各充電式バッテリモジュール40のキャパシタバス42の正極キャパシタ端子44と負極キャパシタ端子46に交互に接続されている。キャパシタバス42の正極キャパシタ端子44と負極キャパシタ端子46は、各充電式バッテリモジュール40内で、キャパシタモジュール48の各端子P1、N1にそれぞれ接続されている。キャパシタバス42とキャパシタモジュール48は、以下の一実施形態説明する電荷移動回路64の一部をなす。一実施形態において、電荷移動回路64は、充電式セルモジュール41の1つから他の充電式セルモジュール41へ、及び/又は、充電式バッテリモジュール40間で、電気エネルギーを移動させる。一実施形態において、充電式バッテリモジュール40のキャパシタモジュール48は、各端子P2、N2を介して互いに並列接続される。
図4には、充電式セルモジュール41の一実施形態が示されている。同図に示す充電式セルモジュール41は、セルモジュール41のプラス端子とマイナス端子に接続される充電式バッテリセル12を含んでいる。充電式セルモジュール41は、以下で説明する制御回路20のモジュールコントローラ(例えば図7のモジュールコントローラ120)に接続される温度センサ66を含んでいる。この温度センサ66は、図示実施形態において、充電式バッテリセル12の温度に関する信号を供給する。一実施形態において、制御回路20は、充電式バッテリセル12の温度が所望の動作範囲の上限または下限を超えた場合(この場合はセル12が損傷する可能性がある)、バッテリシステム10をシステム停止状態にする。充電式バッテリセル12がリチウムを含む一実施形態では、充電時のセルの温度が0℃〜45℃に維持されることが望ましく、放電時のセルの温度が−10℃〜50℃に維持されることが望ましく、保管時のセルの温度が−40℃から50℃に維持されることが望ましい。さらに、制御回路20は、セル12の温度に関する情報を利用して、セル12の充電状態を判定する。これは、幾つかのセル構造において、把握される充電状態がセル12の温度によって変動するためである。
充電式セルモジュール41は、充電バランス回路60を含んでいる。この充電バランス回路60は、シャント回路62と電荷移動回路64を含んでいる。充電バランス回路60は、バッテリシステム12が動作している間、充電式バッテリモジュール40の充電式バッテリセル12の充電状態をバランスさせようとする。すなわち、充電バランス回路60は、複数の充電式バッテリセル12を実質的に同じ充電状態にしようとする。
幾つかの実施形態に関連して上述したように、充電式バッテリセル12は、リチウムセルとして実装することができる。従って、幾つかの実施形態において、1つ以上の充電式バッテリセル12の電圧が、セル12の損傷を引き起こす作動電圧の閾値を上回る又は下回るのを避けることが望ましい。バッテリシステム10の充電動作及び放電動作の間、複数の充電式バッテリセル12が実質的にバランスした(同じ)充電状態であることが望ましい。その結果、以下で説明する放電動作の間、充電式バッテリセル12のパックから取り出すエネルギー量を最大化してバッテリシステム10を完全充電状態にするための充電レートを増大することができる。
一実施形態において、シャント回路62と移動回路64は、充電式バッテリセル12の充電状態をバランスさせるために、制御回路20の各モジュールコントローラの制御を選択的に可能/不能にする。図示実施形態において、シャント回路62は、充電回路16からの充電電気エネルギーを、充電式バッテリセル12の回りに分流(分路)する。電荷移動回路64は、以下にさらに詳細に説明する電荷移動動作の間、充電式バッテリセル12に電気エネルギーを供給し、または充電式バッテリセル12から電気エネルギーを除去する。
シャント回路62の例示的な動作を以下で説明する。上述したように、シャント回路62は、充電式バッテリセル12の回りに充電電気エネルギーを選択的に分流(分路)するように構成されている。充電動作の間、バッテリモジュール40内の充電式バッテリセル12は、例えば充電式バッテリセル12の製造に起因する異なる内部抵抗といった異なる特性によって、異なるレートで充電される。従って、1つ以上の充電式バッテリセル12が他の充電式セル12よりも高速で充電されることになる。各セル12の過充電を避けるために、シャント回路62は、各充電式セルモジュール41の各充電式バッテリセル12の回りに、充電電気エネルギーの少なくとも一部または全部を分流する。幾つかの実施形態では、制御回路20のモジュールコントローラが、各モジュール41の充電式バッテリセル12の電圧をモニタリングし、シャント回路62を次のように制御する。すなわち、制御回路20のモジュールコントローラの制御によって、シャント回路62は、モジュール40の複数の充電式バッテリセル12のうち、他のセルよりも充電状態が高い1つ以上の充電式バッテリセル12の回りに、充電電気エネルギーを分流させる。
図5は、典型的なリチウムセル12の電圧−充電(電荷)特性を描いたグラフ140である。リチウムセル12は、セル12の異なる充電状態に対応した複数の異なる作動状態を有している。グラフ140に示すように、リチウムセル12は、実質的な放電状態142、中間充電状態144及び実質的な満充電状態146を含んでいる。中間充電状態144は、セル12の異なる充電状態の大部分に対して比較的平坦な電圧カーブを有している。これに対し、実質的な放電状態142と実質的な満充電状態146は急峻な電圧カーブを有している。中間充電状態144に対応する電圧を有する充電式バッテリセル12の充電状態を正確に判定することは、実質的な放電状態142と実質的な満充電状態146の場合のそれと比べてより難しい。これは、グラフ140が中間充電状態144のときに比較的平坦な電圧カーブを描くためである。
充電電気エネルギーを分流することについては幾つかの欠点がある。それは、充電動作の効率が低下することにより幾らかのエネルギーが浪費されること、過剰に熱が発生すること、分流による実行バランス動作が比較的遅くなってしまうことである。幾つかの構成では、複数のセル12の充電レートを増加させた状態でバランスさせるために、充電式バッテリセル12が全ての動作状態142、144、146にある間に、最も高い充電状態を持つ1つ以上の充電式バッテリセル12の回りに充電電気エネルギーを分流する。
より具体的な一実施形態では、充電式バッテリセル12が、実質的な放電状態142、中間充電状態144及び実質的な満充電状態146を含む全ての異なる動作状態にある間に、制御回路20が、各モジュール40の各充電式バッテリセル12の充電状態をモニタリングする。また制御回路20は、セル12を異なる動作状態142、144、146のそれぞれで充電している間、各モジュール40について、他のセル12よりも高い充電状態を持つ充電式バッテリセル12の各々の充電電気エネルギーの分流を制御する。
たとえシャント回路62の使用の実行バランスが他のバランス技術と比較して遅いものだとしても、充電式バッテリモジュール40の充電式バッテリセル12の充電サイクル(実質的な放電状態142から中間充電状態144、実質的な放電状態142から実質的な満充電状態146)の全体を通じた分流動作の実行は、全体のバランス動作の速度を向上させる。これは、より高い充電状態を持つ1つ以上の充電式バッテリセルの過充電を防止するために充電サイクルの最後に分流動作を実行するだけの装置と比較して、長い時間を掛けて分流動作を実行するからである。
一実施形態では、充電式セル12の異なる動作状態142、144、146のそれぞれの間に、シャント回路62による充電電気エネルギーの分流動作を実行し、その結果、充電式バッテリセル12を実質的な満充電状態にすることができる。この充電式バッテリセル12の実質的な満充電状態146では、1つ以上のセルが過充電状態になるのを防止するためにセルが実質的な満充電状態にあるときにだけ分流を実行する場合または全く分流を実行しない場合と比較して、各充電式バッテリセル12の互いの充電状態を互いに近付けることができる(充電バランスを向上させることができる)。
一実施形態のセル12の異なる動作状態142、144、146の間の分流動作の実行により、セルが実質的に満充電されたときにのみ分流を実行する場合と比較して、減少したデューティサイクル(例えば0%〜50%のデューティサイクル)を使用した分流が可能になる。より具体的には、複数の動作状態142、144、146の間の分流により、セルが実質的に満充電されたときにのみ分流を実行する場合と比較して、より長い期間の分流動作が可能になる。したがって、セル12のバランス動作の間、パルス幅変調信号のデューティサイクルが減少し、シャント回路62の発熱が抑えられる。
図4に示すように、例示的な実施形態において、各充電式バッテリモジュール41のシャント回路62は、シャント素子(例えばスイッチ)70と、分離回路72と、負荷74と、温度センサ76とを含んでいる。制御回路20のモジュールコントローラは、分離回路72を介して、適切な制御信号を送信する。分離回路72は、例示的な実施形態における光結合もしくはトランス結合により実装されており、または直流的に絶縁されている。制御信号によってシャント素子70は、選択的に、充電電気エネルギーの少なくとも幾らかが充電式バッテリセル12の回り且つ負荷74(一実施形態では電流抵抗)を通過しているときに分流動作を実行することができる。別の実施形態では、シャント回路70をダーリントントランジスタとして実装して、負荷74を省略することができる。
一実施形態において、制御回路20のモジュールコントローラは、温度センサ76を介して、負荷74(または図示しないダーリントントランジスタ)の温度をモニタリングしている。制御回路20は、負荷74の温度が閾値を超えたときに、各シャント素子70の分流動作を不能にする。例示した実施形態では、シャント回路62の最高動作温度は、シャント素子70の最高動作温度、及び/又は負荷74の最高動作温度に対応している。シャント素子70は、シャント素子70の温度が異なる温度の閾値(例えば、分流動作を不能にするための上記閾値よりも5℃低い)を下回るまで、上記分流動作の不能状態を維持する。シャント素子70は、各シャント素子70の温度が低温側の閾値を下回ったときに、分流動作を再開する。幾つかの実施形態では、シャント回路62は、該シャント回路62の冷却を促進するためのヒートシンク(図示せず)を含んでいてもよい。
一実施形態では、分流の制御に使用するパルス幅変調信号のデューティサイクルが、各シャント回路62の温度のモニタリング結果に応じて変動する。例えば、各シャント回路62の温度が温度閾値に近付いたときには、1つのシャント回路62のためのパルス幅変調信号のデューティサイクルが減少する。デューティサイクルの減少はシャント回路62の温度の低下を助長する。
さらに、モジュールコントローラは、上述したようにセル12の温度を所望の閾値範囲内にしてセル12の損傷を防止することを確認するために、温度センサ66を介して、充電式バッテリセル12の温度をモニタリングしている。例示的な実施形態において、モジュールコントローラは、その温度が閾値を超えたセル12に関して、充電動作または放電動作についての警告または時には遮断を開始する。
前述したように、制御回路20のモジュールコントローラは、シャント回路62の分流動作を制御する。より具体的に、制御回路20は、充電式バッテリセル12の充電状態に基づいて各セル12の異なる分流量を提供するために、異なる充電式セルモジュール41のシャント回路62を制御する。例えば、図6を参照すると、グラフ150が、充電式バッテリモジュール40の充電サイクルの間における共通の瞬間に、異なる充電状態を持つモジュール40の異なるセル12を描いている。より高い充電状態の充電式バッテリセル12を持つ充電式セルモジュール41のシャント回路62は、それよりも低い充電状態のモジュール40の充電式バッテリセルと比較して、増加した分流量を実現するように制御される。
一実施形態では、制御回路20のモジュールコントローラは、個々の充電式セルモジュール41のシャント回路62を制御するためのパルス幅変調信号を提供するように構成されている。制御回路20は、モジュール40の各充電式バッテリセル12の充電状態に基づいて、個々の充電式バッテリモジュール40の他のセルと比較して、バッテリセルモジュール41の異なるシャント回路62のための制御信号のデューティサイクルを0%〜100%(図6の例では0%〜50%)の範囲内で変動させる。
シャント素子70に対する制御信号のデューティサイクルを増加させることで、各充電式バッテリセル12の回りへの充電電気エネルギーの分流が増加し、より小さいデューティサイクルの制御信号を使用して分流された他のセル12に比較してセル12の充電レートが減少する。
一実施形態では、充電式バッテリモジュール40のための最も高い充電状態および最も低い充電状態を持つセル12が、実質的な直線状の傾きを規定するように使用されている。最も高い充電状態を持つセル12が最も多い分流量(50%のデューティサイクル)であり、最も低い充電状態を持つセル12が最も低い分流量(0%のデューティサイクル)である。他のセル12の分流を制御するためのパルス幅変調信号は、最大充電状態のセル12と最低充電状態のセル12との間のセル12の各充電状態に基づいて調整することができる。
一実施形態では、セル12の異なる充電状態に応じた分流を実行するために、異なる範囲のデューティサイクルが使用される。より具体的な実施形態では、実質的な放電状態または中間充電状態にあるセル12に対しては0%〜50%のデューティサイクル範囲で分流を実行し、実質的な満充電状態にあるセル12に対しては0%〜100%のデューティサイクル範囲で分流を実行する。
一実施形態では、各充電式バッテリモジュール40のモジュールコントローラが、上述した手法に従って、各充電式セルモジュール41のシャント回路62を制御するための適切なパルス幅変調信号を決定する。
加えて、一実施形態では、セル12の充電中に、セル12の充電状態が複数の閾値を基準として制御回路20によってモニタリングされる。この複数の閾値は、バッテリシステム10に実装されるセル12のタイプに対応している。制御回路20は、セル12の充電状態に応じた異なる態様で、セル12の充電を制御する。一実施形態では、制御回路20が、初期設定された過電圧閾値に関して、各セル12の充電状態をモニタリングする。もし全てのモジュール40の全てのセル12が初期設定された過電圧閾値を下回っていれば、制御回路20は、最大電流を用いた最大充電レートでモジュール40のセル12を充電するように、充電回路16を制御する。
最も充電状態が高い1つのセル12が初期設定された過電圧閾値を超える結果、制御回路20は、充電回路16を制御して、モジュール40のセル12に対する充電電気エネルギーの電流を減らしてこれを最大充電電流よりも小さくする。もしセル12の1つが別の電圧閾値(初期設定された過電圧閾値よりも高い)を超えれば、制御回路20は、充電回路16を制御して、モジュール40のセル12に対する充電電気エネルギーの電流をさらに減らす。もしセル12の1つが故障制限閾値(これまでに述べた閾値よりも高い充電状態を示す)を超えれば、制御回路20は、充電回路16を制御して、モジュール40のセル12に充電電気エネルギーを供給するのを停止する。
一実施形態では、制御回路20が、最も充電状態が高い(1つ又は複数の)セル12の充電状態が各閾値を下回るように、モジュール41の各シャント回路62を制御する。制御回路20は、故障制限閾値を超える(1つ又は複数の)セル12に対して最大分流量を提供するように、シャント回路62を制御する。例えば、適切なシャント回路62のシャント素子は、継続的な最大分流量を提供するように、変調を行うことなく、十分な分流動作を実行する。図示実施形態では、最も高い充電状態のセル12が最も低い充電状態のセル12よりも低い充電状態になったとき又は時間切れとなったとき、充電が再開される。
したがって、分流により、より低い充電状態のセル12がより高い充電状態のセル12よりも高速充電されるように、バッテリモジュール40の異なる充電式バッテリセル12が異なる充電レートで充電される。上述したように、異なる動作状態142、144、146の間における各充電式セルモジュール41のシャント回路62の動作は、異なる動作状態142、144、146の間に分流を実行しない場合と比較して、複数の充電式バッテリセル12の充電バランスを向上させる。一実施形態では、分流動作によって充電式バッテリモジュール40の各充電式バッテリセル12が、分流動作を実行していない場合と比較して、完全な充電状態に早く到達することができる。なぜなら、実質的な満充電状態に到達するに連れて充電式セル12の充電状態が互いに近付き、実質的な満充電状態となった複数のセル12の充電バランスが向上し(比較的ゆっくりとしたプロセスである)、セル12の異なる動作状態142、144、146の間における分流を実行する必要が無くなるからである。
しかし、幾つかの状況では、セル12の異なる動作状態142、144、146のそれぞれの間に分流を実行したにもかかわらず、1つ以上の充電式バッテリセル12が他のセル12とのバランスを著しく欠くことがある。例えば、欠陥品(不良品)の充電式バッテリセル12を含む充電式セルモジュール41は、充電式バッテリモジュール40から取り除かれ、他のセル12とのバランスを著しく欠いた代替のモジュール41がモジュール40に挿入される。一実施形態では、選択した充電式バッテリセル12の間で電気エネルギーを伝送するために(例えば充電バランスを欠いたセル12を急速に充電するために)、電荷移動回路64が使用される。例示的な実施形態では、電荷移動回路64が、単独で使用され(例えば電荷分流回路62が省力され若しくは使用されないとしたら)、又は、ハイブリッド配置若しくは他の充電バランス回路においてシャント回路62と組み合わせて使用される。
図示実施形態では、各充電式セルモジュール41が電荷移動回路64を含んでいる。前述したように、電荷移動回路64は、モジュール41のマイナス端子とC端子との間に介在している。以下に述べるように、電荷移動回路64は、モジュールコントローラによって、異なる瞬間に、キャパシタバス42を介して充電式バッテリセル12の1つに選択的に結合できるようになっている。これにより、充電式バッテリセル12の異なる相互間で電気エネルギーを移動させることができる。モジュールコントローラは、分離回路82(例えば、光、トランス結合、ガルバニック絶縁)を介して制御信号を出力することにより、各充電式バッテリセル12をキャパシタバス46に選択的に結合するように、スイッチ80を制御する。スイッチ80は、電荷移動回路64を通じた双方向に電流を流すことを許容する。これは、代替の充電式バッテリセル12が充電式セルモジュール41のC端子によってキャパシタバス42に関して逆向きにされており、電荷移動動作の間に各セル12との間で電気エネルギーが伝送されるからである。図示実施形態では、スイッチ80が電界効果トランジスタ(FET)として実装されているが、スイッチ80は、例えば単一のリレー等の他の代替的な構成を用いて実装することができる。一実施形態では、所望の電流量を提供するために、スイッチ80の制御信号が制御回路20によってパルス幅変調される。
一実施形態では、セル12がショートするのを防止するために、1つの充電式バッテリセル12だけが与えられた瞬間にキャパシタバス14に結合されている。モジュールコントローラは、各充電式バッテリモジュール40の充電式バッテリセル12の充電状態をモニタリングするように構成されている。モジュールコントローラは、充電式セルモジュール41の移動回路64を適切に制御して、モジュール40の最高充電状態の充電式バッテリセル12から、モジュール40の最低充電状態の充電式バッテリセル12へ、移動電気エネルギーを伝送する。別の実施形態では、移動回路64が、充電動作及び/又は放電動作の間、電気エネルギーを移動させるように動作する。
より具体的な一実施形態では、モジュールコントローラが、充電式セルモジュール41のC端子とスイッチ80を使用して、最高充電状態の充電式バッテリセル12をキャパシタバス42に初期結合する。使用する充電式セルモジュール41は、最高充電状態のセル12、及び調整モジュール41のC端子とスイッチ80を含んでおり、最高充電状態のセル12を含むモジュール41のプラス端子と結合されている。右端の充電式セルモジュール41のプラス端子は、キャパシタモジュール48に直接的に結合されている。右端の充電式セルモジュール41のマイナス端子は、キャパシタバス42にそのC端子とスイッチ80を介して結合されており、これにより、右端のモジュール41が、キャパシタモジュール48に対して電気エネルギーを伝送することができる。
以下に述べる一実施形態では、最高充電状態のセル12からの電気エネルギーが、キャパシタモジュール48に伝送されてそこに蓄積される。そして、キャパシタモジュール48への電荷の伝送が終わった後、C端子を停止することにより、充電式バッテリセル12とキャパシタバス48の結合が解除される。
充電式バッテリセル12の結合解除に続いて、キャパシタモジュール48内に蓄積された電気エネルギーを受け取るために、充電式セルモジュール41のC端子とスイッチ80を使用して、モジュール40の最低充電状態の充電式バッテリセル12がキャパシタバス42に結合される。使用する充電式セルモジュール41は、最低充電状態の充電式バッテリセル12、及び調整モジュール41のC端子とスイッチ80を含んでおり、最低充電状態のセル12を含むモジュール41のプラス端子と結合されている。セル12の充電状態を増加(向上)させるために、キャパシタモジュール48からセル12に電気エネルギーが伝送される。
電荷移動動作の結果として、最低充電状態の充電式バッテリセル12の充電状態が増加し、最高充電状態の充電式バッテリセル12の充電状態が減少し、これにより、最低充電状態と最高充電状態の2つのセル12の充電バランスが向上する。電荷移動動作は、充放電動作モードにおいて、充電式バッテリセル12の異なる動作状態142、144、146の間に継続的に実行される。電荷移動動作は、シャント回路62を使用する場合よりも迅速かつ効率的に、他のセル12とのバランスを著しく欠いた1つ以上の充電式バッテリセル12の充電状態をバランスさせるように動作する。さらに、以下に述べる幾つかの実施形態のように、キャパシタモジュール48は、他の充電式バッテリモジュール40の他のキャパシタモジュール48に関して、電気エネルギーを伝送することもできる。
上述した一実施形態では、シャント回路62の温度が閾値を超えたときに、分流動作が一時停止される。しかし、温度条件の範囲外の1つ以上のセルについて分流動作が不能な場合であっても、電荷移動動作は継続して実行される(例えば、最高充電状態と最低充電状態のセル12の間での電荷移動動作)。より具体的な一実施形態では、そのシャント回路62が動作不能に陥ったセル12に関して、電荷移動動作を実行することができる。
したがって、一実施形態では、モジュールコントローラが、移動回路64を制御して、該移動回路64を、異なる時間的瞬間に、キャパシタバス42を介して、適切な充電式バッテリセル12に結合させる。移動回路64に結合された充電式バッテリセル12は、キャパシタモジュール48との間で電気エネルギーを伝送する。
図7は、1つの充電式バッテリモジュール40のキャパシタモジュール48の例示的な実施形態を示している。より多い構成要素、より少ない構成要素、及び/又は代替的な構成要素を含む別実施形態も可能である。
キャパシタモジュール48は、モジュールコントローラ120を備えている。モジュールコントローラ120は、上述した例示的な実施形態における制御回路20の一部を構成している。キャパシタモジュール48は、システムコントローラ21と同じように、各充電式バッテリモジュール40の充電式セルモジュール41に接続されたバッテリハブとして機能する。加えて、キャパシタモジュール48は、各モジュール40の充電式バッテリセル12の電圧をモニタリングすると同時に、以下に述べる電荷移動動作を実行するために各モジュール40の蓄積回路90の電荷蓄積を制御する。キャパシタモジュール48は、スイッチの直並列接続、温度制御、及びスイッチを制御するためのデータ信号を提供し、各充電式バッテリモジュール40の温度をモニタリングし、システムコントローラ21との通信を行うために使用される。充電式バッテリモジュール40のキャパシタモジュール48は、複数の充電式バッテリモジュール40を結合する(例えば図8に示す大規模バランス動作を実行する)ために使用することができる。
モジュールコントローラ120は、充電式バッテリモジュール40の充電式セルモジュール41とキャパシタモジュール48の動作をモニタリング及び制御することを含む、充電式バッテリモジュール40の様々な動作をモニタリング及び制御するように構成されている。例えば、図示実施形態では、モジュールコントローラ120は、キャパシタモジュール48内の移動回路64の抵抗値を制御する。モジュールコントローラ120によるこの制御は、各充電式セルモジュール41の移動回路64を制御する(例えばスイッチ80を切り替えて適切な充電式バッテリセル12とキャパシタバス42を選択的に接続する)場合と同様である。加えて、モジュールコントローラ120は、セル12の充電状態に基づいて、シャント回路62の分流動作を制御する(例えばスイッチ70を切り替えて複数の充電式バッテリセル12の各々の回りに充電電気エネルギーを選択的に分流する)。
モジュールコントローラ120は、各温度センサ66を介して充電式バッテリセル12の温度をモニタリングするとともに、各温度センサ76を介してシャント回路62の温度をモニタリングする。またモジュールコントローラ120は、以下にさらに説明するように、充電式バッテリセル12の電圧(及び充電状態)をモニタリングする。
上述したように、一実施形態では、モジュールコントローラ120が、システムコントローラ21と通信可能に構成されている。システムコントローラ21は、モジュールコントローラ120との通信を介して、各充電式バッテリモジュール40の充電式バッテリセル12の充電状態をモニタリングし、モジュールコントローラ120の動作を制御するための制御信号を出力する(例えば大規模バランス動作)。
モジュールコントローラ120は、該モジュールコントローラ120による動作を実行するためのプログラムを記憶した適切なメモリ122を備えている。一実施形態では、メモリ122は、製品毎の値の誤差に起因する電圧モニタリングの調整を工場で行うための調整情報を含むことができる。
一実施形態では、キャパシタモジュール48が、複数の蓄積素子92(例えばキャパシタ)を含む蓄積回路90の態様で、電荷移動回路64の一部分を含んでいる。蓄積素子92は、キャパシタバス42を介して充電式セルモジュール41の1つから受け取った電気エネルギーを蓄積し、その電気エネルギーを、キャパシタバス42を介して別の充電式セルモジュール41に供給して電荷移動動作を実行するように構成されている。
モジュールコントローラ120は、キャパシタモジュール48の各種動作を制御するために、スイッチ制御部100に接続されている。モジュールコントローラ120は、スイッチ94と99を制御することで、キャパシタモジュール48を、充電式バッテリモジュール41の異なるキャパシタバス42に接続する。モジュールコントローラ120は、各充電式セルモジュール41のスイッチ80とC端子を介した充電式バッテリセル12とキャパシタバス42の接続の極性に基づいて、スイッチ95と98を制御することにより、充電式バッテリセル12とキャパシタバス42の接続の極性を制御する。スイッチ97は、蓄積回路90をモジュール40のキャパシタバス42から分離するために制御され、これにより、電圧モニタリング回路102を用いたセル12の電圧のモニタリングが可能になる。
一実施形態では、キャパシタモジュール48が、充電式バッテリモジュール40のプラス端子に接続されている。モジュールコントローラ120は、適切な分離回路124(例えば、光、トランス結合、ガルバニック絶縁)を介して、スイッチ110を選択的に制御することで、コネクタ112を介してプラス端子50を蓄積回路90に選択的に接続する。例えば、電荷移動動作中に、図3中の右端の充電式バッテリモジュール41との間で電気エネルギーのやりとりが可能になる。
一実施形態では、キャパシタモジュール48が電圧増幅回路を含んでいる。この電圧増幅回路は、電気エネルギーの電圧を増加させ且つこの電圧が増加した電気エネルギーを他のモジュール41に伝送するために、複数のセル12の1つから第1の電圧の電気エネルギーを受け取る。
より具体的に、蓄積素子92とキャパシタバス42を並列接続または直列接続するために、クロスオーバースイッチ96が使用される。電荷移動動作の間、並列接続または直列接続の制御が電圧増幅回路(電圧ダブラー)を提供する。例えば、2つの充電式バッテリセル12が異なる充電状態であったとしても(例えば両方のセル12が中間充電状態144の異なる充電状態であったとしても)、これら2つの充電式バッテリセル12は似たような電圧を有している。より高い充電状態を持つ充電式バッテリセル12からより低い充電状態を持つ充電式バッテリセル12への電気エネルギーの流れを制御するために、電荷移動回路64が電圧倍増機能を実装するように構成されている。この構成により、以下に詳細に説明するように、同じような電圧を持つセル12の間で比較的高い電流の流れが可能になる。
一実施形態では、より高い充電状態の充電式バッテリセル12の1つからの電気エネルギーが受け取られたときに、モジュールコントローラ120が、クロスオーバースイッチ96を制御して、蓄積素子92を互いに並列接続する。さらに、蓄積された電気エネルギーの電圧を増加して、キャパシタバス42に接続されたより低い充電状態の充電式バッテリセル12の1つに電気エネルギーを流すために、蓄積素子92が互いに直列接続される。蓄積回路90は、該蓄積回路90に流れ込む電流の流れ及び該蓄積回路90から流れ出る電流の流れを制限するために、抵抗負荷91に接続されている。
ここで例示的に説明した構成は、電圧増幅回路を備えない構成と比較して、より高い充電状態のセル12からより低い充電状態のセル12への電荷移動動作の間、より増加した電流の流れを提供することができる。より具体的に、セル12の間の電圧差が減少するのに従って、セル12の間を流れる電流が減少する。しかし、開示した一実施形態の電圧増幅回路は、上述した電圧増幅を使用しない構成と比較して、(たとえ増幅を行うことなく複数のセル12が実質的に同じ電圧を有していたとしても、)セル12の間の電圧差を増加させ、セル12の間の電荷移動動作における電流の流れを増加させる。
一実施形態では、キャパシタモジュール48が、電圧モニタリング回路102を介して、充電式バッテリセル12の電圧モニタリング動作を実行するように構成されている。モジュールコントローラ120は、充電式バッテリセル12の電圧モニタリングの結果を使用した充電状態情報を決定する。
例示的な実施形態では、モジュールコントローラ120が、スイッチ108を制御することにより、キャパシタ104をキャパシタバス42に選択的に並列接続し、キャパシタバス42に接続されたモジュール41のセル12の電圧をモニタリングする。モジュールコントローラ120は、セル12の充電状態を判定するために、キャパシタ104とインタフェース回路106を介して、異なる時間的瞬間に、キャパシタバス42に接続された各充電式バッテリセル12の電圧をモニタリングする。蓄積回路90のスイッチとスイッチ97は、電圧モニタリング動作が行われている間、蓄積素子92とキャパシタバス42の接続を解除するために開放される。電圧モニタリング回路102は、セル12とキャパシタバス42の接続が解除された状態で、蓄積素子92の電圧をモニタリングするために使用される。
セル12の充電状態を算出するためには任意の適切な方法を用いることができる。一実施形態では、充電式バッテリセル12の充電状態を判定するために、電流センサ31からの情報及び充電式バッテリセル12の電圧を用いることができる。システムコントローラ21またはモジュールコントローラ120は、セル12の充電状態を算出することができる。一例を挙げると、制御回路20は、センサ31(図2)からの電流情報を用いたクーロンカウンティング(Coulomb counting)を採用することができる。さらに、モニタリングしたセル12の温度情報を使用することにより、バッテリシステム10の温度の影響を打ち消して、充電状態の判定の一助とすることができる。他の実施形態では、セル12の充電状態を算出するために、セル12からの消費パワーをモニタリングするといった他の適切な方法を使用することができる。
一実施形態では、セル12の電圧モニタリングの間、シャント回路62の動作が考慮に入れられる。例えば、分流が行われていないセル12だけが最も充電状態が低いセル12であると考えられ、その他のセル12は充電状態が高いセル12であると考えられる。
図8には、電荷移動を用いた充電式バッテリセルのバランス方法の1つが示されている。同図では例示的に、充電式バッテリセル12のパックの2つの充電式バッテリモジュール40を描き、この2つのモジュール40がそれぞれ、4つの充電式バッテリセルA1〜A4とB1〜B4を含んでいる。一実施形態では、システムコントローラ21が、上述したバランス動作を実行するために、充電式バッテリモジュール40の各モジュールコントローラ120からの情報を使用した適切なプログラムを実行する。他の実施形態では、追加のモジュール40をバランスさせる方法も可能である。
図8の例では、バランス動作は上から下に向かって進んでおり、一番上の図は、バランス動作が開始されたときの充電状態を描いていている。真ん中の図は、モジュール40の充電式バッテリセルを他のバッテリセルとバランスさせるために実行される第1のバランス動作を描いている。以下に述べるように、第1のバランス動作の結果、モジュール40中の充電式バッテリセルの1つが、同じモジュール40中の他のセルとのバランスを欠いている。従って、電荷移動回路64が、複数のモジュール40の充電状態を互いにバランスさせるために第2の充電動作を実行する。
電荷移動回路64は、充電式バッテリモジュール40のそれぞれに対して、第1の充電バランス動作を実行する。この第1の充電バランス動作は、1つの充電式バッテリモジュール40の充電式バッテリセルの充電状態のバランスを、第1の充電バランス動作を行っていない他の各充電式バッテリモジュール40の充電式バッテリセルの充電状態のバランスよりも向上させる。また充電バランス回路64は、第2の充電バランス動作を実行する。この第2の充電バランス動作は、充電式バッテリモジュール40の相互間の充電バランスを、第2の充電バランス動作を行っていない充電式バッテリモジュール40の充電状態のバランスよりも向上させる。
図示した方法では、両方の充電式バッテリモジュール40の全てのセルの充電状態に基づいて、充電状態の全体平均(global average)130が決定される。加えて、各モジュール40のセルの充電状態の局所平均(local average)132も示されている。左側のモジュール40の局所平均132は、全体平均130よりも低くなっており、右側のモジュール40の局所平均132は、全体平均130よりも高くなっている。
図8の真ん中の図の例では、第1のバランス動作によって、各充電式バッテリモジュール40の全てのセルのうちの1つを除いて、その充電状態がバランスしている。もし、モジュール40の局所平均132が全体平均130よりも低いときには、モジュール40が、他のモジュール40のパックから電気エネルギーを受け取り、1つのセル(A1)を充電不足状態として、他のセル(A2〜A4)の充電状態を実質的にバランスさせる。もし、モジュール40の局所平均132が全体平均130よりも高いときには、モジュール40が、余剰な電気エネルギーを他のモジュール40に伝送し、1つのセル(B1)を過充電状態として、他のセル(B2〜B4)の充電状態を実質的にバランスさせる。上述した両方のモジュール40においてセルの充電状態をバランスさせるための第1の充電バランス動作は、第2の充電バランス動作に先んじて同時に実行するのがよい。
図8の真ん中の図をさらに詳細に参照する。元々最大の充電状態であったセルA3からの電気エネルギーが他のセルA1〜A2及びA4に回され、セルA2〜A4の充電状態が全体平均130となっている。セルB1及びB4から他のセルB2及びB3に電気エネルギーが回され、セルB2〜B4の充電状態が全体平均130となっている。この電気エネルギーの移動により、セルA1の充電状態が全体平均よりも下回っており、セルB1の充電状態が全体平均よりも上回っている。
図8の一番下の図の例では、第2のバランス動作の間に、モジュールB1からモジュールA1に電気エネルギーが回され、セルA1の充電状態が増加し、セルB1の充電状態が減少する。その結果、両方のモジュール40の全てのセルの充電状態が全体平均130となって実質的にバランスする。一実施形態では、セルA1〜A4及びセルB1〜B4を含む適切なモジュール40のキャパシタモジュール48が、セルB1からセルA1に電気エネルギーを伝送する。
一実施形態では、システムコントローラ21(図2)が、図8に例示して説明したような方法を実行するように構成されている。システムコントローラ21は、各モジュールコントローラ120からの複数のモジュール40のセルの充電状態に関する情報にアクセスし、全体的な充電状態と局所的な充電状態を算出し、モジュールコントローラ120に所望のバランス動作を実行するための命令(例えば一実施形態では全体的な充電状態と局所的な充電状態を示す情報を使用する)を発する。さらに、システムコントローラ21は、負荷14のような外部システムとの間でステータス情報の通信を行う。
ここで、幾つかのタイプの充電式バッテリセル12を過充電すること、及び/又は、充電式バッテリセル12が完全に消耗することを防止するのが望ましい。例えば、リチウムセルを使用する場合、過充電または完全な消耗はセル12を損傷させる。
一実施形態では、充電回路16(図1及び図2)が、制御回路20によって制御されるプログラム可能な電源を使用している。幾つかの実施形態では、セル12の充電状態が増加するに従って、そのセル12への充電回路16からの充電電気エネルギーの量が減少する。制御回路20は、上述した1つ以上の閾値との関係で充電式バッテリセル12の電圧をモニタリングし、セル12の電圧が完全充電状態に近づいていることを示す閾値を超えると、充電回路16からの電流量を減少させる。一実施形態では、シャント回路62を使用して安全に分流できるレベルまで電流量を低下させる。電圧または電流が制御された充電器を含む異なる構成の充電回路16も可能である。
幾つかの実施形態では、制御回路20が充電回路16をモニタリングする。例えば、制御回路20は、充電動作中の温度をモニタリングし、充電回路16が適切な動作を行なえるように制御する。一例では、もし温度が初期閾値を超えたときには、充電回路16の温度を下げるために、ファン又は冷却システムが制御される。もし、充電回路16の温度がより高い閾値に到達したときには、制御回路20が、動作温度が通常の動作レベルに戻るまで充電不能状態にするといった異なる動作を実行することができる。
電荷移動回路64は、電荷移動動作を用いていない構成と比較して、充電式バッテリセル12のパックの放電動作の間において充電式バッテリセル12からより多くの電気エネルギーを抽出するために使用される。上述したように、幾つかのタイプの充電式バッテリセル12(例えばリチウムセル)はこれが完全に消耗するのを防止することが望ましい。さらにセル12は充電能力が異なる幾つかの構成を持つ。放電動作の間、充電能力が低いセル12は、他の充電能力が高いセル12よりも前に、セル12の損傷を防止するために設定された最低充電状態の閾値に到達する。一実施形態では、電荷移動回路64が、セル12が最低充電状態の閾値に到達する前に、最も高い充電状態の充電式バッテリセル12から最も低い充電状態の充電式バッテリセル12に対して電気エネルギーを移動させるために使用される。これにより、追加の電気エネルギーを充電式バッテリセル12のパックから放電させることができ、充電式バッテリセル12のパック内における電気エネルギーの消費効率を向上させることができる。
セル12の幾つかの構成(例えばリチウムを含むセル)では、セル12が一旦放電状態142になると、セル12の電圧が急速に低下する。最低充電状態のセル12への電気エネルギーの移動により、バッテリシステム10が、そのセル12を比較的平坦な中間充電状態144に保ち、長期間に亘ってより高い合計のパック電圧を維持することができる。全てのセル12が最低充電状態の閾値を超えて電荷移動が維持できなくなるまで、放電動作が継続され、これにより、1つ以上のセル12の損傷を防止した放電動作が可能になる。
開示した少なくとも幾つかの実施形態は、他のバッテリシステムの構成と比較して改善した有用性を提供している。例えば、幾つかの実施形態においてシステムコントローラや複数のモジュールコントローラといった異なるレベルの制御回路を含む階層を使用することで、例えば、1つのモジュールコントローラ120が複数の充電式セルモジュール41を制御することによるコスト削減効果を得ることができる。幾つかの実施形態では、比較的多数の充電式セルモジュール41(例えば16又は32)が、単一の充電式バッテリモジュール40内に含まれており、単一のモジュールコントローラ120と通信している。充電式バッテリセル40のセル毎のコストは、モジュール40内に含まれる充電式セルモジュール41の数で割ることで算出することができる。
開示した幾つかの構成は、複数の充電式バッテリセルの充電状態のバランスを向上させるための充電バランス回路及び/又は充電バランス方法を含んでいる。例えば、幾つかの実施形態で述べたように、バッテリシステムは、分流動作及び/又は電荷移動動作を使用することにより、バッテリシステムの異なる動作状況において、複数の充電式バッテリセルの充電状態のバランスを向上させている。一例では、他のセルと比較して充電バランスを著しく欠いた1つの充電式バッテリセルに対する電気エネルギーの移動は、分流といった単一のバランス手順のみを使用する構成と比較して、セルをバランスさせるために要する時間を減少させる。
上述したように、分流は、充電動作の間に、主要なセルの間で比較的厳密なバランスをとるために使用される。開示した幾つかの実施形態では、複数の充電式バッテリセル(リチウムセル)が複数の動作状態にあるときに、分流バランス動作を実行している。例えば、セルが実質的な放電状態、中間充電状態または実質的な満充電状態にあるときに、分流が実行される。この例示したバランス方法によれば、セルが殆ど完全に充電された場合において充電サイクルの最後に分流を実行するような構成と比較して、充電プロセスの間に複数のセルの充電状態を互いに近付けることができる。
上述した幾つかの実施形態は、多くの異なる用途において装置又は方法での構成を許容するモジュール式で実装されており、異なるパワー仕様を持つ多くの異なるタイプの負荷に対して動作エネルギーを供給することができる。これらのバッテリシステムは、異なる用途にも簡単に転用することができる。さらに、1つ以上のモジュールコントローラは、複数の充電式バッテリセルのそれぞれの動作をモニタリング及び制御することができる。幾つかの実装態様では、高レベルシステム制御部が、モジュールコントローラのそれぞれの動作をモニタリング及び制御することができる。
法律にしたがい、本発明を、構造的特徴および方法的特徴に関して多かれ少なかれ特定の言語で説明してきた。しかしながら、本明細書に開示される手段が本発明に効果をもたらす好ましい形態を備えているため、本発明が図示して説明した特別な特徴に限定されないことは言うまでもない。したがって、本発明は、均等論にしたがって適切に解釈される添付の請求項の適切な範囲内において、その任意の形態で或いは変形例で主張される。
また、本明細書中の態様は、開示内容の例示的実施形態の構成及び/又は動作における指針として示してきた。本出願人は、これらの記載された例示的実施形態をはっきりと開示された発明態様に加えて更なる発明態様を含み、開示し、説明するものと考えている。例えば、更なる発明態様は、例示的実施形態に記載される特徴よりも少ない、多い及び/又は他の特徴を含んでいてもよい。より具体的な例において、本出願人は、はっきりと開示された方法ステップよりも少ない、多い及び/又は他のステップを含む方法並びにはっきりと開示された構造よりも少ない、多い及び/又は他の構造を含む装置を含み、開示し、説明するものと開示内容を考えている。
Claims (23)
- 複数の端子間に接続された複数の充電式バッテリセルと、
前記複数の充電式バッテリセルを実質的な放電状態から実質的な満充電状態に移行させて該複数の充電式バッテリセルを充電する間に、各充電式バッテリセルの回りに充電電気エネルギーを分流するシャント回路と、
を備えることを特徴とする充電式バッテリシステム。 - 請求項1記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記シャント回路は、前記充電電気エネルギーを分流することで、充電電気エネルギーを分流していないときの前記複数の充電式バッテリセルの充電状態と比較して、各充電式バッテリセル相互間の充電バランスを増加させる充電式バッテリシステム。 - 請求項1記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記シャント回路は、前記複数の充電式バッテリセルを実質的な放電状態から実質的な満充電状態に移行させて該複数の充電式バッテリセルを完全に充電する間に、各充電式バッテリセルの回りに充電電気エネルギーを分流する充電式バッテリシステム。 - 請求項1記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記複数の充電式バッテリセルはそれぞれ、個々の充電式バッテリセルの異なる充電状態に対応する複数の異なる作動状態を含んでおり、
前記シャント回路は、前記複数の充電式バッテリセルが全ての異なる作動状態にある間に、前記充電電気エネルギーを分流する充電式バッテリシステム。 - 請求項4記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記異なる作動状態は、実質的な放電状態、中間充電状態及び実質的な満充電状態を含む充電式バッテリシステム。 - 請求項1記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記シャント回路は、前記複数の充電式バッテリセルのそれぞれに対応する複数のシャント素子を備えている充電式バッテリシステム。 - 請求項6記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記シャント回路は、前記複数のシャント素子の1つによる分流を禁止する結果、この1つのシャント素子の温度が閾値を超える充電式バッテリシステム。 - 請求項1記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記複数の充電式バッテリセルはリチウムを含む充電式バッテリシステム。 - 請求項1記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記複数の充電式バッテリセルを実質的な放電状態から実質的な満充電状態に移行させて該複数の充電式バッテリセルを完全に充電する間に、前記複数の充電式バッテリセルの充電状態をモニタリングする制御回路をさらに備え、
前記シャント回路は、前記制御回路によるモニタリングの結果として、前記複数の充電式バッテリセルを実質的な放電状態から実質的な満充電状態に移行させて該複数の充電式バッテリセルを完全に充電する間に、前記充電電気エネルギーを分流する充電式バッテリシステム。 - 請求項1記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記シャント回路は、共通の瞬間に、前記複数の充電式バッテリセルの異なる相互間において、異なる分流量で前記充電電気エネルギーを分流する充電式バッテリシステム。 - 請求項10記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記シャント回路は、前記複数の充電式バッテリセルのそれぞれに対応する複数のシャント素子を備え、
前記複数のシャント素子に対して異なるデューティサイクルを持つ複数のパルス幅変調制御信号を送信することにより、前記異なる分流量を設定する制御回路をさらに備える充電式バッテリシステム。 - 請求項10記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記シャント回路は、前記複数の充電式バッテリセルの1つに対して最大の分流量を設定する結果、この1つの充電式バッテリセルの充電状態が閾値を超え、その間、その他の充電式バッテリセルの分流量を前記最大の分流量よりも低いレベルに設定する充電式バッテリシステム。 - 請求項10記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記シャント回路は、前記複数の充電式バッテリセルの1つに対して、他の充電式バッテリセルと比較して充電電気エネルギーの分流量を増加させる結果、前記1つの充電式バッテリセルが他の充電式バッテリセルの充電状態よりも良好になる充電式バッテリシステム。 - 請求項1記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記シャント回路は、前記複数の充電式バッテリセルを実質的な放電状態から実質的な満充電状態に移行させて該複数の充電式バッテリセルを充電する間に、異なる時間的瞬間で且つ異なる充電式バッテリセルの回りに充電電気エネルギーを分流する充電式バッテリシステム。 - 請求項1記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記シャント回路は、異なる時間的瞬間で且つ異なる充電式バッテリセルの回りに充電電気エネルギーを分流する充電式バッテリシステム。 - 請求項1記載の充電式バッテリシステムにおいて、
前記シャント回路は、前記複数の充電式バッテリセルの1つの回りに充電電気エネルギーを分流する結果、その1つの充電式バッテリセルが他の充電式バッテリセルよりも高い充電状態になる充電式バッテリシステム。 - 充電電気エネルギーを用いて、充電式バッテリシステムの複数の充電式バッテリセルを充電するステップであって、この充電は、実質的な放電状態、中間充電状態及び実質的な満充電状態を含む、前記複数の充電式バッテリセルの異なる作動状態の間に行われるステップと、
実質的な放電状態、中間充電状態及び実質的な満充電状態を含む、前記複数の充電式バッテリセルの異なる作動状態の間に、前記複数の充電式バッテリセルのうちから選択した1つの充電式バッテリセルの回りに充電電気エネルギーを分流するステップと、
を有することを特徴とする充電式バッテリシステムの作動方法。 - 請求項17記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記分流するステップは、前記複数の充電式バッテリセルを実質的な放電状態から実質的な満充電状態に移行させて該複数の充電式バッテリセルを完全に充電する間に実行される充電式バッテリシステムの作動方法。 - 請求項17記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記分流するステップは、充電電気エネルギーを分流していないときと比較して、前記複数の充電式バッテリセルの充電バランスを増加させる充電式バッテリシステムの作動方法。 - 請求項17記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記分流するステップは、前記複数の充電式バッテリセルのそれぞれに対応する複数のシャント素子を用いて実行される充電式バッテリシステムの作動方法。 - 請求項17記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記分流するステップは、共通の瞬間に、前記複数の充電式バッテリセルの異なる相互間において、異なる分流量で前記充電電気エネルギーを分流する充電式バッテリシステムの作動方法。 - 請求項17記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記分流するステップは、前記複数の充電式バッテリセルの1つの回りに充電電気エネルギーを分流する結果、その1つの充電式バッテリセルが他の充電式バッテリセルよりも高い充電状態になる充電式バッテリシステムの作動方法。 - 請求項17記載の充電式バッテリシステムの作動方法において、
前記分流するステップは、異なる時間的瞬間で且つ異なる充電式バッテリセルの回りに充電電気エネルギーを分流する充電式バッテリシステムの作動方法。
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