JP6147668B2 - スマート電池管理システムのための無線電池エリアネットワーク - Google Patents

Description

関連出願への相互参照
本特許出願は、ジェシク・リー（Ｊａｅｓｉｋ Ｌｅｅ）、ミンキュ・リー（Ｍｉｎｋｙｕ Ｌｅｅ）およびアンドリュー・チョン（Ａｎｄｒｅｗ Ｃｈｏｎ）による、「スマート電池管理システムのための無線電池エリア管理（ＷｉＢａＡＮ）」と題される、２０１０年１１月２日出願の米国仮特許出願第６１／４０９，２９０号に関し、その優先権を主張する。その内容全体および実体は、ここに参照によって全体的に包含される。

１．発明の分野
本発明は、基地局（Ｍ−ＢＭＵ）と複数のスレーブ電池セルセンサノード（Ｓ−ＢＭＵ）との間で無線電池エリアネットワークが自動的に確立される電池パック内に複数の電池セルを含む電池管理システムに関する。

２．関連技術の説明
リチウムイオン（Ｌｉイオン）電池は、風力タービン、太陽電池およびハイブリッド電気自動車等のように、産業および自動車への応用、高電圧エネルギー使用（スマートグリッド）のためのエネルギー貯蓄手段としての人気が高まっている。そして、これは、より安全でより高性能な電池管理および保護システムへの需要を刺激した。たとえば米国特許第６，３５１，０９７号を参照すると、ＮｉＭＨ（ニッケル水素）電池管理システムに比較して、Ｌｉイオン電池は、より良好なエネルギー対重量比を有し、複数の充電−放電サイクルにわたってより効率的な蓄電量を提供し、未使用時において電荷漏洩により煩わされることがより少ない。高電圧の応用において伝統的に用いられるＮｉＭＨ電池と異なり、Ｌｉイオン技術を用いる電池スタックは、合計数百にのぼる多数の異なる電圧の個別セルを含みうる。各セルは、適切に監視され、ユーザの安全性を確証するために平衡化され、電池性能を向上し、電池寿命を延長しなくてはならない。したがって、電池監視システム（ＢＭＳ）は、小および大規模電池使用のための重要な要素の一つである。Ｌｉイオン電池パックの例は、米国特許第５，６０２，４６０号；第５，６３１，５３７号；および第５，６４６，５０８号に開示されている。ＢＭＳの主要目的は、（１）電池の適切な使用を保障すること、（２）電池の最大性能を保障すること、（３）必要な電池状態データを監視すること、（４）診断を可能にすること、である。ＢＭＳ構成は、最先端Ｌｉイオン電池の３つの主な困難を克服しなくてはならない：寿命、コスト、そして拡張性。たとえば、スマートグリッドおよび発電所での応用では、電池容量は、数百ｋＷｈから数ＭＷｈまでの大きさが必要である。しかしながら、現在のＢＭＳ構成は、そのような多数の電池セルを扱うほど拡張可能ではない。より重要なことに、大規模電池使用を扱うための複雑さおよび配線ハーネスは、しばしば甘受できるものではない。また、従来の電池管理システムは、オプトカプラーに基づく垂直バス等のデータバス遮断器を必要とし、高コストおよび高電力消費の問題がある。大部分の研究努力は、セルの化学的特徴を向上することに焦点があてられてきた。およそ３０％の電池パックコストがＢＭＳに対してであり、この割合は電池容量が大きくなるに連れて上昇することを考慮すると、ＢＭＳは、特に大規模Ｌｉイオン電池パックに対して顕著なコスト削減の源泉となりうる。有線媒体または無線および有線の組合せではなく、無線通信を使用する従来技術の電池管理システムはほとんどない。

米国特許第６，３５１，０９７号は、Ｎｉ−ＣｄおよびＮｉＭＨのための電池管理システムを記載する一方、以下の米国特許は、ＬｉイオンまたはＬｉ−ポリマー電池のための関連する電池管理システムについて議論している；米国特許第５，９６３，０１９号；第７，６１９，４１７号；第７，８８８，９１２号；第８，０２２，６６９号；および米国特許出願公開第２００７／００２９９７２号。２次電池の再利用および保護の有益な議論は、米国特許第７，７１０，０７３号に見られる。

最後に、電池管理システムにおける最先端の無線通信の有益な議論として、次の米国特許が挙げられる：第７，５９８，８８０号；第７，７７４，１５１号；および米国特許出願公開第２００６／０１５２１９０号。

大規模な電池使用において個別の電池を賢く監視および制御するためのシステムおよび方法が開示される。

本システムは、電池パック内で無線電池エリアネットワークを確立することによって、主電池管理ユニット（Ｍ−ＢＭＵ）に複数の電池をリンク付けることができる。本方法は、電圧、電流、温度またはインピーダンスについての個々の電池動作の監視と、電池を平衡状態にしたりバイパスしたりすることによるその動作の制御とを含む。各電池動作の監視および制御は、好ましくは、各電池セル上に直接設けられたスレーブ電池管理ユニット（Ｓ−ＢＭＵ）によって実行される。充電状態（ＳｏＣ）および劣化状態（ＳｏＨ）アルゴリズムは、Ｍ−ＢＭＵにおいて実行される。セルを監視および制御するためのデータプロトコルは、所定の周期でＳ−ＢＭＵとＭ−ＢＭＵとの間で伝達される。そのような無線電池エリアネットワークは、大規模電池使用のための拡張性を容易に提供できる。加えて、無線電池エリアネットワークは、対応する電池セルに対して電池動作を直接的に精度良く設定でき、したがって電池パックの寿命サイクルを拡張する。

本発明は、以下の図面を参照してさらに理解される。

図１は、従来技術の電池管理システム構成の一部を概略的に示す集中型ＢＭＳの接続形態である。 図２は、スレーブユニットの使用を示す、従来技術の電池管理システム構成の一部を概略的に示す分散型ＢＭＳの接続形態である。 図３は、本発明の好ましい実施形態に係る無線電池エリアネットワーク（ＷｉＢａＡＮ）の方法およびシステム接続形態を示す。 図４は、ＷｉＢａＡＮ内の所定周期およびシーケンスに基づいて、Ｓ−ＢＭＵノードに接続するための時分割半二重法を開示する本発明の無線接続方法を示す。 図５は、ＷｉＢａＡＮ内のＳ−ＢＭＵおよびＭ−ＢＭＵ間の通信を示すタイミング図である。 図６は、大規模電池使用のためのＷｉＢａＡＮがいくつかの電池群からなり、電池群が１つのＭ−ＢＭＵと複数のＳ−ＢＭＵを含むハイブリッド多重通信ネットワークに基づく、ＷｉＢａＡＮの階層構成を示す。 図７は、ＲＦリピータを実装する本発明の他の実施形態を示す。 図８は、電池パックに接続されたセンサを実装する本発明の他の実施形態を示す。 図９ａは、ＷｉＢａＡＮに関連した２次電池保護装置を示す。 図９ｂは、Ｍ−ＢＭＵが通常作動する電圧範囲と、ＳＰＤが代わって制御を実行する故障範囲とを示す電圧図である。 図１０ａは、電池セルに直接取り付けられたＳ−ＢＭＵのブロック図を示す。 図１０ｂは、上記図１０ａに示された電池制御ロジック回路並びに平衡およびバイパス回路の詳細ブロック図である。 図１１は、本発明に係る電池管理システムの動作モードの流れ図である。

記載中、本発明を示す異なる構成による同様の要素を特定するために、同様の番号が使用される。

一般的に、全ての電池管理システム（ＢＭＳ）は、電子回路ボードを使用して実装される。ＢＭＳは、各セルの電圧、電流、インピーダンスおよび温度を監視する。ＢＭＳは、全てのＬｉイオン電池セルを各々監視しなくてはならないので、典型的な従来技術のＢＭＳボードは、全てのＬｉイオンセルに配線される必要がある。これは、監視されるＬｉイオン電池セルを増加させる必要がある場合に問題となりうる。従来技術では、階層状のＢＭＳ構成がしばしば使用されるが、ＢＭＳ構成の使用はまた、ＢＭＳボード数および全体的なコストの増加を必要とする。電気自動車（ＥＶ）または発電所における使用の場合においてしばしばそうであるように、Ｌｉイオンセルの数が数百または数千まで増加する場合、ワイヤハーネスは深刻な問題となる。したがって、ＢＭＳ実装の最大の問題点は配線である。この問題を緩和するために、スター型接続形態、リング型接続形態またはデイジーチェーン型接続形態が導入されてきた。これらの接続形態は配線問題を低減するかもしれないが、これらは、全ての電池が設定可能ではないので、最適化の問題を引き起こす。電池寿命および性能の最適化のために、個別の電池を制御することが理想的である。

図１は、従来技術による完全集中型の、従来技術により配線されたＢＭＳ構成を示す。各ＢＭＳコントローラ（３０）は、マイクロプロセッサ（３２）、ＩＯインタフェース（３３）、メモリ（３４）およびＢＭＡ（３５）を含む。これは、１つのＢＭＳコントローラボード（３０）および配線（２０−１，…，２０−８）が各電池セル（１０−１，…，１０−７）に接続される、最も単純な構成である。しかしながら、配線は、大容量または高電圧電池パックのためには問題となりうる。たとえば１００セルを直列に有する電池パックは、セル（１０）と集中型ＢＭＳ（３０）との間をつなぐ１０１本の配線を備えなくてはならない。これら配線（２０）の全ての経路を定めることは困難である。さらに悪いことに、電池（１０）内により多くの配線があればあるほど、これらのうち一本が電池（１０）の２極間でプラズマ放電の経路となる危険性がより大きい。

図２は、ＢＭＳボード（４０）が電池セル（１０）に設けられ、ＢＭＳボード（４０）が中央ＢＭＳコントローラ（３０）に単一デイジーチェーン（２０−１，２０−２，２０−３）によって接続される、他の従来技術の完全分散型構成を示す。配線問題はこの接続形態では解決されるが、１つのＢＭＳボード（４０）の故障が全電池パックの故障となり、計測時間は積層された電池（１０）の数に比例して増加する。

図３は、各電池セル（１０）に設けられたスレーブ電池管理ユニット（Ｓ−ＢＭＵ）（２１０）が無線で１つの主電池管理ユニット（Ｍ−ＢＭＵ）（１００）に接続される、本発明の好ましい実施形態により提案された無線電池エリアネットワーク（ＷｉＢａＡＮ）を示す。提案された構成は、従来技術のＢＭＳ構成の全てに対して大きな利点を有する。

ＷｉＢａＡＮ（４００）は、（５００より少ない電池セルを有する大型電池パックのための）１つのＭ−ＢＭＵ（１００）と、各電池セル（１０）のための複数のＳ−ＢＭＵ（２００）とからなる。各Ｍ−ＢＭＵ（１００）は、ＲＦ無線（１１０）、アンテナ（１５０）、マイクロプロセッサ（１２０）、メモリ（１４０）および様々なインタフェース（１３０）を含む。または、ＲＦ無線（１１０）、マイクロプロセッサ（１２０）およびメモリの一部（１４０）、電源管理ユニットおよびインタフェース（１３０）は、単一シリコンチップまたはダイ上に統合されうる。各Ｓ−ＢＭＵ（２１０）は、アナログセンサ（２４０）、ＲＦ無線（２２０）、オンボードアンテナ（２３０）および電池制御ロジック（２５０）を含む。または、アナログセンサ（２４０）、ＲＦ無線（２２０）および電池制御ロジック（２５０）は、単一シリコンチップ上に実装されうる。ＷｉＢａＡＮと共に組み込まれるスマートＢＭＳ（４００）は、各電池セル（１０）と通信でき、その電圧、電流、インピーダンスおよび環境温度等の実際の動作状態を監視できる。個別の電池セル（１００）状態を監視することは、ＢＭＳ（４００）の主要な要素である。ＷｉＢａＡＮにおける有効な通信バンド幅は、電池パック（１０）のサイズ（すなわち、パック内の電池数）と、応用のシステムリフレッシュレート（すなわち、ＥＶのＣＡＮ−バス更新レート）とに完全に依存する。ＷｉＢａＡＮは、個別の電池セル（Ｓ−ＢＭＵ）（２１０）およびＢＭＳコントローラ（Ｍ−ＢＭＵ）（１００）間で簡易なインタフェースを提供し、さらなるパックを追加して無線インタフェースの再設定を実行することにより効果的な通信バンド幅の柔軟な拡張を提供する。個別電池セル（１０）のリアルタイムの動作状態に関する情報は、製造業者からの電池仕様についての情報に組み込まれ、システムが各電池セル（１０）の充電状態（ＳｏＣ）および公差条件を制御し、究極的に電池寿命または電池サイクル時間若しくはその両方を延ばすことを可能にする。加えて、それは、ＢＭＳがセルを平衡化する時間を顕著に減少できるように、セルパック（１０）内におけるセル平衡化（２５１）を賢く均一化することを可能にする。無線リンクは、本質的に電圧に依存しないデータ転送を提供するので、ＷｉＢａＡＮは、Ｓ−ＢＭＵ（２００）およびＭ−ＢＭＵ（１００）間のデータ通信のための遮断器を必要としない。

頻繁に故障し易い、大多数のアクセス不能で放置されたＳ−ＢＭＵ（２１０）は、接続状態のメンテナンスを困難なものとする。数百から数千のＳ−ＢＭＵ（２００）は、ＷｉＢａＡＮ領域（５００）中にわたって配設されうる。それらは一般的に、ノード密集度が１ｍ^３あたり１００Ｓ−ＢＭＵまたはこれより高いように、相互から１０フィート内に配設される。密集して詰められたノードを多数配設することは、注意深い取扱いと特別な接続状態メンテナンスを必要とする。しかしながら、装置故障が、無線センサノードにおけるエネルギー不足または破壊のため正常または一般的な事象である一方、ＷｉＢａＡＮ（５００）内のＳ−ＢＭＵ（２００）は、搭載された電池によって直接供給された電力のため、ほとんど故障することがない。いかなるＷｉＢａＡＮの応用においても高度に可動性のノードを有することは困難であるため、ＷｉＢａＡＮは、通常、変動タスクの動態を経ることはない。加えて、それは入念な妨害の標的ではない。開示されたＷｉＢａＡＮ接続形態は、配設後における頻繁な変更に処されるものではない。

ＷｉＢａＡＮは多重無線通信システムであるが、図４は、好適に可能なＷｉＢａＡＮ接続形態の一つとしての半二重システムを示す。ＷｉＢａＡＮは、第２ノードへの１本のポイントツーポイントリンクを有する１つのノードからなる。中央ノードがＭ−ＢＭＵ（１００）として選択され、その他のノードがＳ−ＢＭＵ（２００）である。ネットワークは、ネットワークのＭ−ＢＭＵ（１００）が各通信における個別のＳ−ＢＭＵ（２１０）にのみ対処する、非ブロードキャスト多重アクセス通信を使用する。ＷｉＢａＡＮは、いくつかのＳ−ＢＭＵ（２００）と、ハブとしての１つのＭ−ＢＭＵ（１００）とを含む。ＷｉＢａＡＮにおけるＶの最大数は、通信パケットサイズ、有効ＷｉＢａＡＮバンド幅、および必要とされるシステムリフレッシュレートを考慮して決定されうる。電機自動車（ＥＶ）の例では、下り／上り回線データのパケットサイズがＰＳビット、ＷｉＢａＡＮ最大データレートがＤＲビット／秒、そしてＣＡＮ−バスリフレッシュレートがＲＲ秒であるとすると、ＷｉＢａＡＮ領域内のＳ−ＢＭＵ（２００）の最大数は、ＤＲ＊ＲＲ／ＰＳよりも小さいべきである。

図５は、ＷｉＢａＡＮ内においてＭ−ＢＭＵ（１００）といくつかのＳ−ＢＭＵ（２００）との間で通信するための、確立された時分割多重プロトコル（ＴＤＭ）に基づくデータ転送（アクセス）方法を示す。上りリンクおよび下りリンク間のデータ速度に非対称性があり、上りリンクおよび下りリンクの経路は非常に類似する可能性が高いため、ＴＤＭはＷｉＢａＡＮにおいて利点を有する。ＴＤＭは、下り回線および上り回線の両方向に信号を転送するため、単一周波数スペクトルを使用する。ＴＤＭシステムは、送信（下りリンク）および受信（上りリンク）回線間の保護時間を必要とする。Ｔｘ／Ｒｘ切り替え間隔（ＴＴＧ）とは、下りリンクおよび上りリンク転送との間の間隔である。この間隔は、Ｍ−ＢＭＵ（１００）が送信モードから受信モードに切り替わり、Ｓ−ＢＭＵ（２１０）が受信モードから送信モードに切り替わるための時間を許容する。

図６は、ハイブリッド多重通信ネットワークに基づく、階層ＷｉＢａＡＮ構成（５００）を示す。それは、電池コントローラの３つの異なる階層からなる：Ｔ−ＢＭＵ（５１０）、Ｍ−ＢＭＵ（１００）およびＳ−ＢＭＵ（２００）。１つの最高階層の電池管理ユニット（Ｔ−ＢＭＵ）（５１０）は、電池管理システムの最高階層ノードであり、ＲＦ無線、アンテナ、マイクロプロセッサ、コントローラ、周辺インタフェースユニット、およびＭ−ＢＭＵ（１００）と同様の電源管理ユニットを含む。Ｔ−ＢＭＵ（５１０）は、複数のＭ−ＢＭＵ（１００）の動作を制御し、Ｍ−ＢＭＵ（１００）からデータを収集し、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮまたはＣＡＮ−バス）等の外部インタフェース（５２０）を介して主システムと通信する。Ｔ−ＢＭＵ（５１０）および複数のＭ−ＢＭＵ（１００）間の無線通信ネットワークは、各チャネルが異なるキャリア周波数信号（ｆｃｉ）（３４０）を使用する周波数分割多重化（ＦＤＭ）技術によって好適に確立される。構成のより高い階層の各ノードは、直近の低い階層よりも長い制御間隔および実行時間により動作する。各分岐は、電池管理「群」（４００）を形成するＭ−ＢＭＵ（１００）およびいくつかのＳ−ＢＭＵ（２００）により組織される。各群（４００）は、隣接ＲＦ通信間での干渉を抑制するように、隣接電池管理群とのＦＤＭネットワーク（ｆｏ）（３３０）を確立する。他方で、図５に示されるように、電池管理群内の各Ｍ−ＢＭＵ（１００）と複数のＳ−ＢＭＵ（２００）との間で通信するために、時分割多重化（ＴＤＭ）が使用される。電池管理群のサイズは、Ｓ−ＢＭＵ（２００）、データ転送速度、更新電池データ転送速度の仕様等のパラメータによって決定される。たとえば、７００より少ない等Ｓ−ＢＭＵ（２００）の数に制限があり、データ転送速度ＩＭｂ／ｓ、１００ｍ秒更新データ転送速度の場合、次のような結果を得られるだろう。その条件下、唯一の電池群は、全てのＷｉＢａＡＮの存在を管理する必要があり、Ｍ−ＢＭＵ（１００）は、各Ｓ−ＢＭＵ（２００）のＳｏＣ／ＳｏＨを算出でき、それらの監視データに基づいて全体構成を制御できる。図６に示されるように、システム全体が１つより多い電池群を含み、階層構造を必要とする場合、各Ｍ−ＢＭＵ（１００）は、電池群内の各Ｓ−ＢＭＵについてＳｏＣ／ＳｏＨを算出してＢＭＳ動作を制御するための、Ｔ−ＢＭＳ（５１０）にＳｏＣ／ＳｏＨデータを転送するマイクロプロセッサを含む。または、当該Ｔ−ＢＭＵは、マイクロプロセッサによって全てのＳ−ＢＭＵのＳｏＣ／ＳｏＨを算出でき、この場合、Ｍ−ＢＭＵ（１００）は、データ転送ゲートウェイの役割を果たす。

図７は、ネットワーク（４００）がＭ−ＢＭＵ（１００）および周辺Ｓ−ＢＭＵノード（２００）間に１つ以上の無線リピータ（またはＲＦゲートウェイ）（６１０）を有する、ＷｉＢａＡＮの改変された実際的な接続形態を示す。ＲＦゲートウェイ（６１０）は、Ｍ−ＢＭＵ（１００）の転送電力によってサポートされる点を超えて、または、ＷｉＢａＡＮが実装される物理的パッケージによってサポートされる点を超えて、Ｍ−ＢＭＵ（１００）およびＳ−ＢＭＵ（２００）ノード（２１０）間のポイントツーポイントリンクの最大転送距離を拡張するために使用される。

図８は、物理的センサユニット（２４０）が電池セル（１０）上に設けられ、セル（１０）が所定数（ｍ）までの電池セル（１０）列に積層されうる、変形ＷｉＢａＡＮ接続形態の他の実施形態を示す。センサユニット（２４０）上の２組のシリアルポートは、センサユニット（２４０）がデイジーチェーン接続されるか、またはＣＡＮ等の他のデジタルインタフェースによって接続されることを可能にする。Ｍ−ＢＭＵ（１００）との通信は、ＲＦ無線（２５０）を介して、最低レベルで実行される。この接続形態は、無線通信リンクを単純化するために使用され、必要とされるＲＦ無線の数を減少することができる。電池パック（４００）のモジュール化（２６０）が改良された電池パック構造の物理的複雑性を克服することも有益である。

図９（ａ）は、ＢＭＳ（１００）のための無線２次的電池保護（ＳＰＤ）機構のブロック図である。２次的保護は、電池管理システム（ＢＭＳ）（１００）による主保護機構が動作故障を起こした時に電池パックを保護するための機構を意味する。２次的保護を達成するために、電池パック（１０）内の各セルの電圧および温度が監視される必要がある。動作条件が安全圏から外れている場合、適切な故障検出信号が、主ＢＭＳまたは制御マイクロプロセッサとは独立して動作する保護回路に配送される。ＷｉＢａＡＮでは、図９（ｂ）に示されるように、セル電池（１０）が安全とは考慮されない条件で動作している時、主ＢＭＳ（１００）は、電池セルへのさらなる破損を回避するための動作を起こす（これが主保護である）。たとえば、主ＢＭＳ（１００）は、電池回路を切断するために、主保護回路または回路ブレーカーと通信できる。したがって、本発明の他の実施形態では、保護回路（６００）は、無線通信性能も備えられる。いかなる理由でも、主ＢＭＳ（１００）がスレーブ（２００）からの故障信号に反応できない時は、スレーブ（２００）は、電池セル（１０）を保護するために、無線チャンネルを介して２次保護装置（ＳＰＤ）に直接フラグ信号（超過電圧または不足電圧フラグ）を通信する。開示されたＳＰＤ（６００）は、ＲＦ基地局（６１０）、判定装置（６２０）、コントローラ（６３０）およびＲＦアンテナ（６４０）を含む。ＳＰＤ（６００）は、電池パック（１０）への主充電／放電ケーブルを切断するための主リレーまたは回路ブレーカー（６６０）を制御できる。従来の電池パック構成が、時に追加的なワイヤハーネスを伴う２次的保護装置を実装する一方、開示されたＷｉＢａＡＮは、ワイヤハーネスの追加的な負担を伴うことなく、ＳＰＤ（６００）のみを必要とする。さらに、Ｓ−ＢＭＵ（２１０）ユニットは、ＷｉＢａＡＮにおいてＳＰＤ（６００）のために使用されうる。

図１０（ａ）は、電池セル（１０）上に設けられたＳ−ＢＭＵ（２１０）を示すブロック図である。Ｓ−ＢＭＵ（２１０）は、次を含む：電池センサユニット（２４０）、ＲＦ無線一式（２２０）、オンボードアンテナ（２３０）、電源管理ユニット（２２２）、デジタル信号処理ユニット（２２６）、および電池制御ロジック（２５０）。Ｓ−ＢＭＵ（２１０）は、オンボードアンテナ（２３０）および水晶を除く全ての主な機能ユニットを含む、単一シリコンチップソリューション（２２０）によって実装されうる。電池センサユニット（２４０）は、電池セル（１０）の電圧、電流、インピーダンスまたは温度を計測するためのアナログセンサと、アナログデータ多重化装置と、高解像度アナログ−デジタル変換器（２２７）とを含む。Ｓ−ＢＭＵ（２１０）の主な特徴の一つは、電池の平衡化とバイパス（２５１）の制御可能性を提供することである。

図１０（ｂ）は、電池制御ロジック回路（２５０）並びに平衡およびバイパス回路（２５１）のブロック図である。電池制御ロジック回路（２５０）は、超過電圧および不足電圧フラグ生成ユニット（２５２）と、後続の制御信号を生成するための平衡動作制御ユニット（２５３）とを含む：受動的平衡（ＰＢＡＬ）；能動的平衡（ＡＢＡＬ）；またはバイパス制御（ＢＰＡＬ）。平衡およびバイパスの制御命令は、Ｍ−ＢＭＵ（１００）から対応するＳ−ＢＭＵ（２１０）に転送され、スレーブベースバンドモデム（２２６）において解釈され、制御ロジック（２５０）に配信される。受動的平衡は、１．パワーＭＯＳＦＥＴ（２５４）および受動抵抗（２５５）によるチップレベルで；２．外部電源スイッチ装置および受動的要素によるボードレベルで；または、内部および外部的な方法の組合せを含む、複数の方法によって実装されうる。能動的平衡機能は、特有かつ好適で選択的なセル均等化技術（２５１）に基づいて、オンボードで実装されうる。選択的セル均等化技術は、Ｍ−ＢＭＵ（１００）のＳｏＣデータを使用して実行される。第１に、Ｍ−ＢＭＵ（１００）は、最高充電電圧を有するＳ−ＢＭＵ（２１０）に能動的平衡命令を伝達する。第２に、Ｓ−ＢＭＵ（２１０）からの追加電荷が、スイッチ（２５６）および第２変圧器（２５７）を介して主変圧器に配電される。第３に、Ｍ−ＢＭＵ（１００）は、最低電荷を有する電池セルを選択し、スイッチ（２５６）をオンに切り替えることで主変圧器から第２変圧器（２５７）への電荷再分配を引き起こし、能動的平衡を達成する。制御ユニット（２５３）は、超低オン抵抗リレースイッチ（２５８）を制御することによって、電池スタックの一連のうち故障したどの電池もバイパスできる。Ｓ−ＢＭＵ（２１０）は電池セル（１０）上に設けられ、直接計測された温度および電流データは、電池環境および動作にマッピングされうる。

短距離無線データ通信の規格には、近距離無線通信（ＮＦＣ）、無線自動識別（ＲＦＩＤ）、ジグビー（登録商標）またはブルートゥース（登録商標）等、当業者に知られた様々な規格がある。それらは、低製造コストおよび小さい電波到達範囲のため、多くの領域で好ましく実装されてきた。しかしながら、可変な高速度データ通信への要求、およびネットワークセンサ（２００）の非常に高い集密度（分布）の取り扱いのため、ＷｉＢａＡＮは、上述の規格よりも、アプリケーション駆動の特別な設計および仕様を必要とする。金属筐体によって覆われた電池パック内にそれが所在して、潜在的な電磁干渉（ＥＭＩ）および電磁両立性（ＥＭＣ）を回避したとしても、最高インピーダンスの問題が残る。さらに、以下の特徴がＷｉＢａＡＮについて考慮されるべきである：可変ＲＦ電源出力、全方向ビルトインアンテナ、超低電力動作、安全なＱｏＳ、広い温度範囲にわたる堅牢な動作性、電池分布の自動識別、および自動モード制御。

図１１は、好ましいＷｉＢａＡＮ技術を動作させるために必要とされる手順の基本的な機能的流れを示す。これは、５モード処理である。ＷｉＢａＡＮの工場モード（６１０）が、自動または走査方法による各Ｓ−ＢＭＵの識別情報（Ｉ．Ｄ．）の設定によって定義され、それから、それは、全てのＳ−ＢＭＵのＩ．Ｄ．およびＭ−ＢＭＵのメモリの検索空間における電池接続形態を格納する。電池パック（１０）がシステム内に装備される時、ＷｉＢａＡＮ装置は、モードを工場モードからスタンバイモード（６２０）に変換する。それは、複数のＳ−ＢＭＵ（２００）およびＭ−ＢＭＵ（１００）がスタンバイモード（６２０）に入るように試みる。スタンバイモード（６２０）は、基本的なシステム確認および診断、基本的なＲＦ通信チャネル確認、およびキャリア周波数、ＬＯ周波数、信号バンド幅や利得等のＲＦ無線のパラメータの初期設定を実行する。活動モード（６３０）では、電池監視データを転送するため、または平衡化またはバイパスすることによる電池動作を制御するために、全てのＳ−ＢＭＵ（２００）は、それらの電池動作状態およびＭ−ＢＭＵ（１００）との通信を監視している。Ｍ−ＢＭＵ（１００）は、所定周期および順序で各電池のデータを順に収集し、各電池およびそのパックのＳｏＣおよびＳｏＨを算出する。１つのＳ−ＢＭＵ（２１０）がＭ−ＢＭＵ（１００）との通信を完了した後、それが自動的にスリープモード（６４０）に入る一方、次の隣接Ｓ−ＢＭＵ（２１０）が活動モード（６３０）に移行する準備をする。スリープモード（６４０）では、Ｓ−ＢＭＵ（２１０）とＲＦ無線内の不使用の構成要素とは、電力を節約するために電源が落とされる。監視役により規定される所定時間の経過後、Ｓ−ＭＢＵ（２１０）は、再起動するために、Ｍ−ＢＭＵ（１００）からのパケットに傾聴し始める。電池パックの主電源スイッチが切られる時、電池パックは、全てのＳ−ＭＢＵ（２１０）機能を使用不能とする電源落ちモード（６５０）に入る。その間、専用電池によって電源供給されるＭ−ＢＭＵ（１００）は、システムの診断を実行する。Ｍ−ＢＭＵ（１００）によって生成される電源立上げ信号（６６０）は、全てのＳ−ＭＢＵ（２１０）を電源落ちモード（６５０）からスタンバイモード（６２０）に移行させる。

要するに、本発明のＷｉＢａＡＮと他の無線電池監視システムとの間には、いくつかの重要かつ特有な差異がある。第１に、本発明のＷｉＢａＡＮは、周波数への敏感性、可変なデータ転送速度、自己メンテナンスするＲＦ無線構成を採用する、特有な時分割半二重無線データ通信技術を伴う。第２に、ＢＭＳコントローラと複数の電池センサとの間の相互作用は、各電池セルの状態のデータを監視および収集でき、各電池セルの電荷平衡化およびバイパスを制御でき、閉制御ループとの無線リンクを維持できる。また、本発明によれば、ＷｉＢａＡＮは、特定の応用において数千の電池セルを取り扱うように、階層ツリー構造に拡張できる。さらに、他の無線システムに対するコストは、コスト重視の大規模電池使用には耐えがたいものである一方、本発明は、非常にコスト効率の良い、シングルチップソリューションを提供する。したがって、本発明の無線電池エリアネットワーク（ＷｉＢａＡＮ）構成は、Ｌｉイオン電池パックのコストを顕著に低減する一方、信頼性をもって拡張性を向上する。

本発明が、その好ましい実施形態を参照しつつ記載されてきたが、当業者によれば、本発明の思想および範囲から逸脱することなく本発明を含む部分および方法に様々な変更がなされうると解される。

Claims (12)

1. 拡張性を有する知的な電池パック管理のための無線電池エリアネットワーク（ＷｉＢａＡＮ）システムであって、
   少なくとも１つの対応する電池セル（１０）にそれぞれ接続され、前記少なくとも１つの対応する電池セル（１０）を監視するように構成される少なくとも１つのセンサを含む複数のセンサ電池管理ユニット（Ｓ−ＢＭＵ）（２１０）と、
   前記複数のＳ−ＢＭＵ（２１０）の動作および通信を管理するように構成される複数の主電池管理ユニット（Ｍ−ＢＭＵ）（１００）であって、前記複数のＳ−ＢＭＵ（２１０）のそれぞれは、時分割モード（ＴＤＭ）である第１無線モードにより前記複数のＭ−ＢＭＵ（１００）の少なくとも１つに接続される、前記複数のＭ−ＢＭＵ（１００）と、
   前記複数のＭ−ＢＭＵ（１００）の動作および通信を制御するように構成される少なくとも１つの最上位電池管理ユニット（Ｔ−ＢＭＵ）（５１０）であって、前記少なくとも１つのＴ−ＢＭＵ（５１０）は、周波数分割モード（ＦＤＭ）である第２無線モードにより各前記Ｍ−ＢＭＵ（１００）に無線で接続される、前記少なくとも１つのＴ−ＢＭＵ（５１０）と、
   前記第１および第２無線モードの少なくとも一方により使用される通信チャネルの特性を確認する、干渉を最小化する組の通信パラメータを決定する、利得制御を行う、ならびに、閉制御ループを使用することにより前記複数のＳ−ＢＭＵ（２１０）、前記複数のＭ−ＢＭＵ（１００）、および前記少なくとも１つのＴ−ＢＭＵ（５１０）間の各無線リンクを維持する、ように構成される少なくとも１つの通信コントローラと、
   を含むシステム。
2. 前記セル（１０）間の電荷を再平衡化するために、少なくとも２つの電池セル（１０）に接続された再平衡化手段（２５０，２５１）をさらに含み、
   前記セル（１０）がおよそ最大電荷に到達する時はいつでも、その超過電荷が、当該最大電荷以下にあるセル（１０）に自動的に再分配される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記再平衡化手段（２５０，２５１）は、前記システムの残りから前記セル（１０）を切断できる、請求項２に記載のシステム。
4. 前記Ｍ−ＢＭＵ（１００）から離れており、前記Ｍ−ＢＭＵ（１００）が少なくとも１つの前記Ｓ−ＢＭＵ（２１０）からの故障信号に反応的でない時はいつでも、無線で前記Ｓ−ＢＭＵ（２１０）に指示を送信するように構成される第２保護手段（ＳＰＤ）（６００）をさらに含む、請求項３に記載のシステム。
5. 無線で前記Ｍ−ＢＭＵ（１００）と通信するために、個別のＳ−ＢＭＵ（２１０）にそれぞれ取り付けられた複数の無線リピータ手段（６１０）をさらに含み、
   それにより前記Ｓ−ＢＭＵ（２１０）の無線到達範囲を拡張する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記電池セル（１０）が筐体に配置されており、前記Ｓ−ＢＭＵ（２１０）は、当該電池セル（１０）筐体にそれぞれ直接的に設けられる、請求項５に記載のシステム。
7. 前記電池セル筐体に設けられた各前記Ｓ−ＢＭＵ（２１０）は、電圧、電流、インピーダンスおよび温度からなる群から選択される前記電池セル（１０）の状態を計測するための少なくとも１つのセンサ（２４０）を含む、請求項６に記載のシステム。
8. 前記第１および第２無線モードは、二重方式の通信を容易にする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記システムはスターネットワーク接続形態を有する、請求項８に記載のシステム。
10. 前記Ｓ−ＢＭＵ（２１０）は、単一チップ上に組み込まれる、請求項９に記載のシステム。
11. 前記Ｍ−ＢＭＵ（１００）の１つおよび複数の前記Ｓ−ＢＭＵ（２１０）からそれぞれ構成される複数の電池管理群（４００）をさらに含み、
    各前記電池管理群（４００）は、前記複数の電池管理群（４００）の中の少なくとも１つの他の電池管理群（４００）と無線通信リンクを確立する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のシステム。
12. 前記電池管理群（４００）間の前記無線通信リンクは、２つ以上の前記Ｍ−ＢＭＵ（１００）間の無線周波数干渉の抑制を容易にするために使用される、請求項１１に記載のシステム。

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