JP2019504605A - 電池セルの随時監視および交換方法、電池管理システムおよび均等充電装置 - Google Patents

Abstract

電池管理システム及び均等充電装置であって、電池セル、各段電池グループ、及び各段電池モジュールを随時監視し、開閉し、交換することが可能であり、１つ以上の電池を直列及び並列のいずれか一方または両者の態様により接続してなされる全てのシステムに適用可能である。従来の電池グループの監視システムが構造全体の中の最下層の電池セルを監視できなくて、故障後に電池グループ全体を交換しなければならず、リソースの無駄になってしまう課題を解決する。全ての情報が統括制御ボックスに送られる。本システムは、電池システム中の各電池セルの状態を随時監視することができ、所定の警報技術指標を設定したり、各電池セル、各段電池グループ及び各段電池モジュールを自動的に及び／又は手動で開閉したりすることができる。よって、電池グループをメンテナンスする際、正常な電池セルを交換ことなく、統括制御ボックスの電池状態の表示に基づいて、不良な電池セル、各段電池グループを直接交換することができ、電池セル毎に均等充電することもできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池、各段の電池グループ及び各段の電池モジュールを随時監視し、開閉し、交換する方法、電池管理システム及び均等充電装置に関し、１つ以上を直列及び並列のいずれか一方または両者の態様により接続してエネルギーを供給するシステムに適用可能であり、電池セル毎に均等に充電することができる。

電気自動車の電池グループは、複数の電池が直列及び並列のいずれか一方または両者の態様により接続し積層して構成されている。典型的な電池グループは約９６個の電池からなり、それぞれの電池は４．２ボルトのリチウムイオン電池であり、このような電池グループは４００ボルトを超える総電圧を生じる。自動車の電源システムは、電池グループを単一の高圧電池と見なし、電池グループ全体に対して毎回充放電するものであるが、電池制御システムは、個々の電池の状況を個別に考慮する必要がある。電池グループ中の１つの電池の容量が他の電池よりも小さい場合、複数の充放電サイクルを経過すると、その充電状態が他の電池から徐々にずれていく。この電池の充電状態と他の電池とをバランスを定期的に取らなければ、最終的には深く放電したままの状態となり、破損をもたらすことで、最終的には電池グループが故障してしまう。これを防ぐためには、各電池の電圧を監視し、充電状態を確認する必要がある。

しかし、従来の電池グループの監視は、通常、構造全体の中の最下層の電池セルを監視していないため、故障後に電池グループ全体を交換しなければならず、リソースの無駄になってしまう。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、従来の電池グループ監視システムよりも全面的な監視システムであり、構造全体の最下層の電池セルまで階層的に監視することが可能な監視システムを提供することを目的とする。これにより、ある電池に異常が発生した場合、電池グループ全体を交換することなく、即時に異常な電池だけを交換することができる。

本発明が採用した技術方案は、電池セルを随時監視して交換することができる電池システムであって、１つ以上の電池を直列及び並列のいずれか一方または両者の態様により接続してなすシステムに適用可能である。このシステムは、電池セル、１段電池グループ、２段電池グループ、３段及び３段以後の複数段の電池グループ、電池監視チップ、統括制御ボックスを有し、このシステムは、電池グループ全体の電池の状況を随時監視し、電池システム全体の状態を表示し、電池の技術的指標に基づいて警告機能を設定したり、電池セル、各段電池グループ及び各段電池モジュールを自動的におよび／または手動で開閉する機能を設定することができる。

上記した技術方案において、より具体的な技術方案として、本発明を搭載した工具が稼働する際、本システムは、ツリー状の監視システムを採用し、電池セルを１段目で監視し、１＋ｎ個の１段目で監視された電池を直列及び並列のいずれか一方または両者の態様により接続してなされる電池グループを２段目で監視し、１＋ｎ組の２段目で監視された電池グループを直列及び並列のいずれか一方または両者の態様により接続してなされる電池モジュールを３段目で監視する。電池グループがより多くの電池モジュールを必要とする場合、３段目以降の監視構造もこの構造に基づき類推することができる。最終的には全ての情報が統括制御ボックスに送られる。統括制御ボックスは、電池システム全体の電池セル、各段電池グループ、各段電池モジュールの状態を随時監視することができ、各段毎の監視チップが統括制御ボックスに伝達した電池の状態に応じて所定の警報技術指標を設定し、各電池セル、各段電池グループ及び各段電池モジュールを自動開閉及び／又は手動開閉する。例えば、ある３段電池モジュールは４つの２段電池グループが並列して電源供給され、そのうちの１つの２段電池グループの電圧が通常電圧の３０％を下回っており、問題のある各電池が示されている。このとき、制御スイッチ（自動開閉及び／又は手動開閉の２つのモードを含む）で当該電池グループまたは問題のある電池をオフにすることができる。これにより、この電池グループの全体の電圧は影響を受けない。故障した電池グループは、交換時に統括制御ボックスに表示されている電池の状態に応じて、電池グループ全体を交換することなく、故障した電池のみを直接交換することができる。温度が高すぎる各電池セル、各段電池グループ、及び各段電池モジュールをオフにすることも可能である。電圧、電流、電力を含むがそれらに限定されない、各段電池グループ、各段電池モジュールからの出力は互いにバランスの取れた状態となるようにし、その時点での電池システム全体の最高効率を発揮する。

上述した技術方案を採用することにより、本発明は従来の技術と比べて以下の有益な技術的効果を奏する。すなわち、本発明に基づく工具は、電池システム全体の電池グループの全ての電池の状態を随時監視する上で、総括制御ボックスで技術的指標の正常ではない電池セルや電池グループをオフにして、システム全体の効率の低下や安全上の問題を防ぐ。また、メンテナンスをする際、正常である電池を交換しなくても、問題のある電池セル、および／または各段電池グループ、および／または各段電池モジュールだけを直接交換できる。リソースの無駄が避けられる。

電池管理方法であって、最下層の電池セルおよび異なる段の電池グループ、電池モジュールを監視することにより、電池セル毎におよび各段毎の電池グループ、電池モジュールの技術的指標を把握し、技術的指標に基づき、警告を決定し、当該電池セルおよび／または当該電池グループ、電池モジュールをオフまたはオンにし、技術的指標には電圧、電流、抵抗、コンデンサ、電力、温度を含むがこれらに限定されなく、方式１では、電池セル毎に及び各段毎の電池グループ、電池モジュールに監視チップを備え、当該監視チップは、電池セル毎に及び各段毎の電池グループ、電池モジュールの技術的指標を監視することができ、技術的指標に基づき、警告を決定したり、当該電池セル及び／又は当該電池グループ、電池モジュールをオフ又はオンにしたりすることができる一方。方式２では、シングルチップマイコンを統括制御ボックスに備え、電池セル毎に及び各段毎の電池グループに監視ウエハを備え、当該シングルチップマイコンは電池セル毎に、及び各段毎の電池グループの技術的指標を監視し、技術的指標に基づき、警告を決定したり、当該電池セル及び／又は当該電池グループをオフ又はオンにしたりすることができることを特徴とする。

上記の電池管理方法では、（１）電池の指標を検知する段階であって、電圧、電流、抵抗、コンデンサ、電力、温度を含むがこれらに限定されない電池の技術的指標を検知し、例えば電圧を検知して各電池セルの充放電が過度に行われたか否かを判断し、その際均等バイパス電路が稼働せず、主電源が電池グループを充電し、制御アルゴリズムに基づき金属酸化物半導体電界トランジスタのデューティー比を計算する段階と、（２）小さい電流で回復充電を行う段階と、（３）均等充電する段階であって、計算して得られデューティー比に基づき、バイパス電路中の金属酸化物半導体電界トランジスタの開閉を制御して対応する電池セルを均等充電し、各電池セルに流れた電流が互いに異なるとともに変化が絶えない段階との３つの段階に分けられることを特徴とする。

電池管理システム及び均等充電装置は、ツリー状の監視システムを採用し、電池セルを随時監視し、交換することが可能であり、１つ以上の電池セルを直列及び並列のいずれか一方または両者の態様により接続してなされる全てのシステムに適用可能であり、このシステムは、１段電池セル、２段電池グループ、３段及び３段以後の複数段の電池モジュール、電池監視チップ、シングルチップマイコン、統括制御ボックスを有し、このシステムは、ツリー状の監視システムを採用し、電池セルを１段目で監視し、１＋ｎ個の１段目で監視された電池を直列及び並列のいずれか一方または両者の態様により接続してなされる電池グループを２段目で監視し、１＋ｎ組の２段目で監視された電池グループを直列及び並列のいずれか一方または両者の態様により接続してなされる電池モジュールを３段目で監視し、電池グループがより多くの電池モジュールを必要とする場合、３段目以降の監視構造もこの構造に基づき類推することができ、最終的には全ての情報が統括制御ボックスに送られ、統括制御ボックスは、電池システム全体の全ての電池セル、各段電池グループ、各段電池モジュールの状態を随時監視することができ、各段毎の監視チップが統括制御ボックスに伝達した電池の状態に応じて所定の警報技術指標を設定したり、各電池セル、各段電池グループ及び各段電池モジュールを自動開閉及び／又は手動開閉したりし、当該装置は電池グループ全体のすべての電池の状況を随時監視し、電池システム全体の状態を表示し、電池セル及び各段電池グループの技術的指標に基づき警告機能を設定したり、各電池セル、各段電池グループ及び各段電池モジュールを自動的におよび／または手動で開閉する機能を設定したりすることが可能である。

上記の電池管理システム及び均等充電装置は、シングルチップマイコンは、コンデンサー及び／または監視チップ及び／またはスイッチを介して高電圧電池と低電圧電池とを交互に接続し、コンデンサーは高電圧電池の充電を受けて低電圧電池に放電し、両電池の電力のバランスが取れるまで余分な電力を満充電になっていない電池に移転することを特徴とする。

上記の電池管理システム及び均等充電装置は、ツリー状の監視システムで、最下層の監視システムは電池セルを監視し、１段上の上位のシステムは１＋ｎ個の電池からなる電池グループを監視し、さらに１段上の上位のシステムは１＋ｎ組の電池グループからなる電池モジュールを監視し、このように順次類推して、最後に各電池セル、各段電池グループ及び各段電池モジュールの監視結果を統括制御ボックスで表示させることを特徴とする。

上記の電池管理システム及び均等充電装置は、監視チップは、並列した均等化回路に接続されて電流を分流する役割を果たし、このような方式の下では、ある電池が最初に満充電になったときに均等装置がその過充電を阻止すると共に、満充電になっていない電池セルを引き続き充電し、電圧、電流、抵抗、コンデンサ、電力、温度を含むがこれらに限られない電池セルおよびその電池グループの技術的指標を測定することができ、電池セルおよびその電池グループを開閉することができることを特徴とする。

上記の電池管理システム及び均等充電装置は、統括制御ボックスは、電池セルおよび各段電池グループ、各段電池モジュールの監視チップに接続され、信号を受けて伝達し、電池システム全体の状態を表示し、充電前に電池セル毎に対して同一の負荷で同一のレベルまで放電し、その後定電流充電を行い、電池セル毎にバランスをとり、電池の技術的指標に基づき警報機能を設定したり、各電池セル、各段電池グループ、各段電池モジュールを自動的におよび／または手動で開閉する機能をしたりし、統括制御ボックスは、電池セル、各段電池グループ、各段電池モジュールに直接接続する直接制御モードにすることができ、または、各段電池モジュールを介して各段電池グループに接続し、且つ各段電池グループが各電池セルに接続する階層間接制御モードにすることもできることを特徴とする。

上記の電池管理システム及び均等充電装置は、定められた順序で、または定められた時間で、個別に電池セルの検出及び均等充電を行うことができ、電池グループに対して充電する際に、電池グループ中の各電池セルが過充電または過放電にならないことを保証することができ、電池グループを充電しないときには、シングルチップマイコンおよび／またはコントロール監視チップの切り替えにより、電圧の低い電池に余分な電荷を導入してバランスを取ることも可能であることを特徴とする。

図１は、本発明の電池管理システムの模式図である。 図２は、本発明のデューティ比均等充電電路の模式図である。

本発明について、さらに図面及び実施形態と併せて説明し、その効果について説明する。以下、添付図面を参照して本発明の例示的な実施の形態について詳細に説明する。なお、例示的な実施の形態の説明は、示範する目的だけのものであり、本発明とその適用又は使用方法に限定されるものではない。

図１に示すように、１段電池５の動作状態は１段監視チップ１の監視により監視され、統括制御ボックス４にデータが転送される。１＋ｎ個の電池が直列及び並列により接続して構成された２段電池グループ６の動作状態は２段監視チップ２で監視され、総括制御ボックス４にデータが転送される。１＋ｎ組の電池グループが直列及び並列のいずれか一方または両者の態様により接続して構成された３段及び３段以後の電池モジュール７の動作状態は３段及び３段以後監視チップ３で監視され、総括制御ボックス４にデータが転送される。そして、総括制御ボックス４にて警報と電池の開閉を行うための技術的指標を設定する。

例えば、各電池の電圧が正常値の７０％を下回ると警報したり、温度が正常値の１５％を上回ると警報したり、電圧が正常値の５０％を下回ると自動的にオフにする一方、正常値の３０％を上回ると自動的にオフにしたりする。電池グループをメンテナンスする際、正常な電池セル、及び／又は各段電池グループ、及び／又は各段電池モジュールを交換ことなく、統括制御ボックスの電池状態の表示に基づいて、不良な電池セル、及び／又は各段電池グループ、及び／又は各段電池モジュールを直接交換することができる。

（非充電時に電池毎に均衡化する）
図２に示すように、充電電源８がない場合、コントローラ４が電池１（パーツ９）の高電圧を検出すると、コントローラ４は金属酸化物半導体電界効果トランジスタ１（パーツ１７）を介してインダクタンス１（パーツ１３）を充電し、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ１（パーツ１７）はインダクタンス１（パーツ１３）への充電が完了した後、直ちにオフにし、その後、インダクタンス１（パーツ１３）は、先に充電された電荷を他の電池２（パーツ１０）から電池ｎに分配し、ダイオード１（パーツ２１）は、正常な状態において、他の電池やインダクタンスの放電により静止状態の下で直流短絡が生じることを回避する機能がある。

図２に示すように、コントローラ４が電池２（パーツ１０）の高電圧を検出すると、コントローラ４は金属酸化物半導体電界効果トランジスタ２（パーツ１８）を介してインダクタンス２（パーツ１４）を充電し、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ２（パーツ１８）はインダクタンス２（パーツ１４）への充電が完了した後、直ちにオフにし、その後、インダクタンス２（パーツ１４）は、先に充電された電荷を他の電池１（パーツ１９）に分配し、ダイオード２（パーツ２２）は、正常な状態において、他の電池やインダクタンスの放電により静止状態の下で直流短絡が生じることを回避する機能がある。

図２に示すように、コントローラ４が電池３（パーツ１１）の高電圧を検出すると、コントローラ４は金属酸化物半導体電界効果トランジスタ３（パーツ１９）を介してインダクタンス３（パーツ１５）を充電し、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ３（パーツ１９）がインダクタンス３（パーツ１５）への充電が完了した後、直ちにオフにし、その後、インダクタンス３（パーツ１５）は、先に充電された電荷を電池１（パーツ９）と電池２（パーツ１０）に分配し、ダイオード３（パーツ２３）は、正常な状態において、他の電池やインダクタンスの放電により静止状態の下で直流短絡が生じることを回避する機能がある。

図２に示すように、このように類推すると、電池ｎの高電圧を検出すると、コントローラは金属酸化物半導体電界効果トランジスタｎを介してインダクタンスｎを充電し、金属酸化物半導体電界効果トランジスタｎがインダクタンスｎへの充電が完了した後、直ちにオフにし、その後、インダクタンスｎは、先に充電された電荷を電池１及び電池ｎ１に分配し、ダイオード１からダイオードｎまでは、正常な状態において、他の電池やインダクタンスの放電により静止状態の下で直流短絡が生じることを回避する機能がある。

図２に示すように、各電池には監視ウエハが必要であり、コントローラは、電圧、電流、温度等を含むがこれらに限られない各電池の技術的指標を随時監視し、上記の技術的手段により、電圧、電流、温度等を含むがこれらに限定されない電池の技術的指標のバランスを迅速に取ることが可能である。

図２においては、電池およびバイパスは４つしかないが、ｎ個まで拡張可能であり、本デューティ比均等充電電路の原理に沿った変化は本発明の保護範囲に属する。

（充電時に各電池セルを均等充電する）
図２に示すように、充電電源８がある場合には、実施例３と同じ、［００２０］〜［００２５］で説明したように、各電池セルを均等充電することができる。

例示的な実施の形態を参照して本発明について説明をしてきたが、本発明は公開された実施例や明細書中の詳細な説明、提示された具体的な実施の形態に限定されず、本発明の原理と範囲内であれば、本発明に対する変更、本説明書で説明されていない如何なる変形、入れ替え又は同効の部品の導入はあり得ることである。本発明の範囲から離脱していなければ、当業者が前述した例示的な実施の形態に対する各種の変更ができ、このような変更は全て本発明の保護範囲内に含まれる。

１ １段監視チップ
２ ２段監視チップ
３ ３段及び３段以後監視チップ
４ 統括制御ボックス
５ １段電池
６ ２段電池グループ
７ ３段及び３段以後電池モジュール
８ 充電電源
９ 電池１
１０ 電池２
１１ 電池３
１２ 電池４
１３ インダクタンス１
１４ インダクタンス２
１５ インダクタンス３
１６ インダクタンス４
１７ 金属酸化物半導体電界効果トランジスタ１
１８ 金属酸化物半導体電界効果トランジスタ２
１９ 金属酸化物半導体電界効果トランジスタ３
２０ 金属酸化物半導体電界効果トランジスタ４
２１ ダイオード１
２２ ダイオード２
２３ ダイオード３
２４ ダイオード４
２５ バイパス１
２６ バイパス２
２７ バイパス３
２８ バイパス４

Claims (8)

1. 電池管理方法であって、最下層の電池セルおよび異なる段の電池グループ、電池モジュールを監視することにより、電池セル毎におよび各段毎の電池グループ、電池モジュールの技術的指標を把握し、技術的指標に基づき、警告を決定し、当該電池セルおよび／または当該電池グループ、電池モジュールをオフまたはオンにし、技術的指標には電圧、電流、抵抗、コンデンサ、電力、温度を含むがこれらに限定されなく、方式１では、電池セル毎に及び各段毎の電池グループ、電池モジュールに監視チップを備え、当該監視チップは、電池セル毎に及び各段毎の電池グループ、電池モジュールの技術的指標を監視することができ、技術的指標に基づき、警告を決定し、当該電池セル及び／又は当該電池グループ、電池モジュールをオフ又はオンにすることができる。一方、方式２では、シングルチップマイコンを統括制御ボックスに備え、電池セル毎に及び各段毎の電池グループに監視ウエハを備え、当該シングルチップマイコンは電池セル毎に、及び各段毎の電池グループの技術的指標を監視し、技術的指標に基づき、警告を決定したり、当該電池セル及び／又は当該電池グループをオフ又はオンにしたりすることができる、ことを特徴とする電池管理方法。
2. 前記電池管理方法では，（１）電池の指標を検知する段階であって、電圧、電流、抵抗、コンデンサ、電力、温度を含むがこれらに限定されない電池の技術的指標を検知し、例えば電圧を検知して各電池セルの充放電が過度に行われたか否かを判断し、その際均等バイパス電路が稼働せず、主電源が電池グループを充電し、制御アルゴリズムに基づき金属酸化物半導体電界トランジスタのデューティー比を計算する段階と、（２）小さい電流で回復充電を行う段階と、（３）均等充電する段階であって、計算して得られデューティー比に基づき、バイパス電路中の金属酸化物半導体電界トランジスタの開閉を制御して対応する電池セルを均等充電し、各電池セルに流れた電流が互いに異なるとともに変化していく段階との３つの段階に分けられる、請求項１に記載の電池管理方法。
3. ツリー状の監視システムを採用し電池セルを随時監視し交換することが可能な電池管理システムおよび均等充電装置であって、１つ以上の電池セルを直列及び並列のいずれか一方または両者の態様により接続してなす全てのシステムに適用可能であり、このシステムは、１段電池セル、２段電池グループ、３段及び３段以後の複数段の電池モジュール、電池監視チップ、シングルチップマイコン、統括制御ボックスを有し、このシステムは、ツリー状の監視システムを採用し、電池セルを１段目で監視し、１＋ｎ個の１段目で監視された電池を直列及び並列のいずれか一方または両者の態様により接続してなされる電池グループを２段目で監視し、１＋ｎ組の２段目で監視された電池グループを直列及び並列のいずれか一方または両者の態様により接続してなされる電池モジュールを３段目で監視し、電池グループがより多くの電池モジュールを必要とする場合、３段目以降の監視構造もこの構造に基づき類推することができ、最終的には全ての情報が統括制御ボックスに送られ、統括制御ボックスは、電池システム全体の全ての電池セル、各段電池グループ、各段電池モジュールの状態を随時監視することができ、各段毎の監視チップが統括制御ボックスに伝達した電池の状態に応じて所定の警報技術指標を設定したり、各電池セル、各段電池グループ及び各段電池モジュールを自動開閉及び／又は手動開閉したりし、当該装置は電池グループ全体のすべての電池の状況を随時監視し、電池システム全体の状態を表示し、電池セル及び各段電池グループの技術的指標に基づき警告機能を設定したり、各電池セル、各段電池グループ及び各段電池モジュールを自動的におよび／または手動で開閉する機能を設定したりすることができる、電池管理システム及び均等充電装置。
4. シングルチップマイコンは、コンデンサー及び／または監視チップ及び／またはスイッチを介して高電圧電池と低電圧電池とを交互に接続し、コンデンサーは高電圧電池の充電を受けて低電圧電池に放電し、両電池の電力のバランスが取れるまで余分な電力を満充電になっていない電池に移転する、請求項３に記載の電池管理システム及び均等充電装置。
5. ツリー状の監視システムで、最下層の監視システムは電池セルを監視し、１段上の上位のシステムは１＋ｎ個の電池からなる電池グループを監視し、さらに１段上の上位のシステムは１＋ｎ組の電池グループからなる電池モジュールを監視し、このように順次類推して、最後に各電池セル、各段電池グループ及び各段電池モジュールの監視結果を統括制御ボックスで表示させる、請求項３に記載の電池管理システム及び均等充電装置。
6. 監視チップは、並列した均等化回路に接続されて電流を分流する役割を果たし、このような方式の下では、ある電池が最初に満充電になったときに均等装置がその過充電を阻止すると共に、満充電になっていない電池セルを引き続き充電し、電圧、電流、抵抗、コンデンサ、電力、温度を含むがこれらに限られない電池セルおよびその電池グループの技術的指標を測定することができ、電池セルおよびその電池グループを開閉することができる、請求項３に記載の電池管理システム及び均等充電装置。
7. 統括制御ボックスは、電池セルおよび各段電池グループ、各段電池モジュールの監視チップに接続され、信号を受けて伝達し、電池システム全体の状態を表示し、充電前に電池セル毎に対して同一の負荷で同一のレベルまで放電し、その後定電流充電を行い、電池セル毎にバランスをとり、電池の技術的指標に基づき警報機能を設定したり、各電池セル、各段電池グループ、各段電池モジュールを自動的におよび／または手動で開閉する機能をしたりし、統括制御ボックスは、電池セル、各段電池グループ、各段電池モジュールに直接接続する直接制御モードにすることができ、または、各段電池モジュールを介して各段電池グループに接続し、且つ各段電池グループが各電池セルに接続する階層間接制御モードにすることもできる、請求項３に記載の電池管理システム及び均等充電装置。
8. 統括制御ボックスは、定められた順序で、または定められた時間で、または個別に電池セルの検出及び均等充電を行うことができ、電池グループに対して充電する際に、電池グループ中の各電池セルが過充電または過放電にならないことを保証することができ、電池グループを充電しないときには、シングルチップマイコンおよび／またはコントロール監視チップの切り替えにより、電圧の低い電池に余分な電荷を導入してバランスを取ることもできる、請求項３に記載の電池管理システム及び均等充電装置。

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