JP2022516914A - 直列積層エネルギー貯蔵セルを特性評価し、管理するための装置及び方法 - Google Patents

直列積層エネルギー貯蔵セルを特性評価し、管理するための装置及び方法 Download PDF

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Abstract

電気化学貯蔵診断システムが、セルパラメータを測定するために電気試験を行うように構成される。診断システムは、電力マルチプレクサ、電力変換回路、及び絶縁変換回路に電気的に結合された、充電管理コントローラを含む。充電管理コントローラは、電気試験を行うために、直列に積み重ねられた複数の電気化学セルの少なくとも１つのメンバから選択された被試験デバイスを識別するための命令でプログラムされている。それから、二次エネルギー貯蔵デバイスと、直列の複数の電気化学セルの少なくとも１つのメンバから選択されるサポートデバイスとの間でエネルギーを転送することによって、電力マルチプレクサを通して二次エネルギー貯蔵デバイス内の電荷を目標電圧に調節する。その後、電気試験を行うために電力マルチプレクサ及び電力変換回路を通して被試験デバイスに電力を転送する。最終的に、電気試験を完了する。

Description

技術分野
本明細書の実施形態は、一般に、モジュール又はパック内の直列接続されたエネルギー貯蔵セルのための回路及び管理方法に関する。システム管理は、セル診断、セルバランシング、及び電気化学的貯蔵パック内の個々のセルを充電又は放電するための他の使用を含む。セル特性評価は、電気化学的インピーダンス分光法（ＥＩＳ）、ＤＣパルス試験、ハイブリッドパルス電力特性評価（ＨＰＰＣ）、又はセル若しくはセルのグループに信号を注入することを必要とする他の試験方法の使用による、セル、モジュール、及び／又はパック（電気化学セル、モジュール及び／又はパック、及び／又はバッテリセル、モジュール及び／又はパックとも呼ばれる）のＤＣ抵抗、複素インピーダンス、容量、又は他のパラメータの決定を含む。
背景技術
開示した発明の実施形態より前に、複数の直列セルで構成されたシステム内の個々のセルを特性評価し、高速アクティブバランシングを行うために、大規模なハードウェア及び複雑さが必要とされたことになる。先行する実施形態は、同様に、エネルギー貯蔵セルを非理想的な条件にさらす場合がある。開示した発明の実施形態は、この問題を解決する。
発明の開示
本発明は、直列セルの特性評価及びバランシング能力を可能にするシステムを提供することによって、この問題に対する解決策を提供しようと務める。従来の方法及びシステムを使用して電気化学セルを特性評価するために、被試験デバイス（ＤＵＴ）に摂動信号が注入され、その後の応答信号が測定される。ＤＵＴのインピーダンス又は内部抵抗などのセル特性が、測定された応答信号から導かれる。本発明のシステムは、複雑な摂動及び測定回路の数を減らすような方式で、直列積層エネルギー貯蔵システム内の電気化学貯蔵セルの動的選択を可能にする。
一実施形態で、システムは、直列又は並列構成で接続された複数の電気化学セルに電気的に結合された電力マルチプレクサ、電力変換回路、測定回路、絶縁電力変換回路、二次エネルギー貯蔵デバイス、並びにシステム内のエネルギー及び電力の流れを制御し、システムの動作モードを管理する充電管理コントローラを含む。電気試験は、次のステップ、すなわち、電力回路マルチプレクサを使用して複数のセル内の対象セル又はセルのグループを選択し、電力変換回路を使用して摂動電流信号を注入し、応答波形電圧応答を測定し、オンチップ又はオフボード後処理のいずれかで後処理を通してセルの複素インピーダンスを決定するというステップを含む。システムは、所望のインピーダンススペクトル、ＤＣ内部抵抗、又は他の所望のパラメータについて測定するために必要に応じて、任意のそのような所望の周波数範囲、摂動電流レベル、又は反復回数に対してこれらのステップをループすることができ、モジュール／パックの複数の電気化学セル内で必要に応じて繰り返すことができる。
図面の簡単な説明
本発明のいくつかの実施形態の詳細な説明は、添付の図面を参照して以下になされる。
システム・ハードウェア・アーキテクチャの一実施形態を例示する。 システムの安定性を維持するために単一電気化学セルのインピーダンス測定値を取得するための命令の一実施形態を示す。 電力変換回路の一実施形態のブロック図バージョンを描写する。 電流フローの一方向で昇圧型コンバータ、及び他方で降圧型コンバータとして、電力変換回路の一実施形態を描写する。 電流感知回路の一実施形態を描写する。 電力変換回路電流制御スキームの一実施形態を描写する。 一実施形態による、被試験デバイス及び電力変換回路のさまざまな電流波形を示す。 一実施形態による、被試験デバイスのＡＣ電圧及びＡＣ電流波形を示す。 外部回路構成を使用してＤＵＴ電圧とＤＵＴ電流の両方を測定する測定回路の一実施形態を示す。 ＤＵＴ電圧のみを測定し、実施形態の電流制御スキームに基づいてＤＵＴ電流を推測する、測定回路の一実施形態を示す。 ２つのＥＩＳシステム、すなわち、参照市販品Gamry InstrumentsのＥＩＳ分析器、及び本発明の実施形態を使用してリチウムマンガン酸化物バッテリセルで測定されたインピーダンスデータを示す。 二次エネルギー貯蔵デバイス電流及び電圧に影響を与えるさまざまな電力変換器のブロック図を描写する。 電気化学セルが並列及び直列構成で電気的に接続されたシステム・ハードウェア・アーキテクチャの一実施形態を示す。 直列構成で接続された複数の電気化学セルがマルチポート電力システムの各ポートに接続されているシステム・ハードウェア・アーキテクチャの一実施形態を示す。 他の実施形態とは別に、測定回路が複数の電気化学セルに接続されているシステム・ハードウェア・アーキテクチャの一実施形態を示す。
本発明の最良の態様
デュアル電気化学セル特性評価システム及びアクティブ・バランシング・システムが、システム性能改善、サイズ縮小、及びコスト削減を目的として、電気化学貯蔵用途のために開発されている。対処した主要な課題は、直列構成で接続された複数の電気化学セルに対して、電気化学的インピーダンス分光法（ＥＩＳ）、直流（ＤＣ）パルス試験、ハイブリッドパルス電力特性評価（ＨＰＰＣ）、又は他のそのような特性評価技法などのセル診断技法を、ハードウェアの複雑さ及びコストを最小限に抑えて行うこと、並びに広い周波数範囲にわたって電気化学セルに正確な摂動信号を注入することである。電気化学セルは、ニッケル水素、鉛酸、ニッケルカドミウム、リチウムイオン、リン酸鉄リチウム、リチウム硫黄、リチウム金属、及びリチウムポリマーを含むさまざまな化学的性質のバッテリを含むが、これらに限定されない。電気化学セルは、燃料電池、ウルトラキャパシタ又はスーパーキャパシタ、及び他のそのような電気化学エネルギー貯蔵デバイスを含むがこれらに限定されない、他の貯蔵技術を同様に含み得る。ＤＣ内部抵抗（ＤＣＩＲ、ＩＲ、又は等価直列抵抗ＥＳＲ）及びセルインピーダンス（Ｚｃｅｌｌ）などの電気化学バッテリ・セル・パラメータを追跡することにより、バッテリの劣化、経年変化、及びサイクル効果についての豊富な知識を明らかにすることができる。パワーエレクトロニクスのスイッチモード電力供給に基づくマルチポート電力システムが提案される。マルチポート電力システムは、電気化学モジュール／パックの直列セルに対して、さまざまなセル診断技法及びセルごとのバランシング制御を行うことが可能である。さまざまな診断技法であるＤＣパルス試験、ＥＩＳ、及びＨＰＰＣは、電圧又は電流摂動信号を対象デバイスに注入し、結果として生じる電流又は電圧応答信号をそれぞれ測定することを伴う非破壊診断技法である。電気化学貯蔵技術で、これらのセル診断技法は、電気化学セルの特性評価、充電状態（ＳＯＣ）の評価、電気化学セルの劣化状態（ＳＯＨ）の評価、セル内の輸送動態の効果の追跡、セルの内部温度の見積もり、及びさらに多くのことに使用される。セル診断の他に、本システムは、電気化学貯蔵システムのアクティブバランシング及び内部セル加熱に使用することができる。
電気化学エネルギー貯蔵パックは、通常、エネルギー貯蔵システムの電圧、電力、及びエネルギー要件を満たすために、並列構成、直列構成、又は並列及び直列構成のハイブリッドな組み合わせで互いに接続された複数の電気化学エネルギー貯蔵セルからなる。例えば、１つの特定の自動車バッテリパックは、９６個のセルが直列に電気的に接続され、２つのセルが並列に電気的に接続されていることを意味する、９６Ｓ２Ｐ構成とすることができる。別のそのようなバッテリパックは、直列に４８個のセル及び並列に２０個のセルを有する、４８Ｓ２０Ｐ構成とすることができる。複数のセルを有する任意のエネルギー貯蔵又はエネルギー生成システムで、個々のセルは、挙動及び性能が異なる場合がある。バッテリパックの一実施形態で、バッテリセルは、経年変化のため性能が異なる可能性があり、弱いセルとより強いセルとの間で性能をならすためにバランシング回路が必要とされる。これらは、個々のセルが直列に互いに電気的に接続されている実施形態を含む。直列と並列の両方で電気的に接続された複数のセルを有する実施形態で、各並列グループを単一の「セル」とみなすことができ、システムは、複数の並列セルのパラメータの平均値を測定する。
オンライン特性評価技法は、電気化学セル、モジュール、又はパックの相対的状態を決定するために使用されることが多く、受動的及び能動的技法を含む。受動的技法で、被試験デバイス（ＤＵＴ）が、何も外乱なく監視される。次のパラメータ、すなわち、セル電圧、電流、温度、圧力、及び他のそのような測定値を監視することが可能である。能動的特性評価技法で、摂動が何らかの方法でＤＵＴに印加され、そのＤＵＴ摂動に対する応答が測定される。外乱は、電圧又は電流などの電気的外乱、温度、圧力などを含み得るが、これらに限定されない。電気的外乱を使用する能動的特性評価技法は、ＤＣパルス外乱、ハイブリッドパルス電力特性評価又はＨＰＰＣと呼ばれることが多い双方向ＤＣパルス外乱、及びさまざまな電気信号をＤＵＴに注入する交流（ＡＣ）外乱に、さらに分類することができる。双方向ＤＣパルス外乱及びＨＰＰＣの使用は、互換的に使用されることになる。これらの能動的特性評価技法を、本文書全体を通して電気試験と表現する。
ＤＣパルス電気試験を行うために、ＤＣ電流がＤＵＴに注入され、結果として生じる電圧応答が測定される。ＤＣパルス電気試験の異なる実施形態は、固定された所定の期間、ＤＣ電流パルスを印加すること、又は所定の電圧に到達するまでＤＣ電流パルスを印加することを含む。単一のＤＣパルスを使用してもよく、又は複数のパルスを単一の試験で使用してもよい。さまざまなレベルのＤＣ電流をＤＣパルス試験の一部として同様に使用することができる。ＤＣ電流外乱に関する電圧応答の特性は、電気化学セル性能を見積もるために使用される。電気化学セル電圧応答の特性は、初期電圧降下、最終電圧降下、最終電圧までの時間、及び電圧信号の曲率を含み得るが、これらに限定されない。
ＨＰＰＣを行うために、ＤＣ放電電流をＤＵＴに注入し、続いてＤＣ充電電流を注入する。同じく、ＤＣ充電電流をＤＵＴに注入し、続いてＤＣ放電電流を注入することができる。ＨＰＰＣの異なる実施形態は、固定された所定の期間、各ＤＣ電流パルスを印加すること、又は所定のＤＵＴ電圧に到達するまで各ＤＣ電流パルスを印加することを含む。単一対の双方向ＤＣパルスを使用してもよく、又は複数対の双方向ＤＣパルスを単一の試験で使用してもよい。さまざまなレベルのＤＣ電流をＨＰＰＣの一部として同様に使用することができる。ＨＰＰＣ電流外乱に関する電圧応答の特性は、電気化学セル性能を見積もるために使用される。電気化学セル電圧応答の特性は、充電パルスでの初期電圧降下、充電パルスでの最終電圧降下、最終充電電圧までの時間、放電パルスでの初期電圧降下、放電パルスでの最終電圧降下、最終放電電圧までの時間、及び電圧信号の曲率を含み得るが、これらに限定されない。
ＡＣ試験を行うために、ＡＣ摂動電流がＤＵＴに注入され、結果として生じるＡＣ電圧応答信号が測定される。周波数掃引を行うことができ、インピーダンスなどのセル特性を、関心のある何らかの周波数範囲について収集することができる。ＥＩＳは、小さいＡＣ信号の注入及び測定を必要とするので、通常敏感な手順である。ＥＩＳを行うために、線形性、安定性、及び因果性の３つの条件を満たさなければならない。
線形性の条件は、印加されるＡＣ振幅が線形の電気化学挙動を近似又は仮定するのに十分小さい場合に満たされる。公称１０ｍＶで５ｍＶ～２０ｍＶのＡＣ電圧振幅範囲が、一般に、ＡＣ電圧信号の概算範囲であるが、線形性要件が満たされる限り、ＡＣ電圧信号の他の電圧振幅を使用してもよい。これは、電子計測器の電圧分解能が非常に小さく、通常１０ｍＶ未満でなければならないことを意味するので、課題である。周波数範囲が広いため、計測器は、典型的なセル測定デバイスと比較して、１０ｋＨｚを超えることが多い、比較的高いサンプリングレートを有することが同様に可能でなければならない。これらの要件により、測定計測器は高価になる。安定性の条件は、全体的なセル状態が試験のデータ取得期間全体を通して著しく変化しない場合に満たされる。安定性要件により、環境が制御されない場合がある現実世界の条件でのＥＩＳ測定の窓が縮小する。因果性の条件は、測定されたＡＣ応答がシステムからのＡＣ摂動によって直接引き起こされ、外部の摂動が要因でない場合に満たされる。これは、外部の摂動及びノイズが被測定信号を汚染する場合がある現実世界のシステムにとって、同様に課題である。因果性要件により、安定性要件と類似の理由で現実世界の条件でのＥＩＳ測定の窓が同様に縮小する。
定電位ＥＩＳシステムで、ＡＣ電圧は摂動であり、結果として生じるＡＣ電流応答は、応答信号として測定される。定電流ＥＩＳシステムで、ＡＣ電流は摂動であり、結果として生じるＡＣ電圧応答は、応答信号として測定される。セルのインピーダンスは、オームの法則
Figure 2022516914000002
 によって支配され、式中、Ｚ、Ｖ、及びＩは複素信号であり、φは、ラジアン又は度で測定された、ＶとＩとの位相差である。項は、デカルト又は直交形式で同様に表すことができる。
Figure 2022516914000003
ＡＣインピーダンスは、解析のためにボード線図又はナイキスト線図にプロットすることができる。このＡＣインピーダンスは、ある周波数の範囲にわたって計算され、この範囲は周波数に依存する。複数の高容量リチウムマンガン酸化物バッテリセルの実施形態で、１ｍＨｚ～５ｋＨｚの間の範囲が対象となり得る。ニッケル・マンガン・コバルト・バッテリセルを使用する一実施形態で、１０ｍＨｚ～１００ｋＨｚの間の範囲が対象となり得る。周波数範囲は、正確な化学的性質、電気化学セル製造者、セル容量、セルの構造、及び所望の使用事例に依存する。リチウムバッテリの場合、Ｚｃｅｌｌは通常１Ω未満の範囲にあり、より低インピーダンスセルの場合には数十μΩまで低くなる可能性がある。１０ｍΩ未満のインピーダンスを有するこれらのリチウムバッテリの場合、それは、測定可能なＡＣ電圧信号を生み出すために比較的大きなＡＣ電流が必要とされることを意味する。これらのパラメータは、ＥＩＳシステムの制約及び要件を課する。開示した発明の実施形態は、インピーダンス測定のための一般的なシステムアーキテクチャ及び方法を説明するものであり、対象用途向けにシステムを調整するためにさらなる工学的設計を適用しなければならない。
セルバランシングは、セル間の必然的な不均衡を修正する技法である。不均衡は、多くの原因から起こることがある。リチウムバッテリ用途で、不均衡は、バッテリパック内のセル間の劣化の差だけでなく、セル間の製造公差、バッテリパック全体にわたる温度勾配、端子間の導電率勾配及びバッテリパック内のケーブル配線からも起こることがある。不均衡の影響は、全体的なシステム効率及び合計出力の低下など害のない場合があるが、不均衡の影響は、壊滅的な場合もあり、不均衡が十分に大きい場合には単一セル故障につながる。各システムは異なる条件にさらされ、バランシングシステムは各用途及びシステムに対してこれらの相違を適切に考慮しなければならない。
不均衡が通常「強い」又は「弱い」セルにつながる電気化学貯蔵システムで、バランシングシステムがセル及び並列グループ性能の変動を補償しなければならない。例として、バランシングシステムが、強いセルの性能を弱いセルにより近づけるために、強いセルからエネルギーを放出することによって強いセルを「弱める」ことができる。これは、複数のセル間の不均衡を軽減するが、セルの平均性能が低下するので、非効率的である。別の例として、バランシングシステムが、弱いセルの性能を強いセルにより近づけるために、弱いセルにエネルギーを送り込むことによって弱いセルを「強める」ことができる。これは、セルの平均性能をより高くすることによって複数のセル間の不均衡を軽減するが、外部エネルギー源を必要とし、現実的でない場合がある。別の例として、ハイブリッドシステムが、強いセルからエネルギーを取り、より弱いセルに過剰エネルギーを送り込むことによって、強いセルを弱め、弱いセルを強めることができる。このシステムで、セルの平均性能は同じままであるが、システムの不均衡は軽減される。
マルチポート電力システムの１つの実施形態のハードウェア要素は、５つの直列セルの電気化学システムについて図１に示されているが、多くの他のセル数が同様に機能し得る。電気化学セル１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄ、及び１１２Ｅは、複数の直列セル内のメンバセルであり、セルは、直列構成で電気的に接続されている。各セルには、並列に電気的に接続された複数のセルが同様に含まれていてもよい。例として、本システム１００の１つの実施形態は、電力変換回路１０２、測定回路１０４、絶縁電力変換回路１０６、二次エネルギー貯蔵デバイス（ＳＥＳＤ）１０８、電力マルチプレクサ１１０、充電管理コントローラ１１４、及び補助回路１１６を含む。電力変換回路１０２、ＳＥＳＤ１０８、及び補助回路１１６は、フローティングプレーン上に位置し、制御に応じて個々のメンバセル１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄ、又は１１２Ｅに電気的に接続され得る。電力変換回路１０２は、電力マルチプレクサ１１０を通して、複数の直列セル１１２Ａ～Ｅ内の少なくとも１つのメンバセルにエネルギーを注入するか、又はこのメンバセルからエネルギーを注入することができる。電力マルチプレクサ１１０が対象セルを電力変換回路１０２に電気的に接続すると、対象セルは被試験デバイス（ＤＵＴ）になる。二次エネルギー貯蔵デバイス１０８は、システム内に局所的エネルギー貯蔵を提供して、特性評価及び／又はアクティブバランシングのための急速な充電又は放電を可能にする。ＳＥＳＤ１０８は、小さい二次リチウムバッテリ、大きいコンデンサ、ウルトラキャパシタ、又は燃料電池などのエネルギー貯蔵デバイスを含み得る。絶縁電力変換回路１０６は、何らかの形のガルバニック絶縁を通してフローティングプレーンに電力を提供し、一次側と二次側とを有する。絶縁電力変換回路１０６の一次側は、複数の直列セル１１２Ａ～Ｅに電気的に接続され得るか、又は外部電源に電気的に接続され得る。絶縁電力変換回路１０６の二次側は、ＳＥＳＤ１０８に直接、又は電力マルチプレクサ１１０に直接電気的に接続され得る。充電管理コントローラ１１４は、さまざまな構成要素の安全な動作限界を維持しつつシステム内の電力及びエネルギー転送を効率的に管理することを目的に、さまざまなモードでシステムを動作させるための命令でプログラムされ得る。補助回路１１６は、オンボード電力供給及び他のインターフェース電子装置を含む。ハードウェア実施形態は、セル特性評価システムとアクティブなバランスシステムとしての両方として振る舞うことができる。
いくつかの実施形態で、充電管理コントローラ１１４は、プロセッサとし得る。適切なプロセッサは、マイクロコントローラ（ＭＣＵ）、リアル・タイム・オペレーティング・システム（ＲＴＯＳ）マイクロプロセッサ、デジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）、複合プログラマブル論理デバイス（ＣＰＬＤ）、フィールドプログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、他の計算デバイス、又はこれらのハイブリッドな組み合わせを含むが、それらに限定されない。処理電力及び速度、信号ルーティング制約、電力要件、電圧要件、冗長化への要望、並びにコストは、すべて、組み込みプロセッサ又は組み込みプロセッサの組み合わせを選ぶときに考慮され得る要因である。例として、電力変換器制御プロセスは、ＡＳＩＣに組み込むことができ、測定信号を測定、調整、及びフィルタリングするための高速信号処理タスクは、専らＤＳＰ上で扱うことができ、一方エネルギー管理の意思決定は、ＭＣＵ上で扱うことができる。別の実施形態で、電力変換器制御、高速信号処理、及びエネルギー管理の意思決定は、すべて、ＦＰＧＡで扱うことができる。
電力マルチプレクサ１１０は、システム内の導電路を制御する複数のスイッチを含む。電力マルチプレクサ１１０の各構成は、複数のセル内のセルからフローティングプレーンへの接続を表す。各スイッチは、導通していないとき電気的に絶縁しなければならず、スイッチに導通するように命じる何らかの「オン」又は「オフ」信号によって制御される。システムは、複数の直列セル内の対象セルを選択し、制御信号は、対象セルから電力変換回路１０２への電流フローを可能にするように動作する。スイッチは、１１２Ａ～Ｅのうちの２つのセルが互いに短絡するか、又は不必要な高循環電流を誘導する任意の構成になることがないような方法で制御されなければならない。一般に、マルチプレクサスイッチは、安全な動作を保証するために、複数の直列セルのうちの単一の対象セルへの電流フローを可能にするために対で動作する。電力マルチプレクサ１１０スイッチは、選択されたセルとフローティングプレーンとの間に十分な絶縁を提供しなければならない。外部半導体トランジスタのネットワークがシステムの導電路を制御する。導電路の選択及び持続時間は、所望の試験に依存し、組み込みソフトウェアコードによって制御され得る。システムの安全な動作が保証されなければならない。本発明の範囲内で、適正なフェールセーフ及び保護を同様に組み入れることができる。
システム内のさまざまな導電路を可能にすることによって、安全のために電力及びエネルギーフローを適切に維持しなければならない。システムの安全を損なうことを回避するために、直列セル及びＳＥＳＤの電圧及び電流ストレスに違反してはならない。これは、実施形態のある特定の要素が互いに電気的絶縁を維持しなければならないことを意味する。電力変換回路１０２、測定回路１０４、ＳＥＳＤ１０８、並びに充電管理コントローラ１１４及び補助回路１１６のいくつかの実施形態は、システムグラウンドＧＮＤｓｔａｃｋから電気的に絶縁されなければならない。例として、補助回路１１６は、システム内の電気的に絶縁された回路のためだけでなく、接地回路のための関連電力供給を含み得る。これらの絶縁された電力供給は、通常、非絶縁電力供給から電力を引き出し、それらの間で電気的絶縁が維持されなければならない。別の例として、充電管理コントローラ１１４は、専用の目的を果たすいくつかの別個の集積回路又はマイクロプロセッサで構成され得る。充電管理コントローラ１１４の要素のいくつかは、接地回路上に存在してもよく、充電管理コントローラ１１４の他の要素は、絶縁回路上に存在してもよい。これらのシナリオで、これらのさまざまな充電管理コントローラ１１４要素間の通信が電気的絶縁を必要とする。電気的絶縁回路が、オプトカプラ、絶縁されたコンデンサ回路、変圧器回路、又は他のデジタル絶縁技術を含み得る。
マルチポート電力システムにおける充電の能動的管理は、動作によって必要とされるエネルギー量を予め決定しなければならないことと、試験に対するＳＥＳＤ電圧応答をオンボードで特性評価しなければならないこととを意味する。１つの実施形態で、これは、顕著なシステム電圧を注意深く監視し、リアルタイム電圧測定をシステムの性能能力の指標として使用することによって達成することができる。安全なＳＥＳＤ１０８動作を維持するための制御機構は、最小限度と最大限度との間の安全な動作範囲内にＳＥＳＤ１０８の電圧を保つことを伴う。ＳＥＳＤのより正確な特性評価が、目標ＳＥＳＤ電圧のより詳細な計算につながる。リチウムイオンバッテリなどの充電式バッテリをＳＥＳＤ１０８として使用する一実施形態で、安全な動作のために、ＳＥＳＤバッテリ充電状態の正確な測定基準が必要とされ得る。コンデンサ、スーパーキャパシタ、及びある特定のリチウムイオンバッテリさえもＳＥＳＤ１０８に使用される実施形態で、目標ＳＥＳＤ充電状態の精度は、システム動作のためにそれほど重要ではない場合があり、ＳＥＳＤ１０８を電圧範囲内に保つことで十分な場合がある。これは、ＳＥＳＤ電圧制御に単純な電圧ベースの機構を使うことによって、オンボードセンサ及び計算のコスト及び複雑さを軽減する。
スーパーキャパシタをＳＥＳＤに使用する一実施形態で、静電容量のサイズは、電気試験を行うため、又はセル間の電荷転送を行うために必要とされるエネルギー量によって支配される。電気化学セル上でＥＩＳ試験を行うために、ＥＩＳ試験の最小周波数要件は、最小静電容量を規定し、それは、
Figure 2022516914000004
 によって与えられ、式中、Ｃは静電容量であり、Ｉ０は正弦波のピーク電流であり、ｆＥＩＳはＥＩＳ搬送周波数であり、ＶＳＣはスーパーキャパシタの電圧である。これは、特定の周波数においてＳＥＳＤ１０８スーパーキャパシタからＥＩＳを目的として半波の電荷を調達するために必要とされる静電容量である。例として、５Ａｒｍｓの摂動電流と１Ｈｚの最小ＥＩＳ周波数とを必要とするシステムが、３３８ｍＦの最小ＳＥＳＤ１０８スーパーキャパシタサイズを必要とすることになるのに対して、５Ａｒｍｓの摂動電流と０．１Ｈｚの最小ＥＩＳ周波数とを必要とするシステムが、３．３８Ｆの最小ＳＥＳＤ１０８スーパーキャパシタサイズを必要とすることになる。しかしながら、実際は、ＳＥＳＤ１０８静電容量は、最小ＳＥＳＤ動作電圧を維持するために、より大きくなければならない。実際の電圧最小限度は、最小ＳＥＳＤ電圧、バッテリの公称動作電圧、及び電子デバイスの定格などの設計パラメータによって規定される。電圧要素ＶＳＣは、ＳＥＳＤ１０８の使用可能な電圧範囲になる。最小電圧が４．５Ｖで定格６Ｖのスーパーキャパシタの実施形態で、スーパーキャパシタの使用可能な電圧範囲ＶＳＣは１．５Ｖである。そのようなものとして、５Ａｒｍｓの摂動電流と１Ｈｚの最小ＥＩＳ周波数とを必要とするシステムが、６Ｖ定格で１．０６Ｆの最小ＳＥＳＤ１０８スーパーキャパシタ静電容量を必要とすることになるのに対して、５Ａｒｍｓの摂動電流と０．１Ｈｚの最小ＥＩＳ周波数とを必要とするシステムが、６Ｖ定格で１０．６Ｆの最小ＳＥＳＤ１０８スーパーキャパシタ静電容量を必要とすることになる。
図２は、インピーダンス測定試験を目的として、又は電荷転送動作のために複数のセル１１２Ａ～ＥとＳＥＳＤ１０８との間でシステム内のバランスのとれたエネルギーフローを管理するための決定木の一実施形態を描写する。これらの命令は、充電管理コントローラ１１４にプログラムすることができる。一実施形態で、ＳＥＳＤ電圧は、システムの充電又は放電能力を決定する。所望の電気試験又はバランシング動作が、ＳＥＳＤが安全に提供できるものよりも多い又は少ないエネルギーを必要とする場合、ＳＥＳＤの安全な動作を維持するために、最初に対策を取らなければならない。決定木は、適正なＳＥＳＤ電圧を維持するために取るべきステップの一実施形態を概説する。最初に、ステップ２０２で試験用の対象デバイスを選択する。対象デバイス及び診断試験が与えられると、ＳＥＳＤ１０８の所望のレベルの電圧レベルが計算され、ステップ２０４で、ＳＥＳＤ１０８は、その所望のレベルの電圧まで充電又は放電される。ステップ２０４の間に、システムは、同様に、ＳＥＳＤ１０８から／へ、エネルギーをオフロード／調達するために、充電／放電するサポートデバイス又はシステムを選ぶ。バッテリシステムの例として、ＳＥＳＤ１０８を放電する必要がある場合、システムは、追加エネルギーをオフロードするために、複数の直列セルの中からより弱いセルを識別することができる。同じバッテリシステムの別の例として、ＳＥＳＤ１０８を充電する必要がある場合、システムは、エネルギーを調達するためのサポートデバイスとして、複数の直列セルの中からより強いセルを識別することができる。他のサポートデバイスは、システムの必要性に応じて、及び最終用途に応じて選ぶことができる。ＳＥＳＤ１０８が所望のレベルの電圧になると、電力マルチプレクサ１１０は、ステップ２０６で強調される電力マルチプレクサ１１０を通して電力変換回路１０２を対象セルに接続し、この対象セルはＤＵＴになる。電力変換回路１０２は、それから、正弦波若しくは他の周期的波形又は非周期的波形の形であり得る電気試験信号を注入するか、又は正若しくは負の電流をＤＵＴに注入する。これは、ステップ２０８で捕捉される。その特定の周波数における電気試験又は所望の量の電荷転送が完了すると、ステップ２１２は、完全な電気試験又は電荷転送が完了するまで、システムがステップ２０４からステップ２１０を繰り返すことができることを示す。ステップ２１２に示されるように、電気試験が完了したとき、ＤＵＴを電力マルチプレクサ１１０から切り離すことができ、プロセスは終了することができる。決定木の別の実施形態で、ＤＵＴは、故障又はより優先度の高い動作が原因で試験中にいつでも切り離される場合がある。決定木のさまざまな実施形態で、ＤＵＴは、システム電圧及び電荷の適正なバランシングを可能にするために、プロセス全体を通して数回切り離される場合がある。これは、所望の試験結果及び全体的なシステムバランスを達成するために、いくつかの別個のサポートデバイス及び電力マルチプレクサ１１０の複数の動作を必要とし得る。
セルバランシング又はセル加熱を行うことになっている一実施形態で、図２のステップは、異なる目的の必要性を反映するために変更され得る。図１に示した電気化学システムのセルバランシングの例として、複数の直列セルの中で最強のセルは１１２ｂであり、複数の直列セルの中で最弱のセルは１１２Ｄであり、他のすべてのセルはサポートデバイス１１２Ａ、１１２Ｃ、及び１１２Ｅである。このシナリオで、ステップ２０２は、電気試験用のＤＵＴを識別する代わりに、最強のセル１１２Ｂ及び最弱のセル１１２Ｄ、並びにサポートデバイス１１２Ａ、１１２Ｃ、及び１１２Ｅの相対的強度を識別することによって、複数の直列バッテリセル間の不均衡状態に注目することになる。ステップ２０４は、最強のセル１１２Ｂから放電するために利用可能なエネルギー量及び最弱のセル１１２Ｄを充電するために必要とされるエネルギー量、並びにＳＥＳＤ１０８の現在の充電状態を計算することからなり得る。要件は、強いセルから弱いセルにエネルギーを転送しつつ、ＳＥＳＤ１０８の電圧を安全な動作限界内に保つことである。最強のセル１１２Ｂ及び最弱のセル１１２Ｂの識別は、最強のセル１１２Ｂが複数の中で最も高い電圧を有し、最弱のセル１１２Ｄが複数の中で最も低い電圧を有する、単純な電圧比較からなってもよく、又は最強のセル１１２Ｂ及び最弱のセル１１２Ｄの識別は、セルの電圧と電流両方の測定に基づくより複雑な充電状態の計算からなってもよい。セル間の比較の複雑さは、最終用途に依存する。ステップ２０６は、電力マルチプレクサ１１０を通して最強のセル１１２Ｂにナビゲートすることからなり得、ステップ２０８は、ステップ２０４からの意思決定に基づいて、その最強のセル１１２Ｂを放電することからなる。この実施形態における電流波形は、ＤＣ信号であってもよく、又はそれは何らかの周期的若しくは非周期的ＡＣ信号であってもよい。ＳＥＳＤ１０８が安全な動作のための最大限度又は最小限度に到達した場合には、プロセスはステップ２１０に進み、そこで電力流が停止され、システムは、ステップ２１２で、ステップ２０２からステップ２１０までを繰り返すかどうかを意思決定する。
電荷バランシング動作が完了した場合、電力マルチプレクサ１１０は、ステップ２１４で、最強のセル１１２Ｂから切り離すことができる。動作がまだ完了しない場合、プロセスは、ステップ２０２に戻ってループし、システムの不均衡状態を再び計算することができる。プロセスのこの反復で、ステップ２０４は、複数の直列セル内の任意の１つのメンバセル１１２Ａ～Ｅに充電するか、又はそこから放電するかを決定する。ステップ２０６について、電力マルチプレクサ１１０は、それから最弱のセル１１２Ｄにナビゲートすることができる。それから、ステップ２０８について、ＳＥＳＤ１０８は、放電し、最弱のセル１１２Ｄに、それが所定の目標電圧又は充電状態値に到達するまでエネルギーを転送することになる。最弱のセル１１２Ｄがその所定の目標電圧又は充電状態値に到達する前にＳＥＳＤ１０８が安全な動作のための最小限度に到達した場合には、プロセスは、それから、再びステップ２０２に戻ってループし、バランシング動作を継続して最強のセル１１２ＢからＳＥＳＤ１０８を再充電する。プロセスは、最弱のセル１１２Ｄが所望のレベルの電圧又は所望のレベルの充電状態に到達するまで繰り返す。プロセスの各反復で、新しい強いセル及び弱いセルを識別することができ、このように、バランシング動作は、プロセス全体を通してメンバセル１１２Ａ～Ｅのうちのいくつかを利用することを必要とし得る。ステップ２１６に示されるように、バランシング動作が完了したとき、すべてのセルを電力マルチプレクサ１１０から切り離すことができ、プロセスは終了することができる。決定木の別の実施形態で、ＤＵＴは、故障又はより優先度の高い動作が原因で試験中にいつでも切り離される場合がある。決定木のさまざまな実施形態で、ＤＵＴは、他の動作を織り込むために、プロセス全体を通して数回切り離される場合がある。これは、電気試験を行い全体的なシステムバランスを達成するために、いくつかの別個のサポートデバイス及び電力マルチプレクサ１１０の複数の動作を必要とし得る。
自己加熱システムの一実施形態で、非ゼロ電流が、電力マルチプレクサ１１０及び電力変換回路１０２を通して、個々のメンバセル１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄ、又は１１２Ｅのいずれかに駆動され得る。非ゼロ電流を調達及び投入するために必要とされるエネルギーは、ＳＥＳＤ１０８から来ている。電気化学システムの自己加熱の例として、対象セル１１２Ｃは加熱すべきセルであり、他のすべてのセルはサポートデバイス１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｄ、及び１１２Ｅである。このシナリオで、ステップ２０２は、対象セル１１２Ｃを識別することになる。ステップ２０４は、自己加熱動作の持続時間だけでなく、ＤＣ電流を利用することになっている場合には非ゼロ電流のＤＣオフセット電流、ＡＣ電流を利用することになっている場合には非ゼロ電流の振幅及び周波数、ハイブリッドＤＣ＋ＡＣ非ゼロ電流を利用することになっている場合にはＤＣオフセット、振幅、及び周波数を計算することからなり得る。利用される非ゼロ電流のタイプは、用途に依存する。ステップ２０４は、同様に、ＳＥＳＤ１０８が、自己加熱試験を完了するのに十分な電荷を有するかどうかを決定することからなり得る。ステップ２０６は、電力マルチプレクサ１１０を通して対象セル１１２Ｃにナビゲートすることからなり得、ステップ２０８は、ステップ２０４からの意思決定に基づいて、何らかのＤＣオフセット、振幅、周波数、及び持続時間に対して、セル１１２Ｃに非ゼロ電流を駆動することからなる。ＳＥＳＤ１０８が安全な動作のための最大限度又は最小限度に到達した場合には、プロセスはステップ２１０に進み、そこで電力流が停止され、充電管理コントローラ１１４は、ステップ２１２で、ステップ２０２からステップ２１０までを繰り返すかどうかを意思決定する。
セル加熱動作が完了した場合、電力マルチプレクサ１１０は、ステップ２１４で、対象セル１１２Ｃから切り離すことができる。動作がまだ完了せず、ＳＥＳＤ１０８の電圧又は電荷が限界に到達した場合、充電管理コントローラ１１４は、ステップ２０２に戻ってステップ２１４までループすることに決め、最初にＳＥＳＤ１０８を安全なレベルまで充電又は放電し、それから２回目にステップ２０２に戻ってステップ２１４まで対象セルの自己加熱を継続することができる。プロセスは、自己加熱対象セル１１２Ｃが所望の内部温度に到達するまで繰り返す。プロセスの各反復で、さまざまなサポートデバイスを利用して、ＳＥＳＤ１０８から電気エネルギーを調達し、又はＳＥＳＤ１０８に電気エネルギーを投入することができ、このように、自己加熱動作は、プロセス全体を通してサポートデバイス１１２Ａ～Ｅのうちのいくつかを利用することを必要とし得る。ステップ２１６に示されるように、自己加熱動作が完了したとき、すべてのセルを電力マルチプレクサ１１０から切り離すことができ、プロセスは終了することができる。決定木の別の実施形態で、ＤＵＴは、故障又はより優先度の高い動作が原因で試験中にいつでも切り離される場合がある。決定木のさまざまな実施形態で、ＤＵＴは、他の動作を織り込むために、プロセス全体を通して数回切り離される場合がある。これは、自己加熱動作を完全に行うために、いくつかの別個のサポートデバイス及び電力マルチプレクサ１１０の複数の動作を必要とし得る。
図３は、ＤＣ－ＤＣ変換器３０２が対象セルに電流を充電又は放電することができる、電力変換回路１０２の一実施形態を示す。この実施形態で、電力変換回路１０２は、定電流電気化学的インピーダンス分光法（ＥＩＳ）試験、ＤＣパルス試験、ＨＰＰＣ試験、又は他の能動的特性評価試験を行うことを目的として、正弦波、ＤＣパルス、又は他の摂動電流をＤＵＴに注入することが可能である。電力変換回路１０２は、直列に接続された複数のセルのバランスをとることを目的として、複数のセル又はモジュール内の１つ又は複数の直列接続されたセル１１２Ａ～Ｅ、コンデンサ若しくはウルトラキャパシタなどの電気貯蔵デバイス、又は電源の間で電力転送を可能にすることになっている。別の実施形態は、電流が一方向にのみ流れることができる、単方向電力変換回路を含み得る。単方向電力変換回路は、ＤＣパルス試験を行うことができるが、双方向電流フローが必要とされる真のＨＰＰＣ及びＡＣ信号試験を行うことができない。単方向電力変換回路を用いると、何らかのＡＣ信号をＤＣバイアス信号に重ねることができる、ＨＰＰＣ及びＡＣ試験の形を達成することができるが、この方法では、セル間の電荷が不一致になりやすく、アクティブバランシングがより困難になる。
一実施形態で、ＤＣ－ＤＣ変換器３０２は、電力補償器３０６内の波形発生器から入力を取る電流ループ３０４によって制御される。電力補償器３０６は、正弦波、方形、正弦の和、鋸歯、又は他の周期的若しくは非周期的波形かどうかにかかわらず、任意の波形を生成することができ、この信号は、電力補償器３０６への入力としての役割を果たす。ある特定の実施形態で、電力変換器は、ＤＵＴ上の電気試験のみを行うことができる。別の実施形態で、電力変換器は、バランシングのための電力転送にのみ使用され得る。別の実施形態で、電力変換器は、同時に電気試験とバランシングの両方を行うことができる。
ＤＣ－ＤＣ変換器３０２の一実施形態が図４に示されており、ここでＤＣ－ＤＣ変換器３０２は、スイッチモード電力供給（ＳＭＰＳ）であり、電流がＤＵＴからＳＥＳＤ１０８に流れるとき昇圧型コンバータとしての役割を果たし、ＤＣ－ＤＣ変換器３０２は、電流がＳＥＳＤ１０８からＤＵＴに流れるとき降圧型コンバータとしての役割を果たす。このシステムで、ＳＥＳＤ電圧ＶＳＥＳＤは、ＤＵＴの電圧ＶＤＵＴのサイズよりも大きくサイズ設定するべきである。デバイスの方向づけ及び選択は、用途に依存する。ＤＣ－ＤＣ変換器３０２は、用途に応じて絶縁又は非絶縁トポロジであり得る。ＤＣ－ＤＣ変換器３０２は、降圧、昇圧、昇降圧、非反転昇降圧、シングルエンド一次インダクタコンバータ（ＳＥＰＩＣ）、デュアルアクティブブリッジ、フライバック、フォワード、Ｃｕｋ、共振コンバータ、又は他のそのようなスイッチモード電力供給からなるパワー・エレクトロニクス・トポロジ・セットの少なくとも１つのメンバから選択することができる。
ＳＭＰＳで、半導体スイッチが高周波で動作し、回路の電源、負荷、誘導素子、及び容量素子の間で電力を導くために使用される。さまざまなスイッチのスイッチング周波数ｆｓ及びデューティサイクルを制御することは、システム内のエネルギーのバランスを制御し、入力電流及び電圧並びに出力電流及び電圧などのシステムパラメータに影響を与えるために使用され得る。半導体スイッチは、電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、若しくは他のそのような能動半導体トランジスタなどの能動スイッチであってもよく、又はそれらは、ダイオード、若しくは他のそのような受動スイッチング半導体デバイスなどの受動スイッチであってもよい。スイッチは、通常、特定の期間及びデューティサイクルを有する電圧又は電流ゲート信号を使用して制御される。電力補償器３０６は、パラメータが前もって知られているオープンループシナリオで、又はシステム性能パラメータに基づいてデューティサイクル及び期間を能動的に適合させるフィードバックシナリオで、変換器の周期及びデューティサイクルを規定する。
ＤＣ－ＤＣ変換器３０２において双方向電流フローを達成するために、スイッチは、両方ともトランジスタでなければならない。同期スイッチ４０８Ａ及び４０８Ｂは、相補的な方法で導通し、双方向電流フローを導くために使用される。インダクタ４０６は、同期スイッチ４０８Ａ及び４０８Ｂによって制御されるように、インダクタの両端間の電圧に応じてＤＣ－ＤＣ変換器３０２の電流フローを制限し、ここでインダクタ電流ＩＬの変化率は、
Figure 2022516914000005
 によって与えられる。システムで、ｆｓはＤＣ－ＤＣ変換器３０２のスイッチング周波数である。同期スイッチ４０８Ａ及び４０８Ｂを高周波で制御することは、インダクタ電流ＩＬの方向及び絶対値に影響を与える。インダクタ電流ＩＬ及びＤＵＴ電流ＩＤＵＴを厳しく制御するために、リップル電流は厳しく制御され得る。インダクタリップル電流は、ＤＵＴ電圧ＶＤＵＴ、ＳＥＳＤ電圧ＶＳＥＳＤ、スイッチング周波数ｆｓ、又はこれらのハイブリッドな組み合わせを調節することによって管理され得る。
インダクタ４０６は、ＤＣ－ＤＣ変換器３０２の電力補償器３０６によって許容されるスイッチング周波数範囲に同様に留まりつつ、リップル電流サイズを目標搬送電流よりも小さくするようにサイズ設定するべきである。パワー・エレクトロニクス・スイッチング・デバイスのさまざまな実施形態の典型的なスイッチング周波数値は、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）の場合１ｋＨｚ～１００ｋＨｚ、シリコンベースのトランジスタの場合１ｋＨｚ～３００ｋＨｚ、炭化ケイ素トランジスタの場合１０ｋＨｚ～１ＭＨｚ、及び窒化ガリウムトランジスタの場合１００ｋＨｚ～１ＭＨｚ超に及ぶ。他のトランジスタタイプが、説明されていないさまざまな他の実施形態で同様に使用され得る。ＤＣ－ＤＣ変換器３０２の別の実施形態は、双方向電流フロー、並びに両方向での昇圧及び降圧の両方の動作を可能にする、双方向の非反転昇降圧コンバータであってもよい。トポロジの選択は、用途の要件に依存する。例として、複数のセル１１２Ａ～Ｅとして公称３．７Ｖのリチウムバッテリセルを使用する一実施形態で、５ＡＰＰのＤＵＴ電流が所望され、シリコンベースのトランジスタは、同期スイッチ４０８Ａ及び４０８Ｂに使用され、６ＶのＳＥＳＤが使用され、インダクタ４６は、２００ｋＨｚのスイッチング動作及び１ＡＰＰのインダクタリップル電流を維持するために１１．５μＨにサイズ設定することができる。システムのさまざまな要素の値及びサイズ設定は、用途の仕様に合わせて調整するべきである。ＤＵＴ側フィルタコンデンサ４０４は、ＤＣ－ＤＣ変換器３０２のＤＵＴ側で高周波ＡＣ信号をフィルタリングし、ＳＥＳＤ側フィルタコンデンサ４１０は、ＤＣ－ＤＣ変換器３０２のＳＥＳＤ側で高周波ＡＣ信号をフィルタリングする。さまざまなフィルタコンデンサは、用途ごとにサイズ設定されており、最終用途の導電性及び／又は放射性の電磁適合性要件に応じて調整され得る。
フィルタコンデンサの典型的な値は、１μＦ未満～数ファラッドに及ぶが、用途に応じて異なる可能性がある。ある特定の実施形態で、ＤＣ－ＤＣ変換器３０２は、プリント回路基板（ＰＣＢ）アセンブリ上で個別部品を使用して構築することができる。他の実施形態で、ＤＣ－ＤＣ変換器３０２は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に組み込むことができ、又は、同期スイッチ４０８Ａ及び４０８ＢがＡＳＩＣに統合される一方で、インダクタ４０６がオフチップである、２つの組み合わせとすることができる。構築の選択は、用途の仕様に依存する。
インダクタ電流ＩＬは、図５に示されるように、一実施形態が電流感知抵抗器５０２及び電流感知増幅回路５０４を含み得る、電流感知回路４０２で測定される。電流感知増幅回路５０４は、電流感知抵抗器５０２の両端間の感知電圧を増幅し、Ｇｃｓの利得を有し、ここでＧｃｓは、用途に応じて相応にサイズ設定される。電流感知増幅回路５０４の出力は、電圧信号ＶＩｓｅｎｓｅである。電流感知回路の別の実施形態では、インダクタ電流を測定する類似の目的を果たす磁気抵抗センサを含む。電流感知回路のさらに別の実施形態は、電流測定用のホール効果センサを含む。
電流ループ３０４の一実施形態が図６に示されており、ここで電流感知増幅回路５０４からのＶＩｓｅｎｓｅ信号及び電力補償器３０６からの基準制御信号ＶＩｃｔｒｌが比較器６０２に送り込まれる。電力補償器３０６からのＶＩｃｔｒｌ信号は、通常、デジタル－アナログ変換器（ＤＡＣ）から導かれるアナログ電圧信号の形であるが、他のアナログ電圧生成技法が使用され得る。生成されたアナログ電圧は、電圧信号ＶＩｓｅｎｓｅの形である感知電流に対する基準として使用される。ＶＩｃｔｒｌ信号の包絡線は、所望の電流信号が正弦波、方形、正弦の和、鋸歯、又は他の周期的若しくは何らかの非周期的波形であるかどうかにかかわらず、所望の電流波形の形状である。比較器６０２の出力は、ＳＲフリップフロップ６０４のリセットポートに送り込まれ、ここでＳＲフリップフロップ６０４のセットポートは、電力補償器３０６から来ている。電気試験用の電流を形成するために、ピーク電流モード制御、谷電流モード制御、スロープ補償を用いたピーク電流モード制御、オフタイムジェネレータを用いたピーク電流モード制御、スロープ補償を用いた谷電流モード制御、オンタイムジェネレータを用いた谷電流モード制御、ヒステリシス電流モード制御、又は平均電流モード制御を含めて、ＳＭＰＳの電流モード制御技法の任意のバージョンを使用することができる。各電流制御技法はその利益及び欠点を有し、好ましい技法は用途によって異なる。別個の実施形態で、ＲＳフリップフロップ６０４のセット信号とリセット信号の両方を並列のＶＩｓｅｎｓｅ及び比較器６０２回路から導くことができる。ＳＲフリップフロップ６０４出力Ｑ及びＱ’は、ゲート駆動回路６０６に送り込まれて、同期スイッチ４０８Ａ及び４０８Ｂを駆動するゲート信号に変換される相補信号である。ある特定の実施形態で、電流ループ３０４は、個別の半導体部品を使用して構築することができる。他の実施形態で、電流ループ３０４は、組み込みコントローラ内部若しくはＡＳＩＣ内部のファームウェアコードで全体的に構築することができ、又は何らかのハイブリッドな組み合わせとすることができる。構築の選択は、用途の仕様に依存する。
図７は、原寸に比例して示されていない、高周波インダクタ電流ＩＬ及び平均インダクタ電流Ｉａｖｇを用いた例示的な正弦波ＡＣ電流波形を描写する。ＡＣ搬送電流波形は、Ｉａｖｇ及びＤＵＴ電流ＩＤＵＴと等価であり、この電流は、インダクタ電流ＩＬの搬送波形としての機能を果たす。インダクタ電流は、高周波の三角電流波形であり、同期スイッチ４０８Ａ及び４０８Ｂによって制御される。何らかの電圧若しくは電流信号又はデジタル表現信号の形をとり得る、基準制御信号Ｉｃｔｒｌは、電力補償器３０６によって生成され、インダクタ電流の形状を制御する。ＤＵＴ側フィルタコンデンサ４０４は、ＩＤＵＴが平均インダクタ電流Ｉａｖｇと等価になるように、インダクタ電流波形の高周波三角波をフィルタで除去する。デバイス電流及び電圧の代表的なＡＣ波形が図８に示されている。電力変換回路１０２は、同じアーキテクチャ及び回路構成を使用して、ＤＣパルス電流及びＨＰＰＣ波形を作り出すために同様に使用され得る。ＤＣパルスの場合、ＡＣ搬送電流波形はＤＣパルス搬送波形になり、ＩａｖｇはＤＣパルスになる。ＨＰＰＣ試験を行うために、ＡＣ搬送電流波形はＨＰＰＣ搬送電流波形になる。
ＤＣ－ＤＣ変換器３０２は、アクティブバランシングを目的として、直列スタックのさまざまなセルとＳＥＳＤ１０８との間でエネルギーを往復させることを目的として同様に使用され得る。ＤＣ－ＤＣ変換器３０２が双方向である一実施形態で、電気化学セルは、充電と放電の両方を行うことができる。アクティブバランシング中、ＤＣ－ＤＣ変換器３０２及び電力マルチプレクサ１１０は、直列セルＥＩＳを行うときと非常に類似した同じ方法で働く。相違は、ＤＣ－ＤＣ変換器３０２制御電流ＩＣｔｒｌにある。ＥＩＳ、ＤＣパルス試験、又はＨＰＰＣなどの電気試験中、Ｉｃｔｒｌは事前定義されたＤＣ又はＡＣ信号である。より弱いセルを強めるか、又はより強いセルを弱めることによるバランシング中、信号Ｉｃｔｒｌは、複数の電気化学セル間のばらつきを軽減するために周期的ＡＣ信号、ＤＣ信号、又はＤＣ信号及びＡＣ信号のハイブリッドな組み合わせの形をとり得る。加えて、電気試験中、測定回路１０４は動作可能であり、一方バランシング動作中、測定回路１０４は動作していない場合がある。両方の場合に、電力は、ＤＵＴからＳＥＳＤに、又はＳＥＳＤからＤＵＴに転送される。充電管理コントローラ１１４は、電気試験モードで動作するか又はバランシングモードで動作するかを決める。
測定回路１０４は、特性評価試験動作中に、過渡的又は周期的な電圧信号及び過渡的又は周期的な電流信号を測定又は推定する。ＥＩＳ試験中の測定回路の一実施形態が図９に示されており、ここで、アナログ増幅回路９０２Ａが、測定されたＡＣセル電圧信号を調整し、アナログ増幅回路９０２Ｂが、測定されたＡＣ電流信号を調整し、高速アナログ－デジタル変換器（ＨＳＡＤＣ）９０４Ａ及び９０４Ｂが、時系列アナログＡＣ電圧及びＡＣ電流データをそれぞれ高サンプリングレートでデジタル化し、インピーダンス計算器９０６が、測定されたＡＣ電圧及びＡＣ電流信号の大きさ及び位相を決定し、インピーダンスの大きさ及び位相を決定するための計算を行う。例として、最大１０ｋＨｚのＥＩＳ周波数及び２０サンプル毎秒の時間分解能を必要とする一実施形態で、ＨＳＡＤＣ ９０４Ａ～Ｂは、ＡＤＣチャネルごとに２００ｋサンプル毎秒の最小サンプリング周波数を有さなければならない。１０ｍＶのピーク間ＡＣ電圧信号をデジタル領域において最低２０個の離散点で測定するために、ＨＳＡＤＣ ９０４Ａは、５００μＶの電圧分解能を有さなければならない。上記の値は、所与のシステムのパラメータに対するＨＳＡＤＣ ９０４Ａ～Ｂ要件を計算する方法の例であり、ＨＳＡＤＣ ９０４Ａ～Ｂの実際のサンプルレート及び分解能は、最終用途における何らかのＡＣインピーダンスの所望の精度に依存する。
アナログ増幅回路９０２Ａ～Ｂは、ユニティ・ゲイン・バッファ、反転増幅器、非反転増幅器、差動装置、計測器、及び差動増幅器からなるフィルタセットの少なくとも１つのメンバを含むがこれらに限定されない、多くのアナログ増幅器タイプの１つ又は組み合わせとすることができる。これらのアナログ増幅回路９０２Ａ～Ｂは、ＤＣ結合又はＡＣ結合され得る。これらのアナログ増幅回路９０２Ａ～Ｂのそれぞれは、演算増幅器部品並びに抵抗器及びコンデンサなどのそれらの受動フィルタ部品の選択に基づいて、特定の利得及び帯域幅に調整され得る。これらの抵抗器及びコンデンサは、信号中の不必要なノイズをフィルタリングし、パススルー信号に利得を適用し、入力信号とＨＳＡＤＣ ９０４Ａ～Ｂへの出力との間にバッファを作成するために選択的に選ばれる。
例として、測定回路１０４の一実施形態が、電力補償器３０６の電流基準信号Ｉｃｔｒｌを活用して図９の９０２Ｂ及び９０４Ｂの必要性を解消する、定電流システムについて図１０に示されている。これは、システムのハードウェアの複雑さを軽減してコストを軽減する。遅延補償器１００２が、Ｉｃｔｒｌと実際のＥＩＳ電流との間の遅延に対して調節することになり、ＤＡＣ及び比較器回路応答時間などの構成要素と関連付けられた遅延、並びに回路基板内の伝送線路に起因する遅延を考慮する。図９及び図１０に示した実施形態のさまざまな要素は、個別のＩＣ、アナログフィルタ部品及び組み込みコントローラを使用して全体的に構築してもよく、ＡＳＩＣに全体的に統合してもよく、又は２つの何らかの組み合わせであってもよい。別の実施形態で、アナログ法を使用してインピーダンスの位相及び大きさを計算することができ、それにより、ＨＳＡＤＣ ９０４Ａ、９０４Ｂの必要性が免除されるが、さまざまな周波数範囲で位相及び大きさを検出することが可能であるように特別に調整されたアナログ回路構成が必要になる。
インピーダンス計算器９０６は、アナログ又はデジタル実装のものであってよく、通常多段プロセスである。フィルタは、同様に、多段のフィルタリング、周波数、振幅、及び位相検出ブロックであり得る。フィルタ段は、ローパス、ハイパス、バタワース、ノッチ、若しくはバンド・パス・フィルタなどの周波数依存フィルタ、及び／又は最大若しくは最小フィルタなどの非線形フィルタを含み得るが、これらに限定されない。周波数、振幅及び位相検出は、スロープ検出、ピーク検出、相互相関、又はゼロ交差検出を含むがこれらに限定されない時間領域技法、並びにピッチ検出アルゴリズム及び高速フーリエ変換法を含むがこれらに限定されない周波数領域技法を含む、多くの方法で達成され得る。図９及び図１０は、インピーダンス計算器９０６のデジタル表現を示す。
図１１は、２つの異なるＥＩＳシステム、すなわち、参照市販品Gamry InstrumentsのＥＩＳ分析器、Interface 5000E、及び本発明の実施形態を使用して、自動車用リチウムマンガン酸化物バッテリセルの一実施形態についてナイキスト線図の形で測定されたインピーダンスデータを示す。Gamry Interface 5000Eは、周波数スペクトル全体にわたるインピーダンス測定の精度を比較するための参照測定として使用される。２つのシステムは、バッテリの重要な電極経年変化及び電荷転送ダイナミクスを明らかにする臨界周波数範囲０．５Ｈｚ～２００Ｈｚにおいて、互いに＋／－１００μΩ以内にある。インピーダンス測定の比較は、異なるシステム間の略一致を示し、本発明の実施形態の精度を検証する。
図１２に示されているように、絶縁電力変換回路１０６、電力変換回路１０２、及び電力マルチプレクサ１１０はすべて、さまざまな直列積層セル１１２Ａ～ＥとＳＥＳＤ１０８との間に交流流路を作成するのに役立つ。交流流路を作成する目的は、セル間で電力が流れる方法の柔軟性を高めることである。これは、電気ＥＩＳ試験を行うことを越えて、バランシング、自己加熱、及び他のそのような診断試験を行うことを含むがこれらに限定されない、多くの機能を果たす。一実施形態で、絶縁電力変換回路１０６は、同様に、ＳＥＳＤ１０８に追加の電荷を提供するために使用され得る。絶縁電力変換回路１０６は、スイッチモード電力供給ＤＣ－ＤＣ変換器３０２であり、一次側と二次側との間に電気的絶縁を提供する。一実施形態で、一次側は、直列に積み重ねられた複数の電気化学セルであり得、二次側は、ＳＥＳＤ１０８に接続され得る。絶縁電力変換回路１０６は、直列に積み重ねられた複数の電気化学セルを電源として使用し、複数の電気化学セルをグループとして充電又は放電する。ＤＣ－ＤＣ変換器３０２、ＳＥＳＤ１０８、及び絶縁電力変換回路１０６を通って流れるさまざまな電流は、
－ＩＤＵＴ＝－η３０２・Ｉ’ＤＵＴ＝ＩＩＰＣ＋ＩＳＥＳＤ 式４
によって支配され、式中、η３０２はＤＣ－ＤＣ変換器３０２の効率を表し、Ｉ’ＤＵＴはＤＣ－ＤＣ変換器３０２のＳＥＳＤ側の電流を表し、ＩＩＰＣは絶縁電力変換回路１０６の二次側電流を表し、ＩＳＥＳＤはＳＥＳＤ１０８電流を表す。ＳＥＳＤ１０８に出入りする電流の量は、その電圧に影響を与えるので、ＳＥＳＤ１０８の電圧は、ＤＣ－ＤＣ変換器３０２及び絶縁電力変換回路１０６の動作電流によって影響を受ける。このようにして、システム内のさまざまなＳＭＰＳの電流を制御することは、ＳＥＳＤ１０８の動作電圧に直接影響を与える。充電管理コントローラ１１４は、これらの計算を考慮に入れる。
別の実施形態で、一次側は直列接続されたセルであってもよく、二次側は電力変換回路１０２のＤＵＴ側で接続されてもよい。さらに別の実施形態で、一次側は、システムの電力源として外部電源に電気的に接続されてもよい。絶縁電力変換回路１０６は、用途に応じて単方向又は双方向であり得る。双方向である絶縁電力変換回路１０６は、例として、ＳＥＳＤ１０８を充電又は放電するための両方向への電力流の転送を可能にすることになる。単方向である絶縁電力変換回路１０６は、ただ電力をＳＥＳＤ１０８に転送するか、又は電力をＳＥＳＤ１０８から転送することができるだけであるが、同じ適用例の中で両方をすることはできない。双方向コンバータは、設計の柔軟性を高めるが、より高価になることが多い。低コストを必要とし、電力流を必要としない用途で、単方向である絶縁電力変換回路１０６が好ましいことになる。上で解説したように、追加の構成が提供され得る。
ＥＶ及び固定貯蔵の大型バッテリセルは、通常、並列構成と直列構成の両方で互いに接続された多くのセルを有する。例えば、日産リーフは、直列に９６個のセル及び並列に２つのセルを意味する、９６Ｓ２Ｐ構成である。Tesla Model Sは、直列に９６個のセル及び並列に７４個のセルを有する、９６７４Ｐである。これは、多電力電力システムが複数の可能な実施形態で存在することを要求する。マルチポート電力システムの一実施形態が図１３に示されており、ここで、いくつかの並列グループのセル１１２Ａ～Ｅが直列に電気的に接続されて、バッテリモジュール内の複数のセルを構成する。このモジュール／パック構成で、並列構成で電気的に接続された複数の電気化学セルは、単一のセルとして取り扱われ、電力マルチプレクサ１０の単一のセルタップに接続されている。マルチポート電力システムの別の実施形態が図１４に示されており、ここで、直列に接続された２つ以上のセルが、電力マルチプレクサの各タップ間に接続され得る。電力マルチプレクサ１１０は、これらの直列接続されたセルが単一のユニットとして測定されるように、単一のセルタップの下でセル１１２Ａ及び１１２Ｂを接続する。マルチポート電力システムのさらに別の実施形態が図１５に示されており、ここで、測定回路１０４は、電力マルチプレクサ１１０、電力変換回路１０２、ＳＥＳＤ１０８、及び絶縁電力変換回路１０６とは別に、複数の電気化学セル１１２Ａ～Ｅのそれぞれに電気的に接続されている。
当業者は、本発明のシステムの機能的な利益を享受するために多数の設計構成が可能であり得ることを認識することができる。したがって、本発明の実施形態の多種多様な構成及び配置を考えると、本発明の範囲は、上述の実施形態によって狭められるのではなく、以下の特許請求の範囲の広さによって反映される。
本出願書で使用されるとき、「１つの（「a」又は「an」）」という用語は、「少なくとも１つの」又は「１つ又は複数の」を意味する。
本出願書で使用されるとき、「約」又は「ほぼ」という用語は、指定された数値のプラスマイナス１０％以内の値の範囲を指す。
本出願書で使用されるとき、「実質的に」という用語は、本明細書に記載された任意の変数、要素又は限界値について、実際の値が、実際の所望の値の約１０％以内、特に実際の所望の値の約５％以内、及びとりわけ実際の所望の値の約１％以内であることを意味する。
本出願書全体を通してのすべての参考文献、例えば、発行若しくは権利付与された特許又は等価物を含む特許文書、特許出願公開公報、及び非特許文献文書又は他の基礎資料は、各参考文献が本出願書の開示内容と少なくとも部分的には矛盾しない限りにおいて、あたかも参照により個々に援用されるかのように、ここに参照によりその全体が本明細書に援用される（例えば、部分的に矛盾している参考文献は、参考文献の部分的に矛盾している部分を除いて、参照により援用される）。
別途定義されない限り、本明細書で使用されるすべての専門用語は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般に理解されているものと同じ意味を有する。
本明細書で使用するとき、単数形「a」、「an」、及び「the」は、文脈がそうでないことを明確に指示しない限り複数形の参照を含む。本明細書における「又は」へのいかなる言及は、別途明記されない限り「及び／又は」を包含するように意図される。
本明細書で使用されるとき、「約」という用語は、その中の増分を含んで、約０％、５％、又は１０％によって明記された量に近い量を指す。
別途定義されない限り、本明細書で使用されるすべての専門用語は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般に理解されているものと同じ意味を有する。
本特許文書の開示の一部には、著作権保護の対象となる資料が含まれている。著作権所有者は、その特許文書又は特許開示が特許商標局の特許ファイル又は記録に現われるとき、何人によるその複写に対しても異議を申し立てるものではないが、それ以外すべての著作権権利一切を留保する。
指定された機能を行う「ための手段」、又は指定された機能を行う「ためのステップ」を明示的に述べていないクレーム中のいかなる要素も、米国特許法第１１２条第６段落で指定される「手段」又は「ステップ」条項として解釈されるべきでない。特に、クレーム中の「のステップ」の使用は、米国特許法第１１２条第６段落の規定を行使するように意図されない。
当業者は、本発明のシステムの機能的な利益を享受するために多数の設計構成が可能であり得ることを認識することができる。したがって、本発明の実施形態の多種多様な構成及び配置を考えると、本発明の範囲は、上述の実施形態によって狭められるのではなく、以下の特許請求の範囲の広さによって反映される。
産業上の利用可能性
開示された発明の実施形態は、被試験デバイスにおいて電気試験を行うために有用であり得る。

Claims (19)

  1. 被試験デバイスにおいて電気試験を行うように構成された、診断測定システムであって、前記診断測定システムは、
    複数の電気化学セルに電気的に結合された、電力マルチプレクサと、
    前記電力マルチプレクサに電気的に結合された、電力変換回路と、
    一次側及び二次側を有する、絶縁電力変換回路であって、前記一次側は一次セットメンバに電気的に結合され、前記二次側は二次セットメンバに電気的に結合されている、絶縁電力変換回路と、
    測定セットメンバに電気的に結合された、測定回路と、
    回路セットメンバに電気的に結合された、二次エネルギー貯蔵デバイスと、
    前記電力マルチプレクサ、前記電力変換回路、及び前記絶縁電力変換回路に電気的に結合された、充電管理コントローラと、を含み、前記充電管理コントローラは、
    前記電気試験を行い、
    前記二次エネルギー貯蔵デバイスとサポートデバイスとの間でエネルギーを転送することによって、前記電力マルチプレクサを通して前記二次エネルギー貯蔵デバイス内の電荷を目標電圧に調節し、
    前記電気試験を行うために前記電力マルチプレクサ及び前記電力変換回路を通して前記被試験デバイスに電力を転送し、
    前記電気試験を完了する
    ための命令でプログラムされている、診断測定システム。
  2. 前記一次セットメンバは、外部電源及び前記複数の電気化学セルからなる一次セットの少なくとも１つのメンバであり、
    前記二次セットメンバは、前記電力変換回路及び前記電力マルチプレクサからなる二次セットの少なくとも１つのメンバであり、
    前記測定セットメンバは、前記電力変換回路及び前記複数の電気化学セルからなる測定セットの少なくとも１つのメンバであり、
    前記回路セットメンバは、前記電力変換回路及び前記絶縁電力変換回路からなる回路セットの少なくとも１つのメンバであり、
    前記サポートデバイスは、前記複数の電気化学セルの少なくとも１つのメンバである、
    請求項１に記載の診断測定システム。
  3. 前記電力マルチプレクサを通して前記二次エネルギー貯蔵デバイスと前記被試験デバイスとの間で前記エネルギーを転送することによって前記二次エネルギー貯蔵デバイス内の前記電荷を前記目標電圧に調節することは、
    直列の前記複数の電気化学セルの少なくとも１つのメンバから選択される、前記サポートデバイスから、直列の前記複数の電気化学セル及び前記外部電源からなる電力セットの少なくとも１つのメンバから選択される、電力セットメンバに前記エネルギーを転送することによって、前記二次エネルギー貯蔵デバイスを所望のレベルの電圧又は充電状態まで充電すること
    をさらに含む、請求項２に記載の診断測定システム。
  4. 前記電気試験は、
    前記電力変換回路を用いて前記被試験デバイスに電圧又は電流波形を注入することと、
    前記測定回路を用いて前記被試験デバイスの電圧応答及び電流応答を測定することと、
    をさらに含む、請求項３に記載の診断測定システム。
  5. 前記電力マルチプレクサを通して前記二次エネルギー貯蔵デバイスと前記被試験デバイスとの間で前記エネルギーを転送することによって前記二次エネルギー貯蔵デバイス内の前記電荷を前記目標電圧に調節することは、
    前記二次エネルギー貯蔵デバイスから前記サポートデバイスへの前記エネルギーを、直列の前記複数の電気化学セル及び前記外部電源からなる電力セットの少なくとも１つのメンバから選択された、電力セットメンバに転送することによって、前記二次エネルギー貯蔵デバイスを所望のレベルの電圧まで放電すること
    をさらに含む、請求項２に記載の診断測定システム。
  6. 前記電気試験は、
    前記電力変換回路を用いて前記被試験デバイスに電圧又は電流波形を注入することと、
    前記測定回路を用いて前記被試験デバイスの前記電圧及び電流応答を測定することと、
    をさらに含む、請求項５に記載の診断測定システム。
  7. 前記測定回路は、
    前記電気試験中に前記被試験デバイスの電圧を測定又は推定し、
    前記電気試験中に前記被試験デバイスの電流を測定又は推定し、
    測定された電圧信号又は推定された電圧信号から経時的に電圧降下を計算し、
    測定された電圧又は推定された電圧と電流信号から前記被試験デバイスのＤＣ内部抵抗を計算し、
    前記測定された電圧又は前記推定された電圧と前記電流信号から前記被試験デバイスのＡＣインピーダンスを計算する
    ための回路構成をさらに含む、請求項２に記載の診断測定システム。
  8. 前記測定回路は、
    前記電気試験中に前記電力変換回路を制御するために使用される基準制御信号を使用して前記被試験デバイスの前記電流又は前記電圧を推定する
    ための前記回路構成をさらに含む、請求項７に記載の診断測定システム。
  9. 前記被試験デバイスは、前記複数の電気化学セルから選択された少なくとも１つの電気化学セルである、請求項２に記載の診断測定システム。
  10. 前記複数の電気化学セルは、直列配置、並列配置、及び直列配置と並列配置の組み合わせからなる配置セットの１つのメンバで配置されている、請求項２に記載の診断測定システム。
  11. セルバランシングを行うことと、対象デバイス内の電荷調節を通して電力転送を行うことからなる動作セットから選択される電力転送動作を完了するように構成された、マルチポート電力転送回路であって、前記マルチポート電力転送回路は、
    直列に積み重ねられた複数の電気化学セルに電気的に結合された、電力マルチプレクサと、
    前記電力マルチプレクサに電気的に結合された、電力変換器と、
    一次側及び二次側を有する、絶縁電力変換回路であって、前記一次側は外部電源又は前記複数の電気化学セルのいずれかに電気的に結合され、前記二次側は電力変換回路又は前記電力マルチプレクサに電気的に結合されている、絶縁電力変換回路と、
    前記電力変換回路及び／又は前記絶縁電力変換回路に電気的に結合された、二次エネルギー貯蔵デバイスと、
    前記電力マルチプレクサ、前記電力変換回路、及び前記絶縁電力変換回路に電気的に結合された、充電管理コントローラと、を含み、前記充電管理コントローラは、
    前記二次エネルギー貯蔵デバイス又は直列の前記複数の電気化学セルと、直列の前記複数の電気化学セルの少なくとも１つのメンバから選択されるサポートデバイスとの間でエネルギーを転送することによって、前記二次エネルギー貯蔵デバイス内の電荷を目標電圧に調節し、
    前記二次エネルギー貯蔵デバイス、電気化学セルの直列スタック、又は前記外部電源から前記対象デバイスに電力を転送し、
    対象デバイスの電圧又は充電状態が所望のレベルに到達したとき前記電荷調節を完了する
    ための命令でプログラムされている、マルチポート電力転送回路。
  12. 前記電力マルチプレクサを通して前記二次エネルギー貯蔵デバイスと少なくとも１つのメンバセルとの間で前記エネルギーを転送することによって前記二次エネルギー貯蔵デバイス内の前記電荷を前記目標電圧に調節することは、
    直列の前記複数の電気化学セルの少なくとも１つのメンバから電力を転送することによって、前記二次エネルギー貯蔵デバイスを所望のレベルの電圧又は前記所望のレベルの前記充電状態まで充電すること
    をさらに含む、請求項１１に記載のマルチポート電力転送回路。
  13. 前記電力マルチプレクサを通して前記二次エネルギー貯蔵デバイスと前記少なくとも１つのメンバセルとの間で前記エネルギーを転送することによって前記二次エネルギー貯蔵デバイス内の前記電荷を前記目標電圧に調節することは、
    直列の前記複数の電気化学セルの少なくとも１つのメンバに電力を転送することによって、前記二次エネルギー貯蔵デバイスを前記所望のレベルの電圧又は前記所望のレベルの前記充電状態まで放電すること
    をさらに含む、請求項１２に記載のマルチポート電力転送回路。
  14. 前記対象デバイス内の前記電荷を調節することは、
    前記二次エネルギー貯蔵デバイスからの前記エネルギーで、前記電力マルチプレクサ及び前記電力変換回路を通して前記対象デバイスを充電することと、
    前記複数の電気化学セルからの前記エネルギーで前記電力マルチプレクサ及び前記絶縁電力変換回路を通して前記対象デバイスを充電することと、
    前記外部電源からの前記エネルギーで、前記電力マルチプレクサ及び前記絶縁電力変換回路を通して前記対象デバイスを充電することと、
    前記二次エネルギー貯蔵デバイス、グループとしての前記複数の電気化学セル、及び前記外部電源のいずれかからの前記エネルギーで、前記電力マルチプレクサ、前記電力変換回路、及び前記絶縁電力変換回路の電力組み合わせを通して前記対象デバイスを充電することと、
    を含む、請求項１１に記載のマルチポート電力転送回路。
  15. 前記対象デバイス内の前記電荷を調節することは、
    前記対象デバイスから、前記電力マルチプレクサ及び前記電力変換回路を通して、前記二次エネルギー貯蔵デバイスに放電することと、
    前記対象デバイスから、前記電力マルチプレクサ及び前記絶縁電力変換回路を通して、集合的に前記複数の電気化学セルに放電することと、
    前記対象デバイスから、前記電力マルチプレクサ及び前記絶縁電力変換回路を通して、前記外部電源に放電することと、
    前記対象デバイスから、前記電力マルチプレクサ、前記電力変換回路、及び前記絶縁電力変換回路からなる第２の組み合わせセットの少なくとも１つのメンバを通して、前記二次エネルギー貯蔵デバイス、集合的に前記複数の電気化学セル、及び前記外部電源からなる第１の組み合わせセットの少なくとも１つのメンバに放電することと、
    を含む、請求項１４に記載のマルチポート電力転送回路。
  16. 前記対象デバイスは、前記複数の電気化学セルから選択された少なくとも１つのセルである、請求項１１に記載のマルチポート電力転送回路。
  17. 複数の電気化学エネルギー貯蔵デバイスの安全な動作を維持するように構成された、充電管理コントローラアセンブリであって、前記充電管理コントローラアセンブリは、
    直列に積み重ねられた複数の電気化学セルに電気的に結合された、電力マルチプレクサと、
    前記電力マルチプレクサ及び測定回路に電気的に結合された、電力変換回路と、
    一次側及び二次側を有する、絶縁電力変換回路であって、前記一次側は外部電源又は複数の直列セルのいずれかに電気的に結合され、前記二次側は前記電力変換回路又は前記電力マルチプレクサに電気的に結合されている、絶縁電力変換回路と、
    前記電力変換回路及び／又は前記絶縁電力変換回路に電気的に結合された、二次エネルギー貯蔵デバイスと、
    前記電力マルチプレクサ、前記電力変換回路、及び前記絶縁電力変換回路に電気的に結合され、
    電気試験中に、すべての電気化学セル及び前記複数の電気化学エネルギー貯蔵デバイスの安全な動作を維持し、
    バランシング動作中に、すべての電気化学セル及び前記複数の電気化学エネルギー貯蔵デバイスの前記安全な動作を維持する
    ための命令でプログラムされた、充電管理コントローラと、
    をさらに含む、充電管理コントローラアセンブリ。
  18. 前記電気試験中に安全な動作を維持することは、
    前記電気試験全体を通して少なくとも１つのシステムパラメータを維持することであって、前記少なくとも１つのシステムパラメータは、二次エネルギー貯蔵デバイス電圧、事前定義された最大電圧限度未満の充電状態、及び最大充電状態限度からなるパラメータセットから選択されることと、
    前記電気試験全体を通して少なくとも１つの追加のシステムパラメータを維持することであって、前記少なくとも１つの追加のシステムパラメータは、前記電気試験全体を通して、前記二次エネルギー貯蔵デバイス電圧、事前定義された最小電圧限度を超える前記充電状態、及び事前定義された最小充電状態限度からなる追加のパラメータセットから選択されることと、
    前記二次エネルギー貯蔵デバイスと、直列の前記複数の電気化学セルの少なくとも１つのメンバから選択されるサポートデバイスとの間でエネルギーを転送することによって、前記電力マルチプレクサを通して前記二次エネルギー貯蔵デバイス内の電荷を調節することと、
    前記二次エネルギー貯蔵デバイスと、集合的に前記複数の電気化学セル、前記二次エネルギー貯蔵デバイス、及び前記外部電源からなるデスティネーションセットの１つのメンバとの間で前記エネルギーを転送することによって、前記絶縁電力変換回路を通して前記二次エネルギー貯蔵デバイス内の前記電荷を調節することと、
    をさらに含む、請求項１７に記載の充電管理コントローラアセンブリ。
  19. 前記バランシング動作中に安全な動作を維持することは、
    前記バランシング動作全体を通して安全な少なくとも１つのシステムパラメータを維持することであって、前記少なくとも１つのシステムパラメータは、二次エネルギー貯蔵デバイス電圧、事前定義された最大電圧限度未満の充電状態、及び最大充電状態限度からなるパラメータセットから選択されることと、
    前記バランシング動作全体を通して少なくとも１つの追加のシステムパラメータを維持することであって、前記少なくとも１つの追加のシステムパラメータは、前記電気試験全体を通して、前記二次エネルギー貯蔵デバイス電圧、事前定義された最小電圧限度を超える前記充電状態、及び事前定義された最小充電状態限度からなる追加のパラメータセットから選択されることと、
    前記二次エネルギー貯蔵デバイスと、直列の前記複数の電気化学セルの少なくとも１つのメンバから選択されるサポートデバイスとの間でエネルギーを転送することによって、前記電力マルチプレクサを通して前記二次エネルギー貯蔵デバイス内の電荷を調節することと、
    前記二次エネルギー貯蔵デバイスと、グループ内の前記複数の電気化学セルとの間、及び／又は前記二次エネルギー貯蔵デバイスと前記外部電源との間で前記エネルギーを転送することによって、前記絶縁電力変換回路を通して前記二次エネルギー貯蔵デバイス内の前記電荷を調節することと、
    をさらに含む、請求項１７に記載の充電管理コントローラ。
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