JP5706078B2 - 多数のバッテリ・セルの接続スキーム - Google Patents

Description

本発明は電池に関し、特に多数のセルから成る大容量二次電池に関する。

二次電池は再充電可能電池であるのに対し、一次電池は再充電されることができない電池である。リチウムイオン二次電池は、高電圧、高容量および低い自己放電を呈し、ポータブルな電気エネルギーのポピュラーな電源である。他の種類の二次電池と比較したとしても、リチウムイオン電池はより大きな安全性を呈する。したがって、バッテリ管理ユニット（BMU）下での恒常的なモニタリングおよびその電流、電圧、温度、並びに、他のパラメータの制御が、しばしば必要である。

セルは、電気エネルギーを格納できる基本的な電気化学ユニットであるが、必ずしも取扱いおよび環境応力に対して弾力的でない。電池は、少なくとも１つのセルを包含し、合理的な取扱いを存続するのに物理的に十分に弾力的である。これらの２つの定義の間には重要な重複がある。文献で、そして、この明細書において、用語「電池（battery）」および「セル（cell）」は、相互に取り換えられてしばしば使われる。

大容量電池は、一般に、要求される電圧を届けるために直列に、要求される電流を届けるのに並列に接続される多数のセルから成る。最も単純な構成では、複数のセルが、典型的なフラッシュライトで見られうるような直列に接続される。より多くの電流が特定の電圧で必要な場合、追加的な一連のセルは、直列被接続セルの第１のセットと並列に接続される。

図１Ａには、従来技術のバッテリスキームで接続された直列-並列接続を示し、直列接続セル10のいくつかのカラム11が、プラスの電圧出力端子12と負の電圧出力端子13との間で並列に接続される。カラムのセルの数は必要とされる電圧を決め、並列に接続されるカラムの数は必要とされる電流を提供する。直列-並列構成は、漏電流を除いてその電流が各々のカラムの全体にわたって同一であることを確実にする。したがって、電池内の電流の分布は、モニタされ、セル以外のカラム毎に操ることが可能である。いかなるカラムにおいても短絡が生じるとき、他のカラムからの電流の侵入は、ショートを含んでいない全てのセルの内部抵抗により制限される。しかしながら、この構成では、各セル必要の電圧は、モニタされて、個別にバランスされる必要がある。

従来技術の別の実施形態の並列−直列機構を図1Bに示し、多くのセル10がロー（row）15を並列に形成し必要とされる電流を提供する。それから、多くのロー15は、プラスの電圧出力端子とマイナスの出力電圧端末との間の必要とされる電圧を提供するために直列に接続される。リチウムイオン再充電型セルの並列−直列行列において、各々のローの電圧は、モニタされて、個別にバランスされることを必要とする。同一の電流は、ロー15の並列したセルの中で保証されず、たとえば、セルインピーダンスはローカル温度によって変化する。短絡回路が、セルのうちの１つで生じたとき、並列セルからの電流の侵入は、単一のロー（列）のセルの内部抵抗によってだけ制限される。このように、侵入電流は、図１Ａに示される直列-並列構成を有するそれより大きい。

初等物理学では、電流は各々の分離された直列の全体にわたって本質的に同一であり、電圧は各々の並列接続列（ロー）全体に本質的に同一である。直列-並列構成および並列の直列構成の各々は、上記２つの物理法則のうちの１つの利益を得て、それぞれ、電流および電圧制御を単純化する。しかし、どちらの構成も、電流および電圧制御の両方を単純化することは可能でない。直列-並列構成は、各セルのための電圧制御を必要とする一方で、並列−直列構成は各セルのための電流のコントロールの欠如が欠点である。第３の構成（図示せず）では、電池のマトリックスの各セルの電圧および電流は、それぞれに独立にモニタされ、複雑なスキームを提供して抑制される。加えて、より多くのエネルギーが、必要なコントローラの数の結果として、消散される。

米国特許第7,459,882（B2）号（Morgan）は、改良型の再充電可能電池に関し、セル又はセルのグループを放電ユニットに接続するためのスイッチング回路と同様なそれら自身の個々の放電入力を備えた、各々のセル、又は、各グループ、又は、セルのグループが並列に放電するように一緒に結合された複数のバッテリ・セルを有する。米国特許第7,394,225（B2）号（Guang等）では、多数のセル充電器が、一定の電流チャージを提供する並列構成で構成される。米国特許第7,276,881（B2）号（オクムラ等）は、過放電および過充電から電池セルを守るための保護に関する。米国特許第6,777,908（B2）号（Thorne等）は、いくつかのセルが直列、または、直列及び並列の組み合わせで構成されたバッテリ内のセルをバランスさせるための装置およびバッテリセルバランス方法に関する。米国特許第6,735,098（B2）号（Hussein等）は、突入電流制限回路、電源デバイス、および、パワー変換デバイスに関する。米国特許第6,417,646（B1）号（Huykoman等）は、過充電からマルチセルバッテリの個々のセルを保護し、セル状態の健康状態を判断するためのデータを収集するための回路に関する。米国特許第6,160,375号（堀江等）では、複数のリチウム・イオンセルの直列回路は、同一のセル充電とされ、陽極結晶位相が開始するときに、Zenerダイオードおよびレジスタは、同一のセル充電をするために各々のセルの正および負の端子の間で、直列に接続される。米国特許第6,150,795号（Kutkut等）は、電池の直列接続列の電池の対の間で、スタガー手段のモジュールにより実行されるバッテリ充電等化に関する。米国特許第6,114,835号（Price）は、マルチセル・バッテリの少なくとも２つのセルの充電を等しくするためにいつ充電バランス・モードを始めるべきかについて決定する、充電パランス回路に関する。

米国特許第6,043,628号（Perelle等）は、直列に接続されるセルのための方法および制御に関し、各セルは、管理によって活性化され、充電と放電をバランスさせるための測定から生じるバイパスと関連する。米国特許第5,956,241号（LaCascio）では、セル等化回路を包含するバッテリパワー回路は、複数のバッテリセルスタックの各セルを保証することは同等の率で充電の中で劣化する各セルを保障することに関する。米国特許第5,821,733号（Turnbull）は、複数の直列接続バッテリセルに関する充電のシステムに関し、複数のシャントレギュレータを含む。米国特許第5,773,159号（Beard）は、直列に接続された複数のリチウムセルを包含するバッテリパックに関し、リチウムセルの間の電圧ミスマッチは、バッテリパック内に包含される回路を利用する。米国特許第5,666,040号（Bourbeau）は、バッテリモニタおよびコントロールシステムに関し、電子モジュールが、オーバー電圧、アンダー電圧、オーバー温度、および、浮遊電圧を制御するために直列に接続されたバッテリの端末に接続される。米国特許第5,650,240号（Rogers）は、少なくとも２つのセルの電池のマルチセルバッテリ・システムに関し、選択的バイパスが、多重セル電池の各々のセルのために選択されうる。米国特許第5,578,914号（Morita）は、バッテリ充電システムに関し、高電流チャージオペレーションを可能にするためにバイパス容量を低減するようにアレンジされる。米国特許第5,206,578号（Nor）は、チャージしながらの電池のための監視回路に関し、電池は、セルへのダメージを防止するためにセルの直列接続を有する。米国特許第4,061,955号（Thomas等）では、マルチセル電池システムが開示され、各セルは個々の保護回路を有し、各セルはオーバーチャージおよびアンダーチャージに関して管理され、バイパス回路は、セルの直列接続から悪いセルを除去するのに用いられる。米国特許第3,872,457号（Ray等）は、電池のセルフ監視システムに関し、不完全なセルを検出するために個々のバッテリ・セルをスキャンする。

電流と電圧の両方の監視および制御を簡単化するバッテリ接続スキームに関する本発明の必要性が存在する。より具体的には、電流の不均一性を保障し、突入電流を低減させ、バッテリセルバランスを簡単化させ、短絡検出を容易にする新規なスキームが望まれる。

本発明の目的は、インターローが、モニタされ各直列で別々に制御される必要が無いように、自発的なイントラロー電圧バランス機構を備えた直列−並列接続バッテリセルのマトリックスを提供することである。

本発明の他の目的は、適当なイントラロー絶縁を備えた並列−直列接続バッテリ・セルのマトリックスを提供することであり、その結果、電流は、各直列を通っておおよそ等しくなり、電流分布は直列の間でモニタされ且つ制御され、各セルは故障中のサインを別々にモニタされ、セルが内部ショートを経験するとき突入電流が低減される。

上記の目的は新しい「ハード直列・ソフト並列」接続スキームにより達成され、ハード接続はごくわずかな抵抗で接続されることを称し、ソフト接続は相当の抵抗を備えた接続のことを称し、以下の静電放電（EDS）制御の分野において使用される慣例に続く。新しい構成は、直列−並列および並列−直列構成の特徴および効果を結合する。バッファレジスタが無限の抵抗を有する場合、それは直列-並列構成に変質する。バッファレジスタがゼロ抵抗を有する場合、それは並列の直列構成に変質する。

本発明の第１の実施形態では、一つ以上の直列接続電池は、直列−並列バッテリ構成を形成する電池システムの負端末と正端末との間に並列に接続される。各々の一連の電池は、バッテリ・システムの負端子と正端子との間で接続される同じ数の電池またはバッテリ・セルを有し、各々の直列の第１の電池の負の端子が、電池システムの負端末に接続される。各々の一連の電池の第２の電池の負端子は、第１の電池の正端子に接続される。各々の直列の第３の電池の負端子は、各々の直列の第２のバッテリの正端子に接続され、第ｎ番目の電池の負端子が、第ｎ−１番目の電池の正端子に接続されるまで続く。電池の直列接続の第１の電池の負端子は、電池システムの負端子に接続され、それは順番にバッテリ管理ユニット（BMU）に接続される。ｎ電池の直列接続の第ｎ番目の電池の正端子は、バッテリシステムの正端子に接続され、それは順番にBMUに接続される。

バッファレジスタとしてここでは称される抵抗は、各々の並列直列の第１の電池の正極端子から、並列に接続される電池の直列の第１の電池のための第１の測定ノード27（図2）まで接続される。バッファレジスタは、バッテリの並列直列の各々の第２のバッテリの正端子の間で、並列に接続される電池の直列の第２のバッテリのための第２の測定ノード27に接続される。バッファレジスタは、バッテリの各直列の第３の電池の正端子の間で、第３の測定ノード27まで接続され、第ｎ番目の電池まで続き、該第ｎ番目のバッテリの正端子が、電池システムの正端子を一緒に形成して直接接続される。バッファレジスタの各々は、セルが深刻な内部ショートを呈するとき、突入電流を制限するのに十分大きく、通常の動作の間、インターカラム電流を制限するのに十分大きい抵抗値のものである。したがって、バッファ抵抗の値は、バッファレジスタが接続される電池の内部抵抗より相当高い。同時に、バッファレジスタ値は、バッファレジスタが接続される電池の並列カラムの電池のロー全体の電圧バランスを維持するのに十分小さいことを必要とする。受け入れ可能連続バランス電流によって分割された受け入れ可能電圧偏差より少ない場合、バッファレジスタのための抵抗値は満たされ得る。例えば、リチウム電池の作動電流がほぼ1Aである場合、受け入れ可能な連続バランス電流は1mA未満であり、10mVの電圧アンバランスが許容される場合、バッファレジスタの抵抗は、10mV/1mA=10オームのオーダーであり、それは0.1オームのオーダーである電池の内部抵抗より非常に大きい。内部電池ショートが起こるとき、突入電流は、0.1オームのオーダーであるバッテリの内部抵抗より大きな１０オームのオーダーの抵抗によって効果的に制限される。

第１、第２およびn-1測定ノード27、負のバッテリーパック端末24および正のバッテリパック端末25は、マルチプレクサを介してバッテリ管理ユニット（BMU）に結合され、その結果、バッテリ電圧のものは、あるローで一度に測定される。ロー（列）全体の全ての電池が同じ電圧であるときに、電流はバッファレジスタの中を流れず、電圧測定ノード27は、ローの全てのセルに関して正確である。バッテリ電圧が、ロー全体で異なるとき、電流は、バッファレジスタの中を流れ、測定ノードの電圧はロー全体の平均的電圧である。この構成は、各直列が同じ抵抗値で測定ノードに接続されるという意味において、対称である。「主たるもの」直列と「補助」直列とのはっきりとした区別がない。ショートまたは電池の内部抵抗の著しい増加を含む深刻な問題が起こるとき、測定ノードの電圧は、期待値から著しく変化し、ＢＭＵはバッテリシステムのバランスの外を測定する。

本発明の他の実施形態では、直列38（図3）の一つは、「主たる」直列として選ばれる。他の全ての直列39は、したがって、「補助」直列である。直列のバッテリ端末は、測定ノードに直接接続され、補助直列のバッテリ端末は、バター・レジスタによる測定ノードに接続される。第１の実施形態と比較して、左右対称の代価で、ｎ−１バッファレジスタは救われる。主たる直列は、BMUによって直接バランスされる。主たる直列によってバッファレジスタを介して、他の直列は、間接的にバランスされる。

本発明の他の実施形態では、電池の各直列は、電池と直列に接続され、電流制御エレメント50（図6）は、電流感知エレメント、および、電流制御エレメントのコンポーネントのうちの１つ以上からなる。電流感知エレメントは、レジスタ、ホール・センサまたは磁気抵抗センサであってもよい。電流制御コンポーネントは、以下のパーツの一つ以上を含むことができる：アセンブリまたは予定された保守の間、電流分布をバランスするための可変抵抗、低抵抗レジスタと並列の電子スイッチ（例えば、CMOSゲート）、カラムの間の電流分布のその場制御、および、問題が検出されたときに直列を切断するスイッチ。

本発明は、添付の図面を参照して記載される。

図１Ａは、電池の直列-並列接続のための従来技術のブロック図である、 図１Ｂは、電池の並列の直列接続のための従来技術のブロック図である、 図２Ａは、一連のバッテリの複数のカラムによって共有される測定ノードを備えたバッテリの対称ハード直列・ソフト並列ハイブリッド接続に関する本発明の概略図である。 図２Ｂは、本発明に関する、開回路電圧とバッテリの充電の状態との間の関係を示すグラフである。 図３は、バッテリの主たる直列に直接接続された測定ノードを備えたバッテリの非対称のハード直列・ソフト並列ハイブリッド接続に関する本発明の概略図である。 図４Ａは、バッテリシステムに接続された対称のハード直列・ソフト並列の測定ノードに結合されたバッテリ管理ユニット（BMU）の本発明のブロック図である、 図４Ｂは、バッテリシステムに接続された非対称のハード直列・ソフト並列の測定ノードに結合されたバッテリ管理ユニット（BMU）の本発明のブロック図である、 図５Ａは、各セルの電圧が、測定ノードの電圧に加えてモニタされるバッテリシステムに接続された新規な対称のハード直列・ソフト並列のブロック図である、 図５Ｂは、各セルの電圧が、BMUによってモニタされるバッテリシステムに接続された新規な非対称のハード直列・ソフト並列のブロック図である、 図６は、電流制御ユニットが、直列-並列電池システムの各々の直列において、接続される本発明のブロック図である。

従来技術の直列-並列接続スキームは、パラレル接続されたシリーズ間の電気絶縁によって特徴づけられ、従来技術の並列シリーズ接続スキームは、並列接続されたシリーズの間の低抵抗電機接続によって特徴づけられる。電気絶縁と称されるイベントおよび電気接続と称されるイベントが抜本的に異なる時定数を呈するので、「十分な電気絶縁」および「十分な電気伝導」の条件は、相互に排他的でない。特に、最後の時間又は分である通常の充電及び放電中に、カラム間の電気絶縁が望ましい。セルが内部ショートを呈するとき、カラム間の電気絶縁はまた、望ましい。この場合、ダメージ突入電流は、数分または数秒の間もつ。対照的に、ローにわたる電気接続は、電圧バランスの目的に関してのみ望ましく、時定数は月又は年のオーダーである。各々のロー（row）にわたる接続は、中間の時定数（例えば２、３日）によってなされ、その結果、十分な絶縁および十分な伝導は両方とも成し遂げられる。この新しい構成は「ハード直列・ソフト並列」構成として特徴付けられ、ハード接続は極わずかな抵抗で接続されることを称し、ソフト接続は感知できるほどの抵抗で接続されることを称する。新しい構成が、直列−並列および並列−直列構成の望ましい特徴を組み合わせるので、「ハイブリッド（複合型）」構成と称される。

電池またはバッテリ・セル21の対称のハード直列・ソフト並列アレンジメント20を表す本発明の第１の実施形態を図２Ａに示す。電池21は、バッテリ・システムの負極２４と正極２５との間のバッテリ２２に直列接続されたカラムに接続され、次いで、直列接続されたバッテリのそれらの多数のカラムは、カラムにわたってバッテリのロー２３を並列に形成するように接続される。図２が４つの直列接続電池21の３つのカラム22を示すけれども、より一般的な構成は、本発明の範囲内であるｎ直列接続電池のｍカラムである点に留意する必要がある。

正極端子２５に接続される、各直列の正極端を除いて、レジスタ26は各々の電池21の各々の正極端子に接続される。電池23の各々のローのレジスタ26は、更に測定ノード27に接続される。図２では、n=4の場合、n-1=3の測定ノードがある。各々の測定ノード27は、正極端子25および負極端子24が共にBMUに結合され、該BMUは、連続したノードまたは端末、すなわち各々のロー23の電圧の間をモニタし、電圧バランスさせる。従来技術では、BMUは典型的にはマルチプレクサ（図示せず）を包含し、単一のアナログ／デジタル（A/D）コンバータを使用して、複数のローを連続してモニタすることができることが知られている。BMUはまた、過充電のドレインローに対するシャントパスを確立し、または、充電が不足しているローに過充電を転送する。レジスタ26は、抵抗が接続される個々のバッテリ２１の各々の内部抵抗より高い抵抗値を有し、バッテリの内部抵抗は典型的には、0.1オームのオーダーである。レジスタ26は、バッテリが短絡したとき、突入電流を制限し、インターカラム電流を制限するために抵抗が十分に高い必要があり、そのため通常の作動電流は、カラムを通して実質的に同じである。レジスタ26の抵抗もまた、インターカラム電流が、電池23のローにわたって電圧バランスを維持できるように十分に小さい値である必要がある。

リチウムイオン電池21のイントラカラム作動電流は、典型的には、１アンペアのオーダーであり、1mAがそのようなものすべてであるより少ないインターカラム・バランス電流が、電池23の同じローの他の電池21とバランスするバッテリ２１を保持する必要がある。
このように、10 mVのバランス電圧が可能な場合、レジスタ26の値は、ほぼ10オームでありえることができる。10オームのこの上のバンドは、0.1オームの下のバンドより非常に大きく、電池21の内部抵抗である。１オームの中間の値は、突入電流に関して十分なバリアを提供し、イントラカラム電流を実質的に同一に保ち、イントラカラム電池電圧を十分なマージンでバランスさせて保つ。

電圧バランスの許容度が、充電の状態およびバッテリ・セル設計の化学作用に依存する点に留意する必要がある。充電の状態は、電池の容量以上の利用できるチャージの比率である。リチウムイオンバッテリは、典型的には、バッテリ電圧が、図２Ｂに示すようなチャージのその状態の弱い機能である「プラトー（plateau）」を示す。抵抗器２６の最大許容抵抗が、Rmaxで表され、Rmax= (ΔSOC x [k])/iによって計算され、ΔSOCはチャージの状態の許容度であり、iはバッテリ２１自己放電電流のレンジであり、[k]は図２Ｂのスロープの加重平均であり、重み関数は期待される時間であり、バッテリ２１はチャージの対応する状態に達する。

釣り合っているイントラカラムは自然発生的で連続的であるので、釣り合っている電圧のために必要なイントラカラム電流が小さいこともまた注意されなければならない。対照的に、釣り合っているインターロー（inter-row）電圧バランスは、通常非常に低いデューティサイクルでBMUによって制御される。特に、大部分のoff-the-shell BMUは、チャージ中だけ、およびチャージが殆ど完了したときだけ、インターロー電圧バランスを実行する。したがって、BMU設計者が、新規なソフト並列接続で必要な非常により大きなバランス電流要求に慣れる。

バッファレジスタ26の抵抗は、イントラロー電流の時定数に集中する別のアプローチによって最適化される。バッテリ・セルが、充電のその状態によって変化する静電容量を呈することは当業者により理解される。静電容量および抵抗の製品は、そのバッファレジスタを備えたセルの時定数を定め、それは典型的には２、３分である従来の並列−直列構成の突入電流の時定数より非常に大きくなければならなく、典型的には２、３ヵ月である受け入れ可能自己放電の時定数より非常に小さくなければならない。したがって、バッファレジスタ26のための抵抗の受け入れ可能範囲は、非常に広い。

カラム22が同一でない場合には、電流よりむしろ時定数に基づいてバッファレジスタ26の設計は特に便利である。例えば、電池システムは、異なる場所において、物理的に配信されることができ、その幾つかは他より多くの利用できるスペースを有する。バッテリ・システムはまた、パワーセルの一つ以上のカラムと並列にエネルギーセルの一つ以上のカラムから成ることができる。さらに、セルの一つ以上のカラムは、既存のバッテリーパックに加えられることが可能である。これらの場合、そのバッファレジスタ26と一緒に各々の電池21が実質的に同じ時定数を呈するように、各々の電池21に接続されたバッファレジスタは設計されなければならない。

バッファレジスタは、それらが接続される電池21の消散的なバランス電流を制限する。特に、BMUが過剰な充電を排出するためにバッテリのローをシャントするとき、放電電流はバッファレジスタ26の中を流れなければならない。理想的には、追加的な電流リミッタが更に、インターロー電圧バランスの速度を低減する必要がないように、バッファレジスタ26の抵抗が選ばれなければならない。第１の実施形態は、パック端末24、25および測定ノード27に関して、各々のカラムが実質的に同じ時定数を呈するという意味において対称である。しかし、頂部および底部ロー、すなわち、パック端末24または25に直接接続される電池上の電池の時定数は、他の全てのセルの時定数のほぼ半分であることに注意すべきである。この違いは、各々の直列の両端が電力の伝送損失を最小化するために、直接接続されなければならないことに起因する。幸いにも、バッファレジスタの設計マージンは、２より非常に広い。したがって、バッテリーパックの両方の端のバッファレジスタの欠如が、頂部および底部のローのイントラカラムの絶縁を深刻に損なうというわけではない。

カラムのうちの１つが、バッファレジスタ26なしで、測定ノード27に直接接続される本発明の第２の実施形態を図３に示す。このカラムは、「主たる直列」38と称される。
他の全てのカラムは、第１の実施形態のバッファレジスタ26を介して測定ノード27に連結される。主たる直列以外のカラムは、「補助直列」39と称される。補助直列の電池21がモニタされないのに対して、主たる直列の電池21の電圧は、モニタされ、測定ノード27を介して直接バランスされる。バッファレジスタ26を介した主たる直列によって、補助直列のインターロー電圧バランスが、間接的に達成される。

第１の実施形態と比較すると、第２の実施形態は、n-1のより少しのバッファ・レジスタ26を必要とする。非対称が制御、特にインターロー電圧バランスを複雑にするので、しばしば、この節減だけは対称のその損失を正当化しない。バランスが、消散によってではなくチャージ転送によって達成されるとき、および、バランスが、非常に低いデューティサイクルを呈するときに生じる大きなチャージ電流をインターロー電圧バランスが含むとき、第２の実施形態は第１の実施形態よりも好ましい。この場合、インターローバランスチャージは、主たる直列38の電池21へ急速に転送され、次いで、熱消散を段階的に最小化するために補助直列の電池21まで広げることができる。この実施形態がパックに対してより少ない変更態様を必要とするので、既存のバッテリーパックが、セルの余分のカラムを追加することにより拡大されるときに、第２の実施形態はまた、好ましい。

BMU 42に連結する本発明の第１の実施形態の例を図４Ａに示す。BMUは測定ノード27に接続され、電池のｎ乃至n-1列の各々の正バッテリ端末に接続しているバッファレジスタ26と一緒に接続することにより形成される。電池のn=1列の負極端子は、電池システムの負極端子を形成するために一緒に接続され、BMU 42に接続される。電池のｎ番目の列の正極端子は、電池システムの正極端子を形成するために一緒に接続され、BMU 42に接続される。

BMUに連結する本発明の第２の実施形態の例を図4Bに示し、第２のカラム（m=2）が主な直列であるように示される。しかし、主たる直列の物理的な位置は、任意である。図4Aおよび図4Bでは、電池21またはバッテリ・セルのハード直列・ソフト並列配置は、直列にハード接続したn=4電池、および、並列にソフト接続したm=3カラムと示される。

例えば、温度センサ、電流センサ、および、充電／放電スイッチへの接続のような、本発明により影響を受けない接続、および、BMUピンは、明確にするため省略される。図４Ａおよび図４Ｂの双方でのBMU接続が、従来の並列−直列構成のものと同一である点に留意すべきである。第１の実施形態では、パラメータ設定を含むバランスアルゴリズムおよび電圧モニタは、従来の並列−直列構成のものと同一であってよい。第２の実施形態では、電圧バランスアルゴリズムおよびパラメータ設定は、主たる直列と補助直列との間の段階的な等化を明らかにするために、従来の並列−直列構成を備えるそれと僅かに異なる。一般に、従来の並列−直列構成は、最小の影響のない新しいハード直列・ソフト並列構成にアップグレードされることができる。

上記した最初の２つの実施形態では、ソフト並列接続セルは、個々にモニタされない。例えば、自己放電電流の増加、および、直流抵抗（DCR）またはインピーダンスの変化のような単一のセルのペンディング失敗の徴候は、測定がノード27でなされ、セルの端子で直接なされないので、検出するのが難しい。図５Ａは、本発明の第３の実施形態を示し、第１の実施形態の端末51は、個々のセル電圧が測定されるように、BMUに接続される。同様に、本発明の第4の実施形態を図５Ｂに示し、個々のセル電圧が測定されるように、第２の実施形態の端末51が、BMUに接続される。

図5Aおよび図5Bの双方において、端末51は直接BMUに接続している。これらの電圧が、同時に並列に、または、順番に多重化されるいずれかで測定されることは当業者によって理解され、BMUの外側または内側のいずれかで実行され得る。セル電圧、個々のセルへ、又は、個々のセルからのイントラロー電流に加えて、またはそれらに代えて、電流センサによってモニタされ、かかるセンサは、ターミナル５１とＢＭＵ４２との間に挿入された小さな抵抗、または、ターミナル５１ｓとＢＭＵ４２との間の電気リードに隣接して位置決めされたリモートセンサのいずれかであってよいことは当業者に理解されるべきであろう。

ここにおける図及び議論は、バッテリ・システムおよび対応するバッテリ管理システムの例であることはまた、注意されなければならない。直列の電池の数ｎおよび並列の電池のカラムの数ｍは、本願明細書において示される図の実施形態に限定されない。

従来の並列−直列接続スキームを超える本発明の主要効果は、各々の４つの実施形態で、ハード直列の中の電流の分布が、アセンブリ中、調整され、または、アプリケーション中、制御されることができるということである。制御ユニット50が、第１の実施形態のセルの各々のカラムに挿入される本発明の第５の実施形態のブロック図を図６に示す。示すように制御ユニット50が、セルのn=1列（ロー）と負極端子43との間で接続されるにもかかわらず、制御ユニット50が直列のどこにでも挿入されることができる点に留意する必要がある。制御ユニット50が同様に第２、第３および第４の実施形態に挿入されることができることはまた、強調されなければならない。制御ユニット50は本質的に可変抵抗であり、アセンブリおよび保守の間、手動で調整されることができ、または、アプリケーションの間、自動的で制御され得る。制御ユニット50は、以下の一つ以上のエレメントからなる：
i) スイッチ、リレーまたは、ある直列が失敗するケースにおいて、安価であるが、診断に役立ち、低減した容量でバッテリーパックを作動させることができるコンタクト；
ii) 温度または電流のいずれかにより活性化されるヒューズであって、該ヒューズはリセットされ又はリセットされることができなくてもよい。ヒューズは、極端に高い温度でのオペレーティングまたはオーバーロードから直列を保護する：
iii) 抵抗が温度に対して単調に、可逆的に、非線形に増加する正の熱係数（PTC；positive thermal coefficient）デバイス。PTCは、セル内部抵抗の負の熱係数を相殺でき、バッテリーパック内で熱勾配に対する電流分布の感度を減らす。PTCも、リセットされうる熱ヒューズとして機能する：
iv)低抵抗可変レジスタ、例えば、並列に導体を追加する（例えば、ストリップの表面に半田を加え、または、ストリップに追加の導体を半田付けする）ことにより抵抗が減少し、伝導パスをブロックすることにより（例えば、ストリップに穴を開け、または、ストリップの一部を切断する）ことにより抵抗が増大する導体のストリップなど。それは、アセンブリおよび保守の間に有用である：
v) 電流センサ：
vi) フィードバック制御によって、電流分布を制御するのに用いられる電子スイッチ（例えばCMOSデバイス）。制御ユニット50の設計および製造は、当業者には全くフレキシブルである。

制御ユニット50は、極めて信頼性が高くなければならない。単一の失敗は直列を開けることができ、他の直列に電流のそのシェアを流用でき、かくして、それらをオーバーロードする。制御ユニット50はまた、低電力損失および熱生成を呈しなければならない。効果は、低信頼性又は熱生成コンポーネントの必要を減らすかまたは除去するように効果を発揮しなければならない。アセンブリの前に、容量Ｃが同じ直列22の全てのセル21の中でほぼ同一であるように、セル21は選択され、グループ化される必要がある。設計において、内部抵抗RのRC製品および全ての直列22の容量Cは、マトリックス全体で同一でなければならない。RCの同等性は、アセンブリおよび保守の間、検査されなければならない。内部抵抗Rが温度によって変化し、バッテリーパック内の温度は同一でない点に注意する。各々の直列の平均温度が等しいままであるように、電池およびその熱制御システムが設計されなければならない。これは、電流分布のパック温度変化の影響を最小にする。

本発明を好ましい実施形態に関して図と共に記載されると共に、さまざまな形の変更、および、本発明の精神および範囲から逸脱することなく作られることが可能であることは当業者により理解され得る。

Claims (15)

1. a) ｍのカラムを更に備える直列−並列バッテリシステムであって、各カラムがバッテリシステムの負端子と正端子との間に直列に接続されるｎのバッテリを備えることを特徴とする直列−並列バッテリシステムと、
   b) バッテリ管理ユニットの測定ノードに結合された複数のバッテリの正端子であって、バッテリの頂部のローの下のバッテリシステムのローにおける各バッテリの正端子が、バッテリシステムの各ローに配置された測定ノードにバッファレジスタを介して接続され、各バッファレジスタの値が、１乃至ｍのカラムにおいてバッテリシステムのローにわたって電圧バランスを維持するのに十分小さく、バッテリ内部ショートを呈するとき、突入電流を制限するのに十分大きいことを特徴とする複数のバッテリの正端子と、
   を有するバッテリ管理システムであって、
   c) バッテリシステムの正端子に結合された１乃至ｍのカラムの頂部のバッテリの正端子、および、バッテリシステムの負端子に結合された１乃至ｍのカラムの底部のバッテリの負端子と、
   d) 前記測定ノードが、バッテリシステム性能の測定を提供するためにバッテリ管理ユニット（ＢＭＵ）に結合され、前記バッテリシステムの故障を検出することを特徴とするバッテリ管理システム。
2. 前記直列−並列バッテリシステムが更に、ｍのカラム中の電流分布を調節するためにｍのカラムの各々に制御ユニットを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記制御ユニットが更に、電流をモニタするための電流センサと、バッテリのｍのカラムの故障カラムを除外するためにスイッチと、を有することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 電圧が、バッテリシステムの各バッテリに関してモニタされることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 前記バッファレジスタが、１乃至ｍ−１のカラムのバッテリに結合し、ｍ番目のカラムのバッテリが、測定ノードに直接結合される、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 同じカラムのバッテリが、同じ容量のものであり、バッテリの内部抵抗と容量がバッテリシステムにおけるカラム中で等しくなるように、前記バッテリがグループ化され、選択されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記バッテリシステムが、各カラムのバッテリの平均温度が等しくなるようにバッテリおよびその熱制御システムが設計されることを更に有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 前記バッファレジスタの値は、バッファレジスタが接続されるバッテリの内部抵抗より大きいことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 直列−並列バッテリシステムのパフォーマンスを管理する方法であって、
   ａ）直列−並列構成に接続されたバッテリセルのｍのカラムとｎのローからバッテリを構成するステップであって、ｍのカラムのバッテリセルがバッテリの正端子と負端子との間に直列に接続されることを特徴とするステップと、
   ｂ）ｎ−１の測定ノードを形成するステップであって、バッテリセルのローの各カラムのバッテリセルの正端子がバッファレジスタを介して前記測定ノードの一つに接続され、各バッファレジスタの値が、１乃至ｍのカラムにおいてバッテリのローにわたって電圧バランスを維持するのに十分小さく、バッテリセルが内部ショートを呈するとき、突入電流を制限するのに十分大きい、ことを特徴とするステップと、
   ｃ）測定される前記測定ノードを選択するバッテリ管理ユニット（ＢＭＵ）に前記ｎ−１測定ノードを接続するステップと、
   ｄ）バッテリセルの各ｍのカラムに制御ユニットを挿入するステップと、
   ｅ）前記ｍのカラム中の電流の分布を調整するために前記制御ユニットで各ｍのカラムの電流フローを測定するステップと
   を有することを特徴とする方法。
10. 前記制御ユニットが、電流をモニタするための電流センサと、バッテリセルのｍのカラムの故障カラムを除外するためにスイッチとを更に有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記バッファレジスタが、前記バッテリセルの内部抵抗より大きな抵抗を備えることを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 前記バッファレジスタが、１乃至ｍ−１のカラムのバッテリセルに結合され、バッテリセルのｍ番目のカラムが前記測定ノードに直接結合されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
13. 前記バッテリセルが、ｍのカラムの同じカラムにおいてバッテリセルが同じ容量のものであり、セル容量およびセル内部抵抗がｍのカラム中で等しいことを特徴とする請求項９に記載の方法。
14. 前記バッテリが、各カラムの前記セルの平均温度が等しくなるようにバッテリおよびその熱制御システムが設計されることを更に有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
15. 前記ＢＭＵが、バッテリセルのｍのカラムの各セルの電圧をモニタすることを特徴とする請求項９に記載の方法。
    

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