JP4861396B2 - バランスされたセル電流を有する変換システム - Google Patents

Description

関連出願
本願は、２００８年２月１日に提出された米国仮出願第６１／０６３，２０５号に対する優先権を主張し、それは参照によりその全体においてここに組み込まれるものとする。

技術分野
本発明は、変換システムに関し、特に、バランスされた（balanced）セル電流を有する変換システムに関するものである。

幾つかの従来の電圧比較回路は、電圧トリミングを必要とする。例えば、第１の端子における電圧がＶ_１であるならば、第２の端子における電圧はＶ_２であり、第１の端子及び第２の端子間の電圧Ｖ_１２は、Ｖ_１２＝Ｖ_１−Ｖ_２によって与えられ得る。電圧Ｖ_１２を１つまたは２つ以上の基準電圧と比較して過電圧または不足電圧のようなセル状態をチェックするために、基準電圧は、Ｖ２（またはＶ１）に等しい基準レベルに関していることが必要であり得る。おまけに、基準レベルは、異なった要件に従って調節されることが必要であり得、このことは、多くの基準電圧トリミング・プロセスを必要とし得る。直列における多数の（multiples）セルのための幾つかの従来のバッテリ保護制御器においては、セル電圧のすべては、１つまたは２つ以上のトリミングされた(trimmed)基準電圧と比較されることが必要であり得る。このようなバッテリ保護制御器は、多くのトリミング・プロセスを必要とし得、このことは、価格を高め得る。従って、接地に対してセル電圧をシフトさせるために、かつ次に、セル電圧を１つまたは２つ以上の所定の接地ベースの基準電圧と比較するために、電圧変換回路が用いられ得る。

図１は、従来の電圧対電圧変換回路１００のブロック図を示す。図１に示されるように、変換回路１００は、それぞれ複数のセル電圧Ｖ_{１０２＿１}、Ｖ_{１０２＿２}、Ｖ_{１０２＿３}及びＶ_{１０２＿４}を有する複数のセル１０２＿１−１０２＿４と、セル１０２＿１−１０２＿４に結合された複数のスイッチ１０４＿１−１０４＿４と、セル１０２＿１−１０２＿４に結合された複数のスイッチ１０６＿１−１０６＿４と、スイッチ１０４＿１−１０４＿４及びスイッチ１０６＿１−１０６＿４間に結合された電圧レベル・シフタ１４０とを含む。電圧レベル・シフタ(shifter)１４０は、複数のスイッチ１０４＿１−１０４＿４の各スイッチ及び複数のスイッチ１０６＿１−１０６＿４の各スイッチを順次にターン・オンすることにより、各セル１０２＿１−１０２＿４のセル電圧Ｖ_{１０２＿１}、Ｖ_{１０２＿２}、Ｖ_{１０２＿３}及びＶ_{１０２＿４}を表す電圧１３０を出力することができる。例えば、スイッチ１０４＿４及び１０６＿４がターン・オンされるとき、電圧レベル・シフタ１４０は、演算増幅器１２０及び抵抗１１２、１１４、１１６及び１１８の適用により、セル１０２＿４のセル電圧に比例している電圧１３０を出力し得る。

スイッチ１０４＿４及び１０６＿４がオンであるとき、ｌ_{１０２＿３}がセル１０２＿１−１０２＿３を通って流れる電流であり、ｌ_{１０６＿４}がスイッチ１０６＿４を通って流れる電流であるならば、セル１０２＿４を通って流れる電流ｌ_{１０２＿４}は、
ｌ_{１０２＿４}＝ｌ_{１０２＿３}−ｌ_{１０６＿４}
によって与えられ得る。結果として、セル１０２＿４を通って流れる電流ｌ_{１０２＿４}は、セル１０２＿１−１０２＿３を通って流れる電流ｌ_{１０２＿３}とアンバランスにされる。同様に、セル１０２＿１−１０２＿３のセル電圧をサンプリングするとき、セル１０２＿１−１０２＿４を通って流れる電流もアンバランスされる。

さらに、従来の回路１００は、セル１０２＿１−１０２＿４の各セルのセル電圧を順次にサンプリングすることだけができ、このことは、多くの応用において、すべてのセル電圧を同時にサンプリングするという要件を叶え得ない。

図２は、従来の電圧対電流変換回路２００のブロック図を示す。図２に示されるように、変換回路２００は、複数のセル２０２＿１−２０２＿４と、複数のセル２０２＿１−２０２＿４にそれぞれ並列に結合された複数の電圧対電流変換器２１２＿１−２１２＿４とを含む。図２に示されるように、変換器２１２＿２−２１２＿４の各々は、対応の演算増幅器（２０４＿２、２０４＿３、または２０４＿４）と、対応のＰＭＯＳＦＥＴ（２０６＿２、２０６＿３、または２０６＿４）と、対応の抵抗（２０８＿２、２０８＿３、または２０８＿４）とをそれぞれ含む。変換器２１２＿１は、抵抗２０８＿１を含む。変換器２１２＿１−２１２＿４は、セル２０２＿１−２０２＿４のセル電圧をそれぞれ電流Ｉ_{２０８＿１}、Ｉ_{２０８＿２}、Ｉ_{２０８＿３}、及びＩ_{２０８＿４}に変換する。例えば、抵抗２０８＿ｉを通して流れる電流Ｉ_{２０８＿ｉ}は、
Ｉ_{２０８＿ｉ}＝Ｖ_{２０２＿ｉ}／Ｒ_{２０８＿ｉ}
によって与えられ、ここに、Ｖ_{２０２＿ｉ}は、セル２０２＿ｉのセル電圧であり、Ｒ_{２０８＿ｉ}は、抵抗２０８＿ｉの抵抗である（ｉ＝１、２、３、４）。

図２に示されるように、Ｉ_{２０４＿２}、Ｉ_{２０４＿３}、及びＩ_{２０４＿４}は、それぞれ演算増幅器２０４＿２−２０４＿４の動作電流であり、Ｉ_{２０８＿１}、Ｉ_{２０８＿２}、Ｉ_{２０８＿３}、及びＩ_{２０８＿４}は、それぞれ抵抗２０８＿１−２０８＿４を通して流れる電流である。もし、電圧Ｖ_{２０２＿１}、Ｖ_{２０２＿２}、Ｖ_{２０２＿３}、及びＶ_{２０２＿４}が同じ電圧Ｖ_２０２に等しく、かつ抵抗Ｒ_{２０８＿１}、Ｒ_{２０８＿２}、Ｒ_{２０８＿３}、及びＲ_{２０８＿４}が同じ抵抗Ｒ_２０８を有するならば、次に、電流Ｉ_{２０８＿１}、Ｉ_{２０８＿２}、Ｉ_{２０８＿３}、及びＩ_{２０８＿４}は、同じ電流Ｉ_２０８（Ｉ_２０８＝Ｖ_２０２／Ｒ_２０８）に等しい。さらに、電流Ｉ_{２０４＿２}、Ｉ_{２０４＿３}、及びＩ_{２０４＿４}は、同じ電流Ｉ_２０４に等しいことができる。このようなものとして、セル２０２＿１−２０２＿４を通してそれぞれ流れる電流Ｉ_{２０２＿１}、Ｉ_{２０２＿２}、Ｉ_{２０２＿３}、及びＩ_{２０２＿４}は、

によって与えられ得る。結果として、セル２０２＿１−２０２＿４を通してそれぞれ流れる電流Ｉ_{２０２＿１}、Ｉ_{２０２＿２}、Ｉ_{２０２＿３}、及びＩ_{２０２＿４}は、互いにバランスされない。

一実施形態においては、変換システムは、複数のセルに結合されて、それぞれセルのセル電圧を示す複数のサンプリング信号を発生する変換回路を含む。各サンプリング信号は、同じ基準レベルに関している。さらに、変換システムは、一実施形態においては、セルを通してそれぞれ流れる電流をバランスさせるために変換回路を介して複数のセルの少なくとも１つのセルを通して流れる補償電流を発生するために、変換回路に結合された補償回路を含む。

本明細書に組み込まれて本明細書の部分を形成する添付図面は本発明の実施形態を示し、かつ本明細書と共に本発明の原理を説明するよう働く。

さて、本発明の実施形態を詳細に参照する。本発明を、これらの実施形態と共に説明するけれども、それらは、本発明をこれらの実施形態に制限するよう意図するものではないことを理解されたい。反対に、本発明は、特許請求の範囲によって限定される本発明の精神並びに範囲内に含まれ得る代替物、変更物及び等価物を包摂するよう意図されている。

さらに、本発明の以下の詳細な説明においては、本発明の全体的理解を提供するよう、多くの特定の詳細が述べられる。しかしながら、本発明は、これらの特定の詳細が無くても実効され得るということが当業者には認識されるであろう。他の場合においては、良く知られた方法、手順、構成要素、及び回路は、本発明の態様を不必要に分かり難くしないように詳細には説明しなかった。

一実施形態においては、本発明は、多数のセルのセル電圧を同時にサンプリングするために用いられる変換システムを提供する。セルを通してそれぞれ流れる電流は、セル電圧がサンプリングされているときに互いにバランスされ得る。一層詳細には、複数の変換器（例えば、電圧対電流変換器、電圧対電圧変換器、電圧対周波数変換器、電圧対温度変換器）が、複数のセルにそれぞれ並列に結合され得、それにより、複数の変換器は、複数のセルのセル電圧を、それぞれ複数のサンプリング信号（例えば、サンプリング電圧、サンプリング電流、サンプリング周波数、サンプリング温度）に同時に変換することができる。一実施形態においては、複数のサンプリング信号は、それぞれ複数のセルのセル電圧を示すことができる。さらに、補償回路が、複数のセルを通してそれぞれ流れる電流をバランスさせるために変換システムにおいて履行され得る。

図３Ａは、本発明の一実施形態による変換システム３００の例示的なブロック図を示す。変換システム３００は、複数のセル３０２＿１−３０２＿４の複数のセル電圧をそれぞれ示す複数のサンプリング信号３２２＿１−３２２＿４を発生するために複数のセル３０２＿１−３０２＿４に結合される変換回路３２０を含み得る。一実施形態においては、各サンプリング信号３２２＿１−３２２＿４のレベルは、同じ基準レベルＶｒｅｆに対している。図３Ａの例においては、４つのセル３０２＿１−３０２＿４が示されている。しかしながら、任意の数のセルが変換システム３００内に含まれ得る。

図３Ａに示されるように、変換回路３２０は、複数のセル３０２＿１−３０２＿４に並列にそれぞれ結合される複数の変換器３２０＿１−３２０＿４を含み得る。各変換器３２０＿１−３２０＿４は、複数のサンプリング信号３２２＿１−３２２＿４の対応のサンプリング信号を発生することができる。

一実施形態においては、複数のサンプリング信号３２２＿１−３２２＿４は、複数のサンプリング電流Ｉ_{３２２＿１}、Ｉ_{３２２＿２}、Ｉ_{３２２＿３}、及びＩ_{３２２＿４}であり得る。一層詳細には、一実施形態においては、各変換器３２０＿１−３２０＿４は、複数のセル３０２＿１−３０２＿４の対応のセルのセル電圧を、電流Ｉ_{３２２＿１}、Ｉ_{３２２＿２}、Ｉ_{３２２＿３}、及びＩ_{３２２＿４}に変換することができる。変換器３２０＿１−３２０＿４によって発生される複数の電流Ｉ_{３２２＿１}、Ｉ_{３２２＿２}、Ｉ_{３２２＿３}、及びＩ_{３２２＿４}は、それぞれ、複数のセル３０２＿１−３０２＿４のセル電圧を示すことができる（に比例していることができる）。もう１つの実施形態においては、複数のサンプリング信号３２２＿１−３２２＿４は、複数のサンプリング電圧であることができる。例えば、変換された電流Ｉ_{３２２＿１}、Ｉ_{３２２＿２}、Ｉ_{３２２＿３}、及びＩ_{３２２＿４}の各々は、一実施形態においては、対応の抵抗（図３Ａには示されない）によって対応の電圧に変換され得る。

変換された電流Ｉ_{３２２＿１}、Ｉ_{３２２＿２}、Ｉ_{３２２＿３}、及びＩ_{３２２＿４}は、サンプリング回路／モニタ（図３Ａには示されない）によってサンプリングされ／モニタされ得る。このようなものとして、変換システム３００は、一実施形態においては、複数のセル３０２＿１−３０２＿４のセル電圧を同時にサンプリングする／モニタするために用いられ得る。

変換された電流Ｉ_{３２２＿１}、Ｉ_{３２２＿２}、Ｉ_{３２２＿３}、及びＩ_{３２２＿４}は、また、複数のセル３０２＿１−３０２＿４の望ましくないセル状態（例えば、過充電状態、過放電状態）を検出するために比較器（または競争式[a winner-take-all]ネットワーク）に供給され得る。一実施形態においては、変換された電流Ｉ_{３２２＿１}、Ｉ_{３２２＿２}、Ｉ_{３２２＿３}、及びＩ_{３２２＿４}は、また、対応の抵抗によって電圧に変換され得、そして電圧の各々は、次に、望ましくないセル状態（例えば、過充電(over-charging)状態、過放電(over-discharging)状態）を検出するために基準電圧と比較される。従って、変換システム３００は、複数のセル３０２＿１−３０２＿４のためのバッテリ保護応用において用いられ得る。さらに、変換システム３００は、セル・バランシング・システムにおいて用いられ得る。

さらに、変換システム３００は、セル３０２＿１−３０２＿４を通してそれぞれ流れる複数の電流（Ｉ_{３０２＿１}、Ｉ_{３０２＿２}、Ｉ_{３０２＿３}、及びＩ_{３０２＿４}）をバランスさせるための変換回路３２０を介して複数のセル３０２＿１−３０２＿４の少なくとも１つのセルを通して流れる補償電流Ｉ_ＭＰ１を発生させるために変換回路３２０に結合される補償回路３３０を含み得る。一実施形態においては、補償電流Ｉ_ＭＰ１は、変換回路３２０を介して複数のセル３０２＿１−３０２＿４の少なくとも最上部のセル３０２＿４を通して流れ得る。本開示の一実施形態においては、最上部のセルは、バッテリ・パックの正の端子に最も近いセルである。長所的には、変換システム３００は、複数のセル３０２＿１−３０２＿４のためのセル電圧を同時にサンプリングすることができ、そして複数のセル３０２＿１−３０２＿４を通して流れる電流は、バランスされることができる。

図３Ｂは、本発明の一実施形態による変換システム３００’の例示的な詳細回路図を示す。図３Ａにおけるのと同じ符号を付された要素は、同じ機能を有するものであり、ここでは繰返し説明しない。図３Ｂに示されるように、変換器３２０＿２−３２０＿４の各変換器は、対応のセル（３０２＿２、３０２＿３、または３０２＿４）に並列に結合された対応の演算増幅器（３０４＿２、３０４＿３、または３０４＿４）と、対応の演算増幅器（３０４＿２、３０４＿３、または３０４＿４）及び対応のセル（３０２＿２、３０２＿３、または３０２＿４）間に結合された対応の抵抗（３０８＿２、３０８＿３、または３０８＿４）と、対応の演算増幅器（３０４＿２、３０４＿３、または３０４＿４）及び対応の抵抗（３０８＿２、３０８＿３、または３０８＿４）間に結合された対応のスイッチ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ３０６＿２、３０６＿３、または３０６＿４）とを含み得る。一実施形態においては、変換器３２０＿１は、抵抗３０８＿１及び抵抗３１４を含む。

一実施形態においては、演算増幅器３０４＿４の正の端子における電圧は、演算増幅器３０４＿４の負の端子における電圧に等しく仕向けられるので、抵抗３０８＿４の電圧は、セル３０２＿４のセル電圧Ｖ_{３０２＿４}に等しい。抵抗３０８＿４の抵抗値がＲ_３０８であると仮定すると、次に、抵抗３０８＿４を通して流れるサンプリング電流Ｉ_{３２２＿４}は、
Ｉ_{３２２＿４}＝Ｖ_{３０２＿４}／Ｒ_３０８ （１ａ）
である。同様に、抵抗３０８＿３及び３０８＿２は、同じ抵抗値Ｒ_３０８を有することができ、そして以下の式
Ｉ_{３２２＿３}＝Ｖ_{３０２＿３}／Ｒ_３０８、及び （１ｂ）
Ｉ_{３２２＿２}＝Ｖ_{３０２＿２}／Ｒ_３０８ （１ｃ）
を得ることができ、ここに、Ｖ_{３０２＿３}は、セル３０２＿３のセル電圧であり、Ｖ_{３０２＿２}は、セル３０２＿２のセル電圧である。一実施形態においては、抵抗３０８＿１の抵抗値Ｒ_{３０８＿１}と抵抗３１４の抵抗値Ｒ_３１４との合計は、Ｒ_３０８に等しいことができ、それ故、
Ｉ_{３２２＿１}＝Ｖ_{３０２＿１}／Ｒ_３０８ （１ｄ）
であり、ここに、Ｖ_{３０２＿１}は、セル３０２＿１のセル電圧である。このようなものとして、サンプリング電流Ｉ_{３２２＿１}、Ｉ_{３２２＿２}、Ｉ_{３２２＿３}、及びＩ_{３２２＿４}は、それぞれセル３０２＿１−３０２＿４のセル電圧Ｖ_{３０２＿１}、Ｖ_{３０２＿２}、Ｖ_{３０２＿３}、及びＶ_{３０２＿４}を示す（に比例している）ことができる。

一実施形態においては、各サンプリング電流Ｉ_{３２２＿１}、Ｉ_{３２２＿２}、Ｉ_{３２２＿３}、及びＩ_{３２２＿４}は、対応の抵抗（例えば、抵抗３１４と一緒に抵抗３８０＿１、抵抗３１５、３１６、または３１６）によって対応の電圧（Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、またはＶ_４）に変換され得る。従って、図３Ａに示される各サンプリング信号３２２＿１−３２２＿４は、また、対応のセル３０２＿１−３０２＿４の対応のセル電圧（Ｖ_{３０２＿１}、Ｖ_{３０２＿２}、Ｖ_{３０２＿３}、またはＶ_{３０２＿４}）に比例するサンプリング電圧（例えば、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、またはＶ_４）でもあり得る。

一実施形態においては、各サンプリング電圧Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、またはＶ_４は、同じ基準レベルＶｒｅｆに関している。従って、各サンプリング電圧Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、またはＶ_４は、バッテリの保護／管理目的のために同じ基準レベルＶｒｅｆに関してもいる基準電圧と比較され得る。結果として、多数のトリミングされた基準及びトリミングのための価格が避けられ得る。一実施形態においては、基準レベルＶｒｅｆは、接地であることができ、それ故、基準電圧Ｖｒｅｆのための１つのトリミング・プロセスだけが用いられ得る。

図３Ｂに示されるように、補償回路３３０は、少なくとも１つのサンプリング信号、例えば、サンプリング信号３２２＿１を受信しそして該受信されたサンプリング信号に従って基準電流Ｉ_ＭＰ０を発生するために変換回路３２０に結合された変換器３３８を含み得る。さらに、補償回路３３０は、基準電流Ｉ_ＭＰ０を受信しそして該基準電流Ｉ_ＭＰ０に従って補償電流Ｉ_ＭＰ１を発生するために変換器３３８に結合された電流源３４０（例えば、基準電流源、電流ミラー）を含み得る。一実施形態においては、図３Ｂに示されるように、ＭＯＳＦＥＴ３４２／３４４のゲートにおける電圧Ｖ_ＢＰは、演算増幅器３０４＿２−３０４＿４に対するバイアス電圧として使用され得る。

一層詳細には、変換器３３８は、変換器３２０＿１に結合された演算増幅器３３２と、演算増幅器３３２及び変換器３２０＿１間に結合された抵抗３３４と、抵抗３３４及び演算増幅器３３２間に結合されたスイッチ３３６（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）とを含み得る。図３Ｂの例においては、演算増幅器３３２の正の端子における電圧は、演算増幅器３３２の負の端子における電圧と等しいように仕向けられ、それ故、以下の式

が得られ得、ここに、Ｒ_３３４は、抵抗３３４の抵抗値である。従って、電流Ｉ_ＭＰ０は、

によって与えられる。一実施形態においては、電流源３４０は、電流ミラーであり得る。このようなものとして、補償電流Ｉ_ＭＰ１は、

によって与えられる。

一実施形態においては、Ｉ_{３０４＿２}、Ｉ_{３０４＿３}、及びＩ_{３０４＿４}は、それぞれ演算増幅器３０４＿２−３０４＿４の動作電流であり、Ｉ_３３２は、演算増幅器３３２の動作電流である。演算増幅器の動作電流は、一実施形態においては、演算増幅器の電源端子から演算増幅器の浮遊接地に流れる電流である。一実施形態においては、変換器３２０＿４は、上部セル３０２＿４に並列に結合された演算増幅器３０４＿４を含み得、そして演算増幅器３０４＿４の動作電流Ｉ_{３０４＿４}は、下部セル３０２＿２の正の端子に流れることができる。同様に、変換器３２０＿３は、上部セル３０２＿３に並列に結合された演算増幅器３０４＿３を含み得、そして演算増幅器３０４＿３の動作電流Ｉ_{３０４＿３}は、下部セル３０２＿１の正の端子に流れることができる。さらに、図３Ｂの例においては、補償電流Ｉ_ＭＰ１は、一実施形態においては、変換回路３２０を介して複数のセル３０２＿１−３０２＿４の上部セル３０２＿４を通して流れる。

従って、セル３０２＿１−３０２＿４を通してそれぞれ流れる電流は、

のように得られ得る。

一実施形態においては、電流Ｉ_{３０４＿３}は、電流Ｉ_{３２２＿１}に等しいように設計され得、電流Ｉ_{３０４＿４}は、電流Ｉ_{３２２＿２}に等しいように設計され得る。式（４）によれば、Ｒ_３１４＝Ｒ_３３４であるとき、電流Ｉ_ＭＰ１は、電流Ｉ_{３２２＿１}に等しいことができる。一実施形態においては、セル電圧Ｖ_{３０２＿１}、Ｖ_{３０２＿２}、Ｖ_{３０２＿３}、及びＶ_{３０２＿４}が、同じ電圧Ｖ_３０２に等しいならば、サンプリング電流Ｉ_{３２２＿１}、Ｉ_{３２２＿２}、Ｉ_{３２２＿３}、及びＩ_{３２２＿４}は、同じ電流Ｉ_３２２（Ｉ_３２２＝Ｖ_３０２／Ｒ_３０８）に等しいことができる。式（５ａ）、（５ｂ）、（５ｃ）、及び（５ｄ）によれば、

が得られ得る。結果として、セル３０２＿１−３０２＿４を通してそれぞれ流れる電流Ｉ_{３０２＿１}、Ｉ_{３０２＿２}、Ｉ_{３０２＿３}、及びＩ_{３０２＿４}は、互いにバランスされ得る。長所的には、補償電流Ｉ_ＭＰ１は、少なくとも１つのサンプリング信号（例えば、サンプリング電流Ｉ_{３２２＿１}）に比例することができる。動作電流Ｉ_{３０４＿４}は、セル３０２＿２のセル電圧Ｖ_{３０２＿２}に比例することができる。動作電流Ｉ_{３０４＿３}は、セル３０２＿１のセル電圧Ｖ_{３０２＿１}に比例することができる。一実施形態においては、動作電流Ｉ_{３０４＿２}は、電流Ｉ_３２２に等しいように設計され得るが、それに制限されるものではない。

図３Ｂの例においては、補償回路３３０は、上部のセル３０２＿４を通して流れる１つの補償電流Ｉ_ＭＰ１を発生することができる。しかしながら、セルの数及び異なった適用に依存して、複数の補償電流も、また、複数のセルを通してそれぞれ流れる電流をバランスさせるために補償回路３３０によって発生され得る。例えば、補償回路３３０は、一実施形態においては、上部の２つのセルを通して流れる補償電流を発生することができる。

一実施形態においては、電流源３４０は、幅／長さ比Ｗ_１／Ｌ_１を有するＭＯＳＦＥＴ３４２と、幅／長さ比Ｗ_０／Ｌ_０を有するＭＯＳＦＥＴ３４４と、を含む基準電流源であることができる。基準電流源３４０は、Ｋ^＊Ｉ_ＭＰ０に等しい補償電流Ｉ_ＭＰ１（Ｉ_ＭＰ１＝Ｋ^＊Ｉ_ＭＰ０）を出力することができる。パラメータＫは、Ｗ_１／Ｌ_１及びＷ_０／Ｌ_０によって定義され得る。このようなものとして、式（４）によれば、以下の式

が得られ得る。従って、Ｋ^＊Ｒ_３１４／Ｒ_３３４＝１のとき、補償電流Ｉ_ＭＰ１は、また、一実施形態においては、基準電流源３４０のパラメータを調節することによって、Ｉ_{３２２＿１}に等しくあることもできる。

図４は、本発明の一実施形態による、変換システム３００’によって行われる動作の例示的なフローチャート４００を示す。図４は、図３Ａ及び図３Ｂと組み合わせて説明される。

ブロック４０２において、複数のセル３０２＿１−３０２＿４の複数のセル電圧（Ｖ_{３０２＿１}、Ｖ_{３０２＿２}、Ｖ_{３０２＿３}、及びＶ_{３０２＿４}）を示す複数のサンプリング信号３２２＿１−３２２＿４がそれぞれ発生され得る。一実施形態においては、各サンプリング信号３２２＿１−３２２＿４は、同じ基準レベルＶｒｅｆに関している。例えば、基準レベルＶｒｅｆは、接地であることができる。

一層詳細には、サンプリング信号３２２＿１−３２２＿４は、セル３０２＿１−３０２＿４にそれぞれ並列に結合された複数の変換器３２０＿１−３２０＿４によって発生され得る。一実施形態においては、各サンプリング信号３２２＿１−３２２＿４は、複数のセル電圧（Ｖ_{３０２＿１}、Ｖ_{３０２＿２}、Ｖ_{３０２＿３}、及びＶ_{３０２＿４}）の対応のセル電圧に比例するサンプリング電圧（例えば、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、またはＶ_４）を含む。各サンプリング電圧（例えば、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、またはＶ_４）は、基準レベルＶｒｅｆにも関している少なくとも１つの基準電圧と比較され得る。

ブロック４０４においては、複数のセル３０２＿１−３０２＿４の少なくとも１つのセル（例えば、上部のセル３０２＿４）を通して流れる補償電流Ｉ_ＭＰ１は、少なくとも１つのサンプリング信号に従って発生され得る。例えば、基準電流Ｉ_ＭＰ０は、サンプリング信号３２２＿１に従って発生され得、そして補償電流Ｉ_ＭＰ１は、一実施形態においては、基準電流Ｉ_ＭＰ０に従って複数のセル３０２＿１−３０２＿４に結合される電流源３４０によって発生され得る。

一実施形態においては、複数の変換器３２０＿１−３２０＿４の１つの変換器は、複数のセル３０２＿１−３０２＿４の上部のセルに並列に結合された演算増幅器を含み得、そして演算増幅器の動作電流は、複数のセル３０２＿１−３０２＿４の下部のセルの正の端子に流れることができる。上述の動作電流は、上述の下部のセルのセル電圧に比例することができる。さらに、上述の補償電流Ｉ_ＭＰ１は、補償回路３３０によって受信されるサンプリング信号（例えば、サンプリング信号３２２＿１）に比例することができる。それ故、ブロック４０６において説明するように、複数のセルを通してそれぞれ流れる複数の電流は、一実施形態においては、補償電流Ｉ_ＭＰ１によってバランスされることができる。

図５は、本発明の一実施形態によるバッテリ管理システム５００の例示的なブロック図を示す。図３Ａ及び図３Ｂにおけるのと同じラベルが付された要素は、同様の機能を有し、ここでは繰返し説明しないであろう。

図５に示されるように、バッテリ管理システム５００は、変換回路３２０、補償回路３３０及びプロセッサ５０８を含む。一実施形態においては、プロセッサ５０８は、複数のサンプリング信号３２２＿１−３２２＿４を受信し、そしてセル３０２＿１−３０２＿４を制御するためにサンプリング信号３２２＿１−３２２＿４に従って制御信号（例えば、５１８、５２２、５２４、等）を発生することができる。電源５０２（例えば、アダプタ）は、複数のセル３０２＿１−３０２＿４を充電するために、及び／または、負荷５０４（例えば、システム負荷）を付勢するために用いられ得る。負荷５０４は、また、セル３０２＿１−３０２＿４によっても付勢され得る。

一実施形態においては、もし電源５０２（例えば、アダプタ）が利用可能であるならば、電源５０２は、複数のセル３０２＿１−３０２＿４を充電するために、及び／または、システム負荷５０４を付勢するために用いられ得る。電源５０２が複数のセル３０２＿１−３０２＿４を充電しているとき、プロセッサ５０８は、サンプリング信号３２２＿１−３２２＿４を受信することによって、セル３０２＿１−３０２＿４の状況を監視することができる。もし、望ましくない状態（例えば、バッテリの過充電状態）が監視されたならば、プロセッサ５０８は、バッテリ保護の目的で充電スイッチ５１２をターン・オフするよう制御信号５２２を発生することができる。

もう１つの実施形態においては、もし電源５０２が利用可能でないならば、システム負荷５０４は、セル３０２＿１−３０２＿４によって付勢され得る。一実施形態においては、複数のセル３０２＿１−３０２＿４がシステム負荷５０４を付勢するために用いられるとき、プロセッサ５０８は、サンプリング信号３２２＿１−３２２＿４を受信することによって複数のセル３０２＿１−３０２＿４の状況を監視することができる。もし、望ましくない状態（例えば、バッテリの過充電状態）が監視されたならば、プロセッサ５０８は、バッテリ保護の目的で充電スイッチ５１４をターン・オフするよう制御信号５２４を発生することができる。

さらに、もし、セル３０２＿１−３０２＿４の中にセル電圧のアンバランスの状態がプロセッサ５０８によって監視されるならば、プロセッサ５０８は、一実施形態においては、セル３０２＿１−３０２＿４のセル電圧のバランスを制御するために制御信号５１８を発生することができる。一実施形態においては、もし、すべてのセル３０２＿１−３０２＿４が充分に充電されたならば、制御信号５１８は、また、バッテリ充電を終了させるために用いられることもできる。

従って、本発明は、複数のセルの複数のセル電圧を複数のサンプリング信号に同時に変換することができる変換システムを提供する。長所的には、セルを通してそれぞれ流れる電流は、互いにバランスされることができる。一実施形態においては、変換システムは、多くの応用において、例えば、バッテリ管理システム、セル電圧サンプリング／モニタリング・システム、バッテリ充電／放電システム、及びバッテリ保護システム、において用いられることができる。

上述の説明及び図面は、本発明の実施形態を表しているけれども、それにおいて、種々の追加、変更及び置き換えが、添付図面に限定された本発明の原理の精神及び範囲から逸脱することなく行われ得る。当業者は、本発明の原理から逸脱することなく、本発明が、形態、構造、配列、比例、材料、素子、及び構成要素の多くの変更と共に用いられ得、そうでなければ、特定の環境及び動作要件に特に適合された本発明の履行において用いられ得るということを理解するであろう。現在開示した実施形態は、従って、あらゆる観点において、説明のためのものとして考慮されるべきであり、制限するためのものとしては考慮されるべきではなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲並びにそれらの合法的等価物によって示されるものであり、前述の説明に制限されるものではない。

従来技術による電圧対電圧変換回路を示すブロック図である。 従来技術による電圧対電流変換回路を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による変換システムを示す例示的なブロック図である。 本発明の一実施形態による変換システムを示す例示的な詳細回路図である。 本発明の一実施形態による、変換システムによって行われる動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態によるバッテリ管理システムを示す例示的なブロック図である。

符号の説明

３００ 変換システム
３０２＿１−３０２＿４ 複数のセル
３０４＿２、３０４＿３、３０４＿４ 演算増幅器
３０６＿２、３０６＿３、３０６＿４ スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）
３０８＿１−３０８＿４ 抵抗
３１４ 抵抗
３２０ 変換回路
３２０＿１−３２０＿４ 複数の変換器
３３０ 補償回路

Claims (27)

1. 複数のセルの複数のセル電圧をそれぞれ示す複数のサンプリング信号を発生するために複数のセルに結合された変換回路であって、前記複数のサンプリング信号の各サンプリング信号のレベルは、同じ基準レベルに関している、前記変換回路と、
   前記複数のセルを通してそれぞれ流れる複数の電流をバランスさせるために前記変換回路を介して前記複数のセルの少なくとも１つのセルを通して流れる補償電流を発生するために前記変換回路に結合される補償回路と、
   を備えた変換システム。
2. 前記補償電流は、前記変換回路を介して前記複数のセルの少なくとも上部のセルを通して流れる請求項１に記載の変換システム。
3. 前記補償回路は、
   前記複数のサンプリング信号の少なくとも１つのサンプリング信号を受信するために、かつ、前記少なくとも１つのサンプリング信号に従って基準電流を発生するために、前記変換回路に結合された変換器と、
   前記基準電流を受信するために、かつ、前記基準電流に従って前記補償電流を発生するために、前記変換器に結合された電流源と、
   を備える請求項１に記載の変換システム。
4. 前記補償電流は、前記少なくとも１つのサンプリング信号に比例する請求項３に記載の変換システム。
5. 前記変換回路は、前記複数のセルにそれぞれ並列に結合された複数の変換器を備え、前記複数の変換器の各変換器は、前記複数のサンプリング信号の対応のサンプリング信号を発生する請求項１に記載の変換システム。
6. 前記複数の変換器の１つの変換器は、前記複数のセルの上部のセルに並列に結合された演算増幅器を備え、前記演算増幅器の動作電流は、前記複数のセルの下部のセルの正の端子に流れる請求項５に記載の変換システム。
7. 前記動作電流は、前記下部のセルのセル電圧に比例する請求項６に記載の変換システム。
8. 前記複数のサンプリング信号の各サンプリング信号は、前記複数のセル電圧の対応のセル電圧に比例するサンプリング電圧を含む請求項１に記載の変換システム。
9. 前記サンプリング電圧は、前記同じ基準レベルに関している基準電圧と比較される請求項８に記載の変換システム。
10. 前記同じ基準レベルは、接地である請求項１に記載の変換システム。
11. 複数のセルの複数のセル電圧をサンプリングするための方法であって、
    それぞれ前記複数のセル電圧を表わす複数のサンプリング信号を発生するステップであって、前記複数のサンプリング信号の各サンプリング信号のレベルは、同じ基準レベルに関しているものである、ステップと、
    前記複数のサンプリング信号の少なくとも１つのサンプリング信号に従って前記複数のセルの少なくとも１つのセルを通して流れる補償電流を発生するステップと、
    前記補償電流によって前記複数のセルを通してそれぞれ流れる複数の電流をバランスさせるステップと、
    を含む方法。
12. 前記少なくとも１つのサンプリング信号に従って基準電流を発生するステップと、
    前記基準電流に従って前記複数のセルに結合された電流源によって前記補償電流を発生するステップと、
    をさらに含む請求項１１に記載の方法。
13. 前記補償電流は、前記少なくとも１つのサンプリング信号に比例する請求項１１に記載の方法。
14. 前記複数のセルに並列にそれぞれ結合された複数の変換器によって前記複数のサンプリング信号を発生するステップをさらに含む請求項１１に記載の方法。
15. 前記複数の変換器の１つの変換器は、前記複数のセルの上部のセルに並列に結合された演算増幅器を備え、前記演算増幅器の動作電流は、前記複数のセルの下部のセルの正の端子に流れる請求項１４に記載の方法。
16. 前記動作電流は、前記下部のセルのセル電圧に比例する請求項１５に記載の方法。
17. 前記複数のサンプリング信号の各サンプリング信号は、前記複数のセル電圧の対応のセル電圧に比例するサンプリング電圧を含む請求項１１に記載の方法。
18. 前記サンプリング電圧を、前記同じ基準レベルに関している基準電圧と比較するステップをさらに含む請求項１７に記載の方法。
19. 前記同じ基準レベルは、接地である請求項１１に記載の方法。
20. バッテリ管理システムであって、
    複数のセルの複数のセル電圧をそれぞれ示す複数のサンプリング信号を発生するために複数のセルに結合された変換回路であって、前記複数のサンプリング信号の各サンプリング信号のレベルは、同じ基準レベルに関している、前記変換回路と、
    前記複数のセルを通してそれぞれ流れる複数の電流をバランスさせるために前記変換回路を介して前記複数のセルの少なくとも１つのセルを通して流れる補償電流を発生するために前記変換回路に結合される補償回路と、
    前記複数のサンプリング信号を受信するための、かつ、前記複数のセルを制御するために前記複数のサンプリング信号に従って制御信号を発生するためのプロセッサと、
    を備えたバッテリ管理システム。
21. 前記補償電流は、前記変換回路を介して前記複数のセルの少なくとも上部のセルを通して流れる請求項２０に記載のバッテリ管理システム。
22. 前記補償回路は、
    前記複数のサンプリング信号の少なくとも１つのサンプリング信号を受信するために、かつ、前記少なくとも１つのサンプリング信号に従って基準電流を発生するために、前記変換回路に結合された変換器と、
    前記基準電流を受信するために、かつ、前記基準電流に従って前記補償電流を発生するために、前記変換器に結合された電流源と、
    を備える請求項２０に記載のバッテリ管理システム。
23. 前記変換回路は、前記複数のセルにそれぞれ並列に結合された複数の変換器を備え、前記複数の変換器の各変換器は、前記複数のサンプリング信号の対応のサンプリング信号を発生する請求項２０に記載のバッテリ管理システム。
24. 前記複数の変換器の１つの変換器は、前記複数のセルの上部のセルに並列に結合された演算増幅器を備え、前記演算増幅器の動作電流は、前記複数のセルの下部のセルの正の端子に流れる請求項２３に記載のバッテリ管理システム。
25. 前記動作電流は、前記下部のセルのセル電圧に比例する請求項２４に記載のバッテリ管理システム。
26. 前記複数のサンプリング信号の各サンプリング信号は、前記複数のセル電圧の対応のセル電圧に比例するサンプリング電圧を含む請求項２０に記載のバッテリ管理システム。
27. 前記サンプリング電圧は、前記同じ基準レベルに関している基準電圧と比較される請求項２６に記載のバッテリ管理システム。

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