JP5073760B2 - ガルバニック絶縁充電平衡システム - Google Patents

Description

本発明は、ガルバニック絶縁充電平衡システムに関する。

バッテリーを長持ちさせるための一手法に、複数のセルのすべてを平衡させるようにバッテリーの１つ以上のセルを放電する（受動的）充電平衡化回路がある。典型的に、これは、各セルからの漏れ電流を個々に制御することによってなされる。例えば、トランジスタスイッチ及び直列抵抗器が、各セルと並列に配置される。スイッチは、関連するセルの過充電に応じて、所定時間だけターンオンする。例えば、過充電が大きいほど、スイッチは放電を持続するように長時間保持される。このことに対する欠点の１つが、マルチセルバッテリーにおいて、ただ１つのセル又は少数のセルが充電不足となった場合に、複数のセルのうちの多数側を少数の充電不足のセルの充電レベルへと下げるように放電するという非効率性である。別の（能動的）手法は、充電を行うことであり、例えば、フライングコンデンサを介して、充電不足の１つ又は少数のセルに充電を行って、それらを他のセルの充電レベルへと上昇させる。これには、充電不足となった複数のセルに選択的に充電を行うために、複雑なスイッチ行列が必要となる。

米国特許出願第１１／００５６０８号明細書

したがって、この発明の目的は、改良されたガルバニック絶縁充電平衡システムを提供することにある。

この発明のさらなる目的は、充電平衡化のためにオン−オフ及び／又は線形制御を用いることが可能な、上記の改良されたガルバニック絶縁充電平衡システムを提供することにある。

本発明は、改良された、能動的又は受動的に動作する（充電又は放電を行う）マルチセルバッテリー用ガルバニック絶縁充電平衡システムが、ガルバニック絶縁ＭＥＭＳスイッチを用いて実現されることによって成る。ＭＥＭＳスイッチは、フライングコンデンサを電圧供給源とバイアス回路とに選択的に接続する。電圧供給源に接続された場合には、関連するセルが所定の電圧に充電される。バイアス回路に接続された場合には、関連するセルの充電状態を所定のレベルに調整するように、可変コンダクタンススイッチが設定される。

しかしながら、発明の要旨は、他の実施形態において、それらすべての目的を達成する必要はなく、特許請求の範囲は、それらの目的を達成可能な構成又は方法に限定されるべきではない。

この発明は、バッテリーの各セルに関連した平衡化回路を具備するガルバニック絶縁充電平衡システムを特徴とする。各平衡化回路は、フライングコンデンサと、可変コンダクタンススイッチとを具備する。また、可変コンダクタンススイッチのためのバイアス回路と、ガルバニック絶縁ＭＥＭＳスイッチングデバイスとがある。ＭＥＭＳスイッチングデバイスは、フライングコンデンサを電圧供給源とバイアス回路とに選択的に接続する。電圧供給源に接続された場合、フライングコンデンサは所定の電圧に充電される。バイアス回路に接続された場合、関連するセルの充電状態を所定のレベルに調整するように、可変コンダクタンススイッチを設定する。

好適な実施形態において、可変コンダクタンススイッチは、トランジスタであってよい。トランジスタは、ＭＯＳＦＥＴであってよい。バイアス回路は、コンデンサであってよい。所定の電圧は、セルを所定のレベルに放電するために、可変コンダクタンススイッチを設定してよい。所定の電圧は、セルを充電するために、又は充電されるセルが所定のレベルとなるように、可変コンダクタンススイッチを設定してもよい。所定の電圧は、外部電流供給源の電流レベルのうちの所定の割合である電流レベルでセルを所定のレベルに充電するように、可変コンダクタンススイッチを設定してもよい。

また、本発明は、マルチセルバッテリーの各セルに関連した平衡化回路を具備するガルバニック絶縁充電平衡システムを特徴とする。各平衡化回路は、フライングコンデンサと、可変コンダクタンススイッチと、該可変コンダクタンススイッチのためのバイアス回路とを具備する。ガルバニック絶縁ＭＥＭＳスイッチングデバイスは、フライングコンデンサを電圧供給源とバイアス回路とに選択的に接続する。電圧供給源に接続された場合、フライングコンデンサは所定の電圧に充電される。バイアス回路に接続された場合、関連するセルを所定のレベルに放電するように、可変コンダクタンススイッチが設定される。

また、本発明は、マルチセルバッテリーの各セルに関連した平衡化回路を具備するガルバニック絶縁充電平衡システムを特徴とする。各平衡化回路は、フライングコンデンサと、可変コンダクタンススイッチと、該可変コンダクタンススイッチのためのバイアス回路とを具備する。ガルバニック絶縁ＭＥＭＳスイッチングデバイスは、フライングコンデンサを電圧供給源とバイアス回路とに選択的に接続する。電圧供給源に接続された場合、フライングコンデンサは所定の電圧に充電される。バイアス回路に接続された場合、関連するセルを所定のレベルに充電するように、可変コンダクタンススイッチが設定される。

その他の目的、特徴、及び利点は、好適な実施形態の以下の記載と添付の図面とから、当業者に明らかとなる。

この発明によるガルバニック絶縁充電平衡システムの構成図である。 図１のシステムをより詳細に示した図である。 追加的なセル及び関連する回路を示した、図２と同様の図である。 隣接する複数のチップ又はシングルチップ上のＭＥＭＳデバイス及び信号調整回路を示した概略図である。

好適な実施形態又は以下に記載の実施形態のほかにも、この発明は、他の複数の実施形態となってよく、かつさまざまな方法で実施又は実行されてよい。故に、当然のことながら、本発明は、その出願において、以下に記載された又は図面に示された詳細な構造及び要素の構成に限定されない。明細書中に１つの実施形態しか記載されていなかったとしても、特許請求の範囲は、その実施形態に限定されない。さらに、特許請求の範囲は、ある除外、制限、又は限定修正を表す明白かつ納得のできる根拠がある場合を除き、限定的に解釈されない。

図１には、ガルバニック絶縁信号調整システム１０が示されている。信号調整システム１０は、信号調整回路１２と、フライングコンデンサ１８及びホールドコンデンサ１６と並んだＭＥＭＳデバイス１４とを具備し、図示されていない多数のバッテリーセルのうちの１つのバッテリーセル２０に対して機能する。また、図１には、この発明によるガルバニック絶縁充電平衡システム２２が示されている。充電平衡システム２２は、ＭＥＭＳデバイス２４と、フライングコンデンサ２６と、バイアス回路２８と、可変コンダクタンススイッチ３０とを具備する。図１には、１つの信号調整システム１０及び１つの充電平衡システム２２と一緒に、１つのセル２０だけしか示されていないが、典型的に、多数のセルは、自身に関連したこの発明によるガルバニック絶縁信号調整システム及びガルバニック絶縁充電平衡システムをそれぞれ具備する。信号調整回路は、特に、アナログ−デジタル変換部３２と、デジタル−アナログ変換部３４とを具備し、また、制御部３６として示される。

動作中、ＭＥＭＳ１４は、バッテリーセル２０からのセル電圧に代表されるような所定の電圧に、フライングコンデンサ１８を充電し、次いで、フライングコンデンサ１８を切り換えて、ホールドコンデンサ１６を充電する。次いで、ホールドコンデンサ１６上の電圧は、ＡＤＣ ３２と、信号調整回路１２を介して参照符号３６で示されたような制御部とに供給される。各セルはホールドコンデンサ１６に電圧を印加するために使用されるが、制御部３６は、そのセルの充電量を判断するために、ＡＤＣ ３２を監視する。このようにして、制御部３６は、複数のバッテリーセルのそれぞれの電圧を監視するとともに、それぞれの充電状態を判断する。複数のバッテリーセルのすべての充電状態を平衡化するために、制御部３６は、予め選択された充電レベル未満のセルに充電を行うように能動的に動作するか、又は、予め選択されたレベルを超えたバッテリーセルを消耗（ドレイン）又は放電するように能動モードで動作するかのいずれかを行うことができる。

この発明によるガルバニック絶縁充電平衡システム２２は、どちらの場合にも適用できる。例えば、制御部３６は、受動モードで動作しており、かつ全バッテリーセルは、バッテリーセル２０のそれよりも低い所定のレベルにあるとする。したがって、バッテリーセル２０は、そのより低い予め選択されたレベルに放電される。この場合、制御部３６は、フライングコンデンサ２６に所定の電圧を与えるように、ＤＡＣ ３４に命令する。フライングコンデンサ２６は、バイアス回路２８に作用するＭＥＭＳデバイス２４によって切り換えられたとき、可変コンダクタンススイッチ３０に、セル２０を所定のレベルに減少させるためにセル２０から過不足なく充電量が消耗するようにさせる。好適な実施形態によれば、可変コンダクタンススイッチ３０は、リニアスイッチである。すなわち、可変コンダクタンススイッチ３０は、オン及びオフ状態だけではなく、オンとオフとの間のさまざまな導通レベルを有する。実際には、所定のレベル以上となる多数のセルが存在することがあり、それらは、予め選択されたレベルを超えた異なるレベルとなる。フライングコンデンサ２６に適用される必要とされる調整及び要求された所定の合成電圧は、設計事項であって、制御部３６の管理下にある。それらは、この発明の一部分をなさない。

あるいは、能動モードにおいて、１つのバッテリーセル２０だけが予め選択されたレベルの充電状態未満であるとしたとき、ＤＡＣ３４は、フライングコンデンサ２６に電圧を与えるように命令される。フライングコンデンサ２６は、バイアス回路２８に印加されたとき、可変コンダクタンススイッチ３０に、バッテリーセル２０に交わる導電路を生成させる。導電路は、バッテリー列内で互いのバッテリーセルに交わる複数の導電路より少ない。典型的に、これは、制御部３６によって実行され、電流供給源４２に接続するようにスイッチ４０の状態を変更する。例えば、この電流供給源は、バッテリーセル２０にライン４４上の１つの増幅充電電流を与えてよく、すべてのバッテリーセルは、電流供給源と直列に接続される。そして、ＤＡＣ３４は、例えば、可変コンダクタンススイッチ３０が完全にオフとなるように、フライングコンデンサ２６に電圧を与えてよい。このとき、全充電電流がバッテリーセル２０に流れ、同時に、他のすべてのバッテリーセルに印加される電圧が、それらの可変コンダクタンススイッチに、可変コンダクタンススイッチを通過する電流のうちの３％を遮断させる。残りの９７％だけが、それら各自のバッテリーセルを通過する。このようにして、バッテリーセル２０は、要求された充電レベルに達するように、残りのバッテリーセルよりも高速に充電される。所定の電圧は、セルを所定のレベルに充電するように、可変コンダクタンススイッチを設定してよい。所定のレベルは、外部電流供給源のレベルのうちの所定の割合である。

図２に、図１のシステムをより詳細に示す。図から、ＭＥＭＳデバイス１４が２つのＭＥＭＳスイッチ１５，１７を具備し、かつＭＥＭＳデバイス２４がＭＥＭＳスイッチ２３，２５を具備することが見て取れる。このとき、バイアス回路２８は、コンデンサ５０と、可変コンダクタンススイッチ３０とを具備する。可変コンダクタンススイッチ３０は、ＣＭＯＳトランジスタ５２と、電流制限抵抗器５４とを具備する。

図３には、その構造が単純に反復される多数のバッテリーセル２０〜２０ｎを用いること、複数のバッテリーセルから出力電圧を供給するために、同一のホールドコンデンサ１６を用い、かつフライングコンデンサ２６〜２６ｎに入力電圧を供給するために、同一のＤＡＣ ３４を用いることが示されている。図４には、本発明のうちの一実施形態の物理的構造が示されている。ここで、信号調整回路１２及びＭＥＭＳスイッチングデバイス１４，２４は、ＳＯＩチップなどの単一チップ５８上にマウントされているか、又は、それらは、互いに隣接し、かつワイヤボンドによって相互に接続された、ＣＭＯＳチップ６０上に形成された信号調整回路１２と、ＳＯＩチップ６２上に形成されたＭＥＭＳスイッチ１４，２４とを用いた２つのチップ６０，６２であってもよい。ガルバニック絶縁信号調整システム及びＭＥＭＳ構造のより詳細な開示は、同一出願人によって２００４年１２月６日に出願され、同一の譲渡人を有する米国特許出願第１１／００５，６０８号に示される。この引用によって、その全内容が本明細書に組み込まれる。

本発明の具体的な特徴がいくつかの図に示され、かついくつかは示されなかったが、これは、便宜上のことであり、各特徴は、発明によるいくつかの又はすべての他の特徴と組み合わされてよい。明細書中で使用された用語「具備する、有する（including，comprising，having，with）」は、広範かつ包括的に解釈され、いかなる物理的相互接続にも限定されない。さらに、本出願に開示された実施形態だけが実現可能な実施形態であると受け取ってはならない。

さらに、この特許に対し、特許出願審査の間に提出されたあらゆる補正は、以下のような出願の形で提出されたあらゆる請求項の権利範囲の放棄を意図しない。すなわち、当業者はすべての考えうる均等物を完全に包含する特許請求の範囲を作成することを合理的に予期できないこと、多くの均等物は、補正の時点では予測不可能であり、（どちらかと言えば）何を放棄すべきかの正しい解釈を越えること、補正の根拠は、多数の均等物とのわずかな関係しか有さないこと、及び／又は、出願人が補正された任意の請求項に対するある実質的でない置換を記載することを予期できない多くの理由が存在することは明らかである。

その他の実施形態が当業者によって想起される。それらは添付の特許請求の範囲内にある。

１０ ガルバニック絶縁信号調整システム
１２ 信号調整回路
１４，２４ ＭＥＭＳデバイス
１５，１７，２３，２５ ＭＥＭＳスイッチ
１６ ホールドコンデンサ
１８，２６ フライングコンデンサ
２０ バッテリーセル
２２ ガルバニック絶縁充電平衡システム
２８ バイアス回路
３０ 可変コンダクタンススイッチ
３２ アナログ−デジタル変換部（ＡＤＣ）
３４ デジタル−アナログ変換部（ＤＡＣ）
３６ 制御部
４０ スイッチ
４２ 電流供給源
４４ ライン
５０ コンデンサ
５２ ＣＭＯＳトランジスタ
５４ 電流制限抵抗器
５８ シングルチップ
６０ ＣＭＯＳチップ
６２ ＳＯＩチップ

Claims (9)

1. マルチセルバッテリー用ガルバニック絶縁充電平衡システムであって、
   各セルに関連した平衡化回路と、
   ガルバニック絶縁ＭＥＭＳスイッチングデバイスと
   を具備し、
   各平衡化回路は、フライングコンデンサと、可変コンダクタンススイッチと、該可変コンダクタンススイッチのためのバイアス回路とを具備し、
   前記ガルバニック絶縁ＭＥＭＳスイッチングデバイスは、前記フライングコンデンサを電圧供給源と前記バイアス回路とに選択的に接続し、
   前記電圧供給源に接続された場合、前記フライングコンデンサは所定の電圧に充電され、
   前記バイアス回路に接続された場合、関連するセルの充電状態を所定のレベルに調整するように、前記可変コンダクタンススイッチが設定されることを特徴とするガルバニック絶縁充電平衡システム。
2. 前記可変コンダクタンススイッチがトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載のガルバニック絶縁充電平衡システム。
3. 前記トランジスタがＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項２に記載のガルバニック絶縁充電平衡システム。
4. 前記バイアス回路がコンデンサであることを特徴とする請求項１に記載のガルバニック絶縁充電平衡システム。
5. 前記所定の電圧が、前記セルを前記所定のレベルに放電するように、前記可変コンダクタンススイッチを設定することを特徴とする請求項１に記載のガルバニック絶縁充電平衡システム。
6. 前記所定の電圧が、前記セルを前記所定のレベルに充電するように、前記可変コンダクタンススイッチを設定することを特徴とする請求項１に記載のガルバニック絶縁充電平衡システム。
7. 前記所定の電圧が、外部電流供給源の電流レベルのうちの所定の割合である電流レベルで前記セルを前記所定のレベルに充電するように、前記可変コンダクタンススイッチを設定することを特徴とする請求項１に記載のガルバニック絶縁充電平衡システム。
8. マルチセルバッテリー用ガルバニック絶縁充電平衡システムであって、
   各セルに関連した平衡化回路と、
   ガルバニック絶縁ＭＥＭＳスイッチングデバイスと
   を具備し、
   各平衡化回路は、フライングコンデンサと、可変コンダクタンススイッチと、該可変コンダクタンススイッチのためのバイアス回路とを具備し、
   前記ガルバニック絶縁ＭＥＭＳスイッチングデバイスは、前記フライングコンデンサを電圧供給源と前記バイアス回路とに選択的に接続し、
   前記電圧供給源に接続された場合、前記フライングコンデンサは所定の電圧に充電され、
   前記バイアス回路に接続された場合、関連するセルを所定のレベルに放電するように、前記可変コンダクタンススイッチが設定されることを特徴とするガルバニック絶縁充電平衡システム。
9. マルチセルバッテリー用ガルバニック絶縁充電平衡システムであって、
   各セルに関連した平衡化回路と、
   ガルバニック絶縁ＭＥＭＳスイッチングデバイスと
   を具備し、
   各平衡化回路は、フライングコンデンサと、可変コンダクタンススイッチと、該可変コンダクタンススイッチのためのバイアス回路とを具備し、
   前記ガルバニック絶縁ＭＥＭＳスイッチングデバイスは、前記フライングコンデンサを電圧供給源と前記バイアス回路とに選択的に接続し、
   前記電圧供給源に接続された場合、前記フライングコンデンサは所定の電圧に充電され、
   前記バイアス回路に接続された場合、関連するセルを所定のレベルに充電するように、前記可変コンダクタンススイッチが設定されることを特徴とするガルバニック絶縁充電平衡システム。

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