JP5687016B2 - 複数の電池セル間のエネルギー均衡を用いる電池管理システム - Google Patents

複数の電池セル間のエネルギー均衡を用いる電池管理システム Download PDF

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Description

本発明は、電池システムに関し、より具体的には、複数の電池セル間でエネルギーを均衡させる電池管理システムに関する。
今日、複数の電池セルを含む、電池パック、たとえば、リチウムイオン電池パックが、多くの電気製品、たとえば、ハイブリッド電気自動車および電気自動車用途で幅広く使用されている。一般に、電池セルは、徐々にかつゆっくり劣化し、各電池は、他の電池と異なるように劣化する。結果として、電池セルの電圧および充電状態(states of charge)(SOC)は、複数の充放電サイクル後において互いに異なる可能性があり、この劣化の差は、電池セル間の不均衡をもたらす。
充電プロセス中に、電池セル間の不均衡が起こる場合、電池管理システムは、最低充電を有する電池が満充電にないことを検出すると、電池パック全体を充電し続ける可能性がある。結果として、高い充電を有する他の電池セルは、過充電される可能性がある。放電プロセス中に、電池管理システムは、最高充電を有する電池セルが満放電にないことを検出すると、電力を連続して供給するように電池パック全体を制御する可能性がある。結果として、低充電を有する他の電池パックは、過放電される可能性がある。したがって、電池管理システムは、電池セルを均衡されるために、セルまたはセルの群から、別のセルまたはセルの群へエネルギーを移動させる必要がある場合がある。
図1は、従来の電池管理システム100のブロック図を示す。図1に示すように、電池パック102は、複数の電池セル102_1〜102_Mを含む。電池管理システム100内の変圧器は、1次巻線104および同じ数の巻回を有する複数の2次巻線106_1〜106_Mを含む。1次巻線104は、スイッチ108に直列に結合される。各電池セル102_Kは、対応する2次巻線106_K(K=1,2,…,M)に結合される。
均衡化期間中、スイッチ108がターンオンすると、放電電流が、電池パック102から1次巻線104に流れる。エネルギーは、変圧器の磁気コア内に一時的に蓄積されうる。スイッチ108がターンオフすると、電流I1、I2、I3、…、およびIMが、2次巻線106_1〜106_M内に誘導され、電池セル102_1〜102_Mにそれぞれ流れる。そのため、磁気コア内に貯蔵されたエネルギーは、電池セル102_1〜102_Mに放出されうる。電流I1、I2、I3、…、およびIMは、電池セル102_1〜102_Mの電圧に逆比例するため、最低電圧を有する電池セルは、エネルギーのほとんどを受け取ることができる。さらに、最高電圧を有する電池セル102_K(1≦K≦M)は、電流IKが比較的小さくても、電流IKを依然として受け取ることができる。そのため、各電池セルは、磁気コアから放出される一部のエネルギーを受け取ることができ、電池管理システム100の均衡化効率を低下させる可能性がある。
本発明は、第1の値を有する第1のパラメータを有する第1の電池セルおよび第2の値を有する第2のパラメータを有する第2の電池セルを含む電池回路を提供する。第2の電池セルは、第1の電池セルに直列に結合される。電池回路はさらに、第1のパラメータの第1の値が第2のパラメータの第2の値より大きい場合、第1の電池セルに結合する第1の巻線を介して、第1の電池セルから転送されるエネルギーを貯蔵し、第2の電池セルに結合する第2の巻線を介して、第2の電池セルに貯蔵されたエネルギーを放出するように動作可能な磁気デバイスを含む。
別の実施形態では、本発明は、第1および第2の電池セルを管理する方法を提供する。方法は、第1の電池セルの第1のパラメータを検出するステップと、第2の電池セルの第2のパラメータを検出するステップと、第1のパラメータの第1の値が第2のパラメータの第2の値より大きい場合、磁気デバイスを介して第1の電池セルから第2の電池セルへエネルギーを転送するために、第1の電池セルから第1の巻線へ流れる第1の電流を伝導させること、磁気デバイスの第2の巻線から第2の電池セルへ流れる第2の電流を伝導させることを交互に行うステップとを含む。
なお別の実施形態では、本発明は、複数の電池セルを含む電池パックを管理する電池管理システムを提供する。電池管理システムは、磁気デバイスおよび検出および制御ユニットを含む。磁気デバイスは、磁気コアに巻き付けられる複数の巻線および複数のスイッチを含む。各スイッチは、対応する電池セルと対応する巻線との間に結合される。検出および制御ユニットは、電池セルのパラメータを検出する。第1の電池セルの第1のパラメータが、第2の電池セルの第2のパラメータより大きい場合、検出および制御ユニットは、磁気デバイスを介して第1の電池セルから第2の電池セルへエネルギーを移動させるために、第1の電池セルと第1の巻線との間に結合する第1のスイッチおよび第2の電池セルと第2の巻線との間に結合する第2のスイッチを交互にターンオンする。
特許請求される主題の実施形態の特徴および利点は、以下の詳細な説明が進むにつれて、また、同じ数字が同じ部品を示す図面を参照して明らかになるであろう。
従来の電池管理システムのブロック図である。 本発明の一実施形態による電池管理システムのブロック図である。 本発明の一実施形態による電池管理システムの検出および制御ユニットによって生成される第1の制御信号と第2の制御信号との間の関係を示す図である。 本発明の別の実施形態による電池管理システムのブロック図である。 本発明のなお別の実施形態による電池管理システムのブロック図である。 本発明のなお別の実施形態による電池管理システムのブロック図である。 本発明のなお別の実施形態による電池管理システムのブロック図である。 本発明の一実施形態による電池管理システムによって実施される動作のフローチャートである。 本発明の別の実施形態による電池管理システムによって実施される動作のフローチャートである。 本発明のなお別の実施形態による電池管理システムによって実施される動作のフローチャートである。 本発明の一実施形態による図10の電池管理システムによって実施される拡張動作のフローチャートである。
本発明の実施形態に対してここで参照が詳細に行われるであろう。本発明は、これらの実施形態に関連して述べられることになるが、これらの実施形態は、本発明をこれらの実施形態に限定することを意図されないことが理解されるであろう。逆に、本発明は、添付特許請求の範囲に規定される本発明の趣旨および範囲内に含まれうる代替形態、変更形態、および等価形態をカバーすることを意図される。
さらに、本発明の以下の詳細な説明では、本発明の完全な理解を提供するために、いくつかの特定の詳細が述べられる。しかし、本発明は、これらの特定の詳細なしで実施されうることが当業者によって認識されるであろう。他の例では、よく知られている方法、プロシージャ、コンポーネント、および回路は、本発明の態様を不必要に曖昧にしないように、詳細に述べられていない。
本発明による実施形態は、複数の電池セルの電圧を均衡させる電池管理システムを提供する。電池管理システムは、複数の電池セルと、磁気コアに巻き付けられる複数の巻線との間に結合する複数のスイッチを制御する。第1の電池セルのパラメータ値と第2の電池セルのパラメータ値との差が所定の閾値より大きいことを電池管理システムが検出する場合、電池管理システムは、第1の電池セルの電圧が第2の電池セルの電圧にほぼ等しくなるまで、第1の電池セルから第2の電池セルへエネルギーを転送するために、第1および第2の電池セルにそれぞれ結合される第1および第2のスイッチをターンオンすることができる。さらに、他の電池セルに結合するスイッチは、第1の電池セルから第2の電池セルへエネルギーを転送する動作中、オフに維持される。有利には、電池管理システムが、ターゲット電池セルを均衡させ、他の電池セルがエネルギー均衡化動作中にエネルギーを送受しないようにされ、システム効率が改善される。
図2は、本発明の一実施形態による電池管理システム200のブロック図を示す。電池管理システム200は、電池セル202_1〜202_6を均衡させるために、電池パック202内の直列結合された電池セル202_1〜202_6間でエネルギーを移動させることができる。電池セルの数は、例証のために本明細書では(図2に示すように)6に設定される。しかし、電池パック220内の電池セルの数は、変動する可能性があり、電池パック202は、他の数の電池セルを含んでもよい。
一実施形態では、磁気デバイス203は、磁気コア205および磁気コア205に巻き付けられる複数の巻線204_1〜204_6を含む。巻線204_1〜204_6は、スイッチ206_1〜206_6を介して電池セル202_1〜202_6にそれぞれ結合される。たとえば、巻線204_1は、スイッチ206_1を介して電池セル202_1に結合される。一実施形態では、巻線204_1〜204_6は、同じ巻回を有する。図2に示すように、電池セル202_1、202_3、および202_5の正の端子は、巻線204_1、204_3、および204_5の極性マークにそれぞれ接続され、電池セル202_2、202_4、および202_6の負の端子は、巻線204_2、204_4、および204_6の極性マークにそれぞれ接続される。巻線204_1〜204_6の極性マークは、巻線204_1〜204_6の一端のドットとして示される。以下の説明では、対応する巻線204_1〜204_6の極性マークに接続される電池セル202_1〜202_6の端子は、ドット接続端子として述べられるであろう。
電池セル202_1〜202_6の第1および第2の電池セルにそれぞれ結合する第1のスイッチおよび第2のスイッチが、交互にターンオンすると、第1の電池セルおよび第1の電池セルに結合する第1の巻線を通って流れる第1の電流、および、第2の電池セルおよび第2の電池セルに結合する第2の巻線を通って流れる第2の電流が、交互に伝導されうる。第1の巻線は1次巻線として機能し、第2の巻線は2次巻線として機能する。第1および第2の電池セルのドット接続端子が同じ極性を有する場合、第1の電流に基づいて生成される第2の電流は、第1の電流が第1の巻線を通って流れるのと同じ方向に第2の巻線を通って流れうる。そうでなければ、第2の電流は、第1の電流が第1の巻線を通って流れるのと異なる方向に第2の巻線を通って流れうる。
したがって、第1および第2の電池セルのドット接続端子が異なる極性を有する場合、第1の電流が、第1の電池セルの正の端子から負の端子へ流れるとき、第2の電流は、第2の電池セルの負の端子から正の端子へ流れることになる。こうして、第2の電池セルは、第2の電流によって充電され、エネルギーが、第1の電池セルから第2の電池セルへ転送されうる。逆に、第1および第2の電池セルのドット接続端子が同じ極性を有する場合、第1の電流が、第1の電池セルの正の端子から負の端子へ流れるとき、第2の電流もまた、第2の電池セルの正の端子から負の端子へ流れることになる。こうして、第2の電池セルは、第2の電流によって充電されない。
代替の実施形態では、電池管理システム200は、電池セル202_1〜202_6と巻線204_1〜204_6との間の他の接続を有することができ、図2に示す接続に限定されない。たとえば、電池セル202_1および202_2の正の端子は、巻線204_1および204_2の極性マークにそれぞれ結合されうる。電池セル202_3〜202_6の負の端子は、巻線204_3〜204_6の極性マークに結合されうる。
さらに、検出および制御ユニット208は、電池セル202_1〜202_6の電圧などの状態パラメータを検出し、検出結果に応じてスイッチ206_1〜206_6を制御する。一実施形態では、検出および制御ユニット208は、電池パック202から、その状態パラメータが第1の値を有する第1の電池セルおよびその状態パラメータが第2の値を有する第2の電池セルを選択する。第1の値は第2の値より大きい。その結果、検出および制御ユニット208は、磁気デバイス203を介して第1の電池セルと第2の電池セルとの間でエネルギーを転送するために、対応するスイッチをターンオン/ターンオフする。
より具体的には、充電プロセス中に、検出および制御ユニット208は、電池セル202_1〜202_6の電圧を検出し、電池セル202_1〜202_6の電圧の中で最大値V1Hと最小値V1Lとの差を計算する。最大値V1Hと最小値V1Lとの差が、第1の閾値、たとえば、0.5Vより高い場合、異常状態が電池パック202内に存在する可能性がある。電圧差が第1の閾値より高いことを検出すると、電池管理システム200は、電池パック202の可用性をチェックすることになる。
最大値V1Hと最小値V1Lとの差が、第2の閾値、たとえば、50mVより低い場合、電池セル202_1〜202_6は、うまく均衡していると考えられる。閾値は、各電池技術の各特性に応じて設定されてもよい。
最大値V1Hと最小値V1Lとの差が、第1の閾値より低くかつ第2の閾値より高い場合、電池セル202_1〜202_6間の不均衡が電池パック202内に存在する可能性がある。検出および制御ユニット200は、電池セル202_1〜202_6を均衡させるために、あるセルまたはセルの群から別のセルまたはセルの群へエネルギーを移動させることができる。
一実施形態では、最大値VHを有する電池セル、たとえば、電池セル202_1のドット接続端子および最小値VLを有する電池セル、たとえば、電池セル202_4のドット接続端子が、異なる極性を有する場合、検出および制御ユニット208は、電池セル202_1から電池セル202_4へエネルギーを移動させることができる。
検出および制御ユニット208は、スイッチ206_1および206_4を交互にターンオンし、ターンオフするために、スイッチ206_1に対する第1の制御信号を生成し、スイッチ206_4に対する第2の制御信号を生成する。第1および第2の制御信号は、周期的信号であってよい。周期Tの間の第1の制御信号のデューティサイクルと第2の制御信号のデューティサイクルとの間のオーバラップは、ほぼゼロである。第1の制御信号と第2の制御信号との間の関係は、図3に示すことができる。図3では、波形310は、デューティサイクルD1を有し周波数F1を有する第1の制御信号を示し、波形320は、デューティサイクルD2を有しF1に等しい周波数を有する第2の制御信号を示し、波形330は、デューティサイクルD2'を有しF1に等しい周波数を有する第2の制御信号を示す。デューティサイクルD2およびデューティサイクルD2'は、式(1)で与えられうる。
Figure 0005687016
第1および第2の制御信号の制御下で、スイッチ206_1およびスイッチ206_4は、交互にターンオンすることができる。
スイッチ206_1が、第1の制御信号に応答してターンオンすると、スイッチ206_4が、第2の制御信号に応答してターンオフする。電流I1が、電池セル202_1から巻線204_1へ流れる。電流I1は、徐々に増加し、電池セル202_1のエネルギーは、図3に示す第1の周期、たとえば、TONにおいて磁気デバイス203の磁気コア205に転送され、蓄積されうる。一実施形態では、第1の継続時間TONは、式(2)で与えられうる。
Figure 0005687016
式中、Vは電池セル202_1の電圧を表し、
Figure 0005687016
は、電流I1の所定の平均値を表し、Lは、巻線204_1のインダクタンスを表し、F1は、第1および第2の制御信号の周波数を表す。
式(2)によれば、デューティサイクルD1は、式(3)で与えられうる。
Figure 0005687016
スイッチ206_1が、第1の制御信号に応答してターンオフした後、スイッチ206_4が、第2の制御信号に応答してターンオンする。電流I1は、ほぼゼロまで減少する。電流I4が、巻線204_4内に誘導され、図3に示す第2の継続時間、たとえば、TON'またはTON''の間、電池セル202_4を充電するために、電池セル202_4に流れる。こうして、磁気コア205に貯蔵されたエネルギーが、電池セル202_4に放出されうる。そのため、エネルギーは、電池セル202_1から電池セル202_4に転送される。相応して、電池セル202_1の電圧が減少し、電池セル202_4の電圧が増加する。検出および制御ユニット208は、電池セル202_1の電圧と電池セル202_4の電圧との差が第2の閾値より小さくなるまで、スイッチ206_1およびスイッチ206_4を交互にターンオンすることができる。
検出および制御ユニット208は、電池セル202_1および電池セル202_4の均衡化動作中に、スイッチ206_2、206_3、206_5、および206_6をターンオフする。こうして、電池セル202_2および202_6には電流が全く流れず、電池セル202_1から電池セル202_2および202_6にはエネルギーが全く転送されない。
上述した実施形態では、巻線204_1および巻線204_4は、磁気デバイス203の1次巻線および2次巻線としてそれぞれ機能する。しかし、電池セル202_1〜202_6の電圧の中で電池セル202_4の電圧が最大値を有し、電池セル202_1の電圧が最小値を有する場合、電池管理システム200は、電池セル202_4から電池セル202_1へエネルギーを転送することになる。この状況下では、巻線204_4は1次巻線として機能し、巻線202_1は2次巻線として機能することができる。要約すると、巻線204_1、204_2、…、または204_6は、異なる状況下で、1次巻線または2次巻線として機能することができる。
有利には、電池管理システム200は、ターゲット電池セルを均衡させ、他の電池セルは、エネルギー均衡化動作中にエネルギーを送受しないようにすることができ、システム効率が改善されることになる。
代替の実施形態では、最大電圧VHを有する電池セル、たとえば、電池セル202_1のドット接続端子が、最小電圧VLを有する電池セル、たとえば、電池セル202_3のドット接続端子と同じ極性を有する場合、巻線204_1を通って流れる電流I1に基づいて生成される電流I3は、電流I1と同じ方向に巻線204_3を通って流れる。電流I1が電池セル202_1の正の端子から負の端子へ流れると、電流I3もまた、電池セル202_3の正の端子から負の端子へ流れる。こうして、電池セル202_3は、電流I3が電流I1に基づいて生成される場合、電流I3によって充電されない。この状況下では、電池管理システム200は、エネルギーを202_1から202_3へ直接移動させることができない。そのため、電池管理システム200は、さらなる動作のために、そのドット接続端子が、電池セル202_1および202_3のドット接続端子と異なる極性を有する電池セルのセットから別の2つの電池セルを選択する必要がある。
より具体的には、検出および制御ユニット208は、さらに、そのドット接続端子が、電池セル202_1および202_3のドット接続端子と異なる極性を有する電池セルのセットの中で、最大電圧V2Hを有する電池セルおよび最小電圧V2Lを有する電池セルを選択する。たとえば、図2に示すように、検出および制御ユニット208は、電池セル202_2、202_4、および202_6の中で、最大電圧V2Hを有する電池セル202_4および最小電圧V2Lを有する電池セル202_6を選択することができる。その結果、検出および制御ユニット208は、電池セル202_1から電池セル202_6へエネルギーを移動させ、電池セル202_4から電池セル202_3へエネルギーを移動させることになる。
検出および制御ユニット208は、上述したのと同じ方法で、電池セル202_1から電池セル202_6へエネルギーを転送するためにスイッチ206_1および206_6を交互にターンオンする。相応して、電池セル202_1の電圧は減少することができる。こうして、充電プロセス中に、電池セル202_1の過充電が回避されうる。
さらに、検出および制御ユニット208は、上述したのと同じ方法で、電池セル202_4から電池セル202_3へエネルギーを転送するためにスイッチ206_4および206_3を交互にターンオンする。相応して、電池セル202_3の電圧は増加することができる。こうして、充電プロセス後に、電池セル202_3の過小充電が回避されうる。
動作中、検出および制御ユニット208は、電池セル202_1〜202_6の電圧を検出し、検出結果に応じて上述したのと同様な方法で電池セルを均衡させることができる。結果として、充電プロセスが終了すると、各電池セルの電圧は、ほぼ等しくなり、電池セル内の一部の電池セルが過充電されないようにすることによって、充電効率を改善し、電池パック202の電池寿命を延長することになる。
さらに、放電プロセス中に、電池管理システム200はまた、電池セル202_1〜202_6の電圧を検出し、上述したのと同様な方法で電池セルを均衡させることができる。電池セル202_1〜202_6の電圧の最大値と最小値との差が第1の閾値より低いか、または、第2の閾値より高い場合、検出および制御ユニット208は、上述したのと同様な方法で対応する電池セルを均衡させることになる。こうして、電池パック202全体が、比較的短時間でうまく均衡されうる。
有利には、放電プロセス中に電池セルを均衡させることによって、高い充電レートを有し、かつ、他の電池セルに比べてより急速にエネルギーを放出する電池セルは、他の電池セルからのエネルギーによって補償されうる。こうして、エネルギーを電池セルの間でうまく均衡させ、電池パック202全体の放電時間を増加させることができ、電池パック202の効率が改善される。さらに、電池セルが放電プロセス後に過放電されないようにすることができ、電池パック202の耐用寿命を延長する。
他の実施形態では、検出および制御ユニット208は、検出結果に応じて電池セル202_1〜202_6を均衡させるために、電池セル202_1〜202_6の充電状態(SOC)および/またはキャパシタンスなどの他の状態パラメータを検出することができる。
図4は、本発明の別の実施形態による、電池管理システム400のブロック図を示す。電池管理システム400の構造は、図2の電池管理システム200の構造と同じである。
図4に示すように、電池管理システム400は、電池パック402、磁気デバイス403、ならびに検出および制御ユニット408を含む。電池パック402は、N個のスイッチ406_1〜406_Nを介して磁気デバイス403のN個の巻線404_1〜404_Nに結合するN個の電池セル402_1〜402_Nを含む。Nは正整数である。N個の巻線404_1〜404_Nは、磁気デバイス403内の磁気コア405に巻き付けられる。
一実施形態では、電池セル402_1〜402_Nは、2つの電池セル群に分割される。たとえば、電池セル402_1、402_3、…、402_(N-1)は、第1の電池セル群に分類され、電池セル402_2、402_4、…、402_Nは、第2の電池セル群に分類される。第1の電池セル群内の電池セル402_1、402_3、…、402_(N-1)のドット接続端子は、第2の電池セル群内の電池セル402_2、402_4、…、402_Nのドット接続端子と異なる極性を有する。
検出および制御ユニット408は、電池パック402内の電池セル402_1〜402_Nの電圧を検出し、さらに、第1の電池群から、最大電圧V1Hを有する電池セル、たとえば、電池セル402_1および最小電圧V1Lを有する電池セル、たとえば、電池セル402_3を選択し、第2の電池群から、最大電圧V2Hを有する電池セル、たとえば、電池セル402_Nおよび最小電圧V2Lを有する電池セル、たとえば、電池セル402_2を選択することができる。
値V1Hと値V1Lとの差D1H1L、値V2Hと値V2Lとの差D2H2L、値V1Hと値V2Lとの差D1H2L、または値V2Hと値V1Lとの差D2H1Lが、第1の閾値、たとえば、0.5Vより高い場合、異常状態が電池パック402内に存在する可能性がある。こうして、電池管理システム400は、電池パック402の可用性をチェックすることになる。
差D1H1L、D2H2L、D1H2L、およびD2H1Lが、第2の閾値、たとえば、50mVより低い場合、電池セル402_1〜402_Nはうまく均衡されている。
差D1H1L、D2H2L、D1H2L、およびD2H1Lが、第1の閾値と第2の閾値との間にある場合、電池セル402_1〜402_Nは不均衡である。こうして、検出および制御ユニット408は、以下の判定に従って、第1の電池群に属する電池セル402_1から第2の電池群に属する電池セル402_2へエネルギーを移動させ、第2の電池群に属する電池セル402_Nから第1の電池群に属する電池セル402_3へエネルギーを移動させる必要がある。
判定1:差D1H1Lまたは差D2H2Lが第3の閾値、たとえば、0.2Vより高い場合、または、差D1H1L、D2H2L、D2H1L、およびD1H2Lが第3の閾値を超えない場合、検出および制御ユニット408は、上述したのと同様な方法で機能して、電池セル402_1から電池セル402_2へエネルギーを移動させ、電池セル402_Nから電池セル402_3へエネルギーを移動させる。
より具体的には、検出および制御ユニット408は、スイッチ406_1およびスイッチ406_2を交互にターンオンするために、スイッチ406_1に対してデューティサイクルD1を有し周波数F1を有する第1の制御信号を生成し、スイッチ406_2に対して(1-D1)以下のデューティサイクルを有し同じ周波数F1を有する第2の制御信号を生成する。スイッチ406_1が、第1の制御信号に応答してターンオンすると、スイッチ406_2が、第2の制御信号に応答してターンオフする。電流I1が、電池セル402_1から巻線404_1へ流れる。こうして、電池セル402_1のエネルギーは、磁気コア405に転送され、蓄積されうる。スイッチ406_1が、第1の制御信号に応答してターンオフした後、スイッチ406_2が、第2の制御信号に応答してターンオンすることができる。スイッチ406_1がターンオフすると、電流I1がほぼゼロになる。スイッチ406_2がターンオンすると、巻線404_2内に誘導される電流I2が、電池セル402_2を充電するために電池セル402_2に流れる。こうして、電池セル402_1から転送される、磁気コア405内の貯蔵されたエネルギーは、電池セル402_2に放出されうる。検出および制御ユニット408は、電池セル402_1の電圧が電池セル402_2の電圧にほぼ等しくなるまで、スイッチ406_1およびスイッチ406_2を交互にターンオンし続ける。
さらに、検出および制御ユニット408は、スイッチ406_Nおよびスイッチ406_3を交互にターンオンするために、スイッチ406_Nに対してデューティサイクルDNを有し周波数F2を有する第3の制御信号を生成し、スイッチ406_3に対して(1-DN)以下のデューティサイクルを有し周波数F2を有する第4の制御信号を生成する。一実施形態では、周波数F2は周波数F1と同じであり、デューティサイクルDNはデューティサイクルD1と同じであってよい。スイッチ406_Nが、第3の制御信号に応答してターンオンすると、スイッチ406_3が、第4の制御信号に応答してターンオフする。電流INが、電池セル402_Nから巻線404_Nへ流れる。こうして、電池セル402_Nのエネルギーは、磁気コア405に転送され、蓄積されうる。スイッチ406_Nが、第3の制御信号に応答してターンオフすると、スイッチ406_3が、第4の制御信号に応答してターンオンすることができる。スイッチ406_Nがターンオフすると、電流INがほぼゼロになる。スイッチ406_3がターンオンすると、巻線404_3内に誘導される電流I3が、電池セル402_3を充電するために電池セル402_3に流れる。こうして、電池セル402_Nから転送される、磁気コア405内の貯蔵されたエネルギーは、電池セル402_3に放出されうる。検出および制御ユニット408は、電池セル402_3の電圧が電池セル402_Nの電圧にほぼ等しくなるよう増加するまで、スイッチ406_Nおよびスイッチ406_3を交互にターンオンし続ける。
判定2:差D1H1Lおよび差D2H2Lが第3の閾値を超えないが、差D2H1Lまたは差D1H2Lが第3の閾値より高い場合、検出および制御ユニット408は、さらに、差D2H1Lを差D1H2Lと比較することができる。差D2H1Lが差D1H2Lより高い場合、検出および制御ユニット408は、上述したのと同じ方法で機能して、電池セル402_Nから電池セル402_3へエネルギーを移動させる。そうでなければ、検出および制御ユニット408は、上述したのと同じ方法で機能して、電池セル402_1から電池セル402_2へエネルギーを移動させる。
要約すると、電池管理システム400では、電池パック402内の電池セル402_1〜402_Nは、電池セル402_1〜402_Nと対応する巻線404_1〜404_Nとの間の異なる接続に基づいて、第1の電池群および第2の電池群に分割されうる。たとえば、第1の電池群内の電池セル402_1、402_3、…、および402_(N-1)の正の端子は、巻線404_1、404_3、…、および404_(N-1)の極性マーク(ドットを有する一端)に接続され、第2の電池群内の電池セル402_2、402_4、…、および402_Nの負の端子は、巻線404_2、404_4、…、および404_Nの極性マーク(ドットを有する一端)に接続される。検出および制御ユニット408は、第1の電池群から最大電圧を有する第1の電池セルおよび最小電圧を有する第2の電池セルを選択し、第2の電池群から最大電圧を有する第3の電池セルおよび最小電圧を有する第4の電池セルを選択する。検出および制御ユニット408は、さらに、選択された電池セルの電圧間の差に応じて、第1の電池セルから第4の電池セルへエネルギーを移動させ、また、第3の電池セルから第2の電池セルへエネルギーを移動させるために、対応するスイッチを交互にターンオンする。検出および制御ユニット408が、全てのサイクルにおいて、電池セルの2つの対間でエネルギーを転送することができるため、電池セルの電圧はよりよく均衡されうる。
図5は、本発明の別の実施形態による電池管理システム500のブロック図を示す。図3の場合と同じように表示される要素は、同様な機能を有し、本明細書では述べられないであろう。図5は、図3と組み合わせて述べられる。
図5では、トランジスタ506_1〜506_6、たとえば、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)が、電池管理システム500のスイッチとして機能する。各MOSFETは、ボディダイオードを含む。検出および制御ユニット308は、電池パック302内で電池セル302_1が最大電圧を有し、電池セル302_4が最小電圧を有することを検出すると、電池セル302_1から電池セル302_4へエネルギーを転送するために、MOSFET506_1および506_4を交互にターンオンする。MOSFET506_1がターンオンすると、MOSFET506_4がターンオフする。こうして、電池セル302_1のエネルギーは、磁気コア305内に転送され、蓄積されうる。MOSFET506_1がターンオフした後、MOSFET506_4がターンオンすることができる。こうして、電流が巻線304_4内に誘導されうる。各MOSFET内にボディダイオードが存在するため、スイッチ506_1がターンオフすると、小さな電流が、巻線304_2および304_6内にも誘導されうる。しかし、これらの誘導電流は、対応する巻線に結合する等価負荷リアクタンスに逆比例する。結果として、MOSFET506_2および506_6がターンオフすると、巻線304_2および304_6に結合する等価負荷リアクタンスが比較的高いため、巻線304_2および304_6内に誘導される電流は、比較的小さく、無視されうる。こうして、磁気コア305内に貯蔵されたエネルギーが、電池セル302_4に主に転送されうる。
図6は、本発明の別の実施形態による電池管理システム600のブロック図を示す。電池管理システム600は、N個の直列結合された電池モジュール602_1、602_2、…、602_(N-1)、および602_Nを含む。各電池モジュール602_1、602_2、…、602_(N-1)、または602_Nは、複数の電池セル(図6には示さず)を含む。磁気デバイス、たとえば、変圧器603は、磁気コアに巻き付けられる複数の巻線を含む。電池モジュール602_1、602_2、…、602_(N-1)、および602_Nは、対応するスイッチ606_1〜606_Nを介して変圧器603の対応する巻線に結合される。
検出および制御ユニット608は、電池モジュール602_1、602_2、…、602_(N-1)、および602_Nの電圧を検出し、電池モジュール602_1、602_2、…、602_(N-1)、および602_Nの電圧の中で第1の電圧と第2の電圧との差を計算する。第1の電圧は第2の電圧より高い。一実施形態では、電池モジュール602_1、602_2、…、602_(N-1)、および602_Nの電圧の中で、第1の電圧は最大電圧であり、第2の電圧は最小電圧である。
第1の電圧と第2の電圧との差が、第1の閾値、たとえば、0.5Vより高い場合、電池モジュール602_1、602_2、…、602_(N-1)、および602_Nは、異常状態で働いている可能性がある。こうして、電池管理システム600は、電池モジュール602_1、602_2、…、602_(N-1)、および602_Nの可用性をチェックすることになる。
差が、第2の閾値、たとえば、50mVより低い場合、電池モジュール602_1、602_2、…、602_(N-1)、および602_Nは、うまく均衡されていると見なされうる。
差が、第1の閾値と第2の閾値との間にある場合、電池モジュール602_1、602_2、…、602_(N-1)、および602_Nは、不均衡である。こうして、変圧器603は、第1の電圧を有する第1の電池モジュールに対応する第1のスイッチおよび第2の電圧を有する第2の電池モジュールに対応する第2のスイッチを交互にターンオンして、第1の電池モジュールの第1の電圧が、第2の電池モジュールの第2の電圧にほぼ等しくなるよう減少するまで、第1の電池モジュールから第2の電池モジュールへエネルギーを移動させる。電池モジュール全体、たとえば、電池モジュール602_1、602_2、…、602_(N-1)、または602_Nは、上述した動作中に、電池セルと見なされうる。こうして、電池管理システム600は、上述した電池管理システム200、400、および/または500と同様に機能する。
上述したように、各電池モジュール602_1、602_2、…、602_(N-1)、または602_Nは、複数の電池セルを含む。さらに、各電池モジュール602_1、602_2、…、602_(N-1)、または602_Nは、従属変圧器および従属検出および制御ユニットを含む(図6には示さず)。各従属変圧器はまた、磁気コアに巻き付けられる複数の巻線を含む(図6には示さず)。各電池モジュール602_1、602_2、…、602_(N-1)、または602_Nでは、電池セルが、対応するスイッチを介して従属変圧器の対応する巻線に結合する。従属検出および制御ユニットは、電池セルの電圧を検出し、図2、図4、および/または図5に述べるのと同様な方法で、検出結果に基づいて、電池セルを均衡させるために、あるセルまたはセルの群から別のセルまたはセルの群へエネルギーを移動させる。
図7は、本発明のなお別の実施形態による電池管理システム700のブロック図を示す。電池パック702は、N個の直列結合された電池セル702_1〜702_Nを含む。磁気デバイス、たとえば、変圧器703は、反対方向に共通磁気コアに巻き付けられる第1の巻線704および第2の巻線705を含む。各電池セル702_K(1≦K≦N)について、スイッチSA_Kは、電池セル702_Kの正の端子と巻線704の一端との間に結合され、スイッチSB_Kは、電池セル702_Kの負の端子と巻線704の多端との間に結合され、スイッチSC_Kは、電池セル702_Kの正の端子と巻線705の一端との間に結合され、スイッチSD_Kは、電池セル702_Kの負の端子と巻線705の多端との間に結合される。
検出および制御ユニット708は、電池セル702_1〜702_Nの電圧を検出し、電池セル702_1〜702_Nの電圧の中で最大電圧と最小電圧との差を計算する。
最大電圧と最小電圧との差が、第1の閾値、たとえば、0.5Vより高い場合、電池パック702内に異常状態が存在する可能性がある。こうして、電池管理システム700は、電池パック702の可用性をチェックすることになる。
差が、第2の閾値、たとえば、50mVより低い場合、電池セル702_1〜702_Nは、うまく均衡されていると見なされうる。
差が、第1の閾値と第2の閾値との間にある場合、電池セル702_1〜702_Nは、不均衡である。こうして、検出および制御ユニット708は、最大電圧を有する電池セル、たとえば、電池セル702_1および最小電圧を有する第2の電池セル、たとえば、電池セル702_Nにそれぞれ結合する対応するスイッチを制御して、第1および第2の巻線704および705を介して電池セル702_1から電池セル702_Nへエネルギーを移動させる。
変圧器703において、第1の巻線704は1次巻線として機能し、第2の巻線705は2次巻線として機能する。こうした状況下では、検出および制御ユニット708は、電池セル702_1に結合するスイッチSA_1およびスイッチSB_1(以下の説明では、スイッチセットSAB_1は、短い記述のために、スイッチSA_1およびスイッチSB_1を表すことになる)に対してデューティサイクルD1を有し周波数F1を有する第1の制御信号を生成し、電池セル702_Nに結合するスイッチSC_NおよびスイッチSD_N(以下の説明では、スイッチセットSCD_Nは、短い記述のために、スイッチSC_NおよびスイッチSD_Nを表すことになる)に対して(1-D1)以下のデューティサイクルを有し同じ周波数F1を有する第2の制御信号を生成して、スイッチセットSAB_1およびスイッチセットSCD_Nを交互にターンオンする。
より具体的には、スイッチセットSAB_1が、第1の制御信号に応答してターンオンすると、スイッチセットSCD_Nが、第2の制御信号に応答してターンオフする。電流I1が、電池セル702_1から第1の巻線704へ流れ、電池セル702_1のエネルギーは、変圧器703の磁気コアに転送され、蓄積されうる。スイッチセットSAB_1が、第1の制御信号に応答してターンオフした後、スイッチセットSCD_Nが、第2の制御信号に応答してターンオンする。スイッチセットSAB_1がターンオフすると、電流I1がほぼゼロになる。スイッチセットSCD_Nがターンオンすると、2次巻線705内に誘導される電流INが、電池セル702_Nを充電するために電池セル702_Nに流れる。こうして、変圧器703の磁気コア内に貯蔵されたエネルギーは、電池セル702_Nに放出されうる。最後に、エネルギーは、電池セル702_1から電池セル702_Nへ転送されうる。相応して、電池セル702_1の電圧は減少し、電池セル702_Nの電圧は増加する。検出および制御ユニット708は、電池セル702_1の電圧が電池セル702_Nの電圧にほぼ等しくなるように減少するまで、スイッチセットSAB_1およびスイッチセットSCD_Nを交互にターンオンし続ける。
なお別の実施形態では、変圧器703において、第2の巻線705は1次巻線として機能し、第1の巻線704は2次巻線として機能する。こうした状況下では、検出および制御ユニット708は、電池セル702_1に結合するスイッチSC_1およびスイッチSD_1を含むスイッチセットSCD_1に対して第1の制御信号を生成し、電池セル702_Nに結合するスイッチSA_NおよびスイッチSB_Nを含むスイッチセットSAB_Nに対して第2の制御信号を生成して、スイッチセットSCD_1およびスイッチセットSAB_Nを交互にターンオンする。
スイッチセットSCD_1が、第1の制御信号に応答してターンオンすると、スイッチセットSAB_Nが、第2の制御信号に応答してターンオフする。電流I1が、電池セル702_1から第2の巻線705へ流れ、電池セル702_1のエネルギーは、変圧器703の磁気コアに転送され、蓄積されうる。スイッチセットSCD_1が、第1の制御信号に応答してターンオフした後、スイッチセットSAB_Nが、第2の制御信号に応答してターンオンする。スイッチセットSCD_1がターンオフすると、電流I1がほぼゼロになる。スイッチセットSAB_Nがターンオンすると、1次巻線704内に誘導される電流INが、電池セル702_Nを充電するために電池セル702_Nに流れる。こうして、変圧器703の磁気コア内に貯蔵されたエネルギーは、電池セル702_Nに放出されうる。検出および制御ユニット708は、電池セル702_1の電圧が電池セル702_Nの電圧にほぼ等しくなるように減少するまで、スイッチセットSCD_1およびスイッチセットSAB_Nを交互にターンオンし続ける。
さらに、他のスイッチは、スイッチSA_1、SB_1、SC_1、およびSD_Nを除いて、電池セル702_1と電池セル702_Nとの間のエネルギーを均衡させる動作中にオフに維持される。こうして、エネルギーは、他の電池セルから変圧器703の磁気コアへ転送されない、または、変圧器703の磁気コアから他の電池セルへ放出されないことになる。
有利には、スイッチSA_1〜SA_NおよびSB_1〜SB_Nを介して巻線704を電池セル702_1〜702_Nに結合することによって、また、スイッチSC_1〜SC_NおよびSD_1〜SD_Nを介して巻線705を電池セル702_1〜702_Nに結合することによって、電池セル702_1〜702_Nは、巻線704および705に別々に接続されて、磁気デバイス703へエネルギーが転送され、磁気デバイス703からエネルギーが受け取られうる。こうして、電池管理システム700は、第1の電池セルのエネルギーを磁気コアに転送するために第1の電池セルを一方の巻線に結合し、磁気コアに貯蔵されたエネルギーを第2の電池セルに転送するために第2の電池セルを他方の巻線に結合することによって、2つの電池セル間でエネルギーを転送することができる。そのため、電池セル702_1〜702_N内の任意の2つの電池セルを均衡させるために、2つの巻線だけが電池管理システム700で必要とされ、システムのコストおよびサイズを低減する可能性がある。
図8は、本発明の一実施形態による電池管理システム、たとえば、図7の電池管理システム700によって実施される動作のフローチャート800を示す。図8は、図7を組み合わせて述べられる。
ブロック802にて、検出および制御ユニット708は、複数の電池セル702_1〜702_Nの電圧を検出する。ブロック804にて、検出および制御ユニット708は、電池セル702_1〜702_Nから、最大電圧V1を有する第1の電池セル、たとえば、電池セル702_1、および、最小電圧V2を有する第2の電池セル、たとえば、電池セル702_Nを選択する。ブロック806にて、第1の電池セルの電圧V1と第2の電池セルの電圧V2との差が、第1の閾値VTHR1、たとえば、0.5Vより高い場合、電池パック702内に異常状態が存在する可能性がある。こうして、電池管理システム700は、ブロック806にて、電池パック702の可用性をチェックすることになる。ブロック806にて、差が第1の閾値VTHR1を超えない場合、フローチャート800はブロック810に進む。
ブロック810にて、差が、第2の閾値、たとえば、50mVより低い場合、電池セル702_1〜702_Nの中でエネルギーが、うまく均衡されていると見なされうる。フローチャート800は、ブロック802に戻って、電池セル702_1〜702_Nの電圧を連続して監視する。
ブロック810にて、差が第2の閾値より低くない場合、電池セル702_1〜702_Nは不均衡である。こうして、ブロック812にて、検出および制御ユニット700は、電池セル702_1から電池セル702_Nヘエネルギーを移動させることになる。
一実施形態では、ブロック812のステップは、ブロック814〜820で示す複数の下位ステップを含む。ブロック814にて、第1のスイッチまたは少なくとも2つのスイッチを含む第1のスイッチセットが、磁気コアに巻き付けられる第1の巻線、たとえば、変圧器703の巻線704に電池セル702_1を結合するためにターンオンされる。こうして、ブロック816にて、電流I1が、電池セル702_1から第1の巻線へ流れるように伝導され、電池セル702_1からのエネルギーが、磁気コア内に貯蔵されうる。ブロック818にて、第1のスイッチまたは第1のスイッチセットが、第1の巻線から電池セル702_1を切離す(decouple)ためにターンオフされ、第2のスイッチまたは少なくとも2つのスイッチを含む第2のスイッチセットが、磁気コアに巻き付けられる第2の巻線、たとえば、変圧器703の巻線705に電池セル702_Nを結合するためにターンオンされる。こうして、ブロック820にて、第2の巻線内に誘導された電流I2が、電池セル702_Nを通って流れるように伝導され、磁気コア内に貯蔵されたエネルギーが、電池セル702_N内に放出されうる。こうして、電池監視プロセスはブロック810に戻る。
ブロック810にて、電池セル702_1の電圧V1と電池セル702_Nの電圧V2との差が、第2の閾値より低い場合、フローチャート800はブロック802に戻る。そうでなければ、フローチャート800はブロック814に進む。検出および制御ユニット708は、電圧V1と電圧V2との差が第2の閾値より低くなるように減少するまで、電池セル702_1から電池セル702_Nへエネルギーを転送し続ける。
図9は、本発明の一実施形態による電池管理システム、たとえば、図2の電池管理システム200によって実施される動作のフローチャート900を示す。図9は、図2を組み合わせて述べられる。
ブロック902にて、検出および制御ユニット208は、複数の直列結合された電池セル202_1〜202_6の電圧を検出する。ブロック904にて、検出および制御ユニット208は、電池セル202_1〜202_6の電圧から、最大電圧V1Hと最小電圧V1Lとの差を計算する。ブロック906にて、電圧V1Hと電圧V1Lとの差が、第1の閾値VTHR1、たとえば、0.5Vより低い場合、電池パック202内に異常状態が存在する可能性がある。こうして、電池管理システム200は、ブロック908にて、電池パック202の可用性をチェックすることになる。差が第1の閾値を超えない場合、フローチャート900はブロック910に進む。
ブロック910にて、差が第2の閾値、たとえば、50mVより低い場合、電池セル202_1〜202_6は、うまく均衡されていると見なされうる。フローチャート900は、ブロック902に戻って、電池セル202_1〜202_6の電圧を連続して検出する。ブロック910にて、差が第2の閾値を超えない場合、フローチャート900はブロック912に進む。
ブロック912にて、最大電圧V1Hを有する電池セルB1Hのドット接続端子P1Hが、最小電圧V1Lを有する電池セルB1Lのドット接続端子P1Lと異なる極性を有する場合、フローチャート900はブロック914に進む。そうでなければ、フローチャート900はブロック916に進む。
ブロック914にて、検出および制御ユニット208は、ブロック812で述べたのと同様な方法で、電池セルB1Hから電池セルB1Lへエネルギーを移動させる。その後、フローチャート900はブロック902に戻る。ブロック916にて、検出および制御ユニット208は、そのドット接続端子が、ドット接続端子P1HおよびP1Lと異なる極性を有する電池セルのセットから最大電圧を有する電池セルB2Hおよび最小電圧を有する電池セルB2Lを選択する。ブロック918にて、検出および制御ユニット208は、ブロック812で述べたのと同様な方法で、電池セルB1Hから電池セルB2Lへエネルギーを転送する。ブロック920にて、検出および制御ユニット208は、ブロック812で述べたのと同様な方法で、電池セルB2Hから電池セルB1Lへエネルギーを転送する。その後、フローチャート900はブロック902に戻る。
図10は、本発明の一実施形態による電池管理システム、たとえば、図4の電池管理システム400によって実施される動作のフローチャート1000を示す。図10は、図4を組み合わせて述べられる。
ブロック1002にて、複数の直列結合された電池セル402_1〜402_Nは、第1および第2の群に分割される。第1の群内の電池セル、たとえば、電池セル402_1、402_3、…、402_(N-1)のドット接続端子は、第2の群内の電池セル、たとえば、電池セル402_2、402_4、…、402_Nのドット接続端子と異なる極性を有する。
ブロック1004にて、検出および制御ユニット408は、電池セル402_1〜402_Nの電圧を検出する。ブロック1006にて、検出および制御ユニット408は、第1の電池群から、最大電圧V1Hを有する電池セルB1Hおよび最小電圧V1Lを有する電池セルB1Lを選択し、第2の電池群から、最大電圧V2Hを有する電池セルB2Hおよび最小電圧V2Lを有する電池セルB2Lを選択する。
ブロック1008にて、電圧V1Hと電圧V1Lとの差D1H1L、電圧V2Hと電圧V2Lとの差D2H2L、電圧V1Hと電圧V2Lとの差D1H2L、または電圧V2Hと電圧V1Lとの差D2H1Lが、第1の閾値、たとえば、0.5Vより高い場合、異常状態が電池パック402内に存在する可能性がある。こうして、ブロック1010にて、電池管理システム400は、電池パック402の可用性をチェックすることになる。差D1H1L、D2H2L、D1H2L、およびD2H1Lが、第1の閾値を超えない場合、フローチャート1000はブロック1012に進む。
ブロック1012にて、差D1H1L、D2H2L、D1H2L、およびD2H1Lが、第2の閾値、たとえば、50mVより低い場合、電池セル402_1〜402_Nはうまく均衡されていると見なされ、フローチャート1000はブロック1004に戻る。そうでなければ、フローチャートは、ブロック1014に進んで、電池セルB1Hから電池セルB2Lへエネルギーを移動させ、電池セルB2Hから電池セルB1Lへエネルギーを移動させる。
ブロック1014は、さらに、本発明の一実施形態による図11によって示される複数のステップを含む。図11に示すように、フローチャート1000はブロック1102に進む。ブロック1102にて、差D1H1Lまたは差D2H2Lが、第3の閾値、たとえば、0.2Vより高い場合、フローチャート1000はブロック1106に進む。そうでなければ、フローチャート1000はブロック1104に進む。
ブロック1104にて、差D1H2Lまたは差D2H1Lが、第3の閾値より高い場合、フローチャート1000はブロック1110に進む。そうでなければ、フローチャート1000はブロック1106に進む。
ブロック1106にて、検出および制御ユニット408は、ブロック812で述べたのと同様な方法で、電池セルB1Hから電池セルB2Lへエネルギーを移動させる。ブロック1108にて、検出および制御ユニット408は、ブロック812で述べたのと同様な方法で、電池セルB2Hから電池セルB1Lへエネルギーを移動させる。その後、フローチャート1000はブロック1004に戻る。
ブロック1110にて、差D2H1Lが差D1H2Lより高い場合、フローチャート1000は、ブロック1108に進んで、ブロック812で述べたのと同様な方法で、電池セルB2Hから電池セルB1Lへエネルギーを移動させる。その後、フローチャート1000はブロック1004に戻る。
ブロック1110にて、差D2H1Lが差D1H2Lを超えない場合、フローチャート1000はブロック1112に進む。ブロック1112にて、検出および制御ユニット408は、ブロック812で述べたのと同様な方法で、電池セルB1Hから電池セルB2Lへエネルギーを移動させる。その後、フローチャート1000はブロック1004に戻る。
さらに、上述したように、電池管理システム200は、放電プロセス中に電池セルを均衡させるために、複数の電池セルの間でエネルギーを移動させるために使用されうる。同様に、電池管理システム400、500、600、および700はまた、電池パック全体の放電時間が増加し、放電プロセス中に電池セルが過放電されないようにすることができるように、放電プロセス中に電池セルを均衡させるために、複数の電池セルの間でエネルギーを移動させることができ、これにより電池パックの耐用寿命を延長し、効率を改善することができる。
したがって、本発明による実施形態は、複数の電池セルを均衡させるために、あるセルまたはセルの群から別のセルまたはセルの群へエネルギーを移動させる電池管理システムを提供する。電池管理システムは磁気デバイスを含む。磁気デバイスは、磁気コアおよび磁気コアに巻き付けられる複数の巻線を含む。複数の電池セルは、複数のスイッチを介して、磁気コアに巻き付けられる複数の巻線にそれぞれ結合される。電池管理システムは、さらに、電池セルの電圧を検出し、巻線を介して電池セルの間でエネルギーを転送するためにスイッチを制御する検出および制御ユニットを含む。2つの電池セル間の差が所定の閾値より高いことを電池管理システムが検出する場合、電池管理システムは、第1の電池セルの電圧が第2の電池セルの電圧にほぼ等しくなるまで、高い電圧を有する第1の電池セルから低い電圧を有する第2の電池セルへエネルギーを転送するために、2つの電池セルにそれぞれ結合される2つのスイッチを交互にターンオンする。
第1の電池セルに結合された第1のスイッチがターンオンすると、第2の電池セルに結合された第2のスイッチがターンオフする。電流が、第1の電池セルから対応する巻線へ流れるように伝導されうる。こうして、第1の電池セルのエネルギーが、磁気コア内に転送され、貯蔵されうる。第1のスイッチがターンオフした後、第2のスイッチがターンオンする。電流が、対応する巻線内に誘導され、第2の電池セルに流れる。こうして、磁気コア内に貯蔵されたエネルギーが第2の電池セルに放出されうる。
さらに、他の電池セルに結合されたスイッチは、第1の電池セルから第2の電池セルへエネルギーを転送する動作中、オフに維持される。有利には、電池管理システムが、ターゲット電池セル間でエネルギーを移動させ、他の電池セルがエネルギー均衡化動作中にエネルギーを送受しないようにされ、システム効率が改善される可能性がある。
先の説明および図面は本発明の実施形態を示すが、添付特許請求の範囲に規定される本発明の原理の趣旨および範囲から逸脱することなく、実施形態において種々の追加、変更、および置換が行われてもよいことが理解されるであろう。本発明は、形態、構造、配置構成、特性、材料、要素、およびコンポーネントの多くの変更物と共に使用されてもよく、そうでなければ、本発明の原理から逸脱することなく、特定の環境および動作要件に特に適合する本発明の慣行において使用されてもよいことを当業者は理解するであろう。したがって、開示された実施形態は、全ての点で、制限的でなく、例証的であると考えられ、本発明の範囲は、添付特許請求の範囲およびその法的均等物によって示され、先の説明に限定されない。
200、400、500、600、700 電池管理システム
202、402、702 電池パック
202_1、202_2、202_3、202_4、202_5、202_6、302_1、302_2、302_3、302_4、302_5、302_6、402_1、402_2、402_3、402_4、402_(N-1)、402_N、702_1、702_2、702_(N-1)、702_N 電池セル
203、403、603 磁気デバイス
204_1、204_2、204_3、204_4、204_5、204_6、304_1、304_2、304_3、304_4、304_5、304_6、404_1、404_2、404_3、404_4、404_(N-1)、404_N 巻線
205、305、405 磁気コア
206_1、206_2、206_3、206_4、206_5、206_6、406_1、406_2、406_3、406_4、406_(N-1)、406_N、606_1、606_2、606_(N-1)、606_N、SA_1、SA_2、SA_(N-2)、SA_(N-1)、SA_N、SB_1、SB_2、SB_3、SB_(N-1)、SB_N、SC_1、SC_2、SC_(N-2)、SC_(N-1)、SC_N、SD_1、SD_2、SD_3、SD_(N-1)、SD_N スイッチ
208、308、408、608、708 検出および制御ユニット
506_1、506_2、506_3、506_4、506_5、506_6 トランジスタ
602_1、602_2、602_(N-1)、602_N 電池モジュール
703 変圧器
704 第1の巻線
705 第2の巻線
706 第1のスイッチアレイ
707 第2のスイッチアレイ

Claims (10)

  1. 複数の電池セルを含む電池パックを管理する電池管理システムであって、
    磁気コアに巻き付けられる複数の巻線を備える磁気デバイスと、
    各スイッチが電池セルと巻線との間に結合される、複数のスイッチと、
    前記電池セルのパラメータを検出し、第1の電池セルの第1のパラメータが、第2の電池セルの第2のパラメータより大きい場合、前記磁気デバイスを介して前記第1の電池セルおよび前記第2の電池セルを均衡させるために、前記第1の電池セルと第1の巻線との間に結合する第1のスイッチおよび前記第2の電池セルと第2の巻線との間に結合する第2のスイッチを交互にターンオンするように動作可能な検出および制御ユニットと
    を備え、
    前記検出および制御ユニットは、
    前記複数の電池セルから、そのパラメータが最大値を有する電池セルB1Hおよびそのパラメータが最小値を有する電池セルB1Lを選択するステップと、
    対応する巻線の極性マークに結合する、前記電池セルB1Hの端子が、対応する巻線の極性マークに結合する、前記電池セルB1Lの端子と異なる極性を有するかどうかを判定するステップと、
    前記電池セルB1Hの前記端子が前記電池セルB1Lの前記端子と異なる極性を有する場合、前記電池セルB1Hおよび前記電池セルB1Lを均衡させるために、前記電池セルB1HおよびB1Lに結合するそれぞれのスイッチを交互にターンオンするステップと、
    前記電池セルB1Hの前記端子が前記電池セルB1Lの前記端子と同じ極性を有する場合、対応する巻線の極性マークに結合されるその端子が、前記電池セルB1Hの前記端子と異なる極性を有する前記電池セルのセットから、そのパラメータが最大値を有する電池セルB2Hおよびそのパラメータが最小値を有する電池セルB2Lを選択し、前記電池セルB1Hおよび前記電池セルB2Lを均衡させるために、前記電池セルB1HおよびB2Lに結合するそれぞれのスイッチを交互にターンオンし、前記電池セルB2Hおよび前記電池セルB1Lを均衡させるために、前記電池セルB2HおよびB1Lに結合するそれぞれのスイッチを交互にターンオンするステップと
    をさらに実施する電池管理システム。
  2. 前記検出および制御ユニットは、前記電池セルの電圧を検出し、前記第1の電池セルの第1の電圧が、前記第2の電池セルの第2の電圧より大きい場合、前記磁気デバイスを介し
    て前記第1の電池セルおよび前記第2の電池セルを均衡させるために、前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチを交互にターンオンする請求項1に記載の電池管理システム。
  3. 前記検出および制御ユニットは、前記第1の電池セルから前記磁気コアにエネルギーを貯蔵するように、前記第1の電池セルから前記第1の巻線へ流れる第1の電流を伝導させるために、前記第1のスイッチをターンオンし、前記第2のスイッチをターンオフし、その後、前記磁気コアに貯蔵された前記エネルギーを前記第2の電池セルに放出するように、前記第2の巻線から前記第2の電池セルへ流れる第2の電流を伝導させるために、前記第1のスイッチをターンオフし、前記第2のスイッチをターンオンする請求項1に記載の電池管理システム。
  4. 前記第1の巻線の極性マークに結合する、前記第1の電池セルの端子は、前記第2の巻線の極性マークに結合する、前記第2の電池セルの端子と異なる極性を有する請求項1に記載の電池管理システム。
  5. 前記検出および制御ユニットは、前記第1の電池セルの前記第1のパラメータと前記第2の電池セルの前記第2のパラメータとの差を計算し、前記差が閾値より大きい場合、前記第1の電池セルおよび前記第2の電池セルを均衡させるために、前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチをターンオンする請求項1に記載の電池管理システム。
  6. 複数の電池セルを含む電池パックを管理する電池管理システムであって、
    磁気コアに巻き付けられる複数の巻線を備える磁気デバイスと、
    各スイッチが電池セルと巻線との間に結合される、複数のスイッチと、
    前記電池セルのパラメータを検出し、第1の電池セルの第1のパラメータが、第2の電池セルの第2のパラメータより大きい場合、前記磁気デバイスを介して前記第1の電池セルおよび前記第2の電池セルを均衡させるために、前記第1の電池セルと第1の巻線との間に結合する第1のスイッチおよび前記第2の電池セルと第2の巻線との間に結合する第2のスイッチを交互にターンオンするように動作可能な検出および制御ユニットと
    を備え、
    前記検出および制御ユニットは、
    その正の端子が、対応する巻線の極性マークに結合される前記電池セルの第1のセットから、そのパラメータが最大値を有する電池セルB1Hおよびそのパラメータが最小値を有する電池セルB1Lを選択するステップと、
    その負の端子が、対応する巻線の極性マークに結合される前記電池セルの第2のセットから、そのパラメータが最大値を有する電池セルB2Hおよびそのパラメータが最小値を有する電池セルB2Lを選択するステップと、
    前記電池セルB1Hおよび前記電池セルB2Lを均衡させるために、前記電池セルB1HおよびB2Lに結合するそれぞれのスイッチを交互にターンオンするステップと、
    前記電池セルB2Hおよび前記電池セルB1Lを均衡させるために、前記電池セルB2HおよびB1Lに結合するそれぞれのスイッチを交互にターンオンするステップと
    をさらに実施する電池管理システム。
  7. 前記検出および制御ユニットは、前記電池セルの電圧を検出し、前記第1の電池セルの第1の電圧が、前記第2の電池セルの第2の電圧より大きい場合、前記磁気デバイスを介し
    て前記第1の電池セルおよび前記第2の電池セルを均衡させるために、前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチを交互にターンオンする請求項6に記載の電池管理システム。
  8. 前記検出および制御ユニットは、前記第1の電池セルから前記磁気コアにエネルギーを貯蔵するように、前記第1の電池セルから前記第1の巻線へ流れる第1の電流を伝導させるために、前記第1のスイッチをターンオンし、前記第2のスイッチをターンオフし、その後、前記磁気コアに貯蔵された前記エネルギーを前記第2の電池セルに放出するように、前記第2の巻線から前記第2の電池セルへ流れる第2の電流を伝導させるために、前記第1のスイッチをターンオフし、前記第2のスイッチをターンオンする請求項6に記載の電池管理システム。
  9. 前記第1の巻線の極性マークに結合する、前記第1の電池セルの端子は、前記第2の巻線の極性マークに結合する、前記第2の電池セルの端子と異なる極性を有する請求項6に記載の電池管理システム。
  10. 前記検出および制御ユニットは、前記第1の電池セルの前記第1のパラメータと前記第2の電池セルの前記第2のパラメータとの差を計算し、前記差が閾値より大きい場合、前記第1の電池セルおよび前記第2の電池セルを均衡させるために、前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチをターンオンする請求項6に記載の電池管理システム。
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