JP2020022345A - 電池のセルを無線を用いて平衡化するユニット及びシステム - Google Patents

電池のセルを無線を用いて平衡化するユニット及びシステム Download PDF

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Abstract

【課題】 アップグレード性が高く有線接続を少ししか必要としない、電池を形成するセルを平衡化するシステムを提供する。【解決手段】 本発明は、電池のセル（Ｃ２）に対して設けられる平衡化ユニット（Ｕ２）に関し、これは、セル（Ｃ２）の状態パラメーターを測定する手段（ＭＭ２）と、状態パラメーターを送受信することを可能にする無線の通信手段（ＭＤ２）と、無線のパワー伝送手段（ＭＥ２）とを備える。【選択図】 図４

Description

本発明は、電池を有するセル平衡化システムの技術分野に関する。
電池は直列に接続された複数のセルによって形成される。これらのセルは、標準的には、生産、温度分布の点、さらにはライフサイクルの点から、異なる特性を有する。それらの充電状態はしばしば異なり、このことは電池を劣化させ、その動作効率を下げてしまう。したがって、電池の容量と寿命を最適化させるために、電池セルの充電状態を制御することができる電子システムであるＢＭＳ（「電池管理システム」）が標準的に用いられている。このような要素は、特定のセルどうしを短絡させること又はパワーをセルの間で再分配することによって、いくつかのセルの充電の平衡化を行う。
図１に、直列に配置された複数のセルＣ１〜Ｃ３を示しており、各セルは、有線リンクによって集中型のＢＭＳ（ＢＭＳ＿Ｃ）に接続している。したがって、このＢＭＳは各セルの状態パラメーターにアクセスすることができ、これによって、平衡化が必要かどうかをＢＭＳが判断して、必要ならば平衡化を行うことができる。このシステムには、多くの接続ケーブルを必要とするという短所があり、これによって、システムの設置が複雑になり、システムが重くなり、かさばり、新しいセルの追加が困難になる。このＢＭＳは、一般的には、所定の数のセルしか扱うことができない。
これらの短所を制限するために、本出願の図２に示しているもののような分散型のトポロジーのＢＭＳを用いることが知られている。この場合、各セルＣＸ（Ｘ＝１,...,３）は、プリント回路基板ＢＭＳ＿Ｘ（「ＢＭＳボード」と呼ばれる）に接続しており、これらのＢＭＳボードは、互いに、そして、コントローラーＣＴＲＬに、有線リンクで接続されている。
集中型のトポロジーと比べると接続ケーブルの数が少なくなっているが、依然として多くの有線接続を必要とし、このことによって、システムの設置と維持が複雑になる。また、補足的なセルの追加が単純化されても、ボードを互いに切断し再接続し、また、追加セルの数に応じてコントローラーを適応させることが必要であり、平衡化システムを工場に戻すことが必要になるために、悩ましいままである。
したがって、従来技術のシステムよりもアップグレード性が高く、有線接続を少ししか必要としないような、電池を形成するセルを平衡化するシステムの必要性がある。
本発明は、電池セルに対して設けられる平衡化ユニットに関し、セルの状態パラメーターを測定する手段と、状態パラメーターを送受信することを可能にする無線通信手段と、無線のパワー伝送手段とを備える。
また、本発明は、上記のような平衡化ユニットを複数有する、直列に接続している電池セルを平衡化するシステムに関する。各平衡化ユニットは、電池セルに対して設けられ、各平衡化ユニットの通信手段は、その状態パラメーターを隣接する平衡化ユニットに送信し、隣接する平衡化ユニットから状態パラメーターを受信することを可能にし、パワー伝送手段は、隣接する平衡化ユニットにパワーを送り又は隣接する平衡化ユニットから到来するパワーを受けることを可能にする。
平衡化ユニットは、それ自身の状態パラメーター及び無線の通信手段を介して隣接する平衡化ユニットから受信した状態パラメーターに応じて、隣接セルに対してセルが十分に充電されているか又はいないかを判断することができる。そして、パワー伝送手段は、パワーの一部を当該セルから１つ又は２つの隣接セルへと送り、又は逆に隣接セルからパワーを受けることを可能にする。
なお、セルが充電、放電及び非アクティブの状態のときにパワー伝送を行うことができる。なぜなら、平衡化ユニットがセルによって恒久的に供給されるからである。
また、多くの平衡化ユニットの間にケーブルが必要ではない。また、各平衡化ユニットは、自律的に機能し、したがって、平衡化を活性化するために、中央ユニットにそれらの平衡化ユニットを接続する必要はない。このような中央ユニットはすべて、接続、システムの複雑さ、その空間的必要条件、その重さなどを制限してしまう。
さらに、この平衡化システムは非常にフレキシブルである。データ通信又はパワー伝送を可能にするために２つの平衡化ユニットを互いの近くには位置するだけで十分であり、このことは、セルの追加又は除去を容易にする。
１つの実施形態（これに限定されない）において、通信手段とパワー伝送手段は同じである。このことのよって、平衡化ユニットの部品の数を抑えることができる。これは、複雑さ、空間的必要条件、重さ、コスト及びパワー消費の点から有利である。
好ましくは、これらの通信手段とパワー伝送手段は、誘導性の手段であり、特に、セルの両側に配置された２つのコイルによって形成されるものである。各コイルは、隣接セルに割り当てられた平衡化ユニットの１つと通信することを可能にする。好ましくは、これらのコイルは、最適なデータ通信とパワー伝送のために較正される。データ通信及びユニット間の平衡化を行うパワー伝送は、平衡化ユニットの間の距離が小さい場合には、なおさら最適化可能である。
１つの実施形態（これに限定されない）において、１つのセルの状態パラメーターは、セルの電圧と温度の測定結果、及びセルの動作状態を含む。
１つの実施形態（これに限定されない）において、状態パラメーターは、セルの動作上の持続時間を含む。
１つの実施形態（これに限定されない）において、平衡化ユニットは、セルを調整するためのパラメーター及びセルに関連する事象の履歴を含むメモリーを有する。平衡化ユニットは、このメモリーにアクセスして、事象の履歴を記録し保存する。例えば、セルの外部のメンテナンスデバイスから無線データ通信手段を介して、セルの事象の履歴及び設置された制御パラメーターにアクセスすることができる。
好ましくは、平衡化ユニットは、調整パラメーター及び事象の履歴を考慮に入れて、パワーを伝送したり受けたりすることを判断する。
１つの実施形態（これに限定されない）において、平衡化システムは、複数の散逸性要素を有し、各散逸性要素は、１つのセルに割り当てられ、そのセルと並列に接続され、そのセルに対して設けられた平衡化ユニットは、散逸性要素を制御する手段を有する。散逸性要素は、セルを充電するために用いられる。散逸性要素は、そのセルに不必要なパワーの一部を散逸させることを可能にする。そのセルが完全に充電されているからである。
実施形態（これに限定されない）において、状態パラメーターは、散逸性要素を流れる電流の測定結果を含む。
１つの実施形態（これに限定されない）において、各散逸性要素は、酸化金属半導体電界効果トランジスター（ＭＯＳＦＥＴ）によって形成され、そのドレインとソースは、関連づけられたセルの両側に分岐しており、そのゲートは、関連づけられた平衡化ユニットに接続される。しかし、散逸性要素は、セルが充電されているときにそのセルを短絡させることができるあらゆる要素であることができる（例えば、抵抗、回路遮断器、コミュテーター、バイポーラートランジスターなどである）。
添付の図面を参照しながら例（これに限定されない）として与えられる以下の説明を読むことで、他の特徴及び利点をはっきりと理解することができるであろう。
既に説明されており、直列に配置された複数のセルを表している図である。これらのセルの平衡化は従来技術に係る集中型トポロジーのＢＭＳによって行われている。 既に説明されており、直列に配置された複数のセルを表している図である。これらのセルの平衡化は、従来技術に係る分散型トポロジーのＢＭＳによって行われている。 直列に配置された複数のセルを表している図である。これらのセルの平衡化は、本発明に係る無線パワー伝送を用いる平衡化システムによって行われている。 本発明に係る無線パワー伝送を用いる平衡化システムの平衡化ユニットを示している。 本発明に係る平衡化ユニットが設けられたセルを示している。
図３は、直列にマウントされており電池を形成するセルＣ１〜Ｃ３を有する電池を示しており、この電池は、本発明に係る平衡化システムＳＥを有する。この平衡化システムＳＥは、複数の散逸性要素Ｄ１〜Ｄ３及び複数の平衡化ユニットＵ１〜Ｕ３を有する。各セルには、１つの散逸性要素及び１つの平衡化ユニットが接続されている。説明している例において、セル、散逸性要素及び平衡化ユニットはそれぞれ３つあるが、もちろんこの数には限定されない。
各散逸性要素は、ＭＯＳＦＥＴによって形成されている。このＭＯＳＦＥＴのドレインとソースは、関連づけられたセルの両側に分岐しており、このＭＯＳＦＥＴのゲートは、関連づけられた平衡化ユニットに接続される。しかし、散逸性要素は、セルが充電されているときにそのセルを短絡させることができる任意の要素であることができる（例えば、抵抗、回路遮断器、コミュテーター、バイポーラートランジスター）。
各平衡化ユニットは、セルに割り当てられているときに自律的に機能する。本発明に係る平衡化システムは完全に分散されている。例えば、図４は、平衡化ユニットＵ２を表している。なお、他の平衡化ユニットが同一であることがわかるであろう。平衡化ユニットＵ２は、以下のものを有する：
− 関連づけられた散逸性要素Ｄ２を制御する手段ＭＣ２
− 関連づけられたセルＣ２の状態パラメーターを測定する手段ＭＭ２
− 特に、状態パラメーターを送受信することを可能にする、隣接セルＣ１、Ｃ３に割り当てられた平衡化ユニットＵ１、Ｕ３と無線通信を行うための手段ＭＤ２
− 隣接セルＣ１、Ｃ３に割り当てられた平衡化ユニットＵ１、Ｕ３と無線パワー伝送を行うための手段ＭＥ２
− セルＣ２を調整するためのパラメーター及びセルに関連づけられた事象の履歴を含むメモリーＭＵ２
制御手段ＭＣ２は、短絡によって、又は関連づけられたセルＣ２以外によって、関連づけられた散逸性要素Ｄ２を制御することを可能にする。
測定手段ＭＭ２は、状態パラメーターを測定することを可能にする。この状態パラメーターは、特に、関連づけられたセルＣ２の電圧、散逸性要素Ｄ２を流れる電流及びセルＣ２の温度を含む。
通信手段ＭＤ２は、平衡化ユニットＵ２が、その状態パラメーターを隣接セルＣ１、Ｃ３の平衡化ユニットＵ１、Ｕ３に送り、さらに、それらの状態パラメーターを受信することを可能にする。したがって、通信手段ＭＤ２は双方向性である。通信手段ＭＤ２は、同様に、１つの実施形態において、ステータスレポート（例えば、セルが平衡化のプロセスを実行中であるかどうかを示すもの）とコマンドを送受信することを可能にする。
パワー伝送手段ＭＥ２は、セルＣ２が、そのセルＣ２から隣接セルＣ１、Ｃ３へとパワーを送ること、又は隣接セルＣ１、Ｃ３から到来するパワーを受けることを可能にする。したがって、パワー伝送手段ＭＥ２は、双方向性である。パワー伝送は無線で行われ、平衡化ユニットによって管理される。セルＣ２と隣接セルＣ１、Ｃ３の間で伝送される状態パラメーターは、送信されるパワーの量を調整することを可能にする。
図示した例において、通信手段ＭＤ２及びパワー伝送手段ＭＥ２は、誘導性のタイプのものであり、２つのコイルＢ２１、Ｂ２３によって形成されており、その２つのコイルＢ２１、Ｂ２３の一方Ｂ２１は、２つの隣接ユニットＵ１、Ｕ３の一方Ｕ１と通信するようにはたらき、２つのコイルＢ２１、Ｂ２３の他方Ｂ２３は、２つの隣接ユニットＵ１、Ｕ３の他方Ｕ３と通信するようにはたらく。データ通信とパワー伝送のために異なる周波数が用いられる。なお、電磁結合ではない平衡化ユニットの間の結合のタイプも可能である。Fei Luによる文献"A review on the recent development of capacitive wireless power-transfer technology"は、特に、その図２を参照しながら、様々なタイプの可能な結合を説明している。
メモリーＭＵ２は、セルＣ２を調整するためのパラメーターを含む。その調整パラメーターには、電池の生産に固有な工場パラメーター、例えば、電池の識別番号、そして、平衡化のためのパラメーター、例えば、最小及び最大の放電及び充電の電圧、セルの電圧に応じた充電状態の対応表、が含まれる。メモリーＭＵ２は、同様に、セルＣ２がその寿命の間に経験する事象の履歴、例えば、セルの使用の持続時間、アラート、良くないセルの電気的な取り扱いなど、を含む。メモリーは、保護された領域にあり、データの金庫であると考えることができる。平衡化ユニットＵ２自身及び製造業者のみがメモリーＭＵ２にアクセスして、そこに含まれているデータを変更することができる。平衡化ユニットＵ２は、例えば、通信手段ＭＤ２を介してメモリーＭＵ２にアクセスすることを可能にする専用の無線のための台上に置くことができる。
図５に示しているように、セルＣ２、散逸性要素Ｄ２及び平衡化ユニットＵ２を備えたアセンブリーは、コンパクトなアセンブリーを形成する。平衡化ユニットＵ２は、セルＣ２内に設けられる。図５は、両側に２つのコイルＢ２１、Ｂ２３が配置されたセルＣ２を示している。これらの２つのコイルは、フレキシブルプリント回路上にマウントされた平衡化ユニットＵ２に接続される。この構成は、構造を対称にし、これによって、アセンブリーの実装や再配置のときにアセンブリーの向きを無視することができるようにする。システムを小型化することによって、体積と重さについての影響を最小限にすることが可能になる。コイルＢ２１、Ｂ３１は、最適なパワー伝送の効率を得るように機械的に配置される。
本発明に係る平衡化システムは、他の利点に加えて以下のような多くの利点を有する。
− フレキシブルである。すなわち、定められていない数の直列のセルを追加することを可能にする。
− セルがアクティブ状態（充電と放電）であっても非アクティブであっても利用することを可能にする。
− パワーレベルの適応及びデータの交換のために隣接セルの間の通信を可能にする。
− 直列のすべてのセルの間のリンクされた無線通信、いくつかのセルへのコマンド又は情報の転送を可能にする。
− 電池のセルの機械的なアラインメントによってパワー伝送を最適化することを可能にする。
− セルの間の距離が比較的短く、パワー伝送の効率が改善される。
− 各セルへの遠隔アクセスを可能にし、セルの特性やパラメーターについての情報を知ることができる（可能性としては変更することができる）。
− 結合を通して平衡化するセルの間の通信を最適化する。
− パワー伝送要素の機械的安定性とポジショニングを可能にする。
もちろん、本発明は、図示した例に限定されず、当業者に明白な様々な変形実施形態や改変も可能である。
Ｂ２１ コイル
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ セル
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ 散逸性要素
ＭＤ２ 無線の通信手段
ＭＥ２ 無線のパワー伝送手段
ＭＭ２ 測定手段
ＭＵ２ メモリー
ＳＥ 平衡化システム
Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３ 平衡化ユニット

Claims (10)

  1. 電池のセル（Ｃ２）に対して設けられる平衡化ユニット（Ｕ２）であって、
    セル（Ｃ２）の状態パラメーターを測定する手段（ＭＭ２）と、
    状態パラメーターを送受信することを可能にする無線の通信手段（ＭＤ２）と、
    無線のパワー伝送手段（ＭＥ２）と
    を備え、
    前記平衡化ユニット（Ｕ２）は、電池のセル（Ｃ２）に接続され自律的に機能し、
    前記平衡化ユニット（Ｕ２）が管理する前記パワー伝送手段（ＭＥ２）は、パワーの一部を、前記セル（Ｃ２）から１つ又は２つの隣接した電池のセル（Ｃ１、Ｃ３）へと伝送し、又は逆に隣接セル（Ｃ１、Ｃ３）からパワーを受けることを可能にする
    平衡化ユニット（Ｕ２）。
  2. 前記通信手段（ＭＤ２）と前記パワー伝送手段（ＭＥ２）は同じである
    請求項１に記載の平衡化ユニット（Ｕ２）。
  3. 前記通信手段（ＭＤ２）と前記パワー伝送手段（ＭＥ２）は、誘導性のタイプのものであり、セル（Ｃ２）の両側に配置された２つのコイル（Ｂ２１、Ｂ２３）によって形成され、これらの２つのコイル（Ｂ２１、Ｂ２３）は、フレキシブルプリント回路にマウントされた前記平衡化ユニット（Ｕ２）に接続される
    請求項２に記載の平衡化ユニット（Ｕ２）。
  4. セル（Ｃ２）の前記状態パラメーターは、セルの電圧及び温度の測定結果、及びセルの動作状態を含む
    請求項１〜３のいずれかに記載の平衡化ユニット（Ｕ２）。
  5. セル（Ｃ２）の前記状態パラメーターは、セルの動作上の持続時間を含む
    請求項１〜４のいずれかに記載の平衡化ユニット（Ｕ２）。
  6. セル（Ｃ２）を調整するためのパラメーター及びセル（Ｃ２）に関連する事象の履歴を含むメモリー（ＭＵ２）を有する
    請求項１〜５のいずれかに記載の平衡化ユニット（Ｕ２）。
  7. 直列に接続している電池のセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）の平衡化システム（ＳＥ）であって、
    請求項１〜６のいずれかに記載の平衡化ユニット（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）を複数有し、
    各平衡化ユニット（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）が、前記電池の対応するセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）に対して設けられ、
    各平衡化ユニット（Ｕ２）の前記通信手段（ＭＤ２）は、自律的に動作し、
    その状態パラメーターを隣接する平衡化ユニット（Ｕ１、Ｕ３）に送信し、隣接する平衡化ユニット（Ｕ１、Ｕ３）から状態パラメーターを受信することを可能にし、
    各平衡化ユニット（Ｕ２）の前記パワー伝送手段（ＭＥ２）は、隣接する平衡化ユニット（Ｕ１、Ｕ３）にパワーを送るか又は隣接する平衡化ユニット（Ｕ１、Ｕ３）から出たパワーを受けることを可能にする
    平衡化システム（ＳＥ）。
  8. 複数の散逸性要素（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）を有しており、
    各散逸性要素（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）は、１つのセル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）に割り当てられ、そのセルと並列に接続しており、
    前記セル（Ｃ２）に設けられた平衡化ユニット（Ｕ２）は、散逸性要素（Ｄ２）を制御する手段（ＭＣ２）を有する
    請求項７に記載の平衡化システム（ＳＥ）。
  9. セル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）の前記状態パラメーターは、そのセルと並列に接続している、散逸性要素（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）を流れる電流の測定結果を含む
    請求項８に記載の平衡化システム（ＳＥ）。
  10. 各散逸性要素（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）は、酸化金属半導体電界効果トランジスターによって形成され、
    そのドレインとソースは、セル（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）の両側に分岐しており、
    そのゲートは、平衡化ユニット（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）に接続される
    請求項８又は９に記載の平衡化システム（ＳＥ）。
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