JP2014522222A - 電気蓄電池を平衡化するための方法およびデバイス - Google Patents

電気蓄電池を平衡化するための方法およびデバイス Download PDF

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Abstract

本発明は、蓄電池を平衡化するための方法およびデバイスに関する。本方法によれば、直列に1つに接続された最大充電状態を示すアキュムレータと、前記アキュムレータを充電するための充電電流とを備える蓄電池であって、前記アキュムレータの電荷を最大充電状態まで増大させるように充電ステップ中に前記アキュムレータを充電する、蓄電池が提供される。前記充電ステップは、順にa)前記蓄電池の前記アキュムレータのうちの1つが前記最大充電状態に達するまで、前記充電値の前記充電電流を用いて、前記アキュムレータを連続して給電するサブステップと、b)前記アキュムレータのうちの前記1つを対応する放電レジスタの端子に結合すると同時に、前記充電電流を低下させるサブステップと、c)サブステップa)に戻るサブステップとを含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、電気蓄電池を平衡化するための方法およびデバイスに関する。
想定された適用分野は、限定はしないが、特に、リチウムイオン電池の電荷の管理である。このタイプのバッテリーは、公称電圧を提供するように意図された再充電可能な電気化学システムを含む複数の電気的アキュムレータまたはセルを有する。
これらのアキュムレータの充電または放電は、それぞれ、アキュムレータの端子間の電圧の増大または減少につながる。アキュムレータは、システムの電気化学平衡によって規定された電圧レベルに達したとき、充電状態、またはそうでなければ放電状態になる。直列の複数のアキュムレータを含んでいる回路では、まったく同一の電流値がすべてのアキュムレータ中を流れる。したがって、アキュムレータの充電レベルまたは放電レベルは、前記アキュムレータの固有特性に、すなわち、電気化学システムの電解液のおよび/または電極の真性容量および寄生内部抵抗に依存する。したがって、製造およびエージングにおける差異に起因して、アキュムレータ間の電圧差が現れることがある。
さらに、まったく同一の電気化学システムのアキュムレータは、蓄電池を充電するときには超えないことが望ましい(アキュムレータに損傷を与える危険性がある)所与の最大充電状態を示す。
ここで、上記に鑑みると、蓄電池を充電するとき、すべてのアキュムレータが、同時に所与の最大電荷に達するわけではない。したがって、所与の最大電荷に達したときに蓄電池のアキュムレータの各々についての充電が停止されるように、蓄電池のアキュムレータの各々について個別に充電を行い、その結果として、アキュムレータの電荷を平衡化することが必要である。
現時点では、放電の問題は深刻であることに留意されたい。また、まったく同一のバッテリーのすべてのアキュムレータが、同時にそれらの最低充電レベルに達するわけではない。
まったく同一のバッテリーの各アキュムレータのための充電器を含むデバイスを開示する米国特許第6377024号を特に参照することができる。
この特許文献に記載されたデバイスは、アキュムレータの各々の個別の充電を開始し、次いで充電を停止するために、アキュムレータの各々の最大充電しきい値および最低充電しきい値を考慮に入れる。
このデバイスの欠点はコストであり、それは、当該バッテリーのためのアキュムレータと同じ個数の充電器を使用する必要があるからである。
したがって、発生し、本発明が解決することを目的とする課題は、安価な平衡化方法および平衡化デバイスを提供することである。
この目的で、第1の主題による本発明は、電気蓄電池を平衡化するための方法であって、当該方法が、第1に、直列に1つに接続された最大充電状態を示すアキュムレータを備える電気蓄電池を提供し、第2に、前記アキュムレータを充電するための充電値を示す充電電流を提供するタイプのものであり、前記アキュムレータの電荷をそれらの最大充電状態まで増大させるように充電ステップ中に前記アキュムレータを充電する、電気蓄電池を平衡化するための方法を提案する。本発明によれば、前記充電ステップは、順に、a)前記電気蓄電池の前記アキュムレータのうちの1つが前記最大充電状態に達するまで、前記充電値の前記充電電流を用いて、前記アキュムレータを連続して給電するサブステップと、b)結合期間中、前記アキュムレータのうちの前記1つを放電するように前記アキュムレータのうちの前記1つを対応する放電エレメントの端子に結合すると同時に、前記充電電流を低下させるサブステップと、c)前記結合期間によりも短い、またはそれに等しい時間期間の後に、プロセスをサブステップa)に戻すサブステップとを含む。
したがって、本発明の特徴は、残りの説明において後述するように、単一の充電デバイスを用いてすべての直列に接続されたアキュムレータを給電すること、および、所定の結合期間にわたって、最初に最大電荷状態に達したアキュムレータを放電エレメントに並列に配置することである。放電エレメントは、有利には、レジスタである。とはいえ、エネルギーを散逸させることだけでなく、最大電荷状態にいまだに達していない他のアキュムレータにエネルギーを伝えることを可能にするデバイスで構成することができる。
このようにすると、結合期間中、このアキュムレータの電荷を低下させ、次いで、この結合期間の後に、前記電気蓄電池のすべてのアキュムレータは、アキュムレータが再び最大電荷状態に達するまで再び充電される。このようにすると、サイクル自体が繰り返すので、蓄電池のすべてのアキュムレータが最大電荷状態に向かって収束する。さらに、それらのそれぞれの電荷状態は、前記結合期間の間、最大電荷状態と平衡化されたアキュミュレータが再び降下し得る電荷状態との間で変動する。したがって、すべてのアキュムレータが、単一の充電デバイスのみを用いて連続して充電および平衡化され、それにより、費用が非常に抑えられる。
本発明の詳細には有利な実装モードでは、サブステップb)において、放電エレメントまたは対応するレジスタにバランシング電流を通し、前記バランシング電流よりも低い、またはそれと等しい値まで前記充電電流を低下させる。このようにすると、他のアキュムレータの充電は全体を通して中断されない。充電電流がバランシング電流に等しい値であるときには、「プロポーショナルモード」で駆動され、追加の駆動エレメントが必要となる。有利には、前記充電電流をnil値まで低下させ、また、蓄電池の充電速度を実質的に低減するが、その一方でアセンブリが単純になる「オールオアナッシングモード」で駆動が実装される。
本発明の特に有利な実装モードでは、前記最大電荷状態よりも低い高電荷状態を規定し、さらに、サブステップb)において、充電状態が前記高充電状態と前記最大充電状態との間であるアキュムレータを放電するように、対応する放電エレメントにそれらを結合する。この高電荷状態は、最大電荷状態よりも低いが、最大電荷状態に極めて近い。このようにすると、ほぼ充電済みのアキュムレータの電荷だけでなく、電荷状態が前記最大電荷状態に近いアキュムレータの電荷も同時に低下させる。このようにすると、後続のサイクルが長くなり、その結果、複数サイクルにわたって、電気蓄電池のアキュムレータの充電速度が高速になる。
さらに、好ましくは、サブステップc)において、少なくとも1つのアキュムレータが前記高充電状態よりも低い充電状態を示した場合に、また、そのような場合にのみ、プロセスをサブステップa)に戻す。このようにすると、すべてのアキュムレータが最大電荷状態と高電荷状態との間の電荷状態を示すときに、電気蓄電池のアキュムレータの充電を中断することができる。したがって、アキュムレータの給電および平衡化がもはや必要ではないときには、その給電および平衡化が中断される。
別の主題によれば、本発明は、電気蓄電池を充電するように意図された平衡化デバイスであって、前記電気蓄電池が、直列に1つに接続された最大充電状態を示すアキュムレータを備え、前記平衡化デバイスが、充電値を示す充電電流を提供するための充電手段を備え、前記充電電流が、前記アキュムレータの電荷をそれらの最大充電状態まで増大させるように充電ステップ中に前記アキュムレータを充電するように意図される、平衡化デバイスを提案する。本発明によれば、本平衡化デバイスは、制御手段および監視手段であって、前記監視手段がその最大充電状態で前記電気蓄電池の前記アキュムレータのうちの1つを監視するまで、前記制御手段および前記監視手段が前記アキュムレータに前記充電値の前記充電電流を用いて連続して給電するように、前記充電手段を制御するための制御手段および監視手段と、結合期間中、前記アキュムレータのうちの前記1つを放電するように前記アキュムレータのうちの前記1つを対応する放電エレメントの前記端子に結合すると同時に、前記制御手段が前記充電電流を同時に低下させるように、前記制御手段によって制御することが可能な結合手段とを備え、前記制御手段は、前記結合期間によりも短い、またはそれに等しい時間期間の後に、前記充電値の前記充電電流を用いた前記アキュムレータの給電を制御することが可能である。残りの説明において、本発明による平衡化デバイスの動作モードについてより詳細に説明する。
その上、前記結合手段は、前記アキュムレータの各々について、対応するスイッチと放電エレメントとを備え、前記スイッチは、前記制御手段に連結されている。好ましくは、対応する放電エレメントはレジスタである。
有利には、前記監視手段は、前記アキュムレータの各々について、前記制御手段に連結された第1の監視手段を備える。したがって、第1の監視手段は、アキュムレータの電荷状態を制御手段に通信し、アキュムレータのうちの1つが最大電荷状態に達するとすぐに、制御手段は、対応する放電エレメントまたはたとえばレジスタをアキュムレータの前記1つの端子に接続するようにスイッチを制御する。
本発明の特に有利な実装モードでは、前記監視手段は、前記アキュムレータの各々について、前記最大充電状態よりも低い高電荷状態を監視することが可能な第2の監視手段をさらに備える。第1および第2の監視手段に起因して、前記電気蓄電池のアキュムレータは、それらの最大電荷状態に向かってより迅速に収束するようになる。
好ましくは、各監視手段は、電圧コンパレータで構成される。これらの電圧コンパレータにより、正確な値の電流を提供することが可能になるアナログデジタル変換器よりもはるかに費用がかからないという利点が提供される。
添付の図面を参照して、例示的であるが非限定的ではない様式で与えられた本発明の特定の実装モードの以下の説明を読むと、本発明の他の特性および利点が分かるであろう。
第1の変形実施形態における、本発明による平衡化デバイスの第1の基本ユニットのブロック図である。 第1の変形実施形態の平衡化デバイスの動作モードを示すグラフである。 第2の変形実施形態における、本発明による平衡化デバイスの第2の基本ユニットのブロック図である。 第2の変形実施形態の平衡化デバイスの動作モードを示すグラフである。
図1に、部分的に図示された第1の変形実施形態における、2つの端子A、B間に直列に組み付けられたn個のアキュムレータ12またはセルからなるバッテリー10と、平衡化デバイス14とを示す。たとえば、アキュムレータ12は、リチウムイオンタイプのものである。アキュムレータ12は各々、たとえば、リン酸鉄ベースで公称電圧が3.3Vであるリチウムイオン電気化学システムの場合には3.6Vに対応する最大充電状態を示す。さらに、アキュムレータの充電または放電は、それぞれ、公称電圧のあたりのこのアキュムレータの端子間の高電圧および低電圧に対応することに留意されたい。結果として、その端子間の電圧を監視することによって、アキュムレータの充電状態、またはそうでなければ、放電状態を測定することが可能である。その上、リン酸鉄ベースのリチウムイオン型アキュムレータに関する場合、過充電は、電解液の分解につながり、それにより、アキュムレータの寿命が短くなり、アキュムレータに損傷を与えることがある。反対に、たとえば、アキュムレータを2Vよりも低い電圧にする過放電は、主に、負電極のカレントコレクタが銅でできているときにはそのコレクタの酸化につながり、その結果、アキュムレータの劣化につながる。結果として、他よりも先に自身の最大充電状態に達したアキュムレータが劣化することを防止するために、バッテリー10のアキュムレータ12が充電期であるときにそのアキュムレータ12を平衡化することが必要である。また、残りの説明において後述するように、アキュムレータが最低充電状態を下回って放電することを防止することが有利であることがある。
図1は、i番目のアキュムレータ12と並列に組み付けられた基本平衡化ユニット16を示す。この基本平衡化ユニット16は、基本的には、第1のモニタまたはコンパレータ18と、対応する放電エレメントとしてのレジスタ20とを備え、これらは両方ともアキュムレータ12の端子に結合されている。レジスタ20は、制御可能スイッチ24によって閉じることが可能な平衡化回路22の一部であり、これらのスイッチ24は、結合手段を構成している。
また、図1は、第1に、制御可能スイッチ24および第1のコンパレータ18に連結された制御エレメント26と、第2に、バッテリー10の2つの端子A、Bに接続された充電器28とを示しており、前記充電器自体も制御エレメント26に連結されている。制御エレメント26は、たとえば、マイクロコントローラを備える。第1のコンパレータ18は、最大充電状態、たとえば3.6Vに達したときに高しきい値信号を送信するように意図された第1の接続30と、最大放電状態、たとえば2Vに達したときに低しきい値信号を送信するように意図された第2の接続32の両方によって、制御エレメント26に連結される。
バッテリー10のアキュムレータ12の各々は、並列に組み付けられた基本平衡化ユニット16を装備しており、平衡化デバイス14は、単一の充電器28と、すべての基本平衡化ユニット16が連結された単一の制御エレメント26とを有する。
平衡化デバイスの動作モードは、個々の充電状態が異なる直列のバッテリー10のすべてのアキュムレータ12を、単一の充電器28を用いて充電することを目的としており、アキュムレータ12のうちのいずれも最大充電状態を超えない。
この第1の変形実施形態における本発明による平衡化する方法について以下に記載する。
しかるに、第1のステップにおいて、制御エレメント26は、所与の充電値の充電電流を用いてアキュムレータ12のバッテリー10を給電するように充電器28を制御する。したがって、すべてのアキュムレータ12が同一の充電電流を受けるが、それらの自体の充電状態は必ずしも均等であるとは限らず、さらに、それらの電荷容量も均等ではない。したがって、充電中に、必ず、アキュムレータ12のうちの1つが、他よりも先に最大充電状態に達する。このアキュムレータ12がその最大充電状態に達するとすぐに、たとえば図1のi番目の第1のコンパレータ18は、その第1の接続30を経由して、高しきい値信号を制御エレメント26に送信する。この信号を受信すると、マイクロコントローラ26は、スイッチ24を同時に制御する(回路22を閉鎖し充電電流を低下させる)。この結合動作は、所与の結合期間にわたって予めプログラムされている。このステップ中に、アキュムレータ12は、レジスタ20の端子間で、たとえば、最大充電状態の1/10から1/100を放電し、この結合期間中に他のアキュムレータ12がそれらの自体の最大充電状態に達しないように充電電流を低下させる。
「オールオアナッシング」と呼ばれる第1の実装モードでは、充電電流は、この結合期間中にゼロになり、それによって、デバイスのアセンブリが単純になり、上述したすべてにより、特に結合期間が比較的長いときに、別のアキュムレータがその最大充電状態に達することを防止することが可能になる。「プロポーショナル」と呼ばれる第2の実装モードでは、充電電流は、レジスタを通過するバランシング電流の値と等しい値になる。
結合期間が満了するとすぐに、マイクロコントローラ26は、充電器28が前記所与の充電値に戻るように回路22および充電器28の開放を制御する。
したがって、アキュムレータ12は、それらの最大充電状態に近い充電状態になるように連続して充電される。
バッテリーのアキュムレータのうちの4つの充電状態の進行を示す第1のグラフを示した図2を参照されたい。このバッテリーは、充電状態の関数として10個のアキュムレータを備えている。ここで、最大充電状態は、4.2Vである。したがって、アキュムレータ番号9は、本方法を適用し始めたときは、その最大充電状態(4.2V)であることが分かる。アキュムレータ番号10もまた最大充電状態に近いが、アキュムレータ番号2は、4.12Vに対応する充電状態であり、アキュムレータ番号8は、4.06Vである。
したがって、バッテリー充電が始まったときには、アキュムレータ番号9は、最初に最大充電状態に達する。したがって、アキュムレータ番号9は部分的に放電されるが、他のアキュムレータは、プロポーショナルモードでは結合期間中に充電され続け、あるいは、オールオアナッシングモードではこの期間中に充電されないままである。アキュムレータ番号10が2番目に最大充電状態に達する。次いで、アキュムレータ番号10は、結合期間中に部分的に放電される。したがって、それらの最大充電状態にすでに達したアキュムレータ番号9および10は、結合期間中に、それらの最大充電状態とレジスタに結合した後のそれらの充電状態との間に変動するが、他のアキュムレータ番号2および8は、それらの最大充電状態に向かって収束する。アキュムレータ番号2は7回目のサイクルに向かって最大充電状態に達し、番号8は30回目のサイクルに向かって最大充電状態に達する。
したがって、平衡化は、サンプリング周期が結合期間に対応するサンプリングされたシステムのように、充電から充電まで実行される。すべてのアキュムレータがそれらの最大充電状態に達したとき、アキュムレータの充電状態または対応する電圧は、結合期間の間、最大充電状態と平衡化されたアキュミュレータが再び降下した充電状態との間で変動する。
その上、第2の接続32が、最大放電状態、たとえば2Vに達したときに低しきい値信号を送信するように意図されていることに起因して、マイクロコントローラ26は、充電器28を制御する。このようにすると、いずれのアキュムレータも、その充電状態を、アキュムレータに損傷を与えるリスクにつながるようなある特定のしきい値未満まで降下させることはない。
図3に示した本発明の第2の変形実施形態では、再び示された基本平衡化ユニット16は、アキュムレータ12に同じく並列に組み付けられ、マイクロコントローラ26に連結された第2のモニタまたはコンパレータ36をさらに有する。平衡化デバイス全体は、前述の変形実施形態のものと同じであり、すべての基本平衡化ユニット16は、第2のコンパレータ36を有する。この第2のコンパレータ36は、高充電状態、この場合には3.5Vに達したときにしきい値信号を送信するように意図された第3の接続38によって、制御エレメント26に連結される。したがって、高充電状態は、最大充電状態を実質的に下回っている。
次に、この第2の変形実施形態における平衡化デバイスの動作モードについて記載する。
したがって、同じ第1の動作ステップにおいて、制御エレメント26は、所与の充電値の充電電流を用いてアキュムレータ12のバッテリー10を給電するように、充電器28を制御する。1つのアキュムレータ12が、この場合図3ではi番目のアキュムレータ12が、その最大充電状態に達するとすぐに、第1のコンパレータ18は、常に、その第1の接続30を経由して、高しきい値信号を制御エレメント26に送信する。この信号を受信すると、マイクロコントローラ26は、スイッチ24を制御し、かつ、i番目のアキュムレータ12についてだけでなく、第2のコンパレータ36がしきい値クロッシング信号もまた送信することになる電圧、すなわち、充電状態が3.5Vから3.6Vである電圧に対応するすべてのアキュムレータ12についても充電電流の低下を同時に制御する。したがって、また、充電状態が最大充電状態に近いバッテリー10のアキュムレータが部分的に放電される。これにより、第1の変形実施形態については、充電状態が最大充電状態に近いアキュムレータが同時に放電されるので、バッテリー10のアキュムレータ12をより高速に平衡化することができるようになる。
その上、マイクロコントローラ26は、すべてのアキュムレータが3.6V〜3.5Vの電圧に対応する充電状態を示すとすぐに、あるいは、すべてのアキュムレータの充電状態が最大充電状態と高充電状態との間にあるときに、充電サイクルを停止する。この第2のコンパレータ26に起因して、充電が不要になったときには、充電が停止される。
次に、充電状態に応じて10個のアキュムレータを備えたバッテリーのうちの4つのアキュムレータの充電状態の進行を示す第2のグラフを示す図4を参照する。このとき、アキュムレータの充電は、複数のサイクルにわたって比較的線形であること、特に、4動作サイクル後にのみ、考察中のアキュムレータの最大充電状態に達することが分かる。
したがって、第2のコンパレータ36に起因して、明確に定義された停止手段が生成され、それにより、必要でないときに平衡化を行うことによってエネルギーを失わざるを得ないことが回避される。さらに、平衡化はより高速になる。
平衡化を制御するためのアルゴリズムは、より高度であり得る。それにもかかわらず、それは、単一のしきい値または2つのしきい値をもつアキュムレータの電圧の比較に関する同じ原理に依拠する。上記のアルゴリズムは、より一般的には、「バングバング制御」、「ワイドゲイン制御」、またはそうでなければ「スライディングモード制御」と呼ばれる。
上記の平衡化デバイスは、キャパシタのような他の構成要素に適用可能である。

Claims (12)

  1. 電気蓄電池を平衡化する方法であって、第1に直列に1つに接続されたアキュムレータを備える電気蓄電池を、第2に前記アキュムレータを充電するための充電値を示す充電電流を、提供するタイプのものであり、前記アキュムレータが最大充電状態を示し、及び前記アキュムレータの最大充電状態まで電荷を増大させるように充電ステップ中に前記アキュムレータを充電する方法において、前記充電ステップが、順に、
    a)前記電気蓄電池の前記アキュムレータのうちの1つが前記最大充電状態に達するまで、前記充電値の前記充電電流を用いて、前記アキュムレータを連続して給電するサブステップと、
    b)結合期間中、前記アキュムレータのうちの前記1つを放電するように前記アキュムレータのうちの前記1つを対応する放電エレメントの端子に結合すると同時に、前記充電電流を低下させるサブステップと、
    c)前記結合期間によりも短い、またはそれに等しい時間期間の後に、プロセスをサブステップa)に戻すサブステップと
    を備えることを特徴とする、平衡化する方法。
  2. サブステップb)において、前記対応する放電エレメントにバランシング電流を通すことと、前記バランシング電流よりも低い、またはそれと等しい値まで前記充電電流を低下させることとを特徴とする、請求項1に記載の平衡化する方法。
  3. 前記充電電流をnil値まで低下させることを特徴とする、請求項1または2に記載の平衡化する方法。
  4. 前記最大充電状態よりも低い高充電状態を規定することと、さらに、サブステップb)において、充電状態が前記高充電状態と前記最大充電状態との間である前記アキュムレータを放電するように、対応する放電エレメントにそれらを結合することとを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の平衡化する方法。
  5. サブステップc)において、少なくとも1つのアキュムレータが前記高充電状態よりも低い充電状態を示した場合に、また、そのような場合にのみ、プロセスをサブステップa)に戻すことを特徴とする、請求項4に記載の平衡化する方法。
  6. 前記放電エレメントがレジスタであることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の平衡化する方法。
  7. 電気蓄電池を充電するように意図された平衡化デバイスであって、前記電気蓄電池が、直列に1つに接続された最大充電状態を示すアキュムレータを備え、前記平衡化デバイスが、充電値を示す充電電流を提供するための充電手段を備え、前記充電電流が、前記アキュムレータの電荷をそれらの最大充電状態まで増大させるように充電ステップ中に前記アキュムレータを充電するように意図される、平衡化デバイスにおいて、前記平衡化デバイスが
    制御手段および監視手段であって、前記監視手段がその最大充電状態で前記電気蓄電池の前記アキュムレータのうちの1つを監視するまで、前記制御手段および前記監視手段が前記アキュムレータに前記充電値の前記充電電流を用いて連続して給電するように、前記充電手段を制御するための制御手段および監視手段と、
    結合期間中、前記アキュムレータのうちの前記1つを放電するように前記アキュムレータのうちの前記1つを対応する放電エレメントの前記端子に結合すると同時に、前記制御手段が前記充電電流を同時に低下させるように、前記制御手段によって制御することが可能な結合手段と
    を備えることと、
    前記制御手段が、前記結合期間によりも短い、またはそれに等しい時間期間の後に、前記充電値の前記充電電流を用いた前記アキュムレータの前記給電を制御することが可能であることと
    を特徴とする、平衡化デバイス。
  8. 前記監視手段が、前記アキュムレータの各々について、前記制御手段に連結された第1の監視手段を備えることを特徴とする、請求項7に記載の平衡化デバイス。
  9. 前記監視手段が、前記アキュムレータの各々について、前記最大充電状態よりも低い高充電状態を監視することが可能な第2の監視手段をさらに備えることを特徴とする、請求項7または8に記載の平衡化デバイス。
  10. 前記第1の監視手段および前記第2の監視手段は各々、コンパレータで構成されることを特徴とする、請求項8または9に記載の平衡化デバイス。
  11. 前記結合手段が、前記アキュムレータの各々について、スイッチと放電エレメントとを備え、前記スイッチが、前記制御手段に連結されていることを特徴とする、請求項7から10のいずれか一項に記載の平衡化デバイス。
  12. 前記放電エレメントがレジスタであることを特徴とする、請求項7から11のいずれか一項に記載の平衡化デバイス。
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