JP2014535255A - バッテリーのセルブロックをスイッチングすることによってバッテリーの充放電レベルを平衡化するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、バッテリー中のセルの複数のブロックにおける全体的な電荷レベルを平衡化するためのデバイスに関する。これらのブロックは、接続されたブロックのセルが電荷を蓄積する充電段階中、および、接続されたブロックのセルが電荷を電流の形態で戻す放電段階中に、回路内で接続可能である。本デバイスは、少なくとも、１つの直列スイッチおよび１つの並列スイッチを備える。直列スイッチは、直列スイッチが閉位置に、かつ並列スイッチが開位置にそれぞれあるとき、１つのブロックを、他のブロックと直列に回路に接続することができ、それにより、前記１つのブロックは、充電段階および放電段階中に接続される。並列スイッチは、並列スイッチが閉位置に、直列スイッチが開位置にそれぞれあるとき、回路から前記１つのブロックを接続解除することができ、それにより、前記１つのブロックは、放電段階中に放電接続解除基準が、または充電段階中に充電接続解除基準が、それぞれ満たされた場合に接続解除され、前記１つのブロックは、接続解除されたとき、そのセルの充電レベルを局所的に平衡化する手段をさらに備える。

Description

本発明は、セルのブロックをスイッチングすることによってバッテリーの充電レベルを平衡化するための方法に関する。本発明は、特に、電気自動車またはハイブリッド自動車の駆動チェーンに動力供給するリチウムイオン（Ｌｉイオン）バッテリーに適用可能であるが、それに限定されるものではない。

Ｌｉイオンバッテリーは、それらの電圧が高く、エネルギー密度が高いことに起因して、電気自動車またはハイブリッド自動車の駆動チェーンへの動力供給に特によく適合している。そのようなバッテリーにおいて、Ｌｉイオンセルは、ある特定の量の電解質を収容する基本的な構成要素であり、固体電解質であるか、液体電解質であるかにかかわらず、リチウムのイオンはそれを通ってカソードとアノードとの間で移動することができる。バッテリーの充電段階では、このイオン移動により、セル中に電荷が蓄積される。バッテリーの放電段階では、このイオン移動により、セルのカソードとアノードとの間で電流が流れる。Ｌｉイオンバッテリーでは、最初に、複数のＬｉイオンセルを直列および／または並列に組み付け、接続してブロックを形成し、次いで、複数のブロックを直列および／または並列に組み付け、接続して、標準の専門用語による「パック」を形成する。パックには、標準の専門用語により通常「バッテリーマネージメントシステム」（またはＢＭＳ）と呼ばれる電子制御ユニットが接続され、それにより、バッテリーが形成される。

ＢＭＳの役割は、とりわけ、セル内に蓄積された電荷を平衡化するための機能を提供することである。実際には、最も良好にバッテリーの充放電容量を活用するためには、各セルの最大充電レベルおよび最大放電レベルを制御しなければならず、平衡化が行われない場合、バッテリーの最大充電レベルは、最初に最大電荷に達したセルの充電レベルに制限され、バッテリーの最大放電レベルは、最初に最小電荷に達したセルの充電レベルに制限される。したがって、バッテリーの充放電容量の活用を最適化することによって、充放電レベルの平衡化は、充電−放電サイクルの数を低減し、バッテリーの寿命を最大にし、かつ、１つの充電／放電サイクルのために利用可能なオートノミーを向上させる。充電および放電の平衡化は、過充電、セルの過熱および潜在的にはセルの破壊を回避することによって、車両の安全面にも関与する。

各セルの端子間の局所電圧の測定値に基づいてエネルギーの散逸によって充電レベルを平衡化するパッシブＢＭＳシステムが存在している。これは、エネルギーを散逸させるために各セルの端子の両端間に抵抗を配設することを含むことができる。このタイプのシステムの１つの重要な欠点は、放電中には平衡化できないということである。このタイプのシステムの別の欠点は、抵抗においてバランシング電流を介して散逸したエネルギーが失われるということである。別の最後の欠点は、平衡化するための電流が、このタイプのシステムでは、熱限界を理由に約１０〜１００ｍＡに制限されるということであり、したがって、平衡化に関連する時間が長くなることがある。これは、本発明が解決策を提供すべき技術的問題である。

また、同様に各セルの端子の両端間の局所電圧の測定値に基づいて、エネルギー伝達によって充電を平衡化するアクティブＢＭＳシステムが存在する。たとえば、国際特許出願公開ＷＯ２００４／０４９５４０は、数アンペア（Ａ）のバランシング電流によって、ブロック内の１つのセルから別のセルに、または１つのブロックから別のブロックにエネルギーを伝達するためのデバイスを備えるアクティブＢＭＳを開示する。このアクティブシステムは、充電中に平衡化が可能であるだけでなく、放電中にも平衡化が可能であり、エネルギー損失を低減する。それにもかかわらず、このシステムの１つの重要な欠点は、ブロックが異なる電位の基準を有するので、ブロック間のエネルギーの伝達は一般的には「フライバック」タイプの絶縁トランスフォーマーを使用することによって行われ、それにより、高価で大型となり、システムのエネルギー効率が大幅に低減されることである。これは、本発明が解決策を提供すべき別の技術的問題を表す。

本発明の１つの特定の目的は、平衡化を高速化し、できる限りブロックの容量を活用して、車両のオートノミーを高めることである。このため、本発明の１つの主題は、セルの複数のブロックの全体的な電荷レベルを平衡化するためのデバイスである。ブロックは、接続されたブロックのセルが電荷を蓄積する充電段階中、および、接続されたブロックのセルが電荷を電流の形態で戻す放電段階中に接続されて回路を形成するように設計される。本デバイスは、少なくとも、１つの直列スイッチおよび１つの並列スイッチを備える。直列スイッチは、直列スイッチが閉位置に、並列スイッチが開位置にそれぞれあるとき、１つのブロックを他のブロックと直列に接続して回路を形成することができ、それにより、前記１つのブロックは、充電段階および放電段階中に接続される。並列スイッチは、並列スイッチが閉位置に、直列スイッチが開位置にそれぞれあるとき、回路から前記１つのブロックを除去することができ、それにより、前記１つのブロックは、放電段階中に放電接続解除基準を満たした場合に、または、充電段階中に充電接続解除基準を満たした場合に接続解除され、前記１つのブロックは、接続解除されたときにそのセルの充電レベルを局所的に平衡化する手段をさらに備える。

有利には、前記１つのブロックＢｉのセルの充電レベルを局所的に平衡化する手段は、それらの充電レベルを推測するような様式で前記セルの端子間の電圧を測定する手段を含むことができる。たとえば、セルの端子間の電圧を測定するためのこれらの手段は、複数の電圧測定チャネルを備える集積回路を含むことができる。

１つの実施形態では、前記１つのブロックのセルの充電レベルを局所的に平衡化する手段は、前記１つのブロック中で過剰充電状態のセルからエネルギーを散逸させる手段をさらに含むことができる。

別の実施形態では、前記１つのブロックのセルの充電レベルを局所的に平衡化する手段は、過剰充電状態のセルから前記１つのブロックの他のセルにエネルギーを伝達する手段をさらに含むことができる。

有利には、前記１つのブロックの放電接続解除基準は、戻っている電流が所与のしきい値よりも高いときはいつでも、前記１つのブロックの限界放電レベルを超えることを含むことができる。

有利には、前記１つのブロックの放電接続解除基準は、戻っている電流が所与のしきい値よりも低いときはいつでも、前記１つのブロックの最大放電レベルを超えることを含むことができる。

有利には、前記１つのブロックついての前記充電接続解除基準は、印加される充電電流が所与のしきい値よりも高いときはいつでも、前記１つのブロックの限界充電レベルを超えることを含むことができる。

有利には、前記１つのブロックの充電接続解除基準は、印加される充電電流が所与のしきい値よりも低いときはいつでも、前記１つのブロックの最大充電レベルを超えることを含むことができる。

たとえば、セルは、リチウムイオンセルとすることができる。

本発明の別の主題は、前述のようなセルのブロック間の全体的な電荷レベルを平衡化するデバイスを備える電気自動車またはハイブリッド自動車のためのモーティブパワーバッテリーである。

本発明のさらなる主題は、前述のようなモーティブパワーバッテリーを備える電気自動車またはハイブリッド自動車である。

本発明のさらに別の主題は、本発明によるバッテリーを充電するための方法であって、本方法が、１つの段階から次の段階へと強度が減少する充電電流を用いた連続する充電段階を備え、実質的に１００％に等しい充電状態を有していないすべてのブロックは、各段階の開始時に接続されることを特徴とする。前記実質的に１００％に等しい充電状態を有するブロックのうちの１つのブロックは、その端子間の電圧が、充電電流の電流強度に依存する所定の最大しきい値に達した場合には、後続の段階の開始まで一時的に接続解除される。前記実質的に１００％に等しい充電状態を有するブロックのうちの１つのブロックは、その充電状態が実質的に１００％達した場合には、充電プロセスの終わりまで決定的に接続解除される。依然として接続されているブロックの数が１から現在の段階の開始時に接続されたブロックの数までの範囲内である所定の最小数に達するとすぐに、現在の段階から後続の段階への移行がトリガされる。

本発明のさらなる主題は、本発明によるバッテリーを充電するための別の方法であり、本方法は、１つの段階から次の段階へと強度が減少する充電電流を用いた連続する充電段階を備え、実質的に１００％に等しい充電状態を有しないもののうち最も少ない電荷をもつブロックが、各段階の開始時に接続されていることを特徴とする。最も少ない電荷をもつこれらのブロックは、規定された所定の時間間隔で周期的に判断される。最も少ない電荷をもつこれらのブロックのうち１つのブロックは、その端子間の電圧が、充電電流の電流強度に依存する所定の最大しきい値に達した場合には、後続の段階の開始まで一時的に接続解除される。最も少ない電荷をもつこれらのブロックのうち１つのブロックは、その充電状態が実質的に１００％に達した場合には、充電プロセスの終わりまで決定的に接続解除される。依然として接続されているブロックの数が１から現在の段階の開始時に接続されたブロックの数までの範囲内である所定の最小数Ｍに達するとすぐに、現在の段階から後続の段階への移行がトリガされる。

本発明の主要な利点は、ブロック間で充電レベルを迅速に平衡化することであり、特に、高速充電方法に適している。

また、ブロックを分離することによって、セルまたはブロックの一部に障害が発生したときにサービスの連続性を保証することができるようになる。

本発明は、バッテリーパックを形成するブロックが最適に使用されることにより、車両のオートノミーを高めることも可能である。実際には、ブロックのうちの１つが最大充電レベルまたは最大放電レベルに達した場合、他のブロック上で動作し続けるために、システムは、そのブロックを分離することを可能にする。

また、本発明は、１つのブロックから別のものへのエネルギー伝達中の損失を制限することを可能し、したがって、ＢＭＳのエネルギー効率が最適化される。

本発明の他の特徴および利点は、以下に示す添付図面に関して提示される、以下の説明の助けをかりて明らかになる。

本発明によるバッテリーパックの１つの例の概略図である。 すべてのブロックが接続されている、本発明によるパックの１つの例示的構成の概略図である。 ブロックが１つだけ接続解除されている、本発明によるパックの１つの例示的構成の概略図である。 本発明によるバッテリーパックにおいて実装することができる高速充電方法の例を示すグラフである。 本発明によるバッテリーパックにおいて実装することができる高速充電方法の例を示すグラフである。 本発明によるバッテリーパックにおいて実装することができる高速充電方法の例を示すグラフである。 本発明によるバッテリーパックにおいて実装することができる高速充電方法の例を示すグラフである。 本発明によるバッテリーパックにおいて実装することができる高速充電方法の例を示すグラフである。 本発明によるバッテリーパックにおいて実装することができる高速充電方法の例を示すグラフである。

図１に、電気自動車またはハイブリッド自動車のための、本発明によるバッテリーパックの一実施例を概略図で示す。図示のパックは、Ｎ個のブロックＢｉを備えており、図示の例では、１≦ｉ≦Ｎ−１かつＮ＞６であり、図１には、参照符号Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３およびＢ４の４つのブロックのみが示されている。ブロックＢ１、Ｂ２、Ｂ３およびＢ４の各々は、直列に接続された６つのＬｉイオンセルを備えており、ブロックＢ１には参照符号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５およびＣ１６を、ブロックＢ２には参照符号Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２３、Ｃ２４、Ｃ２５およびＣ２６を、ブロックＢ３には参照符号Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ３３、Ｃ３４、Ｃ３５およびＣ３６を、ブロックＢ４には参照符号Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ４３、Ｃ４４、Ｃ４５およびＣ４６を備えている。ブロックＢ１、Ｂ２、Ｂ３およびＢ４の各々は、ブロックの内部のセルの各々の端子間の電圧を測定するための集積回路をさらに備え、これらの回路は、ＩＣ１、ＩＣ２、ＩＣ３およびＩＣ４とそれぞれ示されている。回路ＩＣ１、ＩＣ２、ＩＣ３およびＩＣ４の各々は、本発明の非限定的な例における６個および１６個のセル電圧を測定することが可能であるので（図１には６つの測定されたセル電圧のみが示されている）、回線ＩＣ１は、有利には、ブロックＢ１のセルＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５およびＣ１６の各々の端子間の電圧を測定することができ、回線ＩＣ２は、有利には、ブロックＢ２のセルＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３、Ｃ２４、Ｃ２５およびＣ２６の各々の端子間の電圧を測定することができ、回線ＩＣ３は、有利には、ブロックＢ３のセルＣ３１、Ｃ３２、Ｃ３３、Ｃ３４、Ｃ３５およびＣ３６の各々の端子間の電圧を測定することができ、回線ＩＣ４は、有利には、ブロックＢ４のセルＣ４１、Ｃ４２、Ｃ４３、Ｃ４４、Ｃ４５およびＣ４６の各々の端子間の電圧を測定することができる。ブロックＢ１、Ｂ２、Ｂ３およびＢ４の各々は、それぞれ、参照符号Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３およびＭ４の局所平衡化ためのモジュールをさらに備える。モジュールＭ１は、有利には、回線ＩＣ１によって供給される電圧測定値を使用して、ブロックＢ１のセルＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５およびＣ１６の間の電荷を平衡化することを可能にする。モジュールＭ２は、有利には、回線ＩＣ２によって供給される電圧測定値を使用して、ブロックＢ２のセルＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３、Ｃ２４、Ｃ２５およびＣ２６の間の電荷を平衡化することを可能にする。モジュールＭ３は、有利には、回線ＩＣ３によって供給される電圧測定値を使用して、ブロックＢ３のセルＣ３１、Ｃ３２、Ｃ３３、Ｃ３４、Ｃ３５およびＣ３６の間の電荷を平衡化することを可能にする。モジュールＭ４は、有利には、回線ＩＣ４によってそれに供給される電圧測定値を使用して、ブロックＢ４のセルＣ４１、Ｃ４２、Ｃ４３、Ｃ４４、Ｃ４５およびＣ４６の間の電荷を平衡化することを可能にする。本発明の原理から逸脱することなく、局所平衡化モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３およびＭ４は、非常に容易に、エネルギーの散逸によるパッシブ平衡化の解決策、またはエネルギー伝達によるアクティブ平衡化の解決策のいずれかを実装することができることに留意されたい。実際は、本発明の着想は、アクティブであるか、パッシブであるかにかかわらず、局所平衡化をブロックのスイッチングと組み合わせることである。

図１の本発明の例示的実施形態では、ブロックスイッチングは、有利には、パックのＮ個のブロックを最適な様式で１つに接続することを可能にするスイッチによって提供される。一方では、スイッチは、パックのＮ個のブロックの全部または一部を直列に接続することを可能にする。たとえば、閉位置にあるスイッチＳＳ１は、ブロックＢ０（図１に示されていない）の陰極をブロックＢ１の陽極に接続することを可能にし、閉位置にあるスイッチＳＳ２は、ブロックＢ１の陰極をブロックＢ２の陽極に接続することを可能にし、閉位置にあるスイッチＳＳ３は、ブロックＢ２の陰極をブロックＢ３の陽極に接続することを可能にし、閉位置にあるスイッチＳＳ４は、ブロックＢ３の陰極をブロックＢ４の陽極に接続することを可能にする。また、閉位置にあるスイッチ（図１には示されていない）は、ブロックＢ４の陰極をブロックＢ５（図１には示されていない）の陽極に接続することを可能にする。明快のために、本出願の以下の部分では、スイッチＳＳｉ（０＜ｉ≦Ｎ−１）を「直列スイッチ」と呼ぶこともある。一方、パックのＮ個のブロックと並列に組み付けられたスイッチは、直列スイッチと組み合わせて、パックのＮ個のブロックの全部または一部を選択的に接続解除することを可能にする。たとえば、スイッチＰＳ１は、スイッチＳＳ１が開位置にあり、スイッチＰＳ１が閉位置にあるときにはブロックＢ１がパックから接続解除され、スイッチＳＳ１が閉位置にあり、スイッチＰＳ１が開位置にあるときにはブロックＢ１のみがパックに接続されるような様式で、ブロックＢ１と並列に組み付けられる。スイッチＰＳ２は、スイッチＳＳ２が開位置にあり、スイッチＰＳ２が閉位置にあるときにはブロックＢ２がパックから接続解除され、スイッチＳＳ２が閉位置にあり、スイッチＰＳ２が開位置にあるときにはブロックＢ２のみがパックに接続されるようなようしきで、ブロックＢ２と並列に組み付けられる。スイッチＰＳ３は、スイッチＳＳ３が開位置にあり、スイッチＰＳ３が閉位置にあるときにはブロックＢ３がパックから接続解除され、スイッチＰＳ３が開位置にあり、スイッチＳＳ３が閉位置にあるときにはブロックＢ３のみがパックに接続されるような様式で、ブロックＢ３と並列に組み付けられる。スイッチＰＳ４は、スイッチＳＳ４が開位置にあり、スイッチＰＳ４が閉位置にあるときにはブロックＢ４がパックから接続解除され、スイッチＰＳ４が開位置にあり、スイッチＳＳ４は閉位置にあるときにはブロックＢ４のみがパックに接続されるような様式で、ブロックＢ４と並列に組み付けられる。明快のために、本出願の以下の部分では、スイッチＰＳｉ（０＜ｉ≦Ｎ−１）を並列スイッチと呼ぶこともある。これらのスイッチは、並列スイッチＰＳｉが閉位置にあるときは直列スイッチＳＳｉ（０＜ｉ≦Ｎ−１）が開位置にあり、また、並列スイッチＰＳｉが開位置にあるときは直列スイッチＳＳｉが閉位置にあるような様式で制御される。たとえば、図２に、すべてのモジュールＢ１、Ｂ２、Ｂ３およびＢ４が接続されている構成を示す。図３の例では、モジュールＢ１とＢ３とＢ４とが接続されており、モジュールＢ２のみが接続解除されている。一方が閉位置にあるときにはもう一方が開位置にあり、一方が開位置にあるときにはもう一方が閉位置にあるように直列スイッチと並列スイッチとを反対にするこの制御は、車両の状態に関して受信された情報に基づいてスイッチのための制御コマンドを発生する制御システム（図１に示されていない）によって行われる。この制御システムは、たとえば、マイクロコントローラのような電子回路によってホストされる知能を含み得、また、このマイクロコントローラをＢＭＳまたはビークルスーパーバイザーのような他のシステムまたは車両の監視者にリンクすることができる。また、この制御システムは、知能から受信したコマンドにしたがってスイッチを制御する電子構成要素である「ドライバ」を備え得る。

充電モードでは、たとえば、車両が充電器に接続されているとき、または、車両が回生制動の最中であるとき、同じ充電サイクルにおいて、いくつかの充電段階を識別することができる。第１の充電段階では、図２の例のように、すべての直列スイッチＳＳｉ（０＜ｉ≦Ｎ−１）は閉位置にあり、すべての並列スイッチＰＳｉ（０＜ｉ≦Ｎ−１）は開位置にあり、その場合、パックのすべてのブロックＢｉ（０＜ｉ≦Ｎ−１）が接続され、再充電される。すべてのブロックＢｉ（０＜ｉ≦Ｎ−１）が同じ特性を示すわけではなく、同じ温度を有するわけではないので、この再充電は、すべてのブロックＢｉ（０＜ｉ≦Ｎ−１）について一様であるわけではない。第２の充電段階では、（たとえば、高速充電モードで）高電流下での限界充電レベルに達した１つまたは複数のブロックは、それらの直列スイッチを開き、それらの並列スイッチを閉じることによって接続解除され得る。高電流下でのこの限界充電レベルは、セルの内部抵抗に応じて、最大充電レベルの７０〜８０％とすることができる。図３の例では、直列スイッチＳＳ２を開き、並列スイッチＰＳ２を閉じることによって、ブロックＢ２が接続解除される。セルの内部抵抗を理由として、高電流下でのこの限界充電レベルは、到達可能な最大充電レベルでないことに留意されたい。接続解除されたブロックは、もはや再充電されないが、それらの局所平衡化を継続することができ、接続されたままである他のブロックはそれらの充電を継続する。第３の充電段階では、より高い充電レベルに達するように充電電流を徐々に減少させることによって、たとえば、充電電流の強度を用いた２分法によって、より低い強度の電流下でそれらの充電を続けるためにそれらの並列スイッチを開き、それらの直列スイッチを閉じることにより、前に接続解除された１つまたは複数のブロックをパックに再接続することができる。たとえば、バッテリーが許容すれば、初期電流は、８０％のオーダーの充電レベルに達するまで、１００Ａのオーダーの高電流とすることができる。ほぼすべてのブロックがこのレベルに達したとき、たとえば、ブロックの５０％以上がこのレベルに達したとき、９０％のオーダーの充電レベルまで、５０Ａのオーダーのより低い電流でプロセスを継続することができる。その後、２５Ａなどでプロセスを継続することができ、プロセスは、再充電のために利用可能な時間に応じて中断される。このサイクルは、パックの最大完全充電まで、あるいは、その直前まで繰り返すことができる。この動作モードは、高速充電モードおよび／または通常充電モードにおいて使用することができる。上記の所与の電流の値は、バッテリーのサイズに、バッテリーの内部抵抗に、潜在的にはさらに内部抵抗に対して有意な影響を与えるバッテリーの温度に依存するので、非限定的な例として与えられるものであることを明確に理解しなければならない。

放電モードでは、たとえば、車両が駆動されているとき、いくつかの充電段階が、同じ放電サイクルにおいても識別され得る。

第１の放電段階では、図２の例のように、すべての直列スイッチは閉位置にあり、すべての並列スイッチは開位置にあり、その場合、パックのすべてのブロックＢｉ（０＜ｉ≦Ｎ−１）が接続され、放電される。すべてのブロックが同じ特性を示すわけではなく、同じ温度を有するわけではないので、この放電は、すべてのブロックについて一様であるわけではない。第２の放電段階では、特に（セルの内部抵抗に応じて５０〜１００Ａよりも高い）高電流下での限界放電レベルに達した１つまたは複数のブロックは、それらの直列スイッチを開き、それらの並列スイッチを閉じることによって接続解除され得る。図３の例では、直列スイッチＳＳ２を開き、並列スイッチＰＳ２を閉じることによって、ブロックＢ２が接続解除される。接続解除されたブロックはもはや放電されないが、接続されたままである他のブロックは放電され続ける。セルの内部抵抗が原因で、高電流下でのこの限界放電レベルは、到達可能な最大放電レベルでなく、この最大放電レベルは高電流下での限界放電レベルの２０％のオーダーとすることができることに留意されたい。第３の放電段階では、より低い電流の下でそれらの放電を継続するためにそれらの並列スイッチを開き、それらの直列スイッチを閉じることによって、前に接続解除された１つまたは複数のブロックをパックに再接続することができる。このサイクルは、パックの最大完全放電まで繰り返すことができる。

これらのスイッチは、直列スイッチＳＳｉであるか、並列スイッチＰＳｉであるかにかかわらず、頭文字ＭＯＳＦＥＴによってよりよく知られている電界効果トランジスタとすることができる。これは、ＭＯＳＦＥＴが、本発明の例示的実施形態において複数の利点を提供する故である。とりわけ、ＭＯＳＦＥＴは、導通状態において低抵抗を有し、換言すれば、典型的には最大動作電圧が４０Ｖであり、最大定格電流が約１００アンペアのオーダーである場合、現時点における従来技術による１つの非限定的な例では、閉位置において、この抵抗を０．７ミリオーム程度まで下げることが可能である。損失をさらに低減するために、有利には、各ＭＯＳＦＥＴを並列のいくつかのＭＯＳＦＥＴと置き換えることができ、ＭＯＳＦＥＴは、正の温度係数を有するので、容易に並列に接続可能である。ＭＯＳＦＥＴを並列に接続することにより、電流をＭＯＳＦＥＴ間で分割し、損失を制御した状態で、１つのブロックを電気自動車またはハイブリッド自動車のためのモーティブパワーバッテリーの場合には数百アンペアまで上げることができる別のブロックに平衡化するための電流の強度にかかる電流を適合させるように利用することが可能になる。さらに、ＭＯＳＦＥＴは、電界効果構成要素であるので、導通状態とオフ状態とのスイッチングを制御するためにごくわずかなエネルギーしか必要としない。最後に、ＭＯＳＦＥＴは、自動車産業においてすでに広く使われている構成要素である。

特に直列スイッチおよび並列スイッチを含む電力回路の寸法は、１つのブロックを数百アンペアの別のブロックに平衡化するための電流に適合するようなる。電力回路は、絶縁金属基板内に、あるいは、より低コストのシステムの場合には、多層ＰＣＢ（プリント回路板）上に作製することができる。有利には、電力回路は、組み付けと、ブロックの互いからの機械的分離とを可能な限り単純化するような様式で作製することができる。１つの具体的に集積された実施形態では、完全なブロックは、セルと、電圧を測定するための回路と、同じ回路板上の直列スイッチおよび並列スイッチを含む電力回路と一緒に局所平衡化するためのモジュールと、これらのスイッチのための制御システムとを備えることができる。ブロックを車両の他のシステムと接続する通信リンクにより、車両の状態に関する情報を収集することが可能になり、その情報に基づいて、制御システムは、直列スイッチおよび並列スイッチに送るべき制御コマンドを推測する。この高レベルの集積化にもかかわらず、そのような集積ブロックの質量は２０キログラム未満とすることができ、その事実により、保守技術者による集積ブロックの取扱いが容易になる。

本発明のさらなる主な利点は、保守技術者にかかり得る最大電圧を単一のブロックの電圧に制限することによって、サービス担当者の安全に寄与し、事故の場合に、またはさらに車両を停止するたびに、すべてのスイッチを自動的に開くことができることである。このため、各ブロックの端子間の電圧は、６０ボルトの「安全な」電圧よりも低い値を有するように選定することができ、バッテリーの端子の両端間で４００ボルトの電圧に達するためには８〜１２ブロックが必要であり、そのような電圧は、電気自動車またはハイブリッド自動車の要件に適合する。

さらに、本発明は、バッテリーパックのブロックの各々を簡単に接続または接続解除することができるようにバッテリーパックを構成可能にする。この構成可能性は、パックのブロックに関する設置動作および取外し動作を簡略化し、パック内における様々なテクノロジーのブロックの組合せを可能にするが、これは、たとえば、ブロックの障害につながる。また、この構成可能性により、車室の空間またはトランクの空間を最適化するような様式でバッテリーのブロックを分散させることができるので、車両中へのパックのよりフレキシブルな機械的集積化が可能になる。この構成可能性は、ブロックおよびそれらを受容するパックを規格化することを可能し、このパックは、車両のモデルレンジおよびこのモデルレンジ内の予想されるオートノミーにしたがった可変数のブロックを受け入れることが可能であり、したがって、この構成可能性は、開発コストおよび物流コストを低減することを可能にする。

本発明によるデバイスは、充電接続解除基準を適宜調整することによって、高速充電のための有利な方法を実装することを可能にする。

第１の高速充電方法の原理を理解するために、図１〜図３に示すバッテリーパックが、たとえば、４３キロワットのオーダーの高充電電力を送達する高速充電器に接続していると想定する。充電の開始時、すべてのブロックを、換言すれば、Ｂ１〜Ｂ４を含むＮ個のブロックを、図２に示すように接続することができる。したがって、Ｎ個のブロックが同時に再充電される。充電器の特性およびバッテリーの特性に応じて、充電器は、たとえば、４３ｋＷの電荷の場合には１００Ａに電流を制限することができる。Ｎ個のブロックのうちの１つのブロックが、その最大許容電圧限界に、たとえば２５．２ボルトに達したとき、Ｎ個のブロックの各々が、直列に接続され、４．２ボルトの最大電圧を各々が可能する６つのセルを備えていると考えられる場合には、最大許容電圧限界に達したブロックを接続解除することができ、１００Ａなどの同じ電流下で接続されたままである他のブロックの充電は継続することができ、接続されているブロックの数を１つずつ減少させる。接続されたブロックの数が数Ｍ（１＜Ｍ＜Ｎ）未満になると、充電器は充電電流を低減し、Ｎ個のブロックがすべて再接続され、それにより、１００Ａ未満の低減されたレジームで充電が継続される。次いで、同じプロセスを繰り返す。Ｎ個のブロックのうちの１つが完全に充電状態になると、そのブロックは決定的に接続解除されるが、Ｎ−１個の他のブロックは、反復的な充電プロセスを継続する。したがって、ブロックの接続解除について、以下の２つの基準に基づいて決定されることが分かる。
・ブロックの端子間の電圧がその最大値に達した場合に満たされる一時接続解除のための第１基準、換言すれば、充電電流が低減されない間は接続解除する基準。これは、負荷下の電圧、換言すれば、電流がその端子に印加されたときの電圧である。
・ブロックの充電が完了した場合に、換言すれば、ブロックが、１００％のオーダーの充電状態つまり「ＳＯＣ」に達した場合に満たされる、決定的な接続解除のための第２の基準。

この第１の高速充電方法をどのように本発明によるデバイスに実装することができるかをよりよく理解するために、図４〜図７に、ＳＯＣの変化（左手縦軸の０〜１００％で変動する）を、（横軸の）充電時間の関数として、かつ、（具体的にはＮ＝８である場合に）セルのＮ個のブロックの充電電流（右手縦軸の１００Ａ〜０Ａで変動する）の関数として示す。特段の記述がない限り、充電電力は、以下に示す例では４３ｋＷのオーダーのものである。

図４に示す第１の例示的実施形態では、接続されたブロックの最小数は、４個に定められており、この値は、充電器が許容する最小電圧に対応する。この例示的実施形態では、前述した接続解除基準のうちの１つが満たされるたびに、電流を２分の１にすることができる。充電は、１００Ａの最大電流を用いた、最も多くの電荷をもつブロックを平衡化するための充電段階（この段階は、電気化学的電池の特性および充電電流に応じて極めて急速に８４％のオーダーの充電状態に達することを可能にする）、それに続く、６０Ａよりも下まで低減された電流における充電終了段階（充電状態は、次いで、８４％から１００％までよりゆっくりと変動する）の２つの別個の段階に分かれることがわかる。最も平衡を欠いたブロック、すなわち、ブロック１、２および４は、この方法の後、第１の動作段階中に最大電流で再平衡化され、８個のブロックについて、ＳＯＣの実質的に８４％である第１のプラトーに達することが可能なことが分かる。一方、最も平衡を欠いていないブロック、すなわち、ブロック３、５、６、７および８は、充電プロセスの終了まで平衡を欠いたままである。

図５に示す別の例示的実施形態では、接続されたブロックの最小数が１個に定められていることを除いて、図４の例と同じパラメータが適用されている。図を見ると分かるように、すべてのブロックは、第１の充電段階の終わりに最大電流で平衡化される。このことから、高品質の高速再平衡化を得るためには、再充電中に接続されるブロックの数は、可能な限り低減することが可能であり、理想的には、１つのブロックのみを接続した状態で動作することが可能であることが必要であると結論づけることができる。ただし、このためには、充電器は、特に最小許容電圧の点で、この動作モードに適合する必要がある。

図６に示す別の例示的実施形態では、電流低減係数が２から１．０５へと移行する点を除いて、図４の例と同じパラメータが適用されている。実際には、これは図６ではあまり明白ではないが、電流を十分に低減させ、最大電圧に達することなくブロックの充電を実行するために、１００Ａの充電の終了直後に、１．０５のこの低減係数を極めて迅速に連続して数回適用する。図４の例と図６の例とを比較すると分かるように、この低減係数が１により近くなると、その結果としてブロックのスイッチング動作の回数が大幅に増加する場合であっても、より高速に完全充電に達する。したがって、着想は、たとえば信頼性の問題について、充電電流の低減における策略と許容され得るスイッチング動作の最大数との間に最も良好な妥協を見つけることである。図を見ると分かるように、２７００秒ではなく実質的に２３００秒後に１００％の充電状態である完全充電に達するので、第２段階ははるかに短い。この高速充電方法を用いると、６２Ａｈのバッテリーの場合、１５００秒間で８４％のＳＯＣは、最も多くの電荷をもつＭ’個のブロック（Ｍ’≧１は整数）の再平衡化によって得られる。数Ｍ’は、低電圧で動作するために、充電器の容量に依存する。一方、値８４％は、電気化学セルの内部抵抗によって制限される。（充電電流が０のとき）１００％のＳＯＣの完全な充電は、８００秒間の相補型充電を用いると、前に得られる平衡化を改善することなく得られる。

図７に示す別の例示的実施形態では、充電電力は、１．１に等しい低減係数の場合により低く、すなわち、４３ｋＷではなく２０ｋＷである。これは、１５００秒ではなく３５００秒まで充電の持続時間を増大することによって、充電の第１段階にのみ影響を及ぼす。この持続時間は、４３ｋＷ／２０ｋＷ＝２．１５の比にしたがって延長され、持続時間にはわずかな時間が追加され、最終ＳＯＣは８４％ではなく９０％となる。実際には、電流がより低いので、第１段階はややより長くなり得る。

図４〜図７に示した高速充電方法は改善することができ、第２の高速充電方法は、第１のステップにおいて、最も少ない電荷をもつＭ’’個のブロック（Ｍ’’＞１は整数）において、これらのＭ’’個のブロックのみをそこで接続することによって平衡化することとすることができる。次いで、ブロックの充電状態を周期的に再計算し、最も少ない電荷をもつＭ’’個のブロックがもう一度接続される。前述のように、充電電流下でブロックの端子間の電圧が最大許容電圧を超えたとき、または、ブロックが１００％に等しい充電レベルに達したときには接続解除される。所与の瞬間における接続可能なブロックの数が数Ｍ未満であるとき、接続可能なブロックの数が、充電器の最小動作電圧に適合するまで、あるいは、充電電流が、充電が完了したことを意味するゼロになるまで、充電電流が低減される。したがって、図８は、図４〜図７と同じ表現システムで、第１の方法について示された例と同様の条件（Ｎ＝８ブロック（合計）、充電電力＝４３ｋＷｈ、Ｍ’’＝６個のブロック（同時に接続される）、充電電流の低減係数＝１．５、１２０秒ごとに充電状態を周期的に再計算する）下で、この第２の高速充電方法の１つの例示的実施形態を示している。図９は、充電時間の関数としてブロック間の分散をアンペア時間（Ａｈ）単位で示している。分散は、図４〜図７に示した第１の方法に対して極めて迅速に低減されることが分かる。下降は、充電時間がわずかに増加するということであり、最大電力での第１段階は、第１の方法の場合、１６００秒ではなく２０００秒間を持続し、第１の方法の場合、２３００〜２５００秒ではなく３３００秒後に充電の終わりに達する。しかしながら、この第２の方法の場合、６２Ａｈバッテリーでは、ブロックの許容可能な平衡化が迅速に達成され、ブロック間の分散は、約３Ａｈまで低減される。これは、平衡化におけるこの改善が充電時間を害するほど実行されるとしても、充電の完了前に充電を中断することが選ばれるような場合に特に有利である。ただし、第２の方法による平衡化段階の後に、第１の方法による完全充電段階を行うというような、２つの高速充電方法間の妥協を実現することによって、これらの充電時間を低減することが可能である。

Claims (14)

1. セルのＮ個のブロック（Ｎ＞２）の全体的な電荷レベルを平衡化するためのデバイスであって、前記Ｎ個のブロックは、接続された前記ブロックの前記セルが電荷を蓄積する充電段階中、および、接続された前記ブロックの前記セルが前記電荷を電流の形態で戻す放電段階中に回路に接続されるように設計されており、前記デバイスは、少なくとも１つのスイッチＳＳｉと１つのスイッチＰＳｉ（０＜ｉ≦Ｎ−１）とを備え、
   − 前記スイッチＳＳｉは、前記スイッチＳＳｉがその閉位置に、前記スイッチＰＳｉが開位置にそれぞれあるとき、ブロックＢｉを、他のブロックと直列に回路中に接続することができ、それにより、前記ブロックＢｉは、前記充電段階および前記放電段階中に接続され、
   − 前記スイッチＰＳｉは、前記スイッチＰＳｉが閉位置に、前記スイッチＳＳｉが開位置にそれぞれあるとき、前記回路からブロックＢｉを除去することができ、それにより、前記ブロックＢｉは、前記放電段階中に放電接続解除基準が満たされた場合、または前記充電段階中に充電接続解除基準が満たされた場合に接続解除され、前記ブロックＢｉは、接続解除されたときにそのセルの充電レベルを局所的に平衡化する手段をさらに備える
   ことを特徴とする、デバイス。
2. 前記ブロックＢｉのセル（Ｃｉｊ）の前記充電レベルを局所的に平衡化する前記手段が、それらの充電レベルを推測するような様式で前記セルの端子間の電圧を測定する手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記セル（Ｃｉｊ）の前記端子間の電圧を測定する前記手段が、複数の電圧測定チャネルを備える集積回路（ＩＣｉ）を含むことを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記ブロックＢｉのセル（Ｃｉｊ）の前記充電レベルを局所的に平衡化する前記手段が、前記ブロック中で過剰充電状態の前記セルからエネルギーを散逸させる手段（Ｍｉ）をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記ブロックＢｉのセル（Ｃｉｊ）の前記充電レベルを局所的に平衡化する前記手段が、過剰充電状態の前記セルから前記ブロックの他のセルにエネルギーを伝達する手段（Ｍｉ）をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記ブロックＢｉの前記放電接続解除基準が、戻っている前記電流が所与のしきい値よりも高いときはいつでも、前記ブロックＢｉの限界放電レベルを超えることを含むことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記ブロックＢｉの前記放電接続解除基準が、戻っている前記電流が所与のしきい値よりも低いときはいつでも、前記ブロックＢｉの最大放電レベルを超えることを含むことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記ブロックＢｉの前記充電接続解除基準が、印加される前記充電電流が所与のしきい値よりも高いときはいつでも、前記ブロックＢｉの限界充電レベルを超えることを含むことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記ブロックＢｉの前記充電接続解除基準が、印加される前記充電電流が所与のしきい値よりも低いときはいつでも、前記ブロックＢｉの最大充電レベルを超えることを含むことを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
10. 前記セルがリチウムイオンセルであることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のデバイス。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のデバイスを備えることを特徴とする、電気自動車またはハイブリッド自動車のためのモーティブパワーバッテリー。
12. 請求項１１に記載のモーティブパワーバッテリーを備えることを特徴とする、電気自動車またはハイブリッド自動車。
13. 請求項１１に記載のバッテリーを充電するための方法であって、１つの段階から次の段階へと強度が減少する充電電流を用いた連続する充電段階を備えており、実質的に１００％に等しい充電状態を有していないすべてのブロックが各段階の開始時に接続され、実質的に１００％に等しい充電状態を有していない前記ブロックのうちの１つのブロックＢｉが、
    − その端子間の電圧が、前記充電電流の電流強度に依存する所定の最大しきい値に達した場合には、後続の段階の開始まで一時的に接続解除され、
    − その充電状態が実質的に１００％達した場合には、充電プロセスの終わりまで決定的に接続解除され、
    依然として接続されているブロックの数が所定の最小数Ｍに達するとすぐに、現在の段階から後続の段階への移行がトリガされ、Ｍは、１から現在の段階の開始時に接続されていたブロックの数までの範囲内であることを特徴とする、方法。
14. １つの段階から次の段階へと強度が減少する充電電流を用いた連続する充電段階を備えており、実質的に１００％に等しい充電状態を有していないもののうち最も少ない電荷をもつＭ’’個のブロック（１＜Ｍ’’＜Ｎ）が各段階の開始時に接続され、これらのＭ’’個のブロックは、規定された所定の時間間隔で周期的に判断され、これらのＭ’’個のブロックのうち１つのブロックＢｉが、
    − その端子間の電圧が、前記充電電流の電流強度に依存する所定の最大しきい値に達した場合には、後続の段階のうちの一段階の開始まで一時的に接続解除され、
    − その充電状態が実質的に１００％に達した場合には、充電プロセスの終わりまで決定的に接続解除され、
    依然として接続されているブロックの数が所定の最小数Ｍに達するとすぐに、現在の段階から後続の段階への移行がトリガされ、Ｍは、１から現在の段階の開始時に接続されていたブロックの数までの範囲内であることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。

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