JP2020507303A - 電池システム - Google Patents

Abstract

本発明は、電池システムを対象とする。電池システムは、複数の電池セル・ユニット、複数の電池セル・ユニットからのいずれか１つの電池セル・ユニットを、複数の電池セルからの他の任意の電池セル・ユニットと、選択的に電気的に直列に接続し、そして電池セル・ユニットのいずれか１つを、複数の電池セル・ユニットからの他の任意の電池セル・ユニットと接続されている状態から切断するように動作可能に構成される、１つ又は複数のスイッチ組立体を備え、スイッチ組立体は、１組の制御パラメータに基づいて、電池セル・ユニットを選択的に接続及び切断するように構成される。電池システムは、１組の制御パラメータを決定し、制御可能な電圧プロファイルを持つシステム出力を供給するようにスイッチ組立体を制御する、２つ以上のコントローラをさらに備える。２つ以上のコントローラは、同期された動作をするよう構成される。

Description

この出願は、２０１７年２月８日に出願されたオーストラリアの仮特許出願第２０１７９００３８６号の優先権を主張し、その内容は、この参照により本明細書に組み込まれるものとみなされる。

本明細書に記載される本発明は、概ね電池システムに関する。

完全な電気自動車、ハイブリッド電気自動車、及び配電網と接続された又は配電網からはずれた用途における据付型のエネルギー貯蔵などの用途向けのエネルギー貯蔵システムには、多くの場合、複数のエネルギー貯蔵セル・ユニットの構成が含まれる。

複数のエネルギー貯蔵ユニットを備えるエネルギー貯蔵システムでは、セル・ユニット間の違いが、どのようにエネルギー貯蔵システム全体が機能するかに影響を与える可能性がある。特に、再利用された電池セル・ユニットを備える電池システムでは、セル・ユニット間のかかる違いは顕著であり得る。さらに、ただ１つの不良セル・ユニットが、システム全体の性能及び信頼性に望ましからざる影響を与える可能性がある。

従来の電池管理システムは、典型的には、スイッチド抵抗器を使用してより高充電のセル・ユニットからの余剰エネルギーを消費するか、又はスイッチド・キャパシタ若しくはスイッチド・インダクタを使用して、より高充電のセル・ユニットからより低充電のセル・ユニットにエネルギーを移動する。こうしたシステムの主な役割は、充放電サイクルにおける特定の時点、たとえば充電の終了時に、直列に接続されたセル・ユニットの電荷の状態の差を均等にすることである。サイクル内の特定の１つの時点で電荷の状態を均等化することにより、直列構成での最小容量のセル・ユニットを、サイクル全体を通して確実に、完全に充電及び放電することができる。ただし、この均等化は、より大容量のセル・ユニットを、サイクル全体を通して完全に充電及び放電することはできない。

直列に接続された複数のセル・ユニットを備えるエネルギー貯蔵システム内の最小容量のセル・ユニットによってもたらされる制限を克服するために、より高度な手法が必要である。

ＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＡＵ２０１６／０５０９１７

本発明の目的は、１つ又は複数の上記欠点又は問題を克服又は改善するか、或いは少なくとも消費者に有用な選択肢を提供する、電池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、
複数の電池セル・ユニットと、
動作可能に構成された１つ又は複数のスイッチ組立体であって、選択的に
複数の電池セル・ユニットからのいずれか１つの電池セル・ユニットを、複数の電池セル・ユニットからの他の任意の電池セル・ユニットと電気的に直列に接続し、そして
いずれか１つの電池セル・ユニットを、複数の電池セル・ユニットからの他の任意の電池セル・ユニットと接続されている状態から切断し、ここでスイッチ組立体は、１組の制御パラメータに基づいて電池セル・ユニットを選択的に接続及び切断するよう構成される、
スイッチ組立体と、
１組の制御パラメータを決定し、制御可能な電圧プロファイルを持つシステム出力を供給するようにスイッチ組立体を制御する、２つ以上のコントローラであって、同期された動作をするよう構成されている２つ以上のコントローラと
を備える、電池システムが提供される。

コントローラのうちの少なくとも１つは、２つ以上のコントローラの時間同期のための同期信号を生成するよう構成され得る。

電池システムは、２つ以上のコントローラ間で時間同期信号を通信するための専用同期線をさらに備えることができる。

出力電圧プロファイルは、ＤＣ又は整流されたＤＣ出力であってもよい。或いは、出力電圧プロファイルはＡＣ出力であってもよい。

電池システムは、システム出力を制御するための出力モジュールをさらに備えることができ、ここで出力モジュールは、接続された電池セル・ユニットをシステム出力に選択的に接続又は切断するための１つ又は複数の出力スイッチを備える。

電池システムは、出力電圧を平滑化するために、システム出力にコンデンサをさらに備えることができる。さらに、電池システムは、出力電流を平滑化するために、システム出力にインダクタをさらに備えることができる。

電池システムは、１つ又は複数の電池セル・モジュールを備えることができ、各電池セル・モジュールは、電池セル・ユニットを備えることができ、各電池セル・ユニットは、１つ又は複数の電池セルを備えることができる。一実施例では、各電池セル・モジュールの出力は、その対応する電池セル・ユニットの出力に等しくてもよい。

複数の電池セル・ユニットは、事前に使用された、及び／又はさもなければかなりの量だけ電荷蓄積容量が異なる、２つ以上の電池セル・ユニットを備えることができる。この量は、場合によっては５％以上の電荷蓄積容量の差であり得る。

各電池セル・モジュールは、対応する電池セル・ユニットを接続又は切断（若しくはバイパス）するためのスイッチ組立体を備えることができる。スイッチ組立体は、対応する電池セル・ユニットを接続するための第１のスイッチと、対応する電池セル・ユニットを切断するための第２のスイッチとを備えることができる。

制御パラメータの１つには、電池セル・ユニットのそれぞれの時間シフトが含まれ得る。時間シフトは、それぞれの電池セル・ユニットを、複数の電池セル・ユニットの中の１つ又は複数の他の電池セル・ユニットと電気的に直列に接続する時間を決定することができる。

制御パラメータの１つには、電池セル・ユニットのそれぞれのデューティ・サイクルが含まれ得る。デューティ・サイクルは、それが複数の電池セル・ユニットの中の他の１つ又は複数の電池セル・ユニットと電気的に直列に接続されたときに、それぞれの電池セル・ユニットの電気的接続を維持する時間の割合を決定することができる。

制御パラメータには、それぞれのセル・ユニットの電圧測定値に基づいてコントローラの１つによって決定された、電池セル・ユニットごとのデューティ・サイクルが含まれ得る。デューティ・サイクルは、各電池セル・ユニットが動作中に接続される時間の割合を決定することができる。セル・ユニットのデューティ・サイクルの総和と、１００％のデューティ・サイクルとの間の比率は、電池システム出力電圧と電池システム内の電池セル・ユニットの平均電圧との間の比率に比例してもよい。一実施例では、セル・ユニットのデューティ・サイクルの総和と、１００％のデューティ・サイクルとの間の比率は、電池システム出力電圧と、それぞれの電池セル・ユニットの平均電圧との間の比率に等しくてもよい。ある実施例では、セル・ユニットのデューティ・サイクルの総和と、電池セル・ユニットごとのデューティ・サイクルとの間の比率は、電池システムの出力電圧と、それぞれの電池セル・ユニットの平均電圧との間の比率に等しいか、又はそれに等しい値にスケーリングされてもよい。

一実施例では、電池セル・モジュールごとのデューティ・サイクル（Ｄ）は、それぞれ放電及び充電に関する以下の２つの式に基づいて計算され得る。

ここで、
Ｄ_{ｘ，ｃｈａｒｇｅ}は、充電中の電池セル・ユニット「ｘ」のデューティ・サイクルである。
Ｄ_{ｘ，ｄｉｓｃｈａｒｇｅ}は、放電中の電池セル・ユニット「ｘ」のデューティ・サイクルである。
「Ｃａｐ」は、所与の電池セル・ユニットが完全に充電されたときに蓄積することができる、アンペア − 時間単位の総容量であり、たとえば時折、電池セル・ユニットを完全に充電及び完全に放電し、電池セル・ユニットが完全充電状態と完全放電状態との間の、電池セル・ユニットの遷移の期間にわたって供給することができた電荷量を測定することにより決定される。
Ｃ_Ｘは、セル・ユニット「ｘ」の、アンペア − 時単位の蓄積された電荷の現在のレベルである。
Ｘは、電池セル・ユニット「ｘ」に割り当てられた数値である（上式で、各電池セル・ユニットに、１からＮまでの番号が割り当てられる）。
Ｎは、電池システム内の電池セル・ユニットの総数である。
Ｙは、一時的又は永続的に使用が無効になっている特定の電池セル・ユニットの指標「ｘ」の集まりである。
Ｚは、任意の所与の時点での、接続する必要がある電池セル・ユニットの数である。且つ
α及びβは、方程式における総和に使用される変数である。

ある実施例では、電池セル・ユニットごとのデューティ・サイクル（Ｄ）は、それぞれの電池セル・ユニットの現在の電圧、及び電池システム内の複数の他の電池セル・ユニットのうちの１つ又は複数の現在の電圧、並びに／或いは測定された、又は所定の電池システムの出力電流又は電圧に依存し得る。

さらに詳述すると、電池セル・ユニットごとのデューティ・サイクル（Ｄ）は、特定の電池セル・ユニットの電荷レベルＣ_ｘ、電池システムの総電荷レベルＣ_ｔｏｔ、及び任意の所与の時間に同時に接続される電池セル・ユニットの数Ｚに基づいて計算され得る。

ある実施例では、システムは、所望の出力プロファイルを提供するために、それに応じてデューティ・サイクル値を拡大又は縮小することができる。一実例では、システムは、１を超えるデューティ・サイクル値を縮小し、１未満のデューティ・サイクル値を拡大する場合がある。

ある実施例では、システムは、標準又は所定の範囲を超える性能パラメータを持つ電池セル・ユニットを検出し、検出された電池セル・ユニットを切断することができる。性能パラメータには、電圧及び／又は電流出力、温度などが含まれ得る。

制御パラメータにはさらに、電池セル・ユニットごとの時間シフト値が含まれ得る。時間シフト値を、コントローラの１つによって、電池システム内の電池セル・ユニットの総数及び／又は所望の電池システムの出力電圧に基づいて計算することができる。時間シフト値は、それぞれの電池セル・ユニットのデューティ・サイクルの開始の、周期ごとの時間オフセットを決定することができる。より具体的には、時間シフト値は、電池セル・ユニットのそれぞれの制御基準周期の開始を決定することができる。言い換えれば、時間シフト値は、デューティ・サイクルに基づいて、いつそれぞれの電池セル・ユニットをオン及びオフに切り替えるかを決定することができる。

一実施例では、電池セル・ユニットごとの時間シフト（Ｔ）を、以下の式に基づいて計算することができる。

ここで、
Ｔ_ｘは、電池セル・ユニット「ｘ」の時間シフトである。
Ｔ_Ｄは、デューティ・サイクルの周期、つまり

であり、ここでｆは、電池システムの制御周波数である。
Ｘは、電池セル・ユニット「ｘ」に割り当てられた数値である（上式で、各電池セルに、１からＮまでの番号が割り当てられる）。且つ
Ｎは、電池システム内の電池セル・ユニットの総数である。

他の実施例では、時間シフト値を、反復的に決定することができる。たとえば、第１の電池セル・ユニットの時間シフト値は０であってもよく、第２の電池セル・ユニットの時間シフト値は、第１の電池セル・ユニットの時間シフトに第１の電池セル・ユニットのデューティ・サイクルを加えたものであってもよい、などである。

電池システムは、任意の好適な制御基準周波数を使用することができる。一実施例では、電池システムは高周波動作を使用する。より具体的には、制御周波数は０．１Ｈｚから１０ｋＨｚの間であり得る。ある実施例では、制御周波数は４０Ｈｚ未満であり得る。ある実施例では、制御周波数は７０Ｈｚを超え得る。

ある実施例では、制御パラメータには、所定の出力を供給するための、任意の所与の時間に直列に接続されるべき電池セル・ユニットの数が含まれ得る。一実例では、電池システムの出力がＤＣ波形となることができ、すべての電池セル・ユニットの現在の電圧が同じ場合、任意の所与の時間に直列に接続されるべき電池セル・ユニットの数ｚは、以下の式を使用して計算することができる。

ここで、
ｚは、任意の所与の時点での、直列に接続されるべき電池セル・ユニットの数である。
Ｖ_ｏｕｔは、電池システムの所定の目標出力電圧である。且つ
Ｖ_{ｃｅｌｌ，ｘ}は、電池システムの電池セル・ユニットの電圧である。

システム出力電圧プロファイルは、定電圧（ＤＣ）、繰り返し振動電圧（ＡＣ）、整流された振動電圧波形、又は他の任意の波形であり得る。

ある実施例では、システム出力電圧は、ユーザが定義する値であり得る。他の実施例では、所定の出力は、電池システムによって給電されるべき、又は電池システムに電力を供給する、電気式デバイス又は機器の入力であり得る。

ある実施例では、電池システムは、出力を平滑化するための出力フィルタを備えることができる。任意の好適な出力フィルタを、使用することができる。一実施例では、出力フィルタはＬＣ回路である。

電池システムは、電池システムの出力電流を測定する電流センサをさらに備えることができる。ある実施例では、電池システムは、たとえば電池システムの出力電圧又は出力電流の制限などの動作要件を満たすために、電池システムの出力を選択的に接続又は切断する、１つ又は複数の出力スイッチを備えることができる。

各電池セル・ユニットを、それぞれのコントローラによって制御することができる。或いは、２つ以上の電池セル・ユニットが、共有されるコントローラによって制御される。一実施例では、コントローラのうちの少なくとも１つは、１つ又は複数の他のコントローラのための制御信号を生成する、中央コントローラである。

一実施例では、コントローラの１つは中央コントローラであり、各電池セル・ユニットは、中央コントローラと通信し、スイッチ組立体を制御する、分散化されたセル・ユニットのコントローラに結合される。具体的には、各電池セル・モジュールは、電池セル・ユニット、電池セル・ユニットをシステムに接続又は切断するスイッチ組立体、及びスイッチ組立体を制御し中央コントローラと通信するセル・ユニットのコントローラを備えることができる。この実施例では、電池システムは、中央コントローラを電池セル・モジュールに結合するための、共有されるケーブルを備えることができる。特に、中央コントローラに接続する単一の制御通信線は、各セル・ユニットのコントローラに接続され、中央コントローラとセル・ユニットのコントローラとの間で、一方向又は多方向の通信を伝送することができる。さらに、中央コントローラへの単一の時間信号線接続部は、各セル・ユニットのコントローラに接続され、単一の時間信号を、任意の１つのコントローラから多数の他のコントローラに送信することができ、ここで信号は、中央コントローラとセル・ユニットのコントローラとの時間同期に使用される。

ある実施例では、システムは、集中構成又は準集中構成であり得る。具体的には、集中構成は、中央コントローラを複数の電池セル・ユニット用スイッチ組立体に接続する専用ケーブルを使って、セル・ユニット用スイッチ組立体を直接制御する中央コントローラを備えることができる。

準集中構成は、電池セル・ユニットの群又は集団、及び電池セル・ユニットのそれぞれの群又は集団に接続された個々の制御線を具備するただ一つの中央コントローラを備えることができる。電池セル・ユニットのそれぞれの群又は集団は、単一の集団コントローラを共有することができる。

各電池セル・ユニットは、１つ又は複数の電池セルを備えることができ、動作中に、電池セル・ユニットを電池システムに選択的に接続する、又は電池セル・ユニットを電池システムから選択的に切断するように、スイッチ組立体に接続され得る。各スイッチ組立体は、１つ又は複数のスイッチング要素（ＭＯＳＦＥＴ、２極スイッチを含む電気機械式接触器など）を備えることができる。一実施例では、１つ又は複数のスイッチ組立体はそれぞれ、最大２つのスイッチング要素を備える。各スイッチ組立体を、電気的絶縁を組み込むことができる、単一の制御信号を使用して制御することができる。電気的絶縁は、光絶縁体、絶縁トランス、又は他の絶縁手段によって実現され得る。ある実施例では、スイッチ組立体を、電池セル・ユニットのコントローラに接続することができる。

一実施例では、少なくとも１つのスイッチ組立体は、
コントローラのうちの少なくとも１つから制御信号を受信し、少なくとも１つのスイッチ組立体をコントローラから絶縁する１つ又は複数の絶縁要素を具備する、ゲート駆動電子回路と、
直列に接続された電池セル・ユニット間の直接的な電気経路を流れる電流を伝導する、１つ又は複数のスイッチング要素と
を備え、
ここで絶縁要素の数は、スイッチング要素の数よりも少ない。ゲート駆動電子回路には、光カプラが含まれ得る。

一実施例では、第１のスイッチ組立体は、１つ又は複数の対応する電池セル・ユニットを制御するように構成され得る。第１のスイッチ組立体は、コントローラのうちの少なくとも１つから制御信号を受信するゲート駆動電子回路を備える。ゲート駆動電子回路に、１つ又は複数の対応する電池セル・ユニットによって少なくとも部分的に給電することができる。

ある実施例では、各電池セル・ユニットは、個々の電池セル・ユニットと、並列接続されたセルのブロックとの組合せを備えることができる。本明細書では、「電池セル・ユニット」又は「セル・ユニット」という用語は、１つの個々の電池セル若しくは並列接続されたセルのブロック、多数の個々の電池セル若しくは並列セルのブロック、又は直列に接続されたその混合を指すことができ、また同様の論法が、複数形など、そうした用語の変形例に適用される。この用語はまた、ヒューズ、抵抗器、又はインダクタなどの１つ又は複数の回路部品が個々のセルと直列及び／又は並列に接続される、並列又は直列に接続されたセルのブロックを指すこともできる。

一実施例では、中央コントローラを、１つ又は複数の電池セル・ユニットによって給電することができる。さらに各セル・ユニットのコントローラを、その各電池セル・ユニットによって給電することができる。

電池システムは、電池システムの出力での直流信号を交流に変換する、ＡＣ／ＤＣコンバータをさらに備えることができる。電池システムは、インバータをさらに備えることができる。電池システムの出力は、インバータの入力に必要な、特定のＤＣ出力電圧プロファイルを供給することができる。

電池システムは、整流された正弦波出力信号を完全な正弦波出力信号に変換する、Ｈブリッジ回路をさらに備えることができる。

任意選択で、電池システムは、トランスをさらに備えることができる。トランスは、システムの出力での電圧振幅を変更することができる。

本発明の別の態様によれば、２つ以上の上記の電池システムを備える電池パック・システムが提供され、ここで電池システムは、互いに並列に接続される。一実施例では、電池パック・システムは、各電池システムの出力電圧プロファイルを制御することによって、各電池システムの電力の寄与を制御する。各電池システムの出力電圧プロファイルは、ＤＣ電圧であり得る。

本発明の別の態様によれば、
複数のエネルギー貯蔵セル・ユニットと、
動作可能に構成された１つ又は複数のスイッチ組立体であって、選択的に
複数のエネルギー貯蔵セル・ユニットからのエネルギー貯蔵セル・ユニットのいずれか１つを、複数のエネルギー貯蔵セル・ユニットからの他の任意のエネルギー貯蔵セル・ユニットと電気的に直列に接続し、そして
エネルギー貯蔵セル・ユニットのいずれか１つを、複数のエネルギー貯蔵セル・ユニットからの他の任意のエネルギー貯蔵セル・ユニットと接続されている状態から切断し、ここでスイッチ組立体は、１組の制御パラメータに基づいてエネルギー貯蔵セル・ユニットを選択的に接続及び切断するよう構成される、
スイッチ組立体と、
１組の制御パラメータを決定し、制御可能な電圧プロファイルを持つシステム出力を供給するようにスイッチ組立体を制御する、２つ以上のコントローラであって、同期された動作をするよう構成されている２つ以上のコントローラと
を備える、エネルギー貯蔵システムが提供される。

エネルギー貯蔵ユニットには、電池セル・ユニット、キャパシタ、スーパーキャパシタなど、及び／又はその任意の組合せが含まれ得る。

本発明のさらなる態様によれば、複数の電池セル・ユニットと、電池セル・ユニットを制御する２つ以上のコントローラとを備える電池システムを制御する方法が提供され、この方法は、
各電池セル・ユニットの状態を測定するステップと、
各電池セル・ユニットの測定された状態に少なくとも部分的に基づいて、１組の制御パラメータを決定するステップと、
２つ以上のコントローラを時間同期させるための同期信号を生成するステップと、
１組の制御パラメータに基づいて、複数の電池セル・ユニットからのいずれか１つの電池セル・ユニットを、複数の電池セル・ユニットからの他の任意の電池セル・ユニットと選択的に電気的に直列に接続するステップと、
１組の制御パラメータに基づいて、電池セル・ユニットのいずれか１つを、複数の電池セル・ユニットからの他の任意の電池セル・ユニットと接続されている状態から選択的に切断するステップと、
制御可能な電圧プロファイルを持つシステム出力を供給するステップと
を含む。

次に、本発明がより容易に理解され、実施され得るようにするために、添付図面を参照しながら、単なる実例として、本発明の１つ又は複数の好ましい実施例を説明することにする。

本発明の一実施例による、電池システムの概略図である。 図１の電池システムの出力基板を示す概略回路図である。 図１の電池システムの代替の出力基板を示す概略回路図である。 本発明の一実施例による、図１の電池システムの電池セル・モジュールの回路図である。 本発明の別の実施例による、図１の電池システムの電池セル・モジュールの回路図である。 本発明の一実施例による、図１の電池システムを使用する、システム電圧出力を供給する方法を示す、処理の流れ図である。 本発明の例示的な一実施例による、電池システムの電池セル・ユニットの、時間の経過に対するデューティ・サイクル及び時間シフト値を示すグラフである。 本発明の別の実施例による、図１の電池システムを使用する、システム電圧出力を供給する方法を示す、処理の流れ図である。 本発明の一実施例による、図１の電池システムを使用する、システム電圧出力を供給する方法を示す、処理の流れ図である。 本発明の別の例示的な実施例による、電池システムの電池セル・ユニットの、時間の経過に対するデューティ・サイクル及び時間シフト値を示すグラフである。 本発明の別の例示的な実施例による、電池システムの電池セル・ユニットの、時間の経過に対するデューティ・サイクル及び時間シフト値を示すグラフである。 本発明の一実施例による、図１の電池システムを使用する、システム電圧出力を供給する方法を示す、処理の流れ図である。 本発明の例示的な一実施例による電池システムの、時間の経過に対する電池システムの出力電圧を、目標電圧と比較して示すグラフである。 本発明の別の例示的な実施例による、電池システムの電池セル・ユニットの、時間の経過に対するデューティ・サイクル及び時間シフト値を示すグラフである。 本発明の一実施例による、電池システムの出力構成を示す概略回路図である。 本発明の別の実施例による、電池システムの出力構成を示す概略回路図である。 本発明の別の実施例による、電池システムの出力構成を示す概略回路図である。 本発明の別の実施例による、並列に接続された２つの電池システムを備える、電池システムの配置構成を示す、概略回路図である。 本発明の一実施例による、電池システム向けの集中構成を示す概略図である。 本発明のある実施例による、電池システム向けの例示的な準集中構成を示す概略図である。 本発明のある実施例による、電池システム向けの例示的な準集中構成を示す概略図である。 本発明の一実施例による、どんな専用の中央コントローラも排除した、電池システム向けの分散化された構成を示す概略図である。 本発明の一実施例による、どんな専用の中央コントローラも排除し、電力線通信を使用する電池システム向けの分散化された構成を示す概略図である。

図１及び図２に示すように、電池システム１００は、複数の電池セル・モジュール１０２、電池セル・モジュール１０２の動作を制御する中央コントローラ１０４、及び電池セル・モジュール１０２からの出力を測定及び検証する、且つ／又は出力を処理して、所望の出力電圧プロファイルを提供する、出力モジュール１０６を備える。出力プロファイルは、ユーザ入力、又は電池システム１００によって給電されるべきデバイス又は機器の電圧要件に基づいて決定され得る。

中央コントローラ１０４は、各電池セル・モジュール１０２の現在の電圧、最大充電電圧、及び最小放電電圧などの、電池セル・モジュール１０２から読み出された入力パラメータ、並びに電池システム１００全体の電圧値に基づいて、電池セル・モジュール１０２を制御する１組の制御パラメータを決定するマイクロコントローラを備える。制御パラメータは、各電池セル・モジュール１０２が、任意の所与の時点でいつ、どのように動作するかを決定する。具体的には、制御パラメータには、以下でさらに詳細に説明するように、デューティ・サイクル及び時間シフトが含まれる。

各電池セル・モジュール１０２は、中央コントローラ１０４と通信するためのセル用マイクロコントローラ１０８を備える。任意の好適な通信プロトコルを、使用することができる。一実施例では、中央コントローラ１０４は、Ｉ２Ｃプロトコルを使用して、各電池セル・モジュール１０２上のセル用マイクロコントローラ１０８並びに出力モジュール１０６と通信する。

各電池セル・モジュール１０２は、電池セル・ユニット１１０及びスイッチ組立体１１２をさらに備える。スイッチ組立体１１２は、電池セル・ユニット１１０を選択的に接続又は切断（又はバイパス）するためのトランジスタ１１４と、トランジスタ１１４を制御するスイッチ制御回路（図４及び図５）とを備える。一実施例では、スイッチ組立体１１２ごとに２つのパワー・トランジスタ（すなわちＭＯＳＦＥＴ）が使用され、一方のＭＯＳＦＥＴは電池セル・ユニット１１０を接続し、もう一方は電池セル・ユニット１１０を切断する、たとえば「ハーフブリッジ」回路構成である。接続されたすべての電池セル・モジュール１０２の出力は、電気的に直列に接続される。スイッチ組立体及びセル・ユニットのいくつかのさらなる実例の構成は、ＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＡＵ２０１６／０５０９１７に記載され、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。

この実施例では、出力モジュール１０６は、出力マイクロコントローラ１１６と、バックツーバックのＮＭＯＳ ＭＯＳＦＥＴであり得る１組の出力スイッチ１０６とを備える。図２でより明確に示すように、出力モジュール１０６はさらに２つの電圧センサ１１９、１２１を備える。第１の電圧センサ１１９は、電池セル・モジュール１０２の積算電圧出力端子１２５と並列に接続される。第２の電圧センサは、電池システム１００の積算出力端子１２７と並列に接続される。出力モジュールは、電池セル・モジュール１０２と直列に接続された電流センサ１２３をさらに備える。電圧センサ１１９、１２１及び電流センサ１２３を使用して、電池システムの性能を測定し、電池システムの診断を行うことができる。出力スイッチは、電池システムの故障の処理、並びに／或いは電池システム及び／又は出力に取り付けられた電気式デバイスの保護を実現することができる。

代替形態の出力モジュール１０７を、図３に示す。この実施例では、出力モジュール１０７は、１組の出力スイッチ１２５、１つ又は複数の電圧及び電流測定センサ（図示せず）を備え、且つ電池セル・モジュール１０２の積算された電圧及び電流出力を平滑化するＬＣフィルタ１１８をさらに備える。ＬＣフィルタ１１８を使用して、電池セル・ユニット１１０の切替で生じる電圧変動及び／又は電流スパイクを低減することにより、電池システム出力のさらなる安定化がもたらされる。出力マイクロコントローラ１１６は、中央コントローラ１０４と通信し、センサ及びトランジスタ１２５とインタフェースをとる。トランジスタ１２５を使用して、中央コントローラ１０４によってそうするように指示されたとき、又は出力モジュール１０７上のセンサが予想された動作閾値を超える電流若しくは電圧を示すとき、電池システム１００全体を電気式デバイス又は機器（図示せず）から切断することができる。

図１に示す実施例では、電池システム１００は、モジュールの物理的レイアウトに従って構成される。モジュールの物理的レイアウトにおいて、各電池セル・モジュール１０２は、個別の回路基板上にある。これは、状況によっては、たとえば、モジュール１０２ごとのセル・ユニット１１０が、共有される回路基板を損傷する可能性のある何らかの相対的な物理的動きを受ける可能性がある場合に、有益である。また、電池システム１００内に備えることができる電池セル・ユニット１１０の総数は、共有される基板上のスイッチ・インタフェースの数によって固定されず、それにより、図１に示す専用回路を備えた電池セル・モジュール１０２を単に追加又は取り外すことによりパックのサイズを変更することができることは、異なる数の電池セル・ユニット１１０に対応するために共有される回路基板の再設計が必要となるよりも有利である。

電池システム１００のモジュールの物理的レイアウトにおいて、システム部品間の通信は、モジュール制御線１２２を介して実行される。さらに詳述すると、各電池セル・モジュール１０２は、中央コントローラ１０４から１つ又は複数の専用且つ固有の制御信号を受信するのではなく、各電池セル・モジュール１０２が、同じ１組の制御線１２２に接続され、中央コントローラ１０４から同じ制御信号を受信する。制御信号は、どの電池セル・モジュール１０２がアドレス指定されているかの情報を含むため、所与のメッセージは、すべてのモジュールではなく、１つ又は複数の特定の電池セル・モジュール１０２にのみ作用される。モジュール式制御の利点は、中央コントローラ１０４から各セル・モジュール１０２まで「蜘蛛状の」構成で走る、１組の独立した制御線を備えるのではなく、中央コントローラ１０４が、すべての電池セル・モジュール１０２が接続する１組の制御線１２２を提供するだけでよいことである（すなわち、中央コントローラ１０４を電池セル・モジュール１０２に接続する「線状の」制御線の構成を可能にする）。電池システム１００のモジュール式の制御は、たとえば、図１に示すレイアウトの下端で電池セル・モジュール１０２を単に追加又は取り外すことにより、ケーブル配線要件を低減し、電池セル・モジュール１０２の数が容易に変えられることを可能にする。

図１の概略図は、モジュールの制御線１２２が、ＳＹＮＣ、すなわち同期線１２４、ＳＤＡ、すなわちデータ線１２６（Ｉ２Ｃ通信用）、及びＳＣＬ、すなわちクロック線１２８（Ｉ２Ｃ通信用）を備えることを示す。

同期線１２４を使って、中央コントローラ１０４から電池セル・モジュール１０２に時間信号を送信し、電池セル・モジュール１０２が電池セル・モジュールのそれぞれの制御タイミングを、それに応じて厳密に同期させることを可能にする。高周波の制御環境では、すべての電池セル・モジュール１０２は、電池セル・モジュールのそれぞれのスイッチ組立体１１２を極めて適切にタイミングを合わせるやり方で動作させる必要がある。多くの場合、タイミング精度要件は、セルのマイクロコントローラ１０８の標準クロックで許容される誤差よりも厳密であり、同期線１２４からの同期信号により、セル・モジュール１０２は、より高いタイミング精度で動作することができる。

データ線１２６を使用して、中央コントローラ１０４から各電池セル・モジュール１０２にデューティ・サイクル及び時間シフト値を送り、そして各電池セル・モジュール１０２から中央コントローラ１０４に測定された電圧及び温度センサ値を送る。デューティ・サイクル及び時間シフト値は、各モジュール１０２のスイッチ組立体１１２がどのように動作するかを決定する。これを以下で、さらに詳細に説明する。

Ｉ２Ｃ通信に従って、セルのマイクロコントローラ１０８は、クロック信号を使用して、中央コントローラ１０４から受信したデータを解読する。

電池システム１００の代替形態のハードウェア構成を、図１９から図２３を参照して以下でさらに詳細に説明する。

次に図４では、本発明の一実施例による電池セル・モジュール１０２の回路レイアウトを示す。セル・ユニットは、セルのマイクロコントローラ１０８と、電池セル・ユニット１１０と、スイッチ組立体１１２とを備える。スイッチ組立体１１２は、４つのトランジスタ１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄと、電圧センサと、任意選択で温度センサ（図示せず）とを備える。また、絶縁用電子回路１３２（たとえば光カプラ）を具備するゲート駆動回路１３０も備える。

動作中、セルのマイクロコントローラ１０８は、電圧センサが読み取るセンサ入力を受信し、中央コントローラ１０４と通信し、センサ読取値に基づく制御信号を受信する。制御信号は、セルのマイクロコントローラ１０８によって解読され、絶縁用電子回路１３２を介してゲート駆動回路１３０を駆動するために使用される。絶縁用電子回路１３２により、セルのマイクロコントローラ１０８（アースに電気的に結合され、高電圧に耐えることができない）が、駆動回路１３２及び電池セル・ユニット１１０（多くのセル・ユニットが直列に接続された場合、電池パック内は高電圧であり得る）と、インタフェースをとることができる。

ゲート駆動回路１３２は、それを通ってセルのマイクロコントローラ１０８がパワー・トランジスタ１１４を制御する、電子部品の集まりを備える。駆動回路１３２は、必要に応じて信号を適切な電圧及び電流に変換してトランジスタ１１４を駆動し（たとえば、ＭＯＳＦＥＴは通常、十分に高い電圧で大きい電流を供給する信号を受信すると、より良好に動作する）、且つ電池セル・ユニットに望ましからざる回路の短絡をもたらすであろう、トランジスタ１１４が同時に閉じることが決して確実に起こらないようにする。

図４に示す、下側のパワー・トランジスタ１１４ａはＮＭＯＳであり、パワー・トランジスタ１１４ａが導通するとき、セル・ユニット１１０を切断する役割を持つ。上側のパワー・トランジスタ１１４ｃはＰＭＯＳであり、パワー・トランジスタ１１４ｃが導通するとき、セル・ユニット１１０を含める役割を持つ。１つのＮＭＯＳ及び１つのＰＭＯＳトランジスタを使用することは、両方のパワー・トランジスタ１１４ａ、１１４ｃにわたって共有される所与の入力信号（ＨＩＧＨ又はＬＯＷ）が、常に一方のトランジスタをオンにし、他方をオフにして、それによりセルの回路短絡を回避することを意味する。入力信号が変化すると（ＨＩＧＨからＬＯＷ、又はその逆）、抵抗１３４により、パワー・トランジスタ１１４の一方が他方よりも大きい制御ゲート電流を受け、１つのトランジスタを、次のトランジスタが導通を開始する前に導通を停止させることになる。この実施例では、２つのゲート・トランジスタ１１４ｂ（ＮＭＯＳ）及び１１４ｄ（ＰＭＯＳ）、並びに結合される抵抗器（１３６及び１３８）を使用して、絶縁用電子回路１３２が提供する低電流信号を受信し、低電流信号を、パワー・トランジスタ１１４を駆動するのに十分な大電流であり得る信号に変換する。

２つのノード１４０、１４２、及び結合される分圧抵抗器１４４、１４６、１４８、１５０を使用して、電圧を測定する。この実施例では、パワー・トランジスタ１１４のゲート駆動電圧を、それぞれの電池セル・ユニット１１０によって提供される電圧よりも高くするための取組みはなされない。これは、電池セル・ユニットの電圧範囲を考慮して、パワー・トランジスタ１１４を慎重に選択する必要があることを意味する。

図４に示すこの実施例の利点は、専用の駆動回路及び電圧コンバータのコストを省くことである。ゲート駆動回路１３０はただ１つの絶縁要素を備え、さらにコストを低減する。しかし、高電力トランジスタのゲート電圧が不足するため、使用に適したパワー・トランジスタの選択が限定されることがわかる。さらに、ゲート・トランジスタ１１４ｂ、１１４ｄは、それぞれの電池セル・ユニット１１０によって直接給電される。ある実施例では、ゲート・トランジスタ１１４ｂ、１１４ｄを、それぞれの電池セル・ユニット１１０によって部分的に給電することができる。

ここで図５を参照して、本発明の別の実施例による電池セル・モジュール１０２’を示す。２つのＮＭＯＳパワー・トランジスタ１４４ａ、１４４ｂをそれぞれ使用して、電池セル・ユニット１１０を接続又は切断する。各パワー・トランジスタ１４４は、信号を絶縁し、トランジスタ１４４を駆動するのに好適な大電流の性能を備える、専用の電子ハイサイド駆動回路１４８、１５０に接続されている。追加のＤＣ − ＤＣ電圧コンバータ１５２を使用して、トランジスタ１４４を駆動するのに好適な高電圧の性能を持つハイサイド駆動回路１４８、１５０を実現する。ＤＣ − ＤＣ電圧コンバータ１５２は、電池セル・ユニット１１０からその正及び負の電力入力を受け取る。セルのマイクロコントローラ１５４は、２つのハイサイド駆動回路１４８、１５０を制御し、電池セル・ユニットの回路短絡の可能性を回避するために、パワー・トランジスタ１４４の一方が、他方が導通を開始する前に確実に導通を停止するよう作用する。２つのハイサイド駆動回路１４８、１５０は、ＤＣ − ＤＣ電圧コンバータから、従って間接的に電池セル・ユニット１１０から、駆動電圧入力を介してその電力を受け取る。

この実施例の利点には、広範囲のゲート電圧を持つ広範囲のパワー・トランジスタを使用できることが含まれる。しかし、この実施例は、ハイサイド・ドライバ１４８、１５０及び電圧コンバータ１５２のコスト増加を伴うことがわかる。

次に図６では、電池セル・モジュール１０２を制御するためのデューティ・サイクル及び時間シフトを含む１組の制御パラメータを決定することにより、電池システム１００を動作させる方法２００を示す。

ステップ２０２で、中央コントローラ１０４は、各電池セル・モジュール１０２からの電圧及び予測される電流（ｐｏｔｅｎｔｉａｌｌｙ ｃｕｒｒｅｎｔ）の測定値を含む入力２０４を読み出し、各電池セル・モジュール１０２の現在の電荷レベルを推定する。

ステップ２０６で、中央コントローラ１０４は、所望の又は所定の出力に関する入力２０８を受信して、電池システム１００に求められる出力又は目標出力を決定する。論じたように、出力は、ユーザ入力値、又は電池システム１００によって給電されるべきデバイス又は機器の電圧要件に基づくことができる。

中央コントローラ１０４が、目標出力及び同時に接続されるべき結合されるセル・ユニットの総数を計算するやり方を、以下の実例を用いて説明することにする。

この実例では、電池システムは、直列に接続された１００個の電池セル・モジュール１０２を備え、各セル・モジュール１０２は、完全充電時に４．２Ｖ、完全放電時に２．７Ｖの電圧を供給することができる電池セル・ユニット１１０を備える。この実例では、電池システム１００は、すべての電池セル・ユニット１１０が完全に充電された状態で開始した。電池システムは、２６０〜２８０Ｖの狭い範囲内で電池システムのＤＣ出力電圧を供給しながら、放電することができる。

この実例では、電池システムの出力がＤＣ波形となることができ、すべての電池セル・ユニットの現在の電圧が同じ場合、同時に直列に接続されるべき電池セル・ユニットの数ｚは、以下の式を使用して計算することができる。

ここで、
ｚは、任意の所与の時点での、直列に接続されるべき電池セル・ユニットの数である。
Ｖ_ｏｕｔは、電池システムの目標出力電圧である。且つ
Ｖ_ｃｅｌｌは、電池システムの電池セル・ユニットの電圧である。

従って、約２７０Ｖの安定した出力電圧を供給するために、最初に６４個の電池が同時に直列に接続される（６４×４．２Ｖ＝２７０Ｖ）。放電全体を通して、セル電圧が低下すると、コントローラ１０４は、同時に直列に接続される電池の数を徐々に増やすようになる。最終的に、電池セル・ユニット１１０が完全な放電に近づくと、１００個のセル・ユニット１１０すべてが接続されて２７０Ｖ（１００×２．７Ｖ＝２７０Ｖ）の出力を供給することになる。

同様に、必要な電圧が、完全放電時のすべてのセル・ユニット１１０の最小電圧の合計よりも低い場合に特に好適な、他の電池出力値を選択することができる。こうした場合、すべてのセル・ユニット１１０が完全に放電するとき、すべてのセル・ユニット１１０がシステム１００に接続されるわけではない。

この実例において、放電中に同時に接続されるセル・ユニットの数を計算するために使用される上記の式は、充電中に同時に接続されるセル・ユニットの数を計算するためにも等しく使用され得る。その場合、電池システムの目標出力電圧は、電池の外部充電電圧である。

ステップ２１０で、中央コントローラ１０４は、ステップ２０２で読み出された、測定された入力値２０４に基づいて、電池セル・ユニット１１０ごとのデューティ・サイクル値を計算する。デューティ・サイクルは、スイッチ組立体１１２が動作中にそれぞれの電池セル・ユニット１１０を電池システム１００に接続する時間の長さ又は割合を定義する。

ステップ２１２で、中央コントローラ１０４は、電池セル・ユニット１１０ごとの時間シフト値を計算し、必要に応じてステップ２０２、２０６で得られた入力値２０４、２０８に基づいて、ステップ２１０で計算されたデューティ・サイクル値をスケーリングする。時間シフトは、特定の電池セル・モジュール１０２のためのデューティ・サイクルを、いつ開始するかを制御するために使用される変数である。たとえば、１Ｈｚのシステム・デューティ・サイクル周波数で、電池セル・モジュール１０２が５０％のデューティ・サイクル値を持って動作する電池システム１００では、関連するスイッチ組立体１１２は、ｔ＝０で、関連する電池セル・ユニット１１０を出力に接続することができ、ｔ＝０．５ｓで、関連する電池セル・ユニット１１０を切断することができる。ｔ＝１ｓで、１Ｈｚの周波数であるため、サイクルが繰り返されることになる。しかし、電池セル・モジュール１０２は別法として、ｔ＝０で接続され、ｔ＝０．２５ｓで切断され、再びｔ＝０．７５ｓで接続される。時間シフトは、各電池セル・モジュール１０２の接続されるデューティ・サイクルがいつ起こるかを制御して、目標の電池システム出力を供給する。

中央コントローラ１０４が、電池セル・モジュール１０２ごとのデューティ・サイクル及び時間シフトを計算するやり方を、以下の実例を用いて説明することにする。

この実例では、電池システム１００は、充電されるべき７つの電池セル・モジュール１０２を備える。この実例では、電池システムの目標出力は、電池セル・ユニット１１０の平均電圧出力の３倍である。話を簡単にするために、各セル・モジュール１０２は、以下の表に列挙されているように、「高」又は「低」のいずれかを保持することができる最大電荷容量を持つ。「高」容量を持つ各セル・モジュール１０２は、１．５Ａｈの電荷を保持することができ、一方「低」容量レベルを持つ各セル・モジュール１０２は、１Ａｈの電荷を保持することができる。さらに、この実例では、すべての電池セルが完全に放電された状態で開始され、すべての電池の電圧は同じである。

しかし実際には、電池システム１００は、多くの相異なる最大電荷蓄積容量、開始するための電荷レベル、及び電圧レベルを持ち得ることを理解されたい。

この実例では、中央コントローラは、以下の式を使用してセル・モジュール１０２の充電デューティ・サイクルを計算する。

ここで、
Ｄ_{ｘ，ｃｈａｒｇｅ}は、充電中の電池セル・ユニット「ｘ」のデューティ・サイクルである。
「Ｃａｐ」は、所与の電池セル・ユニット１１０が完全に充電されたときに蓄積することができる総容量であり、たとえば時折、電池セル・ユニットを完全に充電及び完全に放電し、電池セル・ユニットが完全充電状態と完全放電状態との間の遷移の期間にわたって供給することができた電荷量を測定することにより決定される。
Ｃ_Ｘは、セル・ユニット「ｘ」の現在の電荷レベルである。
Ｘは、電池セル・ユニット「ｘ」１１０に割り当てられた数値である（上式で、各電池セル・ユニットに、１からＮまでの番号が割り当てられる）。
Ｎは、電池システム１００内の電池セル・ユニット１１０の総数である。
Ｙは、一時的又は永続的に使用が無効になっている特定の電池セル・ユニットの指標「ｘ」の集まりである。
Ｚは、任意の所与の時点での、接続する必要がある電池セル・ユニット１１０の数である。且つ
α及びβは、方程式における総和に使用される変数である。

上記の式は、電池セル・モジュール１０２ごとに０と１との（又は０％と１００％との）間のデューティ・サイクル値を与え、所与の電池セル・ユニット１１０がスイッチ組立体１１２を介してシステム１００に接続される時間の割合を示す。

この実例では、デューティ・サイクルの式に基づいて、「高」電荷の各セル・ユニットは、５０％のデューティ・サイクルを受信し、「低」荷電の各セル・ユニットは３３．３％のデューティ・サイクルを受信する。すべてのデューティ・サイクル値の合計（Ｄ_{ｔｏｔａｌ}）は、以下のように計算される。

Ｄ_{ｔｏｔａｌ}は１００％のデューティ・サイクルの約３倍であり、したがってＺで所望のセルの数と一致するため、スケーリングは不要である。しかし、Ｄ_{ｔｏｔａｌ}が３００％より大きいか又はより小さい場合、中央コントローラ１０４は、３００％のＤ_{ｔｏｔａｌ}が実現されるようにデューティ・サイクル値をスケーリングするためのスケーリング係数Ｓを計算することができる。次いで、中央コントローラ１０４は、スケーリングされたデューティ・サイクル値に従って各電池セル・モジュール１０２を制御することになる。

ステップ２１２のように、中央コントローラ１０４は次に、電池セル・ユニット１１０ごとにシフト値を計算する。論じたように、時間シフトは、所与の電池システムのデューティ・サイクル中に、電池セル・ユニットがいつ切断された状態から接続された状態に移行するかを定義する。

この実施例では、有効な第１のセル・ユニット１１０には時間シフト（Ｔ_１）がない。
Ｔ_１＝０

後に続くセル・ユニットごとの時間シフト（Ｔ_ｘ）は、前のセル・ユニット１１０の時間シフト値（Ｔ_ｘ−１）に前のセル・ユニット１１０のデューティ・サイクル値（Ｄ_ｘ−１）を加えた値であるがただし、１以下である。
Ｔ_ｘ＝Ｔ_ｘ−１＋Ｄ_ｘ−１−ｆｌｏｏｒ（Ｔ_ｘ−１＋Ｄ_ｘ−１）

上記のデューティ・サイクル及び時間シフト値から得られるセル・ユニットの挙動を、図７に見ることができる。この図において、ｘ軸は、システム・デューティ・サイクルで表した、測定された時間を示す。この場合、１つのシステム・デューティ・サイクルは、各セル・ユニット１１０が一度オンに切り替えられ、そして一度オフに切り替えられた時間を表す。ｙ軸は、電池セル・ユニット１１０が出力に接続されているか切断されているかを示す。たとえば、システム・デューティ・サイクルの開始時（時間＝０％）に、セル・ユニット１、３、及び５が接続され、他のすべてのセル・ユニットは切断されていることがわかる。あらゆる時点で、３つのセル・ユニットが接続されており、それによって、所望の各セル・ユニット１１０の平均出力電圧の約３倍の合計出力値が供給されることになる。サイクルは連続的に繰り返されるため、セル・ユニット３を含む一部のセル・ユニットは、１つのデューティ・サイクルの終わり近くで始まり、次のデューティ・サイクルに続く。動作中、中央コントローラによって新しいデューティ・サイクル値が計算されて割り当てられるまで、セル・ユニットの挙動は何度も繰り返され、新しいデューティ・サイクル値の割当によってセル・モジュール１０２の切替の挙動に変化がもたらされる。

上記の実例では、中央コントローラ１０４は、特定の時点で接続されるべきセル・ユニットの数を選択することによって、システム１００の総出力を制御するように、電池セル・モジュール１０２を制御することができる。上記の実例では、３つのセル・ユニットが同時に使用されるが、他の実例では、より少ない又はより多くのセル・ユニットを同時に使用して、より高い出力電圧を供給することができる。

代替の実施例では、中央コントローラ１０４は、ステップ２１０で、以下の式に基づいて各電池セル・ユニット１１０のデューティ・サイクルを計算することができる。

ここで、
Ｄ_ｘは、電池セル・ユニット「ｘ」のデューティ・サイクルである。
Ｖ_ｔは、各電池セル・ユニット「ｘ」内の電池セルの現在の電圧である。
Ｖ_ｍｉｎは、電池セル・ユニット「ｘ」の電池セルの最小許容電圧である（たとえば、電池セルが完全に放電されたとき）。且つ
Ｖ_{ｃｈａｒｇｅ}は、電池セル・ユニット「ｘ」の電池セルが完全に充電されたときの、電池セルの電圧である。

現在のセル電圧は、蓄積された電荷に関連するため、上記のデューティ・サイクル計算は、蓄積電荷量が相異なる電池セル・ユニット１１０に、相異なるデューティ・サイクルを与えることになる。

ある実施例では、中央コントローラ１０４は、ステップ２０１２で、以下の式に基づいて時間シフトを計算することができる。

ここで、
Ｔ_ｘは、電池セル・ユニット「ｘ」の時間シフト値である。
Ｔ_Ｄは、デューティ・サイクルの周期、つまり

であり、ここでｆは、電池システムの制御周波数である。
Ｘは、電池セル・ユニット「ｘ」に割り当てられた数値である（上式で、各電池セルに、１からＮまでの番号が割り当てられる）。且つ
Ｎは、電池システム内の電池セル・ユニットの総数である。

この式により、電池セル・モジュール１０２の時間シフト値は、０からＴ_Ｄの間の等間隔の値という結果になる。従って電池セル・ユニット１１２は、千鳥状に次々に接続されるようになり、特定のデューティ・サイクルに対して望ましい電圧出力プロファイルをもたらす。

ステップ２１４で、中央コントローラ１０４は、入力２０８から得られた値と一致する所望の出力を供給するために、制御信号をセルのマイクロコントローラ１０８及び出力マイクロコントローラ１１６に発行して、各電池セル・モジュール１０２及び出力モジュール１０６の動作を制御する。

次に、電池システム１００が、所望の電圧出力を供給するように制御するさらなる方法２５０を、図８を参照して説明することにする。

ステップ２５２で、システム１００は、各電池セル・ユニット１１０に現在蓄積されている電荷レベルであるＣ_Ｘを判断する。Ｃ_Ｘのこの値は、たとえば、測定されたセル電圧をルックアップ・テーブル又はセル電圧の関数と比較し、電荷及び温度を含む特定の条件下での残存容量の関係を考慮して、並びに／或いは時間の経過と共に各電池セルに入った、且つ／又は各電池セルを出た電荷量を測定することによって判断される。

ステップ２５４で、システム１００は、所望の出力電圧を供給するために同時に接続されるべきセル・ユニットの総数を決定する。

ステップ２５６で、セルのマイクロコントローラ１０８は、その各セル・ユニット１１０の性能パラメータをチェックする。こうした性能パラメータの中には、温度、出力電圧、電流などが含まれ得る。各セル・ユニット１１０が標準又は所定の範囲を超える性能パラメータを持つ場合、マイクロコントローラ１０８は、その各セル・ユニット１０２が現在の動作サイクル内に切断されるべきであることを中央コントローラ１０４に通知する。システム１００は、切断されたセル・ユニット１１０を、非活動状態のセル・ユニット１１０としてマークづけする。後に続くサイクルにおいて、性能パラメータの値が標準又は所定の範囲内にあると判断された場合、セルのマイクロコントローラ１０８は、現在の動作サイクルで使用するために各セル・ユニット１１０を接続できることを中央コントローラ１０４に通知する。システム１００は、接続されたセル・ユニット１１０を、活動状態の電池セル・ユニット１１０としてマークづけする。

ステップ２５８で、システム１００は、セル・ユニット１１０「ｘ」ごとの、放電デューティ・サイクルＤ_{ｘ，ｄｉｓｃｈａｒｇｅ}（たとえば、電池システム１００が負荷に電力供給しているとき）及び充電デューティ・サイクルＤ_{ｘ，ｃｈａｒｇｅ}（たとえば、電池システム１００が外部電源によって充電されているとき）を、以下の２つの式に従って決定する。

システム１００が負荷に電力を供給し放電している場合、放電中の特定のセル・ユニットｘのデューティ・サイクルは、以下で計算される。

ここで、
Ｄ_{ｘ，ｄｉｓｃｈａｒｇｅ}は、放電中の電池セル・ユニット「ｘ」のデューティ・サイクルである。
Ｃ_Ｘは、セル・ユニット「ｘ」の現在の電荷レベルである（ステップ２５２で計算される）。
Ｘは、電池セル・ユニット「ｘ」１１０に割り当てられた数値である（上式で、各電池セル・ユニットに、１からＮまでの番号が割り当てられる）。且つ
Ｎは、電池システム１００内の電池セル・ユニット１１０の総数である。
Ｙは、一時的又は永続的に使用が無効になっている特定の電池セル・ユニットの指標「ｘ」の集まりである（ステップ２５６で決定される）。
Ｚは、任意の所与の時点での、接続する必要がある電池セル・ユニット１１０の数である（ステップ２５４で計算される）。
α及びβは、等式における総和に使用される変数である。
式１において、

は、放電中のすべての電池セル・ユニット１１０に存在する総容量である。

は、任意の所与の理由で使用できないすべてのセル・ユニット１１０、たとえば、セルをその安全な電圧又は温度動作領域内に保つため、且つ／又はステップ２５６で決定された過度の劣化からセルを保護するために除外されたセルの容量である。従って、すべてのセル・ユニット１１０の総容量から使用できないセル・ユニット１１０の総容量を引くと、利用可能なセル・ユニット１１０の総容量（「総利用可能容量」）が得られる。

式１は次いで、各セル・ユニットｘの容量を総利用可能容量で除算し、その結果得られる項

は、総放電のうちの何パーセント、個々のセルが最適な放電に貢献する必要があるかを特定する。最後に、これをオン時間のデューティ・サイクルに変換するには、許容可能な出力電圧を供給するために直列に接続する必要があるセル・ユニット１１０の数を乗算する必要がある。

システム１００が負荷に電力を供給しておらず充電している場合、充電中の特定のセル・ユニットｘのデューティ・サイクルは、以下で計算される。

ここで、
「Ｃａｐ」は、所与の電池セル・ユニット１１０が完全に充電されたときに蓄積することができる総容量であり、たとえば時折、電池セル・ユニットを完全に充電及び完全に放電し、電池セル・ユニットが完全充電状態と完全放電状態との間の遷移の期間にわたって供給することができた電荷量を測定することにより決定される。

他のすべての項の意味は、放電の方程式に関するものと同じである。

クエリのステップ２６０で、システム１００は、電池セル・ユニット１１０のいずれかのデューティ・サイクルが１、すなわち１００％を超えるかどうかを判断する。システム１００内の電池セル・ユニット１１０のいずれか１つ又は複数が１００％を超えるデューティ・サイクル値を持つ場合、方法２５０はステップ２６２に進む。そうでない場合、方法２５０はステップ２６４に進む。

デューティ・サイクルの計算値は、たとえば、放電している電池システムが、放電時に他の電池セル・ユニットよりもかなり多量の蓄積された電荷量を保持する１つの所与の電池セル・ユニットを備えるとき、１を超える場合がある。同様に、１を超えることはまた充電中に、１つのセルが他のセルと同じ量の蓄積された電荷を持つが、かなり大きい容量である時に、起こる場合がある。こうした場合、どんな電池セル・ユニット１１０も１００％を超えるデューティ・サイクルで動作させることは不可能なため、システム１００は、１００％未満のデューティ・サイクルを持つその電池セル・ユニット１１０のデューティ・サイクル値を拡大して、所望の出力に可能な限り近い出力を実現するように、電池セル・ユニット１１０のそれぞれの出力要件を均等化する。場合によっては、これは不可能な場合がある。たとえば、それぞれ６Ｖの出力を持つ３つの活動状態の電池セル・ユニット１１０を使って、２４Ｖの出力を供給することは不可能である。この場合、システム１００は、可能な限り最も近い出力を供給するように指示され得るか、又はオフにされ得る。

ステップ２６２で、正確に１００％のデューティ・サイクルを持つ任意の電池セル・ユニット１１０を除くすべての電池セル・ユニット１１０のデューティ・サイクル値について、以下の式に従ってスケーリングされる。

デューティ・サイクル値が１００％より大きい電池セル・ユニット１１０の場合、スケーリングされたデューティ・サイクル値Ｄ_ｄｏｗｎは１、すなわち１００％である。

デューティ・サイクル値が１００％未満の電池セル・ユニット１１０の場合、スケーリングされたデューティ・サイクル値Ｄ_ｕｐは、以下の式３に基づいて計算される。

ここで、
Ｄ_ｘは、各電池セル・ユニット１１０の計算されたスケーリングされていないデューティ・サイクル値である。
Ｄ_αは、１、すなわち１００％を超えるデューティ・サイクル値を持つ電池セル・ユニット１１０のそれぞれの計算されたスケーリングされていないデューティ・サイクル値である。
従ってＤ_α−１は、こうしたデューティ・サイクル値のそれぞれが１を超えるだけの量（「余剰デューティ・サイクル」）である。
従って、Σ_α∈Ｗ（Ｄ_α−１）は、１を超えるデューティ・サイクルを持つすべての電池セル・ユニット１１０の余剰デューティ・サイクルの総和である。
Ｗは、スケーリングされていない、デューティ・サイクル値が１を超える特定の電池セル・ユニット１１０の指標「ｘ」の集まりであり、αは、方程式における総和に使用される変数である。
Σ_β∈ＶＤ_βｘは、スケーリングされていない、デューティ・サイクル値が１未満の電池セル・ユニット１１０のデューティ・サイクル値の総和である。
Ｖは、スケーリングされていない、デューティ・サイクル値が１未満の特定の活動状態の電池セル・ユニット１１０の指標「ｘ」の集まりである。且つ
α及びβは、方程式における総和に使用される変数である。

ステップ２６２により、スケーリングされていないデューティ・サイクル値が１未満であった任意の電池セル・ユニットが１を超える場合、スケーリングのステップ２６２が繰り返され、すべてのスケーリングされていないデューティ・サイクルが、前のスケーリングのステップ中に計算されたデューティ・サイクル値で置き換えられる。これは、すべてのスケーリングされたデューティ・サイクルの値が１００％以下になるまで行われる。式３におけるデューティ・サイクルの計算がゼロによる除算をもたらすようなことがあれば、これは出力要件と利用可能な電池セルとが基本的に両立しないことを示し、その時点でシステムは、ユーザ設定に応じて、機能が部分的に低下した状態に移行するか、又は出力を完全に切断することができる。

ステップ２６４において、システム１００は、前のステップで計算されたその各デューティ・サイクル値（スケーリングされた、又はスケーリングされていない）に基づいて、各活動状態の電池セル・ユニット１１０の時間シフト値を計算する。上記のように、ステップ２５８で計算されたすべてのデューティ・サイクル値が１を超えない場合、スケーリングされていないデューティ・サイクル値が使用されることになり、そうでない場合は、ステップ２６２で計算された、スケーリングされたデューティ・サイクル値が使用される。

最初に接続されたセル・ユニット１１０には、時間シフトがないため、
Ｔ_１＝０
である。

後に続く各セル・ユニットの時間シフト（Ｔ_ｘ）は、前のセル・ユニット１１０の時間シフト値（Ｔ_ｘ−１）に、前のセル・ユニット１１０のデューティ・サイクル値（Ｄ_ｘ−１）を加えた値であるが、１以下である。
Ｔ_ｘ＝Ｔ_ｘ−１＋Ｄ_ｘ−１−ｆｌｏｏｒ（Ｔ_ｘ−１＋Ｄ_ｘ−１）

床関数の項を含めることにより、Ｔ_ｘ−１＋Ｄ_ｘ−１が１以上の場合、１が減算され、Ｔ_ｘを０以上１未満の小数部に、確実に戻す。床関数の中の項が０以上１未満の場合、床関数は値０を返し、時間シフトの計算に寄与しない。その結果、活動状態の電池セル・ユニット１１０は千鳥状に接続及び切断され、所望の出力プロファイルに等しいか、又はほぼ一致する出力プロファイルをもたらす。

ステップ２６６で、中央コントローラ１０４は、所望の出力を供給するために、制御信号をセルのマイクロコントローラ１０８及び出力マイクロコントローラ１１６に発行して、各電池セル・モジュール１０２及び出力モジュール１０６の動作を制御する。

図１に示す構成では、方法２５０のステップは、主に中央コントローラ１０４によって実行される。各セルのマイクロコントローラ１０８は、セル・ユニット１１０ごとの対応する値を中央コントローラ１０４に通知し、その各セル・ユニット１１０に対応する、中央コントローラ１０４からの関連するデューティ・サイクル及び時間シフト値を解読し、その値を使用して各スイッチ組立体１１４を制御して、適切な時間にそれぞれのセル・ユニット１１０を切断又は接続する。しかし、他の構成において、中央コントローラ１０４が使用されない場合、上記の方法ステップを、セルのマイクロコントローラ１０８のいずれか１つ又は複数で実行することができる。

方法２５０の実例を、ここで図８から図１１を参照して以下に説明することにする。

電池パックは、それぞれの容量が２、３、４、４、５、及び６Ａｈであるｘ＝１から６の６つの電池セル・ユニットで構成され、ここで各電池セル・ユニットは、完全充電時約４Ｖ、半分充電時３．５Ｖ、及び放電時３Ｖの出力電圧を供給すると仮定する。この電池パックは、完全充電を開始し、最初に放電され得る。次いで、１０．５〜１４Ｖの間の範囲である出力電圧を供給しながら充電される。放電の開始時には、すべてのユニットが機能しているため、指標Ｙを持つセルはない。電池パックが放電を開始すると、システムは、４Ｖ／セル×３セル＝１２Ｖなので、出力電圧範囲内の電圧を供給するために３つの電池セルを同時に使用することが望ましいと計算する。その結果得られるセルのデューティ・サイクルは、以下のように計算することができる。

以前に与えられた時間シフトの式及び処理に基づいて、セル・ユニットのタイムシフトは以下のように計算することができる。
Ｔ_１＝０
Ｔ_２＝Ｔ_１＋Ｄ_１−ｆｌｏｏｒ（Ｔ_１＋Ｄ_１）＝０＋２５％−ｆｌｏｏｒ（２５％）＝２５％
Ｔ_３＝２５％＋３７．５％−ｆｌｏｏｒ（６２．５％）＝６２．５％
Ｔ_４＝６２．５％＋５０％−ｆｌｏｏｒ（６２．５％＋５０％）＝１１２．５％−１＝１２．５％
Ｔ_５＝１２．５％＋５０％−ｆｌｏｏｒ（６２．５％）＝６２．５％
Ｔ_６＝６２．５％＋６２．５％−ｆｌｏｏｒ（６２．５％＋６２．５％）＝１２５％−１＝２５％

上記のデューティ・サイクル及び時間シフト値から得られるセル・ユニットの挙動を、図９に見ることができる。セル・ユニット１が切断されると、セル・ユニット２が接続されることがわかる。見てわかるように、右にある結果は、すべての時点で４つのセル・ユニットが接続されるシステムである。

電池セルが半分放電するまでに、セル・ユニットｘ＝１から６には、それぞれ１、１．５、２、２、２．５、及び３Ａｈの残りの蓄積された電荷がある。この時点で、パックの電圧は３．５Ｖ／セル×３セル＝１０．５Ｖに達した。パックをさらに放電すると電池の出力電圧が１０．５Ｖ未満に低下することになるので、システムは、放電を続けるために４つのセルを同時に使用することがこの時点で望ましいと計算する。というのは、３．５Ｖ／セル×４セル＝１４Ｖが、すなわち、パックが放電し続けるにつれてパック電圧が低下する余地のある、所望の電圧範囲の上限だからである。４つのセルへのこの変更直前の、セル１、４、及び６のデューティ・サイクルは、上記と同じように計算することができる。

同様に、変更前のタイムシフト値は以下で、同じままである。
Ｔ_１＝０
Ｔ_２＝Ｔ_１＋Ｄ_１−ｆｌｏｏｒ（Ｔ_１＋Ｄ_１）＝０＋２５％−ｆｌｏｏｒ（２５％）＝２５％
Ｔ_３＝２５％＋３７．５％−ｆｌｏｏｒ（６２．５％）＝６２．５％
Ｔ_４＝６２．５％＋５０％−ｆｌｏｏｒ（６２．５％＋５０％）＝１１２．５％−１＝１２．５％
Ｔ_５＝１２．５％＋５０％−ｆｌｏｏｒ（６２．５％）＝６２．５％
Ｔ_６＝６２．５％＋６２．５％−ｆｌｏｏｒ（６２．５％＋６２．５％）＝１２５％−１＝２５％

この変更直後のデューティ・サイクルは、以下のように計算することができる。

対応する時間シフトは、以下のように計算することができる。
Ｔ_１＝０
Ｔ_２＝３３．３％−ｆｌｏｏｒ（３３．３％）＝３３．３％
Ｔ_３＝３３．３％＋５０％−ｆｌｏｏｒ（３３．３％＋５０％）＝８３．３％
Ｔ_４＝８３．３％＋６６．７％−ｆｌｏｏｒ（８３．３％＋６６．７％）＝１５０％−１＝５０％
Ｔ_５＝５０％＋６６．７％−ｆｌｏｏｒ（５０％＋６６．７％）＝１１６．７％−１＝１６．７％
Ｔ_６＝１６．７％＋８３．３％−ｆｌｏｏｒ（１６．７％＋８３．３％）＝１００％−１＝０％
上記のデューティ・サイクル及び時間シフト値から得られるセル・ユニットの挙動を、図１０に見ることができる。

さらにこの変更の直後に、システムは、現在の温度又は電圧測定値に基づいて、セル・ユニット３の動作寿命を延ばすために一時的に切断する必要があると判断すると仮定する。この場合、デューティ・サイクルは以下のように変化する。

セル・ユニット３は一時的に切断され、これはセル・ユニット３のデューティ・サイクルが０であることを意味する。

上記のように、どの所与のセルのデューティ・サイクルも１００％を超えることはできない。セル６のデューティ・サイクルはその上限なしでこの量を超えることになるため、スケーリングが利用される。上記の実例では、接続されたセルのデューティ・サイクルの合計が４０％＋６０％＋８０％＋１００％＋１００％＝３．８、すなわち、動作中ずっと同時に直列に４つのセルが必要となるはずである４ではもはやないので、どの時点でも直列に４つのセルを提供することはもはやないことがわかる。

以前に示したスケーリングの式に従って、容量が１００％未満のすべてのセルが再計算される。従って、セル１、２、及び４の新しいデューティ・サイクルは、以下のようになる。

このスケーリングの後、デューティ・サイクルの総和は、４４．４％＋６６．７％＋８８．９％＋１００％＋１００％＝４と計算することができる。従って、結果として得られるシステム動作は、必要に応じて同時に接続されるべき４つの直列セルを提供することができる。

対応する時間シフト値は、以下のように計算することができる。
Ｔ_１＝０
Ｔ_２＝４４．４％−ｆｌｏｏｒ（４４．４％）＝４４．４％
Ｔ_３＝４４．４％＋６６．７％−ｆｌｏｏｒ（４４．４％＋６６．７％）＝１１１．１％−１＝１１．１％
Ｔ_４＝１１．１％＋０％−ｆｌｏｏｒ（１１．１％＋０％）＝１１．１％
Ｔ_５＝１１．１％＋８８．９％−ｆｌｏｏｒ（１１．１％＋８８．９％）＝１００％−１＝０％
Ｔ_６＝０％＋１００％−ｆｌｏｏｒ（１００％）＝１００％−１＝０％
上記のデューティ・サイクル及び時間シフト値から得られるセル・ユニットの挙動を、図１１に見ることができる。

上記の実例は、システムが、どのようにＤＣ出力電圧プロファイルを生成することができるかを示しているが、電池システム１００は同様に、他の出力波形を生成することができる場合がある。整流された正弦波形である出力を選択することにより、ＡＣ出力への変換を容易にすることができる。電池システム１００はまた、ユーザ入力に基づいて、又は出力に接続されたデバイスによって要求されるように、相異なる出力波形間を切り替えることができる場合がある。

中央コントローラ１０４は、ＡＣ出力を供給するために、特定周波数（たとえば、家庭で使用される５０又は６０Ｈｚ）での出力電圧の変動を供給するように、任意の所与の時間に接続されるべき電池セル・ユニット１１０の数を決定する。たとえば、１００個の電池セル・モジュール１０２を備える電池システムは、所与のレベルの合計出力電圧、たとえば２７０Ｖに達するまで、システムが、電池セル・ユニット１１０が接続されていない状態（出力＝０Ｖ）と、接続されている電池の数が増加する状態との間を交互に繰り返し、２７０Ｖに達する前に再び低下してゼロになるように制御され得る。これをタイムリーに行うことにより、整流された正弦波を生成することができる。整流された正弦波の利点は、Ｈブリッジなどの比較的簡単で標準的な１組の電子スイッチを使用して、この出力を正負に振動する５０／６０Ｈｚ信号に変換できることである。任意選択で、標準のＡＣトランスを追加で使用して、ＡＣ信号を必要なレベルまで増減することができる（たとえば、出力電圧を２３０Ｖに下げることができる）。

次に、電池システム１００を、所望の電圧出力を供給するために制御するさらなる方法６００を、図１２を参照して説明することにする。

ステップ６０２で、システム１００は、各電池セル・ユニット１１０の電圧であるＶ_ｘ、及び各電池セル・ユニット１１０に現在蓄積されている電荷レベルＣ_ｘを判断する。Ｃ_Ｘのこの値は、たとえば、測定されたセル電圧をルックアップ・テーブル又はセル電圧の関数と比較し、電荷及び温度を含む特定の条件下での残存容量の関係を考慮して、並びに／或いは時間の経過と共に各電池セルに入った、且つ／又は各電池セルを出た電荷量を測定することによって判断される。

ステップ６０４で、セルのマイクロコントローラ１０８は、その各セル・ユニット１１０の性能パラメータをチェックする。こうした性能パラメータの中には、温度、出力電圧、電流などが含まれ得る。各セル・ユニット１１０が標準又は所定の範囲を超える性能パラメータを持つ場合、マイクロコントローラ１０８は、その各セル・ユニット１０２が現在の動作サイクル内に切断されるべきであることを中央コントローラ１０４に通知する。システム１００は、切断されたセル・ユニット１１０を、非活動状態のセル・ユニット１１０としてマークづけする。後に続くサイクルにおいて、性能パラメータの値が標準又は所定の範囲内にあると判断された場合、セルのマイクロコントローラ１０８は、現在の動作サイクル内で使用するために各セル・ユニット１１０を接続できることを中央コントローラ１０４に通知する。システム１００は、接続されたセル・ユニット１１０を、活動状態の電池セル・ユニット１１０としてマークづけする。

ステップ６０６で、システム１００は、使用可能なセル・ユニット１１０のすべての可能な組合せを算出し、関連する合成電圧を計算する。合成電圧は、組合せの一部である、すべてのセル・ユニットのセル・ユニット電圧の合計である。次いで、システム１００は、利用可能なすべてのセル・ユニットの組合せ、及び合成電圧を含むルックアップ・テーブルを生成する。

一実例では、電池システム１００は、５つの電池セル・ユニット１１０を収容し、各電池セル・ユニット１１０は、以下の表に列挙される電荷容量、蓄積された電荷、及び電圧を持つ。

定義された多数の組合せの中の選択した一部、及び計算することができる合成電圧が、以下で与えられる。

ステップ６０８で、システム１００は、ルックアップ・テーブルを使用して、所定又は所望のシステム出力電圧を、セル・ユニットの組合せにマッチングさせる。次いで、システム１００は、このルックアップ・テーブルを使用して、セル・ユニット１１０ごとの１つ又は複数のデューティ・サイクル及び時間遅延を定義する。

上記の実例では、所望のシステム出力電圧は、図１３に示す非線形の正弦波の目標となる電圧であり得る。システムは、続けて、電圧に関して最も近い各組合せを、このプロファイルにマッチングさせ、最も合致するものを実現させるために、必要に応じてデューティ・サイクル及び時間遅延を定義する。ある実施例では、システムは、システムの目標と合成電圧との間が不一致である期間中（たとえば実例では、ｔ＜０．０５×１０^−２秒の間）、パルス幅変調手法を追加で使用して、電圧がさらに合致するよう改善することができる。関連するデューティ・サイクル及び時間シフト値から得られるセル・ユニットの挙動を、図１４に見ることができる。関連するデューティ・サイクル及び時間シフト値から得られるシステム電圧を、図１３に見ることができる。

ステップ６１０で、電池システムは、最適な目標電圧への合致と、セル容量の最適使用との間のトレードオフ処理を実施する。上記の実例で、電池パックが放電しなければならないと仮定して、この処理は、以下の数学的不等式に従って２つのセルのすべての組を調べる。

ここで、
Ｃ_{ｘ，ｕｓｅｄ}は、特定のデューティ・サイクル及び時間シフトによって定義される、時間Ｔに接続される予定の、第１の電池セル・ユニット１１０に蓄積された電荷である。
Ｃ_{ｙ，ｕｎｕｓｅｄ}は、時間Ｔに切断される予定の、第２の電池セル・ユニット１１０に蓄積された電荷である。
Ｆは、電池パック内でアクセス可能な容量を最大化することの重要度と比較した、所望の出力電圧に近いシステム出力電圧を供給することの重要度を定義する、ゼロより大きい値を持つトレードオフ係数である。
Ｖ_{Ｔ，ｕｓｅｄ}は、時刻Ｔに接続される予定の、第１の電池セル・ユニット１１０の電圧である。
そしてＶ_{Ｔ，ｕｎｕｓｅｄ}は、時間Ｔで切断される予定の、第１の電池セル・ユニット１１０の電圧である。

上記の不等式がセル・ユニットの所与の組に対して真であると判明した場合、所与の時間Ｔに切断される予定のセル・ユニット１１０はその時点で接続されるべきであり、一方その時点で接続される予定のセルは、その時点で切断されるべきである。この式は、蓄積された電荷がより大きい１つのセル・ユニットが切断される予定であり、一方蓄積された電荷がより少ない別のセル・ユニットが接続される予定であるが、それらの電圧が過度に異なっていない場合、それらのセル・ユニットが役割を交換し、残容量がより大きいセル・ユニットほど、一層出力に寄与することができることを効果的に保証する。上記の特定の実例では、すべてのセル・ユニットが同じ蓄積された電荷を持っているため、２つのセル・ユニットのどの組についても不等式は成立せず、トレードオフは行われない。

ステップ６１２で、中央コントローラ１０４は、所望の出力を供給するために、制御信号をセルのマイクロコントローラ１０８及び出力マイクロコントローラ１１６に発行して、各電池セル・モジュール１０２及び出力モジュール１０６の動作を制御する。

次に図１５では、電池システム１００の部品を組み込み、さらにインバータ３０２を備える電池システム３００を示す。インバータ３０２は、端子３０４から出力されるＤＣ電圧（上記のように生成された）を変換し、出力端子３０６でＤＣ信号をＡＣ信号に変換する。

図１６は、電池システム１００の部品を組み込み、さらにＨブリッジ４０２を備える電池システム４００の実施例を示す。電池システム４００は、上記のように端子３０４で整流された正弦波出力などの「片側」信号を供給することができ、Ｈブリッジ４０２は波形を変換して出力端子４０６で正負の振動を供給する。

図１７は、電池システム４００の構成要素を組み込み、さらにトランス５０２を備える、電池システム５００のさらなる実施例を示す。図９と同様に、出力端子５０４は、正負に振動する波形を持つ出力信号を供給する。トランス５０２は、出力信号を特定の必要なレベルまで昇圧又は降圧することができる。システム５００内の電池セル・ユニット５１０の数では目標レベルでの出力電圧が不可能な場合、システム５００を特定の用途で使用することができる。たとえば、システム５００が、それぞれが完全充電時に４．２Ｖを供給する１０個の電池セル・ユニット５１０だけを備える場合で、トランス５０２が昇圧トランスとして動作する場合に、トランス５０２によりシステム５００は、４２Ｖ（１０×４．２Ｖ）より大きい合計出力電圧を供給することができる。

図１８は、２つの電池システム１００が並列に接続されている、さらなる実施例による電池システム９００を示す。電池システム１００からの出力電圧は上記のやり方で制御できるため、２つの電池システム１００の相対電圧を制御することにより、各システム１００からの出力電流もまた同様に制御することができる。システム１００ごとの出力制御のレベルにより、システム１００は、図１１に示すやり方での並列接続に適合可能になる。図１１は、各システム１００が対応する出力モジュール１０６を備えることを示しているが、２つのシステム１００は、ある用途では、単一の出力モジュール１０６を共有することもできることを理解されよう。

標準の電池パックのシステムでは、異なる電池パックが相異なる容量を持ち、１つのパックから別のパックよりも多くのエネルギーが引き出される場合があるため、ＤＣ端子を並列接続することが問題になる可能性がある。その結果、パックの電圧を互いに減結合し、且つ制御のレベルを可能にするために、並列接続の前に各パックの出力端子にＤＣ − ＤＣコンバータが必要になることが多く、それによってコストが追加される。

場合によっては、本発明の一実施例による電池システム１００を標準又は従来の電池システムに接続することが可能である。通常、各システム内の電池は、それぞれ異なる電圧プロファイルに従うので、相異なる化学的性質及び種類の２つの電池パックを並列接続することは問題になる可能性がある。しかし、電池システム１００を使用して、並列接続するために、標準又は従来の電池パック・システムの電圧プロファイルを合致させるように電池システム１００を構成することが可能である。

図１９は、中央マイクロコントローラが各分散型コントローラとの専用通信線を備える、さらなる実施例による電池システムを示す。この実施例では、出力モジュールだけが分散型コントローラを備え、一方、スイッチ組立体は、電気的絶縁部以外の局所処理なしで、中央マイクロコントローラから専用線を介して制御信号を受信する。この実施例は、セル・ユニットのスイッチ組立体に結合される分散型コントローラを不要にすることにより、コントローラのコストを削減するという利点を持つが、各スイッチ組立体への専用信号線が、システムのレイアウトの複雑性を増し、信頼性を低下させる可能性があるという欠点を持つ。

図２０は、中央マイクロコントローラが共有される通信線を介して準分散型マイクロコントローラと通信する、さらなる実施例による電池システムを示し、さらに準分散型マイクロコントローラは、電池セル・モジュールへの専用通信線を備える。この実施例では、中央マイクロコントローラと準分散型マイクロコントローラとの間の通信信号に基づいて、電気的絶縁が実施される。従って、それぞれの準分散型マイクロコントローラは、それが制御する、対応するセル・モジュールの接地電位に等しいか、又はそれに近い接地電位で動作する。

図２１は、中央マイクロコントローラが共有される通信線を介して準分散型マイクロコントローラと通信する、さらなる実施例による電池システムを示し、さらに準分散型マイクロコントローラは、電池セル・モジュールへの専用通信線を備える。この実施例において、電気的絶縁は、準分散型マイクロコントローラと、それが制御する、対応するセル・モジュールとの間の信号に基づいて実施される。従って、それぞれの準分散型マイクロコントローラは、他の準分散型マイクロコントローラ及び／又は中央マイクロコントローラの接地電位に等しいか、又はそれに近い接地電位で動作する。

図２２は、いくつかの分散型マイクロコントローラ間に１つ又は複数の共有される通信線を備える、さらなる実施例による電池システムを示す。さもなければコントローラ１０４に保有されていた制御の決定は、その代わりに、１つ又は共同で複数の分散型コントローラによって個別に行われる。

図２３は、いくつかの分散型マイクロコントローラが電力線を介して通信する、さらなる実施例による電池システムを示す。さもなければコントローラ１０４に保有されていた制御の決定は、その代わりに、１つ又は共同で複数の分散型コントローラによって個別に行われる。

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。

本明細書に記載される実施例又は実例は、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。本発明を、当業者が容易に思いつくであろう、様々な修正及び追加を加えて実施することができる。従って、本発明の範囲は、説明又は図示した正確な構造及び動作に限定されるべきものではなく、添付の特許請求の範囲のみによることを理解されたい。

本明細書における方法ステップ又は製品要素の単なる開示は、請求項にそうであると明示的に記載されているか、又は請求項に明示的に列挙されている場合を除き、本明細書で請求される発明に必須であると解釈されるべきではない。

特許請求の範囲における用語は、当該の日付の時点で当業者によって与えられていたであろう、最も広い範囲の意味を持つ。

「ａ」及び「ａｎ」という用語は、特に明示的に特定されていない限り、「１つ又は複数」を意味する。

本出願の名称も要約も、請求された発明の範囲として、いかなる形であれ限定するものと解釈されるべきではない。

クレームの前文が、請求された発明の目的、利益、又は可能な使用法を列挙している場合、前文は請求された発明を、その目的、利益、又は可能な使用法のみを持つことに限定するものではない。

特許請求の範囲を含む本明細書において、「含む（現在形）」という用語、及び「含む（三人称）」又は「含む（現在進行形）」など、その用語の変形は、明示的に特定されない限り、又はその文脈若しくは使用法の下で、その用語専用の解釈を必要としない限り、「含むがそれに限定されるものではない」を意味するために使用される。

本明細書で言及される任意の文書の開示は、本開示の一部として参照により本特許出願に組み込まれるが、書面による説明及び実施可能化の目的のためだけであり、本出願が、参照によるかかる組込みがなければ、確認可能な意味を提供することに失敗しなかったはずの本出願のどんな用語も、決して限定、定義、又は解釈するために使用されるべきものではない。どんな参照による組込みも、それ自体では、どんな組み込まれた文書に含まれる、どんな声明、意見、又は議論の、どんな承認又は批准をも構成するものではない。

本明細書におけるどんな背景技術又は従来技術への言及も、かかる背景技術又は従来技術が関連分野での共通する一般的な知識を構成することを認めるものではなく、又は特許請求の有効性に関して認められる従来技術である。

本発明の一態様によれば、
直列に接続された複数の電池セル・ユニットと、
１つ又は複数のスイッチ組立体と、
１つ以上の制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいてスイッチ組立体を制御する２つ以上のコントローラとを備え、
２つ以上のコントローラは、選択的に
いずれか１つの電池セル・ユニットを、複数の電池セル・ユニットからの他の任意の電池セル・ユニットと接続されている状態から切断し、または
いずれか１つの電池セル・ユニットを、複数の電池セル・ユニットからの他の任意の電池セル・ユニットと電気的に直列に接続することにより、
制御可能な電圧プロファイルを持つシステム出力を供給するようになり、
２つ以上のコントローラは、同期された動作をするよう構成されている、電池システムが提供される。
一実施例によれば、コントローラは、スイッチ組立体を制御して、
第一の電池セル・ユニットと第二の電池セル・ユニットとは電気的に直列に接続されて、第三の電池セル・ユニットには接続されていない第一の状態と
第一の電池セル・ユニットと第三の電池セル・ユニットとは電気的に直列に接続されて、第二の電池セル・ユニットには接続されていない第二の状態と
第二の電池セル・ユニットと第三の電池セル・ユニットとは電気的に直列に接続されて、第一の電池セル・ユニットには接続されていない第三の状態と
を選択的に許可する、電池システムが提供される。

複数のエネルギー貯蔵セル・ユニットと、
動作可能に構成された１つ又は複数のスイッチ組立体であって、選択的に
複数のエネルギー貯蔵セル・ユニットからのエネルギー貯蔵セル・ユニットのいずれか１つを、複数のエネルギー貯蔵セル・ユニットからの他の任意のエネルギー貯蔵セル・ユニットと電気的に直列に接続し、そして
エネルギー貯蔵セル・ユニットのいずれか１つを、複数のエネルギー貯蔵セル・ユニットからの他の任意のエネルギー貯蔵セル・ユニットと接続されている状態から切断し、ここでスイッチ組立体は、１組の制御パラメータに基づいてエネルギー貯蔵セル・ユニットを選択的に接続及び切断するよう構成される、
スイッチ組立体と、
１組の制御パラメータを決定し、制御可能な電圧プロファイルを持つシステム出力を供給するようにスイッチ組立体を制御する、２つ以上のコントローラであって、同期された動作をするよう構成されている２つ以上のコントローラと
を備える、エネルギー貯蔵システムが本願明細書には開示もされている。

本発明のさらなる態様によれば、上述したような電池システムを制御する方法が提供される。

Claims (22)

1. 複数の電池セル・ユニットと、
   動作可能に構成された１つ又は複数のスイッチ組立体であって、選択的に
   前記複数の電池セル・ユニットからのいずれか１つの前記電池セル・ユニットを、前記複数の電池セル・ユニットからの他の任意の電池セル・ユニットと電気的に直列に接続し、そして
   いずれか１つの前記電池セル・ユニットを、前記複数の電池セル・ユニットからの他の任意の電池セル・ユニットと接続されている状態から切断し、前記スイッチ組立体は、１組の制御パラメータに基づいて前記電池セル・ユニットを選択的に接続及び切断するよう構成される、
   スイッチ組立体と、
   前記１組の制御パラメータを決定し、制御可能な電圧プロファイルを持つシステム出力を供給するように前記スイッチ組立体を制御し、同期された動作をするよう構成されている２つ以上のコントローラと
   を備える、電池システム。
2. 前記コントローラのうちの少なくとも１つは、前記２つ以上のコントローラの時間同期のための同期信号を生成するよう構成される、請求項１に記載の電池システム。
3. 前記２つ以上のコントローラ間で時間同期信号を通信するための専用同期線をさらに備える、請求項１又は２に記載の電池システム。
4. 各電池セル・ユニットは、それぞれのコントローラによって制御される、請求項１から３までのいずれか一項に記載の電池システム。
5. ２つ以上の電池セル・ユニットは、共有されるコントローラによって制御される、請求項１から３までのいずれか一項に記載の電池システム。
6. 前記コントローラのうちの少なくとも１つは、前記１つ又は複数の他のコントローラのための制御信号を生成する中央コントローラである、請求項１から５までのいずれか一項に記載の電池システム。
7. 前記システム出力を制御するための出力モジュールをさらに備え、前記出力モジュールは、前記接続された電池セル・ユニットを前記システム出力に選択的に接続又は切断するための１つ又は複数の出力スイッチを備える、請求項１から６までのいずれか一項に記載の電池システム。
8. 出力電圧を平滑化するために、前記システム出力にキャパシタをさらに備える、請求項１から７までのいずれか一項に記載の電池システム。
9. 出力電流を平滑化するために、前記システム出力にインダクタをさらに備える、請求項１から８までのいずれか一項に記載の電池システム。
10. 前記複数の電池セル・ユニットは、実質的に５％以上の電荷蓄積容量の差を持つ、少なくとも２つの電池セル・ユニットを備える、請求項１から９までのいずれか一項に記載の電池システム。
11. 前記制御パラメータの１つは、前記電池セル・ユニットのそれぞれの時間シフトを含み、前記時間シフトは、前記それぞれの電池セル・ユニットを、前記複数の電池セル・ユニットの中の１つ又は複数の他の電池セル・ユニットと電気的に直列に接続する時間を決定する、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の電池システム。
12. 前記制御パラメータの１つは、前記電池セル・ユニットのそれぞれのデューティ・サイクルを含み、前記デューティ・サイクルは、前記それぞれの電池セル・ユニットを、前記複数の電池セル・ユニットの中の１つ又は複数の他の電池セル・ユニットと電気的に直列に接続するとき、前記それぞれの電池セル・ユニットの電気的接続を維持する時間の割合を決定する、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の電池システム。
13. 少なくとも１つのスイッチ組立体は、
    前記コントローラのうちの少なくとも１つから制御信号を受信し、前記少なくとも１つのスイッチ組立体を前記コントローラから絶縁する１つ又は複数の絶縁要素を具備する、ゲート駆動電子回路と、
    直列に接続された電池セル・ユニット間の直接的な電気経路を流れる電流を伝導する、１つ又は複数のスイッチング要素と
    を備え、
    前記絶縁要素の数は前記スイッチング要素の数よりも少ない、
    請求項１から１２までのいずれか一項に記載の電池システム。
14. 前記ゲート駆動電子回路は光カプラを含む、請求項１３に記載の電池システム。
15. 第１のスイッチ組立体は、１つ又は複数の対応する電池ユニットを制御するように構成され、前記第１のスイッチ組立体は、前記コントローラのうちの少なくとも１つから制御信号を受信するゲート駆動電子回路を備え、
    前記ゲート駆動電子回路は、前記１つ又は複数の対応する電池セル・ユニットによって少なくとも部分的に給電される、
    請求項１から１２までのいずれか一項に記載の電池システム。
16. １つ又は複数の前記スイッチ組立体は、それぞれ、最大２つのスイッチング要素を備える、請求項１から１５までのいずれか一項に記載の電池システム。
17. 前記電池システム出力での直流信号を交流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータをさらに備える、請求項１から１６までのいずれか一項に記載の電池システム。
18. 整流された正弦波出力信号を完全な正弦波出力信号に変換するＨブリッジ回路をさらに備える、請求項１から１７までのいずれか一項に記載の電池システム。
19. 前記システム出力での電圧振幅を変更するトランスをさらに備える、請求項１から１８までのいずれか一項に記載の電池システム。
20. ２つ以上の、請求項１から１９までのいずれか一項に記載の電池システムを備える電池パック・システムであって、前記２つ以上の電池システムは、電気的に並列に接続され、前記電池パック・システムは、前記電池システムのそれぞれの前記システム出力を調節するよう構成されている、電池パック・システム。
21. 複数のエネルギー貯蔵セル・ユニットと、
    動作可能に構成された１つ又は複数のスイッチ組立体であって、選択的に
    前記複数のエネルギー貯蔵セル・ユニットからの前記エネルギー貯蔵セル・ユニットのいずれか１つを、前記複数のエネルギー貯蔵セル・ユニットからの他の任意のエネルギー貯蔵セル・ユニットと電気的に直列に接続し、そして
    前記エネルギー貯蔵セル・ユニットのいずれか１つを、前記複数のエネルギー貯蔵セル・ユニットからの他の任意のエネルギー貯蔵セル・ユニットと接続されている状態から切断し、前記スイッチ組立体は、１組の制御パラメータに基づいて前記エネルギー貯蔵セル・ユニットを選択的に接続及び切断するよう構成される、
    スイッチ組立体と、
    前記１組の制御パラメータを決定し、制御可能な電圧プロファイルを持つシステム出力を供給するように前記スイッチ組立体を制御し、同期された動作をするよう構成されている２つ以上のコントローラと
    を備える、エネルギー貯蔵システム。
22. 複数の電池セル・ユニットと、前記電池セル・ユニットを制御する２つ以上のコントローラとを備える電池システムを制御する方法であって、
    前記各電池セル・ユニットの状態を測定するステップと、
    前記各電池セル・ユニットの測定された状態に少なくとも部分的に基づいて、１組の制御パラメータを決定するステップと、
    前記２つ以上のコントローラを時間同期させるための同期信号を生成するステップと、
    前記１組の制御パラメータに基づいて、前記複数の電池セル・ユニットからのいずれか１つの前記電池セル・ユニットを、前記複数の電池セル・ユニットからの他の任意の電池セル・ユニットと選択的に電気的に直列に接続するステップと、
    前記１組の制御パラメータに基づいて、前記電池セル・ユニットのいずれか１つを、前記複数の電池セル・ユニットからの他の任意の電池セル・ユニットと接続されている状態から選択的に切断するステップと、
    制御可能な電圧プロファイルを持つシステム出力を供給するステップと
    を含む、方法。