JP2020124103A - バッテリセットをバランシングする調整デバイス及びこれを用いたバッテリ自動バランシングシステム - Google Patents

バッテリセットをバランシングする調整デバイス及びこれを用いたバッテリ自動バランシングシステム Download PDF

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Abstract

【課題】複数のバッテリセットを効率的にバランシングする調整デバイス及びバッテリ自動バランシングシステムを提供する。【解決手段】バッテリセットＢＴ１、ＢＴ２を平衡させるバッテリ自動調整デバイス１００は、入力側は電源デバイス７００に接続され、出力側は第１端子１０２ｃと第２端子１０２ｄとを備えるコモンモードチョーク１０２と、第１入力ノード１０４ａと、第２入力ノード１０４ｂと、第１出力ノード１０４ｃと、第２出力ノード１０４ｄと、第３出力ノード１０４ｅと、を備えるスイッチングデバイス１０４と、第１入力ノードを第１出力ノード又は第２出力ノードに選択的に接続するように制御し、第２入力ノードを第２出力ノード又は第３出力ノードに選択的に接続する第１制御ユニット１０６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリ調整デバイスに関し、特に、電力システムに適用される調整デバイス及びバッテリ自動バランシングシステムに関する。
例えば、電気自動車市場、充電ステーション市場等の異なる市場が発展するにつれて、電力システムの応用がさらに重要になっている。電力システムは、複数のバッテリセットを有し、これらのバッテリセットは、直列又は並列に接続されている。この結果、電力システムは、異なる電力要件を有するデバイスに対して電力を供給することができる。電気自動車を例にとると、一般に、電気自動車はＤＣ（direct-current）電源を必要とし、電気自動車の動作電圧は約３００〜５００Ｖである。しかし、電気自動車の電力システム内のバッテリセットが電力を供給する場合、バッテリセット間で電力の不平衡が生じる可能性がある。このような電力の不平衡が発生すると、バッテーセットのライフサイクルが短くなり、バッテリセットが損傷する可能性がある。これにより、電力バランシングシステム及びデバイスの研究が、益々重視されてきている。
しかし、現在のバッテリバランシング技術は、電力システムの効率を低下させ、バッテリセットを非効率的に充電させる。また、バッテリバランシングに関連する現在の技術は、複数の回路基板を設置する必要があり、製品の製造コストを著しく増大させる。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、複数のバッテリセットを効率的にバランシングする調整デバイス及びバッテリ自動バランシングシステムを提供することを目的とする。これにより、上述した問題を解決することができる。
調整デバイスは、コモンモードチョーク（common mode choke）と、スイッチングデバイスと、第１制御ユニットと、を含む。コモンモードチョークは、入力側と、出力側と、を含む。コモンモードチョークの入力側は、電源デバイスに接続されている。コモンモードチョークの出力側は、第１端子と、第２端子と、を含む。スイッチングデバイスは、第１入力ノードと、第２入力ノードと、第１出力ノードと、第２出力ノードと、第３出力ノードと、を含む。スイッチングデバイスの第１入力ノードは、コモンモードチョークの第１端子に接続されており、スイッチングデバイスの第２入力ノードは、コモンモードチョークの第２端子に接続されている。スイッチングデバイスの第１出力ノードは、第１バッテリセットに接続されており、スイッチングデバイスの第２出力ノードは、第２バッテリセットに接続されており、スイッチングデバイスの第３出力ノードは、フロート（floated）されている（又は、アイドル接点（idle contact））。第１制御ユニットは、第１出力ノードの第１端子電圧を第２出力ノードの第２端子電圧と比較して、第１入力ノードを第１出力ノード又は第２出力ノードに選択的に接続するように制御し、第２入力ノードを第２出力ノード又は第３出力ノードに選択的に接続するように制御するように構成されている。第１制御ユニットは、第１端子電圧が第２端子電圧よりも誤差範囲外の量だけ高いことを識別すると、第１入力ノードを第２出力ノードに接続するように制御する。第１制御ユニットは、第２端子電圧が第１端子電圧よりも誤差範囲外の量だけ高いことを識別すると、第２入力ノードを第３出力ノードに接続するように制御する。
バッテリ自動バランシングシステムは、複数のバッテリ自動調整デバイスを含む。複数のバッテリ自動調整デバイスの各々は、スイッチと、電流検出デバイスと、請求項１の調整デバイスと、を含む。スイッチは、第１端子と、第２端子と、制御端子と、を含む。第１端は、電源デバイスに接続されており、第２端子は、負荷に接続されており、制御端子は、第２制御ユニットに接続されている。電流検出デバイスは、第１接点と、第２接点と、を含む。電流検出デバイスの第１接点は、スイッチの第２端子と負荷とに接続されている。請求項１の調整デバイスにおいて、コモンモードチョークの入力側は、電流検出デバイスの第２接点に接続されている。第２制御ユニットは、電流検出デバイスを流れる電流に基づいて、スイッチを制御する。第２制御ユニットは、電流最大目標値が電流よりも目標範囲外の量だけ大きいことを識別すると、スイッチをオンにする。
本発明によれば、現在のバッテリバランシング技術における電力システムの効率低下、バッテリセットの非効率な充電を改善するとともに、製造コストを低減することができる。
本発明の一実施形態による、調整デバイスを示す図である。 本発明の別の実施形態による、調整デバイスの動作を示す図である。 本発明の一実施形態による、第１制御ユニットを示す図である。 本発明の一実施形態による、バッテリ自動バランシングシステムを示す図である。 本発明の別の実施形態による、バッテリ自動バランシングシステムを示す図である。
添付の図面を参照して本発明を説明する。類似又は同様の要素を示すために、図面を通して同様の符号が用いられている。図面は、縮尺通りに示されておらず、本発明を単に例示するために提供されている。本発明のいくつかの態様を、例示的なアプリケーションを参照して以下に説明する。本発明の完全な理解を提供するために、多くの特定の詳細、関係及び方法が示されていることを理解されたい。しかし、当業者であれば、１つ以上の特定の詳細無しに又は他の方法を用いて本発明を実施することができることを容易に認識するであろう。他の例では、本発明が曖昧になるのを防ぐために、周知の構造又は動作を詳細に示していない。いくつかの動作が異なる順序で、及び／又は、他の動作や事象と同時に発生し得るので、本発明は、示された動作や事象の順序によって限定されない。さらに、本発明による方法を実施するために、示された全ての動作や事象が必要とされているわけではない。
以下の説明は、本発明の実施形態である。本発明の目的は、本発明の全般的な原理を例示することであり、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
本発明は、主に、複数のバッテリセットでアクティブバランスを実行し、１つのバランス方法論は、電流共有のメカニズムである。一般に、電力システムは、電源デバイスと、変圧器と、を含む。電力システムの変圧器は、絶縁変圧器であってもよいが、本発明はこれに限定されない。例として絶縁変圧器を取り上げる。電源デバイスは、通常、絶縁変圧器の一次側に接続されており、バッテリセットは、通常、絶縁変圧器の二次側に接続されている。さらに、殆どのバッテリセットは、寄生インピーダンス（parasitic impedances）と、キャパシタと、他のパラメータと、を有する。アクティブバランスの電流共有メカニズムをバッテリセットに対して完全に機能させるために、本発明は、主に、変圧器の二次側の電流エラーを用いて、バッテリセットをバランシングする。
本発明において、バッテリは、鉛蓄電池、リチウム電池、ニッケル金属ハイブリッド電池又は亜鉛マンガン電池等であるが、本発明はこれらに限定されない。
図１は、本発明の一実施形態による、調整デバイス１００を示す図である。図１に示すように、調整デバイス１００は、変圧器３００に接続されており、変圧器３００は、電源デバイス７００に接続されている。変圧器３００は、一次巻線（primary winding）Ｌ１と、二次巻線（secondary winding）Ｌ２と、を含む。変圧器３００の一次巻線Ｌ１は、電源デバイス７００に接続されており、電源デバイス７００から変圧器３００の二次巻線Ｌ２に電力を運ぶ。調整デバイス１００は、変圧器３００の二次巻線Ｌ２によって、電源デバイス７００から出力された電力を受け取る。調整デバイス１００は、電源デバイス７００からの電力を用いて、第１バッテリセットＢＴ１及び第２バッテリセットＢＴ２を充電する。以下、調整デバイス１００の動作について詳細に説明する。
図１に示すように、調整デバイス１００は、コモンモードチョーク１０２と、スイッチングデバイス１０４と、第１制御ユニット１０６と、を含む。コモンモードチョーク１０２は、入力側１０２ａと、出力側１０２ｂと、を含む。コモンモードチョーク１０２の入力側１０２ａは、変圧器３００を介して電源デバイス７００に接続されており、電源デバイス７００により出力された電力を受け取る。コモンモードチョーク１０２の出力側１０２ｂは、第１端子１０２ｃと、第２端子１０２ｄと、を含み、第１端子１０２ｃ及び第２端子１０２ｄは、スイッチングデバイス１０４に接続されている。スイッチングデバイス１０４は、第１入力ノード１０４ａと、第２入力ノード１０４ｂと、第１出力ノード１０４ｃと、第２出力ノード１０４ｄと、第３出力ノード１０４ｅと、を含む。スイッチングデバイス１０４の第１入力ノード１０４ａは、コモンモードチョーク１０２の第１端子１０２ｃに接続されており、スイッチングデバイス１０４の第２入力ノード１０４ｂは、コモンモードチョーク１０２の第２端子１０２ｄに接続されている。スイッチングデバイス１０４の第１出力ノード１０４ｃは、第１バッテリセットＢＴ１に接続されており、スイッチングデバイス１０４の第２出力ノード１０４ｄは、第２バッテリセットＢＴ２に接続されており、スイッチングデバイス１０４の第３出力ノード１０４ｅは、フロートされている（又は、アイドル接点で）。この結果、スイッチングデバイス１０４の第１出力ノード１０４ｃの電圧は、第１バッテリセットＢＴ１の電圧レベル（第１端子電圧Ｖ１）であり、スイッチングデバイス１０４の第２出力ノード１０４ｄの電圧は、第２バッテリセットＢＴ２の電圧レベル（第２端子電圧Ｖ２）である。
特に、実際の用途では、変圧器３００とコモンモードチョーク１０２との間に、例えばキャパシタ、整流回路、整流器等の整流デバイス（rectifying device）（図示省略）がある。整流デバイスは、変圧器３００によって出力された電力を、安定したＤＣ電源に変換して、コモンモードチョーク１０２に提供する。コモンモードチョーク１０２は、整流デバイスによって変換されたＤＣ電源を、スイッチングデバイス１０４によって、第１バッテリセットＢＴ１及び第２バッテリセットＢＴ２に提供する。本発明の説明を簡潔にするために、図１において整流デバイスを示していない。
上述したように、調整デバイス１００の第１制御ユニット１０６は、比較デバイス１０６ａと、プロセッサ１０６ｂと、を含む。図１に示すように、スイッチングデバイス１０４の第１出力ノード１０４ｃ及び第１バッテリセットＢＴ１は、第１制御ユニット１０６の比較デバイス１０６ａに共通に接続されており、スイッチングデバイス１０４の第２出力ノード１０４ｄ及び第２バッテリセットＢＴ２は、第１制御ユニット１０６の比較デバイス１０６ａに共通に接続されている。この結果、比較デバイス１０６ａは、第１出力ノード１０４ｃの第１端子電圧Ｖ１と、第２出力ノード１０４ｄの第２端子電圧Ｖ２と、を受け取ることができる。第１制御ユニット１０６の比較デバイス１０６ａは、第１出力ノード１０４ｃの第１端子電圧Ｖ１と、第２出力ノード１０４ｄの第２端子電圧Ｖ２と、を比較する。比較デバイス１０６ａは、比較結果に応じて、比較信号Ｓ１をプロセッサ１０６ｂに出力する。これにより、第１制御ユニット１０６のプロセッサ１０６ｂは、比較デバイス１０６ａによって出力された比較信号Ｓ１に基づいて、第１端子電圧Ｖ１と第２端子電圧Ｖ２との間の電圧差が誤差範囲内にあるか否かを判別し、スイッチングデバイス１０４への制御信号Ｓ２及び制御信号Ｓ３を生成することができる。
第１制御ユニット１０６のプロセッサ１０６ｂは、スイッチングデバイス１０４の第１入力ノード１０４ａを第１出力ノード１０４ｃ又は第２出力ノード１０４ｄに選択的に接続するように制御する制御信号Ｓ２を出力する。第１制御ユニット１０６のプロセッサ１０６ｂは、スイッチングデバイス１０４の第２入力ノード１０４ｂを第２出力ノード１０４ｄ又は第３出力ノード１０４ｅに選択的に接続するように制御する制御信号Ｓ３を出力する。
いくつかの実施形態において、第１制御ユニット１０６のプロセッサ１０６ｂは、比較信号Ｓ１に基づいて、第１端子電圧Ｖ１が第２端子電圧Ｖ２よりも誤差範囲外の量だけ高いことを識別すると、スイッチングデバイス１０４の第１入力ノード１０４ａを第２出力ノード１０４ｄに接続するように制御する制御信号Ｓ２を出力する。また、第１制御ユニット１０６のプロセッサ１０６ｂは、比較信号Ｓ１に基づいて、第２端子電圧Ｖ２が第１端子電圧Ｖ１よりも誤差範囲外の量だけ高いことを識別すると、スイッチングデバイス１０４の第２入力ノード１０４ｂを第３出力ノード１０４ｅに接続するように制御する制御信号Ｓ３を出力する。この実施形態において、第１端子電圧Ｖ１が第２端子電圧Ｖ２よりも誤差範囲外の量だけ高い場合とは、第１バッテリセットＢＴ１のバッテリ電力が、第２バッテリセットＢＴ２のバッテリ電力よりも大きいことを示している。同様に、第２端子電圧Ｖ２が第１端子電圧Ｖ１よりも誤差範囲外の量だけ高い場合とは、第２バッテリセットＢＴ２のバッテリ電力が、第１バッテリセットＢＴ１のバッテリ電力よりも大きいことを示している。
上述したように、第１端子電圧Ｖ１と第２端子電圧Ｖ２との間の電圧差が誤差範囲内にない場合、第１制御ユニット１０６のプロセッサ１０６ｂは、第１バッテリセットＢＴ１及び第２バッテリセットＢＴ２が不平衡状態にあると判別する。つまり、第１バッテリセットＢＴ１のバッテリ電力が第２バッテリセットＢＴ２のバッテリ電力よりも大きい場合、調整デバイス１００は、電源デバイス７００を制御して第２バッテリセットＢＴ２を充電し、電源デバイス７００が第１バッテリセットＢＴ１を充電するのを停止する。このとき、第１制御ユニット１０６のプロセッサ１０６ｂは、制御信号Ｓ２を出力することによって、スイッチングデバイス１０４の第１入力ノード１０４ａをスイッチングデバイス１０４の第２出力ノード１０４ｄに接続するように制御する。また、プロセッサ１０６ｂは、制御信号Ｓ３を出力することによって、スイッチングデバイス１０４の第２入力ノード１０４ｂを第２出力ノード１０４ｄに継続的に接続するように制御する。
第２バッテリセットＢＴ２のバッテリ電力が第１バッテリセットＢＴ１のバッテリ電力よりも大きい場合、調整デバイス１００は、電源デバイス７００を制御して第１バッテリセットＢＴ１を充電し、電源デバイス７００が第２バッテリセットＢＴ２を充電するのを停止する。このとき、第１制御ユニット１０６のプロセッサ１０６ｂは、スイッチングデバイス１０４の第１入力ノード１０４ａをスイッチングデバイス１０４の第１出力ノード１０４ｃに接続するように制御する。また、第１制御ユニット１０６のプロセッサ１０６ｂは、スイッチングデバイス１０４の第２入力ノード１０４ｂをスイッチングデバイス１０４の第３出力ノード１０４ｅに接続するように制御する。特に、本実施形態では、スイッチングデバイス１０４の第３出力ノード１０４ｅがフロート（アイドル接点）されるように構成されているが、本発明は、これに限定されない。
上記の実施形態では、第１端子電圧Ｖ１と第２端子電圧Ｖ２との間の電圧差が誤差範囲内にある場合、第１制御ユニット１０６のプロセッサ１０６ｂは、第１バッテリセットＢＴ１及び第２バッテリセットＢＴ２が平衡状態を適切に維持していると判別する。第１バッテリセットＢＴ１及び第２バッテリセットＢＴ２が依然として適切な平衡状態を維持しているので、第１制御ユニット１０６は、制御信号Ｓ２，Ｓ３を介して、スイッチングデバイス１０４の第１入力ノード１０４ａを第１出力ノード１０４ｃに接続するように制御するとともに、スイッチングデバイス１０４の第２入力ノード１０４ｂを第２出力ノード１０４ｄに接続するように制御する。この結果、調整デバイス１００を通過することによって、電源デバイス７００は、第１バッテリセットＢＴ１及び第２バッテリセットＢＴ２を均等に充電することができる。
図２は、本発明の別の実施形態による、調整デバイス１００の動作を示す図である。いくつかの他の実施形態では、調整デバイス１００は、電気自動車の電力システムだけでなく、電力バックアップシステムにも適用することができる。図２に示すように、電力バックアップシステム９００は、調整デバイス１００と、第１バッテリセットＢＴ１と、第２バッテリセットＢＴ２と、を含むことができる。以下に、図１及び図２を同時に参照して、本実施形態について説明する。通常の状態では、電源デバイス７００は、十分な電力を負荷８００に供給し、同時に電力バックアップシステム９００を充電することができる。電力バックアップシステム９００の充電工程において、調整デバイス１００の動作方法は、図１に示した動作と同じであるため、繰り返さない。電源デバイス７００が十分な電力を負荷８００に正常に供給できない場合、電力バックアップシステム９００の第１バッテリセットＢＴ１及び第２バッテリセットＢＴ２は、負荷８００への電力の供給を開始する。
第１バッテリセットＢＴ１及び第２バッテリセットＢＴ２の放電工程において、第１制御ユニット１０６の比較デバイス１０６ａは、第１端子電圧Ｖ１と第２端子電圧Ｖ２とを比較し、スイッチングデバイス１０４を制御するために、比較結果を第１制御ユニット１０６のプロセッサ１０６ｂに出力する。第１制御ユニット１０６がスイッチングデバイス１０４を制御する方法は、図１に示した方法と同じであるため、繰り返さない。
第１バッテリセットＢＴ１及び第２バッテリセットＢＴ２の放電工程において、第１バッテリセットＢＴ１のバッテリ電力が第２バッテリセットＢＴ２のバッテリ電力よりも大きい場合、調整デバイス１００は、第２バッテリセットＢＴ２が電力を負荷８００に供給するのを停止し、第１バッテリセットＢＴ１に、電力を継続的に負荷８００に供給させる必要がある。このとき、第１制御ユニット１０６のプロセッサ１０６ｂは、比較信号Ｓ１に応じて、対応する制御信号Ｓ２を出力することによって、第１入力ノード１０４ａをスイッチングデバイス１０４の第１出力ノード１０４ｃに接続するように制御する。また、第１制御ユニット１０６のプロセッサ１０６ｂは、制御信号Ｓ３を出力することによって、第２入力ノード１０４ｂをスイッチングデバイス１０４の第３出力ノード１０４ｅに接続するように制御する。第１バッテリセットＢＴ１のバッテリ電力及び第２バッテリセットＢＴ２のバッテリ電力が平衡状態に達すると、プロセッサ１０６ｂは、対応する制御信号Ｓ２，Ｓ３をそれぞれ出力することによって、第１入力ノード１０４ａを第１出力ノード１０４ｃに接続するように制御するとともに、第２入力ノード１０４ｂを第２出力ノード１０４ｄに接続するように制御する。
一方、第２バッテリセットＢＴ２のバッテリ電力が第１バッテリセットＢＴ１のバッテリ電力よりも大きい場合、調整デバイス１００は、第１バッテリセットＢＴ１が電力を負荷８００に供給するのを停止し、第２バッテリセットＢＴ２に、電力を継続的に負荷８００に供給させる必要がある。このとき、第１制御ユニット１０６のプロセッサ１０６ｂは、比較信号Ｓ１に応じて、制御信号Ｓ２を出力し、第１入力ノード１０４ａをスイッチングデバイス１０４の第２出力ノード１０４ｄに接続するように制御する。また、第１制御ユニット１０６のプロセッサ１０６ｂは、制御信号Ｓ３を出力し、第２入力ノード１０４ｂをスイッチングデバイス１０４の第２出力ノード１０４ｄに接続するように制御する。第１バッテリセットＢＴ１のバッテリ電力及び第２バッテリセットＢＴ２のバッテリ電力が平衡状態に達すると、プロセッサ１０６ｂは、制御信号Ｓ２を出力して、第１入力ノード１０４ａを第１出力ノード１０４ｃに接続するように制御するとともに、制御信号Ｓ３を出力して、第２入力ノード１０４ｂを第２出力ノード１０４ｄに接続するように制御する。
上記の各実施形態において、調整デバイス１００の第１制御ユニット１０６は、バッテリセットのバランスをとるための重要な役割を果たす。これにより、以下の開示では、第１制御ユニット１０６の動作方法を継続して詳細に説明する。
図３は、本発明の一実施形態による、第１制御ユニット１０６を示す図である。図３に示すように、第１制御ユニット１０６は、比較デバイス１０６ａと、プロセッサ１０６ｂと、を含む。比較デバイス１０６ａは、抵抗Ｒ１〜Ｒ４と、演算増幅器ＯＰＡと、を含む。図１及び図３を参照して、第１制御ユニット１０６の構造を説明する。抵抗Ｒ１は、第１端子電圧Ｖ１に接続されており、さらに、抵抗Ｒ４と、演算増幅器ＯＰＡの正極端子とに接続されている。抵抗Ｒ２は、第２端子電圧Ｖ２に接続されており、さらに、抵抗Ｒ３と、演算増幅器ＯＰＡの負極端子とに接続されている。抵抗Ｒ４は、抵抗Ｒ１と、演算増幅器ＯＰＡの出力端子とに接続されている。さらに、演算増幅器ＯＰＡは、正の電源端子＋Ｖｃｃと負の電源端子−Ｖｃｃとに接続されている。特に、本実施形態において、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗は同一であるが、本発明は、これに限定されない。
上述した比較デバイス１０６ａの例示的な回路によれば、比較デバイス１０６ａによって出力される比較信号Ｓ１を以下のように導出することができるが、これに限定されない。
Ｓ１＝ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１
結果として、第１制御ユニット１０６の比較デバイス１０６ａは、第１端子電圧Ｖ１と第２端子電圧Ｖ２との間の電圧差ΔＶを計算するための減算器（subtractor）とみなすことができる。第１制御ユニット１０６のプロセッサ１０６ｂは、比較信号Ｓ１に従って、第１端子電圧Ｖ１と第２端子電圧Ｖ２との間の電圧差ΔＶが誤差範囲内にあるかどうかを識別することができる。
比較信号Ｓ１が正電圧である場合、プロセッサ１０６ｂは、第２端子電圧Ｖ２が第１端子電圧Ｖ１よりも高いと識別することができる。同様に、比較信号Ｓ１が負電圧である場合、プロセッサ１０６ｂは、第１端子電圧Ｖ１が第２端子電圧Ｖ２よりも高いと識別することができる。また、プロセッサ１０６ｂは、比較信号Ｓ１の絶対値に従って、第１端子電圧Ｖ１と第２端子電圧Ｖ２との間の電圧差ΔＶが誤差範囲内にあるか否かを識別することができる。
誤差範囲は、プロセッサ１０６ｂによって実行される以下の方法によって計算することができる。つまり、電圧差ΔＶを第１端子電圧Ｖ１で除算するか、電圧差ΔＶを第２端子電圧Ｖ２で除算する。いくつかの他の実施形態では、プロセッサ１０６ｂが、第１端子電圧Ｖ１が第２端子電圧Ｖ２よりも高いと識別した場合、プロセッサ１０６ｂは、誤差範囲を計算するために、電圧差ΔＶを第１端子電圧Ｖ１で除算することを採用する。プロセッサ１０６ｂは、第２端子電圧Ｖ２が第１端子電圧Ｖ１よりも高いと識別した場合、誤差範囲を計算するために、電圧差ΔＶを第２端子電圧Ｖ２で除算することを採用する。また、プロセッサ１０６ｂは、誤差範囲が５％よりも大きいと識別した場合、第１バッテリセットＢＴ１及び第２バッテリセットＢＴ２が不平衡状態にあると識別する。プロセッサ１０６ｂは、制御信号Ｓ２，Ｓ３を出力して、スイッチングデバイス１０４を制御する。プロセッサ１０６ｂは、誤差範囲が５％よりも小さいと判別した場合、第１バッテリセットＢＴ１及び第２バッテリセットＢＴ２が理想的な平衡状態にあると識別する。
上述した各実施形態は、２つのバッテリセットをバランシングする調整デバイス１００のみを示している。しかし、実際の用途では、異なる負荷が異なる電力要件を有するので、複数の調整デバイス１００を有するバッテリ自動バランシングシステムが開発されている。以下に、バッテリ自動バランシングシステムの動作方法を詳細に説明する。
図４は、本発明の一実施形態による、バッテリ自動バランシングシステム２００を示す図である。図４に示すように、バッテリ自動バランシングシステムは、少なくとも２つのバッテリ自動調整デバイスＡ，Ｂと、第２制御ユニット２０４と、を含むことができる。特に、この実施形態では、図４のバッテリバランシングシステム２００に２つのバッテリ自動調整デバイスＡ，Ｂのみが示されているが、実際の用途の需要に基づいて、３つ以上のバッテリ自動調整デバイスをバッテリバランシングシステム２００に配置することができる。本発明の動作の説明を簡潔にするために、以下の各実施形態は、例として２つのバッテリ自動調整デバイスＡ，Ｂを有するバッテリ自動バランシングシステムを使用するが、本発明は、これに限定されない。
図４において、各バッテリ自動調整デバイスＡ（又は、Ｂ）は、図１に示すスイッチＳＷ１（又は、ＳＷ２）と、電流検出デバイス２０２ａ（又は、２０２ｂ）と、バッテリ調整ユニット１００ａ（又は、１００ｂ）と、を含む。バッテリ自動調整デバイス（Ａ，Ｂ）の全てのハードウェア（調整デバイス１００ａ，１００ｂを含む）、スイッチ（ＳＷ１，ＳＷ２）、電流検出デバイス（２０２ａ，２０２ｂ）、モジュール、ソフトウェア、ファームウェアは、同じ仕様及び設計を有し、これらは全て同じ製造者によって製造され、供給される。また、バッテリ自動バランシングシステム２００に適用されるバッテリセットＢＴ１〜ＢＴ４は、同じ設計及び仕様を有し、同じ製造者によって製造される。この結果、バッテリ自動バランシングシステム２００の動作を最適化することができる。
また、バッテリ自動バランシングシステム２００の第２制御ユニット２０４は、プロセッサ、コントローラ、チップ又は中央処理装置（ＣＰＵ）等であってもよいが、本発明は、これに限定されない。
図４において、バッテリ自動バランシングシステム２００のスイッチＳＷ１は、第１端子ｐ１と、第２端子ｐ２と、制御端子ｐ３と、を含む。スイッチＳＷ１の第１端子ｐ１は、変圧器４００によって電源デバイス７００に接続されており、第１端子ｐ１は、電源デバイス７００から電力を受け取ることができる。スイッチＳＷ１の第２端子ｐ２は、負荷（図４には示されていない）に接続されている。スイッチＳＷ１の制御端子ｐ３が第２制御ユニット２０４に接続されているので、第２制御ユニット２０４は、スイッチＳＷ１の状態（オン又はオフ）を制御することができる。
この実施形態では、変圧器４００は、一次巻線Ｌ１と、二次巻線Ｌ２，Ｌ４と、を含む。変圧器４００の一次巻線Ｌ１は、電源デバイス７００に接続されている。二次巻線Ｌ２は、バッテリ自動調整デバイスＡに接続されており、二次巻線Ｌ４は、バッテリ自動調整デバイスＢに接続されている。変圧器４００において、二次巻線Ｌ２及び二次巻線Ｌ４は同じ巻線であるため、バッテリ自動調整デバイスＡ及びバッテリ自動調整デバイスＢは、同じ電力を受け取る。
図１及び図４を参照されたい。電流検出デバイス２０２ａは、第１接点Ｃ１と、第２接点Ｃ２と、を含む。電流検出デバイス２０２ａの第１接点Ｃ１は、スイッチＳＷ１の第２端子ｐ２及び負荷（図示省略）に接続されている。電流検出デバイス２０２ａの第２接点Ｃ２は、調整デバイス１００ａのコモンモードチョーク１０２の入力側１０２ａに接続されている。第１バッテリセットＢＴ１及び第２バッテリセットＢＴ２に用いられる調整デバイス１００ａの接続方法は図１に詳細に示されているので、ここでは繰り返さない。よって、電源デバイス７００によって供給される電力（例えば、電流等）は、スイッチＳＷ１、電流検出デバイス２０２ａ及び調整デバイス１００ａを通過して、第１バッテリセットＢＴ１及び第２バッテリセットＢＴ２を充電することができる。また、電流検出デバイス２０２ａは、電源デバイス７００からの電流に従って、電流検出信号Ｓ４を第２制御ユニット２０４に送信する。第２制御ユニット２０４は、電流検出信号Ｓ４に従って、スイッチＳＷ１をオン又はオフにする。
バッテリ自動調整デバイスＢの接続方法は、バッテリ自動調整デバイスＡと同じであるため、ここでは繰り返さない。電流検出デバイス２０２ｂは、電流検出信号Ｓ５を第２制御ユニット２０４に送信する。第２制御ユニット２０４は、電流検出信号Ｓ５に従って、スイッチＳＷ２をオン又はオフにする。
いくつかの実施形態では、バッテリ自動バランシングシステムの第２制御ユニット２０４は、電流検出信号Ｓ４を電流検出信号Ｓ５と比較して、スイッチＳＷ１，ＳＷ２をオン又はオフに制御する。第２制御ユニット２０４は、電流検出信号Ｓ４，Ｓ５間の電流差が目標範囲（約１６ｍＡ）内にあると識別した場合、スイッチＳＷ１，ＳＷ２をオフに制御する。このとき、バッテリセットＢＴ１，ＢＴ２及びバッテリセットＢＴ３，ＢＴ４は、電力を負荷に均等に供給する。
第２制御ユニット２０４は、電流検出信号Ｓ４が電流検出信号Ｓ５よりも目標範囲（約１６ｍＡ）外の量だけ大きいと識別した場合、バッテリ自動調整デバイスＡ，Ｂ間に不平衡状態があると識別する。バッテリ自動調整デバイスＡによって出力される電力は、バッテリ自動調整デバイスＢによって出力される電力よりも大きい。このとき、第２制御ユニット２０４は、スイッチＳＷ１をオンにし、スイッチＳＷ２をオフにする。その結果、バッテリ自動調整デバイスＡによって出力される電力は、変圧器４００の二次巻線Ｌ２を通過することによって、変圧器４００の一次巻線Ｌ１に送られる。第２制御ユニット２０４は、電流検出信号Ｓ４，Ｓ５間の電流差が目標範囲（約１６ｍＡ）内にあると識別した場合、スイッチＳＷ１，ＳＷ２をオフ状態に回復する。
同様に、第２制御ユニット２０４は、電流検出信号Ｓ５が電流検出信号Ｓ４よりも目標範囲（約１６ｍＡ）外の量だけ大きいと識別した場合、バッテリ自動調整デバイスＢによって出力される電力が、バッテリ自動調整デバイスＡによって出力される電力よりも大きいと識別する。このとき、第２制御ユニット２０４は、スイッチＳＷ１をオフにし、スイッチＳＷ２をオンにする。その結果、バッテリ自動調整デバイスＢによって出力される電力は、変圧器４００の二次巻線Ｌ４を通過することによって、変圧器４００の一次巻線Ｌ１に送られる。第２制御ユニット２０４は、電流検出信号Ｓ４，Ｓ５間の電流差が目標範囲（約１６ｍＡ）内にあると識別した場合、スイッチＳＷ２をオフ状態に回復する。
いくつかの他の実施形態では、第２制御ユニット２０４は、電流検出信号Ｓ４が電流検出信号Ｓ５よりも目標範囲（約１６ｍＡ）外の量だけ大きいと識別した場合、バッテリ自動調整デバイスＡ，Ｂ間に不平衡状態があると識別する。バッテリ自動調整デバイスＢによって出力される電力は、バッテリ自動調整デバイスＡによって出力される電力よりも小さい。このとき、第２制御ユニット２０４は、スイッチＳＷ２をオンにし、スイッチＳＷ１をオフにする。その結果、電源デバイス７００は、変圧器４００の一次巻線Ｌ１によって、電力を変圧器４００の二次巻線Ｌ４に供給することができる。その結果、バッテリ自動調整デバイスＢは、変圧器４００によって、電源デバイス７００からの電力を受け取ることができる。第２制御ユニット２０４は、電流検出信号Ｓ４，Ｓ５間の電流差が目標範囲（約１６ｍＡ）内にあると識別した場合、スイッチＳＷ２をオフ状態に回復する。
上述したように、同様に、第２制御ユニット２０４は、電流検出信号Ｓ５が電流検出信号Ｓ４よりも目標範囲（約１６ｍＡ）外の量だけ大きいと識別した場合、バッテリ自動調整デバイスＡによって出力される電力が、バッテリ自動調整デバイスＢによって出力される電力よりも小さいと識別する。このとき、第２制御ユニット２０４は、スイッチＳＷ１をオンにし、スイッチＳＷ２をオフにする。その結果、電源デバイス７００は、変圧器４００の一次巻線Ｌ１によって、電力を変圧器４００の二次巻線Ｌ２に供給することができる。その結果、バッテリ自動調整デバイスＡは、変圧器４００によって、電源デバイス７００からの電力を受け取ることができる。第２制御ユニット２０４は、電流検出信号Ｓ４，Ｓ５間の電流差が目標範囲（約１６ｍＡ）内にあると識別した場合、スイッチＳＷ１をオフ状態に回復する。
図５は、本発明の別の実施形態による、バッテリ自動バランシングシステム５００を示す図である。この実施形態では、バッテリ自動バランシングシステム５００は、３つ以上のバッテリ自動調整デバイスＡ〜Ｄを有する。特に、図５に示すバッテリ自動調整デバイスＡ〜Ｄの数は一例として用いられており、本発明は、これに限定されない。各バッテリ自動調整デバイスＡ〜Ｄは、スイッチと、電流検出デバイスと、調整デバイスと、を有する。図５に示すように、バッテリ自動調整デバイスＡは、一例として用いられている。バッテリ自動調整デバイスＡは、スイッチＳＷ１と、電流検出デバイス２０２ａと、調整デバイス１００ａと、を含む。他のバッテリ自動調整デバイスＢ〜Ｄは、バッテリ自動調整デバイスＡと同じである。
図４及び図５を参照されたい。特に、バッテリ自動バランシングシステム５００は、第２制御ユニット２０４（図示省略）も含む。バッテリ自動バランシングシステム５００の第２制御ユニット２０４は、電流検出デバイス２０２ａ〜２０２ｄに接続されており、電流検出デバイス２０２ａ〜２０２ｄによって出力される電流検出信号を受信する。さらに、バッテリ自動バランシングシステム５００の第２制御ユニット２０４は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオン又はオフに制御するために、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の制御端子（図示省略）に接続されている。図面を簡潔にするために、図５は、バッテリ自動バランシングシステム５００の第２制御ユニット２０４と、第２制御ユニット２０４、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４及び電流検出デバイス２０２ａ〜２０２ｄの接続方法と、を示していない。
バッテリ自動調整デバイスＡ〜Ｄの接続態様を図４に示している。図５のバッテリ自動調整デバイスＡを例にとると、スイッチＳＷ１、電流検出デバイス２０２ａ及び調整デバイス１００ａの接続態様は、図４のバッテリ自動調整デバイスＡと同じである。一方、図５において、バッテリ自動調整デバイスＡは、バッテリモジュールＢ１に接続されており、バッテリモジュールＢ１は、図４の第１バッテリセットＢＴ１及びバッテリセットＢＴ２の図を簡略化したものである。他のバッテリモジュールＢ２〜Ｂ４は、バッテリモジュールＢ１と同じである。これにより、本実施形態において、バッテリ自動調整デバイスＡ〜Ｄの動作の説明を省略する。
図５において、スイッチＳＷ１は、バッテリ自動調整デバイスＡの第１端子ｐ１と、第２端子ｐ２と、制御端子（図示省略）と、を含む。スイッチＳＷ１の第１端子ｐ１は、変圧器６００によって電源デバイス７００に接続されている。スイッチＳＷ１の第２端子ｐ２は、負荷８００及び電流検出デバイス２０２ａに接続されている。また、負荷８００は、バッテリモジュールＢ４の負極Ｎに接続されている。その結果、通常動作時には、バッテリモジュールＢ１〜Ｂ４は、同時に、電力を負荷８００に供給する。第２制御ユニット２０４は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオフにする。
いくつかの実施形態では、第２制御ユニット２０４は、以下の表１に示すように、電流検出デバイス２０２ａ〜２０２ｄを用いて、電流検出デバイス２０２ａ〜２０２ｄを通過する電流の電流値を得ることができる。
Figure 2020124103
第２制御ユニット２０４は、電流検出デバイス２０２ａ〜２０２ｄの電流値を計算すると、電流最大目標値を決定する。表１に示すように、第２制御ユニットは、電流検出デバイス２０２ｃの電流を最大電流と判別した場合、電流検出デバイス２０２ｃの電流（２２０ｍＡ）を電流最大目標値とする。同時に、第２制御ユニット２０４は、電流最大目標値を、他の電流検出デバイス２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｄの電流と比較する。
第２制御ユニット２０４は、電流最大目標値が他の電流検出デバイスを流れる電流よりも目標範囲（約１６ｍＡ）外の量だけ大きいと判別した場合、スイッチをオンにする。表１に示すように、第２制御ユニット２０４は、電流検出デバイス２０２ｃの電流を電流最大目標値（２２０ｍＡ）として使用する。その後、第２制御ユニット２０４は、電流検出デバイス２０２ａ及び電流検出デバイス２０２ｂの電流が電流最大目標値（２２０ｍＡ）よりも小さく、電流差が目標範囲（１６ｍＡ）を超えている、ことを識別する。これにより、第２制御ユニット２０４は、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２をオンにすることによって、電源デバイス７００が電力をバッテリ自動調整デバイスＡ及びバッテリ自動調整デバイスＢに供給することができる。このとき、第２制御ユニット２０４は、電流検出デバイス２０２ｄの電流が電流最大目標値よりも小さいと識別する。しかし、電流検出デバイス２０２ｄと電流最大目標値との間の電流差が１６ｍＡ以下であるため、第２制御ユニット２０４は、スイッチＳＷ４をオフにする。
上述したように、第２制御ユニット２０４は、電流検出デバイス２０２ａの電流と電流最大目標電流との間の電流差が目標範囲内（１６ｍＡ未満）であると識別した場合、スイッチＳＷ１をオフにする。同様に、電流検出デバイス２０２ｂの電流と電流最大目標電流とが目標範囲内（１６ｍＡ未満）にある場合、第２制御ユニット２０４は、スイッチＳＷ２をオフにする。
いくつかの他の実施形態では、第２制御ユニット２０４は、電流検出デバイス２０２ａ〜２０２ｄの電流値を計算する場合に、電流最小目標値を決定する。表１に示すように、第２制御ユニット２０４は、電流検出デバイス２０２ｂの電流を最低電流として識別した場合、電流検出デバイス２０２ｂの電流（１８０ｍＡ）を電流最小目標値とする。同時に、第２制御ユニット２０４は、電流最小目標値を他の電流検出デバイス２０２ａ，２０２ｃ，２０２ｄの電流と比較する。
表１に示すように、第２制御ユニット２０４は、電流検出デバイス２０２ｃ及び電流検出デバイス２０２ｄの電流が電流最小目標値よりも大きく、電流差が目標範囲（１６ｍＡ）を超えていると識別する。これにより、第２制御ユニット２０４は、スイッチＳＷ３及びスイッチＳＷ４をオンにし、変圧器６００を通過することによってバッテリ自動調整デバイスＣ及びバッテリ自動調整デバイスＤを放電させる。このとき、第２制御ユニット２０４は、電流検出デバイス２０２ａの電流が電流最小目標値よりも大きいと識別する。しかし、電流検出デバイス２０２ａの電流と電流最小目標値との電流差が１６ｍＡ以下であるため、第２制御ユニット２０４は、スイッチＳＷ１をオフにする。
上述したように、第２制御ユニット２０４は、電流検出デバイス２０２ｃの電流と電流最小目標値との間の電流差が目標範囲内（１６ｍＡ未満）であると識別した場合、スイッチＳＷ３をオフにする。同様に、電流検出デバイス２０２ｄの電流と電流最大目標電流とが目標範囲内（１６ｍＡ未満）にある場合、第２制御ユニット２０４は、スイッチＳＷ４をオフにする。
本発明において、電流検出デバイス２０２ａ〜２０２ｄは、同じ仕様及び設計を有し、同じサプライヤによって供給される。また、電流検出デバイス２０２ａ〜２０２ｄは、電流センサやホールセンサ（hall sensors）等であってもよいが、本発明は、これに限定されない。
以上をまとめると、調整デバイス１００は、スイッチングデバイス１０４を用いて、バッテリセットの平衡状態を制御する。さらに、バッテリ自動バランシングシステム内のスイッチの動作を一致させることにより、本発明は、電力システムにおけるバッテリのバランシングをより効率的にすることができる。
本発明の様々な実施形態を説明したが、これらは例としてのみ示されており、これらに限定されないことを理解されたい。本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、開示された実施形態に対して様々な変更を加えることができる。よって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲に従って定義されるべきである。
本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態を説明することを目的としており、本発明を限定することを意図していない。本明細書で使用されているように、「一」、「１つの」、「この」という単数形は、文脈が他のことを明確に示さない限り、複数形も含むことが意図されている。さらに、「含む」、「有する」やこれらの変化形が、詳細な説明及び／又は特許請求の範囲に用いられており、このような用語の意味は、「備える」という用語と同様に包括的であることを意図している。
１００…バッテリ自動調整デバイス
１００ａ〜１００ｄ…バッテリ自動調整デバイス
１０２…コモンモードチョーク
１０２ａ…入力側
１０２ｂ…出力側
１０２ｃ，１０２ｄ…第１端子、第２端子
１０４…スイッチングデバイス
１０４ａ，１０４ｂ…第１入力ノード、第２入力ノード
１０４ｃ，１０４ｅ…第１出力ノード、第３出力ノード
１０６…第１制御ユニット
１０６ａ…比較デバイス
１０６ｂ…プロセッサ
２０２…電流検出デバイス
２０２ａ〜２０２ｄ…電流検出デバイス
３００…変圧器
７００…電源デバイス
８００…負荷
２００，５００…バッテリ自動バランシングシステム
Ａ〜Ｄ…バッテリ自動調整デバイス
Ｌ１，Ｌ３，Ｌ５，Ｌ７…一次巻線
Ｌ２，Ｌ４，Ｌ６，Ｌ８…二次巻線
Ｖ１〜Ｖ２…第１端子電圧、第２端子電圧
＋Ｖｃｃ…正の電源端子
−Ｖｃｃ…負の電源端子
ＯＰＡ…演算増幅器
Ｒ１〜Ｒ４…抵抗
Ｓ１…比較信号
Ｓ２〜Ｓ３…制御信号
ＳＷ１〜ＳＷ４…スイッチ
ｐ１〜ｐ２…第１端子、第２端子
ｐ３…制御端子
ｃ１〜ｃ２…第１接点、第２接点
ＢＴ１〜ＢＴ２…第１バッテリセット、第２バッテリセット
ＢＴ３〜ＢＴ４…バッテリセット
Ｎ…負極
Ｂ１〜Ｂ４…バッテリモジュール

Claims (10)

  1. バッテリセットを平衡させる調整デバイスであって、
    入力側と出力側とを備えるコモンモードチョークであって、前記入力側は電源デバイスに接続されており、前記出力側は第１端子と第２端子とを備える、コモンモードチョークと、
    第１入力ノードと、第２入力ノードと、第１出力ノードと、第２出力ノードと、第３出力ノードと、を備えるスイッチングデバイスであって、前記第１入力ノードは、前記コモンモードチョークの第１端子に接続されており、前記第２入力ノードは、前記コモンモードチョークの第２端子に接続されており、前記第１出力ノードは、第１バッテリセットに接続されており、前記第２出力ノードは、第２バッテリセットに接続されており、前記第３出力ノードは、フロートされている、スイッチングデバイスと、
    前記第１出力ノードの第１端子電圧を前記第２出力ノードの第２端子電圧と比較して、前記第１入力ノードを前記第１出力ノード又は前記第２出力ノードに選択的に接続するように制御し、前記第２入力ノードを前記第２出力ノード又は前記第３出力ノードに選択的に接続する第１制御ユニットと、を備え、
    前記第１制御ユニットは、前記第１端子電圧が前記第２端子電圧よりも誤差範囲外の量だけ高いと決定した場合、前記第１入力ノードを前記第２出力ノードに接続するように制御し、前記第２端子電圧が前記第１端子電圧よりも誤差範囲外の量だけ高いと識別した場合、前記第２入力ノードを前記第３出力ノードに接続するように制御する、ことを特徴とする調整デバイス。
  2. 前記第１制御ユニットは、第１端子電圧と前記第２端子電圧との間の電圧差が前記誤差範囲内にある場合、前記第１入力ノードを前記第１出力ノードに接続するように制御し、前記第２入力ノードを前記第２出力ノードに接続するように制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の調整デバイス。
  3. 前記第１制御ユニットは、前記第１端子電圧を前記第２端子電圧と比較して比較信号を出力する比較デバイスを備える、ことを特徴とする請求項２に記載の調整デバイス。
  4. 前記第１制御ユニットは、前記比較信号に従って、前記第１端子電圧と前記第２端子電圧との間の電圧差が誤差範囲内であるか否かを識別するプロセッサを備える、ことを特徴とする請求項３に記載の調整デバイス。
  5. 前記誤差範囲は５％である、ことを特徴とする請求項４に記載の調整デバイス。
  6. 複数のバッテリ自動調整デバイスを有するバッテリ自動バランシングシステムであって、前記複数のバッテリ自動調整デバイスの各々は、
    第１端子と、第２端子と、制御端子とを備えるスイッチであって、前記第１端子は電源デバイスに接続されており、前記第２端子は負荷に接続されており、前記制御端子は第２制御ユニットに接続されているスイッチと、
    第１接点と第２接点とを備える電流検出デバイスであって、前記第１接点が前記スイッチの前記第２端子及び前記負荷に接続される電流検出デバイスと、
    請求項１の調整デバイスであって、前記コモンモードチョークの入力側は、前記電流検出デバイスの前記第２コンタクトに接続されている、調整デバイスと、を備え、
    前記第２制御ユニットは、前記電流検出デバイスを通過する電流に基づいて前記スイッチを制御し、電流最大目標値が前記電流よりも目標範囲外の量だけ大きいと識別した場合に、前記スイッチをオンにする、ことを特徴とするバッテリ自動バランシングシステム。
  7. 前記第２制御ユニットは、前記電流が電流最小目標値よりも目標範囲外の量だけ大きいと識別した場合に、前記スイッチをオンにする、ことを特徴とする請求項６に記載のバッテリ自動バランシングシステム。
  8. 前記第２制御ユニットは、前記の複数のバッテリ自動調整デバイスの各々において前記電流検出デバイスに接続されており、前記電流最大目標値及び前記電流最小目標値を計算する、ことを特徴とする請求項７に記載のバッテリ自動バランシングシステム。
  9. 前記目標範囲は１６ミリアンペア（ｍＡ）である、ことを特徴とする請求項６に記載のバッテリ自動バランシングシステム。
  10. 前記第２制御ユニットを備える、ことを特徴とする請求項６に記載のバッテリ自動バランシングシステム。
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