JP5435124B2 - 再充電可能なバッテリスタックの電力管理回路 - Google Patents

Description

本願は、２００９年４月３日提出の米国仮特許出願第６１／１６６，５９０号明細書の恩恵を請求する。上述の出願の開示の全体を参照としてここに組み込む。

本開示は、再充電可能なバッテリに係り、より詳しくは、再充電可能なバッテリスタックのための電力管理回路に係る。

ここに記載する背景技術は、一般的に開示のコンテキストを提示する意図を有する。背景技術に示される現在の発明者の業績の範囲、および、さもなくば、出願時に先行技術としての資格を持たない記載の側面は、本開示に対する先行技術として明示的でも、暗示的にでも自認したものではない。

再充電可能なバッテリは、数多くの用途で利用される。用途には、可搬型の電子デバイスから工業製品まで多岐にわたる。例えば、可搬型の電子デバイスは、携帯電話、カメラ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ラップトップコンピュータ、およびノートブックコンピュータを含みうる。工業製品には、フォークリフト、ハイブリッド電気自動車、医療機器、および、無停電電源装置が含まれてよい。

再充電可能なバッテリは通常、異なる化学技術を利用して、異なる出力電圧を生成する電池を含む。例えば、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）およびニッケル金属水素（ＮｉＭＨ）電池は、１．２ボルト（１．２Ｖ）の出力電圧を生成する。リチオムイオン電池は、３．６Ｖから３．９Ｖの範囲の出力電圧を生成する。

単一の電池が生成する出力電圧より大きい電圧を利用する用途のほうが多い。従って、複数の電池のバッテリスタックを利用して、単一の電池が生成する電圧より大きい出力電圧を生成することができる。例えば、２つの電池を含むバッテリスタックは、幾つかの可搬型電子デバイスに電力を供給することができる出力電圧を生成することができる。数百の電池を含むバッテリスタックであれば、電気自動車数台に電力供給することができる出力電圧を生成することができる。

概して、バッテリの電池は、予め定められた電荷量を蓄積する容量を有する。この容量のことを、電池の定格容量と称する場合がある。任意の時点で電池に残存している電荷量は、その電池の電荷の状態で表すことができる。電池は、その最大容量（例えば定格容量）まで充電されると、完全に充電された状態となる。逆に、最小の容量まで放電されると、電池は完全に放電された状態となる。電池の出力電圧は、電池の電荷の状態の関数である。

電池は、その定格容量に従って電荷を蓄積できない場合がある。つまり電池は、定格容量未満の電荷を蓄積する場合がある。電池は、自身の定格容量に従って電荷を蓄積する能力に応じて、弱い電池、または、強い電池と称される場合がある。

例えば、強い電池は、完全に充電されると、その定格容量に略等しくなるまで電荷を蓄積することができる。逆に、弱い電池は、完全に充電されても、その定格容量に略等しくなるまで電池を蓄積することができない。弱い電池は、完全に充電されても、蓄積できる電荷は、その定格容量を大幅に下回る。

電池がバッテリスタックに直列接続されると、充放電時で、同じ量の電流が電池内を流れる。充電中に、弱い電池は、強い電池よりも速く充電可能であり、強い電池よりも前に完全充電される。弱い電池の出力電圧は、強い電池より前に最大定格値に達する。弱い電池は、強い電池を完全に充電する程度にまで充電が続けられると過充電になってしまう。弱い電池の出力電圧は、弱い電池が過充電されると最大定格値を超える。

放電中には、弱い電池は、強い電池より速く放電し、強い電池よりも早く完全に放電する。弱い電池の出力電圧は、強い電池より早く最大定格値から低下する。強い電池は、強い電池が完全に放電される程度にまで放電を続けると、逆に充電（reverse charge）されてしまうことがある。

頻繁に過充電、逆充電（reverse charging）を繰り返すことで、電池の充電−再充電可能回数に悪影響が及ぼされる。殆どの電池には、充電−再充電可能回数に制限が課されている。例えば、鉛蓄電池の充電−再充電可能回数は２００−５００サイクルであろう。ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）電池の充電−再充電可能回数は５００−１２００サイクルであろう。リチウムイオン電池の充電−再充電可能回数は３００−５００サイクルであろう。充電−再充電可能回数は、電池が長期にわたって弱められたり、過充電されたりすることで、大幅に低下する。さらには、弱い電池が完全に放電され、逆充電されると、電池に損傷が与えられる場合もある。

弱い電池の過充電および過放電を防ぐためには、バッテリスタックを定格容量未満で動作させるとよい。例えば、バッテリスタックの充電サイクルは、弱い電池が完全に充電されると終了してしまう。弱い電池が完全に充電されると充電サイクルが終了することで、そのバッテリスタックの他の電池が完全に充電されなくなる。この結果、バッテリスタックの電力供給量が定格容量未満となってしまう。

逆に、バッテリスタックの放電サイクルは、弱い電池が完全に放電されると終了してしまう。弱い電池が完全に放電されると放電サイクルが終了することで、そのバッテリスタックの他の電池が完全に放電されなくなる。

バッテリスタックを定格容量未満で動作させると、そのバッテリスタックには無駄な未使用容量が発生する。加えて、バッテリスタックを定格容量未満で動作させると、充電−再充電サイクルの回数が増えてしまう。

バッテリスタックの各電池は、個々にモニターすることができる。各電池の充放電は、弱い電池に損傷を与えないように制御されてよい。例えば、各電池とともに、制御可能な散逸性のバイパス素子（dissipative bypass devices）を利用することができる。充放電を制御するコントローラは、弱い電池が完全に充電されたときを検知することができる。コントローラは、弱い電池が完全に充電されたときに、該弱い電池に関連付けられた散逸性のバイパス素子を作動開始させてよい。散逸性のバイパス素子は、弱い電池へのさらなる充電はバイパスさせて、他の電池には定格容量に達するまで充電を続ける。散逸性のバイパス素子は、このようにして弱い電池の過充電を防ぐ。

加えて、コントローラは、弱い電池が略完全に放電されたときを検知することができる。コントローラは、弱い電池が略完全に放電されたときに、バッテリスタックがさらに放電しないようにすることができる。このようにしてコントローラは、弱い電池への過充電を防ぐことができる。

この方法により、弱い電池は、過充電および過放電から守られる。しかし、強い電池の利用可能容量は、実際に利用可能とならない。さらには、散逸性のバイパス素子を利用すると、充電中のラウンドトリップ充電／放電効率が落ちる。

Ｎ個の回路と制御モジュールとを含む電荷平衡化システムが提供され、Ｎは１以上の整数である。Ｎ個の回路はそれぞれ、直列接続された第１のスイッチおよび第２のスイッチと、第１のスイッチおよび第２のスイッチの間に接続された第１端部を有するインダクタンスとを備える。制御モジュールは、第１のスイッチおよび第２のスイッチを制御する制御信号を出力する。Ｎ個の回路のうちの第１の回路のインダクタンスの第２端部が、バッテリスタックの２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの２つの電池の間に接続されている。Ｎ個の回路のうちの第１の回路の第１のスイッチおよび第２のスイッチは、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対に並列接続されている。

別の特徴としては、制御モジュールは、バッテリスタックの充電サイクルおよび放電サイクルのうち少なくとも一方の間に、制御信号のデューティサイクルに基づいて、インダクタンス経由で、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの２つの電池の間で電荷を転送する。

別の特徴としては、制御モジュールは、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの２つの電池それぞれの出力電圧の間の差異が予め定められた閾値以下になるまで、電荷を転送する。

別の特徴としては、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第１の電池が、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第２の電池より速く充電される場合、制御モジュールは、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第１の電池からの第１の電荷を、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第２の電池へ、制御信号のデューティサイクルに基づいて、インダクタンス経由で転送する。

別の特徴としては、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第１の電池の充電状態が、第１の予め定められた閾値だけ、完全に充電された状態より低い場合に、制御モジュールが第１の電荷を転送する。

別の特徴としては、充電状態が、第２の予め定められた閾値だけ、完全に充電された状態より大きい場合に、放電サイクル中に制御モジュールが２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第２の電池からの第２の電荷を、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第１の電池に転送する。

別の特徴としては、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第１の電池の第１の出力電圧が、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第２の電池の第２の出力電圧より大きくなるまで、制御モジュールが第２の電荷を転送する。

別の特徴としては、制御モジュールは、バッテリスタックの充電サイクルおよび放電サイクルのうち少なくとも一方の間に、バッテリスタックの出力電圧に基づいて、制御信号のデューティサイクルを調節する。

また他の特徴として、方法は、Ｎ個の回路各々の第１のスイッチおよび第２のスイッチを直列接続して、Ｎは１以上の整数である。方法はさらに、第１のスイッチおよび第２のスイッチの間に、第１端部を有するインダクタンスを接続して、Ｎ個の回路各々はインダクタンスを含む。方法はさらに、Ｎ個の回路のうちの第１の回路のインダクタンスの第２端部を、バッテリスタックの２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの２つの電池の間に接続する。方法はさらに、Ｎ個の回路のうちの第１の回路の第１のスイッチおよび第２のスイッチは、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対に並列接続する。方法はさらに、第１のスイッチおよび第２のスイッチを制御する制御信号を出力する。

別の特徴としては、方法はさらに、バッテリスタックの充電サイクルおよび放電サイクルのうち少なくとも一方の間に、制御信号のデューティサイクルに基づいて、インダクタンス経由で、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの２つの電池の間で電荷を転送する。

別の特徴としては、方法はさらに、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの２つの電池それぞれの出力電圧の間の差異が予め定められた閾値以下になるまで、電荷を転送する。

別の特徴としては、方法はさらに、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第１の電池が、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第２の電池より速く充電される場合、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第１の電池からの第１の電荷を、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第２の電池へ、制御信号のデューティサイクルに基づいて、インダクタンス経由で転送する。

別の特徴としては、方法はさらに、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第１の電池の充電状態が、第１の予め定められた閾値だけ、完全に充電された状態より低い場合に、第１の電荷を転送する。

別の特徴としては、方法はさらに、充電状態が、第２の予め定められた閾値だけ、完全に充電された状態より大きい場合に、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第２の電池からの第２の電荷を、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第１の電池に転送する。

別の特徴としては、方法はさらに、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第１の電池の第１の出力電圧が、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの第２の電池の第２の出力電圧より大きくなるまで、第２の電荷を転送する。

別の特徴としては、方法はさらに、バッテリスタックの充電サイクルおよび放電サイクルのうち少なくとも一方の間に、バッテリスタックの出力電圧に基づいて、制御信号のデューティサイクルを調節する。

また他の特徴として、方法はさらに、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対における第１の電圧を検知し、インダクタンスの第２端部における第２の電圧を検知し、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対のうちの２つの電池の出力電圧それぞれを、第１の電圧および第２の電圧に基づいて求める。

別の特徴としては、方法はさらに、バッテリスタックの充電サイクルおよび放電サイクルのうち少なくとも一方の間に、出力電圧の少なくとも一方に基づいて、制御信号のデューティサイクルを調節する。

他の特徴としては、方法はさらに、制御信号を生成し、デューティサイクルに基づいて制御信号のパルス幅を変調する。

別の特徴としては、方法はさらに、バッテリスタックの出力電圧が予め定められた電圧を下回って低下したときに、バッテリスタックを接続停止する。

他の特徴としては、方法はさらに、Ｎが３以上の値である場合、Ｎ個の回路のうちの第２の回路のインダクタンスの第２端部を、バッテリスタックの２Ｎ個の直列接続された電池からなる第２の対のうちの２つの電池の間に接続する。方法はさらに、Ｎ個の回路のうちの第２の回路の第１のスイッチおよび第２のスイッチを、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第２の対に並列接続する。方法はさらに、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対および２Ｎ個の直列接続された電池からなる第２の対を直列接続する。方法はさらに、Ｎ個の回路のうちの第１の回路の第２のスイッチを、Ｎ個の回路のうちの第２の回路の第１のスイッチに接続する。

他の特徴としては、方法はさらに、Ｎ個の回路のうちの第３の回路のインダクタンスの第２端部を、Ｎ個の回路のうちの第１の回路および第２の回路の第２のスイッチおよび第１のスイッチの間にそれぞれ接続する。方法はさらに、Ｎ個の回路のうちの第３の回路の第１のスイッチおよび第２のスイッチを、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対および２Ｎ個の直列接続された電池からなる第２の対に並列接続する。

他の特徴としては、方法はさらに、Ｎが５以上の値である場合、Ｎ個の回路のうちの第４の回路のインダクタンスの第２端部を、バッテリスタックの２Ｎ個の直列接続された電池からなる第３の対のうちの２つの電池の間に接続する。方法はさらに、Ｎ個の回路のうちの第４の回路の第１のスイッチおよび第２のスイッチを、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第３の対に並列接続する。方法はさらに、Ｎ個の回路のうちの第４の回路の第２のスイッチを、Ｎ個の回路のうちの第１の回路の第１のスイッチに接続する。方法はさらに、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第３の対を、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対および２Ｎ個の直列接続された電池からなる第２の対に直列接続する。

他の特徴としては、方法はさらに、Ｎ個の回路のうちの第５の回路のインダクタンスの第２端部を、Ｎ個のうちの第４の回路および第１の回路の第２のスイッチおよび第１のスイッチの間にそれぞれ接続する。方法はさらに、Ｎ個の回路のうちの第５の回路の第１のスイッチおよび第２のスイッチを、２Ｎ個の直列接続された電池からなる第３の対および２Ｎ個の直列接続された電池からなる第１の対に並列接続する。

また他の特徴としては、上述したシステムおよび方法は、１以上のプロセッサが実行するコンピュータプログラムにより実装される。コンピュータプログラムは、メモリ、不揮発性データストレージ、および／または、他の適切な有形の格納媒体であってよいがこれらに限定はされない有形のコンピュータ可読媒体に常駐していてよい。

本開示のさらなる用途分野は、詳細な記載、請求項、および図面から明らかになる。詳細な記載および具体例はあくまで例示を意図しており、本開示の範囲を限定する意図はない。

本開示は、詳細な記載を添付図面とあわせて読むことでより完全に理解される。

再充電可能なバッテリスタックを制御する電力管理システムの概略図である。

図１の電力管理システムのパルス幅変調（ＰＷＭ）制御モジュールの機能ブロック図である。

２つのリチオムイオン電池を含むバッテリスタックを制御する電力管理システムの概略図である。

４つの電池を含むバッテリスタックを制御する電力管理システムの概略図である。

６つの電池を含むバッテリスタックを制御する電力管理システムの概略図である。

バッテリスタックを充電する方法のフローチャートである。

バッテリスタックを放電する方法のフローチャートである。

千鳥構成を利用するバッテリスタックを制御する電力管理システムの概略図である。

並列の電源接続（parallel power supply topology）を利用してバッテリスタックを制御する電力管理システムの概略図である。

以下の記載は、その性質上例示であり、本開示、用途、または利用を制限する意図はない。明瞭性を期して、図面間で同じ参照番号を利用して同様の部材であることを示す。ここで利用されるＡ、Ｂ、およびＣのうち少なくとも１つ、という言い回しは、非排他的な論理和（ＡまたはＢまたはＣ）を意味するものとして解釈されるべきである。方法内のステップは、本開示の原理を変更しなければ異なる順序で実行することもできる。

ここで利用されるモジュールという用語は、１以上のソフトウェアまたはファームウェアプログラムを実行する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、電子回路、プロセッサ（共有、専用、またはグループ）、および／または、メモリ（共有、専用、またはグループ）、組合せ論理回路、および／または、記載される機能を提供するその他の適切なコンポーネントのことであったり、それらの一部であったり、これらを含んでよい。

本開示は、バッテリスタックの各電池に対して電荷を出し入れする誘導性のエネルギー蓄積装置の利用に関する。パルス幅変調（ＰＷＭ）スイッチ回路は、充放電の制御に利用される。ＰＷＭスイッチ回路のデューティサイクルは、インダクタを経由して電池に対するソース／シンク電流に調節される。電池に対する電流のソース／シンクを行う間に、インダクタを利用してエネルギー蓄積を行うことにより、エネルギー損失が最小限に抑えられる。

例えばＰＷＭスイッチ回路は、充電中に弱い電池を放電して、強い電池を充電することにより、正味の正の電流をソースする。ＰＷＭスイッチ回路は、弱い電池が完全に充電され、強い電池がまだ完全に充電されていないときに、電流をソースする。具体的には、ＰＷＭスイッチ回路は、弱い電池が完全に充電されると、弱い電池から強い電池に電荷を転送する。弱い電池から強い電池に電荷を転送することで、弱い電池が過充電されるのを防ぎつつ、強い電池を完全容量まで充電することができる。

加えて、ＰＷＭスイッチ回路は、放電中に強い電池を放電して、弱い電池を充電することにより、電流をシンクする。ＰＷＭスイッチ回路は、弱い電池が強い電池より速く放電すると、強い電池から弱い電池へ電荷を転送する。強い電池から弱い電池へ電荷を転送することにより、弱い電池の過放電が防止される。

電池から電池へと電荷を転送すると、電池間の出力電圧が均等化される。電池から電池へと電荷を転送することにより出力電圧同士を同等にするプロセスは、電池平衡化または電圧平衡化と称される。

電池平衡化の最後に、電池の出力電圧が略同等になる。出力電圧間には僅かな差異が存在するようになる。差異は、予め定められた閾値以下であってよい。予め定められた閾値は略０に等しくてよい。予め定められた閾値は、様々な要因に従って定められる。要因には、バッテリスタックで利用される電池の種類、および、電池の総数が含まれてよい。加えて、要因には、電池の定格電圧および年齢が含まれてよい。あくまで一例であるが、予め定められた閾値は、１ボルトの何分の１（例えば０．０５Ｖまたは０．２Ｖ）に等しくてよい。または、予め定められた閾値は、定格電圧の数パーセントに等しくてもよい。

ＰＷＭスイッチ回路は、持続モードまたは選択モードで動作してよい。持続モードでは、ＰＷＭスイッチ回路は、充放電中に作動開始されてよい。ＰＷＭスイッチ回路は、バッテリスタック全体の充電状態に関らず、電池の出力電圧を均等化することができる。従ってＰＷＭスイッチ回路は、持続モードで、バッテリスタックから電力を引いてきて、バッテリスタックから排出させる。

またはＰＷＭスイッチ回路は選択モードで動作してもよい。選択モードでは、ＰＷＭスイッチ回路は、電池の充電レベルが予め定められた範囲内である場合に作動停止させられる。ＰＷＭスイッチ回路は、１つの電池の充電レベルが予め定められた範囲外である場合に、動作させられてよい。

予め定められた範囲は、上限の閾値と下限の閾値とを有する。上限の閾値は、電池の定格容量を僅かに下回る。例えば、上限の閾値は、定格容量の９５％であってよい。下限の閾値は、０より僅かに大きくてよい。あくまで一例であるが、下の方の閾値は、定格容量の５％であってよい。従って上の方の閾値は、ある電池が略完全に充電されたときを知らせる。下の方の閾値は、ある電池が略完全に放電されたときを知らせる。

ＰＷＭスイッチ回路は、電池が定格容量の９５％に充電されたとき、充電中に動作させられてよい。 加えて、ＰＷＭスイッチ回路は、ある電池が定格容量の５％であるとき、放電中に動作させられてよい。

さらに、ある電池（例えば弱い電池）が、低いほうの閾値以下まで放電する場合には、ＰＷＭスイッチ回路は、電池平衡化を行わないでよい。反対に、ＰＷＭ切り替え回路は、弱い電池および強い電池の充電レベルが均等化するまで、強い電池からの電荷を弱い電池に充電することができる。弱い電池の容量が強い電池の容量未満である場合、弱い電池の出力電圧は、強いほうの電池の出力電圧より大きくなる。これにより、強い電池が弱い電池に逆充電することが防がれる。

図１は、再充電可能なバッテリスタック１０２を制御する電力管理システム１００が示されている。例えば、再充電可能なバッテリスタック１０２は、第１の電池１０４と第２の電池１０６という２つの電池を含む。第１の電池１０４は第２の電池１０６に直列接続されている。

電力管理システム１００は、再充電可能バッテリスタック１０２（今後はバッテリスタック１０２と称する）を制御するＰＷＭスイッチ回路１０８を含む。ＰＷＭスイッチ回路１０８は、図示されているようにバッテリスタック１０２の、２つの外部端末１０２−１、１０２−２を介して接続される。バッテリスタック１０２は、ＰＷＭスイッチ回路１０８から取り外し可能である。ＰＷＭスイッチ回路１０８は可搬型であり、バッテリスタック１０２に差込むことができる。一部の実施形態では、ＰＷＭスイッチ回路１０８は、バッテリスタック１０２に統合することができる。

ＰＭＷスイッチ回路１０８は、ＰＷＭ制御モジュール１１０、駆動回路１１１、およびインダクタンス１１６を含む。駆動回路１１１は、第１のスイッチ１１２、および、第２のスイッチ１１４を含む。第１のスイッチ１１２、第２のスイッチ１１４、およびインダクタンス１１６は、集合的に、基本的な電池平衡化回路と称される場合がある。第１のスイッチ１１２、および、第２のスイッチ１１４は、半導体交換デバイスにより実装されてよい。あくまで一例として、第１のスイッチ１１２、および、第２のスイッチ１１４は、酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）により実装されてよい。

ＰＷＭ制御モジュール１１０は、第１のスイッチ１１２、および、第２のスイッチ１１４を、調節可能なデューティサイクルで駆動する。インダクタンス１１６の第１の端末は、第１のスイッチ１１２、および、第２のスイッチ１１４に、ノード１１７で接続される。インダクタンス１１６の第２の端末は、バッテリスタック１０２のノード１１８に接続される。第１の電池１０４は第２の電池１０６に、ノード１１８で接続される。ＰＷＭスイッチ回路１０８は、ノード１１８に出力電圧ＳＷ_ｏｕｔを生成する。

安定状態条件の下では、ＳＷ_ｏｕｔは、ＰＷＭスイッチ回路１０８のデューティサイクルに比例している。デューティサイクルが５０％である場合には、ＳＷ_ｏｕｔは、ＰＷＭスイッチ回路１０８の入力電圧の半分である。バッテリスタック１０２の出力回路Ｖ_ｏｕｔは、ＰＷＭスイッチ回路１０８の入力電圧である。５０％のデューティサイクルでは、第１の電池１０４および第２の電池１０６の出力電圧が等しい場合、電流はノード１１８を流れない。従ってＰＷＭスイッチ回路１０８は、Ｖ_ｏｕｔに基づいてデューティサイクルを調節して、電池の平衡化を行う。または、ＰＷＭスイッチ回路１０８は、第１の電池１０４および第２の電池１０６の出力電圧に基づいてデューティサイクルを調節することもできる。

デューティサイクルが５０％ではない場合には、出力電圧ＳＷ_ｏｕｔは、Ｖ_ｏｕｔの半分より大きくても小さくてもよい。従って、デューティサイクルを調節することにより、ＰＷＭスイッチ回路１０８は、ノード１１８経由で電流をソースまたはシンクすることができる。ＰＷＭスイッチ回路１０８は、電流（正味の正の電流出力）をソースして、第１の電池１０４が放電してよく、第２の電池１０６が充電してよい。逆に、ＰＷＭスイッチ回路１０８が電流をシンクする場合には、第２の電池１０６が放電してよく、第１の電池１０４が充電してよい。

バッテリスタック１０２の充電サイクル中に、弱い電池（例えば第１の電池１０４）は、強い電池（例えば第２の電池１０６）の前に完全に充電されてよい。弱い電池が完全に充電されると、ＰＷＭスイッチ回路１０８は電流をソースする。ＰＷＭスイッチ回路１０８は、弱い電池から強い電池へと電荷を転送する。これにより、弱い電池の過充電が回避される。

バッテリスタック１０２の放電サイクル中に、弱い電池は、強い電池よりも速く放電する。弱い電池の出力電圧は、強い電池の出力電圧を下回る。ＰＷＭスイッチ回路１０８は、電流をシンクして、強い電池から弱い電池へと、電荷を転送する。ＰＷＭスイッチ回路１０８は、第１の電池１０４および第２の電池１０６の充電レベルが略等しくなるまで、電流をシンクする。これにより、第１の電池１０４の出力電圧が、第２の電池１０６の出力電圧より大きな値に増加する。これにより、第１の電池１０４の過放電および逆充電が回避される。さらに、これにより、バッテリスタック１０２は、第１の電池１０４および第２の電池１０６からより多くのエネルギーを抽出することができるようになる。

ＰＷＭスイッチ回路１０８は、持続モードまたは選択モードで動作してよい。持続モードでは、ＰＷＭスイッチ回路１０８は、充放電中に作動開始されてよい。ＰＷＭスイッチ回路１０８は、第１の電池１０４および第２の電池１０６の出力電圧を均等化することができる。例えば、第１の電池１０４および第２の電池１０６では容量の差が１０％あってよい。ＰＷＭスイッチ回路１０８は、バッテリスタック１０２の出力／入力電流の５％（１０％を２で割って得られる）をソース／シンクすることで、出力電圧を平衡化する。

持続モードでは、ＰＷＭスイッチ回路１０８は、少量の電流を消費する。ＰＷＭスイッチ回路１０８は、バッテリスタック１０２から電流を引き込んだり、バッテリスタック１０２へと電流を排出したりする。ＰＷＭスイッチ回路１０８は、バッテリスタック１０２に正味の出入力電流が流れなくても、バッテリスタック１０２から排出をする。例えば、ＰＷＭスイッチ回路１０８は、バッテリスタック１０２に付加が接続されていないときに、バッテリスタック１０２から排出する。

ＰＷＭスイッチ回路１０８は、選択モードでも動作することができる。選択モードでは、ＰＷＭスイッチ回路１０８は、第１の電池１０４および第２の電池１０６の充電レベルが予め定められた範囲内である場合、作動停止される。例えば、予め定められた範囲は、第１の電池１０４および第２の電池１０６の定格容量の５％から９５％であってよい。ＰＷＭスイッチ回路１０８は、第１の電池１０４および第２の電池１０６のいずれかの充電レベルが予め定められた範囲外である場合に、作動開始される。

例えば、ＰＷＭスイッチ回路１０８は、第１の電池１０４が、第２の電池１０６の前に定格容量の９５％にまで充電されると、充電中に作動開始されてよい。加えて、ＰＷＭスイッチ回路１０８は、第１の電池１０４が、第２の電池１０６の前に定格容量の５％以下までが放電されると、作動開始されてよい。

さらに、ＰＷＭスイッチ回路１０８は、第１の電池１０４の充電レベルが５％以下になったときに、電池の均衡化を行わなくてよい。つまり、ＰＷＭスイッチ回路１０８は、第１の電池１０４および第２の電池１０６の出力電圧を均等化しなくてよい。代わりに、ＰＷＭスイッチ回路１０８は、第２の電池１０６からの電荷を利用して、第１の電池１０４の出力電圧を増加させてよい。

具体的には、ＰＷＭスイッチ回路１０８は、第１の電池１０４および第２の電池１０６の充電レベルが第２の電池１０６から第１の電池１０４に電荷を転送してよい。その結果、第１の電池１０４の出力電圧は、第２の電池１０６の出力電圧より大きくなる。これにより、第１の電池１０４の過放電および逆充電が回避される。

図２においては、ＰＭＷ制御モジュール１１０は、電圧検知モジュール１５０、モード選択モジュール１５２、閾値生成モジュール１５４、充電制御モジュール１５８、および信号生成モジュール１６２を含む。電圧検知モジュール１５０は、バッテリスタック１０２の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを検知する。加えて、電圧検知モジュール１５０は、ノード１１８において電圧を検知する。ノード１１８の電圧は、第２の電池１０６の出力電圧である。従って、電圧検知モジュール１５０は、第１の電池１０４の出力電圧を得ることができる。

充放電の間に出力電圧を検知することにより、電圧検知モジュール１５０は、弱い電池を検知することができる。例えば第１の電池１０４は、第２の電池１０６より前にその定格出力電圧にまで充電される場合、弱い電池ということになる。あるいは、第１の電池１０４は、第２の電池１０６より速いレートで放電する場合、弱い電池ということになる。

モード選択モジュール１５２は、持続モードまたは選択モードを選択する。持続モードでは、ＰＷＭ制御モジュール１１０は、第１の電池１０４および第２の電池１０６の充放電中にＰＷＭ信号を生成する。選択モードでは、ＰＷＭ制御モジュール１１０は、第１の電池１０４および第２の電池１０６の出力電圧に応じてＰＷＭ信号を生成する。モード選択モジュール１５２は、出力電圧が予め定められた範囲内にあるときに、ＰＷＭスイッチ回路１０８の部分について作動停止にする。このＰＷＭスイッチ回路１０８の部分は、出力電圧が予め定められた範囲外のときに、作動開始される。

閾値生成モジュール１５４は、予め定められた範囲を定義する下限または上限の閾値を生成する。あくまで例示であるが、第１の電池１０４および第２の電池１０６の定格出力電圧は３．０Ｖであってよい。第１の電池１０４および第２の電池１０６が完全充電されているとき、Ｖ_ｏｕｔは６．０Ｖであってよい。閾値生成モジュール１５４は、下限または上限の閾値として、それぞれ２．５Ｖおよび２．９５Ｖを選択してよい。従って、予め定められた範囲は、２．５Ｖから２．９５Ｖとしてよい。

あくまでも例示であるが、閾値生成モジュール１５４は、以下に基づいて下限または上限の閾値を選択してよい。つまり、第１の電池１０４および第２の電池１０６のいずれかの出力電力が、完全放電したときに、２．５Ｖを僅かに下回ってよい。第１の電池１０４および第２の電池１０６のいずれかの出力電圧は、完全充電したときに、２．９５Ｖを僅かに上回ってよい。

電圧検知モジュール１５０は、第１の電池１０４が第２の電池１０６より前に２．９５Ｖに充電される場合に、該第１の電池を弱い電池としてよい。または、第１の電池１０４は、放電時に、その出力電圧が、第２の電池１０６の出力電圧より速く降下する場合には、弱い電池ということになる。

モード選択モジュール１５２は、第１の電池１０４が２．９５Ｖに充電されるとき、ＰＷＭスイッチ回路１０８の部分を作動開始させてよい。加えて、モード選択モジュール１５２は、第１の電池１０４が２．５Ｖまで放電したとき、ＰＷＭスイッチ回路１０８の一部を作動開始させる。ＰＷＭスイッチ回路１０８の部分は、第１の電池１０４および第２の電池１０６が２．５Ｖと２．９５Ｖの間にあるときに作動停止される。

充電サイクルにおいては、電圧検知モジュール１５０は、第１の電池１０４が、第２の電池１０６の前に２．９５Ｖにまで充電されたことを検知する。充電制御モジュール１５８は、第１の電池１０４から第２の電池１０６へ、電荷の転送を開始する。充電制御モジュール１５８は、第１のスイッチ１１２および第２のスイッチ１１４を駆動するＰＷＭ信号のデューティサイクルを決定する。デューティサイクルは、第１の電池１０４および第２の電池１０６（Ｖ_ｏｕｔ）の出力電圧の合計に基づいて決定されてよい。また、デューティサイクルは、第１の電池１０４および第２の電池１０６の出力電圧に基づいて決定されてもよい。

デューティサイクルは、第１のスイッチ１１２および第２のスイッチ１１４を作動開始させたり作動停止したりする時間を決定する。信号生成モジュール１６２は、デューティサイクルに従ってＰＷＭ信号を生成する。信号生成モジュール１６２は、デューティサイクルに基づいてＰＷＭ信号のパルス幅を変調する。第１のスイッチ１１２、第２のスイッチ１１４に出力されるＰＷＭ信号は、互いに補完しあう。つまり、ＰＷＭ信号は、第１のスイッチ１１２および第２のスイッチ１１４のうち、一度にいずれか一個だけを作動開始させる。例えば、ＰＷＭ信号が第１のスイッチ１１２を作動開始させる場合、ＰＷＭ信号が第２のスイッチ１１４を作動停止する、またはこの逆も然りである。

第２の電池１０６がまだ完全に充電されていないので、第２の電池１０６の出力電圧は２．９５Ｖ未満である。例えば、第２の電池１０６の出力電圧を２．７５Ｖとする。この場合に、Ｖ_ｏｕｔは、(2.95V + 2.75V) = 5.7Vとなる。５０％のデューティサイクルでは、ノード１１８のＳＷ_ｏｕｔは、5.7Vの半分の2.85Vとなる。従って、ＳＷ_ｏｕｔは、第１の電池１０４の出力電圧２．９５Ｖ未満で、第２の電池１０６の出力電圧２．７５より大きい値となる。

このように、ＰＷＭ信号が第１のスイッチ１１２を作動開始させると、第１の電池１０４は第１のスイッチ１１２経由で放電する。第２のスイッチ１１４は作動停止される。電流は、ノード１１７からノード１１８へと、インダクタンス１１６を経由して流れる。インダクタンス１１６はエネルギーを蓄える。

次いで、ＰＷＭ信号が第１のスイッチ１１２を作動停止して、第２のスイッチ１１４を作動開始させる。インダクタンス１１６はエネルギー源として動作して、蓄積したエネルギーを放電する。インダクタンス１１６経由でノード１１７からノード１１８へ流れ、第２の電池１０６を通る。第２のスイッチ１１４は、電流経路を提供する。従ってインダクタンス１１６は、第１の電池１０４からの電荷を使って第２の電池１０６を充電する。

ＰＷＭ信号は、第１の電池１０４および第２の電池１０６の出力電圧が均等化されるまで、第１のスイッチ１１２および第２のスイッチ１１４を駆動する。第１の電池１０４は、第２の電池１０６が２．９５Ｖに充電される間、過充電にならない。充電制御モジュール１５８は、電圧検知モジュール１５０が、第１の電池１０４および第２の電池１０６が２．９５Ｖまで充電されたことを検知すると、充電サイクルを停止する。

放電サイクルにおいては、電圧検知モジュール１５０は、第１の電池１０４が、第２の電池１０６の前に２．５Ｖにまで放電されたことを検知する。充電制御モジュール１５８は、第２の電池１０６から第１の電池１０４へ、電荷の転送を開始する。充電制御モジュール１５８は、ＰＷＭ信号のデューティサイクルを決定する。デューティサイクルは、第１の電池１０４および第２の電池１０６（Ｖ_ｏｕｔ）の出力電圧の合計に基づいて決定されてよい。また、デューティサイクルは、第１の電池１０４および第２の電池１０６の出力電圧に基づいて決定されてもよい。

デューティサイクルは、第１のスイッチ１１２および第２のスイッチ１１４を作動開始させたり作動停止したりする時間を決定する。信号生成モジュール１６２は、デューティサイクルに従ってＰＷＭ信号を生成する。信号生成モジュール１６２は、デューティサイクルに基づいてＰＷＭ信号のパルス幅を変調する。第１のスイッチ１１２、第２のスイッチ１１４に出力されるＰＷＭ信号は、互いに補完しあう。つまり、ＰＷＭ信号は、第１のスイッチ１１２および第２のスイッチ１１４のうち、一度にいずれか一個だけを作動開始させる。例えば、ＰＷＭ信号が第１のスイッチ１１２を作動開始させる場合、ＰＷＭ信号が第２のスイッチ１１４を作動開始させる、またはこの逆も然りである。

第２の電池１０６がまだ完全に放電されていないので、第２の電池１０６の出力電圧は２．５Ｖより大きい。例えば、第２の電池１０６の出力電圧を２．９Ｖとする。この場合に、Ｖ_ｏｕｔは、(2.5V + 2.9V) = 5.4Vとなる。５０％のデューティサイクルでは、ノード１１８のＳＷ_ｏｕｔは、5.4Vの半分の2.7Vとなる。従って、ＳＷ_ｏｕｔは、第１の電池１０４の出力電圧２．５Ｖより大きく、第２の電池１０６の出力電圧２．９より小さい値となる。

このように、ＰＷＭ信号が第２のスイッチ１１２を作動開始させると、第２の電池１０６は第２のスイッチ１１２経由で放電する。第１のスイッチ１１２は作動停止される。電流は、ノード１１８からノード１１７へと、インダクタンス１１６を経由して流れる。インダクタンス１１６はエネルギーを蓄える。

次いで、ＰＷＭ信号が第２のスイッチ１１４を作動停止して、第１のスイッチ１１２を作動開始させる。インダクタンス１１６はエネルギー源として動作して、蓄積したエネルギーを放電する。インダクタンス１１６経由でノード１１８からノード１１７へ流れ、第１の電池１０４を通る。第１のスイッチ１１２は、電流経路を提供する。従ってインダクタンス１１６は、第２の電池１０６からの電荷を使って第１の電池１０４を充電する。

ＰＷＭ信号は、第１の電池１０４および第２の電池１０６の出力電圧が均等化されるまで、第１のスイッチ１１２および第２のスイッチ１１４を駆動する。第１の電池１０４は、第２の電池１０６が出力電圧が２．５Ｖにまで降下するまで放電される間、２．５Ｖ未満であって、過放電にならない。充電制御モジュール１５８は、電圧検知モジュール１５０が、第１の電池１０４および第２の電池１０６が２．５Ｖになるまで放電されたことを検知すると、放電サイクルを停止する。

このようにバッテリスタック１０２は、第１の電池１０４が２．５Ｖにまで放電されるまで、作動停止されない。バッテリスタック１０２は、第１の電池１０４および第２の電池１０６の出力電圧が２．５Ｖに降下するまで、給電に利用することができる。

さらに、充電制御モジュール１５８は、放電サイクル中に、第１の電池１０４および第２の電池１０６の出力電圧を均等化しなくてよい。充電制御モジュール１５８は、第１の電池１０４が第２の電池１０６より高い電圧まで充電されるよう、デューティサイクルを調節してよい。従って第２の電池１０６は、第１の電池１０４を逆充電しない。

ＰＷＭ制御モジュール１１０は、荷電転送および電池平衡化を他の方法で制御することもできる。例えば、電圧検知モジュール１５０は、ノード１１８における電圧を検知する代わりに、またはこれに加えて、ノード１１７における電圧を検知することができる。加えて、またはこの代わりに、ＰＷＭ制御モジュール１１０は、ノード１１８、１１７のいずれかを通る電流を検知することもできる。

図３から図５は、２つの電池、４つの電池、および６つの電池を含むバッテリスタックを制御する電力管理システムのさらなる例を示している。一般的に、本開示の教示は、２Ｎ個の電池を含むバッテリスタックに拡張することができ、ここでＮは１以上の整数である。具体的には、第１のスイッチ１１２、第２のスイッチ１１４、およびインダクタンス１１６を含む基本的な電池平衡化回路は、２個単位の電池とともに利用することができる。平衡化された２個の電池のスタックはすべて新たな電池とみなされる。一対の新たな電池は、別の基本的な電池平衡化回路により平衡化されてよく、ここでＰＷＭ信号がこの新たな電池に階層的に送られる。

図３は、２つのリチウムイオン電池１０４−２、１０６−２を含むバッテリスタックを制御する電力管理システム１００−２を示す。図示されているバッテリスタックは、６．６Ｖ−７．２Ｖの出力を生成することができる。電池１０４−２、１０６−２は、ＰＷＭ制御モジュール１１０−２と基本的な電池平衡化回路とにより制御される。基本的な電池平衡化回路は、駆動回路１１１−２およびインダクタンス１１６−２を含む。駆動回路１１１−２は、スイッチ１１２−２および１１４−２を含む。

スイッチ１１９は、バッテリスタック用の過放電保護を行う。スイッチ１１９は、バッテリスタックの出力電圧が予め定められた閾値を下回って降下すると、作動停止される。バッテリスタックは、スイッチ１１９が作動停止されると、負荷との接続を停止される。従い、負荷がバッテリスタックから電力を排出させないので、バッテリスタックは過放電しない。

電池１０４−２、１０６−２は、それぞれ第１の電池１０４、１０６と類似していてよい。スイッチ１１２−２、１１４−２は、それぞれ第１のスイッチ１１２、第２のスイッチ１１４にそれぞれ類似していてよい。インダクタンス１１６−２は、インダクタンス１１６に類似していてよい。ＰＷＭ制御モジュール１１０−２は、ＰＷＭ制御モジュール１１０が第１の電池１０４、第２の電池１０６を制御するのと類似した方法で、電池１０４−２、１０６−２を制御してよい。

図４は、４つの電池１３０−１３３を含むバッテリスタックを制御する電力管理システム１００−３を示す。電圧検知は明瞭性を期す目的から示されていない。４つの電池１３０−１３３は、ＰＷＭ制御モジュール１１０−３および複数の基本的な電池平衡化回路により制御される。電池１３０および１３１は、スイッチ１３４、１３５、およびインダクタンス１３６を含む第１の電池平衡化回路の制御を受ける。電池１３２および１３３は、スイッチ１３７、１３８、およびインダクタンス１３９を含む第２の電池平衡化回路の制御を受ける。

電池１３０、１３１、および第１の電池平衡化回路は、第１の階層電池とみなすことができる。電池１３２、１３３、および第２の電池平衡化回路は、第２の階層電池とみなすことができる。第１および第２の階層電池は、スイッチ１４０、１４１およびインダクタンス１４２から形成される第３の電池平衡化回路の制御を受ける。

第１の電池平衡化回路では、スイッチ１３４、１３５は、第１および第２のスイッチ１１２、１１４とそれぞれ類似していてよい。インダクタンス１３６は、インダクタンス１１６に類似していてよい。第２の電池平衡化回路では、スイッチ１３７、１３８は、第１および第２のスイッチ１１２、１１４とそれぞれ類似していてよい。インダクタンス１３９は、インダクタンス１１６に類似していてよい。さらに、電池１３０、１３１は、第１の電池１０４、第２の電池１０６とそれぞれ類似していてよい。電池１３２、１３３は、第１の電池１０４、第２の電池１０６とそれぞれ類似していてよい。

ＰＷＭ制御モジュール１１０−３は、ＰＷＭ制御モジュール１１０が第１の電池１０４、第２の電池１０６を制御するのと類似した方法で、第１および第２の階層電池を制御してよい。ＰＷＭ制御モジュール１１０−３は、ＰＷＭ制御モジュール１１０が第１の電池１０４、第２の電池１０６を制御するのと類似した方法で、電池１３０、１３１を制御してよい。加えて、ＰＷＭ制御モジュール１１０−３は、ＰＷＭ制御モジュール１１０が第１の電池１０４、第２の電池１０６を制御するのと類似した方法で、電池１３２、１３３を制御してよい。スイッチ１４３は、過放電保護を行う。スイッチ１４３は、バッテリスタックの出力電圧が予め定められた閾値を下回って降下すると、作動停止される。

図５は、６つの電池１７０−１７５を含むバッテリスタックを制御する電力管理システム１００−４を示す。電圧検知は明瞭性を期す目的から示されていない。６つの電池１７０−１７５は、ＰＷＭ制御モジュール１１０−４および複数の基本的な電池平衡化回路により制御される。基本的な電池平衡化回路は、参照番号１７６−１９０を付されたスイッチおよびインダクタンスを含む。参照番号１７６−１９０を付されたスイッチおよびインダクタンスは、第１の電池１１２、第２の電池１１４、よびインダクタンス１１６に類似したものであってよい。一対の電池１７０−１７１、１７２−１７３、および１７４−１７５は、一対の第１の電池１０４、第２の電池１０６と類似したものであってよい。

ＰＷＭ制御モジュール１１０−４は、ＰＷＭ制御モジュール１１０−３が４つの電池１３０−１３３を階層的に制御するのと同様の方法で、６つの電池１７０−１７５を階層的に制御する。具体的には、電池１７０、１７１は、スイッチ１７６、１７７、およびインダクタンス１７８により平衡化される。電池１７２、１７３は、スイッチ１７９、１８０、およびインダクタンス１８１により平衡化される。電池１７０、１７１、スイッチ１７６、１７７、およびインダクタンス１７８は、第１の階層電池とみなすことができる。電池１７２、１７３、スイッチ１７９、１８０、およびインダクタンス１８１は、第２の階層電池とみなすことができる。第１よび第２の階層電池は、スイッチ１８５、１８６、およびインダクタンス１８７により制御される。

加えて、電池１７４、１７５は、スイッチ１８２、１８３、およびインダクタンス１８４により平衡化される。電池１７４、１７５、スイッチ１８２、１８３、およびインダクタンス１８４は、第３の階層電池とみなすことができる。第２の階層電池および第３の階層電池は、スイッチ１８８、１８９、およびインダクタンス１９０により制御される。スイッチ１９１は、バッテリスタックの過放電保護を行う。スイッチ１９１は、バッテリスタックの出力電圧が予め定められた閾値を下回って降下すると、作動停止される。

図６は、本開示におけるバッテリスタックに充電する方法２００のフローチャートを示す。制御はステップ２０２から始まる。制御はステップ２０４で、バッテリスタックを充電中かを判断する。ステップ２０４の結果が否定的であった場合には、制御はステップ２０４を繰り返す。ステップ２０４の結果が肯定的であった場合には、制御はステップ２０６でバッテリスタックの弱い電池が略完全に充電されているかを判断する。

ステップ２０６の結果が肯定的であった場合には、制御はステップ２０８でＰＷＭ制御のデューティサイクルを調節する。制御は、弱い電池および強い電池の充電レベル（つまり充電の状態）の差異に基づいてデューティサイクルを調節する。または、制御は、弱い電池および強い電池の出力電圧の差異に基づいてデューティサイクルを調節する。ステップ２１０で、制御は、弱い電池および強い電池の間で出力電圧が均等化されるまで、デューティサイクルに従って、弱い電池を放電して、強い電池を充電する。

ステップ２１０の終わりで、または、ステップ２０６の結果が否定的であった場合には、制御はステップ２１２で、バッテリスタックの電池が略完全に充電されたかを判断する。制御は、ステップ２１２の結果が否定的であった場合には、ステップ２１４でバッテリスタックの電池を充電して、ステップ２０６に戻る。制御は、ステップ２１２の結果が肯定的であった場合、ステップ２１６でバッテリスタックの電池の充電を停止して、ステップ２１８で終了する。従って、制御は、弱い電池の過充電を防ぎつつ、バッテリスタックの電池を略完全に充電する。

図７は、本開示におけるバッテリスタックを放電する方法２５０のフローチャートを示す。制御はステップ２５２から始まる。制御はステップ２５４で、バッテリスタックが放電中か（例えば、負荷に給電中か）を判断する。ステップ２５４の結果が否定的であった場合には、制御はステップ２５４を繰り返す。ステップ２５４の結果が肯定的であった場合には、制御はステップ２５６で、バッテリスタックの弱い電池が略完全に放電されたかを判断する。

ステップ２５６の結果が肯定的であった場合には、制御はステップ２５８でＰＷＭ制御のデューティサイクルを調節する。制御は、弱い電池および強い電池の充電レベル（つまり充電の状態）の差異に基づいてデューティサイクルを調節する。または、制御は、弱い電池および強い電池の間の出力電圧の差異に基づいてデューティサイクルを調節する。

ステップ２６０で、制御は、弱い電池および強い電池の出力電圧が均等化されるまで、デューティサイクルに従って、強い電池を放電して、弱い電池を充電する。または、制御は、弱い電池および強い電池の間で充電レベルが均等化されるまで、デューティサイクルを調節して、弱い電池を充電する。この結果、弱い電池の出力電圧が、強い電池の出力電圧より大きくなる。

ステップ２６０の終わりで、または、ステップ２５６の結果が否定的であった場合には、制御はステップ２６２で、バッテリスタックの電池が略完全に充電されたかを判断する。制御は、ステップ２６２の結果が否定的であった場合には、ステップ２６４でバッテリスタックから負荷に給電を続け、ステップ２５６に戻る。制御は、ステップ２６２の結果が肯定的であった場合、ステップ２６６でバッテリスタックの電池の放電を停止して、ステップ２６８で終了する。

従って制御は、バッテリスタックの弱い電池の過充電、過放電、および逆充電を回避する。加えて制御は、バッテリスタック内の電池が略完全に放電されるまで、バッテリスタックから負荷への給電を制御する。

図８は、千鳥構成を利用するバッテリスタックを制御する電力管理システム３００の概略図である。バッテリスタックはＮ個の直列接続の電池を含んでよく、ここでＮは１より大きい整数である。あくまで例示として、バッテリスタックは、６個の電池３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２を含む。６つの電池は、図示されているように直接接続されている。

電力管理システム３００は、バッテリスタックを制御するＰＷＭスイッチ回路を含む。ＰＷＭスイッチ回路は、ＰＷＭ制御モジュール３２０および（Ｎ−１）個の基本的な電池平衡化回路を含む。つまり、ＰＷＭスイッチ回路は、図１に示す駆動回路１１１およびインダクタンス１１６に類似した駆動回路およびインダクタンスからなる（Ｎ−１）個のセットを含む。あくまで例示であるが、電力管理システム３００は６個の電池を含み、電力管理システム３００は５個の駆動回路３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、および５個のインダクタンス３３２、３３４、３３６、３３８、３４０を含む。駆動回路３２２、３２４、３２６、３２８、３３０は、低電圧ドライバを含んでよい。

ＰＷＭ制御モジュール３２０は、駆動回路３２２、３２４、３２６、３２８、３３０各々における一対のスイッチを調節可能なデューティサイクルで駆動する。駆動回路３２２、３２４、３２６、３２８、３３０各々におけるスイッチは、図１に示す駆動回路１１１におけるスイッチ１１２、１１４に類似している。デューティサイクルに基づいて、駆動回路３２２およびインダクタンス３３２は、充放電中に、電池３０２、３０４の間で電荷を転送して、電池３０２、３０４の出力電圧を均等化する。駆動回路３２４およびインダクタンス３３４は、充放電中に、電池３０４、３０６の間で電荷を転送して、電池３０４、３０６の出力電圧を均等化する等の処理を行う。

例えば、電池３０２の充電レベルが電池３０４の充電レベルより低い場合には、駆動回路３２２およびインダクタンス３３２は、電池３０４から電池３０２に電荷を転送する。しかし、この電荷の転送により、電池３０４の充電レベルは、電池３０６の充電レベルより低くなる場合がある。そこで、駆動回路３２４およびインダクタンス３３４は、電池３０６から電池３０４に電荷を転送してよい。図示されてはいないが、スイッチ１１９に類似したスイッチを利用して、バッテリスタックの過放電保護を行うこともできる。

図９は、並列の電源接続（parallel power supply topology）を利用してバッテリスタックを制御する電力管理システム４００を示す。バッテリスタックは、Ｎ個の直列接続された電池を含んでよく、ここでＮは１より大きい整数である。あくまで例示であるが、バッテリスタックは６個の電池４０２、４０４，４０６、４０８、４１０、および４１２を含む。６つの電池は図示されているように直列接続されている。

電力管理システム４００は、バッテリスタックを制御するＰＷＭスイッチ回路を含む。ＰＷＭスイッチ回路は、ＰＷＭ制御モジュール４２０および（Ｎ−１）個の基本的な電池平衡化回路を含む。つまり、ＰＷＭスイッチ回路は、図１に示す駆動回路１１１およびインダクタンス１１６に類似した駆動回路およびインダクタンスからなる（Ｎ−１）個のセットを含む。あくまで例示であるが、電力管理システム４００は６個の電池を含み、電力管理システム４００は５個の駆動回路４２２、４２４、４２６、４２８、４３０、および５個のインダクタンス４３２、４３４、４３６、４３８、４４０を含む。駆動回路４２２、４２４、４２６、４２８、３３０は、高電圧ドライバを含んでよい。

駆動回路４２２、４２４、４２６、４２８、４３０はそれぞれ、バッテリスタックの出力に並列接続される。具体的には、駆動回路４２２、４２４、４２６、４２８、４３０のそれぞれは、図示されているようにバッテリスタックの２つの外部端末４０１−１、４０２−２を介して接続される。

ＰＷＭ制御モジュール４２０は、駆動回路４２２、４２４、４２６、４２８、４３０のそれぞれにおける一対のスイッチを、調節可能なデューティサイクルで駆動する。駆動回路４２２、４２４、４２６、４２８、４３０各々におけるスイッチは、図１に示す駆動回路１１１におけるスイッチ１１２、１１４に類似している。デューティサイクルに基づいて、駆動回路４２２およびインダクタンス４３２は、充放電中に、電池４０２、４０４の間で電荷を転送して、電池４０２、４０４の出力電圧を均等化する。駆動回路４２４およびインダクタンス４３４は、充放電中に、電池４０４、４０６の間で電荷を転送して、電池４０４、４０６の出力電圧を均等化する等の処理を行う。図９に示すように、ＰＷＭ制御モジュール４２０は、駆動回路４２２、４２４、４２６、４２８、４３０を、別個および並列的に駆動および／または制御することができる。

例えば、電池４０２の充電レベルが電池４０４の充電レベルより低い場合には、駆動回路４２２およびインダクタンス４３２は、電池４０４から電池４０２に電荷を転送する。しかし、この電荷の転送により、電池４０４の充電レベルは、電池４０６の充電レベルより低くなる場合がある。そこで、駆動回路４２４およびインダクタンス４３４は、電池４０６から電池４０４に電荷を転送してよい。図示されてはいないが、スイッチ１１９に類似したスイッチを利用して、バッテリスタックの過放電保護を行うこともできる。

図８および図９では、電力管理システム３００、４００間で、バッテリスタックの電池の最大数（つまりＮの最大値）が異なっていてよい。例えば、電力管理システム３００のＮの最大値が、電力管理システム４００のＮの最大値より大きい場合もある。

本開示の広義の教示は、様々な形態で実装可能である。従って本開示には特定の例が含まれているが、本開示の真の範囲は、これに限定はされない。他の変形例も、図面、明細書、および以下の請求項を読むことで明らかになる。
（項目１）
電荷平衡化システムであって、
直列接続された第１のスイッチおよび第２のスイッチと、上記第１のスイッチおよび上記第２のスイッチの間に接続された第１端部を有するインダクタンスとをそれぞれ有するＮ個の回路と、
上記第１のスイッチおよび上記第２のスイッチを制御する制御信号を出力する制御モジュールと、
を備え、
上記Ｎ個の回路のうちの第１の回路の上記インダクタンスの第２端部が、バッテリスタックの２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる第１の対のうちの２つの電池の間に接続されており、上記Ｎ個の回路のうちの上記第１の回路の上記第１のスイッチおよび上記第２のスイッチは、上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対に並列接続されており、
上記制御モジュールは、上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対のうちの上記２つの電池それぞれの出力電圧の間の差異が予め定められた閾値以下になるまで、上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対のうちの上記２つの電池の間で上記インダクタンスを経由して電荷を転送し、
Ｎは１以上の整数である、
電荷平衡化システム。
（項目２）
上記制御モジュールは、上記バッテリスタックの充電サイクルおよび放電サイクルのうち少なくとも一方の間に、上記制御信号のデューティサイクルに基づいて、上記インダクタンスを経由して、上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対のうちの上記２つの電池の間で電荷を転送する項目１に記載の電荷平衡化システム。
（項目３）
上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対のうちの第１の電池が、上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対のうちの第２の電池より速く充電される場合、上記制御モジュールは、上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対のうちの上記第１の電池からの第１の電荷を、上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対のうちの上記第２の電池へ、上記制御信号のデューティサイクルに基づいて、上記インダクタンスを経由して転送する項目１に記載の電荷平衡化システム。
（項目４）
上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対のうちの上記第１の電池の充電状態が、第１の予め定められた閾値だけ、完全に充電された状態より低い場合に、上記制御モジュールが上記第１の電荷を転送する項目３に記載の電荷平衡化システム。
（項目５）
上記充電状態が、第２の予め定められた閾値だけ、完全に放電された状態より大きい場合に、放電サイクル中に上記制御モジュールが上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対のうちの上記第２の電池からの第２の電荷を、上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対のうちの上記第１の電池に転送する項目４に記載の電荷平衡化システム。
（項目６）
上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対のうちの上記第１の電池の第１の出力電圧が、上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対のうちの上記第２の電池の第２の出力電圧より大きくなるまで、上記制御モジュールが上記第２の電荷を転送する項目５に記載の電荷平衡化システム。
（項目７）
上記制御モジュールは、上記バッテリスタックの充電サイクルおよび放電サイクルのうち少なくとも一方の間に、上記バッテリスタックの出力電圧に基づいて、上記制御信号のデューティサイクルを調節する項目１に記載の電荷平衡化システム。
（項目８）
電圧検知モジュールをさらに備え、
上記電圧検知モジュールは、上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対における第１の電圧を検知し、上記インダクタンスの上記第２端部における第２の電圧を検知し、上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対のうちの上記２つの電池の出力電圧それぞれを、上記第１の電圧および上記第２の電圧に基づいて求める項目１に記載の電荷平衡化システム。
（項目９）
上記制御モジュールは、上記バッテリスタックの充電サイクルおよび放電サイクルのうち少なくとも一方の間に、上記出力電圧の少なくとも一方に基づいて、上記制御信号のデューティサイクルを調節する項目８に記載の電荷平衡化システム。
（項目１０）
信号生成モジュールをさらに備え、
上記信号生成モジュールは、上記制御信号を生成し、上記制御モジュールが求めたデューティサイクルに基づいて上記制御信号のパルス幅を変調する項目１に記載の電荷平衡化システム。
（項目１１）
上記バッテリスタックの出力電圧が予め定められた電圧を下回って低下したときに、上記バッテリスタックを接続停止する制御スイッチをさらに備える項目１に記載の電荷平衡化システム。
（項目１２）
Ｎが３以上の値である場合、
上記Ｎ個の回路のうちの第２の回路のインダクタンスの第２端部を、上記バッテリスタックの２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる第２の対のうちの２つの電池の間に接続し、
上記Ｎ個の回路のうちの上記第２の回路の第１のスイッチおよび第２のスイッチを、上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第２の対に並列接続し、
上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対および上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第２の対を直列接続し、
上記Ｎ個の回路のうちの第１の回路の上記第２のスイッチを、上記Ｎ個の回路のうちの第２の回路の上記第１のスイッチに接続する項目１に記載の電荷平衡化システム。
（項目１３）
上記Ｎ個の回路のうちの第３の回路のインダクタンスの第２端部を、上記Ｎ個の回路のうちの上記第１の回路および上記第２の回路の上記第２のスイッチおよび上記第１のスイッチの間にそれぞれ接続し、
上記Ｎ個の回路のうちの第３の回路の第１のスイッチおよび第２のスイッチを、上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対および上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第２の対に並列接続する項目１２に記載の電荷平衡化システム。
（項目１４）
Ｎが５以上の値である場合、
上記Ｎ個の回路のうちの第４の回路のインダクタンスの第２端部を、上記バッテリスタックの２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる第３の対のうちの２つの電池の間に接続し、
上記Ｎ個の回路のうちの上記第４の回路の第１のスイッチおよび第２のスイッチを、上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第３の対に並列接続し、
上記Ｎ個の回路のうちの第４の回路の上記第２のスイッチを、上記Ｎ個の回路のうちの上記第１の回路の上記第１のスイッチに接続し、
上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第３の対を、上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対および上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる第２の対に直列接続する項目１３に記載の電荷平衡化システム。
（項目１５）
上記Ｎ個の回路のうちの第５の回路のインダクタンスの第２端部を、上記Ｎ個のうちの上記第４の回路および上記第１の回路の上記第２のスイッチおよび上記第１のスイッチの間にそれぞれ接続し、
上記Ｎ個の回路のうちの上記第５の回路の第１のスイッチおよび第２のスイッチを、上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第３の対および上記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる上記第１の対に並列接続する項目１４に記載の電荷平衡化システム。

Claims (12)

1. 電荷平衡化システムであって、
   直列接続された第１のスイッチおよび第２のスイッチと、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチの間に接続された第１端部を有するインダクタンスとをそれぞれ有する（２Ｎ−１）個の電池平衡化回路と、
   前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを制御する制御信号を出力する制御モジュールと
   を備え、
   Ｎは１以上の整数であり、
   前記（２Ｎ−１）個の電池平衡化回路のうちの第１の回路の前記インダクタンスの第２端部が、バッテリスタックの２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる第１の対のうちの２つの電池の間に接続されており、前記（２Ｎ−１）個の電池平衡化回路のうちの前記第１の回路の前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチは、前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対に並列接続されており、
   前記制御モジュールは、
   前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対のうちの前記２つの電池のそれぞれの出力電圧の間の差異が予め定められた閾値以下になるまで、前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対のうちの前記２つの電池の間で前記インダクタンスを経由して電荷を転送し、
   前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対のうちの第１の電池が、前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対のうちの第２の電池より速く充電される場合、充電サイクル中に、前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対のうちの前記第１の電池からの第１の電荷を、前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対のうちの前記第２の電池へ転送し、
   放電サイクル中に、前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対のうちの前記第２の電池からの第２の電荷を、前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対のうちの前記第１の電池に転送し、
   前記制御モジュールは、
   前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対のうちの前記第１の電池の充電状態が、第１の予め定められた閾値だけ、完全に充電された状態より低い場合に、前記制御信号のデューティサイクルに基づいて、前記インダクタンスを経由して前記第１の電荷を前記第２の電池に転送し、
   前記充電状態が、第２の予め定められた閾値だけ、完全に放電された状態より大きい場合に、前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対のうちの前記第１の電池の第１の出力電圧が、前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対のうちの前記第２の電池の第２の出力電圧より大きくなるまで、前記第２の電荷を前記第１の電池に転送する、
   電荷平衡化システム。
2. 前記制御モジュールは、前記バッテリスタックの充電サイクルおよび放電サイクルのうち少なくとも一方の間に、前記制御信号のデューティサイクルに基づいて、前記インダクタンスを経由して、前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対のうちの前記２つの電池の間で電荷を転送する、
   請求項１に記載の電荷平衡化システム。
3. 前記制御モジュールは、前記バッテリスタックの充電サイクルおよび放電サイクルのうち少なくとも一方の間に、前記バッテリスタックの出力電圧に基づいて、前記制御信号のデューティサイクルを調節する、
   請求項１又は請求項２に記載の電荷平衡化システム。
4. 電圧検知モジュールをさらに備え、
   前記電圧検知モジュールは、
   前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対における第１の電圧を検知し、前記インダクタンスの前記第２端部における第２の電圧を検知し、
   前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対のうちの前記２つの電池の出力電圧のそれぞれを、前記第１の電圧および前記第２の電圧に基づいて求める、
   請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の電荷平衡化システム。
5. 前記制御モジュールは、前記バッテリスタックの充電サイクルおよび放電サイクルのうち少なくとも一方の間に、前記出力電圧の少なくとも一方に基づいて、前記制御信号のデューティサイクルを調節する、
   請求項４に記載の電荷平衡化システム。
6. 信号生成モジュールをさらに備え、
   前記信号生成モジュールは、前記制御信号を生成し、前記制御モジュールが求めたデューティサイクルに基づいて前記制御信号のパルス幅を変調する、
   請求項１から請求項５までの何れか一項に記載の電荷平衡化システム。
7. 前記バッテリスタックの出力電圧が予め定められた電圧を下回って低下したときに、前記バッテリスタックを接続停止する制御スイッチをさらに備える、
   請求項１から請求項６までの何れか一項に記載の電荷平衡化システム。
8. Ｎが２以上の値である場合、
   （２Ｎ−１）個の電池平衡化回路のうちの第２の回路のインダクタンスの第２端部を、前記バッテリスタックの２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる第２の対のうちの２つの電池の間に接続し、
   前記（２Ｎ−１）個の電池平衡化回路のうちの前記第２の回路の第１のスイッチおよび第２のスイッチを、前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第２の対に並列接続し、
   前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対および前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第２の対を直列接続し、
   前記（２Ｎ−１）個の電池平衡化回路のうちの第１の回路の前記第２のスイッチを、前記（２Ｎ−１）個の電池平衡化回路のうちの第２の回路の前記第１のスイッチに接続する、
   請求項１から請求項７までの何れか一項に記載の電荷平衡化システム。
9. 前記（２Ｎ−１）個の電池平衡化回路のうちの第３の回路のインダクタンスの第２端部を、前記（２Ｎ−１）個の電池平衡化回路のうちの前記第１の回路および前記第２の回路の前記第２のスイッチおよび前記第１のスイッチの間にそれぞれ接続し、
   前記（２Ｎ−１）個の電池平衡化回路のうちの前記第３の回路の第１のスイッチおよび第２のスイッチを、前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対および前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第２の対に並列接続する、
   請求項８に記載の電荷平衡化システム。
10. Ｎが３以上の値である場合、
    前記（２Ｎ−１）個の電池平衡化回路のうちの第４の回路のインダクタンスの第２端部を、前記バッテリスタックの２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる第３の対のうちの２つの電池の間に接続し、
    前記（２Ｎ−１）個の電池平衡化回路のうちの前記第４の回路の第１のスイッチおよび第２のスイッチを、前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第３の対に並列接続し、
    前記（２Ｎ−１）個の電池平衡化回路のうちの前記第４の回路の前記第２のスイッチを、前記（２Ｎ−１）個の電池平衡化回路のうちの前記第１の回路の前記第１のスイッチに接続し、
    前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第３の対を、前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対および前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる第２の対に直列接続する、
    請求項９に記載の電荷平衡化システム。
11. 前記（２Ｎ−１）個の電池平衡化回路のうちの第５の回路のインダクタンスの第２端部を、前記（２Ｎ−１）個の電池平衡化回路のうちの前記第４の回路および前記第１の回路の前記第２のスイッチおよび前記第１のスイッチの間にそれぞれ接続し、
    前記（２Ｎ−１）個の電池平衡化回路のうちの前記第５の回路の第１のスイッチおよび第２のスイッチを、前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第３の対および前記２Ｎ個の直列接続された電池に含まれる前記第１の対に並列接続する、
    請求項１０に記載の電荷平衡化システム。
12. 前記制御モジュールは、
    前記第１の電池の過充電を防止すべく、前記充電サイクル中に、前記第１の電池からの前記第１の電荷を前記第２の電池に転送し、
    前記第１の電池の過放電及び逆充電を防止すべく、前記放電サイクル中に、前記第２の電池からの前記第２の電荷を前記第１の電池に転送する、
    請求項１から請求項１１までの何れか一項に記載の電荷平衡化システム。

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