JP2018537947A - バッテリ・システム - Google Patents

Abstract

本発明は、複数のバッテリ・セル・ユニットを結合する回路モジュールを対象とする。この回路モジュールは、第１バッテリ・セル・ユニットに結合する正端子と負端子とを有する第１端子集合体と、第２バッテリ・セル・ユニットに結合する正端子および負端子を有する第２端子集合体とを含む。第１端子集合体の正端子は、直接または１つ以上の受動素子を介して第２端子集合体の負端子に結合され、第１端子集合体の負端子および第２端子集合体の正端子は各スイッチング・アセンブリに結合される。スイッチング・アセンブリは、バッテリ・セル・ユニットの各１つを選択的に接続または迂回するように動作的に構成される。また、本発明は、この回路モジュールと複数のバッテリ・セル・ユニットとを含むバッテリ・システムも対象とする。
【選択図】図１

Description

本明細書において説明する発明は、一般的には、バッテリ・システムのようなエネルギ貯蔵システムに関する。

全電気自動車(full electric vehicle)、ハイブリッド電気自動車、およびグリッド接続またはオフ・グリッド(off grid)用途における静止エネルギ貯蔵というような用途のためのエネルギ貯蔵システムは、複数のエネルギ貯蔵セル・ユニットの構成を含むことが多い。各セル・ユニットは、その充電状態および動作条件によって異なる特定の範囲内において出力電圧を供給するように、その機能的メカニズムおよび設計によって制限される。また、各セル・ユニットは、動作条件に応じて一定の最大充電貯蔵能力を提供するように、その機能的メカニズムおよび設計によって制限される。セル・ユニットを電気的に直列に接続すると、最大達成可能出力電圧が上昇し、したがって所与の電力出力を供給するために必要な電流の大きさが減少する。オーム損は電流の大きさと共に増大するので、これによってシステム効率が高くなる。セル・ユニットを電気的に並列に接続すると、所与のセル・ユニットの容量および貯蔵システムの出力電圧レベルに対する最大達成可能貯蔵容量が増大する。

個々のセル・ユニットが、充電貯蔵容量、内部抵抗、およびその他の性能関連因子に関して何らかの差違を呈することは不可避である。セル・ユニットは、それらの動作寿命に入る前であっても、最も進んだ技術的現状の製造プロセスでさえも、製造中におけるセル・ユニットにおける一定のばらつきを許容する製造許容度によって生ずる差違を有することが不可避である。更に、動作寿命全体にわたるセル・ユニットの性能劣化条件またはプロファイルのばらつきが、これらの差違の一因になる。使用されたセル・ユニットが再利用(re-use)のために再生利用される(recycle)用途では、セル・ユニットは、特にセル・ユニットが異なる使用プロファイルに露出された場合には、顕著な性能差を伴う可能性がある。異なる仕様のセル・ユニットを利用することも、セル・ユニットの差違の一因になる可能性がある。

複数のエネルギ貯蔵ユニットを含むエネルギ貯蔵システムでは、セル・ユニット間におけるこのような差違が、全体的なエネルギ貯蔵システムをどのように管理するか、そしてこのエネルギ貯蔵システムがどのように動作するかということに影響を及ぼす可能性がある。電気的に並列に接続されたセル・ユニットでは、性能が低いセル・ユニット程、放電または充電プロセス中において、それぞれ、寄与する電流が減少するかまたは受け入れる電流が減少する。この結果、性能が高いセル・ユニット程、放電または充電プロセス中において、それぞれ、寄与する電流が増大するまたは受け入れる電流が増大することになる。このような電流量(rate)の増大は、システム効率を低下させ、セル・ユニットの劣化を増大させ、そして潜在的に安全上の危険を生ずる(present)可能性がある。したがって、システム全体の電力入力または出力レベルが低くなるように制限することが必要となる場合が多い。電気的に直列に接続されたセル・ユニットでは、充電容量が小さいセル・ユニット程、放電または充電プロセス中において、それぞれ、寄与する電荷が減少するかまたは受け入れる電荷が減少する可能性がある。直列配列に起因して、充電容量が大きい方のセル・ユニットは、充電容量が最も小さいセル・ユニットと等しい電荷量だけしか寄与しない(contribute)ように抑えられる。これが意味するのは、充電容量が最も小さいセル・ユニットが、エネルギ貯蔵システム全体の電荷貯蔵容量を抑えてしまうということである。

従来のバッテリ管理システムは、通例、多く充電された方のセル・ユニットから余分なエネルギを消散させるためにスイッチド抵抗器(switched resistor)を使用するか、あるいは多く充電されたセル・ユニットから少なく充電されたセル・ユニットにエネルギを伝達するためにスイッチド・キャパシタまたはスイッチド・インダクタを使用する。これらのシステムの主な役割は、充電放電サイクルにおける特定の時点において、例えば、充電の終了時において、直列に接続されているセル・ユニットの充電差の状態を等化することである。サイクルにおける１つの特定時点において充電の状態を等化することにより、直列配列において容量が最も小さいセル・ユニットを最大限使用できることを確保する。しかしながら、このために、容量が大きいセル・ユニット程、出力により多くのエネルギを負担させる(contribute)ことができなくなる。

例えば、直列配列に接続され、完全に充電された２つのセル・ユニットが、それぞれ、１Ａｈおよび１０Ａｈの容量を有すると仮定する。このシステムが１Aのレートで放電する場合、放電中の等化を仮定しないと、システム全体は、１時間の放電時間の間、容量が小さい方のセル・ユニットからの１Ａｈ、および容量が大きい方のセル・ユニットからの１Ａｈから成る２Ａｈを供給することになる。

直列に接続された複数のセル・ユニットを含むエネルギ貯蔵システムにおいて、容量が最も小さいセル・ユニットに起因する欠点を克服するためには、更に進んだ手法が必要となる。スイッチド・キャパシタまたはスイッチド・インダクタの分散システム(balancing system)は、エネルギを連続的に伝達するように、例えば、充電容量が大きい方のセル・ユニットから充電容量が小さい方のセル・ユニットに、放電プロセスの一部または全部にわたってエネルギを伝達するように動作させることができる。しかしながら、セル・ユニットを等化するために使用される電気経路および素子は、通例、その定格に定められる(rated)エネルギ・スループットが、エネルギ貯蔵システム全体の定格のごく一部(fraction)に過ぎない。したがって、これらのシステムは、通例、セル・ユニット間の差違のごく一部しか考慮することができない。

例えば、直列配列に接続され完全に充電された２つのバッテリ・セル・ユニットが、それぞれ、１Ａｈおよび１０Ａｈの容量を有すると仮定する。このシステムが１Aのレートで放電し、加えて充電量が少ない方のセル・ユニットから充電量が多い方のセル・ユニットに０．１Aのレートでエネルギを伝達する場合、１時間後、このシステムは２Ａｈの容量を供給したことになる。この時点において、エネルギ伝達のため、充電容量が小さい方のセル・ユニットはなおも０．１Ａｈを保持し、充電量が多い方のセル・ユニットはなおも８．９Ａｈを保持するので、約０．１時間だけ長く放電を継続させることができ、この結果エネルギ貯蔵システム全体の容量は、等化システムを全く使用しない場合よりも、約０．２Ａｈ多くなる。充電量が多い方のセル・ユニットによって維持することができる余分な放電時間およびエネルギは、等化システムのエネルギ定格と共に増大し、このため、因子の中でもとりわけ、コストおよび空間要件を増大させる可能性がある。このため、このようなバッテリ管理手法が有用となるのは主に、同じ仕様で以前から使用されているセル・ユニットに基づかないエネルギ貯蔵システムのような、比較的差違が小さなエネルギ貯蔵システムだけになる。更に、スイッチド・キャパシタまたはスイッチド・インダクタを使用するには、それぞれ、キャパシタまたはインダクタのような仲介貯蔵デバイスを介してエネルギを伝達する必要があり、これには、エネルギ貯蔵システム全体の効率に悪影響を及ぼす損失が伴う可能性がある。

直列に接続されたセル・ユニット間の差違によって生ずる欠点に取り組む他の方法は、電圧変換器を使用することである。通例、各セル・ユニットは１つの電圧変換器に接続され、電圧変換器は並列に接続され、直流側の結合部(coupling)に至る。次いで、これは直接または更に他の電圧変換器を介して、インバータに接続することができる。他の選択肢は、各セル・ユニットを１つの電圧変換器に接続し、各電圧変換器をインバータに接続し、セル・ユニットからのエネルギが交流側で接続されるように、インバータを並列に接続することである。更に他の選択肢は、出力が直列に接続された電圧変換器(voltage converter)を使用することである。電圧変換器を使用することの欠点には、変換器の部品コストがかなり高いこと、コントローラの種類およびレイアウトによってはセルの充電および放電の制御性になんらかの限界が予期されること、そしてインダクタおよび／またはキャパシタのような、電圧変換に使用される格納部品(storage element)におけるエネルギ損失に部分的に起因して、電圧変換器の効率が低いことが含まれる。

また、セル・ユニットを接続または迂回するためにスイッチを使用することもできる。性能が低い方のセル・ユニットを迂回することによって、他のセル・ユニットからの追加の充電および放電容量を解放する(unlock)ことができる。この手法を使用する現行のシステムの欠点として、直列に接続されたセル・ユニット毎に追加のスイッチをいずれの所与の電流路にも配置することが、オン抵抗およびエネルギ損失が付随して生じる一因になることがあげられる。

本発明の目的は、以上で説明した欠点または問題の１つ以上を克服するまたは改めるバッテリ・システム、または少なくとも消費者に有用な選択肢を提供するバッテリ・システムを提供することである。

本発明の一態様によれば、複数のバッテリ・セル・ユニットを結合するための回路モジュールを提供する。このモジュールは、
第１バッテリ・セル・ユニットに結合するための正端子および負端子を有する第１端子集合体と、
第２バッテリ・セル・ユニットに結合するための正端子および負端子を有する第２端子集合体と、
を含み、
第１端子集合体の正端子が、直接または１つ以上の受動素子を介して、第２端子集合体の負端子に結合され、
第１端子集合体の負端子および第２端子集合体の正端子が各々、スイッチング・アセンブリに結合され、
スイッチング・アセンブリが、バッテリ・セル・ユニットの１つ以上を選択的に接続するまたは迂回するように動作的に構成される。

したがって、第１端子集合体の正端子は、第２端子集合体の負端子に直接結合することができ、または第１端子集合体の正端子は、導体、ヒューズ、抵抗器、インダクタ、または任意の他の同様の素子のような１つ以上の受動素子を介して、第２端子集合体の負端子に結合することもできる。本明細書では、受動素子とは、導体、ヒューズ、抵抗器、インダクタ、または切り替えを行わないで動作する任意の他の同様のものというような、任意の回路素子を指す。

実際には、第１端子集合体の正端子を第２端子集合体の負端子に直接結合するか、または受動素子（１つまたは複数）を介して結合するように回路を構成すると、回路モジュールの一方側に、スイッチング・アセンブリの全てを配置させることができ、これによって回路モジュールの構成を大幅に簡素化できるという利点がある。このような回路モジュールを組み込んだバッテリ・システムでは、これは、全ての回路素子（例えば、スイッチング・アセンブリを載置するＰＣＢ回路ボード等）を、端子集合体の一方側に（例えば、一旦回路モジュールに結合されたバッテリ・セル・ユニットの一方側）に配置することが可能になる。このように、回路素子の総数を最小限に抑えることができ、回路素子の配列または構成を簡素化することができ、このためバッテリ・システム全体におけるインピーダンスおよび損失を低減し、更に製造時間を短縮し製造コストを削減する。更にまた、バッテリ・システムの全体的な重量およびサイズも最小限に抑えることができる。これは、特に、空間および重量の制約が適用される用途において、有利になることができる。

一実施形態では、スイッチング・アセンブリの任意のスイッチング状態において、回路モジュールの動作中隣接するバッテリ・セル・ユニット間にある電流路において、多くとも１つのスイッチを閉じる。

一実施形態では、バッテリ・セル・ユニットの全てが回路モジュールに接続されているとき、隣接するバッテリ・セル・ユニット間にある電流路において、多くとも１つのスイッチを閉じる。

一実施形態において、スイッチング・アセンブリの任意のスイッチング状態において、 閉じているスイッチのバッテリ・セル・ユニットに対する比率が、回路モジュールの動作中は１未満である。

一実施形態において、バッテリ・セル・ユニットの全てが回路モジュールに接続されているとき、閉じているスイッチのバッテリ・セル・ユニットに対する比率が１未満である。

アクティブなバッテリ・セル・ユニット間にある電流路において閉じているスイッチの数を減らすと、スイッチング抵抗による損失を低減し、これによってバッテリ・システムの全体的な性能を高めるという利点がある。

各スイッチング・アセンブリは、関連するバッテリ・セル・ユニットを接続する第１スイッチと、関連するバッテリ・セル・ユニットを迂回する第２スイッチとを含むことができる。

第１実施形態では、第１端子集合体に対して、関連するスイッチング・アセンブリの第１スイッチが第１端子集合体の負端子に一方側において結合され、第２スイッチに第２側において結合される。関連するスイッチング・アセンブリの第２スイッチは、第１スイッチに一方側において結合され、第１端子集合体の正端子に第２側において結合される。この実施形態では、第２端子集合体に対して、関連するスイッチング・アセンブリの第１スイッチは、第２端子集合体の正端子に一方側において結合され、第２スイッチに第２側において結合される。関連するスイッチング・アセンブリの第２スイッチは、第１スイッチに一方側において結合され、第２端子集合体の負端子に第２側において結合される。

第１および第２端子集合体は、それらの関連するスイッチング・アセンブリと共に、回路モジュールの１ユニットを形成することができる。この回路モジュールは、互いに結合された複数のユニットを含むことができる。

任意の適したスイッチング・デバイスを使用することができる。ある実施形態では、スイッチング・アセンブリは１つ以上の電気機械式リレーを含むこともできる。スイッチング・アセンブリは１つ以上のトランジスタを含むこともできる。

本発明の他の態様によれば、バッテリ・システムを提供する。このバッテリ・システムは、
以上で説明したような回路モジュールと、
回路モジュールに結合された複数のバッテリ・セル・ユニットと、
を含む。

一実施形態では、バッテリ・セル・ユニットは、使用済みバッテリ・セル・ユニットである。具体的には、バッテリ・セル・ユニットは、ハイブリッド電気車両または純粋な電気車両のバッテリとして使用されてもよい。

一用途では、回路モジュールは、使用済み車両電池を再利用するために使用することができる。具体的には、使用済み自動車用バッテリを、回路モジュールに直列に結合し、電気エネルギ貯蔵のためのバッテリ・システムを提供することができる。このバッテリ・システムは、住宅用または商業用の電気エネルギ貯蔵に対応することができる。

更に、このバッテリ・システムは、１つ以上のバッテリ・セル・ユニットを、回路モジュールに結合するために装着することを可能にするように構成されたバッテリ・マウントも含むことができ、回路モジュールの全てのスイッチング・アセンブリがバッテリ・マウントの一方側に配置される。

バッテリ・マウントは、１つ以上のバッテリ・セル・ユニットを、その動作寿命における任意の時点において、バッテリ・システムに合わせて改造することを可能にするように構成することができる。これは、バッテリ・セル・ユニットを都合に合わせて追加、削除、および／または交換することを可能にするという利点がある。

更に、バッテリ・システムは、回路モジュールのスイッチング・アセンブリを制御するコントローラを含むことができる。このコントローラは、バッテリ・セル・ユニットの充電および放電挙動に基づいて、スイッチング・アセンブリを制御することができる。更に具体的には、コントローラは、充電および／または放電中におけるバッテリ・セル・ユニットの電圧、電流、および／または温度に基づいて、各バッテリ・セル・ユニットの充電および放電挙動を決定することができる。

一実施形態では、コントローラは、
バッテリ・セル・ユニットの測定電圧、電流、および／または温度を、所定の電圧、電流、および／または温度範囲、および／または第２バッテリ・セル・ユニットの測定電圧、電流、および／または温度と比較し、
バッテリ・セル・ユニットを接続および／または迂回することを決定し、
各バッテリ・セル・ユニットを接続または迂回するようにスイッチング・アセンブリを制御することができる。

更に、コントローラはスイッチング・アセンブリを高周波で動作させることもできる。

ある実施形態では、複数のバッテリ・セル・ユニットは、個々のバッテリ・セル・ユニットの複合体(combination)、および並列接続セルのブロックを構成する(comprise)ことができる。本明細書では、「バッテリ・セル・ユニット」または「セル・ユニット」という用語は、個々のバッテリ・セルまたは並列に接続されたセルのブロックを指すことができ、同様の論法(reasoning)は、複数のような、これらの用語の変形にも該当する。また、これは並列に接続されたセルのブロックも指すことができ、ヒューズ、抵抗器、またはインダクタのような１つ以上の回路素子が、個々のセルと直列におよび／または並列に接続される。

バッテリ・セル・ユニットは、例えば、スーパーキャパシタ等を含む、任意の適したエネルギ貯蔵部品とすることができる。

本明細書では、「スイッチ」という用語は、電流の流路を変更するように制御することができる１つまたは複数の回路部品を指す。ある実施形態では、スイッチは、１つまたは複数の電気機械式リレーを含む。ある実施形態では、スイッチは１つまたは複数のトランジスタを含む。

本発明を一層容易に理解し実施できるようにするために、これより、１つ以上の好ましい実施形態について、一例としてのみ、添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるバッテリ・システムの回路図である。 図２は、本発明の他の実施形態によるバッテリ・システムの回路図である。 図３は、本発明の更に他の実施形態によるバッテリ・システムの回路図である。 図４は、本発明の実施形態によるバッテリ・システムの筐体の斜視図である。 図５は、本発明の実施形態によるバッテリ・システムのバッテリ・パックの斜視図である。 図６は、本発明の実施形態によるバッテリ・システムのスイッチ・アセンブリを制御する方法を示す流れ図である。

本発明の一実施形態によるバッテリ・システム１００を図１に示す。バッテリ・システム１００は、複数のバッテリ・セル・ユニット１０４に結合するための回路モジュール１０２を含む。例示の目的に限り、バッテリ・システム１００は６つのバッテリ・セル・ユニット１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ、１０４ｅ、１０４ｅ、１０４ｆを含む。しかしながら、バッテリ・システム１００では、任意の適した数のバッテリ・セル・ユニット１０４を含むことができる。バッテリ・システム１００は、電気エネルギを外部負荷に供給するため、または外部電源（図示せず）から電気エネルギを受けるためのバッテリ・パック端子１０１および１０３を含む。

回路モジュール１０２は、バッテリ・セル・ユニット１０４と結合するために６つの端子集合体(sets of terminals)１０６〜１１６を含み、各端子集合体は、正端子１０６ａ、１０８ａ、１１０ａ、１１２ ａ、１１４ａ、１１６ａと、対応する負端子１０６ｂ、１０８ｂ、１１０ｂ、１１２ｂ、１１４ｂ、１１６ｂとを含む。各端子集合体１０６〜１１６は、バッテリ・セル・ユニット１０４に結合するように構成されている（ここでは、関連バッテリ・セル・ユニット１０４と呼ぶ）。しかしながら、本発明の範囲から逸脱することなく、バッテリ・システム１００または本明細書において説明するバッテリ・システムではいずれも、任意の数の端子およびバッテリ・セル・ユニットを使用できることは、当業者には理解されよう。

バッテリ・システム１００において、回路モジュール１０２の素子は、１つの端子集合体の正端子１０６ａ、１１０ａ、１１４ａが、隣接する端子集合体の負端子１０８ｂ、１１８ｂ、１１６ｂに直接導体１１８ａ〜１１８ｃによって結合されるように配置されている。

第１端子集合体１０６の負端子１０６ｂはスイッチング・アセンブリ１２０ａに結合されている。スイッチング・アセンブリ１２０ａは、閉じているときバッテリ・セル・ユニット１０４ａを回路モジュール１０２に接続する第１スイッチ１２２と、閉じているときバッテリ・セル・ユニット１０４ａを迂回する第２スイッチ１２４とを含む。更に具体的には、バッテリ・セル・ユニット１０４ａは、第１スイッチ１２２が閉じており第２スイッチ１２４が開いているときにアクティブになる、即ち、回路モジュール１０２に接続される。バッテリ・セル・ユニット１０４ａは、第１スイッチ１２２が開いており第２スイッチ１２４が閉じているとき、インアクティブになる、即ち、回路モジュール１０２から外される。

同様に、第２端子集合体１０８の正端子１０８ａは、第２スイッチング・アセンブリ１２０ｂに結合されている。スイッチング・アセンブリ１２０ｂは、閉じているときにバッテリ・セル・ユニット１０４ｂを回路モジュール１０２に接続する第１スイッチ１２６と、閉じているときにバッテリ・セル・ユニット１０４ｂを迂回する第２スイッチ１２８とを含む。更に具体的には、バッテリ・セル・ユニット１０４ｂは、第１スイッチ１２６が閉じており第２スイッチ１２８が開いているときに、回路モジュール１０２に接続され、バッテリ・セル・ユニット１０４ｂは、第１スイッチ１２６が開いており第２スイッチ１２８が閉じているときに、回路モジュール１０２から外される。

したがって、バッテリ・セル・ユニット１０４ａを流れる電流はスイッチ１２２、１２４によって制御される。スイッチ１２２が閉じておりスイッチ１２４が開いている場合、パック端子１０１、１０３間を流れる電流はいずれも、スイッチ１２２およびバッテリ・セル・ユニット１０４ａを流れる。スイッチ１２２が開いておりスイッチ１２４が閉じている場合、パック端子１０１、１０３間を流れる電流はいずれもスイッチ１２４を通過するが、バッテリ・セル・ユニット１０４ａを通過しない。他のバッテリ・セル・ユニット１０４ｂ〜１０４ｆも、それらの関連するスイッチ・アセンブリによって、同様に制御される。

２つの端子集合体１０６、１０８と、関連するスイッチング・アセンブリ１２０ａ、１２０ｂとを含む回路レイアウトは、それぞれ、バッテリ・システム１００の１つの回路ユニット・ブロック１３１ａを形成する。バッテリ・システム１００は、更に２つの回路ユニット・ブロック１３１ｂ、１３１ｃを含み、これらはユニット・ブロック１３１ａと同様に構成されている。３つの回路ユニット１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃは、一緒に結合されて全体的なシステム１００を形成する。しかしながら、システム１００は、想定される(at hand)特定の用途のエネルギ貯蔵要件を満たすために、任意の適した数のユニット・ブロック１３１を含むことができることは理解されよう。

説明したように、バッテリ・セル・ユニット１０４ａの正端子１０６ａは、バッテリ・セル・ユニット１０４ｂの負端子１０８ｂに直接接続されている。このように回路を構成することによって、バッテリ・セル・ユニット１０４とスイッチ１２２、１２４、１２６、１２８間の電流路の長さを延長する必要なく、スイッチ１２２、１２４、１２６、１２８を、バッテリ・セル・ユニット１０４ａ、１０４ｂの一方側に、物理的に近接して配置させることができる。有利なことに、この結果製造コストが削減され、空間要件が緩和され、余分な抵抗を回避し、したがって、電流路の長さ延長によって生ずるエネルギ損失を回避する。

しかしながら、バッテリ・システム１００において、バッテリ・セル・ユニット１０４ａの正端子１０６ａを１０４ｄの負端子１１２ｂに、バッテリ・セル・ユニット１０４ｂおよび１０４ｃを介して接続するためには、電流が２つのスイッチ１２６、１３０を通過する。この実施形態では、６つのバッテリ・セル・ユニット１０４ａ〜１０４ｆの全てが電流を搬送するとした場合、電流はスイッチ１２２、１２６、１３０、１３４、１３８、および１４２も通過しなければならない。これは、電流がセル・ユニット毎に１つのスイッチを通過することに対応し、各スイッチにはオン抵抗、および付随するエネルギ損失が生ずる。

図２に示すバッテリ・システム２００は、全てのバッテリ・セル・ユニット２０４が回路モジュール２０２に接続されているときに、このスイッチング状態における電流路において閉じているスイッチの総数を減らすことによって、更に、バッテリ・システムのオン抵抗および付随するエネルギ損失を低減する。これについて、以下で更に説明する。

バッテリ・システム２００は、結合されている６つのバッテリ・セル・ユニット２０４ａ〜２０４ｆを受けるように構成された回路モジュール２０２を含む。しかしながら、バッテリ・システム２００では、任意の適した数のバッテリ・セル・ユニット２０４を使用することができる。バッテリ・システム１００は、電気エネルギを外部負荷に供給する、または外部電源（図示せず）から電気エネルギを受けるためにバッテリ・パック端子２０１および２０３を含む。

回路モジュール２０２は、バッテリ・セル・ユニット２０４と結合するための６つの端子集合体２０６〜２１６を含む、各端子集合体は、正端子２０６ａ、２０８ａ、２１０ａ、２１２ａ、２１４ａ、２１６ａと、対応する負端子２０６ｂ、２０８ｂ、２１０ｂ、２１２ｂ、２１４ｂ、２１６ｂとを有する。各端子集合体は２０６〜２１６は、バッテリ・セル・ユニット２０４に結合するように構成されている。

バッテリ・システム２００においても、回路モジュール２０２の素子は、１つの端子集合体の正端子２０６ａ、２１０ａ、２１４ａが、隣接する端子集合体の負端子２０８ｂ、２１２ｂ、２１６ｂに直接導体２１８ａ〜２１８ｃによって接続されるように配置されている。

第１端子集合体２０６の負端子２０６ｂは、スイッチング・アセンブリ２２０ａに結合されている。スイッチング・アセンブリ２２０ａは、閉じているときにバッテリ・セル・ユニット２０４ａを回路モジュール２０２に接続する第１スイッチ２２２と、閉じているときにバッテリ・セル・ユニット２０４ａを迂回する第２スイッチ２２４とを含む。更に具体的には、バッテリ・セル・ユニット２０４ａは、第１スイッチ２２２が閉じており第２スイッチ２２４が開いているときに回路モジュール２０２に接続され、バッテリ・セル・ユニット２０４ａは、第１スイッチ２２２が開いており第２スイッチ２２４が閉じているとき、回路モジュール２０２から外される(bypassed)。これらの端子集合体２０６ａ、２０６ｂおよびスイッチング・アセンブリ２２０ａを含む回路レイアウトは、第１端部回路ユニット・ブロック２３１ａを形成する。

同様に、回路モジュール２０２の逆側の端部では、端子集合体２１６の正端子２１６ａがスイッチング・アセンブリ２２０ｂに結合されている。スイッチング・アセンブリ２２０ａと同様に、スイッチング・アセンブリ２２０ｂは、閉じているときにバッテリ・セル・ユニット２０４ｆを回路モジュール２０２に接続する第１スイッチ２４２と、閉じているときにバッテリ・セル・ユニット２０４ｆを迂回する第２スイッチ２４４とを含む。これらの端子集合体２１６ａ、２１６ｂとスイッチング・アセンブリ２２０ｂとを含む回路レイアウトは、第２端部回路ユニット・ブロック２３１ｄを形成する。

２つの更に他の回路ユニット・ブロック２３１ｂ、２３１ｃが、端部ユニット・ブロック２３１ａ、２３１ｄの間に結合されている。ユニット・ブロック２３１ｂでは、バッテリ・セル・ユニット２０４ｂの正端子２０８ａおよびバッテリ・セル・ユニット２０４ｃの負端子２１０ｂが、スイッチ２２６、２２８、２３０、２３２を含むスイッチング・アセンブリに結合されている。具体的には、セル・ユニット２０４ｂの正端子２０８ａはスイッチ２２６および２２８の一方側に接続され、負端子２０８ｂはスイッチ２３０および２３２の一方側に接続され、セル２０４ｃの負端子２１０ｂはスイッチ２２６および２３０の他方側に接続され、正端子２１０ａはスイッチ２２８および２３２の他方側に接続されている。以下の表に示すように、スイッチ２２６〜２３２のスイッチング状態にしたがって、バッテリ・セル・ユニット２０４ｂおよび２０４ｃの各々を接続および／または迂回することができる。

バッテリ・セル・ユニット２０４ｂおよび２０４ｃは、双方共、スイッチ２２６が閉じておりスイッチ２２８、２３０、および２３２が開いているとき、回路モジュール２０２に接続される。スイッチ２２８が閉じておりスイッチ２２６、２３０、および２３２が開いているとき、セル・ユニット２０４ｂは回路モジュール２０２に接続され、セル・ユニット２０４ｃは回路モジュール２０２から外される。スイッチ２３０が閉じておりスイッチ２２６、２２８、および２３２が開いているとき、セル・ユニット２０４ｂは回路モジュール２０２から外され、セル・ユニット２０４ｃは回路モジュール２０２に接続される。スイッチ２３２が閉じておりスイッチ２２６、２２８、および２３０が開いているとき、セル・ユニット２０４ｂおよび２０４ｃは双方共回路モジュール２０２から外される。回路ユニット・ブロック２３１ｃは、回路ユニット・ブロック２３１ｂと同様に動作する。

バッテリ・システム２００におけるセル・ユニット２０４の総数を減らすために、中間回路ユニット・ブロック２３１ｂ、２３１ｃを、端部ユニット・ブロック２３１ａ、２３１ｂの間にある回路から除去する、またはこの回路に追加することができる。

バッテリ・システム２００では、スイッチ２２２〜２４４は、少なくとも１つのスイッチング状態の間、バッテリ・セル・ユニット２０４を隣接するバッテリ・セル・ユニット２０４に、２つの隣接するバッテリ・セル・ユニット２０４を接続する電流路においてせいぜい１つのスイッチを閉じることによって結合することができるように配置されている。加えて、システム２００は、電流路においてせいぜい１つのスイッチを閉じることによって、バッテリ・セル・ユニットを隣接するまたは隣接しないセル・ユニット２０４に結合することを可能にする。例えば、バッテリ・セル・ユニット２０４ａは、導体２１８ａによって、そしてスイッチを用いずに、隣接するバッテリ・セル・ユニット２０４ｂに結合することができる。バッテリ・セル・ユニット２０４ａは、導体および１つの閉じているスイッチ２３０を介して、隣接しないバッテリ・セル・ユニット２０４ｃに直接結合することができる。バッテリ・セル・ユニット２０４ａは、導体および１つの閉じているスイッチ２３２を介して、隣接しないバッテリ・セル・ユニット２０４ｄに直接結合することができる。この回路素子の構成は、動作中における電流路内のスイッチの総数を削減し、これによって、スイッチのオン抵抗によるオーム・エネルギ損失を低減し、バッテリ・システム２００全体のエネルギ効率を高めるという利点がある。

したがって、バッテリ・セル・ユニット２０４ａの正端子２０６ａをバッテリ・セル・ユニット２０４ｄの負端子２１２ｂに接続しつつ、中間バッテリ・セル・ユニット２０４ｂおよび２０４ｃを接続するには、電流は１つのスイッチ２２６だけを通過すればよい。このバッテリ・システム２００において、６つのバッテリ・セル・ユニット２０４ａ〜２０４ｆの全てが電流を搬送しようとするとき、４つのスイッチ２２２、２２６、２３４、および２４２のみが閉じられ、他の全てのスイッチは開いたままである。このスイッチング状態では、電流は４つのスイッチ２２２、２２６、２３４、および２４２だけを通過するので、スイッチのアクティブなバッテリ・セル・ユニットに対する比率が１未満になる。したがって、バッテリ・システム２００は、スイッチに伴うエネルギ損失を低減する。

図１と同様、図２のシステム２００も、複数のスイッチを互いに近接して、そしてバッテリ・セル・ユニット２０４の一方側に配置することができ、実用上、製造コストを削減し空間の制約を緩和することができる。

バッテリ・システム３００を図３に示すが、その部分を繰り返して、更に大きなバッテリ・システム（図示せず）を形成することができる。バッテリ・システム３００は、結合された４つのバッテリ・セル・ユニット３０４ａ〜３０４ｄを受けるように構成された回路モジュール３０２を含む。

回路モジュール３０２は、バッテリ・セル・ユニット３０４と結合する４つの端子集合体３０６〜３１２を含み、各端子集合体は、正端子３０６ａ、３０８ａ、３１０ａ、３１２ａと、対応する負端子３０６ｂ、３０８ｂ、３１０ｂ、３１２ｂとを有する。各端子集合体３０６〜３１２は、バッテリ・セル・ユニット３０４に結合するように構成されている。

バッテリ・システム３００においても、回路モジュール３０２の素子は、１つの集合体の正端子３０８ａ、３１２ａが、隣接する集合体の端子の負端子３０６ｂ、３１０ｂに、導体３１８ａ、３１８ｂによって直接結合されるように配置されている。

第１端子集合体３０６の正端子３０６ａは、スイッチ３２２、３２６を含むスイッチング・アセンブリに結合されている。バッテリ・セル・ユニット３０４ａは、スイッチ３２２が閉じておりスイッチ３２４が開いているとき、回路モジュール３０２に接続され、バッテリ・セル・ユニット３０４ａは、スイッチ３２２が開いており第２スイッチ３２４が閉じているとき、回路モジュール３０２から外される。

同様に、第２端子集合体３０８の負端子３０８ｂは、スイッチ３２８、３３０を含む第２スイッチング・アセンブリに結合されている。バッテリ・セル・ユニット３０４ｂは、スイッチ３３０が閉じておりスイッチ３２８が開いているときは、回路モジュール３０２に接続され、バッテリ・セル・ユニット３０４ｂは、スイッチ３３０が開いており第２スイッチ３２８が閉じているときは、回路モジュール３０２から外される。端子３１０および３１２に関連するスイッチング・アセンブリは、同様に動作する。

したがって、バッテリ・システム３００は、図１のバッテリ・システム１００と同様に動作する。スイッチ３２４、３２８の双方を閉じなければならないスイッチング・シーケンスにおいて、追加のスイッチ３２６を閉じる。２つのスイッチ３２４、３２８の代わりに１つのスイッチ３２６を使用することによって、スイッチ抵抗によって生ずる損失を低減する。スイッチ３２１、３３３、３３８は、スイッチ３２６と同様の機能を果たす(serve)。

システム３００において、全てのセル・ユニット３０４ａ〜３０４ｄが電流路に接続されているとき、電流は２つのスイッチ３２１、３３３だけに流れる。このスイッチング状態では、電流が通過するスイッチは、アクティブなバッテリ・セル・ユニット３０４当たり１つ未満であり、これによって、スイッチのアクティブなバッテリ・セル・ユニットに対する比率も１未満になる。

バッテリ・システムのバッテリ・パック筐体４００を図４に示す。筐体４００は、回路モジュール１０２、２０２、３０２に結合するために個々のバッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４を取り付けるおよび取り外すバッテリ・マウント３０２を備えている。具体的には、バッテリ・マウント４０２は複数のエンクロージャ４０４を含み、各エンクロージャは、バッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４を内部に受け入れるように構成されている。バッテリ・マウント４０２によって、バッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４を容易に着脱可能および交換可能にすることができる。

筐体４００は、バッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４を回路モジュール１０２、２０２、３０２に結合する導体を含む扉４０６を含む。例えば、保守のために扉４０６を開くと、筐体４００内部にあるバッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４は切断される。複数のバッテリ・パックを含み、各バッテリ・パックが筐体４００を含むバッテリ・システムでは、筐体４００の内任意の１つにおけるバッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４を保守する(maintain)には、各々別個の筐体４００を有する隣接するバッテリ・パックの動作に影響を及ぼすことなく、扉４０６を通じて行うことができる。

更に、小型化(compactness)を求め、導体の抵抗による損失および製造コストを低減するために、スイッチング・アセンブリを内蔵する集積回路をバッテリ・パック筐体４００の一方側４０８に配置する。

バッテリ・システムの代わりのバッテリ・パック５００を図５に示す。バッテリ・パック５００は、図４に示したのと同様のバッテリ・マウント５０２を有する。しかしながら、バッテリ・パック５００の筐体は、各バッテリ・セル・ユニットに、それ自体の個々の接続インターフェース５０４を設けているので、バッテリ・パック５００において接続されている他のバッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４の動作を途絶させることなく、各個々のバッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４を除去／交換／保守することができる。

以上で説明したスイッチング・アセンブリの適切なスイッチング・シーケンスを決定するために、駆動回路を含むコントローラを設ける。ある実施形態では、このコントローラは全てのスイッチング・アセンブリを集中制御する集中コントローラである。他の実施形態では、コントローラは、１つ以上の分散コントローラ(decentralised controller)を含むことができ、各分散コントローラがスイッチング・アセンブリの部分集合を制御する。

これより図６に移り、スイッチング・アセンブリを制御する方法６００について説明する。

ステップ６０２において、バッテリ電圧および／またはバッテリ電流の測定値、電圧および／または電流についての閾値、および／または履歴バッテリ測定データに基づいて、各バッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４の充電および放電容量を判定する。

ステップ６０４において、コントローラは、各バッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４の容量を、最大から最小までまたはその逆に順位付けし、容量が最も大きいセル・ユニットの容量と、容量が最も小さいセル・ユニットの容量との和を二分することによって、閾値容量を決定する。

問い合わせステップ６０６において、コントローラは、所与のバッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４の充電および放電容量が、ステップ６０４において決定した閾値よりも大きいかまたは小さいか判定する。特定のバッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４の容量が閾値よりも大きい場合、方法６００はステップ６０８に進み、大きくない場合、方法６００はステップ６１０に進む。

ステップ６０８において、関連するスイッチング・アセンブリにおいて該当するスイッチを開くまたは閉じることによって、特定のバッテリ・セル・ユニットをアクティブにする、即ち、回路モジュールに接続する。

ステップ６１０において、関連するスイッチング・アセンブリにおいて該当するスイッチを開くまたは閉じることによって、特定のバッテリ・セル・ユニットをインアクティブにする、即ち、回路モジュールから外す。

方法１００は、それぞれの回路モジュール１００、２００、３００に接続されているバッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４が完全に充電または放電されるまで、繰り返す。

ある実施形態では、２つ以上の閾値容量を決定し、用途の要件に基づいて使用することができる。例えば、コントローラは、下位閾値（容量が最も大きいセル・ユニットの容量と容量が最も小さいセル・ユニットの容量との和に１／３を乗算することによって計算する）、および上位閾値（容量が最も大きいセル・ユニットの容量と容量が最も小さいセル・ユニットの容量との和に２／３を乗算することによって計算する）を決定し、下位閾値よりも小さい容量を有するバッテリ・セル・ユニットを１／３の時間だけ有効化し、下位閾値よりも大きく上位閾値よりは小さい容量を有するバッテリ・セル・ユニットを２／３の時間だけ有効化し、更に上位閾値よりも大きい容量を有するバッテリ・セル・ユニットを全時間有効化する。この方法は、例えば、もっと多いバッテリ・セル・ユニットを有するバッテリ・パックのために、同様に、３つ以上の閾値を有するように変更することができる。

ある実施形態では、コントローラは、バッテリ・システムの性能を最適化するための保守要件に基づいて、各バッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４を監視することもできる。この最適化は、バッテリ・セル・ユニットの挙動に関する入力を考慮に入れる。バッテリ・セル・ユニットの挙動には、１つ以上の電圧、電流、および／または温度の現在および／または過去の測定値、セル・ユニットの充電状態および／または健全性状態の現在および／または過去の計算を含むことができる。また、これは、バッテリ保守要件に関する入力も考慮に入れることができ、保守要件には、バッテリ保守に伴う財務コスト、次のバッテリ保守が、運用上実施可能または有利なのはいつかというスケジュールを含むことができる。

次の保守の好機がいくらか離れているという１つのシナリオでは、この最適化は、性能が低いバッテリ・セル・ユニットの利用を減らし、したがって経年変化を低減し、次の保守の好機までそれらの寿命を引き延ばすこともできる。

次の保守が差し迫っているという別のシナリオでは、この最適化は、弱くなったバッテリ・セル・ユニットの利用を増やして、保守の一部としてそれらが交換される前に、それらの利用度を最大化することができる。

他の実施形態では、コントローラはバッテリ・セル・ユニットの特性の自動識別を実行する。性能にばらつきがあるバッテリ・セル・ユニットを使用するとき、バッテリ・セル・ユニットの使用最適化のための入力を供給するためには、特性を識別することに価値があることが多い。既存の技術的現状の方法では、バッテリ・データの手作業による入力を必要とし、バッテリ・セル・ユニットにラベルが付けられる。これは、時間がかかり、および／または誤りが起こりやすい作業となる可能性がある。一実施形態では、電圧、電流、および／または温度の測定値を含むがこれらには限定されない、１つ以上のバッテリ・セル・ユニットの充電および放電挙動を監視することによって、自動識別を行うことができる。次いで、システムは、観察した挙動を、セル・ユニットの種類および／または化学的性質(chemistries)についての情報のデータベースと比較することができる。このデータベースは、バッテリの化学的性質を含むことができるがこれに限定されない特性を示すのでもよく、これらの特性は、上限および／または下限電圧、電流限界値、温度限界値、および／または特定の利用率(specific utilisation factor)に対する経年変化の影響に結び付けることができる。

解釈
特許請求の範囲を含む本明細書は、以下のように解釈されることを意図している。

本明細書において説明した実施形態または例は、本発明の範囲を限定することなく、本発明を例示することを意図している。本発明は、当業者には容易に想起される種々の変更および追加を加えて実施することができる。したがって、本発明の範囲は、説明または例示した構造および動作そのものに限定されるのではなく、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されることは理解されよう。

本明細書における方法ステップまたは製品要素の単なる開示(mere disclosure)は、明示的に述べられている場合または請求項において明示的に記載されている場合を除いて、特許請求する発明にとって必須であると解釈してはならない。

請求項における用語は、基準日(relevant date)の時点において当業者によって与えられた最も広い範囲の意味を有するものとする。

「ａ」および「ａｎ」という用語は、別段明示的に指定されないならば、「１つ以上」を意味する。

本願の名称も要約書も、特許請求する発明の範囲を限定するように解釈しては決してならない。

請求項の前提部が、特許請求する発明の目的、利点、または可能な用法を記載する場合、それは、特許請求する発明を、その目的、利点、または可能な用法のみを有することに限定するのではない。

本明細書では、請求項も含み、「備える」(comprise)という用語、および「備える」 (comprises)または「備えている」(comprising)というようなこの用語の変形は、別段明示的に指定されていなければ、あるいはコンテキストまたは用法においてこの用語の排他的な解釈が必要でないならば、「含むが限定されない」ことを意味するために使用されるものとする。

本明細書において引用した文書はいずれも、その開示内容が、引用によって本特許明細書に本開示の一部として含まれるものとするが、明細書を記載することおよび実施を可能にすることだけを目的とするのであって、本願のいずれの用語も限定、定義、またはそれ以外で解釈するために使用されては決してならない。本願は、このような引用による編入(incorporation by reference)がなくても、解明可能な意味を明示し(provide)損なうことはない。引用による編入それ自体は、いずれも、含まれる文書のいずれに収容されるいずれの言明、意見、または論点(argument)の承認も批准も全く意味しない。

本明細書において背景技術または先行技術を参照する場合はいずれも、そのような背景技術や先行技術が、関連分野における共通の一般知識を示すことの承認ではなく、また特許請求の範囲の有効性に関して適格な先行技術であることの承認でもない。

本明細書において説明する発明は、一般的には、バッテリ・システムのようなエネルギ貯蔵システムに関する。

全電気自動車(full electric vehicle)、ハイブリッド電気自動車、およびグリッド接続またはオフ・グリッド(off grid)用途における静止エネルギ貯蔵というような用途のためのエネルギ貯蔵システムは、複数のエネルギ貯蔵セル・ユニットの構成を含むことが多い。各セル・ユニットは、その充電状態および動作条件によって異なる特定の範囲内において出力電圧を供給するように、その機能的メカニズムおよび設計によって制限される。また、各セル・ユニットは、動作条件に応じて一定の最大充電貯蔵能力を提供するように、その機能的メカニズムおよび設計によって制限される。セル・ユニットを電気的に直列に接続すると、最大達成可能出力電圧が上昇し、したがって所与の電力出力を供給するために必要な電流の大きさが減少する。オーム損は電流の大きさと共に増大するので、これによってシステム効率が高くなる。セル・ユニットを電気的に並列に接続すると、所与のセル・ユニットの容量および貯蔵システムの出力電圧レベルに対する最大達成可能貯蔵容量が増大する。

個々のセル・ユニットが、充電貯蔵容量、内部抵抗、およびその他の性能関連因子に関して何らかの差違を呈することは不可避である。セル・ユニットは、それらの動作寿命に入る前であっても、最も進んだ技術的現状の製造プロセスでさえも、製造中におけるセル・ユニットにおける一定のばらつきを許容する製造許容度によって生ずる差違を有することが不可避である。更に、動作寿命全体にわたるセル・ユニットの性能劣化条件またはプロファイルのばらつきが、これらの差違の一因になる。使用されたセル・ユニットが再利用(re-use)のために再生利用される(recycle)用途では、セル・ユニットは、特にセル・ユニットが異なる使用プロファイルに露出された場合には、顕著な性能差を伴う可能性がある。異なる仕様のセル・ユニットを利用することも、セル・ユニットの差違の一因になる可能性がある。

複数のエネルギ貯蔵ユニットを含むエネルギ貯蔵システムでは、セル・ユニット間におけるこのような差違が、全体的なエネルギ貯蔵システムをどのように管理するか、そしてこのエネルギ貯蔵システムがどのように動作するかということに影響を及ぼす可能性がある。電気的に並列に接続されたセル・ユニットでは、性能が低いセル・ユニット程、放電または充電プロセス中において、それぞれ、寄与する電流が減少するかまたは受け入れる電流が減少する。この結果、性能が高いセル・ユニット程、放電または充電プロセス中において、それぞれ、寄与する電流が増大するまたは受け入れる電流が増大することになる。このような電流量(rate)の増大は、システム効率を低下させ、セル・ユニットの劣化を増大させ、そして潜在的に安全上の危険を生ずる(present)可能性がある。したがって、システム全体の電力入力または出力レベルが低くなるように制限することが必要となる場合が多い。電気的に直列に接続されたセル・ユニットでは、充電容量が小さいセル・ユニット程、放電または充電プロセス中において、それぞれ、寄与する電荷が減少するかまたは受け入れる電荷が減少する可能性がある。直列配列に起因して、充電容量が大きい方のセル・ユニットは、充電容量が最も小さいセル・ユニットと等しい電荷量だけしか寄与しない(contribute)ように抑えられる。これが意味するのは、充電容量が最も小さいセル・ユニットが、エネルギ貯蔵システム全体の電荷貯蔵容量を抑えてしまうということである。

従来のバッテリ管理システムは、通例、多く充電された方のセル・ユニットから余分なエネルギを消散させるためにスイッチド抵抗器(switched resistor)を使用するか、あるいは多く充電されたセル・ユニットから少なく充電されたセル・ユニットにエネルギを伝達するためにスイッチド・キャパシタまたはスイッチド・インダクタを使用する。これらのシステムの主な役割は、充電放電サイクルにおける特定の時点において、例えば、充電の終了時において、直列に接続されているセル・ユニットの充電差の状態を等化することである。サイクルにおける１つの特定時点において充電の状態を等化することにより、直列配列において容量が最も小さいセル・ユニットを最大限使用できることを確保する。しかしながら、このために、容量が大きいセル・ユニット程、出力により多くのエネルギを負担させる(contribute)ことができなくなる。

例えば、直列配列に接続され、完全に充電された２つのセル・ユニットが、それぞれ、１Ａｈおよび１０Ａｈの容量を有すると仮定する。このシステムが１Aのレートで放電する場合、放電中の等化を仮定しないと、システム全体は、１時間の放電時間の間、容量が小さい方のセル・ユニットからの１Ａｈ、および容量が大きい方のセル・ユニットからの１Ａｈから成る２Ａｈを供給することになる。

直列に接続された複数のセル・ユニットを含むエネルギ貯蔵システムにおいて、容量が最も小さいセル・ユニットに起因する欠点を克服するためには、更に進んだ手法が必要となる。スイッチド・キャパシタまたはスイッチド・インダクタの分散システム(balancing system)は、エネルギを連続的に伝達するように、例えば、充電容量が大きい方のセル・ユニットから充電容量が小さい方のセル・ユニットに、放電プロセスの一部または全部にわたってエネルギを伝達するように動作させることができる。しかしながら、セル・ユニットを等化するために使用される電気経路および素子は、通例、その定格に定められる(rated)エネルギ・スループットが、エネルギ貯蔵システム全体の定格のごく一部(fraction)に過ぎない。したがって、これらのシステムは、通例、セル・ユニット間の差違のごく一部しか考慮することができない。

例えば、直列配列に接続され完全に充電された２つのバッテリ・セル・ユニットが、それぞれ、１Ａｈおよび１０Ａｈの容量を有すると仮定する。このシステムが１Aのレートで放電し、加えて充電量が少ない方のセル・ユニットから充電量が多い方のセル・ユニットに０．１Aのレートでエネルギを伝達する場合、１時間後、このシステムは２Ａｈの容量を供給したことになる。この時点において、エネルギ伝達のため、充電容量が小さい方のセル・ユニットはなおも０．１Ａｈを保持し、充電量が多い方のセル・ユニットはなおも８．９Ａｈを保持するので、約０．１時間だけ長く放電を継続させることができ、この結果エネルギ貯蔵システム全体の容量は、等化システムを全く使用しない場合よりも、約０．２Ａｈ多くなる。充電量が多い方のセル・ユニットによって維持することができる余分な放電時間およびエネルギは、等化システムのエネルギ定格と共に増大し、このため、因子の中でもとりわけ、コストおよび空間要件を増大させる可能性がある。このため、このようなバッテリ管理手法が有用となるのは主に、同じ仕様で以前から使用されているセル・ユニットに基づかないエネルギ貯蔵システムのような、比較的差違が小さなエネルギ貯蔵システムだけになる。更に、スイッチド・キャパシタまたはスイッチド・インダクタを使用するには、それぞれ、キャパシタまたはインダクタのような仲介貯蔵デバイスを介してエネルギを伝達する必要があり、これには、エネルギ貯蔵システム全体の効率に悪影響を及ぼす損失が伴う可能性がある。

直列に接続されたセル・ユニット間の差違によって生ずる欠点に取り組む他の方法は、電圧変換器を使用することである。通例、各セル・ユニットは１つの電圧変換器に接続され、電圧変換器は並列に接続され、直流側の結合部(coupling)に至る。次いで、これは直接または更に他の電圧変換器を介して、インバータに接続することができる。他の選択肢は、各セル・ユニットを１つの電圧変換器に接続し、各電圧変換器をインバータに接続し、セル・ユニットからのエネルギが交流側で接続されるように、インバータを並列に接続することである。更に他の選択肢は、出力が直列に接続された電圧変換器(voltage converter)を使用することである。電圧変換器を使用することの欠点には、変換器の部品コストがかなり高いこと、コントローラの種類およびレイアウトによってはセルの充電および放電の制御性になんらかの限界が予期されること、そしてインダクタおよび／またはキャパシタのような、電圧変換に使用される格納部品(storage element)におけるエネルギ損失に部分的に起因して、電圧変換器の効率が低いことが含まれる。

また、セル・ユニットを接続、迂回（即ち、切断）するためにスイッチを使用することもできる。性能が低い方のセル・ユニットを切断することによって、他のセル・ユニットからの追加の充電および放電容量を解放する(unlock)ことができる。この手法を使用する現行のシステムの欠点として、直列に接続されたセル・ユニット毎に追加のスイッチをいずれの所与の電流路にも配置することが、オン抵抗およびエネルギ損失が付随して生じる一因になることがあげられる。

本発明の目的は、以上で説明した欠点または問題の１つ以上を克服するまたは改めるバッテリ・システム、または少なくとも消費者に有用な選択肢を提供するバッテリ・システムを提供することである。

本発明の一態様によれば、複数のバッテリ・セル・ユニットを結合するための回路モジュールを提供する。このモジュールは、
第１バッテリ・セル・ユニットに結合するための正端子および負端子を有する第１端子集合体と、
第２バッテリ・セル・ユニットに結合するための正端子および負端子を有する第２端子集合体と、
第３バッテリ・セル・ユニットに結合するための正端子および負端子を有する第３端子集合体と、
を含み、
第１端子集合体の正端子が、直接または１つ以上の受動素子を介して、第２端子集合体の負端子に結合され、
第１端子集合体の負端子、および第２端子集合体の正端子が各々、スイッチング・アセンブリに結合され、
スイッチング・アセンブリが、バッテリ・セル・ユニットの各１つを選択的に接続するまたは切断するように動作的に構成され、
スイッチング・アセンブリが、
第１バッテリ・セル・ユニットおよび第２バッテリ・セル・ユニットが電気的に直列に接続され、第３バッテリ・セル・ユニットが切断される第１状態における動作と、
第１バッテリ・セル・ユニットおよび第３バッテリ・セル・ユニットが電気的に直列に接続され、第２バッテリ・セル・ユニットが切断される第２状態における動作と、
第２バッテリ・セル・ユニットおよび第３バッテリ・セル・ユニットが電気的直列に接続され、第１バッテリ・セル・ユニットが切断される第３状態における動作と、
を可能にするように動作的に構成される。

したがって、第１端子集合体の正端子は、第２端子集合体の負端子に直接結合することができ、または第１端子集合体の正端子は、導体、ヒューズ、抵抗器、インダクタ、または任意の他の同様の素子のような１つ以上の受動素子を介して、第２端子集合体の負端子に結合することもできる。本明細書では、受動素子とは、導体、ヒューズ、抵抗器、インダクタ、または切り替えを行わないで動作する任意の他の同様のものというような、任意の回路素子を指す。

実際には、第１端子集合体の正端子を第２端子集合体の負端子に直接結合するか、または受動素子（１つまたは複数）を介して結合するように回路を構成すると、回路モジュールの一方側に、スイッチング・アセンブリの全てを配置させることができ、これによって回路モジュールの構成を大幅に簡素化できるという利点がある。このような回路モジュールを組み込んだバッテリ・システムでは、これは、全ての回路素子（例えば、スイッチング・アセンブリを載置するＰＣＢ回路ボード等）を、端子集合体の一方側に（例えば、一旦回路モジュールに結合されたバッテリ・セル・ユニットの一方側）に配置することが可能になる。このように、回路素子の総数を最小限に抑えることができ、回路素子の配列または構成を簡素化することができ、このためバッテリ・システム全体におけるインピーダンスおよび損失を低減し、更に製造時間を短縮し製造コストを削減する。更にまた、バッテリ・システムの全体的な重量およびサイズも最小限に抑えることができる。これは、特に、空間および重量の制約が適用される用途において、有利になることができる。

一実施形態では、スイッチング・アセンブリの任意のスイッチング状態において、回路モジュールの動作中隣接するバッテリ・セル・ユニット間にある電流路において、多くとも１つのスイッチを閉じる。

一実施形態では、バッテリ・セル・ユニットの全てが回路モジュールに接続されているとき、隣接するバッテリ・セル・ユニット間にある電流路において、多くとも１つのスイッチを閉じる。

一実施形態において、スイッチング・アセンブリの任意のスイッチング状態において、 閉じているスイッチのバッテリ・セル・ユニットに対する比率が、回路モジュールの動作中は１未満である。

一実施形態において、バッテリ・セル・ユニットの全てが回路モジュールに接続されているとき、閉じているスイッチのバッテリ・セル・ユニットに対する比率が１未満である。

アクティブなバッテリ・セル・ユニット間にある電流路において閉じているスイッチの数を減らすと、スイッチング抵抗による損失を低減し、これによってバッテリ・システムの全体的な性能を高めるという利点がある。

各スイッチング・アセンブリは、関連するバッテリ・セル・ユニットを接続する第１スイッチと、関連するバッテリ・セル・ユニットを切断する第２スイッチとを含むことができる。

第１実施形態では、第１端子集合体に対して、関連するスイッチング・アセンブリの第１スイッチが第１端子集合体の負端子に一方側において結合され、第２スイッチに第２側において結合される。関連するスイッチング・アセンブリの第２スイッチは、第１スイッチに一方側において結合され、第１端子集合体の正端子に第２側において結合される。この実施形態では、第２端子集合体に対して、関連するスイッチング・アセンブリの第１スイッチは、第２端子集合体の正端子に一方側において結合され、第２スイッチに第２側において結合される。関連するスイッチング・アセンブリの第２スイッチは、第１スイッチに一方側において結合され、第２端子集合体の負端子に第２側において結合される。

第１および第２端子集合体は、それらの関連するスイッチング・アセンブリと共に、回路モジュールの１ユニットを形成することができる。この回路モジュールは、互いに結合された複数のユニットを含むことができる。

任意の適したスイッチング・デバイスを使用することができる。ある実施形態では、スイッチング・アセンブリは１つ以上の電気機械式リレーを含むこともできる。スイッチング・アセンブリは１つ以上のトランジスタを含むこともできる。

本発明の他の態様によれば、バッテリ・システムを提供する。このバッテリ・システムは、
以上で説明したような回路モジュールと、
回路モジュールに結合された複数のバッテリ・セル・ユニットと、
を含む。

一実施形態では、バッテリ・セル・ユニットは、使用済みバッテリ・セル・ユニットである。具体的には、バッテリ・セル・ユニットは、ハイブリッド電気車両または純粋な電気車両のバッテリとして使用されてもよい。

一用途では、回路モジュールは、使用済み車両電池を再利用するために使用することができる。具体的には、使用済み自動車用バッテリを、回路モジュールに直列に結合し、電気エネルギ貯蔵のためのバッテリ・システムを提供することができる。このバッテリ・システムは、住宅用または商業用の電気エネルギ貯蔵に対応することができる。

更に、このバッテリ・システムは、１つ以上のバッテリ・セル・ユニットを、回路モジュールに結合するために装着することを可能にするように構成されたバッテリ・マウントも含むことができ、回路モジュールの全てのスイッチング・アセンブリがバッテリ・マウントの一方側に配置される。

バッテリ・マウントは、１つ以上のバッテリ・セル・ユニットを、その動作寿命における任意の時点において、バッテリ・システムに合わせて改造することを可能にするように構成することができる。これは、バッテリ・セル・ユニットを都合に合わせて追加、削除、および／または交換することを可能にするという利点がある。

更に、バッテリ・システムは、回路モジュールのスイッチング・アセンブリを制御するコントローラを含むことができる。このコントローラは、バッテリ・セル・ユニットの充電および放電挙動に基づいて、スイッチング・アセンブリを制御することができる。更に具体的には、コントローラは、充電および／または放電中におけるバッテリ・セル・ユニットの電圧、電流、および／または温度に基づいて、各バッテリ・セル・ユニットの充電および放電挙動を決定することができる。

一実施形態では、コントローラは、
バッテリ・セル・ユニットの測定電圧、電流、および／または温度を所定の電圧、電流、および／または温度範囲、および／または第２バッテリ・セル・ユニットの測定電圧、電流、および／または温度と比較し、
バッテリ・セル・ユニットを接続および／または切断することを決定し、
各バッテリ・セル・ユニットを接続または切断するようにスイッチング・アセンブリを制御することができる。

更に、コントローラはスイッチング・アセンブリを高周波で動作させることもできる。

ある実施形態では、複数のバッテリ・セル・ユニットは、個々のバッテリ・セル・ユニットの複合体(combination)、および並列接続セルのブロックを構成する(comprise)ことができる。本明細書では、「バッテリ・セル・ユニット」または「セル・ユニット」という用語は、個々のバッテリ・セルまたは並列に接続されたセルのブロックを指すことができ、同様の論法(reasoning)は、複数のような、これらの用語の変形にも該当する。また、これは並列に接続されたセルのブロックも指すことができ、ヒューズ、抵抗器、またはインダクタのような１つ以上の回路素子が、個々のセルと直列におよび／または並列に接続される。

バッテリ・セル・ユニットは、例えば、スーパーキャパシタ等を含む、任意の適したエネルギ貯蔵部品とすることができる。
本発明の他の態様によれば、複数のバッテリ・セル・ユニットを結合するための回路モジュールであって、この回路モジュールは第１サブモジュールと第２サブモジュールとを含む。各サブモジュールは、
第１バッテリ・セル・ユニットに結合するための正端子および負端子を有する第１端子集合体と、
第２バッテリ・セル・ユニットに結合するための正端子および負端子を有する第２端子集合体と、
を含み、
前記第１端子集合体の正端子が、直接または１つ以上の受動素子を介して、前記第２端子集合体の負端子に結合され、
前記第１端子集合体の負端子、および前記第２端子集合体の正端子が各々、スイッチング・アセンブリに結合され、
前記スイッチング・アセンブリが、前記バッテリ・セル・ユニットの各１つを選択的に接続するまたは切断するように動作的に構成され、
前記スイッチング・アセンブリが、
前記第１バッテリ・セル・ユニットおよび前記第２バッテリ・セル・ユニットが電気的に直列に接続され、前記第３バッテリ・セル・ユニットが切断される第１状態における動作と、
前記第１バッテリ・セル・ユニットおよび前記第３バッテリ・セル・ユニットが電気的に直列に接続され、前記第２バッテリ・セル・ユニットが切断される第２状態における動作と、
前記第２バッテリ・セル・ユニットおよび前記第３バッテリ・セル・ユニットが電気的直列に接続され、前記第１バッテリ・セル・ユニットが切断される第３状態における動作と、
を可能にするように動作的に構成される。
スイッチング・アセンブリは、前記複数のバッテリ・セル・ユニットから出力される総電圧を変化させるように、前記バッテリ・セル・ユニットの内任意の１つ以上を選択的に接続または切断するように動作的に構成することができる。

本明細書では、「スイッチ」という用語は、電流の流路を変更するように制御することができる１つまたは複数の回路部品を指す。ある実施形態では、スイッチは、１つまたは複数の電気機械式リレーを含む。ある実施形態では、スイッチは１つまたは複数のトランジスタを含む。

本発明を一層容易に理解し実施できるようにするために、これより、１つ以上の好ましい実施形態について、一例としてのみ、添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるバッテリ・システムの回路図である。 図２は、本発明の他の実施形態によるバッテリ・システムの回路図である。 図３は、本発明の更に他の実施形態によるバッテリ・システムの回路図である。 図４は、本発明の実施形態によるバッテリ・システムの筐体の斜視図である。 図５は、本発明の実施形態によるバッテリ・システムのバッテリ・パックの斜視図である。 図６は、本発明の実施形態によるバッテリ・システムのスイッチ・アセンブリを制御する方法を示す流れ図である。

本発明の一実施形態によるバッテリ・システム１００を図１に示す。バッテリ・システム１００は、複数のバッテリ・セル・ユニット１０４に結合するための回路モジュール１０２を含む。例示の目的に限り、バッテリ・システム１００は６つのバッテリ・セル・ユニット１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ、１０４ｅ、１０４ｅ、１０４ｆを含む。しかしながら、バッテリ・システム１００では、任意の適した数のバッテリ・セル・ユニット１０４を含むことができる。バッテリ・システム１００は、電気エネルギを外部負荷に供給するため、または外部電源（図示せず）から電気エネルギを受けるためのバッテリ・パック端子１０１および１０３を含む。

回路モジュール１０２は、バッテリ・セル・ユニット１０４と結合するために６つの端子集合体(sets of terminals)１０６〜１１６を含み、各端子集合体は、正端子１０６ａ、１０８ａ、１１０ａ、１１２ ａ、１１４ａ、１１６ａと、対応する負端子１０６ｂ、１０８ｂ、１１０ｂ、１１２ｂ、１１４ｂ、１１６ｂとを含む。各端子集合体１０６〜１１６は、バッテリ・セル・ユニット１０４に結合するように構成されている（ここでは、関連バッテリ・セル・ユニット１０４と呼ぶ）。しかしながら、本発明の範囲から逸脱することなく、バッテリ・システム１００または本明細書において説明するバッテリ・システムではいずれも、任意の数の端子およびバッテリ・セル・ユニットを使用できることは、当業者には理解されよう。

バッテリ・システム１００において、回路モジュール１０２の素子は、１つの端子集合体の正端子１０６ａ、１１０ａ、１１４ａが、隣接する端子集合体の負端子１０８ｂ、１１８ｂ、１１６ｂに直接導体１１８ａ〜１１８ｃによって結合されるように配置されている。

第１端子集合体１０６の負端子１０６ｂはスイッチング・アセンブリ１２０ａに結合されている。スイッチング・アセンブリ１２０ａは、閉じているときバッテリ・セル・ユニット１０４ａを回路モジュール１０２に接続する第１スイッチ１２２と、閉じているときバッテリ・セル・ユニット１０４ａを切断する第２スイッチ１２４とを含む。更に具体的には、バッテリ・セル・ユニット１０４ａは、第１スイッチ１２２が閉じており第２スイッチ１２４が開いているときにアクティブになる、即ち、回路モジュール１０２に接続される。バッテリ・セル・ユニット１０４ａは、第１スイッチ１２２が開いており第２スイッチ１２４が閉じているとき、インアクティブになる、即ち、回路モジュール１０２から切断される。

同様に、第２端子集合体１０８の正端子１０８ａは、第２スイッチング・アセンブリ１２０ｂに結合されている。スイッチング・アセンブリ１２０ｂは、閉じているときにバッテリ・セル・ユニット１０４ｂを回路モジュール１０２に接続する第１スイッチ１２６と、閉じているときにバッテリ・セル・ユニット１０４ｂを切断する第２スイッチ１２８とを含む。更に具体的には、バッテリ・セル・ユニット１０４ｂは、第１スイッチ１２６が閉じており第２スイッチ１２８が開いているときに、回路モジュール１０２に接続され、バッテリ・セル・ユニット１０４ｂは、第１スイッチ１２６が開いており第２スイッチ１２８が閉じているときに、回路モジュール１０２から切断される。

したがって、バッテリ・セル・ユニット１０４ａを流れる電流はスイッチ１２２、１２４によって制御される。スイッチ１２２が閉じておりスイッチ１２４が開いている場合、パック端子１０１、１０３間を流れる電流はいずれも、スイッチ１２２およびバッテリ・セル・ユニット１０４ａを流れる。スイッチ１２２が開いておりスイッチ１２４が閉じている場合、パック端子１０１、１０３間を流れる電流はいずれもスイッチ１２４を通過するが、バッテリ・セル・ユニット１０４ａを通過しない。他のバッテリ・セル・ユニット１０４ｂ〜１０４ｆも、それらの関連するスイッチ・アセンブリによって、同様に制御される。

２つの端子集合体１０６、１０８と、関連するスイッチング・アセンブリ１２０ａ、１２０ｂとを含む回路レイアウトは、それぞれ、バッテリ・システム１００の１つの回路ユニット・ブロック１３１ａを形成する。バッテリ・システム１００は、更に２つの回路ユニット・ブロック１３１ｂ、１３１ｃを含み、これらはユニット・ブロック１３１ａと同様に構成されている。３つの回路ユニット１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃは、一緒に結合されて全体的なシステム１００を形成する。しかしながら、システム１００は、想定される(at hand)特定の用途のエネルギ貯蔵要件を満たすために、任意の適した数のユニット・ブロック１３１を含むことができることは理解されよう。

説明したように、バッテリ・セル・ユニット１０４ａの正端子１０６ａは、バッテリ・セル・ユニット１０４ｂの負端子１０８ｂに直接接続されている。このように回路を構成することによって、バッテリ・セル・ユニット１０４とスイッチ１２２、１２４、１２６、１２８間の電流路の長さを延長する必要なく、スイッチ１２２、１２４、１２６、１２８を、バッテリ・セル・ユニット１０４ａ、１０４ｂの一方側に、物理的に近接して配置させることができる。有利なことに、この結果製造コストが削減され、空間要件が緩和され、余分な抵抗を回避し、したがって、電流路の長さ延長によって生ずるエネルギ損失を回避する。

しかしながら、バッテリ・システム１００において、バッテリ・セル・ユニット１０４ａの正端子１０６ａを１０４ｄの負端子１１２ｂに、バッテリ・セル・ユニット１０４ｂおよび１０４ｃを介して接続するためには、電流が２つのスイッチ１２６、１３０を通過する。この実施形態では、６つのバッテリ・セル・ユニット１０４ａ〜１０４ｆの全てが電流を搬送するとした場合、電流はスイッチ１２２、１２６、１３０、１３４、１３８、および１４２も通過しなければならない。これは、電流がセル・ユニット毎に１つのスイッチを通過することに対応し、各スイッチにはオン抵抗、および付随するエネルギ損失が生ずる。

図２に示すバッテリ・システム２００は、全てのバッテリ・セル・ユニット２０４が回路モジュール２０２に接続されているときに、このスイッチング状態における電流路において閉じているスイッチの総数を減らすことによって、更に、バッテリ・システムのオン抵抗および付随するエネルギ損失を低減する。これについて、以下で更に説明する。

バッテリ・システム２００は、結合されている６つのバッテリ・セル・ユニット２０４ａ〜２０４ｆを受けるように構成された回路モジュール２０２を含む。しかしながら、バッテリ・システム２００では、任意の適した数のバッテリ・セル・ユニット２０４を使用することができる。バッテリ・システム１００は、電気エネルギを外部負荷に供給する、または外部電源（図示せず）から電気エネルギを受けるためにバッテリ・パック端子２０１および２０３を含む。

回路モジュール２０２は、バッテリ・セル・ユニット２０４と結合するための６つの端子集合体２０６〜２１６を含む、各端子集合体は、正端子２０６ａ、２０８ａ、２１０ａ、２１２ａ、２１４ａ、２１６ａと、対応する負端子２０６ｂ、２０８ｂ、２１０ｂ、２１２ｂ、２１４ｂ、２１６ｂとを有する。各端子集合体は２０６〜２１６は、バッテリ・セル・ユニット２０４に結合するように構成されている。

バッテリ・システム２００においても、回路モジュール２０２の素子は、１つの端子集合体の正端子２０６ａ、２１０ａ、２１４ａが、隣接する端子集合体の負端子２０８ｂ、２１２ｂ、２１６ｂに直接導体２１８ａ〜２１８ｃによって接続されるように配置されている。

第１端子集合体２０６の負端子２０６ｂは、スイッチング・アセンブリ２２０ａに結合されている。スイッチング・アセンブリ２２０ａは、閉じているときにバッテリ・セル・ユニット２０４ａを回路モジュール２０２に接続する第１スイッチ２２２と、閉じているときにバッテリ・セル・ユニット２０４ａを切断する第２スイッチ２２４とを含む。更に具体的には、バッテリ・セル・ユニット２０４ａは、第１スイッチ２２２が閉じており第２スイッチ２２４が開いているときに回路モジュール２０２に接続され、バッテリ・セル・ユニット２０４ａは、第１スイッチ２２２が開いており第２スイッチ２２４が閉じているとき、回路モジュール２０２から切断される。これらの端子集合体２０６ａ、２０６ｂおよびスイッチング・アセンブリ２２０ａを含む回路レイアウトは、第１端部回路ユニット・ブロック２３１ａを形成する。

同様に、回路モジュール２０２の逆側の端部では、端子集合体２１６の正端子２１６ａがスイッチング・アセンブリ２２０ｂに結合されている。スイッチング・アセンブリ２２０ａと同様に、スイッチング・アセンブリ２２０ｂは、閉じているときにバッテリ・セル・ユニット２０４ｆを回路モジュール２０２に接続する第１スイッチ２４２と、閉じているときにバッテリ・セル・ユニット２０４ｆを切断する第２スイッチ２４４とを含む。これらの端子集合体２１６ａ、２１６ｂとスイッチング・アセンブリ２２０ｂとを含む回路レイアウトは、第２端部回路ユニット・ブロック２３１ｄを形成する。

２つの更に他の回路ユニット・ブロック２３１ｂ、２３１ｃが、端部ユニット・ブロック２３１ａ、２３１ｄの間に結合されている。ユニット・ブロック２３１ｂでは、バッテリ・セル・ユニット２０４ｂの正端子２０８ａおよびバッテリ・セル・ユニット２０４ｃの負端子２１０ｂが、スイッチ２２６、２２８、２３０、２３２を含むスイッチング・アセンブリに結合されている。具体的には、セル・ユニット２０４ｂの正端子２０８ａはスイッチ２２６および２２８の一方側に接続され、負端子２０８ｂはスイッチ２３０および２３２の一方側に接続され、セル２０４ｃの負端子２１０ｂはスイッチ２２６および２３０の他方側に接続され、正端子２１０ａはスイッチ２２８および２３２の他方側に接続されている。以下の表に示すように、スイッチ２２６〜２３２のスイッチング状態にしたがって、バッテリ・セル・ユニット２０４ｂおよび２０４ｃの各々を接続および／または切断することができる。

バッテリ・セル・ユニット２０４ｂおよび２０４ｃは、双方共、スイッチ２２６が閉じておりスイッチ２２８、２３０、および２３２が開いているとき、回路モジュール２０２に接続される。スイッチ２２８が閉じておりスイッチ２２６、２３０、および２３２が開いているとき、セル・ユニット２０４ｂは回路モジュール２０２に接続され、セル・ユニット２０４ｃは回路モジュール２０２から切断される。スイッチ２３０が閉じておりスイッチ２２６、２２８、および２３２が開いているとき、セル・ユニット２０４ｂは回路モジュール２０２から切断され、セル・ユニット２０４ｃは回路モジュール２０２に接続される。スイッチ２３２が閉じておりスイッチ２２６、２２８、および２３０が開いているとき、セル・ユニット２０４ｂおよび２０４ｃは双方共回路モジュール２０２から切断される。回路ユニット・ブロック２３１ｃは、回路ユニット・ブロック２３１ｂと同様に動作する。

バッテリ・システム２００におけるセル・ユニット２０４の総数を減らすために、中間回路ユニット・ブロック２３１ｂ、２３１ｃを、端部ユニット・ブロック２３１ａ、２３１ｂの間にある回路から除去する、またはこの回路に追加することができる。

バッテリ・システム２００では、スイッチ２２２〜２４４は、少なくとも１つのスイッチング状態の間、バッテリ・セル・ユニット２０４を隣接するバッテリ・セル・ユニット２０４に、２つの隣接するバッテリ・セル・ユニット２０４を接続する電流路においてせいぜい１つのスイッチを閉じることによって結合することができるように配置されている。加えて、システム２００は、電流路においてせいぜい１つのスイッチを閉じることによって、バッテリ・セル・ユニットを隣接するまたは隣接しないセル・ユニット２０４に結合することを可能にする。例えば、バッテリ・セル・ユニット２０４ａは、導体２１８ａによって、そしてスイッチを用いずに、隣接するバッテリ・セル・ユニット２０４ｂに結合することができる。バッテリ・セル・ユニット２０４ａは、導体および１つの閉じているスイッチ２３０を介して、隣接しないバッテリ・セル・ユニット２０４ｃに直接結合することができる。バッテリ・セル・ユニット２０４ａは、導体および１つの閉じているスイッチ２３２を介して、隣接しないバッテリ・セル・ユニット２０４ｄに直接結合することができる。この回路素子の構成は、動作中における電流路内のスイッチの総数を削減し、これによって、スイッチのオン抵抗によるオーム・エネルギ損失を低減し、バッテリ・システム２００全体のエネルギ効率を高めるという利点がある。

したがって、バッテリ・セル・ユニット２０４ａの正端子２０６ａをバッテリ・セル・ユニット２０４ｄの負端子２１２ｂに接続しつつ、中間バッテリ・セル・ユニット２０４ｂおよび２０４ｃを接続するには、電流は１つのスイッチ２２６だけを通過すればよい。このバッテリ・システム２００において、６つのバッテリ・セル・ユニット２０４ａ〜２０４ｆの全てが電流を搬送しようとするとき、４つのスイッチ２２２、２２６、２３４、および２４２のみが閉じられ、他の全てのスイッチは開いたままである。このスイッチング状態では、電流は４つのスイッチ２２２、２２６、２３４、および２４２だけを通過するので、スイッチのアクティブなバッテリ・セル・ユニットに対する比率が１未満になる。したがって、バッテリ・システム２００は、スイッチに伴うエネルギ損失を低減する。

図１と同様、図２のシステム２００も、複数のスイッチを互いに近接して、そしてバッテリ・セル・ユニット２０４の一方側に配置することができ、実用上、製造コストを削減し空間の制約を緩和することができる。

バッテリ・システム３００を図３に示すが、その部分を繰り返して、更に大きなバッテリ・システム（図示せず）を形成することができる。バッテリ・システム３００は、結合された４つのバッテリ・セル・ユニット３０４ａ〜３０４ｄを受けるように構成された回路モジュール３０２を含む。

回路モジュール３０２は、バッテリ・セル・ユニット３０４と結合する４つの端子集合体３０６〜３１２を含み、各端子集合体は、正端子３０６ａ、３０８ａ、３１０ａ、３１２ａと、対応する負端子３０６ｂ、３０８ｂ、３１０ｂ、３１２ｂとを有する。各端子集合体３０６〜３１２は、バッテリ・セル・ユニット３０４に結合するように構成されている。

バッテリ・システム３００においても、回路モジュール３０２の素子は、１つの集合体の正端子３０８ａ、３１２ａが、隣接する集合体の端子の負端子３０６ｂ、３１０ｂに、導体３１８ａ、３１８ｂによって直接結合されるように配置されている。

第１端子集合体３０６の正端子３０６ａは、スイッチ３２２、３２６を含むスイッチング・アセンブリに結合されている。バッテリ・セル・ユニット３０４ａは、スイッチ３２２が閉じておりスイッチ３２４が開いているとき、回路モジュール３０２に接続され、バッテリ・セル・ユニット３０４ａは、スイッチ３２２が開いており第２スイッチ３２４が閉じているとき、回路モジュール３０２から切断される。

同様に、第２端子集合体３０８の負端子３０８ｂは、スイッチ３２８、３３０を含む第２スイッチング・アセンブリに結合されている。バッテリ・セル・ユニット３０４ｂは、スイッチ３３０が閉じておりスイッチ３２８が開いているときは、回路モジュール３０２に接続され、バッテリ・セル・ユニット３０４ｂは、スイッチ３３０が開いており第２スイッチ３２８が閉じているときは、回路モジュール３０２から切断される。端子３１０および３１２に関連するスイッチング・アセンブリは、同様に動作する。

したがって、バッテリ・システム３００は、図１のバッテリ・システム１００と同様に動作する。スイッチ３２４、３２８の双方を閉じなければならないスイッチング・シーケンスにおいて、追加のスイッチ３２６を閉じる。２つのスイッチ３２４、３２８の代わりに１つのスイッチ３２６を使用することによって、スイッチ抵抗によって生ずる損失を低減する。スイッチ３２１、３３３、３３８は、スイッチ３２６と同様の機能を果たす(serve)。

システム３００において、全てのセル・ユニット３０４ａ〜３０４ｄが電流路に接続されているとき、電流は２つのスイッチ３２１、３３３だけに流れる。このスイッチング状態では、電流が通過するスイッチは、アクティブなバッテリ・セル・ユニット３０４当たり１つ未満であり、これによって、スイッチのアクティブなバッテリ・セル・ユニットに対する比率も１未満になる。

バッテリ・システムのバッテリ・パック筐体４００を図４に示す。筐体４００は、回路モジュール１０２、２０２、３０２に結合するために個々のバッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４を取り付けるおよび取り外すバッテリ・マウント３０２を備えている。具体的には、バッテリ・マウント４０２は複数のエンクロージャ４０４を含み、各エンクロージャは、バッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４を内部に受け入れるように構成されている。バッテリ・マウント４０２によって、バッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４を容易に着脱可能および交換可能にすることができる。

筐体４００は、バッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４を回路モジュール１０２、２０２、３０２に結合する導体を含む扉４０６を含む。例えば、保守のために扉４０６を開くと、筐体４００内部にあるバッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４は切断される。複数のバッテリ・パックを含み、各バッテリ・パックが筐体４００を含むバッテリ・システムでは、筐体４００の内任意の１つにおけるバッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４を保守する(maintain)には、各々別個の筐体４００を有する隣接するバッテリ・パックの動作に影響を及ぼすことなく、扉４０６を通じて行うことができる。

更に、小型化(compactness)を求め、導体の抵抗による損失および製造コストを低減するために、スイッチング・アセンブリを内蔵する集積回路をバッテリ・パック筐体４００の一方側４０８に配置する。

バッテリ・システムの代わりのバッテリ・パック５００を図５に示す。バッテリ・パック５００は、図４に示したのと同様のバッテリ・マウント５０２を有する。しかしながら、バッテリ・パック５００の筐体は、各バッテリ・セル・ユニットに、それ自体の個々の接続インターフェース５０４を設けているので、バッテリ・パック５００において接続されている他のバッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４の動作を途絶させることなく、各個々のバッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４を除去／交換／保守することができる。

以上で説明したスイッチング・アセンブリの適切なスイッチング・シーケンスを決定するために、駆動回路を含むコントローラを設ける。ある実施形態では、このコントローラは全てのスイッチング・アセンブリを集中制御する集中コントローラである。他の実施形態では、コントローラは、１つ以上の分散コントローラ(decentralised controller)を含むことができ、各分散コントローラがスイッチング・アセンブリの部分集合を制御する。

これより図６に移り、スイッチング・アセンブリを制御する方法６００について説明する。

ステップ６０２において、バッテリ電圧および／またはバッテリ電流の測定値、電圧および／または電流についての閾値、および／または履歴バッテリ測定データに基づいて、各バッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４の充電および放電容量を判定する。

ステップ６０４において、コントローラは、各バッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４の容量を、最大から最小までまたはその逆に順位付けし、容量が最も大きいセル・ユニットの容量と、容量が最も小さいセル・ユニットの容量との和を二分することによって、閾値容量を決定する。

問い合わせステップ６０６において、コントローラは、所与のバッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４の充電および放電容量が、ステップ６０４において決定した閾値よりも大きいかまたは小さいか判定する。特定のバッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４の容量が閾値よりも大きい場合、方法６００はステップ６０８に進み、大きくない場合、方法６００はステップ６１０に進む。

ステップ６０８において、関連するスイッチング・アセンブリにおいて該当するスイッチを開くまたは閉じることによって、特定のバッテリ・セル・ユニットをアクティブにする、即ち、回路モジュールに接続する。

ステップ６１０において、関連するスイッチング・アセンブリにおいて該当するスイッチを開くまたは閉じることによって、特定のバッテリ・セル・ユニットをインアクティブにする、即ち、回路モジュールから切断する。

方法１００は、それぞれの回路モジュール１００、２００、３００に接続されているバッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４が完全に充電または放電されるまで、繰り返す。

ある実施形態では、２つ以上の閾値容量を決定し、用途の要件に基づいて使用することができる。例えば、コントローラは、下位閾値（容量が最も大きいセル・ユニットの容量と容量が最も小さいセル・ユニットの容量との和に１／３を乗算することによって計算する）、および上位閾値（容量が最も大きいセル・ユニットの容量と容量が最も小さいセル・ユニットの容量との和に２／３を乗算することによって計算する）を決定し、下位閾値よりも小さい容量を有するバッテリ・セル・ユニットを１／３の時間だけ有効化し、下位閾値よりも大きく上位閾値よりは小さい容量を有するバッテリ・セル・ユニットを２／３の時間だけ有効化し、更に上位閾値よりも大きい容量を有するバッテリ・セル・ユニットを全時間有効化する。この方法は、例えば、もっと多いバッテリ・セル・ユニットを有するバッテリ・パックのために、同様に、３つ以上の閾値を有するように変更することができる。

ある実施形態では、コントローラは、バッテリ・システムの性能を最適化するための保守要件に基づいて、各バッテリ・セル・ユニット１０４、２０４、３０４を監視することもできる。この最適化は、バッテリ・セル・ユニットの挙動に関する入力を考慮に入れる。バッテリ・セル・ユニットの挙動には、１つ以上の電圧、電流、および／または温度の現在および／または過去の測定値、セル・ユニットの充電状態および／または健全性状態の現在および／または過去の計算を含むことができる。また、これは、バッテリ保守要件に関する入力も考慮に入れることができ、保守要件には、バッテリ保守に伴う財務コスト、次のバッテリ保守が、運用上実施可能または有利なのはいつかというスケジュールを含むことができる。

次の保守の好機がいくらか離れているという１つのシナリオでは、この最適化は、性能が低いバッテリ・セル・ユニットの利用を減らし、したがって経年変化を低減し、次の保守の好機までそれらの寿命を引き延ばすこともできる。

次の保守が差し迫っているという別のシナリオでは、この最適化は、弱くなったバッテリ・セル・ユニットの利用を増やして、保守の一部としてそれらが交換される前に、それらの利用度を最大化することができる。

他の実施形態では、コントローラはバッテリ・セル・ユニットの特性の自動識別を実行する。性能にばらつきがあるバッテリ・セル・ユニットを使用するとき、バッテリ・セル・ユニットの使用最適化のための入力を供給するためには、特性を識別することに価値があることが多い。既存の技術的現状の方法では、バッテリ・データの手作業による入力を必要とし、バッテリ・セル・ユニットにラベルが付けられる。これは、時間がかかり、および／または誤りが起こりやすい作業となる可能性がある。一実施形態では、電圧、電流、および／または温度の測定値を含むがこれらには限定されない、１つ以上のバッテリ・セル・ユニットの充電および放電挙動を監視することによって、自動識別を行うことができる。次いで、システムは、観察した挙動を、セル・ユニットの種類および／または化学的性質(chemistries)についての情報のデータベースと比較することができる。このデータベースは、バッテリの化学的性質を含むことができるがこれに限定されない特性を示すのでもよく、これらの特性は、上限および／または下限電圧、電流限界値、温度限界値、および／または特定の利用率(specific utilisation factor)に対する経年変化の影響に結び付けることができる。

解釈
特許請求の範囲を含む本明細書は、以下のように解釈されることを意図している。

本明細書において説明した実施形態または例は、本発明の範囲を限定することなく、本発明を例示することを意図している。本発明は、当業者には容易に想起される種々の変更および追加を加えて実施することができる。したがって、本発明の範囲は、説明または例示した構造および動作そのものに限定されるのではなく、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されることは理解されよう。

本明細書における方法ステップまたは製品要素の単なる開示(mere disclosure)は、明示的に述べられている場合または請求項において明示的に記載されている場合を除いて、特許請求する発明にとって必須であると解釈してはならない。

請求項における用語は、基準日(relevant date)の時点において当業者によって与えられた最も広い範囲の意味を有するものとする。

「ａ」および「ａｎ」という用語は、別段明示的に指定されないならば、「１つ以上」を意味する。

本願の名称も要約書も、特許請求する発明の範囲を限定するように解釈しては決してならない。

請求項の前提部が、特許請求する発明の目的、利点、または可能な用法を記載する場合、それは、特許請求する発明を、その目的、利点、または可能な用法のみを有することに限定するのではない。

本明細書では、請求項も含み、「備える」(comprise)という用語、および「備える」 (comprises)または「備えている」(comprising)というようなこの用語の変形は、別段明示的に指定されていなければ、あるいはコンテキストまたは用法においてこの用語の排他的な解釈が必要でないならば、「含むが限定されない」ことを意味するために使用されるものとする。

本明細書において引用した文書はいずれも、その開示内容が、引用によって本特許明細書に本開示の一部として含まれるものとするが、明細書を記載することおよび実施を可能にすることだけを目的とするのであって、本願のいずれの用語も限定、定義、またはそれ以外で解釈するために使用されては決してならない。本願は、このような引用による編入(incorporation by reference)がなくても、解明可能な意味を明示し(provide)損なうことはない。引用による編入それ自体は、いずれも、含まれる文書のいずれに収容されるいずれの言明、意見、または論点(argument)の承認も批准も全く意味しない。

本明細書において背景技術または先行技術を参照する場合はいずれも、そのような背景技術や先行技術が、関連分野における共通の一般知識を示すことの承認ではなく、また特許請求の範囲の有効性に関して適格な先行技術であることの承認でもない。

Claims (16)

1. 複数のバッテリ・セル・ユニットを結合するための回路モジュールであって、
   第１バッテリ・セル・ユニットに結合するための正端子および負端子を有する第１端子集合体と、
   第２バッテリ・セル・ユニットに結合するための正端子および負端子を有する第２端子集合体と、
   を含み、
   前記第１端子集合体の正端子が、直接または１つ以上の受動素子を介して、前記第２端子集合体の負端子に結合され、
   前記第１端子集合体の負端子、および前記第２端子集合体の正端子が各々、スイッチング・アセンブリに結合され、
   前記スイッチング・アセンブリが、前記バッテリ・セル・ユニットの各１つを選択的に接続するまたは迂回するように動作的に構成される、回路モジュール。
2. 請求項１記載の回路モジュールにおいて、前記回路モジュールが、バッテリ・セル・ユニットを隣接するバッテリ・セル・ユニットに、これらの間にある電流路において多くとも１つの閉じているスイッチを介して、接続することを可能にする、回路モジュール。
3. 前出の請求項のいずれか１項記載の回路モジュールにおいて、前記回路モジュールが、バッテリ・セル・ユニットを隣接しないバッテリ・セル・ユニットに、これらの間にある電流路において多くとも１つの閉じているスイッチを介して、接続することを可能にする、回路モジュール。
4. 前出の請求項のいずれか１項記載の回路モジュールにおいて、前記スイッチング・アセンブリの任意のスイッチング状態において、閉じているスイッチのバッテリ・セル・ユニットに対する比率が、前記回路モジュールの動作中は１未満である、回路モジュール。
5. 前出の請求項のいずれか１項記載の回路モジュールにおいて、各スイッチング・アセンブリが、関連するバッテリ・セル・ユニットを接続する第１スイッチと、前記関連するバッテリ・セル・ユニットを迂回する第２スイッチとを含む、回路モジュール。
6. 前出の請求項のいずれか１項記載の回路モジュールにおいて、前記スイッチング・アセンブリが、１つ以上の電気機械式リレーを含む、回路モジュール。
7. 前出の請求項のいずれか１項記載の回路モジュールにおいて、前記スイッチング・アセンブリが、１つ以上のトランジスタを含む、回路モジュール。
8. バッテリ・システムであって、
   前出の請求項のいずれか１項記載の回路モジュールと、
   前記回路モジュールに結合された複数のバッテリ・セル・ユニットと、
   を含む、バッテリ・システム。
9. 請求項８記載のバッテリ・システムにおいて、前記バッテリ・セル・ユニットが、使用済みバッテリ・セル・ユニットである、バッテリ・システム。
10. 請求項８または９記載のバッテリ・システムにおいて、前記バッテリ・セル・ユニットが、使用済み車両用バッテリである、バッテリ・システム。
11. 請求項８から１０までのいずれか１項記載のバッテリ・システムであって、更に、前記回路モジュールに結合するために１つ以上のバッテリ・セル・ユニットを装着させるように構成されたバッテリ・マウントを含み、前記回路モジュールの全てのスイッチング・アセンブリが、前記バッテリ・マウントの一方側に配置される、バッテリ・システム。
12. 請求項１１記載のバッテリ・システムにおいて、前記バッテリ・マウントが、前記１つ以上のバッテリ・セル・ユニットを、その動作寿命における任意の時点において、前記バッテリ・システムに合わせて改造することを可能にするように構成される、バッテリ・システム。
13. 請求項８から１２までのいずれか１項記載のバッテリ・システムであって、更に、前記回路モジュールの前記スイッチング・アセンブリを制御するコントローラを含む、バッテリ・システム。
14. 請求項１３記載のバッテリ・システムにおいて、前記コントローラが、前記バッテリ・セル・ユニットの充電および放電挙動に基づいて、前記スイッチング・アセンブリを制御する、バッテリ・システム。
15. 請求項１４記載のバッテリ・システムにおいて、前記コントローラが、充電および／または放電中における前記バッテリ・セル・ユニットの電圧、電流、および／または温度に基づいて、各バッテリ・セル・ユニットの充電および放電挙動を決定する、バッテリ・システム。
16. 請求項１５記載のバッテリ・システムにおいて、前記コントローラが、
    前記バッテリ・セル・ユニットの測定電圧、電流、および／または温度を、所定の電圧、電流、および／または温度範囲と比較し、
    前記バッテリ・セル・ユニットを接続および／または迂回することを決定し、
    各バッテリ・セル・ユニットを接続または迂回するように前記スイッチング・アセンブリを制御する、バッテリ・システム。

Images